工程材料及热加工—工程材料的基础知识

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1、工程材料的基础知 识 工程材料的分类 钢铁生产简介 金属材料的性能 金属的晶体结构和结晶一、工程材料的分类1、按用途分：建筑工程材料；机械工程材料；电子工程材料2、按原子聚集状态分：单晶体；多晶体；非晶体3、按原子键合特点分：金属材料；非金属材料；复合材料金属材料 : 纯金属和以金属元素为主的合金1、黑色金属：Fe、Mn、Cr及其合金2、有色金属：非金属材料1、有机高分子材料：C，H；塑料、橡胶、纤维2、无机材料：不含C，H；陶瓷复合材料：由两种或两种以上的不同性质或不同组织结构的材料以 微观或宏观的形式结合在一起而构成。二、钢铁生产简介 钢铁是以铁和碳为主要组成元素，同时还含有Si、Mn、S

2、、P等元素 的合金。包含钢和生铁。 生产过程：1、炼铁：实质：铁的化合物的还原。q 炼铁方法：设备：高炉原料：铁矿石、焦炭、和熔剂。 铁矿石：是主要的炼铁原料，一般有磁铁矿(Fe3O4)、亦铁矿(Fe2O3)、 褐铁矿(2Fe2O3.3H2O)、菱铁矿(FeCO3)。矿石中除铁的化合物外，还含有硅、锰、磷、硫等的化合物，这些统称为脉石。 焦炭：为炼铁提供热源；焦炭不完全燃烧产生的CO气体作为还原剂，将铁从矿石中还原出来。 熔剂：主要是石灰石(CaCO3)和萤石(CaF2)，其作用是与铁矿石中的脉石结合形成熔点较低、密度小、流动性好的熔渣，并与铁液分离，以便 获得较纯净的生铁液。原理、过程： 炼

3、铁时炉料按一定比例从高炉的顶部加料口装入炉内；由炉子下 部的风口吹入热空气，使焦炭燃烧产生热量和CO气体，CO气体在上升过程中与铁矿石相接触，将铁矿石还原成海绵铁。矿石与 燃料中的部分元素(如C、Si、Mn、P、S)在高温下溶于铁中形成生铁液，与炉渣分离后，从高炉底部的出铁口流出。 生铁液可直接送炼钢炉内冶炼成钢，也可浇成生铁锭作为炼钢或 铸造的原料。q 生铁高炉的主要产品是生铁。分为炼钢生铁和铸造生铁两类。 炼钢生铁中硅的质量分数较低(Wsi1.25一3.2)，断口呈灰黑色。二、炼钢1、钢与生铁的区别：成分差异生铁很少直接用于制造零件。（含有较多的碳和杂质元素，使得生铁 的加工性能差，力学性

4、能低，不能满足加工和使用要求。）炼钢的实质是通过氧化降低生铁中的碳与杂质元素的含量，使之达到 有关标准规定的成分和性能。 2、炼钢方法 炼钢方法：主要有转炉炼钢和电炉炼钢等。 炼钢原料：生铁、废钢、熔剂(石灰石等)、脱氧剂(硅铁、锰铁、铝等) 、合金料等。炼钢过程：主要包括氧化、造渣、脱氧等。 氧化过程：碳及杂质元素与氧化剂反应生成各种氧化物。 造渣：熔剂与各种氧化物结合，形成密度小、熔点低、流动性好 的炉渣，并与钢液分离； 脱氧：在炼钢的后期加入脱氧剂，使残留在钢液中的氧与脱氧剂 反应，并使生成的化合物进入炉渣去除。(1)转炉炼钢 氧气顶吹转炉是最常用的炼钢方法。原理：它主要以生铁液为原料，

5、加适量的废钢，吹入氧气使生铁液中 的碳和部分杂质元素氧化，从而降低钢中的碳及杂质元素的含量。转 炉炼钢依靠生铁液的余热和氧化反应产生的热量提供冶炼热源。特点：氧气顶吹转炉生产率高、节省能源、成本低，适合于大型钢铁 联合企业，主要生产各类普通用途的非合金钢(碳钢)。(2)电炉炼钢 电炉炼钢有电弧炉炼钢、感应炉炼钢等方法，常用的是电弧炉炼钢。它以转炉钢和废钢作原料、以铁矿石和纯氧作氧化剂，以电极与金属 炉料间的电弧热提供冶炼热源。电弧炉冶炼温度高(可达2 000)， 能冶炼含有高熔点合金元素的合金钢。特点：采用的炉料较纯净，冶炼过程容易调节，化学成分易控制，能 够冶炼高级优质钢和合金钢。但电弘炉炼

