第一章 绪论及基础知识

工程材料及成形技术主讲：江星莹手机Q：40341178标点L0标距d01）材料类型:低碳钢塑性材料的典型代表2）标准试件：(GB/T228-2002)尺寸符合国标的试件圆截面试件标距：L0=10d0或5d01、静拉伸试验O1O2f1(f)e0.10.2O屈服极限：抗拉强度：σe，E1.弹性阶段2.屈服阶段3.强化阶段屈服点σs和抗拉强度σb是反映材料强度的两个性能指标，也是拉伸试验中需要测定的重要数据。aE=tgad(ss下)a(se)b(ss上)B(sb)ks(MPa)200400冷作硬化线弹性阶段屈服阶段强化阶段低碳钢拉伸应力应变曲线颈缩阶段cσ0.2——对应于试样产生0.2%的塑性应变时的应力值为材料的屈服强度对塑性低的材料（如铸铁），没有明显的屈服点压头材料淬火钢球硬质合金球符号HBSHBW适用范围＜450450~6501．布氏硬度布氏硬度计标注150HBS10/1000/30：10mm淬火钢球在1000kgf载荷作用下，保持30s测得的布氏硬度为150200HBS：10mm淬火钢球在3000kgf载荷作用下，保持10s测得的布氏硬度为200特点适用于硬度较低，对表面要求不大严格的件，如未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金试验数据稳定，数据重复性强对不同材料需更换球体和改变载荷，压痕的测量也较麻烦，因而用于自动检测受到限制，不宜在成品在进行试验2、洛氏硬度HR测量原理图洛氏硬度计符号压头总载荷（kgf）表盘上刻度颜色应用范围应用举例HRA120°金刚石圆锥体60黑线60~85碳化物、硬质合金、表面硬化工件HRBΦ1.588淬火钢球100红线25~100软退火、正火钢、有色金属HRC120°金刚石圆锥体150黑线20~67淬火钢、调质钢特点操作简便迅速，硬度可在表盘上直接读出；压痕小，可在工件表面进行试验；采用不同标尺可测定各种软硬不同的金属和厚薄不一的试样的硬度，因而广泛用于热处理质量的检验；用不同标尺测得的硬度值之间没有联系，也不能直接进行比较。3、维氏硬度压头：两相对间夹角为136°的金刚石四棱锥体640HV30/20：30kgf载荷保持20s（10~15s不标注），测得的维氏硬度值为640特点载荷可以任意选择，而不存在布氏硬度那种P与D之间关系的约束；硬度统一，精确可靠；更好地测定薄件或薄层的硬度；测定麻烦，工作效率不如HR高，不宜成批生产的常规检验。常用硬度的比较单位压头载荷/kgf硬度范围HBS钢球≤3000≤450

HBW硬质合金球≤3000450～650HRA金刚石圆锥6020～88HRB钢球10020～100HRC金刚石圆锥15020～70HRD金刚石圆锥10040～77类别布氏硬度洛氏硬度HV金刚石棱锥5～120<1300维氏硬度应用有色合金，退正火调质钢淬火、调质钢碳化物、硬质合金有色合金，退正火钢淬火、调质钢薄钢板、表面硬化工件各种硬度工件常用硬度的换算硬度换算公式HB和HV：

HB≤400时，HB≈HV

HB＞400时，HB<HVHR和HB、HV:钢材硬度换算σb≈3.4HB（HB=125~175）σb≈3.6HB

（HB＞175）HRC≈2HRA-104（HRC=20~60）HB≈10HRC （HRC=20~60）HB≈2HRB钢材强度、硬度换算四、冲击韧度金属材料抵抗冲击载荷的能力。夏比冲击试验机示意图冲击试样ak值低——脆性材料，断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状ak值高——韧性材料

，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽Ak＝G(H-h)温度对冲击韧度的影响常见金属力学性能元素符号AlCuMgNiFeTiPbSn抗拉强度σb/MPa80～110200～240200400～500250～330250～3001820伸长率δ/%

