第一章金属材料导论
第一篇金属材料导论复习题
第一篇金属材料导论复习题第一篇金属材料导论习题一.填空题表示。
1.金属材料在拉断前所能承受的最大应力叫做抗拉强度，以σb2.硬度是衡量材料力学性能的一个指标，常见的试验方法有洛氏硬度、布氏硬度。
3.过冷度是指理论结晶温度－实际结晶温度，其表示符号为：ΔT4.在Fe—C合金状态图中，通过PSK水平线，发生共析反应，S 点称为_共析点，C ）；其含碳量为___0.77%____,其反应式为__A → P （ F + Fe35.在Fe—C 合金状态图中，通过ECF水平线，发生共晶_反应，C 点称为_共晶点，C )____；其含碳量为___4.3%____,其反应式为__L → Ld ( A + Fe3C ) 。
6.珠光体的本质是层片状的共析体( F + Fe37．一块纯铁在912℃发生α-Fe → γ-Fe 转变时，体积将：减小8．结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的，它们是形核和晶核长大9．固溶体的强度和硬度比溶剂高10. 碳溶解于α-Fe形成的间隙固溶体称为铁素体（F）；碳溶解在面心立方晶格的γ-Fe形成的间隙固溶体称为奥氏体（A）11.当钢中含碳量大于0.9% 时，二次渗碳体沿晶界析出严重，使钢的脆性增加。
强度下降。
12．在铁碳合金室温平衡组织中，含Fe3C最多的合金成分点为：6.69% 含Le′最多的合金成分点为： 4.3% 。
13．用显微镜观察某亚共析钢，若估计其中的珠光体含量体积分数为80%，则此钢的碳的质量分数为0.77% × 80% = 0.616 %。
14．20是优质碳素结构钢，可制造冲压、焊接件。
15．T12是碳素工具钢，可制造锉刀、量规等。
16．Q354是可焊接低合金高强钢，可制造桥梁。
17．40Cr是合金结构（或合金调质）钢，可制造（车床齿轮）。
18．20CrMnTi是合金结构（或合金渗碳）钢，热处理工艺是渗碳 + 淬火+低温回火。
19.合金工具钢CrWMn的平均含碳量为≥1% 。
金属工艺学--机械制造基础
拉伸试样的颈缩现象
§1.2 材料的硬度
抵抗外物压入的能力，称为硬度――综合性能指标。
1．布氏硬度
压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表 示，适用于布氏硬度值在450以下的材 料。 压头为硬质合金时，用符号HBW表示 ，适用于布氏硬度在650以下的材料。
符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺 序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。 如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf （9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。
指标为冲击韧性值ak 。
a k =冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积S (J/cm ) •ak值低的材料叫做脆性材料， 断裂时无明显变形，金属光泽， 呈结晶状 。 •ak值高，明显塑变，断口 呈灰色纤维状，无光泽， 韧性材料。
材料的冲击韧性随温度下降 而下降。在某一温度范围内 冲击韧性值急剧下降的现象 称韧脆转变。发生韧脆转变 的温度范围称韧脆转变温度。 材料的使用温度应高于韧脆 转变温度。
3）晶胞的描述
晶体学参数：a,b,c,α,β,γ
立方
晶格常数：a,b,c
4)晶系：根据晶胞参数不同，
六方
将晶体分为七种晶系。
90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。
四方
立方晶系：a=b=c，===90
六方晶系：a1=a2=a3 c, ==90, =120
菱方
5）原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原
4．应用 断裂韧性是强度和韧性的综合体现。 （1）探测出裂纹形状和尺寸，根据KIC ，制定零件I工作 是否安全K ≥KIC，失稳扩展。 （2）已知内部裂纹2a，计算承受的最大应力。 （3）已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观 裂纹的临界尺寸。
金属工艺学+邓文英主编
金属工艺学教案 编者：安荣机械系.机械教研室授课时间：班级：本课课题：绪论教学目的和要求：1.了解本课程的性质、任务和在生产中的地位。
2.了解本课程内容和机械产品制造全过程的概念。
3.熟悉学习本课程的基本要求和方法。
重点与难点：了解本课程的性质及意义。
教学方法：讲授法和录像观摩。
课型：理论课金属工艺学（邓文英主编）教学过程绪论一、为什么要学金属工艺学（机械工程材料工艺学）？金属工艺学是一门传授有关制造金属零件工艺方法的综合性技术基础课。
它主要传授各种工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互关系；金属零件的加工工艺过程和结构工艺性；常用金属材料性能对加工工艺的影响；工艺方法的综合比较等。
