金属加工工艺学 第一篇 金属材料的基础知识
金属工艺学教学大纲
适用专业：机械设计制造及其自动化学时：45学分：3一、内容简介本课程主要教学内容为热加工工艺基础，包括金属材料的主要性能，常用工程材料的选择，铸、锻、焊及切削加工的基本原理与工艺特点，毛坯的选择与结构工艺性分析，新材料、新技术、新工艺简介等。
二、本课程的目的和任务本课程是机械设计制造专业的一门重要技术基础课。
在金工实习的基础上，通过本课程的学习，使学生获得常用工程材料及材料成形的基础知识，培养工艺分析的初步能力，并为学习其它有关课程及以后从事机械设计和加工制造工作奠定必要的基础。
本课程的任务（1）熟悉常用工程材料的种类、牌号和性能，具有选用工程材料的初步能力；（2）掌握主要加工方法的基本原理和工艺特点，具有选择毛坯及工艺分析的初步能力；（3）了解与本课程有关的新材料、新工艺、新技术及发展趋势。
三、本课程与其它课程的关系学生在学习本课程之前应学过下列课程：（1）大学化学概论；（2）大学物理；（3）机械制图；并必须先完成金工实习。
本课程学习结束后，才能进入下列课程的学习阶段；（1）机械工程材料：（2）机械设计；（3）机械制造技术基础等。
本课程在培养学生综合素质、实践能力、创新意识和创新精神等方面发挥着其它课程不可替代的作用，学生应对本课程予以足够的重视。
四、本课程的基本要求通过对本课程的学习，使学生掌握金属工艺学的基本理论及基本知识，初步具备应用金属工艺学基本知识的能力，初步具备应用所学知识分析和解决实际问题的能力，并具有创新意识。
五、课程内容及学时安排理论教学内容绪论（2学时）第一篇金属材料基本知识（10学时）熟悉金属材料的主要性能；了解金属和合金的晶体结构和结晶；熟悉铁碳合金相图；熟悉钢的热处理工艺；熟悉常用机械工程材料的种类、性能、特点及应用。
第二篇铸造(8学时)熟悉合金的铸造性能及对铸件质量影响；了解常用铸造合金的熔炼及铸造特点；掌握砂型铸造和常用特种铸造方法的特点和应用；具有铸件结构设计的初步能力，了解铸造新工艺、新技术及其发展趋势。
金属材料基础知识(2020.3.2)
导电性好的金属，导热性就好；相反，导热性好的，导电性不一定好。？
热膨胀性
金属受热时体积发生胀大的性能。衡量热膨胀性的指标称为 热膨胀系数。
磁性
金属材料在磁场中受到磁化的性能。 根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，分为铁磁性材 料、顺磁性材料、抗磁性材料三种。 铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。 抗磁性材料可用作要求避免电磁场干扰的零件和结构材料。
金属材料基础知识
二、钢材的分类、 常用钢材的表示方
碳素钢
法
1.钢材的分类
钢 材
合金钢
普通 碳素钢
优质 碳素钢
按合金 含量分
按用 途分
甲类钢 乙类钢 特类钢
按含碳 量分
工业纯铁C≤0.04% 低碳钢C＜0.25% 中碳钢C 0.25—0.6%
高碳钢C＞0.6%
按用 途分
碳素结构钢 易切钢 碳素工具钢
金属材料是现代机械制造业的基 本材料，广泛应用于制造各种生 产设备、工具、武器以及生活用 具，金属材料之所以获得广泛的 应用，是由于它具有许多良好的 性能。
金属材料在使用条件 下所表现出来的性能。
使用性能
金属 材料性能
物理性能 化学性能 机械性能
工艺性能
力学性能
金属材料在加工过程 中适应加工的能力。
金属材料基础知识
αk 值越大，材 料的韧性越好。
在小能量多次 冲击条件下， 其冲击抗力主 要取决于材料 的强度和塑性。
金属材料基础知识
5.疲劳强度
