金屬材料與熱處理課件第一章.講課稿

金屬材料與熱處理課件第一章.第一章金屬材料基礎(chǔ)知識工程材料

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軸承合金陶瓷材料復(fù)合材料鋁及鋁合金2第一章金屬材料基礎(chǔ)知識1.1金屬材料的性能金屬材料的性能

使用性能

工藝性能機械性能：強度、硬度、塑性、韌性等

鑄造性能：流動性、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，光潔度等

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)知識1.1金屬材料的性能

由于金屬材料具有良好的使用性能和工藝性能，所以在機器制造工業(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，故機器制造中一般很少使用純金屬，只有在為了滿足機器上的某些特殊性能的要求時，才考慮使用純金屬來制造機器零件。第一章金屬材料基礎(chǔ)知識1.1.1金屬材料的力學(xué)性能（機械性能）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)：強度（strength)塑性（plasticity)彈性(elasticity)硬度（hardness)沖擊韌性(impacttoughness)疲勞強度(fatiguestrength)第一章金屬材料基礎(chǔ)知識強度：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力包括屈服強度、抗拉強度、抗壓強度等。測定金屬材料強度的基本方法是拉伸試驗。拉伸實驗低碳鋼試樣第一章金屬材料基礎(chǔ)知識三個階段：σ≤σe:彈性變形階段σs＜σ≤σb:（均勻）塑性變形階段σ＞σb:不均勻塑性變形階段（斷裂階段）斷裂方式:根據(jù)塑變階段長短分：脆性斷裂，韌性斷裂根據(jù)斷裂路徑分：沿晶斷裂，穿晶斷裂第一章金屬材料基礎(chǔ)知識低碳鋼受拉時應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線圖應(yīng)力:σ=F/A應(yīng)變:ε=ΔL/L幾個重要點:E點:最大彈性變形點S點:塑性變形屈服點B點:能承受最大外力K點:材料產(chǎn)生斷裂材料的幾個重要極限σe:彈性極限;σs:屈服極限;σb:強度極限;第一章金屬材料基礎(chǔ)知識拉伸試樣產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象第一章金屬材料基礎(chǔ)知識彈性：金屬材料受外力作用時產(chǎn)生變形,當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)到原來形狀及尺寸的性能。彈性變形:隨載荷撤除而消失的變形彈性極限:圖中的σe點即為彈性極限

第一章金屬材料基礎(chǔ)知識塑性：金屬材料受外力作用時產(chǎn)生永久變形而不致引起破壞的性能。塑性變形:外力消失后留下來的部分不可恢復(fù)的變形。塑性通常由伸長率δ和斷面收縮率Ψ表示。

伸長率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)知識1、斷后伸長率δ2、斷面收縮率Ψ指試樣拉斷后標(biāo)距的伸長量與原標(biāo)距長度的百分比。指試樣拉斷后縮項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:拉斷拉伸試樣對接后測出的標(biāo)距長度

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)知識硬度：是指材料抵抗其他更硬物體壓入其內(nèi)的能力一般材料的硬度越高，耐磨性越好，強度也較好

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

第一章金屬材料基礎(chǔ)知識(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)適用范圍：測量退火鋼、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)知識(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計1HRC≈10HBS第一章金屬材料基礎(chǔ)知識沖擊韌性：材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。常用一次擺錘沖擊彎曲試驗來測定金屬材料的沖擊韌性。沖擊韌性實驗第一章金屬材料基礎(chǔ)知識疲勞強度：表示材料經(jīng)無數(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)知識鋼材的循環(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鋼材的疲勞強度σ-1與抗拉強度σb之間的關(guān)系:σ-1=(0.45～0.55)σb第一章金屬材料基礎(chǔ)知識①疲勞斷裂時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引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，常常低于材料的屈服點；③疲勞破壞的宏觀斷口由兩部分組成。疲勞破壞的特征第一章金屬材料基礎(chǔ)知識

