《機械工程材料》ppt課件 (2)

1、機械工程材料,賀小濤,緒 論,一、機械制造一般過程,焊接原材料 鑄造 毛坯 熱處理 切削加工 熱處理 切削加工 零件 鍛造 產(chǎn)品 （ 檢驗） 裝配 涂裝,,,,,,,,,,,

2、,定義：是能為人類制造有用器件的物質(zhì)。 Make of(發(fā)生物理變化) Ｍake from(發(fā)生化學變化),二、材料的概念,歷史：把當時使用的材料，作為歷史發(fā)展的里程碑。 天然材料→石器時代→青銅時代→鋼鐵時代,地位：材料、能源、信息，三大技術(shù),1、工藝性能：在冷熱加工過程中所表現(xiàn)的性能， 包括鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能等；,三、材料的性能,2

3、、使用性能：在使用條件下所表現(xiàn)的性能， 包括材料的物理、化學和 力學性能。,1.    金屬材料： (1)黑色金屬：鋼、鑄鐵、鐵合金； (2)有色金屬：黑色金屬以外的所有金屬及合金，如Cu、Al等； (重金屬、輕金屬、貴金屬、難熔金屬) 2、非金屬材料： (1)陶瓷材料(無機)

4、； (2)高分子材料(有機)：塑料、橡膠、纖維等； 3、 復合材料： 兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不同組織結(jié)構(gòu)的材料以微觀或宏觀的形式組合在一起而構(gòu)成的； 分類依據(jù)： 化學成分； 用途 ；電工材料、土木材料、機械工程材料

5、 實質(zhì) ； 結(jié)構(gòu)材料 （力學性能）、功能材料（物理性能，光、電、聲、磁、熱）,四、材料的分類,1、了解常用材料的一般特性，學會正確地選用材料； 2、了解金屬熱處理工藝的一般知識，學會正確地制定和執(zhí)行零件的熱處理工藝和掌握一般的加工工藝路線安排； 3、掌握材料成分——組織結(jié)構(gòu)——性能三者之間關(guān)系的一般規(guī)律，了解金相分析的方法，初步學會合理地進行零件的失效分析。 （1）成分不同

6、，性能不同； 鑄鐵(WC>2.11%)——鋼(WC<2.11%) Fe 、 C合金 （2）同一種材料經(jīng)過不同熱處理，組織性能不同； 錘頭 45(WC=0.45%)， 鍛后退火 HRC10，組織F+P ；淬火+回火 HRC55 ，組織M回火,五、內(nèi)容、要求,工程材料及機械制造基礎(chǔ)1、機械

7、工程材料 金屬材料及熱處理2、熱加工工藝基礎(chǔ) 材料成形工藝基礎(chǔ)3、機械制造工藝基礎(chǔ) 機械加工工藝基礎(chǔ),六、課程系列,教材選用 1、高為國、機械工程材料、中南大學出版社、2011.7 2、朱張校、工程材料（第三版 ）、清華大學出版社 3、史美堂、金

8、屬材料及熱處理、上?？萍汲霭嫔?第一章金屬材料的力學性能 第一節(jié)靜態(tài)力學性能,一、拉伸試驗(剛度、強度、塑性),五點P 點：PP為比例極限的負載。 E 點: Pe為彈性極限的負荷。 S 點：Ps為屈服點的負荷。 b 點：Pb為強度極限的負荷 k 點：Pk為斷裂負荷。,引入幾個概念：A.    彈性：金屬材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當外力去掉后能恢復其原 來形狀的

9、能力。B.     彈性變形：隨外力消失而消失的變形。C.    塑性：金屬材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不致引起破壞的性能。D.    塑性變形：在外力消失后留下來的不可恢復的變形。E.     屈服：拉伸圖上試樣所承受的載荷不再增加，但仍繼續(xù)產(chǎn)生塑性變 形，圖上出現(xiàn)水平

10、線段，稱為屈服。F.     加工硬化：隨塑性變形增大，變形抗力不斷增加的現(xiàn)象。G.    應力：單位橫截面積上的外力。用σ表示，反映強度。H.    應變：試樣的絕對伸長△l與原始長度l0的比值。用ε表示。I.       剛度：抵抗材料彈性變形抗力的大小，以彈性模量E

11、 的大小表示。,二、強度：材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力。,(1)比例極限σP=Pp / F0， 應力與應變成比例關(guān)系的最大應力。,(2)彈性極限σe= Pe / F0 ， 由彈性變形過渡到彈—塑性的應力。,(3)屈服極限：①屈服點σs= Ps /F0， ，負荷不增加，甚至有所下降， 試樣還繼續(xù)發(fā)生明顯變形的最小應力。

12、 ②屈服強度σ0.2= P0.2 / F0 ，發(fā)生0.2%殘余伸長的應力。,(4)抗拉強度(強度極限) :σb= Pb / F0 ，斷裂前最大負荷的應力，表征 材料最大均勻變形的抗力，表征材料在拉伸條件下所能擔負的最大負 荷的應力值。,(5)斷裂強度σk= Pk / F0 ，材料拉斷時的真實應力。,（6）許用應力[σ]= σ / n 。問題：σ選σe， σs ， σb。,

