第一讲材料成型基础

1、6:45:281主讲：主讲：周哲波周哲波教授教授6:45:282第一章第一章 绪论绪论1-1 概述概述 一、一、 研究内容研究内容 1.本学科的地位：本学科的地位：机械专业的机械专业的主干主干课程之一，课程之一，论述论述材料成型材料成型的基础与方法，其他课程无法的基础与方法，其他课程无法替代。替代。 2.内容：内容： 1）常用材料的）常用材料的成型方法成型方法 （铸造、锻造、焊（铸造、锻造、焊接、注塑成型、冲压等）；接、注塑成型、冲压等）； 2）改善成型方法的产品）改善成型方法的产品结构设计结构设计（结构工（结构工艺性等）；艺性等）； 3）最佳）最佳选材和用材选材和用材的理论依据；的理论依据；

2、 4） 产品产品性能、成本、质量性能、成本、质量的综合的综合评定评定依据。依据。6:45:293w3.学习目的：学习目的：w1）掌握各种成型方法，以保证）掌握各种成型方法，以保证产品设计中产品设计中毛坯及零件制造方法毛坯及零件制造方法的选择；的选择；w 2)为了保证产品性能，设计时应为了保证产品性能，设计时应注意的事项注意的事项；w 3)探索探索低成本、高性能低成本、高性能的合理工的合理工艺措施；艺措施；w4)处理和分析处理和分析现场现场产品质量问题产品质量问题的理论依据及方法。的理论依据及方法。6:45:294二、机械制造工艺过程二、机械制造工艺过程:原材料原材料毛坯毛坯零件零件成品成品1.

3、原材料原材料：1）：金属材料、非金属材料、复合材料金属材料、非金属材料、复合材料。 2）： 圆钢、型材、板材圆钢、型材、板材。2.毛坯成形毛坯成形：铸造、锻造、焊接、胶接、机械连接、冲压铸造、锻造、焊接、胶接、机械连接、冲压等。等。3.零件的机械加工：零件的机械加工：去除材料去除材料以得到满足以得到满足功能功能要求的、符要求的、符合合图样规定图样规定的的成品零件成品零件的成形过程。的成形过程。 例如例如车、铣、电火花车、铣、电火花等。等。4.材料的改性处理：材料的改性处理：改善和改变改善和改变零件零件局部或整体性能及组局部或整体性能及组织织。 例如：为改善例如：为改善切削性能切削性能要进行的要

4、进行的退回火、正火处理退回火、正火处理； 为防止为防止变形变形和校正和校正性能性能的的去应力、人工时效去应力、人工时效； 为得到为得到综合机械性能综合机械性能的的调质调质处理；处理； 为得到为得到抗磨损及抗疲劳抗磨损及抗疲劳的的淬火淬火等。等。6:45:295 5.检测与质量控制：检测与质量控制： 保证产品保证产品合理、合格合理、合格的流动，以避的流动，以避免造成浪费，一般要贯穿于整个加工免造成浪费，一般要贯穿于整个加工过程中，它包括工序间过程中，它包括工序间检查、互检、检查、互检、自检、终检自检、终检。 6.装配：装配： 将零件按产品图样分类组合连接，将零件按产品图样分类组合连接，经经选配、

5、组装、调整、检测、试验选配、组装、调整、检测、试验等等过程构成满足功能要求的产品。过程构成满足功能要求的产品。6:45:296 三、材料成形的基本要素及流动过程三、材料成形的基本要素及流动过程 1.基本要素基本要素2.流动过程：流动过程：1）物质流：）物质流：原材料的原材料的流动和转变流动和转变的过程。的过程。（1）物质不变：质量不变或近似不变，）物质不变：质量不变或近似不变，铸造、锻造、热铸造、锻造、热处理处理等。等。（2）质量减少：去除材料得到规定的形状和尺寸，）质量减少：去除材料得到规定的形状和尺寸，机加机加工、切割、冲剪工、切割、冲剪等。等。（3）质量增加：）质量增加：焊接、机械连接、

6、快速成型焊接、机械连接、快速成型等。等。)(工艺信息等施方法信息：产品的控制及实能的改变能量：形态的改变、性材料：构成实体6:45:297 2）能量流能量流：在加工过程中各种能量：在加工过程中各种能量损耗和损耗和转化转化。（1）电能转变成机械能：）电能转变成机械能：机加工机加工（电机）。（电机）。（2）电能转变成热能：）电能转变成热能：焊接、热处理焊接、热处理等。等。（3）化学能转变成热能：）化学能转变成热能：气焊、气割气焊、气割。 3）信息流）信息流：工艺文件及规程工艺文件及规程。（1）形状信息：）形状信息：设计的图样设计的图样及及工序图样工序图样。（2） 性能信息：性能信息：工艺规程工艺规

7、程及及工艺文件、检工艺文件、检测方法测方法 。6:45:298四、材料成型技术的发展趋势四、材料成型技术的发展趋势1.常规工艺的优化：常规工艺的优化：工艺参数、系统控制的规范工艺参数、系统控制的规范化。化。目标：目标：优质、高效、低耗、少污染优质、高效、低耗、少污染。方法：方法：智能化、数字化、精密化、专业化、柔性智能化、数字化、精密化、专业化、柔性化化。2.新材料、新材料、新工艺新工艺的开发和应用。的开发和应用。目标：目标： 1）解决传统工艺）解决传统工艺不易实现或难以实现不易实现或难以实现的加工的加工（激光、等离子、水切割、超声波等）。（激光、等离子、水切割、超声波等）。 2）特殊场合、）

8、特殊场合、特殊性能要求特殊性能要求的材料及成型方法的材料及成型方法（高分子材料、复合材料、陶瓷材料、智能材（高分子材料、复合材料、陶瓷材料、智能材料）。料）。 6:45:299 3）能解决）能解决高精度、少损耗高精度、少损耗的经济目标。的经济目标。4）保证）保证环境及人性化环境及人性化的制造方法。的制造方法。3高新技术与传统工艺的有效结合高新技术与传统工艺的有效结合 工业机器人、无人工厂、柔性制造系工业机器人、无人工厂、柔性制造系统（统（FMS）、计算机辅助集成制造系统）、计算机辅助集成制造系统（CIMS）。）。6:45:2910 1-2 金属材料的主要性能金属材料的主要性能 一一. .综述综

