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1、金属工艺学,第一章 金属材料基础知识,图0-1 国家大剧院,图0-2 航空母舰,第一章 金属材料基础知识,第一节 金属材料的分类 第二节 钢铁材料生产过程概述 第三节 机械制造过程概述 第四节 金属材料的性能 第五节 金属材料的晶体结构 第六节 纯金属的结晶过程 第七节 金属材料的同素异构转变 第八节 合金的晶体结构与结晶过程 第九节 金属材料的铸锭组织特征,第一节 金属材料的分类,图1-1 金属材料分类,1.钢铁材料 2.非铁金属,第二节 钢铁材料生产过程概述,图1-2 钢铁材料生产过程示意图,一、炼铁,第二节 钢铁材料生产过程概述,炼铁用的原料主要是含铁的氧化物。含铁比较多且有冶炼价值的矿
2、物有赤铁矿石、磁铁矿石、菱铁矿石、褐铁矿石等。铁矿石中除了含有铁的氧化物以外，还含有硅、锰、硫、磷等元素的氧化物杂质，这些杂物称为脉石。炼铁的实质就是从铁矿石中提取铁及其有用元素并形成生铁的过程。现代炼铁的主要方法是高炉炼铁。高炉炼铁的炉料主要是铁矿石、燃料(焦炭)和熔剂(石灰石)。 二、炼钢,第二节 钢铁材料生产过程概述,炼钢以生铁(铁液或生铁锭)和废钢为主要原料，此外，还需要加入熔剂(石灰石、氟石)、氧化剂(O2、铁矿石)和脱氧剂(铝、硅铁、锰铁)等。炼钢的主要任务是把生铁熔化成液体，或直接将高炉铁液注入高温炼钢炉中，利用氧化作用将碳及其他杂质元素减少到规定的化学成分范围之内，以获得需要的
3、钢材。所以，用生铁炼钢实质上是一个氧化过程。 1.炼钢方法,表1-1 氧气转炉炼钢法和电弧炉炼钢法的比较,第二节 钢铁材料生产过程概述,2.钢的脱氧,图1-3 镇静钢锭、半镇静钢锭和沸腾钢锭,第二节 钢铁材料生产过程概述,(1)镇静钢(Z) 指脱氧完全的钢。 (2)沸腾钢(F) 指脱氧不完全的钢。 (3)半镇静钢(b) 其脱氧程度和性能状况介于镇静钢和沸腾钢之间。 (4)特殊镇静钢(TZ) 脱氧质量优于镇静钢，其内部材质均匀，非金属夹杂物含量少，能满足特殊需要。 3.钢的浇铸 4.炼钢的最终产品 (1)板材 板材一般分为厚板和薄板。 (2)管材 管材分为无缝钢管和有缝钢管两种。 (3)型材 常
4、用的型材有方钢、圆钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢、钢轨等。,第二节 钢铁材料生产过程概述,(4)线材 线材是用圆钢或方钢经过冷拔而成的。 (5)其他材料 其他材料主要是指要求具有特种形状与尺寸的异形钢材，如车轮箍、齿轮坯等。,第三节 机械制造过程概述,一、设计阶段 机械产品在设计阶段首先要从市场调查、产品性能、生产数量等方面出发，制定出产发计划。在设计时首先进行总体设计，再进行部件设计，并画出装配图和零件图。然后根据机械零件的使用条件、场合、性能及环境保护要求等，选择合适的材料和合理的加。不同的机械产品有不同的性能要求，如汽车必须满足动力性能、控制性能、操纵性、安全性以及使用起来舒适、燃料消耗率
5、低、噪声小、维护与维修方便等要求。在满足了产品性能和成本要求的前提下，则由工艺部门编制生产加工工艺规程或工艺图，并交付生产。,第三节 机械制造过程概述,图1-4 机械产品制造过程的三个阶段,二、制造阶段,第三节 机械制造过程概述,生产部门根据机械零件的加工工艺规程与零件图进行制造，然后进行装配。通常不能根据零件设计图直接进行加工，而应根据设计图绘制出制造图，再按制造图进行加工。这是由于设计图绘制的是零件加工完成的最终状态图，而制造图则表示在制造过程中某一工序完成时工件的状态。两者是有差异的。在加工时需要根据制造图准备合适的坯料，并进行预定的加工。准备好材料后，根据零件的不同，可采用铸造、锻造、
6、机械加工、热处理等不同的加工方法，分别在各类车间进行加工。零件加工完成后再装配成部件或整机。机械产品装配完后，需要按设计要求进行各种试验，如空载与负荷试验、性能与寿命试验以及其他单项试验等。整机质量验收合格后，则可进行涂装、包装和装箱，最后准备投入市场。,第三节 机械制造过程概述,三、使用阶段 出厂的机械产品一经投入使用，其磨损、腐蚀、故障及断裂等问题就会接踵而来，并暴露出设计和制造过程中存在的质量问题。一个好的机械产品除了应注重设计功能、外观特征和制造工艺外，还应经常注意收集与积累使用过程中零件的失效资料，据此反馈给制造或设计部门，以进一步提高机械产品的功能和质量。这样做不仅能使机械产品获得
