高级钢材热处理工金属材料与热处理

高级钢材热处理工金属材料与热处理金属材料与热处理教学内容：第一讲：1、金属学基本知识（2课时）2、晶体与晶体结构（2课时）第二讲：3、合金的相与组织的概念（2课时）

4、金属材料的性能（2课时）第三讲：5、钢铁材料基本知识（4课时）第2页,共59页，2024年2月25日，星期天科目金属材料与热处理授课日期6月2日章节（或课题）第二讲课时4授课方式讲授、讨论、练习班级2016年高级钢材热处理工职业技能鉴定培训班选用教具挂图PPT、晶格模型、拉伸试样、硬度试样、冲击韧性试样、金相试样。教学目的通过培训使学员了解合金的相及组织的概念，解金属材料的性能。教学重点金属力学性能教学难点金属力学性能第3页,共59页，2024年2月25日，星期天第二讲一、教学内容：1、合金、组织的概念、组织的分类、合金中的相；2、金属材料的性能二、教学目的：1了解合金的相与组织的概念。

2掌握组织的分类、合金中的相。3掌握金属材料的力学性能。4熟悉金属材料的工艺性能。三、教学重点：金属力学性能四、教学难点：金属力学性能

第4页,共59页，2024年2月25日，星期天【课程引入】工业纯铁的含铁量一般为99.8%~99.0%，含有0.1%~0.2%的杂质，其中主要是碳。纯铁的塑性和韧性很好，但其强度很低，很少用作结构材料。纯铁的主要用途是利用它所具有的铁磁性。工业上炼制的电工纯铁和工程纯铁具有高的磁导率，例如，用于各种仪器仪表的铁芯等。第5页,共59页，2024年2月25日，星期天一、合金的基本概念

1.合金——以一种金属为基础，加入其他金属或非金属，经过熔合而获得的具有金属特性的材料。不锈钢耐磨钢第一章合金的相关概念第6页,共59页，2024年2月25日，星期天2.组元——组成合金最简单、最基本、能够独立存在的元物质称为组元，简称元。通常就是指组成合金的元素或化合物。二元合金：例如，碳素钢是铁和碳组成的二元合金。普通黄铜是由铜和锌所组成的合金，锡青铜是由铜和锡所组成的合金。

三元合金：18K黄金是由金、银、铜组成的合金。硬铝是由铝,铜,镁三组元组成的三元合金。

第7页,共59页，2024年2月25日，星期天相——合金中成分、结构及性能相同的组成部分。固态的α-Fe（bcc），γ-Fe(fcc)就是不同的相。对于铁碳合金来说，α-Fe（bcc），γ-Fe(fcc)都是由铁元素组成的，它们是同一种组元，但却是不同的相（晶格类型不同）。第8页,共59页，2024年2月25日，星期天

4.

组织将一小块金属材料用金相砂纸磨光后进行抛光,然后用侵蚀剂侵蚀,即获得一块金相样品。在金相显微镜下观察，可以看到金属材料内部的微观形貌。这种微观形貌称做显微组织(简称组织)。组织由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成。由单一相构成的组织称为单相组织，由不同相构成的组织称为多相组织。铁素体

奥氏体

珠光体

第9页,共59页，2024年2月25日，星期天二、合金的组织形式1．固溶体间隙固溶体置换固溶体2．金属化合物3．混合物单相组织多相组织第10页,共59页，2024年2月25日，星期天1．固溶体

一种组元的原子溶入另一组元的晶格中所形成的均匀固相。间隙固溶体置换固溶体第11页,共59页，2024年2月25日，星期天1)间隙固溶体——溶质原子分布于溶剂晶格中而形成的固溶体。例如，铁素体，奥氏体，马氏体。