32～4045～5011.535～4025～5550～704540断面收缩率ψ/%

70～9065～7512.560～7070～8576～889090布氏硬度/HB204036806510045五、物理性能元素符号AlCuMgNiFeTiPbSn密度，kg/m3×1032.708.941.748.97.864.5111.347.3熔点，℃6601083650145515391660327232相对导电率，%60953423163714导热系数，W/(m·℃)2.093.851.460.590.840.17—

—

六、化学性能金属在常温或高温抵抗各种介质化学作用的能力。抗氧化性（热稳定性）：材料在加热时抵抗氧化作用的能力。（Cr、Si等可提高钢的抗氧化性。）耐腐蚀性：常温下材料抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀的能力。（C钢、铸铁的耐蚀性较差；Ti合金、不锈钢、Al、Cu合金的耐蚀性较好。）七、工艺性能金属材料适应加工工艺要求的能力可铸性——流动性、收缩性、偏析可锻性——塑性、变形抗力可焊性——碳当量切削性——表面粗糙度、刀具寿命热处理性能——淬透性第二节金属材料的组织结构金属的晶体结构纯金属的结构金属的同素异构转变合金的相结构合金相图一、金属的晶体结构基本概念常见金属的晶体结构实际金属的晶体结构1、基本概念晶体：由许多金属原子/离子在空间按一定几何形式规则地紧密排列。（周期性）对比非晶体：原子无规则堆积（过冷液体）。晶体（金刚石、NaCl、冰……）非晶体（蜂蜡、玻璃……）液体晶体特性——固定熔点；各向异性熔点晶体非晶体时间温度晶体和非晶体的熔化曲线XYZ原子（离子）的刚球模型原子中心位置晶体结构晶胞点阵（晶格）模型晶格——将原子抽象为一个几何结点，并用直线联接中心，所构成的一个空间格架。晶胞——晶格中能反映晶格特征的最小的几何单元XYZabc晶格常数a，b，c晶格常数晶面:通过原子中心的平面晶向：通过原子中心的直线所指的方向XYZabcXYZabc2、常见金属的晶体结构金属键——决定特性大量自由电子→良好导电导热性电子云与离子间引力→高强度和良好塑性紧密的金属键→排列紧密的高对称晶格三种常见的金属晶体结构体心立方晶格bcc面心立方晶格fcc密排六方晶格hcp（1）体心立方晶格bcc如-Fe、W、V、Mo

等晶格常数：a=b=c；

===90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞体积a3Va:原子总体积24r3/3XYZabc2r2raa2（2）面心立方晶格fcc如-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等晶格常数：a=b=c；

===90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.74XYZabc密排方向4（3）密排六方晶格hcp如C（石墨）、Mg、Zn等晶格常数底面边长a底面间距c侧面间角120侧面与底面夹角90晶胞原子数：6原子半径：a/2致密度：0.743、实际金属的晶体结构单晶体——原子排列相同，晶格位向一致多晶体——多晶粒和多晶界

晶粒

（单晶体）晶粒——晶体中包含的具有不规则颗粒外形的小晶体晶界——晶粒界面，不同的位向过渡区晶体缺陷类型点缺陷：空位、间隙原子、异类原子线缺陷：位错面缺陷：晶界与亚晶界间隙原子是其它元素则称为异类原子（杂质原子）空位间隙原子（1）点缺陷（2）线缺陷

——刃位错与螺位错刃位错刃位错螺旋位错（3）面缺陷晶界亚晶界亚晶界面缺陷引起晶格畸变，晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。二、纯金属的结晶结晶结晶条件（结晶温度）结晶过程（形核与长大）晶粒细化结晶：液体-->晶体

凝固：液体-->固体（晶体或非晶体）晶体液体结晶冷却曲线——热分析法tTT0Tn理论结晶温度开始结晶温度}T过冷度T=T0-Tn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）冷却速度越大，则过冷度越大。结晶过程——形核和晶核长大的过程液态金属形核晶核长大完全结晶（1）形核过程自发形核——由液体金属内部原子聚集，超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。非自发形核——是依附于外来杂质上生成的晶核。（2）长大过程——平面生长与树枝状生长平面生长示意图细化铸态金属晶粒的措施晶粒度——表示晶粒大小，分8级。晶粒度12345678单位面积晶粒数（个/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直径（μm）2501771258862443122细晶强化——晶粒细化使金属机械性能提高的现象细晶强化→强度、硬度、塑性、韧性↑细化晶粒的措施（1）提高过冷度形核率N、长大速度G与过冷度T的关系（2）变质处理 在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大（3）振动结晶作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化——机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。三、金属的同素异构转变同素异构性——一种金属具有两种或两种以上的晶格结构同素异构转变——金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。

