高級鋼材熱處理工金屬材料與熱處理

高級鋼材熱處理工金屬材料與熱處理金屬材料與熱處理教學(xué)內(nèi)容：第一講：1、金屬學(xué)基本知識（2課時(shí)）2、晶體與晶體結(jié)構(gòu)（2課時(shí)）第二講：3、合金的相與組織的概念（2課時(shí)）

4、金屬材料的性能（2課時(shí)）第三講：5、鋼鐵材料基本知識（4課時(shí)）第2頁,共59頁，2024年2月25日，星期天科目金屬材料與熱處理授課日期6月2日章節(jié)（或課題）第二講課時(shí)4授課方式講授、討論、練習(xí)班級2016年高級鋼材熱處理工職業(yè)技能鑒定培訓(xùn)班選用教具掛圖PPT、晶格模型、拉伸試樣、硬度試樣、沖擊韌性試樣、金相試樣。教學(xué)目的通過培訓(xùn)使學(xué)員了解合金的相及組織的概念，解金屬材料的性能。教學(xué)重點(diǎn)金屬力學(xué)性能教學(xué)難點(diǎn)金屬力學(xué)性能第3頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第二講一、教學(xué)內(nèi)容：1、合金、組織的概念、組織的分類、合金中的相；2、金屬材料的性能二、教學(xué)目的：1了解合金的相與組織的概念。

2掌握組織的分類、合金中的相。3掌握金屬材料的力學(xué)性能。4熟悉金屬材料的工藝性能。三、教學(xué)重點(diǎn)：金屬力學(xué)性能四、教學(xué)難點(diǎn)：金屬力學(xué)性能

第4頁,共59頁，2024年2月25日，星期天【課程引入】工業(yè)純鐵的含鐵量一般為99.8%~99.0%，含有0.1%~0.2%的雜質(zhì)，其中主要是碳。純鐵的塑性和韌性很好，但其強(qiáng)度很低，很少用作結(jié)構(gòu)材料。純鐵的主要用途是利用它所具有的鐵磁性。工業(yè)上煉制的電工純鐵和工程純鐵具有高的磁導(dǎo)率，例如，用于各種儀器儀表的鐵芯等。第5頁,共59頁，2024年2月25日，星期天一、合金的基本概念

1.合金——以一種金屬為基礎(chǔ)，加入其他金屬或非金屬，經(jīng)過熔合而獲得的具有金屬特性的材料。不銹鋼耐磨鋼第一章合金的相關(guān)概念第6頁,共59頁，2024年2月25日，星期天2.組元——組成合金最簡單、最基本、能夠獨(dú)立存在的元物質(zhì)稱為組元，簡稱元。通常就是指組成合金的元素或化合物。二元合金：例如，碳素鋼是鐵和碳組成的二元合金。普通黃銅是由銅和鋅所組成的合金，錫青銅是由銅和錫所組成的合金。

三元合金：18K黃金是由金、銀、銅組成的合金。硬鋁是由鋁,銅,鎂三組元組成的三元合金。

第7頁,共59頁，2024年2月25日，星期天相——合金中成分、結(jié)構(gòu)及性能相同的組成部分。固態(tài)的α-Fe（bcc），γ-Fe(fcc)就是不同的相。對于鐵碳合金來說，α-Fe（bcc），γ-Fe(fcc)都是由鐵元素組成的，它們是同一種組元，但卻是不同的相（晶格類型不同）。第8頁,共59頁，2024年2月25日，星期天

4.

