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《金属工艺学》课程教学大纲一、理论教学内容绪论金属工艺学的性质、目的和任务。
机器制造过程。
机械制造工业在国民经济中的地位和作用。
课程教学基本要求与学习方法。
第一部分热加工(一)金屑材料的基本知识1．金属材料的力学性能力学性能的概念。
力学性能主要指标(强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度)的符号、单位、物理意义与试验方法。
2．金属的晶体结构与结晶纯金属的晶体结构，纯金属的结晶过程。
冷却曲线和过冷度。
晶粒、晶界、晶格、晶胞、晶面的概念。
晶粒大小对金属力学性能的影响。
金属的同素异构转变。
3．合金的相结构与相图合金的相结构。
二元合金相图的概念。
4．铁碳合金铁碳合金相图中的相、特性点和特性线。
典型铁碳合金的组织转变。
铁碳合金相图的应用。
5．钢的热处理热处理的基本概念。
钢在加热和冷却时的组织转变。
钢的退火、正火、淬火、回火的目的、工艺特点及应用。
钢的表面淬火和化学热处理。
6．常用钢材含碳量和常存元素对碳钢力学性能的影响。
钢的分类、牌号和用途。
(二)铸造1．铸造的实质、特点及应用范围。
铸造方法分类。
2．合金铸造性能充型能力和流动性的概念。
充型能力和流动性对铸件质量的影响。
影响充型能力和流动性的主要因素，提高充型能力和流动性的主要措施。
收缩的概念。
铸造应力、收缩对铸件质量的影响。
缩孔、缩松、变形、裂纹等铸造缺陷的形成机理和防止措施。
3．常用合金铸件及其生产灰铸铁件：灰铸铁的分类、牌号、组织和性能特点及应用。
铸铁的石墨化。
孕育处理。
灰铸铁件的生产特点。
球墨铸铁件：球墨铸铁的分类、牌号、组织和性能特点及应用。
球墨铸铁件的生产工艺和铸造工艺特点。
可锻铸铁件：可锻铸铁的分类、牌号、组织和性能特点及应用。
可锻铸铁件的制造过程和铸造工艺特点。
蠕墨铸铁件和合金铸铁件。
铸铁的熔炼：冲天炉的工作原理。
铁水温度和化学成分的控制。
铸钢件、铜合金铸件和铝合金铸件生产。
4．砂型铸造及铸造工艺规程设计铸造工艺规程设计的意义、内容及步骤。
常见手工造型方法的选择。
第一部分章节习题第一章金属的力学性能一、填空题1、金属工艺学是研究工程上常用材料性能和___________的一门综合性的技术基础课。
2、金属材料的性能可分为两大类:一类叫_____________,反映材料在使用过程中表现出来的特性,另一类叫__________,反映材料在加工过程中表现出来的特性。
3、金属在力作用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及力—应变关系的性能,叫做金属________。
4、金属抵抗永久变形和断裂的能力称为强度,常用的强度判断依据是__________、___________等。
5、断裂前金属发生不可逆永久变形的能力成为塑性,常用的塑性判断依据是________和_________。
6、常用的硬度表示方法有__________、___________和维氏硬度。
