金屬材料導(dǎo)論

1.金屬材料導(dǎo)論1.5鐵碳合金1.1金屬材料的主要性能1.2金屬及合金的晶體結(jié)構(gòu)1.3合金的結(jié)構(gòu)1.4二元合金狀態(tài)圖1編輯課件知識(shí)點(diǎn)使用性能加工工藝性能金屬材料的性能力學(xué)性能物理化學(xué)性能鑄造性能 可鍛性可焊性切削加工性物理化學(xué)性能2編輯課件零件的生產(chǎn)工藝過程選材選毛坯預(yù)先熱處理機(jī)械加工最終熱處理檢驗(yàn)應(yīng)根據(jù)零件的性能要求、受載情況、服役條件、工作環(huán)境等：其中選材：金屬材料種類繁多，性能不一，而且材料的發(fā)展日新月異，而零件的性能要求、服役條件各不相同，再加上材料的資源、價(jià)格等多方面考慮。3編輯課件機(jī)械加工方法軸毛坯選擇車削傳統(tǒng)的有現(xiàn)代的有有液態(tài)成形毛坯塑性成形毛坯連接成形毛坯粉末冶金成形型材等毛坯車削、刨削、銑削拉削、鏜削、磨削等數(shù)控加工、電火花加工、激光加工等特種加工方法零件的生產(chǎn)工藝過程4編輯課件一個(gè)具體零件的加工往往可用多種不同的加工方法，而每種加工方法所能達(dá)到的加工精度、加工質(zhì)量、加工范圍、加工效率是不同的。

預(yù)先熱處理：為使切削加工能順利進(jìn)行，可通過預(yù)先熱處理調(diào)整硬度，為切削加工做好組織準(zhǔn)備。最終熱處理：使材料的性能達(dá)到要求。零件的生產(chǎn)工藝過程5編輯課件

第1章金屬材料導(dǎo)論材料、信息、能源稱為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱。

復(fù)合材料工程材料金屬材料陶瓷材料高分子材料6編輯課件1.1金屬材料的主要性能

本節(jié)重點(diǎn)：金屬材料的力學(xué)性能主要內(nèi)容：金屬材料的力學(xué)性能,包括材料的強(qiáng)度、硬度、塑性、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度等。本節(jié)難點(diǎn)：各性能指標(biāo)的物理意義和測(cè)定方法7編輯課件

1.1.1金屬材料的力學(xué)性能屈服點(diǎn)（σs）:鋼材或試樣在拉伸時(shí)，當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限，即使應(yīng)力不再增加，而鋼材或試樣仍繼續(xù)發(fā)生明顯的塑性變形，稱此現(xiàn)象為屈服，而產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的最小應(yīng)力值即為屈服點(diǎn)。屈服強(qiáng)度（σ0.2）:有的金屬材料的屈服點(diǎn)極不明顯，在測(cè)量上有困難，因此為了衡量材料的屈服特性，規(guī)定產(chǎn)生永久殘余塑性變形等于一定值（一般為原長(zhǎng)度的0.2%）時(shí)的應(yīng)力，稱為條件屈服強(qiáng)度或簡(jiǎn)稱屈服強(qiáng)度σ0.2。

強(qiáng)度

材料在外力作用，抵抗塑性變形和斷裂的能力。工程上常用的金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服強(qiáng)度(σs)和抗拉強(qiáng)度(σb)等；

8編輯課件塑性

材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的性能。表示材料的塑性指標(biāo)是：伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率Ψ；對(duì)于塑性差的材料，用σ0.2來代替σs；1）使材料具有良好的成形性；2）受到外力變形時(shí)，有強(qiáng)化作用。硬度

材料抵抗更硬的物體壓入其內(nèi)的能力。最常用的硬度指標(biāo)有：布氏硬度（HB)和洛氏硬度(HRA-C)。布氏硬度和洛氏硬度試驗(yàn)原理和使用范圍均不相同；9編輯課件零件發(fā)生疲勞破壞是沒有預(yù)兆而突然斷裂，此時(shí)發(fā)生疲勞破壞的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度，甚至比屈服強(qiáng)度還小，非常危險(xiǎn)。小結(jié)：金屬材料的力學(xué)性能是在外力作用下表現(xiàn)出的力學(xué)性能，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。沖擊韌度:

