金属工艺学

1394 ℃
面心 912 ℃
体心 912 ℃
二、状态图的作用
是研究合金的成分、温度、 组织、状态之间变化规律的 工具。
时间 成分
三、铁碳合金状态图
温度℃
1. 状态图上点的意义
A—纯铁的熔点。 D—Fe3C的熔点。
1538 ℃
A
E 1148℃
727℃
L
C
D F
E—C在γ-Fe中的最 大溶解度点。 1148℃ 2.11%C 钢和铁的分界点。
2. 按质量分类 S：使合金产生热裂、热脆缺陷 P：使合金产生冷裂、冷脆缺陷 P < 0.045% 1）普通钢 S < 0.055% P < 0.040% 2）优质钢 S < 0.045% 3）高级优质钢： P、S< 0.030%
3．按用途分 （1）工程结构钢 1）结构钢 （2）机械制造用钢 （1）碳素工具钢 2）工具钢 （2）合金工具钢
铁素体 — 碳（C）溶入α-Fe中所形成的固溶体。 727℃ 0.0218%C
力学性能：σb = 250MPa δ= 45~50% HB = 80
二、奥氏体（A）
奥氏体— 碳（C）溶入γ-Fe中所形成的固溶体。 1148℃ 2.11%C 、727℃ 0.77%℃
力学性能：σb = 250 ~ 350MPa δ= 40~45%
2.11
F+P P+Fe3C
Le’
Fe3C+Le’
6.69
4.3
C%
四、铁碳合金的结晶过程及组织转变
1．钢 共析钢: L
1 1 1
L+ A L+A L+ A Le
2
2 2 2
A A
3 3 3
P A+F
4
亚共析钢: L
过共析钢: L 2．生铁 共晶生铁: L 亚共晶生铁: L 过共晶生铁: L
P+F
H1
H2
在冲击载荷下工作的零件，很少是受 大能量一次冲击而破坏的；往往是受 小能量多次重复冲击而破坏的。
6．疲劳强度
材料在无数次重复或交变载荷作用下不引起破坏的最大应力。 受交变载荷作用的零件，在 其所受应力远远低于该材料的 屈服强度时，会发生突然的断 裂。而且是脆性断裂。 据统计，约80%的机件失效 为疲劳破坏。
F F F
二、材料的力学性能
拉伸实验
d0
F Fb F S0
b
F
F
Fs
s e
k
l0
L
Fe
dk
o 缩颈 拉伸曲线 K — 断裂点 b — 极限载荷点
l
lk
e — 弹性极限点
S — 屈服点
l0

l
应力—应变曲线
1．强度：
材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。
（1） 屈服强度（σS）
指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。
F
C%
b
HB
HB


