材料成型技術

（金屬工藝學）延邊大學工學院機械系機械基礎教研室任靖日2009年2月24日2/3/2023◆內容提要：

上冊有四篇:金屬材料導論、鑄造、壓力加工、焊接-熱加工

下冊有一篇:金屬切削加工–冷加工。教材：《金屬工藝學》上、下冊（第5版）鄧文英主編，高等教育出版社。參考書：《材料科學基礎》趙品主編哈工大出版社1999年。

《金屬學原理》劉國勛主編工業冶金出版社1980年

《材料科學基礎》潘金生等清華大學出版社2000年◆學時分配及考核一、各章節要點及授課時數：總學時：48，學分：3緒論：本課程的性質、目的和任務以及基本要求。（1學時）第一篇金屬材料導輪（5學時）1）金屬材料的主要性能；2）鐵碳合金；3）鋼的熱處理2/3/2023第二篇鑄造（10學時）1）鑄造工藝基礎；2）常用合金鑄件的生產；3）砂型鑄造第三篇金屬壓力加工（8學時）1）金屬的塑性變形2）鍛造3）板料沖壓。第四篇焊接（6學時）1）電弧焊2）其他常用焊接方法3）常用材料焊接4）焊接結構設計第五篇金屬切削加工（18學時）1）金屬切削的基礎知識2）切削機床的基礎知識3）常用加工方法綜述。二、考核方法平時有計劃地安排課堂提問，課程中間進行一次測驗。課程結束后進行全面的復習和考試。

三、本課程成績評定：

期末考試成績占70%,平時成績占30%（作業、測驗以及考勤等）。考試方式：筆試閉卷。

2/3/2023◆緒論：二、金屬工藝學是機械類各專業必修的技術基礎課：從事機械類各專業，不僅掌握好基本知識，而且要通過技能訓練培養實際生產能力。

三、金屬工藝學是實踐性很強的技術基礎課：它有利于進行技能訓練，有利于培養具有更高的實際能力和開拓精神。一、金屬工藝學是一門傳授有關制造金屬零件加工方法的綜合性技術基礎課：它主要傳授各種工藝方法本身的規律性及其在機械制造中的應用和相互關系；金屬零件的加工工藝過程和結構公益性；常用金屬材料性能對加工工藝的影響；工藝方法的綜合比較。四、課程目的和任務以及基本要求:1、目的和任務

使學生了解常用金屬材料及其加工工藝的基礎知識。為學習其它有關課程，并為以后從事機械設計和制造方面的工作，奠定必要的金屬工藝基礎。

2/3/2023

2、基本要求本科程的基本要求應是：

1）了解常用金屬材料的一般性質和應用范圍。

2）掌握各種主要加工方法的基礎工藝知識，所用設備和工具的工作原理和大致結構。

3）具有選擇機器零件的材料，毛坯和加工方法的初步能力.4）了解零件結構工藝性的基本知識。

5）本課程實踐性很強，要把課堂教學與現場教學有機地結合起來。2/3/2023第一篇金屬材料導論1、金屬材料的主要性能2、鐵碳合金3、鋼的熱處理2/3/2023零件的生產工藝過程選材選毛坯應根據零件的性能要求、受載情況、服役條件、工作環境等選擇零件的生產工藝過程。步驟如下：選材：由于金屬材料種類繁多，性能不一，而且材料的發展日新月異，而零件的性能要求、服役條件各不相同，材料的資源、價格不同，所以應綜合考慮多方面的因素。毛坯選擇軸有液態成形毛坯塑性成形毛坯連接成形毛坯粉末冶金成形型材等毛坯2/3/2023機械加工方法傳統的有現代的有車削、刨削、銑削拉削、鏜削、磨削等。數控加工、電火花加工、激光加工等特種加工方法。可見，一個具體零件的加工可用多種不同的加工方法，而每一種加工方法所能達到的加工精度、加工質量、加工范圍、加工效率是不同的。∴選擇時應考慮具體要求。最終熱處理：使材料的性能達到要求。選材選毛坯預先熱處理機械加工最終熱處理檢驗

預先熱處理：為使切削加工能順利進行，可通過預先熱處理調整硬度，為切削加工做好組織準備。

2/3/2023材料技術、信息技術以及能源稱為現代技術的三大支柱。可知，材料技術在現代化建設中占很重要的地位。

復合材料工程材料金屬材料陶瓷材料高分子材料第一篇金屬材料導論◆金屬材料是現代制造機械中最主要材料：占80%-90%。2/3/2023◆金屬材料：具有制造機器所需要的物理、化學和力學性能；并且可用較簡便的工藝方法加工成適用的機械零件，亦即具有所需的工藝性能。所以在現代制造機械中獲得廣泛應用。◆機械制造中所用的金屬材料：

