金屬材料及成形工藝基礎舒文鑫隨州職院汽車與機電工程學院第一篇工程材料第二篇材料成形工藝目錄工程材料部分本篇內容緒論第1章工程材料的性能第2章金屬材料的晶體結構與結晶第3章鋼的熱處理第4章鋼鐵材料第5章非金屬材料與粉末冶金材料第6章

非金屬材料緒論一、工程材料及成形工藝的地位與作用1.工程材料的發展和分類2.成形工藝的應用（1）工程材料的發展◆石器◆青銅器◆鐵器◆鋼鐵、鋁合金◆復合材料、鈦鎂金屬、納米材料1.工程材料的發展和分類▲

石器和陶瓷時代測量操作簡單，方便快捷，壓痕??；材料交變應力和斷裂前應力循環次數之間的關系。（3）特點：維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優點。布式硬度壓痕較大，測量值準，不適用成品和薄片，一般不歸于無損檢測一類。材料在對稱載荷下的應力變化規律。⑤提高疲勞強度措施彈性:金屬材料受外力作用時產生變形，當外力去掉后能回復其原來形狀的性能，叫做彈性。測量精度較低，可比性差，不同標尺的硬度值不能比較。由于實際應用的材料中常常存在一些裂紋和本身缺陷，如夾雜物、氣孔等或加工和使用過程中產生的缺陷，裂紋在應力的作用下失穩而擴展，最終導致零（構）件斷裂。ΔL:單位長度上的伸長量各種零件的結構工藝性。優點：適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測量;測量精度高，可比性強；良好的塑性是金屬材料進行塑性加工的必要條件。金屬材料的基本知識第1章工程材料的性能塑性:金屬材料在外力作用下，產生永久變形而不致引起破壞的性能。低碳鋼與鑄鐵的應力應變曲線一、工程材料及成形工藝的地位與作用脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現象。塑性材料：選σs或σ0.▲青銅器青銅兵器◆鐵器時代◆鋼鐵、鋁合金時代◆鋼鐵、鋁合金時代中國第一顆人造衛星長征火箭大家族中國第一顆原子彈爆炸中國第一顆氫彈爆炸◆復合材料、鈦鎂金屬、納米材料時代鎂合金方向盤骨架鎂合金汽缸蓋

鎂合金汽車輪轂

★高分子材料

工程材料是用于制造工程結構和機械零件并主要要求力學性能的結構的材料。金屬材料非金屬材料復合材料高分子材料（塑料、橡膠、膠粘劑等）陶瓷材料（陶瓷、玻璃、玻璃陶瓷等）黑色金屬（鋼、鐵）有色金屬：除鋼鐵之外的其他金屬及其合金。（銅及其合金、鋁及其合金）工程材料金屬基復合材料陶瓷基復合材料高分子復合材料（2）工程材料的分類常見的金屬材料2.成形工藝的應用重要環節：熱處理？培養選擇材料、選擇零件結構、選擇加工方法的能力。ΔL:單位長度上的伸長量強度、塑性的拉深實驗測試；抗拉強度（強度極限）單位為MPa（通常不標明）優點：適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測量;測量精度高，可比性強；常用工程材料的性能特點；有色金屬：除鋼鐵之外的其他金屬及其合金。是指試樣拉斷處橫截面積A1的收縮量與原始橫截面積A0之比。保證冶煉質量，減少夾雜物和熱加工產生的氣孔和疏松等缺陷。一、工程材料及成形工藝的地位與作用布氏硬度的優點：測量誤差小，數據穩定。力學性能的實際應用，提高疲勞強度的措施?！翡撹F、鋁合金時代HR=(k-h)/0.δ≈5~10%屬韌性材料材料交變應力和斷裂前應力循環次數之間的關系。（金屬的抗拉強度和塑性都是通過拉伸試驗測定）用壓頭為錐面夾角為136o的金剛石四棱錐體。缺點：測量操作較麻煩，測量效率低。（金屬的抗拉強度和塑性都是通過拉伸試驗測定）二、本課程的性質和學習目的

