1、绪论引入： 材料 金属材料 机械行业本课程的重要性主要内容：金属材料的基本知识（晶格结构及变性） 金属的性能（力学及工艺性能） 金属学基础知识（铁碳相图、组织） 热处理（退火、正火、淬火、回火） 学习方法：三个主线 重要概念掌握 基本理论 成分 组织 性能 用途 热处理 理论联系实际引入：内部结构决定金属性能 内部结构？第一章：金属的结构与结晶1-1 金属的晶体结构学习目的：了解金属的晶体结构重点: 有关金属结构的基本概念：晶面、晶向、晶体、晶格、单晶体、晶体，金属晶格的三种常见类型。难点：金属的晶体缺陷及其对金属性能的影响。一、晶体与非晶体1、晶体：原子在空间呈规则排列的固体物质称为“晶体”
2、。（晶体内的原子之所以在空间是规则排列，主要是由于各原子之间的相互吸引力与排斥力相平衡的结晶。） 规则几何形状 性能特点： 熔点一定 各向异性2、非晶体：非晶体的原子则是无规则、无次序的堆积在一起的（如普通玻璃、松香、树脂等）。二、金属晶格的类型1、晶格和晶胞晶格：把点阵中的结点假象用一序列平行直线连接起来构成空间格子称为晶格。晶胞：构成晶格的最基本单元2、晶面和晶向晶面：点阵中的结点所构成的平面。晶向：点阵中的结点所组成的直线由于晶体中原子排列的规律性，可以用晶胞来描述其排列特征。（阵点（结点）：把原子（离子或分子）抽象为规则排列于空间的几何点，称为阵点或结点。点阵：阵点（或结点）在空间的排
3、列方式称晶体。） 晶胞 晶面 晶向3、金属晶格的类型是指金属中原子排列的规律。7个晶系 14种类型最常见：体心立方晶格、面心立方晶格 、密排六方晶格（1）、体心立方晶格：(体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体，并且在立方体的体中心还有一个原子 )。属于这种晶格的金属有：铬Cr、钒V、钨W、钼Mo、及-铁-Fe所含原子数 1/88+1=2（个）（2）、面心立方晶格：面心立方晶格的晶胞也是由八个原子构成的立方体，但在立方体的每个面上还各有一个原子。 属于这种晶格的金属有：Al、Cu、Ni、Pb（Fe）等所含原子数 1/88+61/2=4（个）（3）、密排六方晶格：由12个原子构成的简单六方晶
4、体，且在上下两个六方面心还各有一个原子，而且简单六方体中心还有3个原子。 属于这种晶格的金属有铍（Be）、Mg、Zn、 镉（Cd）等。所含原子数 1/662+1/22+3=6（个）三、单晶体与多晶体金属是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的小晶体组成的， 1、晶界：晶粒间交界的地方称为晶界。2、单晶体：只由一个晶粒组成的晶体。（晶格排列方位完全一致。必须人工制作，如单晶硅。）3、多晶体：整个物体是由许多杂乱无章的排列着的小晶体组成的。（普通金属材料都是多晶体）四、晶体的缺陷1、晶体缺陷：晶体中出现的各种不规则的原子堆积现象。1）点缺陷空位、间隙原子和置代原子 晶体中的空位、间隙原子、杂质原
5、子都是点缺陷。影响: 使材料强度硬度电阻增加2）线缺陷位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的位错局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。影响:使金属材料的塑性变形更加容易3）面缺陷 晶界和亚晶界影响: 使金属变形阻力增大，晶界越多，金属材料力学性能越好1-2纯金属的结晶学习目的：掌握金属结晶的概念，纯金属冷却曲线、及过冷度。掌握纯金属的结晶过程。熟悉掌握晶粒大小对金属力学性能的影响及常用细化晶粒的方法。同素异构转变的概论，掌握铁的同素异构转变式。教学重点与难点：细化晶粒的方法及晶粒大小对力学性能的影响是教学的难点。纯金属冷却曲线及过冷度是教学重点。教学过程复习旧课：1
6、、晶体结构的概念。2、常见的三种金属晶格类型。3、晶体的缺陷。导入新课：金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的固体的过程称为结晶。一、纯金属的结晶过程1、纯金属的冷却曲线及过冷度。1）金属的结晶必须在低于其理论结晶温度（熔点To )下才能进行。2）理论结晶温度和实际结晶温度之差称这“过冷度”（T=To-T1）。3）金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关。（冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。）2、纯金属的结晶过程在一定过冷度的条件下，金属液通过晶核形成 、晶核长大形成枝晶来完成其结晶过程。如课本图示。晶核产生（形核） 长大二、晶粒大小对金属材料的影响（一般室温下，细晶粒
