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1、,金属材料与热处理,一、金属材料的历史地位,1.材料发展与社会进步有着密切关系,它是衡量人 类社会文明程度的标志之一，金属材料是现代文明的基础。石器时代青铜器时代铁器时代 2.目前，人类还处在金属器时期。虽然无机非金属材料、高分子材料的使用量与日俱增，但在可预见的时期内，仍不会改变这种状况。,二、金属材料的分类,黑色 金属,有色 金属,金属材料,铸铁,钢,工程构件用钢,机器零件用钢,工具钢,特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢),轻金属(铝,镁,钛),重金属(铜,锌,铅,镍),贵重金属(金,银),稀有金属(钨钼钒铌钴),放射金属(镭铀钍),三、金属结构材料的应用情况(1),1.从总产量来看，钢铁材料的
2、产量占绝对优势，占世界金属总产量的95，而且有许多良好的性能，能满足大多数条件下的应用，价格低廉。2.在世界金属矿储量中，铁矿资源虽然比较丰富和集中，但就世界地壳中金属矿产储量来讲，则非铁金属矿储量大于铁矿储量，如铁只占5.1，而非铁金属中铝为8.8镁为2.1，钛为0.6。,3.非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，因而生产成本高，限制了生产总量的增长。4.非铁金属所创造的价值高，并且它有钢铁所不具备的特殊性能，例如强度高，耐低温、耐腐蚀等，因而非铁金属产量仍在迅速增长。,三、金属结构材料的应用情况(2),第一单元 金属材料与机械产品制造过程简介,金属材料的基本概念 金属材料是由金属元素或以金属
3、元素为主要材料构成的并具有金属特性的工程材料。,金属材料,纯 金 属,合 金,金属材料的分类,金属材料,黑色 金属,有色 金属,非合金钢,低合金钢,合金钢,铸铁,滑动轴承合金,钛及钛合金,其他非铁合金,铜及铜合金,铝及铝合金,机械产品的制造过程,机械产品加工工艺,铸造,压力加工,焊接,粉末冶金,切削加工,特种加工,熔焊,压焊,钎焊,金属材料的性能,力学性能,物理性能,化学性能,工艺性能,第二单元金属材料的性能,一、力学性能,力学性能 指金属在力的作用下所显示出的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能，如弹性、强度、硬度、塑性、韧性等。,强度与塑性,1、op段：直线、弹性变形2、pe段
4、：曲线、弹性变形+塑性变形3、e s段：水平线（略有波动）明显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。4、sb曲线：弹性变形+均匀塑性变形。5、b点：出现缩颈现象，即试样局部截面 明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，试样即将断裂。,低碳钢的力-拉伸曲线,强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。,强度的指标,2、抗拉强度,指试样拉断前所承受的最大拉应力。其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力。,1、屈服点,Rm=Fm/S0,当材料的内应力RRm时，材料将产生断裂。Rm常用作脆性材料的选材和设计的依据。,符号：Re 材料产生屈服现象时的最小应力,Re=Fs/S0,Fs：试样屈服
5、时所承受的拉伸力（N）S0：试样原始横截面积（mm）,塑性指标,塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。评定指标是断后伸长率和断面收缩率。,1、断后伸长率 A,2、断面收缩率 Z,A=(Lu-Lo)/Lo x 100%,Lu:拉断拉伸试样对接后测出的标距长度Lo:拉伸试样的原始标距,Z=(So-Su)/So x 100%,So:拉伸试样原横截面积。Su:拉伸试样断口处的横截面积,硬度,引言：,1、定义：指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。,2、硬度的测试方法 布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度,1、布氏硬度试验,原理:用一定直径的
