金属材料与热处理

1、1 金金 属属 工工 艺艺 学学 2 世界四大材料世界四大材料：钢铁、木材、塑料、水泥钢铁、木材、塑料、水泥 ( (如生产一根如生产一根“轴轴”) ) 材料分：金属材料、非金属材料、复合材料材料分：金属材料、非金属材料、复合材料 金属材料金属材料指钢铁、有色金属等材料指钢铁、有色金属等材料 非金属材料非金属材料无机无机高分子材料（陶瓷、水泥、高分子材料（陶瓷、水泥、 木材等），木材等），有机有机高分子材料（如塑料、橡胶），高分子材料（如塑料、橡胶）， 复合材料复合材料-玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材 料料。 现在新材料现在新材料- -纳米材料、智能材料纳米材料

2、、智能材料 3 材料按材料按物质结构物质结构不同分不同分： 金属材料金属材料、非金属材料非金属材料（有机高分子材料和陶瓷（有机高分子材料和陶瓷 料料)、复合材料复合材料 材料按材料按用途用途不同分不同分： 机械工程材料机械工程材料、土木工程材料、电工材料、电子材、土木工程材料、电工材料、电子材 料料 材料按材料按功能功能不同分不同分： 结构材料、功能材料、磁性材料等结构材料、功能材料、磁性材料等 4 材料发展概括材料发展概括 天工开物天工开物明朝科学家：宋应星明朝科学家：宋应星 箸箸 石器时代石器时代 陶器时代陶器时代 铜器时代：铜器时代：司母戊鼎司母戊鼎（公元前（公元前11111616世纪）

3、世纪）1130113078078011001100 战国编钟战国编钟（前前475475221221年）年）6565个个 总重总重2500Kg2500Kg 天然石，兽骨，树枝天然石，兽骨，树枝 泥巴（日晒泥巴（日晒原始陶器；火烧原始陶器；火烧瓷器用具瓷器用具） 铁器时代铁器时代 沧州大狮沧州大狮（公元公元953953年年 ）重）重50T ,50T ,长长5.3m,5.3m,宽宽3m3m 人工复合材人工复合材 料料 塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等 本草纲目本草纲目 农政全书农政全书 李时珍李时珍 徐光启徐光启 智能材料智能材料 5 本课程的性质和目

4、的本课程的性质和目的 是高等工科院校机械类专业必修的一门专业技术是高等工科院校机械类专业必修的一门专业技术 基础课。基础课。 2、目的目的： a获得有关金属热处理、金属材料的基本知识。获得有关金属热处理、金属材料的基本知识。 b熟悉常见金属材料的牌号、性能特点及应用；了解它熟悉常见金属材料的牌号、性能特点及应用；了解它 们之间成分、组织、性能、热处理的关系。们之间成分、组织、性能、热处理的关系。 c 具有选择零件材料的能力，确定加工工艺路线的能力。具有选择零件材料的能力，确定加工工艺路线的能力。 d 为后续课程和从事技术工作打下基础。为后续课程和从事技术工作打下基础。 1、性质性质： 特点：杂

5、，多，广，逻辑性差特点：杂，多，广，逻辑性差。 本课学习本课学习方法方法是是：预习预习 、笔记、笔记 、复习、讨论问题、复习、讨论问题 本教材的本教材的重点重点：常见的材料牌号及应用，钢的热处理：常见的材料牌号及应用，钢的热处理 6 第一章第一章 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 Mechanics properties of metals 金属材料的性能金属材料的性能 使用性能使用性能力学、物理、化学力学、物理、化学 工艺性能工艺性能铸造、锻压、焊接、切削加工铸造、锻压、焊接、切削加工 力学性能力学性能：受外力作用下所表现出的性能受外力作用下所表现出的性能。不能说：机械性能不能说：机械性

6、能 判据判据 如：如： 强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等 第一节第一节 强强 度度 与与 塑塑 性性 一、强度一、强度 strength 概念：强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形） 和断裂和断裂 的能力的能力。通过拉伸试验测得大小。见教材P5 强度判据：屈服点屈服点 （屈服强度）、（屈服强度）、 抗拉强度抗拉强度 7 L0 LK d0 拉断拉断前前试样试样 拉断拉断后后试样试样 试样按试样按GB639786制取，制取， 分长试样分长试样L0=10d0 短试样短试样 L0=5d0 说明说明： b k s e 拉伸力拉伸力 F

7、O 伸长量伸长量 L Fs Fb Fe 低碳钢的力低碳钢的力伸长曲线伸长曲线 FF 0 A F b b %100 0 0 L LLk 0 A Fs s 8 说明说明： 单位面积上的内力称应力单位面积上的内力称应力。读sigmsigm L长度长度 Length 单位单位：mmmm A截面积截面积 Area Area 单位单位：mmmm2 2 F外力外力 Force 单位单位：N s屈服点的值 屈服点的值 单位 ：MPa（兆帕）mega pascal 屈服点屈服点 概念：力不增加仍能继续伸长时的应力力不增加仍能继续伸长时的应力。用符号： s 表示 抗拉强度抗拉强度 概念：试样拉断前所承受的最大拉应

8、力试样拉断前所承受的最大拉应力。用符号： b表示 补充： bb 表示抗弯强度 抗弯强度 注： s 、 b 是设计与选材的重要依据 是设计与选材的重要依据 另： e 表示弹性极限。在外力作用下产生弹性变形时所承受的最大拉应力 表示弹性极限。在外力作用下产生弹性变形时所承受的最大拉应力。 MPa A Fb b 0 9 二、二、塑性塑性 plasticityplasticity 概念概念：在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。 判据判据：断后伸长率断后伸长率 、断后断面收缩率、断后断面收缩率 断后伸长率断后伸长率 Percentage elongation a