7、金属具有较高的强度和韧性。）1、金属晶粒大小取决于结晶时的形核率 、长大速度。细化晶粒，则要形核率越高、长大速度越慢。2、常用的细化晶粒的方法：增加过冷度 变质处理 振动处理。三、同素异构转变1、金属在固态下，随温度的改变有一种晶格转变为另一晶格的现象称为同素异构转变。2、具有同素异构转变的金属有：铁、钴、钛、锡、锰等。同一金属的同素异构晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母，等表示。3、纯铁的同素异构转变：1538 1394 912 -Fe - Fe Fe 体心 面心 体心4、金属的同素异构转变，也称为“重结晶”。 其与液态金属结晶有许多相似处：有一定转变温度，有过冷现象； 有潜
8、热放出和吸收 ； 也由形核、核长大来完成。 不同处：属固态相变 ， 转变需较大的过冷度；新晶核优先在原晶界处形核；转变中有体积的变化，会产生较大内应力。【小结】【作业】P11 4、5、6第二章 金属材料的性能学习目的： 理解金属材料性能（工艺性能、使用性能）的概念、分类。掌握强度的概念及其种类、应力的概念及符号。掌握拉伸试验的测定方法；力伸长曲线的几个阶段；屈服点的概念。教学重点与难点1、理解力伸长曲线是教学重点；2、强度、塑性是教学难点。2-1 金属材料的损坏与塑性变形 弯曲零件常见损坏形式 断裂 （ 不利 ） 磨损有利面：（塑性变形）：成型 强化（改善组织性能）一、与变形相关的几个概念1、
9、载荷（金属材料所受外力）载荷可分为：静载荷、冲击载荷、交变载荷。2、内力材料受外力时，为使其不变形，材料内部产生一种与外力相抗的力。3、应力的概念。横截面上的内力二、金属的变形外力作用下：弹性变形 弹-塑性变形 断裂塑性变形的影响因素：1、晶粒位相的影响 2、晶界的作用 3、晶粒大小的影响三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化加工硬化：有利面：强化金属 不利面：再加工（切屑，进一步加工）困难2-2金属的力学性能学习目的：了解疲劳强度的概念。 掌握布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度的概念、硬度测试及表示的方法。掌握冲击韧性的测定方法。教学重点与难点布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度的概念、硬度测试及表示的方法。
10、教学过程：力学性能的概念：力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的性能。力学性能包括：强度、硬度、塑性、硬度、冲击韧性。一、强度： 概念：金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。强度的大小用应力来表示。 根据载荷作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。1、拉伸试样：拉伸试样的形状一般有圆形和矩形。Do：直径 Lo：标距长度 长试样：Lo=10do 短试样：Lo=5do力-伸长曲线： 如下图，以低碳钢为例纵坐标表示力F，单位N；横坐标表示伸长量L，单位为mm。（1）oe：弹性变形阶段：试样变形完
11、全是弹性的，这种随载荷的存在而产生，随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。Fe为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力。（2）es：屈服阶段：不能随载荷的去除而消失的变形称为。在载荷不增加或略有减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫做屈服。屈服后，材料开始出现明显的塑性变形。Fs称为屈服载荷（3）sb：强化阶段：随塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或称加工硬化）。Fb：试样拉伸的最大载荷。（4）bz：缩颈阶段（局部塑性变形阶段） 当载荷达到最大值Fb后，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈”。工程上使用的金属材料，多数没有明显的屈服现象，有些脆性材料，不但没有屈服现象，而
