工程材料导论课件

1、第一章 工程材料导论 第一节 材料的性能 第二节 材料的微观结构基础 第三节 铁碳合金相图 第四节 常用钢铁材料 第五节 钢的热处理 第六节 常用有色金属及其合金 第七节 金属材料的微观检验第一章 工程材料导论掌握金属材料的主要力学性能 能画出铁碳合金相图，并运用相图判断铁碳合金的成分、组织与性能。 熟悉热处理“四把火”，工艺特点和应用。 掌握常用钢铁和有色金属合金的种类、牌号、性能及应用。 本章基本要求工程材料的性能铸造性能 可锻性能可焊性能切削加工性能热处理性工艺性 使用性能力学性能物理性能化学性能工艺性能金属材料的主要性能1.使用性能 反映金属材料在使用过程中所表现出的特性。 包括： 力

2、学性能： （强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等） 物理性能： （密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、 磁性等） 化学性能： （抗大气、海水及其它介质腐蚀、抗高温氧化等2. 工艺性能 反映金属材料在加工制造过程中所表现出来的特性。 包括：铸造特性、压力加工特性、焊接特性、热处理特性、切削加工特性等。 在选择和应用金属材料时，一般无特殊要求时，首先考虑金属材料的使用性能，而在使用性能中，又主要以力学性能（机械性能）为主，因此作为本章讨论的重点。 力学性能：材料在外力（静载荷、动载荷、交变载荷）作用下，所表现出的性能。包括强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等,是选择、使用金属材料的重要依据。第一

3、节 材料的性能第一章 工程材料导论一、金属材料的力学性能 常用力学性能指标：第一章 工程材料导论1.1 静载荷下材料的力学性能 第一章 工程材料导论图1.1 拉伸试样(a) 拉断前 (b)拉断后1）强度：材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。抗拉强度测试实验FLF0d电子拉伸试验机第一章 工程材料导论工程应力：=F/A0工程应变：=(L-L0)/L0图1.3 低碳钢应力-应变曲线esbesbk0低碳钢的应力-应变曲线e最大弹性变形点s 屈服点b 最大外力点k 断裂点e弹性极限s屈服极限b抗拉强度第一章 工程材料导论四个阶段 1. 弹性变形阶段 变形可逆 变形量铸铁（灰口）铸钢（共晶点附近最好）

4、2.锻造性能（塑性、变形抗力） 低碳钢中碳钢（低合金钢）高碳钢（高合金钢）铸铁不可锻压3.焊接性能（可焊性、焊后开裂的倾向、焊区硬度） 低碳钢中碳钢（低合金钢）高碳钢（高合金钢）铜、铝合金4.切削性能（切削难易程度、加工表面质量）5.热处理工艺性能（热处理难易程度及产生缺陷的倾向） 淬透性、变形和开裂、过热敏感性、回火脆化和氧化脱碳等第一章 工程材料导论第二节 材料的微观结构基础2.1 晶体与非晶体晶体：材料内部的原子呈周期性规则排列，如固态金属、合金、金刚石、石墨等。非晶体：材料内部的原子排列是不规则的，如松香、玻璃、沥青等。性能差异：晶体具有一定的凝固点和熔点，非晶体没有；晶体呈各向异性，

5、非晶体各向同性;非晶没有晶界、枝晶，避免了偏析，从而具有高的强度、硬度，还有优异的耐腐蚀性。第一章 工程材料导论(a)(b)图2.1 晶体与非晶体的高分辨图像 (a) Si3N4陶瓷晶体 (b) 非晶碳膜2.2 晶体学基础第一章 工程材料导论图2.2 a) 晶体；b)晶格；c)晶胞；（1）基本概念晶格：描述晶体中原子排列规律的空间格架。晶胞：空间点阵中的最小几何单元，能代表整个晶格中的原子排列规律。晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。晶格常数：晶胞中各棱边的长度a,b,c及夹角, 第一章 工程材料导论（2）晶向和晶面（国际上通用米勒指数标定）晶向：空间点阵中各阵点列的方向。晶面

6、：通过空间点阵中任意一组阵点的平面。第一章 工程材料导论14种布拉菲点阵、7种晶系第一章 工程材料导论图2.3 14种布拉菲点阵（3）常见金属晶体结构三种面心立方体心立方密排六方第一章 工程材料导论图2.4 典型晶体类型 （4）金属的实际晶体结构 （多晶体缺陷）单晶体：晶体内部的晶格方位完全一致多晶体：许多晶粒组成的晶体结构晶粒：外形不规则而内部晶格方位一致的小晶体晶界：晶粒之间的界面晶体缺陷：金属晶体中，原子排列或多或少地存在偏离理想结构的区域，称为晶体缺陷。点缺陷线缺陷面缺陷第一章 工程材料导论2.3 金属的结晶和同素异构转变（1）纯金属的结晶过冷现象：在一定冷却速度下，实际结晶温度低于理

