第一章金属材料

1、热工与材料成型工艺基础热工与材料成型工艺基础 王孝国王孝国18404965710课程介绍 考试课，48学时（8个实验学时）； 3个学分 考试成绩安排： 总成绩=平时成绩+实验成绩+考试成绩 平时成绩：到课考勤情况、上课表现、作业完成情况等 实验成绩：考勤、实验完成情况、实验报告等 考试成绩：期末考试卷面成绩v材料是人类赖以生存和发展的物质基础。人类认识和材料是人类赖以生存和发展的物质基础。人类认识和使用材料的使用材料的各个阶段各个阶段，代表了人类的各个文明阶段：，代表了人类的各个文明阶段：人类的生活和生产实践对材料不断提出新的要求，新材人类的生活和生产实践对材料不断提

2、出新的要求，新材料的出现又推动了人类生活和生产的进一步发展。料的出现又推动了人类生活和生产的进一步发展。 绪论绪论工程材料分类课程内容课程内容本课程内容本课程内容金属材料及热处理铸造成型技术压力加工（锻造、冲压）焊接成型技术粉末冶金高分子材料成型（注塑成型）其他成型方法材料成型材料成型工艺基础工艺基础 金属的晶体结构与结晶 合金与铁碳合金 金属材料热处理 常用的金属材料第一章第一章 金属材料与热处理金属材料与热处理1.1 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶1.1.1 金属的晶体结构一、晶体与非晶体一、晶体与非晶体1、晶体：原子按一定几何形状有规律地重复排列的物质称为晶体。它们熔点固定，各

3、向异性。如：金属及合金、结晶盐、冰、金刚石、石墨。2、非晶体：原子无规律地堆积在一起的物质称为非晶体。它们熔点不固定，各向同性。如：玻璃、沥青、松香。1、晶格：描述晶体结构原子排列规律的空间几何格架2、晶胞：能完整反映晶格特点的最小几何单元3、晶格常数：晶胞中各棱边尺寸a、b、c（点阵常数）4、致密度：晶胞中原子所占的体积与该晶胞体积之比，K。当a=b=c,棱边夹角=90，这种晶胞称为简单立方二、金属的晶体结构二、金属的晶体结构三、常见金属的晶体结构三、常见金属的晶体结构1、体心立方晶格(a) (b) (c) 晶胞形状为立方体,8个顶角及立方体中心各有一个原子 a=b=c,=90 致密度K=0

4、.68 常见金属元素有：铬（Cr）、钨（W）、钼（Mo）等(a) (b) (c)2、面心立方晶格 晶胞形状为立方体,8个顶角及立方体各面中心各有一个原子 a=b=c,=90 致密度K=0.74 常见金属元素有：铝（Al）、铜（Cu）、镍（Ni）、银（Ag）等3、密排六方晶格 (a) (b) (c) 晶胞形状为六棱柱体 a=bc,=90，=120 致密度K=0.74 常见金属元素有：镁（Mg）、锌（Zn）、铍（Be）等四、实际金属的晶体结构四、实际金属的晶体结构1.1.2 纯金属的结晶纯金属的结晶一、金属结晶的温度1、理论结晶温度2、实际结晶温度二、金属结晶的规律三、金属晶粒的细化方法1.1.3

5、 金属的同素异晶转变金属的同素异晶转变 实际使用的金属材料都是由许多小晶体组成的。由于每个小晶体外形不规则，且呈颗粒状，因而称为“晶粒晶粒”。 金属在固态下固态下由一种一种晶格类型转变为另一种另一种晶格类型的变化称为金属的同素异晶转变金属的同素异晶转变。原子重新排列的过程，即重结晶重结晶或二次结晶二次结晶举例：举例：纯铁的同素异晶转变过程1.2 合金与铁碳合金合金与铁碳合金1.2.1 合金的基本概念和结构合金：两种或两种以上的金属元素（或金属与非金属元素）熔合在一起形成的具有金属特征的物质组元：组成合金的最基本的、能独立存在的物质相：合金中具有同一化学成分和结晶构成的组成部分1.2 合金与铁碳

