金属工艺学教学PPT培训金属材料基础演示课件

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1、金属工艺学,184729980| 黄博,规格严格、功夫到家,1,课程体系,讲授金属零件工艺方法的技术基础课。 热加工，是在较高的温度下将金属软化或熔化处理后再冷却至常温的成形技术（再结晶温度） 对金属进行加热和冷却的过程可人为干预或控制，称为热处理。热加工常见的分类有：凝固成形（铸造）、连接技术（焊接）、塑性成形（锻造和冲压）。 热加工成形过程中，模具起着极其重要的作用，从而又衍生出了模具设计和加工技术。 冷加工，通常指金属的切削加工： 即用切削工具从金属材料（毛坯）或工件上切除多余的金属层，从而使工件获得一定形状、尺寸精度和表面粗糙度的加工方法。 车削、铣削、刨削、磨削、镗削、拉削、钻削和插

2、削等加工方法。,欲讲授的知识,1、金属材料基本知识 2、热加工： 铸造 塑性加工：锻、冲、轧等。 焊接 3、冷加工（切削加工）： 切削、机床、常用切削方法 特种加工 典型表面加工 工艺过程及零件结构工艺性分析,第一部分,金属材料基本知识,1.1 金属材料的主要性能,力学性能（机械性能） 强度与塑性(衡量材料的静载荷作用下力学性能） 硬度(衡量材料的静载荷作用下力学性能） 韧性(衡量材料的动载荷作用下力学性能） 疲劳强度(衡量材料的交变载荷作用下力学性能） 物理性能 密度、熔点、热膨胀、导热、导电、导磁性等 化学性能 耐酸、耐碱、耐腐蚀、耐高温 工艺性能 加工中的综合反应：铸造性、可锻性、焊接性

3、、切削加工性等,1.1.1 金属材料的力学性能,静载时材料的力学性能 静拉伸试验（弹性和刚度、也就是强度与塑性） 硬度（布氏硬度、洛氏硬度） 动载时材料的力学性能 冲击韧性（K） 疲劳强度 高温力学性能（蠕变、其它力学性能） 断裂韧性,1）力学性能之弹性和刚度(反之则塑性),标准拉伸试样,1.1.1 金属材料的力学性能,1线弹性阶段：拉伸曲线中OA段表示材料的线弹性阶段。 试样的变形随着载荷的增大而增大，两者成线性关系。 该阶段变形是完全弹性变形，无任何残余变形（塑性变形） 此阶段中材料的应力与应变关系呈线性关系。 2屈服阶段：当载荷增加到一定数值时，在低碳钢拉伸曲线上出现水平平台或锯齿现象。

4、 这种载荷保持不变或在一定范围内波动，而变形继续增加的现象称为屈服现象。 一些低碳钢材料存在上屈服极限和下屈服极限。一般屈服极限都是指下屈服极限。下屈服极限是屈服阶段中应力的最小值。 材料屈服时将产生不能消失的塑性变形，因此工程中将此定义为材料的破坏。 屈服应力称为屈服极限,用s表示，是表征材料抵抗破坏能力的重要强度指标 。,1.1.1 金属材料的力学性能,工程中利用冷作硬化工艺的例子很多(利弊参半，合理利用），把钢筋预拉超过屈服极限、构件表面进行喷丸处理等，均能提高材料屈服极限，亦即提高材料抵抗破坏的能力。 拉伸曲线最高点C点对应的载荷为材料的强度载荷，用b表示，此时对应的应力称为强度极限或

5、抗拉极限。 4颈缩阶段：拉伸曲线中的CD段表示材料的颈缩阶段。 载荷达到最大值后，变形多集中在局部，此处伸长和横向收缩的速度比其他地方要快，成为颈缩。 由于颈缩使横截面积减小，试样承载能力下降，最后导致断裂。 断裂后试样的弹性变形消失，塑性变形将永远保留在断裂的试样上。 材料的塑性性能通常用伸长率和面积收缩率来表示。,1.1.1 金属材料的力学性能,3强化阶段：拉伸曲线中的BC段表示材料的强化阶段。 材料屈服后，抵抗变形的能力有所增强。因此若使材料继续变形，就要不断增加载荷。 在强化阶段如果卸载，弹性变形会随之消失，但塑性变形将永久保留下来。若卸载后重新加载，材料的比例极限、屈服极限明显提高，

