汽车材料与金属加工课件

1、书名：书名：汽车材料与金属加工汽车材料与金属加工ISBN： 978-7-111-37811-2作者：作者：高美兰高美兰出版社：机械工业出版社出版社：机械工业出版社本书配有电子课件本书配有电子课件汽车材料与金属加工汽车材料与金属加工 高职高专高职高专 ppt ppt 课件课件Automotivematerialsandmetalprocessing 汽车材料与金属加工汽车材料与金属加工 高职高专高职高专 ppt ppt 课件课件第第2章章 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶 2.1 纯金属与合金的晶体结构纯金属与合金的晶体结构 2.2 纯金属与合金的结晶纯金属与合金的结晶 2.3 铁碳合金

2、相图铁碳合金相图汽车材料与金属加工汽车材料与金属加工 高职高专高职高专 ppt ppt 课件课件2.1 纯金属与合金的晶体结构纯金属与合金的晶体结构 2.1.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 2.1.2 合金的晶体结构合金的晶体结构 2.1.3 金属实际的晶体结构金属实际的晶体结构汽车材料与金属加工汽车材料与金属加工 高职高专高职高专 ppt ppt 课件课件 2.1.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构自然界的固态物质，可分为晶体和非晶体两大类自然界的固态物质，可分为晶体和非晶体两大类 晶体晶体:原子是按一定几何形状有规律排列的原子是按一定几何形状有规律排列的 。 （金刚石、石墨、雪花、

3、食盐、（金刚石、石墨、雪花、食盐、固态金属及合金固态金属及合金）。）。石墨石墨食盐食盐纯铁纯铁汽车材料与金属加工汽车材料与金属加工 高职高专高职高专 ppt ppt 课件课件非晶体非晶体:原子或分子无规则堆积在一起的。原子或分子无规则堆积在一起的。 （玻璃、石蜡、沥青、松香等）。（玻璃、石蜡、沥青、松香等）。晶体晶体非晶非晶体体液体液体晶体结构晶体结构:晶体内部原子排列的规律及特性。晶体内部原子排列的规律及特性。 2.1.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构汽车材料与金属加工汽车材料与金属加工 高职高专高职高专 ppt ppt 课件课件 晶胞常数：晶胞常数：a、b、c、晶格常数：晶格常数：a、

4、b、ca)晶体中原子排列晶体中原子排列 b)晶格晶格c)晶胞晶胞1.1.晶格与晶胞晶格与晶胞结点结点晶格晶格：表示晶体中原子排列形式的空间格子。：表示晶体中原子排列形式的空间格子。晶胞晶胞：组成晶格的最小的几何单元称为晶胞。：组成晶格的最小的几何单元称为晶胞。晶格参数晶格参数：表示晶胞几何形状和大小的棱边长度和棱间夹角。：表示晶胞几何形状和大小的棱边长度和棱间夹角。汽车材料与金属加工汽车材料与金属加工 高职高专高职高专 ppt ppt 课件课件体心立方晶格体心立方晶格 （bcc）面心立方晶格面心立方晶格 （fcc）密排六方晶格密排六方晶格 （hcp）2.2.常见的金属晶格类型常见的金属晶格类型

5、汽车材料与金属加工汽车材料与金属加工 高职高专高职高专 ppt ppt 课件课件常见金属晶格类型的基本参数常见金属晶格类型的基本参数晶格类型晶格类型体心立方（体心立方（bcc）面心立方（面心立方（fcc）密排六方（密排六方（hcp）晶胞结构晶胞结构晶胞常数晶胞常数晶胞内原子晶胞内原子数数原子半径原子半径致密度致密度配位数配位数典型金属典型金属 abc90 abc90 ab c/a1.633 90 120 68%68%74%74%74%74%8 812121212-Fe、Cr、Mo、W、V、Nb-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、PbMg、Zn、Cd、Be、Ca汽车材料与金属加工汽车材料与金属

