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发布时间:2020-05-22 03:48:26

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作者:张红,史春丽

出版社:电子工业出版社

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工程材料与机械制造工艺

工程材料与机械制造工艺试读:

前言

本书结合高等教育教学改革,响应国家培养高级技术应用型、技能型人才的号召,面向制造业的发展需要,在重视综合性、应用性与实践性,重视新材料、新工艺的基础上编写而成。本书可供在校学生、有关工程技术人员作为教材或参考书使用,也可作为相关工程技术人员和工厂管理人员的工具书。

生产现场正在加工的零件如轴和齿轮,成品如汽车和飞机,都是由各种材料制作而成的。工程材料的应用与机械制造工艺是制造之母。我们在日常生活和工作中会接触到如钢铁、铝合金和铜合金等金属材料,也会接触到如塑料、橡胶等很多非金属材料,这些材料与我们的日常生活和工作息息相关。本书详细介绍了工程材料的性能、特点及适用范围以及相关的机械制造工艺。

本书分为13章,分别介绍了工程材料与机械制造工艺、工程材料、铸造工艺、锻压工艺、非金属材料及其工艺、金属切削加工基础知识、零件毛坯的选择、车床与车削加工、磨床与磨削加工、其他常用机床及加工方法、机械加工工艺规程制定、机械装配工艺基础、工程材料与机械制造工艺选择及质量控制。本书阐述了各种材料技术及工艺原理、工艺方法、自身规律、相互联系、技术经济性及发展趋势,归纳了选材和选择工艺的方法,为理论与实践相联系做了一些尝试。本书的主要特点是:较详细地阐述了材料技术和各种机械制造技术的基本理论,在此基础上较全面地介绍了现代机械制造方法和新成果、新发展,便于读者了解先进材料技术、工艺和方法的发展趋势。

本书编写具备以下特点。(1)以培养生产第一线需要的高级应用型、技能型人才为目标,将理论与实践经验有机结合,对生产现场有指导作用。(2)建立工程材料和与现代机械制造工艺的完整概念。(3)建立大材料的概念,在整体上形成金属材料与非金属材料并重的格局。(4)充分重视新材料、新工艺、新技术的引入。如增加了新型材料、表面工程技术、胶接技术等。(5)重视综合性、应用性和实践性。(6)全面贯彻落实最新国家标准。(7)为培养学生的综合素质,适当引入技术经济分析和质量管理的概念,贯彻环境保护和可持续发展的观点。

随着现代自然科学的不断发展,新工艺不断涌现,传统工艺不断变革,材料科学及现代制造工艺正飞速发展。为适应这样的发展,使读者在材料科学领域掌握现代加工的基本原理,为解决现代工程材料的成形和新型材料的开发打下基础,特编写了本书。本书根据现代科学技术的发展,按机械工程和相关工程专业方向的教学要求,对内容进行了较大的更新和充实。本书较系统地介绍了材料科学与工程的基础理论,紧密结合材料加工和材料学科的现状和发展动向,补充了较多的应用实例,介绍了行业前沿的科研成果,以便为读者进一步学习打下必要的基础。编者力求适应机械工程学科的教学改革要求,按照宽口径、厚基础的原则,加强对学科基础理论的阐述,增加学科知识信息量,增加对各种材料处理方法和加工工艺方法的比较与分析,力求使读者提高分析问题和解决问题的能力。本书是编者们长期教学工作经验的总结,对机械类和其他专业的学生掌握机械制造科学会有一定的帮助。

在编写过程中参阅并引用了有关教材、手册及相关文献,在此对有关作者表示感谢,并把引用的资料一并列举在参考文献中。

在编写过程中还得到了烟台南山学院有关领导和同志们的支持和帮助,在此表示衷心的感谢。

本书涉及的专业面较广,由于编者的水平有限,书中难免有错误和不足之处,敬请指正。编著者第1章 工程材料与机械制造工艺

工程材料是构成机械设备的基础,也是各种机械加工的对象,包括金属材料、非金属材料和复合材料等。机械制造工艺包括各种材料的铸造、锻压、焊接、聚合、烧结和钳工、机械加工等。工程材料应用和机械制造工艺是机械制造过程的重要组成部分,机械制造生产过程就是将各种原材料经过成形、改性、连接等工艺转变为机器的过程。1.1 工程材料与机械制造工艺的简要发展过程

材料是人类文明生活的物质基础。综观人类利用材料的历史,可以清楚地看到每一类新材料的发现和应用,都会引起生产技术的革命,并加速了社会文明发展的进程。人类社会的“石器时代”“青铜器时代”和“铁器时代”就是按生产活动中起主要作用的材料划分的。在远古时代,人类的祖先是以石器为主要工具的。他们在不断改进石器和寻找石料的过程中发现了铜和铜矿石,并在用火烧制陶器的生产中发现了冶铜术。进入20世纪后半叶,新材料研制日新月异,出现了所谓“高分子时代”“半导体时代”“先进陶瓷时代”和“复合材料时代”等提法,材料发展进入了快速发展的新时期。

