《工程材料及成型技術(shù)》講稿

1、工程材料及成形技術(shù) 緒論授課題目：緒論0.1材料技術(shù)與成形工藝0.2本課程的專業(yè)地位 0.3本課程的學(xué)習(xí)方法課時安排1學(xué)時授課計劃第1次教學(xué)目的，要求：了解 材料及材料技術(shù)的發(fā)展史，本課程的基本內(nèi)容、基本框架和基本特點(diǎn)掌握 本課程的學(xué)習(xí)方法教學(xué)內(nèi)容（包括基本內(nèi)容、重點(diǎn)、難點(diǎn) 、板書-字體加黑，下同）一 材料技術(shù)與成形工藝材料：制造物品的物質(zhì)（原材料）。物質(zhì)生產(chǎn)活動是人類生存和社會發(fā)展的基礎(chǔ)，因此，材料和應(yīng)用便成了人類社會發(fā)展和文明進(jìn)程的重要標(biāo)志。我國在材料工藝方面為人類文明作出過杰出貢獻(xiàn)。 六千多年前創(chuàng)造了以制陶術(shù)為代表的仰韶文化；隨后的陶瓷技術(shù)一直 領(lǐng)先世界。 商周時期創(chuàng)造了青銅冶煉技術(shù)為代

2、表的青銅文化。春秋以來創(chuàng)造了鐵器文化： 春秋中期（公元前475-770年）冶煉生鐵 戰(zhàn)國時期（公元前221-475年）生產(chǎn)可煅鑄鐵 西漢中期（公元前24-206年）出現(xiàn)煉鋼技術(shù)，國外18世紀(jì)英國人才發(fā)明。 公元299年生產(chǎn)徐美人刀（低碳鋼，刃部滲碳，淬火）1960s，人們把材料、能源、信息并稱現(xiàn)代技術(shù)和現(xiàn)代文明的三大支柱。1970s人們把新型材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)并列為新技術(shù)革命的標(biāo)志。1 工程材料分類按材料的成分組成分類最為普遍：A.金屬材料 金屬鍵結(jié)合，具有導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性，高塑性和金屬光澤 B.高分子材料 共價鍵結(jié)合為主，碳?xì)錇橹髟兀肿恿?00 C.陶瓷材料 離子鍵結(jié)合為主，一種元素

3、或多種元素與一種非金屬元素的化合物。具有熔點(diǎn)高，硬度高，化學(xué)穩(wěn)定性高D. 復(fù)合材料 兩種或兩種以上不同材料的組合材料。 2 成型工藝分類 材料加工工藝 二 本課程在機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)中的作用（為什么要學(xué)） 1課程的內(nèi)容層次課程體系與材料科學(xué)為基礎(chǔ)，以材料及成型工藝的選用為主線，內(nèi)容結(jié)構(gòu)上可分為材料與成型技術(shù)的基本原理，基本知識與工程應(yīng)用三個層次?；驹碇饕鞔_三種關(guān)系： 材料的成分組織、結(jié)構(gòu)使用性能的關(guān)系； 材料改性及強(qiáng)化工藝成分組織、結(jié)構(gòu)性能的關(guān)系 材料成型工藝組織性能的關(guān)系基本知識包括五類問題： 各類工程材料的特點(diǎn)及應(yīng)用； 材料改性工藝的特點(diǎn)及應(yīng)用； 各類成型工藝的特點(diǎn)及應(yīng)用； 零件失效分

4、析及質(zhì)量控制方法； 新材料的發(fā)展與新工藝進(jìn)展。工程應(yīng)用包括零件的材料及成型工藝選擇方法和材料及改性成型分析。2課程的學(xué)習(xí)目的以齒輪為例：一對齒輪在工作狀態(tài)下相互摩擦 - 磨損 - 高硬度 - 高碳鋼相互沖擊 - 斷裂 - 高韌性 - 低碳鋼 滲碳 表層高碳，高硬度 心部低碳，高韌性設(shè)計及失效分析性能要求-選材及改性。 培養(yǎng)合理選擇材料的初步能力；培養(yǎng)正確確定加工方法的能力。三 課程的特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法（怎么學(xué)）特點(diǎn)： 專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課。不深入 實(shí)踐性強(qiáng)。聯(lián)系實(shí)際，抓應(yīng)用 材料、加工工藝方法種類多。抓特點(diǎn)，抓比較方法： 記 抓主線 成分組織，結(jié)構(gòu)使用性能 工藝組織，結(jié)構(gòu)使用性能 即一個中心兩條線 抓比

5、較 及時復(fù)習(xí)，歸納，總結(jié)第一章 工程材料的性能授課題目：第一講 工程材料的性能1.1、材料的使用性能1.2、材料的工藝性能課時安排1學(xué)時授課計劃第一次教學(xué)目的，要求： 了解 材料的主要性能指標(biāo)的涵義及物理意義 教學(xué)內(nèi)容1、1、材料的使用性能 材料的性能是材料的本質(zhì)屬性。涉及的知識領(lǐng)域比較寬，在工程方面，與材料改性、選材和應(yīng)用密切相關(guān)的主要性能指標(biāo)概括如下：一力學(xué)性能1. 剛度：材料抵抗彈性變形的能力2. 強(qiáng)度：材料在常溫，靜載下抵抗塑性變形或破壞的能力3塑性：材料受力時產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力 4韌性：材料抵抗沖擊力而不破壞的能力 a=(J) 5疲勞強(qiáng)度：材料在交變應(yīng)力反復(fù)作用下（一般>

