第一章金屬材料

1、熱工與材料成型工藝基礎(chǔ)熱工與材料成型工藝基礎(chǔ) 王孝國王孝國18404965710課程介紹 考試課，48學(xué)時(shí)（8個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)）； 3個(gè)學(xué)分 考試成績安排： 總成績=平時(shí)成績+實(shí)驗(yàn)成績+考試成績 平時(shí)成績：到課考勤情況、上課表現(xiàn)、作業(yè)完成情況等 實(shí)驗(yàn)成績：考勤、實(shí)驗(yàn)完成情況、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等 考試成績：期末考試卷面成績v材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。人類認(rèn)識(shí)和材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。人類認(rèn)識(shí)和使用材料的使用材料的各個(gè)階段各個(gè)階段，代表了人類的各個(gè)文明階段：，代表了人類的各個(gè)文明階段：人類的生活和生產(chǎn)實(shí)踐對(duì)材料不斷提出新的要求，新材人類的生活和生產(chǎn)實(shí)踐對(duì)材料不斷提

2、出新的要求，新材料的出現(xiàn)又推動(dòng)了人類生活和生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展。料的出現(xiàn)又推動(dòng)了人類生活和生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展。 緒論緒論工程材料分類課程內(nèi)容課程內(nèi)容本課程內(nèi)容本課程內(nèi)容金屬材料及熱處理鑄造成型技術(shù)壓力加工（鍛造、沖壓）焊接成型技術(shù)粉末冶金高分子材料成型（注塑成型）其他成型方法材料成型材料成型工藝基礎(chǔ)工藝基礎(chǔ) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 合金與鐵碳合金 金屬材料熱處理 常用的金屬材料第一章第一章 金屬材料與熱處理金屬材料與熱處理1.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1.1.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體與非晶體一、晶體與非晶體1、晶體：原子按一定幾何形狀有規(guī)律地重復(fù)排列的物質(zhì)稱為晶體。它們?nèi)埸c(diǎn)固定，各

3、向異性。如：金屬及合金、結(jié)晶鹽、冰、金剛石、石墨。2、非晶體：原子無規(guī)律地堆積在一起的物質(zhì)稱為非晶體。它們?nèi)埸c(diǎn)不固定，各向同性。如：玻璃、瀝青、松香。1、晶格：描述晶體結(jié)構(gòu)原子排列規(guī)律的空間幾何格架2、晶胞：能完整反映晶格特點(diǎn)的最小幾何單元3、晶格常數(shù)：晶胞中各棱邊尺寸a、b、c（點(diǎn)陣常數(shù)）4、致密度：晶胞中原子所占的體積與該晶胞體積之比，K。當(dāng)a=b=c,棱邊夾角=90，這種晶胞稱為簡單立方二、金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、金屬的晶體結(jié)構(gòu)三、常見金屬的晶體結(jié)構(gòu)三、常見金屬的晶體結(jié)構(gòu)1、體心立方晶格(a) (b) (c) 晶胞形狀為立方體,8個(gè)頂角及立方體中心各有一個(gè)原子 a=b=c,=90 致密度K=0

4、.68 常見金屬元素有：鉻（Cr）、鎢（W）、鉬（Mo）等(a) (b) (c)2、面心立方晶格 晶胞形狀為立方體,8個(gè)頂角及立方體各面中心各有一個(gè)原子 a=b=c,=90 致密度K=0.74 常見金屬元素有：鋁（Al）、銅（Cu）、鎳（Ni）、銀（Ag）等3、密排六方晶格 (a) (b) (c) 晶胞形狀為六棱柱體 a=bc,=90，=120 致密度K=0.74 常見金屬元素有：鎂（Mg）、鋅（Zn）、鈹（Be）等四、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)四、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1.2 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶一、金屬結(jié)晶的溫度1、理論結(jié)晶溫度2、實(shí)際結(jié)晶溫度二、金屬結(jié)晶的規(guī)律三、金屬晶粒的細(xì)化方法1.1.3

