金属材料与热处理.ppt

金属材料与热处理 人类认识和使用材料的各个阶段石器时代青铜器时代铁器时代钢铁时代人工合成材料时代 绪论 石器时代 旧石器新石器 距今6000至4000年左右 分为旧石器时代和新石器时代 旧石器时代 人类只会采用敲打而成的石头作为简单的工具 新石器时代 人类已学会通过磨制的方法将石头制成工具 后期还学会用泥土来制作陶器 青铜器时代 商代四羊方尊 青铜时代约从公元前4000年至公元初年 希腊 埃及始于公元前3000年以前 中国始于公元前1800年 青铜器时代标志着人类开始学会冶炼和使用金属材料 铁器时代 世界上最早锻造出铁器的是赫梯王国 今土耳其境内 距今约3400年 由于铁器比青铜器的硬度高4倍 所以极大地促进了社会生产力的发展 战国铁锄 钢铁时代 现代工业炼钢 18世纪的工业革命使人类使用材料的历史产生了重大突破 人类掌握了炼钢的方法 钢铁时代的到来和蒸汽机的发明 使人类的生产力有了空前的发展 人们不再简单的使用工具 而开始使用真正意义的机器 这标志着工业时代的来临 人工合成材料时代 20世纪初酚醛树脂的合成标志着人类进入到了人工合成材料时代 目前 传统合成材料已有几十万种 而新材料的数量正在以每年约5 的速度增长 世界上现有800多万种人工合成的化合物 而且还以每年25万种的速度增长 其中相当一部分将成为工业化生产的新材料 为人类社会和科学技术的发展服务 金属 由单一元素构成的具有特殊的光泽 延展性 导电性 导热性的物质 如金 银 铜 铁 锰 锌 铝等 合金 由一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方法合成的具有金属特性的材料 金属材料 金属及其合金的总称 即指金属元素或以金属元素为主构成的 并具有金属特性的物质 课程主要内容 1 金属材料的基本知识2 金属的性能3 金属学基础知识4 金属材料及其应用5 热处理的基本知识 1 金属材料的基本知识 主要介绍金属的晶体结构及变形的相关知识 2 金属的性能 主要介绍金属的力学性能和工艺性能 3 金属学基础知识 主要介绍铁碳合金的组织及铁碳合金相图 4 金属材料及其应用 主要介绍碳素钢 合金钢 铸铁 有色金属及硬质合金等金属材料的常用牌号 成分 组织 性能及用途 并介绍了国外常用金属材料的牌号和新型工程材料的相关知识 5 热处理的基本知识 主要介绍热处理的原理 钢在加热 保温 冷却时的组织转变 热处理的工艺 退火 正火 淬火 回火 表面热处理等 及常用材料的典型热处理工艺 第一章金属的结构与结晶 1 1金属的晶体结构 1 2纯金属的结晶 1 3观察结晶过程 实验 1 1金属的晶体结构 一 晶体与非晶体二 金属的晶格类型三 单晶体与多晶体四 晶体的缺陷 一 晶体与非晶体 非晶体 气态 液态 固态 晶体 物质 存在状态 结构特点 晶体和非晶体的对比 二 金属的晶格类型 晶格类型 金属中原子排列的规律 晶格 为了清楚地表示晶体中原子排列的规律 将原子简化为一个质点 再用假想的线将它们连接起来 形成一个能反映原子排列规律的空间格架 晶胞 晶格中能够完整地反映晶体晶格特征的最小几何单元 体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格 三 单晶体与多晶体 晶粒 组成金属的小晶体 晶界 由晶粒间不规则排列的原子构成 四 晶体的缺陷 晶体缺陷 由于各种原因 实际晶体中原子的规律排列受到干扰和破坏 使晶体中的某些原子偏离正常位置 造成原子排列的不完全性 1 2纯金属的结晶 一 纯金属的结晶过程二 晶粒大小对金属材料的影响三 同素异构转变 结晶 金属从高温液体状态冷却凝固为原子有序排列的固体状态的过程 结晶潜热 结晶的过程中放出的热量 一 纯金属的结晶过程 过冷度 理论结晶温度和实际结晶温度 T1 之间存在的温度差 T T0 T1 金属结晶时 冷却越快 其实际结晶的温度就越低 过冷度 T也就越大 金属的结晶过程 二 晶粒大小对金属材料的影响 晶粒愈细 强度 硬度愈高 塑性 韧性也愈好 形核率 单位时间 单位体积所形成的晶核数 用字母N表示 细化晶粒的方法 1 增加过冷度 2 变质处理 3 振动处理 三 同素异构转变 