金屬材料及其熱處理

機械制造基礎(chǔ)制造科學(xué)與工程學(xué)院金工教研室梅筱琴金屬材料及其熱處理1編輯ppt第一講金屬材料及其熱處理金屬材料是現(xiàn)代機器制造的基礎(chǔ)性能決定工藝性好很少用純金屬，多用合金材料性能決定了解金屬材料，有助于理解工藝方法的實質(zhì)合理選擇零件材料及其生產(chǎn)工藝2編輯ppt一、金屬材料的主要性能物理性能密度、熔點、熱膨脹、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、磁性等等化學(xué)性能耐酸、耐堿、抗氧化性等等力學(xué)性能強度與塑性硬度韌性疲勞強度工藝性能熱處理、鑄造、鍛造、焊接、切削加工性能使用性能？3編輯ppt1.力學(xué)性能－強度金屬材料抵抗外力引起的塑性變形和斷裂的能力拉伸實驗低碳鋼的拉伸曲線拉伸試樣4編輯ppt1.力學(xué)性能－強度其它塑性材料的拉伸曲線脆性材料的拉伸曲線5編輯ppt1.力學(xué)性能－強度強度屈服強度：σs＝Fs/A0抗拉強度：σb＝Fb/A0條件屈服強度：σ0.2產(chǎn)生0.2％塑性變形時的應(yīng)力值用于沒有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料強度是一般機器零件和構(gòu)件設(shè)計選材的主要依據(jù)6編輯ppt2.力學(xué)性能－塑性塑性金屬材料產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力伸長率δ

δ＝(L1-L0)/L0X100%斷面收縮率ψ

ψ=(S1-S0)/S0X100%塑性是承受動載荷（交變載荷）零件選材的依據(jù)之一為避免超載而引起的突然斷裂，要求其具有一定的塑性塑性是金屬材料進(jìn)行各種壓力加工的必要條件7編輯ppt3.力學(xué)性能－硬度硬度材料表面抵抗外力，不產(chǎn)生局部塑性變形（壓痕）的能力影響材料的耐磨性和切削加工性能度量方法布氏硬度（HB）洛氏硬度（HR）維氏硬度（HV）8編輯ppt(1)布氏硬度（HB）采用直徑為D的鋼球或硬質(zhì)合金球作壓頭鋼球僅用于測量HB450以內(nèi)的材料（HBS）硬質(zhì)合金球用于測量HB650以內(nèi)的材料（HBW）特點穩(wěn)定可靠零件表面被破壞，不用于成品應(yīng)用各種退火狀態(tài)下的鋼材、鑄鐵、有色金屬等9編輯ppt(2)洛氏硬度（HR）試驗原理特點（1）簡便，測量迅速（2）零件不被破壞應(yīng)用：工業(yè)生產(chǎn)10編輯ppt(3)維氏硬度（HV）HV=FPF金剛石HV＝