7、良好的可靠性，而且还能在良好的信誉方面赢得市场。,第四节 金属材料的性能,一、金属材料的力学性能 金属材料的力学性能是指金属材料在力作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能，如强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。物体受外力作用后导致物体内部之间相互作用的力，称为内力。单位面积上的内力，称为应力(N/mm2)。金属材料的强度指标就是用应力来度量的。应变是指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化(%)。 (一)强度与塑性 1.拉伸试验 (1)拉伸试样 拉伸试样的尺寸按国家标准中金属拉伸试验试样中的有关规定进行制作，通常采用圆柱形拉伸试样，分为短试样和长试样两种，一般工程上采
8、用短试样。,第四节 金属材料的性能,图1-5 圆形拉伸试样,(2)试验方法 拉伸试验在拉伸试验机(图1-6)上进行。 2.力-伸长曲线 (1)弹性变形阶段 观察图1-7中力-伸长曲线，在斜直线op阶段，当拉伸力F增加时，试样伸长量L也呈正比增加。,第四节 金属材料的性能,图1-6 拉伸试验机示意图,第四节 金属材料的性能,图1-7 退火低碳钢力伸长曲线,第四节 金属材料的性能,(2)屈服阶段 当拉伸力F超过Fe时，试样将产生塑性变形，去除拉伸力后，变形不能完全恢复，塑性伸长将被保留下来。 (3)变形强化阶段 当拉伸力超过屈服拉伸力后，试样抵抗变形的能力将会提高，产生冷变形强化现象。 (4)缩颈
9、与断裂阶段 当拉伸力达到Fb时，试样的局部截面开始收缩，产生缩颈现象。 3.强度指标 (1)屈服点和规定残余伸长应力 屈服点是指试样在拉伸试验过程中力不增加(保持恒定)仍然能继续伸长(变形)时的应力。,第四节 金属材料的性能,(2)抗拉强度 抗拉强度是指试样拉断前承受的最大标称拉应力。 4.塑性指标 (1)断后伸长率 拉伸试样在进行拉伸试验时，在力的作用下产生塑性变形，原始试样中的标距会不断伸长。 (2)断面收缩率 断面收缩率是指试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。,表1-2 金属材料强度与塑性的新、旧标准名词和符号对照,第四节 金属材料的性能,(二)硬度 1.布氏硬度
10、,图1-8 布氏硬度试验原理图,第四节 金属材料的性能,2.洛氏硬度,图1-9 洛氏硬度试验原理图,第四节 金属材料的性能,表1-3 常用洛氏硬度的试验条件、硬度测试范围和应用举例,3.维氏硬度,第四节 金属材料的性能,(三)韧性 1.一次冲击试验,图1-10 维氏硬度试验原理图,第四节 金属材料的性能,(1)夏比摆锤冲击试样 夏比摆锤冲击试样有V型缺口试样和U型缺口试样两种，如图1-11所示。,图1-11 夏比摆锤冲击试样,第四节 金属材料的性能,(2)夏比摆锤冲击试验方法 夏比摆锤冲击试验在摆锤式冲击试验,图1-12 夏比冲击试验原理,第四节 金属材料的性能,机上进行。,图1-13 吸收能
11、量与温度的关系曲线,第四节 金属材料的性能,(3)吸收能量与温度的关系 金属材料的吸收能量与试验温度有关。,第四节 金属材料的性能,2.多次冲击试验,图1-14 多次冲击弯曲试验示意图,第四节 金属材料的性能,(四)疲劳 1.疲劳现象,图1-15 对称循环交变应力,第四节 金属材料的性能,图1-16 疲劳断口示意图,2.疲劳强度,第四节 金属材料的性能,二、金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能,图1-17 -N曲线,第四节 金属材料的性能,1.金属材料的物理性能 (1)密度 金属的密度是指单位体积金属的质量。 (2)熔点 金属和合金从固态向液态转变时的温度称为熔点。 (3)导热性 金属传导热