二、单项选择题7、下列不是金属力学性能的是()A、强度B、硬度C、韧性D、压力加工性能8、根据拉伸实验过程中拉伸实验力和伸长量关系,画出的力——伸长曲线(拉伸图)可以确定出金属的()A、强度和硬度B、强度和塑性C、强度和韧性D、塑性和韧性9、试样拉断前所承受的最大标称拉应力为()A、抗压强度B、屈服强度C、疲劳强度D、抗拉强度10、拉伸实验中,试样所受的力为()A、冲击B、多次冲击C、交变载荷D、静态力11、属于材料物理性能的是()A、强度B、硬度C、热膨胀性D、耐腐蚀性12、常用的塑性判断依据是()A、断后伸长率和断面收缩率B、塑性和韧性C、断面收缩率和塑性D、断后伸长率和塑性13、工程上所用的材料,一般要求其屈强比()A、越大越好B、越小越好C、大些,但不可过大D、小些,但不可过小14、工程上一般规定,塑性材料的δ为()A、≥1%B、≥5%C、≥10%D、≥15%15、适于测试硬质合金、表面淬火刚及薄片金属的硬度的测试方法是()A、布氏硬度B、洛氏硬度C、维氏硬度D、以上方法都可以16、不宜用于成品与表面薄层硬度测试方法()A、布氏硬度B、洛氏硬度C、维氏硬度D、以上方法都不宜17、用金刚石圆锥体作为压头可以用来测试()A、布氏硬度B、洛氏硬度C、维氏硬度D、以上都可以18、金属的韧性通常随加载速度提高、温度降低、应力集中程度加剧而()A、变好B、变差C、无影响D、难以判断19、判断韧性的依据是()A、强度和塑性B、冲击韧度和塑性C、冲击韧度和多冲抗力D、冲击韧度和强度20、金属疲劳的判断依据是()A、强度B、塑性C、抗拉强度D、疲劳强度21、材料的冲击韧度越大,其韧性就()A、越好B、越差C、无影响D、难以确定三、简答题22、什么叫金属的力学性能?常用的金属力学性能有哪些?23、什么是疲劳断裂?如何提高零件的疲劳强度?四、计算题24、测定某种钢的力学性能时,已知试棒的直径是10mm,其标距长度是直径的五倍,Fb=33.81KN,Fs=20.68KN,拉断后的标距长度是65mm。
第一篇金属材料的基本知识第一章金属材料的重要性能金属材料的力学性能又称机械性能, 是金属材料在力的作用所表现出来的性能。
零件的受力情况有静载荷, 动载荷和交变载荷之分。
用于衡量在静载荷作用下的力学性能指标有强度, 塑性和硬度等；在动载荷和作用下的力学性能指标有冲击韧度等；在交变载荷作用下的力学性能指标有疲劳强度等。
金属材料的强度和塑性是通过拉伸实验测定的。
P6低碳钢的拉伸曲线图1，强度强度是金属材料在力的作用下, 抵抗塑性变形和断裂的能力。
强度有多种指标, 工程上以屈服点和强度最为常用。
屈服点: δs是拉伸产生屈服时的应力。
产生屈服时的应力=屈服时所承受的最大载荷/原始截面积对于没有明显屈服现象的金属材料, 工程上规定以席位产生0.2%变形时的应力, 作为该材料的屈服点。
抗拉强度: δb是指金属材料在拉断前所能承受的最大应力。
拉断前所能承受的最大应力=拉断前所承受的最大载荷/原始截面积2，塑性塑性是金属材料在力的作用下, 产生不可逆永久变形的能力。
常用的塑性指标是伸长率和断面收缩率。
伸长率: δ试样拉断后, 其标距的伸长与原始标距的比例称为伸长率。
伸长率=（原始标距长度－拉断后的标距长度）÷拉断后的标距长度×100%伸长率的数值与试样尺寸有关, 因而实验时应对所选定的试样尺寸作出规定, 以便进行比较。
同一种材料的δ5 比δ10要大一些。
断面收缩率：试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原始横截面积的比例称为断面收缩率, 以ψ表达。
收缩率=（原始横截面积－断口处横截面积）÷原始横截面积×100%3，伸长率和断面收缩率的数值愈大, 表达材料的塑性愈好。
4，硬度金属材料表面抵抗局部变形（特别是塑性变形、压痕、划痕）的能力称为硬度。
金属材料的硬度是在硬度计上测出的。
常用的有布氏硬度法和洛氏硬度法。
1，布氏硬度（HB）2，是以直径为D的淬火钢球HBS或硬质合金球HBW为压头, 在载荷的静压力下, 将压头压入被测材料的表面, 停留若干秒后卸去载荷, 然后采用带刻度的专用放大镜测出压痕直径d, 并依据d的数值从专门的表格中查出相应的HB值。
