材料成型第一章

人們按照在使用中占主導地位的材料劃分歷史：石器時代→陶器→青銅器→鐵器→鋼鐵（資本主義大工業(yè)時期）→合成材料（20世紀）→復合材料（20世紀40年代）材料是人類生活和生產的物質基礎，是人類認識自然和改造自然的工具?？梢赃@樣說，自從人類一出現(xiàn)就開始了使用材料。材料的歷史與人類史一樣久遠。從考古學的角度，人類文明曾被劃分為舊石器時代、新石器時代、青銅器時代、鐵器時代等，由此可見材料的發(fā)展對人類社會的影響。材料也是人類進化的標志之一，任何工程技術都離不開材料的設計和制造工藝，一種新材料的出現(xiàn)，必將支持和促進當時文明的發(fā)展和技術的進步。從人類的出現(xiàn)到20世紀的今天，人類的文明程度不斷提高，材料及材料科學也在不斷發(fā)展。在人類文明的進程中，材料大致經歷了以下五個發(fā)展階段。

1．使用純天然材料的初級階段

在原古時代，人類只能使用天然材料（如獸皮、甲骨、羽毛、樹木、草葉、石塊、泥土等），相當于人們通常所說的舊石器時代。這一階段，人類所能利用的材料都是純天然的，在這一階段的后期，雖然人類文明的程度有了很大進步，在制造器物方面有了種種技巧，但是都只是純天然材料的簡單加工。

2．人類單純利用火制造材料的階段

這一階段橫跨人們通常所說的新石器時代、銅器時代和鐵器時代，也就是距今約10000年前到20世紀初的一個漫長的時期，并且延續(xù)至今，它們分別以人類的三大人造材料為象征，即陶、銅和鐵。這一階段主要是人類利用火來對天然材料進行煅燒、冶煉和加工的時代。例如人類用天然的礦土燒制陶器、磚瓦和陶瓷，以后又制出玻璃、水泥，以及從各種天然礦石中提煉銅、鐵等金屬材料，等等。3．利用物理與化學原理合成材料的階段

20世紀初，隨著物理學和化學等科學的發(fā)展以及各種檢測技術的出現(xiàn)，人類一方面從化學角度出發(fā)，開始研究材料的化學組成、化學鍵、結構及合成方法，另一方面從物理學角度出發(fā)開始研究材料的物性，就是以凝聚態(tài)物理、晶體物理和固體物理等作為基礎來說明材料組成、結構及性能間的關系，并研究材料制備和使用材料的有關工藝性問題。由于物理和化學等科學理論在材料技術中的應用，從而出現(xiàn)了材料科學。在此基礎上，人類開始了人工合成材料的新階段。這一階段以合成高分子材料的出現(xiàn)為開端，一直延續(xù)到現(xiàn)在，而且仍將繼續(xù)下去。人工合成塑料、合成纖維及合成橡膠等合成高分子材料的出現(xiàn)，加上已有的金屬材料和陶瓷材料（無機非金屬材料）構成了現(xiàn)代材料的三大支柱。除合成高分子材料以外，人類也合成了一系列的合金材料和無機非金屬材料。超導材料、半導體材料、光纖等材料都是這一階段的杰出代表。

從這一階段開始，人們不再是單純地采用天然礦石和原料，經過簡單的煅燒或冶煉來制造材料，而且能利用一系列物理與化學原理及現(xiàn)象來創(chuàng)造新的材料。并且根據需要，人們可以在對以往材料組成、結構及性能間關系的研究基礎上，進行材料設計。使用的原料本身有可能是天然原料，也有可能是合成原料。而材料合成及制造方法更是多種多樣。

4．材料的復合化階段

20世紀50年代金屬陶瓷的出現(xiàn)標志著復合材料時代的到來。隨后又出現(xiàn)了玻璃鋼、鋁塑薄膜、梯度功能材料以及最近出現(xiàn)的抗菌材料的熱潮，都是復合材料的典型實例。它們都是為了適應高新技術的發(fā)展以及人類文明程度的提高而產生的。到這時，人類已經可以利用新的物理、化學方法，根據實際需要設計獨特性能的材料。

現(xiàn)代復合材料最根本的思想不只是要使兩種材料的性能變成3加3等于6，而是要想辦法使他們變成3乘以3等于9，乃至更大。嚴格來說，復合材料并不只限于兩類材料的復合。只要是由兩種不同的相組成的材料都可以稱為復合材料。