組織將一小塊金屬材料用金相砂紙磨光后進(jìn)行拋光,然后用侵蝕劑侵蝕,即獲得一塊金相樣品。在金相顯微鏡下觀察，可以看到金屬材料內(nèi)部的微觀形貌。這種微觀形貌稱做顯微組織(簡稱組織)。組織由數(shù)量、形態(tài)、大小和分布方式不同的各種相組成。由單一相構(gòu)成的組織稱為單相組織，由不同相構(gòu)成的組織稱為多相組織。鐵素體

奧氏體

珠光體

第9頁,共59頁，2024年2月25日，星期天二、合金的組織形式1．固溶體間隙固溶體置換固溶體2．金屬化合物3．混合物單相組織多相組織第10頁,共59頁，2024年2月25日，星期天1．固溶體

一種組元的原子溶入另一組元的晶格中所形成的均勻固相。間隙固溶體置換固溶體第11頁,共59頁，2024年2月25日，星期天1)間隙固溶體——溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格中而形成的固溶體。例如，鐵素體，奧氏體，馬氏體。

2)置換固溶體——溶質(zhì)原子置換了溶劑晶格結(jié)點(diǎn)上某些原子而形成的固溶體。

例如，白銅（Cu-Ni合金），鉻系不銹鋼（Fe-Cr合金）。第12頁,共59頁，2024年2月25日，星期天2．金屬化合物滲碳體的晶胞示意圖

例如，滲碳體是含碳量為6.69％的鐵與碳的金屬化合物，其化學(xué)式為Fe3C。它具有復(fù)雜的斜方晶格，與鐵和碳的晶體結(jié)構(gòu)完全不同。

在合金中，當(dāng)溶質(zhì)含量超過固溶體的溶解度時(shí)，除可形成固溶體外，還將出現(xiàn)新的相，其晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組元，而是組元之間相互作用形成一種具有金屬特性的物質(zhì)。（特點(diǎn)：高熔點(diǎn)、高硬度、高脆性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性）第13頁,共59頁，2024年2月25日，星期天

兩種或兩種以上的相按一定的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)組成的物質(zhì)。3．混合物

珠光體是鐵素體和滲碳體的混合物。第14頁,共59頁，2024年2月25日，星期天

固溶強(qiáng)化——無論是間隙固溶體還是置換固溶體，在其形成過程中，都會使溶劑晶格發(fā)生畸變，從而使合金對變形的抗力增加。也即通過溶入溶質(zhì)元素形成固溶體而使金屬材料強(qiáng)度、硬度提高的現(xiàn)象。間隙固溶體置換固溶體第15頁,共59頁，2024年2月25日，星期天思考題：以一種（）為基礎(chǔ)，加入其他（）或（），經(jīng)過熔合而獲得的具有（）

的材料，稱為合金。碳素鋼是

和

組成的二元合金。固態(tài)的α-Fe（bcc），γ-Fe(fcc)是不同的（），是同一種（）。a、

組元b、相c、混合物d、合金第16頁,共59頁，2024年2月25日，星期天思考題：以一種（金屬）為基礎(chǔ)，加入其他（金屬）或（非金屬），經(jīng)過熔合而獲得的具有（金屬特性）的材料，稱為合金。碳素鋼是鐵和碳組成的二元合金。固態(tài)的α-Fe（bcc），γ-Fe(fcc)是不同的（b），是同一種（a）。a、

組元b、相c、混合物d、合金第17頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第二章金屬材料的性能金屬材料的性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能工藝性能第18頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)金屬的力學(xué)性能【預(yù)備知識】1.載荷載荷——金屬材料在加工及使用過程中所受的外力。

第19頁,共59頁，2024年2月25日，星期天2.應(yīng)力應(yīng)力——假設(shè)作用在零件橫截面上的內(nèi)力大小均勻分布，單位橫截面積上的內(nèi)力。

R：應(yīng)力，Pa；F：外力，N；S：橫截面面積，m2。第20頁,共59頁，2024年2月25日，星期天任何機(jī)械零件或工具，在使用過程中，往往要受到各種形式外力的作用，這就要求金屬材料必須具有一種承受機(jī)械載荷而不超過許可變形或不破壞的能力，這種能力就是材料的力學(xué)性能。第一節(jié)金屬的力學(xué)性能第21頁,共59頁，2024年2月25日，星期天常用的力學(xué)性能指標(biāo)有：一、強(qiáng)度二、塑性三、硬度四、沖擊韌性

