金属材料及热处理教学绪论讲义.doc

绪论及第一章一、工程材料： 主要用于工程结构和机器零件的材料。 金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料1、金属材料：包括钢铁材料和有色金属（铝、镁、钛、镍、铜等）。2、陶瓷材料： 新型陶瓷原料如Al2O3，SiC，Si3N4，TiC等 主要性能：重量轻；化学稳定性好，耐蚀性好；压缩强度好，可与金属相比；熔点高，耐高温；耐磨性好，硬度高；电和热的绝缘材料。 缺点：易脆断，不易加工成型。3、高分子材料：又称聚合物（Polymorization），一种或多种简单低分子化合物聚合而成相对分子质量很大的化合物，主要元素为：C、H、N、O。按特性分为：橡胶、塑料、纤维、粘结剂、涂料等。 塑料分为通用和工程两种。工程塑料的力学性能好，主要用于工程构件中。聚酰胺（PA俗称尼龙）、聚碳酰胺（PC）、有机玻璃（PMMA）、聚四氟乙烯（PTFE）。4、复合材料：将传统材料相互结合起来，发挥各自的优势，克服弱点产生较大的使用价值。一般分为三大类，塑料基、金属基、陶瓷基。 二、材料的性能： 主要分为使用性能和工艺性能使用性能： 1、物理性能：比重、熔点t、热膨胀系数 、磁性、光泽、导电性 2、化学性能：抗蚀性、抗氧化性 3、机械性能（力学性能）：弹性（e）、刚度（E） 、塑性（延伸率和断面收缩率)、强度（s）、硬度HB；HR（A、B、C）；HV 、冲击韧性（AK）、疲劳强度（-1）、蠕变极限等工艺性能： 1、铸造性能：流动性、熔点、氧化性 2、焊接性能：氧化性、导热性、热膨胀性 3、可锻性：热压力加工难易度、一定温度下的塑性、允许热压温度、体积变化 4、切削加工性能：切削抗力、表面粗糙度、韧性、强度 三、课程主要内容： 金属学、热处理、金属材料基本结构:晶体、晶格（点阵）、晶胞、晶格常数。常见晶格结构（1）体心立方： 原子数：1/8*8+1=2； 晶格常数：a=b=c； 原子半径：r=a3/4； 致密度：2V/a3=0.68； 配位数：8； 代表金属： Cr、W、V、-Fe（<912）、-Fe（>1394）等。（2）面心立方： 原子数:1/8*8+1/2*6=4 晶格常数：a=b=c 原子半径：r=a2/4 致密度：4V/a3=0.74 配位数：12 代表金属：Al、Cu、Ni、Pb、-Fe（912-1394）等（3）密排六方:原子数:1/6*12+1/2*2+3=6 晶格常数:a=bc，c/a1.633 原子半径:r=a/2； 致密度:0.74； 配位数:12； 代表金属: Mg、Zn、Ti等。 三种晶体缺陷晶体缺陷分三类，缺陷造成晶格发生畸变。（1）点缺陷：三维尺度上尺寸在几个原子范围内的缺陷.空位、间隙原子、置换原子（动画1，2）.（2）线缺陷：一个方向上尺寸较大，另两个方向上尺寸较小的缺陷。主要为位错。分为刃型位错（动画1，2）和螺型位错（动画1，2）。（3）面缺陷：三维方向上尺寸都较大的缺陷。主要为晶界和亚晶界。结晶 1、结晶：晶体由液体变为固体的过程。 结晶必要条件：过冷度G2、形核长大：结晶过程的实质。 液态下原子能量高结构起伏与相起伏温度下降原子能量降低晶胚形成过冷度出现形成晶核晶核生长，原子整齐排列散热方向影响形成枝晶枝晶生长，液态变为固态结晶结束铸锭 1、铸锭结构：一般分为三部分（1）表面细晶区：晶粒细小，组织致密，性能好，较薄。（2）柱状晶区：晶粒界面平直，组织致密，存在方向性，有缺陷。（3）等轴晶区：晶粒大小均匀，粗大，致密性差，存在缺陷。2、 铸锭缺陷：缩孔，气孔，夹杂等。第一章重要概念 各向异性：由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，原子间的结合力就不同，因而在不同方向上的性能各异，此即晶体的各向异性，它是晶体区别于非晶体的重要标志之一。变质处理：在金属结晶时，故意向液体金属中加入某些难熔杂质来有效的细化金属的晶粒，以达到改善其机械性能的目的，这种细化晶粒的方法叫做变质处理，所加难熔杂质叫变质剂或人工晶核，这是工业上广泛采用的强化材料的方法之一。