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1、机械制造基础机械制造基础 -工程材料工程材料 全册配套最完整精品课件全册配套最完整精品课件3 工程材料工程材料 机械制造基础机械制造基础 - 第一章第一章 金属材料的性能金属材料的性能 Performance of Metal Material 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 金属材料的其他性能金属材料的其他性能 第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 一一.定义定义 : 力学性能是指材料在力的作用力学性能是指材料在力的作用 下抵抗变形和开裂的性能。下抵抗变形和开裂的性能。 二二.指标指标 : 弹性弹性 、 塑性塑性 、 韧性韧性 、 强度、强度、 硬度和疲劳强度等。硬度和疲

2、劳强度等。 三三.拉伸试验拉伸试验 拉伸试样拉伸试样 拉伸试验机拉伸试验机 拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象 四四.拉伸图拉伸图 b s e 1.弹性弹性( elasticity ):金属材料受外力作金属材料受外力作 用时产生变形用时产生变形,当外力去掉后能恢复当外力去掉后能恢复 到原来形状及尺寸的性能。到原来形状及尺寸的性能。 2.弹性变形弹性变形( elastic deformation ): 随载荷撤除而消失的变形。随载荷撤除而消失的变形。 3.弹性极限弹性极限( elastic limit ): Fe 弹性极限载荷弹性极限载荷( N ) e = ( M pa ) S0 试样原始横截

3、面积试样原始横截面积( mm2) 4.强度强度(strength): 材料在载荷作用下抵抗材料在载荷作用下抵抗 变形和破坏的能力。变形和破坏的能力。 (1)种类种类: 抗拉强度、抗拉强度、 抗压强度、抗压强度、 抗弯强抗弯强 度度 、 抗剪强度抗剪强度 、 抗扭强度等。抗扭强度等。 (2)屈服强度屈服强度( yield strength): 屈服点屈服点 S Fs s = ( M pa ) S0 试样屈服时的载荷试样屈服时的载荷( N ) 试样试样原始横截面积原始横截面积( mm2) (3)条件屈服强度条件屈服强度( 塑性变形量为塑性变形量为0.2%) (4)抗拉强度抗拉强度( tensile

4、 strength ): 试样在断裂前所能承受的最大应力。试样在断裂前所能承受的最大应力。 F0.2 0.2 = ( M pa ) S 0 试样原始横截面试样原始横截面( mm2) 试样产生试样产生0.2%残余塑性变残余塑性变 形时的载荷形时的载荷(N) F b 试样断裂前的最大载荷试样断裂前的最大载荷(N) b = ( M pa ) S 0 试样原始横截面积试样原始横截面积( mm2) 四四.塑性塑性(plasticity):是指材料在载荷作用下是指材料在载荷作用下 产生塑性变形而不被破坏的能力。产生塑性变形而不被破坏的能力。 (1)断面收缩率断面收缩率(percentage reducti

5、on in area): 是指试样拉断处横截面积是指试样拉断处横截面积S k 的收缩量与原始横截面积的收缩量与原始横截面积S0之比。之比。 S0 - S k = 100% S0 (2)伸长率伸长率(延伸率延伸率) specific elongation: 是指试样拉断后的标距伸长量是指试样拉断后的标距伸长量L k与与 原始标距原始标距L 0之比。之比。 L k L 0 = 100% L 0 10% 属塑性材料属塑性材料 五五.硬度硬度( hardness ):是指材料抵抗其他是指材料抵抗其他 硬物体压入其表面的能力。硬物体压入其表面的能力。 布氏硬度布氏硬度HB 洛氏硬度洛氏硬度HR 维氏硬度

6、维氏硬度HV 肖氏硬度肖氏硬度HS 锉刀法锉刀法 常用测量硬度的方法常用测量硬度的方法 (1)布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ) 布氏硬度计布氏硬度计 (1)布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ) 适用范围适用范围: v 450HBS; v 650HBW; (1)布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ) 符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬度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。直径、载荷及载荷保持时间。 如如: :120HBS1

7、0/1000/30表示表示直径为直径为10mm的的 钢球钢球在在1000kgf（9.807kN）载荷载荷作用下作用下保保 持持30s测得的测得的布氏硬度值为布氏硬度值为120。 (2)洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness ) h1-h0 洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图 洛氏硬度计洛氏硬度计 10HRCHBS (3)维氏硬度维氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness ) 适用范围适用范围: 测量薄板类测量薄板类 ; HVHBS ; 工工 件件 (4)肖氏硬度肖氏硬度 HS (drop hardness ) 254mm 2.5g h (

