工程材料及其成形技术基础(1-5章)

1、 主讲：周主讲：周 明明 健健 单位：巢湖学院单位：巢湖学院 电子工程与电气自动化学院电子工程与电气自动化学院 工程材料及其成形技术基础工程材料及其成形技术基础联系方式：联系方式： QQ: 245721466 邮箱：邮箱：245721466 考试成绩考试成绩= =平时成绩（平时成绩（30-4030-40）%+%+（70-60)%70-60)% 绪绪 论论 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。n2 2 学习目的学习目的 (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

2、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。 绪绪 论论 (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。n4 4 了解机械制造业总流程了解机械制造业总流程 绪绪 论论n5 5 主要知识框架主要知识框架工程材料及工程材料及成形技术基础成形技术基础工程材料工程材料成形技术成形技术基础基础n 6 6 参参 考考 书书n(1)(1)材料成形技术基础材料成形技术基础 何红媛主编，东南大学出版社。何红媛主编，东南大学出版社。n(2)(2)材料成型工艺基础材料成型工艺基础 沈其文主编，华中理工大学出版社。沈其文主编

3、，华中理工大学出版社。n(3)(3)工程材料及应用工程材料及应用 周凤云主编，华中科技大学出版社。周凤云主编，华中科技大学出版社。n(4)(4)材料成型技术基础材料成型技术基础 胡亚民主编，重庆大学出版社。胡亚民主编，重庆大学出版社。n(5)(5)热加工工艺基础热加工工艺基础 任福东主编，机械工业出版社。任福东主编，机械工业出版社。复合材料复合材料非金属非金属材料材料金属材料金属材料机械机械工程材料工程材料工程材料工程材料 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。概概 述述概概 述述材料的材料的

4、 石斧石斧青铜鼎青铜鼎神舟飞船神舟飞船 沧州铁狮子沧州铁狮子石器时代石器时代铜器时代铜器时代铁器时代铁器时代复合材料复合材料概概 述述工程材料的工程材料的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金属材料压力容器向高强度方向发展更快，发展了高强度低合高强度低合金钢金钢由于航空、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高温、高压、高的比强度和比模量。 新材料特别是非金属人工合成材料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、超高性能化高功能化、超高性能化复合轻量化、智能化复合轻量化、智能化第一章第一

5、章 零件对材料的性能要求零件对材料的性能要求金属材料金属材料有机高分子材料有机高分子材料复合材料复合材料 陶瓷材料陶瓷材料黑色金属黑色金属 有色金属有色金属轻有色金属轻有色金属 重有色金属重有色金属稀有金属稀有金属 铸铁铸铁碳钢碳钢合金钢合金钢 塑料塑料合成橡胶合成橡胶 合成纤维合成纤维 有机胶粘剂及涂料有机胶粘剂及涂料硅酸盐材料硅酸盐材料 新型陶瓷新型陶瓷 非金属基复合材料非金属基复合材料 金属基复合材料金属基复合材料 机机械械工工程程材材料料 功能材料：用于制造实现其他功能的零件的材料功能材料：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结构材料：用于制造实

6、现运动和传递动力的零件 机械机械工程工程材料材料金属材料：具有良好的金属材料：具有良好的导电性导电性、导热性导热性、在具有、在具有较高的强度较高的强度 的同时，具有的同时，具有良好的塑性成形性良好的塑性成形性、铸造性铸造性、切削切削 加工加工和和电加工性电加工性等加工性能；通过等加工性能；通过热处理热处理及及表面表面 改性改性可以大幅度可以大幅度(成倍）改变其性能；成倍）改变其性能； 1.2 1.2 工程材料的特征工程材料的特征有机高分子材料：有机高分子材料：密度小、强度低（比强度高，高于钢铁）密度小、强度低（比强度高，高于钢铁） 较高的弹性较高的弹性，良好的电绝缘性能良好的电绝缘性能，优良的

7、优良的 减摩减摩、耐磨和自润滑性能耐磨和自润滑性能，优良的耐腐蚀优良的耐腐蚀 性能（超过不锈钢），优良的透光性和隔性能（超过不锈钢），优良的透光性和隔 热、隔音性热、隔音性，加工性好，成本低加工性好，成本低，但是易，但是易老化老化。注：注：老化作用老化作用：高分子材料在加工、贮存和使用过程中，由：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。用价值的现象。【轮胎发生的龟裂、玻璃纤维（起毛）轮胎发生的龟裂、玻璃纤维（起毛）】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陶瓷材

8、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。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；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；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；克服它们的弱点；1.3 1.3 金属材料的主要性能金属

