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第二章金属材料及加工工艺金属材料及加工工艺第二章现代工业中，金属材料得到了极其广泛的应用它是现代工业产品造型设计中最重要的材料之一。设计师对各种常用的金属材料的种类、性能及其应用条件等，必需有一个全面的了解。金属材料及加工工艺第二章一、材料的一般特性1机械性能是指金属材料在外力的作用下表现出来的变形和抗变形特性，是材料抵抗外力作用的能力，因而也称为力学性能。金属材料在受外力作用时，由于外加载荷的性质和加载方式的不同，使金属材料的变形和抗变形能力即强度具有不同的特征。静载荷下金属材料的机械性能动载荷下金属材料的机械性能交变载荷下金属材料的机械性能静载荷下金属材料的机械性能在缓慢加载条件下测得的金属材料抗变形和抗断裂的能力，称为金属材料的静力强度。通常以拉伸强度为最基本的强度值。通过拉伸试验测定拉伸强度，是确定金属材料机械性能的一种最重要的方法。POESBKPePsPbPkΔlΔlk静载荷下金属材料的机械性能POESBKPePsPbPkΔlΔlk1、弹性2、刚度3、塑性（屈服、缩颈）4、强度5、硬度动载荷下金属材料的机械性能冲击韧性：αk＝AK/F=G(H1-H2)/F交变载荷下金属材料的机械性能疲劳强度与抗拉强度的近似关系：碳素钢σ-1≈(0.4～0.55)σb灰口铸铁σ-1≈0.4σb有色金属σ-1≈(0.3～0.4)σb2金属材料的物理和化学性质1、物理性质：比重差别大，导热、导电性好，受热体积膨胀，在磁场中易被磁化。金属材料的物理和化学性质2、化学性质：普通金属易被腐蚀和氧化，贵重金属抵抗能力强。对产品表面进行喷漆、电镀、氧化和磷化等处理，可防止腐蚀、保护金属材料，而且具有装饰意义。3金属材料的工艺性能各种金属材料只有经过一系列加工和工艺处理才能制成产品，材料适应各种加工和工艺处理要求的能力，称为金属材料的的工艺性能。它是金属材料机械、物理、化学性能的综合反映，是决定金属材料能否进行加工或如何进行加工的重要因素，它直接关系到加工效率、产品质量和生产成本等。在进行产品设计和选择工艺方法时，必须认真考虑金属材料的工艺性能。按照工艺方法的不同，工艺性能可分为铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能等。金属材料及加工工艺第二章一、材料的一般特性二、金属结构与结晶1金属的结构与结晶A：体心立方晶格B：面心立方晶格C：密排立方晶格金属元素中，除极少数外，绝大多数金属的晶体具有上述三种晶格形式。金属的晶格结构金属的结构与结晶结晶的概念：金属及合金从液态转变为固态并形成晶体结构的过程称为结晶。从内部结构看，结晶就是金属原子的聚集状态，从不规则排列过渡到按一定几何形状作有序排列的过程。结晶的过程：液态金属的结晶过程，是由晶核的形成和成长这样两个同时并行的环节组成的。当液态金属冷却到一定温度时，有一些金属原子就会自发聚集到一起，形成规则排列的原子集团，称为结晶的核心，简称晶核。这些晶核，由于不断吸附周围的液态而逐渐长大。同时，新的晶核也不断产生并长大，直到各晶体彼此相连，液体金属全部消失，结晶过程即告完成。金属的结晶过程金属的结构与结晶自然界80多种金属中，绝大多数在结晶后其晶格结构的类型都保持不变，只有少数几种金属，如铁、锰、锡、钛、铝等，在固态范围内，因温度的变化还会出现晶体结构的转变，并称之为同素异构转变。液态纯铁体心立方晶格面心立方晶格体心立方晶格1535℃(δ－Fe)(γ－Fe)(α－Fe)金属的同素异构转变，是固态下金属原子重新排列的过程，并称之为相变或者重结晶。同素异构转变这一性质很重要，铁正是因为有这一特性，才使钢能通过各种热处理方法来改变其内部结构，从而达到改善钢材料性能的目的。金属的同素异构转变以一种金属元素为基础，加入另外一种或几种金属或非金属元素，经过熔合而组成的具有金属特性的材料，称为合金。合金中具有同一化学成分和晶格结构的均匀部分称为相，依此可分为单相合金和多相合金。按照相结构的不同，合金相可分为三种类型。1，固溶体合金由液态结晶为固态时，由于各组元之间相互溶解而形成的一种成分和性质均匀的新晶体，成为固溶体。