工程材料及其成形技术基础(1-5章)演示幻灯片

,工程材料及其成形技术基础,1,绪论,1本课程的性质本课程是研究材料及其成形方法的技术基础课。它是机械类及近机类各专业必修的一门课程。2学习目的(1)获得常用工程材料及各类成形方法和加工工艺知识，能合理地选材、正确地制定材料的加工程序。(2)初步了解与本科程有关的新技术、新材料和新工艺，为学习其它相关课程及以后从事机械设计和加工制造方面的工作奠定必要的理论基础。,2,绪论,3本课程的主要内容(1)常用的工程材料及其成形方法和加工工艺。(2)各类成形方法对零件结构和材料的工艺性要求。,4了解机械制造业总流程,3,绪论,5主要知识框架,4,6参考书,(1)材料成形技术基础何红媛主编，东南大学出版社。(2)材料成型工艺基础沈其文主编，华中理工大学出版社。(3)工程材料及应用周凤云主编，华中科技大学出版社。(4)材料成型技术基础胡亚民主编，重庆大学出版社。(5)热加工工艺基础任福东主编，机械工业出版社。,5,工程材料：用于机械、电子、建筑、化工和航空航天等领域的材料统称为工程材料。机械工程材料：用来制造各种机电产品的材料统称为机械工程材料。,概述,6,概述,材料的发展过程,石斧,青铜鼎,神舟飞船,沧州铁狮子,石器时代,铜器时代,铁器时代,复合材料,7,概述,工程材料的发展过程,40-50年代:材料的发展主要围绕着机械制造业，因此，主要发展以一般力学性能为主的金属材料,50-60年代:压力容器向高强度方向发展更快，发展了高强度低合金钢,60年代以后:由于航空、空间机械和动力机的发展对材料提出了更苛刻的要求。如高温、高压、高的比强度和比模量。,20世纪后期：新材料特别是非金属人工合成材料如陶瓷材料、高分子材料及复合材料快速发展。,高功能化、超高性能化复合轻量化、智能化,8,第一章零件对材料的性能要求,化学成分分类,金属材料,有机高分子材料,复合材料,陶瓷材料,黑色金属,有色金属,轻有色金属,重有色金属,稀有金属,铸铁,碳钢,合金钢,塑料,合成橡胶,合成纤维,有机胶粘剂及涂料,硅酸盐材料,新型陶瓷,非金属基复合材料,金属基复合材料,机械工程材料,9,功能分类,功能材料：用于制造实现其他功能的零件的材料,结构材料：用于制造实现运动和传递动力的零件,机械工程材料,金属材料：具有良好的导电性、导热性、在具有较高的强度的同时，具有良好的塑性成形性、铸造性、切削加工和电加工性等加工性能；通过热处理及表面改性可以大幅度(成倍）改变其性能；,1.2工程材料的特征,10,有机高分子材料：密度小、强度低（比强度高，高于钢铁）较高的弹性，良好的电绝缘性能，优良的减摩、耐磨和自润滑性能，优良的耐腐蚀性能（超过不锈钢），优良的透光性和隔热、隔音性，加工性好，成本低，但是易老化。,注：老化作用：高分子材料在加工、贮存和使用过程中，由于受各种环境因素的作用而导致性能逐渐变坏，以致丧失使用价值的现象。【轮胎发生的龟裂、玻璃纤维（起毛）】,11,陶瓷材料：是无机非金属材料，是有一种或多种金属或非金属元素形成的具有强离子键或共价键的化合物。优点：熔点高、硬度高、化学稳定性高，弹性模量大，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘、热膨胀系数小；缺点：但是抗压不抗拉，脆性大，不易加工成形；,复合材料：能充分发挥其组成材料的各自长处，同时在一定程度上克服它们的弱点；,12,1.3金属材料的主要性能,机械零件在使用过程中，要受到力学负荷诸如拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切以及热负荷诸如高温蠕变、热应力产生的热疲劳和环境介质的作用诸如腐蚀、摩擦损失，并且还要传递力和能。因此，作为构成机械零件的金属材料，应具备良好的力学性能、物理性能、和化学性能以防止零件早期失效，同时还要有良好的工艺性能。,13,1.3.1金属的力学性能,金属的力学性能：材料在外力作用下表现出来的特性，如弹性、塑性、强度、硬度和韧性等。表征和判定金属力学性能所用的指标和依据称为金属力学性能的判据。,14,1弹性：即物体在外力作用下改变其形状和尺寸，当外力卸除后物体又回复到原始形状和尺寸的特性。弹性的判据可通过拉伸试验来测定。,图11拉伸曲线及拉伸试样,拉伸试验:即静拉伸力对试样轴向拉伸,测量力和相应的伸长,一般拉至断裂以测定其力学性能的试验。,15,图12低碳钢拉伸曲线,弹性极限：即金属材料不产生塑性变形时所能承受的最大应力。拉伸曲线p点对应的应力p为弹性极限：p=Fp/So式中p弹性极限（MPa）；Fp试样产生完全弹性变形时的最大外力（N）；So试样原始横截面积（mm2）。,16,2刚度：即材料抵抗弹性变形的能力。刚度的大小以弹性模量来衡量，弹性模量在拉伸曲线上表现为oe段的斜率，即：E=/式中E弹性模量（MPa）；应力（MPa）；应变。,17,3强度：即金属抵抗永久变形和断裂的能力。（1）屈服点屈服点：即试样在拉伸过程中力不断增加（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时的应力。在拉伸曲线上s点对应的应力为屈服点。s=Fs/S0式中s屈服点（MPa）；Fs试样开始产生屈服现象时的（N）；S0试样原始横截面积（mm2）。,18,(2)抗拉强度：即试样拉断前承受的最大标称拉应力。如图1-2所示，拉伸曲线上b点对应的应力为抗拉强度。