材料成形技术基础(第一篇)

材料成形技术基础热加工绪论材料成形技术基础是一门技术基础课。主要讲述各种加工方法本身的规律性及其在工业生产中的应用和相互联系；金属零件的加工工艺过程和结构工艺性；常用金属材料性能对加工工艺的影响；工艺方法的综合比较等。第一篇金属材料导论金属材料是机械工程中的主导材料，之所以被广泛应用是因为其具有机械制造需要的各种性能，以及简便的加工工艺方法和工艺性能。通常，在工程中不直接使用纯金属，而经常使用合金，是因为合金具有良好的力学性能。合金是以金属元素为基础元素，加入其它的金属或非金属元素，经熔炼而成的具有金属性质的物质。制造机械零件的的合金应具有优良的力学性能和工艺性能、较好的化学稳定性和所需的物理性能。所以，我们必须熟练的掌握它们。第一章金属材料的主要性能§1金属材料的力学性能一、强度与塑性拉伸图：金属材料在拉伸过程中测出的外力和伸长量之间的关系曲线。通过拉伸实验可以测出材料的强度、塑性以及屈服点等指标。§1金属材料的力学性能拉伸试样§1金属材料的力学性能拉伸曲线万能拉伸试验机1.强度：材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。（1）屈服强度：材料在外力的作用下，产生屈服时的应力值。它代表了材料抵抗微量塑性变形的能力,记为“σs”,或σ0.2。§1金属材料的力学性能Fs:试样发生屈服时的载荷（N）；A0：试样原始截面积(mm);§1金属材料的力学性能（2）抗拉强度金属材料在拉断前所能承受的最大外力，记为“σb”。Fb:材料拉断前所能承受的最大外力(N)；A0:原始截面积（mm）;σb、

σs（或σ0.2）是工程计算的依据。§1金属材料的力学性能2.塑性材料在外力作用下，产生永久变形，而不破坏的性质。通常，以δ、ψ表示。δ延伸率：材料拉伸断裂后的残余伸长率的百分比。断面收缩率：材料拉断后颈缩收缩率的百分比。δ5δ10§1金属材料的力学性能二、硬度金属材料抵抗更硬物质压入其内的能力。常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度等。§1金属材料的力学性能一、布氏硬度用一定直径的淬火钢球，在一定的载荷作用下压入工件表面，测得压痕面积，用此面积的大小来代表材料硬度。布氏硬度机§1金属材料的力学性能2.洛氏硬度压头为120角圆锥，和φ1.588mm淬火钢球，外载荷为三种，588.4N;980.7N;1471N;记为“HR”.洛氏硬度机三、韧性金属材料在冲断过程中吸收塑性变形功和断裂功的能力，即材料抵抗冲击载荷破坏的能力。称为“冲击韧度”。§1金属材料的力学性能ak—冲击韧度（冲击值）Ak—冲断试样所消耗的冲击功A—试样缺口处的截面积，cm2§1金属材料的力学性能冲击试验原理图§1金属材料的力学性能试样参见GB/T229—94§1金属材料的力学性能试样参见GB/T229—94§1金属材料的力学性能对于脆性材料的试验一般不开缺口。冲击值和许多因素有关，因此在工程上只能做参考指标，而不能做计算依据。通常，材料在使用中很少有一次性破坏，通常为，小能量多次冲击破坏，经大量试验表明，材料抗小能量多次冲击的能力取决于材料的强度。冲击值对组织很敏感，它能明显的反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织等方面的变化，因此，冲击试验用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质量是有效地方法。冲击试验机§1金属材料的力学性能四、疲劳强度金属材料抵抗循环载荷破坏的能力。§1金属材料的力学性能产生疲劳断裂的原因，一般认为，材料中含有杂质、表面划痕及其能引起应力集中的缺陷，导致产生微裂纹。这种裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，致使零件有效截面逐渐减小，直至不能承受所加载荷而突然断裂。疲劳强度用σ-1表示。黑色金属循环107次不破坏的应力值为σ-1。有色金属循环108次不破坏的应力值为σ-1。§2金属材料的物理、化学及工艺性能一.物理性能密度、熔点、热膨胀性、导电性和磁性等。二.化学性能金属材料在常温或高温下，抵抗各种介质侵蚀的能力。如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。三.工艺性能铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性等。