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1、机械制造基础 第一篇金属工艺学 绪论 金属工艺学讲述有关制造金属零件的工艺方法的相关基础知识 材料和热处理 加工方法铸造压力加工焊接热处理切削加工 第一篇金属材料导论 内容金属材料的主要性能不同温度下金属材料的结构及变化金属材料的种类铁碳合金钢的热处理 第一章金属材料的主要性能 力学性能 重点 机械制造角度 物理性能化学性能工艺性能性能为什么要分为几类 每一类都包括哪些具体指标 具体指标是重点 第一章金属材料的主要性能 金属材料的力学性能 材料在力的作用下所表现出来的性能 也称机械性能 强度塑性硬度韧性疲劳强度 静载荷下的力学性能 动载荷下的力学性能 衡量金属材料主要标志 学习要求 常用的力学
2、 机械 性能指标 名称 符号 含义 单位 学习方式 结合对概念的理解去记忆 强度和塑性 测定方法 拉伸试验原理 1 试样两端缓慢施加轴向拉伸载荷 2 载荷不断增加 试样被逐步拉长 直到拉断 3 记录每一瞬间载荷F和伸长量 并绘制出拉伸曲线 强度和塑性 拉伸曲线特性Oe阶段 弹性变形es阶段 弹性 塑性变形s点 屈服点 出现 屈服 现象bk阶段 出现 缩颈 k点 断裂点 强度 名称 定义 金属材料在力的作用下 抵抗塑性变形和断裂的能力 判据 屈服强度 抗拉强度 应用场合 屈服强度拉伸试样产生屈服现象时的应力 符号 单位 无明显屈服现象的金属材料 以试样产生0 2 塑性变形时的应力 作为该材料的屈
3、服点 用表示 强度 判据抗拉强度金属材料在拉断前所能承受的最大应力 以表示 机械零件或构件 通常不允许发生塑性变形 以屈服点作为判据 脆性材料 断裂前基本不发生塑性变形 以抗拉强度作为判据 拉断前最大载荷 试样原始截面积 塑性 定义 金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力 以伸长率或收缩率表示 硬度 定义 金属材料抵抗局部变形 压痕的能力 称为硬度 它是金属材料在静载时所表现出的机械性能 内涵 硬度是衡量金属软硬的判据 测定方法 在硬度计上测定 布氏硬度法洛氏硬度法维氏硬度法 布氏硬度 HB 测试原理 1 以直径为D的淬火钢球或硬质合金球 在载荷F的静压力下 压入被测材料的表面 2 停留若干秒后
4、 卸去载荷 3 测出压痕直径d 并根据d的数值查出HB值 d 布氏硬度 HB 优点 硬度值较稳定 测试数据重复性好 准确度较洛氏硬度法高 缺点 测量费时 且因压痕较大 不适于成品检验 太薄太硬 450HB 的不适合 名称 符号 定义 方法 单位 洛氏硬度 HR 法 测试原理 1 以顶角为120 金刚石圆锥体 或 1 588mm淬火球 为压头 根据材料不同情况 在规定的载荷下 垂直地压入被测金属表面 2 卸载后依据压入深度h 由刻度盘上的指针直接指示出HR值 优点 测试简单 迅速 压痕小 可用于成品检验 缺点 重复性较差 必须在不同部位测量数次 韧性 定义 金属材料断裂前吸收的变形能量 评价指标
5、 冲击韧度 测定方法 采用摆锤式冲击试验机测定 韧性 原理 1 将带缺口的标准冲击试样放在试验机上 2 用摆锤将其一次冲断 3 以试样缺口处单位截面积上所吸收的冲击功表示冲击韧度 即 疲劳强度 疲劳断裂 当零件在疲劳载荷 周期性或非周期性动载荷 作用下发生断裂时 其应力往往大大低于该零件材料的强度极限 称该断裂为疲劳断裂 区别屈服 抗拉强度静载荷 疲劳强度 疲劳曲线 金属材料所承受的疲劳应力与其断裂前的应力循环次数的关系 疲劳极限或疲劳强度 金属材料在无数次循环载荷作用下不致引起断裂的最大应力 当应力按正弦曲线对称循环时 疲劳强度以符号表示 原因 金属材料存在内部缺陷或零件局部应力集中产生裂纹
6、 思考 1疲劳曲线的水平部分说明什么 2工业实际中 无数次循环载荷作用怎么体现 各种材料有相应的循环次数3通常的钢材是以多少次循环载荷来决定疲劳极限 疲劳强度 金属材料的物理 化学及工艺性能 物理性能密度 熔点 热膨胀性 导热性 导电性和磁性等 化学性能主要是指在常温或高温时 抵抗各种介质侵袭的能力 如耐酸性 耐碱性和抗氧化性等 金属材料的物理 化学及工艺性能 工艺性能是金属材料物理 化学性能和力学性能在加工过程中的综合反映 是指是否易于进行冷 热加工的性能 按工艺方法的不同 可分为铸造性 可锻性 焊接性和切削加工性等 小结 本章重点是金属材料的力学性能力学性能方面各种性能 强度 塑性 硬度
