机械工程师培训课件 第二章 工程材料.ppt

工程材料 周水琴2005 9 主要内容 一 金属材料 材料特性 晶体结构 铁碳合金相图 试验方法 材料分类及选择 二 其他工程材料 工程塑料 特种陶瓷 光纤 纳米材料 三 热处理 热处理工艺 设备 应用 金属材料思考题 1 材料的基本力学性能主要包含哪些 2 设计中的许用应力与材料强度有何关系 如何确定许用应力 3 简述碳钢划分标准及各自性能特点4 简述铁碳相图的应用5 常用材料硬度测定法有哪几种 分别适用于检验何种材料 6 简述常用金属材料的分类7 材料选用的主要依据是什么 取决于材料的组分和晶体结构 1 材料特性 使用性能工艺性能 1 材料特性 力学性能 1 硬度指标表示方法 HB HR HV HS关系 b KHBS 钢铁K 3 3 3 5铜及铜合金K 4 8 5 3 b 801 24 50 08 HRC对于刀具 冷成型模具和粘着磨损或磨粒磨损失效的零件 硬度是决定其耐磨性的主要性能指标 1 材料特性 力学性能 2 强度指标 屈服点 s 表示金属开始发生明显塑性变形的抗力 铸铁等材料没有明显的屈服现象 则用条件屈服点 0 2 来表示 产生0 2 残余应变时的应力值 强度极限 抗拉强度 b 表示金属受拉时所能承受的最大应力 1 材料特性 力学性能 3 塑性指标 伸长率 L1 L0 L0 100 断面收缩率 S0 S1 S0 100 其数值越大 塑性也就越好只能表示单向应力状态下的塑性 1 材料特性 力学性能 4 冲击韧度冲击试样有缺口时抵抗塑性边形的能力实践证明 金属材料受大能量的冲击载荷作用时 其冲击抗力主要取决于冲击韧度的大小 而在小能量多次冲击条件下 其冲击抗力主要取决于材料的强度和塑性 1 材料特性 力学性能 5 疲劳强度 1金属材料在无限多次交变应力作用下而不破坏的最大应力试验规定 钢的循环次数基数107非铁合金或某些超高强度钢108疲劳断裂原因 材料内部缺陷 表面伤痕零件局部应力集中 1 材料特性 力学性能 6 弹性模量E表示材料抵抗弹性变形的能力 刚度 设计弹性零件必须考虑弹性极限和弹性模量 1 材料特性 物理性能 包括密度 熔点 热膨胀性 导电性 导热性 磁性等用途不同 要求不同性能不同 加工工艺不同举例 飞机选用密度小的合金电器零件要有导电性导热性不同 热处理工艺不同 1 材料特性 化学性能 指金属及合金在常温或高温时抵抗各种化学作用的能力举例 化工设备 耐腐蚀性医疗设备 不锈钢锅炉等承压管道 高温抗氧化性好的耐热钢 1 材料特性 工艺性能 铸造性能 金属及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力 锻造性能 用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度 焊接性能 金属材料对焊接加工的适应性 也就是在一定的焊接工艺条件下 获得优质焊接接头的难易程度 切削加工性能 切削加工金属材料的难易程度 170 230HBS最适合 热处理性能 钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性 即钢接受淬火的能力 2 晶体结构 晶体与非晶体的区别晶体 具有固定的熔点 其性能呈各向异性非晶体 没有固定熔点 其性能呈各向同性晶体结构的概念 晶格 表现原子在晶体中排列规律的空间格架晶胞 能完整地反映晶格特征的最小几何单元晶面 在晶体中由一系列原子组成的平面晶向 通过两个或两个以上原子中心直线 可代替晶格空间排列的 2 晶体结构 金属及合金中 主要是金属键联结金属的晶格类型 体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格晶体缺陷点缺陷线缺陷面缺陷 2 晶体结构 