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1、机械制造基础,制造科学与工程学院金工教研室 梅筱琴,金属材料及其热处理,第一讲 金属材料及其热处理,金属材料是现代机器制造的基础性能决定工艺性好很少用纯金属，多用合金材料性能决定了解金属材料，有助于理解工艺方法的实质合理选择零件材料及其生产工艺,一、金属材料的主要性能,物理性能密度、熔点、热膨胀、导热、导电、磁性等等化学性能耐酸、耐碱、抗氧化性等等力学性能强度与塑性硬度韧性疲劳强度工艺性能热处理、铸造、锻造、焊接、切削加工性能使用性能？,1.力学性能强度,金属材料抵抗外力引起的塑性变形和断裂的能力拉伸实验,低碳钢的拉伸曲线,拉伸试样,1.力学性能强度,其它塑性材料的拉伸曲线,脆性材料的拉伸曲线
2、,1.力学性能强度,强度屈服强度：sFs/A0抗拉强度：bFb/A0条件屈服强度：0.2产生0.2塑性变形时的应力值用于没有明显屈服现象的金属材料强度是一般机器零件和构件设计选材的主要依据,2.力学性能塑性,塑性金属材料产生塑性变形而不破坏的能力伸长率(L1-L0)/L0X100%断面收缩率=(S1-S0)/S0X100%塑性是承受动载荷（交变载荷）零件选材的依据之一为避免超载而引起的突然断裂，要求其具有一定的塑性塑性是金属材料进行各种压力加工的必要条件,3.力学性能硬度,硬度材料表面抵抗外力，不产生局部塑性变形（压痕）的能力影响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
3、）维氏硬度（HV）,(1)布氏硬度（HB）,采用直径为D的钢球或硬质合金球作压头钢球仅用于测量HB450以内的材料（HBS）硬质合金球用于测量HB650以内的材料（HBW）特点稳定可靠零件表面被破坏，不用于成品应用各种退火状态下的钢材、铸铁、有色金属等,(2)洛氏硬度（HR）,试验原理特点（1）简便，测量迅速（2）零件不被破坏应用：工业生产,(3)维氏硬度（HV）,HV=,F,P,F,金刚石HV 10000，为标准度量各种硬度值之间没有直接的换算公式，需要时可查表进行换算,4.力学性能韧性,韧性金属材料抵抗冲击载荷，断裂前吸收能量的能力冲击韧性K KAK/S影响因素太多，仅作参考,5.力学性能
4、疲劳强度,疲劳强度材料在周期性/非周期性动载荷作用下，经受无数次应力循环而不发生疲劳断裂的能力断裂破坏应力远低于强度极限疲劳断裂的主要原因内部缺陷杂质微裂纹表面划痕缺陷扩展“刚性”是什么？,二、金属的晶体结构与结晶,晶体固定的熔点、沸点为什么会有固定的熔点、沸点？金属是不是晶体？水、CO2、O2、NaCl晶体的三个特征：(1)晶体有整齐规则的几何外形(2)晶体有固定的熔点(3)晶体有各向异性的特点,1.金属的晶格结构,内部原子（或分子）在三维空间呈规则的周期性重复排列的固态物质晶体与晶格,晶胞-晶格最小组成单元,常见的晶格类型,体心立方晶胞属于此类晶格的有：Fe、Fe、Cr、W、Mo、V、铌等
5、约30种金属,常见的晶格类型,面心立方晶胞属于此类晶格的有：Fe、Cu、Au、Al、Ag、Ni、Pt等约20种金属,常见的晶格类型,密排六方晶胞属于此类晶格的有：Ti、Zn、Cd、Mg、Be等金属,2.金属的结晶,金属结晶的条件过冷度理论结晶温度与实际结晶温度之间的差 T=T0-Tn过冷度越大，冷却速度越快，结晶时间越短；反之，过冷度越小，冷却速度越慢，结晶时间越长。,纯金属的冷却曲线,2.金属的结晶,金属结晶过程“形核”与“长大”晶核的形成自发形核：因过冷度而形成的短程有序的原子团异质形核：外来固态质点晶核的长大 平面长大：缓冷；金属液较纯净树枝状长大：冷速大；有杂质晶粒大小对金属力学性能的
