金属工艺学课件

1、1,金属工艺学,主讲：马中全 副教授,实习学时：60 实验学时：6 讲课学时：26,山东建筑大学 工程训练中心,2,金 属 工 艺 学,马中全,3,绪 论,世界四大材料：钢铁、木材、塑料、水泥 (如生产一根“轴”,材料分：金属材料、非金属材料、复合材料,金属材料指钢铁、有色金属等材料,非金属材料无机高分子材料（陶瓷、水泥、 木材等），有机高分子材料（如塑料、橡胶）， 复合材料-玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材料,现在新材料-纳米材料、智能材料,4,材料按物质结构不同分： 金属材料、非金属材料（有机高分子材料和陶瓷料)、复合材料 材料按用途不同分： 机械工程材料、土木工程材料、电工材料、电子材料

2、 材料按功能不同分： 结构材料、功能材料、磁性材料等,5,材料发展概括,天工开物明朝科学家：宋应星 箸,石器时代,陶器时代,铜器时代,司母戊鼎（公元前1116世纪）11307801100,战国编钟（前475221年）65个 总重2500Kg,天然石，兽骨，树枝,泥巴（日晒原始陶器；火烧瓷器用具,铁器时代 沧州大狮（公元953年 ）重50T ,长5.3m,宽3m,人工复合材 料,塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等,本草纲目,农政全书,李时珍,徐光启,智能材料,6,沧州铁狮铸造于公元953年。铁狮子通高5.78米，身长6.5米，体宽3.17米，重约40吨,7,本课程的性质和目的,2、目的,a

3、获得有关金属热处理、金属材料的基本知识,c 具有选择零件材料的能力，确定加工工艺路线的能力,d 为后续课程和从事技术工作打下基础,1、性质,特点：杂，多，广，逻辑性差,本课学习方法是：预习 、笔记 、复习、讨论问题 本教材的重点：常见的材料牌号及应用，钢的热处理,8,第一章 金属材料的力学性能,Mechanics properties of metals,金属材料的性能,使用性能力学、物理、化学,工艺性能铸造、锻压、焊接、切削加工,力学性能：受外力作用下所表现出的性能。不能说：机械性能,判据 如： 强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等,第一节 强 度 与 塑 性,一、强度 strength,概念

4、：强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂 的能力。通过拉伸试验测得大小。见教材P5,强度判据：屈服点 （屈服强度）、 抗拉强度,9,L0,LK,d0,拉断前试样,拉断后试样,试样按GB639786制取，分长试样L0=10d0,短试样 L0=5d0,说明,b,k,s,e,拉伸力 F,O,伸长量 L,Fs,Fb,Fe,低碳钢的力伸长曲线,F,F,10,说明： 单位面积上的内力称应力。读sigm,L长度 Length 单位：mm,A截面积 Area 单位：mm2,F外力 Force 单位：N,s屈服点的值 单位 ：MPa（兆帕）mega pascal,屈服点,概念：力不增加仍能继续伸长时的应力。

5、用符号：s 表示,抗拉强度,概念：试样拉断前所承受的最大拉应力。用符号：b表示,补充：bb 表示抗弯强度,注：s 、 b 是设计与选材的重要依据,另：e 表示弹性极限。在外力作用下产生弹性变形时所承受的最大拉应力,11,补充资料： GB/T2282002金属材料 室温拉伸试验方法 规定：断后伸长率 A 表示； 断面收缩率 Z 表示； 屈服强度 Re 表示； 抗拉强度 Rm 表示； 此规定代替GB228-87，从2002年7月执行,12,二、塑性 plasticity,概念：在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力,判据：断后伸长率 、断后断面收缩率,断后伸长率 Percentage elonga

6、tion after fracture,概念：试样断后标准的伸长量与标准的百分比。用符号 表示，读作 代儿特,其中：Lk断后试样长度 Lo试样原始长度,断后断面收缩率,概念：断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比。用符号 表示， 读作扑洒哎,说明：伸长率和收缩率在实际应用中，一般是用表示塑性大小,越大，材料的塑性越好。通常认为5%脆性材料,13,第 二 节 硬 度 Hardness,硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或 划痕的能力。硬度是衡量材料软硬程度的判据,一、布氏硬度 Brinell Hardness,用符号：HB 表示,N/mm2 (Kgf/mm2,说明：1、压头为

7、淬火钢球用 HBS 表示，数值450 用于测量有色金属、退火或正火钢件 、灰铸铁材料,2、压头为硬质合金用 HBW 表示，数值450650,生产中一般不用HBW来测量材料的硬度,3、表示法：数字在前、字母在后。如 200HBS I50HBS175HBS； 标注时不要写成HBS=200，或 HBS=150175， 或500HBS ， 不要出现单位；数值差不要超过30,4、不宜测量薄件、成品件。因压痕大,Ssteel （钢,F,D,工件,压头：钢球或硬质合金,d,14,二、洛氏硬度 Rockwell Hardness,原理是用120的金刚石圆锥或尺寸很小的淬火钢球作为压头，在一定的压力作用下，压入

8、材料表面，在指示盘上显示出硬度值大小。 常用的是用符号 HRC 表示。没有单位,注：GB/T23091规定 有九种表示硬度方法，常见的有A、B、C三种，如HRA、HRB、HRC、HRD、HRE等，因施加压力 和压头材料不同而出现了不同的标尺A、B、C、D、E等,说明：1、数字在前、字母在后，如45HRC；35HRC38HRC 2、HRC适用范围数值2070；小于或大于这个范围均 为标注错误！如17HRC；75HRC；HRC=1519等。 3、在图纸标注时注意数值差应5，否则为标注错误。 4、适用于测量硬度较高的材料，如淬火钢件；测量成 品件或半成品件。因压痕较小。压头直径1.587mm,15,

