金属工艺学(职教版第2版郁兆昌主编)

金属工艺学,崔江涛,.,获得机械工程材料，金属冷（热）加工的基础知识，初步具有金属加工的操作技能,金属工艺学是一门以机械制造工艺为主的基础课。,分组讨论，合作探究。建议意见！逐步完善！,概念,目的,方法,绪论,绪论,.,历史发展,.,司母戊大鼎,出土于河南安阳侯家庄武官村。此鼎形制雄伟，重达382.84公斤高达133厘米,是迄今为止出土的最大最重的青铜器。(商代),.,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，经文清晰，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4050km。,.,越王勾践剑,越王勾践剑通高55.7厘米，宽4.6厘米，柄长8.4厘米，重875克。1965年冬天出土于湖北省荆州市附近的望山楚墓群中，剑上用鸟篆铭文刻了八个字，“越王鸠浅（勾践），自作用剑”,.,历史发展,.,寒山寺大钟,重l08吨，高8.608米，最大直径5.242米07年重铸表面经文采用激光雕刻而成,.,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,.,一般机械制造过程,.,本课程的教学目标,（1）了解常用工程机械材料的类别用途，初步具有正确使用常用金属材料的能力。（2）了解金属的常用热处理，主要冷、热加工方法的基本原理，工艺特点和应用范围，金属毛坯和零件的常用加工方法，初步具有选用热处理、使用毛坯和确定机械加工工艺路线的能力。（3）了解机械产品制造过程、加工设备及工艺过程。（4）了解与本课程有关的新材料、新工艺、新技术、新设备与其发展趋势。,.,教学大纲,1、了解金属材料的力学性能及强度、塑性、韧性的概念，了解金属疲劳的现象。2、了解非金属合金的分类，掌握常用合金的牌号、性能及应用。3、掌握常用的低合金钢，合金钢的牌号、性能及应用。4、了解铸铁的分类，掌握灰铸铁、球墨铸铁的牌号、性能及应用。5、了解热处理的概念、目的和分类。6、了解退火、正火、淬火、回火、调质的目的、方法及应用。7、了解钢的表面热处理和化学热处理的目的和应用。,.,第一章金属的力学性能,（3）知道拉伸试验，掌握金属材料变形阶段,（2）理解强度的概念及常用判据,（1）了解金属力学性能的概念金属力学的性能及常用判据,1.1强度与塑性,教学目标,.,探究问题,探究一：金属力学性能的概念？它的主要性能有哪些？探究二：强度的概念？强度的判据是什么？探究三：描述拉伸试验过程探究四：根据低碳钢的力伸长曲线分析金属材料发生形变的阶段,.,金属的主要性能有使用性能和工艺性能使用性能指材料在使用过程中表现出来的性能（包括力学性能、物理性能、化学性能）。工艺性能指材料对各种加工工艺适应的能力。力学性能是材料在力的作用下所显示的性能，主要有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度。,探究一,探究一,.,探究一,金属力学性能的概念？它的主要性能有哪些？,力学性能：材料在力的作用下显示的性能。主要性能：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度。,.,强度的概念？强度的判据是什么？,判据：屈服点、抗拉强度,探究二,强度：金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂的能力,.,探究三,强度测量方法：拉伸试验,标剧,.,探究三,.,探究三,准备试件,调整试验机,装夹试件,检查与试车,进行试验。,取下试件和记录纸,进行测量记录,实验过程,.,探究四,OE；弹性变形阶段ES；微塑性应变阶段S；屈服点SB；塑性变形阶段BK；缩颈阶段K；断裂,.,巩固练习,名词解释：力学性能:强度:填空：力学性能主要表现在（）（）（）（）和（）强度的判据（）和（）简答：简述拉伸实验步骤根据课本第5页图1-2简述技术发生变形的阶段,材料在力的作用下所显示的性能,强度,塑性,韧性,硬度,疲劳强度,屈服点,抗拉强度,金属抵抗永久变形和断裂的能力,.,作业,概念：强度屈服现象分析伸长曲线,.,上节课内容,金属力学的概念性能强度的概念判据拉伸试验分析伸长曲线分析,.,1.1强度与塑性,教学目的,.,探究问题,探究一：内力、应力的概念探究二：弹性极限的概念公式及应用探究三：屈服点的概念公式及应用探究四：抗拉强度的概念公式及应用,.,探究一,内力、应力的概念,内力：材料受外力作用后导致内部之间的相互作用力。