金属工艺学五

金属工艺学主讲：马中全副教授实习学时：60实验学时：6讲课学时：26山东建筑大学

工程训练中心1金属工艺学

马中全2绪论★世界四大材料：钢铁、木材、塑料、水泥(如生产一根“轴”)

★材料分：金属材料、非金属材料、复合材料金属材料—指钢铁、有色金属等材料非金属材料—无机高分子材料（陶瓷、水泥、木材等），有机高分子材料（如塑料、橡胶），复合材料---玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材料。★现在新材料----纳米材料、智能材料3

★材料按物质结构不同分：

金属材料、非金属材料（有机高分子材料和陶瓷料)、复合材料★材料按用途不同分：

机械工程材料、土木工程材料、电工材料、电子材料

★材料按功能不同分：

结构材料、功能材料、磁性材料等4材料发展概括▲《天工开物》—明朝科学家：宋应星箸▲石器时代陶器时代铜器时代：司母戊鼎（公元前11—16世纪）1130×780×1100战国编钟（前475—221年）65个总重2500Kg天然石，兽骨，树枝泥巴（日晒→原始陶器；火烧→瓷器用具）铁器时代沧州大狮（公元953年）重50T,长5.3m,宽3m人工复合材料塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等《本草纲目》《农政全书》—李时珍—徐光启★智能材料5沧州铁狮铸造于公

元953年。铁狮子通高5.78米，身长6.5米，体宽3.17米，重约40吨6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基础课。2、目的：a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。d为后续课程和从事技术工作打下基础。1、性质：特点：杂，多，广，逻辑性差。本课学习方法是：预习、笔记、复习、讨论问题本教材的重点：常见的材料牌号及应用，钢的热处理7第一章金属材料的力学性能Mechanicspropertiesofmetals金属材料的性能〈使用性能—力学、物理、化学工艺性能—铸造、锻压、焊接、切削加工力学性能：受外力作用下所表现出的性能。不能说：机械性能判据如：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等8第一节强度与塑性一、强度strength概念：强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂

的能力。通过拉伸试验测得大小。强度判据：屈服点（屈服强度）、抗拉强度9

1011L0LKd0拉断前试样拉断后试样试样按GB6397—86制取，分分长试样L0=10d0短试样L0=5d0说明：bkse拉伸力FO伸长量△LFsFbFe低碳钢的力——伸长曲线FF12说明：—单位面积上的的内力称应力力。读[sigm]L—长度Length单位：mmA—截面积Area单位：mm2F—外力Force单位：Ns—屈服点的值单位：MPa（兆帕）megapascal◆屈服点概念：力不增加仍能能继续伸长时时的应力。用符号：s表示◆抗拉强度概念：试样拉断前所所承受的最大大拉应力。用符号：b表示补充：bb表示抗弯强度注：s、b是设计与选材材的重要依据据另：e表示弹性极限限。在外力作作用下产生弹弹性变形时所所承受的最大大拉应力。13补充资料：GB/T228—2002《金属材料室室温拉伸试验验方法》规定：断后伸伸长率A表表示；断面收缩率Z表表示；；屈服强度Re表表示；抗拉强度Rm表表示；；此规定代替GB228---87，，从2002年7月执行行。14二、塑性plasticity概念：在外力作用下下产生永久变变形而不破坏坏的能力。判据：断后伸长率、、断后断断面收缩率◆断后伸长率Percentageelongationafterfracture概念：试样断后标准准的伸长量与与标准的百分分比。用符号表示，读作[代儿特]其中：Lk—断后试样长长度Lo—试样原始长长度◆断后断面收缩缩率概念：断后截面处面面积的最大缩缩减量与原始始截面面积百百分比。用符号号表示，，读读作[扑洒哎哎]说明：伸长长率和和收缩缩率在在实际际应用用中，，一般般是用用表示塑塑性大大小。、ΨΨ越大，材材料的的塑性性越好好。通通常认认为<5%脆性材材料。Ψ15第二二节节硬度度Hardness硬度—是指材材料抵抵抗局局部变变形，，特别别是塑塑性变变形、、压痕痕或划划痕痕的能能力。。硬度是是衡量量材料料软硬程度的的判据据。一、布氏硬硬度BrinellHardness用符号号：HB表表示示N/mm2(Kgf/mm2)。说明：：1、、压头头为淬淬火钢钢球用用HBS表示，，数值值∠450用于测测量有有色金金属、、退火火或正正火钢钢件、、灰铸铸铁材材料。2、压压头为为硬质质合金金用HBW表示，，数值值450——650生产中中一般般不用用HBW来测量量材料料的硬硬度。。3、表表示法法：数数字在在前、、字母母在后后。如如200HBSI50HBS～～175HBS；标注时时不要要写成成HBS=200，或HBS=150～175，或或500HBS，不要出出现单单位；；数值值差不不要超超过30。4、不不宜测测量薄薄件、、成品品件。。因压压痕大大。