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课程名称 : 金属材料成形基础 任课教师: 徐晓峰
第一篇 工程材料性质 计划学时: 6
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。学完本篇要求学生了解并掌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
思考题:

1． 如何判断金属材料受力时, 产生的是弹性变形还是塑性变形?
2． 生产中常经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.使用性能
( 1) 力学性能
( 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
动载荷

F
F
( MPa)
σ= F’ /S
1.两种基本变形
( 1) 弹性变形:
F = F’

F’
F

材料受外力作用时产生变形, 当外力去除后恢复其原来形状, 这种随外力消失而消失的变形, 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可恢复的变形, 称为塑性变形。

2．变形的三个阶段
弹性变形
塑性变形
断裂

3. 常见的几种失效形式
( 1) 断裂 ( 2) 塑性变形 ( 3) 过量弹性变形
( 4) 磨损 ( 5) 腐蚀

二、 材料的力学性能
拉伸实验
F
L
F
0
d
F
缩颈

b

s

k
e

o

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, 抵抗塑性变形和断裂的能力。
( 1) 屈服强度( σS)
指材料在外力作用下, 产生屈服现象时的应力。
σS =Fs/S0 ( MPa)

它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。
当材料单位面积上所受的应力σe<σ<σs时, 只产生微量的塑性变形。当σ>σs时, 材料将产生明显的塑性变形。
σ0.2=F 0.2/S0 ( MPa)
条件屈服强度:

屈服强度 — 是塑性材料选材和评定的依据。

k
e
s
100%
0.2%
b
F

( 2) 抗拉强度( σb )

抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。
σb =Fb/S0 ( MPa)

它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。
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能力。
常见 δ 和 ψ 作为衡量塑性的指标。

伸长率:

断面收缩率:

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)
材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。
在弹性变形阶段:

因此:
E — 材料抵抗弹性变形的能力越大。

4．硬度
是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。
(1)布氏硬度( HB) :

F

F
1200
布氏硬度适用HB<450
(2)洛氏硬度( HRC)
洛氏硬度一般用于HB>450
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一定的关系:

低碳钢: σb≈3.6HB
高碳钢: σb≈3.6HB
调质合金钢: σb≈3.6HB

5．冲击韧性

材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。

AK = G( H1 - H2) ( J)
ak = AK /S ( J/m2)

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; 往往是受小能量多次重
复冲击而破坏的。

6．疲劳强度

材料在无数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%的机件失效为疲劳破坏。

— 循环基数

钢:

有色金属:

三、 力学性能与失效形式的关系

ss
力学性能 失效形式
sb

强度

塑性 断裂
刚度 塑性变形
硬度 过量弹变
韧性 磨损
疲劳强度

第二节 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

第二章 金属及合金的结晶
第一节 金属的晶体结构
晶体: 原子作有序排列; 有固定的熔点; 各向异性。

非晶体: 原子作无序排列; 没有固定的熔点; 各向同性。
所有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、 a -Fe、 b -Fe
面心立方晶格: Cu、 Ni、 Ag、 Au
密排六方晶格: Mg、 Be、 Zn、 a -Ti、 b -Cr
温度℃
时间
T0
Tn
ΔT
过冷度
第二节 金属的结晶过程
一、 金属的结晶过程
1．金属结晶的过冷现象
2．金属的结晶过程
形核

长大
结晶
冷却曲线

自发形核

非自发形核

金属是由许多大小、 形状、 晶格排列方向均不相同的晶粒所组成的多晶体。
一般金属的晶粒越细小, 其力学性能越好。

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。
温度℃
时间
1538 ℃
1394 ℃
912 ℃
体心
面心
体心
Fe、 Sn、 Ti、 Mn

912 ℃
1394 ℃
1538 ℃
L

一种金属能以几种晶格类型存
在的性质 — 称为同素异晶性。

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间所起的作用所决定的。

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

间隙固溶体
固溶体

溶质原子

溶剂原子
溶质原子

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: σb = 250MPa δ= 45—50% HB = 80
二、 金属化合物
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; σb =30MPa ; δ≈0%
三、 机械混合物
合金的组成在固态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质。
机械混合物既能够是纯金属、 固溶体或金属化合物各自的混合物, 也能够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: σb = 750MPa δ=25% HB = 180-200
F: σb = 250MPa δ= 45—50% HB = 80
Fe3C: HB=800; σb =30MPa ; δ≈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α-Fe中所形成的固溶体。
727℃ 0.02%C
力学性能: σb = 250MPa δ= 45~50% HB = 80
二、 奥氏体( A)
奥氏体— 碳( C) 溶入γ-Fe中所形成的固溶体。
1147℃ 2.06%C 、 727℃ 0.77%℃
力学性能: σb = 250 ~ 350MPa δ= 40~45% HB = 160~200
三、 渗碳体( Fe3C)
渗碳体— 是金属化合物。 6.67%C
力学性能: σb = 30MPa δ= 0 HB = 800
四、 珠光体( P)
珠光体— 是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
727℃ 0.77%℃
力学性能: σb = 750MPa δ=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。
1147℃ 4.3%C
力学性能: σb = 30MPa δ= 0 HB = 700

