1.1-金属及合金的性能解析
实验一平衡态铁碳合金成分、组织、性能之间关系的分析
实验一平衡态铁碳合金成分、组织、性能之间关系的分析1.1典型铁碳合金的平衡组织观察与分析一、实验目的1通过实验能识别铁碳合金在平衡状态下的显微组织。
2掌握碳含量对铁碳合金平衡组织形貌及相组成比例的影响。
二、实验原理简介利用金相显微镜观察金属的内部组织和缺陷的方法称为显微分析或金相分析。
合金在极其缓慢的冷却条件如退火状态下所得到的组织称为平衡组织。
铁碳合金平衡组织的观察与分析要依据Fe-Fe3C相图来进行。
1室温下铁碳合金基本组织特征1铁素体F 铁素体是碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体。
经35的硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下呈现白亮色多边形晶粒。
在亚共析钢中铁素体呈块状分布当合金的含碳量接近于共析成分时铁素体则呈断续的网状分布于珠光体晶界上。
2渗碳体Fe3C 渗碳体是铁与碳形成的一种化合物。
经35的硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下为白亮色若用苦味酸钠溶液浸蚀则渗碳体呈暗黑色而铁素体仍为白亮色由此可以区别铁素体和渗碳体。
由于铁碳合金的成分和形成条件不同渗碳体可以呈现不同的形状一次渗碳体是由液相中直接结晶出来呈板条状游离分布二次渗碳体是从奥氏体中析出的呈网状分布在珠光体晶界上三次渗碳体是从铁素体中析出呈窄条状分布在铁素体晶界上。
3珠光体P 珠光体是铁素体和渗碳体的两相复合物。
在平衡状态下它是由铁素体和渗碳体相间排列的层片状组织。
经35的硝酸酒精溶液浸蚀后铁素体和渗碳体皆为白亮色而两相交界呈暗黑色线条。
在不同的放大倍数下观察时组织特征有所区别。
如在高倍600倍以上下观察时珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体都呈白亮色而两相交界为暗黑色在中倍400倍左右下观察时白亮色的渗碳体被暗黑色交界所“吞食”而呈现为细黑条这时看到的珠光体是宽白条铁素体和暗黑细条渗碳体的相间复合物在低倍200倍以下下观察时无论是宽白条的铁素体还是暗黑细条的渗碳体都很难分辨这时珠光体呈现暗黑色块状组织。
4变态莱氏体Ld 变态莱氏体是珠光体和渗碳体组成的复合物。
铝合金焊接性能及焊接接头性能
铝合金焊接性能及焊接接头性能摘要：在高铁、地铁列车的制造中，铝合金材料是列车车体的主要材料之一，然而由于铝合金材料在焊接性能、焊接接头性能方面仍存在一定的不足，经常会出现气孔、裂纹等缺陷，因此高铁、地铁列车铝合金车体的焊接施工质量仍然很难保证。
本文对铝合金的焊接性能以及焊接接头性能进行了分析。
关键词：铝合金；焊接性能；焊接接头前言铝合金材料具有较强的化学活泼性及导热性，氧化膜密度则相对较低，这些特性使得铝合金在焊接过程中很容易出现问题，而要想对这些焊接问题进行有效处理，保证铝合金焊接质量，则需要明确铝合金焊接性能及其焊接接头性能，并在焊接过程中进行针对性地处理。
1铝合金焊接性能及焊接接头性能分析1.1高温强度低由于金属材料焊接通常都是在高温条件下进行，因此材料熔点对于焊接质量有着直接地影响，铝合金材料的熔点会因合金中纯铝含量不同而存在一定的差异，但通常都在600℃左右，这一熔点与铜等其他材料相对较高，但在进行高温焊接时，其强度与塑性却会迅速降低，这意味着焊接过程中铝合金材料很难支撑住液体金属，而焊缝也会因此而出现塌陷、烧穿等问题。
1.2膨胀系数高铝合金材料的膨胀系数普遍较高，大多都能达到铜、钢的两倍或以上，而收缩性最高则在75%左右，这意味着在焊接过程中，高温的影响很容易使铝材料因热胀冷缩而出现变形，并发生结晶裂纹、液化裂纹等现象。
另外，铝合金的导热性虽然比较高，但在高温影响下其内外部温度仍然会出现差异，温差的变化会使其内外部出现不同的膨胀，并产生较大的内应力，这同样是铝合金焊接容易出现热裂纹的主要原因。
同样，焊接完成后，随着焊接接头处温度的不断降低，如果收缩量较大且冷却速度较快，那么其收缩变速率就会随之提高，并使铝合金焊接接头处出现应力-应变状态，而这同样是焊接处产生裂纹的主要原因之一。
1.3氧化能力强铝材料的氧亲和力非常强，长期暴露在空气中很容易形成氧化铝薄膜，这种薄膜虽然厚度较低，且具有较高的密度与结实度，但熔点却高达2050℃，如果在未经处理的情况下直接进行焊接，铝材料就很难与其他金属材料有效结合起来，焊接接头出也会因氧化铝残渣的存在而出现气孔。
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2 .洛氏硬度
以顶角为120度的金刚石圆锥体或直径1．588mm的淬火 钢球作为压头，以一定的压力使其压入材料表面，测量压痕 深度来确定其硬度，即为洛氏硬度。被测材料硬度，可直接 在硬度计刻盘读出。
洛氏硬度常用的有三种，分别以HRA、HRB、HRC来表示。 洛氏硬度符号、试验条件和应用表
下贝氏体：无方向性的针状铁素体上弥散分布着细小颗粒的 渗碳体
7、魏氏组织
魏氏组织是在比较大的过冷度下形成的。奥氏体过冷到这 一温度区内，便会形成魏氏组织。魏氏组织铁索体是以切变机 理形成的其生长往往都是由晶界网状铁索体分枝，许多铁赢体 片平行地向晶粒内部长大。铁素体片之间的奥氏体随后变成珠 光体。魏氏组织会降低钢的塑性和韧性，尤其是冲击韧性。
3．维氏硬度 测定维氏硬度的原理基本上和布氏硬度相同，区别在于压头
采用锥面夹角为136度的金刚石正四棱锥体，压痕是四方锥形。 维氏硬度值用HV表示。
压痕面
4. 里氏硬度
原理：当材料被一个冲击体撞击时，较硬材料使冲击体产生 的反弹速度大于较软者。
