绪论、第一单元

1、前言前言绪论绪论第一单元第一单元 金属材料的性能金属材料的性能第二单元第二单元 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶第三单元第三单元 二元合金的相结构与结晶二元合金的相结构与结晶第四单元第四单元 铁碳合金铁碳合金第五单元第五单元 钢的热处理钢的热处理 第六单元第六单元 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶 第七单元第七单元 低合金钢与合金钢低合金钢与合金钢 第八单元第八单元 铸铁铸铁 第九单元第九单元 非铁金属及合金非铁金属及合金 本书主要讲授常用金属材料的分类、成分、结构与结晶、热处理、力学性能以及应用等方面的基本知识，全书以金属材料的性能及改性为核心，以金属材料的性能与成分、组

2、织结构、加工工艺（热处理）之间的关系为主线，重点培养学生合理选用金属材料、正确使用金属材料的能力，以充分发挥金属材料潜力，提高零（构）件的质量，延长产品寿命。返回材料发展的历史变迁一、金属材料的分类及其在现代工业中的地位金属材料分类：非铁金属（或有色金属） 钢铁（或黑色金属）内 因化学成分外 因性 能内部组织结构热处理和塑性变形 金属材料的性能与与成分、组织结构、加工工艺之间的关系 二、金属材料的性能与化学成分、组织结构、热处理之间的关系三、金属材料的发展及材料科学的形成 金属是人类较早开发利用的材料商周时代中国进入青铜器发展的鼎盛时期春秋时期，我国已总结出了青铜冶铸规律：周礼.考工记“金有六

3、齐”的叙述是世界上最早的有关金属材料的成分、性能和用途之间关系的总结。司母戊大方鼎越王勾践青铜剑 公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，淬火工艺得到迅速发展。 明清时期，中国古代工匠采用了许多热处理技术。明代宋应星的天工开物对采用预冷淬火技术制锉的记载：“以已健划成纵斜文理，划时斜向入，则方成焰。划后烧红，退微冷，入水健。”其中“退微冷”，就是预冷淬火工艺。 新中国成立后，我国金属材料及热处理取得了快速发展。 进入21世纪后，金属材料及热处理的科研、生产进入新的发展时期 。 四、课程的性质、任务、特点和学习方法 1、金属材料及热处理是高等职业院校机械类专业重要的技术基础课。 2、本课程的任务是以金

4、属材料的性能为核心，以培养学生的能力为目标，以金属材料及热处理技术的应用为出发点，介绍金属材料的性能与成分、组织结构、加工工艺之间的关系，介绍常用金属材料及应用等基本知识。 3、本课程既有一定的理论性，又有较强的应用性，各种概念、名词术语众多。 4、在理论学习外，要注意密切联系生产和生活实际，运用如杂志、互联网等各种学习方式，广泛涉猎，勤动手，认真做好各项实验，认真完成各项作业 。返回综合知识模块一 金属的物理性能与化学性能 综合知识模块二 金属的力学性能综合知识模块三 金属的工艺性能 能力知识点1 金属的物理性能金属的物理性能：金属的物理性能：表示的是金属固有的一些属性，如密度、熔点、热膨胀

5、性、磁性、导电性与导热性等。能力知识点2 金属的化学性能金属的化学性能：金属的化学性能：是指金属在室温或高温时抵抗各种化学介质作用所表现出来的性能，包括耐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。能力知识点能力知识点1 1 金属的物理性能金属的物理性能密度熔点热膨胀性磁性导热性导电性返回一、密度一、密度 定义：定义： 单位体积材料的质量称为材料的密度。 对于运动构件，材料的密度越小，消耗的能量越少，效率越高。 一般将密度小于4.5103kg/m3的金属称为轻金属，密度大于4.5103kg/m3的金属称为重金属。返回二、二、熔点熔点 定义：定义： 熔点是指材料的熔化温度。金属都有固定的熔点。熔化金属返回三、

