金属材料与热处理全套ppt课件完整版教程

1、“十二五”职业教育国家规划教材经全国职业教育教材审定委员会审定大连理工大学出版社金属材料与热处理（第二版）2015年月出版 Heat Treatment大连理工大学出版社主编：王书田“十二五”职业教育国家规划教材高职高专焊接技术及自动化类课程规划教材金属材料与热处理的课程的性质1.金属材料与热处理的发展史2.金属材料与热处理课程的性质3.金属材料与热处理是一门从生产实践中发展起来的，而又直接为生产实践服务的科学，是一门密切结合实际的科学，同时也是金属压力加工、铸造、焊接等加工工艺的基础。金属材料与热处理课程内容绪论热处理原理及工艺金属学知识非铁合金知识钢铁材料知识晶体学知识课程内容学习本课程的

2、基本要求1、掌握金属材料的力学性能、晶体结构、铁碳合金相图等金属学的基本知识。 2、熟悉金属材料的成分、组织结构、性能之间的关系和变化规律。 3、掌握常用金属材料的牌号、性能及应用，初步具有合理选择金属材料的技能。 4、了解热处理的原理，掌握各种热处理方法的特点、工艺过程及应用，初步具有正确选 定一般零件的热处理方法及确定热处理工序位置的能力。 5、获得一定的实验技能，具有一定的分析问题和解决问题的能力。 课程的学习方法1、课前积极预习2、课中认真听讲 3、课后及时复习4、积极实验实践5、强化概念记忆金属材料与热处理（第二版）2015年月出版 Heat Treatment大连理工大学出版社主编

3、：王书田“十二五”职业教育国家规划教材高职高专焊接技术及自动化类课程规划教材模块一 金属的力学性能 金属材料获得广泛应用是由于它们在加工和使用过程中具备各种优越的性能。金属材料的性能指标和变化规律是选择合适材料的主要依据。性 能使用性能：力学性能、物理性能和化学性能等 工艺性能：铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处 理性能及切削加工性能等。 金属的物理性能 金属的物理性能是指金属在固态下所表现出的一系列物理现象。物理性能不仅影响材料的应用范围和产品质量，而且对加工工艺，特别是对焊接的工艺性和焊接质量有较大影响。 1.密度 密度是单位体积物质的质量，密度是金属材料的特性之一。不同金属的密度不同。按

4、密度的大小，将金属分为轻金属与重金属两类。在生产中，常利用金属的密度来计算毛坯或零件的质量。此外密度有 时是选择材料的依据。 2.熔点金属的熔点是指金属由固态熔化为液态时的温度。纯金属的熔点是固定不变的，合金的熔点取决于它的成分熔点是金属和合金进行冶炼、铸造、焊接时重要工艺参数金属的物理性能 3.导热性 金属的导热性是指在其内部或相互接触的物体之间存在温差时，热量从高温部分到低温部分或从高温物体到低温物体的移动能力，用热导率表示，单位为W/（mK）。导热性是金属材料的重要性能之一，在制定焊接、铸造、锻造和热处理工艺时，必须考虑防止金属材料在加热和冷却过程中形成过大的内应力，产生变形和开裂。4.

5、导电性 金属传导电流的能力称为导电性，常用电导率表示，单位为S/m。电导率是电阻率的倒数。电导率越大，金属的导电能力越强。工业上常用电导率高的材料制造电器零件，如电线、电缆、 电器元件等;用电导率低的金属如镍铬合金和铁铬铝合金制造电阻器或电热元件等。金属的物理性能 5.热膨胀性 热膨胀性是指固态金属在温度变化时热胀冷缩的能力，在工程上常用线膨胀系数来表示，符号为 熔焊时，由于热源对焊件进行局部加热，使焊件上的温度分布极不均匀，造成焊件上出现不均匀的热膨胀，从而导致不均匀的变形和焊接应力，而且被焊材料的 线膨胀系数越大，引发的焊接应力和变形就越大。6.磁性 金属能导磁的性能称为磁性。金属材料根据

6、其在磁场中受到的磁化程度不同，可分为铁磁性材料（如铁、钴等）、顺磁 性材料（如锰、铬等）和抗磁性材料（如铜、锌等）三种。金属的化学性能 金属的化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能1.耐腐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧气、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力。提高金属材料的耐腐蚀性，对于节约金属材料和延长金属材料的使用寿命，具有现实的经济意义2.抗氧化性 金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。金属材料的氧化随温度升高而加速，例如钢材在铸造、锻造、热处理、焊接等热加工作业时，氧化比较严重。这不仅造成材料过量的损耗，也会形成各种缺陷。为此，常在工件的周围制造一种保护气氛，避免金属材料的氧化。金属的

7、化学性能 3.化学稳定性 化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定 性称为热稳定性。在高温条件下工作的设备（如锅炉、加热设备、汽轮机、喷气发动机等）上 的部件需要选择热稳定性好的材料来制造。 金属的工艺性能 工艺性能是指机器零件或工具在加工过程中，金属材料所表现出来的适应能力。金属的工艺性能包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。1铸造性能材料适于铸造加工的性能力称为铸造性能。衡量铸造性能的指标有流动性、收缩性和偏析等。凡是流动性好、收缩性小以及偏析倾向小的金属材料，其铸造性能良好，容易造成优良的铸件。常用钢铁材料中铸铁具有优良的铸造性能

8、，而钢的铸造性能低于铸铁。2.锻造性能材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要与材料的塑性和变形抗力有关。塑性越好，变形抗力越小，则锻造性能越好。金属的工艺性能 3.焊接性能焊接性能是指金属材料对焊接加工的适应性。也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。对于碳钢和低合金钢，焊接性能主要同金属材料的化学成分有关，其中碳的影响最大。例如低碳钢具有良好的焊接性，高碳钢、铸铁的焊接性差。4.切削加工性能材料接受切削加工的难易程度称为切削加工性能。影响切削加工性能的因素主要有工件的化学成分、组织状态、硬度、韧性、导热性和变形强化等。5.热处理工艺性是材料接受热