6、钢耗电量大，成本高。现代炼钢中，主要的炼钢方法只在炉内完成熔化和初调成分的功能，而 钢的精炼和合金化是在炉外精炼装备中完成的。炉外精炼可完成脱碳 、脱氧、脱硫、脱磷及去除其他有害杂质等功能，使钢的化学成分、 组织结构与性能达到更高的要求。3、钢的浇注钢液经脱氧处理后，可浇注入钢锭模或连铸机的结晶器，浇成钢锭或 钢坯。脱氧工艺与脱氧程度对钢的结构、性能有密切联系。按脱氧程度不同，将钢分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。 (1)沸腾钢脱氧剂；弱脱氧剂(锰铁) 特点：钢锭内充满气孔，组织疏松。沸腾钢生产工艺简单，钢锭头部无 集中缩孔，成材率高，轧制的板材表面质量好。 (2)镇静钢 脱氧剂；足量的脱氧剂和强

7、脱氧剂(加入硅铁、铝)。特点：内部组织致密，性能较好，但钢锭头部最后凝固处有倒锥形的集 中缩孔，加工时需切除，使成材率下降。 (3)半镇静钢脱氧程度介于镇静钢与沸腾钢之间。三、钢材生产生产方法：钢锭或钢坯经压力加工（轧制、拉拔、挤压等）得到各种形 状和规格的钢材（钢板、型钢、钢管、钢丝等 ）。目的：压力加工改变钢材的形状和尺寸。消除铸态钢锭或钢坯中的粗大组织、孔隙等，使钢材的性能改善。1、钢板加工方法：轧制分类：厚板、中板、薄板和钢带。厚板大于25；中板为425mm；薄板小 于4mm；钢带的宽度较窄，长度较长，一般成卷供应。热轧板和冷轧板。钢板还可进行各种表面处理，如镀锌、镀锡、镀铅、塑料复合

8、等。2、型钢加工方法：轧制。种类：按截面形状分为：简单截面(圆钢、方钢、扁钢、六角钢、八角钢等) 和复杂截面(工字钢、槽钢、角钢、T型钢等)两类。按钢种分：普通型钢和优质型钢。3、钢管种类：按生产方法可分为：无缝管和有缝管(焊管)。无缝钢管是用斜轧穿孔机将实心钢坯穿孔后，再经冷拔或热轧而制成 ，分冷拔管和热轧管。能承受较高压力，主要用于石油、化工等行业 。有缝钢管是用钢板或钢带卷制成形，然后焊接而成，分直缝焊管和螺 旋焊管。应用广泛，主要用作自来水管、煤气管等低压管道。4、钢丝 加工方法：用直径为69mm的热轧线材(盘条)拉拔而成。 退火的低碳钢丝可用于捆扎物体、也可编织成各种用 品。 高碳钢

9、丝可制成各种弹簧，或用多根钢丝捻成合股的钢丝绳和钢索， 用于吊索和固定物体等。三、金属材料的性能工艺性能：适应加工的能力。使用性能：保证正常工作应具备的性能。1、力学性能材料的力学性能是指材料在外加载荷和环境因素（温度、介质）联合 作用下所表现的抵抗变形和断裂的能力。这些性能指标是材料设计、材料选用、工艺评定以及材料检验的重要 依据。衡量指标：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳极限、断裂韧度q 强度 定义：是指在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。 分类：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。 测试方法：拉伸试验 指标：弹性极限e、屈服强度s、抗拉强度b。 拉伸试验：应力-应变曲线将圆柱形或板状光滑试样

