金屬材料成形基礎(chǔ)緒論+第一篇

1、金屬材料成形基礎(chǔ)緒論 各種成形工藝方法本身的規(guī)律性及其在機(jī)械制造中的應(yīng)用和相互聯(lián)系；零件的成形工藝過程和結(jié)構(gòu)工藝性；常用工程材料性能對成形工藝的影響；工藝方法的綜合比較等。它幾乎涉及機(jī)器制造中所有工程材料的成形工藝。一、課程性質(zhì) 金屬材料成形基礎(chǔ)是一門研究常用工程材料坯件及機(jī)器零件成形工藝原理的綜合性技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科。它主要研究：二、課程內(nèi)容毛坯型材零件切削加工裝配液態(tài)成形（鑄造）塑性成形（壓力加工）連接成形（焊接）熱處理形狀、尺寸、性能1. 工程材料的主要性能；2. 金屬的液態(tài)成形（鑄造生產(chǎn)）；3. 金屬的塑性成形（壓力加工）；4. 材料的連接成形（焊接生產(chǎn)）；5. 切削加工成形。本課程內(nèi)容包括

2、：三、學(xué)習(xí)目的 選擇材料、選擇結(jié)構(gòu)、選擇加工方法4. 拓寬知識面。1. 為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)；2. 為畢業(yè)后的工作打基礎(chǔ)；3. 培養(yǎng)“三選”的能力；四、要求了解和掌握 1. 各種成形方法的原理、特點(diǎn)及適用范圍；2. 各種零件的結(jié)構(gòu)工藝性；3. 常用工程材料的性能特點(diǎn).五、學(xué)習(xí)要求 1. 認(rèn)真記筆記；2. 不要遲到、曠課；3. 按時(shí)交作業(yè)。 工程材料與機(jī)械制造基礎(chǔ) 高等教育出版社 齊樂華 材料成形學(xué) 機(jī)械工業(yè)出版社 李新城 金屬工藝學(xué)上、下冊 高等教育出版社鄧文英 材料成型工藝基礎(chǔ) 華中理工大學(xué)出版社沈其文 機(jī)械制造學(xué) 機(jī)械工業(yè)出版社王貴成 工程材料與熱加工工藝 西北工業(yè)大學(xué)出版社裴崇斌 機(jī)械

3、加工工藝 西北工業(yè)大學(xué)出版社 裴崇斌 機(jī)械加工工藝基礎(chǔ) 清華大學(xué)出版社 金問楷六、參考書目 網(wǎng)絡(luò)課堂：科大主頁教與在線精品課程省級精品課程目錄金屬材料成形基礎(chǔ)第一篇 工程材料的性質(zhì)第一章 材料的種類與主要性能第一節(jié) 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)，是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要條件，是衡量一個國家經(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。因此世界各國都把對材料的研究開發(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

4、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第二節(jié) 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FF靜載荷動載荷= F /S一、材料的力學(xué)性能（1）彈性變形： 材料受外力作

5、用時(shí)產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后恢復(fù)其原來形狀，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) 材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)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es時(shí)，材料將產(chǎn)生明顯的塑性變形。條件屈服強(qiáng)度:0.2=F 0.2/S0 （MPa）材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。（1） 屈

6、服強(qiáng)度（S）指材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力。S =Fs/S0 （MPa）它表征了材料抵抗微量塑性變形的能力。屈服強(qiáng)度 是塑性材料選材和評定的依據(jù)。 對于沒有明顯屈服階段的塑性材料，常用其產(chǎn)生0.2%塑性應(yīng)變所對應(yīng)的應(yīng)力值作為名義屈服點(diǎn)，稱為名義(條件)屈服強(qiáng)度，用 0.2表示。 kbFes100%0.2%b b =Fb/S0 （MPa）（2）抗拉強(qiáng)度（b ）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)。2. 塑性常用 和 作為衡量塑性的指標(biāo)。伸長率：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

7、:FFL良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。3剛度（E） 在彈性階段：4硬度是材料抵抗更硬的物體壓入其內(nèi)的能力。(1)布氏硬度（HB）： 材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力稱為剛度。E 材料抵抗彈性變形的能力越大。 所以：布氏硬度適用HB4501：105沖擊韌性 AK = G（H1 H2）（J） ak = AK /S （J/m2） 低碳鋼： b3.6HB高碳鋼： b3.4HB調(diào)質(zhì)合金鋼： b3.25HB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。6疲勞強(qiáng)度材料在無數(shù)次重復(fù)或交變載荷作用下不引起破壞的最大

8、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：7斷裂韌性 (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，裂紋尺寸的平方根與應(yīng)力的乘積定義為應(yīng)力強(qiáng)度因子 KI, 對于某一種構(gòu)件材料，應(yīng)力強(qiáng)度因子有個臨界值,稱為材料的斷裂韌性KIC, 單位：MN/m3/

9、2 。 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。第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 第二章 金屬及合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶原子作無序排列；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

10、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線缺陷位錯位錯：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、相鄰晶粒之間的過渡層。 一、金屬的結(jié)晶過程1金屬結(jié)晶的過冷現(xiàn)象溫度時(shí)間T0TnT第二節(jié) 金屬的結(jié)晶冷卻曲線過冷度2金屬的結(jié)晶過程結(jié)晶形核長大過冷度=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

11、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）增大過冷度3）機(jī)械的振動和攪拌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第三節(jié) 金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變 第四節(jié) 合金的結(jié)構(gòu) 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

