金属材料导论

1.金属材料导论1.5铁碳合金1.1金属材料的主要性能1.2金属及合金的晶体结构1.3合金的结构1.4二元合金状态图知识点使用性能加工工艺性能金属材料的性能力学性能物理化学性能铸造性能可锻性可焊性切削加工性物理化学性能零件的生产工艺过程选材选毛坯预先热处理机械加工最终热处理检验应根据零件的性能要求、受载情况、服役条件、工作环境等：其中选材：金属材料种类繁多，性能不一，而且材料的发展日新月异，而零件的性能要求、服役条件各不相同，再加上材料的资源、价格等多方面考虑。毛坯选择机械加工方法轴车削传统的有现代的有有液态成形毛坯塑性成形毛坯连接成形毛坯粉末冶金成形型材等毛坯车削、刨削、铣削拉削、镗削、磨削等数控加工、电火花加工、激光加工等特种加工方法零件的生产工艺过程一个具体零件的加工往往可用多种不同的加工方法，而每种加工方法所能达到的加工精度、加工质量、加工范围、加工效率是不同的。预先热处理：为使切削加工能顺利进行，可通过预先热处理调整硬度，为切削加工做好组织准备。最终热处理：使材料的性能达到要求。零件的生产工艺过程第1章金属材料导论材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。复合材料工程材料金属材料陶瓷材料高分子材料1.1金属材料的主要性能本节重点：金属材料的力学性能主要内容：金属材料的力学性能,包括材料的强度、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳强度等。本节难点：各性能指标的物理意义和测定方法1.1.1金属材料的力学性能屈服点（σs）:钢材或试样在拉伸时，当应力超过弹性极限，即使应力不再增加，而钢材或试样仍继续发生明显的塑性变形，称此现象为屈服，而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点。屈服强度（σ0.2）:有的金属材料的屈服点极不明显，在测量上有困难，因此为了衡量材料的屈服特性，规定产生永久残余塑性变形等于一定值（一般为原长度的0.2%）时的应力，称为条件屈服强度或简称屈服强度σ0.2。强度材料在外力作用，抵抗塑性变形和断裂的能力。工程上常用的金属材料的强度指标有屈服强度(σs)和抗拉强度(σb)等；塑性材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的性能。表示材料的塑性指标是：伸长率δ和断面收缩率Ψ；对于塑性差的材料，用σ0.2来代替σs；1）使材料具有良好的成形性；2）受到外力变形时，有强化作用。硬度材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。最常用的硬度指标有：布氏硬度（HB)和洛氏硬度(HRA-C)。布氏硬度和洛氏硬度试验原理和使用范围均不相同；零件发生疲劳破坏是没有预兆而突然断裂，此时发生疲劳破坏的应力远远小于抗拉强度，甚至比屈服强度还小，非常危险。小结：金属材料的力学性能是在外力作用下表现出的力学性能，在实际生产中应用相当广泛。冲击韧度:金属材料抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力。常用的指标有冲击韧度(Ak)。疲劳强度:金属材料抵抗交变载荷的作用而不破坏的能力。常用的指标有疲劳强度(σ-1)。1将钟表发条拉成一直线，问这是弹性变形还是塑性变形？怎样判断它的变形性质？2疲劳破坏有什么危害？在什么情况下发生疲劳破坏，产生原因是什么？如何提高零件的疲劳强度？1.1.2金属材料的物理、化学性能（略）1.2金属及合金的晶体结构2.金属的结晶：原子由无序状态向有序状态转变的过程。有晶体形成。本节重点：金属结晶的概念、结晶过程本节难点：合金的结构1.三种常见的金属的晶格类型：体心立方面心立方密排六方知识点:1.2金属及合金的晶体结构体心立方面心立方密排六方固溶体金属化合物机械混合物晶体结构合金组织结晶过程同素异构转变金属的晶体结构与铁碳合金的组织与性能合金原子键合离子键(ionicbond)离子键是通过异性电荷之间的吸引产生的化学结合作用，又称电价键。电离能小的金属原子(如碱金属)和电子亲合能大的非金属原子(如卤素)接近时,前者将失去电子形成正离子,后者将获得电子形成负离子,正负离子通过库仑作用相互吸引。当这种吸引力与离子的电子云之间的排斥力达到平衡时,形成稳定的以离子键结合的体系。离子键的特征是作用力强,而且随距离的增大减弱较慢;作用不受方向性和饱和性的限制,一个离子周围能容纳多少个异性离子及其配置方式,由各离子间的库仑作用决定。