金属工艺学课件

1、1主讲：范丽华主讲：范丽华化工装备学院机械系化工装备学院机械系w学时：学时：48w考核：考试考核：考试23技术水平。技术水平。4沧州铁沧州铁狮铸造狮铸造于公元于公元953953年。年。铁狮子铁狮子通高通高5.785.78米，米，身长身长6.56.5米，体米，体宽宽3.173.17米，重米，重约约4040吨吨5世界四大材料：钢铁、木材、塑料、水泥世界四大材料：钢铁、木材、塑料、水泥材料分：金属材料、非金属材料、复合材料材料分：金属材料、非金属材料、复合材料金属材料金属材料指钢铁、有色金属等材料指钢铁、有色金属等材料非金属材料非金属材料无机高分子材料（陶瓷、水泥、木材无机高分子材料（陶瓷、水泥、木

2、材等），等）， 有机高分子材料（如塑料、橡胶）有机高分子材料（如塑料、橡胶）复合材料复合材料-玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材料。玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材料。现在新材料现在新材料-纳米材料、智能材料纳米材料、智能材料6 材料按物质结构不同分：材料按物质结构不同分： 金属材料、非金属材料（有机高分子材金属材料、非金属材料（有机高分子材料和陶瓷料料和陶瓷料)、复合材料、复合材料 材料按用途不同分：材料按用途不同分： 机械工程材料、土木工程材料、电工材料、机械工程材料、土木工程材料、电工材料、电子材料电子材料 材料按功能不同分：材料按功能不同分： 结构材料、功能材料、磁性材料等结构材料、功能

3、材料、磁性材料等7材料发展概括材料发展概括 天工开物明朝科学家：宋应星 箸 石器时代陶器时代陶器时代铜器时代：铜器时代：司母戊鼎（公元前司母戊鼎（公元前11161116世纪）世纪）1130113078078011001100战国编钟（前战国编钟（前475221475221年）年）6565个个 总重总重2500Kg2500Kg天然石，兽骨，树枝天然石，兽骨，树枝泥巴（日晒泥巴（日晒原始陶器；火烧原始陶器；火烧瓷器用具）瓷器用具） 铁器时代铁器时代 沧州大狮（公元沧州大狮（公元953年年 ）重）重50T ,长长5.3m,宽宽3m人工复合材人工复合材 料料 塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等塑

4、料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等本草纲目本草纲目农政全书农政全书李时珍徐光启 智能材料智能材料8本课程的性质和目的本课程的性质和目的技术基础课技术基础课2、目的：、目的：a获得有关金属材料的基本知识和金属热处理获得有关金属材料的基本知识和金属热处理,具有具有选择零件材料的能力选择零件材料的能力 。b 掌握零件的加工工艺知识，确定加工工艺路线的能力。掌握零件的加工工艺知识，确定加工工艺路线的能力。c 为后续课程和从事技术工作打下基础。为后续课程和从事技术工作打下基础。 1、性质：、性质：（特点：杂，多，广，逻辑性差。）（特点：杂，多，广，逻辑性差。）本课学习方法是：预习本课学习方法是：预习

5、 、笔记、笔记 、复习、讨论问题、复习、讨论问题9金金 属属 工工 艺艺 学学10w 什么叫金属工艺学？什么叫金属工艺学？ w 它是一门研究有关制造金属零件工艺方法的综它是一门研究有关制造金属零件工艺方法的综合性技术基础课。合性技术基础课。w 主要研究：主要研究：w （1）各种工艺方法本身的规律性及其在机械制）各种工艺方法本身的规律性及其在机械制 造中的应用和相互联系；造中的应用和相互联系；w （2）金属机件的加工工艺过程和结构工艺性；）金属机件的加工工艺过程和结构工艺性；w （3）常用金属材料性能对加工工艺的影响；）常用金属材料性能对加工工艺的影响；w （4）工艺方法的综合比较）工艺方法的综

6、合比较11零件的生产工艺过程零件的生产工艺过程选材选材选毛坯选毛坯预先热处理预先热处理机械加工机械加工最终热处理最终热处理检验检验 应根据零件的性能要求、受载情况、服务条应根据零件的性能要求、受载情况、服务条 件、件、工作环境等：工作环境等：选材：金属材料种类繁多，性能不一，而且材料的发选材：金属材料种类繁多，性能不一，而且材料的发展日新月异，而零件的性能要求、服役条件各不相同，展日新月异，而零件的性能要求、服役条件各不相同，再加上材料的资源、价格等多方面考虑。再加上材料的资源、价格等多方面考虑。12毛坯选择毛坯选择机械加工方法机械加工方法轴轴车削车削传统的有传统的有现代的有现代的有有液态成形

7、毛坯有液态成形毛坯塑性成形毛坯塑性成形毛坯连接成形毛坯连接成形毛坯粉末冶金成形粉末冶金成形型材等毛坯型材等毛坯车削、刨车削、刨 削、铣削削、铣削拉削、镗削、磨削等拉削、镗削、磨削等数控加工、电火花数控加工、电火花加工、激光加工等加工、激光加工等特种加工方法特种加工方法零件的生产工艺过程零件的生产工艺过程13第一篇第一篇 金属材料的基本知识金属材料的基本知识w 工程材料主要包括：金属材料、无机非金属材料、工程材料主要包括：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料四大类。有机高分子材料和复合材料四大类。w 金属材料是现代制造机械的最主要材料。金属材料是现代制造机械的最主要材料。(？)w

