金属学基础.ppt

第一章金属学基础 1 1金属的力学性能 1 2金属的物理性能 1 3金属的晶体结构 1 4金属的结晶 1 5合金的结构与结晶 1 6铁碳合金相图 1 7金属受力时结构和性能的变化 第一节金属的力学性能 通常机械零件或工程结构在工作中都要受到外力的作用 金属在外力作用下所表现的性能叫做力学性能 常用力学性能指标有硬度 强度 塑性和韧性等 一 硬度硬度是表示固体材料表面抵抗局部变形 特别是塑性变形 压痕或划痕的能力 是衡量金属软硬的力学性能指标 常用测定硬度的方法1 布氏硬度230HBS10 3000 302 洛氏硬度50HRC3 维氏硬度480HV 显微硬度计 二 强度和塑性 1 强度强度是金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力 材料的强度指标 s 0 2 b试验方法为拉伸试验法 圆形拉伸试样 低碳钢力 伸长曲线图 ss sb d y 屈服点 抗拉强度 伸长率 断面收缩率 拉伸试验 2 塑性塑性是金属在外力作用下 断裂前发生不可逆永久变形的能力 试验方法为拉伸试验金属材料的塑性指标 三 韧性 又称韧度 是指金属在断裂前吸收变形能量的能力 韧性通常通过摆锤式一次冲击试验测定 Ak k韧性材料 断裂前发生明显塑性变形的材料 脆性材料 断裂前断口不发生明显塑性变形的材料对同一材料 随试验温度降低 韧性断裂可以转变为脆性断裂 即材料由韧性材料变为脆性材料 这种现象称为韧脆性转移 韧脆转移的温度称为韧脆转变温度 金属材料的最低工作温度 摆锤式一次冲击试验机 课堂练习 1 常用的力学性能指标有哪些 各是怎样定义的 2 测硬度的方法有哪些 3 材料的强度及塑性指标有哪些 第二节金属的物理性能 一 密度定义 单位体积物质的质量 用符号 表示 单位为g cm3或kg m3 计算公式为 m Vm 物质的质量 g kg V 物质的体积 cm3 m3 重金属 5g cm3 铁 铜 铅 轻金属 5g cm3 如铝 镁 钛 二 熔点 定义 指金属由固态熔化为液态的温度 单位 K纯金属熔点固定不变 合金熔点是将合金加热到最初微量液体出现时的温度作为熔点 易熔金属熔点低于700 如锡 铅 难熔金属熔点高于700 如钨 钼 三 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 1 单位为1 物理意义 温度从T0到T1每升高1度时物体单位长度的变化率 线膨胀系数大 引发的焊接应力与变形就大 四 导热性 导热性是指在物体内部或互相接触的物体之间存在温度差时 热量从高温到低温的移动能力 用热导率 表示 单位为W m 或W m K 五 导电性 导电性 金属传导电流的能力 常用导电率表示 符号为 单位为s m金属导电能力大小的顺序与热导率基本相同 第三节金属的晶体结构 一 晶体与非晶体 晶体的特点是 原子在三维空间呈有规则地周期性重复排列 具有一定的熔点 绝大多数固体金属属于晶体 如铁的熔点为1538 铜的熔点为1083 晶体的性能随着原子的排列方位而改变 即单晶体具有各向异性 非晶体的特点是 原子在三维空间呈不规则的排列 没有固定熔点 随着温度的升高将逐渐变软 最终变为有明显流动性的液体 如塑料 玻璃 沥青等 各个方向上的原子密集程度大致相同 即具有各向同性 1 3金属的晶体结构 二 晶格与晶胞 1 晶格将每个原子视为一个几何质点 并用一些假想的几何线条将各质点连接起来 便形成一个空间几何格架 这种抽象的用于描述原子在晶体中排列方式的空间几何格架称为晶格 2 晶胞由于晶体中原子作周期性规则排列 因此可以在晶格内取一个能代表晶格特征的 且由最少数原子排列成的最小结构单元来表示晶格 称为晶胞 3 晶面 晶向和晶格常数 90 三 常见的金属晶体结构类型 属于体心立方晶格类型的金属有 铁 