资源描述
单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 机械工程材料,1.1,金属的晶体结构与结晶,1.1.1,金属的晶体结构,1.,晶体的基本概念,:,固态物质按其原子排列的特征，可分为晶体和非晶体两种。,非晶体的原子在空间呈短程有序排列，晶体的原子是长程有规则地、按一定几何形状排列的,.,1.1.1,金属的晶体结构,(,续,),2.,常见的金属晶格类型,:,体心立方晶格,面心立方晶格,密排六方晶格,.,3.,金属的实际晶体结构,单晶体、,多晶体、晶粒与,晶界的概念。,1,1,2,金属的结晶,1.,冷却曲线,2.,金属的结晶过程,金属的同素异构转变,纯铁的冷却曲线,同素异构转变实质上也是一种结晶过程，同样遵循结晶的基本规律，因而称为二次结晶。,1.1.3,晶体缺陷,点缺陷,线缺陷,面缺陷,每一种晶体缺陷，都会使缺陷处的晶格产生畸变。晶格畸变使晶体塑性变形抗力增大，导致金属材料强度和硬度提高。,1.2,铁碳合金平衡图,1.2.1,合金的相结构,1.,合金的基本概念,：,合金是由两种或两种以上的金属元素（或金属与非金属元素）组成的具有金属特性的物质。,组成合金的最基本的、独立的物质称为,组元,。由两个组元组成的合金称为二元合金。由若干给定组元可以配制成一系列成分不同的合金，构成一个合金系。在金属或合金中，凡是成分相同、结构相同，具有相同的物理和化学性能，并与该系统其它部分有界面分开的物质部分，称为相。,2,合金的相结构：固溶体，金属化合物,1.2.2,合金的组织,将金属或合金制成金相试样，借助于金相显微镜，看到的试样内部各组成相晶粒的大小、方向、形状、排列状况等的构造情况，称为显微组织，通常简称为组织。,组织是决定金属材料性能的主要因素。,1.2.3,铁碳合金的基本组织,1.,铁素体,：,铁素体是碳溶于,-Fe,所形成的间隙固溶体，用符号,F,表示,2.,奥氏体：,奥氏体是碳溶于,-Fe,所形成的间隙固溶体用符号,A,表示,3.,渗碳体：,渗碳体是铁和碳所形成的具有复杂晶体结构的金属化合物，用其分子式,Fe,3,C,表示。,4.,珠光体：,珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号,P,表示。,5.,莱氏体：,莱氏体是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，用符号,Ld,表示。,1.2.4 Fe-Fe,3,C,平衡图,铁碳合金平衡图是表示在极其缓慢的加热或冷却条件下，不同成分的铁碳合金，在不同的温度下所具有的状态或组织的图形，因此也称为状态图。,1.Fe-Fe3C,平衡图的分析,1,）,ACD,线,液相线,2,）,AECF,线,固相线,3,）,ECF,线,共晶线,4,）,GS,线,A,3,线,5,）,ES,线,Ac,m,线,6)PSK,线,共析线，,又称,A,1,线。,1.2.4 Fe-Fe,3,C,平衡图（续）,2.,铁碳合金的分类,（,1,）工业纯铁：,工业纯铁成分小于,P,点成分。,（,2,）钢。钢的成分在,P,点和,E,点之间。,钢分为低碳钢（,w,c,0.25%,）、中碳钢（,w,c,在,0.25%,0.6%,）和高碳钢（,w,c,0.6%,）。,（,3,）白口铁。白口铁的成分大于,E,点成分。,3.,钢的结晶过程和组织转变,（,1,）钢的结晶过程。,（,2,）钢的组织转变：,1),共析钢的组织转变。,2),亚共析钢的组织转变。,3,）过共析钢的组织转变。,1.2.5,钢的成分、组织、性能之间的关系,钢的成分、组织、性能之间有着密切的关系。随着碳的质量分数的增加，亚共析钢中珠光体增多，铁素体减少，因而钢的强度、硬度上升，塑性、韧性相应下降。共析钢全部由珠光体组成，故强度、硬度比亚共析钢高，塑性、韧性则较低。过共析钢随着碳的质量分数的增加，珠光体减少，二次渗碳体增多，因而硬度升高，塑性、韧性下降；少量的二次渗碳体能使强度继续升高，而网状渗碳体由于削弱了晶粒间的结合力，使强度迅速下降。