(完整版)金属加工工艺学第一篇金属材料的基础知识课件

1、 第一篇 金属材料的基础知识1主要内容包括: 金属材料的主要性能 铁碳合金 钢的热处理 工业用钢2材料与性能要求四大工程材料：钢铁、铝及铝合金、 塑料、水泥 力学性能 强度、塑性、 硬度、 冲击韧性(度)、疲劳强度物化性能密度、耐腐蚀性等工艺性能加工成形的难易程度 3 第一节 金属材料的力学性能一、强度和塑性拉伸试验（GB6397-1986）4 低碳钢拉伸试验图分析 塑性变形阶段 (屈服) 断裂阶段 (颈缩) 变形阶段的分析： 弹性变形阶段F5 N/mm2；MPa 应变：试样单位长度上的伸长量 应力与应变概念 应力： 试样单位横截面上的拉力6 0.2名义屈服强度 （名义屈服点）低碳钢拉伸试验图

2、1.强度指标，单位：MPa(N/mm2）b 抗拉强度 s 屈服强度(屈服点） 强度: 材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。F7 屈服强度和抗拉强度 在工程上常用屈服强度和抗拉强度来表示金属材料的强度指标。其计算公式为：屈服强度（屈服点）拉伸试样产生屈服时的应力 s=Fs /A0 ( MPa ) 抗拉强度拉伸试样在拉断前所承受的最大应力 b = Fb/ A0 ( M Pa ) Fs试样产生屈服时所承受的最大载荷,N Fb-试样在拉断前所能承受 的最大载荷, N A0试样原始截面积,mm 金属不能在超过其 s 、 b 的条件下工作。因此作为强度设计的依据.82. 塑性指标应用中：10试样

3、L0=10d0 5 试样 L0=5d0 伸长率：试样拉断后,其标距的伸长与原始标距的百分比. 塑性: 材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。9断面收缩率: 试样拉断后,缩颈处截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比 说明：、值愈大，表明材料的塑性愈好。式中 A0试样的原始截面积，mm； A1试样拉断后,断口处横截面积，mm； =（A0 A1）/A0100%10二、硬度（HB、HR） 硬度:是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。 它是材料性能的一个综合的物理量，表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。是衡量金属软硬的指标。直接影响金属材料的耐磨性。常用的有布

4、氏硬度和洛氏硬度111. 布氏硬度HBS（以淬火钢球为压头） 用于测定软材质（HBS450） 测试原理图：HBS测定 12 压头直径:10mm、 5mm、 2.5mm 载荷: 30000N、 7500N 、1870N 特点：优点：测量值较稳定、准确度较洛氏硬度高 缺点：测量费时，且压痕较大， 不适合成品检验。 适用范围：用于测定软材质（HBS450） 如:灰口铸铁、软钢和非铁合金等。 HBW- 以硬质合金球为压头的新型布氏硬度计 13 HRC测定2、洛氏硬度HRC （120。金刚石压头、 140kgf ）用于测定硬质表面,材料（2070 HRC） 测试原理图：F14 压头直径: 120。金刚石

5、压头、 1.5875mm钢球、 3.175mm钢球 主载荷: 140kgf、50kgf、90kgf 、 特点：优点 测试简便、迅速、因压痕小、不损伤 零件，适合成品检验。 缺点 测得的硬度值重复性较差，需在不同的 部位测量数次。 适用范围：用于测定硬质材质（2070 HRC） 如:淬火钢、调质钢等。15 三、韧性 金属在断裂前吸收的变形能量的能力韧性。 其常用指标为-冲击韧度（ak ） 16 计算公式： ak =Ak/S(J / cm) 用单位面积上的冲击功来表示 ak冲击韧度 Ak冲断试样所消耗的冲击功，J; S试样缺口处的横截面积，cm。 冲击值一般作为选材的参考，不直接用于强度计算。 试

