01 第一章 金属材料导论.pptx

第1页：金属工艺学课程封面

金属工艺学是研究机械制造系统和机械制造方法的综合性技术基础课，内容涵盖金属材料、铸造、锻压、焊接与金属切削加工等成形工艺。

第2页：绪论：课程性质与机械制造过程

课程性质

研究机械制造系统和机械制造方法的综合性技术基础课，实践性、应用性、综合性都很强。

课程目的

为机械设备维修与制造工艺提供理论与技术基础。

机械制造过程：设计图纸与工艺文件 → 原材料（生铁、钢锭、各种型材等）→ 下料 → 铸造、锻造、冲压、焊接 → 铸件、锻件、冲压件、焊接件、型材坯料 → 热处理与表面处理 → 切削加工 → 零件 → 装配 → 机械产品。

第3页：绪论：课程任务

通过本课程应完成的学习任务：

• 了解工程材料的一般性质及应用范围；
• 了解材料成型基本方法的基本原理、工艺特点和应用范围；
• 了解零件结构工艺性的基本知识；
• 了解机械制造系统的基本知识；
• 了解机械制造学科的前沿及发展趋势。

第4页：第一章 金属材料导论

本章主要内容与重点：

• 1.1 金属材料的力学性能
• 1.2 金属的结晶构造和结晶过程
• 1.3 铁碳合金
• 1.4 钢的热处理
• 1.5 金属的分类、牌号及应用

第5页：1.1 金属材料的性能分类

使用性能

良好的机械性能、较好的化学稳定性、一定的物理性能。

工艺性能

可铸性、可锻性、可焊性、可切削性、热处理性。

力学性能

材料在外力（载荷）作用下所表现出的抵抗变形和破坏的能力，包括强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。

第6页：1.1.1 强度的定义与分类

强度（strength）

工程材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。

• 抗拉强度
• 抗压强度
• 抗弯强度

第7页：抗拉强度与应力应变概念

抗拉强度通过拉伸试验测定。

• 标准拉伸试样：圆形试样 l₀/d₀=10（长试样）、l₀/d₀=5（短试样）；板形试样。
• 应力 σ：材料单位面积上承受的负荷，σ=F/S。
• 应变 ε：材料单位长度上的伸长量，ε=(l-l₀)/l₀。

第8页：低碳钢的应力应变曲线

低碳钢在拉力作用下，先引起弹性变形，接着产生塑性变形，最后被拉断。曲线上的特殊点为 E、S、B、K，对应弹性变形阶段、屈服阶段、均匀塑性变形阶段和缩颈阶段。

• 弹性极限 σ_e
• 屈服强度 σ_s
• 抗拉强度 σ_b
• 断裂强度 σ_k

只有低碳钢和中碳钢等少数金属有明显屈服现象；对无明显屈服点的材料，规定产生 0.2% 残余伸长的应力为条件屈服强度 σ_0.2。

第9页：塑性与伸长率、断面收缩率

塑性（plasticity）

金属材料在外力作用下产生永久变形而不致引起破坏的性能。

伸长率 δ

l₀ 为试棒原始长度，l 为试棒拉断后的长度。

断面收缩率 ψ

A₀ 为试棒原始截面积，A 为试棒拉断后的断口截面积。

δ 或 ψ 值愈大，材料的塑性愈好；两者比较，用 ψ 表示塑性更接近材料的真实应变。

第10页：伸长率 δ5 与 δ10 的标注注意

• 长试样的伸长率写成 δ 或 δ₁₀，短试样的伸长率须写成 δ₅。
• 同一种材料 δ₅>δ，因此不同材料的 δ 值与 δ₅ 值不能直接比较。
• 一般把 δ>5% 的材料称为塑性材料，δ<5% 的材料称为脆性材料。

铸铁是典型的脆性材料，而低碳钢是黑色金属中塑性最好的材料。

第11页：硬度与布氏硬度测试原理

硬度（hardness）

金属材料抵抗更硬物体压入的能力。

布氏硬度

用淬火钢球或硬质合金球压入试样表面，适用于测量退火钢、正火钢及常见的铸铁和有色金属等较软材料，有效值小于 450HB，压痕面积较大，测试结果重复性较好，但操作较繁琐。