第22頁,共59頁，2024年2月25日，星期天一、強(qiáng)度

強(qiáng)度——金屬在靜載荷作用下，抵抗塑性變形或斷裂的能力。其大小用應(yīng)力表示。（a）抗拉強(qiáng)度(b)抗壓強(qiáng)度(c)抗彎強(qiáng)度(d)抗剪強(qiáng)度(e)抗扭強(qiáng)度第23頁,共59頁，2024年2月25日，星期天通常以抗拉強(qiáng)度代表材料的強(qiáng)度指標(biāo)?？估瓘?qiáng)度一般可通過拉伸試驗(yàn)來測定。利用拉伸試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)生的靜拉力，對標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行軸向拉伸，同時(shí)連續(xù)測量變化的載荷和試樣的伸長量，直至斷裂，并根據(jù)測得的數(shù)據(jù)計(jì)算出有關(guān)的力學(xué)性能指標(biāo)。第24頁,共59頁，2024年2月25日，星期天1．拉伸試樣《GB/T228-2010金屬材料拉伸試驗(yàn)室溫試驗(yàn)方法》規(guī)定了試樣的形狀、尺寸及加工要求等。

d——試樣直徑du——試樣縮頸處直徑

Lo——試樣原始標(biāo)距長度Lu——試樣拉斷后的標(biāo)距長度S0——試樣原始橫截面面積Su——拉斷后縮頸處橫截面面積第25頁,共59頁，2024年2月25日，星期天2．力－伸長曲線

彈性變形階段屈服階段強(qiáng)化階段縮頸階段力－拉伸曲線拉伸試驗(yàn)中，依據(jù)拉力F與伸長量△L之間的在直角坐標(biāo)系中繪出的曲線，成為力—伸長曲線。拉伸過程可以分為以下四個(gè)階段：第26頁,共59頁，2024年2月25日，星期天3．強(qiáng)度指標(biāo)

（1）屈服強(qiáng)度——當(dāng)金屬材料出現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在實(shí)驗(yàn)期間發(fā)生塑性變形而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)。屈服強(qiáng)度分為上屈服強(qiáng)度ReH和下屈服強(qiáng)度ReL。在金屬材料中，一般用下屈服強(qiáng)度代表屈服強(qiáng)度。ReL——試樣的下屈服強(qiáng)度，MPa；FeL——試樣屈服時(shí)的最小載荷，N；So——試樣原始橫截面面積，mm2。第27頁,共59頁，2024年2月25日，星期天【例1】已知：有一直徑d=10mm，Lo=100mm的低碳鋼試樣，拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)測得FeL=42kN，du=5.65mm。求：此試樣的屈服強(qiáng)度ReL。

=42000

=535MPa第28頁,共59頁，2024年2月25日，星期天

除低碳鋼、中碳鋼及少數(shù)合金鋼有屈服現(xiàn)象外，大多數(shù)金屬?zèng)]有明顯的屈服現(xiàn)象。

規(guī)定產(chǎn)生0.2

殘余伸長時(shí)的應(yīng)力為條件屈服強(qiáng)度Rp0.2，替代ReL，稱為條件（名義）屈服強(qiáng)度。第29頁,共59頁，2024年2月25日，星期天2．抗拉強(qiáng)度Rm

抗拉強(qiáng)度——材料在斷裂前所能承受的最大的應(yīng)力。Rm——抗拉強(qiáng)度，MPa；

Fm——試樣在屈服階段后所能抵抗的最大力（無明顯屈服的材料，為試驗(yàn)期間的最大力），N；

So——試樣原始橫截面面積，mm2

。第30頁,共59頁，2024年2月25日，星期天

【例2】已知：有一直徑d=10mm，Lo=100mm的低碳鋼試樣，拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)測得Fm=37kN，du=6.05mm。求：此試樣的抗拉強(qiáng)度Rm。

