工程材料概要.docx
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工程材料概要
绪论
一、本教材的内容及组织形式
1.了解学生先修课程情况(材料力学、工程材料、金工实习等)
2.运用实例介绍工程设计制造过程
3.介绍教材内容及组织形式
二、学习要求:
1.学习态度
2.课堂纪律
3.作业情
第一章金属材料结构与性能
第一节概述
一、金属材料分类
二、金属材料特性
共同点:
较高强度、良好塑性、高导电性导热性、金属光泽
三、金属材料性能
第二节金属材料的结构
一、金属的结晶
1.晶体:
纯金属+合金特征:
原子在空间的有规则排列
2.结晶过程
1)过冷度:
△T与冷却速度有关。
冷速越大,△T越大。
2)晶核形成和成长
晶粒大小和形核多少及晶核成长速度有关。
形核越多,长大速度越慢,则晶粒越细。
二、金属的晶体结构
晶体结构:
原子排列方式
1.晶格晶胞(边长为晶格常数,埃)
2.常见晶格类型
体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格
3.缺陷
空位和间隙、位错和晶界
三、合金的晶体结构
1.固溶体:
1)定义:
固态下,溶质原子溶剂,保持溶剂晶格
2)分类:
置换固溶体:
溶质原子置换溶剂原子
间隙固溶体:
溶质原子嵌入溶剂原子空隙
3)固溶强化:
2.金属化合物:
相互化合成新晶格,特点:
熔点高,硬度高,脆性大。
3.机械混合物:
≥两种组元或固溶体or:
固溶体+金属化合物,保持各自晶格,其性能取决于各组元的性能、相对数量、大小形状及分布。
第三节金属材料的机械性能
失效:
机械性能:
又称力学性能,指材料在外力作用下所显示的性能。
一、静载荷下的机械性能:
主要有强度、刚度、弹性、塑性、韧性硬度。
1.静拉伸试验:
应力——应变曲线
2.弹性与刚度:
刚度:
抵抗弹性变形能力(形状、尺寸、材料弹性模量E
E=σ/ε弹性:
产生弹性变形的能力(对应弹性极限σe的应变εe
3.强度:
抵抗塑性变形和断裂的能力。
σs:
屈服强度(屈服极限)
对屈服现象不明显(如高强度钢):
σr0.2(对应ε=0.2%)表示
▲形变强化:
σb:
抗拉强度,拉断前所承受的最大应力。
强度依据:
一般地,塑性材料:
σs脆性材料:
σb
4.塑性:
断裂前产生塑性变形的能力,延伸率:
δ=△L/L0,截面收缩率:
ψ=△F/F0
5.硬度:
硬物压入时的抵抗能力。
布氏硬度:
淬硬钢球HBS(W)=P/F
a)洛氏硬度:
120°锥角金刚石or:
1.588mm(1/16)淬硬钢球,HRA,HRBHRC
b)维氏硬度:
136°正四棱锥金刚石压头,HV=P/F特点:
载荷小,压入深度浅,适于成品、薄层检验。
二、动载荷下的机械性能:
主要有冲击韧性、抗疲劳性能
1.冲击韧性αk:
破裂前吸收的能量。
摆锤式冲击实验
第二章铁碳合金
第一节概述
一、钢:
<2.11%生铁:
>2.11%
二、铁碳合金图:
含碳量:
<6.67%;原因:
>5%,脆,无实用价值;Fe3C:
