2第二章 金属材料与热处理基础
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3、面心立方晶格：面心立方晶格的晶胞也是由八个原子构成的立方体， 但在立方体的每个面上还各有一个原子。
属于这种晶格的金属有：Al、Cu、Ni、Pb（γ－Fe）等
大家六方晶格：由12个原子构成的简单六方晶体，且在上下两个六方 面心还各有一个原子，而且简单六方体中心还有3个原子。
§2-2金属的力学性能
学习目的：★ 理解金属材料性能（工艺性能、使用 性能）的概念、分类。
★掌握强度的概念及其种类、应力的概念及符号。 ★★掌握拉伸试验的测定方法；力——伸长曲线的几
个阶段；屈服点的概念。 教学重点与难点 1、理解力——伸长曲线是教学重点； 2、强度、塑性是教学难点。
教学过程：
复习
3、纯铁的同素异构转变：
1394℃
912℃
δ-Fe → γ- Fe → α – Fe
体心
面心
体心
4、金属的同素异构转变，也称为“重结晶”。
其与液态金属结晶有许多相似处：有一定转变温度，有过冷现象； 有潜热放出和吸收 ； 也由形核、核长大来完成。 不同处：∵属固 态相变 ，∴ 转变需较大的过冷度；新晶核优先在原晶界处形核；转 变中有体积的变化，会产生较大内应力。
金属材料与热处理(全)
第一章：金属的结构与结晶
§1-1金属的晶体结构
★学习目的：了解金属的晶体结构。 ★重点：有关金属结构的基本概念： 晶面、晶向、 晶体、晶格、单晶体、晶体，金属晶格的三种常见 的类型。 ★难点：金属的晶体缺陷及其对金属性能的影响。
§2-1金属的晶体结构
一、晶体与非晶体
1、晶体：所谓晶体是指其原子（离子或分子）在空间呈规则排列的物体。 （晶体内的原子之所以在空间是规则排列，主要是由于各原子之间的 相互吸引力与排斥力相平衡的结果。）原子在空间呈规则排列的固体 物质称为“晶体”。
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2 .洛氏硬度
以顶角为120度的金刚石圆锥体或直径1．588mm的淬火 钢球作为压头，以一定的压力使其压入材料表面，测量压痕 深度来确定其硬度，即为洛氏硬度。被测材料硬度，可直接 在硬度计刻盘读出。
洛氏硬度常用的有三种，分别以HRA、HRB、HRC来表示。 洛氏硬度符号、试验条件和应用表
下贝氏体：无方向性的针状铁素体上弥散分布着细小颗粒的 渗碳体
7、魏氏组织
魏氏组织是在比较大的过冷度下形成的。奥氏体过冷到这 一温度区内，便会形成魏氏组织。魏氏组织铁索体是以切变机 理形成的其生长往往都是由晶界网状铁索体分枝，许多铁赢体 片平行地向晶粒内部长大。铁素体片之间的奥氏体随后变成珠 光体。魏氏组织会降低钢的塑性和韧性，尤其是冲击韧性。
3．维氏硬度 测定维氏硬度的原理基本上和布氏硬度相同，区别在于压头
采用锥面夹角为136度的金刚石正四棱锥体，压痕是四方锥形。 维氏硬度值用HV表示。
压痕面
4. 里氏硬度
原理：当材料被一个冲击体撞击时，较硬材料使冲击体产生 的反弹速度大于较软者。
5. 硬度与强度值的对应关系 由于硬度值综合反映了材料在局部范围内对塑性变形等 的抵抗能力，故它与强度值也有一定关系。 工程上：
冷却速度对晶粒大小的影响
快速冷却，形核点多，晶粒细小 冷却速度慢，均匀长大，晶粒粗大
1.2.2 铁碳合金的基本组织 铁 碳含量>2%--弱而脆
铁碳合金
铁素体—碳熔于α铁或δ铁中的固溶体 F
钢 奥氏体—碳熔于γ铁中的固溶体 A 强而韧 碳含量 0.02%-2%
渗碳体—铁碳金属化合物含碳6.67% Fe3C
许用应力 o
n
安全系数
金属材料与热处理绪论课件
高性能金属材料的研发与应用
高强度钢
高强度钢具有较高的抗拉强度和屈服点，广泛应用于汽车、建筑 和船舶制造等领域。
轻质金属材料
如钛合金和铝合金，具有密度低、强度高、耐腐蚀等优点，在航空 航天、汽车和体育器材等领域得到广泛应用。
功能金属材料
如形状记忆合金、超导合金和磁性合金，具有特殊的功能性质，在 医疗器械、能源和通讯等领域有广阔的应用前景。
相变和组织转变过程的调控，从而达到改善材料性能的目的。
热处理的方法与分类
• 总结词：热处有其特定的工艺参数和应用范围。
• 详细描述：退火是将金属加热到适当温度后保温一段时间，然后缓慢冷却至室温的一种工艺方法，主要用于消除内应力、 降低硬度、改善切削加工性等。正火是将金属加热到临界点以上适当温度后保持一定时间，然后空冷至室温的一种工艺 方法，主要用于细化晶粒、提高强度和韧性等。淬火是将金属加热到临界点以上适当温度后迅速冷却至室温的一种工艺 方法，主要用于提高硬度和耐磨性等。回火则是将淬火后的金属加热到适当温度后保温一段时间，然后缓慢冷却至室温 的一种工艺方法，主要用于稳定组织、消除内应力、提高韧性等。
03 金属材料的性能与测试
金属材料的力学性能
弹性性能
金属材料在受到外力作用时， 能够迅速恢复其原始状态的能力。
塑性性能
金属材料在受到外力作用时， 能够发生永久变形而不破裂的 能力。
强度性能
金属材料抵抗外力作用而不被 破坏的能力。
硬度性能
金属材料抵抗表面变形或破坏 的能力。