13、一般（脆性材料）選σb；塑性材料選σs ；量具選σe。,三、塑性： 材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力。常以延伸率和斷面收縮率來表征。 1. 斷后伸長率δ：δ＝△l k / l 0 2. 斷面收縮率ψ：ψ＝(F0 – Fk ) / Fk,四、硬度： 材料抵抗其它更硬物體壓入其表面的能力。反映了材料抵抗局部塑性變形的能力。(壓痕法),布氏硬度：壓頭：淬火鋼球或硬質(zhì)合金球

14、 D=2.5mm，5mm，10mm 表示法：HBS，適于硬度＜450的較軟金屬； HBW，適于硬度＜650的材料 (450~650),優(yōu)點：(直徑較大測得平均值)準確 缺點：①不方便，需計算、查表； ②壓痕大，對零件損壞，有可能成為裂紋源； ③不能測硬金屬。,布氏硬度計算公式:HBS(HBW)=,2. 洛氏硬度：

15、三種壓頭,HRC(HRA)= HRB=,優(yōu)點：①方便，不需計算、查表； ②壓痕小，對零件損壞??； ③能測硬的材料金屬。 缺點：不準確(壓痕小，組織不均勻引起)；,3.維氏硬度：壓頭：金剛石四方角錐體； 測壓痕對角線長度的算術(shù)平均值d Hv=F/S

16、壓＝1.8544F/d2 適宜于測定金屬鍍層、薄片金屬及化學熱處理后的表面,4.顯微硬度：小負荷的維氏硬度試驗。,問題：圖紙上常標硬度不標強度指標？,（1）綜合性；與E， σs ， σb， δ， ψ相關(guān)如：硬度與強度的關(guān)系:低 碳 鋼: σb≈0.36HBS高 碳 鋼: σb≈0.36HBS合金調(diào)質(zhì)鋼: σb≈0.36HBS （2）零件本身的性能（其他指標是試件的性能） （3）測試方便,第二節(jié) 動態(tài)力學

17、性能,一、韌性： 是強度和塑性的綜合表現(xiàn)，是材料從塑性變形到斷裂全過程中收能量的能力。 強度 應力、塑性 應變、韌性 應變能。,,,,1、沖擊韌性：材料抵抗沖擊載荷的能力。 ak=Ak/F Ak=G(H-h) 從刻盤上讀出 F：試樣缺口處截面積。 Ak作用在試樣上，有兩部分能量：裂紋形成功和裂紋擴展功。,2、多沖抗力：在一定沖擊能量下，材料斷裂前的沖擊次數(shù)。如：錘

18、桿、鑿巖機活塞>103次才斷裂。,二、疲勞強度： 被測材料抵抗交變載荷的性能 疲勞：在交變載荷作用下，交變應力小于σs，材料經(jīng)較長時間的工作而發(fā)生斷裂。 一般以材料在無數(shù)次的交變載荷作用而不致破壞的最大應力來表示疲勞強度。σ-1 ◆特點1：無論是脆性材料，還是塑性材料，疲勞斷裂均不產(chǎn)生明顯的塑性變形；特點2：裂紋產(chǎn)生及擴展區(qū)呈“貝殼”花樣，最后斷裂區(qū)呈纖維狀或結(jié)晶狀。疲勞曲線：交變應力σ與交變次數(shù)N的

19、關(guān)系 當應力低于某值時，應力交變到無數(shù)次也不會發(fā)生斷裂，此為疲勞極限。,第二章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,本章目的：    闡明金屬的特性與金屬鍵間的關(guān)系； 揭示金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)； 介紹金屬結(jié)晶的基本概念和基本過程； 闡明實際的結(jié)晶組織及其控制。,§2. 1 原子間的結(jié)合鍵,結(jié)合鍵的種類：

20、 1.    離子鍵：當正電性金屬原子與負電性非金屬原子形成 化合物時，外層電子的重新分布和正、負子間 的靜電作用而相互結(jié)合。(MgO、Al2O3) 2. 共價鍵：當兩個相同的原子或性質(zhì)相差不大的原子相互 接近時，它們的原子間不會有電子轉(zhuǎn)移。

21、此時原 子間借共用電子對所產(chǎn)生的力而結(jié)合。 3. 金屬鍵：金屬正離子與自由電子間的靜電作用，使金屬 原子結(jié)合起來形成金屬整體 4. 分子鍵：存在于中性原子或分子間的結(jié)合力(范德華力)。 5. 氫 鍵：當兩種電負性大而原子半徑較小的原子與氫原 子結(jié)合時，氫原子與一種原子之間形成共價鍵， 與另一種原子間形成氫鍵。,二、金屬特