6、影响力学性能：越细越好细化晶粒的措施：晶核多则细快冷孕育处理,金属结晶过程,3.金属（纯铁）的同素异构转变,同素异构转变1538：液态固态Fe（体心）1394：固态固态Fe（面心）912：固态固态Fe（体心）实质二次结晶（重结晶）固态下的结晶过程遵循结晶过程的一般规律,三、铁碳合金,制造机器设备的主要金属材料：钢、铸铁铁（Fe）碳（C）铁含量 95，但是决定性能的是碳我们学习：铁碳合金组织常用钢材及其选用原则,1.合金的基本组织,合金两种或两种以上金属非金属元素熔和，构成具有金属特性的物质强度硬度较高、成本低通过成分控制和热处理，在很大范围内调整其性能组元构成合金的元素铁、碳、Fe3C（稳定的
7、化合物也是组元）相金属中具有相同化学成分和晶格结构、有界面与其他部分分开的、均匀的组成部分组织用肉眼或显微镜能观察到的金属材料的最小单元-晶粒的直观形貌,铁碳合金中的“相”,铁素体,奥氏体,珠光体,珠光体二次渗碳体,（1）固溶体,间隙固溶体置换固溶体,晶体的四种点缺陷,空位,同类原子的间隙原子,异类原子的间隙原子,异类原子的置换原子,固溶强化,间隙固溶体的晶格畸变,引起材料的强度和硬度提高，塑性和韧性却没有明显变化,关于合金强度的认识,晶粒粗细影响强度越细强度硬度越高细化晶粒是冶金和热处理的目标固溶强化晶格中混入杂质，增加变形抗力位错强化位错是晶体内部的一种缺陷增加变形抗力,位错强化示意图,两
8、种线缺陷位错,刃型位错的形成过程,铁碳合金中的固溶体,铁素体Fe中溶碳600C0.006%727C0.021%强度硬度低250MPa80HBS塑性好4550与纯铁近似,铁碳合金中的固溶体,奥氏体 Fe中溶碳1148C2.11%727C0.77%强度硬度不高塑性优良4050易于塑性变形压力加工时加热形成奥氏体,（2）化合物,金属化合物与非金属化合物金属化合物具有复杂晶格、硬而脆FeS、MnS：非金属杂质铁碳合金中的化合物渗碳体（Fe3C）铁碳合金中的强化相硬度高（800HBW）、塑性韧性很低呈片状、球状、网状920-980C可分解：Fe3C3FeC石墨,（3）混合物,铁碳合金中的机械混合物珠光体
9、（PF+Fe3C）铁素体渗碳体C0.77b750MPa180HBS2025呈片状,（3）混合物,铁碳合金中的机械混合物莱氏体（Ld）C%=4.3%与渗碳体性能相近：硬而脆LdA+Fe3C存在于727以上LdP+Fe3C727以下转变为珠光体与渗碳体的机械混合物,2.二元合金相图,铁碳合相图的建立,铁碳合金相图,铁碳合金相图分析,铁碳合金相图（简化）,铁碳合金相图（全图3）,铁碳合金相图分析,ACD：液相线AECF：固相线（ECF共晶线）GS（A3）：奥氏体中析出铁素体ES（Acm）：奥氏体中析出渗碳体（II）PSK（A1）：共析线PQ：铁素体中析出渗碳体（III）,查看铁碳合金相图,查看,查看
10、,查看铁碳合金相图,查看,查看,查看,铁碳合金相图（全图2）,铁碳合金相图（全图4）,ACD液相线,铁碳合金相图（全图5）,AECF：固相线,ECF共晶线,铁素体,珠光体,渗碳体,莱氏体,钢铁分界线,两个单相之间是混合相,铁碳合金相图（全图6）,GS（A3）：奥氏体中开始析出铁素体,铁碳合金相图（全图7）,ES（Acm）：奥氏体中析出二次渗碳体（II）,铁碳合金相图（全图8）,PSK（A1）：共析线,铁碳合金相图（全图9）,PQ：铁素体中析出三次渗碳体（III）,铁碳合金相图（全图2）,均匀、没有明显晶界,铁碳合金相图（全图2）,珠光体外面有明显的铁素体相,铁碳合金相图（全图2）,珠光体外面有