5、 金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變 實(shí)際使用的金屬材料都是由許多小晶體組成的。由于每個(gè)小晶體外形不規(guī)則，且呈顆粒狀，因而稱為“晶粒晶?！薄?金屬在固態(tài)下固態(tài)下由一種一種晶格類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N另一種晶格類型的變化稱為金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變。原子重新排列的過程，即重結(jié)晶重結(jié)晶或二次結(jié)晶二次結(jié)晶舉例：舉例：純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變過程1.2 合金與鐵碳合金合金與鐵碳合金1.2.1 合金的基本概念和結(jié)構(gòu)合金：兩種或兩種以上的金屬元素（或金屬與非金屬元素）熔合在一起形成的具有金屬特征的物質(zhì)組元：組成合金的最基本的、能獨(dú)立存在的物質(zhì)相：合金中具有同一化學(xué)成分和結(jié)晶構(gòu)成的組成部分1.2 合金與鐵碳

6、合金合金與鐵碳合金1.2.1 合金的基本概念和結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu)固溶體：合金由液體結(jié)晶轉(zhuǎn)固態(tài)，組成元素之間互相溶解，形成一種晶格結(jié)構(gòu)與合金中某一組元晶格結(jié)構(gòu)相同的新相，成為固溶體。金屬化合物：溶質(zhì)含量超過溶劑的溶解度時(shí)，溶質(zhì)元素和溶劑元素相互相成一種不同于任一組元晶格的新物質(zhì)有限固溶體、無限固溶體間隙固溶體、置換固溶體1.2.2 鐵碳合金的基本組織 鐵碳合金的基本組織鐵素體（F/）奧氏體（A/）碳溶于-Fe形成的間隙固溶體，仍保持體心立方晶格，呈明亮的多邊形晶粒組織強(qiáng)度、硬度較低，塑性韌性較好，低碳鋼中含較多鐵素體，故具有較好的塑性。溶碳能力：727 0.0218% 常溫0.0008% 碳溶于-

7、Fe形成的間隙固溶體，面心立方結(jié)構(gòu)，為高溫組織，強(qiáng)度、硬度仍然很低，塑性較高溶碳能力：1148 2.11% 727 0.77% C溶解到Fe的晶格中固溶體 C和Fe按一定比例相互化合化合物鐵和碳的基本結(jié)構(gòu)分為兩種：鐵和碳的基本結(jié)構(gòu)分為兩種： 鐵碳合金的基本組織滲碳體（Fe3C）珠光體（P）萊氏體（Ld）鐵和碳形成的復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物，片狀、粒狀、網(wǎng)狀或板狀，硬度很高，而塑性、韌性極差溶碳能力：6.69% 奧氏體冷卻時(shí)，分解為鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層片狀機(jī)械混合物，過細(xì)時(shí)也有粒狀；機(jī)械性能介于鐵素體和滲碳體之間高溫萊氏體由奧氏體和滲碳體組成，低溫萊氏體由珠光體和滲碳體組成；性能與

8、滲碳體相似圖1-9 簡化的Fe-Fe3C相圖1.2.3 鐵碳合金相圖FeFe3C1 1、鐵碳相圖分析、鐵碳相圖分析鐵碳相圖中重要的特征線：鐵碳相圖中重要的特征線：ACD-液相線 AECF-固相線ECF-共晶轉(zhuǎn)變線 PSK-共析轉(zhuǎn)變線鐵碳相圖中合金分類：鐵碳相圖中合金分類：P、E兩點(diǎn)把鐵碳合金分為工業(yè)純鐵、碳鋼和白口鑄鐵三類，其中碳鋼和白口鑄鐵由可分三類。共析轉(zhuǎn)變：共析轉(zhuǎn)變：即兩種或以上的固相(新相)，從同一固相(母相)中一起析出，而發(fā)生的相變，稱為共析轉(zhuǎn)變，有時(shí)也稱共析反應(yīng)。AP（F+F3C）共晶轉(zhuǎn)變：共晶轉(zhuǎn)變：合金系中某一定化學(xué)成分的合金在一定溫度下，同時(shí)由液相中結(jié)晶出兩種不同成分和不同晶體

