机械工程材料与热加工工艺1第二章
工程材料及热加工工艺
材料及热加工复习资料2工程材料及热加工工艺绪论一.课程的任务及内容工艺方法工程材料———加工工艺———产品件装配试车工艺过程基本知识热加工冷加工成分.组织.性能铸.锻.焊.热（切削加工）关系.应用性质：机械类各专业必修的一门综合的技术基础课。
任务：使学生获得有关金属学.钢的热处理.常用的金属材料及加工的基础知识，培养学生合理选材.确定热处理方法及安排工件加工工艺路线的初步能力。
先修课：物理.化学.机械制图.金工实习等，与材料力学. 机械设计等关系密切。
作用：打基础为后续课为专业课为工作实践二．材料及发展趋势钢：碳钢. 合金钢. 铸钢….黑色金属金属材料铁： HT. QT. 合金铸铁… Cu及Cu合金有色金属 AI及AI合金工程材料其它：轴承…普通无机非金属材料陶瓷材料例特种非金属热塑性材工程塑料料工程塑料通用塑料热固性有机高特种塑料分子材料橡胶金属材料 + 非金属材料 = 复合材料结构材料机性. 物性. 化性工程材料（应用）功能材料特异物化性能. 超导.激光材料……三.金属材料的应用.特点.陶瓷. 高分子材料发展速度很快，但还不能全面代替传统的金属材料。
金属材料各行各业应用广泛。
原因：金属材料可满足各种各样的性能。
具体： 1. 一般均具有优良的机械性能；2. 具有优良的物理性能；3. 具有优良的工艺性能；热处理较大范围改变金属材料的性能。
四.影响金属材料性能的因素1. 化学成分决定组织. 性能2. 处理工艺内部组织变化性能与微观组织有关。
第一章金属材料的力学性能物理性能导电.热.磁.密度.熔点化学性能耐蚀.热.酸.抗氧化使用性能其它性能耐磨性.承受磨损耐久程度.综合性机械性能外力作用下表现的性能，变形.失效性能（力学性能）铸造性能流动性.收缩性.吸气性…工艺性能塑性成形性可锻性.冲压性（加工性能）焊接性热处理工艺性切削加工性根据使用性选择材料用途选材.选工艺性能是基础根据加工性选择加工方法机械性能（力学性能）是设计零件选材的依据，控制材料质量的重要参考。
工程材料及热加工-第一章
洛氏硬度HRC
洛氏硬度是在洛氏硬度计上测定的。其原理 与布氏硬度一样，如图1-4所示。
洛氏硬度三种规范
标度 压 头 预载荷 总载荷 HRA 120 º 金刚 98.07N 60×9.807N 石圆锥 HRB Φ1.588m 98.07N m钢球 HRC 120 º 金刚 98.07N 石圆锥 应用 适用的材料 范围 70~85 硬 质 合 金 、 表面淬火钢
是设计和选材力-应变曲线
中碳调质钢应力-应变曲线
淬火钢及铸铁应力-应变曲线
低、中碳回火钢应力-应变曲线
塑性及衡量指标
材料在外力作用下，发生不能恢复原状的变形称 为塑性变形，产生塑性变形而不断裂的性能称为 塑性。 金属的塑性常用伸长率δ和断面收缩率ψ来表示。 伸长率δ表示拉伸试样被拉断时的相对塑性变形量 L1 - L 0 100 % L0
断面收缩率ψ表示拉伸试样被拉断时的截面积相 对减缩量 A 0 A1
A0 100%
塑性材料与脆性材料
δ、ψ愈大，表示材料的塑性愈好。
通常以伸长率δ的大小来衡量金属材料塑性 的好坏，δ＞2%～5%的材料为塑性材料，δ ＜2%～5%的材料为脆性材料。
二、疲劳强度
金属材料承受周期性交变载荷时抵抗断裂的能 力称为疲劳强度。 疲劳强度常比σS小得多，工程上规定：钢铁材 料循环107、有色金属循环108次不发生断裂的 最大应力，作为该材料的疲劳强度，用σ-1表示。 产生疲劳破坏的原因：材料内部夹杂物，表面 划痕及能引起应力集中的缺陷，而导致微裂纹 的产生。 避免疲劳破坏的方法：改善其结构形状、避免 应力集中、降低零件的表面粗糙度等。