第二节 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
是研究合金的成分、 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。
D—Fe3C的熔点。
E—C在γ-Fe中的最大溶解度点。1147℃ 2.06%C
钢和铁的分界点。
C—共晶点, 1147℃ 4.3%C
共晶点—发生共晶反应的点。
共晶反应 — 在一定的温度下, 由一定成分的液体同时结晶出一定成分的两个固相的反应。
L( 4.3%C) A( 2.06%C ) + Fe3C ( 6.67%C )
1147℃
Le
共晶反应的产物——共晶体——机械混合物

温度℃
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 — 纯铁的同素异晶转变点。 912℃
P —C在α-Fe中的最大溶解度点。727℃ 0.02%C
S —共析点。 727℃ 0.77%℃
共析点 —发生共析反应的点。
共析反应—在一定的温度下, 由一定成分的固相同时结晶出一定成分的另外两个固相的反应。
共析反应的产物 — 共析体— 机械混合物
727℃

A( 0.77%C) F( 0.002%C ) + Fe3C( 6.67%C )
P

2. 状态图上线的意义
ACD线—液相线
AC—析出A
CD—析出 Fe3C
AECF线—固相线
AE—A析出终了线
ECF—共晶线 1147℃
ES线 — C在γ-Fe中的溶解度曲线。析出二次Fe3CⅡ
GS线 — 溶解度曲线 A—F
GP线 — F析出终了线。
PQ线 — 碳在α-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
A
3
P

L
A
2
L+
四、 铁碳合金的结晶过程及组织转变
2
A
L+
1
L
3
A
A+
4
P+F
F
1．钢
共析钢:
亚共析钢:
1
L
A
L+
2
3
A
Fe3C
A+
4
P+Fe3C
过共析钢:
1
L
2
Le’
Le
2．生铁

共晶生铁:
1
L
A
L+
2
A+
Le
A+Le +
Fe3C
3
P+Fe3C+Le’

亚共晶生铁:
1
L
Fe3C
L+
2
Fe3C+
Le
3
Fe3C+Le’

过共晶生铁:

五．含碳量对铁碳合金组织和性能的影响

Fe3CⅡ
F F+P P P+ Fe3C P+ Fe3C +Le’ Le’ Le’+ Fe3C
0
2.06
4.3
0.02
F
P
Le’
Fe3CⅠ

C%
6.67
0.77

0.9~1.0
HB
d
C%
HB
d

六．状态图的作用
1．选择材料
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 C < 0.25%
( 2) 中碳钢 C = 0.25-0.6%
( 3) 高碳钢 C > 0.6%
2) 合金钢
( 1) 低合金钢 Me < 5%
( 2) 中合金钢 Me = 5-10%
( 3) 高合金钢 Me > 10%
2. 按质量分类
1) 普通钢: 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) 特殊性能钢: 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) ( 普通) 碳素结构钢
屈
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。
σs

Q195
Q195( 0.06-0.12%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) 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, 其钢号的表示方法为: 两为数字+元素符号+数字。如: 40Cr2Mo4V、 60Si2Mn、 38CrMoAl
① 低合金高强度结构钢
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
② 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
③ 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。常见牌号有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普通模具、 量具。常见牌号有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( 或无数字) +元素符号+数字。如: 9SiCr、 W18Cr4V、 5CrNiMo等。
合金工具钢又可分为合金刃具钢、 合金模具钢、 和合金量具钢。
① 合金刃具钢 指用于制造各种刀具的钢材。含碳量为0.75-1.50%, 典型牌号为9SiCr、 W18Cr4V、 W6Mo5Cr4V2。
② 合金模具钢 模具钢是指用于制造各种模具的钢材。冷做模具钢如: 冲压模、 拉拔模等。典型牌号为Cr12、 Cr12MoV。热做模具钢如: 热锻模、 热挤压模、 压铸模等。典型牌号为5CrMnMo、 5CrNiMo。
③ 合金量具钢 在生产中常见的量具有钢板尺、 游标卡尺、 卡规、 千分尺、 塞规、 块规等。T10A、 T12A 、 CrWMn、 GCr15
④ 塑料模具钢
3．特殊性能钢
1) 不锈、 耐蚀和耐热钢
① 不锈、 耐蚀钢 不锈钢是指在水、 空气、 酸、 碱或其它介质中, 具有较强抵抗腐蚀能力的钢。其含碳量低, 主加合金元素为Cr、 Ni。常见牌号有: 1Cr13、 7Cr17、 1Cr17、 1Cr18Ni9、 0Ci19Ni9、 1Cr17Mo等。
② 耐热钢 在高温下具有良好的抗氧化性和热强性钢, 耐热钢可分为马氏体型、 奥氏体型和铁素体型等几种, 分别适合于在600以下、 700-700、 接近1000的高温状态下工作。典型牌号有: 1Cr13、 4Cr9Si2、 4Cr14Ni14W2Mo、 1CR17。
2) 特殊物理性能钢
是指在一定范围内具有特殊磁、 电、 弹性、 膨胀等物理性能的钢。包括软磁钢、 永磁钢、 无磁钢、 特殊弹性钢、 特殊膨胀钢、 高电阻钢和合金等。