工程材料与成形工艺基础绪论与第一章金属材料基

课程称号：<机械工程资料及成形工艺根底>第一章金属资料根底知识黎明职业大学机电工程及自动化学院学习目的与学习方法相关概念、金属资料性能金属资料成形加工的根本过程微观构造和微观组织特征、及其对宏观性能的影响日常生活景象本章主要内容学习目的与学习方法1、冰冻三尺非一日之寒学习目的与学习方法水分子构造1、冰冻三尺非一日之寒学习目的与学习方法水分子构造1、冰冻三尺非一日之寒学习目的与学习方法冰的构造六面体晶格构造1、冰冻三尺非一日之寒学习目的与学习方法六角棱柱体2、雪花是如何构成的？简单六角棱柱体星形盘状雪花学习目的与学习方法扇形分区盘状雪花雪花外形星形树枝有分枝和侧枝蕨类星形树枝学习目的与学习方法空柱体雪花是如何构成的？针状学习目的与学习方法戴帽柱状体雪花是如何构成的？十二边学习目的与学习方法三角形晶体雪花是如何构成的？霜晶体学习目的与学习方法高空、低温水汽结晶，构成降雪的必要条件：一是水汽饱和二是凝结核三是必要的环境温度 3、为什么雪花融化后会构成粉末沉淀景象？固体微粒学习目的与学习方法金属之最(1)熔点最高：钨〔W〕3410℃；最低：汞〔Hg〕-39℃(2)密度最大:锇〔Os〕22.45g/cm3；最小:锂〔Li〕0.53g/cm3(3)硬度最大：铬〔Cr〕(4)延展性最好:金〔Au〕，可制成万分之一毫米的金箔(5)导电导热性最好:Ag，Cu次之，Au第三。(6)人体内最多的金属：钙(7)地壳中含量最多的金属：铝(8)人类冶炼最多的金属：铁第一章金属资料根底知识第二节钢铁资料消费过程概述二第三节机械制造过程概述三1第一节金属资料的分类一第四节金属资料的性能四分类〔按化学成分分〕复合资料工程资料金属资料陶瓷资料高分子资料1第一节金属资料的分类一概念1第一节金属资料的分类一金属纯金属合金合金钢钢铁的组成=95%以上铁+〔0.05～4%〕碳+1%杂铁碳合金(按钢铁资料的含碳量的质量分数w(C))含碳量＜0.0218%为工业纯铁；含碳量0.0218~2.11%为钢；含碳量＞2.11%为铸铁〔生铁、白口铸铁〕；含碳量＞4.3%无适用价值。钢与生铁的区别钢与生铁的区别钢的分类1第一节金属资料的分类一1.钢的分类①按化学成分分中碳钢0.25~0.6%C高碳钢0.6%C低碳钢0.25%C低合金钢合金元素总量5%中合金钢合金元素总量5~10%高合金钢合金元素总量10%碳素钢合金钢钢的分类1第一节金属资料的分类一钢类碳素钢合金钢PSPS普通质量钢≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045优质钢≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高级优质钢≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025特级优质钢≤0.025≤0.020≤0.025≤0.015②按质量分钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。根据现行规范，各质量等级钢的磷、硫含量如下：有害物质钢的分类1第一节金属资料的分类一③按用途分工程用钢建筑、桥梁、船舶、车辆渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢耐磨钢机器用钢结构钢刃具钢模具钢量具钢工具钢不锈钢耐热钢特殊性能钢第一章金属资料根底知识第二节钢铁资料消费过程概述二第三节机械制造过程概述三1第一节金属资料的分类一第四节金属资料的性能四钢铁资料第二节钢铁资料消费过程概述二钢铁是运用最多的金属资料缘由：储量大；冶炼加工容易；综合性能好估计未来几年钢铁产品在各行业中占的比例钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二钢铁冶炼技术开展简史远古至13世纪末：半熔融形状的铁块—海绵铁(spongeiron)；13世纪末至19世纪中叶：熔融形状的生铁→粗钢，构成两步法炼钢；19世纪中期至今：1856年英国人发明了空气底吹酸性转炉炼钢法；1864年法国人发明了平炉炼钢法(OH)；1874年发明了空气底吹碱性转炉炼钢法；20世纪初发明了电弧炉炼钢(EAF)；20世纪中叶氧气顶吹转炉〔LD法〕。钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二全球部分钢厂产量排名排名

