金屬材料導論.ppt

1、,1.金屬材料導論,1.5 鐵碳合金,1.1 金屬材料的主要性能,1.2 金屬及合金的晶體結構,1.3 合金的結構,1.4 二元合金狀態(tài)圖,知識點,零件的生產工藝過程,選材,選毛坯,預先熱處理,機械加工,最終熱處理,檢驗,應根據(jù)零件的性能要求、受載情況、服役條 件、工作環(huán)境等：,其中選材：金屬材料種類繁多，性能不一，而且材料的發(fā)展日新月異，而零件的性能要求、服役條件各不相同，再加上材料的資源、價格等多方面考慮。,毛坯選擇,機械加工方法,軸,車削,傳統(tǒng)的有,現(xiàn)代的有,有液態(tài)成形毛坯,塑性成形毛坯,連接成形毛坯,粉末冶金成形,型材等毛坯,車削、刨 削、銑削 拉削、鏜削、磨削等,數(shù)控加工、電火花加工

2、、激光加工等特種加工方法,零件的生產工藝過程,一個具體零件的加工往往可用多種不同的加工方法，而每種加工方法所能達到的加工精度、加工質量、加工范圍、加工效率是不同的。,預先熱處理： 為使切削加工能順利進行，可通過預先熱處理調整硬度，為切削加工做好組織準備。,最終熱處理： 使材料的性能達到要求。,零件的生產工藝過程,第1章 金屬材料導論,材料、信息、能源稱為現(xiàn)代技術的三大支柱。,復合材料,工程材料,金屬材料,陶瓷材料,高分子材料,1.1 金屬材料的主要性能,本節(jié)重點：金屬材料的力學性能,主要內容：金屬材料的力學性能,包括材料的強 度 、硬度、塑性、沖擊韌性、疲勞 強度等。,本節(jié)難點：各性能指標的物

3、理意義和測定方法,1.1.1 金屬材料的力學性能,屈服點（s）:鋼材或試樣在拉伸時，當應力超過彈性極限，即使應力不再增加，而鋼材或試樣仍繼續(xù)發(fā)生明顯的塑性變形，稱此現(xiàn)象為屈服，而產生屈服現(xiàn)象時的最小應力值即為屈服點。 屈服強度（0.2）:有的金屬材料的屈服點極不明顯，在測量上有困難，因此為了衡量材料的屈服特性，規(guī)定產生永久殘余塑性變形等于一定值（一般為原長度的0.2%）時的應力，稱為條件屈服強度或簡稱屈服強度0.2 。,強度 材料在外力作用，抵抗塑性變形和斷裂的能力。工程上常用的金屬材料的強度指標有屈服強度(s)和抗拉強度(b)等；,塑性 材料在外力作用下產生永久變形而不破 壞的性能。表示材料

4、的塑性指標是：伸長率和斷面收縮率；對于塑性差的材料，用0.2來代替s； 1）使材料具有良好的成形性； 2）受到外力變形時，有強化作用。,硬度 材料抵抗更硬的物體壓入其內的能力。最常用的硬度指標有：布氏硬度（HB)和洛氏硬度 (HRA-C)。布氏硬度和洛氏硬度試驗原理和使用范圍均不相同；,零件發(fā)生疲勞破壞是沒有預兆而突然斷裂，此時發(fā)生疲勞破壞的應力遠遠小于抗拉強度，甚至比屈服強度還小，非常危險。,小結：金屬材料的力學性能是在外力作用下表現(xiàn)出的力學性能，在實際生產中應用相當廣泛。,沖擊韌度: 金屬材料抵抗沖擊載荷的作用而不破壞的能力。常用的指標有沖擊韌度(Ak)。,疲勞強度: 金屬材料抵抗交變載荷

5、的作用而不 破壞的能力。常用的指標有疲勞強度(-1) 。,1 將鐘表發(fā)條拉成一直線，問這是彈性變形還是塑性變形？怎樣判斷它的變形性質？,2 疲勞破壞有什么危害？在什么情況下發(fā)生疲勞破壞，產生原因是什么？如何提高零件的疲勞強度？,1.1.2 金屬材料的物理、化學性能（略）,思 考 題,1.2 金屬及合金的晶體結構,2. 金屬的結晶：原子由無序狀態(tài)向有序狀態(tài)轉變的過程。有晶體形成。,本節(jié)重點：金屬結晶的概念、結晶過程,本節(jié)難點：合金的結構,1. 三種常見的金屬的晶格類型： 體心立方 面心立方 密排六方,知識點:,1.2 金屬及合金的晶體結構,原子鍵合,離子鍵(ionic bond )離子鍵是通過異