研究的对象：常用的工程材料、材料的各种加工处理工艺。
例如：钢铁、铝合金、铜合金、塑料等材料及热处理工艺、焊接工艺、铸造工艺、切削加工工艺等加工处理工艺。
举例：常用主轴材料：45 。
技术要求：调质处理。
箱体材料：HT200。
技术要求：退火。
国家工业发展的三大支柱：材料、信息、微机。
1.工程材料是国家工业发展的物质基础。
工业和日常生活都离不开工程材料的使用，研究材料最终是为人类的文明进步而服务。
2.作为工科类专业所必须掌握的一门功课。
基础课→（桥梁）→专业课机械工程材料工艺学是一门技术基础课，对专业课和基础课起着桥梁的作用。
二、机械工程材料工艺学课程有什么特点？1.本课程同实践紧密相联系，是一门实践性很强的学科。
2.通过生产实践才能融会贯通地学习掌握（安排了钳工、金工实习）。
3.为了弥补实践方面的不足，采用录像教学以及到工厂参观和实习，通过师生的相互努力来学好这门功课。
三、怎样才能学好机械工程材料工艺学？1.注意各章节的联系、学习、复习、巩固、应用、总结。
2.要理解、要提问题、不能累计问题。
3.抓住主要内容：金属材料及热处理基本知识，铸造、锻造、焊接、切削加工基本常识。
随着科学技术和生产力的不断发展，金属工艺学的内容构成也有所发展。
金属工艺学
金属工艺学授课时刻：班级：本课课题：绪论教学目的和要求：1.了解本课程的性质、任务和在生产中的地位。
2.了解本课程内容和机械产品制造全过程的概念。
3.熟悉学习本课程的差不多要求和方法。
重点与难点：了解本课程的性质及意义。
教学方法：讲授法和录像观摩。
课型：理论课金属工艺学（邓文英主编）教学过程绪论一、什么缘故要学金属工艺学（机械工程材料工艺学）？金属工艺学是一门传授有关制造金属零件工艺方法的综合性技术基础课。
它要紧传授各种工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互关系；金属零件的加工工艺过程和结构工艺性；常用金属材料性能对加工工艺的阻碍；工艺方法的综合比较等。
研究的对象：常用的工程材料、材料的各种加工处理工艺。
例如：钢铁、铝合金、铜合金、塑料等材料及热处理工艺、焊接工艺、铸造工艺、切削加工工艺等加工处理工艺。
举例：常用主轴材料：45 。
技术要求：调质处理。
箱体材料：HT200。
技术要求：退火。
国家工业进展的三大支柱：材料、信息、微机。
1.工程材料是国家工业进展的物质基础。
工业和日常生活都离不开工程材料的使用，研究材料最终是为人类的文明进步而服务。
2.作为工科类专业所必须把握的一门功课。
基础课→（桥梁）→专业课机械工程材料工艺学是一门技术基础课，对专业课和基础课起着桥梁的作用。
二、机械工程材料工艺学课程有什么特点？1.本课程同实践紧密相联系，是一门实践性专门强的学科。
2.通过生产实践才能融会贯穿地学习把握（安排了钳工、金工实习）。
3.为了补偿实践方面的不足，采纳录像教学以及到工厂参观和实习，通过师生的相互努力来学好这门功课。
三、如何样才能学好机械工程材料工艺学？1.注意各章节的联系、学习、复习、巩固、应用、总结。
2.要明白得、要提问题、不能累计问题。
3.抓住要紧内容：金属材料及热处理差不多知识，铸造、锻造、焊接、切削加工差不多常识。
随着科学技术和生产力的不断进展，金属工艺学的内容构成也有所进展。
机械制造基础
绘制出拉伸曲线。
强度和塑性
拉伸曲线特性
Oe阶段——弹性变形 es阶段——弹性＋塑
性变形 s点——屈服点，出现
“屈服”现象
bk阶段——出现“缩 颈”
载荷 F ( )
4F
d
2 0
s e
O
F (e) F (s)
F (b) F (k )
b k
l
l l
伸长量 l( )
金属材料的物理、化学及工艺 性能
工艺性能
是金属材料物理、化学性能和力学性能 在加工过程中的综合反映，是指是否易 于进行冷、热加工的性能。
按工艺方法的不同，可分为铸造性、可 锻性、焊接性和切削加工性等。
小结
本章重点是金属材料的力学性能 力学性能方面 各种性能（强度、塑性、硬度、韧性、
疲劳强度）的名称、定义、符号、单位 拉伸曲线、硬度测试方法、疲劳曲线
强度
判据
抗拉强度 金属材料在拉断前所能承 受的最大应力，以 b 表示。
b
Fb A0
(MPa)
拉断前最大载荷 试样原始截面积
机械零件或构件，通常不允许发生塑性变形，以屈 服点作为判据。脆性材料，断裂前基本不发生塑性 变形，以抗拉强度作为判据。
塑性
定义：金属材料产生塑性变形而不被破坏
的能力，以伸长率 或收缩率 表示： 试样拉
合金——两种或两种以上的金属元素，或金
属与非金属元素熔合在一起，构成具有金属特 性的物质，称为合金。 如铁和碳组成的铁碳合金有碳素钢、铸铁等； 铜和锌组成的合金有黄铜等。
同情况），在规定的载荷下，垂直地压 入被测金属表面；
（2）卸载后依据压入深度h，由刻度盘上
的指针直接指示出HR值。
金属工艺学邓文英第五版作业题参考答案样本
第一篇 金属材料导论P9:( 1) : 应力σ: 试样单位横截面上的拉力,d F 24 π 。
应变ε: 试样单位长度上的伸长量,l l ∆ 。
( 5) :σb : 抗拉强度, 指金属材料在拉断之前所能承受的最大应力。
