材料成型工艺与设备

1、材 料 成 型 工 艺 与 设 备,课程性质：限选 学时：56 考试形式：平常（10）+期末（90） 参考书：金属工艺学（邓文英主编） （第三版或第四版）,绪 论,制造机件(材料成型)的工艺方法： 机件生产过程：毛坯零件性能改变装配 工艺方法：铸造、压力加工、焊接、热处理、切削加工,本课程的内容： 各种工艺方法本身的规律、应用 金属机件的加工过程、结构工艺性 常用金属材料的有关性能 学习本课程的基本要求： 了解常用金属材料的一般性质、应用范围和选择原则 初步掌握各种主要加工方法的实质、工作特点和基本 原理 了解各种主要加工方法的设备和工具的工作原理、大 致结构和应 用范围 初步掌握零件的结构性

2、和常用金属材料的工艺性,第一篇 金属材料导论,金属材料： 纯金属： 合 金：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 有金属性质的材料。 （如：钢、黄铜、硅铝明） 金属材料： 好的物理、化学、力学性能 好的工艺性能 金属制品： 占8090%,第一章 金属材料的主要性能,1 金属材料的力学性能 性能 力学性能： 材料在力的作用下所表现出来的性能. (机械性能) 包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性和疲劳强度,一. 弹性和塑性 弹性: 受外力作用时产生变形,外力去掉后 能恢复原来形状的性质。 弹性变形: 大小与外力成正比 塑性: 在外力作用下,产生永久变形而不致

3、 引起破坏的性质。 塑性变形: 大小不与外力成正比,二. 强度 强度 强度: 金属材料在外力的作用下抵抗塑性 变形和断裂的能力 按作用力性质分: 抗拉、抗压、抗剪和抗扭强度,塑性和强度是通过拉伸试验测定的：,e _ 弹性极限 s (0.2 ) 屈服极限 b _ 抗拉极限,塑性指标： 延伸率： 断面收缩率： 、 塑性 强度指标： 屈服强度： 抗拉强度： s , 塑性变形； b ， 破坏,三. 刚度 刚度：金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力 指标: 弹性模数: 弹性范围内, 应力与应变的比. E =/ 弹性模数 - 刚度 . 硬度,三. 刚度,四. 硬度,硬度: 金属材料抵抗更硬的物体压入其内的能

4、力。 (在小的体积范围内,抵抗弹性变形、塑性 变形或断裂的能力） 指标：布氏硬度 ( HB ) 洛氏硬度 ( HR ),钢球(HBS) 或 硬质合金(HBW) 据压痕直径d 按公式或查表 得到 HB,测量硬度 HB450 用于测定铸铁、有色金属、低碳钢等材料的硬度。,布氏硬度测量,洛氏硬度测量,压头： 120金刚石圆锥体(HRA, HRC) 1.588mm淬火钢球(HRB) 测量：依据压入深度，读表 适用测试材料： 硬质合金、淬火钢、 非铁合金,冲击韧姓: 金属材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力. 指标: 冲击值.(一次摆锤弯曲试验测定(GB/T229-94) 冲击韧性不能直接用于强度计算: (

5、1) 冲击值受许多因素影响: 试样形状、表面粗糙 度、内部组织、温度等 （2）在冲击载荷下工作的机件，很少是受到大能量 一次冲击破坏的,（J/m2 ）,五. 冲击韧姓,六. 疲劳强度,指标: 疲劳强度极限-1 循环基数: 钢材: 107 有色金属、高强度钢：108,疲劳强度: 当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.,六. 疲劳强度,2 金属材料的物理、化学 及工艺性能 一. 物理性能 物理性能: 比重、熔点、热膨胀性、导热性和导电性 考虑：（1）零件的使用性 （2）零件的加工工艺性 二. 化学性能 化学性能: 金属材料抵抗各种化学作用的能力 如: 耐酸性、耐碱性、抗氧化

6、性等 考虑：零件的使用。 如: 医疗器械、化工设备防腐不锈钢,2 金属材料的物理、化学及工艺性能,三. 工艺性能 工艺性能: 铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性能等。 是物理、化学及力学性能的综合。,第二章 金属和合金的晶体结构与结晶,固体： 晶体：原子按一定次序作有规则的排列 如：金刚石、石墨、固态金属及合金等 有一定的熔点和凝固点、各向异性 非晶体：原子作不规则的排列 如： 玻璃、松香等 无一定的熔点和凝固点、各向同性,1 金属的晶体结构 1 金属的晶体结构,1. 金属的晶体结构,晶体结构： 如上图。 几个术语： 晶格 晶面 晶胞 晶格常数, 常见的金属晶格类型,（1）体心立方晶格 Cr,