22、性與金屬鍵的關(guān)系： 1.    特性：較高的強度，良好的塑性，高的導電性、導熱性， 正的電阻溫度系數(shù)，具有金屬光澤。 2. 關(guān)系： (1)導電：在電勢作用下，自由電子作定向移動； (2)正的電阻溫度系數(shù)：T↗，離子振動↗，電子運動阻力↗， (3)塑性：金屬中的離子與電子間能保持一定的相對關(guān)系。,§2. 2 金屬的晶體結(jié)構(gòu),一、晶體的基

23、本知識 1.晶體與非晶體 晶體：內(nèi)部原子在空間呈一定的有規(guī)則排列，具有固定熔 點和各向異性。(金剛石、鹽) 非晶體：內(nèi)部原子是無規(guī)則堆積在一起的。沒有固定的熔 點，具有各向同性。(玻璃、石蠟) 2.晶格(點陣): 表示晶體中的原子(正離子)排列方式的空間幾何體。 假設(shè)：A.金屬中的原子(正離子)都是剛性小球； B.金屬

24、中的原子都縮小為一個點，線將點連接起 來，線與線的交點為節(jié)點。,一、晶體的基本知識 3.晶胞：表示晶格幾何特征的最小幾何單元。 (1)晶格常數(shù): 棱邊長度 (a,b,c)，單位A0(10-10m) ; 軸間夾角 (α、β、γ ） (2)晶面、晶向 : 晶面：在晶體中通過原子中心的平面,用晶面指數(shù)表示。

25、 晶向：通過原子中心的直線為原子列，其所代表的方向， 用晶向指數(shù)表示。,晶向指數(shù)的確定方法是：(1) 通過坐標原點引一直線，使其平行于所求的晶向；(2) 求出該直線上任意一點的三個坐標值， (3) 將三個坐標值按比例化為最小整數(shù)，加一方括號， 即為所求的晶向指數(shù)，一般形式為[uvw]。 原子排列相同，位向不同，可統(tǒng)一用表示 晶面指數(shù)的確定方法是：(1) 沿

26、晶胞的三個坐標軸，由原點起取該晶面在各坐標 軸上的截矩（以晶格常數(shù)值a、b、c分別作為三個相 應軸上的度量單位）； (2) 取截矩的倒數(shù)； (3）把它們化為三個最小的簡單整數(shù)，并括在一個圓括 弧中表示。一般形式為(hkl)。 原子排列相同,位向不同，可統(tǒng)一用?hkl?表示。,二、典型的晶體結(jié)構(gòu)： 體心立方(b.c.c) 面心立方(f.c.c)

27、 密排六方(h.c.p) body-centered cubic face-centered cubic hexagonal close-packed,致密度：晶胞中包含的原子所占有的體積與該晶胞體積之比。配位數(shù)：晶格中任一原子周圍所緊鄰的最近且等距離的原子數(shù)。,三、各向異性： 由于晶體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便有所差異(原子間結(jié)合力不同)。 硅鋼片，不

28、同晶向磁化能力不同，采用軋制，使晶向平行于軋制方向，得到優(yōu)異的磁導率。,§2. 3 實際金屬結(jié)構(gòu),一、單晶體與多晶體 單晶體：一塊晶體內(nèi)部的晶粒位向(原子排列的方向)完全一致。 晶粒：外形不規(guī)則的晶體顆粒 。 晶界：晶粒與晶粒之間的界面。 多晶體：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。 顯微組織：在顯微鏡下所觀察到的金屬中的各種晶粒的大 小、形態(tài)和分布。 偽各向同性：

29、多晶體中，由于各晶粒的位向不同，使其各 向異性受到了抵消，造成各向性能接近相同。,二、晶體缺陷：點缺陷：是一種在三維空間各個方向上尺寸都很小，尺寸 范圍約為一個或幾個原子間距的缺陷。 空位 置換原子 間隙原子 晶格畸變：點缺陷的存在，原子間作用力的平衡被破壞，周 圍其原子發(fā)生靠攏或撐開的不規(guī)則排列，此變化

30、 為晶格畸變。,2. 線缺陷： 是在三維空間兩維方向尺寸較小，在另一維方向的尺寸相對較大的缺陷。如位錯。 位錯：是晶體中的某處有一列或若干列原子發(fā)生了某種有 規(guī)律的錯排現(xiàn)象。 位錯形式：刃型位錯、螺型位錯,,一部分晶體相對于另一部分晶體的局部滑移，在晶格的上半部分中擠出了一層多余的原子面，好象在晶格中額外插入了半層原子面一樣，其邊緣為位錯線。(透射電鏡下可

31、觀察到),,▲位錯對材料的強度理論有很大貢獻。,3. 面缺陷： 在三維空間一維方向上尺寸很小，另外兩維方向上尺寸較大的缺陷。主要是晶界和亞晶界。 晶界 : 多晶體中，晶粒位向不同，存在位向差，晶粒交界 處原子排列不一致，存在一個過渡層，即晶界； 亞晶界:實際金屬晶體內(nèi)部，晶粒內(nèi)原子排列也不完全理想 的規(guī)則排列，也存在很小位向差的小晶塊，即亞晶

