[工学]1金属材料成形基础 第一篇.ppt

第一章金属材料导论 第一节金属材料的性能 2 工艺性能 一 材料的性能 二 材料在载荷作用下的力学行为材料在载荷 外力 作用下的表现 反应 人们习惯称之为力学行为 材料在载荷作用下 对于塑性材料来说会产生弹性变形 塑性变形 直至断裂 1 弹性变形当物体受外力作用时产生了变形 若除去外力 物体发生的变形会完全消失 恢复到原始状态 这种变形称之为弹性变形 3 断裂断裂前出现明显宏观塑性变形的断裂称为韧性断裂 在断裂前没有宏观塑性变形的断裂行为称之为脆性断裂 静载荷是指加载方式不影响材料的变形行为 加载速率较为缓和的载荷 材料在静载荷作用下的主要力学性能指标有弹性 刚度 强度 塑性 硬度等性能指标可通过拉伸试验和硬度试验测得 拉伸实验 k b b 极限载荷点 F e e 弹性极限点 s S 屈服点 K 断裂点 拉伸曲线 F F L 缩颈 o 二 测得的主要力学性能指标 弹性极限 e 材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值 以 e表示 单位为 a 弹性模量 E 材料在弹性变形的阶段内 直线的斜率 即产生单位弹性应变所需要的应力值 以 表示 单位 a 其大小反映材料刚度大小 材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度 3 屈服强度 点 s 材料产生屈服时的最低应力值称为屈服点 以 s表示 单位为 a 强度 材料在外力作用下 抵抗塑性变形和断裂的能力 它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力 4 抗拉强度 b材料在拉断前所承受的最大应力值 称为抗拉强度 通常用 b表示 单位 a 它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力 抗拉强度 是脆性材料选材的依据 5 塑性 常用 和 作为衡量塑性的指标 伸长率 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 F F L 良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件 三 硬度金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力 它是衡量材料软硬程度的力学性能指标 材料的硬度越高其耐磨性就越好 并且材料的硬度与它的力学性能和工艺性能 如切削加工性 焊接性能等 之间存在着一定的对应关系 所以硬度是最常用的性能指标之一 在一些零件图中硬度是检验产品质量的重要指标 1 布氏硬度 HB 1 测试原理布氏硬度实验用一定直径的钢球或硬质合金球 以相应的试验力压入试样表面 保持一定时间后 卸除试验力 在试样表面得到直径为d的压痕直径 用试验力除以压痕表面积所得的值即为布氏硬度值 用 表示 计算公式 2 测定条件压头为淬火钢球 适于测定硬度在450以下的材料 如结构钢 铸铁及非铁合金等 以HBS表示 压头为硬质合金 以HBW表示 适于测定硬度值在450以上的材料 最高可测650HBW 3 表示方法例如 120HBS10 1000 30 4 适用范围铸铁 铸钢 非铁金属材料及热处理后钢材毛坯或半成品 洛氏硬度 HR 1 测试原理洛氏硬度值用主载荷作用下试样产生塑性变形压痕深度BD来确定 2 表示方法硬度标尺 HRA HRB HRC C标尺最常用 如250HRC 3 适用范围在批量的成品或半成品质量检验中广泛使用 也可测定较薄工件或表面有较薄硬化层的硬度 常用洛氏硬度标尺的实验条件和应用 前面为硬度数值 后面为使用的标尺 最常用的是 三种 其中 标尺用的最多 维氏硬度 HV 1 测试原理维氏硬度试验原理和布氏硬度试验原理基本相同 将顶角为136 的正四棱锥金刚石压头 在载荷的作用下 压头进入试件表面 保持一定的时间后 卸除载荷 测量压痕两对角线长度d1和d2 求其平均值 用于计算压痕表面积 2 表示方法例如 640HV30 20 3 适用范围用于测量金属镀层薄片材料和化学热处理后的表面硬度 各硬度值之间大致有以下关系 布氏硬度值在200 450范围内 HBS HBW 10HRC 布氏硬度值小于450HBS HBS HV 动载荷是指突加的 冲击性的大小 方向随时间而变化的载荷 材料在动载荷作用下的力学性能 包括冲击韧性和疲劳强度 1 冲击韧性 AK G H1 H2 J ak AK S J m2 材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力 