材料成型工艺与设备

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1、材材 料料 成成 型型 工工 艺艺 与与 设设 备备 课程性质：限选课程性质：限选 学时：学时：56 考试形式：平常（考试形式：平常（10）+期末（期末（90） 参考书：金属工艺学（邓文英主编）参考书：金属工艺学（邓文英主编） （第三版或第四版）（第三版或第四版） 绪绪 论论n制造机件制造机件(材料成型材料成型)的工艺方法：的工艺方法： 机件生产过程：毛坯机件生产过程：毛坯零件零件性能改变性能改变装配装配 工艺方法：铸造、压力加工、焊接、热处理、切削加工工艺方法：铸造、压力加工、焊接、热处理、切削加工 本课程的内容：本课程的内容：n 各种工艺方法本身的规律、应用各种工艺方法本身的规律、应用n

2、金属机件的加工过程、结构工艺性金属机件的加工过程、结构工艺性n 常用金属材料的有关性能常用金属材料的有关性能 学习本课程的基本要求：学习本课程的基本要求：n 了解常用金属材料的一般性质、应用范围和选择原则了解常用金属材料的一般性质、应用范围和选择原则 n 初步掌握各种主要加工方法的实质、工作特点和基本初步掌握各种主要加工方法的实质、工作特点和基本 原理原理 n 了解各种主要加工方法的设备和工具的工作原理、大了解各种主要加工方法的设备和工具的工作原理、大 致结构和应致结构和应 用范围用范围n 初步掌握零件的结构性和常用金属材料的工艺性初步掌握零件的结构性和常用金属材料的工艺性 第一篇第一篇 金属

3、材料导论金属材料导论金属材料：金属材料： 纯金属：纯金属： 合合 金：金：以一种金属为基础，加入其它金属或非金以一种金属为基础，加入其它金属或非金 属，经过熔炼、烧结或其它方法制成的具属，经过熔炼、烧结或其它方法制成的具 有金属性质的材料。有金属性质的材料。 （如：钢、黄铜、硅铝明）（如：钢、黄铜、硅铝明） 金属材料：金属材料： 好的物理、化学、力学性能好的物理、化学、力学性能 好的工艺性能好的工艺性能 金属制品：金属制品： 占占8090%8090%第一章第一章 金属材料的主要性能金属材料的主要性能 1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能性能性能力学性能力学性能： 材料在力的作用下所表现出来

4、的性能材料在力的作用下所表现出来的性能.(机械性能机械性能)包括：包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性和疲弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性和疲劳强度劳强度 一一. . 弹性和塑性弹性和塑性 弹性弹性: : 受外力作用时产生变形受外力作用时产生变形, ,外力去掉后外力去掉后 能恢复原来形状的性质。能恢复原来形状的性质。 弹性变形弹性变形: : 大小与外力成正比大小与外力成正比 塑性塑性: : 在外力作用下在外力作用下, ,产生永久变形而不致产生永久变形而不致 引起破坏的性质。引起破坏的性质。 塑性变形塑性变形: : 大小不与外力成正比大小不与外力成正比 二二. . 强度强度 强度强度 强度强度

5、: : 金属材料在外力的作用下抵抗塑性金属材料在外力的作用下抵抗塑性 变形和断裂的能力变形和断裂的能力按作用力性质分按作用力性质分: : 抗拉、抗压、抗剪和抗扭强度抗拉、抗压、抗剪和抗扭强度 塑性和强度是通过拉伸试验测定的：塑性和强度是通过拉伸试验测定的：e _ e _ 弹性极限弹性极限s (s (0.20.20.20.2 ) ) ) ) 屈服极限屈服极限屈服极限屈服极限 b _ b _ 抗拉极限抗拉极限抗拉极限抗拉极限n塑性指标塑性指标： 延伸率：延伸率： 断面收缩率：断面收缩率： 、 塑性塑性n强度指标强度指标： 屈服强度：屈服强度： 抗拉强度：抗拉强度： s , s , 塑性变形；塑性变

