金属材料及热处理全套ppt课件.ppt

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1、金属材料及热处理,第一章金属材料的力学性能,金属材料的机械性能(力学性能)金属抵抗外力而引起的变形和断裂的能力 1.1 强度和塑性强度金属材料在静载荷的作用下抵抗永久变形和断裂的能力（ ）塑性金属材料在静载荷的作用下产生塑性变形而不破坏的能力（、 ） 1.屈服强度() （用拉伸法测试）一、拉伸曲线二、刚度、弹性材料抵抗弹性变形的能力称为刚度,第1节 金属材料的力学性能,(1)屈服强度(S) (2)抗拉强度(b),加载荷 弹性变形 屈服 塑性变型形 断裂 S=Fs/S0 b=Fb/S0,(3)伸长率()=LkL0/L0 100 ,( 4 )断面收缩率() =S0Sk/s0 100 ,1.2 硬度

2、 -金属材料抵抗其他物体压入其表面的能力,布氏硬度-HBS(适用测量硬度值小于450的材料) -HBW(适用测量硬度值小于650的材料)洛氏硬度-HR(A,B,C) P.8 表1.1维氏硬度-HV(极薄层的硬度),1.3 冲击韧度金属材料在快速冲击载荷作用下抵抗破坏的能力（aK）,1.4 疲劳强度（-1）-材料经无数次交变载荷而不断裂的最大应力值疲劳失效过程零件（齿轮、轴等）在工作时受到大小方向周期性变动载荷作用下（交变或重复应力）,产生疲劳裂纹裂纹扩展瞬时断裂材料产生疲劳断裂的原因P.11,第2节 金属的晶体构造和结晶,2.1 金属的晶体结构 金属中常见的晶格类型-（体心、面心和密排六方）1

3、.体心立方晶格 如:-Fe铁,铬(Cr),钼(Mo),钨(W),钒(V)等2.面心立方晶格 如:-Fe铁,铝(Al),铜(Cu),镍(Ni),铅(Pb)等3.密排六方晶格 如:镁(Mg),锌(Zn),(BCC; Body-Centered Cubic),(FCC; Face-Centered Cubic),2、面心立方格：,1、体心立方晶格：,常用金属的晶体结构,3、密排六方格：,(HCP; Hexagonal Close-packed),原子排列及晶格、晶胞,实际金属的晶体结构,(1)多晶体单晶体(各向异性)和多晶体(各向同性) (2)晶体的缺陷a.点缺陷空位、间隙b.线缺陷位错c.面缺陷晶

4、界、亚晶界,结晶原子从液态无序排列到固态的有序列排列(1)金属的冷却曲线和过冷现象(图2.7)(2)金属 的结晶过程形核、长大(图2.8)(3)金属结晶后的晶粒大小(4)细化晶粒的方法(增加过冷度,变质处理,振动）(5)金属的同素异构转变金属在固态下，晶格随温度变化而发生变化. 图2.11: 体心立方面心立方体心立方,2.2 金属的结晶过程及同素异构转变,2.3 合金的晶体结构和相图,1,合金-二个或二个以上的金属元素熔合在一起(Fe+C=铁碳合金,Cu+Zn=黄铜)2,组元-组成合金的独立单元(Fe, Cu, C, Fe3C)3,合金系-(铁碳合金,铝硅合金等)4,相-结构相同,化学成分相同

5、(液相,固相等)5,组织-反映相的大小,形态及分布情况.在显微镜下能观察到的金属的微观形态和面貌.又称金相组织.,合金中的常见相(组织)结构,固溶体-(置换,间隙2种)图2.12 2.13金属化合物-新的复杂晶格,硬,脆机械混合物-保持各自原有的晶格类型,二元匀晶相图,作业: P.19 1, 2,4,7,8,第3节 铁碳合金相图,碳钢Fe+C 2个基本组元合金钢Fe+C +其它元素，如（Cr、Ni、Mn、Mo）等金属元素 3.1 铁碳合金中的基本组织(1)铁素体（F）碳溶于-Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格(照片)(2)奥氏体（A）碳溶于-Fe中的间隙固溶体，面心立方晶格(910以上),(3)

