金属材料成形基础 第一篇

金属材料成形基础主讲徐晓峰第一章工程材料的性质第一节材料的种类与主要性能§1-1材料的种类

材料是工业和科学技术的物质基础，是人类社会赖以生存和发展的重要条件，是衡量一个国家经济实力与技术水平的重要标志，它与信息、能源并列为现代化技术的三大支柱，而能源和信息的发展又依托于材料材料。因此世界各国都把对材料的研究开发放在突出的地位。工程材料金属材料高分子材料无机非金属材料复合材料功能材料钢铁合金有色合金纤维：天然纤维、合成纤维橡胶：通用橡胶、特殊橡胶塑料：通用塑料、工程塑料、特种塑料水泥玻璃耐火材料陶瓷：普通陶瓷、特殊陶瓷树脂基金属基陶瓷基：力学功能材料、物理功能材料、化学功能材料、生物功能材料、智能功能材料等钢：碳钢、合金钢、特殊性能钢铸铁：白口铸铁、灰口铸铁等铜及其合金铝及其合金其它：轴承合金、钛合金、镁合金等

2.工艺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——加工成形的性能§1-2材料的主要性能力学性能——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FFF=F’

（MPa）外力——内力——应力F’F静载荷动载荷σ=F’

/S一、材料的力学性能（1）弹性变形：

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。1.两种基本变形

（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）腐蚀塑性变形断裂拉伸实验kbb—极限载荷点（二）材料的力学性能Fee—弹性极限点sS—屈服点K—断裂点拉伸曲线FFL应力—应变曲线缩颈o1．强度：当材料单位面积上所受的应力σ<σe

时，只产生弹性变形。当σ>σe时，材料将产生塑性变形。材料在外力作用下，抵抗变形和断裂的能力。（1）弹性极限强度（σe）与弹性模量E指材料在弹性变形阶段的最大应力。σe=Fe/S0（MPa）它表征了材料抵抗塑性变形的能力。在弹性变形阶段：所以：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。E—表征了材料在外力作用下产生弹性变形的难易程度，在工程上称为材料的刚度。（2）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。E—材料抵抗弹性变形的能力越大。kbFes100%0.2%b

σb=Fb/S0（MPa）（3）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。

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。条件屈服强度:σ0.2=F0.2/S0（MPa）屈服强度—是塑性材料选材和评定的主要依据。2.塑性常用δ

和ψ作为衡量塑性的指标。伸长率：材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。断面收缩率:FFL良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。(2)洛氏硬度（HRC）1：103．硬度是材料抵抗局部变形的能力。是衡量材料软硬程度的指标。(1)布氏硬度（HB）：

特别是指材料抵抗塑性变形压痕、划痕的能力。是材料塑性与弹性的综合反映4．冲击韧性

AK=G（H1–H2）（J）ak

=

AK/S（J/m2）

低碳钢：σb≈3.6HB高碳钢：σb≈3.4HB调质合金钢：σb≈3.25HB材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。

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。5．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。—循环基数钢：

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。有色金属：6．断裂韧性(K1C)材料抵抗裂纹失稳扩张能力的性能指标。

由于金属材料内部不可避免的存在着各种宏观缺陷，这些缺陷在材料中的作用相当于裂纹。当材料受外力作用时，这些裂纹的尖端附近便出现应力集中，应力不断增大，裂纹自动扩张，直到最终断裂。在外力作用下，裂纹扩展的难易程度用断裂韧性表示。断裂韧性是材料本身的一种力学性能指标，主要取决于材料本身的成分、组织和结构。力学性能bs强度塑性刚度硬度韧性疲劳强度断裂韧性（三）力学性能与失效形式的关系失效形式断裂塑性变形过量弹变磨损（三）材料的工艺性能：加工性能二、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。§2-1

金属的晶体结构

第二节金属及合金的结构与结晶原子作无序排列；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—组成晶格最基本的单元晶体：非晶体：原子作有序排列；有固定的熔点；各向异性。一、金属的理想晶体结构Cr、Mo、W、V、-FeCu、Ni、Ag、AuMg、Be、Zn、-Ti、-Cr金属的典型晶体结构体心立方晶格：面心立方晶格：密排六方晶格：二、金属的实际晶体结构1．点缺陷—空位和间隙原子空位：是指未被原子占据的晶格节点。间隙原子：是指位于原子间隙中的原子。2．线缺陷—位错位错：是指在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。3．面缺陷—晶界晶界：是指在位向不同、相邻晶粒之间的过渡层。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。合金的晶体结构固溶体金属化合物三、合金的晶体结构1、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固溶体固溶体的性能特点：具有良好的塑性和韧性，强度、硬度较低。F：σb=250MPaδ=45~50%HB=80置换固溶体间隙固溶体溶质原子溶剂原子溶质原子溶剂原子2、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%一、金属的结晶过程1．金属结晶的过冷现象温度℃时间T0TnΔT§2-1金属的结晶与同素异晶转变冷却曲线过冷度2．金属的结晶过程结晶形核长大过冷度=理论结晶温度-实际结晶温度自发形核非自发形核晶粒晶界

