2022年《授课教案》第一篇工程材料性质

1、教案首页课程名称：金属材料成形基础任课老师：徐晓峰6 第一篇工程材料性质方案学时：教学目的和要求：本篇介绍了金属材料的主要性能、金属与合金的晶体结构及结晶过程、铁碳合金状态图及铁碳合金； 学完本篇要求同学明白并把握金属材料的主要性能、金属与合金的晶体结构及结晶过程和铁碳合金状态图；重点：重点为金属材料的力学性能、铁碳合金；难点：难点为铁碳合金状态图摸索题：1如何判定金属材料受力时,产生的是弹性变形仍是塑性变形？2生产中常通过测量硬度来估算材料的强度,这是为什么？3合金的基本组成物有 .那些试说明它们各自的结构特点和性能特点；4锯条、弹簧、轴各应进行那些热处理比较 .合适？为什么？5何为合金状态

2、图？它是如何绘制出来的？合金状态图有什么用途？第一篇 工程材料的性质第一章 材料的主要性能材料的主要性能是指 : （1）力学性能1. 使用性能（2）物理性能（3）化学性能2. 工艺性能 加工成形的性能第一节 材料的力学性能力学性能 材料在外力作用下所表现出的特性；一、外力作用下材料的变形与失效作用在机件上的外力载荷静载荷F FF 动载荷F F F = F /S F = F（ MPa ）SS1. 两种基本变形（1）弹性变形：材料受外力作用时产生变形, 当外力去除后复原其原先外形,这种随外力消失而消逝的变形,称为弹性变形；（2）塑性变形 : 材料在外力作用下产生永久的不行复原的变形,称为塑性变形；

3、2变形的三个阶段弹性变形塑性变形断裂（3）过量弹性变形3. 常见的几种失效形式（1）断裂（2）塑性变形（4）磨损（5）腐蚀二、材料的力学性能拉伸试验F d0F 0lL dk缩颈klFS 0F F bb k lF sF es e o l0l拉伸曲线 应力 应变曲线e 弹性极限点 S 屈服点K 断裂点 b 极限载荷点1强度：材料在外力作用下,抗击塑性变形和断裂的才能；（ 1） 屈服强度（ S）指材料在外力作用下,产生屈服现象时的应力；S =Fs/S 0（MPa） 它表征了材料抗击微量塑性变形的才能；当材料单位面积上所受的应力 e s时,只产生微量的塑性变形；当 s时,材料将产生明显的塑性变形；条件

4、屈服强度 : 0.2 =F 0.2 /S 0（MPa ）屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据；FS 0F0.2F 0s.2k b s e100% 0.2% l0ll（ 2）抗拉强度 （ b ）抗拉强度是材料在拉断前承担最大载荷时的应力；b =F b/S 0（MPa ）它表征了材料在拉伸条件下所能承担的最大应力；抗拉强度 是脆性材料选材的依据；2. 塑性 材料在外力作用下,产生永久变形而不引起破坏的才能；常用和 作为衡量塑性的指标；伸长率：断面收缩率：l kl0l0100 %s 0s 0s k100 %良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件；3刚度（ E）材料在外力作用下抗击弹性变形的才能称

5、为刚度；在弹性变形阶段：FlE所以：EE 材料抗击弹性变形的才能越大；4硬度 是材料抗击更硬的物体压入其内的才能；1布氏硬度（ HB ）：HB压入载荷（N）DF 压痕的表面积（mm）F 0.102D212F1d2D布氏硬度适用 HB450 洛氏硬度与布氏硬度之间约为1：10 的关系同时硬度与强度之间也有肯定的关系：低碳钢： b3.6HB 1200 高碳钢： b3.6HB 调质合金钢： b3.6HB 5冲击韧性材料抗击冲击载荷作用下断裂的才能；A K = G （H 1 - H 2）（J ）ak = AK /S （J/m2）H1在冲击载荷下工作的零件,很少是受大能量一次冲击而破坏的；往往是受小能量

6、多次重H2复冲击而破坏的；6疲惫强度材料在很多次重复或交变载荷作用下不引起破坏的最大应力；受交变载荷作用的零件, 在其所受应力远远低于该材料的屈服强度时,会发生突 然的断裂；而且是脆性断裂；据统计,约 80% 的机件失效为疲惫破坏；n0 循环基数7钢：n010有色金属：n 01081三、力学性能与失效形式的关系失效形式n 0n力学性能强度s b 塑性 断裂刚度 塑性变形硬度 过量弹变韧性 磨损疲惫强度其次节 材料的物理、化学及工艺性能一、材料的物理性能比重、密度、熔点、导电性、导热性、磁性、热膨胀系数；二、材料的化学性能耐酸性、耐碱性、抗氧化性；三、材料的工艺性能：加工性能其次章 金属及 合金