冲击韧性试验 2 疲劳强度指材料经无数次交变载荷作用而不断裂的最大应力值 用 1表示 单位为Mpa 它表现了材料抵抗疲劳断裂的能力 疲劳断裂 零件在循环应力作用下 在一处或几处产生局部永久性累积损伤 经一定循环次数后突然产生断裂的过程 是由疲劳裂纹产生 扩展 瞬时断裂三个阶段组成的 特点 断裂前无明显的塑性变形 很难事先察觉到 断裂突然发生 断裂时应力很低 大多低于 s 属于低应力脆断 一金属的结构 第二节金属及合金的结晶 1 金属键由金属正离子和自由电子之间相互作用而结合的方式称为金属键 根据金属键的结合特点可以解释金属晶体的一般性能 由于自由电子的存在 容易形成电流 显示出良好的导电性 自由电子的易动性和正离子的振动使金属有良好的导热性 金属原子移动一定位置后 金属键不会遭到破坏 使金属具有很好的形变能力和强度 自由电子可以吸收光的能量 因而金属不透明 自由电子所吸收的能量在电子回复到原来状态时产生辐射 使金属具有光泽 2 金属的晶体结构 原子作无序排列 没有固定的熔点 各向同性 所有的金属和合金都是晶体 晶格 原子排列形成的空间格子 晶胞 组成晶格最基本的单元 原子作有序排列 有固定的熔点 各向异性 金属的典型晶体结构 体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格 3 晶面与晶向 晶面 各个方位上一系列原子组成的平面 晶向 各个方向上的原子列 1 晶面指数 hkl 标定过程 2 晶向指数 uvw 4 金属的实际晶体结构 1 多晶体结构晶格位向 即原子排列方向 完全一致的晶体为单晶体 实际使用的金属材料包含有许多外型不规则的小晶体 每个小晶体内部的晶格位向都是一致的 而各小晶体之间位向却不相同 称多晶体 外形不规则 呈颗粒状的小晶体称为晶粒 晶粒与晶粒之间的界面称为晶界 2 晶体缺陷在晶体内部及边界存在原子排列的不完整性 称为晶体缺陷 按其几何形状的特点 晶体缺陷可分为以下三类 1 点缺陷 是指三维尺寸都很小 不超过几个原子直径的缺陷 主要有空位和间隙原子 2 线缺陷 指三维空间中在二维方向上尺寸较小 在另一维方面上尺寸较大的缺陷 属于这类缺陷主要是位错 位错是晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象 它又分为刃型位错 螺型位错 3 面缺陷指二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷 通常是指晶界和亚晶界 晶界 晶粒之间的边界称为晶界 亚晶界 亚晶粒之间的边界叫亚晶界 亚晶粒 尺寸很小 位向差也很小的小晶块 1 金属的结晶过程 1 金属结晶的过冷现象 T0 Tn T 二 金属的结晶过程 冷却曲线 过冷度 过冷度对晶粒的影响 2 金属的结晶过程 结晶 形核 长大 自发形核 非自发形核 均匀长大 树枝状长大 2 铸件晶粒组织铸件的晶粒组织是指铸件的晶粒形状和大小 一般铸件的典型晶粒组织分为三个区域 1 表层细晶粒区液态金属强烈的过冷 形成大量自发晶核 2 柱状晶粒区晶轴垂直于模壁的晶粒 沿着枝晶轴向模壁传热有利 这些晶粒优先长大 从而形成柱状晶粒 3 中心等轴晶粒区在锭模心部的剩余液态金属内部温差愈来愈小 散热方向已不明显 因而形成较粗大的等轴晶粒区 细晶强化的方法 1 增加液态金属结晶时的过冷度增大过冷度可以使铸件晶粒变小 2 变质处理在金属液结晶前 向金属液中加入某些物质 称变质剂 形成大量分散的固态微粒作为非自发形核界面 或起阻碍晶体长大的作用 从而获得细小晶粒 这种细化晶粒的方法 称为变质处理 3 附加振动金属液结晶时 可采用机械振动 超声波或电磁振动等措施 使铸型中液体金属运动 造成枝晶破碎 碎晶块起晶核作用 从而使晶粒细化 3 金属的同素异晶转变 同素异晶转变 在固态下 随着温度的变化 金属的晶体结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程 L 一种金属能以几种晶格类型存在的性质 称为同素异晶性 Fe Sn Ti Mn 温度 时间 1538 1394 912 体心 面心 体心 Fe 金属的同素异晶转变是金属从一种晶格类型的固态转变为另一种晶格类型固态的转变 它也是一个结晶过程 只不过这个结晶是在固态下进行的 因此把这种固态转固态的结晶称为重结晶或二次结晶 三 合金的结构 合金 两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质 成份相同 结构相同 并与其他部分有界面分开的均匀组成部分称为相 根据结构特点不同可将合金中的相分为 固溶体 金属化合物 1 