公司

国家

2006年(百万吨)2005年

(百万吨)同比增长2006200511

米塔尔荷兰63.66

49.89

27.622安赛乐

卢森堡54.3246.6516.433

新日铁日本33.7032.90

12.4

44

JFE

日本

32.02

29.57

8.355

浦项韩国31.2031.42-0.766

宝钢中国22.53

22.73

-0.9926唐钢中国19.0616.0818.51618

鞍钢中国15.0011.90

26.1

1722沙钢

中国14.63

12.0221.71816武钢中国13.76

13.05

5.5

24

24

济钢中国11.24

10.437.82527马钢中国10.919.6513.12625莱钢中国10.7910.344.42723首钢中国10.5510.441.02831华菱中国9.91

8.45

17.2中国年粗钢产量增长情况钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二现代钢铁冶炼的两种根本流程钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二现代钢铁冶炼的两种根本流程烧结/球团—高炉—转炉—连铸机—轧机直接复原或熔融复原—电炉—连铸机—轧机非高炉炼铁高炉炼铁长流程短流程钢铁冶炼的义务是把铁矿石冶炼成合格的钢。钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二钢材加工工艺流程钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二钢铁消费的典型工艺〔长流程〕钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二高炉炼铁(BlastFurnaceIronmaking)钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二高炉冶炼用的原料主要有铁矿石〔天然富矿和人造富矿〕、燃料(fuel)〔焦炭和喷吹燃料〕、熔剂(flux)〔石灰石与白云石等〕。冶炼1t生铁1.6~2.0t矿石0.4~0.6t焦炭(coke)0.2~0.4t熔剂钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二高炉冶炼用的原料主要有铁矿石磁铁矿〔Fe3O4〕-magnettie赤铁矿〔Fe2O3〕-hematite褐铁矿〔mFe2O3·nH2O〕-limonite菱铁矿〔FeCO3〕-siderite钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二黄铁矿—FeS2磁铁矿—Fe3O4褐铁矿—2Fe2O3·3H2O菱铁矿—FeCO3赤铁矿--Fe2O3钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二暗红色铁铝榴石晶体，产地奥地利立方体黄铁矿晶体，产地西班牙祖母绿、黄铁矿、方解石共生，产地哥伦比亚钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二铁矿石处置工艺流程矿石(ore)→破碎(crush)→筛分(screen)→富矿(high-gradeore)→混匀(mix)→高炉；矿石→破碎→筛分→贫矿(leanore)→磨矿(grinding)→筛分→选矿→造块→人造富矿→高炉钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二铁水预处置铁水在进入转炉前，为除去某些有害元素的处置过程。预脱硫：电石、石灰、金属镁等炉外脱硫剂预脱硅：铁水沟、盛铁水容器中喷吹氧化剂预脱磷：盛铁水容器中喷吹氧化剂铁水预处置按需求可在铁水沟、盛铁水容器(铁水包、鱼雷罐)或转炉中时行。简化炼钢过程，提高钢的质量易引起热脆，铁水脱硫条件比钢水脱硫优越减少转炉石灰耗费量，减少渣量和铁损；预脱磷的需求使钢产生冷脆性HotMetalPretreatment钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二铁水预脱硫扒渣工艺钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二炼钢用原资料金属料铁水；废钢；铁合金；辅助资料造渣资料；氧化剂；冷却剂；复原剂和增碳剂。钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二炼钢用原资料铁水是氧气转炉炼钢的根本原料，普通占金属料的70～100%。铁水成分和铁水温度能否适当和稳定，对简化和稳定转炉操作并获得良好的技术经济指标非常重要。钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二炼钢用原资料——铁水成分Si：发热元素，转炉热量来源。根据[P]，[Si]普通在0.4～0.8％范围内Mn：有利元素。[Mn]普通在0.2～0.4％左右P：有害元素，强发热元素。P是高炉不能去除的元素，故只能要求[P]稳定，采用铁水预处置脱磷或相应的炼钢方法来去除。S：有害元素。[S]<0.04％。采用铁水预处置脱硫，[S]<0.015％。钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二炼钢用原资料——铁水温度铁水温度应>1200～1300℃，且坚持稳定，以利于炉子热行，迅速成渣。有铁水预处置工艺，铁水温度应适当提高。钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二炼钢用原资料——废钢废钢是电炉炼钢的根本原料，用量占钢铁料的70％～90％。