7、 的结晶第一节 金属的晶体结构晶体：原子作有序排列；非晶体：原子作无序排列；有固定的熔点；各向异性；没有固定的熔点；各向同性；全部的金属和合金都是晶体；晶格原子排列形成的空间格子晶胞组成晶胞最基本的单元金属的典型晶体结构体心立方晶格： Cr、Mo、W、V、 -Fe、 -Fe 面心立方晶格： Cu、Ni、Ag、Au 密排六方晶格： Mg、Be、Zn、 -Ti、 -Cr 其次节 金属的结晶过程一、金属的结晶过程温度 冷却曲线T 过冷度1金属结晶的过冷现象T0 TT 0T n2金属的结晶过程结晶形核Tn 长大时间自发形核非自发形核金属是由很多大小、外形、晶格排 不相同的晶粒所组成的多晶体；一般金属的

8、晶粒越细小,其力学性列 方向均 能越好；3细化晶粒的方法 1）变质处理 2）增大过冷度 3）机械的振动和搅拌 4）热处理 5）压力加工再结晶二、金属的同素异晶转变 同素异晶转变 在固态下, 随着温度的变化, 金属的晶体结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程；Fe、Sn、Ti、Mn 1538 Fe时间温L 1538 Fe度1394 体心1394 FeFe912 Fe面心912 一种金属能以几种晶格类型存体心在的性质 称为同素异晶性；Fe第三节合金的结构合金 以一种金属为基础,加入其它金属或非金属,所形成的具有金属特性的物质；合金是由两种以上的元素组成的；固态合金的结构是由组元在结晶时彼此之

9、间所起的作用所打算的；固溶体合金的结构 金属化合物 机械混合物一、固溶体 溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体；据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同置换固溶体固溶体间隙固溶体溶质原子 溶质原子 溶剂原子 溶剂原子固溶体的性能特点：具有良好的塑性和韧性,强度、硬度较低；F： b = 250MPa 二、金属化合物 = 4550% HB = 80 合金各组成元素之间相互作用而生成的一种新的具有金属特性的物质；金属化合物各元素之间呈整数比关系；如： Fe3C、WC 、TiC 等 金属化合物的性能特点：脆性大、硬度高；强度低；塑性、韧性差；高的熔点；Fe3C：HB=800； b =30M

10、Pa ； 0% 三、机械混合物合金的组成在固态下既不相互溶解又不形成化合物,合而成的新物质；而是按肯定的重量比混机械混合物既可以是纯金属、 固溶体或金属化合物各自的混合物,也可以是 它们之间的混合物；性能特点：性能介于各组成物的性能之间；一般具有良好的综合力学性能；P： b = 750MPa =25% HB = 180-200F： b = 250MPa = 4550% HB = 80 Fe3C：HB=800； b =30MPa ； 0% 第三章 铁碳合金第一节 铁碳合金的基本组织一、铁素体（ F）铁素体 碳（ C）溶入 -Fe 中所形成的固溶体；7270.02%C = 4550% HB = 8

11、0 力学性能：b = 250MPa 二、奥氏体（ A）奥氏体碳（C）溶入-Fe 中所形成的固溶体；11472.06%C 、7270.77%力学性能： b = 250 350MPa = 4045% HB = 160200 三、渗碳体（ Fe3C）渗碳体是金属化合物；6.67%CHB = 800 力学性能： b = 30MPa = 0 四、珠光体（ P）珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物；7270.77% 力学性能： b = 750MPa =25% HB = 180-200 五、莱氏体（ Le）莱氏体是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物；11474.3%C 力学性能： b = 30MPa = 0

12、HB = 700 其次节 铁碳合金状态图一、什么是状态图状态图表示合金系的成分、温度、组织、状态之间关系的图表；二、状态图的作用是讨论合金的成分、温度、组织、状态之间变化规律的工具；三、铁碳合金状态图1. 状态图上点的意义A纯铁的熔点；DFe3C 的熔点；E C 在 -Fe 中的最大溶解度点； 11472.06%C 钢和铁的分界点；C共晶点, 11474.3%C 共晶点发生共晶反应的点；共晶反应 在肯定的温度下, 由肯定成分的液体同时结晶出肯定成分的两个固相的反应；共晶反应的产物共晶体机械混合物L（4.3%C）1147 A（2.06%C ）+ Fe3C （6.67%C ）Le 温A 1538

13、L D 另外度A E 1147 C F 912 F PS 727 Le Fe3C G K P Q 0.77 2.06 4.3 6.67 0.02 C% G 纯铁的同素异晶转变点；912P C 在 -Fe 中的最大溶解度点； 7270.02%C S 共析点；7270.77%共析点 发生共析反应的点；共析反应在肯定的温度下, 由肯定成分的固相同时结晶出肯定成分的两个固相 的反应；共析反应的产物 共析体机械混合物A（0.77%C ）727F（0.002%C ）+ Fe3C（6.67%C ）2. 状态图上线的意义 P ACD 线液相线 AC 析出 A CD析出 Fe3C AECF 线固相线 AEA 析

