2022年《授課教案》第一篇工程材料性質(zhì)

1、教案首頁課程名稱：金屬材料成形基礎(chǔ)任課老師：徐曉峰6 第一篇工程材料性質(zhì)方案學(xué)時(shí)：教學(xué)目的和要求：本篇介紹了金屬材料的主要性能、金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)及結(jié)晶過程、鐵碳合金狀態(tài)圖及鐵碳合金； 學(xué)完本篇要求同學(xué)明白并把握金屬材料的主要性能、金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)及結(jié)晶過程和鐵碳合金狀態(tài)圖；重點(diǎn)：重點(diǎn)為金屬材料的力學(xué)性能、鐵碳合金；難點(diǎn)：難點(diǎn)為鐵碳合金狀態(tài)圖摸索題：1如何判定金屬材料受力時(shí),產(chǎn)生的是彈性變形仍是塑性變形？2生產(chǎn)中常通過測量硬度來估算材料的強(qiáng)度,這是為什么？3合金的基本組成物有 .那些試說明它們各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能特點(diǎn)；4鋸條、彈簧、軸各應(yīng)進(jìn)行那些熱處理比較 .合適？為什么？5何為合金狀態(tài)

2、圖？它是如何繪制出來的？合金狀態(tài)圖有什么用途？第一篇 工程材料的性質(zhì)第一章 材料的主要性能材料的主要性能是指 : （1）力學(xué)性能1. 使用性能（2）物理性能（3）化學(xué)性能2. 工藝性能 加工成形的性能第一節(jié) 材料的力學(xué)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)件上的外力載荷靜載荷F FF 動(dòng)載荷F F F = F /S F = F（ MPa ）SS1. 兩種基本變形（1）彈性變形：材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形, 當(dāng)外力去除后復(fù)原其原先外形,這種隨外力消失而消逝的變形,稱為彈性變形；（2）塑性變形 : 材料在外力作用下產(chǎn)生永久的不行復(fù)原的變形,稱為塑性變形；

3、2變形的三個(gè)階段彈性變形塑性變形斷裂（3）過量彈性變形3. 常見的幾種失效形式（1）斷裂（2）塑性變形（4）磨損（5）腐蝕二、材料的力學(xué)性能拉伸試驗(yàn)F d0F 0lL dk縮頸klFS 0F F bb k lF sF es e o l0l拉伸曲線 應(yīng)力 應(yīng)變曲線e 彈性極限點(diǎn) S 屈服點(diǎn)K 斷裂點(diǎn) b 極限載荷點(diǎn)1強(qiáng)度：材料在外力作用下,抗擊塑性變形和斷裂的才能；（ 1） 屈服強(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/S 0（MPa） 它表征了材料抗擊微量塑性變形的才能；當(dāng)材料單位面積上所受的應(yīng)力 e s時(shí),只產(chǎn)生微量的塑性變形；當(dāng) s時(shí),材料將產(chǎn)生明顯的塑性變形；條件

4、屈服強(qiáng)度 : 0.2 =F 0.2 /S 0（MPa ）屈服強(qiáng)度 是塑性材料選材和評定的依據(jù)；FS 0F0.2F 0s.2k b s e100% 0.2% l0ll（ 2）抗拉強(qiáng)度 （ b ）抗拉強(qiáng)度是材料在拉斷前承擔(dān)最大載荷時(shí)的應(yīng)力；b =F b/S 0（MPa ）它表征了材料在拉伸條件下所能承擔(dān)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 材料在外力作用下,產(chǎn)生永久變形而不引起破壞的才能；常用和 作為衡量塑性的指標(biāo)；伸長率：斷面收縮率：l kl0l0100 %s 0s 0s k100 %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）材料在外力作用下抗擊彈性變形的才能稱

5、為剛度；在彈性變形階段：FlE所以：EE 材料抗擊彈性變形的才能越大；4硬度 是材料抗擊更硬的物體壓入其內(nèi)的才能；1布氏硬度（ HB ）：HB壓入載荷（N）DF 壓痕的表面積（mm）F 0.102D212F1d2D布氏硬度適用 HB450 洛氏硬度與布氏硬度之間約為1：10 的關(guān)系同時(shí)硬度與強(qiáng)度之間也有肯定的關(guān)系：低碳鋼： b3.6HB 1200 高碳鋼： b3.6HB 調(diào)質(zhì)合金鋼： b3.6HB 5沖擊韌性材料抗擊沖擊載荷作用下斷裂的才能；A K = G （H 1 - H 2）（J ）ak = AK /S （J/m2）H1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