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。L1538℃1394℃912℃

一种金属能以几种晶格类型存在的性质—称为同素异晶性。Fe、Sn、Ti、Mn温度℃时间1538℃1394℃912℃体心面心体心Fe二、金属的同素异晶转变

铁素体—碳（C）溶入α-Fe中所形成的固溶体。727℃0.02%C

第三节铁碳合金一、铁素体（F）

力学性能：σb=250MPaδ=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。

1148℃2.11%C、727℃0.77%℃力学性能：σb=250~350MPaδ=40~45%HB=160~200§3-1

铁碳合金的基本组织四、珠光体（P）力学性能：σb=750MPaδ=25%HB=180-200五、莱氏体（Le）力学性能：σb=30MPaδ=0HB=700

珠光体—是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。

727℃0.77%℃莱氏体—是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。1148℃4.3%C

三、渗碳体（Fe3C）渗碳体—是金属化合物。

6.67%C

力学性能：σb=30MPaδ=0HB=800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。

机械混合物既可以是纯金属、固溶体或金属化合物各自的混合物，也可以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=750MPaδ=25%HB=180-200F：σb

=250MPaδ=45~50%HB=80Fe3C：HB=800；σb

=30MPa；δ≈0%相图——表示合金系的成分、温度、组织、状态之间关系的图表。

§3-2

铁碳合金相图一、什么是相图（状态图）温度℃时间1538℃1394℃912℃体心面心体心

二、相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。

AESPQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃727℃PLAF三、铁碳合金相图温度℃912℃CFe3C6.69FA—纯铁的熔点。D—Fe3C的熔点。

1.相图上点的意义E—C在γ-Fe中的最大溶解度点。1148℃2.11%C钢和铁的分界点。LeC—共晶点，1148℃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。

共晶反应的产物——共晶体——机械混合物

L（4.3%C）A（2.11%C）+Fe3C（6.69%C）1148℃Le

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

A（0.77%C）F（0.02%C）+Fe3C（6.69%C）727℃P2.相图上线的意义AESPQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃Le727℃PLAF温度℃912℃CFe3C6.69FAECF线—固相线

ACD线—液相线AE—A析出终了线ECF—共晶线

1148℃AC—析出ACD—析出Fe3CAL+Fe3CL+Fe3CⅡF+AA+A+LeLe+

Fe3CES线—C在γ-Fe中的溶解度曲线。析出二次Fe3CⅡ（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+Fe3CGS线—溶解度曲线A—FGP线—F析出终了线。PSK线—共析线727℃PQ线—碳在α-Fe中的溶解度曲线。ESQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃727℃PLAF温度℃912℃CFe3C6.69APLeFAL+Fe3CⅠL+Fe3CⅡF+A①②③④⑤⑥1111112222223333334441L1L1L1L1L1LAAAAA+L+L+L+L+A+A+LeP+FPF+PP+Fe3CP+Fe3CP+Fe3C+Le’A+Le+4233332222AAAFFe3CLeLe’Le’L+Fe3CFe3CFe3C+Fe3C+Le’P+Fe3C+Le’2LeFe3C+Le’Fe3C+Le231LAAL+P1LAAL+A+P+F432F41LL+A+P+Fe3C23AAFe3C1L2LeLe’1LA+L+LeP+Fe3C+Le’A+Le+32AFe3C31L2L+Fe3CFe3C+Fe3C+Le’Le1．钢2．生铁

共析钢:亚共析钢:过共析钢:

共晶生铁:亚共晶生铁:过共晶生铁:四、铁碳合金的结晶过程及组织转变工业纯铁共析钢亚共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁

五．含碳量对铁碳合金组织和性能的影响FF+PPP+Fe3CP+Fe3C+Le’Le’Le’+Fe3CC%00.772.114.36.690.02FPLe’Fe3CⅠFe3CⅡ0.9~1.0HBC%HB

1．选择材料2．确定各种工艺参数六．相图的作用§4-1

钢的分类和应用1．按化学成分分类一、钢的分类（1）低合金钢Me<5%（2）中合金钢Me=5-10%（3）高合金钢Me>10%1）碳素钢2）合金钢（1）低碳钢C<0.25%（2）中碳钢C=0.25-0.6%（3）高碳钢C>0.6%第四节常用金属材料2.按质量分类

P、S<0.035%1）普通钢2）优质钢:3）高级优质钢S：使合金产生热裂、热脆缺陷P：使合金产生冷裂、冷脆缺陷P<0.045%S<0.050%P<0.030%S<0.020%4）特级优质钢P<0.025%S<0.015%（1）平炉钢（2）转炉钢（3）电炉钢3．按用途分弹簧钢、轴承钢、耐热钢、耐蚀钢等。1）结构钢2）工具钢

3）特殊性能钢:（1）工程结构钢（2）机械制造用钢（1）碳素工具钢（2）合金工具钢4．按冶炼方法二、钢的牌号及应用

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。

1．结构钢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）

Q195屈σs1）（普通）碳素结构钢见43页表4-12）优质碳素结构钢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。

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%）见43页表4-2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、Q4603）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、38CrMoAl①低合金高强度结构钢

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。常用牌号有GCr9、GCr15等，含碳在0.95%-1.1%，合金元素主要是铬。

含0.90-1.25%C、1.4-1.65%Cr。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、50CrVA②机械结构用合金钢③滚动轴承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。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。常用牌号有T7、T8、T8Mn、T9、T10A、T11、T12A、T13等。2）合金工具钢见44页表4-3①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。④塑料模具钢③合金量具钢

在生产中常用的量具有钢板尺、游标卡尺、卡规、千分尺、塞规、块规等。T10A、T12A、CrWMn、GCr15②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。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。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，