6、;10次）不致發(fā)生斷裂的能力。 F .硬度：材料抵抗局部壓入變形的能力 以上配以 圖3、低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線 圖4 、幾種材料的疲勞曲線 圖5、沖擊試驗(yàn)簡圖 圖6、硬度試驗(yàn)方法 二物理性能 三化學(xué)性能： a.耐蝕性：材料抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力 b.耐侯性：材料在陽光、空氣、雨水等自然因素作用下不發(fā)生性質(zhì)變化或破壞的能力 c.高溫抗氧化性：材料在高溫下抵抗表面氧化的能力1.2工藝性能1、 鑄造性：材料能否用鑄造方法制成優(yōu)良性能鑄件的難易程度2、 可焊性：材料能否用一般焊接方法焊成優(yōu)良接頭的難易程度3、 可鍛性：材料能否用壓力加工方法加工或成型的難易程度4、 可切削性：材料是否易于進(jìn)行各種切削加工的

7、性能第二章 工程材料的結(jié)構(gòu)授課題目：第一講 工程材料的結(jié)構(gòu)與性能1.1、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.2、合金的晶體結(jié)構(gòu) 1.3、高聚物的結(jié)構(gòu) 1.4、陶瓷的組織結(jié)構(gòu)課時安排4學(xué)時授課計劃第二次教學(xué)目的，要求： 熟悉 1、材料內(nèi)部原子的結(jié)合方式（結(jié)合鍵）和排列方式（晶體結(jié)構(gòu)）；2、晶體缺陷及其對材料性能的影響。 教學(xué)內(nèi)容：21金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、 基本概念1、 晶體：原子有規(guī)則排列的固體 特性 2、晶格 ：把晶體中原子抽象成點(diǎn)（陣點(diǎn)），用直接聯(lián)接陣點(diǎn)構(gòu)成的空間格子 3、晶胞：晶格中最基本的幾何單元三個概念結(jié)合 1.8 介紹 呂. P6 . 二、 基本結(jié)構(gòu) 1、體心立方 （Bcc ， Body Centre

8、Cubic Lattice） 致密度 K= ×100=68，特性 ：多數(shù)金屬高熔點(diǎn)，高硬度 2、 面心立方 （ Fcc Face Centre Cubic Lattice） K = 74 特性： 高塑性 ，無磁性。 3、 密排六方 （Cph , Close packed hexagonal） K = 74 特性 ： 低塑性（滑移系少） 介紹以上結(jié)構(gòu)借助 圖 1-9 11 呂 P89 三、 晶體缺陷（） 晶體內(nèi)部原子排列不規(guī)則的部位稱為晶體缺陷，按其幾何形態(tài)可分為：1、 點(diǎn)缺陷 （空位和間隙原子）造成晶格畸變， 引起晶體內(nèi)部能量升高，使材料的強(qiáng)度、硬度、電阻率升高。 2、線缺陷（位錯d

9、islocation）即錯位，有刃型位錯（見圖）和螺型位錯 位錯密度 = 單位：或 cm一般金屬 =10 10 cm ,形變或淬火金屬為1010cm 3、 面缺陷 （晶界和晶界）實(shí)際金屬都是多晶體，原子沿晶體不同位向排列（見圖）相同位向排列的原子組成的空間稱為晶粒，晶粒之間交界稱為晶界。晶粒內(nèi)部存在的小尺寸、有位向差的小晶塊稱為亞晶粒，（晶粒中的小晶粒）亞晶粒間的交界稱為亞晶界。以上三種晶體缺陷借助圖1.介紹 4、 晶體缺陷對材料性能的影響，當(dāng)晶體缺陷密度極低時，材料強(qiáng)度高，當(dāng)晶體缺陷密度極高時，材料強(qiáng)度也高， 圖 1、材料強(qiáng)度與晶粒缺陷密度的關(guān)系因此，強(qiáng)化金屬的途徑有二：a.減少晶體缺陷接近

10、理想狀態(tài)，如單晶，晶須 b.增加晶體缺陷，如淬火，冷加工非晶態(tài)。 22合金的晶體結(jié)構(gòu)一、基本概念1、合金：由兩種或兩種以上的元素（稱為組元）組成的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)稱為合金。 兩個組元組成的稱二元合金。三個組元稱三元合金。三個以上稱多元合金。2、 相（phase）：合金中具有相同理化性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)，并與系統(tǒng)中有界面分開的部分稱為相。合金中只有一個相的稱單相合金，兩個相以上的稱多相合金。3、 組織（Microstructure）：在顯微鏡觀察下，一個相或幾個相的組成物稱為組織。組織中只有一個相稱單相組織，兩個相以上稱多相組織。二 基本相結(jié)構(gòu)1、 固溶體定義：組元A.（溶劑），溶入其它組元（溶質(zhì)B

