机械工程师培训课件第二章工程材料.ppt

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1、工程材料,周水琴 2005.9,主要内容,一、金属材料（材料特性、晶体结构、铁碳合金相图、试验方法、材料分类及选择） 二、其他工程材料（工程塑料、特种陶瓷、光纤、纳米材料） 三、热处理（热处理工艺、设备、应用）,金属材料思考题,1、材料的基本力学性能主要包含哪些？ 2、设计中的许用应力与材料强度有何关系？ 如何确定许用应力？ 3、简述碳钢划分标准及各自性能特点 4、简述铁碳相图的应用 5、常用材料硬度测定法有哪几种？分别适用 于检验何种材料？ 6、简述常用金属材料的分类 7、材料选用的主要依据是什么？,取决于材料的组分和晶体结构,1、材料特性,使用性能 工艺性能,1、材料特性力学性能,1、硬度

2、指标 表示方法：HB、HR、HV、HS 关系：bK HBS (钢铁K=3.33.5铜及铜合金K=4.85.3) b-801.24+50.08*HRC 对于刀具、冷成型模具和粘着磨损或磨粒磨 损失效的零件，硬度是决定其耐磨性的主要性能指标,1、材料特性力学性能,2强度指标： 屈服点（ s） 表示金属开始发生明显塑性变形的抗力, 铸铁等材料没有明显的屈服现象, 则用条件屈服点（0.2 ）来表示: 产生0.2%残余应变时的应力值。 强度极限(抗拉强度b ) 表示金属受拉时所能承受的最大应力。,1、材料特性力学性能,3塑性指标： 伸长率：=L1L0/L0100% 断面收缩率：=S0S1/S0100%

3、其数值越大，塑性也就越好 只能表示单向应力状态下的塑性,1、材料特性力学性能,4冲击韧度 冲击试样有缺口时抵抗塑性边形的能力 实践证明，金属材料受大能量的冲击载荷作用时，其冲击抗力主要取决于冲击韧度的大小，而在小能量多次冲击条件下，其冲击抗力主要取决于材料的强度和塑性。,1、材料特性力学性能,5疲劳强度-1 金属材料在无限多次交变应力作用下而不破坏的最大应力 试验规定：钢的循环次数基数107 非铁合金或某些超高强度钢108 疲劳断裂原因：材料内部缺陷、表面伤痕零件局部应力集中,1、材料特性力学性能,6、弹性模量E 表示材料抵抗弹性变形的能力（刚度） 设计弹性零件必须考虑弹性极限和弹性模量,1、

4、材料特性物理性能,包括密度、熔点、热膨胀性、导电性、导热性、磁性等 用途不同，要求不同 性能不同，加工工艺不同 举例：飞机选用密度小的合金 电器零件要有导电性 导热性不同，热处理工艺不同,1、材料特性化学性能,指金属及合金在常温或高温时抵抗各种化学作用的能力 举例：化工设备耐腐蚀性 医疗设备不锈钢 锅炉等承压管道高温抗氧化性 好的耐热钢,1、材料特性工艺性能,铸造性能：金属及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力。 锻造性能：用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度。 焊接性能：金属材料对焊接加工的适应性，也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。 切削加工性能：切削加工金属材料的难易

5、程度，170230HBS最适合。 热处理性能：钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性, 即钢接受淬火的能力。,2、晶体结构,晶体与非晶体的区别 晶体：具有固定的熔点，其性能呈各向异性 非晶体：没有固定熔点，其性能呈各向同性 晶体结构的概念： 晶格：表现原子在晶体中排列规律的空间格架 晶胞：能完整地反映晶格特征的最小几何单元 晶面：在晶体中由一系列原子组成的平面 晶向：通过两个或两个以上原子中心直线，可代替晶格空间排列的,2、晶体结构,金属及合金中，主要是金属键联结 金属的晶格类型： 体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格 晶体缺陷 点缺陷 线缺陷 面缺陷,2、晶体结构,金属的结晶 概念：液态金属

