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精品课程 金属材料与热处理 工程材料 金属材料 非金属材料 黑色金属材料:钢和铸铁 有色金属材料 高分子材料 铜及铜合金 滑动轴承合金 陶瓷材料 复合材料 铝及铝合金 工程材料的分类 当今社会科学技术突飞猛进,新材料层出不穷,但到目前为止,在 机械工业中使用最多的材料仍然是金属材料,其主要原因是因为 它具优良的使用性能和加工工艺性能。 金属材料 的性能 使用性能 加工工艺性能 机械性能:强度、硬度、塑性、韧性等 铸造性能:流动性、收缩性等 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,光洁度等 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 焊接性能:熔焊性、焊缝强度、偏析等 热处理性能:淬透性、回火稳定性等 概述 1.在实际工业中,广泛使用的不是前述的单组元材料,而是 由二组元及以上组元组成的多元系材料。多组元的加入, 使材料的凝固过程和凝固产物趋于复杂,这为材料性能的 多变性及其选择提供了可能。 2.二元系相图是研究二元体系在热力学平衡条件下,相与温 度、成分之间关系的工具,它已在金属、陶瓷,以及高分 子材料中得到广泛的应用. 3.在多元系中,二元系是最基本的,也是目前研究最充分的 体系。 第3章 铁碳合金和铁碳相图 本章课程目的要求 通过讲授铁碳合金相图,使学生掌握:合 金相图是表示在极缓慢冷却 (或加热)条件下 ,不同成分的铁碳合金在不同的温度下所具有 的组织或状态的一种图形。从中可以了解碳钢 和铸铁的成分(含碳量),组织和性能之间的关 系。它不仅是我们选择材料和判定有关热加工 工艺的依据,而且是钢和铸铁热处理的理论基 础。 铁碳合金和铁碳相图 3.1 铁碳合金中的组元和基本相 3.2 FeFe3C相图 3.3 典型铁碳合金的平衡结晶过程及组织 3.4 铁碳合金的成分组织性能关系 3.5 铁碳相图在工业中的应用 工业纯铁:塑性较好 ,强度较低,具有铁 磁性,在一般的机器 制造中很少应用,常 用的是铁碳合金 铁素体(F):碳溶 于 -Fe中的一种间 隙固溶体,体心立方 晶体结构,组织和性 能与工业纯铁相同 奥氏体(A):碳溶 于 -Fe中的一种间 隙固溶体,具有面心 立方晶体结构,塑性 好,变形抗力小,易 于锻造成型 铁碳合金中的组元和基本相 渗碳体:铁和碳 的金属化合物 (即Fe3C)属 于复杂结构的 间隙化合物, 硬而脆,强度 很低,耐磨性 好,是一个亚 稳定的化合物 ,在一定温度 下可分解为铁 和石墨 珠光体(P):铁 素体和渗碳体 的机械混合物 ,是两者呈层 片相间的组织 ,即层片状组 织特征,可以 通过热处理得 到另一种珠光 体的组织形态 五个单相区:ABCD 以上-液相区(L) ;AHNA- 固溶体 区( ); NJESGN-奥氏体 区(A);GPQ以 上-铁素体区(F) ;DFKL-渗碳体区 (Fe-Fe3C) 七个两相区(两相邻 的单相区之间): L+,L+A,L+Fe3C, +A,F+A,A+Fe3C,F +Fe3C FeFe3C相图 恒温转变线 包晶反应: HJB水平线 LBH(1495) AJ 包晶反应仅可能在含碳 量0.090.53的铁 碳合金中,其结果 生成生成奥氏体 共晶反应: ECF水平线 AeFe3C (1148) Lc 共晶反应可在含碳量2.11 6.69的铁碳合金中, 形成奥氏体与渗碳体 的 共晶混合物,称为莱氏 体,C点为共晶点,含 碳量为4.3,温度1148 度 共析反应: PSK线 As FpFe3C(727) 所有含碳量超过0.0218的铁碳 合金均能发生共析反应。其 结果形成铁素体和渗碳体的 共析和渗碳体的共析混合物 ,称为珠光体(P)。