5. 硬度与强度值的对应关系 由于硬度值综合反映了材料在局部范围内对塑性变形等 的抵抗能力，故它与强度值也有一定关系。 工程上：
冷却速度对晶粒大小的影响
快速冷却，形核点多，晶粒细小 冷却速度慢，均匀长大，晶粒粗大
1.2.2 铁碳合金的基本组织 铁 碳含量>2%--弱而脆
铁碳合金
铁素体—碳熔于α铁或δ铁中的固溶体 F
钢 奥氏体—碳熔于γ铁中的固溶体 A 强而韧 碳含量 0.02%-2%
渗碳体—铁碳金属化合物含碳6.67% Fe3C
许用应力 o
n
安全系数
铜及铜合金
2 铜合金
1）铜合金分类
（1）按化学成分分类 按化学成分的不同，铜合金可分为黄铜、青铜及白铜（铜镍合金）三大类。机器制造 业中，应用较广的是黄铜和青铜。 黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金。其中，不含其他合金元素的黄铜称为普通黄铜 （或简单黄铜），含有其他合金元素的黄铜称为特殊黄铜（或复杂黄铜）。 青铜是以除锌和镍以外的其他元素作为主要合金元素的铜合金。按其所含主要合金元 素种类的不同，青铜可分为锡青铜、铝青铜、铍青铜、铅青铜、硅青铜等。
图8-9 锌对铜力学性能的影响（退火）
普通黄铜的耐蚀性良好，并与纯铜相近。但当 Zn 7%（尤其是大于 20%）并经冷压力加工后的黄铜，在潮湿的大气中，特别是在含氨的气氛 中，易产生应力腐蚀破裂现象（自裂）。防止应力破裂的方法是在250～ 300℃进行去应力退火。
2）特殊黄铜
在普通黄铜基础上，再加入其他合金元素所组成的多元合金称为特殊黄铜，常加入的元素有 锡、铅、铝、硅、锰、铁等。特殊黄铜也可依据加入的第二合金元素命名，如锡黄铜、铅黄铜、 铝黄铜等。
（2）铍青铜 铍青铜是以铍为主加元素的铜合金，铍含量为1.6%～2.5%，是时效强化 效果极大的铜合金。经淬火（780℃水冷后， Rm为500～550 MPa，硬度为 120 HBW，A为25%～35%）再经冷压成形、时效（300～350℃，2 h）之后， 铍青铜具有很高的强度、硬度与弹性极限（ Rm =1250～1400 MPa，硬度为 330～400 HBW）。可贵的是，铍青铜的导热性、导电性、耐寒性也非常好， 同时还有抗磁、受冲击时不产生火花等特殊性能。 铍青铜主要用来制作精密仪器、仪表中各种重要用途的弹性元件和耐蚀、 耐磨零件（如仪表中齿轮）和航海罗盘仪零件及防爆工具。一般铍青铜是以 压力加工后淬火为供应状态，工厂制成零件后，只需进行时效即可。但铍青 铜价格昂贵，工艺复杂，因此限制了它的应用。
铸铝材料固溶处理
设计型综合实验实验论文年月日固溶处理对铸铝合金性能的影响李星西安工业大学北方信息工程学院摘要：铸造铝硅合金是一种重要的合金材料，具有质量轻、强度高、耐磨耐蚀性好等优点，广泛应用于航空航天及汽车领域，但其组织中常出现的粗大共晶硅组织对合金的力学性能具有严重的不利影响，因此需要对该组织进行变质及固溶处理。
稀土被认为是金属的“维他命”，对铸造铝硅合金具有良好的变质作用。
铝合金通过控制加入Si，Cu的含量，使合金的综合性能都比较好。
含硅和铜的铝合金的强化机制主要是固溶强化和沉淀强化，一般在人工时效状态下使用。
主要探讨了变质及固溶处理对铸造铝合金微观组织的影响，比较了固溶处理前（变质二）和固溶处理后的组织性能变化。
本文以含硅和铜的铝合金为研究对象，以固溶处理为方法，采用组织观察(光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜)和金相组织分析相结合的方法对含硅铜的铝合金的强化性能进行了研究，主要研究内容和结果如下:(1)研究了固溶处理对合金微观组织的影响。
通过对合金进行金相分析和透射电镜观察发现，热处理后合金中粗大的树枝状的共晶硅形貌发生很大改变，共晶硅熔断并且被球化;强化相在固溶处理过程中溶解。
这些形态的改变带来了包括合金的抗拉强度、硬度和耐磨等性能都得到很大的提高。
当固溶温度为480℃，固溶时间为4.5小时时，第二相固溶基本完成，而且合金中枝状的共晶硅被溶断并且被很好的球化。
关键词铸铝合金固溶处理变质金相组织目录摘要第一章绪论 (4)1.1铝合金分类及性能 (4)1.1.1铸造铝合金 (4)1.1.2变形铝合金 (6)1. 2铸造铝硅合金的变质处理 (6)1.2.1变质剂的发展 (7)1.3铸造铝硅合金的热处理 (8)1.3.1固溶处理 (8)1.3.2时效处理 (8)1.4本课题的研究意义 (9)第二章试验方案 (9)2. 1 Al-Si-Cu合金的制备 (9)2.1.1实验原料和熔炼设备 (9)2.1.2熔炼过程及加入的材料 (10)2.1.3 固溶处理 (12)第三章固溶处理前后合金组织与性能的分析 (13)3.1 Al-Si-Cu合金的金相分析 (13)3.1.1未经固溶处理（即变质二）的Al-Si-Cu合金的金相分析: (13)3.1.2固溶处理之后的金相组织图 (16)第四章结论 (17)参考文献第一章绪论1.1铝合金分类及性能1.1.1铸造铝合金铝在地壳中的含量仅次于氧和硅居于第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素，其空间点阵为面心立方结构且没有同素异构转变，在化学元素周期表中为第IIIA主族元素，纯铝的密度较低为2.699g/cm'，其熔点为660.24'C，通常向纯铝中加入如Mg, Si, Zn, Cu等元素能得到性能更优的铝合金。
1.1钢中的合金元素
2.扩展γ相区的元素
A4
铜、碳和氮虽然使γ相区扩大，
但在γ铁中有限溶解，如图。
A3
除此之外，其他元素都是缩小γ相区，属于 铁素体形成元素，
11
➢铁素体形成元素
使A3温度上升，A4温度下降.
