金属材料及其热处理ppt课件

1、机械制造根底机械制造根底制造科学与工程学院金工教研室 梅筱琴金金属资属资料及其料及其热处热处置置第一讲第一讲 金属资料及其热处置金属资料及其热处置l金属资料是现代机器制造的根底l性能决议l工艺性好l很少用纯金属，多用合金资料l性能决议l了解金属资料，有助于l了解工艺方法的本质l合理选择零件资料及其消费工艺一、金属资料的主要性能一、金属资料的主要性能l物理性能物理性能l密度、熔点、热膨胀、导热、导电、磁性等等密度、熔点、热膨胀、导热、导电、磁性等等l化学性能化学性能l耐酸、耐碱、抗氧化性等等耐酸、耐碱、抗氧化性等等l力学性能力学性能l强度与塑性强度与塑性l硬度硬度l韧性韧性l疲劳强度疲劳强度l工

2、艺性能工艺性能l热处置、铸造、锻造、焊接、切削加工性能热处置、铸造、锻造、焊接、切削加工性能l运用性能？运用性能？1.力学性能强度力学性能强度l金属资料抵抗外力引起的塑性变形和断裂的才干l拉伸实验低碳钢的拉伸曲线拉伸试样1.力学性能强度力学性能强度其它塑性资料的其它塑性资料的拉伸曲线拉伸曲线脆性脆性资资料的料的拉伸曲拉伸曲线线1.力学性能强度力学性能强度l强度l屈服强度：sFs/A0l抗拉强度：bFb/A0l条件屈服强度：0.2l产生0.2塑性变形时的应力值l用于没有明显屈服景象的金属资料l强度是普通机器零件和构件设计选材的主要根据2.力学性能塑性力学性能塑性l塑性l金属资料产生塑性变形而不破

3、坏的才干l伸长率l (L1-L0)/L0X100%l断面收缩率l = (S1-S0)/S0X100%l塑性是接受动载荷交变载荷零件选材的根据之一l为防止超载而引起的忽然断裂，要求其具有一定的塑性l塑性是金属资料进展各种压力加工的必要条件3.力学性能硬度力学性能硬度l硬度l资料外表抵抗外力，不产生部分塑性变形压痕的才干l影响资料的耐磨性和切削加工性能l度量方法l布氏硬度HBl洛氏硬度HRl维氏硬度HV(1)布氏硬度布氏硬度HBl采用直径为采用直径为D的钢球或硬质合金球作的钢球或硬质合金球作压头压头l钢球仅用于丈量钢球仅用于丈量HB450以内的资料以内的资料HBSl硬质合金球用于丈量硬质合金球用于

4、丈量HB650以内的以内的资料资料HBWl特点特点l稳定可靠稳定可靠l零件外表被破坏，不用于废品零件外表被破坏，不用于废品l运用运用l各种退火形状下的钢材、铸铁、有各种退火形状下的钢材、铸铁、有色金属等色金属等(2)洛氏硬度洛氏硬度HRl实验原理l特点l 1简便，丈量迅速l 2零件不被破坏l运用：工业消费(3)维氏硬度维氏硬度HVHV=FPF金刚石HV 10000，为规范度量各种硬度值之间没有直接的换算公式，需求时可查表进展换算4.力学性能韧性力学性能韧性l韧性l金属资料抵抗冲击载荷，断裂前吸收能量的才干l冲击韧性Kl KAK/Sl影响要素太多，仅作参考5.力学性能疲劳强度力学性能疲劳强度l疲

5、劳强度l资料在周期性/非周期性动载荷作用下，经受无数次应力循环而不发生疲劳断裂的才干l断裂破坏应力远低于强度极限l疲劳断裂的主要缘由l内部缺陷l杂质l微裂纹l外表划痕l缺陷扩展l“刚性是什么？二、金属的晶体构造与结晶二、金属的晶体构造与结晶l晶体l固定的熔点、沸点l为什么会有固定的熔点、沸点？l金属是不是晶体？l水、CO2、O2、NaCll晶体的三个特征：l(1)晶体有整齐规那么的几何外形l(2)晶体有固定的熔点l(3)晶体有各向异性的特点1.金属的晶格构造金属的晶格构造l内部原子或分子在三维空间呈规那么的周期性反复陈列的固态物质l晶体与晶格晶胞晶胞-晶格最小组成单元晶格最小组成单元常见的晶格