b=Fb/S0式中b抗拉强度（MPa）；Fb试样断裂前所能承受的最大拉（N）；S0试样原始横截面积（mm2）。,19,4塑性即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。常用的塑性判据是伸长率和断面收缩率。,20,（1）伸长率即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。=(L1-L0)/L0100%式中伸长率（%）；L1试样拉断后标距（mm)；L0试样原始标距（mm)。,21,（2）断面收缩率：即试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始的横截面积的百分比。=（S0-S1）/S0100%式中断面收缩率（%）；S1试样的原始截面积（mm2）S0试样拉断后缩颈处的最小横截面积（mm2)。,22,5硬度即材料抵抗局部变形的能力。硬度是材料抵抗塑性变形、压痕的能力，是衡量金属软硬的判据，也是表征力学性能的一项综合指标。,23,（1）布氏硬度试验动画演示,24,（2）洛氏硬度试验（动画演示),即在初始试验力及总试验力先后作用下，将压头压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量计算硬度的一种压痕硬度试验。,25,6韧性即金属在断裂前吸收变形能量的能力。常采用夏比冲击试验来测定材料的韧性。(h1-h2)/A式中冲击韧度（J/cm2）试样的冲击吸收功（J)缺口底部横截面积(mm2)摆锤重量(Kg)h1摆锤举起高度(m)h2击断试样后升起高度(m),图3夏比冲击试验,26,金属材料的物理、化学性能包括密度、熔点、导电性、导热性、磁性、热膨胀性、耐热性和耐蚀性、光学性能等。机械零件的用途不同，对材料的物理、化学性能要求也不同。,1.3.2金属材料的物理、化学性能,27,金属的工艺性能：即金属材料对加工工艺的适应性。按加工方法不同，可分为铸造性能、塑性成形性、焊接性、切削加工性、热处理工艺性等。金属的各种工艺性能将在以后的有关章节中作详细介绍。,金属的工艺性能,1.3.3金属材料的工艺性能,28,1.常用的力学性能判据各用什么符号表示？它们的物理含义各是什么？2.测定下列材料或零件的硬度宜采用何种硬度指标？热轧钢坯青铜铸件淬硬钢齿轮薄铝板灰铸铁,思考题,3,29,金属材料,高分子材料,复合材料,陶瓷材料,固体材料,第二章材料的内部结构、组织与性能,本章主要讲解金属材料的内部结构、组织与性能,2.1固体材料的分类,30,2.2金属的晶体结构与结晶,按原子排列的特征，可将固体金属物质分为晶体和非晶体两大类。晶体：物质内部的原子是按一定的次序有规律排列的。如金刚石、石墨等，固态金属一般属于晶体。非晶体：非晶体内部的原子则是无规则排列的，如玻璃、松香和沥青等。,31,晶体的特点：具有固定熔点，各向异性（单晶）特征；非晶体的特点：无固定熔点，其是在一个温度范围内熔化，各方向上原子聚集密度大致相同，所以表现各向同性；晶体与非晶体在一定条件下互相转化。,32,2.2.1金属的晶体结构,晶格：为了便于理解和描述晶体中原子排列的规律，可以近似地将晶体中每一个原子看成是一个点，并将各点用假想的线连接起来，就得到一个空间骨架，简称晶格，如图1-4(b)所示。晶胞：即晶格中最小的几何单元。,图4晶体结构示意图,晶体结构,晶格,晶胞,33,常见的金属晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格等三种类型。,.体心立方晶格体心立方的晶格是一个立方体，其中心和八个角上各有一个原子，如图15所示。属于这类晶格的金属有-Fe、Cr、W、V等。它们都具有较好的塑性和较大的强度。,图5体心立方球体模型及其晶格,34,2.面心立方晶格,面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，其六个面中心和八个角上各有一个原子，如图15所示。属于这类晶格的金属有-Fe、Cu、Al、Ni等。它们都具有较好的塑性。,图16面心立方球体模型及其晶胞,35,.密排六方晶格,密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，其上下底面的中心和十二个角上各有一个原子，且在六方柱体的中间还有三个原子，如图17所示。属于这类晶格的金属有g、n、d、e等。这类金属塑性较差。,图17密排六方球体模型及其晶胞,36,实际金属结构并不像晶体那样规律和完整，存在晶体缺陷。,空位、间隙原子和置换原子（点缺陷）:导致金属的强度、电阻等增加，塑性下降，是固溶强化的主要原因。,错位（线缺陷）：高密度的线缺陷是导致加工硬化的主要原因之一；无数的位错滑动导致晶体产生宏观塑性变形。,晶界（面缺陷）：晶界处的能量较高，稳定性差，熔点低，易受腐蚀；在常温下晶界对位错的移动有阻碍作用。晶粒越细（晶粒细化），晶界对塑性变形的抗力越大，同时晶粒的变形越均匀，致使强度、硬度越高，塑性、韧性越好；在高温下的稳定性差，晶粒越细，高温性能就越差。,实际金属结构,37,2.2.2金属的结晶过程,、金属的结晶即液态金属凝固时原子占据晶格的规定位置形成晶体的过程。纯金属的结晶过程可通过热分析实验法得到的温度与时间的关系曲线，即冷却曲线来表示，如图1-8所示。