第一章 緒論及基礎(chǔ)知識(shí)

工程材料及成形技術(shù)主講：江星瑩手機(jī)Q：40341178標(biāo)點(diǎn)L0標(biāo)距d01）材料類型:低碳鋼塑性材料的典型代表2）標(biāo)準(zhǔn)試件：(GB/T228-2002)尺寸符合國(guó)標(biāo)的試件圓截面試件標(biāo)距：L0=10d0或5d01、靜拉伸試驗(yàn)O1O2f1(f)e0.10.2O屈服極限：抗拉強(qiáng)度：σe，E1.彈性階段2.屈服階段3.強(qiáng)化階段屈服點(diǎn)σs和抗拉強(qiáng)度σb是反映材料強(qiáng)度的兩個(gè)性能指標(biāo)，也是拉伸試驗(yàn)中需要測(cè)定的重要數(shù)據(jù)。aE=tgad(ss下)a(se)b(ss上)B(sb)ks(MPa)200400冷作硬化線彈性階段屈服階段強(qiáng)化階段低碳鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線頸縮階段cσ0.2——對(duì)應(yīng)于試樣產(chǎn)生0.2%的塑性應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力值為材料的屈服強(qiáng)度對(duì)塑性低的材料（如鑄鐵），沒有明顯的屈服點(diǎn)壓頭材料淬火鋼球硬質(zhì)合金球符號(hào)HBSHBW適用范圍＜450450~6501．布氏硬度布氏硬度計(jì)標(biāo)注150HBS10/1000/30：10mm淬火鋼球在1000kgf載荷作用下，保持30s測(cè)得的布氏硬度為150200HBS：10mm淬火鋼球在3000kgf載荷作用下，保持10s測(cè)得的布氏硬度為200特點(diǎn)適用于硬度較低，對(duì)表面要求不大嚴(yán)格的件，如未經(jīng)淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或質(zhì)地輕軟的軸承合金試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)重復(fù)性強(qiáng)對(duì)不同材料需更換球體和改變載荷，壓痕的測(cè)量也較麻煩，因而用于自動(dòng)檢測(cè)受到限制，不宜在成品在進(jìn)行試驗(yàn)2、洛氏硬度HR測(cè)量原理圖洛氏硬度計(jì)符號(hào)壓頭總載荷（kgf）表盤上刻度顏色應(yīng)用范圍應(yīng)用舉例HRA120°金剛石圓錐體60黑線60~85碳化物、硬質(zhì)合金、表面硬化工件HRBΦ1.588淬火鋼球100紅線25~100軟退火、正火鋼、有色金屬HRC120°金剛石圓錐體150黑線20~67淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼特點(diǎn)操作簡(jiǎn)便迅速，硬度可在表盤上直接讀出；壓痕小，可在工件表面進(jìn)行試驗(yàn)；采用不同標(biāo)尺可測(cè)定各種軟硬不同的金屬和厚薄不一的試樣的硬度，因而廣泛用于熱處理質(zhì)量的檢驗(yàn)；用不同標(biāo)尺測(cè)得的硬度值之間沒有聯(lián)系，也不能直接進(jìn)行比較。3、維氏硬度壓頭：兩相對(duì)間夾角為136°的金剛石四棱錐體640HV30/20：30kgf載荷保持20s（10~15s不標(biāo)注），測(cè)得的維氏硬度值為640特點(diǎn)載荷可以任意選擇，而不存在布氏硬度那種P與D之間關(guān)系的約束；硬度統(tǒng)一，精確可靠；更好地測(cè)定薄件或薄層的硬度；測(cè)定麻煩，工作效率不如HR高，不宜成批生產(chǎn)的常規(guī)檢驗(yàn)。常用硬度的比較單位壓頭載荷/kgf硬度范圍HBS鋼球≤3000≤450

HBW硬質(zhì)合金球≤3000450～650HRA金剛石圓錐6020～88HRB鋼球10020～100HRC金剛石圓錐15020～70HRD金剛石圓錐10040～77類別布氏硬度洛氏硬度HV金剛石棱錐5～120<1300維氏硬度應(yīng)用有色合金，退正火調(diào)質(zhì)鋼淬火、調(diào)質(zhì)鋼碳化物、硬質(zhì)合金有色合金，退正火鋼淬火、調(diào)質(zhì)鋼薄鋼板、表面硬化工件各種硬度工件常用硬度的換算硬度換算公式HB和HV：