第12页：洛氏硬度标尺对照表

洛氏硬度由压痕深度计算硬度，直接从刻度盘上读值，因压头和载荷不同分为 HRA、HRB、HRC 三种；特点是测试方便、操作简捷、压痕较小、测试范围宽，但重复性差，需多点测试取平均值。

注：源文件 HRB 压头写作「Φ1.588淬火钢球」，未标注单位，此处按标准值补充为 mm。

第13页：冲击韧度与摆锤冲击试验

冲击韧度（impact toughness）

材料抵抗冲击的性能；标准试样断口处单位横截面所消耗的冲击能量即代表材料的冲击韧性指标，用 a_k 表示。

测定：现在常用摆锤进行一次冲击试验来测定金属材料的韧性。

第14页：疲劳强度与疲劳曲线

疲劳强度

材料能够承受无数次应力循环的最大应力称为疲劳强度；零件在交变应力远低于屈服强度时经长时间运行后发生的破坏称为疲劳破坏。

• 疲劳试验循环基数 N 的规定：钢铁材料 10⁷，有色金属 10⁸。
• 疲劳曲线表示被测材料承受的交变应力与断裂前应力循环次数的关系；疲劳强度 σ_r 中 r 为交变应力循环系数，对称应力循环时用 σ_-1 表示。
• 疲劳破坏的原因：材料的缺陷与应力集中。
• 防止或减少的方法：合理设计结构防止应力集中，减小表面粗糙度，采取表面硬化处理。