许多机械零件在工作过程中各点的应力随时间作周期性 的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力(也 称循环应力)。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力 低于材料的屈服强度，但经过较长时间的工作而产生裂纹或 突然发生完全断裂的过程称为金属的疲劳。
金属材料基础知识(ppt 120页)
合金两类基本相：固溶体和金属化合物。
金属材料基础知识
固溶体：是一个（或几个）组元的原子（化 合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持 另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶 体分间隙固溶体和置换固溶体两种。
化合物：合金组元间发生化合作用，生成一 种具有金属性能的新的晶体固态结构。
硬度试验的方法很多，有压入硬度试 验法（如布氏硬度、洛氏硬度等）； 回跳硬度试验法(如肖氏硬度)等。
布氏硬度 HB
洛氏硬度HR 测量残余压入深度h 定义：每0.002mm相当于洛氏1度
洛氏硬度常用标尺有：B、C、A三种 ①HRB－－淬火钢球，中等载荷，测轻金属、未淬火钢 ②HRC－－金刚石圆锥，大载荷，测较硬、淬硬钢制品 ③HRA－－金钢石圆锥，小载荷，测硬、薄试件
在物质内部，凡是原子呈无序堆积状况的，称 为非晶体，例如普通玻璃、松香、树脂等， 都属于非晶体。相反，凡是原子作有序、有 规则排列的称为晶体。绝大多数金属和合金 都属于金属晶体。
金属材料基础知识
2、晶体结构
为了形象地表示晶体中原子排列的规律，可 以将原子简化成一个点，用假想的线将这些 点连结起来，就构成了有明显规律性的空间 格子。这种表示原子在晶体中排列规律的空 间格架，叫做晶格。晶格是由许多形状、大 小相同的最小几何单元重复堆积而成的。能 够完整地反映晶格特征的最小几何单元称为 晶胞。
b.工具钢：(a)碳素工具钢；(b)合金工具钢；(c)高速 工具钢。
c.特殊性能钢：(a)不锈耐酸钢；(b)耐热钢；(c)电热合 金钢；(d)电工用钢；(e)高锰耐磨钢。
金属材料基础知识
二、金属材料的性能 1、金属的物理性能 2、金属的化学性能 3、金属的力学性能 4、金属的工艺性能
金属材料基础知识
金属的冷热弯曲性能也取决于材料的塑性和强度。材料承受 弯曲而不出现裂纹的能力，称为弯曲性能。一般用弯曲角度 或弯心直径与材料厚度的比值来衡量弯曲性能。
电厂锅炉管道弯头和输粉管道弯头是经过冷热弯曲成型的。
(三)焊接性能
• 金属材料采用一定的焊接工艺、焊接材料及结构形式，优质焊 接接头的能力，称为金属的焊接性。
适用范围
HRC
120°金刚石圆 锥
150
HRB Φ1.588mm钢球
100
HRA
120°金刚石圆 锥
60
一般淬火钢等硬度较大材料
退火钢和有色金属等软材料
硬而薄的硬质合金或表面淬 火钢
3．维氏硬度（HV） 维氏硬度是用一定的载荷将锥面夹角为136°的正四棱锥金刚石压头压入试 样表面，保持一定时间后卸除载荷，试样表面就留下压痕，测量压痕对角线 的长度，计算压痕表面积，载荷F除以压痕面积S所得值即为维氏硬度。维氏 硬度用符号HV表示，计算公式如下：
1．拉伸试样
2．拉伸曲线
• 拉伸曲线表示试样拉伸过程中力和变形关系，可用应力－延伸率曲线表 示，纵坐标为应力R，R=F/S0，横坐标为延伸率ε，ε＝ΔL/L0。
拉伸曲线的形状与材料有关， 由图可见，在载荷小的oa阶 段，试样在载荷F的作用下 均匀伸长，伸长量与载荷的 增加成正比。如果此时卸除 载荷，试样立即回复原状， 即试样产生的变形为弹性变 形。当载荷超过b点以后， 试样会进一步产生变形，此 时若卸除载荷，试样的弹性 变形消失，而另一部分变形 则保留下来，这种不能恢复 的变形称为塑性变形。