,1.3,碳素钢,碳素钢简称碳钢，是指,w,c,2.11%,并含少量硅、锰、磷、硫等杂质元素的铁碳合金。,1.3.1,杂质元素的影响,(1),硅、锰的影响,，,(2),磷的影响,，,(3),硫的影响,1.3.2,碳素钢的分类,(1),按用途分类：,1),碳素结构钢。主要用于制造工程结构件和机械零件，一般,w,c,在,0.25,0.6%,之间。,2),碳素工具钢。主要用来制造各种工具，一般,w,c,0.6%,。,(2),按质量分类：,1),普通碳素钢：,w,P,0.05%,，,w,S,0.045%,，,2),优质碳素钢：,w,P,0.035%,，,w,S,0.035%,；,3),高级优质碳素钢：,w,P,0.030%,，,w,S,0.030%,(3),按钢水脱氧程度又可分为：镇静钢，脱氧较完全，成分和性能较均匀，组织致密，应用广泛；沸腾钢，脱氧不完全，成分不均匀，但成本较低；半镇静钢，脱氧程度介于以上两种钢之间。,1.3.3,碳素钢的牌号、性能和用途,1.,碳素结构钢,：,碳素结构钢中所含有害杂质硫、磷及非金属夹杂物较多，力学性能不高,。,碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母,Q,、屈服点强度值、质量等级符号和脱氧方法符号四部分依次组成。沸腾钢用,F,表示；,半镇静钢用,b,表示；镇静钢用,Z,表示，但在牌号中省略不标。如牌号,Q235-AF,表示屈服点,s,235MPa,，质量等级为,A,的碳素结构沸腾钢。表,1-2,列出了碳素结构钢的性能和应用。,2.,优质碳素结构钢：,优质碳素结构钢中所含有害杂质元素较少,力学性能较好,故广泛用于制造较重要的机械零件。优质碳素结构钢又包括普通锰的质量分数钢,(,w,Mn,0.8%),和较高锰的质量分数钢（,w,Mn,0.7,1.2%,）两组。普通锰的质量分数钢的牌号用两位数字表示，数字代表钢中平均碳的质量分数的万分数；沸腾钢需在数字后加字母,F,，镇静钢不标注。较高锰的质量分数钢的牌号用两位数字后加锰元素符号表示。,优质碳素结构钢一般都要经过热处理以提高其机械性能。常用钢号、化学成分及正火后的力学性能见表,1-3,。,如：,08F,，,20,，,45,，,65Mn,。,1.3.3,碳素钢的牌号、性能和用途（续）,3.,碳素工具钢：,碳素工具钢都是高碳钢，具有高的硬度、耐磨性，主要用来制造刀具、模具、量具。按质量分，碳素工具钢有优质和高级优质两种。优质碳素工具钢的牌号用字母,T,和数字表示，数字表示平均碳的质量的千分数。高级优质碳素工具钢的牌号则在上述钢号后加字母,A,。常用碳素工具钢的牌号、成分、性能和用途见表,1-4,所示。如,T8,，,T12,。,4.,碳素铸钢,有些机械零件，例如水压机横梁、轧钢机机架、重载大齿轮等，因形状复杂，难以用锻压方法成型，又因力学性能要求较高，铸铁无法满足，故采用铸钢件。碳素铸钢的牌号用字母,ZG,和两组数字表示，第一组数字表示钢的最低屈服强度，第二组数字表示最低抗拉强度。常用碳素铸钢的牌号、碳的质量分数、力学性能和应用见表,1-5,。如：,ZG200-400,，,ZG340-640,1,4,钢的热处理,钢的热处理是将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以改变钢的内部组织结构，从而获得所需性能的一种工艺方法。,在机械制造中，多数零件都需进行热处理，以改变金属材料的性能，满足零件的加工和使用要求。,1.4.1,钢在加热时的组织转变,在极其缓慢的加热条件下，钢的组织转变按,Fe-Fe,3,C,平衡图进行，即共析钢、亚共析钢、过共析钢分别加热到临界温度,A,1,、,A,3,、,A,cm,就能获得单相奥氏体。但在实际生产中加热速度比较快，相变的临界温度要高些，分别用,Ac,1,、,Ac,3,、,Ac,cm,表示。因此，在实际加热条件下，共析钢要加热到,Ac,1,以上温度才全部转变成奥氏体；亚共析钢加热到,Ac,1,以上，组织为铁素体和珠光体，加热到,Ac,3,以上，组织为奥氏体；过共析钢加热到,Ac,1,以上，为奥氏体和二次渗碳体，加热到,Ac,cm,以上，为奥氏体。