6、转变为固态晶体的过程 过冷度：理论结晶温度和实际结晶温度之差；其大小与冷却速度有关 结晶规律：晶核的形成与晶核的长大 晶粒的大小：取决于形核率与晶核的长大。 细化晶粒的方法：增加过冷度；变质处理；振动处理；,2、晶体结构,金属在固态下的转变 同素异晶转变 磁性转变 纯铁的同素异构转变过程： -Fe-（1394）-Fe-（912）-Fe 纯铁的磁性转变温度为768 ,2、晶体结构,合金的相结构 分类 固溶体 金属化合物(FeC、TiC、VC、WC) 机械化合物（锡、锑、铜组成的轴承合金） 固溶强化：固溶体使晶格发生歪扭，合金变形阻力增大，硬度和强度升高的现象,铁碳合金相图,铁碳合金的基本组织1.

7、 铁素体F 碳与-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体。强度和硬度低，塑性和韧性好。2.奥氏体A 碳与-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体。高温组织，在大于727时存在。塑性好，强度和硬度高于F，在锻造、轧制时常要加热到A，提高塑性，易于加工。3. 渗碳体Fe3C 铁与碳形成的金属化合物，硬度高，脆性大。4. 珠光体P F与Fe3C混合物。强度，硬度，塑性，韧性介于两者之间。5. 莱氏体Ld A与Fe3C混合物硬度高，塑性差。,铁碳合金相图主要点,铁碳合金相图主要线,ABCD线液相线，液相冷却至此开始析出，加热至此全部转化。 AHJECF线固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，加热至此开始转化 GS

8、线 A3线，A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A ES线 Acm线，C在A中溶解度曲线 ECF线 共晶线，含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物，莱氏体。 PSK线 共析线，含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反应，产生出珠光体,铁碳合金结晶过程分析,铁碳合金分类1、工业纯铁（含C量0.0218%） 2、钢 （含C量0.02182.11%） 3、白口铸铁 （含C量2.11-6.69%）,碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响,1、碳对平衡组织的影响 室温下，随含碳量增加，可分为七个典型组织区 F+Fe3C F+P P P+Fe3C P+Fe3C +Ld Ld

9、 Fe3C+Ld 渗碳体变化过程 Fe3C（沿铁素体晶界分布的薄片状） 共析F+Fe3C（分布在铁素体内的层片状） Fe3C（沿奥氏体晶界分布的网状） 共晶Fe3C（莱氏体的基体） Fe3C（分布在莱氏体上的粗大片状）,碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响,2、碳对力学性能的影响 亚共析钢：由F + P组成，随碳量增加，珠光体量增加，强度性能提高； 共析钢：为F + Fe3C的混合物，呈层片状，由于Fe3C的强化作用，珠光体性能较好； 过共析钢：P+ Fe3C(II)组成，当含碳量1%， Fe3C(II)呈网状分布在晶界处，强度性能下降。 莱氏体：硬而脆,含 C量增加,铁碳合金相图的应用,为选材提

10、供成分依据 塑性、韧性好低碳钢 强度、塑性、韧性都较好中碳钢 硬度高、耐磨性好高碳钢 为制定热加工工艺提供依据 在铸造方面 选择合适的浇铸温度，流动性好 在煅造方面 选择合适的温度区，奥氏体区 在热处理方面 退火，正火，淬火等 焊接 组织不均匀性和焊接应力,试验方法,1、拉力试验 2、冲击试验 3、硬度试验 4、化学成分分析 5、金相分析,1、拉力试验,目的：测定金属材料的强度和塑性 强度指标 屈服强度s 抗拉强度b 塑性指标 伸长率 收缩率 低碳钢拉伸试验,2、冲击试验,3、硬度试验,1、布氏硬度（HBS、HBW） 一定直径的球体(钢球或硬质合金球)在一定载荷作用下压入试样表面，保持一定时间

