机械工程材料与热加工课程概论1-6章

《工程材料与热加工基础》课程概论机械工程系金工教研室Ⅰ--工程材料机械制造基础机械制造基础Ⅱ--热加工工艺基础Ⅲ--机械加工工艺基础课程的性质和任务工程材料与热加工基础是机械类、近机械类各专业学生必修的一门技术基础课。本课程的任务是:

l）工程材料的性能：以力学性能为主，还要考虑物理性能、化学性能及工艺性能；2）金属学基本理论：使学生获得有关工程材料的基本理论和基本知识；常用工程材料成分－组织－性能－应用之间关系的一般规律3）热处理方面：掌握钢的热处理基本原理和工艺，掌握热处理各种工艺方法的目的，以便正确选用热处理工艺方法，合理安排工艺路线。课程的性质和任务4）常用工程材料：掌握常用的工业用钢、铸铁、非铁金属及其合金的成分、组织、性能和用途；了解工程塑料、橡胶、陶瓷、复合材料等常用非金属材料的分类、性能和用途，以便合理选用工程材料。5）热加工基础：掌握铸造、锻压和焊接的特点及应用范围，掌握金属的铸造性能、锻造性能和焊接性能；能初步分析各种热加工零件的结构工艺性，具有初步选择零件毛坯的能力。6）零件材料与毛坯的选择：熟悉常用工程材料的生产工艺过程，正确选择零件的材料、毛坯，并初步安排热处理在工艺过程中的位置。合理选用工程材料的初步能力。教学内容——理论教学绪论第一章 金属的力学性能第二章 属的晶体结构与结晶第三章 铁碳合金相图第四章 钢的热处理第五章 工业用钢第六章 铸铁第七章 非铁金属及其合金第八章 非金属材料第九章 铸造生产第十章 锻压生产第十二章焊接第十三章零件毛坯的选择与材料的选用金属材料非金属材料课程概论工程材料的分类钢铁材料非铁金属高分子材料陶瓷材料复合材料课程概论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

工程材料的性能

使用性能力学性能物理性能化学性能工艺性能机械零件加工工艺材料毛坯零件铸造锻压焊接粉末冶金切削加工型材热处理材料的发展

公元前1200年左右，人类进入了铁器时代，开始使用的是铸铁，以后制钢工业迅速发展，称为

18世纪产业革命的重要内容和物质基础。

如图由于铁的熔点较高（1538℃），其出现时间较晚。左图为伊朗出土的铁制器皿。图为铁矿石。铁矿在地球上比铜矿要丰富的多。材料的发展20世纪中叶以来，科学技术突飞猛进，日新月异，作为“发明之母”和“产业的粮食”的新材料研制更是异常活跃，出现了称之为“高分子时代”、“半导体时代”、“先进陶瓷时代”和“复合材料时代”等种种提法。在当今新技术革命波及整个国际社会的浪潮冲击下，人类进入了一个“材料革命”的新时代。材料的发展金属材料

金属具有正的电阻温度系数，通常有良好的导电性、导热性、延展性、高的密度和高的光泽。包括纯金属和以金属元素为主的合金。在工程领域有把金属及其合金分为两类：（1）黑色金属，即铁和铁基合金（钢铁及合金钢）；（2）有色金属，黑色金属以外的所有金属及其合金，常见有铝及铝合金，铜及铜合金等。金属材料一般有良好的综合机械性能（强度、塑性和韧性等），是工程领域应用最广的材料。金属材料是当今工程领域应用最广的材料材料的发展高分子材料

又称聚合物，包括天然高分子材料（木材、棉、麻等）和合成高分子材料（塑料，合成橡胶等）。其主要组分高分子化合物是有许多结构相同的结构单元相互连接而成。它具有较高的强度、良好的塑性、较强的耐腐蚀性、绝缘性和低密度等优良性能。高分子材料发明虽晚，但异军突起，因其物美价廉，在工程材料中应用越来越广。材料的发展复合材料

由两种或两种以上材料组成，其性能是它的组成材料所不具备的。复合材料可以有非同寻常的刚度、强度、高温性能和耐蚀性。按基本材料分类，它可分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料和聚合物基复合材料等。复合材料具有极其优异性能，质轻，强度高，韧性好，可制作运动器材，而在航空航天领域更是无可替代。零件的毛坯铸造毛坯熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法，称为铸造。

零件的毛坯锻造毛坯锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。它是锻造与冲压的总称，属于压力加工的范畴。零件的毛坯焊接结构焊接的实质是使两个分离的物体通过加热或加压，或两者并用，在用或不用填充材料的条件下借助于原子间或分子间的联系与质点的扩散作用形成一个整体的过程。汽车一厂车身车间POLO底盘焊接

《工程材料与热加工基础》——程晓宇《工程材料与热加工基础》第一章金属的力学性能机械工程系

金工教研室《工程材料与热加工基础》——程晓宇

第一章金属的力学性能

教学目标:

