金属工艺 电子教案 刘涛

金属工艺一、本课程的特点1、本课程是一门有关机械零件制造方法及其用材的综合性技术基础课。

2、本课程实践性很强，学生应积极认真地参加生产实习和实践，才能更有效地掌握本门课程的知识，以便为后续专业课程的学习和今后生产实践打下较好的基础。

二、本课程的任务1、了解常用工程材料的种类、性能及改性方法，初步掌握其应用范围和选择原则。

2、掌握主要毛坯成形方法的基本原理和工艺特点，具有选择毛坯及工艺分析的初步能力。

3、掌握各种主要加工方法的实质、工艺特点、基本原理和设备；了解零件的加工工艺过程，能制定简单的制造工艺过程。

4、了解零件的结构工艺性。

三、本课程的学习方法1、每章学习时，首先阅读自学指导书，了解本章学习目标中的主要内容，以及重点、难点所在，而后阅读教材和自学指导书中本章基本内容的阅读指导。

阅读时要注重对基本概念、基本理论的理解，同时要积极开展理论与实践的结合。

2、每章阅读理解后，要结合复习思考题进行自检，看是否初步掌握基本内容，并要及时完成习题作业，以求达到较牢固的掌握基本内容。

3、每章学完后，要闭书回忆，循序总结，自测自验。

根据记忆和熟练周期，阶段性安排复习，恢复和唤起所学过的内容，以求达到深入、全面、牢固地掌握所学内容；并加强实践训练，多干、多看、勤思考、多积累。

这样才能够良好地完成本课程的学习任务。

第1章金属材料的性能一、学习目标1、清楚金属材料的性能包括哪些内容。

2、掌握金属材料的力学性能各项指标的概念，符号及表示方法，应用条件和范围。

3、了解金属材料的物理、化学性能及应用。

二、基本内容1、金属材料的性能1）使用性能包括：力学性能、物理性能、化学性能。

2）工艺性能包括：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。

2、载荷的概念1）静载荷：大小不变或变动很慢的载荷。

2）冲击载荷：突然增加或消失的载荷。

3）疲劳载荷：周期性的动载荷。

3、金属材料的力学性能各项指标的概念符号及表示方法应用条件和范围1）强度概念：金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。