金屬材料抵抗沖擊載荷的作用而不破壞的能力。常用的指標(biāo)有沖擊韌度(Ak)。疲勞強(qiáng)度:

金屬材料抵抗交變載荷的作用而不破壞的能力。常用的指標(biāo)有疲勞強(qiáng)度(σ-1)。10編輯課件1將鐘表發(fā)條拉成一直線，問這是彈性變形還是塑性變形？怎樣判斷它的變形性質(zhì)？2疲勞破壞有什么危害？在什么情況下發(fā)生疲勞破壞，產(chǎn)生原因是什么？如何提高零件的疲勞強(qiáng)度？1.1.2金屬材料的物理、化學(xué)性能（略）思考題11編輯課件1.2金屬及合金的晶體結(jié)構(gòu)2.金屬的結(jié)晶：原子由無(wú)序狀態(tài)向有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。有晶體形成。

本節(jié)重點(diǎn)：金屬結(jié)晶的概念、結(jié)晶過程本節(jié)難點(diǎn)：合金的結(jié)構(gòu)1.三種常見的金屬的晶格類型：

體心立方面心立方密排六方12編輯課件知識(shí)點(diǎn):1.2金屬及合金的晶體結(jié)構(gòu)體心立方面心立方密排六方固溶體金屬化合物機(jī)械混合物晶體結(jié)構(gòu)合金組織 結(jié)晶過程同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬的晶體結(jié)構(gòu)與鐵碳合金的組織與性能合金13編輯課件原子鍵合離子鍵(ionicbond)

離子鍵是通過異性電荷之間的吸引產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)合作用，又稱電價(jià)鍵。電離能小的金屬原子(如堿金屬)和電子親合能大的非金屬原子(如鹵素)接近時(shí),前者將失去電子形成正離子,后者將獲得電子形成負(fù)離子,正負(fù)離子通過庫(kù)侖作用相互吸引。當(dāng)這種吸引力與離子的電子云之間的排斥力達(dá)到平衡時(shí),形成穩(wěn)定的以離子鍵結(jié)合的體系。

離子鍵的特征是作用力強(qiáng),而且隨距離的增大減弱較慢;作用不受方向性和飽和性的限制,一個(gè)離子周圍能容納多少個(gè)異性離子及其配置方式,由各離子間的庫(kù)侖作用決定。以離子鍵結(jié)合的體系傾向于形成晶體,以便在一個(gè)離子周圍形成盡可能多的離子鍵,例如NaCl分子傾向于聚集為NaCl晶體,使每個(gè)鈉(或氯)離子周圍的離子鍵從1個(gè)變?yōu)?個(gè)

14編輯課件原子鍵合共價(jià)鍵(covalentbond)

共價(jià)鍵是原子之間通過共享電子而產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)合作用。典型的共價(jià)鍵存在于同核雙原子分子中,由每個(gè)原子提供一個(gè)電子構(gòu)成成鍵電子對(duì)。這對(duì)電子的自旋方向相反,集中在中間區(qū)域,并吸引帶正電的兩個(gè)原子的核心部分而把它們結(jié)合起來。在異核雙原子分子中,2個(gè)原子的核心部分對(duì)成鍵電子的吸引力不同,成鍵電子偏向一方,例如在氟化氫分子中電子偏向氟,這種化學(xué)鍵稱為極性鍵。共價(jià)鍵的特征是有飽和性、方向性和作用的短程性。一個(gè)原子能形成的典型共價(jià)鍵的數(shù)目等于該原子的價(jià)電子數(shù),稱為它的原子價(jià)。共價(jià)鍵之間有特定的相對(duì)取向,例如水分子呈彎曲形，而二氧化碳分子是直線形的。共價(jià)鍵的方向性使分子具有特定的幾何形狀。

15編輯課件原子鍵合金屬鍵(metallicbond)

使金屬原子結(jié)合成金屬的相互作用。金屬原子的電離能低,容易失去電子而形成正離子和自由電子,正離子整體共同吸引自由電子而結(jié)合在一起。金屬鍵可看作高度離域的共價(jià)鍵,但沒有飽和性和方向性。金屬鍵的顯著特征是成鍵電子可在整個(gè)聚集體中流動(dòng),這使金屬呈現(xiàn)出特有的屬性:良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、高的熱容和熵值、延展性和金屬光澤等。

