金属工艺学陈易迅课件1.ppt

第一章 金属材料的基本知识学习目标重点难点主要内容思考与练习本章小结学习目标学习目标了解金属的结构和性能之间的关系，结了解金属的结构和性能之间的关系，结晶理论的应用；晶理论的应用；了解二元合金相图的基本概念；熟悉铁了解二元合金相图的基本概念；熟悉铁碳合金的基本组织与分类。碳合金的基本组织与分类。学习目标学习目标掌握材料的力学性能的测定方法，观测掌握材料的力学性能的测定方法，观测识别贴碳合金的显微组织，熟悉金相试识别贴碳合金的显微组织，熟悉金相试样的制作方法；样的制作方法；运用贴碳合金相图进行材料分析和制定运用贴碳合金相图进行材料分析和制定加工工艺。加工工艺。重点难点重点难点 金属材料使用性能和工艺性能；材料的各种力学性能指标；典型铁碳合金结晶过程与相图分析。主要内容第一节 金属材料的主要性能 第二节 金属与合金的结构和结晶第三节 铁碳合金相图第一节 金属材料的主要性能 一、金属材料的力学性能；一、金属材料的力学性能；二、物理、化学性能；三、金属材料的工艺性能；1.1.1 1.1.1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能n n 金属材料的力学性能又称机械性能，是指金属材料在力(载荷)作用下所表现出来的抵抗变形和破坏的能力。n n 常用的力学性能有强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。(一一一一)强度强度强度强度 1 1、强度的概念和分类、强度的概念和分类：金属材料在外力作用下抵抗：金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力成为强度。按载荷作用方永久变形和断裂的能力成为强度。按载荷作用方式不同，强度分为抗拉强度、抗弯强度、抗压强式不同，强度分为抗拉强度、抗弯强度、抗压强度和抗剪强度等。通常以抗拉强度为基本的强度度和抗剪强度等。通常以抗拉强度为基本的强度指标。指标。2 2、强度指标、强度指标：工程上常用的金属材料的强度指标有：工程上常用的金属材料的强度指标有弹性极限弹性极限(ee)屈服点屈服点(ss)和抗拉强度和抗拉强度(bb)等，等，其中屈服点其中屈服点(ss)是工程技术上极其重要的力学性是工程技术上极其重要的力学性能指标之一，是重要的设计依据。能指标之一，是重要的设计依据。(二二二二)塑性塑性塑性塑性 塑性的概念：塑性的概念：指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力；指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力；塑性的常用指标：塑性的常用指标：断后伸长率断后伸长率 和断面收缩率和断面收缩率，一般也通过拉伸试验来确，一般也通过拉伸试验来确定又称延伸率，定又称延伸率，断后伸长率断后伸长率 是试样被拉断时，标距长度的伸长量是试样被拉断时，标距长度的伸长量ll与与原始标距原始标距l l0 0的百分比，即：的百分比，即：=(=(ll/l/l0 0)100%)100%；断面收缩率断面收缩率为试样拉断时，缩颈处横截面积的最大缩为试样拉断时，缩颈处横截面积的最大缩减量减量SS与原始横截面积与原始横截面积S S0 0的百分比，即：的百分比，即：=(S/S=(S/S0 0)100%100%；塑性的作用塑性的作用:(1)(1)使材料具有良好的成形性；使材料具有良好的成形性；(2)(2)受到外力变形时，有强化作用。受到外力变形时，有强化作用。