,1.,奥氏体的形成：,珠光体向奥氏体的转变是通过生核、长大的过程来完成的。,2.,奥氏体晶粒的长大,：,由于在铁素体和渗碳体的交界面上产生的奥氏体晶核很多，由珠光体开始转变成的奥氏体晶粒总是比较细小的。但是，随着加热温度的升高和保温时间的延长，奥氏体晶粒会逐渐长大。,奥氏体晶粒的大小直接影响钢冷却后的组织和性能。一般来说，奥氏体晶粒越粗，冷却后钢的组织就越粗，钢的力学性能就越差。因此，在实际生产时，必须控制好加热温度和保温时间。,1.4.2,钢在冷却时的组织转变,加热得到的奥氏体，在冷却过程中会发生组织转变。在实际生产中冷却速度比较快，奥氏体要在,A,1,以下的温度才发生转变。,A,1,以下暂时存在的奥氏体是不稳定相，称为过冷奥氏体。过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变两种。,1.4.2,钢在冷却时的组织转变（续）,1.,过冷奥氏体的等温转变,（,1,）,过冷奥氏体的高温转变产物：过冷奥氏体在,A,1,550,范围内的转变为高温转变，转变产物为珠光体。在,A,1,650,范围内等温转变得到粗片状珠光体，硬度约,20HRC,。在,650,600,范围内等温转变得到细片状珠光体，称为索氏体，用符号,S,表示，硬度约,30HRC,。在,600,550,范围内等温转变得到极细片状珠光体，称为托氏体，用符号,T,表示，硬度约,40HRC,。,（,2,）,过冷奥氏体的中温转变产物。过冷奥氏体在,550,M,S,范围内的转变为中温转变，转变产物为贝氏体。贝氏体由铁素体和非片层状碳化物组成。,1.4.2,钢在冷却时的组织转变（续）,1.,过冷奥氏体的等温转变,（,2,）,过冷奥氏体的中温转变产物。在,550,350,范围内得到的是上贝氏体，用符号,B,上,表示，其显微组织为羽毛状，如图,1-20a,所示。上贝氏体的硬度约,45HRC,，强度和韧性都不高，生产上很少使用。在,350,M,S,范围内得到的是下贝氏体，用符号,B,下,表示，其显微组织为针状，如图,1-20b,所示。下贝氏体的硬度约,55HRC,，有较高的强度和韧性，生产上应用较多。,1.4.2,钢在冷却时的组织转变（续）,2.,过冷奥氏体的连续冷却转变,（,1,）连续冷却转变产物。,v,1,相当于缓慢冷却，组织为珠光体,。,v,2,相当于空气中冷却，组织为索氏体,。,v,3,相当于在油中冷却，冷至室温后得到的是托氏体与马氏体的混合组织，硬度为,50HRC,。,v,4,、,v,5,相当于在水中冷却，组织为马氏体，,v,k,与,C,曲线相切，临界冷却速度。,（,2,）马氏体转变。当冷却速度大于,v,k,时，奥氏体很快被过冷到,M,S,以下。,-Fe,便转变成,-Fe,，但由于转变温度低，碳原子已失去扩散能力，原来溶解在奥氏体中的碳便全部保留在,-Fe,中，形成碳在,-Fe,中的过饱和固溶体，称为马氏体，用符号,M,表示。,马氏体的组织形态主要有板条状和片状（针状）两种。,马氏体只有在,M,S,M,f,范围内的连续冷却过程中才能不断形成，冷却停止，转变便终止。,1.4.3,钢的退火与正火,1.,退火：,将钢加热到适当的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺，称为退火。常用的退火方法有完全退火、球化退火、去应力退火。,（,1,）完全退火。完全退火是将工件完全奥氏体化，保温后缓慢冷却，获得接近平衡状态组织的退火工艺。完全退火的目的是细化晶粒，提高钢件的力学性能；消除内应力，防止钢件变形；改善某些钢的切削加工性能。,（,2,）球化退火。,球化退火是使钢中碳化物球状化的退火工艺。球化退火主要用于共析钢和过共析钢。其加热温度为,Ac,1,+,（,20,30,），保温后缓慢冷却，获得球状珠光体组织。,（,3,）去应力退火。为了消除铸造件、锻压件和焊接件内存在的残余应力而进行的退火工艺，称为去应力退火。去应力退火通常将工件加热到,500,650,，保温足够时间后随炉缓冷至,200,300,，出炉空冷。由于加热温度低于,A,1,，
展开阅读全文