S—steel（钢））FD工件压头：：钢球球或硬硬质合合金d16二、洛氏硬硬度RockwellHardness原理是是用120°的的金刚刚石圆圆锥或或尺寸寸很小小的淬淬火钢钢球作作为压压头，，在一一定的的压力力作用用下，，压入入材料料表面面，在在指示示盘上上显示示出硬硬度值值大小小。常用用的的是是用用符符号号HRC表示示。没没有有单单位位。。注：：GB/T230——91规定定有有九九种种表表示示硬硬度度方方法法，，常常见见的的有有A、、B、、C三三种种，，如如HRA、、HRB、、HRC、、HRD、、HRE等等，，因因施施加加压压力力和压压头头材材料料不不同同而而出出现现了了不不同同的的标标尺尺A、、B、、C、、D、、E等等说明明：：1、、数数字字在在前前、、字字母母在在后后，，如如45HRC；；35HRC～～38HRC2、、HRC适用用范范围围数数值值20～～70；小小于于或或大大于于这这个个范范围围均均为标标注注错错误误！！如如17HRC；；75HRC；；HRC=15～～19等。。3、、在在图图纸纸标标注注时时注注意意数数值值差差应应≯5，，否否则则为为标标注注错错误误。。4、、适适用用于于测测量量硬硬度度较较高高的的材材料料，，如如淬淬火火钢钢件件；；测测量量成成品件件或或半半成成品品件件。。因因压压痕痕较较小小。。压压头头直直径径1.587mm。17补充充标标准准：国家家标标准准工工程程建建设设（（GBJ））；；国家家计计量量技技术术法法规规（（JJG））；；山山东东省省企企业业标标准准（（Q/））；；城建建行行标标（（CJ、、CJJ））；；建材材行行标标（（JC））；；建工工行行标标（（JG、、JGJ））；；山东东省省地地方方标标准准（（DB37））；；冶金金行行标标（（YB、、YBJ））；；国际际标标准准化化组组织织标标准准（（ISO））；；InternationalStandardsOrganization120°Fh工件件压头头18第三三节节冲冲击击韧韧性性与与疲疲劳劳强强度度Impacthardnessandfatiguestrength一、、韧韧性性韧性性是是指指金金属属在在断断裂裂前前吸吸收收变变形形能能量量的的能能力力。。韧韧性性的的判判据据通通过过冲冲击击实实验验来来测测定定。。1.摆锤锤式式一一次次冲冲击击实实验验GB229——94规规定定：：将将材材料料制制成成带带有有V型缺缺口口标标准准冲冲击击试试样样。。用符符号号：：AKV表示示J/cm2见教教材材P9图图1——6说明明：韧性性值值与与温温度度有有关关；；在在20℃℃左左右右可可不不显显脆脆性性，，温温度度降降低低后后韧韧性性值值减减小小，，易易脆脆断断。。如如：：碳碳钢钢——20℃℃以以下下，，易易发发生生脆脆断断。。此此时时的的温温度度称称————脆性性转转变变温温度度。2.多次次冲冲击击试试验验———小能能量量多多次次冲冲击击注：：冲冲击击能能量量小小时时，，取取决决于于材材料料的的强强度度；；冲击击能能量量大大时时，，取取决决于于材材料料塑塑性性。。二、、疲疲劳劳强强度度———用符符号号：：σ-1（教教材材P10自自己己看看））19复习习与与思思考考题题：：1、、某厂厂购购进进一一批批钢钢材材，，从从中中制制取取d0=10mm的圆圆形形截截面面短短试试样样，，经经拉拉伸伸实实验验后后，，测测得得Fb=33.81KN,Fs=20.68KN,Lk=65mm,dk=6mm.试问问这这批批钢钢材材的的力力学学性性能能是是否否合合格格？？（（注注：：GB699——88规规定定此此种种钢钢材材的的力力学学性性能能判判据据：：b=375MPa；；s=225MPa;5=27%;=55%)。2、下列硬硬度要求求或写法法是否恰恰当？为为什么？？（1）HRC12～17；（（2）HRC=50～60Kgf/mm2；（3）500～～530HBS；；（4）70HRC～75HRC；；（5））230HBW；3、整体硬硬度要求求230HBS～250HBS的轴轴类零件件，精加加工后再再抽查，，应选用用什么硬硬度计测测量硬度度较合适适？4、一紧固固螺钉在在使用过过程中发发现有塑塑性变形形，是因因为螺钉钉材料的的力学性性能哪一一判据的的值不足足？5、用洛氏氏硬度试试验方法法能否直直接测量量成品或或教薄工工件？为为什么？？20第二章金金属材材料的基基础知识识第一节金金属属的晶体体结构一、晶体体结构的的基本概念念BaseknowledgeoftheMetallicmaterical1.晶体与非晶体概念：原原子按一一定几何何形状作作有规律律的重复复排列的的固体物质质——称称晶体；非晶体则反之。。特点：晶体——①有有熔点；；②具有有各向异异性。如如：食盐盐，冰，，金刚石石，金属属等。非晶体——①无无熔点；；②各向向同性。。如：玻玻璃，松松香，沥沥青等。。21二、常见见的晶格类型型1.体心立方方晶格body—centeredcubiclattice特点：b较好。如如：＜912℃℃Fe,Cr,Mo,V等等。体心立方方晶格含有2个原子体体积组成成。2.面心立方方晶格face—centeredcubiclattice特点：较好。如：＞＞912℃Fe,Cu,Al等等金属属。含有4个原子体体积组成成。面心立方方晶格222.晶晶格与晶晶胞晶格：表示晶体体中原子子排列形形成的空空间格子子。晶胞：组成晶格格最基本本的几何何单元。。abc晶胞示示意图图原子3.