6、验表明：在冲击能量不大的情况下，金属材料承受多次重复冲击的能力，主要决定于强度，而不是要求过高的冲击韧度。 ak 值 对组织缺陷很敏感，因此，冲击试验在生产上用来检验冶炼、热加工、热处理工艺质量的有效方法。17四、 疲劳强度 （-1 ） （-10.5b） 金属材料在无数次重复或交变载荷的作用下而不致引起断裂的最大应力疲劳强度。 在机械零件中有许多零件，如连杆、齿轮、弹簧、曲轴等，是在交变载荷的作用下工作的。这种受交变应力的零件，发生断裂时的应力。远低于该材料的屈服强度，这种破坏现象叫做疲劳破坏。据统计，约有80%的机件失效都可归咎于疲劳破坏。 金属材料所承受循环应力（）与其断裂前的应力循环次数

7、（N）有如图所示的疲劳曲线关系。18疲劳曲线 当应力降至某值后， 疲劳曲线成为水平，即表示该材料可能经受无数次应力循环而仍不发生疲劳断裂，这个应力叫做疲劳强度极限。 用应力循环基数表示： 钢为107 非铁合金和某些高强为108195、几种常用金属材料的力学性能 牌 号力 学 性 能 应 用b/MPas%HBSHRCkQ235-A400 23526工程结构 45钢6101622955（淬火）轴、杆ZG310-57057031015 30铸钢件ZAlSi2145450 活塞 HT250250气缸体QT700-27004202270 曲轴20复习题1. 解释应力与应变的概念2. 说明S 、0.2 、

8、b、1 、k、45-50HRC、300HBS的名称和含义3. 查阅有关资料列表统计如下材料的力学性能指标值：Q215-A; 35; T10; HT300;QT450-10; ZG340-640(ZG55）;ZCuSn10Pb1(10-1锡青铜);ZAlSi7Mg(ZL101) 。21 第二章 铁 碳 合 金 铁碳合金根据含碳量的不同可分为: 碳钢 ： C2.11%; 图3-3 40钢的显微组织 400 图3-4 60钢的显微组织 400 组织：F+P 组织：P（黑色）+F（白色网状 生铁： 2.11%C5%. （铸铁2.8%C4.0%)22第一节 纯铁的晶体结构与同素异晶转变金属（纯铁、铜、

9、铝等）都是晶体晶体原子按一定的次序作有规则的排列。如金刚石、石墨等。非晶体原子作不规则的排列。 如玻璃、沥青等。 晶格把每个原子看成一个点， 此点代表原子的振动中心,将这些点用直线连接起来，形成的空间格子。 晶胞晶格的最小单元。 晶胞23一、 金属的结晶： 金属由液态冷却变成固态，原子由不规则排列有规则的排列 无序 有序 金属结晶过程示意图 金属结晶过程 形核长大晶粒24金属和合金多为多晶体结构 晶粒间的接触面（边界）称为晶界。 细化晶粒的方法 （1）快速冷却，增加晶核数； （2）添加高熔点弥散质点 （孕育或变质处理）（3）热处理和压力加工 晶粒粗细对力学性能影响很 大。一般规律：晶粒愈细，

10、强度、硬度愈高，塑性、韧 性愈好。25纯金属结晶的 冷却曲线规律 2）纯金属结晶在恒温下进行，结晶冷却曲线出现 水平线段 1）金属实际结晶温度低于理论结晶温度；理论结 晶温度T 0 与实际结晶温度Tm之差称为过冷度， 即：T=T 0-Tm26二、纯铁的晶体结构形式体心立方晶格Fe面心立方晶格Fe 纯铁在晶体状态下的两种晶格类型：27 1）体心立方晶格 在立方体的8个顶角上各有一个原子，在立方体中心还有一个原子。体心立方晶格28 2）面心立方晶格 在立方体8个顶角上各有一个原子，在立方体 的6个面的中心还各有一个原子。面心立方晶格29三、纯铁的同素异晶转变 纯铁固态下, 在不同温度范围内将呈现出

