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1、金属工艺学所有文字 第一篇 金属材料导论南红艳河南理工大学材料加工系 金属材料种类繁多，性能不一，而且材料的发展日新月异，而零件的性能要求、服役条件各不相同，再加上材料的资源、价格等多方面考虑。机械制造中所用的金属材料以合金为主(性价格比好)。合金是以一种金属为基础，加入其他金属或非金属，经过熔炼或烧结制成的具有金属特性的材料(导电性、延展性、光泽、导热性) 第一章 金属材料的主要性能金属材料的性能指标是设计、制造零件的依据。了解金属材料的主要性能是作为技术、管理人员必备的常识。 .4 .5第一节 金属材料的力学性能 一、强度与塑性拉伸实验拉伸试样拉伸曲线缩颈 .61. 强度材料在外力作用，抵

2、抗塑性变形和断裂的能力工程上常用的金属材料的强度指标有屈服强度()和抗拉强度() (/2) =/ =/屈强比 与的比值 屈强比愈小，工程构件的可靠性愈高 .72. 塑性指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力常用的指标有两个：伸长率和断面收缩率(1-0)/0100% (0-1)/0100% .8二、硬度材料抵抗更硬的物体压入其内的能力最常用的指标：布氏硬度和洛氏硬度试验原理和使用范围均不相同布氏硬度()洛氏硬度(-) .9布氏硬度主要用于测定小于450各种未经淬火的钢；退火、正火状态的钢；结构钢调质件；铸铁、有色金属、质地轻软的轴承合金等原材料 洛氏硬度测定需多点测量后取平均值，可用来测

3、定各种金属材料的硬度。洛氏硬度测定仅产生很小压痕，并不损坏零件，因而适合于成品检验 .10三、韧性金属材料断裂前吸收的变形能量常用的指标：冲击韧度()通常采用摆锤式冲击试验测定：(/) .11 .12四、疲劳强度常用的指标：疲劳强度(-1)(/)材料抵抗交变载荷的作用而不破坏的能力零件发生疲劳破坏是没有预兆而突然断裂，发生疲劳破坏的应力远远小于抗拉强度，甚至比屈服强度还小，非常危险 .13疲劳破坏的原因：应力集中微裂纹扩展断裂破坏。 避免措施：改善内部组织、外部形状和表面状态，减小和避免应力集中，进行表面强化处理和减小表面粗糙度值。 .14第二节 金属材料的物理、化学及工艺性能 .15谢谢 .

4、16第二章 铁碳合金南红艳河南理工大学材料加工系 .17第一节 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 一、金属的结晶凝固 ( ) 物质由液态转变成固态的过程结晶 ( )* 晶体物质由液态转变成固态的过程* 物质中的原子由近程有序排列向远程有序排列的过程 .18结晶现象与规律 .19过冷现象 ( )过冷度 ( ) = 0 过冷是结晶的必要条件，冷却速度愈快，过冷度愈大过冷现象与过冷度 .20提高冷却速度变质处理机械振动、超声波振动、电磁搅拌等细化晶粒的途径晶粒粗细对材料力学性能的影响：晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也越好 .21二、纯铁的晶体结构晶 格：用以描述晶体中原子排列规律的空间格架晶 胞：能完

5、全反映晶格特征的最小几何单元晶格常数：描述晶胞的大小及形状晶体、点阵、晶格、晶胞 晶胞及晶格常数 .221.体心立方晶格（- ）配位数： 8 .23面心立方晶格 （ - ）配位数： 12 .24三、纯铁的同素异构转变同素异构转变金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象同素异构转变的意义可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性能的目的 .25合金：由两种或两种以上的元素通过熔炼后所获得的新的物质仍然具有金属特性组元：组成合金的基本元素 相： 成分相同、结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分组织：用肉眼可直接观察的，或用放大镜、显微镜分辨和材

6、料内部微观形貌图象例如：单一的液相、单一的固相 液相、固相两相共存第二节 铁碳合金的基本组织 .26固溶体： 由两种组元相互溶解后组成仍保持其中某一组元晶格类型的新物质置换固溶体：溶质原子部分取代溶剂晶格上的原子随着溶质原子的增加，晶格畸变后的固溶体强度、硬度升高的现象，称固深强化。如：纯铁与钢当两个组元的原子直径相差不大时，两个组元可以任何比例溶解，形成无限固溶体，反之则为有限固溶体例如：溶入-或- 所形成的铁素体、奥氏体间隙固溶体：溶质原子溶入溶剂晶格之中形成的固溶体。只能形成有限固溶体 .27珠光体：奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体()铁素体：碳溶解在-中的间隙固溶()塑