9、补充标准： 国家标准工程建设（GBJ）； 国家计量技术法规（JJG）；山东省企业标准 （Q/） ； 城建行标 （CJ、CJJ）； 建材行标 （JC）； 建工行标 （JG、JGJ）； 山东省地方标准 （DB37 ）； 冶金行标 （YB、YBJ,国际标准化组织标准（ISO）； International Standards Organization,120,F,h,工件,压头,16,第 三 节 冲 击 韧 性 与 疲 劳 强 度,Impact hardness and fatigue strength,一、韧性,韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力。韧性的判据通过冲击实验来测定,1. 摆锤式一次

10、冲击实验,GB22994规定：将材料制成带有V型缺口标准冲击试样,用符号：AKV 表示 J/cm2 见教材P9 图16,说明：韧性值与温度有关；在20左右 可不显脆性，温度 降低后韧 性值减小，易脆断。如 ：碳钢 20以下，易发生脆断。此时的温度称脆性转变温度,2.多次冲击试验,小能量多次冲击,注：冲击能量小时，取决于材料的强度； 冲击能量大时，取决于材料塑性,二、疲劳强度,用符号：-1 （教材P10 自己看,17,复习与思考题： 1、某厂购进一批钢材，从中制取d0=10mm的圆形截面短试样，经拉伸实验后，测得 Fb=33.81KN, Fs=20.68KN, Lk=65mm, dk=6mm.

11、试问这批钢材的力学性能是否合格？（注：GB69988规定此种钢材的力学性能判据：b=375 MPa；s=225 MPa;5=27% ;=55% )。 2、下列硬度要求或写法是否恰当？为什么？ （1）HRC1217；（2）HRC =5060 Kgf/mm2；（3）500530 HBS ； （4）70HRC75HRC ；（5）230 HBW ； 3、整体硬度要求230HBS250HBS的轴类零件，精加工后再抽查，应选用什么硬度计测量硬度较合适？ 4、一紧固螺钉在使用过程中发现有塑性变形，是因为螺钉材料的力学性能哪一判据的值不足？ 5、用洛氏硬度试验方法能否直接测量成品或较薄工件？为什么,18,第二

12、章 金属材料的基础知识,第一节 金属的晶体结构,一、晶体结构的基本概念,Base knowledge of the Metallic materical,1.晶体与非晶体 概念：原子按一定几何形状作有规律的重复排列的 固体物质称晶体；非晶体则反之,特点：晶体有熔点；具有各向异性。如：食盐，冰，金刚石，金属等。 非晶体无熔点；各向同性。如：玻璃，松香，沥青等,19,二、常见的晶格类型,1. 体心立方晶格 bodycentered cubic lattice,特点：b 较好。如：912 Fe, Cr, Mo, V等,体心立方晶格,含有2个原子体积组成,2. 面心立方晶格 facecentered

13、cubic lattice,特点： 较好。 如： 912 Fe , Cu, Al 等金属,含有4个原子体积组成,面心立方晶格,20,2. 晶格与晶胞,晶格：表示晶体中原子排列形成的空间格子。晶胞：组成晶格最基本的几何单元,a,b,c,晶 胞 示意图,原子,3. 晶格常数a ,b , c,a=b=c且互垂直,表示晶胞几何形状大小,晶体中的原子排列,晶面,结点,形成的原因：各原子之间相互吸引力与排斥力相平衡结果,21,3. 密排六方晶格 hexagonal closepacked lattice,特点：硬度高、脆性大。如：锌(Zn) , 镁(Mg), 镉(Cd)等金属,a,b,C,a=bc,4.

14、晶格致密度,原子排列的紧密程度,致密度= =,原子体积,晶胞体积,4,3,r3,a3,结果：体心=0.68,面心=0.74,六方=0.74,原子半径 r,a,22,三、 金属的实际晶体结构(教材20 页 三,一）、多晶体结构,晶粒,晶界,多晶体 示意图,由多个单晶粒组成的晶体为多晶体,通常：钢铁材料晶粒尺寸 为 0.10.001mm,显微组织：在显微镜下观察到其形态、大小、分布不同的组成物,二）、晶格缺陷 1、点缺陷：在长、宽、高方向尺寸都有很小变化的一种缺陷。,间隙原子,晶格空位,23,2、线缺陷 ：在晶格中呈线状分布的缺陷。,3、面缺陷：呈面状分布的缺陷。,线 缺 陷,面缺陷,24,第二节

15、 合金的相结构,一、有关合金的基本概念,1、合金 alloy 由两种或两种以上金属元素或者金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质,2、组元 constituent 组成合金的最基本的独立的物质称组元，简称“元”。如：黄铜 CuZn；硬铝 AlCu 等都称二元合金,3、系 system 由给定组元可以按不同比例配制一系列成分不同的合金，简称：“系,25,4、相图 ：表示合金系中合金状态与温度、成分之间的关系的图解。 如：铁碳合金状态图,5、相 phase ：指同一化学成分，同一结构并以界面互相分开的均匀组成部分。如 固相、液相等,6、组织 structure ：借助于放大镜、显微镜下观察到