1.封闭γ相区的元素
铬和钒与α铁无限互
溶，如图.
A4
A3
2.缩小γ相区元素
其他元素与α铁都是有限溶解。
如图。
A4
制备工艺
合金钢
性能
5
第一节 铁基固溶体—合金相图
所谓固溶体是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶 剂类型的合金相。
6
铁基固溶体有哪些？
铁的同素异晶转变:
910℃
1390℃
α-Fe←——→γ-Fe ←———→δ-Fe
A3线
A4线
各种合金元素在α(δ)铁和γ铁中具有不同的溶解度，因而 影响到δ—γ或γ一α转变的温度和α(δ)铁和γ铁基固溶体 的稳定温度和浓度范围。
4
中合金钢：一般指合金元素总含量在5～10%范围内 的钢。 高合金钢：一般指合金元素总含量超过10%的钢。 微合金钢：合金元素(如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等 于0.1%，而能显著影响组织和性能的钢。 杂质：由冶炼时原材料以及冶炼方法、工艺操作而 带入的化学元素。
组织
合金元素 （化学成分）
晶界偏聚的影响因素
晶界区溶质偏聚的函数表达式：
β Cg exp( E )
C0
RT
其中，Cg￣￣￣偏聚在晶界区的溶质浓度；
C0 ￣￣￣基体中的溶质浓度；
β￣￣￣晶界区的溶质原子富集系数，表征溶质的晶
偏聚倾向。
E￣￣￣溶质原子在晶内和晶界区引起畸变能之差,即 晶界偏聚的驱动力.(主要由原子尺寸因素引起)
金属材料及热处理电子教案
1.1常用金属材料及性能1.1.1常用金属材料常用金属材料主要指钢、铸铁、有色金属等，它们具有良好的性能，是工业领域的主要材料。
1．钢含碳量小于2%的铁碳合金都称为钢。
钢的品种很多,性能各异，钢的分类钢碳素钢合金钢碳素结构钢碳素工具钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢普通碳素结构钢优质碳素结构钢优质碳素工具钢高级优质碳素工具钢钢按照化学成分, 可分为碳素钢和合金钢。
(1)碳素钢碳素钢是指含碳量小于2.11%，含有少量硅、锰、硫、磷等杂质元素的铁碳合金。
碳素钢按碳含量的不同,分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。
低碳钢：含碳量在0.25%以下。
中碳钢：含碳量在0.25~0.60%之间。
高碳钢：含碳量在0.60以上。
按用途又可将碳钢分为结构钢和工具钢。
结构钢：主要用于制造机械零件和工程构件。
这类钢一般属于低碳钢和中碳钢。
工具钢：主要用于制造各种刀具、量具和模具等。
这类钢一般属于高碳钢。
（2）合金钢合金钢是在碳素钢的基础上,在炼钢过程中有意向钢中加人某种或某几种元素(称合金元素)而形成的钢。
按用途分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。
合金结构钢：用来制造承受载荷较重的或截面尺寸较大的重要机械零件。
合金工具钢：用于制作刀具、模具、量具等。
特殊性能钢：具有特殊的物理或化学性能,用于制作有特殊性能要求的零件,如不锈钢就属于特殊性能钢。
2．铸铁铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。
工业上常用的铸铁含碳量为2.5%~4%。
由于铸铁含有较多的碳和杂质,其力学性能一般说来比钢差，不能锻造。
最常用的铸铁品种是灰铸铁。
根据化学成分和石墨形态的不同，铸铁有普通灰铸铁、孕育铸铁、合金铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁等很多品种，每一品种又根据力学性能列出若干牌号，以供不同条件下使用。
3．有色金属工程上，将除钢铁以外的金属或合金，称为非铁金属或有色金属。
如铜、铝、钼、镁、钛等。
有色金属具有某些特殊的物理、化学和力学性能。
如铜具有良好的导电、导热、抗蚀、抗磁等性能；钼、镁、钛等合金密度小，强度高，具有优异的耐腐蚀性能。
新人教版高一化学必修一第三章第二节金属材料讲义
新人教版高一化学必修一第三章第二节金属材料讲义知识点一 铁合金1．合金(1)定义：由两种或两种以上的金属或金属与非金属熔合而成的具有金属特性的物质。
(2)性质：合金具有许多优良的物理、化学或机械性能，在许多方面不同于各成分金属。
①硬度：合金的硬度一般大于成分金属。
②熔点：合金的熔点多数低于成分金属。
2．铁合金⎧生铁铁碳合金⎨⎩钢合金钢，常见的是不锈钢知识点二 铝和铝合金1．铝与氧化铝的化学性质(1)Al 与 O 2 的反应：4Al ＋3O 2===2Al 2O 3。
(2)Al 与盐酸的反应 (实验 3－4)2Al ＋6HCl===2AlCl 3＋3H 2↑。
Al 2O 3 与盐酸的反应(1)已知物质的质量 m ：n ＝M(2)已知标准状况下气体体积 V ：n ＝V(3)已知物质的粒子数 N ：n ＝N⎨⎩Ti NiAl 2O 3＋6HCl===2AlCl 3＋3H 2O(3)Al 与 NaOH 溶液的反应 (实验 3－5)2Al ＋2NaOH ＋2H 2O===2NaAlO 2＋3H 2↑。
Al 2O 3 与 NaOH 溶液的反应Al 2O 3＋2NaOH===2NaAlO 2＋H 2O 。
2．两性氧化物像 Al 2O 3 这类既能与酸反应，生成盐和水，又能与碱反应，生成盐和水的氧化物，叫两性氧化物。
3．铝合金向铝中加入少量合金元素，如 Cu 、Mg 、Si 、Mn 、Zn 及稀土元素等，可制成铝合金，例如硬铝。
