1-4机械基础11ppt课件

1、 山山 东东 胜胜 利利 职职 业业 学学 院院 机机 械械 基基 础础 张立勇张立勇 第一章第一章 金属材料基本知识金属材料基本知识 1.1 金属材料的性能金属材料的性能 n材料的性能： n使用性能：机械性能、物理性能、化学性能。 n工艺性能：切削加工性能、铸造性能、焊接性能、锻造性能、 热处理性能. n机械性能: 如强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度 n物理性能: 如密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性 n化学性能: 如抗腐蚀性、抗氧化性 n实践证明，大部分的机械零件在使用过程中，用于传递动力 和运动，因此在设计、制造和选材时，以机械性能为主要依 据。 一、强度：材料在外力作用下抵抗塑性变形

2、和断裂的能力。一、强度：材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。 由于材料承受外力形式不同，又分为抗拉、抗压、抗扭、由于材料承受外力形式不同，又分为抗拉、抗压、抗扭、 抗弯、抗剪等几种强度抗弯、抗剪等几种强度. 抗拉强度是由拉伸试验测定的。金属材料通过拉伸实验抗拉强度是由拉伸试验测定的。金属材料通过拉伸实验 即可求得材料的比例极限即可求得材料的比例极限p屈服强度屈服强度s）、和抗拉强度）、和抗拉强度 b）。）。 1 1、弹性极限、弹性极限( (比例极限比例极限) )：材料不产生塑性变形时所能承受的的：材料不产生塑性变形时所能承受的的 最大应力。最大应力。 2 2、屈服强度、屈服强度s s：材

3、料开始产生明显塑性变形时的最小应力。：材料开始产生明显塑性变形时的最小应力。 3 3、抗拉强度、抗拉强度b b：材料断裂前所承受的最大应力值。：材料断裂前所承受的最大应力值。 4 4、条件屈服强度、条件屈服强度0.20.2：高碳钢等无屈服点，国家标准规定以：高碳钢等无屈服点，国家标准规定以 残余变形量为残余变形量为0.2%0.2%时的应力值作为它的条件屈服强度，以时的应力值作为它的条件屈服强度，以 0.20.2来表示来表示. . 注注: :脆性材料没有屈服现象脆性材料没有屈服现象. . 拉伸实验拉伸实验: : n1.1.拉伸试样拉伸试样 2.2.拉伸曲线：拉伸曲线： L F 0 0 低碳钢拉伸

4、曲线脆性材料拉伸曲线 二、塑性：材料产生塑性变形而不破坏的能力。用延二、塑性：材料产生塑性变形而不破坏的能力。用延 伸率和断面收缩率来表示伸率和断面收缩率来表示: : 1 1、延伸率、延伸率: : 100% L L-L 0 01 2 2、断面收缩率、断面收缩率 ： 拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象 %100 AA 0 10 A 、值越大，表示材料的塑性越好。良好的塑性是压力加工值越大，表示材料的塑性越好。良好的塑性是压力加工 及焊接等工艺所需的重要条件，也是机械零件在使用过程中安及焊接等工艺所需的重要条件，也是机械零件在使用过程中安 全可靠的保证。全可靠的保证。 三、硬度三、硬度: :抵抗

5、更硬物体压入其表面产生局部塑性变形或破抵抗更硬物体压入其表面产生局部塑性变形或破 坏的能力坏的能力, , 是衡量金属材料软硬程度的指标是衡量金属材料软硬程度的指标. . 硬度的表示方法硬度的表示方法-布氏硬度布氏硬度HB; HB; 洛氏硬度洛氏硬度; ;维氏硬度维氏硬度. . 硬度的测定方法硬度的测定方法-压入法压入法: : 一定形状的压头，一定的静载一定形状的压头，一定的静载 荷，压入工件表面，根据压痕的深度或直径确定工件的硬度荷，压入工件表面，根据压痕的深度或直径确定工件的硬度 值。值。 1. 1.布氏硬度布氏硬度HB:HB:是用一定直径是用一定直径D D的淬火的淬火 钢球或硬质合金球，在

6、规定的试验力钢球或硬质合金球，在规定的试验力F F 的作用下，压入试件表面，并保持一的作用下，压入试件表面，并保持一 定时间定时间(10-15s)(10-15s)，卸除力，卸除力F F，测量压痕，测量压痕 直径直径d d，以压痕单位面积上的压力表示，以压痕单位面积上的压力表示 材料的布氏硬度值材料的布氏硬度值. . 在实际使用中，布氏硬度值并不在实际使用中，布氏硬度值并不 计算，也不用标注单位，只需测出压计算，也不用标注单位，只需测出压 痕直径痕直径d d，即可从布氏硬度表上查得。，即可从布氏硬度表上查得。 n压头为淬火钢球时，用符号压头为淬火钢球时，用符号HBSHBS表示，适用于布氏硬度值在