9、fter fracture 概念概念：试样断后标准的伸长量与标准的百分比试样断后标准的伸长量与标准的百分比。 用符号用符号 表示，读作 代儿特 %100X Lo LoLk 其中：其中：L Lk k断后试样长度断后试样长度 L Lo o试样原始长度试样原始长度 断后断面收缩率断后断面收缩率 概念概念：断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比。 用符号用符号 表示， 读作扑洒哎 说明说明：伸长率和收缩率在实际应用中，一般是用：伸长率和收缩率在实际应用中，一般是用表示塑性大小表示塑性大小。 、 越越大，材料的塑性越好。通常认为大，材料的塑性越好。通

10、常认为 0.9%后，后， 其其HB，b、 ak 二、二、状态图中状态图中 的特性点、线、的特性点、线、 区域组织区域组织 请打开教材请打开教材40页，二部分页，二部分。 39 钢铁力学性能与碳含量钢铁力学性能与碳含量WC的关系的关系 40 特性特性点点： 见表见表22 特性特性线线： 1、ACD线；线； 2、AECF线线固相线固相线 液相线液相线 （其中（其中AEAE线是线是碳钢碳钢固线）固线） 3、ECF线线共晶转变线共晶转变线 LLd 4、GS线线（又称（又称A3线）线） 5、ES线（又称线（又称Acm线）线） 6、PSK线线共析转变线共析转变线 A p （又称（又称A1线）线） 41 三

11、、合金的结晶过程分析三、合金的结晶过程分析 亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢 过共析钢 A F+A L E A+Fe3C L+A 42 三、合金的结晶过程分析三、合金的结晶过程分析 A E G P Q S Fe L A L+A F F+A F+P P P+Fe3C A+Fe3C 0.77 2.11 、共析钢、共析钢 WC=0.77% 1 2 3 P 、亚共析钢、亚共析钢 1 2 3 4 1 2 3 44 L L+A A F+A APP+F 冷却曲线冷却曲线 过共析钢过共析钢 WC=1.0% 状态图的应用：状态图的应用：自己看自己看P45 43 四、碳素钢（简称：碳钢）四、碳素钢（简称：碳钢

12、）carbon -steel GB/T133041991规定：钢按化学成分分：非合金规定：钢按化学成分分：非合金 钢（碳钢）、低合金钢、合金钢三类。钢（碳钢）、低合金钢、合金钢三类。 非合金钢非合金钢是指是指WC2.11%，并含有少量，并含有少量Si、Mn、 P、S等元素的铁碳合金。等元素的铁碳合金。 （一）、常存元素对碳钢性能的影响（一）、常存元素对碳钢性能的影响 （了解）了解） 1、锰、锰 Mn 作用作用：脱氧，：脱氧，FeO 还原还原Fe；与；与S作用作用 MnS降低热脆性；降低热脆性； 提高强度、硬度提高强度、硬度。 有益元素有益元素 2、硅、硅 Si 作用作用：与钢液中：与钢液中Fe

13、O生生 成炉渣，提高钢质量；成炉渣，提高钢质量； 溶于溶于F中，固溶强化。中，固溶强化。 有益元素有益元素。 44 3 、硫、硫 S 作用作用：形成：形成FeS(熔点熔点 1190），在晶界），在晶界 处，处， 在在1100 1200 时，压力加工，产生时，压力加工，产生 脆裂。脆裂。“热脆热脆”。有有 害元素害元素 4、磷、磷 P 作用作用：全部溶于：全部溶于F中，固溶中，固溶 强化；强化；、HB，在低温，在低温 下引起脆断下引起脆断“冷脆冷脆”。 有害元素有害元素 （二）、碳钢分类、牌号、用途（二）、碳钢分类、牌号、用途（掌握内容掌握内容） 1、分类、分类 （1）按钢中）按钢中含碳量含碳量

14、多少分多少分： 低低碳钢碳钢 中中碳钢碳钢 高高碳钢碳钢 Wc 0.6% 45 2、按钢的质量（品质）分、按钢的质量（品质）分：（S、P含量多少）含量多少） 普通碳素钢普通碳素钢: 优优 质质 钢钢: 高级优质钢高级优质钢: S、P较高；较高；Ws0.05%,Wp0.045% Ws 0.035%, Wp 0.035%; Ws 0.02%. Wp 0.03%; 3、按钢的用途不同分、按钢的用途不同分： （1）碳素结构钢）碳素结构钢 structural steel （2）碳素工具钢）碳素工具钢 tool steel （3）特殊性能钢）特殊性能钢 special steel （4）铸）铸 钢钢 c

15、asting steel 适用于各种机器零件、工程结构件适用于各种机器零件、工程结构件 制造量具、刀具、模具、手锤、钳子等制造量具、刀具、模具、手锤、钳子等 用于特殊要求，酸、碱、盐腐蚀环境用于特殊要求，酸、碱、盐腐蚀环境。 形状复杂，难用锻造方法成形的铸钢件。形状复杂，难用锻造方法成形的铸钢件。 46 （三）碳钢的牌号、用途（三）碳钢的牌号、用途 1、碳素结构钢、碳素结构钢 GB7001988 牌号由代表屈服点的字母牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量、屈服点数值、质量 等级符号、脱氧方法四部分组成。其中质量等等级符号、脱氧方法四部分组成。其中质量等 级分别用级分别用A、B、C、D表示

16、。表示。A的的S、P量高，量高，D 的的S、P量最低，且质量最好。量最低，且质量最好。 如：如：Q235A . F Q“屈屈”字汉语拼音字字汉语拼音字 首首 235s235MPa A质量等级质量等级 A级级 F脱氧方法，指脱氧方法，指“沸腾钢沸腾钢”制造的钢材，一般不标制造的钢材，一般不标 出。出。 牌号有牌号有：Q195；Q215；Q235；Q255；Q275五类。五类。 见教材见教材105页页 表表52。 47 2、优质碳素结构钢、优质碳素结构钢S S、P P含量较低，用于重要零件含量较低，用于重要零件 GB69988规定：牌号用规定：牌号用两位数字两位数字表示。其表示。其 中中两位数字两

