金属材料基本知识概述课件

金金 属属 工工 艺艺 学学金 属 工 艺 学1第一篇第一篇 金属材料导论金属材料导论第一章第一章 金属材料的主要性能金属材料的主要性能第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能l 金属材料的力学性能又称机械性能，是金属材料的力学性能又称机械性能，是材料在力的作用下所表现出来的性能。材料在力的作用下所表现出来的性能。l金属材料的主要力学性能：强度、塑性、金属材料的主要力学性能：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等硬度、韧性、疲劳强度等第一篇 金属材料导论第一章 金属材料的主要性2一、强度与塑性一、强度与塑性1、强度强度：金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。：金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。屈服点屈服点：拉伸试样产生屈服现象时的应力。：拉伸试样产生屈服现象时的应力。抗拉强度抗拉强度：金属材料在拉断前所能承受的最大应力。：金属材料在拉断前所能承受的最大应力。2、塑性塑性：金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力。：金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力。延伸率延伸率：断面收缩率断面收缩率：应力应力 =P/F0应变应变 =(l-l0)/l0一、强度与塑性1、强度：金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形和3拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象说明：说明：用断面缩率表示塑性比伸长率更接用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。近真实变形。拉伸试样的颈缩现象说明：4二、二、硬度硬度：金属材料抵抗局部变形，特别是塑：金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕的能力。性变形、压痕的能力。1、布氏硬度（、布氏硬度（HB）2、洛氏硬度（、洛氏硬度（HR）二、硬度：金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕的能力。5三、三、韧性韧性：金属材料断裂前吸收的变形能：金属材料断裂前吸收的变形能量。量。l韧性常用指标为冲击韧度。韧性常用指标为冲击韧度。l冲击韧度常采用摆锤式冲击试验机测定。冲击韧度常采用摆锤式冲击试验机测定。l冲击韧度：冲击韧度：l冲击值大小受冲击值大小受试样形状、表面试样形状、表面粗糙度、内部组粗糙度、内部组织、环境温度影织、环境温度影响。响。三、韧性：金属材料断裂前吸收的变形能量。冲击韧度：6四、四、疲劳强度疲劳强度l疲劳断裂：承受疲劳载荷的零件疲劳断裂：承受疲劳载荷的零件发生断裂时，其应力值大大低于该发生断裂时，其应力值大大低于该材料的强度极限。材料的强度极限。四、疲劳强度7二、同素异构转变二、同素异构转变二、同素异构转变二、同素异构转变物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异同素异构转变构转变构转变构转变。1538c1394c912c室温室温-Fe-Fe-Fe体心立方体心立方面心立方面心立方体心立方体心立方金属的同素异构转变的慨念金属的同素异构转变的慨念 金属在固态下，随着温度的改变其金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。晶体结构发生变化的现象。金属的同素异构转变的意义金属的同素异构转变的意义 可以用热处理的方法即可通过加可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性从而达到改善材料性 能的目的。能的目的。二、同素异构转变物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异8第二章第二章 铁碳合金铁碳合金1、固溶体：、固溶体：铁素体、铁素体、奥氏体奥氏体2、化合物：、化合物：渗碳体渗碳体Fe3C3、机械混合、机械混合物：珠光体、物：珠光体、莱氏体莱氏体第二章 铁碳合金1、固溶体：9(1)铁素体：铁素体：碳在碳在-Fe中的固溶体称中的固溶体称铁素体铁素体,用用F 或或 表示。表示。碳在碳在-Fe中的固溶体称中的固溶体称-铁素体铁素体，用，用 表示。表示。都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低很低,在在727时最大为时最大为0.0218%，室温下仅为室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒，铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似性能与纯铁相似。