7、表示，适用于布氏硬度值在450450以下的材料。以下的材料。 n压头为硬质合金时，用符号压头为硬质合金时，用符号HBWHBW表示，适用于布氏硬度在表示，适用于布氏硬度在450650450650的材料。的材料。 n(1).(1).标注：符号标注：符号HBSHBS或或HBWHBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷 保持时间。保持时间。 n如如120HBS10/1000/30120HBS10/1000/30表示直径为表示直径为10mm10mm的淬火钢球在的淬火钢球在1000kgf1000kgf9

8、.807kN9.807kN载荷作用下保持载荷作用下保持30s30s测得的布氏硬测得的布氏硬 度值为度值为120120。再如。再如: 500HBW5/750: 500HBW5/750表示直径为表示直径为5mm5mm的硬质合金钢球在的硬质合金钢球在750kgf750kgf9.807kN9.807kN载荷作用下保持载荷作用下保持(10-(10- 15)s15)s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为500500。 n注注: (10-15)s: (10-15)s不标注不标注. . n(2).(2).特点：优点：测量误差小，数据稳定。特点：优点：测量误差小，数据稳定。 n 缺陷：压痕大，不能用于太薄件、成

9、品件及比压头还硬的材料。缺陷：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。 n 适于测量退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。适于测量退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。 n(3).(3).材料的材料的b b与与HBHB之间的经验关系：之间的经验关系： n 对于低碳钢对于低碳钢: : b(MPa)3.6HBb(MPa)3.6HB n 对于高碳钢：对于高碳钢：b(MPa)3.4HBb(MPa)3.4HB n 对于铸铁：对于铸铁： b(MPa)1HBb(MPa)1HB或或0.6(HB-40)0.6(HB-40) h1-h0 洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图 洛氏硬度计洛氏硬度计

10、 2 2洛氏硬度洛氏硬度: :洛氏硬度试验是用顶角洛氏硬度试验是用顶角120120的金刚石圆锥体或直径的金刚石圆锥体或直径1.5881.588 的淬火钢球作压头，加上一定载荷，使压头压入工件表面，然后根据的淬火钢球作压头，加上一定载荷，使压头压入工件表面，然后根据 压痕的深度确定其硬度值。硬度值可直接从试验机表盘上读出压痕的深度确定其硬度值。硬度值可直接从试验机表盘上读出, ,不需计不需计 算算, ,也不用标出单位也不用标出单位. . (1)常用标尺有：常用标尺有：B、C、A三种三种,即即 HRA;HRB;HRC. HRA： 硬、薄试件硬、薄试件.如硬质合金、表面淬火层和渗如硬质合金、表面淬火

11、层和渗 碳层。碳层。 HRB ：轻金属、未淬火钢：轻金属、未淬火钢.有色金属和退火、正火有色金属和退火、正火 钢等。钢等。 HRC ：较硬，淬硬钢制品：较硬，淬硬钢制品.如调质钢、淬火钢等。如调质钢、淬火钢等。 (2)标注方法标注方法:如如60HRC表示表示C标尺测定的洛氏硬度值标尺测定的洛氏硬度值 为为60. (3)特点特点:优点：操作简便，压痕小，适用范围广。优点：操作简便，压痕小，适用范围广。 缺陷：测量结果分散度大。缺陷：测量结果分散度大。 四、冲击韧性四、冲击韧性: : 是指金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。是指金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。 用冲击韧用冲击韧 度来衡

12、量度来衡量. .指标为冲击韧度值指标为冲击韧度值Ak.Ak. 冲击韧度冲击韧度: :是冲断式样时在缺口处单位面积所消耗的功是冲断式样时在缺口处单位面积所消耗的功. Ak. Ak可直接从可直接从 试验机刻度试验机刻度 盘上读出盘上读出. . AkAk值低的材料叫脆性材料值低的材料叫脆性材料 AKAK值高的材料叫韧性材料值高的材料叫韧性材料 运用运用: : 1 1、评定材料的低温变脆倾向、评定材料的低温变脆倾向 2 2、反映原材料的冶金质量和、反映原材料的冶金质量和 热加工产品的质量及材料对于热加工产品的质量及材料对于 缺口的敏感性缺口的敏感性. . 五、疲劳强度五、疲劳强度( (疲劳极限疲劳极限

