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1、机械工程材料全册配套最完整 精品课件1 机械工程材料机械工程材料 绪绪 论论 l机械制造一般过程机械制造一般过程 l材料的概念材料的概念 l材料的分类材料的分类 l课程内容与要求课程内容与要求 l参考资料参考资料 绪绪 论论 一、机械制造一般过程一、机械制造一般过程 原材料原材料 焊接 铸造 锻造 毛坯毛坯 毛坯毛坯热处理切削加工热处理 切削加工零件零件 零件零件涂装装配产品产品 l 定义：能为人类制造有用器件的物质。 二、材料的概念二、材料的概念 天然材料石器时代青铜时代钢铁时代 l 地位：材料、能源、信息，三大技术 历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。历史学家根据人类所使用的材料来划分

2、时代。 制造-工艺性能：在冷热加工过程中所表现的性能， 如铸造性能、压力加工性能、焊接性能等； 有用-使用性能：在使用条件下所表现的性能， 包括材料的物理、化学和力学性能。 l 人类发展与材料 三、工程材料的分类与应用三、工程材料的分类与应用 工程材料是用于制造工程材料是用于制造工程结构和机械零件工程结构和机械零件并并 主要要求主要要求力学性能力学性能的结构材料。的结构材料。 1、金属材料、金属材料 2、高分子材料、高分子材料 3、陶瓷材料、陶瓷材料 4、复合材料、复合材料 金属材料金属材料 以金属键结合为主以金属键结合为主 良好的导电性、导良好的导电性、导 热性、延展性和金热性、延展性和金

3、属光泽属光泽 用量最大、应用最用量最大、应用最 广泛广泛 黑色金属黑色金属 有色金属有色金属轻金属轻金属, ,重金属重金属, ,贵金属贵金属, ,稀有金属稀有金属 铁及铁合金称为铁及铁合金称为黑色金属黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达，即钢铁材料，其世界年产量已达 10亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上。以上。 金属材料制品金属材料制品 陶瓷材料陶瓷材料 以共价键和离子键以共价键和离子键 为主为主 熔点高、硬度高、熔点高、硬度高、 耐腐蚀、脆性大耐腐蚀、脆性大 分为传统陶瓷、现分为传统陶瓷、现 代陶瓷和功能陶瓷代陶瓷和功能陶瓷 传统陶瓷传

4、统陶瓷又称又称普通陶瓷普通陶瓷，是以天然材料是以天然材料( (如黏土、石如黏土、石 英、长石等英、长石等) )为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。 现代陶瓷现代陶瓷又称又称精细陶瓷精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的，是以人工合成材料为原料的 陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。 陶瓷制品陶瓷制品 陶瓷发动机陶瓷发动机 高分子材料高分子材料 以分子键和共价键以分子键和共价键 为主为主 塑性、耐蚀性、电塑性、耐蚀性、电 绝缘性、减振性好，绝缘性、减振性好， 密度小密度小 包括塑料、橡胶及包括塑料、橡胶及 合成纤维等

5、合成纤维等 分子键分子键共价键共价键 高分子材料高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮 船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业 中被广泛应用。中被广泛应用。 烯丙酰氯烯丙酰氯- -苯乙烯苯乙烯 复合材料复合材料 包括包括 金属基复合材料金属基复合材料 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 高分子复合材料高分子复合材料 两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或 宏观的形式组合在一起而形成的材料。宏观的形式组合在一起而形成的材料。 玻璃纤维增强高分子复合材料玻璃纤维

6、增强高分子复合材料 现代航空发动机燃烧室现代航空发动机燃烧室 温度最高的材料就是通温度最高的材料就是通 过粉末冶金法制备的氧过粉末冶金法制备的氧 化物粒子弥散强化的化物粒子弥散强化的镍镍 基合金复合材料基合金复合材料。很多。很多 高级游艇、赛艇及体育高级游艇、赛艇及体育 器械等是由器械等是由碳纤维复合碳纤维复合 材料材料制成的，它们具有制成的，它们具有 重量轻，弹性好，强度重量轻，弹性好，强度 高等优点。高等优点。 航空发动机航空发动机 1、了解常用材料的一般特性，正确选用材料； 2、了解金属热处理工艺的一般知识，正确制定和执行零件的热 处理工艺；掌握零件的加工工艺路线安排； 3、掌握材料成分

7、组织结构性能三者之间关系的一般规律， 了解金相分析方法，合理地进行零件的失效分析。 l 成分不同，性能不同； 铸铁(WC2.11%)钢(WC103次才断裂。 2 2、疲劳强度、疲劳强度 被测材料抵抗交变载荷的性能 （1）疲劳 交变载荷作用下，交变应力小于s，材料经较长时间的工作而发生断裂。 疲劳极限:材料经无数次应力循环而不致破坏的最大应力值。 （2）特点 无论是脆性材料，还是塑性材料，疲劳断裂均不产生明显的塑性变形； 裂纹产生及扩展区呈“贝壳”花样，最后断裂区呈纤维状或结晶状。 (3) 疲劳曲线 交变应力与交变次数N的关系 疲劳断裂截面 第二章第二章 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶

