金属材料与热处理

L/O/G/O金属材料与热处理人类认识和使用材料的各个阶段石器时代青铜器时代铁器时代钢铁时代人工合成材料时代绪论石器时代旧石器新石器距今6000至4000年左右，分为旧石器时代和新石器时代。旧石器时代，人类只会采用敲打而成的石头作为简单的工具；新石器时代，人类已学会通过磨制的方法将石头制成工具，后期还学会用泥土来制作陶器青铜器时代商代四羊方尊青铜时代约从公元前4000年至公元初年，希腊、埃及始于公元前3000年以前，中国始于公元前1800年。青铜器时代标志着人类开始学会冶炼和使用金属材料铁器时代世界上最早锻造出铁器的是赫梯王国（今土耳其境内），距今约3400年。由于铁器比青铜器的硬度高4倍，所以极大地促进了社会生产力的发展战国铁锄钢铁时代现代工业炼钢18世纪的工业革命使人类使用材料的历史产生了重大突破，人类掌握了炼钢的方法。钢铁时代的到来和蒸汽机的发明，使人类的生产力有了空前的发展，人们不再简单的使用工具，而开始使用真正意义的机器，这标志着工业时代的来临人工合成材料时代20世纪初酚醛树脂的合成标志着人类进入到了人工合成材料时代。目前，传统合成材料已有几十万种，而新材料的数量正在以每年约5％的速度增长；世界上现有800多万种人工合成的化合物，而且还以每年25万种的速度增长，其中相当一部分将成为工业化生产的新材料，为人类社会和科学技术的发展服务金属——由单一元素构成的具有特殊的光泽、延展性、导电性、导热性的物质，如金、银、铜、铁、锰、锌、铝等。合金——由一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方法合成的具有金属特性的材料。金属材料——金属及其合金的总称，即指金属元素或以金属元素为主构成的，并具有金属特性的物质。课程主要内容：1．金属材料的基本知识2．金属的性能3．金属学基础知识4．金属材料及其应用5．热处理的基本知识1．金属材料的基本知识主要介绍金属的晶体结构及变形的相关知识。2．金属的性能主要介绍金属的力学性能和工艺性能。3．金属学基础知识主要介绍铁碳合金的组织及铁碳合金相图。4．金属材料及其应用主要介绍碳素钢、合金钢、铸铁、有色金属及硬质合金等金属材料的常用牌号、成分、组织、性能及用途，并介绍了国外常用金属材料的牌号和新型工程材料的相关知识。5．热处理的基本知识主要介绍热处理的原理（钢在加热、保温、冷却时的组织转变）、热处理的工艺（退火、正火、淬火、回火、表面热处理等）及常用材料的典型热处理工艺。第一章金属的结构与结晶§1－1金属的晶体结构§1－2纯金属的结晶§1－3观察结晶过程（实验）§1－1金属的晶体结构一、晶体与非晶体二、金属的晶格类型三、单晶体与多晶体四、晶体的缺陷一、晶体与非晶体非晶体气态液态固态晶体物质存在状态结构特点晶体和非晶体的对比项目晶体非晶体定义原子呈有序、有规则排列的物质原子呈无序、无规则堆积的物质性能特点具有规则的几何形状有一定的熔点，性能呈各向异性没有规则的几何形状有固定的熔点，性能呈各向同性典型物质石英、云母、明矾、食盐、硫酸铜、糖、味精玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶二、金属的晶格类型晶格类型——金属中原子排列的规律。晶格——为了清楚地表示晶体中原子排列的规律，将原子简化为一个质点，再用假想的线将它们连接起来，形成一个能反映原子排列规律的空间格架。晶胞——晶格中能够完整地反映晶体晶格特征的最小几何单元。晶格与晶胞体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格三、单晶体与多晶体晶粒——组成金属的小晶体。晶界——由晶粒间不规则排列的原子构成。单晶体和多晶体四、晶体的缺陷晶体缺陷——由于各种原因，实际晶体中原子的规律排列受到干扰和破坏，使晶体中的某些原子偏离正常位置，造成原子排列的不完全性。常见的晶体缺陷§1－2纯金属的结晶*一、纯金属的结晶过程二、晶粒大小对金属材料的影响三、同素异构转变结晶——金属从高温液体状态冷却凝固为原子有序排列的固体状态的过程。结晶潜热——结晶的过程中放出的热量。一、纯金属的结晶过程过冷度——理论结晶温度和实际结晶温度（T1）之间存在的温度差（△T=T0－T1）。金属结晶时，冷却越快，其实际结晶的温度就越低，过冷度△T也就越大。