以合金為主，很少適用純金屬，原因是合金比純金屬更好的力學性能和工藝性能，且價格低廉。

合金：是一種金屬為基礎，加入其它金屬或非金屬，經過熔煉或燒結制成的具有金屬特性的材料。最常用合金是以鐵為基礎的鐵碳合金-碳素鋼、合金鋼、灰鑄鐵等；還有黃銅、青銅等。◆要求：用來制造機械設備的金屬材料，應具有優良的力學性能和工藝性能、較好的化學穩定性和所需的物理性能。◆本篇主要介紹金屬材料的基礎知識，為學習本課程中鑄造、壓力加工和焊接等熱加工工藝奠定必要的基礎。2/3/2023一、強度與塑性

是通過拉伸試驗側出來的。可得：應力-應變曲線。第一章金屬材料的主要性能主要內容：1.強度指標；2.塑性指標；3.硬度；4.沖擊韌性；5.疲勞強度。

重點：金屬主要力學性能指標強度、塑性、硬度、韌性和疲勞強度的概念。難點：疲勞強度。第一節金屬材料的力學性能

力學性能（機械性能）：金屬材料在力的作用下，所表現出來的性能。對金屬材料的使用性能和工藝性能有非常重要影響。

主要力學性能有：強度、塑性、硬度、韌性和疲勞強度等。2/3/2023①屈服強度：指拉伸試樣產生屈服現象時的應力—

②抗拉強度：指金屬材料在拉斷前所能承受的最大應力—伸長率：δ=(l1－l0)/l0×100%

或斷面收縮率:ψ=(A0－A1)/A0×100%。

◆δ和ψ值↑，材料的塑性越好-軋制、鍛造、沖壓等性能好。

1、強度：金屬材料在力的作用下，抵抗塑性變形的能力。常用屈服強度和抗拉強度來判斷。

2、塑性：指金屬材料產生塑性變形而不被破壞的能力，通常以伸長率來表示。2/3/2023二、硬度：金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕的能力，稱為硬度。

◆硬度是衡量金屬軟硬的判據。硬度是直接影響到材料的耐磨性及切削加工性。◆硬度計上測量方法不同：

布氏硬度（HB):淬火鋼球或硬質合金球為壓頭。-測直徑。

洛氏硬度（HR):頂角為120金剛石圓錐體為壓頭。-測深度。2/3/2023

三、韌性：金屬材料斷裂前吸收的變形能量稱為韌性。常用指標為沖擊韌度。

四、疲勞強度：金屬材料在無數次循環載荷作用下不致引起斷裂的最大應力。2/3/2023一、物理性能：金屬材料的物理性能主要有密度、熔點、熱膨脹系數、導熱性、導電性和磁性等。-對加工工藝也有一定的影響。第二節金屬材料的物理、化學及工藝性能二、化學性能：金屬材料的化學性能主要是指在常溫或高溫時，抵抗各種介質侵蝕的能力，入耐酸性、耐堿性、抗氧化性等。

三、工藝性能：工藝性能實質金屬材料物理、化學性能和力學性能在加工過程中的綜合反映，是指是否易于進行冷、熱加工的性能。

所以在設計零件和選擇工藝方法時，都要考慮金屬材料的工藝性能。2/3/2023第二章鐵碳合金鋼和鑄鐵是以鐵、碳為主組成的合金（鐵碳合金）。其中鐵的含量大于95%，是最基本的組元。－是制造機器設備的主要的金屬材料。主要內容：1.純金屬的結晶過程；2.同素異晶轉變；3.鐵碳合金狀態圖。重點：鐵碳合金狀態圖。難點：鐵碳合金的凝固過程分析。第一節純鐵的晶體結構及其同素異晶轉變基本概念：凝固：一般非晶體由液態向固態轉變的過程。結晶：由液態金屬轉變為固態晶體的過程。◆固態物質按其原子（或分子）聚集狀態分：晶體和非晶體晶體：在晶體中，原子（或分子）按一定的幾何規律作周期性地排列。◆晶體的特點：1）原子在三維空間呈有規則的周期性重復排列；2/3/2023非晶體:非晶體中原子（或分子）則是無規則的堆積在一起。（如松香、玻璃、瀝青）◆非晶體的特點：1）原子在三維空間呈不規則的排列；2）沒有固定熔點，隨著溫度的升高將逐漸變軟，最終變為有明顯流動性的液體。如塑料、玻璃、瀝青等。3）各個方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。2）具有一定的熔點，如鐵的熔點為1538℃，銅的熔點為1083℃；3）晶體的性能隨著原子的排列方位而改變，即單晶體具有各向異性；4）在一定條件下有規則的幾何外形。◆晶體不同方向上性能不同的性質叫做晶體的各向異性。2/3/2023一、金屬的結晶金屬在固態下一般都是晶體，即原子在空間呈規律性排列；而在液態下，排列并不規則。

