机械制造基础-耿道森.ppt
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1、工程材料与机械制造基础,多媒体CAI课件,2001.06.01,绪 论,机械制造工艺基础是一门研究金属材料加工工艺的综合科学,包括各种加工工艺方法本身的规律及其在机械制造中的应用和相互之间的联系。金属零件的加工工艺过程和结构工艺性。常用金属材料的性能。常用的加工方法有:铸造、压力加工、焊接、机加工和热处理加工。机械制造基础是一门综合性技术基础课,可使大家了解金属材料的性能和加工工艺的基础知识,为学好其他专业课和从事机械设计和制造奠定必要的基础。,热加工工艺基础目录,第二篇 工程材料基础,第三篇 铸造,第四篇 压力加工,第五篇 焊接,机械加工工艺基础目录,第一篇 切削加工,第六篇 材料与毛坯的选
2、择及毛坯质量,第一章 工程材料的主要性能,第二章 金属材料基础知识,第三章 钢的热处理,第二篇 工程材料基础,返回,第一章 工程材料的主要性能,一、弹性、刚度、强度与塑性 弹性:工程材料承受载荷时产生变形,卸载后又恢复原状的能力。e=Pe/F0 MPa(兆帕)Pe 为弹性极限载荷;F0 为试样的初始截面积。刚度:工程材料受力时抵抗弹性变形的能力。E=/E为弹性模量;为应力;为应变。强度:工程材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。s=Ps/F0(Mpa)s 为屈服强度;Ps为试样产生屈服时的载荷。塑性:工程材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。延伸率=(LR-L0)/L0*100%LR
3、为试样拉断后的标距长度;L0为试样的初始标距长度。断面收缩率=(F0-FR)/F0*100%F0为试样的初始截面积;FR为试样拉断后的断口截面积。,图2.1-1 拉伸式样,二、硬度 硬度:是指工程材料抵抗更硬的物体压入其表面内的能力,表示材料抵抗局部塑性变形或破坏的性能,是一个综合反映材料弹性、塑性、强度和韧性的机械性能指标。1。布氏硬度 HB=压入载荷(N)/压痕的表面积(mm2)=0.102*2P/D21-(1-d2/D2)1/2(N/mm2)2。洛氏硬度HRC(HRA)=100-(h3-h1)/0.002HRB=130-(h3-h1)/0.002,p,图2.1-3 布氏硬度实验原理,三、
4、冲击韧性冲击韧性:材料抵抗冲击载荷而不断裂的能力。(见图2.1-5)ak=Ak/F J/cm2 Ak 为冲断试样所消耗的冲击功;F为试样缺口处的截面积。四、疲劳强度疲劳强度:材料在经受无数次交变应力作用下而不发生疲劳 断裂的最大应力。(见图2.1-6)五、断裂韧性断裂韧性:材料抵抗裂纹扩展的能力。,图2.1-6,图2.1-5 冲击实验简图,冲击,第二章 金属材料基础知识,2-2 铁碳合金,2-3 钢的分类及应用,2-1 金属的晶体结构及结晶,返回,2-1 金属的晶体结构及结晶,一、晶体概念晶体:固体原子按一定次序有规律排列。非晶体:固体原子不按一定次序有规律排列。晶格:把每个原子看成一个点,把
5、这点用直线连接起来,形成 的空间格子。晶面:各种不同方位的原子平面。晶向:各种不同方向的原子排列。晶胞:组成晶格的最基本单元。晶粒:外形不规则、显颗粒状的小晶体称为晶粒。晶界:晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。二、常见金属晶格类型体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。三、实际的晶体结构1、多晶体结构2、晶体缺陷:点缺陷、线缺陷、面缺陷。,四、金属的结晶1。金属的结晶温度理论结晶温度:平衡结晶温度T0实际结晶温度:低于理论结晶温T1 度的温度过冷:只有冷却到低于T0时才能有效地进行结晶的现象。过冷度:理论结晶温度与实际结晶温度之差。过冷度与冷却速度、金属的性质和纯度有关。冷却速度愈大,过冷度也愈