7、韧性 疲劳强度 的名称 定义 符号 单位拉伸曲线 硬度测试方法 疲劳曲线 第二章铁碳合金 定义 合金 以一种金属为基础加入其它金属或非金属 经过熔合而得到的具有金属特性的材料 称为合金 铁碳合金 以铁 碳为主要组成的合金 如钢和铸铁都是以铁为基础的铁碳合金 其中铁的含量占95 以上 第二章铁碳合金 主要内容 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变铁碳合金的基本组织铁碳合金状态图工业用钢简介零件选材原则 第一节纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 对金属结晶过程的了解 液态转变为固态 金属结晶过程所涉及的几个基本概念过冷 过冷度 自发晶核 非自发晶核 晶粒粗细 影响材料性能 对纯铁晶体结构的了解同素异晶的概念
8、 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 金属结晶的基本概念定义 金属原子的聚集状态由无规则的液态 转变为规则排列的固态晶体的过程 可用冷却曲线来表达 结晶温度 每种金属的固定熔点 即结晶温度t0 通常称理论结晶温度 特殊条件 金属结晶的基本概念 冷却曲线 表示金属冷却到某一温度时 冷却时间增加而温度不再下降 出现一个水平台阶 其对应温度为实际结晶温度 金属结晶的基本概念 过冷 实际结晶温度低于理论结晶温度 平衡结晶温度 的现象 过冷度 理论结晶温度与实际结晶温度之差 为什么强调过冷和过冷度的概念 对金属结晶过程和晶粒的大小有重要影响 冷却速度实际结晶温度过冷度 金属的结晶过程 金属的结晶过程 晶核的
9、形成 晶核的长大晶核的形成 液态金属冷却到一定温度时 部分原子开始按一定规则排列 形成细小的晶胚 部分尺寸较大的晶胚形成继续结晶的核心 晶核 晶核的成长 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 晶核的形成方式 自发晶核 液态金属原子自发形成的晶核 非自发晶核 实际结晶过程中 金属液体中的某些杂质也能成为金属结晶核心而形成晶核 如人工加入非自发晶核物质 称人工晶核 材料中形成的晶核数量越多 原子数量一定 则结晶后的晶粒越细小 金属的结晶过程 晶核的长大 晶核在冷却过程中不断集结液体中的原于而逐渐长大 同时新的晶核也不断形成和长大 直至由晶核长大形成的晶粒彼此接近 液态金属逐渐消失而完成结晶 结晶过程示意
10、图 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 晶核长大的实质 液体原子向固态晶核表面集结迁移 形成晶粒 结晶过程示意图 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 晶粒的大小及其控制晶粒大好 小好 晶粒小 晶界多且方向各异 塑性变形阻力大 机械性能增高 强度 塑性 硬度 韧性 疲劳强度 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 晶粒的大小取决于 晶核形成的多少单位时间内晶核的形成多 晶粒数量多 最终形成许多细小的晶粒 晶核的成长速度速度越快 晶粒越粗 过冷度增加 形核率与成长率增加 但形核率远大于成长率 晶粒细 关注 过冷度 的原因是由于其与晶粒的大小相关 而晶粒大小又与材料的强度 硬度等机械性能相关 晶粒越小 晶粒之间晶界
11、的强度越高 材料的力学越高 所以晶粒越小越好 哪些因素会影响晶粒的大小 晶粒的大小及其控制 细化晶粒的方法加快冷却速度冷却速度愈大 过冷度越大 晶核形成速度大于晶核的成长速度 晶粒细小 变质处理在液态金属内加入某种难熔杂质 直接形成晶核 或使晶核加速形成 晶核数量增加 细化晶粒 促使结晶时液态金属流动电磁搅拌 机械振动和离心浇注等 液态金属流动加快 晶核形成率提高 生长的晶体破坏 晶粒细化 用细化晶粒强化金属的方法 称为细晶强化 思考 1晶粒大小对材料性能有何影响 晶粒大好还是晶粒小好 2在结晶过程中哪些因素能带来小晶粒 3这些因素与过冷度有何关系 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 纯铁的晶体结