16、具有某种形态、形貌特征的组成部分,二、合金的相结构,1、固溶体 solid solution,概念：溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的一种均匀固体。如；糖水 水溶剂，糖溶质,26,分类： 按溶质原子在溶剂中分布情况不同， 分 置换固溶体和间隙固溶体两类,置换固溶体溶质原子替换晶格上的原子间隙固溶体溶质原子溶入晶格原子间隙,a)间隙固溶体 b)置换固溶体,特征：晶格类型不变，化学成分有限，性能发生变化,27,特征,1）晶格仍保持原晶格（溶剂,2）化学成分在一定范围内可改变,3）性能随化学成分改变而逐渐变化,性能,造成晶格畸变，强度、硬度上升。这种现象称固溶强化,若溶质原子质量分数（含量）适当，其力学

17、性能高,2、金属化合物 compound,概念：合金元素之间发生相互作用而生成的一种具有金属特性的新相。如 Fe与CFe3C,28,特征,1）具有一定的化学成分。（2）与任一组元成分不同。（3）熔点高脆性大硬度高,性能,晶格复杂斜方，、HB，、ak，脆性大,3、机械混合物 mixture,概念：两相按固定比例构成的组织（复合相），称机械混合物。如 铁碳合金中 F与Fe3C结合为P,特征：各相保持自己的晶格类型、性能特点。 强度、硬度适中，目前钢铁材料中大 部分是这种组织,29,第三节 纯 金 属 的 结 晶,一、结晶的概念,1、结晶 crystallization 由液态转变为固体晶体的过程,

18、或者描述为：原子由不规则排列到有规则排列过程,或者描述为：晶体结构形成的过程。如水冰,2、冷却曲线与过冷度,T,T0T1,时间,O,冷却曲线,平台,结晶过程时间是结晶时放出的热（潜热）造成的,T0理论结晶温度,T1实际结晶温度,T0T1= T 过冷度,过冷是结晶的必要条件,Ttemperature,30,结论：冷却速度T 或者说： T F（结晶能量） 结晶驱动力结晶倾向,二、结晶过程,过程：不断形核和晶核不断长大的过程,三、晶粒大小控制,1、晶粒越细小，力学性能越高,31,F,F,结果：小鸡蛋不易碎， 大鸡蛋容易碎,举例：两组大小不同的鸡蛋受力情况,2、细化晶粒方法,1）增加T,2）孕育处理（

19、变质处理,3）附加振动或搅拌,32,四、金属的同素异构转变补充内容,铁丝加热实验示意图,铁丝,标尺,支架,现象：加热时铁丝伸长，到912开始收缩。若冷却时从1000 到912 出现伸长现象,概念：在固态下随温度发生变化，其晶格类型发生转变的现象-同素异构转变,冷却曲线：用冷却曲线表示出此现象,实质是：原子排列不同，结构不同，金属体积发生改变,33,冷却曲线,温度,时间,O,1538,1394,912,Lliquid,结晶过程,Fe 体心立方晶格,Fe 面心立方晶格,Fe体心立方晶格,转变式： Fe Fe Fe,912,1394,体心 面心 体心,或者： Fe Fe,912,临界转变温度,面心

20、体心,体心2个原子体积面心4个原子体积,34,第四节 合金的结晶,描述合金的结晶过程用“二元相图”解释,一、二元合金相图的建立： 用热分析法绘制,如：CuNi合金,Cu,Ni,成分变化：Cu由100%0%； Ni由0%100,0,100,温度,A,B,1083,1452,L-liquid,S-solid,L+S,WNi,结晶过程分析,70%Cu+30%Ni 合金,1,2,1点以上为液体 L,到1点开始结晶出固体 S,12间为两相 区 L+S,到2点时全为固体 S,2点以下为固体,35,A,B,Cu,Ni,1,2,L,S,AB上线液相线,AB下线固相线,二、 合金结晶的特点,1、一个温度范围内结

21、晶，有两个相变点（因为合金有两组元,2、结晶出的固相成分与液相成分不同（液相成分不断改变,3、形成单相、两相混合物、单相与两相混合物,L+S,t,O,1,2,L,LS（L+S,S,冷却曲线,36,第五节 铁碳合金 Ferrocarbon alloy,一、铁碳合金状态图,1、状态图的建立,通过热分析法获得,Fe与C形成,Fe,C,Fe3C Fe2C FeC,Wc=6.69% -Wc=9.3% -Wc=17.8,Fe3C,Fe2C,FeC,说明：GB310293规定W称为质量分数，下标为含某元素,W-weight 分量、重量,FeFe3C 简化状态图,37,二、状态图作用,1）研究钢铁的成分、组织

22、和性能之间关系理论基础。 （2）制定热加工工艺的依据,简化 FeFe3C 状态图,三、基本组织,1、铁素体 F (Ferrite) 碳在Fe中所形成的间隙固溶体。 特点：塑性、韧性好，强度、硬度低,38,2、奥氏体 A austenite 英国金相学家,碳在Fe中的间隙固溶体,特点：塑性较好，强度较低,3、渗碳体 Fe3C,是Fe与C的化合物。特点：硬度很高，很脆，塑性几乎等于零，在钢中起强化作用。-cementite,4、珠光体 P,pearlite（日本）是F与Fe3C机械混合物，WC=0.77,特点：有一定的强度、塑性，层片状,39,5、莱氏体 Ld,Ledeburite,德国金相学家,

23、特点：硬而脆，不能进行压力加工,是高温下A与Fe3C的机械混合物 共晶反应的产物,Wc=4.3% 反应式： L 4.3=Ld (A+Fe3C,1148,注：随温度降低至727时，A转变为P，室温下变成：P+ Fe3C共晶组织，称为 低温莱氏体 Ld,Ld =（P+ Fe3C,F、A、 Fe3C是单相组织,P、 Ld 是混合物,40,第二节 FeFe3C 状态图分析,一、分类,工业纯铁,碳钢,白口铸铁,亚共析钢,共析钢,过共析钢,亚共晶白口铸铁,共晶白口铸铁,过共晶白口铸铁,41,力学性能变化：随碳含量增加，其强度、硬度，塑性、韧性。但当WC0.9%后，其HB，b、ak,二、状态图中的特性点、线