固溶体 合金中晶体结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相 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 2 金属化合物 合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相 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 合金的结晶 虽然纯金属在人类生活和生产中获得了一定程度的应用 但它们的性能远不能满足多方面的需求 在工业中更广泛地被应用的是合金 为了正确地对各种合金进行熔铸 锻压和热处理 必须了解它们的熔点和发生固态转变的温度 并研究它们的凝固进程和凝固后的组织 目前已测定出许多二元合金系的成分与其熔点及固态转变温度的关系曲线 并分析了不同成分的合金在不同温度下的组织状态 合金相图就是以这些试验结果为基础而建立起来的 1 相图的基本知识 1 相图合金相图是一种能够反映给定合金系中合金成分 温度与其组织状态之间关系的图形 二元合金相图是一个平面图形 它表示由两个组元组成的合金系统中的合金平衡状态 温度和成分之间的关系 2 相图的建立常采用热分析法测得的冷却曲线二元相图的建立过程 纯金属与合金冷却曲线比较纯金属的结晶过程是在恒温下进行的 在结晶的过程中只有液相和固相数量的变化 而合金的结晶通常是在一定的温度范围内进行的 在结晶的过程中 不但有固相和液相数量变化 而且各相的成分也在变化 2 二元合金相图 1 二元匀晶相图二组元在液态无限溶解 在固态无限固溶 并形成固溶体的二元合金系所形成的相图 称为二元匀晶相图 这类合金在结晶过程中都是从液相中结晶出单相的固溶体 这种结晶过程称为匀晶转变 合金的结晶过程 以Cu Ni合金相图中Ni的含量 Ni 40 为例说明其结晶过程 当液态合金缓慢冷却到与液相线相交温度时开始结晶 此时温度为t1 结晶出的固相 Ni为 1 1的含镍量 Ni 大于40 冷却到t2时 L的成分L2 相的成分为 2 当合金冷却完毕 全部为固相 此时固相成分 3即为合金自身的成分 实际金属结晶过程中 由于冷却速度快 先后结晶出来的固溶体成分不同 扩散来不及进行 使得晶粒内部化学成分不均匀的现象 危害 材料的力学性能 加工工艺性 耐蚀性 措施 扩散退火 均匀化退火 枝晶偏析 2 共晶相图两组元在液态无限互溶 在固态有限溶解 或不溶 并在结晶时发生共晶转变所构成的相图称为二元共晶相图 共晶转变指具有一定成分的液态合金 在一定温度下 同时结晶出两种不同的固相的转变 其转变产物为共晶组织 或称共晶体 单相区 L 两相区 L L 相图分析 相 Sn溶入Pb形成的固溶体 相 Pb溶入Sn形成的固溶体 4 包晶相图两组元在液态下无限互溶 在固态下有限溶解 并在结晶时发生包晶转变的相图 称为包晶相图 即由一定成分的液相与一定成分的固相在恒温下转变成另一种一定成分的固相的转变 由于新固相 首先在L相与原固相的相界上形核并包着原固相长大 故称为包晶转变 铁素体 碳 C 溶入 Fe中所形成的固溶体 727 0 02 C 第三节铁碳合金相图 1 铁素体 F 力学性能 b 250MPa 45 50 HB 80 2 奥氏体 A 奥氏体 碳 C 溶入 Fe中所形成的固溶体 1147 2 06 C 727 0 77 力学性能 b 250 350MPa 40 45 HB 160 200 一铁碳合金的基本组织 四 珠光体 P 力学性能 b 750MPa 25 HB 180 200 五 莱氏体 Le 力学性能 b 30MPa 0HB 700 珠光体 是铁素体和渗碳体组成的机械混合物 727 0 77 莱氏体 是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物 1147 4 3 C 3 渗碳体 Fe3C 渗碳体 是金属化合物 6 67 C 力学性能 b 30MPa 0HB 800 铁碳合金相图 二 典型铁碳合金的结晶过程 共析钢 c 0 77 亚共析钢 0 0218 c 0 77 过共析钢 0 77 c 2 11 共晶白口铸铁 c 4 3 亚共晶白口铸铁 2 11 c 4 3 过共晶白口铸铁 4 3 c 6 69 工业纯铁 第四节钢铁材料热处理原理 定义以适当的方式对金属材料或工件加热 保温 冷却 获得预期的组织结构与性能的工艺方法 机床60 70 汽车70 80 量具 刃具 模具 轴承100 1 整体热处理退火 正火 淬火 回火2 表面热处理表面淬火 化学热处理 一 钢在加热时的组织转变 1 加热转变的理论依据 Fe