金属的同素异构转变 在固态下 金属随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象 19世纪末 著名物理家居里在实验室里发现磁石的一个物理特性 就是当磁石加热到一定温度时 原来的磁性就会消失 后来 人们把这个温度叫 居里点 居里点也称居里温度或磁性转变点 纯铁同素异构转变示意图 1 3观察结晶过程 实验 一 实验目的1 通过观察透明盐类的结晶过程及组织特征 理解金属的结晶理论 2 通过观察铸锭表面 建立金属晶体以树枝状形态成长的直观认识 由于液态金属的结晶过程难以直接观察 而盐类也是晶体物质 其溶液的结晶过程和金属很相似 区别仅在于盐类是在室温下依靠溶剂蒸发使溶液过饱和而结晶 金属则主要依靠过冷 故完全可通过观察透明盐类溶液的结晶过程来了解金属的结晶过程 二 实验原理 三 实验器材 1 生物显微镜和放大镜 2 接近饱和的氯化铵或硝酸铅水溶液 由实验室预先制好 3 干净玻璃片和吸管 4 酒精灯或电吹风 5 有枝晶的金属铸件实物 第二章金属材料的性能 2 1金属材料的损坏与塑性变形 2 2金属的力学性能 2 3金属的工艺性能 2 4力学性能实验 2 1金属材料的损坏与塑性变形 一 与变形相关的几个概念二 金属的变形三 金属材料的冷塑性变形与加工硬化 一 与变形相关的几个概念 1 静载荷 大小不变或变化过程缓慢的载荷 2 冲击载荷 在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷 3 交变载荷 大小 方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷 1 载荷 载荷 金属材料在加工及使用过程中所受的外力 根据载荷作用性质的不同分 内力 工件或材料在受到外部载荷作用时 为保持其不变形 在材料内部产生的一种与外力相对抗的力 称为 2 内力 应力 假设作用在零件横截面上的内力大小均匀分布 单位横截面积上的内力 3 应力 R 应力 Pa F 外力 N S 横截面面积 m2 二 金属的变形 弹性变形 弹 塑性变形 断裂 金属塑性变形的影响因素 1 晶粒位向的影响2 晶界的作用3 晶粒大小的影响 三 金属材料的冷塑性变形与加工硬化 形变强化 加工硬化 冷塑性变形除了使晶粒的外形发生变化外 还会使晶粒内部的位错密度增加 晶格畸变加剧 从而使金属随着变形量的增加 使其强度 硬度提高 而塑性 韧性下降 塑性变形后的金属组织 金属的塑性变形 在外形变化的同时 晶粒的形状也会发生变化 通常晶粒会沿变形方向压扁或拉长 2 2金属的力学性能 一 强度二 塑性三 硬度四 冲击韧性 五 疲劳强度 任何机械零件或工具 在使用过程中 往往要受到各种形式外力的作用 这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不破坏的能力 这种能力就是材料的力学性能 一 强度 强度 金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力 其大小用应力表示 抗拉强度 拉伸实验测定抗压强度抗剪强度抗扭强度抗弯强度 1 拉伸试样 d 试样直径Lo 标距长度 2 力 伸长曲线 弹性变形阶段屈服阶段强化阶段缩颈阶段 3 强度指标 1 屈服强度 当金属材料出现屈服现象时 在实验期间发生塑性变形而力不增加的应力点 屈服强度分为上屈服强度ReH和下屈服强度ReL ReL 试样的下屈服强度 N mm2 FeL 试样屈服时的最小载荷 N So 试样原始横截面面积 mm2 规定产生0 2 残余伸长时的应力为条件屈服强度Rp0 2 替代ReL 称为条件 名义 屈服强度 2 抗拉强度Rm 抗拉强度 材料在断裂前所能承受的最大的应力 Rm 抗拉强度 MPa Fm 试样在屈服阶段后所能抵抗的最大力 无明显屈服的材料 为试验期间的最大力 N So 试样原始横截面面积 mm2 二 塑性 塑性 材料受力后在断裂前产生塑性变形的能力 1 断后伸长率A 试样拉断后 标距的伸长量与原始标距之比的百分率 2 断面收缩率Z 试样拉断后 缩颈处面积变化量与原始横截面面积比值的百分率 例 有一直径d 10mm Lo 