第三篇 金属材料及热处理.docx

1、第三篇 金属材料及热处理BF2TJSDZSJX第三篇金属材料与热处理知识网络总图第一章金属的结构与结晶(建议2课时)考纲要求1了解金属的晶体结构及常见的三种金属晶格类型。2了解纯金属的结晶与同素异构转变。知识网络知识要点一、金属的晶体结构1晶体与非晶体项目定义性能举例晶体原子呈有序、有规则排列的物体具有固定的熔点，性能呈各向异性金属在固态下一般均属于晶体非晶体原子呈无序堆积状况的物体没有固定熔点，性能呈各向同性普通玻璃、松香、树脂等2单晶体与多晶体(1)晶粒：金属由许多小晶体组成的，小晶体成为晶粒。(2)晶界：晶粒之间的交界的地方成为晶界。3金属的晶格类型(1)晶格与晶胞晶格：原子在晶体中排列

2、规律的空间格架。晶胞：能完整反映晶格特征的最小几何单元。晶格是由许多形状、大小相同的晶胞重复堆积而成的。(2)晶面与晶向晶面：在晶体中由一系列原子组成的平面。晶向：通过两个或两个以上原子中心的直线，代表晶格空间排列的一定方向。(3)金属晶格的类型常见金属的三种晶格类型名称结构特点典型金属体心立方晶格(b.c.c)晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心铬(Cr)、钒(V)、钨(W)、钼(Mo)、铌（Nb）、钽（Ta）、铁(Fe)等面心立方晶格(f.c.c)晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的中心铝(Al)、铜(Cu)、铅(Pb)、镍(Ni)、金（Au）

3、、银（Ag）、铁(Fe)等密排六方晶格(h.c.p)晶胞是一个正六棱柱体，原子排列在柱体的每个顶角上和上、下底面的中心，另有三个原子排在柱体内镁(Mg)、铍(Be)、镉(Cd)、锌(Zn)等4晶体的缺陷(1)晶体缺陷：晶体中原子紊乱排列的现象。(2)常见晶体缺陷(见下表)类型名称对材料性能的影响点缺陷间隙原子使材料强度、硬度和电阻增加空位原子置代原子线缺陷刃位错使金属材料塑性变形更加容易面缺陷晶界晶界越多，金属材料的力学性能越好亚晶界 (3)晶体缺陷的后果：都会造成晶格畸变，引起塑性变形抗力的增大，从而使金属的强度提高。二、纯金属的结晶1结晶：金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的固体

4、过程。2结晶潜热：在结晶过程中放出的热量称为结晶潜热。3纯金属的结晶过程(1)金属的结晶过程可以通过热分析法进行研究，纯金属的冷却曲线(见图)。(2)纯金属冷却曲线分析1点以上段：液体金属随着时间的延长，所含热量不断向外散失，温度不断下降。12结晶段：当液体金属冷却到1点时开始结晶，由于结晶过程中释放出来的结晶潜热补偿了散失在空气中的热量，故结晶时温度不随时间的延长而下降，直到2点结晶终了时才继续下降，12两点间的水平线为结晶阶段，它所对应的温度是纯金属的理论结晶温度(T0)。(3)过冷度过冷现象：实际结晶温度(T1)低于理论结晶温度(T0)的现象。过冷度(T)：理论结晶温度与实际结晶温度之差

5、。TT0T1。金属结晶时冷却速度越快，过冷度越大。(4)纯金属的结晶过程是晶核的形成与长大的过程。4晶粒大小对金属力学性能的影响(1)一般在室温下，细晶粒金属具有较高的强度和韧性。(2)金属晶粒的大小取决于结晶时的形核率与晶核的长大速度。形核率越高、长大速度越慢，结晶后晶粒越细小。因此，细化晶粒的根本途径是控制形核率及长大速度。(3)常用的细化晶粒方法增加过冷度：在结晶过程中过冷度越大，晶粒越细。薄壁铸件的晶粒较细；厚大铸件往往粗晶，铸件外层晶粒较细，心部则是粗晶。变质处理：在浇注前向金属液中加入细小的变质剂，促进形核或降低晶核的长大速度。这种方法是生产中最常用的方法。一般钢中加入钛(Ti)、