金属的结晶概念 液态金属转变为固态晶体的过程过冷度 理论结晶温度和实际结晶温度之差 其大小与冷却速度有关结晶规律 晶核的形成与晶核的长大晶粒的大小 取决于形核率与晶核的长大 细化晶粒的方法 增加过冷度 变质处理 振动处理 2 晶体结构 金属在固态下的转变同素异晶转变磁性转变纯铁的同素异构转变过程 Fe 1394 Fe 912 Fe纯铁的磁性转变温度为768 2 晶体结构 合金的相结构分类固溶体金属化合物 FeC TiC VC WC 机械化合物 锡 锑 铜组成的轴承合金 固溶强化 固溶体使晶格发生歪扭 合金变形阻力增大 硬度和强度升高的现象 铁碳合金相图 铁碳合金的基本组织1 铁素体F碳与 Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体 强度和硬度低 塑性和韧性好 2 奥氏体A碳与 Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体 高温组织 在大于727 时存在 塑性好 强度和硬度高于F 在锻造 轧制时常要加热到A 提高塑性 易于加工 3 渗碳体Fe3C铁与碳形成的金属化合物 硬度高 脆性大 4 珠光体PF与Fe3C混合物 强度 硬度 塑性 韧性介于两者之间 5 莱氏体LdA与Fe3C混合物硬度高 塑性差 铁碳合金相图 主要点 铁碳合金相图 主要线 ABCD线 液相线 液相冷却至此开始析出 加热至此全部转化 AHJECF线 固相线 液态合金至此线全部结晶为固相 加热至此开始转化GS线 A3线 A开始析出F的转变线 加热时F全部溶入AES线 Acm线 C在A中溶解度曲线ECF线 共晶线 含C量2 11 6 69 至此发生共晶反应 结晶出A与Fe3C混合物 莱氏体 PSK线 共析线 含C量在0 0218 6 69 至此反生共析反应 产生出珠光体 铁碳合金结晶过程分析 铁碳合金分类1 工业纯铁 含C量 0 0218 2 钢 含C量0 0218 2 11 3 白口铸铁 含C量2 11 6 69 碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响 1 碳对平衡组织的影响室温下 随含碳量增加 可分为七个典型组织区F Fe3C F PPP Fe3C P Fe3C LdLdFe3C Ld渗碳体变化过程Fe3C 沿铁素体晶界分布的薄片状 共析F Fe3C 分布在铁素体内的层片状 Fe3C 沿奥氏体晶界分布的网状 共晶Fe3C 莱氏体的基体 Fe3C 分布在莱氏体上的粗大片状 碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响 2 碳对力学性能的影响亚共析钢 由F P组成 随碳量增加 珠光体量增加 强度性能提高 共析钢 为F Fe3C的混合物 呈层片状 由于Fe3C的强化作用 珠光体性能较好 过共析钢 P Fe3C II 组成 当含碳量1 Fe3C II 呈网状分布在晶界处 强度性能下降 莱氏体 硬而脆 含C量增加 铁碳合金相图的应用 为选材提供成分依据塑性 韧性好 低碳钢强度 塑性 韧性都较好 中碳钢硬度高 耐磨性好 高碳钢为制定热加工工艺提供依据在铸造方面选择合适的浇铸温度 流动性好在煅造方面选择合适的温度区 奥氏体区在热处理方面退火 正火 淬火等焊接组织不均匀性和焊接应力 试验方法 1 拉力试验2 冲击试验3 硬度试验4 化学成分分析5 金相分析 1 拉力试验 目的 测定金属材料的强度和塑性强度指标屈服强度 s抗拉强度 b塑性指标伸长率 收缩率 低碳钢拉伸试验 2 冲击试验 3 硬度试验 1 布氏硬度 HBS HBW 一定直径的球体 钢球或硬质合金球 在一定载荷作用下压入试样表面 保持一定时间后卸除载荷 测量其压痕直径 计算硬度值 公式HB 