6、球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。,2、布氏硬度值 用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。如：120HBS 500HBW,3、测量范围 用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等.,布氏硬度,1、洛氏硬度试验,原理:用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。,2、测量范围 用于测量淬火钢、硬质合金等材料.,洛氏硬度,1、维氏硬度试验,原理:用夹角为136的金刚石四棱锥体压头，使
7、用很小试验力F（49.03-980.07N）压入试样表面，测出压痕对角线长度d。,2、维氏硬度值 用压痕对角线长度表示。如：640HV。,3、测量范围 常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。,维氏硬度,韧 性,金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。常用一次摆锤冲击弯曲，试验来测定金属材料的冲击韧性。冲击试样冲击试样的原理及方法：冲击韧度越大，表示材料的冲击韧性越好。小能量多次冲击试验,疲劳强度,疲劳概念：在交变应力作用下，零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。,疲劳断裂时无明显的宏观朔性变形，断裂前没有预兆，而
8、是突然破坏；引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点；疲劳破坏的宏观断口由两部分组成。,疲劳破坏的特征：,二、物理性能,密度-体积相同，密度越大，质量越大熔点-熔点低，冶炼、焊接、铸造易进行导热性-银、铜、铝导热性最好导电性-银、铜、铝导电性最好热膨胀性-根据系数选择配合间隙磁性-铁镍钴磁性金属，铜铝锌抗磁金属,三、化学性能,耐腐蚀性抗氧化性 生锈、铜绿现象，非金属材料远远高于金属材料。,四、金属的工艺性能,工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力。主要有铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削性能。,锻造性能：用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻造性能。铸铁不能锻压。,焊接性能：
9、焊接性能是指金属材料对焊接加工的适应性。切削加性能：切削加工（性能）金属材料的难易程度称为切削加工性能。,第三单元金属的晶体结构与结晶,晶体与非晶体非晶体：在物质内部，凡原子呈无序堆积状 况的，称为非晶体。如：普通玻璃、松香、树脂等。晶体：凡原子呈有序、有规则排列的物质，金属的固态、金刚石、明矾晶体等。性能：晶体有固定的熔、沸点，呈各向异性，非晶体没有固定熔点，而且表现为各向同性。,一、金属材料的晶体结构,体心立方晶格：面心立方晶格：密排六方晶格：,金属晶格的类型,金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的固体的过程称为结晶。纯金属的冷却曲线及过冷度。,二、纯金属的结晶,纯金属的结晶过程,
10、三、金属的同素异构转变,金属在固态下，随温度的改变有一种晶格转变为另一晶格的现象称为同素异构转变。具有同素异构转变的金属有：铁、钴、钛、锡、锰等。同一金属的同素异构晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母，等表示。,铁素体概念：碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体。符号：F，体心立方晶格性能：由于铁素体的含碳量低，所以铁素体的性能与纯铁相似。即有良好的塑性和韧性，强度和硬较低。,铁碳合金相图第四单元,奥氏体概念：碳溶解在Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体。符号：A，面心立方晶格性能：强度、硬度不高，具有良好的塑性，是绝大多数钢在高温进行锻造和扎制时所要求的组织。,渗碳体概念：铁和
