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1、 2004 金工教研室机械制造基础第一讲 金属材料及其热处理现代机器以金属材料为基础性能决定工艺性好很少用纯金属，多用合金材料性能决定了解金属材料，有助于理解工艺方法的实质合理选择零件材料及其生产工艺第1页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础第一讲 金属材料及其热处理工程材料是人类社会赖以生存和发展重要物质基础工程材料的分类金属材料、非金属材料、复合材料现代机器以金属材料为基础使用性能满足大多数要求工艺性好很少用纯金属，多用合金材料:性能决定了解金属材料，有助于理解工艺方法的实质合理选择零件材料及其生产工艺材料的性能：以金属材料的性能为例第2页/共109页 2004 金工教研室机械制
2、造基础汽车上的材料第3页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础第4页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础第5页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础第6页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础第7页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础工程材料金属材料非金属材料黑色金属有色金属无机材料有机材料轻金属重金属复合材料第8页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础一、金属材料的主要性能力学性能强度与塑性硬度韧性疲劳强度其它性能物理、化学及工艺性能第9页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础力学性能拉伸实验第10页/共109页 2004 金工教研
3、室机械制造基础塑性材料和脆性材料塑性材料脆性材料第11页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础力学性能强度金属材料抵抗外力引起的塑性变形和断裂的能力屈服点：s抗拉强度：b塑性金属材料产生塑性变形而不破坏的能力延长率、断面收缩率第12页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础力学性能硬度：抵抗外力不产生局部塑性变形（压痕）的能力衡量金属软硬程度影响耐磨性、切削加工性度量方法布氏硬度（HB）洛氏硬度（HR）维氏硬度（HV）：金刚石10000为标准度量第13页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础布氏硬度（HB）稳定可靠仅用于测量HB450以内的材料不用于成品硬质合金压头（HB
4、S）金刚石压头（HBW）第14页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础洛氏硬度（HR）第15页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础维氏硬度（HV）HV=FPF第16页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础力学性能韧性金属材料断裂前吸收的能量冲击韧性影响因素太多，仅作参考第17页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础力学性能疲劳强度周期性/非周期性动载荷下断裂破坏应力远低于强度极限原因杂质表面划痕微裂纹缺陷扩展第18页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础其它性能物理性能密度、熔点、热膨胀、导热、导电、磁性对工艺性有影响化学性能常温/高温下抵抗介质腐蚀的
5、能力耐酸、耐碱、抗氧化性能工艺性能：非常重要热处理、铸造、锻造、焊接、切削加工性能第19页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础二、铁碳合金制造机器设备的主要金属材料：钢、铸铁铁（Fe）碳（C）铁含量 95，但是决定性能的是碳我们学习：纯铁的晶体结构铁碳合金组织常用钢材及其选用原则（铸铁稍后介绍）第20页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础发表意见你见过哪些晶体材料？晶体有哪些特别的现象？金属是晶体吗？第21页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础纯铁的晶体结构金属结晶过程：晶核形成与成长过冷冷却速度晶核自发外来晶粒细力学性能好晶核多则细快冷则细孕育处理结晶过程演示第
6、22页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础晶格第23页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础晶胞第24页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础纯铁的晶体结构体心立方晶胞第25页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础纯铁的晶体结构面心立方晶胞第26页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础还有一种晶胞结构第27页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础纯铁的同素异构转变1538：液态固态Fe1394：固态固态Fe912：固态固态Fe二次结晶（重结晶）固态下的结晶过程与固液结晶规律相同第28页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础铁碳合金的基本
7、组织合金：两种或两种以上金属非金属元素熔和，构成具有金属特性的物质强度硬度较高、成本低通过成分和热处理在很大范围内调整其性能组元：构成合金的元素铁、碳、Fe3C（稳定的化合物也是组元）相：晶格相同、有界面分开第29页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础铁碳合金相图中的相铁素体珠光体渗碳体莱氏体钢铁分界线第30页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础相图的建立第31页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础铁碳合状态图的建立第32页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础固溶体第33页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础间隙固溶体的晶格畸变固溶体与固溶强化
8、第34页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础晶体的四种点缺陷空位同类原子的间隙原子异类原子的间隙原子异类原子的置换原子第35页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础关于合金强度的认识晶粒粗细影响强度越细强度硬度越高细化晶粒是冶金和热处理的目标固溶强化晶格中混入杂质，增加变形抗力位错强化位错是晶体内部的一种缺陷增加变形抗力第36页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础位错强化示意图第37页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础两种线缺陷位错刃型位错的形成过程第38页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础面缺陷第39页/共109页 2004 金工教研室机械
