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1、第一篇 工程材料性質(zhì) 教案首頁 課程名稱 ：金屬材料成形基礎(chǔ) 任課教師：徐曉峰 第一篇 工程材料性質(zhì) 計(jì)劃學(xué)時(shí)： 6 教學(xué)目的和要求： 本篇介紹了金屬材料的主要性能、金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)及結(jié)晶過程、鐵碳合金狀態(tài)圖及鐵碳合金。學(xué)完本篇要求學(xué)生了解并掌握金屬材料的主要性能、金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)及結(jié)晶過程和鐵碳合金狀態(tài)圖。 重點(diǎn)：重點(diǎn)為金屬材料的力學(xué)性能、鐵碳合金； 難點(diǎn)：難點(diǎn)為鐵碳合金狀態(tài)圖 思考題： 1． 如何判斷金屬材料受力時(shí)，產(chǎn)生的是彈性變形還是塑性變形？ 2． 生產(chǎn)中常通過測量硬度來估算材

2、料的強(qiáng)度，這是為什么？ 3． 合金的基本組成物有?那些試說明它們各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能特點(diǎn)。 4． 鋸條、彈簧、軸各應(yīng)進(jìn)行那些熱處理比較?合適？為什么？ 5． 何為合金狀態(tài)圖？它是如何繪制出來的？合金狀態(tài)圖有什么用途？ 第一篇 工程材料的性質(zhì) 第一章 材料的主要性能 材料的主要性能是指: 1.使用性能 （1）力學(xué)性能 （2）物理性能 （3）化學(xué)性能 2.工藝性能 ——加工成形的性能 第一節(jié) 材料的力學(xué)性能 力學(xué)性能 材料在外力作用下所表現(xiàn)出的特性。 一、外力作用下材料的變形與失效 作用在機(jī)件上的外力 載荷

3、 靜載荷 動(dòng)載荷 F F （MPa） σ= F’ /S 1.兩種基本變形 （1）彈性變形： F = F’ F’ F 材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后恢復(fù)其原來形狀，這種隨外力消失而消失的變形，稱為彈性變形。 （2）塑性變形: 材料在外力作用下產(chǎn)生永久的不可恢復(fù)的變形，稱為塑性變形。 2．變形的三個(gè)階段 彈性變形 塑性變形 斷裂 3. 常見的幾種失效形式 （1）斷裂 （2）塑性變形 （3）過量彈性變形 （4）磨損 （5）腐蝕

4、 二、材料的力學(xué)性能 拉伸實(shí)驗(yàn) F L F 0 d F 縮頸 b s k e o 拉伸曲線 應(yīng)力 應(yīng)變曲線 e — 彈性極限點(diǎn) S — 屈服點(diǎn) K — 斷裂點(diǎn) b — 極限載荷點(diǎn) 1．強(qiáng)度： 材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。 （1） 屈服強(qiáng)度（σS） 指材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力。 σS =Fs/S0 （MPa） 它表征了材料抵抗微量塑性變形的能力。 當(dāng)材料單位面積

5、上所受的應(yīng)力σe<σ<σs時(shí)，只產(chǎn)生微量的塑性變形。當(dāng)σ>σs時(shí)，材料將產(chǎn)生明顯的塑性變形。 σ0.2=F 0.2/S0 （MPa） 條件屈服強(qiáng)度: 屈服強(qiáng)度 — 是塑性材料選材和評定的依據(jù)。 k e s 100% 0.2% b F （2）抗拉強(qiáng)度（σb ） 抗拉強(qiáng)度是材料在拉斷前承受最大載荷時(shí)的應(yīng)力。 σb =Fb/S0 （MPa） 它表征了材料在拉伸條件下所能承受的最大應(yīng)力。 抗拉強(qiáng)度 — 是脆性材料選材的依據(jù)。 2. 塑性 材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不引起

6、破壞的能力。 常用 δ 和 ψ 作為衡量塑性的指標(biāo)。 伸長率： 斷面收縮率： 良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。 3．剛度（E） 材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力稱為剛度。 在彈性變形階段： 所以： E — 材料抵抗彈性變形的能力越大。 4．硬度 是材料抵抗更硬的物體壓入其內(nèi)的能力。 (1)布氏硬度（HB）： F F 1200 布氏硬度適用HB<450 (2)洛氏硬度（HRC） 洛氏硬度一般用于HB>450 洛氏硬度與布氏硬度之間約為1：10的關(guān)系 同時(shí)

