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1金属材料热处理教案2010-4-8陈迎华2金属材料热处理教案第一讲概论一、学习本课程的目的本课程是研究金属材料的成份、组织、热处理与金属材料的性能间的关系和变化规律的学科。二、本课程的基本内容1、主要内容：包括金属的性能、金属学基础知识、钢的热处理和金属材料等。2、金属的性能主要介绍：（1）金属的力学性能和工艺性能；（2）金属学基础知识讲述金属的晶体结构、结晶及金属的塑性变形，铁碳合金的组织及铁碳合金相图；（3）钢的热处理讲述热处理的原理和工艺；（4）金属材料讲述碳素钢、合金钢、铸铁、有色金属及硬质合金等金属材料的牌号、成分、组织、热处理、性能及用途。3、学习本课程的方法理论联系实际、注意观察现实生活中所接触到的金属材料。三、金属材料与热处理的发展史金属材料的使用在我国具有悠久的历史。四、金属材料在工业农业上的应用。第一章金属的性能概论：1、金属材料的性能包括：使用性能和工艺性能。2、使用性能：是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，包括①物理性能（如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等）。②化学性能（如抗腐蚀性、抗氧化性等）。③力学性能（如强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳强度等）。④工艺性能。第一节金属的力学性能一、力学性能的概念：力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的性能。力学性能包括：强度、硬度、塑性、硬度、冲击韧性。二、载荷的概念及分类：1、金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。2、分类按载荷作用性质分：①静载荷：是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。②冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。③交变载荷：是指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化析载荷。按载荷作用形式分：拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷等。如：P3图。FFFFFF3三、变形的概念及分类金属材料受到载荷作用而产生的几何形式和尺寸的变化称为变形。变形分为：弹性变形和塑性变形两种四、应力、内力1、内力：金属材料受外力作用时，为保持其不变形，在材料内部作用作与外力相对抗的力，称为内力。2、应力：单位面积上的内力称为应力。金属材料受拉伸载荷或压缩载荷作用时，其面积上的应力按下式计算：σ=F/S式中：σ：应力，单位：Pa，1Pa=1N/㎡1Mpa=1*106N/mm2FFFFF4F：外力单位：NS：横截面积单位：m2第二讲一、强度：①概念：金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。强度的大小用应力来表示。②根据载荷作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。1、拉伸试样：拉伸试样的形状一般有圆形和矩形。Do：直径Lo：标距长度长试样：Lo=10do短试样：Lo=5do2、力——伸长曲线纵坐标表示力F，单位N；横坐标表示伸长量△L，单位为mm。（1）oe：弹性变形阶段：试样变形完全是弹性的，这种随载荷的存在而产生，随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。Fe为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力。（2）es：屈服阶段：不能随载荷的去除而消失的变形称为。在载荷不增加或略有减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫做屈服。屈服后，材料开始出现明显的塑性变形。Fs称为屈服载荷（3）sb：强化阶段：随塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或称加工硬化）。Fb：试样拉伸的最大载荷。（4）bz：缩颈阶段（局部塑性变形阶段）当载荷达到最大值Fb后，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈”。工程上使用的金属材料，多数没有明显的屈服现象，有些脆性材料，不但没有屈服现象，而且也不产生“缩颈”。bZF0eS△L低碳钢的力－伸长曲线5如铸铁等。3、强度指标：（1）屈服点：在拉伸试验过程中，载荷不增加（保持恒定），试样仍能继续伸长时的应力称为屈服点。用符号σs表示，计算公式：σs=Fs/So对于无明显屈服现象的金属材料可用规定残余伸长应力表示，计算公式：σ0.2=F0.2/So屈服点σs和规定残余伸长应力σ0.2都是衡量金属材料塑性变形抗力的指标。材料的屈服点或规定残余伸长应力是机械零件设计的主要依据，也是评定金属材料性能的重要指标。材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号σb表示。计算公式为：σb=Fb/So零件在工作中所承受的应力，不于允许超过抗拉强度，否则会产生断裂。二、塑性：断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性。塑性由拉伸试验测得的。常用伸长率和断面收率表示。1、伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。用δ表示：计算公式：δ=(l1-l0)/l0×100%2、断面收缩率：试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率。用ψ表示ψ=(SO-S1)/SO×100%金属材料的伸长率（δ）和断面收缩率（ψ）数值越大，表示材料的塑性越好。例、有一直径dO=10mm，lo=100mm的低碳钢试样，拉伸验时测得FS=21KN，Fb=29KN，d1=5.65mm，l1=138mm，求：σs、σb、δ、ψ。解：（1）计算SO，S1S0=πd02/4=3.14×102/4=78.5mm2S1=πd12/4=3.14×5.652/4=25mm2（2）计算σs、σbσs=FS/SO=21×103/78.5=267.5Mpaσb=Fb/SO=29×103/78.5=369.4Mpa（3）计算δ、ψδ=(l1-l0)/l0×100%=(138-100)/100×100%=38%6ψ=(S0-S1)/S0×100%=(78.5-25)/78.5×100%=68%三、硬度：材料抵抗局部变形特别是塑性变形压痕或划痕的能力称为硬度。1、布氏硬度：（1）布氏硬度的测试原理：用一定直径的球体（钢球或硬质合金），以规定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，然后用测量表面压痕直径来计算硬度用HBS（HBW）表示：HBS（HBW）=0.10222DDDF当F、D一定时，布氏硬度与d有关，d越小，布氏硬度值越大，硬度越高。