工程材料与成型工艺

第一章：工程材料的分类及力学性能一、工程材料的分类金属材料黑色金属非铁金属高分子材料塑料、橡胶、纤维陶瓷材料普通陶瓷、特种陶瓷复合材料金属基、塑料基、橡胶基、陶瓷基二、工程材料的力学性能1、强度：材料抵抗外力作用下变形和断裂的能力（MPa）（1）弹性限度0eSFe（2）屈服点0sSFs屈服阶段特点：负荷F不变，或略有升高，伸长量L继续显著增加（3）条件屈服极限2.0（无明显屈服现象）（4）抗拉强度b（材料能抵抗最大塑性变形和断裂的能力）2、塑性：在外力作用下，材料产生永久性变形而不破坏的能力（柔软性）断后伸长率=00LLLu断面收缩率=00SSSu。，越大塑性越好3、硬度（耐磨性）：材料抵抗变形特别是压痕或划痕行成的永久变形的能力。（1）布氏硬度HBW/HBS：以式样压痕的表面积A去除符合下所得的商压头：硬质合金头/淬火钢球HBW=F/A优点：能准确反映试样的真实硬度。缺点：不适于检验小件薄件和成品件。350HBW10/1000/30：用直径10mm的硬质合金钢球在9.807KN试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为350。（2）洛氏硬度HR：以残余压痕的大小作为计量硬度的依据。压头：金刚石圆锥、钢球或硬质合金球HR=100-n/0.00260HRBW/s：用硬质合金球/钢球压头在B标尺上测得洛氏硬度值为60。优点：压痕面积小，可检测成品小件和薄件，测量范围大，测量简便迅速。缺点：对内部组织和性能不均匀的材料测量不准确。4、冲击韧性ka：在冲击再和作用下抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力。5、疲劳强度：b121材料在规定N次的交变载荷作用下，而不致引起断裂的最大应力称为疲劳强度。6、断裂韧度ICK：是指带微裂纹的材料或零件阻止裂纹扩展的能力。第二章：金属学基础一、金属的晶体结构1、晶体与非晶体固体晶体金属规则排列熔点一定各向异性非晶体非金属排列不规则熔点不一定各向同性2、典型金属晶格类型体心立方晶格共用原子9Fe钠钾铬铝钨钒铌每个晶格2原子面心立方晶格共用原子14Fe金银铝铜镍每个晶格4原子密排六方晶格共用原子15镁锌铍钙每个晶格6原子3、金属的同素异构转变：同一金属在一定温度下，发生晶体结构变化的现象。纯铁在固态下发生两次同素异构转变二、金属的结晶1、过冷现象：结晶过程中，nT总是低于0T的现象0T：理论结晶温度；nT实际结晶温度过冷度：0T与nT的差值，nTTT02、过冷是金属结晶的必要条件。3、结晶的一般过程晶核的形成自发形核非自发形核晶核长大主要取决于过冷度。实质是液体中的金属原子向晶核表面迁移的过程4、晶粒越细，不仅其强度，硬度越高，而且塑性和韧性也越好。5、晶粒的大小取决于：形核率N、生长线速度G6、细化晶粒的方法：快速冷却、变质处理、振动搅动、热处理压力加工三、金属的塑性变形与再结晶1、金属塑性变形的实质：滑移（塑性变形的主要形式）2、冷变形：在低于某一温度（再结晶温度）情况下进行的塑性变形。3、加工硬化：金属发生冷变形时，随着变形量的增加，金属强度和硬度会增高，塑性与韧性会下降。加工硬化是提高金属强度硬度强化金属材料的重要方法之一，4、回复：金属加热到某一温度以上时，通过原子的少量扩散而消除晶粒的晶格扭曲，可显著降低金属的内应力。对应的温度称为回复温度。5、再结晶：可以全部消除加工硬化。再结晶温度：能够进行再结晶时最低温度。四、合金结构与合金相图1、固溶体（接近金属，塑性好）合金的组元之间以不同比例相互混合，混合后形成的固体晶体结构与组成合金的某一组元相同，这种相称为固溶体。分类：置换固溶体、间隙固溶体。固溶强化：提高合金的强度，硬度2、金属化合物：各种元素按一定比例形成的具有金属特性的新相，它的晶体类型不同于任一元素。分类：正常价化合物、电子价化合物、间隙化合物3、机械混合物：合金的组织之一。第三章：铁碳合金一、铁碳合金的基本组织二、铁碳合金状态图应用二、铁碳合金状态图应用1、含碳量对组织平衡的影响任何成分的铁碳合金在室温下的组织均由铁素体和渗碳体两相组成。