晶晶格常数数——a,b,ca=b=c且互互垂直表示晶胞几何何形状大大小晶体中的的原子排排列晶面结点形成的原原因：各原子之之间相互互吸引力力与排斥斥力相平平衡结果果。233.密排六方方晶格hexagonalclosepackedlattice特点：硬度高、脆性大。如：锌锌(Zn),镁(Mg),镉镉(Cd)等金金属。abCa=b＜＜c4.晶晶格致密密度——原子排列列的紧密密程度。致密度=—————=————原子体积积晶胞体积积—43πr3a3结果：体体心=0.68面心=0.74六方=0.74原子半径径r=a24三、金金属属的实际际晶体结结构(教材20页页三)（一）、、多晶体结结构晶粒晶界多晶体示示意图图由多个单单晶粒组组成的晶晶体为多晶体通常：钢钢铁材料料晶粒尺尺寸为为0.1～0.001mm◆显微组织织：在显微微镜下观观察到其其形态、、大小、、分布不不同的组组成物。。（二）、、晶格缺陷陷1、点缺陷：在长、、宽、高高方向尺尺寸都有有很小变变化的一一种缺陷陷。↗↘间隙原子子晶格空位位252、线缺陷：在晶格格中呈线线状分布布的缺陷陷。↗↗，↘↘3、面缺陷：呈面状状分布的的缺陷。。↑↑，，↓↓线缺陷陷面缺陷26第二节合金的相相结构一、有关合合金的基本本概念1、合金alloy由两种或两两种以上金金属元素或或者金属元元素与非金金属元素组组成的具有有金属特性性的物质。。2、组元constituent组成合金的的最基本的的独立的物物质称组元元，简称““元”。如如：黄铜Cu—Zn；硬铝铝Al——Cu等等都称二元合金。3、系system由给定组元元可以按不不同比例配配制一系列列成分不同同的合金，，简称：““系”。274、相图：表示合金金系中合金金状态与温温度、成分分之间的关关系的图解解。如：铁碳合金状状态图5、相phase：指同一化化学成分，，同一结构构并以界面面互相分开开的均匀组组成部分。如固相、液相相等。6、组织structure：借助于放放大镜、显显微镜下观观察到具有有某种形态态、形貌特特征的组成成部分。二、合金的的相结构1、固溶体体solidsolution◆概念：溶质质原子溶入入溶剂晶格格中所形成成的一种均均匀固体。。如；糖水水—溶剂，，糖—溶质质。28◆分类：按溶质原子在溶剂中分布情况况不同，分分置换固溶体体和间隙固溶体体两类①置换固溶体体——溶质原子替替换晶格上上的原子②②间隙固溶体体——溶质原原子溶入晶晶格原子间间隙a)间隙固溶体体b)置换固固溶体特征：晶格类型型不变，化化学成分有有限，性能能发生变化化29◆特征：（1）晶格格仍保持原原晶格（溶溶剂）。（2）化学学成分在一一定范围内内可改变。。（3）性能能随化学成成分改变而而逐渐变化化。◆性能：造成晶格畸畸变，强度度、硬度上上升。这种种现象称固溶强化。若溶质原子子质量分数数（含量））适当，其其力学性能能高。2、金属化化合物compound◆概念：：合金元素之之间发生相相互作用而而生成的一一种具有金金属特性的的新相。如如Fe与C→Fe3C30◆特征（1）具有有一定的化化学成分。。（2）与与任一组元元成分不同同。（3））熔点高脆脆性大硬度度高。◆性能晶格复杂斜斜方，σ、HB↗↗↗，δ、ak↘↘，脆性性大3、机械混混合物mixture◆概念念：两相按固定定比例构成成的组织（（复合相）），称机械械混合物。。如铁碳碳合金中F与Fe3C结合为P◆特征：各相保持自自己的晶格格类型、性性能特点。。强度、硬度度适中，目前钢铁材材料中大部分是这种种组织。31第三节纯纯金金属的的结晶晶一、结晶的的概念1、结晶crystallization由液态转变变为固体晶晶体的过程程。或者描述为为：原子由不规规则排列到到有规则排排列过程。。或者描述为为：晶体结结构形成的的过程。如水——冰冰2、冷却曲线与与过冷度ΔT℃T0T1时间O冷却曲线★平台：结晶过程时时间。是结晶时时放出的热热（潜热））造成的。。★T0——理论结晶温温度T1—实际结晶温温度T0—T1=ΔT过冷度过冷是结晶晶的必要条条件！T—temperation32结论：冷却速度度↗——△T↗或或者说：△△T↗↗——△F（结晶能量量）↗——结晶晶驱动力↗↗——结晶晶倾向↗二、结晶过过程过程：不断形核和和晶核不断断长大的过过程。三、晶粒大大小控制1、晶粒越细细小，力学学性能越高高。33FF结果：小鸡蛋蛋不易碎，大大鸡蛋容容易碎举例：两组大大小不同的鸡鸡蛋受力情况况2、细化晶粒方法法：（1）增加△T。（2）孕育处理（变变质处理）。（3）附加振动或搅搅拌。34四、金属的同同素异构转变变——补充内容铁丝加热实验验示意图铁丝标尺支架现象：加热时铁丝伸伸长，到912℃开始收缩。若冷却时从1000℃到912℃℃出现伸长现象象。◆概念：在固态下随温温度发生变化化，其晶格类类型发生转变变的现象-———同素异构转变变。◆冷却曲线：用冷却曲线表表示出此现象象。实质是：原子排列不同同，结构不同同，金属体积积发生改变35冷却曲线：温度℃时间—liquid结晶过程δ—Fe体心立方晶格γ—Fe面心立方晶格α—Fe体心立方晶格转变式：α—Fe→γ—Fe→δ—Fe9121394体心面面心体体心或者：γ—Fe——α—Fe912℃临界转变温度度面心体体心体心——2个原子体积面面心——4个原子体积36第四节合合金的的结晶描述合金的结结晶过程用““二元相图”解释一、二元合金相相图的建立：：———————用热分析法绘制如：Cu—Ni合金CuNi成分变化：Cu由100%→→0%；Ni由0%→100%0100温度AB10831452℃L----liquidS---solidL+SWNi%→※结晶过程分析析：70%Cu+30%Ni合金1●●21点以上为液液体L到1点开始结结晶出固体S1—2间为两两相区L+S到2点时全为为固体S2点以下为固固体37ABCuNi●●12LSAB上线——液相线AB下线——固相线二、合金结晶的特特点：1、一个温度范范围内结晶，，有两个相变变点（因为合合金有两组元元）。