第6章超精密加工材料

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1、第6章 超精密加工材料,6.1 概述,6.1.1 超精密加工对材料的基本要求,化学成分：应准确、质地均匀、无杂质；10-210-3数量级 物理力学性能：稳定、一致，无外部和内部微观缺陷；（拉伸强度、硬度、伸长率、弹性模量、热导率、膨胀系数等）应达到10-510-6数量级。 加工工艺性能：冶炼、铸造、轧碾、热处理等工艺过程要严格控制。,6.1.2 超精密加工材料的分类,使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能. 工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。,6.2 工程材料方面诸因素对切削 加工性的影响,6.2.1 物理、化学

2、性能对切削加工性的影响,材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。,静拉伸试验,（1）硬度和强度,硬度 材料抵抗表面局部塑性变形的能力。 （布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度） 强度材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。（屈服强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度） 金属材料的硬度和强度越高，则切削力越大，切削温度越高，刀具磨损越快，故其切削加工性越差。 并不是材料的硬度越低，越好加工。有些金属的硬度虽低，但是塑性很高，不好加工。硬度适中的钢材较好加工。 适当提高材料的硬度，有利于获得较好的加工表面质量。,

3、（2） 塑性 材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：,断面收缩率：,伸长率：,通常材料的塑性越高，越难加工。,（3）冲击韧性 （是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力）,材料的韧性越高，则切削时消耗能量越多，切削力和切削温度较高，不易断屑，故切削加工性较差。,冲击功：表征金属材料冲击韧性高低的指标是冲击功，也就是材料在断裂前所吸收的能量。 根据试样缺口的不同，冲击吸收功用AKV和AKU表示，单位为焦耳，数值可从试验机的刻度盘上读出。 冲击吸收功的值越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。,（5）导热性,被加工材料的导热系数越大，则由切屑带走的热量越多，有利于降低切削区的温度，

4、故切削加工性较好。,（6）其他物理力学性能,线膨胀系数大的材料，加工时热胀冷缩，工件尺寸变化很大，故不易控制精度。弹性模量小的材料，在已加工表面形成过程中弹性恢复大，易与刀具后面发生强烈摩擦。,（7）材料的化学性质,切削镁合金时，粉末状的碎屑易于氧化发生燃烧。切削钛合金时，高温下易从大气中吸收氧、氮、形成硬而脆的化合物，使切屑成为短碎片，切削力和切削热都集中在刃口附近，从而加速了刀具的磨损。,6.2.2 化学成分对切削加工性的影响,碳：含碳量为0.350.45的中碳钢，切削加工性较好。 猛：增加含锰量，则钢的硬度、强度较高，韧性下降。一般含锰量在0.71.0时加工性较好。 硅：当含硅量小于1时

5、，钢在提高硬度的同时塑性下降很少，对切削加工性略有不利。当在钢中形成硬质夹杂物SiO2时，使刀具磨损加剧。 铬：铬能在铁素体中固溶，又能形成碳化物。当含铬量小于0.5时，对切削加工性的影响很小。含铬量进一步加多，则钢的硬度、强度提高，切削加工性有所下降。 镍：镍能在铁素体中固溶，使钢的硬度和韧性均有所提高，导热系数降低，使切削加工性变差。当含镍量大于8后，形成了奥氏体钢，加工硬化严重，切削加工性更差了。：,钼：钼能形成碳化物，能提高钢的硬度，降低塑性。含钼量在0.150.4范围内，切削加工性略有改善。大于0.5后，切削加工性降低。 钒：钒能形成碳化物，并能使钢的组织细密，提高硬度，降低塑性。当

