金属加工工艺学 第一篇

第一章 工程材料的性质 第一节 材料的种类与主要性能 1-1 材料的种类 材料是工业和科学技术的物质基础，是人类社会赖以生存和发展的重要条件，是衡量一个国家经济实力与技术水平的重要标志，它与信息、能源并列为现代化技术的三大支柱，而能源和信息的发展又依托于材料材料。因此世界各国都把对材料的研究开发放在突出的地位。 工程材料 金属材料 高分子材料 无机非金属材料 复合材料 功能材料 钢铁合金 有色合金 纤维：天然纤维、合成纤维 橡胶：通用橡胶、特殊橡胶 塑料：通用塑料、工程塑料、特种塑料 水泥 玻璃 耐火材料 陶瓷：普通陶瓷、特殊陶瓷 树脂基 金属基 陶瓷基 ：力学功能材料、物理功能材料、化学功能材料、生物功能材料、智能功能材料等 钢：碳钢、合金钢、特殊性能钢 铸铁：白口铸铁、灰口铸铁等 铜及其合金 铝及其合金 其它：轴承合金、钛合金、镁合金等 2.工艺性能 材料的主要性能是指 : 1.使用性能 （ 1）力学性能 （ 2）物理性能 （ 3）化学性能 加工成形的性能 1-2 材料的主要性能 力学性能 材料在外力作用下所表现出的特性 。 （一）外力作用下材料的变形与失效 作用在机件上的外力 载荷 F F F = F （ MPa） 外力 内力 应力 F F 静载荷 动载荷 = F /S SFSF 一、材料的力学性能 （ 1）弹性变形： 材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种 随外力消失而消失的变形 ，称为 弹性变形 。 1.两种基本变形 （ 2）塑性变形 : 材料在外力作用下 产生永久的不可恢复的变形 ，称为 塑性变形 。 2 变形的三个阶段 弹性变形 3. 常见的几种失效形式 （ 1）断裂 （ 2）塑性变形 （ 3）过量弹性变形 （ 4）磨损 （ 5）腐蚀 塑性变形 断裂 拉伸实验 k b b 极限载荷点 （二）材料的力学性能 0lkl0dF e e 弹性极限点 s S 屈服点 K 断裂点 拉伸曲线 F F L kd l应力 应变曲线 0SF0ll缩颈 sFeFbFo 1 强度 ： 当材料单位面积上所受的应力 e时 ， 材料将产生塑性变形 。 材料在外力作用下，抵抗变形和断裂的能力。 （ 1） 弹性极限强度 （ e） 与弹性模量 E 指材料在弹性变形阶段的最大应力。 e =Fe/S0 （ MPa） 它表征了材料抵抗塑性变形的能力。 在弹性变形阶段 ： lF EE所以： 当材料单位面积上所受的应力 es时 ， 材料将产生明显的塑性变形 。 E 表征了材料在外力作用下产生弹性变形的难易程度，在工程上称为材料的刚度。 （ 2） 屈服强度 （ S） 指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。 S =Fs/S0 （ MPa） 它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。 E 材料抵抗弹性变形的能力越大。 k b F e s l0ll0SF2.0s100% 0.2% 2.0Fb b =Fb/S0 （ MPa） （ 3）抗拉强度 （ b ） 抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。 它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力 。 抗拉强度 是脆性材料选材的依据。 条件屈服强度 : 0.2=F 0.2/S0 （ MPa） 屈服强度 是塑性材料选材和评定的主要依据。 2. 塑性 常用 和 作为衡量塑性的指标 。 伸长率： 材料在外力作用下 ， 产生永久变形而不引起破坏的能力 。 断面收缩率 : %1 0 000 lll k%10000 sss k0lkl0dF F L kd良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。 )(21 0 2.022 dDDDFmmSNFH B W）（）（(2)洛氏硬度（ HRC） 1： 10 3 硬度 是材料抵抗局部变形的能力 。 是衡量材料软硬程度的指标 。 (1)布氏硬度（ HB）： 特别是指材料抵抗塑性变形压痕 、划痕的能力 。 是材料塑性与弹性的综合反映 4冲击韧性 AK = G（ H1 H2）（ J） ak = AK /S （ J/m2） 低碳钢： b3.6HB 高碳钢： b3.4HB 调质合金钢： b3.25HB 材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。 1H2H在冲击载荷下工作的零件，很少是受大能量一次冲击而破坏的；往往是受小能量多次重复冲击而破坏的。 5疲劳强度 1n材料在无数次重复或交变载荷作用下不引起破坏的最大应力。 循环基数 钢 ： 受交变载荷作用的零件，在其所受应力远远低于该材料的屈服强度时，会发生突然的断裂。而且是脆性断裂。 据统计，约 80%的机件失效为疲劳破坏。 0n0n70 10n80 10n有色金属： 6断裂韧性 (K1C) 材料抵抗裂纹失稳扩张能力的性能指标。 由于金属材料内部不可避免的存在着各种宏观缺陷，这些缺陷在材料中的作用相当于裂纹。当材料受外力作用时，这些裂纹的尖端附近便出现应力集中，应力不断增大，裂纹自动扩张，直到最终断裂。 在外力作用下，裂纹扩展的难易程度用断裂韧性表示。 断裂韧性是材料本身的一种力学性能指标，主要取决于材料本身的成分、组织和结构。 力学性能 b s 强度 塑性 刚度 硬度 韧性 疲劳强度 断裂韧性 （三）力学性能与失效形式的关系 失效形式 断裂 塑性变形 过量弹变 磨损 （ 三 ） 材料的工艺性能：加工性能 二、 材料的物理、化学及工艺性能 （一）材料的物理性能： 比重、密度、熔点、导电性、导热性、磁性、 热膨胀系数。 （二）材料的化学性能： 耐酸性、耐碱性、抗氧化性。 2-1 金属的晶体结构 第二节 金属及合金的结构与结晶 原子作无序排列 ； 没有固定的熔点；各向同性。 所有的金属和合金都是晶体 晶格 原子排列形成的空间格子 晶胞 组成晶格最基本的单元 晶体： 非晶体： 原子作有序排列 ； 有固定的熔点；各向异性。 一、金属的理想晶体结构 Cr、 Mo、 W、 V、 -Fe Cu、 Ni、 Ag、 Au Mg、 Be、 Zn、 -Ti、 -Cr 金属的典型晶体结构 体心立方晶格： 面心立方晶格： 密排六方晶格： 二、金属的实际晶体结构 1点缺陷 空位和间隙原子 空位：是指未被原子占 据的晶格节点。 间隙原子： 是指位于原 子间隙中的原子。 2线缺陷 位错 位错：是指在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。 3面缺陷 晶界 晶界：是指在位向不同、相邻晶粒之间的过渡层。 合金 以一种金属为基础，加入其它金属或非金 属，所形成的具有金属特性的物质。 合金是由两种以上的元素组成的。 固态合金的结构是由组元在结晶时彼此之间所起的作用所决定的。 合金的晶体结构 固溶体 金属化合物 三、合金的晶体结构 1、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。 据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同 固溶体 固溶体的性能特点： 具有良好的塑性和韧性，强度、硬度较低。 F： b = 250MPa = 4550% HB = 80 置换固溶体 间隙固溶体 溶质原子 溶剂原子 溶质原子 溶剂原子 2、金属化合物 合金各组成元素之间相互作用而生成的一种新的具有金属特性的物质。 金属化合物各元素之间呈整数比关系。 如： Fe3C、 WC、 TiC 等 金属化合物的性能特点： 脆性大、硬度高；强度低；塑性、韧性差；高的熔点。 