11、后卸除载荷，测量其压痕直径, 计算硬度值。公式 HB=0.102F/A=0.204F/D(D- ) 压头为淬火钢球时，符号为HBS 压头硬质合金球时，符号为HBW 适用范围：灰铸铁、轴承合金、退火正火调质后的钢件,3、硬度试验,2. 洛氏硬度(HRA、HRB、HRC) 将金刚石压头(或钢球压头), 在先后施加两个载荷(预载荷F0和主载荷F1)的作用下压入金属表面。卸去主载荷F1后, 测量其残余压入深度h, 用h与h0之差h来计算洛氏硬度值。 适用范围：淬火后的工件,3、硬度试验,3、维氏硬度试验 属于压痕试验法。将一个相对面夹角为136的正四棱锥体金刚石压头以选定的试验力F 压入试验表面，经规

12、定保持时间后卸除试验力，测量压痕两对角线平均长度 适用范围： 1、金属维氏硬度测定较大工件机较深表面层的硬度 2、金属小负荷维氏硬度测定较薄工件何具有较浅硬化层零件的表面硬度 3、金属显微硬度测量微小件，极薄件及具有极薄表面层的硬度机合金中组成相的硬度,几种硬度试验比较,4、化学成分分析,5、金相分析,金相分析包含内容 1、原材料缺陷的低倍检验 2、断口分析 3、显微组织检验,5、金相分析,1、原材料缺陷的低倍检验 检验方法：酸浸蚀法（冷浸蚀、热浸蚀、电解浸蚀）、印痕法（硫印法、磷印法） 检验内容：疏松、缩孔、偏析、白点、夹杂和裂纹 检验过程：用肉眼或低倍放大后观察判断,5、金相分析,2、断口

13、分析 分析方法：宏观观察、光学显微镜、电子显微镜 应用：失效分析、原材料缺陷分析、零件加工缺陷分析、热处理质量分析、使用环境分析,5、金相分析,3、显微组织检验 光学显微镜分析：试样制备、腐蚀、观察、照相、分析报告 定量金相分析：测定第二相的相对量、颗粒大小、质点间距、晶粒尺寸、晶界数量等 晶粒度测定：测量计算法、面积计算法、对比法 电子显微镜分析：透射电镜、扫描电镜,6、无损探伤,X射线探伤：焊缝和铸钢件的内部缺陷 超声波探伤：焊缝中的裂纹、未融合、未焊透，锻件及轧材的白点、夹渣、缩孔 涡流探伤：型材、管材、棒材、线材的内部缺陷（流水线自动探伤） 磁粉探伤：表面缺陷（如裂纹） 荧光探伤：不锈

14、钢及有色金属等非磁性材料的表面缺陷探伤,材料分类及选择,常用金属材料分类,材料分类及选择,根据材料的使用性能选材 分析零件的工作条件，确定使用性能 进行失效分析，确定零件的主要使用功能 根据零件使用性能要求提出对材料性能的要求,材料分类及选择,根据材料的工艺性能选材 金属铸造性能 金属压力加工性能 金属机械加工性能 金属焊接性能 金属热处理工艺性能,材料分类及选择,根据材料的经济性能选材 零件生产总成本最低 生产总成本制造成本附加成本,其他工程材料,工程塑料 特种陶瓷 光纤 纳米材料,工程塑料,高分子材料：以相对分子量大于5000的高分子化合物为主要组分的材料，原子以共价键和分子键相结合 工程

15、塑料特性：高机械强度，或具备耐高温、耐腐蚀、耐磨性等良好性能 应用:一般结构件、普通传导件、摩擦零件、耐蚀零件、电器零件、汽车零件,工程塑料热塑性,聚酰胺（尼龙或锦龙） 聚甲醛 聚碳酸脂（PC） ABS塑料 聚四氟乙烯（PTTA）,工程塑料热固性,特性：网状高分子树脂，固化后重新加热不再软化熔融，不溶于有机物，不能再成形 酚醛塑料PF：电器开关、插头、外壳等电器绝缘零件；化工用耐酸泵；齿轮、手柄 环氧塑料EP：制造塑料模具、精密量具和各种绝缘器件,工程塑料加工工艺,特种陶瓷,什么是陶瓷材料？ 陶瓷是无机非金属材料，是用天然的或人工合成的粉状化合物，通过成型和高温烧结而制成的多晶固体材料 陶瓷材

