1、第一章 金属材料及其性能 第二章 金属微观结构与铁碳合金组织 第三章 热处理原理及工艺 第四章 案例分析：铸造课工艺现状,课 程 内 容,金属材料及其性能,第 一 章,1,金属材料,凡由金属元素或以金属元素为主的，并具有一般金属特性的材料通称为金属材料。,1、金属材料的定义,2、纯金属与合金, 纯金属基本上由一种金属元素组成的材料或物质。杂质：无益的、偶尔混入的或难于净除而存留下来的元素。 合金通过熔炼、烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它的元素结合在一起，形成具金属特性的新物质。组 元：组成合金的元素。合金元素：有益的、有意的加入或存留在某一金属材料中一定的数量的元素, 合金的命名
2、1.单以其主要组元命名： 如铝合金、铜合金、铁合金等；2.以其组元合称命名： 如铝铜合金、铁碳合金等；3.另起专名： 如钢、铸铁、青铜、黄铜、硬铝等；,2,金属材料的一般性能,材料受不同外力时所表现出来的特性，叫做材料的力学性能，又称机械性能；,一、机械性能,材料承受载荷，抵抗变形和断裂的能力。 根据载荷的性质不同 有抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等； 最常用的是抗拉强度：按GB228-83规定，需进行拉伸试验测定。,1、强度,2、硬度,指材料软硬程序，材料对局部塑性变形的抗力。 布氏硬度（HB） 在规定载荷下，采用压入钢球法测定，测量范围不能超过450HB； 洛氏硬度（HR
3、） 根据载荷与压头种类的配合不同，常用HRA、HRB、HRC三种；HRA：使用金刚石圆锥压头，总负荷为588N，适用于测量硬度合金、表面淬火或渗碳层；HRB：使用1.59mm淬火钢球，总负荷为980N，适用于测量有色金属和退火、正火钢等；HRC：使用金刚石压头，总负荷为1470N，适用于调质钢和退火钢等。 维氏硬度（HV） 压头为金刚石四方角压头，所压负荷小，采用对角线平均长度计量，适用于测量渗碳层、氧化层、电镀层等；,3、塑性,材料断裂前发生塑性变形的能力。 试样受静拉力后发生变形弹性变形：去除外力后，试样恢复原形状，变形叫做弹性变形。塑性变形：去除外力后，试样不能恢复原形状，变形叫做塑性变
4、形。 塑性指标 通常用延伸率和断面收缩率表示； 延伸率和断面收缩率值越大也就说明材料塑性越好。,4、韧性,材料断裂前吸收的变形能量，常用指标为冲击韧性。 冲击韧性 在单位横截面积m2上所消耗的冲击功MJ表示； 冲击韧性K=（MJ/m2）越大也就说材料冲击韧性越好。,5、疲劳强度, 疲劳材料在远低于其屈服强度的交变循环应力下，即发生断裂的现象。 疲劳强度 材料在规定的次数的交变载荷下而不断裂的最大应力。,二、金属材料的物理、化学及工艺性能, 物理性能 基本物理属性，包括密度、熔点、膨胀系数、导热、电磁性等； 化学性能主要指常温或高温下工作时抵抗各种化学作用的能力，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。
5、工艺性能,在冷、热加工条件下表现出来的性能，在于能不能保证生产和制作的问题，如铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削性能、冲压性能、热处理性能等。,三、金属常用力学性能总结,3,决定金属材料性能的一般因素,1、成分,组成金属材料的成分不同，性能也不同。,2、组织,指用肉眼或借助于各种不同放大倍数的显微镜所观察到的金属材料的内部情景。放大不同倍数的组织分为三种：1.低倍组织或宏观组织：用肉眼或几十倍的放大镜所观察到的组织；2.高倍组织或显微组织：用1002000倍显微镜所观察到的组织；3.电显微组织或精细组织：用放大几千倍或几十万倍电子显微镜所观察到的组织；,3、结构,构成材料的基本粒子在空间的排布