6、大。2。金属结晶过程结晶是两个基本过程:生核和长大3。细化晶粒的措施 增加金属的冷却速度 进行变质处理 压力处理、热处理,结晶附 加振动。,图2.2-3 纯金属的冷却曲线,五、金属的同素异构转变 金属的同素异构转变:金属在固态下,其晶格类型随着温度的转变而改变的过程。(图 2.2-5为纯铁的同素异构转变冷却曲线)固态相变特点:新相晶核在晶界或碎晶处生成。过冷度大,转变未开始,低温淬火。相变形成大的内应力。六、二元合金的晶体结构1。合金的概念合金:两种或两种以上金属或非金属熔合而成具有金属特性的 物质。组元:组成合金的最基本单元。相:凡化学成分和晶格结构相同,并与其它部分有界面分开的 组成部分。
7、,2。固态合金的基本相结构固溶体:固态下组元之间互相溶解形成的均匀固相。(如图2.2-6)(1)置换固溶体:当金属晶格中溶剂原子的某些结点位置 被溶质原子所占据时形成的固溶体。(2)间隙固溶体:当溶质原子在溶剂晶格中不是占据结点 位置,而是嵌入各结点 之间的间隙时,所形成的固溶体。金属化合物:合金中个组元的原子按照一定的整数比化合 生成的、具有金属性质的物质。机械混合物:组成合金的各组元在固态下既不溶解又不化 合,而是以机械的形式按一定比例混合而生 成的物质。,图2.2-5 纯铁的同素异构转变冷却曲线,溶剂原子,溶质原子,a)置换式固溶体,溶剂原子,溶质原子,b)间隙式固溶体,图2.2-6 固
8、溶体的两种类型,间隙固溶体中的晶格畸变,置换固溶体的晶格畸变,图2.2-7,图2.2-8,2-2 铁碳合金,铁碳合金是钢和铁的统称。一、铁碳合金的基本组织1、固溶体(1)铁素体:碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。(2)奥氏体:碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。2、金属化合物 渗碳体:铁与碳形成的稳定化合物Fe3C。3、机械混 合物(1)珠光体:铁素体和渗碳体组成的机械混合物。(2)莱氏体:分为两种,在727以上时,是奥氏体与渗碳体 组成的机械混合物。在727以下,是珠光体与 渗碳体组成的机械混合物。,图2.2-9 铁碳合金状态图,P,S,G,C,E,0,A1,D,液体,液体+渗碳体,F,K,L
9、,奥氏体,渗碳体+莱氏体,珠光体+渗碳体+莱氏体,珠光体+渗碳体,铁素体+珠光体,典型合金结晶过程,(共析钢),简化的铁碳合金状态图,P,S,Fe,C%,727,1148,L,t,A,P,G,C,E,1,2,3,典型合金结晶过程,(亚共析钢),简化的铁碳合金状态图,P,S,Fe,C%,727,1148,L,t,A,P,G,C,E,1,2,3,4,典型合金结晶过程,(过共析钢),简化的铁碳合金状态图,P,S,Fe,C%,727,1148,L,t,A,P,G,C,E,1,2,3,4,典型合金结晶过程,(对比分析),简化的铁碳合金状态图,P,S,Fe,C%,727,1148,L,t,A,P,G,C,
10、E,1,2,3,2,4,2,4,1,1,3,3,P,F,P,Fe3CII,P,2-3 钢的分类及应用,一、钢的分类1、按化学成分分,2、按杂质含量分,3、按用途分,二、碳钢1、碳及杂质对钢性能的影响:(1)碳的影响:当含碳量小于0.09%时,随着含碳量的增加,钢的强度与硬度都随之提高,塑性与韧性都随之下降。当含碳量大于0.90%时,随着含碳量的增加,硬度继续提高,强度、塑性与韧性则随之下降。(2)杂质的影响:磷的含量增加,钢的塑性、韧性下降,强度硬度提高。特别是在低温时脆性增大被称为冷脆。硫的含量增大,热脆倾向增大。2、碳钢的分类:碳钢可以分为碳素工具钢和碳素结构钢。,三、合金钢,第三章 钢的