我国的金属切削加工工艺发展可追溯到青铜器时代,在湖南衡阳出土的东汉人字齿轮,说明在汉朝就有了金属零件。明朝出现了简单的切削加工设备,明朝宋应星的《天工开物》,是有关金属加工的最早的科学技术著作之一,书中记载了冶炼、铸造、锻造等制造加工的方法,其中记述关于锉刀的加工、翻修和热处理工艺与当今相差无几。以上事实,生动地说明了中华民族在材料及其加工工艺方面对世界文明和人类科技进步做出的卓越贡献。

18世纪20年代,先后在欧美发生的产业革命极大地促进了钢铁工业和石油化学工业的快速发展。各类新材料不断涌现,材料对科学技术的发展发挥着关键性作用。以航空工业为例,1903年世界上第一架飞机所用的主要结构材料是木材和帆布,飞行速度仅为每小时16 km;1911年硬铝合金研制成功,金属结构取代木材和帆布结构,使飞机性能和速度获得一个飞跃;喷气式飞机超过音速,高温合金材料对制造涡轮发动机起到重要作用;当飞机速度在2~3倍音速时,飞机表面温度会升到300℃,飞机材料只能采用不锈钢或钛合金;至于航天飞机机体表面温度会高达1000℃以上,只能采用高温合金材料及防氧化涂层。目前,玻璃纤维增强塑料、碳纤维高温陶瓷复合材料、陶瓷纤维增强塑料等复合材料在飞机、航天飞行器上已获得广泛应用。1.2 工程材料的分类及发展趋势

在生活、生产和科技各个领域中,用于结构、机器、工具和功能器件的各类材料统称为工程材料。工程材料按其组成特点可分为金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料及复合材料四大类。若按材料的使用性能可分为结构材料与功能材料两大类。结构材料是作为承力结构使用的材料,其使用性能主要是力学性能;功能材料的使用性能主要是光、电、磁、热和声等特殊功能性能。按应用领域材料又可分为信息材料、能源材料、建筑材料、机械工程材料、生物材料和航空航天材料等多种类别。

材料、能源和信息技术是现代文明的三大支柱。从现代科学技术发展史中可以看到,每一次重大的新技术发现,往往都有赖于新材料的发展。所谓新材料,主要是指最近发展或正在发展中的具有比传统材料更优异性能的一类材料。目前世界上传统材料已有几十万种,同时新材料的品种正以每年大约8%的速度增长。工程材料的新发展给社会生产和人们生活带来了巨大的变化。

金属材料的分类如图1.1所示。由于金属材料工业已形成了庞大的生产能力,并且质量稳定,性能价格比具有一定的优势,所以金属材料仍占据材料工业的主导地位。目前,金属材料不断推陈出新,许多新兴金属材料应运而生。例如,传统的钢铁材料正在不断提高质量、降低成本、扩大品种规格,在冶炼、浇铸、加工和热处理等工艺上不断革新;在非铁金属及合金方面出现了高纯高韧铝合金,先进的镍基高温合金等。此外,还涌现了其他许多新型高性能金属材料,如快速冷凝金属非晶和微晶材料、纳米金属材料、超导材料和单晶合金等。新型金属功能材料,如形状记忆合金、超细金属隐身材料及活性生物医用材料等也正在向着高功能化和多功能化发展。

无机非金属材料的分类如图1.2所示。由于制备技术的进步,开发出了一批先进陶瓷材料,包括氮化硅、氧化铝等新结构陶瓷材料,其强度和断裂韧度大大优于普通的硅酸盐陶瓷材料,用作高温结构件、耐磨耐腐蚀部件、切削刀具等替代金属材料有明显优点。功能陶瓷是一类利用材料的电、磁、声、光、热和弹性等效应以实现某种功能的陶瓷,是现代信息、自动化等工业的基础材料。从传统的硅酸盐陶瓷到先进陶瓷是陶瓷材料发展史上的重大飞跃。

有机高分子材料包括塑料、橡胶、合成纤维、胶黏剂、液晶、木材、油脂和涂料等。人们将那些力学性能好、可以代替金属材料使用的塑料称为工程塑料。由于石油化学工业大规模合成技术的迅速发展,高分子合成材料(包括合成纤维、合成橡胶和塑料)成为国家建设和人民生活中必不可少的重要材料。近十年来,随着高压聚合工艺的进步,高分子材料的合成、高性能的合成纤维和工程塑料已进入实用阶段。另一方面,人们还可以通过技术手段,使高分子化合物作为物理功能高分子材料、化学功能高分子材料或生物功能高分子材料,如导电高分子、光功能高分子、液晶高分子、信息高分子材料,人工骨材料等。

金属、陶瓷和有机高分子材料各有其固有的优点和缺点,而复合材料是由几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料,它既能保留原组成材料的主要特色,又能通过复合效应获得原组分所不具备的性能,还可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联,从而获得新的优越性能。结构复合材料由能承受载荷的增强体与能连接增强体为整体材料的基体构成,由不同的增强体和不同的基体即可构成名目繁多的结构复合材料,如高聚物(树脂)基复合材料(如玻璃钢)、金属基复合材料和陶瓷基复合材料等。结构材料复合化成为结构材料发展的一个重要趋势。复合材料的分类如图1.3所示。图1.1 金属材料的分类图1.2 无机非金属材料的分类图1.3 复合材料的分类1.3 机械制造工艺的发展趋势1.3.1 机械制造工艺流程