,38,图1-8纯金属的冷却曲线,T0理论结晶温度Tn实际结晶温度T过冷度,T,温度,T0,Tn,时间,39,2、过冷：即熔融金属冷却到平衡的凝固点以下而没有发生凝固,而是必须冷却至理论结晶温度以下的某个温度开始结晶的现象。过冷度:理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度。即：T=T0-Tn式中T过冷度（）；T0金属的理论结晶温度（）；Tn金属的实际结晶温度（）。每一种纯金属的理论结晶温度是恒定的。金属的过冷度不是恒定值，它与冷却速度有关。冷却速度越快，过冷度也越大。,40,3、金属的结晶过程动画演示,金属的结晶过程包括形核和晶核长大两个阶段，并持续到液相全部转变成固相为止。金属的结晶过程动画演示了金属从形核、晶体长大直至结晶完毕整个过程。,41,（1）形核：又称成核，是过冷金属液中生成晶核的过程，是结晶的初始阶段。形核包括均质形核和非均质形核两种方式。1）均质形核：又称自发形核，是熔融金属内仅因过冷而产生晶核的过程。在一定过冷度下，金属液中的一些原子自发聚集在一起，按晶体的固有规律排列起来形成晶核。2）非均质形核：又称非自发形核，是以熔融金属内原有的或加入的异质点作为晶核或晶核衬底的形核过程。,形核,42,（2）晶核长大：即金属结晶时，晶粒长大成为晶体的过程。结晶过程中，已经形成的晶核不断长大，同时液态金属中又会不断地产生新的晶核并不断长大，直至液态金属全部消失、长大的晶体互相接触为止。晶粒：多晶体材料内，晶体学位向（即原子排列的位向）基本相同的小晶体称为晶粒。晶界：相邻晶粒之间的界面称为晶界。,43,4、晶粒度及其控制,晶粒度：指多晶体内晶粒的大小，可用晶粒号、晶粒平均直径、单位面积或单位体积的晶粒数目来定量表征。（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。（2）细化晶粒的方法生产中常采用加入形核剂、增大过冷度、动力学法等来细化晶粒，以改善金属材料性能。,44,1)加入形核剂加入金属液中能作为晶核，或虽未能成为晶核但能与液态金属中某些元素相互作用产生晶核或有效形核质点的添加剂。2）增大过冷度形核率和晶核长大速度都随着过冷度的增大而增大，但形核率的增长比长大速率的增加要快，过冷度T越大，单位体积中晶核的数目越多，故能使晶粒细化。冷却速度越大，过冷度也就越大，故可通过增加冷却速度的方法来使晶粒细化。,45,）动力学法通过机械振动、电磁搅拌等方式使金属中产生对流，从而使生长中的晶核折断而增加晶核数目，细化晶粒。）其它方法热处理、塑性变形等方法也能使金属细化。,46,2.2.3金属的同素异构转变,同素异构转变：金属在固态下随温度的变化改变其晶格类型的过程称为金属的同素异构转变。如纯铁的同素异构转变。二次结晶:金属的同素异构转变过程与液态金属的结晶过程很相似，也有一定的转变温度和过冷度，同样包括晶核的形成和晶核的长大两个过程，故常称为重结晶或二次结晶。,47,2.2.4合金的晶体结构,合金：是两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素所组成的金属材料。组元：组成合金的最基本的、独立的单元称为组元。按照组元的数目，合金可以分为二元合金、三元合金。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，可以形成固溶体、金属化合物和机械混合物三种结构。,48,1.固溶体,(1)固容体的类型间隙固溶体：当溶质原子很小时，只能处于溶剂原子的间隙中，称为间隙固溶体。如图1-10a所示。如C、H、O等原子易形成间隙固溶体。置换固溶体：当溶质和溶剂的原子直径较接近时，只能替代一部分溶剂原子而占据溶剂晶格中的某些结点位置，称为置换固溶体。如图1-10b所示。如Fe-Ni、Cu-Ni等。,图1-10a间隙固溶体,图1-10b置换固溶体,49,(2)固溶强化,固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象。如图1-10c、1-10d所示。,1-10c间隙固溶体晶格畸变,1-10d置换固溶体晶格畸变,50,2、金属化合物：即由两组元的原子按一定的数量比相互化合而形成的一种新的具有金属特性的物质。金属化合物具有与各组元完全不同的复杂晶体结构，通常具有较高的熔点和硬度，且脆性较大。碳钢中的FeC、合金钢中的TiC、WC、VC等均属于金属化合物。FeC的晶格如图1-11b所示。,图1-11a石墨的晶格,图1-11b渗碳体的晶格,51,3、机械混合物：即由纯金属、固溶体或化合物按一定的重量比组成的物质。机械混物各组成物的原子仍然按自己原来的晶格形式结合成晶体，在显微镜下可明显区别出各组成物的晶粒。机械混合物的力学性能通常介于各组成物之间，并取决于各组成物的含量、性能、分布和形态。如碳钢中的珠光体就是由化合物（渗碳体）和固溶体（铁素体）组成的机械混合物，其力学性能介于二者之间。,52,思考题,1.何谓金属结晶？纯金属结晶有哪些基本规律？2.生产中常用那些方法细化晶粒？各类方法使晶粒细化的机理是什么？3.试分析纯铁的结晶过程，并指出金属的同素异构转变与液态结晶的异同点。,53,二元合金结晶图（自学）,相图（状态图或平衡图）：用图解的方法表示不同温度、压力及成分下合金系中各相的平衡关系。合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，可以看做平衡的结晶过程。