1、金属材料成形基础,绪论,各种成形工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互联系；零件的成形工艺过程和结构工艺性；常用工程材料性能对成形工艺的影响；工艺方法的综合比较等。它几乎涉及机器制造中所有工程材料的成形工艺。,一、课程性质,金属材料成形基础是一门研究常用工程材料坯件及机 器零件成形工艺原理的综合性技术基础学科。,它主要研究：,二、课程内容,零件,液态成形（铸造）,连接成形（焊接）,热处理,形状、尺寸、性能,1. 工程材料的主要性能； 2. 金属的液态成形（铸造生产）； 3. 金属的塑性成形（压力加工）； 4. 材料的连接成形（焊接生产）； 5. 切削加工成形。,本课程内容包括：,三、
2、学习目的,选择材料、选择结构、选择加工方法,4. 拓宽知识面。,1. 为后续课程的学习打基础；,2. 为毕业后的工作打基础；,3. 培养“三选”的能力；,四、要求了解和掌握,1. 各种成形方法的原理、特点及适用范围；,2. 各种零件的结构工艺性；,3. 常用工程材料的性能特点.,五、学习要求,1. 认真记笔记； 2. 不要迟到、旷课； 3. 按时交作业。,工程材料与机械制造基础 高等教育出版社 齐乐华 材料成形学 机械工业出版社 李新城 金属工艺学上、下册 高等教育出版社 邓文英 材料成型工艺基础 华中理工大学出版社 沈其文 机械制造学 机械工业出版社 王贵成 工程材料与热加工工艺 西北工业大
3、学出版社 裴崇斌 机械加工工艺 西北工业大学出版社 裴崇斌 机械加工工艺基础 清华大学出版社 金问楷,六、参考书目,网络课堂：http:/210.43.8.130/sjkc/clcx/ 科大主页教与在线精品课程省级精品课程目录金属材料成形基础,第一篇 工程材料的性质,第一章 材料的种类与主要性能,第一节 材料的种类,材料是工业和科学技术的物质基础，是人类社会赖以生存和发展的重要条件，是衡量一个国家经济实力与技术水平的重要标志，它与信息、能源并列为现代化技术的三大支柱，而能源和信息的发展又依托于材料材料。因此世界各国都把对材料的研究开发放在突出的地位。,工程材料,金属材料,高分子材料,无机非金属
4、材料,复合材料,功能材料,钢铁合金,有色合金,纤维：天然纤维、合成纤维,橡胶：通用橡胶、特殊橡胶,塑料：通用塑料、工程塑料、特种塑料,水泥,玻璃,耐火材料,陶瓷：普通陶瓷、特殊陶瓷,树脂基,金属基,陶瓷基,：力学功能材料、物理功能材料、化学功能材料、生物功能材料、智能功能材料等,钢：碳钢、合金钢、特殊性能钢,铸铁：白口铸铁、灰口铸铁等,铜及其合金,铝及其合金,其它：轴承合金、钛合金、镁合金等,2.工艺性能,材料的主要性能是指:,1.使用性能,（1）力学性能,（2）物理性能,（3）化学性能,加工成形的性能,第二节 材料的主要性能,力学性能 材料在外力作用下所表现出的特性。,(一) 外力作用下材料
5、的变形与失效,作用在机件上的外力载荷,F = F,（MPa）,外力 内力应力,静载荷,动载荷,= F /S,一、材料的力学性能,（1）弹性变形：,材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。,1.两种基本变形,（2）塑性变形:,材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称为塑性变形。,2变形的三个阶段,弹性变形,3. 常见的几种失效形式,（1）断裂,（2）塑性变形,（3）过量弹性变形,（4）磨损,（5）腐蚀,拉伸实验,k,b,b 极限载荷点,(二) 材料的主要力学性能指标,F,e,e 弹性极限点,s,S 屈服点,K 断裂点,拉伸曲线,F,F,
6、L,缩颈,o,1强度：,当材料单位面积上所受的应力es时，材料将产生明显的塑性变形。,条件屈服强度:,0.2=F 0.2/S0 （MPa）,材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。,（1） 屈服强度（S）,指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。,S =Fs/S0 （MPa）,它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。,屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据。,对于没有明显屈服阶段的塑性材料，常用其产生0.2%塑性应变所对应的应力值作为名义屈服点，称为名义(条件)屈服强度，用 0.2表示。,k,b,F,e,s,100%,0.2%,b,b =Fb/S0 （MPa）,（2）抗拉强度（b ）,抗拉强度