6.67%C,为一稳定化合物,可看作一组元。
第二节铁碳合金基本组织和性能
一、铁:
≤910℃:
α-Fe,体心立方晶格。
910~1390℃:
γ-Fe,面心立方晶格
铁素体:
碳溶于α-Fe中的固溶体,性能接近纯铁,强度、硬度低,塑性很好。
奥氏体:
碳溶于γ-Fe(溶解度大,0.77~2.11%)
二、渗碳体:
硬度高(HBS=800),塑性低,一定条件下分解为Fe+C
第三节铁碳合金状态图的分析
一、初次结晶过程
ACD:
液相线AECF:
固相线C:
共晶点
A:
纯铁熔点D:
Fe3C熔点ECF:
共晶线
共晶:
一定条件(温度、成分),同时结晶出两种不同晶体,形成一特殊共晶体组织(机械混合物)。
1.<2.11%(钢):
初次结晶后都由单一奥氏体组成。
2.2.11~4.3%(亚共晶生铁):
降至1147℃时剩余液体进行共晶转变,莱+奥,含碳量越接近于共晶成分,莱氏体越多,奥氏体下降。
3.4.3%(共晶生铁):
恒温(1147℃)结晶,全部形成莱氏体。
4.>4.3%(过共晶生铁):
1147℃时进行共晶转变,莱+Fe3C。
二、二次结晶
P:
共析点ES:
碳在γ-Fe中溶解度曲线GS:
冷却时奥氏体析出铁素体的转变线(同素异构转变)
共析转变:
1.<0.77%(亚共析钢):
常温组织:
铁素体+珠光体含碳量越高,则珠光体越多,则硬度、强度越高,塑性、韧性降低。
2.0.77%(共析钢):
珠光体,层片状组织,一层铁素体、一片渗碳体交替排列。
3.>0.77%(过共析钢):
常温组织:
渗碳体+珠光体。
含碳量越高,则渗碳体越多,则硬度越高,韧性降低。
4.生铁:
共晶生铁:
莱氏体珠光体+渗碳体(Ⅱ)
亚共晶生铁:
奥+莱氏体珠光体+渗碳体(Ⅱ)+莱氏体
过共晶生铁:
渗碳体(Ⅰ)+莱氏体莱氏体+渗碳体(Ⅰ)
第四节碳钢
一、碳及杂质对钢性能的影响
1.碳
亚共析钢:
含碳量越高,硬度、强度越高,塑性、韧性降低。
过共析钢:
含碳量越高,硬度越高,强度先高后低。
2.P:
冷脆性:
强度、硬度提高,塑性、韧性下降。
常温影响更显著。
含磷量加以限制。
3.S:
热脆性:
FeS与Fe形成共晶体,熔点985℃,多存在于晶界,在1000~1200℃锻、轧时易开裂。
含硫量加以限制
P、S优点:
使切易屑断,改善切削性能。
易断钢:
P(0.08~0.15%),S(0.15~0.5%)
4.Si:
强、硬度提高,熔于铁素体。
5.Mn:
熔于铁素体、Fe3C,强度、硬度提高,减少S钢的危害。
二、钢的分类
1.按含碳量分:
低碳钢:
≤0.25%。
中碳钢:
0.25~0.60%。
高碳钢:
>0.60%
2.按钢的质量分:
质量高低主要根据有害物质S、P含量分。
普通碳素钢:
S、P含量高,P≤0.045%,S≤0.050%,优质碳素钢:
S、P含量低,S、P≤0.035%,高级优质碳素钢:
S、P含量很低,P≤0.035%,S≤0.030%
3.按用途分:
碳素结构钢:
机械零件和工程结构,≤0.7%,碳素工具钢:
工具用钢,>0.7%