11、碳形成的具有复杂结构的金属化合物，化学分子式“Fe3C”表示，熔点为1227。性能：质硬而脆，伸长率和冲击韧度几乎为零，耐腐蚀。,珠光体概念：是铁素体与渗碳体的混合物符号：P，是铁素体和渗碳体片层相间，交替排列。性能特点：取决于铁素体和渗碳体的性能，强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。,莱氏体概念：是含碳量为4.3%的液态铁碳合金在1148C时从液体上中间结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物。符号：Ld（高温莱氏体，温度727）由于奥氏体在727时转变为珠光体，所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成叫低温莱氏体。Ld表示性能特点：硬度很高，塑性很差。,在铁碳合金中一共有三个相,即铁素体、奥氏体和渗
12、碳体。但奥氏体一般仅存在于高温下,所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相,就是铁素体和渗碳体。由于铁素体中的含碳量非常少,所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中。,二、铁碳合金相图,三、铁碳合金相图的应用,选材方面-一般零件选用低碳和中碳钢铸造方面-根据相图选择合适的浇筑温度压力加工方面-始锻（低）和终锻温度（高）热处理方面焊接方面-含碳量越低焊接性能越好,小 结,1、材料的力学性能主要有哪些？分别有哪些特点。2、常用的硬度测量方法有哪几种？分别有哪些特点。3、常见的金属晶体结构有哪几种类型？4、什么叫同素异构转变？5、在铁碳合金中有几种基本组织？基本相有哪几种？各自的力学性能有哪些？
13、,第五单元碳素钢,含碳量小于2.11%的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢。一、硅1、来源：炼钢后期作脱氧剂带入；2、对钢的性能影响：提高钢的强度、硬度；3、是钢中的有益元素。二、锰1、来源：炼钢脱氧剂。2、对钢的性能影响：提高钢的强度与硬度。3、是钢中的有益元素,三、硫1、来源：生铁带入；2、对钢的性能影响：对钢造成热脆性；3、是钢中的有害元素。四、磷1、来源：生铁带入；2、对钢的性能影响，对钢造成冷脆性；3、是钢中的有害元素。,一、碳素钢的分类,按钢的含碳量分类：1、低碳钢：C0.25%2、中碳钢：0.25%C0.6%3、高碳钢：C0.6%,按钢的质量分类：1、普通钢：S0.05%，P0.045
14、%2、优质钢：S0.035%，P0.035%3、高级优质钢：S0.025%，P0.025%,按钢的用途分类：1、结构钢：主要用于制造各种机械零件和工程构件。C0.7%2、工具钢：主要用于制造各种刀具、模具和量具。其含碳量大于0.70%,二、碳素钢的牌号及用途,1、碳素结构钢2、优质碳素结构钢3、碳素工具钢4、铸钢,1、碳素结构钢,牌号：Q屈服点数值，质量等级符号和脱氧方法符号；性能：一般；例如：Q235-AF：表示屈服点为 235Mpa的A级沸腾钢,2、优质碳素结构钢：牌号：用两位数字表示钢中平均含碳量的万分之几。1）、0825钢，属于低碳钢 性能：强度、硬度较低、塑性、韧性及焊接性良好；用途
15、：冲压件、焊接结构件及渗碳件 如：深冲器件、压力容器等。2）、3055钢 属于中碳钢 性能：较高的强度和硬度，是塑性和韧性随含碳量的增加而逐步降低。用途：制作受力较大的机械零件。如：连杆、曲轴、齿轮等3）、60钢以上 属于高碳钢。性能：有较高的强度、硬度和弹性；用途：制造较高强度、耐磨性和弹性的零件 如：气门弹簧、弹簧垫圈等,碳素工具钢：牌号：T+数字（平均含碳量的千分 数），高级优质碳素工具钢在 钢号后加“A”字。T12A：表示平均含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。,铸造碳钢：牌号：ZG+数字数字第一组数字：屈服点第二组数字：抗拉强度值ZG270500应用：制造形状复杂力学性能要求较高的
16、机械零件。,三、合金钢的牌号及用途,3、牌号及用途-合金结构钢,3、牌号及用途-合金工具钢,3、牌号及用途-合金工具钢,3、牌号及用途-合金工具钢,3、牌号及用途-特殊性能钢,四、铸铁,1、定义：铸含碳量大于2.11的铁碳合金。2、分类：根据铸铁中石墨形态的不同，铸铁又可分为白口铸铁：断口呈银白色；灰铸铁 石墨以片状存在于铸铁中；可锻铸铁 石墨以团絮状存在于铸铁中；球墨铸铁 石墨以球状存在于铸铁中；蠕墨铸铁 石墨以蠕虫状存在于铸铁中；麻口铸铁 断口呈灰白相间。,一、灰口铸铁的牌号及用途 1、牌号：灰口铸铁的牌号由“灰铁”汉语拼音字母 字头“HT”及后面的一组数字组成，数字表示最低抗拉强度。如：
