金属材料与热加工技术.docx
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金属材料与热加工技术
金属材料与热加工技术
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绪论
材料的发展:
公元前1200年左右,人类进入了铁器时代,开始使用的是铸铁,以后制钢工业迅速发展,称为18世纪产业革命的重要内容和物质基础。
b5E2RGbCAP
20世纪中叶以来,科学技术突飞猛进,日新月异,作为“发明之母”和“产业的粮食”的新材料研制更是异常活跃,出现了称之为“高分子时代”、“半导体时代”、“先进陶瓷时代”和“复合材料时代”等种种提法。
在当今新技术革命波及整个国际社会的浪潮冲击下,人类进入了一个“材料革命”的新时代。
p1EanqFDPw
1.金属材料
金属具有正的电阻温度系数,通常有良好的导电性、导热性、延展性、高的密度和高的光泽。
包括纯金属和以金属元素为主的合金。
在工程领域有把金属及其合金分为两类:
<1)黑色金属,即铁和铁基合金<钢铁及合金钢);<2)有色金属,黑色金属以外的所有金属及其合金,常见有铝及铝合金,铜及铜合金等。
DXDiTa9E3d
金属材料一般有良好的综合机械性能<强度、塑性和韧性等),是工程领域应用最广的材料。
金属材料是当今工程领域应用最广的材料材料的发展RTCrpUDGiT
2.高分子材料
又称聚合物,包括天然高分子材料<木材、棉、麻等)和合成高分子材料<塑料,合成橡胶等)。
其主要组分高分子化合物是有许多结构相同的结构单元相互连接而成。
5PCzVD7HxA
它具有较高的强度、良好的塑性、较强的耐腐蚀性、绝缘性和低密度等优良性能。
高分子材料发明虽晚,但异军突起,因其物美价廉,在工程材料中应用越来越广。
jLBHrnAILg
3.复合材料
由两种或两种以上材料组成,其性能是它的组成材料所不具备的。
复合材料可以有非同
寻常的刚度、强度、高温性能和耐蚀性。
按基本材料分类,它可分为金属基复合材料、
陶瓷基复合材料和聚合物基复合材料等。
复合材料具有极其优异性能,质轻,强度高,
韧性好,可制作运动器材,而在航空航天领域更是无可替代。
第一章金属的主要性能
教案目标:
1.了解材料的主要力学性能指标:
屈服强度、抗拉强度、伸长
率、断面收缩率、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等力学
性能及其测试原理;
2.强调各种力学性能指标的生产实际意义;
3.了解工程材料的物理性能、化学性能及工艺性能。
第一节强度和塑性
一、拉伸实验与拉伸曲线
1.拉伸试样
GB6397-86规定《金属拉伸试样》
有:
圆形、矩形、异型及全截面.
常用标准圆截面试样。
长试样:
L0=10d0。
短试样:
L0=5d0
第一节强度和塑性
pe段:
非比例弹性变形阶段;
平台或锯齿
屈服阶段;
op段:
比例弹性变形阶段;
sb段:
均匀塑性变形阶段,是强化阶段。
b点:
形成了“缩颈”。
bk段:
非均匀变形阶段,承载下降,到k点断裂。
断裂总伸长为Of,其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长>,弹性伸长
4.应力与应变曲线
(1>应力σ:
单位面积上试样承受的载荷。
这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S0表示:
F载荷(N>
σ=——(Mpa>
S0原始横截面积(mm2>
(2>应变ε:
单位长度的伸长量。
这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示:
Δl伸长量(mm>
ε=——
l0原始长度(mm>
(3>应力-应变曲线<σ-ε曲线):
形状和拉伸曲线相同,单位不同
5.不同材料的拉伸曲线
二、强度和刚度
1.弹性:
金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后
能恢复到原来形状及尺寸的性能。
弹性变形:
随载荷撤除而消失的变形
2.刚度:
将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。
弹性模量:
弹性下应力与应变的比值,表示材料抵抗弹性变形的能力。
即:
E=σ/ε
材料的E越大,刚度越大;E对组织不敏感;零件的刚度主要决定于E,也与形状、截面等有关。
(1>布氏硬度HB(Brinell-hardness
符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值,符号后的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。
如:
120HBS10/1000/30表示直径为10m的钢球在1000kgf<9.807kN)载荷作用下保持30s得的布氏硬度值为120。
xHAQX74J0X
(2>洛氏硬度HR(Rockwllhardness>
(3>维氏硬度HV
(diamondpenetratorhardness>
(5>锉刀法:
一组硬度差为5HRC的锉刀。
例如:
10HRC、15HRC、20HRC等。
六.冲击韧性(notchtoughness>:
材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。
冲击试样和冲击实验示意图
试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:
Ak=mgH–mgh(J>
钢材的循环次数一般取N=107
有色金属的循环次数一般取N=108
八.比强度(specificstrength>:
材料的强度值与密度值之比。
作业
1.熟悉拉伸曲线
2.掌握强度及塑性指标,了解这些指标在工程上的应用.