4.按冶炼脱氧程度分:
沸腾钢:
不脱氧;镇静钢:
完全脱氧。
优质钢和合金钢一般都是。
半镇静钢:
半脱氧。
三、碳素结构钢
1.普通碳素结构钢:
C:
0.06~0.38%P、S含量高,一般不需要热处理。
钢号表示法:
Q数字——质量等级·脱氧方法
其中:
Q:
屈服强度数字:
最低屈服强度数值,MPa质量等级:
由低到高分为A、B、C、D四级。
脱氧方法:
F:
沸腾钢,b:
半镇静钢,Z:
镇静钢,TZ:
特殊镇静钢
根据供应状态分两类:
A级:
保证力学性能其它:
保证力学性能,保证化学成分
2.优质碳素结构钢:
按化学成分和力学性能供应,常需热处理。
表示法:
两位数字MnF(b)
其中:
两位数字:
平均含碳量的万分之几。
Mn:
含Mn量高时标注(Mn:
0.70~1.20%)F:
沸腾钢,b:
半镇静钢
可以细分为:
冷冲压钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢。
四、碳素工具钢:
C:
0.65~1.35%
根据S、P,分优质碳素工具钢、高级优质碳素工具钢。
表示方法:
T数字MnA
T:
碳数字:
平均含碳量千分之几Mn:
含Mn量高时标注A:
高级优质碳素工具钢。
五、铸钢
C:
0.20~0.60%含碳量过高塑性差,易冷裂。
铸造碳钢:
ZG两组数字
两组数字:
最低屈服强度数值+最低抗拉强度数值。
铸造合金钢
ZG合金钢
铸造性能差:
流动性差,易产生分散缩孔,偏析严重,收缩率大,易开裂和变形
第五节铸铁
铸铁按其碳中存在形态,可分为以下几种:
(1)白口铸铁:
断口呈白色,以渗碳体形式存在。
冷硬铸铁:
(2)HT:
以自由状态的片状石墨存在,端口呈暗灰色。
(3)可锻铸铁:
以团絮状石墨存在。
白口铸铁经长时间高温退火处理(又称石墨化退火)而得到。
(4)球墨铸铁:
以自由态的球状石墨存在。
(5)蠕墨铸铁:
以蠕虫状石墨存在。
一、铸铁的石墨化及其影响因素
1.铸铁的石墨化铸铁中碳以石墨状态析出的过程称为铸铁的石墨化。
2.影响石墨化的因素
1)化学成分
C、Si:
促进石墨化元素。
碳当量:
控制铸铁组织和性能的主要措施。
S:
阻碍石墨化元素。
Mn:
阻碍石墨化元素。
P:
对石墨化影响不大。
2)冷却速度
冷却快,越易的道白口组织;冷却慢,越利于石墨化进行。
冷却速度受造型材料、铸造方法、铸件壁厚等因素的影响。
二、HT
3.HT的组织和性能
1)HT的化学成分和组织
根据化学成分和冷却速度对石墨化影响,HT可能出现三种不同基体的组织:
铁素体HT(铁素体+C)、珠光体HT(P+C)、铁素体珠光体HT(铁素体+P+C)
HT实际上是在钢的基提上分布了大量的片状石墨。
2)HT的性能
HT的抗拉强度和塑性大大低于相同基体的钢。
HT的抗压强度同相同基体的钢差不多。
HT的性能主要取决于基体的性能和石墨的数量、形状、大小和分布状况。
其中以细晶粒的珠光体基体和细片状石墨组成的HT的性能最优。
石墨组织的优点:
易断屑,良好的铸造性,减摩、减震,降低缺口敏感性。
4.