注：源文件写作「钢铁材料107有色金属108」，为排版丢失上标，此处按标准值还原为 10⁷ 与 10⁸。

第15页：力学性能实验设备

本页展示金属力学性能测试所用的实验设备，源文件仅保留标题文字，设备的型号与用途建议对照原课件图片补充。

第16页：第1次课重点：工程材料的力学性能

工程材料的力学性能——第1次课重点内容：

• 强度：σ_b、σ_s、σ_0.2
• 塑性：δ、ψ
• 硬度：HB、HR
• 冲击韧度：a_k
• 疲劳强度：σ_r

第17页：1.2 金属的结晶与过冷度

过冷

金属实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。

过冷度

理论结晶温度与实际结晶温度之差；冷却速度愈快，过冷度愈大。

图 1-6 为纯金属的冷却曲线：(a) 极其缓慢冷却时；(b) 实际冷却速度时。

第18页：金属的结晶规律

金属结晶的一般规律：冷却速度愈快，过冷度愈大，晶核的数量愈多，晶粒愈细小，金属的机械强度愈高。结晶过程由形核与长大两个环节构成。

第19页：晶体结构：晶格与晶胞

晶格

描述原子在空间中规则排列方式的几何格子。

晶胞

从晶格中取出、能反映晶格特征的最小单元。

第20页：体心立方晶胞

a. 体心立方晶胞：属于这种晶格类型的金属有 Cr、Mo、W、V（钒）、α-Fe，它们大多具有较高的强度和韧性。

第21页：面心立方晶胞

b. 面心立方晶胞：属于这种晶格类型的金属有 Al、Cu、Ni、γ-Fe，它们大多具有较高的塑性。

第22页：密排六方晶胞

c. 密排六方晶胞：属于这种晶格类型的金属有 Mg、Zn、Ti，另外还有石墨；它们大多具有较大的脆性，塑性较差。

第23页：同素异构性与同素异构转变

同素异构性

固态金属在不同温度区间具有不同晶格类型的性质。

同素异构转变

材料在固态下改变晶胞类型的过程（教材中称为同素异晶转变）。

第24页：合金的基本显微组织结构

合金的基本显微组织结构（microstructure）分为固溶体、金属化合物与机械混合物，在固态合金中可单独存在，也可共存。

固溶体

根据溶质原子所占据的位置，分为置换固溶体与间隙固溶体。

第25页：固溶强化与铁素体

无论哪种固溶体，由于溶质原子的渗入，固溶体的晶格都存在畸变现象，从而改变了合金性能，表现为强度指标升高；可利用此现象获取高强度合金材料，称为固溶强化。

碳与 α-Fe 形成的固溶体为铁素体（F），属间隙固溶体。

第26页：金属化合物与机械混合物

金属化合物

具有新的晶格类型，熔点高，又硬又脆，如 Fe₃C。

机械混合物

由两相组织机械混合而成，如珠光体 P（F+Fe₃C）。

第27页：铁碳合金中的基本组织结构

由于化学成分不同，固态下的铁碳合金可以是固溶体、化合物或机械混合物。下表列出铁碳合金的五种基本组织。

注：源文件含碳量写作「0. 0218％」，数字中含多余空格，此处按标准值 0.0218% 录入；在单纯铁碳合金中奥氏体存在于 727ºC 以上。表中「锻造」「冲压等」为原图其他标注，与组织定义无关，未列入。

第28页：铁碳合金状态图分析：共晶转变

铁碳合金状态图中的共晶转变：L_C → Ld（A_E+Fe₃C），在 1148°C 恒温下进行。

第29页：铁碳合金的分类

铁碳合金按含碳量分类：

• 工业纯铁：含碳量小于 0.0218%
• 钢：共析钢、亚共析钢、过共析钢
• 白口铸铁：共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁

第30页：钢的结晶过程

本页为钢的结晶过程示意，源文件未提取到过程说明文字，建议对照原课件图示补充共析钢、亚共析钢与过共析钢的结晶过程与室温组织。

第31页：共晶白口铸铁的结晶过程

本页为共晶白口铸铁结晶过程示意图，主要组织转变路径如下：

• L → L + A → A + Fe₃C_Ⅱ + Ld
• L + Fe₃C_Ⅰ → Fe₃C_Ⅰ + Ld
• P + Fe₃C_Ⅱ + Ld′ ← A + Fe₃C_Ⅱ + Ld

第32页：第2次课重点：1.2 结晶构造与结晶过程

1.2 金属的结晶构造和结晶过程——第2次课重点内容：

• 金属的结晶温度：过冷与过冷度
• 金属的结晶规律：形核、长大
• 晶体结构：晶格、晶胞
• 合金的基本显微组织结构：固溶体（置换固溶体、间隙固溶体）、金属化合物、机械混合物

第33页：第2次课重点：铁碳合金状态图分析

第2次课重点内容——铁碳合金状态图分析：L_C → Ld（A_E+Fe₃C），1148°C 恒温。

第34页：1.3 铁碳合金

第2次课重点内容——1.3 铁碳合金：本节围绕铁碳合金状态图展开分析，说明典型成分合金的结晶过程与室温组织。

第35页：钢的热处理：定义与目的

钢的热处理

在固态下将钢加热到一定温度，进行必要的保温，以适当的冷却速度冷至室温，改变钢的组织结构和性能的工艺方法。

热处理的目的：不改变材料的形状和尺寸，只改变材料内部的组织结构，得到所需要的性能；提高材料的硬度和强度，或者增加材料的塑性、降低硬度，以改善材料的使用性能和工艺性能。

第36页：1.4 钢的热处理

1.4 钢的热处理：本节依次介绍退火、正火、淬火、回火以及调质处理等常用热处理方法的工艺特点与应用。

第37页：退火工艺与目的

退火

将钢加热到一定温度保温一定时间，随后在炉中缓慢冷却，以获得近于平衡组织的一种热处理方法。

• 分类：完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火和再结晶退火等。
• 目的：降低硬度，以利于切削加工；细化晶粒，改善组织，提高机械性能；消除内应力，为下一道热处理作好准备；提高金属材料的塑性、韧性，便于进行冷冲压或冷拉拔加工。
• 缺点：占用设备，生产率低。

