《金屬材料學》ppt課件

1、金屬工藝學,主講 申良機,第一篇 金屬材料的主要性能,2.工藝性能,第一章 材料的主要性能,材料的主要性能是指:,1.使用性能,,（1）力學性能,（2）物理性能,（3）化學性能,——加工成形的性能,第一節(jié) 材料的力學性能,力學性能 —— 材料在外力作用下所表現(xiàn)出的特性。,一、外力作用下材料的變形與失效,作用在機件上的外力——載荷,F = F’,（MPa）,外力 —— 內力——應力,,靜載荷,動載荷,,σ= F’ /S,,（

2、1）彈性變形：,材料受外力作用時產生變形，當外力去除后恢復其原來形狀，這種隨外力消失而消失的變形，稱為彈性變形。,1.兩種基本變形,,（2）塑性變形:,材料在外力作用下產生永久的不可恢復的變形，稱為塑性變形。,,,,拉伸實驗,k,b,b — 極限載荷點,二、材料的力學性能,,,,,,F,e,e — 彈性極限點,s,S — 屈服點,K — 斷裂點,,拉伸曲線,F,,,F,L,,,,,,,,,縮頸,,,,o,,,1．強度：,當材料單位面積上

3、所受的應力σeσs時，材料將產生明顯的塑性變形。,條件屈服強度:,σ0.2=F 0.2/S0 （MPa）,材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。,（1） 屈服強度（σS）,指材料在外力作用下，產生屈服現(xiàn)象時的應力。,σS =Fs/S0 （MPa）,它表征了材料抵抗微量塑性變形的能力。,屈服強度 — 是塑性材料選材和評定的依據。,,,k,b,,,,,,,F,e,,s,,,,,,,,,,,,,100%,0.2%,,,,b,

4、σb =Fb/S0 （MPa）,（2）抗拉強度（σb ）,抗拉強度是材料在拉斷前承受最大載荷時的應力。,它表征了材料在拉伸條件下所能承受的最大應力。,抗拉強度 — 是脆性材料選材的依據。,2. 塑性,常用 δ 和 ψ 作為衡量塑性的指標。,伸長率：,材料在外力作用下，產生永久變形而不引起破壞的能力。,斷面收縮率:,F,,,F,L,,,,,,,,,良好的塑性是金屬材料進行塑性加工的必要條件。,3．剛度（E）,在彈性階段：,4．硬度,

5、是材料抵抗更硬的物體壓入其內的能力。,(1)布氏硬度（HB）：,材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力稱為剛度。,,,,,,,所以：,F,布氏硬度適用HB<450,(2)洛氏硬度（HRC）,洛氏硬度一般用于HB>450,,F,,,1200,,,1：10,5．沖擊韌性,AK = G（H1 – H2）（J） ak = AK /S （J/m2）,低碳鋼： σb≈360HB高碳鋼： σb≈340HB調質合金鋼： σ

6、b≈325HB,材料抵抗沖擊載荷作用下斷裂的能力。,在沖擊載荷下工作的零件，很少是受大能量一次沖擊而破壞的；往往是受小能量多次重復沖擊而破壞的。,6．疲勞強度,材料在無數次重復或交變載荷作用下不引起破壞的最大應力。,— 循環(huán)基數,鋼：,受交變載荷作用的零件，在其所受應力遠遠低于該材料的屈服強度時，會發(fā)生突然的斷裂。而且是脆性斷裂。,據統(tǒng)計，約80%的機件失效為疲勞破壞。,,,,有色金屬：,三、材料的工藝性能：加工性能,第二節(jié) 材料的物

7、理、化學及工藝性能,一、材料的物理性能：,比重、密度、熔點、導電性、導熱性、磁性、熱膨脹系數。,二、材料的化學性能：,耐酸性、耐堿性、抗氧化性。,第一節(jié) 金屬的晶體結構,第二章 金屬及合金的結晶,原子作無序排列；沒有固定的熔點；各向同性。,所有的金屬和合金都是晶體,晶格—原子排列形成的空間格子,晶胞—組成晶胞最基本的單元,原子作有序排列；有固定的熔點；各向異性。,,Cr、Mo、W、V、? -Fe、 ? -Fe,Cu、Ni、A

