第一章+金屬材料基本知識（課件）-《金屬加工基礎(chǔ)》

第一章金屬材料基本知識

1.1金屬材料的主要性能

1.2

金屬與合金的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶

1.3

鐵碳合金相圖

1.4

金屬的腐蝕與防護(hù)

復(fù)習(xí)思考題

§1．1金屬材料的主要性能

一、金屬材料的使用性能

(一)強(qiáng)度金屬材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力，稱為強(qiáng)度。按載荷作用方式不同，強(qiáng)度可分為抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等。通常以抗拉強(qiáng)度為基本的強(qiáng)度指標(biāo)。金屬材料的抗拉強(qiáng)度以標(biāo)準(zhǔn)試樣在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測定。

(二)塑性塑性是指斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形的能力。常用的塑性指標(biāo)是斷后伸長率δ和斷面收縮率ψ，一般通過拉伸試驗(yàn)來測定。斷后伸長率δ又稱延伸率，是試樣被拉斷時，標(biāo)距長度的伸長量?L與原始標(biāo)距Lo的百分比，即：

δ＝(?L／Lo)×100％

斷面收縮率ψ為試樣被拉斷時，縮頸處橫截面的最大縮減量?S與原始橫截面面積S。的百分比，即：

Ψ=(?S／S。)×100％(三)硬度硬度是指材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。

測定硬度的方法很多，最常用的是壓入法。常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等幾種。

1．布氏硬度HB

布氏硬度測試原理如圖1．3。壓頭為淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，2．洛氏硬度HR

洛氏硬度也是用壓入法測定的;

不是測量壓痕面積，而是通過測量壓痕深度大小來衡量材料硬度高低。。3.維氏硬度HV

維氏硬度測定方法基本原理與布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕單位面積承受的壓力大小來測量的;

不同的是維氏硬度壓頭是錐面夾角為136°~的金鋼石正四棱錐體(四)沖擊韌度

沖擊韌性(PercussiveTenacity)反映金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力,其值以沖擊韌度AK來表征沖擊試樣缺口底部單位橫截面面積上的沖擊吸收功稱為沖擊韌度。沖擊韌度的測定，目前普遍采用擺錘式一次沖擊試驗(yàn)方法

.

(五)疲勞強(qiáng)度

疲勞強(qiáng)度(FatigueStrength)是指材料經(jīng)無數(shù)次的應(yīng)力循環(huán)或達(dá)到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)才斷裂的最大應(yīng)力,用以表征材料抵抗疲勞斷裂的能力。測試材料的疲勞強(qiáng)度,最簡單的方法是旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)測得的材料所受循環(huán)應(yīng)力σ與其斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線稱為疲勞曲線。二、金屬材料的工藝性能

金屬零件、結(jié)構(gòu)，都是將金屬坯料進(jìn)行一系列加工處理而制成的。

工藝性能是反映金屬材料接受各種加工和處理時難易的適應(yīng)程度，對產(chǎn)品質(zhì)量、加工生產(chǎn)率和生產(chǎn)成本等，都有很大影響。金屬材料的工藝性能通常是指鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削加工性能等

§1．2金屬與合金的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶

一、金屬材料的性能與結(jié)構(gòu)

科學(xué)研究表明材料的性能取決于材料的組織結(jié)構(gòu);

而材料的組織結(jié)構(gòu)由它的化學(xué)組成和加工工藝決定。也就是說，材料的性能是其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的宏觀表現(xiàn)，化學(xué)組成是決定組織結(jié)構(gòu)的內(nèi)因，而加工工藝是決定組織結(jié)構(gòu)的外部條件。

(一)金屬晶體結(jié)構(gòu)基本知識1．晶格為了便于描述晶體內(nèi)部原子排列的規(guī)則，假設(shè)將原子抽象為一個點(diǎn)，稱之為結(jié)點(diǎn)；再用假想的直線連接結(jié)點(diǎn)，形成空間格架，這種假想的空間格架稱為結(jié)晶格子，簡稱晶格。

2．晶胞

晶體的晶格在空間排列有周期性重復(fù)的特點(diǎn)。通常把晶格中具有空間排列規(guī)則特征的最小幾何單元稱為晶胞。

3．常見金屬的晶格類型在金屬元素中，常見的晶格類型有:

