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1、金属材料与热处理金属材料与热处理机械工程学院机械工程学院主讲：王光艳主讲：王光艳第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问 金金属属材材料料是是由由金金属属元元素素或或以以金金属属元元素素为为主主要要材材料构成的并具有金属特性的工程材料。料构成的并具有金属特性的工程材料。金属材料纯纯 金金 属属 合合 金金第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问工程材料工程材料 金属材料金属材料 非金属材料非金属材料黑色金属材料：黑色金属材料：钢和铸铁钢和铸铁 有色金属材料有色金属材料高分子材料高分子材料铜及铜合金铜及铜合金滑动轴承合金滑动轴承合金陶瓷材料陶瓷材料复合材料复合材料铝及铝合金铝及铝合金3第一章
2、第一章 金属材料基金属材料基础学学问1.11.1金属材料的性能金属材料的性能金金属属材材料料的的性性能能 运用性能运用性能 工艺性能工艺性能机械性能：强度、硬度、塑性、韧性等机械性能：强度、硬度、塑性、韧性等 铸造性能：流淌性、收缩性等铸造性能：流淌性、收缩性等 锻造性能：压力加工成型性等锻造性能：压力加工成型性等 切削加工性能：车、铣、刨、磨的切削量，切削加工性能：车、铣、刨、磨的切削量，光滑度等光滑度等 物理性能：导电、导热、电磁、膨胀等物理性能：导电、导热、电磁、膨胀等 化学性能：抗氧化性、耐腐蚀性等化学性能：抗氧化性、耐腐蚀性等 焊接性能：熔焊性、焊缝强度、偏析等焊接性能：熔焊性、焊缝
3、强度、偏析等 热处理性能：淬透性、回火稳定性等热处理性能：淬透性、回火稳定性等 第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问1.11.1金属材料的性能金属材料的性能 由于金属材料具有良好的运用性能和工艺由于金属材料具有良好的运用性能和工艺性能，所以在机器制造工业中获得广泛的应用。性能，所以在机器制造工业中获得广泛的应用。合金常比纯金属具有更好的力学性能和合金常比纯金属具有更好的力学性能和工艺性能，而且成本一般较低，故机器制造中一般很工艺性能，而且成本一般较低，故机器制造中一般很少运用纯金属，只有在为了满足机器上的某些特殊性少运用纯金属，只有在为了满足机器上的某些特殊性能的要求时，才考虑运用纯金属
4、来制造机器零件。能的要求时，才考虑运用纯金属来制造机器零件。第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问1.1.1金属材料的力学性能（机械性能）金属材料的力学性能（机械性能）力学性能力学性能 ：材料在外力作用下所表材料在外力作用下所表现出的性能出的性能力学性能的主要指力学性能的主要指标：强度（强度（strength)塑性（塑性（plasticity)弹性弹性(elasticity)硬度（硬度（hardness)冲击韧性冲击韧性(impact toughness)疲惫强度疲惫强度(fatigue strength)第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问强度：材料在外力作用下反抗度：材料在外力作
5、用下反抗变形和破坏的形和破坏的实力力 包括屈服包括屈服强度、抗拉度、抗拉强度、抗度、抗压强度等。度等。测定金属材料定金属材料强度的基本方法是拉伸度的基本方法是拉伸试验。拉伸实验低碳钢试样拉伸实验低碳钢试样第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问三个阶段：e:弹性变形阶段sb:（匀整）塑性变形阶段b:不匀整塑性变形阶段（断裂阶段）断裂方式:依据塑变阶段长短分：脆性断裂，韧性断裂 依据断裂路径分：沿晶断裂，穿晶断裂第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问低碳低碳钢受拉受拉时应力与力与应变关系曲关系曲线图应力应力:=F/A应变应变:=L/L几个重要点几个重要点:E点点:最大弹性变形点最大弹性变形
6、点S点点:塑性变形屈服点塑性变形屈服点B点点:能承受最大外力能承受最大外力K点点:材料产生断裂材料产生断裂材料的几个重要极限材料的几个重要极限e:弹性极限弹性极限;s:屈服极限屈服极限;b:强度极限强度极限;第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问拉拉伸伸试试样样产产生生颈颈缩缩现现象象第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问弹性：金属材料受外力作用时产生变形弹性：金属材料受外力作用时产生变形,当外力当外力去掉后能复原到原来形态及尺寸的性能。去掉后能复原到原来形态及尺寸的性能。弹性变形弹性变形:随载荷撤除而消逝的变形随载荷撤除而消逝的变形弹性极限弹性极限:图中的图中的e e 点即为弹性极限