σs : 屈服点, 指拉伸试样产生屈服现象时的应力。
σ2.0r : 屈服点, 对没有明显屈服现象的金属材料, 工程上规定以试样产生0.2%塑性变形时的应力作为该材料的屈服点, 用σr0.2表示。
σ1-: 疲劳强度, 金属材料在无数次循环载荷作用下不致引起断裂的最大应力, 当应力按正弦曲线对称循环时, 疲劳强度以符号σ-1表示。
δ: 伸长率, 衡量塑性的指标之一 a k : 冲击韧性, 材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力, 其值大小是试样缺口处单位截面积上所吸收的冲击功。
HRC: 洛氏硬度, 以顶角为120度金刚石圆锥体为压头, 在1500N 载荷下硬度计的硬度标尺。
HBS: 布氏硬度, 钢球压头测出的硬度值。
HBW: 布氏硬度, 硬质合金球压头测出的硬度值。
第二章 铁碳合金P261.一般来说, 同一成分的金属, 晶粒愈细, 其强度、 硬度愈高, 而且塑性和韧性也愈好。
2.随着温度的改变, 固态金属晶格也随之改变的现象, 同素异晶转变; 室温时, 纯铁的晶格是体心立方晶格。
1100摄氏度时是面心立方晶格。
5.缓慢冷却条件下, 45钢的结晶过程如下:1点以上: L; 1-2点: L+A; 2-3点: A; 3-4点: A+F; 室温时: P+FT10钢的结晶过程如下:%10000⨯-=l l l k δ1点以上: L; 1-2点: L+A; 2-3点: A; 3-4点: A+Fe CII 室温时: P+Fe3 CII第三章钢的热处理P32１.答: 在此温度范围内加热, 淬火后可获得细小的马氏体组织。
这样的组织硬度高、耐磨性好, 而且脆性相对较小。
如果淬火加热的温度不足, 因未能完全形成奥氏体, 致使淬火后的组织除马氏体外, 还残存有少量的铁素体, 使钢的硬度不足。
材料导论
1）简述材料环的组成要素。
答：材料是宇宙中可用来制造有用物品的物质。
这些物质以各种形式分布在地球上、地壳中、海洋中甚至大气中。
这些物质不断地被发掘、被提取、被加工、被利用。
在材料的使用过程中有一部分会自动回到最初在大自然中的存在形式，在物品的使用寿命过后大部分材料可以被重新利用。
物质在这一系列过程中，从一种存在形式转化为另一种存在形式，生生不息。
这一过程可以看做是一个循环圈，我们将之称为材料环。
2）简述材料的四大分类及各类材料的组成、特点。
答：一、金属材料金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。
包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。
特点：高韧性，延展性好，强度高，导电性好。
二、无机非金属材料无机非金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。
是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。
特点：高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性，以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。
三、高分子材料高分子材料是有相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料。
特点：有很高的分子量，质轻，密度小，有优良的力学性能，绝缘性能，隔热性能。
四、复合材料复合材料是由连续相的基体和被基体包容的相增强体组成。
基体材料分为金属和非金属两大类。
增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。
特点：具有质量轻，较高的比强度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、隔热、隔音、减震、耐高（低）温等特点。
3）简述热塑性材料与热固性材料的区别。
答：热塑性材料：由线形长链分子组成，加热到某一温度（玻璃化温度或熔点）时发生流动，可以反复进行加工成型。
可以是结晶的也可以时非结晶的。
常见的有聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯，等等。
金属工艺学总结
金属工艺学第一篇金属材料导论1、性能金属材料最常用的强度指标是屈服强度和抗拉强度；塑性指标是延伸率和断面收缩率。
强度：材料抵抗变形和断裂的能力。
塑性:金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力.硬度：材料表面抵抗其他更硬物体压入的能力。
韧性：材料抵抗冲击载荷的能力。
材料的工艺性能包括: 铸造性、锻造性、焊接性、热处理性能和切削加工性能。
2、常见的金属晶体结构为体心立方、面心立方和密排六方三种类型。
3、铁碳合金及碳钢碳钢：含碳量为0。
0218% ～2.11％的铁碳合金.铸铁：含碳量为 2。
11%~ 6。
69%的铁碳合金。
在Fe-Fe3C相图中，钢与铁的分界点的含碳量为2.11％。