5．材料的智能化階段

自然界中的材料都具有自適應、自診斷合資修復的功能。如所有的動物或植物都能在沒有受到絕對破壞的情況下進行自診斷和修復。人工材料目前還不能做到這一點。但是近三四十年研制出的一些材料已經具備了其中的部分功能。這就是目前最吸引人們注意的智能材料，如形狀記憶合金、光致變色玻璃等等。盡管近10余年來，智能材料的研究取得了重大進展，但是離理想智能材料的目標還相距甚遠，而且嚴格來講，目前研制成功的智能材料還只是一種智能結構。材料是一切事物的物質基礎材料、生物、能源、信息技術是現(xiàn)代文明的四大支柱一種新技術的實現(xiàn)，往往需要新材料的支持生活離不開材料，使用任何一種技術更離不開材料。如上所述，在20世紀中，材料經歷了五個發(fā)展階段中的三個階段，這種發(fā)展速度是前所未有的。總的說來，本世紀材料科學的發(fā)展有以下幾個特點:超純化（從天然材料到合成材料）、量子化（從宏觀控制到微觀和介質控制）、復合化（從單一到復合）及可設計化（從經驗到理論）。當前，高技術新材料的發(fā)展日新月異，材料科學的內涵也日益豐富，21世紀會出現(xiàn)什么樣的高技術材料，材料科學又將發(fā)展到何種程度，我們很難預料。工程材料的分類按組成特點分：金屬材料有機高分子材料無機非金屬材料復合材料按使用性能分：結構材料功能材料按使用領域分：信息材料能源材料機械工程材料建筑材料生物材料材料技術的發(fā)展趨勢

第一，從均質材料向復合材料發(fā)展。以前人們只使用金屬材料、高分子材料等均質材料，現(xiàn)在開始越來越多地使用諸如把金屬材料和高分子材料結合在一起的復合材料。

第二，由結構材料為方向往功能材料、多功能材料并重的方向發(fā)展。以前講材料，實際上都是指結構材料。但是隨著高技術的發(fā)展，其他高技術要求材料技術為它們提供更多更好的功能材料，而材料技術也不斷滿足這一要求。所以現(xiàn)在各種功能材料越來越多。

第三，材料結構的尺度向越來越小的方向發(fā)展。以前組成材料的顆粒，尺寸都在微米(100萬分之一米)方向發(fā)展的材料。由于顆粒極度細化，使有些性能發(fā)生了截然不同的變化。如以前給人以極脆印象的陶瓷，居然可以用來制造發(fā)動機零件。

第四，由被動性材料向具有主動性的智能材料方向發(fā)展。過去的材料不會對外界環(huán)境的作用作出反應，完全是被動的。新的智能材料能夠感知外界條件變化、進行判斷并主動作出反應。

第五，通過仿生途徑來發(fā)展新材料。生物通過千百萬年的進化，在嚴峻的自然界環(huán)境中經過優(yōu)勝劣汰，適者生存而發(fā)展到今天，自有其獨特之處。通過仿生學揭開其奧秘，會給我們以無窮的啟發(fā)，為開發(fā)新材料又提供了一條廣闊的途徑。Part1.金屬材料成型：鑄造、鍛壓、焊接Part2.金屬材料的機械制造：切削加工：車銑刨鉆磨等等第一章金屬材料與熱處理第一節(jié)金屬材料的機械性能第二節(jié)金屬的晶體結構與結晶