8、 l 金属特性与金属键金属特性与金属键 l 金属的晶体结构金属的晶体结构 l 实际金属结构实际金属结构 l 金属的结晶金属的结晶 l 金属铸锭组织金属铸锭组织 l 原子的构造原子的构造 一、一、金属特性与金属键金属特性与金属键 金属原子的最外层轨道电子少。金属原子的最外层轨道电子少。 金属原子易失去电子而成为正离子。金属原子易失去电子而成为正离子。 金属键金属键 金属正离子与自由电子间的静电作用，金属正离子与自由电子间的静电作用， 使金属原子结合起来形成金属整体。使金属原子结合起来形成金属整体。 l 金属特性金属特性 优良的导电性和导热性。优良的导电性和导热性。 不透明和具有金属光泽。不透明和

9、具有金属光泽。 较高的强度和较好的塑性。较高的强度和较好的塑性。 正的电阻温度系数。正的电阻温度系数。 l 关系关系 导电：在电势作用下，自由 电子定向移动； 正的电阻温度系数： T，离子振动，电子运动阻力 塑性：金属中离子与电子间能保 持一定的相对关系。 二、金属的晶体结构二、金属的晶体结构 1. 晶体的基本知识晶体的基本知识 l 晶体与非晶体 晶体：内部原子在空间呈一定的有规则规则排列，具有固定固定熔 点和各向异性各向异性。(金刚石、盐) 非晶体：内部原子是无规则堆积在一起的。没有固定的熔 点，具有各向同性。(玻璃、石蜡) l 晶格(点阵) 表示晶体中的原子(正离子)排列方式的空间几何体。

10、 假设：A.金属中的原子(正离子)都是刚性小球； B.金属中的原子都缩小为一个点，线将点连 接起来，线与线的交点为节点。 l 晶胞：表示晶格几何特征的最小几何单元。 (1)晶格常数: 棱边长度 (a,b,c)，单位A0(10-10m) ; 轴间夹角 (、 ） (2)晶面、晶向 : 晶面：在晶体中通过原子中心的平面,用晶面指数表示。 晶向：通过原子中心的直线为原子列，其所代表的方 向，用晶向指数表示。 晶向指数的确定方法晶向指数的确定方法 (1) 通过坐标原点引一直线， 使其平行于所求的晶向； (2) 求出该直线上任意一点的 三个坐标值， (3) 将三个坐标值按比例化 为最小整数，加一方括号，

11、即为所求的晶向指数。 一般形式为uvw。 原子排列相同，位向不同， 可统一用表示。 晶向指数 晶面指数的确定方法晶面指数的确定方法 (1) 沿晶胞的三个坐标轴，由原点起取该晶面在各坐标轴上的截截 矩矩（以晶格常数值a、b、c分别为三个相应轴上的度量单位） (2) 取截矩的倒数倒数； (3）把它们化为三个最小的简单最小的简单整数整数，并括在一个圆括弧中表示。 一般形式为(hkl)。 原子排列相同,位向不同，可统一用hkl表示。 晶面指数的确定晶面指数的确定 2.典型的晶体结构典型的晶体结构 体心立方(b.c.c) 面心立方(f.c.c) 密排六方(h.c.p) body-centered cub

12、ic face-centered cubic hexagonal close-packed a)刚球模型b)质点模型c)晶胞原子数 三种常见金属晶格的常用数据三种常见金属晶格的常用数据 体心立方 面心立方 密排六方 晶胞中的原子数 2=81/8+14=81/8+61/26=121/6+21/2+3 原子半径 致密度 0.680.740.74 配位数812=3412=6+3+3 常见材料W,Mo,Ta,Nb,Ti,V, Cr -Fe Cu, Al, Au,AgZn, Mg 致密度：晶胞中包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。 配位数：晶格中任一原子周围所紧邻的最近且等距离的原子数。 3 4 a

13、 2 4 a 2 a 例例：体心立方的常用数据体心立方的常用数据 =90=900 0 a=b=c a=b=c 晶格常数晶格常数“a a” 一个晶胞内有二个原子（一个晶胞内有二个原子（1/881=2） 致密度致密度=0.68 即：原子排列的紧密程度。即：原子排列的紧密程度。 （晶胞中原子占体积与晶胞体积之比）（晶胞中原子占体积与晶胞体积之比） 0.68=24/3( a a) )3 3/a/a3 3 配位数配位数=8 即：晶体中任一原子周围最近即：晶体中任一原子周围最近 且等距离紧邻的原子数。且等距离紧邻的原子数。 常 见 的 金 属 ： 常 见 的 金 属 ： F e ( tF e ( t 9