铁素体：是碳在α-Fe中所形成的间隙固溶体,为体心立方晶格。
奥氏体是碳在γ-Fe中所形成的间隙固溶体，为面心立方晶格。
渗碳体是 Fe 和 C 形成的化合物，其性能特点是硬度高，脆性大。
珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
4、钢的热处理钢的热处理就是将钢在固态下，通过加热、保温和冷却，以改变钢的组织，从而获得所需性能的工艺方法。
常用的热处理工艺有退火、正火、淬火、回火、表面淬火、化学热处理等。
退火：将钢加热到一定温度，保温一定时间，然后随炉冷却的一种热处理工艺正火：将钢加热到一定温度，保温一定时间,然后在空气中冷却的一种热处理工艺淬火:将钢加热到高温奥氏体状态后急冷，使奥氏体过冷到Ms点以下，获得高硬度马氏体的工艺。
亚共析钢淬火加热温度：Ac3+30～50℃过共析钢淬火加热温度：Ac1+30～50℃，组织:M+Fe3C+A残回火：将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺。
45钢用作轴类零件要求有较好的综合力学性能,应选择的热处理方法是调质。
5、合金钢按钢中合金元素含量高低，可将合金钢分为低合金钢；中合金钢；高合金钢典型牌号：20CrMnTi：表示平均含碳量为0.2%，含Cr量、含Mn量与含Ti量均小于1。
5%的合金渗碳钢。
金属工艺学复习笔记(最新整理)
金属工艺学：是一门研究有关制造金属机件的工艺方法的综合性技术学科常用以制造金属机件的基本工艺方法：铸造压力加工，焊接，切削加工，热处理。
第一编金属材料导论合金：以一种金属为基础，加入其它金属或非金属，经过熔炼，烧结或其他方法而制成的具有金属特性的材料。
金属材料主要机械性能有：弹性塑性刚度强度硬度冲击韧性疲劳度和断裂韧性弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能。
弹性变形：这种随着外力消失而消失的变形，叫弹性变形，其大小与外力成正比。
塑性：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。
塑性变形：在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫塑性变形，其大小与外力不成正比。
σe 弹性极限材料所能承爱的不生产永久变形的最大应力σs 屈服极限出现明显塑性变形时的应力σ0.2 产生0.2%塑性变形时的应力作为屈服极限时金属材料的塑性常用延伸率来表示δ=(l-l0)/l *100%也可用断面收缩率来表示ψ=(F0-F)/F0 *100%Δψ越大，塑性越好刚度：金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。
弹性模数：在弹性范围内，应力与应变的比值。
它相当于引起单位变形时所需要的应力。
弹性模数越大，表示在一事实上应力作用下能发生的弹性变形越小。
弹性模数的大小主要决定于金属材料本身，同一类材料中弹性模数的差别不大。
弹性模数被认为是金属材料最稳定的性质之一。
强度：是金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。
按作用力的不同，可以分为抗拉强度，抗压强度，抗弯强度和抗扭强度。
在工程上常用来表示金属材料强度的指标有屈服强度和抗拉强度。
屈服强度σs：金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦抵抗微量塑性变形的应力。
σs =P S/F0(Pa帕斯卡)抗拉强度σb：金属材料在拉断前所能随的最大应力。
σb =P b /F0(Pa帕斯卡)硬度：金属材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。
布氏：HB圆球压头。
一般只用于测定其值小于450的材料。
机械工程导论(共计251页)
➢等温退火
机械工程导论
如果在对应于某钢C曲线上的珠光体 形成温度使温度使奥氏体进行等温转变， 便可在等温处理的前后以较快的速度进 行冷却，则退火所需要的时间便可大大 地缩短。这种退火方法称为等温退火。
机械工程导论
➢球化退火
为使钢中碳化物球状化的热处 理工艺称为球化退火。
目的是为了消除过共析钢中网 状二次渗碳体，降低硬度，并为淬 火作好组织准备。
机械工程导论
二、机器制造用合金结构钢
合金渗碳钢
1.渗碳钢的工作条件及性能要求 渗碳钢，及由其制作的零件在渗碳热处理后才使用。这种 零件工作时，除要求较高强度可靠性外，还常常受到较大的 表面磨擦和冲击作用，故其性能要求： (1) 有一定的强度和塑性，以抵抗拉伸，弯曲，扭转等变形 破坏； (2) 要求表面有较高的硬度和耐磨性，以抵抗磨损及表面接 触疲劳破坏； (3) 有较高的韧性以承受强烈的冲击作用；
机械工程导论
机械工程导论
机械工程导论
机械工程导论
§2 铁碳合金基本组织和性能
一、铁
910C Fe
910 ~ 1390C Fe
铁素体 奥氏体
二、渗碳体（Fe3C） 硬度高、塑性低
机械工程导论
§3 铁碳合金状态图的分析
机械工程导论
共晶反应
1147ºC
液体4.3%C
莱氏体4.3%C （奥氏体2.11%C +渗碳体6.67%C ）