11、.C.）仍然保持組元A晶體結(jié)構(gòu)的固體稱為固溶體。種類：a.間隙固溶體 ：0.59 溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格間隙 b.置換固溶體： 0.59 溶質(zhì)原子取代溶劑原子的部分位置 2、 金屬間化合物定義：當(dāng)合金中溶質(zhì)濃度含量超過固溶體溶解度時析出的新相稱為化合物。種類：a.正常價化合物 遵守化合價規(guī)律的化合物，如Mg2Sn, Mg2Si等 b.電子化合物 電子濃度，的化合物， 如CuZn , Cu3Al，等。c.間隙化合物 過渡族金屬元素與原子半徑較小的非金屬形成的化合物，VC , WC , FeC，等。3、合金的性能 固溶體與固溶強(qiáng)化：隨著溶質(zhì)原子濃度增大，固溶體晶格畸度增大，從而導(dǎo)致固溶體強(qiáng)度和硬度升

12、高，塑韌性有所下降的現(xiàn)象。固溶體在合金中的相對含量大，稱為基體相，化合物相對量較少稱為第二相。 化合物與第二相強(qiáng)化?；衔锏男阅埽航Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，原子結(jié)合力強(qiáng)，表現(xiàn)出高硬度，高脆性?；衔镒鳛榈诙嗯c固溶體組成多相合金材料，可提高材料的強(qiáng)度。利用第二相來提高材料的強(qiáng)度稱為第二相強(qiáng)化。當(dāng)?shù)诙嗍菑浬①|(zhì)點(diǎn)引起的強(qiáng)化稱為彌散強(qiáng)化。23 高分子材料的結(jié)構(gòu)一、基本概念1，單體 能組成高分子化合物的低分子化合物叫單體。單體是高分子的合成材料。例如：聚乙烯是由低分子乙烯（CH2=CH2）單體組成。2，鏈節(jié) 先看一個例，聚乙烯分子鏈的結(jié)構(gòu)式為： CH2CH2CH2 式中“CH2CH2”是構(gòu)成聚乙烯的基本單元，即由許

13、多 “CH2CH2”這樣的基本單元重復(fù)連接而成的，結(jié)構(gòu)單元稱為鏈節(jié)。3，聚合度 高分子所含鏈節(jié)的數(shù)目n，稱為高分子的聚合度。由此，大分子鏈的分子量M=鏈節(jié)的分子量m與聚合度n的乘積。即M=m×n4，高分子間的作用力： 分子鏈中原子間，鏈節(jié)間是共價鍵結(jié)合，強(qiáng)。 高分子鏈相互作用是分子鍵結(jié)合，弱。二 基本結(jié)合1、大分子鏈的幾何形態(tài) 線型結(jié)構(gòu) 整個分子是細(xì)長線條狀，通常卷曲成不規(guī)則的線團(tuán)，受拉時可伸展成直線。特點(diǎn)：分子鏈間沒有化學(xué)鍵，易移動，可溶可熔。支鏈型結(jié)構(gòu) 在高分子主鏈上帶有一些小支鏈，整個分子呈樹枝狀。體型結(jié)構(gòu) 高分子鏈之間通過支鏈或化學(xué)鍵連接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不溶不熔，塑性低

14、，脆性大a.線型 b. 支鏈型 c. 體型圖118， 高聚物的結(jié)構(gòu)示意圖 2， 大分子鏈的構(gòu)象及柔順性 單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn) 分子鍵的主鏈在保持鍵長和鍵角不變的情況下可以任意旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。大分子鍵的構(gòu)象 由于單鍵內(nèi)旋引起的原子 在空間占據(jù)不同位置所構(gòu)成的分子鏈的各種形象。大分子鏈的柔順性 由于大分子構(gòu)象頻繁變化 引起大分子不同卷曲程度 圖119 CC單鍵由旋轉(zhuǎn) 3，高聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的特性。 示意圖主要指高分子材料內(nèi)部大分子鏈之間的幾何 排列方式和堆砌狀態(tài)。根據(jù)大分子排列的有序程度可 分為晶態(tài)結(jié)構(gòu)和無定形結(jié)構(gòu)。 結(jié)晶使分子間作用力增大，因而使高聚 物的密度、熔點(diǎn)、耐熱性、強(qiáng)度、硬度等性能升高，而使 依賴

15、分子鏈運(yùn)動的有關(guān)性能，如彈性，塑韌性下降。 高聚物晶區(qū)和非晶區(qū)示意圖:2.4陶瓷材料的結(jié)構(gòu) 一、陶瓷的概念 陶瓷是由金屬和非金屬的無機(jī)化合物所構(gòu)成的多晶多相固體材料，是無機(jī)非金屬材料的總稱。二、陶瓷的顯微組織可歸納為三種相，見圖1-21。（一）、晶相。 陶瓷的主要組成相。一般由某些固 溶體或化合物組成。從晶體結(jié)構(gòu)上看，主要有硅酸鹽結(jié)構(gòu)和氧化物結(jié)構(gòu)兩大類，還有部分C、N、B的化合物， 見圖1-22。 圖1.21，陶瓷顯微組織示意圖增大組織中的晶相比例 和細(xì)化晶?？商岣咛沾蓮?qiáng)度和韌性。 圖1.22， 硅酸鹽結(jié)構(gòu)示意圖（部分）（二）玻璃相。陶瓷在燒結(jié)過程不能排列成晶體狀態(tài)的非晶態(tài)物質(zhì)。性能：熔點(diǎn)低，