(三三)硬度硬度 硬度的概念：硬度的概念：指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压形、压 痕或划痕的能力；痕或划痕的能力；硬度的常用指标：硬度的常用指标：布氏硬度布氏硬度HBHB、洛氏硬度、洛氏硬度HRHR、和维氏硬、和维氏硬度度HVHV等；等；注意事项：注意事项：布氏硬度和洛氏硬度试验原理和使用范围均布氏硬度和洛氏硬度试验原理和使用范围均不相同；不相同；(四四)冲击韧度冲击韧度 冲击韧度的概念：冲击韧度的概念：冲击试样缺口底部单位横截面面积上冲击试样缺口底部单位横截面面积上的冲击吸收功称为冲击韧度的冲击吸收功称为冲击韧度 ；冲击韧度的作用冲击韧度的作用：工件在实际工作中对于要承受冲击载：工件在实际工作中对于要承受冲击载荷的零件、结构、除应保证足够的静载荷力学性能，还荷的零件、结构、除应保证足够的静载荷力学性能，还必须有足够的承受冲击动载荷的力学性能。必须有足够的承受冲击动载荷的力学性能。常用指标：常用指标：冲击韧度冲击韧度(AkAk)。(五五)疲劳强度疲劳强度 疲劳的概念疲劳的概念：指材料在循环应力和应变作用的下，在一处：指材料在循环应力和应变作用的下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程；裂纹或突然发生完全断裂的过程；常用指标常用指标：有疲劳强度：有疲劳强度(-1)(-1)；注意事项注意事项：零件发生疲劳破坏是没有预兆而突然断裂，此：零件发生疲劳破坏是没有预兆而突然断裂，此时发生疲劳破坏的应力远远小于抗拉强度，甚至比屈服强时发生疲劳破坏的应力远远小于抗拉强度，甚至比屈服强度还小，非常危险。度还小，非常危险。小结：小结：金属材料的力学性能是在外力作用下表现金属材料的力学性能是在外力作用下表现出的力学性能，在实际生产中应用相当广泛出的力学性能，在实际生产中应用相当广泛 1.1.2 物理、化学性能n n 工程材料的物理性能包括密度、熔点、导热工程材料的物理性能包括密度、熔点、导热性、热膨胀性等，各种机械零件由于用途不同，性、热膨胀性等，各种机械零件由于用途不同，对材料的物理性能要求也有所不同。对材料的物理性能要求也有所不同。1.1.3 金属材料的工艺性能n n 金属材料的工艺性能通常是指铸造、锻压、金属材料的工艺性能通常是指铸造、锻压、焊接、热处理和切削加工性能等，工艺性能焊接、热处理和切削加工性能等，工艺性能是反映金属材料接受各种加工和处理时难易是反映金属材料接受各种加工和处理时难易的适应程度，对产品质量、加工生产率和生的适应程度，对产品质量、加工生产率和生产成本等都有很大影响。产成本等都有很大影响。第二节第二节 金属与合金的结构和结晶金属与合金的结构和结晶一、金属材料的性能与结构 二、金属的结晶结构三、金属的结晶n n 材料的性能取决于材料的组织结构，而材料材料的性能取决于材料的组织结构，而材料的组织结构有它的化学组成和加工工艺决定。所的组织结构有它的化学组成和加工工艺决定。所以，材料的性能使其内部组织结构的宏观表现，以，材料的性能使其内部组织结构的宏观表现，化学组成是决定组织结构的内因，而加工工艺是化学组成是决定组织结构的内因，而加工工艺是决定组织结构的外部条件。因此，化学组成相同决定组织结构的外部条件。因此，化学组成相同的金属材料由于加工或热处理不同，强度、硬度、的金属材料由于加工或热处理不同，强度、硬度、塑性等性能会有很大的差异塑性等性能会有很大的差异。n n 固态物质按组成质点在空间的排列情况，分固态物质按组成质点在空间的排列情况，分为晶体和非晶体。晶体是指内部原子在空间按一为晶体和非晶体。晶体是指内部原子在空间按一定规则排列的物质，如金刚石、石墨及固态的金定规则排列的物质，如金刚石、石墨及固态的金属、合金等。非晶体是指内部原子排列五一定规属、合金等。非晶体是指内部原子排列五一定规则的物质，则的物质，如玻璃、石蜡、松香等如玻璃、石蜡、松香等。