金属工艺学课件(PPT 172页)

1、主讲：主讲：马中全马中全 副教授w实习学时：实习学时：60w实验学时：实验学时：6w讲课学时：讲课学时：26山东建筑大学山东建筑大学 工程训练中心1金金 属属 工工 艺艺 学学 马中全 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

2、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、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

3、：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11161116世纪）世纪）1130113078078011001100战国编钟战国编钟（前前475221475221年）年）6565个个 总重总重25002500KgKg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5050T ,T ,长长5.35.3m,m,宽宽3 3m m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、

4、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沧州铁沧州铁狮狮铸造于铸造于公公元元953953年。年。铁狮子通铁狮子通高高5.785.78米，米，身长身长6.56.5米，体宽米，体宽3.173.17米，米，重约重约4040吨吨6本课程的性质和目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

5、 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，多，广，逻辑性差特点：杂，多，广，逻辑性差。本课本课学习学习方法方法是是：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7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 m

6、etals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8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。强度判据：屈服点屈服点 （屈服强度）、（屈服强

7、度）、 抗拉强度抗拉强度91011L0LKd0拉断拉断前前试样试样拉拉断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短短试样试样 L0=5d0说明说明：bkse拉伸力拉伸力 F O伸长量伸长量 LFsFbFe低碳钢的力低碳钢的力伸长曲线伸长曲线FF0AFbb %10000 LLLk 0AFss 12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sigmsigmL长度长度 Length 单位单位：mmmmA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（

8、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。MPaAFbb0 13补充资料：补充资料： GB/T2282002金属材料金属材料 室温拉伸试室温拉伸试验方法验方法 规定：断后伸长率规定：断后伸长率 A 表示；表

9、示； 断面收缩率断面收缩率 Z 表示；表示； 屈服强度屈服强度 Re 表示；表示； 抗拉强度抗拉强度 Rm 表示；表示；此规定代替此规定代替GB228-87，从从2002年年7月执行月执行。14二、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 after 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

10、作 代儿特%100XLoLoLk 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请打开教材打开教材40页，二部分页，

11、二部分。44钢铁力学性能与碳含量钢铁力学性能与碳含量WC的的关系关系45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 LLd4、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）46三、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过共析钢共析钢AF+ALEA+Fe3CL+A47三、合金的结晶过程分析三、合金的结晶过程分析AEGPQSFeLAL+AFF+

12、A F+PPP+Fe3CA+Fe3C0.772.11 、共析钢、共析钢 WC=0.77%123P、亚共析钢、亚共析钢123412344LL+AAF+AAPP+F冷却曲线冷却曲线过过共析钢共析钢 WC=1.0%状态图的应用：状态图的应用：自己看自己看P4548 四、碳素钢（简称：碳钢）四、碳素钢（简称：碳钢）carbon -steel本本内容内容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。非非合金钢合金钢是指是指W

13、C2.11%，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。493 、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，

14、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%502、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

15、%, 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，难用锻造方法成形的铸钢件。51（三）碳钢的

16、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 . FQ“屈屈”字汉语拼音字字汉语拼音字首首235s235MPaA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；

17、Q255；Q275五类。五类。见教材见教材105页页 表表52。522、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

18、：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5953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、壳等，焊接性好。200s200MPa400b400MPa还有：还有：ZG230450；用力不大的阀体、

19、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、ZG200400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。54作业：作业：机械工程材料实验与习题机械工程材料实验与习题 （1）P67 ：225（2） P68 ：238 （默画相图）默画相图） （3） P69：242 （计算题）计算题） 上作业本！上作业本！ 239；24055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

20、一、晶体结构的基本概念基本概念Base knowledge of the Metallic materical1.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；具有各向异性。如：食有熔点；具有各向异性。如：食盐，冰，金刚石，金属等。盐，冰，金刚石，金属等。 非晶体非晶体无熔点；各向同性。如：玻璃，无熔点；各向同性。如：玻璃，松香，沥青等。松香，沥青等。56二、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 bodycenter

21、ed 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个原个原子体积组成子体积组成。面心立方晶格面心立方晶格572. 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。abc晶晶 胞胞 示意图示

22、意图原子原子3. 晶格常晶格常数数a ,b , ca=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。583. 密排六方晶格密排六方晶格 hexagonal hexagonal closepacked closepacked latticelattice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。abCa=bc4. 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。

23、致密度致密度= = 原子体积原子体积晶胞体积晶胞体积43 r3a3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 =43a59三、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 示意图示意图由由多个单晶粒组成的晶体为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 0.1 0.10.0010.001mmmm 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）、（

24、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602、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 陷陷面面缺陷缺陷61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、

25、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 AlCu 等都称等都称二元合金二元合金。 3、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”。624、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