b


0.9~1.0 C%
六．状态图的作用
1．选择材料 2．确定各种工艺参数
第二节
钢的分类和应用
一、钢的分类
1．按化学成分分类 1）碳素钢 （1）低碳钢 C < 0.25% （2）中碳钢 C = 0.25-0.6% （3）高碳钢 C > 0.6% 2）合金钢 （1）低合金钢 Me < 5% （2）中合金钢 Me = 5-10% （3）高合金钢 Me > 10%
HB = 160~200
三、渗碳体（Fe3C）
渗碳体— 是金属化合物。 6.69%C 力学性能： σb = 30MPa δ= 0 HB = 800
四、珠光体（P）
珠光体— 是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 727℃ 0.77%℃ 力学性能： σb = 750MPa δ=25% HB = 180-200
性能介于各组成物的性能之间。一般具有良好的综 合力学性能。 P：σ b = 750MPa δ =25% HB = 180-200
F： σ
b
= 250MPa
b
δ = 45—50% HB = 80 =30MPa ； δ ≈0%
Fe3C：HB=800； σ
第三章
第一节
铁碳合金
铁碳合金的基本组织
一、铁素体（F）
晶体： 原子作有序排列；有固定的熔点；各向异性。 非晶体： 原子作无序排列；没有固定的熔点；各向同性。
所有的金属和合金都是晶体
晶格—原子排列形成的空间格子 晶胞—组成晶胞最基本的单元
金属的典型晶体结构
体心立方晶格： Cr、Mo、W、V、 -Fe、 -Fe 面心立方晶格： Cu、Ni、Ag、Au
合金各组成元素之间相互作用而生成的一种新的具有 金属特性的物质。
金属化合物各元素之间呈整数比关系。
如： Fe3C、WC、TiC 等
金属化合物的性能特点： 脆性大、硬度高；强度低；塑性、韧性差；高的熔点。
Fe3C：HB=800； σb =30MPa ； δ≈0%
三、机械混合物
合金的组成在固态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质。 机械混合物既可以是纯金属、固溶体或金属化合物 各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。 性能特点：
（3） 三相区：L+A+ Fe3C、A+F+ Fe3C
温度℃
A
1538 ℃ 1 2
②
①③
1
1 2
⑤ L+ A
2 1 1148℃
L
⑥
1
④
C
1
D
A
912℃ 3 3 F+A
L+ Fe3CⅠ
2
E
2 Fe3CⅡ
F
Le
2
G
Fe3C+Le
3
F P
Q
S 3 727℃ 3
4 4
Fe3C
K
P
0.02180.77
P+Fe3C+Le’
3）特殊性能钢: 弹簧钢、轴承钢、耐热钢、耐蚀钢等 。
σS =Fs/S0 （MPa） 它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。 当材料单位面积上所受的应力σe<σ<σs时，只产生微量的 塑性变形。当σ>σs时，材料将产生明显的塑性变形。 条件屈服强度: σ0.2=F
0.2/S0
（MPa）
屈服强度 — 是塑性材料选材和评定的依据。
（2）抗拉强度（σb ）
F s 0.2 F S0 抗拉强度是材料在拉断前 F0.2 b s 承受最大载荷时的应力。 σb =Fb/S0 （MPa） 它表征了材料在拉伸条件下 所能承受的最大应力。
4
A Le’
A+ Fe3C
P+Fe3C
1 1 1
L+A
2
A+ Le
2
A+Le +Fe3C
3
3
P+Fe3C+Le’
L+ Fe3C
Fe3C+ Le
Fe3C+Le’
五．含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
F F+P P P+ Fe3C Fe3CⅡ P 0 0.0218 0.77 2.11 Le’ 4.3 6.69 P+ Fe3C +Le’ Le’ Le’+ Fe3C Fe3CⅠ
Fe
1538 ℃
Fe
Fe
L
1538 ℃ 912 ℃
Fe
Fe
1394 ℃
Fe
体心 1394 ℃
面心
912 ℃ 体心
一种金属能以几种晶格类型存 在的性质 — 称为同素异晶性。
Fe
时间
第三节
合金的结构
合金 — 以一种金属为基础，加入其它金属或非金 属，所形成的具有金属特性的物质。 合金是由两种以上的元素组成的。 固态合金的结构是由组元在结晶时彼此之间所起的作用 所决定的。 固溶体 合金的结构 金属化合物 机械混合物
晶粒
一般金属的晶粒越细小， 其力学性能越好。
晶界
3．细化晶粒的方法 1）变质处理 2）增大过冷度 3）机械的振动和搅拌 4）热处理 5）压力加工再结晶
二、金属的同素异晶转变
同素异晶转变—在固态下，随着温度的变化，金属的晶体 结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。
温度℃
Fe、Sn、Ti、Mn
密排六方晶格： Mg、Be、Zn、 -Ti、 -Cr
第二节
金属的结晶过程
温度℃
一、金属的结晶过程
1．金属结晶的过冷现象
过冷度 ΔT
T T0 Tn
2．金属的结晶过程 结晶
形核 长大
T0 Tn
冷却曲线
时间
自发形核 非自发形核
金属是由许多大小、形状、晶 格排列方向均不相同的晶粒所组 成的多晶体。
第一篇 金属材料的主要性能
第一章 材料的主要性能
材料的主要性能是指: （1）力学性能
1.使用性能 （2）物理性能
（3）化学性能
2.工艺性能 ——加工成形的性能
第一节 材料的力学性能