7、论结晶温度。过冷度T = T0 T1过冷是结晶的必要条件；冷却速度越快，过冷度越大。第一章 工程材料导论To时间温度理论冷却曲线实际冷却曲线T1结晶平台(是由结晶潜热导致)纯金属的冷却曲线纯金属的结晶过程第一章 工程材料导论随着温度降低，原子活动能力减弱，当达到结晶温度时，某些原子按一定规律排列聚集，形成晶核。晶核长大形成晶粒。过冷度对形核速率和长大速率的影响当T较小时，GN 晶粒粗大；当T较大时，NG 晶粒细小；当T过大时，N和G降低难以形核晶粒细化的作用和途径作用：提高材料的强度、硬度、塑性、韧性途径：1）增加过冷度：冷却速度愈大，过冷度愈大，形核数量愈多，晶粒愈细。 2）变质处理：在实际

8、生产中，通过向金属液中加入某些物质（称为变质剂），在金属液中形成大量分散的人工的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，这种处理方法称为变质处理。 3）振动：对正在结晶的金属施以机械振动、超声波振动和电磁振动，均可使树枝晶尖端破碎而增加新的核心，提高形核率，使晶粒细化。 第一章 工程材料导论（2）同素异构转变 （如Fe、Co、Ti等）同一种元素在固态下由于温度变化而发生的晶体结构的变化。 第一章 工程材料导论纯铁的同素异构转变液态铁 L-Fe-Fe-F心立方面心立方体心立方2.4 合金（1）基本概念合金：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质，如

9、钢、铁、黄铜(Cu-Zn)。组元：指组成合金的最基本的、能独立存在的物质， 如化学元素 Fe、C。 相：指合金中结构相同、成分和性能均一，并以界面相互隔开的组成部分。固溶体、金属间化合物。组织：是合金中不同相的组合。第一章 工程材料导论固溶体溶质原子溶入溶剂中并且保持溶剂晶格类型的晶体。按溶质原子在溶剂晶格中所处位置不同，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体。（原子半径、固溶度）固溶强化：由于溶质与溶剂原子半径不同，使溶剂晶格产生畸变，导致材料的变形抗力、硬度和强度增加。第一章 工程材料导论置换固溶体间隙固溶体置换固溶体中的晶格畸变金属间化合物合金组元发生相互作用而形成的一种新相，它的晶体结构类

10、型和性能均不同于任一组元，具有金属性质。特点：1）其晶格类型和性能不同于任一组元；2）一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆；3）作强化相，能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但降低合金的塑性。机械混合物：固溶体+金属化合物 、固+固，综合性能好，如：P-Fe+Fe3C第一章 工程材料导论第三节 铁碳合金相图3.1 铁碳合金的基本相和组织铁素体（F、 ）：碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。由于-Fe晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最大溶碳量只有0.0218%（727），所以是几乎不含碳的纯铁。 HB: 60奥氏体（A、 ）：碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。-Fe的溶碳能力较高，最大为2.11%（1

11、148）。显微镜观察，奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结构，并有明显的界限。具有良好的塑性和低的变形抗力。是绝大多数钢种在高温进行压力加工所需的组织。 HB：170210第一章 工程材料导论渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成的稳定化合物。含碳量为6.69%，硬度很高，脆性极大，是钢中的强化相。HRC65（或HB800）网状、针状、层状珠光体（P）：由铁素体F和渗碳体Fe3C组成的机械混合物。平均含碳量为0.77%，在727以下温度范围内存在。多呈层片状特征，表面具有珍珠光泽。片层愈密，强度愈高。HB：160260莱氏体（Ld）：由奥氏体A和渗碳体Fe3C组成的机械混合物。铁碳合金中含碳量为4.3%的液

12、体冷却到1148时发生共晶转变，生成高温莱氏体。合金继续冷却到727时，其中的奥氏体转变为珠光体，故室温时由珠光体P和渗碳体Fe3C组成，叫低温莱氏体。统称莱氏体。特点：硬、脆；高温Ld的硬度HB700第一章 工程材料导论3.2 合金相图 （平衡条件下，成分温度相）（1）合金相图的建立：配制合金冷却曲线相同意义点连线第一章 工程材料导论相图建立过程示意图(a) 冷却曲线； (b) Cu-Ni合金相图温度成分相变点液相线固相线合金冷却过程中，随温度的降低，液相和固相的成分都在不断变化（2）匀晶相图和共晶相图匀晶相图：凡是在液态和固态都能完全互溶，固态下形成无限固溶体的二元合金，均形成二元匀晶相图