状态取决于温度和成分。1、二元相图的建立：合金的加入使其结晶温度变为一个范围。2、二元均晶相图：凡二元系中的两组元在液态和固态下均能无限互溶时，其所构成的相图；3、二元共晶相图：当两个组元液态能无限互溶，但固态只能有限互溶并且发生共晶反应时，其所构成的相图；4、二元包晶相图：若两组元在液态时无限互溶，在固态时形成有限固溶体而且发生包晶反应，其所构成的相图。,3,54,2.3铁碳合金,铁碳合金：以铁为基体，有不同碳含量的合金，称为铁碳合金。碳主要影响铁碳合金性能的成分。（铁-碳合金的含碳量最高不超过5%）；铁碳合金是工业上应用最广泛的合金。,55,2.3.1铁碳合金的基本组织,（1）铁碳合金中，固态时可形成固溶体、化合物、机械混合物（2）铁碳合金的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。（3）纯铁：熔点1538，有同素异构转变；（4）碳：在铁碳合金中的存在形式有固溶体、金属化合物、石墨。,56,1.铁素体,铁素体：即-Fe铁中溶入碳元素构成的固溶体，用符号F或表示。它仍保持溶剂-Fe的的体心立方晶格结构。由于-Fe内原子间的空隙比较小，故溶碳能力极小，在727时溶碳能力达到最大，其碳的质量分数为0.02%。随着温度下降，溶碳量逐步减少，在室温时只能溶解微量。力学性能：强度、硬度低，塑性、韧性好。,57,2.奥氏体,奥氏体：即(-Fe)中溶入碳元素构成的固溶体，用符号A或表示。它仍保持-Fe的晶体结构。由于-Fe内原子间的空隙比-Fe大，故溶碳能力也较大，在1148时的碳的质量分数可达2.11%。力学性能：具有一定的强度，塑性很好。易锻压成形。,58,3.渗碳体,渗碳体:化学式为Fe3C的金属化合物。渗碳体中碳的质量分数为6.69%,晶格结构复杂。渗碳体在钢和铸铁中，一般以片状、网状或球状存在。它的形状和分布对钢的性能影响很大，是铁碳合金的重要强化物。力学性能：硬度很高(HV=9501050)；而脆性大，塑性极差，不能单独应用；在铁碳合金中起强化作用。,图1-12渗碳体晶格,59,4.珠光体(金相组织),珠光体:铁素体薄层(片)与渗碳薄层(片)交替重叠组成的共析组织,用符号P表示,其碳的质量分数为0.77。珠光体通常是由奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体形成的。力学性能：介于铁素体和渗碳体之间,强度较高,塑性较差。,60,5.莱氏体(金相组织),莱氏体:即铸铁或高碳高合金钢中由奥氏体(或其转变产物)与渗碳体组成的共晶组织，属于机械混合物，其碳的质量分数为4.3%。莱氏体通常在高温下由奥氏体和渗碳体组成，727以下由珠光体和渗碳体组成,分别用符号Ld和Ld表示。力学性能：与渗碳体相似，硬度很高，塑性极差。,61,62,2.3.2铁碳相图,铁碳相图：是用纵坐标表示温度,横坐标表示碳的量分数的铁碳合金不同相的平衡图,如图1-13所示。用途：铁碳相图是用实验方法作出的,是研究钢和铸铁的成分、温度与组织之间关系的重要工具，是选材和制定钢铁材料铸造、锻造和热处等热加工工艺的基本依据。,63,图1-13铁碳相图,1.铁碳相图及其各成分组织示意图,64,表11相图中主要特性点的含义,65,2.铁碳合金的分类及室温组织,（）工业纯铁即w(C)0.0218%的铁碳合金。室温组织：为铁素体和极少量的三次渗碳体。,66,(2)钢,钢：即0.0218%w(C)2.11%的铁碳合金。按碳的质量分数不同，钢可分为共析钢、亚共析钢和过共析钢三类。,67,1)共析钢即W(C)=0.77%,室温组织为珠光体。2)亚共析钢,即W(C)0.77%,室温组织为珠光体和二次渗碳体。,68,(3)白口铸铁,即2.11%w(C)6.69%的铁碳合金。按碳的质量分数不同，白口铸铁可分为共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁三类。,1）共晶白口铸铁W(C)4.3%，室温组织为莱氏体（d）。,69,2）亚共晶白口铸铁,W(C)4.3%，室温组织为莱氏体（d）和一次渗碳体。,70,3.典型铁碳合金的结晶过程,(1)共析钢结晶过程动画演示,LL+AAP（F+Fe3C）,71,(2)亚共析钢结晶过程动画演示,LL+AAA+FP+F,72,(3)过共析钢结晶过程动画演示,LL+AAA+Fe3CP+Fe3C,73,(4)共晶白口铸铁结晶过程动画演示,LLd（A+Fe3C）Ld（A+Fe3C+Fe3C）Ld（P+Fe3C+Fe3C）,74,(5)亚共晶白口铸铁结晶过程动画演示,LL+ALd+ALd+A+Fe3CLd+P+Fe3C,75,(6)过共晶白口铸铁结晶过程动画演示,LL+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3C,76,2.3.3碳对铁碳合金组织和性能的影响,（1）当w(c)0.9%时，随着碳含量的不断增加，钢的硬度仍不断升高，但强度和塑性不断下降，这是由于网状渗碳体明显形成并不断增多所致。（3）在白口铸铁部分，随着含碳量增加，硬度不断增加，强度不断下降，而塑性则几乎为零。这是由于莱氏体或一次渗碳体等脆硬组织不断增多所致。,77,思考题,1.比较铁碳合金各种基本组织的晶体结构和力学性能。2.碳钢与铸铁在成分与组织上有哪些区别？