14、1 0 ) C r9 1 0 ) C r 、 W W 、 MoMo、V V等等 3 4 3. 各向异性各向异性 l 晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而不 同 方向上的性能有所差异(原子间结合力不同)。 l 硅钢片，不同晶向磁化能力不同，采用轧制，使 晶向平行于轧制方向，得到优异的磁导率。 三、实际金属结构三、实际金属结构 l单晶体单晶体晶体内部的质点排列完全一致。晶体内部的质点排列完全一致。 晶粒：外形不规则的小单晶体。晶粒：外形不规则的小单晶体。 l多晶体多晶体由许多单晶体无规则堆积而成的晶体。由许多单晶体无规则堆积而成的晶体。 晶界：颗粒与颗粒之间的界面。晶界：颗粒与颗粒之间的界面

15、。 伪各向同性：伪各向同性：单晶体虽然是各向异性的，单晶体虽然是各向异性的， 但是由许多单晶体无规则但是由许多单晶体无规则 堆积而成的多晶体则呈现堆积而成的多晶体则呈现 各向同性各向同性。 显微组织：显微镜下观察到的金属中显微组织：显微镜下观察到的金属中 各种晶粒的大小、形态和分布。各种晶粒的大小、形态和分布。 1、单晶体与多晶体单晶体与多晶体 1932年发明了电子年发明了电子 显微镜，把人们带显微镜，把人们带 到了微观世界的更到了微观世界的更 深层次（深层次（10-7m） 透射电子显微镜透射电子显微镜 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 光镜下光镜下电镜下电镜下 光学显微镜光学显微镜 l点缺陷点缺

16、陷 在三维空间各个方向上尺寸都很小，尺寸范围约为一个 或几个原子间距。 空位 置换原子 间隙原子 晶格畸变晶格畸变：点缺陷的存在，原子间作用力的平衡被破坏，周 围其原子发生靠拢或撑开的不规则排列，此变化 为晶格畸变。 2.晶体缺陷晶体缺陷 l 线缺陷 在三维空间两维方向尺寸较小，在另一维方向的尺相对较大。 位错位错：晶体中某处有一列或若干列原子发生某种有规律的错排。 位错形式位错形式：刃型位错、螺型位错 一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移，在晶格的上半部分中挤 出了一层多余的原子面，好象在晶格中额外插入了半层原子面一样，其 边缘为位错线。(透射电镜下可观察到) 刃型位错示意图 1934年位

17、错理论的提出， 解决了晶体理论计算强度 与实验测得的实际强度之 间存在的巨大差别的矛盾， 对于人们认识材料的力学 性能及设计高强度材料具 有划时代的意义。 金属钛中的位错金属钛中的位错 位错对材料的强度理论有很大贡献。位错对材料的强度理论有很大贡献。 l 面缺陷面缺陷 在三维空间一维方向上尺寸很小，另外两维方向上尺寸较 大的缺陷。主要是晶界和亚晶界。 晶界晶界 : 多晶体中，晶粒位向不同，存在位向差，晶粒交界 处原子排列不一致，存在一个过渡层，即晶界； 亚晶界亚晶界:实际金属晶体内部，晶粒内原子排列也不完全理想 的规则排列，也存在很小位向差的小晶块，即亚晶 粒，亚晶粒的交界即亚晶界。 在实际晶

18、体中，这三种缺陷随加工条件变化而变化，可产生、发展，也可在实际晶体中，这三种缺陷随加工条件变化而变化，可产生、发展，也可 消失，对材料性能有很大影响。消失，对材料性能有很大影响。 l常见的利用增加材料的缺陷，提高强度的方法常见的利用增加材料的缺陷，提高强度的方法 形变强化形变强化：利用材料的塑性变形，增加了材料的位错密度，：利用材料的塑性变形，增加了材料的位错密度， 产生加工硬化，提高强度，但降低了材料的塑性、产生加工硬化，提高强度，但降低了材料的塑性、 韧性。韧性。 细 晶 强 化细 晶 强 化 :用 细 化 晶 粒 的 方 法 ， 增 加 晶 界 ， 提 高 强 度 ； 并 且用 细 化

19、晶 粒 的 方 法 ， 增 加 晶 界 ， 提 高 强 度 ； 并 且 因晶粒细化，变形更均匀，塑性也增加了。因晶粒细化，变形更均匀，塑性也增加了。 1.1.热分析法与冷却曲线热分析法与冷却曲线 TT0: 液态金属温度均匀下降； TTTT1 1 : 结晶开始，放出结晶潜热， 系统保持温度不变， 出现“平台”； 结晶完毕结晶完毕: T。 1-电炉 2-坩埚 3-熔融金属 4-热电 偶热端 5-热电偶 6-保护套 7-热电 偶冷端 8-检流计 四、金属的结晶四、金属的结晶 有关概念 l 凝固凝固：一切物质从液态到固态的转变过程。 l 结晶结晶：物质从一种原子排列状态(晶态或非晶态)过渡为另 一种原