,应力：单位面积上的内力称为应力拉伸时用符号：表示。,.,探究二,试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉应力。符号：单位:MPa,弹性极限：,公式：,.,探究二,.,探究三,公式：,屈服点：,.,探究三,练习：某工厂购进一批钢材，为了测钢材是否合格现需要测量该钢材的屈服极限已知：求,.,探究四,抗拉强度：,公式：,试样拉断前所能承受的最大应力值。符号：单位：MPa,例题：现有一圆形截面标准长试样已知：=9.42KN求,.,探究四,.,巩固练习,填空：材料受外力作用后导致其内部之间的相互作用力称为（）其大小和外力（）方向（）单位面积上的内力称为（）。名词解释：弹性极限：屈服点：抗拉强度：,内力,相同,相反,应力,.,塑性,探究一：塑性的概念，表示方法。探究二：断后伸长率的概念公式及应用探究三：断面收缩率的概念公式及应用,.,探究一,塑性：,断裂前材料发生永久变形的能力。,表示方法：,断后伸长率断面收缩率,.,探究二,断后伸长率：,试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比，符号,公式：,例题：现有一标准长试样已知求,解：,.,探究二,练习：现有一标准短试样已知：,同一材料的断后伸长率,.,探究三,断面收缩率：,试样拉断后，缩颈处横截面面积的最大缩减量与原始横截面面积的百分比。符号：,公式：,例题：现有一标准长试样，已知：,解：,.,探究三,练习：现有一标准短试样，已知：,.,巩固新知,（）是指断裂前材料发生永久变形的能力用（）和（）表示。同一材料的断后伸长率塑性：断后伸长率：断面收缩率：,塑性,断后伸长率,断面收缩率,断裂前材料发生永久变形的能力。,试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比,试样拉断后，缩颈处横截面面积的最大缩减量与原始横截面面积的百分比。,.,作业,课后题1-31-4,.,第一章：金属的力学性能,1.2硬度,目标,理解硬度的概念，知道硬度实验方法,掌握布氏硬度，洛氏硬度的表示方法，实验原理，优缺点及应用,.,探究问题：,探究一：硬度的概念？硬度的实验方法有哪些？探究二：布氏硬度的实验原理，表示方法，优缺点，应用范围。探究三：洛氏硬度的实验原理，表示方法，优缺点，应用范围。,.,常见的铅笔硬度,.,探究一,硬度：,材料抵抗局部变形，特别塑性变形、压痕、划痕的能力。,试验方法：,布氏硬度试验法、洛氏硬度实验法、维氏硬度实验法。,.,探究二,原理：,D、F、t、d.,布氏硬度：,.,探究二,公式：,符号：,HBS（用淬火钢球压头）;HBW（用硬质合金压头）。,C:UserszyzDesktop布氏硬度_标清.flv,.,探究二,表示方法：,不标单位,硬度值HBS(W)压头直径/实验力/时间,150HBW10/1000/30用直径为10mm的硬质合金钢压头，在1000kgf（9.80KN）试验力下保持30S所测得的布氏硬度为150,练习：130HBS5/750/30,一般标注只需要标注出要求的硬度范围和硬度符号如：200230HBS,.,探究二,测定结果较稳定、准确,优点：,缺点：,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。,范围：,.,探究三,洛氏硬度原理：,abdc,0,1,2,3,abdc,.,探究三,符号：,HR,公式：,当压头为金刚石圆锥时K为100当压头为淬火钢球时K为130,表示方法：,洛氏硬度无单位，需标明硬度标尺符号，在符号前面写出硬度值。如：60HRC,80HRA,.,探究三,优点：,操作简便，迅速，压痕小，可测试成品表面及较硬、较薄的工件,缺点：,对于组织和硬度不均匀的材料准确性不如布氏硬度高,应用范围：,钢铁、有色金属、硬质合金等,.,维氏硬度,与布氏硬度相似不同点：压头采用的是两面夹角为136的正四棱锥金刚石。符号：HV应用范围：薄片材料，金属镀层，零件表面硬化层的硬度,.,巩固练习,布氏硬度实验原理：,洛氏硬度实验原理：,D、F、t、d.,.,作业,1-71-10,.,巩固练习,常用的洛氏硬度标尺是（）（）（）应用最广的是（）？