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1、钢材力学检测室力学性能培训教材(金属材料与热处理）v一.金属/金属材料 性能、晶体结构等v二.铁碳合金和FeC相图v三.热处理v四.常见钢材编号和分类一.金属/金属材料 性能、晶体结构与结晶等1.1 金属/金属材料 u金属金属是具有良好的导电性和导热性、有一定的 强度和塑性、并具有光泽的物质，如铁、铜、铝和 锌等。 u金属材料金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材 料、并具有金属特性的工程材料。它包括纯金属和 合金。金属材料的分类1. 金属（或金属材料）通常分为黑色金属和有色 金属两大类：u 黑色金属：包括铁、锰、铬等。泛指以铁或 以它为主而形成的物质如钢、生铁。u 有色金属：除黑色金属以外
2、的金属。铝、锌 、铜等 2. 按密度分为轻金属和重金属(4.5g/cm3)铜及其合金：纯铜、黄铜（Cu+Zn）、白铜（Cu+Ni）、青铜。铝及其合金：纯铝、变形铝合金、铸造铝合金轴承合金：锡基轴承合金、铅基轴承合金、铝基轴承合金钛及其合金1.2 金属的性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能. u使用性能: 指金属材料在使用条件下所表现出 来的性能 ，它包括物理性能、化学性能、力学 性能等 u工艺性能: 指金属材料在制造工艺过程中的适 应加工的性能。包括热处理性能、铸造性能、锻 造性能、切削性能等金属的物理性能金属的物理性能是指金属固有的属性，包括密 度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性。
3、 密度：某种物质单位体积的质量称为该物质的密度。根据密度可分为轻金属和重金属熔点：金属或合金从固态向液态转变时的温度称为熔点。熔点高的金属称为难熔金属（如钨、钼、钒等）。 用来制造火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等。熔点低的金属称为易熔金属（如锡、铅等）导热性：金属材料传导热量的性能称为导热性。金属的导热能力以银为最好，铜、铝次之 导电性：金属材料传导电流的性能称为导电性。 热膨胀性：金属材料随着温度的变化而出现体积变化的特 性称为热膨胀性。热膨胀性的大小用线膨胀性系数l和 体膨胀性V系数： l=l2-l1=lt V3l 磁性：金属材料在磁场中受到磁化的性能称为磁性。根据 金属材料在磁场中受到磁
4、化的程度不同，可分为铁磁性材料（如铁、钴、镍等） 顺磁性材料（如锰、铬等） 抗磁性材料（如铜、锌等）三类。金属的化学性能金属的化学性能是指金属在化学作用下所表现 的性能，如耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性。 u耐腐蚀性：金属材料在常温下低抗氧、水蒸汽及 其化学介质腐蚀破坏作用的能力， u抗氧化性：金属材料在加热时低抗氧化作用的能 力， u化学稳定性：化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性 和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定 性称为热稳定性。金属的力学性能金属的力学性能是外力作用时表现出来的性能 。力学性能包括弹弹性、强度、塑性、硬度、韧韧 性和疲劳劳强度等。金属的工艺性能金属的工艺性能是指金属
5、材料对不同加工工艺方法的 适应能力。它包括铸造性能、锻压性能、焊接性能和切削 加工性能等。 u铸造性能：金属及合金铸造成形获得优良铸件的能力称 为铸造性能。 u锻压性能：金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度 。 u焊接性能：金属材料对焊接加工的适应性。也就是在一 定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。 u切削加工性能：金属材料接受切削加工的难易程度称为 切削加工性能。 u热处理性能： 热处理即对固态下的材料进行加热、保 温、冷却从而获得所需组织和性能的工艺。热处理性能包 括淬透性、晶粒长大倾向、回火稳定性、变形开裂倾向等1.3 金属的结构与结晶金属的结构晶体与非晶体 在物质内部，凡
