第一章 緒論及基礎知識

工程材料及成形技術主講：江星瑩手機Q：40341178標點L0標距d01）材料類型:低碳鋼塑性材料的典型代表2）標準試件：(GB/T228-2002)尺寸符合國標的試件圓截面試件標距：L0=10d0或5d01、靜拉伸試驗O1O2f1(f)e0.10.2O屈服極限：抗拉強度：σe，E1.彈性階段2.屈服階段3.強化階段屈服點σs和抗拉強度σb是反映材料強度的兩個性能指標，也是拉伸試驗中需要測定的重要數(shù)據(jù)。aE=tgad(ss下)a(se)b(ss上)B(sb)ks(MPa)200400冷作硬化線彈性階段屈服階段強化階段低碳鋼拉伸應力應變曲線頸縮階段cσ0.2——對應于試樣產(chǎn)生0.2%的塑性應變時的應力值為材料的屈服強度對塑性低的材料（如鑄鐵），沒有明顯的屈服點壓頭材料淬火鋼球硬質合金球符號HBSHBW適用范圍＜450450~6501．布氏硬度布氏硬度計標注150HBS10/1000/30：10mm淬火鋼球在1000kgf載荷作用下，保持30s測得的布氏硬度為150200HBS：10mm淬火鋼球在3000kgf載荷作用下，保持10s測得的布氏硬度為200特點適用于硬度較低，對表面要求不大嚴格的件，如未經(jīng)淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或質地輕軟的軸承合金試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)重復性強對不同材料需更換球體和改變載荷，壓痕的測量也較麻煩，因而用于自動檢測受到限制，不宜在成品在進行試驗2、洛氏硬度HR測量原理圖洛氏硬度計符號壓頭總載荷（kgf）表盤上刻度顏色應用范圍應用舉例HRA120°金剛石圓錐體60黑線60~85碳化物、硬質合金、表面硬化工件HRBΦ1.588淬火鋼球100紅線25~100軟退火、正火鋼、有色金屬HRC120°金剛石圓錐體150黑線20~67淬火鋼、調(diào)質鋼特點操作簡便迅速，硬度可在表盤上直接讀出；壓痕小，可在工件表面進行試驗；采用不同標尺可測定各種軟硬不同的金屬和厚薄不一的試樣的硬度，因而廣泛用于熱處理質量的檢驗；用不同標尺測得的硬度值之間沒有聯(lián)系，也不能直接進行比較。3、維氏硬度壓頭：兩相對間夾角為136°的金剛石四棱錐體640HV30/20：30kgf載荷保持20s（10~15s不標注），測得的維氏硬度值為640特點載荷可以任意選擇，而不存在布氏硬度那種P與D之間關系的約束；硬度統(tǒng)一，精確可靠；更好地測定薄件或薄層的硬度；測定麻煩，工作效率不如HR高，不宜成批生產(chǎn)的常規(guī)檢驗。常用硬度的比較單位壓頭載荷/kgf硬度范圍HBS鋼球≤3000≤450

HBW硬質合金球≤3000450～650HRA金剛石圓錐6020～88HRB鋼球10020～100HRC金剛石圓錐15020～70HRD金剛石圓錐10040～77類別布氏硬度洛氏硬度HV金剛石棱錐5～120<1300維氏硬度應用有色合金，退正火調(diào)質鋼淬火、調(diào)質鋼碳化物、硬質合金有色合金，退正火鋼淬火、調(diào)質鋼薄鋼板、表面硬化工件各種硬度工件常用硬度的換算硬度換算公式HB和HV：

HB≤400時，HB≈HV

HB＞400時，HB<HVHR和HB、HV:鋼材硬度換算σb≈3.4HB（HB=125~175）σb≈3.6HB

（HB＞175）HRC≈2HRA-104（HRC=20~60）HB≈10HRC （HRC=20~60）HB≈2HRB鋼材強度、硬度換算四、沖擊韌度金屬材料抵抗沖擊載荷的能力。夏比沖擊試驗機示意圖沖擊試樣ak值低——脆性材料，斷裂時無明顯變形，金屬光澤，呈結晶狀ak值高——韌性材料

，明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤Ak＝G(H-h)溫度對沖擊韌度的影響常見金屬力學性能元素符號AlCuMgNiFeTiPbSn抗拉強度σb/MPa80～110200～240200400～500250～330250～3001820伸長率δ/%

32～4045～5011.535～4025～5550～704540斷面收縮率ψ/%

70～9065～7512.560～7070～8576～889090布氏硬度/HB204036806510045五、物理性能元素符號AlCuMgNiFeTiPbSn密度，kg/m3×1032.708.941.748.97.864.5111.347.3熔點，℃6601083650145515391660327232相對導電率，%60953423163714導熱系數(shù)，W/(m·℃)2.093.851.460.590.840.17—

