3第三章 金属材料的基本知识资料.docx

1、3第三章 金属材料的基本知识资料3-1-1 金属材料的性能 本节教材分析材料是机器的物质基础，金属材料的性能是选择材料的主要依据。因此本节从金属材料的使用性能和工艺性能来讨论材料的性能。本节内容从金属材料的物理性能、化学性能、力学性能和工艺性能四个方面研究，我们将它分为两个学时来讲述：第一学时包括金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能；第二学时包括金属材料的力学性能。 教学目标 一、知识目标1正确理解金属材料的物理性能中的有关概念。2正确理解金属材料的化学性能中的有关概念。3正确理解金属材料的工艺性能中的有关概念。4了解金属材料的性能对机械加工和机器的影响。二、能力目标培养学生分析问题和总结归

2、纳的能力。三、德育目标从知识是相互关联、相互补充的思想中，培养同学们建立事物是相互联系的唯物主义观点。 教学重点金属材料的物理、化学和工艺性能中的概念。 教学难点金属材料的性能对机械加工和机器的影响。 教学方法讲授法、分析归纳法 教学类型新授课 课时安排1课时 教学过程 学习目标完成过程一、导入新课我们都知道机器是由材料做成的，但是是不是所有的材料都能做同一机器呢？什么样的材料能做重型机械，什么样的材料能做小型机械呢？我们学习了这节课之后我们就可以解决这些问题。二、新课教学金属材料的性能是选择材料的主要依据。（一）金属材料的性能金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能。1工艺性能工艺性能是指金

3、属材料从冶炼到成品的生产过程中，在各种加工条件下表现出来的性能，如铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性和热处理性等。2使用性能使用性能是指金属零件在使用条件下金属材料所表现出来的性能。如力学性能（强度、硬度、塑性、韧性等）、物理性能（导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（抗氧化性、耐腐蚀性等）。金属材料的使用性能决定了它的使用范围。（二）金属材料的物理性能 金属的物理性能是金属所固有的属性，包括密度、熔点、导热性、热膨胀性等。1密度金属的密度即是单位体积金属的质量，其单位是kg/m3。2熔点金属从固体状态向液体状态转变时的温度称为熔点。3导热性金属材料传导热量的能力称为导热性。一般用热导

4、率（导热系数）表示，其单位是W/(mk)。导热性好的金属散热也好，可用来制造散热器。4热膨胀性金属材料在受热时体积会增大，冷却时则收缩，这种现象称为热膨胀性。5导电性金属材料传导电流的性能称为导电性。6磁性金属导磁的性能称为磁性。（二）金属材料的化学性能金属材料的化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能，如。1耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧、水蒸汽及其他化学介质腐蚀作用的能力称为耐腐蚀性。2抗氧化性金属材料抗氧化作用的能力称为抗氧化性。3化学稳定性化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性叫做热稳定性。（三）金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能是指金属材料所具

5、有的能够适应各种加工工艺要求的能力，它是力学、物理、化学性能的综合表现。包括铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性和热处理性等。1铸造性铸造是将熔融金属浇入与工件形状相应的铸造型腔内，待其冷却后，得到毛坯或零件的成形方法。2锻造性金属材料能否用锻造的方法制成优良锻造的性能，称为锻造性或可锻性。3焊接性焊接性是指金属材料对焊接成形的适应性，也就是指在一定的焊接工艺条件下金属材料获得优质焊接接头的难易程度。4切削加工性切削加工性是指金属材料被切削加工成零件的难易程度。金属材料的切削加工性，不仅与材料本身的化学成分、金相组织有关，还与刀具的几何参数等因素有关。三、小结 四、作业 3-1-2 金属材料的性

6、能 教学目标 一、知识目标1正确理解金属材料的力学性能中的有关概念。2掌握金属材料的屈服强度和抗拉强度。3掌握金属材料硬度的几种试验方法。4了解金属材料的拉伸试验。二、能力目标培养学生分析问题和总结归纳的能力。三、德育目标从知识是相互关联、相互补充的思想中，培养同学们建立事物是相互联系的唯物主义观点。 教学重点金属材料的力学性能中的有关概念。 教学难点金属材料的屈服强度和抗拉强度、材料硬度的几种试验方法。 教学方法讲授法、实验归纳法 教学类型新授课 课时安排1课时 教学过程 学习目标完成过程一、导入新课我们上次课学习了金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能，请同学们回答它们各自包括哪些内容？二

