工程材料(概要).doc

工程材料绪论一、本教材的内容及组织形式1. 了解学生先修课程情况（材料力学、工程材料、金工实习等）2. 运用实例介绍工程设计制造过程3. 介绍教材内容及组织形式二、学习要求：1. 学习态度2. 课堂纪律3. 作业情第一章 金属材料结构与性能第一节 概述一、金属材料分类二、金属材料特性共同点：较高强度、良好塑性、高导电性导热性、金属光泽三、金属材料性能第二节 金属材料的结构一、金属的结晶1 晶体：纯金属+合金特征：原子在空间的有规则排列2 结晶过程1) 过冷度：T与冷却速度有关。冷速越大，T越大。2) 晶核形成和成长晶粒大小和形核多少及晶核成长速度有关。形核越多，长大速度越慢，则晶粒越细。 二、金属的晶体结构晶体结构：原子排列方式1晶格晶胞（边长为晶格常数，埃）2常见晶格类型体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格3缺陷空位和间隙、位错和晶界三、合金的晶体结构1固溶体：1) 定义：固态下，溶质原子溶剂，保持溶剂晶格2) 分类：置换固溶体：溶质原子置换溶剂原子间隙固溶体：溶质原子嵌入溶剂原子空隙3) 固溶强化：2金属化合物：相互化合成新晶格，特点：熔点高，硬度高，脆性大。3机械混合物：两种组元或固溶体or :固溶体+金属化合物，保持各自晶格，其性能取决于各组元的性能、相对数量、大小形状及分布。第三节 金属材料的机械性能失效：机械性能：又称力学性能，指材料在外力作用下所显示的性能。一、静载荷下的机械性能：主要有强度、刚度、弹性、塑性、韧性硬度。1静拉伸试验：应力应变曲线2弹性与刚度：刚度：抵抗弹性变形能力（形状、尺寸、材料弹性模量EE=/弹性：产生弹性变形的能力（对应弹性极限e的应变e3强度：抵抗塑性变形和断裂的能力。s：屈服强度（屈服极限）对屈服现象不明显（如高强度钢）：r0.2（对应=0.2%）表示 形变强化：b：抗拉强度，拉断前所承受的最大应力。强度依据：一般地，塑性材料：s 脆性材料：b4塑性：断裂前产生塑性变形的能力，延伸率：=L/L0，截面收缩率：=F/F05硬度：硬物压入时的抵抗能力。布氏硬度：淬硬钢球HBS(W)=P/F a) 洛氏硬度：120锥角金刚石or：1.588mm（1/16）淬硬钢球，HRA，HRBHRCb) 维氏硬度：136正四棱锥金刚石压头，HV=P/F特点：载荷小，压入深度浅，适于成品、薄层检验。二、动载荷下的机械性能：主要有冲击韧性、抗疲劳性能1 冲击韧性k：破裂前吸收的能量。摆锤式冲击实验第二章 铁碳合金第一节 概述一、钢：2.11%二、 铁碳合金图：含碳量：5%，脆，无实用价值； Fe3C：6.67%C，为一稳定化合物，可看作一组元。第二节 铁碳合金基本组织和性能一、铁：910：-Fe，体心立方晶格。9101390：-Fe，面心立方晶格铁素体：碳溶于-Fe 中的固溶体，性能接近纯铁，强度、硬度低，塑性很好。奥氏体：碳溶于-Fe（溶解度大，0.772.11%）二、渗碳体：硬度高（HBS=800），塑性低，一定条件下分解为Fe+C第三节 铁碳合金状态图的分析一、初次结晶过程ACD：液相线AECF：固相线C：共晶点A：纯铁熔点D：Fe3C熔点ECF：共晶线共晶：一定条件（温度、成分），同时结晶出两种不同晶体，形成一特殊共晶体组织（机械混合物）。14.3%（过共晶生铁）：1147时进行共晶转变，莱+Fe3C。二、二次结晶P：共析点ES：碳在-Fe中溶解度曲线GS：冷却时奥氏体析出铁素体的转变线（同素异构转变）共析转变：10.77%（过共析钢）：常温组织：渗碳体+珠光体。含碳量越高，则渗碳体越多，则硬度越高，韧性降低。4生铁：共晶生铁：莱氏体珠光体+渗碳体（）亚共晶生铁：奥+莱氏体珠光体+渗碳体（）+莱氏体过共晶生铁：渗碳体（）+莱氏体莱氏体+渗碳体（）第四节 碳钢一、碳及杂质对钢性能的影响1碳亚共析钢：含碳量越高，硬度、强度越高，塑性、韧性降低。过共析钢：含碳量越高，硬度越高，强度先高后低。