金属材料及其热处理

机械工程材料基础机械工程学院熊敏主讲1、了解金属及合金的性能、组织结构、结晶、塑性变形及二元合金相图的基本理论;2、了解钢铁材料热处理基本原理和工艺;3、掌握常用的碳钢、铸铁、合金钢的成分、组织、性能和用途的基本知识学习内容教材:机械工程材料于永泗齐民主编大连理工大学出版社内容第一章金属材料的主要性能第二章金属及合金的晶体结构第三章铁碳合金第五章钢的热处理第六章合金钢第四章金属的塑性变形和再结晶第一章材料的性能§1材料的力学性能拉伸试验机三、塑性二、强度1、屈服强度s2、抗拉强度b3、条件屈服强度0.2材料抵抗塑性变形的能力材料抵抗断裂的能力1、延伸率2、断面收缩率测量方便、欠准确；测量不方便、准确；材料塑性变形的能力材料对塑性变形的抗力一、刚度lFE;lFlPllFPE00刚度大。材料抵抗弹性变形的能力。四、硬度材料表面上，局部体积内对塑性变形的抗力。1、布氏硬度HB测量有色金属、铸铁等软材料；2、洛氏硬度HRC测量淬火钢等硬材料；3、维氏硬度HV测量硬质合金等高硬度材料；洛氏硬度试验机五、冲击韧性ak材料抵抗冲击载荷的能力冲击韧性试验机1、疲劳机理：应力集中、表面状态、内部缺陷等导致显微裂纹裂纹扩张零件有效截面减小断裂2、提高材料疲劳强度的措施：六、疲劳强度-1材料承受N次应力循环而不断裂的最大应力。§2材料的物理和化学性能比重、熔点、热膨胀性、导电性、导热性、磁性等。二、化学性能耐腐蚀性、抗氧化性等。一、物理性能比强度:材料的强度值与密度值之比。名称密度(g/cm3)强度(Mpa)比强度纯铝2.780～10030～37纯铁7.87180～28023～36纯钛4.5405～50090～111§3材料的工艺性能一、铸造性能二、可锻性三、可焊性四、切削加工性材料对各种加工方法的适合性思考题：1.在测定强度上σs和σ0.2有什么不同?2.在设计机械时多用哪两种强度指标?为什么?3.设计刚度好的零件,应根据何种指标选择材料?采用何种材料为宜?材料的E越大，其塑性越差,这种说法是否正确?为什么？4.常用的硬度方法有几种?其应用范围如何？这些方法测出的硬度值能否进行比较?5.反映材料受冲击载荷的性能指标是什么?不同条件下测定的这种指标能否比较？比较各种材料拉伸曲线图的s、b、、E第二章材料的结构§1金属的晶体结构一、金属的晶格晶体、非晶体、晶格、晶胞、1、体心立方晶格：2、面心立方晶格：(BCC;Body-CenteredCubic)(FCC;Face-CenteredCubic)二、常用金属的晶体结构3、密排六方晶格：(HCP;HexagonalClose-packed)43a42a2a晶格类型不同，致密度不同，同素异晶转变时有体积变化。三、金属晶体结构的致密度1.晶格尺寸aaa,c2.晶胞原子数246BCCFCCHCP3.原子半径4.配位数812125.致密度68%74%74%四、晶面与晶向1、晶面指数求晶面指数：（1）建立坐标系；（坐标轴不在平面上）（2）求截距；（3）取倒数；金属晶体中，通过一系列原子所构成的平面。（4）标定(xyz)；2、晶向指数通过两个以上原子的直线表示原子列的位向。求晶向指数：（1）建立坐标系；（原点定在矢尾）（2）求另一点的坐标值；（3）化简，标定[xyz]；3、晶面族、晶向族晶面族指数{xyz}晶向族指数xyz在立方晶系中，晶面指数与晶向指数相同时，则晶面与晶向互相垂直。实际金属的晶体结构点缺陷：空位，间隙原子，置换原子线缺陷：位错面缺陷：晶界，亚晶界金属的晶粒越细，晶界总面积就越大，金属的强度就越高，因而实际使用中的金属材料力求获得细晶粒。§2合金的晶体结构合金的概念工程上广泛使用合金的原因一、合金的相结构组元：组成合金的最基本的、独立的物质。纯金属、稳定的化合物相：合金中具有相同的化学成分、相同的结构、能够与其他部分区分的部分。1、固溶体间隙固溶体置换固溶体有限置换固溶体无限置换固溶体2、金属化合物两个组元相互作用形成的新的相。固溶强化：通过溶入溶质原子使溶剂原子的晶格发生畸变，从而使金属材料的强度、硬度升高的现象。