9、述1.材料分类：材料分类： 材料是材料是构成形体构成形体的基本物质，是科学理论的基本物质，是科学理论和创和创 造发明的造发明的物质基础物质基础。2.材料的工作状态：材料的工作状态：拉伸、压缩、弯曲、扭拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切、摩擦、冲击、化学侵蚀转、剪切、摩擦、冲击、化学侵蚀等。等。3.性能：性能：物理性能、化学性能、力学性能、物理性能、化学性能、力学性能、加工成型性能加工成型性能。 复合材料）胶、陶瓷、高分子材料非金属材料（塑料、橡金属）金属材料（黑色、有色6:45:2911二材料的力学性能二材料的力学性能 材料在材料在外力的作用下外力的作用下所表现的特性：所表现的特性：弹性、弹性、硬度

10、、韧性和塑性硬度、韧性和塑性。一般要用代表力学性能的。一般要用代表力学性能的指标来判定，均是通过相应的指标来判定，均是通过相应的试验来建立试验来建立，它，它是是结构设计、选材和强度、寿命计算结构设计、选材和强度、寿命计算的理论依的理论依据。据。1.弹性弹性： 1）定义）定义：物体在物体在外力的作用下外力的作用下改变其改变其形状和尺形状和尺 寸寸，当，当外力拆除外力拆除后，又后，又回复其原有的形状和尺回复其原有的形状和尺寸寸的特性的特性。 2）试验及判定依据）试验及判定依据（1）试验：）试验：静拉力静拉力对对标准试样标准试样进行进行轴向拉伸轴向拉伸，测，测 量量力力与相应的与相应的拉伸长度拉伸长

11、度，由试样产生缩颈到拉，由试样产生缩颈到拉断为止。断为止。6:45:29126:45:2913(L) (F)bksebse6:45:2914（2）判定依据）判定依据： 其中：其中： 弹性极限（弹性极限（MPa）；）； 完全弹性变形时最大拉力；完全弹性变形时最大拉力； 横截面积（横截面积（mm2）（3）举例：）举例：弹性元件、钟表发条、炮筒弹性元件、钟表发条、炮筒等设计时等设计时应按此校核。应按此校核。2.刚度刚度1）定义：）定义：材料抵抗材料抵抗弹性变形弹性变形的能力，取决于金属的能力，取决于金属材料的材料的内部结构和温度、合金比及热处理内部结构和温度、合金比及热处理等。等。例如钢与铸铁在例如

12、钢与铸铁在20温度时，温度时，E=200GMPa，当当20450，E值下降值下降20.2）试验及判定依据）试验及判定依据 （1）试验：）试验：同拉伸试验，是拉伸曲线中的同拉伸试验，是拉伸曲线中的oe斜斜率。率。SFeeeeFS6:45:2915 （2）判定依据：）判定依据： 其中：其中：E 弹性模量（弹性模量（MPa）；）； 应力（应力（MPa）；）； 应变；应变；（3）举例：）举例：机床主轴、床身、箱体、桥梁机床主轴、床身、箱体、桥梁等。等。 3.强度强度 1）定义）定义：抵抗永久变形和断裂能力，是抵抗永久变形和断裂能力，是零件设计的主要依据。零件设计的主要依据。 2）试验与判定依据）试验与

13、判定依据E6:45:2916（1）试验：）试验：同拉伸试验，同拉伸试验， 、 （屈服点、（屈服点、抗拉点）。抗拉点）。（2）判定依据）判定依据： 、 注：注：有许多材料在拉伸时没有明显的屈服有许多材料在拉伸时没有明显的屈服现象，有时也规定试样产生现象，有时也规定试样产生0.2残余应残余应变时的应力来判定。变时的应力来判定。（3）举例：）举例：主轴、齿轮主轴、齿轮等。等。4.塑性塑性1）定义：）定义：断裂前断裂前材料发生材料发生不可逆的、永久不可逆的、永久变形变形的能力。的能力。2）试验与判定依据）试验与判定依据（1）试验：）试验：同拉伸试验，考查的是试件的同拉伸试验，考查的是试件的伸长的相对量

14、和截面积变化的相对量伸长的相对量和截面积变化的相对量。sbsb6:45:2917（2）判定依据：）判定依据： 、 ；（3）举例：）举例：切削参数切削参数的选择，如的选择，如锻造比锻造比等。等。注：注： 、 越大则塑性越好，强度、硬度越大则塑性越好，强度、硬度越低；越低； 一般不用于工程设计中；一般不用于工程设计中； 一般用于一般用于塑性加工参数塑性加工参数的选择；良好的选择；良好的塑性是的塑性是塑性加工塑性加工的必要条件，提高零的必要条件，提高零件的可靠性，防止使用中的件的可靠性，防止使用中的突然断裂突然断裂。LLL0100, 010SSS 100 6:45:2918w 5.硬度硬度1）定义：

15、）定义：抵抗抵抗局部变形局部变形能力。如能力。如塑性变形、压痕或划痕塑性变形、压痕或划痕；判定材料判定材料软硬软硬的依据，反映金属的的依据，反映金属的综合力学性能综合力学性能指标指标。2）试验与判定依据）试验与判定依据（1）压痕试验：压痕试验：钢球或硬质合金球钢球或硬质合金球加压保时，加压保时，锥形体锥形体压压痕试验。痕试验。注注： HB450以下以下用用钢球钢球（HBS），），HB450以上以上及及HB650以下以下用用硬质合金球硬质合金球（HBW）；）； 球形体球形体用于用于布氏硬度布氏硬度，锥形体用于洛氏硬度；，锥形体用于洛氏硬度； 布氏硬度不宜测量布氏硬度不宜测量薄壁薄壁材料和成品，一