100mm的低碳钢试样 拉身实验时测得FeL 21kN Fm 29kN du 5 65mm Lu 138mm 求此试样的ReL Rm A11 3 Z 三 硬度 硬度 材料抵抗局部变形 特别是塑性变形 压痕或划痕的能力 硬度是通过在专用的硬度试验机上实验测得的 布氏硬度试验机 洛氏硬度试验机 维氏硬度试验机 1 布氏硬度 布氏硬度值 用球面压痕单位面积上所承受的平均压力来表示 单位为MPa 但一般均不标出 用符号HBW表示 表示方法 布氏硬度用硬度值 硬度符号 压头直径 实验力及实验力保持时间表示 当保持时间为10 15s时可不标 例 170HBW10 1000 30 直径10mm的压头 在9807N 1000kg 的试验力作用下 保持30s时测得的布氏硬度值为170 600HBW1 30 20 直径为1mm压头 在294 2N 30kg 的实验力作用下 保持20s时测得的布氏硬度值为600 应用范围 主要用于测定铸铁 有色金属及退火 正火 调质处理后的各种软钢等硬度较低的材料 2 洛氏硬度 洛氏硬度计表盘 洛氏硬度试验原理 HR 100 表示方法 符号HR前面的数字表示硬度值 HR后面的字母表示不同的洛氏硬度标尺 例 45HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为45 常用的三种洛氏硬度标尺的试验条件和适用范围 四 冲击韧性 冲击韧性 金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力 材料的冲击韧性用夏比摆锤冲击弯曲试验来测定 冲击试样 用试样所吸收的能量K的大小来作为衡量材料韧性好坏的指标 称为冲击吸收能量 用U形和V形缺口试样测得的冲击吸收能量分别用KU和KV表示 五 疲劳强度 由于所承受的载荷为交变载荷 零件承受的应力虽低于材料的屈服强度 但经过长时间的工作后 仍会产生裂纹或突然发生断裂 金属这样的断裂现象称为疲劳断裂 金属材料抵抗交变载荷作用而不产生破坏的能力称为疲劳强度 疲劳极限用符号R 1表示 2 3金属的工艺性能 金属材料的一般加工过程 金属材料的工艺性能 金属材料对不同加工工艺方法的适应能力 它包括铸造性能 锻造性能 切削加工性能和焊接性能 热处理性能等 一 铸造性能二 锻压性能三 焊接性能四 切削加工性能五 热处理性能 一 铸造性能 铸造成形过程中获得外形准确 内部健全铸件的能力 主要取决于金属的流动性 收缩性和偏析倾向等 1 流动性熔融金属的流动能力 2 收缩性铸造合金由液态凝固和冷却至室温的过程中 体积和尺寸减小的现象 3 偏析倾向金属凝固后 内部化学成分和组织不均匀现象 二 锻压性能 用锻压成形方法得优良锻件的难易程度 常用塑性和变形抗力两个指标来综合衡量 三 焊接性能 金属材料对焊接加工的适应性 也就是在一定焊接工艺条件下 获得优质焊接接头的难易程度 对碳钢和低合金钢而言 焊接性能主要与其化学成分有关 其中碳的影响最大 四 切削加工性能 切削加工性能 切削金属材料的难易程度 一般用工件切削时的切削速度 切削抗力的大小 断屑能力 刀具的耐用度以及加工后的表面粗糙度来衡量 表面加工硬化 切削塑性金属材料时 工件在加工表面层的硬度明显提高而塑性下降的现象 五 热处理性能 淬透性淬硬性过热敏感性变形开裂倾向回火脆性倾向氧化脱碳倾向 2 4力学性能实验 实验1拉伸实验实验2硬度测试 第三章铁碳合金 3 1合金及其组织 3 2铁碳合金的基本组织与性能 3 3铁碳合金相图 3 4碳素钢 3 5观察铁碳合金的平衡组织 实验 黑色金属 以铁及以铁碳为主的合金 钢铁 有色金属 其他金属及其合金 3 1合金及其组织 一 合金的基本概念二 合金的组织 一 合金的基本概念 合金 以一种金属为基础 加入其他金属或非金属 经过熔合而获得的具有金属特性的材料 即合金是由两种或两种以上的元素所组成的金属材料 组元 组成合金最简单的 最基本的 能够独立存在的元物质 简称元 相 合金中成分 结构及性能相同的组成部分 组织 合金中不同相之间相互组合配置的状态 换言之 数量 大小和分布方式不同的相构成了合金不同的组织 二 合金的组织 1 固溶体间隙固溶体置换固溶体2 金属化合物3 混合物 单相组织 