16、料特性 高硬度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀及其他优良的物理、化学性能,特种陶瓷,分类 氧化铝陶瓷 氮化硅陶瓷 碳化硅陶瓷 氮化硼陶瓷 金属陶瓷,光学纤维,分类 按结构分：阶跃型和剃度型 按传输方式分：单模光纤和多模光纤 按芯子材料分：石英玻璃、多组分玻璃、晶伴芯子、塑料芯子 按光纤包层分：石英玻璃、多组分玻璃、塑料包层光纤 按用途分：光导纤维、导光纤维,光学纤维,制造 化学沉积法 双坩埚法 导模法 浮区熔融法 热挤压法,光学纤维,用途 光导纤维：传输信息 导光纤维：传输能量,纳米材料,当物质颗粒小到纳米级后，这种物质就可称为纳米材料 纳米材料的性能 活性增强，具体表现为高抗菌、防污、耐磨、强度加大

17、 碳纳米管的主要性能和用途 尺寸只有头发丝的十万分之一，但导电率是铜的一万倍，强度是钢的100倍，而重量只有钢的六分之一。由于其强度是其他纤维的200倍，具有经受10万Mpa而不被破碎的奇异效果。 广泛应用于金属、水泥、塑料、纤维等复合材料领域，军事领域可做防弹衣，计算机和信息领域作高密度存储，医疗领域可对癌症作早期诊断、早期发现、早期治疗,纳米材料举例,热处理思考题,简述钢的热处理工艺方法和目的 钢的整体热处理包括哪些工艺内容？各自的主要目的何在? 钢的表面淬火方法有哪几种？ 钢的化学热处理的工艺方法有哪几种？其目的是什么？ 消除铸件的内应力采用什么热处理工艺？,1、热处理工艺-钢,热处理工

18、艺：将钢在固态下加热到预定温度并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却，并改变钢的内部组织，提高钢的性能，延长机器使用寿命的热加工工艺 目的：消除铸、锻、焊等加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒，消除偏析，降低内应力，使组织均匀化；降低毛坯硬度，便于切削；强化金属材料,1、热处理工艺-钢,钢在加热时的转变 1、钢的奥氏体化： 热处理时须将钢加热到一定温度，使其组织全部或部分转变为奥氏体，这一过程遵循结晶过程。 （1）奥氏体晶核的形成及长大 （2）残余渗碳体的溶解 （3）奥氏体的均匀化 2奥氏体晶粒的长大： 不论原来钢的晶粒是粗或是细，通过加热时的奥氏体化，都不能得到细小晶粒的奥氏体。但是随着

19、加热温度升高，保温时间的延长，奥氏体晶粒会自发地长大。 注意 ：A晶粒大小决定A转变产物晶粒的大小。 加热速度越快，加热温度越高，过热度也越大，这时钢在高温 下的转变时得到的A起始晶粒比较细小,1、热处理工艺-钢,钢在冷却时的转变 钢经加热获得奥氏体组织后，在不同的冷却条件下冷却（例45钢制造的直径 为15mm的轴，经840加热后冷却） 在空气中冷却：硬度小于209HBS 在油中冷却：45HRC左右 在水中冷却：56HRC左右 冷却方式 等温转变：是将奥氏体化的钢迅速冷却到A1以下某一温度保温，使奥氏体在此温度发生组织转变。 连续冷却转变：是将奥氏体化的钢从高温冷却到室温，让奥氏体在连续冷却条