11、不同的晶格形态，这种现象称为同素异晶转变。 （液体） 1538 （体心） 1394 （面心） 912 （体心）2）用反应式表示1）用冷却曲线表示 L30合金：以一种金属为基础，加入其它金属或非金 属，所形成的具有金属特性的物质。组元：组成合金的基本元素。 铁碳合金(Fe-Fe3C)相：在合金组织中,凡是成分相同、晶体结构和物理性能相同的均匀组成部分。例如： 单一的液相； 单一的固相； 液相、固相两相共存；问题： 水、油混装在一个瓶子里，是几个相？ 将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？ 第二节 铁碳合金的组织结构31组织：通常借助于放大镜、显微镜人眼观察到的材料内部的微观图像(各相的形态特征)统称

12、组织.组织是材料性能的决定因素。合金的组织结构机械混合物固溶体金属化合物说明:铁碳合金的组织结构相当复杂,并随成分,温度和冷却速度而变化.以上是按铁和碳相互作用形式不同来分类的.32一、固溶体溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体。据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同固溶体固溶体的性能特点：具有良好的塑性和韧性，强度、硬度相对较低。置换固溶体间隙固溶体溶剂原子溶质原子溶剂原子溶质原子33二、金属化合物 合金各组成元素之间相互作用而生成的一种新的具有金属特性的物质。 各组元按一定整数比结合而成，并具有金属性质的均匀物质，属于单相组织。如： Fe3C、WC、TiC 等金属化合物的性能

13、特点：脆性大、硬度高；强度低；塑性、韧性差；高的熔点。34三、机械混合物 合金的组成在固态下既不互相溶解又不形成化合物，而是按一定的重量比混合而成的新物质。 机械混合物既可以是纯金属、固溶体或金属化合物各自的混合，也可以是它们之间的混合。 如珠光体(F+Fe3C)和莱氏体(A+Fe3C)性能特点： 性能介于各组成物的性能之间。35第三节 铁碳合金的基本组织 部分碳溶于铁的晶格间隙，铁的晶格类型不变。 奥氏体（A） 碳（C）溶入-Fe中所形成的固溶体 铁素体（F） 碳（C）溶入-Fe中所形成的固溶体 1）固溶体36铁素体（F） 体心立方晶格 600 0.006%C 727 0.0218%C 力学

14、性能：b 250MPa； = 45%50%； HBS = 80。奥氏体（A）面心立方晶格 1148 2.11%C 727 0.77% 力学性能： b 250 350MPa； = 40%45%。 HBS= 160200；37铁素体组织奥氏体不锈钢组织38 渗碳体 （Fe3C） （石墨） 铸铁生产中 性能 800 HBW （用硬质合金头测定） 硬而脆，但塑性、韧性极低,伸长率 和冲击韧度近于零。2）金属化合物各组元按一定整数比结合而成，并 具有金属性质的均匀物质，属于单相组织。39过共晶白口铸铁中铁的一次渗碳体过共析钢退火组织中 的二次渗碳体403）机械混合物结晶过程所形成的两相混合组织 白色F基

15、体中嵌入黑片状Fe 3C 良好的力学性能： b 750MPa ； HBS=180 =20 %25% ； k = 30-40（J/c） 成分：C 0.77 %珠光体 P （F+Fe3C）41莱氏体（Ld ） C=4.3%C 727以上为高温Ld （A+ Fe3C）727以下为低温Ld （P+ Fe3C） 力学性能与 Fe3C 相似，硬而脆由绿条状或粒状P和黄色Fe3C 基体组成42 珠光体 莱氏体43 三 、铁碳合金状态图 铁碳合金状态图是用实验方法作出的温度成分坐标图，图中横坐标仅标出了含碳量小于6.69%的合金部分，因为含碳量大于6.69%的铁碳合金，在工业上没有实用意义。当含碳量为6.69