7、性(=4550%)、韧性好，强度、硬度低奥氏体：碳溶解在-中的间隙固溶体()塑性好渗碳体：铁与碳形成的金属化合物(3)硬度很高(=800)，塑性、韧性几乎为零莱氏体：液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏体与渗碳体的共晶体()硬度高，塑性差综合性能良好 .28第三节 铁碳合金状态图 渗碳体的熔点共晶点共析线共析点纯铁的熔点共晶线线液相线线固相线碳在奥氏体中的最大溶解度3线1线 .29 .30铁碳合金中的基本相及其性能(1) 液相 (2)相：又称高温铁素体(3)相：也称铁素体, 用符号 或 表示(4)相：常称奥氏体, 用符号 或 表示 (5) 相：与3的机械混合物(6) 3相：间隙化合物 .31铁

8、碳合金相图中主要特性点的含义 .32线：液相线线：固相线线：共晶线 线：线：在中的溶解度曲线，常以表示线：共析线，常以1表示线：在中的溶解度曲线-3相图中重要的线 .33铁碳合金的分类为2.11%6.69%的铁碳合金，分为三种：共晶生铁：为4.3%亚共晶生铁：为2.11%4.3%+3+过共晶生铁：为4.3%6.69%+3小于0.02%的铁碳合金工业纯铁钢铸(生)铁为0.02%2.11%的铁碳合金，分为三种：共析钢：为0.77%亚共析钢：为0.02%0.77%+过共析钢：为0.77%2.11%+3 .34钢在结晶过程中的组织转变 .35钢碳素钢碳素结构钢 235优质碳素结构钢碳素工具钢 8合金钢

9、合金结构钢合金工具钢特殊性能钢不锈钢耐热钢 耐磨钢其它量具钢模具钢刃具钢轴承钢弹簧钢调质钢渗碳钢低合金结构钢1.5%16、2092、213、1189第四节 工业用钢简介低碳钢 10、20中碳钢 40、45高碳钢 60、65 .36常用碳素结构钢钢板钢筋螺钉铆钉建筑构件钢桥梁 .37常用优质碳素结构钢齿轮曲轴螺栓弹簧 .38常用碳素工具钢锉刀量规钻头 .39外壳轧辊铸钢主要用于制造形状复杂，需要一定强度、塑性和韧性的零件，例如机车车辆、船舶、重型机械的齿轮、轴，以及轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等重型机械齿轮 .40容器船舶车辆桥梁储气罐合金结构钢 .41合金调质钢齿轮曲轴汽车万向节连杆 .42合

10、金渗碳钢拨叉变速齿轮 .43合金弹簧钢弹簧拉力弹簧离合器弹簧蝶形弹簧 .44滚珠轴承钢滚珠滚珠轴承 .45合金工具钢铣刀英制模板刀合金模具钢模具 .46量具用钢螺纹规游标卡尺千分尺 .47马氏体型不锈钢不锈钢船用螺旋桨不锈钢剪刀奥氏体型不锈钢1189不锈钢表带不锈钢容器 .48耐热钢燃气轮机 .49耐磨钢履带铁轨分道叉破碎机颚板挖掘机斗齿 .50第五节 零件选材的一般原则能满足工艺性能要求重视材料的经济性能满足零件的工作要求 .51 ! .52钢的热处理南红艳河南理工大学材料加工系 .53热处理：将固态金属或合金，通过加不同方式的加热、保温和冷却，以获得所需组织结构与性能的工艺方法普通热处理表

