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1、总复习,工程材料及机械制造基础,教学目的 ：使学生基本掌握钢铁材料的主要用途及其材料改性的基本途经；了解材料成形加工和切削加工的基本工艺方法及使用的主要设备，获得工程材料和机械制造工艺的基本知识，建立机械制造生产过程的基本概念，为学习机械制造相关后续课程及将来从事工程技术工作打下必要的基础。课程任务 ：（1）通过材料部分的学习 ，应使学生：能基本掌握材料的成分、组织、性能三者之间的关系；了解改善材料的组织和性能的基本途径热处理工艺；了解常用金属材料的分类、牌号、性能、特点及其应用,使学生初步具有选材的能力。 （2）通过毛坯制造工艺的学习，应使学生对毛坯加工工艺及其使用的主要设备有一个较全面的了
2、解，从而初步具备选择毛坯加工方法的能力。 （3）通过切削加工技术基础的学习，应使学生了解金属切削加工的基本原理，常用加工方法的工艺特点及其应用，对机械加工工艺过程有一个初步的了解，初步具有编制简单典型零件工艺规程的能力。,教学目的：,能基本掌握材料的成分、组织、性能三者之间的关系。 了解改善金属材料的组织和性能的基本途径热处理工艺。 了解常用金属材料的分类、牌号、性能、特点及其应用。 总之：金属材料及热处理篇是研究材料的成分、组 织、性能、热处理工艺、应用五者之间关系的，使学生初步具有选材的能力。,第一篇 金 属 材 料,本篇主要内容,第一章 金属材料的主要性能 第二章 铁碳合金 第三章 钢的
3、热处理 第四章 工业用钢 第五章 金属材料选材的基本原则,第一章 金属材料的主要性能,使用性能指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性能、物理性能和化学性能。 工艺性能指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工工艺和热处理工艺的性能。包括铸造性能、锻造性能、冲压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。,一、金属材料的力学性能,材料在外力作用下所表现出来的特性，包括五大力学性能指标 ：强度静载荷作用下 塑性硬度动载荷作用下 冲击韧度疲劳强度,掌握概念、变化规律、选用场合。,二、金属材料的物理性能,材料的物理性能包括：密度、熔点、导电性、导磁性、导热性及热膨胀性等。 零件用途不
4、同，对其物理性能的要求也是不同的。,三、金属材料的化学性能,材料在常温或高温时抵抗各种化学作用的能力，称为化学性能。 主要包括：耐腐蚀性、高温抗氧化性等。,材料抵抗各种介质侵蚀的能力。,材料在高温迅速氧化后，能在表面形成一层连续而致密并与母体结合牢靠的膜，从而阻止进一步氧化的特性。,四、金属材料的工艺性能,材料的工艺性能就是指金属材料能够适应加工工艺要求的能力。 材料的工艺性能是其力学性能、物理性能和化学性能的综合。工艺性能的好坏，直接影响到制造零件的工艺方法和质量以及制造成本。 材料的工艺性能主要包括铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性等。,（1）铸造性 铸造性是指浇注铸件时，材料能充满比较复
5、杂的铸型并获得优质铸件的能力。 对金属材料而言，评价铸造性能好坏的主要指标有流动性、收缩率、偏析倾向等。 流动性好、收缩率小、偏析倾向小的材料其铸造性也好。一般来说，共晶成份的合金铸造性好。,(2) 可锻性 可锻性是指材料是否易于进行压力加工的性能。 可锻性好坏主要以材料的塑性和变形抗力来衡量。 一般来说，钢的可锻性较好，而铸铁不能进行任何压力加工。,（3）焊接性 焊接性是指材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的性能，一般用焊接处出现各种缺陷（如裂纹及冷脆性）的倾向来衡量。 低碳钢、低合金结构钢具有优良的焊接性，铝合金等有色金属焊接性较差，而铸铁的焊接性最差。,（4）切削加工性 切削加工性是
