金属工艺绪论.ppt

1、金属工艺学 电子讲义,中国矿业大学（北京） 机械电子工程系 郝雪弟 2011.07,机器设备,零件,毛坯,铸锭,型材,铸造,冶炼,塑性 加工,切削 加工,塑性 加工,塑性加工 焊接,塑性加工 焊接,切削加工,装配,机械制造过程,金属材料加工成零件是机械制造基本过程,热处理,概念,传授有关金属零件工艺方法的综合性技术基础课。,研究内容,1）工艺方法原理、特点、规律及应用； 2）金属零件加工过程及结构工艺性； 3）常用金属材料性能及对工艺影响； 4）各工艺方法比较。,课程特点,1）理论性强； 2）实践性强； 3）无公式推导。,学习方法,1）理解基础上记忆； 2）记忆加深理解； 3）多实践。,考试方

2、式,平时成绩30%（作业、出勤）+考试70% 考试为闭卷,课外参考书,1）材料成形及机械制造工艺基础，21世纪高等学校工程材料及 机械制造工艺基础系列教材，华中科技大学出版社出版 ，2002年11月 2）机械制造技术基础，张世昌等编写，普通高等教育“十五”国家规划教材，高等教育出版社出版 2001年8月 3）机械制造工艺基础，傅水根 “十五”北京市精品教材项目，清华大学出版社出版， 2004年6月 4）机械制造工程实践，马保吉，21世纪高等学校教材 西北工业大学版社出版，2003年9月 5）制造工程与技术（热加工）（英文版）（美）S.卡尔帕基安（Serope Kalpakjian）著，时代教育

3、.高校双语优秀教材，机械工业出版社出版， 2004年3月,第一篇 金属材料的基本性质,第一章 金属材料的主要性能 第二章 铁炭合金 第三章 钢的热处理 第四章 工业用钢,第一篇 金属材料的基本性质,复合材料,工程材料,金属材料,陶瓷材料,高分子材料,第一篇 金属材料的基本性质,相当长时间内，金属材料应用最广泛； 金属材料具有适合的力学性能、工艺性能、化学性能、物理性能； 以合金材料为主，很少用纯金属。,金属材料应用特点,第一章 金属材料的主要性能,1.1 金属材料的力学性能 1.2 金属材料的物理、化学及工艺性能,本章重点 ：了解金属材料的力学性能指标和测试方法， 以及各指标的物理意义。,1.

4、1 金属材料的力学性能,力学性能：亦称机械性能，是金属材料在力的作用下 所表现出来的性能。,表1.1 载荷与力学性能指标,1.1 金属材料的力学性能,材料拉伸试验：弹性、塑性、强度指标。,1.1 金属材料的力学性能,材料拉伸试验：弹性、塑性、强度指标。,=【(L-L0)/L0 】 %,=F/S,弹性极限,屈服点,抗拉强度,弹性阶段 屈服阶段 强化阶段 断裂阶段,1.1 金属材料的力学性能,弹性：材料承受载荷产生变形，卸荷后又能恢复原状的性能。 刚度：材料抵抗弹性变形的能力 1）弹性极限 e=Fe/A0 ，MPa 2）弹性模数 E=/ ，MPa,塑性：金属材料在外力作用下，产生永久变形而不破坏的

5、性能。,1）伸长率 =（Lk-L0)/L0100% 2）断面收缩率 =（A0-Ak)/A0100%,1.1 金属材料的力学性能,强度：材料在外力作用下，抵抗变形与断裂的能力。 1）屈服强度：材料开始产生塑性变形时的应力。 1） s = Fs/Ao，MPa 2） 0.2 = F0.2/Ao ，MPa,2）抗拉强度（强度极限）： 金属试样在拉断前所能承受的最大应力。 b=Fb/A0，MPa s、b是设计和选材的重要依据,1.1 金属材料的力学性能,硬度：抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕、划痕的能力。 衡量软硬的指标，直接影响耐磨性。 1）布氏硬度（HB），淬火钢球（HBS）/硬质合金球（HBW）

6、 检验灰铸铁，软钢，非铁合金，压痕大 2）洛氏硬度（HR），金刚石锥体（HRC 、 HRA ）/钢球（HRB） 检验淬火钢，调质钢，压痕小,1.1 金属材料的力学性能,韧性：金属材料断裂前吸收变形能量的能力。 冲击韧度，K=AK/S ，J/m2 AK ：一次击断试样所需的最小冲击功 ，J S ：试样断口处截面积，m2 只作选材参考，不用于强度计算，应用条件差别。,1.1 金属材料的力学性能,1.疲劳破坏现象：零件承受交变应力工作一段时间后，突然断裂，该交变应力远低于零件材料的屈服强度。 2.疲劳破坏原因：裂纹、组织缺陷、夹杂 3.疲劳强度：金属材料受无数次（107）重复的交变应力作用而不断裂的

