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1、1.1 金属的主要性能,金属的物理性能,1. 比容 单位质量的物质所占有的容积，是密度的倒数。,表1.1 碳钢中各种组织的比容(20),组织应力：由于各种组织的比容不同，将会在工件内部形成内应力。 例如：表面淬火钢件表面为马氏体组织，次表面和心部没有转变成马氏体，仍为奥氏体或过渡组织，因此表面形成出现压应力。（示意图） 合理利用组织的比容变化使表面产生残余压应力可以提高零件的使用寿命。,普通淬火后组织应力引起的残余应力如何变化？,2. 线膨胀系数 固体物质的温度每改变1时，其长度的变化和它在0时长度之比，叫做“线膨胀系数”。,表1.2 碳钢中各种组织的线膨胀系数,热应力：工件加热或冷却时由于内
2、外温差导致热胀冷缩不一致而产生的内应力。,普通淬火后组织应力引起的残余应力如何变化？,3. 热容和热传导系数 对于热导率比较小的材料，在加热和冷却过程中应注意加热或冷却速度应该慢一点。,金属的化学性能,金属的化学性能中最重要的是耐腐蚀性和高温抗氧化性。通过热处理可以改变成分分布、组织结构，从而提高材料的耐腐蚀性和高温抗氧化性能。 例如：固溶处理可以改善不锈钢的抗晶间腐蚀能力；表面渗铝可以提高钢铁材料的抗高温氧化性能。,金属的力学性能,1. 强度 弹性模量E 比例极限p、弹性极限e 弹性比功ae 屈服极限s、屈服强度0.2 抗拉强度b 蠕变极限、持久强度 疲劳极限、过载持久值、疲劳裂纹扩展速率,
3、2. 塑性和韧性 伸长率、断面收缩率 冲击韧度Ak 断裂韧度KIC 3.硬度 4.耐磨性,金属的工艺性能,金属通过铸造、焊接、塑性加工和切削加工而成形，通过热处理改变组织和性能以及内应力状态。 良好的工艺性能不仅能保证工艺的顺利进行，而且能降低加工成本。,金属的经济性,原材料费 加工费 热处理,1.2 金属的韧化机制,金属的强化和韧化机理共四类 固溶强化 细晶强化 位错强化 第二相强化,固溶强化,定义：当溶质原子溶入溶剂原子而形成固溶体时，使强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象。 强化机理： 溶质原子的溶入使固溶体的晶格发生畸变，阻碍了位错在滑移面上的运动 在位错线上偏聚的溶质原子对位错的钉扎
4、作用。,固溶强化的规律： 合金元素的质量份数越大，强化作用越大。 溶质与溶剂原子的尺寸相差越大，强化作用越大。 间隙固溶体的溶质原子的强化作用大于置换固溶体。 溶质与溶剂原子的价电子数相差越大，强化作用越大。,细晶强化,强化机理： 晶界的存在使变形晶粒中的位错在晶界处受阻，每一晶粒中的滑移带也都终止在晶界附近 由于各晶粒间存在位向差，为了协调变形，要求每个晶粒必须进行多滑移，而多滑移必然要发生位错的相互交割。,细晶强化效果符合HallPetch关系： 细晶强化的显著特点： 不仅能提高强度，还能提高塑性和韧性。,位错强化,定义： 用增加位错密度提高金属强度的方法称为位错强化。 强化机理： 金属中
5、位错密度越高，则位错运动越容易发生相互交割，形成割阶，造成位错缠结等位错运动的障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。,第二相强化,强化机理： 不可变形的第二相：位错线只能绕过第二相质点，为此必须克服弯曲位错的线张力。 可变形的第二相：位错可以切过，使之同基体一起产生变形，由此也能提高屈服强度。,位错绕过第二相粒子过程示意图,1.3 金属热处理分类,热处理概念,定义：将工件放在一定介质中加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺。 热处理工艺的三个阶段： 加热 保温 冷却,热处理工艺包含五个要素： 加热介质 加热速率 加热温度 保温时间 冷