8、5) 锉刀法锉刀法: 一组硬度差为一组硬度差为5HRC的锉刀。例如的锉刀。例如: 10HRC、15HRC、20HRC等。等。 六六.冲击韧性冲击韧性( notch toughness ): 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏材料在冲击载荷作用下抵抗破坏 的能力。的能力。 冲击试验机冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图冲击试样和冲击试验示意图 试样冲断时所消耗的试样冲断时所消耗的冲击功冲击功A k为为: A k = m g H m g h (J) 冲击韧性值冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位就是试样缺口处单位 截面积上所消耗的冲击功。截面积上所消耗的冲击功。 AK a k = (J/cm) S0 七七

9、.疲劳强度疲劳强度( fatigue strength ): 表示材料经无数次交变载荷作表示材料经无数次交变载荷作 用而不致引起断裂的最大应力值。用而不致引起断裂的最大应力值。 钢材的循环次数钢材的循环次数一般取一般取 N = 107 有色金属的循环次数有色金属的循环次数一般取一般取 N = 108 钢材的钢材的疲劳强度疲劳强度与与抗拉强度抗拉强度之间的关系之间的关系: -1 = (0.45 (0.450.55)0.55) b 1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂 八八.比强度比强度 ( specific strength ): 材料的强度值与密度值之比。材料的强度值与密度值之比

10、。 名称名称密度密度 (g / cm3) 强度强度 ( Mpa ) 比强度比强度 纯铝纯铝2.7801003037 纯铁纯铁7.871802802336 纯钛纯钛4.540550090111 第二节第二节 金属材料的其他性能金属材料的其他性能 物理性能物理性能 化学性能化学性能 工艺性能工艺性能 本章的作业本章的作业 P 8 1. 3. 欢迎进入第二章学习内容欢迎进入第二章学习内容 工程材料工程材料 机械制造基础机械制造基础 - 机电工程学院 金工学部 王志海 第二章第二章 金属的晶体结构金属的晶体结构 Crystal Structure of Metal v晶体结构的基础知识晶体结构的基础知

11、识 v实际金属的体结构与晶体缺陷实际金属的体结构与晶体缺陷 第一节第一节 晶体结构的基础知识晶体结构的基础知识 一一.晶体与非晶体的基本概念晶体与非晶体的基本概念 1.晶体晶体 ( crystal ) 的基本概念的基本概念: 物体内部的原子物体内部的原子 ( 或分子或分子 ) 在三维在三维 空间中空间中 , 按一定规律作周期性排列按一定规律作周期性排列的固的固 体。体。 晶体物质所具有的性质晶体物质所具有的性质: 固定的熔固定的熔 点点; 各向异性各向异性等。等。 例如例如 , 所有的金属、所有的金属、 食盐等。食盐等。 2.非晶体非晶体 ( non- crystal )的基本概念的基本概念:

12、 物体内部的原子呈散乱分布物体内部的原子呈散乱分布, ,其其 物理和力学性能物理和力学性能各向同性各向同性。例如。例如, ,普普 通玻璃、松香等。通玻璃、松香等。 金属的结构金属的结构 晶晶 态态 非晶态非晶态 SiO2的结构的结构 非晶态非晶态晶态晶态 二二.晶体学晶体学(crystallography)的基本知识的基本知识 1.晶格晶格(crystal lattice): 用以描述晶体中用以描述晶体中 原子排列规律的原子排列规律的空间点阵格架空间点阵格架。 2.晶胞晶胞 ( unit cell ):能完全反映晶格特能完全反映晶格特 征的征的最小几何单元。最小几何单元。 3.晶格常数晶格常数

13、 ( lattice constant ) : c X Z Y O b a 4.晶系与布拉菲点阵晶系与布拉菲点阵 1855年年,法国学者布拉维法国学者布拉维(Bravais) 用数学方法证明了空间点阵共有且只用数学方法证明了空间点阵共有且只 能有能有十四种十四种,并归纳为并归纳为七个晶系七个晶系: 4.晶系与布拉菲点阵晶系与布拉菲点阵 1855年年,法国学者布拉维法国学者布拉维(Bravais) 用数学方法证明了空间点阵共有且只用数学方法证明了空间点阵共有且只 能有能有十四种十四种,并归纳为并归纳为七个晶系七个晶系: 1). 三斜晶系三斜晶系 a = b = c , = = = 90 ; 2)