7、硬度與強(qiáng)度之間也有一定的關(guān)系： 低碳鋼： σb≈3.6HB 高碳鋼： σb≈3.6HB 調(diào)質(zhì)合金鋼： σb≈3.6HB 5．沖擊韌性 材料抵抗沖擊載荷作用下斷裂的能力。 AK = G（H1 - H2）（J） ak = AK /S （J/m2） 在沖擊載荷下工作的零件， 很少是受大能量一次沖擊而破 壞的；往往是受小能量多次重 復(fù)沖擊而破壞的。 6．疲勞強(qiáng)度 材料在無數(shù)次重復(fù)或交變載荷作用下不引起破壞的最大應(yīng)力。 受交變載荷作用的零件，在其所受應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該材料的屈服強(qiáng)度時(shí)

8、，會(huì)發(fā)生突然的斷裂。而且是脆性斷裂。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，約80%的機(jī)件失效為疲勞破壞。 — 循環(huán)基數(shù) 鋼： 有色金屬： 三、力學(xué)性能與失效形式的關(guān)系 ss 力學(xué)性能 失效形式 sb 強(qiáng)度 塑性 斷裂 剛度 塑性變形 硬度 過量彈變 韌性 磨損 疲勞強(qiáng)度 第二節(jié) 材料的物理、化學(xué)及

9、工藝性能 一、材料的物理性能 比重、密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁性、熱膨脹系數(shù)。 二、材料的化學(xué)性能 耐酸性、耐堿性、抗氧化性。 三、材料的工藝性能：加工性能 第二章 金屬及合金的結(jié)晶 第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 晶體：原子作有序排列；有固定的熔點(diǎn)；各向異性。 非晶體：原子作無序排列；沒有固定的熔點(diǎn)；各向同性。 所有的金屬和合金都是晶體。 晶格—原子排列形成的空間格子 晶胞—組成晶胞最基本的單元 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu) 體心立方晶格：Cr、Mo、W、V、a -Fe、 b

10、-Fe 面心立方晶格：Cu、Ni、Ag、Au 密排六方晶格：Mg、Be、Zn、 a -Ti、b -Cr 溫度℃ 時(shí)間 T0 Tn ΔT 過冷度 第二節(jié) 金屬的結(jié)晶過程 一、金屬的結(jié)晶過程 1．金屬結(jié)晶的過冷現(xiàn)象 2．金屬的結(jié)晶過程 形核 長大 結(jié)晶 冷卻曲線 自發(fā)形核 非自發(fā)形核 金屬是由許多大小、形狀、晶格排列方向均不相同的晶粒所組成的多晶體。 一般金屬的晶粒越細(xì)小，其力學(xué)性能越好。 3．細(xì)化晶粒的方法 1）變質(zhì)處理 2）增大過冷度 3）機(jī)械的振動(dòng)和攪拌 4）熱處理 5）壓力加工

11、再結(jié)晶 二、金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變 同素異晶轉(zhuǎn)變 — 在固態(tài)下，隨著溫度的變化，金屬的晶體結(jié)構(gòu)從一種晶格類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格類型的過程。 溫度℃ 時(shí)間 1538 ℃ 1394 ℃ 912 ℃ 體心 面心 體心 Fe、Sn、Ti、Mn 912 ℃ 1394 ℃ 1538 ℃ L 一種金屬能以幾種晶格類型存 在的性質(zhì) — 稱為同素異晶性。 第三節(jié) 合金的結(jié)構(gòu) 合金 — 以一種金屬為基礎(chǔ)，加入其它金屬或非金屬，所形成的具有金屬特性的物質(zhì)。 合金是由兩種以上的元素組成的。 固態(tài)合金的結(jié)構(gòu)是由組元

