第一篇金属材料导论

材料成型技术

（金属工艺学）延边大学工学院机械系机械基础教研室任靖日2009年2月24日2/3/2023◆内容提要：

上册有四篇:金属材料导论、铸造、压力加工、焊接-热加工

下册有一篇:金属切削加工–冷加工。教材：《金属工艺学》上、下册（第5版）邓文英主编，高等教育出版社。参考书：《材料科学基础》赵品主编哈工大出版社1999年。

《金属学原理》刘国勋主编工业冶金出版社1980年

《材料科学基础》潘金生等清华大学出版社2000年◆学时分配及考核一、各章节要点及授课时数：总学时：48，学分：3绪论：本课程的性质、目的和任务以及基本要求。（1学时）第一篇金属材料导轮（5学时）1）金属材料的主要性能；2）铁碳合金；3）钢的热处理2/3/2023第二篇铸造（10学时）1）铸造工艺基础；2）常用合金铸件的生产；3）砂型铸造第三篇金属压力加工（8学时）1）金属的塑性变形2）锻造3）板料冲压。第四篇焊接（6学时）1）电弧焊2）其他常用焊接方法3）常用材料焊接4）焊接结构设计第五篇金属切削加工（18学时）1）金属切削的基础知识2）切削机床的基础知识3）常用加工方法综述。二、考核方法平时有计划地安排课堂提问，课程中间进行一次测验。课程结束后进行全面的复习和考试。

三、本课程成绩评定：

期末考试成绩占70%,平时成绩占30%（作业、测验以及考勤等）。考试方式：笔试闭卷。

2/3/2023◆绪论：二、金属工艺学是机械类各专业必修的技术基础课：从事机械类各专业，不仅掌握好基本知识，而且要通过技能训练培养实际生产能力。

三、金属工艺学是实践性很强的技术基础课：它有利于进行技能训练，有利于培养具有更高的实际能力和开拓精神。一、金属工艺学是一门传授有关制造金属零件加工方法的综合性技术基础课：它主要传授各种工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互关系；金属零件的加工工艺过程和结构公益性；常用金属材料性能对加工工艺的影响；工艺方法的综合比较。四、课程目的和任务以及基本要求:1、目的和任务

使学生了解常用金属材料及其加工工艺的基础知识。为学习其它有关课程，并为以后从事机械设计和制造方面的工作，奠定必要的金属工艺基础。

2/3/2023

2、基本要求本科程的基本要求应是：

1）了解常用金属材料的一般性质和应用范围。

2）掌握各种主要加工方法的基础工艺知识，所用设备和工具的工作原理和大致结构。

3）具有选择机器零件的材料，毛坯和加工方法的初步能力.4）了解零件结构工艺性的基本知识。

5）本课程实践性很强，要把课堂教学与现场教学有机地结合起来。2/3/2023第一篇金属材料导论1、金属材料的主要性能2、铁碳合金3、钢的热处理2/3/2023零件的生产工艺过程选材选毛坯应根据零件的性能要求、受载情况、服役条件、工作环境等选择零件的生产工艺过程。步骤如下：选材：由于金属材料种类繁多，性能不一，而且材料的发展日新月异，而零件的性能要求、服役条件各不相同，材料的资源、价格不同，所以应综合考虑多方面的因素。毛坯选择轴有液态成形毛坯塑性成形毛坯连接成形毛坯粉末冶金成形型材等毛坯2/3/2023机械加工方法传统的有现代的有车削、刨削、铣削拉削、镗削、磨削等。数控加工、电火花加工、激光加工等特种加工方法。可见，一个具体零件的加工可用多种不同的加工方法，而每一种加工方法所能达到的加工精度、加工质量、加工范围、加工效率是不同的。∴选择时应考虑具体要求。最终热处理：使材料的性能达到要求。选材选毛坯预先热处理机械加工最终热处理检验

