金屬材料基本知識(shí)一、金屬材料力學(xué)性能1、剛度：材料抵抗彈性變形的能力。指標(biāo)為彈性模量：E=/2、強(qiáng)度：材料抵抗變形和破壞的能力。指標(biāo)：抗拉強(qiáng)度b—材料斷裂前承受的最大應(yīng)力。屈服強(qiáng)度s—材料產(chǎn)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力。屈強(qiáng)比越小,構(gòu)件萬(wàn)一超載時(shí)，產(chǎn)生塑性變形的時(shí)間越長(zhǎng)，則離斷裂的時(shí)間長(zhǎng)，易發(fā)現(xiàn)和馬上采取措施（如停機(jī)、換構(gòu)件等），即時(shí)間裕度大，可靠性高。屈強(qiáng)比大，則屈服強(qiáng)度高，材料強(qiáng)度利用率高。屈強(qiáng)比增大，則材料塑性段距離減小，固將增加材料的脆性趨勢(shì)。

屈強(qiáng)比概念：σs/σb4

金屬材料表面抵抗其它硬物壓入的能力。相互關(guān)系：HBS≈10HRC≈HVHB：HBS－淬火鋼球測(cè)定硬度值450以下的材料HBW－硬質(zhì)合金球測(cè)定硬度值650以下的材料HR：HRA適用硬質(zhì)合金、表面淬火層、滲碳鋼HRB適用有色金屬、退火鋼、正火鋼HRC適用淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼3、硬度54、韌性（沖擊韌度）定義：材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。常用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。測(cè)得試樣沖擊吸收功，用符號(hào)

Ak

表示，Ak=mgH-mgh(J)，沖擊韌度值ak

就是試樣缺口處單位面積上所消耗的沖擊功。

ak﹦AK/A，單位J/cm2。5、疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度：指材料經(jīng)無(wú)數(shù)次交變載荷作用而不斷裂的最大應(yīng)力值。對(duì)于對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力的疲勞強(qiáng)度用用σ-1表示，單位為MPa。疲勞現(xiàn)象：

承受載荷的大小和方同隨時(shí)間作周期性變化，交變應(yīng)力作用下，往往在遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限，甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。（80%的斷裂由疲勞造成）國(guó)標(biāo)規(guī)定：對(duì)于鋼鐵材料，一般規(guī)定疲勞極限對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為107，有色金屬及合金為108。合理選材；注意其結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中，減少缺陷；提高表面光潔度和表面強(qiáng)化等方法。那么怎樣提高零件的疲勞強(qiáng)度呢？?σ-1=(0.45～0.55)σb碳素鋼的疲勞強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度關(guān)系：二、晶體結(jié)構(gòu)㈠純金屬的晶體結(jié)構(gòu)1、理想金屬⑴

晶體：原子呈規(guī)則排列的固體。

晶格：表示原子排列規(guī)律的空間格架。

晶胞：晶格中代表原子排列規(guī)律的最小幾何單元.⑵三種常見(jiàn)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)Mg、Zn-Fe、Ni、Al-Fe、Cr、W常見(jiàn)金屬31212滑移系底面對(duì)角×3<110>×3<111>×2滑移方向六方底面×1{111}×4{110}×6滑移面0.740.740.68致密度12128配位數(shù)642原子個(gè)數(shù)原子半徑a、caa晶格常數(shù)密排六方面心立方體心立方2、實(shí)際金屬

⑴多晶體結(jié)構(gòu)：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。

晶粒：組成金屬的方位不同、外形不規(guī)則的小晶體.