符号表示：屈服强度σs——材料产生屈服时的最小应力。

单位为Mpa。

抗拉强度σb——材料拉断前所承受的最大应力。

单位为Mpa。

应用条件和范围：设计机械零件和选材的主要依据。

2）塑性概念：金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不断裂的能力。

符号表示：断后伸长率δ——试样拉断后，标距长度的相对伸长率。

断面收缩率ψ——试样拉断后，试样截面积的相对收缩率。

应用条件和范围：材料进行压力加工时选材的主要依据。

3）硬度概念：材料表面局部体积内抵抗另一物体压入时变形的能力。

符号表示：布氏硬度HB洛氏硬度HR应用条件和范围：布氏硬度主要用于测量灰铸铁、有色金属以及经过退火、正火和调质的钢材等材料。

HBS适于测量硬度值小于450的材料，HBW适于测量硬度值小于650的材料。

洛氏硬度计可测定软的金属材料，也可测定硬的金属材料。

HRA主要用于测量硬质合金、表面淬火钢；HRB主要用于测量软钢、退火钢、铜合金等；HRC主要用于测量一般淬火钢。

4）冲击韧度概念：金属材料抵抗冲击载荷载荷作用而不破坏的能力。

符号表示：冲击吸收功Ak。

冲击韧度ak。

应用条件和范围：冲击韧度值一般只作为选材时的参考，不能作为计算依据。

材料的多次冲击抗力主要取决于塑性；冲击能量地时，主要取决于强度。

5）疲劳强度概念：金属材料在多次重复交变载荷作用下而不发生断裂的最大应力。

符号表示：疲劳强度δ-1应用条件和范围：黑色金属循环周次10的7次方，有色金属和某些高强钢循环周次10的8次方。

三、本章重点金属材料的力学性能各项指标的概念，符号及表示方法，应用条件和范围。

第2章金属与合金的晶体结构与结晶一、学习目标1、了解晶格、晶胞、实际金属的多晶体结构、结晶等概念。

2、掌握金属晶体的三种常见晶格类型：面心立方、体心立方和密排六方晶格。

3、掌握实际金属点、线、面缺陷与金属力学性能的关系。

4、掌握纯金属结晶过程，过冷度与晶粒大小对力学性能的影响，细化晶粒的措施。

5、掌握合金的基本概念，了解固溶体和金属间化合物的概念。

6、了解二元合金相图的建立，了解合金结晶的过程。

二、基本内容1、金属的晶体结构的基本知识1）晶格、晶胞的概念：晶格一：用来描述原子在晶体中排列形式的假想的空间格架。

晶胞：晶格中能代表晶体结构特征的最小组成几何单元。

2）金属晶体结构常见的三种晶格类型：体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。

3）金属的实际晶体结构：实际金属的晶体结构是多晶体结构；实际金属的晶体结构内部存在晶体缺陷。

晶体缺陷包括：点缺陷、线缺陷、面缺陷。

点缺陷即空位、间隙原子和置换原子；线缺陷即位错；面缺陷即晶界和亚晶界。

晶体缺陷会使金属内部晶格发生晶格畸变，产生内应力；金属的性能发生变化，强度、硬度增加。

晶体缺陷是强化金属的手段之一2、金属的结晶：1）纯金属的结晶过程。

结晶的概念：凝固时原子在物质内部做有规则排列。

过冷度：金属实际结晶温度低于理论结晶温度的差值。

结晶过程：液态金属结晶是不断生成晶核和晶核不断长大，直至完全结晶成固态的过程。

2）金属结晶后的晶粒大小。

晶粒大小对金属力学性能的影响：细晶粒金属具有较高的强度和韧性。

细化晶粒的措施：增大形核率，抑制长大速率。

常用方法有：增加过冷度；变质处理；振动等。

3、合金的晶体结构1）合金的基本概念：合金：一种金属元素与其它金属元素和非金属元素，经熔炼、烧结或其他方法结合成具有金属特性的物质。

组元：组成合金的最基本的独立物质。

可以是金属、非金属元素或稳定化合物。

相：合金中具有同一聚集状态，同一种结构和性质的均匀组成部分。

组织：用肉眼或借助显微镜观察到材料晶粒内部组成相的数量、形态、大小和分布状态。

2）合金的组织：固溶体：合金由液态结晶成固态时，一组元溶解在另一组元中，形成均匀的固相。

占主要地位的元素叫溶剂，被溶解的元素叫溶质。

固溶体的晶格类型保持溶剂的晶格类型。

由于溶质原子的融入，容剂晶格发生畸变，使塑性变形阻力增加，导致金属的强度、硬度提高，塑性、韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。

