金屬材料導(dǎo)論.ppt

1、,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,知識(shí)點(diǎn),零件的生產(chǎn)工藝過(guò)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。,毛坯選擇,機(jī)械加工方法,軸,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

2、、激光加工等特種加工方法,零件的生產(chǎn)工藝過(guò)程,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(guò)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(guò)程,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,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

3、理意義和測(cè)定方法,1.1.1 金屬材料的力學(xué)性能,屈服點(diǎn)（s）:鋼材或試樣在拉伸時(shí)，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)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（0.2）: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0.2 。,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(s)和抗拉強(qiáng)度(b)等；,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

4、的塑性指標(biāo)是：伸長(zhǎng)率和斷面收縮率；對(duì)于塑性差的材料，用0.2來(lái)代替s； 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；,零件發(fā)生疲勞破壞是沒(méi)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

5、的作用而不 破壞的能力。常用的指標(biāo)有疲勞強(qiáng)度(-1) 。,1 將鐘表發(fā)條拉成一直線，問(wèn)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,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(guò)程。有晶體形成。,本節(jié)重點(diǎn)：金屬結(jié)晶的概念、結(jié)晶過(guò)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,知識(shí)點(diǎn):,1.2 金屬及合金的晶體結(jié)構(gòu),原子鍵合,離子鍵(ionic bond )離子鍵是通過(guò)異

6、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(guò)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)?/p>

7、6個(gè),原子鍵合,共價(jià)鍵(covalent bond)共價(jià)鍵是原子之間通過(guò)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(lái)。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

8、性使分子具有特定的幾何形狀。,原子鍵合,金屬鍵 (metallic bond )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(méi)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(molecule bond)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。,基本概念,凝固：一般非晶體由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程 。

9、,結(jié)晶：由液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過(guò)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(méi) 有一 定的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)，性能趨向 各向同性。,晶體中的原子排列,金 屬 的 結(jié) 晶,純金屬的冷卻曲線（理想狀態(tài)）,金 屬 的 結(jié) 晶,純金屬的冷卻曲線（實(shí)際）,金 屬 的 結(jié) 晶,合金的冷卻曲線,金 屬 的 結(jié) 晶,結(jié)晶的必要條件-過(guò)冷度,金屬的結(jié)晶過(guò)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）,形核：自身晶核、外來(lái)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)

10、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,細(xì)化晶粒的方法,增加冷卻速度，增大過(guò)冷度； 增加外來(lái)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,金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,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(guò)加熱、保溫、冷卻來(lái)改變材料的組織，從而達(dá)到改善材料性 能的目的。,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。

11、,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。,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(guò)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?單一的固相； 液相、固相兩相共存；,問(wèn)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？,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

12、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-Fe或-Fe 所形成的鐵素體、奧氏體。,置換固溶體和間隙固溶體的區(qū)別,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,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(lái)，即為

13、液相線；把結(jié)晶終了溫度點(diǎn)連接起來(lái)，即為固相線。這樣就構(gòu)成了Pb-Sb二元合金相圖。,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,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。,1.5 鐵碳合金,知識(shí)點(diǎn):,1.5.1 鐵碳合金的基本組織,鐵素體：碳溶解在Fe中的間隙固溶( F）。塑性 （=45-50%）、韌性好，強(qiáng)

14、度、硬度低。 奧氏體：碳溶解在 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。,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)。,L 4.3%c,A2.11%c+Fe3C6.69%c,共晶反應(yīng)的產(chǎn)物即萊氏體 Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c),2 、共析反應(yīng),一定成分的固相在

15、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 PF0.02%c+Fe3C6.69%c,兩種反應(yīng),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,Acm,鐵碳合金相圖中主要特性點(diǎn)的含義,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

16、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,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(guò)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

17、,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(guò)共析鋼：含碳量在0.77%2.11%之間；,典型合金結(jié)晶過(guò)程分析,1.5.3 鐵碳合金狀態(tài)圖分析,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(guò)程分析,共晶生鐵結(jié)晶過(guò)程分析,過(guò)共析鋼結(jié)晶過(guò)程分析,Ld變態(tài)萊氏體,亞共晶、過(guò)共晶生鐵結(jié)晶過(guò)程分析,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

18、,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、20Cr,9Cr2、CrWMn,2Cr13、1Cr18Ni9,1.6 工業(yè)用鋼分類及選材,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,其它熱處理,形變,真空,激光,1 .7 鋼的熱處理,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3050，保溫后緩慢冷卻. 2、球化退火: 將過(guò)共析鋼加熱到Ac1線以上2030，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150250），降低硬度，恢復(fù)塑性。,應(yīng)用：（1）取代部分完全退火； （2）用于普通結(jié)構(gòu)件的最終熱處理； （3）用于過(guò)共析鋼，減少或消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化處理作準(zhǔn)備。,正火: 將