6、渗碳体（Fe3C）复杂晶格的金属化合物(4)珠光体(P) Fe+Fe3C的机械混合物(5)莱氏体(Ld) Fe3C+P的机械混合物,3.2 铁渗碳体相图(P.26),1, 特性点(表3.1)2, 特性线 ES(Acm) -奥氏体(A)渗碳体(Fe3C) GS(A3) -奥氏体(A 铁素体(F) PSK(A1)-奥氏体(A)珠光体(P)3, 特性区(12个)4, 3条垂直线(虚线)S-共析点 产生珠光体(P)C- 共晶点 产生莱氏体 (Ld),典型铁碳合金的结晶过程,1, 共析钢（）冷却曲线（P）2, 亚共析钢（ ）冷却曲线（F+P）3, 过共析钢（ ）冷却曲线（P+Fe3C ）4, 共晶白口铁

7、（）冷却曲线（Ld）5, 亚共晶白口铁（ ）冷却曲线 （ P+Fe3C + Ld ） 6, 过共晶白口铁（ ）冷却曲线 （Fe3C + Ld ）,3.3含碳量对铁碳合金组织与性能的影响,1,含碳量对铁碳合金组织的影响2,含碳量与力学性能间的影响(图3.10)3.4 铁碳相图的在生产中应用1,选材2,铸造3,锻造4,热处理作业:P.26 1, 2,3,铁碳合金成分、组织、性能关系,连接到第二章金属的性能，牌号及用途,第二章 金属材料牌号,性能,用途,常存元素对钢性能的影响在冶炼过程中带入的（Si、Mn、S、P）1, Mn的影响有益，WMn1%，影响不大2, Si的影响有益，WSi0.5%，影响不

8、大3, S的影响以FeS形式存在不利：FeS塑性差；FeS+Fe共晶体，低熔点985，分布在晶界上，1200 时沿晶界融化，形成热脆。有利：形成MnS，起断屑作用4, P的影响b、HRC，、AK明显 特别在低温下，形成材料的冷脆,第1节 非合金钢(碳钢) 1.非合金钢(碳钢)的分类,含碳量-低碳钢(C0.25%) 中碳钢(0.25% C 0.6%) 高碳钢(C 0.6%) 质量-普通钢,优质钢,高级优质钢用途-结构钢,工具钢等,2.非合金钢(碳钢)的牌号,性能和用途,表5.1(普通碳素结构钢)表5.2(优质碳素结构钢)表5.3(碳素工具钢)铸钢ZG230-450,第2节 低合金钢,合金钢,合金

9、钢=碳钢+合金元素合金元素在钢中的作用改变组织,提高性能,1.合金元素对钢中基本相的影响,(1)形成合金铁素体（固溶强化）(2)形成合金碳化物（弥散强化） 合金渗碳体（Fe3C、Mn3C等） 特殊碳化物（WC、VC、TiC等）图5.1 5.2,(3)细化晶粒(特殊碳化物阻碍A晶粒长大)(4)增加淬透性(图5.3)C曲线向右移动(5)提高红硬性-材料在高温下还保持 高硬度 的能力a.回火稳定性提高b.二次硬化现象(图5.4)(6)增加了残余A的量(图5.5),2.合金结构钢的种类及特点,1,低合金高强度结构钢(C0.2%,Me 03%)表5.42,合金结构钢(数字+元素符号+数字)P.55(1)

