第十一章：-金属材料与热处理

金属材料与热处理一、金属材料的历史地位1.材料发展与社会进步有着密切关系,它是衡量人类社会文明程度的标志之一，金属材料是现代文明的基础。石器时代→青铜器时代→铁器时代2.目前，人类还处在金属器时期。虽然无机非金属材料、高分子材料的使用量与日俱增，但在可预见的时期内，仍不会改变这种状况。二、金属材料的分类黑色金属有色金属金属材料铸铁钢工程构件用钢机器零件用钢工具钢特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢)轻金属(铝,镁,钛)重金属(铜,锌,铅,镍)贵重金属(金,银)稀有金属(钨钼钒铌钴)放射金属(镭铀钍)三、金属结构材料的应用情况(1)1.从总产量来看，钢铁材料的产量占绝对优势，占世界金属总产量的95％，而且有许多良好的性能，能满足大多数条件下的应用，价格低廉。2.在世界金属矿储量中，铁矿资源虽然比较丰富和集中，但就世界地壳中金属矿产储量来讲，则非铁金属矿储量大于铁矿储量，如铁只占5.1％，而非铁金属中铝为8.8％．镁为2.1％，钛为0.6％。3.非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，因而生产成本高，限制了生产总量的增长。4.非铁金属所创造的价值高，并且它有钢铁所不具备的特殊性能，例如强度高，耐低温、耐腐蚀等，因而非铁金属产量仍在迅速增长。三、金属结构材料的应用情况(2)第一单元金属材料与机械产品制造过程简介金属材料的基本概念金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材料构成的并具有金属特性的工程材料。金属材料纯金属合金金属材料的分类金属材料黑色金属有色金属非合金钢低合金钢合金钢铸铁滑动轴承合金钛及钛合金其他非铁合金铜及铜合金铝及铝合金机械产品的制造过程使用制造设计机械产品加工工艺铸造压力加工焊接粉末冶金切削加工特种加工熔焊压焊钎焊金属材料的性能力学性能物理性能化学性能工艺性能第二单元金属材料的性能一、力学性能力学性能指金属在力的作用下所显示出的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能，如弹性、强度、硬度、塑性、韧性等。强度与塑性1、op段：直线、弹性变形2、pe段：曲线、弹性变形+塑性变形3、es段：水平线（略有波动）明显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。4、sb曲线：弹性变形+均匀塑性变形。5、b点：出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，试样即将断裂。低碳钢的力-拉伸曲线强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。•强度的指标2、抗拉强度指试样拉断前所承受的最大拉应力。其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力。1、屈服点Rm=Fm/S0当材料的内应力R＞Rm时，材料将产生断裂。Rm常用作脆性材料的选材和设计的依据。符号：Re材料产生屈服现象时的最小应力Re=Fs/S0Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N）S0：试样原始横截面积（mm）•塑性指标塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。评定指标是断后伸长率和断面收缩率。1、断后伸长率A2、断面收缩率ZA=(Lu-Lo)/Lox100%Lu:拉断拉伸试样对接后测出的标距长度Lo:拉伸试样的原始标距Z=(So-Su)/Sox100%So:拉伸试样原横截面积。Su:拉伸试样断口处的横截面积硬度引言：1、定义：指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。2、硬度的测试方法布氏硬度洛氏硬度维氏硬度1、布氏硬度试验原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。2、布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。如：120HBS500HBW3、测量范围用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等.布氏硬度1、洛氏硬度试验原理:用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。