1.2.1 1.2.1 金属材料的性能与结构金属材料的性能与结构1.2.2 金属的结晶结构(一一)晶体结构的基本知识晶体结构的基本知识1 1、晶格：、晶格：为了便于描述晶体内部原子排列的规则，假设将原子为了便于描述晶体内部原子排列的规则，假设将原子抽象为一个点，称为结点；再用假设的直线连接结点，形成抽象为一个点，称为结点；再用假设的直线连接结点，形成空间格架。这种假想的空间格架成为结晶格子，简称晶格空间格架。这种假想的空间格架成为结晶格子，简称晶格。2 2、晶胞、晶胞：晶格中具有规则空间排列特征的最小几何单元晶格中具有规则空间排列特征的最小几何单元.3 3、常见金属晶格类型：、常见金属晶格类型：体心立方体体心立方体 面心立方体面心立方体 密排六方体密排六方体4 4、晶格的各向异性：、晶格的各向异性：（二）金属的实际晶体结构（二）金属的实际晶体结构1.1.多晶体结构多晶体结构:实际使用的金属材料，绝大部分并非实际使用的金属材料，绝大部分并非理性的单晶体，而是由许多小晶体（晶粒）组成理性的单晶体，而是由许多小晶体（晶粒）组成的多晶体的多晶体.2.2.简体缺陷简体缺陷:实际金属晶体内部的原子排列，并不像实际金属晶体内部的原子排列，并不像理性晶体那样完整和严守理性晶体那样完整和严守“规则规则”，由于各种原，由于各种原因使原子的规则排列遭到破坏，存在着局部和区因使原子的规则排列遭到破坏，存在着局部和区域的晶体缺陷，称为：域的晶体缺陷，称为：“晶体缺陷晶体缺陷”。线缺陷：线缺陷：指晶体内部某一平面上沿一方向呈线状分指晶体内部某一平面上沿一方向呈线状分布的缺陷，常见的线缺陷是刃型错位。在布的缺陷，常见的线缺陷是刃型错位。在位错附近区域晶格畸变，使强度、硬度提位错附近区域晶格畸变，使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。高，塑性、韧性下降。点缺陷：指晶格内部空间尺寸很小的缺陷，常点缺陷：指晶格内部空间尺寸很小的缺陷，常见的有见的有“晶格空位晶格空位”和和“间隙原子间隙原子”。面缺陷：面缺陷：指晶体内部呈面状分布的缺陷，常见的有晶界指晶体内部呈面状分布的缺陷，常见的有晶界和亚境界和亚境界n n细晶强化原理细晶强化原理：金属的实际结构多为多晶体结构，金属的实际结构多为多晶体结构，多晶体内相邻的不同位向晶粒之间，存在着过度多晶体内相邻的不同位向晶粒之间，存在着过度的不规则排列的原子层，称为晶界。而晶界原子的不规则排列的原子层，称为晶界。而晶界原子层的不规则排列，也是一种晶格畸变造成金属强层的不规则排列，也是一种晶格畸变造成金属强度、硬度增高而塑性变形困难。晶粒细则晶界增度、硬度增高而塑性变形困难。晶粒细则晶界增多，金属的强度、硬度也较高，这就是多，金属的强度、硬度也较高，这就是“细晶强细晶强化化”的基本原理。的基本原理。1.2.3 金属的结晶 金属的结晶是金属原子的聚集状态有无规则的金属的结晶是金属原子的聚集状态有无规则的液态转变为规则排列的固态晶体的过程液态转变为规则排列的固态晶体的过程 。（一）金属的结晶过程（一）金属的结晶过程 （二）晶粒大小及其控制（二）晶粒大小及其控制 （三）金属铸锭组织（三）金属铸锭组织 结晶温度：结晶温度：n n 每种金属都有固定的熔点，每种金属都有固定的熔点，也就是固定的结晶温度也就是固定的结晶温度t t0 0，这，这是在极缓慢的冷却条件下用热是在极缓慢的冷却条件下用热分析法测定的，通常称为理论分析法测定的，通常称为理论结晶温度，如图所示：结晶温度，如图所示：n n 用热分析法测定的金属冷用热分析法测定的金属冷却曲线：冷却曲线表示冷却的却曲线：冷却曲线表示冷却的某一温度时，冷却时间增加二某一温度时，冷却时间增加二温度不再下降，出现一个水平温度不再下降，出现一个水平台阶，这个台阶对应的温度即台阶，这个台阶对应的温度即结晶温度。