第38页：正火工艺与退火的区别

正火

将钢加热到一定温度（亚共析钢 A₃ 线，共析钢 A₁ 线，过共析钢 A_cm 线以上 30~50ºC）保温一定时间，出炉在空气中冷却的工艺方法。

• 冷却速度快，所得组织较细，如共析钢正火后得到索氏体（细密的珠光体）。
• 强度和硬度较退火略高，但消除内应力不及退火彻底。
• 不占用设备，生产率高。

应用：常用于普通构件如螺钉、不重要的轴类等的最终热处理，但多作为预先热处理。

第39页：淬火工艺与马氏体组织

淬火

将钢加热到一定温度（亚共析钢 A₃ 线，共析钢和过共析钢 A₁ 线以上 30~50ºC）保温后在油或水中迅速冷却的热处理方法。

淬火的目的：提高金属材料的强度和硬度，增加耐磨性。提高硬度的原因是冷却速度快，淬火后得到马氏体组织（碳在 α-Fe 中的过饱和固溶体），硬度高。

第40页：回火的分类与应用

回火

将淬火后的钢加热到 A₁ 线以下的某一温度，保温后在空气或水中冷却的热处理方法。

回火的目的：稳定工件尺寸，减少内应力，降低脆性，调整和改善钢的韧性。

调质处理：淬火后再经高温回火的热处理工艺。

第41页：常用热处理方法的工艺曲线

本页为常用热处理方法的工艺曲线示意图，展示退火（炉冷）、正火（空冷）、淬火（油冷或水冷）与回火的加热、保温和冷却过程差异，建议对照原图理解各工艺的温度—时间关系。

第42页：1.5 钢的分类、牌号和应用

一、常用金属材料——1、钢的分类、牌号和应用：

• 按化学成分：碳素钢和合金钢两大类。
• 按用途：结构钢、工具钢和特殊性能钢三类。
• 按质量：普通钢、优质钢和高级优质钢。

由于磷和硫是钢中的有害元素，因此要规定钢中的磷、硫含量。

第43页：1.5 金属的分类、牌号及应用

1.5 金属的分类、牌号及应用：本节介绍常用金属材料的分类、牌号表示方法及其典型用途，包括钢、铸铁与有色金属。

第44页：碳素钢的分类与冷脆热脆

碳素钢（carbon steel）

碳的含量 1.5% 以下，还含有少量的硅、锰、硫、磷等杂质。

• 低碳钢<0.25%
• 中碳钢 0.30%~0.60%
• 高碳钢>0.60%

磷可以提高钢的硬度，但在低温时脆性显著增加，称为冷脆现象；硫容易使钢在高温轧制时破裂，称为热脆现象。

第45页：碳素结构钢应用举例

碳素结构钢

塑性和韧性较好，但机械强度不高。牌号如 Q215A：Q 表示屈服极限，215 表示屈服极限为 215N/mm²，A 为质量等级（可为 A、B、C、D）。

第46页：优质碳素结构钢的分类与应用

优质碳素结构钢牌号由两位数字表示，数字为钢中平均碳的质量分数万分量，如 45 钢。

第47页：碳素工具钢的牌号

碳素工具钢

碳含量高，淬火后硬度很高。

• T7：平均碳的质量分数千分量，即 0.7%。
• T10A：平均碳的质量分数 1% 的高级优质碳素工具钢（硫磷含量小于 0.03%）。

第48页：合金结构钢的牌号

合金钢（alloy steel）

分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能合金钢。

合金结构钢牌号：数字+化学元素符号+数字。前面数字表示钢中平均碳的质量分数（以 0.01% 为单位），后面数字表示对应元素的质量分数，小于 1.5% 时不标出。

• 例：60Si2Mn
• 常用牌号：16Mn、20CrMnTi、35CrMo、40Cr、50CrV、GCr15
• GCr15 为轴承钢，牌号特殊，G 代表滚动轴承钢，含碳 1.0%、Cr 1.5%

第49页：合金工具钢的牌号

合金工具钢主要用于刀具、模具、量具的制造，牌号与合金结构钢相似：含碳量≥1% 时不标出，<1% 时用一位数字标注出含碳千分量，例：9SiCr 表示碳 0.9%、Si 与 Cr 均<1.5% 的合金工具钢。

高速工具钢和某些冷作模具钢，即使平均碳的质量分数小于 1% 也不予标注，例如高速工具钢 W18Cr4V，碳 0.7%~0.8%，钨 18%，铬 4%，钒的质量分数小于 1.5%。