0 102F A 0 204F D D 压头为淬火钢球时 符号为HBS压头硬质合金球时 符号为HBW适用范围 灰铸铁 轴承合金 退火正火调质后的钢件 3 硬度试验 2 洛氏硬度 HRA HRB HRC 将金刚石压头 或钢球压头 在先后施加两个载荷 预载荷F0和主载荷F1 的作用下压入金属表面 卸去主载荷F1后 测量其残余压入深度h 用h与h0之差 h来计算洛氏硬度值 适用范围 淬火后的工件 3 硬度试验 3 维氏硬度试验属于压痕试验法 将一个相对面夹角为136 的正四棱锥体金刚石压头以选定的试验力F压入试验表面 经规定保持时间后卸除试验力 测量压痕两对角线平均长度适用范围 1 金属维氏硬度 测定较大工件机较深表面层的硬度2 金属小负荷维氏硬度 测定较薄工件何具有较浅硬化层零件的表面硬度3 金属显微硬度 测量微小件 极薄件及具有极薄表面层的硬度机合金中组成相的硬度 几种硬度试验比较 4 化学成分分析 5 金相分析 金相分析包含内容1 原材料缺陷的低倍检验2 断口分析3 显微组织检验 5 金相分析 1 原材料缺陷的低倍检验检验方法 酸浸蚀法 冷浸蚀 热浸蚀 电解浸蚀 印痕法 硫印法 磷印法 检验内容 疏松 缩孔 偏析 白点 夹杂和裂纹检验过程 用肉眼或低倍放大后观察判断 5 金相分析 2 断口分析分析方法 宏观观察 光学显微镜 电子显微镜应用 失效分析 原材料缺陷分析 零件加工缺陷分析 热处理质量分析 使用环境分析 5 金相分析 3 显微组织检验光学显微镜分析 试样制备 腐蚀 观察 照相 分析报告定量金相分析 测定第二相的相对量 颗粒大小 质点间距 晶粒尺寸 晶界数量等晶粒度测定 测量计算法 面积计算法 对比法电子显微镜分析 透射电镜 扫描电镜 6 无损探伤 X射线探伤 焊缝和铸钢件的内部缺陷超声波探伤 焊缝中的裂纹 未融合 未焊透 锻件及轧材的白点 夹渣 缩孔涡流探伤 型材 管材 棒材 线材的内部缺陷 流水线自动探伤 磁粉探伤 表面缺陷 如裂纹 荧光探伤 不锈钢及有色金属等非磁性材料的表面缺陷探伤 材料分类及选择 常用金属材料分类 材料分类及选择 根据材料的使用性能选材分析零件的工作条件 确定使用性能进行失效分析 确定零件的主要使用功能根据零件使用性能要求提出对材料性能的要求 材料分类及选择 根据材料的工艺性能选材金属铸造性能金属压力加工性能金属机械加工性能金属焊接性能金属热处理工艺性能 材料分类及选择 根据材料的经济性能选材零件生产总成本最低生产总成本 制造成本 附加成本 其他工程材料 工程塑料特种陶瓷光纤纳米材料 工程塑料 高分子材料 以相对分子量大于5000的高分子化合物为主要组分的材料 原子以共价键和分子键相结合工程塑料特性 高机械强度 或具备耐高温 耐腐蚀 耐磨性等良好性能应用 一般结构件 普通传导件 摩擦零件 耐蚀零件 电器零件 汽车零件 工程塑料 热塑性 聚酰胺 尼龙或锦龙 聚甲醛聚碳酸脂 PC ABS塑料聚四氟乙烯 PTTA 工程塑料 热固性 特性 网状高分子树脂 固化后重新加热不再软化熔融 不溶于有机物 不能再成形酚醛塑料PF 电器开关 插头 外壳等电器绝缘零件 化工用耐酸泵 齿轮 手柄环氧塑料EP 制造塑料模具 精密量具和各种绝缘器件 工程塑料加工工艺 特种陶瓷 什么是陶瓷材料 陶瓷是无机非金属材料 是用天然的或人工合成的粉状化合物 通过成型和高温烧结而制成的多晶固体材料陶瓷材料特性高硬度 耐高温 抗氧化 耐腐蚀及其他优良的物理 化学性能 特种陶瓷 分类氧化铝陶瓷氮化硅陶瓷碳化硅陶瓷氮化硼陶瓷金属陶瓷 光学纤维 分类按结构分 阶跃型和剃度型按传输方式分 单模光纤和多模光纤按芯子材料分 石英玻璃 多组分玻璃 晶伴芯子 塑料芯子按光纤包层分 石英玻璃 多组分玻璃 塑料包层光纤按用途分 光导纤维 导光纤维 光学纤维 制造化学沉积法双坩埚法导模法浮区熔融法热挤压法 