工程材料及热加工工艺.docx

材料及热加工复习资料272 工程材料及热加工工艺 绪论 一. 课程的任务及内容 工艺方法 工程材料 加工工艺 产品件 装配试车 工艺过程 基本知识 热加工 冷加工 成分.组织.性能 铸.锻.焊.热 （切削加工） 关系.应用 性质：机械类各专业必修的一门综合的技术基础课。 任务：使学生获得有关金属学.钢的热处理.常用的金属材料及加工的基础知识，培养学生合理选材.确定热处理方法及安排工件加工工艺路线的初步能力。 先修课：物理.化学.机械制图.金工实习等，与材料力学. 机械设计等关系 密切。 作用：打基础 为后续课 为专业课 为工作实践 二材料及发展趋势 钢： 碳钢. 合金钢. 铸钢. 黑色金属 金属材料 铁： HT. QT. 合金铸铁 Cu及Cu合金 有色金属 AI及AI合金 工程材料 其它：轴承 普通 无机非金属材料 陶瓷材料 例 特种 非 金 属 热塑性 材 工程塑料 料 工程塑料 通用塑料 热固性 有机高 特种塑料 分子 材料 橡胶 金属材料 + 非金属材料 = 复合材料 结构材料 机性. 物性. 化性工程材料（应用） 功能材料 特异物化性能. 超导.激光材料 三. 金属材料的应用.特点 .陶瓷. 高分子材料发展速度很快，但还不能全面代替传统的金属材料。金属材料各行各业应用广泛。原因：金属材料可满足各种各样的性能。具体： 1. 一般均具有优良的机械性能； 2. 具有优良的物理性能； 3. 具有优良的工艺性能； 热处理较大范围改变金属材料的性能。 四. 影响金属材料性能的因素 1. 化学成分 决定组织. 性能 2. 处理工艺 内部组织变化 性能与微观组织有关。 第一章 金属材料的力学性能 物理性能 导电.热.磁.密度.熔点 化学性能 耐蚀.热.酸.抗氧化 使用性能 其它性能 耐磨性.承受磨损耐久程度.综合性 机械性能 外力作用下表现的性能，变形.失效 性能 （力学性能） 铸造性能 流动性.收缩性.吸气性 工艺性能 塑性成形性 可锻性.冲压性 （加工性能） 焊接性 热处理工艺性 切削加工性 根据使用性 选择材料用途 选材.选工艺性能是基础 根据加工性 选择加工方法 机械性能（力学性能）是设计零件选材的依据，控制材料质量的重要参考。六大性能 九大指标 强度 b S 0.2 塑性 刚度 E 力学性能指标 布氏 HBS HBW 硬度 洛氏 HRA HRB HRC 维氏 HV 冲击韧性 Aku aku ( Ak ak ) 疲劳强度 -1 §1 刚度.强度.塑性 作拉伸试验 GB228-87 低碳钢拉伸试样 OE 弹性阶段 符合虎克定律 呈线形关系 E 弹变点 S 平台 屈服阶段（流动阶段） S点 屈服点 拉伸图（拉伸曲线） 载荷和变形量（伸长量）F-L 或应力-应变图 (F/S0)-(L/L0) 拉伸过程 瞬间自动记录 F与L 塑性材料 >b 不均匀变形 缩颈断裂 脆性材料 >b 断裂 一.刚度 抵抗弹变的能力 指标 弹性模量 E E= (N/mm2 ) 弹性范围内. 应力与应变的比值 （或线形关系.正比） E 刚度 弹性变形小 二. 强度 材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。 常温静载 1. 屈服点S 屈服强度 表征材料对产生明显塑性变形的抗力 有明显的屈服现象 屈服点：产生屈服时的应力 屈服强度（屈服极限） FS S =- (N/mm2) S0 2. 名义屈服强度 （条件屈服强度）0.2无明显屈服现象的材料 高碳钢.铝.铜 F0.2 -产生0.2%残余塑性变形时的载荷 0.2=- S0 规定： 残余伸长为0.2%的应力 r0.2 或者 非比例伸长为0.2%的应力 p0.2 0.2%是条件屈服强度的“条件” 3. 抗拉强度 b 拉断前承受的最大应力 Fb b = - (N/mm2) S0 表征了材料抵抗最大均匀变形的能力 Fb 即 断裂载荷 b. S（r0.2p0.2） 两个重要力学性能指标，是零件选材强度设计主要依据。屈强比 S / b 可靠性 利用率 三. 塑性 外力作用下产生永久变形而不破坏的能力 两个衡量指标 1.断后伸长率 （相对延伸率） L1 - L0. =- 100% 与标距长度有关 L0 L0短试样 L0.=5 d0 5 长试样 L0.=10 d0 10 同一材料 510 5>10 不能比较 2.