工件经渗碳后的淬火方法有两种： 1. 直接淬火 2. 一次淬火
➢渗氮
机械工程导论
氮化的主要氮化是向钢的表面层渗入氮原子以提高表 层的硬度、耐磨性、疲劳强度及耐蚀性的化学热处理 工艺也称为渗氮。
钢的氮化分为气体氮化、离子氮化、气体软氮化和气 体碳氮共渗。
材料科学与工程基础第一章
(3) 用途
• 结构材料：电视机壳体、冰箱壳体、轴 承、机械零件
• 绝缘材料：漆包线、电缆、绝缘版、电 器零件
• 建筑材料：贴面板、地贴
• 包装材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料
• 涂装：涂料
• 粘合剂：粘合剂
• 日用：织物（衣服）胶鞋
•
运输：轮胎，传送带 材料科学与工程基础第一章
四、复合材料
由两种或两种以上组分组成，并 具有与其组成不同的新的性能的 材料称为复合材料。
往伴随化学变化。 • 材料的特点往往是为获得产品，一般从材料到
产品的转变过程不发生化学变化。 • 3. 材料与物质 • 材料可由一种或多种物质组成。 • 同一物质由于制备方法或加工方法不同可以得
到用途各异、类型不同的材料。
材料科学与工程基础第一章
• 4．材料是人类文明的里程碑 迄今为止，人类使用材料的历史已
• • • 铸铁 • •
灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁 特殊性能铸铁
材料科学与工程基础第一章
• (2) 有色金属
• 五大类
• 轻金属 （<4.5g/cm2）铝、镁、钠、钙
• 重金属 (>4.58/cm2) 铜、镍、铅、锌
• 贵金属
金、银、铂、铑
• 类金属（半）
硅、硒、绅、硼
• 稀有金属
钛、锂、钨、钼、镭
钛结构自行车：钛合金的应用场合非常特 殊，一般用于需要抗腐蚀、耐疲劳、高弹 性的场合。
新型轮胎
填补龋齿的新材 料——新型陶瓷
材料科学与工程基础第一章
形状记忆合金
原始形状
拉直
加热后恢复
材料科学与工程基础第一章
原始形状 折成球形装 太阳能加热后 入登月舱
金属材料工程导论
《金属材料工程导论》结业论文金属材料的种类、性能、用途及其发展展望专业班级：姓名:学号：指导老师：曹鹏军参考文献1、刘宗昌，任慧平，郝少祥《金属材料工程概论》。
北京：冶金工业出版社。
20072、百度文库《金属材料》3、戴启勋。
《金属材料学》北京：化学工业出版社；20054.E. Merchant ,章慈定;近代制造技术、机床及试验技术的发展趋势[J];制造技术与机床;1980年10期5.孙庚午;国外重型机床的发展趋势[J];制造技术与机床;1980年12期6.李正邦《钢铁冶金前沿技术》北京：冶金工业出版社；1997年9月7.北京科技大学《中国冶金史论文集》北京：科学出版社；2006年8.9.金锡根《有色金属冶炼技术》北京：冶金工业出版社；1992年2月10.中国钢铁学会《钢铁辞典》北京；物价出版社；1995年7月11.陈裹武《钢铁冶金物理化学》北京：冶金工业出版社；1990年10 月12.王从曾《材料性能学》北京；北京工业大学出版社；2001年6月摘要金属材料是以金属材料或以金属材料为主构成的具有金属特性的以泪材料的统称。
金属材料种类繁多性能差异较大，可分为纯金属、合金、金属化合物和特种金属材料等。
作为人类最早使用的材料之一，金属材料在几千年后的今天仍然是人类社会最重要的材料。
可以预见，在未来，金属材料必将在人文明的发展与进步中起到关键作用。
关键词材料钢铁应用发展金属材料的概念金属材料是以金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。
包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。
人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。
继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。
现代种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。
由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。
包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。
金属工艺学复习资料
第一篇金属材料导论金属材料力学性能指标的含义、表示方法（符号）强度包括抗拉强度σb、屈服点（或屈服强度）σs 。
塑性：定义，表征塑性好坏的指标→伸长率（δ）、断面收缩率（）。
硬度：布（HB）、洛（HR系列，最常用的为HRC）、维氏硬度(HV)材料的力学性能指标☐冲击韧性：冲击韧度（ak）☐疲劳强度：σ-1纯铁的晶体结构☐常见金属的晶体结构有体心立方(fcc) 、面心立方（bcc）、密排六方（hcp）。
☐纯铁的晶体结构有体心立方（α-Fe、δ-Fe）面心立方（γ-Fe）。
实际金属的晶体缺陷☐点缺陷，包括空位、间隙原子、置换原子。
☐线缺陷，主要是位错。
☐面缺陷，主要有金属晶体表面，晶界、相界、亚晶界等。
