金属材料及热处理教 案适用专业：材料成型与控制工程（本科）授课教师：唐明华 2009年2月绪 论一.本课程的性质金属材料及热处理课程是机械类各专业的一门必修课，是一门重要的技术基础课。计划讲课：32学时，实验：6学时，学分：2个。大家知道不管是服装设计师，还是家用电器设计师，以及各种机械设备、汽车、船舶、飞机和军用装备设计师，在他们精心设计出自己的作品后，都需要选用恰当的材料来制造，从而保证制成的产品具有最佳形貌和性能。如果选材不当，将会使所设计制造出产品，不能发挥出最佳性能，并可能导致其使用寿命大大降低；或因选材不当，导致成本太高，失去其应有的市场竞争力。所以，从事机械设计与制造的各类工程技术人员，都必须对其经常使用的各类材料有一定的了解。工程材料：主要是指机械、船舶、建筑、化工、交通运输、航空航天等各项工程中经常使用的各类材料。工程材料主要包括金属材料和非金属材料两大类，金属材料又可分为黑色金属材料和有色金属材料两类，黑色金属材料主要指各类钢和铸铁，有色金属材料主要指铝及铝合金、铜及铜合金以及滑动轴承合金等；非金属材料包括高分子材料、陶瓷材料和复合材料等。当今社会科学技术突飞猛进，新材料层出不穷，而且使用量也不断增加，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。金属材料长期以来得到如此广泛应用，其主要原因是，因为它具优良的使用性能和加工工艺性能。金属材料的使用性能：机械性能（如强度、硬度、塑性、韧性等），物理性能（如导电、导热、电磁、膨胀等），化学性能（如抗氧化性、耐腐蚀性等）。金属材料的加工工艺性能：铸造性能（如流动性、收缩性等），锻造性能（如压力加工成型性等），切削加工性能（如车、铣、刨、磨的切削量，光洁度等），焊接性能（如熔焊性、焊缝强度、偏析等），热处理性能（如淬透性、回火稳定性等）。由于不同的材料具有不同的性能，因此它们的应用场合也就不同。如在航天工业中铝及铝合金得到了广泛应用，是因为铝合金具有重量轻强度高的特性。而在电子工业中银、铜、铝得到了广泛的应用,是因为它们具有优良的导电性。在机械工业中，由于机械产品在使用过程中，主要承受各种力的作用。因此，主要要求所使用的金属材料具有良好的机械性能，而碳钢和合金钢具备上述性能要求，所以得到了广泛应用。金属材料具有良好的机械性能，是由它的成分和内部结构与组织所决定的。金属材料的结构：是其晶体结构的简称，它指的是构成金属材料的质点（如分子、原子或离子等）的具体组合状态、结合方式和排列情况。金属材料的组织：是指用显微镜所观察到的金属材料内部的组成形貌，故也称为显微组织。由于每一个机械工程技术人员，在设计和制造机械产品过程中，都要与工程材料打交道，特别是要与各种金属材料打交道；要想合理的选择和使用金属材料，就必须搞清楚金属材料的成分、结构、组织与性能之间的关系及其变化规律，也就是应该努力学好本课程。工程材料课程就是为了使非材料专业工程技术人员，对各类工程材料有所了解而开设的，目的就是为了使他们具备一定的正确选择和合理使用材料的基础。二. 课程的主要内容本课程共设12章，可分为五个部分：1. 金属学部分：是本书的14章为金属学基础知识，主要介绍金属材料的基本现象、基本概念和材料的组织与性能的变化基本规律，它是合理选择、正确使用、以及强化金属材料的理论基础。它主要包括金属材料的结构、结晶过程、塑性变形、回复与再结晶，以及二元合金相图、铁碳合金相图等；这一部分是随后两部分的直接基础。2. 热处理部分：是本书的第5章，主要包括钢的热处理原理与工艺两方面，本章着重阐述钢在不同工艺条件下的组织转变规律，并在此基础上，介绍改善与强化钢的组织与性能的常用热处理工艺，为合理使用热处理做准备。