第二章铁碳合金§1纯铁的晶体结构及其同素异构转变一、金属的结晶金属是晶体结晶：金属内部原子由无序向有序排列转变的过程。冷却曲线、理论结晶温度、实际结晶温度、过冷度。§1纯铁的晶体结构及其同素异构转变生核（自发生核、非自发生核）核长大（一次晶轴、二次晶轴、树枝晶）晶粒、晶界§1纯铁的晶体结构及其同素异构转变金属晶粒的粗细对金属性能有很大影响一般来说，成分相同的金属，晶粒越细，则强度、硬度越高，且塑性、韧性越好。这叫“细晶强化”。细化铸态金属晶粒的途径有：（1）加快冷却速度，以增加晶核数目。（2）变质处理，增加外生核数目。另外，通过热处理或压力加工也可以细化晶粒。§1纯铁的晶体结构及其同素异构转变二、纯铁的晶体结构晶格；晶胞；晶格常数；晶面、晶向；§1纯铁的晶体结构及其同素异构转变纯铁的晶格有体心立方和面心立方。（a）体心立方晶格；(b)面心立方晶格；§1纯铁的晶体结构及其同素异构转变三、纯铁的同素异构转变同素异晶性；同素异晶转变；§2铁碳合金的基本组织合金：以一种金属元素为基础，加入金属或非金属元素，经熔炼而成的具有金属性质的物质。组成合金的基本单元称为“组元”。相：在合金中，凡化学成分和结晶构造相同，与其它部分有界面分开的均匀组成部分，称为“相”。组织；在显微镜下可以观察到的，结晶规律相同的部分，称为“组织”。铁碳合金的基本组织有：固溶体、化合物、机械混合物三种类型。§2铁碳合金的基本组织一、固溶体溶质原子溶入溶剂晶格，仍保持溶剂晶格类型的金属晶体，称为“固溶体”。根据溶质原子的位置固溶体有：间隙固溶体、置换固溶体。根据溶解度又可分为：有限固溶体、无限固溶体。§2铁碳合金的基本组织铁碳合金中的固溶体有1.铁素体(ferrite)代表符号“F”.碳溶解于α－Fe中形成的固溶体。体心立方晶格；最高存在温度912℃最大碳含量727℃时，0.0218％c；600℃时，0.006％；室温0.0008％c；力学性能：HBS80；δ45～50％;σb=250MPa显微形貌：边界较圆润的明亮的多边形晶粒。§2铁碳合金的基本组织铁素体显微形貌§2铁碳合金的基本组织2.奥氏体（Austenite）代表符号“A”碳溶解于γ－Fe中形成的固溶体。面心立方晶格；最低存在温度727℃；最大含碳量1148℃时，2.11％c；727℃时含碳量0.77％；力学性能：强度、硬度较低，塑性较好，易于变形。（δ≈45～50%）显微形貌：边界较平直且明亮的多边形，晶粒中经常出现退火孪晶。§2铁碳合金的基本组织奥氏体显微形貌§2铁碳合金的基本组织二、金属化合物金属化合物是：组成合金各组员按一定的整数比经化合而成的，具有金属性质的新物质。复杂晶格，一般具有硬而脆的性质。钢中的金属化合物为“渗碳体”。§2铁碳合金的基本组织渗碳体（Cementite）代表符号Cm或Fe3CFe和C经化合而成的金属化合物。复杂斜方晶格；最高存在温度：1127℃；力学性能：硬而脆，HB≈800；δ、αk≈0显微形貌：平衡渗碳体分为五种形貌，Fe3CI、Fe3CII、Fe3CIII、Fe3C共晶、Fe3C共析；非平衡渗碳体有片状、球状等。§2铁碳合金的基本组织显微组织形貌Fe3CI板状，由液体中直接结晶。Fe3CII网状，由奥氏体中析出。Fe3CIII微量，由铁素体中析出。Fe3C共析片状，共析反应生成。Fe3C共晶蜂窝状，共晶反应生成。§2铁碳合金的基本组织一次渗碳体显微组织图§2铁碳合金的基本组织二次渗碳体显微组织图§2铁碳合金的基本组织三次渗碳体显微组织图§2铁碳合金的基本组织共析渗碳体显微组织图§2铁碳合金的基本组织共晶渗碳体显微组织图三、机械混合物组成合金的各组元，既不互溶，又不行成化合物，而是按一定的重量比机械的混合在一起，形成的混合组织。机械混合物的各相保持各自的结晶学结构，力学性能介于各组成物之间，同时还取决于各组成物的性能、比例、形状、大小和分布状况等情况。§2铁碳合金的基本组织§2铁碳合金的基本组织铁碳合金中机械混合物主要有：1.珠光体（Pearlite）代表符号“P”F和Fe3C组成的机械混合物。平均碳含量：0.77％c最高存在温度727℃。力学性能：σb≈750MPa；硬度:180HBS；δ＝20～25％、αk＝30～40J/cm2。显微组织形貌：片层状。§2铁碳合金的基本组织2.莱氏体(Ledeburite)代表符号“Ld”分为高温莱氏体、室温莱氏体。1）高温莱氏体（Ld）A和Fe3C共晶组成的机械混合物。最高存在温度1148℃，最低存在温度727℃2）室温莱氏体（Lˊd)P和Fe3C共晶组成的机械混合物。