武汉理工金属工艺学

1.金属材料导论1.5铁碳合金1.1金属材料的主要性能1.2金属及合金的晶体结构1.3合金的结构1.4二元合金状态图零件的生产工艺过程选材选毛坯预先热处理机械加工最终热处理检验应根据零件的性能要求、受载情况、服役条件、工作环境等：其中选材：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，再加上材料的资源、价格等多方面考虑。机械加工方法轴毛坯选择车削传统的有现代的有有液态成形毛坯塑性成形毛坯连接成形毛坯粉末冶金成形型材等毛坯车削、刨削、铣削拉削、镗削、磨削等数控加工、电火花加工、激光加工等特种加工方法一个具体零件的加工往往可用多种不同的加工方法，而每种加工方法所能达到的加工精度、加工质量、加工范围、加工效率是不同的。

预先热处理：

为使切削加工能顺利进行，可通过预先热处理调整硬度，为切削加工做好组织准备。最终热处理：使材料的性能达到要求。

第1章金属材料导论材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。

复合材料工程材料金属材料陶瓷材料高分子材料1.1金属材料的主要性能

本节重点：金属材料的力学性能主要内容：金属材料的力学性能,包括材料的强度、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳强度等。本节难点：各性能指标的物理意义和测定方法

1.1.1金属材料的力学性能在低碳钢拉伸曲线中，把F-Δl坐标换成σ-ε（应力—应变）就可以直接在图上读出力学性能指标，并且不需要做成标准试样。强度

材料在外力作用，抵抗塑性变形和断裂的能力。工程上常用的金属材料的强度指标有屈服强度(σs)和抗拉强度(σb)等；

塑性

材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的性能。表示材料的塑性指标是：伸长率δ和断面收缩率Ψ；对于塑性差的材料，用σ0.2来代替σs；1）使材料具有良好的成形性；

2）受到外力变形时，有强化作用。硬度

材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。最常用的硬度指标有：布氏硬度（HB)和

洛氏硬度(HRA-C)。布氏硬度和洛氏硬度试验原理和使用范围均不相同；零件发生疲疲劳破坏是是没有预兆兆而突然断裂，此时发生生疲劳破坏坏的应力远远远小于抗抗拉强度，，甚至比屈屈服强度还还小，非常常危险。小结：金属属材料的力力学性能是是在外力作作用下表现现出的力学学性能，在在实际生产产中应用相相当广泛。。1.1.2金属材料的的物理、化化学性能（（略）冲击韧度金属材料抵抵抗冲击载载荷的作用用而不破坏坏的能力。常用用的指标有有冲击韧度(Ak)。疲劳强度金属材料抵抵抗交变载载荷的作用用而不破破坏的能力。常常用的指标标有疲劳强度(σ-1)。思考题题1将钟表发条条拉成一直直线，问这这是弹性变变形还是塑塑性变形？？怎样判断断它的变形形性质？2疲劳破坏有有什么危害害？在什么么情况下发发生疲劳破破坏，产生生原因是什什么？如何何提高零件件的疲劳强强度？1.2金属及合金金的晶体结结构2.金属的结晶晶：原子由由无序状态态向有序状状态转变的的过程。有有晶体形成成。本节重点：：金属结晶的的概念、结结晶过程本节难点：：合金的结构构1.三种常见的的金属的晶晶格类型：：体心立方面心立方密排六方基本概念凝固：一般非晶晶体由液液态向固固态转变变的过程程。结晶：由液态金金属转变变为固态态晶体的的过程。。晶体：原子排列列时有序序的，原原子在三三维空间间做规则则的、周期期性的、、重复排排列。有有一定的的熔点和和凝固点，，性能趋趋向各向向异性。。非晶体:原子排列列杂乱无无章呈无无序状态态，没有有一定的熔点点和凝固固点，性性能趋向向各各向同性性。晶体中的的原子排排列金属的的结结晶纯金属的的冷却曲曲线（理理想状态态）ºCTº

