金屬材料成形基礎(chǔ)主講徐曉峰第一章工程材料的性質(zhì)第一節(jié)材料的種類與主要性能§1-1材料的種類

材料是工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要條件，是衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力與技術(shù)水平的重要標(biāo)志，它與信息、能源并列為現(xiàn)代化技術(shù)的三大支柱，而能源和信息的發(fā)展又依托于材料材料。因此世界各國(guó)都把對(duì)材料的研究開發(fā)放在突出的地位。工程材料金屬材料高分子材料無(wú)機(jī)非金屬材料復(fù)合材料功能材料鋼鐵合金有色合金纖維：天然纖維、合成纖維橡膠：通用橡膠、特殊橡膠塑料：通用塑料、工程塑料、特種塑料水泥玻璃耐火材料陶瓷：普通陶瓷、特殊陶瓷樹脂基金屬基陶瓷基：力學(xué)功能材料、物理功能材料、化學(xué)功能材料、生物功能材料、智能功能材料等鋼：碳鋼、合金鋼、特殊性能鋼鑄鐵：白口鑄鐵、灰口鑄鐵等銅及其合金鋁及其合金其它：軸承合金、鈦合金、鎂合金等

2.工藝性能材料的主要性能是指:1.使用性能（1）力學(xué)性能（2）物理性能（3）化學(xué)性能——加工成形的性能§1-2材料的主要性能力學(xué)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(jī)件上的外力——載荷FFF=F’

（MPa）外力——內(nèi)力——應(yīng)力F’F靜載荷動(dòng)載荷σ=F’

/S一、材料的力學(xué)性能（1）彈性變形：

材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后恢復(fù)其原來(lái)形狀，這種隨外力消失而消失的變形，稱為彈性變形。1.兩種基本變形

（2）塑性變形:

材料在外力作用下產(chǎn)生永久的不可恢復(fù)的變形，稱為塑性變形。2．變形的三個(gè)階段彈性變形3.常見的幾種失效形式（1）斷裂（2）塑性變形（3）過(guò)量彈性變形（4）磨損（5）腐蝕塑性變形斷裂拉伸實(shí)驗(yàn)kbb—極限載荷點(diǎn)（二）材料的力學(xué)性能Fee—彈性極限點(diǎn)sS—屈服點(diǎn)K—斷裂點(diǎn)拉伸曲線FFL應(yīng)力—應(yīng)變曲線縮頸o1．強(qiáng)度：當(dāng)材料單位面積上所受的應(yīng)力σ<σe

時(shí)，只產(chǎn)生彈性變形。當(dāng)σ>σe時(shí)，材料將產(chǎn)生塑性變形。材料在外力作用下，抵抗變形和斷裂的能力。（1）彈性極限強(qiáng)度（σe）與彈性模量E指材料在彈性變形階段的最大應(yīng)力。σe=Fe/S0（MPa）它表征了材料抵抗塑性變形的能力。在彈性變形階段：所以：當(dāng)材料單位面積上所受的應(yīng)力σe<σ<σs時(shí)，只產(chǎn)生微量的塑性變形。當(dāng)σ>σs時(shí)，材料將產(chǎn)生明顯的塑性變形。E—表征了材料在外力作用下產(chǎn)生彈性變形的難易程度，在工程上稱為材料的剛度。（2）屈服強(qiáng)度（σS）指材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力。σS=Fs/S0（MPa）它表征了材料抵抗微量塑性變形的能力。E—材料抵抗彈性變形的能力越大。kbFes100%0.2%b

σb=Fb/S0（MPa）（3）抗拉強(qiáng)度（σb

）抗拉強(qiáng)度是材料在拉斷前承受最大載荷時(shí)的應(yīng)力。

它表征了材料在拉伸條件下所能承受的最大應(yīng)力。抗拉強(qiáng)度—是脆性材料選材的依據(jù)。條件屈服強(qiáng)度:σ0.2=F0.2/S0（MPa）屈服強(qiáng)度—是塑性材料選材和評(píng)定的主要依據(jù)。2.塑性常用δ