2P：冷脆性：强度、硬度提高，塑性、韧性下降。常温影响更显著。含磷量加以限制。3S：热脆性：FeS与Fe形成共晶体，熔点985，多存在于晶界，在10001200锻、轧时易开裂。含硫量加以限制P、S优点：使切易屑断，改善切削性能。易断钢：P(0.080.15%)，S(0.150.5%)4Si：强、硬度提高，熔于铁素体。5Mn：熔于铁素体、Fe3C，强度、硬度提高，减少S钢的危害。二、钢的分类1按含碳量分:低碳钢：0.25%。中碳钢：0.250.60%。高碳钢：0.60%2按钢的质量分：质量高低主要根据有害物质S、P含量分。普通碳素钢：S、P含量高，P0.045%，S0.050%，优质碳素钢：S、P含量低，S、P0.035%，高级优质碳素钢：S、P含量很低，P0.035%，S0.030%3按用途分：碳素结构钢：机械零件和工程结构，0.7%，碳素工具钢：工具用钢，0.7%4按冶炼脱氧程度分：沸腾钢：不脱氧；镇静钢：完全脱氧。优质钢和合金钢一般都是。半镇静钢：半脱氧。三、碳素结构钢1 普通碳素结构钢：C：0.060.38P、S含量高，一般不需要热处理。钢号表示法：Q数字质量等级脱氧方法其中：Q：屈服强度数字：最低屈服强度数值，MPa质量等级：由低到高分为A、B、C、D四级。脱氧方法：F：沸腾钢，b：半镇静钢，Z：镇静钢，TZ：特殊镇静钢根据供应状态分两类：A级：保证力学性能其它：保证力学性能，保证化学成分2 优质碳素结构钢：按化学成分和力学性能供应，常需热处理。表示法：两位数字MnF(b)其中：两位数字：平均含碳量的万分之几。Mn：含Mn量高时标注（Mn：0.701.20%）F：沸腾钢，b：半镇静钢可以细分为：冷冲压钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢。四、碳素工具钢:C：0.651.35%根据S、P，分优质碳素工具钢、高级优质碳素工具钢。表示方法：T数字MnAT：碳数字：平均含碳量千分之几Mn：含Mn量高时标注A：高级优质碳素工具钢。五、铸钢C：0.200.60%含碳量过高塑性差，易冷裂。铸造碳钢：ZG两组数字两组数字：最低屈服强度数值+最低抗拉强度数值。铸造合金钢ZG合金钢铸造性能差：流动性差，易产生分散缩孔，偏析严重，收缩率大，易开裂和变形第五节 铸铁铸铁按其碳中存在形态，可分为以下几种：（1）白口铸铁:断口呈白色，以渗碳体形式存在。冷硬铸铁：（2）HT:以自由状态的片状石墨存在，端口呈暗灰色。（3）可锻铸铁:以团絮状石墨存在。白口铸铁经长时间高温退火处理（又称石墨化退火）而得到。（4）球墨铸铁:以自由态的球状石墨存在。（5）蠕墨铸铁:以蠕虫状石墨存在。一、铸铁的石墨化及其影响因素1 铸铁的石墨化铸铁中碳以石墨状态析出的过程称为铸铁的石墨化。2 影响石墨化的因素1） 化学成分C、Si：促进石墨化元素。碳当量：控制铸铁组织和性能的主要措施。S：阻碍石墨化元素。Mn：阻碍石墨化元素。P：对石墨化影响不大。2） 冷却速度冷却快，越易的道白口组织；冷却慢，越利于石墨化进行。冷却速度受造型材料、铸造方法、铸件壁厚等因素的影响。二、HT3 HT的组织和性能1）HT的化学成分和组织根据化学成分和冷却速度对石墨化影响，HT可能出现三种不同基体的组织：铁素体HT(铁素体+C)、珠光体HT（P+C）、铁素体珠光体HT(铁素体+P+C) HT实际上是在钢的基提上分布了大量的片状石墨。2）HT的性能HT的抗拉强度和塑性大大低于相同基体的钢。HT的抗压强度同相同基体的钢差不多。HT的性能主要取决于基体的性能和石墨的数量、形状、大小和分布状况。其中以细晶粒的珠光体基体和细片状石墨组成的HT的性能最优。石墨组织的优点：易断屑，良好的铸造性，减摩、减震，降低缺口敏感性。4 HT的孕育处理孕育铸铁（变质铸铁）目的：细化和减少石墨片，提高HT的力学性能。孕育剂：促进石墨化的物质，主要有硅铁，硅钙合金。使用适应适当调整其化学成分，降低C、Si含量，以减弱石墨化程度，避免石墨片数量过多和粗大。