6、加工 高职高专高职高专 ppt ppt 课件课件有些金属在固态下，其晶体结构会随温度有些金属在固态下，其晶体结构会随温度变化而改变，这种现象称同素异构转变，变化而改变，这种现象称同素异构转变，转变产物称同素异构体。转变产物称同素异构体。如：如：-Fe -Fe（体积膨胀（体积膨胀1%）即：热缩冷涨（水即：热缩冷涨（水冰）冰） 意义意义：由于不同晶格类型原子排列紧密程度不由于不同晶格类型原子排列紧密程度不 同，晶格变化将导致金属的体积发生变同，晶格变化将导致金属的体积发生变 化，因此，同素异构转变时会产生较大化，因此，同素异构转变时会产生较大 的内应力的内应力 1394 912 -Fe-Fe -F

7、e-Fe-Fe-Febccbccfccfccbccbcc3.3.金属的同素异构转变金属的同素异构转变汽车材料与金属加工汽车材料与金属加工 高职高专高职高专 ppt ppt 课件课件有关合金的基本概念有关合金的基本概念 2.1.2 合金的晶体结构合金的晶体结构由两种或两种以上金属元素或金属元素与非金属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元素组成的具有金属特性的物质 合金合金组成合金的最基本的、独立的物质组成合金的最基本的、独立的物质 组元组元合金中化学成分、晶体结构和物理性能相同的均合金中化学成分、晶体结构和物理性能相同的均匀组成部分匀组成部分 相相泛指用金相观

8、察方法看到的由形态、尺寸和分布泛指用金相观察方法看到的由形态、尺寸和分布方式不同的一种或多种相构成的总体方式不同的一种或多种相构成的总体 组织组织合金的相结构合金的相结构1.固溶体固溶体 合金在固态下合金在固态下一种一种组元的晶格内溶解了组元的晶格内溶解了另一组元另一组元的原子，的原子， 形成的均匀相形成的均匀相概念概念 固溶体的晶体结构与溶剂相同固溶体的晶体结构与溶剂相同特点特点合金的相结构合金的相结构固溶体固溶体金属化合物金属化合物机械混合物机械混合物u 固溶体的分类固溶体的分类置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体特点：溶质原子位于溶特点：溶质原子位于溶 剂晶格某些结点剂晶格某些结点特

9、点：溶质原子溶入特点：溶质原子溶入 溶剂晶格间隙溶剂晶格间隙 固溶体的性能固溶体的性能 通过溶入溶质原子形成固溶体，使金属材料强度、硬通过溶入溶质原子形成固溶体，使金属材料强度、硬 度增加的现象度增加的现象 固溶强化固溶强化 无论是置换固溶体还是间隙固溶体，都因溶质原子的溶无论是置换固溶体还是间隙固溶体，都因溶质原子的溶 入而使溶剂晶格发生歪扭，从而使合金对塑性变形的抗入而使溶剂晶格发生歪扭，从而使合金对塑性变形的抗 力增加力增加 原原 因因 2.金属化合物金属化合物 合金组元间相互作用而形成的具有金属特性的一种新相合金组元间相互作用而形成的具有金属特性的一种新相 概念概念 晶格类型不同于任一

10、组元晶格类型不同于任一组元 特点特点 熔点高，硬而脆熔点高，硬而脆 性能性能 当金属化合物呈细小的颗粒弥散分布在固溶体基体上当金属化合物呈细小的颗粒弥散分布在固溶体基体上 时，能显著提高合金的强度、硬度和耐磨性，这种现时，能显著提高合金的强度、硬度和耐磨性，这种现 象称为弥散强化象称为弥散强化 弥散强化弥散强化 3.机械混合物机械混合物 由两相或两相以上组成的多相组织由两相或两相以上组成的多相组织 概念概念 各组成相仍保持它原有的晶格类型和性能各组成相仍保持它原有的晶格类型和性能 特点特点 性能介于各组成相性能之间，并与各组成相的性能介于各组成相性能之间，并与各组成相的 性能以及相的数量、形状

