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1、精品课程 金属材料与热处理 工程材料 金属材料 非金属材料 黑色金属材料：钢和铸铁 有色金属材料 高分子材料 铜及铜合金 滑动轴承合金 陶瓷材料 复合材料 铝及铝合金 工程材料的分类 当今社会科学技术突飞猛进，新材料层出不穷，但到目前为止，在 机械工业中使用最多的材料仍然是金属材料，其主要原因是因为 它具优良的使用性能和加工工艺性能。 金属材料 的性能 使用性能 加工工艺性能 机械性能：强度、硬度、塑性、韧性等 铸造性能：流动性、收缩性等 锻造性能：压力加工成型性等 切削加工性能：车、铣、刨、磨的切 削量，光洁度等 物理性能：导电、导热、电磁、膨胀等 化学性能：抗氧化性、耐腐蚀性等 焊接性能：
2、熔焊性、焊缝强度、偏析等 热处理性能：淬透性、回火稳定性等 概述 1.在实际工业中，广泛使用的不是前述的单组元材料，而是 由二组元及以上组元组成的多元系材料。多组元的加入， 使材料的凝固过程和凝固产物趋于复杂，这为材料性能的 多变性及其选择提供了可能。 2.二元系相图是研究二元体系在热力学平衡条件下，相与温 度、成分之间关系的工具，它已在金属、陶瓷，以及高分 子材料中得到广泛的应用. 3.在多元系中，二元系是最基本的，也是目前研究最充分的 体系。 第3章 铁碳合金和铁碳相图 本章课程目的要求 通过讲授铁碳合金相图，使学生掌握：合 金相图是表示在极缓慢冷却 (或加热)条件下 ，不同成分的铁碳合金
3、在不同的温度下所具有 的组织或状态的一种图形。从中可以了解碳钢 和铸铁的成分(含碳量)，组织和性能之间的关 系。它不仅是我们选择材料和判定有关热加工 工艺的依据，而且是钢和铸铁热处理的理论基 础。 铁碳合金和铁碳相图 3.1 铁碳合金中的组元和基本相 3.2 FeFe3C相图 3.3 典型铁碳合金的平衡结晶过程及组织 3.4 铁碳合金的成分组织性能关系 3.5 铁碳相图在工业中的应用 工业纯铁：塑性较好 ，强度较低，具有铁 磁性，在一般的机器 制造中很少应用，常 用的是铁碳合金 铁素体（F）：碳溶 于 -Fe中的一种间 隙固溶体，体心立方 晶体结构，组织和性 能与工业纯铁相同 奥氏体（A）：碳
4、溶 于 -Fe中的一种间 隙固溶体，具有面心 立方晶体结构，塑性 好，变形抗力小，易 于锻造成型 铁碳合金中的组元和基本相 渗碳体：铁和碳 的金属化合物 （即Fe3C）属 于复杂结构的 间隙化合物， 硬而脆，强度 很低，耐磨性 好，是一个亚 稳定的化合物 ，在一定温度 下可分解为铁 和石墨 珠光体（P）：铁 素体和渗碳体 的机械混合物 ，是两者呈层 片相间的组织 ，即层片状组 织特征，可以 通过热处理得 到另一种珠光 体的组织形态 五个单相区：ABCD 以上-液相区（L） ；AHNA- 固溶体 区（ ）； NJESGN-奥氏体 区（A）；GPQ以 上-铁素体区（F） ；DFKL-渗碳体区 （F
5、e-Fe3C） 七个两相区（两相邻 的单相区之间）： L+,L+A,L+Fe3C, +A,F+A,A+Fe3C,F +Fe3C FeFe3C相图 恒温转变线 包晶反应： HJB水平线 LBH（1495） AJ 包晶反应仅可能在含碳 量0.090.53的铁 碳合金中，其结果 生成生成奥氏体 共晶反应： ECF水平线 AeFe3C （1148） Lc 共晶反应可在含碳量2.11 6.69的铁碳合金中， 形成奥氏体与渗碳体 的 共晶混合物，称为莱氏 体，C点为共晶点，含 碳量为4.3,温度1148 度 共析反应： PSK线 As FpFe3C（727） 所有含碳量超过0.0218的铁碳 合金均能发生