12、在結(jié)晶時(shí)彼此之間所起的作用所決定的。 固溶體 合金的結(jié)構(gòu) 金屬化合物 機(jī)械混合物 一、固溶體 溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格而仍保持溶劑晶格類型的金屬晶體。 據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)位置的不同 置換固溶體 間隙固溶體 固溶體 溶質(zhì)原子 溶劑原子 溶質(zhì)原子 溶劑原子 固溶體的性能特點(diǎn)： 具有良好的塑性和韌性，強(qiáng)度、硬度較低。 F： σb = 250MPa δ= 45—50% HB = 80 二、金屬化合物 合金各組成元素之間相互作用而生成的一種新的具有金

13、屬特性的物質(zhì)。 金屬化合物各元素之間呈整數(shù)比關(guān)系。 如： Fe3C、WC、TiC 等 金屬化合物的性能特點(diǎn)： 脆性大、硬度高；強(qiáng)度低；塑性、韌性差；高的熔點(diǎn)。 Fe3C：HB=800； σb =30MPa ； δ≈0% 三、機(jī)械混合物 合金的組成在固態(tài)下既不互相溶解又不形成化合物，而是按一定的重量比混合而成的新物質(zhì)。 機(jī)械混合物既可以是純金屬、固溶體或金屬化合物各自的混合物，也可以是它們之間的混合物。 性能特點(diǎn)： 性能介于各組成物的性能之間。一般具有良好的綜合力學(xué)性能。 P：σb = 750MPa δ=25% HB = 180-200 F： σb = 250

14、MPa δ= 45—50% HB = 80 Fe3C：HB=800； σb =30MPa ； δ≈0% 第三章 鐵碳合金 第一節(jié) 鐵碳合金的基本組織 一、鐵素體（F） 鐵素體 — 碳（C）溶入α-Fe中所形成的固溶體。 727℃ 0.02%C 力學(xué)性能：σb = 250MPa δ= 45~50% HB = 80 二、奧氏體（A） 奧氏體— 碳（C）溶入γ-Fe中所形成的固溶體。 1147℃ 2.06%C 、727℃ 0.77%℃ 力學(xué)性能：σb = 250

15、 ~ 350MPa δ= 40~45% HB = 160~200 三、滲碳體（Fe3C） 滲碳體— 是金屬化合物。 6.67%C 力學(xué)性能： σb = 30MPa δ= 0 HB = 800 四、珠光體（P） 珠光體— 是鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。 727℃ 0.77%℃ 力學(xué)性能： σb = 750MPa δ=25% HB = 180-200 五、萊氏體（Le） 萊氏體— 是奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。 1147℃ 4.3%C 力學(xué)性能：

16、 σb = 30MPa δ= 0 HB = 700 第二節(jié) 鐵碳合金狀態(tài)圖 一、什么是狀態(tài)圖 狀態(tài)圖—— 表示合金系的成分、溫度、組織、狀態(tài)之間關(guān)系的圖表。 二、狀態(tài)圖的作用 是研究合金的成分、溫度、組織、狀態(tài)之間變化規(guī)律的工具。 三、鐵碳合金狀態(tài)圖 1. 狀態(tài)圖上點(diǎn)的意義 A—純鐵的熔點(diǎn)。 D—Fe3C的熔點(diǎn)。 E—C在γ-Fe中的最大溶解度點(diǎn)。1147℃ 2.06%C 鋼和鐵的分界點(diǎn)。 C—共晶點(diǎn)，1147℃ 4.3%C 共晶點(diǎn)—發(fā)生共晶反應(yīng)的點(diǎn)。 共晶反應(yīng) — 在一定的溫度下，由一定成分的液

17、體同時(shí)結(jié)晶出一定成分的兩個(gè)固相的反應(yīng)。 L（4.3%C） A（2.06%C ）+ Fe3C （6.67%C ） 1147℃ Le 共晶反應(yīng)的產(chǎn)物——共晶體——機(jī)械混合物 溫度℃ 1538 ℃ A L D C 1147℃ E A Le F Fe3C 912℃ 727℃ G S F P K P Q C% 6.67 0.02 0.77 2.06 4.3 G — 純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)。 912℃ P —C在α-Fe中的最大溶解度點(diǎn)。727℃ 0.02%

