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三、材料与机械制造发展史
1.材料里程碑:
石器时代、青铜时代、铁器时代
2.制造工艺发展:
冶炼术、切削加工术
3.发展趋势:
材料轻量化、高强度、功能材料;
毛坯生产精密、绿色;
机械加工:
数控、精密、高效
第一章工程材料的基础知识
按成分:
金属材料、非金属材料、复合材料
按使用场合:
结构材料、工具材料、功能材料
按其应用的领域:
机械工程材料、建筑材料、能源材料、信息材料、生物材料等。
钢材生产过程:
炼铁——炼钢——钢材加工
一、炼铁
原料、原理、设备
产品:
生铁(Fe、C、Si、Mn、P、Si),
铸造生铁(硅1.25%~3.2%),炼钢生铁(硅<
1.25%)
生铁成分与性能特征:
杂质多,性能差。
一般不直接使用。
二、炼钢
钢与生铁的区别:
碳与硅含量不同
炼钢原理:
氧化,将生铁中多余的碳及杂质降低
方法:
转炉、电弧炉、
钢的浇注:
沸腾钢和镇静钢:
脱氧程度,性能特征,使用场合
钢材生产:
压力加工:
轧制、拉拔、挤压等
三、钢材的生产与分类
分四类:
板、管、型、金属制品
1.板材:
热轧和冷轧。
中板:
大于4~25mm、薄板:
小于4mm、厚板:
大于25mm
另:
镀锌、镀锡、镀铅、塑料复合
2.型材:
孔型轧辊。
简单截面和复杂截面,规格常用截面主要尺寸表示
(线材:
指直径小于6~9mm的园钢和真径小于10mm的螺纹钢)
3.管材:
无缝钢管:
用途(石油、化工等较高压力和管道)
有缝管:
用途(自来水管、煤矿气管等低压管)
4.钢丝
生产方法:
用6~9mm盘条拉拔
种类:
各种截面、化学成分、强度等级;
可合股成钢丝绳和钢索
金属的性能
材料的性能包括工艺性能和使用性能两类。
(1)工艺性能热处理、铸造、锻压、焊接、切削加工性能等。
(2)使用性能力学性能、物理性能、化学性能等。
力学性能
力学性能:
外力作用下所显示的抵抗能力(亦指……)
常用指标:
强度、塑性、硬度、韧性、疲劳极限、断裂韧度等
一、强度
强度:
材料在力的作用下抵抗永久变形和断裂的能力
拉伸试验:
(GB/T228-2002),
标准拉伸试样(长试样的L0=10d0;
短试样的L0=5d0)。
拉伸曲线分析:
(1)屈服点(σs)和规定残余伸长应力σr0.2表示材料开始产生明显塑性变形时的最低应力值。
σs=
MPa
(2)抗拉强度(σb)抗拉强度σb是材料拉断前所能承受的最大拉应力。
σb=
MPa
强度的意义:
σs或σr0.2是选材与设计的主要依据;
二、塑性
塑性:
是材料断裂前发生不可逆永久变形的能力。
1.断后伸长率(δ)δ=
×
100%,(δ5>
δ10),一般大20%左右
2.断面收缩率(Ψ)Ψ=
100%
塑性的意义:
塑性加工,增加使用安全可靠性。
小结:
钢与生铁区别;
屈服点、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率。
补充题:
某厂购进一批40钢,按国家标准规定,力学性能应不低于下列数据,σs=335Mpa,σb=570Mpa,δ5=19%,ψ=45%。
入厂验收时,采用d0=10mm的标准短试样进行拉伸试验,测得FS=28260N,Fb=45530N,L1=60.5mm,d1=7.3mm。
试列式计算并回答这批钢材的力学性能是否符合要求?
(答案:
σs=360Mpaσb=580Mpaδ5=21%ψ=46.7%)
讲授
2005年3月3日第2周
三、硬度
四、冲击吸收功
五、疲劳极限
1.硬度的测定方法及种类,硬度的意义.
2.冲击韧性的意义
3.疲劳断裂的概念及预防
HB、HR、HV、akv、Akv、-1、KIC的测定方法及意义
小能量多次冲击*、疲劳断裂及预防措施.