2、结晶出的固固相成分与液液相成分不同同（液相成分分不断改变））。3、形成单相、、两相混合物物、单相与两两相混合物。。L+St℃τO1●●2LL→S（L+S）S冷却曲线38第五节铁铁碳合金Ferrocarbonalloy一、铁碳合金金状态图1、状态图的的建立——通过热分析法获得Fe与C形成：FeCFe3CFe2CFeC----Wc=6.69%----Wc=9.3%----Wc=17.8%Fe3CFe2CFeC说明：GB3102—93规定定W称为质量分数，下标为含某某元素W----weight分分量、重重量Fe—Fe3C简化状态图39二、状态图作用用：（1）研究钢钢铁的成分、、组织和性能能之间关系理理论基础。（2）制定热热加工工艺的的依据。简化Fe——Fe3C状态图※三、基本组织1、铁素体FFerrite——碳在α—Fe中所形成的间间隙固溶体。特点：塑性、、韧性好，强强度、硬度低低。402、奥氏体A—austenite英国金相学家家碳在γ—Fe中的间隙固溶溶体。特点：塑性较好，，强度较低3、渗碳体Fe3C是Fe与C的化合物。特点：硬度很高，，很脆，塑性性几乎等于零零，在钢中起起强化作用。。-----cementite4、珠光体P—pearlite（日本）是F与Fe3C机械混合物，WC=0.77%特点：有一定的强度度、塑性，层层片状。415、莱氏体Ld--Ledeburite德国金相学家家特点：硬而脆，不不能进行压力力加工。是高温下A与Fe3C的机械混合物物→共晶晶反应的产物物。Wc=4.3%反应应式：L4.3===Ld(A+Fe3C)1148℃注：随温度降低低至727℃℃时，A转变为P，室温下变成成：P+Fe3C共晶组织，称称为低温莱氏体L'dL'd==（P+Fe3C）F、A、Fe3C是单相组织P、Ld是混合物42第二节Fe—Fe3C状态图分分析一、分类工业纯铁碳钢白口铸铁亚共析钢共析钢过共析钢亚共晶白口铸铸铁共晶白口铸铁铁过共晶白口铸铸铁43★力学性能变化化：随碳含量增增加，其强度度、硬度↑，，塑性、韧性性↓。但当WC>0.9%后，，其HB↑↑，σb、δ、ak↓↓二、状态图中的特特性点、线、、区域组织请打开教材40页，二部部分。44钢铁力学性能能与碳含量WC的关系45特性点：见表2—2特性线：1、ACD线；；2、AECF线线——固相线——液相线（其中AE线线是碳钢固线）3、ECF线———共晶转变线L→Ld4、GS线（又称A3线）5、ES线（又称称Acm线）6、PSK线———共析转变线A→p（又称A1线）46三、合金的结结晶过程分析析亚共析钢共析钢过共析钢ⅠⅠⅡⅡⅢⅢAF+ALEA+Fe3CⅡL+A47三、合金的结结晶过程分析析AEGPQSFeLAL+AFF+AF+PPP+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ0.772.11Ⅰ、共析钢WC=0.77%Ⅰ●1●2●3PⅡ、亚共析钢Ⅱ●1●2●3●41●●2●3●4●4'LL+AAF+AA→PP+F冷却曲线过共析钢WC=1.0%状态图的应用用：自己看P4548※四、碳素钢（（简称：碳钢钢）carbon-steel本内容P101—，重点点是常见牌号号的含义、性性能、应用。。GB/T13304—1991规定：钢按化化学成分分：：非合金钢（（碳钢）、低低合金钢、合合金钢三类。。非合金钢——是指WC<2.11%，并含有少量量Si、Mn、P、S等等元素的铁碳碳合金。（一）、常存存元素对碳钢钢性能的影响响（了解）1、锰Mn作用：脱氧，FeO还原Fe；与S作用用→MnS降降低热脆性；；提高强度、、硬度。有益元素2、硅Si作用：与钢液中FeO生成炉炉渣，提高钢钢质量；溶于于F中，固溶溶强化。有益元素。493、硫S作用：形成FeS(熔点1190℃），，在晶界处处，在1100℃—1200℃℃时，压力加加工，产生脆脆裂。“热脆”。有害元素4、磷P作用：全部溶于F中，固溶强强化；σ、HB↑↑，，在低温下引引起脆断———“冷脆”。有害元素（二）、碳钢钢分类、牌号号、用途（掌握内容）1、分类（1）按钢中中含碳量多少分：低碳钢中碳钢高碳钢Wc<0.25%Wc=0.25%—0.6%Wc>0.6%502、按钢的质质量（品质））分：（S、P含量多多少）普通碳素钢:优质钢钢:高级优质钢:S、P较高；Ws≤0.05%,Wp≤0.045%Ws≤0.035%,Wp≤0.035%;Ws≤0.02%.Wp≤0.03%;3、按钢的用用途不同分：（1）碳素结结构钢structuralsteel（2）碳素工工具钢toolsteel（3）特殊性性能钢specialsteel（4）铸钢钢castingsteel——适用于各各种机器零件件、工程结构构件——制造量具具、刀具、模模具、手锤、、钳子等——用于特殊殊要求，酸、、碱、盐腐蚀蚀环境。——形状复杂杂，难用锻造造方法成形的的铸钢件。