7、点即为弹性极限 第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问塑性塑性：金属材料受外力作用：金属材料受外力作用时产时产生永久生永久变变形而不形而不致引起破坏的性能。致引起破坏的性能。塑性塑性变变形形:外力消逝后留下来的部分不行复原的外力消逝后留下来的部分不行复原的变变形。形。塑性通常由伸塑性通常由伸长长率率和断面收和断面收缩缩率率表示。表示。伸伸长长率率或断面收或断面收缩缩率率值值越大表示材料塑性越大表示材料塑性越好。越好。一般：一般：10%属塑性材料属塑性材料第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问1 1、断后伸长率、断后伸长率 2 2、断面收缩率、断面收缩率 指试样拉断后标距的伸长量与原标距
8、长度的百分比。指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。=(L=(L1 1-Lo)/Lo x 100%-Lo)/Lo x 100%L L1 1:拉断拉伸试样对接后测出的标距长度拉断拉伸试样对接后测出的标距长度Lo:Lo:拉伸试样的原始标距拉伸试样的原始标距=(Ao-A=(Ao-A1 1)/So x 100%)/So x 100%AoAo:拉伸试样原横截面积。拉伸试样原横截面积。A A1 1:拉伸试样断口处的横截面积拉伸试样断口处的横截面积第一章第一章 金属材料基金属材
9、料基础学学问硬度：是指材料反抗其他更硬物体压入其内的实力硬度：是指材料反抗其他更硬物体压入其内的实力一般材料的硬度越高，耐磨性越好，强度也较好一般材料的硬度越高，耐磨性越好，强度也较好 布氏硬度布氏硬度HB 洛氏硬度洛氏硬度HR 维氏硬度维氏硬度HV 肖氏硬度肖氏硬度HS锉刀法锉刀法常用测量硬度的方法常用测量硬度的方法第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问(1)布氏硬度布氏硬度 HB(Brinell-hardness)布氏硬度计布氏硬度计 第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问(1)布氏硬度布氏硬度 HB(Brinell-hardness)适用范围：适用范围：测量退火钢、正火钢、测量退
10、火钢、正火钢、常见铸铁、有色金属等常见铸铁、有色金属等较软材料，有效值小于较软材料，有效值小于450HB。第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问(2)洛氏硬度洛氏硬度 HR(Rockwll hardness)h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛洛氏氏硬硬度度计计1HRC10HBS第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问冲击韧性：材料反抗冲击载荷作用而不破坏冲击韧性：材料反抗冲击载荷作用而不破坏的实力。常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定的实力。常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的冲击韧性。金属材料的冲击韧性。冲冲击击韧韧性性实实验验第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问疲疲
11、惫强度：表示材料度：表示材料经多数次交多数次交变载荷作用而不致荷作用而不致引起断裂的最大引起断裂的最大应力力值。第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问钢钢材的循材的循环环次数一般取次数一般取 N=107有色金属的循有色金属的循环环次数一般取次数一般取 N=108钢钢材的疲材的疲惫惫强强度度-1与抗拉与抗拉强强度度 b之之间间的关系的关系:-1=(0.450.55)b第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问疲惫断裂时无明显的宏观朔性变形，断裂前疲惫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；没有预兆，而是突然破坏；引起疲惫断裂的应力很低，常常低于材料的引起疲惫断裂的应力很低，