机械制造工艺是指将各种原材料、半成品加工成为零件、产品的方法和过程。机械生产过程按其功能不同主要分为两类:一类是直接改变工件的形状、尺寸、性能及决定零件相互位置关系的加工过程,如毛坯制造、机械加工、热处理、表面保护、装配等,以材料制造工艺技术为主,它们直接创造附加价值;另一类是搬运、储存、检验、包装等辅助生产过程,它们间接创造附加价值。机械制造工艺流程如图1.4所示。图1.4 机械制造工艺流程图

工业生产的原材料主要是以钢铁为主的金属结构材料,包括由冶金工厂直接供应的棒、板、管、线材、型材,进行切割、焊接、冲压、锻造或下料后直接进行机械加工;也包括生铁、废钢、铝锭、电解铜板等材料,进行二次熔化和加工(铸造、铸锭-锻造)。随着机械工程材料结构的不断调整,各种特种合金、金属粉末、工程塑料、复合材料和工程陶瓷材料的应用比例也不断扩大。

零件毛坯的制造方法一般有铸造、锻造、冲压、焊接和轧材下料等5种常用方法(轧材下料又常用作锻压和焊接的准备工序);其他材料(合金粉末、工程陶瓷、工程塑料等)另有各自的特殊成形方法。

零件的机械加工指采用切削、磨削和特种加工等方法,逐步改变毛坯的形状、尺寸及表面质量,使其成为合格零件的过程。根据加工余量的大小及所能达到的精度,一般分为粗加工和精加工两种。

金属材料的热处理可分为预备热处理和最终热处理。预备热处理一般在毛坯制造后粗加工前进行;最终热处理一般在粗加工后精加工前进行。部分热处理工艺(表面热处理和化学热处理)往往也作为表面保护的具体措施。

材料电镀、转化膜、气相沉积、热喷涂、涂装等表面处理工艺,一般在零件精加工后装配前进行,用以改变零件表面的力学性能及物理化学性能,使其具有符合要求的强韧性、耐磨性、耐蚀性及其他特种性能。

在机械加工过程中,有大量主体工序(如造型、熔化浇铸、切削等),也有大量的辅助工序(如毛坯打磨、焊补等)。在工艺装备中要有相应的辅助工装(如砂箱、夹具等)和工艺材料(如造型原砂、焊条、切削液等)配合。辅助工序、辅助工装和工艺材料对产品质量也有重大影响。

在机械制造生产过程中,各种物料(原材料、工件、成品、工具、辅助材料、废品废料等)的搬运和储存,材料产品和工艺过程的检测和质量监控,生产过程中各种信息的传递和控制都是贯穿于整个机械制造工艺过程的,是保证生产工艺过程的正确实施、提高产品质量稳定性和提高经济效益的重要环节。1.3.2 机械制造工艺的发展

铸造、锻压、注塑、热处理、机械加工等常规机械制造工艺至今仍是量大面广、经济适用的技术,因而常规工艺的不断改进、提高具有很大的技术经济意义。通过改进工艺设备、采用新型工艺材料、完善检测控制系统、改善工艺条件、优化工艺及其参数等途径,实现高效化、精密化、强韧化、轻量化,以形成优质、高效、低耗等先进适用工艺。如以涂层刀具、超硬刀具、机夹刀具代替普通刀具,以数控加工代替普通机床加工等。常规工艺经过优化后,能够扩展原有的工艺效果,使得如下料,毛坯制造和零件精、粗加工及热处理等工艺,在界限上趋于淡化,在功能上趋于交叉。如精密冲裁、精密切割的功能不止限于下料,一直扩展至粗加工甚至部分精加工领域。无余量精密制造、接近最终形状的精密塑性成形等基本可取代粗加工,甚至可以做到直接装配。常规工艺的不断优化,取得了非常明显的技术经济效果。

近些年来,机械产品更新换代的速度不断加快,对制造工艺提出了更高更新的要求;新能源、新材料、微电子、计算机等高新技术的不断引入,为新型加工方法的出现提供了技术储备。因此,机械制造加工方法不断出现和发展。新型材料的出现使传统的铸、锻、焊、热、切削加工工艺的技术构成逐渐发生变化。新型材料的应用也导致崭新加工技术的产生,如加工超塑性材料的超塑成形、加工陶瓷材料的热等静压、沉积TiN、人造金刚石等。另外,激光、电子束、离子束、等离子体、超声波、高压水射流等新能源或能源载体的引入,形成了多种崭新的特种加工及高密度能切割、焊接、熔炼、锻压、热处理、表面保护等加工工艺。激光、等离子、高压水射流切割技术与数控技术相结合使加工精度和生产效率大幅度提高。

随着机械加工精度不断提高,出现了精密加工和超精密加工,其主要方式有超精密切削、超精密磨削与磨料加工。制造超大规模集成电路、光电器件等的基本加工工艺是微细加工,它不仅加工精度极高,而且加工尺寸十分微小。微细加工的发展还导致一门崭新的学科——微机械的产生。应用微机械技术可制造出显微量级尺寸的机械器件,如微型传感器、静电驱动的微型马达、微型齿轮、微型轴承、微型机械手、微型机器人等。

将两种以上加工方法复合应用(工艺及设备复合)形成一些复合加工技术。如超声振动切削、液态模锻(铸造+热挤压)、连续铸挤(连续铸造+挤压)、超塑成形、扩散连接等加工方法。