Fe3C： HB=800； b =30MPa ； 0% 一、 金属的结晶过程 1 金属结晶的过冷现象 温度时间 T0 Tn T nTTT 0 2-2 金属的结晶与同素异晶转变 冷却曲线 过冷度 2 金属的结晶过程 结晶 形核 长大 过冷度 =理论结晶温度 -实际结晶温度 自发形核 非自发形核 晶粒 晶界 金属 是由许多大小、形状、晶格排列方向均不相同的晶粒所组成的多晶体 。 一般金属的晶粒越细小，其力学性能越好。 3 细化晶粒的方法 1）变质处理 2）增大过冷度 3）机械的 振动 和搅拌 4）热处理 5）压力加工再结晶 Fe FeFe同素异晶转变 在固态下，随着温度的变化，金属的晶体结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。 L 1538 1394 912 一种金属能以几种晶格类型存在的性质 称为同素异晶性。 Fe、 Sn、 Ti、 Mn 温度时间 1538 1394 912 体心 面心 体心 FeFeFeFe 二、金属的同素异晶转变 铁素体 碳（ C） 溶入 -Fe中 所形成的 固溶体 。 727 0.02% C 第三节 铁碳合金 一、铁素体（ F） 力学性能： b = 250MPa = 4550% HB = 80 二 、 奥氏体 （ A） 奥氏体 碳（ C） 溶入 -Fe中所形成的 固溶体。 1148 2.11%C 、 727 0.77% 力学性能： b = 250 350MPa = 4045% HB = 160200 3-1 铁碳合金的基本组织 四 、 珠光体 （ P） 力学性能： b = 750MPa =25% HB = 180-200 五 、 莱氏体 （ Ld） 力学性能： b = 30MPa = 0 HB = 700 珠光体 是 铁素体 和 渗碳体 组成的 机械混合物。 727 0.77% 莱氏体 是 奥氏体 和 渗碳体 组成的 机械混合物 。 1148 4.3%C 三 、 渗碳体 （ Fe3C） 渗碳体 是 金属化合物。 6.69%C 力学性能： b = 30MPa = 0 HB = 800 机械混合物 合金的组成在固态下既不互相溶解又不形成化合物，而是按一定的重量比混合而成的新物质。 机械混合物既可以是纯金属、固溶体或金属化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。 性能特点： 性能介于各组成物的性能之间。 一般具有良好的综合力学性能。 P： b = 750MPa =25% HB = 180-200 F： b = 250MPa = 4550% HB = 80 Fe3C： HB=800； b =30MPa ； 0% 相图 表示合金系的成分、温度、组织、状态之间关系的图表。 3-2 铁碳合金相图 一 、 什么是相图 （ 状态图 ） 温度时间 1538 1394 912 体心 面心 体心 二 、 相图的作用 是研究合金的 成分、温度、组织、状态 之间 变化规律的工具 。 A E S P Q G K D 4.3 2.11 0.77 0.02 C% 1148 1538 727 P L A F 三 、 铁碳合金相图 温度912 C Fe3C 6.69 F A 纯铁的熔点。 D Fe3C的熔点。 1. 相图上点的意义 E C在 -Fe中的最大溶解度点。1148 2.11%C 钢和铁的分界点 。 Ld C 共晶点 ， 1148 4.3%C 共晶点 发生共晶反应的点。 共晶反应 在 一定的温度 下，由 一定成分的液体 同时结晶出 一定成分的 两个固相 的反应 。 共晶反应的产物 共晶体 机械混合物 L（ 4.3%C） A（ 2.11%C ） + Fe3C （ 6.69%C ） 1148 Ld G 纯铁的同素异晶转变点。 912 P C在 -Fe中的最大溶解度点。 727 0.02% C S 共析点 。 727 0.77% 共析点 发生共析反应的点。 