结晶冷却曲线金属的结晶过程二、晶粒大小对金属材料的影响晶粒愈细，强度、硬度愈高，塑性、韧性也愈好。形核率——单位时间、单位体积所形成的晶核数，用字母N表示。细化晶粒的方法：（1）增加过冷度（2）变质处理（3）振动处理三、同素异构转变金属的同素异构转变——在固态下，金属随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象。纯铁的冷却曲线19世纪末，著名物理家居里在实验室里发现磁石的一个物理特性，就是当磁石加热到一定温度时，原来的磁性就会消失。后来，人们把这个温度叫“居里点”。居里点也称居里温度或磁性转变点纯铁同素异构转变示意图§1－3观察结晶过程（实验）一、实验目的1．通过观察透明盐类的结晶过程及组织特征，理解金属的结晶理论。2．通过观察铸锭表面，建立金属晶体以树枝状形态成长的直观认识。由于液态金属的结晶过程难以直接观察，而盐类也是晶体物质，其溶液的结晶过程和金属很相似，区别仅在于盐类是在室温下依靠溶剂蒸发使溶液过饱和而结晶，金属则主要依靠过冷，故完全可通过观察透明盐类溶液的结晶过程来了解金属的结晶过程。二、实验原理三、实验器材1.生物显微镜和放大镜。2.接近饱和的氯化铵或硝酸铅水溶液（由实验室预先制好）。3.干净玻璃片和吸管。4.酒精灯或电吹风。5.有枝晶的金属铸件实物。第二章金属材料的性能§2－1金属材料的损坏与塑性变形§2－2金属的力学性能§2－3金属的工艺性能§2－4力学性能实验§2－1金属材料的损坏与塑性变形一、与变形相关的几个概念二、金属的变形三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化一、与变形相关的几个概念（1）静载荷———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——大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。1．载荷载荷——金属材料在加工及使用过程中所受的外力。根据载荷作用性质的不同分：载荷的作用形式内力——工件或材料在受到外部载荷作用时，为保持其不变形，在材料内部产生的一种与外力相对抗的力，称为。2．内力应力——假设作用在零件横截面上的内力大小均匀分布，单位横截面积上的内力。3．应力SFRR：应力，Pa；F：外力，N；S：横截面面积，m2。二、金属的变形弹性变形弹－塑性变形断裂滑移与位错金属变形实验金属塑性变形的影响因素：1．晶粒位向的影响2．晶界的作用3．晶粒大小的影响三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化形变强化（加工硬化）——冷塑性变形除了使晶粒的外形发生变化外，还会使晶粒内部的位错密度增加，晶格畸变加剧，从而使金属随着变形量的增加，使其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降。塑性变形后的金属组织金属的塑性变形，在外形变化的同时，晶粒的形状也会发生变化。通常晶粒会沿变形方向压扁或拉长。§2－2金属的力学性能一、强度二、塑性三、硬度四、冲击韧性*五、疲劳强度任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用，这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不破坏的能力，这种能力就是材料的力学性能。一、强度强度——金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。其大小用应力表示。抗拉强度——拉伸实验测定抗压强度抗剪强度抗扭强度抗弯强度1．拉伸试样d——试样直径Lo——标距长度低碳钢拉伸实验2．力－伸长曲线弹性变形阶段屈服阶段强化阶段缩颈阶段力－拉伸曲线3．强度指标（1）屈服强度——当金属材料出现屈服现象时，在实验期间发生塑性变形而力不增加的应力点。屈服强度分为上屈服强度ReH和下屈服强度ReL。ReL——试样的下屈服强度，N/mm2；FeL——试样屈服时的最小载荷，N；So——试样原始横截面面积，mm2。规定产生0.2残余伸长时的应力为条件屈服强度Rp0.2，替代ReL，称为条件（名义）屈服强度。2．抗拉强度Rm抗拉强度——材料在断裂前所能承受的最大的应力。