结晶温度实际上是结晶温度。结晶温度实际上是一个平衡温度，是散热和结晶一个平衡温度，是散热和结晶潜热产生的动态平衡过程潜热产生的动态平衡过程 n n过冷度：在实际生产中，冷却度不可能无限缓慢，当以一定的冷却速度冷却结晶时，实际结晶温度t1都低于理论结晶温度t0，结晶可自发完成。理论结晶温度与实际结晶温度之差t，称为过冷度。n n 公式为：t=t0-t1（一）金属的结晶过程（一）金属的结晶过程 金属在冷却过程成中不断集结液体中的原子金属在冷却过程成中不断集结液体中的原子而逐渐长大，同时新的晶核也不断形成和长大，而逐渐长大，同时新的晶核也不断形成和长大，直至由晶核长大形成的晶粒彼此接近，液态金属直至由晶核长大形成的晶粒彼此接近，液态金属逐渐消失而完成结晶。逐渐消失而完成结晶。纯金属结晶过程示意图纯金属结晶过程示意图 （二）晶粒大小及其控制（二）晶粒大小及其控制 （1 1）晶粒大小对金属性能的影响：实际金属）晶粒大小对金属性能的影响：实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大，一般情况下，晶粒细小则金属强度、塑性、很大，一般情况下，晶粒细小则金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好 （2 2）晶粒大小的控制）晶粒大小的控制 提高冷却速度增大过冷度提高冷却速度增大过冷度 ；变质处理变质处理 ；还可以采用机械振动，超声振动和电磁振动等还可以采用机械振动，超声振动和电磁振动等 方法方法 。（三）金属铸锭组织（三）金属铸锭组织表层细晶区表层细晶区 柱状晶粒区柱状晶粒区 中心等轴晶粒区中心等轴晶粒区 1.2.4 合金的晶体结构 （一）合金的基本概念；（一）合金的基本概念；（二）合金的相结构。（二）合金的相结构。（一）合金的基本概念（一）合金的基本概念 合金合金:是一种金属与另一种或几种金属、非金是一种金属与另一种或几种金属、非金属融合而成的，具有金属特性的物质属融合而成的，具有金属特性的物质 组元组元:组成合金最基本的、独立的物质组成合金最基本的、独立的物质 合金系合金系:由两种或两种以上的组元按不同比例由两种或两种以上的组元按不同比例配制而成的一系列不同化学成分的所有合金，配制而成的一系列不同化学成分的所有合金，称为称为 相相:指在一个合金系统中具有相同的物理性能指在一个合金系统中具有相同的物理性能和化学性能，并与该系统的其余部分以界面分和化学性能，并与该系统的其余部分以界面分开的部分开的部分 组织组织:指用金相观察方法，在金属及其合金内指用金相观察方法，在金属及其合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况排列状况等组成关系的构造情况 （二）合金的相结构 固溶体：固溶体：合金在固态下一种组元的晶格内溶合金在固态下一种组元的晶格内溶解了另一种原子而形成的晶体相，称为固解了另一种原子而形成的晶体相，称为固溶体溶体 置换固溶体置换固溶体:溶质原子代替一部分溶剂原子，占据溶质原子代替一部分溶剂原子，占据溶剂晶格的部分结点位置时，所形成的晶体相，溶剂晶格的部分结点位置时，所形成的晶体相，称为置换固溶体称为置换固溶体 间隙固溶体间隙固溶体:溶质原子在溶剂晶格中不占据溶剂晶溶质原子在溶剂晶格中不占据溶剂晶格的结点位置，而是嵌入溶剂晶格的各结点之间格的结点位置，而是嵌入溶剂晶格的各结点之间的间隙内时，所形成的晶体相的间隙内时，所形成的晶体相 金属化合物金属化合物:金属化合物是指合金中各组元金属化合物是指合金中各组元之间发生相互作用而形成的具有金属特性的之间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相一种新相。