2材料工艺学(第二章)

材料工艺学第二章2第二章金属材料与工艺•2－1金属材料概述•2－2金属材料的性能•2－3产品设计中常用的黑色金属•2－4产品设计中常用的有色金属•2－5金属的热加工工艺•2－6金属冷加工工艺•2－7金属材料在产品设计中的应用3第二章金属材料与工艺•2—1金属材料概述•金属是由原子按一定规则排列的，金属是由金属元素组成的单质。在已知的100多种元素中，金属元素约80余种。金属在常温条件下都是晶体、由于它们从熔融状态凝固后，一般都是由许多小晶体组成的集合体，又称为多晶体。多晶体的晶粒越细小，对于机械产品设计来说，其性能就越好。•在日常生活和工业生产中能接触到的生活用品，大到机器设备、交通工具、大型建筑物等，都离不开金属。所以，通常把金属的生产和作用作为衡量一个国家工业水平的标志。金属在工业产品材料中占据着中心的地位。4第二章金属材料与工艺•2．1．1金属的造型特征•金属材料除了来源丰富、价格也较便宜外，还具有许多优良的造型特征，主要有：•l．具有特有的颜色，良好的反射能力，不透明性及金属光泽•金属中的自由电子能吸收并随后辐射出大部分投射到金属表面上的光能，所以纯净的金属表面能反光。有良好的反射能力，肌理细密并且呈现各种颜色。（表2-1）•2.具有良好的延展性（塑性变形能力）•由于金属键没有方向性，金属表现出良好的承受塑性变形的能力。可以加工成很薄的箔，或者加工成板材和丝材。金属可以通过铸造、锻造等成型，可进行深冲加工成型，还可进行各种切削加工而达到产品造型的目的。5第二章金属材料与工艺•3.表面工艺性好•在金属表面可进行各种装饰工艺获得理想的质感。如在金属表面上进行涂装、电镀、金属氧化着色，可获得各种色彩。•4.其他性能•金属还具有良好的导电性和导热性，许多金属（约30种）具有超导性。金属材料特别是黑色金属的环境耐候性好，可变复合性优良，可回收利用等综合性能高。6表2-1部分金属的色泽金属色泽铜玫瑰红银、铝、镁、锡银白色锡镍合金淡玫瑰红铁灰白色锌浅灰铅苍灰钛暗灰金、黄铜金黄色镍略带蓝的银白色铬微带蓝的银白色7第二章金属材料与工艺•2．1．2金属的种类•金属材料包括金属和以金属为主的合金。金属及其合金数目繁多，为了便于使用，工业上常把全部金属及其合金分成两大部分：•一是黑色金属铁和以铁为基础的合金（钢、铸铁和铁合金）；•二是有色金属及其合金。•其中应用最广的是黑色金属。以铁为基础的合金材料占整个结构材料和工具材料的90％以上，黑色金属的工程性能比较优越，价格也比较便宜。8第二章金属材料与工艺碳钢：低碳钢、中碳钢、高碳钢黑纯铁按化学成分分色钢合金钢：低合金钢、中合金钢、金高合金钢金属按用途分：建筑钢、结构钢、工具钢、特殊钢属铸铁：灰口铸铁、白口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁材料有铜及铜合金：纯铜、黄铜、青铜、白铜等•色铝及铝合金：工业纯铝、防锈铝合金、硬铝合金、锻铝合•金金、超硬铝合金、铸铝合金•属其他合金：镁合金、锌合金、铅合金、锡合金、钛合金、镍合金、硬质合金等9第二章金属材料与工艺•2—2金属材料的性能••工业产品均在各种不同条件下使用，因此，用来制造机器零件的金属材料，应具有优良的机械性能和工艺性能以及较好的化学稳定性和一定的物理性能。•在产品设计时，必须首先熟悉金属材料的各种主要性能，才能根据零件的技术要求，合理地选用所需的金属材料。•金属的性能包括机械、物理、化学和工艺性能。•主要阐述金属材料的机械性能和工艺性能。10第二章金属材料与工艺•2.2.1金属的机械性能•金属材料的机械性能主要是指力学性能即受外力作用时所反映出来的性能。主要有强度、塑性、硬度、韧性等。•1.强度•强度是金属材料抵抗外力荷载而不致失效的能力，也就是金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的一种性能。按作用力性质的不同，可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。