6、硼(B)、铝(Al)等，铸铁中加入硅铁、硅钙等形核剂。振动处理：结晶时对金属液加以振动(机械振动、超声波振动和电磁振动等)，使生长中的枝晶破碎，产生更多的晶核，达到细化晶粒的目的。三、金属的同素异构转变1定义金属在固态下，随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为金属的同素异构转变。2具有同素异构转变的金属铁(Fe)、钴(Co)、钛(Ti)、锡(Sn)、锰(Mn)等。3以不同晶格形式存在的同一金属元素的晶体称为该金属的同素异晶体。4同一金属的同素异晶体按其稳定存在的温度，由低到高依次用、等表示。5纯铁的同素异构转变式912, 1394, 6同素异构转变与纯金属结晶的异同：(1)相同点：都

7、是一个形核和晶核长大的过程；有一定的转变温度，转变时有过冷现象；)转变过程中放出和吸收热量，有结晶潜热产生，在冷却曲线上出现水平线段。(2)不同点：结晶是液态到固态的转变，同素异构转变是固态到固态的转变；同素异构转变需要较大的过冷度；同素异构转变常伴有金属体积的变化，会产生较大的内应力；同素异构转变过程，新晶核优先在原晶界处生成，而结晶无规律。(3)同素异构转变与结晶有许多相似之处，因而也称是一种结晶过程叫重结晶。典型例题【例1】以下各细化晶粒方法中与长大速度有关的是() A振动处理 B变质处理 C增加过冷度 D以上答案都有关【解题指导】细化晶粒的根本途径是控制形核率和长大速度。增加过冷度，在

8、很大范围内形核率比晶核长大速度增长更快。变质处理是在浇注前向液态金属中加形核剂，振动处理提供更多的结晶核心。【答案】C【点评】熟悉细化晶粒的三大措施的应用。【例2】纯铁结晶时，冷却速度越快，则 ()A过冷度越大，晶粒越细 B过冷度越大，晶粒越粗C过冷度越小，晶粒越细 D过冷度越小，晶粒越粗【解题指导】金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度越大。增加过冷度是细化晶粒常用的有效方法，所以过冷度越大，晶粒越细。【答案】A【点评】掌握纯金属结晶时冷却速度、过冷度、晶粒大小三者之间的关系，可以借助一两个具体实例强化记忆。【例3】下列金属中不属于同一种晶格类型的

9、金属是() ACu BCr CAl DFe【解题指导】金属的晶格常见类型有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三种。Cu，Al，Fe属于面心立方晶格，Cr属于体心立方晶格。【答案】B【点评】熟记常见金属的三种晶格类型及典型金属。【例4】浇注前向液态金属中加些细小的形核剂，使其成为人工晶核，从而增加晶粒数目，降低晶核长大速度的方法称为 ()A球化处理 B变质处理C水韧处理 D调质处理【解题指导】本题把金属材料及热处理整个教材中常出现的几个“处理”放到一起进行识别，只要把“处理”的对象、方法、目的搞清楚就很容易。【答案】B【点评】列表比较：名称主要对象方法目的球化处理铸铁液加球化剂得到球状石墨

10、变质处理金属液（主要是钢）加变质剂细化晶粒水韧处理耐磨钢加热后迅速水淬得到单相A调质处理中碳钢淬火+高温回火综合力学性能【例5】填空题金属的结晶过程由晶核的 和 两个基本过程组成，并且这两个过程是同时进行的。为了提高金属的力学性能，必须控制金属结晶后的晶粒大小。细化晶粒的根本途径是控制 及 。【解题指导】结合纯金属的冷却曲线熟悉结晶过程，从本质上理解细化晶粒的原理。【答案】形成、长大；形核率、长大速度。【点评】注意熟记教材中有关专用术语避免出现想得出说不出的现象。巩固训练一、选择题1属于体心立方晶格的金属是（ ）。A镁 B钨 C锌 D铜 2密排六方晶格的晶胞共有（ ）个原子。A9 B14 C1

11、7 D18 能够反映金属原子排列规则的最小单元是（ ）。A晶胞 B晶格 C晶粒 D晶体 金属是由相同原子构成的（ ）。A晶胞 B晶格 C晶粒 D晶体 单晶体在不同的方向上具有（ ）。A各向同性 B各向异性 C磁性 D同素异构转变纯铁在900时为_晶格() A体心立方 B面心立方 C密排六方 D以上均错二、填空题1在晶体中由一系列原子组成的平面称 。通过两个或两个以上原子中心的直线，可以代表晶格空间排列的 的直线，称为 。2表示原子在晶体中排列规律的_叫晶格，能够完整反映原子_最小_称为晶胞。3金属的结晶是指原子_排列的_转变为原子_排列的_过程。4金属的结晶过程是由_和_两个基本过程组成的。5