9、处理的能力。包括淬硬性、淬透性、淬火变形开裂倾向、过热敏感性、回火脆性、氧化脱碳倾向等强度与塑性 金属材料的室温拉伸试验金属材料室温拉伸试验是应用最广泛的金属力学性能试验方法之一。试验是在试样两端缓慢施加载荷，使试样的工作部分受轴向拉力，引起试样沿轴向伸长，直至拉断为止。拉伸试验按照GB/T228-2010进行拉伸曲线强度与塑性 低碳退火钢拉伸曲线分析第1阶段：弹性变形阶段（oa） 在此阶段中应力-延伸率成直线关系，加力时产生变形，卸力后变形能完全恢复拉伸曲线oa阶段的斜率(R/e)为试验材料的弹性模量（E）。弹性模量表示金属材料对弹性变形的抵抗能力，也叫材料的刚度。 第2阶段：滞弹性变形阶段

10、（ab） 这阶段中应力-延伸率出现了非直线关系，当力加到b点时卸除力，变形仍可回到原点强度与塑性 第3阶段：微塑性应变阶段（bc） 当应力超过b点后，随着应力的增加，试样在弹性变形的同时开始发生微量塑性变形第4阶段：屈服阶段（cde）。当应力加到c点时，突然产生塑性变形，在曲线上出现力不同程度下降，而试样塑性变形急剧增加，称为材料的屈服。强度与塑性 第5阶段：塑性应变强化阶段（ef）屈服结束后，试样在塑性变形下产生应变强化，从e点开始应力不断上升第6阶段：缩颈变形阶段（fg）力施加到f点，试样产生不均匀的塑性变形，变形主要集中于试样的某一局部区域，该处横截面积急剧减少，结果就形成了所谓“缩颈”

11、现象。到g点时，试样发生断裂。过程可分为弹性变形阶段、滞弹性变形阶段、微塑性应变阶段、屈服阶段、塑性应变强化阶段和缩颈变形阶段。强度与塑性 强度和强度指标1.强度强度是指金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力，是重要的力学性能指标。2.抗拉强度抗力强度是试样在屈服阶段之后的最大应力，当材料无明显屈服时，是试验期间的最大应力，用Rm(旧标准中用b)表示。强度与塑性 3.屈服强度由拉伸曲线可知，当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点为屈服强度，应区分为上屈服强度和下屈服强度。上屈服强度为试样发生屈服而力首次下降的最高应力，用ReH（旧标准用su）表示；而下屈服强度是在屈服

12、期间不计初始瞬时效应时的最低应力，用ReL（旧标准用sl）表示。屈服现象是材料在拉伸时开始塑性变形的一个标志。屈服强度可以理解为金属材料开始产生明显塑性变形的最小应力值，其实质是金属材料对初始塑性变形的抗力。对于在拉伸试验时无明显的屈服现象的材料，一般用规定塑性延伸强度RP0.2（旧标准用0.2）表示，并称为条件屈服强度。RP0.2表示规定塑性延伸率为0.2时的应力。在生产实际中，绝大部分工程构件和机器零件在其服役过程中都处于弹性变形状态，不允许有明显的塑性变形产生。屈服强度是工程技术上重要的力学性能指标之一，也是大多数工程构件和机器零件选材和设计的依据。强度与塑性 四、塑性和塑性指标1.塑性

13、：是金属材料在外力作用下，断裂前产生塑性变形的能力。 2.断后伸长率：3.断面收缩率：硬度 硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，是金属材料在静载荷作用下抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕、划痕的能力。它在一定程度上反映了材料的综合力学性能。硬度值的大小不仅取决材料本身的性能，而且还取决于测量方法和条件。用不同的方法测定的硬度值具有不同的意义。 与拉伸试验相比，硬度试验简单，操作迅速方便，又可直接在零件上或工具上进行试验 而不破坏工件。在产品设计图样的技术条件中，硬度是一项主要技术指标。硬度的测量方法较多，主要有压入法、弹跳法和刻痕法三大类。在机械制造过程中，常用的测量硬度方法 是压入法，它是用一

14、定几何形状的压头，在一定载荷下，压入被测金属表面，根据被压入程度来测定其硬度值。生产中常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度试验方法硬度 布氏硬度试验原理：布氏硬度试验是在一定的试验力F作用下，将一定直径D的硬质合金球压头压入到被测金属表面，保持规定时间后卸除试验力，测量被测材料表面留下压痕的平均直径d，根据d计算出压痕面积S，最后求出压痕单位面积上承受的平均试验力，以此作为被测金属材料的布氏硬度值。 布氏硬度实验原理示意图硬度 布氏硬度的计算公式为：式中 HBW布氏硬度; F试验力大小（ N）; D硬质合金球直径（ mm）; d压痕平均直径（ mm）; 布氏硬度的单位为N/mm2或kgf/mm

15、2（现已废弃），习惯上布氏硬度是不标单位的。布氏硬度实际测试时，硬度值不用计算，而是用刻度放大镜量出压痕直径d，再根据d的大小，从专门的硬度表中查出相应的布氏硬度值。 硬度 布氏硬度试验规范 GB/T 2312012标准，布氏硬度表示方法为:布氏硬度值+硬度符号+试验条件。布氏硬度用符号HBW表示。如200HBW10/1000/30 表示用10 mm直径的硬质合金球压头，在1000 kgf（9.807 kN）的试验力作用下，保持30 s（持续时间为1015 s时，可以不标出），测定的布氏硬度值为200。 试验力的选定应保证压痕直径在（0.240.6）D之间，试验力与硬质合金球压头之间的比率0.