和ψ作為衡量塑性的指標(biāo)。伸長(zhǎng)率：材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不引起破壞的能力。斷面收縮率:FFL良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。(2)洛氏硬度（HRC）1：103．硬度是材料抵抗局部變形的能力。是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)。(1)布氏硬度（HB）：

特別是指材料抵抗塑性變形壓痕、劃痕的能力。是材料塑性與彈性的綜合反映4．沖擊韌性

AK=G（H1–H2）（J）ak

=

AK/S（J/m2）

低碳鋼：σb≈3.6HB高碳鋼：σb≈3.4HB調(diào)質(zhì)合金鋼：σb≈3.25HB材料抵抗沖擊載荷作用下斷裂的能力。

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(fù)沖擊而破壞的。5．疲勞強(qiáng)度材料在無(wú)數(shù)次重復(fù)或交變載荷作用下不引起破壞的最大應(yīng)力。—循環(huán)基數(shù)鋼：

受交變載荷作用的零件，在其所受應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，會(huì)發(fā)生突然的斷裂。而且是脆性斷裂。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約80%的機(jī)件失效為疲勞破壞。有色金屬：6．?dāng)嗔秧g性(K1C)材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)張能力的性能指標(biāo)。

由于金屬材料內(nèi)部不可避免的存在著各種宏觀缺陷，這些缺陷在材料中的作用相當(dāng)于裂紋。當(dāng)材料受外力作用時(shí)，這些裂紋的尖端附近便出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力不斷增大，裂紋自動(dòng)擴(kuò)張，直到最終斷裂。在外力作用下，裂紋擴(kuò)展的難易程度用斷裂韌性表示。斷裂韌性是材料本身的一種力學(xué)性能指標(biāo)，主要取決于材料本身的成分、組織和結(jié)構(gòu)。力學(xué)性能bs強(qiáng)度塑性剛度硬度韌性疲勞強(qiáng)度斷裂韌性（三）力學(xué)性能與失效形式的關(guān)系失效形式斷裂塑性變形過(guò)量彈變磨損（三）材料的工藝性能：加工性能二、材料的物理、化學(xué)及工藝性能（一）材料的物理性能：比重、密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁性、熱膨脹系數(shù)。（二）材料的化學(xué)性能：耐酸性、耐堿性、抗氧化性。§2-1

金屬的晶體結(jié)構(gòu)

第二節(jié)金屬及合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶原子作無(wú)序排列；沒有固定的熔點(diǎn)；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—組成晶格最基本的單元晶體：非晶體：原子作有序排列；有固定的熔點(diǎn)；各向異性。一、金屬的理想晶體結(jié)構(gòu)Cr、Mo、W、V、-FeCu、Ni、Ag、AuMg、Be、Zn、-Ti、-Cr金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶格：面心立方晶格：密排六方晶格：二、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)1．點(diǎn)缺陷—空位和間隙原子空位：是指未被原子占據(jù)的晶格節(jié)點(diǎn)。間隙原子：是指位于原子間隙中的原子。2．線缺陷—位錯(cuò)位錯(cuò)：是指在晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了某種有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。3．面缺陷—晶界晶界：是指在位向不同、相鄰晶粒之間的過(guò)渡層。合金—以一種金屬為基礎(chǔ)，加入其它金屬或非金屬，所形成的具有金屬特性的物質(zhì)。合金是由兩種以上的元素組成的。