Rm——抗拉强度，MPa；Fm——试样在屈服阶段后所能抵抗的最大力（无明显屈服的材料，为试验期间的最大力），N；So——试样原始横截面面积，mm2。二、塑性塑性——材料受力后在断裂前产生塑性变形的能力。1．断后伸长率A试样拉断后，标距的伸长量与原始标距之比的百分率。uooLLAL2．断面收缩率Z试样拉断后，缩颈处面积变化量与原始横截面面积比值的百分率。ouo100%SSZSouo100%SSZS【例】有一直径d=10mm，Lo=100mm的低碳钢试样，拉身实验时测得FeL=21kN，Fm=29kN，du=5.65mm，Lu=138mm。求此试样的ReL、Rm、A11.3、Z。解题过程三、硬度硬度——材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是通过在专用的硬度试验机上实验测得的。布氏硬度试验机洛氏硬度试验机维氏硬度试验机1．布氏硬度布氏硬度值——用球面压痕单位面积上所承受的平均压力来表示，单位为MPa，但一般均不标出，用符号HBW表示：2220.102π()FFHBWSDDDd布氏硬度原理表示方法：布氏硬度用硬度值、硬度符号、压头直径、实验力及实验力保持时间表示。当保持时间为10～15s时可不标。例：170HBW10/1000/30：直径10mm的压头，在9807N（1000kg）的试验力作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为170。600HBW1/30/20：直径为1mm压头，在294.2N（30kg）的实验力作用下，保持20s时测得的布氏硬度值为600。应用范围：主要用于测定铸铁、有色金属及退火、正火、调质处理后的各种软钢等硬度较低的材料。2．洛氏硬度洛氏硬度计表盘洛氏硬度试验原理洛氏硬度原理HR=100—002.0h002.0h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的洛氏硬度标尺。例：45HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为45。常用的三种洛氏硬度标尺的试验条件和适用范围硬度标尺压头类型总测试力(N)硬度值有效范围应用举例HRC120°金刚石圆锥体1471.020～67HRC一般淬火钢HRBφ1.5875mm硬质合金球980.725～100HRB软钢、退火钢、铜合金等HRA120°金刚石圆锥体588.460～85HRA硬质合金、表面淬火钢等四、冲击韧性冲击韧性——金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。材料的冲击韧性用夏比摆锤冲击弯曲试验来测定。冲击试样用试样所吸收的能量K的大小来作为衡量材料韧性好坏的指标，称为冲击吸收能量。用U形和V形缺口试样测得的冲击吸收能量分别用KU和KV表示。冲击实验*五、疲劳强度由于所承受的载荷为交变载荷，零件承受的应力虽低于材料的屈服强度，但经过长时间的工作后，仍会产生裂纹或突然发生断裂。金属这样的断裂现象称为疲劳断裂。金属材料抵抗交变载荷作用而不产生破坏的能力称为疲劳强度。疲劳极限用符号R－1表示。§2－3金属的工艺性能金属材料的一般加工过程金属材料的工艺性能——金属材料对不同加工工艺方法的适应能力。它包括铸造性能、锻造性能、切削加工性能和焊接性能、热处理性能等。冶炼→铸造铸件铸锭热锻热轧→焊接机加工冷轧、冷拔、冷冲板料、棒材、型材、管材机加工机加工零件一、铸造性能二、锻压性能三、焊接性能四、切削加工性能五、热处理性能一、铸造性能铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力，主要取决于金属的流动性、收缩性和偏析倾向等。1．流动性熔融金属的流动能力。2．收缩性铸造合金由液态凝固和冷却至室温的过程中，体积和尺寸减小的现象。3．偏析倾向金属凝固后，内部化学成分和组织不均匀现象。二、锻压性能用锻压成形方法得优良锻件的难易程度。常用塑性和变形抗力两个指标来综合衡量。三、焊接性能金属材料对焊接加工的适应性，也就是在一定焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。对碳钢和低合金钢而言，焊接性能主要与其化学成分有关（其中碳的影响最大）。四、切削加工性能切削加工性能——切削金属材料的难易程度。一般用工件