8、它具有制造机器所需要的物理、化学和力学性它具有制造机器所需要的物理、化学和力学性能和优良的工艺性能，包括铸造性能、锻造性能、能和优良的工艺性能，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、机加工性能等，并且较焊接性能、热处理性能、机加工性能等，并且较好的使用性能，包括物理性能、化学性能、力学好的使用性能，包括物理性能、化学性能、力学性能等。性能等。14w 金属材料以合金为主，很少使用纯金属。金属材料以合金为主，很少使用纯金属。 w 合金是以一种金属为基础，加入其它金属或合金是以一种金属为基础，加入其它金属或非金属，经过熔炼、烧结或其它方法制成的非金属，经过熔炼、烧结或其它方法制成的具有金属特

9、性的材料。具有金属特性的材料。w 最常用的合金，有以铁为基础的铁碳合金；最常用的合金，有以铁为基础的铁碳合金；有以铜或铝为基础的铜合金和铝合金有以铜或铝为基础的铜合金和铝合金15使用性能使用性能加工工艺性能加工工艺性能金属材料的性能金属材料的性能力力学学性性能能物 理化 学性能铸铸造造性性能能可可锻锻性性可可焊焊性性切切削削加加工工性性物物理理化化学学性性能能第一章第一章 金属材料的主要性能金属材料的主要性能Mechanics properties of metals16力学性能：受外力作用下所表现出的性能。（机械性能）力学性能：受外力作用下所表现出的性能。（机械性能） 指标：指标： 强度、塑

10、性、硬度（静载荷）强度、塑性、硬度（静载荷） 韧性（动载荷）韧性（动载荷） 疲劳强度（交变载荷）疲劳强度（交变载荷）第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能17一、强度与塑性一、强度与塑性拉伸试样拉伸试样拉伸试验机拉伸试验机试样按试样按GB639786制取，分长试样制取，分长试样L0=10d0，短试样短试样 L0=5d0通过拉伸试验测得大小。通过拉伸试验测得大小。18拉伸过程经历四个阶段：拉伸过程经历四个阶段：1. 弹性变形（弹性变形（OS）Oe段：直线阶段，完全弹性变形段：直线阶段，完全弹性变形eS段：极微量塑性变形段：极微量塑性变形 2屈服（屈服（s点）点）弹性变形：去除外力后能

11、完全恢弹性变形：去除外力后能完全恢 复到原来的形状。复到原来的形状。塑性变形：外力消除后仍存在的塑性变形：外力消除后仍存在的 永久变形。永久变形。3均匀塑性变形阶段：（均匀塑性变形阶段：（sb）应力应力:=F/A0 （MPa）应变应变:=L/L0 4缩颈（缩颈（bk）-局部集中塑性局部集中塑性变形变形19说明：说明：屈服点概念：力不增加仍能继续伸长时的应力。用符号：s 表示抗拉强度抗拉强度概念：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 弹性极限MPaAFbb0 MPaAFss0MPaAFee0概念：在外力作用下产生弹性变形时所概念：在外力作用下产生弹性变形时所承受的

12、最大拉应力。用符号：承受的最大拉应力。用符号：e e表示。表示。 20 中、高碳钢和其他脆性金属材料中、高碳钢和其他脆性金属材料无明显屈服现象，国家标准以产生无明显屈服现象，国家标准以产生0.2%塑性变形的应力来表示屈服强塑性变形的应力来表示屈服强度，即：度，即：0.2=F0.2/A0211、强度、强度 strength 概念：强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂 的能力。强度判据：屈服点 （屈服强度s）、抗拉强度(b) 屈服强度和抗拉强度在设计机械和选择、评定金属屈服强度和抗拉强度在设计机械和选择、评定金属材料时有重要意义材料时有重要意义 。 机械零件多机械零件多s以作为强度设以作为强

13、度设计的依据。对于脆性材料在强度计算时，则以计的依据。对于脆性材料在强度计算时，则以b为为依据。依据。222、塑性、塑性 plasticity概念：在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。概念：在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。判据：断后伸长率判据：断后伸长率 、断后断面收缩率、断后断面收缩率断后伸长率 Percentage elongation after fracture概念：试样断后标准的伸长量与标准的百分比。用符号概念：试样断后标准的伸长量与标准的百分比。用符号 表示表示%100XLLLook其中：其中：LkLk断后试样长度断后试样长度mmmm Lo Lo试样原始长度试样原始长度

14、mmmm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。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。用符号用符号 表示，表示， 读作读作扑洒哎扑洒哎说明：伸长率和收缩率在实际应用中，一般是用说明：伸长率和收缩率在实际应用中，一般是用表示塑性大小。表示塑性大小。、 越大，材料的塑性越好。通常认为越大，材料的塑性越好。通常认为0.7%，随，随WC，淬透性，淬透性。（3）对力学性能的影响：）对力学性能的影响：淬透性好的钢，力学性能高；淬透性差的钢，尤其是心部淬透性好的钢，力学性能高；淬透性差的钢，尤其是心部力学性能底，受力易变形。力学性能底，受力易变形。75二、回火二、