重结晶特点：晶界形核，T大，内应力大纯铁的同素异构转变-Fe，bcc-Fe，fcc-Fe，bcc1394C912C-Fe，fcc-Fe，bcc912C纯铁的冷却曲线T-Fe，bcc}-Fe，bcc}-Fe，fccCoolingcurve770铁磁性四、合金的相结构基本概念固溶体化合物1、基本概念合金——两种以上元素组合成的、具有金属特性的物质。如，Cu-Zn,Fe-C等合金组元——组成合金的最基本、独立的物质（元素、稳定化合物）。如，Fe-C合金中，Fe、C均为组元。相——化学成分、结构相同，且以界面分开的各均匀组成部分。水（液相）水+冰（双相）冰（固相）Fe-C合金中的相——F+Fe3

CFe3

C铁素体（F）组织——相的形状、分布、组合状态。单相组织（F）双相组织（F+Fe3C）固溶体——溶质原子溶于溶剂晶格中，保持溶剂晶格的合金相。化合物——合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相。合金中两类基本相：2、固溶体间隙固溶体、置换固溶体铁中形成间隙固溶体的有：H、O、C、B、N……；形成置换固溶体的有：Mn、Ni、Cr、Si、Mo……有限固溶体、无限固溶体ZXY间隙原子间隙固溶体置换固溶体置换原子YXZ固溶强化：形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象正常晶格晶格畸变晶格畸变小原子置换引起的晶格畸变间隙原子引起的晶格畸变3、化合物合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相正常价化合物——按化合价规律形成，如，Mg2Si。间隙化合物——过渡金属+小半径非金属元素电子化合物——按电子浓度规律形成，如，Cu3Al。间隙相

如，WC、TiC、VC复杂结构的间隙化合物

如，Fe3C、Cr23C6化合物性能：熔点高、硬度高，脆性大。五、合金相图相图：表示由不同组元构成的具有不同比例的合金，在平衡状态（即极缓慢加热或冷却条件）下，随温度、成份发生变化的几何状态图。制定合金工艺的重要理论依据1、二元相图的建立热分析实验法Ⅰ：纯铜

Ⅱ：75%Cu+25%NiⅢ：50%Cu+50%NiⅣ：25%Cu+75%NiⅤ：纯Ni2、匀晶相图产生单一固溶体相的合金相图两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶转变的合金系→匀晶相图（L→α）。如Cu-Ni，Fe-Cr，Au-Ag二元匀晶相图CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+纯铜熔点纯镍熔点液相线固相线液相区固相区液固两相区铜镍相图结晶过程过液相线→初生相析出→L和α成分沿固、液相线变化→过固相线→结晶完毕与纯金属不同，匀晶合金无恒定的熔点，

而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。成分偏析冷速过快（非平衡状态）→先结晶与后结晶的晶粒成分不同（枝干与枝晶）→扩散不均匀→枝晶偏析对策：扩散退火杠杆定律CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L

L+12acba1c1T1T21.在两相区内，对应每一确定的温度，两相的成分是确定的。2.随着温度的降低，两相的成分分别沿液相线和固相线变化。杠杆定律：在两相区内，对应每一确定的温度T1，两相质量的比值是确定的。即mL/m=b1c1/a1b1杠杆定律推论：在两相区内，对应温度T1时两相在合金b中的相对质量各为mL

=b1c1/a1c1m

=a1b1/a1c1=1-mLb13、共晶相图PbSnSn%T,C铅-锡共晶相图液相线L固相线+L+L+固溶线固溶线共晶转变分析PbSnT,CL+L+L+共晶反应线表示从c点到e点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。ce共晶点表示d点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。该点凝固温度最低d液相Ld