9、材料的主要性能 机械零件在使用过程中，要受到机械零件在使用过程中，要受到诸如拉伸、压诸如拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切以及缩、弯曲、扭转、剪切以及热负荷热负荷诸如高温蠕变、热应力产诸如高温蠕变、热应力产生的热疲劳和生的热疲劳和环境介质的作用环境介质的作用诸如腐蚀、摩擦损失，并且还诸如腐蚀、摩擦损失，并且还要传递力和能。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还要有良好的工艺性能 。1.3.1 1.3.1

10、 金属的力学性能金属的力学性能 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。高温蠕变高温蠕变疲劳强度疲劳强度低应力低应力脆断脆断弹性弹性强度强度韧性韧性硬度硬度刚度刚度塑性塑性金属金属力学性能力学性能1 1 弹性弹性： 即物体在外力作用下改即物体在外力作用下改变其形状和尺寸，当外变其形状和尺寸，当外力卸除后物体又回复到力卸除后物体又回复到原始形状和尺寸的特性。原始形状和尺寸的特性。弹性的判据可通过弹性的判据可通过来测定。来测定。图图1 11 1 拉伸曲线及拉伸试样拉伸曲线及拉伸试样 拉伸试验拉

11、伸试验:即静拉伸力对试样即静拉伸力对试样轴向拉伸轴向拉伸, ,测量力和相应的伸测量力和相应的伸长长, ,一般拉至断裂以测定其力一般拉至断裂以测定其力学性能的试验。学性能的试验。 图12 低碳钢拉伸曲线 弹性极限：弹性极限：即金属材料不产生塑性即金属材料不产生塑性变形时所能承受的最大应力。拉伸曲变形时所能承受的最大应力。拉伸曲线线p p点对应的应力点对应的应力pp为弹性极限：为弹性极限： pp= = FpFp/So/So 式中式中 pp 弹性极限（弹性极限（MPaMPa）；）； FpFp 试样产生完全弹性变形时的试样产生完全弹性变形时的最大外力（最大外力（N N）；）； So So 试样原始横截

12、面积（试样原始横截面积（mmmm2 2）。）。 2 2 刚度：刚度：即材料抵抗弹性变形的能力。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曲线上表现为oeoe段的斜率，即：段的斜率，即： E=E=/ 式中式中 EE弹性模量（弹性模量（MPaMPa）；）； 应力（应力（MPaMPa）；）； 应变。应变。3 3 强度：强度：即金属抵抗永久变形和断裂的能力。即金属抵抗永久变形和断裂的能力。 （1 1）屈服点）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

13、伸长（变形）时的应力。在拉伸曲线能继续伸长（变形）时的应力。在拉伸曲线上上s s点对应的点对应的应力为屈服点。应力为屈服点。 s=Fs/S0s=Fs/S0 式中式中 ss屈服点（屈服点（ MPaMPa ）；）； FsFs试样开始产生屈服现象时的（试样开始产生屈服现象时的（N N）；）； S0S0试样原始横截面积（试样原始横截面积（ mmmm2 2）。）。(2) (2) 抗拉强度：即试样拉断前承受的最大标称拉应力。抗拉强度：即试样拉断前承受的最大标称拉应力。 如图如图1-21-2所示，拉伸曲线上所示，拉伸曲线上b b点对应的应力为抗拉强度。点对应的应力为抗拉强度。 b b=Fb/S0=Fb/S0

14、 式中式中 b b抗拉强度（抗拉强度（MPaMPa）；）； FbFb试样断裂前所能承受的最大拉（试样断裂前所能承受的最大拉（N N）；）； S S0 0试样原始横截面积（试样原始横截面积（mmmm2 2 ）。）。4 4 塑性塑性 即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。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。常用的塑性判据是伸长率和断面收缩率。（1 1）伸长率）伸长率 即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。 =(L=(L1 1 - L - L0 0)/ L)/ L0 0 100%100% 式中式中 伸长率伸长率（%

15、）；）； L L1 1试样拉断后标距（试样拉断后标距（mm)mm)； L L0 0 试样原始标距试样原始标距（mm)mm)。 （2 2） 断面收缩率：即试样拉断后，缩颈处横截面积的最大断面收缩率：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。缩减量与原始的横截面积的百分比。 =（S0-S1S0-S1）/S0/S0100%100%式中式中 断面收缩率（断面收缩率（% %）；）； S1S1试样的原始截面积（试样的原始截面积（ mmmm2 2） S0S0试样拉断后缩颈处的最小横截面积（试样拉断后缩颈处的最小横截面积（mmmm2 2 ) )。5 5 硬度硬度 即材料抵抗局部变形的能

