金屬材料與熱處理課件第一章

金屬材料與熱處理機(jī)械工程學(xué)院主講：王光艷第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問金屬材料是由金屬元素或以金屬元素為主要材料構(gòu)成的并具有金屬特性的工程材料。金屬材料純金屬

合金第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問工程材料

金屬材料

非金屬材料黑色金屬材料：鋼和鑄鐵有色金屬材料高分子材料銅及銅合金滑動(dòng)軸承合金陶瓷材料復(fù)合材料鋁及鋁合金3第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問1.1金屬材料的性能金屬材料的性能

運(yùn)用性能工藝性能機(jī)械性能：強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等

鑄造性能：流淌性、收縮性等鍛造性能：壓力加工成型性等切削加工性能：車、銑、刨、磨的切削量，光滑度等物理性能：導(dǎo)電、導(dǎo)熱、電磁、膨脹等化學(xué)性能：抗氧化性、耐腐蝕性等焊接性能：熔焊性、焊縫強(qiáng)度、偏析等熱處理性能：淬透性、回火穩(wěn)定性等第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問1.1金屬材料的性能由于金屬材料具有良好的運(yùn)用性能和工藝性能，所以在機(jī)器制造工業(yè)中獲得廣泛的應(yīng)用。合金常比純金屬具有更好的力學(xué)性能和工藝性能，而且成本一般較低，故機(jī)器制造中一般很少運(yùn)用純金屬，只有在為了滿足機(jī)器上的某些特殊性能的要求時(shí)，才考慮運(yùn)用純金屬來制造機(jī)器零件。第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問1.1.1金屬材料的力學(xué)性能（機(jī)械性能）力學(xué)性能

：材料在外力作用下所表現(xiàn)出的性能力學(xué)性能的主要指標(biāo)：強(qiáng)度（strength)塑性（plasticity)彈性(elasticity)硬度（hardness)沖擊韌性(impacttoughness)疲憊強(qiáng)度(fatiguestrength)第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問強(qiáng)度：材料在外力作用下反抗變形和破壞的實(shí)力包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等。測(cè)定金屬材料強(qiáng)度的基本方法是拉伸試驗(yàn)。拉伸實(shí)驗(yàn)低碳鋼試樣第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問三個(gè)階段：σ≤σe:彈性變形階段σs＜σ≤σb:（勻整）塑性變形階段σ＞σb:不勻整塑性變形階段（斷裂階段）斷裂方式:依據(jù)塑變階段長(zhǎng)短分：脆性斷裂，韌性斷裂依據(jù)斷裂路徑分：沿晶斷裂，穿晶斷裂第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問低碳鋼受拉時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線圖應(yīng)力:σ=F/A應(yīng)變:ε=ΔL/L幾個(gè)重要點(diǎn):E點(diǎn):最大彈性變形點(diǎn)S點(diǎn):塑性變形屈服點(diǎn)B點(diǎn):能承受最大外力K點(diǎn):材料產(chǎn)生斷裂材料的幾個(gè)重要極限σe:彈性極限;σs:屈服極限;σb:強(qiáng)度極限;第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問拉伸試樣產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問彈性：金屬材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形,當(dāng)外力去掉后能復(fù)原到原來形態(tài)及尺寸的性能。彈性變形:隨載荷撤除而消逝的變形彈性極限:圖中的σe點(diǎn)即為彈性極限第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問塑性：金屬材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生永久變形而不致引起破壞的性能。塑性變形:外力消逝后留下來的部分不行復(fù)原的變形。塑性通常由伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率Ψ表示。伸長(zhǎng)率δ或斷面收縮率Ψ值越大表示材料塑性越好。一般：δ<2~5%屬脆性材科δ≈5~10%屬韌性材料δ>10%屬塑性材料第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問1、斷后伸長(zhǎng)率δ2、斷面收縮率Ψ指試樣拉斷后標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比。指試樣拉斷后縮項(xiàng)處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。δ=(L1-Lo)/Lox100%L1:拉斷拉伸試樣對(duì)接后測(cè)出的標(biāo)距長(zhǎng)度

Lo:拉伸試樣的原始標(biāo)距Ψ=(Ao-A1)/Sox100%Ao:拉伸試樣原橫截面積。

A1:拉伸試樣斷口處的橫截面積第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問硬度：是指材料反抗其他更硬物體壓入其內(nèi)的實(shí)力一般材料的硬度越高，耐磨性越好，強(qiáng)度也較好