7、最大应力称为疲劳强度。 -1：按正弦曲线变化的对称循环应力对应的疲劳强度。 4.提高疲劳强度的措施：表面热处理、喷丸处理、合理结构,1.2 金属材料的物理、化学、工艺性能,1.物理性能：密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性。 用途不同，物理性能要求不同。 2.化学性能 ：耐酸性、耐碱性、抗氧化性。 3.工艺性能：金属材料是否适合进行冷、热加工的性能。 铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性。,第二章 铁碳合金,2.1 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 2.2 铁碳合金的基本组织 2.3 铁碳合金状态图,本章重点 ：纯铁晶体结构与同素异晶转变； 铁碳合金基本组织； 铁碳合金状态图。,2.1 纯铁

8、的晶体结构及其同素异晶转变,一、金属的结晶,凝固：一般非晶体由液态向固态转变的过程 。,结晶：由液态金属转变为固态晶体的过程。,晶体： 原子排列是有序的，原子在三维空间做规则的、周期性的、重复排列。有一定的熔点和凝固点，性能趋向各向异性,非晶体: 原子排列杂乱无章呈无序状态，没有一定的熔点和凝固点，性能趋向各向同性。,液体,晶体,2.1 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,一、金属的结晶,纯金属的理想状态冷却曲线,C,T 0,L,a,b,S,0,a：结晶开始点 b：结晶终了点,C,L,T0,T1,S,0,T0：理论结晶温度 T1：实际结晶温度 T=T0-T1（过冷度）,纯金属的实际冷却曲线,结晶的

9、必要条件-过冷度,2.1 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,一、金属的结晶,结晶基本规律：晶核不断形成和长大 各方向生长速度不均 晶粒：晶核长成的晶体 晶界：晶粒之间的接触面,2.1 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,一、金属的结晶,晶粒大小与力学性能关系： 晶粒越小，强度、硬度、塑性、韧性越好,细化晶粒的措施：,提高金属结晶时的冷速 变质处理 振动、搅拌 压力加工、热处理（结晶后的控制）,2.1 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,二、纯铁的晶体结构,晶格及晶胞 晶格 晶胞：晶体的基本结构 常见的晶格类型 1、体心立方 2、面心立方,2.1 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,三、同素异晶转变,金属或合

10、金在固态下，随温度（或压力）的变化而发生晶格类型转变的过程，又称二次结晶、重结晶。,铁、锡、钛、锰等,铁的同素异晶转变,2.1 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,三、同素异晶转变,2.2 铁炭合金的基本组织,合金：两种或两种以上金属元素，或金属与非金属元素融合 在一起，构成具有金属性质的物质。 组元：组成合金的元素或稳定化合物。（Fe,C,Fe3C) 组织：化学结构和晶格构造相同，并与其他部分有界面分开 的均匀组成部分。 铁炭合金组织:固溶体，金属化合物，机械混合物。 随成分、温度、冷却速度变化。,2.2 铁炭合金的基本组织,一、固溶体,1、定义：合金组元在固态下相互溶解, 构成的单 一均匀的晶

11、体 2、分类：置换固溶体、间隙固溶体 3、性能：塑性好，电阻率高 4、铁素体、奥氏体 固溶强度高于纯金属-固溶强化,2.2 铁炭合金的基本组织,一、固溶体,2.2 铁炭合金的基本组织,二、金属化合物,1、定义：各组元相互化合而形成的一种新晶体2、性能：硬而脆例: Fe3C 硬度HB =800 , 而 Fe=80 C=3,2.2 铁炭合金的基本组织,三、机械混合物,由两种或两种以上的相按一定比例混合而成的组织。 1、珠光体P ：由铁素体和渗碳体组成。 平均含碳0.77% 2、莱氏体Ld ：由奥氏体和渗碳体组成。 平均含碳4.3%,2.2 铁炭合金的基本组织,1）铁素体F ：碳溶解在体心立方的-F

12、e中形成的固溶体。 (ferrite) 2）奥氏体A ：碳溶解在面心立方的-Fe中形成的固溶体。 (austenite) 3）渗碳体Fe3C ：化合物,含碳6.69%,复杂斜方晶格 (cementite) 4）珠光体P ：由铁素体和渗碳体机械混合组成。平均含碳 0.77% (pearlite) 5）莱氏体Ld ：由奥氏体和渗碳体机械混合组成。平均含碳 4.3% (ledeburite),2.3 铁炭合金状态图,一、相图中点、线、区的意义 主要特征点 重要特征线 各区的意义,0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Fe3C(%) 图2-8 铁碳合金状态图,1600 15

13、0014001300120011001000 900 800 700 600 500 400,温度（）,Fe-C合金状态图中的特性点,二、铁碳合金分类,1、工业纯铁（C0.0218%) 2、钢 亚共析钢,0.02180.77%，F+P （C2.11%) 共析钢,0.77%，P 过共析钢,0.772.11%,P+Fe3C 3、生铁 亚共晶生铁,2.114.3% （C=2.116.69%) 共晶生铁,4.3% 过共晶生铁,4.36.69%,三、铁碳合金的结晶过程,共析钢 亚共析钢 过共析钢,状态图的应用：,制定热处理规范 确定锻造温度范围 确定浇注温度 分析焊接热影响区,第三章 钢的热处理,第三章