性質：金屬材料是一門研究常用工程材料坯件及機器零件成形工藝原理的綜合性技術基礎學科。學習目的：

為后續課程的學習打基礎。培養選擇材料、選擇零件結構、選擇加工方法的能力。要求了解和掌握：1.常用工程材料的性能特點；2.各種成形方法的原理、特點及適用范圍；3.各種零件的結構工藝性。

掌握金屬材料的強度和塑性的概念；掌握金屬材料的疲勞強度的概念；掌握金屬材料沖擊韌性的概念；掌握材料硬度的概念和三種硬度表示方法；了解材料性能的表示方法。教學目的和要求第1章工程材料的性能一、強度、塑性；二、疲勞強度；三、沖擊韌性；四、硬度教學內容摘要利用強度、硬度和塑性等指標綜合評價材料。教學重點、難點教學難點強度、硬度、塑性和韌性的概念。教學重點

金屬材料的基本知識1.金屬材料的類型：具有金屬光澤。具有較好的延展性，容易加工成型。易導電、傳熱，是熱和電的良導體。2.金屬材料的特點：3.金屬材料性能使用性能力學性能(強度、硬度、塑性、韌性等)物理性能（指熔點、導熱性、導電性、磁性等）化學性能

(抗氧化性、抗腐蝕性等)其它性能(耐磨性、熱硬性、消振性等)工藝性能——加工成形的性能靜載荷是指外力的大小和方向不變或變化很緩慢的載荷；沖擊載荷是指突然增加的載荷；疲勞載荷則是指大小和方向隨時間作周期性變化的載荷。

根據載荷作用性質不同

靜載荷沖擊載荷疲勞載荷是指材料在外加載荷作用下所表現出來的性能。1.1工程材料的力學性能工件在不同載荷形式下產生的變形

抗拉強度抗壓強度抗彎強度抗剪強度根據所加載荷形式的不同，強度表現為：鑄造性能（流動性、收縮、偏析等）脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現象。ΔL:單位長度上的伸長量HRA、HRB、HRC分別測得的硬度，不可直接比較大小抗拉強度（強度極限）σ:單位面積上的拉力就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊吸收功。易導電、傳熱，是熱和電的良導體。δ、ψ越高，材料的塑性越好材料交變應力和斷裂前應力循環次數之間的關系。有色金屬：除鋼鐵之外的其他金屬及其合金。了解材料性能的表示方法。比重、密度、熔點、導電性、導熱性、磁性、缺點：測量操作較麻煩，測量效率低。性能的變化規律為改變材料性能達到人們需求提供途徑。洛式硬度直接在表盤上顯示、也可以數字顯示，操作方便，快捷直觀，適用于大量生產中。疲勞載荷則是指大小和方向隨時間作周期性變化的載荷。2、σb、σ-1、δ、ψ、ak、有色金屬：除鋼鐵之外的其他金屬及其合金。二、本課程的性質和學習目的性能決定了材料和零部件生產方法。★高分子材料降低零件表面粗糙度，并避免表面劃痕、碰傷，防止這些地方出現形成疲勞裂紋；彈性變形:隨著外力消失而消失的變形，叫做彈性變形。例如：580HV/30/20抗拉強度（強度極限）脆性材料：常選σb作為極限應力σ0：性能的變化規律為改變材料性能達到人們需求提供途徑。脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現象。沖擊載荷是指突然增加的載荷；表示為：硬度值+三種不同的標尺代號。屈強比高，材料利用率越高；◆鋼鐵、鋁合金時代彈性變形:隨著外力消失而消失的變形，叫做彈性變形。材料的ak值愈小，材料的脆性愈大。研究表明，材料的ak值隨試驗溫度的降低而降低。耐酸性、耐堿性、抗氧化性。它們的沖擊韌度值分別以aKU和aKV。強度、塑性的拉深實驗測試；試樣被沖斷過程中吸收的能量即沖擊吸收功（Ak）（2）表示方法維氏硬度用符號HV表示，符號前的數字為硬度值，后面的數字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。工程零（構）件有時在應力低于許用應力的情況下也會發生突然斷裂，稱為低應力脆斷。拉伸試驗（金屬的抗拉強度和塑性都是通過拉伸試驗測定）GB/T228-2002

