金属材料知识培训优秀课件.ppt
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1、金属材料知识金属材料知识1 金属材料金属材料非金属材料非金属材料黑色金属黑色金属有色金属材料有色金属材料(用量占用量占80%)复合材料复合材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料(用量占用量占20%)2材材料料的的性性能能材料使用性能材料使用性能材料工艺性能材料工艺性能力学性能力学性能(强强度、度、塑性塑性、韧性等)韧性等)物理性能物理性能(光光、热、电、磁等)热、电、磁等)化学性能化学性能(氧化、(氧化、腐蚀腐蚀等)等)加工性能加工性能(切削、锻造等)(切削、锻造等)铸造性能铸造性能(适合铸造与否)(适合铸造与否)焊接性能焊接性能(容易焊接与否)(容易焊接与否)热处理性能热处理性能(可热处理
2、强化)(可热处理强化)3强度:指材料抵抗塑性变形和断裂的能力,对于结构材料来说,它是最重强度:指材料抵抗塑性变形和断裂的能力,对于结构材料来说,它是最重 要的力学性能。要的力学性能。塑性:表示材料断裂前发生的永久变形(塑性变形)的能力。塑性:表示材料断裂前发生的永久变形(塑性变形)的能力。塑性指标:延伸率塑性指标:延伸率 和断面收缩率和断面收缩率韧性:反映材料抵抗裂纹扩展能力的大小,是单位体积材料在断裂前所吸韧性:反映材料抵抗裂纹扩展能力的大小,是单位体积材料在断裂前所吸 收的能量,也就是外力使材料断裂所做的功。收的能量,也就是外力使材料断裂所做的功。硬度:指材料抵抗外物压入能力,硬度测量简单
3、快速,不破坏零件。硬度硬度:指材料抵抗外物压入能力,硬度测量简单快速,不破坏零件。硬度 与强度之间有一定关系,可用硬度来估计强度。与强度之间有一定关系,可用硬度来估计强度。几种常见的力学性能4P载荷载荷(N)变形变形三阶段三阶段弹性变形弹性变形弹塑性变形弹塑性变形断裂断裂形变强化(加工硬化):屈服后欲形变强化(加工硬化):屈服后欲 变形必须不断增载,随变形必须不断增载,随 塑变增大,变形抗力增大。塑变增大,变形抗力增大。Pb:强度极限的载荷强度极限的载荷试样某一部位截面开始急降试样某一部位截面开始急降颈缩颈缩导致载荷下降。导致载荷下降。Pk:断裂载荷断裂载荷P Pp p :保持直线关系的最大载
4、荷:保持直线关系的最大载荷 过过P P点曲线开始偏离直线点曲线开始偏离直线Pe:变形开始阶段变形开始阶段卸载后立刻恢复原状(弹变)卸载后立刻恢复原状(弹变)超过,伸长只部分恢复(塑变)超过,伸长只部分恢复(塑变)Ps:屈服时的最小变形屈服时的最小变形屈服:载荷不增加或反而减少,试屈服:载荷不增加或反而减少,试样还继续伸长的现象。样还继续伸长的现象。屈服后,材料出现明显塑屈服后,材料出现明显塑变,表面滑移带。变,表面滑移带。l l伸长伸长(mm)(低碳钢的拉伸曲线)(低碳钢的拉伸曲线)eps0bPpPePskPbPk lb lu lk5(MPa)(%)0 p e s b k b u k(低碳钢的
5、应力低碳钢的应力-应变曲线应变曲线)p:比例强度极限比例强度极限保持直线关系的最大应力值保持直线关系的最大应力值 e:弹性强度极限弹性强度极限p-e弹性变形阶段弹性变形阶段过过e,弹变弹变+微量塑变微量塑变 s:屈服强度极限屈服强度极限 达一定值时,不增或降低,达一定值时,不增或降低,l增增上屈服点:屈服阶段的最大应力。上屈服点:屈服阶段的最大应力。(对试样局部应力集中极为敏感)(对试样局部应力集中极为敏感)一般选一般选下屈服点下屈服点作为材料屈服强度作为材料屈服强度形变强化:形变强化:欲继续变形,必须不断增加应力,达欲继续变形,必须不断增加应力,达 b后,形变强化效应已不能后,形变强化效应已
6、不能补偿横截面积的减小而引起的承载能力的降低。补偿横截面积的减小而引起的承载能力的降低。(b点后颈缩点后颈缩)k:断裂强度:断裂强度此时试样断裂。此时试样断裂。62.弹性极限弹性极限 e和屈服强度和屈服强度 s:弹性极限是表征开始塑性变形的抗力。弹性极限是表征开始塑性变形的抗力。严格说:是表征微量塑性变形的抗力。严格说:是表征微量塑性变形的抗力。测出的弹性极限受测量精度影响,为便测出的弹性极限受测量精度影响,为便于比较,规定残余伸长应力。于比较,规定残余伸长应力。规定以残余伸长为规定以残余伸长为0.01%的应力作为规的应力作为规定残余伸长应力,记作定残余伸长应力,记作 0.01除退火或热轧的低