16、熱穩(wěn)定性差，力學(xué)性能低于晶相。應(yīng)控制在2040范圍內(nèi)。（三）、氣相。 實(shí)際上是陶瓷中的氣孔主要分布于玻璃相之中，約占510。導(dǎo)致陶瓷的各種性能降低，但能提高通氣性，減少重量。 通過調(diào)整三個相的比例，可以控制陶瓷的質(zhì)量和性能。三、陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)（自學(xué)）思考題： 1、何謂刃型位錯？位錯密度對材料的力學(xué)性能有何影響？2、置換原子與間隙原子的固溶強(qiáng)化效果哪個大些？為什么？3、金屬間化合物在結(jié)構(gòu)和性能方面與固溶體有何不同？常見的金屬間化合物有幾種類型？它們對合金的性能有何影響？ 第三講 工程材料的強(qiáng)韌化授課題目：第三講工程材料的強(qiáng)韌化 3.1金屬的塑性變形（形變強(qiáng)化） 3.2金屬的結(jié)晶（細(xì)晶強(qiáng)化） 3.

17、3鐵碳合金相圖 3.4鋼的熱處理（相變強(qiáng)化） 3.5鋼的合金化 3.6高分子材料的增強(qiáng)與改性課時安排學(xué)時教學(xué)目的，要求： 掌握 1、金屬材料的金屬形變強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化的本質(zhì)； 2、鐵碳合金相圖的分析與應(yīng)用； 3、鋼的熱處理工藝的操作與應(yīng)用 教學(xué)內(nèi)容3. 1 金屬的塑性變形一， 塑性變形的本質(zhì)滑移 就是在切應(yīng)力作用下，晶體中一部分沿一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相對另一部分產(chǎn)生位移。見 呂 P64. F.3.1.圖 3. 1. 單晶體滑移變形示意圖 滑移的本質(zhì)是位錯的運(yùn)動。 見 呂 P64 . F .3.2 圖 位錯運(yùn)動引起滑移變形示意圖二 變形過程的組織和性能變化1組織變化 晶

18、粒拉長當(dāng)變形量很大，晶粒沿變形方向拉長呈纖維狀，這種組織成為纖維組織。見 李 P 25. 圖 2. 8. 圖 3. 4. ；冷變形前后的晶粒形狀示意圖 亞結(jié)構(gòu)增多 見 李 P 25 . F. 29.圖 3. 5 . 形變亞結(jié)構(gòu)示意圖 產(chǎn)生織構(gòu) 當(dāng)塑性變形很大時，多數(shù)晶粒的晶格位向會趨于一致這種現(xiàn)象稱為擇優(yōu)取向或稱織構(gòu)。2 加工硬化（形變強(qiáng)化）金屬隨著變形量增多，表現(xiàn)出強(qiáng)度、硬度顯著升高，塑性、韌性下降。這種現(xiàn)象稱為加工硬化，亦稱形變強(qiáng)化。是強(qiáng)化金屬的重要途徑。形變強(qiáng)化的本質(zhì)是位錯在晶界的塞積。3 殘余內(nèi)應(yīng)力是指外力去除后仍殘存于金屬內(nèi)部的應(yīng)力，有三類：a.宏觀內(nèi)應(yīng)力 金屬各部位變形不均勻造成的

19、。b.微觀內(nèi)應(yīng)力 晶體中各晶粒變形的不均一性造成的。c.晶格內(nèi)應(yīng)力 變形引起晶格畸變造成的。 c 對金屬的強(qiáng)化有利是可利用的內(nèi)應(yīng)力，而a .b .會造成金屬零件的變形、開裂和降低耐蝕性，應(yīng)采取熱處理等措施消除。三.加熱對冷變形金屬的影響1回復(fù) 原子近距離擴(kuò)散，部分晶體缺陷消除，內(nèi)應(yīng)力明顯下降，力學(xué)性能變化不大。 見 李 P28 . F . 2. 15. 2 。再結(jié)晶 圖 3 .6 . 冷變形金屬在加熱過程的組織性能變化 見 圖 李 P 29. F . 2. 圖 3 . 7. 再結(jié)晶過程示意圖組織性能變化：無變形晶粒通過形核和長大，取代了變形晶粒。位錯密度下降，力學(xué)性能恢復(fù)到變形前的狀態(tài) 。再結(jié)

20、晶退火：冷變形金屬通過重新加熱使組織和性能恢復(fù)到變形前的狀態(tài)的工藝。再結(jié)晶溫度： T 再 0.4 T熔 （K）為了加速再結(jié)晶過程，再結(jié)晶退火冷卻溫度一般選擇在T 再以上100200。1、 晶粒長大就是在加熱保溫期間，晶粒通過晶界移動相互吞并長大的過程。要嚴(yán)格控制再結(jié)晶退火的溫度和時間以控制晶粒長大。思考題1 碳鋼在鍛造溫度范圍內(nèi)變形時，是否會有形變強(qiáng)化現(xiàn)象？為什么？2 分析形變強(qiáng)化現(xiàn)象的利與弊，如何利用或消除形變強(qiáng)化？3 纖維組織是如何形成的？對材料的力學(xué)性能有何影響？應(yīng)如何利用？32純金屬的結(jié)晶一、基本概念1， 凝固、結(jié)晶、相變2,冷卻曲線 溫度就是時間溫度曲線，反映合金在結(jié)晶和相變過程的狀