16、102 F/D2，应根据材料和硬度值选择，优点是试样上压痕面积较大，能较好地反映材料的平均硬度值，数据比较稳定，重复性好。缺点是测试麻烦，压痕较大，对材料表面的损伤也较大，不适合测量成品件及薄件材料。布氏硬度适用于铸铁、非铁金属及经过退火、正火或调质处理的钢材，更合适于软金属，如铝、铅、锡等硬度 布氏硬度试验过程布氏硬度试验一般在1035的室温下进行。将被测试样放置在样品台中央，顺时针平稳旋转手轮，使样品台缓慢上升，试样与压头紧密接触，直至手轮与螺母产生相对滑动，停止转动手轮。此时按下“开始”键，试验开始自动进行，自此 自动完成以下过程:试验力加载，试验力完全加上后开始按设定的保持时间保持该试

17、验力，时间到后即开始卸载，完成卸载后恢复初始状态。逆时针旋转手轮，样品台下降，取下试样，用读数显微镜测量试样表面的压痕直径，并取下试样，从专门的硬度表中查出相应的硬度值。硬度 洛氏硬度试验原理：洛氏硬度试验是采用顶角为120的金刚石圆锥 体或一定直径的钢球为压头，以规定的试验力将其压入试样表面。试验时，先加初始试验力，然后加主试验力，压入试样表面，经过规定的保持时间后，卸除主试验力，在保留初始试验力的情况下，以残余压痕深度计算硬度值，为了保证压头与试样表面接触良好，试验时先加初始试验力F1，在试样表面压入深度为h1，并以此作为测量的标准。然后加上主试验力F2，总试验力F=F1+F2，此时压头压

18、入深度为h2。经规定的保持时间，卸去主试验力F2，仍保留初始试验力F1，试样弹性变形的恢复使压头略微上升一段距离至h3，此时压头受主试验力F2作用压入的深度为h（h=h3-h1）。 洛氏硬度试验原理示意图硬度 洛氏硬度值以残余压痕深度h确定，残余压痕深度h越大，硬度越低;反之则硬度越高。为了照顾习惯上数值越大，硬度越高的概念，一般用一个常数k减去残余压痕深度h作为硬度值，并以0.002 mm的压痕深度为一个硬度单位。由此获得的硬度值称为洛氏硬度值，用符号HR表示。硬度 计算公式如下： 式中 HR洛氏硬度; k常数，用金刚石圆锥体作压头时k=100，用钢球作压头时k=130; h残余压痕深度（

19、mm）。 洛氏硬度试验时，一般均由硬度计的指示器上直接读出硬度值。硬度 洛氏硬度试验规范 GB/T 2302012标准。为了能用同一硬度计测量从软到硬或不同薄厚试样的材料硬度，需要采用由不同的压头和载荷组成的A、B、C、D、E、F、G、H、K等9种洛氏硬度标尺，此外还有6种表面洛氏硬度，共15种，其中洛氏硬度C标尺应用最广。洛氏硬度不标单位，是一个无量纲的力学性能指标表示方法：硬度值+硬度符号例如，50HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为50。洛氏硬度各标尺之间没有对应关系，洛氏硬度C标尺的测量范围一般为2070HRC，主要用于测量淬火钢、调质钢、高硬度铸铁等。洛氏硬度试验方法是目前应用最广泛

20、的硬度测试方法，它的优点是测试迅速简便，压痕较小，可用于测量成品件;同时由于压痕较小，测得的硬度不够准确，数据重复性差。因此， 在测试金属的洛氏硬度时，需要选取不同部位测定三次，取其平均值作为该材料的洛氏硬度值。 硬度 洛氏硬度试验过程1、试样：试样表面应尽可能是平面，不应有氧化皮及其他污物，一般表面粗糙度 Ra1.6m。 2、试验设备：符合国家标准的洛氏硬度计。金刚石圆锥压头锥角为120，顶部曲率半径为0.2 mm，硬质合金球压头的直径为1.5875 mm或3.175 mm硬度 3、试验过程：洛氏硬度试验是在1035的室温下进行的，先将试样放置在洛氏硬度计的载物台上，选好测试位置，顺时针旋转

21、手轮，加初始试验力，使压头与试样紧密接触，直到小指针对准表盘上的小红点为止。然后将表盘上的大指针对零（HRB、HRC对B -C;HRA对0）。调好后，轻轻推动手柄加主试验力，在大指针停止转动34s后拉回手柄，卸除主试验力，此时大指针回转若干格后停止，从表盘上读出大指针所指的硬度值（HRA、HRC读外圈黑数字，HRB读内圈红数字），并记录下来。最后逆时针旋转手轮，使压头与试样分开，调换试样位置再次测量，共需测四次，取后三次测量结果的平均值作为试样的洛氏硬度值。硬度 维氏硬度试验原理：维氏硬度是将顶部两相对面具有规定角度的正棱锥体金刚石压头用一定的试验力压入试样表面，保持规定的时间后卸除试验力，通

22、过测量试样表面压痕两对角线长度，用其平均值计算硬度值，压痕单位表面积所承受的平均压力为维氏硬度值，用符号HV 表示维氏硬度实验原理图硬度维氏硬度计算公式: 式中 HV维氏硬度，不标单位; F试验力（ N）; d压痕两对角线长度平均值（mm）。在实际测试时，维氏硬度值不用计算，而是用测微计测出压痕两对角线的长度，计算出平均值后，再根据d的大小查表，即可求出所测硬度值。硬度 维氏硬度试验规范 GB/T 4340.2-2012 维氏硬度的表示方法：维氏硬度值+硬度符号+试验条件 若试验力的保持时间为10-15 s时，可以不标出。如640HV30/20表示在30 kgf（294.2 N）试验力作用下，

23、保持20s测得的维氏硬度值为640。硬度 维氏硬度的优点：是试验载荷小，压痕较浅，适用范围宽，测试范围为53000HV，可以测定从极软到极硬的各种金属材料，尤其适于测量零件表面淬火层及化学热处理的表面层等。同时维氏硬度只用一种标尺，材料的硬度可以直接通过维氏硬度值比较大小，既不存在布氏硬度试验力 F与球体直径D之间关系的约束，也不存在洛氏硬度那样不同标尺的硬度无法统一的问题。维氏硬度的缺点：是对试样表面要求高，压痕对角线长度测量比较麻烦，不适于大批测试。硬度维氏硬度试验过程1、试样 试样表面应平坦光滑，无氧化皮及污物。试样或试验层的最小厚度应满足试验要求，试验后，试样背面不应出现可见的变形痕迹