HT的孕育处理孕育铸铁(变质铸铁)目的:
细化和减少石墨片,提高HT的力学性能。
孕育剂:
促进石墨化的物质,主要有硅铁,硅钙合金。
使用适应适当调整其化学成分,降低C、Si含量,以减弱石墨化程度,避免石墨片数量过多和粗大。
5.HT的牌号及用途
HT数字
其中:
数字表示最抵抗拉强度,Mpa。
三、可锻铸铁:
俗称马铁。
可锻铸铁不可锻。
牌号:
KT类别+数字1——数字2其中:
类别:
H——黑心可锻铸铁,Z——珠光体可锻铸铁
四、球墨铸铁
6.球化孕育处理球化剂:
使C以球状石墨析出,强烈阻碍石墨化,易形成白口。
孕育处理:
以增加球状石墨数量,减小球径,圆整形状,使分布均匀。
7.牌号QT数字1——数字2
8.其中:
数字1:
最低抗拉强度数字2:
最低延伸率
五、蠕墨铸铁
1.组织金属基体上分布着蠕虫状石墨。
2.牌号:
RuT数字其中:
数字:
最低抗拉强
第三章钢的热处理
第一节概述
热处理:
将金属在固态下通过的方式,改变合金的内部组织,从而获得所需性能的一种工艺方法。
热处理不改变零件的外形和尺寸,只改变材料的组织和性能热处理的三阶段:
加热、保温、冷
第二节钢的热处理基本原理
一、钢加热时组织转变
1.奥氏体的转变温度
临界转变温度:
A1、A3、Acm
实际加热转变温度:
Ac1、Ac3、Accm
实际冷却转变温度:
Ar1、Ar3、Arcm
2.奥氏体的形成
1)奥氏体晶核的形成
在铁素体和Fe3C的向街面上形成。
2)奥氏体晶核的长大
3)残余Fe3C的溶解
4)奥氏体均匀化
钢件加热时需要根据工件的有效尺寸研究合适的保温时间,以获得均匀奥氏体,确保冷却得到良好的组织和性能。
二、钢冷却时的组织转变
1.热处理中的冷却方式
1)等温冷却
将钢速冷至临界点下给定温度,进行保温,使其在该温度下恒温转变。
2)连续冷却
将钢以某种速度连续冷却,使其在临界点下变温连续冷却。
2.过冷奥氏体的等温转变
1)等温转变曲线(C曲线)A1线以上:
奥氏体稳定区。
A1线:
奥氏体转变临界温度。
左C曲线:
奥氏体转变开始线,其左边是过冷奥氏体。
右C曲线:
奥氏体转变终止线,其右边是转变产物区。
两者间是转变区。
Ms(230℃):
马氏体转变开始线。
Mf(-50℃):
马氏体转变终止线。
孕育期:
L,L越大,表示孕育期愈长,过冷奥氏体越稳定。
2)
过冷奥氏体转变产物的组织和性能
A.高温转变(珠光体转变)
温度范围:
A1线——鼻尖线之间。
转变产物:
铁素体和Fe3C片层相间的珠光体型组织。
转变温度越低,形成的铁素体和渗碳体片层愈细。
A1~650℃:
粗片状珠光体(P);650~600℃:
细珠光体(S索氏体)HRC增大;600~550℃:
极细珠光体(T屈氏体)
B.中温转变(贝氏体转变)
温度范围:
550℃~Ms(230℃)
转变产物:
贝氏体(B)
550~350:
上贝氏体,羽毛状组织,HRC40~45,强度低,塑、韧性也较差。
350~Ms:
下贝氏体,黑色针状组织,HRC45~55,较高的强度及良好的塑、韧性。
C.低温转变(马氏体转变)
温度范围:
Ms以下~Mf无扩散转变。
第四章合金钢
第一节概述
碳素钢的缺点;
综合机械性能差。
热稳定性差:
>250℃的负荷条件,会变形;耐蚀性差;:
对酸无抗力;淬透性差;不适应大面积制件淬火;不能满足某些特殊性能:
能耐高温,高耐磨性。
如此,在其基础上添加合金元素所炼制一类钢,称为合金钢。
一、合金钢分类;二、合金钢编号
第二节合金元素在钢中的作用
一、钢中合金元素:
合金元素:
为合金化的目的而加入并且其含量有一定范围的元素。
常用:
低合金钢:
合金元素总含量为<5%;中合金钢:
合金元素总含量为5~10%;高合金钢:
合金元素总含量为>10%
二、合金元素作用:
1.合金元素固溶于铁素体:
固溶强化,提高钢的强度。
2.合金元素溶解于奥氏体:
一定程度固溶强化,更重要是增加钢的稳定性,使大截面制件在缓冷介层中淬透。
3.合金元素形成碳化物,非金属化合物:
化合物、硬而脆,其有相当高的热稳定性,都是冷制耐磨和耐高温钢不可缺少的组织。
细化晶粒,消除过热敏感性,提高回火抗力和提高韧性,起积极作用。
4.改变相变温度:
对临界会产生影响。
奥氏体形成元素,扩大Au区。
铁素体形成元素,缩小或封闭Au。
5.改变共析点的位置。
改变共析温度和共析成分。
第三节合金结构钢
一.低合金结构钢
底合金高强纲,普通底碳钢+合金元素。
二.机械制造用合金结物钢。
优质钢,高级优质钢、优质碳素结构钢+合金元素。
使用状态一般为淬火十日火点,决定其力子性能的主要元素是;钢中的含碳量,回火温度。
合金元素的种类和数量。
在保证淬透前提下,前两个因素影响为主。
一.合金渗碳钢;
①化学成分;底碳;0.1~0.25%主加元素;Cr.Mn.Ni.B.(淬透性)代表物;20Cr
②热处理;渗碳后淬火+底回,表层;隐晶回火M+粒壮碳化物。
少量残余An。
二.调质钢;化学成分;中铁;0.3~0.5%主加元素;Si.Mn.Cr、Ni、B、(淬透性)代表物;40Cr.
