机械类-金属工艺学课件.ppt
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1、1 1.金属材料导论金属材料导论1.5 1.5 铁碳合金铁碳合金1.1 1.1 金属材料的主要性能金属材料的主要性能1.2 1.2 金属及合金的晶体结构金属及合金的晶体结构1.3 1.3 合金的结构合金的结构1.4 1.4 二元合金状态图二元合金状态图知识点使用性能使用性能加工工艺性能加工工艺性能金属材料的性能金属材料的性能力力学学性性能能物 理化 学性能铸铸造造性性能能可可锻锻性性可可焊焊性性切切削削加加工工性性物物理理化化学学性性能能零件的生产工艺过程零件的生产工艺过程选材选材选毛坯选毛坯预先热处理预先热处理机械加工机械加工最终热处理最终热处理检验检验 应根据零件的性能要求、受载情况、服役
2、条应根据零件的性能要求、受载情况、服役条 件、件、工作环境等工作环境等:其中选材其中选材:金属材料种类繁多金属材料种类繁多,性能不一性能不一,而且材料的发展日新而且材料的发展日新月异月异,而零件的性能要求、服役条件各不相同而零件的性能要求、服役条件各不相同,再加上材料的资源、再加上材料的资源、价格等多方面考虑。价格等多方面考虑。机械加工方法机械加工方法轴轴毛坯选择毛坯选择车削车削传统的有传统的有现代的有现代的有有液态成形毛坯有液态成形毛坯塑性成形毛坯塑性成形毛坯连接成形毛坯连接成形毛坯粉末冶金成形粉末冶金成形型材等毛坯型材等毛坯车削、刨车削、刨 削、铣削削、铣削拉削、镗削、磨削等拉削、镗削、磨
3、削等数控加工、电火花数控加工、电火花加工、激光加工等加工、激光加工等特种加工方法特种加工方法零件的生产工艺过程零件的生产工艺过程 第第1章章 金属材料导论金属材料导论材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。复合材料复合材料工程材料工程材料金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料1.1 金属材料的主要性能金属材料的主要性能 本节重点本节重点:金属材料的力学性能金属材料的力学性能主要内容主要内容:金属材料的力学性能金属材料的力学性能,包括材料的强包括材料的强 度度 、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳 强度等。强度等。本节难点
4、本节难点:各性能指标的物理意义和测定方法各性能指标的物理意义和测定方法 1.1.1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 在低碳钢拉伸曲线中在低碳钢拉伸曲线中,把把F-l坐坐标换成标换成-(应力应力应变应变)就可以直就可以直接在图上读出力学性能指标接在图上读出力学性能指标,并且并且不需要做成标准试样。不需要做成标准试样。强度强度 材料在外力作用材料在外力作用,抵抗塑性变形和断裂的能力。工抵抗塑性变形和断裂的能力。工程上常用的金属材料的强度指标有程上常用的金属材料的强度指标有屈服强度屈服强度(s)和和抗拉强抗拉强度度(b)等等;零件发生疲劳破坏是没有预兆而零件发生疲劳破坏是没有预兆而突然断裂突然
5、断裂,此时发生疲此时发生疲劳破坏的应力远远小于抗拉强度劳破坏的应力远远小于抗拉强度,甚至比屈服强度还小甚至比屈服强度还小,非常非常危险。危险。小结小结:金属材料的力学性能是在外力作用下表现出的力学性能金属材料的力学性能是在外力作用下表现出的力学性能,在实际生产中应用相当广泛。在实际生产中应用相当广泛。冲击韧度冲击韧度:金属材料抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力。常金属材料抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力。常用的指标有用的指标有冲击韧度冲击韧度(Ak)。疲劳强度疲劳强度:金属材料抵抗交变载荷的作用而不金属材料抵抗交变载荷的作用而不 破坏的能力。破坏的能力。常用的指标有常用的指标有疲劳强度疲劳强度(