金属的结晶☐结晶速度与过冷度（△T）的关系：△T↑，结晶速度↑，晶粒越细。
☐金属结晶过程→形核和长大。
☐晶粒对金属材料力学性能的影响：☐晶粒越细，金属材料的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。
纯金属结晶过程中细化晶粒的方法☐⑴增大冷却速度，增大过冷度☐⑵进行变质处理，增加外来晶核☐⑶采用机械、超声波振动、电磁搅拌等。
铁碳合金及二元相图☐合金、组元、相的基本概念☐铁碳合金基本组成相：F、A、Fe3C。
☐按溶质原子在溶剂晶格中所处的位置，固溶体分为间隙固溶体、置换固溶体☐铁碳合金基本组织：☐固溶体：铁素体（α或F）、奥氏体（γ或A）；☐混合物：珠光体（P）、莱氏体（Ld）☐化合物：渗碳体（Fe3C）钢的分类☐按含碳量高低：低碳钢（ wc≤0.25% ）、中碳钢（ 0.25%≤wc≤0.60% ）、高碳钢（ wc ≥0.60% ）☐工具钢属于高碳钢。
常用碳素工具钢： T10A 平均含碳量为1%的优质碳素工具钢。
☐钢中杂质元素：Si、Mn（有益元素），S、P（有害元素）零件选材的一般原则：☐满足使用性能要求☐满足工艺性能要求☐满足经济性要求钢的热处理☐钢的热处理：是指在固态将钢加热到一定温度，保温一段时间，而后冷却，以获得所需组织和性能的工艺方法。
《金属工艺学》学习指南
1、课程编码及适用专业课程编码：180501总学时：40学时（实验4学时）适用专业：适用于机械类和近机类各专业：机械工程机械设计制造及自动化材料成型及控制工程机械电子工程工业设计过程装备与控制工程车辆工程机械工艺技术微机电系统工程机电技术教育2、课程性质《金属工艺学》是研究机器零件常用金属材料和加工方法，即从选择材料、制造毛还、直到加工出零件的综合性课程。
它是高等学校机械类专业必修的技术基础课。
3、本课程的地位和作用本课程应在讲授过《工程力学》、《工程材料》等课程的基础上开设，主要后续课程是《机械原理与零件》、《机械制造工艺学》、《机床》、《夹具与刀具》等。
本课程起到承前启后的作用，学好本课程对专业知识基础的奠定至关重要。
4、学习目的与要求通过本课程的学习，应使学生掌握常用金属材料的种类、成分、组织、性能和改性方法，具有选用金属材料的初步能力。
掌握主要加工方法的基本原理和工艺特点，具有选择毛坯、零件加工方法及工艺分析的初步能力。
具有综合运用工艺知识、分析零件结构工艺性的初步能力。
了解与本课程有关的新材料、新工艺、新技术及其发展趋势。
从而为其它相关课程的学习和以后工作奠定必要的基础。
5、本课程的学习方法为学好这门课，学习时应注意以下几点：（1）要抓主要矛盾，有条件地略去一些次要因素，找出问题的本质。
（2）要抓住重点，应牢固掌握基本概念、基本工艺。
（3）要有良好的学习方法，可运用对比或比较的学习方法，找出各加工工艺的共性和差异，加深理解。
（4）学习是要理论联系实际，应与金工实习相结合。
6、学习内容与指导第一篇金属材料导论（1）学习内容：金属材科的主要力学性能：强度、硬度。
金属的结晶构造和结晶过程：金属晶格基本类型；金属的结晶过程；冷却曲线和过冷度；纯铁的同素异构转变。
铁碳合金：铁碳合金基本组织；铁碳合金状态图；含碳量对碳钢组织和性能的影响。
钢的热处理：钢的退火、正火、淬火和回火；钢的表面热处理。
碳钢的分类、牌号与应用。
金属材料导论(1)
第1章 金属材料导论
材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。
金属材料
工程材料
陶瓷材料 高分子材料
复合材料
1.1 金属材料的主要性能
本节重点：金属材料的力学性能
本节难点：各性能指标的物理意义和测定方法
主要内容：金属材料的力学性能,包括材料的强 度 、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳 强度等。
量具钢
不锈钢 耐热钢 2Cr13、1Cr18Ni9 耐磨钢 其它
1 .7 钢的热处理
热处理
普通热处理 表面热处理 其它热处理
退火 正火 淬火 回火
℃
保温 临界温度
加热
冷却
表面淬火
化学热处理
形变 真空 激光
热处理工艺曲线 T
渗碳 渗氮 碳氮共渗
1.7.1 退火和正火
退火：
将钢加热、保温，然后随炉冷 却或埋入灰中缓慢冷却。
相图中主要线的含义
➢ ACD线—液相线 是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。 ➢ AECF线—固相线 各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终
止线。 ➢ ECF水平线—共晶线 含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线时，在