6、方式。,金属微观结构与铁碳合金组织,第 二 章, 金属的晶体结构及其同素异晶转变 金属相变与相图 铁碳相图与铁碳组织 铸铁和钢在工业中常见的分类和应用,1,金属的晶体结构及其同素异晶转变,1、金属的结晶,晶体：金属在固态下原子在空间呈规律性的排列。,结晶与过冷：金属由液态转变为固态，金属原子由无序转变为有序的过程称为结晶，实际结晶温度低于理论结晶温度的现象叫过冷。,晶核、晶粒与晶界,晶粒粗细对力学性能的影响： 一般来说，同一成分的金属晶粒越细，其强度、硬度越高且塑性和韧性也越好,影响晶粒粗细的主要因素：晶核的数目,细化金属晶粒的主要途径： （1）加快冷却速度，以增加晶核的数目。 （2）在浇注前
7、加入孕育剂，增加外来晶核。 （3）通过热处理或压力加工的方法。,2、金属晶体的结构,晶格与晶胞：把金属有规律排列的原子中心用假象的直线连接起来，便形成了晶格，从晶格中取出一个最基本的几何单元，称为晶胞。,常见的两种晶格方式及其结构：体心立方晶格与面心立方晶格,3、金属的同素异晶转变,同素异晶转变：随着温度的改变，固态金属晶格也随之改变的现象。,1538,1394,912,L,组织应力：同素异晶转变时发生的体积变化使金属内部产生的内应力。,纯铁的同素异晶转变,温度/,2,金属相变与相图,组元与相：材料中最基本的、独立的物质称为组元，简称元。而材料中具有同一聚集状态，同一晶体结构和性质并以界面相互
8、阁开的均匀组成部分称为相。Fe、C 奥氏体,相的分类： （1）固溶体：以合金中某一组元作为溶剂，其他组元为溶质，所形成的与溶剂有相同晶体结构、晶格常数稍有变化的固相。 Cu-Ni合金及其结构 （2）中间相：当溶质原子的加入量超过其在该溶剂中的容限时便会形成一种新相，称为中间相。记忆金属Ni-Ti合金,1、金属相变,2、金属相图,(1)相图的建立： 热分析描点法 例： Cu-Ni合金相图的建立,温度/,W Ni,Ni,Cu,O,O,b,a,L,L+,W L Ni,W Ni,(2)杠杆定律：,Q （W Ni-W O Ni） = Q L（W O Ni - W L Ni）,3,铁碳相图与组织,1、铁碳
9、合金中的一些常见组织,(2)奥氏体：它是碳溶解于- Fe中形成的固溶体，呈面心立方晶格，通常用符号 A 表示。一般来说，其强度、硬度不高，但塑性优良，如锻造。,(3)渗碳体（Fe3C）：它是铁和碳按一定比例结合而成，具有金属性质的化合物。它的硬度极高（800HBW），而塑性、韧性极低，伸长率和冲击韧度近于零。,(1)铁素体：它是碳溶解于- Fe中形成的固溶体，呈体心立方晶格，通常用符号 F 表示。其特征是强度、硬度低，塑性、韧性好。在显微镜下为明亮的多边形晶粒，但晶界曲折。,(4) 珠光体：它是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。通常用符号 P或（F+ Fe3C ）表示。其含碳量为0.77%，具有
10、良好的力学性能，如其抗拉强度较高，硬度较高，且仍具有一定的塑性和韧性。珠光体在显微镜下呈层片状，白色基体为铁素体，黑色层片为渗碳体。,(5) 莱氏体：分为高温莱氏体和低温莱氏体两种，奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称为高温莱氏体，用符号Ld表示，冷却到727以下时，转变成珠光体和渗碳体的机械混合物，称为低温莱氏体，用符号Ld表示。其含碳量为0.43%，由于莱氏体中含有的渗碳体较多，故性能与渗碳体相近，极为硬脆。,2、七种典型的铁碳合金,(1)工业纯铁(W c,(2)共析钢(W c=0.77)：其结晶过程: L L+A A P,在工程上,铁碳合金按组织特征又将其细分为7种类型:,(3)亚共析钢(0