随C含量增加，组织按F→F+P→P→CFP3e→dLCFP3e→Ld’→CFdL3e→CF3e2、含碳量对力学性能的影响当含碳量0.9%时，随着钢中含碳量的增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。当含碳量0.9%时，强度明显下降，但硬度仍升高，塑性和韧性下降。当含碳量2.11%时，硬度高脆性大，难以切削加工。名称符号释意特点备注固溶体铁素体FC在α-Fe中的间隙固溶体强度、硬度较低；塑性、韧性高体心立方晶格结构溶碳能力很低，接近于纯铁奥氏体AC在r-Fe中的间隙固溶体面心立方晶格结构，溶C能力比Fe大，适用于压力加工金属化合物渗碳体CF3e一种具有复杂结构的间隙化合物硬度、脆性极高一般在钢和铸铁中呈片状或球状存在；在固态下不发生同素异构变化机械混合物（共晶体）珠光体P铁素体与渗碳体的机械混合物综合力学性能较好的组织适用压力加工和切削加工高温莱氏体Ld奥氏体和渗碳体的共晶体硬度高、脆性大、塑性差低温莱氏体Ld’珠光体和渗碳体的混合物三、CFF3ee状态图分析1、六点A纯铁的熔点C共晶点D渗碳体熔点E奥氏体最大溶解度点GFe同素异构转换点PC在α-Fe中的最大溶解度点S共析点2、六线ACD液相线（开始结晶线）AECF固相线（固液分界线）ECF共晶线PSK共析线GS奥氏体中析出铁素体的开始线ES碳在奥氏体中的固溶度曲线奥氏体中析出渗碳体的开始线3、六区钢亚共析钢w（c）0.77%共析钢w（c）=0.77%过共析钢0.77%—2.11%白口铸铁亚共晶白口铸铁2.11%—4.3%共晶白口铸铁4.3%过共晶白口铸铁4.3%—6.69%第四章：钢的热处理一、钢在加热时的组织变换1、加热时的临界点标c，冷却时的临界点标r。2、共析碳钢的奥氏体化过程：界面形核→奥氏体晶核长大→未溶CF3e溶解→奥氏体均匀化3、加热和保温的目的：为了获得均匀的奥氏体组织。4、奥氏体晶粒度及其控制（1）奥氏体晶粒度：评定钢的加热质量优劣的主要标准。（2）获得细小均匀奥氏体晶粒方法：热处理生产中，控制加热温度和保温时间。（3）影响奥氏体晶粒度的因素：加热温度和保温时间：温度过高，时间过长，晶粒粗大。加热速度：冷却时，过冷度大，珠光体组织得到细化。加热时，过热度大，奥氏体晶粒细化。加热速度快，过热度大，有利于细化奥氏体晶粒。钢的组织及成分：钢的原始组织越细，有利于获得细晶组织。二、钢在冷却时的组织转变1、冷却方式：连续冷却（退火、正火、淬火）、等温冷却2、共析碳钢过冷奥氏体等温转变3、奥氏体的连续冷却转变三、钢的退火与正火1、退火（炉冷）（1）将钢加热到一定温度，保温一定时间，然后缓慢的冷却以获得接近平衡态组织的热处理工艺。（2）特点：缓慢冷却（炉冷、坑冷、灰冷）（3）目的：降低硬度、提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工；细化晶粒；消除应力。（4）分类：完全退火不完全退火等温退火缩短时间，提高生产率球化退火主要用于共析钢和过共析钢主要目的：降低硬度为淬火做好准备和提高工件淬火回火后的耐磨性去应力退火钢加热到1cA以下保温后随炉冷到300℃以下出炉空冷的工艺方法主要目的：消除内应力，防止变形开裂2、正火（空冷）（1）概念：钢加热到3cA或cmcA以上30~50℃，保温一定时间后，以适当的速度冷却（空冷、风冷、雾冷）而获得索氏体组织的工艺方法。（2）目的：对于低中碳钢：细化晶粒，使组织均匀改善切削加工性能对于共析钢：消除组织中网状渗碳体为球化退火做好组织准备，提高球化效果。改善和细化铸件的铸态组织3、退火与正火的选择如工件对性能要求不高，正火能满足要求时用正火亚共析钢正火大型重要工件正火形状复杂工件退火（放开裂）批量生产正火代替退火四、钢的淬火（硬度高、脆性大）1、概念：钢加热到3cA或1cA以上一定温度，保温一定时间后，快速冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺方法。2、目的：为了得到马氏体；提高工件的硬度和耐磨性；提高弹簧钢的弹性极限；改善某些钢的物理化学性能。