根据 杠杆定律可以求出铁素体和 渗碳体的相对重量为: F()(6.69-0.77)6.69 10088 Fe3C()18812 主要转变线 GS线不同含碳量的合金,有奥氏体开始析出铁素 体(冷去时)或铁素体全部溶于奥氏体(加热时 )的转变线,常用A3表示 ES线碳在奥氏体中的固溶体。常用A cm表示,含 碳量大于0.77的铁碳合金,自1148冷至727从 奥氏体析出渗碳体,称二次渗碳体 PQ线碳在铁素体中的固溶线,铁碳合金由727冷 却至室温时,将从铁素体析出渗碳体,称为三次 渗碳体 典型铁碳合金的平衡结晶过程 及组织 L L+A A L+Fe3C A+Fe3C F+A F+Fe3C F 1.纯铁( 0.0218%C) 2.钢(0.0218%2.11%C) 亚共析钢( 0.0218%0.77%C) 共析钢(0.77%C) 过共析钢(0.77%C 2.11%C ) 过共晶白口(4.3%6.69%C ) 共晶白口铁(4.3%C) 亚共晶白口铁(2.114.3%C) 3.白口铸铁(2.11%6.69%C) L L+A A L+Fe3C A+Fe3C F+A F+Fe3C F 3.3.1 共析钢 3.3.2 亚共析钢 3.3.3 过共析钢 3.3.4 共晶白口铁 3.3.5 亚共晶白口铁 3.3.6 过共晶白口铁 3.3.7 工业纯铁 F 工业纯铁 F+P 亚共析钢 P(片状) 共析钢 P(粒状) 共析钢 P+Fe3C 过共析钢 亚共晶白口铁 P+Fe3C + Le 共晶白口铁 Le 过共晶白口铁 Le+Fe3CI 按组织分区的铁碳合金相图 铁碳合金的成分组织性能 关系 1. 亚共析钢的组织是由铁素体和珠 光体组成,随含碳量的增加。其组织 中珠光体的数量随之增加,因而强度 、硬度也升高,塑性、韧性不断下降 。 2. 过共析钢的组织是由珠光体和网 状二次渗碳体组成,随着钢中含碳量 的增加,其组织中珠光体的数量不断 减少,而网状二次渗碳体的数量相对 增加,因因强度、硬度上升,而塑性 、韧性值不断下降。但是,当钢中 Wc 0.9时,二次渗碳体将沿晶界 形成完整的网状形态,此时虽然硬度 继续增高,但因网状二次渗碳体割裂 基体,故使钢的强度呈迅速下降趋势 。至于塑性和韧性,则随着含碳量的 增加而不断降低 含碳量对力学性能的影响 3.5 铁碳相图在工业中的应用 1、在选材方面的应用 : 根据零件的不同性能要求 来合理地选择材料。 2、在铸造生产上的应用: 参照铁碳相图可以确定钢 铁的浇注温度,通常浇注 温度在液相线以上 50 60。纯铁和共晶白口铸 铁的铸造性能最好。 3、在锻压生产上的应用: 锻扎温度控制在单相奥氏 体区。 4、在热处理生产上的应用 :热处理工艺的加热温度 依据铁碳相图确定。 第4章 金属及合金的塑性变 形与再结晶 4.1 金属及合金的塑性变形 4.2 塑性变形对金属组织和性能的影响 4.3 金属与合金的回复与再结晶 4.4 金属的热加工 金属及合金的塑性变形与再结晶 金属与合金的塑性变形 金属及合金变形的三个阶段 三个阶段: e: 弹性变形阶段 sb: (均匀)塑性 变形阶段 b: 不均匀塑性变形阶段 (断裂阶段) 力学性能指标: e 弹性极限 s 屈服极限 b强度极限 断裂方式: 根据塑变阶段长短分:脆性断裂,韧性断裂 根据断裂路径分: 沿晶断裂,穿晶断裂 单晶体金属的塑性变形 1)单晶体的塑变主要是通过滑移实现的 (1)滑移的概念 切应力作用下原子面之间相对错动一个原子间距 (2)滑移线和滑移带 滑移留下的痕迹 (3)滑移系 滑移面数与滑移方向数的乘积: 晶体滑移总是沿原子最密集排列的晶面和晶 向进行。 