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文檔簡介

1、工程材料的基礎知識 工程材料的分類 鋼鐵生產(chǎn)簡介 金屬材料的性能金屬的晶體結構和結晶一、工程材料的分類1、按用途分:建筑工程材料;機械工程材料;電子工程材料2、按原了聚集狀態(tài)分:單晶體;多晶體;非晶體3、按原了鍵合特點分:金屬材料;非金屬材料;復合材料(1) :純金屬和以金屬元素為主的合金1、黑色金屬:Fe、Mn、Cr及其合金2、有色金屬:(2) 金屬材料1、有機高分子材料:C, H;塑料、橡膠、纖維2、無機材料:不含C, H;陶瓷(3) 由兩種或兩種以上的不同性質或不同組織結構的材料以微觀或宏觀的形式結合在一起而構成。二、鋼鐵生產(chǎn)簡介鋼鐵是以鐵和碳為主要組成元素,同時還含有Si、Mn、S、P

2、等元素 的合金。包含鋼和生鐵。生產(chǎn)過程:pi鋼鐵生產(chǎn)過程鍛件下注aiT上注連鑄坯鋼管軋機型鋼軋機pi鋼鐵生產(chǎn)過程1 煉鐵:實質:鐵的化合物的還原。煉鐵方法:設備:高爐原料:鐵礦石、焦炭、和熔劑。/鐵礦石:是主要的煉鐵原料,一般有磁鐵礦(Fe3O4)、亦鐵礦(Fe2O3)、 褐鐵礦(2Fe2O3.3H2O)、菱鐵礦(FeC03)。礦石中除鐵的化合物外,還 含有硅、猛、磷、硫等的化合物,這些統(tǒng)稱為脈石。/焦炭:為煉鐵提供熱源;焦炭不完全燃燒產(chǎn)生的CO氣體作為還原劑,將 鐵從礦石中還原出來。/熔劑:主要是石灰石(CaCO3)和螢石(CaF2),其作用是與鐵礦石中的脈 石結合形成熔點較低、密度小、流動

3、性好的熔渣,并與鐵液分離,以便 獲得較純凈的生鐵液。原理、過程:/煉鐵時爐料按一定比例從高爐的頂部加料口裝入爐內(nèi);由爐子下 部的風口吹入熱空氣,使焦炭燃燒產(chǎn)生熱量和co氣體,co氣體 在上升過程中與鐵礦石相接觸,將鐵礦石還原成海綿鐵。礦石與 燃料中的部分元素(如C、Si、Mn、P、S)在高溫下溶于鐵中形成 生鐵液,與爐渣分離后,從高爐底部的出鐵口流出。/生鐵液可直接送煉鋼爐內(nèi)冶煉成鋼,也可澆成生鐵錠作為煉鋼或 鑄造的原料。生鐵高爐的主要產(chǎn)品是生鐵。分為煉鋼生鐵和鑄造生鐵兩類。/煉鋼生鐵中硅的質量分數(shù)較低(Wsi125% 3.2%),斷口呈灰黑二、煉鋼1、鋼與生鐵的區(qū)別:朮分差異生鐵很少直接用于

4、制造零件。(含有較多的碳和雜質元素,使得生鐵 的加工性能差,力學性能低,不能滿足加工和使用要求。)煉鋼的實質是通過氧化降低生鐵中的碳與雜質元素的含量,使之達到 有關標準規(guī)定的成分和性能。2、煉鋼方法煉鋼方法:主要有轉爐煉鋼和電爐煉鋼等。煉鋼原料:生鐵、廢鋼、熔劑(石灰石等)、脫氧劑(硅鐵、鎰鐵、鋁等)、 合金料等。煉鋼過程:主要包括氧化、造渣、脫氧等。/氧化過程:碳及雜質元素與氧化劑反應生成各種氧化物。/造渣:熔劑與各種氧化物結合,形成密度小、熔點低、流動性好 的爐渣,并與鋼液分離;/脫氧:在煉鋼的后期加入脫氧劑,使殘留在鋼液中的氧與脫氧劑 “反應,并使生成的化瞬物進入爐渣去除。宀(1) 轉爐

5、煉鋼氧氣頂吹轉爐是最常用的煉鋼方法。原理:它主要以生鐵液為原料,加適量的廢鋼,吹入氧氣使生鐵液中 的碳和部分雜質元素氧化,從而降低鋼中的碳及雜質元素的含量。轉 爐煉鋼依靠生鐵液的余熱和氧化反應產(chǎn)生的熱量提供冶煉熱源。特點:氧氣頂吹轉爐生產(chǎn)率高、節(jié)省能源、成本低,適合于大型鋼鐵 聯(lián)合企業(yè),主要生產(chǎn)各類普通用途的非合金鋼(碳鋼)。(2) 電爐煉鋼電爐煉鋼有電弧爐煉鋼、感應爐煉鋼等方法,常用的是電弧爐煉鋼。它以轉爐鋼和廢鋼作原料、以鐵礦石和純氧作氧化劑,以電極與金屬 爐料間的電弧熱提供冶煉熱源。電弧爐冶煉溫度高(可達2 000C), 能冶煉含有高熔點合金元素的合金鋼。特點:采用的爐料較純凈,冶煉過程

