工程材料復(fù)習(xí)教學(xué)課件

1、工 程 材 料Engineering Materials 主講：張鳳英長 安 大 學(xué) 本 科 專 業(yè) 必 修 課 程2005-12-09 1第十屆研究生學(xué)術(shù)年會 University材料性能 使用性能工藝性能第一章 材料的性能機械性能物理性能化學(xué)性能第一章 材料的性能 機械性能抗拉強度屈服強度延伸率材料力學(xué)性能指標(biāo)強度斷面收縮率沖擊韌性斷裂韌性塑性疲勞強度韌性硬度布氏硬度洛氏硬度維氏硬度顯微硬度第二章 材料的結(jié)構(gòu)固 體晶 體非晶體二者區(qū)別晶格、晶胞第二章 材料的結(jié)構(gòu)-純金屬的晶體結(jié)構(gòu)Mg、Zn-Fe、Ni、Al-Fe、Cr、W常見金屬31212滑移系底面對角3 3 2滑移方向六方底面1111

2、41106滑移面0.740.740.68致密度12 128配位數(shù)6 42原子個數(shù)原子半徑a、caa晶格常數(shù)密排六方面心立方體心立方立方晶系的晶面指數(shù)和晶向指數(shù)晶面指數(shù)：晶面三坐標(biāo)截距值倒數(shù)取整加（ ）晶向指數(shù)：晶向上任一點坐標(biāo)值取整加 立方晶系常見的晶面（100）（110）（111）和晶向100 110 111 晶面族與晶向族指數(shù)不同但原子排列完全相同的晶面或晶向密排面和密排方向在立方晶系中，指數(shù)相同的晶面與晶向相互垂直第二章 材料的結(jié)構(gòu)-純金屬的晶體結(jié)構(gòu) 多晶體結(jié)構(gòu)：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu) 晶粒：組成金屬的方位不同、外形不規(guī)則的小晶體 晶界：晶粒之間的交界面 晶體缺陷: 晶格不完整的部位 點

3、缺陷 空位：晶格中的空結(jié)點 間隙原子：擠進(jìn)晶格間隙中的原子 置換原子：取代原來原子位置的外來原子 第二章 材料的結(jié)構(gòu)-實際金屬的晶體結(jié)構(gòu) 線缺陷: 位錯晶格中一部分晶體相對另一部分晶體沿某一晶面發(fā)生局部滑移, 滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交接線 面缺陷: 晶界和亞晶界 亞晶粒：組成晶粒的尺寸很小、位向差也很小的小晶塊亞晶界：亞晶粒之間的交界面 晶界的特點：原子排列不規(guī)則；阻礙位錯運動；熔點低；耐蝕性低；產(chǎn)生內(nèi)吸附；是相變的優(yōu)先形核部位第二章 材料的結(jié)構(gòu)-實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)合金：由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。如碳鋼、合金鋼、鑄鐵、有色合金。 相：金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并

4、與其他部分有界面分開的均勻組成部分。第二章 材料的結(jié)構(gòu)-合金的晶體結(jié)構(gòu)合金固溶體金屬間化合物 固溶體：與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固相 置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格結(jié)點位置形成的固溶體。多為金屬元素之間形成的固溶體。 間隙固溶體：溶質(zhì)原子處于溶劑晶格間隙所形成的固溶體 為過渡族金屬元素與小原子半徑非金屬元素組成。固溶強化：隨溶質(zhì)含量增加，固溶體的強度、硬度 提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象第二章 材料的結(jié)構(gòu)-合金的晶體結(jié)構(gòu)金屬化合物：與組成元素晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相 正常價化合物 如Mg2Si 電子化合物 如Cu3Sn 間隙化合物：由過度族元素與C、N、H、B等小原子半徑的非金屬元素組成。分為

5、結(jié)構(gòu)簡單的間隙相和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物第二章 材料的結(jié)構(gòu)-合金的晶體結(jié)構(gòu)性能比較：強度：固溶體純金屬 硬度：化合物固溶體純金屬 塑性：化合物固溶體純金屬第二章 材料的結(jié)構(gòu) 金屬化合物形態(tài)對性能的影響 基體、晶界網(wǎng)狀：韌性低 晶內(nèi)片狀：強硬度提高，塑韌性降低 顆粒狀：彌散強化：第二相顆粒越細(xì)，數(shù)量越多，分布越均勻,合金的強度、硬度越高，塑韌性略有下降的現(xiàn)象三、組織 結(jié)晶 結(jié)晶的條件過冷：在理論結(jié)晶溫度以下發(fā)生結(jié)晶的現(xiàn)象 過冷度：理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度的差 結(jié)晶的基本過程晶核形成與晶核長大 形核自發(fā)形核與非自發(fā)形核 長大均勻長大與樹枝狀長大第三章 材料的凝固與結(jié)晶-純金屬的組織 結(jié)晶晶粒度控制