１．了解材料的主要力学性能指标：屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等力学性能及其测试原理；２．强调各种力学性能指标的生产实际意义；３．了解工程材料的物理性能、化学性能及工艺性能。

《工程材料与热加工基础》——程晓宇金属的力学性能定义:

金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。

指标:

弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧度和疲劳强度等。《工程材料与热加工基础》——程晓宇材料的其他性能物理性能：密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等；化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等；工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理工艺性等。《工程材料与热加工基础》——程晓宇第一节强度和塑性一、拉伸实验与拉伸曲线1.拉伸试样GB6397-86规定《金属拉伸试样》有：圆形、矩形、异型及全截面．常用标准圆截面试样。长试样：L0=10d0;短试样：L0=5d0拉伸试样《工程材料与热加工基础》——程晓宇第一节强度和塑性2.拉伸过程《工程材料与热加工基础》——程晓宇拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机《工程材料与热加工基础》——程晓宇op段：比例弹性变形阶段；pe段：非比例弹性变形阶段；平台或锯齿（s段）：屈服阶段；sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。b点：形成了“缩颈”。bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。ΔlFΔlbΔluΔlFbbkFssogfeFepFp3.拉伸曲线《工程材料与热加工基础》——程晓宇4.应力与应变曲线(1)应力σ

：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S0表示:F 载荷(N)σ=——(Mpa) S0

原始横截面积(mm2)(2)应变ε：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示:

Δl 伸长量(mm)

ε=——

l0

原始长度(mm)(3)应力－应变曲线（σ-ε曲线）:形状和拉伸曲线相同，单位不同σbσsσeεσ《工程材料与热加工基础》——程晓宇退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢5.不同材料的拉伸曲线《工程材料与热加工基础》——程晓宇二、强度和刚度2.刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。弹性模量：弹性下应力与应变的比值,表示材料抵抗弹性变形的能力。即：

E=σ/ε材料的E越大，刚度越大；E对组织不敏感；零件的刚度主要决定于E，也与形状、截面等有关。E=σ/ε

1.弹性:金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。弹性变形:

随载荷撤除而消失的变形。《工程材料与热加工基础》——程晓宇3.弹性极限:

Fe弹性极限载荷(N)

σe=(Mpa)

S0

试样原始横截面积(mm2)σee《工程材料与热加工基础》——程晓宇4.强度:

材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。种类:

抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。

(1)屈服点与屈服强度:

产生明显塑性变形的最低应力值.

Fs

σs

=

(MPa)

S0试样屈服时的载荷(N)试样原始横截面积(mm2)σs《工程材料与热加工基础》——程晓宇

屈服强度(塑性变形量为0.2%，微量塑性变形)

F0.2

σ0.2

=

(MPa)

S

0

试样原始横截面(mm2)试样产生0.2%残余塑性变形时的载荷(N)σ0.2：试样产生残余塑性变形0.2%时的应力试样产生0.2%残余塑性变形

屈服点σs、屈服强度σ0.2是零件设计的主要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。《工程材料与热加工基础》——程晓宇(2)抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。它表示材料抵抗断裂的能力。是零件设计的重要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。

F

b

试样断裂前的最大载荷(N)

σb

=

(MPa)

S

0

试样原始横截面积(mm2)σbσsσe《工程材料与热加工基础》——程晓宇三、塑性:是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。(1)断面收缩率:

是指试样拉断处横截面积的收缩量Δ

S与原始横截面积S0之比。(2)伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量Δ

L

与原始标距L0之比。

S0-S1

ψ=——-—×100%S0

l1

-

l0

δ=——-—×100%l0《工程材料与热加工基础》——程晓宇δ<2~5% 属脆性材科δ≈5~10% 属韧性材料δ>10% 属塑性材料思考:同一材料δ5＞

δ10？Δl=Δlu＋Δｌbδ=Δl/l0=Δlu/l0+

Δlb/l0δδuδbσbσsσeεσEδ塑性指标不直接用于计算，但任何零件都需要一定塑性。防止过载断裂；塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。《工程材料与热加工基础》——程晓宇练习题一拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率和断面收缩率的值？解：δ５=[（71-50）/50]x100%=42%S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2)S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)Ψ=[(S0-S1)/S0]x100%=24%《工程材料与热加工基础》——程晓宇练习题二某工厂买回一批材料（要求：бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ5≥23%；ψ≥50%）．做短试样（ｌ0=5ｄ0；ｄ0=10mm）拉伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？解：根据试验结果计算如下：бs＝Fs／s０＝(19x1000)/(3.14x52)=242 ＞230MPa бb＝Fb／s０＝(34.5x1000)/(3.14x52)=439.5＞410MPa δ5＝[Δl

／l0]x100%＝[(63.1-50)/50]x100%=26.2%＞23%ψ＝[ΔS

／S0]x100%＝60.31%＞50%材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。《工程材料与热加工基础》——程晓宇第二节硬度布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV锉刀法五.硬度(hardness):是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力常用测量硬度的方法《工程材料与热加工基础》——程晓宇(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度计