第一章 工程材料的力学性能
工程材料及机械制造基础复习(热加工工艺基础)
工程材料及机械制造基础复习（Ⅱ）——热加工工艺基础铸造1．1 铸造工艺基础(1)液态金属的充型能力液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，称为液态金属充填铸型的能力。
充型能力好，易获得形状完整、尺寸准确、轮廓清晰的铸件，有利于排气和排渣，有利于补缩。
充型能力不好，铸件易产生浇不足、冷隔、气孔、渣孔等缺陷。
影响液态金属充型能力的因素是：1)合金的流动性液态金属的充型能力主要取决于合金的流动性，即合金本身的流动能力。
流动性的好坏用螺旋线长度来表示。
螺旋线长度越长，流动性越好；反之，则流动性越差。
共晶成分的合金流动性最好，离共晶成分越远，流动性越差。
2)浇注条件①浇注温度：浇注温度越高，则充型能力越好。
因为浇注温度高，金属液的黏度低，同时，因金属液含热量多，能保持液态的时间长，由于过热的金属液传给铸型的热量多，在结晶温度区间的降温速度缓慢。
但在实际生产中，常用“高温出炉，低温浇注”的原则，因为浇注温度越高，金属收缩量增加，吸气增多，氧化也严重，铸件容易产生缩孔、缩松、粘砂、气孔等缺陷。
②充型压头。
③浇注系统的结构。
3)铸型填充条件：包括铸型材料、铸型温度和铸型中的气体等。
(2)合金的收缩1)基本概念铸件在冷却、凝固过程中，其体积和尺寸减少的现象叫做收缩。
铸造合金从浇注温度冷到室温的收缩过程包括液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个互相联系的阶段。
总收缩；液态收缩+凝固收缩+固态收缩∨↓体积变化尺寸变化↓↓产生缩孔、缩松的基本原因产生应力、变形、裂纹的基本原因影响收缩的因素是：①化学成分：凡是促进石墨化的元素增加，收缩减少，否则收缩率增大。
②浇注温度：T浇↑→过热度↑→液态收缩↑→总收缩↑。
③铸件结构与铸型条件。
2)缩孔、缩松的形成与防止3)铸造内应力的产生及防止铸造内应力按产生原因的不同可分热应力和收缩应力两种。
热应力是由于铸件各部分冷却速度不同，以致在同一时间内铸件各部分收缩不一致，在铸件内部产生了互相制约的内应力，铸件的厚大部分(或心部)受拉应力，薄的部分(或外部)受压应力。
机械工程材料与热加工工艺0
第一章 金属材料的力学性能1. 什么是应力？什么是应变？答：应力:若物体受到一定作用的外力,则其内部会相应的产生一个内力，则在其截面上单位面积的内力叫应力。
应变;物体内任意一点因各种作用而引起的相对变形叫做应变。
2. 缩颈现象在力—拉伸图上哪一点？如果没有出现缩颈现象，是否表示该试样没发生塑性变形？答：出现在B 点;不是的，即使没有颈缩也可能会出现塑像变形。
因为，颈缩的程度有大小，如果程度太小，则不易观察，有可能会误以为没有颈缩现象，但他实际存在。
3. 将钟表发条拉直是弹性变形还是塑性变形？怎样判断它的变形性质？答；.塑性变形，应为拉直后他恢复不了原状;在一定外力作用下物体发生变形，撤掉外力后如果物体恢复了原状则是弹性变形，否则是塑性变形。
4. 布氏和洛氏硬度各有什么优缺点？下列情况采用哪种硬度法来检查其硬度：库存钢材，硬质合金刀头，锻件，台虎钳钳口。
答：布氏硬度：A.优点：压痕面积达，能反映出较大范围内金属的平均性能；B 缺点：由于压痕面积达，则检验成品有困难，即：测量范围有限。