32、 粒，亞晶粒的交界即亞晶界。,在實際晶體中，這三種缺陷隨加工條件變化而變化，可產(chǎn)生、發(fā)展，也可消失，對材料性能有很大影響。,§2. 5 金屬的結(jié)晶,1.凝固：一切物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。 2.  結(jié)晶：物質(zhì)從一種原子排列狀態(tài)(晶態(tài)或非晶態(tài))過渡為另一 種原子規(guī)則排列狀態(tài)(晶態(tài))的轉(zhuǎn)變過程。 (通過凝固能形成晶體結(jié)構(gòu)) 一次結(jié)晶：液態(tài)轉(zhuǎn)變成固體晶態(tài)

33、 二次結(jié)晶：固態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種固體晶態(tài) 3.平衡結(jié)晶溫度：對純元素而言，液體與晶體共存的溫度T0。 T> T0熔化 , T< T0結(jié)晶 熔點:理想結(jié)晶溫度 4.自由能：物質(zhì)中能夠自動向外界釋放其多余的或能夠?qū)ν庾鞴Φ倪@一部分能量。,5.過冷度：實際結(jié)晶溫度與理想結(jié)晶溫度之間的溫度差。 液態(tài)物質(zhì)和固態(tài)物質(zhì)的能量狀態(tài)與溫度的關(guān)系曲線 過冷：

34、液態(tài)到結(jié)晶，就必須冷卻到T0溫度以下的某一溫度。 △T↗，△F↗，結(jié)晶驅(qū)動力↗， 只有當驅(qū)動力達到一定值時，結(jié)晶過程才能進行。6. 結(jié)晶潛熱：結(jié)晶過程中伴隨的能量釋放。,7. 熱分析法：利用結(jié)晶的熱效應，測定結(jié)晶溫度的方法。8. 冷卻曲線：用熱分析法測定溫度隨時間變化的曲線。,T>T0: 液態(tài)金屬溫度均勻下降；當T→Tn<T0 : 結(jié)晶開始，放出結(jié)晶潛熱，保持系

35、統(tǒng)溫度不變，出現(xiàn)“平臺”；結(jié)晶完畢: T↘。,二、金屬的結(jié)晶過程 晶核的形成：自發(fā)形核：液態(tài)金屬內(nèi)部形成的結(jié)晶枋心。 非自發(fā)形核：晶核在雜質(zhì)固態(tài)點表面形成。2.晶核的長大：實質(zhì)是原子由液體向固體表面的轉(zhuǎn)移。 長大初期，晶核外形比較規(guī)則?形成晶體的頂棱邊?枝晶生長。,3. 影響形核與長大的因素： 形核率N：單位時間內(nèi)，單位體積中所產(chǎn)生的晶核數(shù) 長大速度G：單位時間內(nèi)晶核

36、長大的平均速度 與晶粒大小有關(guān)，也與過冷度、難熔雜質(zhì)有關(guān)。1)過冷度： △T↗，△F↗，形核、長大驅(qū)動力↗； △T↗，原子遷移能力(擴散)↘ 二者共同作用，使形核和長大與過冷度關(guān)系上出現(xiàn)一個極大值。,2)難熔雜質(zhì)： 加速晶核形成；細化金屬晶粒 3）細化晶粒的措施： (1)增大過冷度：提高冷速；提高過冷能力(高溫出爐、低溫 澆注）

37、 (2)變質(zhì)處理：增加晶核數(shù)目，阻礙晶粒長大。,三、金屬的同素異構(gòu)性： 有些金屬在結(jié)晶之后繼續(xù)冷卻時，還會發(fā)生結(jié)構(gòu)的變化，從一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格，此轉(zhuǎn)變?yōu)橥禺悩?gòu)轉(zhuǎn)變。 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變實質(zhì)上也是個結(jié)晶過程，亦稱重結(jié)晶。四、金屬鑄錠組織： 1. 表面細晶粒層：表層金屬過冷度大；模壁的人工晶核作用。 2. 柱狀晶粒層：鑄錠垂直于其模壁散熱的影響，晶粒沿此方 向優(yōu)先長大。

38、3.中心等軸晶：散熱方向性減小，趨于均勻冷卻；未熔雜質(zhì)推 至中心。 柱狀晶力學性能具有明顯方向性，對于鋼錠，由于塑性差，應避免柱狀晶，對于有色金屬，則希望得到。,第三章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶,本章目的：1.      闡明金屬塑性變形的主要特點及本質(zhì)；2.      指出塑性變形對金屬

