金属工艺学课件：金属材料导论 -

金属工艺学

绪论1、课程性质：研究机械制造系统和机械制造方法的综合性技术基础课，实践性、应用性、综合性都很强。2、课程目的：机械设备维修3、机械制造过程设计图纸工艺文件原材料（生铁、钢锭、各种型材等）铸造锻造冲压焊接下料铸件锻件冲压件焊接件型材坯料热处理、表面处理切削加工零件装配机械产品绪论4、课程任务：（1）了解工程材料的一般性质及应用范围。（2）了解材料成型基本方法的基本原理、工艺特点和应用范围。（3）了解零件结构工艺性的基本知识。（4）了解机械制造系统的基本知识。（5）了解机械制造学科的前沿及发展趋势。金属材料导论1.1金属材料的力学性能1.2金属的结晶构造和结晶过程1.3铁碳合金1.4钢的热处理1.5金属的分类、牌号及应用重点1.1金属材料的力学性能性能的分类：1、使用性能：良好的机械性能；较好的化学稳定性；一定的物理性能2、工艺性能：可铸性；可锻性；可焊性；可切削性；热处理性工程材料的力学性能·力学性能定义：材料在外力（载荷）作用下所表现出的抵抗变形和破坏的能力。·力学性能分类：强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。1.1.1工程材料的性质一、强度（strength）1、定义：工程材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。2、分类：抗弯强度抗压强度抗拉强度强度√3、抗拉强度通过拉伸试验测定：

1）标准拉伸试样：

a圆形l0/do=10;l0/do=5b板形图1-1拉伸试样

2）应力应变的概念应力σ：材料单位面积上承受的负荷σ=F/S

应变ε：材料单位长度上的伸长量ε=(l-l0)/l04、低碳钢的应力应变曲线：在拉力作用下，先引起弹性变形，接着产生塑性变形，最后则被拉断。特殊点:E、S、B、K（1）弹性极限σe（2）屈服强度σs

（3）抗拉强度σb（4）断裂强度σk弹性变形阶段屈服阶段均匀塑性变形阶段缩颈阶段金属材料中只有低碳钢和中碳钢等少数金属有屈服现象，大多数金属没用明显的屈服点，因此对这些材料，规定已产生0.2%残余伸长的应力称为条件屈服强度σ0.2二、塑性(plasticity)1、定义：金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破坏的性能。2、伸长率l0试棒的原始长度

l试棒被拉断后的长度3、断面收缩率A0试棒的原始截面积

A试棒被拉断后的断口截面积

δ或ψ值愈大，材料的塑性愈好。两者比较，用ψ表示塑性更接近材料的真实应变。

注意：长试样（）的伸长率写成δ或δ10；短试样（）的伸长率须写成δ5。同一种材料δ5>δ，所以，对不同材料，δ值和δ5值不能直接比较。一般把δ>5%的材料称为塑性材料，δ<5%的材料称为脆性材料。铸铁是典型的脆性材料，而低碳钢是黑色金属中塑性最好的材料。三、硬度(hardness)1、定义：金属材料抵抗更硬物体压入的能力。2、布氏硬度特点:适用于测量退火钢、正火钢及常见的铸铁和有色金属等较软材料。有效值小于450HB。压痕面积较大。测试结果的重复性较好，但操作较繁琐。淬火钢球或硬质合金球图1-3布氏硬度测试原理

3、洛氏硬度由压痕深度计算硬度，直接从刻度盘上读值。因压头和载荷的不同，分别有HRA、HRB、HRC三种。特点:测试方便，操作简捷；压痕较小；测试范围宽。但重复性差。多点测试，取平均值洛氏硬度压头总载荷/N（kgf）测量范围适用材料HRA120°金刚石圆锥体588.4（60）60～85硬质合金材料、表面淬火钢等HRBΦ1.588淬火钢球980.7（100）25～100软钢、退火钢、铜合金等HRC120°金刚石圆锥体1471.1（150）20～67淬火钢、调质钢等四、冲击韧度(impacttoughness)1、定义：材料抵抗冲击的性能。2、测定：摆锤冲击试验。现在常用摆锤进行一次冲击试验来测定金属材料的韧性。标准试样断口处单位横截面所消耗的冲击能量，即代表材料的冲击韧性的指标，用ak表示。(a)试样安装

(b)冲击试验机

图1-4冲击韧度试验原理五、疲劳强度(fatiguestrength)