L

ab

S0a：结晶开始点b：结晶终了点金属的的结结晶纯金属的的冷却曲曲线（实实际）ºC

LT0T1S0T0：理论结晶温度T1：实际结晶温度ΔT=T0--T1（过冷度）金属的的结结晶合金的冷冷却曲线线ºCa

bLsL+s0a：结晶开始点b：结晶终了点合金的结晶是在一个温度范围内完成。金属的的结结晶结晶的必必要条件件----过冷度金属的结结晶过程程：原子团形核晶核长大大小晶粒晶粒（外外形不规规则的小小晶体））形核：自身晶核核、外来来晶核晶核长大大方式：：树枝状方方式晶界—晶粒间的的分界面面；单晶体—结晶方位位完全一一致的的的晶体多晶体—由多晶粒粒组成的的晶体结结构细化晶粒粒的方法法增加冷却却速度，，增大过过冷度；；增加外来来晶核;采用机械械、超声声波振动动、电磁磁搅拌等等；晶粒粗细细对材料料力学性性能的影影响晶粒越细细，强度度越高，，塑性和和韧性也也越好。。金属的同同素异构构转变1538cº1394ºc912ºc室温δ-Feγ-Feα-Fe体心立方面心立方体心立方金属的同同素异构构转变的的慨念金属在固固态下，，随着温温度的改改变其晶晶体结构构发生变变化的现现象。金属的同同素异构构转变的的意义可以用热热处理的的方法即即可通过过加热、、保温、、冷却来来改变材材料的组组织，从从而达到到改善材材料性能能的目目的。1.3合金的的结结构概念合金、组组元、相相；固溶体：：置换固固溶体、、间隙固固溶体；；金属化合合物；固溶强化化的概念念。本节要点点：研究金属属材料的的加工工工艺，必必须了解解金属及及合金的的晶体结结构和结结晶。1.3.1合金的结结构——概念合金：由两种或两两种以上上的元素通通过熔炼后所获得的的新的物物质仍然然具有金属特性性。组元：组成合金金的基本本元素。。相：凡是成分分相同、、结构相相同并与与其他部部分有界面面分开的的均匀组组成部分分。例如：单单一的液液单一的固固相；液相、固固相两相相共存；；问题：水、油混混装在一一个瓶子子里，是是几个相相？将奶粉加加开水冲冲一杯牛牛奶又是是几个相相？1.3.2合金的结结构——固溶体固溶体：：由两种组组元相互互溶解后后所组成成的新的的物质仍仍然保持持其中某某一组元元的晶体体结构。。置换固溶溶体：A组元的原原子取代代了B组元的原原子。当A、B两个组元元的原子子直径相相差不大大时，两两个组元元可以以以任何比比例溶解解，形成成无限固固溶体，，反之则则为有限限固溶体体。间隙固溶溶体：A组元溶入入B组元的的的间隙中中。只能能形成有有限固溶溶体。例如：C溶入α-Fe或γ-Fe所形成的的铁素体体、奥氏氏体。置换固溶溶体和间间隙固溶溶体的区区别1.3.4合金的结结构——固溶强化化A、B两组元相相互溶解解后所形形成的新新的物质质既不是是A组元的结结构，也也不是B组元的结结构，而而是自身身的一种种独立的的结构。。例如：Fe和C所形成的的化合物物Fe3C，就是一一种典型型的金属属化合物物。1.3.3合金的结结构——金属化合合物随着溶质质原子的的增加，，所形成成的固溶溶体的强度、、硬度升升高的现现象。例如：纯纯铁与钢钢的用途途1.4二元合金金状态图图把各合金金的结晶晶开始温温度点连连接起来来，即为为液相线线；把结结晶终了了温度点点连接起起来，即即为固相相线。这这样就构构成了Pb-Sb二元合金金相图。。思考题题1在纯金属属的冷却却曲线上上为什么么会出现现一水平平台阶？？2为什么晶晶粒越细细小其力力学性能能越好？？3如果结晶晶时晶核核不多而而生长速速度快，，则结晶晶后的晶晶粒是粗粗还是细细？1.5铁碳合金金本节重点点：铁碳合金金状态图图在铸造造、压力加工工、焊接接中的应应用；本节难点点：铁碳合金金状态图图的理解解；铁碳合金金由于其其资源广广泛、冶冶炼方便便、价格格低廉、、性能能优越，，在工业业生产中中广泛使使用。1.5.1铁碳合金金的基本本组织铁素体：：碳溶解在在α—Fe中的间隙固固溶(F）。塑性性（δ=45-50%）、韧性性好，强强度、硬硬度低。。奥氏体：：碳溶解在在γ—Fe中的间隙固固溶体（（A）。塑性好。渗碳体：：铁与碳形形成的金金属化合合物（Fe3C）。硬度度很高（HBW=800），塑性性、韧性性几乎为为零。珠光体：：是奥氏体体发生共共析转变变所形成成的铁素素体与渗碳体体的共析析体（P）。莱氏体：：是液态铁铁碳合金金发生共共晶转变变所形成成的奥氏氏体与渗碳碳体的共共晶体（（Ld）。硬度度高，塑塑性差。两种反应应：1148℃1、共晶反反应一定成分分的液相在一定的的温度下下同时结晶出两种成成分和结结构均不相同的固相的的反应。。L4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c共晶反应应的产物物即莱氏氏体Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c)2、共析反反应一定成分分的固相在一定的的温度下下同时析出两种成分分和结构构均不相同的新新的固相的反应。。A2.11%c727℃℃F0.02%c+Fe3C6.69%c共析反应应的产物物即珠光光体P＝F0.02%c+Fe3C6.69%c1.5.2铁碳合金金状态图图分析渗碳体的的熔点共晶点共析线共析点纯铁的熔熔点共晶线ACD线—液相线AECF线—固相线碳在奥氏氏体中的的最大溶溶解度A3线Acm铁碳合金金相图中中主要特特性点的的含义特性点的符号温度t/℃含碳量wc%含义ACDEGPSQ

