工程材料总复习公开课获奖课件.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,机械工程材料,总 复 习,第1页,使用性能,工艺性能,纯金属,合金,工业用钢,有色金属及其合金,铸铁,结晶,塑性变形,热处理,第2页,一、性能,使用性能,1、力学性能,刚度：材料抵御弹性变形能力。,指标为弹性模量：E=/,强度：材料抵御变形和破坏能力。指标：,抗拉强度 b材料断裂前承受最大应力。,屈服强度 s材料产生微量塑性变形时应力。,第3页,条件屈服强度 0.2残存塑变为0.2%时应力。,疲劳强度-1无多次交变应力作用下不发生破坏最大应力。,塑性：材料断裂前承受最大塑性变形能力。指标为、。,硬度：材料抵御局部塑性变形能力。指标为HB、HRC。,第4页,冲击韧性：材料抵御冲击破坏能力。指标为k.材料使用温度应在冷脆转变温度以上。,断裂韧性：材料抵御内部裂纹扩展能力。指标为K1C。,2、化学性能,耐蚀性：材料在介质中抵御腐蚀能力。,抗氧化性：材料在高温下抵御氧化作用能力。,3、耐磨性：材料抵御磨损能力。,第5页,工艺性能,1、铸造性能：液态金属流动性、填充性、收缩率、偏析倾向。,2、铸造性能：成型性与变形抗力。,3、切削性能：对刀具磨损、断屑能力及导热性。,4、焊接性能：产生焊接缺陷倾向。,5、热处理性能：淬透性、耐回火性、二次硬化、回火脆性。,第6页,二、晶体构造,纯金属晶体构造,1、理想金属,晶体：原子呈规则排列固体。,晶格：表达原子排列规律空间格架。,晶胞：晶格中代表原子排列规律最小几何单元.,第7页,三种常见纯金属晶体构造,Mg、Zn,-Fe、Ni、Al,-Fe、Cr、W,常见金属,3,12,12,滑移系,底面对角3,3,2,滑移方向,六方底面1,111 4,1106,滑移面,0.74,0.74,0.68,致密度,12,12,8,配位数,6,4,2,原子个数,原子半径,a、c,a,a,晶格常数,密排六方,面心立方,体心立方,第8页,立方晶系晶面指数和晶向指数,晶面指数：晶面三坐标截距值倒数取整加（）,晶向指数：晶向上任一点坐标值取整加 ,立方晶系常见晶面和晶向,晶面族与晶向族,指数不一样样但原子排列完全相似,晶面或晶向。,密排面和密排方向 同滑移面与滑移方向,在立方晶系中，指数相似晶面与晶向互相垂直。,第9页,2、实际金属,多晶体构造：由多晶粒构成晶体构造。,晶粒：构成金属方位不一样样、外形不规则小晶体.,晶界：晶粒之间交界面。,晶体缺陷晶格不完整部位,点缺陷,空位：晶格中空结点。,间隙原子：挤进晶格间隙中原子。,置换原子：取代本来原子位置外来原子。,第10页,线缺陷位错,晶格中一部分晶体相对另一部分晶体沿某一晶面发生局部滑移,滑移面上滑移区与未滑移区交接线.,面缺陷晶界和亚晶界,亚晶粒：构成晶粒尺寸很小、位向差也很小小晶块。亚晶界：亚晶粒之间交界面。,晶界特点：,原子排列不规则；阻碍位错运动；熔点低；耐蚀性低；产生内吸附；是相变优先形核部位。,第11页,金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调具有不一样样位向晶粒越多，使得金属塑性变形抗力越高。,晶粒越细，单位体积内同步参与变形晶粒数目越多,变形越均匀，在断裂前将发生较大塑性变形。强度和塑性同步增长，在断裂前消耗功大，因而韧性也好.,细晶强化：通过细化晶粒来提高强度、硬度和塑性、韧性措施。,第12页,合金晶体构造,合金：由两种或两种以上元素构成具有金属特性物质。