24、、区域组织,请打开教材40页，二部分,42,钢铁力学性能与碳含量WC的关系,43,特性点：见表22,特性线,1、ACD线,2、AECF线固相线,液相线,其中AE线是碳钢固线,3、ECF线共晶转变线 LLd,4、GS线（又称A3线,5、ES线（又称Acm线,6、PSK线共析转变线,A p,又称A1线,44,三、合金的结晶过程分析,亚共析钢,共析钢,过共析钢,A,F+A,L,E,A+Fe3C,L+A,45,三、合金的结晶过程分析,A,E,G,P,Q,S,Fe,L,A,L+A,F,F+A,F+P,P,P+Fe3C,A+Fe3C,0.77,2.11,、共析钢 WC=0.77,1,2,3,P,亚共析钢,

25、1,2,3,4,1,2,3,4,4,L,L+A,A,F+A,AP,P+F,冷却曲线,过共析钢 WC=1.0,状态图的应用：自己看P45,46,四、碳素钢（简称：碳钢）carbon -steel,本内容P101，重点是常见牌号的含义、性能、应用,GB/T133041991规定：钢按化学成分分：非合金钢（碳钢）、低合金钢、合金钢三类,非合金钢是指WC2.11%，并含有少量Si、Mn、P、S等元素的铁碳合金,一）、常存元素对碳钢性能的影响 （了解,1、锰 Mn,作用：脱氧，FeO还原Fe；与S作用MnS降低热脆性；提高强度、硬度。有益元素,2、硅 Si,作用：与钢液中FeO生成炉渣，提高钢质量；溶于

26、F中，固溶强化。有益元素,47,3 、硫 S,作用：形成FeS(熔点1190），在晶界 处，在1100 1200 时，压力加工，产生脆裂。“热脆”。有害元素,4、磷 P,作用：全部溶于F中，固溶强化；、HB，在低温下引起脆断“冷脆”。有害元素,二）、碳钢分类、牌号、用途（掌握内容,1、分类,1）按钢中含碳量多少分,低碳钢 中碳钢 高碳钢,Wc 0.6,48,2、按钢的质量（品质）分：（S、P含量多少,普通碳素钢: 优 质 钢: 高级优质钢,S、P较高；Ws0.05%,Wp0.045% Ws 0.035%, Wp 0.035%; Ws 0.02%. Wp 0.03,3、按钢的用途不同分,1）碳素

27、结构钢 structural steel,2）碳素工具钢 tool steel,3）特殊性能钢 special steel,4）铸 钢 casting steel,适用于各种机器零件、工程结构件,制造量具、刀具、模具、手锤、钳子等,用于特殊要求，酸、碱、盐腐蚀环境,形状复杂，难用锻造方法成形的铸钢件,49,三）碳钢的牌号、用途,1、碳素结构钢 GB7001988,牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法四部分组成。其中质量等级分别用A、B、C、D表示。A的S、P量高，D的S、P量最低，且质量最好,如：Q235A . F,Q“屈”字汉语拼音字首,235s235MPa,A质量等

28、级 A级,F脱氧方法，指“沸腾钢”制造的钢材，一般不标出,牌号有：Q195；Q215；Q235；Q255；Q275五类。见教材105页 表52,50,2、优质碳素结构钢S、P含量较低，用于重要零件,GB69988规定：牌号用两位数字表示。其中两位数字表示含碳量万分之几,如：08F、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75。 如: 45钢是WC=0.45,用途见表52，P106,20Mn、65Mn等称 含锰量较高的优质碳素结构钢,3、碳素工具钢,GB129888规定：牌号用“碳”字汉语拼音字首“T”+数字表示。数字表示WC的千分之几,如：T7、T8、T9

29、、T10、T10A、T12等。如T10钢WC=1%；T10A中的“A”表示为高级优质碳素工具钢,用途见P112，表59,51,补充：铸 钢 GB/T56131995,牌号：用“铸钢”汉语拼音字首 ZG表示,如：ZG200400 用变速箱体、壳等，焊接性好,200s200MPa 400b400MPa,还有：ZG230450；用力不大的阀体、轴承盖。ZG270500热轧曲轴、连杆等,注意：碳钢分类；说出常见钢号 20、45、65Mn、Q235B、Q235A、T7、T10、T10A、T12、ZG200400等，属哪类钢，有何性能特点，用途,52,作业,机械工程材料实验与习题,1）P67 ：225,2

30、） P68 ：238 （默画相图,3） P69：242 （计算题） 上作业本,239；240,53,第二章 金属材料的基础知识,第一节 金属的晶体结构,一、晶体结构的基本概念,Base knowledge of the Metallic materical,1.晶体与非晶体 概念：原子按一定几何形状作有规律的重复排列的 固体物质称晶体；非晶体则反之,特点：晶体有熔点；具有各向异性。如：食盐，冰，金刚石，金属等。 非晶体无熔点；各向同性。如：玻璃，松香，沥青等,54,二、常见的晶格类型,1. 体心立方晶格 bodycentered cubic lattice,特点：b 较好。如：912 Fe,