12、且也不产生“缩颈”。如铸铁等。3、强度指标：（1）屈服点：在拉伸试验过程中，载荷不增加（保持恒定），试样仍能继续伸长时的应力称为屈服点。 用符号Fel表示 ，计算公式：Fel=Fs/So 对于无明显屈服现象的金属材料可用规定残余伸长应力表示，计算公式：0.2=F0.2/So屈服点s和规定残余伸长应力0.2都是衡量金属材料塑性变形抗力的指标。材料的屈服点或规定残余伸长应力是机械零件设计的主要依据，也是评定金属材料性能的重要指标。（2）、抗拉强度:b材料在断前所能承受的最大应力. b = Fb / So 注：零件在工作中所受的应力,不允许超过b,否则会断裂. 它也是零件设计选材的重要依据. 二、塑
13、性：断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性。塑性由拉伸试验测得的。常用伸长率和断面收率表示。1、 伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。用表示：计算公式：A=(l1-l0)/l0 100%2、 断面收缩率：试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率。用表示 Z=(SO-S1)/SO 100%金属材料的伸长率（）和断面收缩率（）数值越大，表示材料的塑性越好。例、有一直径dO=10mm，lo=100mm的低碳钢试样，拉伸验时测得FS=21KN，Fb=29KN，d1=5.65mm，l1=138mm，求：Rel、Rm、A、Z。解：（1）计算SO，S1
14、 S0=d02/4 =3.14102/4=78.5mm2S1=d12/4 =3.145.652/4=25mm2（2）计算s、bFel=FS/SO=21103/78.5 =267.5MpaFm= Fb/SO=29103/78.5 =369.4Mpa（3）计算A、ZA=(l1-l0)/l0100%=(138-100)/100100%=38%Z=(S0-S1)/S0100%=(78.5-25)/78.5100%=68%小结：抗拉强度是零件设计选材的重要依据.A、Z的值越大，表示材料的塑性就越好。作业：P32 3、4、5复习：强度、塑性的概念及测定的方法。新课：三、硬度材料抵抗局部变形特别是塑性变形压
15、痕或划痕的能力称为硬度。（是衡量材料软硬程度的指标）根据硬度的试验方法可以把硬度分为：布氏硬度试验方法、洛氏硬度试验方法、维氏硬度试验方法。1、布氏硬度（1）布氏硬度的测试原理：用一定直径的球体（钢球或硬质合金），以规定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，然后用测量表面压痕直径来计算硬度。用HBS（HBW）表示，S表示钢球、W表示硬质合金球当F、D一定时，布氏硬度与d有关，d越小，布氏硬度值越大，硬度越高。（2）布氏硬度的表示方法：符号HBS之前的数字为硬度值符号后面按以下顺序用数字表示条件：1）球体直径；2）试验力；3）试验力保持的时间（1015不标注）。应用范围：主要适于灰铸
16、铁、有色金属、各种软钢等硬度不高的材料。缺点：耗时，测高硬度材料有限，压痕大，不宜成品及薄件 布氏硬度试验原理图 洛氏硬度试验原理图 练习、170HBS10/100/30 530HBW5/750（1）表示用直径10mm的钢球，在9807N的试验力作用下，保持30S时测得的布氏硬度值为170。（2）表示用直径5mm的硬质合金球，在7355N的试验力作用下，保持105s时测得的布氏硬度值为530。2、洛氏硬度（1）测试原理：采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头，压入金属表面后，经规定保持时间后即除主试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。表示符号：HR（2）标尺及其适用范围：每一标尺用一个字母在洛氏硬
