第一篇金属材料的基本知识

课程名称：机械制造基础教材名称：金属工艺学(邓文英等编)自我介绍:主讲课程：金属工艺学科研方向：1.金属材料的失效分析2.高温高压设备的安全评估3.新材质的开发与钢的热处理金属工艺学介绍主要包括五方面内容：一．金属材料的基础知识；二．铸造＿由液体金属成形的方法；三．金属塑性加工＿由固体金属成形的方法；四．焊接＿金属间永久性连接；五．冷加工＿使零件获得一定形状和尺寸。建议学习方法：1.理解和记忆名词术语；2.注意章节的联系；3.多看书，认真听；4.每节课会留出10分钟时间答疑；5.一定注意现在企业的需要；6.课堂上最后都讲的一些示例都是目前企业用的。第一章金属材料的主要性能第一节金属材料的力学性能P5(PropertiesofMetalMaterial)金属材料的力学性能又称机械性能。金属材料主要力学性能有：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。用于衡量静载荷作用下的力学性能指标有：强度、塑性、硬度等。一、强度与塑性（StrengthandPlasticity）金属材料的强度和塑性是通过拉伸试验测定的。(名称见课本P5表1-1)（1）强度强度定义：是金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。屈服强度σs：σs＝Fs/A0Fs:试样发生屈服时所承受的最大载荷，N；A0：试样原始截面积，mm2抗拉强度σb：σb＝Fb/A0Fb：试样在拉断前所承受的最大载荷，NA0：试样原始截面积，mm2注意：σs、σb为工程设计上常使用的指标，通常σs作为强度设计依据，但是脆性材料常以σb作为强度计算依据。（2）塑性塑性定义：是金属材料在力的作用下，产生不可逆永久变形的能力。常用衡量指标：伸长率δ和断面收缩率ψ伸长率δ：δ＝(L1－L0)/L0L1－试样拉断后的标距长度，mmL0－试样原始的标距长度，mm断面收缩率ψ：ψ＝(A0－A1)/A0A0、A1：试样拉断前后的横截面积。注意：δ和ψ数值越大，塑性越好二、硬度Hardness硬度定义：是金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕、划痕的能力。是衡量金属软硬的指标。硬度直接影响金属材料的耐磨性，影响切削加工或其它工艺性能。分类：据测试方法不同分为布氏硬度Brinell和洛氏硬度Rockwell（1）布氏硬度HB用钢球为压头：记为：HBS,常用范围HBS﹤450（用于灰铸铁、软钢和非铁合金的硬度测试）。布氏硬度压痕大，硬度值较稳定，测试数据重复性好，但较费时，压痕大，破坏成品表面，适用于非成品检验。用硬质合金为压头：HBW表示，较少用。（2）洛氏硬度测量方法：见图1-4洛氏硬度的测量HRC应用最广，范围是20～70，另外还有HRA、HRB见课本P8表1-2和P9表1-3洛氏硬度测试简单、迅速、因压痕小、不损伤零件，可用于成品检验。其缺点是硬度重复性较差，需要在不同部位测量数次。注意：布氏硬度适用于硬度较低值，比如结构钢；洛氏硬度适用于硬度较高值，比如模具、工具钢。三、韧性ImpactToughness韧性定义：是金属材料断裂前吸收变形能量的能力。常用衡量指标：冲击韧度ak（J/cm2）ak＝Ak/SAk－冲断试样所用的冲击功S－试样缺口处的横截面积举例：大庆油田的奔驰重卡低温脆断（低温冲击韧性）四、疲劳强度FatigueStrength疲劳强度定义：是机械零件在周期性或非周期性动载荷（称为疲劳载荷）的作用下工作发生断裂时的应力，用σ-1表示属于断裂力学研究范畴，我国的歼8飞机断裂事故是由疲劳引起的，从那时开始才重视疲劳。目前高温高压核容器的制造等都要考虑疲劳的影响。钢铁循环107以上材料不破坏的最大应力。有色金属、非铁合金和某些高强度钢循环108以上不破坏的最大应力。疲劳曲线第二节金属材料的物理、化学及工艺性能物理性能：金属材料的物理性能主要有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。