如碳钢、合金钢、铸铁、有色合金。,相：金属或合金中凡成分相似、构造相似，并与其他部分有界面分开均匀构成部分。,1、固溶体：与构成元素之一晶体构造相似固相.,置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格结点位置形成固溶体。多为金属元素之间形成固溶体。,第13页,间隙固溶体：溶质原子处在溶剂晶格间隙所形成固溶体。,为过渡族金属元素与小原子半径非金属元素构成。,铁素体：碳在-Fe中固溶体。,奥氏体：碳在-Fe中固溶体。,马氏体：碳在-Fe中过饱和固溶体。,固溶强化：随溶质含量增长，固溶体强度、硬度提高，塑性、韧性下降现象。,第14页,马氏体硬度重要取决于其含碳量，并随含碳量增长而提高。,金属化合物：与构成元素晶体构造均不相似固相.,正常价化合物 如Mg2Si,电子化合物 如Cu3Sn,间隙化合物：由过度族元素与C、N、H、B等小原子半径非金属元素构成。,分为构造简朴间隙相和复杂构造间隙化合物。,第15页,强碳化物形成元素：Ti、Nb、V 如,TiC、VC,中碳化物形成元素：W、Mo、Cr 如,Cr,23,C,6,弱碳化物形成元素：Mn、Fe 如,Fe,3,C,性能比较：,强度：固溶体,纯金属,硬度：化合物,固溶体,纯金属,塑性：,化合物,固溶体,纯金属,第16页,金属化合物形态对性能影响,基体、晶界网状：强韧性低,晶内片状：强硬度提高，塑韧性减少,颗粒状：,弥散强化：第二相颗粒越细，数量越多，分布越均匀,合金强度、硬度越高，塑韧性略有下降现象。,固溶体与化合物辨别：构造；性能；表达方式,第17页,合金元素在钢中作用,1、强化铁素体；,2、形成化合物第二相强化,3、扩大（C,Mn,Ni,Co）或缩小（Cr,Si,W,Mo）A相区,4、使S、E点左移,5、影响A化,6、溶于A(除Co外),使C曲线右移,Vk减小,淬透性提高.,7、除Co、Al外，使Ms、Mf点下降。,第18页,8、提高耐回火性（淬火钢在回火过程中抵御硬度下降能力）,9、产生二次硬化(含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时，由于析出细小弥散特殊碳化物及回火冷却时A转变为M回，使硬度不仅不下降，反而升高现象),10、防止第二类回火脆性：W、Mo,(回火脆性：淬火钢在某些温度范围内回火时，出现冲击韧性下降现象。),第19页,三、组织,纯金属组织,1、结晶：金属由液态转变为晶体过程,结晶条件过冷：在理论结晶温度如下发生结晶现象。,过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度差。,结晶基本过程晶核形成与晶核长大,形核自发形核与非自发形核,长大均匀长大与树枝状长大,第20页,结晶晶粒度控制措施：增长过冷度；变质处理；机械振动、搅拌,2、纯金属中固态转变,同素异构转变：物质在固态下晶体构造随温度而发生变化现象。,固态转变特点：形核部位特殊；过冷倾向大;伴伴随体积变化。,1394,912,铁,同素异构转变：,-Fe,-Fe,-Fe,第21页,3、再结晶,再结晶条件：冷塑性变形,加热时变化：答复再结晶晶粒长大,再结晶：冷变形组织在加热时重新彻底改组过程.再结晶不是相变过程。,再结晶温度：发生再结晶最低温度。