16、%时，铁和碳形成的Fe3C，可以看作是合金的一个组元，因此，这个状态图实际上是Fe-Fe3C的状态图。它是研究钢和铁的成分、温度和组织结构之间关系的重要工具。44铁碳合金状态图显示各种不同碳量的铁碳合金在不同温度 下组织形态的热分析图形45 铁碳合金状态图46471、 Fe C合金状态图的构成1）两条水平线 ECF（1148） PSK（727） AF2）4个基本相 液相(L)； 奥氏体(A)； 铁素体(F)； 渗碳体相( Fe 3C)。482、Fe C合金状态图的特性分析1）共晶线ECF （C点共晶点） 说明：含2.11%6.69%C的 Fe C合金(生铁)都将在1148时发生莱氏体转变，即共

17、晶转变。1148AFPLeLe表示共晶反应：492）共析线PSK （S点共析点）说明：各种成分的 Fe C合金(钢)都将在727时发生珠光体转变，即共析转变。在热处理中，该线温度常以A1表示，冷却时用Ar1，加热时用Ac1。727AFP表示共析反应：503）两条固溶线GS、ESAF ES 自高碳奥氏体冷却过程中析出 Fe3C的起始线。温度常以 Acm表示。（冷却：Arm；加热：Acm） GS 自低碳奥氏体冷却过程中析出铁素体晶粒的起始线，该温度常以 A3表示。（冷却：Ar3；加热：Ac3）51 铁碳合金住状态图中主要线的含义 ACD线液相线，液体合金冷却到此线时开始结晶。 在此线以上的区域是液

18、相区。 AECF线固相线 ，在此线以下的合金为固体状态。 ( AE线 钢的固相线。当液体合金冷却到此线时全部结晶为 奥氏体，反之，加热到此线时，钢开始溶化。) ECF线生铁的固相线，又叫共晶线。因在此线上发生共晶转变生成莱氏体。 GS线（A3线）奥氏体冷却到此线时，开始析出铁素体。 ES线（Acm线）奥氏体冷却到此线时开始析出渗碳体。 PSK（A1线）此线又叫共析线，当奥氏体冷却到此线时，同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物。其反应产物为珠光体。52 铁碳合金状态图中主要点的含义 53四 铁碳合金分类(据C%不同分) 以E点（2.11% C）为界，分为钢和生铁两类。生铁结晶时有莱氏体转变，组织中

19、有莱氏体。AFP 钢以S点（0.77%C）为界， 分为： 亚共析钢 C 0.77%； 共析钢 C0.77%； 过共析钢 C0.77%。54生铁以C点（4.3%C）为界，分为： 亚共晶生铁 2.11%C4.3%； 共晶生铁 C4.3% ； 过共晶生铁 C4.3%6.69。 铸铁：一般是指用来制造 铸件的生铁，为亚共晶生 铁。C2.8 % 4.0 % 。AFP55五 铁碳合金状态图组织转变及应用1、分析自液态冷却至室温时 合金的组织转变过程及室 温组织 室温组织: PFAFAA+AA1）共析钢（T8钢） 1点以上 L 12 LA 23 A 3点 AP 3点以下 PA共析钢的结晶过程56575859

20、606162 2）亚共析钢(45钢）室温组织：F+P亚共析钢的结晶过程FFAAAAAAAAFFFA 1点以上 L (12 L) 23 A+L 34 A 45 A+F 5点 AP 5点以下 P+F633）过共析钢（T10) 室温组织：P+Fe3C（网状）过共析钢的结晶过程AAAAAAFAF 1点以上 L 12 L+A 23 A 34 A+Fe3CII 4点 AP 4点以下 P+Fe3CII644）亚共晶白口生铁AAAAAAAALeLeLe1点以上 L 12 A+L 2点 共晶反应 23 A+Fe3CII+Ld 3点 共析反应 3点以下 P+Fe3CII+Ld 注明： Fe3CII二次渗碳体 Ld

