金属工艺学第一章

金属工艺学专业：模具设计与制造教师：富伟电话：[e-mail]金属工艺学第一章金属材料导论•第一节、金属材料的力学性能•第二节、铁碳合金•第三节、钢的热处理金属工艺学第一节金属材料的力学性能使用性能（有用性）工艺性能（可加工性）物理性能力学性能化学性能铸造性能锻造性能焊接性能切削加工性能热处理性能弹性硬度强度塑性材料的性能金属工艺学•一、金属材料的静态力学性能•力学性能是指材料抵抗载荷（外力）作用的能力，包括强度、刚度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度。•（一）弹性、刚度、强度和塑性•材料的弹性、刚度、强度和塑性是通过静拉伸试验测定的。第一节金属材料的力学性能金属工艺学图拉伸试样图万能试验机图低碳钢的应力-应变曲线第一节金属材料的力学性能金属工艺学•σ-ε图可分为三个阶段：•（1）弹性变形阶段（0~H）•e点对应的应力叫弹性极限。•（2）塑性变形阶段（H~m）•H点叫做屈服点，是材料从弹性状态转变成塑性状态的标志，H点对应的应力叫屈服强度。•（3）不均匀变形及断裂阶段（m~k）•m点对应的应力是试样在拉断前承受的最大应力，称为抗拉强度。•应力-应变曲线中直线部分的斜率E称为弹性模量，反映了材料抵抗弹性变形能力即刚度的大小。图低碳钢的应力-应变曲线图低碳钢的应力-应变曲线图低碳钢的应力-应变曲线图低碳钢的应力-应变曲线图低碳钢的应力-应变曲线图低碳钢的应力-应变曲线图低碳钢的应力-应变曲线图低碳钢的应力-应变曲线金属工艺学•一、金属材料的静态力学性能•（一）弹性、刚度、强度和塑性•1.弹性和刚度•材料所受的外力去除后能恢复其原来形状的性能，叫材料的弹性。•材料抵抗弹性变形的能力叫做刚度。第一节金属材料的力学性能图拉伸试样的颈缩现象金属工艺学•1.有一碳钢制作的支架刚性不足，解决的办法是（）。A.用热处理方法强化B.另选合金钢C.增加横截面积D.在冷塑性状态下使用思考题解答•C.增加横截面积•弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。第一节金属材料的力学性能金属工艺学•2.强度•强度是材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。•屈服强度•抗拉强度•式中FH——试样发生屈服现象时所承受的最大外力（N）；F0.2——试样产生0.2%的残余伸长时所承受的外力（N）；Fm——试样断裂前的最大拉力（N）；S0——试样的初始截面积（mm2）。)(2.0),(02.00MPaSFRMPaSFRrHHe)(0MPaSFRmm第一节金属材料的力学性能图低碳钢的应力-应变曲线图低碳钢的应力-应变曲线金属工艺学•对于没有明显屈服现象的材料，怎么确定其屈服强度？思考题解答第一节金属材料的力学性能u国家标准规定，没有明显屈服现象的材料，用规定残余伸长应力作为条件屈服强度。2.0s金属工艺学•3.塑性•材料在外力作用下产生塑形变形而不断裂的能力称为塑性。•伸长率•断面收缩率•式中L0——试样的原始标距长度（mm）；L1——试样拉断后的标距长度（mm）；S0——试样的原始截面积（mm2）；S1——试样断口处的最小截面积（mm2）。%100001LLLA%100010SSSZ图拉伸试样第一节金属材料的力学性能金属工艺学•（二）硬度•硬度是材料抵抗硬物体压入其表面的能力或材料抵抗局部变形的能力。硬度测试方法划痕法莫氏硬度压入法回跳法肖氏硬度布氏硬度洛氏硬度维氏硬度显微硬度第一节金属材料的力学性能金属工艺学•1.布氏硬度(HB)•特点：被测面积大，精度高；不适于太薄、太硬物体。•适用范围：HBS＜450（钢球），HBW450～650（硬质合金），退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属等。图布氏硬度试验原理图和HB－3000布氏硬度计第一节金属材料的力学性能金属工艺学•2.洛氏硬度(HR)•特点：简单、迅速、适用范围广（软硬材料均适用）；•适用范围：HRA--硬质合金、表面淬火层或渗碳层；HRB--有色金属和退火、正火钢等；HRC--调质钢、淬火钢等。图洛氏硬度试验原理图和TH500洛氏硬度计第一节金属材料的力学性能金属工艺学•3.