金属材料及其热处理

机械制造基础制造科学与工程学院金工教研室梅筱琴金属材料及其热处理1编辑ppt第一讲金属材料及其热处理金属材料是现代机器制造的基础性能决定工艺性好很少用纯金属，多用合金材料性能决定了解金属材料，有助于理解工艺方法的实质合理选择零件材料及其生产工艺2编辑ppt一、金属材料的主要性能物理性能密度、熔点、热膨胀、导热、导电、磁性等等化学性能耐酸、耐碱、抗氧化性等等力学性能强度与塑性硬度韧性疲劳强度工艺性能热处理、铸造、锻造、焊接、切削加工性能使用性能？3编辑ppt1.力学性能－强度金属材料抵抗外力引起的塑性变形和断裂的能力拉伸实验低碳钢的拉伸曲线拉伸试样4编辑ppt1.力学性能－强度其它塑性材料的拉伸曲线脆性材料的拉伸曲线5编辑ppt1.力学性能－强度强度屈服强度：σs＝Fs/A0抗拉强度：σb＝Fb/A0条件屈服强度：σ0.2产生0.2％塑性变形时的应力值用于没有明显屈服现象的金属材料强度是一般机器零件和构件设计选材的主要依据6编辑ppt2.力学性能－塑性塑性金属材料产生塑性变形而不破坏的能力伸长率δ

δ＝(L1-L0)/L0X100%断面收缩率ψ

ψ=(S1-S0)/S0X100%塑性是承受动载荷（交变载荷）零件选材的依据之一为避免超载而引起的突然断裂，要求其具有一定的塑性塑性是金属材料进行各种压力加工的必要条件7编辑ppt3.力学性能－硬度硬度材料表面抵抗外力，不产生局部塑性变形（压痕）的能力影响材料的耐磨性和切削加工性能度量方法布氏硬度（HB）洛氏硬度（HR）维氏硬度（HV）8编辑ppt(1)布氏硬度（HB）采用直径为D的钢球或硬质合金球作压头钢球仅用于测量HB450以内的材料（HBS）硬质合金球用于测量HB650以内的材料（HBW）特点稳定可靠零件表面被破坏，不用于成品应用各种退火状态下的钢材、铸铁、有色金属等9编辑ppt(2)洛氏硬度（HR）试验原理特点（1）简便，测量迅速（2）零件不被破坏应用：工业生产10编辑ppt(3)维氏硬度（HV）HV=FPF金刚石HV＝