體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三種。屬于體心立方晶格的金屬有Cr、W、Mo、V和α—Fe等

屬于面心立方晶格的金屬有Al、Cu、Ni、Au、Ag和γ—Fe等

屬于密排六方晶格的金屬有Mg、Zn、Be、Cd等4．晶體的各向異性

由于晶體內(nèi)部原子的有規(guī)則排列，使晶體內(nèi)部不同位向原子排列密度不同，原子之間的結(jié)合力也不同，因此在不同的方向表現(xiàn)出不同的性能。這種現(xiàn)象就是晶體的“各向異性”特點(diǎn)。

(二)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)

1．多晶體結(jié)構(gòu)實(shí)際使用的金屬材料由許多小晶體(晶粒)組成的多晶體。

2．晶體缺陷

由于各種原因使原子的規(guī)則排列遭到破壞，存在著局部和區(qū)域的晶體缺陷。

根據(jù)晶體缺陷的幾何特征，晶體缺陷分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三類。

(三)合金的晶體結(jié)構(gòu)純金屬一般力學(xué)性能不高而制取成本高，應(yīng)用受到限制，因此實(shí)際使用的金屬材料很少是純金屬。合金可根據(jù)不同需要配制，獲得不同的力學(xué)性能和物理、化學(xué)性能，因而得到廣泛的應(yīng)用。常用的碳鋼、鑄鐵、合金鋼、硬鋁、青銅等金屬材料，都是合金。

1．合金基本概念合金，是一種金屬與另一種或幾種金屬、非金屬熔合組成的，具有金屬特性的物質(zhì)。如鐵和碳組成的鐵碳合金——碳素鋼、鑄鐵等；銅和鋅組成的銅鋅合金——黃銅等。2．合金的相結(jié)構(gòu)大部分的合金在液態(tài)時組元能相互溶合，形成均勻的單一液相。而在固態(tài)時，由于組元之間相互的不同作用，可以形成不同的相結(jié)構(gòu)，成為合金不同的組織組成相。

按合金中組成相的結(jié)構(gòu)特征，可分為固溶體和金屬化合物兩類。

(1)固溶體固態(tài)合金中，一組元的晶格中溶人入另一種或多種其他組元而形成的均勻相，稱為固溶體。保留晶格的組元稱溶劑，溶入晶格的組元稱溶質(zhì)。(2)金屬化合物合金組元間按一定比例組成，并形成新的晶格結(jié)構(gòu)和明顯金屬特性的新相，這種新相稱為金屬化合物。金屬化合物可用一定的分子式來表示，如Mg2Si、Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C等。金屬化合物通常具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高、硬度高而脆性大。在合金中金屬化合物可提高硬度和強(qiáng)度，但降低塑性和韌性，是金屬材料中的重要強(qiáng)化相。圖1．10為鐵碳合金中的金屬化合物Fe3C的晶體結(jié)構(gòu)圖。(3)多相復(fù)合組織合金中的組元相互作用，一般并非簡單地形成一種固溶體或一種金屬化合物，而可形成多種固溶體和金屬化合物，最后組成多相復(fù)合組織。

二、金屬與合金的結(jié)晶

金屬制品一般都需要經(jīng)過熔煉、澆注、壓力加工、切削加工等工藝過程而制成;(一)金屬的結(jié)晶

金屬的結(jié)晶是金屬原子的聚集狀態(tài)由無規(guī)則的液態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則排列的固態(tài)晶體的過程。金屬的結(jié)晶過程可用冷卻曲線來描述。

圖1．11為用熱分析法測定的金屬冷卻曲線。1．金屬的結(jié)晶過程液態(tài)金屬的結(jié)晶過程由晶核的形成和晶核長大兩個環(huán)節(jié)組成。2．晶粒大小及其控制(1)晶粒大小對金屬性能的影響

(2)晶粒大小的控制金屬晶粒的大小主要取決于結(jié)晶過程中的形核率N(單位體積中單位時間形成的晶核數(shù))和晶核長大速率G(單位時間內(nèi)晶核長大的線速度)。3．金屬鑄錠組織金屬鑄錠可看作形狀簡單的大型鑄件，是金屬型材的基礎(chǔ)坯材，其組織性能對金屬型材有很大的影響。