以离子键结合的体系倾向于形成晶体,以便在一个离子周围形成尽可能多的离子键,例如NaCl分子倾向于聚集为NaCl晶体,使每个钠(或氯)离子周围的离子键从1个变为6个原子键合共价键(covalentbond)共价键是原子之间通过共享电子而产生的化学结合作用。典型的共价键存在于同核双原子分子中,由每个原子提供一个电子构成成键电子对。这对电子的自旋方向相反,集中在中间区域,并吸引带正电的两个原子的核心部分而把它们结合起来。在异核双原子分子中,2个原子的核心部分对成键电子的吸引力不同,成键电子偏向一方,例如在氟化氢分子中电子偏向氟,这种化学键称为极性键。共价键的特征是有饱和性、方向性和作用的短程性。一个原子能形成的典型共价键的数目等于该原子的价电子数,称为它的原子价。共价键之间有特定的相对取向,例如水分子呈弯曲形，而二氧化碳分子是直线形的。共价键的方向性使分子具有特定的几何形状。原子键合金属键(metallicbond)使金属原子结合成金属的相互作用。金属原子的电离能低,容易失去电子而形成正离子和自由电子,正离子整体共同吸引自由电子而结合在一起。金属键可看作高度离域的共价键,但没有饱和性和方向性。金属键的显著特征是成键电子可在整个聚集体中流动,这使金属呈现出特有的属性:良好的导热性和导电性、高的热容和熵值、延展性和金属光泽等。分子键(moleculebond)惰性气体分子间是靠分子键结合的，其实质是分子偶极矩间的库仑相互作用，这种结合键较弱。其分子间相互作用力为范德华力。基本概念凝固：一般非晶体由液态向固态转变的过程。结晶：由液态金属转变为固态晶体的过程。晶体：原子排列时有序的，原子在三维空间做规则的、周期性的、重复排列。有一定的熔点和凝固点，性能趋向各向异性。非晶体:原子排列杂乱无章呈无序状态，没有一定的熔点和凝固点，性能趋向各向同性。晶体中的原子排列金属的结晶纯金属的冷却曲线（理想状态）ºCTºLabS0a：结晶开始点b：结晶终了点金属的结晶纯金属的冷却曲线（实际）ºCLT0T1S0T0：理论结晶温度T1：实际结晶温度ΔT=T0--T1（过冷度）金属的结晶合金的冷却曲线ºCabLsL+s0a：结晶开始点b：结晶终了点合金的结晶是在一个温度范围内完成。金属的结晶结晶的必要条件----过冷度金属的结晶过程：原子团形核晶核长大小晶粒晶粒（外形不规则的小晶体）形核：自身晶核、外来晶核晶核长大方式：树枝状方式晶界—晶粒间的分界面；单晶体—结晶方位完全一致的的晶体;多晶体—由多晶粒组成的晶体结构。金属的结晶细化晶粒的方法增加冷却速度，增大过冷度；增加外来晶核;采用机械、超声波振动、电磁搅拌等；晶粒粗细对材料力学性能的影响晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也越好。金属的结晶金属的同素异构转变1538cº1394ºc912ºc室温δ-Feγ-Feα-Fe体心立方面心立方体心立方金属的同素异构转变的慨念金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。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热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性能的目的。1.3合金的结构概念合金、组元、相；固溶体：置换固溶体、间隙固溶体；金属化合物；固溶强化的概念。本节要点：研究金属材料的加工工艺，必须了解金属及合金的晶体结构和结晶。1.3.1合金的结构——概念合金：由两种或两种以上的元素通过熔炼后所获得的新的物质仍然具有金属特性。组元：组成合金的基本元素。相：凡是成分相同、结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。例如：单一的液单一的固相；液相、固相两相共存；问题：水、油混装在一个瓶子里，是几个相？将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？1.3.2合金的结构——固溶体固溶体：由两种组元相互溶解后所组成的新的物质仍然保持其中某一组元的晶体结构。置换固溶体：A组元的原子取代了B组元的原子。当A、B两个组元的原子直径相差不大时，两个组元可以以任何比例溶解，形成无限固溶体，反之则为有限固溶体。间隙固溶体：A组元溶入B组元的的间隙中。只能形成有限固溶体。例如：C溶入α-Fe或γ-Fe所形成的铁素体、奥氏体。