1、工程材料与成型工艺工程材料与成型工艺1ppt课件目目 录录第一章第一章第二章第二章第三章第三章第四章第四章第五章第五章第六章第六章第七章第七章第八章第八章第九章第九章第十章第十章第十一章第十一章练习题练习题2ppt课件绪论要述机器生产过程机器生产过程一、工程材料及成形工艺在制造业中的应用一、工程材料及成形工艺在制造业中的应用机器生产过程：原材料机器生产过程：原材料毛坯毛坯零件零件机器机器机器制造方法：原材料选取择与改性（热处机器制造方法：原材料选取择与改性（热处理）、毛坯成形（铸、锻、焊等）、零件成形理）、毛坯成形（铸、锻、焊等）、零件成形（切削加工等）与装配（切削加工等）与装配。正确选择原材
2、料与成形方法、合理确定加工路线正确选择原材料与成形方法、合理确定加工路线 关系到产品的关系到产品的质量质量、使用、使用寿命寿命、生产、生产成本成本、生、生产产周期周期与经济与经济效益效益。 热处理热处理原原材材料料毛坯毛坯机器机器零件零件热处理热处理铸造铸造锻压锻压焊接焊接装配装配切削切削加工加工工程材料、成形工艺工程材料、成形工艺应用举例应用举例机床机床主要用材：钢、铸铁、铜合金等主要用材：钢、铸铁、铜合金等车床车床汽车汽车主要用材：钢铁、非铁金属、塑料、橡胶等目前世界上拥有目前世界上拥有5亿多辆汽车，年产汽亿多辆汽车，年产汽车车5千多万辆，年消耗材料占世界总量：千多万辆，年消耗材料占世界总
3、量：24的钢铁材料、的钢铁材料、58的橡胶、的橡胶、46的石油。的石油。 发动机罩发动机罩（钢板，冲压）（钢板，冲压）前灯：前灯：透镜（玻璃）透镜（玻璃）聚光罩（钢板冲压）聚光罩（钢板冲压）前窗玻璃前窗玻璃（钢化玻璃或（钢化玻璃或夹层玻璃）夹层玻璃）车门车门（钢板，冲压）（钢板，冲压）顶盖顶盖（钢板、冲压）（钢板、冲压）轮胎轮胎（橡胶，压出）（橡胶，压出）挡泥板挡泥板（钢板，冲压）（钢板，冲压）仪表板仪表板（钢板，冲压）（钢板，冲压）（塑料，注射）（塑料，注射）（镁合金，铸造）（镁合金，铸造）汽车用材及成形方法示例钢在汽车上的应用钢在汽车上的应用南浦大桥南浦大桥建筑、桥梁建筑、桥梁主要用材：钢
4、（轧制）主要用材：钢（轧制）江阴长江大桥江阴长江大桥浦东国际机场浦东国际机场钢材钢材钢丝绳钢丝绳铝及其合金的应用铝及其合金的应用活活塞塞门门窗窗民用客机（波音民用客机（波音747）钛及其合金的应用钛及其合金的应用中华世纪坛时中华世纪坛时空探针空探针航天航天飞机飞机铸造成形铸造成形汽缸体汽缸体铸件铸件端盖铸件端盖铸件锻压成形锻压成形锻造锻造冲压冲压锻件锻件冲压件冲压件焊接焊接焊接示范焊接示范焊接容器焊接容器焊接件焊接件零件成形法零件成形法数控车床数控车床数控铣床数控铣床车床车床二、材料及成形工艺的历史与发展趋势二、材料及成形工艺的历史与发展趋势 材料在人类历史中具有里程碑的意义 石器时代、青铜时
5、代、铁器时代、钢铁时代、高分子材料时代、复合材料时代 新产品依赖于材料和制造工艺水平的高低 司母戊方鼎（商）司母戊方鼎（商） 青铜，铸于商朝，青铜，铸于商朝，司母戊鼎通高司母戊鼎通高133厘米厘米,横长横长110厘米厘米,宽宽78厘米，重厘米，重875公斤，公斤，纹饰华美纹饰华美永乐大钟（明）永乐大钟（明）青铜，铸于青铜，铸于14201420年，为明成祖朱棣亲自设计。年，为明成祖朱棣亲自设计。重重46.546.5吨，铸有吨，铸有2323万经文万经文铁器（战国）铁器（战国） 。 铸铁，各种农具铸铁，各种农具丹麦国皇头盔丹麦国皇头盔（铝）（铝）纽约世贸大厦纽约世贸大厦钢结构房屋框架、铝合金贴面钢结
6、构房屋框架、铝合金贴面远程教远程教学：学：信息高速公路信息高速公路（光导纤维） 信息高速公路的“路面”光导纤维光导纤维：光在具有全内反射性能的玻璃纤维里进行传导 现代通信现代通信三、本课程的性质、任务、目标三、本课程的性质、任务、目标 课程性质：本课程是高职高专机电类各专业必修的综合性技术基础课。 课程任务：为学习其他有关课程和从事工业工程生产第一线技术工作奠定必要的基础，培养高职应用性人才的技术文化修养 教学目标：“三选一线”选材、选改性方法、选毛坯成形方法，确定并分析加工工艺路线 课程特点：实践性、综合性、应用性 教学方法： 教（讲课、录像或计算机辅助、现场） 学（理解、分析、记忆 。课堂
7、、实践、课后。课堂作业、单项训练、综合训练）课程目标：课程目标：课程目标：课程目标：课程目标：课程目标： “三选一线三选一线三选一线三选一线三选一线三选一线”：学学学学学学 以以以以以以 致致致致致致 用用用用用用* * * * * * * * * * * * *教学原则：教学原则：教学原则：教学原则：教学原则：教学原则：第一章第一章 工程材料的分类及力工程材料的分类及力学性能学性能第一节第一节 工程材料的分类工程材料的分类 （Classification of engineering materials）分类分类（classification）：工程材料种类繁多，常见分类方法。 按成分分类按