=37000

=471.3MPa第31頁,共59頁，2024年2月25日，星期天【例3】

有一鋼試樣，其橫截面面積為100mm2，已知鋼試樣的ReL=314MPa，Rm=530MPa。拉伸試驗(yàn)時(shí)，受到的拉力為（）時(shí)，試樣出現(xiàn)屈服現(xiàn)象；當(dāng)受到的拉力為（）時(shí)，試樣出現(xiàn)縮頸。

解：（1）

當(dāng)外力增加到ＦeL時(shí)，試樣出現(xiàn)屈服現(xiàn)象：ＦeL=

ReL×S0=314×100=31400Ｎ=31.4kN.。（2）當(dāng)外力達(dá)到最大力Ｆm時(shí)，試樣的某一局部處發(fā)生局部收縮，即“縮頸”。Ｆm=Rm×S0=530×100=53000=53kN。第32頁,共59頁，2024年2月25日，星期天二、塑性塑性——材料受力后在斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。1．?dāng)嗪笊扉L率A

試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長量與原始標(biāo)距之比的百分率。第33頁,共59頁，2024年2月25日，星期天

【例4】有一直徑d=10mm，Lo=100mm的低碳鋼試樣，拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)測得Lu=137mm。求：此試樣的斷后伸長率A11.3。解：=37%11.3第34頁,共59頁，2024年2月25日，星期天2．?dāng)嗝媸湛s率Z

試樣拉斷后，縮頸處面積變化量與原始橫截面面積比值的百分率。第35頁,共59頁，2024年2月25日，星期天

【例5】有一直徑d=10mm，Lo=100mm的低碳鋼試樣，拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)測得du=5.65mm。求：此試樣的斷面收縮率Z。解：第36頁,共59頁，2024年2月25日，星期天三、硬度

硬度——材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。硬度是通過在專用的硬度試驗(yàn)機(jī)上實(shí)驗(yàn)測得的。布氏硬度試驗(yàn)機(jī)洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)維氏硬度試驗(yàn)機(jī)第37頁,共59頁，2024年2月25日，星期天1．布氏硬度

布氏硬度值——用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力來表示，單位為MPa，但一般均不標(biāo)出，用符號HBW表示：第38頁,共59頁，2024年2月25日，星期天表示方法：

布氏硬度用硬度值、硬度符號、壓頭直徑、實(shí)驗(yàn)力及實(shí)驗(yàn)力保持時(shí)間表示。當(dāng)保持時(shí)間為10～15s時(shí)可不標(biāo)。例1：170HBW10/1000/30：直徑10mm的壓頭，在9807N（1000kg）的試驗(yàn)力作用下，保持30s時(shí)測得的布氏硬度值為170。600HBW1/30/20：直徑為1mm壓頭，在294.2N（30kg）的實(shí)驗(yàn)力作用下，保持20s時(shí)測得的布氏硬度值為600。例2：第39頁,共59頁，2024年2月25日，星期天應(yīng)用范圍：

主要用于測定鑄鐵、有色金屬及退火、正火、調(diào)質(zhì)處理后的各種軟鋼等硬度較低的材料。第40頁,共59頁，2024年2月25日，星期天2．洛氏硬度

洛氏硬度試驗(yàn)原理HR=100—第41頁,共59頁，2024年2月25日，星期天表示方法：

符號HR前面的數(shù)字表示硬度值。HR后面的字母表示不同的洛氏硬度標(biāo)尺。

例：45HRC表示用C標(biāo)尺測定的洛氏硬度值為45。常用的三種洛氏硬度標(biāo)尺的試驗(yàn)條件和適用范圍

硬度標(biāo)尺壓頭類型總測試力(N)硬度值有效范圍應(yīng)用舉例HRC120°金剛石圓錐體1471.020～67HRC一般淬火鋼HRBφ1.5875mm

