金属材料的基础知识

机械制造基础概念与主要内容机械制造基础：是一门研究有关制造金属零件工艺方法的综合性技术基础课。它主要研究：（1）各种工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互联系；（2）金属机件的加工工艺过程和结构工艺性；（3）常用金属材料性能对加工工艺的影响等。课程的性质、任务和要求性质：研究常用工程材料及其成形方法的综合性课程体现理论教学与实践环节密切结合的技术基础课程任务和要求：了解产品的制造过程掌握常用工程材料的种类与性能，能初步选用掌握材料成形的基本原理和工艺特点，能初步运用参考文献1．金属工艺学，邓文英，高等教育出版社（第五版），2007年2．机械制造工程实训，周继烈、姚建华，科技出版社，2005年3．工程材料，戴枝荣，高等教育出版社，1992年

学习方法为了应付考试？认真听课、笔记、作业为了工作需要？认真读懂教材和参考书为了扩大知识面？广泛涉及课外书籍、勤于思考第一篇金属材料的基本知识第一章金属材料的主要性能第一节

金属材料的力学性能金属材料的力学性能主要有：强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。力学性能指标是选择、使用金属材料的重要依据。一、强度与塑性强度：材料抵抗由外力载荷所引起的应变或断裂的能力。塑性：材料在外力作用下产生不可逆永久变形而不破坏的能力。试验方法：拉伸试验。低碳钢拉伸曲线铸铁拉伸曲线F——Δl：载荷伸长量拉伸曲线σ——ε：应力应变曲线第一节金属材料的力学性能屈服极限S强化阶段弹性极限P屈服阶段强度极限B颈缩阶段弹性阶段第一节金属材料的力学性能强度指标：1.屈服点应力（屈服强度）

σs=Fs/A0(MPa)

2．抗拉强度

σb=Fb/A0(Mpa)第一节金属材料的力学性能塑性指标：(1)伸长率：δ=（L1-L0）/L0×100%(2)断面收缩率：φ=（A0-A1）/A0×100%第一节金属材料的力学性能二、硬度固体材料抵抗塑性变形、压入或压痕的能力。直接影响到材料的耐磨性及切削加工性。硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹高度法等。金属材料的硬度可用专门仪器来测试，常用的有布氏硬度机、洛氏硬度机等。第一节金属材料的力学性能布氏硬度布氏硬度试验原理图

式中：F—试验力，N；

D—压头的直径,mm

HBS：用淬火钢球测出的硬度值。HBW：用硬质合金球测出的硬度值。第一节金属材料的力学性能布氏硬度的特点：HB值的测试数字比较稳定。不能试验太硬的材料，一般在HB450以上的就不能使用。压痕面积较大，不宜成品检验。通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度。

第一节金属材料的力学性能洛氏硬度洛氏硬度试验原理图

试验时，先加初试验力，然后加主试验力，压入试样表面之后，去除主试验力，根据试样残余压痕深度增量来衡量试样的硬度大小。刻度盘读数，HRA、HRB….，其中以HRC应用最广。第一节金属材料的力学性能洛氏硬度的特点：压痕很小，几乎不损伤工件表面；硬度重复性较差，需不同部位测量数次；在钢件热处理质量检查中应用最多。几种硬度与抗拉强度有一定的换算关系，查表。第一节金属材料的力学性能金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧度。常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧度(大能量、一次冲断）。试验表明，在冲击载荷不太大的情况下，金属材料承受多次重复冲击的能力，主要取决于强度。冲击值对组织缺陷很敏感，因此冲击试验是生产上用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质量的有效方法。三、冲击韧度（ak）