11、热处理,3-2 钢的热处理工艺,返回,3-2 钢的热处理工艺,钢的热处理是把固态下的钢,通过加热、保温和冷却,使其组织、结构发生变化,获得所需性能的工艺方法。热处理可以是中间工序,也可以是最终工序。一、热处理的分类,:形变强化+热处理,二、退火退火:是将钢件加热至所需要的温度,保温一定时间,然后随炉或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却,以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。1。完全退火:是将铁碳合金完全奥氏体化,随之缓慢冷却的退火工艺。其工艺过程是:将钢件加热至Ac3以上30-50,保温一定时间后,随炉或埋入石灰中缓慢冷却。2。球化退火:是为使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺。其工艺过程是:将钢件加
12、热至Ac1以上20-30,保温较长时间后,缓慢冷却至Ar1以下20左右,等温一段时间,再随炉冷却至500 左右出炉,空冷至室温。,3。低温退火:及去应力退火。是为去除铸件内存在的残余应力,以及由于塑 性形变加工、焊接等造成的残余应力而进行的退火,其工艺 过程是:将钢件加热至Ac1以下某一温度,保温一定时间后缓慢冷却。4。再结晶退火:是一种低温退火。其工艺过程是:将钢件加热至再结晶温度 以上150-250,保温适当时间后空冷。三、正火正火:是将钢件加热至Ac3或Acm以上30-50,保温一定时间后出炉,在静止的空气中冷却的热处理工艺。,四、淬火淬火:是将钢件加热到Ac3或Ac1以上3050,保温
13、一定时间后放在冷却介质中快速冷却的热处理工艺。淬火的目的:获得高硬度的马氏体组织,以提高钢的硬度和耐磨性,常用于各种刃具、量具、模具和滚动轴承 等。常用淬火分单介质淬火、双介质淬火、分级淬火、等温淬火。五、回火回火:是将淬火后的钢件加热至Ac1以下某一温度,保温一定时间后置于空气或水中冷却的热处理工艺。回火的目的:降低脆性,减少内应力,调整硬度,提高塑性、韧性,稳定工件尺寸。1。低温回火:淬火钢在150-250范围内的回火。回火后的组织是回火马氏 体,硬度降低很少,但可以消除一定的内应力和脆性。,2。中温回火:淬火钢件在250-500范围内的回火。回火 后的组织是铁素体基体内分布着极其细小的碳
14、化物球状颗 粒的复相组织,称为回火屈氏体。其作用是:较大的消除钢的内应力,在保持一定的韧性的前提下提高钢的弹性与屈服强度。3。高温回火:淬火钢件在500650之间的回火。回火后的组织是铁素体基体内分布着较细的碳化物球粒的复相组织,称为回火索氏体。其作用是 大大降低钢的内应力,获得优良的综合机械性能。淬火高温回火称为调质。,六、表面热处理 表面热处理:是对工件表层进行热处理,以改变其组织和性能的热处理工艺。其主要用于某些承受交变载荷或在摩擦条件下工作的零件,以及要求表面具有高的硬度和耐磨性、而心部具有高韧性的零件。1。表面淬火:是仅对工件表层进行淬火的工艺。其工艺过程是:通过快速加热使钢件的表面
15、迅速达到淬火温度,在热量尚来不及传到中心时立即迅速冷却。其目的是:使钢的表面层淬透到一定深度,获得高硬度的表面层和有利的残余应力分布,以提高工件的耐磨性或疲劳强度,同时仍然保持心部的韧性与塑性。表面淬火的加热方法有电感应、火焰、电接触、浴炉加热等。2。化学热处理:是将钢件置于特定介质中加热到一定的碳浓度梯度,将钢件在渗碳介质中加热并保温,使碳原子渗入其表层的化学热处理工艺。化学热处理按所渗入的元素可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等。,第三篇 铸造,第一章 铸造工艺基础,第二章 常用铸造合金,第三章 特种铸造,第四章 铸造工艺设计,返回,第一章 铸造工艺基础,1-1 液态合金的流动性,1