6、类型常见的晶格类型l体心立方晶胞体心立方晶胞l属于此类晶格的有：属于此类晶格的有：Fe、Fe、Cr、W、Mo、V、铌等约、铌等约30种金属种金属常见的晶格类型常见的晶格类型l面心立方晶胞面心立方晶胞l属于此类晶格的有：属于此类晶格的有： Fe、Cu、Au、Al、Ag、Ni、Pt等约等约20种金属种金属常见的晶格类型常见的晶格类型l密排六方晶胞密排六方晶胞l属于此类晶格的有：属于此类晶格的有：Ti、Zn、Cd、Mg、Be等等金属金属2.金属的结晶金属的结晶l金属结晶的条件金属结晶的条件l过冷度过冷度l实际结晶温度与实践结晶温度实际结晶温度与实践结晶温度之间的差之间的差l T=T0-Tnl过冷度越

7、大，冷却速度越快，过冷度越大，冷却速度越快，结晶时间越短；反之，过冷度结晶时间越短；反之，过冷度越小，冷却速度越慢，结晶时越小，冷却速度越慢，结晶时间越长。间越长。纯金属的冷却曲线2.金属的结晶金属的结晶l金属结晶过程金属结晶过程l“形核与形核与“长大长大l晶核的构成晶核的构成l自发形核：因过冷度而构成的短程有序的原子自发形核：因过冷度而构成的短程有序的原子团团l异质形核：外来固态质点异质形核：外来固态质点l晶核的长大晶核的长大 l平面长大：缓冷；金属液较纯真平面长大：缓冷；金属液较纯真l树枝状长大：冷速大；有杂质树枝状长大：冷速大；有杂质l晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒大小对金属力学性能的

8、影响l力学性能：越细越好力学性能：越细越好l细化晶粒的措施：晶核多那么细细化晶粒的措施：晶核多那么细l快冷快冷l孕育处置孕育处置金属结晶过程3.金属纯铁的同素异构转变金属纯铁的同素异构转变l同素异构转变l1538：液态固态lFe体心l4：固态固态lFe 面心l912：固态固态lFe 体心l本质l二次结晶重结晶l固态下的结晶过程l遵照结晶过程的普通规律三、铁碳合金三、铁碳合金l制造机器设备的主要金属资料：l钢、铸铁l铁Fe碳Cl铁含量 95，但是决议性能的是碳l我们学习：l铁碳合金组织l常用钢材及其选用原那么1.合金的根本组织合金的根本组织l合金合金l两种或两种以上金属非金属元素熔和，构成具有金

9、属特性两种或两种以上金属非金属元素熔和，构成具有金属特性的物质的物质l强度硬度较高、本钱低强度硬度较高、本钱低l经过成分控制和热处置，在很大范围内调整其性能经过成分控制和热处置，在很大范围内调整其性能l组元组元l构成合金的元素构成合金的元素l铁、碳、铁、碳、Fe3C稳定的化合物也是组元稳定的化合物也是组元l相相l金属中具有一样化学成分和晶格构造、有界面与其他部分金属中具有一样化学成分和晶格构造、有界面与其他部分分开的、均匀的组成部分分开的、均匀的组成部分l组织组织l用肉眼或显微镜能察看到的金属资料的最小单元用肉眼或显微镜能察看到的金属资料的最小单元-晶粒的晶粒的直观形貌直观形貌铁碳合金中的铁碳

