金工第123章金属材料性能晶格状态图.ppt

金属工艺学 金属工艺学 是一门研究金属性质 铸造 锻压 焊接和切削加工的综合性的专业基础课 通过对金属工艺学内容学习 了解和掌握金属材料及机械零件加工工艺的基础知识 为学习后续有关课程 并为以后从事涉及机械设计与制造方面的工作打下良好的基础 工科院校学生学习本课程的目的和意义 金属工艺学的主要内容 机械工程材料基础 热加工工艺基础 机械加工工艺基础 金属材料与热处理 铸造 锻压与焊接 切削加工 表面加工 工业技术学课程基本要求 1 了解机械产品的生产过程和机械制造厂的生产结构 2 了解常用金属材料的性能 用途和牌号 3 了解各种主要加工方法的工艺特点及其基本原理 4 了解机械制造厂各种主要设备和工具的工作原理和应用范围 机械的种类 机器 由零件装成 能运转 能变换能量或产生有用的功的装置 机械 利用力学原理组成的各种装置 杠杆 滑轮 机器以及枪炮等都是机械 机械按其功能可分为三类 1 产生机械能的机械 它可将其它种类的能转变为机械能 称为原动机 例如蒸汽机 柴油机 电动机等 2 转变机械能的机械 和前者相反 它可将机械能转变为其它种类的能 称为变换机 例如发电机 空气压缩机等 3 利用机械能的机械 它用来改变原材料或工件的性质 状态 形态和位置等 称为工作机 例如各种机床 锻锤 农业机械 采掘机 汽车等 机械产品制造的过程 产品设计 工艺设计 选材 熔炼 铸造 下料 钣金加工 下料 机械加工 焊接 锻压 热处理 机械加工 或表面处理最终热处理 装配检验 包装出厂 机械零件常规制造工艺流程 设计真正的设计是一门艺术设计是一种构思 设计一般是根据用户的需要 由技术部门来完成的一项先行工作 对机械产品的设计要求 必须是技术要先进 机械化 尽量不用手工操作 和自动化 数控 自动线 流水线 程度要高 性能要好 无噪音 平稳 工作可靠和安全 以及成本低 设计过程一般有三个阶段 a 确定极限参数 例如设计一部车床 首先就要确定最大车削长度 和最大回转直径两个重要参数 b 受力分析和计算 确定参数后 就要进行草图设计 根据草图进行受力部分的分析和计算 以便选取不同的材料 保证受力零件在工作过程中安全可靠 c 绘制机械总图 各个部件装配图和零件工作图 编制技术说明书 课程性质 任务和学习要求 课程性质专业基础课 为学习管理等专业课打基础 学习任务和要求1 掌握常用金属材料的主要性能 2 掌握零件的加工工艺知识 3 了解零件加工工艺所涉及的基本设备 材料导论 金属材料的作用材料与人类的出现和进化有着密切的联系 因而它们的名字已经作为人类文明的标志 例如 石器时代 青铜时代和铁器时代 公元前16世纪以前的殷商时代 已大量使用青铜 并已具有高超的冶铸技术和精湛的艺术造诣 公元前4世纪以前的春秋战国时期出现了铁器 铸铁的生产比欧洲约早一千多年 我国的钢产量在1996年突破了一亿吨 达到世界第一 世界四大材料 钢铁 木材 塑料 水泥 如生产一根 轴 材料分 金属材料 非金属材料 复合材料 金属材料 指钢铁 有色金属等材料 非金属材料 无机高分子材料 陶瓷 水泥 木材等 有机高分子材料 如塑料 橡胶 复合材料 玻璃钢 碳纤维复合材料 硼纤维材料 现在新材料 纳米材料 智能材料 材料 信息 能源称为现代技术的三大支柱 材料按物质结构不同分 金属材料 非金属材料 有机高分子材料和陶瓷料 复合材料 材料按用途不同分 机械工程材料 土木工程材料 电工材料 电子材料 材料按功能不同分 结构材料 功能材料 磁性材料等 材料发展概括 天工开物 明朝科学家 宋应星箸 石器时代 陶器时代 铜器时代 司母戊鼎 公元前11 16世纪 1130 780 1100 战国编钟 前475 221年 65个总重2500Kg 天然石 兽骨 树枝 泥巴 日晒 原始陶器 火烧 瓷器用具 铁器时代沧州大狮 公元953年 重50T 长5 3m 宽3m 人工复合材料 塑料 橡胶 陶瓷 钛合金 碳纤维 纳米等 本草纲目 农政全书 