最高存在温度727℃。平均含碳量4.3％，力学性能：极为硬脆。HB≈700。δ、ψ≈0§3铁碳合金状态图合金状态图：表示材料在结晶过程中，成分、温度及结晶组织之间关系的简明图解。铁碳合金是以铁为基础元素加入碳经熔炼而成的具有金属性质的工程材料。实际的铁碳合金是铁和Fe3C组成的合金。最大含碳量小于6.69％c，再高含碳量的铁碳合金再工业生产中以无使用意义。§3铁碳合金状态图§3铁碳合金状态图一、铁碳合金状态图的建立（1）配置不同成分的铁碳合金§3铁碳合金状态图（2）做冷却曲线，找出临界点，并将各临界点画入成分温度坐标中。（3）将其连线，如下图。§3铁碳合金状态图二、铁碳合金状态图的分析铁碳图中的特性点的分析§3铁碳合金状态图各特性线的含义（1）ACD线，液相线。（2）AECF线，固相线。（3）GS线，冷却过程中，F析出线。A3线。（4）ES线，冷却过程中，Fe3C析出线。Acm线。（3）、（4）线又是A成分转变线。（5）PQ线，碳在铁素体中的溶解度曲线，也是Fe3CIII的析出线。（6）ECF线，共晶线。（7）PSK线，共析线。§3铁碳合金状态图铁碳合金在冷却过程中的两个重要反应。共晶反应：共析反应：根据铁碳合金成分分类：（1）0.0218％c以下为工业纯铁；（2）0.0218~2.11%c为钢；（3）大于2.11～6.69％c为铸造生铁；根据组织组成物分类：（1）F+少量的Fe3CIII为工业纯铁。（2）有P,但没有莱氏体为碳素钢。（3）组织中有莱氏体，为铸造生铁。§3铁碳合金状态图§3铁碳合金状态图钢根据含碳量分类：0.77％c,共析钢；0.0218～0.77％c亚共析钢；0.77～2.11％c过共析钢；根据组织组成物分类：F+P，亚共析钢；P100%,共析钢；P+Fe3CII过共析钢；§3铁碳合金状态图铸造生铁按成分分类：（1）2.11～＜4.3％c亚共晶铸铁；（2）4.3％c共晶铸铁；（3）＞4.3～6.69％c过共晶铸铁；按组织分类：（1）P+Lˊd+Fe3CII亚共晶铸铁；（2）Lˊd共晶铸铁；（3）Lˊd+Fe3CI过共晶铸铁；§3铁碳合金状态图铁碳合金的典型合金I共析钢II亚共析钢III过共析钢§3铁碳合金状态图三、钢在结晶过程中的组织转变1.I共析钢结晶过程图§3铁碳合金状态图共析钢显微组织图§3铁碳合金状态图2.II亚共析钢结晶过程图§3铁碳合金状态图亚共析钢显微组织图3.III过共析钢结晶过程图§3铁碳合金状态图§3铁碳合金状态图过共析钢显微组织图§3铁碳合金状态图亚共晶铸铁§3铁碳合金状态图共晶铸铁§3铁碳合金状态图过共晶铸铁§4工业用钢简介钢是含碳小于2.11％的铁碳合金。是机械工业中应用最广的材料之一，是现代工业的主导材料。一、钢的分类：1.按化学成分分类2.按用途分类3.按质量分类4.按脱氧程度分类归纳如下：§4工业用钢简介钢类别树状图§4工业用钢简介二、碳素钢碳素钢是各种钢的基体材料，将其加入合金元素即构成各种合金钢。右图为碳对碳素钢的性能的影响。§4工业用钢简介碳素钢分为三类：普通碳素结构钢，牌号Q×××－A●FQ×××,16mm试样最低屈服强度。质量等级：A、B、C、D四级。脱氧程度F、BZ、Z、TZ。如：Q235-A●FQ235—屈服强度235MPa；A—A级质量；F—沸腾钢；普通碳素结构钢。§4工业用钢简介(2)优质碳素结构钢S≤0.045％、P≤0.04％；牌号：两位数字；含义：该数字的万分之一的百分数为该材料的碳含量。如：45，含碳量0.45％c。高级优质碳素结构钢，在该牌号后面“A”。表示该材料S、P含量≤0.03％。§4工业用钢简介（3）碳素工具钢工具钢通常都采用优质钢或高级优质钢，因此气硫、磷含量均低。碳素工具钢牌号“T”打头，后面跟着脚号，其脚号的千分之一的百分数表示改材料的碳含量。如：T7、T8、T12等。分别代表气含碳量为0.7％c、0.77％c、1.2％c。高级优质碳素工具钢的牌号，在优质工具钢的后面“A”。如T8A；T10A；等。代表其S、P分别≤0.03％。§4工业用钢简介三、合金钢以铁碳合金为基础加入其它的合金元素，经熔炼而成的具有某些特殊性能的钢。注意一般钢中都含有碳、硅、锰、硫、磷。五大元素，其中SP是杂质元素，硅大于0.5％，锰大于1％可作为合金元素，小于此数值也做杂质元素处理。合金钢根据用途也分为：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢三大类。根据质量也分为：普通级、优质级和高