20、子规则规则排列状态(晶态)的转变过程。 (通过凝固能形成晶体结构通过凝固能形成晶体结构) 一次结晶：液态液态转变成固体固体晶态 二次结晶：固态固态转变成另一种固体固体晶态 l 平衡结晶温度平衡结晶温度：对纯元素而言，液体与晶体共存的温度T0。 T T0熔化 , T T0结晶 熔点:理想结晶温度 l 自由能自由能F ：物质中能够自动向外界释放其多余的或能够 对外作功的这一部分能量。 l 过冷度过冷度：实际结晶温度与理想结晶温度之间的温度差。 液态物质和固态物质的能量状态与温度的关系曲线 过冷：液态到结晶，就必须冷却到T0温度以下的某一温度。 T，F，结晶驱动力， 只有当驱动力达到一定值时，结晶过

21、程才能进行。 l 结晶潜热结晶潜热：结晶过程中伴随的能量释放。 2. 金属的结晶过程金属的结晶过程 l晶核的形成 自发形核：液态金属内部形成的结晶枋心。 非自发形核：晶核在杂质固态点表面形成。 l晶核的长大 实质是原子由液体向固体表面的转移。 长大初期，晶核外形比较规则形成晶体的顶棱边枝晶生长。 树枝状晶体长大树枝状晶体长大 锑锭表面树状晶 一般一般过冷度越大，晶粒越细过冷度越大，晶粒越细。 G N KZ l 增大过冷度增大过冷度 3.细化晶粒大小的措施细化晶粒大小的措施 T ，F ，形核、长大驱动力 ； T ，原子迁移能力(扩散) T较小时，D较大，但F较小； T较大时，F较大，但D较小。

22、二者共同作用，使形核和长大与二者共同作用，使形核和长大与 过冷度关系上出现一个极大值。过冷度关系上出现一个极大值。 形核率N：单位时间内，单位体积中 产生的晶核数。 长大速度G：单位时间内晶核长大 的平均速度。 晶粒度晶粒度Z单位面积内的晶粒数目单位面积内的晶粒数目 l 变质处理变质处理 在液体金属结晶前，为使晶粒细化，人为的加入一些细小的在液体金属结晶前，为使晶粒细化，人为的加入一些细小的高熔点高熔点物物 质，达到细化晶粒的目的。质，达到细化晶粒的目的。 l附加震动附加震动 目的：增加晶核数目，阻碍晶粒长大 目的：晶枝破碎 4. 金属的同素异构性金属的同素异构性 l 同素异构转变实质上也是个

23、结晶过程，亦称重结晶重结晶。 l 有些金属在结晶之后结晶之后继续冷却时，还会发生结构的变化， 从一种晶格转变为另一种晶格，此转变为同素异构转变同素异构转变。 1. 1. 表面细晶粒层表面细晶粒层：表层金属过冷度大；模壁的人工晶核作用。 2. 2. 柱状晶粒层柱状晶粒层：铸锭垂直于其模壁散热的影响，晶粒沿此方 向优先长大。 3.3.中心等轴晶中心等轴晶：散热方向性减小，趋于均匀冷却；未熔杂质推 至中心。 五、金属铸锭组织五、金属铸锭组织 柱状晶力学性能具有明显方向性，柱状晶力学性能具有明显方向性， 对于钢锭，由于塑性差，应避免对于钢锭，由于塑性差，应避免 柱状晶，对于有色金属，则希望柱状晶，对于

24、有色金属，则希望 得到。得到。 思考思考 l 如果其他条件相同，比较在下列铸造条件下，铸件 晶粒的大小： 金属型铸件与砂型铸件浇注； 高温浇注铸件与低温浇注铸件； 浇注薄铸件与浇注厚铸件； 浇注时震动的铸件与浇注时不震动的铸件。 l 铸件生产中为何要高温出炉、低温浇注？ （金属型细铸件细） （低温浇注铸件细） （浇注薄铸件细） （浇注时震动的铸件细） 细晶的熔模铸件细晶的熔模铸件(上上) 普通铸件普通铸件(下下) l 金属凝固时，若过冷度极大，会出现什么情况？ 思考思考 非晶合金带 置信电气： 非晶合金变压器的铁芯材料由熔融状态下的合金以百万分之 一秒的速度冷却后获得，形成其特殊的导磁性能，非

25、晶合金变压 器相比传统的硅钢变压器，空载损耗要减少80%以上，也就是说， 如果普通变压器空载损耗在电表走十圈的话，那么非晶合金变压 器就只走一圈半。 安泰科技: 依托国家非晶微晶合金工程技术研究中心 公司和日立金属是世界仅有的生产 非晶带材的企业。 第三章第三章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶 l 金属塑性变形的主要特点及本质金属塑性变形的主要特点及本质 l 塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响 l 形变金属在加热过程中组织和性能变化规律形变金属在加热过程中组织和性能变化规律 l热加工与冷加工的本质区别及热加工的特点热加工与冷加工的本质区别及热加工的特点