18、C S —共析點(diǎn)。 727℃ 0.77%℃ 共析點(diǎn) —發(fā)生共析反應(yīng)的點(diǎn)。 共析反應(yīng)—在一定的溫度下，由一定成分的固相同時(shí)結(jié)晶出一定成分的另外兩個(gè)固相的反應(yīng)。 共析反應(yīng)的產(chǎn)物 — 共析體— 機(jī)械混合物 727℃ A（0.77%C） F（0.002%C ）+ Fe3C（6.67%C ） P 2. 狀態(tài)圖上線的意義 ACD線—液相線 AC—析出A CD—析出 Fe3C AECF線—固相線 AE—A析出終了線 ECF—共晶線 1147℃ ES線 — C在γ-Fe中的溶解度曲線。析出二次Fe3CⅡ GS線 — 溶解度曲

19、線 A—F GP線 — F析出終了線。 PQ線 — 碳在α-Fe中的溶解度曲線。 PSK線 — 共析線 727℃ （1）???單相區(qū)：L、F、A、Fe3C （2）???兩相區(qū)：L+A、L+ Fe3C、A+F、F+ Fe3C （3）?? 三相區(qū)：L+A+ Fe3C、A+F+ Fe3C A 3 P L A 2 L+ 四、鐵碳合金的結(jié)晶過程及組織轉(zhuǎn)變 2 A L+ 1 L 3 A A+ 4 P+F F 1．鋼 共析鋼: 亞共析鋼: 1 L A L+ 2 3 A Fe3C A+ 4 P+Fe3C

20、 過共析鋼: 1 L 2 Le’ Le 2．生鐵 共晶生鐵: 1 L A L+ 2 A+ Le A+Le + Fe3C 3 P+Fe3C+Le’ 亞共晶生鐵: 1 L Fe3C L+ 2 Fe3C+ Le 3 Fe3C+Le’ 過共晶生鐵： 五．含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響 Fe3CⅡ F F+P P P+ Fe3C P+ Fe3C +Le’ Le’ Le’+ Fe3C 0 2.06 4.3 0.02 F P Le’ Fe3CⅠ

21、 C% 6.67 0.77 0.9~1.0 HB d C% HB d 六．狀態(tài)圖的作用 1．選擇材料 2．確定各種工藝參數(shù) 第三節(jié) 鋼的分類和應(yīng)用 一、鋼的分類 1．按化學(xué)成分分類 1）碳素鋼 （1）低碳鋼 C < 0.25% （2）中碳鋼 C = 0.25-0.6% （3）高碳鋼 C > 0.6% 2）合金鋼 （1）低合金鋼 Me < 5% （2）中合金鋼 Me = 5-10% （3）高合金鋼 Me > 10% 2. 按質(zhì)量分類 1）

22、普通鋼：P < 0.045% S < 0.055% 2）優(yōu)質(zhì)鋼：P < 0.040% S < 0.045% 3）高級優(yōu)質(zhì)鋼：P、S< 0.030% 3．按用途分類 1）結(jié)構(gòu)鋼：（1）工程結(jié)構(gòu)鋼、（2）機(jī)械制造用鋼 2）工具鋼：（1）碳素工具鋼（2）合金工具鋼 3）特殊性能鋼：彈簧鋼、軸承鋼、耐熱鋼、耐蝕鋼等 。 4．按冶煉方法分類 （1）平爐鋼 （2）轉(zhuǎn)爐鋼 （3）電爐鋼 二、鋼的編號(hào)及應(yīng)用 1．結(jié)構(gòu)鋼 1）（普通）碳素結(jié)構(gòu)鋼 屈 碳素結(jié)構(gòu)鋼的鋼號(hào)用屈服強(qiáng)度表示。這類鋼主要用于制造一般的機(jī)械零件和工程構(gòu)件。 σs Q195 Q195（0.0

23、6-0.12%C）、Q215（0.09-0.15%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）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 這類鋼的有害雜質(zhì)P、S含量較低，鋼的質(zhì)量較好，主要用于制造各種較重要的機(jī)械零件。鋼號(hào)用兩位數(shù)字表示，數(shù)字表示含碳量的萬分之幾。 45— 表示含碳量是萬分之45（0.45%） 08、10、15 — 沖壓件、焊接件。 15、20、25 — 滲碳淬火。 30、35、40、45、50、55 — 調(diào)質(zhì)處理。制造齒輪、連桿、凸輪和軸類零件。 60、65、70 — 淬火+中溫