6、含量增多后使切削加工性变差，含量少时对切削加工性略有好处。 铅：铅在钢中不固溶，而呈单相微粒均匀分布，破坏了铁素体的连续性，还有润滑作用，能减轻刀具磨损，使切屑容易折断，有效改善了切削加工性。 硫：硫在钢中常以FeS形式存在，使钢具有热脆性。但能与钢中的锰化合成非金属夹杂物MnS，呈微粒均匀分布，MnS的塑性好，且有润滑作用，破坏了铁素体的连续性而降低了钢的塑性，故能减小钢的加工变形，提高已加工表面质量，改善断屑，减小刀具磨损，从而使切削加工性得到显著提高。,磷：它存在于铁素体的固溶体内。钢中含磷量增加，使强度、硬度提高，塑性、韧性降低。当含磷量达到0.25时，强度、硬度略有提高，伸长率降低不

7、多，但冲击值显著下降，使钢变脆。故含磷量如控制在0.15以下，可通过“加工脆性”而使钢的切削加工性改善。当含磷量大于0.2时，脆性过大而使切削加工性变劣。 氧：钢中还有微量的氧，能与其他合金元素化合成硬质夹杂物，如SiO2、Al2O3、TiO2等，对刀具具有强烈擦伤作用，使刀具磨损加剧，降低了切削加工性。 氮：在钢中会形成硬而脆的氮化物，使切削加工性变差。,6.2.3 热处理状态和金相组织对切削加工性的影响,铁素体：碳溶解于Fe中所形成的固溶体为铁素体。铁素体中含碳量很少，故其性能接近于纯铁，是一种很软而有很韧的组织。切削铁素体时，刀具产生冷焊磨损，而且容易产生积屑瘤，使加工表面质量恶化，故铁

8、素体的加工性并不好。通过热处理（正火）或冷作变形，提高其硬度，降低其韧性，可使其切削加工性得到改善。 渗碳体：碳与铁互相作用形成的化合物Fe3C称为渗碳体。渗碳体硬度很高，塑性极低，强度也很低。钢中渗碳体含量较多，则刀具被擦伤和磨钝很严重，使切削加工性恶化。通过球化退火，使网状、片状的渗碳体变为小而圆的球形组织混在软基体中，使切削变容易，改善了钢的切削加工性。,钢的金相组织有：铁素体、渗碳体、珠光体、索氏体、托氏体、马氏体、奥氏体等,珠光体：由铁素体和渗碳体组成的共析物称为珠光体。通过热处理（退火、调质），可将层片状珠光体转变为球状珠光体。由于珠光体的硬度、强度和塑性都适中，当钢中珠光体和铁素

9、体数量相近时，其切削加工性良好。 索氏体和托氏体：是铁素体和渗碳体的混合物，不过比珠光体要细得多。索氏体是细珠光体组织，硬度和强度比一般珠光体高，而塑性有所降低，托氏体是最细的珠光体组织，硬度和强度进一步提高，塑性进一步降低。 马氏体：碳在Fe中的过饱和固溶体称马氏体，是奥氏体组织以极快的速度冷却时形成的。马氏体呈针形分布，具有很高的硬度和抗拉强度，但塑性和韧性很低。切削加工性差。 奥氏体：碳在Fe中的固溶体称为奥氏体。奥氏体的硬度并不高，但塑性和韧性很高，切削时变形、加工硬化以及与刀面之间的冷焊很严重，切削加工性较差。,工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。,碳素钢是指含碳量低于2.1

10、1%的铁碳合金。 合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。,6.3 超精密加工常用金属材料,6.3.1 钢,（1）概述,1） 钢的分类及编号,一、钢的分类 1、按化学成分分,2、按质量分 钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。 分普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢. 根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：,3、按用途分,二、钢的编号 我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。 采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母.,常用钢产品的名称、用途、特

11、性和工艺方法表示符号（GB/T 2212000）,1、碳素结构钢和低合金高强度钢 Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号 Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa； 质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。,脱氧方法符号: 沸腾钢F；镇静钢Z；半镇静钢b；特殊镇静钢TZ。 如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。,钢板,低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱氧方法的符号。如Q345C。 根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字 (表示平均含碳量的万分之几) 和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。,

