金属工艺学第一篇 金属材料的基本知识

金属工艺学（热，冷）

2教学目的本课程为技术基础课，培养学生对金属及其合金性能，加工工艺，加工方法，加工设备等方面做基本了解。为专业课打下基础。是工科学生必学的课程。3

绪论4第一篇

金属材料的基本知识1学时第二篇铸造6学时

第三篇金属压力加工6学时第四篇焊接6学时金属切削加工13学时合计：32学时课程内容

考试成绩平时成绩：30%考试成绩：70%闭卷5

第一篇金属材料的基本知识第一章金属材料的主要性能第二章铁碳合金第三章钢的热处理6本篇重点1.材料的力学性能2.铁碳合金的基本组织及相图3.钢的退火,正火,淬火和回火7第一章金属材料的主要性能

第一节金属材料的力学性能一、强度与塑性1.强度强度是金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。（1）屈服点（2）抗拉强度2.塑性是指金属材料产生塑性变形而不破坏的能力。返回8第一节金属材料的力学性能9拉伸试样拉伸试验10

σ0.2——名义屈服强度

（永久变形原长0.2%名义屈服点）低碳钢拉伸试验图1）强度指标，单位：MPa(N/mm2）

σb——抗拉强度

σs——屈服强度

力不增加或减少而变形继续的最小应力(屈服点）

112）塑性指标应用中：δ10——试样L0=10d0δ5——试样L0=5d0伸长率：12断面收缩率:说明：δ、ψ值愈大，表明材料的塑性愈好。式中：

F0—试样变形前断面积，mm²；

F1—试样拉伸缩颈后最小断面积，mm²；13第一节金属材料的力学性能二、硬度硬度：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。分类：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等布氏硬度：以直径为D（通常直径10MM，载荷30000N）的淬火钢球或硬质合金球为压头，在载荷F的静压力下，将压头压入被测材料的表面，停留若干秒后，卸去载荷，然后采用带刻度的专用放大镜测出压痕直径，并依据直径数值从专用的硬度表格中查出相应的HB值。压痕面积大，测试重复性好，但不适合成品检验14压头直径：10mm、5mm、2.5mm载荷：30KN、7.5KN、1.87KN布氏硬度HBS用于测定软性材料（HBS≤450）HBS测定15HRC测定

洛氏硬度HRC

用于测定硬质表面材料（20－67HRC）以顶角为120度的金刚石圆锥体（钢球）为压头，在规定的载荷下，垂直地压入被测金属表面，卸载后依据压入深度，读出HR值。载荷1500N有效值20-67HRC。16维氏硬度(HV):以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用载荷值除以材料压痕凹坑的表面积，即为维氏硬度值(HV)。

三、韧性金属材料断裂前吸收的变形能量称作韧性。韧性的常用指标的冲击韧性。塑性材料试样开缺口，脆性材料不开缺口承受冲击载荷的机器零件，一般不会受冲击而破坏，所以对冲击载荷要求不是很大，主要是要求强度。17用冲击试验测定冲击韧度

18四、疲劳强度机械上的许多零件等是在周期性或非周期性动载荷（称为疲劳载荷）的作用下工作的。这些承受疲劳载荷的零件发生断裂时，其应力往往大大低于该材料的屈服点，这种断裂称作疲劳断裂。19材料可经受无数次应力循环而仍不发生疲劳断裂，这个应力值称为疲劳强度。各种钢材应该有一定的应力循环基数。改善结构，减少应力集中，控制内部质量，提高表面质量。

σ－1——疲劳强度

（σ-1≈0.5σb）20铁碳合金根据含碳量的不同可分为:

碳钢：C<2.11%;铸铁：2.11%≤C≤6.69%第二章铁碳合金返回21

第一节纯铁的晶体结构及其同素异构转变

金属（纯铁、铜、铝等）都是晶体

1、金属的晶体结构与结晶222、纯铁的晶体结构形式1）体心立方晶格

α－Fe2）面心立方晶格

γ－Fe纯铁在晶体状态下有两种原子（离子）排列形式：233、纯铁的同素异晶转变

纯铁固态下,在不同温度范围内将呈现出不同的晶格形态，这种现象称为同素异晶转变。

（液体）1538℃(体心)1394℃(面心)912℃(体心)2）用反应式表示1）用冷却曲线表示（如图）

24第二节铁碳合金的基本组织

部分碳溶于铁的晶格间隙，铁的晶格类型不变（有一定的畸变）。

奥氏体（A）—碳（C）溶入γ-Fe中所形成的固溶体。

铁素体（F）—碳（C）溶入α-Fe中所形成的固溶体。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。铁碳合金的组织可分为固溶体、金属化合物和机械化合物25铁素体F

600℃0.006%C

727℃0.0218%C

力学性能：σb=250MPa；

δ=45%~50%；

HBS=80。

奥氏体A

1147℃2.11%C

727℃0.77%C

力学性能：σb=250~350MPa；

HBS=160~200；

δ=40%~45%。26

渗碳体（Fe3C）：

800HBW（用硬质合金头测定）（石墨）。

铸铁生产中：性能：硬而脆，但塑性、韧性低。二、金属化合物27三、机械混合物

白色F基体中嵌入黑片状Fe3C

良好的力学性能：

σb=750MPa；

δ=20%－25%；

αk=30-40

（J/cm2）。成分：C＝0.77%珠光体P

（F+Fe3C）28莱氏体（Ld，4.3%C）

727℃以上为高温Ld（A+Fe3C）；

727℃以下为低温Ld’（P+Fe3C）；

力学性能与Fe3C相似，硬而脆。29三铁碳合金状态图显示各种不同碳量的铁碳合金在不同温度下组织形态的热分析图形

30温度含碳含义A15380纯铁熔点C11484.3共晶点D12276.69渗碳体熔点E11482.11碳在铁中最大溶解度F11486.69渗碳体成分点G9120铁同素异晶转变点S7270.77共析点P7270.0218碳在铁中最大溶解度1、Fe–C合金状态图的构成311、Fe–C合金状态图的构成2）两条水平线