②热处理a、预备热处理:
正火或退火。
b、最终热处理;调度.
3.弹簧钢;
①化学成分;中高碳钢0.5~0.7%主加元素;Si、Mn、(淬透性。
回火稳定性、屈强比,强化铁去体)
代表物;65Mn
②热处理;ale冷成型弹簧(中〈10mm、冷拉弹簧钢丝冷卷成型。
定性处理或淬+中回。
4.流动轴承钢;
①化学成分;0.95~1.15%.主加元素;Cr(淬透性)代表物;GCr15
②热处理;a.预备热处理;回火加球化退火.b.最终热处理;淬+低回.
第四节合金工具钢
一.刃具钢.用来制造各种切削加工工具.要求;高的硬度.耐磨性,高的红硬性,足够的强度和韧性.
1.底合金刃具钢;Cr2.9红硬性较差,主要用于制造底适切削刃具.成分;高碳.主加元素;Cr、Mn、Si、Vc淬透性回火稳定性细化晶粒)预备热处理;球化退火.最终热处理;淬+底回.
2.高速钢;w18Cr4V,红硬性,耐磨性较高的高合金工具钢.高碳.主加元素;W、Mo、V、Cr(碳化物形成元素)锻造与退火;打碎共晶莱氏体、锻后球化退火。
淬火与回火;淬后多回。
二、模具钢;
1.冷模具钢;指冷态金属更形的模具用钢。
料要求;高硬度、高强度、高耐磨性及足够韧性,良好工艺性等.高碳;热处理;登温球化退火(预)淬+底回(终)
2热模具钢;金属在加热状态或液态下成型的模具用钢。
材料要求;足够高温强度及高温硬度,高温下高的耐磨性和足够的塑韧性。
高的热抗被劳性和抗氧化性,高的淬透性和热处理变形。
中碳;热处理;淬火+高回。
三.量具钢;高的尺寸稳定性、高硬、耐磨性、足够韧性含碳较高的过共析钢。
第五节特殊性能钢
一.不锈钢;为不锈和耐磨钢总称,有称不锈钢耐磨钢。
不锈钢;大气及物腐蚀介质中耐腐蚀的钢。
耐磨钢;各种强腐蚀介质中耐腐蚀的钢。
1.铬不锈钢用于弱腐蚀介质;2.CrnNc不锈钢;各种腐蚀介质
二.耐热钢;〉450〈高温条件工作,保持足够强度和抗氧化不起皮的一些特殊合金钢种。
第五章有色金属
第一节概述
黑色金属;铸铁钢
有色金属;非铁金属及其合金;Al、Cu、Mg、Zn、Ti
第二节铜及铜合金
一、工业纯铜
又称紫铜,优良的导电。
导热及良好的耐蚀、抗耐性,不能通过热处理强化,一般进到塑性变形加工硬化强化。
二、铜合金;1.黄铜;Cn+zi2、白合金;cn+Ni3、青金铜;,其它铜合金。
锡、铝、铁铜。
第三节铝及铝合金
一、工业纯铝;导电、导热性高。
在大气中有良好耐蚀性,但不能耐温、碱坏腐蚀、塑性好。
工业纯铝牌号按其杂志含量编制、铝L1.L2.L3.L4.L5.L6.L7.编号越大,纯度越底。
高纯铝牌号以LG1……表示,编号越大,纯度越高。
二、铝合金;形变铝合金.热处理不能强化的铝合金(防锈铝合金)铝合金
铸造铝合金.热处理能强化的铝合金(硬铝合金,超硬铝合金)
第四节滑动轴承合金
滑动轴承中,制造轴承内衬的合金称滑动轴承合金。
轴承合金理想组织;软基体均布硬层点或硬基体,均布软层点。
