工程材料及热加工工艺12907.docx

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1、材料及热热加工复复习资料料298工程材料料及热加加工工艺艺 绪论一. 课程的任任务及内内容 工艺方法法 工程材料料 加工工工艺 产品品件 装配试试车 工艺艺过程 基本知识识 热热加工 冷冷加工 成分.组组织.性性能 铸铸.锻.焊.热热 （切切削加工工） 关系.应应用 性质质：机械械类各专专业必修修的一门门综合的的技术基基础课。 任务务：使学学生获得得有关金金属学.钢的热热处理.常用的的金属材材料及加加工的基基础知识，培培养学生生合理选选材.确确定热处处理方法法及安排排工件加加工工艺艺路线的的初步能力。 先修修课：物物理.化化学.机机械制图图.金工工实习等等，与材材料力学学. 机机械设计计等关系

2、系 密切。 作用用：打基基础 为后后续课 为专专业课 为工作作实践 二材料及及发展趋趋势 钢： 碳碳钢. 合金钢钢. 铸铸钢.黑色金属属 金属材材料 铁： HT. QT. 合金铸铸铁 Cu及及Cu合金金有色金属属 AII及AI合金金工程材料料其它：轴承普通 无机非金金属材料料 陶瓷材材料 例例 特种 非 金金 属 热热塑性材 工程塑塑料料 工工程塑料料通用塑塑料热固性 有机高 特种塑塑料 分分子材料橡胶 金属材材料 + 非金金属材料料 = 复合材材料 结构材料料 机机性. 物性. 化性性工程材料料（应用用）功能材料料 特特异物化化性能. 超导导.激光光材料三. 金属材料料的应用用.特点点 .陶

3、瓷. 高分分子材料料发展速速度很快快，但还还不能全全面代替替传统的的金属材材料。金金属材料各行行各业应应用广泛泛。原因因：金属属材料可可满足各各种各样样的性能能。具体： 1. 一般般均具有有优良的的机械性性能； 2. 具有有优良的的物理性性能； 3. 具有有优良的的工艺性性能； 热处理理较大范范围改变变金属材材料的性性能。 四. 影响金属属材料性性能的因因素 1. 化化学成分分 决决定组织织. 性性能 2. 处处理工艺艺 内内部组织织变化 性能与微微观组织织有关。 第一章 金属材材料的力力学性能能 物物理性能能 导电.热.磁磁.密度度.熔点点 化化学性能能 耐蚀.热.酸酸.抗氧氧化 使用用性能

4、 其其它性能能 耐磨性性.承受受磨损耐耐久程度度.综合合性 机机械性能能 外力作作用下表表现的性性能，变变形.失失效 性能 （力力学性能能） 铸铸造性能能 流动性性.收缩缩性.吸吸气性 工艺艺性能 塑性成成形性 可锻性性.冲压压性 （加加工性能能） 焊接接性 热热处理工工艺性 切切削加工工性 根根据使用用性 选择材材料用途途 选材.选选工艺性性能是基基础 根据加加工性 选择加加工方法法 机械性能能（力学学性能）是是设计零零件选材材的依据据，控制制材料质质量的重重要参考考。六大性能能 九九大指标标 强度 b S 0.22塑性 刚度 EE 力力学性能能指标 布氏氏 HHBS HHBW硬度 洛氏 H

5、RRA HRRB HHRC 维氏 HVV冲击韧性性 Aku akuu ( Ak ak )疲劳强度度-111 刚度度.强度度.塑性性 作拉伸试试验 GBB2288-877 低碳钢钢拉伸试试样 OE 弹弹性阶段段 符合合虎克定定律 呈呈线形关关系 E 弹变变点 S 平台台 屈屈服阶段段（流动动阶段） S点 屈服服点 拉伸图（拉拉伸曲线线） 载荷和变变形量（伸伸长量）F-L或应力-应变图图(F/S0)-(L/L0) 拉伸过程程 瞬瞬间自动动记录 FF与L 塑性材料料 b 不均均匀变形形 缩颈断裂 脆性材料料 b 断裂裂 一.刚度度 抵抵抗弹变变的能力力 指指标 弹性模模量 E E= (N/mm2 )