16、-2 铸造合金的收缩,1-3 铸造内应力、铸件的变形与裂纹,返回,1-1 液态合金的流动性,一、合金的流动性合金的流动性:浇注时液态金属充填铸型的能力,与合金种类、结晶特点、粘度等有关。流动性好,充型能力强,可得到形状复杂、轮廓清晰的铸件,缺陷少,补缩好;流动性差,易于产生浇不足、冷隔。二、影响合金流动性的因素1。化学成分(如图 3.1-1 和图 3.1-2)2。浇注温度:提高浇注温度,可防止铸件产生浇不足、冷隔、气孔及夹渣等缺陷。但是温度过高,会使合金收缩增加,吸气氧化严重,从而增加了铸件产生缩松、缩孔、粘砂、气孔等缺陷的可能性。3。充型能力:铸型中凡能增加金属流动阻力、降低流速和增加冷却速
17、度的因素,均能降低其充型能力。,不同成分合金的结晶特点,(a)纯金属及共晶合金,(b)其他成分合金,图 3.1-1,图 3.1-2 铁碳合金流动性与含碳量的关系,1-2 铸造合金的收缩,一、合金的收缩及影响因素1。合金的收缩 合金在凝固和冷却过程中,其体积和尺寸减少的现象,使铸件产生缩孔、缩松、裂纹、变形、内应力等。合金的收缩分三个阶段()液态收缩()凝固收缩()固态收缩,图 3.1-3,2。影响合金收缩的因素(1)化学成分:不同的化学成分的合金,其收缩率不同。(2)浇注温度:合金的浇注温度越高,过热度越大,液态 收缩也越大,故总收缩量增加。(3)铸件结构与铸型铸件在铸型中冷凝时,不是自由收缩
18、,会受到铸件各部位因冷速不同,相互制约而产生的阻 力及铸型和型芯对收缩产生的机械阻力的影响。二、铸件缩孔、缩松的形成及防止1。缩孔及缩松的形成(1)缩孔:液体金属浇注到铸型中后,经过液态收缩和凝固收缩,体积会缩减。若其收缩得不到液体金属的及时补充,则在铸件最后凝固部位形成孔洞,这种孔洞称为缩孔。形成过程见图3.1-4。,浇口,a),b),c),d),e),图 3.1-4 缩孔形成示意图,(2)缩松 缩松是分散在铸件最后凝固部位的细小缩孔。形成原因:由于结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固,先析出的枝晶把液体分隔开,使其收缩难以得到补充所致。形成过程如下图。,同时凝固区,缩松,a),b),c),图 3
19、.1-5 缩松形成示意图,2。缩孔、缩松的防止 实现“定向凝固”的工艺措施有:(1)安放冒口(2)安放冷铁,a),b),c),图 3.1-6 冒口补缩示意图,1-3 铸造内应力、铸件的变形与裂纹,一、铸造内应力的形成与控制1。热应力:由于形状复杂,厚薄不均,各部分的冷却速度不 同,以至在同一时刻,铸件各部位收缩不一致而引起的 内应力称为热应力。热应力的形成过程如下图。,(a),(b),(c),(d),图 3.1-7 热应力的形成过程,图 3.1-8 铸件实现同时凝固示意图,2。机械应力 铸件的固态收缩受到铸型和型芯的机械阻碍而产生的应力称为机械应力。机械应力的形成 如下图。,(a)铸型阻碍,(
20、b)型芯阻碍,图3.1-9 机械应力的形成示意图,二、铸件的变形及防止防止措施(1)铸件壁厚要尽量均匀,并使之形状对称。(2)尽量采用同时凝固原则。(3)反变形法。(4)时效处理。,(a),(b),(c),图 3.1-11 铸件结构对变形的影响,三、铸件的裂纹与防止(1)热裂:铸件凝固末期高温下产生裂纹,强度、塑性低,收缩受阻会产生裂纹。特征是:裂纹短,缝宽,形状曲折,呈氧化色。防止热裂:注意结晶特点和化学成分,合理设计铸件结构及减少铸型阻力。(2)冷裂:低温下形成的裂纹。特征是:裂纹细小,直线形,无氧化色,减少内应力。防止冷裂:凡能减小铸造内应力或合金脆性的因素,均能防止冷裂的产生。,第二章
