材料成形技術(shù)基礎(第一篇)課件

1、材料成形技術(shù)基礎熱加工緒 論材料成形技術(shù)基礎是一門技術(shù)基礎課。主要講述各種加工方法本身的規(guī)律性及其在工業(yè)生產(chǎn)中的應用和相互聯(lián)系；金屬零件的加工工藝過程和結(jié)構(gòu)工藝性；常用金屬材料性能對加工工藝的影響；工藝方法的綜合比較等。第一篇 金屬材料導論金屬材料是機械工程中的主導材料，之所以被廣泛應用是因為其具有機械制造需要的各種性能，以及簡便的加工工藝方法和工藝性能。通常，在工程中不直接使用純金屬，而經(jīng)常使用合金，是因為合金具有良好的力學性能。合金是以金屬元素為基礎元素，加入其它的金屬或非金屬元素，經(jīng)熔煉而成的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)。制造機械零件的的合金應具有優(yōu)良的力學性能和工藝性能、較好的化學穩(wěn)定性和所需的

2、物理性能。所以，我們必須熟練的掌握它們。第一章 金屬材料的主要性能1金屬材料的力學性能一、強度與塑性拉伸圖：金屬材料在拉伸過程中測出的外力和伸長量之間的關(guān)系曲線。通過拉伸實驗可以測出材料的強度、塑性以及屈服點等指標。1金屬材料的力學性能拉伸試樣萬能拉伸試驗機1.強度：材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。（1）屈服強度：材料在外力的作用下，產(chǎn)生屈服時的應力值。它代表了材料抵抗微量塑性變形的能力,記為“s” ,或0.2。1金屬材料的力學性能Fs:試樣發(fā)生屈服時的載荷（N）；A0：試樣原始截面積(mm);1金屬材料的力學性能2.塑性材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形，而不破壞的性質(zhì)。通常，以、表

3、示。延伸率：材料拉伸斷裂后的殘余伸長率的百分比。斷面收縮率：材料拉斷后頸縮收縮率的百分比。5101金屬材料的力學性能二、硬度金屬材料抵抗更硬物質(zhì)壓入其內(nèi)的能力。常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度等。1金屬材料的力學性能一、布氏硬度用一定直徑的淬火鋼球，在一定的載荷作用下壓入工件表面，測得壓痕面積，用此面積的大小來代表材料硬度。1金屬材料的力學性能2.洛氏硬度壓頭為120角圓錐，和1.588mm淬火鋼球，外載荷為三種，588.4N; 980.7N;1471N;記為“HR”.洛氏硬度機1金屬材料的力學性能沖擊試驗原理圖1金屬材料的力學性能試樣參見GB/T229941金屬材料的力學性能試樣參見GB/T2

4、29941金屬材料的力學性能對于脆性材料的試驗一般不開缺口。沖擊值和許多因素有關(guān)，因此在工程上只能做參考指標，而不能做計算依據(jù)。通常，材料在使用中很少有一次性破壞，通常為，小能量多次沖擊破壞，經(jīng)大量試驗表明，材料抗小能量多次沖擊的能力取決于材料的強度。沖擊值對組織很敏感，它能明顯的反映出材料品質(zhì)、宏觀缺陷和顯微組織等方面的變化，因此，沖擊試驗用來檢驗冶煉、熱加工、熱處理等工藝質(zhì)量是有效地方法。沖擊試驗機1金屬材料的力學性能四、疲勞強度金屬材料抵抗循環(huán)載荷破壞的能力。2金屬材料的物理、化學及工藝性能一.物理性能密度、熔點、熱膨脹性、導電性和磁性等。 二.化學性能金屬材料在常溫或高溫下，抵抗各種介

5、質(zhì)侵蝕的能力。如耐酸性、耐堿性、抗氧化性等。 三.工藝性能鑄造性、可鍛性、焊接性、切削加工性等。第二章 鐵碳合金1純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變一、金屬的結(jié)晶金屬是晶體結(jié)晶：金屬內(nèi)部原子由無序向有序排列轉(zhuǎn)變的過程。冷卻曲線、理論結(jié)晶溫度、實際結(jié)晶溫度、過冷度。1純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬晶粒的粗細對金屬性能有很大影響一般來說，成分相同的金屬，晶粒越細，則強度、硬度越高，且塑性、韌性越好。這叫“細晶強化”。細化鑄態(tài)金屬晶粒的途徑有：（1）加快冷卻速度，以增加晶核數(shù)目。（2）變質(zhì)處理，增加外生核數(shù)目。另外，通過熱處理或壓力加工也可以細化晶粒。1純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變二、純鐵的晶體結(jié)