拉伸試樣

（低碳鋼）d0L0長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0液壓式萬能電子材料試驗機

拉伸試驗機

拉伸試驗（應力—應變）曲線

e—彈性極限點S—屈服點b—極限載荷點（縮頸點）K—斷裂點σe

——彈性極限σs

——屈服點σb

——抗拉強度（強度極限）σ:單位面積上的拉力ΔL:單位長度上的伸長量（1）彈性變形階段（oe段）（2）塑性變形階段（eb段、屈服階段和強化階段）（3）斷裂階段（bk段）拉伸過程變化的三個階段拉伸試樣的頸縮現象彈性與塑性彈性:

金屬材料受外力作用時產生變形，當外力去掉后能回復其原來形狀的性能，叫做彈性。彈性變形:

隨著外力消失而消失的變形，叫做彈性變形。塑性變形:

在外力消失后留下來的這部分不可恢復的變形，叫做塑性變形。σsσ0.2σbσbσe

低碳鋼與鑄鐵的應力應變曲線脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現象。強度：用于表征金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力。工程上常用的強度衡量指標屈服點屈服強度抗拉強度注意：一般多用抗拉強度作為判別金屬強度高低的指標。強度對具有明顯屈服現象的材料用屈服點來表征材料對產生明顯塑性變形的抗力。屈服點就是指材料產生屈服時的最小應力。如低碳鋼。

對無明顯屈服現象的金屬材料常用其產生0.2%塑性應變所對應的應力值作為名義屈服點，稱為名義(條件)屈服強度，用σ0.2表示。如高碳鋼、銅合金、鋁合金等。F0.2S0σ0.2=（MPa）（MPa）條件屈服強度:1.屈服點、屈服強度屈服強度—

是塑性材料選材和評定的依據。屈服點:脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現象。2.抗拉強度（強度極限）是指試樣在拉斷前所承受的最大應力。即：式中：——試樣在拉斷前所受到的最大載（N）；

——試樣原始橫截面積（）。——抗拉強度抗拉強度—是脆性材料選材的依據。（MPa）屈強比（σs/σb）：0.6~0.85

屈強比高，材料利用率越高；屈強比低，零件的可靠性越高

——綜合考慮材料利用率和安全性注意：塑性變形中:σs<σ<σb

s

、0.2、

b是機械零件和構件設計與選材的主要依據工程設計中：塑性材料：選σs或σ0.2作為極限應力σ0：工作應力σ≤許用應力［σ］＝σ0/n

安全系數n=1.5~2脆性材料：常選σb作為極限應力σ0：工作應力σ≤許用應力［σ］＝σ0/n

n>2應用1.1.2塑性塑性:

金屬材料在外力作用下，產生永久變形而不致引起破壞的性能。塑性的衡量（塑性指標）：伸長率δ和斷面收縮率Ψ

。δ、ψ越高，材料的塑性越好δ<2~5%屬脆性材科δ≈5~10%屬韌性材料δ>10%屬塑性材料良好的塑性是金屬材料進行塑性加工的必要條件。2.伸長率（δ）是指試樣拉斷后的標距伸長量L