布氏硬度HB洛氏硬度HR維氏硬度HV肖氏硬度HS銼刀法常用測(cè)量硬度的方法第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度計(jì)

第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)適用范圍：測(cè)量退火鋼、正火鋼、常見鑄鐵、有色金屬等較軟材料，有效值小于450HB。第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)1HRC≈10HBS第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問沖擊韌性：材料反抗沖擊載荷作用而不破壞的實(shí)力。常用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來測(cè)定金屬材料的沖擊韌性。沖擊韌性實(shí)驗(yàn)第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問疲憊強(qiáng)度：表示材料經(jīng)多數(shù)次交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應(yīng)力值。第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取N=107有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取N=108鋼材的疲憊強(qiáng)度σ-1與抗拉強(qiáng)度σb之間的關(guān)系:σ-1=(0.45～0.55)σb第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問①疲憊斷裂時(shí)無明顯的宏觀朔性變形，斷裂前沒有預(yù)兆，而是突然破壞；②引起疲憊斷裂的應(yīng)力很低，常常低于材料的屈服點(diǎn)；③疲憊破壞的宏觀斷口由兩部分組成。疲憊破壞的特征第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問

金屬材料的其他性能物理性能：主要有比重、熔點(diǎn)、熱膨脹、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性等?；瘜W(xué)性能：主要指在室溫或高溫下反抗各種化學(xué)作用的實(shí)力。主要如耐酸性、耐堿性、抗氧化性等。工藝性能：是物理、化學(xué)、力學(xué)性能的綜合。主要指鑄造性、可鍛性、可焊性、切削加工性、熱處理性等。第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問金屬的工藝性能工藝性能是指金屬材料對(duì)不同加工工藝方法的適應(yīng)實(shí)力。第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問金屬（材料）及合金在鑄造工藝中獲得優(yōu)良鑄件的實(shí)力稱為鑄造性能。1、流淌性：熔融金屬的流淌實(shí)力稱為流淌性。主要受金屬化學(xué)成份和澆注溫度等的影響。2、收縮性：鑄件在凝固和冷卻過程中，其體積和尺寸減小的現(xiàn)象稱為引縮性。3、偏析傾向：金屬凝固后，內(nèi)部化學(xué)成分和組織的不勻整現(xiàn)象稱為偏析。鑄造性能：第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問鍛造性能：用鍛壓成形方法獲得優(yōu)良鍛件的難易程度稱為鍛造性能。鑄鐵不能鍛壓。焊接性能：焊接性能是指金屬材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性。切削加性能：切削加工（性能）金屬材料的難易程度稱為切削加工性能。第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問一般狀況下金屬材料中：1.灰鑄鐵及青銅的鑄造性能較好。2.低碳鋼的可鍛性好于中、高碳鋼，碳鋼好于合金鋼，鑄鐵不能鍛壓。3.低碳鋼可焊性較好，高碳鋼和鑄鐵的可焊性較差。4.灰鑄鐵和硬度適中的碳鋼的切削性較好。5.合金鋼的熱處理工藝性較好。第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問晶體與非晶體非晶體：在物質(zhì)內(nèi)部，凡原子呈無序積累狀況的，稱為非晶體。如：一般玻璃、松香、樹脂等。晶體：凡原子呈有序、有規(guī)則排列的物質(zhì)為晶體，金屬的固態(tài)、金剛石、明礬晶體等。性能：晶體有固定的熔、沸點(diǎn)，呈各向異性，非晶體沒有固定熔點(diǎn)，而且表現(xiàn)為各向同性。1.2金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)晶格和晶胞：表示原子在晶體中排列規(guī)律的空間格架叫做晶格。能完整地反映晶格特征的最小幾何單元，稱為晶胞。晶面和晶向：在晶體中由一系列原子組成的平面，秋為晶面。通過兩個(gè)或兩個(gè)以上原子中心的直線，可代表晶格空間排列的確定方向，稱為晶向。晶體結(jié)構(gòu)的概念第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問金屬晶格的類型第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問體心立方晶格：它的晶胞是一個(gè)立方體，原子位于立方體的八個(gè)頂角上和立方體的中心。