6、却速度,热处理分类,根据加热和冷却方式不同及钢的组织、性能变化特点，可分为,根据热处理在工件加工工序中的位置不同，可分为预先热处理和最终热处理两类。 根据加热范围可分为整体热处理和局部热处理两类。,1.4 典型钢种及用途,钢的分类,按照钢中所含合金元素多少分成碳钢和合金钢两大类。 按照用途分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。 按照钢中含碳量分为低碳钢、中碳钢、高碳钢,常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（）,碳素结构钢和低合金高强度结构钢 牌号： Q+屈服点数值（Mpa）（+质量等级+脱氧方法等符号） 例如：碳素结构钢Q235AF、Q235BZ、Q235bZ 低合金高强度结构钢Q345C
7、、Q345D 质量等级 由A到E，钢的质量提高,优质碳素结构钢 牌号：两位数字（+合金元素符号等） 两位数字表示平均含碳量的万分之几 例如： 45钢表示钢中平均含碳量为wC=0.45% 08钢表示钢中平均含碳量为wC=0.08% 50Mn表示平均含碳量为wC=0.08%，wMn=0.70-1% 20g表示平均含碳量为wC=0.20%的锅炉钢,碳素工具钢 牌号：T+数字（表示含碳量千分之几） 例如： T8钢表示钢中平均含碳量为wC=0.8%的工具钢 T10A表示钢中平均含碳量为wC=1.0%的高级优质工具钢,合金结构钢 牌号：两位数字+合金元素符号+数字 例如：35SiMn表示wC=0.35%,
8、 wSi=1.1%1.4%, wMn=1.1%1.4%,钢中的V、Ti、Al、B、RE等合金元素，虽然含量很低，但在钢中能起相当重要的作用，也应在牌号中标出。 例如：20MnVB表示wC=0.20%, wMn=1.0%1.3%, wV=0.07%0.12%， wB=0.001%0.005%,合金工具钢 编号原则与合金结构钢大体相同，只是含碳量的表示方法不同： 如果平均含碳量wC1.0%，则不标出含碳量； 如果平均含碳量wC1.0%，则在牌号前以千分之几表示。 例如：CrMn、 9Mn2V 高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2,铬滚动轴承钢 牌号：GCr+数字（表示Cr平均含量的千分之几）
9、 例如GCr15表示平均含铬量wCr=1-1.5%,不锈钢与耐热钢 牌号：数字+合金元素符号+数字 当平均含碳量wC 0.08%时，以“0”表示； 当平均含碳量wC 0.03%时，以“00”表示； 例如9Cr18、0Cr18Ni9、00Cr19Ni10,合金元素在钢中的作用,1.合金元素的分类 根据合金元素与C的亲和力大小，将合金元素分成 非碳化物形成元素 弱碳化物形成元素 强碳化物形成元素,当rC/rM0.59时，形成间隙化合物 当rC/rM0.59时，形成间隙相，或称为特殊碳化物,2. 合金元素的作用 固溶强化和韧化 形成碳化物提高强度和耐磨性 细化晶粒 提高钢的淬透性 提高回火稳定性 产
10、生二次硬化 抑制第二类回火脆性,3.低碳钢 含碳量0.25%，塑性韧性好，硬度、强度低，耐磨性差。通常将其渗碳淬火低温回火后使用。,4.中碳钢 含碳量=0.25%0.60%。包括调质钢、弹簧钢和热作模具钢，是生产上用量最大的一类钢。,5. 高碳钢 含碳量0.6%，包括碳素工具钢、滚动轴承钢、高速钢和冷作模具钢。,1.5 固态相变概述,固态相变的一般特征,相变阻力大 新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系 母相晶体缺陷对相变起促进作用 易于出现过渡相,固态相变的类型,扩散型相变：珠光体转变、奥氏体转变 非扩散型相变：马氏体转变 过渡型相变：贝氏体转变,固态相变的形核,均匀形核 晶界形核 位错形核 空位及空位集团,本章小结,什么是组织应力和热应力？钢淬火后表面残余应力状态是怎样的？ 金属的强韧化机制有哪四种？各自的强化机理是什么？ 根据钢的牌号判断各合金元素的含量 合金元素在钢中的作用 二次硬化 第二类回火脆性 固态相变的一般特征,表面淬火前,表面淬火后,F,F,F,F,马氏体组织,奥氏体组织,组织应力形成示意图,