分子鍵(moleculebond)

惰性氣體分子間是靠分子鍵結(jié)合的，其實(shí)質(zhì)是分子偶極矩間的庫(kù)侖相互作用，這種結(jié)合鍵較弱。其分子間相互作用力為范德華力。

16編輯課件基本概念凝固：一般非晶體由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。結(jié)晶：由液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過程。晶體：原子排列時(shí)有序的，原子在三維空間做規(guī)則的、周期性的、重復(fù)排列。有一定的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)，性能趨向各向異性。非晶體:

原子排列雜亂無(wú)章呈無(wú)序狀態(tài)，沒有一定的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)，性能趨向各向同性。17編輯課件晶體中的原子排列18編輯課件

金屬的結(jié)晶純金屬的冷卻曲線（理想狀態(tài)）oCTo

L

ab

S0a：結(jié)晶開始點(diǎn)b：結(jié)晶終了點(diǎn)19編輯課件金屬的結(jié)晶純金屬的冷卻曲線（實(shí)際）oC

LT0T1S0T0：理論結(jié)晶溫度T1：實(shí)際結(jié)晶溫度ΔT=T0--T1（過冷度）20編輯課件金屬的結(jié)晶合金的冷卻曲線oCa

bLsL+s0a：結(jié)晶開始點(diǎn)b：結(jié)晶終了點(diǎn)合金的結(jié)晶是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)完成。21編輯課件金屬的結(jié)晶結(jié)晶的必要條件----過冷度金屬的結(jié)晶過程：

原子團(tuán)

形核

晶核長(zhǎng)大

小晶粒

晶粒（外形不規(guī)則的小晶體）22編輯課件形核：自身晶核、外來晶核晶核長(zhǎng)大方式：樹枝狀方式晶界—晶粒間的分界面；單晶體—結(jié)晶方位完全一致的的晶體;多晶體—由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。金屬的結(jié)晶23編輯課件細(xì)化晶粒的方法增加冷卻速度，增大過冷度；增加外來晶核;采用機(jī)械、超聲波振動(dòng)、電磁攪拌等；晶粒粗細(xì)對(duì)材料力學(xué)性能的影響晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高，塑性和韌性也越好。金屬的結(jié)晶24編輯課件金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1538co1394oc912oc室溫δ-Feγ-Feα-Fe體心立方面心立方體心立方金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的慨念

金屬在固態(tài)下，隨著溫度的改變其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的現(xiàn)象。

金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的意義

可以用熱處理的方法即可通過加熱、保溫、冷卻來改變材料的組織，從而達(dá)到改善材料性能的目的。25編輯課件1.3合金的結(jié)構(gòu)概念合金、組元、相；固溶體：置換固溶體、間隙固溶體；金屬化合物；固溶強(qiáng)化的概念。本節(jié)要點(diǎn)：研究金屬材料的加工工藝，必須了解金屬及合金的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶。26編輯課件1.3.1合金的結(jié)構(gòu)——概念合金：由兩種或兩種以上的元素通過熔煉后所獲得的新的物質(zhì)仍然具有金屬特性。組元：組成合金的基本元素。相：

凡是成分相同、結(jié)構(gòu)相同并與其他部分有界面分開的均勻組成部分。例如：?jiǎn)我坏囊簡(jiǎn)我坏墓滔啵灰合?、固相兩相共存；問題：水、油混裝在一個(gè)瓶子里，是幾個(gè)相？將奶粉加開水沖一杯牛奶又是幾個(gè)相？27編輯課件1.3.2合金的結(jié)構(gòu)——固溶體固溶體：由兩種組元相互溶解后所組成的新的物質(zhì)仍然保持其中某一組元的晶體結(jié)構(gòu)。置換固溶體：A組元的原子取代了B組元的原子。當(dāng)A、B兩個(gè)組元的原子直徑相差不大時(shí)，兩個(gè)組元可以以任何比例溶解，形成無(wú)限固溶體，反之則為有限固溶體。間隙固溶體：A組元溶入B組元的的間隙中。只能形成有限固溶體。例如：C溶入α-Fe或γ-Fe所形成的鐵素體、奧氏體。28編輯課件置換固溶體和間隙固溶體的區(qū)別29編輯課件1.3.4合金的結(jié)構(gòu)——固溶強(qiáng)化A、B兩組元相互溶解后所形成的新的物質(zhì)既不是A組元的結(jié)構(gòu)，也不是B組元的結(jié)構(gòu)，而是自身的一種獨(dú)立的結(jié)構(gòu)。例如：

