机械工程材料-总复习2010.ppt

机械工程材料 总复习 使用性能 工艺性能 纯金属 合金 工业用钢 有色金属及其合金 铸铁 结晶 塑性变形 热处理 单元1 单元2 纯金属的晶体结构 合金的晶体结构及金属材料的组织 单元3 第二节金属材料的性能 金属材料的机械性能 单元4 金属材料的工艺 物理和化学性能 晶体结构内容的相互关系 密堆积原理是一个把中学化学的晶体结构内容联系起来的一个桥梁性的理论体系 典型金属的晶体结构在已知的80余种金属元素中 大都属于体心立方 面心立方或密排六方晶格中的一种 球体堆砌模型 晶格常数a 原子半径r 晶胞原子数n 配位数C 致密度K 同类金属 三种常见纯金属的晶体结构 金属的实际结构和晶体缺陷 一 单晶体与多晶体单晶体多晶体晶粒 晶界 单晶体 多晶体 按实际晶体 晶体缺陷 的几何特征 可分为点缺陷 线缺陷和面缺陷三大类 点缺陷 线缺陷 刃型位错 面缺陷 晶体缺陷 结晶过程 纯金属的组织1 结晶 结晶的条件 过冷 在理论结晶温度以下发生结晶的现象 过冷度 理论结晶温度与实际结晶温度的差 1 通过热分析法测定冷却曲线 T0 Tn 理论结晶温度 开始结晶温度 T T T0 Tn 2 纯金属的结晶过程 结晶的过程是不断形核和长大的过程 3 细晶强化 增加过冷度 变质处理 机械振动 搅拌 4 重结晶 二次结晶 1394 1538 1000 600 800 1200 1600 1400 912 d Fe a Fe g Fe 温度 时间t 纯铁的冷却曲线和同素异晶转变 液体 2材料的力学行为 塑性变形与再结晶 1 材料在外力作用下的力学性能指标有哪些 它们各在什么场合下使用 2 纯金属塑性变形的基本方式以及滑移的特点是什么 多晶体的塑性变形特点又如何呢 3 塑性变形对金属组织与性能的影响是什么 请分析加工硬化 形变强化 的定义 产生原因及在生产中的应用 4 再结晶与结晶 重结晶的根本区别在何处 再结晶与再结晶退火温度是如何确定的呢 5 冷 热变形加工的本质区别是什么 3 合金的结构与平衡相图 1 组元 相 组织与合金的概念 2 相图 3 Fe C平衡相图 Fe C合金的基本相 Fe C相图的基本含义 Fe C合金的分类 4 热处理 原理与工艺 1 钢加热转变的理论依据是什麽 钢在加热时的转变 铁碳相图中PSK GS ES线分别用A1 A3 Acm表示 2 共析碳钢奥氏体化过程共分为哪四个阶段 A形核 A晶核长大 残余渗碳体溶解 A成分均匀化 共析钢奥氏体化过程 1 奥氏体冷却转变的理论依据是什麽 2 过冷奥氏体的等温冷却转变曲线 C TTT曲线 1 C曲线是如何建立的 2 C曲线分析过冷奥氏体转变产物的组织与性能 1 珠光体 P 转变 2 贝氏体 B 转变 3 马氏体 M 转变3 过冷奥氏体连续冷却转变曲线 CCT曲线 钢 奥氏体 在冷却时的转变 温度 共析碳钢的C曲线 等温转变曲线及产物 650 600 550 350 P S T B上 B下 M M A A P A S A T A B上 A B下 A M 过冷A 过冷A 过冷A 过冷A 过冷A 珠光体 贝氏体 马氏体 用C曲线定性说明连续冷却转变产物 根据与C曲线交点位置判断转变产物 P S T M A M A 连续冷却过程不会发生贝氏体转变 存在转变终止线KK 连续冷却 产物不可能是单一均匀物质 5 工业用钢 铸铁 工业用钢 工业用钢 续 工业用钢 续 铸铁 石墨化 铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程 6 有色金属及合金 1 体心立方晶格 bcc 属于这类晶格的金属有a Fe d Fe Cr Mo W V Nb等 原子排列特征 体心立方晶格的晶胞如图所示 晶格常数 a b c 90 原子半径 晶胞原子数2个 致密度68 2 面心立方晶格 fcc 属这类晶格的金属有g Fe Ni Al Cu Ag Au等 原子排列特征 面心立方晶格的晶胞如图所示 晶格常数 a b c 90 原子半径 晶胞原子数4个 致密度74 3 密排六方晶格 hcp 属于这类晶格的金属有Mg Zn Be等 原子排列特征 六方体 晶格常数 晶格常数a b c c a 1 633 晶胞原子数2个 致密度74 单晶体与多晶体 单晶体 晶体内部晶格方位完全一致 多晶体 晶体内部包含很多小晶体 每个小晶体内部晶格方位完全一致 而各个小晶体之间彼此的晶格方位都不相同 且其内部还存在着多种晶体缺陷 晶粒 