12、构晶体与非晶体晶体是由原子按一定规则排列 如金属及其合金及大多数矿物 非晶体的原子排列较不规则 如玻璃 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 晶格 晶胞和晶格常数晶格 假设将原子抽象为一个结点 用假想的直线连接结点 形成空间格架 晶胞 把晶格中具有空间排列特征的最小几何单元 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 晶格常数 晶胞三个棱边的长度称为晶格常数 用a b c表示 棱边之间的夹角用来表示 常见金属的晶格类型 体心立方 立方体8个顶角和立方体中心各有1个原子 晶胞实有原子数为2个 致密度68 面心立方 8个顶角和6个面的中心都各有1个原子 晶胞实有原子数为4个 致密度74 有什么意义 同样材料有不同结
13、构 密度不同 结构转化时有体积变化 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 纯铁的同素异晶转变定义 随着温度的改变 固态金属晶格由一种转变为另一种晶格的变化 晶体结构 改变结晶过程温度 不变 纯铁的同素异晶转变 纯铁的同素异晶转变 纯铁冷却曲线 三个平台 1538 纯铁由液态到固态的结晶阶段 体心立方晶格 铁1394 晶格转变为面向立方晶格 铁912 晶格再次转变为体心立方晶格 铁 纯铁的同素异晶转变 铁的同素异晶转变 固态下原子重新排列的过程 重结晶 实质 遵循晶核形成和长大的结晶过程 为了区别由液态转变为固态的初次结晶 将同素异晶转变称作二次结晶或重结晶 固态下的转变 实验中发现温度变化过程中 体
14、积发生改变 进而研究内部分子结构变化 发现金属的同素异晶转变 铁的同素异晶转变 固态下原子重新排列的过程 与结晶 液态下进行 的区别 同素异晶转变时 其新相的晶核在特定的晶面上形成 固态转变比结晶转变具有较大的过冷倾向 后者低于20度 前者达几百度 同素异晶转变易于造成较大的内应力 晶体结构不同 引起密度变化 引起体积变化 小结过冷的概念及对材料性能的影响结晶过程晶粒的概念及其大小对材料性能的影响细化晶粒的方法铁的同素异构转变的概念及其特点 铁碳合金的基本组织 概念较多基本脉络 铁碳合金的组织分为三类 固溶体 金属化合物 机械混合物每一类又分为若干的 体 铁碳合金的基本组织 合金的基本概念合金
15、 两种或两种以上的金属元素 或金属与非金属元素熔合在一起 构成具有金属特性的物质 称为合金 如铁和碳组成的铁碳合金有碳素钢 铸铁等 铜和锌组成的合金有黄铜等 铁碳合金的基本组织 合金的基本概念组元 组成合金的最简单 最基本 能独立存在的物质称作组元 合金中的稳定化合物 如Fe3C 也可称作组元 相 在合金中 凡化学成分和晶格构造相同 并与其它部分有界面分开的均匀组成部分 铁碳合金的基本组织 合金的基本概念 同种金属的同素异构体之间属同一种相吗 合金中由成分 结构相同的同一种晶粒组成的多晶体组织 虽然晶粒间有界面 仍为同一种相 区分界面的概念 多晶体有许多晶粒 每个晶粒的化学成分 内部晶体结构相
16、同 铁碳合金的基本组织 合金的基本概念组织 用肉眼或用放大镜 显微镜能观察分辩的材料内部微观形貌图象 组织可分为三大类 固溶体金属化合物机械混合物 铁碳合金的基本组织 铁碳合金的组织固溶体 溶质原子溶入溶剂晶格而保持溶剂晶格类型的金属晶体 借用液体概念 金属化合物 各组元按一定的整数比结合而成 并具有金属性质的均匀物质 属于单相组织 原子数量有一定比例关系 机械混合物 由结晶过程所形成的两相混合组织 可以是纯金属 固溶体或化合物各自的混合 也可以是它们之间的混合 固溶体 单相组织 种类 根据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同 分为置换固溶体和间隙固溶体 固溶体 单相组织 置换固溶体 当溶质原子代替了一部分溶剂原子 占据溶剂晶格的某些结点位置时 间隙固溶体 当溶质原子在溶剂晶格中不是占据结点位置 而是嵌入各结点之间的空隙时 所形成的固溶体 固溶体 固溶强化 由于形成固溶体而引起强度提高的现象 固溶强化实质 溶质原子溶入溶剂晶格 使晶格发生畸变提高合金的强度 硬度 思考 工业上通过工件表面的渗碳 渗氮等强化表面的强度 硬度 其原理是什么 固溶体 学习两类 铁素体定义 溶解于中形成的固溶体