固態(tài)合金的結(jié)構(gòu)是由組元在結(jié)晶時(shí)彼此之間所起的作用所決定的。合金的晶體結(jié)構(gòu)固溶體金屬化合物三、合金的晶體結(jié)構(gòu)1、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。據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)位置的不同固溶體固溶體的性能特點(diǎn)：具有良好的塑性和韌性，強(qiáng)度、硬度較低。F：σb=250MPaδ=45~50%HB=80置換固溶體間隙固溶體溶質(zhì)原子溶劑原子溶質(zhì)原子溶劑原子2、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(zhì)。金屬化合物各元素之間呈整數(shù)比關(guān)系。如：Fe3C、WC、TiC等金屬化合物的性能特點(diǎn)：脆性大、硬度高；強(qiáng)度低；塑性、韌性差；高的熔點(diǎn)。Fe3C：HB=800；σb

=30MPa；δ≈0%一、金屬的結(jié)晶過(guò)程1．金屬結(jié)晶的過(guò)冷現(xiàn)象溫度℃時(shí)間T0TnΔT§2-1金屬的結(jié)晶與同素異晶轉(zhuǎn)變冷卻曲線過(guò)冷度2．金屬的結(jié)晶過(guò)程結(jié)晶形核長(zhǎng)大過(guò)冷度=理論結(jié)晶溫度-實(shí)際結(jié)晶溫度自發(fā)形核非自發(fā)形核晶粒晶界

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(xì)小，其力學(xué)性能越好。3．細(xì)化晶粒的方法1）變質(zhì)處理2）增大過(guò)冷度3）機(jī)械的振動(dòng)和攪拌4）熱處理5）壓力加工再結(jié)晶同素異晶轉(zhuǎn)變—在固態(tài)下，隨著溫度的變化，金屬的晶體結(jié)構(gòu)從一種晶格類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格類型的過(guò)程。L1538℃1394℃912℃

一種金屬能以幾種晶格類型存在的性質(zhì)—稱為同素異晶性。Fe、Sn、Ti、Mn溫度℃時(shí)間1538℃1394℃912℃體心面心體心Fe二、金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變

鐵素體—碳（C）溶入α-Fe中所形成的固溶體。727℃0.02%C

第三節(jié)鐵碳合金一、鐵素體（F）

力學(xué)性能：σb=250MPaδ=45~50%HB=80二、奧氏體（A）奧氏體—

碳（C）溶入γ-Fe中所形成的固溶體。

1148℃2.11%C、727℃0.77%℃力學(xué)性能：σb=250~350MPaδ=40~45%HB=160~200§3-1

鐵碳合金的基本組織四、珠光體（P）力學(xué)性能：σb=750MPaδ=25%HB=180-200五、萊氏體（Le）力學(xué)性能：σb=30MPaδ=0HB=700

珠光體—是鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。

727℃0.77%℃萊氏體—是奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。1148℃4.3%C

三、滲碳體（Fe3C）滲碳體—是金屬化合物。

6.67%C

力學(xué)性能：σb=30MPaδ=0HB=800機(jī)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(zhì)。

機(jī)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(diǎn)：性能介于各組成物的性能之間。一般具有良好的綜合力學(xué)性能。P：σb=750MPaδ=25%HB=180-200F：σb

=250MPaδ=45~50%HB=80Fe3C：HB=800；σb

=30MPa；δ≈0%相圖——表示合金系的成分、溫度、組織、狀態(tài)之間關(guān)系的圖表。

§3-2

鐵碳合金相圖一、什么是相圖（狀態(tài)圖）溫度℃時(shí)間1538℃1394℃912℃體心面心體心

二、相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。

AESPQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃727℃PLAF三、鐵碳合金相圖溫度℃912℃CFe3C6.69FA—純鐵的熔點(diǎn)。D—Fe3C的熔點(diǎn)。

1.相圖上點(diǎn)的意義E—C在γ-Fe中的最大溶解度點(diǎn)。1148℃2.11%C鋼和鐵的分界點(diǎn)。LeC—共晶點(diǎn)，1148℃4.3%C