12、*说明：通常情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。,热连轧钢板,2、优质碳素结构钢 牌号用两位数字表示。 这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。 如45钢平均含碳量为万分之四十五(即0.45%) 的优质碳素结构钢。,钢带,*说明： 含Mn量为0.71.0%时，在两位数字后加元素符号“Mn”，如40Mn。, 对于沸腾钢和半镇静钢, 在钢号后分别加字母F和b，如08F、10b。 高级优质钢在钢号后加字母A，如20A。,钢管,3、合金结构钢和合金弹簧钢 两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素符号+该元素百分含量数字+ 当合金元素的平均含量小于1.

13、50%时，只标元素符号，不标含量；,当合金元素的平均含量为1.502.49%、2.50 3.49%、3.504.49%、4.505.49%、时，在相应的合金元素符号后标2、3、4、5 等数字。如20CrNi3。 高级优质钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。 特级优质钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。,不锈钢制管板式换热器,所有合金钢的合金元素量标法相同,4、工具钢 碳素工具钢 T + 数字 T表示“碳素工具钢” ； 数字表示平均含碳量的千分之几. 如T8其平均含碳量为千分之八(0.8%C)。 *说明: 碳素工具钢都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后加“A”，如T8A。,丝锥,锉刀

14、, 合金工具钢 含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+ 当含碳量小于1.00%时，含碳量用一位数字标明，这一位数字表示平均含碳量的千分之几，如8MnSi. 当含碳量大于1.00%时，不标含碳量。,* 高速钢不标含碳量，如W6Mo5Cr4V2(含0.85%C). * 含铬量小于1%时，在含铬量(以千分之一为单位)前加数字“0”，如Cr06。,铣刀,5、轴承钢 G+Cr+铬含量(不标含碳量) “G”表示“滚动轴承钢”。 * 铬含量以千分之一为单位. 如“GCr15”的平均含铬量为1.5%。 渗碳轴承钢牌号的表示方法与合金结构钢相同，仅在牌号头部加字母“G”，如“G20CrNiMo”。,6、不锈钢和

15、耐热钢 含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+ 含碳量以千分之一为单位。,含碳量的表示方法为： 当平均含碳量1.00%时，用两位数字表示，如11Cr17(平均含碳量为1.10%)；,涡轮叶片, 当1.0%平均含碳量0.1%时, 用一位数字表示,如2Cr13（平均含碳量为0.20%） 当0.1%含碳量上限 0.03%时, 以“0”表示，如0Cr18Ni9（含碳量上限为0.08%） 当0.03%含碳量上限0.01%时（超低碳）, 以“03”表示，如03Cr19Ni10(含碳量上限为0.03%）, 当含碳量上限0. 01%时(极低碳)，以“01”表示，如01Cr19Ni11（含碳量上限为0.01%）

16、。,汽轮机叶片,7、铸钢 ZG + 两位数字 ZG表示“铸钢”； 两位数字表示平均含碳量的万分之几, 如ZG25.,（2） 结构钢,对结构钢的性能要求为： 使用性能以强韧性为主。 工艺性能以可焊性、淬透性为主。 合金结构钢除少量为中高合金钢外，都是低合金钢.,铜陵长江公路大桥,是超精密加工使用最多的材料，主要用于制造各种精密机械、精密仪器的轴、齿轮、弹簧和连接件等重要零件。,1、性能要求 高强度及足够韧性。 良好的焊接性能。 良好的耐蚀性及低 的韧脆转变温度。 2、成分特点 低碳：0.2%C. 合金元素：主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等。,1）、低合金高强度结构钢,3、热处理：大多数热轧空冷后使用。少数可用正火+高温回火处理。 4、使用状态下组织：F+P,低合金高强钢合金元素细化晶粒作用, Mn的作用是强化铁素体；增加珠光体的量。 V、Ti、Nb等起细化晶粒和弥散强化作用。 另外加Cu、P可提