12、成的。 P11組元：組成合金最基本的、獨(dú)立的單元稱為組元。根據(jù)組元數(shù)目的多少，可將合金分為二元合金、三元合金等。相：合金中的相是指具有相同的結(jié)構(gòu)，相同的物理、化學(xué)性能，并與該系統(tǒng)中其余部分有明顯界面分開的均勻部分。固態(tài)下只有一個相的合金稱為單相合金；由兩個或兩個以上相組成的合金稱為多相合金。固溶體中的相結(jié)構(gòu)主要有固溶體和金屬化合物。 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。合金的結(jié)構(gòu)機(jī)械混合物固溶體金屬化合物顯微組織：在顯微鏡下觀察到的組成相的種類、大小、形態(tài)和分布稱為顯微組織，簡稱組織，因此相是組成組織的基本物質(zhì)。金屬的組織對金屬的機(jī)械性能有很大的影響。一、固溶體溶質(zhì)原子溶

13、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： b = 250MPa；= 4550%；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(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； b =30MPa ； 0%三、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

14、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：b = 750MPa； =25%； HB = 180200F：b = 250MPa； = 4550%； HB = 80Fe3C：b =30MPa ； 0%；HB=800鐵素體 碳（C）溶入-Fe中所形成的固溶體。 727 0.02%C 第三章 鐵碳合金一、鐵素體（F） 力學(xué)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。 1148 2.11%C；72

15、7 0.77%C力學(xué)性能：b = 250 350MPa；= 4045%； HB = 160200第一節(jié) 鐵碳合金的基本組織P18四、珠光體（P）力學(xué)性能： b = 750MPa；=25%； HB = 180200五、萊氏體（Le）力學(xué)性能： b = 30MPa；= 0； HB = 700 珠光體 是鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。 727， 0.77%C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： b = 30MPa ；= 0； HB = 800相圖（狀態(tài)圖） 表示合金系的成分、溫度、組織、狀態(tài)之間關(guān)

16、系的圖表。 第二節(jié) 鐵碳合金相圖（狀態(tài)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1538 1394 912 溫度成分 二、相圖（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。 AESPQGKD4.32.110.770.02C%11481538 727PLAF三、鐵碳合金相圖溫度912CFe3C6.69FA純鐵的熔點(diǎn)。DFe3C的熔點(diǎn)。 1. 相圖上點(diǎn)的意義EC在-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

17、出一定成分的兩個固相的反應(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 ）1148Le G 純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)。 912 P C在-Fe中的最大溶解度點(diǎn)。727 0.02%C S 共析點(diǎn)。 727，0.77%C 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 ）727P2. 相圖上線的意義AESPQGKD4.32.110.770.02C%11481538 Le727PL

18、AF溫度912CFe3C6.69FAECF線固相線 ACD線液相線AEA析出終了線ECF共晶線 1148AC析出ACD析出 Fe3CAL+Fe3CL+Fe3CF+AA+A+LeLe + Fe3CES線 C在-Fe中的溶解度曲線。析出二次Fe3C（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 AFGP線 F析出終了線。PSK線 共析線 727PQ線 碳在-Fe中的溶解度曲線。ESQGKD4.32.110.770.02C%11481538 727PLAF溫度912CFe3C6.

19、69APLeFAL+Fe3CL+Fe3CF+A1111112222223333334441L1L1L1L1L1LAAAAA+L+L+L+L+A+A+LeP+FPF+PP+Fe3CP+Fe3CP+Fe3C+LeA+Le +4233332222AAAFFe3CLeLeLeL+Fe3CFe3CFe3C+Fe3C+LeP+Fe3C+Le2LeFe3C+LeFe3C+Le231LAAL+P1LAAL+A+P+F432F41LL+A+P+Fe3C23AAFe3C1L2LeLe1LA+L+LeP+Fe3C+LeA+Le +32AFe3C31L2L+Fe3CFe3C+Fe3C+LeLe1鋼2生鐵 共析鋼: 亞

20、共析鋼: 過共析鋼: 共晶生鐵: 亞共晶生鐵: 過共晶生鐵:四、鐵碳合金的結(jié)晶過程及組織轉(zhuǎn)變 五含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響F F+P P P+ Fe3C P+ Fe3C +Le Le Le+ Fe3CC%00.772.114.36.690.02FPLeFe3CFe3C0.91.0HBC%HB 1選擇材料 2確定各種工藝參數(shù)六相圖的作用第二節(jié) 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 10%1）碳素鋼 2）合金鋼（1）低碳鋼 C 0.6%2. 按質(zhì)量分類 P、S 0.030%1）普通鋼2）優(yōu)質(zhì)鋼3）高級優(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

21、 0.045% S 0.055%P 0.035% S 0.035%（1）平爐鋼 （2）轉(zhuǎn)爐鋼 （3）電爐鋼3按用途分類彈簧鋼、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、鋼的編號及應(yīng)用 碳素結(jié)構(gòu)鋼的鋼號用屈服強(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

22、屈s1）（普通）碳素結(jié)構(gòu)鋼見43頁表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。鋼號用兩位數(shù)字表示，數(shù)字表示含碳量的萬分之幾。45 表示含碳量是萬分之45（0.45%）見43頁表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

23、筑、石油、化工、鐵道、橋梁、造船等工業(yè)部門。 牌號有Q295、Q345、Q4603）合金結(jié)構(gòu)鋼 合金結(jié)構(gòu)鋼種類繁多，其鋼號的表示方法為： 兩位數(shù)字+元素符號+數(shù)字。如：40Cr2Mo4V、60Si2Mn、38CrMoAl 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 滾動軸承鋼是制造滾動軸承的內(nèi)、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% 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、