金屬工藝學(xué)第一篇 金屬材料的基本知識(shí)

金屬工藝學(xué)（熱，冷）

2教學(xué)目的本課程為技術(shù)基礎(chǔ)課，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)金屬及其合金性能，加工工藝，加工方法，加工設(shè)備等方面做基本了解。為專業(yè)課打下基礎(chǔ)。是工科學(xué)生必學(xué)的課程。3

緒論4第一篇

金屬材料的基本知識(shí)1學(xué)時(shí)第二篇鑄造6學(xué)時(shí)

第三篇金屬壓力加工6學(xué)時(shí)第四篇焊接6學(xué)時(shí)金屬切削加工13學(xué)時(shí)合計(jì)：32學(xué)時(shí)課程內(nèi)容

考試成績平時(shí)成績：30%考試成績：70%閉卷5

第一篇金屬材料的基本知識(shí)第一章金屬材料的主要性能第二章鐵碳合金第三章鋼的熱處理6本篇重點(diǎn)1.材料的力學(xué)性能2.鐵碳合金的基本組織及相圖3.鋼的退火,正火,淬火和回火7第一章金屬材料的主要性能

第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能一、強(qiáng)度與塑性1.強(qiáng)度強(qiáng)度是金屬材料在力的作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。（1）屈服點(diǎn)（2）抗拉強(qiáng)度2.塑性是指金屬材料產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。返回8第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能9拉伸試樣拉伸試驗(yàn)10

σ0.2——名義屈服強(qiáng)度

（永久變形原長0.2%名義屈服點(diǎn)）低碳鋼拉伸試驗(yàn)圖1）強(qiáng)度指標(biāo)，單位：MPa(N/mm2）

σb——抗拉強(qiáng)度

σs——屈服強(qiáng)度

力不增加或減少而變形繼續(xù)的最小應(yīng)力(屈服點(diǎn)）

112）塑性指標(biāo)應(yīng)用中：δ10——試樣L0=10d0δ5——試樣L0=5d0伸長率：12斷面收縮率:說明：δ、ψ值愈大，表明材料的塑性愈好。式中：

F0—試樣變形前斷面積，mm2；

F1—試樣拉伸縮頸后最小斷面積，mm2；13第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能二、硬度硬度：金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕的能力，稱為硬度。分類：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等布氏硬度：以直徑為D（通常直徑10MM，載荷30000N）的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^，在載荷F的靜壓力下，將壓頭壓入被測材料的表面，停留若干秒后，卸去載荷，然后采用帶刻度的專用放大鏡測出壓痕直徑，并依據(jù)直徑數(shù)值從專用的硬度表格中查出相應(yīng)的HB值。壓痕面積大，測試重復(fù)性好，但不適合成品檢驗(yàn)14壓頭直徑：10mm、5mm、2.5mm載荷：30KN、7.5KN、1.87KN布氏硬度HBS用于測定軟性材料（HBS≤450）HBS測定15HRC測定

洛氏硬度HRC

用于測定硬質(zhì)表面材料（20－67HRC）以頂角為120度的金剛石圓錐體（鋼球）為壓頭，在規(guī)定的載荷下，垂直地壓入被測金屬表面，卸載后依據(jù)壓入深度，讀出HR值。載荷1500N有效值20-67HRC。16維氏硬度(HV):以120kg以內(nèi)的載荷和頂角為136°的金剛石方形錐壓入器壓入材料表面，用載荷值除以材料壓痕凹坑的表面積，即為維氏硬度值(HV)。

三、韌性金屬材料斷裂前吸收的變形能量稱作韌性。韌性的常用指標(biāo)的沖擊韌性。塑性材料試樣開缺口，脆性材料不開缺口承受沖擊載荷的機(jī)器零件，一般不會(huì)受沖擊而破壞，所以對(duì)沖擊載荷要求不是很大，主要是要求強(qiáng)度。17用沖擊試驗(yàn)測定沖擊韌度

18四、疲勞強(qiáng)度機(jī)械上的許多零件等是在周期性或非周期性動(dòng)載荷（稱為疲勞載荷）的作用下工作的。這些承受疲勞載荷的零件發(fā)生斷裂時(shí)，其應(yīng)力往往大大低于該材料的屈服點(diǎn)，這種斷裂稱作疲勞斷裂。19材料可經(jīng)受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而仍不發(fā)生疲勞斷裂，這個(gè)應(yīng)力值稱為疲勞強(qiáng)度。各種鋼材應(yīng)該有一定的應(yīng)力循環(huán)基數(shù)。改善結(jié)構(gòu)，減少應(yīng)力集中，控制內(nèi)部質(zhì)量，提高表面質(zhì)量。