9、制造基础铁碳合金中的固溶体铁素体Fe中溶碳6000.006%7270.021%强度硬度低250MPa80HBS塑性好4550与纯铁近似第40页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础铁碳合金中的固溶体奥氏体 Fe中溶碳11482.11%7270.77%强度硬度不高塑性优良4050易于塑性变形压力加工时加热形成奥氏体第41页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础铁碳合金中的化合物金属化合物与非金属化合物金属化合物具有复杂晶格、硬而脆FeS、MnS：非金属杂质渗碳体（Fe3C）铁碳合金中的强化相硬度高（800HBW）、塑性韧性很低呈片状、球状、网状可分解：Fe3C3FeC石墨第42页
10、/共109页 2004 金工教研室机械制造基础铁碳合金中的机械混合物珠光体（PF+Fe3C）铁素体渗碳体C0.77b750MPa180HBS2025呈片状第43页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础铁碳合金中的机械混合物莱氏体（Ld）C%=4.3%与渗碳体性能相近：硬而脆LdA+Fe3C存在于727以上LdP+Fe3C727以下转变为珠光体与渗碳体的机械混合物第44页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础高温莱氏体第45页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础低温莱氏体第46页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础铁碳合金相图第47页/共109页 2004 金
11、工教研室机械制造基础状态图分析A C D E F G S P Q 的意义第48页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础状态图分析ACD：液相线AECF：固相线（ECF共晶线）GS（A3）：奥氏体中析出铁素体ES（Acm）：奥氏体中析出渗碳体（II）PSK（A1）：共析线PQ：铁素体中析出渗碳体（III）查看铁碳合金相图查看查看查看铁碳合金相图查看查看查看第49页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础钢和铁的分界：C%=2.11钢：C%2.11C%0.77%：过共析钢铸铁：C%【2.116.69%】C%4.3%：过共晶铸铁第50页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础共析
12、钢的组织转变（S）第51页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础共析钢显微组织（珠光体）第52页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础亚共析钢的组织转变第53页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础亚共析钢显微组织（C0.2%）第54页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础过共析钢的组织转变第55页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础过共析钢的显微组织第56页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础工业用钢按化学成分碳素钢 、合金钢按用途结构钢 、工具钢 、特殊性能钢按质量普通钢 、优质钢 、高级优质钢按脱氧程度镇静钢 、沸腾钢第57页/共109
13、页 2004 金工教研室机械制造基础工业用钢种类汇总碳素钢碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢合金钢合金结构钢特殊性能钢合金工具钢低合金结构钢渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢刃具钢模具钢量具钢不锈钢耐热钢耐磨钢其它第58页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础碳素钢（C%1.5%）C的影响如图P冷脆性0.045%以下S热脆性0.05%以下P、S衡量质量Si、Mn有益第59页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础碳素结构钢C%0.38%（0.25%以下常用）GB700-88规定Q215/Q235/Q255:屈服极限215/235/255MpaA普通；B/C/D优质，含P/S较少未完全脱
14、氧F（沸腾钢）完全脱氧Z（镇静钢）Q215-AF Q235（A3）最常用第60页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础优质碳素结构钢(P/S)60HRC淬透性、热硬性很差国标规定T8A：含碳0.8，A：含PS很少的优质钢T8、T10、T10A、T12常用第62页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础合金钢合金结构钢含碳量的万分数元素符号百分数合金含量1.5%不标高级优质钢A16Mn 20Cr 40Mn2 30CrMnSi 38CrMoAlA合金工具钢含碳量含碳量的千分数元素符号百分数含碳量1%不标：9Cr2 CrWMn 9SiCr W18Cr4V特殊性能钢：不锈钢（2Cr13、
15、1Cr18Ni9）第63页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础零件选材的一般原则满足工作要求满足工艺性能要求重视经济性第64页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础三、钢的热处理目的：强度、硬度、韧性、弹性、工艺性讨论：现代机器中的热处理机床中汽车中刃具、量具、磨具改变？外形？组织？第65页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础热处理工艺温度时间临界温度保温冷却加热第66页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础热处理工艺方法普通热处理“四火”：退火、正火、淬火、回火表面热处理表面淬火化学热处理渗碳、渗氮、碳氮共渗第67页/共109页 2004 金工教研室机械制
16、造基础工艺原理第68页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础退火和正火的加热温度范围退火目的种类正火用途索氏体硬度强度比珠光体高韧性相同第69页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础退火加热温度范围第70页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础淬火与回火马氏体（M）C原子来不及从A中渗出过饱和C使晶格严重畸变硬度高低温回火中温回火高温回火第71页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础表面淬火与化学热处理表面耐磨，内部坚韧表面淬火工艺原理用途设备：感应线圈、火焰、激光化学热处理化学介质中加热保温表层渗碳、渗氮坚韧的基体坚硬的外壳第72页/共109页 2004 金工