3.试分析W(C)分别为0.2%、0.77%、1.3%的铁碳合金自高温缓慢冷却至室温的组织转变过程。,4,78,第三章改变材料性能的主要途径,3.1.1概述1）金属热处理：采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却以获得预期的组织、结构与性能的工艺。图1-51所示温度时间曲线描述了其基本过程。,图1-51热处理工艺曲线示意图,3.1金属的热处理,79,2）金属热处理的目的：不改变工件的形状，通过改变内部结构组织结构来改变性能；消除毛坯缺陷，改善工艺性能，以利于进行冷、热加工；充分发挥材料的潜力，显著提高其力学性能。3）应用：机床工业中，有6070的零件需要热处理；汽车、拖拉机工业中，有7080的零件需要热处理；各类工具、模具几乎都要进行热处理。,80,4）金属热处理的前提条件：金属在固态下可相变、溶解度可变，或处于不稳定的结构状态（诸如：整体热处理、表面热处理），或表面可渗入其它元素的材料（化学热处理）。,81,普通热处理,表面热处理,退火,正火,淬火,回火,表面淬火,化学热处理,火焰加热表面淬火,感应加热表面淬火,渗碳,渗氮,碳氮共渗,渗金属(铝、铬等),常用的热处理方法,5）分类,82,3.1.2钢的普通热处理,1.退火1）工艺：将钢加热到一定温度，保温一定时间，然后缓慢地冷却到室温。2）目的：降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工；细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的热处理作准备；消除钢中的残余内应力，以防止变形和开裂。,83,完全退火常用的退火方法球化退火去应力退火,图1-52碳钢各种退火和正火工艺示意图,84,（1）完全退火,工艺：将钢加热到Ac3以上2040，保温一定时间，然后随炉缓慢冷却，这种退火方法称为完全退火。目的：细化晶粒，降低硬度，消除内应力。用途：主要用于亚共析钢和共析钢的锻件、铸件等。,85,（2）球化退火工艺：将钢加热到Ac1以上2030，保温一定时间，以不大于50/h的冷却速度随炉冷却，获得球状碳化物的退火方法。目的：使网状渗碳体球化，降低硬度，提高韧性，并为淬火作准备。用途：用于共析钢及过共析钢。如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。,86,（3）去应力退火(又称低温退火)工艺：将钢加热到略低于A1的温度(500650)，经保温后缓慢冷却。特点：钢的组织不发生变化，只是消除内应力。用途：用于锻造、铸造、焊接及切削加工后的工件。,87,2.正火,工艺：将钢加热到Ac3或Accm以上3050，保温一定时间后在空气中冷却。目的：（1)细化晶粒(比退火更细）；（2）消除网状碳化物，为以后的热处理作准备；（3）提高低、中碳钢的硬度，改善切削加工性，消除应力。,1-正火2-退火3-球化退火,图1-53退火和正火钢的硬度值范围比较,88,3.淬火,工艺：将钢加热到临界温度(Ac3或Ac1)以上的适当温度以适当方式冷却，以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。,图1-54碳钢的淬火加热温度范围,图155淬火,89,目的：1）获得马氏体组织，提高钢的硬度和耐磨性；2）与回火配合，获得不同强韧性的组织。,淬火介质：是控制钢件冷却速度，保证淬火质量的重要媒介物质。水：价廉易得，冷却速度在650550很快。油：在300200时，冷却很慢，应力小。,90,4.回火,（1）工艺：将淬火后的钢加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。（2）目的：1）消除或减小淬火应力，2）稳定工件尺寸，防止变形与开裂，3）调整淬火件的性能。,91,低温回火,中温回火,高温回火,（3）回火种类,1）低温回火温度：150250，目的：降低应力、脆性，提高塑性、韧性。组织：M回+A残（少量）。性能：基本保持M的高硬度（5862HRC）和耐磨性，内应力和脆性有所降低。应用：各种工具、滚动轴承、渗碳件和表面淬火件等。,92,2）中温回火温度：250500。目的：提高钢弹性极限，屈服强度及韧性。组织：回火屈氏体，T回性能：具有较高的弹性极限和屈服点，一定的韧性和硬度（3545HRC）。应用：各种弹簧和模具等。,93,3）高温回火温度：500650目的：提高材料综合力学性能。组织：回火索氏体S回。性能：具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能，硬度可达2535HRC。应用：各种重要结构零件，如各种轴、齿轮、连杆等。“调质”=淬火+高温回火。复合热处理。组织：S回，渗碳体呈粒状。,94,3.1.3钢的表面热处理与化学热处理,机械设备中，有许多零件应具有高的硬度和耐磨性，而心部应具有足够的塑性和韧性。故应进行表面热处理。(如齿轮、活塞销、曲轴等)。常用的表面热处理方法:1.表面淬火工艺：把钢的表面迅速加热到淬火温度，然后快速冷却，使钢表面至一定深度转变为马氏体组织，而心部组织不变。分类:火焰淬火、感应淬火、激光淬火、接触电阻淬火、电子束淬火等。,95,图1-56感应加热示意图,图1-57火焰淬火示意图1-工件2-烧嘴3-喷水管4-移动方向5-淬硬层,96,2.