2)置换固溶体——溶质原子置换了溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体。

例如，白铜（Cu-Ni合金），铬系不锈钢（Fe-Cr合金）。第12页,共59页，2024年2月25日，星期天2．金属化合物渗碳体的晶胞示意图

例如，渗碳体是含碳量为6.69％的铁与碳的金属化合物，其化学式为Fe3C。它具有复杂的斜方晶格，与铁和碳的晶体结构完全不同。

在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，除可形成固溶体外，还将出现新的相，其晶体结构不同于任一组元，而是组元之间相互作用形成一种具有金属特性的物质。（特点：高熔点、高硬度、高脆性、良好的化学稳定性）第13页,共59页，2024年2月25日，星期天

两种或两种以上的相按一定的质量百分数组成的物质。3．混合物

珠光体是铁素体和渗碳体的混合物。第14页,共59页，2024年2月25日，星期天

固溶强化——无论是间隙固溶体还是置换固溶体，在其形成过程中，都会使溶剂晶格发生畸变，从而使合金对变形的抗力增加。也即通过溶入溶质元素形成固溶体而使金属材料强度、硬度提高的现象。间隙固溶体置换固溶体第15页,共59页，2024年2月25日，星期天思考题：以一种（）为基础，加入其他（）或（），经过熔合而获得的具有（）

的材料，称为合金。碳素钢是

和

组成的二元合金。固态的α-Fe（bcc），γ-Fe(fcc)是不同的（），是同一种（）。a、

组元b、相c、混合物d、合金第16页,共59页，2024年2月25日，星期天思考题：以一种（金属）为基础，加入其他（金属）或（非金属），经过熔合而获得的具有（金属特性）的材料，称为合金。碳素钢是铁和碳组成的二元合金。固态的α-Fe（bcc），γ-Fe(fcc)是不同的（b），是同一种（a）。a、

组元b、相c、混合物d、合金第17页,共59页，2024年2月25日，星期天第二章金属材料的性能金属材料的性能力学性能物理性能化学性能工艺性能第18页,共59页，2024年2月25日，星期天第一节金属的力学性能【预备知识】1.载荷载荷——金属材料在加工及使用过程中所受的外力。

第19页,共59页，2024年2月25日，星期天2.应力应力——假设作用在零件横截面上的内力大小均匀分布，单位横截面积上的内力。

R：应力，Pa；F：外力，N；S：横截面面积，m2。第20页,共59页，2024年2月25日，星期天任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用，这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不破坏的能力，这种能力就是材料的力学性能。第一节金属的力学性能第21页,共59页，2024年2月25日，星期天常用的力学性能指标有：一、强度二、塑性三、硬度四、冲击韧性

第22页,共59页，2024年2月25日，星期天一、强度

强度——金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力。其大小用应力表示。（a）抗拉强度(b)抗压强度(c)抗弯强度(d)抗剪强度(e)抗扭强度第23页,共59页，2024年2月25日，星期天通常以抗拉强度代表材料的强度指标。抗拉强度一般可通过拉伸试验来测定。利用拉伸试验机产生的静拉力，对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量变化的载荷和试样的伸长量，直至断裂，并根据测得的数据计算出有关的力学性能指标。第24页,共59页，2024年2月25日，星期天1．拉伸试样《GB/T228-2010金属材料拉伸试验室温试验方法》规定了试样的形状、尺寸及加工要求等。

d——试样直径du——试样缩颈处直径

Lo——试样原始标距长度Lu——试样拉断后的标距长度S0——试样原始横截面面积Su——拉断后缩颈处横截面面积第25页,共59页，2024年2月25日，星期天2．力－伸长曲线

弹性变形阶段屈服阶段强化阶段缩颈阶段力－拉伸曲线拉伸试验中，依据拉力F与伸长量△L之间的在直角坐标系中绘出的曲线，成为力—伸长曲线。拉伸过程可以分为以下四个阶段：第26页,共59页，2024年2月25日，星期天3．强度指标

