《金属材料及其热处理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属材料及其热处理（83页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、机械制造基础机械制造基础制造科学与工程学院金工教研室 梅筱琴金金属属材料及其材料及其热处理理第一讲第一讲 金属材料及其热处理金属材料及其热处理l金属材料是现代机器制造的基础性能决定工艺性好l很少用纯金属，多用合金材料性能决定l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一、金属材料的主要性能一、金属材料的主要性能l物理性能物理性能密度、熔点、热膨胀、导热、导电、磁性等等l化学性能化学性能耐酸、耐碱、抗氧化性等等l力学性能力学性能强度与塑性硬度韧性疲劳强度l工艺性能工艺性能热处理、铸造、锻造、焊接、切削加工性能l使用性能？使用性能？1.力学性能强度力学性能强度l金属材料抵抗
2、外力引起的塑性变形和断裂的能力l拉伸实验低碳钢的拉伸曲线拉伸试样1.力学性能强度力学性能强度其它其它塑性材料塑性材料的的拉伸曲线拉伸曲线脆性材料脆性材料的的拉伸曲线拉伸曲线1.力学性能强度力学性能强度l强度屈服强度：sFs/A0抗拉强度：bFb/A0条件屈服强度：0.2l产生0.2塑性变形时的应力值l用于没有明显屈服现象的金属材料l强度强度是一般机器零件和构件是一般机器零件和构件设计选材设计选材的主要依据的主要依据2.力学性能塑性力学性能塑性l塑性金属材料产生塑性变形而不破坏的能力伸长率 (L1-L0)/L0X100%断面收缩率 = (S1-S0)/S0X100%l塑性塑性是是承受动载荷（交变
3、载荷）承受动载荷（交变载荷）零件选材的依据之一零件选材的依据之一为避免超载而引起的突然断裂，要求其具有一定的塑性为避免超载而引起的突然断裂，要求其具有一定的塑性l塑性塑性是金属材料进行各种是金属材料进行各种压力加工压力加工的的必要条件必要条件3.力学性能硬度力学性能硬度l硬度材料表面抵抗外力，不产生局部塑性变形（压痕）的能力影响材料的影响材料的耐磨性耐磨性和和切削加工性能切削加工性能l度量方法布氏硬度（布氏硬度（HB）洛氏硬度（洛氏硬度（HR）维氏硬度（维氏硬度（HV）(1)布氏硬度（布氏硬度（HB）l采用直径为采用直径为D的钢球或硬质合金球作的钢球或硬质合金球作压头压头钢球仅用于测量HB45
4、0以内的材料（HBS）硬质合金球用于测量HB650以内的材料（HBW）l特点特点稳定可靠零件表面被破坏，不用于成品l应用应用各种退火状态下的钢材、铸铁、有色金属等(2)洛氏硬度（洛氏硬度（HR）l试验原理l特点特点 （1）简便，测量迅速 （2）零件不被破坏l应用应用：工业生产(3)维氏硬度（维氏硬度（HV）HV=FPF金刚石HV 10000，为标准度量各种硬度值之间没有直接的换算公式，需要时可查表进行换算4.力学性能韧性力学性能韧性l韧性金属材料抵抗冲击载荷，断裂前吸收能量的能力冲击韧性K KAK/S影响因素太多，仅作参考5.力学性能疲劳强度力学性能疲劳强度l疲劳强度材料在周期性/非周期性动载
5、荷作用下，经受无数次应力循环而不发生疲劳断裂的能力断裂破坏应力远低于强度极限疲劳断裂的主要原因l内部缺陷杂质微裂纹l表面划痕l缺陷扩展l“刚性”是什么？二、金属的晶体结构与结晶二、金属的晶体结构与结晶l晶体固定的熔点、沸点为什么会有固定的熔点、沸点？l金属是不是晶体？水、CO2、O2、NaCll晶体的三个特征：晶体的三个特征：(1)晶体有整齐规则的几何外形晶体有整齐规则的几何外形(2)晶体有固定的熔点晶体有固定的熔点(3)晶体有各向异性的特点晶体有各向异性的特点1.金属的晶格结构金属的晶格结构l内部原子（或分子）在三维空间呈规则的周期性重复排列的固态物质l晶体与晶格晶胞晶胞-晶格最小组成单元晶
6、格最小组成单元常见的晶格类型常见的晶格类型l体心立方晶胞体心立方晶胞属于此类晶格的有：Fe、Fe、Cr、W、Mo、V、铌等约30种金属常见的晶格类型常见的晶格类型l面心立方晶胞面心立方晶胞属于此类晶格的有： Fe、Cu、Au、Al、Ag、Ni、Pt等约20种金属常见的晶格类型常见的晶格类型l密排六方晶胞密排六方晶胞属于此类晶格的有：Ti、Zn、Cd、Mg、Be等金属2.金属的结晶金属的结晶l金属结晶的条件金属结晶的条件过冷度过冷度理论结晶温度与实际结晶温度之间的差 T=T0-Tn过冷度越大，冷却速度越快，过冷度越大，冷却速度越快，结晶时间越短；反之，过冷度结晶时间越短；反之，过冷度越小，冷却速