组成金属晶体的小晶体 因其外型呈不规格的颗粒状故称晶粒 晶界 晶粒之间的界面 单晶体 多晶体 晶粒 晶界 1 晶粒度对金属力学性能的影响通常 金属的晶粒越细 力学性能越好 晶粒细 晶界就多 晶粒间犬牙交错 相互楔合 从而加强了金属内部的结合力 因而其强度 硬度越高 且其塑性也越高 2 细化晶粒的方法利用细化晶粒来提高材料力学性能的方法称为细晶强化 通过提高液态金属的冷却速度以及变质处理等方法可以细化晶粒 以改善金属材料性能 R 材料常用的力学性能指标1 承受静载作用时的力学性能 弹性模量E 强度 塑性 3 承受冲击载荷作用时的力学性能 2 承受交变载荷作用时的力学性能 力学性能 刚度 材料抵抗弹性变形的能力 指标为弹性模量 E 强度 材料抵抗变形和破坏的能力 指标 抗拉强度 b 材料断裂前承受的最大应力 屈服强度 s 材料产生微量塑性变形时的应力 金属的塑性变形 1 金属塑性变形的基本方式2 单晶体滑移变形的特点 7点 切应力 滑移面 滑移方向 滑移系 滑移带线 晶体位向 滑移量 伴有晶体转动 位错的运动犹如蠕虫的爬行 滑移的位错理论 塑性变形对金属组织与性能的影响 金属经过塑性变形后 强度和硬度上升 而塑性和韧性下降的现象叫冷变形强化或形变强化 1 冷变形强化 根本原因 位错密度的增加 金属发生塑性变形时 位错密度增加 位错间的交互作用增强 相互缠结 造成位错运动阻力的增大 引起塑性变形抗力提高 另一方面由于晶粒破碎细化 使强度得以提高 通过增加位错密度来提高金属强度的现象称为位错强化 1 组元 constituent 组成材料的最基本 独立的物质称为 组元 组元可以是纯元素 也可是稳定化合物 金属材料的组元多为纯元素 无机材料则多为化合物 2 相 phase 材料中具有同一聚集状态 同一化学成分 同一结构并与其它部分有界面分开的均匀组成部分称为 相 若材料是由成分 结构相同的同种晶粒构成的 尽管各晶粒之间有界面隔开 但它们仍属于同一种相 若材料是由成分 结构都不相同的几部分构成 则它们应属于不同的相 例如工业纯铁是单相合金 如左下图所示 共析碳钢在室温下由铁素体和渗碳体两相 如下图所示 组成 而陶瓷材料则由晶相 玻璃相 即非晶相 与气相三相所组成 如右下图所示 相结构 指的是相中原子的具体排列规律 即相的晶体结构 3 组织 microstructure 与相的关系 组织 是与 相 有紧密联系的概念 相 是构成组织的最基本组成部分 但是当 相 的大小 形态与分布不同时会构成不同的微观形貌 图象 各自成为独立的单相组织 或与别的相一起形成不同的复相组织 例如左下图所示工业纯铁的显微组织就是由单相 构成的组织 而正下图所示共析碳钢的显微组织则是由 相与Fe3C相层片交替 相间分布共同构成的组织 即称珠光体 而普通陶瓷则由右下图所示晶相 玻璃相和气相所组成 组织是材料性能的决定性因素 相同条件下 材料的性能随其组织的不同而变化 因此在工业生产中 控制和改变材料的组织具有相当重要意义 由于一般固体材料不透明 故需先制备金相试样 包括样品的截取 磨光和抛光等步骤 把欲观察面制成平整而光滑如镜的表面 然后经过一定的浸蚀 再在金相显微镜下观察其显微组织 如左下图所示 4 合金由两种或两种以上金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质称为 合金 例如 黄铜是铜和锌组成的合金 碳钢和铸铁是铁和碳组成的合金 由给定组元可按不同比例配制出一系列不同成分的合金 这一系列合金就构成一个合金系统 简称合金系 两组元组成的为二元系 三组元组成的为三元系等 合金的晶体结构比纯金属复杂 根据组成合金的组元相互之间作用方式不同 合金结构可以分为固溶体 金属化合物和机械混合物三类 匀晶相图 共晶相图 包晶相图 二元相图的基本类型 3 4 1Fe C合金的基本相 1 铁素体 F或a 定义 碳溶于a Fe中所形成的间隙固溶体晶格结构 bcc最大溶解度 0 0218 727 d 铁素体 碳溶于d Fe中所形成的间隙固溶体 最大溶解度 0 09 1495 2 奥氏体 A或g 定义 碳溶于g Fe中所形成的间隙固溶体 高温组织 晶格结构 fcc最大溶解度 2 11 1148 3 渗碳体 Fe3C 定义 Fe与C所形成的金属化合物Fe3C是一种亚稳定相 在一定条件下分解Fe3C3Fe C 石墨 熔点约为1227 硬度较高石墨碳晶格结构 简单六方 高温 3 4 2Fe Fe3C相图中主要点线意义 Fe