10000，為標(biāo)準(zhǔn)度量各種硬度值之間沒有直接的換算公式，需要時可查表進(jìn)行換算11編輯ppt4.力學(xué)性能－韌性韌性金屬材料抵抗沖擊載荷，斷裂前吸收能量的能力沖擊韌性αKαK＝AK/S影響因素太多，僅作參考12編輯ppt5.力學(xué)性能－疲勞強度疲勞強度材料在周期性/非周期性動載荷作用下，經(jīng)受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的能力斷裂破壞應(yīng)力遠(yuǎn)低于強度極限疲勞斷裂的主要原因內(nèi)部缺陷雜質(zhì)微裂紋表面劃痕缺陷擴展“剛性”是什么？13編輯ppt二、金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶晶體固定的熔點、沸點為什么會有固定的熔點、沸點？金屬是不是晶體？水、CO2、O2、NaCl晶體的三個特征：(1)晶體有整齊規(guī)則的幾何外形(2)晶體有固定的熔點(3)晶體有各向異性的特點14編輯ppt1.金屬的晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)部原子（或分子）在三維空間呈規(guī)則的周期性重復(fù)排列的固態(tài)物質(zhì)晶體與晶格15編輯ppt晶胞-晶格最小組成單元16編輯ppt常見的晶格類型體心立方晶胞屬于此類晶格的有：α－Fe、δ－Fe、Cr、W、Mo、V、鈮等約30種金屬17編輯ppt常見的晶格類型面心立方晶胞屬于此類晶格的有：γ－Fe、Cu、Au、Al、Ag、Ni、Pt等約20種金屬18編輯ppt常見的晶格類型密排六方晶胞屬于此類晶格的有：α－Ti、Zn、Cd、Mg、Be等金屬19編輯ppt2.金屬的結(jié)晶金屬結(jié)晶的條件過冷度理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度之間的差△T=T0-Tn過冷度越大，冷卻速度越快，結(jié)晶時間越短；反之，過冷度越小，冷卻速度越慢，結(jié)晶時間越長。純金屬的冷卻曲線20編輯ppt2.金屬的結(jié)晶金屬結(jié)晶過程“形核”與“長大”晶核的形成自發(fā)形核：因過冷度而形成的短程有序的原子團(tuán)異質(zhì)形核：外來固態(tài)質(zhì)點晶核的長大平面長大：緩冷；金屬液較純凈樹枝狀長大：冷速大；有雜質(zhì)晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響力學(xué)性能：越細(xì)越好細(xì)化晶粒的措施：晶核多則細(xì)快冷孕育處理金屬結(jié)晶過程21編輯ppt3.金屬（純鐵）的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1538：液態(tài)－固態(tài)δ－Fe（體心）1394：固態(tài)－固態(tài)γ－Fe（面心）912：固態(tài)－固態(tài)α－Fe（體心）實質(zhì)二次結(jié)晶（重結(jié)晶）固態(tài)下的結(jié)晶過程遵循結(jié)晶過程的一般規(guī)律22編輯ppt三、鐵碳合金制造機器設(shè)備的主要金屬材料：鋼、鑄鐵鐵（Fe）＋碳（C）鐵含量>95％，但是決定性能的是碳我們學(xué)習(xí)：鐵碳合金組織常用鋼材及其選用原則23編輯ppt1.合金的基本組織合金兩種或兩種以上金屬非金屬元素熔和，構(gòu)成具有金屬特性的物質(zhì)強度硬度較高、成本低通過成分控制和熱處理，在很大范圍內(nèi)調(diào)整其性能組元構(gòu)成合金的元素鐵、碳、Fe3C（穩(wěn)定的化合物也是組元）相金屬中具有相同化學(xué)成分和晶格結(jié)構(gòu)、有界面與其他部分分開的、均勻的組成部分組織用肉眼或顯微鏡能觀察到的金屬材料的最小單元-晶粒的直觀形貌24編輯ppt鐵碳合金中的“相”鐵素體奧氏體珠光體珠光體＆二次滲碳體25編輯ppt（1）固溶體間隙固溶體置換固溶體26編輯ppt晶體的四種點缺陷空位同類原子的間隙原子異類原子的間隙原子異類原子的置換原子27編輯ppt固溶強化間隙固溶體的晶格畸變,引起材料的強度和硬度提高，塑性和韌性卻沒有明顯變化28編輯ppt關(guān)于合金強度的認(rèn)識晶粒粗細(xì)影響強度越細(xì)強度硬度越高細(xì)化晶粒是冶金和熱處理的目標(biāo)固溶強化晶格中混入雜質(zhì)，增加變形抗力位錯強化位錯是晶體內(nèi)部的一種缺陷增加變形抗力29編輯ppt位錯強化示意圖30編輯ppt兩種線缺陷－位錯刃型位錯的形成過程31編輯ppt鐵碳合金中的固溶體鐵素體α－Fe中溶碳600°C－0.006%727°C－0.021%強度硬度低250MPa80HBS塑性好45％～50％與純鐵近似32編輯ppt鐵碳合金中的固溶體奧氏體γ－Fe中溶碳1148°C－2.11%727°C－0.77%強度硬度不高塑性優(yōu)良40％～50％易于塑性變形壓力加工時加熱形成奧氏體33編輯ppt（2）化合物金屬化合物與非金屬化合物金屬化合物具有復(fù)雜晶格、硬而脆FeS、MnS：非金屬雜質(zhì)鐵碳合金中的化合物滲碳體（Fe3C）鐵碳合金中的強化相硬度高（800HBW）、塑性韌性很低呈片狀、球狀、網(wǎng)狀920-980°C可分解：Fe3C→3Fe＋C石墨34編輯ppt（3）混合物鐵碳合金中的機械混合物珠光體（P＝F+Fe3C）鐵素體＋滲碳體C＝0.77％σb＝750MPa180HBSδ＝20％～25％呈片狀35編輯ppt（3）混合物鐵碳合金中的機械混合物萊氏體（Ld）C%=4.3%與滲碳體性能相近：硬而脆Ld＝A+Fe3C存在于727℃以上Ld’＝P+Fe3C727℃以下轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w與滲碳體的機械混合物36編輯ppt2.二元合金相圖37編輯ppt鐵碳合相圖的建立38編輯ppt鐵碳合金相圖39編輯ppt鐵碳合金相圖分析40編輯ppt鐵碳合金相圖（簡化）41編輯ppt鐵碳合金相圖（全圖3）42編輯ppt鐵碳合金相圖分析ACD：液相線AECF：固相線（ECF－共晶線）GS（A3）：奧氏體中析出鐵素體ES（Acm）：奧氏體中析出滲碳體（II）PSK（A1）：共析線PQ：鐵素體中析出滲碳體（III）查看鐵碳合金相圖查看查看查看鐵碳合金相圖查看查看查看43編輯ppt鐵碳合金相圖（全圖2）44編輯ppt鐵碳合金相圖（全圖4）ACD－液相線45編輯ppt鐵碳合金相圖（全圖5）AECF：固相線ECF－共晶線46編輯ppt鐵素體珠光體滲碳體萊氏體鋼鐵分界線兩個單相之間是混合相47編輯ppt鐵碳合金相圖（全圖6）GS（A3）：奧氏體中開始析出鐵素體48編輯ppt鐵碳合金相圖（全圖7）ES（Acm）：奧氏體中析出二次滲碳體（II）49編輯ppt鐵碳合金相圖（全圖8）PSK（A1）：共析線50編輯ppt鐵碳合金相圖（全圖9）PQ：鐵素體中析出三次滲碳體（III）51編輯ppt鐵碳合金相圖（全圖2）均勻、沒有明顯晶界52編輯ppt鐵碳合金相圖（全圖2）珠光體外面有明顯的鐵素體相53編輯ppt鐵碳合金相圖（全圖2）珠光體外面有明顯的網(wǎng)狀滲碳體54編輯ppt3.典型鐵碳合金組織轉(zhuǎn)變鋼：C%<2.11％C%<0.77%：亞共析鋼C%=0.77%：共析鋼C%>0.77%：過共析鋼鑄鐵：C%＝【2.11％～6.69%】C%<4.3%：亞共晶鑄鐵C%=4.3%：共晶鑄鐵C%>4.3%：過共晶鑄鐵55編輯ppt共析鋼的組織轉(zhuǎn)變（S）56編輯ppt共析鋼顯微組織（珠光體）57編輯ppt亞共析鋼的組織轉(zhuǎn)變58編輯ppt亞共析鋼顯微組織（C＝0.2%）59編輯ppt過共析鋼的組織轉(zhuǎn)變60編輯ppt過共析鋼的顯微組織61編輯ppt4.工業(yè)用鋼按化學(xué)成分碳素鋼、合金鋼按用途結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊性能鋼按質(zhì)量普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼按脫氧程度鎮(zhèn)靜鋼、沸騰鋼62編輯ppt工業(yè)用鋼種類匯總碳素鋼碳素鋼結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素鋼結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼合金鋼合金結(jié)構(gòu)鋼特殊性能鋼合金工具鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼滲碳鋼調(diào)質(zhì)鋼彈簧鋼滾動軸承鋼刃具鋼模具鋼量具鋼不銹鋼耐熱鋼耐磨鋼其它63編輯ppt（1）碳素鋼（C%<1.5%）C的影響如圖P冷脆性0.045%以下S熱脆性0.05%以下P、S衡量質(zhì)量Si、Mn有益64編輯ppt碳素結(jié)構(gòu)鋼C%<0.38%（0.25%以下常用）牌號（GB700-88）：Q215/Q235/Q255A:屈服極限215/235/255MpaA－普通；B/C/D－優(yōu)質(zhì)，含P/S較少未完全脫氧－F（沸騰鋼）完全脫氧－Z（鎮(zhèn)靜鋼）Q215-A·FQ235（A3）最常用65編輯ppt優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(P/S)％<0.035%，用于重要機件牌號（GB699－88）：20：C%=0.20%20F：沸騰鋼08－25：低碳鋼30－55：中碳鋼，淬火后強度硬度較高60－75：高碳鋼，淬火后可作彈簧66編輯ppt