李时珍 徐光启 智能材料 通宽5 35米 身长6 30米 身高6 6米 体宽3 0米 重约40吨 素有 狮子王 的美誉 沧州铁狮子 工业生产中所使用的材料主要包括金属材料 无机非金属材料 有机高分子材料和复合材料四大类 金属材料是现代制造机械的最主要材料 主要是由于它具有制造机器所需要的物理 化学和力学性能 1 优良的工艺性能 包括铸造性能 锻造性能 焊接性能 热处理性能 机加工性能等 2 较好的使用性能 包括物理性能 化学性能 力学性能等 第一章 金属材料以合金为主 很少使用纯金属 合金是以一种金属为基础 加入其它金属或非金属 经过熔炼 烧结或其它方法制成的具有金属特性的材料 最常用的合金 有以铁为基础的铁碳合金 有以铜或铝为基础的铜合金和铝合金 第1章金属材料的主要性能 教学重点 金属材料的力学性能教学难点 曲线特点 第1节金属材料的力学性能 力学性能是指金属材料在受外力作用时所反映出来的性能 力学性能指标 是选择 使用金属材料的重要依据 金属材料的力学性能主要有 强度 塑性 硬度 冲击韧度和疲劳强度等 一 强度与塑性 L0 LK d0 拉断前试样 拉断后试样 试样按GB6397 86制取 分长试样L0 10d0 短试样L0 5d0 说明 b k s e 拉伸力F O 伸长量 L Fs Fb Fe 低碳钢的力 伸长曲线 F F 拉伸过程经历四个阶段 1 弹性变形 OS Oe段 直线阶段 完全弹性变形eS段 极微量塑性变形 2 屈服 s点 弹性变形 去除外力后能完全恢复到原来的形状 塑性变形 外力消除后仍存在的永久变形 3 均匀塑性变形阶段 sb 4 缩颈 bk 局部集中塑性变形 应力 F A0 MPa 应变 L L0 抗拉强度 b 金属材料被拉断前所能承受的最大应力 b Fb A0 强度 是指金属抵抗永久变形和断裂的能力 屈服强度 s 材料开始明显塑性变形的抗力 即产生屈服现象时的应力 s Fs A0 弹性极限 e 材料在外力作用下 保持弹性变形的最大应力 e Fe A0 1 强度 strength 说明 单位面积上的内力称应力 读 sigm L 长度Length单位 mm A 截面积Area单位 mm2 F 外力Force单位 N s 屈服点的值 选择锻压设备外力的依据 单位 MPa 兆帕 megapascal 屈服点 概念 力不增加仍能继续伸长时的应力 用符号 s表示 抗拉强度试样拉断前所承受的最大拉应力 用 b表示 补充 bb表示抗弯强度 注 s b是设计与选材的重要依据 b校核零件安全的依据 另 e表示弹性极限 在外力作用下产生弹性变形时所承受的最大拉应力 中 高碳钢和其他脆性金属材料无明显屈服现象 国家标准以产生0 2 塑性变形的应力来表示屈服强度 即 0 2 F0 2 A0 屈服强度和抗拉强度在设计机械和选择 评定金属材料时有重要意义 机械零件多 s以作为强度设计的依据 对于脆性材料在强度计算时 则以 b为依据 2 塑性plasticity 概念 在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力 判据 断后伸长率 断后断面收缩率 断后伸长率Percentageelongationafterfracture 概念 试样断后标准的伸长量与标准的百分比 用符号 表示 读作 代儿特 其中 Lk 断后试样长度Lo 试样原始长度 断后断面收缩率 概念 断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比 用符号表示 读作 扑洒哎 说明 伸长率和收缩率在实际应用中 一般是用 表示塑性大小 越大 材料的塑性越好 通常认为 5 脆性材料 塑性较早的解释 塑性 是指金属产生塑性变形而不被破坏的能力 1 伸长率 L1 L0 L0 100 式中 L0 试样原标距的长度 mm L1 试样拉断后的标距长度 mm 2 断面收缩率 断面收缩率是指试样拉断后断面处横截面积的相对收缩值 A0 A1 A0 