第一节金属材料的力学性能冲击韧度：ak=AK/A（J·cm-2）

Ak—折断试样所消耗的冲击功（J），

A—试样断口处的原始截面积（mm2）

第一节金属材料的力学性能四、疲劳强度工程上，一些机件受交变应力或循环应力作用，即使工作应力低于材料的屈服强度，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，这样的断裂现象称之为疲劳。零件的疲劳断裂过程可分为裂纹产生、裂纹扩展和瞬间断裂三个阶段。金属材料在无数次重复或交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力，叫做疲劳强度。第一节金属材料的力学性能材料承受一定的循环应力σ和断裂时相应的循环次数N之间的关系可以用曲线来描述，即σ－Ｎ之间的关系曲线，称疲劳曲线。当零件所受的应力按正弦曲线对称循环时，疲劳强度以符号σ-1表示，即当应力低于σ-1值，既使循环周次无穷多也不发生断裂。σ-N曲线

疲劳曲线第一节金属材料的力学性能第二节金属材料的物理、化学及工艺性能一、金属的物理性能1．

密度2．

熔点3．

导热性4．

导电性5．

热膨胀性6．

磁性二、金属的化学性能金属材料在室温或高温时抵抗各种化学作用的能力，主要是指抵抗活泼介质的化学侵蚀能力，

1.耐腐蚀性(如耐酸性、耐碱性等)2．抗氧化性

3．化学稳定性第二节金属材料的物理、化学及工艺性能三、金属的工艺性能工艺性能是物理、化学、力学性能的综合。按工艺方法的不同，可分为铸造性能、可锻性、焊接性和切削加工性等

1、铸造性能2、锻造性能3、焊接性能4、切削加工性能第二节金属材料的物理、化学及工艺性能第二章铁碳合金学习内容：

1.同素异晶转变

2.铁碳合金的基本组织

3.铁碳合金状态图

4.工业用钢第一节纯铁的晶体结构及其同素异晶转变纯铁同素异晶转变：随着温度的改变，固态金属晶格也随之改变的现象，称为同素异晶转变。γ-Fe转变为α-Fe时，金属的体积将膨胀。纯铁的冷却曲线及晶体结构变化

第一节纯铁的晶体结构及其同素异晶转变第二节铁碳合金的基本组织基本概念：合金、组元、相、组织将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质，称为合金。组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。相：合金中，凡成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。

在显微镜下能观察到的金属和合金的微观形貌、图象称为组织，合金又可分为不同的组织。铁碳合金的基本组织可分为固溶体、金属化合物和机械混合物三种类型。一、固溶体：溶质原子溶入溶剂晶格中，而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体。1、铁素体（F）Ferrous铁素体是碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体。由于α-Fe晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最大溶碳量只有0.0218%（727℃）所以是几乎不含碳的纯铁。具有良好的塑性和韧性，但强度和硬度却较低。它在770℃以下具有磁性。性能：σb

=180～230MPaHB=50～80δ=30～50%φ=70～80%

ak=156～196J·cm-2第二节铁碳合金的基本组织显微镜下观察，铁素体呈大小不一的多边形颗粒形状。第二节铁碳合金的基本组织2、奥氏体（A）Austenite奥氏体是碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体。γ-Fe的溶碳能力较高，最大为2.11%（1148℃）。由于γ-Fe一般存在于727～1394℃之间，所以奥氏体也只出现在高温区域内。性能：具有良好的塑性和低的变形抗力，δ=40～50%。是绝大多数钢种在高温进行压力加工所需的组织。第二节铁碳合金的基本组织显微镜观察，奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结构，但晶界较铁素体平直。这是奥氏体不锈钢在显微镜下观察到的单相奥氏体孪晶组织。二、金属化合物

合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质。金属化合物性能：熔点高，硬度高，脆性大。合金中含有金属化合物后，其强度、硬度和耐磨性有所提高，而塑性和韧性则降低。金属化合物是许多合金的重要组成相。铁碳合金中的渗碳体属金属化合物。第二节铁碳合金的基本组织渗碳体Fe3C渗碳体是铁与碳形成的稳定化合物。含碳量为6.69%。性能：HBW=800，硬度很高，脆性极大，是钢中的强化相。显微镜下观察，渗碳体(Fe3C)呈银白色光泽。渗碳体在一定条件下可以分解出石墨。

