授課第一篇　工程材料性質

1、教案首頁課程名稱 ：金屬材料成形基礎 任課教師：徐曉峰第一篇 工程材料性質 計劃學時： 6教學目的和要求：本篇介紹了金屬材料的主要性能、金屬與合金的晶體結構及結晶過程、鐵碳合金狀態(tài)圖及鐵碳合金。學完本篇要求學生了解并掌握金屬材料的主要性能、金屬與合金的晶體結構及結晶過程和鐵碳合金狀態(tài)圖。重點：重點為金屬材料的力學性能、鐵碳合金； 難點：難點為鐵碳合金狀態(tài)圖思考題：1 如何判斷金屬材料受力時，產生的是彈性變形還是塑性變形？2 生產中常通過測量硬度來估算材料的強度，這是為什么？3 合金的基本組成物有?那些試說明它們各自的結構特點和性能特點。4 鋸條、彈簧、軸各應進行那些熱處理比較?合適？為什么？5

2、 何為合金狀態(tài)圖？它是如何繪制出來的？合金狀態(tài)圖有什么用途？第一篇 工程材料的性質第一章 材料的主要性能材料的主要性能是指:1.使用性能（1）力學性能（2）物理性能（3）化學性能 2.工藝性能加工成形的性能第一節(jié) 材料的力學性能力學性能 材料在外力作用下所表現(xiàn)出的特性。一、外力作用下材料的變形與失效 作用在機件上的外力 載荷靜載荷動載荷FF（MPa）= F /S1.兩種基本變形（1）彈性變形：F = F FF材料受外力作用時產生變形，當外力去除后恢復其原來形狀，這種隨外力消失而消失的變形，稱為彈性變形。 （2）塑性變形: 材料在外力作用下產生永久的不可恢復的變形，稱為塑性變形。2變形的三個階段

3、彈性變形塑性變形斷裂3. 常見的幾種失效形式（1）斷裂 （2）塑性變形 （3）過量彈性變形（4）磨損 （5）腐蝕二、材料的力學性能拉伸實驗FLF0dF縮頸bskeo拉伸曲線應力 應變曲線 e 彈性極限點 S 屈服點K 斷裂點 b 極限載荷點1強度：材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。（1） 屈服強度（S）指材料在外力作用下，產生屈服現(xiàn)象時的應力。S =Fs/S0 （MPa）它表征了材料抵抗微量塑性變形的能力。當材料單位面積上所受的應力e<<s時，只產生微量的塑性變形。當>s時，材料將產生明顯的塑性變形。0.2=F 0.2/S0 （MPa）條件屈服強度:屈服強度 是塑性

4、材料選材和評定的依據(jù)。ke s100%0.2%bF（2）抗拉強度（b ）抗拉強度是材料在拉斷前承受最大載荷時的應力。 b =Fb/S0 （MPa）它表征了材料在拉伸條件下所能承受的最大應力。抗拉強度 是脆性材料選材的依據(jù)。2. 塑性材料在外力作用下，產生永久變形而不引起破壞的能力。常用 和 作為衡量塑性的指標。伸長率： 斷面收縮率：良好的塑性是金屬材料進行塑性加工的必要條件。3剛度（E） 材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力稱為剛度。 在彈性變形階段：所以：E 材料抵抗彈性變形的能力越大。4硬度是材料抵抗更硬的物體壓入其內的能力。(1)布氏硬度（HB）： FF1200布氏硬度適用HB<45

5、0(2)洛氏硬度（HRC）洛氏硬度一般用于HB>450洛氏硬度與布氏硬度之間約為1：10的關系同時硬度與強度之間也有一定的關系：低碳鋼： b3.6HB高碳鋼： b3.6HB調質合金鋼： b3.6HB5沖擊韌性 材料抵抗沖擊載荷作用下斷裂的能力。 AK = G（H1 - H2）（J） ak = AK /S （J/m2） 在沖擊載荷下工作的零件，很少是受大能量一次沖擊而破壞的；往往是受小能量多次重復沖擊而破壞的。6疲勞強度材料在無數(shù)次重復或交變載荷作用下不引起破壞的最大應力。受交變載荷作用的零件，在其所受應力遠遠低于該材料的屈服強度時，會發(fā)生突然的斷裂。而且是脆性斷裂。據(jù)統(tǒng)計，約80%的機件

6、失效為疲勞破壞。 循環(huán)基數(shù)鋼：有色金屬：三、力學性能與失效形式的關系ss力學性能 失效形式sb 強度 塑性 斷裂剛度 塑性變形硬度 過量彈變韌性 磨損疲勞強度第二節(jié) 材料的物理、化學及工藝性能一、材料的物理性能比重、密度、熔點、導電性、導熱性、磁性、熱膨脹系數(shù)。二、材料的化學性能耐酸性、耐堿性、抗氧化性。三、材料的工藝性能：加工性能第二章 金屬及合金的結晶第一節(jié) 金屬的晶體結構晶體：原子作有序排列；有固定的熔點；各向異性。非晶體：原子作無序排列；沒有固定的熔點；各向同性。所有的金屬和合金都是晶體。晶格原子排列形成的空間格子晶胞組成晶胞最基本的單元金屬的典型晶體結構體心立方晶格：Cr、Mo、W、