6、共析反应。其 结果形成铁素体和渗碳体的 共析和渗碳体的共析混合物 ，称为珠光体（P）。根据 杠杆定律可以求出铁素体和 渗碳体的相对重量为： F（）(6.69-0.77)6.69 10088 Fe3C（）18812 主要转变线 GS线不同含碳量的合金，有奥氏体开始析出铁素 体（冷去时）或铁素体全部溶于奥氏体（加热时 ）的转变线，常用A3表示 ES线碳在奥氏体中的固溶体。常用A cm表示，含 碳量大于0.77的铁碳合金，自1148冷至727从 奥氏体析出渗碳体，称二次渗碳体 PQ线碳在铁素体中的固溶线，铁碳合金由727冷 却至室温时，将从铁素体析出渗碳体，称为三次 渗碳体 典型铁碳合金的平衡结晶过
7、程 及组织 L L+A A L+Fe3C A+Fe3C F+A F+Fe3C F 1.纯铁( 0.0218%C） 2.钢（0.0218%2.11%C） 亚共析钢（ 0.0218%0.77%C） 共析钢（0.77%C） 过共析钢（0.77%C 2.11%C ） 过共晶白口（4.3%6.69%C ） 共晶白口铁（4.3%C） 亚共晶白口铁（2.114.3%C） 3.白口铸铁（2.11%6.69%C） L L+A A L+Fe3C A+Fe3C F+A F+Fe3C F 3.3.1 共析钢 3.3.2 亚共析钢 3.3.3 过共析钢 3.3.4 共晶白口铁 3.3.5 亚共晶白口铁 3.3.6 过共
8、晶白口铁 3.3.7 工业纯铁 F 工业纯铁 F+P 亚共析钢 P(片状) 共析钢 P（粒状） 共析钢 P+Fe3C 过共析钢 亚共晶白口铁 P+Fe3C + Le 共晶白口铁 Le 过共晶白口铁 Le+Fe3CI 按组织分区的铁碳合金相图 铁碳合金的成分组织性能 关系 1. 亚共析钢的组织是由铁素体和珠 光体组成，随含碳量的增加。其组织 中珠光体的数量随之增加，因而强度 、硬度也升高，塑性、韧性不断下降 。 2. 过共析钢的组织是由珠光体和网 状二次渗碳体组成，随着钢中含碳量 的增加，其组织中珠光体的数量不断 减少，而网状二次渗碳体的数量相对 增加，因因强度、硬度上升，而塑性 、韧性值不断下
9、降。但是，当钢中 Wc 0.9时，二次渗碳体将沿晶界 形成完整的网状形态，此时虽然硬度 继续增高，但因网状二次渗碳体割裂 基体，故使钢的强度呈迅速下降趋势 。至于塑性和韧性，则随着含碳量的 增加而不断降低 含碳量对力学性能的影响 3.5 铁碳相图在工业中的应用 1、在选材方面的应用 ： 根据零件的不同性能要求 来合理地选择材料。 2、在铸造生产上的应用： 参照铁碳相图可以确定钢 铁的浇注温度，通常浇注 温度在液相线以上 50 60。纯铁和共晶白口铸 铁的铸造性能最好。 3、在锻压生产上的应用： 锻扎温度控制在单相奥氏 体区。 4、在热处理生产上的应用 ：热处理工艺的加热温度 依据铁碳相图确定。
10、 第4章 金属及合金的塑性变 形与再结晶 4.1 金属及合金的塑性变形 4.2 塑性变形对金属组织和性能的影响 4.3 金属与合金的回复与再结晶 4.4 金属的热加工 金属及合金的塑性变形与再结晶 金属与合金的塑性变形 金属及合金变形的三个阶段 三个阶段： e: 弹性变形阶段 sb: （均匀）塑性 变形阶段 b: 不均匀塑性变形阶段 （断裂阶段） 力学性能指标： e 弹性极限 s 屈服极限 b强度极限 断裂方式: 根据塑变阶段长短分：脆性断裂，韧性断裂 根据断裂路径分： 沿晶断裂，穿晶断裂 单晶体金属的塑性变形 1）单晶体的塑变主要是通过滑移实现的 （1）滑移的概念 切应力作用下原子面之间相对
11、错动一个原子间距 （2）滑移线和滑移带 滑移留下的痕迹 （3）滑移系 滑移面数与滑移方向数的乘积： 晶体滑移总是沿原子最密集排列的晶面和晶 向进行。 不同的晶体结构中最密集排列的晶面和晶向 是不同的: BCC：是（110） 滑移系数 6212 FCC: 是（111） 4312 HCP：是（0001） 133 滑移系数目越多，晶体越容易变形 同滑移系数目，则滑移方向越多越容易变形 (4)临界分切应力 外力在滑移面上分切应力 足够大时方能滑移 =Fcos/(A/cos) =(F/A)coscos =coscos 仅当临才能产生滑移 （5）滑移时的晶体转动 （6）滑移是由位错运动造成的 孪生 在切应