计算机数值模拟技术和计算机辅助工艺设计(CAPP)在铸造、锻压、焊接等传统工艺中开始得到广泛应用。材料成形及处理各生产环节采用高效专用设备和先进工艺,普遍实现了工艺专业化和机械生产自动化。微电子、计算机、自动化技术与工艺及设备相结合,形成了从单机到系统、从刚性到柔性、从简单到复杂等不同档次的多种自动控制加工技术,使传统工艺面貌发生显著的本质的变化。应用新型传感器、无损检测等工艺过程自动监控技术及可编程控制器、微机等新型控制装置实现系统的自适应控制和自动化控制。适应产品更新换代周期短、品种规格多样化的需要,高效柔性加工系统获得较快发展。计算机集成制造系统(CIMS)借助计算机技术,将产品设计、制造工艺(CAD/CAM)和管理信息集成于交互式网络中,形成一个有机整体,实现机械制造过程高度自动化,极大地提高了劳动生产率和社会经济效益。1.3.3 新材料的发展趋势

随着社会的发展和科学技术的进步,新材料的研究、制备和加工应用层出不穷。每一种重要的新材料的发现和应用,都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。工程材料目前正朝着高强度比(单位密度的强度)、高比模量(单位密度的模量)、耐高温、耐腐蚀的方向发展。如图1.5所示为材料比强度随时间的进展今日先进材料强度比早期材料强度增长5倍。新材料主要在以下几方面获得发展。

1.先进复合材料

先进复合材料是由基体材料(高分子材料、金属或陶瓷)和增强材料(纤维、晶须、颗粒)复合而成的具有优异性能的新型材料。

2.光电子信息材料

光电子信息处理材料包括量子材料、生物光电子材料、非线性光电子材料等。图1.5 材料比强度随时间的进展

3.低维材料

低维材料是指超微粒子(零维)、纤维(一维)和薄膜(二维)材料,这是近年来发展最快的材料领域。

4.新型金属材料

新型金属材料,包括镍基高温合金、非晶态合金、微晶合金、Al-Li合金金属间化合物等。第2章 工程材料

材料是现代文明的三大支柱之一,也是发展国民经济和机械工业的重要物质基础。材料作为生产活动的基本投入之一,对生产力的发展有着深远的影响。历史上曾把当时使用的材料当作历史发展的里程碑,如“石器时代”“青铜器时代”“铁器时代”等。我国是世界上最早发现和使用金属的国家之一。周朝是青铜器的极盛时期,到春秋战国已普遍应用铁器。直到19世纪中叶大规模炼钢工业兴起,钢铁才成为最主要的工程材料。

科学技术的进步推动了材料工业的发展,使新材料不断涌现。石油化学工业的发展促进了合成材料的兴起和应用;20世纪特种陶瓷材料又有很大进展,工程材料随之扩展为包括金属材料、有机高分子材料(聚合物)和无机非金属材料三大系列的全材料范围。2.1 工程材料的性能

各种材料按其性能的不同,可以用于结构、机件、工具或物理功能器件等。工程技术人员选用材料时首先要掌握材料的使用性能,同时要考虑材料的工艺性能和经济性能。使用性能是材料在使用过程中表现出来的性能,主要有力学性能、物理性能及化学性能。工艺性能是指材料在各种加工过程中表现出来的性能,如铸造、锻造、焊接、热处理和切削加工等性能。当然还要关注经济性能,要力求材料选用的总成本最低。在机械行业选用材料时,一般以力学性能作为主要依据。2.1.1 工程材料的力学性能

材料常用的力学性能指标有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳极限等。

1.强度和塑性

材料的强度与塑性是极为重要的力学性能指标,采用拉伸试验方法测定。所谓拉伸试验是指用静拉伸力对标准拉伸试样进行缓慢的轴向拉伸,直至拉断的一种试验方法。在拉伸试验中和拉伸试验后可测量力的变化与相应的伸长量,从而测出材料的强度与塑性。

试验前,将材料制成一定形状和尺寸的标准拉伸试样(GBT228-2002)。如图2.1所示为常用的圆形标准拉伸试样的拉伸曲线,试样的直径为d,标距的长度为L。将试样装夹在拉伸试验机上,00缓慢增加试验力,试样标距的长度将逐渐增加,直至拉断。若将试样从开始加载直到断裂前所受的拉力F,与其所对应的试样标距长度L0的伸长量ΔL绘成曲线,便得到拉伸曲线。如图2.2所示为退火低碳钢的拉伸曲线。用试样原始截面积S去除拉力F得到应力σ,以试样原0始标距L去除绝对伸长量ΔL得到应变ε,即σ=F/S,ε=L/L,则力-伸000长(F-ΔL)曲线就成了工程应力应变(σ-ε)曲线。图2.1 圆形标准拉伸试样的拉伸曲线图2.2 低碳钢的拉伸曲线

曲线表示了这样一个变形过程。曲线的O段近乎一条直线,表e示受力不大时试样处于弹性变形阶段,若卸除试验力,试样能完全恢复到原来的形状和尺寸,其中在O阶段应力与应变呈正比关系即符p合胡克定律。当拉伸力继续增加时,试样将产生塑性变形,并且在s点附近曲线上出现平台或锯齿状线段,这时应力不增加或只有微小增加,试样却继续伸长,称为屈服。屈服后曲线又呈上升趋势,表示试样恢复了抵抗拉伸力的能力。b点表示试样抵抗拉伸力的最大能力。这时试样上的某处截面积开始减小,形成缩颈。随后,试样承受拉伸力的能力迅速减小,直至断裂(k点)。