◆晶體中的原子排列：晶體中原子排列：晶體中原子(離子或分子)規則排列的方式稱為晶體結構。

晶格：通過金屬原子(離子)的中心劃出許多空間直線，這些直線將形成空間格架。

因此，金屬的結晶就是金屬液體轉變為晶體的過程，亦即金屬原子由無序到有序的排列的過程。晶胞：能反映該晶格特征的最小組成單元。2/3/2023◆純金屬的結晶是在一定的溫度下進行的，它的結晶過程可用冷卻曲線（溫度-時間）來表示。

冷卻曲線是用熱分析法測定出來的。a-b線段：結晶時放出的結晶潛熱使溫度不再下降保持水平。

純金屬的冷卻曲線（理想）純金屬的冷卻曲線（實際）◆過冷度(T0-T1)：是結晶的必要條件。

合金的冷卻曲線-動畫(區別)2/3/2023◆金屬的結晶過程：原子團

形核

晶核長大

小晶粒

外形不規則的小晶體-動畫演示。

形核：自身晶核、外來晶核晶核長大方式：樹枝狀方式。

單晶體—結晶方位完全一致的晶體

多晶體—由多晶粒組成的晶體結構◆液態金屬的結晶過程：是遵循“晶核不斷形成和長大”這個結晶規律進行的。形成晶體并長大。◆可知，固態金屬通常是由多晶體構成的，每個長成的晶體稱晶粒，晶粒之間的接觸面稱晶界。

◆金屬晶粒粗細對其力學性能影響很大。一般，同一成分金屬，晶粒愈細，其強度、硬度愈高，塑性和韌性愈好。2/3/2023由體心→面心，成為-Fe。由面心→體心，成為-Fe。二、純鐵的晶體結構晶體中的原子排列具有周期性規律，因此，可從晶格中取出一個最基本的幾何單元，這個單元稱作晶胞。–可反映晶格特征◆細化晶粒的方法：

1）增加冷卻速度，增大過冷度；–動畫演示

2）增加外來晶核；

3）機械、超聲波振動、電磁攪拌。◆純鐵晶格的晶胞分：體心立方晶胞-原子在體心面心立方晶胞-原子在面心，可轉換2/3/2023三、純鐵的同素異晶轉變◆金屬的同素異晶轉變的慨念：

金屬在固態下，隨著溫度的改變其晶體結構發生變化的現象◆金屬的同素異晶轉變的意義：可以用熱處理的方法得到。即可通過加熱、保溫、冷卻來改變材料的組織，從而達到改善材料性能的目的。

◆同素異晶轉變過程：是在固態下原子重新排列的過程。這時，金屬體積變化。動畫演示2/3/2023第二節鐵碳合金的基本組織合金的結構——概念合金：由兩種或兩種以上的元素通過熔煉后所獲得的新的物質仍然具有金屬特性。組元：組成合金的基本元素。相：凡是成分相同、結構相同并與其他部分有界面分開的均勻組成部分。例如：單一的液；單一的固相；液相、固相兩相共存。

◆鐵碳合金組織隨其成分、溫度和冷卻速度變化而變化。按照鐵和碳相互作用形式不同，鐵碳合金的組織可分為：1、固溶體

2、金屬化合物

3、機械混合物。一、固溶體溶質原子溶入溶劑晶格而仍保持溶劑晶格類型的金屬晶體，稱作固溶體。在鐵碳合金中,鐵是溶劑，碳是溶質。2/3/2023

1.鐵素體：F-純鐵為912℃開始

碳溶解于α-Fe中形成的固溶體，呈體心立方晶格。顯微鏡下為明亮的多變形晶粒。

2.奧氏體：A-純鐵為1394℃開始

碳溶入γ-Fe中形成的固溶體，呈面心立方晶格。顯微鏡下也呈多變形晶粒。◆按溶質原子在溶劑晶格中的位置分：

置換固溶體-溶質原子代換了溶劑晶格某些結點上的原子；間隙固溶體-溶質原子進入溶劑晶格的間隙之中。

◆碳溶入不同晶胞分：鐵素體和奧氏體。2/3/2023二、化合物金屬化合物是各組元按一定整數比結合而成、并具有金屬性質的均勻物質，屬于單向組織。

◆鐵碳合金中的滲碳體（Fe3C)：屬金屬化合物。由Fe和C所形成的。特點：硬度極高、塑性、韌性極低、伸長率和沖擊韌度近于零。三、機械混合物是由結晶過程所形成的兩相混合組織。機械混合物各相均保持其原有的晶格，因此機械混合物的性能介于各組成相之間。◆鐵碳合金中機械混合物有珠光體和萊氏體。