13、):):材料经无数次应力循环而不发生疲劳材料经无数次应力循环而不发生疲劳 断裂的最高应力值。（断裂的最高应力值。（80%80%的断裂由疲劳造成）的断裂由疲劳造成） 1 1、疲劳现象：承受交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小、疲劳现象：承受交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小 于屈服极限的应力下于屈服极限的应力下, ,经过多次应力循环发生断裂。经过多次应力循环发生断裂。 疲劳断裂过程：裂纹萌生疲劳断裂过程：裂纹萌生 2 2、疲劳曲线与疲劳极限。、疲劳曲线与疲劳极限。 裂纹扩展裂纹扩展突然断裂突然断裂 3 3、提高疲劳强度的措施：、提高疲劳强度的措施： (1)(1)避免尖角、缺口和

14、截面变化避免尖角、缺口和截面变化; ; (2)(2)降低零件表面粗糙度降低零件表面粗糙度; ; (3)(3)采用各种表面强化措施采用各种表面强化措施. . 思考题思考题: : 1.1.金属材料的性能一般分几类金属材料的性能一般分几类? ? 各包括哪些性能各包括哪些性能? ? 2.2.常用机械性能指标有几种常用机械性能指标有几种? ?他们如何定义他们如何定义? ? 有何特点有何特点? ?有何区别有何区别? ? 第二节第二节 金属的晶体结构和结晶金属的晶体结构和结晶 不同牌号的钢材，具有不同的机械性能，例如不同牌号的钢材，具有不同的机械性能，例如4545钢的强度、硬度值比钢的强度、硬度值比2020

15、钢高，但韧性、塑性值不如钢高，但韧性、塑性值不如2020钢。即使同一牌号的钢材，在不同状态下机械性能也不同钢。即使同一牌号的钢材，在不同状态下机械性能也不同, ,如一块含碳量为如一块含碳量为0.8%0.8%的的T8T8钢，从钢厂出厂时钢，从钢厂出厂时 硬度约为硬度约为20HRC20HRC，而加工成工具并进行热处理后，其硬度可达，而加工成工具并进行热处理后，其硬度可达60HRC60HRC以上。这是由于钢材内部具有不同的组织结构或在热处理过程中使内部结构发生了转变。以上。这是由于钢材内部具有不同的组织结构或在热处理过程中使内部结构发生了转变。 一、金属的晶体结构一、金属的晶体结构 自然界中的固态物

16、质，根据其原子排列特征，可分为两大类自然界中的固态物质，根据其原子排列特征，可分为两大类: : 晶体晶体: :原子有序地按一定形式和规则排列的物质称为晶体原子有序地按一定形式和规则排列的物质称为晶体. .如金刚石、石墨、金属及合金等。如金刚石、石墨、金属及合金等。 非晶体非晶体: :原子是杂乱无序排列的物质称为非晶体原子是杂乱无序排列的物质称为非晶体. .如普通玻璃、松香等。如普通玻璃、松香等。 注注: :在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。 晶格：用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架。晶格：用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架。 晶胞：能代表晶

17、格原子排列规律的最小几何单元晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元. . 金属中常见的晶格金属中常见的晶格: : 1.1.体心立方晶格体心立方晶格: :它的晶胞是一个它的晶胞是一个 立方体，在立方体的八个顶角和立方立方体，在立方体的八个顶角和立方 体的中心，各排列一个原子体的中心，各排列一个原子. . 常见金属：常见金属： -Fe-Fe、CrCr、 W W、 MoMo、V V、NbNb等等. . 2.面心立方晶格面心立方晶格:它的晶胞它的晶胞 也是一个立方体，在立方也是一个立方体，在立方 体八个顶角和六个面的中体八个顶角和六个面的中 心各排列一个原子心各排列一个原子. 常见金属：常见金属：

18、 -Fe、Ni、Al、 Cu、Pb等等 3.密排六方晶格密排六方晶格:它的晶胞是它的晶胞是 一个六方柱体，在柱体的每个一个六方柱体，在柱体的每个 顶角上，以及上、下底面的中顶角上，以及上、下底面的中 心各排列一个原子，在晶胞中心各排列一个原子，在晶胞中 间还排列有三个原子间还排列有三个原子. 常见金属：常见金属：Mg、Zn、Be等等. 二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程 金属由液体转变成为晶体的过程称为结晶。金属由液体转变成为晶体的过程称为结晶。 1.1.冷却曲线冷却曲线: :金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷 却曲线。却曲线。 (1)(1)结晶阶段结晶阶段