(四)切削性能 金属材料承受切削加工的难易程度，称为切削性能。
金属的切削性能与材料及切削条件有关，如纯铁很பைடு நூலகம்易切削，但难以获得较高的光洁度； 不锈钢可在普通车床上加工，但在自动车床上，却难以断屑，属于难加工材料。通常，材 料硬度低时切削性能较好，但是对于碳钢来说，硬度如果太低时，容易出现“粘刀”现象， 光洁度也较差。一般情况下金属承受切削加工时的硬度在HB170一230之间为宜。
《金属工艺学》课后习题
第一章金属学基础知识1．什么是强度什么是塑性衡量这两种性能的指标有哪些各用什么符号表示金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力，称为强度。
常用的强度指标有弹性极限σe、屈服点σs、抗拉强度σb。
塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。
常用的塑性指标有断后伸长率δ和断面收缩率Ψ。
2．什么是硬度HBS、HBW、HRA、HRB、HRC各代表用什么方法测出的硬度各种硬度测试方法的特点有何不同硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。
HBS：用淬火钢球作压头时的布氏硬度。
不能测试太硬的材料，一般在450HBS以上的就不能使用。
通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度。
HBW：用硬质合金球作压头的布氏硬度。
用于测试硬度在650HBW以下的材料。
HRA：洛氏硬度，表示试验载荷（60KG），使用顶角为120度的金刚石圆锥压头试压。
用于硬度极高的材料，例如硬质合金。
HRB：洛氏硬度，表示试验载荷（100KG），使用直径的淬火钢球试压。
用于硬度较低的材料，例如退火钢、铸铁等。
HRC：洛氏硬度，表示试验载荷（150KG），使用顶角为120度的金刚石圆锥头试压。
用于硬度很高的材料，例如淬火钢等。
3．简述各力学性能指标是在什么载荷作用下测试的。
静载荷作用下测试：强度、塑性、硬度。
动载荷作用下测试：冲击韧度、疲劳强度。
4．试对晶体、晶格、晶胞、单晶体和多晶体作简要解释。
晶体：物质的原子都是按一定几何形状有规则地排列的称为晶体。
晶格：用于描述原子在晶体中排列规律的空间架格称为晶格。
晶胞：能够完整地反映晶格结构特征的最小几何单元，称为晶胞。
单晶体：如果一块晶体内部的晶格位向（即原子排列的方向）完全一致，称这块晶体为单晶体。
多晶体：由许多晶格位向不同的晶粒集合组成的晶体称为多晶体。
5．常见金属晶格类型有哪几种试绘图说明。
①体心立方晶格②面心立方晶格③密排六方晶格6．晶体的各向异性是如何产生的为何实际晶体一般都显示不出各向异性在相同晶格中，由于不同晶面和晶向上的原子排列情况不同，因而原子间距不同，原子间相互作用的强弱不同，从而导致晶体的宏观性能在不同方向上具有不同数值，此现象称为晶体的各向异性。
金属工艺学知识点总结资料讲解
金属工艺学知识点总结资料讲解1.金属材料的分类和特性：-金属材料的分类：金属材料分为黑色金属和有色金属两大类。
黑色金属包括铁、钢和铸铁等，有色金属包括铜、铝、镁、锌、铅等。
-金属材料的特性：金属材料具有导电性、导热性、延展性、可塑性、机械性能好等特点，适用于各种加工工艺。
2.金属加工方法：-切削加工：包括车削、铣削、钻削、刨削等，通过切削废料的去除改变工件形状和尺寸。
