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1、金属材料的性能,使用性能： 材料在使用过程中所表现出来的性能。,工艺性能： 材料在制成零件过程中所表现出的性能。 即材料对于零件制造工艺的适应性。,使用性能,工艺性能,物理性能,化学性能,机械性能,铸造性能,锻造性能,焊接性能,切削加工性能,热处理性能,第一章 金属材料的主要性能,常用的塑性指标：,延伸率,断面收缩率,2.塑性：是金属材料受力外力作用下，产生永久变形而不致引起破坏的性能。,其中：l为变形后的长度；l0为变形前的长度。,其中：F为变形后的断面面积；F0为变形前的断面面积。,常用指标：, 屈服强度：s 材料在外力作用下开始屈服时的应力。,3.强度：材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂
2、的能力。,测定方法：拉伸试验, 抗拉强度b ：材料在拉断前所能承受的最大应力。,0.2产生0.2%塑性变形时的应力。,几种常见金属材料的拉伸曲线,二、硬度：材料抵抗更硬物体压入能力，也可以看作是材料对局部塑性 变形的抗力。,1.布氏硬度HB, 只适于测量硬度不高的材料 HBS450 HBW650； 不适于测量成品和薄件。,2.洛氏硬度HRC,HRB 测量有色金属，退火钢和铸铁等硬度较低 材料。,HRC 测量经过热处理后的硬度。（一般用1490N的力）,HRA 测量经过化学热处理后的表面。, 测量硬度高的薄件,3.维氏硬度HV, 测量过程比较麻烦,2.1 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,一、铁的
3、晶体结构,1.晶体：原子在空间作有规划排列的物体。,2.非晶体：原子在空间作无规划排列的物体。,3.晶格：表示晶体中原子排列形式的空间格子。,第二章铁碳合金,4.晶胞：能代表晶格特征的最小几何单元。,5.晶格常数：晶胞中各棱边的长度。,二、铁的晶体结构,具有体心立方晶格的金属有：Fe、Cr、Mo、W等,2. 面心立方晶格,1.体心立方晶格,原子数：8*1/8+1=2,致密度：晶胞中原子所占的体积与晶胞体积之比，0.68。,致密度：0.74,原子数：8*1/86*1/2=4,具有面心立方晶格的金属有：r-Fe、Al、Cu、Ni、Pb等,P13,2、结晶的条件,理论结晶温度(T0) 与实际结晶温度
4、(Tn)之差。,冷却速度越大,过冷度越大。,1、结晶的概念,结晶：物质由液态转变为晶体的过程。 （无序有序),具有一定的过冷度,过冷度：,结晶的必要条件：,三、铁的结晶过程,P12,金属的结晶就是金属液态转变为晶体的过程。, 长大率：单位时间内晶核长大的长度。,4、晶粒大小及其影响因素, 形核率：单位时间内单位体内形成的晶核数。,1）影响因素, 变质处理（孕育处理）：增加外来晶核细化晶粒的方法, 增大过冷度,2） 细化晶粒的方法, 振动结晶：将技晶打碎，成为新的晶粒。,什么条件或情况下的晶粒细化方法？ 金属结晶或凝固情况下的晶粒细化方法。,四、铁的同素异晶转变,1.同素异晶转变随着温度的改变，
5、固态金属的晶格也随之改变的现象 。,2.主要特点, 也是一个结晶的过程。（由一种排列方式 转变为另一种排列方式）遵循结晶的基本规律（二次结晶，重结晶）。, 形核只能在一定的地方形成（晶界、特定的晶面）, 过冷倾向大, 伴随体积的变化引起较大的内应力（组织应力）,P14,组元：组成合金的元素，或独立的基本单元。,合金：以一种金属为基础，加入其它金属元素或非金属元素，经过熔合而成的具有金属特性的物质。,一、基本概念,相：合金中具有相同成分和相同结构（相同聚集状态）的 均 匀部分。,2.2 铁碳合金的基本组织,组织：是指合金中一个或多个相的形貌及各相的分布状态。,P15,P15 综合,1.固溶体：是
6、指在固体合金出现的一种相，在这个相中以一个元素为溶剂，以一种以上的元素为溶质，它的成份在一定的范围内可以变化、并且该相的晶体结构为溶剂的晶体结构。,二、合金的结构,根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，可将固溶体分为：,置换固溶体B置换了晶格中A的位置。,间隙固溶体 B存在A晶格的间隙中。,特点 ：,使合金的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。 （这种现象称为固溶强化： 因形成固溶体而引起合金 强度、硬度升高的现象）。,例：Fe，Fe,例： CuNi 合金,P16 综合,铁碳合金中的固溶体,1)铁素体(F)C在Fe中形成的间隙固溶体,晶格形式：体心立方,溶解度：727 0.0218%C 室温 0.