21、 高温莱氏体 Ld低温莱氏体65 室温组织 P+Fe3CII+Ld662、分析钢从室温加热转变至奥氏体状态(俗称奥氏体化) 的组织变化AFPLeLe共 析 钢 PA 亚共析钢 F+PFAA过共析钢 PFe3CIIA Fe3CII67 钢和白口铸铁结晶过程分析 典型铁碳合金在相图中的位置68231LAAL+P1LAAL+A+P+F432F41LL+A+P+Fe3C23AAFe3C1L2LeLe1LA+L+LeP+Fe3C+LeA+Le +32AFe3C31L2L+Fe3CFe3C+Fe3C+LeLe1钢2生铁 共析钢: 亚共析钢: 过共析钢: 共晶生铁: 亚共晶生铁: 过共晶生铁:铁碳合金的结晶

22、过程及组织转变过程总结69复 习 题 1.说明晶粒粗细对力学性能的影响2.何谓铁的同素异晶转变，并用反应式和冷却结晶曲线分别描述3.说明 F、A、 Fe 3C、P的名称、含碳量、晶体类型及力学性能特征4.依Fe -C状态图分析缓慢冷却条件下45钢和T10钢的结晶过程与室温组织。70 第三章 钢的热处理 1、概述 应用:机床制造中，热处理零件占 60%70%， 汽车制造中，热处理零件占70%80%。 刀具、模具和滚动轴承约占100%。方法: 通过对钢件重新加热，保温并在不同条件下的冷却获得所需组织和性能。普通热处理: 退火、正火、淬火、回火；表面热处理: 表面淬火、化学热处理意义: 将钢件在固态

23、下使之改善内部组织和提高其力学性能，但不允许改变形状。71 热处理工艺的包括加热、保温、和冷却三个基本阶段 由于各种热处理时起作用的主要因素是温度和时间，所以各种热处理都用温度时间坐标图的曲线来表示热处理工艺曲线。临界温度 保温冷却加热时间温度72 2. 钢在加热时的组织转变 为了在热处理后获得所需的性能，大多数工艺（淬火、正火、退火）都要将钢加热到临界温度以上，获得全部或部分奥氏体组织，并使其成分均匀化，即进行奥氏体化组织转变,再以不同的冷却方式或速度转变成所需要的组织,已获得预期的性能。 73 组织转变的临界温度C%在加热（冷却）时FeFe3C状态图中各临界点的位置 根据相图，共析钢加热P

24、SK线（A1）以上时，完全转变为奥氏体；而亚共析钢和过共析钢必须加热到GS线（A3）和ES线（Acm)以上才能全部获得奥氏体。 铁碳合金状态图中的组织转变的临界温度是A1、A3、Acm 。实际加热时临界温度的位置用Ac1、Ac3、Accm表示；实际冷却时临界温度的位置A r1、 Ar3 、Arcm 表示。 74 奥氏体的形成共析钢中奥氏体形成过程示意图 奥氏体的形成分四个步骤： 奥氏体晶核的形成； 奥氏体晶核的长大； 剩余渗碳体的溶解； 奥氏体成分的均匀化。 757677787980? 亚共析钢A化过程81? 过共析钢A化过程82加热温度和保温时间，温度越高，时间越长，A晶粒越粗大 碳含量：C

25、%越大，A晶粒越粗大合金含量：除Mn、P外大多数合金能阻碍A晶粒长大 一般采用快速高温加热的短时保温以获得细小A晶粒。833. 钢在冷却时的组织转变 室温时钢的力学性能，不仅与加热、保温后所获得的奥氏体晶粒大小等有关，而且决定于奥氏体经冷却转变后所获得的组织而冷却方式和冷却速度对奥氏体的组织转变有直接的关系。 冷却方式通常有两种： 连续冷却使加热到奥氏体的钢，在温度连续下降的过程中发生组织转变 。如在热处理生产上经常使用的，在水中、油中或空气中冷却等都是连续冷却方式。 等温冷却使加热到奥氏体的钢，先以较快的冷却速度冷到A1线以下的一定的温度，这时奥氏体尚未转变，但成为过冷奥氏体。然后进行保温，