1148 ℃由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反 应称为共晶反应。 ➢ PSK水平线—共析线（A1线） 含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此 线时，在727 ℃同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称 为共析反应。 ➢ GS线—（A3线） 是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。 ➢ ES线—称Acm线 是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时 由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。
1.4 二元合金状态图
把各合金的结晶开始温度点连接起来，即为液相线；把结晶终了 温度点连接起来，即为固相线。这样就构成了Pb-Sb二元合金相图。
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• 塑性
– 是金属材料进行塑性加工的必要条件。 – 是零件安全使用的可靠保证。
4、刚 性（rigidity）
• 刚性 金属材料抵抗弹性变形的能力。 •材料本身的弹性模量
•零件截面积的大小 •零件能否顺利进行加工
•影响零件的加工精度
5、硬 度（hardness）
• 金属材料抵抗比它更硬的物体压入其内 的能力，叫做硬度。 • 根据测定硬度的实验方法不同来分类。
(1)钢的分类
碳素钢(carbon steel)
① 按化学成分分类
合金钢(alloy steel)
1、工业用钢(steel products)
碳素钢: 低碳钢 C≤0.25% 中碳钢C≥0.25%～0.55% 高碳钢C>0.55%
合金钢: 在碳钢的基础上加入Cr、Ni、 Mo、W、Mn、Si …等元素
• 常用工程材料：钢材、铸铁、铝及铝合 金、铜及铜合金、粉末合金、工程塑料、 橡胶、陶瓷材料、复合材料、磁性材料、 超导材料、纳米材料 • 以下分别介绍
– 1、工业用钢 –用钢(steel products)
碳素钢的基本化学成分：Fe、C 、Si 、Mn 碳钢—— 含碳量<2.11% 铸铁—— 含碳量>2.11%
6、冲击韧度（impact hardness）
• 冲击韧度——金属材 料抵抗冲击载荷作用 而不破坏的能力。 • 冲击韧度的测定在冲 击实验机上进行。
• ak=Ak/F
•意义：① 用于受较大冲击载荷的零件；
•
② 检验热加工工艺质量。
7、疲劳强度（ fatigue
strength）
• 疲劳破坏____受交变载荷作用的零件，发生断裂 时的应力，远低于材料的屈服强度，这种破坏现 象，叫做疲劳破坏 • 疲劳强度——当金属材料在无数次重复或交变载 荷作用下而不致引起断裂的最大应力,叫做疲劳强 度。 •疲劳强度通常在旋转对称弯 曲试验机上进行。
1、工业用钢(steel products)
（2）钢的编号与用途 ①碳素结构钢
钢号：用该钢屈服强度σS来表示
Q195、Q215、Q235、Q255、Q275
用途：一般零件、工程结构用钢
②优质碳素结构钢
钢号：用该钢平均含碳量的万分之几表示。 08
10 15
20 25
含碳量低、σb与HBS低,δ与aK值高， 制造塑性较高、强度低的零件或钢结构
1、金属材料的力学性能指标有哪些？是如何定 义的，有何意义？ 2、下列代号的含义： 3、HBS、σb、 σs、HRC、ψ、δ、аk、 σ-1 4、零件加工完成后，采用哪种方法测量其力学 性能？ 5、将钟表发条拉成一直线后，将力释放，钟表 发条可能发生什么变形？
6、某厂购进一批钢材，从中制取d0=10mm的圆形截面短 试样，经拉伸实验后，测得 Fb=33.81KN, Fs=20.68KN, Lk=65mm, dk=6mm. 试问这批钢材的力学性能是否合格？ （注：GB699—88规定此种钢材的力学性能判据： b=375 MPa；s=225 MPa;5=27% ;ψ=55% )。 7、下列硬度要求或写法是否恰当？为什么？ • （1）HRC12～17；（2）HRC =50～60 Kgf/mm2； （3）500～530 HBS ； • （4）70HRC～75HRC ；（5）230 HBW ； 8、整体硬度要求230HBS～250HBS的轴类零件，精加工 后再抽查，应选用什么硬度计测量硬度较合适？ 9、一紧固螺钉在使用过程中发现有塑性变形，是因为螺 钉材料的力学性能哪一判据的值不足？ 10、用洛氏硬度试验方法能否直接测量成品或较薄工件？ 为什么？
1、工业用钢(steel products)
③合金结构钢 钢号：用含碳量与合金元素及其含量表示 20Cr、23CrNi3A、20Cr2Ni4、 35CrMo、40Cr、60Si2Mn 用途：热处理后具有优良的力学性能，制 造重要零件
1、工业用钢(steel products)
④工具钢： 制造刀具、量具、模具的钢 碳素工具钢：T7、T7A、T8、T8A、T10、 T10A、T12、T12A 用途：制造手工工具、低速刀具 如锯条、锉刀、铣锥、钻头、铰刀等 低合金工具钢：9SiCr、9Mn2V 高速工具钢：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2 热作模具钢：5CrNiMo、3Cr2W8V 冷作模具钢：Cr12MoV、9Mn2V
•用符号σ-1表示弯曲疲劳强度
产生疲劳破坏的原因