15、回火 tempering1、概念：淬火后的工件，再加热到、概念：淬火后的工件，再加热到A1以下某一温度、以下某一温度、保温一定时间，然后冷却到室温的工艺。保温一定时间，然后冷却到室温的工艺。2、目的：（、目的：（1）使工件获得要求的力学性能；（）使工件获得要求的力学性能；（2）稳定工）稳定工件尺寸；件尺寸； （3）消除或减少内应力；（）消除或减少内应力；（4）改善工件的切）改善工件的切削加工性。削加工性。3、回火方法、回火方法 （组织转变、性能、应用）（组织转变、性能、应用）（1）低温回火）低温回火 （150250）lowtemperature tempering获得组织获得组织 M回；回；5

16、865HRC；用于高碳钢、工具钢；用于高碳钢、工具钢（刀具、量具、模具）、滚动轴承钢。（刀具、量具、模具）、滚动轴承钢。76（2）中温回火）中温回火 （350500）；mediumtemperatur tempering回火后回火后 b、s 较高，内应力消除，较高，内应力消除，ak 较好。较好。回火组织：回火组织：T回；用于弹簧钢制造的弹性件、锻模。回；用于弹簧钢制造的弹性件、锻模。（3）高温回火）高温回火 ( 500650)；hightemperatuer tempering回火组织：回火组织：S回；特点是回；特点是 综合力学性能好。应用广泛，综合力学性能好。应用广泛，汽车、拖拉机、机车，承

17、受较大载荷的结构零件，如：轴、汽车、拖拉机、机车，承受较大载荷的结构零件，如：轴、齿轮等。齿轮等。淬火淬火+高温回火称调质处理，简称：调质。高温回火称调质处理，简称：调质。trawn说明：回火组织与等温冷却转变组织的区别：说明：回火组织与等温冷却转变组织的区别：S回、回、T回回 是粒状，而是粒状，而 S、T 是片状；正火与调质硬度很接近，但结是片状；正火与调质硬度很接近，但结构件一般经调质而不正火后用，因调质综合力学性能好。构件一般经调质而不正火后用，因调质综合力学性能好。774、回火脆性：一般来讲，随回火温度、回火脆性：一般来讲，随回火温度，其，其、HB，、ak，但在但在250350之间其之

18、间其ak的现象，称的现象，称“回火脆性回火脆性”。碳化物沿。碳化物沿着马氏体周围析出，形成脆性薄壳，受力易裂纹。着马氏体周围析出，形成脆性薄壳，受力易裂纹。1、退火、正火、淬火、回火简称、退火、正火、淬火、回火简称“四把火四把火”的概念、的概念、工艺、目的、应用。工艺、目的、应用。 小结：小结：2、回火后的组织性能、应用如何？、回火后的组织性能、应用如何？78第四节第四节 表面淬火和化学热处理表面淬火和化学热处理一、表面淬火一、表面淬火 surface heat-treatment1、概念：将工件快速加热，表面达到淬火温度立即淬火、概念：将工件快速加热，表面达到淬火温度立即淬火（喷水），表面层

19、获得（喷水），表面层获得 M ，而心部保持了原有的韧性、塑，而心部保持了原有的韧性、塑性且达到表面耐磨的工艺。性且达到表面耐磨的工艺。2、应用：齿轮、凸轮、套筒、应用：齿轮、凸轮、套筒、顶杆等，顶杆等， WC=0.4%0.5%较好。较好。3、方法：按加热方式不同，、方法：按加热方式不同，分为：感应加热和火焰加热分为：感应加热和火焰加热79二、化学热处理二、化学热处理概念：是将金属或合金工件置于一定温度的活性概念：是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变化学成分、组织和性能的热处理工艺。改变化学成分、组织和性能的

20、热处理工艺。二、工艺方法二、工艺方法渗碳、渗氮（氮化）渗碳、渗氮（氮化）801、渗碳：向工件表面深入碳原子过程，、渗碳：向工件表面深入碳原子过程，WC，渗碳层，渗碳层0.52mm.（1）目的：提高耐磨性；此时心部有良好的韧性；）目的：提高耐磨性；此时心部有良好的韧性；“外强里外强里韧韧”。（2）应用：低碳钢，低合金钢。）应用：低碳钢，低合金钢。（3）方法：气体渗碳，固体渗碳。）方法：气体渗碳，固体渗碳。（4）热处理：渗碳、淬火）热处理：渗碳、淬火+低温回火。低温回火。2、氮化：向工件表面渗入活性氮原子、氮化：向工件表面渗入活性氮原子形成硬度极高的合金形成硬度极高的合金氮化物。氮化物。（1）目的

21、：提高硬度、耐磨性，提高疲劳强度，耐蚀性。）目的：提高硬度、耐磨性，提高疲劳强度，耐蚀性。（2）应用：含较高合金元素的钢，）应用：含较高合金元素的钢，V、W、AI、Mo、Cu等等（3）方法：离子渗氮）方法：离子渗氮氨气氨气81第四章 工业用钢w 钢主要由生铁冶炼而重点是常见牌号的含义、性能、应用。重点是常见牌号的含义、性能、应用。GB/T133041991规定钢分：按化学成）规定钢分：按化学成）非合金钢（碳钢）、低合金钢、合金钢三类。非合金钢（碳钢）、低合金钢、合金钢三类。82第一节第一节 碳素钢（简称：碳钢）碳素钢（简称：碳钢）carbon -steel碳钢（非合金钢）碳钢（非合金钢）是指是