预先热处理：为使切削加工能顺利进行，可通过预先热处理调整硬度，为切削加工做好组织准备。

2/3/2023材料技术、信息技术以及能源称为现代技术的三大支柱。可知，材料技术在现代化建设中占很重要的地位。

复合材料工程材料金属材料陶瓷材料高分子材料第一篇金属材料导论◆金属材料是现代制造机械中最主要材料：占80%-90%。2/3/2023◆金属材料：具有制造机器所需要的物理、化学和力学性能；并且可用较简便的工艺方法加工成适用的机械零件，亦即具有所需的工艺性能。所以在现代制造机械中获得广泛应用。◆机械制造中所用的金属材料：

以合金为主，很少适用纯金属，原因是合金比纯金属更好的力学性能和工艺性能，且价格低廉。

合金：是一种金属为基础，加入其它金属或非金属，经过熔炼或烧结制成的具有金属特性的材料。最常用合金是以铁为基础的铁碳合金-碳素钢、合金钢、灰铸铁等；还有黄铜、青铜等。◆要求：用来制造机械设备的金属材料，应具有优良的力学性能和工艺性能、较好的化学稳定性和所需的物理性能。◆本篇主要介绍金属材料的基础知识，为学习本课程中铸造、压力加工和焊接等热加工工艺奠定必要的基础。2/3/2023一、强度与塑性

是通过拉伸试验侧出来的。可得：应力-应变曲线。第一章金属材料的主要性能主要内容：1.强度指标；2.塑性指标；3.硬度；4.冲击韧性；5.疲劳强度。

重点：金属主要力学性能指标强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度的概念。难点：疲劳强度。第一节金属材料的力学性能

力学性能（机械性能）：金属材料在力的作用下，所表现出来的性能。对金属材料的使用性能和工艺性能有非常重要影响。

主要力学性能有：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。2/3/2023①屈服强度：指拉伸试样产生屈服现象时的应力—

②抗拉强度：指金属材料在拉断前所能承受的最大应力—伸长率：δ=(l1－l0)/l0×100%

或断面收缩率:ψ=(A0－A1)/A0×100%。

◆δ和ψ值↑，材料的塑性越好-轧制、锻造、冲压等性能好。

1、强度：金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形的能力。常用屈服强度和抗拉强度来判断。

2、塑性：指金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力，通常以伸长率来表示。2/3/2023二、硬度：金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕的能力，称为硬度。

◆硬度是衡量金属软硬的判据。硬度是直接影响到材料的耐磨性及切削加工性。◆硬度计上测量方法不同：

布氏硬度（HB):淬火钢球或硬质合金球为压头。-测直径。

洛氏硬度（HR):顶角为120金刚石圆锥体为压头。-测深度。2/3/2023

三、韧性：金属材料断裂前吸收的变形能量称为韧性。常用指标为冲击韧度。

四、疲劳强度：金属材料在无数次循环载荷作用下不致引起断裂的最大应力。2/3/2023一、物理性能：金属材料的物理性能主要有密度、熔点、热膨胀系数、导热性、导电性和磁性等。-对加工工艺也有一定的影响。第二节金属材料的物理、化学及工艺性能二、化学性能：金属材料的化学性能主要是指在常温或高温时，抵抗各种介质侵蚀的能力，入耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。

三、工艺性能：工艺性能实质金属材料物理、化学性能和力学性能在加工过程中的综合反映，是指是否易于进行冷、热加工的性能。

所以在设计零件和选择工艺方法时，都要考虑金属材料的工艺性能。2/3/2023第二章铁碳合金钢和铸铁是以铁、碳为主组成的合金（铁碳合金）。其中铁的含量大于95%，是最基本的组元。－是制造机器设备的主要的金属材料。主要内容：1.纯金属的结晶过程；2.同素异晶转变；3.铁碳合金状态图。重点：铁碳合金状态图。难点：铁碳合金的凝固过程分析。第一节纯铁的晶体结构及其同素异晶转变基本概念：凝固：一般非晶体由液态向固态转变的过程。结晶：由液态金属转变为固态晶体的过程。◆固态物质按其原子（或分子）聚集状态分：晶体和非晶体晶体：在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列。◆晶体的特点：1）原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列；2/3/2023非晶体:非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）◆非晶体的特点：1）原子在三维空间呈不规则的排列；2）没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青等。3）各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。2）具有一定的熔点，如铁的熔点为1538℃，铜的熔点为1083℃；3）晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有各向异性；4）在一定条件下有规则的几何外形。◆晶体不同方向上性能不同的性质叫做晶体的各向异性。2/3/2023一、金属的结晶金属在固态下一般都是晶体，即原子在空间呈规律性排列；而在液态下，排列并不规则。