39、組織和性能的影響；3.    揭示形變金屬在加熱過程中組織和性能變化規(guī)律； 4. 說明熱加工與冷加工的本質(zhì)區(qū)別以及熱加工的特點。,單晶體試樣拉伸變形,§3. 1 金屬的塑性變形,一、單晶體的塑性變形： 通過滑移和孿生兩種主要方式進行 。   1、滑移：晶體在切應力的作用下，其中一部分相對于另一部分發(fā)生滑動的結(jié)果。產(chǎn)生滑移的晶面和晶向，分別稱為滑

40、移面和滑移方向。 a.未變形 b.彈性變形 c.彈塑性變形 d.塑性變形,（1）特點 ①只能在切應力作用下進行； 臨界切應力：使晶體開始滑動的切應力。,τ＝σcosλcosφ 當P/F=σs時，τk＝σscosλcosφ τk為臨界分切應力。拉力P與滑移方向夾角為λ，與滑移面法線夾角為φ,②滑移沿原子密排面(滑移面)、原子密排方向(滑移方向)進行 滑移系：一個滑移面和其上一個滑移方向構(gòu)成。

41、 滑移方向?qū)λ苄宰冃蔚淖饔靡笥诨泼娴淖饔?③產(chǎn)生滑移線和滑移帶 滑移帶：在試樣表面上的許多平行線條，由滑移線構(gòu)成；,④滑移的同時，伴隨晶體轉(zhuǎn)動。,（2）)滑移理論： 現(xiàn)象：τcr理論：Cu：6480Mpa τcr實測：Cu：0.4080MPa Fe：10960Mpa Fe：2.75MPa τcr——單位面積上所有位錯產(chǎn)生、運動阻力之和。 ①剛

42、性滑移理論： 同一瞬間：a.大量原子同時滑移； b.每個原子移動距離為原子間距的整數(shù)倍 ②位錯滑移理論：a.在晶體某些部位形成位錯； b.位錯沿滑移線運動； c.位錯運動到晶體表面后消失。 同一瞬間：a.少數(shù)原子參與滑移； b.每個原子移動距離為一個原子間距的幾分之一。,2、孿生：晶體在切應力作用下，其一部

43、分沿一定的晶面(孿晶面)產(chǎn)生一 定角度的切變。孿晶：切變后，變形部分的晶體位向發(fā)生了改變，以孿晶面 為對稱面與未變形部分相互對稱，對稱的兩部分晶體 即為孿晶。 孿生變形較滑移變形所需臨界切應力大，一般而言，f.c.c、b.c.c金屬很少發(fā)生孿生變形，h.c.p金屬較容易發(fā)生。,二、多晶體的塑性變形：特點：（1）不同時塑性變形。 “軟位向” 45º，“硬位向” /

44、/，垂直。 （2）每個晶粒變形時受周圍不同位向晶粒的牽制。 d減小，σs增大。 d減小， 塑性、韌性高： d較小，晶粒數(shù)增多，變形分散且均勻，無應力集中； d較小，晶界增多，裂紋擴展要走迂回曲折的道路。 （3）晶界有阻礙作用。 （4）變形不均勻。,,,§3. 2 塑性變形對金屬組織和性能的影響,塑性變形→強度、硬度↗，塑性、韌性↘，電阻↗，抗蝕性↘。一、塑性變形對金屬組織的影響：

45、 顯微組織的變化：形成“纖維組織”； 2. 亞結(jié)構(gòu)的細化：位錯纏結(jié)、晶粒破碎；3. 織構(gòu)現(xiàn)象的產(chǎn)生： 織構(gòu): 在塑性變形過程中，晶粒轉(zhuǎn)動， 當變形量達到一定程度(70~90%以上)時， 會使絕大部分晶粒的某一位向與外力方 向趨于一致。 缺陷： 制耳； 優(yōu)點： 使硅鋼片的特定晶界、晶向平行于磁力線方向，提高導磁率,,二、塑性變形對金屬性能的影響：對力學性能的影響： 強度、硬度↗，塑性、韌

46、性↘ 殘余應力： (1)材料經(jīng)塑性變形后殘存在內(nèi)部的應力。其產(chǎn)生是由 于金屬內(nèi)部各區(qū)域變形不均勻所致； (2)是一種彈性應力，在金屬中處于自相平衡的狀態(tài)；分為三種：a. 宏觀殘余應力(第一類內(nèi)應力) 由宏觀變形不均勻引起，使工件變形； b. 微觀殘余應力(第二類內(nèi)應力) 由晶粒或亞晶粒間變形不均勻引起，使工件內(nèi)

47、 部產(chǎn)生微裂紋 c. 晶格畸變應力(第三類內(nèi)應力)； 由晶格畸變引起，使工件強度、硬度↗，塑性、抗蝕性↘。,3. 對理化性能的影響： (1)電阻率↗； (2)電阻溫度系數(shù)↘； (3)導磁率↘； (4)導熱率↘； (5)腐蝕↗。,§3. 3 變形金屬在加熱時組織與性能的變化,一、回復、再結(jié)晶和晶粒長大：(一)回復：經(jīng)過冷變形的金屬加熱時，在顯微組織發(fā)生變化前所發(fā)生的一些亞結(jié)構(gòu)的改變過程