912 以下的纯铁 铬 钼 钨 钒 较高的强度和较好的塑性 1 体心立方晶格 2 面心立方晶格 属于面心立方晶格类型的金属有 Fe 1394 912 的纯铁 铜 铝 镍等 很好的塑性 3 密排六方晶格 铍 镁 锌 镉等 四 金属的实际晶体结构与晶体缺陷 单晶体与多晶体 单晶体 晶体内部原子排列得非常整齐 晶格位向完全一致 且无任何缺陷存在 多晶体 由许多位向不同的晶粒组成 且其内部还存在着多种晶体缺陷 金属的晶体缺陷 点缺陷 空位和间隙原子 线缺陷 位错 面缺陷 晶界和亚晶界 二 晶体缺陷 1 点缺陷 点缺陷的存在使金属能够比较容易的发生扩散现象 2 线缺陷 位错 位错的存在使金属能够比较容易发生塑性变形 3 面缺陷 面缺陷的存在使金属的强度提高 五 金属的同素异构转变 定义 某些金属在不同的温度 或压力下 具有不同的晶体结构的现象 称为同素异构转变或同素异晶性 纯铁的同素异构转变过程 Fe 体心 912 Fe 面心 1394 Fe 体心 课堂练习 1 常见的金属晶体结构类型有哪些 画出其晶胞图 并举例 2 金属的晶体缺陷有那些 3 名词解释 晶格 晶胞 同素异构转变4 纯铁的同素异构转变过程 第四节金属的结晶 凝固与结晶一 纯金属的结晶条件二 金属的结晶过程三 晶核形成与晶粒长大四 晶粒大小及控制五 铸件组织结构小结 结晶 凝固 物质由液态冷却转变为固态的过程 结晶 如果凝固的固态物质是原子 或分子 作有规则排列的晶体 则这种凝固又称为结晶 结晶潜热 结晶过程实际上是原子由一个高能量级向一个较低能量级转变的过程 所以结晶过程中会放出一定的热量 称为结晶潜热 结晶潜热使正在结晶的金属处于一种动态的热平衡 所以纯金属结晶是在恒温下进行的 冷却曲线上有一段水平线 是说明在这一时间段中温度是恒定的 T0 Tn 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 一 纯金属的结晶条件 纯金属的冷却曲线 纯金属的结晶是在一定的温度下进行的 冷却速度越大 则过冷度越大 二 金属的结晶过程 液态金属 形核 晶核长大 完全结晶 形核和晶核长大的过程 晶核不断地形成及长大 直到液态金属已全部耗尽 结晶过程也就完成了 三 晶核形成与晶粒长大 1两种形核方式 均质形核在均匀的液体金属内部 由少量能量较高的液态原子聚集形成结晶核心的过程 形核所需过冷度很大 非均质形核 晶核依附于容器表面或外来杂质上生成的形核过程 形核所需的过冷度小 晶核长大规律 2两种长大方式 平面生长与树枝状生长 平面生长 晶体界面始终保持规则的外形 树枝状生长 树枝状晶体生长示意图 四 晶粒大小及控制 金属晶粒尺寸的大小对金属的力学性能影响很大 在室温下 细晶粒的金属具有较高的强度和韧性 细晶强化 细化晶粒的方法 控制形核率与晶粒长大速度之间的关系 1 增大液体金属的过冷度 2 变质处理 3 附加振动 冷却速度对金属晶粒度的影响 冷速大 冷速小 铸造生产中的具体措施 降低浇注温度 使用金属铸型或水冷 提高冷却速度可有效地提高过冷度 增加形核率 2 变质处理 在液体金属中加入变质剂 孕育剂 以细化晶粒和改善组织的工艺措施 变质剂的作用 作为非均质形核的核心 或阻碍晶粒长大 变质处理 孕育处理 加入人工晶核 晶粒细化 3 振动结晶 机械振动 超声振动 或电磁搅拌等 振动的作用 使树枝晶破碎 晶核数增加 晶粒细化 五铸锭的结晶结构 表面细晶粒层 中间柱状晶粒层 中心等轴晶粒层 课堂练习 名词解释 过冷度 自发形核 非自发形核变质处理2 冷却速度越大 则过冷度 3 细化晶粒的方法有那些 纯金属虽然具有好的导电性 导热性 在工业中获得了一定的应用 但力学性能较低 价格较高 且种类有限 合金具有很多优于纯金属的特性 较高的强度 硬度 耐磨性 优异的物理和化学性能 种类繁多 并且容易冶炼 价格便宜 