6、三、热膨胀性热膨胀性 定义：定义： 材料在加热时单位长度的材料在温度升高一度时的伸长量。 对于特别精密的仪器要考虑选择热膨胀系数低的材料。 在材料的加工过程中更要考虑材料的热膨胀现象，如果表面和内部热膨胀不一致，就会产生内应力，当这种内应力超过材料的屈服强度时，材料就会发生塑性变形，当内应力超过了材料的抗拉强度时，材料就会发生破坏。返回不同材料的磁滞回线磁滞回线铁磁性材料：铁磁性材料：在外加磁场中，能强烈被磁化的金属材料，如铁、钴、镍等。顺磁性材料：顺磁性材料：在外加磁场中呈现十分微弱的磁性的金属材料，如锰、铬、钼等。抗磁性材料：抗磁性材料：能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的金属材料，如铜、金、

7、银、铅、锌等。四、磁性 定义：定义： 金属在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能称为磁性。软磁性材料硬磁性材料半硬磁性材料返回在寒冷的冬季，用手去摸铁和木头，感觉一样吗？想想 一一 想想想想 一一 想想五、五、导热性导热性 材料的导热性用热导率表示。材料的的热导率越大，说明导热性越好。一般来说，金属越纯，其导热能力越强，金属的导热能力以银为最好，铜、铝次之。 金属与合金的热导率远高于非金属材料。导热性是金属材料的重要性能之一。导热性好的材料其散热性也好，可用来制造热交换器等传热设备的零部件。在制定各类热加工工艺时，也必须考虑材料的导热性，以防止材料在加热或冷却过程中，由于表面和内部产生温差，膨胀不

8、同形成过大的内应力，引起材料变形或开裂。返回六、导电性六、导电性 材料的导电性一般用电阻率表示。通常金属的电阻率随温度升高而增加，而非金属材料则与此相反。 返回 高分子材料一般都是绝缘体，但有的高分子复合材料也有良好的导电性。陶瓷材料虽然也是良好的绝缘体，但某些特殊成分的陶瓷却是有一定导电性的半导体。耐蚀性抗氧化性化学稳定性一、耐蚀性一、耐蚀性 定义：定义： 金属在常温下抵抗氧、水及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力称为耐蚀性。金属的耐蚀性是一个重要的性能指标，尤其对在腐蚀介质（如酸、碱、盐、有毒气体等）中工作的零件，其腐蚀现象比在空气中更为严重。 在选择材料制造零件时，应特别注意金属的耐蚀性，要

9、选用耐蚀性良好的金属或合金制造。 二、抗氧化性二、抗氧化性 定义：定义： 金属在加热时抵抗氧化作用的能力称为抗氧化性。 随温度升高，金属的抗氧化性降低，例如钢材在铸造、锻造、焊接、热处理等热加工作业时，氧化比较严重。三、化学稳定性三、化学稳定性 定义：定义： 化学稳定性是金属的耐蚀性与抗氧化性的总称。 金属在高温下的化学稳定性称为热稳定性。在高温下工作的设备（如锅炉、加热设备、汽轮机、喷气发动机等）部件，需要选择热稳定性好的耐热钢等材料制造。能力知识点1 强度、刚度及弹性能力知识点2 塑性能力知识点3 硬度能力知识点4 韧度能力知识点5 疲劳一、拉伸曲线与应力应变曲线一、拉伸曲线与应力应变曲线

10、拉伸试样 万能试验机 1.拉伸曲线 退火低碳钢的拉伸曲线 0SF式中 F试样所承受的载荷(N)； S0试样的原始横截面积(2)。 应力：应力：试样单位面积上承受的载荷， 即：应变：应变：试样单位长度的伸长量，即：0lL式中 L试样标距长度的伸长量； L0试样的原始标距长度。退火低碳钢的应力-应变曲线2.应力-应变曲线 二、刚度和弹性二、刚度和弹性 1.1.弹性模量弹性模量 定义定义: : 材料在弹性范围内，应力与应变的比值称为弹性模量，即： EE标志着材料抵抗弹性变形的能力。金属的E值随温度的升高而逐渐降低。2.2.弹性极限弹性极限 定义定义: : 材料在不产生塑性变形时所能承受的最大应力值称