知识点三 新型合金⎧⎪储氢合金⎧La －Fe 合金新型合金⎨ 钛合金⎪⎩耐热合金形状记忆合金知识点四 物质的量在化学方程式计算中的应用1．物质的量与各物理量之间的关系mV mNA(4)已知溶液中的物质的量浓度c：n＝cV 2．物质的量在化学方程式计算中的应用化学方程式化学计量数之比扩大NA倍之后物质的量之比结论2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑2∶2∶2∶12NA∶2NA∶2NA∶NA2__mol∶2__mol∶2__mol∶1__mol化学方程式中各物质的化学计量数之比＝各物质的粒子数之比＝各物质的物质的量之比微判断(1)合金一定是不同金属熔合而成的具有金属特性的化合物。
材料热处理焊接(D答案版)(2)
是非题 1.1 金属材料的工艺性能是指：为保证构件能正常工作所用的金属材料应具备的性能。
（X ） 1.2 金属材料工艺性能包括力学性能、物理性能和化学性能等。
（X ）1.3 金属材料受外力作用屈服变形时，内部晶格发生滑移，滑移线大致与受力方向平行。
（X ） 1.4 材料强度越高，其塑性就越好。
（X ） 1.5 金属的强度是指金属抵抗断裂的能力。
（O ） 1.6 一般来说，钢材硬度越高，其强度也就越高。
（O ）1.7 洛氏硬度方法的特点是压痕很小，可用来测定焊缝、熔合线和热影响区的硬度。
（X ） 1.8 冲击韧性AK 越高的材料，抗拉强度值b 也越高。
（X ） 1.9冲击韧性高的材料一般都有较好的塑性。
（O ）1.10 韧性高的材料，其冲击韧性必然也高。
（X ）1.11 一般说来，塑性指标较高的材料制成的元件比脆性材料制成的元件有更大的安全性。
（O ）1.12 承压类特种设备的冲击试验的试样缺口规定采用V 型缺口而不用U 型缺口，是因为前者容易加工，且试验值稳定。
（X ） 一般说来，焊接接头咬边缺陷引起的应力集中，比气孔缺陷严重得多。
（O ）材料屈强比越高，对应力集中就越敏感。
（O ）材料的断裂韧度值KIC 不仅取决于材料的成分、内部组织和结构，也与裂纹的大小、形状和外加应力有关。
如果环境条件不利或使用条件不当，塑性材料也可能变为脆性材料。
（ 只要容器和管道的使用温度高一200C,就不会发生低温脆断。
（ 发生热脆的钢材，其金相组织没有明显变化。
（低合金钢比碳钢的热脆倾向大。
（一般说来，钢材的强度越高，对氢脆越敏感。
（O ）由于承压类设备的筒体与封头连接焊缝结构不连续，该部分会出现较大的峰值应力。
（X ）应力集中的严重程度与缺口大小和根部形状有关，缺口根部曲率半径越大，应力集中系数就越大 （X ）如果承压类设备的筒体不直，则在承压筒壁不仅承受薄膜应力，在不直处还会出现附加弯曲应力（O ）1.24如果承压类设备的筒体不圆，则在承压筒壁不仅承受薄膜应力，在不圆处还会出现附加弯曲应力 (O)1.25 存在于锅炉和压力容器内部的压力是导致产生拉应力的主要原因。
金属材料工艺学基础解析
拉 伸
试
样
的
颈
缩
现
断裂后
象
§1.2 材料的硬度
抵抗外物压入的能力，称为硬度――综合性能指标。
1．布氏硬度
压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表 示，适用于布氏硬度值在450以下的材 料。 压头为硬质合金时，用符号HBW表示 ，适用于布氏硬度在650以下的材料。
符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺 序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。 如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf （9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。
2．洛氏硬度
定义： HR=k-(h1-h0)/0.002常用标尺有：B、C、A三种
① HRA 硬、薄试件，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。 ② HRB 轻金属，未淬火钢，如有色金属和退火、正火钢等。 ③ HRC 较硬，淬硬钢制品；如调质钢、淬火钢等。 洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。 缺点：测量结果分散度大。
布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头 还硬的材料。
适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。
材料的b与HB之间的经验关系：
对于低碳钢: b(MPa)≈3.6HB 对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB 对于铸铁： b(MPa)≈1HB或0.6(HB-40)
§1.4 疲劳强度
（80%的断裂由疲劳造成）
σ
疲劳：承受载荷的大小和方同随时间作 周期性变化，交变应力作用下，往往在 远小于强度极限，甚至小于屈服极限的 应力下发生断裂。
周次
疲劳强度σ-1 ：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应 力值。 条件疲劳极限：经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。陶瓷 、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高，纤维增强 复合材料也有较好的抗疲劳性能。 影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面 状态、残余应力等。