14、. 单斜晶系单斜晶系 a = b = c , = = 90 = ; 3). 正交晶系正交晶系 a = b = c , = = = 90 ; 4). 六方晶系六方晶系 a = b = c , = 90 ,=120; 5). 菱方晶系菱方晶系 a = b = c , = = = 90 ; 6). 正方晶系正方晶系 a = b = c , = = = 90 ; 7). 立方晶系立方晶系 a = b = c , = = = 90 ; 布拉菲空间点阵晶胞布拉菲空间点阵晶胞 5.晶面晶面(crystal face): 在晶格中由在晶格中由一系一系 列原子所构成的平面列原子所构成的平面称为晶面。称为晶面。

15、6.晶面指数晶面指数(indices of crystallographic plane):用密勒用密勒(Miller)指数对晶格中指数对晶格中 某一晶面进行标定。某一晶面进行标定。 使用方法使用方法: 设置坐标设置坐标; 求截距求截距; 取倒数。取倒数。 7.晶向晶向(crystal direction): 在晶格中在晶格中,任任 意意两原子之间的连线所指的方向。两原子之间的连线所指的方向。 8.晶向指数晶向指数: 用密勒用密勒(Miller)指数对晶格指数对晶格 中某一原子排列在空间的位向进行标中某一原子排列在空间的位向进行标 定。定。 使用方法使用方法: 设置坐标设置坐标; 求截距求截距

16、; 取最小整数。取最小整数。 三三. .常见的三种晶体结构常见的三种晶体结构 1.体心立方晶格体心立方晶格 ( body-center cubic lattice ) *晶胞中的原子数晶胞中的原子数: n= 8 181= 2个个 *晶胞的特征参数晶胞的特征参数:a = b = c , = = = 90 ; *原子的体积原子的体积: v = 4R33 *致密度致密度:K= nV原子原子V晶体晶体= 0.68 = 68 % *配位数配位数 ( N ) 是指晶格中与任一原子处于相是指晶格中与任一原子处于相 等距离并相距最近的原子数目。等距离并相距最近的原子数目。 *原子的半径原子的半径: R = 3

17、 a4 N= 8 ( 原子间的最近距离原子间的最近距离d=3 a2 ) 属于体心立方晶格的金属有属于体心立方晶格的金属有: 钠钠 ( Na ) ; 钾钾 ( K ) ; 铬铬 ( Cr ) ; 钼钼 ( Mo ) ; 钨钨 ( W ) ; 钒钒 ( V ) ; 钽钽 ( Ta ) ; 铌铌 ( Nb ) ; -铁铁 ( -Fe ) 等等 。 2.面心立方晶格面心立方晶格 ( face-center cubic lattice ) *晶胞中的原子数晶胞中的原子数: n=81/8+61/2= 4个个 *晶胞的特征参数晶胞的特征参数:a = b = c , = = = 90 ; *原子的体积原子的体

18、积: v = 4R33 *致密度致密度:K= nV原子原子V晶体晶体= 0.74 = 74 % *配位数配位数 ( N ) 是指晶格中与任一原子处于相是指晶格中与任一原子处于相 等距离并相距最近的原子数目。等距离并相距最近的原子数目。 *原子的半径原子的半径: R = 2 a4 N=12 ( 原子间的最近距离原子间的最近距离d=2 a2 ) 属于面心立方晶格的金属有属于面心立方晶格的金属有: 金金 ( Au ) ; 银银 ( Ag ) ; 铜铜 ( Cu ) ; 铝铝 ( Al ) ; 镍镍 ( Ni ) ; 铂铂 ( Pt ) ; 铅铅 ( Pb ) ; -铁铁 ( -Fe ) 等。等。 3

19、.密排六方晶格密排六方晶格 ( c/a = 1.633 ) ( close-packed hexagonal lattice ) *晶胞中的原子数晶胞中的原子数: n=121/6+21/2+3 =6个个 *晶胞的特征参数晶胞的特征参数: *原子的体积原子的体积: v = 4R33 *致密度致密度:K= nV原子原子V晶体晶体= 0.74 = 74 % *配位数配位数 ( N ) 是指晶格中与任一原子处于相是指晶格中与任一原子处于相 等距离并相距最近的原子数目。等距离并相距最近的原子数目。 *原子的半径原子的半径: R = a / 2 N= 12 ( 原子间的最近距离原子间的最近距离d = a