一、锡基轴承合金;
良好耐蚀性,导热性,底磨插技术,但其;疲劳孤度低,使用温度L150c
二、铝基轴承合金;硬度、孤度、韧性均低于锡基轴承合金,但价格便宜。
三、铝基合金;
疲劳孤度、高温硬度高、导热性好、能承受较大压力和速度且,原材料丰富,低价格。
第七章材料的选用
第一节选材的一般原则
一、材料的使用性;
材料的力学性能;物理性能和化学性能是选材是首先应保证的。
二、材料工艺性;
铸件;共晶或近共晶成分的合金,以保证良好流动性。
锻件;是固溶体组织合金,以保证良好塑性和低变形抗力。
焊件;低碳钢、低合金钢,以保证好的焊接性。
工艺性能较突出的是可切削性和热处理工艺。
为便于切削;钢坯硬度HBL170`~230.
热处理工艺;碳钢淬透性较差,强度也不是很高,加热时易过热而鲸粒粗大,淬火时易变形、开裂、因此,制造高孤度,大截面、形状复杂的另件宜选合金钢。
3、材料经济性
零件成本包括原材料价格、加工费、其他费用、(运费安装费等)还应考虑生产、供应情况。
第二节实例
一、齿锯类;要求;高弯曲、疲劳和接触疲劳强度,齿面高硬度和耐磨性,心部足够强度和韧性。
通常以钢材料锻制;
1、调度钢;①对耐磨性要求高,冲击韧性一般的硬度面C》HRC40);45、40cr、425imn、调度后表面高频淬火+回火。
②齿面硬度要求不高软齿面(LHBs350)45、40cr、42simn、s5aimn、调度或回火处理
2、渗碳钢;高速、重载、冲击大的硬度面(hrc)55),20CrMn7、20CrMnMo、20CrMo、渗碳淬火+低回得到表面硬、耐磨、心部强韧耐冲击。
3、其他:
受力不大,无润滑、用塑料(尼龙、象碳酸指)
二=、轴类;
要求;优良的综合机械性能,防变形、开裂、高抗疲劳能力,防疲劳断裂,好的耐磨
1、交变拉应力和动裁荷;淬透性好的调度钢;30CrMnSi、40MnVB、40CrMnMo等
2、变扭应力的轴承分析;表面应力大、心部应力小、不需选淬透性很高的钢种、45。
和合金调度钢。
3、高精度、高速传动;氧化钢、38……等调度、氧化处理。
4、其球墨铸铁。
三、和体、支架类;一般采用铸造;受力大、要求高孤度、高韧性、甚至高温高压、铸钢。
冲击力大,主要受静压力;HT;受力不大,要求自重轻或热导性好;AC受力大、形状简单的单件或小批生产;型钢焊。
四、常回工具;
1、锉刀;高硬度(64~67HRC)高耐磨。
T12.T13.加热――水淬----200C左右热校直――冷透――低回---情洗-----检查。
2、手工锯类;高硬、高耐磨、好的韧性、弹性。
.>10..>12.20参碳,淬+低回。
3、钳工锤;锤头高硬、抗冲击。
T7、T8、局部淬火。
4、麻花钻;高热硬性高速钢(W18CR4V)加热轧制,淬+多回(560℃)
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