24、回火，制造彈簧。 3）合金結(jié)構(gòu)鋼 合金結(jié)構(gòu)鋼種類繁多，其鋼號(hào)的表示方法為：兩為數(shù)字+元素符號(hào)+數(shù)字。如：40Cr2Mo4V、60Si2Mn、38CrMoAl ① 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是在低碳鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素制得，其合金因素總量不超過5%，以Mn為主要合金因素。這類鋼一般在熱軋或正火狀態(tài)下使用，不需再進(jìn)行熱處理。廣泛用于建筑、石油、化工、鐵道、橋梁、造船等工業(yè)部門。牌號(hào)有Q295、Q345、Q460 ② 機(jī)械結(jié)構(gòu)用合金鋼 用于制造各種機(jī)械零件的合金結(jié)構(gòu)鋼。又可分為： 合金滲碳鋼：20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA 合金調(diào)質(zhì)鋼：40Cr、

25、40MnB、38CrMoAl 合金彈簧鋼：60Si2Mn、50CrVA ③ 滾動(dòng)軸承鋼 滾動(dòng)軸承鋼是制造滾動(dòng)軸承的內(nèi)、外套圈和滾珠、滾柱的專用鋼種。常用牌號(hào)有GCr9、GCr15等，含碳在0.95% - 1.1%，合金元素主要是鉻。含0.90-1.25% Cr、1.4-1.65%Cr。 2．工具鋼 1）碳素工具 碳素工具鋼含碳量為0.65-1.35% ，可制造低速切削的刀具和普通模具、量具。常用牌號(hào)有T7、T8、T8Mn、T9、T10A、T11、T12A、T13等。 2）合金工具鋼 其牌號(hào)表示方法是：一位數(shù)字（或無數(shù)字）+元素符號(hào)+數(shù)字。如：9SiCr、W18Cr4V、5Cr

26、NiMo等。 合金工具鋼又可分為合金刃具鋼、合金模具鋼、和合金量具鋼。 ① 合金刃具鋼 指用于制造各種刀具的鋼材。含碳量為0.75-1.50%，典型牌號(hào)為9SiCr、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。 ② 合金模具鋼 模具鋼是指用于制造各種模具的鋼材。冷做模具鋼如：沖壓模、拉拔模等。典型牌號(hào)為Cr12、Cr12MoV。熱做模具鋼如：熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模等。典型牌號(hào)為5CrMnMo、5CrNiMo。 ③ 合金量具鋼 在生產(chǎn)中常用的量具有鋼板尺、游標(biāo)卡尺、卡規(guī)、千分尺、塞規(guī)、塊規(guī)等。T10A、T12A 、CrWMn、GCr15 ④ 塑料模具鋼 3．特殊性能鋼 1）

27、不銹、耐蝕和耐熱鋼 ① 不銹、耐蝕鋼 不銹鋼是指在水、空氣、酸、堿或其它介質(zhì)中，具有較強(qiáng)抵抗腐蝕能力的鋼。其含碳量低，主加合金元素為Cr、Ni。常用牌號(hào)有：1Cr13、7Cr17、1Cr17、1Cr18Ni9、0Ci19Ni9、1Cr17Mo等。 ② 耐熱鋼 在高溫下具有良好的抗氧化性和熱強(qiáng)性鋼，耐熱鋼可分為馬氏體型、奧氏體型和鐵素體型等幾種，分別適合于在600以下、700-700、接近1000的高溫狀態(tài)下工作。典型牌號(hào)有：1Cr13、4Cr9Si2、4Cr14Ni14W2Mo、1CR17。 2）特殊物理性能鋼 是指在一定范圍內(nèi)具有特殊磁、電、彈性、膨脹等物理性能的鋼。包括軟磁鋼、永磁鋼、無磁鋼、特殊彈性鋼、特殊膨脹鋼、高電阻鋼和合金等。 15