晶界：晶粒之間的交界面。⑵晶體缺陷—晶格不完整的部位①點(diǎn)缺陷

空位：晶格中的空結(jié)點(diǎn)。

間隙原子：擠進(jìn)晶格間隙中的原子。

置換原子：取代原來(lái)原子位置的外來(lái)原子。②線缺陷——位錯(cuò)晶格中一部分晶體相對(duì)另一部分晶體沿某一晶面發(fā)生局部滑移,滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交接線.③面缺陷——晶界和亞晶界

亞晶粒：組成晶粒的尺寸很小、位向差也很小的小晶塊。亞晶界：亞晶粒之間的交界面。④晶界的特點(diǎn)：原子排列不規(guī)則；阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；熔點(diǎn)低；耐蝕性低；產(chǎn)生內(nèi)吸附；是相變的優(yōu)先形核部位。㈡合金合金：由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。如碳鋼、合金鋼、鑄鐵、有色合金。相：金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其他部分有界面分開(kāi)的均勻組成部分。1、固溶體：與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固相.⑴置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格結(jié)點(diǎn)位置形成的固溶體。多為金屬元素之間形成的固溶體。

⑵間隙固溶體：溶質(zhì)原子處于溶劑晶格間隙所形成的固溶體。為過(guò)渡族金屬元素與小原子半徑非金屬元素組成。鐵素體：碳在-Fe中的固溶體。奧氏體：碳在-Fe中的固溶體。馬氏體：碳在-Fe中的過(guò)飽和固溶體。固溶強(qiáng)化：隨溶質(zhì)含量增加，固溶體的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象。馬氏體的硬度主要取決于其含碳量，并隨含碳量增加而提高。

2、金屬化合物：與組成元素晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相.①正常價(jià)化合物如Mg2Si②電子化合物如Cu3Sn③間隙化合物：由過(guò)度族元素與C、N、H、B等小原子半徑的非金屬元素組成。分為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的間隙相和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。三、金屬的結(jié)晶㈠純金屬1、結(jié)晶：金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的過(guò)程⑴結(jié)晶的條件——過(guò)冷：在理論結(jié)晶溫度以下發(fā)生結(jié)晶的現(xiàn)象。過(guò)冷度：理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差。⑵結(jié)晶的基本過(guò)程——晶核形成與晶核長(zhǎng)大形核——自發(fā)形核與非自發(fā)形核長(zhǎng)大——均勻長(zhǎng)大與樹(shù)枝狀長(zhǎng)大⑶結(jié)晶晶粒度控制方法：①增加過(guò)冷度；②變質(zhì)處理；③機(jī)械振動(dòng)、攪拌2、純金屬中的固態(tài)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度而發(fā)生變化的現(xiàn)象。固態(tài)轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)：①形核部位特殊；②過(guò)冷傾向大;③伴隨著體積變化。1394℃

912℃

鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：-Fe?-Fe?-Fe㈡合金1、相圖勻晶L共晶L+共析+包晶L+杠桿定律：只適用于兩相區(qū)。枝晶偏析：在一個(gè)枝晶范圍內(nèi)或一個(gè)晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象。2、合金中的固態(tài)相變⑴固溶體轉(zhuǎn)變：AF⑵共析轉(zhuǎn)變：AP(F+Fe3C)⑶二次析出：AFe3CⅡ⑷奧氏體化⑸過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變⑹固溶處理+時(shí)效：固溶處理是指將合金加熱到固溶線以上，保溫并淬火后獲得過(guò)飽和的單相固溶體組織的處理。時(shí)效是指將過(guò)飽和的固溶體加熱到固溶線以下某溫度保溫，以析出彌散強(qiáng)化相的熱處理。

3、鐵碳合金相圖

點(diǎn)：符號(hào)、成分、溫度FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LeLeLe+Fe3CⅠLe’+Fe3CⅠLe’P+Fe3CⅡ+Le’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢ萊氏體Le(A+Fe3C)

Le’(P+Fe3C)珠光體P(F+Fe3C)復(fù)相組織組成物：組織組成物標(biāo)注相區(qū)標(biāo)注線：液固相線、水平線、固溶線、固溶體轉(zhuǎn)變線A1538℃D1227℃N1394℃G912℃PSK727℃ECF1148℃HJB1495℃C%溫度鐵碳合金共晶生鐵亞共晶生鐵過(guò)共晶生鐵工業(yè)純鐵鋼生鐵