6、構(gòu)晶格；晶胞；晶格常數(shù)；晶面、晶向；1純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的晶格有體心立方和面心立方。（a）體心立方晶格；(b)面心立方晶格；1純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)⒓冭F的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異晶性；同素異晶轉(zhuǎn)變；2鐵碳合金的基本組織合金：以一種金屬元素為基礎，加入金屬或非金屬元素，經(jīng)熔煉而成的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)。組成合金的基本單元稱為“組元”。相：在合金中，凡化學成分和結(jié)晶構(gòu)造相同，與其它部分有界面分開的均勻組成部分，稱為“相”。組織；在顯微鏡下可以觀察到的，結(jié)晶規(guī)律相同的部分，稱為“組織”。鐵碳合金的基本組織有：固溶體、化合物、機械混合物三種類型。2鐵碳合金的基本組織一、固溶體溶質(zhì)原

7、子溶入溶劑晶格，仍保持溶劑晶格類型的金屬晶體，稱為“固溶體”。根據(jù)溶質(zhì)原子的位置固溶體有：間隙固溶體、置換固溶體。根據(jù)溶解度又可分為：有限固溶體、無限固溶體。2鐵碳合金的基本組織鐵碳合金中的固溶體有1.鐵素體 (ferrite) 代表符號“F”.碳溶解于Fe中形成的固溶體。體心立方晶格；最高存在溫度912最大碳含量727時，0.0218c；600時，0.006；室溫0.0008c；力學性能：HBS80；4550;b=250MPa顯微形貌：邊界較圓潤的明亮的多邊形晶粒。2鐵碳合金的基本組織鐵素體顯微形貌2鐵碳合金的基本組織2.奧氏體 （Austenite） 代表符號“A”碳溶解于Fe中形成的固溶

8、體。面心立方晶格；最低存在溫度727；最大含碳量1148時，2.11c；727時含碳量0.77；力學性能：強度、硬度較低，塑性較好，易于變形。（4550%）顯微形貌：邊界較平直且明亮的多邊形，晶粒中經(jīng)常出現(xiàn)退火孿晶。2鐵碳合金的基本組織奧氏體顯微形貌2鐵碳合金的基本組織二、金屬化合物金屬化合物是：組成合金各組員按一定的整數(shù)比經(jīng)化合而成的，具有金屬性質(zhì)的新物質(zhì)。復雜晶格，一般具有硬而脆的性質(zhì)。鋼中的金屬化合物為“滲碳體”。2鐵碳合金的基本組織滲碳體 （Cementite）代表符號Cm或Fe3CFe和C經(jīng)化合而成的金屬化合物。復雜斜方晶格；最高存在溫度：1127；力學性能：硬而脆，HB800；、k

9、0顯微形貌：平衡滲碳體分為五種形貌，F(xiàn)e3CI、Fe3CII、Fe3CIII、Fe3C共晶、Fe3C共析；非平衡滲碳體有片狀、球狀等。2鐵碳合金的基本組織顯微組織形貌Fe3CI 板狀，由液體中直接結(jié)晶。Fe3CII 網(wǎng)狀，由奧氏體中析出。Fe3CIII 微量，由鐵素體中析出。Fe3C共析 片狀，共析反應生成。Fe3C共晶 蜂窩狀，共晶反應生成。2鐵碳合金的基本組織一次滲碳體顯微組織圖2鐵碳合金的基本組織二次滲碳體顯微組織圖2鐵碳合金的基本組織三次滲碳體顯微組織圖2鐵碳合金的基本組織共析滲碳體顯微組織圖2鐵碳合金的基本組織共晶滲碳體顯微組織圖三、機械混合物組成合金的各組元，既不互溶，又不行成化合