金屬材料的其他性能物理性能：主要有比重、熔點、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抵抗各種化學(xué)作用的能力。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)知識金屬的工藝性能工藝性能是指金屬材料對不同加工工藝方法的適應(yīng)能力。第一章金屬材料基礎(chǔ)知識金屬（材料）及合金在鑄造工藝中獲得優(yōu)良鑄件的能力稱為鑄造性能。1、流動性：熔融金屬的流動能力稱為流動性。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)成分和組織的不均勻現(xiàn)象稱為偏析。鑄造性能：第一章金屬材料基礎(chǔ)知識鍛造性能：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)知識一般情況下金屬材料中：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)知識晶體與非晶體非晶體：在物質(zhì)內(nèi)部，凡原子呈無序堆積狀況的，稱為非晶體。如：普通玻璃、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，呈各向異性，非晶體沒有固定熔點，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。通過兩個或兩個以上原子中心的直線，可代表晶格空間排列的一定方向，稱為晶向。

晶體結(jié)構(gòu)的概念第一章金屬材料基礎(chǔ)知識金屬晶格的類型第一章金屬材料基礎(chǔ)知識體心立方晶格：它的晶胞是一個立方體，原子位于立方體的八個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：它的晶胞也是一個立方體，原子位于立方體的八個頂角上和立方體六個面的中心。如：鋁（Al）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鎳（Ni）及γ-Fe密排六方晶格：它的晶胞是一個正六棱柱體，原子排列在柱體的每個頂角上和上、下底面的中心，另外三個原子排列在柱體內(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)知識點缺陷晶體中呈點狀的缺陷，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)知識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立單元，兩（三）個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)，并以界面互相分開的、均勻的組成部分合金的相結(jié)構(gòu)第一章金屬材料基礎(chǔ)知識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。固溶強化通過溶入溶質(zhì)原子形成固溶體、從而使合金強度、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)知識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。基本相有鐵素體、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F來表示。室溫時，鐵素體中的碳含量只有0.0008%,在727℃溶解度最大時也僅為0.0218%。所以其性能與純鐵相似，具有良好的塑性和韌性，而強度和硬度卻較低第一章金屬材料基礎(chǔ)知識奧氏體（A）碳溶解于γ-Fe中形成的間隙固溶體，用符號A來表示。奧氏體的強度和硬度不高，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)知識滲碳體（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，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)知識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，對于合理選擇和使用鋼鐵材料、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)知識Fe-Fe3C相圖點的符號溫度(℃)含碳量(%)含義A15380純鐵的熔點C11484.3共晶點，L=Ld(A+Fe3C)D12276.69滲碳體的溶點(理論)E11482.11碳在γ-Fe中最大溶解度點G9120純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點（A3）α-Fe=γ-FeS7270.77共析點，A=P（F+Fe3C）Fe-Fe3C相圖中的幾個特性點第一章金屬材料基礎(chǔ)知識Fe-Fe3C相圖中的特性線第一章金屬材料基礎(chǔ)知識特性線含義ACD液相線AECF固相線GS常稱A3線。冷卻時不同含碳量的奧氏體中結(jié)晶出鐵素體的開始線ES常稱Acm線。碳在γ-Fe奧氏體中的固溶線ECF共晶線。L=Ld(A+Fe3C)PSK共析線，常稱A1線。A=P（F+Fe3C）對鋼來說，C=0.0218％～2.11％的鐵碳合金稱為鋼。其特點是高溫時都有單相奧氏體，根據(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)知識對白口鑄鐵來說，C=2.11％～6.69％的鐵碳合金稱白口鑄鐵。其特點是金屬液相結(jié)晶時都將發(fā)生共晶反應(yīng)生成萊氏體，根據(jù)其含碳量及室溫組織的不同，又可分為：亞共晶白口鑄鐵：含碳量為2.11％～4.3