共析鋼亞共析鋼過(guò)共析鋼典型合金的結(jié)晶過(guò)程分析PPAEGSQ1231233’時(shí)間溫度共析鋼ＬPＬ→AA→F+Fe3CA亞共析鋼AEGPQSFeLAL+AFF+AF+PPP+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ0.772.11Ⅰ●1●2●3●41●●2●3●4●4'LL+AAF+AA→PP+F冷卻曲線GPAEPSQ過(guò)共析鋼123412344’時(shí)間溫度LL→AAA→Fe3CIIA→PP+Fe3CII共晶白口鑄鐵CDEFK12ＬＬ→A＋Fe3CＬdA

＋Fe3C+Fe3CⅡA→PL’d(P+Fe3C+Fe3CⅡ)溫度時(shí)間11’22’CDEFK亞共晶白口鑄鐵wC=3.0%123時(shí)間溫度122’33’A

→Fe3CIIL′d+P+Fe3CIILL→AL+A→A+LdA

→P過(guò)共晶白口鑄鐵wC=5.0%CDEFK123Ｌd’＋Fe3CⅠ溫度時(shí)間122’33’ＬＬ→Fe3CⅠＬ→ＬdLd(A

→Fe3CII)L’d(A

→P)ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3C

T°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+Fe3CⅡ(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相圖共析相圖勻晶相圖(P+Fe3C)Fe-Fe3C相圖鐵碳相圖的應(yīng)用

1.在鋼鐵材料選用方面的應(yīng)用2.制定熱加工工藝的依據(jù)在鑄造方面的應(yīng)用在鍛壓加工方面的應(yīng)用在熱處理方面的應(yīng)用情況是在不斷的變化，要使自己的思想適應(yīng)新的情況，就得學(xué)習(xí)。四、鋼的熱處理㈠熱處理原理1、加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變奧氏體化步驟：A形核；A晶核長(zhǎng)大；殘余滲碳體溶解；A成分均勻化。奧氏體化后的晶粒度：初始晶粒度：奧氏體化剛結(jié)束時(shí)的晶粒度。實(shí)際晶粒度：給定溫度下奧氏體的晶粒度。本質(zhì)晶粒度：加熱時(shí)奧氏體晶粒的長(zhǎng)大傾向。

2、冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變⑴等溫轉(zhuǎn)變曲線及產(chǎn)物

650℃600℃550℃350℃A1MSMf時(shí)間PSTB上B下MM+A’A→PA→SA→TA→B上A→B下A→M過(guò)冷A過(guò)冷A過(guò)冷A過(guò)冷A過(guò)冷A⑵用C曲線定性說(shuō)明連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物

根據(jù)與C曲線交點(diǎn)位置判斷轉(zhuǎn)變產(chǎn)物

P均勻A細(xì)AA1MSMf時(shí)間等溫退火PP退火(爐冷)正火(空冷)S淬火(油冷)T+M+A’等溫淬火B(yǎng)下M+A’分級(jí)淬火M+A’淬火(水冷)M回150-250℃T回350-500℃S回500-650℃????PT+S回ST+B下+M+A’3、回火時(shí)的轉(zhuǎn)變碳鋼：馬氏體的分解；殘余奧氏體分解；-碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3C；Fe3C聚集長(zhǎng)大和鐵素體多邊形化。W18Cr4V鋼：560℃三次回火。析出W、Mo、V的碳化物，產(chǎn)生二次硬化?；鼗鹄鋮s時(shí)，A’轉(zhuǎn)變?yōu)镸。每次回火加熱都使前一次的淬火馬氏體回火。強(qiáng)化鋼鐵材料最經(jīng)濟(jì)有效的熱處理工藝是淬火+回火,它包含了四種基本強(qiáng)化方法。