光学纤维 用途光导纤维 传输信息导光纤维 传输能量 纳米材料 当物质颗粒小到纳米级后 这种物质就可称为纳米材料纳米材料的性能活性增强 具体表现为高抗菌 防污 耐磨 强度加大碳纳米管的主要性能和用途尺寸只有头发丝的十万分之一 但导电率是铜的一万倍 强度是钢的100倍 而重量只有钢的六分之一 由于其强度是其他纤维的200倍 具有经受10万Mpa而不被破碎的奇异效果 广泛应用于金属 水泥 塑料 纤维等复合材料领域 军事领域可做防弹衣 计算机和信息领域作高密度存储 医疗领域可对癌症作早期诊断 早期发现 早期治疗 纳米材料举例 热处理思考题 简述钢的热处理工艺方法和目的钢的整体热处理包括哪些工艺内容 各自的主要目的何在 钢的表面淬火方法有哪几种 钢的化学热处理的工艺方法有哪几种 其目的是什么 消除铸件的内应力采用什么热处理工艺 1 热处理工艺 钢 热处理工艺 将钢在固态下加热到预定温度并在该温度下保持一段时间 然后以一定的速度冷却 并改变钢的内部组织 提高钢的性能 延长机器使用寿命的热加工工艺目的 消除铸 锻 焊等加工工艺造成的各种缺陷 细化晶粒 消除偏析 降低内应力 使组织均匀化 降低毛坯硬度 便于切削 强化金属材料 1 热处理工艺 钢 钢在加热时的转变1 钢的奥氏体化 热处理时须将钢加热到一定温度 使其组织全部或部分转变为奥氏体 这一过程遵循结晶过程 1 奥氏体晶核的形成及长大 2 残余渗碳体的溶解 3 奥氏体的均匀化2 奥氏体晶粒的长大 不论原来钢的晶粒是粗或是细 通过加热时的奥氏体化 都不能得到细小晶粒的奥氏体 但是随着加热温度升高 保温时间的延长 奥氏体晶粒会自发地长大 注意 A晶粒大小决定A转变产物晶粒的大小 加热速度越快 加热温度越高 过热度也越大 这时钢在高温下的转变时得到的A起始晶粒比较细小 1 热处理工艺 钢 钢在冷却时的转变钢经加热获得奥氏体组织后 在不同的冷却条件下冷却 例45钢制造的直径为15mm的轴 经840 加热后冷却 在空气中冷却 硬度小于209HBS在油中冷却 45HRC左右在水中冷却 56HRC左右冷却方式等温转变 是将奥氏体化的钢迅速冷却到A1以下某一温度保温 使奥氏体在此温度发生组织转变 连续冷却转变 是将奥氏体化的钢从高温冷却到室温 让奥氏体在连续冷却条件下发生组织转变 连续冷却转变产物炉冷 珠光体组织空冷 索氏体组织油冷 托氏体组织水冷 马氏体组织 过冷奥氏体的等温转变 过冷奥氏体的概念 在共析温度以下存在的奥氏体称为过冷奥氏体 过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能珠光体转变 珠光体P 索氏体S 托氏体T 贝氏体转变 上贝氏体 下贝氏体马氏体转变 当钢从奥氏体区急冷到Ms以下时 奥氏体转变为马氏体特点 转变在一定范围内进行的 Ms Mf 转变速度极快转变时体积发生膨胀转变不能进行到底残余奥氏体 即使过冷到Mf以下温度 仍有一定量奥氏体存在 这一部分奥氏体 马氏体的硬度 取决于马氏体中的含碳量 碳在 Fe中的过饱固溶体称为马氏体 1 热处理工艺 钢 钢在回火时的转变200 以下 回火马氏体200 300 回火马氏体300 400 回火托氏体400 A1 回火索氏体合金钢回火四个阶段的温度区间与碳钢有很大不同 1 热处理工艺 钢 钢的整体热处理工艺退火正火淬火回火 退火概念 将钢加热到适当温度 保持一定时间 然后缓慢冷却 炉冷 的热处理工艺称为退火目的 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 均匀组织及成分改善性能并为以后热处理作准备消除钢中的残余内应力 以防止变形和开裂 1 热处理工艺 钢 退火种类完全退火不完全退火去应力退火等温退火球化退火均匀化退火再结晶退火 