洛氏硬度：A.优点：操作简便，可直接读出硬度值并且可检测成品件和较薄的材料；B.缺点：测值重复性差。
库存刚才：布氏硬度硬质合金刀头：洛氏硬度锻件：台虎钳钳口：洛氏硬度5. 下列符号所代表的力学性能指标的名称和含义是什么：0.21,,,,,,,,,,,.s b k E HRC HBS HBW HV σσσσδψα-答：.E ：金属的弹性模量；其含义是：引起金属单位变形时所需的应力。
σs :屈服强度；其含义是：金属产生屈服时该点的应力。
σb:抗拉强度；其含义是：金属在拉伸过程中的最大拉力所对应的应力。
σ0.2：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。
σ-1:疲劳强度；其含义是：指金属材料经无穷多次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力值。
δ：断后拉伸率;其含义是：试样被拉断后的伸长量于原始长度的比值。
第二章机械工程概论
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航天飞机利用机械臂施放哈勃空间望远镜
第1节 机械工程及学科总论
现代机械工程的发展
18世纪前，机械工程师主要凭借经验和技艺 现代机械工程，引入了计算机信息技术
现代机械工程范围广泛
自动化流水线、数 控机床、机器人、 成组技术、柔性制 造系统
特种加工
高精度加工、 超精密加工
第1节 机械工程及学科总论 现代机械工程的发展
1914年，福特流水生 产线，大量生产汽车。
19世纪末，泰勒 “科 学管理法”的出现
第1节 机械工程及学科总论
现代机械工程的发展
20世纪中后期，以机电一体化技术为代表，在机器人，航空航天， 海洋舰船等领域开发出了众多高新机械产品，如火箭、卫星、宇宙飞船、 空间站、航空母舰、深海探测器等。
国际太空站
第1节 机械工程及学科总论
机械工业是国民经济的支柱工业之一。 机械工业是社会生产力发展水平的重要标志。
第1节 机械工程及学科总论
机械发展的历史回顾----中国古代
五千年前已开始使用简单的纺织机械； 晋朝时在连机椎和水碾中应用了凸轮原理； 西汉时应用轮系传动原理制成了指南车和记里鼓车； 东汉张衡发明的候风地动仪是世界上第一台地震仪。 目前许多机械中仍在采用的青铜轴瓦和金属人字圆柱齿轮，在我国东 汉年代的文物中都可以找到它们的原始形态。
机械工程材料与热加工工艺
机械工程材料与热加工工艺摘要：本文主要阐述了机械工程材料的主要性能及其应用，同时说明机械工程材料热加工工艺，其中包括钢铁生产与质量、钢的热处理、低合金钢和合金钢、铸铁以及有色金属及其合金等。
关键词：机械工程；工程材料；热加工工艺引言：机械工程材料种类繁多，其中最为常见就是有色金属材料，要根据有色金属材料特点，采用正确的制造技术和加热工艺，有效增强有色金属强度和耐腐蚀性等，确保所制作出的零部件，其质量和性能都有显著增强。
1机械工程材料的主要性能及其应用机械工程各类产品多数都是由种类繁多、性能各异的金属材料和非金属，通过正确加工所制作出的零部件共同构成的。
金属材料的机械性能主要是指金属材料在各种形式的外力作用下，抵抗变形和断裂的能力，判断金属机械性指标包括金属材料强度、塑性和硬度等。
金属材料在受力时抵抗产生弹性的能力则称为刚度。
金属材料的硬度主要是指材料抵抗外物压力的能力，硬度越高，金属材料抵抗局部塑性变形的能力就越大。
通常材料的硬度越高，其耐磨性就越强，强度和硬度间存在着内部联系。