51（三）碳钢的的牌号、用途途1、碳素结构构钢GB700——1988牌号由代表屈屈服点的字母母Q、屈服点点数值、质量量等级符号、、脱氧方法四四部分组成。。其中质量等等级分别用A、B、C、、D表示。A的S、P量量高，D的S、P量最低低，且质量最最好。如：Q235—A.FQ——“屈”字字汉语拼音字字首235——σs≥235MPaA——质量等级级A级F——脱氧方法法，指“沸腾腾钢”制造的的钢材，一般般不标出。牌号有：Q195；Q215；Q235；Q255；；Q275五类。见教材材105页表表5—2。。522、优质碳素素结构钢——S、P含量较较低，用于重重要零件GB699——88规定：牌号用用两位数字表示。其中两位数字表示含碳量万分之几。如：08F、10、15、、20、25、30、35、40、、45、50、55、60、65、70、75。如:45钢钢是WC=0.45%用途见表5——2，P106。20Mn、65Mn等称称含锰量较高的优质质碳素结构钢钢。3、碳素工具具钢GB1298—88规定：牌号用用“碳”字汉语拼音音字首“T”+数字字表示。数字表表示WC的千分之几。如：T7、T8、T9、T10、T10A、T12等。如T10钢WC=1%；T10A中的“A”表示为高级优质碳素工具钢。。用途见P112，表5——953补充：铸钢GB/T5613—1995牌号：用“铸铸钢”汉语拼拼音字首ZG表示。如：ZG200——400用变速箱体、、壳等，焊接接性好。200——σs≥200MPa400——σb≥400MPa还有：ZG230—450；用力不不大的阀体、、轴承盖。ZG270——500热轧轧曲轴、连杆杆等注意：碳钢分类；；说出常见钢钢号20、、45、65Mn、Q235B、Q235A、、T7、T10、T10A、T12、ZG200—400等，属哪类类钢，有何性性能特点，用用途。54作业：《机械工程材材料实验与习习题》（1）P67：2—25（2）P68：2—38（默画相图）（3）P69：2—42（计算题）上作业本！2—39；2—4055第二章金属属材料的基础础知识第一节金金属的晶体结结构一、晶体结构构的基本概念BaseknowledgeoftheMetallicmaterical1.晶体与非晶体概念：原子按按一定几何形形状作有规律律的重复排列列的固体物质———称晶体；非晶体则反之。特点：晶体——①有熔点点；②具有各各向异性。如如：食盐，冰冰，金刚石，，金属等。非晶晶体体———①①无无熔熔点点；；②②各各向向同同性性。。如如：：玻玻璃璃，，松松香香，，沥沥青青等等。。56二、、常常见见的的晶格格类类型型1.体心心立立方方晶晶格格body——centeredcubiclattice特点点：b较好好。。如如：：＜＜912℃℃Fe,Cr,Mo,V等等。。体心心立立方方晶晶格格含有有2个原原子子体体积积组组成成。。2.面心心立立方方晶晶格格face——centeredcubiclattice特点点：较好好。。如：：＞＞912℃℃Fe,Cu,Al等等金金属属。含有有4个原原子子体体积积组组成成。面心心立立方方晶晶格格572.晶晶格格与与晶晶胞胞晶格格：：表示示晶晶体体中中原原子子排排列列形形成成的的空空间间格格子子。。晶胞胞：：组成成晶晶格格最最基基本本的的几几何何单单元元。。abc晶胞胞示示意意图图原子子3.晶晶格格常常数数————a,b,ca=b=c且且互互垂垂直直表示示晶胞胞几几何何形形状状大大小小晶体体中中的的原原子子排排列列晶面面结点点形成成的的原原因因：各原原子子之之间间相相互互吸吸引引力力与与排排斥斥力力相相平平衡衡结结果果。。583.密排排六六方方晶晶格格hexagonalclosepackedlattice特点点：硬度度高高、脆性性大大。如如：：锌锌(Zn),镁镁(Mg),镉镉(Cd)等等金金属属。abCa=b＜＜c4.晶晶格格致致密密度度———原子子排排列列的的紧紧密密程程度度。致密密度度=————————=——————原子子体体积积晶胞胞体体积积—43πr3a3结果果：：体体心心=0.68面心心=0.74六方方=0.74原子子半半径径r=a59三、、金金属属的的实实际际晶晶体体结结构构(教教材材20页页三三)（一一））、、多晶晶体体结结构构晶粒晶界多晶体体示示意图图由多个个单晶晶粒组组成的的晶体体为多晶体体通常：：钢铁铁材料料晶粒粒尺寸寸为为0.1～0.001mm◆显微组组织：在显显微镜镜下观观察到到其形形态、、大小小、分分布不不同的的组成成物。。（二））、晶格缺缺陷1、点缺陷陷：在长长、宽宽、高高方向向尺寸寸都有有很小小变化化的一一种缺缺陷。。↗↘↘间隙原原子晶格空空位602、线缺陷陷：在晶晶格中中呈线线状分分布的的缺陷陷。↗↗，，↘↘3、面缺陷陷：呈面面状分分布的的缺陷陷。↑↑，，↓↓线缺缺陷陷面缺陷陷61第二节节合金的的相结结构一、有有关合合金的的基本本概念念1、合合金alloy由两种种或两两种以以上金金属元元素或或者金金属元元素与与非金金属元元素组组成的的具有有金属属特性性的物物质。。2、组组元constituent组成合合金的的最基基本的的独立立的物物质称称组元元，简简称““元””。如如：黄黄铜Cu—Zn；；硬铝铝Al——Cu等等都都称二元合合金。3、系系system由给定定组元元可以以按不不同比比例配配制一一系列列成分分不同同的合合金，，简称称：““系”。