17、HT200：2、用途：用于制造承受较大负荷的零件，如机床的床身、立柱、汽车缸体、缸盖、轮毂、联轴器等。,灰铸铁,球墨铸铁的牌号及用途 球墨铸铁的牌号是由“球铁”两字汉语拼音的第一个字母“QT”，及两组数字组成。两组数字分别代表最低抗拉强度和伸长率的数值。应用：汽车轮毂、离合器壳、拨叉等。,球墨铸铁,蠕墨铸铁,1、化学成分：一般属于含高碳硅的共晶合金或过共晶合金。2、牌号及用途（1）牌号：RuT，是蠕铁两个字汉语拼音的字首，其后数字表示蠕墨铸铁的抗拉强度。（2）用途：常用于制造受热循环载荷、要求组织致密、强度较高、形状复杂的大型铸件，如机床的立柱、柴油机的气缸盖、缸套、排气管等。,可锻铸铁的牌号
18、及用途可锻铸铁俗称为玛铁、马铁。可锻铸铁牌号由三个字母及两组数字组成。前两个字母“KT”是“可铁”两字的汉语拼音的第一个字母，第三个字母代表可锻铸铁的类别。后面两组数字分别代表最低抗拉强度和伸长率的数值。应用：管道配件，低压阀门等。,可锻铸铁,合金铸铁,1、抗磨铸铁：不易磨损的铸铁，通常通过激冷或向铸铁中加入铬、钨、钼等元素，可以分为：减磨铸铁、抗磨白口铸铁。牌号为：KmTb.2、耐热铸铁：可以在高温下使用，其抗氧化或抗生长性能符合使用要求的铸铁。牌号：RT。主要用于制作工业加热炉附件如炉底板、烟道挡板、废气道、传递链构件等。3、耐蚀铸铁：能耐化学、电化学腐蚀的铸铁。牌号为：ST，常用于化工机
19、械如管道、阀门、耐酸泵、反应锅及容器等。,第六单元钢的热处理,一、热处理：热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。热处理的目的：提高零件的使用性能；延长零件的使用寿命；改善工件的工艺性能，提高加工质量，减小刀具磨损。钢的热处理方法：退火、正火、淬火、回火及表面热处理等五种。,1、退火与正火,退火概念：将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺称为退火。退火的主要目的是：降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工；细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的热处理作组织上的准备；消除钢中的残余内
20、应力，以防止变形、开裂。,退火的方法：完全退火：完全退火是将钢加热到完全奥氏体（Ac3以上3050C），随之缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的工艺方法。应用：中碳钢及低、中碳合金结构钢的锻件、铸件、热轧型材等。球化退火：球化退火是将钢加热到AC1以上2030C，保温一定的时间，以不大于50C/H得冷却速度随炉冷却，使钢中碳化物呈球状的工艺方法。应用：如碳素工具钢，合金工具钢、轴承钢等。去应力退火：去应力退火是将钢加热到略低于A1的温度，保温一定时间后缓慢冷却得工艺方法。应用：消除塑性变形、焊接、切削加工、铸造等形成的残余内应力。,正火,1、正火概念：将钢加热到Ac3或Accm以上30-50C，
21、保温适当的时间，在空气中冷却的工艺方法。正火和退火的目的基本相同。2、正火主要用于如下场合：改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性；正火可细化晶粒；,2、淬火,概念：将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保温一定时间，然后以适当速度冷却，获得马氏体或下马贝氏组织的热处理工艺称为淬火；目的：主要获得马氏体，提高钢的强度和硬度。工艺：淬火冷却介质：油、水、盐水、碱水等。淬火方法：单液淬火法：碳钢一般用水作冷却介质；合金钢用油作冷却介质。双介质淬火：如，先水后油；先水后空气。马氏体分液淬火；贝氏体等温淬火。,3、回火,回火的概念：将钢淬火后，再加热到Ac1点以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的