16、力。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。硬的判据，也是表征力学性能的一项综合指标。（1 1）布氏硬度试验布氏硬度试验 动画演示布氏硬度试验： 用一定直径的球体（钢球或硬质合金球）以相应的实验力压入试样表面，经规定时间后卸除实验力，用测量的表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验。 布氏硬度的（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

17、压痕深度面，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。增量计算硬度的一种压痕硬度试验。n6 6 韧性韧性 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。验来测定材料的韧性。 (h1-h2)/A 式中式中 冲击韧度（冲击韧度（J/cmJ/cm2 2） 试样的冲击吸收功（试样的冲击吸收功（J)J) 缺口底部横截面积缺口底部横截面积(mm(mm2 2 ) ) 摆锤重量摆锤重量(Kg) (Kg) h h1 1摆锤举起高度摆锤举起高度(m)(m) h h2 2击断试样后升起高度击断试样后升起高

18、度(m)(m)图图3 3 夏比冲击试验夏比冲击试验 金属材料的物理、化学性能金属材料的物理、化学性能包括密度、熔点、导电性、包括密度、熔点、导电性、导热性、磁性、热膨胀性、导热性、磁性、热膨胀性、耐热性和耐蚀性、光学性能耐热性和耐蚀性、光学性能等。等。 机械零件的用途不同，对机械零件的用途不同，对材料的物理、化学性能要求材料的物理、化学性能要求也不同也不同 。光学光学性能性能耐腐蚀耐腐蚀导热性导热性磁性磁性耐热性耐热性热膨热膨胀性胀性导电性导电性熔点熔点密度密度金属的金属的理化性能理化性能1.3.2 1.3.2 金属材料的物理、化学性能金属材料的物理、化学性能n金属的工艺性能金属的工艺性能：即

19、金属即金属材料对加工工艺的适应性材料对加工工艺的适应性。n 按加工方法不同，可按加工方法不同，可分为铸造性能、塑性成形分为铸造性能、塑性成形性、焊接性、切削加工性、性、焊接性、切削加工性、热处理工艺性等。热处理工艺性等。 金属的各种工艺性能将金属的各种工艺性能将在以后的有关章节中作详在以后的有关章节中作详细介绍。细介绍。铸造性铸造性塑性成形性塑性成形性焊接性焊接性金属的金属的工艺性能工艺性能1.3.3 1.3.3 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能1.1.常用的力学性能判据各用什么符号表示？它们的物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？理含义各是什么？2.2.测定下列

20、材料或零件的硬度宜采用何种硬度指标？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 灰铸铁思思 考考 题题33金属材料金属材料高分子材料高分子材料复合材料复合材料陶瓷材料陶瓷材料固体固体材料材料第二章 材料的内部结构、组织与性能本章主要讲解本章主要讲解 金属材料金属材料的内部结构、组织与性能的内部结构、组织与性能2.1 2.1 固体材料的分类固体材料的分类2.2 2.2 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶 按原子排列的特征，可将固体金按原子排列的特征，可将固体金属物质分为属物质分为 晶体晶体 和非晶体两大类。和非晶体两大类。n晶体：晶体： 物质内部的

21、原子是按一定的物质内部的原子是按一定的次序有规律排列的。如金刚石、石墨次序有规律排列的。如金刚石、石墨等，等，固态金属固态金属一般属于晶体。一般属于晶体。n非晶体：非晶体内部的原子则是无规非晶体：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。则排列的，如玻璃、松香和沥青等。晶体晶体的特点：具有固定熔点，各向异性（单晶）特的特点：具有固定熔点，各向异性（单晶）特 征；征；非晶体非晶体的特点：无固定熔点，其是在一个温度范围的特点：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；各向同性；晶体晶体与与非晶体

22、非晶体在一定条件下互相转化。在一定条件下互相转化。2.2.1 2.2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构n晶格晶格：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，如图个空间骨架，简称晶格，如图1-4(b)1-4(b)所示。所示。n晶胞晶胞：即晶格中最小的几何单元。即晶格中最小的几何单元。图图4 4 晶体结构示意图晶体结构示意图晶体结构晶体结构晶格晶格晶胞晶胞常见的金属晶体结构有、和等三种