6、是原子作有序、有规则排列的称为晶 体。绝大多数金属和合金都属于金属晶体。在物质内部， 凡是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。晶格和晶胞表示原子在晶体中排列规格的空间格架，叫做晶格。能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。 金属晶格类型体心立方晶格：铬、钒、钨及-Fe、- Fe面心立方晶格：铝、铜、铅、镍及-Fe密排六方晶格：镁、锌、铍和镉 金属晶体结构缺陷 u 点缺陷：空位和间隙原子 u 线缺陷：位错 u 面缺陷：晶界和亚晶界 3 金属结晶过程的一般规律。金属的结晶指的是由液态金属凝固为固体状态 的过程。结晶是由两个基本过程构成的：第一，在 液态金属中首先产生一
7、个极小的晶体作为结晶中心 ，这个极小的晶体称为晶核；第二，晶核逐渐长大 成为较大晶体。形核和晶核长大就是结晶过程的规 律。 4 主要的铸造缺陷缩孔及疏松气泡偏析非金属夹杂物 5 金属的同素异构转变金属在固态下随着温度的改变由一种晶格转变 为另一种晶格的转变称为同素异构转变。由同素异 构转变所得到的不同晶格的晶体称为同素异构体。 铁的同素异构转变：-Fe -Fe -Fe体心立方 1394 面心立方 912 体心立方 l材料使用性能和工艺性能的区别l试述金属的两种分类方法l什么就晶体、晶格、晶胞l常见金属晶体l纯铁的同素异构体l试述金属结晶过程l金属晶粒大小对力学性能的影响二.铁碳合金和FeC相图
8、合金合金是指由两种或两种以上金属元素或金属与非 金属元素组成的，具有金属特征的物质。如碳钢、合 金钢等铁-碳合金、铜合金、钛合金等。合金的组元、相与组织 u组元：组成合金中最基本的独立物质称为组元 u相：合金中具有相同的结构，相同的物理和化学性能 ，并以界面形式与系统中其余部分分开的均匀部分。固态合金的相结构主要有固溶体和金属化合物。合金的组织u固溶体固态下合金的组元间相互溶解形成的均匀相称为固溶 体。可分为间隙固溶体和置换固溶体两种基本类型。固溶将破坏晶体中原子的规则有序排列，使晶格发生 畸变。晶格畸变导致变形抗力增加，使固溶体强度增加， 这种现象就固溶强化。固溶强化是提高强度的重要途径。u
9、金属化合物金属化合物是合金中组元间发生相互作用而形成一种 具有金属特性的一种新相。金属化合物的组成一般可用化 学分子式来表示。如Fe3C ， VC（M（CN）等。金属化合物熔点高，性能硬而脆。当它成呈细小 弥散的分布于固溶体基体上时，能提高合金的强度 、硬度、耐磨性。-第二相强化但当呈粗大、不均匀分布时，则会降低合金的力 学性能。固溶体和金属化合物是组成合金的基本相。实际使用的合金其组织通常是由固溶体和少量金 属化合物组成的机械混合物。通过控制调整固溶体 中溶质原子的含量；以及控制金属化合物的数量、 形态、分布等可改变合金的力学性能以获得所需的 材料。铁碳合金的相与组织在铁碳合金中，碳可以与铁
10、组成化合物，也可以 形成固溶体，或者形成混合物。 u铁素体（F）碳溶解于-Fe中形成的间隙固溶体，用符号F来表 示。室温时，铁素体中的碳含量只有0.0008%,在727 溶解度最大时也仅为0.0218%。所以其性能与纯铁相似 ，具有良好的塑性和韧性，而强度和硬度却较低 u奥氏体（A）碳溶解于-Fe中形成的间隙固溶体，用符号A来 表示。奥氏体的强度和硬度不高，但具有良好的塑性铁素体少 量珠光体奥氏体珠光体渗碳体（Fe3C）渗碳体铁与碳的金属化合物，其分子式为Fe3C。渗 碳体中碳的质量分数为6.69%，熔点为1227。渗碳体 的硬度很高，塑性很差。是一种硬而脆的组织。渗碳体的类型 一次渗碳体：从