6、性電荷之間的吸引產生的化學結合作用，又稱電價鍵。電離能小的金屬原子(如 堿金屬 )和電子親合能大的非金屬原子(如鹵素)接近時,前者將失去電子形成正離子,后者將獲得電子形成負離子,正負離子通過庫侖作用相互吸引。當這種吸引力與離子的電子云之間的排斥力達到平衡時,形成穩(wěn)定的以離子鍵結合的體系。 離子鍵的特征是作用力強,而且隨距離的增大減弱較慢;作用不受方向性和飽和性的限制,一個離子周圍能容納多少個異性離子及其配置方式,由各離子間的庫侖作用決定。以離子鍵結合的體系傾向于形成晶體,以便在一個離子周圍形成盡可能多的離子鍵,例如NaCl分子傾向于聚集為NaCl晶體,使每個鈉(或氯)離子周圍的離子鍵從1個變?yōu)?/p>

7、6個,原子鍵合,共價鍵(covalent bond)共價鍵是原子之間通過共享電子而產生的化學結合作用。典型的共價鍵存在于同核雙原子分子中,由每個原子提供一個電子構成成鍵電子對。這對電子的自旋方向相反,集中在中間區(qū)域,并吸引帶正電的兩個原子的核心部分而把它們結合起來。在異核雙原子分子中,2個原子的核心部分對成鍵電子的吸引力不同,成鍵電子偏向一方,例如在氟化氫分子中電子偏向氟,這種化學鍵稱為極性鍵。共價鍵的特征是有飽和性、方向性和作用的短程性。一個原子能形成的典型共價鍵的數(shù)目等于該原子的價電子數(shù),稱為它的原子價。共價鍵之間有特定的相對取向,例如水分子呈彎曲形，而二氧化碳分子是直線形的。共價鍵的方向

8、性使分子具有特定的幾何形狀。,原子鍵合,金屬鍵 (metallic bond )使金屬原子結合成金屬的相互作用。金屬原子的電離能低,容易失去電子而形成正離子和自由電子,正離子整體共同吸引自由電子而結合在一起。金屬鍵可看作高度離域的 共價鍵 ,但沒有飽和性和方向性。金屬鍵的顯著特征是成鍵電子可在整個聚集體中流動,這使金屬呈現(xiàn)出特有的屬性:良好的導熱性和導電性、高的熱容和熵值、延展性和金屬光澤等。分子鍵(molecule bond)惰性氣體分子間是靠分子鍵結合的，其實質是分子偶極矩間的庫侖相互作用，這種結合鍵較弱。其分子間相互作用力為范德華力。,基本概念,凝固：一般非晶體由液態(tài)向固態(tài)轉變的過程 。

9、,結晶：由液態(tài)金屬轉變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過程。,晶體： 原子排列時有序的，原子在三維空間做規(guī)則的、周期性的、重復排列。有一定的熔點和 凝固點，性能趨向各向異性。,非晶體: 原子排列雜亂無章呈無序狀態(tài)，沒 有一 定的熔點和凝固點，性能趨向 各向同性。,晶體中的原子排列,金 屬 的 結 晶,純金屬的冷卻曲線（理想狀態(tài)）,金 屬 的 結 晶,純金屬的冷卻曲線（實際）,金 屬 的 結 晶,合金的冷卻曲線,金 屬 的 結 晶,結晶的必要條件-過冷度,金屬的結晶過程：,原子團,形核,晶核長大,小晶粒,晶粒（外形不規(guī)則的小晶體）,形核：自身晶核、外來晶核,晶核長大方式：樹枝狀方 式,晶界晶粒間的分界面；,單晶體結