8、g、Au,Mg、Be、Zn、 ? -Ti、? -Cr,金屬的典型晶體結構,體心立方晶格：,面心立方晶格：,密排六方晶格：,一、金屬的結晶過程,1．金屬結晶的過冷現(xiàn)象,,T0,Tn,,,,,,,,,,ΔT,第二節(jié) 金屬的結晶過程,冷卻曲線,過冷度,2．金屬的結晶過程,結晶,,形核,長大,金屬是由許多大小、形狀、晶格排列方向均不相同的晶粒所組成的多晶體。,一般金屬的晶粒越細小，其力學性能越好。,3．細化晶粒的方法,1）變質處理,2）增

9、大過冷度,3）機械的振動和攪拌,4）熱處理,5）壓力加工再結晶,二、金屬的同素異晶轉變,同素異晶轉變—在固態(tài)下，隨著溫度的變化，金屬的晶體結構從一種晶格類型轉變?yōu)榱硪环N晶格類型的過程。,L,,,,一種金屬能以幾種晶格類型存在的性質 — 稱為同素異晶性。,Fe、Sn、Ti、Mn,,,,,,,,溫度℃,時間,1538 ℃,1394 ℃,912 ℃,體心,,,面心,體心,,,,Fe,第三節(jié) 合金的結構,合金 — 以一種金屬為基礎，加入其

10、它金屬或非金屬，所形成的具有金屬特性的物質。,合金是由兩種以上的元素組成的。,固態(tài)合金的結構是由組元在結晶時彼此之間所起的作用所決定的。,合金的結構,,,,機械混合物,固溶體,金屬化合物,一、固溶體,溶質原子溶入溶劑晶格而仍保持溶劑晶格類型的金屬晶體。,據溶質原子在溶劑晶格中所占據位置的不同,固溶體,,,,固溶體的性能特點：具有良好的塑性和韌性，強度、硬度較低。,F： σb = 250MPa δ= 45—50% HB = 80,

11、置換固溶體,間隙固溶體,二、金屬化合物,合金各組成元素之間相互作用而生成的一種新的具有金屬特性的物質。,金屬化合物各元素之間呈整數比關系。如： Fe3C、WC、TiC 等,,金屬化合物的性能特點：脆性大、硬度高；強度低；塑性、韌性差；高的熔點。,Fe3C：HB=800； σb =30MPa ； δ≈0%,三、機械混合物,合金的組成在固態(tài)下既不互相溶解又不形成化合物，而是按一定的重量比混合而成的新物質。,,機械混合物既可以是純金屬、固

12、溶體或金屬化合物各自的混合物，也可以是它們之間的混合物。,性能特點：性能介于各組成物的性能之間。一般具有良好的綜合力學性能。,P：σb = 750MPa δ=25% HB = 180-200,F： σb = 250MPa δ= 45—50% HB = 80Fe3C：HB=800； σb =30MPa ； δ≈0%,鐵素體 — 碳（C）溶入α-Fe中所形成的固溶體。 727℃ 0.02

13、18%C,第三章 鐵碳合金,一、鐵素體（F）,力學性能：σb = 250MPa δ= 45~50% HB = 80,二、奧氏體（A）,奧氏體— 碳（C）溶入γ-Fe中所形成的固溶體。 1148℃ 2.11%C 、727℃ 0.77%℃,力學性能：σb = 250 ~ 350MPa δ= 40~45% HB = 160~200,第一節(jié) 鐵

14、碳合金的基本組織,,四、珠光體（P）,力學性能： σb = 750MPa δ=25% HB = 180-200,五、萊氏體（Le）,力學性能： σb = 30MPa δ= 0 HB = 700,珠光體— 是鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。 727℃ 0.77%℃,萊氏體— 是奧氏體和滲碳體組成的機械混合物。 1148℃ 4.3%C,三、

15、滲碳體（Fe3C）,滲碳體— 是金屬化合物。 6.69%C,力學性能： σb = 30MPa δ= 0 HB = 800,狀態(tài)圖—— 表示合金系的成分、溫度、組織、狀態(tài)之間關系的圖表。,第二節(jié) 鐵碳合金狀態(tài)圖,一、什么是狀態(tài)圖,1538 ℃,1394 ℃,912 ℃,,,,,,,,,成分,二、狀態(tài)圖的作用,是研究合金的成分、溫度、組織、狀態(tài)之間變化規(guī)律的工具。,,,A,E,S,P,Q,G,K,D,4.3,2