对转炉来说，既是金属料也是冷却剂。合金钢废钢应按所含合金分组堆放。应严防混入有害杂质和危险品，并减少带入的泥沙、耐火资料和炉渣等。对外形尺寸和单重过大的废钢，应预先进展解体和切割；对轻薄料要打包或压块，以缩短装料时间。钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二炼钢用原资料——铁合金炼钢中广泛运用的各种脱氧和合金化元素与铁的合金。如Fe-Mn、Fe-Si、Fe-Cr；以及复合脱氧剂，如硅锰合金、硅钙合金、硅锰铝合金；还有铝、锰、镍等金属。铁合金应合理选用以降低本钱，运用前应烘烤以减少气体带入。另外要纯真，不得混有其它夹杂物，块度要适当。钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二炼钢用原资料——辅助资料造渣资料石灰〔CaO〕。碱性炼钢方法的根本造渣资料，有强的脱磷、脱硫才干，对炉衬危害小。石灰要求含有效CaO大于80～85％，含S和SiO2低，块度小而均匀，且无细粉；生烧过烧率要小；不能潮解，应坚持枯燥、新颖。萤石〔CaF2〕。熔点低〔1418℃〕，能使CaO熔点显著降低，加速化渣，改善渣的流动性。萤石要求：CaF2>85%。白云石〔MgO〕。添加渣中Mg含量，以减少炉衬中MgO向炉渣中转移，且能促进前期化渣。钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二炼钢用原资料——辅助资料氧化剂氧气。炼钢中氧的重要来源。普通要求氧气纯度应大于98％，冶炼低氮钢种时，应大于99.5％。还应脱除水分。铁矿石、氧化铁皮。铁矿石要求含铁高，SiO2、P和水分少，运用前要加热。氧化铁皮要求杂质少，不含油污和水分，运用前必需烘烤。钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二炼钢用原资料——辅助资料冷却剂富铁矿、团矿、烧结矿和氧化铁皮。利用它们所含FexOy氧化金属中的杂质时，需求吸收大量的热而起到冷却的作用。石灰石。短少以上冷却剂时，可以运用，CaCO3分解时吸收大量热量。钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二炼钢用原资料——辅助资料复原剂和增碳剂电炉炼钢运用的复原剂和增碳剂有石墨电极、木炭、焦炭、电石、硅铁、硅钙、铝等。氧气转炉冶炼中、高碳钢时，普通用含灰分很少的石油焦作增碳剂。钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二转炉炼钢〔BOS〕钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二电炉炼钢(EAF(Electricarcfurnace)steelmaking)钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二电炉炼钢(EAF(Electricarcfurnace)steelmaking)钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二炉外精炼(SecondaryRefining)钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二延续铸钢〔ContinuousCasting〕钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二延续铸钢〔ContinuousCasting〕钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二延续铸钢〔ContinuousCasting〕钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二热轧〔HotRolling〕钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二钢铁消费中产生的污染物(1)钢铁资料消费过程第二节钢铁资料消费过程概述二钢铁消费中产生的污染物(2)第一章金属资料根底知识第二节钢铁资料消费过程概述二第三节机械制造过程概述三1第一节金属资料的分类一第四节金属资料的性能四第一章金属资料根底知识第二节钢铁资料消费过程概述二第三节机械制造过程概述三1第一节金属资料的分类一第四节金属资料的性能四机械工程资料的常用性能包括两方面资料运用性能资料工艺性能力学性能〔强度、塑性韧性等〕物理性能〔光、热、电、磁等〕化学性能〔氧化、腐蚀等〕加工性能〔切削、锻造等〕铸造性能〔适宜铸造与否〕焊接性能〔容易焊接与否〕热处置性能〔可热处置强化〕第四节金属资料的性能四机械工程资料的常用性能第四节金属资料的性能四本章重点重点了解金属资料的力学性能目的和测试方法，以及各个目的的物理意义。教学要求：了解金属资料的性能及测试方法。金属资料的力学性能第四节金属资料的性能四强度：资料在外力作用下抵抗变形和断裂的才干称为资料的强度。ε=【(L-L0)/L0】%σ=F/S弹性极限屈服点抗拉强度塑性：塑性是指金属资料产生塑性变形而不破坏的才干伸长率：断面收缩率：(l〕弹性极限(2〕屈服点(3)抗拉强度铸铁、陶瓷等脆性资料：只需弹性变形阶段，中、高碳钢：没有屈服阶段。σe、σs、σb是机械零件和构件设计和选材的主要根据。应力与应变的比值称为资料的弹性模量E(MPa〕〔刚度〕δ或ψ数值越大，表示资料的塑性愈好。一、静载单向静拉伸应力――应变曲线1.拉伸试样：长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0

