工程材料及机械制造基础课件1

工程材料及机械制造基础顾伟生绪论一、课程的性质它是一门综合性技术的基础课，主要研究工程材料（主要是金属材料）的组织结构与性能，及其加工工艺的一门学科。1、材料为什么各种金属材料（甚至是同种金属）会出现各种不同的性能？如：软、硬、变形、磨损等。这与它们内部的成分、组织结构及热处理工艺有关。2、加工工艺2、加工工艺热加工：铸造、锻造、焊接等，（热处理）冷加工：切削加工（机加工、钳工）铸、锻、焊、切削加工——是以改变形状为主。热处理——是以改变性能为主。二、内容1、材料及热处理。2、铸造、锻造、焊接、切削加工。三、要求1、了解常用金属材料的性能及选用。2、了解各种成型方法的工艺特点。3、零件的结构工艺性。※学习方法：归纳总结、适当记忆、联系实际、反复运用。※考核：重在平时小测验、作业、质疑、考试、上课提问。第一章合金材料及热处理§1金属及合金的性能一、机械性能∆L1、强度（金属材料在外力作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力）屈服强度材料在载荷保持不变而变形继续增加。抗拉强度材料在断裂前能承受的最大应力。)(0MPaFPss)(0MPaFPbb其中：PS——试样产生屈服现象时的载荷(N)Pb——试样在断裂前的最大载荷(N)F0——试样原来的横截面积(mm2)σσS安全σSσσb塑性变形σbσ断裂∴大多数量的零件设计的依据以σS。2、塑性（金属材料在外力作用下，产生永久变形而不被破坏的性能）（1）延伸率δδ=(L1-L0)/L0×100%（2）断面收缩率ΨΨ=(F0-F1)/F0×100%工程上一般:δ5%的材料称为塑性材料，如低碳钢。δ5%的材料称为脆性材料，如铸铁。3、硬度（金属材料抵抗硬物压入的能力）布氏硬度：以压痕单位球面积上所承受载荷的大小，作硬度值。（HB）洛氏硬度：以压痕的深度来确定其的硬度值。（HRC）HBS淬火钢球，用于测定较软金属材料（450HBS）如有色金属、灰铸铁、退火、正火、调质钢。HBW硬质合金球，用于测定较硬金属材料（450HBW）。HRC≈1/10HBS4、冲击韧性（材料抵抗冲击力的能力）ak=AK/F(J/cm2)其中：AK——冲断试样所需的冲击功（单位为J）F——试样断口处截面积（单位为cm2）失效断裂塑性变形磨损性能σb,akδ,σSHB,HRC二、物理性能和化学性能如：比重、熔点、耐腐蚀性等。三、工艺性能（材料适应成形加工工艺的能力，反映对材料成型加工的难易程度）铸造性能压力加工性能切削加工性能焊接性能切削加工性能热处理工艺性能思考：1、金属材料的机械性能中哪个性能最好？2、已知某钢材的σS=240MPa，σb=400MPa，在Ф20mm的拉杆上分别承受以下的拉力：F1=5×104N；F2=1×103N；F3=1.5×105N。试问会产生什么现象？作业：P11.（5）§2铁碳合金和状态图一、碳钢碳钢——铁碳合金。C2.11%，另外还有少量Si、Mn、S、P等（称杂质）。C：C↑——σ、HB↑，δ、ak↓。当C0.9%时，σ↓Si：Si↑——σ、HB↑，δ、ak↓。但∵Si含量少，故影响不大。Mn：Mn↑——σ、HB↑，并减少S的危害。也∵Mn含量少，故影响不大。S:生成FeS，FeS与Fe形成晶体（985℃熔点），易热脆。P：P↑——σ、HB↑，δ、ak↓↓。易冷脆。1、碳及杂质对碳钢性能的影响2、碳钢的分类（1）按钢的含碳量不同分为：低碳钢Wc≤0.25%中碳钢Wc=0.25%～0.60%高碳钢Wc0.60%（2）按钢的质量分为:（根据钢中S、P含量）普通碳素钢S0.055%,P0.045%优质碳素钢S0.04%，P0.04%高级优质碳素钢S0.03%，P0.035%（3）按用途不同分为：碳素结构钢：主要用于制造各种工程结构（如桥梁、船舶、建筑等）机器零件（如齿轮、螺栓等）。这类钢一般为低碳钢和中碳钢。