6、-1)。1 将将钟钟表表发发条条拉拉成成一一直直线线,问问这这是是弹弹性性变变形形还还是是塑塑性性变变形形?怎怎样样判判断断它它的的变形性质?变形性质?2 2 疲疲劳劳破破坏坏有有什什么么危危害害?在在什什么么情情况况下下发发生生疲疲劳劳破破坏坏,产产生生原原因因是是什什么么?如何提高零件的疲劳强度?如何提高零件的疲劳强度?1.1.2 金属材料的物理、化学性能金属材料的物理、化学性能(略略)知识点:1.2 金属及合金的晶体结构金属及合金的晶体结构体心立方面心立方密排六方固溶体金属化合物机械混合物晶体结构合金组织结晶过程同素异构转变金属的晶体结构与铁碳合金的组织与性能合金 晶体中的原子排列晶体中
7、的原子排列 金金 属属 的的 结结 晶晶纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线(理想状态理想状态)CT L ab S0a:结晶开始点结晶开始点 b:结晶终了点:结晶终了点金金 属属 的的 结结 晶晶合金的冷却曲线合金的冷却曲线Ca bLsL+s0a a:结晶开始点:结晶开始点 b b:结晶终了点:结晶终了点 合金的结晶是在一个合金的结晶是在一个温度范围内完成。温度范围内完成。金金 属属 的的 结结 晶晶结晶的必要条件结晶的必要条件-过冷度过冷度金属的结晶过程金属的结晶过程:原子团原子团 形核形核 晶核长大晶核长大 小晶粒小晶粒 晶粒晶粒(外形不规则的小外形不规则的小晶体晶体)形核形核:自身晶核、外来
8、晶核自身晶核、外来晶核晶核长大方式晶核长大方式:树枝状方树枝状方 式式晶界晶界晶粒间的分界面晶粒间的分界面;单晶体单晶体结晶结晶方位完全一致方位完全一致的的晶体的的晶体;多晶体多晶体由多由多晶粒组成的晶晶粒组成的晶体结构。体结构。金金 属属 的的 结结 晶晶细化晶粒的方法细化晶粒的方法增加冷却速度增加冷却速度,增大过冷度增大过冷度;增加外来晶核增加外来晶核;采用机械、超声波振动、电磁搅拌等采用机械、超声波振动、电磁搅拌等;晶粒粗细对材料力学性能的影响晶粒粗细对材料力学性能的影响 晶粒越细晶粒越细,强度越高强度越高,塑性和韧性也越好。塑性和韧性也越好。金金 属属 的的 结结 晶晶金属的同素异构转
9、变金属的同素异构转变1538c1394c912c室温室温-Fe-Fe-Fe体心立方体心立方面心立方面心立方体心立方体心立方金属的同素异构转变的慨念金属的同素异构转变的慨念 金属在固态下金属在固态下,随着温度的改变其晶随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。体结构发生变化的现象。金属的同素异构转变的意义金属的同素异构转变的意义 可以用热处理的方法即可通过加热、可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织保温、冷却来改变材料的组织,从而达从而达到改善材料性到改善材料性 能的目的。能的目的。1.3.1 合金的结构合金的结构概念概念合金合金:由由两种或两种以上两种或两种以上的元素通过的元
10、素通过熔炼熔炼后后 所获得的新的物质仍然具有所获得的新的物质仍然具有金属特性金属特性。组元组元:组成合金的基本元素。组成合金的基本元素。相相:凡是成分相同、结构相同并与其他部凡是成分相同、结构相同并与其他部 分有界面分开的均匀组成部分。分有界面分开的均匀组成部分。例如例如:单一的液单一的液 单一的固相单一的固相;液相、固相两相共存液相、固相两相共存;问题问题:水、油混装在一个瓶子里水、油混装在一个瓶子里,是几个相?是几个相?将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相?将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相?1.3.2 合金的结构合金的结构固溶体固溶体 固溶体固溶体:由两种组元相互溶解后所组成的新的物质仍然由两