第二章金属的晶体结构
第一节金属与合金的晶体结构
内容:
金属的晶体结构
合金的晶体结构
实际金属的晶体结构
目的:
掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力学性能及工艺性能的影响,为后续课程的学习做好理论知识的准备
一、晶体的基本知识
<一)、晶体与非晶体
固态物质按其原子<或分子)聚集状态可分为体和非晶体两大类。
在晶体中,原子<或分子)按一定的几何规律作周期性地排列。
非晶体中原子<或分子)则是无规则的堆积在一起。
<如松香、玻璃、沥青)LDAYtRyKfE
不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变,使塑性变形抗力增大,结果使金属材料的强度、硬度增高。
这种通过溶入溶质元素形成固溶体,使金属材料的强度、硬度提高的现象,称为固溶强化。
Zzz6ZB2Ltk
三、实际金属的晶体结构
<一)、金属材料都是多晶体
我们把晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。
单晶体只有经过特殊制作才能获得。
实际上,常使用的金属材料,由于受结晶条件和其它因素的限制,其内部结构都是由许多尺寸很小,各自结晶方位都不同的小单晶体组合在一起的多晶体构成。
这些小晶体就是晶粒,它们之间的交界即为晶界。
在一个晶粒内部其结晶方位基本相同,但也存在着许多尺寸更小,位向差更小的小晶粒,它们相互嵌镶成一颗晶粒,这些小晶块称为亚晶粒,亚晶粒之间的界面称为亚晶界dvzfvkwMI1
<二)、晶体的缺陷
晶体内部的某些局部区域,原子的规则排列受到干扰而破坏,不象理想晶体那样规则和完整。
把这些区域称为晶体缺陷。
这些缺陷的存在,对金属的性能<物理性能、化学性能、机械性能)将产生显著影响,如钢的耐腐蚀性,实际金属的屈服强度远远低于通过原子间的作用力计算所得数值。
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根据晶体缺陷的几何形态特征,可将其分为以下三类:
点缺陷
线缺陷
面缺陷
1.点缺陷——空位和间隙原子
在实际晶体结构中,晶格的某些结点,往往未被原子所占据,这种空着的位置称为空位。
同时又可能在个别空隙处出现多余的原子,这种不占有正常的晶格位置,而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。
EmxvxOtOco
2.面缺陷——晶界和亚晶界
实际金属材料是多晶体材料,则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。
晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域,该处晶体的晶格处于畸变状态,能量高于晶粒内部,在常温下强度和硬度较高,在高温下则较低,晶界容易被腐蚀等。
SixE2yXPq5
总结
1、金属的晶格有体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构,由于致密度的不同,从一种晶格到另一种的变化会引起体积的变化。
6ewMyirQFL
2、合金的相结构有固溶体和化合物。
弥散强化和固溶强化可以提高金属材料的力学性能,所以,合金化是提高金属性能的方法之一。
kavU42VRUs
3、实际金属是由很多晶粒组成,金属内部存在着点缺陷、位错、晶界和亚晶界。
点缺陷对金属材料的热处理过程极为重要。
位错的存在以及位错密度的变化,对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。
金属冷变形加工后的加工硬化,就是由于位错密度的增加所致。
点缺陷、晶界和亚晶界也与材料的力学性能有关。
y6v3ALoS89
第二节纯金属的结晶
凝固与结晶的概念
结晶的现象与规律
同素异晶(构>转变
一、凝固与结晶的概念
1.凝固
物质由液态转变成固态的过程。
二、结晶的现象与规律
一).结晶的一般过程
1.纯金属结晶时的冷却曲线
2.过冷现象与过冷度
过冷现象
过冷度
ΔT=T0–T1
过冷是结晶的必要条件。
2.金属结晶的结构条件
二>.结晶的一般规律
1.晶核的形成
在一定的过冷度下,当F体≥F表时,晶核就形成。
晶核形成的形式:
*自发形核△T=200℃
*非自发形核△T=20℃
2.晶核的长大方式—树枝状
2.晶核的长大方式—树枝状
3.影响晶核的形核率和晶体长大率的因素
v过冷度的影响
1>过冷度的影响
三)细化晶粒的途径
v1)提高冷却速度
第三节金属的同素异晶转变
纯铁的同素异晶转变反应式:
纯铁的冷却曲线
第四节二元合金相图
合金(alloy>
组元(元>(element>
相(phase>
显微组织(microscopicstructure>
一.基础知识
1.合金系(alloyseries>
2.平衡组织(statenchyma>
3.相图(phasediagram>
二.相图的建立
热分析法
二.相图的建立
100%A
2.共晶相图
相图与合金物理、力学性能之间的关系
合金的流动性、缩孔性质与相图之间的关系
第三章铁碳合金相图
纯铁的同素异晶转变
Fe–C相图的基础知识。
形成Fe-Fe3C相图组元和基本组织的结构与性能。
Fe-Fe3C相图的建立与分析。
碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响。
Fe-Fe3C相图的应用。
第一节Fe-C相图的基础知识
1.纯铁的的同素异晶转变
纯铁的冷却曲线
2.Fe-C相图
第二节形成Fe-Fe3C相图组元和基本组织的结构与性能
一.组元
*铁(ferrite>
*渗碳体(Cementite>
二.基本组织
1.铁素体(F>
碳溶于α–Fe中的间隙固溶
体。
2.奥氏体(A>
碳溶于γ-Fe中形成
的间隙固溶体。
奥氏体组织金相图
3.渗碳体(Fe3C>
铁与碳形成的金属化合物。
渗碳体组织金相图
4.珠光体(P>
铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
5.莱氏体(Ld>
奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。
第三节Fe-Fe3C相图的建立与分析
一.Fe-Fe3C相图的建立
Fe-Fe3C相图
Fe-Fe3C相图
二.Fe-Fe3C相图的分析
五个重要的成份点:
P、S、E、C、K。
四条重要的线:
EF、ES、GS、FK。
两个重要转变:
共晶转变反应式、共析转变反应式。
二个重要温度:
1148℃、727℃。
三.典型铁碳合金的结晶过程分析
工业纯铁(ingotiron>
共析钢(eutectoidsteel>
亚共析钢(hypoeutectoidsteel>
过共析钢(hypereutectoidsteel>
共晶白口铁(eutectoidwhiteiron>
亚共晶白口铁(hypoeutectoidwhiteiron>
过共晶白口铁(hypereutectoidwhiteiron>
1.(Wc<0.0218%>
2.(Wc=0.77%>
共析钢组织金相图
3.(Wc=0.45%>