10、物，而是按一定的重量比機械的混合在一起，形成的混合組織。機械混合物的各相保持各自的結(jié)晶學結(jié)構(gòu)，力學性能介于各組成物之間，同時還取決于各組成物的性能、比例、形狀、大小和分布狀況等情況。2鐵碳合金的基本組織2鐵碳合金的基本組織鐵碳合金中機械混合物主要有：1.珠光體 （Pearlite）代表符號“P” F和Fe3C組成的機械混合物。平均碳含量：0.77c最高存在溫度727。力學性能：b750MPa；硬度:180HBS；2025、k3040J/cm2。顯微組織形貌：片層狀。2鐵碳合金的基本組織2.萊氏體(Ledeburite) 代表符號“Ld”分為高溫萊氏體、室溫萊氏體。1）高溫萊氏體（Ld）A和Fe

11、3C共晶組成的機械混合物。最高存在溫度1148，最低存在溫度7272）室溫萊氏體（Ld)P和Fe3C共晶組成的機械混合物。最高存在溫度727。平均含碳量4.3，力學性能：極為硬脆。HB700。、03 鐵碳合金狀態(tài)圖合金狀態(tài)圖：表示材料在結(jié)晶過程中，成分、溫度及結(jié)晶組織之間關(guān)系的簡明圖解。鐵碳合金是以鐵為基礎元素加入碳經(jīng)熔煉而成的具有金屬性質(zhì)的工程材料。實際的鐵碳合金是鐵和Fe3C組成的合金。最大含碳量小于6.69c，再高含碳量的鐵碳合金再工業(yè)生產(chǎn)中以無使用意義。3 鐵碳合金狀態(tài)圖3 鐵碳合金狀態(tài)圖一、鐵碳合金狀態(tài)圖的建立（1）配置不同成分的鐵碳合金3 鐵碳合金狀態(tài)圖（2）做冷卻曲線，找出臨界點

12、，并將各臨界點畫入成分溫度坐標中。（3）將其連線，如下圖。3 鐵碳合金狀態(tài)圖二、鐵碳合金狀態(tài)圖的分析鐵碳圖中的特性點的分析3 鐵碳合金狀態(tài)圖各特性線的含義（1）ACD線，液相線。（2）AECF線，固相線。（3）GS線，冷卻過程中，F(xiàn)析出線。A3線。（4）ES線，冷卻過程中，F(xiàn)e3C析出線。Acm線。（3）、（4）線又是A成分轉(zhuǎn)變線。（5）PQ線，碳在鐵素體中的溶解度曲線，也是 Fe3CIII的析出線。（6）ECF線，共晶線。（7）PSK線，共析線。3 鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金在冷卻過程中的兩個重要反應。共晶反應：共析反應：根據(jù)鐵碳合金成分分類：（1）0.0218c以下為工業(yè)純鐵；（2）0.021

13、82.11%c為鋼；（3）大于2.116.69c為鑄造生鐵；根據(jù)組織組成物分類：（1）F+少量的Fe3CIII為工業(yè)純鐵。（2）有P,但沒有萊氏體為碳素鋼。（3）組織中有萊氏體，為鑄造生鐵。3 鐵碳合金狀態(tài)圖3 鐵碳合金狀態(tài)圖鋼根據(jù)含碳量分類：0.77c,共析鋼；0.02180.77c亞共析鋼；0.772.11c過共析鋼；根據(jù)組織組成物分類：F+P，亞共析鋼；P100%,共析鋼；P+Fe3CII過共析鋼；3 鐵碳合金狀態(tài)圖鑄造生鐵按成分分類：（1）2.114.3c 亞共晶鑄鐵；（2）4.3c 共晶鑄鐵；（3）4.36.69c 過共晶鑄鐵；按組織分類：（1）P+Ld+Fe3CII 亞共晶鑄鐵；（

14、2） Ld 共晶鑄鐵；（3） Ld+Fe3CI 過共晶鑄鐵；3 鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金的典型合金I 共析鋼II 亞共析鋼III 過共析鋼3 鐵碳合金狀態(tài)圖三、鋼在結(jié)晶過程中的組織轉(zhuǎn)變1. I 共析鋼結(jié)晶過程圖3 鐵碳合金狀態(tài)圖共析鋼顯微組織圖3 鐵碳合金狀態(tài)圖2. II 亞共析鋼結(jié)晶過程圖3鐵碳合金狀態(tài)圖亞共析鋼顯微組織圖3. III 過共析鋼結(jié)晶過程圖3 鐵碳合金狀態(tài)圖3 鐵碳合金狀態(tài)圖過共析鋼顯微組織圖3 鐵碳合金狀態(tài)圖亞共晶鑄鐵3 鐵碳合金狀態(tài)圖共晶鑄鐵3 鐵碳合金狀態(tài)圖過共晶鑄鐵4工業(yè)用鋼簡介鋼是含碳小于2.11的鐵碳合金。是機械工業(yè)中應用最廣的材料之一，是現(xiàn)代工業(yè)的主導材料。一、鋼的