20、件下发生组织转变。 连续冷却转变产物 炉冷：珠光体组织 空冷：索氏体组织 油冷：托氏体组织 水冷：马氏体组织,过冷奥氏体的等温转变,过冷奥氏体的概念：在共析温度以下存在的奥氏体称为过冷奥氏体。 过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能 珠光体转变：珠光体P，索氏体S，托氏体T。 贝氏体转变：上贝氏体，下贝氏体 马氏体转变：当钢从奥氏体区急冷到Ms以下时，奥氏体转变为马氏体 特点：转变在一定范围内进行的（MsMf） 转变速度极快 转变时体积发生膨胀 转变不能进行到底 残余奥氏体：即使过冷到Mf以下温度，仍有一定量奥氏体存在，这一部分奥氏体。 马氏体的硬度：取决于马氏体中的含碳量,碳在Fe中的过饱固溶体

21、称为马氏体。,1、热处理工艺-钢,钢在回火时的转变 200以下：回火马氏体 200300：回火马氏体 300400：回火托氏体 400 A1: 回火索氏体 合金钢回火四个阶段的温度区间与碳钢有很大不同,1、热处理工艺-钢,钢的整体热处理工艺 退火 正火 淬火 回火,退火 概念：将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（炉冷）的热处理工艺称为退火 目的： 降低硬度提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工 细化晶粒，均匀组织及成分改善性能并为以后热处理作准备 消除钢中的残余内应力，以防止变形和开裂,1、热处理工艺-钢,退火种类 完全退火 不完全退火 去应力退火 等温退火 球化退火 均匀化退火 再

22、结晶退火,完全退火 在完全退火加热过程中，钢的组织全部转变为奥氏体，在冷却过程中，奥氏体转变为细小而均匀的平衡组织（铁素体+珠光体）从而达到降低钢的硬度、细化晶粒、充分消除内应力的目的。 适用于中碳钢、中碳合金结构的锻件、铸件、热扎型材，有时也用于焊接结构件。但过共析钢不宜采用完全退火。,球化退火 是将钢加热到Ac1以上2030度，保温一定时间，以不大于50度/h的冷却速度随炉冷却下来，使钢中碳化物呈球状的工艺方法。 适用于共析钢及过共析钢，如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。,去应力退火 将钢加热到略低于A1的温度，保温一定时间后缓慢冷却的工艺方法。其目的是消除由于塑性变形、焊接、切削加工、

23、铸造等形成的残余应力。 适用于精度要求高的零件，钢的组织不发生变化，只消除内应力。,1、热处理工艺-钢,正火 概念：将钢加热到Ac3或Acm以上3050度，保温适当的时间，在空气中冷却的工艺。 目的： 改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性 细化晶粒 消除过共析钢中的网状渗碳体，并为 球化退火作准备 代替中碳钢和低碳合金结构钢的退火,1、热处理工艺-钢,正火与退火的区别,目的基本相同 正火的冷却速度比退火稍快 正火的生产周期短，成本低，操作方便，应优先采用正火,淬火 概念：将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保温一定时间，然后以适当速度冷却，获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺称为淬火 目的：为

24、了获得马氏体和下贝氏体，提高钢的强度和硬度。 加热温度：亚共析钢：Ac3以上3050度 过共析钢：Ac1以上3050度 冷却介质： 油：适用于合金钢和小型碳钢工件的淬火 水：适用于形状简单的碳钢工件的淬火 盐水： 碱水：,淬火方法： 单液淬火法 双介质淬火 马氏体分级淬火 贝氏体等温淬火 淬硬性：是指钢经淬火后所能达到的最高硬度。主要取决于钢的含碳量。 淬透性：是指在规定条件下，钢在淬火冷却时获得马氏体组织深度的能力。合金钢的淬透性比碳钢好。 淬火的缺陷 氧化与脱碳 过热与过烧 变形与开裂 硬度不足,回火概念：将淬火后的钢，再加热到Ac1以下的某一温度，保温一定的时间，然后冷却到室温的热处理工