6、而塑性性能会相应下降。这种现象称之为形变硬化或冷作硬化。,弹性 E=/ Elastic Modulus， 又称 Young s Modulus（杨氏模量） 材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律）， 应力与应变的比例称为弹性模量 强度 Strength s、屈服点（yeild strength） b、抗拉强度（tensile strength） 塑性 Plasticity 越大相对越好 =(L1-L0)/L0（伸长率） =(F0-F1)/F0（断面收缩率）,1.1.1 金属材料的力学性能,.sigma .epsilon,.delta .psi,布氏硬度试验,1.1.1 金

7、属材料力学性能硬度,硬度：材料表面抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕、划痕的能力 硬度直接影响材料的耐磨性，所以刀具、量具、模具等要求高硬度。 硬度过高则切削困难，所以一般都是“先加工，后热处理提高最终硬度”工艺。,传统的布氏硬度计： 淬火钢球压头、HBS、450HBS以下材料； 新型布氏硬度计： 硬质合金球压头、HBW、650HBW,洛氏硬度试验Rockwell Hardness,维氏硬度HV 主要用于薄工件或薄表面硬化层的硬度测试，参照GB4340-84 显微硬度HV 用于材料微区硬度(如单个晶粒、夹杂物)的测试，参照GB4342-84 莫氏硬度 一种刻划硬度，用于陶瓷和矿物的硬度测定，如

8、金刚石对应于莫氏硬度10级,1.1.1 金属材料力学性能硬度,当被测样品过小或者布氏硬度（HB）大于450时，就改用洛氏硬度（HR）计量。 试验方法是用一个顶角为120度的金刚石圆锥体或直径为1.59mm/3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕深度求出材料的硬度。 根据实验材料硬度的不同，可分为三种不同标度来表示： HRA采用60Kg载荷和钻石锥，用于硬度较高的材料。例如：硬质合金。 HRB采用100Kg载荷1.58mm钢球用于硬度较低的材料。例如：退火钢、 铸铁等。 HRC 是采用150Kg载荷和钻石锥，用于硬度很高的材料。例如：淬火钢等 HRC适用范围HRC 2067，相

9、当于HB225650； 若硬度高于此范围则用洛式硬度A标尺HRA。 若硬度低于此范围则用洛式硬度B标尺HRB。,1.1.1 金属材料力学性能硬度,KUA/S（J/cm2） A为冲断试样的冲击功；S缺口处横截面积 A=(GH1-GH2)9.8 单位：H（m）、A（J）、G（kg）,1.1.1 力学性能冲击韧度KU,1.1.1 力学性能疲劳强度,钢铁材料：107次 非铁合金：108次,疲劳强度机械零件在周期性或非周期性动载荷（称为疲劳载荷）的作用下工作发生断裂时的应力，用 表示，该应力往往低于屈服点，这种断裂称为疲劳断裂（约为抗拉强度的一半）,1.1.1 力学性能常用材料,高温下： s 、 b 、

10、 E、HRC 降低 屈服强度、抗拉强度、弹性模量、洛氏硬度C等强度指标 、 、 KU 升高 伸长率、断面收缩率、冲击韧度等塑性指标 发生蠕变现象,1.1.1 力学性能高温下,2020年10月23日星期五,物理性能： 对工程材料的选用有重要意义； 也对材料的加工工艺产生一定的影响。 （一）密度 （二）热学性能 熔点； 热容； 热膨胀；热传导 （三）电学性能 电阻率； 电阻温度系数； 介电性 （四）磁学性能 磁导率； 饱和磁化强度Ms和磁矫顽力c,1.1.2 金属材料的物理性能,2020年10月23日星期五,化学性能： 材料在生产、加工和使用时，均会与环境介质发生化学反应，从而使其性能恶化或功能丧

11、失。 （一）化学腐蚀 （二）电化学腐蚀 (三）提高零件耐蚀性的主要措施 工艺性能： 易于进行冷、热加工的性能（物理、化学、力学综合反映） 分为：铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性等。,1.1.2 金属材料化学及工艺性能,小结,力学性能（机械性能） 强度与塑性 硬度 韧性 疲劳强度 物理性能 密度、熔点、热膨胀、导热、导电、导磁性等 化学性能 耐酸、耐碱、耐腐蚀、耐高温 工艺性能 上述性能在加工中的综合反应：铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性等,1.2 铁碳合金应用最普遍,纯铁 结晶 晶体结构 铁碳合金基本组织 固溶体 化合物 机械混合物 铁碳合金状态图 状态图的分析 钢在结晶过程中的组织转变,