8、成分分类金属材料金属材料高分子材料高分子材料Metallic MaterialsPolymeric Materials30ppt课件按成分分类按成分分类四者的关系四者的关系陶瓷材料陶瓷材料复合材料复合材料Ceramic MaterialsComposite Materials31ppt课件第二节第二节 工程材料的力学性能工程材料的力学性能（mechanical properties of engineering materials）一、金属材料的性能一、金属材料的性能二、金属材料的力学性能二、金属材料的力学性能定义定义：指材料在各种载荷（静载荷、动载荷）各种载荷（静载荷、动载荷）下下表现出来的
9、性能。铸造性铸造性 可锻性可锻性可焊性可焊性切削加工性切削加工性热处理性热处理性 金属材料的性能金属材料的性能 使用性能使用性能力学性能力学性能物理性能物理性能化学性能化学性能 工艺性能工艺性能32ppt课件33ppt课件1.强度强度（strength）和）和塑性塑性（plasticity） 金属材料的强度、塑性指标是在金属材料的强度、塑性指标是在万能拉伸试验机万能拉伸试验机上通上通过过拉伸试验拉伸试验测定的。测定的。拉伸试验拉伸试验拉伸试验机拉伸试验机拉伸试样拉伸试样拉伸试样的缩颈拉伸试样的缩颈34ppt课件材料的拉伸曲线材料的拉伸曲线（以低碳钢为例）（以低碳钢为例）1 1）oeoe段段：直
10、线、弹性变性：直线、弹性变性2）es段段：曲线、微量塑性变形阶段。：曲线、微量塑性变形阶段。3）ss段段：屈服阶段。：屈服阶段。4）sb段段：大量塑性变形阶段。：大量塑性变形阶段。5）bk段段：缩颈阶段。：缩颈阶段。essbk伸长量伸长量载荷载荷F0FeFsFb 在低碳钢拉伸曲线中，在低碳钢拉伸曲线中，把把F-l坐标换成坐标换成 -（应力（应力应变）就可以直接在图上读应变）就可以直接在图上读出力学性能指标。出力学性能指标。35ppt课件1）弹性极限）弹性极限(elastic limit）定义定义：指材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力最大应力值值。用用e 表示，单位表示，单位MPa。e F
11、e / S0 式中Fe弹性极限载荷( N )； S0试样原始横截面积( mm2)2）弹性模量）弹性模量（elastic modulus）定义定义：指材料在弹性变形阶段内，直线的斜率直线的斜率。以以E来表示，单位为来表示，单位为MPa。强度强度（strength）定义定义：材料抵抗抵抗外力作用下变形和断裂变形和断裂的能力。36ppt课件 3）屈服强度）屈服强度（yield strength）定义定义：表示材料发生明显塑性变形时的最低应力值。最低应力值。 用用s表示，单位为表示，单位为MPa(MPa(N/mm2=1MPa) )。 对于没有明显屈服强度的材料，如铸铁、高碳钢铸铁、高碳钢等，测定困难，
12、通常规定产生0.2%塑性变形时的应力作为条件屈服强度条件屈服强度，用0.20.2表示。对于一般机械零件而言，一般不允许发生对于一般机械零件而言，一般不允许发生塑性变塑性变形。形。 s=Fs/S0 式中：式中： Fs为屈服时的最小载荷（为屈服时的最小载荷（N）；）；S0为试样原始截面积（为试样原始截面积（mm2）国标规定国标规定，应区分为，应区分为上屈服强度上屈服强度su和和下屈服强度下屈服强度sL，37ppt课件大炮长时间发射，若炮膛材料发生塑性变形，大炮长时间发射，若炮膛材料发生塑性变形，影响炮弹发射的精度和易发生自爆。影响炮弹发射的精度和易发生自爆。 4）抗拉强度）抗拉强度（tensile
13、 strength）定义定义：指材料在拉断前所承受的最大应力。用最大应力。用b表示，表示，单位单位MPa。注：注： s和和b是设计和选材时的主要依据。是设计和选材时的主要依据。 举例举例塑性塑性（plasticity）定义定义：在外力作用下产生永久变形而不破坏永久变形而不破坏的能力。判据判据：断后伸长率断后伸长率、断面收缩率。、断面收缩率。b=Fb/S0 式中：式中：Fb最大外力最大外力 （N）；）；S0试样横截面积试样横截面积 （mm2）38ppt课件1 1）断后伸长率断后伸长率(elongation after fracture)定义定义：指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度标距的伸长量与