12、常用的细化晶体晶粒的方法有 、 、 三种。根本途径是 及 。6金属在_态下，随_的改变，由_转变为_的现象称为同素异构转变。第二章金属材料的性能(建议3课时)考纲要求1掌握金属材料机械性能的衡量指标，并了解强度、塑性、硬度的测定方法。2能识读相关符号、代号。3能进行强度、塑性指标的计算。知识网络 知识要点一、金属材料的损坏与塑性变形1变形的定义零件在外力作用下形状和尺寸发生的变化称为变形。2变形的种类变形分为弹性变形和塑性变形。(1)弹性变形：在外力消除后能够恢复的变形。(2)塑性变形：在外力消除后无法恢复的永久变形。3机械零件常见的损坏形式(见下表)分类举例造成损坏原因变形螺栓发生弯曲、轴的

13、弯曲所受应力超过零件的弹性极限。零件的损坏变形通常是指塑性变形。断裂齿轮轮齿折断、螺栓折断所受应力超过零件抗拉强度。零件在外力作用下发生开裂或折断称为断裂。磨损螺纹牙磨损、齿轮齿面磨损非正常润滑或超负荷工作或超出零件使用寿命。因摩擦使零件的尺寸、表面形状和表面质量发生变化的现象，称为磨损。4.与变形相关的概念(1)载荷：载荷：金属材料在加工及使用过程中所受到的外力称为载荷。载荷的分类：根据载荷作用性质不同，载荷分为静载荷、冲击载荷和交变载荷三种。根据载荷作用形式不同，载荷分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷。(2)内力：零件受载荷作用时，内部产生与外力相对抗的力。(3)应力：横

14、截面上所受的内力成为应力。单位：帕(Pa)。5金属的变形影响金属变形的因素：晶粒位相的影响、晶界的作用、晶粒大小的影响。6金属材料的冷塑性变形与加工硬化(1)冷塑性变形：在不加热常温下进行的变形加工。冷塑性变形会使晶粒沿变形方向压扁或拉长，还会使晶粒内部的位错密度增加，晶格畸变加剧。(2)变形强化或加工硬化：金属在冷变形加工时，其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象。二、金属的力学性能1定义金属在外力作用下所表现出来的性能。2金属的力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度。各性能指标及含义(见下表)。力学性能定义性能指标含义名称符号计算(单位)强度金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或

15、断裂的能力屈服强度RelRelFel/S0(MPa)在拉伸试验时，试样发生塑性变形而力不增加的应力点抗拉强度RmRmFm/S0(MPa)材料在断裂前所能承受的最大力的最大的应力条件(名义)屈服强度Rp0.2Rp0.2Fp0.2/S0(MPa)规定产生0.2%残余伸长时的应力塑性材料受力后在断裂之前产生塑性变形的能力断后伸长率AA(LuL0)/L0100%试样拉断后，标距的伸长量与原始标距之比的百分率断面收缩率ZZ(S0Su)/S0100%试样拉断后，缩颈处面积变化量与原始横截面面积之比的百分率硬度材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力布氏硬度HBSHBWHBS(HBW)F/S(MP

16、a)球面压痕单位面积上所承受的平均压力洛氏硬度HRAHRBHRCHR(Ke)/0002用洛氏硬度相应标尺满刻度与压痕深度之差计算的硬度值冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力冲击韧度KKAK/S0(J/cm2)冲击试样缺口处单位面积上的冲击吸收功疲劳强度金属材料抵抗交变载荷作用而不破坏的能力疲劳强度R1(MPa)试样承受无数次对称循环应力不断裂最大应力低碳钢的力伸长曲线3拉伸试验(1)拉伸试样试样有圆形、矩形、六方等形状。长试样：L010d0，段试样：L05d0。(2)力伸长曲线右图是低碳钢的力伸长曲线。图中出现以下四个变形阶段：阶段名称曲线现象原因载荷弹性变形阶段oe外力撤去变形完全