19、: a: a、b b二点之间二点之间. . (2)(2)理论结晶温度理论结晶温度T0:T0:。水平线段。水平线段.(.(曲线结晶时放出曲线结晶时放出 结晶潜热引起的。结晶潜热引起的。) ) (3)(3)过冷过冷: :金属的实际结晶温度金属的实际结晶温度T1T1总是要低于理总是要低于理 论结晶温度论结晶温度T0T0），这种现象称为过冷），这种现象称为过冷. . (4)(4)过冷度过冷度: :理论结晶温度与实际结晶温度之差理论结晶温度与实际结晶温度之差T0T0 T1T1称为过冷度，用称为过冷度，用TT表示表示. . 注注: :过冷度不是一个恒定值，它与冷却速度有关。冷过冷度不是一个恒定值，它与冷却

20、速度有关。冷 却速度愈大，过冷度也愈大，则金属的实际结晶却速度愈大，过冷度也愈大，则金属的实际结晶 温度也愈低。温度也愈低。 实际金属总是在过冷情况下进行结晶实际金属总是在过冷情况下进行结晶, ,所以过冷所以过冷 是金属结晶的一个必要条件是金属结晶的一个必要条件. . 图1-5 金属的冷却曲线 2.2.金属结晶的基本过程：结晶过程由晶核的形成和晶核的长大金属结晶的基本过程：结晶过程由晶核的形成和晶核的长大 两个基本过程组成。两个基本过程组成。 (1)(1)晶核晶核: :液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们 时聚时散，称为晶核。在时聚时散，称为

21、晶核。在T0T0以下，经一段时间后即孕育以下，经一段时间后即孕育 期），一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。期），一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。 晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶核产生。晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶核产生。 晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最 终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。 (2)(2)晶粒晶粒: :构成晶体的外形不规则的小晶体。而晶粒是由一个晶核成长构成晶体的外形不规则的小晶体。而晶粒是由一个晶核成长 形成的。形成的。 (3)(3)

22、单晶体单晶体: :如果金属冷却结晶后的金属晶体只是由一个晶粒组成称为如果金属冷却结晶后的金属晶体只是由一个晶粒组成称为 单晶体。单晶体。 (4)(4)多晶体多晶体: :普通的金属都是由许多晶粒组成的。普通的金属都是由许多晶粒组成的。 (5)(5)晶界晶界: :晶粒与晶粒之间的分界面叫做晶界。晶粒与晶粒之间的分界面叫做晶界。 3.3.晶体中的缺陷晶体中的缺陷: :原子排列的不规则性的部分。原子排列的不规则性的部分。 理想晶体理想晶体: :晶体中原子完全为规则排列晶体中原子完全为规则排列. .否则否则, ,为实际晶体为实际晶体. . (1) (1)点缺陷点缺陷空位和间隙原子空位和间隙原子 空位空位

23、: :晶格结点处无原子晶格结点处无原子 间隙原子间隙原子: :原子占据晶格间隙原子占据晶格间隙 注注: :点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称 晶格畸变。晶格畸变。 从而强度、硬度提高，塑性、韧性从而强度、硬度提高，塑性、韧性 下降。下降。 空位空位间隙原子间隙原子 (2)(2)线缺陷线缺陷( (位错位错) )：有一列或若干列原子发生了有规律地错：有一列或若干列原子发生了有规律地错 排现象。有刃型位错和螺型位错两种类型。排现象。有刃型位错和螺型位错两种类型。 刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原刃型位错：当一个完整晶体某晶面

24、以上的某处多出半个原 子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边 缘就是刃型位错缘就是刃型位错. . 位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起， 因此提高位错密度是强化金属的主要途径。因此提高位错密度是强化金属的主要途径。 刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错 (3)(3)面缺陷面缺陷: :一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。分一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。分 为晶界、亚晶界等。为晶界、亚晶界等。 晶界晶界: :是不同位向晶粒的过度部位是不同位向晶粒的过度

25、部位. . 亚晶界亚晶界: :亚晶粒之间的交界面亚晶粒之间的交界面, ,也可看作位错壁。也可看作位错壁。 晶粒越细小，金属的强度硬度越高。晶粒越细小，金属的强度硬度越高。 4.4.细化晶粒的方法细化晶粒的方法 晶粒的粗细对金属的机械性能影响很大，一般地说，晶粒的粗细对金属的机械性能影响很大，一般地说， 细晶粒金属的强度高，塑性、韧性好。这是因为晶粒愈细，细晶粒金属的强度高，塑性、韧性好。这是因为晶粒愈细， 晶界越多，杂质越分散，它们对机械性能的危害也就越小，晶界越多，杂质越分散，它们对机械性能的危害也就越小， 再者晶粒越细，晶粒数目就越多，晶粒与晶粒之间犬牙相再者晶粒越细，晶粒数目就越多，晶粒

