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1、金 属 工 艺 学 制造二处金加一厂,大纲,材料的主要性能 一 力学性能： 强度 塑性 硬度 二 物理性能 三 化学性能 四 工艺性能,绪 论,什么叫金属工艺学？ 是一门研究有关制造金属零件工艺方法的综合性技术基础课。 它主要研究： （1）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； （2） 金属机件的加工工艺过程和结构工艺性； （3）常用金属材料性能对加工工艺的影响等。 举例 ：常用主轴材料：45 。技术要求：调质处理。 箱体材料：HT200。技术要求：退火。,金属材料的主要性能,金属材料的性能包括使用性能和工艺性能 使用性能：物理性能、化学性能、力学性能（机械性能） 工艺性能
2、： 热处理性能、铸造性能、焊接性能、锻造性能、切削加工性能。,一.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固有性能。 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。 力学性能指标，是选择、使用金属材料的重要依据。,1.强度与塑性,强度:材料受静外力作用下，抵抗永久变形和断裂的能力。 塑性:材料在外力作用下产生不可逆永久变形而不破坏（不断裂）的能力。 拉伸试验,标准试件,强度指标,屈服点 在拉伸试验过程中，外力不增加(保持恒定)，但试样仍然能继续伸长(变形)，这种现象称屈服。S点称屈服点， S点对应的应力称屈服点应力。用符号s表示。屈服点应力s可按下式计算：
3、s = Fs / A0 (MPa) 式中：Fs试样屈服时的载荷，N； A0试样原始横截面积，mm2。,抗拉强度 抗拉强度是指试样拉断前承受的最大应力值，用符号b表示，单位为Mpa，即 b= Fb / A0 (Mpa ) 式中：Fb试样承受的最大载荷，N； A0试样原始横截面积，mm2。,屈服点应力（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 。 机械零件多以s作为强度设计的依据。 对于脆性材料，在强度计算时，则以b为依据。,塑性指标,(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
4、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。,如车身架材料，要用塑性好的低合金钢制造，如受力过大（超载）时，先产生塑性变形而不致突然断裂。,3）塑性好的金属材料是进行锻造、冲压、焊接的必要条件。,2.硬度,固体材料抵抗塑性变形、压入或压痕的能力。 硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。它直接影响到材料的耐磨性及切削加工性。 硬度是机械零件、工具等必须具有的机械性能指标。 如制造业用的刀具、量具、锻锤及模具等
5、，都要具有足够的硬度，以耐磨和防止受冲击力时产生裂纹。,硬度可间接反映金属的强度、塑性、韧性及化学成分，是一项综合性的机械性能指标。 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。 金属材料的硬度指标 最常用的有：布氏硬度和洛氏硬度,（1）金属材料的硬度指标 最常用的有：布氏硬度和洛氏硬度 布氏硬度：用淬火钢球或硬质合金球作压头，用来测定“较软”金属材料硬度的方法。,布氏硬度的符号及表示方法： 如230HBS、500HBW。 S 淬火钢球压头。 W硬质合金钢球压头。,布氏硬度法的应用： 用于测定如铸铁件、有色金属及合金、退火钢、正火钢、调质钢等的硬度。,洛氏硬度：是用 1
6、20度 金刚石圆锥体作压头，用来测定硬金属材料硬度的方法。,洛氏硬度的符号及表示方法： 如2067HRC。 洛氏硬度法的应用：用于淬火钢、渗碳钢、模具工具钢等硬度的测定。,布氏硬度与洛氏硬度的特点比较,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。,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
7、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。,3.冲击韧度（ak）,有些机件在工作时要受到高速作用的载荷冲击，如锻压机的锤杆、冲床的冲头、汽车变速齿轮、飞机的起落架等。 瞬时冲击引起的应力和应变要比静载荷引起的应力和应变大得多，因此在选择制造该类机件的材料时，必须考虑材料的抗冲击能力，即冲击韧度。,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(大能量、一次冲断）。 试验表明，在冲击载荷不太大的情况下，金属材料承受多次重复冲击的能力，主要取决于强度。 冲击值对组织缺陷很敏感，因此冲击试验是生产上