11、、大小和分布状况等性能以及相的数量、形状、大小和分布状况等 密切相关密切相关 性能性能2.1.3 金属实际的晶体结构金属实际的晶体结构金属实际金属实际的晶体结构的晶体结构由许多位向不同的单晶由许多位向不同的单晶体构成的晶体体构成的晶体多晶体多晶体晶体缺陷晶体缺陷实际晶体结构中，局部实际晶体结构中，局部原子排列的不规则性原子排列的不规则性单晶体单晶体多晶体多晶体多晶冰糖多晶冰糖单晶冰糖单晶冰糖晶体缺陷晶体缺陷空位、间隙原子、置换原子空位、间隙原子、置换原子点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷位错：刃型位错、螺型位错位错：刃型位错、螺型位错晶界、亚晶界晶界、亚晶界 晶体缺陷的类型晶体缺陷的类型晶体

12、缺陷晶体缺陷点缺陷点缺陷空位及间隙原子空位及间隙原子置换原子置换原子形成的原因形成的原因：热振动的偶然偏差热振动的偶然偏差 结结 果果：导致晶格畸变。导致晶格畸变。 晶格畸变将使晶体的强度、硬度和电阻增加。晶格畸变将使晶体的强度、硬度和电阻增加。线缺陷线缺陷晶体中呈线状分布的缺陷晶体中呈线状分布的缺陷（位错）（位错）刃型位错刃型位错晶体缺陷晶体缺陷刃型位错位错在晶体中有一列或若干列原子发生了某种有规律错 排的现象。刃型位错比较简单的位错形式线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷晶界、亚晶界晶界、亚晶界晶界晶界特征：特征：呈面状分布呈面状分布 产生产生晶格畸变晶格畸变亚晶界亚晶界（位错墙模型位错墙模型）晶体缺

13、陷晶体缺陷晶体缺陷对材料性能的影响晶体缺陷对材料性能的影响使实际金属的强度远远小于理想金属使实际金属的强度远远小于理想金属晶界处位错密度高，使其局部晶界处位错密度高，使其局部强度、硬度提高强度、硬度提高对实际金属来说，晶体缺陷越多对实际金属来说，晶体缺陷越多( (尤其位错尤其位错) )，强度、硬度越高，塑性、韧性越低强度、硬度越高，塑性、韧性越低 2.2 纯金属与合金的结晶纯金属与合金的结晶 2.2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶 2.2.2 合金的结晶合金的结晶 凝固凝固: : 液体液体 - - 固体（晶体固体（晶体 或或 非晶体）非晶体）结晶结晶: : 液体液体 - - 晶体晶体结晶结晶金属

14、由液体状态转变为金属由液体状态转变为晶体状态晶体状态的过程。的过程。液体液体晶体晶体1.纯金属的冷却曲线与过冷纯金属的冷却曲线与过冷度度过冷度：过冷度： T= T0 - Tn结晶的必要条件：结晶的必要条件： 必须有过冷度！必须有过冷度！影响过冷度的因素：影响过冷度的因素： V V冷冷 T1 T 纯纯度度 T1 T纯金属的结晶纯金属的结晶纯金属的结晶过程是在冷却曲线上的纯金属的结晶过程是在冷却曲线上的水平线段内水平线段内发生的，发生的，是是晶核的不断形成和长大晶核的不断形成和长大的过程的过程 。2.纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程纯金属的结晶纯金属的结晶3.金属晶粒大小与控制金属晶粒大小与控制晶

15、粒大小对性能的影响晶粒大小对性能的影响u晶粒越细，金属材料的晶粒越细，金属材料的强度、硬度强度、硬度越高，塑性、韧性越好越高，塑性、韧性越好，这种现象称，这种现象称为为细晶强化细晶强化。 纯金属的结晶纯金属的结晶 增加过冷度增加过冷度 进行变质处理（孕育处理）进行变质处理（孕育处理） 附加振动附加振动采用冷却能力强的铸模采用冷却能力强的铸模提高液体金属的过冷能力提高液体金属的过冷能力增加形核率增加形核率降低长大速度降低长大速度机械振动机械振动超声波振动超声波振动电磁振动电磁振动u细化晶粒的方法细化晶粒的方法纯金属的结晶纯金属的结晶1表面细晶粒层（激冷层）2柱状晶粒层3中心等轴晶粒 金属铸锭组织