6、多次重H2復(fù)沖擊而破壞的；6疲憊強(qiáng)度材料在很多次重復(fù)或交變載荷作用下不引起破壞的最大應(yīng)力；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)件失效為疲憊破壞；n0 循環(huán)基數(shù)7鋼：n010有色金屬：n 01081三、力學(xué)性能與失效形式的關(guān)系失效形式n 0n力學(xué)性能強(qiáng)度s b 塑性 斷裂剛度 塑性變形硬度 過量彈變韌性 磨損疲憊強(qiáng)度其次節(jié) 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；三、材料的工藝性能：加工性能其次章 金屬及 合金

7、 的結(jié)晶第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體：原子作有序排列；非晶體：原子作無序排列；有固定的熔點(diǎn)；各向異性；沒有固定的熔點(diǎn)；各向同性；全部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胞最基本的單元金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶格： Cr、Mo、W、V、 -Fe、 -Fe 面心立方晶格： Cu、Ni、Ag、Au 密排六方晶格： Mg、Be、Zn、 -Ti、 -Cr 其次節(jié) 金屬的結(jié)晶過程一、金屬的結(jié)晶過程溫度 冷卻曲線T 過冷度1金屬結(jié)晶的過冷現(xiàn)象T0 TT 0T n2金屬的結(jié)晶過程結(jié)晶形核Tn 長大時(shí)間自發(fā)形核非自發(fā)形核金屬是由很多大小、外形、晶格排 不相同的晶粒所組成的多晶體；一般金屬的

8、晶粒越細(xì)小,其力學(xué)性列 方向均 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(dòng)和攪拌 4）熱處理 5）壓力加工再結(jié)晶二、金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變 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；Fe、Sn、Ti、Mn 1538 Fe時(shí)間溫L 1538 Fe度1394 體心1394 FeFe912 Fe面心912 一種金屬能以幾種晶格類型存體心在的性質(zhì) 稱為同素異晶性；Fe第三節(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

9、間所起的作用所打算的；固溶體合金的結(jié)構(gòu) 金屬化合物 機(jī)械混合物一、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)位置的不同置換固溶體固溶體間隙固溶體溶質(zhì)原子 溶質(zhì)原子 溶劑原子 溶劑原子固溶體的性能特點(diǎn)：具有良好的塑性和韌性,強(qiáng)度、硬度較低；F： b = 250MPa 二、金屬化合物 = 4550% HB = 80 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 =30M

10、Pa ； 0% 三、機(jī)械混合物合金的組成在固態(tài)下既不相互溶解又不形成化合物,合而成的新物質(zhì)；而是按肯定的重量比混機(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 = 180-200F： b = 250MPa = 4550% HB = 80 Fe3C：HB=800； b =30MPa ； 0% 第三章 鐵碳合金第一節(jié) 鐵碳合金的基本組織一、鐵素體（ F）鐵素體 碳（ C）溶入 -Fe 中所形成的固溶體；7270.02%C = 4550% HB = 8

11、0 力學(xué)性能：b = 250MPa 二、奧氏體（ A）奧氏體碳（C）溶入-Fe 中所形成的固溶體；11472.06%C 、7270.77%力學(xué)性能： b = 250 350MPa = 4045% HB = 160200 三、滲碳體（ Fe3C）滲碳體是金屬化合物；6.67%CHB = 800 力學(xué)性能： b = 30MPa = 0 四、珠光體（ P）珠光體是鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物；7270.77% 力學(xué)性能： b = 750MPa =25% HB = 180-200 五、萊氏體（ Le）萊氏體是奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物；11474.3%C 力學(xué)性能： b = 30MPa = 0

12、HB = 700 其次節(jié) 鐵碳合金狀態(tài)圖一、什么是狀態(tài)圖狀態(tài)圖表示合金系的成分、溫度、組織、狀態(tài)之間關(guān)系的圖表；二、狀態(tài)圖的作用是討論合金的成分、溫度、組織、狀態(tài)之間變化規(guī)律的工具；三、鐵碳合金狀態(tài)圖1. 狀態(tài)圖上點(diǎn)的意義A純鐵的熔點(diǎn)；DFe3C 的熔點(diǎn)；E C 在 -Fe 中的最大溶解度點(diǎn)； 11472.06%C 鋼和鐵的分界點(diǎn)；C共晶點(diǎn), 11474.3%C 共晶點(diǎn)發(fā)生共晶反應(yīng)的點(diǎn)；共晶反應(yīng) 在肯定的溫度下, 由肯定成分的液體同時(shí)結(jié)晶出肯定成分的兩個(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(fēng)（4.3%C）1147 A（2.06%C ）+ Fe3C （6.67%C ）Le 溫A 1538