第六章工业用钢以铁为主要元素,碳的质量分数一般在2%以下,并含有其他元素的材料称为钢.按照化学成分分为:碳钢和合金钢两大类。
碳钢:指碳含量wc<2.11%的铁碳合金。
合金钢:指为改善钢的组织、性能,在冶炼时特意加入合金元素的钢。
钢材及其生产过程一、钢铁材料的生产过程铁矿石生铁钢锭型材铸铁轧制、挤压、拉拔、锻造等压力加工方法1、生铁的冶炼原料:铁矿石燃料:焦炭熔剂:石灰石设备:高炉2、钢的冶炼原料:生铁、废钢燃料:焦炭熔剂:石灰石;氧化剂,脱氧剂设备:电弧炉(钢板、型钢、钢管高炉电弧炉第一节碳钢一、碳钢中的长存杂质元素及其作用碳钢中除铁以外的主要元素是碳,其它长存的杂质元素有硅、锰、硫、磷等,还有熔炼中夹杂进入的氧、氢、氮等气体元素。
1、有益元素锰——能溶于 F ,使 F 强化,也能溶于渗碳体,提高其硬度;能增加并细化 P ,从而提高钢的强度和硬度; 可与 S 形成 MnS ,以消除硫的有害作用。
硅——能溶于 F 使之强化,从而使钢的强度、硬度、弹性都得到提高。
2. 有害元素:硫——形成低熔点的 FeS ,使钢产生热脆。
热脆:FeS 与 Fe 形成的熔点(985 ℃共晶体分布在晶界上当钢加热到 1000-1200℃进行锻压或轧制时, 由于晶界上的共晶体已经熔化,使钢在晶界开裂。
这种现象称。
磷——部分溶于 F 形成固溶体,部分在结晶时形成脆性很大的 Fe3P ,使钢在室温下的塑、韧性急剧下降。
冷脆:低温时由磷导致钢严重变形的现象称钢的通常钢材的质量等级以硫磷含量的控制来划分3. 气体元素(钢中有害元素 :N :钢中过饱和 N 在常温放置过程中会发生时效脆化。
加 Ti 、 V 、 Al 等元素可消除时效倾向。
O :钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源。
H :原子态的过饱和氢时将降低韧性 ,引起氢脆。
当氢在缺陷处以分子态析出时,会产生很高内压,形成微裂纹,其内壁为白色,称白点或发裂。
钢中白点 O 、 H 、 N 三种气体元素在高温时融入钢液,而在固态钢中溶解度极小,冷却时来不及溢出而积聚在组织中形成高压细微气孔,使钢的塑性、韧性和疲劳强度急剧降低,严重时会造成裂纹、脆断,是必须严格控制的有害元素。
二、碳钢的分类、牌号和用途(一碳钢的分类1、按碳的含量分类:(1低碳钢 wc=0.08%~0.25%,塑性好,多用作冲压、焊接和渗碳工件。
(2中碳钢 wc=0.25%~0.6%,强渡和韧度均较高,热处理后有良好的综合力学性能,多用作要求良好强韧度的各种重要结构零件。
(3高碳钢 wc=0.60%~1.4%,硬度较高,多用作工具、模具和量具等工件。
2、按质量分类:(1普通钢钢中S ≤ 0.050%, P ≤ 0.045%(2优质钢钢中S ≤ 0.035%, P ≤ 0.035%(3高级优质钢S ≤ 0.030%, P ≤ 0.030% 3、按用途分类(1碳素结构钢主要用于建筑、桥梁等工程结构和各种机械零件(如齿轮、轴、螺柱、弹簧等 (2碳素工具钢主要用于锅各类刀具、量具和模具,如丝锥、扳牙、刮刀、锯条、冲模等。
(3专用钢包括锅炉钢、船用钢、易切钢等。
4、按钢液脱氧程度分类(1沸腾钢(F沸腾钢脱氧不完全,组织不致密,成分不均匀,性能较差。
(2镇静钢(Z镇静钢脱氧完全,组织致密,成分较均匀,性能较好。
优质钢和高级优质钢多为镇静钢,通常不再标注镇静钢代号。
(3半镇静钢(b半镇静钢脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间。
二、碳钢的牌号性能及主要用途1、碳素结构钢:用途:薄板,铁丝,钉,小轴,螺栓等。