23、类型。. .体心立方晶格体心立方晶格 体心立方的晶格是一个体心立方的晶格是一个立方体立方体，其中心和八个角上各有一，其中心和八个角上各有一个原子，如图个原子，如图1 15 5所示。所示。 属于这类晶格的金属有属于这类晶格的金属有-Fe-Fe、CrCr、WW、V V等。它们都具有较好的塑性和较大的强度。等。它们都具有较好的塑性和较大的强度。图图5 5 体心立方球体模型及其晶格体心立方球体模型及其晶格2.2.面心立方晶格面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，其六个面中心和一个立方体，其六个面中心和八个角上各有一个原子，如图八个角上各有一个原子，如图1 15 5所示。

24、属于这类晶格的金所示。属于这类晶格的金属有属有 -Fe -Fe 、CuCu、AlAl、NiNi等。等。n它们都具有较好的塑性。它们都具有较好的塑性。 图图1 16 6 面心立方球体模型及其晶胞面心立方球体模型及其晶胞. .密排六方晶格密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一个六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，如方柱体的中间还有三个原子，如图图1 17 7所示。属于这类晶格的金所示。属于这类晶格的金属有属有g g 、n n 、d d 、e e等。等。n 这类金属塑性较差

25、。这类金属塑性较差。图图1 17 7 密排六方球体模型及其晶胞密排六方球体模型及其晶胞 实际金属实际金属结构并不结构并不像晶体那像晶体那样规律和样规律和完整，存完整，存在在晶体缺晶体缺陷陷。空位、间隙原子和置换原子（点缺陷）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，导致金属的强度、电阻等增加，塑性下降， 是是固溶强化固溶强化的主要原因。的主要原因。错位（线缺陷）：高密度的线缺陷是导致错位（线缺陷）：高密度的线缺陷是导致加工硬化加工硬化 的主要原因之一；的主要原因之一； 无数的位错滑动无数的位错滑动导致晶体产生导致晶体产生 宏观塑性变形宏观塑性变形。晶界（面缺陷

26、）：晶界处的能量较高，稳定性差，熔晶界（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，致使力越大，同时晶粒的变形越均匀，致使强度、硬度越强度、硬度越高，塑性、韧性越好；在高温下的稳定性差，晶粒越高，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。细，高温性能就越差。实际实际金属金属结构结构2.2.2 2.2.2 金属的结晶过程金属的结晶过程、金属的结晶、金属的结晶n 即液态金

27、属凝固时原子即液态金属凝固时原子占据占据晶格的规定位置形成晶体的晶格的规定位置形成晶体的过程。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，即的关系曲线，即冷却曲线冷却曲线来表示，如图来表示，如图1-81-8所示。所示。图图1-8 1-8 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线T0 T0 理论结晶温度理论结晶温度TnTn实际结晶温度实际结晶温度TT过冷度过冷度T温度温度T0Tn时间时间2 2、过冷、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, ,而是必须而是必须冷却至理论

28、结晶温度以下的某个温度开始结晶的现象。冷却至理论结晶温度以下的某个温度开始结晶的现象。 过冷度过冷度: 理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度。理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度。 即：即： T=T0-TnT=T0-Tn式中式中 TT过冷度（过冷度（）；）； T0 T0 金属的理论结晶温度（金属的理论结晶温度（）；）； TnTn 金属的实际结晶温度（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。

29、越大。 3 3、金属的结晶过程、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。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。完毕整个过程。（1 1）形核）形核：又称成核，是过冷金属液中生成晶核的过程，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。种方式。 1 1）均质形核）均质形核：又称自发形核，是熔融

30、金属内仅因过冷而又称自发形核，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子自发聚集在一起，按晶体的固有规律排列起来形成晶核。核。 2 2）非均质形核）非均质形核：又称非自发形核，是以熔融金属内原有又称非自发形核，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。的或加入的异质点作为晶核或晶核衬底的形核过程。形核形核（2 2）晶核长大）晶核长大：即金属结晶时，即金属结晶时，晶粒晶粒长大成为晶体的过程。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

31、液态金属结晶过程中，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。消失、长大的晶体互相接触为止。 晶粒晶粒：多晶体材料内，晶体学位向（即原子排列的位向）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。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。晶界：相邻晶粒之间的界面称为晶界。4 4、晶粒度及其控制、晶粒度及其控制 晶粒度晶粒度：指多晶体内晶粒的大小，可用晶粒号、晶粒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

32、的晶粒数目来定量表征。平均直径、单位面积或单位体积的晶粒数目来定量表征。（1 1）晶粒度对金属力学性能的影响）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。部的结合力。（2 2）细化晶粒的方法）细化晶粒的方法 生产中常采用加入形核剂、增大过冷度生产中常采用加入形核剂、增大过冷度 、动力学法等、动力学法等来细化晶粒，以改善金属材料性能。来细化晶粒，以改善金属材料性能。1)1)加入形核剂加入形核剂 加入金属液中能作