碳素工具鋼C%=[0.7%~1.35%]淬火硬度>60HRC淬透性、熱硬性很差牌號：T8A：含碳0.8％，A：含PS很少的優(yōu)質(zhì)鋼常用的碳素工具鋼：T8、T10、T10A、T1267編輯ppt（2）合金鋼合金結(jié)構(gòu)鋼含碳量的萬分?jǐn)?shù)＋元素符號＋百分?jǐn)?shù)合金含量<1.5%不標(biāo)高級優(yōu)質(zhì)鋼＋A16Mn20Cr40Mn230CrMnSi38CrMoAlA合金工具鋼含碳量含碳量的千分?jǐn)?shù)＋元素符號＋百分?jǐn)?shù)含碳量>1%不標(biāo)：9Cr2CrWMn9SiCrW18Cr4V特殊性能鋼：不銹鋼（2Cr13、1Cr18Ni9）68編輯ppt（3）零件選材的一般原則滿足工作要求物理性能化學(xué)性能機械性能滿足工藝性能要求重視經(jīng)濟性69編輯ppt四、鋼的熱處理目的：改善金屬材料的強度、硬度、韌性、彈性、工藝性現(xiàn)代機器制造中的熱處理主要針對：機床的：主軸、齒輪、床身汽車的：發(fā)動機缸體、缸蓋、凸輪軸、聯(lián)接軸、變速箱齒輪等其他：刃具、量具、磨具組織決定性能演示70編輯ppt1.熱處理基本工藝溫度時間臨界溫度保溫冷卻加熱基本工藝：加熱-保溫-冷卻71編輯ppt2.常用熱處理工藝普通熱處理“四火”：退火、正火、淬火、回火表面熱處理表面淬火化學(xué)熱處理滲碳、滲氮、碳氮共滲72編輯ppt工藝原理73編輯ppt退火和正火退火作用組織室溫下的平衡組織種類完全退火球化退火去應(yīng)力退火正火作用組織：索氏體硬度強度比珠光體高韌性相同74編輯ppt淬火與回火淬火作用組織：馬氏體（M）C原子來不及從A中滲出,過飽和C使晶格嚴(yán)重畸