金属冲击韧性是材料在冲击荷载作用下，抵抗断裂的能力，现阶段机械工程技术常用一次摆锤冲击弯曲试验，测定材料受冲击荷载能力。
机械工程所用零件种类较多，如发动机设备中的曲轴、连轴等，该类零件常在交变荷载下工作。
此外，转动轴等零件虽然受到的荷载无法随时间交替变化，但零件本身是能够旋转的。
以该两种情况为背景，零部件中都会产生随时间变化的应力，该种应力即称为“交变应力”。
此外，以此种情况为背景工作的零部件，其最大应力要低于材料在静荷载小的极限，但经过长期工作的磨损，难免会出现断裂等情况，引发断裂事故。
所以，要采取有效措施避免断裂事故发生。
制造零部件和选用工艺时，要充分考虑所选材料的工艺性能，如低碳钢有着较强的塑性成形性能和可焊性，所以常被用作制造量器和刀具等[1]。
2机械工程材料表面处理方法机械工程材料表面处理方法主要包括强化处理法、表面防护处理法、涂料涂装法和氧化处理法，其中，强化处理法即可分为表面覆盖层强化法、表面表型强化法两种，表面覆盖层强化法指的是在材料表面，获得特殊性能的覆盖膜，以此增强材料表面的刚度、硬度和耐疲劳性，增强材料质量。
机械工程材料及热加工基础资料
《机械工程材料及热加工基础》第一章金属的性能1.强度：金属材料在静载荷（大小和方向不变或逐渐变化的载荷）作用下，抵抗永久变形和断裂的能力。
2.塑性：断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。
3.硬度：金属材料表面抵抗其他更硬物体压入的能力。
4.韧性：冲击载荷（以较高速度作用于零件上的载荷）作用下，金属在断裂前吸收变形能量的能力。
5.疲劳：材料在循环应力（大小、方向随时间发生周期性变化的载荷）和应变作用下，在一处或几次产生局部永久性累计损伤，经一定循环次数产生裂纹或发生断裂的过程。
疲劳极限用σ-1表示。
6.屈服点（屈服强度）σs：材料在实验过程中，载荷不增加（保持恒定）试样仍能继续伸长时代应力。
σs﹦试样发生屈服时代载荷/试样原始横截面积。
[不是所有的金属在拉伸试验中都会出现显著的屈服现象]7.抗拉强度σb=试样拉断前所承受的最大载荷/试样原始横截面积。
8.伸长率δ，数值上准确地反映材料的塑性变形。
9.断面收缩率ψ：缩颈处横截面积德最大缩减量与原始横截面积的百分数。
10.硬度的测定：①布氏硬度（压入法）：HBS（压头分淬火钢球）和HBW（压头硬质合金）②洛氏硬度HR(测定淬火钢件的硬度用此方法)③维氏硬度HV。
第二章金属的结构与结晶1.晶体:指其组成微粒（原子、分子或离子）按一定次序作有规律重复排列的物质。
2.晶格：描述原子在晶体中排列方式的空间格架。
3.晶胞：晶格中一个能完整反映晶格特征的最小几何单元。
4.金属晶体结构：体心立方结构；面心立方结构；密排立方结构。
5.晶体缺陷：点缺陷（原子的热震动引起晶格畸变），使材料的强度、硬度提高；线缺陷（主要指位错），起到强化金属的目的；面缺陷（晶界、亚晶界引起），阻碍金属的塑性变形发生。
6.细化晶粒度方法：增加过冷度；变质处理（加入难溶物）；附加震动。
7.金属的铸态组织：表面细晶粒区，柱状晶粒区，中心等轴晶粒区（穿晶）。
8.铸锭的缺陷：缩孔及缩松，气孔及裂纹，偏析，非金属夹杂物。
机械工程材料及热处理工艺
1、常用金属的晶格有（体心立方晶格）、（面心立方晶格）和（密排六方晶格）三种。
2、实际金属的晶体缺陷有（点缺陷）、（面缺陷）和（线缺陷）三种。
3、点缺陷包括（空位）、（置换原子）和（间隙原子）等；线缺陷有（刃型位错）和（螺型位错）两种；面缺陷通常指金属中的（晶界）和（亚晶界）。