6、形； b b ， 破坏破坏三. 刚度刚度 刚度：刚度：金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力 指标指标: 弹性模数弹性模数: 弹性范围内弹性范围内, 应力与应变的比应力与应变的比. E =/ 弹性模数弹性模数 - - 刚度刚度. . 硬度硬度 三三. 刚度刚度四四. 硬度硬度硬度硬度: : 金属材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。金属材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。 ( (在小的体积范围内在小的体积范围内, ,抵抗弹性变形、塑性抵抗弹性变形、塑性 变形或断裂的能力）变形或断裂的能力） 指标：指标：布氏硬度布氏硬度 ( HB ) ( HB ) 洛氏硬度洛氏硬度 (

7、HR ) ( HR ) 钢球钢球(HBS) (HBS) 或或 硬质合金硬质合金(HBW)(HBW) 据压痕直径据压痕直径d d 按公式或查表按公式或查表得到得到 HB HBn测量硬度测量硬度 HB450n用于测定铸铁、有用于测定铸铁、有色金属、低碳钢等色金属、低碳钢等材料的硬度。材料的硬度。布氏硬度测量布氏硬度测量洛氏硬度测量洛氏硬度测量n压头：压头： 120金刚石圆锥体金刚石圆锥体(HRA, HRC) 1.588mm淬火钢球淬火钢球(HRB)n测量：测量：依据压入深度，读表依据压入深度，读表n适用测试材料：适用测试材料： 硬质合金、淬火钢、硬质合金、淬火钢、 非铁合金非铁合金 冲击韧姓冲击韧

8、姓: 金属材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力金属材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力. . 指标指标: : 冲击值冲击值.(.(一次摆锤弯曲试验测定一次摆锤弯曲试验测定(GB/T229-94)(GB/T229-94) 冲击韧性不能直接用于强度计算冲击韧性不能直接用于强度计算: : (1) (1) 冲击值受许多因素影响冲击值受许多因素影响: : 试样形状、表面粗糙试样形状、表面粗糙 度、内部组织、温度等度、内部组织、温度等 （2 2）在冲击载荷下工作的机件，很少是受到大能量）在冲击载荷下工作的机件，很少是受到大能量 一次冲击破坏的一次冲击破坏的（J/mJ/m2 2 ）五五. 冲击韧姓冲击韧姓六六. .

9、 疲劳强度疲劳强度n指标指标: : 疲劳强度极限疲劳强度极限-1-1n循环基数循环基数: 钢材钢材: 107 有色金属、高强度钢：有色金属、高强度钢：108疲劳强度疲劳强度: 当材料在无数次重复或交变载荷作用下而当材料在无数次重复或交变载荷作用下而 不致引起断裂的最大应力不致引起断裂的最大应力.六六. 疲劳强度疲劳强度 2 金属材料的物理、化学金属材料的物理、化学 及工艺性能及工艺性能一一. 物理性能物理性能 物理性能物理性能: 比重、熔点、热膨胀性、导热性和导电性比重、熔点、热膨胀性、导热性和导电性 考虑考虑：（1）零件的使用性）零件的使用性 （2）零件的加工工艺性零件的加工工艺性二二. 化

10、学性能化学性能 化学性能化学性能: 金属材料抵抗各种化学作用的能力金属材料抵抗各种化学作用的能力 如如: 耐酸性、耐碱性、抗氧化性等耐酸性、耐碱性、抗氧化性等 考虑：考虑：零件的使用。零件的使用。 如如: 医疗器械、化工设备防腐医疗器械、化工设备防腐不锈钢不锈钢2 金属材料的物理、化学及工艺性能金属材料的物理、化学及工艺性能 三. 工艺性能工艺性能 工艺性能工艺性能: : 铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性能等。铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性能等。 是物理、化学及力学性能的综合。是物理、化学及力学性能的综合。第二章第二章 金属和合金的晶体结构与结晶金属和合金的晶体结构与结晶固体：固体： 晶

