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金属工艺学绪论金属工艺学是一门传授有关制造金属零件工艺方法的综合性技术基础课，主要讲述各种工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互联系，金属零件的加工工艺过程和机构工艺性。第一篇金属材料的基本知识第一章金属材料的主要性能第一节金属材料的力学性能金属材料的力学性能是金属材料在力的作用下所表现出来的性能。一、强度与塑性1.强度金属材料的抗变形能力（永久变形）和抗断裂能力称之为强度。抵抗能力越大，则强度越高。2.塑性塑性是指金属材料受力后在断裂之前产生不可逆永久变形的能力。断面收缩率是指试样拉断后，缩颈处面积变化量与原始横截面积比值的百分率。ψ=𝑠−𝑠0𝑆0×100%二、硬度硬度是指金属材料抵抗局部変形的能力。（1）布氏硬度HB（2）洛氏硬度HR（3）维氏硬度三、韧性冲击韧性是指金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。韧性主要反映了金属抵抗冲击力而不断裂的能力。韧性好的金属抗冲击的能力强。𝛼𝐾=𝐴𝐾𝑆四、疲劳强度金属材料在无数次交变载荷的作用下而不发生断裂的最大应力称为疲劳强度，用𝜎−1表示。提高疲劳强度的措施：通过改善零件的结构形状，避免应力集中，改善表面粗糙度，进行表面热处理和表面强化处理等可以提高材料的疲劳强度。第二章铁碳合金第一节纯铁的晶体结构及其同素异形体转变一、纯铁晶体结构及同素异晶转变晶体：原子在空间呈规律性排列。结晶：金属的结晶就是金属液态转变为晶体的结构。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差，称为过冷度。晶核：液态中先出现一些极小晶体，称为晶核。晶粒：每个晶核长成的晶体称为晶粒。晶界：晶粒之间的接触面称为晶界。二、纯铁的晶体结构晶胞：将每个原子看成是一个点，再把相邻原子中心用假想的直线连接起来。使之形成晶格，从晶格中取出一个最基本的几何单元，这个单元称为晶胞。纯铁的晶体结构有体心立方和面心立方。1.体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是一个长、宽、高相等的立方体，在立方体的八个顶角上各有一个原子，在立方体的中心还有一个原子。2.面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是个立方体，除在立方体的八个顶角各有一个原子外，在立方体六个面的中心处还有一个原子。三、纯铁的同素异晶转变同素异晶转变：随着温度的转变，固态金属的晶格也随之改变的现象的同素异晶转变。四、细化金属晶粒的主要途径是：（1）提高冷却速度，以增加晶核的数目。（2）在金属浇筑之前，向金属液内加入变质剂（孕育剂）进行变质处理，以增加外来晶核。（3）采用热处理或塑性加工方法，使固态金属晶粒细化。第二节铁碳合金的基本组织合金：两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素熔合在一起，构成具有金属特性的物质称为合金。组元：组成合金的元素称为组元，简称元。相：在合金组织中，凡化学成分、晶体结构和物理性能相同的均匀组成部分称为相。组织：按照显微镜下各相的形态特征，又可分为不同的组织。置换固溶体：当溶质原子代替了一部分溶剂原子、占据溶剂晶格的某些结点位置时，所形成的固溶体称为置换固溶体。间隙固溶体：当溶质原子咋溶剂晶格中不是占据结点位置，而是嵌入各结点之间的空隙时。所形成的固溶液称为间隙固溶体、固液强化：形成固溶液时，溶剂晶格产生不同程度的畸变，这种畸变使塑性变形阻力增加，表现为固溶体的强度，硬度有所增加，这种现象称为固液强化。1.铁素体碳溶解于α−𝐹𝑒中形成的固溶体称为铁素体，呈体心立方晶格，通常以符号F表示。2.奥氏体碳溶入γ−𝐹𝑒中形成的固溶体称为奥氏体，呈面心立方晶格，以符号A表示。二、化合物单相组织：金属化合物是各组元按一定整数比结合而成、并具有金属性质的均匀物质，属于单相组织。三、机械混合物机械混合物是由结晶过程所形成的两相混合物组织。它可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合，也可以是他们之间的混合。铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。1.珠光体铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P或F+Fe3C表示。2.莱氏体分为高温莱氏体和低温莱氏体。奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称为高温莱氏体，用符号Ld或A+Fe3C表示。珠光体和渗碳体的机械混合物称为低温莱氏体。用符号Ld'或P+Fe3C表示。第三章钢的热处理钢的热处理是将钢在固态下，保温和冷却，以获得预期组织和性能工艺。（1）普通热处理：包括退火、正火、淬火和回火。（2）表面热处理：包括表面淬火和化学热处理。第二节钢的退火和正火一、退火退火是将钢加热、保温，然后随炉或埋入灰中使其缓慢冷却的热处理工艺。退火的目的：①降低硬度，便于机械加工。②细化晶粒，提高塑性韧性。③消除内应力。（1）完全退火：将亚共析钢加热到AC3以上30-50℃（2）球化退火：主要用于过共析钢件，球化退火时将钢加热到1Ac以上20-30℃（3）去应力退火：主要用于部分铸件、锻件及焊接件，有时也可用于精密零件的切削加工，使其通过原子扩散及塑性变形消除内应力，防止钢件产生变形。二、正火正火是通过将钢加热到AC3以上30-50℃（过共析钢）保温后在空气中冷却的热处理工艺。目的：（1）取代部分完全退火（2）用于普通结构件的最终热处理（3）用于过共析钢，以减少或消除第二次渗碳体呈网状析出第三节淬火和回火一、淬火淬火是将钢加热到AC3或AC1以上30-50℃，保温后在淬火介质中快速冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。措施：（1）严格控制淬火加热温度（2）合理选择淬火介质（3）正确选择淬火方法二、回火将淬火的钢重新加热到AC3以下某温度，保温后冷却到室温的热处理工艺，称为回火。目的：消除淬火内应力，以降低淬火钢的内应力和脆性回火的种类：（1）低温回火：目的是降低淬火钢的内应力和脆性。（2）中温回火：目的是使钢获得高弹性，保持较高韧性，主要用于弹簧。（3）高温回火：淬火并高温回火的复合热处理工艺称为调制处理。第四章工业用钢第一节碳素钢碳素钢即“非合金钢”，简称碳钢。碳素钢的含碳量在1.5%以下，除碳之外，还含有硅、锰、磷、硫等杂质。磷和硫是钢中的有害杂质。磷可使钢的塑性、韧性下降，特别是在低温时脆性急剧增加，这种现象称为冷脆性。硫在钢的晶界处可形成低熔点的共晶体，致使含硫较高的钢在高温变回工时容易产生裂纹，这种现象称为热脆性。硅和锰是炼钢后期作为脱氧剂加入钢液中残存的。硅和锰可提高钢的强度和硬度，锰还能与硫形成MnS，从而抵消硫的部分有害作用。显然，它们都是钢中的有益元素。碳素钢通常分为如下三类：碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢。1、碳素结构钢的牌号以代表屈服点的“屈”字汉语拼音首字母Q和后面三位数字来表示，每个牌号中的数字表示该钢种厚度小于16mm时的最低屈服点（Mpa）。在钢号尾部A、B为普通级别，C、D为磷、硫低的优等级别，可用于较重要的焊接结构。Q315塑性好通常轧制成薄板、钢管、型材制造钢结构，也用于制作铆钉、螺钉、冲压件、开口销等。Q235强度较高，塑性也较好，常轧制成各种型钢、钢管、钢筋等制成各种钢构件、冲压件、焊接件及不重要的轴类、螺钉、螺母等。Q255强度更高，用做键、轴、俏、齿轮、撙、连杆、销钉等。2、优质碳素结构钢的硫、磷含量较低，供货时既保证化学成分，又保证力学性能，主要用于制造机器零件。优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字即是钢中平均含碳量的万分数。例如，20钢表示平均含碳量为0.20%的优质结构钢。08、10、15、20等牌号属于低碳钢。20钢用途最广，常用于制造螺钉、螺母、垫圈、小轴，焊接件，有时也用于渗碳件。40、45等牌号属于中碳钢。45钢常用来制造主轴、丝杠、齿轮、连杆、、套筒、键和重要螺钉等。60、65等牌号属于高碳钢。它们经过淬火、回火后，不仅强度、硬度显著提高，且弹性优良，常用弹簧、发条、钢丝绳、轧辊、凸轮等。