,纯金属最低再结晶温度T再0.4T熔,影响再结晶晶粒度原因：加热温度和时间；,预先变形程度,第22页,4、塑性变形：,金属塑性变形方式：滑移和孪生,滑移特点：,只能在切应力作用下发生；,沿密排面和密排方向发生；,位移量是原子间距整数倍；,伴伴随转动,滑移机理：通过位错运动实现。,第23页,孪生特点：,孪生使晶格位向发生变化；所需切应力比滑移大得多，变形速度极快，靠近于声速；孪生时相邻原子面相对位移量不不小于一种原子间距。,冷热加工：以再结晶温度划分,冷加工组织：晶粒被拉长压扁、亚构造细化、,织构：变形量大时，大部分晶粒某一位向与外力趋于一致现象。,第24页,加工硬化：随冷塑性变形量增长，金属强度、硬度提高，塑性、韧性下降现象。,冷加工使内应力增长，耐蚀性下降，提高。,热加工：形成纤维组织、带状组织,纤维组织使热加工金属产生各向异性，加工零件时应考虑使流线方向与拉应力方向一致。,第25页,合金组织,1、相图,匀晶L 共晶L+共析+包晶L+,杠杆定律：只合用于两相区。,枝晶偏析：在一种枝晶范围内或一种晶粒范围内成分不均匀现象。,2、合金中固态相变,固溶体转变：AF,共析转变：AP(F+Fe3C),二次析出：AFe3C,第26页,奥氏体化,过冷奥氏体转变,固溶处理+时效：,固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后获得过饱和单相固溶体组织处理。,时效是指将过饱和固溶体加热到固溶线如下某温度保温，以析出弥散强化相热处理。,第27页,3、铁碳合金相图,点：符号、成分、温度,Fe,Fe,3,C,S,Q,P,N,K,J,H,G,F,E,D,C,B,A,A+,Fe,3,C,A+F,L+A,A+,L+,F,A,L,L+,Fe,3,C,F+,Fe,3,C,A+,Fe,3,C,A+,Fe,3,C,+Le,Le,Le,+,Fe,3,C,Le,+,Fe,3,C,Le,P+,Fe,3,C,+Le,P+,Fe,3,C,P+F,P,F,+,Fe,3,C,莱氏体,Le(A+,Fe,3,C,),Le(P+,Fe,3,C,),珠光体,P(F+,Fe,3,C,),复相组织构成物：,组织构成物标注,相区标注,线：,液固相线、水平线、固溶线、固溶体转变线,A,1538,D,1227,N,1394,G,912,PSK,727,ECF,1148,HJB,1495,C%,温度,第28页,经典合金结晶过程,（以共析钢为例）,时间,温度,第29页,杠杆定律应用,合金,相相对重量百分比,组织组成物相对重量百分比,45钢,T10钢,含碳3.0%亚共晶白口铁,第30页,四、钢热处理,热处理原理,1、加热时转变,奥氏体化环节：A形核；A晶核长大；残存渗碳体溶解；A成分均匀化。,奥氏体化后晶粒度：,初始晶粒度：奥氏体化刚结束时晶粒度。,实际晶粒度：给定温度下奥氏体晶粒度。,本质晶粒度：加热时奥氏体晶粒长大倾向。,第31页,2、冷却时转变,等温转变曲线及产物,650,600,550,350,A,1,M,S,M,f,时间,P,S,T,B,上,B,下,M,M+A,A,P,A,S,A,T,A,B,上,A,B,下,A,M,过冷,A,过冷,A,过冷,A,过冷,A,过冷,A,第32页,用C曲线定性阐明持续冷却转变产物,根据与C曲线交点位置判断转变产物,P,均匀A,细A,A,1,M,S,M,f,时间,等温退火,P,P,退火,(炉冷),正火,(空冷),S,淬火,(油冷),T+M+A,等温淬火,B,下,M+A,分级淬火,M+A,淬火,(水冷),M,回,150-250,T,回,350-500,S,回,500-650,?,?,?,?,P,T+S,回,S,T+B,下,+M+A,第33页,3、回火时转变,碳钢：马氏体分解；残存奥氏体分解；-碳化物转变为Fe3C；Fe3C汇集长大和铁素体多边形化。