7、是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。,它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。,抗拉强度 是脆性材料选材的依据。,2. 塑性,常用 和 作为衡量塑性的指标。,伸长率：,材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。,断面收缩率:,F,F,L,良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。,3刚度（E）,在弹性阶段：,4硬度,是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。,(1)布氏硬度（HB）：,材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。,所以：,布氏硬度适用HB450,(2)洛氏硬度（HRC）,洛氏硬度一般用于HB450,1：10,5冲击韧性,AK = G（H1 H2）（J） ak = AK
8、/S （J/m2）,低碳钢： b3.6HB 高碳钢： b3.4HB 调质合金钢： b3.25HB,材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。,在冲击载荷下工作的零件，很少是受大能量一次冲击而破坏的；往往是受小能量多次重复冲击而破坏的。,6疲劳强度,材料在无数次重复或交变载荷作用下不引起破坏的最大应力。, 循环基数,钢：,受交变载荷作用的零件，在其所受应力远远低于该材料的屈服强度时，会发生突然的断裂。而且是脆性断裂。,据统计，约80%的机件失效为疲劳破坏。,有色金属：,7断裂韧性 (K1C),材料抵抗裂纹失稳扩张能力的性能指标。,由于金属材料内部不可避免的存在着各种宏观缺陷，这些缺陷在材料中的作用相当于
9、裂纹。当材料受外力作用时，这些裂纹的尖端附近便出现应力集中，应力不断增 大，裂纹自动扩张，直到最终断裂。,在外力作用下，裂纹扩展的难易程度用断裂韧性表示，裂纹尺寸的平方根与应力的乘积定义为应力强度因子 KI, 对于某一种构件材料，应力强度因子有个临界值,称为材料的断 裂韧性KIC, 单位：MN/m3/2 。,断裂韧性是材料本身的一种力学性能指标，主要取决于材料本身的成分、组织和结构。,力学性能,(三) 力学性能与失效形式的关系,失效形式,断裂 塑性变形 过量弹变 磨损,（三）材料的工艺性能：加工性能,二、材料的物理、化学及工艺性能,（一）材料的物理性能：,比重、密度、熔点、导电性、导热性、磁性
10、、 热膨胀系数。,（二）材料的化学性能：,耐酸性、耐碱性、抗氧化性。,第一节 金属的晶体结构,第二章 金属及合金的结构与结晶,原子作无序排列；没有固定的熔点；各向同性。,所有的金属和合金都是晶体,晶格原子排列形成的空间格子,晶胞组成晶格最基本的单元,原子作有序排列；有固定的熔点；各向异性。,一、金属的理想晶体结构,Cr、Mo、W、V、 -Fe,Cu、Ni、Ag、Au,Mg、Be、Zn、 -Ti、 -Cr,金属的典型晶体结构,体心立方晶格：,面心立方晶格：,密排六方晶格：,二、金属的实际晶体结构,1点缺陷空位和间隙原子,空位：是指未被原子占据的晶格节点。,间隙原子：是指位于原子间隙中的原子。,2
11、线缺陷位错,位错：是指在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。,3面缺陷晶界,晶界：是指在位向不同、相邻晶粒之间的过渡层。,一、金属的结晶过程,1金属结晶的过冷现象,T0,Tn,T,第二节 金属的结晶,冷却曲线,过冷度,2金属的结晶过程,结晶,形核,长大,过冷度=理论结晶温度-实际结晶温度,金属是由许多大小、形状、晶格排列方向均不相同的晶粒所组成的多晶体。,一般金属的晶粒越细小，其力学性能越好。,3细化晶粒的方法,1）变质处理,2）增大过冷度,3）机械的振动和搅拌,4）热处理,5）压力加工再结晶,同素异晶转变在固态下，随着温度的变化，金属的晶体结构从一种晶格类型转变为另一种晶
12、格类型的过程。,L,一种金属能以几种晶格类型存在的性质 称为同素异晶性。,Fe、Sn、Ti、Mn,温度,时间,1538 ,1394 ,912 ,体心,面心,体心,Fe,第三节 金属的同素异晶转变,第四节 合金的结构,合金以一种金属为基础，加入其它金属或非金属，所形成的具有金属特性的物质。,合金是由两种以上的元素组成的。,P11,组元：组成合金最基本的、独立的单元称为组元。根据组元数目的多少，可将合金分为二元合金、三元合金等。,相：合金中的相是指具有相同的结构，相同的物理、化学性能，并与该系统中其余部分有明显界面分开的均匀部分。固态下只有一个相的合金称为单相合金；由两个或两个以上相组成的合金称为
