《金属工艺学》

绪论•金属工艺学是一门研究有关制造金属机件的工艺方法的综合性技术科学。•我国在商代就大量使用青铜器，当时青铜冶炼和铸造技术已经相当精湛。•在春秋末期我国就出现了铁器，也比欧洲早一千八百多年左右。•解放后，我国在金属材料、非金属材料及其加工技术方面有了突飞猛进的发展，推动了我国机械制造工业的发展第一章金属的性能金属材料的性能包含使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，它包括物理性能、化学性能和机械（力学）性能等；工艺性能是指金属材料在制造过程中适应加工的性能，如铸造性能、锻造性能、焊接性能以及切削加工性能等。第一节金属的物理性能与化学性能金属的物理性能主要包括密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。一、金属的物理性能⒈密度一般将密度小于5×103的金属称为轻金属，密度大于5×103的金属称为重金属。VM＝2．熔点•金属和合金熔化时所需要的温度称为熔点。纯金属都有固定的熔点，合金的熔点取决于它的化学成分。3．热膨胀性•金属材料随温度变化而体积发生膨胀或收缩的特性称为热膨胀性。tllla112l4．导热性•金属材料传递热量的性能称为导热性。金属的热导率越大，它的导热性就越好。5．导电性•金属材料传导电流的能力称为导电性。电阻率是表示材料导电能力的性能指标。⒍磁性•金属材料在磁场中受到磁化的性能称为磁性。二、金属的化学性能主要的化学性能有；耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性⒈耐腐蚀性•金属材料在常温下抵抗氧气、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力称为耐腐蚀性。2.抗氧化性•金属材料在加热时阻止氧化作用的能力称为抗氧化性。金属的氧化性随温度的升高而增加。⒊化学稳定性•化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性称为热稳定性。第二节金属的力学性能金属材料在外力（载荷）作用下所表现出来的性能，称为力学性能，或机械性能。力学性能主要有强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。一、力学基本概念1.载荷•载荷就是物体受到的外力，也称负载。可以分为静载荷、冲击载荷及交变载荷等三种。2．变形•变形一般分为弹性变形和塑性变形。（1）弹性变形材料在载荷作用时发生变形，当载荷卸去后，变形也完全消失。例如弹簧的变形。（2）塑性变形当作用在金属材料上的载荷超过一定范围，这时若卸去载荷，金属材料还有一部分变形不能消失。例如折弯的钢管。二、强度强度可分为屈服强度（屈服点）、抗拉强度等。1．屈服强度•屈服强度是指金属材料在外力作用下开始产生明显塑性变形时的最小应力，也叫屈服极限。0ssAP2．抗拉强度抗拉强度是金属材料断裂前所承受的最大应力，故又称强度极限。0bbAP三、塑性金属材料的塑性通常用伸长率δ和断面收缩率来表示。1．伸长率•伸长率是试样拉断后标距增长量与原始标距长度的百分比。%100001lll2．断面收缩率•断面收缩率是指试样拉断后断面处横截面面积的相对收缩值。%100010AAA四、硬度常用的有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）和维氏硬度（HV）等。1．布氏硬度分为HBS和HBW两种，它的代表性较全面。2．洛氏硬度•洛氏硬度HR根据不同的硬度标尺可分为HRA、HRB、HRC三种。3．维氏硬度•维氏硬度HV与布氏硬度HB表示方法相似。五、韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫韧性，也叫冲击韧性。0KkSΑ六、疲劳强度当金属材料在无数次重复或交变载荷作用下而没引起断裂的最大应力，叫疲劳强度第三节几种常用金属力学性能的测量方法•抗拉强度是通过拉伸试验测定的。1.拉伸试棒•拉伸试棒的形状一般有圆形和矩形两类，通常采用圆形试棒。一、强度、塑性的测定2．拉伸曲线oe——弹性变形阶段es——屈服阶段sb——强化阶段bd——局部变形阶段二、硬度的测定有压入硬度试验法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度）；划痕硬度试验法（如莫氏硬度）；回跳硬度试验法（如肖氏硬度）等，生产中常用的是压入硬度试验法。