17、位数字表示含碳量表示含碳量万分之几。万分之几。 如如：08F、10、15、20、25、30、35、40、45、50、 55、60、65、70、75。 如如: 45钢是钢是WC=0.45% 用途见表用途见表52，P106。 20Mn、65Mn等称等称 含含锰锰量较高的优质碳素结构钢。量较高的优质碳素结构钢。 3、碳素工具钢、碳素工具钢 GB129888规定：牌号用规定：牌号用“碳碳”字汉语拼音字首字汉语拼音字首 “T”+数字数字表示。数字表示表示。数字表示WC的的千分之几千分之几。 如如：T7、T8、T9、T10、T10A、T12等。等。如如T10钢钢 WC=1%；T10AT10A中的中的“A

18、A”表示为表示为高级优质高级优质碳素工具钢。碳素工具钢。 用途见用途见P112，表，表59 48 补充：补充：铸铸 钢钢 GB/T56131995 牌号：用牌号：用“铸钢铸钢”汉语拼音字首汉语拼音字首 ZG表示表示。 如：如：ZG200400 用变速箱体、壳等，焊接性好。用变速箱体、壳等，焊接性好。 200s200MPa 400b400MPa 还有：还有：ZG230450；用力不大的阀体、轴承；用力不大的阀体、轴承 盖。盖。ZG270500热轧曲轴、连杆等热轧曲轴、连杆等 注意注意：碳钢分类；说出常见钢号：碳钢分类；说出常见钢号 20、45、65Mn、 Q235B、Q235A、T7、T10、T

19、10A、T12、ZG200 400等，属哪类钢，有何性能特点，用途。等，属哪类钢，有何性能特点，用途。 49 第二章 金属材料的基础知识 第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构 一、晶体结构的一、晶体结构的基本概念基本概念 Base knowledge of the Metallic materical 1.晶体晶体与与非晶体非晶体 概念：原子按一定几何形状作有规律的重复排列的概念：原子按一定几何形状作有规律的重复排列的 固体物质固体物质称称晶体晶体；非晶体非晶体则反之。则反之。 特点：特点：晶体晶体有熔点；有熔点；具有各向异性。如：食具有各向异性。如：食 盐，冰，金刚石，金属等。盐，冰，

20、金刚石，金属等。 非晶体非晶体无熔点；无熔点；各向同性。如：玻璃，各向同性。如：玻璃， 松香，沥青等。松香，沥青等。 50 二、常见的二、常见的晶格类型晶格类型 1. 体心立方晶格体心立方晶格 bodycentered cubic lattice 特点特点： b 较好。 较好。 如：如：912 Fe, Cr, Mo, V等。等。 体心立方晶格体心立方晶格 含有含有2个原个原 子体积组成。子体积组成。 2. 面心立方晶格面心立方晶格 facecentered cubic lattice 特点特点： 较好。较好。 如：如： 912 Fe , Cu, Al 等金属等金属。 含有含有4个原个原 子体积

21、组成子体积组成。 面心立方晶格面心立方晶格 51 2. 晶格与晶胞晶格与晶胞 晶格：晶格：表示晶体中原子排列形成的空间格子。表示晶体中原子排列形成的空间格子。 晶胞：晶胞：组成晶格最基本的几何单元。组成晶格最基本的几何单元。 a b c 晶晶 胞胞 示意图示意图 原子原子 3. 晶格常晶格常 数数a ,b , c a=b=c且互垂直且互垂直 表示晶胞几何形状大小晶胞几何形状大小 晶体中的原子排列晶体中的原子排列 晶面晶面 结点结点 形成的原因形成的原因： 各原子之间各原子之间 相互吸引力相互吸引力 与排斥力相与排斥力相 平衡结果。平衡结果。 52 3. 密排六方晶格密排六方晶格 hexagon

22、al closepackedhexagonal closepacked lattice lattice 特点特点：硬度高硬度高、 脆性大脆性大。如：。如： 锌锌(Zn) , 镁镁(Mg), 镉镉(Cd)等金属等金属。 a b C a=bc 4. 晶格致密度晶格致密度 原子排列的紧密程度原子排列的紧密程度。 致密度致密度= = 原子体积原子体积 晶胞体积晶胞体积 4 3 r3 a3 结果：体心结果：体心=0.68 面心面心=0.74 六方六方=0.74 原子半径原子半径 r = 4 3 a 53 三、三、 金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构(教材教材20 页页 三三) （一）、（一）、多晶体结

23、构多晶体结构 晶粒晶粒 晶界晶界 多晶体多晶体 示意图示意图 由多个单晶粒组成的晶体为由多个单晶粒组成的晶体为多晶体多晶体 通常：钢铁材料晶粒尺寸通常：钢铁材料晶粒尺寸 为为 0.10.10.001mm0.001mm 显微组织显微组织：在显微镜下观：在显微镜下观 察到其形态、大小、分布不同察到其形态、大小、分布不同 的组成物。的组成物。 （二）、（二）、晶格缺陷晶格缺陷 1、点缺陷点缺陷：在长、宽、：在长、宽、 高方向尺寸都有很小变高方向尺寸都有很小变 化的一种缺陷。化的一种缺陷。 间隙原子间隙原子 晶格空位晶格空位 54 2、线缺陷线缺陷 ：在晶格：在晶格 中呈线状分布的缺陷。中呈线状分布的