16、般用于测量材料和成品，一般用于测量较软材料和半成品较软材料和半成品。（2）判定依据：）判定依据：HB、 HRC 、HRV（3）举例：）举例：淬火、渗碳淬火、表面处理、调质淬火、渗碳淬火、表面处理、调质等；等；（4）标注方法：）标注方法：220HBS、460HBW、50HRC、55HRA等。等。6:45:29196.韧性韧性1）定义：）定义：金属在金属在断裂前断裂前吸收吸收变形能量变形能量的能力。的能力。2）试验与判定依据）试验与判定依据（1）试验：）试验：冲击冲击试验，在规定的高度内摆锤冲试验，在规定的高度内摆锤冲击试样。击试样。 （2）判定依据：）判定依据： w 其中：其中： 冲击韧性（冲击

17、韧性（J/cm2）；）；w 试样吸收的功（试样吸收的功（J）；）；w 重锤的重量（重锤的重量（N）；）；w 摆锤举起高度（摆锤举起高度（m m ）；）；w 摆锤击断试样后举起的高度（摆锤击断试样后举起的高度（m m ）。）。AhhGAAakk)(21kakAG1h2h6:45:29206:45:2921（3）举例：）举例：材料脆性材料脆性的判定，常用来检验的判定，常用来检验热加工热加工的工的工艺质量。艺质量。 注注: 韧性低，则称为脆性材料；韧性低，则称为脆性材料； 韧性随韧性随加载速度加载速度的提高、的提高、温度温度的降低而提高；的降低而提高； 一般作为选材的参考，不直接用于设计计算；一般作

18、为选材的参考，不直接用于设计计算； 韧性对材料的韧性对材料的组织缺陷特别敏感组织缺陷特别敏感；三材料其他性能三材料其他性能1.物理、化学性能：物理、化学性能：密度、熔点、导电、导热、耐蚀密度、熔点、导电、导热、耐蚀等。等。例如例如: 1）在）在腐蚀腐蚀介质中工作的零件，如介质中工作的零件，如不锈钢不锈钢（化学）；（化学）； 2）航空零件，）航空零件，重量重量是主要矛盾，采用是主要矛盾，采用比重小比重小（物理）；（物理）； 3） 电器元件，要用电器元件，要用导电性导电性好的材料（物理）；好的材料（物理）； 4）内燃机活塞，）内燃机活塞，热稳定性热稳定性好的材料（物理）。好的材料（物理）。 kak

19、aka6:45:29222.工艺性能：工艺性能：适用于不同的适用于不同的加工方法加工方法的的能力。能力。1）焊接：）焊接：低碳钢低碳钢或或低合金钢低合金钢。 2）锻造：）锻造：塑性好塑性好的材料。的材料。 3）机加工：）机加工：硬度不高硬度不高的材料。的材料。6:45:2923思考题 1.常用的力学性能判据各用什么符号常用的力学性能判据各用什么符号表示？它们的物理含义各是什么？表示？它们的物理含义各是什么？ 2.测定下列材料或零件的硬度宜采用测定下列材料或零件的硬度宜采用何种硬度指标？何种硬度指标？ 热轧钢坯热轧钢坯 青铜铸件青铜铸件 淬硬钢齿轮淬硬钢齿轮 薄铝板薄铝板 灰铸铁灰铸铁6:45:

20、29241-3 金属材料的结构及结晶过程金属材料的结构及结晶过程一一 概念概念1.晶体：晶体：原子原子按按一定的顺序一定的顺序作作有规律有规律的排列。如：的排列。如：金刚石、石墨、固态金属等。金刚石、石墨、固态金属等。2.非晶体：非晶体：构成物质的原子作构成物质的原子作无规则排列无规则排列。如：。如：玻璃、松香、沥青等。玻璃、松香、沥青等。3.晶格：晶格：以以原子振动中心原子振动中心为构架的中心，将各点为构架的中心，将各点用假想的直线连接起来，从而构成的空间格架。用假想的直线连接起来，从而构成的空间格架。4.晶胞：晶胞：晶格中晶格中最小最小的几何单元。的几何单元。5.晶格常数晶格常数：晶胞中各

21、：晶胞中各棱长棱长度，单位：度，单位：A。6.晶面：晶面：各个方位各个方位原子组成的平面原子组成的平面。 6:45:2925二二 金属晶体的晶格结构金属晶体的晶格结构一般有一般有体心立方体心立方晶格、晶格、面心立方面心立方晶格、晶格、密密排六方排六方晶格。晶格。1. 1.体心立方晶格：体心立方晶格：晶胞是晶胞是立方体立方体，立方体，立方体中心和几个顶点各有一个原子（中心和几个顶点各有一个原子（9个）；个）； 代表材料：代表材料： 、 、 、 等，等，塑性及强塑性及强度较好度较好。 体心方晶胞体心方晶胞FerCWV6:45:29262.2.面心立方晶格：面心立方晶格：晶胞是晶胞是六面体六面体，六

22、面中心及，六面中心及几个顶点各有一个原子（几个顶点各有一个原子（14个）；个）； 代表材料：代表材料： 、 、 、 等，等，塑性好塑性好。 面心立方晶胞面心立方晶胞3.3.密排六方晶格：密排六方晶格：晶胞为晶胞为六方棱体六方棱体，上下底面，上下底面中心、体心、各顶点共有一个原子组成（中心、体心、各顶点共有一个原子组成（17个）；个）； 代表材料：代表材料： 、 、 、 等，等，塑性差塑性差。 FeCuAlNiMgZnCdBe6:45:2927注：注：晶格晶格类型不同类型不同，性能不同性能不同；具有具有相同类型晶胞相同类型晶胞，晶格常数不同晶格常数不同，性能性能也不同也不同；原子数的增加原子数的

23、增加，内能增大，抗变形能力增内能增大，抗变形能力增强，塑性下降强，塑性下降。 面心立方晶胞面心立方晶胞6:45:2928三三 结晶过程结晶过程1. 1.定义：定义：液体金属凝固液体金属凝固时时原子占据晶格原子占据晶格的的规定位置规定位置形成晶体的过程。形成晶体的过程。 一般用一般用热分析实验法热分析实验法得到得到温度与时温度与时间间的关系曲线，即的关系曲线，即冷却曲线冷却曲线（金属冷却（金属冷却到一水平线时，温度不再随时间而变化，到一水平线时，温度不再随时间而变化，这一过程是金属在结晶时释放的潜热补这一过程是金属在结晶时释放的潜热补偿了金属向外散热的能耗），水平线为偿了金属向外散热的能耗），水