12、力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面 ）和晶向（孪生方向）发生切变，产生塑性变形。 黄铜中的孪晶 多晶体的塑性变形 1）与单晶体塑变的异同 同：都主要依靠滑移 异：存在不同时性；需相互协调 2）塑变过程： 软取向的晶粒先滑移晶界处位错塞积产 生应力集中相邻晶粒滑移 滑移系数目多越有利塑变 3）晶粒细化：强度，且塑韧性 晶界原子排列较不规则，阻碍位错运动，使形 抗力增大。 晶粒小 晶界多 变形抗力大 强度，硬度（细晶强化） 晶粒小 变形分散，应力集中小 塑性，韧性 晶粒大小与屈服强度的关系： s=i+kyd(-1/2) _霍尔配奇公式 合金的塑性变形 1）单相固溶体合金：与纯金
13、属相近，有固溶强化 2）两相合金： (i)两相性能相近时:变形与多晶相似 (ii)第二相硬而脆：除与相对量有关外，还与 第二相形态及分布有关 网状；层片状；颗粒状 合金的塑性变形 1.单相固溶体的塑性变形：溶质原子的溶入导致晶格 畸变，从而产生固容强化 2.两相合金的塑性变形： 1）脆性相在塑性相界面上分布导致合金强度、塑性 下降；（网状二次渗碳体） 2）脆性相以片层状在塑性相基体上分布导致合金强 化（珠光体）； 3）脆性相以颗粒状在塑性相基体上弥散分布导致合 金强化。 4.2 塑性变形对金属组织和性 能的影响 对组织结构的影响 1）组织： 晶粒变形，如图所示 （ 可能产生各向异性） 2）亚结
14、构：位错密度增加，形成位错胞 （加工硬化） 可能会产生变形织构（ 各向异性） 对内能的影响产生残余内应力 1）残余内应力的含义： 2）残余内应力的形式：宏观内应力；微观内应力； 晶格畸变能 3）残余内应力对性能影响： 一般有害：变形、开裂、应力腐蚀 有利方面：畸变能强度 表面残留压应力接触疲劳寿命 对性能的影响 1）加工硬化： 利： 强化手段； 提高塑性成形性（冷拉）； 提高安全 性 弊：使进一步加工难 （阻力大，开裂） 2）各向异性：有利有弊 3）物理、化学性能：电阻增加，耐蚀性下降 金属与合金的回复与再结晶 变形金属加热时的组织转变 回复 1）特征：温度低，光学显微组织未变化，亚结构发生
15、了变化（位错、点缺 陷密度降低，甚至出现亚晶界，三 个阶段） 2）性能：力性变化不明显（强硬度到高温回复阶段有所 降低，但不大） 内应力部分消除 导电率升高 再结晶 1）特征：温度较回复更高（纯金属：TR0.4Tm）， 重新形核长大，无畸变的新晶粒完全取代旧晶粒 2）性能：强硬度显著降低，塑韧性显著提高（变形 前水平），内应力完全消除。 3）结晶驱动力：塑性变形贮存的能量 4）再结晶温度： 取决于材料、合金成分、变形度、 加热速度等 预变形度的影响 晶粒长大 机制：界面能降低是驱动力 类型：均匀长大 异常长大（二次再结晶） 性能：强硬度进一步降低，塑韧性提高，但若严重粗化则降低 控制：通过变形度、温度、时间的控制，防止过分长大 回复退火与再结晶退火 1）温度 2）目的 3）再结晶退火晶粒度的控制 加热温度和保温时间 冷变形度。 一般：变形度畸变能细化 不能太大或太小 金属的热加工 热加工的概念 1）定义： 再结晶温度是冷热加工的分界点 热加工是指再结晶温度以上进行的变形过程 注意冷热的概念：W:1000, Sn:20 2）现象：同时存在硬化和软化现象动态硬化、动态 软化,热加工因再结晶而及时消除了加工硬化. 3）应用 热加工对金属组织和性能的影响 1）可改善铸态组织，提高机械性能：焊合气孔、疏松；碎化 柱状