ΔLF0低碳钢拉伸曲线脆性资料拉伸曲线2.拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线：纵坐标为应力σ单位MPa(MN/mm)，横坐标为应变ε其中：σ=F/S

表示资料抵抗变形和断裂的才干ε＝〔L1-L0〕/L03.曲线分为四阶段：1〕阶段I〔ope〕――弹性变形阶段p:Fp

，e:Fe〔不产生永久变形的最大抗力〕op段：△L∝P

直线阶段pe段：极微量塑性变形〔0.001--0.005%)2〕阶段II〔ess’〕段――屈服变形S:屈服点

Fs3〕阶段III〔s’b〕段――均匀塑性变形阶段b:

Fb

资料所能接受的最大载荷4〕阶段IV(bK)段――部分集中塑性变形－－颈缩铸铁、陶瓷：只需第I阶段中、高碳钢：没有第II阶段

二、拉伸曲线所确定的力学性能目的及意义1．刚度和弹性刚度资料在受力时，抵抗弹性变形的才干。E=σ/ε杨氏弹性模量

GPa,MPa本质是：反映了资料内部原子结应力的大小，组织不敏感的力系目的。弹性：资料不产生塑性变形的情况下，所能接受的最大应力。比例极限：σp=Fp/Ao

应力――应变坚持线性关系的极限应力值

弹性极限：σe=Fe/Ao

不产永久变形的最大抗力。2.强度：资料在外力作用下抵抗变形和破坏的才干。屈服强度s：资料发生微量塑性变形时的应力值。即在拉伸实验过程中，载荷不添加，试样仍能继续伸长时的应力。条件屈服强度0.2：高碳钢等无屈服点，国家规范规定以剩余变形量为0.2%时的应力值作为它的条件屈服强度，以σ0.2来表示抗拉强度b：资料断裂前所接受的最大应力值。〔资料抵抗外力而不致断裂的极限应力值〕。

s0.2

3.塑性：资料受力破坏前可接受最大塑性变形的才干。

延伸率

延伸率与试样尺寸有关；δ5、δ10(L0=5d,10d)断面收缩率ψ=△A/Ao=(Ao-Ak)/Ao>时，无颈缩，为脆性资料表征；<时，有颈缩，为塑性资料表征。断裂后拉伸试样的颈缩景象金属资料的力学性能第四节金属资料的性能四硬度：金属资料受压时抵抗部分变形，特别是塑性变形、压痕的才干〔1〕布氏硬度〔HBS〕〔2〕洛氏硬度〔HRC〕金属资料的力学性能第四节金属资料的性能四〔1〕布氏硬度〔HBS〕1.原理布氏硬度=FA凹=2FπD[D-〔D²-d²〕½]金属资料的力学性能第四节金属资料的性能四〔1〕布氏硬度〔HBS〕丈量比较软的资料。丈量范围HBS<450、HBW<650的金属资料。3.优缺陷2.运用压痕大，丈量准确，但不能丈量废品件。金属资料的力学性能第四节金属资料的性能四〔2〕洛氏硬度〔HRC〕1.原理加初载荷加主载荷卸除主载荷读硬度值金属资料的力学性能第四节金属资料的性能四〔2〕洛氏硬度〔HRC〕20~671500N120°金刚石圆锥体HRC25~1001000N1.588mm钢球HRB70~85600N120°金刚石圆锥体HRA常用洛氏硬度标度的实验范围金属资料的力学性能第四节金属资料的性能四〔2〕洛氏硬度〔HRC〕优点：操作简便、迅速，效率高，可直接丈量废品件及高硬度的资料。3.优缺陷缺陷：压痕小，丈量不准确，需多次丈量。金属资料的力学性能第四节金属资料的性能四冲击韧度：资料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的才干。冲击韧度：ak=冲击破坏所耗费的功Ak/规范试样断口截面积S；(J/cm2)金属资料的力学性能第四节金属资料的性能四在试样上开缺口的目的：