14、原标距长度的百分比。用用表示表示。无单位。无单位。2 2）断面收缩率）断面收缩率(reduction of area)定义定义：指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与最大缩减量与原始横截面积原始横截面积的百分比。用用 表示表示 。无单位。无单位。d0L0长试样（长试样（10）：）：L0=10d0短试样短试样(5)：L0=5d0 =(L1-L0)/L0100式中式中：L1断后标距；断后标距； L0原始标距。原始标距。39ppt课件 =(S0-Su)/S0100 式中：式中：S0原始横截面积；原始横截面积；Su断后最小横截面积。断后最小横截面积。 材料的材料的和和数值越大，表示材料塑性越好，可用
15、锻数值越大，表示材料塑性越好，可用锻压等压力加工方法成形；压等压力加工方法成形；表达材料塑性时，表达材料塑性时，通常用断后伸通常用断后伸长率长率表示。表示。n某工厂买回一批材料（要求：某工厂买回一批材料（要求：s230MPa； b410MPa；523%；50%）。做短试样（）。做短试样（0=50；0=10mm）拉伸试验，结果如下：）拉伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？问买回的材料合格吗？举例举例解：解： 根据试验结果计算如下：根据试验结果计算如下：sFss0(19x1000)/(3.14x52 )=242 230MP
16、a bFb s0(34.5x1000)/(3.14x52 )=439.5 410MP5 l l 0 x100% (63.1-50)/50 x100%=26.2% 23% S S 0 x100% 60.31% 50%40ppt课件 目前金属材料室温拉伸试验方法采用目前金属材料室温拉伸试验方法采用GB/T228-2002新标新标准，由于目前原有的金属材料力学性能数据是采用旧标准准，由于目前原有的金属材料力学性能数据是采用旧标准进行测量和标注的，所以，原有旧标准仍然沿用。关于金进行测量和标注的，所以，原有旧标准仍然沿用。关于金属材料强度与塑性的新、旧标准名词和符号对照见表属材料强度与塑性的新、旧标准
17、名词和符号对照见表1-1。41ppt课件2.硬度（硬度（hardness）定义定义：指材料抵抗局部变形抵抗局部变形的能力。硬度是衡量材料硬度是衡量材料软硬程度的判据。软硬程度的判据。最常用的硬度指标有：最常用的硬度指标有：布氏硬度和洛氏硬度。布氏硬度和洛氏硬度。（1 1）布氏硬度）布氏硬度( Brinell hardness) 1）试验原理）试验原理布氏硬度试验机布氏硬度试验机42ppt课件 2）表示方法）表示方法HBS选用选用淬火钢球压头淬火钢球压头，适用范围：，适用范围：小于小于450； HBW选用选用硬质合金压头硬质合金压头，适用范围：，适用范围：450650。表示法表示法：数字在前、字
18、母在后数字在前、字母在后。如。如200HBS200HBS，I50HBSI50HBS175HBS175HBS；标注时不要写成；标注时不要写成HBS=200HBS=200，或，或HBS=150HBS=150175175，或，或500HBS500HBS，不要出现单位不要出现单位；数值差不要超过；数值差不要超过3030。 3）特点）特点优点优点：测量误差小，数据稳定，重复性强。测量误差小，数据稳定，重复性强。缺点缺点：压痕较大，操作慢，不适用成品件和薄形件。压痕较大，操作慢，不适用成品件和薄形件。 4）应用范围）应用范围 常用于测量常用于测量较软材料较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火、灰铸铁、有色金
19、属、退火正火钢材的硬度。钢材的硬度。43ppt课件(2)(2)洛氏硬度洛氏硬度（Rockwall Hardness） 1）试验原理）试验原理洛氏硬度试验机洛氏硬度试验机44ppt课件 2）表示方法）表示方法数字在前、字母在后，如数字在前、字母在后，如45HRC45HRC；35HRC35HRC38HRC38HRC。HRCHRC适用范围数值适用范围数值20206767；小于或大于这个范围均为标；小于或大于这个范围均为标注错误！如注错误！如17HRC17HRC；HRC=15HRC=151919等。等。在图纸标注时注意数值差应在图纸标注时注意数值差应55，否则为标注错误。，否则为标注错误。 3）常用标