13、L D 另外度A E 1147 C F 912 F PS 727 Le Fe3C G K P Q 0.77 2.06 4.3 6.67 0.02 C% G 純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)；912P C 在 -Fe 中的最大溶解度點(diǎn)； 7270.02%C S 共析點(diǎn)；7270.77%共析點(diǎn) 發(fā)生共析反應(yīng)的點(diǎn)；共析反應(yīng)在肯定的溫度下, 由肯定成分的固相同時(shí)結(jié)晶出肯定成分的兩個(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 ）727F（0.002%C ）+ Fe3C（6.67%C ）2. 狀態(tài)圖上線的意義 P ACD 線液相線 AC 析出 A CD析出 Fe3C AECF 線固相線 AEA 析

14、出終了線 ECF共晶線 1147Fe3C ES 線 C 在 -Fe 中的溶解度曲線；析出二次 GS 線 溶解度曲線 AF GP 線 F 析出終了線；PQ 線 碳在 -Fe 中的溶解度曲線；PSK 線 共析線 727（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+ Fe3C 四、鐵碳合金的結(jié)晶過程及組織轉(zhuǎn)變1鋼L 1 L+ A 2 A 3 P F 4 P+F 共析鋼 : 2 3 亞共析鋼 : L L+ A A A+ 過共析鋼 : 2生鐵L 1 L+ A 2 A 3 A+ Fe3C 4 P+Fe3C

15、 共晶生鐵 : L 1 Le 2 Le亞共晶生鐵 : L 過共晶生鐵：L 1 L+ A 2 A+ Le A+Le + Fe 3C 3 P+Fe3C+Le 1 L+ Fe3C 2 Fe3C+ Le 3 Fe3C+Le 五含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響F F+P P P P+ Fe3C P+ Fe3C +LeLeLe+ Fe3C F Fe3CLeFe3C0 0.02 0.77 2.06 4.3 6.67 C% b HB HB b0.91.0 C% 六狀態(tài)圖的作用 1挑選材料 2確定各種工藝參數(shù) 第三節(jié) 鋼的分類和應(yīng)用一、鋼的分類 1按化學(xué)成分分類1）碳素鋼（1）低碳鋼（2）中碳鋼C 0.6% M

16、e 10% 2. 按質(zhì)量分類 1）一般鋼： P 0.045% S 0.055% 2）優(yōu)質(zhì)鋼： P 0.040% S 0.045% 3）高級優(yōu)質(zhì)鋼： P、S 0.030% 3按用途分類 1）結(jié)構(gòu)鋼：（1）工程結(jié)構(gòu)鋼、（2）機(jī)械制造用鋼 2）工具鋼：（1）碳素工具鋼（ 2）合金工具鋼3）特別性能鋼：彈簧鋼、軸承鋼、耐熱鋼、耐蝕鋼等 4按冶煉方法分類；（1）平爐鋼（2）轉(zhuǎn)爐鋼（3）電爐鋼二、鋼的編號及應(yīng)用 1結(jié)構(gòu)鋼 1）（一般）碳素結(jié)構(gòu)鋼 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；屈s Q195 Q195（ 0.06-0.12%C）、 Q215（ 0.09-0.

17、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）2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 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%）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；3）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

18、法為：如： 40Cr2Mo4V 、60Si2Mn、38CrMoAl 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼兩為數(shù)字 +元素符號 +數(shù)字 ；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；廣泛用于建筑、石油、化工、鐵道、橋梁、造船等工業(yè) 部門；牌號有 Q295、Q345、Q460 機(jī)械結(jié)構(gòu)用合金鋼用于制造各種機(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、50CrVA 滾動(dòng)軸承鋼滾動(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 號有 GCr9、GCr15 等,含碳在 0.95% - 1.1%,合金元素主要是鉻； 含 0.90-1.25% Cr、1.4-1.65%Cr；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一般模具、量具；常用牌號有 T7、T8、T8Mn 、T9、T10A 、 T11、T12A 、T13 等；2）合金工具鋼 其牌號表示方法是：一位數(shù)字（或很多字）+元素符號 +數(shù)字；如：