金属工艺学考试重点第一章

金属材料的力学性能、物理性能、化学性能统称为金属材料的使用性能
金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为力学性能（或称为机械性能）。

金属材料的力学性能是零件的设计和选材时的主要依据。

外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求的力学性能也将不同。

常用的机械性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。

力学性能是指金属材料在外力的作用下所表现出来的抵抗能力，金属材料抵抗外力作用的能力。

力学性能强度硬度塑性韧性断裂韧度疲劳强度
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到原来形状及尺寸的性能。

弹性变形：随载荷撤除而消失的变形。

塑性(plasticity)：是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。

塑性变形：在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，就是塑性变形。

金属的弹性和塑性通过拉伸试验来测定。

塑性一般用断面收缩率和延伸率来表示，(1)断面收缩率: 是指试样拉断处横截面积的收缩量与原始横截面积之比。

(2)断后伸长率(延伸率)是指试样拉断后的标距伸长量与原始标距之比。

2.强度: 种类: 抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。

工程上以屈服强度和抗拉强度最为常用。

金属材料在受拉伸时的强度都是以应力来表示的。

所谓应力，是指金属材料受到载荷（拉伸力）作用时，在材料内部产生其大小与外力相等的抵抗力（或称内力），单位横截面上的内力称为应力。

(2)屈服强度( yield strength)：屈服点S 也叫屈服极限，是指材料产生屈服现象时的应力。

(3)抗拉强度:试样在断裂前所能承受的最大应力。

3.硬度硬度是材料性能的一个综合物理量，表示金属材料表面的局部体积内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。

硬度试验方法：（1）压入法（2）划痕法（3）回跳法
布氏硬度的特点：优点：测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。

缺点：压痕面积较大，测量费时。

维氏硬度的特点优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量;测量精度高，可比性强；能测较薄工件。

缺点：测量操作较麻烦，测量效率低。

4.冲击韧度也叫冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力。

冲击值的大小与很多因素有关。

它不仅受试样形状、表面粗糙度、内部组织的影响，还与实验时的环境温度有关。

5、疲劳强度疲劳断裂具有以下特征：1）疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低；2）不管脆性材料或塑性材料，其疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂；3）疲劳断裂是损伤的积累，它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数)的增加而逐渐扩展，直至余下的未裂开的截面积不足以承受外荷载时，零件就突然断裂。

产生疲劳断裂的原因，一般是因为材料含有杂质、表面划痕及其它能引起应力集中缺陷，导致产生微裂纹。

这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，致使零件有效截面逐渐缩减，直至不能承受所加载荷而突然断裂。

不同成分的金属材料之所以表现出不同的力学性能，是因为不同的金属材料具有不同的内部组织。

即使是成分相同的金属，当其由液态转变为固态的结晶条件（结晶温度）不同时，所得到的内部组织也不同，从而也使金属表现出不同的力学性能。

为了深入地研究金属的内部组织与性能之间的关系，必须从本质上了解金属的晶体结构、结晶过程和合金的构造。

固态物质按其原子排列的特征，可分为晶体和非晶体。

晶体和非晶体的含义：晶体是由许多质点（包括原子、离子或分子）在三维空间作有规则的周期性重复排列而构成的固体。

非晶体则不呈这种周期性的规则排列。

晶体与非晶体的区别：a.根本区别：质点是否在三维空间作有规则的周期性重复排列。

b.晶体熔化时具有固定的熔点,而非晶体无明显熔点,只存在一个软化温度范围。

c. 晶体具有各向异性,非晶体呈各向同性。

液态金属的结晶是由晶核的形成和晶核的长大两个过程来实现的。

液态金属结晶时，首先在液体中形成一些极微小的晶体（称为晶核），然后再以它们为核心不断长大。

在这些晶体长
大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，直至液态金属全部消失。

即：形核和长大。

在液态金属中存在两种晶核：自发形核和非自发形核。

晶粒越细，金属的强度、塑性和韧性就越好。

控制金属结晶后晶粒的大小是形核率和晶体生长速度这两个因素，主要途径有：(1)增加过冷度(2)变质处理(3)振动或搅拌
多数金属在结晶后的晶格类型都保持不变，但有些金属（如铁、锡、钴、钛、锰等）的晶格类型，却因温度而异。