第三節(jié)鐵碳合金

第四節(jié)金屬的材料熱處理

第五節(jié)常用的金屬材料

工程材料的性能可分為：使用性能——在正常工作條件下，材料應具備的性能機械性能(力學性能)，物理性能，化學性能

工藝性能——材料在加工制造中表現(xiàn)出的性能，顯示了加工制造的難易程度

鑄造性，鍛造性，焊接性，切削加工性，熱處理性1.1金屬材料的機械性能

——材料在外力作用下表現(xiàn)出的性能，顯示了材料抵抗外力的能力。

（材料的力學性能通常是在試驗室內模擬生產條件來確定合適的試驗方法。利用不同的試驗方法來確定材料的力學行為特征及評定材料力學性能的指標。這些性能指標是材料設計、材料選用、工藝評定以及材料檢驗的重要依據。）常用的力學性能有：強度，剛度，塑性，硬度，韌性，疲勞強度和斷裂韌度，彈性機械性能(力學性能)1.1.1室溫下機械性能指標拉伸試驗拉伸曲線彈性變形——外力去除后能完全消失的變形塑性變形——外力去除后不能消失的變形變形過程：oe為純彈性變形階段外力去除后試樣完全恢復原狀e以上為彈塑性變形階段es為屈服階段外力不增加，試樣明顯伸長sb為大量塑性變形階段外力增加不多，試樣明顯伸長bk為縮頸階段試樣出現(xiàn)集中變形，抵抗外力能力下降ob為均勻變形F(N)FbFsFeoL%應力-應變曲線（σ-ε曲線）變換：F/S0=

σ(MPa)S0為試樣原始截面積(mm2)

L/L0=ε

（%）L0為試樣標距長度轉化：縱坐標：以應力σ表示，橫坐標：以應變ε表示，

怎樣比較不同材料抵抗外力能力的大?。縫esb抵抗彈性變形的能力等于材料彈性模量與零件截面積的乘積.衡量材料剛度的指標是彈性模量EE大,剛度越大,不易發(fā)生彈性變形E主要取決于材料中原子本性和原子間的結合力.剛度強度

——材料抵抗變形和破壞的能力比例極限：外力與變形成正比時的最大應力σp=Fp/So（測力計彈簧、槍炮彈簧）彈性極限：保持純彈性變形的最大應力σe=Fe/So（比σp稍大，彈性零件，一般不提此要求）屈服強度：產生屈服時的應力（屈服點）σs=Fs/So用于有明顯屈服現(xiàn)象的材料規(guī)定殘余伸長應力：產生0.2%殘余伸長率時的應力σr0.2

過去叫條件屈服強度：σ0.2抗拉強度：斷裂前最大載荷時的應力（強度極限）σb=Fb/So反應試樣最大均勻變形的抗力塑性

——產生塑性變形而不斷裂的能力斷后伸長率（延伸率）

δ=[(L1-L0)/L0]╳100%斷面收縮率

ψ=[(S0-Sk)/S0]╳100%δ和ψ越大，材料的塑性越好塑性對材料的意義：提高安全性2.便于壓力加工成型（板金件加工成型）布氏硬度試驗原理：HBS（HBW）=F/S=2F/πD[D-(D2-d2)1/2]不寫單位：kgf/mm2

采用淬火鋼球時，記為HBS

采用硬質合金鋼球時，記為HBW

當F的單位取N時，加系數0.102布氏硬度特點不同的測試結果怎樣才能有可比性？只要保證F/D2恒定，就可以保證壓痕的幾何形狀相似，則不同測試結果不變；常用F/D2=30,10,2.5D=10,5,2.5t=10,30,60布氏硬度測量的優(yōu)點：測量數值穩(wěn)定，準確

缺點：操作慢，不適用批量生產和薄形件布氏硬度適用于：鑄鐵，有色金屬退火、正火、調質處理鋼原材料，毛坯當HBS<450

時有效（HBW450-650)洛氏硬度試驗原理：HR=(k-h)/0.002不寫單位對金剛石圓錐壓頭k=0.2mm

對鋼球壓頭k=0.26mm洛氏硬度特點洛氏硬度測量的優(yōu)點：操作簡便，壓痕小可用于成品和薄形件

缺點：測量數值分散HRC洛氏硬度適用于：淬火鋼，調質鋼批生產零件當HRC20-70

時有效維氏硬度采用夾角為136的四棱錐體金剛石壓頭，在10~1000N的載荷作用下壓入材料表面，計算出單位壓痕面積上的力，為維氏硬度，HV韌性——材料抵抗沖擊載荷的能力沖擊韌性

αk

=Ak/SN（J/cm2）Ak——

沖擊吸收功（J）

（擺錘沖斷試樣所失去的能量，即對試樣斷裂所作的功）SN——

試樣缺口處截面沖擊吸收功對材料的意義：Ak

對材料內部缺陷很敏感，可用來鑒定材料的冶金質量、熱加工質量Ak

隨溫度降低而下降，可用來評定材料的冷脆現(xiàn)象（寒冷地區(qū)的機械）αk韌脆轉變溫度℃疲勞強度交變應力：大小、方向隨時間周期性變化的應力疲勞現(xiàn)象：材料在交變載荷長期作用下，無明顯塑性變形就斷裂tσtσ疲勞試驗疲勞曲線疲勞強度（疲勞極限）