624、相相图：表示示合金金系中中合金金状态态与温温度、、成分分之间间的关关系的的图解解。如：铁碳合合金状状态图图5、相相phase：指同同一化化学成成分，，同一一结构构并以以界面面互相相分开开的均均匀组组成部部分。如固相、、液相相等。。6、组组织structure：借助助于放放大镜镜、显显微镜镜下观观察到到具有有某种种形态态、形形貌特特征的的组成成部分分。二、合合金的的相结结构1、固固溶体体solidsolution◆概念：：溶质质原子子溶入入溶剂剂晶格格中所所形成成的一一种均均匀固固体。。如；；糖水水—溶溶剂，，糖——溶质质。63◆分类：按按溶质原子在在溶剂中分布布情况况不同同，分分置换固固溶体体和间隙固固溶体体两类①置换固固溶体体——溶质原原子替替换晶晶格上上的原原子②②间隙固固溶体体——溶溶质原原子溶溶入晶晶格原原子间间隙a)间隙固固溶体体b)置置换固固溶体体特征：晶格格类型型不变变，化化学成成分有有限，，性能能发生生变化化64◆特征：：（1））晶格格仍保保持原原晶格格（溶溶剂））。（2））化学学成分分在一一定范范围内内可改改变。。（3））性能能随化化学成成分改改变而而逐渐渐变化化。◆性能能：造成晶晶格畸畸变，，强度度、硬硬度上上升。。这种种现象象称固溶强强化。若溶质质原子子质量量分数数（含含量））适当当，其其力学学性能能高。2、金金属化化合物物compound◆概概念：：合金元元素之之间发发生相相互作作用而而生成成的一一种具具有金金属特特性的的新相相。如如Fe与C→Fe3C65◆特征（1））具有有一定定的化化学成成分。。（2）与与任一一组元元成分分不同同。（（3））熔点点高脆脆性大大硬度度高。。◆性能晶格复复杂斜斜方，，σ、HB↗↗↗，δ、ak↘↘，，脆性性大3、机机械混混合物物mixture◆概概念念：两相按按固定定比例例构成成的组组织（（复合合相）），称称机械械混合合物。。如铁铁碳碳合金金中F与Fe3C结合为P◆特征：各相保持自自己的晶格格类型、性性能特点。。强度、硬度度适中，目前钢铁材材料中大部分是这种种组织。66第三节纯纯金金属的的结晶晶一、结晶的的概念1、结晶crystallization由液态转变变为固体晶晶体的过程程。或者描述为为：原子由不规规则排列到到有规则排排列过程。。或者描述为为：晶体结结构形成的的过程。如水——冰冰2、冷却曲线与与过冷度ΔT℃T0T1时间O冷却曲线★平台：结晶过程时时间。是结晶时时放出的热热（潜热））造成的。。★T0——理论结晶温温度T1—实际结晶温温度T0—T1=ΔT过冷度过冷是结晶晶的必要条条件！T—temperation67结论：冷却速度度↗——△T↗或或者说：△△T↗↗——△F（结晶能量量）↗——结晶晶驱动力↗↗——结晶晶倾向↗二、结晶过过程过程：不断形核和和晶核不断断长大的过过程。三、晶粒大大小控制1、晶粒越细细小，力学学性能越高高。68FF结果：小鸡鸡蛋不易碎碎，大大鸡蛋蛋容易碎举例：两组组大小不同同的鸡蛋受受力情况2、细化晶粒方方法：（1）增加△T。（2）孕育处理（（变质处理理）。（3）附加振动或或搅拌。69四、金属的的同素异构构转变——补充内容铁丝加热实实验示意图图铁丝标尺支架现象：加热时铁丝丝伸长，到到912℃开始收缩。若冷却时从从1000℃到912℃出现伸长现现象。◆概念：在固态下随随温度发生生变化，其其晶格类型型发生转变变的现象-——同素异构转转变。◆冷却曲线：用冷却曲线线表示出此此现象。实质是：原子排列不不同，结构构不同，金金属体积发发生改变70冷却曲线：：温度℃时间—liquid结晶过程δ—Fe体心立方晶格格γ—Fe面心立方晶格格α—Fe体心立方晶格格转变式：α—Fe→γ—Fe→δ—Fe9121394体心面面心心体体心心或者：γ—Fe——α—Fe912℃临界转变温温度面心体体心体心——2个原子体积积面心———4个原子体积积71第四节合合金的结晶晶描述合金的的结晶过程程用“二元相图”解释一、二元合金金相图的建建立：———————用热分析法法绘制如：Cu—Ni合金CuNi成分变化：：Cu由100%→0%；；Ni由0%→100%0100温度AB10831452℃℃L----liquidS---solidL+SWNi%→※结晶过程分分析：70%Cu+30%Ni合金1●●21点以上为为液体L到1点开始始结晶出固固体S1—2间为为两相区区L+S到2点时全全为固体S2点以下为为固体72ABCuNi●●12LSAB上线——液相线AB下线——固相线二、合金结晶的的特点：1、一个温度度范围内结结晶，有两两个相变点点（因为合合金有两组组元）。。2、结晶出的的固相成分分与液相成成分不同（（液相成分分不断改变变）。3、形成单相相、两相混混合物、单单相与两相相混合物。。L+St℃τO1●●2LL→S（L+S））S冷却曲线73第五节铁铁碳合合金Ferrocarbonalloy一、铁碳合合金状态图图1、状态图图的建立——通过热分析法获得Fe与C形成：FeCFe3CFe2CFeC----Wc=6.69%----Wc=9.3%----Wc=17.8%Fe3CFe2CFeC说明：GB3102—93规定W称为质量分数，下标为含含某元素W----weight分分量、重量量Fe—Fe3C简化状态图图74二、状态图作作用：（1）研究究钢铁的成成分、组织织和性能之之间关系理理论基础。。（2）制定定热加工工工艺的依据据。