24、平线为结晶温度。结晶温度。2.2.过冷：过冷：熔融金属冷却到平衡的凝固点以熔融金属冷却到平衡的凝固点以下而下而没有发生没有发生凝固的现象。凝固的现象。6:45:2929 理论温度与实际温度的差值叫过冷度理论温度与实际温度的差值叫过冷度 纯金属结晶时的冷却曲线纯金属结晶时的冷却曲线 （a）理论结晶温度（）理论结晶温度（b）实际结晶温度）实际结晶温度 nTTT06:45:2930其中：其中： 过冷度；过冷度； 理论结晶温度；理论结晶温度； 实际结晶温度；实际结晶温度；注：注：过冷度过冷度不是恒定值，它与不是恒定值，它与冷却速度冷却速度有关；有关； 冷却越快，过冷度越大冷却越快，过冷度越大。3.3.

25、过程：过程：形核、长大形核、长大、由、由液相转变成固相液相转变成固相为止。为止。1 1）形核：）形核：有两种方式，即有两种方式，即均质形核均质形核与与非均质形非均质形核核。 1 1均质形核（自发形核），在一定的过冷度均质形核（自发形核），在一定的过冷度下，金属中的一些原子由于下，金属中的一些原子由于失去激活的能失去激活的能量量，自发聚集自发聚集在一起，按固有规律排列。在一起，按固有规律排列。 缺点：缺点：成核时，过冷度很大成核时，过冷度很大。 T0TnT6:45:2931 2 2非均质形核（非自发形核）：非均质形核（非自发形核）：金属液中金属液中原原有的或加入的异质有的或加入的异质，由于异质的

26、原子与原有的，由于异质的原子与原有的原子的参数不同，在原子的参数不同，在内部运动受阻内部运动受阻，以其为衬，以其为衬底而形成的核。底而形成的核。 优点：优点：过冷度较小（过冷度较小（20K），），如铸件凝固。如铸件凝固。 3 3晶核长大：晶核长大：晶核由于晶核由于散热加快散热加快，逐渐长大成逐渐长大成枝晶状枝晶状，冷却效果更佳冷却效果更佳，更加易于，更加易于吸收其他原吸收其他原子的加入子的加入，各晶核之间相互渗透，最终形成凝，各晶核之间相互渗透，最终形成凝固的晶体。固的晶体。注：注：生成的晶体的结晶过程，由于生成的晶体的结晶过程，由于晶核长大的晶核长大的速度不同，晶粒有大有小速度不同，晶粒有大

27、有小； 晶体内的晶粒在晶体内的晶粒在生成生成时由于时由于方位不同，晶方位不同，晶向不同向不同。6:45:29324.4.改善晶粒的方法改善晶粒的方法1 1）形核剂：）形核剂：加入异质加入异质后，与金属元素相互后，与金属元素相互作用后形成核质点。作用后形成核质点。 例如：钢中加入例如：钢中加入V、Ti，形成大量，形成大量TiN、TiC、VN、VC等难熔质点；铸铁中加入等难熔质点；铸铁中加入FeSi、CaC2的等促进石墨析出的等促进石墨析出。2 2）增大过冷度：）增大过冷度：改变形核速率改变形核速率，过冷度较，过冷度较大，晶粒越细化。大，晶粒越细化。 例如：铸造中，金属型、水冷却、冷铁例如：铸造中

28、，金属型、水冷却、冷铁等。等。3 3）动力学法：）动力学法：用用振动、电棒搅拌振动、电棒搅拌，促进对，促进对流，造成晶核折断而增加晶粒。流，造成晶核折断而增加晶粒。 例如：钢的连续铸造。例如：钢的连续铸造。6:45:2933思考题1.何谓金属结晶？纯金属结晶有哪何谓金属结晶？纯金属结晶有哪些基本规律？些基本规律？2.生产中常用那些方法细化晶粒？生产中常用那些方法细化晶粒？各类方法使晶粒细化的机理是什各类方法使晶粒细化的机理是什么？么？3.试分析纯铁的结晶过程，并指出试分析纯铁的结晶过程，并指出金属的同素异构转变与液态结晶金属的同素异构转变与液态结晶的异同点。的异同点。6:45:29341-4

29、铁碳合金简介铁碳合金简介一、铁碳合金组织与性能简介一、铁碳合金组织与性能简介1.铁碳合金：铁碳合金：以以铁为基体铁为基体，有，有不同含碳量不同含碳量的合金。有的合金。有固固溶体、化合物和机械混合物溶体、化合物和机械混合物。2.基体组织及性能基体组织及性能 1）铁素体：）铁素体：F，体心立方晶格体心立方晶格，强度、硬度低，塑性强度、硬度低，塑性及韧性好及韧性好。 2）奥氏体：）奥氏体：A，面心立方晶格面心立方晶格，具，具有一定有一定的强度，的强度，塑塑性很好性很好，易于锻造。，易于锻造。 3）渗碳体：）渗碳体：Fe3C，复杂结构的，复杂结构的间隙化合物间隙化合物，硬度很硬度很高，塑性极差高，塑性

30、极差。 4）珠光体：）珠光体：P，F+ Fe3C的的机械混合物机械混合物，强度较高，强度较高，塑性较差塑性较差。 5）莱式体：）莱式体：Ld，A+ Fe3C的的机械混合物机械混合物，硬度很高，硬度很高，塑性极差塑性极差。 6:45:2935二铁碳合金图简介二铁碳合金图简介6:45:29361. 1.特征点特征点 1 1）P P点：点：纯铁纯铁在在727时时碳的最大溶解度碳的最大溶解度，含碳量含碳量0.02。 2 2）S S点：点：共析点共析点727时碳的最大溶解度，时碳的最大溶解度，含碳量含碳量0.77。 3 3）E E点：点：碳在碳在1148时，碳在时，碳在A中的最大中的最大溶解度溶解度2.