7、、新课教学（一）金属材料的力学性能1概念：金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的抵抗性能。2主要指标：金属材料的力学性能的主要指标是强度、塑性、韧性、硬度和疲劳强度等。3载荷和变形概念：金属材料在加工和使用过程中所受的作用力称为载荷（或称负荷或负载）。材料在受力作用时尺寸与形状的改变叫做变形。分类：根据载荷作用性质不同，可分为静载荷、冲击载荷和交变载荷。载荷与变形的关系可由拉伸试验测定。4拉伸试验（1）适用范围：拉伸试验是测定静态力学性能指标的常用方法。（2）试验过程：将材料制成标准试样，装在拉伸试验机上，对试样缓慢施加拉力，使之不断产生变形，直到拉断试样为止。（3）拉伸曲线：

8、根据拉伸试验过程中的载荷和对应的变形量关系可画出材料的拉伸曲线。拉伸曲线有脆性材料拉伸曲线和塑性材料拉伸曲线两种。如下图所示。载荷F 变形量l O 脆性材料的拉伸曲线 塑性材料的拉伸曲线图中的纵坐标表示载荷，横坐标表示变形量，可以从图上确定材料的常规力学性能指标。塑性材料拉伸曲线分为四个阶段：a弹性阶段（Op）：为直线，试样的变形为弹性变形，卸载外力后试样即恢复原状，对应的A点为弹性极限；b屈服阶段（es）：近似平线或波线，试样的变形为塑性变形，材料屈服时，在试件光滑表面上可以看到与杆轴线成45的暗纹，B点为屈服点；c强化阶段（sb）：为上升曲线，若继续变形，必须增大应力，D点为强度极限。d局

9、部变形阶段（颈缩阶段bk）：为下降曲线，试件变形集中在某一局部范围内，截面尺寸急剧缩小产生缩颈现象，E点为断裂点。脆性材料拉伸曲线特点：应力应变都很小；没有屈服阶段和缩颈现象；没有明显的直线段。（二）强度1概念：强度是指金属材料在静载荷（外力）作用下，抵抗变形和破坏的能力。抵抗外力的能力越大，则强度越高。2类型：3屈服强度由上图可知，当载荷增加到Fs时，如果不再继续增加载荷，则试样仍能伸长，这种现象叫屈服。将开始发生屈服现象时的应力，也即开始出现塑性变形时的应力，叫做屈服极限s。 sFs/A04抗拉强度当载荷超过Fs以后，试样将继续变形，载荷达到最大值后，试样产生缩颈，有效截面急剧减小，直至断

10、裂。抗拉强度是试样在断裂前所能承受的最大应力，用b表示。bFb/A0（三）塑性1概念：塑性是指金属材料在载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力2主要指标塑性的衡量指标是伸长率和断面收缩率。（1）伸长率伸长率是指试样拉断时的伸长量与原长度的百分比，用表示。 (l1l0)l0/100%（2）断面收缩率断面收缩率是指试样拉断时断口截面面积的收缩量与原截面面积的百分比，用表示。 (A1A0)A0/100% 通常情况下，材料的伸长率、断面收缩率越大，材料的塑性越好。（四）硬度1概念硬度是指金属材料表面抵抗比它更硬的物体压入其表面的能力。是金属材料表面上局部体积内抵抗变形和破坏的能力。2测定硬度的方法（1）