工业生产上应用的金属材料大都是合金 尤其是铁碳合金 第五节合金的晶体结构与结晶 一 合金的基本概念 1 合金 合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素经过熔炼 烧结或其他方法行成的具有金属特性的物质 2 组元 组成合金的最基本而独立的物质称为组元 简称元 元素或化合物 3 合金系 给定组元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金 构成一个合金系 4 相 相是指在合金中具有相同的化学成分 结晶结构的均匀部分 5 组织 泛指用金相观察方法看到的金属或合金中不同形状 大小 数量和分布的一种或多种 相 构成的综合体 合金的性能决定于组织 而组织又取决于合金中各个相的成分 类型和性质 固态合金中的相 按其组元原子的存在方式可分为固溶体和金属间化合物两大基本类型一 固溶体1定义 一种由基体金属在固态下溶有其它元素的原子而组成的相 叫固溶体 固溶体仍保持溶剂金属的晶格类型 溶剂 溶质2分类 根据固溶体中合金组元的溶解度不同 可分为有限固溶体和无限固溶体根据固溶体晶格中溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同 分为置换固溶体和间隙固溶体 二 固态合金的相结构 1 置换式固溶体 置换式固溶体示意图 溶质原子代替部分溶剂原子占据晶格中的节点位置而形成的固溶体 形成置换固溶体的条件 两组元化学性质相近 原子半径差别较小 a b 2 间隙式固溶体 碳溶于 Fe的间隙式固溶体 溶质原子插入溶剂晶格的间隙而形成的固溶体 形成条件 r溶质 r溶剂 0 59 间隙式固溶体都是有限固溶体 固溶体晶格畸变示意图 形成固溶体时由于晶格畸变 晶格歪扭 使合金强度和硬度升高的现象 固溶强化 固溶强化是提高金属强度的重要途径之一 二 金属间化合物 图1 28金属间化合物晶格示意图a VC的间隙相结构b Fe3C的斜方晶格结构 金属间化合物是合金组元之间相互发生作用而形成具有金属特性的一种新相 晶体结构复杂 熔点 硬度高 脆性大 沉淀强化 弥散强化 细小的金属间化合物从过饱和的固溶体中析出而沉淀在固溶体基体上所产生的强化 三合金的结晶特点 与纯金属相似 也是在过冷条件下 经过形核与晶核长大两个过程 不同 1 合金的结晶过程是在一定的温度范围内进行 2 结晶的固态金属与液态金属成分不同 且两者的成分都随温度而改变 最后通过原子扩散而达到均匀化 3 合金结晶后是双相或多相组织 课堂练习 1 合金是指由两种或两种以上的 或 经过熔炼 烧结或其他方法行成的具有金属特性的物质 2 根据构成合金各组元之间相互作用的不同 固态合金的相结构可分为 和 两大类 3 名词解释 相 组织 第六节铁碳合金相图 教学目的与要求掌握Fe C合金的基本相 组织以及它们的性能特点 掌握Fe Fe3C相图特征点 线的含义及区域组织分析 熟悉典型铁碳合金结晶过程及Fe Fe3C相图的应用 复习提问 5金属间化物 1组元 组成合金最基本而独立的物质 2相 合金中具有相同的化学成分和结晶结构的均匀部分 3组织 金属或合金中不同形状 大小 数量 和分布的 相 的综合体 4固溶体 由基本金属在固态下溶有其它元素原子而组成的相 固溶体仍保持溶剂金属的晶格类型 金属间化合物是合金组元之间相互发生作用而形成具有金属特性的一种新相 什么是铁碳相图 相图 表示合金系统中 合金的状态 温度 成分之间关系的图解 铁碳合金相图是研究钢铁材料的成分 相和组织的变化规律以及与性能之间关系的重要工具 铁碳合金相图如图所示 A F 完整的Fe Fe3C相图 相 简化的Fe Fe3C相图 组织 一 铁碳全合金的基本相及其性能 1 液相 铁碳合金在熔化温度以上形成的均匀液体称为液相 用符号L表示 2 