金属材料与热处理[专业知识]

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课程主要内容：
1．金属材料的基本知识 2．金属的性能 3．金属学基础知识 4．金属材料及其应用 5．热处理的基本知识
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1．金属材料的基本知识 主要介绍金属的晶体结构及变形的相关知识。
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2．金属的性能 主要介绍金属的力学性能和工艺性能。
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3．金属学基础知识 主要介绍铁碳合金的组织及铁碳合金相图 。
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4．金属材料及其应用
主要介绍碳素钢、合金钢、铸铁、有色金属 及硬质合金等金属材料的常用牌号、成分、组 织、性能及用途，并介绍了国外常用金属材料 的牌号和新型工程材料的相关知识。
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5．热处理的基本知识
主要介绍热处理的原理（钢在加热、保温、 冷却时的组织转变）、热处理的工艺（退火、 正火、淬火、回火、表面热处理等）及常用材 料的典型热处理工艺。
金属材料与热处理
L/O/G/O
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绪论
❖人类认识和使用材料的各个阶段
石器时代 青铜器时代 铁器时代 钢铁时代 人工合成材料时代
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石器时代
旧石器
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新石器
距今6000至4000 年左右，分为旧石 器时代和新石器时 代。旧石器时代， 人类只会采用敲打 而成的石头作为简 单的工具；新石器 时代，人类已学会 通过磨制的方法将 石头制成工具，后 期还学会用泥土来 制作陶器
号HBW表示：
HBW F 0.102
2F
S
πD(D D2 d 2 )
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表示方法：
布氏硬度用硬度值、硬度符号、压头直径、实验力及 实验力保持时间表示。当保持时间为10～15s时可不标。
例：
170HBW10/1000/30：
直径10mm的压头，在9807N（1000kg）的试验力作用下， 保持30 s时测得的布氏硬度值为170。
金属的同素异构转变——在固态下，金属随 温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象。
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纯铁的冷却曲线
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19世纪末，著名物 理家居里在实验室里发 现磁石的一个物理特性， 就是当磁石加热到一定 温度时，原来的磁性就 会消失。后来，人们把 这个温度叫 “居里 点”。 居里点也称居 里温度或磁性转变点
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§2－1 金属材料的损坏与塑性变形
一、与变形相关的几个概念 二、金属的变形 三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化
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一、与变形相关的几个概念
1．载荷
载荷——金属材料在加工及使用过程中所受的外力。
根据载荷作用性质的不同分：
（1）静载荷———大小不变或变化过程缓慢的载荷。
（2）冲击载荷——在短时间内以较高速度作用于零件
1．断后伸长率A
试样拉断后，标距的伸长量与原始标距之比的百分率。
ZA SLou SLuo 100% SLo
2．断面收缩率Z
试样拉断后，缩颈处面积变化量与原始横截面面积比值的 百分率。
Z So Su 100% So
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【例】有一直径 d =10mm，Lo=100mm 的低碳钢试样， 拉身实验时测得FeL=21kN，Fm=29kN，du=5.65mm， Lu=138mm。求此试样的ReL、Rm、A11.3、Z。
§1－2 纯金属的结晶
*一、纯金属的结晶过程 二、晶粒大小对金属材料的影响 三、同素异构转变
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结晶——金属从高 温液体状态冷却凝固为 原子有序排列的固体状 态的过程。
结晶潜热——结晶 的过程中放出的热量。
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一、纯金属的结晶过程 过冷度——理论结晶温度和实际结晶温度
（T1）之间存在的温度差（△T= T0－ T1）。金 属结晶时，冷却越快，其实际结晶的温度就越低， 过冷度△T也就越大。
h 0.002
洛氏硬度试验原理
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洛氏硬度计表盘
表示方法：
符号HR前面的数字表示硬度值。HR后面的字母表示 不同的洛氏硬度标尺。
例：45HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为45。
常用的三种洛氏硬度标尺的试验条件和适用范围
硬度标 尺
压头类型
总测试力 (N)
硬度值有效范围
HRC
120°金刚石圆锥体
600HBW1/30/20：
直径为1mm压头，在294.2N（30kg）的实验力作用下， 保持20 s时测得的布氏硬度值为600。
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应用范围：