,W18Cr4V钢：560三次回火。析出W、Mo、V碳化物，产生二次硬化。回火冷却时，A转变为M。每次回火加热都使前一次淬火马氏体回火。,强化钢铁材料最经济有效热处理工艺是淬火+回火,它包括了四种基本强化措施。,第34页,热处理工艺,工艺,目标,加热温度,组织,退火,1.,调整硬度,便于切削加工。,2.,细化晶粒,为最终热处理作组织准备。,亚共析钢,Ac,3,+3050,共析钢,Ac,1,+3050,过共析钢,Ac,1,+3050,F+P,P,P,球,正火,1.,低中碳钢同退火。,2.,过工析钢：消除网状二次渗碳体。,3.,普通件最终热处理,亚共析钢,Ac,3,+3050,共析钢,Ac,1,+3050,过共析钢,Ac,cm,+3050,0.5%C,M+A,M+A,M+A+粒状Fe,3,C,第35页,热处理工艺（续）,工艺,目标,加热温度,组织,回火,1.消除内应力，降低变形。,2.取得所需要性能。,低温回火,150250,中温回火,350500,高温回火,500650,(调质),亚共析,共析钢：,M,回,过共析钢:,M,回,+A,(少),+,粒状Fe,3,C,T,回,S,回,表面淬火,表面取得马氏体组织，并取得表硬里韧性能。,预备热处理：,调质或正火,适适用于中碳钢 0.40.5%C,表面：M回,心部：S回(调质)或F+S(正火),渗碳,提升表面含碳量，取得表硬里韧性能。,渗碳温度,:900950,淬火温度：,表面,Ac,1,+3050,心部,Ac,3,+3050,适适用于低碳钢 0.10.25%C,表面：M回+A(少)+颗粒状Fe3C,心部：M回+F,M回,第36页,五、工业用金属材料,钢种,C%,经典牌号,合金元素作用,热处理,使用状态下组织,性能,用途,碳素结构钢,0.4,Q195,Q235,热轧空冷,F+P,塑性,焊接性好,建筑结构,低合金高强度钢,0.2,Q345,(16Mn),Mn:强化F,增加P,降低脆转温度,热轧空冷,F+P,塑性,焊接性好,桥梁,船舶,容器,渗碳钢,0.1,0.25,20,20Cr,20CrMnTi,Cr,Mn:提升淬透性,强化F,Ti:细化晶粒,渗碳+淬火+低温回火,表面：M回+A(少许)+颗粒状Fe3C,心部：M回+F,表硬里韧,轴、齿轮,调质钢,0.3,0.5,45,40Cr,40CrNiMo,Cr,Ni:提升淬透性,强化F,Mo:预防第二类回火脆性,调质,S,回,良好综协力学性能,轴、齿轮,弹簧钢,0.60.9,0.450.7,65Mn,60Si2Mn,Cr,Mn:提升淬透性,强化F；Si:提升屈强比,淬火+中温回火,T,回,高,s,/,b,高,-1,弹簧,工业用钢,第37页,工业用钢（续）,钢种,C%,经典牌号,合金元素作用,热处理,使用状态下组织,性能,用途,滚动轴承钢,0.951.10,GCr15,Cr:提升淬透性,耐磨耐蚀性,球退+淬火+低温回火,M回+A(少许)+颗粒状Fe3C,高耐磨高,-,1,足够a,k,滚动轴承,耐磨钢,1.0,1.3,ZGMn13,Mn:形成A组织,水韧处理,表：M+碳化物,心：A,高耐磨耐冲击,铲齿，履带板,碳素工具钢,0.65,1.35,T7T13,球退+淬火+低温回火,M回+A(少许)+颗粒状Fe3C,高硬度高耐磨,冲子、丝锥、锉刀,低合金工具钢,0.