金属工艺学全套教案

金属工艺学什么叫金属工艺学？金属工艺学是一门研究有关制造金属机件的工艺方法的综合性技术学科。它主要研究：各种工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互联系；金属机件的加工工艺过程和结构工艺性；常用金属材料性能对加工工艺的影响；工艺方法的综合比较等。机械制造的基本工程1、产品设计总体设计零部件设计决定功能选用材料决定尺寸及结构细节定出技术要求绘出图纸2、工艺准备决定生产方案制定工艺规程与工艺卡设计并制造工艺装备3、毛坯生产铸件、锻件、冲压件、焊接件、棒料、非金属材料、毛坯等。4、切削加工粗加工、半精加工、精加工、外构件、外协件5、装配与调试组件装配、部件装配、总装、调试6、装箱出厂机械制造的经济性原则材料成本、工时成本直接成本、间接成本生产成本、利润、税金现代先进加工工艺1、采用物化知识的职能来代替人，使人从直接参加生产劳动变为主要负责控制生产。2、采用先进工艺和高效专用设备，使工艺专业化。3、机械加工技术柔性化，大量采用信息技术和计算机技术。材料是可以直接制成成品的东西,如木料、石料、金属材料等。工业生产中所使用的材料属于工程材料，主要包括金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料四大类。金属材料是现代制造机械的最主要材料。金属材料以合金为主，很少使用纯金属。合金是以一种金属为基础，加入其它金属或非金属，经过熔炼、烧结或其它方法制成的具有金属特性的材料。最常用的合金，有以铁为基础的铁碳合金；有以铜或铝为基础的铜合金和铝合金。用来制造机器零件的金属或合金应具有如下性能：1、优良的工艺性能，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、机加工性能等。2、较好的使用性能，包括物理性能、化学性能、力学性能等。§1-1材料的性能材料的性能以金属材料为例包括力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能等。一、金属材料的力学性能力学性能是指金属材料在受外力作用时所反映出来的性能。力学性能指标，是选择、使用金属材料的重要依据。金属材料的力学性能主要有：强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。1、强度强度是在外力作用下，材料抵抗塑性变形和断裂的能力。按作用力性质不同，强度可分为屈服点（屈服强度）、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。在工程上常用来表示金属材料强度的指标有屈服强度和抗拉强度。（1）屈服点当载荷增达到Fs时，拉伸曲线出现了平台，即试样所承受的载荷几乎不变，但产生了不断增加的塑性变形，这种现象称为屈服。屈服点是指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力。用ós表示。ós=（MPa）式中：Fs—试样产生明显塑性变形时所受的最小载荷，即拉伸曲线中S点所对应的外力（N）Ao—试样的原始截面积（mm2）（2）抗拉强度抗拉强度是金属材料断裂前所承受的最大应力，故又称强度极限。常用ób来表示。ób=（MPa）式中：Fb—指试样被拉断前所承受的最大外力，即拉伸曲线上B点所对应的外力（N）。Ao—试样的原始横截面积（mm2）屈服强度和抗拉强度在设计机械和选择、评定金属材料时有重要意义，因为金属材料不能在超过其ós的条件下工作，否则会引起机件的塑性变形；金属材料也不能超过其ób的条件下工作，否则会导致机件的破坏。2、塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形而不致引起破坏的性能。在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫做塑性变形。金属材料的塑性通常用伸长率和断面收缩率来表示。(1)伸长率δδ=（L1-L0）/L0×100%式中：L0—试样原标距的长度（mm）L1—试样拉断后的标距长度（mm）(2)断面收缩率φ断面收缩率是指试样拉断后断面处横截面积的相对收缩值。φ=（A0-A1）/A0×100%式中：A0—试样的原始截面积（mm2）A1—试样断面处的最小截面积（mm2）δ和φ愈大，则塑性愈好。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。3、硬度金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力，叫硬度。它是材料性能的一个综合的物理量。表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。金属材料的硬度可用专门仪器来测试，常用的有布氏硬度机、洛氏硬度机等。（1）布氏硬度（HB）用布氏硬度机测试出来的硬度叫布氏硬度。布氏硬度的特点：布氏硬度因压痕面积较大，HB值的代表性较全面，而且实验数据的重复性也好，但由于淬火钢球本身的变形问题，不能试验太硬的材料，一般在HB450以上的就不能使用。由于压痕较大，成品检验也有困难。通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度。(2)洛氏硬度（HR）在洛氏硬度机上测试出来的硬度叫洛氏硬度。洛氏硬度的特点：洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，而且压痕很小，几乎不损伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最多。但洛氏硬度由于压痕较小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或组织不均的情况，则所测硬度值的重复性也差。4、冲击韧度（ak）金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧度。常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧度。ak=AK/A0（J·cm-2）式中：Ak—折断试样所消耗的冲击功（J）Ao—试样断口处的原始截面积（mm2）5、疲劳强度当金属材料在无数次重复或交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力，叫做疲劳强度。材料的疲劳强度通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测定。无数次应力循环，对于钢材为107，有色金属和某些超高强度钢常取108。产生疲劳破坏的原因，一般认为是由于材料有杂质、表面划痕及其它能引起应力集中的缺陷。二、金属材料的物理、化学及工艺性能1、物理性能金属材料的物理性能主要有：密度、熔点、热膨胀性、导电性和导热性等。2、化学性能它是金属材料在室温或高温时抵抗各种化学作用的能力，主要是指抵抗活泼介质的化学侵蚀能力，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。3、工艺性能工艺性能是物理、化学、力学性能的综合。按工艺方法的不同，可分为铸造性能、可锻性、焊接性和切削加工性等§1-2金属的结构与结晶一、晶体与晶格固体物质按其原子排列的特征，可分为晶体和非晶体。非晶体的原子作不规则的排列，如松香、玻璃、沥青等。