7、 Mo, W, -Fe(912) 强度、塑性好 晶胞中的原子数:,1/88 + 1 = 2,(2）面心立方晶格 Al, Cu, Ni, -Fe(912-1394) 塑性非常好,晶胞中的原子数: 1/8 8 + 1/26 = 4,（3）密排六方晶格,Pe, Mg, Zn, -Ti,-Cr 塑性非常好 晶胞中的原子数: 1/6 12 + 1/22 + 3 = 6,2 金属的结晶过程和同素异构转变,2. 金属的结晶过程和同素异构转变 一. 金属的结晶过程 结晶（凝固）：金属由液体转变为晶体的现象. 原子由无序状态转变为按一定的几何形状作 有序的排列。,冷却曲线：温度时间 平台：实际结晶温度 恒温下结

8、晶 结晶潜热 过冷：实际 理论结晶温度 过冷度: 理论 - 实际结晶温度 与结晶时的冷却速度有关,1. 结晶时的冷却曲线,2. 结晶过程,两个阶段： 晶核（结晶中心）的形成： 自发晶核，外来晶核 晶核的长大：示意图 晶核 长大 晶体 新晶核 长大 新晶体,晶轴：晶核生长线速度最大的方向 晶粒： 晶界：晶粒之间的接触面 多晶体：晶粒细 晶界多 金属 的结合力 机械性能 晶核数目晶粒细 （铸造中的变质处理） 金属冷却速度 晶粒细（如金属型铸造，砂型铸造比较冷速）,二. 金属的同素异构转变 同素异构性: 一种金属能以几种晶格类型存在的性质。 同素异构转变: 金属在固态时改变其晶格类型的过程。 (二次

9、结晶、重结晶) 铁的同素异构转变： 体心 面心 体心 钢的热处理：, 3 3 合金的晶体结构合金的结构 组元： 组成合金的元素。 合金： 二元合金、 三元合金 (黄铜:Cu,Zn) (硬铝:Al,Mg,Cu) 相: 化学成分和晶体结构相同, 并与其他 部分有界面分开的均匀组成部分. 固体合金中的相结构: 固溶体、 金属化合物、 机械混合物,一. 固溶体,固溶体: 溶质原子溶入溶剂晶格而仍保 持溶剂晶格类型的金属晶体. 晶格类型: 同溶剂 固溶强化：溶剂晶格畸变，塑性变形阻 力增加，强度、硬度升高。 例子：铁素体（C, -Fe）,固溶体类型: 置换固溶体: 间隙固溶体： :,固溶强化:,二. 金

10、属化合物 金属化合物: 合金各组元的原子按一定的整 数比化合而成的新的金属晶体 晶格类型: 复杂 (既不是溶剂的也不是溶质 的晶格) 性能: 熔点高、硬度高、脆性大（塑性小） 例子: Fe3C,三. 机械混合物,机械混合物：结晶过程所形成的两相混合组织。 晶格类型： 各相均保持其原有的晶格。 性能：介于各组成相之间。 取决于：各相的性能和比例、 各相的形状、大小和分布。 例子：珠光体 P (F + Fe3C),2 二元合金状态图的建立 4. 二元合金状态图的建立 合金结晶过程： 形核、长大 合金结晶冷却曲线： 无结晶平台，即结晶是在 某一温度范围内进行的。 合金状态图： 表示合金系结晶过程的简

11、明图解。 作用： 研究合金的成分、温度和结晶组织之间的 变化规律 合金状态图的建立：实验的方法 简单的二元合金状态图：以铅锑合金为例,（1）状态图的建立： 作冷却曲线 测转变温度点 作温度成分坐标图,B,（2）状态图的应用： 特征点： 共晶反应：从液相（共晶点成分、温度）中结晶出两相 组成机械混合物,特征线： ACB 液相线 DCE 固相线 结晶过程（以50%Pb，50%Sb合金为例） (室温组织),第三章 铁碳合金 铁碳合金：以铁为基础的合金，基本上 由铁碳两种元素组成 钢和铁的总称 1 铁碳合金的基本组织,1 铁碳合金的基本组织,1. 铁碳合金的基本组织,一. 铁素体 (F) (F) 铁素