17、度符号HR后面加以注明。常用的洛氏硬度标尺是A、B、C三种，其中C标尺应用最为广泛。见表：P21 2-2不同标尺的洛氏硬度值不能直接进行比较，可换算。表示方法：符号HR前面的数字表示硬度值，HR后面的字母表示不同洛氏硬度的标尺。（3）优缺点：优点：操作简单迅速，能直接从刻度盘上读出硬度值；压痕小，可测成品及较薄工件；测硬度范围大。缺点：数值波动大3、维氏硬度。（1）原理：与布氏硬度试验相同。测量压痕对角线长度，从表中查出。表示：与布氏硬度相同。如：640HV30表示用294.2N试验力，保持10S15S测定的维氏硬度值为640。（2）可测较薄的材料，也可测量表面渗碳、渗透层的硬度，可测定很软到
18、很硬的各种金属材料的硬度、准确。二、冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。1、常用一次摆锤冲击弯曲，试验来测定金属材料的冲击韧性。（1）冲击试验是利用能量守恒原理：试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤冲击试样前后的冲击势能差。（2）试样被冲断时所吸收的能量既是摆锤冲击试样所作的功，称为冲击吸收功。 符号用 AK 表示。AK=GH1-GH2=G(H1-H2)（3）冲击吸收功（AK）除以试样缺口处的截面积（S0),即可得到材料的冲击韧度，用符号aK表示。aK = AK / S0 ； 单位 J / Cm2（4）冲击韧度：是冲击试样缺口处单位横截面积上的冲击吸收功。 aK 值越大，
19、表示材料的冲击韧性越好。（5）实践中，绝大多数受冲击载荷的工件是在小能量多次冲击作用下而破坏的。（多次冲击损伤的积累 裂纹产生、扩展而引至的结果） 注：金材受大能量的冲击载荷作用时，其冲击抗力主取决于ak大小。而小能量多次的冲击载荷作用，其冲击抗力主取决于材料的强度和塑性。三、 疲劳强度1、疲劳概念：在交变应力作用下，零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。2、疲劳破坏的特征 、疲劳断裂时无明显的宏观朔性变形，断裂前没有预兆，而是突然破坏；、引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点；、疲劳破坏的宏观断口由两部分组成。小结：硬度
20、的试验原理及表示方法。作业：P32 6、7、8第三章 铁碳合金3-1 合金及其组织教学目的：1、掌握合金的概念及无相的概念2、掌握合金的组织概念、性能特点。3、掌握固溶解，金属化合物质、混合物 教学重点与难点：掌握合金的概念是教学重点。掌握三种合金组织的名称及性能是教学难点。教学过程：新课1、合金的概念：合金是一种金属元素与其它金属元素可非金属元素通过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。例如：普通黄铜是由铜锌两种金属元素组成的合金，碳素钢是由铁和碳组成的合金。2、 组元或元的概念：组成合金的最基本的独立物质称为组元或元。硬铝是由铝、铜、镁或铝、铜 、锰组成的三元合金。（合金中元数目的多
21、少，合金可分为：二元、三元、多元合金。）3、相的概念在合金中成分、结构及性能相同的的组成部分称为相。 注：合金的性能一般都是由组成合金的各相性能、数量、各相组合情况所决定。4、组织：所谓合金的组织，是指合金中不同相之间相互组合配置的状态。合金中各组元之间结合方式不同，合金组织可分为：一、固溶体固溶体是一种组元的在子深入另一组元的晶格中所形成的均匀固相。溶入的元素称为溶质，而基体元素称为溶剂。固溶体仍然保持溶剂的晶格类型。1、分类：溶质原子在溶剂晶格中分布情况不同，可分为： 1）、间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中而形成的固溶体称为间隙固溶体。2）、置换固溶体溶质原子置换了溶剂晶格结点上某
22、些原子而形成的固容体称为置换固溶体。2、性能影响： 材料塑性变形抗力 强、硬度的现象称“固溶强化”（强化金材的重要途径）。二、金属化合物合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。其性能物特点是熔点高，硬度高，脆性大。金属化合物能提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韧性会降低。三、混合物： 两种或两种以上的相按一定质量分数组成的机械混合物质。 -各相仍保持自己原来的晶格；其性能取决于各相的性能、形态、数量、大小。小结 ： 本次课讲解了工业上强化金属材料的重要手段分别有- 1 形变强化； 2 细化晶粒； 3 固溶强化； 4 弥散强化3-2 铁碳合金相图教学目的：1、掌握铁碳合金
