金属材料及其热处理.ppt

机械制造基础机械制造基础制造科学与工程学院金工教研室 梅筱琴金金属属材料及其材料及其热处理理第一讲第一讲 金属材料及其热处理金属材料及其热处理l金属材料是现代机器制造的基础–性能决定–工艺性好l很少用纯金属，多用合金材料–性能决定l了解金属材料，有助于–理解工艺方法的实质–合理选择零件材料及其生产工艺一、金属材料的主要性能一、金属材料的主要性能l物理性能物理性能–密度、熔点、热膨胀、导热、导电、磁性等等l化学性能化学性能–耐酸、耐碱、抗氧化性等等l力学性能力学性能–强度与塑性–硬度–韧性–疲劳强度l工艺性能工艺性能–热处理、铸造、锻造、焊接、切削加工性能l使用性能？使用性能？1.力学性能－强度力学性能－强度l金属材料抵抗外力引起的塑性变形和断裂的能力l拉伸实验低碳钢的拉伸曲线拉伸试样1.力学性能－强度力学性能－强度其它其它塑性材料塑性材料的的拉伸曲线拉伸曲线脆性材料脆性材料的的拉伸曲线拉伸曲线1.力学性能－强度力学性能－强度l强度–屈服强度：σs＝Fs/A0–抗拉强度：σb＝Fb/A0–条件屈服强度：σl产生％塑性变形时的应力值l用于没有明显屈服现象的金属材料l强度强度是一般机器零件和构件是一般机器零件和构件设计选材设计选材的主要依据的主要依据2.力学性能－塑性力学性能－塑性l塑性–金属材料产生塑性变形而不破坏的能力–伸长率δ δ＝(L1-L0)/L0X100%–断面收缩率ψ ψ= (S1-S0)/S0X100%l塑性塑性是是承受动载荷（交变载荷）承受动载荷（交变载荷）零件选材的依据之一零件选材的依据之一–为避免超载而引起的突然断裂，要求其具有一定的塑性为避免超载而引起的突然断裂，要求其具有一定的塑性l塑性塑性是金属材料进行各种是金属材料进行各种压力加工压力加工的的必要条件必要条件3.力学性能－硬度力学性能－硬度l硬度–材料表面抵抗外力，不产生局部塑性变形（压痕）的能力–影响材料的影响材料的耐磨性耐磨性和和切削加工性能切削加工性能l度量方法–布氏硬度（布氏硬度（HB））–洛氏硬度（洛氏硬度（HR））–维氏硬度（维氏硬度（HV））(1)布氏硬度（布氏硬度（HB））l采用直径为采用直径为D的钢球或硬质合金球作的钢球或硬质合金球作压头压头–钢球仅用于测量HB450以内的材料（HBS）–硬质合金球用于测量HB650以内的材料（HBW）l特点特点–稳定可靠–零件表面被破坏，不用于成品l应用应用–各种退火状态下的钢材、铸铁、有色金属等(2)洛氏硬度（洛氏硬度（HR））l试验原理l特点特点 （1）简便，测量迅速 （2）零件不被破坏l应用应用：工业生产(3)维氏硬度（维氏硬度（HV））HV=FPF–金刚石HV＝＝ 10000，为标准度量–各种硬度值之间没有直接的换算公式，需要时可查表进行换算4.力学性能－韧性力学性能－韧性l韧性–金属材料抵抗冲击载荷，断裂前吸收能量的能力–冲击韧性αK αK＝AK/S–影响因素太多，仅作参考5.力学性能－疲劳强度力学性能－疲劳强度l疲劳强度–材料在周期性/非周期性动载荷作用下，经受无数次应力循环而不发生疲劳断裂的能力–断裂破坏应力远低于强度极限–疲劳断裂的主要原因l内部缺陷–杂质–微裂纹l表面划痕l缺陷扩展l“刚性”是什么？二、金属的晶体结构与结晶二、金属的晶体结构与结晶l晶体–固定的熔点、沸点–为什么会有固定的熔点、沸点？l金属是不是晶体？–水、CO2、O2、NaCll晶体的三个特征：晶体的三个特征：–(1)晶体有整齐规则的几何外形晶体有整齐规则的几何外形–(2)晶体有固定的熔点晶体有固定的熔点–(3)晶体有各向异性的特点晶体有各向异性的特点1.