更新、补充、
冲击试样
补充:
提醒学生注意硬度的表示方法
各种硬度的适用范围
课前提问:
1.有一紧固螺栓,使用后发现塑性变形(伸长),问是哪项力学性能没有达到要求?
2.起重机桁架、吊钩、传动链等为什么选用低碳钢制作?
1.布氏硬度测量法
(1)原理
(2)测量条件及范围:
{
条件:
F、D、t
测量范围:
HBS用于测量硬度低于450
HBW用于测量硬度大于450~650
(3)表示方法:
硬度值/HBS(W)/D/F/t例:
120HBS10/1000/30
(4)特点应用:
数据稳定、误差小;
压痕大、费时
用于灰铸铁、非铁金属、非金属
2.洛氏硬度测量法
(1)测量条件:
HRA1200金刚石园锥压头60kg
HRB1.588mm淬火钢球100kg
HRC1200金刚石园锥压头150kg
(2)原理:
利用压痕深度来衡量
HR=K-e=k-(h/0.02)
(3)特点及应用:
方便、快捷、压痕小、范围大、能测薄件
HRA20~88硬质合金、表面淬火层、渗碳层
HRB20~100非铁金属、退火钢、正火钢
HRC20~70淬火钢、调质钢
3.维氏硬度测量法
原理:
HV=
=0.1891*
特点:
测量范围广(5~1000HV)、能测薄件、不能测组织不均匀材料
比较布氏,洛氏硬度测量的特点及应用场合、各硬度之间的换算。
静载荷和动载荷的区别
1.夏比冲击试验
试样:
55×
10×
10mm
冲击吸收功AKV=AKV1-AKV2=mg(h1-h2)(J)
影响因素:
冲击韧性随温度的降低而下降...,低温条件下使用的钢材应注意。
碳素结构钢韧脆转变温度为-20℃
2.小能量多次冲击抗力*
材料受小能量多次冲击时,寿命主要决定于材料的强度、塑性、韧性等综合性能。
五、疲劳*
交变应力和循环应力
疲劳的概念:
交变、循环应力,受力远小于屈服点、使用一定时间后发生断裂的现象。
原因及预防措施:
减少疲劳源、使所受循环应力值小于疲劳强度。
疲劳极限-1:
是指定循环次数下失效的估计循环应力值。
六、断裂韧度*
低应力脆断:
材料在远低于许用应力下,突然发生的脆性断裂。
原因:
低应力下材料中宏观裂纹(气孔、缩孔等)的扩展引起。
断裂韧度KIC:
材料抵抗裂纹失衡扩展的能力。
KIC的意义:
(1)若已知KIC,可确定材料中允许存在的、不会失稳扩展的最大裂纹长度
(2)若已知存在的裂纹长度,可确定不至脆断的最大应力。
一般:
中低强度钢KIC达50MN.m-3/2,常在小于200Mpa下,可存在几厘米的裂纹。
高强度材料KIC小于30MN.m-3/2,常受高的工作应力,几毫米时已危险。
建议:
理想的材料是强而韧,需要时可略降低强度,以保证足够的韧性较安全。
小结:
HBS、HRC、Akv、akv、-1、KIC
作业:
3,4,
2005年3月10日第周
第四节金属的晶体结构与结晶
一、金属的晶体结构
二、金属的结晶
1.了解纯金属与合金常见的晶格
2.了解金属结晶规律、晶粒大小、控制晶粒大小措施
晶粒大小及其控制措施
合金相结构
新教材中不讲二元合金相图。
晶格模型(体心立方、面心立方、密排六方)
练习册及教材P25:
1~5题
细晶强化:
常温下的材料晶粒越小,强度、硬度越高。
细化晶粒的措施:
变质处理、增加过冷度、附加振动。
思考:
合金如何结晶?
一、纯金属的晶体结构与结晶
1.