20、) a = b = c, = = 90 , = 120 ; 属于密排六方晶格的金属有属于密排六方晶格的金属有: 镁镁 ( Mg ) ; 锌锌 ( Zn ) ; 镉镉 ( Cd ) ; 钛钛 ( Ti ) ; 铍铍 ( Be ) 等等 。 四四. .纯金属的晶体结构与特性纯金属的晶体结构与特性 1.金属键金属键-金属原子间的结合键。金属原子间的结合键。 2.金属键的基本特点金属键的基本特点是是电子公有化电子公有化。 3.电子气电子气-当金属原子结合成晶体时当金属原子结合成晶体时, ,价电价电 子不再被束缚在各个原子上子不再被束缚在各个原子上, ,而是在整个而是在整个 晶体内运动晶体内运动, ,从

21、而形成电子气。从而形成电子气。 4.金属晶体金属晶体-失去价电子的金属正离子与失去价电子的金属正离子与 组成电子气的自由电子之间产生的静电引组成电子气的自由电子之间产生的静电引 力使金属原子结合在一起力使金属原子结合在一起, ,从而形成了金从而形成了金 属晶体。属晶体。 第二节第二节 实际金属的体结构实际金属的体结构 与晶体缺陷与晶体缺陷 一一. .单晶体与多晶体的基本概念单晶体与多晶体的基本概念 1.单晶体单晶体( single crystal )的特征的特征: : * * 晶体由一个晶格晶体由一个晶格排列方位完全一排列方位完全一 致致的晶粒组成。的晶粒组成。 * * 晶体具有晶体具有各向异

22、性各向异性( aeolotropy )。 例如例如: :单晶硅、单晶锗等。单晶硅、单晶锗等。 单晶体结构示意图单晶体结构示意图 2.多晶体多晶体( polycrystal )的特征的特征 * *晶体是由许多颗晶格晶体是由许多颗晶格排列方位不排列方位不 相同相同的晶粒组成。的晶粒组成。 * *晶体具有晶体具有各向同性各向同性( isotropy )。 例如例如: : 常用的金属等。常用的金属等。 多晶体结构示意图多晶体结构示意图 二二. 晶体缺陷晶体缺陷( crystal defect ) 点缺陷点缺陷 线缺陷线缺陷 面缺陷面缺陷 1.点缺陷点缺陷( point defect ) 空位空位( v

23、acancy ) 间隙原子间隙原子( gap atom ) 置换原子置换原子( substitutional atom ) 点缺陷示意图点缺陷示意图 间隙原子间隙原子 晶格空位晶格空位 置换原子置换原子 2. 线缺陷线缺陷( line defect ) -位错位错( dislocation ) 螺旋型位错螺旋型位错( screw dislocation ) 刃型位错刃型位错( blade dislocation ) 螺旋型位错示意图螺旋型位错示意图 刃型位错示意图刃型位错示意图 刃型位错示意图刃型位错示意图 正刃型位错正刃型位错 负刃型位错负刃型位错 3.面缺陷面缺陷( surface-def

24、ect ) 晶界晶界( grain boundary ) : : 晶粒与晶粒之间的界面。晶粒与晶粒之间的界面。 亚晶界亚晶界( sub-boundary ) : : 相邻晶粒位向很小相邻晶粒位向很小( (一般一般1 12 2 ) ) 的小角度晶界。的小角度晶界。 晶界与亚晶界结构示意图晶界与亚晶界结构示意图 大角度晶界大角度晶界-晶界晶界 小角度晶界小角度晶界-亚晶界亚晶界 晶界与亚晶界结构示意图晶界与亚晶界结构示意图 大角度晶界大角度晶界-晶界晶界 小角度晶界小角度晶界-亚晶界亚晶界 晶界与亚晶界结构示意图晶界与亚晶界结构示意图 大角度晶界大角度晶界-晶界晶界 小角度晶界小角度晶界-亚晶界亚

25、晶界 Cu-Ni 合金中的亚结构合金中的亚结构 三三.晶体缺陷对金属性能的影响晶体缺陷对金属性能的影响 原子的扩散原子的扩散 金属的强化金属的强化 固态的相变固态的相变 本章的作业本章的作业 P 18 1. 3. 欢迎进入第三章学习内容欢迎进入第三章学习内容 工程材料工程材料 机械制造基础机械制造基础 - 机电工程学院 金工学部 王志海 第三章第三章 纯金属的结晶纯金属的结晶 ( Crystal of Simple Metal ) 凝固与结晶的概念凝固与结晶的概念 结晶的现象与规律结晶的现象与规律 同素异晶同素异晶( (构构) )转变转变 第一节第一节 凝固与结晶的概念凝固与结晶的概念 1.凝