1)强度

强度是材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。工程上常用的静拉伸强度判据有弹性极限、屈服点和抗拉强度等。(1)弹性极限。在弹性阶段内,卸除试验力后而不产生塑性变形的最大应力为材料的弹性伸长应力,通常称为弹性极限,以σ表示:eσ=F/See0

式中:F是试样产生完全弹性变形时的最大拉伸力(单位为e2N);S是试样原始横截面积(单位为mm)。02

应力的单位通常用MPa表示,1MPa=1N/mm。

材料在弹性范围内应力与应变成正比,其比值为E=σ/ε,称为弹性模量,标志着材料抵抗弹性变形的能力,用以表示材料的刚度。由于难以用试验直接测定弹性极限和比例极限(符合胡克定律的最大应力),故在拉伸试验方法标准(GBT228-2002)中采用“规定非比例伸长应力”取代。(2)屈服点。在拉伸过程中力不增加(保持恒定),试样仍能继续伸长时的应力称为材料的屈服点(曾称为屈服极限),以σ表示:sσ=F/Sss0

式中:F是材料屈服时的最小拉伸力(单位为N);S是试样原s02始横截面积(单位为mm)。

屈服点是具有屈服现象的材料特有的强度指标。由于大多数合金没有明显的屈服现象,因此提出“规定残余伸长应力”作为相应的强度指标。国家标准规定:当试样卸除拉伸力后,其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力,作为规定残余伸长应力(σ)。如σ表示规定残余伸长率为0.2%时的应力。rr0.2(3)抗拉强度。拉伸过程中最大力F所对应的应力称为抗拉强度b(曾称为强度极限):σ=F/Sbb0

抗拉强度表征材料对最大均匀变形的抗力,是材料在拉伸条件下所能承受最大力的应力值,它是设计和选材的主要依据之一。

2)塑性

断裂前材料发生不可逆永久变形的能力称为塑性。常用的塑性判据是材料断裂时的最大相对塑性变形,如拉伸时的断后伸长率和断面收缩率。(1)断后伸长率。试样拉断后,标距的伸长量与原始标距的百分比称为断后伸长率,以δ表示:

式中:L是试样拉断后的标距(单位为mm);L是试样原始标距01(单位为mm)。(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称为断面收缩率,以ψ表示。其数值按下式计算:2

式中:S是试样的原始截面积(单位为mm);S是试样断裂后012缩颈处的最小横截面积(单位为mm)。

δ或ψ数值越大,则材料的塑性越好。

2.硬度

硬度是指金属表面一个很小的体积内抵抗弹性变形、塑性变形或抵抗破裂的一种能力,在一定程度上反映了材料的综合力学性能指标。硬度能够反映出金属材料在化学成分、金相组织和热处理状态上的差异,是检验产品质量、确定合理的加工工艺所不可缺少的检测性能之一。同时硬度试验也是金属力学性能试验中最简便、最迅速的一种方法。

硬度试验方法很多,机械制造生产中应用最广泛的方法是布氏硬度试验法和洛氏硬度试验法。

1)布氏硬度

布氏硬度的测定原理如图2.3所示。它是用一定大小的试验力F(单位为N),把直径为D(单位为mm)的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属的表面,保持规定时间后卸除试验力,测出压痕平均直径d(单位为mm),然后按公式求出布氏硬度HB值,或者根据d从已备好的布氏硬度表中查出HB值。图2.3 布氏硬度试验原理示意图

由于金属材料有硬有软,被测工件有厚有薄,有大有小,如果只采用一种标准的试验力F和压头直径D,就会出现对某些材料和工件不适应的现象。对同一种材料采用不同的试验力F和压头直径D进行试验时,能否得到相同的布氏硬度值,关键在于压痕几何形状的相似性,即应建立试验力F和压头直径D的某种选配关系,以保证布氏硬度的不变性。2

国家标准(GB231-84)规定,布氏硬度试验时常用的0.102F/D的比值为30、10、2.5三种。根据金属材料种类、试样硬度范围和厚度的不同,选择试验压头直径D、试验力F及试验力保持时间S,如表2.1所示为布氏硬度试验规范。表2.1 布氏硬度试验规范

淬火钢球作压头测得的硬度值用符号HBS表示,用硬质合金球作压头测得的硬度值用符号HBW表示。符号HBS和HBW之前的数字为硬度值,符号后面依次用相应数值注明压头球体直径(单位为mm)、试验力(0.102 N)、试验力保持时间(单位为s)(10~15s不标注)。例如,500 HBW5/750表示用压头球体直径5mm 硬质合金球在7355N 试验力作用下保持10~15s测得的布氏硬度值为500;120HBS10/1000/30表示用压头球体直径10mm的钢球压头在9807N试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。