晶体的原子则按一定次序作有规则的排列，如金刚石、石墨及固态金属和合金。两者的性能差异：晶体具有一定的凝固点和熔点，非晶体没有；晶体具有各向异性，非晶体各向同性等。采用骤冷的工艺可将一些特殊成分的液态金属制成非晶体金属。它没有通常的晶体结构、没有晶界、枝晶等，也完全避免偏析，而具有高的强度、硬度和一定的韧性，还有优异的耐腐蚀性。晶体中原子排列情况晶体中原子在空间中是按一定规律堆砌在一起的。晶格为了便于表明晶体内部原子排列的规律，有必要把原子抽象化，把每个原子看成一个点，这个点代表原子的振动中心。把这些点用直线连接起来，便形成一个空间格子，叫做晶格。结点晶格中每个点叫结点。晶胞晶格的最小单元叫做晶胞，它能代表整个晶格的原子排列规律。在研究各种金属的晶体结构时，一般取出它的晶胞来研究就可以了。晶格常数晶胞中各棱边的长度叫做晶格常数，其大小用Å来度量（1Å=10-8cm）。最常见的晶格类型：1、体心立方晶格a）其晶胞形状为立方体，a=b=c，á=â=ã=90°b）原子分布在立方晶体的各个结点及中心。c）每个体心立方晶胞中仅包含2个原子。属于这类金属的有：á-Fe、Mn、Cr、V、W、Mo、K、Na等。2、面心立方晶胞a）其晶胞为立方体。b）原子分布在立方体的各个结点及各面的中心处。c）每个晶胞中含有4个原子。3、密排六方晶格a）其晶胞形状为六方柱体。b）原子分布在各个结点及上下两个正六方面的中心，另外在六方柱体中心还有三个原子。属于这类金属的有：Mg、Zn、Cd、Be等。二、多晶体结构与晶体缺陷1、多晶体结构工业上使用的金属都是由许多小晶体组成的多晶体，每个小晶体称为晶粒。如果一整块金属仅由一个晶粒组成，则称为单晶体。晶界：晶粒与晶粒之间的界面。显微组织：在显微镜下观察到的晶粒的大小、形态和分布。2、晶体缺陷金属晶体中，原子排列或多或少地存在偏离上述理想结构的区域，称为晶体缺陷。这些缺陷对金属的许多性能有着极重要的影响。根据缺陷的几何形状，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类。1）点缺陷：空位和间隙原子空位和间隙原子的运动，是金属晶体中原子扩散的主要方式之一。金属的固态相变和化学热处理过程均依赖于原子的扩散。2）线缺陷：即位错，在晶体中，有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象，最简单的位错是刃型位错和螺型位错。位错对金属的性能有着重要影响。3）面缺陷：主要指晶界和亚晶界a）在常温下，晶界对滑移起阻碍作用，即表现为晶界强度高。b）容易满足固态相变所需的能量起伏，新相往往在晶界处形核。c）晶界处有许多的空位，原子沿晶界扩散速度快。d）抗腐蚀性能差，电阻较高和熔点较低等。三、金属的结晶与铸锭组织1、纯金属的结晶过程结晶是液态金属转变为固态晶体的过程，这一转变的关键是液态金属的冷却。液态金属温度降至熔点附近自发形核核心长大液态金属消失枝晶：实际上，金属在结晶过程中晶核沿各个方向生长的速度是不一样的，晶核主要是沿着生长速度最大的某几个方向发展，所以晶体实际上为树枝状结晶体。2、冷却曲线与过冷度3、影响晶粒大小的因素及细化晶粒的方法一般来说，晶粒愈细，强度和硬度愈高，同时塑性和韧性也愈好。1、过冷度的影响：冷却速度愈大，过冷度愈大，晶粒愈细。2、变质处理：在实际生产中，有意向金属液中加入某些物质（称为变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，这种处理方法称为变质处理。3、振动：对正在结晶的金属施以机械振动、超声波振动和电磁振动，均可使树枝晶尖端破碎而增加新的核心，提高形核率，使晶粒细化。4、铸锭组织（1）表面细晶粒层（2）柱状晶粒层（3）中心等轴晶粒区5、金属的同素异构转变一种金属能以几种晶格类型存在的性质，叫做同素异构性。金属在固态时改变其晶格类型的过程，称为金属的同素异构转变。如纯铁：1394℃1394℃912℃δ-Feγ-Feα-Fe§1-3合金的结构和二元合金相图一、基本概念1、合金合金是指由一种金属元素与另外一种或多种金属或非金属元素通过熔炼或烧结等方法所形成的具有金属性质的新金属材料。2、组元组元是指组成合金的最基本的、能独立存在的物质。3、合金系合金系是指有相同组元，而成分比例不同的一系列合金。4、相相是指在合金中，凡成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。一、合金中的相合金中常见的相有：液相、纯金属、固溶体和金属化合物。1、固溶体溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金。特点：其点阵结构仍保持溶剂金属的结构，只是由于溶质原子的溶入引起晶格参数发生改变。置换固溶体：溶质原子置换溶剂在晶格结点上的原子。固溶体间隙固溶体：溶质原子在固溶体中处于溶剂晶体结构的间隙位置。固溶强化由于各原子大小不一，化学性质也不尽相同，无论组成置换固溶体还是间隙固溶体，都造成固溶体的晶格扭曲。结果，固溶体的强度和硬度升高。2、金属化合物合金元素间相互作用而形成的新相。特点：1）其晶格类型和性能不同于任一组元；2）一般具有更复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆；3）能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但降低合金的塑性。二、二元合金相图2、二元合金相图的建立1）配置各种成分的合金；2）测定每一种合金在缓冷条件下的冷却曲线，得到临界点；3）建立一个以温度为纵坐标、成分为横坐标的直角坐标系。自横坐标上的成分向上作成分垂线，把临界点分别标注在成分垂线上；4）把开始转变点和转变终了点分别用光滑的曲线连接起来，并根据已知条件和实际分析结果写上数字、字母和各区内的相或组织名称。二、二元匀晶相图二元匀晶相图分析凡是在液态和固态都能完全互溶、固态下又形成无限固溶体的二元合金，均形成二元匀晶相图。1）合金的结晶在平衡条件下进行；2）枝晶内部化学成分不均匀—枝晶偏析；3）结晶过程中的杠杆原理4）合金的性能与成分的关系§1-4铁碳合金相图一、铁碳合金的基本组织1、铁素体（F）铁素体是碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体。由于α-Fe晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最大溶碳量只有0.0218%（727℃）所以是几乎不含碳的纯铁。性能：σb=180～230MPaHB=50～80δ=30～50%φ=70～80%ak=156～196J·cm-2显微镜下观察，铁素体呈灰色并有明显大小不一的颗粒形状。2、渗碳体（Fe3C）渗碳体是铁与碳形成的稳定化合物。含碳量为6.69%性能：HB=800，硬度很高，脆性极大，是钢中的强化相。显微镜下观察，渗碳体呈银白色光泽。渗碳体在一定条件下可以分解出石墨，3、奥氏体（A）奥氏体是碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体。γ-Fe的溶碳能力较高，最大为2.11%（1148℃）。由于γ-Fe一般存在于727～1394℃之间，所以奥氏体也只出现在高温区域内。显微镜观察，奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结构，并有明显的界限。性能：δ=40～50%，具有良好的塑性和低的变形抗力。