σ－1——疲勞強(qiáng)度

（σ-1≈0.5σb）20鐵碳合金根據(jù)含碳量的不同可分為:

碳鋼：C<2.11%;鑄鐵：2.11%≤C≤6.69%第二章鐵碳合金返回21

第一節(jié)純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

金屬（純鐵、銅、鋁等）都是晶體

1、金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶222、純鐵的晶體結(jié)構(gòu)形式1）體心立方晶格

α－Fe2）面心立方晶格

γ－Fe純鐵在晶體狀態(tài)下有兩種原子（離子）排列形式：233、純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變

純鐵固態(tài)下,在不同溫度范圍內(nèi)將呈現(xiàn)出不同的晶格形態(tài)，這種現(xiàn)象稱為同素異晶轉(zhuǎn)變。

（液體）1538℃(體心)1394℃(面心)912℃(體心)2）用反應(yīng)式表示1）用冷卻曲線表示（如圖）

24第二節(jié)鐵碳合金的基本組織

部分碳溶于鐵的晶格間隙，鐵的晶格類型不變（有一定的畸變）。

奧氏體（A）—碳（C）溶入γ-Fe中所形成的固溶體。

鐵素體（F）—碳（C）溶入α-Fe中所形成的固溶體。一、固溶體溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格而仍保持溶劑晶格類型的金屬晶體。鐵碳合金的組織可分為固溶體、金屬化合物和機(jī)械化合物25鐵素體F

600℃0.006%C

727℃0.0218%C

力學(xué)性能：σb=250MPa；

δ=45%~50%；

HBS=80。

奧氏體A

1147℃2.11%C

727℃0.77%C

力學(xué)性能：σb=250~350MPa；

HBS=160~200；

δ=40%~45%。26

滲碳體（Fe3C）：

800HBW（用硬質(zhì)合金頭測定）（石墨）。

鑄鐵生產(chǎn)中：性能：硬而脆，但塑性、韌性低。二、金屬化合物27三、機(jī)械混合物

白色F基體中嵌入黑片狀Fe3C

良好的力學(xué)性能：

σb=750MPa；

δ=20%－25%；

αk=30-40

（J/cm2）。成分：C＝0.77%珠光體P

（F+Fe3C）28萊氏體（Ld，4.3%C）

727℃以上為高溫Ld（A+Fe3C）；

727℃以下為低溫Ld’（P+Fe3C）；

力學(xué)性能與Fe3C相似，硬而脆。29三鐵碳合金狀態(tài)圖顯示各種不同碳量的鐵碳合金在不同溫度下組織形態(tài)的熱分析圖形

30溫度含碳含義A15380純鐵熔點(diǎn)C11484.3共晶點(diǎn)D12276.69滲碳體熔點(diǎn)E11482.11碳在鐵中最大溶解度F11486.69滲碳體成分點(diǎn)G9120鐵同素異晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)S7270.77共析點(diǎn)P7270.0218碳在鐵中最大溶解度1、Fe–C合金狀態(tài)圖的構(gòu)成311、Fe–C合金狀態(tài)圖的構(gòu)成2）兩條水平線

ECF（1148℃）；PSK（727℃）。

3）4個(gè)基本相

液相(L)；奧氏體(A)；鐵素體(F)；

滲碳體相(Fe3C)。322、Fe–C合金狀態(tài)圖的特性分析

1）共晶線—ECF（C點(diǎn)—共晶點(diǎn)）

說明：含2.11%~6.69%C的Fe–C合金(生鐵)都將在1148℃時(shí)發(fā)生萊氏體轉(zhuǎn)變，即共晶轉(zhuǎn)變。1148℃表示共晶反應(yīng)：332）共析線－PSK

（S點(diǎn)－共析點(diǎn)）說明：含0.0218%~2.06%C的Fe–C合金(鋼)都將在727℃時(shí)發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，即共析轉(zhuǎn)變。在熱處理中，該線溫度常以A1表示，冷卻時(shí)用Ar1，加熱時(shí)用Ac1。727℃表示共析反應(yīng)：343）兩條固溶線－GS、ES

ES

自高碳奧氏體冷卻過程中析出Fe3C的起始線。溫度常以Acm表示。冷卻：表示為Arm；加熱：表示為Acm。

GS自低碳奧氏體冷卻過程中析出鐵素體晶粒的起始線，該溫度常以A3表示。冷卻：Ar3；加熱：Ac3。35

四鐵碳合金分類(據(jù)C%不同分)