7、度越慢，结晶时越小，冷却速度越慢，结晶时间越长。间越长。纯金属的冷却曲线2.金属的结晶金属的结晶l金属结晶过程金属结晶过程“形核形核”与与“长大长大”晶核的形成l自发形核自发形核：因过冷度而形成的短程有序的原子团l异质形核异质形核：外来固态质点晶核的长大 l平面长大：缓冷；金属液较纯净l树枝状长大：冷速大；有杂质l晶粒大小对金属力学性能的影响力学性能：越细越好细化晶粒的措施细化晶粒的措施：晶核多则细l快冷l孕育处理金属结晶过程3.金属（纯铁）的同素异构转变金属（纯铁）的同素异构转变l同素异构转变1538：液态固态lFe（体心）（体心）1394：固态固态lFe （面心）（面心）912：固态固态l
8、Fe （体心）（体心）l实质二次结晶（重结晶）l固态下的结晶过程l遵循结晶过程的一般规律三、铁碳合金三、铁碳合金l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l我们学习：铁碳合金组织常用钢材及其选用原则1.合金的基本组织合金的基本组织l合金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、成本低通过成分控制和热处理，在很大范围内调整其性能l组元组元构成合金的元素铁、碳、Fe3C（稳定的化合物也是组元）l相相金属中具有相同化学成分和晶格结构、有界面与其他部分分开的、均匀的组成部分l组织组织用肉眼或显微镜能观察到的金属材料的最小单元
9、-晶粒的直观形貌铁碳合金中的铁碳合金中的“相相”铁素体奥氏体珠光体珠光体二次渗碳体（1）固溶体）固溶体l间隙固溶体间隙固溶体l置换固溶体置换固溶体晶体的四种点缺陷晶体的四种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固溶强化固溶强化间隙固溶体的晶格畸变,引起材料的强度和硬度提高，塑性和韧性却没有明显变化关于合金强度的认识关于合金强度的认识l晶粒粗细影响强度越细强度硬度越高细化晶粒是冶金和热处理的目标l固溶强化晶格中混入杂质，增加变形抗力l位错强化位错是晶体内部的一种缺陷增加变形抗力位错强化示意图位错强化示意图两种线缺陷位错两种线
10、缺陷位错刃型位错的形成过程刃型位错的形成过程铁碳合金中的固溶体铁碳合金中的固溶体l铁素体Fe中溶碳l600C0.006%l727C0.021%强度硬度低l250MPal80HBS塑性好l4550与纯铁近似铁碳合金中的固溶体铁碳合金中的固溶体l奥氏体 Fe中溶碳l1148C2.11%l727C0.77%强度硬度不高塑性优良l4050易于塑性变形l压力加工时加热形成奥氏体（2）化合物）化合物l金属化合物与非金属化合物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l铁碳合金中的化合物渗碳体（Fe3C）l铁碳合金中的强化相l硬度高（800HBW）、塑性韧性很低l呈片状、球状、网状l
11、920-980C可分解： Fe3C3FeC石墨（3）混合物）混合物l铁碳合金中的机械混合物l珠光体（PF+Fe3C）铁素体渗碳体C0.77b750MPa180HBS2025呈片状（3）混合物）混合物l铁碳合金中的机械混合物l莱氏体（Ld）C%=4.3%与渗碳体性能相近：硬而脆LdA+Fe3Cl存在于727以上LdP+Fe3Cl727以下转变为珠光体与渗碳体的机械混合物2.二元合金二元合金相图相图铁碳合相图的建立的建立铁碳合金相图铁碳合金相图分析分析铁碳合金相图（简化）铁碳合金相图（全图铁碳合金相图（全图3）铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析lACD：液相线lAECF：固相线（ECF共晶线）lGS
12、（A3）：奥氏体中析出铁素体lES（Acm）：奥氏体中析出渗碳体（II）lPSK （A1） ：共析线lPQ：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铁碳合金相图（全图铁碳合金相图（全图2）铁碳合金相图（全图铁碳合金相图（全图4）ACD液相液相线铁碳合金相图（全图铁碳合金相图（全图5）AECF：固相线ECF共晶线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铁碳合金相图（全图铁碳合金相图（全图6）GS（A3）：奥氏体中开始析出铁素体铁碳合金相图（全图铁碳合金相图（全图7）ES（