10000，为标准度量各种硬度值之间没有直接的换算公式，需要时可查表进行换算11编辑ppt4.力学性能－韧性韧性金属材料抵抗冲击载荷，断裂前吸收能量的能力冲击韧性αKαK＝AK/S影响因素太多，仅作参考12编辑ppt5.力学性能－疲劳强度疲劳强度材料在周期性/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能力断裂破坏应力远低于强度极限疲劳断裂的主要原因内部缺陷杂质微裂纹表面划痕缺陷扩展“刚性”是什么？13编辑ppt二、金属的晶体结构与结晶晶体固定的熔点、沸点为什么会有固定的熔点、沸点？金属是不是晶体？水、CO2、O2、NaCl晶体的三个特征：(1)晶体有整齐规则的几何外形(2)晶体有固定的熔点(3)晶体有各向异性的特点14编辑ppt1.金属的晶格结构内部原子（或分子）在三维空间呈规则的周期性重复排列的固态物质晶体与晶格15编辑ppt晶胞-晶格最小组成单元16编辑ppt常见的晶格类型体心立方晶胞属于此类晶格的有：α－Fe、δ－Fe、Cr、W、Mo、V、铌等约30种金属17编辑ppt常见的晶格类型面心立方晶胞属于此类晶格的有：γ－Fe、Cu、Au、Al、Ag、Ni、Pt等约20种金属18编辑ppt常见的晶格类型密排六方晶胞属于此类晶格的有：α－Ti、Zn、Cd、Mg、Be等金属19编辑ppt2.金属的结晶金属结晶的条件过冷度理论结晶温度与实际结晶温度之间的差△T=T0-Tn过冷度越大，冷却速度越快，结晶时间越短；反之，过冷度越小，冷却速度越慢，结晶时间越长。纯金属的冷却曲线20编辑ppt2.金属的结晶金属结晶过程“形核”与“长大”晶核的形成自发形核：因过冷度而形成的短程有序的原子团异质形核：外来固态质点晶核的长大平面长大：缓冷；金属液较纯净树枝状长大：冷速大；有杂质晶粒大小对金属力学性能的影响力学性能：越细越好细化晶粒的措施：晶核多则细快冷孕育处理金属结晶过程21编辑ppt3.金属（纯铁）的同素异构转变同素异构转变1538：液态－固态δ－Fe（体心）1394：固态－固态γ－Fe（面心）912：固态－固态α－Fe（体心）实质二次结晶（重结晶）固态下的结晶过程遵循结晶过程的一般规律22编辑ppt三、铁碳合金制造机器设备的主要金属材料：钢、铸铁铁（Fe）＋碳（C）铁含量>95％，但是决定性能的是碳我们学习：铁碳合金组织常用钢材及其选用原则23编辑ppt1.合金的基本组织合金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强度硬度较高、成本低通过成分控制和热处理，在很大范围内调整其性能组元构成合金的元素铁、碳、Fe3C（稳定的化合物也是组元）相金属中具有相同化学成分和晶格结构、有界面与其他部分分开的、均匀的组成部分组织用肉眼或显微镜能观察到的金属材料的最小单元-晶粒的直观形貌24编辑ppt铁碳合金中的“相”铁素体奥氏体珠光体珠光体＆二次渗碳体25编辑ppt（1）固溶体间隙固溶体置换固溶体26编辑ppt晶体的四种点缺陷空位同类原子的间隙原子异类原子的间隙原子异类原子的置换原子27编辑ppt固溶强化间隙固溶体的晶格畸变,引起材料的强度和硬度提高，塑性和韧性却没有明显变化28编辑ppt关于合金强度的认识晶粒粗细影响强度越细强度硬度越高细化晶粒是冶金和热处理的目标固溶强化晶格中混入杂质，增加变形抗力位错强化位错是晶体内部的一种缺陷增加变形抗力29编辑ppt位错强化示意图30编辑ppt两种线缺陷－位错刃型位错的形成过程31编辑ppt铁碳合金中的固溶体铁素体α－Fe中溶碳600°C－0.006%727°C－0.021%强度硬度低250MPa80HBS塑性好45％～50％与纯铁近似32编辑ppt铁碳合金中的固溶体奥氏体γ－Fe中溶碳1148°C－2.11%727°C－0.77%强度硬度不高塑性优良40％～50％易于塑性变形压力加工时加热形成奥氏体33编辑ppt（2）化合物金属化合物与非金属化合物金属化合物具有复杂晶格、硬而脆FeS、MnS：非金属杂质铁碳合金中的化合物渗碳体（Fe3C）铁碳合金中的强化相硬度高（800HBW）、塑性韧性很低呈片状、球状、网状920-980°C可分解：Fe3C→3Fe＋C石墨34编辑ppt（3）混合物铁碳合金中的机械混合物珠光体（P＝F+Fe3C）铁素体＋渗碳体C＝0.77％σb＝750MPa180HBSδ＝20％～25％呈片状35编辑ppt（3）混合物铁碳合金中的机械混合物莱氏体（Ld）C%=4.3%与渗碳体性能相近：硬而脆Ld＝A+Fe3C存在于727℃以上Ld’＝P+Fe3C727℃以下转变为珠光体与渗碳体的机械混合物36编辑ppt2.二元合金相图37编辑ppt铁碳合相图的建立38编辑ppt铁碳合金相图39编辑ppt铁碳合金相图分析40编辑ppt铁碳合金相图（简化）41编辑ppt铁碳合金相图（全图3）42编辑ppt铁碳合金相图分析ACD：液相线AECF：固相线（ECF－共晶线）GS（A3）：奥氏体中析出铁素体ES（Acm）：奥氏体中析出渗碳体（II）PSK（A1）：共析线PQ：铁素体中析出渗碳体（III）查看铁碳合金相图查看查看查看铁碳合金相图查看查看查看43编辑ppt铁碳合金相图（全图2）44编辑ppt铁碳合金相图（全图4）ACD－液相线45编辑ppt铁碳合金相图（全图5）AECF：固相线ECF－共晶线46编辑ppt铁素体珠光体渗碳体莱氏体钢铁分界线两个单相之间是混合相47编辑ppt铁碳合金相图（全图6）GS（A3）：奥氏体中开始析出铁素体48编辑ppt铁碳合金相图（全图7）ES（Acm）：奥氏体中析出二次渗碳体（II）49编辑ppt铁碳合金相图（全图8）PSK（A1）：共析线50编辑ppt铁碳合金相图（全图9）PQ：铁素体中析出三次渗碳体（III）51编辑ppt铁碳合金相图（全图2）均匀、没有明显晶界52编辑ppt铁碳合金相图（全图2）珠光体外面有明显的铁素体相53编辑ppt铁碳合金相图（全图2）珠光体外面有明显的网状渗碳体54编辑ppt3.典型铁碳合金组织转变钢：C%<2.11％C%<0.77%：亚共析钢C%=0.77%：共析钢C%>0.77%：过共析钢铸铁：C%＝【2.11％～6.69%】C%<4.3%：亚共晶铸铁C%=4.3%：共晶铸铁C%>4.3%：过共晶铸铁55编辑ppt共析钢的组织转变（S）56编辑ppt共析钢显微组织（珠光体）57编辑ppt亚共析钢的组织转变58编辑ppt亚共析钢显微组织（C＝0.2%）59编辑ppt过共析钢的组织转变60编辑ppt过共析钢的显微组织61编辑ppt4.工业用钢按化学成分碳素钢、合金钢按用途结构钢、工具钢、特殊性能钢按质量普通钢、优质钢、高级优质钢按脱氧程度镇静钢、沸腾钢62编辑ppt工业用钢种类汇总碳素钢碳素钢结构钢优质碳素钢结构钢碳素工具钢合金钢合金结构钢特殊性能钢合金工具钢低合金结构钢渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢刃具钢模具钢量具钢不锈钢耐热钢耐磨钢其它63编辑ppt（1）碳素钢（C%<1.5%）C的影响如图P冷脆性0.045%以下S热脆性0.05%以下P、S衡量质量Si、Mn有益64编辑ppt碳素结构钢C%<0.38%（0.25%以下常用）牌号（GB700-88）：Q215/Q235/Q255A:屈服极限215/235/255MpaA－普通；B/C/D－优质，含P/S较少未完全脱氧－F（沸腾钢）完全脱氧－Z（镇静钢）Q215-A·FQ235（A3）最常用65编辑ppt优质碳素结构钢(P/S)％<0.035%，用于重要机件牌号（GB699－88）：20：C%=0.20%20F：沸腾钢08－25：低碳钢30－55：中碳钢，淬火后强度硬度较高60－75：高碳钢，淬火后可作弹簧66编辑ppt