多相复合组织多相复合组织:合金中的组元相互作用，一般合金中的组元相互作用，一般并非简单地形成一种固溶体或一种金属化合物，并非简单地形成一种固溶体或一种金属化合物，而可形成多种固溶体和金属化合物，最后组成而可形成多种固溶体和金属化合物，最后组成多相复合组织。这种由两种或两种以上相组成多相复合组织。这种由两种或两种以上相组成的多相组织合金的多相组织合金.1.2.5 合金的结晶 合金相图：又称合金状态图或合金平衡图，是合金相图：又称合金状态图或合金平衡图，是表示平衡条件下合金成分，温度和组织状态之表示平衡条件下合金成分，温度和组织状态之间关系的图形间关系的图形.（一）二元合金相图（一）二元合金相图 （二）合金性能与相图的关系（二）合金性能与相图的关系n n（一）二元合金相图：（一）二元合金相图：是最基本的合金，研究的是最基本的合金，研究的是二元合金的成分、温度和组织状态之间的关系是二元合金的成分、温度和组织状态之间的关系与变化规律。与变化规律。（二）合金性能与相图的关系：1 1合金力学性能与相图的关系：合金力学性能与相图的关系：单项固溶体区域，强度和硬度随溶质含量单项固溶体区域，强度和硬度随溶质含量增大而增加，在固态复相区域，合金性能大致增大而增加，在固态复相区域，合金性能大致是两个单项性能的算术平均值，强度、硬度的是两个单项性能的算术平均值，强度、硬度的变化与组成相的比例变化成直线关系。变化与组成相的比例变化成直线关系。2 2合金工艺性能与相图的关系：合金工艺性能与相图的关系：合金的铸造性能主要是指液态合金的流动合金的铸造性能主要是指液态合金的流动性和冷却凝固时产生缩孔、裂纹的倾向性。性和冷却凝固时产生缩孔、裂纹的倾向性。合金的锻压性能主要考虑其塑性变形能力合金的锻压性能主要考虑其塑性变形能力和变形抗力。和变形抗力。切削加工，复相合金比单相固溶体的切削切削加工，复相合金比单相固溶体的切削加工性能好加工性能好第三节第三节 铁碳合金相图铁碳合金相图 一、铁碳合金的基本组织 二、铁碳合金状态图 1.3.1铁碳合金的基本组织n n（一）纯铁的同素异晶转变（一）纯铁的同素异晶转变n n（二）铁碳合金的基本组织（二）铁碳合金的基本组织（一）纯铁的同素异晶转变n n同素异晶转变：金属这种在固态时随温度变化而同素异晶转变：金属这种在固态时随温度变化而晶格类型发生变化的现象，称为同素异晶转变，晶格类型发生变化的现象，称为同素异晶转变，也称同素异构转变。也称同素异构转变。n n纯铁的冷却结晶过程，具有典型的同素异构转变纯铁的冷却结晶过程，具有典型的同素异构转变特征。特征。n n重结晶：微粒与液态金属结晶过程相区别，通常重结晶：微粒与液态金属结晶过程相区别，通常称同素异构转变的结晶过程为称同素异构转变的结晶过程为“重结晶重结晶”。（二）铁碳合金的基本组织二）铁碳合金的基本组织n n铁素体是指铁素体是指-Fe-Fe或其内固溶有一种或数种其他元或其内固溶有一种或数种其他元素所形成的晶体点阵为体心立方的固溶体，用符素所形成的晶体点阵为体心立方的固溶体，用符号号F(F(或或)表示。表示。n n奥氏体是指奥氏体是指-Fe-Fe内固溶有碳和内固溶有碳和(或或)其它元素所形其它元素所形成的晶体点阵为面心立方的固溶体，常用符号成的晶体点阵为面心立方的固溶体，常用符号A A(或或)表示。表示。n n渗碳体是指晶体点阵为正交点阵、化学成分近似渗碳体是指晶体点阵为正交点阵、化学成分近似于于Fe3CFe3C的一种间隙式化合物，以符号的一种间隙式化合物，以符号CmCm表示。表示。