21、態(tài)，可應(yīng)用熱分析法建立曲線。 3、過冷度（T） T=T0-Tn Tn實(shí)際結(jié)晶溫度 冷卻速度越大， To理論結(jié)晶溫度 o 時間Tn越低，過冷 圖 2，1 純金屬的冷卻曲線度越大。 二、結(jié)晶過程 圖2，2 純金屬結(jié)晶程示意圖 1，形核當(dāng)液態(tài)金屬過冷到一定溫度，一些尺寸較大的原子團(tuán)開始變得穩(wěn)定而成為結(jié)晶核心，稱為晶核，其過程稱為形核。a.均質(zhì)形核 液體中時聚時散的原子團(tuán)自發(fā)形核b.異質(zhì)形核 依附于液體中高熔點(diǎn)雜質(zhì)形核2，長大 即液體中原子向晶核擴(kuò)散，使晶核尺寸增大的過程。 長大方式：通常為樹枝狀（見圖2，3）圖2.3 樹枝晶生長示意圖三、 晶粒大小及其控制1晶粒度的概念一般金屬結(jié)晶后，獲得由大量晶粒

22、所組成的多晶體，晶體的大小稱為晶粒度。它常用單位截面積上的晶粒數(shù)或晶粒的平均直徑來表示。2晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響可用 Hell-Patch方程說明這個關(guān)系s =0K.d 0.K 均為常數(shù)， d為晶粒平均直徑。方程說明材料強(qiáng)度與晶粒直徑成反比，晶粒越粗大，材料力學(xué)性能越低。因此，實(shí)際生產(chǎn)中都力求細(xì)化晶粒。3、控制晶粒大小的途徑 控制過冷度當(dāng)過冷度增大，形核率N增大很快，結(jié)晶核心增加很多。 結(jié)晶后晶粒就細(xì)。 變質(zhì)處理（孕育處理）在液體金屬中加入高熔點(diǎn)細(xì)顆粒（變質(zhì)劑）作為異質(zhì)形核的核心。以細(xì)化晶粒、改善組織，如在鐵水中加入Si-Fe,Mn-Fe作孕育劑可細(xì)化晶粒。 攪拌和振動。把樹枝晶攪斷作為

23、新晶核。四 合金的結(jié)晶1合金結(jié)晶的特點(diǎn)（1） 結(jié)晶在一個溫度區(qū)間而不是一個溫度進(jìn)行。如純鐵在1538結(jié)晶，而含碳0.6的Fe-C合金在1500開始結(jié)晶，1430才結(jié)束。(2) 結(jié)晶過程有成分的變化。如含0.6碳的Fe-C合金，先結(jié)晶的固相含碳量低，后結(jié)晶固相含碳量高。2.合金結(jié)晶的規(guī)律相圖。相圖：反映合金系中不同成分的合金在不同溫度下的組織狀態(tài)和相間平衡關(guān)系的圖象，亦稱狀態(tài)圖。它揭示了合金系的成分，組織與性能的關(guān)系。(1)相圖的建立圖2.5利用熱分析法建立Cu-Ni合金相圖(2)勻晶相圖分析圖2.6勻晶相圖及含60Ni的Cu-Ni合金的結(jié)晶過程 理解相圖上坐標(biāo)和曲線的意義。 分析結(jié)晶過程a.在

24、橫坐標(biāo)60處畫垂線，確定垂線與曲線交叉點(diǎn)t1,t1 b.分析結(jié)晶過程，以交叉點(diǎn)為特征點(diǎn)。t1以上，合金為L狀態(tài)，t1t3，合金為L兩相平衡，并發(fā)生L（結(jié)晶）t3以下，合金為固態(tài)，組織為 思考題：1 金屬結(jié)晶的基本規(guī)律是什么？晶核的成核率和長大速度受到哪些因素的影響？2 為什么材料一般希望獲得細(xì)晶粒？細(xì)化晶粒的方法有哪些？3.3鐵碳合金的平衡態(tài)相圖一、Fe-Fe3C相圖1 . 純鐵的性能及同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變性能： 常溫的熔點(diǎn)為1538，具有磁性。力學(xué)性能： 抗拉強(qiáng)度 b=180 230 MPa低強(qiáng)度 延伸率 = 70 - 80 高塑性同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變： 純金屬隨溫度變化，其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的現(xiàn)象。純鐵的同

25、素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)缦拢?-Fe r- Fe -Fe (Bcc) (Fcc) (Bcc)其冷卻曲線如圖 2 15金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槠湎嘧儚?qiáng)化（熱處理強(qiáng)化）提供可能。 圖 2- 15 純鐵的冷卻曲線 2. 鐵碳合金的基本組織 純金屬： -Fe （Bcc） r- Fe (Fcc) 溶入C 溶入C 固溶體 鐵素體碳化物 奧化體碳化物 化合物 混合物： 珠光體 萊氏體 固溶體a. 鐵素體 （Ferrite, F） 碳在-Fe中的固溶體，BCC結(jié)構(gòu)， 形態(tài)呈白色多邊形。 最大含碳量 0.0218 (在727) 性能：固溶強(qiáng)化低， 硬度低（50-80HBS），塑性高（=30-50）b. 奧氏體（Austenit