17、消失在材料弹性范围内Fe为发生最大弹性变形时的载荷屈服阶段es拉力不增加，变形增加塑性变形产生RelFel/S0(屈服载荷Fel)强化阶段sb要增加变形必须继续增加拉力形变强化（加工硬化）RmFm/S0(最大载荷Fm)缩颈阶段bz变形增加拉力减小局部直径减小4硬度测试方法(见下表)测试方法测试原理符号应用布氏硬度测量表面压痕直径计算硬度值HBS(测头淬火(钢球)HBW(测头硬质合金球)测定灰铸铁、有色金属、各种软钢的硬度洛氏硬度测量压痕深度计算硬度值HRA(120金刚石圆锥体)硬质合金、表面淬火钢等HRB( 1.588mm钢球)软钢、退火钢、铜合金等HRC(120金刚石圆锥体)一般淬火钢维氏硬

18、度测量压痕对角线长度来计算硬度值HV(136正四棱锥体金刚石压头)测定较薄的材料及表面渗碳、渗氮层的硬度三、金属的工艺性能1定义金属材料的工艺性能是指金属材料对不同的加工工艺方法的适应能力。2金属的工艺性能包括铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能热处理性能等。典型例题【例1】金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力称为() A强度 B塑性 C硬度 D冲击韧性【解题指导】强度是指金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力；塑性是材料受力后在断裂之前产生塑性变形的能力；金属材料抵抗局部变形特别是塑性变形、压痕或划痕的能力为硬度，故金属材料抵抗局部塑性变形的能力应称为硬度；冲击韧性是材料抵

19、抗冲击载荷作用而不破坏的能力。【答案】A【点评】要熟悉金属力学性能各指标的含义。【例2】用一个标距长度为100mm的低碳钢长试样做拉伸试验，试样拉断时断面处的直径为5.65mm，则试样的断面收缩率为_%。() A32 B68 C8 D92【解题指导】题中的长试样是指L010d0，已知L0100mm即d010mm，再利用公式Z(S0Su)/S0100%进行求解。【答案】B【点评】能正确分析题中的隐含条件，熟记有关指标的计算公式并能正确应用。【例3】拉伸试验可测量 和 两个力学性能指标。【解题指导】拉伸试验中的四个阶段，其中屈服阶段对应的应力称屈服强度，最大应力称为抗拉强度统称强度指标；断裂后标距

20、的伸长量与原始标距之比的百分率称为断后伸长率，缩颈处面积变化量与原始横截面面积比值的百分率称为断面收缩率，这两者为塑性指标。【答案】强度 塑性【点评】掌握五种力学性能指标的测量方法。巩固训练一、选择题1、汽车驾驶员转动方向盘时，方向盘下的金属杆将受到（ ）作用。A.拉伸载荷 B.压缩载荷 C.弯曲载荷 D.扭转载荷2、在拉伸试验时，当测力指针不动或回摆，说明材料出现 （ ）现象。A.强化 B.缩颈 C.屈服 D.拉断3、在170HBW10/1000/30符号中，测头的直径是（ ）mm。A.170 B.10 C.1000 D.304、常用来测定铸铁、有色金属及退火、正火、调质处理后的软钢硬度是（

21、 ）。A.HV B.HRA C.HBW D.HRC5、不是衡量切削加工性好坏的参数是（ ）。A.工件的表面粗糙度 B.刀具的磨损程度C.金属材料的流动性 D.切削速度二、填空题1金属材料的性能一般分为两种，一类是 ，一类是 。2在力拉伸曲线中，弹性变形阶段会出现 现象；屈服阶段会出现 现象；强化阶段会出现 现象；缩颈阶段会出现 现象。3金属材料的变形一般分为_和_两种。4金属材料的冲击韧度是指_横截面面积上的_。5疲劳强度是金属材料在无限多次_作用下而不破坏的_。6塑性的指标是_和_，分别用符号_和_表示。7抗拉强度表示材料在拉伸载荷作用下的_。8布氏硬度测量时，能较准确地反映材料的_。9用一