13、Acm）：奥氏体中析出二次渗碳体（II）铁碳合金相图（全图铁碳合金相图（全图8）PSK （A1） ：共析线铁碳合金相图（全图铁碳合金相图（全图9）PQ：铁素体中析出三次渗碳体（III）铁碳合金相图（全图铁碳合金相图（全图2）均均匀匀、没没有有明明显晶界晶界铁碳合金相图（全图铁碳合金相图（全图2）珠光体外面有明珠光体外面有明显的的铁素体相素体相铁碳合金相图（全图铁碳合金相图（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3.典型铁碳合金组织转变典型铁碳合金组织转变l钢：C%2.11C%0.77%：过共析钢l铸铁：C%【2.116.69%】C%4.3%：过共晶铸铁共析钢的组织转变（
14、共析钢的组织转变（S）共析钢显微组织（珠光体）共析钢显微组织（珠光体）亚共析钢的组织转变亚共析钢的组织转变亚共析钢显微组织（亚共析钢显微组织（C0.2%）过共析钢的组织转变过共析钢的组织转变过共析钢的显微组织过共析钢的显微组织4.工业用钢工业用钢l按化学成分碳素钢 、 合金钢l按用途结构钢 、 工具钢 、 特殊性能钢l按质量普通钢 、 优质钢 、 高级优质钢l按脱氧程度镇静钢 、 沸腾钢工业用钢种类汇总工业用钢种类汇总碳碳素素钢碳碳素素钢结构构钢优质碳碳素素钢结构构钢碳碳素素工工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
15、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（1）碳素钢（）碳素钢（C%1.5%）lC的影响如图lP冷脆性0.045%以下lS热脆性0.05%以下lP、S衡量质量lSi、Mn有益碳素结构钢碳素结构钢lC%0.38%（0.25%以下常用）l牌号（GB700-88）：Q215/Q235/Q255 A :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（镇静钢）lQ215-AF lQ235（A3）最常用优质碳素结构钢优质碳素结构钢l(P/S)60HRCl淬透性、热硬性很差l牌号：T8A：含碳0.8，A：含PS很少的优
16、质钢l常用的碳素工具钢：T8、T10、T10A、T12（2）合金钢）合金钢l合金结构钢含碳量的万分数元素符号百分数合金含量1%不标：9Cr2 CrWMn 9SiCr W18Cr4Vl特殊性能钢：不锈钢（2Cr13、1Cr18Ni9）（3）零件选材的一般原则）零件选材的一般原则l满足工作要求物理性能化学性能机械性能l满足工艺性能要求l重视经济性四、钢的热处理四、钢的热处理l目的：改善金属材料的强度、硬度、韧性、弹性、工艺性l现代机器制造中的热处理主要针对：机床的：主轴、齿轮、床身汽车的：发动机缸体、缸盖、凸轮轴、联接轴、变速箱齿轮等其他：刃具、量具、磨具组织决决定性能演示定性能演示1.热处理基本
17、工艺热处理基本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基本工艺：基本工艺：加热加热-保温保温-冷却冷却2.常用热处理工艺常用热处理工艺l普通热处理“四火”：退火、正火、淬火、回火l表面热处理表面淬火化学热处理l渗碳、渗氮、碳氮共渗工艺原理工艺原理退火和正火退火和正火退火作用组织室温下的平衡组织种类完全退火球化退火去应力退火正火作用组织：索氏体硬度强度比珠光体高韧性相同淬火与回火淬火与回火淬火作用组织：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，脆性大回火低温回火（150250C）回火马氏体中温回火（350500C）回火屈氏体高温回火（500650C）回火索氏
18、体表面淬火表面淬火与与化学热处理化学热处理l特殊性能要求的零件表面耐磨，内部坚韧l表面淬火工艺原理用途设备：感应线圈、火焰、激光l化学热处理化学介质中加热保温表层渗碳、渗氮发蓝坚韧的基体的基体坚硬的外硬的外壳壳总结总结l金属材料的性能力学性能工艺性能物理、化学性能l金属材料的组织和性能铁碳合金的组织和性能的关系l选材原则l钢的热处理“四火”、表面热处理铁碳合金相图：随手画铁碳合金相图：随手画l1148 727l4.3 2.11 0.77l91215381227l l两个Y字当中立0.774.32.11912153872711481227这是什么这是什么“相相”铁素体素体这是什么这是什么“相相”奥奥氏体氏体这是什么这是什么“相相”珠光体珠光体还有什么还有什么“相相”l莱氏体高温莱氏体：A+Fe3C低温莱氏体：P+Fe3Cl马氏体淬火组织奥氏体中的碳来不及析出来l索氏体正火组织细化的、片层更薄的珠光体（强度硬度更高）锉刀锉刀l选材T12l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