100 式中 A0 试样的原始截面积 mm2 A1 试样断面处的最小截面积 mm2 和 愈大 则塑性愈好 良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件 二 硬度 hardness 硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标 它直接影响到材料的耐磨性及切削加工性 硬度测定方法有压入法 划痕法 回弹高度法等 金属材料的硬度可用专门仪器来测试 常用的有布氏硬度机 洛氏硬度机等 1 布氏硬度 布氏硬度试验原理图 式中 F 试验力 N D 压头的直径 mm HBS表示用淬火钢球作为压头测出的硬度值 HBW表示用硬质合金球作为压头测出的硬度值 适用于未经淬火的钢 铸铁 有色金属或质地轻软的轴承合金 布氏硬度试验方法优缺点 优点 测量值较准确 数据重复性强 特别与 b之间存在一定的关系 经验公式 低碳钢 b 0 36HB高碳钢 b 0 34HB调质合金钢 b 0 325HB缺点 由于淬火钢球本身存在变形问题 不能测量硬度HB 450的材料 不能测太薄试样 以及压痕较大 容易损坏成品表面 根据压头形式和载荷不同有三种标度 HRA HRB HRC 能够测试从软到硬各种硬度的材料 HRC应用最广 可用于测硬度很高的材料 HRC 100 h2 h1 0 002 当硬度在200 600HB HRC 1 10HB 硬度一般不标单位 如200HB 55HRC 2 洛氏硬度 HR 以压痕深度表示 洛氏硬度试验方法优缺点 优点 操作迅速 简便 可以直接得出硬度值 压痕小 不损坏工件表面 可以测量极硬或软薄的材料 缺点 硬度值不够准确 由于试验印痕小 当金属材料组织不均匀时 有可能打在硬的组织上 也有可能打在软的组织上 这样得不出正确的数据来 HR 10HB 3 布氏硬度与洛氏硬度的特点比较 布氏硬度的特点 布氏硬度因压痕面积较大 HB值的代表性较全面 而且实验数据的重复性也好 但由于淬火钢球本身的变形问题 不能试验太硬的材料 一般在HB450以上的就不能使用 由于压痕较大 成品检验也有困难 通常用于测定铸铁 有色金属 低合金结构钢等材料的硬度 洛氏硬度的特点 洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料 而且压痕很小 几乎不损伤工件表面 故在钢件热处理质量检查中应用最多 但洛氏硬度由于压痕较小 硬度代表性就差些 如果材料中有偏析或组织不均的情况 则所测硬度值的重复性也差 三 冲击韧度 ak 金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧度 常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧度 大能量 一次冲断 试验表明 在冲击载荷不太大的情况下 金属材料承受多次重复冲击的能力 主要取决于强度 冲击值对组织缺陷很敏感 因此冲击试验是生产上用来检验冶炼 热加工 热处理等工艺质量的有效方法 冲击试验机1 试验原理 式中 Ak 折断试样所消耗的冲击功 J A 试样断口处的原始截面积 cm2 对于脆性材料试样一般不开缺口 冲击韧度 K AK A 四 疲劳强度 当金属材料在无数次重复或交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力 叫做疲劳强度 材料的疲劳强度通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测定 在循环载荷作用下 材料承受一定的循环应力 和断裂时相应的循环次数N之间的关系可以用曲线来描述 N曲线 无数次应力循环 对于钢材为107 有色金属和某些超高强度钢常取108 疲劳强度 金属材料抵抗交变载荷的作用而不破坏的能力 常用的指标有疲劳强度 1 零件发生疲劳破坏是没有预兆而突然断裂 