《工程材料与热加工基础》——程晓宇(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)适用范围:

＜450HBS;

＜650HBW;《工程材料与热加工基础》——程晓宇(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)

符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。《工程材料与热加工基础》——程晓宇(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计10HRC≈HBS《工程材料与热加工基础》——程晓宇(3)维氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)适用范围:

测量薄板类;

HV≈HBS;《工程材料与热加工基础》——程晓宇(5)锉刀法:

一组硬度差为5HRC的锉刀。例如:10HRC、15HRC、20HRC等。《工程材料与热加工基础》——程晓宇六.冲击韧性(notchtoughness):

材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。《工程材料与热加工基础》——程晓宇冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图《工程材料与热加工基础》——程晓宇试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:

Ak=mgH–mgh(J)

冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。

AK

ak

=(J/cm²)S0《工程材料与热加工基础》——程晓宇七.疲劳强度(fatiguestrength):

表示材料经无数次交变载荷作

用而不致引起断裂的最大应力值。《工程材料与热加工基础》——程晓宇钢材的循环次数一般取

N=107有色金属的循环次数一般取

N=108钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:

σ-1

=(0.45～0.55)σb《工程材料与热加工基础》——程晓宇1943年美国T-2油轮发生断裂八.比强度(specificstrength):

材料的强度值与密度值之比。名称密度(g/cm3)强度(Mpa)比强度纯铝2.780～10030～37纯铁7.87180～28023～36纯钛4.5405～50090～111《工程材料与热加工基础》第二章金属的晶体结构与结晶机械工程系

金工教研室第一节金属与合金的晶体结构内容:

金属的晶体结构合金的晶体结构实际金属的晶体结构目的:

掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力学性能及工艺性能的影响，为后续课程的学习做好理论知识的准备一、晶体的基本知识

（一）、晶体与非晶体

固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列。非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）

《工程材料与热加工基础》——程晓宇（二）、晶格、晶胞、晶格常数

1、晶格

为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原子的中心连接起来，构成一个空间格架，各原子的中心就处在格架的几个结点上，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称晶格。《工程材料与热加工基础》——程晓宇2、晶胞

由于晶体中原子有规则排列且有周期性的特点，为了便于讨论

通常只从晶格中，选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞，整个晶格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。

3、晶格常数在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作三个坐标轴X、Y、Z，并称之为晶轴，而且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之为反方向，并以棱边长度和棱面夹角

来表示晶胞的形状和大小。《工程材料与热加工基础》——程晓宇（三）、金属中常见晶格

由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于紧密排列的倾向，故大多数金属属于以下三种晶格类型。

1、体心立方晶格体心立方晶格的晶胞它是一个立方体。在晶胞的中心和八个角上各有一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有1／8个原子。而中心的原子为该晶胞所独有。故晶胞中实际原子数为8×1／8＋1＝2（个）。具有体心立方晶格的金属有、等。

《工程材料与热加工基础》——程晓宇2、面心立方晶格

面心立方晶格也是一个立方体，在晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都排一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，而每个面中心的原子为两个晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子数为8×1／8＋6×1／2＝4（个）。具有面心立方晶格的金属有、等。

《工程材料与热加工基础》——程晓宇3、密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个呈长方形的侧面和两个呈六边形的底面所组成。因此，要用两个晶格常数表示。一个是柱体的高度c，另一个是六边形的边长，在晶胞的每个角上和上、下底面的中心都排列一个原子，另外在晶胞中间还有三个原子。密排六方晶胞每个角上的原子为相邻的六个晶胞所共有，上、下底面中心的原子为两个原子所共有，晶胞中三个原子为该晶胞独有。所以，密排六方晶胞中原子数为12×1／6＋2×1／2＋3＝6（个）。具有密排六方晶格的金属有Mg、Zn

。《工程材料与热加工基础》——程晓宇（四）、晶体结构的致密度晶体结构的致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比，可用来原子排列的紧密程度进行定量比较。

在体心立方晶胞中，含有2个原子。这2个原子的体积为2×（4／3）πr3，式中r为原子半径。故体心立方晶格的致密度为：2个原子的体积与晶胞体积之比等于0.68。

这表明在体心立方晶格中，有68％的体积被所占据，其余为空隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度为0.74。显然，致密度数值越大，则原子排列越紧密。所以，当铁由面心立方晶格变为体心立方晶格时，由于致密度减小而使体积膨胀。《工程材料与热加工基础》——程晓宇二、合金的晶体结构

（一）、合金的基本概念

由两种或两种以上的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，称为合金。组成合金的最基本的、独立的物质叫做组元。组元通常是纯元素，但也可以是稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可以分为二元合金、三元合金和多元合金。合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫做相。合金中相与相之间有明显的界面。液态合金通常都为单相液体。固态下，由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合金。合金的性能一般都是由组成合金的各相成分、结构、形态、性能和各相的组合情况——组织所决定的。《工程材料与热加工基础》——程晓宇