6、容易調節(jié),化學成分易控制,能 夠冶煉咼級優(yōu)質鋼和合金鋼。但電弘爐煉鋼耗電量人,成本咼?,F(xiàn)代煉鋼中,主要的煉鋼方法只在爐內(nèi)完成熔化和初調成分的功能,而 鋼的精煉和合金化是在爐外精煉裝備中完成的。爐外精煉可完成脫碳、 脫氧、脫硫、脫磷及去除其他有害雜質等功能,使鋼的化學成分、組 織結構與性能達到更高的要求。3、鋼的澆注鋼液經(jīng)脫氧處理后,可澆注入鋼錠?;蜻B鑄機的結晶器,澆成鋼錠或 鋼坯。脫氧工藝與脫氧程度對鋼的結構、性能有密切聯(lián)系。按脫氧程度不同,將鋼分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼。(1) 沸騰鋼脫氧劑;弱脫氧劑(鎰鐵)特點:鋼錠內(nèi)充滿氣孔,組織疏松。沸騰鋼生產(chǎn)工藝簡單,鋼錠頭部無 集中縮孔,成材率高

7、,軋制的板材表面質量好。(2) 鎮(zhèn)靜鋼脫氧劑;足量的脫氧劑和強脫氧劑(加入硅鐵、鋁)。特點:內(nèi)部組織致密,性能較好,但鋼錠頭部最后凝固處有倒錐形的集 中縮孔,加工時需切除,使成材率下降。(3) 半鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度介于鎮(zhèn)靜鋼與沸騰鋼之間。三、鋼材生產(chǎn)生產(chǎn)方法:鋼錠或鋼坯經(jīng)(軋制、拉拔、擠壓等)得到各種形狀和規(guī)格的鋼材(鋼板、型鋼、鋼管、鋼絲等)。目的:壓力加工改變鋼材的形狀和尺寸。消除鑄態(tài)鋼錠或鋼坯中的粗大組織、孔隙等,使鋼材的性能改善。1、鋼板加工方法:軋制分類:厚板、中板、薄板和鋼帶。厚板大于25;中板為425mm;薄板小 于4mm;鋼帶的寬度較窄,長度較長,一般成卷供應。熱軋板和冷軋板。鋼板

8、還可進行各種表面處理,如鍍鋅、鍍錫、鍍鉛、塑料復合等。2、型鋼加工方法:軋制。種類:按截面形狀分為:簡單截面(圓鋼、方鋼、扁鋼、六角鋼、八角鋼等) 和復雜截面(工字鋼、槽鋼、角鋼、T型鋼等)兩類。按鋼種分:普通型鋼和優(yōu)質型鋼。3、鋼管種類:按生產(chǎn)方法可分為:無縫管和有縫管(焊管)。無縫鋼管是用斜軋穿孔機將實心鋼坯穿孔后,再經(jīng)冷拔或熱軋而制成, 分冷拔管和熱軋管。能承受較高壓力,主要用于石油、化工等行業(yè)。有縫鋼管是用鋼板或鋼帶卷制成形,然后焊接而成,分直縫焊管和螺 旋焊管。應用廣泛,主要用作自來水管、煤氣管等低壓管道。4、鋼絲加工方法:用直徑為69mm的熱軋線材(盤條)拉拔而成。退火的低碳鋼絲可

9、用于捆扎物體、也可編織成各種用品。高碳鋼絲可制成各種彈簧,或用多根鋼絲捻成合股的鋼絲繩和鋼索, 用于吊索和固定物體等。不同規(guī)格的一些產(chǎn)品型式錠坯鋼鋼棒材棒材軋機線材和.線材線材拔絲機線材產(chǎn)品軋機焊管坯焊管坯軋機材軋機熱軋板卷王字鋼 角鋼丁型鋼7型鋼槽鋼 樁基材標準鋼軌吊車鋼軌 聯(lián)結梁板材鋼絲網(wǎng)鋼管/ 0 方鋼六角鋼跌釘三角型材半圓材鋼絲繩注意:其他管道產(chǎn)品包括 用鋼板焊的大直徑 鋼管或用熱軋和冷 軋帶電阻焊的管件熱軋板-帶冷軋機冷軋板、帶薄板板卷圖1-2鋼材生產(chǎn)工藝流程三、金屬材料的性能工藝性能:適應加工的能力。使用性能:保證正常工作應具備的性能。1、力學性能材料的力學性能是指材料在外加載荷和