26、固凝固 ( coagulation ) 物质由液态转变成固态的过程。物质由液态转变成固态的过程。 2.结晶结晶 ( crystal ) * *晶体物质由液态转变成固态的过程。晶体物质由液态转变成固态的过程。 * *物质中的原子由物质中的原子由近程有序排列近程有序排列向向远远 程有序排列程有序排列的过程。的过程。 第二节第二节 结晶的现象与规律结晶的现象与规律 一一. .结晶的一般过程结晶的一般过程 微小微小 晶核晶核 长大长大晶体晶体 To 二二.结晶的过冷现象结晶的过冷现象 1.纯金属结晶时的冷却曲线纯金属结晶时的冷却曲线 时间 温度 理论冷却曲线理论冷却曲线 实际冷却曲线实际冷却曲线 Tn

27、 结晶平台结晶平台(是由结晶潜热导致是由结晶潜热导致) 2. 过冷现象与过冷度过冷现象与过冷度 过冷现象过冷现象 ( supercooling ) 过冷度过冷度 ( degree of supercooling ) T = T0 Tn 过冷是结晶的必要条件。过冷是结晶的必要条件。 三三. 结晶的能量条件及结构条件结晶的能量条件及结构条件 1.金属结晶的能量条件金属结晶的能量条件: : F = U S T F 物体的自由能物体的自由能 U 物体的内能物体的内能 S 熵熵 T 温度温度 K F / T = S ee - F T T F TnToTL 液相液相 固相固相 2.金属结晶的结构条件金属结

28、晶的结构条件 近程有序结构近程有序结构 结构起伏结构起伏 结晶结晶 远程有序结构远程有序结构 四四. .结晶的一般规律结晶的一般规律 形核形核 长大长大 四四. .结晶的一般规律结晶的一般规律: : 形核、长大。形核、长大。 1.晶核的形成晶核的形成 在一定的过冷度下在一定的过冷度下, ,当当F F体体F F表表时时, ,晶晶 核就形成。核就形成。 晶核形成的形式晶核形成的形式: : * *自发形核自发形核 T = 200 * *非自发形核非自发形核 T = 20 2.晶核的长大方式晶核的长大方式树枝状树枝状 2.晶核的长大方式晶核的长大方式树枝状树枝状 金属的树枝晶金属的树枝晶 金属的树枝晶

29、金属的树枝晶 金属的树枝晶金属的树枝晶 冰的树枝晶冰的树枝晶 3.影响晶核的形核率和影响晶核的形核率和 晶体长大率的因素晶体长大率的因素 v过冷度过冷度的影响的影响 v未熔杂质未熔杂质的影响的影响 1)过冷度的影响过冷度的影响 1)过冷度的影响过冷度的影响 2)未熔杂质的影响未熔杂质的影响 * *自发形核自发形核 T = 200 * *非自发形核非自发形核 T = 20 20 五五. .细化晶粒的途径细化晶粒的途径 v提高冷却速度提高冷却速度 V V冷冷T TN N晶粒细小晶粒细小 v变质处理变质处理 v机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。 纯铁的纯铁的同素异晶

30、同素异晶( allomorph )转变转变 反应式反应式: 第三节第三节 金属的同素异晶转变金属的同素异晶转变 1394 C912 C bccfccbcc - Fe - Fe - Fe 纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线 1394 1534 1000 600 800 1200 温度 时间 1600 1500 500 700 900 1100 1300 1400 912 - Fe - Fe - Fe 本章的作业本章的作业 P 25 1. 5. 7. 欢迎进入第四章学习内容欢迎进入第四章学习内容 工程材料工程材料 机械制造基础机械制造基础 - 机电工程学院 金工学部 王志海 第四章第四章 合金的结晶与相

31、图合金的结晶与相图 ( Crystal and Phase Diagram of Alloy ) v基本概念基本概念 v合金在固态下的相结构及性能合金在固态下的相结构及性能 v二元合金相图的建立与结晶过程分析二元合金相图的建立与结晶过程分析 第一节第一节 基本概念基本概念 合金合金 ( alloy ) 组元组元 ( 元元 ) ( element ) 相相 ( phase ) 显微组织显微组织 ( microscopic structure ) 第第 二二 节节 合金在固态下的相结构及性能合金在固态下的相结构及性能 固溶体固溶体 (solid solution ) 金属化合物金属化合物 ( me

