第一章+金属材料基本知识（课件）-《金属加工基础》

第一章金属材料基本知识

1.1金属材料的主要性能

1.2

金属与合金的结构和结晶

1.3

铁碳合金相图

1.4

金属的腐蚀与防护

复习思考题

§1．1金属材料的主要性能

一、金属材料的使用性能

(一)强度金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力，称为强度。按载荷作用方式不同，强度可分为抗拉强度、抗弯强度、抗压强度和抗剪强度等。通常以抗拉强度为基本的强度指标。金属材料的抗拉强度以标准试样在万能材料试验机上进行拉伸试验测定。

(二)塑性塑性是指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。常用的塑性指标是断后伸长率δ和断面收缩率ψ，一般通过拉伸试验来测定。断后伸长率δ又称延伸率，是试样被拉断时，标距长度的伸长量∆L与原始标距Lo的百分比，即：

δ＝(∆L／Lo)×100％

断面收缩率ψ为试样被拉断时，缩颈处横截面的最大缩减量∆S与原始横截面面积S。的百分比，即：

Ψ=(∆S／S。)×100％(三)硬度硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。

测定硬度的方法很多，最常用的是压入法。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等几种。

1．布氏硬度HB

布氏硬度测试原理如图1．3。压头为淬火钢球或硬质合金球，2．洛氏硬度HR

洛氏硬度也是用压入法测定的;

不是测量压痕面积，而是通过测量压痕深度大小来衡量材料硬度高低。。3.维氏硬度HV

维氏硬度测定方法基本原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积承受的压力大小来测量的;

不同的是维氏硬度压头是锥面夹角为136°~的金钢石正四棱锥体(四)冲击韧度

冲击韧性(PercussiveTenacity)反映金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力,其值以冲击韧度AK来表征冲击试样缺口底部单位横截面面积上的冲击吸收功称为冲击韧度。冲击韧度的测定，目前普遍采用摆锤式一次冲击试验方法

.

(五)疲劳强度

疲劳强度(FatigueStrength)是指材料经无数次的应力循环或达到规定的循环次数才断裂的最大应力,用以表征材料抵抗疲劳断裂的能力。测试材料的疲劳强度,最简单的方法是旋转弯曲疲劳试验。实验测得的材料所受循环应力σ与其断裂前的应力循环次数N的关系曲线称为疲劳曲线。二、金属材料的工艺性能

金属零件、结构，都是将金属坯料进行一系列加工处理而制成的。

工艺性能是反映金属材料接受各种加工和处理时难易的适应程度，对产品质量、加工生产率和生产成本等，都有很大影响。金属材料的工艺性能通常是指铸造、锻压、焊接、热处理和切削加工性能等

§1．2金属与合金的结构和结晶

一、金属材料的性能与结构

科学研究表明材料的性能取决于材料的组织结构;

而材料的组织结构由它的化学组成和加工工艺决定。也就是说，材料的性能是其内部组织结构的宏观表现，化学组成是决定组织结构的内因，而加工工艺是决定组织结构的外部条件。

(一)金属晶体结构基本知识1．晶格为了便于描述晶体内部原子排列的规则，假设将原子抽象为一个点，称之为结点；再用假想的直线连接结点，形成空间格架，这种假想的空间格架称为结晶格子，简称晶格。

2．晶胞

晶体的晶格在空间排列有周期性重复的特点。通常把晶格中具有空间排列规则特征的最小几何单元称为晶胞。

3．常见金属的晶格类型在金属元素中，常见的晶格类型有:

体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三种。属于体心立方晶格的金属有Cr、W、Mo、V和α—Fe等

属于面心立方晶格的金属有Al、Cu、Ni、Au、Ag和γ—Fe等

属于密排六方晶格的金属有Mg、Zn、Be、Cd等4．晶体的各向异性

由于晶体内部原子的有规则排列，使晶体内部不同位向原子排列密度不同，原子之间的结合力也不同，因此在不同的方向表现出不同的性能。这种现象就是晶体的“各向异性”特点。

(二)金属的实际晶体结构

1．多晶体结构实际使用的金属材料由许多小晶体(晶粒)组成的多晶体。

2．晶体缺陷

由于各种原因使原子的规则排列遭到破坏，存在着局部和区域的晶体缺陷。

根据晶体缺陷的几何特征，晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。

(三)合金的晶体结构纯金属一般力学性能不高而制取成本高，应用受到限制，因此实际使用的金属材料很少是纯金属。合金可根据不同需要配制，获得不同的力学性能和物理、化学性能，因而得到广泛的应用。常用的碳钢、铸铁、合金钢、硬铝、青铜等金属材料，都是合金。

1．合金基本概念合金，是一种金属与另一种或几种金属、非金属熔合组成的，具有金属特性的物质。如铁和碳组成的铁碳合金——碳素钢、铸铁等；铜和锌组成的铜锌合金——黄铜等。2．合金的相结构大部分的合金在液态时组元能相互溶合，形成均匀的单一液相。而在固态时，由于组元之间相互的不同作用，可以形成不同的相结构，成为合金不同的组织组成相。

