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金属材料及热处理基础理论教案课件.ppt

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金属材料 热处理 基础理论 教案 课件
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其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 金属材料的力学性能 应力 应变曲线 材料的强度 塑性 硬度 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 性能 使用性能 工艺性能 力学性能 :材料受力时表现出来性能 物理性能、化学性能 材料使用 时表现出 的性能 材料加工 时表现出 的性能 热加工工艺性能 :铸造、锻压、焊 接、 热处理 冷加工工艺性能:切削加工 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 力的相关术语 1)载荷 载荷分为静载荷、冲击载荷及变动载荷三种。 2)变形 3)应力( ) 金属材料在使用和加工过程中所受到的各种 外力统称为载荷,用符号 F表示。 金属材料受到载荷作用而产生的几何变形和 尺寸的变化称为变形。 变形分为弹性变形和塑性变形。 也就是单位面积所能承受的载荷大小。即 =F/S 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 一、低碳钢的拉伸应力 -应变曲线 O 应力 应变 弹性阶段 下屈服强度 ReL 屈服阶段 强化阶段 颈缩阶段 断裂 抗拉强度 (Rm): tensile strength 相应最大力 (Fm)的应力。 0 mm S FR S0:试样原始横截面积 屈服强度 : yield strength 当金属材料呈现屈服现象时,在试验期间 达到塑性变形发生而力不增加的应力点, 应区分上屈服强度和下屈服强度。 上屈服强度 (ReH): upper yield strength 试样发生屈服而力首次下降前的最高应力。 下屈服强度 (ReL): lower yield strength 在屈服期间,不计初始瞬时效应时的最低应力。 根据低碳钢应力 -应变曲线不同阶段的变形特征,整个拉伸过程依次分为: 弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段 。 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 弹性阶段 :当外力解除后变形能够全部消除、恢复原状,为 弹性变形 。 屈服阶段 : 开始产生 塑性变形 ,即 当外力解除后 ,变形不能完全恢复,而残留下一 部分变形。 强化阶段 : 经过屈服阶段后,材料又恢复了抵抗变形的能力,要使它继续变形必须 增加拉力。 颈缩阶段 : 在试件某一薄弱的横截面处发生急剧的局部收缩,横截面面积迅速减小, 塑性变形迅速增加。 a)试样 b)拉伸 c)颈缩 d)断裂 颈缩 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 二、强度 1.定义 : 2.意义: 3.强度指标 1)弹性极限 材料受到外力时,产生弹性变形时所能承受的最大应力。 用符号 e表示 。 e=Fe/Ao 式中 Fe 试样发生弹性变形时的最大载荷( N) ; Ao 试样的原始横截面积( mm2)。 金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂 的能力称为 强度 。 强度指标是机器零件选材和设计的主要依据。 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 2)屈服点与屈服强度 金属材料开始产生屈服现象时的最低应力值称为屈 服点,用符号 s 表示 。 s=Fs/Ao 式中 Fs 试样发生屈服时的载荷( N) ; Ao 试样的原始横截面积( mm2)。 工业上使用的某些金属材料,如高碳钢、铸铁等,在拉伸过程中, 没有明显的屈服现象 ,无法确定其屈服点 s ,按 GB/T2228规定, 可用 屈服强度 0.2来表示该材料开始产生塑性变形时的最低应力 值。 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 屈服强度为试样标距部分产 生 0.2%残余伸长率时的应力 值 , 即 0.2=F0.2/Ao 式中 F0.2 试样标距产生的 0.2% 残余伸长时载荷 ( N) ; Ao 试样的原始横截面积 ( mm2) 屈服强度的测定 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 3)抗拉强度 金属材料在断裂前所能承受的最大应力值称为抗拉强度 , 用符号 b表示 。 b=Fb/Ao 式中 Fb 试样在断裂前所承受的载荷 ( N) ; Ao 试样原始横截面积 ( mm2) 。 三、塑性 金属材料的载荷作用下,断裂前材料发生不可逆 永久变形的能力称为 塑性 。 1.定义 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 2.意义 1)断后伸长率 =(L1-L0)/L0 材料有一定的塑性既能保证安全性,又能使材料便于 加工(工艺性能)。 3.常用的塑性指标 2)断面收缩率 =(S0-S1)/S0 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 四、硬度 硬度 是指金属材料抵抗局部变形,特别是塑性变形、 压痕或划痕的能力 。 1)布氏硬度 ( HBW、 HBS) 2)洛氏硬度( HRA、 HRB、 HRC等) 3)和维氏硬度( HV) 1、定义 2、常用的硬度指标 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 硬度测试原理 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 各种硬度表示方法、特点及应用范围 硬度测定 方法 表示方法 特点 应用范围 布氏硬度( HB) 450HBW5/750/20表示用直 径 5mm的硬质合金球,在 750kgf载荷下保持 20s,测 定的布氏硬度值为 450。 