26、与晶粒之间犬牙相 错的机会愈多，彼此互相紧固，增加了强度，提高了韧性。错的机会愈多，彼此互相紧固，增加了强度，提高了韧性。 所以生产中，控制晶粒的粗细就成为改善金属性能的主要所以生产中，控制晶粒的粗细就成为改善金属性能的主要 措施之一。措施之一。 （1 1提高过冷度提高过冷度: :当过冷度增大时，当过冷度增大时， 生核率可大大增加，而长大速度增加较少，生核率可大大增加，而长大速度增加较少， 因而使晶粒细化。因而使晶粒细化。 （2 2变质处理又称孕育处理变质处理又称孕育处理: :有意向液态金属内加入非均匀形有意向液态金属内加入非均匀形 核物质从而细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫质剂核物质

27、从而细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫质剂 或称孕育剂或称孕育剂).). （3 3振动，搅拌等振动，搅拌等: :对正在结晶的金属进行振动对正在结晶的金属进行振动( (机械振动、超机械振动、超 声波振动、电磁振动声波振动、电磁振动) )或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促 进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著 增加。增加。 4.4.金属的同素异晶转变金属的同素异晶转变: :金属在固态下，随着温度的改变，由一金属在固态下，随着温度的改变，由一 种晶格转变为另一种晶格，称为同素异晶转变亦

28、称同素异构种晶格转变为另一种晶格，称为同素异晶转变亦称同素异构 转变）转变） 。 自然界中大多数金属，结晶后晶格类型保持不变，只有少数金自然界中大多数金属，结晶后晶格类型保持不变，只有少数金 属如铁、锡、钛、锰等结晶后，在不同温度下有不同的晶属如铁、锡、钛、锰等结晶后，在不同温度下有不同的晶 格类型。格类型。 由图可知，液态纯铁在由图可知，液态纯铁在15381538进进 行结晶，得到具有体心立方晶格的行结晶，得到具有体心立方晶格的 -Fe-Fe，继续冷却到，继续冷却到13941394，发生同，发生同 素异晶转变，转变为面心立方晶格的素异晶转变，转变为面心立方晶格的 -Fe-Fe，继续冷却到，继

29、续冷却到912912时，又发生时，又发生 同素异晶转变，转变为体心立方晶格同素异晶转变，转变为体心立方晶格 的的-Fe-Fe，如再继续冷却时，晶格类，如再继续冷却时，晶格类 型不再发生变化型不再发生变化. . 三、合金的相结构三、合金的相结构 合金合金: 是指两种或两种以上的金属元素或金属元素与是指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，所得到的具有金属特性的物非金属元素熔合在一起，所得到的具有金属特性的物 质。质。 组元组元: 组成合金最基本的、独立的物质称为组元组成合金最基本的、独立的物质称为组元.组元组元 可以是元素或化合物可以是元素或化合物( 例如钢是由铁和碳两种元

30、素组例如钢是由铁和碳两种元素组 成的合金，铁和碳就是组元成的合金，铁和碳就是组元.有二元合金、三元合金、有二元合金、三元合金、 多元合金多元合金). 相相: 在合金体系中，具有相同的物理和化学性能，并在合金体系中，具有相同的物理和化学性能，并 与该体系中其它部分有明显界面的部分称为相。与该体系中其它部分有明显界面的部分称为相。 (在在 结晶过程中，固态和液态为两个不同的相结晶过程中，固态和液态为两个不同的相 ) 合金系：组元按不同比例配制出一系列成分不同的合合金系：组元按不同比例配制出一系列成分不同的合 金。金。 显微组织：是指在显微镜下观察到的具有某种形貌特显微组织：是指在显微镜下观察到的具

31、有某种形貌特 征的部分。征的部分。 固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。 1.1.固溶体固溶体: :合金在固态下，一种组元溶解到另一种组元中形合金在固态下，一种组元溶解到另一种组元中形 成一种均匀的固相称为固溶体成一种均匀的固相称为固溶体. . 溶剂：保留晶格形式的组元溶剂：保留晶格形式的组元. . 溶质溶质: : 晶格类型消失的组元晶格类型消失的组元. . 根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同。固溶体根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同。固溶体 可分为二类：间隙固溶体和置换固溶体。可分为二类：间隙固溶体和置换固溶体。 （1 1间隙固溶体间隙

32、固溶体: :只有溶质原子直径很小。只有溶质原子直径很小。 溶剂原子间的间隙较大的条件下，才能形溶剂原子间的间隙较大的条件下，才能形 成间隙固溶体。如成间隙固溶体。如C C、N N、B B等非金属元素，等非金属元素， 溶入铁中，形成的固溶体即属于这种类型。溶入铁中，形成的固溶体即属于这种类型。 间隙固溶体所溶解的溶质数量是有限的。间隙固溶体所溶解的溶质数量是有限的。 置换固溶体：两种组元的原子直径相差置换固溶体：两种组元的原子直径相差 不大，在形成固溶体时，溶剂晶格上的部不大，在形成固溶体时，溶剂晶格上的部 分原子，被溶质原子所置换。分原子，被溶质原子所置换。 固溶强化：无论是间隙固溶体还是置换

