金属材料工艺学基础.ppt

宁波精益微型轴有限公司产品技术研发部陈建元 金属工艺学 机械制造基础 材料 信息 能源称为现代技术的三大支柱 复合材料 工程材料 金属材料 陶瓷材料 高分子材料 零件的生产工艺过程 选材 选毛坯 预先热处理 机械加工 最终热处理 检验 应根据零件的性能要求 受载情况 服役条件 工作环境等 其中选材 金属材料种类繁多 性能不一 而且材料的发展日新月异 而零件的性能要求 服役条件各不相同 再加上材料的资源 价格等多方面考虑 毛坯选择 车削 传统的有 现代的有 有液态成形毛坯 塑性成形毛坯 连接成形毛坯 粉末冶金成形 型材等毛坯 车削 刨削 铣削拉削 镗削 磨削等 数控加工 电火花加工 激光加工等特种加工方法 机械加工方法 一个具体零件的加工往往可用多种不同的加工方法 而每种加工方法所能达到的加工精度 加工质量 加工范围 加工效率是不同的 预先热处理 为使切削加工能顺利进行 可通过预先热处理调整硬度 为切削加工做好组织准备 最终热处理 使材料的性能达到要求 第一篇金属材料导论 主要内容 1 5铁碳合金 1 1金属材料的主要性能 1 2金属及合金的晶体结构 1 3合金的结构 1 4二元合金状态图 1 1材料的强度与塑性 1 拉伸试验及拉伸曲线 2 拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义 1 1金属材料的主要性能 一 静载单向静拉伸应力 应变曲线 1 拉伸试样 长试样 L0 10d0短试样 L0 5d0 低碳钢拉伸曲线 脆性材料拉伸曲线 2 拉伸机上 低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线 纵坐标为应力 单位MPa MN mm 横坐标为应变 其中 F S表示材料抵抗变形和断裂的能力 L1 L0 L03 曲线分为四阶段 1 阶段I ope 弹性变形阶段p Fp e Fe 不产生永久变形的最大抗力 op段 L P直线阶段pe段 极微量塑性变形 0 001 0 005 2 阶段II ess 段 屈服变形S 屈服点Fs3 阶段III s b 段 均匀塑性变形阶段b Fb材料所能承受的最大载荷 4 阶段IV bK 段 局部集中塑性变形 颈缩铸铁 陶瓷 只有第I阶段中 高碳钢 没有第II阶段二 拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义1 刚度和弹性刚度材料在受力时 抵抗弹性变形的能力 E 杨氏弹性模量GPa MPa本质是 反映了材料内部原子结应力的大小 组织不敏感的力系指标 弹性 材料不产生塑性变形的情况下 所能承受的最大应力 比例极限 p Fp Ao应力 应变保持线性关系的极限应力值 弹性极限 e Fe Ao不产永久变形的最大抗力 2 强度 材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力 屈服强度 s 材料发生微量塑性变形时的应力值 即在拉伸试验过程中 载荷不增加 试样仍能继续伸长时的应力 条件屈服强度 0 2 高碳钢等无屈服点 国家标准规定以残余变形量为0 2 时的应力值作为它的条件屈服强度 以 0 2来表示抗拉强度 b 材料断裂前所承受的最大应力值 材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值 3 塑性 材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力 延伸率延伸率与试样尺寸有关 5 10 L0 5d 10d 断面收缩率 A Ao Ao Ak Aox100 时 无颈缩 为脆性材料表征 时 有颈缩 为塑性材料表征 断裂后 拉伸试样的颈缩现象 1 2材料的硬度抵抗外物压入的能力 称为硬度 综合性能指标 1 布氏硬度 压头为钢球时 布氏硬度用符号HBS表示 适用于布氏硬度值在450以下的材料 压头为硬质合金时 用符号HBW表示 适用于布氏硬度在650以下的材料 符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值 符号后面的数字按顺序分别表示球体直径 载荷及载荷保持时间 如120HBS10 1000 30表示直径为10mm的钢球在1000kgf 9 807kN 载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120 布氏硬度的优点 测量误差小 数据稳定 缺点 压痕大 不能用于太薄件 成品件及比压头还硬的材料 适于测量退火 正火 调质钢 铸铁及有色金属的硬度 材料的 b与HB之间的经验关系 对于低碳钢 b MPa 3 6HB对于高碳钢 b MPa 3 4HB对于铸铁 b MPa 1HB或0 6 HB 40 2 洛氏硬度 定义 HR