31、11。 4) C4) C点：点：共晶点共晶点1148时，碳在时，碳在A中的最中的最大溶解度大溶解度4.3。2.2.特征线特征线1 1）ABCDABCD为为液相线液相线2) ABECF2) ABECF为为固相线固相线6:45:29373 3）三条等温线）三条等温线（727、1148、1495）（1 1）包晶反应）包晶反应： 生成奥氏体，只发生在含碳量生成奥氏体，只发生在含碳量0.090.53的铁碳的铁碳 合金中。合金中。（2 2）共晶反应）共晶反应（1148） , 形成奥形成奥氏体和氏体和 ,共晶混合物共晶混合物Ld，含碳量，含碳量2.116.69的铁碳合金中。的铁碳合金中。（3 3）共析反应）

32、共析反应（727） ,形成铁素形成铁素体与渗碳体的共析混合物体与渗碳体的共析混合物P，此线称为，此线称为A1线。线。（4 4）ESES线是碳在线是碳在A A中的固熔线，称中的固熔线，称A ACmCm线线。（5 5）GSGS线是冷却时线是冷却时AFAF转变线转变线，称称A AC3 3或或A A3 3线线，完全退火完全退火（AC3+3050），含碳量在），含碳量在0.00080.77。（6 6）PQPQ线是铁素体中碳的固熔线线是铁素体中碳的固熔线，含碳量在含碳量在0.0008 0.02 。HBLJACLCFeAE3CFe3SACFeFP36:45:29383.3.铁碳合金的分类及室温组织（工业纯铁

33、、铁碳合金的分类及室温组织（工业纯铁、钢、白口铸铁）钢、白口铸铁）1 1）工业纯铁）工业纯铁，0.0218 ，F+Fe3C 2 2）钢：）钢：0.0218C2.11（ 1 1）共析钢）共析钢 C=0.77 室温下为室温下为P（ 2 2）亚共析钢）亚共析钢 C0.77，室温下为：，室温下为：P+F,一般采用一般采用完全退火或重结晶退火完全退火或重结晶退火，该种钢的该种钢的焊接性能较好焊接性能较好。（3 3）过共析钢）过共析钢 C0.77，室温下为：，室温下为：P+ Fe3C ,焊接性能较差焊接性能较差，一般均要采用，一般均要采用一定的工艺措施。一定的工艺措施。6:45:29393 3）白口铸铁）

34、白口铸铁 2.11C6.699（1 1）共晶白口铸铁）共晶白口铸铁 C=4.3，室温：，室温：Ld，铸造性能好。铸造性能好。（2 2）亚共晶铸铁）亚共晶铸铁 C4.3，室温：，室温：Ld+P+Fe3C 。（3 3）过共晶铸铁）过共晶铸铁 4.3C 6.69，室温：室温：Ld+Fe3C 。6:45:3040注：注： 当当C0.9时，随时，随含碳量的增加，强度、含碳量的增加，强度、硬度提高，塑性下降，硬度提高，塑性下降，P含量增大，含量增大，F减减少少。当当C0.9时，随着时，随着含碳量的增加，硬含碳量的增加，硬度上升，而强度、塑性下降度上升，而强度、塑性下降（因网状渗（因网状渗碳体明显增加）。碳

35、体明显增加）。当含碳量处于白口状态，随含当含碳量处于白口状态，随含碳量的增碳量的增加，硬度增加，强度下降，塑性几乎为加，硬度增加，强度下降，塑性几乎为零零（因莱式体或（因莱式体或Fe3C更脆）。更脆）。6:45:3041符符号号温度温度含碳量含碳量%(重量重量)特性特性A15380纯铁的熔点纯铁的熔点C11484.3共晶反应点共晶反应点D12276.69渗碳体的熔点渗碳体的熔点E11482.11碳在碳在-Fe-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度F11486.69渗碳体渗碳体G9120-Fe-Fe与与-Fe-Fe同素异晶转变点同素异晶转变点K7276.69渗碳体渗碳体N13940-Fe-Fe与与-

36、Fe-Fe同素异晶转变点同素异晶转变点P7270.0218碳在碳在-Fe-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度S7270.77共析反应点共析反应点Q6000.008600600时碳在时碳在-Fe-Fe中的最大溶度中的最大溶度 表11 相图中主要特性点的含义6:45:3042思考题1.比较铁碳合金各种基本组织的晶体比较铁碳合金各种基本组织的晶体结构和力学性能。结构和力学性能。2.碳钢与铸铁在成分与组织上有哪些碳钢与铸铁在成分与组织上有哪些区别？区别？3.试分析试分析W(C)分别为分别为0.2%、0.77%、1.3%的铁碳合金自高温缓慢冷却至的铁碳合金自高温缓慢冷却至室温的组织转变过程。室温的组织转变

37、过程。返回目录返回目录6:45:30431-5 1-5 金属材料的分类及牌号金属材料的分类及牌号 金属材料：金属材料：有色金属、黑色金属有色金属、黑色金属。 有色金属：有色金属：铜及其合金，铝及其合金铜及其合金，铝及其合金。 黑色金属：黑色金属：钢材及合金钢钢材及合金钢。一钢一钢1.化学成分对钢的力学性能的影响化学成分对钢的力学性能的影响1 1） 杂质对钢的影响杂质对钢的影响（1）锰、硅锰、硅的影响：的影响：一般作为一般作为脱氧剂脱氧剂（锰还具（锰还具有脱硫剂的性质），是有脱硫剂的性质），是有益有益元素。一般溶于元素。一般溶于铁素体中，有铁素体中，有利于提高强度和硬度利于提高强度和硬度，塑性、

38、塑性、韧性下降韧性下降。（2）硫硫的影响：的影响：由由矿石和燃料矿石和燃料中带入，是中带入，是有害有害元素，引起钢的元素，引起钢的热脆性热脆性，硫应控制在，硫应控制在0.045以下。以下。（3）磷磷的影响：的影响：由由矿石矿石中带入，是中带入，是有害有害元素，元素，引起的是引起的是冷脆性冷脆性，一般应控制在，一般应控制在0.045以下。以下。6:45:30442 2） 合金元素对钢的影响合金元素对钢的影响（1 1）影响钢）影响钢强度强度的元素：的元素：C、Si、Mn产产生固熔强化，生固熔强化，提高强度提高强度，C、N、AL、Cr等元素在钢中形成等元素在钢中形成化合物化合物，提高钢的，提高钢的强