16、纯金属的结晶纯金属的结晶表示在表示在平衡平衡条件下，合金的条件下，合金的状态状态与与温度和成分温度和成分之之间关系的图形，也称为间关系的图形，也称为状态图或平衡图状态图或平衡图。u在生产实践中，相图可作为正确制定铸造、锻压、在生产实践中，相图可作为正确制定铸造、锻压、焊接及热处理工艺的重要依据。焊接及热处理工艺的重要依据。合金相图（状态图）合金相图（状态图）合金的结晶要借助于合金相图合金的结晶要借助于合金相图来描述来描述。1.二元合金相图的建立二元合金相图的建立（以（以CuNi合金为例合金为例）1. 配制不同成分的配制不同成分的Cu-Ni合金合金2.测出所配制各合金的冷却曲线测出所配制各合金的

17、冷却曲线 3.找出各冷却曲线中的相变点；找出各冷却曲线中的相变点；4.将各合金相变点分别标注在温度将各合金相变点分别标注在温度-成分成分坐标图中相应成分的位置上坐标图中相应成分的位置上 ；5.连接各相同意义的相变点。连接各相同意义的相变点。2.匀晶相图匀晶相图特点特点：两组元在液态和固态下均可以任意比例互相溶解：两组元在液态和固态下均可以任意比例互相溶解相图分析相图分析 A：纯铜的熔点纯铜的熔点1083两点两点 B：纯镍的熔点纯镍的熔点1452 液相线液相线：上临界点的连线上临界点的连线两线两线 固相线固相线：下临界点的连线下临界点的连线 两个单相区：两个单相区：L 区和区和区区三区三区 一个

18、两相区一个两相区 L+结晶过程分析结晶过程分析:图图b)3.共晶相图共晶相图特点特点：两组元在液态能完全互溶，在固态下相互有限溶解或不溶，两组元在液态能完全互溶，在固态下相互有限溶解或不溶，并发生共晶转变的相图称为共晶相图并发生共晶转变的相图称为共晶相图 共晶转变：共晶转变：在一定温度下，由一定在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两种成分不成分的液相同时结晶出两种成分不同固相的转变。同固相的转变。 共晶相图共晶相图相图分析：相图分析：典型典型PbSn合金的平衡结晶过程合金的平衡结晶过程共晶相图共晶相图合金合金I（ED之间的合金）之间的合金） 合金合金I的冷却曲线及组织转变示意图的冷却曲线及

19、组织转变示意图室温组织：室温组织：+ 典型典型PbSn合金的平衡结晶过程合金的平衡结晶过程共晶相图共晶相图合金合金II（C点成分的合金）点成分的合金）共晶合金的冷却曲线及结晶过程示意图共晶合金的冷却曲线及结晶过程示意图 共晶合金的显微组织共晶合金的显微组织 室温组织：室温组织：（+） 典型典型PbSn合金的平衡结晶过程合金的平衡结晶过程共晶相图共晶相图合金合金III（EC点之间的合金）点之间的合金） 室温组织：室温组织：+II+（+）亚共晶合金的冷却曲线及结晶过程示意图亚共晶合金的冷却曲线及结晶过程示意图亚共晶合金的显微组织亚共晶合金的显微组织 （+）II典型典型PbSn合金的平衡结晶过程合金

20、的平衡结晶过程共晶相图共晶相图合金合金IV（CF点之间的合金）点之间的合金） 过共晶合金的冷却曲线和结晶过程过共晶合金的冷却曲线和结晶过程 过共晶合金的显微组织过共晶合金的显微组织 室温组织：室温组织：II+（+）共晶相图共晶相图以组织组分填写的以组织组分填写的PbSn二元合金相图二元合金相图 2.3 铁碳合金相图铁碳合金相图 2.3.1 铁碳合金的基本相及其组织铁碳合金的基本相及其组织 2.3.2 铁碳合金相图铁碳合金相图 2.3.3 铁碳相图的应用铁碳相图的应用 1.1.铁素体铁素体（F F 或或）：碳溶于-Fe-Fe中所形成的间隙固溶体 晶格结构：晶格结构：bccbcc 最大溶解度：最大

