工程材料及熱加工—工程材料的基礎(chǔ)知識(shí)

1、工程材料的基礎(chǔ)知識(shí) 工程材料的分類 鋼鐵生產(chǎn)簡(jiǎn)介 金屬材料的性能金屬的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶一、工程材料的分類1、按用途分：建筑工程材料；機(jī)械工程材料；電子工程材料2、按原了聚集狀態(tài)分：?jiǎn)尉w；多晶體；非晶體3、按原了鍵合特點(diǎn)分：金屬材料；非金屬材料；復(fù)合材料(1) :純金屬和以金屬元素為主的合金1、黑色金屬：Fe、Mn、Cr及其合金2、有色金屬：(2) 金屬材料1、有機(jī)高分子材料：C, H；塑料、橡膠、纖維2、無機(jī)材料：不含C, H；陶瓷(3) 由兩種或兩種以上的不同性質(zhì)或不同組織結(jié)構(gòu)的材料以微觀或宏觀的形式結(jié)合在一起而構(gòu)成。二、鋼鐵生產(chǎn)簡(jiǎn)介鋼鐵是以鐵和碳為主要組成元素，同時(shí)還含有Si、Mn、S、P

2、等元素 的合金。包含鋼和生鐵。生產(chǎn)過程：pi鋼鐵生產(chǎn)過程鍛件下注aiT上注連鑄坯鋼管軋機(jī)型鋼軋機(jī)pi鋼鐵生產(chǎn)過程1 煉鐵：實(shí)質(zhì)：鐵的化合物的還原。煉鐵方法：設(shè)備：高爐原料：鐵礦石、焦炭、和熔劑。/鐵礦石：是主要的煉鐵原料，一般有磁鐵礦(Fe3O4)、亦鐵礦(Fe2O3)、 褐鐵礦(2Fe2O3.3H2O)、菱鐵礦(FeC03)。礦石中除鐵的化合物外，還 含有硅、猛、磷、硫等的化合物，這些統(tǒng)稱為脈石。/焦炭：為煉鐵提供熱源；焦炭不完全燃燒產(chǎn)生的CO氣體作為還原劑，將 鐵從礦石中還原出來。/熔劑：主要是石灰石(CaCO3)和螢石(CaF2),其作用是與鐵礦石中的脈 石結(jié)合形成熔點(diǎn)較低、密度小、流動(dòng)

3、性好的熔渣，并與鐵液分離，以便 獲得較純凈的生鐵液。原理、過程：/煉鐵時(shí)爐料按一定比例從高爐的頂部加料口裝入爐內(nèi)；由爐子下 部的風(fēng)口吹入熱空氣，使焦炭燃燒產(chǎn)生熱量和co氣體，co氣體 在上升過程中與鐵礦石相接觸，將鐵礦石還原成海綿鐵。礦石與 燃料中的部分元素(如C、Si、Mn、P、S)在高溫下溶于鐵中形成 生鐵液，與爐渣分離后，從高爐底部的出鐵口流出。/生鐵液可直接送煉鋼爐內(nèi)冶煉成鋼，也可澆成生鐵錠作為煉鋼或 鑄造的原料。生鐵高爐的主要產(chǎn)品是生鐵。分為煉鋼生鐵和鑄造生鐵兩類。/煉鋼生鐵中硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(Wsi125% 3.2%),斷口呈灰黑二、煉鋼1、鋼與生鐵的區(qū)別：朮分差異生鐵很少直接用于