◆晶体中的原子排列：晶体中原子排列：晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式称为晶体结构。

晶格：通过金属原子(离子)的中心划出许多空间直线，这些直线将形成空间格架。

因此，金属的结晶就是金属液体转变为晶体的过程，亦即金属原子由无序到有序的排列的过程。晶胞：能反映该晶格特征的最小组成单元。2/3/2023◆纯金属的结晶是在一定的温度下进行的，它的结晶过程可用冷却曲线（温度-时间）来表示。

冷却曲线是用热分析法测定出来的。a-b线段：结晶时放出的结晶潜热使温度不再下降保持水平。

纯金属的冷却曲线（理想）纯金属的冷却曲线（实际）◆过冷度(T0-T1)：是结晶的必要条件。

合金的冷却曲线-动画(区别)2/3/2023◆金属的结晶过程：原子团

形核

晶核长大

小晶粒

外形不规则的小晶体-动画演示。

形核：自身晶核、外来晶核晶核长大方式：树枝状方式。

单晶体—结晶方位完全一致的晶体

多晶体—由多晶粒组成的晶体结构◆液态金属的结晶过程：是遵循“晶核不断形成和长大”这个结晶规律进行的。形成晶体并长大。◆可知，固态金属通常是由多晶体构成的，每个长成的晶体称晶粒，晶粒之间的接触面称晶界。

◆金属晶粒粗细对其力学性能影响很大。一般，同一成分金属，晶粒愈细，其强度、硬度愈高，塑性和韧性愈好。2/3/2023由体心→面心，成为-Fe。由面心→体心，成为-Fe。二、纯铁的晶体结构晶体中的原子排列具有周期性规律，因此，可从晶格中取出一个最基本的几何单元，这个单元称作晶胞。–可反映晶格特征◆细化晶粒的方法：

1）增加冷却速度，增大过冷度；–动画演示

2）增加外来晶核；

3）机械、超声波振动、电磁搅拌。◆纯铁晶格的晶胞分：体心立方晶胞-原子在体心面心立方晶胞-原子在面心，可转换2/3/2023三、纯铁的同素异晶转变◆金属的同素异晶转变的慨念：

金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象◆金属的同素异晶转变的意义：可以用热处理的方法得到。即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性能的目的。

◆同素异晶转变过程：是在固态下原子重新排列的过程。这时，金属体积变化。动画演示2/3/2023第二节铁碳合金的基本组织合金的结构——概念合金：由两种或两种以上的元素通过熔炼后所获得的新的物质仍然具有金属特性。组元：组成合金的基本元素。相：凡是成分相同、结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。例如：单一的液；单一的固相；液相、固相两相共存。

◆铁碳合金组织随其成分、温度和冷却速度变化而变化。按照铁和碳相互作用形式不同，铁碳合金的组织可分为：1、固溶体

2、金属化合物

3、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，称作固溶体。在铁碳合金中,铁是溶剂，碳是溶质。2/3/2023

1.铁素体：F-纯铁为912℃开始

碳溶解于α-Fe中形成的固溶体，呈体心立方晶格。显微镜下为明亮的多变形晶粒。

2.奥氏体：A-纯铁为1394℃开始

碳溶入γ-Fe中形成的固溶体，呈面心立方晶格。显微镜下也呈多变形晶粒。◆按溶质原子在溶剂晶格中的位置分：

置换固溶体-溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子；间隙固溶体-溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。

◆碳溶入不同晶胞分：铁素体和奥氏体。2/3/2023二、化合物金属化合物是各组元按一定整数比结合而成、并具有金属性质的均匀物质，属于单向组织。

◆铁碳合金中的渗碳体（Fe3C)：属金属化合物。由Fe和C所形成的。特点：硬度极高、塑性、韧性极低、伸长率和冲击韧度近于零。三、机械混合物是由结晶过程所形成的两相混合组织。机械混合物各相均保持其原有的晶格，因此机械混合物的性能介于各组成相之间。◆铁碳合金中机械混合物有珠光体和莱氏体。