12、常常低于材料的屈服点；屈服点；疲惫破坏的宏观断口由两部分组成。疲惫破坏的宏观断口由两部分组成。疲惫破坏的特征疲惫破坏的特征第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问 金属材料的其他性能金属材料的其他性能物理性能：物理性能：主要有比重、熔点、主要有比重、熔点、热热膨膨胀胀、导热导热性、性、导电导电性等。性等。化学性能：化学性能：主要指在室温或高温下反抗各种化学作用的主要指在室温或高温下反抗各种化学作用的实实力。主要如耐力。主要如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。酸性、耐碱性、抗氧化性等。工工艺艺性能：性能：是物理、化学、力学性能的是物理、化学、力学性能的综综合。合。主要指主要指铸铸造性、可造性、可锻锻
13、性、可性、可焊焊性、切削加工性、性、切削加工性、热处热处理性等。理性等。第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问金属的工艺性能金属的工艺性能工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的适应实力。第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问金属（材料）及合金在铸造工艺中获得优良铸件的实力称为铸造性能。1、流淌性：熔融金属的流淌实力称为流淌性。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匀整现象称为偏析。铸造性能：铸造性能：第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问锻造性能：锻造性能：用锻压
14、成形方法获得优良锻件的难易程用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻造性能。度称为锻造性能。铸铁不能锻压铸铁不能锻压 。焊接性能：焊接性能：焊焊接性能是指金属材料对焊接加工的适接性能是指金属材料对焊接加工的适应性。应性。切削加性能：切削加性能：切削加工（性能）金属材切削加工（性能）金属材料的难易程度称为切削加工性能。料的难易程度称为切削加工性能。第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问一般状况下金属材料中：一般状况下金属材料中：1.1.灰铸铁及青铜的铸造性能较好。灰铸铁及青铜的铸造性能较好。2.2.低碳钢的可锻性好于中、高碳钢，碳低碳钢的可锻性好于中、高碳钢，碳钢好于合金钢，铸铁不能锻压。
15、钢好于合金钢，铸铁不能锻压。3.3.低碳钢可焊性较好，高碳钢和铸铁的低碳钢可焊性较好，高碳钢和铸铁的可焊性较差。可焊性较差。4.4.灰铸铁和硬度适中的碳钢的切削性较灰铸铁和硬度适中的碳钢的切削性较好。好。5.5.合金钢的热处理工艺性较好。合金钢的热处理工艺性较好。第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问晶体与非晶体晶体与非晶体非非晶晶体体：在在物物质质内内部部，凡凡原原子子呈呈无无序序积积累累状状况况的的，称为非晶体。如：一般玻璃、松香、树脂等。称为非晶体。如：一般玻璃、松香、树脂等。晶晶体体：凡凡原原子子呈呈有有序序、有有规规则则排排列列的的物物质质为为晶晶体体，金属的固态、金刚石、明矾晶
16、体等。金属的固态、金刚石、明矾晶体等。性性能能：晶晶体体有有固固定定的的熔熔、沸沸点点，呈呈各各向向异异性性，非非晶晶体没有固定熔点，而且表现为各向同性。体没有固定熔点，而且表现为各向同性。1.2金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构晶格和晶胞：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。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。能完整地反映晶格特征的最小几何单元，称为晶胞。晶面和晶向：晶面和晶向：在晶体中由一系列原子组成的平面，秋为晶面。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，可代表晶格通过两个或两