材料有杂质、表面划伤等缺陷
微裂纹
应力集中
裂纹扩展
破 坏
8、断裂韧性（Fracture toughness ）
• 异常断裂现象 在材料的强度、塑性、冲击韧 性等都符合设计要求的情况下，零件在使用过 程中出现突然断裂事故。 原因 研究表明这种断裂事故产生的原因是于 内部存在着各种宏观缺陷，这种缺陷相当于裂 纹。当材料受外力作用时，这些裂纹的尖端附 近便出现应力集中，应力不断增长，裂纹扩展， 导致断裂。 • 断裂韧性就是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩张 能力的性能指标，通常用K1c表示。
1、工业用钢(steel products)
30 35 40
45
中碳调质钢，调质后综合力学性能较好，用 作主轴、曲轴、连杆、齿轮等结构件
50 55 60 65 70 75
含碳高，淬火、中温回火后强度高、弹性高、 韧性好，用作钢丝绳、弹簧、凸轮等结构件
较高含锰量优质碳素结构钢：Mn约为1.0～1.2% 15Mn、20Mn、25Mn、30Mn、35Mn、40Mn、45Mn
11、某室温下使用的一紧固螺栓在工作时 发现紧固力下降，试分析材料的何种性 能指标没有达到要求？提出主要的可能 解决措施。 12、对自行车座位弹簧进行设计和选材， 应涉及到材料的哪些主要性能指标？ 13、实际生产中，为什么零件设计图上一 般是提出硬度技术要求而不是强度或塑 性值？
三、工程材料简介
强度和塑性指标的测定
拉伸实验
在拉伸实验机上进行 实验测得
拉伸实验机
标准拉伸试样
强度和塑性指标的测定
拉伸实验
•低碳钢拉伸图
强度和塑性指标的计算公式
• 根据拉伸实验结果进行计算，计算公式分别为：
• • • • •
δ =（l-l0）/l0×100% Ψ=（F0-F）/F0 ×100% σs=Ps/ F0 （MPa） σb=Pb/ F0 （MPa） σe=Pe/ F0 （MPa）
1、工业用钢(steel products)
⑤特殊性能钢 不锈钢：1Cr18Ni9Ti、1Cr13、2Cr13、 3Cr13 耐热钢：1Cr13Si3、1Cr23Ni2 热强钢：1Cr6Si2Mn、4Cr12Ni8MoVNb
2、铸铁（cast iron）
铸铁的特点： σb 、δ、 aK低，但抗压强度高，铸造性、切 削加工性、减震性、耐磨性良好。 (1)白口铸铁（white cast iron) 碳以Fe3C形式存在，断口呈白色， 性硬而脆。可制造耐磨件。 (2)灰口铸铁（grey cast iron) 碳主要以石墨形式存在，断口 呈灰色 牌号：HT150、HT200、 HT250、HT300
中南大学 Central South University
第一章 金属材料导论
第一章
金属材料导论
• 一、金属材料的力学性能
• 二、金属材料的性能简述 • 三、工程材料简介 • 四、金属热处理方法
一、金属材料的力学性能
1、弹性与塑性 2、强 度 3、强度与塑性指标 4、刚 性 5、硬度 6、冲击韧度 7、疲劳破坏 8、断裂韧性
• 2、常用的热处理方法
– – – – 退火 正火 淬火 回火
• 3、表面热处理
– 表面淬火 – 表面化学热处理
1、金属热处理基本概念
热处理（heat treatment):将金属 在固态下通过加热、保温（热透）、冷 却，改变其内部组织结构，从而改变其 力学性能的一种工艺方法。
• F0——试样的原始横截面积（mm2） • F——试样断裂后的横截面积（mm2） • Ps ，Pb 分别为屈服点和最大点的拉力 （ N） • l0，l 分别为试样断裂前后的长度
强度和塑性指标的重要意义
• 强度
– 机械设计和选材的重要依据。一般零件的许 用应力必须小于屈服强度。无明显屈服点的 零件，许用应力小于抗拉强度。 – 对于弹性元件其许用应力应小于弹性极限。
洛氏硬度的测定
• 用洛氏硬度计
– 洛氏硬度计用金刚石圆 锥或小钢球为压头，实 验时是根据测量到的压 入深度，转变成刻度盘 上的数据。
•计算公式：
•HR(A)C=100-h1/0.002
洛氏硬度的分类及应用
标度 压头 总载荷 应用范 （kg） 围 60 100 150 70~85 25~100 适用材料 硬质合金、 表面淬火的钢
120º 金刚 HRA 石圆锥 HRB
Φ1.588mm
钢球
软钢、退火钢、 铜合金
120º 金刚 HRC 石圆锥
20~67 液火钢、调质钢等
维氏硬度的测定
•采用正四棱锥体为 压头，用压痕单位面 积上的载荷来计量硬 度值。主要用于测量 极薄试样的硬度。
硬度的意义
• 硬度试验是一种非破坏性实验，可以直 接在零件上测量。一般零件图上标有硬 度作技术要求。
– – – – 布氏硬度 （HB） 洛氏硬度 （HR） 维氏硬度 （HV） 。。。
布氏硬度的测定
• 用布氏硬度计 •压头是直径为D的钢球或硬质合金球。
•HBS——压头为钢球，用于测量<450HBS
•HBW——压头为硬质合金,用于测量>450HBW •计算公式： •HB=压入载荷（N）/压痕表面积（mm2）
碳以圆球状石墨形式存在 生产方法:向铁水中加入孕育剂、球化剂 性能特点:与钢接近,强韧性较高 牌 号:QT400-18 QT600-3 用 途：可代替钢材， 制造主轴、 齿轮、曲轴