11、为弹性极限,即： 0SFee式中 Fe试样在不产生塑性变形时所承受的最大应力值； S0试样的原始标横截面积。三、强度三、强度 定义: 强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。1.1.屈服强度屈服强度屈服强度是指拉伸试验过程中，力不增加试样仍然能继续伸长时的应力，用s表示： 式中 Fs试样发生屈服时的载荷，即屈服载荷（N）； S0试样的原始横截面积（mm2）。0SFSs屈服点的定义 脆性材料的屈服脆性材料的屈服：试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到试样标 距长度的0.2%时的应力，用符号 0.2表示。 02 . 02 . 0SF 应用：应用：s和0.2常作为零件选材和设计

12、的依据。式中 F0.2试样标距发生0.2%残余伸长时的载荷（N）； S0试样的原始横截面积（mm2）。规定残余伸长强度 2.2.抗拉强度抗拉强度: :抗拉强度是指材料在断裂前所承受的最大应力,又称强度极限,用b表示，即 式中 Fb试样拉断前承受的最大载荷（N）； S0试样的原始横截面积（mm2）。 脆性材料抗拉强度就是材料的断裂强度。 0SFbb应用：应用：抗拉强度是零件设计的重要依据，同时也是评定金属材料强度的重要指标之一。抗拉强度的定义 金属材料在静载荷作用下产生永久变形而不致引起破坏的性能。在载荷消失后，留下来的这部分不可恢复份额变形，叫做塑性变形。 （一） 定义（二）衡量指标伸长率：试

13、样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。断面收缩率：试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。伸长率（ ）%100001LLL式中 L1试样拉断后标距的长度(mm)； L0试样的原始标距(mm)。断面收缩率（）%100010SSS式中 S1试样拉断后断裂处的最小横截面积； S0试样的原始横截面积（mm2）。超塑状态通常情况下金属的伸长率不超过90% ，而有些金属及其合金在某些特定的条件下，最大伸长率可高达1000%2000% ，个别的可达6000% ，这种现象称为超塑性。由于超塑状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，在压力加工、热处理、焊接、铸造、甚至切

14、削加工等很多领域被中应用。 1、定义：硬度就是材料的软硬程度，指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。 2、压痕硬度：是指在规定的静态试验力下将压头压入材料表面，用压痕深度或压痕表面面积来评定的硬度。布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度都属于压痕硬度。 布氏硬度 HB 3、硬度分类 洛氏硬度 HR 维氏硬度 HV 能力知识点3 硬度 铝钢压痕硬度原理图 布氏硬度试验是指用一定直径的球体（钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验。PDd布氏硬度原理图布氏硬度试验原理图 原理原理原理原理原理原理 表示方法表示方法

15、表示方法表示方法表示方法表示方法 压头选择压头选择压头选择压头选择压头选择压头选择 优缺点优缺点优缺点优缺点优缺点优缺点1. 原理原理布氏硬度布氏硬度= F S凹凹=2FDD-（D-d ） 2.2.表示方法表示方法 硬度值+硬度符号+试验条件 使用钢球 压头时布氏硬度值用符号HBSHBS表示；使用硬度合金压头时用符号HBWHBW表示。 如：210HBW10/1000/30 表示用10mm直径的硬质合金球压头，在1000kgf作用下，保持时间为30s，测得的布氏硬度值为210。（持续时间1015s时，可以不标注。） 测量比较软的材料。测量比较软的材料。测量范围测量范围 HBS450HBS450、

16、HBW650HBW650的金属材料。的金属材料。4. 优缺点优缺点3. 应用应用 压痕大，测量准确，压痕大，测量准确，但不能测量成品件。但不能测量成品件。 原理原理原理原理原理原理 试验条件和应用试验条件和应用试验条件和应用试验条件和应用试验条件和应用试验条件和应用 优缺点优缺点优缺点优缺点优缺点优缺点1. 原理原理 加初载荷加初载荷加主载荷加主载荷卸除主载荷卸除主载荷读硬度值读硬度值2. 应用范围应用范围返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页常用洛氏硬度标度的试验范围常用洛氏硬度标度的试验范围标尺硬度符号所用压头总载荷N（kgf)测量范围HR应用范围AHRA金刚石圆锥588.4(60