共析反应 在 一定的温度 下，由 一定成分的固相 同时结晶出 一定成分的 另外两个固相 的反应。 共析反应的产物 共析体 机械混合物 A（ 0.77%C） F（ 0. 02%C ） + Fe3C（ 6.69%C ） 727 P 2. 相图上线的意义 A E S P Q G K D 4.3 2.11 0.77 0.02 C% 1148 1538 Ld 727 P L A F 温度912 C Fe3C 6.69 F AECF线 固相线 ACD线 液相线 AE A析出终了线 ECF 共晶线 1148 AC 析出 A CD 析出 Fe3C A L+ Fe3C L+ Fe3C F +A A+ A+Ld Ld + Fe3C ES线 C在 -Fe中的溶解度曲线。析出二次 Fe3C （ 1） 单相区： L、 F、 A、 Fe3C （ 2） 两相区： L+A、 L+ Fe3C、 A+F、 F+ Fe3C （ 3） 三相区： L+A+ Fe3C、 A+F+ Fe3C GS线 溶解度曲线 A F GP线 F析出终了线。 PSK线 共析线 727 PQ线 碳在 -Fe中的溶解度曲线。 E S Q G K D 4.3 2.11 0.77 0.02 C% 1148 1538 727 P L A F 温度912 C Fe3C 6.69 A P Ld F A L+ Fe3C L+ Fe3C F+A 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 4 4 4 1 L 1 L 1 L 1 L A A A A A+ L+ L+ L+ L+ A+ A+ Ld P+F P F+P P+Fe3C P+Fe3C P+Fe3C+Ld A+Ld + 4 2 3 3 3 3 2 2 2 2 A A A F Fe3C Ld Ld Ld Fe3C Fe3C Fe3C+ Fe3C+Ld P+Fe3C+Ld 2 Ld Fe3C +Ld Fe3C +Ld 2 3 1 L A A L+ P 1 L A A L+ A+ P+F 4 3 2 F 4 1 L L+ A+ P+Fe3C 2 3 A A Fe3C 1 L 2 Ld Ld 1 L A+ L+ Ld P+Fe3C +Ld A+Ld + 3 2 A Fe3C 3 1 L 2 L+ Fe3C Fe3C + Fe3C +Ld Ld 1 钢 2 生铁 共析钢 : 亚共析钢 : 过共析钢 : 共晶生铁 : 亚共晶生铁 : 过共晶生铁 : 四、铁碳合金的结晶过程及组织转变 温度/。 CAE CFPSKDG室温0 0. 77 2. 11 4. 3 6. 67 C%LL+AFe C3AA+FP+ Fe C3+Le+LeA+F e C3 F+ Fe C3 F+PP+ Fe C3A+F e C+LeFe C3 +LeLeLe91272715381600114 7P工业纯铁亚共析钢共析钢过共析钢 亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁过共晶白口铸铁3L+ Fe C3工业纯铁 共析钢 亚共析钢 过共析钢 亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁 共晶白口铸铁 五含碳量对铁碳合金组织和性能的影响 F F+P P P+ Fe3C P+ Fe3C +Ld Ld Ld+ Fe3C C% 0 0.77 2.11 4.3 6.69 0.02 F P Ld Fe3C Fe3C 0.91.0 bHB C% bHB 1选择材料 2确定各种工艺参数 六 相图的作用 4-1 钢的分类和应用 1 按化学成分分类 一 、 钢的分类 （ 1）低合金钢 Me 10% 1）碳素钢 2） 合金钢 （ 1）低碳钢 C 0.6% 第四节 常用金属材料 2. 