金属材料基础知识.ppt

1、金属材料,在物质内部凡原子呈无序堆积状况的，称为非晶体，例如普通玻璃，松香，树脂等，均属于非晶体。相反，凡原子呈有序、有规则排列的物体成为晶体。金属在固态下一般均属于晶体。 晶体与非晶体，由于原子排列方式不同，他们的性能也有差异。晶体具有固定的熔点，其性能呈各向异性；非晶体没有固定熔点，而且表现为各向同性。,金属的晶体结构,晶体结构的概念,晶体的内部原子是按一定几个规律排列的，为了便于理解，把原子看成是一个小球，则金属晶体就是由只得些小球有规律的堆积而成的物体。 为了形象的表示晶体中原子排列的规律，可以将原子简化成一个点，用假想的线将这些点连接起来，构成有明显规律性的空间格架。这种表示原子在晶

2、体中排列规律的的空间格架叫做晶格。晶格是由许多形状、大小、相同的最小几何单元，重复堆积而成的。能够完整的反映晶鸽特征的最小几何单元称为晶胞。,晶体,晶体是原子、离子或分子按照一定的周期性，在结晶过程中，在空间排列形成具有一定规则的几何外形的固体。晶体的分布非常广泛，自然界的固体物质中，绝大多数是晶体。气体、液体和非晶物质在一定的合适条件下也可以转变成晶体。晶体内部原子或分子排列的三维空间周期性结构，是晶体最 基本的、最本质的特征。晶体能对X射线和电子束产生衍射效应。,晶格(crystal lattice ),又称晶架。泛指晶体的空间格子这一几何图形。 即“晶体结构”。因为组成晶体的原子、离子或

3、分子在晶体内部的分布都是符合于空间格子的规律而表现为格子状的。对纯离子化合物来说，离子电荷越高，晶格能越大；离子半径越小，晶格能越高。电荷高的晶格能大，电荷一样时看离子半径和，离子半径之和小的晶格能大。 晶格能无法直接测得，只有通过热力学循环求得。,金属晶格的类型,铁碳合金的分类,据含碳量、组织转变的特点及室温组织，铁碳合金可分为以下几类：,双击添加标题文字,钢,白口铸铁,钢,含碳量从0.0218%2.11%的铁碳合金称为钢。根据其含碳量及室温组织的不同，又可分为： 亚共析钢 0.0218%C0.77% 共析钢 C=0.77% 过共析钢 0.77%C2.11%,白口铸铁,白口铸铁： 含碳量2.

4、11%.6.69%的铁碳合金称为白口铸铁.根据其含碳量及室温组织的不同,又可分为: 亚共晶白口铸铁 2.11%C4.3% 共晶白口铸铁 C=4.3% 过共晶白口铸铁 4.3%C6.69%,亚共析钢,相组成物：F，Fe3C 相相对量：,Fe3C% =,组织组成物：F、P,P% =,F% =,铁碳合金的相及组织,在铁碳合金中,碳可以与铁组成化合物,也可以形成固溶体,还可以形成混合物.在铁碳合金中有以下几种基本组织:,铁素体（ferrite）,碳溶解在- Fe中形成的间隙固溶体称为 铁素体，由于- Fe是体心立方晶格，晶格间隙较小，所以碳在- Fe中的溶解度很小. - Fe中的最大溶碳量仅为0.02

5、18%,随着温度的降低, - Fe中的溶碳量逐渐减小,在室温时碳的溶解度几乎等于零.由于铁素体的含碳量低,所以铁素体的性能与纯铁相似.性能:具有良好的塑性和韧性,而强度和硬度较低.,-Fe，-Fe，Fe都是纯铁，只是晶格类型不同，这种现象称为同素异构。 Fe：温度在912以下的纯铁，晶格类型是体心立方； -Fe： 温度在9121394的纯铁，晶格类型是面心立方； -Fe: 温度在13941538的纯铁，晶格类型是体心立方；,-Fe，-Fe，Fe,铁素体的晶胞,铁素体的显微组织,奥氏体(Austenite),碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体. 由于-Fe 是面心立方晶格,晶格的间隙较大

6、,故奥氏体的溶碳能力较强.在1148时溶碳量可达2.11%,随着温度的下降,溶解度逐渐减小,在727 时溶碳量为0.77%. 奥氏体的强度和硬度不高,但具有良好的塑性,是绝大多数钢在高温进行锻造和扎制时所要求的组织.,奥氏体的晶胞,奥氏体的显微组织,珠光体是铁素体和渗碳体的混合物,它是渗碳体和铁素体片层相间,交替排列形成的混合物. 在缓慢冷却条件下,珠光体的含碳量为0.77%.由于珠光体是由硬的渗碳体和软的铁素体组成的混合物,所以其力学性能取决于铁素体和渗碳体的性能.大体上是两者性能的平均值,故珠光体的强度较高,硬度适中,具有一定的塑性.力学性能介于铁素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性