1.布氏硬度的测试原理•布氏硬度是用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球），以规定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量表面压痕直径来计算硬度的一种方法。2．洛氏硬度的测试原理•在初始试验力及总试验力先后作用下，将压头（金刚石圆锥体或淬火钢球）压入试样表面，经规定保持时间后卸除主试验力。3.维氏硬度的测试原理•维氏硬度试验是将相对面夹角为1360的四棱锥体金刚石作压头，以选定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量压痕对角线的长度来计算硬度。三、冲击试验1.试验原理•冲击试验是在摆锤式冲击试验机上进行的。2.冲击吸收功-温度关系曲线第四节、金属的工艺性能一、铸造性•铸造性就是金属熔化成液态后，在铸造成型时所具有的一种特性。二、锻压性锻压性就是金属材料在锻造和冲压过程中承受塑性变形的性能。三、焊接性焊接性是指材料在限定的施工条件下焊接成满足设计要求的构件，并满足预定寿命要求的能力。四、切削加工性金属材料的切削加工性是指金属切削加工的难易程度。第二章铁碳合金第一节金属与合金的晶体结构第一节金属与合金的晶体结构一.金属晶格1.晶体与非晶体•晶体是指组成原子呈规则排列。•非晶体是指组成原子无规则的堆积在一起。2.晶体结构•晶格用一些假想的直线将各质点中心连接起来，形成一个空间格子，称为晶格•晶胞从晶格中选取一个能反映晶粒排列特点的最小几何单元称为晶胞晶体内部原子排列意示图3.金属晶格的类型•体心立方晶格•面心立方晶格•密排六方晶格4.金属的实际晶体结构•单晶体晶体内部的原子排列方向完全一致•多晶体各小晶格的排列方向不尽相同;多晶体材料内部以晶界分开、晶体排列方向相同，称为晶粒;两晶粒之间的交界称为晶界.二.合金的晶体组织•1.组元组成合金的元素，•2.合金系由不同组元按一定比例配制的一系列不同成分的合金•3.相具有相同物理性能和化学性能，并与该系其余部分以介面分开的物质，称为相•4.组织金属或合金内部涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状及排列状况等组织关系的构造情况三、合金的晶体结构1.固融体合金在固态下一种组元的晶格溶解另一种组元的原子而形成的晶体相•置换固融体•间隙固融体2.金属化合物合金中各组元间原子按一定整数比结合而形成的晶体相3.机械混合物由两相或两相以上组成的多相组织四、结晶-----------通过凝固形成晶体结构•共晶反应固定的合金溶液中同时结晶出两种成分和结构皆不相同的固相组织•共析反应自某种均匀一致的固相中同时析出两种化学成分和晶格结构完全不同的新固相的转变第二节铁碳合金状的组织结构及其性能一、工业纯铁1.纯铁的同素异构转变δ-Feβ-Feγ-Fe体心立方面心立方体心立方2.晶粒越细，强度越高二、铁碳合金的基本组织•铁素体（F）碳溶解在α－Fe中的间隙固溶体，常用符号F表示•渗碳体（Fe3C）铁与碳形成的金属化合物，其化学式为Fe3C•奥氏体（A）外观不规则的颗粒状结构•珠光体（P）珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体，由软的铁素体片和硬的渗碳体片相间组成的混合物•莱氏体（Ld）莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体铁碳合金的组织及力学性能组织名称符号碳的质量分数/%HBSδ/%铁素体F~0.0218180~28050~8030~50160~220奥氏体A~2.11__120~22040~60__渗碳体Fe3C6.6930相当80000珠光体P0.7775018020~2530~40第三节铁碳合金状态图•1.坐标Fe-Fe3C相图中纵坐标为温度，横坐标为碳的质量分数。横坐标的左端表示WcC=0%，WcFe=100%的纯铁；右端表示Wc=6.69%的Fe3C。•2.铁碳合金状态特性点典型铁碳合金•1.共析钢Wc＝0．77％•2.亚共析钢Wc=0.00218%~0.77%•3.过共析钢Wc=0.778%~2.1%•4.共晶白口铁Wc=4.3%•5.亚共晶白口铁Wc=2.11％~4.3％•6.