2、测量范围用于测量淬火钢、硬质合金等材料.洛氏硬度1、维氏硬度试验原理:用夹角为136°的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力F（49.03-980.07N）压入试样表面，测出压痕对角线长度d。2、维氏硬度值用压痕对角线长度表示。如：640HV。3、测量范围常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。维氏硬度韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。常用一次摆锤冲击弯曲，试验来测定金属材料的冲击韧性。冲击试样冲击试样的原理及方法：冲击韧度越大，表示材料的冲击韧性越好。小能量多次冲击试验疲劳强度疲劳概念：在交变应力作用下，零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。①疲劳断裂时无明显的宏观朔性变形，断裂前没有预兆，而是突然破坏；②引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点；③疲劳破坏的宏观断口由两部分组成。疲劳破坏的特征：二、物理性能密度-体积相同，密度越大，质量越大熔点-熔点低，冶炼、焊接、铸造易进行导热性-银、铜、铝导热性最好导电性-银、铜、铝导电性最好热膨胀性-根据系数选择配合间隙磁性-铁镍钴磁性金属，铜铝锌抗磁金属三、化学性能耐腐蚀性抗氧化性生锈、铜绿现象，非金属材料远远高于金属材料。四、金属的工艺性能工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力。主要有铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削性能。锻造性能：用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻造性能。铸铁不能锻压。焊接性能：焊接性能是指金属材料对焊接加工的适应性。切削加性能：切削加工（性能）金属材料的难易程度称为切削加工性能。第三单元金属的晶体结构与结晶晶体与非晶体非晶体：在物质内部，凡原子呈无序堆积状况的，称为非晶体。如：普通玻璃、松香、树脂等。晶体：凡原子呈有序、有规则排列的物质，金属的固态、金刚石、明矾晶体等。性能：晶体有固定的熔、沸点，呈各向异性，非晶体没有固定熔点，而且表现为各向同性。一、金属材料的晶体结构体心立方晶格：面心立方晶格：密排六方晶格：金属晶格的类型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。纯金属的冷却曲线及过冷度。二、纯金属的结晶纯金属的结晶过程结晶结束晶核长大形核与晶核长大形核溶液三、金属的同素异构转变金属在固态下，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。具有同素异构转变的金属有：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α，β，γ，δ等表示。铁素体•概念：碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体。•符号：F，体心立方晶格•性能：由于铁素体的含碳量低，所以铁素体的性能与纯铁相似。即有良好的塑性和韧性，强度和硬较低。铁碳合金相图第四单元奥氏体•概念：碳溶解在γ－Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体。•符号：A，面心立方晶格•性能：强度、硬度不高，具有良好的塑性，是绝大多数钢在高温进行锻造和扎制时所要求的组织。渗碳体•概念：铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物，化学分子式“Fe3C”表示，熔点为1227℃。•性能：质硬而脆，伸长率和冲击韧度几乎为零，耐腐蚀。珠光体•概念：是铁素体与渗碳体的混合物•符号：P，是铁素体和渗碳体片层相间，交替排列。•性能特点：取决于铁素体和渗碳体的性能，强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。莱氏体•概念：是含碳量为4.3%的液态铁碳合金在1148°C时从液体上中间结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物。