6、合金合金与铁碳合金1.2.1 合金的基本概念和结构合金的相结构固溶体：合金由液体结晶转固态，组成元素之间互相溶解，形成一种晶格结构与合金中某一组元晶格结构相同的新相，成为固溶体。金属化合物：溶质含量超过溶剂的溶解度时，溶质元素和溶剂元素相互相成一种不同于任一组元晶格的新物质有限固溶体、无限固溶体间隙固溶体、置换固溶体1.2.2 铁碳合金的基本组织 铁碳合金的基本组织铁素体（F/）奥氏体（A/）碳溶于-Fe形成的间隙固溶体，仍保持体心立方晶格，呈明亮的多边形晶粒组织强度、硬度较低，塑性韧性较好，低碳钢中含较多铁素体，故具有较好的塑性。溶碳能力：727 0.0218% 常温0.0008% 碳溶于-

7、Fe形成的间隙固溶体，面心立方结构，为高温组织，强度、硬度仍然很低，塑性较高溶碳能力：1148 2.11% 727 0.77% C溶解到Fe的晶格中固溶体 C和Fe按一定比例相互化合化合物铁和碳的基本结构分为两种：铁和碳的基本结构分为两种： 铁碳合金的基本组织渗碳体（Fe3C）珠光体（P）莱氏体（Ld）铁和碳形成的复杂晶格结构的间隙化合物，片状、粒状、网状或板状，硬度很高，而塑性、韧性极差溶碳能力：6.69% 奥氏体冷却时，分解为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层片状机械混合物，过细时也有粒状；机械性能介于铁素体和渗碳体之间高温莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，低温莱氏体由珠光体和渗碳体组成；性能与

8、渗碳体相似图1-9 简化的Fe-Fe3C相图1.2.3 铁碳合金相图FeFe3C1 1、铁碳相图分析、铁碳相图分析铁碳相图中重要的特征线：铁碳相图中重要的特征线：ACD-液相线 AECF-固相线ECF-共晶转变线 PSK-共析转变线铁碳相图中合金分类：铁碳相图中合金分类：P、E两点把铁碳合金分为工业纯铁、碳钢和白口铸铁三类，其中碳钢和白口铸铁由可分三类。共析转变：共析转变：即两种或以上的固相(新相)，从同一固相(母相)中一起析出，而发生的相变，称为共析转变，有时也称共析反应。AP（F+F3C）共晶转变：共晶转变：合金系中某一定化学成分的合金在一定温度下，同时由液相中结晶出两种不同成分和不同晶体

9、结构的固相的过程称为共晶转变。LLd（A+F3C） 共析是从共析是从一种一种固相中析出两种固相固相中析出两种固相，共晶是从液相共晶是从液相中结晶两种晶体中结晶两种晶体图1-10 典型铁碳合金相图1）共析钢结晶过程2、典型合金平衡结晶过程设及组织典型合金平衡结晶过程设及组织层状珠光体组织400 x粒状珠光体组织400 xJB2）亚共析钢的结晶图1-10 典型铁碳合金相图含碳量为0.4%的亚共析钢显微组织3）过共析钢结晶过程图1-10 典型铁碳合金相图含碳量1.2%的过共析钢显微组织400 x4）共晶白口铸铁结晶过程图1-10 典型铁碳合金相图共晶白口铁室温显微组织200 x5）亚共晶白口铸铁结晶

10、过程B图1-10 完整的Fe-Fe3C相图3、碳对铁碳合金平衡组织和机械性能的影响碳对铁碳合金平衡组织和机械性能的影响1）对组织平衡的影响2）对机械性能的影响图1-17 碳对钢的力学性能的影响4、Fe-Fe3C相图的应用相图的应用1）在选材方面的应用2）1.3 金属材料热处理金属材料热处理 金属材料热处理是指将金属或合金在固态范围内采用适当的范式进行加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得所需要性能的一种工艺方法。1、热处理概念、分类热处理的目的：热处理的目的： 提高零件的使用性能； 充分发挥钢材的潜力； 延长零件的使用寿面； 改善工件的工艺性能，提高加工质量，减小刀具的磨损。热处理使钢性能发

11、生变化的原因：热处理使钢性能发生变化的原因： 由于铁有同素异转变，从而使钢在加热和冷却过程中，发生 了组织与结构变化。1.21.2、钢在加热时的组织转变、钢在加热时的组织转变 钢的奥氏体化奥氏体晶核的形成及长大；残余渗碳件/铁素体的溶解；奥氏体的均匀化；在热处理工艺中，钢保温的目的是： 、为了使工件热透； 、使组织转变完全； 、使奥氏体成分均匀。奥氏体晶粒的长大： 加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越大图1-9 简化的Fe-Fe3C相图FeFe3C铁碳相图铁碳相图1.31.3、钢材在冷却时的组织转变、钢材在冷却时的组织转变过冷奥氏体的等温转变等温转变图的建立过冷奥氏体等温转变产物的组织和性

