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1、金属工艺学 金属工艺学是一门有关机械零件制造方法及其用材的综合性技术基础课 1 内容 1 系统介绍机械工程材料的性能 应用及改进材料性能的工艺方法 2 各种成形工艺方法及其在机械制造中的应用和相互联系 3 机械零件的加工工艺过程 2 生产方法 3 历史发展 4 制造技术的发展阶段 1 用机器代替手工 从作坊形成工厂 2 从单件生产方式发展到大量生产方式 3 柔性化 集成化 智能化和网络化的现代制造技术 5 现代制造技术的形成和发展特点 1 生产规模 少品种大批量 单件小批量 多品种变批量 2 生产方式 劳动密集型 设备密集型 信息密集型 知识密集型 3 制造设备的发展过程 手工 机械化 单机自
2、动化 刚性自动线 柔性自动线 智能自动化 出土于河南安阳侯家庄武官村 此鼎形制雄伟 重达832 84公斤 高达133厘米 是迄今为止出土的最大最重的青铜器 司马戊大鼎 永乐大钟高6 75m 直径3 3m 重量46 5t的铜钟 是明朝永乐年间 约1420年 铸造的 在世界大钟之林中铸造年代最久远 钟身内外铸满了佛经 经文清晰 排列巧妙 总字数达230184个 是世界上铸字最多的大钟 撞击一下 钟声悠扬悦耳 可传40 50km 永乐大钟局部 上面载明大钟铸造的时间 1996年我国钢产量超过一亿吨 变成世界第一产钢大国 这是为纪念钢产量突破一亿吨而发行的邮票 葛洲坝水轮发电机转子最大直径18738毫
3、米 高3639毫米 净重达1780吨 是目前世界上最大水轮发电机转子 2005 02 04吊装就位 九龙大鼎 广东肇庆市 高6 68米 宽5 58米 重量16吨 整座由青铜浇铸而成 越王勾践剑越王者旨於赐剑越王州句复合剑越王不寿剑 香港天坛大佛高34米 重250吨 由200块青铜铸件砌成 耗资2000万港元 无锡灵山大佛 1 灵山大佛通高88米 佛体79米 莲花瓣9米 2 灵山大佛佛体 不含莲花瓣 由1560块6 8毫米厚的铜壁板构成 焊缝长达30余公里 3 灵山大佛铸铜约700吨 铜板面积达九千多平方米 约一个半足球场大小 4 由于高科技的运用 灵山大佛能抵御14级台风和8级地震的侵袭 钢铁
4、工业 6 基本要求 1 了解工程材料的种类 性能及其改性方法 初步掌握其应用范围和选择原则 2 掌握主要毛坯成形方法的基本原理和工艺特点 具有选择毛坯及工艺分析的初步能力 3 掌握机械制造生产过程 生产类型及其特点 掌握各种主要加工方法的实质 工艺特点 基本原理和设备 了解零件的加工工艺过程 并具有选择零件加工方法的能力 能制定简单的制造工艺规程 4 了解零件的结构工艺性 5 了解有关的新工艺 新技术及其发展趋势 第一章金属材料基本知识 1 1金属材料的主要性能使用性能 指材料在使用过程中表现出来的性能 工艺性能 指材料对各种加工工艺适应的能力 一 金属材料的使用性能力学性能 金属材料在外力
5、载荷 作用下 所表现的抵抗变形和破坏的能力 一 强度强度是指金属抵抗永久变形 塑性变形 和断裂的能力 拉伸试验动画 金工动画 拉伸曲线 swf 1 弹性极限 试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉应力 2 屈服点 试样在试验过程中力示增加 保持恒定 仍能继续伸长 变形 时的应力 3 抗拉强度 试样拉断前所能承受的最大应力值 二 塑性塑性是指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力 1 断后伸长率 试样拉断后标距的伸长时与原始标距的百分比 2 断面收缩率 试样拉断后 缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比 三 硬度1 布氏硬度 1 试验原理 D F t S 2 符号 3 表示方法XXXHBS