1.1材料的力学性能
洛氏硬度测试示意图
洛 氏 硬 度 计
h1-h0
（2）符号及标注 符号：HR 常用三种标度符号：HRA HRB 标注方法： 数值＋符号 如：５２ HRC ７０ HRA （3）应用
HRC
压痕小，在批量成品或半成品质量检验中广 泛应用，并可测量较薄的工件或较薄的硬化层。
HRA用于测量高硬度材料, 如
三、硬度 含义：是指材料在外力作用下抵抗局部变形， 特别是塑性变形、压痕或 划痕的能力，通俗 说材料抵抗外力压入其表面的能力。硬度是 衡量材料软硬程度的判据。 硬度判据：布氏硬度HB 洛氏硬度HR 维氏硬度ＨＶ
测量方法：硬度实验法
１、布氏硬度HB
（1）测量方法：用直径D钢球或硬质合金球， 一定载荷p ，保持一定时间卸除，由读数显微 镜测得压痕直径d，计算得到。（单位Mpa） 注：实际应用中，不需计算，根据d查布氏硬度 表即可。
2、塑性
含义：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。 指标（两个）： 伸长率： 断面收缩率：
l1 l 0 100% l0
F0 F1 100% F0
断裂后
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
说明：
① 用表示塑性比伸长率更接近真实变形。 ② 与试样尺寸 有关，d0 相同时，l0，，故5> 10。只 有l0/d0 为常数时， 才有可比性。 ③ > 时，无颈缩，为脆性材料表征
关
Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图） 的冲击试验结果
Titanic
近代船用钢板
五、疲劳强度
何为疲劳？材料在低于s的循环交变应力作 用下发生断裂的现象。（举例） 疲劳强度的含义：材料抵抗疲劳破坏的能力。 指标： 疲劳极限：材料在规定次数应力循环后仍不 发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用N 表示（对称循环交变应力-1 。） 钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为 108。
钛及钛合金
钛在地壳中的含量约为1%。钛及其合金由于具有比强度高、耐热性好、耐蚀性能优 异等突出优点，自1952年正式作为结构材料使用以来发展极为迅速，目前在航空工业和 化工工业中得到了广泛的应用。但钛的化学性质十分活泼，因此钛及其合金的熔铸、焊 接和部分热处理均要在真空或惰性气体中进行，致使生产成本高，价格较其他金属材料 昂贵得多。
定元素含量的增加而提高。由于应用在较高温度时，淬火加时效后的 组织不如退火后的组织稳定，故多在退火状态下使用。
α+β 型钛合金的室温强度和塑性高于α 型钛合金，但焊接性能不 如 α钛合金，组织也不够稳定。α+β 型钛合金的生产工艺比较简单，
通过改变成分和选择热处理方式又能在很宽的范围内改变合金的性能，
2 钛合金
在钛中加入合金元素形成钛合金，可使工业纯钛的强度获得明显提高。钛合金与纯钛 一样，也具有同素异构转变，转变的温度随加入的合金元素的性质和含量而定。按其对钛 的同素异构转变温度影响的不同，加入的合金元素通常分为以下三类。 ➢ α 相稳定元素：扩大 α相区，使 α β 转变的温度升高的元素，如Al，O，N，C等。 ➢ β 相稳定元素：扩大 相区，使 β α 转变的温度降低的元素。根据该类元素与钛所形 成相图的不同，又将其细分为 β 同晶型元素（如Mo，V，Nb，Ta及稀土等）和 β 共析型 元素（如Cr，Fe，Mn，Cu，Si等）。 ➢ 中性元素：对相变温度影响不大的元素，如Zr，Sn等。
合金的性能，故该类元素是可热处理强化 钛合金中不可缺少的。
按退火状态下相组成的不同，钛合金 可分为α型钛合金、β型钛合金和 α+β 型钛 合 金 三 大 类 ， 分 别 以 “ TA ” “ TB ” 或 “TC” +顺序号表示其牌号。
金属工艺学-0绪论-1钢铁材料及热处理
河北理工大学 机械工程学院
绪论
• 金属工艺学 金属工艺学:
研究金属材料性质及其加工工艺为 主的综合性技术基础课程。 主的综合性技术基础课程。 • 主要研究内容： 主要研究内容：
– – – – 各种工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互联系； 各种工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互联系； 金属机件的加工工艺过程和结构工艺性； 金属机件的加工工艺过程和结构工艺性； 常用金属材料性能对加工工艺的影响； 常用金属材料性能对加工工艺的影响； 工艺方法的综合比较等.
布氏硬度
HBS或HBW 或
洛氏硬度
HRC、HRB、HRA 、 、
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第一章 钢铁材料及热处理
第一节 金属及合金的性能
1.4 冲击韧性：材料抵抗冲击载荷的能力。 冲击韧性：材料抵抗冲击载荷的能力。
Ak v
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第一章 钢铁材料及热处理
第一节 金属及合金的性能 1.5 疲劳强度
材料在多次交变载荷作用下而不引起断裂 的最大应力。 的最大应力。疲劳破坏是机械零件失效的主要 原因之一。 原因之一。
碳钢主要是由铁和碳两种元素组成的合金； 碳钢主要是由铁和碳两种元素组成的合金； 含碳量<2.11%，硅、锰、硫、磷等杂质.