过共晶白口铁Wc=４.3％~6.69％碳对铁碳合金的影响第四节铁碳合金状态图的应用•1.选材依据•2.加工工艺依据(铸造.锻造.焊接.热处理)•3.铁碳合金相图的局限性•---未考虑杂质的影响•---未考虑冷却速度的影响第四章钢的热处理引言：1、热处理的概念2、热处理的目的将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织与性能的工艺。（1）提高钢的力学性能（2）改善钢的工艺性能3、热处理的分类根据工艺类型、工艺名称和实现工艺的加热将热处理分为：1、整体热处理2、表面热处理表面淬火、气相沉积3、化学热处理：渗碳、氮化、碳氮共渗退火、正火、淬火、回火钢的热处理4.热处理工艺曲线5.热处理的理论依据钢的热处理第一节钢的退火与正火1、概念：将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后在炉中缓慢地冷却的热处理工艺。2、目的：1）降低硬度，提高塑性，改善加工性能；2）细化晶粒，消除组织缺陷；3）消除内应力。一、钢的退火钢的热处理3、分类：根据钢的成分和处理目的的不同，可分为完全退火、球化退火和去应力退火。（1）完全退火1、定义：将钢加热Ac3以上30~50ºC,完全奥氏体后，保温一定时间随之缓慢冷却到500ºC以下，出炉空冷。2、目的：细化晶粒，消除内应力，降低硬度，以利于切削加工。3、适用范围：亚共析钢型材。钢的热处理（2）球化退火1、定义：将钢加热到Ac1以上20~30ºC,保温后随炉缓冷至600ºC，出炉空冷。2、目的：降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能。3、适用范围：主要用于过共析钢及合金工具钢。钢的热处理（3）去应力退火1、定义：将钢加热到500--600ºC,保温后随炉缓冷至200--300ºC出炉空冷。又称低温退火。2、目的：消除铸件、锻件和焊接件的内应力。（没有发生组织变化）3、适用范围：用于所有的钢。钢的热处理二、钢的正火1、概念：将钢件加热到Ac3或Accm线以上30~50ºC，保温适当的时间后，在空气中冷却的热处理工艺。2、目的：1）对低碳钢，可细化晶粒，提高硬度，改善加工性能；2）对中碳钢，可提高硬度和强度，作为最终热处理；3）对高碳钢，可为球化退火作准备。钢的热处理退火与正火的加热温度范围钢的热处理第二节钢的淬火与回火一、马氏体钢从奥氏体状态快速冷却到Ms温度以下，则发生马氏体转变。由于温度很低，碳来不及扩散，全部保留在α-Fe中，形成碳在α-Fe中过饱和的固溶体，即马氏体(M)。马氏体转变特点：1.无扩散性Fe和C原子都不进行扩散，M是体心正方的C过饱和的F，固溶强化显著。2.瞬时性M的形成速度很快，温度下降速度越快，则M转变量越大。3.不彻底性M转变总要残留少量A。2、目的：提高钢的硬度、强度和耐磨性并保持足够的韧性。1、概念：将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间后，快速冷却的热处理工艺。二、钢的淬火钢的热处理3、淬火剂：水、矿物油、盐水和碱水等。为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和开裂，必须采用已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决。通常的淬火方法包括单液淬火、双液淬火、分级淬火等，如图所示。4.淬火方法:钢的热处理4、淬火方法：（1）单液淬火：将加热后的零件投入一种冷却剂中冷却至室温。特点：操作简单，容易实现自动化。（2）双液淬火：先水后油，或先油后空气。特点：可防止变形与开裂。（3）分级淬火：先放入一定温度的盐浴或碱浴中，再空冷。特点：有效减小内应力，防止变形与开裂；但只适于小尺寸工件。钢的热处理三、钢的回火1、回火的概念：将淬火后钢件再加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间后，然后冷却到室温的热处理工艺。2、回火的目的：降低淬火钢的脆性，提高韧性，调整硬度，消除内应力，稳定工件的尺寸，获得所需要的力学性能。钢的热处理3、回火的种类按回火温度的不同，回火可分以下三种：•低温回火：150ºC~250ºC•中温回火：350ºC~500ºC•高温回火：500ºC~650ºC钢的热处理1、低温回火（150~250）ºC目的：保持淬火钢的高硬度和高