•符号：Ld（高温莱氏体，温度＞727℃）由于奥氏体在727℃时转变为珠光体，所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成叫低温莱氏体。L’d表示•性能特点：硬度很高，塑性很差。在铁碳合金中一共有三个相,即铁素体、奥氏体和渗碳体。但奥氏体一般仅存在于高温下,所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相,就是铁素体和渗碳体。由于铁素体中的含碳量非常少,所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中。二、铁碳合金相图三、铁碳合金相图的应用选材方面-一般零件选用低碳和中碳钢铸造方面-根据相图选择合适的浇筑温度压力加工方面-始锻（低）和终锻温度（高）热处理方面焊接方面-含碳量越低焊接性能越好小结1、材料的力学性能主要有哪些？分别有哪些特点。2、常用的硬度测量方法有哪几种？分别有哪些特点。3、常见的金属晶体结构有哪几种类型？4、什么叫同素异构转变？5、在铁碳合金中有几种基本组织？基本相有哪几种？各自的力学性能有哪些？第五单元碳素钢含碳量小于2.11%的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢。一、硅1、来源：炼钢后期作脱氧剂带入；2、对钢的性能影响：提高钢的强度、硬度；3、是钢中的有益元素。二、锰1、来源：炼钢脱氧剂。2、对钢的性能影响：提高钢的强度与硬度。3、是钢中的有益元素三、硫1、来源：生铁带入；2、对钢的性能影响：对钢造成热脆性；3、是钢中的有害元素。四、磷1、来源：生铁带入；2、对钢的性能影响，对钢造成冷脆性；3、是钢中的有害元素。一、碳素钢的分类◆按钢的含碳量分类：1、低碳钢：C≤0.25%2、中碳钢：0.25%＜C＜0.6%3、高碳钢：C≥0.6%◆按钢的质量分类：1、普通钢：S≤0.05%，P≤0.045%2、优质钢：S≤0.035%，P≤0.035%3、高级优质钢：S≤0.025%，P≤0.025%◆按钢的用途分类：1、结构钢：主要用于制造各种机械零件和工程构件。C＜0.7%2、工具钢：主要用于制造各种刀具、模具和量具。其含碳量大于0.70%二、碳素钢的牌号及用途1、碳素结构钢2、优质碳素结构钢3、碳素工具钢4、铸钢1、碳素结构钢牌号：Q屈服点数值，质量等级符号和脱氧方法符号；性能：一般；例如：Q235-A·F：表示屈服点为235Mpa的A级沸腾钢2、优质碳素结构钢：牌号：用两位数字表示钢中平均含碳量的万分之几。1）、08~25钢，属于低碳钢性能：强度、硬度较低、塑性、韧性及焊接性良好；用途：冲压件、焊接结构件及渗碳件如：深冲器件、压力容器等。2）、30~55钢属于中碳钢性能：较高的强度和硬度，是塑性和韧性随含碳量的增加而逐步降低。用途：制作受力较大的机械零件。如：连杆、曲轴、齿轮等3）、60钢以上属于高碳钢。性能：有较高的强度、硬度和弹性；用途：制造较高强度、耐磨性和弹性的零件如：气门弹簧、弹簧垫圈等碳素工具钢：牌号：T+数字（平均含碳量的千分数），高级优质碳素工具钢在钢号后加“A”字。T12A：表示平均含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。铸造碳钢：牌号：ZG+数字—数字第一组数字：屈服点第二组数字：抗拉强度值ZG270—500应用：制造形状复杂力学性能要求较高的机械零件。三、合金钢的牌号及用途3、牌号及用途-合金结构钢3、牌号及用途-合金工具钢3、牌号及用途-合金工具钢3、牌号及用途-合金工具钢3、牌号及用途-特殊性能钢四、铸铁1、定义：铸含碳量大于2.11％的铁碳合金。2、分类：根据铸铁中石墨形态的不同，铸铁又可分为白口铸铁：断口呈银白色；灰铸铁石墨以片状存在于铸铁中；可锻铸铁石墨以团絮状存在于铸铁中；球墨铸铁石墨以球状存在于铸铁中；蠕墨铸铁石墨以蠕虫状存在于铸铁中；麻口铸铁断口呈灰白相间。一、灰口铸铁的牌号及用途1、牌号：灰口铸铁的牌号由“灰铁”汉语拼音字母字头“HT”及后面的一组数字组成，数字表示最低抗拉强度。如：HT200：2、用途：用于制造承受较大负荷的零件，如机床的床身、立柱、汽车缸体、缸盖、轮毂、联轴器等。灰铸铁球墨铸铁的牌号及用途球墨铸铁的牌号是由“球铁”两字汉语拼音的第一个字母“QT”，及两组数字组成。两组数字分别代表最低抗拉强度和伸长率的数值。应用：汽车轮毂、离合器壳、拨叉等。球墨铸铁蠕墨铸铁1、化学成分：一般属于含高碳硅的共晶合金或过共晶合金。2、牌号及用途（1）牌号：RuT，是蠕铁两个字汉语拼音的字首，其后数字表示蠕墨铸铁的抗拉强度。（2）用途：常用于制造受热循环载荷、要求组织致密、强度较高、形状复杂的大型铸件，如机床的立柱、柴油机