39、度、硬度强度、硬度；Nb、V、Ti等形成等形成细小化细小化合物合物，阻碍阻碍奥氏体长大，奥氏体长大，细化晶粒，提细化晶粒，提高强度高强度。（ 2 2）影响钢的）影响钢的韧性韧性：Nb、V等元素等元素细化细化晶粒，提高韧性晶粒，提高韧性，C、Si、Mn以以固熔状固熔状态态存在，存在，韧性下降韧性下降。Ni有利于有利于提高钢的提高钢的韧性韧性，尤其是，尤其是低温韧性低温韧性。6:45:3045 2.2.钢的分类钢的分类 1 1） 按化学成分分类按化学成分分类（1 1）碳钢：）碳钢：碳素结构钢、优质碳素结构钢、工碳素结构钢、优质碳素结构钢、工具钢具钢。1 1碳素结构钢碳素结构钢 牌号：牌号：QA(B

40、、C、D)、F(b、Z、TZ) 其中：其中：Q：屈服强度值；：屈服强度值； A：质量等级符号，以字母顺序依次降低；：质量等级符号，以字母顺序依次降低； F：脱氧方法。：脱氧方法。含碳量：含碳量：0.060.38。应用：应用：工程结构、普通机械零件工程结构、普通机械零件（桥梁、机（桥梁、机械连接件）。械连接件）。原材料供应方式：原材料供应方式：板材、圆钢、型材板材、圆钢、型材。6:45:3046（2 2）优质碳素结构钢）优质碳素结构钢牌号牌号：A(E)F其中，其中，:平均含碳量平均含碳量，单位为，单位为万分之一万分之一。A：高级优质；：高级优质；E：特级优质；：特级优质；F：沸腾钢。：沸腾钢。

41、举例举例：45，08F等等。 应用：应用：制造重要零件制造重要零件，如曲轴、轴、弹簧等。，如曲轴、轴、弹簧等。原材料供应方式：原材料供应方式：线材、管材、线材、管材、板材、圆钢、型材板材、圆钢、型材。（3 3）碳素工具钢）碳素工具钢 牌号牌号：TA 其中，其中，T：“碳碳”的汉语拼音，表示用于的汉语拼音，表示用于制造工具制造工具； ：平均含碳量平均含碳量，单位为，单位为千分之一千分之一； A：质量等级。：质量等级。平均含碳量平均含碳量 C C1.0；应用：应用：制造刀具制造刀具，如，如铰刀、锯条、模具铰刀、锯条、模具等。等。原材料供应方式：原材料供应方式：板材、圆钢板材、圆钢。 举例：举例：T

42、10A。6:45:30472 2合金钢合金钢（1 1）合金结构钢（）合金结构钢（GB/T3077-99GB/T3077-99）牌号：牌号：+化学元素化学元素+数字数字 其中，其中，：平均含碳量的：平均含碳量的万分之一万分之一； 化学元素化学元素：所含的化学成分；：所含的化学成分； 数字数字：合金元素含量的：合金元素含量的百分数百分数。 注：注：没有数字表示合金元素的含量没有数字表示合金元素的含量1.5。应用：应用：常用来制造常用来制造重要场合重要场合的机械零件，的机械零件，如齿轮、轴、键等。如齿轮、轴、键等。举例：举例：20Cr2Ni4V，含碳量，含碳量0.2，Cr=2，Ni=4， V1.5。

43、6:45:3048（2 2）合金工具钢（）合金工具钢（GB/T1299-2000GB/T1299-2000）牌号：牌号：+合金元素合金元素+数字数字 注：注：其意义与结构钢相同，只是前面的其意义与结构钢相同，只是前面的数字是碳平均含量的数字是碳平均含量的千分数千分数，且平均含，且平均含量量1.0不给数字。不给数字。应用：应用：制造刀具、量具、模具（车刀、制造刀具、量具、模具（车刀、铣刀、齿轮刀具等）。铣刀、齿轮刀具等）。举例：举例：W18Cr4V ，C1.0,W=18,Cr=4，V1.5。 6:45:3049 3 3铸钢铸钢牌号：牌号：ZG- 注：注：ZG表示铸钢表示铸钢，第一组的数字表示，第

44、一组的数字表示屈服点屈服点的最低值的最低值，第二组数字表示，第二组数字表示抗拉强度的最小值抗拉强度的最小值。应用：应用：制造制造重载荷及冲击载荷重载荷及冲击载荷的构件，如重要的构件，如重要机架、大齿轮等。机架、大齿轮等。举例：举例：ZG270-500，ZG310-570、ZG30MnSi1。 注注：.铸造合金钢，当平均当量含锰量铸造合金钢，当平均当量含锰量0.9时，时，Mn元素不标出；元素不标出； .铸造合金钢，当平均当量含锰量铸造合金钢，当平均当量含锰量0.9Mn1.4时，时，Mn元素标出；元素标出； .铸造合金钢，除锰以外，平均质量分数铸造合金钢，除锰以外，平均质量分数0.91.4均标出均

45、标出“1”。6:45:30502按主要质量等级分按主要质量等级分1）普通质量钢：）普通质量钢：S0.045, P0.045(S-热脆性，热脆性，P-冷脆性冷脆性)。2）优质钢：）优质钢：按微观组织，按微观组织，S、P的含量。的含量。3）特质钢：）特质钢：严格控制严格控制S、P的含量的含量0.020。3按使用特性分：按使用特性分：工工具钢、结构钢具钢、结构钢（工程、（工程、机械等）、机械等）、耐腐钢耐腐钢（不锈钢、耐酸钢（不锈钢、耐酸钢等）。等）。6:45:3051二、铸铁二、铸铁1.化学成分：化学成分：C：2.54.0；Si：1.03.0Mn：0.51.3；P：0.3S0.15，有时还加有有时