11、种组元相互溶解后所组成的新的物质仍然保持其中某一组元的晶体结构。保持其中某一组元的晶体结构。置换固溶体置换固溶体:A组元的原子取代了组元的原子取代了B组元的原子。组元的原子。当当A、B两个组元的原子直径相差不大时两个组元的原子直径相差不大时,两个组元可两个组元可以以任何比例溶解以以任何比例溶解,形成无限固溶体形成无限固溶体,反之则为有限固溶体。反之则为有限固溶体。间隙固溶体间隙固溶体:A组元溶入组元溶入B组元的的间隙中。只能形成有组元的的间隙中。只能形成有限固溶体。限固溶体。例如例如:C溶入溶入-Fe或或-Fe 所形成的铁素体、奥氏体。所形成的铁素体、奥氏体。置换固溶体和间隙固溶体的区别置换固
12、溶体和间隙固溶体的区别1.4 二元合金状态图二元合金状态图 把各合金的结晶开始温度点连接起来把各合金的结晶开始温度点连接起来,即为液相线即为液相线;把结晶终了温把结晶终了温度点连接起来度点连接起来,即为固相线。这样就构成了即为固相线。这样就构成了Pb-Sb二元合金相图。二元合金相图。1 1 在纯金属的冷却曲线上为什在纯金属的冷却曲线上为什么会出现一水平台阶?么会出现一水平台阶?2 2 为什么晶粒越细小其力学性为什么晶粒越细小其力学性能越好?能越好?3 3 如果结晶时晶核不多而生如果结晶时晶核不多而生长速度快长速度快,则结晶后的晶粒是则结晶后的晶粒是粗还是细?粗还是细?1.4 二元合金状态图二元
13、合金状态图1.5 铁碳合金铁碳合金知识点:钢的热处理目的概念热处理工艺曲线钢的热处理工艺普通热处理表面淬火化学热处理组织转变钢在加热时的转变钢在冷却时的转变1.5.1 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织铁素体铁素体:碳溶解在碳溶解在Fe中中的间隙固溶的间隙固溶(F)。塑性。塑性 (=45-50%)、韧性好、韧性好,强度、硬度低。强度、硬度低。奥氏体奥氏体:碳溶解在碳溶解在 Fe中中的间隙固溶体的间隙固溶体(A)。塑。塑 性好。性好。渗碳体渗碳体:铁与碳形成的金属化合物铁与碳形成的金属化合物(Fe3C)。硬度很。硬度很 高高(HBW=800),塑性、韧性几乎为零。塑性、韧性几乎为零。珠光体珠光
14、体:是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体 与渗碳体的共析体与渗碳体的共析体(P)。莱氏体莱氏体:是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏 体与渗碳体的共晶体体与渗碳体的共晶体(Ld)。硬度高。硬度高,塑性差。塑性差。两种反应两种反应1148 1、共晶反应、共晶反应 一定成分的一定成分的液相液相在一定的温度下同时在一定的温度下同时结晶结晶出两种成出两种成分和结构均分和结构均不相同不相同的固相的反应。的固相的反应。L 4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c 共晶反应的产物即莱氏体共晶反应的产物即莱氏体 Ld=(A2.11%
15、c+Fe3C6.69%c)2、共析反应、共析反应 一定成分的一定成分的固相固相在一定的温度下同时在一定的温度下同时析出析出两种成分和两种成分和结构均结构均不相同不相同的的 新的新的固相固相的反应。的反应。A2.11%c 727 F0.02%c+Fe3C6.69%c共析反应的产物即珠光体共析反应的产物即珠光体 PF0.02%c+Fe3C6.69%c两种反应两种反应 1.5.2 铁碳合金状态图分析铁碳合金状态图分析渗碳体的熔点渗碳体的熔点共晶点共晶点共析线共析线共析点共析点纯铁的熔点纯铁的熔点共晶线共晶线ACD线线液相线液相线AECF线线固相线固相线碳在奥氏体中的最大溶解度碳在奥氏体中的最大溶解度
16、A3线线Acm 铁碳合金相图中主要特性点的含义铁碳合金相图中主要特性点的含义 特性点的特性点的符号符号温度温度t/含碳量含碳量wc%含义含义A AC CD DE EG GP PS SQ Q 15381538 1148 1148 1227 1227 1148 1148 912 912 727 727 727 727 室温室温0 04.34.36.696.692.112.110 00.020.020.770.770.00080.0008纯铁的熔点纯铁的熔点共晶点共晶点 渗碳体的熔点渗碳体的熔点碳在奥氏体中的最大溶解度碳在奥氏体中的最大溶解度-Te -Te -Te-Te同素异晶转变点同素异晶转变点碳