一种金属能以几种晶格类型存在的性质，叫做同素异构性。

金属在固态时改变其晶格类型的过程，叫做金属的同素异构转变。

这一转变与液态金属的结晶过程很相似。

也包括形核和长大两个阶段。

故又叫做二次结晶或重结晶。

以区别于液态转变为固态的初次结晶。

合金——两种或两种以上的金属元素，或金属和非金属元素溶合在一起，构成具有金属特性的物质，称为合金。

机械中大量使用合金的原因： 1.合金比纯金属强度、硬度高，且成本低。

2.可以改变合金的成分和进行不同的热处理在很大的范围内调节其性能。

根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的相可分为固溶体和金属化合物两大类。

金属化合物是合金组元之间相互发生作用而形成具有金属特性的一种新相。

ACD线—液相线是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。

AECF线—固相线各种成分的合金均处在固体状态。

结晶温度终止线。

ECF水平线—共晶线含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线时，在1148 ℃由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共晶反应。

PSK水平线—共析线（A1线含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此线时，在727 ℃同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应。

GS线—（A3线）是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。

ES线—称Acm线是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体Fe3CⅡ的开始线。

金属材料：黑色金属：通常指钢和生铁，俗称“钢铁”。

有色金属：包括铝铜锡铅及其合金。

钢按化学成分：碳素钢：主要含有铁和碳两种元素，此外还有硅锰硫磷及杂质。

合金钢：在碳素钢的基础上加上铬、镍、钼、钨、锰、硅等元素而成为合金钢。

按冶炼质量分即根据钢在冶炼过程中杂质硫和磷的去除程度可以分为普通钢优质钢高优质
钢按用途分：结构钢工具钢特殊性能钢
钢的热处理就是将钢在固态下，通过加热、保温和冷却，以改变钢的组织，从而获得所需性能的工艺方法。

热处理：普通热处理退火正火淬火回火;表面热处理表面淬火化学热处理(渗碳渗氮碳氮共渗); 其它热处理形变激光真空
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，便于切削加工。

细化晶粒，改善组织，提高塑性和韧性。

消除应力，稳定尺寸，防止钢件变形和开裂，并为淬火作准备。

.应用：铸件、锻件、焊接及其它毛坯的热处理。

退火的类别：根据钢的含碳量和退火目的的不同，退火工艺又可分为：完全退火、球化退火和去应力退火。

正火定义：将亚共析钢加热到Ac3线以上30—50℃，过共析钢加热到Accm以上30—50℃，保温后在空气中冷却。

得到的是细珠光体组织。

.作用：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。

淬火定义：将亚共析钢加热到Ac3以上30—50℃，共析钢和过共析钢加热到Ac1线以上30—50℃，保温后在淬火介质中快速冷却，以获得马氏体（M）组织的热处理工艺。

.淬火的目的：提高钢的硬度和耐磨性。

.应用：用于各种工具、模具、量具、滚动轴承等，通过淬火来提高其硬度和耐磨性。

回火定义：将钢重新加热到Ac1 线以下某温度，保温后冷却的热处理工艺。

目的：主要是消除淬火内应力，降低钢的脆性，防止产生裂纹。

表面淬火是对工件表层进行淬火的工艺。

它是将工件表面进行快速加热,使其奥氏体化并快速冷却获得马氏体组织,而心部仍保持原来塑性、韧性较好的退火、正火或调质状态的组织。

表面淬火后需进行低温回火,以减少淬火应力和降低脆性。

表面淬火可有效提高工件表面层的硬度和耐磨性，达到外硬内韧的效果，并可造成表面层应力状态，提高疲劳强度，延长工件的使用寿命。

目的：表层有较高硬度、耐磨性，而心部保持着原来的塑性、韧性(退火、正火或调质状态的组织) 。

渗碳定义：向低碳钢或低碳合金钢渗入碳原子的过程。

氮化（渗氮）定义：向钢表层渗氮原子，以提高硬度、耐磨性、疲劳强度、耐蚀性等。