主要用于测定铸铁、有色金属及退火、正火、调质处 理后的各种软钢等硬度较低的材料。
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h 0.002
2．洛氏硬度
洛氏硬度原理
HR=100 —
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三、实验器材
1. 生物显微镜和放大镜。 2. 接近饱和的氯化铵或硝酸铅水溶液 （由实验室预先制好）。 3. 干净玻璃片和吸管。 4. 酒精灯或电吹风。 5. 有枝晶的金属铸件实物。
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第二章 金属材料的性能
§2－1 金属材料的损坏与塑性变形 §2－2 金属的力学性能 §2－3 金属的工艺性能 §2－4 力学性能实验晶体 非晶体晶体和非 Nhomakorabea体的对比
项目 定义
晶体
原子呈有序、有规则排列 的物质
非晶体
原子呈无序、无规则堆积 的物质
具有规则的几何形状
性能特 点
有一定的熔点，性能呈各 向异性
没有规则的几何形状
有固定的熔点，性能呈各 向同性
典型物 石英、云母、明矾、食盐、 玻璃、蜂蜡、松香、沥青、
质 硫酸铜、糖、味精
橡胶
青铜器时代
商代四羊方尊
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青铜时代约从公 元前4000年至公元 初年，希腊、埃及始 于公元前3 000年以 前，中国始于公元前 1 800年。青铜器时 代标志着人类开始学 会冶炼和使用金属材 料
铁器时代
战国铁锄
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世界上最早锻造 出铁器的是赫梯王国 （今土耳其境内）， 距今约3400年。由 于铁器比青铜器的硬 度高4倍，所以极大 地促进了社会生产力 的发展
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一、强度
强度——金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或 断裂的能力。其大小用应力表示。
抗拉强度——拉伸实验测定 抗压强度 抗剪强度 抗扭强度 抗弯强度
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1．拉伸试样
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d——试样直径 Lo——标距长度
低碳钢拉伸实验
2．力－伸长曲线
弹性变形阶段 屈服阶段 强化阶段 缩颈阶段
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二、金属的晶格类型
晶格类型——金属中原子排列的规律。
晶格——为了清楚地表示晶体中原子排列的规 律，将原子简化为一个质点，再用假想的线将它们 连接起来，形成一个能反映原子排列规律的空间格 架。
晶胞——晶格中能够完整地反映晶体晶格特征 的最小几何单元。
晶格与晶胞
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体心立方晶格
面心立方晶格
纯铁同素异构转变示意图
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§1－3 观察结晶过程（实验）
一、实验目的 1．通过观察透明盐类的结晶过程及组织特征，理解
金属的结晶理论。 2．通过观察铸锭表面，建立金属晶体以树枝状形态
成长的直观认识。
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二、实验原理
由于液态金属的结晶过程难以直接观察，而 盐类也是晶体物质，其溶液的结晶过程和金属很 相似，区别仅在于盐类是在室温下依靠溶剂蒸发 使溶液过饱和而结晶，金属则主要依靠过冷，故 完全可通过观察透明盐类溶液的结晶过程来了解 金属的结晶过程。
密排六方晶格
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三、单晶体与多晶体
晶粒——组成金属的小晶体。 晶界——由晶粒间不规则排列的原子构成。
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单晶体和多晶体
四、晶体的缺陷
晶体缺陷——由于各种原因，实际晶体中原 子的规律排列受到干扰和破坏，使晶体中的某些 原子偏离正常位置，造成原子排列的不完全性。
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常见的晶体缺陷
金属——由单一元素构成的具有特殊的光泽、 延展性、导电性、导热性的物质，如金、银、铜、 铁、锰、锌、铝等。
合金——由一种金属元素与其他金属元素或非 金属元素通过熔炼或其他方法合成的具有金属特性 的材料。
金属材料——金属及其合金的总称，即指金属 元素或以金属元素为主构成的，并具有金属特性的 物质。
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R F S
R：应力，Pa； F：外力，N； S：横截面面积，m2。
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二、金属的变形
弹性变形
弹－塑性变形
断裂
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金属变形实验 滑移与位错
金属塑性变形的影响因素：
1．晶粒位向的影响 2．晶界的作用 3．晶粒大小的影响
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三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化
形变强化（加工硬化）——冷塑性变形除了 使晶粒的外形发生变化外，还会使晶粒内部的位 错密度增加，晶格畸变加剧，从而使金属随着变 形量的增加，使其强度、硬度提高，而塑性、韧 性下降。
上的载荷。
（3）交变载荷——大小、方向或大小和方向随时间发