第二节铁碳合金的基本组织三、机械混合物它是两种或两种以上的相按一定质量百分数组成的物质。混合物各相保持其原有晶格。混合物的性能：取决于各组成相的性能，以及它们分布的形态、数量及大小。铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。第二节铁碳合金的基本组织1.珠光体（P）Perlite珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。珠光体的平均含碳量为0.77%，在727℃以下温度范围内存在。性能：σb=750MPaHB=160～180较高

δ=20～25%φ=30～40%适中第二节铁碳合金的基本组织显微镜观察，珠光体呈层片状特征，表面具有珍珠光泽，因得名。这是T8钢的退火组织（白色为铁素体、黑色为渗碳体）。第二节铁碳合金的基本组织2.莱氏体Ld

Ledeburite高温莱氏体由奥氏体和渗碳体组成的两相机械混合物，用符号Ld表示。奥氏体在727℃时将转变为珠光体，所以在室温下由珠光体和渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体，用符号Ld/表示。高温莱氏体仅存于727℃以上。莱氏体硬度很高，脆性大，塑性很差。第二节铁碳合金的基本组织这是共晶白口铸铁的铸造组织，珠光体呈椭圆状分布在渗碳体的基体上。因其含渗碳体较多，故性能与渗碳体相近。第二节铁碳合金的基本组织第三节铁碳合金状态图【基本要求】：

1.熟练掌握铁碳合金相图中的点、线、区域的含义。

2.熟练掌握钢在结晶过程中的组织转变；能利用状态图对典型合金的结晶过程进行分析。

3.掌握碳钢的牌号及用途。什么是铁碳合金相图？

铁碳合金状态图是研究在平衡条件下，铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系及变化规律，这里的平衡是指极其缓慢的冷却。它以温度为纵坐标、合金成分（Fe3C或含碳量）为横坐标的图形。它是说明合金成分、温度和组织三者关系的图形。第三节铁碳合金状态图简化图：1538Q

Fe-Fe3C状态图wC/%→温度/℃→LAL+AL+Fe3CІF+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3CІLd+Fe3CІLd’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFe第三节铁碳合金状态图一、铁碳合金状态图的建立合金状态图是通过一系列实验测出不同成分的铁碳合金在缓慢冷却过程中的冷却曲线和组织转变，然后在成分与温度坐标图中标出临界点温度（结晶开始和结晶结束的温度），并把物理意义相同的点连成曲线，这样构成的完整图形便是铁碳合金状态图。第三节铁碳合金状态图1.组元和相（1）组元：铁－石墨相图：Fe，C;

铁－渗碳体相图：

Fe，Fe3C。（2）相：

L，A(γ)，F(α)，Fe3C。1538Q

Fe-Fe3C状态图wC/%→温度/℃→LAL+AL+Fe3CІF+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3CІLd+Fe3CІLd’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFe二、铁碳合金状态图的分析第三节铁碳合金状态图2．特性点：1538Q

Fe-Fe3C状态图wC/%→温度/℃→LAL+AL+Fe3CІF+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3CІLd+Fe3CІLd’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFe第三节铁碳合金状态图3．特性线：①ACD线—液相线②AECF线—固相线③ECF线—共晶反应线④GS线（A3)—铁素体从A中析出开始线⑤

ES线—碳在奥氏体中的溶解度曲线⑥

PSK线—共析反应线⑦PQ线—C在F中的溶解度曲线，冷却至此线有Fe3CⅢ析出1538Q

Fe-Fe3C状态图wC/%→温度/℃→LAL+AL+Fe3CІF+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3CІLd+Fe3CІLd’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFe第三节铁碳合金状态图四个单相区(1)ACD线以上的液相区（L）(2)AESGA线围着的单一奥氏体相区（A，γ）(3)GPQG线围着的单一铁素体相区（F，α）(4)DFK垂线代表的单一渗碳体相区（Fe3C）4.区域第三节铁碳合金状态图

