金属工艺学_第一篇_金属材料的基础知识上.ppt

,其主要内容包括:, 金属材料的主要性能 铁碳合金 钢的热处理 工业用钢,材料与性能要求,四大工程材料：钢铁、铝及铝合金、 塑料、水泥 力学性能 强度、塑性、 硬度、 冲击韧性(度)、疲劳强度 物化性能密度、耐腐蚀性等 工艺性能加工成形的难易程度,第一章 金属材料的主要性能 金属材料的力学性能 一、强度和塑性,拉伸试验（GB6397-1986）,拉伸试样,低碳钢拉伸试验图分析,塑性变形阶段 (屈服) 颈缩阶段 断裂阶段,变形阶段的分析：,弹性变形阶段,N/mm2；MPa,应变：试样单位长度上的伸长量,应力与应变概念,应力： 试样单位横截面上的拉力,r0.2名义屈服强度 （名义屈服点）,低碳钢拉伸试验图,1.强度指标，单位：MPa(N/mm2）,b 抗拉强度,s 屈服强度(屈服点）,强度: 材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。,（F）,屈服强度和抗拉强度 在工程上常用屈服强度和抗拉强度来表示金属材料的强度指标。其计算公式为： 屈服强度（屈服点）拉伸试样产生屈服现象时的应力 s=Fs /A0 ( MPa ) 抗拉强度拉伸试样在拉断前所承受的最大应力 b = Fb/ A0 ( M Pa ) Fs试样产生屈服现象时所承受的最大载荷,N Fb-试样在拉断前所能承受 的最大载荷, N A0试样原始截面积,mm 金属不能在超过其 s 、 b 的条件下工作。因此作为强度设计的依据.,2. 塑性指标,应用中：10试样 L0=10d0 5 试样 L0=5d0, 伸长率：试样拉断后,其标距的伸长与原始标注的百分比.,塑性: 材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。,断面收缩率: 试样拉断后,缩颈处截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比,说明：、值愈大，表明材料的塑性愈好。,式中 A0试样的原始截面积，mm； A1试样拉断后,断口处横截面积，mm；, =（A0 A1）/A0100%,二、硬度（HB、HR）,硬度:是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。 它是材料性能的一个综合的物理量，表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。是衡量金属软硬的指标。直接影响金属材料的耐磨性。 常用的有布氏硬度和洛氏硬度,1. 布氏硬度HBS（以淬火钢球为压头） 用于测定软性材质（HBS450） 测试原理图：,HBS测定,压头直径:10mm、 5mm、 2.5mm 载荷: 30000N、 7500N 、1870N 特点：优点：测量值较稳定、准确度较洛氏硬度高 缺点：测量费时，且压痕较大， 不适合成品检验。 适用范围：用于测定软性材质（HBS450） 如:灰口铸铁、软钢和非铁合金等。 HBW- 以硬质合金为压头的新型布氏硬度计,HRC测定,2、洛氏硬度HRC （120。金刚石压头、 140kgf ） 用于测定硬质表面,材料（2070 HRC） 测试原理图：,F,压头直径: 120。金刚石压头、 1.5875mm钢球、 3.175mm钢球 主载荷: 140kgf、50kgf、90kgf 、 特点：优点 测试简便、迅速、因压痕小、不损伤 零件，适合成品检验。 缺点 测得的硬度值重复性较差，需在不同的 部位测量数次。 适用范围：用于测定硬质材质（2070 HRC） 如:淬火钢、调质钢等。,三、韧性 金属在断裂前吸收的变形能量韧性。 其常用指标为-冲击韧度（ak ）,用冲击试验测定冲击韧度,计算公式： ak =Ak/S(J / cm) 用单位面积上的冲击功来表示 ak冲击韧度 Ak冲断试样所消耗的冲击功，J; S试样缺口处的横截面积，cm。 冲击值一般作为选材的参考，不直接用于强度计算。 试验表明：在冲击能量不大的情况下，金属材料承受多次重复冲击的能力，主要决定于强度，而不是要求过高的冲击韧度。 ak 值 对组织缺陷很敏感，因此，冲击试验在生产上用来检验冶炼、热加工、热处理工艺质量的有效方法。