-成形加工：包括锻造、拉伸、锤压、挤压等，通过对金属材料的塑性变形改变工件形状。
-组合加工：包括焊接、铆接、螺纹连接等，通过将多个部件组合在一起形成复杂的工件。
-热处理加工：包括淬火、回火、退火等，通过控制材料的结构和性能来改变其力学性能和使用性能。
3.金属成形工艺：-钣金工艺：包括剪切、冲裁、弯曲等，用于制造薄板金属构件。
-铸造工艺：包括砂铸、压铸、精密铸造等，通过将熔融金属注入模具中，得到所需形状的铸件。
-高温成形工艺：包括真空热压、粉末冶金等，通过在高温条件下对金属进行成形，得到复杂形状的工件。
-冷镦工艺：通过在室温下使用特殊的冷镦机械设备，将金属材料进行快速塑性变形，得到各种螺纹、螺栓等小尺寸工件。
4.金属热处理工艺：-淬火：通过将加热至临界温度的金属材料迅速冷却，使其得到高硬度和高强度。
-回火：在淬火后，将金属加热至适当温度，然后冷却，以减轻淬火后的脆性和应力。
-退火：将金属材料加热至一定温度，保持一段时间后缓慢冷却，以改善其组织和性能。
-焊后热处理：焊接后的金属材料会产生应力和变形，通过热处理可以消除这些问题，提高焊接接头的强度和耐腐蚀性。
5.金属表面处理工艺：-镀层：通过在金属表面镀上一层金属或非金属涂层，增加其耐腐蚀性、装饰性和机械性能。
-涂装：通过在金属表面涂上油漆、涂料等防护层，保护金属不受氧化、腐蚀等损害。
-喷砂：通过在金属表面喷射高压喷砂颗粒，清除污物和氧化层，改善表面质量和光泽度。
-抛光：通过机械或化学方法对金属表面进行抛光，使其光洁度达到要求，提高外观质量。
金属工艺学第一章 金属切削基础知识
主要的影响因素
切削速度 （切中碳钢） <5m/min不产生 5~50m/min形成
控 制 措 降低塑性 施
(正火、调质)
>100 m/min不形成 选用低速或高速
冷却润滑条件
300~500oC最易产 生 >500oC趋于消失
选用切削液
第三节 金属切削过程
三、切削力与切削功率
1、切削力的构成与分解
切削力的来源
热处理变形 不需要
用途
各种刀片
1200
（12~14）
高硬度钢材 精加工
人造金刚石
HV10000 (硬质合金为 HV1300~1800)
700~800
不宜加工钢铁材 料
第二节 刀具材料及刀具构造
三、刀具角度
各种刀具的切削部分形状
第二节 刀具材料及刀具构造
二、刀具角度
1、车刀切削部分的组成
三面
两刃 一尖
（2）作用 ①冷却 ②润滑
第三节 金属切削过程
五、刀具磨损和刀具耐用度
1、刀具磨损形式
（1）前刀面磨损 （2）后刀面磨损 (通常以后刀面磨损值VB表示刀具磨损程度) （3）前后刀面同时磨损
2、刀具磨损过程：
前面磨损、后面磨损、前后面同时磨损 。 刀具磨损过程： 初期磨损阶段、正常磨损阶段、急剧磨损阶段
刀尖高低对刀具工作角度的影响
车刀刀杆安装偏斜对刀具角度的影响
② 进给运动的影响
第二节 刀具材料及刀具构造
三、刀具结构
刀具的结构形式很多，有整体式、焊接式、机夹 不重磨式等。
目前一般整体式的多为高速钢车刀，其结构简单， 制造、使用都方便。而对于贵重刀具材料，如硬质合 金等，可采用焊接式或机夹不重磨式。焊接式车刀结 构简单、紧凑、刚性好，可磨出各种所需角度，应用 广泛。
金属工艺学
绪论金属工艺学是一门研究有关制造金属机件的工艺方法的综合性技术学科. 主要内容:1 常用金属材料性能2 各种工艺方法本身的规律性及应用.3 金属机件的加工工艺过程、结构工艺性。
热加工：金属材料、铸造、压力加工、焊接目的、任务：使学生了解常用金属材料的性质及其加工工艺的基础知识，为学习其它相关课程及以后从事机械设计和制造方面的工作奠定必要的金属工艺学的基础。