目前,布氏硬度试验法主要用于铸铁、非铁金属及经退火、正火和调质处理的钢材的硬度测定。

2)洛氏硬度

洛氏硬度试验是目前应用最广的性能试验方法,它是采用直接测量压痕深度来确定硬度值的。

洛氏硬度试验原理如图2.4所示。它是用顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588 mm(1/16英寸)的淬火钢球作压头,先施加初试验力F(98N),再加上主试验力F,其总试验力为F=F+F。图中12120—0为压头没有与试样接触时的位置;1—1为压头受到初试验力F后1压入试样的位置;2—2为压头受到总试验力F后压入试样的位置;经规定的保持时间,卸除主试验力F,仍保留初试验力F,试样弹性变21形的恢复使压头上升到3—3的位置。此时压头受主试验力作用压入的深度为h,即1—1位置至3—3位置的距离。金属越硬,h值越小。一般洛氏硬度机不需直接测量压痕深度,硬度值可由刻度盘上的指针指示出来。图2.4 洛氏硬度实验原理示意图

为了能用一种硬度计测定从软到硬的材料硬度,采用了不同的压头和总负荷组成几种不同的洛氏硬度标度,每一个标度用一个字母在洛氏硬度符号HR后加以注明。我国常用的是HRA、HRB、HRC三种,试验条件及应用范围如表2.2所示。洛氏硬度值标注方法为硬度符号前面注明硬度数值,例如,52HRC、70HRA等。表2.2 常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围注:总试验力=初试验力+主试验力;初试验力为98N。

洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材料,操作简便迅速,而且压痕很小,几乎不损伤工件表面,故在钢件热处理质量检查中应用最多。但由于压痕小,硬度值代表性差些。如果材料有偏析或组织不均匀的情况,则所测硬度值的重复性较低,故需在试样不同部位测定三点,取其算术平均值。

3.冲击韧度

机械零部件在使用过程中不仅受到静载荷或变动载荷作用,而且还会受到不同程度的冲击载荷作用,如锻锤、冲床、铆钉枪等。在设计和制造受冲击载荷的零件和工具时,还必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧度。

目前最常用的冲击试验方法是摆锤式一次冲击试验,其试验原理如图2.5所示。将待测定的材料先加工成标准试样,然后放在试验机的机架上,试样缺口背向摆锤冲击方向,将具有一定重量W的摆锤举至一定高度H,使其具有势能WH,然后摆锤落下冲击试样;试样断11裂后摆锤上摆到H高度,在忽略摩擦和阻尼等条件下,摆锤冲断试样2所做的功,称为冲击吸收功,用A表示,则有:K

用试样的断口处截面积S去除A即得到冲击韧度NK2

式中:a是冲击韧度(单位为J/cm);A是冲击吸收功(单位为kK2J);S是试样断口处截面积(单位为cm)。N

对一般常用钢材来说,所测冲击吸收功A越大,材料的韧性越K好。试验还表明,冲击韧度值a随温度的降低而减小,在某一温度范K围时,材料的a值急剧下降。材料由韧性状态向脆性状态转变的温度K称为韧脆转变温度。图2.5 冲击试验原理图

4.疲劳极限

许多机械零件(如轴、齿轮、弹簧等)和工程结构都是在循环或交变应力下工作的,它们工作时所承受的应力通常都低于材料的屈服强度。材料在循环应力和应变作用下,在一处或几处产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为材料的疲劳。

疲劳失效与静载荷下的失效不同,断裂前没有明显的塑性变形,发生断裂也较突然。这种断裂具有很大的危险性,常常造成严重的事故。据统计,大部分机械零件的失效是由金属疲劳造成的。

在交变载荷下,金属材料承受的交变应力σ和断裂时应力循环次数N之间的关系,通常用疲劳曲线来描述,如图2.6所示。金属材料承受的最大交变应力σ越大,则断裂时应力循环的次数N越小,反之σ越小则N越大。当应力低于某值时,应力循环到无数次也不会发生疲劳断裂,此应力值称为材料的疲劳极限。常用钢铁材料的疲劳曲线如图2.7(a)所示,有明显的水平部分,其他大多数金属材料的疲劳曲线如图2.7(b)所示。图上没有水平部分,在这种情况下,规定某一循环次数N断裂时所对应的应力作为疲劳极限。通常材料疲劳性能的测0定是在旋转弯曲疲劳实验机上进行的,对称弯曲疲劳极限用σ表-1示。图2.6 疲劳曲线示意图图2.7 两种钢铁材料疲劳曲线

除正常条件下的疲劳问题以外,特殊条件下的疲劳问题,如腐蚀疲劳、接触疲劳、高温疲劳、热疲劳等也值得高度重视。疲劳断裂通常在机件最薄弱的部位或缺陷所造成的应力集中处发生。为了提高机件的疲劳抗力,防止疲劳断裂事故的发生,在进行机件设计和成形加工时,应选择合理的结构形状,防止表面损伤,避免应力集中。2.1.2 工程材料的物理性能

材料的物理性能表示的是材料固有的一些属性,如密度、熔点、热膨胀性、磁性、导电性与导热性等。

1.密度

材料的密度是指单位体积中材料的质量。不同材料的密度各不相33同,如钢的密度为7.8g/cm左右;陶瓷的密度为2.5~2.5g/cm。材料的密度直接关系到产品的重量和效能。如发动机的活塞,常采用密度小的铝合金制造。常用金属材料的密度如表2.3所示。一般将密度小3333于5×10kg/m的金属称为轻金属,密度大于5×10kg/m的金属称为重金属。表2.3 常用金属的物理性能