常用合金工具钢牌号：9SiCr、Cr12、CrWMn、5CrMnMo、3Cr2W8V 等。

第50页：铸铁的分类与石墨形态

铸铁（cast iron）

不能锻造或不能塑性变形的铁碳合金，除含碳外还含有锰、硅、磷、硫等杂质。

• 白口铸铁：碳以 Fe₃C 形式存在，断口亮白色，脆而硬，很少用，利用其硬度高、耐磨性好制造犁铧、轧辊。
• 灰铸铁：片状石墨，断口灰暗，抗拉强度低，塑性和韧性差，抗压、耐磨、减振性好，缺口敏感性小，有良好的铸造工艺性能和切削加工性能，应用广泛。
• 球墨铸铁：球状石墨，塑性和韧性比其他铸铁好，有良好的铸造性能、切削加工性能、减磨性和减振性，某些条件下可代替钢材制造形状复杂而承载较大的构件，如曲柄等。
• 可锻铸铁：预先浇铸成白口铸铁、再经长时间石墨化退火完成，团絮状石墨，常用于小而复杂、要求韧性较高的小型薄壁构件，如管接头等；生产周期长，成本高，实际上不可锻造。

第51页：铸铁的牌号表示方法

• 灰铸铁：HT+σ_b，如 HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350。
• 球墨铸铁：QT+σ_b+δ，如 QT400-17。
• 可锻铸铁：KTH/Z+σ_b+δ，如 KTH300-06（黑心）、KTZ450-06（珠光体）。

第52页：铸铁与碳钢的性能比较

铸铁与碳钢比较（在同一种基体下），由于铸铁中石墨的强度和伸长率都极低（σ_b<20MPa，δ→0），而且石墨的存在对基体起割裂作用，所以铸铁的抗拉强度、塑性、韧性等力学性能较差，不如碳钢，尤以灰铸铁（片状石墨）最差；球墨铸铁因球状石墨的割裂作用最轻，具有较好的力学性能。

铸铁具有优良的减震性、耐磨性、铸造性能和切削加工性能，而且生产成本低廉，因而在工业生产中得到广泛的应用。

第53页：有色金属材料：铜及铜合金

有色金属（non ferrous alloy）

除钢铁以外的金属及其合金材料，常见的有铜、铝及其合金。

工业纯铜

新鲜表面呈玫瑰红色、表面氧化后呈紫色，称为紫铜；导电性、导热性、抗氧化性和抗腐蚀性很好，塑性好，易于加工成各种板、线、管材，大量用于制造各种电器设备。牌号用 Cu-1、Cu-2（非压力加工）；T1、T2、T3、T4 表示。

铜合金分为黄铜、青铜和白铜。

第54页：黄铜、青铜与白铜的牌号

黄铜

铜和锌的合金。加工普通黄铜 H+铜含量（H68）；加工特殊黄铜 H+主加元素符号+铜及合金元素含量（例 HPb59-1）；铸造黄铜 Z+Cu+主加元素符号及含量+其它合金元素符号及含量（例 ZCuZn16Si4）。

青铜

铜和锡的合金，后又发展了含铝、硅、锰等的无锡青铜。加工青铜 Q+主加元素符号及含量+其它元素的含量（例 QSn6.5-0.4）；铸造青铜 ZCuSn10Pb1。

白铜

铜和镍的合金，又称为普通白铜，牌号 B5、B19、B25，多用于精密零件、医疗器械和耐腐蚀件等。

第55页：铝及铝合金的分类与牌号

• 铝合金分为加工铝合金和铸造铝合金。
• 铸造铝合金如 ZL303，第一位数字表示类别：1 为 Al-Si 系，2 为 Al-Cu 系，3 为 Al-Mg 系，4 为 Al-Zn 系。
• 加工铝合金包括工业纯铝、防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝，如 1070A（L1）、5A05（LF5）、2A01（LY1）、7A04（LC4）、2A50（LD5）。

第56页：作业题一

1. 某低碳钢拉伸试样，直径为 10mm，标长为 50mm，屈服时拉力为 18840N，断裂前的最大拉力为 35320N，拉断后将试样接起来，标距之间的长度为 73mm，断口处截面直径为 6.7mm。问该低碳钢的 σ_s、σ_b、δ、ψ 各是多少？
2. 现有标准圆形长、短试样各一根，原始直径 d₀=10mm，经拉伸试验测得其伸长率 δ₅、δ₁₀ 均为 25%，求两试样拉断时的标距长度？这两试样中哪一个塑性较好？为什么？