13、。如Cu-Ni、Ag-Au，Fe-Ni等。匀晶转变：从液相结晶出单相固溶体共晶相图：两组元在液态时无限互溶，在固态下是有限固溶并能够发生共晶转变，产生共晶组织的合金构成的相图。如Ag-Cu、Fe-C等。共晶转变：在一定的温度下，由一定成分的液相中同时结晶出两种成分不同的固相的过程。第一章 工程材料导论LSLS1S2第一章 工程材料导论共晶线：MEN共晶点：E固溶度线：MF、NG亚共晶合金：成分在M-E之间过共晶合金：成分在E-N之间Pb-Sn的二元共晶相图3.3 铁碳合金相图重点内容（1）画图（2）特征点对应的温度、含碳量及其含义（3）特征线对应的温度、含碳量及其含义（4）各相区对应的显微组织

14、性能（5）结晶过程分析（6）相图的应用第一章 工程材料导论（1）Fe-Fe3C合金相图 简称FeC合金相图第一章 工程材料导论铁碳合金相图（2）特征点第一章 工程材料导论铁碳合金相图中的特征点（3）特征线第一章 工程材料导论A1线铁碳合金相图中的特征线ACD线：液相线，在此线以上的区域为液相， 当合金液冷却到此线时开始结晶。AECF线：固相线，合金熔液冷却到此线时结晶完毕，此线以下为固相区。ECF线：共晶线，它是一条重要的水平线，温度为1148，液态合金冷却到此线时，在恒温条件下，将从液体中同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，即发生共晶反应： 第一章 工程材料导论PSK线：共析线，代号A1。

15、也是一条重要的水平线，温度为727，当合金冷却到此线时，从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，即共析反应：ES线 ：代号Acm。是碳在奥氏体中的溶解度线。在1148时奥氏体中的溶碳能力最大为2.11%，随着温度降低溶解度沿此线降低，而在727时仅为0.77%C，所以含碳量大于0.77%的铁碳合金，自1148冷至727的过程中，由于奥氏体含碳量的减少， 将从奥氏体中析出二次渗碳体(Fe3CII)，以区别于自液体中结晶出的一次渗碳体(Fe3CI)。GS线 ：代号A3，奥氏体冷却到此线时，开始析出铁素体，使奥氏体含碳量沿此线向0.77%递增。 第一章 工程材料导论单相区：L、F（）、A （）

16、 、Fe3C 两相区： L+、 L+A、L+ Fe3C、 +A、 A+F、A+ Fe3C 、F+ Fe3C 三相区： L+ +A、 L+A+ Fe3C、A+F+ Fe3C（4）特征区第一章 工程材料导论（5）相图分析铁碳合金分类工业纯铁亚共析钢共析钢过共析钢亚共晶白口铁共晶白口铁过共晶白口铁第一章 工程材料导论钢生铁亚共析过共析亚共晶过共晶纯铁不同的组织是通过怎样的结晶过程得到的？共析钢第一章 工程材料导论123共析转变AF+F3CP亚共析钢第一章 工程材料导论1234PF5过共析钢第一章 工程材料导论1234网状Fe3CP共晶白口铁第一章 工程材料导论12共析转变共晶转变LA+F3CAF+F

17、3C白亮色Fe3C基体点状、短条状P+Fe3C亚共晶白口铁第一章 工程材料导论123块状P一圈白亮色Fe3CLd基体过共晶白口铁第一章 工程材料导论123Ld粗大的Fe3C（6）相图的应用含碳量对钢铁组织和性能的影响合理选材制定热处理工艺的依据铸造生产：共晶点附近铸造性能好； 锻造工艺：确定锻造温度及区间； 焊接工艺：研究焊缝区及近缝区组织和性能变化的理论依据，焊接缺陷用热处理改善；热处理工艺：根据状态图制定热处理工艺。第一章 工程材料导论第四节 常用钢铁材料4.1 钢的分类按化学成分分：碳素钢、合金钢按用途分：结构钢、工具钢、特殊性能钢按质量分：普通钢、优质钢、高级优质钢碳素钢低碳钢：Wc0