(2)(2)奥氏体奥氏体奥氏体奥氏体:碳在碳在碳在碳在 -Fe-Fe中的固溶体称中的固溶体称中的固溶体称中的固溶体称奥氏体奥氏体奥氏体奥氏体。用。用。用。用A A或或或或 表示。表示。表示。表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，11481148时时时时最大为最大为最大为最大为2.11%2.11%。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、强度低、塑性好塑性好，钢材热加工都在钢材热加工都在 区进行。区进行。碳钢室温组织中无奥氏体。碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体奥氏体铁素体铁素体(1)铁素体：奥氏体铁素体10(3)(3)渗碳体：渗碳体：渗碳体：渗碳体：即即即即Fe3C,Fe3C,含碳含碳含碳含碳6.69%,6.69%,用用用用FeFe3 3C C或或或或CmCm表示。表示。表示。表示。Fe3CFe3C硬度高、强度低硬度高、强度低硬度高、强度低硬度高、强度低(b b 35MPa35MPa),),脆性大脆性大脆性大脆性大,塑性几乎为零塑性几乎为零塑性几乎为零塑性几乎为零Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨),该反应对铸铁有重要意义。该反应对铸铁有重要意义。由于碳在由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要常温下碳在铁碳合金中主要以以Fe3C或或石墨石墨的形式存在的形式存在。铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体(4)珠光体：珠光体：是奥氏体发生共析转是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共变所形成的铁素体与渗碳体的共析体（析体（P）。）。(5)莱氏体：莱氏体：是液态铁碳合金发生是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏体与渗碳共晶转变所形成的奥氏体与渗碳体的共晶体（体的共晶体（Ld）。硬度高，塑）。硬度高，塑性差。性差。(3)渗碳体：即Fe3C,含碳6.69%,用Fe3C或11两种反应：两种反应：1、共晶反应、共晶反应一定成分的一定成分的液相液相在一定的温度下同时在一定的温度下同时结晶结晶出两种成分和结构均出两种成分和结构均不相同不相同的固相的反应。的固相的反应。2、共析反应、共析反应一定成分的一定成分的固相固相在一定的温度下同时在一定的温度下同时析出析出两种成分和结构均两种成分和结构均不不相同相同的的 新的新的固相固相的反应。的反应。两种反应：1、共晶反应12第四节第四节 工业用钢简介工业用钢简介钢是含碳量小于钢是含碳量小于2.11的铁碳合金。的铁碳合金。一、钢的分类一、钢的分类含碳量对工艺性能的影响含碳量对工艺性能的影响含碳量对工艺性能的影响含碳量对工艺性能的影响 切削性能切削性能切削性能切削性能:中碳钢合适中碳钢合适中碳钢合适中碳钢合适 可锻性能可锻性能可锻性能可锻性能:低碳钢好低碳钢好低碳钢好低碳钢好 焊接性能焊接性能焊接性能焊接性能:低碳钢好低碳钢好低碳钢好低碳钢好 铸造性能铸造性能铸造性能铸造性能:共晶合金好共晶合金好共晶合金好共晶合金好第四节 工业用钢简介钢是含碳量小于2.11的铁碳合金。含13二、碳素钢（碳钢）二、碳素钢（碳钢）：含碳量在：含碳量在1.5以以下，并含有硅、锰、磷、硫等杂质。下，并含有硅、锰、磷、硫等杂质。二、碳素钢（碳钢）：含碳量在1.5以下，并含有硅、锰、141、碳素结构钢：含碳量小于、碳素结构钢：含碳量小于0.38（1）常用牌号：）常用牌号：Q215、Q235、Q255 数字表示该钢种在厚度小于数字表示该钢种在厚度小于16mm时的最低屈服点时的最低屈服点(Mpa)钢的牌号尾部，可用钢的牌号尾部，可用A、B、C、D表示钢的质量等级。表示钢的质量等级。A为普通级，为普通级，B、C、D表示硫磷含量较低的优等级别。表示硫磷含量较低的优等级别。钢的牌号尾部还可用符号标志其冶炼时的脱氧程度。钢的牌号尾部还可用符号标志其冶炼时的脱氧程度。F：未完全脱氧的沸腾钢；：未完全脱氧的沸腾钢；Z：已完全脱氧的镇静钢。：已完全脱氧的镇静钢。（2）Q235：用途最广的碳素结构钢，属低碳钢，通常热：用途最广的碳素结构钢，属低碳钢，通常热轧成钢板、型钢、钢管、钢筋等。塑性、韧性较好。轧成钢板、型钢、钢管、钢筋等。塑性、韧性较好。1、碳素结构钢：含碳量小于0.38152、优质碳素结构钢：硫、磷量小于、优质碳素结构钢：硫、磷量小于0.035，主要用于制，主要用于制造较为重要的机件。造较为重要的机件。