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1、金属材料与热处理,专 业：09机电/09高数 主讲教师：,第一章：金属的结构与结晶 1-1金属的晶体结构 学习目的：了解金属的晶体结构。 重点：有关金属结构的基本概念： 晶面、晶向、晶体、晶格、单晶体、晶体，金属晶格的三种常见的类型。 难点：金属的晶体缺陷及其对金属性能的影响。,2-1金属的晶体结构,一、晶体与非晶体 1、晶体：所谓晶体是指其原子（离子或分子）在空间呈规则排列的物体。 （晶体内的原子之所以在空间是规则排列，主要是由于各原子之间的相互吸引力与排斥力相平衡的结果。）原子在空间呈规则排列的固体物质称为“晶体”。 2、 非晶体：在物质内部，凡原子呈无序堆积状态的（如普通玻璃、松香、树脂
2、等）。 非晶体的原子则是无规律、无次序地堆积在一起的。 二、金属晶格的类型 晶体结构的概念 1、晶格和晶胞 晶格：把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空间格子称为晶格。 晶胞：构成晶格的最基本单元。,2、晶面和晶向 晶面：点阵中的结点所构成的平面。 晶向：点阵中的结点所组成的直线。 由于晶体中原子排列的规律性，可以用晶胞来描述其排列特征。 （阵点（结点）：把原子（离子或分子）抽象为规则排列于空间的几何点，称为阵点或结点。点阵：阵点（或结点）在空间的排列方式称晶体。,晶体 晶格,晶胞 晶面 晶向 晶体规则排列示意图,金属晶格的类型 1、是指金属中原子排列的规律。 2、体心立方晶格：体心
3、立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体，并且在立方体的体中心还有一个原子。 属于这种晶格的金属有：铬Cr、钒V、钨W、钼Mo、及-铁-Fe,3、面心立方晶格：面心立方晶格的晶胞也是由八个原子构成的立方体，但在立方体的每个面上还各有一个原子。 属于这种晶格的金属有：Al、Cu、Ni、Pb（Fe）等,4、密排六方晶格：由12个原子构成的简单六方晶体，且在上下两个六方面心还各有一个原子，而且简单六方体中心还有3个原子。 属于这种晶格的金属有铍（Be）、Mg、Zn、 镉（Cd）等。,三、单晶体与多晶体 1、晶粒：金属是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的小晶体组成的，小晶体称为晶粒。 2、晶界：晶
4、粒间交界的地方称为晶界。 3、单晶体：只由一个晶粒组成的晶体。（晶格排列方位完全一致。必须人工制作，如单晶硅。） 4、多晶体：整个物体是由许多杂乱无章的排列着的小晶体组成的。（普通金属材料都是多晶体） 四、晶体的缺陷 1、晶体缺陷：晶体中出现的各种不规则的原子堆积现象。 1）空位、间隙原子和置代原子 晶体中的空位、间隙原子、杂质原子都是点缺陷。,2）位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的位错 局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。 （ 线缺陷）,3）晶界和亚晶界,【小结】学生总结本次课的内容 【作业】P11/1、2、3,1-1纯金属的结晶,学习目的：掌握金属结晶的概
5、念，纯金属冷却曲线、及过冷度。 掌握纯金属的结晶过程。 熟悉掌握晶粒大小对金属力学性能的影响及常用细化晶粒的方法。 同素异构转变的概论，掌握铁的同素异构转变式。 教学重点与难点： 细化晶粒的方法及晶粒大小对力学性能的影响是教学的难点。 纯金属冷却曲线及过冷度是教学重点。,教学过程。,复习旧课： 1、晶体结构的概念。 2、常见的三种金属晶格类型。 3、晶体的缺陷。 导入新课： 金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的固体的过程称为结晶。 一、纯金属的结晶过程 1、纯金属的冷却曲线及过冷度。 1）金属的结晶必须在低于其理论结晶温度（熔点To )下才能进行。 2）理论结晶温度和实际结晶温度之差