铁素体 碳在 Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体 简称 固溶体 用符号F或 表示 晶体结构呈体心立方晶格 碳在 Fe中的溶解度很低 随着温度的升高略有增加 在600 时溶解度仅有0 008 在727 时最大溶解度为0 0218 铁素体的机械性能与纯铁相近 其强度 硬度较低 但具有良好的塑性 韧性 铁素体的显微组织 奥氏体的显微组织 铁素体 F 晶格 奥氏体 A 晶格 3 奥氏体 碳溶于 Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体 简称 固溶体 用符号A或 表示 面心立方晶格 碳在727 时能溶0 77 在1148 时的最大溶解度达2 11 A存在于727 以上的高温区间 具有一定的强度和硬度 以及很好的塑性 是绝大多数钢在高温进行锻造或轧制时所要求的组织 4 渗碳体 渗碳体是一种具有复杂晶体结构的金属间化合物 它的分子式为Fe3C 渗碳体既是组元 又是基本相 硬度很高近800HBW 脆性很大 塑性几乎为零 两相的机械混合物 组织 5 珠光体 用符号P表示 它是铁素体与渗碳体薄层片相间的机械混合物 6 莱氏体 用符号Ld表示 奥氏体和渗碳体所组成的共晶体 渗碳体的晶体结构 二 Fe Fe3C相图分析 组织 图1 30Fe Fe3C相图 1 Fe Fe3C相图主要相区 1 单相区 简化的Fe Fe3C相图中有L Fe3C A和F四个单相区 2 两相区 简化的Fe Fe3C相图中有五个两相区 即L A L Fe3C A Fe3C A F和F Fe3C两相区 每个两相区都与相应两个单相区相邻 3 两条三相共存线 共晶线ECF L A和Fe3C三相共存 共析线PSK A F和Fe3C三相共存 ECF线 发生共晶转变 温度为1148 转变产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物 称为莱氏体 用符号 Ld 表示 L4 3 A2 11 Fe3C Ld PSK线 发生共析转变 温度为727 转变产物为铁素体和渗碳体的机械混合物 称为珠光体 以符号 P 表示 A0 77 F0 0218 Fe3C P 2 二条重要水平线 3 三条重要固态转变线 GS线 A3 冷却时不同成分的A开始析出铁素体F的温度线 也是加热时F转变为A的温度线 同素异构转变线 ES线 Acm 碳在A中的溶解度线 PQ线 碳在F中的溶解度线 4 主要特性点 三 典型合金的结晶过程及组织 根据铁碳合金的含碳量及组织的不同 可将铁碳合金分为 1 工业纯铁wc 0 0218 2 钢0 0218 wc 2 11 又可分为 亚共析钢0 0218 wc 0 77 共析钢wc 0 77 过共析钢0 77 wc 2 11 3 白口铸铁2 11 wc 6 69 又可分为以下三种 亚共晶白口铸铁2 11 wc 4 3 共晶白口铸铁wc 4 3 过共晶白口铸铁4 3 wc 6 69 6个典型成分的Fe C合金 图1 31典型铁碳合金结晶过程分析 1 共析钢的结晶过程分析 共析钢结晶过程示意图 共析钢的显微组织 P 1以上1 22 33以下 2 亚共析钢的结晶过程分析 图1 34亚共析钢结晶过程示意图 图1 35亚共析钢的显微组织 1以上1 22 33 44以下 3 过共析钢的结晶过程分析 图1 36过共析钢结晶过程示意图 图1 37过共析钢的显微组织 1以上1 22 33 44以下 4 共晶白口铸铁的结晶过程分析 图1 38共晶白口铸铁结晶过程示意图 图1 39共晶白口铸铁的显微组织 1以上11 22以下 5 亚共晶白口铸铁的结晶过程分析 图1 41亚共晶白口铸铁的显微组织 图1 40亚共晶白口铸铁结晶过程示意图 1以上1 222 33以下 6 过共晶白口铸铁的结晶过程分析 