33、为晶核，或虽未能成为晶核但能与液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素相互作用产生晶核或有效形核质点的添加剂。剂。2 2）增大过冷度）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，过冷度形核率的增长比长大速率的增加要快，过冷度TT越大，单位越大，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，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过冷度也就越大，故

34、可通过增加冷却速度的方法来使晶粒细化。化。）动力学法）动力学法通过机械振动、电磁搅拌等方式使金属中产生对通过机械振动、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，细化流，从而使生长中的晶核折断而增加晶核数目，细化晶粒。晶粒。）其它方法）其它方法 热处理、塑性变形等方法也能使金属细化。热处理、塑性变形等方法也能使金属细化。2.2.3 2.2.3 金属的同素异构转变金属的同素异构转变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的过程称为金属的同素异构转变。如纯铁的同

35、素异构转变。二次结晶二次结晶: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。和晶核的长大两个过程，故常称为重结晶或二次结晶。2.2.4 2.2.4 合金的晶体结构合金的晶体结构合金：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。金属材料。组元：组元：组成合金的最基本的、独立的单元称为组元。按照组元的数组成合金的最基本的、独立

36、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。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。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。组元组元1 1组元组元2 2组元组元3 3合合 金金 1.1.固溶体固溶体 (1) (1)固容体的类型固容体的类型n间隙固溶体：当溶质原子很小时，只间隙固溶体：当溶质原子很小时，只能处于溶剂原子的间隙中，称为间隙能处于溶剂原子的间隙中，称为间隙固溶体。固溶体。 如

37、图如图1-10a1-10a所示。如所示。如C C、H H、O O等等 原子易形成间隙固溶体。原子易形成间隙固溶体。n置换固溶体：当溶质和溶剂的原子直置换固溶体：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，子而占据溶剂晶格中的某些结点位置，称为置换固溶体。称为置换固溶体。 如图如图1-10b 1-10b 所示。如所示。如Fe-NiFe-Ni、Cu-Cu-NiNi等等。图图1-10a 1-10a 间隙固溶体间隙固溶体图图1-10b 1-10b 置换固溶体置换固溶体(2)(2)固溶强化固溶强化n固溶强化：固溶强化：通过溶入某种

38、溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象。n如图1-10c、1-10d所示。1-10c 1-10c 间隙固溶体晶格畸变间隙固溶体晶格畸变1-10d 1-10d 置换固溶体晶格畸变置换固溶体晶格畸变2 2、金属化合物、金属化合物：即由两组元的原子按一定的数量比相互化合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。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，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。碳钢中的通常具有较高的熔点和硬度，且脆性较大。碳钢中的FeFeC C、合金钢中的合金

39、钢中的TiCTiC、WCWC、VCVC等均属于金属化合物。等均属于金属化合物。 FeFeC C的晶的晶格如图格如图1-11b1-11b所示。所示。图图1-11a 1-11a 石墨的晶格石墨的晶格图图1-11b 1-11b 渗碳体的晶格渗碳体的晶格3 3、机械混合物：、机械混合物：即由纯金属、固溶体或化合物按一定的重即由纯金属、固溶体或化合物按一定的重量比组成的物质。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。合成晶体，在显微镜下可明显区别出各组成物的晶粒。 机械混合物的机械混合

40、物的通常介于各组成物之间，并取决于通常介于各组成物之间，并取决于各组成物的各组成物的含量含量、性能性能、分布分布和和形态形态。如碳钢中的珠光体就是。如碳钢中的珠光体就是由化合物由化合物和固溶体和固溶体组成的机械混合物，组成的机械混合物，其力学性能介于二者之间。其力学性能介于二者之间。1.1.何谓金属结晶？纯金属结晶有哪些基本规律？何谓金属结晶？纯金属结晶有哪些基本规律？2.2.生产中常用那些方法细化晶粒？各类方法使晶粒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？细化的机理是什么？3.3.试分析纯铁的结晶过程，并指出金属的同素异构试分析纯铁的结晶过程，并指出金属的同素异构 转变

41、与液态结晶的异同点。转变与液态结晶的异同点。二元合金结晶图（自学）二元合金结晶图（自学）n相图（状态图或平衡图）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。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。状态取决于程。状态取决于温度温度和和成分。成分。 1 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。、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 2、二元均晶相图：凡二元系中的、二元均晶相图：凡

