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1、机械制造基机械制造基础金工教研室制造科学与工程学院2007年春季学期第一第一讲 金金属属材料及其材料及其热处理理 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础第一第一讲 金金属属材料及其材料及其热处理理现代机器以金属材料为基础性能决定工艺性好很少用纯金属，多用合金材料性能决定了解金属材料，有助于理解工艺方法的实质合理选择零件材料及其生产工艺 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础第一第一讲 金金属属材料及其材料及其热处理理工程材料是人类社会赖以生存和发展重要物质基础工程材料的分类金属材料、非金属材料、复合材料现代机器以金属材料为基础使用性能满足大多数要求工艺性好很少用纯金属，多用合金材料
2、:性能决定了解金属材料，有助于理解工艺方法的实质合理选择零件材料及其生产工艺材料的性能：以金属材料的性能为例 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础汽汽车上上的的材材料料 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础工程材料工程材料金金属属材料材料非金非金属属材料材料黑色金黑色金属属有色金有色金属属无机材料无机材料有机材料有机材料轻金金属属重金重金属属复复合材料合材料 2004 金工教研室机械制造基机械制造
3、基础础一、金一、金属属材料的主要性能材料的主要性能力学性能强度与塑性硬度韧性疲劳强度其它性能物理、化学及工艺性能 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础力力学学性能性能拉伸实验 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础塑性材料和脆性材料塑性材料和脆性材料塑性材料塑性材料脆性材料脆性材料 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础力力学学性能性能强度金属材料抵抗外力引起的塑性变形和断裂的能力屈服点：s抗拉强度：b塑性金属材料产生塑性变形而不破坏的能力延长率、断面收缩率 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础力力学学性能性能硬度：抵抗外力不产生局部塑性变形（压痕）的能力衡量金属软
4、硬程度影响耐磨性、切削加工性度量方法布氏硬度（HB）洛氏硬度（HR）维氏硬度（HV）：金刚石10000为标准度量 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础布氏硬度（布氏硬度（HB）稳定可靠仅用于测量HB450以内的材料不用于成品硬质合金压头（HBS）金刚石压头（HBW） 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础洛氏硬度（洛氏硬度（HR） 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础维氏硬度（氏硬度（HV）HV=FPF 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础力力学学性能性能韧性金属材料断裂前吸收的能量冲击韧性影响因素太多，仅作参考 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础力力学
5、学性能性能疲劳强度周期性/非周期性动载荷下断裂破坏应力远低于强度极限原因杂质表面划痕微裂纹缺陷扩展 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础其其它它性能性能物理性能密度、熔点、热膨胀、导热、导电、磁性对工艺性有影响化学性能常温/高温下抵抗介质腐蚀的能力耐酸、耐碱、抗氧化性能工艺性能：非常重要热处理、铸造、锻造、焊接、切削加工性能 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础二、二、铁碳碳合金合金制造机器设备的主要金属材料：钢、铸铁铁（Fe）碳（C）铁含量 95，但是决定性能的是碳我们学习：纯铁的晶体结构铁碳合金组织常用钢材及其选用原则（铸铁稍后介绍） 2004 金工教研室机械制造基机械制造
6、基础础发表意表意见你见过哪些晶体材料？晶体有哪些特别的现象？金属是晶体吗？ 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础纯铁的晶体的晶体结构构金属结晶过程：晶核形成与成长过冷冷却速度晶核自发外来晶粒细力学性能好晶核多则细快冷则细孕育处理结晶晶过程演示程演示 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础晶格晶格 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础晶胞晶胞 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础纯铁的晶体的晶体结构构体心立方晶胞 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础纯铁的晶体的晶体结构构面心立方晶胞 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础还有一有一种种晶胞晶胞结构构
7、2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础纯铁的同素的同素异构异构转变1538：液态固态Fe1394：固态固态Fe912：固态固态Fe二次结晶（重结晶）固态下的结晶过程与固液结晶规律相同 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础铁碳碳合金的基本合金的基本组织合金：两种或两种以上金属非金属元素熔和，构成具有金属特性的物质强度硬度较高、成本低通过成分和热处理在很大范围内调整其性能组元：构成合金的元素铁、碳、Fe3C（稳定的化合物也是组元）相：晶格相同、有界面分开 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础铁碳碳合金相合金相图中的相中的相铁素体素体珠光体珠光体渗渗碳碳体体莱莱氏体氏体钢铁分界