11、明显的网状渗碳体,3.典型铁碳合金组织转变,钢：C%0.77%：过共析钢铸铁：C%【2.116.69%】C%4.3%：过共晶铸铁,共析钢的组织转变（S）,共析钢显微组织（珠光体）,亚共析钢的组织转变,亚共析钢显微组织（C0.2%）,过共析钢的组织转变,过共析钢的显微组织,4.工业用钢,按化学成分碳素钢、合金钢按用途结构钢、工具钢、特殊性能钢按质量普通钢、优质钢、高级优质钢按脱氧程度镇静钢、沸腾钢,工业用钢种类汇总,（1）碳素钢（C%1.5%）,C的影响如图P冷脆性0.045%以下S热脆性0.05%以下P、S衡量质量Si、Mn有益,碳素结构钢,C%0.38%（0.25%以下常用）牌号（GB700
12、-88）：Q215/Q235/Q255 A:屈服极限215/235/255MpaA普通；B/C/D优质，含P/S较少未完全脱氧F（沸腾钢）完全脱氧Z（镇静钢）Q215-AF Q235（A3）最常用,优质碳素结构钢,(P/S)0.035%，用于重要机件牌号（GB69988）：20：C%=0.20%20F：沸腾钢0825：低碳钢3055：中碳钢，淬火后强度硬度较高6075：高碳钢，淬火后可作弹簧,碳素工具钢,C%=0.7%1.35%淬火硬度60HRC淬透性、热硬性很差牌号：T8A：含碳0.8，A：含PS很少的优质钢常用的碳素工具钢：T8、T10、T10A、T12,（2）合金钢,合金结构钢含碳量的万
13、分数元素符号百分数合金含量1%不标：9Cr2 CrWMn 9SiCr W18Cr4V特殊性能钢：不锈钢（2Cr13、1Cr18Ni9）,（3）零件选材的一般原则,满足工作要求物理性能化学性能机械性能满足工艺性能要求重视经济性,四、钢的热处理,目的：改善金属材料的强度、硬度、韧性、弹性、工艺性现代机器制造中的热处理主要针对：机床的：主轴、齿轮、床身汽车的：发动机缸体、缸盖、凸轮轴、联接轴、变速箱齿轮等其他：刃具、量具、磨具,组织决定性能演示,1.热处理基本工艺,基本工艺：加热-保温-冷却,2.常用热处理工艺,普通热处理“四火”：退火、正火、淬火、回火表面热处理表面淬火化学热处理渗碳、渗氮、碳氮共
14、渗,工艺原理,退火和正火,退火作用组织室温下的平衡组织种类完全退火球化退火去应力退火正火作用组织：索氏体硬度强度比珠光体高韧性相同,淬火与回火,淬火作用组织：马氏体（M）C原子来不及从A中渗出,过饱和C使晶格严重畸变。硬度高，脆性大回火低温回火（150250C）回火马氏体中温回火（350500C）回火屈氏体高温回火（500650C）回火索氏体,表面淬火与化学热处理,特殊性能要求的零件表面耐磨，内部坚韧表面淬火工艺原理用途设备：感应线圈、火焰、激光化学热处理化学介质中加热保温表层渗碳、渗氮发蓝,总结,金属材料的性能力学性能工艺性能物理、化学性能金属材料的组织和性能铁碳合金的组织和性能的关系选材原则钢的热处理“四火”、表面热处理,铁碳合金相图：随手画,1148 7274.3 2.11 0.7791215381227 两个Y字当中立,0.77,4.3,2.11,912,1538,727,1148,1227,这是什么“相”,铁素体,这是什么“相”,奥氏体,这是什么“相”,珠光体,还有什么“相”,莱氏体高温莱氏体：A+Fe3C低温莱氏体：P+Fe3C马氏体淬火组织奥氏体中的碳来不及析出来索氏体正火组织细化的、片层更薄的珠光体（强度硬度更高）,锉刀,选材T12工艺过程,