33、固溶体，都因溶固溶强化：无论是间隙固溶体还是置换固溶体，都因溶 质原子的加入，使溶剂晶格发生歪扭和畸变，使合金的质原子的加入，使溶剂晶格发生歪扭和畸变，使合金的 变形抗力增加，从而提高了合金的强度和硬度。这种因变形抗力增加，从而提高了合金的强度和硬度。这种因 形成固溶体而使合金的强度和硬度提高的现象称为固溶形成固溶体而使合金的强度和硬度提高的现象称为固溶 强化强化. 在实际生产中，广泛利用固溶强化提高金属材料的在实际生产中，广泛利用固溶强化提高金属材料的 机械性能机械性能. 2.2.金属化合物：合金两组元相互作用而形成的具有金属特金属化合物：合金两组元相互作用而形成的具有金属特 性的固相。性的

34、固相。 金属化合物特点：金属化合物特点： （1 1晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同。晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同。 （2 2可用分子式表示其组成。可用分子式表示其组成。 （3 3具有高的熔点和硬度，脆性大。具有高的熔点和硬度，脆性大。 例如铁和碳组成的渗碳体就是一种金属化合物。金属化合例如铁和碳组成的渗碳体就是一种金属化合物。金属化合 物也是合金的重要组成相。物也是合金的重要组成相。 铁碳合金中的铁碳合金中的Fe3C Fe3C的晶格的晶格 3 3、机械混合物：、机械混合物： 纯金属、固溶体、金属化合物都是组成合金的基本相。纯金属、固溶体、金属化合物都是组成合金的基本相。 机械混合物

35、就是两种以上的相混合而成的。机械混合物中各相机械混合物就是两种以上的相混合而成的。机械混合物中各相 仍保持各自的晶格类型和性能，因而机械混合物的性能取决于仍保持各自的晶格类型和性能，因而机械混合物的性能取决于 各相的性能、数量、形状、大小和分布情况。各相的性能、数量、形状、大小和分布情况。 思考题：思考题： 1.什么叫过冷度？液态金属发生结晶的什么叫过冷度？液态金属发生结晶的 必要条件是什么？必要条件是什么？ 怎样获得细晶粒？怎样获得细晶粒？ 2.什么是晶体、晶胞、晶粒、晶界、固什么是晶体、晶胞、晶粒、晶界、固 溶体、化合物、溶体、化合物、 机械混合物、固溶强化？机械混合物、固溶强化？ 第三节

36、第三节 铁碳合金状态图铁碳合金状态图 铁碳合金相图铁碳合金相图( (状态图状态图):):是研究铁碳合是研究铁碳合 金最基本工具，是研究碳钢和铸铁的成分、金最基本工具，是研究碳钢和铸铁的成分、 温度、组织及性能之间关系的理论基础，是温度、组织及性能之间关系的理论基础，是 制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺的制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺的 依据依据. . 一、铁碳合金的基本相一、铁碳合金的基本相 铁碳合金在液态时铁和碳可以无限互溶铁碳合金在液态时铁和碳可以无限互溶; ; 在固态时在固态时, ,碳可以溶解在铁中形成固溶体碳可以溶解在铁中形成固溶体, ,也也 可与铁形成化合物可与铁形成化合物

37、, ,或者形成固溶体与化合或者形成固溶体与化合 物组成的机械混合物物组成的机械混合物. . 1. 1. 铁素体：碳溶于铁素体：碳溶于-Fe-Fe中形成的间隙中形成的间隙 固溶体，称为铁素体。用固溶体，称为铁素体。用F F表示表示. .都是体心立都是体心立 方的间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低，方的间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低， 在在727727时最大为时最大为0.0218%0.0218%，室温下仅为，室温下仅为 0.0008%0.0008%。 铁素体铁素体 铁素体铁素体 奥氏奥氏 体体 奥氏体奥氏体 5 5、莱氏体：奥氏体与渗碳体组成的机械混合物，称为、莱氏体：奥氏体与渗碳体组成的机械混合

