【精品课件】材料成型工艺与设备
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§1§金1属的. 晶金体属结构的晶体结构
§1 金属的晶体结构
固体：● 晶体：原子按一定次序作有规则的排列
如：金刚石、石墨、固态金属及合金等 ◊ 有一定的熔点和凝固点、各向异性
● 非晶体：原子作不规则的排列 如： 玻璃、松香等
◊ 无一定的熔点和凝固点、各向同性
晶体结构： 如上图。 几个术语： ◆ 晶格
• 塑性和强度是通过拉伸试验测定的：
σe __ 弹性极限 σs (σ0.2 )— 屈服极限
σ b ____ 抗拉极限
塑性指标：
延伸率：
l l0 100%
l0
断面收缩率： F0 F10% 0
F0
δ、ψ↑ —→ 塑性↑
强度指标：
屈服强度：
Hale Waihona Puke Baidu
s
Ps F0
抗拉强度：
b
Pb F0
σ≧σs , 塑性变形； σ≧σb ， 破坏
六. 疲劳强度
六. 疲劳强度
疲劳强度: 当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.
指标: 疲劳强度极限σ-1
循环基数: 钢材: 107 有色金属、高强度钢：108
§2 金属材料的物理、化学 §2 金属材及料工的艺物性理能、化学及工艺性能
一. 物理性能
物理性能: 比重、熔点、热膨胀性、导热性和导电性 考虑：（1）零件的使用性
（2）零件的加工工艺性
二. 化学性能
化学性能: 金属材料抵抗各种化学作用的能力 如: 耐酸性、耐碱性、抗氧化性等
考虑：零件的使用。 如: 医疗器械、化工设备防腐→不锈钢
三. 工艺性能
工艺性能: 铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性能等。 是物理、化学及力学性能的综合。
第二章 金属和合金的晶体结构与结晶
材料成型工艺与设备
课程性质：限选 学时：56 考试形式：平常（10）+期末（90） 参考书：金属工艺学（邓文英主编）
（第三版或第四版）
绪论
制造机件(材料成型)的工艺方法：
机件生产过程：毛坯—零件—性能改变—装配 工艺方法：铸造、压力加工、焊接、热处理、切削加工
本课程的内容：
各种工艺方法本身的规律、应用 金属机件的加工过程、结构工艺性 常用金属材料的有关性能
五. 冲击韧姓
冲击韧姓: 金属材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力. 指标: 冲击值.(一次摆锤弯曲试验测定(GB/T229-94))
k
Ak F
（J/m2 ）
● 冲击韧性不能直接用于强度计算: (1) 冲击值受许多因素影响: 试样形状、表面粗糙 度、内部组织、温度等
（2）在冲击载荷下工作的机件，很少是受到大能量 一次冲击破坏的
晶轴：晶核生长线速度最大的方向
晶粒：
晶界：晶粒之间的接触面
多晶体：晶粒细↑→ 晶界多↑ →金属
的结合力↑ →机械性能↑
晶核数目↑→晶粒细↑ （铸造中的变质处理）
金属冷却速度↑ → 晶粒细↑（如金属型铸造，砂 型铸造比较冷速）
二. 金属的同素异构转变
同素异构性: 一种金属能以几种晶格类型存在的性质。 同素异构转变: 金属在固态时改变其晶格类型的过程。
(二次结晶、重结晶)
铁的同素异构转变：
一. 弹性和塑性
弹性: 受外力作用时产生变形,外力去掉后
能恢复原来形状的性质。
弹性变形: 大小与外力成正比 塑性: 在外力作用下,产生永久变形而不致
引起破坏的性质。
塑性变形: 大小不与外力成正比
二. 强度 强度
强度: 金属材料在外力的作用下抵抗塑性 变形和断裂的能力
按作用力性质分: 抗拉、抗压、抗剪和抗扭强度
学习本课程的基本要求：
了解常用金属材料的一般性质、应用范围和选择原则 初步掌握各种主要加工方法的实质、工作特点和基本
原理 了解各种主要加工方法的设备和工具的工作原理、大
致结构和应 用范围 初步掌握零件的结构性和常用金属材料的工艺性
第一篇 金属材料导论
金属材料： ● 纯金属： ● 合 金：以一种金属为基础，加入其它金属或非金
三. 刚度
三. 刚度
刚度：金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力
指标: 弹性模数: 弹性范围内, 应力与应变的比.