亚共析钢组织金相图
4.(Wc=1.2%>
过共析钢组织金相图
5.(Wc=4.3%>
共晶白口铁组织金相图
6.(Wc=3.0%>
亚共晶白口铁组织金相图
7.(Wc=5.0%>
过共晶白口铁组织金相图
第四节碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响
碳的质量分数对平衡组织的影响。
碳的质量分数对力学性能的影响。
碳的质量分数对工艺性能的影响。
一.碳的质量分数对平衡组织的影响
二.碳的质量分数对力学性能的影响
三.碳的质量分数对工艺性能的影响
对铸造性能的影响。
对锻造性能的影响。
对焊接性能的影响。
对切削加工性能的影响。
第五节Fe-Fe3C相图的应用
一.选择材料方面的应用
二.制定热加工工艺方面的应用
钢铁的冶炼
1.炼铁的冶金反应特点:
2.炼钢的冶金反应特点:
3.镇静钢(killedsteel>钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铅进行了充分脱氧,Wo=0.01%左右,成分较均匀、组织较致密。
主要用于机械性能要求较高的零件。
M2ub6vSTnP
第四章钢的热处理
概述
钢在加热时的组织转变
钢在冷却时的组织转变
钢的普通热处理工艺
钢的表面热处理工艺
机械制造过程中的热处理
第一节概述
第二节钢在加热时的组织转变
转变温度
奥氏体的形成
奥氏体晶粒度及对力学性能的影响
一.转变温度
三.奥氏体晶粒度及对力学性能的影响
钢的本质晶粒度示意图
二>奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响
第三节钢在冷却时的组织转变
钢在热处理时的冷却方式
过冷奥氏体的等温冷却转变
过冷奥氏体的连续冷却转变
一.钢在热处理时的冷却方式
二.过冷奥氏体的等温冷却转变
共析碳钢TTT曲线建立过程示意图
三>转变产物的组织与性能
珠光体形貌像
索氏体形貌像
屈氏体形貌像
三>转变产物的组织与性能
上贝氏体组织金相图
三>转变产物的组织与性能
下贝氏体组织金相图
三>转变产物的组织与性能
低碳板条状马氏体组织金相图
高碳针片状马氏体组织金相图
亚共析钢的TTT曲线
过共析钢的TTT曲线
四>影响TTT曲线形状与位置的因素
三.过冷奥氏体的连续冷却转变
一>共析碳钢CCT曲线建立过程示意图
第四节钢的普通热处理工艺
一.钢的退火
二.钢的正火
三.钢的淬火
四.钢的回火
回火马氏体组织金相图
第五节钢的表面热处理工艺
表面淬火
化学热处理
一.表面淬火
1.感应加热表面淬火
2.火焰加热表面淬火
2>火焰加热表面淬火的特点:
二.化学热处理
(ChemicalHeatTreatment>
1.钢的渗碳(Carburizeofsteel>
固体渗碳法示意图
气体渗碳法示意图
7>渗碳后的热处理工艺
8>热处理后的组织
2.钢的渗氮(Nitridationofsteel>
渗碳与渗氮的工艺特点
3.钢的碳氮共渗---氰化处理
(Carbonitridingofsteel>
第五章工业用钢
钢的基础知识
结构钢
工具钢
特殊性能钢
第一节钢的基础知识
一)杂质和气体的影响
2.有害元素:
ØP—有很强的固溶强化作用,低温韧性差(冷脆>。
3.气体元素:
二>合金元素与铁和碳的作用
1.溶于基体中形成合金F或合金A
1.溶于基体中形成合金F或合金A
2.与碳作用形成合金碳化物
3.单独形成特殊碳化物
三>合金元素对Fe-Fe3C相图的影响
扩大奥氏体区
缩小奥氏体区
改变共晶点和共析点的参数
1.扩大奥氏体区的合金元素
Mn元素对奥氏体区的影响