[以综合为基础，通过综合形成能力]第一篇金属材料第一章金属材料的主要性能两大类：1 使用性能：机械零件在正常工作情况下应具备的性能。
包括：机械性能、物理、化学性能2 工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削性能等。
第一节金属材料的机械性能指力学性能---受外力作用反映出来的性能。
一弹性和塑性：1弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能。
力和变形同时存在、同时消失。
如弹簧：弹簧靠弹性工作。
2 塑性：金属材料受外力作用时产生永久变形而不至于引起破坏的性能。
（金属之间的连续性没破坏）塑性大小以断裂后的塑性变形大小来表示。
塑性变形：在外力消失后留下的这部分不可恢复的变形。
3 拉伸图金属材料在拉伸过程中弹性变形、塑性变形直到断裂的全部力学性能可用拉伸图形象地表示出来。
以低碳钢为例ζbζkζsζeε（Δl）将金属材料制成标准式样。
在材料试验机上对试件轴向施加静压力P，为消除试件尺寸对材料性能的影响，分别以应力ζ（即单位面积上的拉力4P/πd2）和应变（单位长度上的伸长量Δl/l0）来代替P和Δl，得到应力——应变图1）弹性阶段oeζe——弹性极限2）屈服阶段：过e点至水平段右端ζs——塑性极限，s——屈服点过s点水平段——说明载荷不增加，式样仍继续伸长。
（P一定，ζ=P/F一定，但真实应力P/F1↑ 因为变形，F1↓）发生永久变形3）强化阶段：水平线右断至b点P↑变形↑ζb——强度极限，材料能承受的最大载荷时的应力。
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第二章 铁 碳 合 金
• 铁碳合金根据含碳量的不同可分为: 生铁： 2.11%≤C<5%.
碳钢 ： C<2.11%; （铸铁2.8%≤C≤4.0%)
图 3 3 4 0 钢
第一节 纯铁的晶体结构与同素异晶转变
• 金属（纯铁、铜、 铝等）都是晶体
• 晶体——原子按一定的次序作有规则 的排列。如金刚石、石墨等。
=（A0 –A1）/A0×100%
式中 A0—试样的原始截面积，mm²； A1—试样拉断后,断口处横截面积，mm²；
说明：δ、ψ值愈大，表明材料的塑性愈好。
二、硬度（HB、HR）
硬度:是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。
它是材料性能的一个综合的物理量，表示金属 材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性 变形或破断的能力。是衡量金属软硬的指标。直 接影响金属材料的耐磨性。
牌
力学性能
号
σb/
σs
δ%
HBS HRC αk
MPa
Q235-A 400 235 26
610
16
45钢
ZG310-570 570 310 15
229 55（淬 火）
30
ZAlSi2
145
4
50
HT250 250
QT700-2 700 420 2
270
应 用
工程结构 轴、杆
铸钢件 活塞 气缸体 曲轴
复习题
1.强度指标，单位：MPa(N/mm2）
F
强度: 材料在外力作用下，抵 抗塑性变形和断裂的能力。
σs —— 屈服强度(屈服点）
σb —— 抗拉强度
σ0.2——名义屈服强度
（名义屈服点）
低碳钢拉伸试验图
屈服强度和抗拉强度
在工程上常用屈服强度和抗拉强度来表示金属材料的强度 指标。其计算公式为： ☆屈服强度（屈服点）——拉伸试样产生屈服时的应力
2. 塑性指标
塑性: 材料在外力作用下，产生 永久变形而不引起破坏的能力。
☆ 伸长率：试样拉断后,其标距 的伸长与原始标距的百分比.