14、 钢的热处理,1、热处理三要素：加热温度、保温时间、冷却速度 2、临界点：开始发生组织转变的温度 Ac1 Ac3 Accm Ar1 Ar3 Arcm 3、常用热处理工艺： 退火 、正火、 淬火 、回火 、表面热处理,第三章 钢的热处理,一.退火 1、退火：加热 保温 缓慢冷却(炉冷），以获得接近平衡状态的组织 2、目的： 1）降低硬度 2）细化晶粒 3）消除应力 4）提高塑韧性 3、分类：完全退火、球化退火、去应力退火、 再结晶退火,退火分类,（1）完全退火 加热温度Ac3线以上3050C,用于亚共析钢； （2）球化退火 加热温度Ac1以上2030 C，用于过共析钢; （3）去应力退火 500

15、650 C （4）再结晶退火 650750 C,二 、正火,正火：加热 保温 空冷 目的：细化晶粒、消除网状二次渗碳体 加热温度：Ac3/Accm+3050 C,三、淬火,1、淬火：加热 保温 快速冷却 2、目的：获得高硬度的马氏体（martensite） 3、马氏体：碳溶解到-Fe中形成过饱和固溶体 4、加热温度：Ac3Ac1+3050 C 5、淬透性：淬硬层的深度，与合金元素的含量有关 6、淬硬性：马氏体所能达到的最大硬度，与C%有关 含合金越多淬透性越好，含C越多淬硬性越好,C钢水冷 合金钢油冷,四、回火,1、回火：把淬火钢重新加热到Ac1线以下一定温度，保温后冷却 2、目的: 降低脆性

16、，提高韧性 调整硬度 消除内应力，稳定尺寸,3、回火分类,1）低温回火：150250 C，降低应力及脆性，保持高硬度、高耐磨性，组织为回火马氏体, 用于工具钢 2）中温回火：350500 C，极细粒状的渗碳体和铁素体，屈服极限及弹性极限高，用于高弹性、高强度件 3）高温回火：500650 C ，细粒状的渗碳体及铁素体，综合机械性能好，用于受力结构件，如轴 调质处理：淬火+高温回火,表面热处理： 通过改变零件表面层的组织或同时改变表面层的化学成分的热处理工艺,第四节 表面热处理,（一）表面淬火,1、表面淬火： 对零件的表面快速加热、冷却，表层淬硬成马氏体，心部仍保留韧性和塑性较好的原来的组织的一

17、种淬火方法。随后低温回火。 2、用于中碳钢 3、加热方法：火焰、高频感应、激光等,（二）化学热处理,1、将零件放在化学介质中加热保温，并适当冷却，使工件表面渗入某种元素，以改变其成分和性能的热处理方法 2、渗碳 用于低碳钢及低碳合金钢 加热温度高：900950 C 随后,整体淬火，低温回火 3、氮化：用于合金钢，成本高 加热温度低：500 C ，氮化时间长,第四章 钢的分类和应用,一.分类 按化学成分 按用途 按质量 碳钢 结构钢 普通钢 合金钢 工具钢 优质钢 特殊性能钢 高级优质钢,综合分类,碳素结构钢 普通碳素结构钢 碳素钢 优质碳素结构钢 碳素工具钢 钢 合金结构钢 低合金结构钢 合金

18、结构钢 合金钢 合金工具钢 特殊性能钢,二、碳素钢,（一）碳及杂质对钢的性能的影响 1、碳：C % 强、硬 ，塑、韧 2、S：引起热脆性 3、P：引起冷脆性 4、Si、 Mn ：有益元素,(二）碳素钢分类,1、碳素结构钢 1）普通碳素结构钢 C=0.060.38%，S0.045%、P0.05% 价格便宜 牌号： Q195、Q215、Q235、Q255、Q275 Q屈服极限 s （MPa）,2) 优质碳素结构钢,C=0.050.9 % S=0.035%、P=0.035% 牌号：xx (两位数字) 含碳量：万分之几 如：45钢，含碳量0.45% 0825 低碳钢，塑韧性好，焊件、冲压件 3055 中碳钢，综合性能好，齿轮、轴 6085 高碳钢，强硬度高，弹性件,2、碳素工具钢 T7、T8、T13 T7A、T8A、T13A,C= 0.71.3%，S0.03%、P0.035% 硬度、耐磨性高，用于刀具、模具、量具 牌号：Tx(xx) 含碳量的千分之几 A表示：S0.02%、P0.03% 高级优质钢,二、合金钢,有意加入其它合金元素形成的钢 ( Si0.5、 Mn1.0) 低合金钢：合金含量 3%,1）前两位数字表示含碳量的万分之几； 2）元素符号后的数字，表示含该合金元素百分之几； 3）如果元素符号后面没有数字，表示该合金元素少 于1.5%。,（一）合金结构钢 优点：机械性能