抗拉强度σ与密度ρ之比称为比强度;弹性模量E与密度ρ之比称b为比弹性模量。这两者也是考虑某些零件材料性能的重要指标。

2.熔点

熔点是指材料的熔化温度。金属都有固定的熔点,常用金属的熔点如表2.3所示。陶瓷的熔点一般都显著高于金属及合金的熔点,而高分子材料一般不是完全晶体,所以没有固定的熔点。合金的熔点决定于它的化学成分,其对于金属与合金的冶炼、铸造和焊接等是一个重要的工艺参数。熔点高的金属称为难熔金属(如钨、钼、钒等),可以用来制造耐高温零件,在燃气轮机、航空航天等领域有广泛的应用。熔点低的金属称为易熔金属(如锡、铅等),可以用来制造保险丝、防火安全阀等零件。

3.热膨胀性

材料的热膨胀性通常用线胀系数表示。常用金属的线胀系数如表2.3所示。对精密仪器或机器的零件,线胀系数是一个非常重要的性能指标。在异种金属焊接中,常因材料的热膨胀性相差过大而使焊件变形或破坏。一般地,陶瓷的线胀系数最低,金属次之,高分子材料最高。

4.磁性

材料能导磁的性能称为磁性。磁性材料中又分为容易磁化、导磁性良好,但外磁场去掉后磁性基本消失的软磁性材料(如电工用纯铁、硅钢片等),以及去磁后保持磁场、磁性不易消失的硬磁性材料(如淬火的钴钢、稀土钴等)。许多金属(如铁、镍、钴等)均具有较高的磁性。但也有许多金属(如铝、铜、铅等)是无磁性的。非金属材料一般无磁性。

5.导热性

材料的导热性用热导率来表示。材料的热导率越大,说明导热性越好。一般来说,金属越纯,其导热能力越强,金属的导热能力以银为最好,铜、铝次之。常用金属的热导率如表2.3所示。金属及合金的热导率远高于非金属材料。导热性是金属材料的重要性能之一。导热性好的材料其散热性也好,可用来制造热交换器等传热设备的零部件。在制订各类热加工工艺时,必须考虑材料的导热性,以防止材料在加热或冷却过程中,由于表面和内部产生温差,膨胀不同形成过大的内应力,引起材料变形或开裂。

6.导电性

材料的导电性一般用电阻率表示。通常金属的电阻率随温度升高而增加,而非金属材料的电阻率随温度升高而降低。金属一般具有良好的导电性,银的导电性最好,铜、铝次之。导电性与导热性一样,是随合金成分的复杂化而降低的,因而纯金属的导电性总比合金要好。常用金属的电阻率如表2.3所示。高分子材料都是绝缘体,但有的高分子复合材料也有良好的导电性。陶瓷材料虽然也是良好的绝缘体,但某些特殊成分的陶瓷却是有一定导电性的半导体。2.1.3 工程材料的化学性能

材料在机械制造中,不但要满足力学性能、物理性能的要求,同时也要具有一定的化学性能。尤其是要求耐腐蚀、耐高温的机械零件,更应重视其化学性能。

材料的化学性能是指材料在室温或高温下抵抗各种化学介质作用的能力,一般包括耐腐蚀性与高温抗氧化性等。所谓高温抗氧化并不是指高温下材料完全不被氧化,而是指材料在氧化后,能迅速在表面形成一层连续、致密并与基体结合牢固的钝化膜,从而阻止了材料的进一步氧化。总的来说,非金属材料的耐腐蚀性远高于金属材料。

在当前的机械行业中,金属材料仍占主导地位,金属的腐蚀既容易造成一些隐蔽性和突发性的严重事故,又损失了大量的金属材料。据有关资料介绍,全世界每年由于腐蚀而报废的金属设备和材料,约相当于全年金属总产量的1/3。除此之外,因腐蚀而需要进行检修的费用,采取各种防腐措施的费用及设备因腐蚀而停工减产的损失等就更大。因此,充分重视并认真研究金属腐蚀问题,采取合理有效的措施防止或减少金属腐蚀的发生,具有重要的实际意义。

1.金属腐蚀的基本过程

根据金属腐蚀过程的不同特点,金属腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两类。

1)化学腐蚀

金属与周围介质(非电解质)接触时单纯由化学作用而引起的腐蚀称为化学腐蚀。一般发生在干燥的气体或不导电的流体(润滑油或汽油)中。例如,金属和干燥气体O、HS、SO等相接触时,在金222属表面生成相应的化合物,如氧化物、硫化物、氯化物等,从而使金属零件因腐蚀而损坏。氧化是最常见的化学腐蚀,形成的氧化膜通过扩散逐渐加厚。温度越高,高温下加热时间越长,氧化损耗越严重。如果能形成致密的氧化膜(如铝和铬的氧化物),就具有防护作用,能有效地阻止氧化继续向金属内部发展。在实际生产中,单纯地由化学腐蚀引起的金属损耗较少,更多的是电化学腐蚀。

2)电化学腐蚀

金属与电解质溶液(如酸、碱、盐)构成原电池而引起的腐蚀称为电化学腐蚀。在原电池中电极电位低的部分遭到腐蚀,并伴随电流的产生。如金属在海水中发生的腐蚀、地下金属管道在土壤中的腐蚀等均属于电化学腐蚀。金属的腐蚀绝大多数是由电化学腐蚀引起的,电化学腐蚀比化学腐蚀快得多,危害性更大。引起电化学腐蚀的因素很多,诸如元素的化学性质、合金的化学成分、合金的组织、金属的温度与应力等都直接影响其抵抗电化学腐蚀的能力。