7、碳钢和中碳钢等少数除退火或热轧的低碳钢和中碳钢等少数合金有屈服现象外,大多数金属合金都合金有屈服现象外,大多数金属合金都没有屈服点。没有屈服点。规定产生规定产生0.2%残余伸长的应力作为屈服残余伸长的应力作为屈服强度,以强度,以 0.2表示。表示。0.2的测量方法同上,采用图解法的测量方法同上,采用图解法。7固态相变是热处理的基础固态相变是热处理的基础相变相变:构成物质的原子(分子)的聚合状态(相状态)发:构成物质的原子(分子)的聚合状态(相状态)发生变化的过程。生变化的过程。固态相变固态相变:固态材料在温度和压力改变时,其内部组织或:固态材料在温度和压力改变时,其内部组织或结构会发生变化,即
8、发生从一种相状态到另一种相状态的结构会发生变化,即发生从一种相状态到另一种相状态的转变。转变。母相或旧相:母相或旧相:相变前的相状态相变前的相状态新相:新相:相变后的相状态相变后的相状态固态相变8Fe-C Phase DiagramA1A3ACM铁碳相图相图与相变910Fe-C相图、冷却过程中的组织变化及产物111.1固态相变的分类121.按平衡状态图分类平衡相变和非平衡相变平衡相变和非平衡相变平衡相变平衡相变 缓慢加热或冷却时发生的能获得符合平衡缓慢加热或冷却时发生的能获得符合平衡状态图的平衡组织的相变状态图的平衡组织的相变:非平衡相变非平衡相变 加热或冷却速度很快,上述平衡相将被抑加热或冷
9、却速度很快,上述平衡相将被抑制,固态材料可能发生某些平衡状态图上不能制,固态材料可能发生某些平衡状态图上不能反映的转变并获得被称为不平衡或亚稳的组织反映的转变并获得被称为不平衡或亚稳的组织13平衡相变平衡相变同素异构转变同素异构转变/多形性转多形性转变变纯金属在温度和压力改变纯金属在温度和压力改变时,由一种晶体结构转变时,由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程为另一种晶体结构的过程称为称为同素异构转变同素异构转变。在固溶体中发生的同素异在固溶体中发生的同素异构转变称为构转变称为多形性转变多形性转变。钢中铁素体奥氏体的转变奥氏体铁素体的转变14平衡相变平衡相变平衡脱溶沉淀平衡脱溶沉淀 在在缓缓
10、慢慢冷冷却却条条件件下下,由由过过饱饱和和固固溶溶体体中中析析出出过过剩剩相相的过程称为的过程称为平衡脱溶沉淀平衡脱溶沉淀特特点点:母母相相 不不消消失失,随随着着新新相相 析析出出,母母相相的的成成分分和和体体积积分分数数不不断断变变化化(结结构构不不变变),新新相相的的结结构构和和成成分与旧相不同分与旧相不同15平衡相变平衡相变共析相变共析相变合金在冷却时由一个固合金在冷却时由一个固相分解为两个不同固相相分解为两个不同固相的转变称为共析相变的转变称为共析相变(或珠光体型转变或珠光体型转变)其两个生成相的结构和其两个生成相的结构和成分均与母相不同成分均与母相不同加热时也可发生加热时也可发生+
11、转变,称为转变,称为逆共析相变逆共析相变16平衡相变平衡相变调幅分解调幅分解某些合金在高温下具有均匀单相固溶体,但冷却某些合金在高温下具有均匀单相固溶体,但冷却到某一温度范围时可分解成为与原固溶体结构相到某一温度范围时可分解成为与原固溶体结构相同但成分不同的两个微区,这种转变称为同但成分不同的两个微区,这种转变称为调幅分调幅分解解。有序化转变有序化转变固溶体中,各组元原子在晶体点阵中的相对位置固溶体中,各组元原子在晶体点阵中的相对位置由无序到有序由无序到有序(指长程有序指长程有序)的转变称为有序化转的转变称为有序化转变。变。如如Cu-Zn,Cu-Au,Mn-Ni,Ti-Ni等合金。等合金。17
12、非平衡相变非平衡相变(2)非平衡相变非平衡相变非平衡相变:加热或冷却速度很快,非平衡相变:加热或冷却速度很快,上述平衡相将被抑制,固态材料可上述平衡相将被抑制,固态材料可能发生某些平衡状态图上不能反映能发生某些平衡状态图上不能反映的转变并获得被称为不平衡或亚稳的转变并获得被称为不平衡或亚稳的组织的组织伪共析相变伪共析相变:由成分偏离共析成分的过冷固溶由成分偏离共析成分的过冷固溶体形成的貌似共析体的组织转变体形成的貌似共析体的组织转变组成相的相对量由组成相的相对量由A的碳含量而的碳含量而变。变。18非平衡相变非平衡相变马氏体相变马氏体相变进一步提高冷却速度,使进一步提高冷却速度,使伪共析相变也来