16、.11,0.77,0.0218,1148℃,1538 ℃,727℃,P,L,A,F,三、鐵碳合金狀態(tài)圖,912℃,C,,,,,6.69,F,A—純鐵的熔點。,D—Fe3C的熔點。,1. 狀態(tài)圖上點的意義,E—C在γ-Fe中的最大溶解度點。1148℃ 2.11%C 鋼和鐵的分界點。,Le,C—共晶點，1148℃ 4.3%C,共晶點—發(fā)生共晶反應的點。,共晶反應 — 在一定的溫度下，由一定成分的液體同時結晶出一定成分的兩個固相的

17、反應。,共晶反應的產物——共晶體——機械混合物,G — 純鐵的同素異晶轉變點。 912℃,P —C在α-Fe中的最大溶解度點。727℃ 0.0218%C,S —共析點。 727℃ 0.77%℃,共析點 —發(fā)生共析反應的點。,共析反應—在一定的溫度下，由一定成分的固相同時結晶出一定成分的另外兩個固相的反應。,共析反應的產物 — 共析體— 機械混合物,,,,,,,2. 狀態(tài)圖上線的意義,AECF線—固相線,ACD線—液相線,A

18、E—A析出終了線ECF—共晶線 1147℃,,,AC—析出ACD—析出 Fe3C,A,L+,Fe3C,L+,F,,+A,A+,A+Le,Le + Fe3C,,,,,ES線 — C在γ-Fe中的溶解度曲線。析出二次Fe3CⅡ,（1）   單相區(qū)：L、F、A、Fe3C （2）   兩相區(qū)：L+A、L+ Fe3C、A+F、F+ Fe3C（3）   三相區(qū)

19、：L+A+ Fe3C、A+F+ Fe3C,GS線 — A析出F的開始線 A—F,GP線 — F析出終了線。,PSK線 — 共析線 727℃,PQ線 — 碳在α-Fe中的溶解度曲線。,,,,,,,,①,②,③,④,⑤,⑥,1,1,1,1,1,1,2,2,2,2,2,3,3,3,3,4,4,F+P,P+Fe3C,3,Le’,P+Fe3C+Le’,2,Fe3C+Le’,Fe3C+Le,,,,,,,,1．鋼,2．生鐵,共析鋼:

20、亞共析鋼: 過共析鋼:,共晶生鐵: 亞共晶生鐵: 過共晶生鐵:,四、鐵碳合金的結晶過程及組織轉變,五．含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響,,0,0.77,2.11,4.3,,,,,6.69,,0.0218,F,,P,,Le’,,,Fe3CⅠ,Fe3CⅡ,,,0.9~1.0,,,,,,1．選擇材料 2．確定各種工藝參數,六．狀態(tài)圖的作用,第二節(jié) 鋼的分類和應用,1．按化學成分分類,一、鋼的分類,（1）低合金鋼

21、 Me 10%,1）碳素鋼,2）合金鋼,（1）低碳鋼 C 0.6%,2. 按質量分類,P、S< 0.030%,1）普通鋼,2）優(yōu)質鋼,3）高級優(yōu)質鋼：,S：使合金產生熱裂、熱脆缺陷P：使合金產生冷裂、冷脆缺陷,P < 0.045% S < 0.055%,P < 0.040% S < 0.045%,,,（1）平爐鋼 （2）轉爐鋼 （3）電爐鋼,3．按用途分,彈簧鋼、軸承鋼、耐熱鋼、

22、耐蝕鋼等 。,1）結構鋼,2）工具鋼,3）特殊性能鋼:,（1）工程結構鋼（2）機械制造用鋼,（1）碳素工具鋼（2）合金工具鋼,4．按冶煉方法,,,,二、鋼的編號及應用,碳素結構鋼的鋼號用屈服強度表示。這類鋼主要用于制造一般的機械零件和工程構件。,1．結構鋼,Q195（0.06-0.12%C）、Q215（0.09-0.15%C）、Q235（A（0.14-0.22%C）、B（0.12-0.20%C））、Q255（0.18-0.28%