10、合金渗碳钢(C0.2%) P.55(2)合金调质钢(C0.4%) P.553,合金弹簧钢(C0.6%) P.554,滚动轴承钢(C1%, Cr=0.51.5%) P.56,第3节 合金工具钢 (刃具钢,模具钢,量具钢),(1)刃具钢低合金工具钢(9SiCr,Cr2,9Mn2V,CrWMn)含量特点: 碳素工具钢+5%合金元素热处理特点:锻造退火机械加工淬火低温回火高速钢(W18Cr4V, W6Mo5Cr4V2)含量特点: 碳素工具钢+大于10%合金元素热处理特点:P.57图5.6,(2) 模具钢,冷作模具钢(Cr12, Cr12MoV)含量特点: C=1.42.3%, Cr=1113%热处理特

11、点: 高温淬火+低温回火使用要求:高硬度,高耐磨,好的强度及韧性热作模具钢(5CrMoMn,5CrNiMo)含量特点: C=0.5%+合金元素,热处理特点: 淬火+中温回火使用要求:在高温下具有强度及韧性,耐磨性和热疲劳抗力及较好的导热性,(3)量具钢 (T10A,T12A, 9SiCr,CrWMn,GCr15),含量特点: C=1%+合金元素热处理特点: 淬火+冷处理+ 低温回火+时效(30h)使用要求: 高耐磨,高耐磨,高精度,尺寸稳定性,4.特殊性能钢,(1) F不锈钢(Cr13,Cr17)-耐热,耐腐蚀含量:C0.15%,Cr=1213%(2)M不锈钢(1Cr134Cr13)-力学性能

12、好及一定的耐腐蚀性,可热处理强化含量:C0.10.4%,Cr=1214%,(3)A不锈钢(18-8)-更好的耐腐蚀性和高温抗氧化性,可冷变形强化含量:Cr=1719%,Ni=810%(4)高Mn钢 (ZGMn13-1,2,3.4)-P.59,5. 工程塑料,塑料-以合成树脂为主要成分的高分子有机化合物1,特性P.662,分类-通用塑料、工程塑料、高温塑料, 热塑性及热固性塑料3,应用- (表6.1),第三章 常用模具材料及热处理要求,第1节 合金模具钢的机械性能,1.硬度-按硬度范围划定的模具范围:高硬度(52-60HRC)一般用于冷作模具;中等硬度(40-52HRC)一般用于热作模具.2.强

13、度-冷作模具一般不用该指标;而对于压缩条件下工作 的模具,要有抗压强度;有时用到屈服强度(产生塑性变形)3.塑性-冷作模具钢的塑性较差,而热模钢的塑性明显高于冷作模具钢.4.韧度-韧度是模具钢的一种重要的性能指标。一般以细小的马氏体、细小的碳化物和细晶粒韧度好。,5.热稳定性-模具在受热时保持原有的组织和力学性能的稳定能力。热稳定性差的模具易发生塌陷等。6.回火稳定性-指随着回火温度的升高，模具的强度和硬度下降的程度，决定模具在高温下的变形抗力。7.热疲劳抗力-模具热疲劳裂纹萌生前的工作寿命和萌生后的扩展速率（20-750）8.高温磨损和抗氧化性-高温磨损是热模钢的主要失效形式之一。是对热作模

14、具的使用性能的要求。9.耐磨性-对冷作模具最基本的要求之一。10.断裂抗力-小能量多次冲击断裂抗力更切合冷作模具的实际使用状态。,根据性能要求,1、模具材料的正确选用P.67(中级工)2、模具的用途不同，性能不同，热处理方法的正确选择P.69(中级工)3、模具的表面强化处理（3种）4、钢结硬质合金模具的热处理（模具材料应用手册）P。103,第2节 国内外模具钢的牌号、性能及应用,模具材料应用手册（机械工业出版社）,第四章 钢的热处理,热处理钢在固态下进行加热、保温、冷却后获得所需的组织与性能,第1节 钢在加热时的组织转变,加热时在三条线以上要发生固态组织转变PSKA1（Ac1/Ar1 ）GSA