20、尺）常用标尺 有有A 、 B、C三种：三种： HRA，硬质合金、表面硬质合金、表面淬火层或渗碳层；淬火层或渗碳层； HRB，有色金属和退火、正火钢有色金属和退火、正火钢等；等； HRC，调质钢、淬火钢等调质钢、淬火钢等注意注意：HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比不可直接比较大小较大小例如：例如： 50HRC70HRA 50HRC40HRC 100HRB40HRC 45ppt课件 5）应用范围）应用范围 可用于成品和薄件，但不宜测量组织粗大不均匀的可用于成品和薄件，但不宜测量组织粗大不均匀的材料材料 ；适用于测量；适用于测量硬度较高的材料硬度较高的材料，如淬火钢件、，如淬火钢件、硬
21、硬质合金等材料质合金等材料。 4）特点）特点优点优点：测量迅速、简便、压痕小、测量范围大，测量迅速、简便、压痕小、测量范围大，能测能测较薄工件。较薄工件。 缺点缺点：压痕小，硬度波动大，为提高精度通常测定三压痕小，硬度波动大，为提高精度通常测定三个不同点取平均值。个不同点取平均值。 （注：布氏硬度值和洛氏硬度值之间的关系大致（注：布氏硬度值和洛氏硬度值之间的关系大致为为10HBS=1HRC）。）。46ppt课件3.冲击韧度冲击韧度（韧性）（韧性）(impact toughness)定义定义：材料抵抗冲击载荷冲击载荷作用而不破坏的能力。常用一次一次摆锤冲击弯曲试验摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样
22、冲击吸收功冲击吸收功,用符号 Ak 表示，Ak = mgH - mgh (J)，冲击韧度值ak 就是试样缺口试样缺口处单位面积上所消耗的冲击功处单位面积上所消耗的冲击功。 akAK/S ，单位单位J/cm2。47ppt课件ak值低值低脆性材料脆性材料：断裂时无明显变形，金属光泽。断裂时无明显变形，金属光泽。ak值高值高韧性材料韧性材料：明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽。明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽。48ppt课件Titanic 含硫高的钢板，含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢型的脆性断口
23、。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好板的冲击试样则具有相当好的韧性。的韧性。Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic沉没原因沉没原因49ppt课件2008年年12月月1日，南方大部分地区发生雪灾，造日，南方大部分地区发生雪灾，造成直接经济损失成直接经济损失1111亿元。亿元。 50ppt课件4.疲劳强度疲劳强度(fatigue strength) 疲劳强度疲劳强度：指材料经无数次交变载荷作用而不断裂的最大应力值。对于对称循环交变应力的疲劳强度用用-1表示，单位为MPa。疲劳现象疲劳现象： 承受载荷的大小和
24、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。（80%的断裂由疲劳造成）的断裂由疲劳造成）国标规定：国标规定：对于钢铁材料，一般规定疲劳极限对应的对于钢铁材料，一般规定疲劳极限对应的应力循环次数为应力循环次数为107，有色金属及合金为，有色金属及合金为108。51ppt课件n合理选材；n注意其结构形状，避免应力集中，减少缺陷；n提高表面光洁度和表面强化等方法。那么怎样提高零件的疲劳强度呢？那么怎样提高零件的疲劳强度呢？ ? -1-1 = (0.45 = (0.450.55)0.55)b b碳素钢的疲劳强度和抗拉强度关系：碳素钢的疲劳强度和抗拉强
25、度关系：52ppt课件本章小结载载荷荷类类型型力学性能指标力学性能指标名称名称表示表示符号符号单位或单位或范围范围内涵内涵特点及用途特点及用途静静载载荷荷强度（材强度（材料抵抗永料抵抗永久变形和久变形和断裂的能断裂的能力）力）屈服强屈服强度度sMpa塑性材料开始产生屈塑性材料开始产生屈服时的最低应力值服时的最低应力值评定材料优劣指标；评定材料优劣指标；检验材质合格与否检验材质合格与否的标准；机械零件的标准；机械零件设计、选材的定量设计、选材的定量依据依据条件屈条件屈服强度服强度0.2Mpa无屈服点材料产生无屈服点材料产生0.2%变形时的应力值变形时的应力值抗拉强抗拉强度度bMpa材料断裂前所能