6、方法： 增加過冷度； 變質(zhì)處理； 機械振動、攪拌 金屬鑄錠的組織 由外及內(nèi)：等軸晶-柱狀晶-等軸晶第三章 材料的凝固與結(jié)晶-純金屬的組織 相圖 勻晶L 共晶L+ 共析 + 包晶L+杠桿定律：枝晶偏析：在一個枝晶范圍內(nèi)或一個晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象 比重偏析：亞共晶與過共晶合金結(jié)晶時，由于初晶比重與剩余液相比重相差很大而導(dǎo)致的偏析第三章 材料的凝固與結(jié)晶-合金的結(jié)晶第四章 Fe-C合金-基本相 純Fe的晶體結(jié)構(gòu)： bcc fcc bcc Fe-C合金的相組成：鐵素體：碳在-Fe中的固溶體奧氏體：碳在-Fe中的固溶體滲碳體：Fe3C固溶體復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物點：符號、成分、溫度FeFe3CSQP

7、NKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ FALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLdLd+ Fe3CLd+ Fe3CLdP+ Fe3C+LdP+ Fe3CP+FPF+ Fe3C萊氏體Ld(A+ Fe3C) Ld(P+Fe3C)珠光體P(F+ Fe3C)組織組成物標(biāo)注相區(qū)標(biāo)注線：液固相線、水平線、固溶線A1538D1227N1394G912PSK727ECF1148HJB1495C%溫度第四章 Fe-C合金- 相圖第四章 典型合金的結(jié)晶過程（以共析鋼為例）時間溫度第四章 杠桿定律的應(yīng)用合金相的相對重量百分比組織組成物的相對重量百分比45鋼T10鋼金

8、屬塑性變形方式：滑移和孿生 滑移的特點：只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生沿密排面和密排方向發(fā)生位移量是原子間距整數(shù)倍伴隨著轉(zhuǎn)動 滑移的機理：通過位錯運動實現(xiàn)第五章 金屬塑性變形 孿生特點孿生使晶格位向發(fā)生改變；所需切應(yīng)力比滑移大得多，變形速度極快，接近于聲速；孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距第五章 金屬塑性變形塑性變形對金屬組織和性能的影響 形成纖維組織 形成亞結(jié)構(gòu) 產(chǎn)生形變織構(gòu) 產(chǎn)生加工硬化 形成內(nèi)應(yīng)力第五章 金屬塑性變形組織的影響性能的影響第五章 金屬塑性變形-回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù) 加熱溫度低，其強度、硬度略有下降，塑性略有提高； 宏觀內(nèi)應(yīng)力消失，微觀應(yīng)力仍然存在（保留加工硬化， 去應(yīng)力退

9、火）再結(jié)晶（形核和長大過程，非相變） 形成等軸晶 內(nèi)應(yīng)力全部消失，金屬的強度、硬度下降，塑性、韌性提 高，加工硬化消失，物理、化學(xué)性能基本上恢復(fù)到變形以前的水平長大 強度、塑性、韌性略有降低第五章 金屬塑性變形-回復(fù)與再結(jié)晶再結(jié)晶溫度及其影響因素預(yù)變形程度：越大，T再越低原始晶粒大?。涸叫?，T再越低金屬純度：高熔點元素, 顯著提高T再加熱速度和保溫時間：提高加熱速度提高T再，延長保溫時間，降低T再再結(jié)晶后的晶粒度及影響因素加熱溫度和時間：預(yù)變形程度冷熱加工的區(qū)別？第六章 鋼的熱處理加熱時的轉(zhuǎn)變 奧氏體化步驟A形核；A晶核長大；殘余滲碳體溶解；A成分均勻化 奧氏體化后的晶粒度初始晶粒度：奧氏體化

10、剛結(jié)束時的晶粒度實際晶粒度：給定溫度下奧氏體的晶粒度本質(zhì)晶粒度：加熱時奧氏體晶粒的長大傾向 冷卻時的轉(zhuǎn)變等溫轉(zhuǎn)變曲線及產(chǎn)物 650600550350A1MSMf時間PSTB上B下M+AM+AAPASATAB上AB下AM過冷A過冷A過冷A過冷A過冷A第六章 鋼的熱處理用C曲線定性說明連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物,根據(jù)與C曲線交點位置判斷轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 P均勻A細(xì)AA1MSMf時間等溫退火PP退火(爐冷)正火(空冷)S淬火(油冷)T+M+A等溫淬火B(yǎng)下M+A分級淬火M+A淬火(水冷)M回150-250T回350-500S回500-650第六章 鋼的熱處理回火時的轉(zhuǎn)變（碳鋼為例）馬氏體的分解 ；殘余奧氏體分解 ；-碳

11、化物轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3C ，過飽和固溶體轉(zhuǎn)化為F，形成回火屈氏體；Fe3C聚集長大和鐵素體多邊形化 第六章 鋼的熱處理工藝目的加熱溫度組織退火1.調(diào)整硬度,便于切削加工2.細(xì)化晶粒,為最終熱處理作組織準(zhǔn)備亞共析鋼Ac3+3050共析鋼 Ac1+3050過共析鋼Ac1+3050F+PPP球正火1.低中碳鋼同退火2.過共析鋼：消除網(wǎng)狀二次滲碳體3.普通件最終熱處理亞共析鋼Ac3+3050共析鋼 Ac1+3050過共析鋼Accm+30500.5%C, M+AM+AM+A+粒狀Fe3C第六章 鋼的熱處理鋼的熱處理工藝目的加熱溫度組織回火1.消除內(nèi)應(yīng)力，減少變形。2.獲得所需要的性能。低溫回火150250中溫