HB≤400時(shí)，HB≈HV

HB＞400時(shí)，HB<HVHR和HB、HV:鋼材硬度換算σb≈3.4HB（HB=125~175）σb≈3.6HB

（HB＞175）HRC≈2HRA-104（HRC=20~60）HB≈10HRC （HRC=20~60）HB≈2HRB鋼材強(qiáng)度、硬度換算四、沖擊韌度金屬材料抵抗沖擊載荷的能力。夏比沖擊試驗(yàn)機(jī)示意圖沖擊試樣ak值低——脆性材料，斷裂時(shí)無明顯變形，金屬光澤，呈結(jié)晶狀ak值高——韌性材料

，明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤Ak＝G(H-h)溫度對(duì)沖擊韌度的影響常見金屬力學(xué)性能元素符號(hào)AlCuMgNiFeTiPbSn抗拉強(qiáng)度σb/MPa80～110200～240200400～500250～330250～3001820伸長(zhǎng)率δ/%

32～4045～5011.535～4025～5550～704540斷面收縮率ψ/%

70～9065～7512.560～7070～8576～889090布氏硬度/HB204036806510045五、物理性能元素符號(hào)AlCuMgNiFeTiPbSn密度，kg/m3×1032.708.941.748.97.864.5111.347.3熔點(diǎn)，℃6601083650145515391660327232相對(duì)導(dǎo)電率，%60953423163714導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)2.093.851.460.590.840.17—

—

六、化學(xué)性能金屬在常溫或高溫抵抗各種介質(zhì)化學(xué)作用的能力?？寡趸裕岱€(wěn)定性）：材料在加熱時(shí)抵抗氧化作用的能力。（Cr、Si等可提高鋼的抗氧化性。）耐腐蝕性：常溫下材料抵抗氧、水蒸氣及其它化學(xué)介質(zhì)腐蝕的能力。（C鋼、鑄鐵的耐蝕性較差；Ti合金、不銹鋼、Al、Cu合金的耐蝕性較好。）七、工藝性能金屬材料適應(yīng)加工工藝要求的能力可鑄性——流動(dòng)性、收縮性、偏析可鍛性——塑性、變形抗力可焊性——碳當(dāng)量切削性——表面粗糙度、刀具壽命熱處理性能——淬透性第二節(jié)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的結(jié)構(gòu)金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變合金的相結(jié)構(gòu)合金相圖一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)基本概念常見金屬的晶體結(jié)構(gòu)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)1、基本概念晶體：由許多金屬原子/離子在空間按一定幾何形式規(guī)則地緊密排列。（周期性）對(duì)比非晶體：原子無規(guī)則堆積（過冷液體）。晶體（金剛石、NaCl、冰……）非晶體（蜂蠟、玻璃……）液體晶體特性——固定熔點(diǎn)；各向異性熔點(diǎn)晶體非晶體時(shí)間溫度晶體和非晶體的熔化曲線XYZ原子（離子）的剛球模型原子中心位置晶體結(jié)構(gòu)晶胞點(diǎn)陣（晶格）模型晶格——將原子抽象為一個(gè)幾何結(jié)點(diǎn)，并用直線聯(lián)接中心，所構(gòu)成的一個(gè)空間格架。晶胞——晶格中能反映晶格特征的最小的幾何單元XYZabc晶格常數(shù)a，b，c晶格常數(shù)晶面:通過原子中心的平面晶向：通過原子中心的直線所指的方向XYZabcXYZabc2、常見金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬鍵——決定特性大量自由電子→良好導(dǎo)電導(dǎo)熱性電子云與離子間引力→高強(qiáng)度和良好塑性緊密的金屬鍵→排列緊密的高對(duì)稱晶格三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶格bcc面心立方晶格fcc密排六方晶格hcp（1）體心立方晶格bcc如-Fe、W、V、Mo

等晶格常數(shù)：a=b=c；

===90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞體積a3Va:原子總體積24r3/3XYZabc2r2raa2（2）面心立方晶格fcc如-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等晶格常數(shù)：a=b=c；