6、称这“过冷度”（T=To-T1）。,3）金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关。 （冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。） 2、纯金属的结晶过程 1） 在一定过冷度的条件下，金属液通过晶核形成 、晶核长大来完成其结晶过程。 二、晶粒大小对金属材料的影响 （一般室温下，细晶粒金属具有较高的强度和韧性。） 1、金属晶粒大小取决于结晶时的形核率 、长大速度。细化晶粒，则要形核率越高、长大速度越慢。 2、常用的细化晶粒的方法： A、增加过冷度 B、变质处理 C、振动处理。 三、同素异构转变 1、金属在固态下，随温度的改变有一种晶格转变为另一晶格的现象称为同素异构转变。,2、具有同素异构
7、转变的金属有：铁、钴、钛、锡、锰等。同一金属的同素异构晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母，等表示。 3、纯铁的同素异构转变： 1394 912 -Fe - Fe Fe 体心 面心 体心,4、金属的同素异构转变，也称为“重结晶”。 其与液态金属结晶有许多相似处：有一定转变温度，有过冷现象； 有潜热放出和吸收 ； 也由形核、核长大来完成。 不同处：属固态相变 ， 转变需较大的过冷度；新晶核优先在原晶界处形核；转变中有体积的变化，会产生较大内应力。 【小结】 【作业】P11 4、5、6,2-2金属的力学性能,学习目的： 理解金属材料性能（工艺性能、使用性能）的概念、分类。 掌握强度的
8、概念及其种类、应力的概念及符号。 掌握拉伸试验的测定方法；力伸长曲线的几个阶段；屈服点的概念。 教学重点与难点 1、理解力伸长曲线是教学重点； 2、强度、塑性是教学难点。,教学过程： 复习 载荷可分为：静载荷、冲击载荷、交变载荷。 内力、应力的概念。 新课： 力学性能的概念：力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的性能。 力学性能包括：强度、硬度、塑性、硬度、冲击韧性。 一、强度： 概念：金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。强度的大小用应力来表示。 根据载荷作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。 一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高
9、低的指标。 1、拉伸试样：拉伸试样的形状一般有圆形和矩形。 Do：直径 Lo：标距长度 长试样：Lo=10do 短试样：Lo=5do,力-伸长曲线： 如下图，以低碳钢为例 纵坐标表示力F，单位N；横坐标表示伸长量L，单位为mm。 （1）oe：弹性变形阶段： 试样变形完全是弹性的，这种随载荷的存在而产生，随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。Fe为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力。 （2）es：屈服阶段： 不能随载荷的去除而消失的变形称为。在载荷不增加或略有减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫做屈服。屈服后，材料开始出现明显的塑性变形。Fs称为屈服载荷,（3）sb：强化阶段： 随塑性变形增
10、大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或称加工硬化）。Fb：试样拉伸的最大载荷。 （4）bz：缩颈阶段（局部塑性变形阶段） 当载荷达到最大值Fb后，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈”。 工程上使用的金属材料，多数没有明显的屈服现象，有些脆性材料，不但没有屈服现象，而且也不产生“缩颈”。如铸铁等。 3、强度指标： （1）屈服点： 在拉伸试验过程中，载荷不增加（保持恒定），试样仍能继续伸长时的应力称为屈服点。 用符号Fel表示 ，计算公式：Fel=Fs/So 对于无明显屈服现象的金属材料可用规定残余伸长应力表示， 计算公式：0.2=F0.2/So 屈服点s和规定残余伸长应力0.2都是
11、衡量金属材料塑性变形抗力的指标。 材料的屈服点或规定残余伸长应力是机械零件设计的主要依据，也是评定金属材料性能的重要指标。,（2）、抗拉强度:b材料在断前所能承受的最大应力. b = Fb / So 注：零件在工作中所受的应力,不允许超过b,否则会断裂. 它也是零件设计选材的重要依据. 二、塑性： 断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性。塑性由拉伸试验测得的。常用伸长率和断面收率表示。 1、 伸长率： 试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。用表示： 计算公式：A=(l1-l0)/l0 100% 2、 断面收缩率： 试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比称为断面