4、制造零件。（含有較多的碳和雜質(zhì)元素，使得生鐵 的加工性能差，力學(xué)性能低，不能滿足加工和使用要求。）煉鋼的實(shí)質(zhì)是通過氧化降低生鐵中的碳與雜質(zhì)元素的含量，使之達(dá)到 有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的成分和性能。2、煉鋼方法煉鋼方法：主要有轉(zhuǎn)爐煉鋼和電爐煉鋼等。煉鋼原料：生鐵、廢鋼、熔劑（石灰石等）、脫氧劑（硅鐵、鎰鐵、鋁等）、 合金料等。煉鋼過程：主要包括氧化、造渣、脫氧等。/氧化過程：碳及雜質(zhì)元素與氧化劑反應(yīng)生成各種氧化物。/造渣：熔劑與各種氧化物結(jié)合，形成密度小、熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好 的爐渣，并與鋼液分離；/脫氧：在煉鋼的后期加入脫氧劑，使殘留在鋼液中的氧與脫氧劑 “反應(yīng)，并使生成的化瞬物進(jìn)入爐渣去除。宀(1) 轉(zhuǎn)爐

5、煉鋼氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐是最常用的煉鋼方法。原理：它主要以生鐵液為原料，加適量的廢鋼，吹入氧氣使生鐵液中 的碳和部分雜質(zhì)元素氧化，從而降低鋼中的碳及雜質(zhì)元素的含量。轉(zhuǎn) 爐煉鋼依靠生鐵液的余熱和氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量提供冶煉熱源。特點(diǎn)：氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)率高、節(jié)省能源、成本低，適合于大型鋼鐵 聯(lián)合企業(yè)，主要生產(chǎn)各類普通用途的非合金鋼(碳鋼)。(2) 電爐煉鋼電爐煉鋼有電弧爐煉鋼、感應(yīng)爐煉鋼等方法，常用的是電弧爐煉鋼。它以轉(zhuǎn)爐鋼和廢鋼作原料、以鐵礦石和純氧作氧化劑，以電極與金屬 爐料間的電弧熱提供冶煉熱源。電弧爐冶煉溫度高(可達(dá)2 000C), 能冶煉含有高熔點(diǎn)合金元素的合金鋼。特點(diǎn)：采用的爐料較純凈，冶煉過程

6、容易調(diào)節(jié)，化學(xué)成分易控制，能 夠冶煉咼級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼和合金鋼。但電弘爐煉鋼耗電量人，成本咼?，F(xiàn)代煉鋼中，主要的煉鋼方法只在爐內(nèi)完成熔化和初調(diào)成分的功能，而 鋼的精煉和合金化是在爐外精煉裝備中完成的。爐外精煉可完成脫碳、 脫氧、脫硫、脫磷及去除其他有害雜質(zhì)等功能，使鋼的化學(xué)成分、組 織結(jié)構(gòu)與性能達(dá)到更高的要求。3、鋼的澆注鋼液經(jīng)脫氧處理后，可澆注入鋼錠?；蜻B鑄機(jī)的結(jié)晶器，澆成鋼錠或 鋼坯。脫氧工藝與脫氧程度對(duì)鋼的結(jié)構(gòu)、性能有密切聯(lián)系。按脫氧程度不同，將鋼分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼。(1) 沸騰鋼脫氧劑；弱脫氧劑(鎰鐵)特點(diǎn)：鋼錠內(nèi)充滿氣孔，組織疏松。沸騰鋼生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，鋼錠頭部無 集中縮孔，成材率高

7、，軋制的板材表面質(zhì)量好。(2) 鎮(zhèn)靜鋼脫氧劑；足量的脫氧劑和強(qiáng)脫氧劑(加入硅鐵、鋁)。特點(diǎn)：內(nèi)部組織致密，性能較好，但鋼錠頭部最后凝固處有倒錐形的集 中縮孔，加工時(shí)需切除，使成材率下降。(3) 半鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度介于鎮(zhèn)靜鋼與沸騰鋼之間。三、鋼材生產(chǎn)生產(chǎn)方法：鋼錠或鋼坯經(jīng)（軋制、拉拔、擠壓等）得到各種形狀和規(guī)格的鋼材（鋼板、型鋼、鋼管、鋼絲等）。目的：壓力加工改變鋼材的形狀和尺寸。消除鑄態(tài)鋼錠或鋼坯中的粗大組織、孔隙等，使鋼材的性能改善。1、鋼板加工方法：軋制分類：厚板、中板、薄板和鋼帶。厚板大于25；中板為425mm；薄板小 于4mm；鋼帶的寬度較窄，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，一般成卷供應(yīng)。熱軋板和冷軋板。鋼板