零件在交变应力作用下，当交变应力值远低于材料的屈服强度时，经长时间运行后也会发生破坏，这种破坏称为疲劳破坏。1、定义：材料能够承受无数次应力循环的最大应力称为疲劳强度。2、疲劳试验N的规定：钢铁材料107

有色金属1083、疲劳曲线：被测材料承受交变应力与材料断裂前的应力循环次数的关系曲线。疲劳强度σr,r表示交变应力循环系数,对称应力循环时的用σ-1表示。4、疲劳破坏的原因：材料的缺陷应力集中

5、防止或减少的方法：合理设计结构防止应力集中，减小表面粗糙度，采取表面硬化处理图1-5钢铁材料的疲劳曲线

实验设备疲劳强度σr冲击韧度

ak硬度HBHR塑性δψ强度σbσsσ0.2工程材料的力学性能第1次课重点内容1.2金属的结晶构造和结晶过程一、金属的结晶（crystallizationofmetal）

1、金属结晶温度概念A、过冷B、过冷度冷却速度愈快，过冷度愈大。图1-6纯金属的冷却曲线(a)极其缓慢冷却时；(b)实际冷却速度时

2、金属结晶的规律：

冷却速度愈快，过冷度愈大，晶核的数量愈多，晶粒愈细小，金属的机械强度愈高。3、晶体结构1）晶格2）晶胞3）晶胞类型：属于这种类型的金属有Cr、Mo、W、V(钒)、α-Fe它们大多具有较高的强度和韧性每个晶胞的原子数a.体心立方晶胞3）晶胞类型：

b.面心立方晶胞属于这种类型的金属有Al、

Cu、Ni、γ-Fe它们大多具有较高的塑性每个晶胞的原子数3）晶胞类型：

c.密排六方晶胞属于这种类型的金属有Mg、Zn、Ti，另外，石墨它们大多具有较大的脆性，塑性较差每个晶胞的原子数4）同素异构性及同素异构转变：固态金属在不同温度区间具有不同晶格类型的性质，称为同素异构性。

材料在固态下改变晶胞类型的过程称为同素异构转变。注：教材中称为同素异晶-4、合金的基本显微组织结构（microstructure）合金的ME机械混合物金属化合物固溶体单存固态合金共存合金1）固溶体置换固溶体间隙固溶体根据溶质原子所占据的位置固溶强化：无论哪种固溶体，由于溶质原子的渗入，固溶体的晶格都存在畸变现象，从而改变了合金性能，表现为强度指标升高。因而可利用此现象获取高强度合金材料，称为固溶强化。碳与α-Fe形成的固溶体为铁素体（F）（间隙固熔体）置换固溶体间隙固溶体2）金属化合物新晶格类型熔点高，又硬又脆Fe3C3）机械混合物

P（F+Fe3C）二、铁碳合金状态图1、铁碳合金中的基本组织结构：由于化学成分不同，固态下的铁碳合金可以是固溶体、化合物或机械混合物。名称定义符号含碳量加工方法铁素体(ferrite)碳溶于α-Fe形成的固溶体（间隙）F727ºC时溶碳能力最大，达到0.0218％冲压等奥氏体(austenite)碳溶解在γ-Fe中形成的固溶体（间隙）A1148ºC时其溶碳能力最大，达到2.11％锻造渗碳体(cementite)铁和碳形成的金属化合物Fe3CFe3C6.69％珠光体(pearlite)铁素体和渗碳体两相组织的机械混合物P0.77％莱氏体(ledeburite)奥氏体(或珠光体)和渗碳体组成的机械混合物Ld4.3%在单纯铁碳合金中奥氏体存在于727ºC以上2、铁碳合金状态图分析

LC

Ld

(AE+Fe3C)

1148°C

恒温

3、铁碳合金的分类钢白口铸铁工业纯铁

共析亚共析过共析共晶亚共晶过共晶0.0218%

4、钢的结晶过程共晶白口铸铁结晶过程示意图

5、白口铸铁的结晶过程A+Fe3CⅡ+LdL+AP+Fe3CⅡ+Ld’Fe3CⅠ+LdL+Fe3CⅠFe3CⅠ+Ld’1.2金属的结晶构造和结晶过程一、金属的结晶1、金属的结晶温度过冷与过冷度2、金属的结晶规律形核、长大3、晶体结构晶格、晶胞4、合金的基本显微组织结构合金的ME机械混合物金属化合物固溶体单存固态合金共存置换固溶体间隙固溶体根据溶质原子所占据的位置第2次课重点内容2、铁碳合金状态图分析