力学性能 —— 材料在外力作用下所表现出的特性。
一、外力作用下材料的变形与失效
作用在机件上的外力——载荷 F F F’ 静载荷 动载荷
F
F = F’
F' F S S
σ= F’ /S
（MPa）
外力 —— 内力——应力
1.两种基本变形
（1）弹性变形：
材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来 形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。
F F F
（2）塑性变形:
材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称 为塑性变形。
一、固溶体
溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体。
据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同 固溶体 置换固溶体 间隙固溶体
固溶体的性能特点：
Hale Waihona Puke Baidu
具有良好的塑性和韧性， 强度、硬度较低。
溶剂原子 溶质原子
溶剂原子 溶质原子
F： σb = 250MPa δ= 45—50% HB = 80
二、金属化合物
五、莱氏体（Le）
莱氏体— 是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。
1148℃ 4.3%C
力学性能： σb = 30MPa δ= 0 HB = 700
一、什么是状态图
状态图—— 表示合金系的 成分、温度、组织、状态之 间关系的图表。
温度℃ 温度℃
第二节
铁碳合金状态图
1538 ℃
1538 ℃ 体心 1394 ℃
P
ECF—共晶线 1147℃
0.02 0.77 2.06
C%
ES线 — C在γ-Fe中的溶解度曲线。析出二次Fe3CⅡ GS线 — A析出F的开始线 A—F GP线 — F析出终了线。 PQ线 — 碳在α-Fe中的溶解度曲线。 PSK线 — 共析线 727℃ （1） 单相区：L、F、A、Fe3C （2） 两相区：L+A、L+ Fe3C、A+F、F+ Fe3C
良好的塑性是金属材料进行 塑性加工的必要条件。
dk
lk
3．刚度（E）
材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。
在弹性阶段：
所以：
E — 材料抵抗弹性变形的能力越大。
4．硬度
是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。
F l E
E
F
D D
d
(1)布氏硬度（HB）：
压入载荷（N） HB 压痕的表面积（mm） 2F 0.102 d2 D 2 (1 1 ) D
G — 纯铁的同素异晶转变点。 912℃
Le
P —C在α-Fe中的最大溶解度点。727℃ 0.0218%C
S —共析点。 727℃
0.77%℃
共析点 —发生共析反应的点。 共析反应—在一定的温度下，由一定成分的固相同 时结晶出一定成分的另外两个固相的反应。
共析反应的产物 — 共析体— 机械混合物
727℃ A（0.77%C） F（0.0218%C ）+ Fe3C（6.67%C ） P
2. 状态图上线的意义
ACD线—液相线 AC—析出A CD—析出 Fe3C AECF线—固相线 AE—A析出终了线
912℃
温度℃
1538 ℃
A
E 1147℃
L
L+A
C
D
A
G
FP
Q
F+A S
L+ Fe3C F A+Le Le + Fe3C Le Fe A+ 3CⅡ Fe3 727℃ K C
4.3 6.67
A
912℃
Le
G Q
S
FP
Fe3 C K
4.3 6.69
P
0.0218 0.77 2.11
C%
C—共晶点，1148℃ 4.3%C 共晶点—发生共晶反应的点。 共晶反应 — 在一定的温度下，由一定成分的液体同时结 晶出一定成分的两个固相的反应。 共晶反应的产物——共晶体——机械混合物
1148℃ L（4.3%C） A（2.11%C ）+ Fe3C （6.69%C ）
F F F
120
0
布氏硬度适用HB<450
(2)洛氏硬度（HRC）
h
洛氏硬度一般用于HB>450 1：10
低碳钢： σb≈360HB 高碳钢： σb≈340HB 调质合金钢： σb≈325HB
5．冲击韧性 材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。 AK = G（H1 – H2）（J） ak = AK /S （J/m2）
b
e
100% 0.2%
k
l
l0

l
抗拉强度 — 是脆性材料选材的依据。
2. 塑性
材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。
l k l0 100 % 伸长率： l0
常用 δ 和 ψ 作为衡量塑性的指标。 F
d0
F
l0
L
s0 s k 断面收缩率: 100 % s0

1
n0
— 循环基数
n0
10 7
8
n
n 钢： 0
有色金属：n0 10
第二节 材料的物理、化学及工艺性能
一、材料的物理性能：
比重、密度、熔点、导电性、导热性、磁性、 热膨胀系数。
二、材料的化学性能：
耐酸性、耐碱性、抗氧化性。
三、材料的工艺性能：加工性能
第二章 金属及合金的结晶
第一节 金属的晶体结构