断面收缩率 S0 S1 =- 100% 不受标距尺寸影响，可靠反映材料塑性 S0 塑性 与负荷无关 一般 塑材 > 25 % 低碳钢 脆材 < 25 % HT 注意：塑性好处 （1）零件一旦超载，不致突然断裂破坏 （2）是压力加工的必要条件 §2. 冲击韧性 （韧性） 抵抗冲击载荷下断裂的能力 应变速度 >1%/S为冲击； <1%/S为静载荷 冲击试验法 GB229-84 冲击试样 试验机 冲击吸收功 AKU = W( H-h) 单位J或 Kgf .m ( 1 Kgf .m =9.8 J) 从表盘读出 AKU aku =- J/cm2 或Kgf/cm2 冲击韧度 S aku U 型缺口 akv V 型缺口 同一材料 akv < aku ， 脆性 韧性 取决于材料本身.试样形状.尺寸.温度。用来估计在使用时是否发生脆性断裂，只是一个相对指标，不能用于设计计算。 温度 AK aK 冷脆现象 TK 脆性转变温度 Tk.温度 脆性 §3. 疲劳强度 材料承受交变应力的能力. 交变载荷 交变应力：大小和方向随时间作周期性变化 交变应力<b 甚至 <s 材料断裂称“疲劳破坏”. 是危险的 疲劳强度：材料在无数次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。 -1 表示对称循环时疲劳强度 循环基数 一般钢材 106107次 有色金属108次 单位 N/mm2 影响因素：不仅与材料有关，而且受零件尺寸形状.表面质量等因素影响。 -1 ：保证材料本身内在质量；零件结构形状避免应力集中；表面强化 （淬火.喷丸.滚压等），表面光洁度。 §4. 硬度 材料抵抗比它更硬的物体压入其表面的能力 衡量材料软硬的指标 常用压入法 常用硬度指标 布氏 洛氏 维氏 一. 布氏硬度 测量压痕面积 根据GB231-84 HBS 淬火钢球压头 <450 硬度不高.软钢.铸铁.有色. 示为 HBS HBW 硬质合金球压头 <650 示为 HBW 不常用 表示例：200 HBS 10/1000/30 测量直径查表 用淬火钢球压头 准确 不用于成品 不能测淬火钢件 常用于测 <450 HBS 原材料.毛坯.退火.正火. 调质钢件. 铸铁.有色. 二. 洛氏硬度 测量压痕深度 h K-h K 常数 HR =- 无单位 0.002 有三种指标 金刚石圆锥压头 HRC 载荷10+140Kgf 测淬火硬化钢件 金刚石圆锥压头 HRA 载荷 10+50Kgf 测淬火更硬薄层 淬火钢球压头 HRB 载荷 10+90Kgf 测软.未淬火钢件. 直接读数，用于成品件或较薄材料的硬度，但不如布氏硬度准确 三. 维氏硬度顶角1360的金刚石四棱锥 载荷小、 范围大 5120 Kgf 可测软、硬材料 .测两对角线均值 查表 标注 640HV30/20 麻烦 少用 洛氏硬度不能测时才用维氏硬度测表面硬化层.电镀层.氮化层.薄片金属 第二章、 金属及合金的结构与结晶 §1. 金属的结构与结晶 一. 金属键与金属的特性 金属键：金属原子是依靠正离子和自由电子的相互吸引而结合起来的，这种结合方式称为金属键。 金属的特性 光泽 良好的导电性 良好的导热性 良好的塑性 二. 金属的晶体结构 1. 晶体的概念 晶体 有规则 周期性重复排列 固体 非晶体 无规则 晶格： 表示晶体中原子排列的空间格子。 “点阵” 晶胞： 构成晶格的最基本单元。 代表意义 结点： 晶格中的每个点。 平衡位置 晶格常数：晶胞的各边尺寸a. b. c。大小以Å为单位（1Å=10-10m），晶胞中各边夹角分别以.表示。 a =b =c = =900 该晶胞称简单立方晶胞， 简单立方晶格 晶面： 晶格中各方位的原子面。 晶向： 晶格中各方位的原子列。 2常见的三种金属晶格 两个参数： （1） 配位数：晶格中任一个原子周围紧邻.等距的原子数目。 愈大 愈紧密 （2） 致密度： 晶胞中原子所占的体积与晶胞的体积之比。 n·v 致密度k=-% 致密度 紧密程度 V 晶格类型面心立方晶格fcc体心立方晶格bcc密排六方晶格hcp晶格常数a a a.c. c/a=(8/3)1/2=1.633原子半径21/2·a=4r31/2·a=4rd=a=2r 原子半径r （21/2/4）·a（31/2/4）·a（1/2）·a 晶胞原子数n 42 6晶胞体积v a3=(4r/21/2)3a3=(4r/31/2)33· 21/2a3=24· 21/2r3配位数 12812致密度 74%68%74% 最大间隙半径 0.41r 0.29r0.41r代表金属 -Fe.AI.Cu.Ni-Fe.Cr.W.