8、分界线 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础相相图的建立的建立 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础铁碳碳合合状状态图的建立的建立 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础固溶体固溶体 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础间隙固溶体的晶格畸隙固溶体的晶格畸变固溶体固溶体与与固溶强化固溶强化 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础晶体的四晶体的四种种点缺陷点缺陷空位空位同同类原原子的子的间隙原子隙原子异异类原原子的子的间隙原子隙原子异异类原原子的置子的置换原子原子 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础关关于合金强度的于合金强度的认识晶粒粗细影响强度越细强
9、度硬度越高细化晶粒是冶金和热处理的目标固溶强化晶格中混入杂质，增加变形抗力位错强化位错是晶体内部的一种缺陷增加变形抗力 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础位位错强化示意强化示意图 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础两种两种线缺陷位缺陷位错刃型位错的形成过程刃型位错的形成过程 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础面缺陷面缺陷 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础铁碳碳合金中的固溶体合金中的固溶体铁素体Fe中溶碳6000.006%7270.021%强度硬度低250MPa80HBS塑性好4550与纯铁近似 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础铁碳碳合金中的
10、固溶体合金中的固溶体奥氏体 Fe中溶碳11482.11%7270.77%强度硬度不高塑性优良4050易于塑性变形压力加工时加热形成奥氏体 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础铁碳碳合金中的化合物合金中的化合物金属化合物与非金属化合物金属化合物具有复杂晶格、硬而脆FeS、MnS：非金属杂质渗碳体（Fe3C）铁碳合金中的强化相硬度高（800HBW）、塑性韧性很低呈片状、球状、网状可分解： Fe3C3FeC石墨 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础铁碳碳合金中的机械混合物合金中的机械混合物珠光体（PF+Fe3C）铁素体渗碳体C0.77b750MPa180HBS2025呈片状 2004
11、 金工教研室机械制造基机械制造基础础铁碳碳合金中的机械混合物合金中的机械混合物莱氏体（Ld）C%=4.3%与渗碳体性能相近：硬而脆LdA+Fe3C存在于727以上LdP+Fe3C727以下转变为珠光体与渗碳体的机械混合物 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础高高温莱温莱氏体氏体 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础低低温莱温莱氏体氏体 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础铁碳碳合金相合金相图 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础状状态图分析分析A C D E F G S P Q 的意义 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础状状态图分析分析ACD：液相线A
12、ECF：固相线（ECF共晶线）GS（A3）：奥氏体中析出铁素体ES（Acm）：奥氏体中析出渗碳体（II）PSK （A1） ：共析线PQ：铁素体中析出渗碳体（III）查看看铁碳碳合金相合金相图查看看查看看查看看铁碳碳合金相合金相图查看看查看看查看看 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础钢和和铁的分界：的分界：C%=2.11钢：C%2.11C%0.77%：过共析钢铸铁：C%【2.116.69%】C%4.3%：过共晶铸铁 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础共析共析钢的的组织转变（S） 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础共析共析钢显微微组织（珠光体）（珠光体） 2004 金
13、工教研室机械制造基机械制造基础础亚共析共析钢的的组织转变 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础亚共析共析钢显微微组织（C0.2%） 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础过共析共析钢的的组织转变 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础过共析共析钢的的显微微组织 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础工工业用用钢按化学成分碳素钢 、 合金钢按用途结构钢 、 工具钢 、 特殊性能钢按质量普通钢 、 优质钢 、 高级优质钢按脱氧程度镇静钢 、 沸腾钢 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础工工业用用钢种种类汇总碳碳素素钢碳碳素素结构构钢优质碳碳素素结构构钢碳碳素素工工