21、 常用铸造合金,2-1 铸铁件生产,2-2 铸钢件生产,2-3 常用有色合金,返回,2-1 铸铁件生产,一、概述:1。铸铁的特点及种类 按石墨的形态和形状分1)白口铸铁:炭极少数溶于铁素体,其余都以碳化三铁的形式存在断口成银白色,又脆,又硬,不易机加工,可用来做可铁毛胚。2)灰口铸铁:碳除微量溶于铁素体,大部分以片状石墨形状存在断口呈灰色存在。3)球墨铸铁:碳大部分以球状石墨形式存在。4)可锻铸铁:碳大部分或全部以团絮状形式存在。,白口铸铁,球墨铸铁,灰铸铁,可锻铸铁,二、灰铸铁的组织、成分和性能(1)灰铸铁的化学成分:2.63.6%C,1.2 3.0%Si,0.4 1.2%Mn,S0.15%
22、,P0.3%。(2)灰铸铁的组织是由基体和片状石墨组成。按基体组织不同,灰铸铁可分为铁素体灰铸铁、铁素体-珠光体灰铸铁、珠光体灰铸铁。(3)灰铸铁的性能 机械性能:抗拉强度、塑性、冲击韧性都较低。工艺性能:流动性好,良好的铸造性能,切削性能好。减震性:能阻碍震动能量的传播。耐磨性:耐磨性能好。缺口敏感性:缺口敏感性低。,三、球墨铸铁(1)牌号QT450-10,其中QT代表“球铁”“450”表示其抗拉强度不小于450MPa;”10”表示延伸率不小于10%。(2)按其基体组织不同可分为铁素体球墨铸铁、铁素体-珠光体球墨铸铁、珠光体球墨铸铁。,图3.2-3 包底冲入球化工艺示意图,四、可锻铸铁 可锻
23、铸铁是用碳、硅含量较低的铁水浇成白口铸铁件,再经过石墨化退火,即缓慢加热至 900 以上高温后,长时间保温,再按规范冷却至室温,使渗碳体发生分解,生成团絮状石墨。根据基体组织可分为:铁素体可锻铸铁、珠光体可锻铸铁。五、其它铸铁简介 1。蠕墨铸铁:蠕虫状石墨铸铁介于片状石墨和球状石墨的一 种过渡型石墨形式。2。合金铸铁:为了获得耐磨、耐热、耐腐蚀等特殊性能的铸 铁,可往铸铁中加入一定量的合金元素制成合金铸铁。,2-2 铸钢件生产,一、概述1。铸钢的优良性能(1)综合机械性能高于各类铸铁,强度高,塑性和韧性优良。(2)焊接性能好。(3)性能稳定,质量较易控制。(4)便于制造具有耐磨、耐蚀、耐热等特
24、殊性能、又兼有较高机械性能的铸件。二、铸钢的分类、性能和应用1。按化学成分可分为铸造碳钢、铸造合金钢。铸造碳钢又可分为低碳铸钢、中碳铸钢、高碳铸钢。铸造合金钢可分为低合金铸钢、高合金铸钢。,2。低碳铸钢性能:强度、硬度低,韧性、塑性高。常用来制造韧性要求高的零件及一些表面渗碳体件。中碳钢性能:强度、硬度较高,塑性、韧性较差,流动性 好,氧化和热裂倾向较少。在生产中广泛使用。高碳钢性能:硬度高,塑性和韧性差,流动性好,收缩小,不易产生粘砂,形成热裂的倾向小,导热性差,形成应力 和冷裂倾向大,一般只用于制造耐磨件。,3。铸造合金钢(1)低合金铸钢主要是利用合金元素提高淬透性、细化晶粒及固溶强化铁素
25、体。低合金钢适于制造强度、韧性和耐磨性要求高的铸件。(2)高合金钢是加入合金元素使其具有耐磨、耐蚀、耐热及特殊物理化学性能。可用于制造挖掘机镐牙、火车道叉、碎石机颚板。三、铸钢工艺特点1。钢水流动性大;2。收缩大;3。熔点高。四、铸钢件的热处理 由于铸钢件晶粒粗大,常出现过热组织、偏析和存在残余应力,故其强度、硬度低,塑性和韧性较差。为了细化晶粒,消除过热组织、偏析和内应力,提高机械性能,通常进行退火或正火处理。五、铸钢的熔炼 在铸钢件的生产中普遍用的是电弧炉和感应电炉炼钢。,图 3.2-5 感应电炉加热原理图,2-3 常用有色合金,一、铝合金1。纯铝是一种银白色的金属,熔点为660.4,密度
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