—

六、化學性能金屬在常溫或高溫抵抗各種介質化學作用的能力。抗氧化性（熱穩(wěn)定性）：材料在加熱時抵抗氧化作用的能力。（Cr、Si等可提高鋼的抗氧化性。）耐腐蝕性：常溫下材料抵抗氧、水蒸氣及其它化學介質腐蝕的能力。（C鋼、鑄鐵的耐蝕性較差；Ti合金、不銹鋼、Al、Cu合金的耐蝕性較好。）七、工藝性能金屬材料適應加工工藝要求的能力可鑄性——流動性、收縮性、偏析可鍛性——塑性、變形抗力可焊性——碳當量切削性——表面粗糙度、刀具壽命熱處理性能——淬透性第二節(jié)金屬材料的組織結構金屬的晶體結構純金屬的結構金屬的同素異構轉變合金的相結構合金相圖一、金屬的晶體結構基本概念常見金屬的晶體結構實際金屬的晶體結構1、基本概念晶體：由許多金屬原子/離子在空間按一定幾何形式規(guī)則地緊密排列。（周期性）對比非晶體：原子無規(guī)則堆積（過冷液體）。晶體（金剛石、NaCl、冰……）非晶體（蜂蠟、玻璃……）液體晶體特性——固定熔點；各向異性熔點晶體非晶體時間溫度晶體和非晶體的熔化曲線XYZ原子（離子）的剛球模型原子中心位置晶體結構晶胞點陣（晶格）模型晶格——將原子抽象為一個幾何結點，并用直線聯(lián)接中心，所構成的一個空間格架。晶胞——晶格中能反映晶格特征的最小的幾何單元XYZabc晶格常數(shù)a，b，c晶格常數(shù)晶面:通過原子中心的平面晶向：通過原子中心的直線所指的方向XYZabcXYZabc2、常見金屬的晶體結構金屬鍵——決定特性大量自由電子→良好導電導熱性電子云與離子間引力→高強度和良好塑性緊密的金屬鍵→排列緊密的高對稱晶格三種常見的金屬晶體結構體心立方晶格bcc面心立方晶格fcc密排六方晶格hcp（1）體心立方晶格bcc如-Fe、W、V、Mo

等晶格常數(shù)：a=b=c；

===90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞體積a3Va:原子總體積24r3/3XYZabc2r2raa2（2）面心立方晶格fcc如-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等晶格常數(shù)：a=b=c；

===90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.74XYZabc密排方向4（3）密排六方晶格hcp如C（石墨）、Mg、Zn等晶格常數(shù)底面邊長a底面間距c側面間角120側面與底面夾角90晶胞原子數(shù)：6原子半徑：a/2致密度：0.743、實際金屬的晶體結構單晶體——原子排列相同，晶格位向一致多晶體——多晶粒和多晶界

晶粒

（單晶體）晶?！w中包含的具有不規(guī)則顆粒外形的小晶體晶界——晶粒界面，不同的位向過渡區(qū)晶體缺陷類型點缺陷：空位、間隙原子、異類原子線缺陷：位錯面缺陷：晶界與亞晶界間隙原子是其它元素則稱為異類原子（雜質原子）空位間隙原子（1）點缺陷（2）線缺陷

——刃位錯與螺位錯刃位錯刃位錯螺旋位錯（3）面缺陷晶界亞晶界亞晶界面缺陷引起晶格畸變，晶粒越細，則晶界越多，強度和塑性越高。二、純金屬的結晶結晶結晶條件（結晶溫度）結晶過程（形核與長大）晶粒細化結晶：液體-->晶體

凝固：液體-->固體（晶體或非晶體）晶體液體結晶冷卻曲線——熱分析法tTT0Tn理論結晶溫度開始結晶溫度}T過冷度T=T0-Tn純金屬結晶的條件就是應當有一定的過冷度（克服界面能）冷卻速度越大，則過冷度越大。結晶過程——形核和晶核長大的過程液態(tài)金屬形核晶核長大完全結晶（1）形核過程自發(fā)形核——由液體金屬內(nèi)部原子聚集，超過臨界晶核尺寸后形成的結晶核心。非自發(fā)形核——是依附于外來雜質上生成的晶核。（2）長大過程——平面生長與樹枝狀生長平面生長示意圖細化鑄態(tài)金屬晶粒的措施晶粒度——表示晶粒大小，分8級。晶粒度12345678單位面積晶粒數(shù)（個/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直徑（μm）2501771258862443122細晶強化——晶粒細化使金屬機械性能提高的現(xiàn)象細晶強化→強度、硬度、塑性、韌性↑細化晶粒的措施（1）提高過冷度形核率N、長大速度G與過冷度T的關系（2）變質處理 在液體金屬中加入變質劑(孕育劑)，以細化晶粒和改善組織的工藝措施。作用：作為非自發(fā)形核的核心，或阻礙晶粒長大（3）振動結晶作用：使樹枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細化——機械振動、超聲振動，或電磁攪拌等。三、金屬的同素異構轉變同素異構性——一種金屬具有兩種或兩種以上的晶格結構同素異構轉變——金屬在固態(tài)下晶體結構隨溫度的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象。