24、缺陷。 ， 3、面缺陷面缺陷：呈面：呈面 状分布的缺陷。状分布的缺陷。 ， 线线 缺缺 陷陷 面缺陷面缺陷 55 第二节第二节 合金的相结构合金的相结构 一、有关合金的基本概念一、有关合金的基本概念 1、合金、合金 alloy 由两种或两种以上金属元素或者金属元素与由两种或两种以上金属元素或者金属元素与 非金属元素组成的具有金属特性的物质。非金属元素组成的具有金属特性的物质。 2、组元、组元 constituent 组成合金的最基本的独立的物质称组元，简组成合金的最基本的独立的物质称组元，简 称称“元元”。如：黄铜。如：黄铜 CuZn；硬铝；硬铝 Al Cu 等都称等都称二元合金二元合金。 3

25、、系、系 system 由给定组元可以按不同比例配制一系列成由给定组元可以按不同比例配制一系列成 分不同的合金，简称：分不同的合金，简称：“系系”。 56 4、相图、相图 ：表示合金系中合金状态与温度、：表示合金系中合金状态与温度、 成分之间的关系的图解。成分之间的关系的图解。 如：如：铁碳合金状态图铁碳合金状态图 5、相、相 phase ：指同一化学成分，同一结构：指同一化学成分，同一结构 并以界面互相分开的均匀组成部分并以界面互相分开的均匀组成部分。如。如 固相、固相、 液相等。液相等。 6、组织、组织 structure ：借助于放大镜、显微：借助于放大镜、显微 镜下观察到具有某种形态、

26、形貌特征的组成镜下观察到具有某种形态、形貌特征的组成 部分。部分。 二、合金的相结构二、合金的相结构 1、固溶体、固溶体 solid solution 概念：溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的一种均概念：溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的一种均 匀固体。如；匀固体。如；糖水糖水 水水溶剂，糖溶剂，糖溶质溶质。 57 分类分类： 按按溶质溶质原子在原子在溶剂溶剂中分布情况不同，中分布情况不同， 分分 置换固溶体置换固溶体和和间隙固溶体间隙固溶体两类两类 置换固溶体置换固溶体溶质原子替换晶格上的原子溶质原子替换晶格上的原子 间隙固溶体间隙固溶体溶质原子溶入晶格原子间隙溶质原子溶入晶格原子间隙 a)间隙固溶

27、体间隙固溶体 b)置换固溶体置换固溶体 特征特征：晶格类型不变，化学成分有限，性能发生变化：晶格类型不变，化学成分有限，性能发生变化 58 特征：特征： （1）晶格仍保持原晶格（溶剂）晶格仍保持原晶格（溶剂）。 （2）化学成分在一定范围内可改变。）化学成分在一定范围内可改变。 （3）性能随化学成分改变而逐渐变化。）性能随化学成分改变而逐渐变化。 性能：性能： 造成晶格畸变，强度、硬度上升。造成晶格畸变，强度、硬度上升。 这种现象称这种现象称固溶强化固溶强化。 若溶质原子质量分数（含量）适当，其力学性能高若溶质原子质量分数（含量）适当，其力学性能高。 2、金属化合物、金属化合物 compound

28、 概念：概念：合金元素之间发生相互作用而生成的合金元素之间发生相互作用而生成的 一种具有金属特性的新相。如一种具有金属特性的新相。如 Fe与与CFe3C 59 特征特征 （1）具有一定的化学成分。）具有一定的化学成分。 （2）与任一组元成分不同。）与任一组元成分不同。 （3）熔点高脆性大硬度高。）熔点高脆性大硬度高。 性能性能 晶格复杂斜方，晶格复杂斜方，、HB ，、ak ，脆性大，脆性大 3、机械混合物、机械混合物 mixture 概念：概念：两相按固定比例构成的组织（复合相），两相按固定比例构成的组织（复合相）， 称机械混合物。如称机械混合物。如 铁碳合金中铁碳合金中 F与与Fe3C结合为

29、结合为P 特征特征：各相保持自己的晶格类型、性能特点。各相保持自己的晶格类型、性能特点。 强度、硬度强度、硬度适中，适中，目前钢铁材料中大目前钢铁材料中大 部分是这种组织。部分是这种组织。 60 第三节第三节 纯纯 金金 属属 的的 结结 晶晶 一、结晶的概念一、结晶的概念 1、结晶结晶 crystallization 由液态转变为固体晶体的过程。由液态转变为固体晶体的过程。 或者描述为：或者描述为：原子由不规则排列到有规则排列过程。原子由不规则排列到有规则排列过程。 或者描述为：晶体结构形成的过程。或者描述为：晶体结构形成的过程。如水如水冰冰 2、冷却曲线与过冷度冷却曲线与过冷度 T T0

30、T1 时间时间 O 冷却曲线冷却曲线 平台：平台： 结晶过程时间结晶过程时间。是结晶。是结晶 时放出的热（潜热）造时放出的热（潜热）造 成的。成的。 T0理论结晶温度理论结晶温度 T1实际结晶温度实际结晶温度 T0T1= T 过冷度过冷度 过冷是结晶的必要条件！过冷是结晶的必要条件！ Ttemperation 61 结论结论：冷却速度：冷却速度 T 或者说：或者说： T F（结晶能量）（结晶能量） 结晶驱动力结晶驱动力 结晶倾向结晶倾向 二、结晶过程二、结晶过程 过程：过程：不断形核和晶核不断长大的过程。不断形核和晶核不断长大的过程。 三、晶粒大小控制三、晶粒大小控制 1、晶粒越细小，力学性能