化学成分:ωc =0.09%--0.33% ωMn =0.37%--0.65% ωsi =0.30%ωs ≤0.035--0.05% ωp ≤0.035%--0.045%牌号:Q+屈服点数值+质量等级符号+脱氧方法符号质量等级:用A 、B 、C 、D 、E 表示硫磷含量不同例:Q235AF 代表屈服点σS =235MPa ,质量为A 级的沸腾碳素结构钢组织:较多的F+较少的P性能:因为碳低,焊接性能好2、优质碳素结构钢:化学成分:Wc=0.08%--0.85% Wsi=0.17%--0.37% Wsp≤0.035%牌号:两位数字+符号表示数字表示含碳量万分之几, 40表示钢中平均含碳量为0.40%。
若钢中锰的含量较高时,在数字后面附化学元素符号Mn60Mn表示钢中平均含碳量为0.60%,Mn的含量为0.70%~1.00%的优质碳素结构钢。
符号如果是F则表示是沸腾钢。
例:08F 15F1 低碳钢化学成分:WC≤0.15%组织:退火状态下,组织为较多的F和较少P性能:σ和HBS低,而δ.ak好,焊接性好。
用途:08F、10F、15F 冷变形加工成型件机壳、容器。
10~25钢各种标准件、轴套、容器等。
2 中碳钢化学成分:WC=0.30%~0.6%组织:F+P,略低。
具有良好的性能:σ、HBS比低碳钢略高,而δ、ak综合力学性能,切削加工性好,但焊接性一般。
用途:用于制作齿数、主轴及连杆等重要的机械零件。
3 高碳钢化学成分:WC>0.60%组织:T回(淬火+中温回火性能:在淬火+中温回火后,具有较高的σ和良好弹性也叫弹簧钢。
具有较好的耐磨性和中等硬度。
用途:主要用于制作弹簧和易磨损的零件。
3、碳素工具钢化学成分:Wc=0.65%--1.35%牌号:用“T”加数字表示,该数字表示钢中平均含碳量的千倍。
T8:表示碳的平均含碳量为0.8%的碳素工具钢。
组织:M回(淬火+低温回火处理性能:具有很高的硬度和耐磨性,但淬透性差,热硬性差。
用途:用于制作手动和低速切削的工具和要求不高的量具和模具等4、易切削用钢:Y20:表示易切削结构钢,其平均含碳量为0.2%。
牌号:在同类结构钢牌号前冠以“Y”,以区别其他结构用钢用途:主要用在自动机床上加工大批量的零件,如螺钉,螺母等5、铸钢ZG230—450牌号:ZG 屈服强度—抗拉强度HH (焊:该钢是焊接结构用碳素铸钢用途:用于浇注成铸件的钢。
其强度高于各类铸铁,同时具有良好的塑性和韧性,适于制造形状复杂、强度和韧性要求高的零件,如火车轮、大齿轮等第二节合金元素在钢中的作用¾合金元素与铁和碳的作用¾合金元素对Fe-Fe3C相图的影响¾合金元素对钢的热处理的影响1、强化铁素体一、合金元素对钢基本相的影响合金元素溶于F——F晶格畸变——固溶强化2、形成碳化物Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱强碳化物形成元素(在钢中能形成碳化物的元素在周期表中都是位于铁元素的左边的过渡族金属元素周期表中,在铁左边离铁愈远,则其与碳的亲和力愈强,形成碳化物的能力愈大,愈稳定,而且不易分解。
碳化物越稳定→越难溶于A→越不易于聚集长大随着碳化物数量的增加,钢的硬度强度提高,塑韧性下降。
合金渗碳体如(Fe,Mn3C、(Fe,Cr3C等。
合金碳化物如Cr7C3、Fe3 W3C等。
3、单独形成特殊碳化物熔点、硬度、耐磨性最高。
稳定性最好。
WC 、M O C 、TiC 、VC二、合金元素对Fe—Fe3C 相图的影响1、扩大奥氏体区:(Mn 、C 0、Ni使A 1线A 3线下降,若含量足够高,可使单相A 扩大到常温,即常温下保持稳定的A 组织。
—可获得A 钢。