7、V、a -Fe、 b -Fe 面心立方晶格：Cu、Ni、Ag、Au 密排六方晶格：Mg、Be、Zn、 a -Ti、b -Cr溫度時間T0TnT過冷度第二節(jié) 金屬的結晶過程一、金屬的結晶過程1金屬結晶的過冷現(xiàn)象2金屬的結晶過程形核長大結晶冷卻曲線自發(fā)形核非自發(fā)形核金屬是由許多大小、形狀、晶格排列方向均不相同的晶粒所組成的多晶體。一般金屬的晶粒越細小，其力學性能越好。3細化晶粒的方法1）變質處理2）增大過冷度3）機械的振動和攪拌4）熱處理5）壓力加工再結晶二、金屬的同素異晶轉變同素異晶轉變 在固態(tài)下，隨著溫度的變化，金屬的晶體結構從一種晶格類型轉變?yōu)榱硪环N晶格類型的過程。溫度時間1538 1394

8、 912 體心面心體心Fe、Sn、Ti、Mn912 1394 1538 L一種金屬能以幾種晶格類型存在的性質 稱為同素異晶性。第三節(jié) 合金的結構合金 以一種金屬為基礎，加入其它金屬或非金屬，所形成的具有金屬特性的物質。合金是由兩種以上的元素組成的。固態(tài)合金的結構是由組元在結晶時彼此之間所起的作用所決定的。 固溶體合金的結構 金屬化合物機械混合物 一、固溶體溶質原子溶入溶劑晶格而仍保持溶劑晶格類型的金屬晶體。據(jù)溶質原子在溶劑晶格中所占據(jù)位置的不同置換固溶體間隙固溶體固溶體溶質原子溶劑原子溶質原子溶劑原子固溶體的性能特點：具有良好的塑性和韌性，強度、硬度較低。F： b = 250MPa = 455

9、0% HB = 80二、金屬化合物合金各組成元素之間相互作用而生成的一種新的具有金屬特性的物質。金屬化合物各元素之間呈整數(shù)比關系。如： Fe3C、WC、TiC 等金屬化合物的性能特點：脆性大、硬度高；強度低；塑性、韌性差；高的熔點。Fe3C：HB=800； b =30MPa ； 0%三、機械混合物合金的組成在固態(tài)下既不互相溶解又不形成化合物，而是按一定的重量比混合而成的新物質。機械混合物既可以是純金屬、固溶體或金屬化合物各自的混合物，也可以是它們之間的混合物。性能特點：性能介于各組成物的性能之間。一般具有良好的綜合力學性能。P：b = 750MPa =25% HB = 180-200F： b

10、= 250MPa = 4550% HB = 80Fe3C：HB=800； b =30MPa ； 0%第三章 鐵碳合金第一節(jié) 鐵碳合金的基本組織一、鐵素體（F） 鐵素體 碳（C）溶入-Fe中所形成的固溶體。 727 0.02%C 力學性能：b = 250MPa = 4550% HB = 80二、奧氏體（A）奧氏體 碳（C）溶入-Fe中所形成的固溶體。 1147 2.06%C 、727 0.77%力學性能：b = 250 350MPa = 4045% HB = 160200三、滲碳體（Fe3C）滲碳體 是金屬化合物。 6.67%C 力學性能： b = 30MPa = 0 HB = 800四、珠光體

11、（P）珠光體 是鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。 727 0.77%力學性能： b = 750MPa =25% HB = 180-200五、萊氏體（Le）萊氏體 是奧氏體和滲碳體組成的機械混合物。 1147 4.3%C 力學性能： b = 30MPa = 0 HB = 700 第二節(jié) 鐵碳合金狀態(tài)圖一、什么是狀態(tài)圖狀態(tài)圖 表示合金系的成分、溫度、組織、狀態(tài)之間關系的圖表。 二、狀態(tài)圖的作用是研究合金的成分、溫度、組織、狀態(tài)之間變化規(guī)律的工具。 三、鐵碳合金狀態(tài)圖1. 狀態(tài)圖上點的意義A純鐵的熔點。DFe3C的熔點。 EC在-Fe中的最大溶解度點。1147 2.06%C 鋼和鐵的分界點。C共晶點

12、，1147 4.3%C 共晶點發(fā)生共晶反應的點。 共晶反應 在一定的溫度下，由一定成分的液體同時結晶出一定成分的兩個固相的反應。 L（4.3%C） A（2.06%C ）+ Fe3C （6.67%C ）1147Le共晶反應的產物共晶體機械混合物 溫度1538 ALDC1147EALeFFe3C912727GSFPKPQC%6.670.020.772.064.3G 純鐵的同素異晶轉變點。 912 P C在-Fe中的最大溶解度點。727 0.02%C S 共析點。 727 0.77%共析點 發(fā)生共析反應的點。 共析反應在一定的溫度下，由一定成分的固相同時結晶出一定成分的另外兩個固相的反應。 共析反應