E =σ/ε
弹性模数 ↑-→ 刚度↑
. 硬度
四. 硬度
硬度: 金属材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。
(在小的体积范围内,抵抗弹性变形、塑性 变形或断裂的能力）
指标：布氏硬度 ( HB ) 洛氏硬度 ( HR )
（3）密排六方晶格
Pe, Mg, Zn, α-Ti,β-Cr 塑性非常好 晶胞中的原子数:
1/6 ×12 + 1/2×2 + 3 = 6
§2 金属的结晶过程和同素异构转变
§2. 金属的结晶过程和同素异构转变
一. 金属的结晶过程
结晶（凝固）：金属由液体转变为晶体的现象. 原子由无序状态转变为按一定的几何形状作
◆ 晶胞
◆ 晶面 ◆ 晶格常数
● 常见的金属晶格类型
（1）体心立方晶格
Cr, Mo, W, α-Fe(≤912℃)
强度、塑性好
晶胞中的原子数: 1/8×8 + 1 = 2
(2）面心立方晶格
Al, Cu, Ni, γ-Fe(912-1394℃) 塑性非常好
晶胞中的原子数: 1/8 ×8 + 1/2×6 = 4
有序的排列。
1. 结晶时的冷却曲线
冷却曲线：温度—时间
●平台：实际结晶温度 恒温下结晶 结晶潜热
●过冷：实际 < 理论结晶温度 过冷度: 理论 - 实际结晶温度 与结晶时的冷却速度有关
2. 结晶过程
两个阶段：
◊ 晶核（结晶中心）的形成： 自发晶核，外来晶核
◊ 晶核的长大：示意图 晶核 → 长大 → 晶体 新晶核 → 长大 → 新晶体
属，经过熔炼、烧结或其它方法制成的具 有金属性质的材料。 （如：钢、黄铜、硅铝明）
金属材料：
● 好的物理、化学、力学性能 ● 好的工艺性能
金属制品： 占80–90%
第一章 金属材料的主要性能
§1 金属材料的力学性能 性能
力学性能： 材料在力的作用下所表现出来的性能. (机械性能)
包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性和疲 劳强度
布氏硬度测量
测量硬度≤ HB450
钢球(HBS) 或 硬质合金(HBW) 据压痕直径d 按公式或查表 得到 HB
用于测定铸铁、有 色金属、低碳钢等 材料的硬度。
洛氏硬度测量
压头：
120°金刚石圆锥体(HRA, HRC)
Φ1.588mm淬火钢球(HRB)
测量：依据压入深度，读表
适用测试材料： 硬质合金、淬火钢、 非铁合金
§1 金属的晶体结构
固体：● 晶体：原子按一定次序作有规则的排列
如：金刚石、石墨、固态金属及合金等 ◊ 有一定的熔点和凝固点、各向异性
● 非晶体：原子作不规则的排列 如： 玻璃、松香等
◊ 无一定的熔点和凝固点、各向同性
晶体结构： 如上图。 几个术语： ◆ 晶格
• 塑性和强度是通过拉伸试验测定的：
σe __ 弹性极限 σs (σ0.2 )— 屈服极限
σ b ____ 抗拉极限
塑性指标：
延伸率：
l l0 100%
l0
断面收缩率： F0 F10% 0
F0
δ、ψ↑ —→ 塑性↑
强度指标：
屈服强度：
Hale Waihona Puke Baidu
s
Ps F0
抗拉强度：
b
Pb F0
σ≧σs , 塑性变形； σ≧σb ， 破坏
六. 疲劳强度
六. 疲劳强度
疲劳强度: 当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.