1、珠光体:P

铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P或(F+Fe3C）-呈层片状。

2、莱氏体：Ld

奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，分高温和低温。用Ld或（A+Fe3C）。

2/3/2023第三节铁碳合金状态图◆铁碳合金状态图：表示不同含碳量的铁碳合金在不同温度下结晶过程的曲线图。◆Fe3C的含碳量6.69%，因此，状态图实际上是Fe-Fe3C的状态图。2/3/2023

一、铁碳合金状态图的建立

1）配制不同成分的铁碳合金(表1-2)。

加热溶化–缓慢冷却时用热分析法测定各合金的冷却曲线。

2）在冷却曲线上找出临界点。

3）连接意义相同的临界点2/3/2023

二、铁碳合金状态图的分析

-

有四个基本相液相(L)、奥氏体相(A)、铁素体相(F)和渗碳体相(Fe3C)。

1、状态图中特性点：有特定意义的点。A点（1538℃）-纯铁的熔点，0wc%C点（1148℃）-共晶点，4.3wc%

D点（1227℃）-渗碳体的熔点，6.69wc%E点（1148℃）-碳在奥氏体中的最大溶解度，2.11wc%P点（727℃）-碳在铁素体中的最大溶解度，0.02wc%S点（727℃）-共析点，0.77wc%Q点（室温）-碳在铁素体中的溶解度，0.0008wc%G点(912℃)-α-Te

γ-Te同素异晶转变点，0wc%2/3/2023ACD线—液相线。此线以上是液相区，又是结晶开始线

AECF线—固相线。合金冷却到此线，将全部结晶成固态

2、状态图中特性线：组织转变的界限。

ECF线—共晶线。含碳量2.11%-6.69%的金属过此线发生共晶反应GS线—奥氏体在冷却过程中析出铁素体的开始线

ES线—碳在奥氏体中的溶解度曲线

PSK线—共析线。过此线发生共析反映析出珠光体PQ线—碳在铁素体中的溶解度曲线2/3/2023铁碳合金工业纯铁：含碳量小于0.02%的铁碳合金。钢：含碳量为0.02%—2.11%的铁碳合金。铸铁：含碳量为2.11%—6.69%的铁碳合金。◆铁碳合金分类：根据含碳量的不同，可将铁碳合金分为纯铁、钢和铸铁。2/3/2023◆钢：根据含碳量及组织组成物，可分为三种。共析钢：S点，0.77％c，P100%；

亚共析钢：S点左，0.0218～0.77％c，F+P；过共析钢：S点右，0.77～2.11％c,P+Fe3CII；2/3/2023◆铸铁：根据按成分及组织组成物，可分为三种。

共晶铸铁：C点，4.3％c，L`d

亚共晶铸铁：C点左，2.11%—4.3％c，P+L`d+Fe3CII

过共晶铸铁：C点右，4.3%—6.69％c，L`d+Fe3CI2/3/2023共析钢：动画演示显微组织图→

亚共析钢：动画演示显微组织图→过共析钢：动画演示显微组织图→

三、钢和铸铁在结晶过程中的组织转变◆共析钢、亚共析钢和过共析钢的结晶过程分析--铁碳合金的典型合金。2/3/2023◆共晶、亚共晶和过共晶铸铁结晶过程分析

共晶铸铁：动画演示显微组织图→

亚共晶铸铁：动画演示显微组织图→过共晶铸铁：动画演示显微组织图→2/3/2023第四节工业用钢简介钢是含碳量小于2.11%的铁碳合金。它主要由生铁冶炼而成，是机械制造中应用最广的金属材料。

