漳职院金属工艺学课件01金属材料基本知识

第一章

金属材料基本知识§1.1金属材料的主要性能使用性能——指材料在使用过程中表现出来的性能。工艺性能——指材料对各种加工工艺适应的能力。一、金属材料的使用性能力学性能——金属材料在外力（载荷）作用下，所表现的抵抗变形和破坏的能力。（一）强度强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂的能力。

拉伸试验动画\金工动画\拉伸曲线.swf

1.弹性极限—试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉应力。2.屈服点—试样在试验过程中力示增加（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时的应力。3.抗拉强度——试样拉断前所能承受的最大应力值。

（二）塑性塑性是指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。

1.断后伸长率—试样拉断后标距的伸长时与原始标距的百分比。

2.断面收缩率—试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。

（三）硬度

1.布氏硬度（1）试验原理：D、F、t、S

（2）符号

（3）表示方法

XXXHBS(W)XX/XXX/XX

（4）应用范围：测定结果较稳定、准确，但不宜测薄件或成品件。HBS用于测小于450的材料；HBW用测小于650的材料。主要用来测灰铸铁、有色金属及经退火、正火和调质处理的钢材。

布氏硬度试验原理图

详细说明

主要技术参数：

初试验力（N）：29.4

维氏硬度试验（N）：49，98，196，294

显微镜放大倍率：75倍、150倍

试件允许最大高度：200mm

表面洛氏硬度（mm）：147，294，441

压头中心到机身距离：200mm

电源电压：AC220V50/60HZ布氏硬度试验

2.洛氏硬度（1）试验原理：用顶角为1200的金刚石圆锥或直径为1.588mm的淬火钢球作压头，在初始试验力F1（98N）及总试验力F作用下，将压头压入试样表面，按规定保持时间后卸除主试验力，用测量的残余压痕深度增量计算硬度。（2）符号

（3）表示方法在符号前写出硬度值。（4）应用范围可直接测量成品或较薄工件，但结果不够准确。

洛氏硬度试验原理图

（四）冲击韧度冲击试样缺口底部横截面积上的冲击吸收功。

将被测材料制成标准U型或V型试样，缺口背向摆锤冲击方向，摆锤举至H1

高度，然后自由落下，冲断试样升至高度H2

。摆锤冲断试样所消耗的能量，即试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功。

A=mgH1-mgH2=mg（H1-H2）J

冲击试样缺口底部处单位横截面积上的冲击吸收功，称为冲击韧度。

αk=Ak/SNJ/cm2

冲击吸收功Ak

作为材料韧性判据。冲击吸收功与温度、试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷有关。

（五）疲劳强度

材料在指定循环基数下不产生疲劳断裂所能承受的最大应力。

实际的疲劳强度值，规定钢进行1×106～107次，有色金属进行1×107～1×108次交变循环而不发生疲劳破坏时的最大应力值，即为该材料的疲劳强度σ-1。疲劳强度与抗拉强度之间存在一定的比例关系，如碳素钢σ-1≈（0.4～0.55）σb

，灰铸铁σ-1≈0.4σb

，有色金属σ-1≈（0.3～0.4）σb。疲劳破坏的原因：应力集中——微裂纹——扩展——断裂破坏。避免措施：改善内部组织、外部形状和表面状态，减小和避免应力集中，表面强化处理和减小表面粗糙度值。

§1.2金属与合金的结构和结晶

一、金属材料的性能与结构晶体——原子杂乱无章堆砌起来。晶体——原子按一定几何图形有规则排列。特点：有固定的熔点，各向异性（一）金属的晶体结构基本知识

1.晶格——描述原子在晶体中规则排列方式的空间几何图形。

2.晶胞——能够反映晶格特征的最小几何单元。动画\金工动画\晶胞.swf3.常见金属的晶格类型

（１）体心立方晶格动画\金工动画\体心.swf

立方体晶胞，八个顶角和立方体中心各有一个原子，每个晶胞有原子２个。常见金属有：Cr、W、Mo、V和α-Fe等。

（２）面心立方晶格动画\金工动画\面心.swf

立方体晶胞，八个顶角和六个面的中心各有一个原子，每个晶胞有原子４个。常见金属有：Al、Cu、Ni、Au、Ag和

-Fe等。

（３）密排六方晶格动画\金工动画\密排.swf

正六棱柱体晶胞，12个顶角和上下面中心各有一个原子，晶胞内还有３个，每个晶胞有原子

6个。

常见金属有：Mg、

Zn、Be和

Cd等。

（二）金属的实际晶体结构

1.多晶体结构动画\金工动画\多晶体结构.swf

单晶体——晶体内部的晶格位向完全一致。晶粒——外形不规则，呈颗粒状的小晶体。晶界——晶粒与晶粒之间的界面。多晶体——由许多晶粒组成的晶体。

2.晶体缺陷

（１）点缺陷动画\金工动画\点缺陷.SWF

晶格空位和间隙原子强度和硬度增加，塑性和韧性降低

（２）线缺陷动画\金工动画\刃型位错.SWF

刃型位错强度、硬度增加，塑性、韧性下降。

（３）面缺陷晶界和亚晶界动画\金工动画\亚晶界.SWF动画\金工动画\晶界.SWF

金属强度、硬度增高，塑性变形困难——“细晶强化”。

（三）合金的晶体结构

1.合金的基本概念（1）合金——两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素熔合，组成具有金属特性的物质。（2）组元——组成合金最基本、能独立存在的物质。（3）合金系——由给定的组元，按一定的比例配制成一系列的合金。（4）相——具有成分、组织相同，与其他部分有界面的均匀组成部分。（5）组织——用肉眼可直接观察的，或用放大镜、显微镜分辨和材料内部微观形貌图象。