此时发生疲劳破坏的应力远远小于抗拉强度 甚至比屈服强度还小 非常危险 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 在实际生产中应用相当广泛 思考题 1将钟表发条拉成一直线 问这是弹性变形还是塑性变形 怎样判断它的变形性质 2疲劳破坏有什么危害 在什么情况下发生疲劳破坏 产生原因是什么 如何提高零件的疲劳强度 第2节 金属材料的物理 化学及工艺性能 一 金属的物理性能 1 密度2 熔点3 导热性4 导电性5 热膨胀性6 磁性 二 金属的化学性能 它是金属材料在室温或高温时抵抗各种化学作用的能力 主要是指抵抗活泼介质的化学侵蚀能力 1 耐腐蚀性 如耐酸性 耐碱性等 2 抗氧化性 3 化学稳定性 三 金属的工艺性能 工艺性能是物理 化学 力学性能的综合 按工艺方法的不同 可分为铸造性能 可锻性 焊接性和切削加工性等1 铸造性能 金属在铸造成形过程中获得外形准确 内部健全铸件的能力称为铸造性能 铸造性能包括流动性 吸气性 收缩性和偏析等 在金属材料中灰铸铁和青铜的铸造性能较好 2 锻造性能 金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻造性能 锻造性能的好坏主要同金属的塑性和变形抗力有关 塑性越好 变形抗力越小 金属的锻造性能越好 3 焊接性能 焊接性能是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件 并满足预定服役要求的能力 4 切削加工性能 切削加工性能是指金属在切削加工时的难易程度 第2章金属与合金的晶体结构与结晶 第一节金属的晶体结构 一 晶体结构的基本概念 1 晶体与非晶体概念 原子按一定几何形状作有规律的重复排列的固体物质 称晶体 非晶体则反之 特点 晶体 有熔点 具有各向异性 如 食盐 冰 金刚石 金属等 非晶体 无熔点 各向同性 如 玻璃 松香 沥青等 各向异性 晶体的各向异性即沿晶格的不同方向 原子排列的周期性和疏密程度不尽相同 由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同 这就是晶体的各向异性 晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向上的弹性膜量 硬度 热膨胀系数 导热性 电阻率 电位移矢量 电极化强度 磁化率和折射率等都是不同的 各向异性作为晶体的一个重要特性具有相当重要的研究价值 常用密勒指数来标志晶体的不同取向 各向同性 亦称均质性 物理性质不随量度方向变化的特性 即沿物体不同方向所测得的性能 显示出同样的数值 如所有的气体 液体 液晶除外 以及非晶质物体都显示各向同性 例如 金属和岩石虽然没有规则的几何外形 各方向的物理性质也都相同 但因为它们是由许多晶粒构成的 实质上它们是晶体 也具有一定的熔点 由于晶粒在空间方位上排列是无规则的 所以金属的整体表现出各向同性 二 常见的晶格类型 1 体心立方晶格body centeredcubiclattice 特点 b较好 如 912 Fe Cr Mo V等 体心立方晶格 含有2个原子体积组成 2 面心立方晶格face centeredcubiclattice 特点 较好 如 912 Fe Cu Al等金属 含有4个原子体积组成 面心立方晶格 2 晶格与晶胞 晶格 表示晶体中原子排列形成的空间格子 晶胞 组成晶格最基本的几何单元 a b c 晶胞示意图 原子 3 晶格常数 a b c a b c且互垂直 表示晶胞几何形状大小 晶体中的原子排列 晶面 结点 形成的原因 各原子之间相互吸引力与排斥力相平衡结果 3 密排六方晶格hexagonalclosepackedlattice 特点 硬度高 脆性大 如 锌 Zn 镁 Mg 镉 Cd 等金属 a b C a b c 4 晶格致密度 原子排列的紧密程度 致密度 原子体积 晶胞体积 4 3 r3 a3 