7、0008%C,性能：与纯铁相似，,常作为钢的基体,溶解度： 727 0.77%C，1148 2.11%C,性能：具有高的塑性。,一般存在于高温,常作为锻造组织。,2)奥氏体(A)C在Fe中形成的间隙固溶体,晶体形式：面心立方,P16,2.金属化合物：金属化合物是各组元按一定整数比结合而成、并具有金属性质的均匀物质 。,3.机械混合物：,由两种或两种以上不同晶体结构的合金相按固定比例所组成的组织。, 具有高的熔点和硬度、脆性大作为合金的强化相。, 晶体结构不同于组元,特点：,C HB:3 六方,Fe HB:80 体心,例：,Fe3C HB:800 斜方, 保留各组元自己的晶格类型。,特点：, 性
8、能介于各组元之间并取决于各组元的形状、大小、数量和分布。,P17,金属性质是指具有良好的导电性和导热性及金属的光泽。,铁碳合金中的机械混合物,成分：0.77%C,性能：综合机械性能较高,高温莱氏体(Ld)727以上，A+Fe3C,性能：硬而脆 无利用价值。,低温莱氏体(Ld)727以下， P+Fe3C,1）珠光体(P)F和Fe3C组成片层相间的机械混合物,2）莱氏体,二、状态图分析,C：共晶点，降温时发生共晶反应的成分、温度点。 (1148，液相成分为4.3%C),E：共晶反应时，从液相中同时析出A相的成分及碳在Fe(A)的最大溶解度 （2.11%C）。,1、点分析,G：纯铁中A与F的同素异构
9、点(912)。,S：共析反应点，降温时A发生共析反应的成分与温度。 (727，奥氏体的成分为0.77%C),P：共析反应时，析出F的成分及在912以下F中的最大溶解度（0.02%C)。,Q：室温下F中碳的最大溶解度（0.0008%C）。,A：纯铁的熔点(1538 ) 。,P19,ACD： 液相线,AECF：固相线,ES：A冷却时析出Fe3C的开始线（Acm）。,GS：A冷却时析出F的开始线（A3）。,ECF：共晶线,2、线分析,PSK：共析反应线（A1）。,PQ：C在F中溶解度曲线(降温时脱溶析出Fe3C点状或不连续网状 Fe3C棒状),共晶反应：一定成分的合金，在一定温度下，从液相中同时析出
10、两种不同固相的过程。,共析反应：一定成分的合金，在一定温度下，同时从一种固相析出两种新固相的过程。,3.区域分析,L,L+A,L+Fe3C,A,A+Fe3C,A+F,F+Fe3C,F,铁素体：含碳量的范围为小于0.020%C。 （工业纯铁） 铁素体加珠光体：含碳量的范围为0.0200.77%C。 （亚共析钢） 珠光体：含碳量的范围为0.77%C。 （共析钢） 珠光体加渗碳体：含碳量的范围为0.772.11%C （过共析钢）,三、结晶过程,(1)共析钢 ,(2)亚共析钢 ,(3)过共析钢 ,4.结晶过程（钢）,5.铁碳相图的组织分区,在临界温度以下尚未转变的奥氏体(尚未发生转变， 并存在于非奥氏
11、体区的奥氏体),1) 过冷奥氏体：,2) 珠光体： 形成条件：是奥氏体冷却至Ar1550扩散转变所形成的产物。 组织形态：是F和Fe3C片层相间的机械混合物。,2.奥氏体冷却转变的产物,根据冷却到不同的温度，产物形成不同的片间距以将珠光体分为：,珠光体的性能随片间距减小其强度和硬度升高，而塑性和韧性有所降低。,3）贝氏体 ( B ),根据转变温度和转变产物的形态不同分为：,上贝氏体B上 ： 形成条件：在550350进行等温冷却。 组织形态：在含碳量过饱和的F晶界上分布着短棒状的 渗碳体，机械性能差，无实际用途。,下贝氏体B下 ： 形成条件：在350Ms进行等温冷却。 组织形态：在含碳量过饱和的