31、越高。、晶粒越细小，力学性能越高。 62 FF 结果：小鸡蛋不易碎，结果：小鸡蛋不易碎， 大鸡蛋容易碎大鸡蛋容易碎 举例：两组大小不同的鸡蛋受力情况举例：两组大小不同的鸡蛋受力情况 2、细化晶粒方法细化晶粒方法： （1）增加增加T。 （2）孕育处理（变质处理）孕育处理（变质处理）。 （3）附加振动或搅拌附加振动或搅拌。 63 四、金属的同素异构转变四、金属的同素异构转变补充内容补充内容 铁丝加热实验示意图铁丝加热实验示意图 铁丝铁丝标尺标尺 支架支架 现象：现象：加热时加热时 铁丝伸长，到铁丝伸长，到 912开始开始收收 缩缩。若冷却时若冷却时 从从1000 到到 912 出现伸出现伸 长现象

32、。长现象。 概念概念：在固态下随温度发生变化，其晶格类型在固态下随温度发生变化，其晶格类型 发生转变的现象发生转变的现象-同素异构转变。同素异构转变。 冷却曲线冷却曲线：用冷却曲线表示出此现象。用冷却曲线表示出此现象。 实质实质是：是：原子排列不同，结构不同，金属体积发生改变原子排列不同，结构不同，金属体积发生改变 64 冷却曲线：冷却曲线： 温度温度 时间时间 O 1538 1394 912 Lliquid 结晶过程结晶过程 Fe 体体心立方晶格心立方晶格 Fe 面面心立方晶格心立方晶格 Fe体体心立方晶格心立方晶格 转变式转变式： Fe Fe Fe 9121394 体心体心 面心面心 体心

33、体心 或者或者： Fe Fe 912 临界转变温度临界转变温度 面心面心 体心体心 体心体心2个原子体积个原子体积 面心面心4个原子体积个原子体积 65 第四节第四节 合金的结晶合金的结晶 描述合金的结晶过程用描述合金的结晶过程用“二元相图二元相图”解解 释释 一一、二元合金相图的建、二元合金相图的建 立：立： 用用 热分析法热分析法绘制绘制 如：如：CuNi合金合金 Cu Ni 成分变化：成分变化：Cu由由100%0%； Ni由由0%100% 0100 温度温度 A B 1083 1452 L-liquid S-solid L+S WNi% 结晶过程分析结晶过程分析： 70%Cu+30%Ni

34、 合金合金 1 2 1点以上为液体点以上为液体 L 到到1点开始结晶出固体点开始结晶出固体 S 12间为两相间为两相 区区 L+S 到到2点时全为固体点时全为固体 S 2点以下为固体点以下为固体 66 A B Cu Ni 1 2 L S AB上线上线液相线液相线 AB下线下线固相线固相线 二、二、 合金结晶的特点：合金结晶的特点： 1、一个温度范围内结晶，、一个温度范围内结晶， 有两个相变点（因为合金有两个相变点（因为合金 有两组元有两组元 ）。）。 2、结晶出的固相成分与、结晶出的固相成分与 液相成分不同（液相成分液相成分不同（液相成分 不断改变）。不断改变）。 3、形成单相、两相混合、形成

35、单相、两相混合 物、单相与两相混合物。物、单相与两相混合物。 L+S t O 1 2 L LS（L+S） S 冷却曲线冷却曲线 67 第五节第五节 铁碳合金铁碳合金 Ferrocarbon alloy 一、铁碳合金状态图一、铁碳合金状态图 1、状态图的建立、状态图的建立通过通过热分析法热分析法获得获得 Fe与与C形成：形成： Fe C Fe3C Fe2C FeC -Wc=6.69% -Wc=9.3% -Wc=17.8% Fe3C Fe2C FeC 说明说明： GB310293 规定规定W称为称为 质量分数质量分数， 下标为含某下标为含某 元素元素 W-weight 分量、重量分量、重量 FeF

36、eFeFe3 3C C 简化状态图简化状态图 68 二二、状态图、状态图 作用：作用： （1）研究）研究 钢铁的成分、钢铁的成分、 组织和性能组织和性能 之间关系理之间关系理 论基础。论基础。 （2）制定）制定 热加工工艺热加工工艺 的依据。的依据。 简化简化 FeFe3C 状态图状态图 三三、基本组织、基本组织 1、铁素体铁素体 F Ferrite 碳在碳在Fe中所形成的间隙固溶体中所形成的间隙固溶体。 特点：塑性、韧性好，强度、硬度低。特点：塑性、韧性好，强度、硬度低。 69 2、奥氏体奥氏体 A austenite 英英 国金相学家国金相学家 碳在碳在Fe中中 的间隙固溶体的间隙固溶体。

37、 特点特点：塑性较：塑性较 好，强度较低好，强度较低 3、渗碳体渗碳体 Fe3C 是是FeFe与与C C的化合物的化合物。特点特点：硬度很高，很脆，塑性：硬度很高，很脆，塑性 几乎等于零，在钢中起强化作用。几乎等于零，在钢中起强化作用。-cementite 4、珠光体珠光体 P pearlite（日本）（日本）是是F F与与FeFe3 3C C机械混合物机械混合物，WC=0.77% 特点：特点：有一定的强度、塑性，层片状。有一定的强度、塑性，层片状。 70 5、莱氏莱氏 体体 Ld -Ledeburite 德国金相学家德国金相学家 特点特点：硬：硬 而脆，不而脆，不 能进行压能进行压 力加工。

38、力加工。 是高温下是高温下A与与Fe3C的机械混合物的机械混合物 共晶反应的产物。共晶反应的产物。 Wc=4.3% 反应式：反应式： L 4.3=Ld (A+Fe3C) 1148 注注：随温度降低至：随温度降低至727时，时，A转变为转变为P，室温下，室温下 变成：变成：P+ Fe3C共晶组织，称为共晶组织，称为 低温莱氏体低温莱氏体 Ld Ld =（P+ Fe3C） F、A、 Fe3C是单相组织是单相组织 P、 Ld 是混合物是混合物 71 第二节第二节 FeFe3C 状态图分析状态图分析 一、分类一、分类 工业纯铁工业纯铁 碳钢碳钢 白口铸铁白口铸铁 亚共析钢亚共析钢 共析钢共析钢 过共析