11、面热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理渗碳渗氮碳氮共渗其它热处理形变真空激光第一节 概述 .54 .55第二节 退火和正火 退火与正火加热温度范围 .56退火：将钢加热、保温，然后(随炉冷却或埋入灰中)缓慢冷却目的：降低硬度，便于机加工细化晶粒，提高塑性和韧性消除应力应用：铸件、锻件、焊接及其它毛坯的热处理完全退火、球化退火低温退火 .57应用：(1)取代部分完全退火(2)用于普通结构件的最终热处理(3)用于过共析钢，减少或消除网状二次渗碳体，为球化处理作准备正火：将钢加热到3 线以上3050(亚共析钢)或以上3050(过共析钢)，保温后在空气中冷却 .58第三节 淬火和回火 淬火：将钢加

12、热到3或1线以上3050，保温后在淬火介质中快速冷却(-向-同素异晶转变)，以获得马氏体()组织(碳在-中的严重过饱和固溶体)为避免淬火后产生内应力，应采取以下措施：(1)严格控制淬火加热温度 (2)合理选择淬火介质 淬透性好，选油淬(3)正确选择淬火方法 采用水油双介质淬火法常用的淬火方法单介质淬火法双介质淬火和分级淬火等温淬火 .59回火：将钢重新加热到1 线以上某温度，保温后冷却的热处理工艺目的：消除淬火内应力，降低脆性，防止产生裂纹回火三种形式：(1)低温回火(150250)：降低淬火钢的内应力和脆性，并保持高硬度(5664)和耐磨性。如模具、刃具等(2)中温回火(350500)：使钢

13、获得高弹性，并保持较高硬度(3550)和一定的韧性。如弹簧、锻模等(3)高温回火(调质处理)(500650)：硬度2035，强度及韧性等综合性能较好。如连杆、曲轴、齿轮等 .60第三节 表面淬火和化学热处理 表面淬火：快速加热使钢的表面奥氏体化后淬火冷却，获得表层硬而耐磨，心部仍保持原来的组织应用：中碳钢和中碳低合金钢表面淬火方法:感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、盐浴快速加热表面淬火、电接触加热表面淬火、激光加热表面淬火等表面淬火前应进行调质或正火处理，以保证心部具有良好的力学性能。表面淬火后应进行低温回火，以减少淬火应力，降低脆性。 .61化学热处理：将钢件置于一定温度的活性介质中保温，

14、使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程方法：渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等 .62金属表面技术：通过施加覆盖层或改变表面形貌、化学成分、相组成、微观结构等达到提高材料抵御环境作用能力或赋予材料表面某种功能特性的材料工艺技术表面技术涂镀技术热浸镀热喷涂电镀化学镀气象沉积表面扩渗技术化学热处理激光表面合金化离子注入表面处理技术表面淬火喷丸 .63镀 银 壶 .64抛 丸 后 的 铸 件 .65热喷涂 .66缸体热喷涂 .67谢 谢 .68钢的热处理南红艳河南理工大学材料加工系 .69热处理：将固态金属或合金，通过加不同方式的加热、保温和冷

15、却，以获得所需组织结构与性能的工艺方法普通热处理表面热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理渗碳渗氮碳氮共渗其它热处理形变真空激光第一节 概述 .70 .71第二节 退火和正火 退火与正火加热温度范围 .72退火：将钢加热、保温，然后(随炉冷却或埋入灰中)缓慢冷却目的：降低硬度，便于机加工细化晶粒，提高塑性和韧性消除应力应用：铸件、锻件、焊接及其它毛坯的热处理完全退火、球化退火低温退火 .73应用：(1)取代部分完全退火(2)用于普通结构件的最终热处理(3)用于过共析钢，减少或消除网状二次渗碳体，为球化处理作准备正火：将钢加热到3 线以上3050(亚共析钢)或以上3050(过共析钢)，保温后在

16、空气中冷却 .74第三节 淬火和回火 淬火：将钢加热到3或1线以上3050，保温后在淬火介质中快速冷却(-向-同素异晶转变)，以获得马氏体()组织(碳在-中的严重过饱和固溶体)为避免淬火后产生内应力，应采取以下措施：(1)严格控制淬火加热温度 (2)合理选择淬火介质 淬透性好，选油淬(3)正确选择淬火方法 采用水油双介质淬火法常用的淬火方法单介质淬火法双介质淬火和分级淬火等温淬火 .75回火：将钢重新加热到1 线以上某温度，保温后冷却的热处理工艺目的：消除淬火内应力，降低脆性，防止产生裂纹回火三种形式：(1)低温回火(150250)：降低淬火钢的内应力和脆性，并保持高硬度(5664)和耐磨性。