1.1 碳及杂质对碳钢的影响 强度、硬度提高 塑性、韧性下降 提高， 下降； 碳 --- 强度、硬度提高，塑性、韧性下降； 强度、硬度、弹性提高 塑性、韧性下降 提高， 下降； 硅 --- 强度、硬度、弹性提高，塑性、韧性下降； 下降， 强度、硬度提高 塑性、韧性下降 冷脆； 提高， 磷 --- 强度、硬度提高，塑性、韧性下降，冷脆； 强度、硬度提高 对性能影响不大。 提高， 锰 --- 强度、硬度提高，对性能影响不大。
铝及铝合金基本性质介绍
1.3.1 合金元素与铝的作用 ⑴元素在铝中的溶解度
Mg, Cu, Zn 和 Si 在铝 中固溶度较大，是常 用合金化元素。 Cr, Mn 和 Zr 与铝形成 化合物，常用于控制 晶粒尺寸。
Zn（31.6→2） Mg（17.4→1） Cu（5.65→0.5） Li（4.2） Mn（1.82） Si （1.65） Ag（56.5） Ge（7.2） Ti（1.3）
拜耳工艺流程图
拜耳－烧结联合法
先用石灰石与铝土矿反应生成 Ca2SiO4，滤除后得到高含量Al2O3。
若直接采用拜耳法时，NaOH 与硅反应生成Na2SiO3， Na2SiO3 与 NaAlO2 反应生成不溶于水的硅铝酸钠，将降低Al2O3的收得率。
碱石灰烧结法 用Na2CO3 代替 NaOH 。在800-1200 ℃下，磨碎的铝土矿与 Na2CO3 反应， 生成铝酸钠 和 CO2。 铝酸钠经进一步磨碎后溶解于90-95℃ 水中， Al(OH) 3 以沉 淀物析出，浸出液体后通过加热脱水得到Al2O3 粉末。
Ca Co Cu Cr Ge Fe Li Mg Mn Ni Si Ag Sn Ti V Zn Zr
最大溶解度：Cr、Ti、V、Zn、Zr发生在包晶温度；其余元素在共晶温度。 室温溶解度：Mg、Zn约为2%；Ge、Li、Ag为0.1～0.25%；其余小于0.1%
⑵二元铝合金相图
Al-Cu共晶相图
Al-Ti包晶相图
Hall-Hé roult电解槽
由于比重的差别在阴极上析出的铝液汇集于电解槽槽底，而在阳极上析出二 氧化碳和一氧化碳气体，铝液从电解槽中吸出，经过净化去除氢气、非金属 和金属杂质并澄清后，铸成铝锭。
电解质： 80-90%NaAlF6, 2-8%Al2O3。添加剂AlF3、CaF3。
有色金属及其合金分类
有色金属及其合金分类第一章有色金属及其合金分类1.1有色金属及其分类有色金属在金属的类别中占有绝大部分。
有的资料将有色金属划归为非铁金属，并称化学元素周期表中，除铁外所有金属元素均为非铁金属。
有的资料把金属分为黑色金属和有色金属两大类(实际上黑色亦属有色，只能说是习惯叫法)。
黑色金属有铁、锰、铬三种，除此之外八十余种金属都称为有色金属。
有色金属在国民经济各个部门的应用十分广泛，并具有特殊的重要性，各国都重视和发展有色金属工业。
有资料显示，有色金属产量约占世界钢产量的5%。
由于各国地理位置、矿产分布和生产状况等的不同，对有色金属的分类并不统一。
一般是按有色金属的密度、经济价值、在地壳中的储量及分布情况和被人们发现及使用的年代等分为五大类，即①轻有色金属；②重有色金属；③稀有金属；④贵金属；⑤半金属。
稀有金属又分为稀有轻金属、稀有高熔点金属、稀有分散金属、稀土金属和稀有放射性金属五个类别。
1. 十种常用有色金属十种常用有色金属简称十种有色金属，是指产量大，并应用比较广泛的十种有色金属。
世界各国有色金属产量是指铝、镁、铜、铅、锌、镍、钴、锡、锑、汞十种有色金属的总产量。
我国一般是指铜、铝、镍、铅、锌、海绵钛、镁、锡、锑、汞为十种常用有色金属。
2004年上半年，我国十种常用有色金属总产量达到669.3万吨，同比增长21.40%。
本手册包括除汞外的上述有色金属，还包括金、银、铂、铱、钨、钼等多种，有色金属。
2. 轻有色金属轻有色金属一般是指密度在4.5g/cm3以下的有色金属，其包括铝、镁、钠、钾、钙、锶、钡。
这类金属的共同特点是密度小(0.53～4.5g/cm3)，化学活性大，氧、硫、碳和卤素化合物都相当稳定。
这类金属多采用熔盐电解法和金属热还原法提取。
有资料介绍，铝在自然界中约占地壳重量的8%(铁约占5%)，随着炼铝技术的发展和铝的被广泛应用，其产量已超过有色金属总产量的1/3。
本手册仅涉及铝和镁两种轻有色金属。
材料科学基础第七章1.1
2、相图的类型和结构
(1)二组元在液态无限溶解，在固态无限固溶，并形成连 续固溶体的匀晶相图。 (2)二组元在液态无限溶解，在固态有限固溶，并有共晶 反应的共晶相图。 (3)二组元在液态无限溶解，在固态有限固溶，有包晶反 应的包晶相图。 (4)二组元在液态无限溶解，在固态形成化合物的相图。 (5)二组元在液态无限溶解，在固态有共析或包析转变的 相图。 (6)二组元在液态有限溶解，并有偏晶或合晶反应的相图。 (7)其他相图。
5、二元相图的几何规律
(1) 相图中所有的线条都代表发生相转变 的温度和平衡相的成分，所以相界线是相平 衡的体现，平衡相的成分必须沿着相界线随 温度而变化。 (2) 两个单相区之间必定有一个由该两相 组成的两相区分开，而不能以一条线接界(即 两个单相区只能交于一点而不能交于一条线)。 两个两相区必须以单相区或三相水平线分开。 即:在二元相图中，相邻相区的相数差为1， 这个规则为相区接触法则。
具有匀晶转变的二元合金系主要有：Cu-Ni，FeCr，Ag-Au，W-Mo，Nb-Ti，Cr-Mo，Cd-Mg， Pt-Rh等。 属于二元匀晶相图的二元陶瓷有NiO－CoO、CoO －MgO、NiO－MgO等.