五个双相区:

（1）

ACEA线围着的液相与奥氏体相区（L+A）

（2）CDFC线围着的液相与渗碳体相区（L+Fe3C）（3）GSPG线围着的奥氏体与铁素体相区（A+F）

（4）EFKSE线围着的奥氏体与渗碳体相区（A+Fe3C）

（5）QPSK以下为铁素体与渗碳体相区（F+Fe3C）第三节铁碳合金状态图5.铁碳合金的分类工业纯铁：C%<0.0218共析钢：C%=0.77亚共析钢：0.0218<C%<0.77过共析钢：0.77<C%<=2.11共晶铸铁：C%=4.3亚共晶铸铁：2.11<C%<4.3过共晶铸铁：4.3<C%<6.69第三节铁碳合金状态图第四节工业用钢简介教学目的：

1、了解杂质元素对钢性能的影响。

2、了解钢的分类方法、编号及用途。一、钢的分类按化学成分分类：碳素钢（以铁、碳为主要合金元素）

合金钢（除铁碳外还人为加入其它元素）按用途分类：结构钢、工具钢、特殊钢按质量分类：普通钢（P≤0.045%，S≤0.050%）优质钢（P、S≤0.035%）高级优质钢（P≤0.035%，S≤0.030%）

按含碳量分类：低碳钢、中碳钢、高碳钢第四节工业用钢简介第四节工业用钢简介二、杂质对钢性能的影响

钢中基本元素为：Fe、C；杂质元素主要有：Si、Mn、S、P。1、Si（1）清除钢中的FeO，脱氧能力比Mn强，消除FeO对钢的不良影响（2）硅溶入铁素体中，使铁素体强化，从而提高钢的强度和硬度，但降低塑性和韧性。（3）总起来说，硅是一种有益的元素。作为杂质其含量应小于0.4%。第四节工业用钢简介2、Mn（1）可清除钢中的FeO，改善钢的品质。（2）减轻硫的有害作用，降低钢的脆性，改善钢的热加工性能。（3）在室温下，锰能大部分溶入铁素体中，使铁素体强化，提高钢的强度和硬度。（4）锰在碳钢中的质量分数一般为0.25%～0.80%，最高可达1.2%。总起来说，锰是一种有益的元素。第四节工业用钢简介3、S、PS是在炼钢时由矿石和燃料带入钢中的→热脆，是有害元素。P是由矿石带入钢中的→冷脆，是有害元素。因此，衡量钢质量的主要指标为钢中的S、P含量。S一般控制在0.065%以下，P一般控制在0.045%以下。第四节工业用钢简介S：与铁生成FeS，FeS与Fe能形成低熔点（985℃）的共晶体，且分布在晶界上。当钢材在1000℃～1200℃进行热压力加工时，由于共晶体熔化，从而导致热加工时开裂。这种金属在高温时出现脆裂的现象，称为“热脆”。P：能全部溶于铁素体中，提高铁素体的强度和硬度。但在室温下却使钢的塑性和韧性急剧下降（Fe3P而使钢的脆性增加），产生低温脆性，这种现象称为冷脆。第四节工业用钢简介磷的有害作用在一定条件下可以转化，例如钢中加入适量的磷还可以提高钢材的耐大气腐蚀性能。在炮弹用钢中加入较多磷，可增大钢的脆性，使炮弹在爆炸时碎片增多，从而增加了杀伤力。第四节工业用钢简介三、零件选材的一般原则满足工作性能要求满足工艺性能要求满足经济性要求第四节工业用钢简介第三章钢的热处理概念：钢在固态下，通过加热、保温并以一定的速度冷却到室温