维氏硬度(HV)•特点：压痕浅、适用范围广；•适用范围：表面硬化层金属镀层薄片金属图维氏硬度试验原理、维氏硬度压痕及维氏硬度计第一节金属材料的力学性能金属工艺学•二、金属材料的动态力学性能•（一）韧性•1.冲击韧度•材料抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力，称为冲击韧度。•冲击功•冲击韧性：ghHMAk)(图一次摆锤式冲击实验SAakk第一节金属材料的力学性能金属工艺学•二、金属材料的动态力学性能•（一）韧性•2.断裂韧度•油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关。1943年美国T-2油轮发生断裂1943年美国T-2油轮发生断裂北极星导弹北极星导弹第一节金属材料的力学性能金属工艺学•二、金属材料的动态力学性能•（一）韧性•2.断裂韧度•断裂韧度是用来反映裂纹失稳扩张能力的性能指标。•式中Y——常数，与试样材料、裂纹形状及加载方式有关；a——裂纹长度；σC——断裂应力；aYKCIs第一节金属材料的力学性能金属工艺学•（二）疲劳强度•金属材料在小于Rm，甚至低于ReH的交变应力作用下发生断裂的现象称为“疲劳”。•金属在循环应力作用下能经受无限多次循环而不断裂的最大应力值称为金属的疲劳强度。•工程实践中，一般求对应于指定的循环基数下的中值疲劳强度。对于钢铁，循环基数为107，对于非铁金属，其循环基数为108。•提高疲劳强度的措施：结构设计应注意减轻零件应力集中；改善零件表面粗糙度；采用表面处理、化学处理等表面强化工艺来提高零件的疲劳强度。第一节金属材料的力学性能金属工艺学•三、高低温下金属材料的力学性能•（一）高温性能•随着温度的升高，弹性模量、屈服强度、硬度等值将下降，塑性将增加。•（二）低温性能•随着温度降低，多数材料会出现脆性增加的现象，严重时会产生脆断。第一节金属材料的力学性能金属工艺学•四、金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能•（一）金属材料的物理性能•1.密度•2.熔点•3.热膨胀性•线膨胀系数和体膨胀系数•4.导热性•一般金属材料的热导率约为（20-400）W/（m·k），具有良好的导热性。第一节金属材料的力学性能金属工艺学•四、金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能•（二）材料的化学性能•金属材料的化学性能主要指材料在室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。第一节金属材料的力学性能金属工艺学•四、金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能•（三）材料的工艺性能•（1）铸造性能•流动性、收缩性及偏析倾向。第一节金属材料的力学性能精密铸件灰铁铸件金属工艺学•四、金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能•（三）材料的工艺性能•（2）锻造性能•受外力锻打变形而不破坏自身完整性的能力。第一节金属材料的力学性能万吨级水压机模锻的飞机大梁、火箭捆挷环金属工艺学•四、金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能•（三）材料的工艺性能•（3）焊接性能•主要一定焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。第一节金属材料的力学性能“维克斯”3坦克原型车，其炮塔前半部分铸造而成，后半部分则为焊接结构金属工艺学•四、金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能•（三）材料的工艺性能•（4）切削加工性能•用切削刀具进行加工时所表现出来的性能。第一节金属材料的力学性能图常用切削方法金属工艺学•四、金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能•（三）材料的工艺性能•（5）热处理性能•通过热处理改变其组织和性能的能力。第一节金属材料的力学性能机床电主轴机床电主轴缝纫机零件汽车零件金属工艺学第二节铁碳合金•一、晶体结构及纯铁的同素异晶转变•（一）晶体结构•1.