46、还加有Cr、Ni、Cu、Mo、Ti、V等。等。2特点：特点：1）铸造性能、切削加工性能好铸造性能、切削加工性能好；2）耐磨、减振耐磨、减振；3）制造成本低。）制造成本低。占机械产品的占机械产品的5080，主要用于床身、底座等。，主要用于床身、底座等。6:45:30523.3.铸铁的分类（按碳的存在形式和石墨形铸铁的分类（按碳的存在形式和石墨形态来分）：态来分）： 白口、麻口、灰口、球墨、可锻、蠕墨白口、麻口、灰口、球墨、可锻、蠕墨等；等；1 1）白口铸铁：）白口铸铁：碳以碳以游离游离的碳化物形式析的碳化物形式析出，断口为出，断口为白色白色。（1 1）特性：）特性：硬、脆，难加工硬、脆，难加工。

47、（2 2）应用：）应用：很少用来制造零件很少用来制造零件，主要应，主要应用其用其耐磨耐磨的特点，球磨机的磨球、衬板的特点，球磨机的磨球、衬板等。等。6:45:30532 2）麻口铸铁：）麻口铸铁：碳部分以游离碳部分以游离碳化物析出，部分碳化物析出，部分以以石墨形式存在石墨形式存在。（1 1）特性：）特性：性能不突出，难加工性能不突出，难加工。（2 2）应用：）应用：不常用，很少用不常用，很少用。3 3）灰铸铁：）灰铸铁：碳主要以碳主要以片状石墨片状石墨形式析出，断口形式析出，断口成成灰色灰色。（1 1）牌号）牌号：HT250，HT：灰铁灰铁，250代表最低代表最低抗拉强度为抗拉强度为250MP

48、a。（ 2 2）特性）特性： 耐磨、抗振耐磨、抗振； 铸造性能好铸造性能好； 加工性能好加工性能好； 强度、硬度不高强度、硬度不高；注注：孕育铸铁即在铁溶液中加入孕育铸铁即在铁溶液中加入孕育剂孕育剂，获得，获得亚亚共晶灰铁共晶灰铁，适应于，适应于制造制造厚壁厚壁零件。零件。6:45:30544）球墨铸铁：铁液经球墨铸铁：铁液经球化处理球化处理而不是凝固后再而不是凝固后再经过热处理的方法，使石墨大部分或全部呈经过热处理的方法，使石墨大部分或全部呈球状球状，有时为团絮状。，有时为团絮状。 1牌号：牌号：QT400-18，QT：球铁，：球铁，400代表最代表最低抗拉强度为低抗拉强度为400MPa，1

49、8代表最小断后伸长代表最小断后伸长率为率为18； 2特性：特性： 抗拉强度较高，大于灰铁；抗拉强度较高，大于灰铁； 屈强比高于基体钢；屈强比高于基体钢； 较好的疲劳强度、塑性；较好的疲劳强度、塑性； 切削性能好；切削性能好； 减振、耐磨、缺口敏感性好。减振、耐磨、缺口敏感性好。5）可锻铸铁：）可锻铸铁：KT-，制造水管、水，制造水管、水龙头等。龙头等。6:45:3055四、有色金属四、有色金属1. 1.铜及铜合金铜及铜合金1 1）纯铜）纯铜 （1 1）牌号：）牌号：T1、T2、T3； （2 2）性能：）性能：导电性、导热性、耐蚀性好；强度导电性、导热性、耐蚀性好；强度低、塑性好、硬度低低、塑性

50、好、硬度低。（3 3）用途：）用途：制造制造电线、电缆、垫片电线、电缆、垫片等。等。2 2）铜合金）铜合金 黄铜：黄铜：以以锌为主要元素锌为主要元素，常用代号有，常用代号有H59、H62等。等。 1 1普通黄铜：普通黄铜：Zn32，H62、H70等；等；塑性好，塑性好，强度高强度高，力学性能及铸造加工性能好力学性能及铸造加工性能好，一般用，一般用于制造于制造衬套和耐蚀衬套和耐蚀零件。零件。2 2特殊黄铜：特殊黄铜：在普通黄铜的基础上加入其他元在普通黄铜的基础上加入其他元素（素（Sn、Pb、Si、Mn、Be等），力学性能更等），力学性能更好，一般用于制造好，一般用于制造弹簧弹簧等零件。等零件。6

51、:45:3056 青铜：青铜：铜锡铜锡合金，合金，耐蚀、耐磨耐蚀、耐磨。 1 1锡青铜：锡青铜：QSn4-3、QSn6.5-0.4，ZCuSn10Pb1等。等。 注：注：当当Sn8时，用于变形加工，具有时，用于变形加工，具有良好的塑性和一定强度；良好的塑性和一定强度； 当当Sn10时，塑性差。时，塑性差。用途：用途：主要用于制造主要用于制造轴瓦、轴套轴瓦、轴套等耐磨零等耐磨零件。件。 2 2特殊青铜：特殊青铜：BMn40-1.5、BMn43-0.5等。等。性能：性能：耐磨、减磨性好，塑性较好。耐磨、减磨性好，塑性较好。用途：用途：制造制造轴瓦、蜗轮和超高压密封轴瓦、蜗轮和超高压密封。6:45:

52、30572.2.铝及铝合金铝及铝合金1 1）纯铝）纯铝 L1L1、L2L2、ZL102ZL102等。等。（1 1）特点：）特点：质量轻、熔点低、具有良好质量轻、熔点低、具有良好的塑性、耐蚀性、导热导电性、价格相的塑性、耐蚀性、导热导电性、价格相对较低对较低。 （2 2）用途：）用途：主要用于制造主要用于制造电线、电缆和电线、电缆和日用电器日用电器等。等。2 2）铝合金：）铝合金：以铝为基体的合金，强度要以铝为基体的合金，强度要高于铝。高于铝。（1 1）变形铝合金：）变形铝合金：加热时能形成单相固加热时能形成单相固熔组织，塑性较好，宜于进行压力加工。熔组织，塑性较好，宜于进行压力加工。 6:45

53、:3058（2 2）用途：）用途： 1 1防锈铝（防锈铝（5A055A05）：）：制造制造管道、容器、管道、容器、中轻中轻载零件。载零件。 2 2硬铝（硬铝（2A112A11）：）：制造制造铆钉铆钉。 3 3超硬铝超硬铝(7A04):(7A04):制造飞机上的制造飞机上的零件零件。 4 4锻铝（锻铝（2A702A70）：）：形状复杂、中等形状复杂、中等强强度的锻件。度的锻件。 3 3）铸造铝合金：）铸造铝合金：铸造性能好，铸造性能好，ZAlSi12等。等。 用途：用途：制造形状复杂及具有一定力学性制造形状复杂及具有一定力学性能的零件，如能的零件，如：活塞、：活塞、 壳体、泵体壳体、泵体等。等。