（二）、合金的相结构

由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。

1、固溶体合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀相称为固溶体。

《工程材料与热加工基础》——程晓宇

不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。《工程材料与热加工基础》——程晓宇

固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。

2、金属化合物金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶格类型完全不同，一般可用化学分子式表示。钢中渗碳体（Fe3C）是由铁原子和碳原子所组成的金属化合物，它具有复杂的晶格形式。金属化合物的性能不同于任一组元，其溶点一般较高、硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。金属化合物在合金中常作为强化相存在，它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。

绝大多数合金的组织都是固溶体与少量金属化合物组成的混合物，其性质取决于固溶体与金属化合物的数量、大小、形态和分布状况。

《工程材料与热加工基础》——程晓宇三、实际金属的晶体结构

（一）、金属材料都是多晶体

我们把晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。单晶体只有经过特殊制作才能获得。实际上，常使用的金属材料，由于受结晶条件和其它因素的限制，其内部结构都是由许多尺寸很小，各自结晶方位都不同的小单晶体组合在一起的多晶体构成。这些小晶体就是晶粒，它们之间的交界即为晶界。在一个晶粒内部其结晶方位基本相同，但也存在着许多尺寸更小，位向差更小的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界。《工程材料与热加工基础》——程晓宇《工程材料与热加工基础》——程晓宇

（二）、晶体的缺陷

晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干扰而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。把这些区域称为晶体缺陷。这些缺陷的存在，对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）将产生显著影响，如钢的耐腐蚀性，实际金属的屈服强度远远低于通过原子间的作用力计算所得数值。根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三类：点缺陷

线缺陷

面缺陷

《工程材料与热加工基础》——程晓宇

1、点缺陷——空位和间隙原子在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为空位。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。《工程材料与热加工基础》——程晓宇

由于空位和间隙原子的存在

，使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发生改变，如强度、硬度和电阻增加。晶体中的空位和间隙原子处于不断地运动和变化之中，在一定温度下，晶体内存在一定平衡浓度的空位和间隙原子，空位和间隙原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式，对金属材料的热处理过程极为重要。《工程材料与热加工基础》——程晓宇

2、线缺陷——位错晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错。其特征是在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。晶体中位错的数量通常用位错密度表示，位错密度是指单位体积内，位错线的总长度。位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。如金属材料的塑性变形与位错的移动有关。冷变形加工后金属出现了强度提高的现象（加工硬化），就是由于位错密度的增加所致。《工程材料与热加工基础》——程晓宇《工程材料与热加工基础》——程晓宇3、面缺陷——晶界和亚晶界实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域（如图2－23、2－24），该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。《工程材料与热加工基础》——程晓宇总结1、金属的晶格有体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构，由于致密度的不同，从一种晶格到另一种的变化会引起体积的变化。

2、合金的相结构有固溶体和化合物。弥散强化和固溶强化可以提高金属材料的力学性能，所以，合金化是提高金属性能的方法之一。

3、实际金属是由很多晶粒组成，金属内部存在着点缺陷、位错、晶界和亚晶界。点缺陷对金属材料的热处理过程极为重要。位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。金属冷变形加工后的加工硬化，就是由于位错密度的增加所致。点缺陷、晶界和亚晶界也与材料的力学性能有关。

《工程材料与热加工基础》——程晓宇第二节纯金属的结晶凝固与结晶的概念结晶的现象与规律同素异晶(构)转变《工程材料与热加工基础》——程晓宇一、凝固与结晶的概念1.凝固

物质由液态转变成固态的过程。2.结晶*晶体物质由液态转变成固态的过程。

*物质中的原子由近程有序排列向远程有序排列的过程。《工程材料与热加工基础》——程晓宇To

二、结晶的现象与规律

一）.结晶的一般过程

1.纯金属结晶时的冷却曲线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)《工程材料与热加工基础》——程晓宇2.过冷现象与过冷度过冷现象过冷度

ΔT=T0–T1过冷是结晶的必要条件。

《工程材料与热加工基础》——程晓宇2.金属结晶的结构条件近程有序结构结构起伏结晶远程有序结构《工程材料与热加工基础》——程晓宇二).结晶的一般规律形核长大《工程材料与热加工基础》——程晓宇形核、长大《工程材料与热加工基础》——程晓宇1.晶核的形成在一定的过冷度下,当F体≥F表时,晶核就形成。晶核形成的形式:

*自发形核△T=200℃

*非自发形核△T=20℃

《工程材料与热加工基础》——程晓宇2.晶核的长大方式—树枝状《工程材料与热加工基础》——程晓宇2.晶核的长大方式—树枝状《工程材料与热加工基础》——程晓宇金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶《工程材料与热加工基础》——程晓宇3.影响晶核的形核率和晶体长大率的因素过冷度的影响未熔杂质的影响《工程材料与热加工基础》——程晓宇1)过冷度的影响《工程材料与热加工基础》——程晓宇三）细化晶粒的途径1）提高冷却速度V冷△TN晶粒细小2）变质处理3）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。《工程材料与热加工基础》——程晓宇纯铁的同素异晶转变反应式:第三节金属的同素异晶转变1394°C912°Cbccfccbccδ-Feγ-Feα-Fe《工程材料与热加工基础》——程晓宇