26、e ,A） 碳在r- Fe中的固溶體，F(xiàn)CC結(jié)構(gòu)， 是存在于727以上的組織。注意：最大溶解度在1148，其含碳量為 2.11。當(dāng)溫度下降到727，其含碳量為0.77。所以，當(dāng)溫度從1148下降到727，奧氏體為了減少含碳量將不斷析出Fe3 C(含碳6.69) 即發(fā)生AFe3 C 性能：高塑性 ， 是理想的鍛造組織。 金屬間化合物 滲碳體 （Fe3 C,或Cementite, Cem）成分：含6.69碳結(jié)構(gòu)：碳在鐵中的間隙化合物，復(fù)雜斜方結(jié)構(gòu)。性能：硬度高（800HBS），脆性大（0），強(qiáng)度低（b=30MPa）根據(jù)形成條件不同，滲碳體有五種形式： 一次滲碳體（Fe3 C） 從液體中結(jié)晶，呈條狀

27、分布。 二次滲碳體（Fe3 C） 從奧氏體析出，呈網(wǎng)狀分布。三次滲碳體（Fe3 C）從鐵素體中析出，沿鐵素體晶界分布。 共晶滲碳體，從共晶轉(zhuǎn)變形成，是萊氏體的基體組織（白色）。共析滲碳體，從共析轉(zhuǎn)變形成，呈片層與鐵素體交替分布。 混合物a.珠光體（Pearlite, P） 成分： 含0.77碳 組織： 88 F 12 Fe3 C 混合物，片層狀結(jié)構(gòu) 性能： 硬度 180 220 HBS 延伸率 10 綜合力學(xué)性能高 抗拉強(qiáng)度 b= 750 MPab.萊氏體 （Ledeburite, Le 或Ld）成分： 含 4.3 碳組織： 60 Fe3 C 40 P性能： 高硬度 ，耐磨， 但脆性大。 3.

28、 Fe-Fe3 C 相圖圖 2. 16. 標(biāo)注組織的 Fe- Fe3 C 相圖 分析相圖中的特征點(diǎn)，曲線和水平線二、鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程 圖 2.17. 六種典型合金的結(jié)晶過程分析 1.碳鋼的結(jié)晶過程 共析鋼（含碳量 0.77 ） 圖 2.18.共析鋼的結(jié)晶過程 圖 2.19. 共析鋼的顯微組織關(guān)鍵點(diǎn)是在Ts( A1 )溫度發(fā)生共析反應(yīng)，即AF0.0218 Fe3 C其室溫顯微組織 珠光體 （F Fe3的混合物）。珠光體中鐵素體 ( F ) 和 Fe3 C 的相對含量可以利用杠桿定律計算 杠桿定律：根據(jù)相對量相等和含碳量相等可有 Q Q= 1 相對量相等Q×0.0218 Q

29、5;6.69=0.77 含碳量相等解方程組得： Q= 88.7Q=11.3 圖 2.19.杠桿定律示意圖即共析鋼的顯微組織為珠光體，其中鐵素體（F）的相對量為88.7，F(xiàn)e3 C的為11.3。 亞共析鋼 （0.77c ） 見 李 P47 F4.10圖 2.20. 亞共析鋼的結(jié)晶過程示意圖其顯微組織微鐵素(F) 珠光體(P) 過共析鋼 （0.77 C2.11 ） 與亞共析鋼不同的是共析反應(yīng)前先發(fā)生 A Fe3 C 接著發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，其顯微組織為 Fe3 C P 見 呂 P49 F. 2.30. 31. 圖.2.21. 亞共析鋼顯微組織 圖.2.22. 過共析鋼顯微組織 2. 白口鑄鐵的結(jié)晶過程1

30、）共晶白口鑄鐵 （ 4.3 C）圖 2.23 .共晶白口鐵的結(jié)晶過程示意圖 這里的關(guān)鍵是Tc (1148 )發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。 L4.3 ( A 2.11 Fe3 C)- L d ( 萊氏體)最后室溫組織為 Ld. 包括 P Fe3 CFe3C2)亞共晶白口鑄鐵 （ 2.11 c 4.3 見 李 P49 F4.17 圖2-24. 亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程示意圖 室溫組織為 P LdFe3C3) 過共晶白口鑄鐵 室溫組織為 LdFe3C見 呂 P49. F. 2.-33. 見 呂 P50 F.2.34.圖 2.25 亞共晶白口鑄鐵顯微組織 圖 2.26. 過共晶白口鑄鐵顯微組織 綜上分析可知，鐵碳合金

31、在室溫下比由 F Fe3C兩個相組成，隨含碳量由零增加到6.69,F相對量由100減少到零。Fe3C由0增加到100。其組織變化順序?yàn)椋?FF PPPFe3C PFe3C Ld Ld Ld Fe3CFe3C(下面進(jìn)一步討論含碳量對鐵碳合金的影響。)三。含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響2、 對組織的影響見 呂 P50 F . 2. 35. 圖 2.27 .鐵碳合金中含碳量與相和組織組成物的關(guān)系3、 對性能的影響隨著鋼中含碳量的增加，強(qiáng)化相Fe3C的相對量增加，鋼的硬度升高，塑性，韌性下降。強(qiáng)度在含碳量是 1.0出現(xiàn)最大值。當(dāng)鋼中含碳量升高到1.0以后，組織中Fe3C呈網(wǎng)狀分布，珠光體團(tuán)的界面脆化