26、使奥氏体等温下发生转变。转变完成后再冷却到室温。如等温退火属于等温冷却方式。84等温转变曲线：是指进行一系列不同过冷度的等温冷却实验，可以测出过冷奥氏体保温过程中开始转变时间和转变终了时间,标注在温度时间坐标系中，然后将开始转变时间和转变终了时间分别连接起来，这种曲线类似英文字母“C”又称“C”曲线。分四个区:稳定A;过冷A; AP组织共存区; 过冷A转变产物区;(高温区,中温区,低温区) 共析钢奥氏体的等温转变曲线共析钢奥氏体等温转变曲线85 共析钢奥氏体等温转变曲线珠光体转变区(高温区)高温转变产物（F+Fe3C）在Ar1550之间等温转变成片层状珠光体产物。珠光体（P)） Ar1650

27、粗片层索氏体（S) 650600 细片托氏体（T）600550 极细片 都是由铁素体和渗碳体的片层所组成的机械混合物。86 贝氏体转变区(中温区) 中温转变产物（B） 在550 230（MS）之间的等温转变产物为贝氏体。 550 350 上贝氏体 350 230 下贝氏体由含碳过量的铁素体和微小的渗碳体混合而成。比珠光体的硬度更高。 87马氏体转变区(低温区)低温转变产物（M） 共析钢奥氏体过冷到230 （MS） 以下转变产物为马氏体。 它实质上C在-Fe中的过饱和固溶体。 88 共析钢奥氏体等温转变曲线在连续冷却中的应用如P26图1-26 了解 v1 ? v2 ? V3 ? Vk ?894、

28、钢的退火和正火 1）退火 将钢件加热、保温，然后随炉或埋入石灰中使其冷却(缓慢) 的热处理工艺。90目的 细化晶粒，提高塑性和韧性；降低表层硬度，利于切削加工；消除内应力。主要应用于铸钢件、重要锻件等多种毛坯加工前的预备热处理。应用91 退火按其钢种的应用不同，分为完全退火、球化退火和低温退火三种不同工艺 完全退火加热温度：Ac3+3050， 完全奥氏体化；冷却：炉冷至500后开炉空冷 缓慢冷却。应用：亚共析钢的铸钢件、重要锻件。92球化退火应用：过共析钢（刀具、刃具）作用：降低硬度，利于切削加工，并为进一步淬火 做准备。组织变化特征：加热温度：Ac1 +2030；冷却：随炉缓慢冷却；93低温

29、退火(去应力退火)加热温度：500650以下(60HRC） 用途：做小型工、模具 牌号：用 “ T”表示，其后面的一位或两位表示 钢中平均含碳量的千分之几。 如：T8，T10，T10A，T12；后面A表示高级优质 碳素工具钢一般均为优质钢。见P32表1-6 118二、低合金钢低合金钢指合金总含量低（3%）、含碳量也较低的合金结构钢。 热处理：退火或正火 性能：较高的强度、塑性、韧性和耐蚀性、 良好的焊接性。 用途：桥梁、汽车、铁路、船舶、锅炉、高 压容器、钢筋、矿用设备等 分类：可焊接低合金高强度钢、低合金耐候钢、 低合金钢筋钢、铁路用低合金钢、矿用低合金钢 应用最广是可焊接低合金高强度钢， 其牌号表示方法与碳素结构钢相同。见P33表1-7119 三、合金钢1、合金结构钢分类及用途：低碳合金结构钢用于渗碳件；中碳合金结构钢调质、渗氮件； 高碳合金结构钢用于制造弹簧。 牌号：采用“数字+元素符号+数字” 来表示。 前面的数字表示钢的平均含碳量，以万分之几表示，如：平均含碳量为0.25%，以25表示； 后面的数字表示合金的含量，以平均含量的百分之几表示， 合金元素小于1 .5%时，编号中只标明元素，不标明含量如果平均含量等于和大于1.5%、2.5%、3.5%，则相应的用2、3、4.表示，如：含0 .370.45%C、0.81.1%Cr的铬钢40Cr