26、承受材料断裂前所能承受的最大应力值；脆性的最大应力值；脆性材料设计计算的依据材料设计计算的依据塑性（材塑性（材料产生永料产生永久变形而久变形而不断裂的不断裂的能力）能力）断后伸断后伸长率长率试样拉断后标距长度试样拉断后标距长度伸长的百分率伸长的百分率零件设计选材的参零件设计选材的参考依据，安全工作考依据，安全工作的可靠保证。一般的可靠保证。一般A5%、Z10%可满足大多数零件可满足大多数零件的使用要求的使用要求断面收断面收缩率缩率试样断裂处横截面积试样断裂处横截面积收缩的百分率收缩的百分率53ppt课件静静载载荷荷硬度（材硬度（材料或零件料或零件抵抗局部抵抗局部变形的能变形的能力）力）布氏硬布
27、氏硬度度HBSHBW450450-650通过测量球通过测量球形压痕直径形压痕直径计算精度计算精度测量误差小，数据稳测量误差小，数据稳定，常用来测毛坯或定，常用来测毛坯或半成品零件，压痕大，半成品零件，压痕大，不宜测成品不宜测成品洛氏硬洛氏硬度度HRC20-67通过测量残通过测量残余压痕深度余压痕深度增量获得硬增量获得硬度度测量简便、压痕小，测量简便、压痕小，适宜测较硬材料及成适宜测较硬材料及成品零件，不宜测组织品零件，不宜测组织不均材料不均材料动动载载荷荷韧性（材韧性（材料断裂前料断裂前吸收变形吸收变形能量的能能量的能力）力）冲击吸冲击吸收功收功AKJ材料抗冲击材料抗冲击而不破坏的而不破坏的能
28、力能力受冲零件选材、检验受冲零件选材、检验依据，防止零件低应依据，防止零件低应力脆断设计依据力脆断设计依据变变载载荷荷疲劳强度疲劳强度（材料抵（材料抵抗循环交抗循环交变应力的变应力的能力）能力）疲劳强疲劳强度度-1Mpa材料抵抗对材料抵抗对称循环弯曲称循环弯曲应力的能力应力的能力承受循环交变载荷零承受循环交变载荷零件的选材，检验依据件的选材，检验依据54ppt课件第二章第二章 金属学基础金属学基础（metallography base）55ppt课件教学目的教学目的： 为了后续课程的开展，简要介绍金属的为了后续课程的开展，简要介绍金属的晶体结构、结晶和合金的结构、相图。晶体结构、结晶和合金的结
29、构、相图。重点重点： 掌握金属的晶体结构及同素异构转变；掌握金属的晶体结构及同素异构转变；金属的结晶过程及合金的结构。金属的结晶过程及合金的结构。难点难点： 金属的结晶过程金属的结晶过程。课堂练习：课堂练习：练习题练习题56ppt课件第二章第二章 金属学基础金属学基础第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构 Crystal Structure of Metals结构：结构：物质内部原子的在空间的分布和排列情况空间的分布和排列情况。一、晶体与非晶体一、晶体与非晶体（crystal and non-crystal）固态物质的存在形式：固态物质的存在形式：晶体和非晶体晶体和非晶体。为什么要研究金属
30、的结构？为什么要研究金属的结构？晶体晶体（crystal）：原子（离子、分子）在原子（离子、分子）在三维空间作有三维空间作有规则的周期性重复排列规则的周期性重复排列所构所构成的物体。成的物体。57ppt课件非晶体非晶体（non- crystal）：原子在三维空间原子在三维空间呈呈无序排列无序排列的固体，如普通玻璃、石蜡、松的固体，如普通玻璃、石蜡、松香等香等。区别区别：晶体具有固定的熔点具有固定的熔点，各向异性（各向异性（anisotropy）。非晶体无固定的熔点无固定的熔点，各向同性（各向同性（isotropy）。注意注意：晶体和非晶体在一定条件下可以互相转化。晶体和非晶体在一定条件下可以互
31、相转化。二、晶体结构的基本概念二、晶体结构的基本概念（basic concept of crystal structure）晶格晶格（crystal lattice）：用假想的几何线条把抽象成为一个点的各原子中心连接起来而形成的几何空间格架几何空间格架。58ppt课件晶胞晶胞(Unite cells)：从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的、晶格特征的、最小的几何单元最小的几何单元。晶格常数晶格常数(lattice constant)：晶胞中各棱边的长度a、b、c 。在晶体学中，通常以棱边长度a、b、c和棱面夹角、来表示晶胞的形状和大小，如图c所示。59ppt课件三、典型金属的晶体结构三、典型