12、F上分布着颗粒状的 渗碳体，综合机械性能较好。,冷处理：将淬火后的工件放在0以下继续冷却，使A转变成M的方法。,4) 马氏体(M)：,组织形态：是C在-Fe中极度过饱和的固溶体。,形成温度：MsMf 。其中: Ms为马氏体转变的开始温度， Mf 为马氏体转变的结束温度。,马氏体的性能：具有高硬度，但韧性很差。,连续冷却时马氏体的转变：,临界冷却速度(VK)为过冷奥氏体获得全部马氏体(包括少量A )的最低冷却速度。,P26,4.2 钢的热处理工艺,3.2 钢的热处理工艺,一、退火,1. 目的, 降低硬度，改善切削加工性。, 消除应力，防止变形或开裂。,2.工艺,1)完全退火 Ac3(3050),
13、应用：常用于中碳钢和高碳亚共析钢,操作：将工件加热到Ac3(3050)后，进行充分保温，使奥氏体成分均匀化后，随炉或缓慢冷却到室温。,获得的组织：获得珠光体组织。,P26,P26,应用：主要用于过共析钢及合金工具钢。,3) 去应力退火（低温退火） Ac1以下通常为500650,应用：主要用于消除铸件、锻件、焊接件或切削加工过程中残留的应力。,2)球化退火 Ac1(2030),（不完全退火）,操作：将工件加热到Ac1(2030)后，进行长时间保温，使片状渗碳体球化后，随炉或缓慢冷却到室温。,操作：将钢件随炉缓慢加热(100150h)至500650 (1)，经一段时间保温后，随炉缓慢冷却(5010
14、0h) 至300 200以下出炉。,获得的组织：获得球状的渗碳体+球光体。,获得的组织：没有改变钢件原有的组织。,二、正火,二、正火,1.目的与应用：,2.工艺,将钢件加热至c3(亚共析钢)或ccm(过共析钢)以上3050， 保温后从炉中取出，在空气中冷却的一种操作。,作为普通结构零件的最终处理。（中碳钢）,适当提高低碳钢和低碳合金钢的硬度，便于切削加工。,消除过共析钢中的网状Fe3C, 为球化退火作好组织准备。,Accm在热处理中只在这里起作用,P27,四、回火,1.目的, 稳定尺寸；, 降低脆性，消除或减少内应力；, 调整强韧性，获得零件所需性能。,2.操作：将淬火后的钢件加热到AC1以下
15、的某一温度，经保温一定时间后缓慢冷却。,P28,五、表面热处理,1. 表面淬火（改变零件表面的组织使钢件表面淬硬，而心部仍保持未淬火前 的组织和性能；使零件表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳强度而心部具有高的韧性和塑性）,1) 感应加热表面淬火,电磁感应, 原理,集肤效应, 特点：,加热迅速、效率高，能获得高质量的表面层，易实现机械化和自动化，但设备费用高，维修安装困难。主要用于旋转体工件的大批量生产。,2) 火焰加热表面淬火,特点：,设备简单，容易操作，灵活性较大，但淬火质量不够稳定。主要用于单件小批生产及大型工件的表面淬火。,2.化学热处理,（通过改变钢表层的化学成分来改变钢表层组织，使零件表面具有比表面淬火更高的硬度，耐磨性和疲劳强度以及许多特殊性能）,1) 基本过程, 化学介质分解成活性原子；, 活性原子被工件表面吸收形成固溶体或化合物；,2) 方法, 渗碳（将碳原子渗入到低碳钢零件的表层）, 活性原子向工件心部扩，形成一定深度的扩散层。, 渗氮（氮化）（将氮原子渗入钢件的表层）,3. 表面淬火、渗碳和渗氮三种方法的比较,不锈钢,耐热钢,耐磨钢,