13、不及进行伪共析相变也来不及进行而将奥氏体过冷到更低温而将奥氏体过冷到更低温度,则由于在低温下铁原度,则由于在低温下铁原子和碳原子都己不能或不子和碳原子都己不能或不易扩散,故奥氏体只能以易扩散,故奥氏体只能以不发生原子扩散、不引起不发生原子扩散、不引起成分改变的方式,通过切成分改变的方式,通过切变由变由 点阵改组为点阵改组为点阵,点阵,这种转变称为马氏体相变这种转变称为马氏体相变Fe-C合金合金19非平衡相变非平衡相变贝氏体相变贝氏体相变当奥氏体被冷却至珠光体转变和马氏体相变之间的温度范围时,由于温度较低,铁原子已不能扩散,但碳原子尚具有一定的扩散能力,因此出现了一种独特的碳原子扩散而铁原子不扩
14、散的非平衡相变,这种相变称为贝氏体相变(或称为中温转变)。其转变产物也是相相与碳化物碳化物的混合物,但相相的碳含量和形态的碳含量和形态以及碳化物的形态和分布碳化物的形态和分布均与珠光体不同,称其为贝氏体贝氏体。20非平衡相变非平衡相变非平衡脱溶沉淀非平衡脱溶沉淀若b成分的合金自T1温度快冷时,相在冷却过程中来不及析出,则冷到室温时便得到过饱和的固溶体。若在室温或低于固溶度曲线MN的某一温度下溶质原子尚具有一定的扩散能力,则在上述温度等温时,过饱和固溶体仍可能发生分解,逐渐析出新相。但在析出的初期阶段,新相的成分和结构均与平衡脱溶沉淀相有所不同,这一过程称为非平衡脱溶沉淀(或时效)。212.按原
15、子迁移特征分类相变时原子迁移特征相变时原子迁移特征扩散型相变扩散型相变非扩散型相变非扩散型相变222 按原子迁移特征分类(1)扩散型相变)扩散型相变u相变时,相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变。相变时,相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变。如:脱溶型相变、共析型相变如:脱溶型相变、共析型相变(珠光体型转变)、调幅分解和有序珠光体型转变)、调幅分解和有序化转变等等。化转变等等。u特点:特点:(1 1)有原子扩散运动,相变速率受原子扩散速度所控制;)有原子扩散运动,相变速率受原子扩散速度所控制;(2 2)新相和母相的成分往往不同;)新相和母相的成分往往不同;(3 3)只有
16、因新相和母相比容不同而引起的体积变化,没有宏观形状)只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化,没有宏观形状改变改变。232.按原子迁移特征分类(2)(2)非扩散型相变非扩散型相变u相变过程中原子不发生扩散,参与转变的所有原子的运动是协调一致相变过程中原子不发生扩散,参与转变的所有原子的运动是协调一致的相变称为的相变称为非扩散型相变非扩散型相变,也称为,也称为“协同型协同型”转变转变。非扩散型相变时。非扩散型相变时原子仅作有规则的迁移以使点阵发生改组。迁移时,相邻原子相对移原子仅作有规则的迁移以使点阵发生改组。迁移时,相邻原子相对移动距离不超过一个原子间距,相邻原子的相对位置保持不变。动距离不超
17、过一个原子间距,相邻原子的相对位置保持不变。如:马氏体相变如:马氏体相变u特点:特点:(1 1)存在由于均匀切变引起的)存在由于均匀切变引起的宏观形状改变宏观形状改变,可在预先制备的抛光试样,可在预先制备的抛光试样表面上出现浮突现象。表面上出现浮突现象。(2 2)相变不需要通过扩散,)相变不需要通过扩散,新相和母相的化学成分相同新相和母相的化学成分相同。(3 3)新相和母相之间存在一定的)新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系晶体学位向关系。(4 4)某些材料发生非扩散相变时,)某些材料发生非扩散相变时,相界面移动速度极快相界面移动速度极快,可接近声速。,可接近声速。24热处理是将工件在介质中
18、加热到一定温度并保温热处理是将工件在介质中加热到一定温度并保温一定时间,然后以一定速率冷却,以改变金属的一定时间,然后以一定速率冷却,以改变金属的组织结构,从而改变其性能。例如增加或降低金组织结构,从而改变其性能。例如增加或降低金属材料的强度、硬度、韧性、塑性等。属材料的强度、硬度、韧性、塑性等。热处理基本知识251、热处理的定义、热处理的定义一、概述时间温度临界温度 热加保温冷 却262、热处理的主要目的:获得所需的使用性能、热处理的主要目的:获得所需的使用性能3、热处理的应用范围:整个制造业、热处理的应用范围:整个制造业4、热处理的分类:、热处理的分类:一、概述热处理普 通热处理化 学热处