48、稱為回復。 特點： (1)溫度低。T＜T再 (2)顯微組織沒有明顯變化； (3)力學性能變化不大； (4)殘余應力顯著降低； (5)理化性能基本恢復到變形前情況。 應用：低溫去應力退火(如深沖黃銅彈殼，會自動變形，甚至開裂。,(二)再結(jié)晶：變形金屬加熱到較高溫度時，由于原子擴散能力增加，在晶格畸變嚴

49、重處形成一些位向與變形晶粒不同，內(nèi)部缺陷減少的等軸小晶粒，這些小晶粒不斷向外擴展長大，直至金屬中的變形金屬全部被等軸晶取代，即冷變形組織完全消失，這一過程為再結(jié)晶。1、性能變化（位錯密度↘），強度、硬度↘，塑性、韌性↗，內(nèi)應力消除。2. 影響再結(jié)晶溫度的因數(shù)： 再結(jié)晶溫度：工業(yè)條件下定義：經(jīng)大變形量(~70%以上)的金屬，在一小時的保溫時間內(nèi)全部完成再結(jié)晶所需的最低溫度。 (1)預先變形程度：程度↗，T再↘；

50、(2)加熱速度與保溫時間：V↗，t熱↘，T再↗； t保↗，擴散↗，T再↘； (3)原始晶粒度：d↗，內(nèi)能↘，T再↗；         (4)金屬純度及成分：雜質(zhì)會使T再↗，但過量，反而使T再↘，各種工業(yè)純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點間存在以下關(guān)系：T再≈0.35~0.40T熔,3.再結(jié)晶后晶粒度的影

51、響因素： (1)預先變形程度： 臨界變形度：金屬獲得粗大的再結(jié)晶 晶粒的冷變形量。2~10% 。 引起粗晶的原因：變形量較小，形成的再結(jié)晶核心少，造成晶粒異常長大。當變形量很大時，晶粒又粗大，沿一定方向長大。 (2)加熱溫度與保溫時間： T↗，t↗，晶粒↗。 再結(jié)晶全圖：加熱溫度、冷變形程度、晶粒大小關(guān)系的圖?！叭取保杭庸囟?、加工速度、變形程度。,

52、(三)晶粒長大： 再結(jié)晶后，形成等軸晶，若T↗，或t↗，則d↗。 （1）是一個自發(fā)過程： d ↗ ，晶界面積↘，表面能↘，是一個能量降低的自發(fā)過程。 （2) 實質(zhì)：晶界遷移。 （3) 正常長大與異常長大： 正常長大：再結(jié)晶后的晶粒細而均勻， 長大時均勻； 異常長大：再結(jié)晶后的晶粒大小不均勻，大晶粒吞并小晶粒，形成異常粗大的晶粒。(二次再結(jié)晶),二、金屬的熱加工及組織性

53、能的變化： 熱加工—在再結(jié)晶溫度以上的加工變形。 冷加工—在再結(jié)晶溫度以下的加工變形。問題： 金屬錫Sn的再結(jié)晶溫度為：-7℃，在室溫27℃加工變形，金屬鐵Fe 的再結(jié)晶溫度為：400℃，在380℃加工變形，金屬鎢W的再結(jié)晶溫度 為：1200℃，在1100℃加工變形，上述金屬的變形各屬于熱加工還是 冷加工？ ●不能以溫度高低區(qū)分熱、冷加工。 1. 熱加工的特點： (1

54、)容易變形； (2)同時進行著加工硬化和再結(jié)晶軟化過程(動態(tài)再結(jié)晶) (3)易發(fā)生氧化，表面精度、光潔度低。,2. 對組織性能的影響：1)改善鑄態(tài)金屬的組織、性能； a. 氣孔閉合，致密度增加； b. 粗大枝晶和柱狀晶破碎，細化晶粒，消除偏析。2)纖維組織(鍛造流線) a. 脆性雜質(zhì)被打碎，沿金屬主要伸長方向呈碎粒狀、鏈狀分布； b.塑性雜質(zhì)沿主要伸長方向呈帶狀 3)帶狀組織：經(jīng)熱鍛或熱軋后，具有明

55、顯的層狀特性組織。 原因：成分偏析未被消除。,例5、金屬鑄件是否能通過再結(jié)晶退火來細化晶粒？,解：不能。金屬鑄件未進行冷塑性變形，加熱后不會發(fā)生再結(jié)晶。,例6、在室溫下對鉛板進行彎折，越彎越硬，而稍隔一段時間，再彎折鉛板又象最初一樣柔軟，這是何原因？（鉛Pd的熔點：327.35℃）,解：Pd的絕對溫度為：327.35+273.15=600.5 T再=0.45×600.5=270.2 0K 換算攝氏溫度：T再=