简化化Fe——Fe3C状状态态图图※三、基基本本组组织织1、、铁素素体体FFerrite———碳在在α—Fe中所所形形成成的的间间隙隙固固溶溶体体。特点点：：塑塑性性、、韧韧性性好好，，强强度度、、硬硬度度低低。。752、、奥氏氏体体A—austenite英国国金金相相学学家家碳在在γ—Fe中的的间间隙隙固固溶溶体体。特点点：塑塑性性较较好好，，强强度度较较低低3、、渗碳碳体体Fe3C是Fe与C的化化合合物物。特点点：硬硬度度很很高高，，很很脆脆，，塑塑性性几几乎乎等等于于零零，，在在钢钢中中起起强强化化作作用用。。-----cementite4、、珠光光体体P—pearlite（日日本本））是F与Fe3C机械械混混合合物物，WC=0.77%特点点：：有一一定定的的强强度度、、塑塑性性，，层层片片状状。。765、、莱氏氏体体Ld--Ledeburite德国国金金相相学学家家特点点：硬硬而而脆脆，，不不能能进进行行压压力力加加工工。。是高高温温下下A与Fe3C的机机械械混混合合物物→→共共晶晶反反应应的的产产物物。。Wc=4.3%反反应应式式：：L4.3===Ld(A+Fe3C)1148℃℃注：随随温温度度降降低低至至727℃℃时时，，A转变变为为P，室室温温下下变变成成：：P+Fe3C共晶晶组组织织，，称称为为低温温莱莱氏氏体体L'dL'd==（P+Fe3C）F、A、Fe3C是单单相相组组织织P、Ld是混混合合物物77第二二节节Fe——Fe3C状状态态图图分分析析一、、分分类类工业业纯纯铁铁碳钢钢白口口铸铸铁铁亚共共析析钢钢共析析钢钢过共共析析钢钢亚共共晶晶白白口口铸铸铁铁共晶晶白白口口铸铸铁铁过共共晶晶白白口口铸铸铁铁78★力学学性性能能变变化化：随随碳碳含含量量增增加加，，其其强强度度、、硬硬度度↑↑，，塑塑性性、、韧韧性性↓↓。。但当当WC>0.9%后后，，其其HB↑↑↑，，σb、δ、ak↓↓↓二、、状态态图图中中的的特特性性点点、、线线、、区区域域组组织织请打打开开教教材材40页页，，二二部部分分。79钢铁铁力力学学性性能能与与碳碳含含量量WC的关关系系80特性性点：见表表2——2特性性线：1、ACD线线；；2、AECF线线———固固相相线线———液液相相线线（其其中中AE线线是是碳钢钢固线线））3、ECF线线————共晶晶转转变变线线L→→Ld4、、GS线线（又又称称A3线））5、、ES线线（（又又称称Acm线））6、PSK线线————共析析转转变变线线A→p（又又称称A1线））81三、、合合金金的的结结晶晶过过程程分分析析亚共共析析钢钢共析析钢钢过共共析析钢钢ⅠⅠⅡⅡⅢⅢAF+ALEA+Fe3CⅡL+A82三、合金的结结晶过程分析析AEGPQSFeLAL+AFF+AF+PPP+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ0.772.11Ⅰ、共析钢WC=0.77%Ⅰ●1●2●3PⅡ、亚共共析钢钢Ⅱ●1●2●3●41●●2●3●4●4'LL+AAF+AA→PP+F冷却曲曲线过共析析钢WC=1.0%状态图图的应应用：：自己看看P4583※四、碳碳素钢钢（简简称：：碳钢钢）carbon-steel本内容容P101—，，重点点是常常见牌牌号的的含义义、性性能、、应用用。GB/T13304—1991规定：：钢按按化学学成分分分：：非合合金钢钢（碳碳钢））、低低合金金钢、、合金金钢三三类。。非合金金钢——是指WC<2.11%，并含含有少少量Si、、Mn、P、S等元元素的的铁碳碳合金金。（一））、常常存元元素对对碳钢钢性能能的影影响（了解））1、锰锰Mn作用：脱氧氧，FeO还原原Fe；与与S作作用→→MnS降降低热热脆性性；提提高强强度、、硬度度。有益元元素2、硅硅Si作用：与钢钢液中中FeO生生成炉炉渣，，提高高钢质质量；；溶于于F中中，固固溶强强化。。有益元元素。843、、硫S作用：形成成FeS(熔点点1190℃）），在在晶界界处处，在在1100℃℃—1200℃℃时时，压压力加加工，，产生生脆裂裂。““热脆”。有害元元素4、磷磷P作用：全部部溶于于F中中，固固溶强强化；；σ、HB↑↑↑，在在低温温下引引起脆脆断———““冷脆”。有害元元素（二））、碳碳钢分分类、、牌号号、用用途（（掌握内内容）1、分分类（1））按钢钢中含碳量量多少分分：低碳钢中碳钢高碳钢Wc<0.25%Wc=0.25%—0.6%Wc>0.6%852、按按钢的的质量量（品品质））分：（S、P含量量多少少）普通碳碳素钢钢:优质质钢钢:高级优优质钢钢:S、P较高；；Ws≤0.05%,Wp≤0.045%Ws≤0.035%,Wp≤0.035%;Ws≤0.02%.Wp≤0.03%;3、按按钢的的用途途不同同分：（1））碳素素结构构钢structuralsteel（2））碳素素工具具钢toolsteel（3））特殊殊性能能钢specialsteel（4））铸钢钢castingsteel——适适用于于各种种机器器零件件、工工程结结构件件——制制造量量具、、刀具具、模模具、、手锤锤、钳钳子等等——用用于特特殊要要求，，酸、、碱、、盐腐腐蚀环环境。——形形状复复杂，，难用用锻造造方法法成形形的铸铸钢件件。86（三））碳钢钢的牌牌号、、用途途1、碳碳素结结构钢钢GB700—1988牌号由由代表表屈服服点的的字母母Q、、屈服服点数数值、、质量量等级级符号号、脱脱氧方方法四四部分分组成成。