32、，而表現(xiàn)出鋼的強(qiáng)度迅速下降。 圖2,28.含碳量對鋼的力學(xué)性能的影響 白口鑄鐵中由于存在大量的萊氏體和Fe3C而表現(xiàn)出硬而脆的性能特點(diǎn)。思考題：1 為什么鑄造合金常選用共晶成分合金？為什么進(jìn)行塑性加工的合金常選用單相固溶體成分的合金？2 何謂鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體？它們的結(jié)構(gòu)、組織形態(tài)、性能等各有何特點(diǎn)？3 分析含而是分別為0.45%、1.0%、3%、4.7%的鐵碳合金從流言蜚語緩冷至室溫時的結(jié)晶過程，4 根據(jù)Fe-FeC相圖，計算：（2） 室溫下，含碳0.45%的鋼中珠光體和鐵素體各多少；（3） 室溫下，含碳1.0%的鋼中珠光體和二次滲碳體各占多少；（4） 鐵碳合金中，二次滲

33、碳體的最大百分含量。5 某工廠倉庫積壓了許多碳鋼（退火狀態(tài)），由于鋼材混雜，不街道鋼的化學(xué)成分，現(xiàn)找出其中一根，經(jīng)金相分析后，發(fā)現(xiàn)其組織為珠光體+鐵素體，其中鐵素體占80%，問此鋼才的含碳量大約是多少？ 3.4鋼的熱處理金屬熱處理是通過適當(dāng)方式進(jìn)行加熱、保溫、冷卻， 以改善材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和 見 呂 P75. F 4. 1.改善性能的工藝方法。通常用熱處理工藝曲線表示。熱處理根據(jù)其目的要求和工藝方法可分為三大類： 普通熱處理： 退火、正火、淬火、回火 圖 4. 1. 熱處理工藝曲線 表面熱處理： 表面淬火和表面化學(xué)熱處理其它熱處理： 形變熱處理，超細(xì)化熱處理 真空熱處理等。一、鋼在加熱時的相變1鋼

34、的臨界轉(zhuǎn)變溫度加熱時完全轉(zhuǎn)變成奧氏體的臨界溫度鋼 平衡狀態(tài) 實(shí)際狀態(tài)亞共析鋼 A3 Ac3共析鋼 A1 Ac1過共析鋼 Acm Accm 圖2.37.碳鋼在加熱和冷卻的 臨界轉(zhuǎn)變溫度2奧氏體形成的過程 見 呂 P53 F 2.38. 圖 2.29. 共析鋼的奧氏體化過程示意圖3影響奧氏體形成和晶粒長大的因素1）加熱溫度和保溫時間提高加熱溫度和延長保溫時間，有利于原子的擴(kuò)散，能促進(jìn)奧氏體形核和晶粒長大。2）原始組織加熱前的原始組織越細(xì)，晶界越多，越有利于奧氏體形核，因而促進(jìn)奧氏體形成和晶粒長大。3) 合金元素大多數(shù)合金元素在鋼中阻礙Fe .C原子擴(kuò)散，會減慢奧氏體形成和晶粒長大。 二鋼中過冷奧氏

35、體的冷卻轉(zhuǎn)變 冷卻方式等溫冷卻 在A1以下指定溫度完成轉(zhuǎn)變連續(xù)冷卻 從高溫連續(xù)冷卻到室溫。 見 呂 P55 F.2.41 圖. 2. 30. 奧氏體的兩種冷卻方式1. 珠光體轉(zhuǎn)變 發(fā)生在A1550，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體珠光體的片狀混合物（即珠光體型組織） 轉(zhuǎn)變溫度 A1650 650600 600550 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 珠光體 索氏體（Sorbity, S） 托氏體（Troostity, T）轉(zhuǎn)變溫度降低，F(xiàn)與Fe3C片間距變小，強(qiáng)度增大。s=0·2. 貝氏體轉(zhuǎn)變 發(fā)生在550Ms溫度，F(xiàn)e原子無法擴(kuò)散，只有碳原子擴(kuò)散 貝氏體（Bainite, B）： 過飽和鐵素體（含碳0.02）與碳化

36、物組成的兩相混合物。根據(jù)轉(zhuǎn)變溫度不同有兩種形態(tài)。1）.上貝氏體 在550350 轉(zhuǎn)變，形態(tài)為羽毛狀，性能：韌性低。2）.下貝氏體 在350Ms轉(zhuǎn)變，形態(tài)為竹葉狀，性能：強(qiáng)度和韌性高強(qiáng)韌化組織。 見 呂 P60 F 2 、51 圖 2. 30. 貝氏體顯微組織 3. 馬氏體相變1） 定義過冷奧氏體低于Ms(馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度)發(fā)生的原子無擴(kuò)散轉(zhuǎn)變。馬氏體（Martensite, M） 碳在 Fe 中的過程和固溶體，體心正方結(jié)構(gòu)（見圖 2.31）2） 馬氏體的形態(tài)和性能 低碳馬氏體 含碳0.25，其形態(tài)為板條狀，也稱板條狀馬氏體。 性能：由于馬氏體中過飽和度小，仍保持較高的強(qiáng)度和韌性。板條狀馬氏體