ECF（1148℃）；PSK（727℃）。

3）4个基本相

液相(L)；奥氏体(A)；铁素体(F)；

渗碳体相(Fe3C)。322、Fe–C合金状态图的特性分析

1）共晶线—ECF（C点—共晶点）

说明：含2.11%~6.69%C的Fe–C合金(生铁)都将在1148℃时发生莱氏体转变，即共晶转变。1148℃表示共晶反应：332）共析线－PSK

（S点－共析点）说明：含0.0218%~2.06%C的Fe–C合金(钢)都将在727℃时发生珠光体转变，即共析转变。在热处理中，该线温度常以A1表示，冷却时用Ar1，加热时用Ac1。727℃表示共析反应：343）两条固溶线－GS、ES

ES

自高碳奥氏体冷却过程中析出Fe3C的起始线。温度常以Acm表示。冷却：表示为Arm；加热：表示为Acm。

GS自低碳奥氏体冷却过程中析出铁素体晶粒的起始线，该温度常以A3表示。冷却：Ar3；加热：Ac3。35

四铁碳合金分类(据C%不同分)

以E点（C2.11%）为界，分为钢和生铁两类。生铁结晶时有莱氏体转变，组织中有莱氏体。

钢以S点（0.77%C）为界，分为：亚共析钢C＜0.77%；共析钢C＝0.77%；过共析钢C＞0.77%。36生铁以C点（4.3%C）为界，分为：

亚共晶生铁

2.06%＜C＜4.3%；共晶生铁C＝4.3%；过共晶生铁C＞4.3%～6.67％。

铸铁：一般是指用来制造铸件的生铁，为亚共晶生铁。C＝2.8%~4.0%。37

第三章钢的热处理

第一节概述

应用

：

机床制造中，热处理零件占60%~70%，

汽车制造中，热处理零件占70%~80%。

方法

：

通过对钢件重新加热、保温并以不同条件下的冷却方式获得所需组织和性能。普通热处理:退火、正火、淬火、回火；表面热处理:表面淬火、化学热处理。

意义

：

将钢件在固态下使之改善内部组织和提高其力学性能，但不允许改变形状。返回38第二节退火和正火退火

将钢件加热，保温至奥氏体化后随炉冷却(缓慢)，使其重新结晶的热处理工艺。完全退火应用：亚共析钢的铸、锻、焊件。

加热保温：Ac3+30~50℃，奥氏体化；冷却：炉冷至500℃后开炉空冷。球化退火加热、保温：Ac1+20~30℃；冷却：随炉缓慢冷却；去应力退火加热，保温：500~650℃以下(<Ac1)39退火目的：

（1）降低硬度，利于切削加工；（2）细化晶粒，提高塑性和韧性；（3）消除内应力。主要应用于铸件、锻件、焊件等多种毛坯加工前的预备热处理。应用：40二、正火正火加热，保温过程和目的同退火，只是放到空气中冷却，比退火冷却稍快，珠光体中的Fe3C片层更薄，性能与退火相近。正火作用：（1）取代部分完全退火。（2）用于普通结构件的最终热处理。（3）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。41第三节淬火和回火一、淬火

加热，保温规范亚共析钢：t=Ac3+30~50℃过共析钢：t=Ac1+30~50℃冷却条件：速冷（油或水中，水中冷却更快)

42组织变化特征

1）晶格转变：γ-Fe(面心）→α-Fe（体心）2）速冷下，原A中的过饱和碳难以向外扩散，形成了碳在α-Fe中的过饱和固溶体。这类固溶体即称马氏体。以符号“M”表示。“M”的特性1）因碳严重过饱和，晶格畸变，增加了变形抗力，故马氏体通常具有很高的硬度和耐磨性，但凸显脆性，易开裂。2）M相变伴随有体积膨胀，出现淬火内应力，产生淬火变形。43防止裂纹和变形的措施：（1）严格控制淬火加热温度。（2）合理选择淬火介质（3）正确选择淬火方法。44二、回火将淬火钢重新加热到Ac1以下某个温度，保温后冷却的热处理工艺，称为回火。

回火意义

淬火后因“M”为不稳定组织，重新加热时，碳原子扩散能力增强，将以Fe3C形式析出，致使σb、HRC降低，δ%、αk提高。45回火分类

1）低温回火（150~250℃）

目的：减小内应力，降低脆性，保持良好的原淬火硬度（56~65HRC）和高的耐磨性。

应用：工具、刃具、模具及其它耐磨件。

按淬火后重新加热温度不同，可分为三类：462）中温回火（250~500℃）目的：获得高弹性，保持表面较高硬度（35~50HRC），获得一定的韧性。

应用：弹簧、发条、锻模板。

473）高温回火（500~6