12、量的能力称为导热性。 (4)导电性 金属能够传导电流的性能，称为导电性。 (5)热膨胀性 金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。 (6)磁性 金属材料在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能称为磁性。 2.金属材料的化学性能 (1)耐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧、水及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力，称为耐蚀性。,第四节 金属材料的性能,(2)抗氧化性 金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。 (3)化学稳定性 化学稳定性是金属材料的耐蚀性与抗氧化性的总称。 3.金属材料的工艺性能 (1)铸造性能 金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力称为铸造性能。 (2)锻造性
13、能 金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻造性能。 (3)焊接性能 焊接性能是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。,第四节 金属材料的性能,(4)切削加工性能 切削加工性能是指金属进行切削加工的难易程度。,第五节 金属材料的晶体结构,一、晶体与非晶体 一切物质都是由原子组成的，根据原子排列的特征，固态物质可分为晶体与非晶体两类。晶体是指其组成微粒(原子、离子或分子)呈规则排列的物质，如图118a所示。晶体具有固定的熔点和凝固点、规则的几何外形和各向异性特点，如金刚石、石墨及一般固态金属材料等均是晶体；非晶体是指其组成微粒无规则地堆积在一起的物质，
14、如玻璃、沥青、石蜡、松香等都是非晶体。非晶体没有固定的熔点，而且性能具有各向同性。随着现代科技的发展，晶体与非晶体之间是可以转化的，如人们通过快速冷却技术，制成了具有特殊性能的非晶态金属材料。,第五节 金属材料的晶体结构,图1-18 简单立方晶格及其晶胞示意图,二、金属的晶体结构 (一)晶格 (二)晶胞 (三)常见的金属晶格类型,第五节 金属材料的晶体结构,1.体心立方晶格 2.面心立方晶格,图1-19 体心立方晶格示意图,第五节 金属材料的晶体结构,图1-20 面心立方晶格示意图,3.密排六方晶格,第五节 金属材料的晶体结构,图1-21 密排六方晶格示意图,三、金属的实际晶体结构,第五节 金
15、属材料的晶体结构,原子从一个核心(或晶核)按同一方向进行排列生长而形成的晶体，称为单晶体。自然界存在的单晶体有水晶、金刚石等，采用特殊方法也可获得单晶体，如单晶硅、单晶锗等，单晶体具有显著的各向异性特点。实际使用的金属材料即使是体积很小，其内部仍包含了许多颗粒状的小晶体，各小晶体中原子排列的方向不尽相同，这种由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，如图122所示。 (一)点缺陷,图1-22 金属的多晶体结构示意图,第五节 金属材料的晶体结构,图1-23 晶格空位和间隙原子示意图,第五节 金属材料的晶体结构,(二)线缺陷 (三)面缺陷,第五节 金属材料的晶体结构,图1-24 刃型位错示意图,第五节 金属
16、材料的晶体结构,图1-25 晶界过渡结构示意图,第六节 纯金属的结晶过程,一、冷却曲线与过冷度 纯金属的结晶是在一定温度下进行的，通常采用热分析法测量其结晶温度。具体方法是：首先，将金属熔化，然后以缓慢的速度冷却，在冷却过程中，每隔一定时间测定一次温度，最后将测量结果绘制在温度时间坐标上，即可得到如图126a所示的纯金属冷却曲线。,图1-26 纯金属结晶时的冷却曲线,第六节 纯金属的结晶过程,二、金属的结晶过程 实验证明：晶核的形成和晶核的长大就是金属结晶的基本过程。液态金属在达到结晶温度时，首先形成一些极细小的微晶体，称为晶核。随着时间的推移，已形成的晶核不断长大。与此同时，又有新的晶核形成和长大，直至液态金属全部凝固。凝固结束后，由各个晶核长成的晶粒彼此相互接触，如图127所示。,图1-27 纯金属结晶过程示意图,第六节 纯金属的结晶过程,图1-28 晶核树枝状生长方式,第六节 纯金属的结晶过程,图1-29 金属铸锭中的树枝晶,三、金属结晶后的晶粒大小,第六节 纯金属的结晶过程,1.晶粒大小对金属力学性能的影响 2.晶粒大小的控制 (1)加快液态金属的冷却速度，