32、金属的晶体结构（crystal structure of the metal）常见金属的常见金属的晶体结构晶体结构1.体心立方晶格体心立方晶格（body-centered cubic bcc）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60ppt课件2.2.面心立方晶格面心立方晶格（face-centered cubic fcc）3.3.密排六方晶格密排六方晶格（Hexagonal Closed-Packed hcp）61ppt课件晶格类型晶格类型体心立方晶格体心立方晶格 bcc面心立方晶格面心立方晶格fcc密排六方晶格密排六方晶格hcp晶胞结构晶胞结构性能性能塑性
33、较好塑性较好塑性优于体心立塑性优于体心立方晶格的金属方晶格的金属脆性较大脆性较大晶胞内原子数晶胞内原子数原子半径原子半径致密度致密度 0.68 0.74 0.74典型金属典型金属-Fe、钼、钼( Mo ) ; 钨钨 ( W ) ; 钒钒 ( V ) -Fe、金、金 ( Au ) ; 银银 ( Ag ) ; Cu 等等Mg、Zn、镉、镉 ( Cd )等等62ppt课件四、金属的同素异构转变四、金属的同素异构转变（allotropic transformation of metal）现象现象：加热时铁丝伸长，到912开始收缩收缩。若冷却时从1000 到到912 出现伸长伸长现象。铁丝加热实验示意图
34、铁丝加热实验示意图铁丝铁丝标尺标尺支架支架63ppt课件举例举例定义定义：同一种元素同一种元素在固态下固态下由于温度变化而发生晶晶体结构体结构的变化。如铁、铬、锡如铁、铬、锡（典故典故）、钴、钛等、钴、钛等 1394153410006008001200温度温度时间时间16001500500700900110013001400912-Fe -Fe-Fe纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变64ppt课件性能变化性能变化：当晶体结构改变晶体结构改变时，金属的性能性能(如体积、强度、塑性、磁性、导电性体积、强度、塑性、磁性、导电性等)往往要发生突变突变。钢铁材料钢铁材料之所以能通过热处理能通过热处理来
35、改变性能改变性能，原因之一就是因其具有同素异构转变具有同素异构转变。五、实际金属的晶体结构五、实际金属的晶体结构 （crystal structure of metal）单晶体单晶体多晶体多晶体读书破万卷读书破万卷下笔如有神下笔如有神65ppt课件1.金属的多晶体结构金属的多晶体结构 （polycrystal structural of metal） 实际使用的金属大都是多晶体结构，即它是由许多不同位向的小晶体组成，如图所示。晶粒晶粒（grain）：外形不规则，呈颗粒状的小晶体。晶界晶界（grain boundary）：晶粒与晶粒之间的界面。66ppt课件2.2.晶体的缺陷晶体的缺陷（crys
36、tal defects）定义定义：偏离晶体完整性的微观区域。按缺陷的几何形状按缺陷的几何形状点缺陷点缺陷 (point defect)线缺陷线缺陷（line defect）面缺陷面缺陷 (plane defect)金属的实际晶体结构和理想晶体结构区别：金属的实际晶体结构和理想晶体结构区别：实际晶体结构不仅是多晶体多晶体，而且还有各种缺陷各种缺陷。这些缺陷对金属的物理、化学和力学性能影响很大，特别对塑性、强度、塑性、强度、硬度等起着决定性作用硬度等起着决定性作用。 人生的价值，并不是用时间，而是用深度人生的价值，并不是用时间，而是用深度去衡量的。去衡量的。 列夫列夫托尔斯泰托尔斯泰 67ppt课
37、件（1）点缺陷）点缺陷：常见有空位、置换原子、间隙原子空位、置换原子、间隙原子。空位空位置换原子置换原子间隙原子间隙原子68ppt课件（2）线缺陷）线缺陷：就是位错（位错（dislocation）-有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。钛合金中钛合金中的位错线的位错线69ppt课件（3 3）面缺陷）面缺陷：呈面状分布的缺陷。面缺陷通常是指晶晶界和亚晶界。界和亚晶界。工业纯铁工业纯铁的晶界的晶界晶界晶界亚晶界亚晶界ABCD晶体缺陷对性能的影响晶体缺陷对性能的影响使实际金属强度远远小于理想金属的强度；使实际金属强度远远小于理想金属的强度；对实际金属来说，晶体缺陷越多（尤其位错），强对实际金属来
38、说，晶体缺陷越多（尤其位错），强度硬度越高，塑韧性越差。度硬度越高，塑韧性越差。70ppt课件第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶(crystallization of pure metal)p凝固凝固(solidification)：液体液体-固体（晶体或非晶体）固体（晶体或非晶体）p结晶结晶( (crystallization) )：液体液体-晶体晶体液态金属结构液态金属结构固态金属结构固态金属结构71ppt课件一、金属结晶的基本规律一、金属结晶的基本规律 (basic law of metal crystallization)1.冷却曲线与过冷现象冷却曲线与过冷现象冷却曲线冷却曲线(c