2.缩小奥氏体区的合金元素
Cr元素对奥氏体区的影响
3.改变共晶点和共析点参数的元素
合金元素对S点成分的影响
合金元素对A1线的影响
四>合金元素对钢的热处理的影响
加热时对奥氏体形成的影响
对过冷奥氏体转变的影响
对回火转变的影响
1.合金元素对加热时奥氏体形成的影响
2.合金元素对过冷奥氏体转变的影响
3.合金元素对回火转变的影响
W、Mo、V等碳化物在550℃时,使钢达到最高硬度,产生二次硬化。
Cr-Ni钢的回火脆性示意图
防止第二类回火脆性的产生的方法:
二.合金元素在钢中的作用
三、碳素钢的编号及用途
2.优质碳素结构钢
3.碳素工具钢
4.铸造碳钢
第二节合金结构钢
(AlloyConstructionalSteel>
普通低合金钢
合金渗碳钢
合金调质钢
弹簧钢
滚动轴承钢
易切削钢
一.普通低合金钢
(commonlow–alloyedsteel>
一.普通低合金钢
一.普通低合金钢
二.碳素渗碳钢及合金渗碳钢
4.合金渗碳钢的牌号
5.典型合金渗碳钢种介绍
5.典型合金渗碳钢种介绍
20CrMnTi钢制造齿轮的热处理工艺曲线
三.碳素调质钢及合金调质钢
4.合金调质钢的牌号
5.典型合金调质钢种介绍
5.典型合金调质钢种介绍
40Cr钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线
四.碳素弹簧钢及合金弹簧钢
4.合金弹簧钢的牌号
5.冷成形弹簧生产工艺特点
五.滚动轴承钢(bearingsteel>
五.滚动轴承钢(bearingsteel>
五.滚动轴承钢(bearingsteel>
4.滚动轴承钢的牌号
5.铬轴承钢制造轴承的工艺路线
六.易切削钢(fee–cuttingsteel>
4.易切削钢的牌号
5.易切削钢的热处理工艺特点
第三节合金工具钢
合金刃具钢(alloycuttingsteel>
合金模具钢(alloydiesteel>
合金量具钢(alloymeasuringsteel>
一.碳素刃具钢
一.碳素刃具钢
二.合金刃具钢
种类:
低合金刃具钢。
高速钢。
牌号:
1.低合金刃具钢
9SiCr钢板牙热处理工艺曲线
2.高速钢(high–speedsteel>
(3>W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点
W18Cr4V钢的铸态组织
W18Cr4V钢的铸态组织
W18Cr4V钢的热处理过程示意图
W18Cr4V钢淬火组织
W18Cr4V淬火+一次回火组织
W18Cr4V淬火+三次回火组织
三.合金模具钢(alloydiesteel>
一>热作模钢(hotdiesteel>
二>冷作模钢(colddiesteel>
四.合金量具钢
CrWMn钢制造块规退火后的热处理工艺
第四节特殊性能钢
不锈钢(stainlesssteel>
耐热钢(heat–resistantsteel>
耐磨钢(wear–resistantsteel>
一.不锈钢(stainlesssteel>
电化学腐蚀过程示意图
珠光体电化学腐蚀示意图
1>马氏体型不锈钢---Cr13型钢
1Cr13金相组织图
2>铁素体型不锈钢
铁素体型不锈钢的用途
3>奥氏体型不锈钢---18–8型钢
1Cr18Ni9Ti固溶处理组织金相图
二.耐热钢
耐热钢的用途
三.耐磨钢(wear-resistantsteel>
三.耐磨钢
高锰钢铸态组织
高锰钢水韧淬火组织金相图
高锰钢水韧淬火+回火组织金相图
本章的作业
第六章铸铁
1.铸铁的石墨化;
2.工业常用铸铁;
灰口铸铁
球墨铸铁
可锻铸铁