8、用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质量的有效方法。,4.疲劳强度,工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作应力低于材料的屈服强度，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，这样的断裂现象称之为疲劳 。 零件的疲劳断裂过程可分为裂纹产生、裂纹扩展和瞬间断裂三个阶段 。,疲劳的概念:,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。,疲劳强度的概念,（6）提高零件疲劳强度的措施 采用锻造、轧制等压力加工方式生产零件的毛坯。 （因压力加工方式可消除材料内部的气孔、击碎夹杂物，使材料内部组织致密）,对零件表面进行强化
9、处理，如滚压、喷丸、表面淬火，以提高工作面硬度。,二、金属的物理性能 1 密度 2 熔点 3 导热性 4 导电性 5 热膨胀性 6 磁性,三、金属的化学性能 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， 1. 耐腐蚀性(如耐酸性、耐碱性等) 2抗氧化性 3化学稳定性,四、金属的工艺性能,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、铸造性能 金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力称为铸造性能。铸造性能包括流动性、吸气性、收缩性和偏析等。在金属材料中灰铸铁和青铜的铸造性能较好。 2
10、、锻造性能 金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要同金属的塑性和变形抗力有关。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。,3、焊接性能 焊接性能是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。,4、切削加工性能 切削加工性能是指金属在切削加工时的难易程度。用工件切削后的表面质量及刀具的寿命来衡量。,要点： 易断屑，加工出的表面光洁，刀具寿命长，表明材料的切削加工性能好。 材料硬度在170230HBS,有一定的脆性最易切削。,铸铁、铜铝合金、中碳钢、退火钢的切削加工性都很好；高碳钢、白口铸铁很硬，切削性能差；低碳钢、纯铜很软，切削
11、时易沾刀，不容易断屑，切削加工性能差。,钢中微量元素对材料性能的影响,1 碳 ：C 能提高刚才的强度和硬度，但会降低塑性 2 硫：S 对钢的焊接不利，会引起焊缝热裂 3氮：N 提升钢的强度极限，塑性下降 4铬（ge）：Cr能显著提高强度，硬度，耐磨性，但同时降低了塑性和韧性。 镀铬层具有很高的硬度，镀铬层的摩擦系数小，特别是干摩擦系数，在所有 的金属中是最低的。所以镀铬层具有很好的耐磨性。 5镍（nie）Ni 能提高强度和耐磨性，又保持良好的韧性和耐磨性，有较高的耐 腐蚀能力和高温下的耐热和防锈能力。,热处理（H）,钢铁固有的力学性能一般是不能满足零件的 受力性要求。 钢铁零件必须经过热处理才
12、能用。 热处理的目的: 1 提高钢力学性能 2 改善钢的工艺性能,仅对钢件表层进行加热、冷却或改变表层化学成分，获得40HRC以上的工艺称作表面热处理。 钢的化学热处理方法 按渗入的元素有：渗碳、渗氮、碳氮共渗,1）渗碳 将钢件放入密封的加热炉中加热到9009500C，然后滴入煤油、甲烷、甲醇等碳氢化合物，其在炉膛内分解出碳原子（活性），被工件表面吸收，扩散形成渗碳层。,渗碳件的特点：零件表层获得40HRC以上硬度而心部强韧性，零件工作面耐磨，疲劳强度高。,2）渗氮 是在一定温度下，活性氮原子渗入工件表面的工艺。 渗氮过程：把钢件放入密闭的炉内加热到5006000C后，通入氨气（NH4),氨气分解出活性氮原子，渗入到钢表层并与AI、Cr、Mo等合金元素结合形成氮化物，并向一定深度扩散形成渗氮层。,渗氮工艺的特点： 渗氮后不用淬火就可得到69HRC的高硬度 渗氮温度低（约5700C），工件变形小； 渗氮层具有很好的耐蚀性； 所用的钢材必须含有AI，Cr，Mo，Ti，V等合金元素。如38CrMoAI合金钢是专门为氮化处理准备的,渗氮件的特点： 零件工作硬度在60HRC以上，疲劳强度高； 零件的耐蚀性极好； 零件的制造成本高。,应用：作为重要机械零件，特别要求提高零件的抗疲劳强度而选择的表面热处理工艺。如发动机中连杆用螺栓，高级轿车发动机中的曲轴都是渗氮件。,渗氮件,渗碳件,