24、，从而保证试验结果的准确可靠。表面粗糙度 Ra0.4m;小载荷维氏硬度试样粗糙度 Ra0.2m。 2、试验设备 维氏硬度计。3、试验过程 试验温度为10-35的室温。先对试样进行加载，载荷保持规定时间后卸除载荷。用测微目镜测读压痕对角线长度，查表得到试样的维氏硬度值。冲击韧性 冲击载荷在很短时间内作用在金属材料上的载荷称为冲击载荷。冲床的冲头、锤锻杆、风动工具、锤子等，它们都是利用冲击载荷工作的;而在其他很多情况下，则要尽量避免受到冲击载荷的作用，冲击载荷与静载荷的主要区别在于:冲击载荷加载时间短，加载速率高，应力集中，使金 属材料的变脆倾向增大。因此冲击载荷对材料的破坏效应大于静载荷。 冲击

25、韧性 冲击韧性金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，或者说在断裂前变形吸收能量的能力叫冲击韧性，它是金属材料力学性能的重要指标。金属材料的冲击韧性随加载速度的提高、温度的降低、应力集中程度的加剧而下降。冲击韧性试验，就是综合应用较高冲击速度和缺口试样的应力集中，来测定金属从变形到断裂 所消耗的冲击能量的大小，即韧性的高低。 冲击韧性 冲击试验 工程上常用一次摆锤冲击试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力，即测定试样在冲击载荷作用下被折断而消耗的冲击吸收能量 K，单位为J（焦耳）。一次摆锤冲击试验应按金属材料夏比摆锤冲击试验方法（GB/T 2292007）进行。 冲击试样 标准中冲击试样有U形缺口和

26、V形缺口两种类型。冲击韧性 一次摆锤冲击试验一次摆锤冲击试验原理如图1-5所示，试验时，将标准试样置于试验机支座上（缺口背向摆 锤冲击方向），然后把质量为m的摆锤抬升到一定高度H1，然后释放摆锤，冲断试样，摆锤冲断试样后由于惯性继续运动到 H2。冲击过程中如果忽略各种能量损失（空气阻力及摩擦等），摆锤的位能损失 mgH1-mgH2= mg（H1-H2）就是冲断试样所需要的能量，即试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收能量，用 K表示，并用字母V和U表示缺口的几何形状，用下标数字2或8表示摆锤刀刃半径。例如： KV2表示V形缺口试样在2mm摆锤刀 刃下的冲击吸收能量。KU8表示U形缺口试样在8m

27、m摆锤刀刃下的冲击吸收能量。 一次摆锤冲击试验原理冲击韧性 冲击吸收能量越大，材料的韧性越好，越可以承受较大的冲击载荷。一般把冲击吸收能量低的材料称为脆性材料，而将冲击吸收能量高的材料称为韧性材料，脆性材料断裂前无明显塑性变形，韧性材料在断裂前有明显的塑性变形。 对于同一种材料，随着温度的降低，韧性材料可以转变为脆性材料，使韧性材料转变为脆性材料的温度称为韧脆转变温度。韧脆转变温度决定了金属材料的使用温度。 一次摆锤冲击试验测定的冲击吸收能量 K是一个由强度和塑性共同决定的综合力学性能指标，不能直接用于零件和构件的设计计算，但是一个重要参考。冲击韧性 小能量多次冲击试验 在工程实际中，承受冲击

28、载荷的机件，除了弹壳、装甲板、石油射孔枪等外，很少因为一次大能量冲击而遭到破坏，绝大多数是在小能量多次冲击作用下而破坏的，如凿岩机风镐上的活塞、冲模的冲头等。在小能量多次冲击条件下，材料的破坏是由于多次冲击损伤积累，导致裂纹产生与扩展的结果，根本不同于一次冲击的破坏过程。小能量多次冲击的脆断主要取决于材料的强度，塑性、韧性处于次要地位。例如，高强度球墨铸铁的冲击吸收能量很 低，但大量用于制造发动机中的重要零件曲轴，原因是发动机曲轴工作时承受的是小能量多次冲击，球墨铸铁的强度保证了材料的抗破坏能力。因此，对于金属材料进行小能量多次冲击试验和研究具有很重要的实用意义。疲劳变动载荷和循环应力变动载荷

29、是指大小、甚至方向随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均值为变动应力。变动应力分为规则周期变动应力（也称循环应力）和无规则随机变动应力。 生产中工件正常工作时其变动应力多为循环应力，循环应力中大小和方向都随时间发生 周期性变化的应力称为交变应力，大小变化而方向不变的循环应力称为重复循环应力。 疲劳金属疲劳金属材料在受到交变应力或重复循环应力时往往在工作应力小于屈服强度的情况下突 然断裂，这种现象称为疲劳。疲劳断裂是金属零件或构件在交变应力或重复循环应力长期作用下由于累积损伤而引起的断裂现象。据统计在失效的机械零件或构件中，大约有80%以上属于疲劳破坏。疲劳断裂与静载荷和冲击载荷断裂相比，具有以

30、下特点: 疲劳是低应力断裂：断裂应力常低于材料的抗拉强度，甚至低于屈服强度断裂寿命随应力不同而变化：应力高则寿命短，应力低则寿命长。当应力低于某一临界值时， 寿命可达无限长。 疲劳是脆性断裂：由于疲劳的断裂应力比屈服强度低，所以不论是韧性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前，均没有明显的塑性变形，它是在长期累积损伤过程中，经裂纹萌生和缓慢扩展到临界尺寸时突然发生的。由于断裂前没有明显的预兆，故疲劳断裂危险性极大。疲劳疲劳曲线疲劳曲线是疲劳应力与疲劳寿命的关系曲线，它是确定疲劳极限、建立疲劳应力判据的基础。疲劳曲线表明，金属材料所受循环应力的最大值max越大，则疲劳断裂前所经历的应力循环周次越小;反之

31、，金属材料所受循环应力的最大值max越小，则疲劳断裂前所经历的应力循环周次越大。当应力低于某值时，材料经受无限次循环应力也不发生疲劳断裂，此应力称为材料的疲劳极限，用r表示。通常，材料的疲劳极限是在对称弯曲疲劳条件下测定的，对称弯曲疲劳极限记作-1疲劳曲线疲劳不发生断裂的最高应力称为疲劳极限。而对于非铁金属、高强度钢和腐蚀性介质作用下的钢铁材料，它们的疲劳曲线上没有水平部分。这类材料的疲劳极限定义为规定循环周次不发生疲劳断裂的最大循环应力值，称为条件疲劳极限，记作r（N）。一般规定高强度钢、部分非铁金属的规定循环周次取1108，腐蚀性介质作用下的钢铁材料的规定循环周次取1106，钛合金的规定循