Fe3C合金平衡相图 简化后的Fe Fe3C合金平衡相图 1 主要特征点符号说明A纯铁的熔点1538 C共晶点D渗碳体的熔点1227 E碳在g Fe中的最大溶解度G体心面心同素异构转变点P碳在a Fe中的最大溶解度S共析点K渗碳体的成分6 69 Q碳在a Fe中的溶解度 简化后的Fe Fe3C合金平衡相图 2 主要特征线1 ACD线 液相线2 AECF线 固相线3 ECF线 共晶线4 ES线 C在奥氏体中的溶解度曲线 又称Acm线5 GS线 奥氏体中析出铁素体的开始线 又称A3线6 GP线 奥氏体中析出铁素体的终止线7 PSK线 共析线 又称A1线 8 PQ线 碳在铁素体中的溶解度曲线 简化后的Fe Fe3C合金平衡相图 3 4 3Fe Fe3C相图的各相区组织 铁碳合金的分类 钢和铸铁都是铁碳合金 它们可按C质量分数的多少来划分 也可按是否发生共晶反应来区分 C质量分数 2 11 或不发生共晶反应的铁碳合金称为钢 或碳钢 而C的质量分数 2 11 或发生共晶反应的铁碳合金为铸铁 由于此类铸铁的共晶体中C以Fe3C形式存在 其断口一般呈白亮色 故又称为白口铸铁 根据成分不同 铁碳合金可分为3大类7种 如表所示 过共析钢 共析钢 亚共析钢 共晶白口铁 亚共晶白口铁 过共晶白口铁 铁碳合金 碳素钢 白口 铸 铁 工业纯铁 0 0218 0 0218 2 11 2 11 6 68 0 77 4 3 3 3典型合金的平衡结晶 工业纯铁的平衡结晶过程 冷却过程中匀晶反应 L相 相 相 相 相中沿晶界析出片状Fe3C 返回 共析钢的平衡结晶过程 单相液体的冷却 匀晶反应L相中析出 相 奥氏体A 单相固溶体的冷却 相发生共析反应生成珠光体P 注意事项 共析反应生成的珠光体在冷却过程中 其中的铁素体产生三次析出 生成Fe3C 但与共析的Fe3C连在一起 难以分辨 共析钢的室温平衡组织 P 共析钢的平衡结晶过程 P 铁素体 F 和渗碳体的两相混合物 两相的相对质量是多少 杠杆定律计算二元相图中平衡状态下两平衡相的相对质量分数 杠杆的支点是两相合金的成分点 端点分别是两个相的成分点 亚共析钢的平衡结晶过程 L相冷却 L相 相 L相 相 相 并且L相有剩余 剩余L相 相 单相的冷却 相 相 但 相有剩余 共析反应 剩余 相 P Fe3C 存在先析 相 注意事项 先析铁素体 相 在随后的冷却过程中会析出Fe3C 但量很少可忽略 亚共析钢室温平衡组织 先析铁素体 珠光体P 利用杠杆定律计算先析铁素体与珠光体的质量分数 计算铁素体 先析铁素体 P光体中的铁素体 与渗碳体的质量分数 亚共析钢的平衡结晶过程 计算727 下 组织组成物的质量分数 亚共析钢的平衡结晶过程 过共析钢的平衡结晶过程 单相液体的冷却 L相 相 单相固溶体 奥氏体 的冷却 相中析出二次渗碳体 Fe3C 共析转变 相 Fe3C 存在Fe3C 注意事项 从奥氏体中析出的Fe3C称为二次渗碳体 Fe3C 沿奥氏体晶界呈网状析出 使材料的整体脆性加大 过共析钢室温平衡组织 珠光体P Fe3C 利用杠杆定律计算珠光体与二次渗碳体的质量分数 过共析钢的平衡结晶过程 亚共析钢和过共析钢的相组成都是铁素体和渗碳体 计算室温下 两者铁素体相和渗碳体相的质量分数 亚共析钢以含碳量0 45 为例 过共析钢以含碳量1 0 为例 课后作业 返回 共晶白口铁的平衡结晶过程 单相液体的冷却 共晶反应 L Le Fe3C 共晶中的 相不断析出Fe3C 不可见 共析反应 Le Fe3C Le P Fe3C 注意事项 冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出 Fe3C 但其依附于莱氏体中的Fe3C长大 不可见 共晶白口铁室温组织 变态莱氏体Le 珠光体呈粒状分布在Fe3C基体上 共晶白口铁的基体相是Fe3C脆性相 材料整体脆性较大 硬度较高 亚共晶白口铁的平衡结晶过程 单相液体的冷却 共晶反应 剩余L Le Fe3C 先共晶 相不断析出Fe3C 共晶 相析出Fe3C 不可见 共析反应 Le Fe3C Le P Fe3C 先共晶 相 P 匀晶反应 L 相 室温组织 Le P Fe3C P 过共晶白口铁的平衡结晶过程 单相液体的冷却 共晶反应 剩余L Le Fe3C 共晶 相析出Fe3C 不可见 共析反应 Le Fe3C Le P Fe3C 匀晶反应 L Fe3C相 室温组织 Le P Fe3C Fe3C 碳含量对铁碳合金室温组织的影响 小结 a Fe3