以E點(diǎn)（C2.11%）為界，分為鋼和生鐵兩類。生鐵結(jié)晶時(shí)有萊氏體轉(zhuǎn)變，組織中有萊氏體。

鋼以S點(diǎn)（0.77%C）為界，分為：亞共析鋼C＜0.77%；共析鋼C＝0.77%；過共析鋼C＞0.77%。36生鐵以C點(diǎn)（4.3%C）為界，分為：

亞共晶生鐵

2.06%＜C＜4.3%；共晶生鐵C＝4.3%；過共晶生鐵C＞4.3%～6.67％。

鑄鐵：一般是指用來制造鑄件的生鐵，為亞共晶生鐵。C＝2.8%~4.0%。37

第三章鋼的熱處理

第一節(jié)概述

應(yīng)用

：

機(jī)床制造中，熱處理零件占60%~70%，

汽車制造中，熱處理零件占70%~80%。

方法

：

通過對(duì)鋼件重新加熱、保溫并以不同條件下的冷卻方式獲得所需組織和性能。普通熱處理:退火、正火、淬火、回火；表面熱處理:表面淬火、化學(xué)熱處理。

意義

：

將鋼件在固態(tài)下使之改善內(nèi)部組織和提高其力學(xué)性能，但不允許改變形狀。返回38第二節(jié)退火和正火退火

將鋼件加熱，保溫至奧氏體化后隨爐冷卻(緩慢)，使其重新結(jié)晶的熱處理工藝。完全退火應(yīng)用：亞共析鋼的鑄、鍛、焊件。

加熱保溫：Ac3+30~50℃，奧氏體化；冷卻：爐冷至500℃后開爐空冷。球化退火加熱、保溫：Ac1+20~30℃；冷卻：隨爐緩慢冷卻；去應(yīng)力退火加熱，保溫：500~650℃以下(<Ac1)39退火目的：

（1）降低硬度，利于切削加工；（2）細(xì)化晶粒，提高塑性和韌性；（3）消除內(nèi)應(yīng)力。主要應(yīng)用于鑄件、鍛件、焊件等多種毛坯加工前的預(yù)備熱處理。應(yīng)用：40二、正火正火加熱，保溫過程和目的同退火，只是放到空氣中冷卻，比退火冷卻稍快，珠光體中的Fe3C片層更薄，性能與退火相近。正火作用：（1）取代部分完全退火。（2）用于普通結(jié)構(gòu)件的最終熱處理。（3）用于過共析鋼，以減少或消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火作準(zhǔn)備。41第三節(jié)淬火和回火一、淬火

加熱，保溫規(guī)范亞共析鋼：t=Ac3+30~50℃過共析鋼：t=Ac1+30~50℃冷卻條件：速冷（油或水中，水中冷卻更快)

42組織變化特征

1）晶格轉(zhuǎn)變：γ-Fe(面心）→α-Fe（體心）2）速冷下，原A中的過飽和碳難以向外擴(kuò)散，形成了碳在α-Fe中的過飽和固溶體。這類固溶體即稱馬氏體。以符號(hào)“M”表示。“M”的特性1）因碳嚴(yán)重過飽和，晶格畸變，增加了變形抗力，故馬氏體通常具有很高的硬度和耐磨性，但凸顯脆性，易開裂。2）M相變伴隨有體積膨脹，出現(xiàn)淬火內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)生淬火變形。43防止裂紋和變形的措施：（1）嚴(yán)格控制淬火加熱溫度。（2）合理選擇淬火介質(zhì)（3）正確選擇淬火方法。44二、回火將淬火鋼重新加熱到Ac1以下某個(gè)溫度，保溫后冷卻的熱處理工藝，稱為回火。

回火意義

淬火后因“M”為不穩(wěn)定組織，重新加熱時(shí)，碳原子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，將以Fe3C形式析出，致使σb、HRC降低，δ%、αk提高。45回火分類

1）低溫回火（150~250℃）

目的：減小內(nèi)應(yīng)力，降低脆性，保持良好的原淬火硬度（56~65HRC）和高的耐磨性。

應(yīng)用：工具、刃具、模具及其它耐磨件。

按淬火后重新加熱溫度不同，可分為三類：462）中溫回火（250~500℃）目的：獲得高彈性，保持表面較高硬度（35~50HRC），獲得一定的韌性。

應(yīng)用：彈簧、發(fā)條、鍛模板。

473）高溫回火（500~6