12、收缩率。用表示 Z=(SO-S1)/SO 100% 金属材料的伸长率（）和断面收缩率（）数值越大，表示材料的塑性越好。 例、有一直径dO=10mm，lo=100mm的低碳钢试样，拉伸验时测得FS=21KN，Fb=29KN，d1=5.65mm，l1=138mm，求：Rel、Rm、A、Z。,解：（1）计算SO，S1 S0=d02/4 =3.14102/4=78.5mm2 S1=d12/4 =3.145.652/4=25mm2 （2）计算s、b Fel=FS/SO=21103/78.5 =267.5Mpa Fm= Fb/SO=29103/78.5 =369.4Mpa （3）计算A、Z A=(l1-l
13、0)/l0100%=(138-100)/100100%=38% Z=(S0-S1)/S0100%=(78.5-25)/78.5100%=68% 小结：抗拉强度是零件设计选材的重要依据. A、Z的值越大，表示材料的塑性就越好。 作业：P32 3、4、5,2-2金属的力学性能,学习目的：了解疲劳强度的概念。 掌握布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度的概念、硬度测试及表示的方法。 掌握冲击韧性的测定方法。 教学重点与难点 布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度的概念、硬度测试及表示的方法。,2-2金属的力学性能 教学过程： 复习：强度、塑性的概念及测定的方法。 新课： 一、硬度 材料抵抗局部变形特别是塑性变形压痕或划
14、痕的能力称为硬度。（是衡量材料软硬程度的指标） 根据硬度的试验方法可以把硬度分为：布氏硬度试验方法、洛氏硬度试验方法、维氏硬度试验方法。 1、布氏硬度 （1）布氏硬度的测试原理：用一定直径的球体（钢球或硬质合金），以规定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，然后用测量表面压痕直径来计算硬度。 用HBS（HBW）表示，S表示钢球、W表示硬质合金球 当F、D一定时，布氏硬度与d有关，d越小，布氏硬度值越大，硬度越高。 （2）布氏硬度的表示方法：符号HBS之前的数字为硬度值符号后面按以下顺序用数字表示条件：1）球体直径；2）试验力；3）试验力保持的时间（1015不标注）。 应用范围：主要
15、适于灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不高的材料。 缺点：耗时，测高硬度材料有限，压痕大，不宜成品及薄件,布氏硬度试验原理图 洛氏硬度试验原理图,练习、 170HBS10/100/30 530HBW5/750 （1）表示用直径10mm的钢球，在9807N的试验力作用下，保持30S时测得的布氏硬度值为170。 （2）表示用直径5mm的硬质合金球，在7355N的试验力作用下，保持105s时测得的布氏硬度值为530。 2、洛氏硬度 （1）测试原理： 采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头，压入金属表面后，经规定保持时间后即除主试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。 表示符号：HR （2）标尺及其适用范围：
16、 每一标尺用一个字母在洛氏硬度符号HR后面加以注明。常用的洛氏硬度标尺是A、B、C三种，其中C标尺应用最为广泛。 见表：P21 2-2 不同标尺的洛氏硬度值不能直接进行比较，可换算。 表示方法：符号HR前面的数字表示硬度值，HR后面的字母表示不同洛氏硬度的标尺。 （3）优缺点： 优点：操作简单迅速，能直接从刻度盘上读出硬度值；压痕小，可测成品及较薄工件；测硬度范围大。 缺点：数值波动大,3、维氏硬度。 （1）原理： 与布氏硬度试验相同。测量压痕对角线长度，从表中查出。 表示：与布氏硬度相同。 如：640HV30 表示用294.2N试验力，保持10S15S测定的维氏硬度值为640。 （2）可测较薄的材料