3. 金属材料部分：是本书的68章，这部分主要结合金属学与热处理基本知识，较全面地介绍常用金属材料的牌号、成分、组织与性能特点及用途，为正确选用金属材料打基础。它主要包括合金钢、铸铁、有色金属及合金等。以上三部分是本课程的重点，其中58章更是全书重点。4. 非金属材料部分：是本书的911章，这部分主要包括高分子材料、陶瓷材料和复合材料，由于讲课学时少，只能简单介绍上述几类材料的结构、组织与性能特点，为初步了解有关非金属材料的基础知识，打一点基础。5. 材料的机械性能及机械零件的失效与选材分析部分：是本书的第12章，主要介绍材料的常用机械性能指标，和机械零件的失效形式、原因与分析方法，以及选材的原则和典型零件的选材与工艺分析。本教材按编者安排全书讲课共需36学时，实验4学时。这与我校实际教学计划相差较大，故在教学过程中只能对各章节进行适当删减和压缩。为了尽量保证课程体系的完整性，我们重点介绍18章内容，912章内容根据教学进度与时间，只作简单介绍。三. 学习目的与要求1. 了解和掌握所学工程材料方面的基本理论和基本知识。2. 了解和掌握各类工程材料的牌号、成分，组织与性能之间的相互关系及其变化规律。3. 能正确选择常用工程材料，合理制订其生产工艺流程。第一章 金属的结构和结晶1.1 几个基本概念和金属的特征一. 金属材料金属材料是指金属元素与金属元素，或金属元素与少量非金属元素所构成的，具有一般金属特性的材料，统称为金属材料。金属材料按其所含元素数目的不同，可分为纯金属（由一个元素构成）和合金（由两个或两个以上元素构成）。合金按其所含元素数目的不同，又可分为二元合金、三元合金和多元合金。大家知道物质按其形态不同，可分为固体、液体和气体。而固体又可分晶体和非晶体。二. 晶体组成固态物质的最基本的质点（如原子、分子或离子）在三维空间中，作有规则的周期性重复排列，即以长程有序方式排列。这样的物质称为晶体。如：金属，天然金刚石，结晶盐，水晶，冰等三. 非晶体：组成固态物质的最基本的质点，在三维空间中无规则堆砌。这样的物质称为非晶体。如：玻璃，松香等。晶体通常又可分为金属晶体和非金属晶体，纯金属及合金都属于金属晶体，其原子间主要以金属键结合，而非金属晶体主要以离子键和共价键结合。如：食盐NaCl（离子键），金刚石（共价键）都是非金属晶体。四. 金属键金属键是金属原子之间的结合键，它是大量金属原子结合成固体时，彼此失去最外层子电子（过渡族元素也失去少数次外层电子），成为正离子，而失去的外层电子穿梭于正离子之间，成为公有化的自由电子云或电子气，而金属正离子与自由电子云之间的强烈静电吸引力（库仓引力），这种结合方式称为金属键，见P2页图1-1。五. 金属特征金属材料主要以金属键方式结合，从而使金属材料具有以下特征：1. 良好的导电、导热性：自由电子定向运动（在电场作用下）导电、（在热场作用下）导热。2. 正的电阻温度系数：即随温度升高，电阻增大，因为金属正离子随温度的升高，振幅增大，阻碍自由电子的定向运动，从而使电阻升高。3. 不透明，有光泽： 自由电子容易吸收可见光，使金属不透明。自由电子吸收可见光后由低能轨道跳到高能轨道，当其从高能轨道跳回低能轨道时，将吸收的可见光能量辐射出来，产生金属光泽。4. 具有延展性：金属键没有方向性和饱和性，所以当金属的两部分发生相对位移时，其结合键不会被破坏，从而具有延展性。1.2 晶体结构不管是金属晶体还是非金属晶体，其晶体结构如何，与组成晶体的物质质点（可以是原子、分子或离子，也可以是原子群，分子群或离子群的中心）的具体排列方式和规律有关。科技工作者一般是用晶体结构模型进行描述。一. 晶体结构模型按晶体结构模型提出的先后，可将晶体结构模型分为球体模型、晶格模型和晶胞模型。