9、結(jié)構(gòu)的固相的過程稱為共晶轉(zhuǎn)變。LLd（A+F3C） 共析是從共析是從一種一種固相中析出兩種固相固相中析出兩種固相，共晶是從液相共晶是從液相中結(jié)晶兩種晶體中結(jié)晶兩種晶體圖1-10 典型鐵碳合金相圖1）共析鋼結(jié)晶過程2、典型合金平衡結(jié)晶過程設(shè)及組織典型合金平衡結(jié)晶過程設(shè)及組織層狀珠光體組織400 x粒狀珠光體組織400 xJB2）亞共析鋼的結(jié)晶圖1-10 典型鐵碳合金相圖含碳量為0.4%的亞共析鋼顯微組織3）過共析鋼結(jié)晶過程圖1-10 典型鐵碳合金相圖含碳量1.2%的過共析鋼顯微組織400 x4）共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程圖1-10 典型鐵碳合金相圖共晶白口鐵室溫顯微組織200 x5）亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶

10、過程B圖1-10 完整的Fe-Fe3C相圖3、碳對(duì)鐵碳合金平衡組織和機(jī)械性能的影響碳對(duì)鐵碳合金平衡組織和機(jī)械性能的影響1）對(duì)組織平衡的影響2）對(duì)機(jī)械性能的影響圖1-17 碳對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響4、Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用相圖的應(yīng)用1）在選材方面的應(yīng)用2）1.3 金屬材料熱處理金屬材料熱處理 金屬材料熱處理是指將金屬或合金在固態(tài)范圍內(nèi)采用適當(dāng)?shù)姆妒竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以改變其組織，從而獲得所需要性能的一種工藝方法。1、熱處理概念、分類熱處理的目的：熱處理的目的： 提高零件的使用性能； 充分發(fā)揮鋼材的潛力； 延長零件的使用壽面； 改善工件的工藝性能，提高加工質(zhì)量，減小刀具的磨損。熱處理使鋼性能發(fā)

11、生變化的原因：熱處理使鋼性能發(fā)生變化的原因： 由于鐵有同素異轉(zhuǎn)變，從而使鋼在加熱和冷卻過程中，發(fā)生 了組織與結(jié)構(gòu)變化。1.21.2、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 鋼的奧氏體化奧氏體晶核的形成及長大；殘余滲碳件/鐵素體的溶解；奧氏體的均勻化；在熱處理工藝中，鋼保溫的目的是： 、為了使工件熱透； 、使組織轉(zhuǎn)變完全； 、使奧氏體成分均勻。奧氏體晶粒的長大： 加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長，奧氏體晶粒越大圖1-9 簡化的Fe-Fe3C相圖FeFe3C鐵碳相圖鐵碳相圖1.31.3、鋼材在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變、鋼材在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變等溫轉(zhuǎn)變圖的建立過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性

12、能珠光體轉(zhuǎn)變珠光體轉(zhuǎn)變（高溫轉(zhuǎn)變）（高溫轉(zhuǎn)變）：溫度：A1550珠光體 HRCA1650珠光體P 25650600索氏體S 2535600550屈氏體T 3540貝氏體型轉(zhuǎn)變貝氏體型轉(zhuǎn)變（中溫轉(zhuǎn)變）（中溫轉(zhuǎn)變）：550Ms貝氏體B 4045550350上貝氏體B上 350Ms下貝氏體B下 4555 馬氏體轉(zhuǎn)變馬氏體轉(zhuǎn)變（低溫轉(zhuǎn)變）：（低溫轉(zhuǎn)變）：碳在Fe中的過飽和固溶體，稱為馬氏體，用符號(hào)M表示，體心正方晶格。馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)：轉(zhuǎn)變溫度：MsMf轉(zhuǎn)變速度極快；轉(zhuǎn)變體積發(fā)生膨脹；轉(zhuǎn)變不徹底。性能特點(diǎn)：針狀馬氏體：硬度高、脆性大；板條馬氏體：強(qiáng)度、韌性較好馬氏體的硬度主要取決于含碳量。過冷奧氏體等