17、教研室机械制造基础总结金属材料的性能铁碳合金组织选材原则钢的热处理第73页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础铁碳合金相图：随手画1148 7274.3 2.11 0.7791215381227 两个Y字当中立0.774.32.11912153872711481227第74页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础这是什么“体”铁素体第75页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础这是什么“体”奥氏体第76页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础这是什么“体”珠光体第77页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础还有什么“体”莱氏体高温莱氏体：A+Fe3C低
18、温莱氏体：P+Fe3C马氏体淬火组织奥氏体中的碳来不及跑出来索氏体正火组织细化的、片层更薄的珠光体（强度硬度更高）第78页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础锉刀选材T12工艺过程锻造退火机械加工淬火低温回火热处理热处理热处理第79页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础作业！作业：（1）习题集：一 判断题，1，2，21（2）教材p9（45题），26（18题），3 2（56题）思考：（1）教材 p9（13题），32（14，7题）（2）含碳量分别为0.2、1.0、3.0的钢铁在室温下的组织 第80页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础铁碳合金相图（全图1）铁素体珠光体
19、渗碳体莱氏体钢铁分界线两个单相之间是混合相第81页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础铁碳合金相图（全图2）第82页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础铁碳合金相图（全图3）第83页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础铁碳合金相图（全图4）ACD液相线第84页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础铁碳合金相图（全图5）AECF：固相线ECF共晶线第85页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础铁碳合金相图（全图6）GS（A3）：奥氏体中开始析出铁素体第86页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础铁碳合金相图（全图7）ES（Acm）：奥氏体中析
20、出二次渗碳体（II）第87页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础铁碳合金相图（全图8）PSK（A1）：共析线第88页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础铁碳合金相图（全图9）PQ：铁素体中析出三次渗碳体（III）第89页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础铁碳合金相图（全图2）均匀、没有明显晶界第90页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础铁碳合金相图（全图2）珠光体外面有明显的铁素体相第91页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础铁碳合金相图（全图2）珠光体外面有明显的网状渗碳体第92页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础常用非金属材料
21、简介纳米材料复合材料功能材料超塑性合金超导材料第93页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础纳米材料的常识第94页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础碳纳米管制作的纳米齿轮模型第95页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础纳米材料学1nm=10-9m1nm:1M-相当于乒乓球与地球之比当材料的颗粒缩小到几到几十纳米时，材料的性质将发生意想不到的变化碳纳米管强度比钢高100倍，重量是钢的1/6，且导电性怪异化学性质稳定的材料会发生爆炸纳米陶瓷可弯曲180o在电场作用下发出各种颜色的光第96页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础纳米材料的研究及应用领域电子信息技
22、术高密度信息储存CPU：AMD的K8；Inter的P4和PM（90纳米制程）航空、航天及机械建筑领域航天器、卫星、飞船、汽车、船舶、桥梁等北京大剧院的外墙医学领域微细诊疗器能源高存储容量的电池第97页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础纳米材料的不安全性对环境纳米材料的回收与处理对环境的影响存在未知风险对人体与疾病有关的纳米颗粒污染早已存在，如矽肺 纳米技术在医学中存在未知风险纳米技术在药物中存在未知风险纳米技术在日常生活用品中的潜在风险 第98页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础扫描电子显微镜下的纤维表面第99页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础碳纳米管纤维
23、第100页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础纳米机器人在清理血管中的有害堆积物第101页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础美军新作战服系统(纳米材料)第102页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础TAG新型复合材料无人飞机第103页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础思 考纳米材料和纳米技术距离我们有多远？纳米材料与洪水猛兽第104页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础复合材料两种/多种不同性质的材料组合而成层叠长纤维颗粒 关于梯度材料第105页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础功能材料非晶态金属金属玻璃：原子无序排列强度、硬度、延展性、耐腐蚀、软磁性形状记忆合金智能材料用途：冰箱的温度开关，牙齿矫形、F14敏感材料：热、力、气、声、光、磁光学功能材料：光缆、光信息技术第106页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础超塑性合金条件极低变形速度温度均匀晶体结构观看示例第107页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础超导材料条件临界温度以下关于高温超导讨论超导的用途产业化的关键第108页/共109页 2004 金工教研室机械制造基础感谢您的观看。第109页/共109页