是绝大多数钢种在高温进行压力加工所需的组织。4、珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体组成的共析体。珠光体的平均含碳量为0.77%，在727℃以下温度范围内存在。显微镜观察，珠光体呈层片状特征，表面具有珍珠光泽，因此得名。性能：σb=750MPaHB=160～180较高δ=20～25%φ=30～40%适中5、莱氏体（Ld）莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的共晶体。铁碳合金中含碳量为4.3%的液体冷却到1148℃时发生共晶转变，生成高温莱氏体。合金继续冷却到727℃时，其中的奥氏体转变为珠光体，故室温时由珠光体和渗碳体组成，叫低温莱氏体。统称莱氏体。§5-2铁碳合金相图各主要线的意义相图中的线是把具有相同转变性质的各个成分合金的开始点和终了点，分别用光滑曲线连接起来得到的，代表了铁碳合金内部组织发生转变的界限。①ACD线—液相线②AECF线—固相线③AC线—奥氏体结晶开始线④AE线—奥氏体结晶终了线⑤GS线—铁素体析出开始线⑥GP线—铁素体析出终了线⑦PQ线—Fe3CⅢ析出线⑧ES线—Fe3CⅡ析出线⑨PSK线—共析线⑩CD线—一次渗碳体结晶开始线⑾ECF线—共晶线总结：1、相区与相区内的组织不一样；2、对于每个相区，不论温度成分怎么变，其组织种类不变，但相的成分和相对量可能变化；3、相图左侧两个单相固溶体：á-Fe、γ-Fe；相区右侧一个单相Fe3C，之间为上述固溶体组成的两相共存区；4、共析点、共析线5、共晶点、共晶线典型铁碳合金的组织转变过程及其显微组织1、Wc=0.6%室温组织：P+FLL+AAA+FP+Ft1以上t1～t2t2～t3t3～t4t4～室温2、Wc=0.77%室温组织：PLL+AAPt1以上t1～t2t2～t3t3～室温3、Wc=1.2%室温组织：P+Fe3CⅡLL+AAA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡt1以上t1～t2t2～t3tt4～室温4、Wc=3.0%室温组织：P+Fe3CⅡ+L’dLL+AA+Fe3CⅡ+Ld(A+Fe3C)P+Fe3CⅡ+L’d(P+Fe3C)t1以上t1～t2t2～t3t3～t4铁碳合金分类1、工业纯铁（Wc≤0.0218%）性能特点：塑性韧性好，硬度强度低。2、钢（0.0218%＜Wc≤2.11%）共析钢：Wc=0.77%，室温组织为P。亚共析钢：0.0218%＜Wc＜0.77%，室温组织为F+P。过共析钢：0.77%＜Wc≤2.11%，室温组织为P+Fe3CⅡ3、生铁（2.11%＜Wc≤6.69%）共晶生铁：Wc=4.3%，室温组织为L’d亚共晶生铁：2.11%＜Wc＜4.3%，室温组织为P+Fe3CⅡ+L’d。过共晶生铁：4.3%＜Wc≤6.69%，室温组织为L’d+Fe3CⅠ含碳量对铁碳合金组织和性能的影响铁碳合金相图的应用1、选材的依据2、选择铸造合金成分和浇注温度的依据3、确定钢的锻造温度的依据4、研究焊缝区及近缝区组织和性能变化的理论依据5、确定各种热处理加热温度的依据第二章钢的热处理一、钢的热处理定义：把钢在固态下加热到一定温度，进行必要的保温，并以适当的速度冷却到室温，以改变钢的内部组织，从而得到所需性能的工艺方法。三、钢的热处理目的：1、消除毛坯中的缺陷，改善工艺性能，为切削加工或热处理做组织和性能上的准备。————叫预先热处理。2、提高金属材料的力学性能，充分发挥材料的潜力，节约材料延长零件使用寿命。————叫最终热处理。四、热处理的方法（按工艺方法不同分）退火：完全退火、球化退火、去应力退火等正火退火：完全退火、球化退火、去应力退火等正火淬火：回火：低温回火、中温回火、高温回火固溶处理整体热处理整体热处理表面热处理表面淬火：火焰加热、感应加热、激光加热物理气相沉积表面热处理表面淬火：火焰加热、感应加热、激光加热物理气相沉积化学气相沉积等离子化学气相沉积渗碳渗氮渗碳渗氮碳氮共渗其它：渗其它金属或非金属、多元共渗化学热处理化学热处理第一节热处理基本原理热处理之所以能够使钢的性能发生很大变化，主要是由于在加热和冷却过程中，钢的内部组织发生了变化造成的一、钢在加热时的转变大多数热处理工艺需要将钢加热到临界温度以上（A区域）才能进行，所以加热转变主要包括A的形成和晶粒长大两个过程。1、奥氏体的形成以共析钢为例（ωc=0.77%）影响奥氏体形成的因素：温度：温度越高，原子扩散能力越大，加速奥氏体形成。原始组织：原始组织越细，相界面越多，提供的奥氏体晶核就愈多，碳原子的扩散距离也越短，加速奥氏体形成。钢的成分：含碳量增加，F和Fe3C相界面越多，加速奥氏体形成。加入合金元素后不改变A形成的基本过程，但会减缓A的形成速度2、奥氏体晶粒的长大（粗化）随着温度的升高，奥氏体晶粒会逐渐长大。晶粒度：表示晶粒大小的尺度。分为十个等级。一级最粗，十级最细。粗大的A晶粒———冷却后得到粗大的晶粒组织———力学性能和工艺性能差—合理选择加热温度和保温时间。一、钢在冷却时的转变室温时钢的力学性能，不仅与经过加热、保温后获得的A晶粒大小有关，而且决定于A经冷却转变后所获得的组织。而冷却方式、冷却速度对A组织的转变有直接影响。A钢冷却至室温有两种方式：连续冷却:就是使奥氏体化后的钢，在温度连续下降的过程中发生组织转变。水冷、油冷、炉冷、空冷。等温冷却：将奥氏体化后的钢迅速冷却到A1以下某一温度，恒温停留一段时间，在这段保温时间内发生组织转变，然后再冷却下来。1、过冷A的等温转变以共析钢为例：过冷A的等温转变曲线：由于过冷温度和等温时间不同，过冷A的等温转变过程及转变产物也不相同，表示过冷A不同的等温冷却温度、等温时间与转变过程及产物之间关系的曲线—C曲线。（1）建立C曲线共析钢A的等温转变曲线的建立是通过一系列不同过冷的等温冷却实验建立的。通过实验测出：不同过冷A在恒温下开始转变和转变终了的时间，画到温度—时间坐标系中，然后把开始时间和转变终了时间分别连接起来，即得共析钢C曲线。（2）共析钢过冷A等温转变产物组织和性能珠光体类型（高温转变产物）：共析钢A过冷到723℃—550℃之间A等温转变产物属于P型组织。分类如图。贝氏体形转变（中温转变产物）：A在550℃--230℃保温转变为贝氏体型转变，其组织类型为贝氏体组织。——它是由含碳过饱和的F+Ｆｅ3Ｃ两相混合物。分类如图。马氏体型转变（低温转变产物）：230℃——-60℃保温转变为马氏体型转变，其组织类型为马氏体组织。分为板状和片状马氏体，图3-9。马氏体是碳在α-Ｆｅ中的过饱和固溶体。（3）影响过冷奥氏体等温转变的因素碳的影响：ωc增加，亚共析钢的C曲线右移；过共析钢的C曲线左移。合金元素的影响：初CO外，所有合金元素如入奥氏体后会增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。2、过冷A的连续冷却转变与等温冷却曲线相比，连续冷却曲线都处于右下方，说明转变温度低，孕育期长。共析钢连续冷却时，只有珠光体转变而无贝氏体转变。亚共析钢可以产生贝氏体组织。合金钢可以有珠光体及贝氏体转变，有珠光体无贝氏体。或有贝氏体而无珠光体转变等多种情况。当连续冷却速度达到某一值时，冷却曲线与C曲线相切，不发生珠光体转变，而在低温区发生马氏体转变，通常称为临界冷却速度。冷速小时，得到珠光体与马氏体混合组织，更小时，得到珠光体组织。3、过冷奥氏体转变图的应用过冷奥氏体转变图是选择钢种及制订热处理工艺的基本依据之一。（1）不同成分的钢具有不同的转变图，设计时可根据要求合理选择适用而廉价的材料。