汽车材料与金属加工课件

书名：汽车材料与金属加工ISBN：978-7-111-37811-2作者：高美兰出版社：机械工业出版社本书配有电子课件汽车材料与金属加工高职高专ppt课件Automotivematerialsandmetalprocessing汽车材料与金属加工高职高专ppt课件第2章金属的晶体结构与结晶2.1纯金属与合金的晶体结构2.2纯金属与合金的结晶2.3铁碳合金相图汽车材料与金属加工高职高专ppt课件2.1纯金属与合金的晶体结构2.1.1纯金属的晶体结构2.1.2合金的晶体结构2.1.3金属实际的晶体结构汽车材料与金属加工高职高专ppt课件2.1.1纯金属的晶体结构自然界的固态物质，可分为晶体和非晶体两大类晶体:原子是按一定几何形状有规律排列的。（金刚石、石墨、雪花、食盐、固态金属及合金）。石墨食盐纯铁汽车材料与金属加工高职高专ppt课件非晶体:原子或分子无规则堆积在一起的。（玻璃、石蜡、沥青、松香等）。晶体非晶体液体晶体结构:晶体内部原子排列的规律及特性。2.1.1纯金属的晶体结构汽车材料与金属加工高职高专ppt课件晶胞常数：a、b、c、α、β、γ晶格常数：a、b、ca)晶体中原子排列b)晶格c)晶胞1.晶格与晶胞结点晶格：表示晶体中原子排列形式的空间格子。晶胞：组成晶格的最小的几何单元称为晶胞。晶格参数：表示晶胞几何形状和大小的棱边长度和棱间夹角。汽车材料与金属加工高职高专ppt课件体心立方晶格（bcc）面心立方晶格（fcc）密排六方晶格（hcp）2.常见的金属晶格类型汽车材料与金属加工高职高专ppt课件常见金属晶格类型的基本参数晶格类型体心立方（bcc）面心立方（fcc）密排六方（hcp）晶胞结构晶胞常数晶胞内原子数原子半径致密度配位数典型金属a＝b＝cα＝β＝γ＝90°a＝b＝cα＝β＝γ＝90°a＝bc/a＝1.633α＝β＝90°γ＝120°68%74%74%81212α-Fe、Cr、Mo、W、V、Nbγ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、PbMg、Zn、Cd、Be、Ca汽车材料与金属加工高职高专ppt课件有些金属在固态下，其晶体结构会随温度变化而改变，这种现象称同素异构转变，转变产物称同素异构体。如：γ-Fe→α-Fe（体积膨胀1%）即：热缩冷涨（水→冰）077091213941538时间/min温度/℃有磁性的α-Fe体心立方无磁性的α-Fe体心立方γ-Fe面心立方δ-Fe体心立方液态意义：由于不同晶格类型原子排列紧密程度不同，晶格变化将导致金属的体积发生变化，因此，同素异构转变时会产生较大的内应力1394℃912℃δ-Feγ-Feα-Febccfccbcc3.金属的同素异构转变汽车材料与金属加工高职高专ppt课件有关合金的基本概念2.1.2合金的晶体结构由两种或两种以上金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质合金组成合金的最基本的、独立的物质组元合金中化学成分、晶体结构和物理性能相同的均匀组成部分相泛指用金相观察方法看到的由形态、尺寸和分布方式不同的一种或多种相构成的总体组织合金的相结构1.固溶体合金在固态下一种组元的晶格内溶解了另一组元的原子，形成的均匀相概念固溶体的晶体结构与溶剂相同特点合金的相结构固溶体金属化合物机械混合物按溶质位置置换固溶体间隙固溶体固溶体的分类按溶解度有限固溶体无限固溶体置换固溶体间隙固溶体特点：溶质原子位于溶剂晶格某些结点特点：溶质原子溶入溶剂晶格间隙固溶体的性能通过溶入溶质原子形成固溶体，使金属材料强度、硬度增加的现象固溶强化无论是置换固溶体还是间隙固溶体，都因溶质原子的溶入而使溶剂晶格发生歪扭，从而使合金对塑性变形的抗力增加原因固溶强化是金属材料最主要的一种强化手段2.金属化合物合金组元间相互作用而形成的具有金属特性的一种新相概念晶格类型不同于任一组元特点熔点高，硬而脆性能当金属化合物呈细小的颗粒弥散分布在固溶体基体上时，能显著提高合金的强度、硬度和耐磨性，这种现象称为弥散强化弥散强化3.