18、.3%中碳钢：0.3%Wc0.6%杂质元素： S、 P合金元素： Mn、Si、Cr、Ni、Mo、 W、 V、Ti 第一章 工程材料导论冷脆：P引起的低温脆性增加热脆：S引起的高温轧制时钢破裂普通碳素结构钢Q235AQ：屈服点235：屈服强度，MPaA：质量等级优质碳素结构钢45，0825，3055，60702位数字表示：含碳量万分之几（45/10000，即0.45%)碳素工具钢 （含碳量较高）T7、T8、T10A T：工具钢Tool8：含碳量千分之几（8/1000，即0.8%）A：高级优质，含S、P量0.03第一章 工程材料导论 低碳钢塑性好（冲击件、焊接）中碳钢强韧好（轴类、齿轮）高碳钢弹性

19、好（弹簧、垫片）合金结构钢60Si2Mn、16Mn、20CrMnTi、40Cr、GCr15首二位数：含碳量万分之几，如60即0.6%合金元素后的数：含该元素量百分之几，如2合金元素后没有数：含该元素量1.5%G：滚动轴承钢，C1.0%，Cr1.5%合金工具钢 （含碳量较高）9SiCr 、5CrMnMo、CrWMn 、 W18Cr4V首位数：含碳量千分之几，如0.9% 高速工具钢首位没有数：含碳量1，特例：含碳量1%合金元素后的数：含该元素量百分之几，如18合金元素后没有数：含该元素量1.5%特殊性能钢：不锈钢1Cr18Ni9Ti、耐热钢、耐磨钢第一章 工程材料导论4.2 铸铁 （碳在铸铁中的存

20、在形态不同）白口铸铁：Fe3C 灰口铸铁：石墨灰铸铁片状石墨球墨铸铁球状石墨可锻铸铁团絮状石墨蠕墨铸铁蠕虫状石墨石墨化：影响铸铁中石墨化的因素主要有化学成分和冷却速度。 第一章 工程材料导论灰口铸铁的显微组织第一章 工程材料导论灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁蠕墨铸铁灰口铸铁牌号HT150HT：灰铸铁150：抗拉强度，150MPaQT600-3QT：球墨铸铁600：抗拉强度，600MPa3：伸长率，3RuT300、RuT420、RuT380RuT：蠕墨铸铁300：抗拉强度，300MPa第一章 工程材料导论灰口铸铁牌号KTH330-08、KTZ450-06KTH: 黑心可锻铸铁，F基体KTZ：珠光铁可锻铸

21、铁，P基体330、450：抗拉强度330MPa、450MPa08、06：伸长率8、6第一章 工程材料导论铸铁的性能及应用白口铸铁：简称为白口铁，按照Fe-Fe3C 相图进行结晶而得到的铸铁。其中碳全部以渗碳体(Fe3C)形式存在，断口呈银白色。由于存在有大量硬而脆的Fe3C，硬度高，脆性大，很难切削加工。很少用来直接制造机器，主要用于炼钢原料或制造可锻铸铁的毛坯。 灰口铸铁：化学成分C、Si、Mn、S、P；抗拉强度低、塑韧性差，几乎没有延伸率，抗压强度远大于抗拉强度；抗压、耐磨、减振；不能锻造或冲压，焊接性差，但具有优良的铸造性能和切削性能；缺口敏感性小。常见的铸铁件多数是灰口铸铁，如机床床身

22、、箱体、底座等 。第一章 工程材料导论铸铁的性能及应用为了改善灰口铸铁的组织和力学性能，生产中常采用孕育处理的方法：使石墨细小、分散，减轻割裂作用。 可锻铸铁：又称玛铁或玛钢，由一定成分的白口铸铁经石墨化退火处理时渗碳体分解而获得团絮状石墨的铸铁。由于具有较灰口铸铁高得多的塑性和韧性，习惯上称为可锻铸铁，实际上并不可锻。适用于对机械性能要求较高，承受冲击负荷的薄壁、形状复杂的小型铸件，如各种管接头、阀门及汽车上的一些小零件。生产周期长，工艺复杂，成本较高。 第一章 工程材料导论球墨铸铁：铁水在浇注前经球化处理，其中碳大部分或全部以球状石墨形式存在，减少了石墨对基体的割裂作用，抗拉强度不亚于碳钢

23、，塑性和韧性比其他铸铁好。良好的铸造性能、切削加工性能、减磨减振性能。生产工艺比可锻铸铁简单，近年来日益得到广泛的应用。蠕墨铸铁：在出铁时往铁水中加入蠕化剂，进行蠕化处理，然后加入孕育剂作孕育处理而得到。其机械性能介于普通灰铸铁和球铁之间，热疲劳性能好。具有接近灰口铸铁的优良的铸造性能。它主要应用于一些经受热循环载荷，要求组织致密、结构复杂、强度高的铸件，如汽缸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸件。 第一章 工程材料导论第五节 钢的热处理 钢的热处理在固态下将钢加热到一定温度，进行必要的保温，以适当的冷却速度冷至室温，改变钢的组织结构和性能的工艺方法。热处理目的：提高金属材料的力学性能，延长零件使

