工程材料及热加工工程材料的基础知识

工程材料及热加工工程材料的基础知识第1页，共32页，2023年，2月20日，星期一一、工程材料的分类1、按用途分：建筑工程材料；机械工程材料；电子工程材料2、按原子聚集状态分：单晶体；多晶体；非晶体3、按原子键合特点分：金属材料；非金属材料；复合材料⑴金属材料:纯金属和以金属元素为主的合金1、黑色金属：Fe、Mn、Cr及其合金2、有色金属：⑵非金属材料1、有机高分子材料：C，H；塑料、橡胶、纤维2、无机材料：不含C，H；陶瓷⑶复合材料：由两种或两种以上的不同性质或不同组织结构的材料以微观或宏观的形式结合在一起而构成。第2页，共32页，2023年，2月20日，星期一二、钢铁生产简介钢铁是以铁和碳为主要组成元素，同时还含有Si、Mn、S、P等元素的合金。包含钢和生铁。生产过程：第3页，共32页，2023年，2月20日，星期一第4页，共32页，2023年，2月20日，星期一1、炼铁：实质：铁的化合物的还原。炼铁方法：设备：高炉原料：铁矿石、焦炭、和熔剂。铁矿石：是主要的炼铁原料，一般有磁铁矿(Fe3O4)、亦铁矿(Fe2O3)、褐铁矿(2Fe2O3.3H2O)、菱铁矿(FeCO3)。矿石中除铁的化合物外，还含有硅、锰、磷、硫等的化合物，这些统称为脉石。焦炭：为炼铁提供热源；焦炭不完全燃烧产生的CO气体作为还原剂，将铁从矿石中还原出来。熔剂：主要是石灰石(CaCO3)和萤石(CaF2)，其作用是与铁矿石中的脉石结合形成熔点较低、密度小、流动性好的熔渣，并与铁液分离，以便获得较纯净的生铁液。第5页，共32页，2023年，2月20日，星期一原理、过程：炼铁时炉料按一定比例从高炉的顶部加料口装入炉内；由炉子下部的风口吹入热空气，使焦炭燃烧产生热量和CO气体，CO气体在上升过程中与铁矿石相接触，将铁矿石还原成海绵铁。矿石与燃料中的部分元素(如C、Si、Mn、P、S)在高温下溶于铁中形成生铁液，与炉渣分离后，从高炉底部的出铁口流出。生铁液可直接送炼钢炉内冶炼成钢，也可浇成生铁锭作为炼钢或铸造的原料。生铁高炉的主要产品是生铁。分为炼钢生铁和铸造生铁两类。炼钢生铁中硅的质量分数较低(Wsi<1.25％)，断口呈银白色。铸造生铁中硅的质量分数较高(Wsi>1.25％一3.2％)，断口呈灰黑色。第6页，共32页，2023年，2月20日，星期一二、炼钢1、钢与生铁的区别：成分差异生铁很少直接用于制造零件。（含有较多的碳和杂质元素，使得生铁的加工性能差，力学性能低，不能满足加工和使用要求。）炼钢的实质是通过氧化降低生铁中的碳与杂质元素的含量，使之达到有关标准规定的成分和性能。2、炼钢方法炼钢方法：主要有转炉炼钢和电炉炼钢等。炼钢原料：生铁、废钢、熔剂(石灰石等)、脱氧剂(硅铁、锰铁、铝等)、合金料等。炼钢过程：主要包括氧化、造渣、脱氧等。氧化过程：碳及杂质元素与氧化剂反应生成各种氧化物。造渣：熔剂与各种氧化物结合，形成密度小、熔点低、流动性好的炉渣，并与钢液分离；脱氧：在炼钢的后期加入脱氧剂，使残留在钢液中的氧与脱氧剂反应，并使生成的化合物进入炉渣去除。第7页，共32页，2023年，2月20日，星期一(1)转炉炼钢氧气顶吹转炉是最常用的炼钢方法。原理：它主要以生铁液为原料，加适量的废钢，吹入氧气使生铁液中的碳和部分杂质元素氧化，从而降低钢中的碳及杂质元素的含量。转炉炼钢依靠生铁液的余热和氧化反应产生的热量提供冶炼热源。特点：氧气顶吹转炉生产率高、节省能源、成本低，适合于大型钢铁联合企业，主要生产各类普通用途的非合金钢(碳钢)。(2)电炉炼钢电炉炼钢有电弧炉炼钢、感应炉炼钢等方法，常用的是电弧炉炼钢。它以转炉钢和废钢作原料、以铁矿石和纯氧作氧化剂，以电极与金属炉料间的电弧热提供冶炼热源。电弧炉冶炼温度高(可达2000℃)，能冶炼含有高熔点合金元素的合金钢。特点：采用的炉料较纯净，冶炼过程容易调节，化学成分易控制，能够冶炼高级优质钢和合金钢。但电弘炉炼钢耗电量大，成本高。第8页，共32页，2023年，2月20日，星期一现代炼钢中，主要的炼钢方法只在炉内完成熔化和初调成分的功能，而钢的精炼和合金化是在炉外精炼装备中完成的。炉外精炼可完成脱碳、脱氧、脱硫、脱磷及去除其他有害杂质等功能，使钢的化学成分、组织结构与性能达到更高的要求。