•2.塑性•塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。具有良好塑性的材料，有利于锻压、冷冲和冷拔等压力加工成型工艺。•3.硬度•硬度是金属材料抵抗穿透和划伤的能力。一般情况下金属的硬度愈高，耐磨性也愈好。1112第二章金属材料与工艺•4.韧性•金属材料抵抗塑性变形而不破坏的能力。实践证明，冲击力要比静力具有更大的破坏性。因此，设计制造在冲击载荷下工作的零件时，必须考虑材料的韧性。•5.疲劳强度•疲劳强度是指材料经受无数次应力循环时的最大应力。影响疲劳强度的因素很多，其中主要有循环应力特性、温度、材料的成分和组织，表面状态、残余应力等。•金属材料的各种机械性能并非相互孤立，而是有一定联系的，通常提高金属材料的强度、硬度往往会降低其塑性、韧性。为了提高塑性、韧性，有时就会削弱其强度。1314•应变•是指材料在延长或收缩时的变形。•弹性变形•是指材料在产生变形之后取消应力，恢复到原来形状的能力。•塑性变形•是指材料在产生变形之后，取消应力，不会恢复到原来的形状。•抗拉强度•是指材料在破裂（拉断）前所能承受的最大负载。•屈服强度•是指材料产生永久变形时的应力。15第二章金属材料与工艺•16第二章金属材料与工艺•2.2.2工艺性能•在选用金属材料时，除了按零件工作要求考虑必要的机械性能外，还必须同时考虑其工艺性能。金属材料的工艺性能是指其经受各种加工方法的难易程度，实质上是物理、化学、机械性能的综合。•按照工艺方法的不同可分为铸造性、锻压性、焊接性和切削加工性等。17第二章金属材料与工艺•l.铸造性•金属材料的铸造性包括流动性、收缩性和偏析倾向等。•流动性是指液态金属充满铸型的能力，流动性好的金属，可铸出细薄精致的铸件。•收缩性是指金属凝固时和凝固后体积收缩的程度，金属的收缩不仅会使铸件体积缩小，还会引起铸件产生缩孔、缩松、收缩应力、弯曲变形和开裂等缺陷。•偏析倾向是指金属在凝固过程中，因结晶的先后差异而造成金属内部组织上和化学成分上的不均匀现象，从而导致铸件各处性能上的差异，降低了零件的质量，尤其在大型铸件上易于出现。一般灰口铸铁具有良好的铸造性。18第二章金属材料与工艺•2.锻压性•锻压性是金属能否用锻压方法制成优良锻压件的性能锻压性一般与材料的塑性及其塑性变形抗力有关。普通低碳钢由于其塑性指标较高而具有良好的可锻性，塑性低的金属（如铸铁等），则难以进行压力加工。19第二章金属材料与工艺•3.焊接性•焊接性是指金属材料易于用焊接方法连接起来，而且不需附加特殊措施即能获得优良焊接质量的性能。一种材料的可焊性除了与材料本身各种性能相关外，又与焊接工艺方法有关，某些新工艺的出现往往会改变人们对某些金属材料焊接性的认识。•例如通常认为铝及铝合金的焊接性较差，但由于氩弧焊的应用，使铝合金的焊接并不显得十分困难。因此，用氩弧焊接铝合金时，铝合金的焊接性并不太差。•总的说来低碳钢、低合金钢具有良好的焊接性，铸铁的焊接件较差。20第二章金属材料与工艺•4.切削加工性•金属材料是否易于被刀具切削的性能，称为切削加工性•切削加工性能好的金属对使用的刀具磨损量小，切削用量大，加上表面也比较光洁。它与金属材料的硬度、韧性、导热性等许多因素有关。硬度高的材料固然难以切削，但韧性高的材料切削加工性也不好。•一般钢材来说，其硬度在HB200左右的具有良好的切削加工性。就金属材料种类来说，铸铁、黄铜、铝合金等切削加工性良好，而纯铜，不锈钢的切削加工性则较差。21第二章金属材料与工艺•2－3产品设计中常用的黑色金属•钢铁在产品设计中获得了广泛的应用，它的产量大约占金属材料总产量的90％以上。钢铁根据含碳量可分为三大类：•纯铁•钢（含碳2.ll％以下）•铸铁（含碳2.ll％以上）222324第二章金属材料与工艺•黑色金属从熔融状态凝结的时候，它的原子有序地排列成若干结构，形成晶体。这些晶体排列的布局是由金属从液态冷却到固态（相变）的速率决定的，这种冷却速率也决定了金属是否易碎和有内应力，或者是否柔软并有延展性。