42、二元系中的两组元两组元在在液态液态和和固态固态下均能下均能无限互无限互溶溶时，其所构成的相图；时，其所构成的相图； 3 3、二元共晶相图：当两个组元液态能无限互溶，但、二元共晶相图：当两个组元液态能无限互溶，但固态固态只能只能有限互有限互溶溶并且发生共晶反应时，其所构成的相图；并且发生共晶反应时，其所构成的相图； 4 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、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。固溶体而且发生包晶反应，其所构成的相图。332.3 2.3 铁碳合金铁碳合金 n铁碳合金铁碳合金：以铁为基体，以铁为基体，

43、有不同碳含量的合金，称有不同碳含量的合金，称为铁碳合金。碳主要影响为铁碳合金。碳主要影响铁碳合金性能的成分。铁碳合金性能的成分。（铁（铁- -碳合金的含碳量最高碳合金的含碳量最高不超过不超过5%5%）；）； 铁碳合金是工业上应用铁碳合金是工业上应用最广泛的合金。最广泛的合金。2.3.1 2.3.1 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织（1）铁碳合金中，固态时可形铁碳合金中，固态时可形成成、（2 2）铁碳合金的基本组织有）铁碳合金的基本组织有铁铁素体素体、奥氏体奥氏体、渗碳体渗碳体、珠珠光体光体和和莱氏体莱氏体。（3 3）纯铁纯铁：熔点：熔点15381538，有同有同素异构转变；素异构转变；（4

44、 4）碳碳：在铁碳合金中的存在：在铁碳合金中的存在形式有形式有固溶体、金属化合物、固溶体、金属化合物、石墨石墨。奥氏体奥氏体珠光体珠光体莱氏体莱氏体渗碳体渗碳体铁素体铁素体铁碳合金铁碳合金1.1.铁素体铁素体 铁素体铁素体 ：即即- Fe铁中溶入碳元素构成的固溶体，用铁中溶入碳元素构成的固溶体，用符号符号 F或或 表示。它仍保持溶剂表示。它仍保持溶剂- Fe的的的的体心立方体心立方晶格结构晶格结构。 由于由于- Fe内原子间的空隙比较小，故溶碳能力极内原子间的空隙比较小，故溶碳能力极小，在小，在727时溶碳能力达到最大，其碳的质量分数时溶碳能力达到最大，其碳的质量分数为为0.02%。随着温度下

45、降，溶碳量逐步减少，在室温。随着温度下降，溶碳量逐步减少，在室温时只能溶解微量。时只能溶解微量。 力学性能力学性能：强度、硬度低，塑性、韧性好。：强度、硬度低，塑性、韧性好。 2.2.奥氏体奥氏体 奥氏体奥氏体：即：即( (- Fe- Fe) )中溶入碳元素构成的固溶体，中溶入碳元素构成的固溶体，用符号用符号 A A 或或 表示。它仍保持表示。它仍保持- Fe- Fe的晶体结构。的晶体结构。由于由于- Fe- Fe内原子间的空隙比内原子间的空隙比- Fe- Fe大，故溶碳能力大，故溶碳能力也较大，在也较大，在11481148时的碳的质量分数可达时的碳的质量分数可达2.11%2.11%。 力学性

46、能力学性能：具有一定的强度，塑性很好。易锻压：具有一定的强度，塑性很好。易锻压成形。成形。3. 3. 渗碳体渗碳体 渗碳体渗碳体 :化学式为化学式为FeFe3 3C C的金属化合物。渗的金属化合物。渗碳体中碳的质量分数为碳体中碳的质量分数为6.69%,6.69%,晶格结构晶格结构复杂。复杂。 渗碳体在钢和铸铁中，一般以片状、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的性能影响很大，是铁碳合金的重要强化物。化物。力学性能力学性能：硬度很高：硬度很高 (HV=9501050)(HV=9501050)；而脆性

47、大，塑性极差，不能单独应用；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在铁碳合金中起强化作用。 图图1-12 1-12 渗碳体晶格渗碳体晶格4.4.珠光体珠光体 ( (金相组织金相组织珠光体珠光体 : :铁素体薄层铁素体薄层( (片片) )与渗碳薄层与渗碳薄层( (片片) )交替重叠组成的交替重叠组成的共析组织共析组织, ,用符号用符号 P P 表示表示, ,其碳的质量分数为其碳的质量分数为0.770.77。珠。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。光体通常是由奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体形成的。力学性能力学性能：介于铁素体和渗碳体之间：介于铁素体和渗碳体之间,