32、tallic compound ) 机械混合物机械混合物 ( mechanical impurity ) 一一. .固溶体固溶体 ( solid solution ) 溶剂溶剂A + 溶质溶质B = C bcc fcc bcc 例如例如: Fe + C = F ( 铁素体铁素体 ) 体心体心 六方六方 体心体心 v固溶体的结构特点固溶体的结构特点 铁素体的晶体结构铁素体的晶体结构 一一) )固溶体的主要类型及形成条件固溶体的主要类型及形成条件 1.置换固溶体置换固溶体 ( substitution solid solution ) * * 形成特征形成特征: : R溶剂溶剂 R溶质溶质 例如例

33、如: : Au - - Cu 置换固溶体结构示意图置换固溶体结构示意图 置换固溶体的分类置换固溶体的分类 v无限固溶体无限固溶体 v有限固溶体有限固溶体 v无序固溶体无序固溶体 v有序固溶体有序固溶体 有序固溶体结构示意图有序固溶体结构示意图 Cu3AuCuAu 2.间隙固溶体间隙固溶体 ( interstitial solid solution ) * * 形成的特征形成的特征: : R溶质溶质 / R溶剂溶剂 0.59 例如例如: : Fe - C 间隙固溶体结构示意图间隙固溶体结构示意图 二二) )固溶体的性能固溶体的性能 v固溶强化固溶强化 ( solution strength )

34、v晶格畸变晶格畸变 ( distortion of lattice ) 溶质原子对晶格畸变影响示意图溶质原子对晶格畸变影响示意图 二二.金属化合物金属化合物 ( intermetallic compound ) 溶剂溶剂A + 溶质溶质B = C bcc fcc cph 例如例如: 3Fe + C = Fe3C 体心体心 六方六方 复杂结构复杂结构 v金属化合物的结构特点金属化合物的结构特点 具有原子整数倍关系具有原子整数倍关系 3Fe + C = Fe3C 体心体心 六方六方 复杂结构复杂结构 800 0% HB 80 3 50% 0% 渗碳体渗碳体( Fe3C )晶格结构示意图晶格结构示意

35、图 一一) 金属化合物的主要类型金属化合物的主要类型 1.正常价化合物正常价化合物 ( normal compounds ) 2.电子价化合物电子价化合物 ( electron compounds ) 3.间隙化合物间隙化合物 ( interstitial compounds ) 二二) 金属化合物的主要性能金属化合物的主要性能 具有一定程度的金属性质。具有一定程度的金属性质。 具有较高的熔点。具有较高的熔点。 硬度较高。硬度较高。 脆性高。脆性高。 三三. 机械混合物机械混合物 ( mechanical impurity ) v机械混合物的结构特点机械混合物的结构特点 具有重量百分比的关系具

36、有重量百分比的关系 溶剂溶剂A + 溶质溶质B = C bcc fcc bcc + fcc 例如例如 88.5F + 11.5Fe3C = 100P 体心体心 复杂结构复杂结构 体心体心 + 复杂复杂 v机械混合物的性能特点机械混合物的性能特点 取决于组元的相对数量。取决于组元的相对数量。 取决于组成相的大小和形状。取决于组成相的大小和形状。 具体数值介于组元性能之间。具体数值介于组元性能之间。 第三节第三节 二元合金相图的建立二元合金相图的建立 与结晶过程分析与结晶过程分析 一一.基础知识基础知识 1.合金系合金系 ( alloy series ) 2.平衡组织平衡组织 ( statench

37、yma ) 3.相图相图 ( phase diagram ) 二二.相图的建立相图的建立 名称名称A金属金属B金属金属 晶格类型晶格类型bccbcc 熔点熔点高高低低 合金合金1100%0% 合金合金290%10% 合金合金380%20% . 合金合金920%80% 合金合金1010%90% 合金合金110%100% 热热 分分 析析 法法 二二.相图的建立相图的建立 时间时间 温度 90 705030AB 温度 A 温度 B 温度 a b ab : 液相线液相线 ab : 固相线固相线 L L + S S L : 液相区液相区 S : 固相区固相区 L+S:液固共存区液固共存区 AB 温度