39、钢过共析钢 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 共晶白口铸铁共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 72 力学性能变化力学性能变化： 随碳含量增加，随碳含量增加， 其强度、硬度其强度、硬度， 塑性、韧性塑性、韧性。 但当但当WC 0.9%后，后， 其其HB，b、 ak 二、二、状态图中状态图中 的特性点、线、的特性点、线、 区域组织区域组织 请打开教材请打开教材40页，二部分页，二部分。 73 钢铁力学性能与碳含量钢铁力学性能与碳含量WC的关系的关系 74 特性特性点点： 见表见表22 特性特性线线： 1、ACD线；线； 2、AECF线线固相线固相线 液相线液相线 （其中（其中AEAE线是线是碳

40、钢碳钢固线）固线） 3、ECF线线共晶转变线共晶转变线 LLd 4、GS线线（又称（又称A3线）线） 5、ES线（又称线（又称Acm线）线） 6、PSK线线共析转变线共析转变线 A p （又称（又称A1线）线） 75 三、合金的结晶过程分析三、合金的结晶过程分析 亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢 过共析钢 A F+A L E A+Fe3C L+A 76 三、合金的结晶过程分析三、合金的结晶过程分析 A E G P Q S Fe L A L+A F F+A F+P P P+Fe3C A+Fe3C 0.77 2.11 、共析钢、共析钢 WC=0.77% 1 2 3 P 、亚共析钢、亚共析钢 1

41、 2 3 4 1 2 3 44 L L+A A F+A APP+F 冷却曲线冷却曲线 过共析钢过共析钢 WC=1.0% 状态图的应用：状态图的应用：自己看自己看P45 77 四、碳素钢（简称：碳钢）四、碳素钢（简称：碳钢）carbon -steel 本内容本内容P101，重点是常见牌号的含义、性能、应用。，重点是常见牌号的含义、性能、应用。 GB/T133041991规定：钢按化学成分分：非合金规定：钢按化学成分分：非合金 钢（碳钢）、低合金钢、合金钢三类。钢（碳钢）、低合金钢、合金钢三类。 非合金钢非合金钢是指是指WC2.11%，并含有少量，并含有少量Si、Mn、 P、S等元素的铁碳合金。等

42、元素的铁碳合金。 （一）、常存元素对碳钢性能的影响（一）、常存元素对碳钢性能的影响 （了解）了解） 1、锰、锰 Mn 作用作用：脱氧，：脱氧，FeO 还原还原Fe；与；与S作用作用 MnS降低热脆性；降低热脆性； 提高强度、硬度提高强度、硬度。 有益元素有益元素 2、硅、硅 Si 作用作用：与钢液中：与钢液中FeO生生 成炉渣，提高钢质量；成炉渣，提高钢质量； 溶于溶于F中，固溶强化。中，固溶强化。 有益元素有益元素。 78 3 、硫、硫 S 作用作用：形成：形成FeS(熔点熔点 1190），在晶界），在晶界 处，处， 在在1100 1200 时，压力加工，产生时，压力加工，产生 脆裂。脆裂。

43、“热脆热脆”。有有 害元素害元素 4、磷、磷 P 作用作用：全部溶于：全部溶于F中，固溶中，固溶 强化；强化；、HB，在低温，在低温 下引起脆断下引起脆断“冷脆冷脆”。 有害元素有害元素 （二）、碳钢分类、牌号、用途（二）、碳钢分类、牌号、用途（掌握内容掌握内容） 1、分类、分类 （1）按钢中）按钢中含碳量含碳量多少分多少分： 低低碳钢碳钢 中中碳钢碳钢 高高碳钢碳钢 Wc 0.6% 79 2、按钢的质量（品质）分、按钢的质量（品质）分：（S、P含量多少）含量多少） 普通碳素钢普通碳素钢: 优优 质质 钢钢: 高级优质钢高级优质钢: S、P较高；较高；Ws0.05%,Wp0.045% Ws 0

44、.035%, Wp 0.035%; Ws 0.02%. Wp 0.03%; 3、按钢的用途不同分、按钢的用途不同分： （1）碳素结构钢）碳素结构钢 structural steel （2）碳素工具钢）碳素工具钢 tool steel （3）特殊性能钢）特殊性能钢 special steel （4）铸）铸 钢钢 casting steel 适用于各种机器零件、工程结构件适用于各种机器零件、工程结构件 制造量具、刀具、模具、手锤、钳子等制造量具、刀具、模具、手锤、钳子等 用于特殊要求，酸、碱、盐腐蚀环境用于特殊要求，酸、碱、盐腐蚀环境。 形状复杂，难用锻造方法成形的铸钢件。形状复杂，难用锻造方法成

45、形的铸钢件。 80 （三）碳钢的牌号、用途（三）碳钢的牌号、用途 1、碳素结构钢、碳素结构钢 GB7001988 牌号由代表屈服点的字母牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量、屈服点数值、质量 等级符号、脱氧方法四部分组成。其中质量等等级符号、脱氧方法四部分组成。其中质量等 级分别用级分别用A、B、C、D表示。表示。A的的S、P量高，量高，D 的的S、P量最低，且质量最好。量最低，且质量最好。 如：如：Q235A . F Q“屈屈”字汉语拼音字字汉语拼音字 首首 235s235MPa A质量等级质量等级 A级级 F脱氧方法，指脱氧方法，指“沸腾钢沸腾钢”制造的钢材，一般不标制造的钢材，一般