碳素工具钢：主要用于各种刀具、量具和模具。大多为高碳钢。3、碳钢的编号和用途（1）碳素结构钢如：Q235。其中：Q——屈服强度的“屈”汉字拼音字首，235——屈服强度的数值（MPa）此类钢一般在应状态下使用，必要时可进行锻造、焊接等热加工，亦可通过热处理调整其机械强度。（用途见P31B1—5）（2）优质碳素结构钢如：45（08，10，15，20，55，60）用两个数字表示其牌号。（钢中平均含碳量）。优质碳素结构钢中的S、P含量较少，一般用于较重要的零件，常进行热处理提高其力学性能后使用。供货时既保证其力学性能又保证其化学性能。低碳钢：σ、HB较低，δ、ak较好。可焊性、可锻性良好。主要用于制作冲压件、焊接件、渗碳件及强度要求不高的零件。中碳钢：σ、HB、δ、ak适中。经热处理后有较好的综合力学性能。常用于齿轮、轴、连杆、丝杠等受力较大的零件。高碳钢：σ、HB、弹性较高，δ、ak较差。常用于制造要求具有较高强度，耐磨性和弹性的零件。如弹簧（板、螺旋、垫圈弹簧等）、轧辊、钢丝绳等。（3）碳素工具钢如：T12,T12A其中：T——汉字“碳”或汉字拼音字母“T”，12——含碳量的的千分之几，A——高级优质钢。*碳素工具钢都是高碳钢、优质钢。*碳素工具钢的热硬性差（200℃），故只能作低速切削工具。T8，T8A——中心冲、剪刀等。T7，T7A——凿子、锤子、木工工具等。T10，T10A——丝锥、板牙、铰刀等。T12，T12A——锯条、锉刀、量具等。问:从Q235、45、T8A三种钢的牌号上判断其含S、P量的大小？二、纯铁的晶体结构和结晶过程一切固体物质按其原子排列的特征分为：晶体——原子具有规则排列的物体。如食盐、金刚石、石墨、合金等。（P13.f1─9a）非晶体——原子不具有规则排列的物体。如塑料、玻璃、沥青等。1、纯铁的晶体结构晶格（空间格子）——原子按一定的规则排列的几何图形。（P13.f1─9b）晶胞——晶格的一个基本单元。（晶胞的大小用共棱长一晶格常数来表示。其数值通常在2.5~5.0之间。Å=10－4um（埃）[1Å=10－10m]）（P13.f1─9c）晶核——结晶的中心。（自发晶核和外来晶核）晶粒——每个晶核长成的晶体。晶体缺陷按几何形状分为：点缺陷（晶格空位、间隙原子、置换原子）线缺陷（晶体中呈连续线状分布的位错）面缺陷（晶界、亚晶界）晶界（晶粒之间的接触面）特点：①原子排列不规则；②有杂质原子；③强度高。）晶体缺陷按几何形状分为：点缺陷（晶格空位、间隙原子、置换原子）线缺陷（晶体中呈连续线状分布的位错）面缺陷（晶界、亚晶界）纯金属的两种常见晶体结构（或晶格类型）：体心立方晶格——α－Fe、Cr、W等。面心立方晶格——γ－Fe，Cu，Al等。由于排列方式不同，原子间的距离不同，作用力也不同，故呈现的性能也不同。（如面心立方晶格塑性好）问：结晶的实质是什么？2、纯铁的结晶过程液态金属固态金属结晶结晶：形核——长大过冷——液态金属冷却到理论结晶温度以下才开始结晶的现象。过冷度△T=T0－Tn问：一种金属的熔点恒定吗？过冷度恒定吗？同素异构转变同素异构转变——在固态下由于温度的变化（改变）而发生晶格改变的现象。二、铁碳合金1、铁碳合金的基本组织在铁碳合金中，碳常以三种形式存在：（1）石墨形态独立存在（2）固溶体（碳溶解于铁的晶格中）（3）金属化合物（碳和铁形成化合物）固溶体（1）固溶体——合金在固态下溶质原子溶入溶剂晶格而保持溶剂晶格类型的金属晶体。糖溶入水得到糖的水溶液——糖水。水是溶剂，糖是溶质。如糖水结成冰，则得到糖在水中的固溶体。溶剂——含量较多的元素，保持原晶格。溶质——无自身晶格，含量少。（2）固溶体是单相，它具有与溶剂金属相同的晶格。其基本性能也同溶剂。固溶体（3）根据溶解的方式不同，固溶体可分为：①置换固溶体（溶剂晶格结点上的原子被溶质原子所代替）②间隙固溶体（溶质原子溶入溶剂晶格的间隙之中）固溶体(4)大多数固溶体的溶解度都是有限的，其饱和溶解度都随温度的升降而增减。