金工第1章钢铁生产简介

1、金属工艺学甘肃有色冶金职业技术学院甘肃有色冶金职业技术学院第第1章章 金属材料基础知识金属材料基础知识l1、金属材料分类l2、钢铁材料生产过程简介l3、机械产品制造过程简介l4、金属材料的性能何谓材料？何谓材料？人类用以制造各种有用物品的物质。人类用以制造各种有用物品的物质。 二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，称作现代文明的三大支柱之一。息并列，称作现代文明的三大支柱之一。l1、纯金属、纯金属l2、合金、合金l3、金属材料的分类、金属材料的分类手手锤锤锉刀锉刀国产涡喷国产涡喷-7涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机 材料是人类生产和生活材料是人类生产和

2、生活 所必须的物质基础所必须的物质基础。1.2 钢铁材料生产简介钢铁材料生产简介一、炼铁一、炼铁l原料：铁矿石、焦炭和石灰石原料：铁矿石、焦炭和石灰石 l设备：高炉设备：高炉l过程：燃料的燃烧、铁的还原、过程：燃料的燃烧、铁的还原、 增碳、杂质的混入、选渣增碳、杂质的混入、选渣l高炉产品：生铁高炉产品：生铁 根据含硅量不同分炼钢生铁和根据含硅量不同分炼钢生铁和 铸造生铁铸造生铁l副产品：炉渣和高炉煤气副产品：炉渣和高炉煤气l本质：利用氧化的方法去本质：利用氧化的方法去除生铁中的硅、锰、硫、除生铁中的硅、锰、硫、磷杂质和过量的碳，使成磷杂质和过量的碳，使成分达到标准规定的要求，分达到标准规定的要

3、求，以改善其性能。以改善其性能。 l基本过程：氧化过程和脱基本过程：氧化过程和脱氧过程氧过程l炼钢方法：炼钢方法： 转炉炼钢法转炉炼钢法和电炉炼钢法和电炉炼钢法a)氧气顶吹转炉氧气顶吹转炉 b）电弧炉）电弧炉l炼好的钢常浇铸成钢锭或连铸炼好的钢常浇铸成钢锭或连铸成钢坯。成钢坯。l在炼钢脱氧过程中，通过控制在炼钢脱氧过程中，通过控制脱氧剂的种类和加入量可以控脱氧剂的种类和加入量可以控制钢的脱氧程度。通常按脱氧制钢的脱氧程度。通常按脱氧是否完全把钢分为镇静钢与沸是否完全把钢分为镇静钢与沸腾钢。腾钢。 图图1-3钢的浇注钢的浇注a）型铸）型铸 b）连铸）连铸图1-4 钢锭a）镇静钢 b）沸腾钢l板材

4、和型材：轧机轧制板材和型材：轧机轧制 l管材：管材： 通过成形辊把带钢弯成管形，再焊接成有缝管材通过成形辊把带钢弯成管形，再焊接成有缝管材; 无缝管材：先用斜轧穿孔机在实心管坯上穿孔，再无缝管材：先用斜轧穿孔机在实心管坯上穿孔，再 用特殊的方法轧至所需尺寸的管材。用特殊的方法轧至所需尺寸的管材。l线材：直径在线材：直径在6mm以下的线材多采用拉丝机生产。以下的线材多采用拉丝机生产。金属工艺学刘玉梅l学习目的：学习目的：为了合理地使用和加工材料为了合理地使用和加工材料 性能使用性能工艺性能铸造、锻造、焊接、切削加工、热处理力学性能、物理性能、化学性能l一、金属材料的力学性能l概念：金属材料在一定

5、环境因素下承受外加静载荷时所表现出的性能。 问题： 1、力学性能指标有哪些？ 2、怎么测定材料的力学性能？l应力应变曲线图PAZBCDO应变 L L0应力 F A0Rp（OP)比例极限 RA(OA)弹性极限 ReH(Z)上屈服强度 ReL(B)下屈服强度 Rm(C) 抗拉强度Rm ReH ReL Rp RA l1. 强度:在外力作用下，工程材料抵抗变形和断裂的能力。拉力作用下，主要表现为屈服强度和抗拉强度。l屈服强度(Re）：抵抗永久变形的能力。l Re=Fe/Sol Fe试样屈服时的拉伸力l Ao试样原始横截面积l l抗拉强度（Rm)：抵抗断裂破坏的能力。l l Rm=Fm/Sol Fm试样