k h1 h0 0 002常用标尺有 B C A三种 HRA硬 薄试件 如硬质合金 表面淬火层和渗碳层 HRB轻金属 未淬火钢 如有色金属和退火 正火钢等 HRC较硬 淬硬钢制品 如调质钢 淬火钢等 洛氏硬度的优点 操作简便 压痕小 适用范围广 缺点 测量结果分散度大 3 维氏硬度 维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点 既可测量由极软到极硬的材料的硬度 又能互相比较 既可测量大块材料 表面硬化层的硬度 又可测量金相组织中不同相的硬度 1 3冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力 指标为冲击韧性值ak ak 冲击破坏所消耗的功Ak 标准试样断口截面积S J cm ak值低的材料叫做脆性材料 断裂时无明显变形 金属光泽 呈结晶状 ak值高 明显塑变 断口呈灰色纤维状 无光泽 韧性材料 材料的冲击韧性随温度下降而下降 在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变 发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度 材料的使用温度应高于韧脆转变温度 疲劳 承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化 交变应力作用下 往往在远小于强度极限 甚至小于屈服极限的应力下发生断裂 1 4疲劳强度 80 的断裂由疲劳造成 周次 疲劳强度 1 材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值 条件疲劳极限 经受107应力循环而不致断裂的最大应力值 陶瓷 高分子材料的疲劳抗力很低 金属材料疲劳强度较高 纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能 影响因素 循环应力特征 温度 材料成分和组织 夹杂物 表面状态 残余应力等 疲劳断口 通过改善材料的形状结构 减少表面缺陷 提高表面光洁度 进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力 1 5材料的断裂韧性1 问题的提出低应力脆断 断裂力学断裂韧性是量度材料抵抗裂纹失稳扩展阻力的物理量 是材料抵抗应力脆性断裂的韧性参数 2 应力场强度因子K前面所述的力学性能 都是假定材料内部是完整 连续的 但是实际上 内部不可避免的存在各种缺陷 夹杂 气孔等 由于缺陷的存在 使材料内部不连续 这可看成材料的裂纹 在裂纹尖端前沿有应力集中产生 形成一个裂纹尖端应力场 表示应力场强度的参数 应力场强度因子 I 单位厚度 无限大平板中有一长度2a的穿透裂纹Y 裂纹形状 加载方式 试样几何尺寸 试验类型有关的系数 几何形状因子 Y I 3 断裂韧性对于一个有裂纹的试样 在拉伸载荷作用下 Y值是一定的 当外力逐渐增大 或裂纹长度逐渐扩展时 应力场强度因子也不断增大 当应力场强度因子KI增大到某一值时 就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离 从而导致裂纹突然失稳扩展 即发生脆断 这个应力场强度因子的临界值 称为材料的断裂韧性 用KIC表示 它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力 当KI KIC时 裂纹失稳扩展 发生脆断 KI KIC时 裂纹处于临界状态KI KIC时 裂纹扩展很慢或不扩展 不发生脆断 KIC可通过实验测得 它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标 是材料的一种固有特性 与裂纹本身的大小 形状 外加应力等无关 而与材料本身的成分 热处理及加工工艺有关 4 应用断裂韧性是强度和韧性的综合体现 1 探测出裂纹形状和尺寸 根据KIC 制定零件工作是否安全K KIC 失稳扩展 2 已知内部裂纹2a 计算承受的最大应力 3 已知载荷大小 计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸 5 Titanic沉没原因 I 思考题 1将钟表发条拉成一直线 问这是弹性变形还是塑性变形 怎样判断它的变形性质 2疲劳破坏有什么危害 在什么情况下发生疲劳破坏 产生原因是什么 如何提高零件的疲劳强度 2 金属的结晶 原子由无序状态向有序状态转变的过程 有晶体形成 1 三种常见的金属的晶格类型 体心立方面心立方密排六方 一 晶体与非晶体 1 晶体 指原子呈规则 周期性排列的固体 常态下金属主要以晶体形式存在 晶体具有各向异性 非晶体 原子呈无规则堆积 和液体相似 亦称为 过冷液体 