17、)2088碳化物、硬质合金、淬火工具钢BHRB1.588mm钢球980.7(100) 20100 软钢、铜合金、铝合金、可锻铸铁CHRC金刚石圆锥1471(150)2070淬火钢、调质钢、深层表面硬化钢优点：操作简便、迅速，效率优点：操作简便、迅速，效率 高，可直接测量成品件高，可直接测量成品件 及高硬度及高硬度 的材料。的材料。3. 优缺点优缺点缺点：压痕小，测量不准确，缺点：压痕小，测量不准确， 需多次测量。需多次测量。2.冲击试样能力知识点4 韧性 1.定义 金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。一、冲击试验方法与原理一、冲击试验方法与原理 计算公式 3.试验原理：试样被冲断过程中吸收

18、的能量即冲击吸收功（A k ）等于摆锤冲击试样前后的势能差。试验过程冲击韧度（a k）：冲击吸收功除以试样缺口处截面积。二、低温脆性二、低温脆性 图1-13 冲击吸收功-温度曲线示意图 三、冲击试验的用途三、冲击试验的用途 1.评定材料的低温脆性情况，可以测定材料的韧脆转变温度。 2.评定材料的冶金质量和热加工产品质量。通过测定AK和对试样断口分析，能揭示材料的内部缺陷，如气泡、夹渣、偏析等冶金缺陷和过热、过烧、回火脆性等热加工缺陷。这些缺陷使材料的冲击吸收功明显下降，因此，目前用冲击试验来检验冶炼、热处理及各种热加工工艺和产品的质量。 一、疲劳现象一、疲劳现象 1.定义定义 疲劳断裂是指在循

19、环循环载荷的作用下，零件（或构件）经过较长时间工作或多次应力循环后所发生的突然断裂现象。 交变应力与重复应力示意图2.循环应力 1）疲劳断裂是一种低应力脆断，断裂应力低于材料的屈服强度，甚至低于材料的弹性极限；2）断裂前，零件没有明显的塑性变形，即使伸长率和断面收缩率很高的塑性材料也是如此；3 ）疲劳断裂对材料的表面和内部缺陷非常敏感，疲劳裂纹常在表面缺口（如螺纹、刀痕、油孔等）、脱碳层）夹渣物、碳化物及孔洞等处形成；4 ）实验数据分散性较大（手册上的数据是统计数据）。3.疲劳断裂的特点4.疲劳断口 疲劳断口示意图 疲劳源多位于零件的表面，疲劳裂纹扩展区具有海滩状条纹，称为贝纹线。瞬时断裂区形

20、貌与材料的塑性有关，塑性材料呈纤维状，脆性材料则呈结晶状。1 疲劳源 2 疲劳裂纹扩展区 3 瞬时断裂区二、疲劳强度 疲劳曲线示意图 1 一般钢铁材料 2 有色金属、高强度钢等三、提高疲劳强度的途径1.合理的选择材料。2.零件设计时形状、尺寸合理。尽量避免尖角、缺口和截面突变。3.降低零件表面粗糙度，提高表面加工质量。4.采用各种表面强化处理。表面强化提高疲劳强度示意图 四、其他疲劳形式1.低周疲劳1）定义 零件（或构件）在循环载荷作用下，产生疲劳破坏时应力（或应变）的循环次数称为疲劳寿命。应力（或应变）的循环次数小于次105次产生的疲劳破坏，称为低周疲劳。2）特点 提高低周疲劳寿命，在满足强

21、度要求的情况下，提高材料的塑性。表面强化对提高低周疲劳寿命并不明显。 一种预应力链环钩 根据链环钩的受力特点，进行结构优化设计，使链环钩与提升机料斗装配后在其内侧产生预应力，能抵消工作时所产生的部分拉应力，不但能满足使用要求，大大延长疲劳寿命，而且基本不增加成本。（专利号：CN94247937.8）2.热疲劳 1）定义 零件工作时温度循环变化而产生热应力循环变化，造成的疲劳破坏称为热疲劳。 2）提高热疲劳的途径：提高材料的塑韧性和高温强度；降低材料的线膨胀系数；提高材料的导热性；尽量避免零件工作时的应力集中等。3.冲击疲劳1）定义 冲击疲劳是指小能量多次冲击（一般大于105次）导致的断裂。2）提高热疲劳的途径：冲击能量低时，提高材料的强度，可使冲击疲劳抗力明显提高；冲击能量较大时，冲击疲劳抗力主要决定与材料的塑性和韧性。 某锻锤锤杆用40Cr钢淬火+高温回火，使用中常发生早期