布氏硬度常用压头（）（）HRC的压头类型是（）总实验力（）,HRA,HRB,HRC,HRC,淬火钢球压头（HBW）,硬质合金压头(HBW),120金刚石圆锥,150kgf（1471.1N）,.,作业问题,HRC=5060kgf/mm2,.,第一章：材料的力学性能,1.3韧性与疲劳强度,.,探究问题,探究一：韧性的概念、判据。探究二：冲击吸收功的概念、表示方法、影响因素。探究三：冲击韧性概念、表达方式，影响因素。探究四：疲劳强度概念、影响因素、提高方式。,.,探究一,韧性：,金属在断裂前吸收变形能量的能力,判据：,冲击吸收功,.,探究二,h1,h2,.,探究二,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。,AK=mgh1-mgh2=mgh(h1-h1)J,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。用AK表示（选V形缺口试样用AKV，选U形缺口试样用AKU表示）单位为J,冲击吸收功：,AK可在试验机刻度盘上直接读出,公式：,能量既不会凭空产生，也不会凭空消灭，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量不变。这就是能量守恒定律,.,探究三,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。用符号ak表示单位为J/cm2,k=Ak/AJ/cm2,冲击韧度：,公式：,冲击吸收功与温度,冲击吸收功Ak作为材料韧性判据。,影响因素：,.,探究三,在某一温度区域内，AK急剧变化，此温度区域称为韧脆转变温度,.,探究四,疲劳强度：,零件在循环应力的作用下，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,影响因素：,零件外形、表面质量、受力状况、周围介质。,提高方法：,合理设计零件结构，避免应力集中，降低表面粗糙度，进行表面滚压、喷丸处理、表面热处理等。,.,巩固练习,名词解释：韧性、冲击吸收功、冲击韧度、疲劳强度。试述金属疲劳的影响因素，如何提高金属疲劳强度。测定疲劳强度时，工程上规定钢铁材料的应力循环次数取（）,.,探究四,.,作业,1-121-13,.,第二章：金属的结构与结晶,生活中物质的存在状态有哪些？,新课导入,.,2.1金属的晶体结构,3.知道金属实际晶体结构（难点）,2.理解常见的金属晶格类型（重点）,1.了解晶体结构的基本知识,教学目标,团队协作精神自学能力,.,2.1金属的晶体结构,探究问题探究一：晶体和非晶体的比较（从原子排列方式、性能特点、典型物质进行比较）探究二：晶格与晶胞的概念？探究三：常见的金属晶格类型有哪些？（重）探究四：单晶体与多晶体晶粒、晶界的概念？探究五：晶体的缺陷概念？类型有哪些？（难）,.,2.1金属的晶体结构,探究一：晶体与非晶体的比较,原子呈有序、有规则排列,原子呈无序、无规则堆积,具有规则的几何形状有一定的熔点，性能呈各向异性,没有规则的几何形状无固定的熔点，性能呈各向同性,石英、云母、明矾、食盐等,玻璃、蜂蜡、松香等,.,2.1金属的晶体结构,探究二：晶格与晶胞的概念,为了清楚地表示晶体中原子排列的规律，将原子简化为一个质点，再用假想的线将它们连接起来，形成一个能反映原子在晶体中排列规律的空间格子。,晶格：,晶胞：,晶格中能代表原子排列规律的基本几何单元,.,2.1金属的晶体结构,探究三：常见的金属晶格类型有哪些？(重点),体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。,常见的金属晶格类型：,.,2.1金属的晶体结构,.,2.1金属的晶体结构,.,2.1金属的晶体结构,探究四：单晶体、多晶体、晶粒、晶界的概念,单晶体：,其内部原子排列方向完全一致的晶体,多晶体：,由许多小晶体组成的晶体,晶粒,晶界,晶粒：,晶界：,多晶体材料中，以晶界分开、晶格排列方向基本相同的小晶体,多晶体材料中相邻晶粒的界面,.,2.1金属的晶体结构,探究五：晶体缺陷的概念、常见的晶体缺陷有哪些？（难点）,晶体缺陷：,实际金属晶体中，总是不可避免的存在原子规律排列受到破坏的局部区域。,常见的晶体缺陷：,（1）点缺陷（空位、间隙原子）（2）线缺陷（位错）（3）面缺陷（晶界）,.,2.1金属的晶体结构,（1）点缺陷最常见的点缺陷是空位和间隙原子，如下图所示。