晶体、晶格、晶胞、晶格常数图晶体、晶格（空间点阵）及晶胞金属工艺学第二节铁碳合金•一、晶体结构及纯铁的同素异晶转变•（一）晶体结构•2.金属晶体结构•（1）体心立方晶格图体心立方晶胞示意图刚球模型;质点模型;晶胞中原子数示意图金属工艺学第二节铁碳合金•一、晶体结构及纯铁的同素异晶转变•（一）晶体结构•2.金属晶体结构•（1）体心立方晶格•体心立方晶格的特征•晶格常数：a＝b＝c•晶胞原子数:•致密度：21881n%68)43(34233aak金属工艺学第二节铁碳合金•一、晶体结构及纯铁的同素异晶转变•（一）晶体结构•2.金属晶体结构•（2）面心立方晶格图面心立方晶胞示意图刚球模型;质点模型;晶胞中原子数示意图金属工艺学第二节铁碳合金•一、晶体结构及纯铁的同素异晶转变•（一）晶体结构•2.金属晶体结构•（2）面心立方晶格•面心立方晶格的特征•晶格常数：a＝b＝c•晶胞原子数:•致密度：4621881n%74)42(34433aak金属工艺学第二节铁碳合金•一、晶体结构及纯铁的同素异晶转变•（一）晶体结构•2.金属晶体结构•（3）密排六方晶格图密排六方晶胞示意图刚球模型;质点模型;晶胞中原子数示意图金属工艺学第二节铁碳合金•一、晶体结构及纯铁的同素异晶转变•（一）晶体结构•2.金属晶体结构•（3）密排六方晶格•密排六方晶格的特征•晶格常数：a＝b,c/a＝1.633•晶胞原子数:•致密度：632211261n%74k金属工艺学第二节铁碳合金•一、晶体结构及纯铁的同素异晶转变•（二）金属的结晶•物质从液态到固态的转变称为凝固。•若凝固后的物质为晶体，则称为结晶。金属工艺学第二节铁碳合金•一、晶体结构及纯铁的同素异晶转变•（二）金属的结晶•1.纯金属结晶的条件金属工艺学第二节铁碳合金•一、晶体结构及纯铁的同素异晶转变•（二）金属的结晶•1.纯金属结晶的条件•结晶的必要条件是具有一定的过冷度，过冷度越大，结晶速度越快。•2.纯金属的结晶过程液态金属→形核→晶核长大→完全结晶图结晶过程金属工艺学第二节铁碳合金•一、晶体结构及纯铁的同素异晶转变•（二）金属的结晶•2.纯金属的结晶过程•晶粒越细小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。•细化晶粒的方法：增大过冷度、加入形核剂、振动或搅拌。金属工艺学第二节铁碳合金•一、晶体结构及纯铁的同素异晶转变•（三）纯铁的同素异晶转变金属工艺学第二节铁碳合金•二、铁碳合金的基本组织u1.铁素体（F或α）u碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体。u晶格结构：体心立方晶格u最大溶解度：0.0218%（727℃）室温时仅为0.0008%u性能：塑性、韧性好，而强度、硬度低。uA=30%~50%，Rm=100~240MPa,50~80HBS。图铁素体的晶体结构和组织金属工艺学第二节铁碳合金•二、铁碳合金的基本组织•2.奥氏体（A）•碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体（高温组织）•晶格结构：面心立方晶格•最大溶解度：2.11%（1148℃），727℃时为0.77%•性能组织：高塑性、无磁•奥氏体是一种高温组织，显微组织为多边形晶粒，晶粒内常可见到孪晶，生产中利用奥氏体塑性好的特点，常将钢加热到高温奥氏体状态进行塑性加工。奥氏体晶体结构和显微组织金属工艺学第二节铁碳合金•二、铁碳合金的基本组织•3.渗碳体•渗碳体是Fe与C所形成的金属化合物。它的碳质量分数Wc=6.69％，熔点为1227℃。•晶格结构：复杂正交•性能：硬而脆（耐磨性好）塑性几乎为零•渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件不同渗碳体有条状、网状、片状、粒状等形态，它们的大小、数量、分布对铁碳合金性能有很大影响。图渗碳体的晶体结构金属工艺学第二节铁碳合金•二、铁碳合金的基本组织•4.珠光体（P）•珠光体F与Fe3C所形成的机械混合物（平均含碳量：0.77%）•性能：较好的综合性能•A=20%~30%，Rm=770MPa,180HB。金属工艺学第二节铁碳合金•二、铁碳合金的基本组织•4.珠光体•组织：片状、球状、针状等。金属工艺学第二节铁碳合金•二、铁碳合金的基本组织•5.莱氏体（