（2）制定热处理工艺规程，选择冷却介质。（3）估计零件在热处理条件下各部位可能得到的组织。第二节钢的整体热处理一、钢的退火概念：将钢加热、保温后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的工艺过程。完全退火:普通退火、等温退火球化退火去应力退火再结晶退火等1、完全退火工艺：加热Ac3以上30~50℃——保温——随炉冷到500度以下——空冷室温。目的：细化晶粒，均匀组织，提高塑韧性，消除内应力，便于机械加工。2、等温退火工艺：加热Ac3以上——保温——快冷至珠光体转变温度——等温停留——转变为P——出炉空冷目的：同上。但时间短，易控制，脱氧、脱碳小。（适用于过冷A比较稳定的合金钢及大型碳钢件）3、球化退火概念：是使钢中的渗碳体球化的工艺过程。对象：共析钢和过共析钢工艺：(1)等温球化退火加热Ac1以上20~30度——保温——迅速冷却到Ar1以下20度——等温——随炉冷至600度左右——出炉空冷。（2）普通球化退火加热Ac1以上20~30度——保温——极缓慢冷却至600度左右——出炉空冷。（周期长，效率低，不适用）目的：降低硬度、提高塑韧性，便于切削加工。机理：使片状或网状渗碳体变成颗粒状（球状）说明：退火加热时，组织没有完全A化，所以又称不完全退火。4、去应力退火工艺：加热到Ac1以下某一温度（500~650度）——保温——缓冷至室温。目的：消除铸件、锻件、焊接件等的残余内应力，稳定工件尺寸。二、钢的正火工艺：加热到Ac3或Accm以上30~50度——保温——出炉空冷。目的：亚共析钢中自由铁素体减少，过共析钢中网状渗碳体消失。低碳钢：提高硬度，克服粘刀现象，改善切削加工性。中碳钢：细化晶粒，为淬火做好组织准备，对性能要求不高的零件，可作为最终热处理。高碳钢：消除网状Fe3C。三、钢的淬火工艺：将钢加热到Ac3或Ac1以上30-50度，保温——快速冷却（＞vk）以获得马氏体的工艺方法。目的：提高钢的硬度和耐磨性。分类（方法）：1、单液淬火；2、双液淬火；3、分级淬火；4、等温淬火；5、冷处理亚共析钢：Ac3+30~50OC过高：淬火后M粗大，严重变形过低：淬火后组织出现F，硬度、强度不足，不均。·过共析钢：Ac1+30~50OC过高：淬火后M粗大，脆性增大，易变形，开裂。残余A增多，硬度、耐磨性降低。过低：A化不均匀。一般过共析钢，淬火前需要正火或球化退火，消除网状渗碳体。3、淬火方法单液淬火：将A化的钢放进水或者油等淬火介质中连续冷却至室温的操作方法。如：碳钢件水冷，合金钢油冷，厚大碳钢件盐水冷等。特点：操作简便，易实现自动、机械化。·双液淬火：将A化的钢先放进水中冷却到300~200度在迅速移到油中（甚至放到空气中）的冷却操作方法。特点：即可淬硬又可避免开裂和变形。但操作困难。·分级淬火：将A化的钢放进稍高于Ms点的盐浴槽中停留2~5分钟，然后取出在空气中冷却。特点：应力小，避免开裂和变形。但盐浴冷却能力有限，只适用于形状复杂，尺寸较小的零件。•等温淬火：将A化的钢放进稍高于Ms点的盐浴槽中保温足够时间，使过冷A转变为B下，然后取出空冷方法。特点：B下硬度较高，韧性较好，变形又小。适于形状复杂、尺寸精度要求的零件。·冷处理：使残余A转化为M。—提高硬度和耐磨性。稳定尺寸。需专门设备成本高。4、淬硬性和淬透性淬硬性：钢在正常淬火条件下，淬火形成的马氏体所能达到的最高硬度。淬硬性取决于马氏体的含碳量，含碳量越高，碳的过饱和度就越大，硬度越高。淬透性：钢在规定淬火条件下，可以达到的淬硬层深度。影响因素：过冷奥氏体的稳定性，即Vk。末端淬火法测定淬透性。2、钢的回火工艺：将淬火后的钢重新加热到A1以下某一温度保温，然后冷却（一般空冷)至室温。目的：消除淬火产生的内应力，稳定工件尺寸，降低脆性，改善切削加工性能。力学性能：随着回火温度的升高，硬度、强度下降，塑性韧性升高。1、低温回火：150-250℃，M回，减少内应力和脆性，提高塑韧性，有较高的硬度和耐磨性。用于制作量具、刀具和滚动轴承等。2、中温回火：350-500℃，T回，具有较高的弹性，有一定的塑性和硬度。用于制作弹簧、锻模等。3、高温回火：500-650℃，S回，具有良好的综合力学性能。用于制作齿轮、曲轴等。淬火后再高温回火称为调质处理。第三节钢的表面热处理和化学热处理一、表面淬火工艺（概念）：对零件进行快速加热，使表面迅速达到淬火温度，而心部来不及被加热的情况下立即冷却，使表面得到高硬度的马氏体，而心部仍保持原来组织的一种热处理工艺。·分类：（1）感应加热表面淬火：高频，中频、低频。（2）火焰加热表面淬火二、化学热处理工艺（概念）：将零件放入一定的活性介质中，经加热、保温，使介质的活性原子渗入零件表层中，从而改变表层化学成分、组织和性能的工艺方法。分类：（1）渗碳：气体渗碳、固体渗碳（2）渗氮：气体氮化、离子氮化（3）碳氮共渗（4）其它渗入法1、化学热处理的基本过程1）化学渗剂在温度（加热）及催化剂作用下分解出能渗入工件表面的活性元素。2）活性原子被工件表面吸附。3）在一定温度下工件表面的活性原子向金属内部扩散，形成一定的扩散层。2、渗碳渗碳是向钢的表面渗入碳原子，使其表面达到高碳钢的含碳量，增加耐磨性。1）气体渗碳工艺及组织气体渗碳是采用液体或气体碳氢化合物作为渗碳剂，（如：煤油、甲苯或含碳的气体）。渗碳温度是900~950℃。时间取决于要求的渗碳层深度，从几小时到十几小时不等。渗碳以后，零件表面含碳量约为0.8~1.0%，由表面到中心含碳量逐渐降低。2）渗碳后的热处理为使渗碳件具有高的力学性能，渗碳后须进行淬火及回火处理。渗碳层的组织为细小针状马氏体和粒状分布的渗碳体组织。3、渗氮（氮化）渗氮是将氮原子渗入钢件表面，形成以氮化物为主的渗氮层，以提高渗层的硬度、耐磨、耐蚀和耐疲劳强度等多种性能。1）渗氮工艺特点渗氮剂为氨气，氨气在480~600℃分解出具有活性的氮原子渗入工件中，形成富氮层而完成氮化。渗氮温度600℃，此时铁具有最好的吸氮能力。2）组织和性能氮与铁等金属形成氮化物可显著地强化渗氮层。4、碳氮共渗又称氰化，钢件表面同时渗入碳原子和氮原子，形成碳氮共渗层，以提高工件的耐磨性和疲劳强度的处理方法。1）高温（820~920℃）碳氮共渗，以渗碳为主，气氛中含有一定氮时，碳的渗入速度比相同温度下单独渗碳的速度要高，厚度更深。2）低温（520~580℃）碳氮共渗，以渗氮为主，共渗后表面形成白亮层，可大大提高工件的耐磨性和抗咬卡、抗擦伤的性能。第三章机械工程材料工业用钢钢铁材料又称黑色金属材料，是以铁和碳元素为主要化学成分的一系列金属材料—钢、生铁、铸铁和铸钢的总称。各行各业都用钢，为了保证钢的质量，国家及有关部门对各种钢作了规格和标准。