㈡熱處理工藝工藝目的加熱溫度組織退火1.調(diào)整硬度,便于切削加工。2.細(xì)化晶粒,為最終熱處理作組織準(zhǔn)備。亞共析鋼Ac3+30~50℃共析鋼Ac1+30~50℃過(guò)共析鋼Ac1+30~50℃F+PPP球正火1.低中碳鋼同退火。2.過(guò)工析鋼：消除網(wǎng)狀二次滲碳體。3.普通件最終熱處理亞共析鋼Ac3+30~50℃共析鋼Ac1+30~50℃過(guò)共析鋼Accm+30~50℃<0.6%C,F+S;≧0.6%C，SSS淬火獲得馬氏體組織。亞共析鋼Ac3+30~50℃共析鋼Ac1+30~50℃過(guò)共析鋼Ac1+30~50℃≦0.5%C,M>0.5%C,M+A’M+A’M+A’+粒狀Fe3C熱處理工藝（續(xù)）工藝目的加熱溫度組織回火1.消除內(nèi)應(yīng)力，減少變形。2.獲得所需要的性能。低溫回火150~250℃中溫回火350~500℃高溫回火500~650℃(調(diào)質(zhì))亞共析,共析鋼：M回過(guò)共析鋼:M回+A’(少)+粒狀Fe3CT回S回表面淬火表面獲得馬氏體組織，并獲得表硬里韌的性能。預(yù)備熱處理：調(diào)質(zhì)或正火適用于中碳鋼0.4~0.5%C表面：M回心部：S回(調(diào)質(zhì))或F+S(正火)滲碳提高表面含碳量，獲得表硬里韌的性能。滲碳溫度:900~950℃淬火溫度：表面Ac1+30~50℃心部Ac3+30~50℃適用于低碳鋼0.1~0.25%C表面：M回+A’(少)+顆粒狀Fe3C心部：M回+F

M回例1：直徑為10mm的共析鋼小試樣加熱到相變點(diǎn)A1以上30℃，用圖1-82所示的冷卻曲線進(jìn)行冷卻，分析其所得到的組織，說(shuō)明各屬于什么熱處理方法。T＋M＋A殘油淬hP等溫退火gP退火fP+S正火eB下＋A殘等溫淬火dS+T＋M＋A殘油淬cM＋A殘分級(jí)淬火bM＋A殘水淬a組織熱處理方式例題53例2：有一根長(zhǎng)2米直徑20mm的實(shí)心T12鋼圓棒，不均勻加熱，加熱后棒料溫度如圖所示，假設(shè)各段冷卻介質(zhì)如表所示，請(qǐng)?jiān)诟鞫沃刑钊胂鄳?yīng)的相組織，并分析其力學(xué)性能。