17、如模具、刃具等(2)中温回火(350500)：使钢获得高弹性，并保持较高硬度(3550)和一定的韧性。如弹簧、锻模等(3)高温回火(调质处理)(500650)：硬度2035，强度及韧性等综合性能较好。如连杆、曲轴、齿轮等 .76第三节 表面淬火和化学热处理 表面淬火：快速加热使钢的表面奥氏体化后淬火冷却，获得表层硬而耐磨，心部仍保持原来的组织应用：中碳钢和中碳低合金钢表面淬火方法:感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、盐浴快速加热表面淬火、电接触加热表面淬火、激光加热表面淬火等表面淬火前应进行调质或正火处理，以保证心部具有良好的力学性能。表面淬火后应进行低温回火，以减少淬火应力，降低脆性。 .7

18、7化学热处理：将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程方法：渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等 .78金属表面技术：通过施加覆盖层或改变表面形貌、化学成分、相组成、微观结构等达到提高材料抵御环境作用能力或赋予材料表面某种功能特性的材料工艺技术表面技术涂镀技术热浸镀热喷涂电镀化学镀气象沉积表面扩渗技术化学热处理激光表面合金化离子注入表面处理技术表面淬火喷丸 .79镀 银 壶 .80抛 丸 后 的 铸 件 .81热喷涂 .82缸体热喷涂 .83谢 谢 .84第一篇 铸造南红艳河南理工大学材料加工系 .85铸造

19、(金属的液态成形)：熔炼金属，制造铸型，将液态金属浇入具有与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的工艺铸造在我国可以追溯到6000多年前。按铸型材料的不同，可分为砂型铸造和特种铸造(压力铸造、连续铸造、陶瓷型铸造、金属型铸造等) .86 .87液态成型的特点适于做复杂外形，特别是复杂内腔的毛坯对材料的适应性广，铸件的大小几乎不受限制成本低，原材料来源广泛，价格低廉，一般不需要昂贵的设备某些塑性很差材料(如铸铁等)制造其毛坯或零件的唯一成型工艺液态成型优点 .88工艺过程比较复杂，一些工艺过程还难以控制液态成形零件内部组织的均匀性、致密性一般较差液态成形零件易出现缩孔

20、、缩松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、裂纹等缺陷，产品 质量不够稳定由于铸件内部晶粒粗大，组织不均匀，且常伴 有缺陷，其力学性能比同类材料的塑性成形低液态成型缺点 .89铸 造 工 艺 基 础第一章 .90第一节 液态合金的充型 充型：液态合金填充铸型的过程充型能力：液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成形件的能力充型能力不足浇不足冷 隔夹 砂气 孔夹 渣充型能力影响因素：合金的流动性、浇注条件、铸型性质、铸件结构等 .91合金的流动性：液态合金本身的流动能力 一、液态合金的流动性测定：螺旋形试样 浇出的试样越长，合金流动性越好，合金充型能力越好合金流动性影响因素：合金种类、化学成分、结晶

21、特性 .92二、浇注条件浇注温度充型压力浇注系统浇注温度越高，液态金属的粘度越小，过热度高，金属液内含热量多，保持液态的时间长，充型 能力强液态金属在流动方向上所受充型压力越大，充型能力越强浇注系统的结构越复杂，则流动 阻力越大，充型能力越差 .93四、铸件结构折算厚度：铸件体积与铸件表面积之比，也叫当量厚度或模数。折算厚度越大，热量散失越慢，充型能力就越好铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填(大平面铸件不易成形)。复杂程度：铸件结构复杂，流动阻力大，铸型的充填就越困难 .94第二节 铸件的凝固与收缩 一、铸件的凝固方式 在铸件的凝固过程中，其截面一般存在三个区域，即液相区、凝固区、固相区

22、。对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄铸件的凝固方式就是依据凝固区的宽窄来划分的 .951. 逐层凝固 2. 糊状凝固 3. 中间凝固 液影响凝固的主要因素合金的结晶温度范围：合金的结晶温度范围越小，凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固。在铁碳合金中普通灰铸铁为逐层凝固，高碳钢为糊状凝固铸件的温度梯度：在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区的宽窄取决于铸件内外层之间的温度差。若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其凝固区相应由宽变窄 .96二、铸造合金的收缩合金从液态冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象，是多种铸造缺陷(缩孔、缩松、裂纹、变形等)产生的根源合金收缩固态合金冷却液