GB-国家规定的标准；YB—冶金部规定的标准。一、钢的分类根据合金元素含量可分为：1、非合金钢：普通质量非合金钢优质非合金钢特殊质量非合金钢2、低合金钢：普通质量低合金钢优质低合金钢特殊质量低合金钢3、合金钢：优质合金钢特殊质量合金钢二、杂质元素和合金元素在钢钟的影响钢中基本元素为：Fe、C；杂质元素主要有：Si、Mn、S、P。1.Si、Mn在碳钢中ωsi≤0.37%ωmn=0.25%--0.8%对力学性能影响不大。但作为合金元素，可提高钢的力学性能。2.S、PS:Fe在固态时几乎不溶，液态时溶解大量的S，凝固时FeS析出（熔点1190℃）当钢加热到1000℃--1200℃进行塑性成型加工时，FeS→熔化→导致钢沿晶界开裂—这种现象叫钢的“热脆”。P：Fe在固态、液态时都能溶解P，固态时P全部溶入铁素体中，P能使铁素体的σ↑，但δ↓↓.ak↓↓。当ωp=0.3%时钢室温下的ak≈0这种现象叫钢的“冷脆”。S→热脆P→冷脆，是有害元素越少越好，因此衡量钢的质量的主要指标为含S、P量。3.气体与非金属夹杂物1）氢脆：氢分子—大的气压—白点—氢脆2）氮的时效：来不及逸出的氮，放置一段时间后，以氮化物的形式析出，使钢变脆。3）氧以氧化物的形式存在于钢中，形成非金属夹杂物，如SiO2、MnO、Al2O3等，降低钢的塑性、冲击韧性和疲劳强度等。4、合金元素在钢中的作用为了提高钢的性能，在炼钢时有意识地向钢中加入一些合金元素，这样获得的钢称为合金钢。钢中常加合金元素有：Mn、Si、Cr、Ni、Mo、V、Ti、Nb、Zr、Co、B、Re等。1）对钢的基本相及其性能的影响（1）渗入铁素体，总的趋势：随着合金元素的增加，强度硬度上升，塑性韧性下降。（2）渗入渗碳体（a）形成合金渗碳体，如Mn、Cr、Mo、W等。（b）形成复杂碳化物，如Mn、Cr、Mo、W等。（c）形成简单碳化物，如Ti、Zr、Nb、V等。以上三类碳化物比渗碳体稳定性高，熔点和硬度也更高。如经热处理，使碳化物呈颗粒状，强度硬度上升，而冲击韧性不下降。3）对热处理的影响（1）加热温度、加热速度、保温时间及晶粒度的影响。（2）淬透性提高。（3）提高回火稳定性，产生二次硬化及回火脆性。钢在回火时的组织转变主要是马氏体分解及碳化物形成、析出和聚集的过程，这个过程是依靠元素的扩散来完成的。（a）弥散硬化或沉淀硬化（b）A残向马氏体转变产生的硬化。（c）回火脆性：当温度在250~350℃和500~650℃回火时，钢的冲击韧性不但不升高反而下降的现象。第一类回火脆性（250~350℃）一旦形成，无法消除。办法就是避开该温度。第二类回火脆性（500~650℃）消除办法：将工件重新加热至600℃以上，然后快速冷却。避免办法：a）保温后快速冷却；（b）加入Mo0.3%或W1%，缓冷也不会出现回火脆性。4）合金元素对Fe-Fe3C相图的影响（1）使奥氏体区扩大的元素有Mn、Ni、Co、Cu等。其中Mn13、Ni9的室温组织为单一的奥氏体组织。（2）使奥氏体区缩小的元素有Cr、Mo、W、V、Ti、Si等。其中Cr17的室温组织为单一的铁素体组织。（3）使S点、E点左移，如W18（W18%、C0.7~0.8%）高速工具钢，铸态组织中有莱氏体组织。三、常用非合金钢按照钢的用途和质量可分为：碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢。1、碳素结构钢1）化学成分：ωc=0.09%--0.33%ωMn=0.37%--0.65%ωsi=0.30%ωs≤0.035--0.05%ωp≤0.035%--0.045%2）牌号：由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四个部分按顺序组成。Q235AF3）组织：较多的F+较少的P4）性能：因为碳低，焊接性能好5）用途：适合于扎制成钢板、钢带型钢等。用于制做不需热处理的焊接、铆接、栓接构件及螺栓螺母等零件2、优质碳素结构钢1）化学成分：Wc=0.08%--0.85%Wsi=0.17%--0.37%Wsp≤0.035%2）牌号：两位数字+符号表示数字表示含碳量万分之几，符号如果是F则表示是沸腾钢。例：08F15F3）分类：（1）低碳钢（a）化学成分：WC≤0.25%（b）组织：退火状态下，组织为较多的F和较少P（c）性能：σ和HBS低，而δ.ak好，焊接性好。（d）用途：08F、10F、15F冷变形加工成型件。机壳、容器。10~25钢各种标准件、轴套、容器等。（2）中碳钢（a）化学成分：WC=0.30%～0.6%（b）组织：F+P，（c）性能：σ、HBS比低碳钢略高，而δ、ak略低。具有良好的综合力学性能，切削加工性好，但焊接性一般。（d）用途：用于制作齿数、主轴及连杆等重要的机械零件。（3）高碳钢（a）化学成分：WC>0.60%（b）组织：T回（淬火+中温回火）（c）性能：在淬火+中温回火后，具有较高的σ和良好弹性也叫弹簧钢。具有较好的耐磨性和中等硬度。（d）用途：主要用于制作弹簧和易磨损的零件。3、碳素工具钢1）化学成分：Wc=0.65%--1.35%2）牌号：T+数字表示T—碳数字表示千分含量。若是特殊质量则数字后面加A。例：T8A→0.8%的特殊质量的碳素工具钢3)组织：M回（淬火+低温回火处理）4)性能：具有很高的硬度和耐磨性，但淬透性差，热硬性差。5)用途：用于制作手动和低速切削的工具和要求不高的量具和模具等四、常用低合金钢1、化学成分：C＜0.2%，∑合金元素＜5%常加合金元素：Mn、Si、V、Nb、Ti、Re、Cu、N等。2、牌号表示方法：与碳素结构钢基本相同。3、低合金钢的性能特点（a）具有较高的强度、塑性和冲击韧性，特别是低温冲击韧性。（b）具有良好的焊接性。（c）具有较高的抗大气腐蚀性。五、常用合金结构钢化学成分特点：C0.15~0.45%主加合金元素Si、Mn、Cr、Ni等。附加合金元素：Ti、V、Mo、W、Al等。牌号表示方法：数字+元素符号+数字1、合金渗碳钢1）化学成分特点：wc=0.10~0.25%主加合金元素：Cr、Mn辅加合金元素：Ni、B、W、Mo、V、Ti等。2）金相组织：表层为高碳回火马氏体心部为低碳马氏体或珠光体+铁素体3）典型零件：变速箱齿轮、齿轮等常用的20CrMnTi钢。2、合金调质钢1）化学成分特点：wc=0.25~0.55%主加合金元素：Mn、Cr、Si、Ni辅加合金元素：V、Mo、Ti、W2）调质后的金相组织：回火索氏体3）典型零件：受冲击载荷较大的齿轮常用40Cr、40CrMnMo等3、弹簧钢1）化学成分：WC=0.45~0.70%常加合金元素：Si、Mn、Cr辅加合金元素：W、Mo、V、B等。2）金相组织：回火托氏体3）性能特点：（a）较高的弹性极限；（b）屈强比高（ós/ób）；（c）疲劳强度高；（d）足够的冲击韧性；（e）良好的表面质量。4）典型零件：汽车减振弹簧常用55Si2Mn六、特殊性能钢1、不锈钢在腐蚀性介质（如水、海水、酸、碱等）中具有抗腐蚀性能的钢，称为不锈钢。1）金属有两种基本腐蚀形式：化学腐蚀和电化学腐蚀。2）提高金属耐腐蚀性的一般途径：（1）提高金属的电极电位；（2）使金属在常温下成为单一组织，避免形成原电池；（3）使金属表面形成致密的保护模（即金属的钝化），阻止腐蚀介质继续向金属内部侵蚀。3）提高耐腐蚀性的措施：（a）在钢中加入一定量（＞13%）的铬。铬的作用：一是在金属表面形成一层富铬的氧化物保护模；二是提高其电极电位。（b）在钢中加入一定量（＞9%）的镍，使钢在室温下成为单一奥使体组织。4）不锈钢的化学成分特点：（1）含碳量低。大多数C=0.1~0.2%，而且腐蚀性要求越高，含碳量越低，只有制造刃具和滚动轴承的不锈钢C=0.85~0.95%，但同时必须提高含Cr量。（2）铬含量大于13%（3）对腐蚀性要求高的不锈钢，还要加入一定量的镍。5）不锈钢的分类：按基体组织的组成不同分为：（1）铁素体型（2）奥氏体型（3）奥氏体-铁素体型（4）马氏体型等。2、耐热钢耐热钢是制造在高温下工作的零件或构件。金属的耐热性是一个包含高温抗氧化性和高温强度两方面内容的综合概念。提高钢的高温抗氧化性的主要方法是：在钢中加入足够的Cr、Si、Al等合金元素，使钢在高温下与氧接触时表面形成一层致密的高熔点的氧化模，阻止氧向内扩散。提高钢的高温强度的方法是：在钢中加入能提高钢的再结晶温度的合金元素，如W、Mo、V、B等。3、高锰钢1）化学成分特点：C=0.90~1.50%Mn=11~14%2）金相组织：奥氏体3）在受强烈撞击的工矿条件下，工件表层产生加工硬化层，而心部仍保持高韧性。