5 HT的牌号及用途HT数字其中：数字表示最抵抗拉强度，Mpa。三、可锻铸铁：俗称马铁。可锻铸铁不可锻。牌号：KT类别+数字1数字2其中：类别：H黑心可锻铸铁，Z珠光体可锻铸铁四、球墨铸铁6 球化孕育处理球化剂：使C以球状石墨析出，强烈阻碍石墨化，易形成白口。孕育处理：以增加球状石墨数量，减小球径，圆整形状，使分布均匀。7 牌号QT数字1数字28 其中：数字1：最低抗拉强度数字2：最低延伸率五、蠕墨铸铁1 组织金属基体上分布着蠕虫状石墨。2牌号：RuT数字其中：数字：最低抗拉强第三章 钢的热处理第一节 概述热处理：将金属在固态下通过的方式，改变合金的内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。热处理不改变零件的外形和尺寸，只改变材料的组织和性能热处理的三阶段：加热、保温、冷第二节 钢的热处理基本原理一、钢加热时组织转变1 奥氏体的转变温度临界转变温度：A1、A3、Acm实际加热转变温度：Ac1、Ac3、Accm实际冷却转变温度：Ar1、Ar3、Arcm2 奥氏体的形成1）奥氏体晶核的形成在铁素体和Fe3C的向街面上形成。 2）奥氏体晶核的长大3）残余Fe3C的溶解4）奥氏体均匀化钢件加热时需要根据工件的有效尺寸研究合适的保温时间，以获得均匀奥氏体，确保冷却得到良好的组织和性能。二、 钢冷却时的组织转变1 热处理中的冷却方式1） 等温冷却将钢速冷至临界点下给定温度，进行保温，使其在该温度下恒温转变。2） 连续冷却将钢以某种速度连续冷却，使其在临界点下变温连续冷却。2 过冷奥氏体的等温转变1） 等温转变曲线（C曲线）A1线以上：奥氏体稳定区。A1线：奥氏体转变临界温度。左C曲线：奥氏体转变开始线，其左边是过冷奥氏体。右C曲线：奥氏体转变终止线，其右边是转变产物区。两者间是转变区。Ms（230）：马氏体转变开始线。Mf（-50）：马氏体转变终止线。孕育期：L，L越大，表示孕育期愈长，过冷奥氏体越稳定。2） 过冷奥氏体转变产物的组织和性能A 高温转变（珠光体转变）温度范围：A1线鼻尖线之间。转变产物：铁素体和Fe3C片层相间的珠光体型组织。转变温度越低，形成的铁素体和渗碳体片层愈细。A1650：粗片状珠光体(P);650600：细珠光体（S索氏体） HRC增大;600550：极细珠光体(T屈氏体)B 中温转变（贝氏体转变）温度范围：550Ms（230）转变产物：贝氏体(B)550350：上贝氏体，羽毛状组织，HRC4045，强度低，塑、韧性也较差。350Ms：下贝氏体，黑色针状组织，HRC4555，较高的强度及良好的塑、韧性。C 低温转变（马氏体转变）温度范围：Ms以下Mf无扩散转变。第四章 合金钢第一节 概述碳素钢的缺点；综合机械性能差。热稳定性差：250的负荷条件,会变形;耐蚀性差;:对酸无抗力;淬透性差;不适应大面积制件淬火;不能满足某些特殊性能：能耐高温，高耐磨性。如此，在其基础上添加合金元素所炼制一类钢，称为合金钢。一、合金钢分类;二、合金钢编号第二节 合金元素在钢中的作用一、钢中合金元素:合金元素：为合金化的目的而加入并且其含量有一定范围的元素。常用：低合金钢：合金元素总含量为10%二、合金元素作用：1 合金元素固溶于铁素体：固溶强化，提高钢的强度。2合金元素溶解于奥氏体：一定程度固溶强化，更重要是增加钢的稳定性，使大截面制件在缓冷介层中淬透。3合金元素形成碳化物，非金属化合物：化合物、硬而脆，其有相当高的热稳定性，都是冷制耐磨和耐高温钢不可缺少的组织。细化晶粒，消除过热敏感性，提高回火抗力和提高韧性，起积极作用。4.改变相变温度：对临界会产生影响。奥氏体形成元素，扩大Au区。铁素体形成元素，缩小或封闭Au。5改变共析点的位置。改变共析温度和共析成分。第三节 合金结构钢一低合金结构钢底合金高强纲，普通底碳钢+合金元素。二.机械制造用合金结物钢。优质钢，高级优质钢、优质碳素结构钢+合金元素。使用状态一般为淬火十日火点，决定其力子性能的主要元素是；钢中的含碳量，回火温度。