金属化合物的晶格与其组元的晶格完全不同，因此其性能也不同与组元。§3金属的结晶一.纯金属结晶的条件1、过冷度（ΔT）T0为金属的晶体与液体平衡共存的温度。称为理论结晶温度。显然，在这一温度时，金属的结晶速度与熔化速度相等，所以只有进一步冷却，使金属的实际结晶温度（Tn)低于T0时，结晶才能进行。结晶时Tn低于T0的现象称为过冷。其相差的度数，称为过冷度（ΔT=T0－Tn）。纯金属的冷却曲线出现一个水平线段，说明其结晶过程是一个恒温过程。这是由于放出的结晶潜热与散热损失相抵消的缘故。直到结晶完了温度才继续下降。二.纯金属的结晶过程生核:自发形核非自发形核长大:均匀长大树枝状长大金属结晶速度，决定于形成晶核的速度、数量（形核率N）及晶核的长大速度（V）生核和长大形核率越高，获得的晶粒越细，材料的强度、硬度越高，其塑性、韧性也好三、同素异构转变金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。1.增大过冷度金属结晶时过冷度增大，晶粒细化。因此可用低温浇注及增大冷却速度的方法使晶粒细化。但对大型铸件不容易获得较大的过冷度，对精密复杂件过冷度大时会产生较大应力而造成缺陷或开裂。浇注时，向金属液中加入一定量的变质剂，可以在整个体积内同时得到大量的非自发形核，从而使整个铸件获得均匀细小的晶粒。2、变质处理3.振动4.电磁搅拌四、细化金属晶粒的措施五、铸锭的结构1、铸锭结构细等轴晶区；柱状晶区；粗等轴晶区；2、铸锭的缺陷缩孔；缩松；气孔；1、什么是过冷度？为什么金属结晶时一定要有过冷度？2、过冷度与冷却速度有什么关系？它对金属结晶后的晶粒大小有什么影响？3、液体金属进行变质处理时，变质剂的作用是什么？4、晶粒大小对金属机械性能的影响是什么？简述晶粒细化的途径。比较下列情况晶粒的粗细：（1）金属模浇注与砂模浇注（2）较高温度下浇注与较低温度下浇注（3）薄壁铸件与厚壁铸件（4）浇注时振动与不振动5、何谓同素异构现象？以铁为例阐述之。试分析γ-Fe向α–Fe转变时的体积变化情况。习题与思考题§5二元合金的相图一、二元合金的结晶相图平衡图状态图1、发生匀晶反应的合金的结晶Gu-Ni匀晶相图分析⑴结晶过程：形核；晶核长大；⑵结晶在一个温度区间内进行：变温结晶过程；⑶两相区内：温度一定时，两相的成分是确定的；⑷两相区内：温度一定时，两相的质量比是一定的；（杠杆定律）Ld↔αc+βe共晶点、共晶体、共晶温度和共晶组织初生相和次生相的区别杠杆定律（相对量计算）液态，无限互溶固态，有限固溶溶解度2、发生共晶反应的相图共晶反应4、含有稳定化合物的合金相图3、共析相图§6合金的性能与相图的关系根据图3-14Pb-Sn二元合金相图,P38,说明80%Sn的Pb-Sn合金在下列各温度时存在有哪些相和组织？并分别求各相的含量、组织的含量。1）高于300℃2）刚冷却到183℃，共晶转变尚未开始。3）在183℃，共晶反应结束。4）冷却到室温。1、铁素体(α相)碳溶于α–Fe之中所形成的间隙固溶体.具有体心立方晶体结构.常用字母F或α表示.727℃时碳的溶解度最大，也仅有0.0218%.2、奥氏体(γ相)碳溶于γ–Fe之中所形成的间隙固溶体.具有面心立方晶体结构.常用字母A或γ表示.1148℃时碳在γ–Fe中的最大溶解度为2.11%。3、Fe3C相Fe3C相具有确定的化学成分,含碳量6.69%,属具有复杂立方晶格的间隙化合物。渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形状,对铁碳合金的机械性能有很大影响.§7铁碳合金相图一铁碳合金的组织4、珠光体（两相混合物）渗碳体+F5、莱氏体（两相混合物）渗碳体+A一、含碳量与平衡组织间的关系二、含碳量与机械性能间的关系三、含碳量与工艺性能间的关系网状渗碳体§8钢的分类一、按化学成分分二、按质量分三、按用途分钢碳钢合金钢低碳钢中碳钢高碳钢低合金钢中合金钢高合金钢普通钢优质钢高级优质钢结构钢工具钢特殊性能钢常用碳钢一、普通碳素结构钢Q235Q235A二、优质碳素结构钢三、碳素工具钢CFeFe32、画相图，并进行分析：(1)标注出相图中空白区域相和组织；(2)分析的亚共析钢的结晶过程及其在室温下组织及含量，相及含量；(3)指出、、的钢在1400、1100、800时奥氏体的含碳的量。