，以改变钢的内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。一、钢热处理的概念与目的热处理的目的：通过改变组织达到改变性能的目的。

热处理的过程：任何一种热处理都要经过加热，保温，冷却三个过程，因此，最高加热温度，保温时间，冷却速度就成为热处理工艺的三大要素。第一节概述二、常用的热处理工艺方法第一节概述三、过热度与过冷度对于加热：非平衡条件下的相变温度高于平衡条件下的相变温度；对于冷却：非平衡条件下的相变温度低于平衡条件下的相变温度。这个温差叫滞后度：加热转变→过热度冷却转变→过冷度，加热与冷却速度越大，导致过热度与过冷度越大。此外，过热度与过冷度的增大会导致相变驱动力的增大，从而使相变容易发生。

第一节概述第二节退火与正火退火（annealing）和正火（normalizing）是生产上应用很广泛的预备热处理工艺，大部分钢制构件经退火和正火后，其力学性能和工艺性能都得到改善和调整。一、退火：概念：将钢加热到适当温度，保温一定时间，随后缓慢冷却（随炉冷却）以获得接近平衡状态组织的热处理工艺，称为退火。目的：调整和改善钢材的力学性能和工艺性能（降低硬度，改善切削加工性；细化晶粒，提高塑性和韧性；消除内应力、为最终热处理做好组织准备），减少钢材化学成分和组织的不均匀性（扩散退火）。（1）完全退火将钢加热到Ac3以上30～50℃，保温一定时间后，随炉缓慢冷却到500℃以下，再出炉在空气中冷却到室温，最后得到平衡组织铁素体和片状珠光体。3加热保温2～3≤500℃后空冷时间/h温度/℃Ac+(30～50)停炉冷却完全退火工艺曲线15℃/h（>16h）常用的退火工艺有完全退火、球化退火、扩散退火、去应力退火等。第二节退火与正火主要用于亚共析碳钢和合金钢的铸、锻、焊、轧制件，目的是细化晶粒，消除应力，降低硬度，改善切削加工性能。第二节退火与正火（2）球化退火把过共析钢加热到Ac1以上20～30℃并保温后，以适当的方式冷却，使钢中的网状碳化物球化，这种热处理工艺称为球化退火。(从A中经共析反应析出的渗碳体以未溶渗碳体为晶核，呈球状析出）主要用于过共析钢及合金工具钢的退火。由于过共析钢中存在网状二次渗碳体，在切削加工时，对刀具磨损很大，使切削加工性能变坏，而球状珠光体硬度低，节省刀具。第二节退火与正火（3）去应力退火（低温退火）去应力退火又称低温退火，其工艺是将工件缓慢加热至500～650℃（＜A1），保温一定时间后，随炉缓慢冷却至200℃，再出炉空冷。

温度℃时间t500～650℃（＜A1）

200℃出炉空冷

其目的是消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件以及机加工件的残余应力，防止产生变形。第二节退火与正火（4）扩散退火（又称为均匀退火）加热到Ac3以上150-200℃（1050-1150℃），时间保温（10-15h)，随炉缓冷。适用于合金钢大型铸、锻件，消除其化学成分的偏析和组织的不均匀性。容易使钢的晶粒粗大，影响力学性能，因此一般仍需进行完全退火和正火。第二节退火与正火二、正火将钢加热到Ac3或Acm以上30～50℃，保温后在空气中冷却得到珠光体基体组织的热处理工艺，称正火。特点：a)冷却速度比退火快，周期短、能耗少。b)组织细小（索氏体），因而钢的力学性能有所提高。第二节退火与正火1）正火的主要目的:①细化晶粒，提高强度，提高低碳钢和低合金钢硬度，改善切削加工性（避免“粘刀”现象）。②对过共析钢进行正火，可减少或消除网状碳化物（二次渗碳体），为球化退火做准备；③取代部分完全退火（正火操作简便，生产周期短，消耗少），对低碳钢、含碳较低的中碳钢可达到消除应力。④可作为淬火前的预备热处理，也可用于普通零件的最终热处理。第二节退火与正火2）退火与正火的比较各种退火和正火的加热温度范围不同（见图)，正火比退火加热温度高。正火比退火冷却速度快。正火得到的索氏体组织比退火得到的珠光体细，所以对于同一种材料正火比退火具有较高的力学性能。正火比退火的生产周期短、生产率高、操作简单、经济性好。退火强调软化，正火强调高效率。第二节退火与正火第三节淬火与回火钢的淬火（quenching）与回火（tempering）是热处理工艺中最重要、用途最广泛的工序。通过淬火可以显著提高钢的强度和硬度；通过回火可以消除淬火钢的残余内应力、稳定钢的组织；淬火和回火工艺是密不可分的。一、淬火淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上30~50℃，保温后在淬火介质中快速冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。目的：