12、学习“铁碳合金”的思路： 铁为什么加碳？ 铁是什么样？ 铁和碳在一起有什么形式？ 铁加多少碳会怎么样？（不同的碳含量在合金中会体现成什么形式？不同温度又会如何？）,1.2.1纯铁的晶体结构及转变,金属在固态下一般都是晶体； 晶体原子在空间呈规律性排列： 在固态时呈规律性排列， 而在液态时金属原子的排列并不规律。 金属的结晶就是金属液转变为晶体的过程。 纯金属的结晶是在一定温度下进行的，在冷却曲线上出现一段水平段， 见图：时间变化，固体增加，但金属的温度并不下降，这是由于金属结晶时放出热量，致使温度不下降。,1.2.1 纯铁结晶若干概念,过冷度： 理论结晶温度和实际结晶温度不一样，实际结晶温度低

13、一些，这种现象叫过冷，温度差叫过冷度 金属结晶过程的基本规律： 晶核不断的形成和长大。 自发晶核形成晶粒 原子自发地聚集在一起形成自发晶核，金属的冷却速度越快，自发的晶核越多 外来晶核形成晶粒 金属液中高熔点杂质起晶核的作用 晶轴晶核形成后会长大，但各方向速度不一样，会形成晶轴，晶轴有一次晶轴，两次晶轴等，呈树枝状长大。,1.2.1 纯铁结晶若干概念,晶粒： 每个晶核长成的晶体称为晶粒； 晶粒的外形是不规则的，晶粒的内部原子排列的位向也各不相同； 晶粒之间的接触面叫晶界（薄弱环节）。 金属晶粒的粗细对金属力学性能影响很大： 一般说，同一成分的金属晶粒越细，其强度越高，硬度也越高，塑性韧性也越好

14、。 晶核越多，晶粒越细。 细化铸态金属晶粒的主要途径： 加快冷却速度，以增加晶核； 变质处理（加孕育剂），以增加外来晶核。 细化固态金属晶粒途径： 热处理、或塑性加工的方法,晶格 晶体中原子用点表示，原子的中心用假想的直线连接，形成的格子。 晶胞晶格中最基本的几何单元。 晶胞的边长称为晶格常数，用（埃）度量，110-8cm 金属晶体结构的主要差别是晶格类型和晶格常数的不同。,1.2.1 纯铁的晶体结构抽象化,1.2.1 纯铁结晶若干概念,纯铁的晶格有体心立方和面心立方两种： 体心立方晶格 面心立方晶格,结晶类型 大多数金属：结晶后直至室温，晶格类型不变； 铁及锡、钛、锰等：不同温度下，呈现不同

15、的晶格。 同素异晶转变 随着温度的改变，固态金属晶格也随之改变的现象。 纯铁在1394和912发生同素异晶转变。 重结晶（两次结晶）就是同素异晶转变。 是在固态下原子重新排列的过程，也遵循晶核形成和晶核长大的结晶规律，也在一定的过冷度下进行，也产生结晶热效应。 组织应力 同素异晶转变时，原子的排列密度随之改变，金属的体积也发生改变，这种金属的体积改变使金属内部产生的内应力称组织应力。,1.2.1 纯铁结晶同素异晶转变,1.2.1 纯铁结晶同素异晶转变,912度的面心体心 对热处理极为重要： 铁比铁致密，转换时将伴随体积膨胀或收缩， 将产生组织应力（内应力）,1538：液态-体心（） 1394：

16、体心-面心（） 912度：面心-体心（）,1.2.1 小结,金属的结晶 结晶过程。 晶粒大小。 纯铁的晶体结构 面心 相同意义的点连接起来，形成状态图,1.2.3 铁碳合金状态图,1.2.3 铁碳合金状态图-分析,ACD线液相线，用L表示，此线以上是液体，温度降至此线开始结晶。 AECF线固相线，合金温度降至此线全部结晶成固态。 ACE区域：L+A CDF区域：L+Fe3CI C点：温度为1148C含碳量为4.3，发生共晶反应结晶出奥氏体和渗碳体，是一种机械混合物，称为莱氏体，Ld（A+Fe3C） ECF线又称共晶线，含碳量为2.116.639得所有合金（即铸铁）经此线都要发生共晶反应，形成一定量的莱氏体，只有C点全部结晶为莱氏体。 GS线常用A3表示，温度降至此线奥氏体析出铁素体，这是同素异晶转变的结果。 ES线碳在奥氏体中的溶解度曲线，常用Acm表示，温度越低，奥氏体的溶碳量越小，过饱和的碳将以渗碳体的形式析出 PSK线共析线，当S点成分的奥氏体冷却到PSK线时，发生共析反应，同时析出铁素体和渗碳体，合称珠光体PP