纯金属的晶体结构
概念:
晶体非晶体晶格晶胞
体心立方晶格:
-Fe
面心立方晶格:
-FeAlCuAgAu
密排六方晶格:
ZnMg
2.纯金属的结晶
(1)过冷现象:
Tn<
T0
过冷度:
T=T0-Tn影响过冷度的因素:
冷却速度、过冷度
(2)纯金属的结晶过程
形核:
晶核,自发形核、非自发形核
长大:
晶粒、晶界、显微组织
(3)晶粒大小及其控制措施
晶粒越细,力学性能越好
细化晶粒措施:
快冷、变质处理、振动
3.金属的同素异晶转变
同一种固态纯金属(或其它单元相物质)由一种稳定状态转变为另一种晶体结构不同的稳定状态的转达变,称为同素异构转变。
纯铁的同素异晶转变:
L——δ-Fe——γ-Fe——α-Fe
二、合金的晶体结构与结晶
1.合金的相结构
(1)固溶体
类型:
置换固溶体、间隙固溶体
性能:
固溶强化,且有高的塑性和韧性、固溶强化的应用举例
固溶体常作为合金中的基本相。
(2)金属化合物
熔点高、硬而脆
金属化合物举例
金属化合物在合金中常作为第二相强化、可提高合金的强度、硬度、耐磨性、红硬性、细化热处理晶粒
2.合金的结晶:
(略)。
在后续章节涉及相关合金的结晶(以铁碳合金例)。
晶体的有关知识、同素异晶转变及意义、纯金属晶粒大小与力学性能之关系、晶粒大小控制措施。
作业
2005年3月17日第4周
第二章铁碳合金
第一节铁碳合金的基本组织
第二节铁碳合金相图
1.了解铁碳合金中的基本相及其它们的性能
2.初步掌握铁碳合金相图及其应用
1.熟悉铁碳合金即铁碳合金含碳量对性能的影响,理解铁碳合金成分——组织——性能之关系
2.Fe-Fe3C相图及其应用
同上
金相组织挂图
课外作业
练习册及教材思考题
1.晶粒大小对力学性能的影响?
如何细化晶粒?
2.固溶体、金属化合物的性能特征及其它们在合金中起的作用?
3.合金如何结晶?
思考过吗?
引出本章铁碳合金。
第二章铁碳合金
第一节铁碳合金的基本组织
一、铁素体(F)
体心立方结构,727℃时Wc=0.0218%
抗拉强度:
180~280Mpa50~80HBS
断后伸长率:
30~50%冲击韧度:
160~200J/cm2
二、奥氏体(A)
面心立方,1148℃时Wc=2.11%
400Mpa160~200HBS、断后伸长率:
40%~50%
三、渗碳体(Fe3C)
熔点1127℃Wc=6.69%
800HBS塑性、韧性几乎为0
四、珠光体(P)
F+Fe3CWc=0.77%
770Mpa180HB断后伸长率:
20~35%冲击韧度:
30~40J/cm2
五、莱氏体(LdLd’)
A+Fe3C、P+Fe3C
1148℃时Wc=4.3%性能硬而脆
第二节Fe-Fe3C相图分析
一、相图中点、线、区分析
点:
A、D、G、C、E、S
线:
液相线:
AC、CD固相线:
AE、ECF、先析线:
GS、ES
共析线:
PSK
区:
见相图
二、典型合金的结晶分析
共析钢:
P
亚共析钢:
F+P
过共析钢:
P+Fe3CII
三、碳钢的成分、组织、性能之关系
四、铁——渗碳体相图的应用
1.在选材上的应用
2.在铸造上的应用
3.在锻压生产上的应用
4.在焊接上的应用
5.在热处理生产上的应用
重点是铁碳合金成分——组织——性能之关系(图)
教材P43:
三、简答题3、10(做在作业本上,要上交);
一、二、三、相应题目(做在书上)
2005年03月24日第5周
第三节非合金钢(碳钢)
掌握常用碳钢的牌号、成分、性能及其应用
碳素结构钢:
Q235..........Q275
优质碳素结构钢:
08204565......
碳素工具钢:
T7T8......T13
铸造碳钢:
ZG200-400......
各类碳钢的牌号、性能、应用
习题二:
三,9、11、13
课前提问:
1.F、A、Fe3C、P表示什么?
性能?
2.共析、亚共析、过共析钢的平衡组织是什么?
