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金属工艺学全套课件ppt
发布时间:2021-11-11 21:35:45 来源:未知

  金属工艺学 金属工艺学是一门有关机械零件制 造方法及其用材的综合性技术基础课。 1.内容: (1)系统介绍机械工程材料的性能、 应用及改进材料性能的工艺方法; (2)各种成形工艺方法及其在机械制 造中的应用和相互联系; (3)机械零件的加工工艺过程。 2.生产方法: 3. 历史发展: 4.制造技术的发展阶段: (1)用机器代替手工,从作坊形成工 厂 (2)从单件生产方式发展到大量生产 方式 (3)柔性化、集成化、智能化和网络 化的现代制造技术 5.现代制造技术的形成和发展特点: (1)生产规模:少品种大批量——

  单件小批量——

  多品种变批量 (2)生产方式:劳动密集型——

  设备 密集型——

  信息密集型——

  知识密集型 (3)制造设备的发展过程:手工——

  机械化——

  单机自动化——

  刚性自动线—— 柔性自动线——

  智能自动化 出土于河南安阳侯家庄武官村。此鼎形制雄伟,重达832.84公斤,高达133厘米,是迄今为止 出土的最大最重的青铜 器。 司马戊大鼎 永乐大钟 高6.75m、直径3.3m、重量46.5t的铜钟,是明朝永乐年间(约1420年)铸造的,在世界大钟之林中铸造年代最久远。钟身内外铸满了佛经,清晰,排列巧妙,总字数达230184个,是世界上铸字最多的大钟。撞击一下,钟声悠扬悦耳,可传40~50km。 永乐大钟局部, 上面载明大钟 铸造的时间。 1996年我国钢产量超过一亿吨,变成世界 第一产钢大国。这是为纪念钢产量突破一亿吨 而发行的邮票。 葛 洲 坝 水 轮 发 电 机 转 子 最大直径18738毫米,高3639毫米,净重达1780吨,是 目前世界上最大水轮发电机转子。(2005.02.04吊装就位) 九龙大鼎(广东肇庆市) 高6.68米,宽5.58米,重量16吨,整座由青铜浇铸而成。 越王勾践剑越王者旨於赐剑越王州句复合剑越王不寿剑 香港天坛大佛 高34米,重250吨,由200块青铜铸件砌成。耗资2000万港元。 无锡灵山大佛 钢铁工业 6.基本要求: (1)了解工程材料的种类、性能及其改性方法, 初步掌握其应用范围和选择原则。 (2)掌握主要毛坯成形方法的基本原理和工艺 特点,具有选择毛坯及工艺分析的初步能力。 (3)掌握机械制造生产过程、生产类型及其特点; 掌握各种主要加工方法的实质、工艺特点、基本原理 和设备;了解零件的加工工艺过程,并具有选择零件 加工方法的能力,能制定简单的制造工艺规程。 (4)了解零件的结构工艺性。 (5)了解有关的新工艺、新技术及其发展趋势。 第一章金属材料基本知识 §1.1 金 属 材 料 的 主 要 性 能 使用性能——指材料在使用过程中表现出来的性 能。 工艺性能——指材料对各种加工工艺适应的能力。 一、金属材料的使用性能 力学性能——金属材料在外力(载荷)作用下, 所表现的抵抗变形和破坏的能力。 (一)强度 强度是指金属抵抗永久变形(塑性变形)和断裂 的能力。 拉伸试验动画\金工动画\拉伸曲线.弹性极限—试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉应力。 2.屈服点—试样在试验过程中力示增加(保持恒定)仍能继续伸长(变形)时 的应力。 3.抗拉强度——试样拉断前所能承受的最大应力值。 (二)塑性 塑性是指断裂前材料发生不可逆永久变形 的能力。 1.断后伸长率— 试样拉断后标距的伸长时 与原始标距的百分比。 2.断面收缩率—试样拉断后,缩颈处横截 面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。 (三)硬度 1.布氏硬度 (1)试验原理:D、F、t、S (2)符号 (3)表示方法 XXX HBS(W) XX / XXX / XX (4)应用范围: 测定结果较稳定、准确, 但不宜测薄件或成品件。 HBS用于测小于450 的材料;HBW用测小于650的材料。主要用来 测灰铸铁、有色金属及经退火、正火和调质处 理的钢材。 布氏硬度试验原理图 详细说明 主要技术参数: 初试验力(N):29.4 维氏硬度试验(N):49,98,196,294 显微镜放大倍率:75倍、150倍 试件允许最大高度:200mm 表面洛氏硬度(mm):147,294,441 压头中心到机身距离:200mm 电源电压:AC220V 50/60HZ 布氏硬度试验 2.洛氏硬度 (1)试验原理:用顶角为1200的金刚石圆锥或直径为1.588mm的淬火钢球作压头,在初始试验力F1(98N)及总试验力F作用下,将压头压入试样表面,按规定保持时间后卸除主试验力,用测量的残余压痕深度增量计算硬度。 (2)符号 (3)表示方法 在符号前写出硬度值。 (4)应用范围 可直接测量成品或较薄工件,但结果不够准确。 