ABCDP+Fe3CII

P+Fe3CII

P+Fe3CII粗P+Fe3CII網(wǎng)爐冷P+Fe3CII

P+Fe3CII

S+Fe3CII粗P+Fe3CII空冷P+Fe3CII

P+Fe3CII

T+M+Fe3CII+A殘粗T+M+Fe3CII+A殘油冷P+Fe3CII

P+Fe3CII

M+A殘粗M+A殘水冷DCBA1000℃750℃700℃500

℃54五、工業(yè)用金屬材料鋼種C%典型牌號(hào)合金元素作用熱處理使用狀態(tài)下組織性能用途碳素結(jié)構(gòu)鋼<0.4Q195Q235熱軋空冷F+P塑性,焊接性好建筑結(jié)構(gòu)低合金高強(qiáng)度鋼<0.2Q345(16Mn)Mn:強(qiáng)化F,增加P,降低脆轉(zhuǎn)溫度熱軋空冷F+P塑性,焊接性好橋梁,船舶,容器滲碳鋼0.1~0.252020Cr20CrMnTiCr,Mn:提高淬透性,強(qiáng)化F,Ti:細(xì)化晶粒滲碳+淬火+低溫回火表面：M回+A’(少量)+顆粒狀Fe3C心部：M回+F表硬里韌軸、齒輪調(diào)質(zhì)鋼0.3~0.54540Cr40CrNiMoCr,Ni:提高淬透性,強(qiáng)化F,Mo:防止第二類回火脆性調(diào)質(zhì)S回良好綜合力學(xué)性能軸、齒輪彈簧鋼0.6~0.90.45~0.765Mn60Si2MnCr,Mn:提高淬透性,強(qiáng)化F；Si:提高屈強(qiáng)比淬火+中溫回火T回高s/b高-1彈簧㈠工業(yè)用鋼工業(yè)用鋼（續(xù)）鋼種C%典型牌號(hào)合金元素作用熱處理使用狀態(tài)下組織性能用途滾動(dòng)軸承鋼0.95~1.10GCr15Cr:提高淬透性,耐磨耐蝕性球退+淬火+低溫回火M回+A’(少量)+顆粒狀Fe3C高耐磨高-1足夠ak滾動(dòng)軸承耐磨鋼1.0~1.3ZGMn13Mn:形成A組織水韌處理表：M+碳化物心：A高耐磨耐沖擊鏟齒，履帶板碳素工具鋼0.65~1.35T7~T13球退+淬火+低溫回火M回+A’(少量)+顆粒狀Fe3C高硬度高耐磨沖子、絲錐、銼刀低合金工具鋼0.75~1.59SiCrSi、Cr：提高淬透性球退+淬火+低溫回火M回+A’(少量)+顆粒狀Fe3C高硬度高耐磨低速刃具高速鋼0.7~1.5W18Cr4VCr:提高淬透性；W、V：提高熱硬、耐磨性鍛、退火、淬火+三次回火M回+A’(少量)+顆粒狀碳化物高熱硬高硬度高耐磨高速刃具工業(yè)用鋼（續(xù)）鋼種C%典型牌號(hào)合金元素作用熱處理使用狀態(tài)下組織性能用途冷作模具鋼1.4~2.3Cr12Cr12MoVCr:提高淬透性。MoV:提高耐磨性鍛，退，淬火+低溫回火M回+A’(少量)+顆粒狀碳化物高硬度高耐磨冷沖模擠壓模熱鍛模鋼0.5~0.65CrNiMo5CrMnMo合金元素作用同調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)S回抗熱疲勞熱鍛模壓鑄模鋼0.3~0.63Cr2W8V合金元素作用同高速鋼淬火+回火M回+A’(少量)+顆粒狀碳化物抗熱疲勞,耐磨壓鑄模不銹鋼0.03-0.951Cr13,2Cr13Cr:提高耐蝕性；Ni:形成A；Ti:防止晶間腐蝕調(diào)質(zhì)S回高耐蝕性(隨C%增加,耐蝕性下降)汽輪機(jī)葉片3Cr13,4Cr13淬火+低溫回火M回醫(yī)療器械0Cr13不能熱處理F硝酸氮肥工業(yè)1Cr18Ni9Ti固溶處理A化工管道耐熱鋼15CrMo,12Cr1MoVCr,Si:提高抗氧化性;Mo:提高T再；V,Ti:彌散強(qiáng)化;Ni:形成A組織正火F+P高熱強(qiáng)性,高抗氧化性鍋爐零件4Cr9Si2,1Cr11MoV調(diào)質(zhì)S回氣閥,葉片1Cr18Ni9Ti固溶A過(guò)熱器管㈡鑄鐵石墨化：鑄鐵中的碳原子析出形成石墨的過(guò)程。鑄鐵名稱牌號(hào)舉例獲得方法組織熱處理用途灰鑄鐵HT250(最低抗拉強(qiáng)度為250MPa)液態(tài)金屬石墨化+孕育處理基體(F、P、F+P)+片狀石墨去應(yīng)力，消除白口，表面淬火機(jī)床床身可鍛鑄鐵KTZ450-06(最低抗拉強(qiáng)度為450MPa,最低延伸率為6%)白口+石墨化退火基體(F、P)+