===90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.74XYZabc密排方向4（3）密排六方晶格hcp如C（石墨）、Mg、Zn等晶格常數(shù)底面邊長(zhǎng)a底面間距c側(cè)面間角120側(cè)面與底面夾角90晶胞原子數(shù)：6原子半徑：a/2致密度：0.743、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)單晶體——原子排列相同，晶格位向一致多晶體——多晶粒和多晶界

晶粒

（單晶體）晶?！w中包含的具有不規(guī)則顆粒外形的小晶體晶界——晶粒界面，不同的位向過渡區(qū)晶體缺陷類型點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子、異類原子線缺陷：位錯(cuò)面缺陷：晶界與亞晶界間隙原子是其它元素則稱為異類原子（雜質(zhì)原子）空位間隙原子（1）點(diǎn)缺陷（2）線缺陷

——刃位錯(cuò)與螺位錯(cuò)刃位錯(cuò)刃位錯(cuò)螺旋位錯(cuò)（3）面缺陷晶界亞晶界亞晶界面缺陷引起晶格畸變，晶粒越細(xì)，則晶界越多，強(qiáng)度和塑性越高。二、純金屬的結(jié)晶結(jié)晶結(jié)晶條件（結(jié)晶溫度）結(jié)晶過程（形核與長(zhǎng)大）晶粒細(xì)化結(jié)晶：液體-->晶體

凝固：液體-->固體（晶體或非晶體）晶體液體結(jié)晶冷卻曲線——熱分析法tTT0Tn理論結(jié)晶溫度開始結(jié)晶溫度}T過冷度T=T0-Tn純金屬結(jié)晶的條件就是應(yīng)當(dāng)有一定的過冷度（克服界面能）冷卻速度越大，則過冷度越大。結(jié)晶過程——形核和晶核長(zhǎng)大的過程液態(tài)金屬形核晶核長(zhǎng)大完全結(jié)晶（1）形核過程自發(fā)形核——由液體金屬內(nèi)部原子聚集，超過臨界晶核尺寸后形成的結(jié)晶核心。非自發(fā)形核——是依附于外來雜質(zhì)上生成的晶核。（2）長(zhǎng)大過程——平面生長(zhǎng)與樹枝狀生長(zhǎng)平面生長(zhǎng)示意圖細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施晶粒度——表示晶粒大小，分8級(jí)。晶粒度12345678單位面積晶粒數(shù)（個(gè)/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直徑（μm）2501771258862443122細(xì)晶強(qiáng)化——晶粒細(xì)化使金屬機(jī)械性能提高的現(xiàn)象細(xì)晶強(qiáng)化→強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性↑細(xì)化晶粒的措施（1）提高過冷度形核率N、長(zhǎng)大速度G與過冷度T的關(guān)系（2）變質(zhì)處理 在液體金屬中加入變質(zhì)劑(孕育劑)，以細(xì)化晶粒和改善組織的工藝措施。作用：作為非自發(fā)形核的核心，或阻礙晶粒長(zhǎng)大（3）振動(dòng)結(jié)晶作用：使樹枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細(xì)化——機(jī)械振動(dòng)、超聲振動(dòng)，或電磁攪拌等。三、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)性——一種金屬具有兩種或兩種以上的晶格結(jié)構(gòu)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變——金屬在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象。

重結(jié)晶特點(diǎn)：晶界形核，T大，內(nèi)應(yīng)力大純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變-Fe，bcc-Fe，fcc-Fe，bcc1394C912C-Fe，fcc-Fe，bcc912C純鐵的冷卻曲線T-Fe，bcc}-Fe，bcc}-Fe，fccCoolingcurve770鐵磁性四、合金的相結(jié)構(gòu)基本概念固溶體化合物1、基本概念合金——兩種以上元素組合成的、具有金屬特性的物質(zhì)。如，Cu-Zn,Fe-C等合金組元——組成合金的最基本、獨(dú)立的物質(zhì)（元素、穩(wěn)定化合物）。如，F(xiàn)e-C合金中，F(xiàn)e、C均為組元。相——化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)相同，且以界面分開的各均勻組成部分。水（液相）水+冰（雙相）冰（固相）Fe-C合金中的相——F+Fe3