或 无定形体 在一定条件下晶体和非晶体可互相转化 2 区别 a 是否具有周期性 对称性 b 是否长程有序 c 是否有确定的熔点 d 是否各向异性 二 金属的晶体结构1 金属的晶体结构晶体结构描述了晶体中原子 离子 分子 的排列方式 1 理想晶体 实际晶体的理想化三维空间无限延续 无边界严格按周期性规划排列 是完整的 无缺陷 原子在其平衡位置静止不动2 理想晶体的晶体学抽象空间规则排列的原子 刚球模型 晶格 刚球抽象为晶格结点 构成空间格架 晶胞 具有周期性最小组成单元 晶格 用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架 直线的交点 即原子中心 称结点 由结点形成的空间的阵列称空间点阵 晶胞 能代表晶格原子排列规律的最小几何单元 3 晶胞的描述 晶体学参数 a b c 晶格常数 a b c 4 晶系 根据晶胞参数不同 将晶体分为七种晶系 90 以上的金属具有立方晶系和六方晶系 立方晶系 a b c 90 六方晶系 a1 a2 a3 c 90 120 5 原子半径 晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半 6 晶胞原子数 一个晶胞内所包含的原子数目 7 配位数 晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目 8 致密度 晶胞中原子本身所占的体积百分数 2 三种典型的金属晶体晶胞 1 体心立方晶胞 晶格常数 a a b c 原子半径 原子个数 2配位数 8致密度 0 68常见金属 Fe Cr W Mo V Nb等 2 面心立方晶胞 晶格常数 a 原子个数 4配位数 12致密度 0 74常见金属 Fe Ni Al Cu Pb等 3 密排六方晶胞 晶格常数 底面边长a和高c c a 1 633 原子个数 6配位数 12致密度 0 74常见金属 Mg Zn Be Cd等 三 实际金属的晶体结构理想晶体 晶体缺陷 实际晶体实际晶体 单晶体和多晶体单晶体 内部晶格位向完全一致 各向同性 多晶体 由许多位向各不相同的单晶体块组成 各向异性 1 晶体缺陷实际晶体中存在着偏离 破坏 晶格周期性和规则性的部分 1 点缺陷 晶格结点处或间隙处 产生偏离理想晶体的变化 空位晶格结点处无原子置换原子晶格结点处为其它原子占据间隙原子原子占据晶格间隙 点缺陷破坏了原子的平衡状态 使晶格发生扭曲 称晶格畸变 从而强度 硬度提高 塑性 韧性下降 2 线缺陷 位错 二维尺度很小 另一维尺度很大的原子错排位错 晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移 滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错 有刃型位错和螺型位错两种类型 刃型位错 当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面 该晶面象刀刃一样切入晶体 这个多余原子面的边缘就是刃型位错 半原子面在滑移面以上的称正位错 用 表示 半原子面在滑移面以下的称负位错 用 表示 位错密度 单位体积内所包含的位错线总长度 S V cm cm3或1 cm2 金属中的位错密度为104 1012 cm2 位错对性能的影响 金属的塑性变形主要由位错运动引起 因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径 从 关系可以看出 减少或增加位错密度都可以提高金属的强度 电子显微镜下的位错 3 面缺陷一维尺度很小 而二维尺度较大的原子错排区域 分为晶界 亚晶界 表面等 晶界是不同位向晶粒的过度部位 宽度为5 10个原子间距 位向差一般为20 40 位向差很小 10 2 的小晶块为亚晶粒 亚晶粒之间的交界面称亚晶界 亚晶界也可看作位错壁 四 金属的同素异构转变 概念 金属在固态下 随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象 意义 可以用热处理的方法即可通过加热 保温 冷却来改变材料的组织 从而达到改善材料性能的目的 合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质 Al Cu两相合金 组成合金的元素可以是全部是金属 也可是金属与非金属 组成合金的元素相互作用可形成不同的相 所谓相是指金属或合金中凡成分相同 结构相同 并与其它部分有界面分开的均匀组成部分 组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态 数量 大小和分布的组合 铁碳合金中的组织分为固溶体 金属化合物和机械混合物三类 1 