22、指WC2.11%，并含有少，并含有少量量Si、Mn、P、S等元素的铁碳合金。等元素的铁碳合金。一、化学成分对碳钢性能的影响一、化学成分对碳钢性能的影响 （了解）（了解）1、锰、锰 Mn作用：脱氧，作用：脱氧，FeO还原还原Fe；与；与S作用作用MnS降低热脆性；提降低热脆性；提高强度、硬度。有益元素高强度、硬度。有益元素2、硅、硅 Si作用：与钢液中作用：与钢液中FeO生成炉渣，提生成炉渣，提高钢质量；溶于高钢质量；溶于F中，固溶强化。中，固溶强化。有益元素。有益元素。3 、硫、硫 S作用：形成作用：形成FeS(熔点熔点1190），），在晶界在晶界 处，在处，在1100 1200 时，压力加工

23、，产生脆裂。时，压力加工，产生脆裂。“热热脆脆”。有害元素。有害元素4、磷、磷 P作用：全部溶于作用：全部溶于F中，固溶强化；中，固溶强化；、HB，在低温下引起脆断，在低温下引起脆断“冷脆冷脆”。有害元素。有害元素83二、碳钢的牌号和用途二、碳钢的牌号和用途（1）按钢中含碳量多少分：）按钢中含碳量多少分：低碳钢低碳钢中碳钢中碳钢高碳钢高碳钢Wc 0.6%（2）碳钢按钢的品质分：（）碳钢按钢的品质分：（S、P含量多少）含量多少）碳素结构钢碳素结构钢:优质碳素结构钢优质碳素结构钢:碳素工具钢碳素工具钢:S、P较高；较高；Ws0.05%,Wp0.045%Ws 0.035%, Wp 0.035%;Ws

24、 0.02%. Wp 0.03%;841、碳素结构钢、碳素结构钢 GB7001988牌号由代表屈服点的字母牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法四部分组成。其中质脱氧方法四部分组成。其中质量等级分别用量等级分别用A、B、C、D表表示。示。A的的S、P量高，量高，D的的S、P量最低，且质量最好。量最低，且质量最好。如：如：Q235A . FQ“屈屈”字汉语拼音字首字汉语拼音字首235s235MPaA质量等级质量等级 A级级F脱氧方法，指脱氧方法，指“沸腾钢沸腾钢”制制造的钢材，一般不标出。造的钢材，一般不标出。牌号有：牌号有：Q195；Q215；Q

25、235；Q255；Q275五类。五类。852、优质碳素结构钢、优质碳素结构钢S、P含量较低，用于含量较低，用于重要零件重要零件GB69988规定：牌号用两位数字表示。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。其中两位数字表示含碳量万分之几。如：如：08F、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75。 如如: 45钢是钢是WC=0.45%20Mn、65Mn等称等称 含锰量较高的优质碳素结构钢。含锰量较高的优质碳素结构钢。3、碳素工具钢、碳素工具钢GB129888规定：牌号用规定：牌号用“碳碳”字汉语拼音字首字汉语拼音字首“T”+数字表示。数

26、字表示数字表示。数字表示WC的千分之几。的千分之几。如：如：T7、T8、T9、T10、T10A、T12等。如等。如T10钢钢WC=1%；T10A中的中的“A”表示为高级优质碳素工具表示为高级优质碳素工具钢。钢。用途见用途见P32，表，表1686补充：铸补充：铸 钢钢 GB/T56131995牌号：用牌号：用“铸钢铸钢”汉语拼音字首汉语拼音字首 ZG表表示。示。如：如：ZG200400 用变速箱体、壳等，焊接性好。用变速箱体、壳等，焊接性好。200s200MPa400b400MPa还有：还有：ZG230450；用力不大的阀体、轴承；用力不大的阀体、轴承盖。盖。ZG270500热轧曲轴、连杆等热轧

27、曲轴、连杆等注意：碳钢分类；说出常见钢号注意：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。等，属哪类钢，有何性能特点，用途。87第二节第二节 低合金钢低合金钢合金钢分类：合金钢分类：1、按含合金元素量多少：、按含合金元素量多少：（1）低合金钢）低合金钢（2）中合金钢）中合金钢（3）高合金钢）高合金钢W含量含量10%W含量含量=5%10%2、按用途分：、按用途分：（1）合金结构钢）合金结构钢（2）合金工具钢）合金工具钢（3）特殊性能钢）特殊性能钢轴、齿轮、钢筋、型钢等轴、齿轮、钢筋、型钢等

28、刀具、模具、手用工具等刀具、模具、手用工具等不锈钢、耐热钢、耐蚀钢等不锈钢、耐热钢、耐蚀钢等881、成分、成分 ： WC0.2%；合金元素强化铁素体。；合金元素强化铁素体。2、性能：良好的、性能：良好的、ak，较高的，较高的b、s；3、钢号、用途、钢号、用途 ：P33 表表17 Q295 ；Q345 ； Q390 ；Q420；Q460常用的是：常用的是：Q345 代替旧标准代替旧标准 16Mn4、热处理：热轧后，正火状态使用。、热处理：热轧后，正火状态使用。一、低合金高强度钢：一、低合金高强度钢：GB/T15911994 （原：低合（原：低合金钢）金钢）合金元素总量合金元素总量5%，主要用于桥