17、个以上原子中心的直线，可代表晶格空间排列的确定方向，称为晶向。空间排列的确定方向，称为晶向。晶体结构的概念晶体结构的概念第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问金属晶格的类型金属晶格的类型第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问体心立方晶格：体心立方晶格：它的晶胞是一个立方体，原子位于立方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（体的八个顶角上和立方体的中心。如：铬（CrCr）、钒）、钒（V V）、钨（）、钨（W W）、钼（）、钼（MoMo）及）及-Fe-Fe面心立方晶格：面心立方晶格：它的晶胞也是一个立方体，原子位于立它的晶胞也是一个立方体，原子位于立方体的
18、八个顶角上和立方体六个面的中心。方体的八个顶角上和立方体六个面的中心。如：铝如：铝（AlAl）、铜（）、铜（CuCu）、铅（）、铅（PbPb）、镍（）、镍（NiNi）及）及-Fe-Fe密排六方晶格：密排六方晶格：它的晶胞是一个正六棱柱体，原子排列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原子排列在柱体内。属于这种晶格类型的金属有镁（MgMg）、铍（）、铍（BeBe）、镉（）、镉（CdCd）、及锌（）、及锌（ZnZn）等。）等。金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结
19、构晶体缺陷晶体缺陷：晶界原子排列不规则的现象：晶界原子排列不规则的现象第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问点缺陷点缺陷 晶体中呈点状的缺陷，即在三维晶体中呈点状的缺陷，即在三维空间上尺寸都很小的晶体缺陷空间上尺寸都很小的晶体缺陷线缺陷线缺陷 三维空间的两个方向上尺寸很小三维空间的两个方向上尺寸很小的晶体缺陷的晶体缺陷面缺陷面缺陷 在二维方向上尺寸很大，在第三在二维方向上尺寸很大，在第三个方向上尺寸很小，呈面状分布的缺陷个方向上尺寸很小，呈面状分布的缺陷合金的相结构合金的相结构第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问合金合金 两种或两种以上的金属元素（或金属与两种或两种以上的金属元素（或
20、金属与非金属）组成，具有金属特性的物质非金属）组成，具有金属特性的物质组元组元 组成合金的最基本独立单元，两（三）组成合金的最基本独立单元，两（三）个组元组成的合金较二（三）元合金，类推。个组元组成的合金较二（三）元合金，类推。相相 合金中具有同一化学成分、同一结构和原合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面相互分开的、匀整的组子聚集状态，并以界面相互分开的、匀整的组成部分成部分合金的相结构合金的相结构第一章第一章 金属材料基金属材料基础学学问合金中的相分为合金中的相分为固溶体固溶体和和金属化合物金属化合物两类两类 固溶体固溶体 合金在固态下一种组元的晶格内溶解了合金在固态下一
21、种组元的晶格内溶解了另一组元的原子而形成的晶体相。包括另一组元的原子而形成的晶体相。包括置换固置换固溶体和间隙固溶体溶体和间隙固溶体。固溶强化固溶强化 通过溶入溶质原子形成固溶体、通过溶入溶质原子形成固溶体、从而使合金强度、硬度提高的现象。从而使合金强度、硬度提高的现象。金属化合物金属化合物 合金组元间发生相互作用而形成合金组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的合金相。的具有金属特性的合金相。第一章第一章 金属材料基础学问金属材料基础学问铁碳合金的基本组织与铁碳相图铁碳合金的基本组织与铁碳相图 在铁碳合金中，碳可以与铁组成化合物，也可以在铁碳合金中，碳可以与铁组成化合物，也可以形成固溶体，或
22、者形成混合物。基本相有铁素体、形成固溶体，或者形成混合物。基本相有铁素体、奥氏体和渗碳体。奥氏体和渗碳体。铁素体（铁素体（F F）碳溶解于碳溶解于-Fe-Fe中形成的间隙固溶体，用符号中形成的间隙固溶体，用符号F F来表示。来表示。室温时，铁素体中的碳含量只有室温时，铁素体中的碳含量只有0.0008%,0.0008%,在在727727溶解度最大时也仅为溶解度最大时也仅为0.0218%0.0218%。所以其性能与纯铁。所以其性能与纯铁相像，具有良好的塑性和韧性，而强度和硬度却较相像，具有良好的塑性和韧性，而强度和硬度却较低低 第一章第一章 金属材料基础学问金属材料基础学问奥氏体（奥氏体（A A）
23、碳溶解于碳溶解于-Fe-Fe中形成的间隙固溶体，用符中形成的间隙固溶体，用符号号A A来表示。奥氏体的强度和硬度不高，但来表示。奥氏体的强度和硬度不高，但具有良好的塑性，是非铁磁性相。具有良好的塑性，是非铁磁性相。铁素体少铁素体少量珠光体量珠光体奥氏体珠光体第一章第一章 金属材料基础学问金属材料基础学问渗碳体（渗碳体（FeFe3 3C C）渗碳体是铁与碳的金属化合物，其分子式为渗碳体是铁与碳的金属化合物，其分子式为FeFe3 3C C。渗碳体中碳的质量分数为渗碳体中碳的质量分数为6.69%6.69%，熔点为，熔点为12271227。渗。渗碳体的硬度很高，塑性很差。是一种硬而脆的组织。碳体的硬度