它们的性能如何?
第三节非合金钢(碳钢)
一、杂质元素对钢性能的影响
1、锰:
约为0.25%~0.80%。
固溶强化;
清除FeO,降低钢的脆性;
与硫化合成MnS,可以减轻硫的有害作用。
有益。
2、硅:
约为0.10%~0.40%,固溶强化;
除FeO对钢质量的不良影响,有益。
3、硫:
FeS与Fe形成低熔点共晶体(熔点为985℃),在1000~1250℃热加工时导致钢变脆而开裂,“热脆”。
有害。
4、磷:
强度、硬度提高,但使塑性和韧性降低,“冷脆”。
二、碳钢的分类
碳钢的种类很多,常按以下方法分类。
1、按钢中碳的质量分数分类
低碳钢(Wc<
0.25%);
中碳钢(0.25≤Wc≤0.60%)
高碳钢(Wc>
0.60%)。
2、按用途分类
碳素结构钢用作机械零件,工程结构件,一般属于低、中碳钢。
碳素工具钢用作刀具、量具和模具。
一般属于高碳钢。
3、按质量等级分类(根据钢中有害杂质硫、磷含量)
普通质量碳钢(Ws≥0.045%、Wp≥0.045%)。
不规定控制质量
特殊质量碳钢(Ws≤0.02%,Wp<
0.020%),需要特别严格控制质量和性能(例如控制淬透性和纯洁度)的碳钢。
优质碳钢指除普通质量和特殊质量碳钢以外的碳钢
转炉钢、电炉钢;
沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢等。
三、常用碳钢
讲解思路:
牌号表示(常用牌号为例)——性能特点——应用场合
1.碳素结构钢
牌号例Q235-A·
F,表示σs≥235MPa
价格低廉,工艺性能(如焊接性和冷成形性)优良。
应用:
一般工程结构和普通机械零件。
如Q235可制作螺栓、螺母、销子、吊钩和不太重要的机械零件以及建筑结构中的螺纹钢、型钢、钢筋等
2.优质碳素结构钢
牌号:
例45、65Mn、08F
制造重要机械零件的非合金钢,一般都要经过热处理之后使用。
常用钢号及用途:
08F,碳的质量分数低,塑性好,强度低,用于冲压件如汽车和仪表外壳;
20,塑性和焊接性好,用于强度要求不高的零件及渗碳零件,例如机罩、焊接容器,小轴、螺母、垫圈及渗碳齿轮等;
45,40Mn,经调质后综合力学性能良好,用于受力较大的机械零件,如齿轮、连杆、机床主轴等;
60、65Mn钢具有较高的强度;
用于制造各种弹簧、机车轮缘、低速车轮。
3.碳素工具钢
例如T12钢表示Wc=1.2%的碳素工具钢。
属共析钢和过共析钢,强度、硬度较高,耐磨性好适用于制造各种低速切削刀具。
T7、T8:
制作承受一定冲击而要求韧性的零件。
如大锤、冲头、凿子、木工工具、剪刀
T9、T10、T11:
制造冲击较小的要求高硬度高耐磨性的工具。
如丝锥、小钻头、冲模、手锯条
T12、T13:
制作不受冲击的工具。
如锉刀、刮刀、剃刀、量具
4.铸钢
例如ZG200-400,表示σs≥200MPa,σb≥400MPa的铸钢。
铸造性能比铸铁差,但力学性能比铸铁好;
主要用于制造形状复杂,力学性能要求高,而在工艺上又很难用锻压等方法成形的比较重要的机械零件,例如汽车的变速箱壳,机车车辆的车钩和联轴器等。
本章小结:
了解铁碳合金的成分、组织、性能之关系;
熟悉铁碳合金相图
常用碳钢的牌号、性能、应用。
2005年3月31日第6周
授课章节
名称
第三章钢的热处理
第一节热处理概述
第二节钢的热处理原理
一、钢在加热时的组织转变
二、钢在冷却时的组织转变
1.了解热处理的概念、作用、分类
2.钢的奥氏体化
3.钢在不同的冷却条件下转变组织和性能
冷却转变产物及性能,热处理冷却方式对组织和性能的影响
用钢的等温冷却转变曲线分析冷却组织和性能。