不同的晶体结构中最密集排列的晶面和晶向 是不同的: BCC:是(110) 滑移系数 6212 FCC: 是(111) 4312 HCP:是(0001) 133 滑移系数目越多,晶体越容易变形 同滑移系数目,则滑移方向越多越容易变形 (4)临界分切应力 外力在滑移面上分切应力 足够大时方能滑移 =Fcos/(A/cos) =(F/A)coscos =coscos 仅当临才能产生滑移 (5)滑移时的晶体转动 (6)滑移是由位错运动造成的 孪生 在切应力作用下,晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(孪生面 )和晶向(孪生方向)发生切变,产生塑性变形。 黄铜中的孪晶 多晶体的塑性变形 1)与单晶体塑变的异同 同:都主要依靠滑移 异:存在不同时性;需相互协调 2)塑变过程: 软取向的晶粒先滑移晶界处位错塞积产 生应力集中相邻晶粒滑移 滑移系数目多越有利塑变 3)晶粒细化:强度,且塑韧性 晶界原子排列较不规则,阻碍位错运动,使形 抗力增大。 晶粒小 晶界多 变形抗力大 强度,硬度(细晶强化) 晶粒小 变形分散,应力集中小 塑性,韧性 晶粒大小与屈服强度的关系: s=i+kyd(-1/2) _霍尔配奇公式 合金的塑性变形 1)单相固溶体合金:与纯金属相近,有固溶强化 2)两相合金: (i)两相性能相近时:变形与多晶相似 (ii)第二相硬而脆:除与相对量有关外,还与 第二相形态及分布有关 网状;层片状;颗粒状 合金的塑性变形 1.单相固溶体的塑性变形:溶质原子的溶入导致晶格 畸变,从而产生固容强化 2.两相合金的塑性变形: 1)脆性相在塑性相界面上分布导致合金强度、塑性 下降;(网状二次渗碳体) 2)脆性相以片层状在塑性相基体上分布导致合金强 化(珠光体); 3)脆性相以颗粒状在塑性相基体上弥散分布导致合 金强化。 4.2 塑性变形对金属组织和性 能的影响 对组织结构的影响 1)组织: 晶粒变形,如图所示 ( 可能产生各向异性) 2)亚结构:位错密度增加,形成位错胞 (加工硬化) 可能会产生变形织构( 各向异性) 对内能的影响产生残余内应力 1)残余内应力的含义: 2)残余内应力的形式:宏观内应力;微观内应力; 晶格畸变能 3)残余内应力对性能影响: 一般有害:变形、开裂、应力腐蚀 有利方面:畸变能强度 表面残留压应力接触疲劳寿命 对性能的影响 1)加工硬化: 利: 强化手段; 提高塑性成形性(冷拉); 提高安全 性 弊:使进一步加工难 (阻力大,开裂) 2)各向异性:有利有弊 3)物理、化学性能:电阻增加,耐蚀性下降 金属与合金的回复与再结晶 变形金属加热时的组织转变 回复 1)特征:温度低,光学显微组织未变化,亚结构发生 了变化(位错、点缺 陷密度降低,甚至出现亚晶界,三 个阶段) 2)性能:力性变化不明显(强硬度到高温回复阶段有所 降低,但不大) 内应力部分消除 导电率升高 再结晶 1)特征:温度较回复更高(纯金属:TR0.4Tm), 重新形核长大,无畸变的新晶粒完全取代旧晶粒 2)性能:强硬度显著降低,塑韧性显著提高(变形 前水平),内应力完全消除。 3)结晶驱动力:塑性变形贮存的能量 4)再结晶温度: 取决于材料、合金成分、变形度、 加热速度等 预变形度的影响 晶粒长大 机制:界面能降低是驱动力 类型:均匀长大 异常长大(二次再结晶) 性能:强硬度进一步降低,塑韧性提高,但若严重粗化则降低 控制:通过变形度、温度、时间的控制,防止过分长大 回复退火与再结晶退火 1)温度 2)目的 3)再结晶退火晶粒度的控制 加热温度和保温时间 冷变形度。 一般:变形度畸变能细化 不能太大或太小 金属的热加工 热加工的概念 1)定义: 再结晶温度是冷热加工的分界点 热加工是指再结晶温度以上进行的变形过程 注意冷热的概念:W:1000, Sn:20 2)现象:同时存在硬化和软化现象动态硬化、动态 软化,热加工因再结晶而及时消除了加工硬化. 3)应用 热加工对金属组织和性能的影响 1)可改善铸态组织,提高机械性能:焊合气孔、疏松;碎化 柱状
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