共晶點(diǎn)—發(fā)生共晶反應(yīng)的點(diǎn)。

共晶反應(yīng)—在一定的溫度下，由一定成分的液體同時(shí)結(jié)晶出一定成分的兩個(gè)固相的反應(yīng)。

共晶反應(yīng)的產(chǎn)物——共晶體——機(jī)械混合物

L（4.3%C）A（2.11%C）+Fe3C（6.69%C）1148℃Le

G—純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)。

912℃

P—C在α-Fe中的最大溶解度點(diǎn)。727℃0.02%C

S—共析點(diǎn)。727℃0.77%℃

共析點(diǎn)—發(fā)生共析反應(yīng)的點(diǎn)。

共析反應(yīng)—在一定的溫度下，由一定成分的固相同時(shí)結(jié)晶出一定成分的另外兩個(gè)固相的反應(yīng)。

共析反應(yīng)的產(chǎn)物—共析體—機(jī)械混合物

A（0.77%C）F（0.02%C）+Fe3C（6.69%C）727℃P2.相圖上線的意義AESPQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃Le727℃PLAF溫度℃912℃CFe3C6.69FAECF線—固相線

ACD線—液相線AE—A析出終了線ECF—共晶線

1148℃AC—析出ACD—析出Fe3CAL+Fe3CL+Fe3CⅡF+AA+A+LeLe+

Fe3CES線—C在γ-Fe中的溶解度曲線。析出二次Fe3CⅡ（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+Fe3C、A+F+Fe3CGS線—溶解度曲線A—FGP線—F析出終了線。PSK線—共析線727℃PQ線—碳在α-Fe中的溶解度曲線。ESQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃727℃PLAF溫度℃912℃CFe3C6.69APLeFAL+Fe3CⅠL+Fe3CⅡF+A①②③④⑤⑥1111112222223333334441L1L1L1L1L1LAAAAA+L+L+L+L+A+A+LeP+FPF+PP+Fe3CP+Fe3CP+Fe3C+Le’A+Le+4233332222AAAFFe3CLeLe’Le’L+Fe3CFe3CFe3C+Fe3C+Le’P+Fe3C+Le’2LeFe3C+Le’Fe3C+Le231LAAL+P1LAAL+A+P+F432F41LL+A+P+Fe3C23AAFe3C1L2LeLe’1LA+L+LeP+Fe3C+Le’A+Le+32AFe3C31L2L+Fe3CFe3C+Fe3C+Le’Le1．鋼2．生鐵

共析鋼:亞共析鋼:過(guò)共析鋼:

共晶生鐵:亞共晶生鐵:過(guò)共晶生鐵:四、鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程及組織轉(zhuǎn)變工業(yè)純鐵共析鋼亞共析鋼過(guò)共析鋼亞共晶白口鑄鐵過(guò)共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵

五．含碳量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響FF+PPP+Fe3CP+Fe3C+Le’Le’Le’+Fe3CC%00.772.114.36.690.02FPLe’Fe3CⅠFe3CⅡ0.9~1.0HBC%HB

1．選擇材料2．確定各種工藝參數(shù)六．相圖的作用§4-1

鋼的分類和應(yīng)用1．按化學(xué)成分分類一、鋼的分類（1）低合金鋼Me<5%（2）中合金鋼Me=5-10%（3）高合金鋼Me>10%1）碳素鋼2）合金鋼（1）低碳鋼C<0.25%（2）中碳鋼C=0.25-0.6%（3）高碳鋼C>0.6%第四節(jié)常用金屬材料2.按質(zhì)量分類

P、S<0.035%1）普通鋼2）優(yōu)質(zhì)鋼:3）高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼S：使合金產(chǎn)生熱裂、熱脆缺陷P：使合金產(chǎn)生冷裂、冷脆缺陷P<0.045%S<0.050%P<0.030%S<0.020%4）特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼P(yáng)<0.025%S<0.015%（1）平爐鋼（2）轉(zhuǎn)爐鋼（3）電爐鋼3．按用途分彈簧鋼、軸承鋼、耐熱鋼、耐蝕鋼等。1）結(jié)構(gòu)鋼2）工具鋼