3.知识窗;
4.学习指导
6.1铸铁的分类及石墨化
铸铁是指一系列主要由铁、碳和硅组成的合金总称。
6.1.1铸铁的分类
1.白口铸铁
2.麻口铸铁
3.灰口铸铁
<1)灰铸铁碳主要以片状石墨形式出现的铸铁;
<2)可锻铸铁碳主要以团絮状石墨形式出现的铸铁;
<3)球墨铸铁碳主要以球状石墨形式出现的铸铁;
<4)蠕墨铸铁碳主要以蠕虫状石墨形式出现的铸铁。
6.1.2铸铁的石墨化
铸铁中石墨的形成过程称为铸铁的石墨化。
影响铸铁石墨化的因素较多,其中化学成分和冷却速度是影响石墨化的主要因素。
0YujCfmUCw
1.化学成分的影响
碳和硅都是强烈促进石墨化的元素碳和硅都是强烈促进石墨化的元素;磷也是促进石墨化的元素,但其作用较弱;硫是强烈阻碍石墨化的元素eUts8ZQVRd
2.冷却速度的影响
冷却速度快,铸铁容易产生白口铸铁组织;
冷却速度慢,碳原子扩散充分,有利于石墨化过程充分进行,铸铁容易获得灰口铸铁组织。
6.2.1灰口铸铁
1.灰铸铁的化学成分、组织和性能
<1)化学成分
灰铸铁的化学成分一般为:
wC=2.5%~4.0%,wSi=1.0%~2.5%,wMn=O.5%~1.4%,wS≤O.15%,wP≤0.3%。
sQsAEJkW5T
(2>组织
由于石墨化程度的不同,灰铸铁的组织有三种类型:
铁素体(F>+片状石墨(G>;铁素体(F>—珠光体(P>+片状石墨(G>;珠光体(P>+片状石墨(G>。
GMsIasNXkA
6.2.1灰口铸铁<3)性能
力学性能
石墨虽然降低了灰铸铁的力学性能,但却使灰铸铁获得了许多钢所不及的优良性能
优良的性能:
①良好的铸造性能
②良好的减震性
③较低的缺口敏感性
④良好的切削加工性
⑤良好的减摩性
⑥良好的抗压性能
6.2.1灰口铸铁
6.2.2球墨铸铁
球墨铸铁
是20世纪50年代发展起来的一种新型铸铁,它是经过球化处理后得到的。
球化处理的方法是在铁液出炉后、浇注前加入一定量的球化剂(稀土镁合金等>和孕育剂,使石墨呈球状析出。
TIrRGchYzg
6.2.2球墨铸铁
1.球墨铸铁的化学成分、组织和性能
球墨铸铁的化学成分是:
wC=3.6%~3.9%,wSi=2.0%~2.8%,wMn=0.6%~0.8%,wS<0.04%,wP≤0.1%,wMg=0.03%~0.05%7EqZcWLZNX
<2)组织球墨铸铁的组织可分为四种类型:
铁素体(F>+球状石墨(G>,
铁索体(F>-珠光体(P>+球状石墨(G>,
珠光体(P>+球状石墨(G>,
下贝氏体(B下>+球状石墨(G>。
为铁素体球墨铸铁的显微组织。
6.2.2球墨铸铁
<3)性能
球墨铸铁的力学性能与基体的类型以及球状石墨的大小、形状及分布状况有关。
由于球状石墨对基体的割裂作用最小,又无应力集中作用,球墨铸铁基体的强度、塑性和韧性可以充分发挥,所以,球墨铸铁与灰铸铁相比,有高的强度和良好的塑性与韧性。
它的某些性能可以与钢相媲美,如屈服点比碳素结构钢高,疲劳强度接近中碳钢。
同时,它还具有灰铸铁的减震性、减磨性和小的缺口敏感性等优良性能。
球墨铸铁中的石墨球的圆整度越好,球径越小,分布越均匀,则球墨铸铁的力学性能就越好。
lzq7IGf02E
6.2.2球墨铸铁
6.2.4可锻铸铁
可锻铸铁俗称玛钢、马铁。
蠕墨铸铁的生产过程是:
首先浇注成白口铸铁件,然后经可锻化退火<可锻化退火使渗碳体分解为团絮状石墨)而获得可锻铸铁件。
zvpgeqJ1hk
6.2.4可锻铸铁
1.可锻铸铁的化学成分、组织和性能
1)可锻铸铁的化学成
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