10、環(huán)境因素(溫度、介質)聯(lián)合 作用下所表現(xiàn)的。這些性能指標是材料設計、材料選用、丄藝評定以及材料檢驗的重要 依據(jù)。衡量指標:強度、塑性、硬度、韌性、疲勞極限、斷裂韌度-定義:是指在外力作用下,材料抵抗變形和斷裂的能力。-分類:、抗壓強度、抗彎強度等。測試方法:指標:彈性極限oe、屈服強度。s、抗拉強度ob。拉伸試驗:/應力應變曲線將圓柱形或板狀光滑試樣裝夾在拉伸試驗機上,沿試樣軸向以一定速度施加載荷,使其發(fā)生拉伸變形直至斷裂。通過力與位移傳感器可獲得載荷(F)與試樣伸長量(A L)Z間的關系曲線,稱為O若將縱坐標以應力o(a= F/So, So為試樣原始截 面積)表示,橫坐標以應變(二1_/ L

11、 , L 為試樣標距)表示, 則這時的曲線與試樣的尺寸無關,稱為O載荷傳感器/過程:彈性變形、塑性變形、斷裂%彈性模量:1、材料在彈性變形階段,應力(o)與應變(E)成正比關系,垢者的比值稱為彈性模量,記為EE =0/82它,其值愈大材料產(chǎn)生一定量的彈性變形所需要的應力愈大,故工程上也稱E為材 料的 ,主要取決于材料的本性,反映了材料內(nèi)部原子 間結合鍵的強弱。彈性極限oe:1、材料發(fā)生彈性變形的最大應力,高于此值材料開始發(fā)生 塑性變形。2、表征材料產(chǎn)生微量塑性變形的抗力。屈服強度os:1、在拉伸過程中,出現(xiàn)載荷不增加而試樣還繼續(xù)伸長的現(xiàn) 象稱為屈服。屈服時所對應的應力稱為屈服強度。2、表征材料

12、發(fā)生明顯塑性變形時的抗力。3、工程中大多數(shù)零件都是在彈性范圍工作的,如果產(chǎn)生過 量的塑性變形就會使零件失效,所以屈服強度是零件設計 和選材的主要依據(jù)之一??估瓘姸萶b:1、當拉伸試樣屈服以后,欲繼續(xù)變形,必須不斷增加載荷。 當載荷達到最大值Fb后,試樣的某一部位截面開始急劇縮 小,出現(xiàn)了 縮頸”,致使載荷下降,直到最后斷裂。試 樣能承受的最大載荷除以試樣原始截面積所得的應力,稱 為抗拉強度。2、抗拉強度是材料在拉伸條件下能夠承受時的相應應力值,表征了材料對最大均勻變形的抗力。塑性-定義:斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形(塑性變形)的能 力叫塑性。測試方法:拉伸試驗衡量指標:斷后伸長率(6和斷面收縮

13、率(屮)。L。-試樣原始標距長度;L廠試樣斷裂后標距的長度;So-試樣原始截面積;試樣斷裂處截面積。意義塑性加工硬度定義:是衡量材料軟硬程度的指標,是材料抵抗局部變形 的能力。測試方法:(布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、顯微硬度)方法:在力P的作用下把直徑為D的鋼球壓入被測材料,保持一定 吋間后卸除,測量壓痕平均直徑d。表示:用HB表示大?。翰际嫌捕戎凳禽d荷P除以壓痕(球冠)的面積。即:HB = P/S = 2P/ttDD - (D2-d2)1/2A應用:這種方法只適合于測量HB 450的材料,及原料半成品的 測定。方法:、HRB和HRA表示:因所用壓頭和載荷不同又分為: 三種。大?。簯茫篐RC 120金剛石錐體150kg 淬火鋼等m淬火鋼球1.59毫米Sg退火鋼及有色金屬壓頭是136。金剛石四棱錐體,測量出壓痕對角線,用此 值查表得硬度值,用HV表示。用來測量組織中某一相的硬度。壓頭和表示符號同上,但 所用載荷更小,只有幾克至兒十克。韌性(沖擊韌性)-定義:指金屬在斷裂前吸收變形能量的能力,通常用來評 定*才料扌氐抗沖擊的能另0衡量指標:沖擊吸收功Ak測試方法:擺錘沖擊試驗。疲勞疲勞現(xiàn)象:循環(huán)應力作用下疲勞極限61 :循環(huán)應力小于某一值后,試

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