7、和韧性较好（b=770MPa、180HBS 、 =20%35%、ak=2432J）。,珠光体（Pearite),珠光体的显微组织,马氏体(martensite),马氏体是黑色金属材料的一种组织名称。 固溶在奥氏体中的碳,转变后原封不动地保留在铁的晶格中,形成碳在-Fe中的过饱和固溶体,称为马氏体. 马氏体最初是在钢（中、高碳钢）中发现的：将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。,马氏体的显微组织,针状马氏体,板条马氏体,铁碳合金基本组织的力学性能,组织名称,符号,含碳量/%,b,/%,HBS,钢的退火,将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓

8、慢冷却的处理工艺称为退火。 退火的目的： 1、降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。 2、细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的热处理作准备。 3、消除钢中的残余内应力，以防止变形和开裂。 常用的退火方法有完全退火、球化退火、去应力退火等几种。,球化退火,球化退火是将钢加热到Ac1以上2030C，保温一定时间，以不大于50C/h的冷却速度随炉冷却下来，使钢中碳化物呈球状的工艺方法。 在球状珠光体组织中，渗碳体呈球形的细小颗粒，弥散分布在铁素体基体之内。球状珠光体同片状珠光体相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易粗大，冷却时工件的变形和开裂倾

9、向小。 球化退火使用于共析钢及过共析钢，如碳素工具钢，合金工具钢，轴承钢等。这些钢在锻造加工后进行球化退火，一方面有利于切削加工，同时为最后的淬火处理作好组织准备。,完全退火,完全退火是将钢加热到完全奥氏体化，随之缓慢冷却，以获得接近碰横状态组织的工艺方法。 在完全退火假日过程中，钢的组织全部转变为奥氏体，在冷却过程中， 奥氏体转变为细小而均匀的平衡组织（F+P），从而达到降低钢的硬度、细化晶粒、充分消除内应力的目的。 完全退火主要用语中碳钢及低、中碳结构钢的锻件、铸件、热扎型材等，有时也用于焊接结构件。过共析钢不宜采用完全退火，因为过共析钢完全退火需要加热到Acm线以上，在缓慢冷却时，钢中将

10、析出网状渗碳体，使钢的力学性能变坏。,去应力退火,去应力退火是将钢加热到略低于A1的温度（一般取500650C）保温一定时间后缓慢冷却的工艺方法。其目的是消除由于塑性变形、焊接、切削加工、铸造等形成的残余内应力。 工件和零件中存在的内应力是十分有害的，如不及时消除，会在加工和使用过程中发生变形，影响其精度。因此，锻造、铸造、焊接及切削加工后（精度要求高）的工件应采用去应力退火。 由于去应力退火温度低于A1，所以在去应力退火时胳每个的组织不发生变化，只是消除内应力。,冷塑性变形,金属材料经冷塑性变形后，提高强度和硬度的方法，称为形变强化。形变强化是室温时呈单相组织，加热时又不发生相变的金属和合金

11、的主要强化方法；也是以单相固溶体为主要组成物，包含少量第二相的合金的重要强化方法。 形变强化主要用于不能采用热处理强化或强化效果不显著的，室温时又具有良好的塑性，并能进行适当程度的冷塑性变形的金属和合金。 生产中常用的形变强化方法有冷挤、冷拉、冷扎、冷镦、冷压、滚压和喷丸等。冷挤、冷拉、冷扎主要用于原材料的生产；冷镦主要用于标准件的生产；冷压、滚压和喷丸主要用于零件表面强化，并可提高零件表面硬度、疲劳强度和表面质量。 形变强化在生产上已得到了广泛地应用，如各类钢丝、铝丝、铁丝和小直径弹簧钢丝等；薄钢板的冷扎、冷镦螺栓；大弹簧和大齿轮表面的喷丸处理；滑动摩擦轴颈的滚压；精密锻件的精压等。但形变强化时，材料的截面尺寸不宜过大，否则表面变形不均匀，不能达到预期的强化效果。塑性差、形状复杂的零件也不能进行形变强化处理。,冷塑性变形对金属性能的影响,冷塑性变形不仅改变了金属的外形，而且使其内部性能与组织产生一系列的的变化。 冷塑性变形对金属性能的影响是造成形变强化，也称加工硬化。即塑性变形程度增加，金属的强度、硬度提高、而塑性、韧性下降。 例如奥氏体不锈钢，变形前强度不高（196）但经40%扎制变形后屈服点提高了34倍（784980），抗拉强度也提高了一倍。此外，形变强化还可以使金属具有偶然的抗超载能力，一定程度上提高了构件在使用中的