38、物，称为 莱氏体，用莱氏体，用LdLd表示表示. . 莱氏体是含碳量为莱氏体是含碳量为4.3%4.3%的铁碳合金，在的铁碳合金，在11481148时，时， 从液体中同时结晶出奥氏体和渗碳体后形成的混合物。从液体中同时结晶出奥氏体和渗碳体后形成的混合物。 由于奥氏体在由于奥氏体在727727时转变为珠光体，所以在室温时，时转变为珠光体，所以在室温时， 莱氏体由珠光体和渗碳体组成。为区别起见，将莱氏体由珠光体和渗碳体组成。为区别起见，将727727 以上的莱氏体称为高温莱氏体以上的莱氏体称为高温莱氏体(A+ Fe3C) (A+ Fe3C) ；在；在727727以以 下的莱氏体，称为低温莱氏体下的莱

39、氏体，称为低温莱氏体(P(F+ Fe3C)+ Fe3C) (P(F+ Fe3C)+ Fe3C) 。 莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度很高莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度很高HBW700HBW700），）， 塑性很差。塑性很差。 莱氏体莱氏体 珠光体珠光体 二、铁碳合金状态图二、铁碳合金状态图: :铁碳合金状态图是表示钢铁铁碳合金状态图是表示钢铁 材料的成分、温度与组织之间的关系及其变化规律材料的成分、温度与组织之间的关系及其变化规律 的图形。它是研究钢铁材料的重要理论基础，是制的图形。它是研究钢铁材料的重要理论基础，是制 定热加工及热处理工艺的重要依据。含碳量高的铁定热加工及热处理工艺的重要依据。

40、含碳量高的铁 碳合金强度低，脆性很大，加工困难，没有实用价碳合金强度低，脆性很大，加工困难，没有实用价 值，因此现在的铁碳合金状态图。只研究值，因此现在的铁碳合金状态图。只研究Fe-Fe3CFe-Fe3C 部分，实际上是部分，实际上是Fe-Fe3CFe-Fe3C状态图状态图. .图中纵坐标轴表示图中纵坐标轴表示 温度，横坐标轴表示含碳量的质量百分数，由左向温度，横坐标轴表示含碳量的质量百分数，由左向 右表明含碳量由右表明含碳量由0 0增加到增加到6.69%6.69%。 1 1、Fe-Fe3CFe-Fe3C状态图的主要点、线：状态图的主要点、线： %69. 6%3 . 4 %3 . 4 %3 .

41、 4%11. 2 %11. 2%77. 0 %77. 0 %77. 0 C C C C C C 过共晶白口铁 共晶白口铁 亚共晶白口铁 白口铁 过共析钢 共析钢 亚共析钢 钢 铁碳合金 2 2、铁碳合金典型成分结晶过程分析：、铁碳合金典型成分结晶过程分析： 铁碳合金状态图上的各种成分合金除工业纯铁外），铁碳合金状态图上的各种成分合金除工业纯铁外）， 按其含碳量和组织不同，分为两大类，即：按其含碳量和组织不同，分为两大类，即： 工业纯铁工业纯铁C%0.0218%） L-L+A-A-A+F-F+Fe3CIII 相组成物：相组成物：F+Fe3C C%0.0008% ; F C%0.0008% ; F

42、 C%L+A-A-A+P-PL-L+A-A-A+P-P 相组分：相组分：F F和和Fe3C Fe3C 组织组分组织组分:P :P 含含0.45%C钢的组织钢的组织 含含0.20%C钢的组织钢的组织 含含0.60%C钢的组织钢的组织 (3)(3)过共析钢过共析钢 L-L+A-A-A+Fe3CII-P+Fe3CIIL-L+A-A-A+Fe3CII-P+Fe3CII 相组成物：相组成物：F F，Fe3CFe3C 组织组成物：组织组成物：P P，Fe3CIIFe3CII 含含1.4%C钢的钢的 组织组织 (4) (4)共晶白口铁共晶白口铁 白口生铁中的共晶白口生铁中的共晶C=4.3%C=4.3%）、亚

43、共晶）、亚共晶C4.3%C4.3%C4.3%） L-Ld (A+Fe3CL-Ld (A+Fe3C共晶共晶)-Ld(A+Fe3C)-Ld(A+Fe3C共晶共晶+Fe3CII)-+Fe3CII)- Ld(P+Fe3CII+Fe3C) Ld(P+Fe3CII+Fe3C) 室温下的相组成物：室温下的相组成物：F F，Fe3C.Fe3C. 室温下的组织组成物：室温下的组织组成物：Ld Ld 共晶白口铁金相共晶白口铁金相 (5) (5)亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 2.11%C%4.3%2.11%C%4.3% 组织组成物：组织组成物：P+Ld+Fe3CIIP+Ld+Fe3CII 相组成物：相组成物：F+F