多相组织 1 固溶体 一种组元的原子溶入另一组元的晶格中所形成的均匀固相 间隙固溶体 溶质原子分布于溶剂晶格中而形成的固溶体 置换固溶体 溶质原子置换了溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体 间隙固溶体 置换固溶体 2 金属化合物 在合金中 当溶质含量超过固溶体的溶解度时 除可形成固溶体外 还将出现新的相 其晶体结构不同于任一组元 而是组元之间相互作用形成一种具有金属特性的物质 两种或两种以上的相按一定的质量百分数组成的物质 3 混合物 固溶强化 无论是间隙固溶体还是置换固溶体 在其形成过程中 都会使溶剂晶格发生畸变 从而使合金对变形的抗力增加 也即通过溶入溶质元素形成固溶体而使金属材料强度 硬度提高的现象 间隙固溶体 置换固溶体 3 2铁碳合金的基本组织与性能 一 铁素体 F 二 奥氏体 A 三 渗碳体 Fe3C或Cm 四 珠光体 P 五 莱氏体 Ld 一 铁素体 F 碳溶解在 Fe中形成的间隙固溶体 用符号F表示 铁素体的晶胞示意图 铁素体的显微组织 二 奥氏体 A 碳溶于 Fe中形成的间隙固溶体 用符号A表示 奥氏体的晶胞示意图 奥氏体的显微组织 三 渗碳体 Fe3C或Cm 渗碳体是含碳量为6 69 的铁与碳的金属化合物 其化学式为Fe3C 渗碳体的晶胞示意图 四 珠光体 P 珠光体是铁素体和渗碳体的混合物 用符号P表示 光学显微镜观察组织 电子显微镜观察组织 五 莱氏体 Ld 莱氏体是奥氏体和渗碳体的混合物 用符号Ld表示 低温莱氏体的显微组织 低温莱氏体 室温下的莱氏体 由珠光体和渗碳体组成 用符号Ld表示 3 3铁碳合金相图 一 铁碳合金相图的组成二 Fe Fe3C相图中特性点 线的含义及各区域内的组织三 铁碳合金的分类四 典型铁碳合金结晶过程分析五 铁碳合金的成分 组织与性能的关系六 Fe Fe3C相图的应用 一 铁碳合金相图的组成 铁碳合金相图 表示在缓慢冷却 或缓慢加热 的条件下 不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形 Fe C相图的组成 在铁碳合金中 铁和碳可以形成一系列的化合物 如Fe3C Fe2C FeC等 简化后的Fe Fe3C相图 二 Fe Fe3C相图中特性点 线的含义及各区域内的组织 1 主要特性点2 主要特性线 三 铁碳合金的分类 纯铁 含碳量小于0 0218 的铁碳合金 钢 含碳量大于0 0218 而小于2 11 的铁碳合金 铸铁 含碳量大于2 11 的铁碳合金 四 典型铁碳合金结晶过程分析 1 共析钢 共析钢在室温时的组织是珠光体 合金的组织按下列顺序变化 2 亚共析钢亚共析钢的室温组织由珠光体和铁素体组成合金的组织按下列顺序变化 3 过共析钢室温下为珠光体和网状二次渗碳体组织 钢中含碳量越多 二次渗碳体也越多 4 白口铸铁亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 随含碳量的不同 其组织顺序 F F P P P Fe3C P Fe3C Fe3C 含碳量越高 钢的强度 硬度越高 而塑性 韧性越低 这在钢经过热处理后表现尤为明显 五 铁碳合金的成份 组织与性能的关系 六 Fe Fe3C相图的应用 1 作为选材的依据2 在铸造生产中的应用3 在锻造工艺上的应用4 在热处理工艺上的应用 3 4碳素钢 一 钢中常存元素及其对性能的影响二 碳素钢的分类三 碳素钢牌号及用途 碳素钢 简称碳钢 是最基本的铁碳合金 它是指在冶炼时没有特意加入合金元素 且含碳量大于0 0218 而小于2 11 的铁碳合金 一 钢中常存元素及其对性能的影响 锰 有益元素 有很好的脱氧能力 还可与硫形成MnS 从而消除了硫的有害作用 硅 有益元素 脱氧能力比锰强 还能提高钢的强度及质量 硅作为杂质一般应不超过0 4 硫 有害元素 常以FeS形式存在 易使钢材变脆 热脆性 磷 有害元素 它使钢在低温时变脆 冷脆性 氢 有害元素 能造成氢脆 白点等缺陷 二 碳素钢的分类 1 按钢的含碳量分低碳钢 C 0 25 中碳钢 0 25 C 0 60 高碳钢 C 0 60 2 按钢的质量分普通钢 S 0 050 P 0