6、 W XX XXX XX 4 应用范围 测定结果较稳定 准确 但不宜测薄件或成品件 HBS用于测小于450的材料 HBW用测小于650的材料 主要用来测灰铸铁 有色金属及经退火 正火和调质处理的钢材 布氏硬度试验原理图 详细说明主要技术参数 初试验力 N 29 4维氏硬度试验 N 49 98 196 294显微镜放大倍率 75倍 150倍试件允许最大高度 200mm表面洛氏硬度 mm 147 294 441压头中心到机身距离 200mm电源电压 AC220V50 60HZ布氏硬度试验 2 洛氏硬度 1 试验原理 用顶角为1200的金刚石圆锥或直径为1 588mm的淬火钢球作压头 在初始试验力F
7、1 98N 及总试验力F作用下 将压头压入试样表面 按规定保持时间后卸除主试验力 用测量的残余压痕深度增量计算硬度 2 符号 3 表示方法在符号前写出硬度值 4 应用范围可直接测量成品或较薄工件 但结果不够准确 洛氏硬度试验原理图 四 冲击韧度冲击试样缺口底部横截面积上的冲击吸收功 将被测材料制成标准U型或V型试样 缺口背向摆锤冲击方向 摆锤举至H1高度 然后自由落下 冲断试样升至高度H2 摆锤冲断试样所消耗的能量 即试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功 A mgH1 mgH2 mg H1 H2 J冲击试样缺口底部处单位横截面积上的冲击吸收功 称为冲击韧度 k Ak SNJ cm2冲击吸
8、收功Ak作为材料韧性判据 冲击吸收功与温度 试样形状 尺寸 表面粗糙度 内部组织和缺陷有关 五 疲劳强度材料在指定循环基数下不产生疲劳断裂所能承受的最大应力 实际的疲劳强度值 规定钢进行1 106 107次 有色金属进行1 107 1 108次交变循环而不发生疲劳破坏时的最大应力值 即为该材料的疲劳强度 1 疲劳强度与抗拉强度之间存在一定的比例关系 如碳素钢 1 0 4 0 55 b 灰铸铁 1 0 4 b 有色金属 1 0 3 0 4 b 疲劳破坏的原因 应力集中 微裂纹 扩展 断裂破坏 避免措施 改善内部组织 外部形状和表面状态 减小和避免应力集中 表面强化处理和减小表面粗糙度值 1 2金
9、属与合金的结构和结晶一 金属材料的性能与结构晶体 原子杂乱无章堆砌起来 晶体 原子按一定几何图形有规则排列 特点 有固定的熔点 各向异性 一 金属的晶体结构基本知识1 晶格 描述原子在晶体中规则排列方式的空间几何图形 2 晶胞 能够反映晶格特征的最小几何单元 动画 金工动画 晶胞 swf3 常见金属的晶格类型 体心立方晶格动画 金工动画 体心 swf立方体晶胞 八个顶角和立方体中心各有一个原子 每个晶胞有原子 个 常见金属有 Cr W Mo V和 Fe等 面心立方晶格动画 金工动画 面心 swf立方体晶胞 八个顶角和六个面的中心各有一个原子 每个晶胞有原子 个 常见金属有 Al Cu Ni A
10、u Ag和 Fe等 密排六方晶格动画 金工动画 密排 swf正六棱柱体晶胞 12个顶角和上下面中心各有一个原子 晶胞内还有 个 每个晶胞有原子6个 常见金属有 Mg Zn Be和Cd等 二 金属的实际晶体结构1 多晶体结构动画 金工动画 多晶体结构 swf单晶体 晶体内部的晶格位向完全一致 晶粒 外形不规则 呈颗粒状的小晶体 晶界 晶粒与晶粒之间的界面 多晶体 由许多晶粒组成的晶体 2 晶体缺陷 线缺陷动画 金工动画 刃型位错 SWF刃型位错强度 硬度增加 塑性 韧性下降 面缺陷晶界和亚晶界动画 金工动画 亚晶界 SWF动画 金工动画 晶界 SWF金属强度 硬度增高 塑性变形困难 细晶强化 二
11、 金属与合金的结晶 一 金属的结晶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过程 动画 金工动画 冷却曲线 swf过冷度 理论结晶温度Tm与实际结晶温度To之差 1 冷却曲线 2 金属的结晶过程动画 金工动画 金属结晶过程 SWF 见图 1 晶核的形成 2 晶核的长大金属液的结晶过程是晶核产生和长大的过程 同时存在同时进行 金属结晶过程示意图 二 晶粒大小及其控制 1 晶粒大小对金属性能的影响一般情况下 晶粒越细小 金属的强度 塑性和韧性越好 晶粒大小主要取决于形核速率N和长大速率G 见图 过冷度对N G的影响 2 晶粒大小的控制 生产中细化晶粒的方法有 增加过冷度 变质处理