,四、 疲劳强度 （-1 ） （-10.5b） 金属材料在无数次重复或交变载荷的作用下而不致引起断裂的最大应力疲劳强度。 在机械零件中有许多零件，如连杆、齿轮、弹簧、曲轴等，是在交变载荷的作用下工作的。这种受交变应力的零件，发生断裂时的应力。远低于该材料的屈服强度，这种破坏现象叫做疲劳破坏。据统计，约有80%的机件失效都可归咎于疲劳破坏。 金属材料所承受重复或交变载荷应力（）与其断裂前的应力循环次数（N）有如图所示的疲劳曲线关系。,疲劳曲线,当应力降至某值后， 疲劳曲线成为水平， 即表示该材料可能经受无数次应力循环而仍不发生疲劳断裂，这个应力叫做疲劳强度极限。 用应力循环基数表示： 钢为107 非铁合金为108,5、几种常用金属材料的力学性能,复习题,1. 解释应力与应变的概念 2. 说明S 、0.2 、b、1 、k、45-50HRC、300HBS的名称和含义 3. 查阅有关资料列表统计如下材料的力学性能指标值：Q215-A; 35; T10; HT300; QT450-10; ZG340-640(ZG55）; ZCuSn10Pb1(10-1锡青铜); ZAlSi7Mg(ZL101) 。,第二章 铁 碳 合 金,铁碳合金根据含碳量的不同可分为: 碳钢 ： C2.11%; 生铁： 2.11%C5%. （铸铁：2.8%C4.0%),图3-3 40钢的显微组织 400 图3-4 60钢的显微组织 400 组织：F+P 组织：P（黑色）+F（白色网状,第一节 金属的晶体结构与同素异晶转变,金属（纯铁、铜、 铝等）都是晶体 晶体原子按一定的次序作有规则的排列。如金刚石、石墨等。 非晶体原子作不规则的排列。 如玻璃、沥青等。 晶格把每个原子看成一个点， 此点代表原子的振动中心,将这些点用直线连接起来，形成的空间格子。 晶胞晶格的最小单元。,晶胞,一、 金属的结晶： 金属由液态冷却变成固态，原子由不规则排列有规则的排列 无序 有序,金属结晶过程示意图,金属结晶过程 形核长大晶粒,金属和合金多为多晶体结构 晶粒间的接触面（边界）称为晶界。,细化晶粒的方法 （1）快速冷却，增加晶核数； （2）添加高熔点弥散质点 （孕育或变质处理） （3）热处理和压力加工,晶粒粗细对力学性能影响很 大。一般规律：晶粒愈细， 强度、硬度愈高，塑性、韧 性愈好。,纯金属结晶的 冷却曲线规律,2）纯金属结晶在恒温下进行，结晶冷却曲线出现 水平线段,1）金属实际结晶温度低于理论结晶温度；理论结 晶温度T 0 与实际结晶温度Tm之差称为过冷度， 即：T=T 0-Tm,二、纯铁的晶体结构形式,体心立方晶格Fe,面心立方晶格Fe,纯铁在晶体状态下的两种晶格类型：,1）体心立方晶格 在立方体的8个顶角上各有一个原子，在立方体中心还有一个原子。,体心立方晶格,2）面心立方晶格 在立方体8个顶角上各有一个原子，在立方体 的6个面的中心还各有一个原子。,面心立方晶格,三、纯铁的同素异晶转变,纯铁固态下, 在不同温度范围内将呈现出不同的晶格形态，这种现象称为同素异晶转变。,（液体） 1538 （体心） 1394 （面心） 912 （体心）,2）用反应式表示,1）用冷却曲线表示,L,合金：以一种金属为基础，加入其它金属或非金 属，所形成的具有金属特性的物质。 组元：组成合金的基本元素。 铁碳合金(Fe-Fe3C) 相：在合金组织中,凡是成分相同、晶体结构和物理性能相同的均匀组成部分。 例如： 单一的液相； 单一的固相； 液相、固相两相共存；,问题： 水、油混装在一个瓶子里，是几个相？ 将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？,第二节 铁碳合金的组织结构,组织：通常借助于放大镜、显微镜人眼观察到的材料内部的微观（图像）统称组织,组织是材料性能的决定因素。,合金的组织结构,机械混合物,固溶体,金属化合物,一、固溶体,溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体。,据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同,固溶体,固溶体的性能特点： 具有良好的塑性和韧性，强度、硬度较低。