31、Cr, Mo, V等,体心立方晶格,含有2个原子体积组成,2. 面心立方晶格 facecentered cubic lattice,特点： 较好。 如： 912 Fe , Cu, Al 等金属,含有4个原子体积组成,面心立方晶格,55,2. 晶格与晶胞,晶格：表示晶体中原子排列形成的空间格子。晶胞：组成晶格最基本的几何单元,a,b,c,晶 胞 示意图,原子,3. 晶格常数a ,b , c,a=b=c且互垂直,表示晶胞几何形状大小,晶体中的原子排列,晶面,结点,形成的原因：各原子之间相互吸引力与排斥力相平衡结果,56,3. 密排六方晶格 hexagonal closepacked lattice

32、,特点：硬度高、脆性大。如：锌(Zn) , 镁(Mg), 镉(Cd)等金属,a,b,C,a=bc,4. 晶格致密度,原子排列的紧密程度,致密度= =,原子体积,晶胞体积,4,3,r3,a3,结果：体心=0.68,面心=0.74,六方=0.74,原子半径 r,a,57,三、 金属的实际晶体结构(教材20 页 三,一）、多晶体结构,晶粒,晶界,多晶体 示意图,由多个单晶粒组成的晶体为多晶体,通常：钢铁材料晶粒尺寸 为 0.10.001mm,显微组织：在显微镜下观察到其形态、大小、分布不同的组成物,二）、晶格缺陷 1、点缺陷：在长、宽、高方向尺寸都有很小变化的一种缺陷。,间隙原子,晶格空位,58,2

33、、线缺陷 ：在晶格中呈线状分布的缺陷。,3、面缺陷：呈面状分布的缺陷。,线 缺 陷,面缺陷,59,第二节 合金的相结构,一、有关合金的基本概念,1、合金 alloy 由两种或两种以上金属元素或者金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质,2、组元 constituent 组成合金的最基本的独立的物质称组元，简称“元”。如：黄铜 CuZn；硬铝 AlCu 等都称二元合金,3、系 system 由给定组元可以按不同比例配制一系列成分不同的合金，简称：“系,60,4、相图 ：表示合金系中合金状态与温度、成分之间的关系的图解。 如：铁碳合金状态图,5、相 phase ：指同一化学成分，同一结构并以界

34、面互相分开的均匀组成部分。如 固相、液相等,6、组织 structure ：借助于放大镜、显微镜下观察到具有某种形态、形貌特征的组成部分,二、合金的相结构,1、固溶体 solid solution,概念：溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的一种均匀固体。如；糖水 水溶剂，糖溶质,61,分类： 按溶质原子在溶剂中分布情况不同， 分 置换固溶体和间隙固溶体两类,置换固溶体溶质原子替换晶格上的原子间隙固溶体溶质原子溶入晶格原子间隙,a)间隙固溶体 b)置换固溶体,特征：晶格类型不变，化学成分有限，性能发生变化,62,特征,1）晶格仍保持原晶格（溶剂,2）化学成分在一定范围内可改变,3）性能随化学成分改变而

35、逐渐变化,性能,造成晶格畸变，强度、硬度上升。这种现象称固溶强化,若溶质原子质量分数（含量）适当，其力学性能高,2、金属化合物 compound,概念：合金元素之间发生相互作用而生成的一种具有金属特性的新相。如 Fe与CFe3C,63,特征,1）具有一定的化学成分。（2）与任一组元成分不同。（3）熔点高脆性大硬度高,性能,晶格复杂斜方，、HB，、ak，脆性大,3、机械混合物 mixture,概念：两相按固定比例构成的组织（复合相），称机械混合物。如 铁碳合金中 F与Fe3C结合为P,特征：各相保持自己的晶格类型、性能特点。 强度、硬度适中，目前钢铁材料中大 部分是这种组织,64,第三节 纯 金

36、 属 的 结 晶,一、结晶的概念,1、结晶 crystallization 由液态转变为固体晶体的过程,或者描述为：原子由不规则排列到有规则排列过程,或者描述为：晶体结构形成的过程。如水冰,2、冷却曲线与过冷度,T,T0T1,时间,O,冷却曲线,平台,结晶过程时间。是结晶时放出的热（潜热）造成的,T0理论结晶温度,T1实际结晶温度,T0T1= T 过冷度,过冷是结晶的必要条件,Ttemperation,65,结论：冷却速度T 或者说： T F（结晶能量） 结晶驱动力结晶倾向,二、结晶过程,过程：不断形核和晶核不断长大的过程,三、晶粒大小控制,1、晶粒越细小，力学性能越高,66,F,F,结果：小

37、鸡蛋不易碎， 大鸡蛋容易碎,举例：两组大小不同的鸡蛋受力情况,2、细化晶粒方法,1）增加T,2）孕育处理（变质处理,3）附加振动或搅拌,67,四、金属的同素异构转变补充内容,铁丝加热实验示意图,铁丝,标尺,支架,现象：加热时铁丝伸长，到912开始收缩。若冷却时从1000 到912 出现伸长现象,概念：在固态下随温度发生变化，其晶格类型发生转变的现象-同素异构转变,冷却曲线：用冷却曲线表示出此现象,实质是：原子排列不同，结构不同，金属体积发生改变,68,冷却曲线,温度,时间,O,1538,1394,912,Lliquid,结晶过程,Fe 体心立方晶格,Fe 面心立方晶格,Fe体心立方晶格,转变式

38、： Fe Fe Fe,912,1394,体心 面心 体心,或者： Fe Fe,912,临界转变温度,面心 体心,体心2个原子体积面心4个原子体积,69,第四节 合金的结晶,描述合金的结晶过程用“二元相图”解释,一、二元合金相图的建立： 用热分析法绘制,如：CuNi合金,Cu,Ni,成分变化：Cu由100%0%； Ni由0%100,0,100,温度,A,B,1083,1452,L-liquid,S-solid,L+S,WNi,结晶过程分析,70%Cu+30%Ni 合金,1,2,1点以上为液体 L,到1点开始结晶出固体 S,12间为两相 区 L+S,到2点时全为固体 S,2点以下为固体,70,A,