纯铁的冷却曲线1394℃1534℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe《工程材料与热加工基础》——程晓宇第四节二元合金相图合金(alloy)组元(元)(element)相(phase)显微组织(microscopicstructure)《工程材料与热加工基础》——程晓宇一.基础知识1.合金系(alloyseries)2.平衡组织(statenchyma)3.相图(phasediagram)《工程材料与热加工基础》——程晓宇二.相图的建立名称A金属B金属晶格类型bccbcc熔点高低合金1100%0%合金290%10%合金380%20%……..……..…….合金920%80%合金1010%90%合金110%100%《工程材料与热加工基础》——程晓宇热分析法

二.相图的建立时间温度90705030AB温度A温度B温度《工程材料与热加工基础》——程晓宇abab:液相线ab

:固相线LL+SSL:液相区S:固相区L+S:液固共存区AB温度TLTSTnbacABabLS温度《工程材料与热加工基础》——程晓宇100°C时,糖在水中的饱和度为80%。90°C时,糖在水中的饱和度为70%。过饱和体的浓度为含糖量90%。《工程材料与热加工基础》——程晓宇1.匀晶相图TLTSTnbac杠杆定理QS=(bc／ab)100%

QL=(ac／ab)100%QS+QL=1aQS+bQL=cABabLS温度QLQs

2.共晶相图温度成分100%A100%BLSAL+SASBL+SB2.共晶相图SA+(SA+SB)SB+(SA+SB)X%Y℃SA+SBLXSA+SB

Y℃SALSALSAL温度成分100%A100%BLL+SAL+SB

共晶相图的建立

共晶相图SA+(SA+SB)SB+(SA+SB)X%Y℃SA+SB温度成分100%A100%BLL+SAL+SBSA+(SA+SB)SB+(SA+SB)X%Y℃SA+SB温度成分100%A100%BSS+SA

S+SB3.共析相图SX

SA+SB

Y℃《工程材料与热加工基础》——程晓宇共析相图相图与合金物理、力学性能之间的关系《工程材料与热加工基础》——程晓宇

合金的流动性、缩孔性质

与相图之间的关系《工程材料与热加工基础》——程晓宇

合金的流动性、缩孔性质

与相图之间的关系《工程材料与热加工基础》——程晓宇《工程材料与热加工基础》第三章铁碳合金相图机械工程系

金工教研室《工程材料与热加工基础》——程晓宇

第三章铁碳合金相图纯铁的同素异晶转变Fe–C相图的基础知识。形成Fe-Fe3C相图组元和基本组织的结构与性能。Fe-Fe3C相图的建立与分析。碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响。Fe-Fe3C相图的应用。《工程材料与热加工基础》——程晓宇

第一节Fe-C相图的基础知识2.铁与碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物。3.稳定的化合物可以作为一个独的组元。4.Fe–C二元相图。1.纯铁的同素异晶转变《工程材料与热加工基础》——程晓宇1.纯铁的的同素异晶转变1394°C912°C体心立方面心立方密排六方δ-Feγ-Feα-Fe《工程材料与热加工基础》——程晓宇

纯铁的冷却曲线1394℃1534℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe《工程材料与热加工基础》——程晓宇2.Fe-C相图Fe3CFe2CFeC温度FeC(6.69%C)《工程材料与热加工基础》——程晓宇第二节

形成Fe-Fe3C相图组元和基本组织的结构与性能

一.组元

*铁(ferrite)

*

渗碳体(Cementite)《工程材料与热加工基础》——程晓宇二.基本组织1.铁素体(F)

碳溶于α–Fe中的间隙固溶体。

《工程材料与热加工基础》——程晓宇2.奥氏体(A)碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体。《工程材料与热加工基础》——程晓宇

奥氏体组织金相图《工程材料与热加工基础》——程晓宇3.

渗碳体(Fe3C)

铁与碳形成的金属化合物。

《工程材料与热加工基础》——程晓宇渗碳体组织金相图《工程材料与热加工基础》——程晓宇4.珠光体

(P)铁素体和渗碳体组成的机械混合物。《工程材料与热加工基础》——程晓宇5.莱氏体(Ld)奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。《工程材料与热加工基础》——程晓宇第三节Fe-Fe3C相图的建立与分析一.Fe-Fe3C相图的建立共晶反应相图共析反应相图

Fe-Fe3C

相图FeT°Fe3C

Fe-Fe3C

相图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3C

T°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+Fe3CⅡ(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相图共析相图匀晶相图(P+Fe3C)