4、在固态合金中的基本相结构为（固溶体）和（金属化合物）两种。
5、固溶体根据溶质原子在溶剂晶格中所占的位置不同,又可以分为（置换）固溶体和（间隙）固溶体。
1、金属结晶过程包括两个阶段：即（晶核的形成）和（晶核的长大）。
（过冷）是结晶的必要条件。
细化晶粒的方法有（增大过冷度）、（变质处理）、（机械振动）、（超声振动）、（电磁振动）等。
2、晶核的形成主要有（自发形核）和（非自发形核）两种形式3、合金状态图都是用实验的方法绘制的，常用（热分析法）来测定。
4、若结晶冷却速度较快，则须通过（扩散）退火来消除偏析。
5、一定成分的液相在一定温度下同时结晶出两个不同成分固相的过程称（共晶反应），反应式为（r=a+b ）；一个固相同时转变为两种不同的新固相的转变（反应）称（共析反应），反应式为（l=a+b ）1.影响晶粒度的因素主要有过冷度和异质晶核两个方面。
2.合金化强化主要途径有固溶强化和第二相强化（又称弥散强化）两种。
3.细晶强化：通过细化晶粒来同时提高金属的强度 .硬度. 塑性和韧性的方法称细晶强化。
1、单晶体塑性变形的基本形式有（滑移）和（孪生），其中（滑移）是金属中最主要的一种塑性变形方式。
2、加工硬化:材料的强度，硬度上升，而塑性韧性下降的现象，称为加工硬化。
3、随着加热温度的提高，变形后的金属将相继发生（回复）、（再结晶）和（晶粒长大）三个过程。
3.钢经正火后获得的组织是( 索氏体)，经调质处理后获得的组织是( 回火索氏体)。
1 用光学显微镜观察，上贝氏体组织呈（羽毛）状，下贝氏体呈（针）状。
2马氏体的硬度主要取决于其（含碳量）。
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fcc 4 12 74% 0.41r γ-Fe.AI.Cu. 最紧排列
bcc 2 8 68% 0.29r α-Fe.Cr.W. 次紧排列
hcp 6 12
74% 0.41r Mg.Zn.Be 最紧排列
三、金属的实际晶体结构与晶体缺陷
1. 单晶体 多晶体
单晶体具有各向异性
晶体的各向异性： 晶体不同方向上的性能差异
工业用金属一般是多晶体---- 多个单晶体（晶粒） 组成 呈现出各向同性
几个名词：晶界
亚晶粒:晶粒内部不同晶格位向的区域.
亚晶界
2、实际金属的晶体缺陷
金属中原子排列的不完整性 (1)点缺陷—空位,间隙原子（离位原子）.
置换 原子 特点：三维尺寸都很小 (2)线缺陷—位错（位错线） 特点：二维尺寸都很小，另一维尺寸相对较长 以位错密度表示 “ρ” 单位 cm/cm3或cm2 (3)面缺陷—晶界,亚晶界 “亚晶”（界） 特点：一维尺寸很小，另二维尺寸相对较大 晶体缺陷并非一成不变
┗溶质原子溶入溶剂中形成的固溶体,使金
属的强度.硬度升高的现象称为固溶强化。
一种强化方式，提高材料机性的主要途径 之一
固溶体σb↑. HB↑,但仍不高,仍保持相当δ.ak,工 业常用作基本相,还需强化相---金属化合物。
2.金属化合物
合金中的两组元相互作用而形成的一种新相，它 的晶体结构.性能.熔点与两组元都不同，并具有金 属特征，这种相称为金属化合物 。
二元合金相图的基本类型
各组元仍保持原来的晶格类型；强度.硬度高于单 一固溶体，但塑性、可锻性不如单一固溶体。 ∴ 锻钢先加热→单一固溶体（A），再锻打。
组织----显微镜下看到的具有一定形貌或形态的部 分称为组织。有单相.多相
三.二元合金相图
相图—就是表示不同浓度合金结晶过程的简明图 解。或叫状态图. 平衡图.