25、艺。 目的： 消除内应力 获得所需要的力学性能 稳定组织和尺寸 淬火钢在回火时组织与性能的变化 淬火后的组织：马氏体及少量残余奥氏体,回火的分类 低温回火（150250）回火马氏体 5864HRC 中温回火（350500）回火托氏体3550HRC 高温回火（500650）回火索氏200330HBS 调质处理：淬火+高温回火,钢的表面热处理,目的：使表面具有高的硬度和耐磨性，而心部要有足够的塑性和韧性 方法 表面淬火：仅对工件表层淬火的工艺 化学热处理：使表层渗入一种或几种元素，改变其化学成分 表面淬火：火焰加热表面淬火（适用单件或小批量生产） 感应加热表面淬火（适用大批量生产） 化学热处理的基

26、本过程：分解、吸收、扩散 渗碳：用于低碳钢或低合金钢来制造；目的是提高表层含碳量，渗碳后，经淬火及低温回火使零件表面获得高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定强度及较高的塑性和韧性 渗氮：在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面；目的是提高工件表面硬度、耐疲劳和耐蚀性及热硬性,灰铸铁,去应力退火：一些形状复杂的铸件或精度要求高的铸件 表面淬火：机床导轨、缸体内壁，要求较高的表面硬度和耐磨性 消除铸件白口：降低硬度的退火（高温退火也叫石墨化退火）,可锻铸铁（又称玛钢、玛铁）,可锻铸铁的生产过程：首先铸造白口铸铁件；然后进行长时间的石墨化退火 可锻铸铁不能锻造 石墨化退火,球墨铸铁,概念：铁水经球化处理而使

27、石墨大部分或全部呈球状的铸铁 球化处理：在铁水浇注前加入少量的球化剂及孕育剂，使石墨以球状析出 球墨铸铁中的石墨成球状，其割裂基体的作用及应力集中现象大为减小，可以充分发挥金属基体的性能，强度和塑性超过灰铸铁和可锻铸铁，接近铸钢。 QT40018：表示球墨铸铁，最低抗拉强度为400Mpa，最低伸长率为18%。 用途：较广可替代碳素铸钢，合金铸钢和可锻铸铁,球墨铸铁热处理,退火：主要目的是为了得到铁素体基体的球墨铸铁 正火：主要目的是为了得到珠光体基体的球墨铸铁 调质：主要目的是为了得到回火索氏体基体的球墨铸铁 等温淬火：主要目的是为了得到下贝氏体基体的球墨铸铁,蠕墨铸铁,概念：浇注前向铁水中加

28、入适量的蠕化剂进行蠕化处理，使石墨形态介于片状和秋状之间，形似蠕虫的铸铁 RuT340：表示蠕墨铸铁，最低抗拉强度340Mpa 性能：介于灰铸铁和球墨铸铁之间 应用：大马力柴油机缸盖、电动机外壳、机座、制动器鼓轮、钢锭模、阀体等,合金铸铁,在灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁中加入少量Cr、Ni、Mo、Cn等合金元素，提高铸铁物理化学性能 高强度合金铸铁 稀土镁钼系和稀土铜钼系合金铸铁，可通过加热淬火或激光淬火进一步提高耐磨性和疲劳强度 耐磨合金铸铁 灰铸铁Ni/Cr 白口铸铁Cr/Mo,有色金属热处理,1、铝合金热处理 变形铝合金热处理 扩散退火 再结晶退火 去应力退火 回归处理 淬火、时效,铸造铝合金热处理 退火 淬火、时效,有色金属热处理,铜合金热处理 热处理可强化的铜合金：Al含量大于9的铝青铜、铍青铜、硅青铜、镉青铜和铝白铜 去应力退火 再结晶退火 扩散退火 铜合金淬火时效 铜合金淬火回火,热处理设备,燃料炉：油炉、煤气炉 电阻炉：,典型零件热处理应用,1、轴类零件热处理,典型零件热处理应用,2弹簧类零件热处理,典型零件热处理应用,3、齿轮类零件热处理,典型零件热处理应用,4、轴承类零件热处理,典型零件热处理应用,5、模具热处理,典型零件热处理应用,6、工具热处理,典型零件热处理应用,7、铸铁、铸钢件热处理,典型零件热处理应用,8、有色金属件热处理,