48、, 强度较高强度较高, ,塑性较差。塑性较差。莱氏体莱氏体 :即铸铁或高碳高合金钢中由奥氏体即铸铁或高碳高合金钢中由奥氏体( (或其转变产或其转变产物物) )与渗碳体组成的共晶组织，属于与渗碳体组成的共晶组织，属于机械混合物机械混合物，其碳的，其碳的质量分数为质量分数为4.3%4.3%。 莱氏体通常在高温下由奥氏体和渗碳体组成，莱氏体通常在高温下由奥氏体和渗碳体组成，727727以下以下由珠光体和渗碳体组成由珠光体和渗碳体组成, ,分别用符号分别用符号LdLd和和LdLd表示。表示。力学性能力学性能：与渗碳体相似，硬度很高，塑性极差。：与渗碳体相似，硬度很高，塑性极差。铁碳相图：铁碳相图：是用

49、纵坐标表示温度是用纵坐标表示温度, ,横坐标表示碳的量分数的横坐标表示碳的量分数的铁碳合金不同相的铁碳合金不同相的平衡图平衡图, ,如图如图1 -13 1 -13 所示。所示。用途用途： 铁碳相图是用实验方法作出的铁碳相图是用实验方法作出的, ,是研究钢和铸铁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。钢铁材料铸造、锻造和热处等热加工工艺的基本依据。相图中的主要特性点的含义 铁碳合金相图中用字母标出的点都表示一定的特性,故称为特性点,主要含义见表1-1（下一幻灯片）。相图中主要

50、线的含义：ACD线液图图1-13 1-13 铁碳相图铁碳相图1.1.铁碳相图及其各成分组织示意图铁碳相图及其各成分组织示意图符号符号温度温度含碳量含碳量%(重量重量)特性特性A15380 0纯铁的熔点纯铁的熔点C11484.34.3共晶反应点共晶反应点D12276.696.69渗碳体的熔点渗碳体的熔点E11482.112.11碳在碳在-Fe-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度F11486.696.69渗碳体渗碳体G9120 0-Fe-Fe与与-Fe-Fe同素异晶转变点同素异晶转变点K7276.696.69渗碳体渗碳体N13940 0 -Fe-Fe与与-Fe-Fe同素异晶转变点同素异晶转变点P72

51、70.02180.0218碳在碳在-Fe-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度S7270.770.77共析反应点共析反应点Q6000.0080.008600600时碳在时碳在-Fe-Fe中的最大溶度中的最大溶度 表表1 11 1 相图中主要特性点的含义相图中主要特性点的含义（）工业纯铁（）工业纯铁 即即w(C) 0.0218%w(C) 0.0218%的铁碳的铁碳合金。合金。室温组织室温组织： 为铁素体和极少量的三次为铁素体和极少量的三次渗碳体。渗碳体。钢钢白口铸铁白口铸铁工业纯铁工业纯铁铁碳合金铁碳合金（按质量分数）（按质量分数）(2) (2) 钢钢n钢：即钢：即0.0218%w(C)2.11%

52、0.0218%w(C)2.11% 的铁碳合金。的铁碳合金。 按碳的质量分数不同，钢可分为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共析钢、亚共析钢和过共析钢三类。三类。过共析钢过共析钢亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢钢钢 1)1)共析钢共析钢 即即W(C)=0.77%,W(C)=0.77%,室温组织为珠光体。室温组织为珠光体。 2)2)亚共析钢亚共析钢 即即W(C)0.77%,W(C)0.77%,W(C)0.77%,室温组织为珠光体和二次渗碳室温组织为珠光体和二次渗碳体体。 (3)(3)白口铸铁白口铸铁 即即2.11%w (C)6.69%2.11%w (C)6.69%的的铁铁碳合金。碳

53、合金。 按碳的质量分数不同，白按碳的质量分数不同，白口铸铁可分为共晶白口铸铁、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亚共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁三类。铸铁三类。亚共晶亚共晶白口铸铁白口铸铁过共晶过共晶白口铸铁白口铸铁共晶共晶白口铸铁白口铸铁白口铸铁白口铸铁1 1）共晶白口铸铁）共晶白口铸铁 W (C)W (C)4.3%4.3%，室温组织为莱氏体（室温组织为莱氏体（d d）。）。2 2）亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 W(C)4.3% W(C)4.3%W(C)4.3%，室温组织为莱氏体（室温组织为莱氏体（d d）和一次渗和一次渗碳体。碳体。3.3.典型铁碳合金的结晶过程典型铁碳合金