按质量分类 P、 S 0.035% 1）普通钢 2） 优质钢 : 3） 高级优质钢 S： 使合金产生热裂、热脆缺陷 P： 使合金产生冷裂、冷脆缺陷 P 0.045% S 0.050% P 0.030% S 0.020% 4） 特级优质钢 P 0.025% S 0.015% （ 1）平炉钢 （ 2）转炉钢 （ 3）电炉钢 3 按用途分 弹簧钢、轴承钢、耐热钢、耐蚀钢等 。 1）结构钢 2）工具钢 3）特殊性能钢 : （ 1）工程结构钢 （ 2）机械制造用钢 （ 1）刃具钢 （ 2）模具钢 （ 3）量具钢 4按冶炼方法 二、钢的牌号及应用 碳素结构钢的 钢号用屈服强度 表示 。 这类钢主要用于制造一般的机械零件和工程构件 。 1结构钢 Q195（ 0.06-0.12%C）、 Q215（ 0.09-0.15%C）、 Q235（ A（ 0.14-0.22%C）、 B（ 0.12-0.20%C）、 Q255（ 0.18-0.28%C）、 Q275（ 0.28-0.38%C） Q195 屈 s 1） （ 普通 ） 碳素结构钢 2）优质碳素结构钢 08、 10、 15 冲压件、焊接件。 15、 20、 25 渗碳淬火。 30、 35、 40、 45、 50、 55 调质处理。制造齿轮、连杆、凸轮和轴类零件。 60、 65、 70 淬火 +中温回火，制造弹簧。 这类钢的有害杂质 P、 S含量较低，钢的质量较好，主要用于制造各种较重要的机械零件。 钢号用两位数字表示 ，数字表示含碳量的万分之几。 45 表示含碳量是万分之 45（ 0.45%） 低合金高强度结构钢是在低碳钢的基础上加入少量合金元素制得 ， 其合金因素总量不超过 5%， 以 Mn为主要合金因素 。 这类钢一般在热轧或正火状态下使用 ， 不需再进行热处理 。 广泛用于建筑 、 石油 、 化工 、 铁道 、 桥梁 、造船等工业部门 。 牌号有 Q295、 Q345、 Q460 3）合金结构钢 合金结构钢种类繁多 ， 其钢号的表示方法为： 两为数字+元素符号 +数字 。 如： 40Cr2Mo4V、 60Si2Mn、38CrMoAl 低合金高强度结构钢 滚动轴承钢是制造滚动轴承的内、外套圈和滚珠、滚柱的专用钢种。常用牌号有 GCr9、 GCr15等，含碳在 0.95% - 1.1%，合金元素主要是铬。 含 0.90-1.25% C、 1.4-1.65%Cr。 用于制造各种机械零件的合金结构钢。又可分为： 合金渗碳钢： 20Cr、 20CrMnTi、 18Cr2Ni4WA 合金调质钢： 40Cr、 40MnB、 38CrMoAl 合金弹簧钢： 60Si2Mn、 50CrVA 机械结构用合金钢 滚动轴承钢 其牌号表示方法是： 一位数字 （ 或无数字 ） +元素符号 +数字 。 如： 9SiCr、 W18Cr4V、 5CrNiMo等 。 合金工具钢又可分为 合金刃具钢 、 合金模具钢 、 和合金量具钢 。 2工具钢 1） 碳素工具 碳素工具钢含碳量为 0.65-1.35% ，可制造低速切削的刀具和普通模具、量具。 常用牌号有 T7、 T8、 T9、 T10A、 T11、 T12A、 T13等。 2） 合金工具钢 合金刃具钢 指用于制造各种刀具的钢材。含碳量为 0.75-1.50%，典型牌号为 9SiCr、 W18Cr4V、 W6Mo5Cr4V2。 合金量具钢 在生产中常用的量具有钢板尺、游标卡尺、卡规、千分尺、塞规、块规等。 T10A、 T12A 、 CrWMn、GCr15 合金模具钢 模具钢是指用于制造各种模具的钢材。冷做模具钢如：冲压模、拉拔模等。典型牌号为 Cr12、Cr12MoV。 热做模具钢如：热锻模、热挤压模、压铸模等。典型牌号为 5CrMnMo、 5CrNiMo。 是指在一定范围内具有特殊磁、电、弹性、膨胀等物理性能的钢。包括软磁钢、永磁钢、无磁钢、特殊弹性钢、特殊膨胀钢、高电阻钢和合金等。 3特殊性能钢 1）不锈、耐蚀和耐热钢 不锈、耐蚀钢 不锈钢是指在水、空气、酸、碱或其它介质中，具有较强抵抗腐蚀能力的钢。其含碳量低，主加合金元素为 Cr、 Ni。 常用