1與原始標距L0之比。用δ

表示，即

1.斷面收縮率（Ψ）是指試樣拉斷處橫截面積A1的收縮量與原始橫截面積A0之比。用下式表示，即：它們的沖擊韌度值分別以aKU和aKV。洛式硬度壓痕很小，測量值有局部性，須測數點求平均值，適用成品和薄片，歸于無損檢測一類；20~70HRC優點：適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測量;測量精度高，可比性強；2%塑性應變所對應的應力值作為名義屈服點，稱為名義(條件)屈服強度，用σ0.等于擺錘沖擊試樣前后的勢能差。鑄造性能（流動性、收縮、偏析等）材料交變應力和斷裂前應力循環次數之間的關系。比重、密度、熔點、導電性、導熱性、磁性、掌握材料硬度的概念和三種硬度表示方法；屈強比高，材料利用率越高；鑄造性能（流動性、收縮、偏析等）安全系數n=1.盡量使零件避免尖角、缺口和截面突變，以避免應力集中及其所引起的疲勞裂紋。屈服強度—是塑性材料選材和評定的依據。是指金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。用屈服點來表征材料對產生明顯塑性變形的抗力。材料的ak值愈小，材料的脆性愈大。洛式硬度的硬度值是一無名數，沒有單位。研究表明，材料的ak值隨試驗溫度的降低而降低。缺點：壓痕大，不宜測量成品零件或薄件的硬度，以及比壓頭還硬的材料。力學性能(強度、硬度、塑性、韌性等)1.1.3硬度硬度的含義布氏硬度洛氏硬度維氏硬度是指材料抵抗其它更硬物體壓入其表面的能力。即表示金屬材料抵抗局部變形的能力。硬度的表示方法常用的表示方法壓入法劃痕法回跳法

用一定直徑的壓頭（球體），以相應試驗力壓入待測表面，保持規定時間卸載后，測量材料表面壓痕直徑，以此計算出硬度值。1.布氏硬度

（1）布氏硬度測量原理布氏硬度計淬火鋼球

HBS（硬度值450的材料）硬質合金鋼球HBW

（硬度值450~650的材料）（2）壓頭：

（3）表示方法例如：350HBS、600HBW一般，數字+布氏硬度符號或后面依次注明壓頭直徑、實驗力以及保存時間。單位為MPa（通常不標明）

布氏硬度的優點：測量誤差小，數據穩定。缺點：壓痕大，不宜測量成品零件或薄件的硬度，以及比壓頭還硬的材料。布氏硬度適用于：常用于測量較軟材料、灰鑄鐵、有色金屬、退火正火鋼材的硬度。調質處理鋼、原材料，毛坯。當HBS<450時有效（HBW450-650)（4）布氏硬度特點用錐頂角為120°的金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球，以相應試驗力壓入待測表面，保持規定時間卸載后卸除主試驗力，以測量的殘余壓痕深度增量來計算出硬度值。實際測量時，硬度值一般有硬度計的刻度盤上直接讀出。(1)洛氏硬度測量原理2.洛氏硬度洛氏硬度計(2)洛氏硬度的分類及應用HRA、HRB、HRC分別測得的硬度，不可直接比較大小表示為：硬度值+三種不同的標尺代號。（無單位）例如：20~85HRA20~100HRB20~70HRC（3）洛氏硬度表示方法HR=(k-h)/0.002不寫單位（4）洛氏硬度特點：優點：缺點：測量操作簡單，方便快捷，壓痕??；測量范圍大，能測較薄工件。測量精度較低，可比性差，不同標尺的硬度值不能比較。是生產中應用最廣泛的硬度試驗方法?？捎糜诔善窓z驗和薄件表面硬度檢驗。不適于測量組織不均勻材料。（5）洛氏硬度應用：布氏硬度與洛氏硬度的比較洛式硬度壓痕很小，測量值有局部性，須測數點求平均值，適用成品和薄片，歸于無損檢測一類；布式硬度壓痕較大，測量值準，不適用成品和薄片，一般不歸于無損檢測一類。洛式硬度的硬度值是一無名數，沒有單位。（因此習慣稱洛式硬度為多少度是不正確的。）布式硬度的硬度值有單位，且和抗拉強度有一定的近似關系。洛式硬度直接在表盤上顯示、也可以數字顯示，操作方便，快捷直觀，適用于大量生產中。布式硬度需要用顯微鏡測量壓痕直徑，然后查表或計算，操作較繁瑣。在一定條件下，HB與HRC可以查表互換。其心算公式可大概記為：1HRC≈1/10HB。維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕3.維氏硬度（HV）小負荷維氏硬度計顯微維氏硬度計維氏硬度（HV）測試計用壓頭為錐面夾角為136o的金剛石四棱錐體。以一定的試驗力將壓頭壓入試樣表面，保持規定時間卸載后，在試樣表面留下一個四方錐形的壓痕，測量壓痕兩對角線長度，以此計算出硬度值。（2）表示方法維氏硬度用符號HV表示，符號前的數字為硬度值，后面的數字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。例如：580HV/30/20（1）維氏硬度測量原理優點：適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測量;測量精度高，可比性強；能測較薄工件。缺點：測量操作較麻煩，測量效率低。（4）應用：廣泛用于科研單位和高校，以及薄件表面硬度檢驗。不適于大批生產和測量組織不均勻材料。（3）特點：維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優點。沖擊韌性