铁碳合金的基本组织基本组织有以下四种：（1）铁素体F（2）奥氏体A（3）渗碳体Fe3C（4）珠光体P（1）铁素体F性能：δ=30～50%，σb=180～280MPa碳溶解于α－Fe中的间隙固溶体。（保持α－Fe的体心立方晶格）∵碳原子的溶入引起晶格畸变∴σ、HB↑，δ、ak↓F的溶碳能力很小，727℃时最大也只能固溶0.02%的碳。（室温时，0.0008%C）F的性能接近纯铁，σ、HB低，δ、ak很好。（低碳钢中F较多）（2）奥氏体A性能：δ=40～50%，HBS=170～220碳溶解于γ－Fe中的间隙固溶体。（保持γ－Fe的面心立方晶格）A溶解碳的能力较大，在1148℃时可最大达2.11%的碳，随着温度的下降，在727℃为0.77%的碳。A属高温组织（727℃以下不存在），故σ、HB不高，δ很好。（无磁性）（3）渗碳体Fe3C性能：δ、ak≈0，熔点≈1600℃，硬度≈800HBFe3C是铁和碳形成的金属化合物。（具有复杂的晶格）Fe3C中的碳的含量为6.69%，其性能HB高，σ低，δ很差，硬而脆。Fe3C的形状、大小、分布和数量对钢的性能又极大的影响。（4）珠光体P性能：δ=20～25%，σb=600～800MPa，HBS=170～230P是F和Fe3C的机械混合物。P的含碳量为0.77%。它的性能取决于两者各自的性能和相对数量，并与它们的形状、大小、分布有关。（如中碳钢比低碳钢中的c含量多，∴其σ、HB稍高，δ、ak则稍低）。2、铁碳合金状态图及其分析（主要为钢的部分）铁碳合金状态图是研究铁碳合金在平衡状态下的组织随温度和成分变化的图形。（1）铁碳合金状态图铁碳合金状态图（实际上是Fe—Fe3C状态图）（由于含碳量大于6.69%的铁碳合金组织已由碳化物所取代，在工业上已无实用价值，因此实用的铁碳状态图只研究含碳量由0～6.69%的部分，即Fe—Fe3C状态图）点P19B1-8(8个点)线P19-P20（6条线）（某一成分的合金缓慢冷却或加热时与图中的线相交，则该合金内部将发生组织的变化）。面P18F16中。（指出区域与组织）（2）碳钢的结晶过程分析补充：共晶转变液态到固态的过程即结晶过程。含碳量大于2.11%的铁碳合金冷却到1148℃均发生共晶转变。共晶转变是在1148℃的恒温下，从含碳4.3%的液态合金中同时结晶出A和Fe3C晶体的机械混合物。（即高温莱氏体Ld，反应的产物是在共晶渗碳体的基体上分布着粒状奥氏体的机械混合物）（2）碳钢的结晶过程分析所谓共晶是指合金在一定的条件（温度、成份）下，由液态合金中同时结晶出两种不同的晶体，而形成一种特殊构造的共晶体组织的转变。共晶反应（转变）：共晶转变如同纯铁的结晶一样是在恒温下进行的。（2）碳钢的结晶过程分析右边写组织Ld——A+Fe3C左边写转变Ld’——P+Fe3C（称低温莱氏体）（2）碳钢的结晶过程分析共析反应:含碳量为0.77%的A，冷却到727℃发生共析反应。其反应是在恒温下进行，产物是片状P。（2）碳钢的结晶过程分析•根据含碳量与共析成分的点，可将钢分成三类：（2）碳钢的结晶过程分析三类钢在缓慢冷却时的转变：（右边写组织，左边写转变）三类钢的室温金相组织P21.F1-17或中钢的部分。问：①45钢从液态冷却到室温是什么组织？②为什么45钢（T10钢）的含碳量小于（大于）0.77%，但它冷却到PSK线（即A1）也发生共析反应？作业：写出45钢，65钢从液态缓慢冷却到室温时的转变。§3钢的热处理热处理——通过对钢在固态下的加热、保温和以不同速度冷却的方法来改变钢的内部组织结构，从而达到改善和提高其性能的一种工艺方法。§3钢的热处理*在整个热处理过程中，不允许改变钢件的形状和尺寸。热处理普通热处理（退火、正火、淬火、回火）表面热处理（表面淬火、渗碳、渗氮、碳氮共渗等）一、退火退火——将钢加热到AC3（亚共折钢）或