图1 43过共晶白口铸铁结晶过程示意图 图1 41过共晶白口铸铁的显微组织 1以上1 223以下 四铁碳合金的成分 组织 性能之间的关系 1 碳含量对铁碳合金平衡组织的影响 图1 45含碳量对钢力学性能的影响 2 含碳量对力学性能的影响 3 Fe Fe3C相图在工业中的应用 1 在选材方面的应用 Fe Fe3C相图反映了铁碳合金组织和性能随成分的变化规律 这样 就可以根据零件的工作条件和性能要求来合理的选择材料 例如 桥梁 船舶 车辆及各种建筑材料 需要塑性 韧性好的材料 可选用低碳钢 wc 0 1 0 25 对工作中承受冲击载荷和要求较高强度的各种机械零件 希望强度和韧性都比较好 可选用中碳钢 wc 0 25 0 6 制造各种切削工具 模具及量具时 需要高的硬度 耐磨性 可选用高碳钢 wc 0 77 1 44 对于形状复杂的箱体 机器底座等 可选用熔点低 流动性好的铸铁材料 2 在焊接生产上的应用 焊接时 由于局部区域 焊缝 被快速加热 所以从焊缝到母材各区域的温度是不同的 由Fe Fe3C相图可知 温度不同 冷却后的组织性能就不同 为了获得均匀一致的组织和性能 就需要在焊接后采用热处理方法加以改善 3 在热处理方面的应用 从Fe Fe3C相图可知 铁碳合金在固态加热或冷却过程中均有相的变化 所以钢和铸铁可以进行有相变的退火 正火 淬火和回火等热处理 此外 奥氏体有溶解碳和其它合金元素的能力 而且溶解度随温度的提高而增加 这就是钢可以进行渗碳和其它化学热处理的缘故 思考题 1 铁素体 碳在 中形成的间隙固溶体称为铁素体 用符号 表示 2 奥氏体 碳在 中形成的间隙固溶体称为奥氏体 用符号 表示 3 珠光体是由 和 组成的双相组织 4 S点 C点的意义 ECF线 PSK A1 线 GS线 A3 ES线 Acm 的意义 5 铁碳合金的基本相有哪些 课前提问 1什么是金属的强度 主要的强度指标有哪些 2什么是金属的塑性 塑性指标有哪些 第七节金属受力时结构和性能的变化 金属受力时都要产生变形 变形分类 1弹性变形 卸载后可全部恢复的变形2塑性变形 卸载后残留的变形塑性是指金属能够产生塑性变形而不破坏的能力 是金属材料的重要特性 有很高的实用价值 1使金属材料获得所需的形状和尺寸 2可以提高金属的强度 3在金属制件设计中 通常限制在弹性范围内工作 塑性就是材料抵抗外力的能量储备 是产品的安全运行的重要保证 一 金属的塑性变形 经受塑性变形的金属 在组织 结构与性能上都会发生复杂的变化 1性能变化 力学性能变化 金属材料在冷变形过程中产生的强度 硬度逐渐升高 塑性和韧性逐渐降低的现象 称为加工硬化或冷作硬化 它是提高某些金属材料强度的重要手段 实例 物理 化学性能变化 加工硬化使金属的电阻升高 导电性 导热性 导磁性及耐蚀性均降低 冷塑性变形对金属力学性能的影响 变形程度 2组织变化 金属的加工硬化现象 是金属在塑性变形中其内部的组织发生了变化所致 金属常以滑移方式发生塑性变形滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生相对移动的现象 滑移的结果使位错密度增大 晶格歪扭 晶粒破碎 增加了对滑移的阻力 加大塑性变形抗力 使金属的塑性下降 强度 硬度上升 滑移示意图 二冷变形金属加热时组织与性能的变化 金属经冷变形后 组织处于不稳定状态 有自发恢复到稳定状态的倾向 但在常温下 原子扩散能力小 不稳定状态可长时间维持 加热可使原子扩散能力增加 变形金属将依次发生回复 再结晶和晶粒长大 1 回复冷变形金属在加热温度较低时 由于金属原子活动能力较小 金属组织变化不明显 其强度 硬度略有下降 塑性 韧性略有提高 残余应力下降 此变化过程称回复 工业上 常利用回复现象将冷变形金属低温加热 既稳定组织又保留加工硬化的强化效果 且使残余