14、具具钢合金合金钢合合金金结构构钢特特殊殊性性能能钢合合金金工工具具钢低合金低合金结构构钢渗渗碳碳钢调质钢弹簧簧钢滚动轴承承钢刃具刃具钢模具模具钢量具量具钢不不锈钢耐耐热钢耐磨耐磨钢其其它它 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础碳碳素素钢（C%1.5%）C的影响如图P冷脆性0.045%以下S热脆性0.05%以下P、S衡量质量Si、Mn有益 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础碳碳素素结构构钢C%0.38%（0.25%以下常用）GB700-88规定Q215/Q235/Q255:屈服极限215/235/255MpaA普通；B/C/D优质，含P/S较少未完全脱氧F（沸腾钢）完全脱氧Z（
15、镇静钢）Q215-AF Q235（A3）最常用 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础优质碳碳素素结构构钢(P/S)60HRC淬透性、热硬性很差国标规定T8A：含碳0.8，A：含PS很少的优质钢T8、T10、T10A、T12常用 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础合金合金钢合金结构钢含碳量的万分数元素符号百分数合金含量1.5%不标高级优质钢A16Mn 20Cr 40Mn2 30CrMnSi 38CrMoAlA合金工具钢含碳量含碳量的千分数元素符号百分数含碳量1%不标：9Cr2 CrWMn 9SiCr W18Cr4V特殊性能钢：不锈钢（2Cr13、1Cr18Ni9） 2004 金
16、工教研室机械制造基机械制造基础础零件零件选材的一般原材的一般原则满足工作要求满足工艺性能要求重视经济性 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础三、三、钢的的热处理理目的：强度、硬度、韧性、弹性、工艺性讨论：现代机器中的热处理机床中汽车中刃具、量具、磨具改变？外形？组织？ 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础热处理工理工艺温温度度时间临界界温温度度保保温温冷却冷却加加热 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础热处理工理工艺方法方法普通热处理“四火”：退火、正火、淬火、回火表面热处理表面淬火化学热处理渗碳、渗氮、碳氮共渗 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础工工艺原理原
17、理 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础退火和正火的加退火和正火的加热温温度范度范围退火目的种类正火用途索氏体硬度强度比珠光体高韧性相同 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础退火加退火加热温温度范度范围 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础淬火淬火与与回火回火马氏体（M）C原子来不及从A中渗出过饱和C使晶格严重畸变硬度高低温回火中温回火高温回火 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础表面淬火表面淬火与与化化学学热处理理表面耐磨，内部坚韧表面淬火工艺原理用途设备：感应线圈、火焰、激光化学热处理化学介质中加热保温表层渗碳、渗氮坚韧的基体的基体坚硬的外硬的外壳壳 200
18、4 金工教研室机械制造基机械制造基础础总结金属材料的性能铁碳合金组织选材原则钢的热处理 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础铁碳碳合金相合金相图：随随手手画画1148 7274.3 2.11 0.7791215381227 两个Y字当中立0.774.32.11912153872711481227 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础这是什是什么么“体体”铁素体素体 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础这是什是什么么“体体”奥奥氏体氏体 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础这是什是什么么“体体”珠光体珠光体 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础还有什有什么
19、么“体体”莱氏体高温莱氏体：A + Fe3C低温莱氏体：P + Fe3C马氏体淬火组织奥氏体中的碳来不及跑出来索氏体正火组织细化的、片层更薄的珠光体（强度硬度更高） 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础锉刀刀选材T12工艺过程锻造锻造退火退火机械加工机械加工淬火淬火低温回火低温回火热处理热处理热处理热处理热处理热处理 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础作作业！作业：（1）习题集：一 判断题，1，2，21（2）教材p9（45题），26（18题），3 2（56题）思考：（1）教材 p9（13题），32（14，7题）（2）含碳量分别为0.2、1.0、3.0的钢铁在室温下的组织 20