碳素工具钢C%=[0.7%~1.35%]淬火硬度>60HRC淬透性、热硬性很差牌号：T8A：含碳0.8％，A：含PS很少的优质钢常用的碳素工具钢：T8、T10、T10A、T1267编辑ppt（2）合金钢合金结构钢含碳量的万分数＋元素符号＋百分数合金含量<1.5%不标高级优质钢＋A16Mn20Cr40Mn230CrMnSi38CrMoAlA合金工具钢含碳量含碳量的千分数＋元素符号＋百分数含碳量>1%不标：9Cr2CrWMn9SiCrW18Cr4V特殊性能钢：不锈钢（2Cr13、1Cr18Ni9）68编辑ppt（3）零件选材的一般原则满足工作要求物理性能化学性能机械性能满足工艺性能要求重视经济性69编辑ppt四、钢的热处理目的：改善金属材料的强度、硬度、韧性、弹性、工艺性现代机器制造中的热处理主要针对：机床的：主轴、齿轮、床身汽车的：发动机缸体、缸盖、凸轮轴、联接轴、变速箱齿轮等其他：刃具、量具、磨具组织决定性能演示70编辑ppt1.热处理基本工艺温度时间临界温度保温冷却加热基本工艺：加热-保温-冷却71编辑ppt2.常用热处理工艺普通热处理“四火”：退火、正火、淬火、回火表面热处理表面淬火化学热处理渗碳、渗氮、碳氮共渗72编辑ppt工艺原理73编辑ppt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相同74编辑ppt淬火与回火淬火作用组织：马氏体（M）C原子来不及从A中渗出,过饱和C使晶格严重畸