如：鉻（Cr）、釩（V）、鎢（W）、鉬（Mo）及α-Fe面心立方晶格：它的晶胞也是一個(gè)立方體，原子位于立方體的八個(gè)頂角上和立方體六個(gè)面的中心。如：鋁（Al）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鎳（Ni）及γ-Fe密排六方晶格：它的晶胞是一個(gè)正六棱柱體，原子排列在柱體的每個(gè)頂角上和上、下底面的中心，另外三個(gè)原子排列在柱體內(nèi)。屬于這種晶格類型的金屬有鎂（Mg）、鈹（Be）、鎘（Cd）、及鋅（Zn）等。金屬材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)晶體缺陷：晶界原子排列不規(guī)則的現(xiàn)象第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問點(diǎn)缺陷晶體中呈點(diǎn)狀的缺陷，即在三維空間上尺寸都很小的晶體缺陷線缺陷三維空間的兩個(gè)方向上尺寸很小的晶體缺陷面缺陷在二維方向上尺寸很大，在第三個(gè)方向上尺寸很小，呈面狀分布的缺陷合金的相結(jié)構(gòu)第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問合金兩種或兩種以上的金屬元素（或金屬與非金屬）組成，具有金屬特性的物質(zhì)組元組成合金的最基本獨(dú)立單元，兩（三）個(gè)組元組成的合金較二（三）元合金，類推。相合金中具有同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài)，并以界面相互分開的、勻整的組成部分合金的相結(jié)構(gòu)第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問合金中的相分為固溶體和金屬化合物兩類固溶體合金在固態(tài)下一種組元的晶格內(nèi)溶解了另一組元的原子而形成的晶體相。包括置換固溶體和間隙固溶體。固溶強(qiáng)化通過溶入溶質(zhì)原子形成固溶體、從而使合金強(qiáng)度、硬度提高的現(xiàn)象。金屬化合物合金組元間發(fā)生相互作用而形成的具有金屬特性的合金相。第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問鐵碳合金的基本組織與鐵碳相圖在鐵碳合金中，碳可以與鐵組成化合物，也可以形成固溶體，或者形成混合物?；鞠嘤需F素體、奧氏體和滲碳體。鐵素體（F）碳溶解于α-Fe中形成的間隙固溶體，用符號(hào)F來表示。室溫時(shí)，鐵素體中的碳含量只有0.0008%,在727℃溶解度最大時(shí)也僅為0.0218%。所以其性能與純鐵相像，具有良好的塑性和韌性，而強(qiáng)度和硬度卻較低第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問奧氏體（A）碳溶解于γ-Fe中形成的間隙固溶體，用符號(hào)A來表示。奧氏體的強(qiáng)度和硬度不高，但具有良好的塑性，是非鐵磁性相。鐵素體＋少量珠光體奧氏體珠光體第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問滲碳體（Fe3C）滲碳體是鐵與碳的金屬化合物，其分子式為Fe3C。滲碳體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69%，熔點(diǎn)為1227℃。滲碳體的硬度很高，塑性很差。是一種硬而脆的組織。滲碳體的類型一次滲碳體：從液態(tài)中析出的滲碳體。二次滲碳體：從奧氏體中析出的滲碳體。三次滲碳體：從鐵素體中析出的滲碳體。網(wǎng)狀滲碳體：當(dāng)熱處理操作不當(dāng)、不良時(shí)，滲碳體沿晶界呈網(wǎng)狀分布，即所謂網(wǎng)狀滲碳體。第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問鐵碳合金相圖鐵碳合金是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的金屬材料。鐵碳合金相圖是表示平衡狀態(tài)下不同成分的鐵碳合金在不同溫度下，具有的狀態(tài)和組織的圖形。學(xué)習(xí)鐵碳相圖，對(duì)于合理選擇和運(yùn)用鋼鐵材料、指導(dǎo)熱加工工藝（熱處理、鑄造、鍛壓等）具有重要意義。第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問Fe-Fe3C相圖Fe-Fe3C相圖中的幾個(gè)特性點(diǎn)第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問Fe-Fe3C相圖中的特性線第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問對(duì)鋼來說，C=0.0218％～2.11％的鐵碳合金稱為鋼。其特點(diǎn)是高溫時(shí)都有單相奧氏體，依據(jù)其含碳量及室溫組織的不同，又可分為：亞共析鋼：含碳量為0.0218％～0.77％之間的鐵碳合金。共析鋼：含碳量為0.77％的鐵碳合金。過共析鋼：含碳量為0.77％～2.11％之間的鐵碳合金。第一章金屬材料基礎(chǔ)學(xué)問對(duì)白口鑄鐵來說，C=2.11％～6.69％的鐵碳合金稱白口鑄鐵。其特點(diǎn)是金屬液相結(jié)晶時(shí)都將發(fā)生共晶反應(yīng)生成萊氏體，依據(jù)其含碳量及室溫組織的不同，又可分為：