12、能珠光体转变珠光体转变（高温转变）（高温转变）：温度：A1550珠光体 HRCA1650珠光体P 25650600索氏体S 2535600550屈氏体T 3540贝氏体型转变贝氏体型转变（中温转变）（中温转变）：550Ms贝氏体B 4045550350上贝氏体B上 350Ms下贝氏体B下 4555 马氏体转变马氏体转变（低温转变）：（低温转变）：碳在Fe中的过饱和固溶体，称为马氏体，用符号M表示，体心正方晶格。马氏体转变的特点：转变温度：MsMf转变速度极快；转变体积发生膨胀；转变不彻底。性能特点：针状马氏体：硬度高、脆性大；板条马氏体：强度、韧性较好马氏体的硬度主要取决于含碳量。过冷奥氏体等

13、温度转变图的应用。在等温转变图上估计连续冷却转变产物，确定马氏体临界冷却速度共析钢等温转变曲线（C曲线/TTT曲线）2、钢的热处理工艺1）退火 2）正火 将钢件加热到高于或低于钢的相变点适当温度，保温一段时间，随后在炉中或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的一种热处理工艺。 目的：降低硬度，细化晶粒，改善组织，提高力学性能，消除内应力，防止变形、开裂。 将钢件加热至Ac3(亚共析钢）、Ac1（共析钢）或Acm（过共析钢）以上3050，经过保温后从炉中取出，在空气中冷却的热处理工艺。 目的：细化晶粒，提高机械性能和切削加工性能，消除内应力。3）淬火 将钢加热到Ac3(亚共析钢

14、）或Ac1（共析钢）以上3050，保温一定时间使其奥氏体化，然后再冷却介质中迅速冷却的热处理工艺。 目的：得到马氏体，提高钢的硬度和耐磨性。4）回火 将淬火后的钢加热到Ac1以下温度，保温一段时间，然后置于空气中冷却的热处理工艺。 目的：消除淬火钢中内应力，防止变形和开裂，稳定零件组织及尺寸，调整硬度，提高刚到韧性。低温回火、中温回火、高温回火3 3、钢的表面热处理、钢的表面热处理在机械设备中，有许多零件（如齿轮、活塞销、曲轴等）是在机械设备中，有许多零件（如齿轮、活塞销、曲轴等）是在冲击载荷及表面摩擦条件下工作的。这类零件在冲击载荷及表面摩擦条件下工作的。这类零件表面表面必须必须具有高硬度和

15、耐磨性，而心部要有足够的塑性和韧性。这具有高硬度和耐磨性，而心部要有足够的塑性和韧性。这类零件要进行表面热处理类零件要进行表面热处理。常用的表面热处理方法有：表面淬火及化学热处理。常用的表面热处理方法有：表面淬火及化学热处理。3 3、钢的表面热处理、钢的表面热处理1）钢的表面淬火2）钢的化学热处理固体渗碳示意图井式气体渗碳炉淬火图片热处理新技术热处理新技术热处理新技术热处理新技术形变热处理形变热处理真空热处理真空热处理可控气氛可控气氛热处理热处理激光热处理激光热处理电子束淬火电子束淬火1.4 1.4 常用的金属材料常用的金属材料1、钢1）钢的分类：碳素钢、合金钢：结构钢、工具钢、特殊性能钢2）钢的编号碳素钢合金钢（Q235）（45）（T10A）（18Cr2Ni4W）（W18Cr4V）Steelmaking flowlines Steel Finishing flowlines 2 2、有色金属及其合金、有色金属及其合金1）铝及其合金鸿雁5芯超高亮铝合金太阳能充电LED手电筒高纯铝铝合金门铝合金水龙头 纯铝是银白色金属，相对密度为2.7，大约是铜的1/3，熔点为657，其晶体结构为面心立方晶格。2）铜合金纯铜裸线黄铜棒白铜（在唐代相当贵重）青铜鸭尊青铜大鼎 纯铜有很好的导电、导热性和良好的耐蚀性，主要用于制作电工导体，