测试值稳定, 准确 , 但测量费时,且 压 痕较大 。 不适测薄件或成品 ;常 用于测 HBW值小于 650的 材料,如 灰铸铁、非铁 合金及退火、正火、调 质钢等 洛氏硬度 ( HR) 5055HRC,数值越大,表 示材料越硬。 操作迅速 简便 , 压 痕小,不如布氏硬 度精确 ,一般需 测 不同部位 几处 , 求 其算术 平均值 。 适宜大量生产成品检验 维氏硬度 ( HV) 500Hv100/20表示在试验 载荷 100kgf下保持 20s测 定的维氏硬度值为 500 载荷小,压痕浅 . 特适测软、硬金属及陶 瓷等非金属材料,尤其 是极薄的零件和渗碳层 的硬度;还可测显微组 织硬度。 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 晶体结构 三种典型的金属晶体结构: 面心立方晶体 体心立方晶体 密排六方晶体 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 1、 面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞由八个原子构成的立方体, 但在立方体的每一个面的中心还有一个原子。 显然,在这种晶胞中,是在每一个面的对角线 上各原子彼此相互接触。属于这种晶格的有铝、 铜等。 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 2、 体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞由八个原子构成的立方体, 并在其立方体的体心还有一个原子,因其晶格 常数 a=b=c,故只用一个常数 a即可表示。这种 晶胞在其立方体对角线方向上的原子是彼此紧 密相接触排列的。属于这种晶格的金属有铁、 铬等。 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 3、 密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞不仅在上下两个六方面各 有 7个原子,而且在两个六方面之间还有三个 原子。属于这种晶格的金属有镁、锌等。 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 金属材料的塑性变形 单晶体的塑性变形 滑移和孪生 多晶体的塑性变形 冷塑性变形对金属组织性能的影响 塑性变形金属在加热时组织性能变化 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 金属材料的塑性变形 1、单晶体的塑性变形 滑移和孪生 ( 1)滑移: 在外加切应力作用下,晶体的一部分相对于另一 部分沿一定晶面(滑移面)的一定方向(滑移方向) 发生相对的滑动 如拉伸时,滑移面上的外力 P分解为正应力 和切 应力 。 正应力作用使晶格发生弹性伸长。正应力 只能 使晶体产生弹性变形和断裂,不能使晶体产生塑性变 形。 切应力作用使晶格发生弹性歪扭; c( 临界 切应力), ----变形量 , O , 变形恢复; c, 发生滑移,产生永久塑性变形。 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 ( 2)孪生 晶体的一切分相对 于另一部分沿一定晶面 (孪生面)和晶向(孪 生方向)发生切变。 金属晶体中变形部分与 未变形部分在孪生面两 侧形成镜面对称关系。 发生孪生的部分(切 变部分)称为孪生带或 孪晶。 孪生带的晶格位向 发生变化,发生孪生时 各原子移动的距离是不 相等的。 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 ( 3)滑移和孪生: 1. 滑移和孪生均在切应力作用下,沿一定晶面的一定晶向进行, 产生塑性变形。 2. 孪生借助于切变进行,所需切应力大,速度快,在滑移较难 进行时发生 . FCC金属一般不发生孪生,少数在极低温度下发生。 . BCC金属仅在室温或受冲击时发生。 . HCP金属较容易发生孪生。 3. 滑移 原子移动的相对位移是原子间距的整数值 不引起晶 格位向的变化。孪生 原子移动的相对位移是原子间距的分 数值 孪晶晶格位向改变 促进滑移 4. 孪生产生的塑性变形量小( 滑移变形量的 10) 孪生变 形引起的晶格畸变大。 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 2、多晶体的塑性变形 ( 1)影响多晶体塑性变形的因素 1. 晶粒位向:晶粒位向不一致 2. 晶界: . 滑移的主要障碍:晶界原子排列较不规则 缺陷多 滑 移阻力大 变形抗力大。 . 协调变形:晶界自身变形 处于不同变形量的相邻晶粒 保持连续。 ( 2)细晶强化 Hall-Pitch关系: s= 0+Kyd-1/2 晶粒小 晶界面积大 变形抗力大 强度大 晶粒小 晶界附近位错密度小 应力集中小 滑移由这晶粒 到另外一个晶粒机会少 变形困难 屈服强度 晶粒小 单位体积晶粒多 变形分散 减少应力集中 晶粒小 晶界多 不利于裂纹的传播 断裂前承受较大的塑 性变形 细晶强化:晶粒细化 强度提高、塑性提高、韧性提高,硬 度提高。 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 冷塑性变形对金属组织性能的影响 加工硬化(形变硬化) 金属在冷态下进行塑性变形时,随着变形度的增加,其强度、 硬度提高,塑性、韧性下降 加工硬化 塑性变形 位错开动 位错大量增殖 相互作用 运动阻力 加大 变形抗力 弹度 、硬度 、塑性、韧性 位错强化:位错密度 强度、硬度 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 1回复 物理化学性能恢复,内应力显著降低,强 度和硬度略有降低 去应力退大。 