（2）布氏硬度的表示方法：符号HBS之前的数字为硬度值符号后面按以下顺序用数字表示条件：1）球体直径；2）试验力；3）试验力保持的时间（10~15不标注）。170HBS10/100/30：表示用直径10mm的钢球，在9807N的试验力作用下，保持30S时测得的布氏硬度值为170。530HBW5/750：表示用直径5mm的硬质合金球，在7355N的试验力作用下，保持10~5s时测得的布氏硬度值为530。（3）应用范围及优缺点：测定灰铸铁、有色金属各种软钢等硬度不是很高的材料。优点：能准确反映出金属材料的平均性能。缺点：操作时间长，压痕测量较费时。1、洛氏硬度（1）测试原理：采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头，压入金属表面后，经规定保持时间后即除主试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。表示符号：HR（2）标尺及其适用范围：每一标尺用一个字母在洛氏硬度符号HR后面加以注明。常用的洛氏硬度标尺是A、B、C三种，其中C标尺应用最为广泛。见表：P101-2不同标尺的洛氏硬度值不能直接进行比较，可换算。表示方法：符号HR前面的数字表示硬度值，HR后面的字母表示不同洛氏硬度的标尺。（3）优缺点：优点：①操作简单迅速，能直接从刻度盘上读出硬度值；②压痕小，可测成品及较薄工件；③测硬度范围大。7缺点：数值波动大2、维氏硬度。原理：与布氏硬度试验相同。测量压痕对角线长度，从表中查出。表示：与布氏硬度相同。如：640HV30表示用294.2N试验力，保持10S~15S测定的维氏硬度值为640。可测较薄的材料，也可测量表面渗碳、渗透层的硬度，可测定很软到很硬的各种金属材料的硬度、准确。五、冲击韧性：金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。常用一次摆锤冲击弯曲，试验来测定金属材料的冲击韧性。1、冲击试样；2、冲击试样的原理及方法：冲击韧度越大，表示材料的冲击韧性越好。3、小能量多次冲击试验。六、疲劳强度1、疲劳概念：在交变应力作用下，零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。2、疲劳破坏的特征①、疲劳断裂时无明显的宏观朔性变形，断裂前没有预兆，而是突然破坏；②、引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点；③、疲劳破坏的宏观断口由两部分组成。3、疲劳曲线和疲劳极限疲劳曲线是指交变应力与循环次数的关系曲线。σNσ1N1σ2N2σ3N3疲劳曲线示意图81、金属的工艺性能概念及包括的四方面内容是教学重点。2、掌握铸造性能的流动性、收缩性、折是教学的难点。第一节金属的工艺性能概念：工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的应能力。一、铸造性能：金属（材料）及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力称为铸造性能。1、流动性：熔融金属的流动能力称为流动性。主要受金属化学成份和浇注温度等的影响。2、收缩性：铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为引缩性。3、偏析倾向：金属凝固后，内部化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。二、锻造性能：用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻造性能。铸铁不能锻压。三、焊接性能：大量接性能是旨金属材料对焊接加工的适应性。四、切削加性能：切削加工（性能）金属材料的难易程度称为切削加工性能。第三讲第二章金属的结构与结晶第一节金属的晶体结构一、晶体与非晶体非晶体：在物质内部，凡原子呈无序堆积状况的，称为非晶体。如：普通玻璃、松香、树脂等。晶体：凡原子呈有序、有规则排列的物质，金属的固态、金刚石、明矾晶体等。性能：晶体有固定的熔、沸点，呈各向异性，非晶体没有固定熔点，而且表现为各向同性。二、晶体结构的概念：1、晶格和晶胞：表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶格。能完整地反映晶格特征的最小几何单元，称为晶胞。92、晶面和晶向：在晶体中由一系列原子组成的平面，秋为晶面。通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表晶格空间排列的一定方向，称为晶向。三、金属晶格的类型：1、体心立方晶格：它的晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心。如：铬（Cr）、钒（V）、钨（W）、钼（Mo）及α-Fe2、面心立方晶格：它的晶胞也是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的中心。如：铝（Al）、铜（Cu）、铅（Pb）、镍（Ni）及γ-Fe，密排六方晶格：它的晶胞是一个正六棱柱体，原子排列在柱体的每个顶角上和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内。属于这种晶格类型的金属有镁（Mg）、铍（Be）、镉（Cd）、及锌（Zn）等。1、细化晶粒的方法及晶粒大小对力学性能的影响是教学的难点。2、纯金属冷却曲线及过冷度是教学重点。第二节纯金属的结晶金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的固体的过程称为结晶。一、纯金属的冷却曲线及过冷度。用热分析法进行研究：纯金属的冷却曲线(理论)纯金属的冷却曲线(实际)TtToTTotT110实际结晶温度（下）低于理论结晶温度（To）这一现象称为“过冷现象”。理论结晶温度和实际结晶温度之差称这“过冷度”（△T=To-T1）。金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关。冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。二、纯金属的结晶过程。结晶过程是晶核的形成与长大的过程。外形不规则而内部原子排列规则的小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的分界面称为晶界。三、晶粒大小对金属力学性能的方面。一般地说，在室温下，细晶粒金属具有较强的强度和韧性。细化晶粒的方法。1、增加过冷度2、变质处理3、振动处理第三节金属的同素异构转变同素异构转变的概论：金属在固态下，随温度的改变有一种晶格转变为另一晶格的现象称为同素异构转变。具有同素异构转变的金属有：铁、钴、钛、锡、锰等。同一金属的同素异构晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母α，β，γ，δ等表示。铁的同素异构转变式δ－Feγ－Feα－Fe金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程有许多相似之处：1、有一定的转变温度，转变时有过冷现象；放出和吸收潜