24、用寿命。消除毛坯中的缺陷，改善工艺性能，为其他工艺处理（如锻造、焊接、切削等）做组织准备。热处理方法普通热处理表面热处理第一章 工程材料导论提高强度、硬度增加塑性、降低硬度正火淬火回火退火区别在于加热温度冷却方式 5.1 钢在加热和冷却时的组织结构转变组织转变的 临界温度第一章 工程材料导论（1）平衡条件下 A3、Acm、A1（2）实际生产中加热：Ac3、Accm、Ac1冷却：Ar3、Arcm、Ar1加热和冷却速度越大，相变温度偏离平衡临界点的程度也越大，即过热度和过冷度越大。 钢的固态相变 （1）钢在加热时的组织结构转变大多数热处理工艺都是将钢加热至临界温度以上，奥氏体区域，使其室温组织转变

25、为均匀奥氏体，即“奥氏体化”。 以共析钢为例奥氏体形核奥氏体长大A成分均匀化第一章 工程材料导论P（FFe3C）A体心立方复杂结构面心立方奥氏体的形成过程 第一章 工程材料导论A形核：晶核易于在F和Fe3C相界面形成，由于位错、空位 密度高。影响因素：T、C%、P粗细(b)A长大： FA （先完成）； Fe3C溶解。 影响因素：T、t、合金元素Ti、Cr(c)残余Fe3C溶解：残余Fe3C溶入A(d)A均匀化：保温，碳扩散使A的含C量趋于均匀。 4.2 钢的基本热处理方法退火：将钢加热到一定温度，保温一定时间，随后在炉中缓慢冷却，以获得近于平衡组织的一种热处理方法。正火：将钢加热到Ac3线（亚

26、共析钢）、 Ac1线（共析钢）、 Accm线(过共析钢）以上3050，保温一定时间后，出炉在空气中冷却的热处理方法。淬火：将钢加热到Ac3线（亚共析钢）、 Ac1线（共析钢和过共析钢）以上30 50，保温后在水或油中迅速冷却的热处理方法。回火：将淬火后的钢重新加热至Ac1线以下的某一温度，保温后在空气中冷却的一种热处理方法。注意：淬火与回火成对使用。第一章 工程材料导论 （1）退火 （A均匀化）目的：降低硬度，以利于切削加工； 细化晶粒，均匀组织、改善性能； 增加塑性和韧性，消除内应力； 为淬火作好组织准备。完全退火用于亚共析钢加热到Ac3线以上3050 球化退火（不完全退火）用于共析、过共析

27、钢和铸铁件加热到Ac1线以上1020 第一章 工程材料导论去应力退火加热到Ac1以下某一温度 (约500650) 保温后缓冷完全A化未发生相变 （2）正火目的：提高硬度、改善切削加工性对重要件：为淬火作准备与退火的区别 ：组织不同（SP）硬度略高，切削性能好消除内应力不如退火彻底不占用设备第一章 工程材料导论完全A化亚共析：Ac3共 析：Ac1过共析：Accm3050第一章 工程材料导论 （3）淬火 （AM）目的：提高硬度、耐磨性应用：工具、模具、量具、滚动轴承马氏体（M）：碳在-Fe中的过饱和固溶体。 第一章 工程材料导论亚共析：Ac3共 析：Ac1过共析：Ac13050 （4）回火（与淬火

28、并用，重新加热至Ac1以下）目的消除淬火产生的内应力降低脆性、提高韧性调整硬度、防止开裂变形分类低温回火：150220，保持高硬度、耐磨性中温回火：350500，降低脆性、提高弹性高温回火：500650，获得较好的强、硬、塑、韧综合性能。调质处理：淬火高温回火第一章 工程材料导论回火马氏体M回火托氏体T回火索氏体S P、S、T的 显微组织第一章 工程材料导论PTS第六节 常用有色金属及其合金第一章 工程材料导论 有色金属非铁金属 Au、Ag、Cu、Al、Mg、Mo、Ti、Ni导电、耐腐蚀、质轻、耐高温铝及铝合金铜及铜合金变形铝合金铸造铝合金变形铜合金铸造铜合金黄铜青铜白铜第一章 工程材料导论 6.1 铝及铝合金纯铝: 密度2.72g/cm3,熔点 660面心立方，无同素异构转变硬度低抗拉强度低 80100MPa塑性成形性好铝合金：通过合金化和热处理提高力学性能Al-Mg