3、淬火加热温度的选择：亚共析钢c3A以上30~50℃；共析钢和过共析钢c1A以上30~50℃4、淬火的冷却方法：（1）常见的冷却介质：水、盐水、油、碱水等合金钢：油淬；碳钢：水淬（2）单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火，预冷淬火、冷处理5、钢的淬透性（1）淬透性：表示钢在淬火后能获得淬硬层深度的一种性质。即钢在淬火时获得马氏体的能力，是钢材本身的一种固有属性。（2）淬透层深度：工件表面到马氏体的深度。（3）影响因素（提高奥氏体稳定性的因素）：淬透性越好，临界冷却速度越小，奥氏体越稳定合金元素的影响；含碳量的影响；奥氏体化温度的影响；钢中未溶第二相的影响五、钢的回火1、概念：将淬火后的钢重新加热到1cA线下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺方法。2、目的：（1）降低脆性，减小或消除内应力防止工件产生变形与开裂；（2）通过回火，可使马氏体和残余奥氏体充分分解，从而起到稳定工件组织和尺寸的作用，以保证工件在使用过程中不发生尺寸和形状的变化；（3）对于退火难以软化的某些合金钢，可在淬火或正火后采用高温回火，使钢中硫化物聚集长大而降低硬度，以利于切削加工；（4）淬火工件通过不同温度的回火，可适当的调整其强度、硬度、塑性、韧性，以满足各种工件需要。3、本质：不稳定组织→稳定组织4、回火后组织性能变化（1）性能变化：随着回火温度的↑，硬度强度↓、塑性韧性↑，但温度大于650℃，塑性↓。（2）组织变化回火温度显微组织100℃以下无变化，但马氏体中的C原子偏聚，但未分解100~200℃马氏体分解→回火马氏体回M（过饱和α固溶体+ɛ碳化物）200~300℃残余奥氏体分解，一般转变产物为下贝氏体或回火马氏体300~500℃回火屈氏体回T500~600℃回火索氏体回S5、回火工艺及应用回火工艺回火温度获得组织目的低温回火150~250℃回火马氏体降低应力和脆性，提高韧性，保持工件的高硬度和耐磨性中温回火350~500℃回火屈氏体高弹性极限、屈服强度和适当的韧性高温回火500~650℃回火索氏体为了得到强度与塑、韧性良好配合的综合力学性能6、调质处理：淬火+高温回火第五章：钢和铸铁一、碳钢1、含碳量对力学性能的影响：随着含碳量的增加，铁素体含量的减少，CF3e含量增加，钢的强度和硬度增加，塑性、韧性不断下降，当含碳量超过0.9%以后，钢的塑、韧性继续降低，强度也明显下降。工业上一般含碳量不超过1.3%~1.4%。2、杂质元素对力学性能的影响有益元素锰降低钢的脆性，提高钢的强度，消除硫的有害作用，改善钢的热加工性能硅提高钢的强度、硬度、弹性，降低塑性、韧性有害元素硫含硫多的钢脆性大，具有热脆性磷虽可使铁素体强度、硬度增加，但使室温下的钢塑、韧性急剧降低，使钢变脆（冷脆性），还会使钢的焊接性能变坏3、碳钢的牌号性能和用途分类含碳量牌号应用碳素结构钢0.06%~0.38%Q+数字+质量等级符号+脱氧方法：Q：屈服极限；数字：屈服强度数值Mpa；质量等级：ABCD；脱氧方法：F:沸腾钢、Z：镇静钢、TZ：特殊镇静钢建筑、桥梁、船舶、及车辆制造优质碳素钢08-25钢：低碳钢0.08%~0.85%牌号以平均含碳量的万分数表示制造机器零件35-50钢：中碳钢20、40分别表示含碳量为0.20%、0.45%的优质碳素结构钢60-85钢：高碳钢50Mn：表示平均含碳量为0.50%，含锰量为0.70%~1.0%的较高含量的优质碳素结构钢碳素工具钢0.65%~1.35%牌号以T开头，后面的数字表示平均含碳量的千分数，钢号后加A表示高级优质碳素工具钢量具、刀具、模具T12、T17分别表示平均含碳量为0.7%、1.2%的碳素工具钢二、合金钢1、合金钢的分类、牌号、性能、应用分类牌号性能热处理应用低合金高强度结构钢Q+屈服强度数值Mpa+质量等级良好的综合力学性能、良好的加工工艺性、良好的耐蚀性制造车辆、锅炉、船舶、桥梁、矿用机械等合金结构钢渗碳钢“两位数字+元素符号+数字”前