6、 弹性范范围内. 应力力与应变变的比值值 （或或线形关关系.正正比） E刚度度 弹性变变形小 二. 强强度 材料在在外力作作用下抵抵抗塑性性变形和和破坏的的能力。 常温静载 1. 屈服点SS 屈屈服强度度 表征征材料对对产生明明显塑性性变形的的抗力 有明显的的屈服现现象 屈服点：产生屈屈服时的的应力 屈服服强度（屈屈服极限限） FS S =- (N/mm22) S00 2. 名义屈服服强度 （条件件屈服强强度）0.22无明显屈屈服现象象的材料料 高碳碳钢.铝铝.铜 F0.22 -产生生0.22%残余余塑性变变形时的的载荷 0.22=- S00规定： 残余伸伸长为00.2%的应力力 r0.2或者

7、者 非比例伸伸长为00.2%的应力力 pp0.220.2%是条件件屈服强强度的“条条件” 3. 抗抗拉强度度 b 拉断前前承受的的最大应应力 Fbb = - (NN/mmm2) SS0表征了材材料抵抗抗最大均均匀变形形的能力力 Fb即 断裂载载荷b. S（r00.2p0.2） 两个重重要力学学性能指指标，是是零件选选材强度度设计主主要依据据。屈强比 SS / b 可靠靠性 利利用率 三. 塑塑性 外外力作用用下产生生永久变变形而不不破坏的的能力两个衡量量指标 1.断后后伸长率率 （相相对延伸伸率） L1 - LL0. =- 1000% 与标距距长度有有关 L0 L00短试样LL0.=55 d0

8、5长试样LL0.=110 dd010同一材料料510510不能能比较 2.断面面收缩率率 S0 S11 =- 1000% 不受受标距尺尺寸影响响，可靠靠反映材材料塑性性 S0 塑塑性与与负荷无无关 一般 塑材材 25 % 低碳碳钢 脆材 1%/S为冲击击； 1%/S为静载载荷 冲击试验验法 GBB2299-844 冲击击试样 试验机机 冲击吸收收功 AAKU = W( H-h) 单位位J或 Kggf .m ( 1 Kggf .m =9.88 J) 从表表盘读出出AKUaku =- J/cm22或Kgff/cmm2冲击韧韧度 S aku U 型缺口口akv V 型缺口口同一材材料akv akuu

9、， 脆性 韧性 取决于材材料本身身.试样样形状.尺寸.温度。用用来估计计在使用用时是否否发生脆脆性断裂裂，只是是一个相相对指标标，不能能用于设设计计算算。 温度 AKK aK冷脆现现象 TK脆性性转变温温度 Tk.温度度 脆性3. 疲劳强强度 材材料承受受交变应应力的能能力. 交交变载荷荷 交变应力力：大小小和方向向随时间间作周期期性变化化 交变应力力b甚至 s 材料料断裂称称“疲劳劳破坏”. 是危危险的 疲劳强度度：材料料在无数数次应力力循环而而不发生生疲劳破破坏的最最大应力力值称为为疲劳强度。 -1 表示示对称循循环时疲疲劳强度度 循环基数数 一一般钢材材 10061007次 有色色金属1

10、108次 单位 N/mmm2影响因素素：不仅仅与材料料有关，而而且受零零件尺寸寸形状.表面质质量等因因素影响响。 -1 ：保证材材料本身身内在质质量；零零件结构构形状避避免应力力集中；表面强强化 （淬淬火.喷喷丸.滚滚压等），表面光光洁度。 4. 硬度 材材料抵抗抗比它更更硬的物物体压入入其表面面的能力力 衡量材料料软硬的的指标 常常用压入入法 常用硬度度指标 布布氏 洛氏 维氏氏 一. 布布氏硬度度 测量压压痕面积积 根据据GB2231-84HBS 淬火火钢球压压头 4450 硬硬度不高高.软钢钢.铸铁铁.有色色. 示为 HBBS HBW 硬质质合金球球压头 6550 示示为 HBBW 不常

11、用用 表示例：2000 HBBS 110/110000/300 测量直直径查表表 用淬淬火钢球球压头 准确确 不用于于成品 不不能测淬淬火钢件件 常用于测测 4450HHBS 原材料料.毛坯坯.退火火.正火火. 调调质钢件件. 铸铸铁.有有色. 二. 洛氏硬硬度 测测量压痕痕深度hhK-h K 常常数 HR =- 无单单位 0.0022 有三三种指标标 金刚石圆圆锥压头头 HHRC载载荷100+1440Kggf 测淬火火硬化钢钢件 金刚石圆圆锥压头头 HHRA 载荷荷10+50KKgf 测测淬火更更硬薄层层 淬火钢钢球压头头 HRBB 载载荷 110+990Kggf 测软软.未淬淬火钢件件.