CFe3

C鐵素體（F）組織——相的形狀、分布、組合狀態(tài)。單相組織（F）雙相組織（F+Fe3C）固溶體——溶質(zhì)原子溶于溶劑晶格中，保持溶劑晶格的合金相?；衔铩辖鸾M元形成晶格類型與任一組元都不相同的新相。合金中兩類基本相：2、固溶體間隙固溶體、置換固溶體鐵中形成間隙固溶體的有：H、O、C、B、N……；形成置換固溶體的有：Mn、Ni、Cr、Si、Mo……有限固溶體、無限固溶體ZXY間隙原子間隙固溶體置換固溶體置換原子YXZ固溶強(qiáng)化：形成固溶體使金屬?gòu)?qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象正常晶格晶格畸變晶格畸變小原子置換引起的晶格畸變間隙原子引起的晶格畸變3、化合物合金組元形成晶格類型與任一組元都不相同的新相正常價(jià)化合物——按化合價(jià)規(guī)律形成，如，Mg2Si。間隙化合物——過渡金屬+小半徑非金屬元素電子化合物——按電子濃度規(guī)律形成，如，Cu3Al。間隙相

如，WC、TiC、VC復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物

如，F(xiàn)e3C、Cr23C6化合物性能：熔點(diǎn)高、硬度高，脆性大。五、合金相圖相圖：表示由不同組元構(gòu)成的具有不同比例的合金，在平衡狀態(tài)（即極緩慢加熱或冷卻條件）下，隨溫度、成份發(fā)生變化的幾何狀態(tài)圖。制定合金工藝的重要理論依據(jù)1、二元相圖的建立熱分析實(shí)驗(yàn)法Ⅰ：純銅

Ⅱ：75%Cu+25%NiⅢ：50%Cu+50%NiⅣ：25%Cu+75%NiⅤ：純Ni2、勻晶相圖產(chǎn)生單一固溶體相的合金相圖兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)也無限互溶，冷卻時(shí)發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變的合金系→勻晶相圖（L→α）。如Cu-Ni，F(xiàn)e-Cr，Au-Ag二元?jiǎng)蚓鄨DCuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+純銅熔點(diǎn)純鎳熔點(diǎn)液相線固相線液相區(qū)固相區(qū)液固兩相區(qū)銅鎳相圖結(jié)晶過程過液相線→初生相析出→L和α成分沿固、液相線變化→過固相線→結(jié)晶完畢與純金屬不同，勻晶合金無恒定的熔點(diǎn)，

而是在液、固相線劃定的溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶。成分偏析冷速過快（非平衡狀態(tài)）→先結(jié)晶與后結(jié)晶的晶粒成分不同（枝干與枝晶）→擴(kuò)散不均勻→枝晶偏析對(duì)策：擴(kuò)散退火杠桿定律CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L

L+12acba1c1T1T21.在兩相區(qū)內(nèi)，對(duì)應(yīng)每一確定的溫度，兩相的成分是確定的。2.隨著溫度的降低，兩相的成分分別沿液相線和固相線變化。杠桿定律：在兩相區(qū)內(nèi)，對(duì)應(yīng)每一確定的溫度T1，兩相質(zhì)量的比值是確定的。即mL/m=b1c1/a1b1杠桿定律推論：在兩相區(qū)內(nèi)，對(duì)應(yīng)溫度T1時(shí)兩相在合金b中的相對(duì)質(zhì)量各為mL

=b1c1/a1c1m

=a1b1/a1c1=1-mLb13、共晶相圖PbSnSn%T,C鉛-錫共晶相圖液相線L固相線+L+L+固溶線固溶線共晶轉(zhuǎn)變分析PbSnT,CL+L+L+共晶反應(yīng)線表示從c點(diǎn)到e點(diǎn)范圍的合金，在該溫度上都要發(fā)生不同程度上的共晶反應(yīng)。ce共晶點(diǎn)表示d點(diǎn)成分的合金冷卻到此溫度上發(fā)生完全的共晶轉(zhuǎn)變。該點(diǎn)凝固溫度最低d液相Ld