一、平衡凝固 平衡凝固（equilibrium solidification） 是指凝固过程是在无限缓慢地冷却，原 子(组元)扩散能够充分进行以达到相平 衡的成分。这种凝固方式所得到的组织 称为平衡组织。
两个单相区只能交于一点而不能交于一条线
5、二元相图的几何规律
(3) 二元相图中的三相平衡必为一条水平线， 表示恒温反应。在这条水平线上存在3个表示 平衡相的成分点，其中两点在水平线两端， 另一点在端点之间，水平线的上下方分别与3 个两相区相接。 (4) 当两相区与单相区的分界线与三相等温 线相交则分界线的延长线应进入另一两相区 内，而不会进入单相区。
铝合金基材硬度和阳极氧化-概述说明以及解释
铝合金基材硬度和阳极氧化-概述说明以及解释1.引言1.1 概述铝合金是一种广泛应用于航空、汽车、建筑等领域的重要材料。
在实际应用中，铝合金的硬度对其性能和使用寿命具有重要影响。
为了提高铝合金的硬度和耐磨性，一种常用的方法是进行阳极氧化处理。
阳极氧化是一种通过在铝表面形成氧化层来增加其硬度和改善其耐蚀性的表面处理技术。
这种氧化层一般由氧化铝所组成，具有较高的硬度和附着力。
通过阳极氧化处理，铝合金的表面可以形成一层坚硬的保护层，从而提高其抗磨损、抗腐蚀和抗氧化性能。
铝合金基材的硬度是影响阳极氧化效果的重要因素之一。
较高的基材硬度可以促进氧化膜的形成，并增加其硬度和厚度。
另外，基材硬度还会影响氧化膜的致密程度和孔隙度，进而影响阳极氧化层的耐蚀性和耐磨性。
然而，铝合金基材的硬度受到多种因素的影响，包括合金成分、热处理工艺、冷变形等。
不同的合金和处理方式会导致不同的硬度值和硬度分布。
因此，在进行阳极氧化处理之前，需要对铝合金基材的硬度进行测试和评估，以选择合适的处理参数和工艺条件。
本文旨在通过对铝合金基材硬度和阳极氧化的研究，探讨其相互关系及对铝合金性能的影响，为铝合金的应用和加工提供科学依据和技术支持。
在下面的章节中，我们将深入讨论铝合金基材硬度的影响因素以及阳极氧化对铝合金基材硬度的影响。
文章结构部分的内容如下：1.2 文章结构本文主要分为三个部分，分别是引言、正文和结论。
在引言部分，我们将提供一个概述来介绍铝合金基材硬度和阳极氧化的背景和重要性。
我们还将介绍文章的结构，向读者阐明本文的主要内容和安排。
最后，我们将阐明本文的目的，即为了研究和分析铝合金基材硬度和阳极氧化之间的关系。
在正文部分，我们将首先探讨铝合金基材硬度的相关知识。
我们将介绍铝合金基材硬度测试方法、硬度的定义和影响硬度的因素。
然后，我们将转向讨论阳极氧化的过程、方法和应用。
我们将探讨阳极氧化对铝合金基材硬度的影响，并讨论可能的机理和原因。
工程材料及机械制造基础
6个
0.5a
74%
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单晶体的各向异性
单晶体——内部晶格方位完全一致的晶体 单晶体各向异性——单晶体在各个晶向上具有不同的 物理、化学和机械性能 原因：不同方位（位向）上原子间距不同
表3-1 单晶体和多晶体弹性模量数据对比
单晶E(MN/m2)
Max
Min
多晶E(MN/m2)
Cu 1.91×104 6.67×103 1.20×104
塑性很好。 密排六方晶格—— Mg、Zn等
由于排列方式不同，原子间的距离不同，作用力也不同， 故呈现的性能也不同。（如体心立方晶格强度大、塑性好， 面心立方晶格塑性好。）
常见的三种金属晶格
(1)体心立方 (b.c.c) Body-center cubic lattice
常见金属 α-Fe, Cr, Mo, W, V 等
过冷 —— 液态金属冷却到理论结晶温度 以下才开始结晶的现象。
过冷度
△T=T0－Tn
问：一种金属的熔点恒定吗？过冷度恒定吗？
晶粒 Crystal Grain
晶界 Crystal Boundary
晶粒—— 每个晶核长成的晶体。晶体缺陷按几何形状分为 点缺陷（晶格空位、间隙原子、置换原子）。
问:从Q235、45、T8A三种钢的牌号上判断其含S、 P量的大小？
二、金属的晶体结构和结晶过程
一切固体物质按其原子排列的特征可分为晶 体和非晶体： 晶体—— 原子规则排列的物体。如食盐、金刚 石、石墨、合金等。 非晶体—— 原子不具有规则排列的物体。如塑 料、玻璃、沥青等。
晶体和非晶体的内部结构不同，两者的性 能也不同。晶体通常具有一定的凝固点和熔点, 非晶体则没有;晶体具有各向异性,非晶体则各向 同性。
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☆ 冲击韧性:材料抵抗冲击载荷作用的能力,常用一次摆 锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功,用符号 Ak 表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积 S0 , 即 得到材料的冲击韧度 ak。
Ak = mgh – mgh’ (J)
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冲击试样和冲击试验示意图
建造中的Titanic 号
应用
HBS
钢球
布氏硬度
HBW 硬质合金球
≤3000 ≤3000
≤450 有色合金，退正火调质金刚石圆锥 60
20～88 碳化物、硬质合金
HRB 钢球
100
洛氏硬度
HRC 金刚石圆锥 150
20～100 有色合金，退正火钢
20～70
淬火、调质钢
HRD 金刚石圆锥 100
• 符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值, 符号后面的 数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。
如 120HBS10/1000/30 表示
布
直径为10mm的钢球在
氏 硬
1000kgf（9.807kN）载荷
度
作用下保持30s测得的布氏 硬度值为120。
压 痕
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洛 氏 硬 度 计
本章的主要内容
1-1 金属及合金的性能
1-2 铁碳合金及其状态图
1-3 钢的热处理
2021/2/12 1-4 其他常用金属材料
3
1-1 金属及合金的性能
使用性能:材料在使用过程中所表 现的性能。 力学性能 物理性能 化学性能 工艺性能
物理性能主要是指密度、熔点、热 膨胀性、导热性、电磁性能等;
化20学21/2性/12能主要是指耐腐蚀性能。
条件屈服强度0.2:残余变 形量为0.2%时的应力。 抗拉强度b:材料断裂前所 承受的最大应力值。
低碳钢