14、出终了线 ECF共晶线 1147Fe3C ES 线 C 在 -Fe 中的溶解度曲线；析出二次 GS 线 溶解度曲线 AF GP 线 F 析出终了线；PQ 线 碳在 -Fe 中的溶解度曲线；PSK 线 共析线 727（1）单相区： L、F、A、Fe3C （2）两相区： L+A 、L+ Fe3C、A+F、F+ Fe3C （3）三相区： L+A+ Fe3C、A+F+ Fe3C 四、铁碳合金的结晶过程及组织转变1钢L 1 L+ A 2 A 3 P F 4 P+F 共析钢 : 2 3 亚共析钢 : L L+ A A A+ 过共析钢 : 2生铁L 1 L+ A 2 A 3 A+ Fe3C 4 P+Fe3C

15、 共晶生铁 : L 1 Le 2 Le亚共晶生铁 : L 过共晶生铁：L 1 L+ A 2 A+ Le A+Le + Fe 3C 3 P+Fe3C+Le 1 L+ Fe3C 2 Fe3C+ Le 3 Fe3C+Le 五含碳量对铁碳合金组织和性能的影响F F+P P P P+ Fe3C P+ Fe3C +LeLeLe+ Fe3C F Fe3CLeFe3C0 0.02 0.77 2.06 4.3 6.67 C% b HB HB b0.91.0 C% 六状态图的作用 1挑选材料 2确定各种工艺参数 第三节 钢的分类和应用一、钢的分类 1按化学成分分类1）碳素钢（1）低碳钢（2）中碳钢C 0.6% M

16、e 10% 2. 按质量分类 1）一般钢： P 0.045% S 0.055% 2）优质钢： P 0.040% S 0.045% 3）高级优质钢： P、S 0.030% 3按用途分类 1）结构钢：（1）工程结构钢、（2）机械制造用钢 2）工具钢：（1）碳素工具钢（ 2）合金工具钢3）特别性能钢：弹簧钢、轴承钢、耐热钢、耐蚀钢等 4按冶炼方法分类；（1）平炉钢（2）转炉钢（3）电炉钢二、钢的编号及应用 1结构钢 1）（一般）碳素结构钢 碳素结构钢的钢号用 屈服强度 表示；这类钢主要用于制造一般的机械零件和工程构件；屈s Q195 Q195（ 0.06-0.12%C）、 Q215（ 0.09-0.

17、15%C）、 Q235（ A （ 0.14-0.22%C）、 B（0.12-0.20%C）、Q255（0.18-0.28%C）、Q275（0.28-0.38%C）2）优质碳素结构钢 这类钢的有害杂质 P、S 含量较低,钢的质量较好,主要用于制造各种较重 要的机械零件； 钢号用 两位数字 表示,数字表示含碳量的万分之几；45 表示含碳量是万分之 45（0.45%）08、10、15 冲压件、焊接件；15、20、25 渗碳淬火；30、35、40、45、50、55 调质处理；制造齿轮、连杆、凸轮和轴类零件；60、65、70 淬火 +中温回火,制造弹簧；3）合金结构钢 合金结构钢种类繁多,其钢号的表示方

18、法为：如： 40Cr2Mo4V 、60Si2Mn、38CrMoAl 低合金高强度结构钢两为数字 +元素符号 +数字 ；低合金高强度结构钢是在低碳钢的基础上加入少量合金元素制得,其合金因 素总量不超过 5%,以 Mn 为主要合金因素；这类钢一般在热轧或正火状态下使 用,不需再进行热处理；广泛用于建筑、石油、化工、铁道、桥梁、造船等工业 部门；牌号有 Q295、Q345、Q460 机械结构用合金钢用于制造各种机械零件的合金结构钢；又可分为：合金渗碳钢： 20Cr、20CrMnTi 、18Cr2Ni4WA 合金调质钢： 40Cr、40MnB、38CrMoAl 合金弹簧钢： 60Si2Mn、50CrVA 滚动轴承钢滚动轴承钢是制造滚动轴承的内、外套圈和滚珠、滚柱的专用钢种；常用牌 号有 GCr9、GCr15 等,含碳在 0.95% - 1.1%,合金元素主要是铬； 含 0.90-1.25% Cr、1.4-1.65%Cr；2工具钢 1）碳素工具碳素工具钢含碳量为0.65-1.35% ,可制造低速切削的刀具和一般模具、量具；常用牌号有 T7、T8、T8Mn 、T9、T10A 、 T11、T12A 、T13 等；2）合金工具钢 其牌号表示方法是：一位数字（或很多字）+元素符号 +数字；如：