%4.0c%2.0c%6.0c%2.1cCCC3、二种铁碳合金，其中一种合金的显微组织中珠光体占75％，铁素体占25％，另一种合金的显微组织中珠光体占92％，二次渗碳体占8％。问这二种合金各属于哪一类合金？其含碳量各为多少？1、二元共晶反应1)共晶反应刚结束时，含30%B的合金:相组分？组织组分？2)从显微镜中观察初晶与共晶各占50%（共晶反应刚结束时），求合金中B的含量。951575L1、分析一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体的异同。2、合金中相组分和组织组分的区别何在指出常温下亚共析钢与亚共晶白口铸铁中的相组分和组织组分。指出常温下碳钢与白口铸铁相组分和组织组分的异同。课后思考题第四章金属的塑性变形与再结晶一、金属的塑性变形1、单晶体的塑性变形2、多晶体的塑性变形①滑移滑移系②孪生②晶间变形①晶内变形面心立方晶格的金属塑性最好③晶粒大小对金属机械性能的影响细晶组织晶界面积大，位错障碍多，需要协调的具有不同位向的晶粒多，金属塑性变形的抗力大，强度高。细晶组织单位体积内晶粒数目多，同时参与变形的晶粒数目多，变形均匀，推迟了裂纹的形成和扩展，使得金属在断裂以前产生较大的塑性变形，塑性好。二、合金的塑性变形与强化1、单相固溶体的塑性变形与固溶强化2、多相固溶体的塑性变形与弥散强化硬颗粒不容易切变，阻碍了位错运动，提高了变形抗力。三、塑性变形对金属组织结构的影响1、塑性变形对金属组织结构的影响纤维组织；形变组织；2、塑性变形对金属性能的影响加工硬化加工硬化组织晶粒拉长；碎晶；内应力；四、回复与再结晶1、冷变形金属在加热时的组织和性能变化①回复②再结晶③晶粒长大2、再结晶温度①金属的预变形量②金属的纯度③加热速度与保温时间熔回TT35.0熔再TT4.0纯度下降，再结晶温度上升。五、金属的热加工1、冷加工与热加工的区别2、热加工对金属组织和性能的影响非金属夹杂物习题与思考题p.661、金属钨在1100℃下的变形加工和金属锡在室温下的变形加工是冷加工还是热加工？为什么？钨的熔点温度3810℃；锡的熔点温度232℃第五章钢的热处理§1概述等温冷却连续冷却§2钢在加热时的转变一、奥氏体的形成1、形核2、晶核长大3、残余渗碳体的溶解4、奥氏体成分的均匀化二、影响奥氏体转变速度的因素加热温度三、奥氏体的晶粒大小及其影响因素1、加热温度和保温时间：温度高，保温时间长，晶粒大2、加热速度：速度高，晶粒小3、合金元素4、接近平衡状态下的组织,更能获得细奥氏体晶粒.§3钢在冷却时的转变冷却方式：等温冷却；连续冷却；一、过冷奥氏体的等温转变1、共析钢过冷奥氏体的等温转变①高温转变及其产物②中温转变及其产物550℃~Ms上贝氏体550℃~350℃下贝氏体350℃~Ms③低温转变及其产物温度低于Ms（230℃）转变的产物：马氏体——碳在-Fe中的过饱和固溶体2、亚共析钢过冷奥氏体的等温转变3、过共析钢过冷奥氏体的等温转变二、影响C曲线的因素1、含碳量2、合金元素含量除钴外，所有合金元素的加入都使C曲线右移。3、加热温度和时间加热温度高、保温时间长，碳化物溶解完全，有利于降低奥氏体分解时的生核率，延长转变的孕育期，使曲线右移。三、过冷奥氏体的连续冷却转变1、共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变①转变过程及产物②马氏体转变的特点2、亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变3、过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变20钢、60钢同时加热到860℃，并保温时间相同，问哪种钢的奥氏体晶粒大？为什么？§4钢的退火与正火