优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字是钢优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字是钢中平均含碳量的万分数。中平均含碳量的万分数。08、10、15、20、25：低碳钢。塑性好，易于拉拔、冲：低碳钢。塑性好，易于拉拔、冲压、挤压、锻造和焊接。压、挤压、锻造和焊接。30、35、40、45、50、55：中碳钢。强度、硬度较高，：中碳钢。强度、硬度较高，淬火后硬度可显著提高。淬火后硬度可显著提高。60、65、70、75：高碳钢。经淬火、回火后，不仅强度、：高碳钢。经淬火、回火后，不仅强度、硬度提高，且弹性优良，常用来制造小弹簧、发条、钢丝硬度提高，且弹性优良，常用来制造小弹簧、发条、钢丝绳、轧辊等。绳、轧辊等。2、优质碳素结构钢：硫、磷量小于0.035，主要用于制造较163、碳素工具钢：含碳量、碳素工具钢：含碳量0.71.35，淬火后有较高硬，淬火后有较高硬度（度（HRC60）和良好的耐磨性，常用于制造锻工、木工、）和良好的耐磨性，常用于制造锻工、木工、钳工工具和小型模具。淬透性和红硬性较差。钳工工具和小型模具。淬透性和红硬性较差。常用牌号：常用牌号：T8、T10、T10A、T12 后面的数字表示钢中平均含碳量的后面的数字表示钢中平均含碳量的千分数千分数T8：共析钢，韧性好，多用于制造承受冲击的工具，如：共析钢，韧性好，多用于制造承受冲击的工具，如錾子、锻工工具等；錾子、锻工工具等；T10、T10A：硬度较高，有一定韧性，常用于制造锯条、：硬度较高，有一定韧性，常用于制造锯条、小冲模等；小冲模等；T12：硬度高，耐磨性好，脆性大，适用于不承受冲击的：硬度高，耐磨性好，脆性大，适用于不承受冲击的耐磨工具，如钢锉、刮刀等。耐磨工具，如钢锉、刮刀等。3、碳素工具钢：含碳量0.71.35，淬火后有较高硬度1718三、合金钢：三、合金钢：为改善钢的某些性能、特意加入为改善钢的某些性能、特意加入一种或几种合金元素所炼成的钢，或者钢中一种或几种合金元素所炼成的钢，或者钢中的含硅量大于的含硅量大于0.5，或者钢中的含锰量大于，或者钢中的含锰量大于1.0。1、合金结构钢：比碳素钢具有更好的力学性能，热处、合金结构钢：比碳素钢具有更好的力学性能，热处理性能优良，便于制造尺寸较大、形状较复杂或要理性能优良，便于制造尺寸较大、形状较复杂或要求淬火变形小的零件，如求淬火变形小的零件，如16Mn、20Cr、40Mn22、合金工具钢：主要用于制造刃具、模具和量具，适、合金工具钢：主要用于制造刃具、模具和量具，适于制造形状复杂、尺寸较大、切削速度较高或工作于制造形状复杂、尺寸较大、切削速度较高或工作温度较高的工具和模具，如温度较高的工具和模具，如9Cr2、CrWMn、9SiCr、W18Cr4V3、特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、磁钢、耐磨钢、特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、磁钢、耐磨钢三、合金钢：为改善钢的某些性能、特意加入一种或几种合金元素所19第三章第三章 钢的热处理钢的热处理第一节第一节 概述概述l钢的热处理：将钢在固态下，通过加热、钢的热处理：将钢在固态下，通过加热、保温和冷却，以改变钢的组织，从而获得保温和冷却，以改变钢的组织，从而获得所需性能的工艺方法。所需性能的工艺方法。第三章 钢的热处理20金属材料基本知识概述课件21第二节第二节 退火和正火退火和正火一、退火一、退火l退火：将钢加热、保温，然后随炉冷却或埋入退火：将钢加热、保温，然后随炉冷却或埋入灰中使其缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热灰中使其缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。处理工艺。l退火目的退火目的：(1)降低硬度，以利于切削加工或降低硬度，以利于切削加工或其他种类加工；其他种类加工；(2)细化晶粒，提高钢的塑性和细化晶粒，提高钢的塑性和韧性；韧性；(3)消除内应力，为淬火工序做好准备。消除内应力，为淬火工序做好准备。退火主要用于铸件、锻件、焊件及其它毛坯的退火主要用于铸件、锻件、焊件及其它毛坯的预备热处理。预备热处理。l常用退火方法：完全退火、球化退火、低温退常用退火方法：完全退火、球化退火、低温退火火第二节 退火和正火一、退火221、完全退火、完全退火l将亚共析钢加热到将亚共析钢加热到Ac3以上以上3050，保温后缓慢冷却。为了提，保温后缓慢冷却。为了提高生产率，也可在缓慢冷却到高生产率，也可在缓慢冷却到500 以下时从炉内取出，使其在以下时从炉内取出，使其在空气中冷却到室温。空气中冷却到室温。l主要用于铸钢件和重要锻件、淬火后返修件。主要用于铸钢件和重要锻件、淬火后返修件。2、球化退火、球化退火l将钢加热到将钢加热到Ac1以上以上2030，保温后缓慢冷却，保温后缓慢冷却l主要用于过共析钢锻件。