12、直接读数数，用于于成品件件或较薄薄材料的的硬度，但但不如布布氏硬度度准确三. 维维氏硬度度顶角13360的金刚刚石四棱棱锥 载荷小、 范围大大 51200 Kggf可测软、硬硬材料 .测两对角角线均值值 查表表 标注 6440HVV30/20麻烦 少用 洛氏硬硬度不能能测时才才用维氏氏硬度测测表面硬硬化层.电镀层层.氮化层.薄薄片金属属 第二章、 金属及合合金的结结构与结结晶 1. 金属属的结构构与结晶晶 一. 金属键与与金属的的特性 金属键：金属原原子是依依靠正离离子和自自由电子子的相互互吸引而而结合起起来的，这这种结合方式称称为金属属键。 金属的特特性 光泽 良好好的导电电性 良好的的导热

13、性性 良良好的塑塑性 二. 金属的晶晶体结构构 1. 晶体的概概念 晶体 有有规则 周期期性重复复排列 固固体 非晶体体 无规规则 晶晶格： 表示晶晶体中原原子排列列的空间间格子。 “点点阵” 晶晶胞： 构成晶晶格的最最基本单单元。 代表意意义 结结点： 晶格中中的每个个点。 平平衡位置置 晶晶格常数数：晶胞胞的各边边尺寸aa. bb. cc。大小小以为单位位（1=100-100m），晶晶胞中各边夹角角分别以以.表示。 a =bb =c= =9900 该晶晶胞称简简单立方方晶胞， 简简单立方方晶格 晶晶面： 晶格中中各方位位的原子子面。 晶晶向： 晶格中中各方位位的原子子列。2常见的的三种金金

14、属晶格格两个参数数： （1） 配位数：晶格中中任一个个原子周周围紧邻邻.等距距的原子子数目。 愈大 愈紧密密 （2） 致密度： 晶胞胞中原子子所占的的体积与与晶胞的的体积之之比。 nv 致密度kk=-% 致密度度紧密程程度 V晶格类型型面心立方方晶格ffcc体心立方方晶格bbcc密排六方方晶格hhcp晶格常数数aaa.c. c/a=(8/33)1/2=11.6333原子半径径21/22a=44r31/22a=44rd=a=2r 原子半径径r （21/2/44）a（31/2/44）a（1/22）a 晶胞原子子数n 42 6晶胞体积积v a3=(4r/21/2)3a3=(4r/31/2)33 22

15、1/22a3=244 21/2r3配位数 12812致密度 74%68%74% 最大间隙隙半径 0.411r 0.299r0.411r代表金属属 -Fee.AII.Cuu.Nii-Fee.Crr.W.-TiiMg.ZZn.-Tii.Bee结论 最紧密排排列 次紧密排排列最紧密排排列晶面.晶晶向及其其原子密密度 晶面：晶晶格中各各方位的的原子面面。 排列列相同 位向向一致 一组组平行原原子面 称为一种种晶面 用晶晶面指数数来描述述 晶面指数数：表示示晶面空空间方位位的符号号。 晶向：晶晶格中各各方位的的原子列列。排列列相同 位向向一致 一一组平行行原子列列或行 称称为一种种晶向 用用晶向指指数来

16、描描述 晶向指数数：表示示原子列列空间方方位的符符号。(1) 立方晶晶格中晶晶面指数数的确定定方法 a. 结结点为坐坐标系原原点0，晶胞胞中三条条棱边为为空间坐坐标轴XX. YY. ZZ； b. 以以晶格常常数 aa. bb. cc为单位位求出晶晶面在三三个坐标标轴上的的截距； c. 取取其截距距的倒数数； d. 将将各倒数数化为最最小整数数，并加加圆括号号，如（1100）.（1110）.（1111）为为普通形式。晶面族：晶体中中原子排排列相同同而空间间位向不不同的各各组晶面面可归为为一个晶晶面族。 指数外加加大括号号 例：（1100）.（0110）.（0001）归归为1100晶面族族 立方晶

17、格格中三种种重要的的晶面族族1000.1110.1111 (2) 立方晶晶格中晶晶向指数数的确定定方法 a. 结结点为坐坐标系原原点0，晶胞胞中三条条棱边为为空间坐坐标轴XX. YY. ZZ； b. 过原点作作一直线线，使其其平行于于待求晶晶向，读读出该方方向上任任一点的的空间坐坐标值； c. 将坐标值值化为最最小整数数，并加加上方括括号 ，即即晶向指指数。 如 1100.1110.1111三种重重要晶向向 为为普通形形式 表示示一组相相互平行行的晶向向，而不不是仅仅仅表示某某一原子子列的方方位。所有原子子排列相相同而空空间位向向不同的的各组晶晶向可归归为一个个晶向族族。用表示 例如：1000