39、ooling curve)：通过热分析的方法通过热分析的方法 ，测得液，测得液体金属在结晶时的温度体金属在结晶时的温度-时间曲线。时间曲线。 72ppt课件To时间时间温度温度理论冷却曲理论冷却曲线线实际冷却曲线实际冷却曲线Tn结晶平台结晶平台纯金属结晶时的冷却曲线纯金属结晶时的冷却曲线73ppt课件过冷度过冷度T（degree of supercooling ）：理论结晶温度与实际结晶温度的差值。即即T0-Tn=T。过冷是结晶的必过冷是结晶的必要条件！要条件！影响过冷度的因素：影响过冷度的因素：金属种类种类不同，过冷度的大小也不同；金属的纯度纯度越高，则过冷度越大。对于同一种金属而言，过冷度
40、的大小主要取决于冷却速冷却速度度。 冷却速度越大，过冷度越大。过冷现象过冷现象(supercooling phenomena)：金属的实际结晶温实际结晶温度度Tn低于理论结晶温度理论结晶温度T0T0的现象。 74ppt课件液态金属形核晶核长大完全结晶2.2.结晶的一般过程结晶的一般过程晶体晶体液体液体结晶结晶75ppt课件形核方式形核方式自发形核（均质形核）自发形核（均质形核）非自发形核（非均质形核）非自发形核（非均质形核）注意：自发形核和非自发形核在金属结晶时是注意：自发形核和非自发形核在金属结晶时是同同时进行时进行的，但的，但非自发形核常起优先和主导作用非自发形核常起优先和主导作用。 76
41、ppt课件晶体的生长方式晶体的生长方式实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大。实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大。 二、金属结晶后的晶粒大小 （grain size after metal crystallization） 一般来说，在常温下工作的金属，一般来说，在常温下工作的金属，晶粒越细晶粒越细小，其强度、硬度、塑性、韧性越高。小，其强度、硬度、塑性、韧性越高。 77ppt课件两组大小不同的鸡蛋受力情况两组大小不同的鸡蛋受力情况举例举例结果结果：小鸡蛋不易碎，小鸡蛋不易碎， 大鸡蛋容易碎。大鸡蛋容易碎。FF78ppt课件 金属结晶后晶粒大小取决于形核率形核率N晶核形成数目（m3
42、.s）和长大率长大率G（m/s）的比值。工业上常用细化晶粒方法工业上常用细化晶粒方法：（1 1）增加过冷度）增加过冷度V V冷冷T TN N晶粒细小晶粒细小冷速过快冷速过快 变形、开裂变形、开裂,只适用于小铸件，简单件只适用于小铸件，简单件79ppt课件（2 2）变质处理）变质处理( (inoculation) ) 在液体金属中加入在液体金属中加入变质剂变质剂(modifying agent)，以以细化晶粒和改善组织的工艺措施。细化晶粒和改善组织的工艺措施。常用于大铸件，实际效常用于大铸件，实际效果较好果较好 （3 3）振动或搅拌）振动或搅拌 机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。机械振动、超声振
43、动，或电磁搅拌等。振动的作用：振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。变质剂的作用：变质剂的作用：作为非自发形核的核心或阻碍晶粒长大。作为非自发形核的核心或阻碍晶粒长大。电机硅钢片电机硅钢片变压器硅钢片变压器硅钢片80ppt课件第三节第三节 合金的结构合金的结构(microstructure of the alloy)一、合金的基本概念一、合金的基本概念(basic concept of the alloy)合金合金（alloy）：由两种或两种以上两种或两种以上金属元素或者金属元素与非金属元素组成的具有金属特性金属特性的物质。如：黄铜等。组元组元（c
44、omponent）：）： 组成合金最基本的、独立的物质最基本的、独立的物质。如：黄铜 CuZn；硬铝 AlCu 都称二元合金。 一般来说，组元可以是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物。 合金系合金系 ：有两个或两个以上两个或两个以上的组元按不同配比不同配比，配制出一系列不同成分、不同性能不同成分、不同性能的合金。这一系列合金构成了一个合金系统，简称合金系。 业精于勤荒于嬉，行成于思毁于随。业精于勤荒于嬉，行成于思毁于随。 韩愈韩愈 81ppt课件相相（phase）：成分相同，结构相同成分相同，结构相同，与其他部分有界面界面分开分开的部分。如均匀的液体称为单相，液相和固相同时存在称为两相。组织