2再结晶 1)新的形核一长大过程,无新相生成 加工硬化消除,力学性能恢复,显微组织 发生显著变化 等轴晶粒,强度大大下降 再结晶退火:消除加工硬化的热处理工艺 再结晶温度: 纯金属: TR=0.4-0.35Tm(K) 合金: TR=0.5-0.7Tm(K) 2)影响再结晶晶粒度的因素 温度 T D 晶界迁移 长大 预变形度 3 晶粒长大 塑性变形金属在加热时组织性能变化 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 铁 碳 合 金 Fe-Fe3C平衡相图 铁素体、奥氏体、渗碳体 纯铁、共析钢、亚共析钢、过共析钢的结晶过程 共析钢的奥氏体化过程 奥氏体晶粒度 过冷奥氏体的等温转变 过冷奥氏体的连续冷却转变 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 铁碳合金相图表示在缓慢冷却或缓慢加 热的条件下,不同成份的铁碳合金的状 态或组织随温度变化的图形。相图上的 线表示某些意义相同的点的集合。由线 分割出的面又划分出不同组织区域。 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 钢铁是现代工业中应用最广泛的金属材料。普通 碳钢和铸铁均属于铁碳合金范畴,合金钢和合金铸 铁实际上是有意加入合金元素的铁碳合金。因此, 铁和碳是钢铁材料的两个最基本的组元。为了熟悉 钢铁材料的组织与性能,以便在生产中合理使用, 首先从研究铁碳合金开始,研究铁与碳的相互作用 ,以便认识铁碳合金的本质并了解铁碳合金成分、 组织结构与性能之间的关系。 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 纯铁及其同素异构转变 大多数金属在结晶终了之后以及继续冷却过程中,其晶 体结构不再发生变化,但也有一些金属,如 Fe、 Co、 Ti、 Mn、 Sn等,在结晶之后继续冷却时,还会出现晶体结构 变化,从一种晶格转变为另一种晶格。金属在固态下随着 温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的变化称为同素 异构 (晶 )转变。 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 铁 素 体 碳溶解于 a-Fe中所形成的间隙固溶体称为“铁素体”,以符 号 F表示。由于 a-Fe是体心立方晶格,其晶格间隙的直径很小, 因而碳在 a-Fe中的溶解度很小,最大的溶解度为 0.02 ( 727 )。随着温度下降溶碳量逐渐减小,在室温时溶碳量仅 为 0.0008。这是因为在 a-Fe中容纳碳原子的空隙半径很小, 通常情况下, a-Fe中晶格的最大空隙半径为 0.36A, 而碳原子半 径为 0.77A。 因此碳原子不可能处于晶格的空隙中,而是存在于 a-Fe晶格的缺陷处(如位错、晶界、空位等)。所以铁素体含 碳量很低,它的显微组织是由网络状的多面体晶粒组成,它的 性能几乎与纯铁相同,即强度和硬度很低,但具有良好的塑性 和韧性。 铁素体在 770 以下具有铁磁性 , 在 770 以上则失去铁磁性 。 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 奥 氏 体 碳溶于 -Fe中所形成的间隙固溶体称为奥氏体 , 以符号 A 表示 。 由于 -Fe是面心立方晶格它的致密度虽然高于体心立 方晶格的 a-Fe, 但由于其晶格间隙的直径要比 a-Fe大 , 故溶 碳能力也较大 。 在 1148 时溶碳量最大可达 2.11 , 碳通常 填充在 -Fe中的八面体间隙中 。 随着温度下降溶碳量逐渐减 少 , 在 727 时的溶碳量为 Wc=0.77 。 奥氏体只存在于 727 以上的高温范围内。因此加热到 高温时可以得到单一的 A组织。由于 A是易产生滑移的面心 立方晶格,奥氏体的硬度较低而塑性较高,易于锻压成型 。奥氏体为非铁磁性相。 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 渗 碳 体 渗碳体的分子式为 Fe3C, 它是一种具有复杂晶格的间隙化 合物 。 渗碳体含碳 6.69 ;熔点为 1227 ;不发生同素异晶转 变;但有磁性转变 , 它在 230 以下具有弱铁磁性 , 而在 230 以上则失去铁磁性;硬度很高 , 能轻易地刻划玻璃 , 而塑性和韧性几乎为零 , 脆性极大 。 在室温平衡状态下 , 铁 碳合金 ( 钢 ) 中的碳大多以渗碳体形式存在于组织中 。 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 渗碳体在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状 、 球状 、 网状或板状 。 它的形态与分布对钢的性能有很大影响 。 当渗碳体的形状和分布合适时 , 可提高钢的强度和耐 磨性 。 因此它是铁碳合金中重要的强化相 。 同时 , Fe3C在一定条件下会发生分解 , 形成石墨状的自由碳 。 Fe3C3Fe+C( 石墨 ) 以上是碳在铁中的存在形式 , 也是铁碳合金中的基 本组织 , 除此三种之外 , 铁碳合金中还有另外两种组 织 , 即珠光体和莱氏体 。 珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物 , 用 P表 示 , 其平均含碳量为 0.77 。 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 工业纯铁( C%0.0218%) 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 共析钢 C%=0.77% 其临床表现为持续性、进行性的多个智能功能域障碍的临床综合征,包括记忆、语言、视空间能力、应用、辨认、执行功能及计算力等认知功能的损害。 亚共析钢 0.0218%
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