46、不标 出。出。 牌号有牌号有：Q195；Q215；Q235；Q255；Q275五类。五类。 见教材见教材105页页 表表52。 81 2、优质碳素结构钢、优质碳素结构钢S S、P P含量较低，用于重要零件含量较低，用于重要零件 GB69988规定：牌号用规定：牌号用两位数字两位数字表示。表示。 其中其中两位数字两位数字表示含碳量表示含碳量万分之几。万分之几。 如如：08F、10、15、20、25、30、35、40、45、50、 55、60、65、70、75。 如如: 45钢是钢是WC=0.45% 用途见表用途见表52，P106。 20Mn、65Mn等称等称 含含锰锰量较高的优质碳素结构钢。量较

47、高的优质碳素结构钢。 3、碳素工具钢、碳素工具钢 GB129888规定：牌号用规定：牌号用“碳碳”字汉语拼音字首字汉语拼音字首 “T”+数字数字表示。数字表示表示。数字表示WC的的千分之几千分之几。 如如：T7、T8、T9、T10、T10A、T12等。等。如如T10钢钢 WC=1%；T10AT10A中的中的“A A”表示为表示为高级优质高级优质碳素工具钢。碳素工具钢。 用途见用途见P112，表，表59 82 补充：补充：铸铸 钢钢 GB/T56131995 牌号：用牌号：用“铸钢铸钢”汉语拼音字首汉语拼音字首 ZG表表 示示。 如：如：ZG200400 用变速箱体、壳等，焊接性好。用变速箱体、

48、壳等，焊接性好。 200s200MPa 400b400MPa 还有：还有：ZG230450；用力不大的阀体、轴承；用力不大的阀体、轴承 盖。盖。ZG270500热轧曲轴、连杆等热轧曲轴、连杆等 注意注意：碳钢分类；说出常见钢号：碳钢分类；说出常见钢号 20、45、65Mn、 Q235B、Q235A、T7、T10、T10A、T12、ZG200 400等，属哪类钢，有何性能特点，用途。等，属哪类钢，有何性能特点，用途。 83 第三章第三章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶 本章重点：本章重点：1 1、变形机理。、变形机理。2 2、形变后组织性能特点。、形变后组织性能特点。 第一节第一节

49、 金属的塑性变形金属的塑性变形 plastic deformation of metal 一、单晶体的塑性变形一、单晶体的塑性变形 1、弹性变形：、弹性变形：受力变形，外力卸去后，又回到原状态现象受力变形，外力卸去后，又回到原状态现象。 2、塑性变形：、塑性变形：外力取消后，物体的变形不完全恢复的现象外力取消后，物体的变形不完全恢复的现象。 变形的基本方式变形的基本方式：滑移滑移位错造成的位错造成的。 84 滑移变滑移变 形的实质形的实质： 在切应力作用下，某一部分沿一定的晶面和晶向相对于另在切应力作用下，某一部分沿一定的晶面和晶向相对于另 一部分发生位移。此现象称一部分发生位移。此现象称“滑

50、移滑移” 二、实际多晶体塑性变形二、实际多晶体塑性变形 1、晶粒本身的变形（滑移变形）、晶粒本身的变形（滑移变形）主要的主要的 2、晶粒之间的变形（晶间变形）、晶粒之间的变形（晶间变形）次要的次要的 85 第二节第二节 冷塑性变形对组织、性能的影响冷塑性变形对组织、性能的影响 一、晶粒被拉长（压扁），性能趋于各向异性一、晶粒被拉长（压扁），性能趋于各向异性 1 1 2 2 受力变形受力变形 二、产生冷变形强化（二、产生冷变形强化（加工硬化加工硬化）现象）现象work hardened 随变形程度的增加，其随变形程度的增加，其强度强度、硬度硬度，塑性塑性、韧性韧性的现象的现象 如如：手弯铁丝手弯

51、铁丝； 冷卷弹簧冷卷弹簧； 推土机前板推土机前板；不锈钢刀不锈钢刀 三、产生内应力（残余应力）三、产生内应力（残余应力） 解决办法：去应力退火解决办法：去应力退火 86 87 第三节第三节 变形金属在变形金属在加热加热时的变化时的变化 一、回复一、回复 recovery 晶格歪扭现象消失的过程。晶格歪扭现象消失的过程。 T回回（0.250.3)T熔熔 T回回回复加热温度回复加热温度 ，单位单位 K T熔熔绝对熔化温度，绝对熔化温度， 单位单位 K 热力学温度单位热力学温度单位 二、再结晶二、再结晶 recrystallization 对回复后的金属继续加热，由于原子获得了更大的活对回复后的金属

52、继续加热，由于原子获得了更大的活 动能力，晶粒外形发生变化。进而由碎晶粒变成完整晶粒动能力，晶粒外形发生变化。进而由碎晶粒变成完整晶粒 的过程，此时没有应力出现。的过程，此时没有应力出现。加工硬化现象消失。加工硬化现象消失。 通过：形核、长大方式完成。再结晶后晶格类型没有变化。通过：形核、长大方式完成。再结晶后晶格类型没有变化。 T再再0.4 T熔熔 碳碳 钢钢 T再再0.5 T熔熔 合金钢合金钢 T再再0.6 T熔熔 88 三、晶粒长大三、晶粒长大 若若T再再继续升高，则晶粒长大、变粗，力学性能大大下降。继续升高，则晶粒长大、变粗，力学性能大大下降。 所以要严格控制所以要严格控制加热温度、保

53、温时间加热温度、保温时间。 第四节第四节 金属的热加工金属的热加工 hot working 一、热加工与冷加工概念一、热加工与冷加工概念 1、热加工：、热加工：当当加热加热温度温度大于大于再结晶再结晶温度时，变形工艺称温度时，变形工艺称热加工热加工。 2、冷加工：、冷加工：cold working T加加小于小于T再再称称冷加工冷加工 特点：特点： 如：金属如：金属铅铅在室温下变形在室温下变形属属热热加工加工 金属金属钨钨在在1000时变形时变形属属冷冷加工加工 热热加工变形量大，表面粗糙，无加工硬化现象，有再结晶。加工变形量大，表面粗糙，无加工硬化现象，有再结晶。 冷冷加工变形量小，表面光滑