Fe和C所形成的化合物Fe3C，就是一種典型的金屬化合物。1.3.3合金的結(jié)構(gòu)——金屬化合物隨著溶質(zhì)原子的增加，所形成的固溶體的強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象。例如：純鐵與鋼的用途30編輯課件1.4二元合金狀態(tài)圖把各合金的結(jié)晶開始溫度點(diǎn)連接起來，即為液相線；把結(jié)晶終了溫度點(diǎn)連接起來，即為固相線。這樣就構(gòu)成了Pb-Sb二元合金相圖。31編輯課件1在純金屬的冷卻曲線上為什么會(huì)出現(xiàn)一水平臺(tái)階？2為什么晶粒越細(xì)小其力學(xué)性能越好？3如果結(jié)晶時(shí)晶核不多而生長(zhǎng)速度快，則結(jié)晶后的晶粒是粗還是細(xì)？思考題1.4二元合金狀態(tài)圖32編輯課件1.5鐵碳合金本節(jié)重點(diǎn)：鐵碳合金狀態(tài)圖在鑄造、壓力加工、焊接中的應(yīng)用；本節(jié)難點(diǎn)：鐵碳合金狀態(tài)圖的理解；

鐵碳合金由于其資源廣泛、冶煉方便、價(jià)格低廉、性能優(yōu)越，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用。33編輯課件1.5鐵碳合金知識(shí)點(diǎn):鋼的熱處理目的概念熱處理工藝曲線鋼的熱處理工藝普通熱處理表面淬火化學(xué)熱處理組織轉(zhuǎn)變鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變34編輯課件1.5.1鐵碳合金的基本組織鐵素體：碳溶解在α—Fe中的間隙固溶(F）。塑性（δ=45-50%）、韌性好，強(qiáng)度、硬度低。奧氏體：碳溶解在γ—Fe中的間隙固溶體（A）。塑性好。滲碳體：鐵與碳形成的金屬化合物（Fe3C）。硬度很高（HBW=800），塑性、韌性幾乎為零。珠光體：是奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所形成的鐵素體與滲碳體的共析體（P）。萊氏體：是液態(tài)鐵碳合金發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變所形成的奧氏

體與滲碳體的共晶體（Ld）。硬度高，塑性差。35編輯課件兩種反應(yīng)1148℃1、共晶反應(yīng)

一定成分的液相在一定的溫度下同時(shí)結(jié)晶出兩種成分和結(jié)構(gòu)均不相同的固相的反應(yīng)。L4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c共晶反應(yīng)的產(chǎn)物即萊氏體Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c)36編輯課件2、共析反應(yīng)一定成分的固相在一定的溫度下同時(shí)析出兩種成分和結(jié)構(gòu)均不相同的新的固相的反應(yīng)。A2.11%c

727℃F0.02%c+Fe3C6.69%c共析反應(yīng)的產(chǎn)物即珠光體P＝F0.02%c+Fe3C6.69%c兩種反應(yīng)37編輯課件

1.5.2鐵碳合金狀態(tài)圖分析滲碳體的熔點(diǎn)共晶點(diǎn)共析線共析點(diǎn)純鐵的熔點(diǎn)共晶線ACD線—液相線AECF線—固相線碳在奧氏體中的最大溶解度A3線Acm38編輯課件

鐵碳合金相圖中主要特性點(diǎn)的含義

特性點(diǎn)的符號(hào)溫度t/℃含碳量wc%含義ACDEGPSQ

1538114812271148912727727

室溫04.36.692.1100.020.770.0008純鐵的熔點(diǎn)共晶點(diǎn)滲碳體的熔點(diǎn)碳在奧氏體中的最大溶解度α-Teγ-Te同素異晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)碳在鐵素體中的最大溶解度共析點(diǎn)碳在鐵素體中的溶解度39編輯課件ACD線—液相線