12、附加振动 三 金属的同素异构转变 概念 金属在固态下 随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象 意义 可以用热处理的方法即可通过加热 保温 冷却来改变材料的组织 从而达到改善材料性能的目的 四 金属铸锭组织 1 表层细晶区过冷度大 形核率高 2 柱状晶粒区 3 中心等轴晶粒区 三 合金的晶体结构1 合金的基本概念 1 合金 两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素熔合 组成具有金属特性的物质 2 组元 组成合金最基本 能独立存在的物质 3 合金系 由给定的组元 按一定的比例配制成一系列的合金 4 相 具有成分 组织相同 与其他部分有界面的均匀组成部分 5 组织 用肉眼可直接观察的 或用放大
13、镜 显微镜分辨和材料内部微观形貌图象 2 合金的相结构 1 固溶体 合金在固态下 组元之间能互相溶解而形成的均匀相 溶剂 与固溶体晶格类型相同 溶质 晶格类型消失的组元 置换固溶体 溶质的原子部分取代溶剂晶格上的原子 动画 金工动画 置换固溶体 SWF有限置换固溶体 按一定比例进行置换 无限置换固溶体 任意进行置换原子 条件 晶格类型相同 原子半径接近 间隙固溶体 溶质的原子溶入溶剂晶格之中形成的固溶体动画 金工动画 间隙固溶体 SWF固溶体 晶格畸变 强度 硬度增加 固溶强化 2 金属化合物 合金组元之间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相 特点 晶格类型不同于任一组元 有较高的熔点
14、硬而脆 动画 金工动画 Fe3C晶格结构 SWF金属化合物主要用来作为碳钢 各类合金钢 硬质合金及有色金属的重要组成相 3 多相复合组织 两种或两种以上的相按一定的质量百分数组合成的物质 特点 保持各组元的晶格类型 性能取决于各组成相的性能及分布状态 二元合金状态图 一 二元合金状态的建立1 概念研究材料从液态到固体转变过程而建立的图形成分 温度 组织关系图2 表示方法 A B B 3 绘制 动画 金工动画 二元相图建立 swf 1 3铁碳合金相图一 铁碳合金基本组织 一 纯铁的同素异晶转变在固态下 金属的晶格类型随温度 或压力 变化的特性 同素异晶转变 动画 金工动画 同素异构 swf Fe
15、 Fe Fe体心立方晶格面心立方晶格体心立方晶格铁的同素异构转变是钢铁材料能够进行热处理的依据 二 铁碳合金的基本组织1 铁素体 F 碳溶于 Fe中形成的间隙固溶体 用符号F 或 表示 600 溶碳量0 008 727 溶碳量0 0218 性能 与纯铁相似 强度 硬度低 而塑性和韧性好 组织 呈明亮的多边形晶粒 晶界曲折 铁素体的显微组织 2 奥氏体 A 碳溶于 Fe中形成的间隙固溶体 用符号A 或 表示 727 溶碳量0 77 1148 溶碳量2 11 性能 有一定的强度和硬度 塑性和韧性好 适于进行锻压加工 组织 与铁素体相似 晶粒呈多边形 但晶界较铁素体平直 奥氏体的显微组织 3 渗碳体
16、 Fe3C 铁和碳形成的一种具有复杂斜方晶格的间隙化合物 用化学分子式Fe3C表示 c 6 69 熔点为1227 性能 硬度很高 脆性很大 塑性极差 组织 常以片状 球 粒 状和网状等不同形态存在 4 珠光体 铁素体和渗碳体组成的机械混合物 用符号P表示 c 0 77 性能 介于铁素体与珠光体之间 即综合性能良好 5 莱氏体 c 4 3 的合金 缓慢冷却到1148 时从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶组织 用符号Ld表示 性能 与渗碳体相似 即硬度高 塑性差 珠光体是铁素体和渗碳体呈层片状交替排列的机械混合物 呈块状分布的白亮部分即是铁素体 黑色部分为珠光体组织 45钢的显微组织 400 在亮白色渗碳体基底上相间地分布着暗黑色斑点及细条状珠光体莱氏体的显微组织 二 铁碳合金状态图的形式 Fe Fe3C合金相图 简化铁碳合金状态图 三 铁碳合金状态图的建立 合金状态图就是通过一系列实验测出不同成分的铁碳合金在缓慢冷却过程中的冷却曲线和组织转变 然后在成分与温度坐标图中标出临界点温度 结晶开始和结晶结束的温度 并把物理意义相同的点连成曲线 这样构成的完整图形便是铁碳合金状态图 各成分合