（1）屈服强度——当金属材料出现屈服现象时，在实验期间发生塑性变形而力不增加的应力点。屈服强度分为上屈服强度ReH和下屈服强度ReL。在金属材料中，一般用下屈服强度代表屈服强度。ReL——试样的下屈服强度，MPa；FeL——试样屈服时的最小载荷，N；So——试样原始横截面面积，mm2。第27页,共59页，2024年2月25日，星期天【例1】已知：有一直径d=10mm，Lo=100mm的低碳钢试样，拉伸实验时测得FeL=42kN，du=5.65mm。求：此试样的屈服强度ReL。

=42000

=535MPa第28页,共59页，2024年2月25日，星期天

除低碳钢、中碳钢及少数合金钢有屈服现象外，大多数金属没有明显的屈服现象。

规定产生0.2

残余伸长时的应力为条件屈服强度Rp0.2，替代ReL，称为条件（名义）屈服强度。第29页,共59页，2024年2月25日，星期天2．抗拉强度Rm

抗拉强度——材料在断裂前所能承受的最大的应力。Rm——抗拉强度，MPa；

Fm——试样在屈服阶段后所能抵抗的最大力（无明显屈服的材料，为试验期间的最大力），N；

So——试样原始横截面面积，mm2

。第30页,共59页，2024年2月25日，星期天

【例2】已知：有一直径d=10mm，Lo=100mm的低碳钢试样，拉伸实验时测得Fm=37kN，du=6.05mm。求：此试样的抗拉强度Rm。

=37000

=471.3MPa第31页,共59页，2024年2月25日，星期天【例3】

有一钢试样，其横截面面积为100mm2，已知钢试样的ReL=314MPa，Rm=530MPa。拉伸试验时，受到的拉力为（）时，试样出现屈服现象；当受到的拉力为（）时，试样出现缩颈。

解：（1）

当外力增加到ＦeL时，试样出现屈服现象：ＦeL=

ReL×S0=314×100=31400Ｎ=31.4kN.。（2）当外力达到最大力Ｆm时，试样的某一局部处发生局部收缩，即“缩颈”。Ｆm=Rm×S0=530×100=53000=53kN。第32页,共59页，2024年2月25日，星期天二、塑性塑性——材料受力后在断裂前产生塑性变形的能力。1．断后伸长率A

试样拉断后，标距的伸长量与原始标距之比的百分率。第33页,共59页，2024年2月25日，星期天

【例4】有一直径d=10mm，Lo=100mm的低碳钢试样，拉伸实验时测得Lu=137mm。求：此试样的断后伸长率A11.3。解：=37%11.3第34页,共59页，2024年2月25日，星期天2．断面收缩率Z

试样拉断后，缩颈处面积变化量与原始横截面面积比值的百分率。第35页,共59页，2024年2月25日，星期天

【例5】有一直径d=10mm，Lo=100mm的低碳钢试样，拉伸实验时测得du=5.65mm。求：此试样的断面收缩率Z。解：第36页,共59页，2024年2月25日，星期天三、硬度

硬度——材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是通过在专用的硬度试验机上实验测得的。布氏硬度试验机洛氏硬度试验机维氏硬度试验机第37页,共59页，2024年2月25日，星期天1．布氏硬度

布氏硬度值——用球面压痕单位面积上所承受的平均压力来表示，单位为MPa，但一般均不标出，用符号HBW表示：第38页,共59页，2024年2月25日，星期天表示方法：

布氏硬度用硬度值、硬度符号、压头直径、实验力及实验力保持时间表示。当保持时间为10～15s时可不标。例1：170HBW10/1000/30：直径10mm的压头，在9807N（1000kg）的试验力作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为170。600HBW1/30/20：直径为1mm压头，在294.2N（30kg）的实验力作用下，保持20s时测得的布氏硬度值为600。例2：第39页,共59页，2024年2月25日，星期天应用范围：