11、体：晶体：原子按一定次序作有规则的排列原子按一定次序作有规则的排列 如：金刚石、石墨、如：金刚石、石墨、固态金属及合金固态金属及合金等等 有一定的熔点和凝固点、各向异性有一定的熔点和凝固点、各向异性 非晶体：非晶体：原子作不规则的排列原子作不规则的排列 如：如： 玻璃、松香等玻璃、松香等 无一定的熔点和凝固点、各向同性无一定的熔点和凝固点、各向同性1 金属的晶体结构金属的晶体结构1 金属的晶体结构金属的晶体结构 1. 金属的晶体结构金属的晶体结构n晶体结构：晶体结构： 如上图。如上图。n几个术语：几个术语： 晶格晶格 晶面晶面 晶胞晶胞 晶格常数晶格常数 常见的金属晶格类型常见的金属晶格类型（

12、1 1 1 1）体心立方晶格）体心立方晶格）体心立方晶格）体心立方晶格 Cr, Mo, W, Cr, Mo, W, Cr, Mo, W, Cr, Mo, W, -Fe(912)-Fe(912)-Fe(912)-Fe(912) 强度、塑性好强度、塑性好 晶胞中的原子数晶胞中的原子数晶胞中的原子数晶胞中的原子数: : 1/88 + 1 = 21/88 + 1 = 21/88 + 1 = 21/88 + 1 = 2n n( ( ( (2 2）面心立方晶格）面心立方晶格）面心立方晶格）面心立方晶格 Al, Cu, Ni, Al, Cu, Ni, Al, Cu, Ni, Al, Cu, Ni, -Fe(

13、912-1394)-Fe(912-1394)-Fe(912-1394)-Fe(912-1394)n n 塑性非常好塑性非常好塑性非常好塑性非常好晶胞中的原子数晶胞中的原子数晶胞中的原子数晶胞中的原子数: : : : 1/8 8 + 1/26 = 4 1/8 8 + 1/26 = 4 1/8 8 + 1/26 = 4 1/8 8 + 1/26 = 4（3）密排六方晶格）密排六方晶格nPe, Mg, Zn, -Ti,-Ti,-Crn塑性非常好塑性非常好n n晶胞中的原子数晶胞中的原子数晶胞中的原子数晶胞中的原子数: :1/6 12 + 1/22 + 3 = 61/6 12 + 1/22 + 3 =

14、 6 2 金属的结晶过程和同素异构转变金属的结晶过程和同素异构转变 2. 金属的结晶过程和同素异构转变金属的结晶过程和同素异构转变一一. 金属的结晶过程金属的结晶过程 结晶（凝固）：结晶（凝固）：金属由液体转变为晶体的现象金属由液体转变为晶体的现象. 原子由无序状态转变为按一定的几何形状作原子由无序状态转变为按一定的几何形状作有序的排列。有序的排列。 冷却曲线：冷却曲线：冷却曲线：冷却曲线：温度温度温度温度时间时间时间时间 平台：平台：平台：平台：实际结晶温度实际结晶温度实际结晶温度实际结晶温度 恒温下结晶恒温下结晶恒温下结晶恒温下结晶 结晶潜热结晶潜热结晶潜热结晶潜热 过冷：过冷：过冷：过冷

15、：实际实际实际实际 727)n晶格类型：晶格类型：面心立方面心立方n溶解度：溶解度： 727 0.77%, 1148 2.11%n性能性能: 塑性非常好塑性非常好, HB160200n显微组织显微组织: 多边形晶粒，晶界较平直多边形晶粒，晶界较平直 n渗碳体：渗碳体：铁与碳形成的稳定的化合物铁与碳形成的稳定的化合物 Fe3Cn晶格类型：晶格类型： 复杂复杂n含碳量含碳量: 6.69%n性能性能: 硬而脆，硬而脆， HB800, =0n显微组织显微组织: 呈片状、网状、粒状呈片状、网状、粒状n可分解：可分解：铁铁 + 石墨石墨三三. 渗碳体渗碳体四四. 珠光体珠光体 (P)n珠光体：珠光体：铁素