1. 晶体的球体模型就是把组成晶体的物质质点，看作为静止的刚性小球，他们在三维空间周期性规则堆垛而成，见P3页图1.3（a）。该模型虽然很直观，立体感强，但不利于观察晶体内部质点的排列方式。针对这一缺陷科技工作者进一步提出了晶体的晶格模型。2. 晶体的晶格模型1) 空间点阵将组成晶体的物质质点，进一步抽象为几何点，这些几何点在三维空间周期性、规则地排列成的阵列，称为空间点阵或布喇菲点阵；而这些几何点称为阵点或结点。2)晶体的晶格模型用假想的平行直线将阵点联结起来，就构成了晶体的晶格模型，也称空间格子，简称晶格。见P3页图1.3（b）。显然用抽象了的晶格模型来研究晶体结构就方便多了。3) 晶体的晶胞模型简称为晶胞。由于晶体的特点是，原子在三维空间有规则的周期性重复排列。因此，可以从晶格模型中取出一个具有代表性的最基本的结构单元，来研究晶体结构的特征。这个能够反映晶格结构的最基本的结构单元就称为晶胞。见P3页图1.3（c）。由于晶胞中原子的排列规律，能够完全代表晶格中原子的排列规律，所以晶胞在三维空间的重复堆砌便构成了晶格。因此可以说，晶胞就是构成晶格的细胞。利用晶胞来反映晶体中原子的排列方式和特征，将更为方便。所以在研究晶体结构时，都是取它的晶胞进行研究。 反映晶胞的参数：由于不同的晶体其晶格结构不同，故取出的晶胞也不相同。为了反映各晶胞的特征，通常以晶胞的某一顶角为坐标原点，以x、y、z为晶轴，见图1.3 (c).用晶格常数（点阵常数）和晶轴夹角来反映晶胞的特征。a. 晶格常数：为晶胞各棱边长度，用a、b、c表示，称为点阵常数，单位用nm或埃1=10 8cm （1nm=10-9m）b.晶轴夹角：为晶胞各棱边间夹角，用、表示。当某一晶胞的晶格常数a=b=c，=900时，该晶胞称为立方晶胞。4)晶系与空间点阵a. 晶系：是晶体分类的一种方式，具有相同晶胞特征参数的晶体属于同一晶系。根据晶胞特征参数的不同，晶体可分为七大晶系： 见P4页表1.1，即三斜、单斜、正交、正方、六方、菱方、立方晶系。b. 晶系与空间点阵：根据每个阵点具有相同的周围环境（距离、位向），法国晶体学家布喇菲用数学方法首先证明，空间点阵只能有14种，它分属上述七个晶系，见P4页图1.4或表1.1。其中有7种为简单晶胞，7种为复杂晶胞或复合晶胞。简单晶胞只在其平行六面体的八个顶角上有阵点，属于该晶胞的阵点数为1。因为晶胞顶角上的每一个阵点属于八个相邻晶胞所共有（即8x1/8=1）。而复合晶胞除在八个顶角上有阵点外，还在其体心、面心（每个面的中心），或底心（上下底面的中心）有阵点，所以这种晶胞的阵点数2。由于空间点阵上的阵点，可以代表各种不同物质的原子、分子或离子，以及原子群、分子群或离子群；所以同一种空间点阵，可以有无限种实际晶体结构。见P5页图1.5（a），(b)，(c)三种不同的晶体结构都属于（d）这种空间点阵。因此可以说空间点阵是有限的（只能有14种），而晶体结构是无限的可以有很多种。二. 纯金属的三种典型晶体结构由元素周期表可知金属的种类很多，而且它们的晶体结构并不完全相同。工业上常用的金属绝大多数具有比较简单的晶体结构，其中最典型的为体心立方结构（bcc）、面心立方结构（fcc）和密排六方结构（hcp），见P5页图1.6。1. 三种典型晶体结构的形貌图1.6中（a）为体心立方结构，即在立方晶胞的八个顶角上各有一个原子，在体中心有一个原子，每个原子与空间点阵中的一个阵点相对应。属于这种晶体结构的纯金属有-Fe,Cr,Mo,W,V等。图1.6中（b）为面心立方结构，即在立方晶胞的八个顶角上各有一个原子，每个面的中心各有一个原子，属于这种晶体结构的纯金属有Al，Cu，Au，Ag，Ni，Pb，-Fe等。图1.6中（c）为密