3、碳素工具钢的含碳量高达0.7%-1.3%，淬火、回火后有高的硬度和耐磨性，常用于制造锻工、钳工工具和小型模具。碳素工具钢一般均为优质钢。对于硫、磷含量更低的高级优质碳素工具钢，则在数字后面增加“A”表示，例如，T10A表示平均含碳量为1.0%的高级优质碳素工具钢。T8冲头、錾子、锻工工具、木工工具、台钳钳口等。T10/T10A硬度较高、但仍要求一定韧性的工具，如手锯条、小冲模、丝锥、板牙等。T12适用于不受冲击的耐磨工具，如钢锉、刮刀、绞刀等。第二节低合金钢合金钢是为了改善钢的某些性能，在钢的基础上加入某些合金元素所炼成的钢。如果钢中的含硅量大于0.5%，或者含锰量大于1.0%，也属于合金钢。低合金钢是指合金总含量较低（小于3%）、含碳量也较低的合金结构钢。可焊接低合金高强钢（简称合金高强钢）应用最为广泛。低合金高强钢的牌号表示方法与碳素钢相同，即以字母“Q”开始，后面以三们数字表示其最像屈服点，最后以符号表示其质量等级。如Q345A表示不小于345Mpa的A级低合金高强钢。Q295低压容器、输油管道、车辆等Q345桥梁、船舶、压力容器、车辆等Q390桥梁、船舶、起重机、压力容器等Q420高压容器、牺牲、桥梁、锅炉等第三节合金钢合金钢：当钢中合金元素超过低钢的限度时，即为合金钢。合金钢不仅合金元素含量高，且严格控制硫、磷等有害杂质的含量，属于优质钢或高级优质钢。合金钢可分为合金结构钢（常用于制造机器零件用的合金钢），合金工具钢（主要用于制造刀具、量具、模具等，含碳量甚高），特殊性能钢（包括不锈钢，耐磨钢，耐蚀钢及具有软磁，永磁，无磁等特殊性能的钢合金钢是为了改善钢的某些性能，在碳素钢的基础上加入某些合金元素所炼成的钢。如果钢中的含硅量大于0.5%，或者含锰量大于1.0%，也属于合金钢。低合金钢是指合金总含量较低（小于3%），含碳量也较低的合金结构钢。第二篇铸造将液态金属浇注到模型中，待其冷却凝固，以获得一定的形状、尺寸和性能的毛坯或零件的成形方法，称为铸造优点：可制成形状复杂，特别是具有复杂内腔的毛坯，如箱体，气缸体等。第一章铸造工艺基础第一节液态合金的充型液态合金填充铸型的过程，称为充型。液态合金充满铸型型腔，获得形状准确，轮廓清晰铸件的能力，称为液态合金的充型能力。若充型能力不足，会产生浇不到或冷隔等缺陷。影响充型能力的主要因素：（1）合金的流动性（2）浇注条件（3）铸型填充条件（4）铸件结构第二节铸件的凝固与收缩一、铸件的凝固方式在铸件的凝固过程中，其断面上一般存在于三个区域，即固相区、凝固区和液相区。1.逐层凝固随着温度的下降，固体层不断加厚、液体层不断减少，直达铸件的中心，这种凝固方式称为逐层凝固。2.糊状凝固先呈糊状而后固化，故称糊状凝固。3.中间凝固大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固。二、铸造合金的收缩合金从浇注、凝固直至冷却到室温，其体积或尺寸缩减的现象，称为收缩。（1）液态收缩：从浇注到凝固开始温度（即液相线温度）间的收缩。（2）凝固收缩：从凝固开始温度到凝固终止温度（即固相线温度）间的收缩。（3）固态收缩：从凝固终止温度到室温间的收缩。三、铸件中的缩孔与缩松1.缩孔与缩松的形成（1）缩孔：它是集中在铸件上部或最后凝固部位容积较大的空洞。合金的液态收缩和凝固收缩越大、浇注温度越高、铸件越厚，缩孔的容积越大。（2）缩松：分散在铸件某区域内的细小缩孔，称为缩松。缩松的形成原因也是由于铸件最后凝固区域的收缩未能得到补足，或者，因合金呈糊状凝固，被树枝状晶体分隔开的小液体区难以得到补缩所致。2.缩孔和缩松的防止（1）采用顺序凝固（2）合理布置内流道及流注工艺（3）和理应用冒口、冷铁和补贴措施。第三节铸造内应力、变形和裂纹1.热应力它是由于铸件的壁厚不均匀，各部分的冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致所引起的。热应力使应力的基本途径是尽量减少铸件各个部位间的温度差，使其均匀的冷却。减小与消除热铸造应力的方法：（1）铸件结构上应尽量使壁厚均匀对称（2）采用同时凝固（3）采用时效处理二、铸件的变形与防止对于长而易变形的铸件，还可以采用“反变形”工艺。反变形法是在统计铸件变形规律的基础上，在模样上预先作出相当于铸件变形量的“反变形量”以抵消铸件的变形。第二章常用合金铸件的生产第一节铸铁件生产一、灰铸铁灰铸铁是指具有片状石墨