1.沖擊韌性是指金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。擺錘式一次沖擊試驗小能量多次沖擊試驗沖擊韌性的測定方法

擺錘式一次沖擊試驗擺錘式沖擊實驗機試驗原理試樣被沖斷過程中吸收的能量即沖擊吸收功（Ak）等于擺錘沖擊試樣前后的勢能差。(J)沖擊韌度ak就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊吸收功。ak=AkAq(J/cm2)

標準沖擊試樣有兩種，一種是Ｕ形缺口試樣，另一種是Ｖ形缺口試樣。它們的沖擊韌度值分別以aKU和aKV。

材料的ak值愈大，韌性就愈好；材料的ak值愈小，材料的脆性愈大。通常把ak值小的材料稱為脆性材料研究表明，材料的ak值隨試驗溫度的降低而降低。2.斷裂韌性

低應力脆斷

工程零（構）件有時在應力低于許用應力的情況下也會發生突然斷裂，稱為低應力脆斷。低應力脆斷的原因

由于實際應用的材料中常常存在一些裂紋和本身缺陷，如夾雜物、氣孔等或加工和使用過程中產生的缺陷，裂紋在應力的作用下失穩而擴展，最終導致零（構）件斷裂。疲勞強度①疲勞破壞

零件、工具等即使在低于材料屈服強度的交變載荷作用下，經過一定的循環次數后也會發生突然斷裂，這種現象稱為疲勞斷裂。表示材料經無數次交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應力值。②疲勞破壞材料在對稱載荷下的應力變化規律。③疲勞強度材料交變應力和斷裂前應力循環次數之間的關系。有色金屬的循環次數一般取N=108鋼材的循環次數一般取N=107鋼材的疲勞強度與抗拉強度之間的關系:

σ-1

=(0.45～0.55)σb疲勞曲線④產生疲勞破壞的原因

材料有雜質、表面劃傷等缺陷應力集中

微裂紋

裂紋擴展

破壞（3）洛氏硬度表示方法當HBS<450時有效（HBW450-650)★高分子材料◆鋼鐵、鋁合金時代盡量使零件避免尖角、缺口和截面突變，以避免應力集中及其所引起的疲勞裂紋。用壓頭為錐面夾角為136o的金剛石四棱錐體。第2章金屬材料的晶體結構與結晶工程零（構）件有時在應力低于許用應力的情況下也會發生突然斷裂，稱為低應力脆斷。測量范圍大，能測較薄工件。有色金屬：除鋼鐵之外的其他金屬及其合金?；瘜W性能(抗氧化性、抗腐蝕性等)材料交變應力和斷裂前應力循環次數之間的關系。第5章非金屬材料與粉末冶金材料是指試樣在拉斷前所承受的最大應力。（3）洛氏硬度表示方法第2章金屬材料