Fe-Fe3C

相图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3C

T°LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FP0.77%CLd’K(P+Fe3C)P+Ld’+Fe3CⅡLd’+Fe3CⅠP+FP+Fe3CⅡ(F+Fe3C)A+Fe3CⅡL+Fe3CⅠ(A+Fe3C)《工程材料与热加工基础》——程晓宇Fe-Fe3C

相图《工程材料与热加工基础》——程晓宇二.Fe-Fe3C相图的分析五个重要的成份点:P、S、E、C、K。四条重要的线:EF、ES、GS、FK。两个重要转变:共晶转变反应式、共析转变反应式。二个重要温度:1148℃、727℃。《工程材料与热加工基础》——程晓宇1.包晶转变反应式:LB

+

H

AJ1495℃3.共析转变反应式:AS

(

FP

+Fe3C)P

727℃2.共晶转变反应式:LC

(

AE

+Fe3C)Le

1148℃《工程材料与热加工基础》——程晓宇三.典型铁碳合金的结晶过程分析工业纯铁(ingotiron)共析钢(eutectoidsteel)亚共析钢(hypoeutectoidsteel)过共析钢(hypereutectoidsteel)共晶白口铁(eutectoidwhiteiron)亚共晶白口铁(hypoeutectoidwhiteiron)过共晶白口铁(hypereutectoidwhiteiron)《工程材料与热加工基础》——程晓宇1.工业纯铁(Wc<0.0218%)《工程材料与热加工基础》——程晓宇2.共析钢

(Wc=0.77%)《工程材料与热加工基础》——程晓宇

共析钢组织金相图《工程材料与热加工基础》——程晓宇3.亚共析钢(Wc=0.45%)《工程材料与热加工基础》——程晓宇

亚共析钢组织金相图《工程材料与热加工基础》——程晓宇4.过共析钢(Wc=1.2%)《工程材料与热加工基础》——程晓宇

过共析钢组织金相图《工程材料与热加工基础》——程晓宇5.共晶白口铁(Wc=4.3%)《工程材料与热加工基础》——程晓宇

共晶白口铁组织金相图《工程材料与热加工基础》——程晓宇6.亚共晶白口铁(Wc=3.0%)《工程材料与热加工基础》——程晓宇

亚共晶白口铁组织金相图《工程材料与热加工基础》——程晓宇7.过共晶白口铁(Wc=5.0%)《工程材料与热加工基础》——程晓宇

过共晶白口铁组织金相图

组织组成物:F;Fe3CF;P0.77-0.45F=100%=43%0.77-0.020.45-0.02P=100%=57%0.77-0.02相组成物:6.69-0.45F=100%=94%6.69-0.02P=1–WF=57%Fe3C=1-WF=6%0.020.450.776.69《工程材料与热加工基础》——程晓宇第四节

碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响

碳的质量分数对平衡组织的影响。碳的质量分数对力学性能的影响。碳的质量分数对工艺性能的影响。《工程材料与热加工基础》——程晓宇一.碳的质量分数对平衡组织的影响二.碳的质量分数对

力学性能的影响《工程材料与热加工基础》——程晓宇三.碳的质量分数对工艺性能的影响对铸造性能的影响。对锻造性能的影响。对焊接性能的影响。对切削加工性能的影响。《工程材料与热加工基础》——程晓宇

第五节Fe-Fe3C

相图的应用选择材料方面的应用制定热加工工艺方面的应用《工程材料与热加工基础》——程晓宇一.选择材料方面的应用1.分析零件的工作条件,根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律进行选择材料。2.根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律,确定选定材料的工作范围。《工程材料与热加工基础》——程晓宇二.制定热加工工艺方面的应用《工程材料与热加工基础》——程晓宇钢铁的冶炼高炉炼铁铸铁锭生产铸铁件炼钢生铁转炉平炉电炉生产钢件《工程材料与热加工基础》——程晓宇转炉炼钢平炉炼钢电弧炉炼钢《工程材料与热加工基础》——程晓宇1.炼铁的冶金反应特点:还原反应Fe2O3Fe3O4FeOFeCO气体高温《工程材料与热加工基础》——程晓宇

2.炼钢的冶金反应特点:氧化反应炼钢生铁钢氧化反应《工程材料与热加工基础》——程晓宇

2.沸腾钢(boilingsteel)

钢液在浇注仅前进行轻度假脱氧,Wo=0.03%～0.07%,成分偏析较严重、组织不致密。机械性能不均匀,冲击韧性差,常用于要求不高的零件。

1.镇静钢(killedsteel)

钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铅进行了充分脱氧,Wo=0.01%左右,成分较均匀、组织较致密。主要用于机械性能要求较高的零件。

3.半镇静钢(balancedsteel)半镇静钢是脱氧过程介于镇静钢和沸腾钢之间的钢,是用锰铁和硅铁进行脱氧。其质量也介于二者之间,可代替部分镇静钢,一般不适于做重要零件。工程材料与热加工基础—程晓宇《工程材料余热加工基础》第四章钢的热处理机械工程系