6、指材料是否易于切削加工的性能。 它与材料种类、成分、硬度、韧性、导热性及内部组织状态等许多因素有关。 有利切削的材料硬度为160230HB。 切削加工性好的材料，切削容易，刀具磨损小，加工表面光洁。以上四个工艺性能在后面的讲课中详细讲述，要求随各章节内容重点复习。,第二章 铁 碳 合 金,金属材料成分不同，性能不同；但即使材料成分相同，但经过不同的加工工艺和热处理工艺，也会具有不同的性能为什么？因为内部组织结构不同或被改变了。因此要掌握金属材料的性能变化规律，首要的就必须研究金属材料内部的组织结构变化规律。本章重点掌握材料成分组织性能三者之间的相互规律。,第一节 金属的晶体构造与结晶,一、金属
7、的晶体结构 晶体与非晶体 一切固态物质按其内部结构可分为： 晶体原子按一定的次序作有规则的排序。如：金刚石、石墨和一切固态金属及其合金都属于晶体。非晶体内部原子呈不规则的排列。如：普通玻璃、松香、石蜡等。 晶体结构不同，其性能往往相差很大。,二、 金属的结晶过程,凝固金属由液态变成固态的过程。 结晶金属由液态凝固成固态晶体的过程。亦即原子由不规则排列过渡到规则有序排列的过程。,实验表明：,（1） 纯金属的结晶是在一个恒定温度下进行的（此恒定温度称为结晶温度），即是个恒温过程。,过冷实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。过冷度T实际结晶温度T1与理论结晶温度T0之差，即：TT0T1。冷速 T 晶粒
8、细化特定金属的过冷度不是一个定值，它随冷却速度的变化而变化，冷却速度越大，过冷度T越大，金属的实际结晶温度也就越低，并使晶粒细化，,（2）合金的结晶过程（共晶合金除外）是个非恒温过程。合金的结晶过程是在一个温度范围内进行的，即有一个开始结晶温度和结晶终了温度。冷却曲线上有个斜线。,（3）液态金属的结晶过程包含两个步骤：晶核的形成和晶核的长大。,因此：实际金属的晶体结构是由许多大小、外形和晶格排列方向均不相同的晶粒所组成的多晶体结构。,（4）晶粒大小对金属力学性能的影响结晶过程中形成的晶核数量愈多或晶核长大的速度愈慢，则得到的晶粒愈细，强度、塑性和韧性愈好 。金属的强度、塑性和韧性随晶粒的细化而
9、提高，称为细晶强化。,（5）细化晶粒的方法, 增加过冷度（提高冷却速度）, 进行变质处理（加入难熔质点）, 附加振动（机械振动、超声波振动、电磁振动）,三、 金属的同素异构转变,纯铁的冷却曲线：同素异构转变金属在固态下，其晶格形式随温度发生改变的现象。同素异构转变过程也包括晶核的形成与长大；转变时也放出潜能，因而也是在恒温下进行的；也有过冷现象等。正是由于纯铁能够发生同素异构转变，生产中才可能对钢和铸铁进行热处理，以改变其组织和性能。,第二节 铁碳合金的基本知识,铁碳合金的基本知识围绕铁碳合金相图（状态图）展开。 反映了在平衡条件下（即冷却速度无限缓慢从而使原子扩散充分进行的条件下）不同铁碳合
10、金的成分温度组织之间的相互关系的这样一张图称为铁碳合金相图（状态图）。此图一般了解 铁碳合金相图的作用是研究钢铁材料的组织及其性能的理论基础，是制定热处理工艺及热加工工艺的重要依据。,铁碳合金的分类,工业纯铁 0.0218%C 钢 0.0218-2.11%C亚共析钢 0.0218-0.77%C共析钢 0.77%C过共析钢 0.77-2.11%C 白口铸铁（生铁） 2.11-6.69%C亚共晶白口铸铁 2.11-4.3%C共晶白口铸铁 4.3%C过共晶白口铸铁 4.3-6.69%C,钢常温下的组织及性能变化规律,工业纯铁,合金名称,Wc,室温平衡组织,c0.0218%,F+ Fe3C（极少量）,
11、亚共析钢,c0.77%,P+ Fe3C,亚共晶白口铸铁,c4.3%,Fe3C+ Ld,钢常温下的组织,含碳量对铁碳合金组织和性能的影响,含碳量对铁碳合金平衡组织的影响,结论： 含碳量不同，铁碳合金（钢和铁）的常温组织是完全不同的。,含碳量对金属材料力学性能的影响规律：,随含碳量不同，钢常温下的组织及其比例不同，从而决定了力学性能也不同。一般，随含碳量的增加，其强度、硬度增加，塑性、韧性下降，但当含碳量超过0.9%后，由于二次渗碳体呈网状分布在珠光体的晶界上，削弱了珠光体与珠光体晶粒之间的结合力，导致强度反而降低了。, 含碳量对工艺性能的影响 铸造性：铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是含碳量接