13、多相合金。固溶体中的相结构主要有固溶体和金属化合物。,固态合金的结构是由组元在结晶时彼此之间所起的作用所决定的。,合金的结构,机械混合物,固溶体,金属化合物,显微组织：在显微镜下观察到的组成相的种类、大小、形态和分布称为显微组织，简称组织，因此相是组成组织的基本物质。金属的组织对金属的机械性能有很大的影响。,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。,据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同,固溶体,固溶体的性能特点： 具有良好的塑性和韧性，强度、硬度较低。,F： b = 250MPa；= 4550%；HB = 80,置换固溶体,间隙固溶体,二、金属化合物,合金各组成元素之
14、间相互作用而生成的一种新的具有金属特性的物质。,金属化合物各元素之间呈整数比关系。 如： Fe3C、WC、TiC 等,金属化合物的性能特点： 脆性大、硬度高；强度低；塑性、韧性差；高的熔点。,Fe3C：HB=800； b =30MPa ； 0%,三、机械混合物,合金的组成在固态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质。,机械混合物既可以是纯金属、固溶体或金属化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。,性能特点：性能介于各组成物的性能之间。一般具有良好的综合力学性能。,P：b = 750MPa； =25%； HB = 180200,F：b = 250MPa； = 45
15、50%； HB = 80 Fe3C：b =30MPa ； 0%；HB=800,铁素体 碳（C）溶入-Fe中所形成的固溶体。727 0.02%C,第三章 铁碳合金,一、铁素体（F）,力学性能：b = 250MPa；= 4550%； HB = 80,二、奥氏体（A）,奥氏体 碳（C）溶入-Fe中所形成的固溶体。 1148 2.11%C；727 0.77%C,力学性能：b = 250 350MPa；= 4045%；HB = 160200,第一节 铁碳合金的基本组织,P18,四、珠光体（P）,力学性能： b = 750MPa；=25%； HB = 180200,五、莱氏体（Le）,力学性能： b =
16、30MPa；= 0； HB = 700,珠光体 是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 727， 0.77%C,莱氏体 是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。 1148， 4.3%C,三、渗碳体（Fe3C）,渗碳体 是金属化合物。 6.67%C,力学性能： b = 30MPa ；= 0； HB = 800,相图（状态图） 表示合金系的成分、温度、组织、状态之间关系的图表。,第二节 铁碳合金相图（状态图）,一、什么是相图（状态图）,1538 ,1394 ,912 ,成分,二、相图（状态图）的作用,是研究合金的成分、温度、组织、状态之间变化规律的工具。,A,E,S,P,Q,G,K,D,4.3,2.11,0
17、.77,0.02,1148,1538 ,727,P,L,A,F,三、铁碳合金相图,912,C,6.69,F,A纯铁的熔点。,DFe3C的熔点。,1. 相图上点的意义,EC在-Fe中的最大溶解度点。1148 2.11%C 钢和铁的分界点。,Le,C共晶点，1148 4.3%C,共晶点发生共晶反应的点。,共晶反应 在一定的温度下，由一定成分的液体同时结晶出一定成分的两个固相的反应。,共晶反应的产物共晶体机械混合物,G 纯铁的同素异晶转变点。 912,P C在-Fe中的最大溶解度点。727 0.02%C,S 共析点。 727，0.77%C,共析点 发生共析反应的点。,共析反应在一定的温度下，由一定成
18、分的固相同时结晶出一定成分的另外两个固相的反应。,共析反应的产物 共析体 机械混合物,2. 相图上线的意义,AECF线固相线,ACD线液相线,AEA析出终了线 ECF共晶线 1148,AC析出A CD析出 Fe3C,A,L+,Fe3C,L+,F,+A,A+,A+Le,Le + Fe3C,ES线 C在-Fe中的溶解度曲线。析出二次Fe3C,（1） 单相区：L、F、A、Fe3C （2） 两相区：L+A、L+ Fe3C、A+F、F+ Fe3C （3） 三相区：L+A+ Fe3C、A+F+ Fe3C,GS线 溶解度曲线 AF,GP线 F析出终了线。,PSK线 共析线 727,PQ线 碳在-Fe中的溶解
19、度曲线。,1,1,1,1,1,1,2,2,2,2,2,3,3,3,3,4,4,A,A,A,A,A+,L+,L+,L+,L+,A+,A+,Le,P+F,P,F+P,P+Fe3C,P+Fe3C,P+Fe3C+Le,A+Le +,3,A,A,A,F,Fe3C,Le,Le,Le,L+,Fe3C,Fe3C,Fe3C+,Fe3C+Le,P+Fe3C+Le,2,Le,Fe3C+Le,Fe3C+Le,1钢,2生铁,共析钢: 亚共析钢: 过共析钢:,共晶生铁: 亚共晶生铁: 过共晶生铁:,四、铁碳合金的结晶过程及组织转变,五含碳量对铁碳合金组织和性能的影响,0,0.77,2.11,4.3,6.69,0.02,F