固溶体组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的 且结构与组元之一相同的固相称为固溶体A B A 溶剂B 溶质 分类1 按溶质原子的位置分置换固溶体其中溶质原子占据溶质原子点阵位置的固溶体 晶格类型相同 原子半径相差不大 电化学性质相近 间隙固溶体溶质原子位于溶剂原子点阵的间隙位置中的固溶体 原子半径较小 2 按溶解度分有限固溶体无限固溶体3 按分布有序度分有序固溶体无序固溶体固溶强化由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变而造成材料硬度升高 塑性和韧性没有明显降低 溶质原子溶入 晶格畸变 位错运动阻力上升 金属塑性变形困难 强度 硬度升高 2 金属化合物合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物 金属化合物具有较高的熔点 硬度和脆性 并可用分子式表示其组成 当合金中出现金属化合物时 可提高其强度 硬度和耐磨性 但降低塑性 金属化合物也是合金的重要组成相 3 机械混合物 机械混合物是由结晶过程所形成的两相混合组织 它可以是纯金属 固溶体或化合物各自的混合 也可以是它们之间的混合 机械混合物各相保持原有的晶格 因此 机械混合物的性能介于各组成相之间 它不仅取决于各相的性能和比例 还于各相的形状 大小和分布有关 铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体 1 珠光体由铁素体和渗碳体组成的机械混合物 2 莱氏体分为高温莱氏体和低温莱氏体 奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称为高温莱氏体 由珠光体和渗碳体组成的机械混合物称为低温莱氏体 一 金属的结晶1 结晶与凝固的区别2 纯金属的冷却曲线和过冷现象3 纯金属的结晶过程4 金属晶粒的大小与控制 雾凇 一 结晶与凝固的区别凝固 L SS可以是非晶结晶 一种原子排列状态 晶态或晶态 过渡为另一种原子规则排列状态 晶态 的转变过程一次结晶 L S晶态二次结晶 S S晶态 二 纯金属的冷却曲线和过冷现象1 结晶驱动力 F 0 不是过冷度 T 自然界的自发过程进行的热力学条件都是 F 0体系中各种能量的总和叫做内能 U 其中可以对外做功或向外释放的能量叫自由能 F F U TS 熵 a 当温度T T0时 Fs FL 液相稳定b 当温度T T0时 Fs FL 固相稳定c 当温度T T0时 Fs FL 平衡状态T0 理论结晶温度 熔点或平衡结晶温度 在该温度下 液体和晶体处于动平衡状态2 冷却曲线与过冷度1 冷却曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线 曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1 曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的 2 过冷与过冷度液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷 理论结晶温度与实际结晶温度的差 T称过冷度 T T0 T1过冷度大小与冷却速度有关 冷速越大 过冷度越大 三 纯金属的结晶过程 1 结晶的基本过程结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团 它们时聚时散 称为晶坯 在T0以下 经一段时间后 即孕育期 一些大尺寸的晶坯将会长大 称为晶核 晶核形成后便向各方向生长 同时 又有新的晶核产生 晶核不断形成 不断长大 直到液体完全消失 每个晶核最终长成一个晶粒 两晶粒接触后形成晶界 2 晶核的形成方式形核有两种方式 即均匀形核和非均匀形核 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核 非均匀形核更为普遍 非均匀形核示意图 3 晶核的长大方式晶核的长大方式有两种 即平面长大和树枝状长大 实际金属的结晶主要以树枝状长大 这是由于晶核棱角处的散热条件好 生长快 先形成一次轴 一次轴又会产生二次轴 树枝间最后被填充 平面长大 树枝状结晶 表示晶粒大小的尺度叫晶粒度 晶粒度可用晶粒的平均面积或平均直径表示 四 金属晶粒的大小与控制1 晶粒度 工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小 标准晶粒度共分八级 一级最粗 八级最细 通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级 2 决定晶粒度的因素晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度 