56、270.2-273.15=-2.95故在室溫條件下變形,屬于熱加工,會發(fā)生再結(jié)晶。再結(jié)晶退火工藝參數(shù)：T=T再+（100～200℃）。因此變形接近最低再結(jié)晶溫度,較低。再結(jié)晶速度V再與加工硬化速度V加比較：當V再﹥﹥V加無加工硬化現(xiàn)象；反之V加﹥﹥V再會出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。,第四章 合金的結(jié)構(gòu)與相圖,本章目的： 討論合金中的相概念及其類型； 介紹各種類型的基本二元相圖； 說明相圖與合金性能間的對應關(guān)系 。

57、合金：通過熔煉、燒結(jié)或其它方法，將一種金屬元素同一種或幾種其它元素結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的新物質(zhì)。,⑴力學性能比純金屬優(yōu)良；⑵冶煉方法比金屬提純簡單；⑶可生產(chǎn)特殊性能鋼。（磁鋼、不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等）,§4.1 固態(tài)合金中的相結(jié)構(gòu)(晶體結(jié)構(gòu)),一、基本概念 組織：內(nèi)部情景（晶粒類型、形狀大小、數(shù)量、分布）組元—組成合金的最基本的獨立物質(zhì)。相—合金材料組織中具有同一化學成分、晶體結(jié)構(gòu)相同并以

58、 界面互相分開的的均勻部分。  相的結(jié)構(gòu)類型： 固溶體：相的晶體結(jié)構(gòu)與某一組元的晶體結(jié)構(gòu)相同； 金屬化合物：相的晶體結(jié)構(gòu)與組元的晶體結(jié)構(gòu)均不相同。,二、固溶體： 組成合金的元素互相溶解，形成的晶體結(jié)構(gòu)與某一元素相同，但包括其它元素的原子，稱固溶體。與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素為溶劑，其它元素為溶質(zhì)。 單一均勻相 溶劑—固溶體中保留晶體結(jié)構(gòu)的組元。 溶質(zhì)—固溶體中失去晶體結(jié)構(gòu)的組元。

59、 ①置換固溶體—溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑 原子晶格結(jié)點位置形成的固溶體。（ 有序固溶體、無序固溶體）▲溶質(zhì)與溶劑原子大小不一，會發(fā)生晶格畸變。 ②間隙固溶體—溶質(zhì)原子占據(jù)晶格 某些間隙位置形成的固溶體。,③固溶體的溶解度： 溶質(zhì)原子溶入固溶體的極限濃度。有限固溶體：溶質(zhì)在溶劑中的溶解度有限。 無限固溶體：元素之間可以以任意比例形成固溶體。 ④固溶體的性能：固溶強化—溶質(zhì)原子的溶入造成晶格畸變，

60、使金屬材料的強度、 硬度增加的現(xiàn)象。,例：純銅的σb=220Mpa 44HBS 加入19%Ni的白銅σb=380～400Mpa 70HBS ψ=50%如果通過加工硬化塑性則小于5%。由此可見力學性能較好的材料，一定是合金材料。,三、金屬化合物： 金屬化合物—具有相當程度金屬鍵結(jié)合，并且有明顯金 屬特征的化合物。1、金屬化合物的特性： ①晶體

61、結(jié)構(gòu)不同于組成化合物的任一元素，是一種新相。 ②高熔點；高硬度；高脆性。2、金屬化合物對性能的影響： 彌散強化—極細小的金屬化合物均勻彌散的分布在固溶體或純金屬中使其強度、硬度明顯提高的現(xiàn)象3、分類：,①正常價化合物： a、嚴格按原子價結(jié)合的； b、有固定成分的； c、可用化學式表示的一般是金屬性強的元素與非金屬或金屬性弱的元素組成的化合物。如：Mg2Si；Mg2Sn；Mg2Pb；MnS等）,②

62、電子化合物：a、按一定的電子濃度規(guī)律；b、不同的電子濃度，對應不同的晶體結(jié)構(gòu)。如：C=3/2；體心立方晶格的β相CuZn。 C=21/13；復雜立方晶格的γ相Cu5Zn8。 C=7/4；密排六方晶格的ε相CuZn3。,③間隙化合物：a、間隙相：非金屬原子半徑/金屬原子半徑＜0.59；具有簡單晶格的間隙化合物。b、間隙化合物：非金屬原子半徑/金屬原子半徑＞0.59；形成復雜晶格的間隙化合物。,§4.2

63、 二元合金相圖的建立,相組織相圖測定： 1、配不同合金 2、測定冷卻曲線 T——t曲線 3、轉(zhuǎn)換 T——成分曲線相圖分析 1、按相填圖 2、分析合金組織轉(zhuǎn)變 3、杠桿定理（計算相組成） 4、計算組織組成 5、按組織填圖。,一、二元合金相圖的建立：,F:\課件\動畫驅(qū)動\aawin,一般建立采用的是實驗的方法，較簡

