材料成型第一章

人们按照在使用中占主导地位的材料划分历史：石器时代→陶器→青铜器→铁器→钢铁（资本主义大工业时期）→合成材料（20世纪）→复合材料（20世纪40年代）材料是人类生活和生产的物质基础，是人类认识自然和改造自然的工具。可以这样说，自从人类一出现就开始了使用材料。材料的历史与人类史一样久远。从考古学的角度，人类文明曾被划分为旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代等，由此可见材料的发展对人类社会的影响。材料也是人类进化的标志之一，任何工程技术都离不开材料的设计和制造工艺，一种新材料的出现，必将支持和促进当时文明的发展和技术的进步。从人类的出现到20世纪的今天，人类的文明程度不断提高，材料及材料科学也在不断发展。在人类文明的进程中，材料大致经历了以下五个发展阶段。

1．使用纯天然材料的初级阶段

在原古时代，人类只能使用天然材料（如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等），相当于人们通常所说的旧石器时代。这一阶段，人类所能利用的材料都是纯天然的，在这一阶段的后期，虽然人类文明的程度有了很大进步，在制造器物方面有了种种技巧，但是都只是纯天然材料的简单加工。

2．人类单纯利用火制造材料的阶段

这一阶段横跨人们通常所说的新石器时代、铜器时代和铁器时代，也就是距今约10000年前到20世纪初的一个漫长的时期，并且延续至今，它们分别以人类的三大人造材料为象征，即陶、铜和铁。这一阶段主要是人类利用火来对天然材料进行煅烧、冶炼和加工的时代。例如人类用天然的矿土烧制陶器、砖瓦和陶瓷，以后又制出玻璃、水泥，以及从各种天然矿石中提炼铜、铁等金属材料，等等。3．利用物理与化学原理合成材料的阶段

20世纪初，随着物理学和化学等科学的发展以及各种检测技术的出现，人类一方面从化学角度出发，开始研究材料的化学组成、化学键、结构及合成方法，另一方面从物理学角度出发开始研究材料的物性，就是以凝聚态物理、晶体物理和固体物理等作为基础来说明材料组成、结构及性能间的关系，并研究材料制备和使用材料的有关工艺性问题。由于物理和化学等科学理论在材料技术中的应用，从而出现了材料科学。在此基础上，人类开始了人工合成材料的新阶段。这一阶段以合成高分子材料的出现为开端，一直延续到现在，而且仍将继续下去。人工合成塑料、合成纤维及合成橡胶等合成高分子材料的出现，加上已有的金属材料和陶瓷材料（无机非金属材料）构成了现代材料的三大支柱。除合成高分子材料以外，人类也合成了一系列的合金材料和无机非金属材料。超导材料、半导体材料、光纤等材料都是这一阶段的杰出代表。

从这一阶段开始，人们不再是单纯地采用天然矿石和原料，经过简单的煅烧或冶炼来制造材料，而且能利用一系列物理与化学原理及现象来创造新的材料。并且根据需要，人们可以在对以往材料组成、结构及性能间关系的研究基础上，进行材料设计。使用的原料本身有可能是天然原料，也有可能是合成原料。而材料合成及制造方法更是多种多样。

4．材料的复合化阶段

20世纪50年代金属陶瓷的出现标志着复合材料时代的到来。随后又出现了玻璃钢、铝塑薄膜、梯度功能材料以及最近出现的抗菌材料的热潮，都是复合材料的典型实例。它们都是为了适应高新技术的发展以及人类文明程度的提高而产生的。到这时，人类已经可以利用新的物理、化学方法，根据实际需要设计独特性能的材料。

现代复合材料最根本的思想不只是要使两种材料的性能变成3加3等于6，而是要想办法使他们变成3乘以3等于9，乃至更大。严格来说，复合材料并不只限于两类材料的复合。只要是由两种不同的相组成的材料都可以称为复合材料。

5．材料的智能化阶段

自然界中的材料都具有自适应、自诊断合资修复的功能。如所有的动物或植物都能在没有受到绝对破坏的情况下进行自诊断和修复。人工材料目前还不能做到这一点。但是近三四十年研制出的一些材料已经具备了其中的部分功能。这就是目前最吸引人们注意的智能材料，如形状记忆合金、光致变色玻璃等等。尽管近10余年来，智能材料的研究取得了重大进展，但是离理想智能材料的目标还相距甚远，而且严格来讲，目前研制成功的智能材料还只是一种智能结构。材料是一切事物的物质基础材料、生物、能源、信息技术是现代文明的四大支柱一种新技术的实现，往往需要新材料的支持生活离不开材料，使用任何一种技术更离不开材料。如上所述，在20世纪中，材料经历了五个发展阶段中的三个阶段，这种发展速度是前所未有的。总的说来，本世纪材料科学的发展有以下几个特点:超纯化（从天然材料到合成材料）、量子化（从宏观控制到微观和介质控制）、复合化（从单一到复合）及可设计化（从经验到理论）。当前，高技术新材料的发展日新月异，材料科学的内涵也日益丰富，21世纪会出现什么样的高技术材料，材料科学又将发展到何种程度，我们很难预料。工程材料的分类按组成特点分：金属材料有机高分子材料无机非金属材料复合材料按使用性能分：结构材料功能材料按使用领域分：信息材料能源材料机械工程材料建筑材料生物材料材料技术的发展趋势