LC

Ld

(AE+Fe3C)

1148°C

恒温

第2次课重点内容1、铁碳合金状态图分析第2次课重点内容1.3铁碳合金一、钢的热处理在固态下将钢加热到一定温度，进行必要的保温，以适当的冷却速度冷至室温，改变钢的组织结构和性能的工艺方法称为钢的热处理。

热处理的目的：不改变材料的形状和尺寸，只改变材料内部的组织结构,得到所需要的性能。提高材抖的硬度和强度，或者增加材料的塑性、降低硬度以改善材料的使用性能和工艺性能等。1.4钢的热处理1.4钢的热处理1、退火将钢加热到一定温度保温—定时间，随后在炉中缓慢冷却，以获得近于平衡组织的一种热处理方法。

分类：完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火和再结晶退火等。退火的目的：

a.降低硬度，以利于切削加工；

b.细化晶粒，改善组织，提高机械性能；

c.消除内应力，为下一道热处理作好准备；

d.提高金属材料的塑性、韧性，便于进行冷冲压或冷拉拔加工。退火的缺点：占用设备；生产率低。1.4钢的热处理2、正火将钢加热到一定温度（亚共析钢A3线，共析钢A1线，过共析钢Acm线以上30-50ºC）保温—定时间，出炉在空气中冷却的工艺方法。

正火的作用与退火不同之处是：

a冷却速度快，所得组织较细，如：共析钢正火后得到索氏体（细密的珠光体）

b强度和硬度较退火略高，但消除内应力不及退火彻底。

c不占用设备，生产率高。应用：常用于普通构件如螺钉，不重要的轴类等的最终热处理，但多作为预先热处理。1.4钢的热处理3、淬火将钢加热到一定温度（亚共析钢A3线，共析钢和过共析钢A1线以上30-50ºC）保温后在油或水中迅速冷却的热处理方法。

淬火的目的：提高金属材料的强度和硬度，增加耐磨性。提高硬度的原因：冷却速度快，淬火后得到马氏体组织（碳在α-Fe中的过饱和固溶体），硬度高。1.4钢的热处理4、回火

将淬火后的钢加热到A1线以下的某一温度，保温后在空气或水中冷却的热处理方法。1）回火的目的：稳定工件尺寸，减少内应力，降低脆性，调整和改善钢的韧性。2）回火的分类

种类加热温度钢性能改变应用低温回火150~200ºC降低脆性，保持高强度和耐磨性工具、刃具、冷冲模具等中温回火350~500ºC降低脆性，减小内应力，提高弹性和屈服强度，但硬度有所下降弹性零件、锻模等高温回火500~650ºC消除内应力，较好的综合力学性能轴类等5、调质处理：淬火后再经高温回火的热处理工艺。1.4钢的热处理常用热处理方法的工艺曲线示意图

1.4钢的热处理或水1.5金属的分类、牌号及应用一、常用金属材料1、钢的分类、牌号和应用a按化学成分可分为：碳素钢和合金钢两大类；b按用途可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢三类；c按质量可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。由于磷和硫是钢中的有害元素，因此要规定钢中的磷、硫含量。钢的综合分类及牌号举例如下：1.5金属的分类、牌号及应用1.5金属的分类、牌号及应用2、碳素钢(carbonsteel)碳的含量1.5％以下，还含有少量的硅、锰、硫、磷等杂质。分类：低碳钢<0.25%

中碳钢0.30%~0.60%

高碳钢>0.60%磷可以提高钢的硬度，但在低温时脆性显著增加，称为冷脆现象。而硫容易使钢在高温轧制时破裂，称为热脆现象。HBσbψδak1）碳素结构钢塑性和韧性较好，但机械强度不高。牌号的符号意义如下：