10、晶方位完全一致的的晶體; 多晶體由多晶粒組成的晶體結構。,金 屬 的 結 晶,細化晶粒的方法,增加冷卻速度，增大過冷度； 增加外來晶核; 采用機械、超聲波振動、電磁攪拌等；,晶粒粗細對材料力學性能的影響,晶粒越細，強度越高，塑性和韌性也越好。,金 屬 的 結 晶,金屬的同素異構轉變,金屬的同素異構轉變的慨念 金屬在固態(tài)下，隨著溫度的改變其晶體結構發(fā)生變化的現(xiàn)象。 金屬的同素異構轉變的意義 可以用熱處理的方法即可通過加熱、保溫、冷卻來改變材料的組織，從而達到改善材料性 能的目的。,1.3 合 金 的 結 構,概念 合金、組元、相； 固溶體：置換固溶體、間隙固溶體； 金屬化合物； 固溶強化的概念。

11、,本節(jié)要點：研究金屬材料的加工工藝，必須了解金屬及合金的晶體結構和結晶。,1.3.1 合金的結構概念,合金：由兩種或兩種以上的元素通過熔煉后 所獲得的新的物質仍然具有金屬特性。 組元：組成合金的基本元素。 相： 凡是成分相同、結構相同并與其他部 分有界面分開的均勻組成部分。 例如：單一的液 單一的固相； 液相、固相兩相共存；,問題： 水、油混裝在一個瓶子里，是幾個相？ 將奶粉加開水沖一杯牛奶又是幾個相？,1.3.2 合金的結構固溶體,固溶體： 由兩種組元相互溶解后所組成的新的物質仍然保持其中某一組元的晶體結構。,置換固溶體：A組元的原子取代了B組元的原子。 當A、 B兩個組元的原子直徑相差不大

12、時，兩個組元可以以任何比例溶解，形成無限固溶體，反之則為有限固溶體。,間隙固溶體：A組元溶入B組元的的間隙中。只能形成有限固溶體。 例如：C溶入-Fe或-Fe 所形成的鐵素體、奧氏體。,置換固溶體和間隙固溶體的區(qū)別,1.3.4 合金的結構固溶強化,A、B兩組元相互溶解后所形成的新的物質既不是A組元的結構，也不是B組元的結構，而是自身的一種獨立的結構。,例如： Fe和C所形成的化合物Fe3C，就是一種典型的金屬化合物。,1.3.3 合金的結構金屬化合物,隨著溶質原子的增加，所形成的固溶體的強度、硬度升高的現(xiàn)象。,例如：純鐵與鋼的用途,1.4 二元合金狀態(tài)圖,把各合金的結晶開始溫度點連接起來，即為

13、液相線；把結晶終了溫度點連接起來，即為固相線。這樣就構成了Pb-Sb二元合金相圖。,1 在純金屬的冷卻曲線上為什么會出現(xiàn)一水平臺階？,2 為什么晶粒越細小其力學性能越好？,3 如果結晶時晶核不多而生長速度快，則結晶后的晶粒是粗還是細？,思 考 題,1.4 二元合金狀態(tài)圖,1.5 鐵碳合金,本節(jié)重點：鐵碳合金狀態(tài)圖在鑄造、壓力加工、焊接中的應用； 本節(jié)難點：鐵碳合金狀態(tài)圖的理解；,鐵碳合金由于其資源廣泛、冶煉方便、價格低廉、性 能優(yōu)越，在工業(yè)生產中廣泛使用。,1.5 鐵碳合金,知識點:,1.5.1 鐵碳合金的基本組織,鐵素體：碳溶解在Fe中的間隙固溶( F）。塑性 （=45-50%）、韌性好，強

14、度、硬度低。 奧氏體：碳溶解在 Fe中的間隙固溶體（A）。塑 性好。 滲碳體：鐵與碳形成的金屬化合物（Fe3C）。硬度很 高（HBW=800），塑性、韌性幾乎為零。 珠光體：是奧氏體發(fā)生共析轉變所形成的鐵素體 與滲碳體的共析體（P）。 萊氏體：是液態(tài)鐵碳合金發(fā)生共晶轉變所形成的奧氏 體與滲碳體的共晶體（Ld）。硬度高，塑性差。,兩種反應,1148 ,1、共晶反應,一定成分的液相在一定的溫度下同時結晶出兩種成分和結構均不相同的固相的反應。,L 4.3%c,A2.11%c+Fe3C6.69%c,共晶反應的產物即萊氏體 Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c),2 、共析反應,一定成分的固相在