硬質(zhì)合金球980.725～100HRB軟鋼、退火鋼、銅合金等HRA120°金剛石圓錐體588.460～85HRA硬質(zhì)合金、表面淬火鋼等第42頁,共59頁，2024年2月25日，星期天挖斗側(cè)板材質(zhì)Q690硬度：20~30HRC第43頁,共59頁，2024年2月25日，星期天四、沖擊韌性

沖擊韌性——金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。材料的沖擊韌性用夏比擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來測定。第44頁,共59頁，2024年2月25日，星期天沖擊試樣

用試樣所吸收的能量K的大小來作為衡量材料韌性好壞的指標(biāo)，稱為沖擊吸收能量。用U形和V形缺口試樣測得的沖擊吸收能量分別用KU和KV表示。

沖擊實(shí)驗(yàn)第45頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)金屬的工藝性能

金屬材料的工藝性能——金屬材料對不同加工工藝方法的適應(yīng)能力。它包括鑄造性能、鍛造性能、切削加工性能和焊接性能、熱處理性能等。第46頁,共59頁，2024年2月25日，星期天一、鑄造性能二、鍛壓性能三、焊接性能四、切削加工性能五、熱處理性能第二節(jié)金屬的工藝性能第47頁,共59頁，2024年2月25日，星期天一、鑄造性能

鑄造成形過程中獲得外形準(zhǔn)確、內(nèi)部健全鑄件的能力，主要取決于金屬的流動(dòng)性、收縮性和偏析傾向等。第48頁,共59頁，2024年2月25日，星期天

1．流動(dòng)性熔融金屬的流動(dòng)能力。

常用鑄造合金中，灰鑄鐵的流動(dòng)性最好，鋁合金次之，鑄鋼最差。

2．收縮性鑄造合金由液態(tài)凝固和冷卻至室溫的過程中，體積和尺寸減小的現(xiàn)象。鐵碳合金中，灰鑄鐵收縮率小，鑄鋼收縮率大。第49頁,共59頁，2024年2月25日，星期天3．偏析傾向金屬凝固后，內(nèi)部化學(xué)成分和組織不均勻現(xiàn)象。

偏析嚴(yán)重時(shí)，可使鑄件各部分的力學(xué)性能產(chǎn)生很大差異，降低鑄件質(zhì)量，尤其是對大型鑄件危害更大。第50頁,共59頁，2024年2月25日，星期天二、鍛壓性能

用鍛壓成形方法得優(yōu)良鍛件的難易程度。常用塑性和變形抗力兩個(gè)指標(biāo)來綜合衡量。液壓模鍛錘模鍛件第51頁,共59頁，2024年2月25日，星期天三、焊接性能

金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性，也就是在一定焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。低碳鋼具有良好的焊接性能，而高碳鋼和鑄鐵的焊接性能則較差。第52頁,共59頁，2024年2月25日，星期天碳當(dāng)量

1、定義：將鋼鐵中各種合金元素對共晶點(diǎn)實(shí)際碳量的影響折算成碳的增減，這樣算的的碳量稱為“碳當(dāng)量”，用CE標(biāo)識。碳素鋼中決定強(qiáng)度和可焊性的因素主要是含碳量。合金鋼除碳以外各種合金元素對鋼材的強(qiáng)度與可焊性也起著重要作用。第53頁,共59頁，2024年2月25日，星期天2、計(jì)算公式：

國際焊接學(xué)會(IIW)的碳當(dāng)量CE公式CE=W(c)+W(Mn)/6+[W(Cr)+W(Mo)+W(V)]/5+[W(Ni)+W(Cu)]/153、焊接性的CE(碳當(dāng)量)評估：（1）CE≤0.4%焊接性好；（2）當(dāng)CE=0.4~0.6%焊接性稍差，焊前需適當(dāng)預(yù)熱；（3）當(dāng)CE≥0.6%焊接性較差，屬難焊材料，需采用較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝方法。第54頁,共59頁，2024年2月25日，星期天例題：鳥巢的骨架由低合金高強(qiáng)度鋼Q460焊接而成。已知其化學(xué)成分：