11、布氏硬度（HB）及其测定仪器：布氏硬度试验机方法：用直径为D的淬火钢球或硬质合金球，在规定的载荷F的作用下压入被测试件表面，保持一定的时间后卸除载荷，测定压痕直径，求出压痕球形的表面积，压痕单位表面积上所承受的平均应力即为布氏硬度值，用符号HBS（淬火钢球）或HBW（硬质合金球）表示。应用：用于测定未经淬火的铸铁、非铁（有色）金属、低合金结构钢等原材料及结构钢调质件的硬度。不能测试很硬（HBS450）、很薄及表面质量要求很高的工件。（2）洛氏硬度（HRC、HRB、HRA）及其测定仪器：洛氏硬度试验机方法：以锥角为120的金刚石圆锥体或直径为1.5875mm的淬火钢球为压头，以一定的载荷压入被测

12、试件表面，然后根据压痕的的深度不确定洛氏硬度值。在相同 的试验条件下，压痕深度越小，则材料的硬度越高。种类：根据试验用的硬度头与载荷的不同，洛氏硬度可分为HRC、HRB、HRA三种，其中以HRC应用最广。应用：可测定各种金属材料的硬度，也可测定较薄工件或表面薄层的硬度。（3）维氏硬度（HV）及其测定方法：维氏硬度测试原理与布氏硬度基本相同，也是根据压痕单位面积上的载荷来计量硬度值。它是以顶角为136的正四棱锥金刚石为压头，在较小的载荷（压力）F作用下压入被测试件表面，并按规定保持一定时间，然后用附在试验计上的显微镜测量压痕的对角线长度，直接从表中都查得维氏硬度值，用HV表示。特点：维氏硬度法所

13、测得的压痕轮廓清晰，数值较准确，维氏硬度值具有连续性(101000)HV，测量范围广，但测试手续较繁，生产率不如洛氏硬度高。应用：可测量较薄材料和表面硬化层的硬度，可测定从极软到极硬的各种金属材料的硬度，不适宜用于成批生产的常规检验。（五）韧性1概念；是指金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。2主要指标：材料的冲击韧性一般在一次摆锤冲击试验机上进行测试，测得试样在冲断时断口单位面积所消耗的冲击吸收功，称为冲击韧度或冲击值，常用k表示，其单位为J/cm2。（六）疲劳强度1疲劳破坏：交变载荷常常会使材料在小于其强度极限，甚至于小于其弹性极限的情况下，经多次循环后，在没有明显的外观变形下，发生断裂，这

14、种破坏称疲劳破坏（或疲劳断裂）。2疲劳强度：金属材料在无限多次交变载荷作用下而不被破坏的最大应力。交变载荷次数：钢为107次，有色金属为107次。三、小结 四、课堂练习五、作业3-2 金属材料的结构与结晶 本节教材分析金属材料的性能从本质上来说，是由其内部组织结构所决定。因此，掌握金属内部构造及其对金属材料性能的影响，对于选用和加工金属材料具有非常重要的意义。 教学目标 一、知识目标1了解晶体的有关概念，掌握三种典型金属晶格及其特性。2理解金属的结晶及过冷度对结晶的影响。3了解金属的结晶过程。4掌握金属的同素异构转变及铁的三种同素异构体。二、能力目标培养学生分析问题和总结归纳的能力。三、德育目

15、标从知识是相互关联、相互补充的思想中，培养同学们建立事物是相互联系的唯物主义观点。 教学重点三种典型金属晶格及其特性，铁的三种同素异构体。 教学难点金属的结晶过程。 教学方法讲授法、分析归纳法 教学类型 新授课 课时安排1课时 教学过程 学习目标完成过程一、导入新课为什么要研究结构？因为物质的结构决定物质的性能，如碳元素：金刚石、石墨、碳纤维、炭黑等等，包括热处理性能。二、新课教学（一）金属的晶体结构1根据原子在物质内部聚集状态的不同，物质可分为晶体和非晶体。非晶体：物质内部原子是无规则杂乱的堆积在一起。晶体：物质内部原子是有序地按一定规则排列的。一般固态金属和合金都是晶体。2晶格：表示原子在