26、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、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。63 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

27、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64 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

28、固溶强化固溶强化。若若溶质原子质量分数（含量）适当，其力学性能高溶质原子质量分数（含量）适当，其力学性能高。2、金属化合物、金属化合物 compound 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CFe3C65 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

29、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。66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

30、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TT0T1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！Ttemperation67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

31、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，力学性能越高。、晶粒越细小，力学性能越高。68FF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。69四、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

32、1000 到到912 出现伸出现伸长现象。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70冷却曲线：冷却曲线：温度温度时间时间liquid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

33、心体心或者或者： 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71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CuNi成分变化：成分变化：Cu由由100%0%； Ni由由0%100%0100温度温度AB10831452L-liquidS-solidL+SWNi%结晶过程分析结晶过程分析：70%Cu+30%Ni 合金合金121点点以上为液体以上为液体 L到到1点

34、点开始结晶出固体开始结晶出固体 S12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 S2点点以下为固体以下为固体72ABCuNi12LSAB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+StO12LLS（L+S）S冷却曲线冷却曲

35、线73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：FeCFe3CFe2CFeC-Wc=6.69%-Wc=9.3%-Wc=17.8%Fe3CFe2CFeC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FeFeFeFe3 3C C 简化状态图简化状态图74二二、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

36、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。752、奥氏体奥氏体 Aaustenite 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。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

37、中起强化作用。-cementite4、珠光体珠光体 Ppearlite（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。765、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。力加工。是是高温下高温下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

38、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 LdLd =（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77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亚共析钢共析钢共析钢共析钢过过共析钢共析钢亚亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁共晶白口铸铁共晶白口铸铁过过共晶白口铸铁共晶白口铸铁78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

39、特性点、线、区域组织区域组织请请打开教材打开教材40页，二部分页，二部分。79钢铁力学性能与碳含量钢铁力学性能与碳含量WC的的关系关系80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 LLd4、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）81三、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过共析钢共析钢AF+ALEA+Fe3CL+A82三、合金的

40、结晶过程分析三、合金的结晶过程分析AEGPQSFeLAL+AFF+A F+PPP+Fe3CA+Fe3C0.772.11 、共析钢、共析钢 WC=0.77%123P、亚共析钢、亚共析钢123412344LL+AAF+AAPP+F冷却曲线冷却曲线过过共析钢共析钢 WC=1.0%状态图的应用：状态图的应用：自己看自己看P4583 四、碳素钢（简称：碳钢）四、碳素钢（简称：碳钢）carbon -steel本本内容内容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

41、三类。钢（碳钢）、低合金钢、合金钢三类。非非合金钢合金钢是指是指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。843 、硫、硫 S作用作用：形成：形成FeS(熔点熔点1190）

42、，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%852、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:

43、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 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

44、成形的铸钢件。形状复杂，难用锻造方法成形的铸钢件。86（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 . FQ“屈屈”字汉语拼音字字汉语拼音字首首235s235MPaA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

45、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。872、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。量较高的优质碳素

46、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5988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、壳等，焊接性好。200s200MPa

47、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、ZG200400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。89作业：作业：机械工程材料实验与习题机械工程材料实验与习题 （1）P67 ：225（2） P68 ：238 （默画相图）默画相图） （3） P69：242 （计算题）计算题） 上作业本！上作业本！ 239；24090第三章第三章 金

48、属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶本章本章重点：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。91滑移变滑移变形的实质形的实质：在切在切应力作用

49、下，某一部分沿一定的晶面和晶向相对于另应力作用下，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92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1122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

50、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； 冷卷冷卷弹簧弹簧； 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9394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 KT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 recry

51、stallization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：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95三、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、

52、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 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

53、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。96二、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

54、于流线方向垂直于流线方向抗剪切力大，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97 不合理不合理 合理合理作业：习题册作业：习题册 P7298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本章重点：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，

55、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。99滑移变滑移变形的实质形的实质：在切在切应力作用下，某一部分沿一定的晶面和晶向相对于另应力作用下，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100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

56、），性能趋于各向异性一、晶粒被拉长（压扁），性能趋于各向异性1122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； 冷卷冷卷弹簧弹簧； 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101102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

57、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 KT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：形核、长大方式完成。再结晶后晶格类型没有变化。T再再0.

58、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103三、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 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：

59、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。104二、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

60、.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105 不合理不合理 合理合理作业：习题册作业：习题册 P72106第四章第四章 钢的热处理钢的热处理 Heat treatment of carbon steel1、热处理概念、热处理概念 GB/T737299采用适当的方式对金属材料或工件进行采用适当的方式对金属材料或工件进行加热加热、保保温温、冷却冷却以获得预期