因为这些点缺陷的存在，会使其周围的晶格发生畸变，引起性能的变化。,晶格空位和间隙原子的运动是金属中原子扩散的主要方式之一，使材料的强度、硬度和电阻率增加。所以金属中，点缺陷越多,它的强度、硬度越高。,.,2.1金属的晶体结构,（2）线缺陷晶体中的线缺陷通常是各种类型的位错。所谓位错就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。这种错排有许多类型，其中比较简单的一种形式就是刃型位错，如下图所示。,.,2.1金属的晶体结构,（3）面缺陷（晶界）晶粒之间原子无规则排列的过渡层,又称大角度晶界。,晶界实际上是一个原子排列不规则的区域，该处晶体的晶格处于畸变状态，在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。,.,2.1金属的晶体结构,巩固复习,原子呈有序、有规则排列,原子呈无序、无规则堆积,具有规则的几何形状有一定的熔点，性能呈各向异性,没有规则的几何形状有固定的熔点，性能呈各向同性,石英、云母、明矾、食盐、硫酸铜、糖、味精,玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶,晶体与非晶体区别,.,2.1金属的晶体结构,常见的金属晶格类型（）（）（）晶体内部原子排列方向完全一致的晶体称为（）晶体缺陷按几何形状分为（）（）（）,体心立方晶格,面心立方晶格,密排六方晶格,单晶体,点缺陷,线缺陷,面缺陷,.,2.1金属的晶体结构,课堂小结：,探究一：晶体和非晶体的比较（从原子排列方式、性能特点、典型物质进行比较）探究二：晶格与晶胞的概念？探究三：常见的金属晶格类型有哪些？（重）探究四：单晶体与多晶体晶粒、晶界的概念？探究五：晶体的缺陷概念？类型有哪些？（难）,.,2.1金属的晶体结构,作业名词解释：晶体、晶格、晶胞、多晶体、晶粒、晶界、晶体缺陷。简答：晶体缺陷可以分为哪几种？,.,新课导入,.,2.2纯金属结晶,细化晶粒的方法（重）,了解结晶、冷却曲线、过冷度、细晶强化，同素异晶体的概念,教学目标,理解金属链冷却曲线，金属结晶过程（难）,金属的同素异晶转变,.,2.2纯金属结晶,探究问题,探究一：结晶、冷却曲线、过冷度的概念,探究二：冷却曲线分析,探究三：金属的结晶过程分析,探究四：细晶强化的概念，强化方法,.,2.2纯金属结晶,探究一：结晶、冷却曲线、过冷度的概念,结晶：液体晶体凝固：液体固体,结晶：,金属从液态转变为固态晶体的过程,过冷现象：,金属的实际结晶温度T1低于理论结晶温度T0的现象。,过冷度：,理论结晶温度T0和实际结晶温度T1的差T=T0-T1,过冷是结晶的必要条件,.,T0,Tn,理论结晶温度,开始结晶温度,冷却曲线,T0,T1,理论结晶温度,T,过冷度,T=T0-Tn,探究二：冷却曲线分析,.,2.2纯金属结晶,探究三：金属的结晶过程分析,纯金属结晶过程,晶核的形成和晶核的大，这两个步骤是同时进的。,探究四：细晶强化的概念，强化方法,增加过冷度,晶粒细小,工业生产中，常向液体金属中加入难熔杂质来细化晶粒，这种方法叫做变质处理，如在铝中加入微量的钛；铸铁中加入硅、钙等。,机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。,变质处理：,附加振动：,.,2.2纯金属结晶,探究五：同素异晶转变的概念,金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象,同素异晶转变,.,2.2纯金属结晶,巩固复习,名词解释：结晶过冷度、细晶强化、同素异晶转变简答：细晶强化的强化方法,.,2.2纯金属结晶,课堂小结探究一：结晶、冷却曲线、过冷度的概念探究二：冷却曲线分析探究三：金属的结晶过程分析探究四：细晶强化的概念，强化方法,.,作业问题,晶体：原子按一定几何形状做有规律排列的,物质,.,课程导入,.,2.3合金的结构与结晶,2.理解合金的基本结构,1.了解合金的基本概念,教学目标,.,2.3合金的结构与结晶,探究问题探究一：合金、组元、合金系、相、组织的概念,.,2.3合金的结构与结晶,探究一：合金、组元、合金系、相、组织的概念,1、合金是由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。