16、晶体中排列规律的空间格架。3晶胞：能完整地反映晶格特征的最小几何单元。晶格可以看作是由许多大小和形状完全相同的晶胞紧密地堆垛在一起而成的。4晶格常数：晶胞各棱边的长度。 5晶向：任意两个原子中心的直线代表晶格空间的一定方向。6金属的晶格类型（1）体心立方晶格：晶胞为一个立方体，原子位于立方体的八个顶角和立方体的中心。常见的金属有铬、钒、钨、钼、铌、Fe及Fe。（2）面心立方晶格：晶胞为一个立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各一个原子。常见的金属有铝、铜、铅、镍及Fe。 （3）密排六方晶格：晶胞为一个六棱柱体，原子排列在柱体的每个角和上下底面的中心，另外还有三个原子在柱体的中间。常见的金属有

17、镁、铍、镉、锌。（二）纯金属的结晶过程1结晶：由液体凝固为晶体的过程，也就是原子由不规则排列的液体逐步过渡转变为有规则排列的固体晶体的过程。结晶过程是在恒温下进行的。2分析方法：热分析3 临界点：金属发生结构改变的温度。4过冷度：金属实际结晶温度与理论结晶温度之差。冷却速度越大，液态金属的实际结晶温度越低，过冷度越大。5液态金属的结晶过程是由晶核的形成和晶核长大的两个基本过程组成。液态金属冷却到凝固温度时，首先形成晶核，在继续冷却的过程中，晶核吸收周围的原子而长大成小的晶粒，与此同时，又有新的晶核不断形核和长大，直至相邻晶粒彼此接触，液态金属完全消失，结晶成金属晶体。大多数金属为多晶体。一般来

18、说，在常温下晶粒越细，金属材料的强度高、韧性好。6、细化晶粒的方法：增加过冷度、变质处理、附加机械振动。（三）金属的同素异构转变1概念：金属在固态下随着温度的变化，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。常见的金属有铁、钛等。2铁的同素异构转变液态纯铁在1538进行结晶，得到具有体心立方晶格的Fe，继续冷却到1394时发生同素异构转变，成为面心立方晶格的 Fe，再冷却到912时又发生一次同素异构转变，成为体心立方晶格的Fe。 纯铁的同素异构转变式为 Fe -Fe -Fe三、小结 四、课堂练习五、作业3-3-1 金属材料的塑性变形与再结晶 本节教材分析金属材料通过轧制、锻造、冷压等压力加工方法，使金属

19、产生塑性变形而获得各种成品或半成品。通过塑性变形不仅把金属材料加工成所需要的各种形状和尺寸的制品，而且还可以改善金属的组织和性能。 教学目标 一、知识目标1掌握金属的塑性变形及其类型。2理解金属塑性变形的影响因素。3了解冷塑性变形对金属的组织和性能的影响。4了解加工硬化在生产中的利弊。二、能力目标培养学生分析问题和总结归纳的能力。三、德育目标从知识是相互关联、相互补充的思想中，培养同学们建立事物是相互联系的唯物主义观点。 教学重点金属的塑性变形及其类型， 冷塑性变形对金属的组织和性能的影响。 教学难点金属塑性变形的影响因素，加工硬化在生产中的利弊。 教学方法讲授法、分析归纳法 教学类型 新授课

20、 课时安排1课时 教学过程 学习目标完成过程一、导入新课金属材料在承受压力加工的过程中，随外力的增加，可能发生三种情况：弹性变形，弹性塑性变形，破裂。对金属材料的组织性能影响最大的是弹性塑性变形中的塑性变形。二、新课教学（一）金属的塑性变形1概念：金属材料在外力作用下产生了变形，当外力去除后不能恢复的变形。金属材料多为多晶体，其塑性变形是由晶间变形和晶内变形两部分组成。2晶内变形（1）在金属晶粒内部发生的塑性变形称为晶内变形。（2）晶内变形的主要方式是滑移，即晶体的一部分沿着一定晶面和晶向相对于晶体的另一部分产生相对滑动。滑移通常是沿着晶格中原子密度最大的晶面（滑移面）和原子密度最大的晶向(滑