16、体和渗碳体组成的机械混合物铁素体和渗碳体组成的机械混合物n晶格类型：晶格类型：n性能：性能： 介于铁素体和渗碳体之间。介于铁素体和渗碳体之间。 b750MPa, HB180n显微组织显微组织: 铁素体片和渗碳体片相间铁素体片和渗碳体片相间四四. 珠光体珠光体 (P) 五五. 莱氏体莱氏体 (Le)n莱氏体莱氏体(Le)：奥氏体和渗碳体组成的机械混合奥氏体和渗碳体组成的机械混合 物（物（727）n低温莱氏体低温莱氏体(Le)：珠光体和渗碳体组成的机械珠光体和渗碳体组成的机械 混合物混合物( 727)n性能：性能：与渗碳体相似，硬而脆与渗碳体相似，硬而脆2 铁碳合金状态图铁碳合金状态图 Fe-Fe

17、3C 状态图状态图一一. 铁碳合金状态图中主要点和线的含义铁碳合金状态图中主要点和线的含义特征点：特征点： 特征线：特征线： ABCD ABCD 线线 液相线液相线 AHJECF AHJECF 线线固相线固相线 AHJE AHJE 线线钢的固相线钢的固相线 ECF ECF 线线铁的固相线（共晶线），莱氏体铁的固相线（共晶线），莱氏体 GS GS 线线 A3 A3 ES ES 线线 Acm Acm PSK PSK 线线A1 (A1 (共析线共析线) )，共析反应：珠光体，共析反应：珠光体 二二. 铁碳合金的分类铁碳合金的分类n钢：钢： 0 C 2.11% 亚共析钢：亚共析钢：0 C 0.77%

18、共析钢：共析钢： C = 0.77% 过共析钢：过共析钢：0.77 C 2.11%n生铁：生铁： 2.11 C 6.69% 亚共晶生铁：亚共晶生铁：2.11 C 4.3% 共晶生铁：共晶生铁： C = 4.3% 过共晶生铁：过共晶生铁： 4.3 C 6.69%三三. 结晶过程分析结晶过程分析共析钢：共析钢： A P(F+ Fe3C) (室温组织)亚共析钢：亚共析钢： A A + F F + P(F+ Fe3C) (室温组织)过共析钢：过共析钢： A A + Fe3C Fe3C + P(F+ Fe3C) (室温组织)亚共晶生铁：亚共晶生铁： L L+A Le(A+ Fe3C) + A Le +

19、A + Fe3C Le(P+ Fe3C) + P + Fe3C (室温组织室温组织) 3 钢的分类和应用钢的分类和应用 2 钢的分类与应用钢的分类与应用 按化学成分分：按化学成分分：碳素钢、合金钢碳素钢、合金钢 按用途分：按用途分：结构钢、工具钢、特殊性能钢结构钢、工具钢、特殊性能钢 按质量分：按质量分：普通、优质、高级钢普通、优质、高级钢 （据硫、磷（据硫、磷 含量）含量） 硫的危害：硫的危害：热脆热脆 Fe, FeS Fe+FeS (共晶体，熔点共晶体，熔点9851148,沿晶界分布沿晶界分布) 磷的危害：磷的危害：冷脆冷脆 形成形成固溶体固溶体, 塑性塑性一一. 钢的分类钢的分类二二.