机械混合物由两相或两相以上组成的多相组织概念各组成相仍保持它原有的晶格类型和性能特点性能介于各组成相性能之间，并与各组成相的性能以及相的数量、形状、大小和分布状况等密切相关性能2.1.3金属实际的晶体结构金属实际的晶体结构由许多位向不同的单晶体构成的晶体多晶体晶体缺陷实际晶体结构中，局部原子排列的不规则性单晶体多晶体多晶冰糖单晶冰糖晶体缺陷空位、间隙原子、置换原子点缺陷线缺陷面缺陷位错：刃型位错、螺型位错晶界、亚晶界晶体缺陷的类型晶体缺陷点缺陷空位及间隙原子置换原子形成的原因：热振动的偶然偏差结果：导致晶格畸变。晶格畸变将使晶体的强度、硬度和电阻增加。线缺陷——晶体中呈线状分布的缺陷（位错）刃型位错晶体缺陷刃型位错位错——在晶体中有一列或若干列原子发生了某种有规律错排的现象。刃型位错——比较简单的位错形式线缺陷面缺陷——晶界、亚晶界晶界特征：①呈面状分布②产生晶格畸变亚晶界（位错墙模型）晶体缺陷晶体缺陷对材料性能的影响①使实际金属的强度远远小于理想金属②晶界处位错密度高，使其局部强度、硬度提高③对实际金属来说，晶体缺陷越多(尤其位错)，强度、硬度越高，塑性、韧性越低2.2纯金属与合金的结晶2.2.1纯金属的结晶2.2.2合金的结晶凝固:液体--固体（晶体或非晶体）结晶:液体--晶体2.2.1纯金属的结晶结晶——金属由液体状态转变为晶体状态的过程。液体晶体1.纯金属的冷却曲线与过冷度过冷度：T=T0-Tn结晶的必要条件：必须有过冷度！影响过冷度的因素：V冷T1T纯度T1T纯金属的结晶纯金属的结晶过程是在冷却曲线上的水平线段内发生的，是晶核的不断形成和长大的过程。2.纯金属的结晶过程纯金属的结晶3.金属晶粒大小与控制晶粒大小对性能的影响晶粒越细，金属材料的强度、硬度越高，塑性、韧性越好，这种现象称为细晶强化。细晶强化是唯一不以牺牲塑性为代价的强化方法纯金属的结晶增加过冷度进行变质处理（孕育处理）附加振动①采用冷却能力强的铸模②提高液体金属的过冷能力①增加形核率②降低长大速度①机械振动②超声波振动③电磁振动细化晶粒的方法纯金属的结晶1——表面细晶粒层（激冷层）2——柱状晶粒层3——中心等轴晶粒纯金属的结晶——表示在平衡条件下，合金的状态与温度和成分之间关系的图形，也称为状态图或平衡图。2.2.2合金的结晶在生产实践中，相图可作为正确制定铸造、锻压、焊接及热处理工艺的重要依据。合金相图（状态图）合金的结晶要借助于合金相图来描述。合金的结晶1.二元合金相图的建立（以Cu—Ni合金为例）1.配制不同成分的Cu-Ni合金2.测出所配制各合金的冷却曲线3.找出各冷却曲线中的相变点；4.将各合金相变点分别标注在温度-成分坐标图中相应成分的位置上；5.连接各相同意义的相变点。合金的结晶2.匀晶相图特点：两组元在液态和固态下均可以任意比例互相溶解相图分析A：纯铜的熔点1083℃两点B：纯镍的熔点1452℃液相线：上临界点的连线两线固相线：下临界点的连线两个单相区：L区和α区三区一个两相区L+α结晶过程分析:图b)合金的结晶3.共晶相图特点：两组元在液态能完全互溶，在固态下相互有限溶解或不溶，并发生共晶转变的相图称为共晶相图共晶转变：在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两种成分不同固相的转变。共晶相图相图分析：典型Pb—Sn合金的平衡结晶过程共晶相图合金I（E~D之间的合金）合金I的冷却曲线及组织转变示意图室温组织：α+βⅡ典型Pb—Sn合金的平衡结晶过程共晶相图合金II（C点成分的合金）共晶合金的冷却曲线及结晶过程示意图共晶合金的显微组织室温组织：（α+β）典型Pb—Sn合金的平衡结晶过程共晶相图合金III（E~C点之间的合金）室温组织：α+βII+（α+β）亚共晶合金的冷却曲线及结晶过程示意图亚共晶合金的显微组织（α+β）αβII典型Pb—Sn合金的平衡结晶过程共晶相图合金IV（C~F点之间的合金）过共晶合金的冷却曲线和结晶过程过共晶合金的显微组织室温组织：αII+β+（α+β）共晶相图以组织组分填写的Pb—Sn二元合金相图2.3铁碳合金相图2.3.1铁碳合金的基本相及其组织2.3.2铁碳合金相图2.3.3铁碳相图的应用1.