Fe3C相图奥氏体化钢加热形成奥氏体的过程 对于加热 非平衡条件下的相变温度高于平衡条件下的相变温度 对于冷却 非平衡条件下的相变温度低于平衡条件下的相变温度 2 奥氏体化过程 包括奥氏体的形核 长大 残余渗碳体的溶解和奥氏体成分的均匀化 共析钢中奥氏体的形成过程 二 奥氏体在冷却时的组织转变 奥氏体的冷却转变 直接影响钢热处理后的组织和性能 常见的冷却方式有两种 等温冷却和连续冷却 1 过冷奥氏体的等温冷却转变曲线 俗称C曲线或TTT曲线 过冷奥氏体A1温度以下不稳定的奥氏体 C曲线TTT曲线T TemperatureT TimeT Transformation 等温冷却曲线 各区域组织 孕育期 550 孕育期最短 过冷奥氏体最不稳定 共析钢的C曲线是最靠右的 亚共析钢 WC C曲线向右移 过共析钢 WC C曲线向左移 且左上角多出F Fe3C 的析出线 3 过冷奥氏体连续冷却转变曲线 1 CCT曲线及分析 PS 过冷A转变为P的开始线 Pf 过冷A转变为P的终了线 K 过冷A向P转变的终止线 VKC 得到全部M组织的最小冷却速度 上临界冷却速度 V KC 得到全部P组织的最大冷却速度 下临界冷却速度 2 转变特点 CCT曲线位于C曲线的右下方 转变温度低 孕育期长 无贝氏体 B 转变 转变在一个温度范围内进行 转变产物不是单一组织 先粗后细 共析钢CCT曲线与C曲线的比较 完全退火 亚共析钢Ac3 30 50 缓冷到600 时空冷 得到F P 等温退火 同完全退火 可节省时间 球化退火 过共析钢Ac1 20 30 消除网状碳化物 使之成为球状 去应力退火 500 650 炉冷至200 后空冷 消除应力 1 钢的退火 降低硬度 消除应力 细化晶粒 三 钢的普通热处理 2 钢的正火 正火目的 细化晶粒 提高强度低碳钢 提高硬度高碳钢 消除网状渗碳体工艺过程 Ac3 Accm 30 50 保温后空冷优点 周期短 能耗少 3 钢的淬火 淬火目的 获得高硬度 高耐磨性的马氏体 提高钢的机械性能 加热温度 Ac3 Ac1 30 50 保温碳钢 水冷 得细小M A 合金钢 油或空冷 得M Fe3C A 淬火 钢加热到AC1或 AC3 以上 保温后以适当方式冷却 获得M或B组织的热处理工艺 钢经过淬火后必须回火 回火目的 消除应力 防止工件开裂回火工艺 Ac1以下保温后缓冷 回火 将淬火钢加热到A1下某一温度后进行冷却的热处理工艺 感应淬火 激光表面淬火 有色金属热处理 第五节钢的分类和应用 1 按化学成分分类 一 钢的分类 1 低合金钢Me10 1 碳素钢 2 合金钢 1 低碳钢C0 6 2 按质量分类 P S 0 030 1 普通钢 2 优质钢 3 高级优质钢 S 使合金产生热裂 热脆缺陷P 使合金产生冷裂 冷脆缺陷 P 0 045 S 0 055 P 0 040 S 0 045 1 平炉钢 2 转炉钢 3 电炉钢 3 按用途分 弹簧钢 轴承钢 耐热钢 耐蚀钢等 1 结构钢 2 工具钢 3 特殊性能钢 1 工程结构钢 2 机械制造用钢 1 碳素工具钢 2 合金工具钢 4 按冶炼方法 二 钢的编号及应用 碳素结构钢的钢号用屈服强度表示 这类钢主要用于制造一般的机械零件和工程构件 1 结构钢 Q195 0 06 0 12 C Q215 0 09 0 15 C Q235 A 0 14 0 22 C B 0 12 0 20 C Q255 0 18 0 28 C Q275 0 28 0 38 C Q195 1 普通 碳素结构钢 2 优质碳素结构钢 08 10 15 冲压件 焊接件 15 20 25 渗碳淬火 30 35 40 45 50 55 调质处理 制造齿轮 连杆 凸轮和轴类零件 60 65 70 淬火 中温回火 制造弹簧 这类钢的有害杂质P S含量较低 钢的质量较好 主要用于制造各种较重要的机械零件 钢号用两位数字表示 数字表示含碳量的万分之几 45 表示含碳量是万分之45 0 45 低合金高强度结构钢是在低碳钢的基础上加入少量合金元素制得 其合金因素总量不超过5 以Mn为主要合金因素 这类钢一般在热轧或正火状态下使用 不需再进行热处理 广泛用于建筑 石油 化工 铁道 桥梁 造船等工业部门 牌号有Q295 Q345 Q460 3 合金结构钢 合金结构钢种类繁多 其钢号的表示方法为 两为数字 元素符号 数字 如 40Cr2Mo4V 60Si2Mn 38CrMoAl 低合金高强度结构钢 滚动轴承钢是制造滚动轴承的内 外套圈和滚珠 滚柱的专用钢种 常用牌号有GCr9 GCr15等 含碳在0 95 1 1 合金元素主要是铬 含0 90 1 25 Cr 1 4 1 65 Cr 用于制造各种机械零件的合金结构钢 又可分为