15、分類：1.按化學成分分類2.按用途分類3.按質(zhì)量分類4.按脫氧程度分類歸納如下：4工業(yè)用鋼簡介鋼類別樹狀圖4工業(yè)用鋼簡介二、碳素鋼碳素鋼是各種鋼的基體材料，將其加入合金元素即構(gòu)成各種合金鋼。右圖為碳對碳素鋼的性能的影響。4工業(yè)用鋼簡介碳素鋼分為三類：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，牌號QAFQ,16mm試樣最低屈服強度。質(zhì)量等級：A、B、C、D四級。脫氧程度F、BZ、Z、TZ。如：Q235-A FQ235屈服強度235MPa；AA級質(zhì)量；F 沸騰鋼；普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。4工業(yè)用鋼簡介(2)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼S0.045 、P0.04；牌號：兩位數(shù)字；含義：該數(shù)字的萬分之一的百分數(shù)為該材料的碳含量。如：45，含碳量0.

16、45c。高級優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，在該牌號后面“A”。表示該材料S、P含量0.03。4工業(yè)用鋼簡介（3）碳素工具鋼工具鋼通常都采用優(yōu)質(zhì)鋼或高級優(yōu)質(zhì)鋼，因此氣硫、磷含量均低。碳素工具鋼牌號“T”打頭，后面跟著腳號，其腳號的千分之一的百分數(shù)表示改材料的碳含量。如：T7、T8、T12等。分別代表氣含碳量為0.7c、0.77c、1.2c。高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼的牌號，在優(yōu)質(zhì)工具鋼的后面“A”。如T8A；T10A；等。代表其S、P分別0.03。4工業(yè)用鋼簡介三、合金鋼 以鐵碳合金為基礎加入其它的合金元素，經(jīng)熔煉而成的具有某些特殊性能的鋼。注意一般鋼中都含有碳、硅、錳、硫、磷。五大元素，其中SP是雜質(zhì)元素，硅大于0

17、.5，錳大于1可作為合金元素，小于此數(shù)值也做雜質(zhì)元素處理。合金鋼根據(jù)用途也分為：合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼、特殊性能鋼三大類。根據(jù)質(zhì)量也分為：普通級、優(yōu)質(zhì)級和高級優(yōu)質(zhì)級。1.合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)質(zhì)量分為三類：普通低合金高強度鋼，普通質(zhì)量級別，合金元素含量小于5。如16Mn、o9MnVB等。優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，優(yōu)質(zhì)質(zhì)量級別，如20Cr、40Mn2、30CrMnSi、38CrMoAl等。高級優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，高級優(yōu)質(zhì)質(zhì)量級別，如38CrMoAlA、18CrNiNbA等。牌號：兩位數(shù)字+元素符號+數(shù)字。4工業(yè)用鋼簡介4工業(yè)用鋼簡介含義：兩位數(shù)字的萬分之一百分數(shù)代表碳含量。元素符號代表合金元素種類，后面數(shù)字

18、的百分數(shù)代表合金元素含量。牌號中合金元素的含量小于1.5時，只給出該元素符號，而不給出后面的數(shù)字(含量)。高級優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號，在優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼鋼牌號后面加“A”來表示。4工業(yè)用鋼簡介2.合金工具鋼合金工具鋼分為刃具鋼、量具鋼、模具鋼。適合制造形狀復雜、尺寸較大、切削速度較高或工作溫度較高的工具或模具。合金工具鋼的牌號和合金結(jié)構(gòu)鋼類似，但含碳量小于1時以一位數(shù)字表示，該數(shù)字的千分之一的百分數(shù)代表該合金的含碳量。含碳量大于1時，在牌號中不予表示。另外，合金鋼中合金元素5的為低合金鋼，510的為中合金鋼，10的為高合金鋼。4工業(yè)用鋼簡介3.特殊性能鋼特殊性能鋼在某些條件下，為了某些特殊性能而設計的