10、合金中的“相相铁素体奥氏体珠光体珠光体二次渗碳体1固溶体固溶体l间隙固溶体间隙固溶体l置换固溶体置换固溶体晶体的四种点缺陷晶体的四种点缺陷空位空位同同类类原原子的子的间间隙原子隙原子异类异类原原子的子的间间隙原子隙原子异类异类原原子的置子的置换换原子原子固溶强化固溶强化间隙固溶体的晶格畸变,引起资料的强度和硬度提高，塑性和韧性却没有明显变化关于合金强度的认识关于合金强度的认识l晶粒粗细影响强度l越细强度硬度越高l细化晶粒是冶金和热处置的目的l固溶强化l晶格中混入杂质，添加变形抗力l位错强化l位错是晶体内部的一种缺陷l添加变形抗力位错强化表示图位错强化表示图两种线缺陷位错两种线缺陷位错刃型位错的

11、构成过程刃型位错的构成过程铁碳合金中的固溶体铁碳合金中的固溶体l铁素体lFe中溶碳l600C0.006%l727C0.021%l强度硬度低l250MPal80HBSl塑性好l4550l与纯铁近似铁碳合金中的固溶体铁碳合金中的固溶体l奥氏体l Fe中溶碳l1148C2.11%l727C0.77%l强度硬度不高l塑性优良l4050l易于塑性变形l压力加工时加热构成奥氏体2化合物化合物l金属化合物与非金属化合物l金属化合物具有复杂晶格、硬而脆lFeS、MnS：非金属杂质l铁碳合金中的化合物l渗碳体Fe3Cl铁碳合金中的强化相l硬度高800HBW、塑性韧性很低l呈片状、球状、网状l920-980C可分

12、解： Fe3C3FeC石墨3混合物混合物l铁碳合金中的机械混合物l珠光体PF+Fe3Cl铁素体渗碳体lC0.77lb750MPal180HBSl2025l呈片状3混合物混合物l铁碳合金中的机械混合物l莱氏体LdlC%=4.3%l与渗碳体性能相近：硬而脆lLdA+Fe3Cl存在于727以上lLdP+Fe3Cl727以下转变为珠光体与渗碳体的机械混合物2.二元合金相图二元合金相图铁碳合相图的建立铁碳合金相图铁碳合金相图分析铁碳合金相图简化铁碳合金相图全图铁碳合金相图全图3铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析lACD：液相线lAECF：固相线ECF共晶线lGSA3：奥氏体中析出铁素体lESAcm：奥氏体

13、中析出渗碳体IIlPSK A1 ：共析线lPQ：铁素体中析出渗碳体III查查看看铁碳铁碳合金相合金相图图查查看看查查看看查查看看铁碳铁碳合金相合金相图图查查看看查查看看查查看看铁碳合金相图全图铁碳合金相图全图2铁碳合金相图全图铁碳合金相图全图4ACD液相液相线线铁碳合金相图全图铁碳合金相图全图5AECF：固相线ECF共晶线铁铁素体素体珠光体珠光体渗渗碳碳体体莱莱氏体氏体钢铁钢铁分界限分界限两个单两个单相之相之间间是混合相是混合相铁碳合金相图全图铁碳合金相图全图6GSA3：奥氏体中开场析出铁素体铁碳合金相图全图铁碳合金相图全图7ESAcm：奥氏体中析出二次渗碳体II铁碳合金相图全图铁碳合金相图全

14、图8PSK A1 ：共析线铁碳合金相图全图铁碳合金相图全图9PQ：铁素体中析出三次渗碳体III铁碳合金相图全图铁碳合金相图全图2均均匀匀、没没有有明明显显晶界晶界铁碳合金相图全图铁碳合金相图全图2珠光体外面有明珠光体外面有明显显的的铁铁素体相素体相铁碳合金相图全图铁碳合金相图全图2珠光体外面有明珠光体外面有明显显的的网状网状渗渗碳碳体体3.典型铁碳合金组织转变典型铁碳合金组织转变l钢：C%2.11lC%0.77%：过共析钢l铸铁：C%【2.116.69%】lC%4.3%：过共晶铸铁共析钢的组织转变共析钢的组织转变S共析钢显微组织珠光体共析钢显微组织珠光体亚共析钢的组织转变亚共析钢的组织转变亚共