75,1.5,9SiCr,Si、Cr：提升淬透性,球退+淬火+低温回火,M回+A(少许)+颗粒状Fe3C,高硬度高耐磨,低速刃具,高速钢,0.7,1.5,W18Cr4V,Cr:提升淬透性；W、V：提升热硬、耐磨性,锻、退火、淬火+三次回火,M回+A(少许)+颗粒状碳化物,高热硬高硬度高耐磨,高速刃具,第38页,工业用钢（续）,钢种,C%,经典牌号,合金元素作用,热处理,使用状态下组织,性能,用途,冷作模具钢,1.4,2.3,Cr12,Cr12MoV,Cr:提升淬透性。MoV:提升耐磨性,锻，退，淬火+低温回火,M回+A(少许)+颗粒状碳化物,高硬度高耐磨,冷冲模,挤压模,热锻模钢,0.5,0.6,5CrNiMo,5CrMnMo,合金元素作用同调质钢,调质,S,回,抗热疲劳,热锻模,压铸模钢,0.3,0.6,3Cr2W8V,合金元素作用同高速钢,淬火+回火,M回+A(少许)+颗粒状碳化物,抗热疲劳,耐磨,压铸模,不,锈,钢,0.03-0.95,1Cr13,2Cr13,Cr:提升耐蚀性；Ni:形成A；Ti:预防晶间腐蚀,调质,S,回,高耐蚀性(随C%增加,耐蚀性下降),汽轮机叶片,3Cr13,4Cr13,淬火+低温回火,M,回,医疗器械,0Cr13,不能热处理,F,硝酸氮肥工业,1Cr18Ni9Ti,固溶处理,A,化工管道,耐,热,钢,15CrMo,12Cr1MoV,Cr,Si:提升抗氧化性;Mo:提升T再；V,Ti:弥散强化;Ni:形成A组织,正火,F+P,高热强性,高抗氧化性,锅炉零件,4Cr9Si2,1Cr11MoV,调质,S,回,气阀,叶片,1Cr18Ni9Ti,固溶,A,过热器管,第39页,铸铁,石墨化：,铸铁中碳原子析出形成石墨过程。,铸铁名称,牌号举例,取得方法,组织,热处理,用途,灰铸铁,HT250,(最低抗拉强度为250MPa),液态金属石墨化+孕育处理,基体(F、P、F+P)+片状石墨,去应力，消除白口，表面淬火,机床床身,可锻铸铁,KTZ450-06,(最低抗拉强度为450MPa,最低延伸率为6%),白口+石墨化退火,基体(F、P)+团絮状石墨,石墨化退火,车轮壳，管接头,球墨铸铁,QT500-7,(最低抗拉强度为500MPa,最低延伸率为7%),液态金属石墨化+球化处理+孕育处理,基体(F、P、F+P)+球状石墨,可进行各种热处理,柴油机曲轴,第40页,有色金属及其合金,合金,牌号举例,牌号含义,性能,用途,铝,合,金,LF5,5号防锈铝合金,耐蚀、塑性好,冷成型件,LY11,11号硬铝合金,强硬度高,冲压模锻件,LC4,4号超硬铝合金,高强,受力大结构件,LD7,7号锻铝合金,可锻、耐温,锻件,ZL102,2号Al-Si铸造合金,耐蚀,铸造性好,汽缸、活塞,ZL201,1号Al-Cu铸造合金,耐热,强度较高,较高温高强件,ZL301,1号Al-Mg铸造合金,耐蚀,高强,舰船配件,ZL401,1号Al-Zn铸造合金,高强,铸造性好,汽车飞机零件,铜,合,金,H68,含68%Cu(32%Zn)黄铜,塑性好,冷变形件,HPb59-1,含59%Cu,1%Pb(40%Zn)黄铜,高强,船舶及化工零件,QAl7,含7%Al 铝青铜,高强,耐磨,耐蚀,船舶飞机零件,钛合金,TC4,4号+型钛合金,高强,耐蚀,耐热,400航空件,巴氏合金,ZSnSb11Cu6,Sn基轴承合金,耐磨,导热,耐蚀,重型动力轴承,ZPbSb16Sn16Cu2,Pb基轴承合金,高温高强,低速低载设备,第41页,