◆钢分类：按化学成分分为碳素钢和合金钢两种碳素钢：含碳量在1.5%以下，并含有硅、锰、磷、硫等杂质

合金钢：为改善钢的某些性能，加入一种或几种合金元素所炼成的钢。◆含碳量对铁碳合金组织和力学性能的影响

1、对平衡组织的影响：由状态图可知，铁碳合金在室温的组织都是由F和Fe3C两相组成，随C↑→F不断↓→而Fe3C逐渐↑。

2、对力学性能的影响：随着钢中含碳量增加，钢的强度、硬度升高，而塑性和韧性下降。2/3/2023钢碳素钢（<1.5%C）碳素结构钢（0.38%C)优质碳素结构钢(0.2-0.7%C用途广）碳素工具钢（T8等）合金钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢◆钢类别树状图：刃具钢模具钢9Cr2、CrWMn量具钢不锈钢耐热钢2Cr13、1Cr18Ni9耐磨钢其它低合金结构钢渗碳钢调质钢16Mn、20Cr弹簧钢轴承钢2/3/2023第三章钢的热处理◆热处理与其他加工方法不同，他只改变金属材料的组织和性能，而不以改变其形状和尺寸为目的的。

第一节概述

热处理的作用和地位。

热处理：就是将钢在固态下，通过加热、保温和冷却，以改变钢的组织，从而获得所需性能的工艺方法。热处理的加热和冷却设备。

◆热处理特点：可提高零件的强度、硬度、韧性、弹性，同时，还可以改善毛坯或原材料的切削性能，使之易于加工。可见，改善性能、保证产品质量、延长寿命等不可缺少的工艺方法。

◆可知，铁碳合金状态图是确定热处理工艺的重要依据。

热处理工艺曲线：温度和时间为主要因素。冷却方式有两种。动画演示例：热处理原理-钢加热到相变点以上-共析钢(0.77)奥氏体化过程。动画演示2/3/2023◆热处理依据：是A1,A3,Acm,三条临界温度点连线。因为钢加热在这三条线以上，有相变发生即奥氏体化。◆由铁碳合金状态图，可得碳钢在加热和冷却时的不同临界温度。◆加热和冷却速度对临界点A1,A3,Acm,的影响：钢加热时相变温度偏高，临界温度标为Ac1Ac3,Accm，冷却时偏低，临界温度标为Ar1Ar3,Arcm。动画演示。2/3/2023热处理普通热处理表面热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理渗碳渗氮碳氮共渗其它热处理形变真空激光◆常用热处理方法：

2/3/2023第二节退伙和正火

一、退火：将钢加热、保温，然后随炉冷却或埋入灰中使其缓慢冷却,以获得接近平衡组织的热处理工艺。目的：⑴降低硬度，以利于切削加工或其他种类加工；⑵细化晶粒，提高钢的塑性和韧性；⑶消除内应力，并为淬火工序做准备。应用：铸件、锻件、焊接及其它毛坯的热处理。2/3/2023

钢的退火分为：

1、完全退火：将亚共析钢加热到Ac3线以上30—50℃，保温后缓慢冷却。主要用于ωc＞0.25%的亚共析钢。

2、球化退火：将过共析钢加热到Ac1线以上20—30℃，保温后缓慢冷却。应用于共析和过共析钢

动画演示。

3、低温退火：将钢加热到AC1以下，保温后缓冷，以消除应力。低温退火分为：1）去应力退火，2）再结晶退火。

2/3/2023去应力退火：是将钢件加热至低于Ac3的某一温度（一般为500℃～650℃），保温，然后随炉冷却，不引起组织变化。再结晶退火：消除冲压件冷变形所产生的加工硬化（再结晶温度以上150—250℃），降低硬度，恢复塑性。

◆碳钢各种退火和正火工艺规范示意图。

2/3/2023

二、正火：将钢加热到AC3以上30～50℃（亚共析钢）或ACcm以上30～50℃，保温后在空气中冷却，得到比退火更细的珠光体组织的热处理工艺。◆应用：⑴取代部分完全退火。

⑵用于普通结构钢的最终热处理。⑶用于过共析钢，以减少或消除网状二次渗碳体，为球化退火作准备。目的：和退火基本相似，但正火得到的珠光体更细，成为索氏体（或细珠光体）。

◆碳钢各种退火和正火工艺规