54、的结晶过程(1)(1)共析钢结晶过程共析钢结晶过程 动画演示 当液态金属冷却到1点温度时，开始结晶出奥氏体。随着温度的下降，奥氏体数量不断增多，剩余的液体量逐渐减少。 当冷却到2温度时，剩余的液体全部转化为单一均匀的奥氏体，结晶完毕。温度在2与3之间时，组织不发生变化。 L L+A L L+A A A P P（F+FeF+Fe3 3C C） 动画演示 温度在1点和3点之间的结晶过程与共析钢相同。 当冷却到3温度时，从奥氏体中开始析出铁素体，随着温度的下降，铁素体量不断增多，奥氏体量不断减少。 当冷却到4点温度时，剩余的奥氏体w(C) 增至0.77%，达到共析 L L+A L L+A A A A

55、+F A+F P+F P+F 动画演示动画演示 温度在1点与3点之间的转变和共析钢相同。 当冷却到3点温度时，开始沿奥氏体晶界析出渗碳体。随着温度下降，渗碳体的量不断增多，剩余奥氏体中的溶碳量逐渐减少。 L L+A L L+A A A A+ Fe A+ Fe3 3C C P+FeP+Fe3 3C C 动画演示动画演示 当液态合金冷却到1点以下温度时，发生共晶反应，转变为莱氏体，随着温度的下降，碳在澳氏体中的溶解度不断下降。由奥氏体中不断析出渗碳体。 当冷却到2点温度时，莱氏体中奥氏体的含碳量减少至0.77%，达到共析成分，发生共L LL Ld d（A+FeA+Fe3 3C C） L Ld d（

56、A+FeA+Fe3 3C+FeC+Fe3 3C C） LLd d（P+ FeP+ Fe3 3C+FeC+Fe3 3C C） 动画演示动画演示 当液态合金冷却到1点温度时，开始结晶出奥氏体。随着温度的降低，奥氏体量不断增多，而剩余的液体量不断减少。 当冷却到2点温度时，剩余的液体w(C)增至4.3%，达到共晶成分，发生共晶反应，转变为莱氏 L L+A L L+A L Ld d+A +A L Ld d+A+Fe+A+Fe3 3C C LLd d+P+Fe+P+Fe3 3C C 动画演示动画演示 当液态合金冷却到1点温度时，开始结晶出渗碳体。随着温度的下降，渗碳体的数量不断增多，剩余液体量逐渐减少。

57、 当冷却到2点温度时，剩余液体的w(C)减至4.3%，达到共晶成分，发生共晶反应，转变为莱氏体。 L L+ FeL L+ Fe3 3C C L Ld d+ Fe+ Fe3 3C C LLd d+ Fe+ Fe3 3C C（当当w(c)0.9%w(c)0.9%w(c)0.9%时时，随着碳含量的不断增加，钢的硬，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。渗碳体明显形成并不断增多所致。（3 3）在白口铸铁部分在白口铸铁部分，随着含碳量增加，硬度不断增加，随着含碳量增加，硬度不断增加，强度不

58、断下降，而塑性则几乎为零。这是由于莱强度不断下降，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。氏体或一次渗碳体等脆硬组织不断增多所致。1.比较铁碳合金各种基本组织的晶体结构和力学性能。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？碳钢与铸铁在成分与组织上有哪些区别？3.试分析试分析W(C)分别为分别为0.2%、0.77%、1.3%的铁碳合的铁碳合 金自高温缓慢冷却至室温的组织转变过程。金自高温缓慢冷却至室温的组织转变过程。44第三章第三章 改变材料性能的主要途径改变材料性能的主要途径1 1）金属热处理）金属热处理： 采用适当的方

59、式对金属材采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷料或工件进行加热、保温和冷却以获得预期的组织、结构与却以获得预期的组织、结构与性能的工艺。性能的工艺。 图图1-511-51所示温度时间曲所示温度时间曲线描述了其基本过程。线描述了其基本过程。 图图1-51 1-51 热处理工艺曲线示意图热处理工艺曲线示意图2 2）金属热处理的目的：）金属热处理的目的：n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；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；n消除毛坯缺陷，改善工艺性能，以利于进行冷、热加工；消除毛坯缺陷，改善工艺性能，以利于进行冷、热加工；n充分发挥材料的潜力，显著

60、提高其力学性能。充分发挥材料的潜力，显著提高其力学性能。3 3）应用：）应用：n机床工业中，有机床工业中，有60607070的零件需要热处理；的零件需要热处理；n汽车、拖拉机工业中，有汽车、拖拉机工业中，有70708080的零件需要热处理；的零件需要热处理；n各类工具、模具几乎都要进行热处理。各类工具、模具几乎都要进行热处理。 金属在固态下可相变、溶解度可变，或处于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），或表面可渗入其它元素的材料（化学热处理）。处理）。普通热处理