8、還可進(jìn)行各種表面處理，如鍍鋅、鍍錫、鍍鉛、塑料復(fù)合等。2、型鋼加工方法：軋制。種類：按截面形狀分為：簡(jiǎn)單截面（圓鋼、方鋼、扁鋼、六角鋼、八角鋼等） 和復(fù)雜截面（工字鋼、槽鋼、角鋼、T型鋼等）兩類。按鋼種分：普通型鋼和優(yōu)質(zhì)型鋼。3、鋼管種類：按生產(chǎn)方法可分為：無縫管和有縫管（焊管）。無縫鋼管是用斜軋穿孔機(jī)將實(shí)心鋼坯穿孔后，再經(jīng)冷拔或熱軋而制成, 分冷拔管和熱軋管。能承受較高壓力，主要用于石油、化工等行業(yè)。有縫鋼管是用鋼板或鋼帶卷制成形，然后焊接而成，分直縫焊管和螺 旋焊管。應(yīng)用廣泛，主要用作自來水管、煤氣管等低壓管道。4、鋼絲加工方法：用直徑為69mm的熱軋線材（盤條）拉拔而成。退火的低碳鋼絲可

9、用于捆扎物體、也可編織成各種用品。高碳鋼絲可制成各種彈簧，或用多根鋼絲捻成合股的鋼絲繩和鋼索, 用于吊索和固定物體等。不同規(guī)格的一些產(chǎn)品型式錠坯鋼鋼棒材棒材軋機(jī)線材和.線材線材拔絲機(jī)線材產(chǎn)品軋機(jī)焊管坯焊管坯軋機(jī)材軋機(jī)熱軋板卷王字鋼 角鋼丁型鋼7型鋼槽鋼 樁基材標(biāo)準(zhǔn)鋼軌吊車鋼軌 聯(lián)結(jié)梁板材鋼絲網(wǎng)鋼管/ 0 方鋼六角鋼跌釘三角型材半圓材鋼絲繩注意：其他管道產(chǎn)品包括 用鋼板焊的大直徑 鋼管或用熱軋和冷 軋帶電阻焊的管件熱軋板-帶冷軋機(jī)冷軋板、帶薄板板卷圖1-2鋼材生產(chǎn)工藝流程三、金屬材料的性能工藝性能：適應(yīng)加工的能力。使用性能：保證正常工作應(yīng)具備的性能。1、力學(xué)性能材料的力學(xué)性能是指材料在外加載荷和

10、環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)）聯(lián)合 作用下所表現(xiàn)的。這些性能指標(biāo)是材料設(shè)計(jì)、材料選用、丄藝評(píng)定以及材料檢驗(yàn)的重要 依據(jù)。衡量指標(biāo)：強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞極限、斷裂韌度-定義：是指在外力作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力。-分類：、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等。測(cè)試方法：指標(biāo)：彈性極限oe、屈服強(qiáng)度。s、抗拉強(qiáng)度ob。拉伸試驗(yàn)：/應(yīng)力應(yīng)變曲線將圓柱形或板狀光滑試樣裝夾在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，沿試樣軸向以一定速度施加載荷，使其發(fā)生拉伸變形直至斷裂。通過力與位移傳感器可獲得載荷(F)與試樣伸長(zhǎng)量(A L)Z間的關(guān)系曲線，稱為O若將縱坐標(biāo)以應(yīng)力o(a= F/So, So為試樣原始截 面積)表示，橫坐標(biāo)以應(yīng)變(二1_/ L