其其中质质量等等级分分别用用A、、B、、C、、D表表示。。A的的S、、P量量高，，D的的S、、P量量最低低，且且质量量最好好。如：Q235——A.FQ——““屈””字汉汉语拼拼音字字首235——σs≥235MPaA——质质量等等级A级级F——脱脱氧方方法，，指““沸腾腾钢””制造造的钢钢材，，一般般不标标出。。牌号有有：Q195；；Q215；Q235；Q255；Q275五类。。见教教材105页表表5—2。872、优优质碳碳素结结构钢钢——S、P含量量较低低，用用于重重要零零件GB699—88规定：：牌号号用两位数数字表示。。其中中两位数数字表示含含碳量量万分之之几。。如：08F、、10、15、、20、25、、30、35、、40、45、50、55、、60、65、70、75。。如:45钢是是WC=0.45%用途见见表5—2，P106。。20Mn、、65Mn等称称含含锰量较高高的优优质碳碳素结结构钢钢。3、碳碳素工工具钢钢GB1298——88规定定：：牌牌号号用用““碳”字字汉汉语语拼拼音音字字首首“T””+数数字字表示示。。数数字字表表示示WC的千分分之之几几。如：T7、、T8、、T9、、T10、、T10A、、T12等等。。如T10钢钢WC=1%；；T10A中的的““A”表表示示为为高级级优优质质碳素素工工具具钢钢。。用途途见见P112，，表表5——988补充充：：铸钢钢GB/T5613——1995牌号号：：用用““铸铸钢钢””汉汉语语拼拼音音字字首首ZG表表示示。如：：ZG200——400用变变速速箱箱体体、、壳壳等等，，焊焊接接性性好好。。200———σs≥200MPa400———σb≥400MPa还有有：：ZG230——450；；用用力力不不大大的的阀阀体体、、轴轴承承盖盖。。ZG270——500热热轧轧曲曲轴轴、、连连杆杆等等注意意：碳碳钢钢分分类类；；说说出出常常见见钢钢号号20、、45、、65Mn、、Q235B、、Q235A、、T7、、T10、、T10A、、T12、、ZG200——400等等，，属属哪哪类类钢钢，，有有何何性性能能特特点点，，用用途途。。89作业业：：《机机械械工工程程材材料料实实验验与与习习题题》》（1））P67：2——25（2））P68：2——38（默画画相相图图））（3））P69：2——42（计计算算题题））上作作业业本本！！2——39；；2——4090第三三章章金金属属的的塑塑性性变变形形与与再再结结晶晶本章章重重点点：：1、、变变形形机机理理。。2、、形形变变后后组组织织性性能能特特点点。。第一一节节金金属属的的塑塑性性变变形形plasticdeformationofmetal一、、单单晶晶体体的的塑塑性性变变形形1、弹弹性性变变形形：：受力力变变形形，，外外力力卸卸去去后后，，又又回回到到原原状状态态现现象象。2、塑塑性性变变形形：：外力力取取消消后后，，物物体体的的变变形形不不完完全全恢恢复复的的现现象象。变形形的的基基本本方方式式：滑移移————位位错错造造成成的的。91★滑移移变变形形的的实实质质：在切切应应力力作作用用下下，，某某一一部部分分沿沿一一定定的的晶晶面面和和晶晶向向相相对对于于另另一一部部分分发发生生位位移移。。此此现现象象称称““滑滑移移””二、、实实际际多多晶晶体体塑塑性性变变形形1、晶晶粒粒本本身身的的变变形形（（滑滑移移变变形形））————主要要的的2、晶晶粒粒之之间间的的变变形形（（晶晶间间变变形形））————次要要的的92第二二节节冷冷塑塑性性变变形形对对组组织织、、性性能能的的影影响响一、、晶晶粒粒被被拉拉长长（（压压扁扁）），，性性能能趋趋于于各各向向异异性性1122受力力变变形形二、、产产生生冷冷变变形形强强化化（（加工工硬硬化化）现现象象workhardened———随随变变形形程程度度的的增增加加，，其其强度度、硬度度↑，塑性性、韧性性↓的现现象象如：手弯弯铁铁丝丝；冷卷卷弹弹簧簧；推土土机机前前板板；不锈锈钢钢刀刀三、、产产生生内内应应力力（（残残余余应应力力））解决决办办法法：：去去应应力力退退火火9394第三三节节变变形形金金属属在在加热热时的的变变化化一、、回回复复recovery———晶晶格格歪歪扭扭现现象象消消失失的的过过程程。。T回≈（0.25—0.3)T熔T回——回复加热热温度，单位KT熔——绝对熔化化温度，单位K热力学温度单单位二、再结晶recrystallization——对回复后后的金属继续续加热，由于于原子获得了了更大的活动动能力，晶粒粒外形发生变变化。进而由由碎晶粒变成成完整晶粒的的过程，此时时没有应力出出现。——加工硬化现象象消失。通过：形核、、长大方式完完成。再结晶晶后晶格类型型没有变化。。T再≈0.4T熔碳钢钢T再≈0.5T熔合金钢T再≈0.6T熔95三、晶粒长大大——若T再继续升高，则则晶粒长大、、变粗，力学学性能大大下下降。所以要严格控控制加热温度、保保温时间。第四节金金属的热加工工hotworking一、热加工与与冷加工概念念1、热加工：：当加热温度大于再结晶温度时，变形形工艺称热加工。2、冷加工：：coldworkingT加小于T再——称冷加工特点：如：金属铅在室温下变形形——属热加工金属钨在1000℃时变形——属属冷加工热加工变形量大大，表面粗糙糙，无加工硬硬化现象，有有再结晶。冷加工变形量小小，表面光滑滑，有加工硬硬化现象，无无再结晶。