3）特殊性能鋼:（1）工程結(jié)構(gòu)鋼（2）機(jī)械制造用鋼（1）碳素工具鋼（2）合金工具鋼4．按冶煉方法二、鋼的牌號(hào)及應(yīng)用

碳素結(jié)構(gòu)鋼的鋼號(hào)用屈服強(qiáng)度表示。這類鋼主要用于制造一般的機(jī)械零件和工程構(gòu)件。

1．結(jié)構(gòu)鋼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屈σs1）（普通）碳素結(jié)構(gòu)鋼見43頁(yè)表4-12）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼08、10、15—沖壓件、焊接件。15、20、25—滲碳淬火。30、35、40、45、50、55—調(diào)質(zhì)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。

這類鋼的有害雜質(zhì)P、S含量較低，鋼的質(zhì)量較好，主要用于制造各種較重要的機(jī)械零件。鋼號(hào)用兩位數(shù)字表示，數(shù)字表示含碳量的萬(wàn)分之幾。45—表示含碳量是萬(wàn)分之45（0.45%）見43頁(yè)表4-2低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是在低碳鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素制得，其合金因素總量不超過(guò)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(jìn)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(hào)有Q295、Q345、Q4603）合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼種類繁多，其鋼號(hào)的表示方法為：兩為數(shù)字+元素符號(hào)+數(shù)字。如：40Cr2Mo4V、60Si2Mn、38CrMoAl①低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

滾動(dòng)軸承鋼是制造滾動(dòng)軸承的內(nèi)、外套圈和滾珠、滾柱的專用鋼種。常用牌號(hào)有GCr9、GCr15等，含碳在0.95%-1.1%，合金元素主要是鉻。

含0.90-1.25%C、1.4-1.65%Cr。用于制造各種機(jī)械零件的合金結(jié)構(gòu)鋼。又可分為：合金滲碳鋼：20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA合金調(diào)質(zhì)鋼：40Cr、40MnB、38CrMoAl合金彈簧鋼：60Si2Mn、50CrVA②機(jī)械結(jié)構(gòu)用合金鋼③滾動(dòng)軸承鋼其牌號(hào)表示方法是：一位數(shù)字（或無(wú)數(shù)字）+元素符號(hào)+數(shù)字。如：9SiCr、W18Cr4V、5CrNiMo等。合金工具鋼又可分為合金刃具鋼、合金模具鋼、和合金量具鋼。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(hào)有T7、T8、T8Mn、T9、T10A、T11、T12A、T13等。2）合金工具鋼見44頁(yè)表4-3①合金刃具鋼指用于制造各種刀具的鋼材。含碳量為0.75-1.50%，典型牌號(hào)為9SiCr、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。④塑料模具鋼③合金量具鋼

在生產(chǎn)中常用的量具有鋼板尺、游標(biāo)卡尺、卡規(guī)、千分尺、塞規(guī)、塊規(guī)等。T10A、T12A、CrWMn、GCr15②合金模具鋼模具鋼是指用于制造各種模具的鋼材。冷做模具鋼如：沖壓模、拉拔模等。典型牌號(hào)為Cr12、Cr12MoV。熱做模具鋼如：熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模等。典型牌號(hào)為5CrMnMo、5CrNiMo。是指在一定范圍內(nèi)具有特殊磁、電、彈性、膨脹等物理性能的鋼。包括軟磁鋼、永磁鋼、無(wú)磁鋼、特殊彈性鋼、特殊膨脹鋼、高電阻鋼和合金等。3．特殊性能鋼1）不銹、耐蝕和耐熱鋼①不銹、耐蝕鋼不銹鋼是指在水、空氣、酸、堿或其它介質(zhì)中，