细晶强化：晶粒越小，其晶界的总面积就越多，每个晶粒周围不同取向的晶粒数目也就越多，对塑性变形的抗力也就越大，从而可以改善材料的强度；晶粒越细，单位面积里的晶粒数目就越多，变形时同样的变形量就可以分散到更多的晶粒中发生，以产生比较均匀的变形，从而使材料可以承受较大的塑性变形。因此，细小的晶粒可以使材料得到较好的综合机械性能。第二章 塑性变形 1、塑性变形 2、单晶体的塑性变形（1）切应力作用（条件）（2）晶面和晶向（方向）（3）产生台阶 （宏观）（4）晶粒转动 （微观）（5）位错运动 （实质）3、多晶体的塑性变形（1）界面影响（2）变形过程（3）变形特点不同时性、相互协调性，不均匀性。塑性变形的影响 1、显微组织：方向性，纤维组织2、亚结构：晶粒细化，加工硬化3、形变织构：丝织构、板织构4、残余应力：（1）宏观内应力（2）微观内应力（3）第三类内应力 回复与再结晶 1、加热时变形金属的变化（1）回复：去除应力，（2）再结晶：重新形核长大，消除加工硬化（3）晶粒长大：二次再结晶2、再结晶影响因素：变形度、纯度、加热速度、时间3、热加工 第二章重要概念韧性断裂：断裂前有明显塑性变形，断口呈纤维状，灰暗无光脆性断裂：断裂前未经过明显塑性变形，断口有光泽加工硬化：随着变形量的增大，由于晶粒破碎和位错密度的增加，金属的塑性抗力将迅速增大，硬度和强度显著升高，塑性和韧性下降，产生加工硬化的现象冷加工：在材料再结晶温度以下的加工变形热加工：在材料再结晶温度以上的加工变形 第三章相结构 相：金属或合金中成分、结构相同，与其它部分有界面分开的均匀组成部分1、固溶体：合金结晶时所形成的固相的晶格结构与合金中某一组成元素的晶格结构相同（1）分类：置换、间隙；有序、无序；有限，无限（2）影响因素：原子尺寸、负电性、晶体结构、 电子浓度等（3）性能：提高强度、硬度；塑性、韧性有所下降 固溶强化 2、金属间化合物：晶格结构不同于合金中任一组成元素，具有相当程度的金属键和金属性质（1）正常价化合物：直接发生反应形成。（2）电子化合物：服从电子浓度规律。（3）间隙化合物：原子尺寸较大的过渡族元素占据结点位置，尺寸较小的非金属原子有规则的嵌入晶格空隙 a间隙相：原子比例小于0.59，有简单的晶体结构。 b复杂结构的间隙化合物：原子比例大于0.59，形成复杂的晶体结构。合金相图 组元、合金系、相图、建立方法（热分析法）1、匀晶相图：两组元在液态和固态下均无限固溶的二元合金相图。如Ni-Cu、Cu-Au、Fe-Ni等。 杠杆定律、偏析。2、共晶相图：两组元液态时无限固溶、固态时有限固溶，并发生共晶转变的二元合金相图。3、包晶相图：两组元液态时无限固溶、固态时有限固溶，并发生包晶转变的二元合金相图。第三章重要概念相：金属或合金中成分、结构相同，与其它部分有界面分开的均匀组成部分组织：通常把在金相显微镜下观察到的具有某种形貌或形态特征的组成部分称为组织相组成物：结晶后的显微组织不同，但均有相同的相组成，这些基本相称为相组成物组织组成物：显微组织中能区分开，是组成显微组织的独立部分称为组织组成物固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化的产生是由于溶入溶质元素后，引起溶剂元素的晶格产生畸变，进而使位错移动所受到的阻力增大的缘故。固溶强化是材料的一种重要的强化途径。弥散强化：当次生相或其他质点以细小粒子均匀分布在固溶体的晶粒之中时，会使合金的塑性、韧性稍有下降，但强度、硬度有所增加的现象，质点弥散强度越高，强化效果越好。弥散强化是合金的基本强化方式之一，在实际生产和合金研究工作中已经获得大量应用。 （1）冷、热加工（2）热加工对组织、性能的影响 a.改善铸锭组织 b.产生纤维组织 c.产生带状组织 第四章铁碳相图 1、铁碳合金基本组元（1）碳：以Fe3C和石墨形式存在。（2）Fe：重结晶（同素异构转变）:-Fe（<912） -Fe（>1394）,-Fe（912-1394）2、基本组织：（1）铁素体（F、）：碳溶于-Fe的间隙固溶体，塑性、韧性好，硬度差。（2）奥氏体（A或）：高温存在、碳溶于-Fe的间隙固溶体。（3）渗碳体（Fe3C）：复杂结构的间隙化合物，含碳量高6.69%，硬度高，强度、塑性、韧性都很差。（4）珠光体（P）：铁素体和渗碳体的混合物，片状分布。 （1）14特性点:A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、S、Q 5个单相区：L、A、F、 Fe3C 7个两相区：L+、L+A、L+ Fe3C、 +A、A+ Fe3C、+A、+ Fe3C（2）三个恒温反应包晶反应（HJB，1495）：L+A，WC=0.090.53%。共晶反应（ECF，1148）：LA+ Fe3C， WC=2.116.69%。A+ Fe3C为莱氏体Ld。共析反应（PSK，727）：AF+ Fe3C， WC=0.026.69%。（3）三条特性曲线：GS、ES、PQ（4）钢和铁：以含碳量划分。 铁碳相图应用 1、含碳量对组织的影响： 随着含碳量的变化组织变化为： FF+PPP+ Fe3CP+ Fe3C+LdLd Ld+ Fe3C+ Fe3C2、含碳量对机械性能的影响：随含碳量增加，强度、 硬度增加，塑性、韧性降低。3、含碳量对工艺性能的影响 返回 碳钢按化学成分分为碳钢和合金钢两类。1、碳钢中的杂质元素：Mn（脱氧剂）Si（脱氧剂）S（热脆）P（冷脆）2、碳钢分类：（1）按含碳量分：低碳钢（0.25%）；中碳钢（0.250.6%）；高碳钢（0.6%）（2）按质量分：普通、优质、高级优质（3）按用途分：碳素结构钢、碳素工具钢 碳钢牌号及用途F：沸腾钢、Z：镇静钢、b：半沸腾钢、A、B、C：等级（1）碳素结构钢： Q235AF：屈服强度为235MPa的A级沸腾钢 Q235C：屈服强度为235MPa的C级镇静钢（2）优质碳素结构钢： 45： WC= 0.45%的优质碳素结构钢； 20： WC= 0.2%的优质碳素结构； 40Mn:WC= 0.4%，含Mn量为0.71.0%的优质碳素结构钢 20Mn:WC= 0.2%，含Mn量为0.71.0%的优质碳素结构钢（3）碳素工具钢：T9： WC= 0.9%的碳素工具钢 T12A： WC= 1.2%的高级优质碳素工具钢 第五章奥氏体晶粒度起始晶粒度：奥氏体化刚结束，奥氏体晶粒边界刚相互接触时的晶粒大小。本质晶粒度：钢在一定条件下奥氏体晶粒长大的倾向性。实际晶粒度：钢在某一具体热处理条件下所获得的奥氏体晶粒大小。 过冷奥氏体的转变产物 1、珠光体类型：A1550 珠光体： A1650 500倍 片状渗碳体 P 索氏体：650600 8001000倍 片状细 S 屈氏体：600550 电子显微镜 片状更细 T2、贝氏体类型：550230 上贝氏体：550350，存在于共析钢和普通中、高碳钢中，呈羽毛状，存在明显方向性，强度和韧性较差。 退火和正火1、退火：加热、保温、缓冷。（1）完全退火：Ac3以上3050，保温随炉缓冷。目的：细化晶粒，均匀组织，消除应力，降低硬度，改善切削加工性能。应用：亚共析钢、合金钢的铸、锻及热轧型材。（2）等温退火：快冷至Ar1，保温，出炉空冷。目的：均匀组织、改善性能，与完全退火一样，但缩短了时间。应用：碳钢、合金钢。 （3）球化退火：Ac1以上2030，短时间保温，炉冷或高温长时间保温。 目的：使钢中网络状的渗碳体变成球状，降低硬度，改善切削加工性能。 应用：共析、过共析钢、合金工具钢（4）去应力退火：加热到A1以下，保温，随炉缓冷。 目的：消除应力，降低硬度，提高尺寸稳定性，防止变形开裂。 应用：铸、锻、焊、热轧、冷拉等经过变形的工件。2、正火：Ac3或Acm以上适当温度，保温，空冷。 目的：细化晶粒，消除应力，消除带状组织。 返回淬火和回火1、淬火：Ac3或Ac1以上适当温度，保温，快冷。目的：得到尽可能多的马氏体冷却介质：水，矿物油，盐溶液等。2、回火：淬火后的钢在Ac1下加热，以不同的冷却方式冷却， 得到不同的回火组织。 目的：降低脆性，消除应力，获得良好的机械性能。 低温回火：温度：150250 组织：回火马氏体 应用：淬火高碳钢、高碳合金钢。 目的：保持高强、硬度、耐磨性，降低应力、脆性，提高塑、韧性，保持良好的机械性能。 中温回火：温度：350500 组织：回火屈氏体 应用：各种弹簧零件，热锻模具。 目的：消除淬火应力、提高强、硬度，塑、韧性，获 得较高的弹性极限。高温回火：淬火+高温回火叫调质处理。 