钢的化学热处理,（1）化学热处理：将工件放在适当的活性介质中加热，使某些元素渗入工件表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理。（2）特点：不仅改变表层组织，同时也改变其化学成分。（3）基本过程：1）化学介质的分解；2）活性原子被吸收和溶解；3）形成扩散层。（4）化学热处理方法：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等。,97,图1-58离子渗氮装置示意图1-密封橡皮棒2-阴极3-工件4-观察孔5-真空室外壳6-阳极,图1-59气体渗碳法示意图,98,思考题,1.比较钢的各类普通热处理工艺的加热温度范围、冷却方式和目的。2.轴、弹簧、锯条和扳手各需进行何种热处理？为什么？,99,3.2金属的合金化改性,3.2.1合金元素的存在形式,固溶体：将合金元素溶于钢中的铁素体、奥氏体和马氏体中，形成合金铁素体、合金奥氏体和合金马氏体。起固溶强化的作用。化合物：合金元素与钢中的碳、其它合金元素以及常存杂质元素之间形成碳化物、金属间化合物和非金属夹杂物。游离态：有些元素难溶于铁、也不易生成化合物，以游离状态存在；如碳在钢中可以自由状态（石墨）存在。,100,3.2.2合金元素的作用1）形成固溶体，产生固溶强化；2）形成金属化合物，产生弥散强化或第二相强化；3）溶入奥氏体，提高钢的淬透性；4）提高钢的热稳定性，增强钢在高温下的强度、硬度和耐磨性；5）细化晶粒，产生细晶强韧化；6）形成钝化保护膜；7）对奥氏体和铁素体存在范围的影响；8）其他作用。,101,3.3金属的形变强化3.3.1冷塑性变形对金属组织与性能的影响1）单晶体的塑性变形单晶体塑性变形的基本形式有滑移和孪生，其中滑移是主要的变形方式；实际晶体的滑移是通过滑移面上位错的运动来实现，无数位错的滑移形成了晶体的宏观塑性变形。2)多晶体的塑性变形晶界和晶粒方位的影响；多晶体塑性变形的特点。,102,3）冷塑性变形对金属组织结构的变化形成纤维组织；亚结构细化；出现择优取向。4）冷塑性变形对金属性能的变化加工硬化；产生残余应力；各向异性；其它性能变化；,103,5）冷塑性变形金属在加热时组织与性能的变化冷变形后的金属在加热过程中，随着温度的升高或加热时间的延长，其组织和性能一般要经历回复、再结晶、晶粒长大3个阶段；影响再结晶后晶粒度的主要因素：加热温度和保温时间；变形程度。,104,3.3.2金属热变形、热塑性变形对金属组织和性能的影响1）金属的热变形和冷变形2）热塑性变形对金属组织和性能的影响改善铸态组织；形成热变形纤维组织（流线）；形成带状组织。,105,3.3有机高分子材料和陶瓷材料的改性简介,化学改性,嵌段共聚改性,填充增强改性,共混改性,接枝共聚改性,辐射交联改性,1）高分子材料的改性,物理改性,2）陶瓷材料的改性（自学）,106,3.4材料的表面改性技术简介,8,107,第四章常用金属材料,常用的金属材料包括钢、铸铁、铜及其合金、铝及其合金、粉末冶金材料等，其中以钢和铸铁应用最为广泛。,图1-14芜湖长江大桥,108,4.1钢,1.化学成分对钢的力学性能的影响（1）杂质元素的影响：1)锰、硅的影响:有益元素.Mn和Si在钢中大部分溶于铁素体,起强化作用。Mn能减轻S的有害作用。FeSMnMnSFe2)硫的影响:有害元素,FeSFeS，FeS与Fe易形成低熔点的共晶体，可使钢引起热脆性。3)磷的影响:有害元素，P在钢中可溶于铁素体，使钢强度、硬度增加，塑性、韧性减小，易使钢产生冷脆现象。但P与Cu同时存在，可提高钢的耐蚀性和耐磨性。,109,(2)合金元素的影响,合金元素：是为改善钢的某些性能而在钢中特意加入的元素,对钢的力学性能有很大影响。1)对钢的强度的影响:C、Si、Mn产生固溶强化，使钢的强度提高；C、N、Cr、Al形成碳化物或氮化物，使钢的强度和硬度提高；Nb、V、Al、Ti可细化晶粒，提高钢的强度。2）对钢的韧性的影响:Nb、V等元素可细化晶粒,从而也显著提高钢的韧性；C、Si、Mn一般使钢的韧性降低。,110,2.钢的分类,(1)按化学成分分类:根据各种合金元素规定含量界限值,将钢分为1）非合金钢（碳素钢）;普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢。含碳量小于0.25%为低碳钢，0.250.6%为中碳钢，大于0.6%为高碳钢;2）低合金高强度结构钢;3）合金钢。,111,表1-2部分合金元素规定质量分数界限值(%),112,(2)按主要质量等级分类,1)普通质量钢：即对生产过程中控制质量无特殊规定的、一般用途的非合金钢和低合金钢。S、P含量均小于0.045%。2)优质钢:即在生产过程中需要按规定控制质量的钢,并达到比普通质量钢较高的质量要求。S、P含量均小于0.040%。3）特殊质量钢：即在生产过程中需要严格控制质量和性能的钢,特别是要求严格控制硫、磷等含量和提高纯洁度等。S、P含量均小于0.020%。,113,(3)按使用特性分类,114,(1)非合金钢,1)碳素结构钢牌号：例如Q235F“Q”表示屈服点;“235”表示屈服点值为235MPa;“F”表示脱氧方法（沸腾钢）。用途：碳素结构钢w(C)为0.06%0.38%。主要用来制造一般工程结构和普通机床零件，通常轧制成各种型材、板材和线材等。,3.