金属工艺学

1金属工艺学主讲：马中全副教授实习学时：160实验学时：6讲课学时：26山东建筑大学工程训练中心2金属工艺学马中全3绪论★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4★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5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6沧州铁狮铸造于公元953年。铁狮子通高5.78米，身长6.5米，体宽3.17米，重约40吨7本课程的性质和目的是高等工科院校机械类专业必修的一门专业技术基础课。2、目的：a获得有关金属热处理、金属材料的基本知识。b熟悉常见金属材料的牌号、性能特点及应用；了解它们之间成分、组织、性能、热处理的关系。c具有选择零件材料的能力，确定加工工艺路线的能力。d为后续课程和从事技术工作打下基础。1、性质：特点：杂，多，广，逻辑性差。本课学习方法是：预习、笔记、复习、讨论问题本教材的重点：常见的材料牌号及应用，钢的热处理8第一章金属材料的力学性能Mechanicspropertiesofmetals金属材料的性能〈使用性能—力学、物理、化学工艺性能—铸造、锻压、焊接、切削加工力学性能：受外力作用下所表现出的性能。不能说：机械性能判据如：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等第一节强度与塑性一、强度strength概念：强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂的能力。通过拉伸试验测得大小。见教材P5强度判据：屈服点（屈服强度）、抗拉强度9L0LKd0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：bkse拉伸力FO伸长量△LFsFbFe低碳钢的力—伸长曲线FF0AFbb%10000LLLk0AFss10说明：—单位面积上的内力称应力。读[sigm]L—长度Length单位：mmA—截面积Area单位：mm2F—外力Force单位：Ns—屈服点的值单位：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◆抗拉强度概念：试样拉断前所承受的最大拉应力。用符号：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。MPaAFbb011补充资料：GB/T228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》规定：断后伸长率A表示；断面收缩率Z表示；屈服强度Re表示；抗拉强度Rm表示；此规定代替GB228---87，从2002年7月执行。12二、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]%100XLoLoLk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。、Ψ越大，材料的塑性越好。通常认为5%脆性材料。Ψ13第二节硬度Hardness硬度—是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是衡量材料软硬程度的判据。一、布氏硬度BrinellHardness用符号：HB表示N/mm2(Kgf/mm2)。说明：1、压头为淬火钢球用HBS表示，数值∠450用于测量有色金属、退火或正火钢件、灰铸铁材料。2、压头为硬质合金用HBW表示，数值450—650生产中一般不用HBW来测量材料的硬度。3、表示法：数字在前、字母在后。如200HBSI50HBS～175HBS；标注时不要写成HBS=200，或HBS=150～175，或500HBS，不要出现单位；数值差不要超过30。4、不宜测量薄件、成品件。因压痕大。S—steel（钢）凹AFHBFD工件压头：钢球或硬质合金d14二、洛氏硬度RockwellHardness原理是用120°的金刚石圆锥或尺寸很小的淬火钢球作为压头，在一定的压力作用下，压入材料表面，在指示盘上显示出硬度值大小。常用的是用符号HRC表示。没有单位。注：GB/T230—91规定有九种表示硬度方法，常见的有A、B、C三种，如HRA、HRB、HRC、HRD、HRE等，因施加压力和压头材料不同而出现了不同的标尺A、B、C、D、E等说明：1、数字在前、字母在后，如45HRC；35HRC～38HRC2、HRC适用范围数值20～70；小于或大于这个范围均为标注错误！如17HRC；75HRC；HRC=15～19等。3、在图纸标注时注意数值差应≯5，否则为标注错误。4、适用于测量硬度较高的材料，如淬火钢件；测量成品件或半成品件。因压痕较小。压头直径1.587mm。15补充标准：国家标准工程建设（GBJ）；国家计量技术法规（JJG）；山东省企业标准（Q/）；城建行标（CJ、CJJ）；建材行标（JC）；建工行标（JG、JGJ）；山东省地方标准（DB37）；冶金行标（YB、YBJ）；国际标准化组织标准（ISO）；InternationalStandardsOrganization120°Fh工件压头16第三节冲击韧性与疲劳强度Impacthardnessandfatiguestrength一、韧性韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力。韧性的判据通过冲击实验来测定。1.摆锤式一次冲击实验GB229—94规定：将材料制成带有V型缺口标准冲击试样。用符号：AKV表示J/cm2见教材P9图1—6说明：韧性值与温度有关；在20℃左右可不显脆性，温度降低后韧性值减小，易脆断。如：碳钢—20℃以下，易发生脆断。此时的温度称——脆性转变温度。2.多次冲击试验——小能量多次冲击注：冲击能量小时，取决于材料的强度；冲击能量大时，取决于材料塑性。二、疲劳强度——用符号：σ-1（教材P10自己看）17复习与思考题：1、某厂购进一批钢材，从中制取d0=10mm的圆形截面短试样，经拉伸实验后，测得Fb=33.81KN,Fs=20.68KN,Lk=65mm,dk=6mm.试问这批钢材的力学性能是否合格？（注：GB699—88规定此种钢材的力学性能判据：b=375MPa；s=225MPa;5=27%;=55%)。2、下列硬度要求或写法是否恰当？为什么？（1）HRC12～17；（2）HRC=50～60Kgf/mm2；（3）500～530HBS；（4）70HRC～75HRC；（5）230HBW；3、整体硬度要求230HBS～250HBS的轴类零件，精加工后再抽查，应选用什么硬度计测量硬度较合适？4、一紧固螺钉在使用过程中发现有塑性变形，是因为螺钉材料的力学性能哪一判据的值不足？5、用洛氏硬度试验方法能否直接测量成品或教薄工件？为什么？18第二章金属材料的基础知识第一节金属的晶体结构一、晶体结构的基本概念BaseknowledgeoftheMetallicmaterical1.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——①有熔点；②具有各向异性。如：食盐，冰，金刚石，金属等。非晶体——①无熔点；②各向同性。如：玻璃，松香，沥青等。19二、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202.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。abc晶胞示意图原子3.晶格常数——a,b,ca=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。213.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。abCa=b＜c4.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—43πr3a3结果：体心=0.68面心=0.74六方=0.74原子半径r=43a22三、金属的实际晶体结构(教材20页三)（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232、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24第二节合金的相结构一、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、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”。254、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。26◆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①置换固溶体——溶质原子替换晶格上的原子②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27◆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→Fe3C28◆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，σ、HB↗↗，δ、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。29第三节纯金属的结晶一、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ΔT℃T0T1