金工教研室工程材料与热加工基础—程晓宇

第五章钢的热处理概述钢在加热时的组织转变钢在冷却时的组织转变钢的普通热处理工艺钢的表面热处理工艺机械制造过程中的热处理工程材料与热加工基础—程晓宇

第一节概述1.热处理的定义:时间温度临界温度

热加保温冷却工程材料与热加工基础—程晓宇2.热处理的主要目的:改变钢的性能。3.热处理的应用范围:整个制造业。4.热处理的分类热处理普通热处理表面热处理退火;正火;淬火;回火;表面淬火

化学热处理感应加热淬火火焰加热淬火渗碳;渗氮;碳氮共渗;工程材料与热加工基础—程晓宇

第二节钢在加热时的组织转变转变温度奥氏体的形成奥氏体晶粒度及对力学性能的影响工程材料与热加工基础—程晓宇一.转变温度奥氏体的形成FFe3C未溶Fe3CA残余Fe3CAAAA

形核A

长大残余Fe3C溶解A均匀化工程材料与热加工基础—程晓宇三.奥氏体晶粒度及对力学性能的影响一)奥氏体晶粒度:

1.起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏体的晶粒大小。

2.实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。

3.本质晶粒度:度量钢本身晶粒在930℃

以下,随温度升高,晶粒长大的程度。工程材料与热加工基础—程晓宇

钢的本质晶粒度示意图工程材料与热加工基础—程晓宇二)奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响1.奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。工程材料与热加工基础—程晓宇

第三节钢在冷却时的组织转变钢在热处理时的冷却方式过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变工程材料与热加工基础—程晓宇一.钢在热处理时的冷却方式

热加保温时间温度临界温度连续冷却等温冷却工程材料与热加工基础—程晓宇二.过冷奥氏体的等温冷却转变一)建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线----TTT曲线

(

C曲线

)T

---

timeT

---

temperatureT

---

transformation

共析碳钢TTT曲线建立过程示意图时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1二)共析碳钢TTT曲线的分析稳定的奥氏体区过冷奥氏体区A向产物转变开始线A向产物转变终止线

A+产物区产物区A1～550℃;高温转变区;扩散型转变;P转变区。550～230℃;中温转变区;半扩散型转变;

贝氏体(B)转变区;230～-50℃;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf三)转变产物的组织与性能1.珠光体型(P)转变(A1～550℃):A1～650℃:

P;5～25HRC;

片间距为0.6～0.7μm(500×)。650～600℃:

细片状P---索氏体(S);

片间距为0.2～0.4μm(1000×);25～36HRC。600～550℃:极细片状P---屈氏体(T);

片间距为＜0.2μm(电镜);35～40HRC。

珠光体形貌像光镜下形貌电镜下形貌光镜形貌电镜形貌

索氏体形貌像

屈氏体形貌像电镜形貌光镜形貌工程材料与热加工基础—程晓宇三)转变产物的组织与性能2.贝氏体型(B)转变(550～230℃):550～350℃:

B上;40～45HRC;B上=过饱和碳

α-Fe条状+Fe3C细条状过饱和碳α-Fe条状Fe3C细条状羽毛状工程材料与热加工基础—程晓宇

上贝氏体组织金相图工程材料与热加工基础—程晓宇三)转变产物的组织与性能2.贝氏体型(B)转变(550～230℃):350～230℃:

B下;50～60HRC;B下=过饱和碳

α-Fe针叶状+Fe3C细片状过饱和碳

α-Fe针叶状Fe3C细片状针叶状工程材料与热加工基础—程晓宇

下贝氏体组织金相图工程材料与热加工基础—程晓宇三)转变产物的组织与性能3.马氏体型(M)转变(230～-50℃):1)定义:马氏体是一种碳在α–Fe中的

过饱和固溶体。2)转变特点:在一个温度范围内连续冷却完成;转变速度极快,即瞬间形核与长大;无扩散转变(Fe、C原子均不扩散),

M与原A的成分相同,造成晶格畸变。转变不完全性,QM=f(T)工程材料与热加工基础—程晓宇奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响6007005003004002001000-100-2000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.00温度℃Wc100MsMf工程材料与热加工基础—程晓宇90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.11.21.31.41.51.61.7Wc100残余奥氏体量(%)奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响工程材料与热加工基础—程晓宇3)马氏体的晶体结构:由于碳的过饱和作用,使α–Fe晶格由体心立方变成体心正方晶格。工程材料与热加工基础—程晓宇4)马氏体的组织形态:板条状---低碳马氏体(＜0.2%C);30～50HRC;δ=9～17%。工程材料与热加工基础—程晓宇

低碳板条状马氏体组织金相图工程材料与热加工基础—程晓宇4)马氏体的组织形态:针、片状---高碳马氏体(＞1%C);66HRC左右;δ≈1%。工程材料与热加工基础—程晓宇