23、C）、Q275（0.28-0.38%C）,Q195,1）（普通）碳素結構鋼,2）優(yōu)質碳素結構鋼,08、10、15 — 沖壓件、焊接件。15、20、25 — 滲碳淬火。30、35、40、45、50、55 — 調質處理。制造齒輪、連桿、凸輪和軸類零件。 60、65、70 — 淬火+中溫回火，制造彈簧。,這類鋼的有害雜質P、S含量較低，鋼的質量較好，主要用于制造各種較重要的機械零件。鋼號用兩位數字表示，數字表示含碳量的萬分之幾。,45,

24、— 表示含碳量是萬分之45（0.45%）,低合金高強度結構鋼是在低碳鋼的基礎上加入少量合金元素制得，其合金因素總量不超過5%，以Mn為主要合金因素。這類鋼一般在熱軋或正火狀態(tài)下使用，不需再進行熱處理。廣泛用于建筑、石油、化工、鐵道、橋梁、造船等工業(yè)部門。 牌號有Q295、Q345、Q460,3）合金結構鋼,合金結構鋼種類繁多，其鋼號的表示方法為：兩為數字+元素符號+數字。如：40Cr2Mo4V、60Si2Mn、38CrMo

25、AlA (合金元素含量小于1.5%,不標.高級優(yōu)質鋼加A),① 低合金高強度結構鋼,滾動軸承鋼是制造滾動軸承的內、外套圈和滾珠、滾柱的專用鋼種。常用牌號有GCr9、GCr15等，含碳在0.95% - 1.1%，合金元素主要是鉻。 含0.90-1.25% Cr、1.4-1.65%Cr。,用于制造各種機械零件的合金結構鋼。又可分為：合金滲碳鋼：20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA合金調質鋼：40Cr、4

26、0MnB、38CrMoAl合金彈簧鋼：60Si2Mn、50CrVA,② 機械結構用合金鋼,③ 滾動軸承鋼,其牌號表示方法是：一位數字（或無數字,含碳量>1%）+元素符號+數字。如：9SiCr、W18Cr4V、5CrNiMo等。合金工具鋼又可分為合金刃具鋼、合金模具鋼、和合金量具鋼。,2．工具鋼,1）碳素工具,碳素工具鋼含碳量為0.65-1.35% ，可制造低速切削的刀具和普通模具、量具。T+數字(含碳量的千分數)加A為高優(yōu)常

27、用牌號有T7、T8、T9、T10A、T11、T12A、T13等。,2）合金工具鋼,① 合金刃具鋼 指用于制造各種刀具的鋼材。含碳量為0.75-1.50%，典型牌號為9SiCr、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。,③ 合金量具鋼 在生產中常用的量具有鋼板尺、游標卡尺、卡規(guī)、千分尺、塞規(guī)、塊規(guī)等。T10A、T12A 、CrWMn、GCr15,② 合金模具鋼 模具鋼是指用于制造各種模具的鋼材。冷做模具鋼如：沖壓模、拉拔模等。典型

28、牌號為Cr12、Cr12MoV。熱做模具鋼如：熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模等。典型牌號為5CrMnMo、5CrNiMo。,是指在一定范圍內具有特殊磁、電、彈性、膨脹等物理性能的鋼。包括軟磁鋼、永磁鋼、無磁鋼、特殊彈性鋼、特殊膨脹鋼、高電阻鋼和合金等。,3．特殊性能鋼,1）不銹、耐蝕和耐熱鋼,① 不銹、耐蝕鋼 不銹鋼是指在水、空氣、酸、堿或其它介質中，具有較強抵抗腐蝕能力的鋼。其含碳量低，主加合金元素為Cr、Ni。常用牌號有：1Cr13、

29、7Cr17、1Cr17、1Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr17Mo等。,② 耐熱鋼 在高溫下具有良好的抗氧化性和熱強性鋼，耐熱鋼可分為馬氏體型、奧氏體型和鐵素體型等幾種，分別適合于在600以下、700-700、接近1000的高溫狀態(tài)下工作。典型牌號有：1Cr13、4Cr9Si2、4Cr14Ni14W2Mo、。,2）特殊物理性能鋼,2．變形的三個階段,彈性變形,3. 常見的幾種失效形式,（1）斷裂,（2）塑性變形,（3）過