单位时间 单位体积内形成的晶核数目叫形核率 N 单位时间内晶核生长的长度 过冷度对N G的影响 叫长大速度 G N G比值越大 晶粒越细小 因此 凡是促进形核 抑制长大的因素 都能细化晶粒 过冷度 T提高 N提高 G提高过冷度 T太高 D降低 N降低 G降低所以 过冷度 T N G N G增大 细化 3 控制晶粒度的因素 提高过冷度 变质处理又称孕育处理 即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法 所加入的非均匀形核物质叫变质剂 或称孕育剂 振动 搅拌等对正在结晶的金属进行振动或搅动 一方面可靠外部输入的能量来促进形核 另一方面也可使成长中的枝晶破碎 使晶核数目显著增加 思考题 1在纯金属的冷却曲线上为什么会出现一水平台阶 2为什么晶粒越细小其力学性能越好 3如果结晶时晶核不多而生长速度快 则结晶后的晶粒是粗还是细 二 二元合金相图的基本知识 1 相图的基本概念相图是用来表示合金系中各合金结晶过程的简明图解 又称状态图或平衡图 合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金 组元是指组成合金的最简单 最基本 能够独立存在的物质 多数情况下组元是指组成合金的元素 但对于既不发生分解 又不发生任何反应的化合物也可看作组元 如Fe C合金中的Fe3C 相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律 是制订熔炼 铸造 热加工及热处理工艺的重要依据 根据组元数 分为二元相图 三元相图和多元相图 几乎所有的相图都是通过实验得到的 最常用的是热分析法 2 相图的建立 1 配制不同成分的合金 测出各合金的冷却曲线 找出曲线上的临界点 停歇点或转折点 2 在温度 成分坐标中做成分垂线 将临界点标在成分垂线上 3 将垂线上相同意义的点连接起来 并标上相应的数字和字母 相图中 结晶开始点的连线叫液相线 结晶终了点的连线叫固相线 3 杠杆定律当合金在某一温度下处于两相区时 由相图不仅可以知道两平衡相的成分 而且还可以用杠杆定律求出两平衡相的相对重量百分比 现以Cu Ni合金为例推导杠杆定律 确定两平衡相的成分 设合金成分为x 过x做成分垂线 在成分垂线相当于温度t的o点作水平线 其与液固相线交点a b所对应的成分x1 x2即分别为液相和固相的成分 确定两平衡相的相对重量设合金 x 的总重量为1 液相 x1 重量为QL 固相 x2 重量为Q 则QL Q 1QLx1 Q x2 x解方程组得 式中的x2 x x2 x1 x x1即为相图中线段xx2 ob x1x2 ab x1x ao 的长度 因此两相的相对重量百分比为 两相的重量比为 或 上式与力学中的杠杆定律完全相似 因此称之为杠杆定律 即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比 在杠杆定律中 杠杆的支点是合金的成分 杠杆的端点是所求的两平衡相 或两组织组成物 的成分 杠杆定律只适用于两相区 单相区无必要使用 三相区不能使用 合金的结晶只有在缓慢冷却的条件下才能得到成分均匀的固溶体 但实际冷速较快 在结晶过程中固相中的原子来不及扩散 使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素 如Cu Ni合金中的Ni 后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素 如Cu Ni合金中的Cu 4 枝晶偏析 在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析 不仅与冷速有关 而且与液固相线的间距有关 冷速越大 液固相线间距越大 枝晶偏析越严重 枝晶偏析会影响合金的力学 耐蚀 加工等性能 生产上常将铸件加热到固相线以下100 200 长时间保温以消除枝晶偏析 这种热处理工艺称作扩散退火 通过扩散退火可使原子充分扩散 使成分均匀 1铁碳合金的基本组织 铁素体 碳溶解在 Fe中的间隙固溶 F 塑性 45 50 韧性好 强度 硬度低 奥氏体 碳溶解在 Fe中的间隙固溶体 A 塑性好 渗碳体 铁与碳形成的金属化合物 Fe3C 硬度很高 HBW 800 塑性 韧性几乎为零 珠光体 是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体 P 莱氏体 是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏体与渗碳体的共晶体 Ld 硬度高 塑性差 三 铁碳合金状态图的建立 铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本工具