主要用于测定铸铁、有色金属及退火、正火、调质处理后的各种软钢等硬度较低的材料。第40页,共59页，2024年2月25日，星期天2．洛氏硬度

洛氏硬度试验原理HR=100—第41页,共59页，2024年2月25日，星期天表示方法：

符号HR前面的数字表示硬度值。HR后面的字母表示不同的洛氏硬度标尺。

例：45HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为45。常用的三种洛氏硬度标尺的试验条件和适用范围

硬度标尺压头类型总测试力(N)硬度值有效范围应用举例HRC120°金刚石圆锥体1471.020～67HRC一般淬火钢HRBφ1.5875mm

硬质合金球980.725～100HRB软钢、退火钢、铜合金等HRA120°金刚石圆锥体588.460～85HRA硬质合金、表面淬火钢等第42页,共59页，2024年2月25日，星期天挖斗侧板材质Q690硬度：20~30HRC第43页,共59页，2024年2月25日，星期天四、冲击韧性

冲击韧性——金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。材料的冲击韧性用夏比摆锤冲击弯曲试验来测定。第44页,共59页，2024年2月25日，星期天冲击试样

用试样所吸收的能量K的大小来作为衡量材料韧性好坏的指标，称为冲击吸收能量。用U形和V形缺口试样测得的冲击吸收能量分别用KU和KV表示。

冲击实验第45页,共59页，2024年2月25日，星期天第二节金属的工艺性能

金属材料的工艺性能——金属材料对不同加工工艺方法的适应能力。它包括铸造性能、锻造性能、切削加工性能和焊接性能、热处理性能等。第46页,共59页，2024年2月25日，星期天一、铸造性能二、锻压性能三、焊接性能四、切削加工性能五、热处理性能第二节金属的工艺性能第47页,共59页，2024年2月25日，星期天一、铸造性能

铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力，主要取决于金属的流动性、收缩性和偏析倾向等。第48页,共59页，2024年2月25日，星期天

1．流动性熔融金属的流动能力。

常用铸造合金中，灰铸铁的流动性最好，铝合金次之，铸钢最差。

2．收缩性铸造合金由液态凝固和冷却至室温的过程中，体积和尺寸减小的现象。铁碳合金中，灰铸铁收缩率小，铸钢收缩率大。第49页,共59页，2024年2月25日，星期天3．偏析倾向金属凝固后，内部化学成分和组织不均匀现象。

偏析严重时，可使铸件各部分的力学性能产生很大差异，降低铸件质量，尤其是对大型铸件危害更大。第50页,共59页，2024年2月25日，星期天二、锻压性能

用锻压成形方法得优良锻件的难易程度。常用塑性和变形抗力两个指标来综合衡量。液压模锻锤模锻件第51页,共59页，2024年2月25日，星期天三、焊接性能

金属材料对焊接加工的适应性，也就是在一定焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。低碳钢具有良好的焊接性能，而高碳钢和铸铁的焊接性能则较差。第52页,共59页，2024年2月25日，星期天碳当量

1、定义：将钢铁中各种合金元素对共晶点实际碳量的影响折算成碳的增减，这样算的的碳量称为“碳当量”，用CE标识。碳素钢中决定强度和可焊性的因素主要是含碳量。合金钢除碳以外各种合金元素对钢材的强度与可焊性也起着重要作用。第53页,共59页，2024年2月25日，星期天2、计算公式：

国际焊接学会(IIW)的碳当量CE公式CE=W(c)+W(Mn)/6+[W(Cr)+W(Mo)+W(V)]/5+[W(Ni)+W(Cu)]/153、焊接性的CE(碳当量)评估：（1）CE≤0.4%焊接性好；（2）当CE=0.4~0.6%焊接性稍差，焊前需适当预热；（3）当CE≥0.6%焊接性较差，属难焊材料，需采用较高的预热温度和严格的工艺方法。第54页,共59页，2024年2月25日，星期天例题：鸟巢的骨架由低合金高强度钢Q460焊接而成。已知其化学成分：