15、析钢显微组织亚共析钢显微组织C0.2%过共析钢的组织转变过共析钢的组织转变过共析钢的显微组织过共析钢的显微组织4.工业用钢工业用钢l按化学成分l碳素钢 、 合金钢l按用途l构造钢 、 工具钢 、 特殊性能钢l按质量l普通钢 、 优质钢 、 高级优质钢l按脱氧程度l镇静钢 、 沸腾钢工业用钢种类汇总工业用钢种类汇总碳碳素素钢钢碳碳素素钢钢构构造造钢钢优优质质碳碳素素钢钢构构造造钢钢碳碳素素工工具具钢钢合金合金钢钢合合金金构构造造钢钢特特殊殊性性能能钢钢合合金金工工具具钢钢低合金低合金构构造造钢钢渗渗碳钢碳钢调质钢调质钢弹弹簧簧钢钢滚动轴滚动轴承承钢钢刃具刃具钢钢模具模具钢钢量具量具钢钢不不锈钢锈

16、钢耐耐热钢热钢耐磨耐磨钢钢其其它它1碳素钢碳素钢C%1.5%lC的影响如图lP冷脆性l0.045%以下lS热脆性l0.05%以下lP、S衡量质量lSi、Mn有益碳素构造钢碳素构造钢lC%0.38%0.25%以下常用l牌号GB700-88：lQ215/Q235/Q255 A :屈服极限215/235/255MpalA普通；B/C/D优质，含P/S较少l未完全脱氧F沸腾钢l完全脱氧Z镇静钢lQ215-AF lQ235A3最常用优质碳素构造钢优质碳素构造钢l(P/S)60HRCl淬透性、热硬性很差l牌号：lT8A：含碳0.8，A：含PS很少的优质钢l常用的碳素工具钢：T8、T10、T10A、T122

17、合金钢合金钢l合金构造钢l含碳量的万分数元素符号百分数l合金含量1%不标：9Cr2 CrWMn 9SiCr W18Cr4Vl特殊性能钢：不锈钢2Cr13、1Cr18Ni93零件选材的普通原那么零件选材的普通原那么l满足任务要求l物理性能l化学性能l机械性能l满足工艺性能要求l注重经济性四、钢的热处置四、钢的热处置l目的：改善金属资料的强度、硬度、韧性、弹性、工艺性l现代机器制造中的热处置主要针对：l机床的：主轴、齿轮、床身l汽车的：发动机缸体、缸盖、凸轮轴、联接轴、变速箱齿轮等l其他：刃具、量具、磨具组织决议组织决议性能演示性能演示1.热处置根本工艺热处置根本工艺温温度度时间时间临临界界温温度

18、度保保温温冷却冷却加加热热根本工艺：加热根本工艺：加热-保温保温-冷却冷却2.常用热处置工艺常用热处置工艺l普通热处置l“四火：退火、正火、淬火、回火l外表热处置l外表淬火l化学热处置l渗碳、渗氮、碳氮共渗工艺原理工艺原理退火和正火退火和正火退火作用组织室温下的平衡组织种类完全退火球化退火去应力退火正火作用组织：索氏体硬度强度比珠光体高韧性一样淬火与回火淬火与回火淬火作用组织：马氏体MC原子来不及从A中渗出,过饱和C使晶格严重畸变。硬度高，脆性大回火低温回火150250C回火马氏体中温回火350500C回火屈氏体高温回火500650C回火索氏体外表淬火与化学热处置外表淬火与化学热处置l特殊性能要求的零件l外表耐磨，内部坚韧l外表淬火l工艺原理l用途l设备：感应线圈、火焰、激光l化学热处置l化学介质中加热保温l表层渗碳、渗氮l发蓝坚韧坚韧的基体的基体巩巩固的外固的外壳壳总结总结l金属资料的性能l力学性能l工艺性能l物理、化学性能l金属资料的组织和性能l铁碳合金的组织和性能的关系l选材原那么l钢的热处置l“四火、外表热处置铁碳合金相