6、承受的最大拉伸力l So试样原始横截面积l屈强比：K= Re/ Rml选择材料时依据K值的大小，一般在0.65-0.75之间。1 1）断后伸长率：）断后伸长率： 指试样拉断后其标距长度的相对伸长值。指试样拉断后其标距长度的相对伸长值。即即 %10000LLLAU2 2）断面收缩率：）断面收缩率： 指试样拉断后颈缩处横截面积的最大指试样拉断后颈缩处横截面积的最大相对收缩值。相对收缩值。 %10000SSuSZSu试样断裂的最小横截面积；试样断裂的最小横截面积；0S试样的原始横截面积；试样的原始横截面积；式中式中 Lu试样断裂后的标距长度；试样断裂后的标距长度；0L试样的原始标距长度；试样的原始标

7、距长度；式中式中L0LuFFA2.塑性塑性 概念：概念：指工程材料在外力作用下产生永久而不被破坏的能指工程材料在外力作用下产生永久而不被破坏的能力，反映材料塑性的力学性能指标有断后伸长率和断面收缩力，反映材料塑性的力学性能指标有断后伸长率和断面收缩率率 l例题：l 有一钢试样，其直径为有一钢试样，其直径为10mm，标距长度为标距长度为50mm，当拉伸力达，当拉伸力达到到18840N时试样产生屈服现象；时试样产生屈服现象；拉伸力加至拉伸力加至36110N时，试样产生时，试样产生颈缩现象，然后被拉断；拉断后颈缩现象，然后被拉断；拉断后标距长度为标距长度为73mm，断裂处直径，断裂处直径为为6.7m

8、m，求试样的屈服强度、，求试样的屈服强度、抗拉强度、伸长率和断面收缩率。抗拉强度、伸长率和断面收缩率。 l已知Do=10mm,Lo=50mm,Fe=18840N,Fm=36110N,Lu=73mm, Du=6.7mml求：Re、Rs、A、Zl解： Re=Fe/So=18840/3.1425=240N/mm2lRs=Fm/So=36610/3.1425=466N/mm2lA= Lu-Lo/Lo100%=23/50=46%lZ=Su-So/So100%=55%lA5%的材料称为塑性材料， A5%的材料为脆性材料3.3.硬度硬度 概念：概念：指金属材料抵抗外物压入其表面的能力，也是指金属材料抵抗外物

9、压入其表面的能力，也是衡量金属材料软硬程度的一种力学性能指标。工程上常用衡量金属材料软硬程度的一种力学性能指标。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 1 1）布氏硬度）布氏硬度HBS(HBW)HBS(HBW) 布氏硬度是在布氏硬度计上进行测量布氏硬度是在布氏硬度计上进行测量的，用一定直径的钢球或硬质合金球为压头，以相应的实验的，用一定直径的钢球或硬质合金球为压头，以相应的实验力压入试样表面，保持规定的时间后，卸除实验力，在试样力压入试样表面，保持规定的时间后，卸除实验力，在试样表面形成压痕，以压痕球形表面所承受的平均负荷作为布氏表面形成压痕，以压痕球形

10、表面所承受的平均负荷作为布氏硬度值，如图示。硬度值，如图示。 222HBS(HBW)dDDDF 布氏硬度实验原理图布氏硬度实验原理图F实验力（实验力（kgf）；）；D球体直径（球体直径（mm）；）；d压痕平均直径（压痕平均直径（mm）。）。式中式中h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计u 压头为钢球时，布氏硬度用符号压头为钢球时，布氏硬度用符号HBSHBS表示，适用于表示，适用于布氏硬度值在布氏硬度值在450450以下的材料。以下的材料。u 压头为硬质合金球时，用符号压头为硬质合金球时，用符号HBWHBW表示，适用于布表示，适用于布氏硬度在氏硬度在650650以下的