为了提高钢的硬度和耐磨性。第三节淬火与回火二、回火淬火钢一般不直接使用。钢的淬火组织是淬火马氏体和残余奥氏体，都是不稳定组织，而淬火马氏体又极脆，并存在很大的内应力，若不及时回火，会使工件发生变形甚至开裂。概念：回火是将淬火钢重新加热到Ac1点以下某一温度，保温后再冷却至室温的热处理工艺。第三节淬火与回火回火的目的：（1）消除或降低内应力，降低脆性，防止变形和开裂。（2）稳定组织，稳定尺寸和形状，保证零件使用精度和性能。（3）通过不同的回火工艺，来调整零件的强度、硬度，获得所需要的韧性和塑性。第三节淬火与回火回火工艺及应用：根据回火温度的不同，回火方法主要有三种：1）低温回火（150～250℃）：组织为回火马氏体，其目的是降低淬火应力和脆性，保持高硬度（HRC55～64）和高耐磨性。常用于处理各种工模具以及渗碳淬火或表面淬火的工件。2）中温回火（350～500℃）：组织为回火托氏体，硬度HRC35～45。中温回火的目的是具有较高的弹性极限和屈服极限，并有一定的韧性和抗疲劳性，多用于各种弹簧和锻模等。第三节淬火与回火3）高温回火（500～650℃）：组织为回火索氏体，硬度HRC25～35。特点是在保持较高强度的同时，具有较好的塑性和韧性。4）调质处理：淬火＋高温回火的热处理又称为调质处理，广泛用于处理各类重要零件，例如轴、齿轮、连杆、螺栓等。第三节淬火与回火在生产中，许多机械零件如轴、齿轮、凸轮等，要求表面有较高的耐磨性，而心部则要求有足够的塑性和韧性。表面淬火就是通过快速将零件表面加热使钢表层奥氏体化，而心部未被加热，然后淬火冷却，使表层获得马氏体组织，而心部组织并未发生变化，达到“外硬内韧”状态。生产中应用最多的是感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。

第四节钢的表面淬火一、感应加热表面淬火感应加热淬火的淬硬层深度与电流频率有关——电流频率越高，淬火后工件淬硬层越薄。感应加热分为三种：①高频感应加热常用频率200～300kHz，脆硬层深度0.5～2.5mm，适用于中小尺寸轴类零件及中小模数的齿轮等。②中频感应加热常用频率2500～8000Hz，脆硬层深度3～8mm，适用于较大尺寸的轴和大中模数的齿轮等。③工频感应加热电流频率50Hz，脆硬层深度10～20mm，适用于大直径轧辊、火车车轮等的表面淬火。第四节钢的表面淬火二、火焰加热表面淬火用乙炔－氧火焰对工件表面进行快速加热，当达到淬火温度时立即喷水冷却，其淬硬层深度一般为2～6mm。操作简单、不需要特殊设备、成本低、灵活性大，可适合各种生产场合。缺点：