45、组织 （structure）：）：指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌 。它是相的集合。它是相的集合。二、合金的相结构二、合金的相结构(phase structure of the alloy)定义：定义：指合金中相的晶体结构。指合金中相的晶体结构。分类分类固溶体固溶体 金属化合物金属化合物82ppt课件1.1.固溶体固溶体（solid solution）定义：定义：指溶质原子溶入固态溶剂溶质原子溶入固态溶剂中，并保持溶剂晶格类保持溶剂晶格类型型而形成的相。工业中使用的金属材料，绝大部分是以固固溶体为基体的溶体为基体的。分类分类特征特征：总是以一种金属元素为溶剂，另一种或多种元素为溶质；保
46、有溶剂的晶格结构；成分可在一定范围内变化，性能随成分变化而变化；产生晶格畸变。83ppt课件固溶体的形成对金属性能的影响固溶体的形成对金属性能的影响 固溶强化固溶强化（solution strengthening）：通过溶质原子的溶入形成固溶体以提高合金强度和硬度的现象。固溶强固溶强化是金属强化（弱）的重要方式之一。化是金属强化（弱）的重要方式之一。 2.2.金属化合物金属化合物（）定义：定义：是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金金属特性属特性的一种新相新相。特征：特征：可以用化学式表示，但与普通化学物不同，不一定遵守化合价规律。可分为正常价化合物，电子化合物，间正常价化合物，电子化合物
47、，间隙化合物；隙化合物；一定程度上具有金属的性质金属的性质；晶格结构完全不同于不同于任一组元；性能：熔点高，硬而脆熔点高，硬而脆。84ppt课件例如例如 Fe与与CFe3C(渗碳体渗碳体- cementite)对合金性能的影响：对合金性能的影响： 当合金中出现适当的金属化合物适当的金属化合物时，通常能提高合金提高合金的强度、硬度和耐磨性，但塑性和韧性会降低。的强度、硬度和耐磨性，但塑性和韧性会降低。所以，金金属化合物是各类合金钢、硬质合金和许多有色金属合金的属化合物是各类合金钢、硬质合金和许多有色金属合金的重要强化相。重要强化相。 3.3.机械混合物机械混合物（mechanical mixtu
48、re）定义：定义：指由两种固溶体或固溶体和金属化合物所组成的混合物。如铁碳合金中铁素体和渗碳体结合形成珠光体。如铁碳合金中铁素体和渗碳体结合形成珠光体。特征特征：各相保持自己的晶格类型和性能特点。强度、硬度适中，目前钢铁材料中大部分都是这种组织。如铁碳合如铁碳合金中珠光体金中珠光体(P)；莱氏体；莱氏体(Ld)。85ppt课件第四节第四节 合金相图合金相图(alloy phase diagram)定义：定义：相图是利用图解方法表示合金的状态与温度、成分状态与温度、成分间的关系间的关系的图解，是表示合金系在平衡条件下，在不同温度、成分下的各相关系的图解。也称为平衡图或状态图平衡图或状态图 。一、
49、相图的建立一、相图的建立(phase diagram establishing)如：如：CuNi合金合金二元合金相图是通过二元合金相图是通过热分析实验法热分析实验法建立的。建立的。第一步第一步：先测定不同成分合金的冷却曲线；：先测定不同成分合金的冷却曲线；第二步第二步：确定冷却曲线上的结晶转变温度（临界点），：确定冷却曲线上的结晶转变温度（临界点），然后把这些点标注在温度然后把这些点标注在温度成分坐标图上；成分坐标图上；第三步第三步：把坐标图上的各相应点连接起来，就可得出该：把坐标图上的各相应点连接起来，就可得出该合金的相图。合金的相图。 86ppt课件二、匀晶相图二、匀晶相图定义：定义：当两
50、组元在液态和固态均无限互溶液态和固态均无限互溶的相图。 如Cu-Ni、Au-Ag、Au-Pt、W-Mo等。 1.1.相图分析相图分析（以以Cu-Ni为例为例 ）特点：特点：匀晶转变匀晶转变CuNi0100温度温度AB1083 1453LL+ WNi%点点：纯纯Cu熔点、纯熔点、纯Ni熔点熔点.线线：液相线、固相线液相线、固相线。相区相区：单相区单相区L、。 两相区两相区 L+。87ppt课件AB结晶过程分析：结晶过程分析：12LL+2.2.合金结晶过程分析合金结晶过程分析（1 1）平衡结晶过程）平衡结晶过程定义：定义：指合金在结晶过程中冷却速度无限缓慢冷却速度无限缓慢，原子扩散能够充分进行结晶