2.防止金属腐蚀的途径

为了提高金属的耐腐蚀能力,有以下主要途径:一是形成有保护作用的钝化膜;二是尽可能使金属保持均匀的单相组织,即无电极电位差;三是尽量减少两极之间的电极电位差,并提高阴极的电极电位,以减缓腐蚀速度;四是尽量不与电解质溶液接触,减小甚至隔绝腐蚀电流。工程上经常采用的防腐蚀方法主要有以下4种。(1)选择合理的防腐蚀材料,如不锈钢。(2)采用覆盖法防腐蚀,如电镀、热镀、喷镀或采用油漆、搪瓷、涂料、合成树脂等防护。(3)改善腐蚀环境,如干燥气体封存。(4)电化学保护,如阴极保护法等。2.1.4 工程材料的工艺性能

工艺性能是指材料在制造机械零件和工具的过程中,采用某种加工方法制成成品的难易程度,包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能等。材料工艺性能的好坏,会直接影响制造零件的工艺方法、质量及制造成本。

切削加工性能是指材料在切削加工时的难易程度。它与材料种类、成分、硬度、韧性、导热性及内部组织状态等许多因素有关。切削加工性好的材料切削容易,对刀具的磨损小,加工表面也比较光洁。从材料种类而言,铸铁、铜合金、铝合金及一般碳钢的切削加工性较好。2.1.5 工程材料的经济性能

作为一名现代的生产、技术或管理人员仅仅关注材料的力学性能还是远远不够的,必须建立材料性能的技术经济概念,力求材料选用的总成本最低。据有关资料统计,在一般的工业部门中,材料价格要占产品价格的30%~70%。所以在能满足使用要求的前提下,应尽可能采用廉价的材料并充分考虑材料的可得性,把产品的总成本降至最低,以获得最大的经济效益,使产品在市场上具有较强的竞争力。零件的总成本通常包括材料本身的价格和与生产有关的其他一切费用。2.2 金属的结构

固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体。固态金属基本上都是晶体,非金属物质大部分也是晶体,如金刚石、硅酸盐、氧化镁等,而常见的玻璃、松香等则为非晶体。2.2.1 金属的晶体结构

1.晶体和金属的特性

原子在空间呈规则排列的固体物质称为“晶体”,如图2.8(a)所示。晶体具有固定的熔点。金属晶体中,金属原子失去最外层电子变成正离子,每一个正离子按一定规则排列并在固定位置上做热振动,自由电子在各正离子间自由运动,并为整个金属所共有,形成带负电的电子云。正离子与自由电子的相互吸引,将所有的金属原子结合起来,使金属处于稳定的晶体状态。金属原子的这种结合方式称为“金属键”。

金属键的特点是没有饱和性和方向性。自由电子的定向移动形成了电流,使金属表现出良好的导电性;正电荷的热振动阻碍了自由电子的定向移动,使金属具有电阻;温度升高,正电荷热振动振幅增加,电阻增大,电阻温度系数增大,使金属具有正的温度系数;自由电子能吸收可见光的能量,使金属具有不透明性;当自由电子从高能级回到低能级时,将吸收的可见光的能量以电磁波的形式辐射出来,使金属具有光泽;晶体中原子发生相对移动时,正电荷与自由电子仍能保持金属键结合,使金属具有良好的塑性。非晶体的原子则是无规律、无次序地堆积在一起的。

2.晶格、晶胞和晶格常数

为了便于分析晶体中原子排列规律及几何形状,将每一个原子假设成一个几何点,忽略其尺寸和质量,再用假想线把这些点连接起来,得到一个表示金属内部原子排列规律的抽象的空间格子,称为“晶格”,如图2.8(b)所示。

晶格中各种方位的原子面称为“晶面”,构成晶格的最基本几何单元称为“晶胞”,如图2.8(c)所示。晶胞各边之间的夹角以α、β、γ表示,并用棱边长度a、b、c和棱边夹角α、β、γ来表示晶胞的几何形状及尺寸。不难看出,晶格可以由晶胞不断重复堆砌而成。通过对晶胞的研究可找出该种晶体中原子在空间的排列规律。晶格类型不同,就呈现出不同的力学和物理、化学性能。图2.8 晶体中原子排列示意图

3.晶向与晶面(1)立方晶系的晶向指数。在晶体中,任意两个原子之间的连线称为原子列,其所指方向称为晶向。通常采用晶向指数来确定晶向在晶体中的位向(见图2.9)。确定立方晶系的晶向指数方法如下。图2.9 立方晶系的一些晶向指数

① 选定晶胞的某一点阵为原点,以晶胞的3条棱边为坐标轴,以棱边的长度为单位长度。

② 过原点作一有向线平行于待定晶向,所有相互平行的晶向有相同的晶向指数[uvw],如果方向相反,则它们的晶向指数的数值相同,但符号相反。

③ 取有向线段上任一点的坐标值化为最简整数,加方括号,[uvw]即为晶向指数。例如,当坐标值x=1,y=2,z=1/3时,其晶

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