,置换固溶体,间隙固溶体,溶质原子,二、金属化合物,合金各组成元素之间相互作用而生成的一种新的具有金属特性的物质。,金属化合物各元素之间呈整数比关系。 如： Fe3C、WC、TiC 等,金属化合物的性能特点： 脆性大、硬度高；强度低；塑性、韧性差；高的熔点。,三、机械混合物,合金的组成在固态下既不互相溶解又不形成化合物，而是按一定的重量比混合而成的新物质。,机械混合物既可以是纯金属、固溶体或金属化合物各自的混合，也可以是它们之间的混合。,性能特点： 性能介于各组成物的性能之间。,第三节 铁碳合金的基本组织,部分碳溶于铁的晶格间隙，铁的晶格类型 不变。,奥氏体（A） 碳（C）溶入-Fe中所形成的固溶体,铁素体（F） 碳（C）溶入-Fe中所形成的固溶体,1）固溶体,铁素体（F） 体心立方晶格 600 0.006%C 727 0.0218%C 力学性能：b 250MPa； = 45%50%； HBS = 80。,奥氏体（A）面心立方晶格 1148 2.11%C 727 0.77% 力学性能： b 250 350MPa； = 40%45%。 HBS= 160200；,铁素体组织,奥氏体不锈钢组织,渗碳体 （Fe3C）,（石墨）,铸铁生产中,性能 800 HBW （用硬质合金头测定） 硬而脆，但塑性、韧性近于零。,2）金属化合物各组元按一定整数比结合而成，并 具有金属性质的均匀物质，属于单相组织。,过共晶白口铸铁中 铁的一次渗碳体,过共析钢退火组织中 的二次渗碳体,3）机械混合物结晶过程所形成的两相混合组织,白色F基体中嵌入黑片状Fe 3C,良好的力学性能： b 750MPa ； HBS=180 =20 %25% ； k = 30-40（J/c）,成分：C 0.77 %,珠光体 P （F+Fe3C）,莱氏体（Ld ） C=4.3%C 727以上为高温Ld （A+ Fe3C） 727以下为低温Ld （P+ Fe3C） 力学性能与 Fe3C 相似，硬而脆,由绿条状或粒状P和黄色Fe3C 基体组成,珠光体,莱氏体,三 、铁碳合金状态图,铁碳合金状态图是用实验方法作出的温度成分坐标图，图中横坐标仅标出了含碳量小于6.69%的合金部分，因为含碳量大于6.69%的铁碳合金，在工业上没有实用意义。当含碳量为6.69%时，铁和碳形成的Fe3C，可以看作是合金的一个组元，因此，这个状态图实际上是Fe-Fe3C的状态图。它是研究钢和铁的成分、温度和组织结构之间关系的重要工具。,铁碳合金状态图,显示各种不同碳量的铁碳合金在不同温度 下组织形态的热分析图形,铁碳合金状态图,1、 Fe C合金状态图的构成,1）两条水平线 ECF（1148） PSK（727）,2）4个基本相 液相(L)； 奥氏体(A)； 铁素体(F)； 渗碳体相( Fe 3C)。,2、Fe C合金状态图的特性分析,1）共晶线ECF （C点共晶点）,说明：含2.11%6.69%C的 Fe C合金(生铁)都将在1148 时发生莱氏体转变，即共晶转变。,1148,表示共晶反应：,2）共析线PSK （S点共析点）,说明：各种成分的 Fe C合金(钢)都将在727时发生珠光体转变，即共析转变。在热处理中，该线温度常以A1表示，冷却时用Ar1，加热时用Ac1。,727,表示共析反应：,3）两条固溶线GS、ES,ES 自高碳奥氏体冷却过 程中析出 Fe3C的起始线。 温度常以 Acm表示。 （冷却：Arm；加热：Acm）,GS 自低碳奥氏体冷却过程中析出铁素体晶粒的起始 线，该温度常以 A3表示。 （冷却：Ar3；加热：Ac3）,铁碳合金住状态图中主要线的含义,ACD线液相线，液体合金冷却到此线时开始结晶。 在此线以上的区域是液相区。 AECF线固相线 ，在此线以下的合金为固体状态。 ( AE线 钢的固相线。当液体合金冷却到此线时全部结晶为 奥氏体，反之，加热到此线时，钢开始溶化。) ECF线生铁的固相线，又叫共晶线。因在此线上发生共晶转变生成莱氏体。 GS线（A3线）奥氏体冷却到此线时，开始析出铁素体。 ES线（Acm线）奥氏体冷却到此线时开始析出渗碳体。 PSK（A1线）此线又叫共析线，当奥氏体冷却到此线时，同时析出铁素体