温度：500650 组织：回火索氏体 应用：淬火中碳、低合金结构钢，重要机器零件。目的：得到、Ak、HB等都好的综合机械性能。 合金钢 一、定义 目的：提高钢的机械、工艺、物理和化学性能，改善耐热、耐蚀、耐磨等性能。常加入的合金元素：Ni、Si、Al、Co、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Zr二、合金元素在钢中的作用 1、存在形式：溶于F固溶强化，溶于Fe3C提高渗碳体的稳定性，提高强、硬度。 2、对奥氏体A的影响：影响A的形成、A区域大小和过冷A稳定性。 3、对热处理的影响：影响C曲线和回火转变。 合金钢的分类 有按用途和按合金含量两种分类方式。1、合金结构钢表示方式：数字1+元素+数字2+字母 数字1：含碳量，单位为万分之一。 元素：钢中的合金元素。 数字2：合金元素的含量。 字母：表示钢的质量。 （1）普通低合金钢：Wc0.2%，Wm3% 特点：减轻重量，提高强度、韧性和耐腐蚀性。 热处理方式：退火（正火） 用途：大量应用于桥梁、车辆、锅炉、管道等一般零件和结构件。 示例：09Mn2，15MnTi（2）易切削钢： 特点：改善钢的切削加工性能。 加入元素：S、Pb、Ca、P 示例：Y12，Y30，Y40Mn （3）渗碳钢：Wc=0.1%0.25%，Wm:Cr、Ni、 Mn、Si等 特点：经渗碳处理，表硬里韧 热处理方式：渗碳+淬火+低温回火 用途：齿轮、曲轴、连杆等受冲击和磨损多的零件。 示例：20Cr，20CrMnTi（4）调质钢：Wc=0.25%0.50%，Wm ：Mn、Cr、Ni、Si 特点：综合性能好，用于较为重要的零件。 热处理方式：调质（淬火+高温回火）； 组织：回火索氏体 用途：车辆、机床上的螺栓、连杆、主轴等综合机械 性能要求高的零部件。 示例：40Cr，40MnVB，40CrNiMo 第六章钢的分类 区分钢号三看原则：一看前后：G、Y、T、F、A等二看数字：前面数字两位为结构钢，小于等于一位为工具钢；中间表示含量三看元素 碳素结构钢： A3，Q235AF 碳素钢 优质碳素结构钢：20，40Mn 碳素工具钢： T8，T12  普通低合金钢：16Mn，15MnTi 易切削钢： Y12，Y40Mn钢 合金 渗碳钢： 20Cr，20CrMnTi 结构钢 调质钢： 40Cr，40MnVB 弹簧钢： 65Mn，60Si2Mn 合金钢 滚动轴承钢：GCr9，GCr15 刃具钢： 9SiCr，CrWMn 工具钢 模具钢： 5CrMnMo，9SiCr 量具钢： CrWMn，GCr15第七章铸铁分类 按碳存在形式：白口铸铁：碳大部分以Fe3C形式存在，断口呈亮白色。灰口铸铁:碳大部分以石墨G形式存在,断口呈暗黑色.麻口铸铁：既有Fe3C又有石墨G。 按石墨G结晶形态不同：灰铸铁：G以片状存在。可锻铸铁：G呈团装。球墨铸铁：G呈球状。 常用铸铁1、灰铸铁： 组织：基体（F，F+P，P）+片状石墨 性能：铸造、耐磨、消振和切削加工性能好，抗压强度高。 牌号：HT+数字（最低抗拉强度） 热处理：不能改变石墨的形状和分布，只对基体产生影响。消除应力，稳定尺寸，改善切削加工性能，提高耐磨性。 应用：手轮，支架，底座，齿轮箱，气缸套，轴承座等。 2、可锻铸铁：白口铸铁长时间石墨化退火形成。 组织：基体（F，P）+团絮状石墨 性能：强度高于灰铸铁，韧性好。 牌号：KT+字母(HZ)+数字（最低抗拉强度最低伸长率） 应用：板手，支架，犁刀，曲轴等。 3、球墨铸铁：加入球化剂球化处理，得到球状石墨。 组织：基体（F，F+P，P）+球状石墨 性能：铸造性能好，力学性能优良，应用较广。 牌号：QT+数字（最低抗拉强度最低伸长率） 热处理：消除应力，得到不同组织的基体，改善性能。 应用：机架，变速箱，气缸，曲轴等。 铝及铝合金 1、纯铝特点：密度小，熔点低，塑性好，强度低，导热导电性能好等。 2、纯铝分类：高纯、工业高纯、工业纯铝三类。 3、铝合金分类：形变铝合金、铸造铝合金 4、强化方式：时效强化，加工硬化，细晶强化。铜及铜合金 1、紫铜：即纯铜，具有良好的导热导电性，塑性好，强度低。 2、黄铜：锌作为主要加入元素的铜合金。季裂。 3、青铜：铜和锡的合金。 金属材料的一般加工过程