第一，从均质材料向复合材料发展。以前人们只使用金属材料、高分子材料等均质材料，现在开始越来越多地使用诸如把金属材料和高分子材料结合在一起的复合材料。

第二，由结构材料为方向往功能材料、多功能材料并重的方向发展。以前讲材料，实际上都是指结构材料。但是随着高技术的发展，其他高技术要求材料技术为它们提供更多更好的功能材料，而材料技术也不断满足这一要求。所以现在各种功能材料越来越多。

第三，材料结构的尺度向越来越小的方向发展。以前组成材料的颗粒，尺寸都在微米(100万分之一米)方向发展的材料。由于颗粒极度细化，使有些性能发生了截然不同的变化。如以前给人以极脆印象的陶瓷，居然可以用来制造发动机零件。

第四，由被动性材料向具有主动性的智能材料方向发展。过去的材料不会对外界环境的作用作出反应，完全是被动的。新的智能材料能够感知外界条件变化、进行判断并主动作出反应。

第五，通过仿生途径来发展新材料。生物通过千百万年的进化，在严峻的自然界环境中经过优胜劣汰，适者生存而发展到今天，自有其独特之处。通过仿生学揭开其奥秘，会给我们以无穷的启发，为开发新材料又提供了一条广阔的途径。Part1.金属材料成型：铸造、锻压、焊接Part2.金属材料的机械制造：切削加工：车铣刨钻磨等等第一章金属材料与热处理第一节金属材料的机械性能第二节金属的晶体结构与结晶

第三节铁碳合金

第四节金属的材料热处理

第五节常用的金属材料

工程材料的性能可分为：使用性能——在正常工作条件下，材料应具备的性能机械性能(力学性能)，物理性能，化学性能

工艺性能——材料在加工制造中表现出的性能，显示了加工制造的难易程度

铸造性，锻造性，焊接性，切削加工性，热处理性1.1金属材料的机械性能

——材料在外力作用下表现出的性能，显示了材料抵抗外力的能力。

（材料的力学性能通常是在试验室内模拟生产条件来确定合适的试验方法。利用不同的试验方法来确定材料的力学行为特征及评定材料力学性能的指标。这些性能指标是材料设计、材料选用、工艺评定以及材料检验的重要依据。）常用的力学性能有：强度，刚度，塑性，硬度，韧性，疲劳强度和断裂韧度，弹性机械性能(力学性能)1.1.1室温下机械性能指标拉伸试验拉伸曲线弹性变形——外力去除后能完全消失的变形塑性变形——外力去除后不能消失的变形变形过程：oe为纯弹性变形阶段外力去除后试样完全恢复原状e以上为弹塑性变形阶段es为屈服阶段外力不增加，试样明显伸长sb为大量塑性变形阶段外力增加不多，试样明显伸长bk为缩颈阶段试样出现集中变形，抵抗外力能力下降ob为均匀变形F(N)FbFsFeoL%应力-应变曲线（σ-ε曲线）变换：F/S0=

σ(MPa)S0为试样原始截面积(mm2)

L/L0=ε

（%）L0为试样标距长度转化：纵坐标：以应力σ表示，横坐标：以应变ε表示，

怎样比较不同材料抵抗外力能力的大小？pesb抵抗弹性变形的能力等于材料弹性模量与零件截面积的乘积.衡量材料刚度的指标是弹性模量EE大,刚度越大,不易发生弹性变形E主要取决于材料中原子本性和原子间的结合力.刚度强度

——材料抵抗变形和破坏的能力比例极限：外力与变形成正比时的最大应力σp=Fp/So（测力计弹簧、枪炮弹簧）弹性极限：保持纯弹性变形的最大应力σe=Fe/So（比σp稍大，弹性零件，一般不提此要求）屈服强度：产生屈服时的应力（屈服点）σs=Fs/So用于有明显屈服现象的材料规定残余伸长应力：产生0.2%残余伸长率时的应力σr0.2