P69:
一、二(填空和选择在直接做在书上)
重视小结:
钢在不同温度下的等温冷却转变产物及性能
钢在不同冷却下的转变产物及性能
第三章
钢的热处理
热处理的概念:
固态、加热、保温、冷却,组织、性能、改变
热处理工艺曲线:
T(温度)—t(时间)曲线,
热处理的应用:
材料改性
钢实际加热和冷却时的相变点
AC1AC3Accm
Ar1Ar3Arcm
第二节钢在加热和冷却时的转变
1.钢在加热时的组织转变
热处理工艺曲线
(1)奥氏体的形成
以T8钢为例分析:
加热至AC1以上
温度由珠光体转变为奥氏体,过程如下:
A形核A晶粒长大
(2)奥氏体的晶粒度与控制措施
影响奥氏体晶粒因素:
化学成分,加热温度,保温时间,原始组织
2.钢在连续冷却时的组织转变
(1)钢的等温冷却转变(以共析钢的等温冷却转变曲线为例)
曲线分析:
等温转变产物及性能:
高温转变:
P727~650℃ 160~250HBS
S727~600℃25~30HRC片状
T600~550℃ 35~48HRC
中温转变:
B上550~350℃ 40~48HRC羽毛状
B下350~Ms℃ 45~55HRC针状
(3)影响C曲线的因素:
化学成分,奥氏体化条件
亚共析钢和过共析钢等温转变曲线
2.钢的连续冷却转变
(1)用等温转变曲线近似分析连续冷却后产物
以共析钢为例进行分析
炉冷:
V1P170~220HBS
空冷:
V2S25~35HRC
油冷:
V3M+T45~55HRC
水冷:
V4M+A’55~65HRC
共析钢和过共析钢的连续转变(略)
(2)马氏体转变
马氏体(M):
是碳在αFe中的过饱和固溶体
马氏体转变的特点:
不完整性(在MS~Mf区间内完成转变),残余奥氏体、非扩散型,马氏体过饱和的含碳量、体积膨胀,导致内应力、变形、开裂
马氏体的组织形态:
板条状(低碳)、针状(高碳)
马氏体的性能:
主要决定于含碳量
加热:
奥氏体化(部分奥氏体化、全部奥氏体化)
冷却:
过冷奥氏体转变(等温转变产物与性能,连续冷却近似分析方法)
1.全部奥氏体化条件?
如何部分奥氏体化条件?
如何获得均匀、细小的奥氏体?
2.等温冷转变产物性能与等温温度关系?
连续冷却速度与组织、性能的关系?
2005年4月14日第周
第三节钢的整体热处理工艺
退火、正火、淬火、回火
1.掌握各种退火、正火工艺方法、目的及应用
2.各种淬火工艺,淬火目的及应用
3.回火方法及应用
重点为“四把火”的工艺方法、应用
退火、正火、淬火、回火的选用
练习册及教材思考题
内容较多,且是本章的重点,课后加强辅导
一、退火
1.完全退火AC3以上30~50℃加热、保温、缓冷
细化组织降低硬度改善塑性作为亚共析钢的预先热处理
2.球化退火AC1以上20~30℃加热、保温、缓冷
P球改善组织、降低硬度、为淬火作组织准备、改善切削加工性能。
主要适合于共析钢和过共析钢锻轧件,若组织中有网状两次渗碳体,先进行正火。
3.去应力退火500~600℃加热、保温、缓冷
去除各类内应力,适合于铸、锻、焊、冷冲压、切削加工等件。
二、正火
AC1或AC3以上30~50℃加热、保温、空冷.
细化组织、消除二次渗碳体网、提高力学性能
用于一般件的最后热处理,改善低碳钢的可切削性能
退火与正火的选择
考虑切削加工性(170~260HBS);
从零件结构形状考虑,减小内应力(形状复杂件主要用退火);
从经济性考虑,使成本低(正火成本低)。
三、淬火
1.淬火目的:
获M或B下组织,强化钢材
2.淬火工艺:
(1)淬火温度AC
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