鑄錠的表層和中心因冷卻結(jié)晶條件不同，結(jié)晶后從表面到中心形成三個具有不同特征的結(jié)晶區(qū)。圖1．12為鑄錠組織的剖面示意圖。

(1)表層細(xì)晶區(qū)

(2)柱狀晶粒區(qū)

(3)中心等軸晶粒區(qū)(二)合金的結(jié)晶合金相圖又稱合金狀態(tài)圖或合金平衡圖，是表示平衡條件下合金成分、溫度和組織狀態(tài)之間關(guān)系的圖形。1．二元合金相圖二元合金是最基本的合金，搞清楚二元合金的成分、溫度和組織狀態(tài)之間的關(guān)系與變化規(guī)律，也是研究其他復(fù)雜成分合金的基礎(chǔ)。

圖1．13是Cu—Ni二元合金相圖，其縱坐標(biāo)表示溫度，橫坐標(biāo)表示成分。2．合金性能與相圖的關(guān)系合金的性能取決于合金的組織結(jié)構(gòu)，而其組織結(jié)構(gòu)由成分和工藝條件決定。合金相圖表明在平衡條件下，合金成分、溫度和組織之間的關(guān)系，也就反映了性能的變化規(guī)律。

(1)合金力學(xué)性能與相圖的關(guān)系

(2)合金工藝性能與相圖的關(guān)系

§1．3鐵碳合金相圖鐵碳合金是由碳和鐵兩種元素為主組成的合金。應(yīng)用廣泛的碳鋼、鑄鐵等金屬材料均屬鐵碳合金。一、鐵碳合金的基本組織

(一)純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變

(二)鐵碳合金的基本組織

1．鐵素體(F)

鐵素體是碳溶于α一Fe中形成的間隙固溶體，用F表示。2．奧氏體(A)

奧氏體是碳溶于γ-Fe中形成的間隙固溶體，用A表示。3．滲碳體(Fe3C)

滲碳體是鐵和碳形成的具有復(fù)雜晶格的金屬化合物，用FeC表示。4．珠光體(P)

珠光體是由鐵素體和滲碳體組成的兩相復(fù)合組織，用P表示5．萊氏體(Ld)

萊氏體是由奧氏體和滲碳體組成的復(fù)相組織，用Ld表示。

二、鐵碳合金相圖

鐵碳合金相圖是表示不同成分的鐵碳合金在緩慢加熱、冷卻條件下，不同溫度時的組織狀態(tài)的圖形，又稱鐵碳合金狀態(tài)圖或鐵碳合金平衡圖。鐵碳合金相圖是制訂熱加工工藝和選材的重要依據(jù)，也是鋼鐵熱處理的主要理論基礎(chǔ)。。

(一)Fe—Fe3C相圖分析相圖的縱坐標(biāo)表示溫度，橫坐標(biāo)表示碳含量。橫坐標(biāo)左端(原點(diǎn))為wc=0%，是純鐵；右端為wc=6．69%，是Fe3C。1,Fe—Fe3C相圖中的特性點(diǎn)2,Fe—Fe3C相圖中的特性線

(二)典型鐵碳合金的冷卻過程及其組織1．鐵碳合金的分類工業(yè)純鐵、鋼和白口鐵三類。

(1)工業(yè)純鐵碳含量wc<0．0218％的鐵碳合金，室溫組織為F(含很少的Fe3Cш)。

(2)鋼碳含量0．0218％<wc≤2．11％的鐵碳合金，根據(jù)不同的室溫組織又分為三種：

1)共析鋼，wc=0．77％，室溫組織為P；

2)亞共析鋼，0．0218％<wc<0．77％，室溫組織為P+F3)過共析鋼，0．77％<wc≤2．11％，室溫組織為P+Fe3CⅡ。

(3)白口鐵碳含量2．11％<wc≤6．69％的鐵碳合金，根據(jù)不同的室溫組織也可分為三種：

1)共晶白口鐵，wc=4．3％，室溫組織為Ld；

2)亞共晶白口鐵，2．11％<wc≤4．3％，室溫組織為P+Ld+Fe3CⅡ；

3)過共晶白口鐵，4．3％<wc≤6．69％，室溫組織