过去叫条件屈服强度：σ0.2抗拉强度：断裂前最大载荷时的应力（强度极限）σb=Fb/So反应试样最大均匀变形的抗力塑性

——产生塑性变形而不断裂的能力断后伸长率（延伸率）

δ=[(L1-L0)/L0]╳100%断面收缩率

ψ=[(S0-Sk)/S0]╳100%δ和ψ越大，材料的塑性越好塑性对材料的意义：提高安全性2.便于压力加工成型（板金件加工成型）布氏硬度试验原理：HBS（HBW）=F/S=2F/πD[D-(D2-d2)1/2]不写单位：kgf/mm2

采用淬火钢球时，记为HBS

采用硬质合金钢球时，记为HBW

当F的单位取N时，加系数0.102布氏硬度特点不同的测试结果怎样才能有可比性？只要保证F/D2恒定，就可以保证压痕的几何形状相似，则不同测试结果不变；常用F/D2=30,10,2.5D=10,5,2.5t=10,30,60布氏硬度测量的优点：测量数值稳定，准确

缺点：操作慢，不适用批量生产和薄形件布氏硬度适用于：铸铁，有色金属退火、正火、调质处理钢原材料，毛坯当HBS<450

时有效（HBW450-650)洛氏硬度试验原理：HR=(k-h)/0.002不写单位对金刚石圆锥压头k=0.2mm

对钢球压头k=0.26mm洛氏硬度特点洛氏硬度测量的优点：操作简便，压痕小可用于成品和薄形件

缺点：测量数值分散HRC洛氏硬度适用于：淬火钢，调质钢批生产零件当HRC20-70

时有效维氏硬度采用夹角为136的四棱锥体金刚石压头，在10~1000N的载荷作用下压入材料表面，计算出单位压痕面积上的力，为维氏硬度，HV韧性——材料抵抗冲击载荷的能力冲击韧性

αk

=Ak/SN（J/cm2）Ak——

冲击吸收功（J）

（摆锤冲断试样所失去的能量，即对试样断裂所作的功）SN——

试样缺口处截面冲击吸收功对材料的意义：Ak

对材料内部缺陷很敏感，可用来鉴定材料的冶金质量、热加工质量Ak

随温度降低而下降，可用来评定材料的冷脆现象（寒冷地区的机械）αk韧脆转变温度℃疲劳强度交变应力：大小、方向随时间周期性变化的应力疲劳现象：材料在交变载荷长期作用下，无明显塑性变形就断裂tσtσ疲劳试验疲劳曲线疲劳强度（疲劳极限）

——材料经无限多次应力循环而不断裂的最大应力。它表示材料抵抗疲劳断裂的能力。纯弯曲疲劳极限用σ-1表示应力场强度因子KI=Yσ(a)1/2Y是裂纹形状系数σ是外加拉应力a是裂纹半长度当KI较小时，裂纹稳定扩展当KI>KIC（临界值）时，裂纹加速扩展→断裂

KIC=

Yσc(ac)1/2断裂韧度KIC：材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力断裂韧度影响材料疲劳极限的因素：工作条件（温度、环境、频率、……）零件外形（尺寸变化、粗糙度、缺口、……）材质（组织、缺陷、夹杂、……）2aσσ1.1.2高温下的机械性能指标1。高温强度应力、应变、温度和时间综合作用的反映。蠕变极限金属材料长期在高温和载荷作用下抵抗塑性变形的能力持久极限金属材料长期在高温和载荷作用下抵抗断裂的能力2。热硬性金属材料在高温下保持较高硬度的能力磁性是设计、工艺上应考虑的重要性能能磁化材料不能磁化材料1.1.3金属材料的物理、化学及工艺性能

密度ρ：单位体积的质量密度影响产品的重量、性能比强度σb

/ρ硬磁性材料：外加磁场去除后，材料磁性保留软磁性材料：外加磁场去除后，材料磁性消失熔点是热加工的重要工艺参数是设计选材的重要依据热膨胀性（线膨胀系数α）是设计、工艺上应考虑的重要性能导热性（导热系数λ）是传热设备应考虑的重要性能防止材料内外温差过大金属越纯→导热性越好导电性（电阻率）是设计导电、绝缘零件的重要性能金属越纯→导电性越好温度越高→导电性越差1。物理性能2.材料的化学性能主要有：

耐腐蚀性高温抗氧化性

化学稳定性金属腐蚀的分类：化学腐蚀：由纯化学反应引起氧化膜疏松→氧化深入→向内部腐蚀致密→腐蚀被抑制→保护内部金属电化学腐蚀：由电化学反应引起防止腐蚀的办法1)改变金属成分（合金化）提高基体电极电位形成致密氧化膜获得单相组织2)表面保护（覆盖法）发蓝，磷化，阳极化电镀喷漆，搪瓷3)改善环境干燥气体覆盖法4)电化学保护法

→阴极保护利用电极电位更低的金属保护零件，形成原电池，成为阳极被腐蚀3.工艺性能在加工、制造过程中表现出来的特性。包括：铸造、压力加工、焊接、切削加工、热处理等方面性能。1.2金属的晶体结构与结晶