在缺口附近呵斥应力集中V型缺口比U型缺口更容易被冲断。因此，不同类型的冲击试样，测出的吸收能量不能直接比较。金属资料的力学性能第四节金属资料的性能四吸收能量与温度的关系 有些资料在室温时——不显示脆性在较低温度是——能够发生脆断。金属资料的吸收能量与实验温度有关。高吸收能区过度区低吸收能区金属资料的力学性能第四节金属资料的性能四疲劳强度：金属资料在交变应力作用下不会发生疲劳破坏，疲劳强度以σ-1

1.密度

单位体积物质的质量称为该物质的密度。

密度小于5×103kg/m3的金属称为轻金属,如铝、镁、钛及它们的合金。

密度大于5×103kg/m3的金属称为重金属,如铁、铅、钨等。轻金属多用于航天航空器上。

金属资料的物理性能第四节金属资料的性能四2.熔点

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金属从固态向液态转变时的温度称为熔点。

纯金属都有固定的熔点。

熔点高的金属称为难熔金属，如钨、钼、钒等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛运用。

熔点低的金属称为易熔金属如锡、铅等，可用于制造保险丝和防火平安阀零件等。

金属资料的物理性能第四节金属资料的性能四3.导热性

导热性通常用热导率来衡量。

热导率越大,导热性越好。

金属的导热性以银为最好,铜、铝次之。

合金的导热性比纯金属差。

在热加工和热处置时，必需思索金属资料的导热性，防止资料在加热或冷却过程中构成过大的内应力，以免零件变形或开裂。

导热性好的金属散热也好，在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，要选用导热性好的金属资料。

金属资料的物理性能第四节金属资料的性能四4.导电性

传导电流的才干称导电性，用电阻率来衡量。

电阻率越小，金属资料导电性越好。

金属导电性以银为最好，铜、铝次之。

合金的导电性比纯金属差。

电阻率小的金属(纯铜、纯铝)适于制造导电零件和电线。

电阻率大的金属或合金(如钨、钼、铁、铬、铝)适于做电热元件。

金属资料的物理性能第四节金属资料的性能四5.热膨胀性

金属资料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。

由膨胀系数大的资料制造的零件,在温度变化时,尺寸和外形变化较大。

轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制其间隙尺寸；

在热加工和热处置时也要思索资料的热膨胀影响,以减少工件的变形和开裂。金属资料的物理性能第四节金属资料的性能四

6.磁性

●铁磁性资料

在外磁场中能剧烈地被磁化，如铁、钴等。

●顺磁性资料

在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等。

●抗磁性资料

能抗拒或减弱外磁场对资料本身的磁化作用，如铜、锌等。

铁磁性资料可用于制造变压器、电动机、丈量仪表等。抗磁性资料那么用于要求防止电磁场干扰的零件和构造资料，如航海罗盘。

铁磁性资料当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点，如铁的居里点是770℃。金属资料的物理性能第四节金属资料的性能四

主要指耐腐蚀性和抗氧化性。金属资料的耐腐蚀性和抗氧化性统称化学稳定性。在高温下的化学稳定性称为热稳定性。

1.耐腐蚀性

金属资料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的才干称耐腐蚀性。

碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；

钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好。

铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。

金属资料的化学性能第四节金属资料的性能四

2.抗氧化性

金属资料在加热时抵抗氧化作用的才干称抗氧化性。

参与Cr、Si等元素,可提高钢的抗氧化性。

如4Cr9Si2可制造内燃