第9页，共32页，2023年，2月20日，星期一3、钢的浇注钢液经脱氧处理后，可浇注入钢锭模或连铸机的结晶器，浇成钢锭或钢坯。脱氧工艺与脱氧程度对钢的结构、性能有密切联系。按脱氧程度不同，将钢分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。(1)沸腾钢脱氧剂；弱脱氧剂(锰铁)特点：钢锭内充满气孔，组织疏松。沸腾钢生产工艺简单，钢锭头部无集中缩孔，成材率高，轧制的板材表面质量好。(2)镇静钢脱氧剂；足量的脱氧剂和强脱氧剂(加入硅铁、铝)。特点：内部组织致密，性能较好，但钢锭头部最后凝固处有倒锥形的集中缩孔，加工时需切除，使成材率下降。(3)半镇静钢脱氧程度介于镇静钢与沸腾钢之间。第10页，共32页，2023年，2月20日，星期一三、钢材生产生产方法：钢锭或钢坯经压力加工（轧制、拉拔、挤压等）得到各种形状和规格的钢材（钢板、型钢、钢管、钢丝等）。目的：压力加工改变钢材的形状和尺寸。消除铸态钢锭或钢坯中的粗大组织、孔隙等，使钢材的性能改善。1、钢板加工方法：轧制分类：厚板、中板、薄板和钢带。厚板大于25；中板为4～25mm；薄板小于4mm；钢带的宽度较窄，长度较长，一般成卷供应。热轧板和冷轧板。钢板还可进行各种表面处理，如镀锌、镀锡、镀铅、塑料复合等。第11页，共32页，2023年，2月20日，星期一2、型钢加工方法：轧制。种类：按截面形状分为：简单截面(圆钢、方钢、扁钢、六角钢、八角钢等)和复杂截面(工字钢、槽钢、角钢、T型钢等)两类。按钢种分：普通型钢和优质型钢。3、钢管种类：按生产方法可分为：无缝管和有缝管(焊管)。无缝钢管是用斜轧穿孔机将实心钢坯穿孔后，再经冷拔或热轧而制成，分冷拔管和热轧管。能承受较高压力，主要用于石油、化工等行业。有缝钢管是用钢板或钢带卷制成形，然后焊接而成，分直缝焊管和螺旋焊管。应用广泛，主要用作自来水管、煤气管等低压管道。第12页，共32页，2023年，2月20日，星期一4、钢丝加工方法：用直径为6—9mm的热轧线材(盘条)拉拔而成。退火的低碳钢丝可用于捆扎物体、也可编织成各种用品。高碳钢丝可制成各种弹簧，或用多根钢丝捻成合股的钢丝绳和钢索，用于吊索和固定物体等。第13页，共32页，2023年，2月20日，星期一第14页，共32页，2023年，2月20日，星期一三、金属材料的性能工艺性能：适应加工的能力。使用性能：保证正常工作应具备的性能。1、力学性能材料的力学性能是指材料在外加载荷和环境因素（温度、介质）联合作用下所表现的抵抗变形和断裂的能力。这些性能指标是材料设计、材料选用、工艺评定以及材料检验的重要依据。衡量指标：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳极限、断裂韧度第15页，共32页，2023年，2月20日，星期一强度定义：是指在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。分类：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。测试方法：拉伸试验指标：弹性极限σe、屈服强度σs、抗拉强度σb。第16页，共32页，2023年，2月20日，星期一拉伸试验：应力-应变曲线将圆柱形或板状光滑试样装夹在拉伸试验机上，沿试样轴向以一定速度施加载荷，使其发生拉伸变形直至断裂。通过力与位移传感器可获得载荷(F)与试样伸长量(△L)之间的关系曲线，称为拉伸曲线（力-伸长量曲线）或F—△L曲线。