四、金属的结晶
1. 金属结晶的概念
温度—时间坐标
过冷—实际结晶温度(Tn)
总是低于熔点(T0)
过冷度 △T=T0-Tn
“过冷” 是金属结晶的必要条件
△T与V冷金属种类、结构、纯度有关 同一金属 V冷↑ △T↑ 结晶平台：结晶潜热补偿外逸热量，Tn不变，液固共存。
四、金属的结晶
第二章 金属及合金的结构与结晶
§1. 金属的结构与结晶 一、金属键与金属的特性（导电性，导热性，塑性）
正离子和自由电子的相互吸引 使金属原子相互 结合的方式形成金属健。 二、金属的晶体结构 1、晶体的概念 晶体 有规则 非晶体 无规则 几个名词：晶格、晶胞、结点、晶格常数 Å为单位（1Å=10-10m）、晶面、晶向
2. 金属结晶的能量条件
高能→低能
温度 T >T0 F固>F液 液体较稳 T <T0 F 固<F液 结晶自发进行 To 理论结晶温度
Tn↓ △T↑ 两相F差大，结晶加速 3. 金属结晶的基本过程
（1） 形成晶核：自发形核 难
非自发形核 多
（2） 晶粒长大 树枝状方式长大
Fe + C → Fe3C Bcc.Fcc +六方→复杂晶格 硬 脆 δ↓
（1）正常价化合物
以形成分（2）电子化合物 电子浓度
（3）间隙化合物（间隙相、具有复杂
结构的间隙化合物） 碳化物 氮化物 …
பைடு நூலகம்
3、机械混合物
单一固溶体强度不够高，应用受限；金属化合物 都是硬而脆，无法用；一般固溶体为基本相 + 分 布少量金属化合物强化相（第二相.中间相），具 有足够的强度，良好的塑性，即机械混合物。常 见钢、铜. 黄铜. 铝合金…
弱、负电性相差小）
b.原子半径相差不大（较小）； c. 晶格类型相同；（晶体结构） ★注意：三个条件必要但不充分！
例 Fe与Au…
（2）间隙固溶体
d质/d剂 ＜ 0.59 奥氏体 铁素体
溶质原子溶入溶剂晶格间隙中而形成的固溶体。
取决于原子半径差和溶剂晶格中间隙半径
3）. 固溶强化 （性能）
2、常见的三种金属晶格
两个参数：
（1） 配位数： 愈大 愈紧密
（2） 致密度： 致密度 ↑ 紧密程度↑
面心立方晶格fcc(Cu,Al,Y-Fe)
晶格类型 体心立方晶格bcc (a-Fe,δ-Fe)
密排六方晶格hcp (Mg,Zn,Ti)
常见的三种金属晶格比较
晶格 原子数n 配位数 致密度 间隙半径 代表金属
溶解），从而形成一种成分和性能均匀的新相， 称为固溶体。
☆特征：溶质原子溶入溶剂晶格中，而仍然保持溶
剂的晶格。
无限固溶体 Cu-Ni…
置换固溶体 有限固溶体
固溶体
间隙固溶体 溶解度总是有限的。
（1）置换固溶体
d质/d剂 >0.59 置换固溶体—— 溶解方式叫做置换溶解。 ☆无限固溶满足三个条件： a.原子外层电子结构相近（电化学亲和力
4、晶粒大小及其控制
晶粒
晶界 不规则 畸变 不稳定… 塑
变抗力↑.强度↑.硬度↑
晶粒小，晶界多，塑韧性好，抗力小
∴控制晶粒要小 ，要细化
形核率（形核速度）N
长大率（长大速度）G
要细化 总的要 ↑N ↓G 比值N/G↑
★细化晶粒的措施
（1）提高金属在结晶时的冷却速度 （提高过冷度）；
系——所研究合金的系统 组元—— 组成合金最基本，能独立存在的物质
相——具有同一化学成分、同一晶体结构，并 以界面相互分开的各个均匀组成部分。
例如： Fe在912℃ α―Fe→γ―Fe Bcc→Fcc, 液→固, 固→另一固…
二.固态合金中的相结构
两类相结构： 固溶体 金属化合物
1.固溶体 组成合金的元素在固态下能够溶解某些元素（互相
（2）变质处理（增加形核率或减小长大率） （3）振动、搅拌 5. 金属的铸锭组织（宏观 ） （1）表层细等轴晶区 细.薄 （2）柱状晶区 ⊥模壁，厚
穿晶（横晶） 各向异性 （3）中心粗等轴晶区 △T小 晶粒粗大疏松
§2 合金的结构与二元合金相图
一.合金——由2或2种以上元素组成的具有金属 特性 的物质。 如：钢铁(Fe-C)、黄铜(Cu-Zn) 青铜(Cu-Sn.Cu-AI…)、硬铝(AI-Cu-Mg)