结果 体心 0 68 面心 0 74 六方 0 74 原子半径r a 2 1 3金属的实际晶体结构P14 一 多晶体结构 晶粒 晶界 多晶体示意图 由多个单晶粒组成的晶体为多晶体 通常 钢铁材料晶粒尺寸为0 1 0 001mm 显微组织 在显微镜下观察到其形态 大小 分布不同的组成物 二 晶格缺陷1 点缺陷 在长 宽 高方向尺寸都有很小变化的一种缺陷 间隙原子 晶格空位 2 线缺陷 在晶格中呈线状分布的缺陷 3 面缺陷 呈面状分布的缺陷 线缺陷 面缺陷 2 3合金的相结构 一 有关合金的基本概念 1 合金alloy由两种或两种以上金属元素或者金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质 2 组元constituent组成合金的最基本的独立的物质称组元 简称 元 如 黄铜Cu Zn 硬铝Al Cu等都称二元合金 3 合金系system由给定组元可以按不同比例配制一系列成分不同的合金 简称 系 4 相图 表示合金系中合金状态与温度 成分之间的关系的图解 如 铁碳合金状态图 5 相phase 指同一化学成分 同一结构并以界面互相分开的均匀组成部分 如固相 液相等 6 组织structure 借助于放大镜 显微镜下观察到具有某种形态 形貌特征的组成部分 二 合金的相结构 1 固溶体solidsolution 概念 溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的一种均匀固体 如 糖水水 溶剂 糖 溶质 固溶体P18 固溶体 有些合金组元在固态时 具有一定的互相溶解能力 例如 一部分碳元子能够溶解到铁的晶格内 此时 铁是溶剂 碳是溶质 合金的晶格仍保持铁的原有晶格类型 分类 按溶质原子在溶剂中分布情况不同 分置换固溶体和间隙固溶体两类 置换固溶体 溶质原子替换晶格上的原子 间隙固溶体 溶质原子溶入晶格原子间隙 a 间隙固溶体b 置换固溶体 特征 晶格类型不变 化学成分有限 性能发生变化 特征 1 晶格仍保持原晶格 溶剂 2 化学成分在一定范围内可改变 3 性能随化学成分改变而逐渐变化 性能 造成晶格畸变 强度 硬度上升 这种现象称固溶强化 若溶质原子质量分数 含量 适当 其力学性能高 2 金属化合物compound 概念 合金元素之间发生相互作用而生成的一种具有金属特性的新相 如Fe与C Fe3C 特征 1 具有一定的化学成分 2 与任一组元成分不同 3 熔点高脆性大硬度高 性能 晶格复杂斜方 HB ak 脆性大 3 机械混合物mixture 概念 两相按固定比例构成的组织 复合相 称机械混合物 如铁碳合金中F与Fe3C结合为P 特征 各相保持自己的晶格类型 性能特点 强度 硬度适中 目前钢铁材料中大部分是这种组织 2 2 纯金属的结晶 一 结晶的概念 1 结晶crystallization由液态转变为固体晶体的过程 或者描述为 原子由不规则排列到有规则排列过程 或者描述为 晶体结构形成的过程 如水 冰 2 冷却曲线与过冷度 T T0T1 时间 O 冷却曲线 平台 结晶过程时间 是结晶时放出的热 潜热 造成的 T0 理论结晶温度 T1 实际结晶温度 T0 T1 T过冷度 过冷是结晶的必要条件 T temperation 冷却曲线 温度 时间 O 1538 1394 912 L liquid 结晶过程 Fe体心立方晶格 Fe面心立方晶格 Fe体心立方晶格 转变式 Fe Fe Fe 912 1394 体心面心体心 或者 Fe Fe 912 临界转变温度 面心体心 体心 2个原子体积面心 4个原子体积 结论 冷却速度 T 或者说 T F 结晶能量 结晶驱动力 结晶倾向 二 纯金属的结晶过程 过程 不断形核和晶核不断长大的过程 三 晶粒大小与性能的关系 晶粒越细小 力学性能越高 F F 结果 小鸡蛋不易碎 大鸡蛋容易碎 举例 两组大小不同的鸡蛋受力情况 细化晶粒方法P17 1 增加过冷度 T 