2、缩小奥氏体区:(Cr 、Mo 、Ti 、Si 、Al 使A 1线A 3线上升,若含量足够高时,可使钢在高温与常温保持F 组织。
—可获得F 钢。
3、改变共晶点和共析点的参数:合金元素都使Fe-Fe 3C 相图的S 点、E 点左移,即使钢的共析含碳量和A 对C 的最大固溶度降低。
若含量足够高时,可以在W C=0.4%的钢中产生共析组织,在WC =1.0%的钢中产生Ld 组织。
1、扩大奥氏体区的合金元素Mn、Ni、Co等元素。
作用: 使A1线温度下降, A3线温度下降,可得到奥氏体钢。
Mn元素对奥氏体区的影响2、缩小奥氏体区的合金元素Cr、Mo、W、V、Ti、Si等元素。
作用: 使A1线温度上升, A3线温度上升,可得到铁素体钢。
Cr元素对奥氏体区的影响3.改变共晶点和共析点参数的元素几乎所有的合金元素。
作用: 使S点和E点的成分向左移,可得到莱氏体钢。
合金元素对S 点成分的影响三、合金元素对钢的热处理的影响•加热时对奥氏体形成的影响•对过冷奥氏体转变的影响•对回火转变的影响1、合金元素对加热时奥氏体形成的影响¾除Mn元素外,所有合金元素的加入,均使奥氏体的形成速度减慢。
¾强碳化物形成元素能强烈的阻止奥氏体晶粒长大( Ti、V、Zr、Nb等。
¾非碳化物形成元素能轻微的阻止奥氏体晶粒长大( Si、Ni、Cu、Co等。
2.合金元素对过冷奥氏体转变的影响除Co元素外, 所有的合金元素均使钢的TTT 曲线向右移。
除Co、Al元素外, 所有的合金元素都使马氏体转变温度下降。
提高钢的淬透性, 常用的元素有:Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。
3.合金元素对回火转变的影响¾回火抗力的增加¾二次硬化的产生¾产生回火脆性W、Mo、V 等碳化物在550℃时,使钢达到最高硬度, 产生二次硬化。
Cr-Ni 钢的回火脆性示意图防止第二类回火脆性的产生的方法: 在500~600 ℃快速冷却。
加入合金元素W、Mo。
四、合金元素在钢中的作用1、主加元素: 对提高钢的性能起主要作用。
Si、Mn、Cr、Ni、B。
2、辅加元素: 配合主加元素进一步提高钢的性能,弥补主加元素的不足与缺陷。
W、Mo、V、Ti、Nb。
第三节合金钢合金元素对钢性能的影响引言¾强化铁素体¾形成合金碳化物¾细化晶粒¾提高钢的淬透性¾提高钢的回火稳定性1、低合金钢的分类及牌号1低合金钢的分类(1按主要质量等级分类普通质量低合金钢优质低合金钢特殊质量低合金钢(2按主要性能和使用特性分类分为可焊接的低合金高强度结构钢、低合金耐候钢、低合金钢筋钢、铁道用低合金钢、矿用低合金钢、其他低合金钢等。
一、低合金钢和合金钢的分类及牌号2低合金钢的牌号(1低合金高强度结构钢表示方法与碳素结构钢相同。
例:Q345。
2、合金钢的分类及牌号1合金钢的分类(1按主要质量等级分类优质合金钢特殊质量合金钢 (2按主要性能和使用特性分类分为工程结构用合金钢、机械结构用合金钢、轴承钢、工具钢、不锈、耐蚀和耐热钢、特殊物理性能钢等。
我国合金钢的编号是按照合金钢中的含碳量+所含合金元素的种类(元素符号+含量一般牌号的首部是表示碳的平均质量分数的数字, 对于结构钢,以万分数计;对于工具钢以千分数计。
1、合金结构钢 60Si2Mn 09Mn22、合金工具钢9Mn2V 平均含碳量<1.0%时,牌号前以千分之几表示CrWMn 平均含碳量≥1.0%时,牌号前不标数字高速工具钢牌号中不标出含碳量 W18Cr4V 2合金钢的牌号当钢中某合金元素的平均质量分数<1.5时,牌号中只标出元素符号不标明含量, 当>1.5时,在该元素后面相应的用整数住处其近似含量。