若将纵坐标以应力σ(σ=F/S0,S0为试样原始截面积)表示，横坐标以应变ε(ε=L/L0,L0为试样标距)表示，则这时的曲线与试样的尺寸无关，称为应力-应变曲线或σ-ε曲线。第17页，共32页，2023年，2月20日，星期一第18页，共32页，2023年，2月20日，星期一过程：弹性变形、塑性变形、断裂第19页，共32页，2023年，2月20日，星期一弹性模量：1、材料在弹性变形阶段，应力(σ)与应变(ε)成正比关系，两者的比值称为弹性模量，记为EE=σ/ε2、它表征材料对弹性变形的抗力，其值愈大材料产生一定量的弹性变形所需要的应力愈大，故工程上也称E为材料的刚度，主要取决于材料的本性，反映了材料内部原子间结合键的强弱。第20页，共32页，2023年，2月20日，星期一弹性极限σe：1、材料发生弹性变形的最大应力，高于此值材料开始发生塑性变形。2、表征材料产生微量塑性变形的抗力。屈服强度σs：1、在拉伸过程中，出现载荷不增加而试样还继续伸长的现象称为屈服。屈服时所对应的应力称为屈服强度。2、表征材料发生明显塑性变形时的抗力。3、工程中大多数零件都是在弹性范围工作的，如果产生过量的塑性变形就会使零件失效，所以屈服强度是零件设计和选材的主要依据之一。第21页，共32页，2023年，2月20日，星期一抗拉强度σb：1、当拉伸试样屈服以后，欲继续变形，必须不断增加载荷。当载荷达到最大值Fb后，试样的某一部位截面开始急剧缩小，出现了“缩颈”，致使载荷下降，直到最后断裂。试样能承受的最大载荷除以试样原始截面积所得的应力，称为抗拉强度。2、抗拉强度是材料在拉伸条件下能够承受最大载荷时的相应应力值,表征了材料对最大均匀变形的抗力。第22页，共32页，2023年，2月20日，星期一塑性定义：断裂前材料发生不可逆永久变形（塑性变形）的能力叫塑性。测试方法：拉伸试验衡量指标：断后伸长率(δ)和断面收缩率(ψ)。δ=[(L1–L0)/L0]×100%ψ=[(S0–S1)/S0]×100%L0--试样原始标距长度；L1--试样断裂后标距的长度；S0--试样原始截面积；S1--试样断裂处截面积。数值越大，则塑性越好意义：塑性加工第23页，共32页，2023年，2月20日，星期一硬度定义：是衡量材料软硬程度的指标，是材料抵抗局部变形的能力。测试方法：压入法（布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度）。布氏硬度方法：在力P的作用下把直径为D的钢球压入被测材料，保持一定时间后卸除，测量压痕平均直径d。表示：用HB表示大小：布氏硬度值是载荷P除以压痕(球冠)的面积。即:HB=P/S=2P/πD[D-(D2-d2)1/2]应用：这种方法只适合于测量HB<450的材料，及原料半成品的测定。第24页，共32页，2023年，2月20日，星期一第25页，共32页，2023年，2月20日，星期一洛氏硬度方法：表示：因所用压头和载荷不同又分为：HRC、HRB和HRA三种。大小：应用：第26页，共32页，2023年，2月20日，星期一维氏硬度压头是136°金刚石四棱锥体，测量出压痕对角线，用此值查表得硬度值，用HV表示。第27页，共32页，2023年，2月20日，星期一显微硬度用来测量组织中某一相的硬度。压头和表示符号同上，但所用载荷更小，只有几克至几十克。第28页，共32页，2023年，2月20日，星期一韧性(冲击韧性)定义：指金属在断裂前吸收变形能量的能力，通常用来评定材料抵抗冲击的能力。衡量指标：冲击吸收功Ak测试方法：摆锤冲击试验。第29页，共32页，2023年，2月20日，星期一疲劳疲劳现象：循环应力作用下疲劳极限σ-1：循环应力小于某一值后，试样可经无数次循环而不断裂。提高疲劳极限的途径：抗拉强度σb、结构、表面第30页，共32页，2023年，2月20日，星期一2、物理性能密度：熔点：电性能：电阻率、电导率。材料：银、铜、铝纯度、成份：热性能