高碳针片状马氏体组织金相图马氏体的碳浓度Wc100507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.91.0硬度(HRC)2000抗拉强度σb(Mpa)1800140010006002005)马氏体的性能:

主要取决于马氏体中的碳浓度。工程材料与热加工基础—程晓宇

亚共析钢的TTT曲线

FAP+FS+FTBM+A残A3时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf工程材料与热加工基础—程晓宇

过共析钢的TTT曲线P+Fe3CⅡS+Fe3CⅡTBM+A残

Fe3CⅡAACM时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf工程材料与热加工基础—程晓宇

四)影响TTT曲线形状

与位置的因素1.奥氏体中含碳量的影响:过共析钢共析钢亚共析钢时间温度A1工程材料与热加工基础—程晓宇2.奥氏体中含合金元素的影响:

除Co、Al(＞2.5%)外,所有合金元素溶入奥氏体中,会引起:向右移向下移MsA1A1Ms含Cr合金钢工程材料与热加工基础—程晓宇3.加热温度和保温时间的影响:

加热温度越高,保温时间越长,

碳化物溶解充分,奥氏体成分均匀,

提高了过冷奥氏体的稳定性,从而

使TTT曲线向右移。工程材料与热加工基础—程晓宇三.过冷奥氏体的连续冷却转变一)建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线----CCT曲线C---continuousC---coolingT---transformationVk

一)共析碳钢CCT曲线建立过程示意图时间(lgτ)温度℃A1PfPsA+PKMsMf水冷油冷Vk1炉冷空冷二)共析碳钢TTT曲线与CCT曲线的比较稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMfCCT曲线TTT曲线稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf三)在连续冷却过程中TTT曲线的应用V1V2VkV3V4V1=5.5℃/s:炉冷;PV2=20℃/s:空冷;SV3=33℃/s:油冷;T+M+A残V4≥138℃/s:水冷;M+A残工程材料与热加工基础—程晓宇

第四节钢的普通热处理工艺毛坯生产预备热处理机械加工最终热处理机械精加工预备热处理:退火;正火最终热处理:淬火;回火一般零件生产的工艺路线:工程材料与热加工基础—程晓宇一.钢的退火一)定义:

把零件加温到临界温度以上

30～50℃,保温一段时间,然后

随炉冷却。二)目的:

消除应力;降低硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。工程材料与热加工基础—程晓宇三)种类退火重结晶退火低温退火完全退火扩散退火球化退火再结晶退火去应力退火普通退火等温退火普通球化退火等温球化退火工程材料与热加工基础—程晓宇四)工艺参数:温度(°C)名称Ac3

+30～50完全退火Ac1+30～50球化退火500～600去应力退火Ac3

+150～250扩散退火四)工艺参数:工程材料与热加工基础—程晓宇五)热处理后的组织:

原始组织。

共析钢球化退火组织(化染)700

T10钢球化退火组织(化染)500

工程材料与热加工基础—程晓宇二.钢的正火一)定义:

把零件加温到临界温度以上

30～50℃,保温一段时间,然后

在空气中冷却。二)目的:

消除应力;调整硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。工程材料与热加工基础—程晓宇三)工艺参数:温度(°C)名称Ac3

+30～50亚共析钢Ac1

+30～50共析钢Accm+30～50过共析钢四)工艺参数:工程材料与热加工基础—程晓宇四)热处理后的组织:S(Wc=0.6～1.4%)S+F(Wc＜0.6%)五)应用范围:

1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬度;消除过共析钢中的Fe3CⅡ。

2.最终热处理:用于力学性能要求不高的普通零件。工程材料与热加工基础—程晓宇三.钢的淬火一)定义:

把零件加温到临界温度以上

30～50℃,保温一段时间,然

后快速冷却(水冷)。二)目的:为了获得马氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。工程材料与热加工基础—程晓宇三)工艺参数:温度(°C)名称Ac3

+30～50亚共析钢Ac1

+30～50共析钢Ac1

+30～50过共析钢工程材料与热加工基础—程晓宇三)工艺参数:工程材料与热加工基础—程晓宇四)热处理后的组织:

M+Fe3C+A残

Ac1+30～50过共析钢M+A残Ac1+30～50

共析钢M+A残

Ac3+30～50亚共析钢Wc＞0.5%MAc3+30～50亚共析钢Wc≤0.5%

最终组织淬火温度(℃)

钢种工程材料与热加工基础—程晓宇五)淬火加热时间(τ)的选择:τ

=α

K

D工件有效厚度(尺寸最小部位)装炉量有关系数一般K=1～1.5加热系数,与钢种及加热介质有关工程材料与热加工基础—程晓宇六)淬火冷却介质1.理想淬火冷却介质时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf2.常用的淬火冷却介质

名称

最大冷却速度时平均冷却速度/(℃•s-1)所在温度/℃冷却速度/(℃•s-1)650～550℃300～200℃20℃静止水34077513545040℃静止水28554511041060℃静止水2202758018510%NaCl

溶液58020001900100010%NaOH溶液5602830275077520℃