化学性能：金属材料的化学性能主要是指在常温或高温时，抵抗各种介质侵蚀的能力，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。工艺性能(Technology)：工艺性能是金属材料物理、化学性能和力学性能在加工过程中的综合反映。按工艺方法的不同，可分为铸造性、可锻性、焊接性和切削加工性课后问题：库存钢材HBS硬质合金刀头HRA锻件HBS台虎钳钳口HRC第二章铁碳合金p12第一节纯铁的晶体结构及其同素异晶结构一、金属的结晶金属在固态下一般都是晶体，即原子在空间呈规律性排列；但注意，在固态时呈规律性排列，而在液态时金属原子的排列并不规律。注意：金属材料、陶瓷材料为何应用范围不同，金属材料由于通过相变可以获得不同的硬度。金属的结晶就是金属液体转变为晶体的过程。纯金属的结晶是在一定温度下进行的，在冷却曲线上出现一段水平段（结晶放热）纯金属的冷却曲线。即：时间变化，固体增加，但金属的温度并不下降，这是由于金属结晶时放出结晶潜热，致使温度不下降。图1-7为纯金属的冷却曲线图1-7纯金属的冷却曲线过冷度：理论结晶温度和实际结晶温度不一样，实际结晶温度低一些，这种现象叫过冷，温度差叫过冷度。过冷度的大小与冷却速度密切相关。冷却速度愈快，过冷度愈大。金属结晶过程的基本规律是：晶核不断的形成和长大。课本P12图1-8是结晶过程示意图。单晶体（single-crystal）：由一个晶核长成的晶体，如单晶锗和硅。多晶体（multi-crystal）：由许多晶粒组成的晶体。晶界：晶粒间界面。晶粒度：晶粒的大小。金属的晶粒越细小，其综合性能越好。注意：工业上绝大多数金属都属于多晶体图7单晶体与多晶体自发晶核形成晶粒：原子自发地聚集在一起形成自发晶核，金属的冷却速度越快，自发形成的晶核越多。外来晶核形成晶粒：金属液中高熔点的杂质起晶核的作用。晶轴：晶核形成后会长大，但各方向速度不一样，会形成晶轴，晶轴有一次晶轴，两次晶轴等，呈树枝状长大晶界：晶粒之间的界面。晶粒外形是不规则的，各晶粒内部原子排列位向也不同。晶粒的粗细对金属力学性能影响：金属晶粒的粗细对金属力学性能影响很大，一般说，同一成分的金属晶粒越细，其强度越高，硬度也越高，塑性韧性也越好。晶核越多，晶粒越细。细化铸态金属晶粒的主要途径：液态：1.加快冷却速度，以增加晶核；2.变质处理（加入变质剂即孕育剂），以增加外来晶核。固态：可用热处理或压力加工的方法细化固态金属的晶粒。二、纯铁的晶体结构p13图1-9简单立方体的晶格与晶胞晶格：晶体中的原子用点表示，原子的中心用假想的直线连接，形成的格子。晶胞：晶格中最基本的几何单元。晶格中的边长称为晶格常数，用Å（埃）度量（1Å＝10-8cm）。金属晶体结构的主要差别是晶格类型和晶格常数的不同。纯铁的晶格在不同的温度有体心立方和面心立方两种。图1-10纯铁的晶体结构三、纯铁的同素异晶转变p14同素异晶转变：随着温度的改变，固态金属晶格也随之改变的现象。纯铁在1394℃和912℃发生同素异晶转变，见图1-10。重结晶（两次结晶）：就是同素异晶转变，是在固态下原子重新排列的过程，也遵循晶核形成和晶核长大的结晶规律，也在一定的过冷度下进行，也产生结晶热效应。图1-11纯铁的同素异晶转变金属典型的三种晶格类型（Representative）：体心立方（BodyCentredCubic)，铬、钼、α-Fe和钨等金属；面心立方（Face），铜、铝、银、γ-Fe和金等金属；密排六方（HexagonalClosePacked），铍、镁、锌、α-钛等。晶格类型及晶格常数不同，性能就不一样。组织应力：同素异晶转变时，原子的排列密度也随之改变，金属的体积也发生改变，这种金属的体积改变使金属内部产生的内应力称组织应力。第二节铁碳合金的基本组织合金：两种或两种以上的金属元素，或金属和非金属元素熔合在一起，构成具有金属特性的物质，称为合金。机械中大量使用合金的原因：1.合金比纯金属强度、硬度高，且成本低；2.可以改变合金的成分和进行不同的热处理在很大的范围内调节其性能。