钢的牌号和应用,115,表1-3碳素结构钢部分牌号、成分与力学性能,116,2)优质碳素结构钢,牌号：是用二位数字表示，这两位数字表示钢中的平均碳的质量分数（万分数）。例如45钢表示平均w(C)为0.45%的优质碳素结构钢。若为沸腾钢，则在牌号后加“F”符号，如08F。若含锰量较高，则在数字后加“Mn”符号。用途：主要用来制造比较重要的机械零件，如轴、连杆、弹簧等。20钢金相组织示意图,117,表1-4优质碳素钢部分牌号、成份、力学性能及应用举例,118,3）碳素工具钢,牌号：是用规定符号T（碳字的汉语拼音字首）和数字表示。例如T10A“10”表示平均w(C)为1.0%，“A”表示高级优质。用途:用于制造不受冲击、高硬度、耐磨的工具，如锉刀、手锯条、拉丝模等。T12钢的金相组织,图1-15丝锥,119,表1-5碳素工具钢部分牌号、成份、硬度和应用,120,(2)低合金高强度结构钢,牌号：例如Q390A“Q”表示屈服点，“390”表示屈服点值为390MPa，“A”表示质量等级为A级。用途：低合金高强度高强度结构钢一般不用热处理，综合力学性能良好，用于桥梁、船舶、车辆、高压容器、管道、建筑物等。,121,(3)合金钢,1）合金结构钢牌号：例如60Si2Mn,“60”表示平均w(C)=0.6%，“Si2”表示平均w(Si)=2%，“Mn”表示平均w(Mn)1.5%。用途：合金结构钢的力学性能优于优质碳素结构钢，常用来制造重要的零件，如齿轮、轴类、弹簧等。例：渗碳钢，20CrMnTi；调质钢，40CrMn；弹簧钢，60Si2Mn。,122,2）合金工具钢牌号：例1：低合金工具钢:9SiCr“9”表示平均w(C)=0.9%，“Si”表示平均w(Si)1.5%，“Cr”表示平均w(Cr)1.5%。用途：合金工具钢的力学性能优于碳素工具钢，广泛用于制造各种刃具、量具、模具等。如钻头、绞刀、量块和冲模等。,图1-16硬质合金冲模,123,例2：高合金工具钢高速钢：W18Cr4V,平均w(C)为0.70.8%;“W18”表示平均w(W)=18%;“Cr4”表示平均w(Cr)=4%;“V”表示平均w(V)1.5%;用于制作车刀、刨刀、钻头、铣刀等。,124,(4)铸钢,即在凝固过程中不经历共晶转变的用于生产铸件的铁基合金。性能特点：铸钢的综合性能和焊接性能均优于铸铁，用途：主要用于制造承受重载荷及冲击载荷的构件。如锻锤机架、齿轮、轧辊等。在各类铸造合金中，铸钢的应用仅次于铸铁。主要分为：铸造碳钢和铸造合金钢。,图1-17铸钢件,125,1)铸造碳钢牌号：例如ZG230450450b450MPa；230s（0.2）230MPa；ZG“铸钢”汉语拼音首字母。性能特点：有一定的强度和较好的塑性、韧性，焊接性能良好，切削加工性尚好。用途：作砧座、轴承盖、齿轮等。,图1-18各种铸钢件,126,表1-6铸造碳钢部分牌号、成份、力学性能和应用,127,2)铸造合金钢,即为改善性能而添加的合金元素含量超过铸造碳钢范围的铸钢。,牌号：例如ZG30MnSi130W（C）为0.3%左右。SiW（Si）为0.91.4%MnW（Mn）为0.91.4%主要特点：耐磨性高。用途：用于受力较大的耐磨零件，如链轮、齿轮、承力支架等。,128,4.2铸铁,铸铁：在凝固过程中经历共晶转变，用于生产铸件的铁基合金的总称。性能特点：良好的铸造性能、切削加工性能、耐磨性和减震性，且熔炼工艺与设备比较简单，成本低廉。用途：铸铁件占铸件总产量的80%左右。如机床床身、箱体等。,铸铁的化学成分,129,1.铁碳合金双重相图,铸铁中，碳的存在形式有渗碳体（Fe3C）和游离状态的石墨（G）两种。铁碳合金实际上存在两种相图：（1）FeFe3C相图;（2）FeG相图。,图1-19铁碳双重相图,130,2.铸铁的石墨化过程(三个过程),第一阶段：高温石墨化阶段，“一次结晶析出石墨G”1154：L4.26A2.08+G(共晶),第二阶段：中间石墨化阶段，“二次结晶析出G”1154-738：AG第三阶段：低温石墨化阶段，“共析反应析出G”738：A0.68F+G(共析),131,铸铁的组织：铸铁按石墨化程度的不同可获得三种不同基体的组织：（1）珠光体+石墨，（2）珠光体+铁素体+石墨，（3）铁素体+石墨。,132,3.影响铸铁石墨化的因素,影响铸铁石墨化的因素主要有化学成分和冷却速度。（1）化学成分碳和硅分别是形成石墨和强烈促进石墨化的元素,铸铁中碳、硅含量越高，石墨越容易析出;硫强烈阻碍石墨化，且容易增加铸铁的热裂倾向;锰虽然阻碍石墨化，但锰与硫能形成硫化锰，有利于减弱硫的不利影响，而且还能促进珠光体形成,强化基体,故铸铁中必须含一定量的锰。磷是微弱促进石墨化的元素，但会增加铸铁的冷脆性。,133,（2)冷却速度,1）慢冷：利于石墨析出并长大，形成灰口，2）快冷：石墨来不及析出，碳以Fe3C存在，形成白口。注：要获得所需的组织和性能的铸件，应根据铸件的壁厚，控制铸件中碳和硅的含量，配合以适当的含锰量，并严格控制硫、磷的含量。,134,（3）变质处理（孕育处理）,变质处理：在浇注前向铁水中加入变质剂（孕育剂），如SiFe、SiCa合金，以增加石墨的结晶核心，促进石墨化，使石墨片细小、均匀，获得高强度铸铁。变质铸铁（孕育铸铁）即经过变质处理后所获得的高强度铸铁。性能特点：强度较高，塑性、韧性得到改善。,135,4.