11、材料。以下的材料。u 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。布氏硬度压痕布氏硬度的表示方法：布氏硬度的表示方法： 在做布氏试验时，只需测量出在做布氏试验时，只需测量出d值即可从有关值即可从有关表格上查出相应的布氏硬度值。表格上查出相应的布氏硬度值。优点：测量结果优点：测量结果准确，缺点：压痕大，不适合成品检验准确，缺点：压痕大，不适合成品检验。 2 2）洛氏硬度：）洛氏硬度： 洛氏硬度是用锥顶

12、角为洛氏硬度是用锥顶角为120的金的金刚石圆锥体为压头刚石圆锥体为压头压入的压痕压入的压痕深度深度作为测量硬度值作为测量硬度值的依据。可以直接从洛氏硬度计的表盘上读出，的依据。可以直接从洛氏硬度计的表盘上读出，优优点：测量迅速简便，压痕小，可在成品零件上检点：测量迅速简便，压痕小，可在成品零件上检测测 。0l符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。例如70HR30N表示用30N标尺（总试验力为249N）测定的表面洛氏硬度值为70。lHRA用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火

13、钢等。l洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。l缺点：测量结果分散度大。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度表示方法洛氏硬度表示方法n 洛氏硬度的分类及应用洛氏硬度的分类及应用3 3）维氏硬度）维氏硬度HVHV 测试的基本原理与布氏硬度相同，但压头采用锥面夹角测试的基本原理与布氏硬度相同，但压头采用锥面夹角136136的金刚石正四棱锥体，维氏硬度试验所用载荷小，的金刚石正四棱锥体，维氏硬度试验所用载荷小，压痕深度浅，适用于测量零件薄的表面硬化层的硬度。压痕深度浅，适用于测量零件薄的表面硬化层的硬度。试验载荷可任意选择，故可测硬度范围宽，工作效率较试验载荷可任意选择，故可测硬度范围宽

14、，工作效率较低。低。u 维氏硬度用符号维氏硬度用符号HVHV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。分别表示载荷值及载荷保持时间。u 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度试验维氏硬度试验 、小负荷维、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。氏硬度试验、显微维氏硬度试验。u 维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。 小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计二、维氏硬度表示方法二、维氏硬度表示方法HBS210-240 450-480HBS HRC15-

15、20 HV304. 冲击韧性冲击韧性 概念：金属材料抵抗冲击负荷的能力，可用概念：金属材料抵抗冲击负荷的能力，可用摆锤冲击试验机来测定金属材料的冲击值。冲击摆锤冲击试验机来测定金属材料的冲击值。冲击韧度值可用下式计算。韧度值可用下式计算。SoGhGHSoAkkk冲击韧性（冲击韧性（J/cm2 ） ；kA冲击吸收功（冲击吸收功（J）；）；G摆锤重量（摆锤重量（N）；）；H摆锤抬升高度（摆锤抬升高度（m）；）；h摆锤冲击后的高度（摆锤冲击后的高度（m）；So试样缺口底部处横截面积（试样缺口底部处横截面积（cm2 ）。）。式中式中l概念：概念：评价工程材料疲劳断裂的指标评价工程材料疲劳断裂的指标称为

16、疲劳强度称为疲劳强度,一定的循环次数下不一定的循环次数下不发生断裂的最大应力。发生断裂的最大应力。1 1）交变应力（周期性应力）交变应力（周期性应力） 应力的大小、方向周期性应力的大小、方向周期性变化。有对称周期性应力变化。有对称周期性应力和非对称周期性应力。和非对称周期性应力。2）疲劳）疲劳： 构件在低于屈服强度的交变应力作用下，经构件在低于屈服强度的交变应力作用下，经过较长时间工作而发生突然断裂，而无明显的塑性变过较长时间工作而发生突然断裂，而无明显的塑性变形的现象形的现象。SmaxOSNf六、金属材料的其他性能六、金属材料的其他性能物理性能：密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性。如，飞机上使用的零件要求比重轻；电机、电器用零件要考虑导电性， 等等。化学性能：室温或高温时抵抗各种化学作用的能力，也称化学稳定性， 包括耐酸性、耐碱性、抗氧化性等等。如，化工设备、医疗器械要求化学稳定性好。各种材料存在各不相同的使用性能。因此：u必须首先熟悉各种材料的主要性能。u根据不同的技术要求，选择合适