★制造机器设备的主要材料是钢和铁，他们是以铁和碳为主而组成的合金，要了解钢和铸铁的本质，首先要了解纯铁的晶体结构。1.2.1金属的晶体结构1.晶体和非晶体固态物质可分为晶体和非晶体两大类。物质内部的原子按一定规律在空间排列的称为晶体，如冰、金刚石、固态金属与合金；不规律在空间排列则是非晶体，如沥青、玻璃。2。金属的晶体结构以各原子中心的一些假想连线把它们在三维空间的几何排列形式描绘出来，成为一个空间格架，这种表示晶体中原子排列形式的空间格子叫做晶格。由于晶体中原子重复排列的规律性，可以从晶格中确定一个最基本的单元来表达其排列形式的几何特征，组成晶体的这种最基本的几何单元叫做晶胞。晶格晶胞3.常见金属的晶格结构Cr、Mo、W、V、-Fe、-FeCu、Ni、Ag、AuMg、Be、Zn、-Ti、-Cr体心立方晶格：面心立方晶格：密排六方晶格：4。实际金属的晶体结构①单晶体与多晶体单晶体即原子排列得非常整齐，晶格位向完全一致，且无任何缺陷存在。多晶体即由许多位向不同的晶体组成，且其内部还存在着多种晶体缺陷。②金属的晶体缺陷Ⅰ、点缺陷Ⅱ、线缺陷

Ⅲ、面缺陷

空位间隙原子点缺陷示意图线缺陷示意图面缺陷金属的结晶就是金属液转变为晶体的过程。1。金属结晶的温度

纯金属的结晶是在一定温度下进行的，在冷却曲线上出现一段水平段，见纯金属的冷却曲线。即：时间变化，固体增加，但金属的温度并不下降，这是由于金属结晶时放出热量，致使温度不下降。理论结晶温度a实际结晶温度b1.2.2纯金属的结晶纯金属的冷却曲线过冷度—理论结晶温度和实际结晶温度不一样，实际结晶温度低一些，这种现象叫过冷，温度差叫过冷度

纯铁的冷却曲线1394℃1534℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe2.金属结晶过程的基本规律晶核不断的形成和长大。

**金属晶核形成方式自发晶核—形成晶粒原子自发地聚集在一起形成自发晶核，金属的冷却速度越快，自发的晶核越多外来晶核(非自发形核)—形成晶粒金属液中高熔点的杂质起晶核的作用**金属晶核长大的方式—取决于过冷度,小规则外形,大枝晶晶轴—晶核形成后会长大，但各方向速度不一样，会形成晶轴，晶轴有一次晶轴，两次晶轴等，呈树枝状长大。

晶界—晶粒之间的接触面，晶粒的外形是不规则的，晶粒的内部原子排列的位向也各不相同。金属晶粒的粗细对金属力学性能影响很大，一般说，同一成分的金属晶粒越细，其强度越高，硬度也越高，塑性韧性也越好。晶核越多，晶粒越细。细化铸态金属晶粒的主要途径：

1）过冷细化：加快冷却速度，以增加晶核；

2）变质处理：加入变质剂，以增加外来晶核另外，还可用热处理，或压力加工的方法细化固态金属的晶粒。3.金属晶粒的细化方法晶粒大小对金属机械性能影响较大，在常温下工作的金属其强度、硬度、塑性和韧性，一般是随晶粒细化而有所提高的。影响晶粒大小的因素有：形核率N，长大速度G，形核率N大，而长大速度G相对小，则晶粒愈细，即N与G的比值大则晶粒细。1）过冷度：ΔT大，ΔF大，结晶驱动力大，形核率和长大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N与G的比值，晶粒变细，但过冷度过大，对晶粒细化不利，结晶发生困难。见图

2）变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些合金，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒的处理方法。

影响晶核形成和长大的因素成核速率、长大速度与过冷度的关系

1.2.3金属的同素异晶转变金属在固态下随着温度改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异晶（构）转变。纯铁发生同素异构转变的冷却曲线。在1394～1538℃的温度区间，纯铁是体心方晶格，称为δ-Ｆｅ；在912～1394℃的温度区间是面心立方晶格，称为γ-Ｆｅ；在912℃以下为体心立方晶格，称为α-Ｆｅ。固态纯铁从高温到低温的冷却过程中，发生了两次同素异构转变。金属的同素异构转变过程是与液态金属的结晶过程相似，同样遵守结晶的形核和晶核的生长。

1.3.1合金的基本概念和结构1。基本概念1）合金—两种或两种以上的金属元素，或金属和非金属元素熔合在一起，构成具有金属特性的物质，称为合金。机械中大量使用合金的原因：i.合金比纯金属强度、硬度高，且成本低。ii.可