12、体：碳溶解在-铁中形成的固溶体 (F) (-固溶体) 晶格类型：体心立方 溶解度：600, 0.006%, 727, 0.02% 性能: 与纯铁相似. 塑性好=45-50%, b250MPb, HB80 显微组织: 多边形晶粒,二. 奥氏体 (A) 奥氏体：碳溶解在-铁中形成的固溶体 (A) (-固溶体) (727) 晶格类型：面心立方 溶解度： 727 0.77%, 1148 2.11% 性能: 塑性非常好, HB160200 显微组织: 多边形晶粒，晶界较平直,渗碳体：铁与碳形成的稳定的化合物 Fe3C 晶格类型： 复杂 含碳量: 6.69% 性能: 硬而脆， HB800, =0 显微组织

13、: 呈片状、网状、粒状 可分解：铁 + 石墨,三. 渗碳体,四. 珠光体 (P) 珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物 晶格类型： 性能： 介于铁素体和渗碳体之间。 b750MPa, HB180 显微组织: 铁素体片和渗碳体片相间,四. 珠光体 (P),五. 莱氏体 (Le),莱氏体(Le)：奥氏体和渗碳体组成的机械混合 物（727） 低温莱氏体(Le)：珠光体和渗碳体组成的机械 混合物( 727) 性能：与渗碳体相似，硬而脆,2 铁碳合金状态图 Fe-Fe3C 状态图,一. 铁碳合金状态图中主要点和线的含义特征点：,特征线： ABCD 线 液相线 AHJECF 线固相线 AHJE 线钢的固

14、相线 ECF 线铁的固相线（共晶线），莱氏体 GS 线 A3 ES 线 Acm PSK 线A1 (共析线)，共析反应：珠光体,二. 铁碳合金的分类 钢： 0 C 2.11% 亚共析钢：0 C 0.77% 共析钢： C = 0.77% 过共析钢：0.77 C 2.11% 生铁： 2.11 C 6.69% 亚共晶生铁：2.11 C 4.3% 共晶生铁： C = 4.3% 过共晶生铁： 4.3 C 6.69%,三. 结晶过程分析,共析钢： A P(F+ Fe3C) (室温组织),亚共析钢： A A + F F + P(F+ Fe3C) (室温组织) 过共析钢： A A + Fe3C Fe3C + P

15、(F+ Fe3C) (室温组织),亚共晶生铁： L L+A Le(A+ Fe3C) + A Le + A + Fe3C Le(P+ Fe3C) + P + Fe3C (室温组织),3 钢的分类和应用 2 钢的分类与应用 按化学成分分：碳素钢、合金钢 按用途分：结构钢、工具钢、特殊性能钢 按质量分：普通、优质、高级钢 （据硫、磷 含量） 硫的危害：热脆 Fe, FeS Fe+FeS (共晶体，熔点9851148,沿晶界分布) 磷的危害：冷脆 形成固溶体, 塑性,一. 钢的分类,二. 碳素钢 碳素钢: C 1.5%, Si, Mn ,S ,P 杂质 低碳钢: C 0.25% 中碳钢: 0.25 C

16、 0.6% 高碳钢: 0.6 C 1.5% C P、Fe3C 硬度、塑性,二. 碳素钢, 普通碳素结构钢： 亚共析钢： 甲类钢（A0- A7）：按机械性能供货 乙类钢 (B0- B7)： 按化学成分供货 钢号顺序 强度、塑性,碳素结构钢的牌号：,依据GB700-88: Q (A、B、C、D),sMPa,含硫、磷量级别,如：Q 235 B,优质碳素结构钢： 按机械性能、化学成分供货. 零件需热处理. S, P 0.035% 钢号：（国家标准编制） 两位数字：表示含碳量的万分之几。 如：45号钢 表示平均含碳量为0.45%的 优质碳素结构钢,应用: 08、10、15、20、25， 强度小塑性好，可

17、焊性好, 用于制造容器、冲压件、焊接结构、渗碳件 30、35、40、45、50， 强度较高，韧性较好，加工性较好， 用于轴类、齿轮、连杆等。 55、60、70， 弹性高， 用于弹簧、轧辊等, 碳素工具钢 钢号：（国家标准编制） 碳(T)+ 一或两位数字：表示含碳量的千分之几 如： T12(A) 表示平均含碳量为1.2%的 （高级）优质碳素工具钢.,合金钢：钢中除了硅、锰、硫、磷的杂质 外，专门加入某些元素（如：铬、 钼、钨等），使其具有一定 的特 殊性能，这种钢叫做合金钢。 合金钢： 可据加入的合金元素而命名。 如：锰钢、镍钢、镍铬钢。,三. 合金钢,低合金钢：合金元素总量5% 钢号： 数字汉字（化学符号）数字 ,含碳量的万分之几,合金元素Me,Me的