32、环周次取1107。疲劳断裂一般是从工件表面应力集中处或材料缺陷处发生的，或者是从二者结合处发生的。金属的疲劳极限受到很多因素的影响，主要有工作条件、表面状态、材料本质及内应力等。改善零件的结构形状、降低零件表面粗糙度以及采取各种表面强化的方法，都能提高零件的疲劳极限。耐磨性磨损金属摩擦表面存在相对运动，表面不断发生损耗或产生塑性变形，使金属表面状态和尺寸发生改变的现象称为磨损。磨损通常是有害的，它损伤零件表面，影响机械设备性能，并使设备使用寿命缩短。但磨损也并非全部都是有害的，工程上常利用磨损的原理来减小零件表面的粗糙度，如磨削、 研磨、抛光和跑合等。 磨损过程通常是一个渐进的过程，大致可分为

33、三个阶段。第一阶段是跑合（磨合）磨损阶段，在这一阶段中，磨损速度由快变慢，而后逐渐减小到一个稳定值。第二阶段为稳定磨损阶段，这个阶段磨损缓慢，零件以平稳而缓慢的磨损进入正常工作阶段，这个阶段的长短即代表零件使用寿命的长短。第三阶段，即剧烈磨损阶段，此阶段的特征是磨损速度急剧增大。耐磨性金属的耐磨性 耐磨性是材料抵抗磨损的性能，通常用磨损量的倒数来表征金属的耐磨性。磨损量就是在规定条件下，经过规定时间的磨损后，样品表面的损耗程度。磨损量越小，耐磨性越好，材料的磨损抗力越大。提高耐磨性的措施 选用互溶性小的材料配对;提高零件表面硬度;控制摩擦滑动速度和接触应力;降低摩擦副表面粗糙度和摩擦表面温度，

34、改善润滑状态等。金属材料与热处理（第二版）2015年月出版 Heat Treatment大连理工大学出版社主编：王书田“十二五”职业教育国家规划教材高职高专焊接技术及自动化类课程规划教材模块二 金属的晶体结构一提到晶体，很多人会想到具有漂亮的外观、规则的平面的矿物、绮丽的雪花。晶体雪花 盐 冰糖 宝石问题提出日常生活中，我们常常能够看到有规则外形的固体，冬天在寒冷的玻璃窗上面结成的冰花、奇妙的雪花；吃的食盐和冰糖；各种各样的宝石、玉石、水晶等等，它们都是晶体，这些都是大家熟悉的东西，但是谁会想到炒菜的铁锅或者是金属窗户以及路上跑的汽车金属外壳等等也是晶体呢？尽管想不到，但是它们确实是晶体。晶体

35、的基本概念物质是由原子、原子团、分子和分子团这些物质微粒构成的。根据物质微粒在三维空间排列方式的不同，物质可分为晶体和非晶体两类。自然界的绝大多数物质在固态下都为晶体，只有少数为非晶体。晶体是指组成物质的微粒在三维空间做有规则、周期性排列形成的物体。金属和合金在固态下通常都是晶体。非晶体是指组成物质的微粒在三维空间做无规则、随机性排列形成的物体。晶体的基本概念晶体与非晶体的本质区别只是物质微粒的排列方式不同，不涉及物质的化学成分和物质状态，因此，同样成分的物质可以有晶体和非晶体两种状态。此外，如果物质的微粒在三维空间做有规则、周期性排列形成的是液体状态，那么这个就是所谓的液晶。 特点：晶体具有

36、规则的几何形状，有一定的熔点，具有各向异性；非晶体则没有规则的几何形状，没有固定的熔点，具有各向同性。晶体的基本概念晶格：由于金属大都是以原子状态存在为了便于反映物质在固态下的晶体结构，可以把晶体中的原子近似地看作一个直径一定的刚性小球，这样就可以把晶体结构看成是由刚性小球按一定的几何形状有规律排列而成的。为了更清楚地表示晶体中原子的排列规律，可以将原子简化为一个质点，并且用假想的线条将各个原子的中心连接起来，这样就形成了一个能够抽象的、用于反映原子排列规律的空间格架，称为晶格，晶体中原子堆积模型晶格抽象模型示意图晶体的基本概念晶胞：晶体中原子的排列具有周期性特点，可以从中选取一个能够完全反映

37、晶格特征的最小的几何单元来分析晶体中原子的排列规律，这个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元称为晶胞，如图所示。金属晶体可以看作是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在三维空间重复堆积而成的。晶胞示意图晶体的基本概念晶格常数：晶胞的大小和形状通常用晶胞的棱边长度a、b、c及棱边夹角、来表示，晶胞的棱边长度称为晶格常数。晶体的基本概念晶面：在晶格中，通过原子中心所构成的不同方位上的原子面称为晶面，晶面指数：晶面可以用称为密勒指数的一些参数来表示。表示晶面的参数称为晶面指数。立体晶格中某些常用的晶面及晶面指数晶体的基本概念晶面指数标定方法：设坐标。在晶格中，沿晶胞的互相垂直的三条棱边设参考坐标轴 X、

38、Y、Z，坐标原点O应位于待定晶面之外，以免出现零截距。求截距。以晶胞的棱边长度（晶格常数）为度量单位，确定待定晶面在各坐标轴上的截距。如图中待定晶面在 X、Y、Z轴上的截距分别为1、2、。取倒数。上述截距的倒数分别为1/1、1/2、1/。化整数。将上述三个倒数化为最小的简单整数，上述三个倒数的最小简单整数为2、1、0。列括号。将所得各整数依次列入圆括号（ ）内，便得晶面指数。因此（210）即为图中待定晶面的晶面指数。晶面指数的一般表示形式为（ hkl）。如果所求晶面在坐标轴上的截距为负值，则在相应的指数上加一横线。晶面与晶面指数示意图晶体的基本概念晶向：通过原子中心所构成的不同方向上的原子列称