13、的產物 共析體 機械混合物 727A（0.77%C） F（0.002%C ）+ Fe3C（6.67%C ）P2. 狀態(tài)圖上線的意義ACD線液相線AC析出ACD析出 Fe3CAECF線固相線 AEA析出終了線ECF共晶線 1147ES線 C在-Fe中的溶解度曲線。析出二次Fe3CGS線 溶解度曲線 AFGP線 F析出終了線。PQ線 碳在-Fe中的溶解度曲線。PSK線 共析線 727（1）   單相區(qū)：L、F、A、Fe3C （2）   兩相區(qū)：L+A、L+ Fe3C、A+F、F+ Fe3C（3）   三相區(qū)：L+A+

14、Fe3C、A+F+ Fe3CA3PLA2L+四、鐵碳合金的結晶過程及組織轉變2AL+1L3AA+4P+FF1鋼共析鋼: 亞共析鋼: 1LAL+23AFe3CA+4P+Fe3C過共析鋼:1L2LeLe2生鐵共晶生鐵: 1LAL+2A+LeA+Le +Fe3C3P+Fe3C+Le亞共晶生鐵: 1LFe3CL+2Fe3C+Le3Fe3C+Le過共晶生鐵：五含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響Fe3CF F+P P P+ Fe3C P+ Fe3C +Le Le Le+ Fe3C02.064.30.02FPLeFe3CC%6.670.770.91.0HBdC%HBd六狀態(tài)圖的作用1選擇材料 2確定各種工藝參

15、數(shù)第三節(jié) 鋼的分類和應用一、鋼的分類1按化學成分分類1）碳素鋼（1）低碳鋼 C < 0.25%（2）中碳鋼 C = 0.25-0.6%（3）高碳鋼 C > 0.6%2）合金鋼（1）低合金鋼 Me < 5%（2）中合金鋼 Me = 5-10%（3）高合金鋼 Me > 10%2. 按質量分類 1）普通鋼：P < 0.045% S < 0.055%2）優(yōu)質鋼：P < 0.040% S < 0.045%3）高級優(yōu)質鋼：P、S< 0.030%3按用途分類1）結構鋼：（1）工程結構鋼、（2）機械制造用鋼2）工具鋼：（1）碳素工具鋼（2）合金工具鋼3）特

16、殊性能鋼：彈簧鋼、軸承鋼、耐熱鋼、耐蝕鋼等 。4按冶煉方法分類（1）平爐鋼 （2）轉爐鋼 （3）電爐鋼二、鋼的編號及應用 1結構鋼1）（普通）碳素結構鋼屈碳素結構鋼的鋼號用屈服強度表示。這類鋼主要用于制造一般的機械零件和工程構件。sQ195Q195（0.06-0.12%C）、Q215（0.09-0.15%C）、Q235（A（0.14-0.22%C）、B（0.12-0.20%C）、Q255（0.18-0.28%C）、Q275（0.28-0.38%C） 2）優(yōu)質碳素結構鋼這類鋼的有害雜質P、S含量較低，鋼的質量較好，主要用于制造各種較重要的機械零件。鋼號用兩位數(shù)字表示，數(shù)字表示含碳量的萬分之幾。4

17、5 表示含碳量是萬分之45（0.45%）08、10、15 沖壓件、焊接件。15、20、25 滲碳淬火。30、35、40、45、50、55 調質處理。制造齒輪、連桿、凸輪和軸類零件。60、65、70 淬火+中溫回火，制造彈簧。 3）合金結構鋼合金結構鋼種類繁多，其鋼號的表示方法為：兩為數(shù)字+元素符號+數(shù)字。如：40Cr2Mo4V、60Si2Mn、38CrMoAl 低合金高強度結構鋼低合金高強度結構鋼是在低碳鋼的基礎上加入少量合金元素制得，其合金因素總量不超過5%，以Mn為主要合金因素。這類鋼一般在熱軋或正火狀態(tài)下使用，不需再進行熱處理。廣泛用于建筑、石油、化工、鐵道、橋梁、造船等工業(yè)部門。牌號有

18、Q295、Q345、Q460 機械結構用合金鋼用于制造各種機械零件的合金結構鋼。又可分為：合金滲碳鋼：20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA合金調質鋼：40Cr、40MnB、38CrMoAl合金彈簧鋼：60Si2Mn、50CrVA 滾動軸承鋼滾動軸承鋼是制造滾動軸承的內、外套圈和滾珠、滾柱的專用鋼種。常用牌號有GCr9、GCr15等，含碳在0.95% - 1.1%，合金元素主要是鉻。含0.90-1.25% Cr、1.4-1.65%Cr。 2工具鋼1）碳素工具碳素工具鋼含碳量為0.65-1.35% ，可制造低速切削的刀具和普通模具、量具。常用牌號有T7、T8、T8Mn、T9、T10A、T11、T12A、T13等。2）合金工具鋼其牌號表示方法是：一位數(shù)字（或無數(shù)字）+元素符號+數(shù)字。如：9Si