n n珠光体是奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变珠光体是奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的组织所形成的组织 1.3.2铁碳合金状态图 n n（一）（一）Fe-Fe3CFe-Fe3C相图分析相图分析 n n（二）典型铁碳合金的冷却过程及其组织（二）典型铁碳合金的冷却过程及其组织n n（一）（一）Fe-Fe3CFe-Fe3C相图分析相图分析 1 1Fe-Fe3CFe-Fe3C相图中的特性点相图中的特性点 特性点温度（）WC（%）特性点的含义A15380纯铁的熔点或结晶温度C11484.3共晶点，发生共晶转变D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在-Fe中的最大溶碳量，也是钢与生铁的化学成分分界点G9120-Fe-Fe纯铁同素异构转变点P7270.0218碳在-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点ASP(EP+Fe3C)Q6000.0008碳在-Fe中的溶解度 2Fe-Fe3C相图中的特性线 n n（1 1）液相线）液相线ACAC：此线以上处于液态。此线以上处于液态。n n（2 2）固相线）固相线AECAEC：缓冷至此线结晶为固相。缓冷至此线结晶为固相。n n（3 3）共晶线）共晶线ECEC：ECFECF线是一条水平线是一条水平(恒温恒温)线，称为线，称为共晶线。在共晶线。在ECFECF线上，液态铁碳合金将发生共晶转变，线上，液态铁碳合金将发生共晶转变，其反应式是：其反应式是：LCLD(AeLCLD(Ae+Fe3C)+Fe3C)n n （4 4）共析线）共析线PSKPSK：PSKPSK线也是一条水平线也是一条水平(恒温恒温)线，称为共析线，通称线，称为共析线，通称A1A1线。在线。在PSKPSK线上固态奥氏线上固态奥氏体将发生共析转变，其反应式是：体将发生共析转变，其反应式是：AsP(AsAsP(As+Fe3C)Fe3C)n n （5 5）ESES线：线：ESES线是碳在奥氏体中的溶解度变线是碳在奥氏体中的溶解度变化曲线，通称化曲线，通称AcmAcm线。线。n n （6 6）GSGS线：线：GSGS线表示冷却时由奥氏体组织中线表示冷却时由奥氏体组织中析出铁素体组织的开始线，通称析出铁素体组织的开始线，通称A3A3线。线。n n （7 7）PQPQ线：线：PQPQ线是碳在铁素体中的溶解度变线是碳在铁素体中的溶解度变化曲线。它表示铁素体随着温度的降低，铁素体化曲线。它表示铁素体随着温度的降低，铁素体中的碳的质量分数沿着中的碳的质量分数沿着PQPQ线逐渐减少。线逐渐减少。（二）典型铁碳合金的冷却过程及其组织（二）典型铁碳合金的冷却过程及其组织n n1 1铁碳合金的分类：铁碳合金的分类：根据铁碳合金中碳含量和根据铁碳合金中碳含量和 室温组织的不同，一般把贴碳合金分为工业纯铁、室温组织的不同，一般把贴碳合金分为工业纯铁、钢和白口铁三类钢和白口铁三类 n n2 2典型贴碳合金冷却过程分析典型贴碳合金冷却过程分析（1 1）共析钢冷却过程分析）共析钢冷却过程分析（2 2）亚共析钢冷却过程分析）亚共析钢冷却过程分析 （4 4）共晶白口铁冷却过程分析：）共晶白口铁冷却过程分析：（3 3）过共析钢冷却过程分析：）过共析钢冷却过程分析：（5 5）亚共晶白口铁喝过共晶白口铁冷却过程分析：）亚共晶白口铁喝过共晶白口铁冷却过程分析：（1）本章从金属材料的使用性能入手，主要概述了金属材料的力学性能、物理化学性能、工艺性能、经济性能。（2）常见的金属元素大多数为比较简单的晶体结构，其中，最典型的晶体结构为体心立方、面心立方和密排六方结构。（3）在实际金属材料中，原子的排列不可能完美无缺，总是不可避免的存在一些原子规则排列的区域，这就是晶体缺陷。本章小结