21、溶解度：0.0218%0.0218%（727727） 性能组织性能组织： R Rm m=180=180230MPa230MPa R ReLeL=100=100170MPa170MPa HBS=50HBS=508080 A=30%A=30%50%50% Z=70%Z=70%80%80% a ak k=160=160200J/cm 200J/cm 2 2 2.3.1铁碳合金的基本相及组织铁碳合金的基本相及组织2.2.奥氏体奥氏体（A A 或或）：碳溶于-Fe-Fe中所形成的间隙固溶体 晶格结构：晶格结构：FccFcc 最大溶解度：最大溶解度：2.11%2.11%（11481148） 性能组织性能组

22、织： R Rm m400MPa400MPa HBS=170HBS=170220 A=40%220 A=40%50%50% 2.3.1铁碳合金的基本相及组织铁碳合金的基本相及组织3.3.渗碳体渗碳体（ FeFe3 3CC ）：铁和碳所形成的金属化合物 晶格结构：晶格结构：复杂斜方复杂斜方 含含 碳碳 量：量：6.69%6.69% 性能组织性能组织： R Rm m30MPa30MPa HBW=800 AHBW=800 A0 Z Z0，硬而脆硬而脆 2.3.1铁碳合金的基本相及组织铁碳合金的基本相及组织4.4.珠光体珠光体（P P）：铁素体和渗碳体相间排列而成的层片状的机铁素体和渗碳体相间排列而成的

23、层片状的机 械混合物械混合物 平均含碳量：平均含碳量：0.77%0.77% 性能组织性能组织： R Rm m=750MPa=750MPa HBS=180HBS=180 A=20%A=20%25%25% a ak k=30=3040J/cm 40J/cm 2 2 2.3.1铁碳合金的基本相及组织铁碳合金的基本相及组织5.5.莱氏体莱氏体（LdLd ）：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物奥氏体和渗碳体组成的机械混合物 低温莱氏体低温莱氏体（LdLd）：珠光体和渗碳体组成的机械混合物珠光体和渗碳体组成的机械混合物平均含碳量：平均含碳量：4.3%4.3% 性能组织性能组织： 硬而脆硬而脆 2.3.1铁碳合

24、金的基本相及组织铁碳合金的基本相及组织2.3.2铁碳合金相图铁碳合金相图特性点特性点温度温度/w(C) (%)A15380C11484.3D12276.69E11482.11F11486.69G9120K7276.69P7270.0218S7270.77Q6000.00572.3.2铁碳合金相图铁碳合金相图相图分析相图分析特性线特性线含义含义备备注注ACD液相线液相线AECF固相线固相线 ECF共晶线共晶线 PSK共析线共析线A1 ES碳在碳在-Fe中的溶解度曲线，中的溶解度曲线，AcmGS奥氏体向铁素体转变的开始线奥氏体向铁素体转变的开始线A3GP奥氏体向铁素体转变的终了线奥氏体向铁素体转变

25、的终了线PQ碳在碳在-Fe中的溶解度曲线中的溶解度曲线2.3.2铁碳合金相图铁碳合金相图相图分析相图分析亚共析钢：亚共析钢：W WC C=0.0218%-0.77%=0.0218%-0.77%共共 析析 钢：钢：W WC C=0.77%=0.77%过共析钢：过共析钢：W WC C=0.77%-2.11%=0.77%-2.11% 3) 3)白口铸铁白口铸铁 ：2.11 % 2.11 % W WC C 6.69 %6.69 % 2 2）钢：）钢：0.0218 % 0.0218 % W WC C 2.11 % 2.11 %亚共晶白口铸铁：亚共晶白口铸铁：W WC C=2.11%-4.3%=2.11%

26、-4.3%共晶白口铸铁：共晶白口铸铁： W WC C=4.3%=4.3%过共晶白口铸铁：过共晶白口铸铁：W WC C=4.3%-6.69%=4.3%-6.69%2.3.2铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金的分类铁碳合金的分类1）工业纯铁）工业纯铁 wC0.02180.0218%的铁碳合金。的铁碳合金。2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%工工业业纯纯铁铁共共析析钢钢亚亚共共析析钢钢过过共共析析钢钢亚亚共共晶晶白白口口铁铁过过共共晶晶白白口口铁铁共共晶晶白白口口铁铁钢钢铸铁铸铁ABCDFENGPSKJHALFFeFeFeFe3 3C C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%共析