29、梁、井架、电视塔架、船舶等。，主要用于桥梁、井架、电视塔架、船舶等。89第三节第三节 合金钢合金钢牌号：标出牌号：标出 化学元素和含量，含碳量化学元素和含量，含碳量WC两位数字两位数字+元素符号元素符号+数字数字含元素量的含元素量的%12%（1）铬不锈钢：）铬不锈钢：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13（2）铬镍不锈钢：）铬镍不锈钢：1Cr18Ni9Ti 、0Cr18Ni9另：铁素体不锈钢：另：铁素体不锈钢：1Cr17容器，日用品容器，日用品2、耐磨钢、耐磨钢 GB568098 P123 3、又称又称“高锰钢高锰钢”，强烈冲击力作用下发生硬化现象。，强烈冲击力作用下发生硬化现象。如牌

30、号：如牌号：ZGMn131； ZGMn132 ；等应用；等应用 防弹板、铁道防弹板、铁道叉、履带板、颚板、铲斗、保险箱等。叉、履带板、颚板、铲斗、保险箱等。3、耐热钢、耐热钢92939495第二章 金属材料的基础知识第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构一、晶体结构的基本概念一、晶体结构的基本概念Base knowledge of the Metallic materical1.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：晶体特点：晶体有熔点；具有各向异性。如：食有熔点；具有各向异性。如：食盐，冰，金刚石，金属等。盐，冰，金刚石，金属等。

31、非晶体非晶体无熔点；各向同性。如：玻璃，无熔点；各向同性。如：玻璃，松香，沥青等。松香，沥青等。96二、常见的晶格类型二、常见的晶格类型1. 体心立方晶格 bodycentered cubic lattice特点：特点：b 较好。较好。如：如：912 Fe, Cr, Mo, V等。等。体心立方晶格体心立方晶格含有含有2个原个原子体积组成。子体积组成。2. 面心立方晶格面心立方晶格 facecentered cubic lattice特点：特点： 较好。较好。如：如： 912 Fe ,Cu, Al 等金属。等金属。含有含有4个原个原子体积组成。子体积组成。面心立方晶格面心立方晶格972. 晶格与

32、晶胞晶格与晶胞晶格：表示晶体中原子排列形成的空间格子。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。晶胞：组成晶格最基本的几何单元。abc晶晶 胞胞 示意图示意图原子原子3. 晶格常晶格常数数a ,b , ca=b=c且互垂直且互垂直表示晶胞几何形状大小晶体中的原子排列晶体中的原子排列晶面晶面结点结点形成的原因：形成的原因：各原子之间各原子之间相互吸引力相互吸引力与排斥力相与排斥力相平衡结果。平衡结果。983. 密排六方晶格密排六方晶格 hexagonal closepacked lattice特点：硬度高、特点：硬度高、脆性大。如：脆性大。如：锌锌(Zn) , 镁镁

33、(Mg), 镉镉(Cd)等金属。等金属。abCa=bc4. 晶格致密度晶格致密度原子排列的紧密程度。致密度致密度= = 原子体积原子体积晶胞体积晶胞体积43 r3a3结果：体心结果：体心=0.68面心面心=0.74六方六方=0.74原子半径原子半径 r =43a99三、三、 金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构(教材教材20 页页 三三)（一）、多晶体结构（一）、多晶体结构晶粒晶粒晶界晶界多晶体多晶体 示意图示意图由多个单晶粒组成的晶体为多晶体由多个单晶粒组成的晶体为多晶体通常：钢铁材料晶粒尺寸通常：钢铁材料晶粒尺寸 为为 0.1 0.10.001mm0.001mm 显微组织：在显微镜下观显微

34、组织：在显微镜下观察到其形态、大小、分布不同察到其形态、大小、分布不同的组成物。的组成物。（二）、晶格缺陷（二）、晶格缺陷1、点缺陷：在长、宽、点缺陷：在长、宽、高方向尺寸都有很小变高方向尺寸都有很小变化的一种缺陷。化的一种缺陷。 间隙原子间隙原子晶格空位晶格空位1002、线缺陷 ：在晶格中呈线状分布的缺陷。 ， 3、面缺陷：呈面、面缺陷：呈面状分布的缺陷。状分布的缺陷。 ，线线 缺缺 陷陷面缺陷面缺陷101第二节第二节 合金的相结构合金的相结构一、有关合金的基本概念一、有关合金的基本概念1、合金、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由两种或两种以上金属元素或者金属元素

35、与非金属元素组成的具有金属特性的物质。元素组成的具有金属特性的物质。2、组元、组元 constituent组成合金的最基本的独立的物质称组元，简称组成合金的最基本的独立的物质称组元，简称“元元”。如：黄铜如：黄铜 CuZn；硬铝；硬铝 AlCu 等都称二元合金。等都称二元合金。 3、系、系 system由给定组元可以按不同比例配制一系列成分不同的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：合金，简称：“系系”。1024、相图、相图 ：表示合金系中合金状态与温度、：表示合金系中合金状态与温度、成分之间的关系的图解。成分之间的关系的图解。 如：铁碳合金状态如：铁碳合金状态图图5、相、相