＝L1－L0＝L10％ 0
L0
L0
应用中：δ10——试样 L0=10d0
δ5 ——试样 L0=5d0
☆断面收缩率: 试样拉断后,缩颈处截
面积的最大缩减量与原 始横截面积的百分比
第一节 金属材料的力学性能
一、强度和塑性
拉伸试验（GB6397-1986）
低碳钢拉伸试验图分析
F
变形阶段的分析： 弹性变形阶段
塑性变形阶段 (屈服) 断裂阶段 (颈缩)
应力与应变概念
应力： 试样单位横截面上的拉力
＝
P F0
＝ 4P
d02
N/mm2；MPa
应变：试样单位长度上的伸长量
＝L1－L0＝L10％0 L0 L0
金属加工工艺学 第一篇 金属材料的 基础知识
主要内容包括:
☆ 金属材料的主要性能 ☆ 铁碳合金 ☆ 钢的热处理 ☆ 工业用钢
材料与性能要求
• 四大工程材料：钢铁、铝及铝合金、 塑料、水泥
• 力学性能—— 强度、塑性、 硬度、 冲击韧性(度)、疲劳强度
• 物化性能——密度、耐腐蚀性等
• 工艺性能——加工成形的难易程度
主载荷: 140kgf、50kgf、90kgf 、
特点：优点 测试简便、迅速、因压痕小、不损伤 零件，适合成品检验。
缺点 测得的硬度值重复性较差，需在不同的 部位测量数次。
适用范围：用于测定硬质材质（20－70 HRC） 如:淬火钢、调质钢等。
三、韧性
金属在断裂前吸收的变形能量的能力——韧性。 其常用指标为------冲击韧度（ak ）
ak 值 对组织缺陷很敏感，因此，冲击试验在生产上用来 检验冶炼、热加工、热处理工艺质量的有效方法。
四、 疲劳强度 ——（σ-1 ） （σ-1≈0.5σb）
金属材料在无数次重复或交变载荷的作用下而不致 引起断裂的最大应力—疲劳强度。
在机械零件中有许多零件，如连杆、齿轮、弹簧、 曲轴等，是在交变载荷的作用下工作的。这种受交变应 力的零件，发生断裂时的应力。远低于该材料的屈服强 度，这种破坏现象叫做疲劳破坏。据统计，约有80%的 机件失效都可归咎于疲劳破坏。
金属材料所承受循环应力（）与其断裂前的应力循 环次数（N）有如图所示的疲劳曲线关系。
疲劳曲线
当应力降至某值后，
疲劳曲线成为水平，
即表示该材料可能经受无 数次应力循环而仍不发生 疲劳断裂，这个应力叫做 疲劳强度极限。。
用应力循环基数表示：
钢为107
非铁合金和某些高强为108
5、几种常用金属材料的力学性能
适用范围：用于测定软材质（HBS≤450） 如:灰口铸铁、软钢和非铁合金等。
HBW--- 以硬质合金球为压头的新型布氏硬度计
2、洛氏硬度HRC （120。金刚石压头、 140kgf ）
用于测定硬质表面,材料（20－70 HRC） 测试原理图：
Fห้องสมุดไป่ตู้
HRC测定
压头直径: 120。金刚石压头、
￠1.5875mm钢球、 ￠3.175mm钢球
1. 解释应力与应变的概念
2. 说明σS 、σ0.2 、σb、σ－1 、δ％、αk、4550HRC、300HBS的名称和含义
3. 查阅有关资料列表统计如下材料的力学性 能指标值：Q215-A; 35; T10; HT300; QT450-10; ZG340-640(ZG55）; ZCuSn10Pb1(10-1锡青铜); ZAlSi7Mg(ZL101) 。
常用的有布氏硬度和洛氏硬度
1. 布氏硬度HBS（以淬火钢球为压头）
用于测定软材质（HBS≤450）
测试原理图：
HBS测定
压头直径:￠10mm、 ￠5mm、 ￠2.5mm
载荷: 30000N、 7500N 、1870N
特点：优点：测量值较稳定、准确度较洛氏硬度高 缺点：测量费时，且压痕较大， 不适合成品检验。
s=Fs /A0 ( MPa ) ☆ 抗拉强度——拉伸试样在拉断前所承受的最大应力
b = Fb/ A0 ( M Pa ) Fs—试样产生屈服时所承受的最大载荷,N Fb—-试样在拉断前所能承受 的最大载荷, N
A0——试样原始截面积,mm²
金属不能在超过其 s 、 b 的条件下工作。因此作为强度 设计的依据.
计算公式： ak =Ak/S(J / cm)
用单位面积上的冲击功来表示
ak—冲击韧度 Ak—冲断试样所消耗的冲击功，J; S—试样缺口处的横截面积，cm。
冲击值一般作为选材的参考，不直接用于强度计算。 试验表明：在冲击能量不大的情况下，金属材料承受多次 重复冲击的能力，主要决定于强度，而不是要求过高的冲 击韧度。