10、装夹在拉伸试验机上，沿试样轴向以一定速度施加载荷，使其发生拉伸变形直至断裂。 通过力与位移传感器可获得载荷(F)与试样伸长量 ( L)之 间的关系曲线，称为拉伸曲线（力-伸长量曲线）或F L曲线。若将纵坐标以应力(= F/S0, S0 为试样原始截 面积)表示，横坐标以应变(=L/ L 0, L 0为试样标距)表示 ，则这时的曲线与试样的尺寸无关，称为应力-应变曲线 或-曲线。过程：弹性变形、塑性变形、断裂 弹性模量：1、材料在弹性变形阶段，应力()与应变()成正比关系， 两者的比值称为弹性模量，记为EE =/2、它表征材料对弹性变形的抗力，其值愈大材料产生一定 量的弹性变形所需要的应力愈大

11、，故 工程上也称E为材料的刚度，主要取决于材料的本性，反映了材料内部原子 间结合键的强弱 。 弹性极限e：1、材料发生弹性变形的最大应力，高于此值材料开始发生塑性变形。2、表征材料产生微量塑性变形的抗力。 屈服强度s：1、在拉伸过程中，出现载荷不增加而试样还继续伸长的现象称为屈服。屈服时所对应的应力称为屈服强度。2、表征材料发生明显塑性变形时的抗力。3、工程中大多数零件都是在弹性范围工作的，如果产生过量的塑性变形就会使零件失效，所以屈服强度是零件设计 和选材的主要依据之一。 抗拉强度b：1、当拉伸试样屈服以后，欲继续变形，必须不断增加载荷 。当载荷达到最大值Fb后，试样的某一部位截面开始急剧

12、缩小，出现了“缩颈”，致使载荷下降，直到最后断裂。试样能承受的最大载荷除以试样原始截面积所得的应力，称 为抗拉强度。2、抗拉强度是材料在拉伸条件下能够承受最大载荷时的相 应应力值, 表征了材料对最大均匀变形的抗力。q 塑性 定义：断裂前材料发生不可逆永久变形（塑性变形）的能 力叫塑性。 测试方法：拉伸试验 衡量指标：断后伸长率() 和断面收缩率()。 = ( L1 L0 )/ L0 100% = ( S0 S1 )/S0 100% L0-试样原始标距长度； L1-试样断裂后标距的长度；S0-试样原始截面积；S1-试样断裂处截面积。数值越大，则塑性越好 意义：塑性加工q 硬度 定义：是衡量材料软

13、硬程度的指标，是材料抵抗局部变形 的能力。 测试方法：压入法（布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显 微硬度）。 布氏硬度 方法：在力P的作用下把直径为D的钢球压入被测材料，保持一定 时间后卸除，测量压痕平均直径d。 表示：用HB表示 大小：布氏硬度值是载荷P除以压痕(球冠)的面积。即:HB = P/S = 2P/DD - (D2-d2)1/2 应用：这种方法只适合于测量HB 450的材料，及原料半成品的 测定。 洛氏硬度 方法： 表示：因所用压头和载荷不同又分为：HRC、HRB和HRA 三种。 大小： 应用： 维氏硬度压头是136金刚石四棱锥体，测量出压痕对角线，用此 值查表得硬度值，用HV表示。

14、 显微硬度 用来测量组织中某一相的硬度。压头和表示符号同上， 但 所用载荷更小，只有几克至几十克。q 韧性 (冲击韧性) 定义：指金属在断裂前吸收变形能量的能力，通常用来评 定材料抵抗冲击的能力。 衡量指标：冲击吸收功Ak 测试方法：摆锤冲击试验。q 疲劳 疲劳现象：循环应力作用下 疲劳极限-1 ：循环应力小于某一值后，试样可经无数次 循环而不断裂。 提高疲劳极限的途径：抗拉强度b、结构、表面2、物理性能 密度： 熔点： 电性能：电阻率、电导率。 材料：银、铜、铝 纯度、成份： 热性能：热导率、热膨胀性 热导率 材料：银、铜、铝纯度、成份：意义： 热膨胀性：热膨胀系数、意义。 磁性 铁磁性物质、非铁磁性物质3、化学性能 指材料抵抗各种化学介质作用的能力，包括耐腐蚀性和高 温抗氧化性。 耐腐蚀性：材料在常温下抵抗氧、水及其他化学介质 腐蚀破坏的能力。 高温抗氧化性：材料在高温下抗氧化的能力。