17、在铁素体中的最大溶解度碳在铁素体中的最大溶解度共析点共析点碳在铁素体中的溶解度碳在铁素体中的溶解度ACD线线液相线液相线 是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。AECF线线固相线固相线 各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止线。线。ECF水平线水平线共晶线共晶线 含碳量为含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线时的液态合金冷却到此线时,在在1148 由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物,此反应此反应称为共晶反应。称为共晶反应。PSK水平线水平线共析线共析线(A1线
18、线)含碳量为含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此线的奥氏体冷却到此线时时,在在727 同时同时析出析出铁素体和渗碳体的机械混合物铁素体和渗碳体的机械混合物,此反应称为共析此反应称为共析反应。反应。GS线线(A3线线)是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。ES线线称称Acm线线 是碳在奥氏体中的溶解度线是碳在奥氏体中的溶解度线,实际上是冷却时由实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。铁碳铁碳合金合金含碳量为含碳量为2.11%6.69%2.11%6.69%的铁碳合金。的铁碳合金。共晶生铁共晶生铁:含碳量为含碳量为4.3%;4.
19、3%;亚共晶生铁亚共晶生铁:含碳量在含碳量在2.11%4.3%2.11%4.3%之间之间;过共晶生铁过共晶生铁:含碳量在含碳量在4.3%6.69%4.3%6.69%之间之间;含碳量小于含碳量小于0.02%0.02%的铁碳合金。的铁碳合金。工业纯铁工业纯铁钢钢生生 铁铁含碳量为含碳量为0.02%2.11%的铁碳合金。根据的铁碳合金。根据金相金相 组织的不同组织的不同,可分为三种。可分为三种。共析钢共析钢:含碳量为含碳量为0.77%;亚共析钢亚共析钢:含碳量在含碳量在0.02%0.77%之间之间;过共析钢过共析钢:含碳量在含碳量在0.77%2.11%之间之间;LL+AAA+Fe3CF+AA+Fe3
20、C+LdP+Fe3C+LdP+Fe3CPP+FLdLdL+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3CL Ld dP+FeP+Fe3 3C C+Fe3C转变 AA奥氏体奥氏体PP珠光体珠光体FF铁素体铁素体Ld变态莱氏体变态莱氏体亚共晶、过共晶生铁结晶过程分析亚共晶、过共晶生铁结晶过程分析钢钢碳素钢碳素钢碳素结构钢碳素结构钢(0.38%C)优质碳素结构钢优质碳素结构钢(0.2-0.7%C用途广用途广)碳素工具钢碳素工具钢(T8等等)合金钢合金钢合金结构钢合金结构钢合金工具钢合金工具钢特殊性能钢特殊性能钢不锈钢不锈钢耐热钢耐热钢 耐磨钢耐磨钢其它其它量具钢量具钢模具钢模具钢刃具钢刃具钢轴承钢轴承钢弹簧钢
21、弹簧钢调质钢调质钢渗碳钢渗碳钢低合金结构钢低合金结构钢(1.5%C)(1.5%C)16Mn、20Cr9Cr2、CrWMn2Cr13、1Cr18Ni91.6 工业用钢分类及选材工业用钢分类及选材热处理热处理普通热处理普通热处理表面热处理表面热处理 退火退火正火正火淬火淬火回火回火表面淬火表面淬火化学热处理化学热处理渗碳渗碳渗氮渗氮碳氮共渗碳氮共渗加热加热保温保温冷却冷却临界温度临界温度热处理工艺曲线热处理工艺曲线T其它热处理其它热处理形变形变真空真空激光激光1.7 钢的热处理钢的热处理1.7.1 退火和正火退火和正火退火退火:将钢加热、保温将钢加热、保温,然后随炉冷却或然后随炉冷却或埋入灰中缓慢
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