36、 phase ：指同一化学成分，同一结构：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。如并以界面互相分开的均匀组成部分。如 固相、固相、液相等。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、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；糖水匀固体。如；糖水 水水溶剂，糖溶剂，糖溶质。溶质。103 分类：分类： 按溶质原子在溶剂中分布情况不同，按溶质原子在溶剂中分布情况不同， 分分 置换固溶体和间隙固溶体两类置

37、换固溶体和间隙固溶体两类置换固溶体置换固溶体溶质原子替换晶格上的原子溶质原子替换晶格上的原子间隙固溶体间隙固溶体溶质原子溶入晶格原子间隙溶质原子溶入晶格原子间隙a)间隙固溶体间隙固溶体 b)置换固溶体置换固溶体特征：晶格类型不变，化学成分有限，性能发生变化特征：晶格类型不变，化学成分有限，性能发生变化104 特征：特征：（1）晶格仍保持原晶格（溶剂）。）晶格仍保持原晶格（溶剂）。（2）化学成分在一定范围内可改变。）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。）性能随化学成分改变而逐渐变化。性能：性能：造成晶格畸变，强度、硬度上升。造成晶格畸变，强度、硬度上升。这种现象称固溶

38、强化。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。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、金属化合物 compound 概念：合金元素之间发生相互作用而概念：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。如生成的一种具有金属特性的新相。如 Fe与与CFe3C105 特征特征（1）具有一定的化学成分。）具有一定的化学成分。（2）与任一组元成分不同。）与任一组元成分不同。（3）熔点高脆性大硬度高。）熔点高脆性大硬度高。 性能性能晶格复杂斜方，晶格复杂斜方，、HB ，、ak ，脆性大，脆性大3、机械混合物、机械混合物 mixture 概念：两相按

39、固定比例构成的组织（复合相），概念：两相按固定比例构成的组织（复合相），称机械混合物。如称机械混合物。如 铁碳合金中铁碳合金中 F与与Fe3C结合为结合为P 特征：各相保持自己的晶格类型、性能特点。特征：各相保持自己的晶格类型、性能特点。 强度、硬度适中，目前钢铁材料中大强度、硬度适中，目前钢铁材料中大 部分是这种组织。部分是这种组织。106第三节第三节 纯纯 金金 属属 的的 结结 晶晶一、结晶的概念一、结晶的概念1、结晶、结晶 crystallization 由液态转变为固体晶体的过程。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：原子由不规则排列到

40、有规则排列过程。或者描述为：晶体结构形成的过程。如水或者描述为：晶体结构形成的过程。如水冰冰2、冷却曲线与过冷度、冷却曲线与过冷度TT0T1时间时间O冷却曲线冷却曲线平台：平台：结晶过程时间。是结晶结晶过程时间。是结晶时放出的热（潜热）造时放出的热（潜热）造成的。成的。 T0理论结晶温度理论结晶温度T1实际结晶温度实际结晶温度T0T1= T 过冷度过冷度过冷是结晶的必要条件！过冷是结晶的必要条件！Ttemperation107结论：冷却速度结论：冷却速度 T 或者说：或者说： T F（结晶能量）（结晶能量） 结晶驱动力结晶驱动力 结晶倾结晶倾向向 二、结晶过程二、结晶过程过程：不断形核和晶核不

41、断长大的过程。过程：不断形核和晶核不断长大的过程。三、晶粒大小控制三、晶粒大小控制1、晶粒越细小，力学性能越高。、晶粒越细小，力学性能越高。108FF结果：小鸡蛋不易碎，结果：小鸡蛋不易碎， 大鸡蛋容易碎大鸡蛋容易碎举例：两组大小不同的鸡蛋受力情况举例：两组大小不同的鸡蛋受力情况2、细化晶粒方法：、细化晶粒方法：（1）增加）增加T。（2）孕育处理（变质处理）。）孕育处理（变质处理）。（3）附加振动或搅拌。）附加振动或搅拌。109四、金属的同素异构转变四、金属的同素异构转变补充内补充内容容铁丝加热实验示意图铁丝加热实验示意图铁丝铁丝标尺标尺支架支架现象：加热时现象：加热时铁丝伸长，到铁丝伸长，到

42、912开始收开始收缩。若冷却时缩。若冷却时从从1000 到到912 出现伸出现伸长现象。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，金属体积发生改变实质是：原子排列不同，结构不同，金属体积发生改变110冷却曲线：冷却曲线：温度温度时间时间liquid结晶过程结晶过程Fe 体心立方晶格体心立方晶格Fe 面心立方晶格面心立方晶格Fe体心立方晶体心立方晶格格转变式：转变式： Fe Fe Fe 9121394体心体心 面心面心 体心体心或者：或者： Fe Fe 912临界转变温

43、度临界转变温度 面心面心 体心体心体心体心2个原子体积个原子体积面心面心4个原子体积个原子体积111第四节第四节 合金的结晶合金的结晶描述合金的结晶过程用描述合金的结晶过程用“二元相图二元相图”解解释释一、二元合金相图的建一、二元合金相图的建立：立： 用热分析法绘制用热分析法绘制如：如：CuNi合金合金CuNi成分变化：成分变化：Cu由由100%0%； Ni由由0%100%0100温度温度AB10831452L-liquidS-solidL+SWNi%结晶过程分析：结晶过程分析：70%Cu+30%Ni 合金合金121点以上为液体点以上为液体 L到到1点开始结晶出固体点开始结晶出固体 S12间为