11、.0218W c0.77)：其结晶过程: L L+A AF P+F,(4)过共析钢(0.77W c0.211)：其结晶过程: L L+A A A + Fe3C P + Fe3C,(5)共晶白口铸铁(W c0.43)：其结晶过程: L Ld Ld,(6)亚共晶白口铸铁(0.211W c0.43)：其结晶过程: L L+A A + Ld A + Fe3C +Ld P + Fe3C+ Ld,(7)过共晶白口铸铁(0.211W c0.43)：其结晶过程: L L+ Fe3C Fe3C + Ld Fe3C+ Ld,一、铸铁,1、定义,铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金，除碳以外铸铁还含较多的硅、锰和一
12、些杂质元素。,2、分类,4,铸铁和钢在工业中常见的分类和应用,灰口铸铁,金属基体,石墨形态,铁素体灰口铸铁,珠光体灰口铸铁,铁素体加珠光体灰口铸铁,普通灰口铸铁,球墨灰口铸铁,可锻灰口铸铁,蠕墨灰口铸铁,3、灰口铸铁,1、性能特点,1.机械性能低2.优异的耐磨性和消震性3.工艺性能好,2、热处理,1.去应力退火2.消除白口退火3.表面淬火,3、常用铸铁的牌号、种类及用途,1、定义,碳钢是含碳量小于2.11%的铁碳合金，含有少量的硅、锰、硫、磷等一些杂质元素。,二、碳钢,2、分类,3、常用碳钢的牌号、种类及用途,热处理原理及工艺,第 三 章, 热处理的概述 热处理的工艺,1,热处理的概述,将钢在
13、固态下加热的预定温度，并在该温度下保温一段时间，然后以一定的速度冷却下来的一种热加工工艺，目的改变钢的内部组织结构，以改变钢的性能。,1、热处理的定义,热处理工艺曲线,时间,温度,加热,保温,冷却,2、热处理的分类,热处理分为五种：1.普通热处理：退火 对钢材进行一定程度的加热保持一段时间后，使之慢慢冷却；淬火 把铁奥氏体急剧冷却的方法；正火 在空气中从淬火温度冷却的方法；回火 经淬火后再次加热到转变温度以下，再次冷却的方法。2.表面热处理：表面淬火、化学热处理；3.预备热处理：为随后加工或进一步加工做准备；4.最终热处理：赋予工件使用性能；5.其它热处理：控制气氛热处理、真空热处理、形变热处
14、理、复合热处理。,热处理的工艺,1、退火,将金属或合金的材料或制件加热到相变或部分相变温度，保温一段时间，然后缓慢冷却的一种热处理工艺。,目的：均为钢的化学成分及组织，细化晶粒、调整硬度消除内应力和加工硬化，改善钢的成形及切削加工性能，并为淬火做好准备。 退火工艺：1.完全退火2.不完全退火3.球化退火4.扩散退火5.去应力退火,2,2、正火,将钢加热到完全相变以上的某一温度，保温一定的时间后，在空气中冷却的一种热处理工艺。,应用：1.改善钢的切削加工性能2.消除热加工缺陷3.消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火4.提高普通结构零件的机械性能,3、淬火,将钢加热到相变或部分相变温度，保温一段
15、时间后，快速冷却的热处理工艺。,目的：使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体并配以不同温度回火获得各种需要的性能。 方法：1.单液淬火2.双液淬火3.分级淬火4.等温淬火,* 马氏体：它是奥氏体在快速冷却的条件下，过饱和的炭原子难以从晶格中扩散出去，形成的炭原子在- Fe中严重饱和的固融体，叫做马氏体，用符号M表示。,4、回火,将经过淬火的钢，重新加热到一定温度（相变温度以下），保温一段时间，然后冷却的热处理工艺。,目的：减小或消除淬火应力，保证相应的组 织转变，提高钢的韧性和塑性，获得硬 度、强度，韧性和塑性的适当配合，以 满足各种用途工件的性能要求。 分类：,案例分析：铸造课工艺现状,第 四 章,我公司铸造课采用金型铸造的方式，生产炭当量在共晶铸铁附近的小型铸件，由于金型冷却速度快，铸件外层容易产生白口，严重影响下一道工序的切削加工，请问该工艺采用那种热处理方式较为合适？,1,请根据铸造课活塞热处理的工艺流程，结合今天所学的金属组织和相变的知识，简述铸造课活塞热处理各工艺的组织变化和作用。,2,活塞热处理工艺流程,外观.装箱,清洗,渗碳.淬火,清洗,低温处理,加热,回火,终检,