,2、组元组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，简称为元。一般来说，组元就是组成合金的元素。,.,2.3合金的结构与结晶,3、合金系合金系是指有相同的组元，而成分比例不同的一系列合金。,4、相是指合金中成分、结构均相同的组成部分，相与相之间具有明显的界面。,5、组织组织是指金相显微镜下观察到的材料的微观形貌特征。,.,2.3合金的结构与结晶,探究问题探究一：合金、组元、合金系、相、组织的概念,.,2.3合金的结构与结晶,合金中的各种相是组成合金的基本单元，而合金组织则是合金中各种相的综和体。一种合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取决于它的显微组织。金属通过热处理可以在不改变化学成分的前提下获得不同的组织，从而获得不同的力学性能。,.,探究二：根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，合金的晶体结构可分为几类？各类的概念？探究三：置换固溶体、间隙固溶体、固溶强化、弥散强化概念,2.3合金的结构与结晶,探究问题,.,2.3合金的结构与结晶,探究二：根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，合金的晶体结构可分为几类？各类的概念？,根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，合金的晶体结构可分为固溶体、金属化合物和机械混合物三种类型。,1、固溶体合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相，称为固溶体。形成固溶体后，晶格保持不变的组元称溶剂，晶格消失的组元称溶质。固溶体的晶格类型与溶剂组元相同。,.,2.3合金的结构与结晶,2、金属化合物金属化合物是合金组元间发生相互作用而生成的一种新相，其晶格类型和性能不同于其中任一组元，又因它具有一定的金属性质，故称金属化合物。,如碳钢中的Fe3C。,.,2.3合金的结构与结晶,机械混合物：有两相或多项按固定比例构成的组织称为机械混合物。机械混合的基本相：纯金属、固溶体、金属化合物,.,2.3合金的结构与结晶,探究三：置换固溶体、间隙固溶体、固溶强化、弥散强化概念。,固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种：置换固溶体溶质原子代替溶剂原子占据溶剂晶格中的某些结点位置而形成的固溶体，称为置换固溶体，如图所示。按溶质溶解度不同，置换固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体。,.,2.3合金的结构与结晶,间隙固溶体溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中所形成的固溶体称为间隙固溶体，如图所示。由于溶剂晶格的间隙有限，所以间隙固溶体只能是有限溶解溶质原子。,.,2.3合金的结构与结晶,固溶强化：由于溶质原子的溶入，固溶体发生晶格畸变，变形抗力增大，使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。它是强化金属材料的重要途径之一。弥散强化：当金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度及耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。因此金属化合物在合金中常作为强化相存在。它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。,.,2.3合金的结构与结晶,巩固练习合金、组元、合金系、相、组织的概念形成固溶体后，晶格保持不变的组元称（），晶格消失的组元称（）。按溶质原子在晶格中的位置固溶体可分为（）（）固溶强化、弥散强化概念,溶剂,溶质,置换固溶体,间隙固溶体,.,2.3合金的结构与结晶,小结探究一：合金、组元、合金系、相、组织的概念探究二：根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，