18、.0100.0011属晶向向族 .为立立方晶格格中三种种重要的的晶向族族。(3) 晶面及及晶向的的原子密密度 晶面的原原子密度度：通常常以该晶晶面单位位面积实实际占有有的原子子数来表表示。 晶向的原原子密度度：以晶晶向单位位长度的的原子数数来表示示。 体心立方方晶格主主要晶面面及晶向向的原子子密度 晶面指数数 示意意图 晶晶面密度度（原子子数/面面积）晶晶向指数数 晶向向密度（原原子数/长度） 1000 （1/4）4/a2=1/a2 (1/22) 22/a=1/aa X轴1100 (1/44)4+1/221/22a2=1.4/aa2 (1/22)2/21/2a=0.77/a 原子密密排面 面面

19、对角线线 1111 (1/6)33/（31/22/2）aa2=0.58/a2 (11/2)2+11/311/2aa=1.06/a 体对角线线 原原子密排排方向 原子密排排面：具具有最大大原子密密度的晶晶面 原子密排排方向：具有最最大原子子密度的的晶向 4. 晶晶体的各各向异性性 - 晶体不不同方向向上的性性能差异异 单晶体 各向异性性是晶体体特有，区区别晶体体和非晶晶体一个个重要标标志 三. 金属的实实际晶体体结构与与晶体缺缺陷 1、单晶晶体 多多晶体 单晶体具具有各向向异性 工业用金金属一般般是多晶晶体- 多个单单晶体（晶晶粒）组组成 呈现现出各向向同性 晶界：晶晶粒之间间的界面面 亚晶粒：

20、晶粒内内部晶格格位向也也不完全全一致，其其中不同同小区晶晶格位向向相差大大约 10-200.这些些小区为为亚晶粒粒。 亚晶界：亚晶粒粒之间的的界面 2 、实际金金属的晶晶体缺陷陷-金属属中原子子排列的的不完整整性 (1)点点缺陷-空空位.间间隙原子子（离位位原子）.置换原原子 特点：在X.Y.ZZ三维方方向上尺尺寸都很很小(2) 线缺陷陷-位错（位位错线） 刃型位错错 “” 两种位错错 螺型位错错 特点：在在二维方方向上尺尺寸都很很小，另另一维方方向上尺尺寸相对对较长 以位错密密度表示示 “” 单单位 ccm/ccm3或cm2 单位位体积中中所包含含位错线线总长度度(3).面缺陷陷-晶界.亚晶

21、界界 特点：在在一维方方向上尺尺寸很小小，另二二维方向向上尺寸寸相对较较大“亚晶”（亚亚结构）或或嵌镶快快 晶体缺陷陷并非一一成不变变，总之之，对金金属的性性能和行行为有极极重要的的作用四. 金属的结结晶 凝固-物质质由液态态转变为为固态的的过程结晶-凝固固后得到到固态物物质为晶晶体，这这个转变变过程称称为结晶晶。 不规则（液液）规规则（固固） 1. 金属结晶晶的概念念 温度-时间间坐标 过冷-实际际结晶温温度总是是低于熔熔点 过冷度 T=TT0-Tn“过冷” 是金属属结晶的的必要条条件 T与VV冷.金属属种类.结构.纯度有有关 同一金属属 VV冷 T 结晶平台台：结晶晶潜热补补偿了它它向外逸逸散的热热量，TTn不变，液液.固共共存。2. 金属结晶晶的能量量条件 高能低低能自由能 F 结晶的的驱动力力温度 TT T0F固F液 液体体较稳T TT0F 固FF液 结晶晶自发进进行T0理论论结晶温温度 TnT 两两相F差大，结结晶加速速 3. 金属结晶晶的基本本过程 自发形核核 难 （1） 形成晶核核 非自发发形核 多 （2） 晶粒长长大 ： 树枝枝状方式式长大 4. 晶粒大小小及其控控制 晶粒-每个个晶核长长成的晶晶体 晶界-晶粒粒与晶粒粒的接触触面 不规则则 畸畸变 不稳定定 塑变变抗力.强度度.硬硬度 晶粒小，晶晶界多，塑塑韧性好好，抗力力小