15、3（ Ac3/Ar3）ESAcm（ Accm/Arcm ）,钢的奥氏体化(形成)加热到相变线以上获得奥氏体组织的过程 以共析钢为例（PA）图4.1,4.21,奥氏体晶粒的形成和长大2,残余渗碳体的溶解3,奥氏体的均匀化奥氏体晶粒大小及其影响因素 加热温度和保温时间晶粒度(8级图),第2节 钢在冷却时的组织转变,过冷A的等温转变（不稳定状态A）1, 过冷A的等温转变曲线(原理) 图4.42, A的等温转变产物的组织与性能(1)高温P转变（AP）700-550之间(2)中温B转变（AB）550-230 之间 B过饱和的F与弥散分布的Fe3C组成 的二相组织(3)低温M转变（A M）230 以下。

16、M碳在-Fe中的过饱和固溶体,过冷奥氏体的连续冷却转变(图4.8)V1-(炉冷)PV2-(空冷)SV3-(油冷)TVk-临界冷却速度V4-水冷(M),三种钢的“C”曲线,共析钢的连续冷却曲线,亚共析钢 、过共析钢连续冷却曲线,第3节 钢的普通热处理工艺 钢的退火与正火,目的1、调整硬度，有利切削加工； 2、作为重要零件的预先热处理； 3、细化晶粒，为最终热处理作准备1.钢的退火加热至相变线以上， 保温后随炉冷却，得到P组织的方法（1）完全退火和等温退火（2）球化退火（3）去应力退火,2.钢的正火加热至相变线以上，保温后 在空气中冷却，得到细P组织的方法,（1）正火工艺Ac3、Accm+50-7

17、0， 保温后空冷(图4.10)（2）正火后组织与性能（3）正火的应用 不重要零件的最终热处理 改善切削性（HBS） 重要零件的预先热处理 代替调质 消除过共析钢中的网状渗碳体,3.钢的淬火,淬火把钢加热到Ac1或Ac3以上，保温后以V临的速度冷却，淬火目的P.33淬火参数（1）淬火加热温度(图4.11)（2）淬火保温时间(表4.2)（3）淬火冷却介质(图4.12) (4)淬火冷却方式淬火方法,淬火方法 (图 4.13),（1）单液淬火法：A化的工件投入水或油等单一溶液中冷却至室温的淬火方法（2）双液淬火法：A化的工件分别在水、油二种溶液中冷却（3）分级淬火法： A化的工件在Ms线左右的盐浴中停

18、留后再冷却（4）等温淬火法： A化的工件在Ms线以上停留足够的时间再冷却（A下B） (5)局部淬火法：局部加热后淬火（6）冷处理-7080,4.钢的回火,回火将淬火后的工件重新加热到A1线下，保温后空冷至室温的方法(1)回火目的获得所需的组织、性能；稳定组织； 消除淬火应力。,(2)淬火钢在回火时的组织与性能的变化, M的分解（100-200 得到M回火组织）析出少量过饱和碳原子，硬度不降低，消除部分应力 A残的转变（200-300 ）继续析出碳原子，应力进一步消除，硬度无明显降低300-400 得到(T回火组织) 400 以上得到(S回火组织),(3)钢的回火脆性P.36(4)回火的分类及应

19、用低温回火(150-250)-刃具,刀具,高硬度和耐磨零件中温回火(350-500)-弹性零件高温回火(500-650)-重要的结构零件,回火转变产物的组织与性能回火组织（以共析钢为例）1、M回（250 ）过饱和固溶体+碳化物2、T回（300-500 ） 固溶体+粒状碳化物3、S回（500-650 ）再结晶F+均布碳化物4、P回（650 A1）P球回火力学性能的变化1、回火温度强度、硬度塑性、韧性2、弹性指标在300-400 回火时有最大值,回火种类及应用,（一）低温回火（200左右）M回，58HRC（二）中温回火（400 左右） T回，35-45HRC（三）高温回火（调质处理 600 左右）