21、移方向)发生的。（3）不同晶格类型，其滑移面和滑移方向数目不同，滑移面和滑移方向越多，其塑性越好。在基本相的变形条件下，面心立方晶格金属的塑性优于体心立方晶格，体心立方晶格金属的塑性优于密排六方晶格。2晶间变形（1）金属晶粒间的塑性变形称为晶间变形。（2）晶间变形主要受晶界和晶粒间位向的影响。（3）晶界是晶粒间的过渡层，其原子排列较混乱，又常常聚集有杂质，故其变形抗力较大，阻碍了滑移的进行。由于多晶体中各个晶粒的位向不同，受外力作用时，有的晶粒处于有利于滑移的位置，有的晶粒处于不利于滑移的位置。当有利滑移的晶粒要发生滑移时，必然要受到周围位向不的其它晶粒的约束，使滑移阻力增大，从而提高了塑性变

22、形抗力。（4）在一定体积的晶体内，晶粒数目越多，晶粒越细，晶界也越多，并且晶粒的位向分布紊乱，因而塑性变形抗力增大，即强度也越高；同时，晶粒越细，在总变形量相同的条件下，变形被分散在较多的晶粒内进行，因而比较均匀，从而使其在断裂前能承受较大的塑性变形，表现出较高的塑性和韧性。金属的力学性能不仅与其原子间的结合力大小有关，还与晶粒大小有关。（二）冷塑性变形对金属组织性能的影响1冷塑性变形对金属性能的影响（1）冷塑性变形对金属性能的主要影响是造成加工硬化，即随着塑性变形程度的增加，金属的强度、硬度提高，而塑性、韧性下降。（2）加工硬化是强化金属材料的重要手段之一，同时，也是工件能够成型的重要原因。

23、但加工硬化降低了金属材料的塑性，因而使金属的继续变形遇到困难。冷塑性变形也会使某些物理、化学性能产生变化。2冷塑性变形对金属组织结构的影响在金属外力作用下，随着外形的变化，其内部的晶粒沿着变形的方向伸长。变形程度越大，则晶粒变形程度也越大。冷塑性变形除了使晶粒外形发生变化外，还会使晶体内部嵌镶尺寸碎化、晶格畸变加重、晶内缺陷增加，因而增加滑移阻力，即产生加工硬化。 三、小结四、课堂练习五、作业 3-3-2 金属材料的塑性变形与再结晶 本节教材分析金属材料通过轧制、锻造、冷压等压力加工方法，使金属产生塑性变形而获得各种成品或半成品。通过塑性变形不仅把金属材料加工成所需要的各种形状和尺寸的制品，而

24、且还可以改善金属的组织和性能。 教学目标 一、知识目标1掌握冷塑性变形后的金属在加热时要经历的三个阶段。2理解回复、再结晶的特点及再结晶温度。3掌握再结晶退火及其温度。4掌握金属的冷热加工的划分标准。5理解热加工的特点。二、能力目标培养学生分析问题和总结归纳的能力。三、德育目标从知识是相互关联、相互补充的思想中，培养同学们建立事物是相互联系的唯物主义观点。 教学重点冷塑性变形后的金属在加热时要经历的三个阶段，金属的冷热加工的划分标准。 教学难点回复、再结晶的特点，热加工的特点。 教学方法讲授法、分析归纳法 教学类型 新授课 课时安排1课时 教学过程 学习目标完成过程一、导入新课金属冷塑性变形后

25、产生了加工硬化，如何才能提高金属的塑性和韧性？二、新课教学（一）回复和再结晶冷塑性变形金属处于不稳定状态，它本身具有恢复到原来稳定状态的倾向。但在常温下，恢复过程很难进行。如将其加热到较高温度，就会发生一系列组织和性能的变化。在加热过程中，一般要经历回复、再结晶和晶粒长大三个转变阶段。1回复当冷塑性变形金属加热温度不太高时，原子的扩散能力虽然较低，但也能作短距离的扩散，所以晶格畸变程度大为减轻，从而使内应力大大下降。此时显微组织无明显变化，因而力学性能无明显变化，这个阶段称为回复。2再结晶（1）当冷塑性变形金属加热到较温度时，由于原子活动能力的增加，金属的显微组织便发生明显变化，由破碎的、拉长