20、04 金工教研室机械制造基机械制造基础础铁碳碳合金相合金相图（全（全图1）铁素体素体珠光体珠光体渗渗碳碳体体莱莱氏体氏体钢铁分界分界线两个两个单相之相之间是混合相是混合相 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础铁碳碳合金相合金相图（全（全图2） 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础铁碳碳合金相合金相图（全（全图3） 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础铁碳碳合金相合金相图（全（全图4）ACD液相液相线 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础铁碳碳合金相合金相图（全（全图5）AECF：固相线ECF共晶线 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础铁碳碳合金相合金相图
21、（全（全图6）GS（A3）：奥氏体中开始析出铁素体 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础铁碳碳合金相合金相图（全（全图7）ES（Acm）：奥氏体中析出二次渗碳体（II） 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础铁碳碳合金相合金相图（全（全图8）PSK （A1） ：共析线 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础铁碳碳合金相合金相图（全（全图9）PQ：铁素体中析出三次渗碳体（III） 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础铁碳碳合金相合金相图（全（全图2）均均匀匀、没没有有明明显晶界晶界 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础铁碳碳合金相合金相图（全（全图2）珠光体外
22、面有明珠光体外面有明显的的铁素体相素体相 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础铁碳碳合金相合金相图（全（全图2）珠光体外面有明珠光体外面有明显的的网状网状渗渗碳碳体体 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础常用非金常用非金属属材料材料简介介纳米材料复合材料功能材料超塑性合金超导材料 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础纳米材料的常米材料的常识 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础碳碳纳米管制作的米管制作的纳米米齿轮模型模型 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础纳米材料米材料学学1nm=10-9m1nm:1M - 相当于乒乓球与地球之比当材料的颗粒缩小到几到
23、几十纳米时，材料的性质将发生意想不到的变化碳纳米管强度比钢高100倍，重量是钢的1/6，且导电性怪异化学性质稳定的材料会发生爆炸纳米陶瓷可弯曲180o在电场作用下发出各种颜色的光 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础纳米材料的米材料的研研究及究及应用用领域域电子信息技术高密度信息储存CPU：AMD的K8；Inter的P4和PM（90纳米制程）航空、航天及机械建筑领域航天器、卫星、飞船、汽车、船舶、桥梁等北京大剧院的外墙医学领域微细诊疗器能源高存储容量的电池 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础纳米材料的不安全性米材料的不安全性对环境纳米材料的回收与处理对环境的影响存在未知风险对
24、人体与疾病有关的纳米颗粒污染早已存在，如矽肺 纳米技术在医学中存在未知风险纳米技术在药物中存在未知风险纳米技术在日常生活用品中的潜在风险 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础扫描描电子子显微微镜下的下的纤维表面表面 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础碳碳纳米管米管纤维 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础纳纳米米机机器器人人在在清清理理血血管管中中的的有有害害堆堆积积物物 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础美美军新作新作战服系服系统(纳米材料米材料) 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础TAG新型新型复复合合材料无人材料无人飞机机 2004 金工教研
25、室机械制造基机械制造基础础思思 考考纳米材料和纳米技术距离我们有多远？纳米材料与洪水猛兽 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础复复合材料合材料两种/多种不同性质的材料组合而成层叠叠长纤维颗粒粒 关关于梯度材料于梯度材料 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础功能材料功能材料非晶态金属金属玻璃：原子无序排列强度、硬度、延展性、耐腐蚀、软磁性形状记忆合金智能材料用途：冰箱的温度开关，牙齿矫形、F14敏感材料：热、力、气、声、光、磁光学功能材料：光缆、光信息技术 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础超塑性合金超塑性合金条件极低变形速度温度均匀晶体结构观看示例 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础超超导材料材料条件临界温度以下关于高温超导讨论超导的用途产业化的关键 2004 金工教研室机械制造基机械制造基础础