按合金中组成相的结构特征，可分为固溶体和金属化合物两类。

(1)固溶体固态合金中，一组元的晶格中溶人入另一种或多种其他组元而形成的均匀相，称为固溶体。保留晶格的组元称溶剂，溶入晶格的组元称溶质。(2)金属化合物合金组元间按一定比例组成，并形成新的晶格结构和明显金属特性的新相，这种新相称为金属化合物。金属化合物可用一定的分子式来表示，如Mg2Si、Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C等。金属化合物通常具有复杂的晶格结构，熔点高、硬度高而脆性大。在合金中金属化合物可提高硬度和强度，但降低塑性和韧性，是金属材料中的重要强化相。图1．10为铁碳合金中的金属化合物Fe3C的晶体结构图。(3)多相复合组织合金中的组元相互作用，一般并非简单地形成一种固溶体或一种金属化合物，而可形成多种固溶体和金属化合物，最后组成多相复合组织。

二、金属与合金的结晶

金属制品一般都需要经过熔炼、浇注、压力加工、切削加工等工艺过程而制成;(一)金属的结晶

金属的结晶是金属原子的聚集状态由无规则的液态，转变为规则排列的固态晶体的过程。金属的结晶过程可用冷却曲线来描述。

图1．11为用热分析法测定的金属冷却曲线。1．金属的结晶过程液态金属的结晶过程由晶核的形成和晶核长大两个环节组成。2．晶粒大小及其控制(1)晶粒大小对金属性能的影响

(2)晶粒大小的控制金属晶粒的大小主要取决于结晶过程中的形核率N(单位体积中单位时间形成的晶核数)和晶核长大速率G(单位时间内晶核长大的线速度)。3．金属铸锭组织金属铸锭可看作形状简单的大型铸件，是金属型材的基础坯材，其组织性能对金属型材有很大的影响。

铸锭的表层和中心因冷却结晶条件不同，结晶后从表面到中心形成三个具有不同特征的结晶区。图1．12为铸锭组织的剖面示意图。

(1)表层细晶区

(2)柱状晶粒区

(3)中心等轴晶粒区(二)合金的结晶合金相图又称合金状态图或合金平衡图，是表示平衡条件下合金成分、温度和组织状态之间关系的图形。1．二元合金相图二元合金是最基本的合金，搞清楚二元合金的成分、温度和组织状态之间的关系与变化规律，也是研究其他复杂成分合金的基础。

图1．13是Cu—Ni二元合金相图，其纵坐标表示温度，横坐标表示成分。2．合金性能与相图的关系合金的性能取决于合金的组织结构，而其组织结构由成分和工艺条件决定。合金相图表明在平衡条件下，合金成分、温度和组织之间的关系，也就反映了性能的变化规律。

(1)合金力学性能与相图的关系

(2)合金工艺性能与相图的关系

§1．3铁碳合金相图铁碳合金是由碳和铁两种元素为主组成的合金。应用广泛的碳钢、铸铁等金属材料均属铁碳合金。一、铁碳合金的基本组织

(一)纯铁的同素异晶转变

(二)铁碳合金的基本组织

1．铁素体(F)

铁素体是碳溶于α一Fe中形成的间隙固溶体，用F表示。2．奥氏体(A)

奥氏体是碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体，用A表示。3．渗碳体(Fe3C)

渗碳体是铁和碳形成的具有复杂晶格的金属化合物，用FeC表示。4．珠光体(P)

珠光体是由铁素体和渗碳体组成的两相复合组织，用P表示5．莱氏体(Ld)

莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的复相组织，用Ld表示。

二、铁碳合金相图

铁碳合金相图是表示不同成分的铁碳合金在缓慢加热、冷却条件下，不同温度时的组织状态的图形，又称铁碳合金状态图或铁碳合金平衡图。铁碳合金相图是制订热加工工艺和选材的重要依据，也是钢铁热处理的主要理论基础。。

(一)Fe—Fe3C相图分析相图的纵坐标表示温度，横坐标表示碳含量。横坐标左端(原点)为wc=0%，是纯铁；右端为wc=6．69%，是Fe3C。1,Fe—Fe3C相图中的特性点2,Fe—Fe3C相图中的特性线

(二)典型铁碳合金的冷却过程及其组织1．铁碳合金的分类工业纯铁、钢和白口铁三类。

(1)工业纯铁碳含量wc<0．0218％的铁碳合金，室温组织为F(含很少的Fe3Cш)。

(2)钢碳含量0．0218％<wc≤2．11％的铁碳合金，根据不同的室温组织又分为三种：

1)共析钢，wc=0．77％，室温组织为P；

2)亚共析钢，0．0218％<wc<0．77％，室温组织为P+F3)过共析钢，0．77％<wc≤2．11％，室温组织为P+Fe3CⅡ。

(3)白口铁碳含量2．11％<wc≤6．69％的铁碳合金，根据不同的室温组织也可分为三种：

1)共晶白口铁，wc=4．3％，室温组织为Ld；

2)亚共晶白口铁，2．11％<wc≤4．3％，室温组织为P+Ld+Fe3CⅡ；

3)过共晶白口铁，4．3％<wc≤6．69％，室温组织