44、两相间为两相 区区 L+S到到2点时全为固体点时全为固体 S2点以下为固体点以下为固体112ABCuNi12LSAB上线上线液相线液相线AB下线下线固相线固相线二、二、 合金结晶的特点：合金结晶的特点：1、一个温度范围内结晶，、一个温度范围内结晶，有两个相变点（因为合金有两个相变点（因为合金有两组元有两组元 ）。）。2、结晶出的固相成分与、结晶出的固相成分与液相成分不同（液相成分液相成分不同（液相成分不断改变）。不断改变）。3、形成单相、两相混合、形成单相、两相混合物、单相与两相混合物。物、单相与两相混合物。L+StO12LLS（L+S）S冷却曲线冷却曲线113第五节第五节 铁碳合金铁碳合金

45、Ferrocarbon alloy一、铁碳合金状态图一、铁碳合金状态图1、状态图的建立、状态图的建立通过热分析法获得Fe与与C形成：形成：FeCFe3CFe2CFeC-Wc=6.69%-Wc=9.3%-Wc=17.8%Fe3CFe2CFeC说明：说明：GB310293规定规定W称为称为质量分数，质量分数，下标为含某下标为含某元素元素W-weight 分量、重量分量、重量FeFe3C FeFe3C 简化状态图简化状态图114二、状态图二、状态图作用：作用：（1）研究）研究钢铁的成分、钢铁的成分、组织和性能组织和性能之间关系理之间关系理论基础。论基础。（2）制定）制定热加工工艺热加工工艺的依据。的

46、依据。简化简化 FeFe3C 状态图状态图三、基本组织三、基本组织1、铁素体、铁素体 F Ferrite 碳在碳在Fe中所形成的间隙固溶体。中所形成的间隙固溶体。 特点：塑性、韧性好，强度、硬度低。特点：塑性、韧性好，强度、硬度低。1152、奥氏体、奥氏体 Aaustenite 英英国金相学家国金相学家碳在碳在Fe中中的间隙固溶体。的间隙固溶体。特点：塑性较特点：塑性较好，强度较低好，强度较低3、渗碳体、渗碳体 Fe3C是是FeFe与与C C的化合物。特点：硬度很高，很脆，塑性的化合物。特点：硬度很高，很脆，塑性几乎等于零，在钢中起强化作用。几乎等于零，在钢中起强化作用。-cementite-

47、cementite4、珠光体、珠光体 Ppearlite（日本）是（日本）是F与与Fe3C机械混合物，机械混合物，WC=0.77%特点：有一定的强度、塑性，层片状。特点：有一定的强度、塑性，层片状。1165、莱氏、莱氏体体 Ld-Ledeburite德国金相学家德国金相学家特点：硬特点：硬而脆，不而脆，不能进行压能进行压力加工。力加工。是高温下是高温下A与与Fe3C的机械混合物的机械混合物 共晶反应的产物。共晶反应的产物。Wc=4.3% 反应式：反应式： L 4.3=Ld (A+Fe3C)1148注：随温度降低至注：随温度降低至727时，时，A转变为转变为P，室温下变成：室温下变成：P+ Fe

48、3C共晶组织，称为共晶组织，称为 低低温莱氏体温莱氏体 LdLd =（P+ Fe3C）F、A、 Fe3C是单相组织是单相组织P、 Ld 是混合物是混合物117第二节第二节 FeFe3C 状态图分析状态图分析一、分类一、分类工业纯铁工业纯铁碳钢碳钢白口铸铁白口铸铁亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁118力学性能变化：力学性能变化：随碳含量增加，随碳含量增加，其强度、硬度其强度、硬度，塑性、韧性塑性、韧性。但当但当WC0.9%后，其后，其HB，b、ak二、状态图中二、状态图中的特性点、线、的特性点、线、区域组

49、织区域组织请打开教材请打开教材40页，二部分。页，二部分。119钢铁力学性能与碳含量钢铁力学性能与碳含量WC的关系的关系120特性点：特性点：见表见表22特性线：特性线：1、ACD线；线；2、AECF线线固相线固相线液相线液相线（其中（其中AEAE线是碳钢固线）线是碳钢固线）3、ECF线线共晶转变线共晶转变线 LLd4、GS线（又称线（又称A3线）线）5、ES线（又称线（又称Acm线）线）6、PSK线线共析转变线共析转变线 A p（又称（又称A1线）线）121三、合金的结晶过程分析三、合金的结晶过程分析亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢AF+ALEA+Fe3CL+A122三、合金的结

50、晶过程分析三、合金的结晶过程分析AEGPQSFeLAL+AFF+A F+PPP+Fe3CA+Fe3C0.772.11 、共析钢、共析钢 WC=0.77%123P、亚共析钢、亚共析钢123412344LL+AAF+AAPP+F冷却曲线冷却曲线过共析钢过共析钢 WC=1.0%状态图的应用：自己看状态图的应用：自己看P45123作业：作业：机械工程材料实验与习题机械工程材料实验与习题 （1）P67 ：225（2） P68 ：238 （默画相（默画相图）图） （3） P69：242 （计算题）（计算题） 上作业本！上作业本！ 239；240124第三章第三章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结