39、为晶向。晶向指数：晶向也可以用称为密勒指数的一些参数来表示。表示晶向的参数称为晶向指数。立体晶格中某些常用的晶向及晶向指数晶体的基本概念晶向指数的标定方法:设坐标 在晶格中设坐标轴 X、Y、Z，坐标原点O应位于待定晶向的直线上。求坐标值 以晶胞的晶格常数为度量单位，在待定的晶向直线上任选一点，并求出该点在 X、Y、Z轴上的坐标值。化整数 将上述三个坐标值按比例化成最小的简单整数。列括号 将上述所得的各整数依次列入方括号内，便得晶向指数。晶向指数通常以 uvw表示。如果坐标值为负，则在相应的指数上加一横线。晶体的基本概念各向异性：晶体中不同晶面和晶向上原子排列的紧密程度不同，原子间的结合力大小也

40、就不同，从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能，这就是晶体的各向异性各向异性。晶体的这种特性在力学性能、物理性能和化学性能上都能体现出来，并且在生产中有所应用。 金属中常见的晶体结构金属中常见的晶体结构有三种：体心立方晶格(bcc)、面心立方晶格(fcc)、密排六方晶格(hcp)。1.体心立方晶格：体心立方晶格的晶胞是一个立方体，立方体的中心有一个原子，八个顶点各排列着一个原子，其晶格常数 a=b=c属于这种晶格类型的金属有铬(Cr)、钨(W)、钒 (V)、铁(-Fe)等。体心立方晶胞示意图金属中常见的晶体结构2.面心立方晶格:面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，八个顶点和六个面的中心各排列着

41、一个原子，其晶格常数 a=b=c。属于这种晶格类型的金属有铁( Fe)、铝(Al)、铜(Cu)、 镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)等。体心立方晶胞示意图金属中常见的晶体结构3.密排六方晶格:密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，十二个顶点和上、下面中心各排列着一个原子，六方柱体的中间还有三个原子属于这种晶格类型的金属有镁(Mg)、锌 (Zn)、铍(Be)等。密排六方晶胞示意图金属中常见的晶体结构晶格类型不同，原子排列的紧密程度不同。衡量紧密程度的一个参数是致密度，致密度是指晶胞中原子所占体积与晶胞体积的比值。体心立方晶格的致密度为68%，面心立方晶格和密排六方晶格的致密度为74%。晶格类型发生变

42、化，金属的体积和性能也会发生相应的改变。实际金属的晶体结构一、金属的多晶体结构多晶体是指整块金属材料包含着许多小晶体，每个小晶体的晶格位向基本一致，但是各个小晶体之间的位向不同，由许多小晶体组成的晶体结构称为多晶体结构。多晶体中的每个外形不规则的、呈颗粒状的小晶体称为晶粒。多晶体材料中相邻晶粒的界面称为晶界。实际金属是由许多位向不同的晶粒组成的多晶体，所以测不出像单晶体那样的各向异性，其性能是位向不同的晶粒的平均性能，所以宏观表现为各向同性，即在各个不同方向的性能基本一致。金属材料的组织决定了金属材料的性能。试验和理论证明，金属的晶粒越细，金属材料在室温时的强度、硬度就越高，塑性和韧性也越好。

43、实际金属的晶体结构二、实际金属的晶体缺陷前面提到过的晶体结构类型都是理想状态下的，实际的金属不但大多数是多晶体，而且这些晶体中还存在很多的缺陷，这些缺陷称为晶体缺陷。晶体缺陷对金属的物理性能、化学性能和力学性能产生很大影响。按照几何特征不同，晶体缺陷可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。 实际金属的晶体结构1.点缺陷：点缺陷是指在原子尺寸范围内在长、宽、高三个尺寸方向上尺寸都很小的缺陷。最常见的点缺陷有空位、间隙原子和置换原子空位是指在晶格节点原子所处的位置上没有原子，而产生空缺位置间隙原子是指在晶格的间隙位置排列了原子置换原子是指外来原子占据了晶格节点位置点缺陷的出现使原子间作用力的平衡遭到破坏

44、，促使缺陷周围的原子发生靠拢或撑开， 即产生了晶格畸变。晶格畸变将会引起金属强度、硬度、电阻等性能的变化。 面心立方晶胞示意图实际金属的晶体结构2.线缺陷：面缺陷是指晶体中在两个方向上的尺寸很小，在第三个方向上的尺寸很大，呈线状分布的缺陷。常见的就是各种类型的位错。位错是晶体中有一列或者若干列原子发生了有规则的错排现象。位错有很多种类型，基本类型有刃型位错和螺型位错两种。刃型位错的特点是:晶体的某一个晶面的上、下两部分的原子面产生错排，好像沿着某方位的晶面插入的一个多余的半排原子面（也可以看作少了半排原子面），但又没有插到底，犹如插入刀刃一般，所以才称为刃型位错，多余原子面的底边称为刃型位错线

45、。螺型位错是晶体上、下两部分原子面间相对移动了一个原子间距，出现了一个上、下原子面不吻合的过渡区。实际金属的晶体结构晶体中位错的存在会产生严重的晶格畸变，对金属的力学性能会产生很大的影响。位错的存在影响金属材料的强度。当位错密度很少时的理想晶体，其强度很高当位错密度为中等时，其强度降低当位错密度为较大时，随着位错密度的增加，其强度明显提高。金属强度与位错密度的关系实际金属的晶体结构3.面缺陷：面缺陷是指晶体中在两个方向上的尺寸很大，在第三个方向上的尺寸很小，呈面状分布的缺陷。常见的面缺陷是晶界和亚晶界。晶界是晶粒间具有一定宽度的过渡地带，其原子排列不规则，是相邻晶粒间不同位向的过渡区。晶界的存