固溶体是一种均匀的单相组织。2，金属化合物固态合金中，由于各组元之间相互作用而形成的一种具特殊晶格和明显金属特性的物质，成为金属化合物，它的晶格结构具有较复杂的形式。3，机械混合物机械混合物时有两种以上的相组成的合金，使固态下既不互相溶解又不形成化合物，而按一定重量比混合的新物质。2合金的结构铁碳合金中，当合金处于液态时，铁和碳可以无限互溶。而固态时，存在四种基本相和组织。1，铁素体：碳在α-Fe中的固溶体称为铁素体，或α固溶体，常用符号F表示。2、奥氏体：碳在γ-Fe中的固溶体称为奥氏体，或γ固溶体，常用符号A表示。3、渗碳体渗碳体是由铁和6.67%的碳形成的金属化合物，其分子式为Fe3C。渗碳体的晶格形式很复杂。4、珠光体铁素体和渗碳体的机械混合物称为珠光体，以符号P表示3铁碳合金的组织结构金属材料及加工工艺第二章热处理工艺方法的种类繁多，但其基本过程都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的。碳钢在室温下的组织基本上由铁素体和渗碳体构成。热处理的首要步骤即将钢由室温加热到相变温度以上，使其组织转变为均匀的奥氏体，从而获得所需要的性能，此过程称为奥氏体化。热处理过程的冷却也是非常重要的一步，它是将经奥氏体化的钢，根据不同的目的要求，自高温以不同的速度（缓慢或迅速）冷却，使其发生分解，从而得到具有不同组织的性能的转变产物。热处理原理一、一般特性二、结构与结晶三、钢的热处理钢的热处理根据热处理时加热、冷却规范的基本特点以及对组织性能的影响的不同，钢的常用热处理方法，可划分如下：普通热处理热处理表面热处理形变热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理11，退火退火是把钢加热到高于或低于临界温度，经保温、缓冷，从而得到接近于平衡状态组织的一种热处理工艺。其目的是软化组织，降低硬度，消除冷热加工的残余内应力，均匀组织和成分，改善钢中碳化物的分布和形态，以及为改善加工性能和最终热处理，作好和金内部组织的准备等。普通热处理普通热处理2，正火正火也成为常化或正常化。正火是把钢加热到临界温度以上50-100℃，并适当保温后在空气中进行冷却的热处理工艺。它实质上是一种特殊形式的退火，其目的与退火相似，区别在于冷却速度较快。因而强度和硬度有所提高。普通热处理3，淬火淬火是将钢加热到临界温度以上30-50℃，保温后，根据钢的化学成分，选用油或水、盐水等作为冷却介质，进行快速冷却，从而得到马氏体组织的一种热处理工艺。淬火处理后再与回火处理相配合，一般可以强化钢的组织，大幅度提高钢的强度、硬度、耐磨性等综合机械性能。所以，机械工程中的重要零件，大多都要经过淬火和回火处理。普通热处理4，回火回火是将淬火后的钢重新加热到低于临界温度的温度，保温后在再冷却下来的一种热处理工艺。其主要目的是稳定淬火组织，消除淬火应力，调整钢的硬度，提高塑性和韧性，从而达到所要求的机械性能。回火处理可分为低温回火（150-250℃）、中温回火（350-500℃）和高温回火（500-650℃）三种。21，表面淬火用快速加热的方法，将工件表面有限深度范围加热到相变临界点以上，然后迅速冷却，使工件表面形成一定厚度淬硬层的一种热处理工艺表面快速加热可以采用高频感应、火焰、电接触、电解液、激光，以及电子束等方式。表面热处理2，表面化学热处理表面化学热处理是将工件放入一定介质中加热和保温，是介质分解出的某些元素的活性原子渗入到工件表层，从而改变表面层的化学成分和组织性能的热处理方法。生产中常用的化学热处理工艺有三种，即：渗碳、渗氮、碳氮共渗。3其他热处理一些新的热处理工艺，如真空热处理、可控气氛热处理、形变热处理和新的表面热处理（激光热处理、电子束淬火等）也越来越多地应用于热处理工艺中。金属材料及加工工艺第二章一、一般特性二、结构与结晶三、钢的热处理四、钢铁材料生产及分类含碳量多少是区别钢铁的主要标准。生铁含碳量大于2.0％；钢含碳量小于2.0％。生铁含碳量高，硬而脆，几乎没有塑性。钢不仅有良好塑性，而且钢制品具有强度高、韧性好、耐高温、耐腐蚀、易加工、抗冲击、易提炼等优良物理化学应用性能，因此被广泛利用。