54、6:45:3059思考题1.钢中杂质元素和合金元素对钢的力学钢中杂质元素和合金元素对钢的力学性能有哪些影响？性能有哪些影响？2.指出下列钢铁材料牌号的含义及主要指出下列钢铁材料牌号的含义及主要用途：用途： Q235A 08F T8A Q345 ZG270-500 HT250 20Cr Cr12 5CrMnMo QT400-153.影响铸铁石墨化的因素有哪些？各是影响铸铁石墨化的因素有哪些？各是如何影响的？如何影响的？4.各类铝合金在性能特点及应用上有哪各类铝合金在性能特点及应用上有哪些不同？些不同？返回目录返回目录6:45:30601-6 1-6 非金属材料非金属材料一塑料：一塑料：合成树脂合

55、成树脂为基础，加入各种为基础，加入各种添加剂添加剂制制成的高分子材料。成的高分子材料。1. 1.特点：特点：1 1）优点：）优点：密度低、耐蚀性好、绝缘、绝热、隔密度低、耐蚀性好、绝缘、绝热、隔音、减磨性好、价格低、成型方便音、减磨性好、价格低、成型方便。 2 2）缺点：）缺点：强度、硬度低，耐热性差强度、硬度低，耐热性差。2.2.分类（按耐热性能分）分类（按耐热性能分）1 1）热塑性：）热塑性：易于加工成形，能反复使用，一般易于加工成形，能反复使用，一般用用注塑方法成形注塑方法成形，PE、PVC、PP、PS、ABS、PA、POM、PC等。等。2 2）热固性：）热固性：一般采用一般采用压塑成形

56、压塑成形，FUF-72、FyF-15、FMX-44等。等。6:45:3061二橡胶：二橡胶：在常温下处于在常温下处于高弹态高弹态的高分子的高分子材料。材料。1. 1.特点：特点：弹性好，吸振、绝缘、耐磨和化弹性好，吸振、绝缘、耐磨和化学性能稳定学性能稳定。2.2.分类：分类：按原料分。按原料分。1 1）天然橡胶：）天然橡胶：自自植物中提取植物中提取，加硫化处，加硫化处理，增加抗老化。理，增加抗老化。 用途：用途：制造制造轮胎、胶带、胶管轮胎、胶带、胶管等。等。2 2）合成橡胶：）合成橡胶：由由一种或多种单体聚合一种或多种单体聚合而而成的橡胶。成的橡胶。 用途：用途：密封圈、减振器、电线表皮密封

57、圈、减振器、电线表皮等。等。6:45:30626:45:3063三、陶瓷：三、陶瓷：硅酸盐和氧化物材料、无机硅酸盐和氧化物材料、无机非金属材料非金属材料的总称的总称1. 1.特点：特点：1 1）优点：）优点：硬度高、耐磨性好、高熔点、硬度高、耐磨性好、高熔点、化学稳定性好、强度高化学稳定性好、强度高。 2 2）缺点：）缺点：质脆、抗拉强度低、成形和质脆、抗拉强度低、成形和加工困难加工困难。2.2.分类：分类：按化学成分按化学成分 1 1）氧化铝陶瓷（）氧化铝陶瓷（AlAl2 2OO3 3）：）：硬度高硬度高（HRA9399），耐高温（），耐高温（12001450）。）。 用途：用途：制造制造高

58、速切削刀具、量块、拉高速切削刀具、量块、拉丝模、火花塞丝模、火花塞等。等。 6:45:30642 2）氮化硅陶瓷（）氮化硅陶瓷（Si Si3 3NN4 4）：）：线胀系数小、线胀系数小、自润滑、抗振。自润滑、抗振。 用途：用途：制造制造形状复杂、精度高的零件、形状复杂、精度高的零件、高温轴承、球阀和阀芯、制造刀具高温轴承、球阀和阀芯、制造刀具等。等。3 3）碳化硅陶瓷（）碳化硅陶瓷（SiCSiC）：）：高温下（高温下（1400）、抗弯强度高（）、抗弯强度高（500600MPa）。）。 用途：用途：发电机的定子、转子、燃烧器、发电机的定子、转子、燃烧器、蜗形管、热交换器蜗形管、热交换器等。等。6

59、:45:3065四合成材料：由四合成材料：由两种或两种以上两种或两种以上的材的材料料复合成复合成的的人工合成人工合成的材料的材料1. 1.特点：特点：既保留了组成材料各自的特点，既保留了组成材料各自的特点，又得到了单一材料无法具备的综合性又得到了单一材料无法具备的综合性能，重量轻、综合力学性能好。能，重量轻、综合力学性能好。2.2.组成：组成：基体材料起粘结剂作用；基体材料起粘结剂作用； 增强材料是提高强韧性作用。增强材料是提高强韧性作用。6:45:30663.3.分类：分类：1 1）按用途分：）按用途分：结构复合材料、功能复合结构复合材料、功能复合材料材料。2 2）按基体分：）按基体分：金属

60、基体金属基体复合材料、复合材料、非金非金属基体属基体复合材料。复合材料。3 3）按增强材料种类分：）按增强材料种类分：1 1纤维增强纤维增强复合材料：复合材料：制造制造轴瓦、齿轮轴瓦、齿轮等。等。2 2颗粒增强颗粒增强复合材料：复合材料：制造制造刀具、轴承、刀具、轴承、喷嘴喷嘴等。等。 注：注：复合材料是复合材料是21世纪人类科学创造世纪人类科学创造的主要源泉。的主要源泉。6:45:30676:45:30686:45:3069思考题1.比较热塑性塑料和热固性塑料的性比较热塑性塑料和热固性塑料的性能特点及应用。能特点及应用。2.天然橡胶和合成橡胶的性能特点及天然橡胶和合成橡胶的性能特点及应用有何