铸铁的分类、牌号及应用,按碳的存在形式和石墨形态的不同，可以将铸铁分为白口铸铁、麻口铸铁、灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁等类型。,136,铸铁中常见的石墨形态（示意图）,铸铁中常见的石墨形态（1）片状（2）球状（3）团絮状（4）蠕虫状,137,(1)白口铸铁白口铸铁：碳以游离碳化物的形式析出的铸铁，断口呈白色。白口铸铁硬而脆，难以加工，很少用来制造零件，有时利用其硬而耐磨的特点制造某些耐磨零件，如球磨机的衬板、磨球等。（2）麻口铸铁麻口铸铁：碳部分以游离碳化物形式析出，部分以石墨形式析出的铸铁，断口呈灰白色相间。,图1-21灰口铸铁,图1-20白口铸铁,138,（3）灰铸铁,灰铸铁：又称片墨铸铁，碳主要以片状石墨形成或析出的铸铁。1)灰铸铁的性能力学性能较差（相比碳钢）。工艺性能铸造性能良好，切削加工性能良好，不能进行锻造，焊接性和热处理性能也差。其它使用性能耐磨性好，减震性好，缺口敏感性小。,139,2)灰铸铁的牌号及应用,牌号：例如HT200“200”：抗拉强度b200MPa，“HT”：灰铁的汉语拼音首字母。应用：用于制造机座、支架、缝纫机零件、车床床身等。,图1-22灰铸铁件,140,表1-7灰铸铁部分牌号、力学性能和应用,141,续上表：,142,3）孕育铸铁孕育铸铁：铁液经孕育处理后获得的亚共晶灰铸铁。性能特点：孕育铸铁性能对壁厚的敏感性很小，组织和性能的均匀性很好，应用：适用于制造载荷较大、耐磨性减震性要求较高的重要铸件，特别是厚大铸件。如机床床身、发动机气缸体等。,图1-23孕育剂,143,（）球墨铸铁1)球墨铸铁：铁液经过球化处理和孕育处理，使石墨大部分或全部呈球状的铸铁。2)化学成分、组织、性能：化学成分特点：高碳、硅，低锰、磷、硫。,图1-24球墨铸铁,144,组织：FG球;FPG球;PG球。性能：强度较高，塑性、韧性较好（比灰铁），同时具有灰铁的优良性能。3）球墨铸铁的牌号和应用牌号：例如QT6003“QT”球铁的汉语拼音首字母，“600”抗拉强度b300Mpa，“3”伸长率3%。应用：用于制造汽车曲轴、连杆、蜗轮、齿轮等零件。,145,表1-8球墨铸铁部分牌号、力学性能和应用,146,4）常用的球墨铸铁,目前应用最为广泛的是珠光体球墨铸铁和铁素体球墨铸铁。（1）珠光体球墨铸铁指基体主要为珠光体的球墨铸铁，强度、硬度高,耐磨性好。（2）铁素体球墨铸铁指基体主要为铁素体的球墨铸铁，抗拉强度比珠光体球铸铁低，但塑性、韧性较高，力学性能优于可锻铸铁。,图1-25珠光体球墨铸铁,图1-26铁素体球墨铸铁,图1-27混合基体球墨铸铁,147,（5）可锻铸铁,可锻铸铁：又称马铁或玛钢。是白口铸铁通过石墨化退火处理，改变其金相组织或成分而获得的有较高韧性的铸铁。可锻铸铁中的碳主要以团絮状石墨存在。,图1-28可锻铸铁,148,1）化学成分：W(C)：2.42.8%，W(Si)：1.22.0%，W(Mn)：0.41.2%，W(S)0.1%，W(P)0.2%。2）性能特点：灰铸铁相比不仅有较高的强度，而且有较高的塑性和韧性。可锻铸铁因此得名，实际上它仍然是不可锻造的。3）可锻铸铁的生产:先浇注成白口铸件，再经石墨化退火获得。,149,4）牌号及应用黑心可锻铸铁牌号：例KTH35010组织：F+G团絮性能：塑性、韧性较好，强度不高；应用：用于受冲击、振动及扭转负荷的零件。如曲轴、连杆、齿轮、传动链条等。珠光体可锻铸铁牌号：例KTZ65002组织：P+G团絮性能：强度、硬度高，塑性、韧性比黑心可锻铸铁差；应用：制作曲轴、连杆、齿轮、传动链条等。,150,表1-9可锻铸铁部分牌号、力学性能及应用,151,（6）蠕墨铸铁,1）蠕墨铸铁：金相组织中石墨形态主要为蠕虫状石墨的铸铁，它是向一定成分的铁液中加入适量的蠕化剂（如镁钛合金等）和孕育剂而获得的。2）性能特点：强度比灰铸铁高；有一定的韧性和较高的耐磨性；壁厚敏感性比灰铁小得多；减震性比球铁高，低于灰铁；工艺性良好，铸造性能接近灰铁，切削加工性能接近球铁。,图1-29蠕墨铸铁,152,5）蠕墨铸铁的生产与球墨铸铁基本相同。铁液成分：高碳、硅，低锰、磷、硫；蠕化处理：蠕化剂:国外，镁合金；国内，稀土镁钛，稀土镁钙合金等。采用冲入法；加入量：为铁液质量的12。孕育处理：加孕育剂。注：蠕虫状石墨是一种过渡形式，生产中需严格控制蠕化剂。,153,（7）合金铸铁,合金铸铁：常规元素硅、锰高于普通铸铁规定含量或含有其它合金元素，具有较高力学性能或某些特殊性能的铸铁。性能特点：具有更高的力学性能，还具有某些特殊性能，如耐热、耐磨、耐蚀等。应用：例如在孕育铸铁中加入质量分数为0.4%0.6%的磷或同时加入少量的铜、钛等元素，就可以得到高磷耐磨铸铁，可用来制造轴承、活塞环、机床导轨等零件。,图1-30耐热合金铸铁模具,154,4.3非铁金属材料,钢铁材料以外的金属材料，统称为非铁金属材料。如铜、铝、铅等及其合金。性能特点：密度小、色泽鲜艳、导电、耐热、耐蚀或良好的加工性能等。因而成为现代工业中不可缺少的材料。,图1-31中国古代铜的冶炼,155,.铜及其合金,（）阴极铜又称纯铜，外观呈紫色，熔点为1083，具有良好的导电性，导热性、耐蚀性及塑性。（）铜合金即以铜为基的合金。按化学成分不同可分为黄铜、青铜及白铜三类。,156,）黄铜,u-Zn合金或以Zn为主要合金元素的铜合金称为黄铜。按化学成分的不同，黄铜可分为普通黄铜和特殊黄铜两类。普通黄铜铜锌二元合金，其中多数通过压力加工制成型材，成为普