19、材料。主要有：不銹鋼、耐熱鋼、磁鋼、耐磨鋼等。如2Cr13、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9Ti等。牌號特點：合金元素的含量和合金結(jié)構(gòu)鋼類似，而含碳量需特殊記憶。某些特殊鋼材、專用鋼材其牌號無特點可尋，需逐一記憶。如GCr15、20G等。4工業(yè)用鋼簡介常用碳素鋼的化學成分和力學性能5零件選材的一般原則1.滿足零件的工作性能要求；2.滿足材料的加工工藝性能要求；3.重視經(jīng)濟性；作業(yè)：P26 (1)、(2)、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）、（8）。第三章 鋼的熱處理1概 述熱處理：鋼在固態(tài)下，通過加熱、保溫和冷卻的方法，通常不改變外形的條件下，改變其內(nèi)部組織，從而獲得所需性能的工藝方

20、法。熱處理工藝曲線：1 概 述熱處理分類：1 概 述加熱或冷卻時各臨界點的位置變化2 退火和正火一、退火將鋼加熱、保溫，然后隨爐或埋入灰中使其緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。退火的目的：（1）降低硬度，以利于機械加工。（2）細化晶粒，提高鋼的塑性和韌性。（3）消除應力，為淬火工序作好準備。2 退火和正火（1）完全退火將鋼加熱到完全奧氏體溫度（AC3線以上3050），保溫后緩慢冷卻，以得到珠光體組織的工藝方法。完全退火只適用于亞共析鋼，不能對過共析鋼進行完全退火。（2）球化退火 只適用于過共析鋼。將鋼加熱到AC1以上2030，保溫足夠時間然后，緩慢冷卻到Ar1以下2030。冷至500以

21、下，出爐空冷至室溫。球化退火的目的是：使?jié)B碳體球化，降低硬度，改善切削性能，并為淬火做好準備。2 退火和正火（3）低溫退火 將鋼加熱到AC1以下，保溫后緩冷，以消除應力。低溫退火分為兩種：1）消除應力退火（時效）2）再結(jié)晶退火2 退火和正火二、正火將鋼加熱到AC3以上3050（亞共析鋼）或ACcm以上3050，保溫后在空氣中冷卻，得到比退火更細的珠光體組織的熱處理工藝。正火的目的：正火的目的和退火基本相似，但正火得到的珠光體更細，稱為索氏體（或細珠光體）。正火的作用（1）取代部分完全退火；（2）用于普通結(jié)構(gòu)件的最終熱處理；（3）消除過共析鋼網(wǎng)狀碳化物，為球化退火作準備。2 退火和正火退火和正火

22、的加熱溫度范圍3 淬火和回火一、淬火將鋼加熱到AC3或AC1以上3050，保溫后在淬火介質(zhì)中迅速冷卻，以獲得馬氏體組織的熱處理工藝。淬火的目的：提高材料的硬度、強度。增加耐磨性。3 淬火和回火馬氏體組織是過飽和的固溶體，體心正方晶格，其正方度由碳的過飽和程度決定，正方度越大，則馬氏體的硬度越高，但同時脆性越大，其中針狀馬氏體的亞結(jié)構(gòu)是孿晶結(jié)構(gòu)，而板條馬氏體的亞結(jié)構(gòu)是位錯結(jié)構(gòu)，通常，高碳馬氏體含碳量為大于0.6c，低碳馬氏體含碳量為0.2c。0.20.6之間為混合馬氏體。3 淬火和回火馬氏體的比容較奧氏體大，因而馬氏體的形成過程中，產(chǎn)生體積膨脹，繼而，造成淬火內(nèi)應力。易引發(fā)裂紋。因此淬火應注意：（1）嚴格控制淬火加熱溫度。（2）合理選擇淬火介質(zhì)。（3）正確選擇淬火方法。3 淬火和回火淬火加熱溫度范圍二、回火將淬火鋼重新加熱到AC1以下某溫度，保溫后冷卻的熱處理工藝，稱為“回火”?；鼗鸬哪康模合慊饍?nèi)應力，以降低淬火內(nèi)應力，防止產(chǎn)生裂紋，獲得所需的力學性能。淬火根據(jù)溫度不同可分為三種類型:(1)低溫回火；（2)中溫回火;（3 )高溫回火;3 淬火和回火3 淬火和回火(1)低溫回火：溫度150250目的：保持