11、 , L 為試樣標(biāo)距)表示, 則這時(shí)的曲線與試樣的尺寸無關(guān)，稱為O載荷傳感器/過程：彈性變形、塑性變形、斷裂%彈性模量:1、材料在彈性變形階段，應(yīng)力(o)與應(yīng)變(E)成正比關(guān)系，垢者的比值稱為彈性模量,記為EE =0/82它，其值愈大材料產(chǎn)生一定量的彈性變形所需要的應(yīng)力愈大，故工程上也稱E為材 料的 ，主要取決于材料的本性，反映了材料內(nèi)部原子 間結(jié)合鍵的強(qiáng)弱。彈性極限oe：1、材料發(fā)生彈性變形的最大應(yīng)力，高于此值材料開始發(fā)生 塑性變形。2、表征材料產(chǎn)生微量塑性變形的抗力。屈服強(qiáng)度os：1、在拉伸過程中，出現(xiàn)載荷不增加而試樣還繼續(xù)伸長(zhǎng)的現(xiàn) 象稱為屈服。屈服時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度。2、表征材料

12、發(fā)生明顯塑性變形時(shí)的抗力。3、工程中大多數(shù)零件都是在彈性范圍工作的，如果產(chǎn)生過 量的塑性變形就會(huì)使零件失效，所以屈服強(qiáng)度是零件設(shè)計(jì) 和選材的主要依據(jù)之一。抗拉強(qiáng)度ob：1、當(dāng)拉伸試樣屈服以后，欲繼續(xù)變形，必須不斷增加載荷。 當(dāng)載荷達(dá)到最大值Fb后，試樣的某一部位截面開始急劇縮 小，出現(xiàn)了 縮頸”，致使載荷下降，直到最后斷裂。試 樣能承受的最大載荷除以試樣原始截面積所得的應(yīng)力，稱 為抗拉強(qiáng)度。2、抗拉強(qiáng)度是材料在拉伸條件下能夠承受時(shí)的相應(yīng)應(yīng)力值，表征了材料對(duì)最大均勻變形的抗力。塑性-定義：斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形（塑性變形）的能 力叫塑性。測(cè)試方法：拉伸試驗(yàn)衡量指標(biāo)：斷后伸長(zhǎng)率（6和斷面收縮

13、率（屮）。L。-試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度；L廠試樣斷裂后標(biāo)距的長(zhǎng)度；So-試樣原始截面積；試樣斷裂處截面積。意義塑性加工硬度定義：是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)，是材料抵抗局部變形 的能力。測(cè)試方法：（布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、顯微硬度）方法：在力P的作用下把直徑為D的鋼球壓入被測(cè)材料，保持一定 吋間后卸除，測(cè)量壓痕平均直徑d。表示：用HB表示大小：布氏硬度值是載荷P除以壓痕（球冠）的面積。即:HB = P/S = 2P/ttDD - （D2-d2）1/2A應(yīng)用：這種方法只適合于測(cè)量HB 450的材料，及原料半成品的 測(cè)定。方法：、HRB和HRA表示：因所用壓頭和載荷不同又分為: 三種。大小：應(yīng)用：HRC 120金剛石錐體150kg 淬火鋼等m淬火鋼球1.59毫米Sg退火鋼及有色金屬壓頭是136。金剛石四棱錐體，測(cè)量出壓痕對(duì)角線，用此 值查表得硬度值，用HV表示。用來測(cè)量組織中某一相的硬度。壓頭和表示符號(hào)同上，但 所用載荷更小，只有幾克至兒十克。韌性（沖擊韌性）-定義：指金屬在斷裂前吸收變形能量的能力，通常用來評(píng) 定*才料扌氐抗沖擊的能另0衡量指標(biāo)：沖擊吸收功Ak測(cè)試方法：擺錘沖擊試驗(yàn)。疲勞疲勞現(xiàn)象：循環(huán)應(yīng)力作用下疲勞極限61 :循環(huán)應(yīng)力小于某一值后，試