20、 S回，20-30HRC正火与调质的异同1、硬度相近（20-30HRC） 2、组织不同 （正火S、调质回火S）,第4节 钢的表面热处理工艺,目的达到钢材“表硬内韧”的效果表面淬火不改变材料表层化学成分（如含碳量）但改变表层组织 的局部 热处理方法工艺快速加热，表面A化，心部未热，快速冷却后表面产生M，心部保持原来组织,1.感应加热表面淬火2.火焰加热表面淬火3化学热处理,3.钢 的化学热处理,概述化学热处理在一定温度活性介质保温，使一种或几种元素渗入金属表面，改变其成分、组织、性能作用提高表面耐磨、耐蚀等性能种类渗入金属或非金属元素过程分解、吸收、扩散,1,钢的渗碳(图4.17),渗碳把钢放在

21、渗碳介质中（在A区）保温后使C原子渗入钢表面的热处理工艺（1）目的及用钢达到表硬内韧的效果（2）方法（3）技术要求（4）渗碳后的组织与热处理,2,钢的渗氮,渗氮活性氮原子在一定温度下渗入钢的表面（1）气体渗氮（2）离子渗氮 3,C、N 共渗同时渗入C、N原子（1）低温气体N、C共渗（以渗N为主） 又称 ：气体软氮化（2）中温气体C、N共渗（以渗C为主）,其他热处理工艺简介,第5节 冷模、热模、塑料模的热处理工艺特点（模具材料与使用寿命）,冷作模具钢-应满足60-62HRC；抗弯强度为实用指标；一定的韧性（锻造打碎碳化物，热处理时防止温度过高，晶粒粗大）热作模具钢-应满足在工作温度下40-52H

22、RC；热疲劳性，高温磨损，抗氧化性，,第节热处理工件的结构工艺性1,常见热处理缺陷,(1)过热和过烧加热温度过高(2)氧化加热时因氧化而产生氧化皮(3)脱碳加热时表层C原子烧损(4)变形与开裂原因热应力+组织应力（热应力+组织应力）s，工件变形（热应力+组织应力）b，工件开裂,2,热处理零件的结构工艺性,P.41图4.19,20,21,22,23简单,对称改尖角为圆角减少孔和槽合理布置孔位和厚薄均匀防止变形组合结构,热处理技术条件的标注 及工序位置的安排,1,标注(表4.5)2,热处理工序位置的安排(图4.24)（1）预先热处理的工序位置正火、退火-毛坯（铸、锻、焊、冷冲压件）正火退火（消除应

23、力、细化晶粒、改善切削性） 机加工调质-下料锻造 正火或退火粗机加工调质精加工（2）最终热处理的工序位置(淬火+回火),第五章 有色金属简介,1,铝及其合金(1)纯铝-良好的导电,导热和抗大气腐蚀性(2)变形铝合金- 主要类别:防锈铝合金,硬铝合金,超硬铝合金,锻造铝合金. (3)铸造铝合金- 主要类别:铝硅铸造合金,铝铜铸造合金,铝镁铸造合金,铝锌铸造合金.,(4)变形铝合金的强化手段- 固溶处理+时效处理,Al-Cu合金为例固溶处理+时效处理550加热保温水冷单相过饱和固溶体+100 7天(时效处理),2, 铜及其合金,(1)纯铜-良好的导电,导热和抗大气腐蚀性.良好的压力加工性和焊接性(2)黄铜(Cu+Zn合金) 单相黄铜(H80,70) 双相黄铜(H62,59) (3)青铜(Cu+Sn合金) 锡青铜(铸造),3,滑动轴承合金,(1)滑动轴承合金应具备的性能-足够的疲劳强度和抗压强度导热性和耐蚀性和高的磨合性及 低的摩擦系数、铸造性(2)种类及应用-锡基,铅基,铜基,铝基,1.将共析钢加热到750,保温后,采用何种冷却方法得到以下组织?要求在C曲线上画出各条冷却曲线. (P,S,T,上B,下B,M+T+A,M+残A) 2.写出20钢,45钢,T8钢,T12钢的淬火加热温度.3.P.46 11,12,144.P.64 2,