12、近于4.3的共晶成分的铸铁由于其结晶温度低，流动性好，铸造性能最好。从相图上看，结晶温度越高，结晶温度区间越大，过早出现阻碍液态金属流动的固体组织，越容易形成分散缩孔和偏析，铸造性能越差。可锻性：低碳钢比高碳钢好。由于钢加热至固相线下大约1200左右的高温时，获得单一的奥氏体A组织，其塑性好、强度低，便于塑性变形，所以锻造一般都是将钢料加热到1200左右的高温，在奥氏体A状态下进行的。可焊性：含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢更容易焊接。切削加工性：含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。一般认为中碳钢的塑性比较适中，硬度在160230HB时，切削加工性能最好。,铁碳相图的应用
13、,1、选用材料：由铁碳相图可知，合金中随着含碳量的不同，其组织各不相同，从而导致其力学性能不同。因此，我们就可以根据机器零件所要求的性能来选择不同含碳量的材料。一般工程上使用的钢1.31.4。 2、叛断切削加工性能：低碳钢中铁素体较多，塑性好，加工性不好；中碳钢中铁素体含量比例适当，钢的硬度适当，易于加工；高碳钢硬度高，易磨损。 3、制定热加工工艺的依据：在铸造工艺方面，根据相图可以确定合适的熔化温度和浇注温度，含碳量为4.3%的铸铁铸造性最好；在锻造工艺方面，可以选择钢材的轧制和锻造的温度范围应在奥氏体区。 4、制定热处理工艺的依据：由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有组织的变化，可以进
14、行热处理。并且可以正确选择加热温度。,第三章 钢的热处理基本知识,改善金属材料性能的主要几种途径：合金化 即加入合金元素，调整材料的化学成分，可显著提高钢的强度、硬度和韧性，并使其具有耐蚀、耐热等特殊性能。热处理 即金属材料通过不同的加热、保温和冷却的方式，使其内部的组织结构发生变化，以达到改善加工工艺性能和强化力学性能的目的。细晶强化 即通过增加过冷度和变质处理细化晶粒，使金属材料的强度、硬度和塑、韧性都得到提高。冷变形强化 即对金属材料进行冷塑性变形，改变其组织、结构，使强度、硬度提高，而塑性、韧性下降。,钢的热处理概念 掌握,定义： 固态下，通过加热、保温、和以不同的方式冷却来改变金属材
15、料 内部的组织结构，从而获得所需性能的工艺方法。 特点：在固态下，只改变工件的内部组织，不改变形状和尺寸。 目的：（1）提高钢的力学性能（2）改善钢的工艺性能 基本过程：加热 保温 冷却 热处理三大工艺参数：加热温度、保温时间、冷却方式。 分类：1 整体热处理 退火、正火淬火、回火2 表面热处理 表面淬火 感应加热火焰加热 化学热处理 渗碳 氮化,预备热处理,最终热处理,表面复层处理,钢的普通（整体）热处理工艺,典型零件的制造过程：铸/锻 预备热处理 粗加工 最终热处理 精加工,具体目的： 消除毛坯内残余应力，防止工件变形、开裂。 改善组织，细化晶粒。 调整硬度，改善切削加工性能。 为最终热处理（淬火、回火）作好组织上的准备。,满足使用性能要求,退火和正火,淬火和回火,消除前道工序的缺陷 为后续工序作组织准备,钢的表面热处理,问题的提出：在冲击、交变和摩擦等动载荷条件下工作的机械零件，如齿轮、曲轴、凸轮轴、活塞销等汽车、拖拉机和机床零件，要求表面具有高的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部则要有足够的塑性和韧度。 解决方法：表面热处理。 教学要求：会选用合适的热处理方法，并说明理由。 重点：表面淬火、表面渗碳（结合材料）,