是不同成分鐵碳合金開始結(jié)晶的溫度線。AECF線—固相線

各種成分的合金均處在固體狀態(tài)。結(jié)晶溫度終止線。ECF水平線—共晶線

含碳量為4.3%的液態(tài)合金冷卻到此線時(shí)，在1148℃由液態(tài)合金同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物，此反應(yīng)稱為共晶反應(yīng)。PSK水平線—共析線（A1線）含碳量為0.77%的奧氏體冷卻到此線時(shí)，在727℃同時(shí)析出鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，此反應(yīng)稱為共析反應(yīng)。GS線—（A3線）

是冷卻時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的開始線。ES線—稱Acm線

是碳在奧氏體中的溶解度線，實(shí)際上是冷卻時(shí)由奧氏體中析出二次滲碳體的開始線。相圖中主要線的含義40編輯課件鐵碳合金含碳量為2.11%—6.69%的鐵碳合金。共晶生鐵：

含碳量為4.3%;亞共晶生鐵：含碳量在2.11%—4.3%之間；過共晶生鐵：含碳量在4.3%—6.69%之間；含碳量小于0.02%的鐵碳合金。工業(yè)純鐵鋼生鐵含碳量為0.02%—2.11%的鐵碳合金。根據(jù)金相組織的不同，可分為三種。共析鋼：含碳量為0.77%;亞共析鋼：含碳量在0.02%—0.77%之間；過共析鋼：含碳量在0.77%—2.11%之間；典型合金結(jié)晶過程分析41編輯課件

LL+AAA+Fe3CⅡF+AA+Fe3CⅡ+LdP+Fe3CⅡ+L'dP+Fe3CⅡPP+FLdL'dL+Fe3CLd+Fe3CL'd+Fe3CL'd＝P+Fe3CⅡ+Fe3C轉(zhuǎn)變1.5.3鐵碳合金狀態(tài)圖分析42編輯課件

A—奧氏體P—珠光體F—鐵素體共析鋼和亞共析鋼的結(jié)晶過程分析43編輯課件共晶生鐵結(jié)晶過程分析過共析鋼結(jié)晶過程分析44編輯課件L’d—變態(tài)萊氏體亞共晶、過共晶生鐵結(jié)晶過程分析45編輯課件鋼碳素鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼（0.38%C)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(0.2-0.7%C用途廣)碳素工具鋼(T8等)合金鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼特殊性能鋼不銹鋼耐熱鋼

耐磨鋼其它量具鋼模具鋼刃具鋼軸承鋼彈簧鋼調(diào)質(zhì)鋼滲碳鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼（<1.5%C)16Mn、20Cr9Cr2、CrWMn2Cr13、1Cr18Ni91.6工業(yè)用鋼分類及選材46編輯課件熱處理普通熱處理表面熱處理退火正火淬火回火表面淬火化學(xué)熱處理滲碳滲氮碳氮共滲加熱保溫冷卻臨界溫度熱處理工藝曲線T℃其它熱處理形變真空激光1.7鋼的熱處理47編輯課件1.7.1退火和正火退火：將鋼加熱、保溫，然后隨爐冷卻或埋入灰中緩慢冷卻。目的：

降低硬度，便于機(jī)加工。

細(xì)化晶粒，提高塑性和韌性。

消除應(yīng)力。應(yīng)用：鑄件、鍛件、焊接及其它毛坯的熱處理。

1、完全退火：將亞共析鋼加熱到Ac3線以上30—50℃，保溫后緩慢冷卻.

2、球化退火:

將過共析鋼加熱到Ac1線以上20—30℃，保溫后緩慢冷卻.3、低溫退火:

將鋼加熱到Ac1線以下，保溫后緩慢冷卻.

再結(jié)晶退火：消除沖壓件冷變形所產(chǎn)生的加工硬化（再結(jié)晶溫度以上150—250℃），降低硬度，恢復(fù)塑性。48編輯課件應(yīng)用：（1）取代部分完