2.合金的相结构（1）固溶体—合金在固态下，组元之间能互相溶解而形成的均匀相。溶剂—与固溶体晶格类型相同。溶质—晶格类型消失的组元。

①置换固溶体——溶质的原子部分取代溶剂晶格上的原子。动画\金工动画\置换固溶体.SWF

有限置换固溶体——按一定比例进行置换。无限置换固溶体——任意进行置换原子。条件：晶格类型相同，原子半径接近。

②间隙固溶体——溶质的原子溶入溶剂晶格之中形成的固溶体动画\金工动画\间隙固溶体.SWF

固溶体——>晶格畸变——>强度、硬度增加——>固溶强化

（2）金属化合物——合金组元之间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相。特点：晶格类型不同于任一组元，有较高的熔点，硬而脆。动画\金工动画\Fe3C晶格结构.SWF

金属化合物主要用来作为碳钢、各类合金钢、硬质合金及有色金属的重要组成相。（3）多相复合组织——两种或两种以上的相按一定的质量百分数组合成的物质。特点：保持各组元的晶格类型。性能取决于各组成相的性能及分布状态。

二、金属与合金的结晶（一）金属的结晶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过程。动画\金工动画\冷却曲线.swf

过冷度——理论结晶温度Tm与实际结晶温度To之差。

1.金属的结晶过程动画\金工动画\金属结晶过程.SWF

（1）晶核的形成（2）晶核的长大金属液的结晶过程是晶核产生和长大的过程，同时存在同时进行。

2.晶粒大小及其控制（1）晶粒大小对金属性能的影响一般情况下，晶粒越细小，金属的强度、塑性和韧性越好。晶粒大小主要取决于形核速率N和长大速率G。（2）晶粒大小的控制生产中细化晶粒的方法有：①增加过冷度；②变质处理；③附加振动。

3.金属铸锭组织（1）表层细晶区过冷度大，形核率高（2）柱状晶粒区（3）中心等轴晶粒区

动画\金工动画\二元相图建立.swf

§1.3铁碳合金相图一、铁碳合金基本组织（一）纯铁的同素异晶转变在固态下，金属的晶格类型随温度（或压力）变化的特性——同素异晶转变。动画\金工动画\同素异构.swfδ—Fe→γ—Fe→α—Fe

体心立方晶格面心立方晶格体心立方晶格铁的同素异构转变是钢铁材料能够进行热处理的依据。

（二）铁碳合金的基本组织

1.铁素体（F）

碳溶于α—Fe中形成的间隙固溶体，用符号F（或α）表示。

600℃溶碳量0.008%

727℃溶碳量0.0218%

性能：与纯铁相似，强度、硬度低，而塑性和韧性好。组织：呈明亮的多边形晶粒，晶界曲折。

铁素体的显微组织

2.奥氏体（A）

碳溶于γ—Fe中形成的间隙固溶体，用符号A（或γ）表示。

727℃溶碳量0.77%

1148℃溶碳量2.11%

性能：有一定的强度和硬度，塑性和韧性好，适于进行锻压加工。组织：与铁素体相似，晶粒呈多边形，但晶界较铁素体平直

奥氏体的显微组织

3.渗碳体（Fe3C）

铁和碳形成的一种具有复杂斜方晶格的间隙化合物，用化学分子式Fe3C表示。

ωc=6.69%熔点为1227℃

性能：硬度很高，脆性很大，塑性极差。组织：常以片状、球（粒）状和网状等不同形态存在。

4.珠光体——铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示。

ωc=0.77%

性能：介于铁素体与珠光体之间，即综合性能良好。

5.莱氏体——ωc=4.3%的合金，缓慢冷却到1148℃时从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶组织，用符号Ld表示。性能：与渗碳体相似，即硬度高，塑性差。

珠光体是铁素体和渗碳体呈层片状交替排列的机械混合物。呈块状分布的白亮部分即是铁素体，黑色部分为珠光体组织。

45钢的显微组织（×400）

在亮白色渗碳体基底上相间地分布着暗黑色斑点及细条状珠光体莱氏体的显微组织

1.Fe-Fe3C相图中的特性点

（二）典型铁碳合金的冷却过程及其组织

1.铁碳合金的分类按含碳量和室温下显微组织不同，铁碳合金分为三类：（1）工业纯铁ωc<0.0218%显微组织为铁素体（2）钢0.0218%<ωc<2.11%按室温显微组织又分为：

①亚共析钢0.0218%<ωc<0.77%组织为珠光体+铁素体

②共析钢ωc=0.77%组织为珠光体

③过共析钢0.77%<ωc<2.11%组织为珠光体+渗碳体

（3）白口铸铁2.11%<ωc<6.69%按室温显微组织又分为：

①亚共晶白口铸铁2.11%<ωc<4.3%

组织为珠光体+渗碳体+变态莱氏体

②共晶白口铸铁ωc=4.3%组织为变态莱氏体

③过共晶白口铸铁4.3%<ωc<6.69%组织为变态莱氏体+一次莱氏体

2.典型铁碳合金结晶过程分析（1）共析钢动画\金工动画\共析结晶.swf

（2）亚共析钢（3）过共析钢（4）共晶白口铁动画\金工动画\共晶结晶.swf

（5）亚共晶白口动画\金工动画\亚共晶结晶.swf

T8钢的室温平衡组织珠光体

亚共析钢组织：F+P

过共析钢结晶过程示意图