26、或压扁的晶粒变为均匀细小的等轴晶粒，这一变化过程也是生核及核长大的过程，因此称为再结晶。（2）再结晶与其液态结晶及同素异构转变不同，它不发生晶体结构的变化，而只是消除因冷变形造成的各种晶体缺陷。再结晶结果使变形金属的组和性能重新恢复到冷塑性变形前的状态。（3）再结晶过程没有一个固定的转变温度，而是在一定温度范围内进行。金属的再结晶温度与其熔点有关。 T再0.4 T熔再结晶温度与预先变形度有关，预先变形度越大，再结晶温度越低。（4）再结晶退火在实际生产中，常把冷加工变形的金属加热到再结晶温度以上，使其发生再结晶，以消除加工硬化现象，使加工继续进行， 这一过程称为再结晶退火。再结晶退火的温度，一般

27、比该金属的再结晶温度高100200。（二）金属的热塑性变形1金属的冷塑性变形（冷加工）和热塑性变形（热加工）是以再结晶温度来划分的。在再结晶温度以下进行的变形加工称为冷加工；在再结晶温度以上进行的变形加工称为热加工。冷、热加工不是以人感觉到的温度高低来划分的。热加工并不意味着都要加热，冷加工也并不一定就不加热。2热加工的特点在其加工过程中，金属同时进行着两个过程：塑性变形和再结晶。热加工之后不留下加工硬化。3正确热加工正确的热加工，在使金属材料成型的同时，还可以改变材料的组织和性能。这是由于，通过热加工，可使金属毛坯中的气孔、缩孔大部分被焊合，铸态的疏松得到一定程度的消除，从而提高金属的致密程

28、度。其次，铸造时获得的粗大柱状晶，经过变形和再结晶，变为细小的等轴晶。同时，铸态金属中的夹杂物，其大小和分布也有所改善。这些夹杂物将沿着变形方向被拉长，且不能在回复再结晶时有所变化，形成热加工“纤维组织”。纤维组织的出现，使金属材料的性能，特别是抗拉强度、塑性和韧性，在不同方向上有明显的差异，即顺着纤维（纵向）方向性能较高，而在垂直（横向）方向上，共性能较低。三、小结四、课堂练习五、作业第四节 合金第一课时： 本节教材分析 本节介绍合金的基本知识，并着重介绍铁碳的基本相及组织，是同学们学习金属材料的必备知识。 教学目标 一、知识目标1、掌握合金的基本定义2、掌握合金的结构二、能力目标培养学生分

29、析问题和总结归纳的能力。三、德育目标从知识是相互关联、相互补充的思想中，培养同学们建立事物是相互联系的唯物主义观点。 教学重点。合金的相关定义及结构 教学难点合金的结构 教学方法讲授法、分析归纳法 课时安排课时 教学过程 学习目标完成过程新课教学一、合金的基本知识 1、合金是两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素熔合在一起具有金属特性的物质。如铜与锌熔合成黄铜合金，铁与非金属碳熔合组成铁碳合金，即钢铁。2、元组成合金的最基本的独立的物质叫做组元，简称为“元”。3、合金系组元及组元数目相同，改变组成组元的比例，可以配制出一系列合金，称为合金系。4、相合金中成分、结构、性能都相同并与其它部分有界面分开的均匀部分称为相。二、合金的结构 1、固溶体当合金由液态结晶为固态时，组元间仍像合金溶液那样互相溶解形成均匀一致的固体合金称为固溶体。固溶体的晶体结构是一种组元的晶格上分布着两种组元原子。组成固溶体的组元，在形成固溶体之后，晶格保持不变的称为溶剂，晶格消失的称为溶质。（1）、间隙固溶体溶质原子分布在溶剂晶格的间隙处时，所形成的固溶体称为间隙固溶体。只有溶质原子尺寸很小，溶剂的晶格间隙较大的条件下，才能形成间隙固溶体，如碳、氮、硼等非金属元素溶入铁中形成的固溶体即属于这种类型。间隙固溶体的溶质数量是有限的。（2）、置换