生周期性变化的载荷。
载荷的作用形式
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2．内力
内力——工件或材料在受到外部载荷作用时，为保持 其不变形，在材料内部产生的一种与外力相对抗的力，称 为。
3．应力
应力——假设作用在零件横截面上的内力大小均匀分 布，单位横截面积上的内力。
结晶冷却曲线
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金 属 的 结 晶 过 程
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二、晶粒大小对金属材料的影响
晶粒愈细，强度、硬度愈高，塑性、韧性也 愈好。
形核率——单位时间、单位体积所形成的晶 核数，用字母N表示。
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细化晶粒的方法：
（1）增加过冷度 （2）变质处理 （3）振动处理
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三、同素异构转变
力－拉伸曲线
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3．强度指标
（1）屈服强度——当金属材料出现屈服现象时， 在实验期间发生塑性变形而力不增加的应力点。屈服 强度分为上屈服强度ReH和下屈服强度ReL。
ReL ——试样的下屈服强度，N/mm2； FeL ——试样屈服时的最小载荷，N； So ——试样原始横截面面积，mm2。
规定产生0.2残余伸长时的应力为条件屈服强度Rp0.2， 替代ReL，称为条件（名义）屈服强度。
1471.0
20～67HRC
HRB HRA
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φ1.5875mm 硬质合金球 120°金刚石圆锥体
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980.7 588.4
25～100HRB 60～85HRA
应用举例
一般淬火钢 软钢、退火钢、铜合金等 硬质合金、表面淬火钢等
四、冲击韧性
冲击韧性——金属材料抵抗冲击载荷作用而不 破坏的能力。材料的冲击韧性用夏比摆锤冲击弯曲 试验来测定。
钢铁时代
现代工业炼钢
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18世纪的工业革 命使人类使用材料 的历史产生了重大 突破，人类掌握了 炼钢的方法。钢铁 时代的到来和蒸汽 机的发明，使人类 的生产力有了空前 的发展，人们不再 简单的使用工具， 而开始使用真正意 义的机器，这标志 着工业时代的来临
人工合成材料时代
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20世纪初酚醛树脂的合 成标志着人类进入到了 人工合成材料时代。目 前，传统合成材料已有 几十万种，而新材料的 数量正在以每年约5％的 速度增长；世界上现有 800多万种人工合成的 化合物，而且还以每年 25万种的速度增长，其 中相当一部分将成为工 业化生产的新材料，为 人类社会和科学技术的 发展服务
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冲击实验
冲击试样
用试样所吸收的能量K的大小来作为衡量材料韧性好坏的 指标，称为冲击吸收能量。用U形和V形缺口试样测得的冲 击吸收能量分别用KU和KV表示。
解题过程
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三、硬度
硬度——材料抵抗局部变形，特别是塑性变 形、压痕或划痕的能力。硬度是通过在专用的硬 度试验机上实验测得的。
布氏硬度试验机
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洛氏硬度试验机
维氏硬度试验机
1．布氏硬度
布氏硬度原理
布氏硬度值——用球面压痕单位面积上所承受的
平均压力来表示，单位为MPa，但一般均不标出，用符
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金属的塑性变形，在外形变化的同时，晶粒
的形状也会发生变化。通常晶粒会沿变形方向压 扁或拉长。
塑性变形后的金属组织
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§2－2 金属的力学性能
一、强度 二、塑性 三、硬度 四、冲击韧性 *五、疲劳强度
任何机械零件或工具，在使 用过程中，往往要受到各种形式 外力的作用，这就要求金属材料 必须具有一种承受机械载荷而不 超过许可变形或不破坏的能力， 这种能力就是材料的力学性能。
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第一章 金属的结构与结晶
§1－1 金属的晶体结构 §1－2 纯金属的结晶 §1－3 观察结晶过程（实验）
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§1－1 金属的晶体结构
一、晶体与非晶体 二、金属的晶格类型 三、单晶体与多晶体 四、晶体的缺陷
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一、晶体与非晶体
存在状态
气态
物质
液态
固态
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结构特点
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2．抗拉强度Rm
抗拉强度——材料在断裂前所能承受的最大的应力。
Rm ——抗拉强度，MPa； Fm ——试样在屈服阶段后所能抵抗的最大力（无明 显屈服的材料，为试验期间的最大力）， N；
So ——试样原始横截面面积，mm2 。
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二、塑性
塑性——材料受力后在断裂前产生塑性变形的能力。