组元：组成合金的元素，称为组元。合金中的稳定化合物也可作组元，例如Fe3C。相：在合金中，凡化学成分和晶格构造相同、并与其他部分有界面分开的均匀组成部分，称为相。例如：钢液是液相。铁碳合金的组织：按显微镜下各相的形态特征，又可分成不同的组织：固溶体、金属化合物，和机械混合物。一、固溶体p15溶剂和溶质：对铁碳合金，一部分碳原子溶入到铁的晶格内，保持铁的晶格，则铁是溶剂，碳是溶质。固溶体：这种溶质的原子进入溶剂晶格，仍保持溶剂晶格类型的金属晶体，称为固溶体。固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。固溶体见图1-12。置换固溶体：溶质原子代替了一部分溶剂原子，占据了溶济的某些节点。间隙固溶体—溶质的原子进入溶剂晶格空隙部分，不占据节点的位置。铁碳合金都是间隙固溶体碳的溶解度是有限的，属于有限固溶体，碳在铁中的溶解度主要取决于铁的晶格类型，并随温度的升高而增加。间隙固溶体见图1-13。固溶体强化：形成固溶体时，溶剂的晶格产生不同程度的畸变，这种畸变使塑性变形阻力增加，表现为固溶体的强度、硬度增加，这种现象称为固溶体强化。1.铁素体Fp16碳溶解于α-Fe中形成的固溶体，600℃时溶碳量为0.006％，727℃时为0.0218％。因铁素体溶碳量少，故固溶体强化作用甚微，其力学性能和纯铁相近，特征是强度、硬度低，塑性、韧性好。铁素体见图1-14a2.奥氏体A奥氏体：碳溶入γ-Fe中形成的固溶体，呈面心立方。1148℃时最大溶碳量2.11％，在727℃时溶碳量为0.77％，铁碳合金中奥氏体为高温组织。奥氏体的力学性能和溶碳量有关，一般说，其强度不高，硬度不高，塑性优良。锻造和轧制时为利于塑性变形，通常将钢加热到高温，使之呈奥氏体状态。二、化合物金属化合物：各组元按一定的整数比结合而成、并具有金属性质的均匀物质，属单相组织，金属化合物一般具有复杂的晶格，且和各组元的晶格不相同，其性能特征是硬而脆。铁碳合金中渗碳体（Fe3C）是化合物。渗碳体Fe3C是金属化合物，硬度极高（800HBS），可以划玻璃，塑性韧性极低，伸长率和冲击韧性近于零。渗碳体是强化相，其组织呈片状、球状、网状等不同形状，渗碳体的数量、形态、和分布对钢的性能影响很大。渗碳体在一定条件下可发生分解：Fe3C→3Fe+C石墨三、机械混合物机械混合物是在结晶过程中形成的两相组织，例如可以是纯金属、固溶体、或化合物的混合物，各相保持原有的晶格，混合物的性能介于各组成相之间，和各相的形状、大小、和分布有关。铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体1.珠光体P（F+Fe3C）珠光体的含碳量为0.77％，由于渗碳体的强化作用，珠光体有良好的力学性能。抗拉强度σb≈750Mpa硬度180HBS有一定的塑性和韧性，δ＝20％～25％，ak＝30～40J/cm2。2.莱氏体•莱氏体的含碳量为4.3％，渗碳体较多，性能和渗碳体相近，即极为硬、脆。•高温莱氏体Ld或（A+Fe3C），727℃以上。•低温莱氏体L´d或（P+Fe3C），727℃以下。总结一、金属材料的五大机械性能：1、弹性和塑性；2、刚性与强度；3、硬度；4、冲击韧性；5、疲劳强度二、金属晶体构造1、晶体结构：晶体、晶格、晶胞、晶格常数2、金属结晶过程：过冷、过冷度、形核、长大、单晶体、多晶体、晶粒度、重结晶、二次结晶、合金、合金基本组成物QUESTIONS:1.DefineStrength2.ExplaintheBrinellHardnessTestBriefly专业词汇：金属材料性能：Propertiesofmetalmaterial金属晶体构造：Structureofmetalmaterial使用性能：PropertiesforApplication机械性能：MechanicalProperties弹性和塑性：ElasticityandPlasticity刚性与强度：RigidityandStrength硬度：Hardness冲