重結晶特點：晶界形核，T大，內(nèi)應力大純鐵的同素異構轉變-Fe，bcc-Fe，fcc-Fe，bcc1394C912C-Fe，fcc-Fe，bcc912C純鐵的冷卻曲線T-Fe，bcc}-Fe，bcc}-Fe，fccCoolingcurve770鐵磁性四、合金的相結構基本概念固溶體化合物1、基本概念合金——兩種以上元素組合成的、具有金屬特性的物質。如，Cu-Zn,Fe-C等合金組元——組成合金的最基本、獨立的物質（元素、穩(wěn)定化合物）。如，F(xiàn)e-C合金中，F(xiàn)e、C均為組元。相——化學成分、結構相同，且以界面分開的各均勻組成部分。水（液相）水+冰（雙相）冰（固相）Fe-C合金中的相——F+Fe3

CFe3

C鐵素體（F）組織——相的形狀、分布、組合狀態(tài)。單相組織（F）雙相組織（F+Fe3C）固溶體——溶質原子溶于溶劑晶格中，保持溶劑晶格的合金相?；衔铩辖鸾M元形成晶格類型與任一組元都不相同的新相。合金中兩類基本相：2、固溶體間隙固溶體、置換固溶體鐵中形成間隙固溶體的有：H、O、C、B、N……；形成置換固溶體的有：Mn、Ni、Cr、Si、Mo……有限固溶體、無限固溶體ZXY間隙原子間隙固溶體置換固溶體置換原子YXZ固溶強化：形成固溶體使金屬強度和硬度提高的現(xiàn)象正常晶格晶格畸變晶格畸變小原子置換引起的晶格畸變間隙原子引起的晶格畸變3、化合物合金組元形成晶格類型與任一組元都不相同的新相正常價化合物——按化合價規(guī)律形成，如，Mg2Si。間隙化合物——過渡金屬+小半徑非金屬元素電子化合物——按電子濃度規(guī)律形成，如，Cu3Al。間隙相

如，WC、TiC、VC復雜結構的間隙化合物

如，F(xiàn)e3C、Cr23C6化合物性能：熔點高、硬度高，脆性大。五、合金相圖相圖：表示由不同組元構成的具有不同比例的合金，在平衡狀態(tài)（即極緩慢加熱或冷卻條件）下，隨溫度、成份發(fā)生變化的幾何狀態(tài)圖。制定合金工藝的重要理論依據(jù)1、二元相圖的建立熱分析實驗法Ⅰ：純銅

Ⅱ：75%Cu+25%NiⅢ：50%Cu+50%NiⅣ：25%Cu+75%NiⅤ：純Ni2、勻晶相圖產(chǎn)生單一固溶體相的合金相圖兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)也無限互溶，冷卻時發(fā)生勻晶轉變的合金系→勻晶相圖（L→α）。如Cu-Ni，F(xiàn)e-Cr，Au-Ag二元勻晶相圖CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+純銅熔點純鎳熔點液相線固相線液相區(qū)固相區(qū)液固兩相區(qū)銅鎳相圖結晶過程過液相線→初生相析出→L和α成分沿固、液相線變化→過固相線→結晶完畢與純金屬不同，勻晶合金無恒定的熔點，

而是在液、固相線劃定的溫區(qū)內(nèi)進行結晶。成分偏析冷速過快（非平衡狀態(tài)）→先結晶與后結晶的晶粒成分不同（枝干與枝晶）→擴散不均勻→枝晶偏析對策：擴散退火杠桿定律CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L

L+12acba1c1T1T21.在兩相區(qū)內(nèi)，對應每一確定的溫度，兩相的成分是確定的。2.隨著溫度的降低，兩相的成分分別沿液相線和固相線變化。杠桿定律：在兩相區(qū)內(nèi)，對應每一確定的溫度T1，兩相質量的比值是確定的。即mL/m=b1c1/a1b1杠桿定律推論：在兩相區(qū)內(nèi)，對應溫度T1時兩相在合金b中的相對質量各為mL

=b1c1/a1c1m

=a1b1/a1c1=1-mLb13、共晶相圖PbSnSn%T,C鉛-錫共晶相圖液相線L固相線+L+L+固溶線固溶線共晶轉變分析PbSnT,CL+L+L+共晶反應線表示從c點到e點范圍的合金，在該溫度上都要發(fā)生不同程度上的共晶反應。ce共晶點表示d點成分的合金冷卻到此溫度上發(fā)生完全的共晶轉變。該點凝固溫度最低d液相Ld