完全退火在完全退火加热过程中 钢的组织全部转变为奥氏体 在冷却过程中 奥氏体转变为细小而均匀的平衡组织 铁素体 珠光体 从而达到降低钢的硬度 细化晶粒 充分消除内应力的目的 适用于中碳钢 中碳合金结构的锻件 铸件 热扎型材 有时也用于焊接结构件 但过共析钢不宜采用完全退火 球化退火是将钢加热到Ac1以上20 30度 保温一定时间 以不大于50度 h的冷却速度随炉冷却下来 使钢中碳化物呈球状的工艺方法 适用于共析钢及过共析钢 如碳素工具钢 合金工具钢 轴承钢等 去应力退火将钢加热到略低于A1的温度 保温一定时间后缓慢冷却的工艺方法 其目的是消除由于塑性变形 焊接 切削加工 铸造等形成的残余应力 适用于精度要求高的零件 钢的组织不发生变化 只消除内应力 1 热处理工艺 钢 正火概念 将钢加热到Ac3或Acm以上30 50度 保温适当的时间 在空气中冷却的工艺 目的 改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性 细化晶粒 消除过共析钢中的网状渗碳体 并为球化退火作准备 代替中碳钢和低碳合金结构钢的退火 1 热处理工艺 钢 正火与退火的区别 目的基本相同正火的冷却速度比退火稍快正火的生产周期短 成本低 操作方便 应优先采用正火 淬火概念 将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度 保温一定时间 然后以适当速度冷却 获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺称为淬火目的 为了获得马氏体和下贝氏体 提高钢的强度和硬度 加热温度 亚共析钢 Ac3以上30 50度过共析钢 Ac1以上30 50度冷却介质 油 适用于合金钢和小型碳钢工件的淬火水 适用于形状简单的碳钢工件的淬火盐水 碱水 淬火方法 单液淬火法双介质淬火马氏体分级淬火贝氏体等温淬火淬硬性 是指钢经淬火后所能达到的最高硬度 主要取决于钢的含碳量 淬透性 是指在规定条件下 钢在淬火冷却时获得马氏体组织深度的能力 合金钢的淬透性比碳钢好 淬火的缺陷氧化与脱碳过热与过烧变形与开裂硬度不足 回火概念 将淬火后的钢 再加热到Ac1以下的某一温度 保温一定的时间 然后冷却到室温的热处理工艺 目的 消除内应力获得所需要的力学性能稳定组织和尺寸淬火钢在回火时组织与性能的变化淬火后的组织 马氏体及少量残余奥氏体 回火的分类低温回火 150 250 回火马氏体58 64HRC中温回火 350 500 回火托氏体35 50HRC高温回火 500 650 回火索氏200 330HBS调质处理 淬火 高温回火 钢的表面热处理 目的 使表面具有高的硬度和耐磨性 而心部要有足够的塑性和韧性方法表面淬火 仅对工件表层淬火的工艺化学热处理 使表层渗入一种或几种元素 改变其化学成分表面淬火 火焰加热表面淬火 适用单件或小批量生产 感应加热表面淬火 适用大批量生产 化学热处理的基本过程 分解 吸收 扩散渗碳 用于低碳钢或低合金钢来制造 目的是提高表层含碳量 渗碳后 经淬火及低温回火使零件表面获得高硬度和耐磨性 而心部仍保持一定强度及较高的塑性和韧性渗氮 在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面 目的是提高工件表面硬度 耐疲劳和耐蚀性及热硬性 灰铸铁 去应力退火 一些形状复杂的铸件或精度要求高的铸件表面淬火 机床导轨 缸体内壁 要求较高的表面硬度和耐磨性消除铸件白口 降低硬度的退火 高温退火也叫石墨化退火 可锻铸铁 又称玛钢 玛铁 可锻铸铁的生产过程 首先铸造白口铸铁件 然后进行长时间的石墨化退火可锻铸铁不能锻造石墨化退火 球墨铸铁 概念 铁水经球化处理而使石墨大部分或全部呈球状的铸铁球化处理 在铁水