4）典型零件：坦克履带、挖掘机铲齿等常用ZGMn13第二节铸铁铸铁是含C量大于2.11~6.69%或者组织中具有共晶组织的铁碳合金。工业上所有的铸铁实际上不是简单的铁碳合金，而是以Ｆｅ、Ｃ、Si为主要元素的多元合金。其成分范围大致为：C:2.4%～4.0%、Si:0.6%～3.3%、Mn:0.2%～1.2%、P:0.02%～1.2%、S:0.02%～0.15%，有时还加入合金元素生产合金铸铁。铸铁中C的存在形式主要有两种：1、化合态—Ｆｅ3Ｃ2、游离态—石墨（G）：软而脆，强度<20MPa，塑性几乎为0的组织。铸铁的分类1、灰口铸铁：碳以游离石墨形式存在，根据石墨的形态不同又分为，普通灰铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁2、白口铸铁：碳以化合态渗碳体形式存在3、麻口铸铁：碳一部分以渗碳体形式存在，另一部分以石墨形式存在。二、常用铸铁1、普通灰铸铁碳主要以石墨形式存在的铸铁，断口呈灰色。（1）灰铸铁的显微组织（a）基体组织：F、P、F+P（b）C：片状石墨（2）力学性能（a）缺点：力学性能低。虽然基体中溶入了Mn、Si，强化了基体，但由于石墨的缩减作用和切割作用，却使灰铸铁的力学性能大大降低。（b）优点：灰铸铁的减振性、耐磨性、导热性好，缺口敏感性低。（3）铸铁的石墨化条件和石墨化过程1）石墨化条件（a）含有足够的促进石墨化的元素，如Si、Al等。（b）冷却速度足够缓慢。2）石墨化过程一次石墨化：从铁液中直接结晶出共晶石墨化：共晶反应中析出二次石墨化：从奥氏体中析出共析石墨化：共析反应中析出（3）影响灰铸铁组织形成的主要因素1）化学成分的影响：C：越高，产生的石墨越多。Si：强烈促进石墨化的元素。S：强烈阻碍石墨化的元素，使铸铁流动性降低，收缩率增大。Mn：阻碍石墨化，但有除S作用，并促进珠光体生成。P：对石墨化影响不大，但会增大脆性。2）冷却速度的影响：慢冷—灰口铸铁；快冷—麻口甚至白口铸铁。（4）用途：用来制做各种主要承受应力，并要求减振性、耐磨性好及缺口的敏感性低的机械零件。如：机床床身、机架、导轨等。（5）牌号：HT+数字如：HT200、HT250等。（6）提高灰铸铁力学性能的措施1）改变石墨形态；2）强化基体。2、蠕墨铸铁（1）显微组织：铸铁中的石墨大部分呈蠕虫状。特征：石墨片短而厚，长度与厚度之比为2—10，且头部较圆，呈蠕虫状。（2）性能：1）力学性能高于灰铸铁。2）具有良好的热导性。（3）用途：制做各种要求强度、硬度较好和导热率较高的铸件，如重型机床床身、箱体及内燃机的气缸盖、活塞环等。（4）牌号：RuT+数字3、可锻铸铁（又称玛钢）（1）概念：将白口铸铁通过固态石墨化处理（包括有或无脱碳过程），得到的具有团絮状石墨的铁碳合金。（2）分类：1）黑心（铁素体）可锻铸铁与珠光体可锻铸铁2）白心可锻铸铁（3）组织：1）：铁素体可锻铸铁：F+G（团絮状）2）：珠光体可锻铸铁：P+G（团絮状）（4）性能：1）：铁素体可锻铸铁：具有一定的强度和较高的韧性。2）：珠光体可锻铸铁：强度高、硬度高、耐磨性好。（5）用途：铁素体可锻铸铁：用于制造承受冲击和振动的零件。例：弹簧钢板支座、机床上用的把手、农机零件和建筑用扣件等。珠光体可锻铸铁：用于制造铸造曲轴、凸轮轴、连杆及齿轮重要零件。（6）牌号：铁素体可锻铸铁（黑心可锻铸铁）KTH+数字+数字例：KTH300-06бb≥300N/mm²δ≥6%珠光体可锻铸铁：只是将KTH中的“H”改成“Z”，其它不变。4、球墨铸铁用球化剂对铁液进行处理，使石墨大部或全部呈球状的铁碳合金。球墨铸铁具有接近灰铸铁的铸造性能，又具有接近铸钢的力学性能，具有广泛的应用前景。铁素体球墨铸铁：高韧性。珠光体球墨铸铁：高强度。贝氏体球墨铸铁：耐磨。奥氏体-贝氏体球墨铸铁：耐磨。马氏体-奥氏体球墨铸铁：抗磨。性能：1）强度、塑性、韧性大大高于灰铸铁，接近铸钢。2）具有良好的减振性、耐磨性和低的缺口敏感性。用途：用于制作强度、韧性、耐磨性等要求较高的零件。如：柴油机、汽车及拖拉机的曲轴、凸轮轴、中压阀门、压缩机的曲轴、连杆等。牌号： QT+数字+数字5、特殊性能铸铁特殊性能铸铁一般是指具有耐磨、耐热和耐腐蚀等特殊性能的铸铁。这些铸铁大多是加入了Si、Mn、Al、Cr、Mo、W、Cu、V、B、Ti、Re等合金元素的合金铸铁。耐磨铸铁：高磷铸铁、钒钛铸铁等。抗磨铸铁：白口铸铁、中锰抗磨铸铁、冷硬铸铁等。耐热铸铁：通常加入Si、Al、Cr等合金元素，其作用一是在铸铁表面形成一层致密的氧化模，保护内部不被继续氧化；二是使基体形成单一的铁素体组织，防止铸铁的生长。耐蚀铸铁：原理与不锈钢相同。第三节有色金属及其合金元素周期表中除铁以外的金属均称非铁合金，其中比重小于4.5的非铁合金称为轻金属（如铝、镁、钛等）。一般认为，钢的抗拉强度和刚度比大多数非铁金属合金高，但轻合金的比重小，它们的比强度和比刚度都比低碳钢和低合金钢高，所以轻合金在飞行器上得到广泛应用。一、铝及铝合金1、工业纯铝1）物理性能熔点660℃，密度2.7g/cm3,具有良好的导电性（相当于铜的60%）和导热性。在大气中抗蚀性较高。2）力学性能强度硬度低（ób=80~100MPa、20HBS）、塑性较高（ä=50%，ö=80%）、冷变形后强度增加不多，但塑性却急剧下降（ä=2~5%），因此铝不易作受力的结构材料。2、铝合金通过加入硅、铜、镁、锌、锰等合金元素，使铝得到固溶强化、沉淀强化及组织强化，从而得到高强度的铝合金。1）铝合金的分类（1）形变铝合金可以通过加热的方法使合金变为单相á固溶体，其塑性很好。形变铝合金又可分为不能热处理强化的和能热处理强化的两种。（2）铸造铝合金能够通过热处理来提高强度和硬度。大多数铸造铝合金也可以热处理强化。2）铝合金的热处理（1）退火a）变形铝合金主要进行再结晶退火，以消除冷压后产生的加工硬化现象。也称中间退火。工艺方法：加热（350~450℃）保温后空冷。b）去应力退火：加热至180~300℃保温后空冷。（2）热处理强化的基本工艺及特点a）铝合金的强化热处理的方法是淬火加时效处理。淬火（加热到单相区保温后快速冷却）后，强度和硬度增加不多，塑性却大大提高。经过时效（自然时效和人工时效）后，强度和硬度才明显提高，合金被强化。b）铸造铝合金热处理特点与相变铝合金相比，淬火加热温度更高，保温时间更长，但淬火、时效后的强化效果不如形变铝合金明显。原因是铸造组织粗大。有的铸造铝合金经过淬火处理后不需时效或不完全时效处理即可提高塑性和强度。这是因为淬火加热使粗大的化合物溶解，增加了固溶强化效果使成分均匀，从而改善了性能。3）形变铝合金形变铝合金包括防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金等。（1）防锈铝合金防锈铝合金是铝-锰或铝-镁系组成的形变铝合金。特点耐腐蚀性能好，抛光性好，能长时间保持光亮的表面，具有高的塑性和焊接性，不能热处理强化，强度低，只有通过冷加工进行加工硬化。应用承受中等强度的冷压、焊接件及铆钉等。（2）硬铝硬铝又称杜拉铝，是含有铜、镁、锰等元素的形变铝合金。特点：具有高的强度和硬度（YL12合金的强度为470MPa），可以热处理强化，但耐腐蚀性能较差。（3）超硬铝超硬铝是在硬铝型铝-铜-镁系合金基础上在加入4~6%的锌，形成铝-锌-镁-铜系高强度合金。超硬铝可作各种结构件。（4）锻铝锻铝合金除要求有一定的力学性能和抗蚀性外，还要求在热态下具有高的塑性，以便用来锻造各种锻件或冲压件。锻铝大多含有铜、镁、硅等元素。锻后经淬火加时效处理其强度随含铜量的增加而升高，但热塑性和抗蚀性则降低。