44、e3CF+Fe3C 亚共晶白口铁金相亚共晶白口铁金相 (6)(6)过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 组织组成物：组织组成物：Ld+Fe3C;Ld+Fe3C;相组成物相组成物 ：F+Fe3CF+Fe3C 过共晶白口铁金相 小结：小结： 标注组织的铁碳相图标注组织的铁碳相图 3 3、铁碳合金中含碳量、组织、性能之间的关系：、铁碳合金中含碳量、组织、性能之间的关系： (1)(1)含碳量对钢的力学性能的影响：含碳量对钢的力学性能的影响： 随含碳量增加，随含碳量增加，P P 量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、 韧性下降。当含碳量韧性下降。当含碳量0.9%0.9%，随着含碳量

45、的升高，强度下降，随着含碳量的升高，强度下降, , 但硬度仍上升，塑性、韧性继续下降。含碳量对铸铁的力学但硬度仍上升，塑性、韧性继续下降。含碳量对铸铁的力学 性能的影响：硬而脆，没有使用价值。性能的影响：硬而脆，没有使用价值。 (2)(2)含碳量对室温平衡组织的影响含碳量对室温平衡组织的影响: : 随含碳量增加，组织中随含碳量增加，组织中Fe3CFe3C不仅数量增加，而且形态也不仅数量增加，而且形态也 在变化，由分布在在变化，由分布在F F 基体内基体内( (片状片状Fe3C)Fe3C)变为分布在变为分布在A A晶界上晶界上 ( (网状网状Fe3C)Fe3C)，最后形成莱氏体时，最后形成莱氏体

46、时，Fe3CFe3C已作为基体出现。已作为基体出现。 (3)(3)含碳量对工艺性能的影响含碳量对工艺性能的影响 1)1)切削性能：经切削加工成工件的难易程度。中碳钢比较合切削性能：经切削加工成工件的难易程度。中碳钢比较合 适。适。 2)2)可锻性能：金属压力加工时，能改变形状而不产生裂可锻性能：金属压力加工时，能改变形状而不产生裂 纹的性能。低碳钢比高碳钢好。纹的性能。低碳钢比高碳钢好。 3)3)铸造性能：共晶成分附近的合金铸造性能好。铸造性能：共晶成分附近的合金铸造性能好。 4)4)焊接性能：低碳钢好于高碳钢。焊接性能：低碳钢好于高碳钢。 5)5)热处理性能：下章介绍。热处理性能：下章介绍。

47、 第四节第四节 钢的热处理概述钢的热处理概述 热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以 改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。 铸造铸造轧制轧制 一、钢在加热和冷却时的组织转变一、钢在加热和冷却时的组织转变 1 1、钢在加热时的组织转变：、钢在加热时的组织转变： 加热是热处理的第一道工序。加热是热处理的第一道工序。 目的是获得均匀的奥氏体组织。目的是获得均匀的奥氏体组织。 钢的临界温度相变点铁碳相图中钢的临界温度相变点铁碳相图中 PSKPSK、GSGS、ESES线分别用线分别用A1A1、A3A3、

48、AcmAcm表示。表示。 由于实际加热或冷却时存在过冷或过由于实际加热或冷却时存在过冷或过 热现象，因此，将钢加热时的实际转变热现象，因此，将钢加热时的实际转变 温度分别用温度分别用Ac1Ac1、Ac3Ac3、AccmAccm表示，冷却表示，冷却 时的实际转变温度分别用时的实际转变温度分别用Ar1Ar1、Ar3Ar3、 ArcmArcm表示表示. . 钢的奥氏体化钢的奥氏体化:加热到相变点以上加热到相变点以上,获得奥氏体组织的过程获得奥氏体组织的过程. （1钢的奥氏体化钢的奥氏体化 奥氏体的形成的基本过程现以共析钢为例说明）：奥氏体的形成的基本过程现以共析钢为例说明）： 1）.奥氏体晶核形成和

49、长大：首先在奥氏体晶核形成和长大：首先在F与与Fe3C相界形核。相界形核。A 晶核通过铁、碳原晶核通过铁、碳原 子的扩散，子的扩散，F的晶格改组和的晶格改组和Fe3C的溶解。的溶解。 2）.残余残余Fe3C溶解：铁素体在成分、结构上比溶解：铁素体在成分、结构上比Fe3C更接近于奥氏体，因而先更接近于奥氏体，因而先 于于Fe3C消失，而残余消失，而残余Fe3C则随保温时间延长不断溶解直至消失。则随保温时间延长不断溶解直至消失。 3奥氏体的均匀化。奥氏体的均匀化。Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保 温使奥氏体成分趋于均匀。温使奥氏体成分趋于均匀。 保温的目的：工件热透、奥氏体成分的均匀化。保温的目的：工件热透、奥氏体成分的均匀化。 (2)(2)奥氏体晶粒大小及控制奥氏体晶粒大小及控制