洛氏硬度试验原理图 (四)冲击韧度 冲击试样缺口底部横截面积上的冲击吸收功。 将被测材料制成标准U型或V型试样,缺 口背向摆锤冲击方向,摆锤举至H1 高度,然 后自由落下,冲断试样升至高度 H2 。摆锤冲 断试样所消耗的能量,即试样在冲击试验力一 次作用下折断时所吸收的功。 A = m g H1 - m g H2 = m g (H1 - H2) J 冲击试样缺口底部处单位横截面积上的冲 击吸收功,称为冲击韧度。 αk = Ak /SN J/cm2 冲击吸收功 Ak 作为材料韧性判据。 冲击吸收功与温度、试样形状、尺寸、表 面粗糙度、内部组织和缺陷有关。 (五)疲劳强度 材料 在指定循 环基数下 不产生疲 劳断裂所 能承受的 最大应 力。 实际的疲劳强度值,规定钢进行1×106~ 107次,有色金属进行1×107~1×108次交变循 环而不发生疲劳破坏时的最大应力值,即为该 材料的疲劳强度σ-1。疲劳强度与抗拉强度之间 存在一定的比例关系,如碳素钢σ-1 ≈(0.4~0.55) σb ,灰铸铁σ-1 ≈0.4σb ,有色金属σ-1 ≈(0.3~0.4) σb。 疲劳破坏的原因:应力集中——微裂纹—— 扩展——断裂破坏。 避免措施:改善内部组织、外部形状和表 面状态,减小和避免应力集中,表面强化处理 和减小表面粗糙度值。 §1.2 金 属 与 合 金 的 结 构 和 结 晶 一、金属材料的性能与结构 晶体——原子杂乱无章堆砌起来。 晶体——原子按一定几何图形有规则排列。 特点:有固定的熔点,各向异性 (一)金属的晶体结构基本知识 1.晶格——描述原子在晶体中规则排列方 式的空间几何图形。 2.晶胞——能够反映晶格特征的最小几何 单元。动画\金工动画\晶胞.swf 3.常见金属的晶格类型 (1)体心立方晶格动画\金工动画\体心.swf 立方体晶胞,八个顶角和立方体中心各有一 个原子,每个晶胞有原子2个。 常见金属有:Cr、W、Mo、V和α-Fe等。 (2)面心立方晶格动画\金工动画\面心.swf 立方体晶胞,八个顶角和六个面的中心各有一个 原子,每个晶胞有原子4个。 常见金属有:Al、Cu、Ni、Au、Ag和?-Fe等。 (3)密排六方晶格动画\金工动画\密排.swf 正六棱柱体 晶胞,12个 顶角和上下 面中心各有 一个原子, 晶胞内还有 3个,每个 晶胞有原子 6个。 常见金属 有:Mg、 Zn、Be和 Cd等。 (二) 金属的实际晶体结构 1.多晶体结构动画\金工动画\多晶体结构.swf 单晶体——晶体内部的晶格位向完 全一致。 晶粒——外形不规则,呈颗粒状的 小晶体。 晶界——晶粒与晶粒之间的界面。 多晶体——由许多晶粒组成的晶体。 2.晶体缺陷 (1)点缺陷动画\金工动画\点缺陷.SWF 晶格空位和间隙原子 强度和硬度增加,塑性和韧性降低 (2)线缺陷动画\金工动画\刃型位错.SWF 刃型 位错 强度、 硬度增加, 塑性、韧 性下降。 (3)面缺陷 晶界和亚晶界动画\金工动画\亚晶界.SWF动画\金工动画\晶界.SW F 金属强度、硬度增高,塑性变形困难——“细晶强化”。 二、金属与合金的结晶 (一)金属的结晶 金属原子的聚集状态由无规则的液态,转 变为规则排列的固态晶体过程。动画\金工动画\冷却曲线.swf 过冷度——理论结晶温度Tm与实际结晶温度To之差。 1.冷却曲线. 金属的结晶过程动画\金工动画\金属结晶过程.SWF(见图) (1)晶核的形成 (2)晶核的长大 金属液的结晶过程是晶核产生和长大的过程,同 时存在同时进行。 (二) . 晶粒大小及其控制 (2)晶粒大小的控制 (三)、金属的同素异构转变 概念: 金属在固态下,随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。 意义: 可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织,从而达到改善材料性能的目的。 ( 四)金属铸锭组织 (1)表层细晶区 过冷度大,形核率高 (2)柱状晶粒区 (3)中心等轴晶粒区 三、合金的晶体结构 1.合金的基本概念 (1)合金——两种或两种以上的金属元素或金属 元素与非金属元素熔合,组成具有金属特性的物质。 (2)组元——组成合金最基本、能独立存在的物 质。 (3)合金系——由给定的组元,按一定的比例配 制成一系列的合金。 (4)相——具有成分、组织相同,与其他部分有 界面的均匀组成部分。 (5)组织——用肉眼可直接观察的,或用放大镜、 显微镜分辨和材料内部微观形貌图象。 2.合金的相结构 (1)固溶体—合金在固态下,组元之间能互相溶 解而形成的均匀相。 溶剂—与固溶体晶格类型相同。 溶质—晶格类型消失的组元。 ①置换固溶体——溶质的原子部分取代溶剂晶格 上的原子。动画\金工动画\置换固溶体.SWF 有限置换固溶体——按一定比例进行置换。 无限置换固溶体——任意进行置换原子。 条件:晶格类型相同,原子半径接近。 ②间隙固溶体——溶质的原子溶入溶剂晶格之中 形成的固溶体动画\金工动画\间隙固溶体.SWF 固溶体——