26、单晶体试样拉伸变形单晶体试样拉伸变形 外力在晶面上的分解外力在晶面上的分解 切应力作用下的变形切应力作用下的变形 正应力只能引起弹性变形及解理断裂。正应力只能引起弹性变形及解理断裂。 只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。 一、一、金属的塑性变形金属的塑性变形 l滑移： 晶体在切应力的作用下，其中一部分相对于另一部分 发生滑动的结果。 产生滑移的晶面和晶向，分别称为滑移面和滑移方向。 a.未变形 b.弹性变形 c.弹塑性变形 d.塑性变形 1.单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形 通过滑移和孪生两种主要方式进行 特点特点 只能在切应力作用下进行

27、只能在切应力作用下进行 coscos 当P/F=s时， kscoscos k为临界切应力。 拉力P与滑移方向夹角为， 与滑移面法线夹角为 临界切应力临界切应力：使晶体开始滑动的切应力 滑移系：一个滑移面和其上一个滑移方向构成 滑移方向对塑性变形的作用要大于滑移面的作用 特点特点 滑移沿原子密排面滑移沿原子密排面(滑移面滑移面)、原子密排方向、原子密排方向(滑移方向滑移方向)进行进行 体心立方晶格体心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格 110111 110 111 晶格晶格 滑移面滑移面 滑移滑移 方向方向 滑移系滑移系 三种典型金属晶格的滑移系三种典型金属晶格的滑移系 滑

28、移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也 越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。 因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好于密排六方晶格。体心立方晶格好于密排六方晶格。 韧性断口韧性断口 脆性解理断口脆性解理断口 特点特点 产生滑移线和滑移带产生滑移线和滑移带 滑移线：滑移的结果在晶体表面形成台阶 若干条滑移线组成一个滑移带。 铜拉伸试样表面滑移带铜拉伸试样表面滑移带 滑移的同时，伴随晶体转动。滑移的同时，伴随晶体转动。特点特点 滑移

29、的机理滑移的机理 现象： cr理论：Cu：6480Mpa cr实测：Cu：0.4080MPa Fe：10960Mpa Fe：2.75MPa cr单位面积上所有位错产生、运动阻力之和。 刚性滑移理论 同一瞬间：a.大量原子同时滑移； b.每个原子移动距离为原子间距的整数倍 位错滑移理论 a.在晶体某些部位形成位错； b.位错沿滑移线运动； c.位错运动到晶体表面后消失。 同一瞬间 a.少数原子参与滑移； b.每个原子移动距离为一个原子间距的几分之一。 同一瞬间：a.少数原子参与滑移； b.每个原子移动距离为一个原子间距的几分之一 晶体通过位错运动产生滑移晶体通过位错运动产生滑移时，时， 只在位错

30、中心的少数原子发只在位错中心的少数原子发 生移动，它们移动的距离远生移动，它们移动的距离远 小于一个原子间距，因而所小于一个原子间距，因而所 需临界切应力小，这种现象需临界切应力小，这种现象 称作称作位错的易动性位错的易动性。 l孪生 晶体在切应力作用下，其一部分沿一定的晶面(孪晶面) 产生一 定角度的切变。 孪晶：切变后，变形部分的晶体位向发生了改变，以孪晶面 为对称面与未变形部分相互对称，对称的两部分晶体 即为孪晶。 孪生变形较滑移变形所需临界切应力大，一般而言， f.c.c、b.c.c金属很少发生孪生变形，h.c.p金属较容易发 生。 孪生变形过程孪生变形过程 特点：特点： （1）不同时

31、塑性变形。 “软位向” 45，“硬位向” /，垂直。 coscos （2）每个晶粒变形时受周围不同位向晶粒的牵制 （3）晶界有阻碍作用。 （4）变形不均匀。 2.多单晶体的塑性变形多单晶体的塑性变形 细晶强化细晶强化: 通过细化晶粒来同时通过细化晶粒来同时 提高金属的强度、硬度、提高金属的强度、硬度、 塑性和韧性的方法。塑性和韧性的方法。 d减小，s增大。 d减小， 塑性、韧性高： d较小，晶粒数增多，变形分散且均 匀，无应力集中； d较小，晶界增多，裂纹扩展要走迂 回曲折的道路。 2、多晶体的塑性变形、多晶体的塑性变形 多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存在许多晶界，变形复杂。多晶体

32、由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存在许多晶界，变形复杂。 细晶强化细晶强化 通过晶粒细化使强度提高、塑性提高、通过晶粒细化使强度提高、塑性提高、 韧性提高，硬度提高的现象。韧性提高，硬度提高的现象。 强化原理强化原理 晶界原子排列较不规则晶界原子排列较不规则缺陷多缺陷多滑移阻滑移阻 力大。晶粒越细小，则晶界越多，变形抗力大。晶粒越细小，则晶界越多，变形抗 力越大，则强度越大。力越大，则强度越大。 晶粒越细小，单位体积晶粒多晶粒越细小，单位体积晶粒多变形分散变形分散减少应力集中减少应力集中 晶粒越细小，晶界多晶粒越细小，晶界多不利于裂纹的传播不利于裂纹的传播断裂前承受较断裂前承受较 大的塑性