22、热处理工艺称为回火。回火目的：消除内应力；获得所需要的力学性能；稳定组织和尺寸其基本的趋势是：随着回火温度的升高，钢的强度、硬度下降，而塑性、韧性提高。,回火的分类及应用低温回火：T1=150C250C性能：具有高硬度，高耐磨性和一定的韧性；应用：刀具、量具、冷冲压模具等中温回火：T1=350C500C性能：具有高的弹性极限、屈服点；应用：弹性零件。,高温回火：T1=500C650C性能：综合力学性能；应用：受力结构体。调质：生产中常把淬火及高温回火的复合热处理工艺称为调质。,二、表面热处理与化学热处理,概述：在机械设备中，有许多零件（如齿轮、活塞销、曲轴等）是在冲击载荷及表面摩擦条件下工作的
23、。这类零件表面必须具有高硬度和耐磨性，而心部要有足够的塑性和韧性。这类零件要进行表面热处理常用的表面热处理方法有：表面淬火及化学热处理。1、表面淬火对工件表面进行淬火的工艺称为表面淬火。火焰加热表面淬火、感应加热表面淬火。,2、化学热处理分解吸收扩散钢的渗碳：渗碳件必须用低碳钢或低碳合金钢制造。渗碳件进行热处理，常用淬火后低温回火。,三、热处理新技术,四、合金元素对钢性能的影响（1）,加入Me的主要目的：使钢具有更优异的,力学性能,使用性能,耐腐蚀性、耐热性,强度,塑性,韧性,耐腐蚀性,热强性,抗氧化性,耐热性,工艺性能,铸造性能,锻压性能,焊接性能,热处理性能,切削性能,四、合金元素对钢的性
24、能的影响（2）,第七单元非铁金属及其合金,非铁金属是除钢铁以外的其他金属材料的总称。铝及铝合金1、主要用于电气、汽车、车辆、化工等部门，还是航空航天工业主要结构材料。2、纯铝：是铝的质量分数不低于99.00%时，是纯白色的轻金属。主要用于熔炼铝合金，制造电线、电缆、电器元件、换热器件及要求制作质轻、导热与导电、耐大气腐蚀但强度要求不高的机电构件等。,1、用途：在汽车制造、民用产品、航空和航天工业中得到广泛应用。2、分类：,变形铝合金,铸造铝合金,热处理不可强化的铝合金防锈铝,铝合金,热处理可强化的铝合金：硬铝、超硬铝、锻铝,铝硅合金铝钢合金铝镁合金铝锌合金,铜及铜合金,用途：主要用于工业纯铜、
25、黄铜、青铜及白铜。工业纯铜：呈玫瑰红色，表面形成氧化铜膜后，为紫红色，俗称紫铜。牌号：T铜合金的分类：黄铜、白铜、青铜。压力加工黄铜：代号“H”适合于冷变形加工。加入铅可以改善黄铜的切削加工性；加入硅可以提高黄铜的强度和硬度，改善其铸造性能；加入锡能增加黄铜的强度和在海水中的能耐性，因此，锡黄铜有海军黄铜之称。,铜及铜合金,4.加工白铜：牌号“B”，合金元素的加入是为了改善白钢的力学性能、工艺性能和电热性能以及获得某些特殊性能。5.加工青铜：牌号“Q”，加入其它的元素可以形成：锡青铜、铝青铜、硅青铜等。其中锡青铜主要用于制造耐磨及与酸、碱、蒸汽等接触的零件。6.铸造铜合金：牌号“ZCu”，以铜
26、为基的铜合金,三、钛及钛合金,1、钛已经成为航空、航天、化工、造船、机电产品、医疗卫生和国防等部门广泛使用的太铁金属材料。2、纯钛：牌号“TA”，在航空部门用于制造飞机骨架、蒙皮、发动机部件；在化工部门用于制造热交换器、泵体、搅拌器等；制造海水净化装置及舰船零部件。3、钛合金：牌号“T”，钛及钛合金是一种很有发展前途的新型金属材料，已经形成了较完整的钛金属生产工业体系。,四、滑动轴承合金,2、常用滑动轴承合金：锡基滑动轴承合金铅基滑动轴承合金铜基滑动轴承合金铝基滑动轴承合金。,1、滑动轴承一般由轴承和轴瓦组成，轴瓦直接支承转动轴。广泛用于机床、汽车发动机、各类连杆、大型机电等动力设备上。,五、
27、硬质合金,1、硬质合金是指由作为主要组元的一种或几种难溶金属碳化物和金属粘结剂相组成的烧结材料。2、用途：主要用于制造刀具、冷作模具、量具及耐磨零件。3、常用的硬质合金分三类：钨钴类硬质合金：“YG”加数字表示，数字表示钴的百分含量。例如：YG8，钨钴钛类硬质合金：“YT”加数字表示，数字表示碳化钛的百分含量。例如：YT5。通用硬质合金：“YW”加顺序号表示。例如：YW1、YW2。,金属材料的选择与分析,（一）机械零件失效形式分析 失效：是指机械零件在使用过程中失去规定功能的现象。即过量弹性变形失效、断裂失效和表面损坏失效三大类。（二）金属材料选用的一般原则：金属材料的选用应考虑其使用性能、工艺性能、经济性三方面，对这方面进行综合权衡，以金属材料满足使用性能为出发点，才能使金属材料发挥出最佳的社会效益和经济效益。,（三）铸铁与钢的合理使用钢在强度、韧性和塑性等方面均优于铸铁；铸铁在耐磨性上优于钢，同时具有良好的工艺性。,