1538114812271148912727727

室温04.36.692.1100.020.770.0008纯铁的熔点共晶点渗碳体的熔点碳在奥氏体中的最大溶解度α-Teγ-Te同素异晶转变点碳在铁素体中的最大溶解度共析点碳在铁素体中的溶解度相图中主主要线的的含义ACD线—液相线是不同成成分铁碳碳合金开开始结晶晶的温度度线。AECF线—固相线各种成分分的合金金均处在在固体状状态。结结晶温度度终止线线。ECF水平线—共晶线含碳量为为4.3%的液态合合金冷却却到此线线时，在在1148℃由液态合合金同时时结晶出出奥氏体体和渗碳碳体的机机械混合合物，此此反应称称为共晶晶反应。。PSK水平线—共析线（A1线）含含碳量量为0.77%的奥氏体体冷却到到此线时时，在727℃同时析出铁素体和和渗碳体体的机械械混合物物，此反反应称为为共析反反应。GS线—（A3线）是冷却时时奥氏体体转变为为铁素体体的开始始线。ES线—称Acm线是碳在奥奥氏体中中的溶解解度线，，实际上上是冷却却时由奥奥氏体中中析出二二次渗碳碳体的开开始线。。典型合金金结晶过过程分析析铁碳合金金含碳量为为2.11%—6.69%的铁碳合合金。共晶生铁铁：含碳量为为4.3%;亚共晶生生铁：含碳量在在2.11%—4.3%之间；过共晶生生铁：含碳量在在4.3%—6.69%之间；含碳量小小于0.02%的铁碳合合金。工业纯铁钢生铁含碳量为0.02%——2.11%的铁碳合金。。根据金相组组织的不同同，可分为三三种。共析钢：含碳量为0.77%;亚共析钢：含碳量在0.02%——0.77%之间；过共析钢：含碳量在0.77%——2.11%之间；1.5.3铁碳合金状态态图分析

LL+AAA+Fe3CⅡF+AA+Fe3CⅡ+LdP+Fe3CⅡ+L'dP+Fe3CⅡPP+FLdL'dL+Fe3CLd+Fe3CL'd+Fe3CL'd＝P+Fe3CⅡ+Fe3C转变A—奥氏体P—珠光体F—铁素体共析钢和亚共共析钢的结晶晶过程分析过共析钢结晶晶过程分析共晶生铁结晶晶过程分析L’d—变态莱氏体亚共晶、过共共晶生铁结晶晶过程分析钢碳素钢碳素结构钢（（0.38%C)优质碳素结构构钢(0.2-0.7%C用途广)碳素工具钢(T8等)合金钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢不锈钢耐热钢耐磨钢其它量具钢模具钢刃具钢轴承钢弹簧钢调质钢渗碳钢低合金结构钢钢（<1.5%C)16Mn、20Cr9Cr2、CrWMn2Cr13、1Cr18Ni91.6工业用钢分类类及选材热处理普通热处理表面热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理渗碳渗氮碳氮共渗加热保温冷却临界温度热处理工艺曲线T℃其它热处理形变真空激光1.7钢的热处理1.7.1退火和正火退火：将钢加热、保保温，然后随随炉冷却或埋埋入灰中缓慢慢冷却。目的：降低硬度，便便于机加工。。细化晶粒，提提高塑性和韧韧性。消除应力。应用：铸件、锻件、、焊接及其它它毛坯的热处处理。1、完全退火：：将亚共析钢加加热到Ac3线以上30—50℃℃，保温后缓慢慢冷却.2、球化退火:将过共析钢加加热到Ac1线以上20—30℃℃，保温后缓慢慢冷却.3、低温退火:将钢加热到Ac1线以下，保温温后缓慢冷却却.再结晶退火：：消除冲压件冷冷变形所产生生的加工硬化化（再结晶温温度以上150—250℃），降低硬度度，恢复塑性性。应用：（1）取代部分完完全退火；（2）用于普通结结构件的最终终热处理；（3）用