  晶格畸变——

  强度、硬度增加——

  固溶强化 (2)金属化合物——合金组元之间发生相 互作用而形成的具有金属特性的一种新相。 特点:晶格类型不同于任一组元,有较高 的熔点,硬而脆。动画\金工动画\Fe3C晶格结构.SWF 金属化合物主要用来作为碳钢、各类合金 钢、硬质合金及有色金属的重要组成相。 (3)多相复合组织——两种或两种以上 的相按一定的质量百分数组合成的物质。 特点:保持各组元的晶格类型。 性能取决于各组成相的性能及分布状态。 二元合金状态图 一、二元合金状态的建立 1.概念 研究材料从液态到固体转变过程而建立的图形 成分---温度----组织关系图 2.表示方法 3.绘制 动画\金工动画\二元相图建立.swf § 1.3 铁 碳 合 金 相 图 一、铁碳合金基本组织 (一)纯铁的同素异晶转变 在固态下,金属的晶格类型随温度(或 压力)变化的特性——同素异晶转变。动画\金工动画\同素异构.swf δ—Fe → γ—Fe → α—Fe 体心立方晶格 面心立方晶格 体心立方晶格 铁的同素异构转变是钢铁材料能够进行 热处理的依据。 (二)铁碳合金的基本组织 1.铁素体(F) 碳溶于α—Fe中形成的间隙固溶体,用 符号F(或α)表示。 600℃ 溶碳量0.008% 727℃ 溶碳量0.0218% 性能:与纯铁相似,强度、硬度低,而 塑性和韧性好。 组织:呈明亮的多边形晶粒,晶界曲折。 铁素体的显微组织 2.奥氏体(A) 碳溶于γ—Fe中形成的间隙固溶体,用符 号A(或γ)表示。 727℃ 溶碳量0.77% 1148℃ 溶碳量2.11% 性能:有一定的强度和硬度,塑性和韧性 好,适于进行锻压加工。 组织:与铁素体相似,晶粒呈多边形,但 晶界较铁素体平直 奥氏体的显微组织 3.渗碳体( Fe3 C ) 铁和碳形成的一种具有复杂斜方晶格的间 隙化合物,用化学分子式Fe3 C 表示。 ωc =6.69% 熔点为1227℃ 性能:硬度很高,脆性很大,塑性极差。 组织:常以片状、球(粒)状和网状等不 同形态存在。 4.珠光体——铁素体和渗碳体组成的机械 混合物,用符号P表示。 ωc =0.77% 性能:介于铁素体与珠光体之间,即综合 性能良好。 5.莱氏体—— ωc=4.3%的合金,缓慢冷却 到1148℃时从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳 体的共晶组织,用符号Ld表示。 性能:与渗碳体相似,即硬度高,塑性差。 珠光体是铁 素体和渗碳体呈 层片状交替排列 的机械混合物 。 呈块状分布的白 亮部分即是铁素 体 ,黑色部分为 珠光体组织 。 45钢的显微组织(×400) 在亮白色 渗碳体基底上 相间地分布着 暗黑色斑点及 细条状珠光体 莱氏体的显微组织 二、铁碳合金状态图的形式 简化铁碳合金状态图 三、铁碳合金状态图的建立 合金状态图就是通过一系列实验测出不同成分的铁碳合金在缓慢冷却过程中的冷却曲线和组织转变,然后在成分与温度坐标图中标出临界点温度(结晶开始和结晶结束的温度),并把物理意义相同的点连成曲线,这样构成的完整图形便是铁碳合金状态图。 四、 铁碳合金状态图的分析 1.特性点: 2.特性线: ①ACD线—液相线 ②AECF线—固相线 ③ ECF线—共晶线 ④ AC线—奥氏体结晶开始线 ⑤ AE线—奥氏体结晶终了线)—铁素体从A中析出开始线 ⑦PQ线—C在铁素体中的溶解度曲线CⅢ析出线 ⑧ES线(Acm)—C在A中的溶解度曲线CⅡ析出线 ⑨PSK线—共析线 ⑩CD线—一次渗碳体结晶开始线.铁碳合金的分类 工业纯铁:C%

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