Q215A

质量等级，可以为A、B、C、D

屈服极限为215N/mm21.5金属的分类、牌号及应用表1-3碳素结构钢的应用举例牌号用途举例Q195、Q215A、Q215B薄板、焊接钢管、铁丝、钉等Q235A、Q235B、Q235C、Q235D薄板、中板、钢筋、带钢、焊接件、小轴、螺栓、连杆等Q255A、Q255B、Q275拉杆、连杆、键、轴、销钉、要求较高强度的某些件2）优质碳素结构钢牌号的符号意义如下：由两位数字表示数字为钢中平均碳的质量分数万分量如：45钢牌号类属力学性能应用08、10、15、20、25低碳钢强度低，塑性好，可焊性好冲压件、焊接构件垫圈、螺钉、螺母等小件30、35、40、45、50中碳钢韧性和机加工性能好，常用热处理方法提高力学性能轴类、齿轮、丝杠、连杆等65、70高碳钢进行合理的热处理可以得到较高的弹性弹性零件如：弹簧、弹性垫片1.5金属的分类、牌号及应用3）碳素工具钢碳含量高，淬火后硬度很高。

T7

平均碳的质量分数千分量（0.7%）碳素工具钢

T10A

1.5金属的分类、牌号及应用

平均碳的质量分数1%的高级优质碳素工具钢（硫磷含量小于0.03%）3、合金钢(alloysteel)分类：合金结构钢，合金工具钢，特殊性能合金钢1）合金结构钢数字+化学元素符号+数字

对应元素的质量分数<1.5%不标出钢中所含元素钢中平均碳的质量分数，以0.01%为单位例：60Si2Mn另常用的有16Mn、20CrMnTi、35CrMo、40Cr、50CrV、GCr15牌号特殊，轴承钢，G代表滚动轴承钢，碳1.0%，Cr1.5%1.5金属的分类、牌号及应用2）合金工具钢主要用于刀具、模具、量具的制造。牌号与合金结构钢相似，不同：C>或=1%时不标出，<1%时用一位数字标注出含碳千分量例：9SiCr

但高速工具钢和某些冷作模具钢，即使其平均碳的质量分数小于1%也不予标注出。例如高速工具钢W18Cr4V，碳0.7%-0.8%，在牌号中不标出；钨18%，铬4%，钒的质量分数小于1.5%。常用合金工具钢的牌号有9SiCr、Cr12、CrWMn、5CrMnMo、3Cr2W8V等。3）特殊性能合金钢1.5金属的分类、牌号及应用表示碳0.9%，Si、Cr<1.5%的合金工具钢4、铸铁（castiron）铸铁是指不能锻造或不能塑性变形的铁碳合金。铸铁除了含碳外，还含有锰、硅、磷、硫等杂质。Fe3C断口亮白色,脆而硬,很少用，利用其硬度高、耐磨性好制造犁铧、轧辊片状石墨断口灰暗,抗拉强度低，塑性和韧性差，抗压、耐磨、减振性好，缺口敏感性小，有良好的铸造工艺性能和切削加工性能。应用广泛。球状石墨，塑性和韧性比其他铸铁好，良好的铸造性能、切削加工性能、减磨性和减振性。在某些条件下可以代替钢材制造形状复杂而承载较大的构件，如曲柄等。预先浇铸成白口铸铁、再经长时间石墨化退火完成的。团絮状石墨。常用于小而复杂，并且要求韧性较高的小型薄壁构件，如：管接头等。但生产周期常，成本高。铸铁白口铸铁灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁根据碳在铸铁中存在形态的不同1.5金属的分类、牌号及应用实际上不可锻造1.5金属的分类、牌号及应用牌号：灰铸铁：HT+σbHT100、HT150、HT200HT250、HT300、HT350球墨铸铁QT+σb+δQT400-17可锻铸铁KTH/Z+σb+δKTH300-06KTZ450-06

黑心/珠光体孕育铸铁5.铸铁与碳钢的性能比较

铸铁与碳钢比较（在同一种基体下），由于铸铁中石墨的强度和伸长率都极低（σb<20Mpa，δ→0）,而且石墨的存在对基体起割裂作用，所以，铸铁的力学性能（抗拉强度、塑性、韧性）较差，不如碳钢，尤以灰铸铁（片状石墨）最差，球墨铸铁因球状石墨的割裂作用最轻，具有较好的力学性能。铸铁具有优良的减震性、耐磨性、铸造性能和切削加工性能，而且生产成本低廉，因而在工业生产中得到广泛的应用。1.5金属的分类、牌号及应用6、有色金属材料（nonferrousalloy）有色金属是指除钢铁以外的金属及其合金材料。常见的有铜、铝及其合金。铜及铜合金工业纯铜黄铜青铜白铜1.5金属的分类、