19、理表 面热处理退火、正火淬火、回火表面淬火感应加热淬火火焰加热淬火渗碳、渗氮碳氮共渗271、转变温度、转变温度二、钢在加热时的组织转变282、奥氏体的形成、奥氏体的形成二、钢在加热时的组织转变293、奥氏体晶粒度对力学性能的影响、奥氏体晶粒度对力学性能的影响(1)奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。(2)粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。二、钢在加热时的组织转变301、钢在热处理时的冷却方式、钢在热处理时的冷却方式三、钢在冷却时的组织转变时间温度临界温度 热加连续冷却等温冷却保温312、过冷奥氏体的等温冷却转变、过冷奥氏体的等温冷却转变(1)TTT曲线曲线(
20、C曲线曲线)-Time,Temperature,Transformation三、钢在冷却时的组织转变32332、过冷奥氏体的等温冷却转变、过冷奥氏体的等温冷却转变(1)TTT曲线曲线(C曲线曲线)-共析碳钢共析碳钢三、钢在冷却时的组织转变34 转变开始线与纵坐标之间的距离为孕转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。育期。孕育期越小,过冷奥氏体稳定性越小孕育期越小,过冷奥氏体稳定性越小.孕育期最小处称孕育期最小处称C C 曲线的曲线的“鼻尖鼻尖”。碳钢。碳钢鼻尖处的温度为鼻尖处的温度为550550。在鼻尖以上在鼻尖以上,温度较高,相变驱动力小。温度较高,相变驱动力小。在鼻尖以下,温度较低,扩散困难
21、。从而在鼻尖以下,温度较低,扩散困难。从而使奥氏体稳定性增加。使奥氏体稳定性增加。C C曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物。度下的等温转变产物。C 曲线的分析曲线的分析352、过冷奥氏体的等温冷却转变、过冷奥氏体的等温冷却转变(2)转变产物的组织与性能珠光体型(P)转变(A1550):A1650:P;525HRC;片间距为0.60.7m(500)。650600:细片状P-索氏体(S);片间距为0.20.4m(1000);2536HRC。600550:极细片状P-屈氏体(T);片间距为0.2m(电镜);3540HRC。三、钢在冷却时的组织转变362
22、、过冷奥氏体的等温冷却转变、过冷奥氏体的等温冷却转变(2)转变产物的组织与性能珠光体形貌三、钢在冷却时的组织转变光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌372、过冷奥氏体的等温冷却转变、过冷奥氏体的等温冷却转变(2)转变产物的组织与性能索氏体形貌三、钢在冷却时的组织转变光镜形貌电镜形貌382、过冷奥氏体的等温冷却转变、过冷奥氏体的等温冷却转变(2)转变产物的组织与性能-屈氏体形貌三、钢在冷却时的组织转变电镜形貌光镜形貌392、过冷奥氏体的等温冷却转变、过冷奥氏体的等温冷却转变(2)转变产物的组织与性能贝氏体型(B)转变(550230):550350:B上;4045HRC;三、钢在冷却时的组织转
23、变B上上=过饱和碳过饱和碳-Fe条状条状+Fe3C细条状细条状 过饱和碳过饱和碳-Fe条状条状 Fe3C细条状细条状羽毛状羽毛状402、过冷奥氏体的等温冷却转变、过冷奥氏体的等温冷却转变(2)转变产物的组织与性能 上贝氏体组织金相图三、钢在冷却时的组织转变412、过冷奥氏体的等温冷却转变、过冷奥氏体的等温冷却转变(2)转变产物的组织与性能350230:B下;5060HRC;三、钢在冷却时的组织转变B下下=过饱和碳过饱和碳-Fe针叶状针叶状+Fe3C细片状细片状过饱和碳过饱和碳-Fe针叶状针叶状Fe3C细片状细片状针叶状针叶状422、过冷奥氏体的等温冷却转变、过冷奥氏体的等温冷却转变(2)转变产
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