1、珠光體:P

鐵素體和滲碳體組成的機械混合物，用符號P或(F+Fe3C）-呈層片狀。

2、萊氏體：Ld

奧氏體和滲碳體組成的機械混合物，分高溫和低溫。用Ld或（A+Fe3C）。

2/3/2023第三節鐵碳合金狀態圖◆鐵碳合金狀態圖：表示不同含碳量的鐵碳合金在不同溫度下結晶過程的曲線圖。◆Fe3C的含碳量6.69%，因此，狀態圖實際上是Fe-Fe3C的狀態圖。2/3/2023

一、鐵碳合金狀態圖的建立

1）配制不同成分的鐵碳合金(表1-2)。

加熱溶化–緩慢冷卻時用熱分析法測定各合金的冷卻曲線。

2）在冷卻曲線上找出臨界點。

3）連接意義相同的臨界點2/3/2023

二、鐵碳合金狀態圖的分析

-

有四個基本相液相(L)、奧氏體相(A)、鐵素體相(F)和滲碳體相(Fe3C)。

1、狀態圖中特性點：有特定意義的點。A點（1538℃）-純鐵的熔點，0wc%C點（1148℃）-共晶點，4.3wc%

D點（1227℃）-滲碳體的熔點，6.69wc%E點（1148℃）-碳在奧氏體中的最大溶解度，2.11wc%P點（727℃）-碳在鐵素體中的最大溶解度，0.02wc%S點（727℃）-共析點，0.77wc%Q點（室溫）-碳在鐵素體中的溶解度，0.0008wc%G點(912℃)-α-Te

γ-Te同素異晶轉變點，0wc%2/3/2023ACD線—液相線。此線以上是液相區，又是結晶開始線

AECF線—固相線。合金冷卻到此線，將全部結晶成固態

2、狀態圖中特性線：組織轉變的界限。

ECF線—共晶線。含碳量2.11%-6.69%的金屬過此線發生共晶反應GS線—奧氏體在冷卻過程中析出鐵素體的開始線

ES線—碳在奧氏體中的溶解度曲線

PSK線—共析線。過此線發生共析反映析出珠光體PQ線—碳在鐵素體中的溶解度曲線2/3/2023鐵碳合金工業純鐵：含碳量小于0.02%的鐵碳合金。鋼：含碳量為0.02%—2.11%的鐵碳合金。鑄鐵：含碳量為2.11%—6.69%的鐵碳合金。◆鐵碳合金分類：根據含碳量的不同，可將鐵碳合金分為純鐵、鋼和鑄鐵。2/3/2023◆鋼：根據含碳量及組織組成物，可分為三種。共析鋼：S點，0.77％c，P100%；

亞共析鋼：S點左，0.0218～0.77％c，F+P；過共析鋼：S點右，0.77～2.11％c,P+Fe3CII；2/3/2023◆鑄鐵：根據按成分及組織組成物，可分為三種。

共晶鑄鐵：C點，4.3％c，L`d

亞共晶鑄鐵：C點左，2.11%—4.3％c，P+L`d+Fe3CII

過共晶鑄鐵：C點右，4.3%—6.69％c，L`d+Fe3CI2/3/2023共析鋼：動畫演示顯微組織圖→

亞共析鋼：動畫演示顯微組織圖→過共析鋼：動畫演示顯微組織圖→

三、鋼和鑄鐵在結晶過程中的組織轉變◆共析鋼、亞共析鋼和過共析鋼的結晶過程分析--鐵碳合金的典型合金。2/3/2023◆共晶、亞共晶和過共晶鑄鐵結晶過程分析

共晶鑄鐵：動畫演示顯微組織圖→

亞共晶鑄鐵：動畫演示顯微組織圖→過共晶鑄鐵：動畫演示顯微組織圖→2/3/2023第四節工業用鋼簡介鋼是含碳量小于2.11%的鐵碳合金。它主要由生鐵冶煉而成，是機械制造中應用最廣的金屬材料。