27、钢共析钢wwc c=0.77%=0.77%ABCDFENGPSKJHALFFeFeFeFe3 3C C2.11%4.3%6.69%0.77%0.0218%1320铁碳合金的平衡结晶过程分析铁碳合金的平衡结晶过程分析共析钢共析钢wwc c =0.77% =0.77%室温平衡组织室温平衡组织: :P P组成相的质量分数为：组成相的质量分数为： %12%881%88%10002. 069. 677. 069. 6(%)3CFeF铁碳合金的平衡结晶过程分析铁碳合金的平衡结晶过程分析123亚共析钢亚共析钢wwc c=0.0218=0.02180.77%0.77%1321铁碳合金的平衡结晶过程分析铁碳合金

28、的平衡结晶过程分析4亚共析钢亚共析钢wwc c=0.0218=0.02180.77%0.77%室温平衡组织室温平衡组织: :F+F+P P铁碳合金的平衡结晶过程分析铁碳合金的平衡结晶过程分析1234wc=0.2%wc=0.4%wc=0.6%过共析钢过共析钢wwc c=0.77=0.772.11%2.11%1321铁碳合金的平衡结晶过程分析铁碳合金的平衡结晶过程分析4过共析钢过共析钢wwc c=0.77=0.772.11%2.11%室温平衡组织室温平衡组织: : P+ Fe3C铁碳合金的平衡结晶过程分析铁碳合金的平衡结晶过程分析1234硝酸酒精侵蚀苦味酸侵蚀共晶白口铸铁共晶白口铸铁wwc c=4

29、.3%=4.3%12铁碳合金的平衡结晶过程分析铁碳合金的平衡结晶过程分析共晶白口铸铁共晶白口铸铁wwc c=4.31%=4.31%室温平衡组织室温平衡组织: :铁碳合金的平衡结晶过程分析铁碳合金的平衡结晶过程分析12dL亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁wwc c=2.11=2.114.3%4.3%321铁碳合金的平衡结晶过程分析铁碳合金的平衡结晶过程分析亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁wwc c=2.11=2.114.3%4.3%室温平衡组织室温平衡组织: : 铁碳合金的平衡结晶过程分析铁碳合金的平衡结晶过程分析12dL3过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁wwc c=4.3=4.36.69%6.69%321

30、铁碳合金的平衡结晶过程分析铁碳合金的平衡结晶过程分析过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁wwc c=4.3=4.36.69%6.69%铁碳合金的平衡结晶过程分析铁碳合金的平衡结晶过程分析123室温平衡组织室温平衡组织: : + Fe+ Fe3 3C CdLABCDFENGPSKQJHALFFeFeFeFe3 3C CLAL ACFeL3AFCFeA3CFeF3CFeP3dLCFeP3dLCFeA3CFeLd3CFeLd3FPPdLdL 铁碳合金平衡组织铁碳合金平衡组织标注了组织组成物的相图标注了组织组成物的相图3.铁碳合金的铁碳合金的 成分成分- -组织组织- -性能关系性能关系1.1.含碳量与组织关

31、系含碳量与组织关系（a a）和（）和（b b）：）：2.2.含碳量与相的相对量关系（含碳量与相的相对量关系（C ）：wCFF %，FeFe3 3C C %3.3.含碳量与性能关系（含碳量与性能关系（d d）：）：硬度：硬度：随随wC而而强度：强度：wC= 0.9% 0.9% 时最大时最大塑性、韧性：随塑性、韧性：随wC 而而 铁碳相图的应用铁碳相图的应用在选材方面的应用在选材方面的应用在铸造方面的应用在铸造方面的应用在锻轧方面的应用在锻轧方面的应用在焊接方面的应用在焊接方面的应用在热处理方面的应用在热处理方面的应用ABCDFENGPSKQJHALFFeFeFeFe3 3C CLAL ACFeL3AFCFeA3CFeF3CFeP3dLCFeP3dLC