38、TL TS Tn bac AB a b L S 温度 100 C时 时,糖在水中的饱和度为糖在水中的饱和度为 80%。 90 C时 时,糖在水中的饱和度为糖在水中的饱和度为 70%。 过饱和体的浓度为含糖量过饱和体的浓度为含糖量90%。 1.匀晶相图匀晶相图 TL TS Tn bac 杠杆定理杠杆定理 QS=(bcab) 100% QL=(acab) 100% QS + QL = 1 aQS + bQL = c AB a b L S 温度 QLQs 2.共晶相图共晶相图 温度 成分成分 100%A 100%B L SA L + SA SB L + SB 2.共晶相图共晶相图 SA+(SA+SB

39、) SB +(SA+SB) X% Y SA+SB LX SA+SB Y SA L SAL SA L 温度 成分成分 100%A 100%B L L + SA L + SB 共晶相图的建立共晶相图的建立 共共 晶晶 相相 图图 SA+(SA+SB) SB +(SA+SB) X% Y SA+SB 温度 成分成分 100%A 100%B L L + SA L + SB SA+(SA+SB) SB +(SA+SB) X% Y SA+SB 温度 成分成分 100%A 100%B S S + SA S + SB 3.共析相图共析相图 SX SA+SB Y 共析相图共析相图 4.包晶相图包晶相图 相图与合金

40、物理、力学性能之间的关系相图与合金物理、力学性能之间的关系 合金的流动性、缩孔性质合金的流动性、缩孔性质 与相图之间的关系与相图之间的关系 本章的作业本章的作业 P 65 3. 4. 5. 9. 欢迎进入第五章学习内容欢迎进入第五章学习内容 工程材料工程材料 机械制造基础机械制造基础 - 机电工程学院 金工学部 王志海 第五章第五章 铁碳合金相图铁碳合金相图 ( Iron Carbon Phase Diagram ) Fe C 相图的基础知识。相图的基础知识。 形成形成Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的结相图组元和基本组织的结 构与性能。构与性能。 Fe - Fe3C 相图的建立与分析。

41、相图的建立与分析。 碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的 影响。影响。 Fe - Fe3C 相图的应用。相图的应用。 铁碳合金的生产及分类。铁碳合金的生产及分类。 第一节第一节 Fe - C相图的基础知识相图的基础知识 1.铁与碳可以形成铁与碳可以形成 Fe3C、Fe2C、FeC 等一系列化合物。等一系列化合物。 2.稳定的化合物可以作为一个独的组稳定的化合物可以作为一个独的组 元。元。 3.Fe C 二元相图。二元相图。 Fe C 二元相图二元相图 Fe3C Fe2CFeC 温度 FeC (6.69%C) Mg Si 合金相图合金相图 第二节第二节 形成形成F

42、e - Fe3C 相图组元相图组元 和基本组织的结构与性能和基本组织的结构与性能 一一. .组元组元 * * 铁铁 ( ferrite ) * * 渗碳体渗碳体 ( Cementite ) 二二.基本组织基本组织 1.铁素体铁素体 ( F ) ( Ferrite ) 碳溶于碳溶于 Fe中形成中形成 的间隙固溶的间隙固溶 体。体。 铁素体组织金相图铁素体组织金相图 2.奥氏体奥氏体 ( A ) - Austenite 碳溶于碳溶于 -Fe中形成中形成 的间隙固溶的间隙固溶 体。体。 奥氏体组织金相图奥氏体组织金相图 3. 渗碳体渗碳体 ( ( Fe3C ) - Cementite 铁与碳铁与碳

43、形成的金属形成的金属 化合物。化合物。 渗碳体组织金相图渗碳体组织金相图 4.珠光体珠光体 ( P ) - Pearite 铁素体和渗碳体组成的机械混合物。铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 5.莱氏体莱氏体 ( Ld ) - Ledeburite 奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。 第第 三三 节节 Fe - Fe3C 相图的建立与分析相图的建立与分析 一一. .Fe - Fe3C 相图的建立相图的建立 v包晶反应相图包晶反应相图 v共晶反应相图共晶反应相图 v共析反应相图共析反应相图 Fe - Fe3C 相图相图 Fe T Fe3C Fe - Fe3C 相图相图

44、 A C D E F G S P Q 1148 727 L A L+A L+ Fe3C 4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%C Fe Fe3C T ( A+Fe3C ) Ld Ld+Fe3C A+Ld+Fe3C F A+F A+ Fe3C ( F+ Fe3C ) P P+F 0.77%C P+Fe3C Ld Ld+Fe3CP+Ld+Fe3C K 共晶相图共晶相图 共析相图共析相图 匀晶相图匀晶相图 ( P+Fe3C ) Fe - Fe3C 相图相图 A C D E F G S P Q 1148 727 L A L+A 4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%C Fe Fe3