39、B,Cu,Ni,1,2,L,S,AB上线液相线,AB下线固相线,二、 合金结晶的特点,1、一个温度范围内结晶，有两个相变点（因为合金有两组元,2、结晶出的固相成分与液相成分不同（液相成分不断改变,3、形成单相、两相混合物、单相与两相混合物,L+S,t,O,1,2,L,LS（L+S,S,冷却曲线,71,第五节 铁碳合金 Ferrocarbon alloy,一、铁碳合金状态图,1、状态图的建立,通过热分析法获得,Fe与C形成,Fe,C,Fe3C Fe2C FeC,Wc=6.69% -Wc=9.3% -Wc=17.8,Fe3C,Fe2C,FeC,说明：GB310293规定W称为质量分数，下标为含某元

40、素,W-weight 分量、重量,FeFe3C 简化状态图,72,二、状态图作用,1）研究钢铁的成分、组织和性能之间关系理论基础。 （2）制定热加工工艺的依据,简化 FeFe3C 状态图,三、基本组织,1、铁素体 F Ferrite 碳在Fe中所形成的间隙固溶体。 特点：塑性、韧性好，强度、硬度低,73,2、奥氏体 A austenite 英国金相学家,碳在Fe中的间隙固溶体,特点：塑性较好，强度较低,3、渗碳体 Fe3C,是Fe与C的化合物。特点：硬度很高，很脆，塑性几乎等于零，在钢中起强化作用。-cementite,4、珠光体 P,pearlite（日本）是F与Fe3C机械混合物，WC=0

41、.77,特点：有一定的强度、塑性，层片状,74,5、莱氏体 Ld,Ledeburite,德国金相学家,特点：硬而脆，不能进行压力加工,是高温下A与Fe3C的机械混合物 共晶反应的产物,Wc=4.3% 反应式： L 4.3=Ld (A+Fe3C,1148,注：随温度降低至727时，A转变为P，室温下变成：P+ Fe3C共晶组织，称为 低温莱氏体 Ld,Ld =（P+ Fe3C,F、A、 Fe3C是单相组织,P、 Ld 是混合物,75,第二节 FeFe3C 状态图分析,一、分类,工业纯铁,碳钢,白口铸铁,亚共析钢,共析钢,过共析钢,亚共晶白口铸铁,共晶白口铸铁,过共晶白口铸铁,76,力学性能变化：

42、随碳含量增加，其强度、硬度，塑性、韧性。但当WC0.9%后，其HB，b、ak,二、状态图中的特性点、线、区域组织,请打开教材40页，二部分,77,钢铁力学性能与碳含量WC的关系,78,特性点： 见表22,特性线,1、ACD线,2、AECF线固相线,液相线,其中AE线是碳钢固线,3、ECF线共晶转变线 LLd,4、GS线（又称A3线,5、ES线（又称Acm线,6、PSK线共析转变线,A p,又称A1线,79,三、合金的结晶过程分析,亚共析钢,共析钢,过共析钢,A,F+A,L,E,A+Fe3C,L+A,80,三、合金的结晶过程分析,A,E,G,P,Q,S,Fe,L,A,L+A,F,F+A,F+P,

43、P,P+Fe3C,A+Fe3C,0.77,2.11,、共析钢 WC=0.77,1,2,3,P,亚共析钢,1,2,3,4,1,2,3,4,4,L,L+A,A,F+A,AP,P+F,冷却曲线,过共析钢 WC=1.0,状态图的应用：自己看P45,81,四、碳素钢（简称：碳钢）carbon -steel,本内容P101，重点是常见牌号的含义、性能、应用,GB/T133041991规定：钢按化学成分分：非合金钢（碳钢）、低合金钢、合金钢三类,非合金钢是指WC2.11%，并含有少量Si、Mn、P、S等元素的铁碳合金,一）、常存元素对碳钢性能的影响 （了解,1、锰 Mn,作用：脱氧，FeO还原Fe；与S作用

44、MnS降低热脆性；提高强度、硬度。有益元素,2、硅 Si,作用：与钢液中FeO生成炉渣，提高钢质量；溶于F中，固溶强化。有益元素,82,3 、硫 S,作用：形成FeS(熔点1190），在晶界 处，在1100 1200 时，压力加工，产生脆裂。“热脆”。有害元素,4、磷 P,作用：全部溶于F中，固溶强化；、HB，在低温下引起脆断“冷脆”。有害元素,二）、碳钢分类、牌号、用途（掌握内容,1、分类,1）按钢中含碳量多少分,低碳钢 中碳钢 高碳钢,Wc 0.6,83,2、按钢的质量（品质）分：（S、P含量多少,普通碳素钢: 优 质 钢: 高级优质钢,S、P较高；Ws0.05%,Wp0.045% Ws

45、0.035%, Wp 0.035%; Ws 0.02%. Wp 0.03,3、按钢的用途不同分,1）碳素结构钢 structural steel,2）碳素工具钢 tool steel,3）特殊性能钢 special steel,4）铸 钢 casting steel,适用于各种机器零件、工程结构件,制造量具、刀具、模具、手锤、钳子等,用于特殊要求，酸、碱、盐腐蚀环境,形状复杂，难用锻造方法成形的铸钢件,84,三）碳钢的牌号、用途,1、碳素结构钢 GB7001988,牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法四部分组成。其中质量等级分别用A、B、C、D表示。A的S、P量高，D的