46、在对金属的性能产生重要影响：晶界提高了强度，晶粒越细，则晶界越多，金属材料的强度、硬度越高;晶界处的熔点较低;相变时晶界处往往优先形成新相晶界容易腐蚀晶界与亚晶界示意图实际金属的晶体结构亚晶及亚晶界：晶体中的晶粒内也存在着许多位向差很小的小晶块，它们之间相互镶嵌成一颗晶粒。在这些小晶块的内部原子排列的位向是一致的，这些小晶块称为亚晶粒，相邻亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界对金属性能的影响与晶界相似：亚晶界越多，亚晶粒越细，金属的强度越大。 实际金属的晶体结构实际金属往往存在着各种缺陷，在缺陷处及其附近的晶格处于畸变状态，使得金属材料的各种性能产生变化，可使强度、硬度提高，电导率、磁导率下降，

47、化学活性增加。金属材料与热处理（第二版）2015年月出版 Heat Treatment大连理工大学出版社主编：王书田“十二五”职业教育国家规划教材高职高专焊接技术及自动化类课程规划教材模块三 纯金属的结晶课题1 结晶现象课题2 晶体的形核与长大课题3 结晶的条件课题4 晶粒大小的控制知识准备一、热分析法和冷却曲线热分析法装置及冷却曲线冷却曲线T0Tn理论结晶温度实际结晶温度T过冷度T= T0 - Tn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度Tt二、金属的结晶现象1、过冷现象从冷却曲线可知，纯金属的实际结晶温度Tn总是低于理论结晶温度T0的，这种现象称为过冷现象。理论结晶温度T0减去实际结晶温度T

48、n的差值T称为过冷度。过冷度T不是一个恒定值，与金属含的杂质、冷却速度等元素相关。金属纯度越高，可达到的过冷度越大，冷却速度越快，过冷度也越大。过冷度越大，实际结晶温度就越低。2、结晶潜热金属由固态转化为液态吸收的热量叫熔化潜热，由液态转化为固态放出的热量叫结晶潜热。如果结晶潜热大于向周围环境散失的热量，温度会上升如果结晶潜热等于向周围环境散失的热量，温度保持不变如果结晶潜热小于向周围环境散失的热量，温度会持续下降结晶潜热的释放和散失影响结晶过程。任务提出液态金属是如何形成固态晶体的呢？结晶过程是怎样进行的呢？它的微观过程又是如何进行的呢？课题2晶体的形核与长大技能训练实验一 盐类结晶过程观察

49、1、观察透明盐类的结晶过程及结晶后的形态，对不透明金属的结晶过程建立感性认识。2、观察具有枝晶的金相图片、视频或金属实物，理解金属是树枝状形态结晶的晶体。任务分析由盐类结晶的实验可以观察到，结晶过程是先形成固态的小颗粒，然后这个小颗粒开始长大，直至完全长大到互相接触形成完整的晶体为止，这个过程就揭示了结晶过程是个形核和长大过程。课题2晶体的形核与长大 在理论结晶温度以上，这些短程有序的原子集团是不稳定的，瞬时出现，瞬时消失，此起彼伏。这种不断变化着的短程有序原子集团称为结构起伏，或称为相起伏。只有在过冷液体中出现的尺寸较大的相起伏，才有可能在结晶时转变为晶核，因此这些尺寸较大的相起伏被称为晶胚

50、。.晶体液体结晶结晶： 液体 - 晶体凝固： 液体 - 固体（晶体 或 非晶体）液态金属形核晶核长大完全结晶形核和晶核长大的过程一、形核过程金属结晶首先需要形成具有一定晶体结构、一定尺寸的固态小晶体，这个小晶体称为晶核，然后液态里的金属原子不断向晶核迁移而长大，最后液体消失，形成完整的晶体。晶核的形成方式有两种：均质形核、异质形核 。 1、均质形核也称为自发形核或均匀形核，这种形核方式是由金属自身的原子按照一定的晶体结构排列形成的晶核。这个晶核只有达到一定尺寸才能够长大为晶体，这个一定尺寸的晶核称为临界晶核，也就是说，只有晶胚的尺寸大于临界晶核，才能够称为晶核。晶核一旦形成，就在液体里面形成了

51、额外的固体的表面，增加了能量，能量起伏提供了所需的表面能。一定温度下，液体的整体平均能量不变，但是，在液体的局部微小体积内，能量却此起彼伏，忽大忽小，这种局部能量起伏不定偏离平均能量的现象就是能量起伏现象。2、异质形核也称为非自发形核或非均匀形核，这种形核方式是由金属的原子依附于外来固体的表面，按照一定的晶体结构排列形成的晶核。异质形核的临界晶核尺寸与均质形核没有什么不同，但由于依附于外来固体的表面，因此形核所需的表面能可以减少，因此，同等条件下，异质形核比均质形核要容易。所需要的过冷度也小。实际金属的结晶过程中，均质形核和异质形核是同时存在的，但主要按异质形核的方式进行。二、长大过程当晶核一

52、旦形成，就马上开始了长大过程。结晶过程的进行依赖于新晶核的不断产生，更依赖于已有晶核的不断长大。晶核的长大过程是液相原子不断地向固相表面的迁移过程。如果只有一个晶核，最后将长大成为单晶体，如果有多个晶核，则长大成为由许多被称为晶粒的小单晶体组成的多晶体。晶体的长大有平面长大和树枝状长大两种方式1、平面长大在冷却速度较小的情况下，纯金属晶体以其表面向前平行推移的方式长大。除了亚金属Sb、Si等和合金中一些金属间化合物，平面长大方式在实际金属结晶中比较少见2.树枝状长大在冷却速度较大的情况下，特别是存在有杂质时，金属晶体往往以树枝状的方式长大。由于液固界面前沿的液体中过冷度较大，晶体优先沿过冷度较

53、大方向生长出空间骨架，形同树干，称为一次晶轴。在一次晶轴增长和变粗的同时，其上会出现很多凸出尖端，它们长大成为枝干，称为二次晶轴。对一定的晶体来说，二次晶轴与一次晶轴有确定的角度，在立方晶系中，二者是相互垂直的。二次晶轴生长到一定程度后，又在它上面长出三次晶轴，如此不断地成长和分枝，形成如树枝状的骨架，称为树枝晶。实际金属结晶时，一般都以树枝状方式长大，得到树枝晶。每一个枝晶长成为一个晶粒，当所有的枝晶都严密地对接起来，液相消失时，就分不出树枝状了，只能看到各个晶粒的边界。三、金属的同素异构转变金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象称为同素异构转变铁的同素异构转变：铁的冷却曲线Tt1