金属间化合物：合金组员间发生相互作用而形成的具有金属特性的新相，它的晶格类型和性能不同于任一组元。

金属间化合物具有高熔点、高硬度、脆性大的特点，在合金中主要作为强化相，用以提高材料的强度、硬度和耐磨性，但塑性、韧性有所降低。

机械混合物：两种或两种以上的相按一定质量分数组合成的物质。

通过调整固溶体中容质含量和金属间化合物数量、大小、形态和分布状况，可以改变合金的力学性能。

3）合金的结晶：二元合金相图的建立：相图是表示在极其缓慢冷却条件下合金系中各种合金状态与温度、成分之间的关系的简明图解。

它是通过实验方法建立。

二元合金相图的分析：相图横坐标表示二元合金成分分数，纵坐标表示温度；特性点：纯金属熔点；特性线：液相线、固相线。

二元合金结晶过程：液相线以上温度，合金为液相——到达液相线，合金开始结晶——液相线、固相线之间，合金液相、固相共存——到达固相线及一下，合金为固相。

三、本章重点1、金属的晶体结构。

2、合金的晶体结构。

第3章铁碳合金一、学习目标1、熟悉铁碳合金的基本组织的特点。

2、熟悉铁碳相图中的相、特性点和特性线。

3、熟悉典型铁碳合金结晶过程和组织转变。

4、掌握含碳量对铁碳合金组织转变和力学性能的影响。

二、基本内容1、铁碳合金基本组织1）纯铁的同素异构转变：δ-Fe：1394oС以上固态铁，体心立方晶格。

γ-Fe：1394oС—912oС固态铁，面心立方晶格，。

α-Fe：912 oС以下固态铁，体心立方晶格。

2）铁碳合金基本组织：铁素体：碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，用符号F表示。

力学性能：塑性、韧性较好，强度、硬度低。

奥氏体：碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，用符号A表示。

力学性能：有良好塑性，强度、硬度较低。

渗碳体：是铁和碳组成的具有复杂晶格结构的间隙化合物，用符号Fe3C表示。

力学性能：塑性、韧性几乎为零，硬度很高。

珠光体：是铁素体和渗碳体的机械混合物，用符号P表示。

力学性能：介于铁素体和渗碳体之间，即综合性能良好。

莱氏体：1148oС—727oС时为奥氏体和渗碳体的机械混合物，用符号Ld表示；727 oС及以下时为珠光体和渗碳体的机械混合物，用符号Ld’表示。

力学性能：与渗碳体相似，即硬度高、塑性差。

2、铁碳合金相图T1）相图分析：铁碳合金相图中的相：液相、δ铁素体、铁素体、奥氏体和渗碳体。

铁碳合金相图中的特性点：C、E、P、S。

铁碳合金相图中的特性线：ECF线、ES线、PSK线、GS线。

2）典型铁碳合金结晶过程和组织转变：工业纯铁：含碳量≤0.0218%，室温平衡组织F。

亚共析钢：含碳量>0.0218%——<0.77%，室温平衡组织F+P。

共析钢：含碳量0.77%，室温平衡组织P。

过共析钢：含碳量>0.77%——<2.11%，室温平衡组织F+Fe3CⅡ。

亚共晶白口铸铁：含碳量≥2.11%——<4.3%，室温平衡组织P+ Fe3CⅡ+ Ld’。

共晶白口铸铁：含碳量4.3%，室温平衡组织Ld’。

过共晶白口铸铁：含碳量≥4.3%——<6.69%，室温平衡组织Fe3CⅠ+ Ld’。

3）含碳量对铁碳合金组织转变和力学性能的影响：对平衡组织的影响：随着含碳量的增加，铁素体不断减少，渗碳体不断增加，渗碳体的形态和分布有所变化。

对钢力学性能的影响：：随着钢中含碳量的增加，钢的强度、硬度增加，而塑性、韧性下降，但当含碳量超过0.9%时，强度明显下降。

三、本章重点含碳量对铁碳合金组织转变和力学性能的影响。

第4章钢的热处理一、学习目标1、了解钢在加热和冷却时的组织转变；2、掌握钢的退火、正火、淬火、回火的工艺特点、主要目的和用途；3、了解钢的表面热处理。

二、基本内容1、钢在加热和冷却时的组织转变1）钢在加热时的组织转变：钢的奥氏体化：把钢加热到临界温度以上，由室温下组织转变为奥氏体。

其过程是：奥氏体晶核生成、晶核长大、残余渗碳体溶解和奥氏体均匀化。

奥氏体晶粒的长大及其控制：加热温度愈高和保温度时间愈长，奥氏体晶粒长的愈粗大，冷却后钢的性能愈差，所以要控制奥氏体晶粒的大小。

在加热温度相同时，加热速度愈快，保温时间愈短，奥氏体晶粒愈小。

2）钢在冷却时的组织转变：等温冷却转变：将奥氏体化的钢迅速冷却到临界温度以下的给定温度等温保持，使过冷奥氏体发生组织转变，待转变完成后再冷却到室温。

共析钢的等温冷却转变产物：在A1——550oС之间温度等温冷却，转变产物为珠光体组织，内部铁素体和渗碳体呈片状，间距愈小，性能愈好；在550oС——Ms 之间温度等温冷却，转变产物为贝氏体组织，下贝氏体组织具有较高的强度和硬度、塑性和韧性；在Ms以下温度等温冷却，转变产物为马氏体组织，低碳板条状马氏体具有较高的硬度和强度、较好的塑性和韧性，高碳针片状马氏体具有很高的硬度、但塑性和韧性很差，脆性大。