64、單的有熱分析法，配置一系列不同成分的合金，由液態(tài)緩慢冷卻一直到室溫，得到近似平衡狀態(tài)的冷卻曲線，每條曲線都有二個不同狀態(tài)點。在溫度—成分二維坐標系中找到對應狀態(tài)點溫度，并同一狀態(tài)點用曲線連接即得相圖。,二、使用二元相圖的基本方法：,⑴表象點：,坐標系平面中任一點均稱“表象點”，可以知道此點溫度—成分條件下，合金處于何狀態(tài)或何種相結(jié)構(gòu)、何種組織。,⑵確定某合金的相變溫度：,做某合金成分的垂線與相圖曲線交點對應溫度為相變溫度。,⑶杠桿定律：

65、,已知合金有ＡＢ兩組元，如圖所示K成分的合金，冷卻到X溫度，該溫度下，合金二相共存即：液相L和固相α該兩相平衡成分為固定值。即：X溫度水平線與液相線交點對應的成分，為液相L的成分XL，與固相線交點對應成分，為固相α的成分 Xα，合金的成分XＫ。,假設(shè)：合金總重量為W0；液相合金重量WL；固相α合金重量Ｗα。,公式推導思路：液相中Ｂ元素重量＋α中Ｂ元素重量＝合金中Ｂ元素總重量；液相重量＋固相α重量＝合金總重量。,由此可知：,WL&#

66、215;ＸＬ＋Ｗα×Ｘα＝W0×ＸＫ　　　?、?三、勻晶相圖。,WL＋Ｗα?。絎0　　　　　　　　　　?、?WL（ＸＫ－ＸＬ）＝Ｗα（Ｘα－ＸＫ）　?、?③式與物理中的杠桿定律相似。,使用注意事項：ａ、在兩相區(qū)求某溫度兩相的相對重量；ｂ、杠桿的長度與溫度有關(guān)；ｃ、杠桿的支點為合金的成分點；ｄ、杠桿的端點為溫度水平線與曲線的交點。,二元勻晶相圖—兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能以任何比例互溶時構(gòu)成的相圖。,有：Cu—Ni

67、 ；Fe—Cr ；Au—Ag ；W—Mo等,⑴Cu—Ni合金相圖分析：,Cu熔點1083℃ ； Ni熔點1455℃。液相線，固相線。了解合金的結(jié)晶過程。,⑵枝晶偏析：,枝晶偏析—枝晶內(nèi)部化學成分不均勻現(xiàn)象。,可以通過加熱到T固-（100~200℃），長時間保溫，使成分通過擴散達到均勻，稱為“擴散退火”。,四、共晶相圖。,二元共晶相圖—兩組元在液態(tài)完全互溶，在固態(tài)不互溶或有限互溶，且發(fā)生共晶反應時的相圖。,固態(tài)完全不互溶的如：Pb

68、—Sb ，其相圖為簡單共晶相圖；,⑴、相圖分析：,F:\課件\動畫驅(qū)動\aawin,固態(tài)有限互溶的如：Pb—Sn ，其相圖為一般共晶相圖。,它們的共同點在相圖中均有一條水平線，當某合金冷卻到與水平線相交時溫度，合金將發(fā)生共晶反應（或共晶轉(zhuǎn)變）。,共晶反應—一定成分液態(tài)合金，冷卻到一定溫度時，同時結(jié)晶生成兩種不同的固態(tài)物質(zhì)。,其中：一定成分即：共晶成分；一定溫度即；共晶溫度。,①、aeb為液相線；②、acedb為固相線；③、a 為鉛的

69、熔點；④、b為錫的熔點；有兩種有限固溶體：⑤、Pb為溶劑，Sn為溶質(zhì)的α固溶體，其溶解度曲線cf； ⑥、Sn為溶劑，Pb為溶質(zhì)的β固溶體，其溶解度曲線dg；⑦、合金成分≤c點時，液相L在固相線ac以下溫度結(jié)晶為α固溶體；⑧、合金成分≥d點時，液相L在固相線bd以下溫度結(jié)晶為β固溶體；⑨、成分在c~d之間的合金在結(jié)晶溫度達到固相線的水平部分ced時都將發(fā)生恒溫反應，即：共晶反應。⑩、反應式： Le≒αc+βd,⑵、

70、合金的結(jié)晶過程：,①、含Sn量小于E點的合金結(jié)晶過程 （合金Ⅰ）；,②、共晶合金的結(jié)晶過程 （合金Ⅱ）；,③、亞共晶合金的結(jié)晶過程（合金Ⅲ）；,④、過共晶合金的結(jié)晶過程（合金Ⅳ）；,⑤、含Sn量大于F點的合金結(jié)晶過程（合金Ⅴ ）,與含Sn量小于E點的合金結(jié)晶過程 （合金Ⅰ）相似。,⑶、組織組成物的Pb—Sn相圖：,⑷、其他相圖：,共析相圖和具有穩(wěn)定化合物的相圖,五、合金性能與相圖的關(guān)系。,合金的性能取決于合金的化學成分和內(nèi)部組織，