46、S、P量最低，且质量最好,如：Q235A . F,Q“屈”字汉语拼音字首,235s235MPa,A质量等级 A级,F脱氧方法，指“沸腾钢”制造的钢材，一般不标出,牌号有：Q195；Q215；Q235；Q255；Q275五类。见教材105页 表52,85,2、优质碳素结构钢S、P含量较低，用于重要零件,GB69988规定：牌号用两位数字表示。其中两位数字表示含碳量万分之几,如：08F、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75。 如: 45钢是WC=0.45,用途见表52，P106,20Mn、65Mn等称 含锰量较高的优质碳素结构钢,3、碳素工具钢,GB1

47、29888规定：牌号用“碳”字汉语拼音字首“T”+数字表示。数字表示WC的千分之几,如：T7、T8、T9、T10、T10A、T12等。如T10钢WC=1%；T10A中的“A”表示为高级优质碳素工具钢,用途见P112，表59,86,补充：铸 钢 GB/T56131995,牌号：用“铸钢”汉语拼音字首 ZG表示,如：ZG200400 用变速箱体、壳等，焊接性好,200s200MPa 400b400MPa,还有：ZG230450；用力不大的阀体、轴承盖。ZG270500热轧曲轴、连杆等,注意：碳钢分类；说出常见钢号 20、45、65Mn、Q235B、Q235A、T7、T10、T10A、T12、ZG2

48、00400等，属哪类钢，有何性能特点，用途,87,作业,机械工程材料实验与习题,1）P67 ：225,2） P68 ：238 （默画相图,3） P69：242 （计算题） 上作业本,239；240,88,第三章 金属的塑性变形与再结晶,本章重点：1、变形机理。2、形变后组织性能特点,第一节 金属的塑性变形 plastic deformation of metal,一、单晶体的塑性变形,1、弹性变形：受力变形，外力卸去后，又回到原状态现象,2、塑性变形：外力取消后，物体的变形不完全恢复的现象,变形的基本方式：滑移位错造成的,89,滑移变形的实质,在切应力作用下，某一部分沿一定的晶面和晶向相对于另

49、一部分发生位移。此现象称“滑移,二、实际多晶体塑性变形,1、晶粒本身的变形（滑移变形）主要的2、晶粒之间的变形（晶间变形）次要的,90,第二节 冷塑性变形对组织、性能的影响,一、晶粒被拉长（压扁），性能趋于各向异性,1,1,2,2,受力变形,二、产生冷变形强化（加工硬化）现象work hardened,随变形程度的增加，其强度、硬度，塑性、韧性的现象,如：手弯铁丝,冷卷弹簧,推土机前板,不锈钢刀,三、产生内应力（残余应力,解决办法：去应力退火,91,92,第三节 变形金属在加热时的变化,一、回复 recovery,晶格歪扭现象消失的过程,T回（0.250.3)T熔,T回回复加热温度 ，单位 K

50、,T熔绝对熔化温度， 单位 K,热力学温度单位,二、再结晶 recrystallization,对回复后的金属继续加热，由于原子获得了更大的活动能力，晶粒外形发生变化。进而由碎晶粒变成完整晶粒的过程，此时没有应力出现。加工硬化现象消失,通过：形核、长大方式完成。再结晶后晶格类型没有变化,T再0.4 T熔,碳 钢 T再0.5 T熔合金钢 T再0.6 T熔,93,三、晶粒长大,若T再继续升高，则晶粒长大、变粗，力学性能大大下降,所以要严格控制加热温度、保温时间,第四节 金属的热加工 hot working,一、热加工与冷加工概念,1、热加工：当加热温度大于再结晶温度时，变形工艺称热加工,2、冷加工

51、：cold working T加小于T再称冷加工,特点,如：金属铅在室温下变形属热加工,金属钨在1000时变形属冷加工,热加工变形量大，表面粗糙，无加工硬化现象，有再结晶。冷加工变形量小，表面光滑，有加工硬化现象，无再结晶,94,二、热加工对组织、性能的影响,1、材料中的气孔、间隙压合，使组织致密，晶粒细化，力学性能高,2、形成锻造流线forging flow line（纤维组织），产生各向异性,钢锭中夹杂物沿晶界被压伸长，与变形方向一致，好似一条条细线。平行流线方向抗拉强度、塑性好。垂直于流线方向抗剪切力大，抗拉强度低,曲轴,齿轮,裂纹,95,不合理 合理,作业：习题册 P72,96,第三章

52、 金属的塑性变形与再结晶,本章重点：1、变形机理。2、形变后组织性能特点,第一节 金属的塑性变形 plastic deformation of metal,一、单晶体的塑性变形,1、弹性变形：受力变形，外力卸去后，又回到原状态现象,2、塑性变形：外力取消后，物体的变形不完全恢复的现象,变形的基本方式：滑移位错造成的,97,滑移变形的实质,在切应力作用下，某一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生位移。此现象称“滑移,二、实际多晶体塑性变形,1、晶粒本身的变形（滑移变形）主要的2、晶粒之间的变形（晶间变形）次要的,98,第二节 冷塑性变形对组织、性能的影响,一、晶粒被拉长（压扁），性能趋于各向