15、一定的溫度下同時析出兩種成分和結構均不相同的 新的固相的反應。,A2.11%c,727 ,F0.02%c+Fe3C6.69%c,共析反應的產物即珠光體 PF0.02%c+Fe3C6.69%c,兩種反應,1.5.2 鐵碳合金狀態(tài)圖分析,滲碳體的熔點,共晶點,共析線,共析點,純鐵的熔點,共晶線,ACD線液相線,AECF線固相線,碳在奧氏體中的最大溶解度,A3線,Acm,鐵碳合金相圖中主要特性點的含義,ACD線液相線 是不同成分鐵碳合金開始結晶的溫度線。 AECF線固相線 各種成分的合金均處在固體狀態(tài)。結晶溫度終止線。 ECF水平線共晶線 含碳量為4.3%的液態(tài)合金冷卻到此線時，在1148 由液態(tài)合

16、金同時結晶出奧氏體和滲碳體的機械混合物，此反應稱為共晶反應。 PSK水平線共析線（A1線） 含碳量為0.77%的奧氏體冷卻到此線時，在727 同時析出鐵素體和滲碳體的機械混合物，此反應稱為共析反應。 GS線（A3線） 是冷卻時奧氏體轉變?yōu)殍F素體的開始線。 ES線稱Acm線 是碳在奧氏體中的溶解度線，實際上是冷卻時由奧氏體中析出二次滲碳體的開始線。,相圖中主要線的含義,鐵碳合金,含碳量為2.11%6.69%的鐵碳合金。 共晶生鐵： 含碳量為4.3%; 亞共晶生鐵：含碳量在2.11%4.3%之間； 過共晶生鐵：含碳量在4.3%6.69%之間；,含碳量小于0.02%的鐵碳合金。,工業(yè)純鐵,鋼,生 鐵

17、,含碳量為0.02%2.11%的鐵碳合金。根據(jù)金相 組織的不同，可分為三種。 共析鋼： 含碳量為0.77%; 亞共析鋼：含碳量在0.02%0.77%之間； 過共析鋼：含碳量在0.77%2.11%之間；,典型合金結晶過程分析,1.5.3 鐵碳合金狀態(tài)圖分析,A奧氏體,P珠光體,F鐵素體,共析鋼和亞共析鋼的結晶過程分析,共晶生鐵結晶過程分析,過共析鋼結晶過程分析,Ld變態(tài)萊氏體,亞共晶、過共晶生鐵結晶過程分析,鋼,碳素鋼,碳素結構鋼（0.38%C),優(yōu)質碳素結構鋼 (0.2-0.7%C用途廣),碳素工具鋼 (T8等),合金鋼,合金結構鋼,合金工具鋼,特殊性能鋼,不銹鋼,耐熱鋼,耐磨鋼,其它,量具鋼

18、,模具鋼,刃具鋼,軸承鋼,彈簧鋼,調質鋼,滲碳鋼,低合金結構鋼,（1.5%C),16Mn、20Cr,9Cr2、CrWMn,2Cr13、1Cr18Ni9,1.6 工業(yè)用鋼分類及選材,熱處理,普通熱處理,表面熱處理,退火,正火,淬火,回火,表面淬火,化學熱處理,滲碳,滲氮,碳氮共滲,其它熱處理,形變,真空,激光,1 .7 鋼的熱處理,1.7.1 退火和正火,退火： 將鋼加熱、保溫，然后隨爐冷卻或埋入灰中緩慢冷卻。,目的： 降低硬度，便于機加工。 細化晶粒，提高塑性和韌性。 消除應力。,應用：鑄件、鍛件、焊接及其它毛坯的熱處理。,1、完全退火：將亞共析鋼加熱到Ac3線以上3050，保溫后緩慢冷卻. 2、球化退火: 將過共析鋼加熱到Ac1線以上2030，保溫后緩慢冷卻. 3、低溫退火: 將鋼加熱到Ac1線以下，保溫后緩慢冷卻. 再結晶退火：消除沖壓件冷變形所產生的加工硬化（再結晶溫度以上150250），降低硬度，恢復塑性。,應用：（1）取代部分完全退火； （2）用于普通結構件的最終熱處理； （3）用于過共析鋼，減少或消除網狀二次滲碳體，為球化處理作準備。,正火: 將