1钢铁材料的生产铁矿石中把金属铁分离出来并获得生铁的过程称为炼铁，不论是炼钢用生铁还是铸造用生铁，都是在高炉中冶炼的。高炉生产时从炉顶装入铁矿石（赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿）、焦炭、造渣用熔剂(石灰石)，从位于炉子下部的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出。铁矿石中不还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，从渣口排出。产生的煤气从炉顶导出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。经过这一过程得到的液态生铁，含碳量一般为为3－4％，还含有一定量的硅、锰及少量杂质硫和磷等。生铁冶炼钢铁材料的生产经高炉炼铁得到的生铁，含有较高的碳和硫、磷等有害杂质，其机械性能很差，有此限制了它的用途。因而，除少数经熔化烧铸生产铸铁件外，绝大多数还必须进一步精练成钢，提高机械性能。所谓炼钢，即在高温下降低生铁中的碳和有害杂质的含量，并根据需要调整金属的化学成分，对钢进行合金化处理。通常是向液态生铁通氧，使碳和有害杂质元素被氧化来完成的。主要的炼钢方法有三种：转炉炼钢法、电炉炼钢法、平炉炼钢法。炼钢2钢铁材料的分类是铸造用的生铁，含碳量2％－4.0％之间的铁碳合金，成本低廉、具有良好的铸造性能、切削性能及耐磨性和减振性等优点。常见的机床床身、工作台、箱体、底座等形态复杂或受压力及摩擦力的零件，大多用铸铁制成。铸铁的常用种类可分为：灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁。铸铁钢铁材料的分类为保证其韧性和塑性，钢的含碳量一般不超过1.7%。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。钢的分类方法多种多样：1、按品质分类(1)普通钢（P≤0.045%，S≤0.050%）(2)优质钢（P、S均≤0.035%）(3)高级优质钢（P≤0.035%，S≤0.030%）2、按化学成份分类(1)碳素钢：a.低碳钢（C≤0.25%）；b.中碳钢（C≤0.25~0.60%）；c.高碳钢（C≥0.60%）。(2)合金钢：a.合金结构钢（切削钢、弹簧钢）；b.合金工具钢（刃具钢、模具钢）；c.特殊性能钢（不锈钢、耐热钢）。3、按成形方法分类：(1)锻钢；(2)铸钢；(3)热轧钢；(4)冷拉钢。钢的分类1有色金属材料的分类1、按密度、储量和分布情况分①有色轻金属—指密度小于4.5g/cm3的有色金属，有铝、镁、钙等及其合金②有色重金属—指密度大于4.5g/cm3的有色金属、有铜、镍、铅、锌及其合金③贵金属—指矿源少、提取难、价格贵的金属，如金、银和铂族元素及其合金④半金属—指物理化学性质介于金属与非金属之间的硅、硒、碲、砷、硼等⑤稀有金属—指在自然界中含量很少、分布散或难提取的金属，稀有金属又分为钛、铍、锂、铯、等稀有轻金属；钨、钼、铌、钒等稀有高熔点金属；镓、铟、锗等稀有分散金属；钪、钇等元素的稀土金属；镭、锕系元素等稀有放散性元素第二章一、一般特性二、结构与结晶三、钢的热处理四、钢铁材料生产及分类五、有色金属2铝及铝合金1、铝铝在自然界中分布很广，是地壳中储量最丰富地元素，几乎占地壳中全部金属含量地1/3。铝的生产分两个步骤：第一步从铝矿石中提取氧化铝，第二步由氧化铝电解得到纯铝。纯铝为面心立方晶体结构，银白色、塑性好，便于切削。强度、硬度低，不宜作结构材料。2、铝合金因为纯铝的硬度、强度较低，所以在机械制造、交通工具、一起仪表等制造上，均大量采用各种铝合金。铝中加入锡、铜、镁、锌等元素制成合金，强度提高。3铜及铜合金1、纯铜玫瑰红色金属，表面被氧化后生成氧化铜薄膜呈紫红色，所以纯铜也称紫铜。纯铜的导电性极好，又是抗磁性材料，因此在电器工业中有广泛的用途。纯铜具有面心立方晶格架构，有优良的可塑性和加工性能。2、铜合金铜合金种类很多，通产将铜合金分为黄铜、青铜、白铜（白铜是以镍为主要