合金元素的种类和数量。在保证淬透前提下，前两个因素影响为主。一合金渗碳钢；化学成分；底碳；0.10.25%主加元素;Cr.Mn.Ni.B.（淬透性）代表物；20Cr热处理；渗碳后淬火+底回，表层；隐晶回火M+粒壮碳化物。少量残余An。二调质钢；化学成分；中铁；.3.5%主加元素;Si.Mn.Cr、Ni、（淬透性）代表物；40Cr热处理a、预备热处理：正火或退火。、最终热处理；调度弹簧钢；化学成分；中高碳钢.50.7%主加元素;Si、Mn、（淬透性。回火稳定性、屈强比，强化铁去体）代表物；65Mn热处理；ale冷成型弹簧（中10、冷拉弹簧钢丝冷卷成型。定性处理或淬中回。流动轴承钢；化学成分；0.951.15%.主加元素;Cr(淬透性)代表物;GC5热处理;a预备热处理；回火加球化退火最终热处理；淬低回第四节 合金工具钢一刃具钢用来制造各种切削加工工具要求；高的硬度耐磨性，高的红硬性，足够的强度和韧性底合金刃具钢；红硬性较差，主要用于制造底适切削刃具成分；高碳主加元素；、i、c淬透性回火稳定性细化晶粒）预备热处理；球化退火最终热处理；淬底回高速钢；8Cr4V，红硬性，耐磨性较高的高合金工具钢高碳主加元素；W、Mo、V、Cr（碳化物形成元素）锻造与退火；打碎共晶莱氏体、锻后球化退火。淬火与回火；淬后多回。二、模具钢；1冷模具钢；指冷态金属更形的模具用钢。料要求；高硬度、高强度、高耐磨性及足够韧性，良好工艺性等.高碳；热处理；登温球化退火（预）淬+底回（终）2热模具钢；金属在加热状态或液态下成型的模具用钢。材料要求；足够高温强度及高温硬度，高温下高的耐磨性和足够的塑韧性。高的热抗被劳性和抗氧化性，高的淬透性和热处理变形。中碳；热处理；淬火+高回。三量具钢；高的尺寸稳定性、高硬、耐磨性、足够韧性含碳较高的过共析钢。第五节 特殊性能钢一不锈钢；为不锈和耐磨钢总称，有称不锈钢耐磨钢。不锈钢；大气及物腐蚀介质中耐腐蚀的钢。耐磨钢；各种强腐蚀介质中耐腐蚀的钢。1铬不锈钢用于弱腐蚀介质；2CrnNc不锈钢；各种腐蚀介质二耐热钢；450高温条件工作，保持足够强度和抗氧化不起皮的一些特殊合金钢种。第五章 有色金属第一节 概述黑色金属；铸铁钢有色金属；非铁金属及其合金；l、u、g、Zn、Ti第二节 铜及铜合金一、工业纯铜又称紫铜，优良的导电。导热及良好的耐蚀、抗耐性，不能通过热处理强化，一般进到塑性变形加工硬化强化。二、铜合金；1黄铜；Cn+zi2、白合金；cn+Ni3、青金铜；,其它铜合金。锡、铝、铁铜。 第三节 铝及铝合金 一、工业纯铝；导电、导热性高。在大气中有良好耐蚀性，但不能耐温、碱坏腐蚀、塑性好。工业纯铝牌号按其杂志含量编制、铝L1.L2.L3.L4.L5.L6.L7.编号越大，纯度越底。高纯铝牌号以LG1表示，编号越大，纯度越高。二、铝合金；形变铝合金.热处理不能强化的铝合金（防锈铝合金）铝合金铸造铝合金.热处理能强化的铝合金（硬铝合金，超硬铝合金）第四节 滑动轴承合金滑动轴承中，制造轴承内衬的合金称滑动轴承合金。轴承合金理想组织；软基体均布硬层点或硬基体，均布软层点。一、锡基轴承合金；良好耐蚀性，导热性，底磨插技术，但其；疲劳孤度低，使用温度L150c二、铝基轴承合金；硬度、孤度、韧性均低于锡基轴承合金，但价格便宜。三、铝基合金；疲劳孤度、高温硬度高、导热性好、能承受较大压力和速度且，原材料丰富，低价格。第七章 材料的选用第一节 选材的一般原则一、材料的使用性；材料的力学性能；物理性能和化学性能是选材是首先应保证的。二、材料工艺性；铸件；共晶或近共晶成分的合金，以保证良好流动性。锻件；是固溶体组织合金，以保证良好塑性和低变形抗力。焊件；低碳钢、低合金钢，以保证好的焊接性。工艺性能较突出的是可切削性和热处理工艺。为便于切削；钢坯硬度HBL170230.热处理工艺；碳钢淬透性较差，强度也不是很高，加热时易过热而鲸粒粗大，淬火时易变形、开裂、因此，制造高孤度，大截面、形状复杂的另件宜选合金钢。3、材料经济性零