54、5381394912-Fe，bcc-Fe，bcc-Fe，fcc770铁磁性结晶必须具备一定条件才能够进行热力学条件：有一定的过冷度结构条件：相起伏或结构起伏能量条件：能量起伏形核条件：晶胚尺寸大于临界晶核课题3 结晶的条件任务提出：细小晶粒的金属具有更高的力学性能，晶粒越细小，晶界就越多，材料的强度、硬度就越高，现在我们也已经知道金属结晶所具备的条件，那么我们如何通过具体的方法来得到细小的晶粒呢？任务分析：任务提出的问题，实际上就是如何通过理论知识来指导实践的问题，也就是说，如何利用结晶知识，控制结晶条件得到细小的晶粒，从而在材料不变的条件下获得更高的力学性能。课题4 晶粒大小的控制1、影响晶

55、粒大小的因素通过细化晶粒提高强度的方法称为细晶强化形核率N ：单位时间单位体积液体内形成晶核的数目。形核率越大，单位体积中晶核数目越多，每个晶核长大的空间越小，因而长成的晶粒越细小。长大速度G ：液固界面向前移动的速度。长大速度越快，则晶粒越粗大。晶粒的大小取决于形核率和长大速度之比，N/G比值越大，晶粒越细小，反之则越粗。 随着T增大，N和G都会增大，但增速不同，N大于G。在一定的T范围内， T越大，N/G值越大，晶粒越细小。当T增大到一定值后，N和G都会下降。凡能促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒形核率NN G过冷度T长大速度G2、细化晶粒的方法增大过冷度：增大过冷度的主要方法之一是提

56、高金属熔液冷却速度。加入变质剂(孕育剂、形核剂)：用以增加异质晶核数量或阻碍晶核长大。在铝合金中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝，铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合金，都可使晶粒细化。振动、搅动：对即将凝固的金属进行振动或搅动，使树枝晶破碎，晶核数增加，从而达到细化晶粒的目的。可以采用机械、超声波、电磁等方法振动或搅拌来细化晶粒。相变细化：利用金属在固态下发生相变的方法来细化晶粒，因为只要发生相变，就会有新相晶核的形成与长大过程，控制这个过程，就能够细化固态金属的晶粒。塑性变形细化：塑性变形可以迫使原有的晶粒发生破碎和变形，形成亚结构，从而细化了晶粒，当冷变形金属在加热的时候，发生再结晶，通过控制

57、再结晶也可以细化晶粒。 知识拓展一、铸锭的结晶二、焊缝的结晶一、铸锭的结晶在实际生产中，液态金属是在铸锭模或铸型中凝固的，前者得到铸锭，后者得到铸件。冶炼后的液态金属及其合金，除少数直接铸成铸件外，绝大部分要先铸成铸锭，然后再进行轧制，制成各种型材。铸锭的组织和质量，不但影响到它的压力加工性能，还影响到压力加工后的金属材料的组织和性能。1、三晶区的形成铸锭的宏观组织分为外表层的细晶区、中间的柱状晶区和心部的等轴晶区。1细晶区 2柱状晶区 3等轴晶区铸锭三晶区示意图表面细等轴晶区 液体金属注入锭模时，由于锭模温度不高，传热快，外层金属受到激冷，过冷度大，生成大量的晶核。同时模壁也能起非自发晶核的

58、作用。结果，在金属的表层形成一层厚度不大、晶粒很细的细晶区中间柱状晶区 细晶区形成的同时，锭模温度升高，液体金属的冷 却速度降低，过冷度减小， 生核速率降低，但此时长大 速度受到的影响较小。结晶时，优先长大方向（即一次 晶轴方向）与散热最快方向（一般为往外垂直模壁的方 向）的反方向一致的晶核向液体内部平行长大，结果形成柱状晶区。心部粗等轴晶区 随着柱状晶区的发展，液体金属的冷却速度很快降低，过冷度大大减小，温度差不断降低，趋于均匀化；散热逐渐失去方向性，所以在某个时候，剩余液体中被推来和漂浮来的、以及从柱状晶上被冲下的二次晶枝的碎块，可能成为晶核，向各个方向均匀长大，最后形成一个粗大的等轴晶区

59、。2、铸锭结晶的控制影响铸锭结晶的主要是合金的成分、浇注条件等因素，控制这些因素就可以改变三晶区的相对厚度和晶粒大小，甚至于可以得到只有两个晶区或一个晶区组成的铸锭。提高液体的过热度、提高浇注温度、增加铸锭模冷却能力、不附加振动和搅拌等措施，均有利于形成柱状晶。反之，利于形成等轴晶。二、焊缝的结晶焊接熔池一般比较小，热容量较小，且周围被散热快的冷金属包围，因此，焊缝的冷却速度非常快，过冷度很大。焊接过程中，焊接熔池随着焊接热源的移动而移动，使熔池金属在动态下结晶，同时加上热源对熔池金属的搅拌作用，易于获得致密的、性能较好的结晶组织。焊接熔池金属的温度很高，使得外来杂质熔化，减少了熔液异质形核的

60、数目，同时，熔池母材又提供了异质形核的基底，故此，焊缝结晶将直接在母材金属晶粒上面长大，成为垂直于熔池与母材间熔合线向焊缝中心发展的柱状晶。小结金属的结晶包含形核与长大两个过程。结晶首先必须得形成晶核，形核方式有均质形核和异质形核两类，异质形核相对容易一些。纯金属结晶过程需要满足过冷度、相起伏、大于临界晶核和能量起伏这些条件，如果一个条件不满足，则结晶过程是不能够进行的。金属结晶后的形态是树枝晶，当所有的枝晶都严密地对接起来，液相消失时，就分不出树枝状了，只能看到各个晶粒的边界。因此，金属一般是多晶体。金属晶粒的大小对金属材料的性能产生重要的影响，可以通过控制形核率和长大速度来控制晶粒大小，具