12、回火350500高溫回火500650 (調(diào)質(zhì))亞共析,共析鋼：M回過共析鋼:M回+A(少)+粒狀Fe3CT回S回表面淬火表面獲得馬氏體組織，并獲得表硬里韌的性能。預(yù)備熱處理：調(diào)質(zhì)或正火適用于中碳鋼 0.40.5%C表面：M回心部： S回(調(diào)質(zhì)) 或F+S(正火)滲碳提高表面含碳量，獲得表硬里韌的性能。滲碳溫度:900950淬火溫度：表面Ac1+3050心部Ac3+3050適用于低碳鋼 0.10.25%C表面：M回+A(少)+顆粒狀Fe3C心部：M回+F M回第六章 鋼的熱處理鋼的熱處理鋼種C%典型牌號合金元素作用熱處理使用狀態(tài)下組織性能用途碳素結(jié)構(gòu)鋼0.4Q195Q235熱軋空冷F+P塑性,焊

13、接性好建筑結(jié)構(gòu)低合金高強度鋼0.2Q345(16Mn)Mn:強化F,增加P,降低脆轉(zhuǎn)溫度熱軋空冷F+P塑性,焊接性好橋梁,船舶, 容器滲碳鋼0.10.252020Cr20CrMnTiCr,Mn:提高淬透性,強化F,Ti:細(xì)化晶粒滲碳+淬火+低溫回火表面：M回+ A (少量)+顆粒狀Fe3C心部：M回+F表硬里韌軸、齒輪調(diào)質(zhì)鋼0.30.54540Cr40CrNiMoCr,Ni:提高淬透性,強化F,Mo:防止第二類回火脆性調(diào)質(zhì)S回良好綜合力學(xué)性能軸、齒輪彈簧鋼0.60.90.450.765Mn60Si2MnCr,Mn:提高淬透性,強化F；Si:提高屈強比淬火+中溫回火T回高s/b高-1彈簧第七章

14、合金鋼鋼種C%典型牌號合金元素作用熱處理使用狀態(tài)下組織性能用途滾動軸承鋼0.951.10GCr15Cr:提高淬透性,耐磨耐蝕性球退+淬火+低溫回火M回+ A(少量)+顆粒狀Fe3C高耐磨高-1足夠ak滾動軸承耐磨鋼1.01.3ZGMn13Mn:形成A組織水韌處理表：M+碳化物心：A高耐磨耐沖擊鏟齒，履帶板碳素工具鋼0.651.35T7T13球退+淬火+低溫回火M回+ A(少量)+顆粒狀Fe3C高硬度高耐磨沖子、絲錐、銼刀低合金工具鋼0.751.59SiCrSi、Cr：提高淬透性球退+淬火+低溫回火M回+ A(少量)+顆粒狀Fe3C高硬度高耐磨低速刃具高速鋼0.71.5W18Cr4VCr:提高淬

15、透性；W、V：提高熱硬、耐磨性鍛、退火、淬火+三次回火M回+ A(少量)+顆粒狀碳化物高熱硬高硬度高耐磨高速刃具第七章 合金鋼鋼種C%典型牌號合金元素作用熱處理使用狀態(tài)下組織性能用途冷作模具鋼1.42.3Cr12Cr12MoVCr:提高淬透性。MoV:提高耐磨性鍛，退，淬火+低溫回火M回+ A(少量) +顆粒狀碳化物高硬度高耐磨冷沖模擠壓模熱鍛模鋼0.50.65CrNiMo5CrMnMo合金元素作用同調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)S回抗熱疲勞熱鍛模壓鑄模鋼0.30.63Cr2W8V合金元素作用同高速鋼淬火+回火M回+ A(少量) +顆粒狀碳化物抗熱疲勞,耐磨壓鑄模不銹鋼0.03-0.951Cr13,2Cr13Cr:提高耐蝕性；Ni:形成A；Ti:防止晶間腐蝕調(diào)質(zhì)S回高耐蝕性(隨C%增加,耐蝕性下降)汽輪機葉片3Cr13,4Cr13淬火+低溫回火M回醫(yī)療器械0Cr13不能熱處理F硝酸氮肥工業(yè)1Cr18Ni9Ti固溶處理A化工管道耐熱鋼15CrMo,12Cr1MoVCr,Si:提高抗氧化性;Mo:提高T再；V,Ti:彌散強化; Ni:形成A組織正火F+P高熱強性,高抗氧化性鍋爐零件4Cr9Si2,1Cr11MoV調(diào)質(zhì)S回氣閥,葉片1Cr18Ni9Ti固溶A過熱器管第七章 合金鋼石墨化：鑄鐵中的碳原子析出形成石墨的過程鑄鐵名稱牌號舉例獲得方法組織熱處理用途灰