——材料經無限多次應力循環(huán)而不斷裂的最大應力。它表示材料抵抗疲勞斷裂的能力。純彎曲疲勞極限用σ-1表示應力場強度因子KI=Yσ(a)1/2Y是裂紋形狀系數σ是外加拉應力a是裂紋半長度當KI較小時，裂紋穩(wěn)定擴展當KI>KIC（臨界值）時，裂紋加速擴展→斷裂

KIC=

Yσc(ac)1/2斷裂韌度KIC：材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展斷裂的能力斷裂韌度影響材料疲勞極限的因素：工作條件（溫度、環(huán)境、頻率、……）零件外形（尺寸變化、粗糙度、缺口、……）材質（組織、缺陷、夾雜、……）2aσσ1.1.2高溫下的機械性能指標1。高溫強度應力、應變、溫度和時間綜合作用的反映。蠕變極限金屬材料長期在高溫和載荷作用下抵抗塑性變形的能力持久極限金屬材料長期在高溫和載荷作用下抵抗斷裂的能力2。熱硬性金屬材料在高溫下保持較高硬度的能力磁性是設計、工藝上應考慮的重要性能能磁化材料不能磁化材料1.1.3金屬材料的物理、化學及工藝性能

密度ρ：單位體積的質量密度影響產品的重量、性能比強度σb

/ρ硬磁性材料：外加磁場去除后，材料磁性保留軟磁性材料：外加磁場去除后，材料磁性消失熔點是熱加工的重要工藝參數是設計選材的重要依據熱膨脹性（線膨脹系數α）是設計、工藝上應考慮的重要性能導熱性（導熱系數λ）是傳熱設備應考慮的重要性能防止材料內外溫差過大金屬越純→導熱性越好導電性（電阻率）是設計導電、絕緣零件的重要性能金屬越純→導電性越好溫度越高→導電性越差1。物理性能2.材料的化學性能主要有：

耐腐蝕性高溫抗氧化性

化學穩(wěn)定性金屬腐蝕的分類：化學腐蝕：由純化學反應引起氧化膜疏松→氧化深入→向內部腐蝕致密→腐蝕被抑制→保護內部金屬電化學腐蝕：由電化學反應引起防止腐蝕的辦法1)改變金屬成分（合金化）提高基體電極電位形成致密氧化膜獲得單相組織2)表面保護（覆蓋法）發(fā)藍，磷化，陽極化電鍍噴漆，搪瓷3)改善環(huán)境干燥氣體覆蓋法4)電化學保護法

→陰極保護利用電極電位更低的金屬保護零件，形成原電池，成為陽極被腐蝕3.工藝性能在加工、制造過程中表現(xiàn)出來的特性。包括：鑄造、壓力加工、焊接、切削加工、熱處理等方面性能。1.2金屬的晶體結構與結晶

★制造機器設備的主要材料是鋼和鐵，他們是以鐵和碳為主而組成的合金，要了解鋼和鑄鐵的本質，首先要了解純鐵的晶體結構。1.2.1金屬的晶體結構1.晶體和非晶體固態(tài)物質可分為晶體和非晶體兩大類。物質內部的原子按一定規(guī)律在空間排列的稱為晶體，如冰、金剛石、固態(tài)金屬與合金；不規(guī)律在空間排列則是非晶體，如瀝青、玻璃。2。金屬的晶體結構以各原子中心的一些假想連線把它們在三維空間的幾何排列形式描繪出來，成為一個空間格架，這種表示晶體中原子排列形式的空間格子叫做晶格。由于晶體中原子重復排列的規(guī)律性，可以從晶格中確定一個最基本的單元來表達其排列形式的幾何特征，組成晶體的這種最基本的幾何單元叫做晶胞。晶格晶胞3.常見金屬的晶格結構Cr、Mo、W、V、-Fe、-FeCu、Ni、Ag、AuMg、Be、Zn、-Ti、-Cr體心立方晶格：面心立方晶格：密排六方晶格：4。實際金屬的晶體結構①單晶體與多晶體單晶體即原子排列得非常整齊，晶格位向完全一致，且無任何缺陷存在。多晶體即由許多位向不同的晶體組成，且其內部還存在著多種晶體缺陷。②金屬的晶體缺陷Ⅰ、點缺陷Ⅱ、線缺陷