◆鋼分類：按化學成分分為碳素鋼和合金鋼兩種碳素鋼：含碳量在1.5%以下，并含有硅、錳、磷、硫等雜質

合金鋼：為改善鋼的某些性能，加入一種或幾種合金元素所煉成的鋼。◆含碳量對鐵碳合金組織和力學性能的影響

1、對平衡組織的影響：由狀態圖可知，鐵碳合金在室溫的組織都是由F和Fe3C兩相組成，隨C↑→F不斷↓→而Fe3C逐漸↑。

2、對力學性能的影響：隨著鋼中含碳量增加，鋼的強度、硬度升高，而塑性和韌性下降。2/3/2023鋼碳素鋼（<1.5%C）碳素結構鋼（0.38%C)優質碳素結構鋼(0.2-0.7%C用途廣）碳素工具鋼（T8等）合金鋼合金結構鋼合金工具鋼特殊性能鋼◆鋼類別樹狀圖：刃具鋼模具鋼9Cr2、CrWMn量具鋼不銹鋼耐熱鋼2Cr13、1Cr18Ni9耐磨鋼其它低合金結構鋼滲碳鋼調質鋼16Mn、20Cr彈簧鋼軸承鋼2/3/2023第三章鋼的熱處理◆熱處理與其他加工方法不同，他只改變金屬材料的組織和性能，而不以改變其形狀和尺寸為目的的。

第一節概述

熱處理的作用和地位。

熱處理：就是將鋼在固態下，通過加熱、保溫和冷卻，以改變鋼的組織，從而獲得所需性能的工藝方法。熱處理的加熱和冷卻設備。

◆熱處理特點：可提高零件的強度、硬度、韌性、彈性，同時，還可以改善毛坯或原材料的切削性能，使之易于加工。可見，改善性能、保證產品質量、延長壽命等不可缺少的工藝方法。

◆可知，鐵碳合金狀態圖是確定熱處理工藝的重要依據。

熱處理工藝曲線：溫度和時間為主要因素。冷卻方式有兩種。動畫演示例：熱處理原理-鋼加熱到相變點以上-共析鋼(0.77)奧氏體化過程。動畫演示2/3/2023◆熱處理依據：是A1,A3,Acm,三條臨界溫度點連線。因為鋼加熱在這三條線以上，有相變發生即奧氏體化。◆由鐵碳合金狀態圖，可得碳鋼在加熱和冷卻時的不同臨界溫度。◆加熱和冷卻速度對臨界點A1,A3,Acm,的影響：鋼加熱時相變溫度偏高，臨界溫度標為Ac1Ac3,Accm，冷卻時偏低，臨界溫度標為Ar1Ar3,Arcm。動畫演示。2/3/2023熱處理普通熱處理表面熱處理退火正火淬火回火表面淬火化學熱處理滲碳滲氮碳氮共滲其它熱處理形變真空激光◆常用熱處理方法：

2/3/2023第二節退伙和正火

一、退火：將鋼加熱、保溫，然后隨爐冷卻或埋入灰中使其緩慢冷卻,以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。目的：⑴降低硬度，以利于切削加工或其他種類加工；⑵細化晶粒，提高鋼的塑性和韌性；⑶消除內應力，并為淬火工序做準備。應用：鑄件、鍛件、焊接及其它毛坯的熱處理。2/3/2023

鋼的退火分為：

1、完全退火：將亞共析鋼加熱到Ac3線以上30—50℃，保溫后緩慢冷卻。主要用于ωc＞0.25%的亞共析鋼。

2、球化退火：將過共析鋼加熱到Ac1線以上20—30℃，保溫后緩慢冷卻。應用于共析和過共析鋼

動畫演示。

3、低溫退火：將鋼加熱到AC1以下，保溫后緩冷，以消除應力。低溫退火分為：1）去應力退火，2）再結晶退火。

2/3/2023去應力退火：是將鋼件加熱至低于Ac3的某一溫度（一般為500℃～650℃），保溫，然后隨爐冷卻，不引起組織變化。再結晶退火：消除沖壓件冷變形所產生的加工硬化（再結晶溫度以上150—250℃），降低硬度，恢復塑性。

◆碳鋼各種退火和正火工藝規范示意圖。

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二、正火：將鋼加熱到AC3以上30～50℃（亞共析鋼）或ACcm以上30～50℃，保溫后在空氣中冷卻，得到比退火更細的珠光體組織的熱處理工藝。◆應用：⑴取代部分完全退火。

⑵用于普通結構鋼的最終熱處理。⑶用于過共析鋼，以減少或消除網狀二次滲碳體，為球化退火作準備。目的：和退火基本相似，但正火得到的珠光體更細，成為索氏體（或細珠光體）。

◆碳鋼各種退火和正火工藝規