33、变形，则塑性越好。大的塑性变形，则塑性越好。 由于晶粒越细小，强度越高，塑性越好，所以断裂时需要由于晶粒越细小，强度越高，塑性越好，所以断裂时需要 消耗较大的功。因而韧性也较好。消耗较大的功。因而韧性也较好。 二、塑性变形对金属组织和性能的影响二、塑性变形对金属组织和性能的影响 塑性变形塑性变形强度、硬度强度、硬度，塑性、韧性，塑性、韧性，电阻，电阻，抗蚀性，抗蚀性。 1 1、塑性变形对金属组织的影响、塑性变形对金属组织的影响 （1）显微组织的变化 形成“纤维组织”； （2）亚结构的细化 位错缠结、晶粒破碎； （3）织构现象的产生 织构: 在塑性变形过程中，晶粒转动， 当变形量达到一定程度(7

34、090%以上)时， 会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方 向趋于一致。 缺陷： 制耳； 优点： 使硅钢片的特定晶界、 晶向平行于磁力线方向，提高导磁率 2 2、塑性变形对金属性能的影响、塑性变形对金属性能的影响 (1)对力学性能的影响 强度、硬度，塑性、韧性 (2)残余应力 材料经塑性变形后残存在内部的应力。 其产生是由于金属内部各区域变形不均匀所致； 是一种弹性应力，在金属中处于自相平衡的状态； 分三种：a. 宏观残余应力(第一类内应力) 由宏观变形不均匀引起，使工件变形； b. 微观残余应力(第二类内应力) 由晶粒或亚晶粒间变形不均匀引起，使工件内 部产生微裂纹 c. 晶格畸变应力(第三类内

35、应力)； 由晶格畸变引起，使工件强度、硬度，塑性、抗蚀性。 (3) 对理化性能的影响 电阻率； 电阻温度系数； 导磁率； 导热率； 腐蚀。 l加工硬化加工硬化 随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高， 塑性、韧性下降的现象。塑性、韧性下降的现象。 冷塑性变形量，% 屈服强度，MPa 1040钢(0.4%C) 黄铜 铜 冷塑性变形量，% 伸长率，% 1040钢 (0.4%C) 黄铜 铜 三、变形金属在加热时组织与性能的变化三、变形金属在加热时组织与性能的变化 1、回复 经过冷变形的金属加热时，在显 微组织发生变化前所发生的一些 亚结构的改变过程。 特点

36、特点： 温度低。TT再 显微组织没有明显变化； 力学性能变化不大； 残余应力显著降低； 理化性能基本恢复到变形前。 应用应用：低温去应力退火 (如深冲黄铜弹壳，会自动变形， 甚至开裂） 变形金属变形金属加热到较高温度较高温度时， 由于原子扩散能力增加，在晶格畸 变严重处形成一些位向与变形晶粒 不同，内部缺陷减少的等轴小晶粒， 这些小晶粒不断向外扩展长大，直 至金属中的变形金属全部被等轴晶等轴晶 取代，即冷变形组织完全消失， 这一过程为再结晶。 （1）性能变化 （位错密度），强度、硬度， 塑性、韧性，内应力消除。 2、再结晶 再结晶温度： 工业条件下定义：经大变形量大变形量(70%(70%以上以

37、上) )的金属，在一一 小时小时的保温时间内全部完成再结晶所需的最低温度最低温度。 预先变形程度：程度，T再； 加热速度与保温时间：V，t热，T再； t保，扩散，T再； 原始晶粒度：d，内能，T再； 残金属纯度及成分：杂质使T再，但过量，反而使T再， 各种工业纯金属的最低再结晶温度与其熔点间存在以下关系： T T再 再 0.350.40T0.350.40T熔 熔 (2)影响再结晶温度的因素 生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。 再结晶退火温度比再结晶温度高再结晶退火温度比再结晶温度高100200。 (3)再结晶后晶粒度的影响因素 预先变形

38、程度 实质上是变形均匀程度的影响实质上是变形均匀程度的影响. 临界变形度：冷变形量。210% 。 金属获得粗大的再结晶晶粒的。 加热温度与保温时间： T，t，晶粒。 再结晶全图： 加热温度、冷变形程度、晶粒大小关系图。 加热温度和保温时间加热温度和保温时间对晶对晶 粒度的影响粒度的影响 （3）晶粒长大 再结晶后，形成等轴晶，若T，或t，则d。 是一个自发过程： d ，晶界面积，表面能，是一个能量降低的自发过程。 实质：晶界迁移。 正常长大与异常长大： 正常长大： 再结晶后的晶粒细而均匀， 长大时均匀； 异常长大： 再结晶后的晶粒大小不均匀，大晶粒吞并小晶粒， 形成异常粗大的晶粒。(二次再结晶)