22、标距长度为50mm的低碳钢短试样做拉伸试验，试验拉断时断面处的直径为4.9mm，拉断后长度为79mm，则试样的断面收缩率为 ，伸长率为 。10铸造性能主要取决于 、 和 。第三章铁碳合金(建议10课时)考纲要求1了解铁碳合金的相及组织的基本类型和它们的性能特点。2掌握简化的铁碳合金状态图，能说明图中点、线、区域的组织类型及其性能特点。3了解典型铁碳合金的结晶过程(钢部分)，掌握含碳量对钢组织及性能的影响。知识网络知识要点一 、合金及其组织1合金合金是以一种金属为基础，加入其他金属或非金属，经过熔炼而获得的具有金属特性的材料。2组元(元)组成合金最简单的、最基本的、能够独立存在物质。3相在合金中

23、，成分、结构及性能相同的组成部分。4组织合金中不同相之间相互组合配置的状态。5根据合金中各组元之间结合方式分组织定义晶格类型举例间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中而形成的固溶体保持溶剂的晶格铁素体（F）、奥氏体（A）置换固溶体溶质原子置换了溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体保持溶剂的晶格金属化合物合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质复杂的晶格类型渗碳体（Fe3C）混合物两种或两种以上的相按一定质量分数组成的物质各相保持自己的晶格类型珠光体（P）、莱氏体（Ld）固溶强化：通过溶入溶质元素形成固溶体而使金属材料强度、硬度提高的现象。形变强化、固溶强化、热处理都是强化金属的手段

24、，对有色金属来说，固溶强化是一种重要的强化手段。二、铁碳合金的相及组织铁碳合金基本组织及性能(见下表)名称符号含碳量(%)含义力学性能备注铁素体F00.0218碳溶解在Fe中形成的间隙固溶体，属单相组织良好的塑性和韧性，强度和硬度较低在Fe中的最大溶碳量为0.0218%，室温时溶碳量几乎为零，故性能与纯铁相似奥氏体A在1148时为2.11，在727时为0.77碳溶解在Fe中形成的间隙固溶体，属单相组织强度和硬度不高，塑性良好是高温锻造、轧制所要求的组织渗碳体Fe3C6.69含碳量为6.69%的铁与碳的金属化合物，属单相组织硬度很高，塑性很差，伸长率和冲击韧度几乎为零具有复杂的斜方晶体结构，在适

25、当条件下能分解为铁和石墨珠光体P0.77铁素体与渗碳体的混合物，属多相组织强度较高，硬度适中，有一定的塑性在缓慢冷却条件下，含碳量为077%莱氏体(低温莱氏体)Ld(L)4.3莱氏体是1148时硬度很高奥氏体和渗碳体的混合物；低温莱氏体是室温下珠光体和渗碳体的混合物，属多相组织塑性很差三、铁碳合金相图1铁碳合金相图表示在缓慢冷却的条件下，不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形。简化的铁碳合金相图见下图，图中纵坐标为温度，横坐标为含碳量的质量分数。简化的FeFe3C相图2FeFe3C相图中点、线的含义(1)FeFe3C相图中几个主要特性点的含义(见下表)点的符号温度()含碳量(%)含义A

26、15380纯铁的熔点C11484.3共晶点，Lc (AFe3C)D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在Fe中的最大溶解度G9120纯铁的同素异构转变点Fe FeS7270.77共析点As (FFe3C)(2)FeFe3C相图中特性线的含义(见下表)特征线含义备注ACD液相线金属液冷却到此线开始结晶，AC线以下结晶出奥氏体，CD线以下结晶出渗碳体AECF固相线金属液冷却到此线全部结晶为固态GS常称A3线。冷却时，从不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的开始线奥氏体向铁素体的转变是铁发生同素异构转变的结果ES常称Acm线。碳在Fe中的溶解度线随温度下降，碳在奥氏体中的溶解度减小，多余的碳以

27、二次渗碳体的形式从奥氏体中析出ECF共晶线，Lc (AFe3C)金属液冷却到此线发生共晶转变，从金属液中同时结晶出奥氏体和渗碳体的混合物，即莱氏体PSK共析线，常称A1线。AS (FFe3C)合金冷却到此线发生共析转变，从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的混合物，即珠光体(3)FeFe3C相图中的主要相区(见下表)范围存在的相相区ACD线以上L单相区AESGAA单相区AECALA两相区DFCDLFe3CI两相区GSPGAF两相区ESKFAFe3C两相区PSK以下FFe3C两相区(4)共晶转变与共析转变共晶转变：一定成分的液态合金，在某一恒温下，同时结晶出两种固相的转变。共析转变：在一定温度下，由一个固相同时析出两个与原固相成分不同