金属的晶格结构金属的晶格结构l内部原子（或分子）在三维空间呈规则的周期性重复排列的固态物质l晶体与晶格晶胞晶胞-晶格最小组成单元晶格最小组成单元常见的晶格类型常见的晶格类型l体心立方晶胞体心立方晶胞–属于此类晶格的有：α－Fe、δ－Fe、Cr、W、Mo、V、铌等约30种金属常见的晶格类型常见的晶格类型l面心立方晶胞面心立方晶胞–属于此类晶格的有： γ－Fe、Cu、Au、Al、Ag、Ni、Pt等约20种金属常见的晶格类型常见的晶格类型l密排六方晶胞密排六方晶胞–属于此类晶格的有：α－Ti、Zn、Cd、Mg、Be等金属2.金属的结晶金属的结晶l金属结晶的条件金属结晶的条件–过冷度过冷度–理论结晶温度与实际结晶温度之间的差 △T=T0-Tn–过冷度越大，冷却速度越快，过冷度越大，冷却速度越快，结晶时间越短；反之，过冷度结晶时间越短；反之，过冷度越小，冷却速度越慢，结晶时越小，冷却速度越慢，结晶时间越长。

间越长纯金属的冷却曲线2.金属的结晶金属的结晶l金属结晶过程金属结晶过程–“形核形核”与与“长大长大”–晶核的形成l自发形核自发形核：因过冷度而形成的短程有序的原子团l异质形核异质形核：外来固态质点–晶核的长大 l平面长大：缓冷；金属液较纯净l树枝状长大：冷速大；有杂质l晶粒大小对金属力学性能的影响–力学性能：越细越好–细化晶粒的措施细化晶粒的措施：晶核多则细l快冷l孕育处理金属结晶过程3.金属（纯铁）的同素异构转变金属（纯铁）的同素异构转变l同素异构转变–1538：液态－固态lδ－Fe（体心）（体心）–1394：固态－固态lγ－Fe （面心）（面心）–912：固态－固态lα－Fe （体心）（体心）l实质–二次结晶（重结晶）l固态下的结晶过程l遵循结晶过程的一般规律三、铁碳合金三、铁碳合金l制造机器设备的主要金属材料：–钢、铸铁–铁（Fe）＋碳（C）–铁含量 > 95％，但是决定性能的是碳l我们学习：–铁碳合金组织–常用钢材及其选用原则1.合金的基本组织合金的基本组织l合金合金–两种或两种以上金属非金属元素熔和，构成具有金属特性的物质–强度硬度较高、成本低–通过成分控制和热处理，在很大范围内调整其性能l组元组元–构成合金的元素–铁、碳、Fe3C（稳定的化合物也是组元）l相相–金属中具有相同化学成分和晶格结构、有界面与其他部分分开的、均匀的组成部分l组织组织–用肉眼或显微镜能观察到的金属材料的最小单元-晶粒的直观形貌铁碳合金中的铁碳合金中的“相相”铁素体奥氏体珠光体珠光体＆二次渗碳体（（1）固溶体）固溶体l间隙固溶体间隙固溶体l置换固溶体置换固溶体晶体的四种点缺陷晶体的四种点缺陷空位空位同同类原原子的子的间隙原子隙原子异异类原原子的子的间隙原子隙原子异异类原原子的置子的置换原子原子固溶强化固溶强化间隙固溶体的晶格畸变,引起材料的强度和硬度提高，塑性和韧性却没有明显变化关于合金强度的认识关于合金强度的认识l晶粒粗细影响强度–越细强度硬度越高–细化晶粒是冶金和热处理的目标l固溶强化–晶格中混入杂质，增加变形抗力l位错强化–位错是晶体内部的一种缺陷–增加变形抗力位错强化示意图位错强化示意图两种线缺陷－位错两种线缺陷－位错刃型位错的形成过程刃型位错的形成过程铁碳合金中的固溶体铁碳合金中的固溶体l铁素体–α－Fe中溶碳l600°C－0.006%l727°C－0.021%–强度硬度低l250MPal80HBS–塑性好l45％～50％–与纯铁近似铁碳合金中的固溶体铁碳合金中的固溶体l奥氏体–γ －Fe中溶碳l1148°C－2.11%l727°C－0.77%–强度硬度不高–塑性优良l40％～50％–易于塑性变形l压力加工时加热形成奥氏体（（2）化合物）化合物l金属化合物与非金属化合物–金属化合物金属化合物具有复杂晶格、硬而脆–FeS、MnS：非金属杂质l铁碳合金中的化合物–渗碳体（Fe3C）l铁碳合金中的强化相l硬度高（800HBW）、塑性韧性很低l呈片状、球状、网状l920-980°C可分解： Fe3C→3Fe＋C石墨（（3）混合物）混合物l铁碳合金中的机械混合物l珠光体（P＝F+Fe3C）–铁素体＋渗碳体–C＝％–σb＝750MPa–180HBS–δ＝20％～25％–呈片状（（3）混合物）混合物l铁碳合金中的机械混合物l莱氏体（Ld）–C%=4.3%–与渗碳体性能相近：硬而脆–Ld＝A+Fe3Cl存在于727℃以上–Ld’＝P+Fe3Cl727℃以下转变为珠光体与渗碳体的机械混合物2.二元合金二元合金相图相图铁碳合相图的建立的建立铁碳合金相图铁碳合金相图分析分析铁碳合金相图（简化）铁碳合金相图（全图铁碳合金相图（全图3））铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析lACD：液相线lAECF：固相线（ECF－共晶线）lGS（A3）：奥氏体中析出铁素体lES（Acm）：奥氏体中析出渗碳体（II）lPSK （A1） ：共析线lPQ：铁素体中析出渗碳体（III）查看看铁碳碳合金相合金相图查看看查看看查看看铁碳碳合金相合金相图查看看查看看查看看铁碳合金相图（全图铁碳合金相图（全图2））铁碳合金相图（全图铁碳合金相图（全图4））ACD－液相－液相线铁碳合金相图（全图铁碳合金相图（全图5））AECF：固相线ECF－共晶线铁素体素体珠光体珠光体渗渗碳碳体体莱莱氏体氏体钢铁分界分界线两个两个单相之相之间是混合相是混合相铁碳合金相图（全图铁碳合金相图（全图6））GS（A3）：奥氏体中开始析出铁素体铁碳合金相图（全图铁碳合金相图（全图7））ES（Acm）：奥氏体中析出二次渗碳体（II）铁碳合金相图（全图铁碳合金相图（全图8））PSK （A1） ：共析线铁碳合金相图（全图铁碳合金相图（全图9））PQ：铁素体中析出三次渗碳体（III）铁碳合金相图（全图铁碳合金相图（全图2））均均匀匀、、没没有有明明显晶界晶界铁碳合金相图（全图铁碳合金相图（全图2））珠光体外面有明珠光体外面有明显的的铁素体相素体相铁碳合金相图（全图铁碳合金相图（全图2））珠光体外面有明珠光体外面有明显的的网状网状渗渗碳碳体体3.典型铁碳合金组织转变典型铁碳合金组织转变l钢：％–C%<0.77%：亚共析钢–C%=0.77%：共析钢–C%>0.77%：过共析钢l铸铁：C%＝％～6.69%】–C%<4.3%：亚共晶铸铁–C%=4.3%：共晶铸铁–C%>4.3%：过共晶铸铁共析钢的组织转变（共析钢的组织转变（S））共析钢显微组织（珠光体）共析钢显微组织（珠光体）亚共析钢的组织转变亚共析钢的组织转变亚共析钢显微组织（亚共析钢显微组织（C＝＝0.2%））过共析钢的组织转变过共析钢的组织转变过共析钢的显微组织过共析钢的显微组织4.工业用钢工业用钢l按化学成分–碳素钢 、 合金钢l按用途–结构钢 、 工具钢 、 特殊性能钢l按质量–普通钢 、 优质钢 、 高级优质钢l按脱氧程度–镇静钢 、 沸腾钢工业用钢种类汇总工业用钢种类汇总碳碳素素钢碳碳素素钢结构构钢优质碳碳素素钢结构构钢碳碳素素工工具具钢合金合金钢合合金金结构构钢特特殊殊性性能能钢合合金金工工具具钢低合金低合金结构构钢渗渗碳碳钢调质钢弹簧簧钢滚动轴承承钢刃具刃具钢模具模具钢量具量具钢不不锈钢耐耐热钢耐磨耐磨钢其其它它（（1）碳素钢（）碳素钢（C%<1.5%））lC的影响如图lP冷脆性–0.045%以下lS热脆性–0.05%以下lP、S衡量质量lSi、Mn有益碳素结构钢碳素结构钢lC%<0.38%（0.25%以下常用）l牌号（GB700-88）：–Q215/Q235/Q255 