•金属在制造过程中的行为和应用中的性质取决于他们的化学组成、原子结构和热处理过程。•钢的后期热处理是一种用来增加机械性能的最常用的方法。25第二章金属材料与工艺晶体排列的布局是由金属从液态冷却到固态（相变）的速率决定的，这种冷却速率也决定了金属是否易碎和有内应力，或者是否柔软并有延展性。26第二章金属材料与工艺•为均质和细化晶粒进行的碳钢和合金钢的热处理：•退火：生成柔软的结构，具有良好的延展性和可锻性。•正火：生成了均质的结构，具有良好的延展性，并且使得晶粒细化。•淬火：将零件加热到一定温度后快速冷却的热处理称为淬火。•回火：淬火后再将零件加热到某个温度，保温一定时间后冷却，这种热处理叫回火。回火的目的是消除淬火后的内应力，避免变形或裂纹，并降低硬度，以求得要求的强度、硬度、韧性和塑性的组合。27第二章金属材料与工艺•2.3.1纯铁•质软、价格昂贵，不能作构造材料使用。纯铁(或通常称为工业纯铁)的特点是:强度低,硬度低,塑性好。•纯铁有极好的铁磁性，主要用于制造磁铁或磁极的铁心，通常不用来制造具有强度要求的结构和外观材料。28第二章金属材料与工艺•2.3.2钢•钢的品种很多，有不同的分类方法。•按照合金元素的有无可分为普通碳钢和合金钢。•按含碳量的多少分为：•低碳钢（＜0.25％C）•中碳钢（0.25％－0.6％C）•高碳钢（＞0.6％C）29第二章金属材料与工艺在工业中应用更多的是按用途分为三类：结构钢（＜0.6％C）、工具钢（0.7％－1.5％C）和特种用途钢，这种分类适用于碳钢和合金钢。•钢按用途分类：结构用碳钢：一般结构用压延钢；机械结构零件用碳素钢；结构钢钢板、型材；钢丝；铸钢结构用合金钢：低合金高强度钢；强韧钢钢工具钢：碳素工具钢；合金工具钢；高速钢特殊用途钢：易切削钢；弹簧钢；轴承钢；量具钢；不锈钢；耐热钢30第二章金属材料与工艺•l.结构钢•结构钢包括建筑工程、桥梁、汽车、铁路车辆、船舶、压力容器、器具及各种机械等的结构部分所使用的板、带、管材以及各种型钢等，这是产品设计中应用最为广泛的一类钢。•结构钢的特点是，除要求所用钢材具有一定的强度外，还必须有足够的塑性和韧性。结构钢分为结构用碳钢和结构用合金钢。•（1）结构用碳钢•1）一般结构用压延钢材在结构用钢中，使用范围最广，广泛用作自行车、家具等。•2）机械结构零件用碳素钢重要的机械零件使用杂质（S、P等）含量少的优质碳素钢。31第二章金属材料与工艺•3）钢（铁）板这类钢材在产品设计中应用广泛。钢（铁板包括镀锌铁板和镀锡铁板。它的加工性好，广泛应用于家庭器具。其他的热轧薄钢板、冷轧薄钢板等在船舶、建筑、车辆及机械制造工业中被广泛采用。•近年来，出现了经各种表面处理的钢板（表2－2）。例如彩色涂层钢板，用它作外观造型材料，产品成型后不需再进行涂装和其他表面处理。•4）钢（铁）丝有软钢（铁）丝和硬钢丝两类，另外还有钢琴丝。•5）铸钢形状较复杂的零件一般采用铸造方法成形，这时所用的钢叫铸钢。32第二章金属材料与工艺33第二章金属材料与工艺•（2）结构用合金钢•1）低合金高强度钢•桥梁、船舶等结构钢用量很大，且无法进行热处理，所以一般在压延或锻造状态使用。连接方法多采用焊接。•2）强韧钢•通过淬火与回火处理使钢具有很好的强韧性。34第二章金属材料与工艺•2.工具钢•工具钢在冶炼过程中是”纯净的“、高合金的钢，用于工具、冲模以及那些需要耐磨性、热稳定性，在高温环境下需要强度或韧性的零件。工具钢常用于那些要求极高的强度和耐磨性的场合。为了达到最佳的性能，工具钢都要进行热处理。35第二章金属材料与工艺•（l）碳素工具钢•在淬火和低温回火之后有很高的硬度和耐磨性，常用于制造刃具、量具、模具或其他工具。•碳素工具钢的钢号用（T）及其后的数字表示，共有T7，T8，T8Mn，T9，T10，Tll，T12，T13等8个钢号。高级优质碳素工具钢，则在数字后加有“A”字。所以从碳素工作钢的钢号即可了解其含碳量，钢号越大钢含碳量高，强度和硬度高，耐磨性好，而塑性及韧性低。•（2）合金工具钢•为了提高淬透性，减少产生淬火变形、裂纹的倾向，提高耐磨性，研制出了合金工具钢