指标: 疲劳强度极限σ-1
循环基数: 钢材: 107 有色金属、高强度钢：108
§2 金属材料的物理、化学 §2 金属材及料工的艺物性理能、化学及工艺性能
一. 物理性能
物理性能: 比重、熔点、热膨胀性、导热性和导电性 考虑：（1）零件的使用性
（2）零件的加工工艺性
二. 化学性能
化学性能: 金属材料抵抗各种化学作用的能力 如: 耐酸性、耐碱性、抗氧化性等
考虑：零件的使用。 如: 医疗器械、化工设备防腐→不锈钢
三. 工艺性能
工艺性能: 铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性能等。 是物理、化学及力学性能的综合。
第二章 金属和合金的晶体结构与结晶
材料成型工艺与设备
课程性质：限选 学时：56 考试形式：平常（10）+期末（90） 参考书：金属工艺学（邓文英主编）
（第三版或第四版）
绪论
制造机件(材料成型)的工艺方法：
机件生产过程：毛坯—零件—性能改变—装配 工艺方法：铸造、压力加工、焊接、热处理、切削加工
本课程的内容：
各种工艺方法本身的规律、应用 金属机件的加工过程、结构工艺性 常用金属材料的有关性能
五. 冲击韧姓
冲击韧姓: 金属材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力. 指标: 冲击值.(一次摆锤弯曲试验测定(GB/T229-94))
k
Ak F
（J/m2 ）
● 冲击韧性不能直接用于强度计算: (1) 冲击值受许多因素影响: 试样形状、表面粗糙 度、内部组织、温度等
（2）在冲击载荷下工作的机件，很少是受到大能量 一次冲击破坏的
晶轴：晶核生长线速度最大的方向
晶粒：
晶界：晶粒之间的接触面
多晶体：晶粒细↑→ 晶界多↑ →金属
的结合力↑ →机械性能↑
晶核数目↑→晶粒细↑ （铸造中的变质处理）
金属冷却速度↑ → 晶粒细↑（如金属型铸造，砂 型铸造比较冷速）
二. 金属的同素异构转变
同素异构性: 一种金属能以几种晶格类型存在的性质。 同素异构转变: 金属在固态时改变其晶格类型的过程。
(二次结晶、重结晶)
铁的同素异构转变：
一. 弹性和塑性
弹性: 受外力作用时产生变形,外力去掉后
能恢复原来形状的性质。
弹性变形: 大小与外力成正比 塑性: 在外力作用下,产生永久变形而不致
引起破坏的性质。
塑性变形: 大小不与外力成正比
二. 强度 强度
强度: 金属材料在外力的作用下抵抗塑性 变形和断裂的能力
按作用力性质分: 抗拉、抗压、抗剪和抗扭强度
学习本课程的基本要求：
了解常用金属材料的一般性质、应用范围和选择原则 初步掌握各种主要加工方法的实质、工作特点和基本
原理 了解各种主要加工方法的设备和工具的工作原理、大
致结构和应 用范围 初步掌握零件的结构性和常用金属材料的工艺性
第一篇 金属材料导论
金属材料： ● 纯金属： ● 合 金：以一种金属为基础，加入其它金属或非金
三. 刚度
三. 刚度
刚度：金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力
指标: 弹性模数: 弹性范围内, 应力与应变的比.
E =σ/ε
弹性模数 ↑-→ 刚度↑
. 硬度
四. 硬度
硬度: 金属材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。
(在小的体积范围内,抵抗弹性变形、塑性 变形或断裂的能力）
指标：布氏硬度 ( HB ) 洛氏硬度 ( HR )
（3）密排六方晶格
Pe, Mg, Zn, α-Ti,β-Cr 塑性非常好 晶胞中的原子数:
1/6 ×12 + 1/2×2 + 3 = 6
§2 金属的结晶过程和同素异构转变
§2. 金属的结晶过程和同素异构转变
一. 金属的结晶过程
结晶（凝固）：金属由液体转变为晶体的现象. 原子由无序状态转变为按一定的几何形状作
◆ 晶胞
◆ 晶面 ◆ 晶格常数
● 常见的金属晶格类型
（1）体心立方晶格
Cr, Mo, W, α-Fe(≤912℃)
强度、塑性好
晶胞中的原子数: 1/8×8 + 1 = 2
(2）面心立方晶格
Al, Cu, Ni, γ-Fe(912-1394℃) 塑性非常好
晶胞中的原子数: 1/8 ×8 + 1/2×6 = 4
有序的排列。
1. 结晶时的冷却曲线
冷却曲线：温度—时间
●平台：实际结晶温度 恒温下结晶 结晶潜热
●过冷：实际 < 理论结晶温度 过冷度: 理论 - 实际结晶温度 与结晶时的冷却速度有关
2. 结晶过程
两个阶段：
◊ 晶核（结晶中心）的形成： 自发晶核，外来晶核
◊ 晶核的长大：示意图 晶核 → 长大 → 晶体 新晶核 → 长大 → 新晶体
属，经过熔炼、烧结或其它方法制成的具 有金属性质的材料。 （如：钢、黄铜、硅铝明）
金属材料：
● 好的物理、化学、力学性能 ● 好的工艺性能
金属制品： 占80–90%
第一章 金属材料的主要性能
§1 金属材料的力学性能 性能
力学性能： 材料在力的作用下所表现出来的性能. (机械性能)
包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性和疲 劳强度
布氏硬度测量
测量硬度≤ HB450
钢球(HBS) 或 硬质合金(HBW) 据压痕直径d 按公式或查表 得到 HB
用于测定铸铁、有 色金属、低碳钢等 材料的硬度。
洛氏硬度测量
压头：
120°金刚石圆锥体(HRA, HRC)
Φ1.588mm淬火钢球(HRB)
测量：依据压入深度，读表
适用测试材料： 硬质合金、淬火钢、 非铁合金