A :屈服极限215/235/255Mpa–A－普通；B/C/D－优质，含P/S较少–未完全脱氧－F（沸腾钢）–完全脱氧－Z（镇静钢）lQ215-A·F lQ235（A3）最常用优质碳素结构钢优质碳素结构钢l(P/S)％<0.035%，用于重要机件l牌号（GB699－88）：–20：C%=0.20%–20F：沸腾钢l08－25：低碳钢l30－55：中碳钢，淬火后强度硬度较高l60－75：高碳钢，淬火后可作弹簧 碳素工具钢碳素工具钢lC%=[0.7%~1.35%]l淬火硬度>60HRCl淬透性、热硬性很差l牌号：–T8A：含碳％，A：含PS很少的优质钢l常用的碳素工具钢：T8、T10、T10A、T12（（2）合金钢）合金钢l合金结构钢–含碳量的万分数＋元素符号＋百分数–合金含量<1.5%不标–高级优质钢＋A–16Mn 20Cr 40Mn2 30CrMnSi 38CrMoAlAl合金工具钢–含碳量含碳量的千分数＋元素符号＋百分数–含碳量>1%不标：9Cr2 CrWMn 9SiCr W18Cr4Vl特殊性能钢：不锈钢（2Cr13、1Cr18Ni9）（（3）零件选材的一般原则）零件选材的一般原则l满足工作要求–物理性能–化学性能–机械性能l满足工艺性能要求l重视经济性四、钢的热处理四、钢的热处理l目的：改善金属材料的强度、硬度、韧性、弹性、工艺性l现代机器制造中的热处理主要针对：–机床的：主轴、齿轮、床身–汽车的：发动机缸体、缸盖、凸轮轴、联接轴、变速箱齿轮等–其他：刃具、量具、磨具组织决决定性能演示定性能演示1.热处理基本工艺热处理基本工艺温温度度时间临界界温温度度保保温温冷却冷却加加热基本工艺：基本工艺：加热加热-保温保温-冷却冷却2.常用热处理工艺常用热处理工艺l普通热处理–“四火”：退火、正火、淬火、回火l表面热处理–表面淬火–化学热处理l渗碳、渗氮、碳氮共渗工艺原理工艺原理退火和正火退火和正火•退火–作用–组织–室温下的平衡组织–种类–完全退火–球化退火–去应力退火•正火–作用–组织：索氏体Ø硬度强度比珠光体高Ø韧性相同淬火与回火淬火与回火•淬火–作用–组织：马氏体（M）ØC原子来不及从A中渗出,过饱和C使晶格严重畸变。

硬度高，脆性大•回火–低温回火（150－250ºC）Ø回火马氏体–中温回火（350－500ºC）Ø回火屈氏体–高温回火（500－650ºC）Ø回火索氏体表面淬火表面淬火与与化学热处理化学热处理l特殊性能要求的零件–表面耐磨，内部坚韧l表面淬火–工艺原理–用途–设备：感应线圈、火焰、激光l化学热处理–化学介质中加热保温–表层渗碳、渗氮–发蓝坚韧的基体的基体坚硬的外硬的外壳壳总结总结l金属材料的性能–力学性能–工艺性能–物理、化学性能l金属材料的组织和性能–铁碳合金的组织和性能的关系l选材原则l钢的热处理–“四火”、表面热处理铁碳合金相图：随手画铁碳合金相图：随手画l1148 － 727l4.3 －2.11 － l912－1538－1227l l两个Y字当中立912153872711481227这是什么这是什么“相相”铁素体素体这是什么这是什么“相相”奥奥氏体氏体这是什么这是什么“相相”珠光体珠光体还有什么还有什么“相相”l莱氏体–高温莱氏体：A+Fe3C–低温莱氏体：P+Fe3Cl马氏体–淬火组织–奥氏体中的碳来不及析出来l索氏体–正火组织–细化的、片层更薄的珠光体（强度硬度更高）锉刀锉刀l选材–T12l工艺过程锻造锻造退火退火机械加工机械加工淬火淬火低温回火低温回火热处理热处理热处理热处理热处理热处理。