51、晶本章重点：本章重点：1 1、变形机理。、变形机理。2 2、形变后组织性能特点。、形变后组织性能特点。第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形 plastic deformation of metal一、单晶体的塑性变形一、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。、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。、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：滑移变形的基本方式：滑移位错造成的。位错造成的。125滑移变滑移变形的实质：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

52、对于另在切应力作用下，某一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生位移。此现象称一部分发生位移。此现象称“滑移滑移”二、实际多晶体塑性变形二、实际多晶体塑性变形1、晶粒本身的变形（滑移变形）、晶粒本身的变形（滑移变形）主要的主要的2、晶粒之间的变形（晶间变形）、晶粒之间的变形（晶间变形）次要的次要的126第二节第二节 冷塑性变形对组织、性能的影响冷塑性变形对组织、性能的影响一、晶粒被拉长（压扁），性能趋于各向异性一、晶粒被拉长（压扁），性能趋于各向异性1122受力变形受力变形二、产生冷变形强化（加工硬化）现象二、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、

53、硬度随变形程度的增加，其强度、硬度，塑性、韧性，塑性、韧性的现象的现象如：手弯铁丝；如：手弯铁丝； 冷卷弹簧；冷卷弹簧； 推土机前板；推土机前板；不锈钢刀不锈钢刀三、产生内应力（残余应力）三、产生内应力（残余应力）解决办法：去应力退火解决办法：去应力退火127128第三节第三节 变形金属在加热时的变化变形金属在加热时的变化一、回复一、回复 recovery 晶格歪扭现象消失的过程。晶格歪扭现象消失的过程。T回回（0.250.3)T熔熔T回回回复加热温度回复加热温度 ，单，单位位 KT熔熔绝对熔化温度，绝对熔化温度， 单单位位 K热力学温度单位热力学温度单位二、再结晶二、再结晶 recrysta

54、llization对回复后的金属继续加热，由于原子获得了更大的活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。的过程，此时没有应力出现。加工硬化现象消失。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。通过：形核、长大方式完成。再结晶后晶格类型没有变化。T再再0.4 T熔熔碳碳 钢钢 T再再0.5 T熔合金钢熔合金钢 T再再0.6 T熔熔129三、晶粒长大三、晶粒长大若若T再继续升高，则晶粒长大、变粗，力学性能大大下再继续升高，则晶粒长大、变粗，力

55、学性能大大下降。降。所以要严格控制加热温度、保温时间。所以要严格控制加热温度、保温时间。第四节第四节 金属的热加工金属的热加工 hot working一、热加工与冷加工概念一、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。、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：、冷加工：cold working T加小于加小于T再再称冷加工称冷加工特点：特点：如：金属铅在室温下变形如：金属铅在室温下变形属热加工属热加工金属钨在金属钨在1000时变形时变形属冷加工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。热加工变形量大，表面粗糙，无加工

56、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。冷加工变形量小，表面光滑，有加工硬化现象，无再结晶。130二、热加工对组织、性能的影响二、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、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、形成锻造流线forging flow line（纤维组织），产生各向异性（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，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。平行流线方向好似一条条细线。平行流线方向抗拉强度、塑性好。抗拉强度、塑性好

57、。垂直于流线方向垂直于流线方向抗剪切力大，抗拉强度低。抗剪切力大，抗拉强度低。曲轴曲轴齿轮齿轮裂纹裂纹131 不合理 合理作业：习题册作业：习题册 P72132第三章第三章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶本章重点：本章重点：1 1、变形机理。、变形机理。2 2、形变后组织性能特点。、形变后组织性能特点。第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形 plastic deformation of metal一、单晶体的塑性变形一、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。、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

58、不完全恢复的现象。、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：滑移变形的基本方式：滑移位错造成的。位错造成的。133滑移变滑移变形的实质：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。此现象称一部分发生位移。此现象称“滑移滑移”二、实际多晶体塑性变形二、实际多晶体塑性变形1、晶粒本身的变形（滑移变形）、晶粒本身的变形（滑移变形）主要的主要的2、晶粒之间的变形（晶间变形）、晶粒之间的变形（晶间变形）次要的次要的134第二节第二节 冷塑性变形对组织、性能的影响冷塑性变形对组织、性能的影响一、晶粒

59、被拉长（压扁），性能趋于各向异性一、晶粒被拉长（压扁），性能趋于各向异性1122受力变形受力变形二、产生冷变形强化（加工硬化）现象二、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、硬度随变形程度的增加，其强度、硬度，塑性、韧性，塑性、韧性的现象的现象如：手弯铁丝；如：手弯铁丝； 冷卷弹簧；冷卷弹簧； 推土机前板；推土机前板；不锈钢刀不锈钢刀三、产生内应力（残余应力）三、产生内应力（残余应力）解决办法：去应力退火解决办法：去应力退火135136第三节第三节 变形金属在加热时的变化变形金属在加热时的变化一、回复一、回复 recovery 晶格歪扭现象消失的过程。

60、晶格歪扭现象消失的过程。T回回（0.250.3)T熔熔T回回回复加热温度回复加热温度 ，单，单位位 KT熔熔绝对熔化温度，绝对熔化温度， 单单位位 K热力学温度单位热力学温度单位二、再结晶二、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。的过程，此时没有应力出现。加工硬化现象消失。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。通过：形核、长大方式完成。再结晶后