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铸铁
2. 塑性
☆ 塑性 断裂前材料产生永久变形的能 力, 用伸长率和断面收缩率来表示。
☆ 伸长率（δ） 在拉伸试验中, 试样 拉断后, 标距的伸长与原始标距的百 分比称为伸长率。
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洛氏硬度
• 洛氏硬度用符号HR表示, HR=k-(h1-h0)/0.002
• 根据压头类型和主载荷不同,分为九 个标尺，常用的标尺为A、B、C。
洛氏硬度测量原理图
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钢球压头与 金刚石压头
洛氏硬度压痕
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符号HR前面的数字为硬度值,后面 为使用的标尺。
HRA ,压头为120°金刚石圆锥，用 于测量高硬度材料, 如硬质合金、 表面淬火钢。
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金属及合金作为结构材料,应具备的最主要性能是 力学性能,即材料抵抗外力的能力。
力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳 强度等。
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1. 强度
强度:材料在外力作用下抵 抗变形和破坏的能力。
拉 伸 试 验 机
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1. 强度
屈服强度s:材料发生微量 塑性变形时的应力值。
HRB ，压头为1/16英寸淬火钢球， 用于测量低硬度材料, 如有色金属 和退火、正火钢等。
HRC ，压头为120°金刚石圆锥， 用于测量中等硬度材料，如调质钢、 淬火钢等。
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维氏硬度
HV=F/S压
维氏硬度试验原理
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维氏硬度压痕
维氏硬度计 16
常用硬度的比较
压头
载荷 kgf 硬度范围
TITANIC
L1 L0 100%
L0
☆ 断面收缩率（ψ） 试样拉断后, 缩 颈处截面积的最大缩减量与原横断面 积的百分比称为断面收缩率。
S0 S1 100%
S0
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说明
L1 L0 100%
L0
S0 S1 100%
S0
① 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。
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由于机件的用途不同,对其物理性能的要求也不 同。例如,飞机、汽车等交通工具，为了减轻重量， 采用密度较低的材料;而熔点高的材料可以用来制 造耐热零件;制造电机等则需要考虑材料的导电性 和磁性等；金属材料对周围介质如大气、海水等 各种介质侵蚀的抵抗能力叫耐蚀性。
工艺性能:材料在加工过程中所表现的性能 ,即指 其铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能 和热处理性能。
布氏硬度原理
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洛氏硬度原理
维氏硬度原理
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布氏硬度
• 布氏硬度 HB
HB 0.102
2P
D(D D2 d 2 )
布
氏
硬
度
计
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布氏硬度试验原理图
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• 压头为钢球时,布氏硬度用符号HBS表示,适用于布氏 硬度值在450以下的材料。
• 压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布 氏硬度在650以下的材料。
40～77 薄钢板、表面硬化工件
维氏硬度 HV 金刚石棱锥 5～120 <1300
各种硬度工件
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4. 冲击韧性
动载的主要形式:
☆ 载荷以较高速度施加到零构件上,形成冲击。 抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧度aKU
☆ 载荷大小和方向做周期性变化,形成交变载荷。 材料能承受规定次循环而不断裂的最大应力值称 为疲劳强度1
只有掌握这些知识，才能合理地选用材料、以充分发
挥材料的潜力，延长使用寿命，并降低成本。此外，为了
正确地制定铸造、锻压、焊接、热处理和切削加工等工艺
规程，提高产品质量和产量，也必须学习金属材料的基础
知识。 2021/2/12
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工件加工过程:
选材→选毛坯→预先热处理→机械加工 →最终热处理→精加工→检验
第一章 钢铁材料及热处理
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现代工业、农业、国防和科学技术都离不开工程材料, 虽然近年来非金属材料（陶瓷、高分子及复合材料）发展 迅速,但是金属材料由于具有良好的物理性能、化学性能、 力学性能以及工艺性能，因此在这些部门仍然获得了广泛 的应用。
金属材料及热处理主要研究金属与合金的成分和所经 历的热处理过程与其内部组织和性能的相互关系，以及如 何改善金属及合金的组织与性能。
② 直径d0 相同时,L0,。只有当L0/d0为常数时，
塑性值才有可比性。
当L0 = 10d0 时，伸长率用10 表示; 当L0 = 5d0 时，伸长率用5 表示。显然5 > 10 ③ > 时，无颈缩，为脆性材料表征 < 时，有颈缩，为塑性材料表征
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3. 硬度
☆ 硬度:材料抵抗其他硬物压入的能力,即受压时 抵抗局部塑性变形的能力。