铁素体（F或α）：碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体晶格结构：bcc最大溶解度：0.0218%（727℃）性能组织：Rm=180～230MPaReL=100～170MPaHBS=50～80A=30%～50%Z=70%～80%ak=160～200J/cm22.3.1铁碳合金的基本相及组织2.奥氏体（A或γ）：碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体晶格结构：Fcc最大溶解度：2.11%（1148℃）性能组织：Rm≈400MPaHBS=170～220A=40%～50%2.3.1铁碳合金的基本相及组织3.渗碳体（Fe3C）：铁和碳所形成的金属化合物晶格结构：复杂斜方含碳量：6.69%性能组织：Rm≈30MPaHBW=800A≈0Z≈0，硬而脆2.3.1铁碳合金的基本相及组织4.珠光体（P）：铁素体和渗碳体相间排列而成的层片状的机械混合物平均含碳量：0.77%性能组织：Rm=750MPaHBS=180A=20%～25%ak=30～40J/cm22.3.1铁碳合金的基本相及组织5.莱氏体（Ld）：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物低温莱氏体（L′d）：珠光体和渗碳体组成的机械混合物平均含碳量：4.3%性能组织：硬而脆2.3.1铁碳合金的基本相及组织2.3.2铁碳合金相图特性点温度/℃w(C)(%)A15380C11484.3D12276.69E11482.11F11486.69G9120K7276.69P7270.0218S7270.77Q6000.00572.3.2铁碳合金相图——相图分析特性线含义备注ACD液相线AECF固相线ECF共晶线PSK共析线A1ES碳在γ-Fe中的溶解度曲线，AcmGS奥氏体向铁素体转变的开始线A3GP奥氏体向铁素体转变的终了线PQ碳在α-Fe中的溶解度曲线2.3.2铁碳合金相图——相图分析亚共析钢：WC=0.0218%-0.77%共析钢：WC=0.77%过共析钢：WC=0.77%-2.11%3)白口铸铁：2.11%＜WC＜6.69%2）钢：0.0218%＜WC≤2.11%亚共晶白口铸铁：WC=2.11%-4.3%共晶白口铸铁：WC=4.3%过共晶白口铸铁：WC=4.3%-6.69%2.3.2铁碳合金相图——铁碳合金的分类1）工业纯铁wC≤0.0218%的铁碳合金。2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%工业纯铁共析钢亚共析钢过共析钢亚共晶白口铁过共晶白口铁共晶白口铁钢铸铁ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%共析钢[wc=0.77%]ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.0218%1320铁碳合金的平衡结晶过程分析共析钢[wc=0.77%]室温平衡组织:P组成相的质量分数为：%12%881%%88%10002.069.677.069.6(%)3CFeF铁碳合金的平衡结晶过程分析123亚共析钢[wc=0.0218~0.77%]1321铁碳合金的平衡结晶过程分析4亚共析钢[wc=0.0218~0.77%]室温平衡组织:F+P铁碳合金的平衡结晶过程分析1234wc=0.2%wc=0.4%wc=0.6%过共析钢[wc=0.77~2.11%]1321铁碳合金的平衡结晶过程分析4过共析钢[wc=0.77~2.11%]室温平衡组织:P+Fe3CⅡ铁碳合金的平衡结晶过程分析1234硝酸酒精侵蚀苦味酸侵蚀共晶白口铸铁[wc=4.3%]12铁碳合金的平衡结晶过程分析共晶白口铸铁[wc=4.31%]室温平衡组织:铁碳合金的平衡结晶过程分析12dL亚共晶白口铸铁[wc=2.11~4.3%]321铁碳合金的平衡结晶过程分