23、态合金冷却液态收缩凝固收缩缩孔:恒温下结晶缩松:两相区结晶线形收缩裂纹变形应力 .97影响收缩的因素铸型条件铸件结构浇注温度化学成分(含量)合金收缩 .98三、铸件中的缩孔与缩松1. 缩孔与缩松的形成 液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞 。大而集中的称为缩孔，细小而分散的称为缩松。 .992.缩孔与缩松的防止定向凝固原则让铸件远离冒口的部位先凝固，靠近冒口的部位次凝固，最后才是冒口本身凝固。实现以厚补薄，将缩孔转移到冒口之中原理合理布置内浇道及确定浇铸工艺方法合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施 .100解决缩孔的方法：2.定向

24、凝固原则1.冒口和冷铁 .101寻找热节的方法等温线法内切圆法 .102第三节 铸造内应力、变形和裂纹 内应力热应力机械应力变形裂纹铸件在凝固和冷却的过程中，由于铸件的壁厚不均匀，导致不同部位不均衡的收缩而引起的铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、砂箱等外力阻碍而产生的残余热应力的存在，使铸件处在一种非稳定状态，将自发地通过铸件的变形来缓解其应力，以回到稳定的平衡状态当热应力大到一定程度会导致出现裂纹 .103热应力的形成上型下型机械应力的形成一、内应力的形成 .104内应力的消除方法铸件结构：各部分能自由收缩 工艺方面：采用同时凝固原则时效处理：人工时效、自然时效铸件的结构尽可能对称

25、铸件的壁厚尽可能均匀 .105二、铸件的变形与防止厚部、心部受拉应力，出现内凹变形薄部、表面受压应力，出现外凸变形原因 .106工艺上同时凝固方法工艺上采用反变形法机械矫正法、时效处理设计上铸件壁厚均匀、形状对称防止变形的方法：与防止应力的方法基本相同铸件变形的消除方法带有残余应力的铸件，变形使残余应力减小而趋于稳定 .107三、铸件的裂纹与防止1. 热裂 铸件在较高温度下(常在凝固温度附近)形成的裂纹断口沿结晶界扩展，裂纹短、缝隙宽、形状曲折，呈氧化色，常出现在铸件转角处、厚薄交接处及铸件最后凝固的部位选择热裂倾向小的合金，提高铸型和型芯的退让性，改善铸件的结构，增强易裂处抗裂能力，都可防止

26、热裂 .108冷裂是铸件冷却凝固过程中进入弹性状态以后产生的裂纹2. 冷裂 裂纹细小，呈连续直线状，穿过晶粒，有时缝内呈轻微氧化色，常出现在轮幅和轮缘处(如皮带轮)选材时严格控制磷的含量；设计上力求壁厚均匀，两壁相交处应圆角过渡或用拉筋加强；工艺上采用同时凝固的原则 .109第四节 铸件的质量控制 常见铸件缺陷及特征 名称 特 征名称 特 征气 孔主要为梨形、圆形、椭圆形的孔洞，表面较光滑，一般不在铸件表面露出，大孔独立存在，小孔则成群出现。 缩孔缩松 1缩孔：形状为不规则的封闭或敞露的空洞，孔壁粗糙并带有枝状晶，常出现在铸件最后凝固部位。 2所松：铸件断面上出现的分散而细小的缩孔。 粘 砂铸件的部分或整个表面粘附着一层金属和砂粒的机械混和物，多发生在铸件厚壁和热节处。 裂纹 1热裂：断面严重氧化，无金属光泽，断口沿晶界产生和发展，外形曲折而不规则的裂纹。 2冷裂：穿过晶体而不沿晶界断裂，断口有金属光泽或有轻微氧化色。 夹 砂 铸件表面上有凸起的金属片状物，表面粗糙，边角锐利，有小部分与铸件本体相连。 化学成分及力学性能不合格 铸件的化学成分和硬度、强度、伸长率、冲击韧度、耐热、耐蚀及耐磨等性能不符合技