45、C T Ld Ld+Fe3C A+Ld+Fe3C F A+F P 0.77%C Ld K ( P+Fe3C ) P+Ld+Fe3CLd+Fe3C P+FP+Fe3C ( F+ Fe3C ) A+ Fe3C L+ Fe3C ( A+Fe3C ) Fe - Fe3C 相图相图 二. Fe - Fe3C 相图的分析相图的分析 五个重要的成份点五个重要的成份点: P、S、E、C、K。 四条重要的线四条重要的线: EF、ES、GS、FK。 三个重要转变三个重要转变: 包晶转变反应式、共晶包晶转变反应式、共晶 转变反应式、共析转变反应式。转变反应式、共析转变反应式。 二个重要温度二个重要温度: 1148

46、、727 。 1.包晶转变反应式包晶转变反应式: LB + H AJ 1495 3.共析转变反应式共析转变反应式: AS ( FP + Fe3C ) P 727 2.共晶转变反应式共晶转变反应式: LC ( AE + Fe3C ) Le 1148 三三. .典型铁碳合金的结晶过程分析典型铁碳合金的结晶过程分析 工业纯铁工业纯铁 ( ingot iron ) 共析钢共析钢 ( eutectoid steel ) 亚共析钢亚共析钢 ( hypoeutectoid steel ) 过共析钢过共析钢 ( hypereutectoid steel ) 共晶白口铁共晶白口铁 ( eutectoid whi

47、te iron ) 亚共晶白口铁亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron ) 过共晶白口铁过共晶白口铁( hypereutectoid white iron ) 1.工业纯铁工业纯铁 ( Wc 0.6% 2.按钢的质量分类按钢的质量分类: : * * 碳素钢碳素钢: : Wp = (0.035% 0.045%) Ws = (0.035% 0.050%) * * 优质碳素钢优质碳素钢: : Wp = 0.035% Ws = (0.030% 0.035%) * * 高级优质碳素钢高级优质碳素钢: : Wp 0.030% Ws = ( 0.020%0.025% ) 3.按钢的

48、用途分类按钢的用途分类: 碳素结构钢碳素结构钢 ( carbon structural steel ) 用于制造各种机械零件、工程构用于制造各种机械零件、工程构 件。一般为低、中碳钢。件。一般为低、中碳钢。 碳素工具钢碳素工具钢 ( carbon tool steel ) 用于制造各种工具。一般为高碳钢。用于制造各种工具。一般为高碳钢。 二二) )碳素钢的编号及用途碳素钢的编号及用途 1.碳素结构钢碳素结构钢: : Q 235 A F 沸腾钢沸腾钢 A等级等级 235 MPa 屈服强度屈服强度 2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢 * * 45 - Wc = 45%00 * * 较高锰质量分数的优

49、质碳素结构钢较高锰质量分数的优质碳素结构钢 45Mn - Wc = 45%00 ; WMn = 0.7%1.0% 3.碳素工具钢碳素工具钢 T 12 A 高级优质高级优质 Wc = 12%0 碳素工具钢碳素工具钢 4.铸造碳钢铸造碳钢 ZG 200 - 400 b 400MPa s 200MPa 铸钢铸钢 本章的作业本章的作业 vP 65 3. 4. 5. vP 66 8. 9. 10 欢迎进入第六章学习内容欢迎进入第六章学习内容 工程材料工程材料 机械制造基础机械制造基础 - 机电工程学院 金工学部 王志海 第六章第六章 钢的热处理钢的热处理 ( Heat Treatment of Stee

50、l ) 概述概述 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变 钢的普通热处理工艺钢的普通热处理工艺 钢的表面热处理工艺钢的表面热处理工艺 机械制造过程中的热处理机械制造过程中的热处理 第一节第一节 概述概述 1.热处理的定义热处理的定义: : 时间 温度 临界温度临界温度 热热 加加 保温保温 冷冷 却却 2.热处理的主要目的热处理的主要目的: :改变钢的性能。改变钢的性能。 3.热处理的应用范围热处理的应用范围: :整个制造业。整个制造业。 4.热处理的分类热处理的分类 热处理热处理 普普 通通 热处理热处理 表表 面面 热处理热处理 退火退火;正火正