53、异性,1,1,2,2,受力变形,二、产生冷变形强化（加工硬化）现象work hardened,随变形程度的增加，其强度、硬度，塑性、韧性的现象,如：手弯铁丝,冷卷弹簧,推土机前板,不锈钢刀,三、产生内应力（残余应力,解决办法：去应力退火,99,100,第三节 变形金属在加热时的变化,一、回复 recovery,晶格歪扭现象消失的过程,T回（0.250.3)T熔,T回回复加热温度 ，单位 K,T熔绝对熔化温度， 单位 K,热力学温度单位,二、再结晶 recrystallization,对回复后的金属继续加热，由于原子获得了更大的活动能力，晶粒外形发生变化。进而由碎晶粒变成完整晶粒的过程，此时没有

54、应力出现。加工硬化现象消失,通过：形核、长大方式完成。再结晶后晶格类型没有变化,T再0.4 T熔,碳 钢 T再0.5 T熔合金钢 T再0.6 T熔,101,三、晶粒长大,若T再继续升高，则晶粒长大、变粗，力学性能大大下降,所以要严格控制加热温度、保温时间,第四节 金属的热加工 hot working,一、热加工与冷加工概念,1、热加工：当加热温度大于再结晶温度时，变形工艺称热加工,2、冷加工：cold working T加小于T再称冷加工,特点,如：金属铅在室温下变形属热加工,金属钨在1000时变形属冷加工,热加工变形量大，表面粗糙，无加工硬化现象，有再结晶。冷加工变形量小，表面光滑，有加工硬

55、化现象，无再结晶,102,二、热加工对组织、性能的影响,1、材料中的气孔、间隙压合，使组织致密，晶粒细化，力学性能高,2、形成锻造流线forging flow line（纤维组织），产生各向异性,钢锭中夹杂物沿晶界被压伸长，与变形方向一致，好似一条条细线。平行流线方向抗拉强度、塑性好。垂直于流线方向抗剪切力大，抗拉强度低,曲轴,齿轮,裂纹,103,不合理 合理,作业：习题册 P72,104,第四章 钢的热处理,Heat treatment of carbon steel,1、热处理概念 GB/T737299,采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温、冷却以获得预期的组织结构与性能的工艺,目

56、的：改变钢的工艺性能；强化钢材；满足使用要求。 原理：改变组织,t,o,时间,加热,保温,冷却,热处理工艺曲线,本章重点：热处理基本理论；常用热处理工艺；热处理组织、性能特点,105,2、热处理分类,按目的、加热条件和特点不同分,退火、正火、淬火、回火。 是讨论的重点,1）整体热处理 bulk heat-treatment,2）表面热处理 surface heat-treatment,火焰加热法、感应加热法,3）化学热处理 thermo-chemical treatment,渗碳、渗氮、碳氮共渗等,4）特殊热处理 special hent-treatment,形变热处理、磁场热处理、真空热处理

57、、激光热处理等,106,第一节 钢在加热时的组织转变,G,P,Q,S,E,A,F,F+A,A+Fe3C,p,F+P,P+Fe3C,加热时： “C” 下标,如：AC1 ；AC3 ；Accm,AC3,Accm,AC1,冷却时：“ r ” 下标,如：Ar1； Ar3 ；Arcm,Ar3,Ar1,Arcm,一、奥氏体的形成,以共析钢为例，室温 PF+Fe3C混合物,F体心 立方 WC=0.0218%; Fe3C密排六方 WC=6.69,AC1,A 面心立方 WC=0.77,奥氏体形成的过程是 Fe、C原子的扩散过程,107,Fe3C,F,A 核,A,A,形成过程,1、奥氏体的形核与长大,2、剩余Fe3

58、C的溶解,3、奥氏体的均匀化,6.69,0.0218,二、影响 A 形成的因素,1、加热速度、温度的影响,2、原始组织的影响,3、化学成分的影响,108,三、奥氏体晶粒大小与控制,1、晶粒度,晶粒的大小程度，称晶粒度。GB639486规定：有10个级别，1 级最粗10 级最细。见教材P63,2、晶粒大小与控制,1）起始晶粒度（2）实际晶粒度（3）本质晶粒度,P刚刚转变为A时的晶粒大小,经热处理后获得的晶粒大小,原材料的晶粒大小（未加热时,1）合理选择加热温度和保温时间,2）选择原始材料晶粒 粒状 P 组织,3）加入一定量的合金元素，抑制 A 晶粒长大,109,第二节 钢在冷却时组织转变,A1,

59、温度,时间,O,连续冷却,等温冷却,一、过冷A的等温冷却转变,过冷A冷却到 A1 线以下暂时存在的A,等温冷却将 A 由高温冷却到 A1 线以下某个温度等温停留一段时间，然后冷却下来的方式,等温转变在等温保持时，过冷 A 发生的转变,1、等温转变曲线的建立,以共析钢为例,步骤（1）制成若干101.5 mm的试样,110,2）将试样加热到850900，保温一段时间,A1,t,O,850900,3）将试样分别放入不同温度的等温槽（炉）中，如：700、650、600、550、500、450、400、200等,700,650,600,550,500,450,200,230,Ms,2、曲线分析,时间温度

60、组织转变关系曲线 ，简称“T T T ”线,TimeTemperatureTransform,P,B,M,按温度划分三个区,高温区：A1550 珠光体型转变 P 中温区：550Ms 贝氏体型转变B 低温区：Ms（230）以下 马氏体型转变M,111,3、过冷 A 等温转变产物的组织与性能,550,600,650,A1,Ms,P,B,M,1）珠光体型转变产物 P,由于冷却速度不等，得到的P 层片厚薄不同，三种,A1650，T小，P 粒粗，160HBS250HBS “ P”表示,P,650600， T 稍大，P 粒较细，薄F与Fe3C，”S”表示，sarbite 索氏体，2535HRC,S,600