23、相图，简化图各区域组织符号及名称。2、掌握铁碳合金相图重要点线的含义，特别是共晶点，共析点及转变式。3、熟悉掌握铁碳合金的分类。教学重点与难点：1、教学重点与难点是简化相图各区域的组织符号及转变。教学过程：复习：铁碳合金的五种基本组织：铁素体（F、 Fe）、奥素体（A、- Fe）、渗碳体(Fe3C)、珠光体（P）、莱氏体（Ld）导入新课： 铁碳合金是现代工业中应用最广泛的金属材料。不同成分的铁碳合金，在不同温度条件下，具有不同的组织和性能；因此其应用和工艺处理应有不同的选择。为了解铁碳合金成分、组织和性能之间的关系，必须认识铁碳合金相图。一、铁碳合金相图的组成。 1、铁碳合金相图是表示在缓慢冷
24、却（或缓慢加热）条件下，不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形。2、FeFe3C相图中点、线的含义。（1）点的含义：A点：纯铁的熔点，15380CD点：渗碳体的熔点，12270CC点：共晶点，11480C LC (A+Fe3Ci)E点：C在-Fe中最大溶解度，C=2.11G点：纯铁的同素异构转变点，9120C，Fe FeS点：共析点， As P（F+Fe3C）(2)线的含义：ACD线：液相线，在此线的上方所有的铁碳合金都为液体。AECF线：固相线，在此线的下方所有的铁碳合金都为固体。在ACD线与AECF线之间是结晶区，即过渡区。GS线：从A中析出F的开始线，又称A3线ES线：C在A中溶
25、解度曲线，亦称为Acm线。ECF：共晶线，温度为11487270C。PSK线：共析线，7270C ，A1线3、铁碳合金的分类（1） 钢：0.0218%C2.11%的铁碳合金亚共析钢：0.0218%C0.77%共析钢：C=0.77%过共析钢：0.77%C2.11%（2） 白口铸铁：2.11%C6.69%亚共晶白口铸铁：2.11%C4.3%共晶白口铸铁：C=4.3%过晶白口铸铁：4.3%C6.69%F：小结G：布置作业：1、简画出铁碳合金相图。2、解释共晶转变和共析转变。 3-3 碳素钢教学目的：1、掌握碳素钢的概念；2、掌握Si、Mn、S、P对钢的性能影响；3、掌握碳素钢的分类方法；4、掌握碳素
26、钢结构钢的牌号及用途。教学重点与难点：1、碳素钢的分类是教学重点；2、碳素钢的常存元素对钢的性能影响是教学难点。教学过程： 碳素钢的概念：含碳量大于0.0218%小于2.11%，且不含有特意加入合金元素的铁碳合金，称为碳素钢或碳钢。 一、常存元素对钢的性能的影响1、硅1）来源：炼钢后期作脱氧剂带入；2）对钢的性能影响：提高钢的强度、硬度；3）是钢中的有益元素。2、锰1）来源：炼钢脱氧剂。2）对钢的性能影响：提高钢的强度与硬度。3）是钢中的有益元素。3、硫1）来源：生铁带入；2）对钢的性能影响：对钢造成热脆性；3）是钢中的有害元素。4、磷1）来源：生铁带入；2）对钢的性能影响，对钢造成冷脆性；3
27、）是钢中的有害元素。二、碳素钢的分类1、按钢的含碳量分类：1）低碳钢：C0.25%2） 中碳钢：0.25%C0.6%3）高碳钢：C0.6%2、按钢的质量分类：1）普通钢：S0.05%，P0.045%2）优质钢：S0.035%，P0.035%3）高级优质钢：S0.025%，P0.025%3、按钢的用途分类：1）结构钢：主要用于制造各种机械零件和工程构件。C0.7%2）工具钢：主要用于制造各种刀具、模具和量具。其含碳量大于0.70%4、按冶炼时脱氧程度的不同分类1）沸腾钢 2、镇静钢 3、半镇静钢 三、碳素钢的牌号及用途1、 碳素钢结构钢：1）牌号：Q屈服点数值，质量等级符号和脱氧方法符号；2）性能：一般；3）应用：厂房、桥梁、船舶、铆钉、螺钉、螺母等。4）例如：Q235-A?F：表示屈服点为235Mpa的A级沸腾钢。四、碳素钢的牌号及用途1、优质碳素结构钢：1）牌号：用两位数字表示钢中平均含碳量的万分之几。2）、分类：（1）、0825钢，属于低碳钢 性能：强度、硬度较低、塑性、韧性及焊接性良好； 用途：冲压件、焊接结构件及渗碳件