Ⅲ、面缺陷

空位間隙原子點缺陷示意圖線缺陷示意圖面缺陷金屬的結晶就是金屬液轉變?yōu)榫w的過程。1。金屬結晶的溫度

純金屬的結晶是在一定溫度下進行的，在冷卻曲線上出現(xiàn)一段水平段，見純金屬的冷卻曲線。即：時間變化，固體增加，但金屬的溫度并不下降，這是由于金屬結晶時放出熱量，致使溫度不下降。理論結晶溫度a實際結晶溫度b1.2.2純金屬的結晶純金屬的冷卻曲線過冷度—理論結晶溫度和實際結晶溫度不一樣，實際結晶溫度低一些，這種現(xiàn)象叫過冷，溫度差叫過冷度

純鐵的冷卻曲線1394℃1534℃10006008001200溫度時間16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe2.金屬結晶過程的基本規(guī)律晶核不斷的形成和長大。

**金屬晶核形成方式自發(fā)晶核—形成晶粒原子自發(fā)地聚集在一起形成自發(fā)晶核，金屬的冷卻速度越快，自發(fā)的晶核越多外來晶核(非自發(fā)形核)—形成晶粒金屬液中高熔點的雜質起晶核的作用**金屬晶核長大的方式—取決于過冷度,小規(guī)則外形,大枝晶晶軸—晶核形成后會長大，但各方向速度不一樣，會形成晶軸，晶軸有一次晶軸，兩次晶軸等，呈樹枝狀長大。

晶界—晶粒之間的接觸面，晶粒的外形是不規(guī)則的，晶粒的內部原子排列的位向也各不相同。金屬晶粒的粗細對金屬力學性能影響很大，一般說，同一成分的金屬晶粒越細，其強度越高，硬度也越高，塑性韌性也越好。晶核越多，晶粒越細。細化鑄態(tài)金屬晶粒的主要途徑：

1）過冷細化：加快冷卻速度，以增加晶核；

2）變質處理：加入變質劑，以增加外來晶核另外，還可用熱處理，或壓力加工的方法細化固態(tài)金屬的晶粒。3.金屬晶粒的細化方法晶粒大小對金屬機械性能影響較大，在常溫下工作的金屬其強度、硬度、塑性和韌性，一般是隨晶粒細化而有所提高的。影響晶粒大小的因素有：形核率N，長大速度G，形核率N大，而長大速度G相對小，則晶粒愈細，即N與G的比值大則晶粒細。1）過冷度：ΔT大，ΔF大，結晶驅動力大，形核率和長大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N與G的比值，晶粒變細，但過冷度過大，對晶粒細化不利，結晶發(fā)生困難。見圖

2）變質處理：在液態(tài)金屬結晶前，特意加入某些合金，造成大量可以成為非自發(fā)晶核的固態(tài)質點，使結晶時的晶核數目大大增加，從而提高了形核率，細化晶粒的處理方法。

影響晶核形成和長大的因素成核速率、長大速度與過冷度的關系

1.2.3金屬的同素異晶轉變金屬在固態(tài)下隨著溫度改變由一種晶格轉變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱為同素異晶（構）轉變。純鐵發(fā)生同素異構轉變的冷卻曲線。在1394～1538℃的溫度區(qū)間，純鐵是體心方晶格，稱為δ-Ｆｅ；在912～1394℃的溫度區(qū)間是面心立方晶格，稱為γ-Ｆｅ；在912℃以下為體心立方晶格，稱為α-Ｆｅ。固態(tài)純鐵從高溫到低溫的冷卻過程中，發(fā)生了兩次同素異構轉變。金屬的同素異構轉變過程是與液態(tài)金屬的結晶過程相似，同樣遵守結晶的形核和晶核的生長。

1.3.1合金的基本概念和結構1?；靖拍?）合金—兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬和非金屬元素熔合在一起，構成具有金屬特性的物質，稱為合金。機械中大量使用合金的原因：i.合金比純金屬強度、硬度高，且成本低。ii.可