37、也是一種強(qiáng)韌化組織。（2） 高碳馬氏體 含碳量1.0，其形態(tài)為凸透鏡片狀，也稱片狀馬氏體。性能：由于高度過飽和，使其表現(xiàn)出高硬度，高脆性，低塑韌性。介紹馬氏體的顯微組織4. 過冷奧氏體的冷卻轉(zhuǎn)變曲線三、 退火與正火退火（Annealing）是將鋼加熱到預(yù)定溫度，保溫一定時間后緩慢冷卻（通常隨火冷卻），獲得接近平衡組織的熱處理工藝。正火（Normalizing）是將鋼加熱到Ac3或Accm3050,保溫一定時間后在空氣中冷卻的工藝。1） 目的：先看齒輪加工的例子：毛坯鍛造正火（退火）機(jī)加工熱處理精加工 消除應(yīng)力（來自鍛造、鑄造、焊接和其它加工的應(yīng)力），以減少零件變形開裂傾向； 細(xì)化晶粒，消除組織

38、缺陷為后續(xù)熱處理作準(zhǔn)備。 調(diào)整硬度，改善切削加工性能（退火可降低硬度，正火可適當(dāng)提高硬度）； 對正火還可以消除二次網(wǎng)狀滲碳體，有利于后續(xù)的球化退火。 2）正火與退火的選擇 考慮切削性能刀具的最佳切削范圍為 180 220 HBS 表 不同含碳量 的鋼在正火和退火后的硬度含碳量 （）0.250.250.650.650.8工具鋼（0.71.3）退火硬度（HBS）150150180180220187217正火硬度（ HBS）156156228228280230340門口 可見 中低碳鋼采用正火，高碳鋼和工具鋼采用退火有利于切削。2 考慮使用性能3 正火比退火硬度高，對沒有后續(xù)熱處理的一般零件宜采用正

39、火。4 考慮經(jīng)濟(jì)性5 正火生產(chǎn)周期短，成本較低。67 四、鋼的淬火8 有兩個英語詞表示淬火： Quenching 激冷 Hardening 硬化9 淬火就是把鋼加熱 保溫 快冷使零件硬化的熱處理工藝。淬火后獲得馬氏體或 貝氏體組織。10 1、 淬火加熱溫度的選擇 1） 亞共析鋼為 Ac3(3050) 見 呂 P79 下 4.811 圖 4. 5 碳鋼的淬火加熱溫度范圍因?yàn)椋?亞共析鋼加熱時為 AM （硬化） 若： Ac3加熱 加熱時為 A F M F （軟點(diǎn)2）.過共析鋼為 Ac1 (3050)因?yàn)椋?加熱時為 A Fe3C M Fe3C 硬化 太高： 晶粒粗大，氧化脫碳，變形開裂，殘余奧氏體

40、增多。2淬火冷卻介質(zhì)的選擇選用原則：能獲得M或B盡可能慢，以減少淬火應(yīng)力。12 呂 P 80. F. 4.913 圖 4.6 理想淬火冷卻曲線常用介質(zhì)有1） 水 適用于碳鋼， 300200溫區(qū)冷速過大 ，變形開裂傾向大。2） 鹽水 適用于低碳鋼，10的NaCl水溶液，可使 550 650溫區(qū)的冷速比水的提高一倍。 3） 油 常用10號機(jī)油，適用于合金鋼，它粘度大，流動性差，散熱慢，不能用于碳鋼冷卻。4） 堿?。ǔＳ糜?0KOH+20NaOH,外加6HO，使用溫度150-2505）鹽?。ǔＳ糜?5KNO+45NaNO,使用溫度為150-500） 冷卻介于水和油之間，主要用于分級淬火和等級淬火。3

41、常用淬火方法 見呂P81.F.4.10 圖4.7 常用淬火方法示意圖1）單介質(zhì)淬火 操作方便，變形大2）雙介質(zhì)淬火 水淬油冷或油淬空冷3）分級淬火 加熱零件先在Ms點(diǎn)附近得介質(zhì)中冷卻一段時間再取出空冷，能有效減少變形，但冷卻有限只適合小尺寸零件。4）等溫淬火 在貝氏體轉(zhuǎn)變溫區(qū)的介質(zhì)中冷卻，得到貝氏體組織。4.鋼的淬透性淬透性（Hardenability）， 直譯就是鋼可淬火硬化的能力?；蚍Q鋼淬火時獲得馬氏體的難易程度。它主要取決于鋼中合金元素，合金元素的種類和含量越高，鋼的淬透性越高。淬透性高的鋼，在冷卻能力比較弱的介質(zhì)中也能獲得馬氏體。淬硬性（Hardening capacity ），鋼正常

42、淬火后馬氏體所能達(dá)到的最高硬度，它主要取決于馬氏體中的含碳量。含碳量越高，鋼的淬硬性越高。五、 淬火鋼的回火回火 (Termping, 韌化)：淬火鋼在A1溫度以下 適當(dāng)?shù)臏囟燃訜?、保溫、冷卻的工藝。1回火的目的?。┫龖?yīng)力，降低脆性，減少變形和開裂；2） 穩(wěn)定組織，使AR（Retained Austenite）分解轉(zhuǎn)變；3） 調(diào)整性能，通過不同回火工藝改善鋼的強(qiáng)韌性。2 組織與性能變化1） 組織變化100300 200300馬氏體的分解 M 碳化物殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變AR B或M 回火馬氏體 300400 400以上滲碳體聚集長大鐵素體回復(fù)和再結(jié)晶（500）組織：針狀鐵素體粒狀Fe3C 碳化物的形成碳化物Fe3C 針狀F