20、碳素钢碳素钢 碳素钢碳素钢: C 1.5%, Si, Mn ,S ,P 杂质杂质 低碳钢低碳钢: C 0.25% 中碳钢中碳钢: 0.25 C 0.6% 高碳钢高碳钢: 0.6 C 1.5% C P、Fe3C 硬度硬度、塑性、塑性 二二. 碳素钢碳素钢 普通碳素结构钢：普通碳素结构钢： 亚共析钢：亚共析钢：n甲类钢（甲类钢（A0- A7）：按机械性能供货）：按机械性能供货n乙类钢乙类钢 (B0- B7)： 按化学成分供货按化学成分供货 钢号顺序钢号顺序 强度强度、塑性、塑性 碳素结构钢的牌号：碳素结构钢的牌号： 依据GB700-88: Q (A、B、C、D)sMPa含硫、磷量级别含硫、磷量级别

21、如：如：Q 235 B 优质碳素结构钢：优质碳素结构钢： 按机械性能、化学成分供货按机械性能、化学成分供货. 零件需热处理零件需热处理. S, P 0.035%n钢号：钢号：（国家标准编制）（国家标准编制） 两位数字：表示含碳量的两位数字：表示含碳量的万分之几万分之几。 如：如：45号钢号钢 表示平均含碳量为表示平均含碳量为0.45%的的 优质碳素结构钢优质碳素结构钢n应用应用: 08、10、15、20、25， 强度小塑性好，可焊性好强度小塑性好，可焊性好, 用于制造容器、冲压件、焊接结构、渗碳件用于制造容器、冲压件、焊接结构、渗碳件 30、35、40、45、50， 强度较高，韧性较好，加工性

22、较好，强度较高，韧性较好，加工性较好， 用于轴类、齿轮、连杆等。用于轴类、齿轮、连杆等。 55、60、70， 弹性高，弹性高， 用于弹簧、轧辊等用于弹簧、轧辊等 碳素工具钢碳素工具钢 钢号：钢号：（国家标准编制）（国家标准编制） 碳碳(T)+ 一或两位数字：表示含碳量的一或两位数字：表示含碳量的千分之几千分之几 如：如： T12(A) 表示平均含碳量为表示平均含碳量为1.2%的的 （高级）优质碳素工具钢（高级）优质碳素工具钢.合金钢：合金钢：钢中除了硅、锰、硫、磷的杂质钢中除了硅、锰、硫、磷的杂质 外，专门加入某些元素（如：铬、外，专门加入某些元素（如：铬、 钼、钨等），使其具有一定钼、钨等）

23、，使其具有一定 的特的特 殊性能，这种钢叫做合金钢殊性能，这种钢叫做合金钢。合金钢：合金钢： 可据加入的合金元素而命名。可据加入的合金元素而命名。 如：锰钢、镍钢、镍铬钢。如：锰钢、镍钢、镍铬钢。三三. 合金钢合金钢n低合金钢：低合金钢：合金元素总量合金元素总量5%n钢号：钢号：数字汉字（化学符号）数字数字汉字（化学符号）数字含碳量的含碳量的万分之几万分之几合金元素合金元素MeMeMeMe的含量，的含量，例：例：16Mn, 20Cr, 40Mn2, 30CrMnSi, 38MnMoAlA16Mn, 20Cr, 40Mn2, 30CrMnSi, 38MnMoAlA 复习题：复习题：1. 下列符号

24、所表示的力学性能指标的名称和含义是什么下列符号所表示的力学性能指标的名称和含义是什么? b、s、 0.2、-1 、k 、 HB2. 什么叫同素异构转变？是举例说明之。什么叫同素异构转变？是举例说明之。3. 晶粒的粗细对金属的机械性能有什么影响晶粒的粗细对金属的机械性能有什么影响?4. 解释下列名词解释下列名词: 合金合金; 组元组元; 金属化合物金属化合物; 相相; 固溶体固溶体; 铁素体铁素体; 奥氏体奥氏体; 渗碳体渗碳体; 珠光体珠光体5. 试绘简化的铁碳合金状态图试绘简化的铁碳合金状态图, 标出各特征点的符号标出各特征点的符号, 填写各区填写各区组织名称组织名称6. 分析在缓慢冷却条件下分析在缓慢冷却条件下, 45号钢和号钢和 T10 钢的结晶过程和室温钢的结晶过程和室温组织组织.