置换固溶体和间隙固溶体的区别1.3.4合金的结构——固溶强化A、B两组元相互溶解后所形成的新的物质既不是A组元的结构，也不是B组元的结构，而是自身的一种独立的结构。例如：Fe和C所形成的化合物Fe3C，就是一种典型的金属化合物。1.3.3合金的结构——金属化合物随着溶质原子的增加，所形成的固溶体的强度、硬度升高的现象。例如：纯铁与钢的用途1.4二元合金状态图把各合金的结晶开始温度点连接起来，即为液相线；把结晶终了温度点连接起来，即为固相线。这样就构成了Pb-Sb二元合金相图。1在纯金属的冷却曲线上为什么会出现一水平台阶？2为什么晶粒越细小其力学性能越好？3如果结晶时晶核不多而生长速度快，则结晶后的晶粒是粗还是细？1.4二元合金状态图1.5铁碳合金本节重点：铁碳合金状态图在铸造、压力加工、焊接中的应用；本节难点：铁碳合金状态图的理解；铁碳合金由于其资源广泛、冶炼方便、价格低廉、性能优越，在工业生产中广泛使用。1.5铁碳合金知识点:钢的热处理目的概念热处理工艺曲线钢的热处理工艺普通热处理表面淬火化学热处理组织转变钢在加热时的转变钢在冷却时的转变1.5.1铁碳合金的基本组织铁素体：碳溶解在α—Fe中的间隙固溶(F）。塑性（δ=45-50%）、韧性好，强度、硬度低。奥氏体：碳溶解在γ—Fe中的间隙固溶体（A）。塑性好。渗碳体：铁与碳形成的金属化合物（Fe3C）。硬度很高（HBW=800），塑性、韧性几乎为零。珠光体：是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体（P）。莱氏体：是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏体与渗碳体的共晶体（Ld）。硬度高，塑性差。两种反应1148℃1、共晶反应一定成分的液相在一定的温度下同时结晶出两种成分和结构均不相同的固相的反应。L4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c共晶反应的产物即莱氏体Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c)2、共析反应一定成分的固相在一定的温度下同时析出两种成分和结构均不相同的新的固相的反应。A2.11%c727℃F0.02%c+Fe3C6.69%c共析反应的产物即珠光体P＝F0.02%c+Fe3C6.69%c两种反应1.5.2铁碳合金状态图分析渗碳体的熔点共晶点共析线共析点纯铁的熔点共晶线ACD线—液相线AECF线—固相线碳在奥氏体中的最大溶解度A3线Acm铁碳合金相图中主要特性点的含义特性点的符号温度t/℃含碳量wc%含义ACDEGPSQ1538114812271148912727727室温04.36.692.1100.020.770.0008纯铁的熔点共晶点渗碳体的熔点碳在奥氏体中的最大溶解度α-Teγ-Te同素异晶转变点碳在铁素体中的最大溶解度共析点碳在铁素体中的溶解度ACD线—液相线是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。AECF线—固相线各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止线。ECF水平线—共晶线含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线时，在1148℃由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共晶反应。PSK水平线—共析线（A1线）含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此线时，在727℃同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应。GS线—（A3线）是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。ES线—称Acm线是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。铁碳合金含碳量为2.11%—6.69%的铁碳合金。共晶生铁：含碳量为4.3%;亚共晶生铁：含碳量在2.11%—4.3%之间；过共晶生铁：含碳量在4.3%—6.69%之间；含碳量小于0.02%的铁碳合金。工业纯铁钢生铁含碳量为0.02%—2.11%的铁碳合金