54、，有加工硬化现象，无再结晶加工变形量小，表面光滑，有加工硬化现象，无再结晶。 89 二、热加工对组织、性能的影响二、热加工对组织、性能的影响 1、材料中的气孔、间隙压合，使组织致密，晶粒细化，力学性能高、材料中的气孔、间隙压合，使组织致密，晶粒细化，力学性能高 2、形成锻造流线、形成锻造流线forging flow line（纤维组织），产生各向异性（纤维组织），产生各向异性. 钢锭中夹杂物沿晶界被压伸长，与变形方向一致，钢锭中夹杂物沿晶界被压伸长，与变形方向一致， 好似一条条细线。好似一条条细线。平行流线方向平行流线方向抗拉强度、塑性好。抗拉强度、塑性好。 垂直于流线方向垂直于流线方向抗剪切

55、力大，抗拉强度低。抗剪切力大，抗拉强度低。 曲轴曲轴 齿轮齿轮 裂纹裂纹 90 不合理不合理 合理合理 作业：习题册作业：习题册 P72 91 第三章第三章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶 本章重点：本章重点：1 1、变形机理。、变形机理。2 2、形变后组织性能特点。、形变后组织性能特点。 第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形 plastic deformation of metal 一、单晶体的塑性变形一、单晶体的塑性变形 1、弹性变形：、弹性变形：受力变形，外力卸去后，又回到原状态现象受力变形，外力卸去后，又回到原状态现象。 2、塑性变形：、塑性变形：外力取消后，物体的

56、变形不完全恢复的现象外力取消后，物体的变形不完全恢复的现象。 变形的基本方式变形的基本方式：滑移滑移位错造成的位错造成的。 92 滑移变滑移变 形的实质形的实质： 在切应力作用下，某一部分沿一定的晶面和晶向相对于另在切应力作用下，某一部分沿一定的晶面和晶向相对于另 一部分发生位移。此现象称一部分发生位移。此现象称“滑移滑移” 二、实际多晶体塑性变形二、实际多晶体塑性变形 1、晶粒本身的变形（滑移变形）、晶粒本身的变形（滑移变形）主要的主要的 2、晶粒之间的变形（晶间变形）、晶粒之间的变形（晶间变形）次要的次要的 93 第二节第二节 冷塑性变形对组织、性能的影响冷塑性变形对组织、性能的影响 一、

57、晶粒被拉长（压扁），性能趋于各向异性一、晶粒被拉长（压扁），性能趋于各向异性 1 1 2 2 受力变形受力变形 二、产生冷变形强化（二、产生冷变形强化（加工硬化加工硬化）现象）现象work hardened 随变形程度的增加，其随变形程度的增加，其强度强度、硬度硬度，塑性塑性、韧性韧性的现象的现象 如如：手弯铁丝手弯铁丝； 冷卷弹簧冷卷弹簧； 推土机前板推土机前板；不锈钢刀不锈钢刀 三、产生内应力（残余应力）三、产生内应力（残余应力） 解决办法：去应力退火解决办法：去应力退火 94 95 第三节第三节 变形金属在变形金属在加热加热时的变化时的变化 一、回复一、回复 recovery 晶格歪扭现

58、象消失的过程。晶格歪扭现象消失的过程。 T回回（0.250.3)T熔熔 T回回回复加热温度回复加热温度 ，单位单位 K T熔熔绝对熔化温度，绝对熔化温度， 单位单位 K 热力学温度单位热力学温度单位 二、再结晶二、再结晶 recrystallization 对回复后的金属继续加热，由于原子获得了更大的活对回复后的金属继续加热，由于原子获得了更大的活 动能力，晶粒外形发生变化。进而由碎晶粒变成完整晶粒动能力，晶粒外形发生变化。进而由碎晶粒变成完整晶粒 的过程，此时没有应力出现。的过程，此时没有应力出现。加工硬化现象消失。加工硬化现象消失。 通过：形核、长大方式完成。再结晶后晶格类型没有变化。通过

59、：形核、长大方式完成。再结晶后晶格类型没有变化。 T再再0.4 T熔熔 碳碳 钢钢 T再再0.5 T熔熔 合金钢合金钢 T再再0.6 T熔熔 96 三、晶粒长大三、晶粒长大 若若T再再继续升高，则晶粒长大、变粗，力学性能大大下降。继续升高，则晶粒长大、变粗，力学性能大大下降。 所以要严格控制所以要严格控制加热温度、保温时间加热温度、保温时间。 第四节第四节 金属的热加工金属的热加工 hot working 一、热加工与冷加工概念一、热加工与冷加工概念 1、热加工：、热加工：当当加热加热温度温度大于大于再结晶再结晶温度时，变形工艺称温度时，变形工艺称热加工热加工。 2、冷加工：、冷加工：cold

60、 working T加加小于小于T再再称称冷加工冷加工 特点：特点： 如：金属如：金属铅铅在室温下变形在室温下变形属属热热加工加工 金属金属钨钨在在1000时变形时变形属属冷冷加工加工 热热加工变形量大，表面粗糙，无加工硬化现象，有再结晶。加工变形量大，表面粗糙，无加工硬化现象，有再结晶。 冷冷加工变形量小，表面光滑，有加工硬化现象，无再结晶加工变形量小，表面光滑，有加工硬化现象，无再结晶。 97 二、热加工对组织、性能的影响二、热加工对组织、性能的影响 1、材料中的气孔、间隙压合，使组织致密，晶粒细化，力学性能高、材料中的气孔、间隙压合，使组织致密，晶粒细化，力学性能高 2、形成锻造流线、形