24、很高，塑性很差。是一种硬而脆的组织。渗碳体的类型渗碳体的类型一次渗碳体：从液态中析出的渗碳体。一次渗碳体：从液态中析出的渗碳体。二次渗碳体：从奥氏体中析出的渗碳体。二次渗碳体：从奥氏体中析出的渗碳体。三次渗碳体：从铁素体中析出的渗碳体。三次渗碳体：从铁素体中析出的渗碳体。网状渗碳体：当热处理操作不当、不良时，渗碳体沿网状渗碳体：当热处理操作不当、不良时，渗碳体沿晶界呈网状分布，即所谓网状渗碳体。晶界呈网状分布，即所谓网状渗碳体。第一章第一章 金属材料基础学问金属材料基础学问铁碳合金相图铁碳合金相图 铁铁碳碳合合金金是是工工业业上上应应用用最最广广泛泛的的金金属属材材料料。铁铁碳碳合合金金相相图
25、图是是表表示示平平衡衡状状态态下下不不同同成成分分的的铁铁碳碳合金在不同温度下，具有的状态和组织的图形。合金在不同温度下，具有的状态和组织的图形。学学习习铁铁碳碳相相图图，对对于于合合理理选选择择和和运运用用钢钢铁铁材材料料、指指导导热热加加工工工工艺艺（热热处处理理、铸铸造造、锻锻压压等等）具有重要意义。具有重要意义。第一章第一章 金属材料基础学问金属材料基础学问Fe-Fe3C相相图Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的几个特性点相图中的几个特性点第一章第一章 金属材料基础学问金属材料基础学问Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的特性线相图中的特性线第一章第一章 金属材料基础学问金属材料
26、基础学问对对钢钢来来说说，C=0.0218C=0.02182.112.11的的铁铁碳碳合合金金称称为为钢钢。其其特特点点是是高高温温时时都都有有单单相相奥奥氏氏体体，依依据据其其含含碳量及室温组织的不同，又可分为：碳量及室温组织的不同，又可分为：亚亚共共析析钢钢：含含碳碳量量为为0.02180.02180.770.77之之间间的的铁铁碳合金。碳合金。共析钢：含碳量为共析钢：含碳量为0.770.77的铁碳合金。的铁碳合金。过过共共析析钢钢：含含碳碳量量为为0.770.772.112.11之之间间的的铁铁碳碳合金。合金。第一章第一章 金属材料基础学问金属材料基础学问对对白白口口铸铸铁铁来来说说，C
27、=2.11C=2.116.696.69的的铁铁碳碳合合金金称称白白口口铸铸铁铁。其其特特点点是是金金属属液液相相结结晶晶时时都都将将发发生生共共晶晶反反应应生生成成莱莱氏氏体体，依依据据其其含含碳碳量量及及室室温温组组织织的不同，又可分的不同，又可分为为：亚亚共共晶晶白白口口铸铸铁铁：含含碳碳量量为为2.112.114.34.3之之间间的的铁铁碳合金。碳合金。共晶白口共晶白口铸铁铸铁：含碳量：含碳量为为4.34.3的的铁铁碳合金。碳合金。过过共共晶晶白白口口铸铸铁铁：含含碳碳量量为为4.34.36.696.69之之间间的的铁铁碳合金。碳合金。第一章第一章 金属材料基础学问金属材料基础学问铁碳相
28、图在工业中的应用铁碳相图在工业中的应用 1 1 1 1、在在在在选选选选材材材材方方方方面面面面的的的的应应应应用用用用 ：依依依依据据据据零零零零件件件件的的的的不不不不同同同同性性性性能能能能要要要要求求求求来合理地选择材料。来合理地选择材料。来合理地选择材料。来合理地选择材料。2 2 2 2、在在在在铸铸铸铸造造造造生生生生产产产产上上上上的的的的应应应应用用用用：参参参参照照照照铁铁铁铁碳碳碳碳相相相相图图图图可可可可以以以以确确确确定定定定钢钢钢钢铁铁铁铁的的的的浇浇浇浇注注注注温温温温度度度度，通通通通常常常常浇浇浇浇注注注注温温温温度度度度在在在在液液液液相相相相线线线线以以以以
29、上上上上 5050505060606060。纯纯纯纯铁铁铁铁和和和和共共共共晶晶晶晶白白白白口口口口铸铸铸铸铁的铸造性能最好。铁的铸造性能最好。铁的铸造性能最好。铁的铸造性能最好。3 3 3 3、在在在在锻锻锻锻压压压压生生生生产产产产上上上上的的的的应应应应用用用用：锻锻锻锻扎扎扎扎温温温温度度度度限限限限制制制制在在在在单单单单相相相相奥奥奥奥氏氏氏氏体区。体区。体区。体区。4 4 4 4、在在在在热热热热处处处处理理理理生生生生产产产产上上上上的的的的应应应应用用用用：热热热热处处处处理理理理工工工工艺艺艺艺的的的的加加加加热热热热温温温温度度度度依依依依据铁碳相图确定。据铁碳相图确定。据铁碳相图确定。据铁碳相图确定。