39、 四、金属的热加工及组织性能的变化四、金属的热加工及组织性能的变化 问题：问题： 金属锡Sn （再结晶温度为：-7）在室温27加工变形， 金属铁Fe (再结晶温度为：400)在380加工变形， 金属钨W(再结晶温度为：1200)在1100加工变形， 上述金属的变形各属于热加工还是冷加工？ 热加工热加工在再结晶温度以上的加工变形。在再结晶温度以上的加工变形。 冷加工冷加工在再结晶温度以下的加工变形。在再结晶温度以下的加工变形。 不能以温度高低区分热、冷加工。 1. 热加工的特点 (1)容易变形； (2)同时进行着加工硬化和再结晶软化过程(动态再结晶) (3)易发生氧化，表面精度、光洁度低。 金属

40、的冷热加工金属的冷热加工 模锻模锻自由锻自由锻 轧制轧制 正挤压正挤压反挤压反挤压拉拔拉拔冲压冲压 (2)纤维组织(锻造流线) 2. 对组织性能的影响 吊钩要切削加工吗？ 滚压成型后螺纹内部的纤维分布滚压成型后螺纹内部的纤维分布 在制定加工工艺时，应使流线分布合理，尽量与拉应力方向一致。在制定加工工艺时，应使流线分布合理，尽量与拉应力方向一致。 (1) 改善铸态金属的组织、性能 l 气孔闭合，致密度增加； l 粗大枝晶和柱状晶破碎，细化晶粒，消除偏析 l 脆性杂质被打碎，沿金属主要伸长方向呈碎粒状、 链状分布； l 塑性杂质沿主要伸长方向呈带状 问题问题 (3)带状组织 经热锻或热轧后，具有明

41、显的层状特性组织。 原因：成分偏析未被消除。 消除：通过多次正火或扩散退火。消除：通过多次正火或扩散退火。 巨型自由锻件巨型自由锻件 锻压锻压 热加工动态再热加工动态再 结晶示意图结晶示意图 l热加工能量消耗小，但钢材表面易氧化。热加工能量消耗小，但钢材表面易氧化。 一般用于截面尺寸大、变形量大、在室温一般用于截面尺寸大、变形量大、在室温 下加工困难的工件。下加工困难的工件。 l冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺 寸精度及表面光洁度要求高的工件。寸精度及表面光洁度要求高的工件。 问题问题1 1：金属铸件是否能通过再结晶退火来细化晶粒？ 解：不能。金属铸件未

42、进行冷塑性变形，加热后不会发生再结晶。 问题问题2 2：在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，而稍隔一段 时间，再弯折铅板又象最初一样柔软，这是何原因？（铅 Pd的熔点：327.35） 解：Pd熔点的绝对温度为：327.35+273.15=600.5 T再=0.45600.5=270.2 0K 换算为摄氏温度：T再=270.2-273.15=-2.95 故在室温条件下变形,属于热加工,会发生再结晶。 再结晶退火工艺参数： T=T再+（100200） 因此变形接近最低再结晶温度。 再结晶速度V再与加工硬化速度V加比较：当V再V加无加工硬化现象； 反之，V加V再会出现加工硬化现象。 第四章第四章 合金

43、的结构与相图合金的结构与相图 l 合金中的相概念及其类型 l 各种类型的基本二元相图 l 相图与合金性能间的对应关系 力学性能比纯金属优良；力学性能比纯金属优良； 冶炼方法比金属提纯简单；冶炼方法比金属提纯简单； 可生产特殊性能钢。（磁钢、不锈钢、耐热钢、耐磨钢等）可生产特殊性能钢。（磁钢、不锈钢、耐热钢、耐磨钢等） 合金合金：通过熔炼、烧结或其它方法，将一种金属元素同 一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金 属特性的新物质。 一、固态合金中的相结构一、固态合金中的相结构(晶体结构晶体结构) 1、基本概念基本概念 l 组元组元：组成合金的最基本的独立物质。 l 组织组织：内部情景（晶粒类型

44、、形状大小、数量、分布） l 相相：合金材料组织中具有同一化学成分、晶体结构相同并以 界面互相分开的的均匀部分。 l 相的结构类型 固溶体固溶体：相的晶体结构与某一组元的晶体结构相同； 金属化合物金属化合物：相的晶体结构与组元的晶体结构均不相同。 2 2、固溶体、固溶体 l 组成合金的元素互相溶解，形成的晶体结构晶体结构与某一元素相 同，但包括其它元素的原子。 l 固溶体中与合金晶体结构相同的元素为溶剂溶剂。 固溶体中失去晶体结构的组元为溶质溶质。 （2）间隙固溶体）间隙固溶体溶质原子占据晶格溶质原子占据晶格 某些间隙位置形成的固溶体。某些间隙位置形成的固溶体。 （1）置换固溶体）置换固溶体溶