在锻造铝合金中加入铁和镍，可提高合金的使用温度，称为耐热锻造铝合金。4）铸造铝合金铸造铝合金是指直接用来浇注各种形状机械零件的铝合金。其合金元素含量一般高于形变铝合金。特点：合金流动性好，塑性差，经变质处理和热处理后可提高力学性能。分类：铝-硅系合金（又称硅铝明）、铝-铜系合金、铝-锌系合金、铝-镁系合金等。二、铜及铜合金1、纯铜纯铜又称紫铜，熔点1083℃，密度8.9g/cm3，呈面心立方晶格。特点：a）具有优良的导电性和导热性；b）在许多介质中的化学稳定性很高，大气中耐腐蚀；c）抗拉强度不高（ób=200~250MPa），塑性很好（ä=45~50%）。冷加工可大大提高铜的强度和硬度，但塑性和导电性降低。2、铜合金铜合金分为黄铜、白铜和青铜三类。1）黄铜以锌为主加合金元素的铜基合金称为黄铜。当黄铜中还含有除锌以外的其它合金元素（Pb、Sn、Mn等）时属于特殊黄铜。特点：a）具有良好的力学性能、加工成型性、导电性和导热性；b）色泽美丽、价格较低。黄铜分普通黄铜和特殊黄铜两大类。按生产工艺特点又分为变形黄铜和铸造黄铜。黄铜是重有色金属中应用最为广泛的金属材料。2）白铜以镍为主要合金元素的铜基合金称为白铜。再加入其它合金元素（如Zn、Mn、Fe等）时称为复杂白铜。特点：具有很高的耐蚀性，优良的冷、热加工性。应用：广泛用于制造精密仪器、仪表、化工机械及医疗器械中的关键零件。3）青铜除黄铜、白铜以外的铜合金均称青铜。分类：锡青铜、铝青铜、铍青铜等。（1）锡青铜以锡为主加合金元素，特点是耐蚀、耐磨、强度高、塑性好。（2）铝青铜以铝为主加合金元素，特点是具有良好的力学性能，耐蚀性和耐磨性好，并能进行热处理强化。（3）铍青铜以铍为主加合金元素的铜基合金称为铍青铜。特点：a）能通过热处理强化，有很高的强度、硬度、疲劳极限和弹性极限，而且耐蚀、耐磨、无磁性，导电和导热性好。b）受冲击无火化。c）冷热加工性能好，铸造性能也好。应用：a）高级精密弹性零件及特殊要求的耐磨零件。b）高速、高温、高压零件。c）防爆合金，如炼油厂常用的防爆工具。三、钛及钛合金1、钛及其合金的性能纯钛的密度4.5g/cm3，熔点1660℃，钛及其合金的性能特点：a）抗蚀能力强，尤其是抗海水及其蒸气腐蚀能力比铝合金、不锈钢和镍合金还高。b）在各种浓度的硝酸和铬酸中以及稀硫酸、苛性碱溶液中的稳定性好。c）焊接性好，低温韧性好，强度低，塑性好。易于冷压力加工。d）突出缺点是工艺性差。切削加工性很差，冷变形易开裂，在热加工时易吸收氢、氧、氮碳等杂质，导致塑性和冲击韧性降低，为热加工（铸、锻、焊、热处理）带来不少麻烦。2、分类及特性钛合金按其退火后的组织可分为三个类型，即α型、β型和α+β型。1）α型钛合金α型钛合金所含的合金元素主要为铝和锡，单相，不能热处理强化。特点：室温强度不高，但温度在400℃以下时的性能较好，组织稳定，焊接性能好，焊缝韧性高。应用：通常用于制造350℃以下经冲压或焊接成型的零件。2）β型钛合金β型钛合金能热处理强化，焊接性及压力加工性均好，但性能不稳定，冶炼工艺也较复杂，所以目前不常用。3）α+β型钛合金α+β型钛合金的力学性能变化范围宽，可适应各种不同的用途。可进行热处理强化。特点：与α型钛合金相比，工艺性较好，便于压力成型，但焊接性差。高温下具有较大的热强度。应用：TC4（Ti-6Al-4V）用途最广，用量占现有钛合金的一半。常用来制造400℃下长期工作的零件。表面处理表面处理基础知识一、表面处理概述表面处理技术就是通过各种工艺手段，赋予表面不同于基体材料的组织结构、化学组成，因而具有不同于基体材料的特殊性能。诸如高硬度、高疲劳强度、高耐磨耐蚀性、抗高温氧化性等。二、表面处理的作用1、腐蚀保护性2、抗磨性3、电性能4、耐热性5、光学特性6、电磁特性7、密封性8、装饰性9、耐疲劳性、保油性、焊接性等。三、表面处理的分类1、按工艺特点分（1）电镀：包括合金电镀、复合电镀、电刷镀、非晶态电镀、非金属电镀等。（2）涂装（3）堆焊（4）热喷涂：火焰丝材喷涂、火焰粉末喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂及爆炸喷涂等。（5）热渗镀（6）化学转化膜：包括阳极氧化、化学氧化、磷酸盐膜、铬酸盐膜和草酸盐膜。（7）金属着色：包括电化学着色、化学着色和染料着色。（8）气相沉积：分化学气相沉积和物理气相沉积。（9）三束改性：包括电子束技术、离子束技术和激光束技术。2、按学科特点分（1）表面合金化技术：包括喷焊、堆焊、离子注入、激光熔敷、热渗镀等。（2）表面覆层与覆膜技术：包括热喷涂、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、堆焊、金属着色、热浸镀等。（3）表面组织转化技术：包括激光、电子束热处理技术，以及喷丸、滚压等表面加工硬化技术。第二节热喷涂一、概述热喷涂是利用专用设备把固体材料加热到熔化或半熔化状态，并加速喷射到基体表面上，从而形成一种特制薄层以提高基体的表面性能。1、热源：火焰、电弧、电热热源、爆炸热源和激光热源等。2、热喷涂的材料：金属、合金、陶瓷、塑料、尼龙等。3、基体：金属、陶瓷、玻璃、石膏、木材、布、纸等固体材料。4、工艺过程：加热熔化、熔滴雾化、粒子飞行、撞击基体、冷却凝固形成涂层5、热喷涂的优点（1）基体温度低，不变形、不弱化。（2）喷涂尺寸不受限制。（3）喷涂厚度可以控制。（4）效率高。（与电镀相比较）（5）可赋予普通材料以特殊的表面性能。6、存在问题（1）结合力低。（2）孔隙率高。（3）均匀性较差。二、热喷涂方法热喷涂的方法较多，诸如火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂等。下面仅介绍火焰喷涂。利用气体火焰放出的燃烧热进行的热喷涂称为火焰喷涂。1、线材喷涂线材喷涂的涂层特点：（1）具有明显的层状结构。（2）含有明显的气孔和氧化物夹渣。线材喷涂的应用：（1）在大型构件上喷涂铝和锌，以制备防护涂层。（2）机械零件上喷涂合适材料，以获得耐腐蚀涂层、耐磨损涂层和耐高温氧化涂层等。2、粉末喷涂粉末材料：纯金属粉、合金粉、复合粉、碳化物粉、陶瓷粉、金属陶瓷粉等。其中用的最多的是“自熔”合金粉。“自熔”合金粉中含有起助熔作用和减少氧化作用的硼和硅。工艺过程：粉末喷涂形成涂层、加热涂层到熔点、涂层重熔、冷却形成致密涂层涂层与基体形成冶金结合，非常牢固。涂层硬度可达50HRC以上。应用：主要用于机械零件、化工容器和辊筒表面制备耐蚀和耐磨涂层。第三节气相沉积气相沉积也称干镀，按机理划分为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。一、物理气相沉积物理气相沉积是利用蒸发或溅射等物理形式，把材料从靶源移走，然后通过真空或半真空空间使这些携带能量的蒸发粒子沉积到基体或零件的表面，以形成膜层。物理气相沉积法主要有真空蒸镀、阴极溅射和离子镀。1、真空蒸镀在真空中使金属、合金或化合物蒸发，然后凝结在基体表面上的方法叫真空蒸镀。镀膜特点：（1）镀膜由气相沉积，均匀性好；（2）在真空条件下形成，纯净性好；（3）成膜过程简单，工艺可精确控制。应用：真空蒸镀主要用于光学透镜的反射膜及装饰用的金膜、银膜。2、阴极溅射阴极溅射是利用高速正离子轰击某一靶材（阴极），使靶材表面原子以一定能量逸出，然后在工件表面沉积的过程。阴极溅射与真空蒸镀相比有如下特点：（1）薄膜的结合力高；（2）容易相成高熔点物质的膜；（3）可以在较大面积上得到均匀的薄膜；（4）容易控制膜的组成；（5）可以长时间地连续运转；（6）有良好的再现性；（7）几乎可以制造一切物质的薄膜。