第一章 金属工艺学概论.doc

第一章 金属工艺学概论什么叫金属工艺学？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s表示。s= Fs/ Ao （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b来表示。b= Fb/ Ao （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s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 b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=（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。=（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）和愈大，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 （Jcm-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，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（1 Å =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，=â=ã=90b）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： -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：-Fe -Fe -Fe1-3 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-Fe中形成的间隙固溶体。由于-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： b =180230MPa HB=5080=3050% =7080%ak=156196Jcm-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-Fe中形成的间隙固溶体。-Fe的溶碳能力较高，最大为2.11%（1148）。由于-Fe一般存在于7271394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： =4050%，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： b =750MPa HB=160180 较高 =2025% =3040% 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。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。ACD线液相线AECF线固相线AC线奥氏体结晶开始线AE线奥氏体结晶终了线GS线铁素体析出开始线GP线铁素体析出终了线PQ线Fe3C析出线ES线Fe3C析出线PSK线共析线CD线一次渗碳体结晶开始线ECF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： -Fe、 -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