45、质原子占据溶剂溶质原子占据溶剂 原子晶格结点位置形成的固溶体。原子晶格结点位置形成的固溶体。 （ 有序固溶体、无序固溶体） 溶质与溶剂原子大小不一，会发生晶 格畸变。 （3）固溶体的溶解度固溶体的溶解度 溶质原子溶入固溶体的极限浓度极限浓度。 有限固溶体：溶质在溶剂中的溶解度有限。 无限固溶体：元素之间可以以任意比例形成固溶体。 （4）固溶体的性能固溶体的性能 固溶强化固溶强化:溶质原子的溶入造成晶格畸变，使金属材料的强 度、 硬度增加的现象。 例：纯铜的b=220Mpa 44HBS 加入19%Ni的白铜b=380400Mpa 70HBS =50% 如果通过加工硬化塑性则小于5%。 可见力学性

46、能较好的材料，一定是合金材料。 3 3、金属化合物、金属化合物 金属化合物金属化合物: :具有相当程度金属键结合，并且有明显金具有相当程度金属键结合，并且有明显金 属特征的化合物属特征的化合物。 （1 1）金属化合物的特性）金属化合物的特性 l是一种新相是一种新相,晶体结构不同于组成化合物的任一元素。晶体结构不同于组成化合物的任一元素。 l高熔点；高硬度；高脆性。高熔点；高硬度；高脆性。 （2）金属化合物对性能的影响）金属化合物对性能的影响 弥散强化弥散强化:极细小的金属化合物均匀弥散的分布在固溶体极细小的金属化合物均匀弥散的分布在固溶体 或纯金属中使其强度、硬度明显提高的现象。或纯金属中使其

47、强度、硬度明显提高的现象。 正常价化合物正常价化合物 l 严格按原子价结合的；严格按原子价结合的； l 有固定成分的；有固定成分的； l 可用化学式表示的可用化学式表示的 一般是金属性强的元素与非金属或金属性弱的元素组一般是金属性强的元素与非金属或金属性弱的元素组 成的化合物。如：成的化合物。如：MgMg2 2SiSi；MgMg2 2SnSn；MgMg2 2PbPb；MnSMnS等）等） （3）分类）分类 l 按一定的电子浓度规律；按一定的电子浓度规律； l 不同的电子浓度，对应不同的晶体结构。不同的电子浓度，对应不同的晶体结构。 如：如：C=3/2C=3/2；体心立方晶格的体心立方晶格的相相

48、CuZnCuZn。 C=21/13 C=21/13；复杂立方晶格的复杂立方晶格的相相CuCu5 5ZnZn8 8。 C=7/4 C=7/4；密排六方晶格的密排六方晶格的相相CuZnCuZn3 3。 电子化合物电子化合物 间隙化合物间隙化合物 l 间隙相：非金属原子半径间隙相：非金属原子半径/ /金属原子半径金属原子半径0.590.59； 具有简单晶格的间隙化合物具有简单晶格的间隙化合物: :VC、WC、TiC l间隙化合物：非金属原子半径间隙化合物：非金属原子半径/金属原子半径金属原子半径0.59； 形成复杂晶格的间隙化合物形成复杂晶格的间隙化合物:Fe3C、Cr23C6、Cr7C3、 Fe4

49、W2C 二二、二元合金相图二元合金相图 相 组织 相图测定 相图相图(状态图或平衡图状态图或平衡图)：用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶 过程的简明图解。 配不同合金 测定冷却曲线 Tt曲线 转换 T成分曲线 相图分析 按相填图 分析合金组织转变 杠杆定理（计算相组成） 计算组织组成 按组织填图。 1、二元合金相图的建立、二元合金相图的建立 （1）配制一系列成分不同的Cu-Ni合金 （2）用热分析法测出各合金的冷却曲线 （3）找出各冷却曲线上的临界点 （4）将各个合金的临界点分别标注在 温度成分坐标图中相应的合金线上 （5）连接各相同意义的临界点，所得的线称为相界线相界线 临界点临界点:

50、合金结晶起始温度和结晶终止温度。合金结晶起始温度和结晶终止温度。 纯金属结晶平台，合金结晶温度区间。纯金属结晶平台，合金结晶温度区间。 相界线相界线 : 液相线 固相线 三个相区 ：液相区 “L” ; 固相 “”; 液相+固相 “L+” 2、使用二元相图的基本方法、使用二元相图的基本方法 表象点表象点 坐标系平面中任一点均称“表象点表象点”，可以知道此点温度温度成分成分条件 下，合金处于何状态或何种相结构、何种组织。 确定某合金的相变温度确定某合金的相变温度 做某合金成分的垂线垂线与相图曲线交点交点对应温度为相变温度。 杠杆定律杠杆定律 用途：用于两相区用途：用于两相区 确定两平衡相的成分，确