-TiMg.Zn.-Ti.Be结论 最紧密排列 次紧密排列最紧密排列 晶面.晶向及其原子密度 晶面：晶格中各方位的原子面。 排列相同 位向一致 一组平行原子面 称为一种晶面 用晶面指数来描述 晶面指数：表示晶面空间方位的符号。 晶向：晶格中各方位的原子列。排列相同 位向一致 一组平行原子列或行 称为一种晶向 用晶向指数来描述 晶向指数：表示原子列空间方位的符号。 (1) 立方晶格中晶面指数的确定方法 a. 结点为坐标系原点0，晶胞中三条棱边为空间坐标轴X. Y. Z； b. 以晶格常数 a. b. c为单位求出晶面在三个坐标轴上的截距； c. 取其截距的倒数； d. 将各倒数化为最小整数，并加圆括号，如（100）.（110）.（111）为普通形式。 晶面族：晶体中原子排列相同而空间位向不同的各组晶面可归为一个晶面族。 指数外加大括号 例：（100）.（010）.（001）归为100晶面族 立方晶格中三种重要的晶面族100.110.111 (2) 立方晶格中晶向指数的确定方法 a. 结点为坐标系原点0，晶胞中三条棱边为空间坐标轴X. Y. Z； b. 过原点作一直线，使其平行于待求晶向，读出该方向上任一点的空间坐标值； c. 将坐标值化为最小整数，并加上方括号 ，即晶向指数。 如 100.110.111三种重要晶向 为普通形式 表示一组相互平行的晶向，而不是仅仅表示某一原子列的方位。所有原子排列相同而空间位向不同的各组晶向可归为一个晶向族。用< >表示 例如：100.010.001属<100>晶向族 <100>.<110>.<111>为立方晶格中三种重要的晶向族。(3) 晶面及晶向的原子密度 晶面的原子密度：通常以该晶面单位面积实际占有的原子数来表示。 晶向的原子密度：以晶向单位长度的原子数来表示。 体心立方晶格主要晶面及晶向的原子密度 晶面指数 示意图 晶面密度（原子数/面积）晶向指数 晶向密度（原子数/长度） 100 （1/4）4/a2=1/a2 <100> (1/2) 2/a=1/a X轴110 (1/4)4+1/21/2a2=1.4/a2 <110> (1/2)2/21/2a=0.7/a 原子密排面 面对角线 111 (1/6)3/（31/2/2）a2=0.58/a2 <111> (1/2)2+1/31/2a=1.06/a 体对角线 原子密排方向 原子密排面：具有最大原子密度的晶面 原子密排方向：具有最大原子密度的晶向 4. 晶体的各向异性 - 晶体不同方向上的性能差异 单晶体 各向异性是晶体特有，区别晶体和非晶体一个重要标志 三. 金属的实际晶体结构与晶体缺陷 1、单晶体 多晶体 单晶体具有各向异性 工业用金属一般是多晶体- 多个单晶体（晶粒）组成 呈现出各向同性 晶界：晶粒之间的界面 亚晶粒：晶粒内部晶格位向也不完全一致，其中不同小区晶格位向相差大约 10-20.这些小区为亚晶粒。 亚晶界：亚晶粒之间的界面 2 、实际金属的晶体缺陷-金属中原子排列的不完整性 (1)点缺陷-空位.间隙原子（离位原子）.置换原子 特点：在X.Y.Z三维方向上尺寸都很小(2) 线缺陷-位错（位错线） 刃型位错 “” 两种位错 螺型位错 特点：在二维方向上尺寸都很小，另一维方向上尺寸相对较长 以位错密度表示 “” 单位 cm/cm3或cm2 单位体积中所包含位错线总长度 (3).面缺陷-晶界.亚晶界 特点：在一维方向上尺寸很小，另二维方向上尺寸相对较大“亚晶”（亚结构）或嵌镶快 晶体缺陷并非一成不变，总之，对金属的性能和行为有极重要的作用四. 金属的结晶 凝固-物质由液态转变为固态的过程 结晶- 凝固后得到固态物质为晶体，这个转变过程称为结晶。 不规则（液）规则 （固） 1. 金属结晶的概念 温度-时间坐标 过冷-实际结晶温度总是低于熔点 过冷度 T=T0-Tn “过冷” 是金属结晶的必要条件 T与V冷.金属种类.结构.纯度有关 同一金属 V冷 T 结晶平台：结晶潜热补偿了它向外逸散的热量，Tn不变，液.固共存。2. 金属结晶的能量条件 高能低能自由能 F 结晶的驱动力 温度 T >T0 F固>F液 液体较稳 T <T0 F 固<F液 结晶自发进行 T0 理论结晶温度 Tn T 两相F差大，结晶加速 3. 金属结晶的基本过程 自发形核 难 （1） 形成晶核 非自发形核 多 （2） 晶粒长大 ： 树枝状方式长大 4. 晶粒大小及其控制 晶粒-每个晶核长成的晶体