3、离子镀离子镀借助于一种惰性气体的辉光放电使欲镀金属或合金蒸发离子化，在带负电荷的基体（工件）上形成镀膜。离子镀膜的特点：（1）离子镀膜附着力强；（2）均匀性好；（3）取材广泛且能相互搭配；（4）整个工艺过程无污染。应用：（1）形成附着力强的耐磨镀层；（2）形成表面致密的耐蚀镀层、润滑镀层；（3）形成各种颜色的装饰镀层；（4）形成各种特殊性能镀层。二、化学气相沉积化学气相沉积是利用气态物质在一固体表面进行化学反应，而在该固体表面上生成固态沉积物的过程。化学气相沉积的过程：产生挥发性运载化合物、把挥发性化合物运到沉积区、发生化学沉积反应生成固态产物常见的化学气相沉积反应有：（1）热解反应；（2）化学合成反应；（3）化学传输反应。1、热解反应在真空或惰性气体保护下加热基体至所需温度后，导入反应物气体使之发生热分解，最后在基体上沉积出固相涂层。热分解反应的化合物主要有：（1）氢化物（2）金属有机物。广泛用于沉积高附着性的金属膜和氧化物膜。（3）氢化物和金属有机物体系，利用这类热解体系可在各种半导体或绝缘体上制备化合物半导体膜。（4）其他气态铬合物和复合物，多用于贵金属（铂族）和其他过渡族金属的沉积。2、化学合成反应有两种或多种气态反应物在一个基体上相互反应进行沉积的反应称为化学合成反应。化学合成反应主要有：（1）用氢气还原卤化物来沉积金属和半导体；（2）用氢化物、卤化物或金属有机化合物来沉积绝缘膜。应用：（1）制备各种单晶薄膜；（2）制备多晶态和非晶态的沉积层，如二氧化硅、氧化铝、氮化硅、硼硅玻璃及各种金属化合物、氮化物和其他元素间的化合物等。3、化学传输反应把所要沉积的物质作为源物质，借助适当气体介质与之反应而形成一种气态化合物，这种气态化合物迁移到与源区温度不同的沉积区，在发生逆向反应，使得源物质重新沉积出来，这样的反应称为化学传输反应。第四节化学转化膜技术化学转化膜技术是通过化学或电化学手段，使金属表面形成稳定的化合物膜层的技术。实质就是处在表面的基体金属直接同选定介质中的阴离子反应，使之形成自身转化的产物。化学转化膜技术主要有：1、氧化膜或发蓝技术；2、磷酸盐膜技术；3、铬酸盐膜技术；4、草酸盐膜技术；5、阳极氧化膜技术。一般原理：使某种金属与某种特定的腐蚀液相接触，在一定条件下两者发生化学反应，由于浓差极化作用或阴、阳极极化作用，在金属表面形成一层附着力良好的、难溶的腐蚀生成物薄膜。化学转化膜的方法：1、电化学法；2、化学法。化学转化膜的施工方法：1、浸渍法；2、喷淋法；3、刷镀法；4、滚镀法。应用：化学转化膜广泛应用于金属与金属相互摩擦的部位，如磷酸盐膜具有很小的摩擦系数和良好的吸油能力，从化学和机械两方面保护基体第五节电镀、电刷镀、热浸镀和化学镀一、电镀电镀是通过电解方法在固体表面获得金属沉积层的过程。电镀的实质在组成电极的金属与溶液的界面上进行氧化-还原反应。常用的单金属电镀主要有：镀锌、镀镍、镀铬、镀锡和镀铬。电镀的作用：1、防腐；2、装饰；3、改善焊接性能。二、电刷镀在不断供应电解液的条件下，用一只镀笔在工作表面上进行擦拭，从而获得镀层。电刷镀与电镀的主要区别电刷镀所用的溶液中含有欲镀的金属离子，并且比电镀过程中溶液中的金属离子的浓度要高得多。电刷镀的特点：设备简单，操作容易，镀层结合牢固，经济效益显著。应用：电刷镀主要用于机械设备的维修，如滚动轴承和轴颈的修理，孔类零件的修理，平面、键槽的修理等。三、热浸镀热浸镀是将一种基体金属浸在熔融状态的另一种低熔点金属中，在其表面形成一层金属保护膜的方法。基体材料：钢、铸铁、铜等。镀层金属材料：锌、锡、铝等金属及其合金。根据热浸镀前处理的方法不同，热浸镀分为溶剂法和保护气体还原法。1、溶剂法热浸镀镀前在金属表面涂一层助镀剂，其作用包括清除金属表面的氧化物、防止镀前金属表面腐蚀和降低熔融金属的表面张力。2、保护气体还原法热浸镀（1）用煤气或天然气火焰加热金属表面，烧掉金属表面的油污、乳化液等，同时生成一层蓝色的氧化薄膜。（2）然后在还原性气氛中还原为活性海绵状铁，并进行再结晶退火，（3）待冷却到一定温度后进入镀锅进行热浸镀。3、应用：该工艺主要用于钢带热浸镀锌、铝和钢管热镀锌等。四、化学镀化学镀是镀液中的离子在催化作用下，与镀液中的还原剂发生还原反应，从而在金属表面形成还原沉积层的过程。催化剂：1、被镀金属本身；2、具有自催化作用的元素：Ni、Co、Pb、Cu、Ag、Au及其中一种或多种合金。还原剂：1、次磷酸盐；2、甲醛；3、硼氢化物以及氨基硼烷类及其衍生物等。第六节涂料及涂装方法一、涂料涂料是一种有机混合物，用以保护和装饰物体表面免受外界侵蚀，掩盖表面的缺陷，赋予各种丰富的色彩，改散外观。1、涂料的组成（1）成膜物质：油料和树脂。主要作用是形成漆膜，并决定涂料的性能，如硬度、耐磨、耐酸碱等。（2）颜料：红丹、氧化亚铅、碱性铬酸铅、钡酸锌、偏硼酸钡等。主要作用是着色，还可起到防锈和填充作用。（3）辅料：主要作用是改善涂料的工艺性及涂膜的物理、化学和力学性能。（a）溶剂：石油、煤焦、酯类、醇类、酮类、醇醚类等。（b）功能剂：增润剂、湿润剂、触变剂、稳定剂、悬浮剂、催化剂、固化剂等。2、涂料的分类（1）油性涂料、树脂涂料、油基涂料；（2）色漆、清漆；（3）汽车漆、船舶漆、木器漆；（4）耐酸漆、防锈漆、绝缘漆；（5）喷漆、烘漆；（6）底漆、面漆、罩漆。二、涂装技术1、一般涂装方法：（1）刷涂法；（2）浸涂法；（3）淋涂法；（4）压缩空气喷涂。2、新型涂装方法（1）静电涂装法；（2）电泳涂装法；（3）粉末静电喷涂法。第五章铸造将熔融的金属液浇注入铸型内，待冷却凝固后获得所需形状和性能的毛坯或零件的工艺过程称为铸造。用铸造方法制成的毛坯或零件称为铸件。铸造工艺过程主要包括：金属熔炼、铸型制造、浇注凝固和落砂清理等。铸件的材质有碳素钢、合金钢、铸铁、铸造有色合金等。与其它金属加工方法相比，铸造具有如下优点：（1）原材料来源广。（2）生产成本低。（3）铸件形状与零件接近，尺寸不受限制。因此，铸造在机器制造业中应用极其广泛。但铸造生产目前还存在着若干问题，如铸件内部组织粗大，常有缩松、气孔等铸造缺陷，导致铸件力学性能不如锻件高。铸造工序多，而且一些工艺过程还难以精确控制，使得铸件质量不够稳定，废品率高。第一节砂型铸造砂型铸造是指铸型由砂型和砂芯组成，而砂型和砂芯是用砂子和粘结剂为基本材料制成的。一、造型材料用来制造砂型和砂芯的材料统称造型材料。1、型（芯）砂的性能对铸件质量的影响型（芯）砂是由原砂、粘结剂和其他附加物按一定比例配合，经混合制成符合造型、制芯要求的混合料。型芯砂应具备的性能：透气性、强度、耐火度、发气性、退让性、溃散性、流动性、可塑性、不粘模性、保存性、抗吸湿性和回用性。2、型（芯）砂的分类（1）粘土砂粘土砂是由砂、粘土、水和附加物（煤粉、木屑等）按比例混合制成。粘土砂按浇注时的烘干程度分为湿型砂和干型砂两大类。（a）湿型砂优点：生产率高、生产周期短、便于组织流水生产；节约燃料、设备和车间生产面积；砂型不变形，铸件精度高；落砂性好，砂箱寿命长；铸件冷却速度快，组织致密。缺点：铸件易产生砂眼、气孔、粘砂、胀砂、夹砂等缺陷。（b）干型铸造优点：对原砂化学成分和耐火度要求较低；提高了砂性的强度和透气性，减少了发气量，对于预防砂眼、胀砂和气孔等缺陷比较有利。缺点：砂型的退让性和溃散性较差，散热慢，造成铸件晶粒粗大；烘干操作恶化了劳动条件和环境卫生。（2）水玻璃砂优点：砂型硬化快，强度高、尺寸精确、便于组织流水生产。缺点：溃散性差，导致铸件清理困难和旧砂回用性差。改善水玻璃砂溃散性的措施：a）减少水玻璃加入量；b）应用非钠水玻璃；c）加入