11、液态中析出的渗碳体。 二次渗碳体：从奥氏体中析出的渗碳体。 三次渗碳体：从铁素体中析出的渗碳体。 网状渗碳体：当热处理操作不当、不良时，渗碳体沿晶 界呈网状分布，即所谓网状渗碳体。混合物（混合物不是合金的基本组成相）u珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，用符号P来表 示。在缓慢冷却条件下，珠光体的含碳量为0.77%。 u莱氏体（Ld）莱氏体是奥氏体与渗碳体组成的机械混合物，是 一种高温组织，存在与1148727之间。莱氏体中碳 的质量分数为4.3%。在1148时从液相中同时结晶出 奥氏体和渗碳体的混合物，其性能与渗碳体相似，硬 度很高，塑性很差。用符号Ld/Ld来表示。铁碳合金相图铁碳
12、合金是工业上应用最广泛的金属材料。铁碳 合金相图是表示平衡状态下不同成分的铁碳合金在不 同温度下，具有的状态和组织的图形学习铁碳相图，对于合理选择和使用钢铁材料、 指导热加工工艺（热处理、铸造、锻压等）具有重要 意义。点的符号温度 ()含碳量 (%)含 义A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点，L=Ld(A+Fe3C)D12276.69渗碳体的溶点(理论)E11482.11碳在-Fe中最大溶解度点G9120纯铁的同素异构转变点 （A3）-Fe=-FeS7270.77共析点，A=P（F+Fe3C）Fe-Fe3C相图中的几个特性点Fe-Fe3C相图中的特性线特性线含 义ABCD液相线AECF
13、固相线GS常称A3线。冷却时不同含碳量的奥氏体中结晶出 铁素体的开始线ES常称Acm线。碳在-Fe奥氏体中的固溶线ECF共晶线。L=Ld(A+Fe3C)PSK共析线，常称A1线。 A=P（F+Fe3C）对钢来说，C=0.02182.11的铁碳合金称为钢 。其特点是高温时都有单相奥氏体，根据其含碳量及室温 组织的不同，又可分为： u 亚共析钢：含碳量为0.02180.77之间的铁碳 合金。 u 共析钢：含碳量为0.77的铁碳合金。 u 过共析钢：含碳量为0.772.11之间的铁碳合 金。 对白口铸铁来说，C=2.116.69的铁碳合 金称白口铸铁。其特点是金属液相结晶时都将发生 共晶反应生成莱氏
14、体，根据其含碳量及室温组织的 不同，又可分为： u 亚共晶白口铸铁：含碳量为2.114.3之 间的铁碳合金。 u 共晶白口铸铁：含碳量为4.3的铁碳合金。 u 过共晶白口铸铁：含碳量为4.36.69之 间的铁碳合金。 u合金，合金的组元、相的定义u合金中的两个基本组成相，它们的性能特点u默画Fe-C相图，并叙述其中特性点、特性线及意义u铁碳合金在常温下的两个基本相u快速冷却时能否用Fe-C相图判断组织转变u锻造温度的选择u确定热处理的加热温度的依据是什么三. 钢的热处理热处理 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 热处理方法分类 u整体
15、热处理：对工件整体进行穿透加热。常用的方 法有退火、正火、淬火、回火和调质等 u表面热处理：仅对工件表面进行的热处理工艺。表 面淬火和回火（如感应加热淬火），气相沉淀等 u化学热处理：改变工件表层的化学成分、组织和性 能。常用的有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等热处理工艺曲线示意图：热处理工艺曲线示意图：时间温度/加热 保温 冷却钢在加热时的转变 热处理过程中，加热一般是为了获得奥氏体组织 奥氏体虽然为钢在高温状态下的组织，但其晶粒大小 、成分和均匀程度，对钢在冷却后的组织和性能有重 要影响由Fe-C相图可知，A1，A3，Acm是钢在平衡情况下 的临界点。但在实际加热过程中，钢的组织转变有滞 后
16、现象，在加热时要高于、在冷却时要低于相图中的 临界点。为便于区别，通常把加热时的临界点分别用 Ac1，Ac3，Accm表示，冷却时候的临界点用Ar1，Ar3， Arcm表示Ac1 A1Ar1AccmAcmArcmAc3 A3Ar3钢的奥氏体化奥氏体的形成机理 u 奥氏体的形核和长大； u 残余渗碳体的溶解； u 奥氏体的均匀化。以共析钢为例：P A亚共析钢和过共析钢加热到Ac1以上，组织中的P先 奥氏体化，分别获得A+F和A+Fe3C。只有当温度加 热到 Ac3和Accm时，才能完全奥氏体化。Ac1影响奥氏体形成速度的因素u加热温度：温度高，过热度大，晶核的临界尺 寸减少，所需的形成功减少，因此，奥氏体的 形成速度率加大 u加热速度的影响：加热速度越快，珠光体向奥 氏体转变的速度