晶粒数目 2 孕育处理 变质处理 加细小变质剂 如在铸铁液中加硅铁粉使晶粒变细 3 附加振动或搅拌 使枝晶破碎 2 4合金的结晶P24 描述合金的结晶过程用 二元相图 解释 一 二元合金相图的建立 用热分析法绘制 如 Cu Ni合金 Cu Ni 成分变化 Cu由100 0 Ni由0 100 0 100 温度 A B 1083 1452 L liquid S solid L S WNi 结晶过程分析 70 Cu 30 Ni合金 1 2 1点以上为液体L 到1点开始结晶出固体S 1 2间为两相区L S 到2点时全为固体S 2点以下为固体 A B Cu Ni 1 2 L S AB上线 液相线 AB下线 固相线 二 合金结晶的特点 1 一个温度范围内结晶 有两个相变点 因为合金有两组元 2 结晶出的固相成分与液相成分不同 液相成分不断改变 3 形成单相 两相混合物 单相与两相混合物 L S t O 1 2 L L S L S S 冷却曲线 第3章铁碳合金Ferrocarbonalloy 一 铁碳合金状态图 1 状态图的建立 通过热分析法获得 Fe与C形成 Fe C Fe3CFe2CFeC Wc 6 69 Wc 9 3 Wc 17 8 Fe3C Fe2C FeC 说明 GB3102 93规定W称为质量分数 下标为含某元素 W weight分量 重量 Fe Fe3C简化状态图 二 状态图作用 1 研究钢铁的成分 组织和性能之间关系理论基础 2 制定热加工工艺的依据 简化Fe Fe3C状态图 三 基本组织 1 铁素体FFerrite 碳在 Fe中所形成的间隙固溶体 特点 塑性 韧性好 强度 硬度低 2 奥氏体A austenite英国金相学家 碳在 Fe中的间隙固溶体 特点 塑性较好 强度较低 3 渗碳体Fe3C 是Fe与C的化合物 特点 硬度很高 很脆 塑性几乎等于零 在钢中起强化作用 cementite 4 珠光体P pearlite 日本 是F与Fe3C机械混合物 WC 0 77 特点 有一定的强度 塑性 层片状 5 莱氏体Ld Ledeburite 德国金相学家 特点 硬而脆 不能进行压力加工 是高温下A与Fe3C的机械混合物 共晶反应的产物 Wc 4 3 反应式 L4 3 Ld A Fe3C 1148 注 随温度降低至727 时 A转变为P 室温下变成 P Fe3C共晶组织 称为低温莱氏体L d L d P Fe3C F A Fe3C是单相组织 P Ld是混合物 第二节Fe Fe3C状态图分析 一 分类 工业纯铁 碳钢 白口铸铁 亚共析钢 共析钢 过共析钢 亚共晶白口铸铁 共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁 力学性能变化 随碳含量增加 其强度 硬度 塑性 韧性 但当WC 0 9 后 其HB b ak 二 状态图中的特性点 线 区域组织 钢铁力学性能与碳含量WC的关系 特性点 特性线 1 ACD线 2 AECF线 固相线 液相线 其中AE线是碳钢固线 3 ECF线 共晶转变线L Ld 4 GS线 又称A3线 5 ES线 又称Acm线 6 PSK线 共析转变线 A p 又称A1线 三 合金的结晶过程分析 亚共析钢 共析钢 过共析钢 A F A L E A Fe3C L A 三 合金的结晶过程分析 A E G P Q S Fe L A L A F F A F P P P Fe3C A Fe3C 0 77 2 11 共析钢WC 0 77 1 2 3 P 亚共析钢 1 2 3 4 1 2 3 4 4 L L A A F A A P P F 冷却曲线 过共析钢WC 1 0 状态图的应用 参看P27 Fe Fe3C状态图的应用 1 确定合适的浇注温度 2 可以选择适于铸造的合金成分 接近共晶成分4 3左右为好 3 可以确定不同含碳量的钢的轧制和锻造的加热温度 4 是选择热处理加热工艺的理论依据 习题 强度的概念 工程上衡量强度 塑性的常用指标 复习题