主要用于过共析钢锻件。l其目的是降低硬度，改善切削加工性，为淬火做准备。其目的是降低硬度，改善切削加工性，为淬火做准备。3、低温退火、低温退火l将钢加热到将钢加热到Ac1以下，保温后缓慢冷却以下，保温后缓慢冷却l去应力退火：主要用于消除工件内应力（工件加热温度去应力退火：主要用于消除工件内应力（工件加热温度500650）、）、l再结晶退火：消除冷变形所产生的加工硬化（工件加热温度再结晶退火：消除冷变形所产生的加工硬化（工件加热温度650750，保温后空冷），保温后空冷）1、完全退火23二、正火二、正火l正火：将钢加热到正火：将钢加热到Ac3以上以上3050（亚共析钢）或（亚共析钢）或Acm以以上上3050 （过共析钢）（过共析钢），保温后在空气中冷却的热处，保温后在空气中冷却的热处理工艺。理工艺。l正火目的正火目的：(1)取代部分取代部分完全退火，中碳合金钢、完全退火，中碳合金钢、高碳钢及复杂件以退火高碳钢及复杂件以退火为宜；为宜；(2)用于普通结构件用于普通结构件的最终热处理；的最终热处理；(3)用于用于过共析钢，以减少或消除过共析钢，以减少或消除网状二次渗碳体，为球化网状二次渗碳体，为球化退火做准备。退火做准备。二、正火24第三节第三节 淬火和回火淬火和回火一、淬火一、淬火l淬火：将钢加热到淬火：将钢加热到Ac3或或Ac1以上以上 3050，保温后在淬火，保温后在淬火介质中快速冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。介质中快速冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。l马氏体（马氏体（M）：严重过饱和）：严重过饱和固溶体。具有较高硬度和耐磨性。固溶体。具有较高硬度和耐磨性。l为防止淬火时产生裂纹，常为防止淬火时产生裂纹，常采取措施：采取措施：（1）严格控制淬火加热温度；）严格控制淬火加热温度；（2）合理选择淬火介质；）合理选择淬火介质；（3）正确选择淬火方法。）正确选择淬火方法。第三节 淬火和回火一、淬火25二、回火二、回火l将淬火钢重新加热到将淬火钢重新加热到Ac1以下某温度，保温后冷却的热以下某温度，保温后冷却的热处理工艺。处理工艺。l回火目的：消除淬火内应力，以降低钢的脆性，防止回火目的：消除淬火内应力，以降低钢的脆性，防止产生裂纹，同时使钢获得所需的力学性能。产生裂纹，同时使钢获得所需的力学性能。l回火温度越高，析出碳化物愈多，钢的强度、硬度下回火温度越高，析出碳化物愈多，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性升高。降，塑性、韧性升高。l回火种类：回火种类：l低温回火（低温回火（150250）：降低淬火钢的内应力和脆性，基本）：降低淬火钢的内应力和脆性，基本保持淬火所获得的高硬度保持淬火所获得的高硬度(5664HRC)和高耐磨性。主要用于工和高耐磨性。主要用于工具钢的热处理，如各种刃具、模具、滚动轴承和耐磨件。具钢的热处理，如各种刃具、模具、滚动轴承和耐磨件。l中温回火（中温回火（350500）：使钢获得高弹性，保持较高硬度）：使钢获得高弹性，保持较高硬度(3550HRC)和一定韧性，主要用于各种弹簧、发条、锻模。和一定韧性，主要用于各种弹簧、发条、锻模。l高温回火（高温回火（500650）：淬火后高温回火的热处理合称为）：淬火后高温回火的热处理合称为调调质处理质处理。广泛用于承受疲劳载荷的中碳钢重要件，如连杆、曲。广泛用于承受疲劳载荷的中碳钢重要件，如连杆、曲轴、主轴、齿轮。调质后硬度为轴、主轴、齿轮。调质后硬度为2035HRC，强度合韧性较好。，强度合韧性较好。二、回火26第四节第四节 表面淬火和化学热处理表面淬火和化学热处理一、表面淬火一、表面淬火l表面淬火：将钢件的表面层淬透到一定深度，而心部表面淬火：将钢件的表面层淬透到一定深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。l目的：获得高硬度、高耐磨性的表层，而心部仍保持目的：获得高硬度、高耐磨性的表层，而心部仍保持原有的良好韧性，常用于机床主轴、齿轮、发动机的曲原有的良好韧性，常用于机床主轴、齿轮、发动机的曲轴等。轴等。l快速加热方法：电感应、火焰、电接触、激光快速加热方法：电感应、火焰、电接触、激光火焰加热火焰加热火焰加热火焰加热感应加热感应加热第四节 表面淬火和化学热处理一、表面淬火火焰加热感应加热27二、化学热处理二、化学热处理l将工件置于一定的化学介质中加热和保温，使介质中将工件置于一定的化学介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变工件表层的化学成分的活性原子渗入工件表层，以改变工件表层的化学成分和组织，从而获得所需的力学性能或理化性能。和组织，从而获得所需的力学性能或理化性能。l种类：渗碳、渗氮、碳氮共渗种类：渗碳、渗氮、碳氮共渗井式气体氮化井式气体氮化炉炉二、化学热处理井式气体氮化炉28