13、溫度轉(zhuǎn)變圖的應(yīng)用。在等溫轉(zhuǎn)變圖上估計(jì)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，確定馬氏體臨界冷卻速度共析鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線（C曲線/TTT曲線）2、鋼的熱處理工藝1）退火 2）正火 將鋼件加熱到高于或低于鋼的相變點(diǎn)適當(dāng)溫度，保溫一段時(shí)間，隨后在爐中或埋入導(dǎo)熱性較差的介質(zhì)中緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的一種熱處理工藝。 目的：降低硬度，細(xì)化晶粒，改善組織，提高力學(xué)性能，消除內(nèi)應(yīng)力，防止變形、開裂。 將鋼件加熱至Ac3(亞共析鋼）、Ac1（共析鋼）或Acm（過共析鋼）以上3050，經(jīng)過保溫后從爐中取出，在空氣中冷卻的熱處理工藝。 目的：細(xì)化晶粒，提高機(jī)械性能和切削加工性能，消除內(nèi)應(yīng)力。3）淬火 將鋼加熱到Ac3(亞共析鋼

14、）或Ac1（共析鋼）以上3050，保溫一定時(shí)間使其奧氏體化，然后再冷卻介質(zhì)中迅速冷卻的熱處理工藝。 目的：得到馬氏體，提高鋼的硬度和耐磨性。4）回火 將淬火后的鋼加熱到Ac1以下溫度，保溫一段時(shí)間，然后置于空氣中冷卻的熱處理工藝。 目的：消除淬火鋼中內(nèi)應(yīng)力，防止變形和開裂，穩(wěn)定零件組織及尺寸，調(diào)整硬度，提高剛到韌性。低溫回火、中溫回火、高溫回火3 3、鋼的表面熱處理、鋼的表面熱處理在機(jī)械設(shè)備中，有許多零件（如齒輪、活塞銷、曲軸等）是在機(jī)械設(shè)備中，有許多零件（如齒輪、活塞銷、曲軸等）是在沖擊載荷及表面摩擦條件下工作的。這類零件在沖擊載荷及表面摩擦條件下工作的。這類零件表面表面必須必須具有高硬度和

15、耐磨性，而心部要有足夠的塑性和韌性。這具有高硬度和耐磨性，而心部要有足夠的塑性和韌性。這類零件要進(jìn)行表面熱處理類零件要進(jìn)行表面熱處理。常用的表面熱處理方法有：表面淬火及化學(xué)熱處理。常用的表面熱處理方法有：表面淬火及化學(xué)熱處理。3 3、鋼的表面熱處理、鋼的表面熱處理1）鋼的表面淬火2）鋼的化學(xué)熱處理固體滲碳示意圖井式氣體滲碳爐淬火圖片熱處理新技術(shù)熱處理新技術(shù)熱處理新技術(shù)熱處理新技術(shù)形變熱處理形變熱處理真空熱處理真空熱處理可控氣氛可控氣氛熱處理熱處理激光熱處理激光熱處理電子束淬火電子束淬火1.4 1.4 常用的金屬材料常用的金屬材料1、鋼1）鋼的分類：碳素鋼、合金鋼：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊性能鋼2）鋼的編號(hào)碳素鋼合金鋼（Q235）（45）（T10A）（18Cr2Ni4W）（W18Cr4V）Steelmaking flowlines Steel Finishing flowlines 2 2、有色金屬及其合金、有色金屬及其合金1）鋁及其合金鴻雁5芯超高亮鋁合金太陽能充電LED手電筒高純鋁鋁合金門鋁合金水龍頭 純鋁是銀白色金屬，相對(duì)密度為2.7，大約是銅的1/3，熔點(diǎn)為657，其晶體結(jié)構(gòu)為面心立方晶格。2）銅合金純銅裸線黃銅棒白銅（在唐代相當(dāng)貴重）青銅鴨尊青銅大鼎 純銅有很好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和良好的耐蝕性，主要用于制作電工導(dǎo)體，