20、,P,Le,Fe3C,Fe3C,0.91.0,1选择材料2确定各种工艺参数,六相图的作用,第二节 钢的分类和应用,1按化学成分分类,一、钢的分类,（1）低合金钢 Me 10%,1）碳素钢,2）合金钢,（1）低碳钢 C 0.6%,2. 按质量分类,P、S 0.030%,1）普通钢,2）优质钢,3）高级优质钢：,S：使合金产生热裂、热脆缺陷 P：使合金产生冷裂、冷脆缺陷,P 0.045% S 0.055%,P 0.035% S 0.035%,（1）平炉钢 （2）转炉钢 （3）电炉钢,3按用途分类,弹簧钢、轴承钢、耐热钢、耐蚀钢等 。,1）结构钢,2）工具钢,3）特殊性能钢:,（1）工程结构钢 （2
21、）机械制造用钢,（1）碳素工具钢 （2）合金工具钢,4按冶炼方法,二、钢的编号及应用,碳素结构钢的钢号用屈服强度表示。这类钢主要用于制造一般的机械零件和工程构件。,1结构钢,Q195（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）,Q195,1）（普通）碳素结构钢,见43页表4-1,2）优质碳素结构钢,08、10、15 冲压件、焊接件。 15、20、25 渗碳淬火。 30、35、40、45、50、55 调质处理。制造齿轮、连杆、凸轮和轴
22、类零件。 60、65、70 淬火+中温回火，制造弹簧。,这类钢的有害杂质P、S含量较低，钢的质量较好，主要用于制造各种较重要的机械零件。钢号用两位数字表示，数字表示含碳量的万分之几。,45, 表示含碳量是万分之45（0.45%）,见43页表4-2,低合金高强度结构钢是在低碳钢的基础上加入少量合金元素制得，其合金因素总量不超过5%，以Mn为主要合金因素。这类钢一般在热轧或正火状态下使用，不需再进行热处理。广泛用于建筑、石油、化工、铁道、桥梁、造船等工业部门。牌号有Q295、Q345、Q460,3）合金结构钢,合金结构钢种类繁多，其钢号的表示方法为：两位数字+元素符号+数字。 如：40Cr2Mo4
23、V、60Si2Mn、38CrMoAl, 低合金高强度结构钢,滚动轴承钢是制造滚动轴承的内、外套圈和滚珠、滚柱的专用钢种。常用牌号有GCr9、GCr15等，含碳在0.95% - 1.1%，合金元素主要是铬。含0.90-1.25% C、1.4-1.65%Cr。,用于制造各种机械零件的合金结构钢。又可分为： 合金渗碳钢：20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA 合金调质钢：40Cr、40MnB、38CrMoAl 合金弹簧钢：60Si2Mn、50CrVA, 机械结构用合金钢, 滚动轴承钢,其牌号表示方法是：一位数字（或无数字）+元素符号+数字。如：9SiCr、W18Cr4V、5CrNiMo等。
24、合金工具钢又可分为合金刃具钢、合金模具钢、和合金量具钢。,2工具钢,1）碳素工具,碳素工具钢含碳量为0.65-1.35% ，可制造低速切削的刀具和普通模具、量具。常用牌号有T7、T8、T8Mn、T9、T10A、T11、T12A、T13等。,2）合金工具钢,见44页表4-3, 合金刃具钢 指用于制造各种刀具的钢材。含碳量为0.75-1.50%，典型牌号为9SiCr、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。, 塑料模具钢, 合金量具钢 在生产中常用的量具有钢板尺、游标卡尺、卡规、千分尺、塞规、块规等。T10A、T12A 、CrWMn、 GCr15, 合金模具钢 模具钢是指用于制造各种模具的钢材。冷作
25、模具钢如：冲压模、拉拔模等。典型牌号为Cr12、Cr12MoV。热作模具钢如：热锻模、热挤压模、压铸模 等。典型牌号为5CrMnMo、5CrNiMo。,是指在一定范围内具有特殊磁、电、弹性、膨胀等物理性能的钢。包括软磁钢、永磁钢、无磁钢、特殊弹性钢、特殊膨胀钢、高电阻钢和合金等。,3特殊性能钢,1）不锈、耐蚀和耐热钢, 不锈、耐蚀钢 不锈钢是指在水、空气、酸、碱或其它介质中，具有较强抵抗腐蚀能力的钢。其含碳量低，主加合金元素为Cr、Ni。常用牌号有：1Cr13、1Cr17、1Cr17、1Cr18Ni9、1Cr19Ni9、1Cr17Mo等。, 耐热钢 在高温下具有良好的抗氧化性和热强性钢，耐热钢可分为马氏体型、奥氏体型和铁素体型等几种，分别适合于在600以下、700-700、接近1000的高温状态下工作。典型牌号有：1Cr13、4Cr9Si2、4Cr14Ni14W2Mo、1Cr17。,2）特殊物理性能钢,