金属材料的物理性能
热导率
金属材料的性质与用途
金属材料的性质
金属材料的性质主要包括物理性质、化学性质和力学性质。
金属材料的用途
金属材料广泛应用于建筑、机械、航空航天、能源、交通、 电子等领域。
金属材料热处理技术手册
金属材料热处理技术手册第一章：引言金属材料热处理技术是一种通过加热、保温和冷却等步骤来改变金属材料的组织和性能的方法。
本手册旨在向读者介绍金属材料热处理技术的基本原理和常用方法，并提供实际操作指导。
第二章：金属材料热处理基础知识2.1 金属材料组织与性能的关系金属材料的组织对其性能有着重要影响。
不同的组织状态会导致材料具有不同的力学性能、耐腐蚀性以及导电导热性能。
热处理可以改变金属材料的晶格结构和相对应的组织状态，从而调控其性能。
2.2 热处理工艺的分类热处理工艺可分为退火、淬火、回火、时效等多种类型。
每种类型的热处理工艺都有不同的加热温度、保温时间和冷却速率等操作要求，以达到预期的效果。
第三章：常见金属材料热处理工艺3.1 碳钢的热处理碳钢是最常见的金属材料之一，其常见的热处理工艺包括正火、球化退火和淬火等。
不同的热处理工艺可以使碳钢材料获得不同的硬度和延展性。
3.2 不锈钢的热处理不锈钢是一类具有高耐腐蚀性的金属材料，其常见的热处理工艺包括固溶处理、时效处理和回火等。
这些工艺可以调整不锈钢材料的抗拉强度和耐腐蚀性能。
3.3 铝合金的热处理铝合金具有轻质、良好的导热性和机械性能等特点，在航空、汽车等领域得到广泛应用。
其常见的热处理工艺包括固溶处理、时效处理和淬火等，这些工艺可以提高铝合金材料的强度和硬度。
第四章：热处理设备与工艺控制4.1 热处理设备的分类热处理设备可以分为电阻炉、盐浴炉、气体炉等多种类型。
不同的热处理设备适用于不同的金属材料和工艺要求。
本节将介绍各种热处理设备的特点和适用范围。
4.2 热处理工艺控制热处理过程中的温度、时间和冷却速率等参数的控制对最终的热处理效果至关重要。
本节将介绍热处理工艺控制的方法和技巧，以确保热处理的准确性和可重复性。
第五章：热处理质量控制与检测5.1 热处理质量控制热处理质量控制包括原材料的质量控制、热处理过程的控制和成品的质量检测等。
本节将介绍如何建立有效的质量控制体系，以确保热处理的质量。
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小角度晶界─相邻晶粒的位向差小于10°的晶 界。基本上由位错构成。
大角度晶界─相邻晶粒的位向差大于10°的晶 界。原子排列比较混乱，结构比较复杂。
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亚晶界： 晶粒内部位向差小于 1° 的亚结构，也称为亚晶
粒，亚晶之间的界面，称为亚晶界。通常由位错构成。
亚晶界
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相界：不同结构的晶粒之间的界面 界面结构类型: 共格界面, 半共格, 非共格
同晶向上的原子排列方式和排列 紧密程度是不一样的。下页的两 个表给出了体心立方晶格和面心 立方晶格中各主要晶面、晶向上 的原子排列方式和紧密程度。
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五、晶体的 同素异构转变(多晶型性转变) 金属由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现
象称之为同素异构转变。（温度、压力）
α-Fe单晶体，密排方向 [111] 的弹性模量 E=290,000MN/m2，而非密排方向100的 E=135,000MN/m2。
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七、多晶体的伪各向同性 如Fe，不同方向上E均为210000MN/m2左右。 原因：实际材料为多晶体，各单晶粒分布的方向
不同，各向异性相互抵消，而呈现无向性。 ——伪各向异性。
如 Fe晶体，室温～912℃，体心立方，α- Fe，
912 ℃～1394 ℃，面心立方，γ-Fe， 1394 ℃ ～熔点1538 ℃ ，体心立方，δ-Fe。 Fe, Mn, Ti , Co 等少数金属具有同素异构转变。 性能随之变化。
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六、晶体的各向异性
不同晶面和晶向上原子密度不同， 原子间距离 不同， 结合力不同－－晶体在不同方向上的力学、 物理和化学性能有所差异－－各向异性。
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四、金属材料发展的历史 2
3. 中国古代钢铁及非铁金属的生产技术和热 处理技术,在明末科学家宋应星所著天工开 物中有详细的阐述。
4.现代冶金技术的发展自19世纪中叶的转炉 炼钢和平炉炼钢开始。19世纪末的电弧炉 炼钢和20世纪中叶的氧气顶吹转炉炼钢及 炉外精炼技术,使钢铁工业实现了现代化。
2、维氏硬度值
用压痕对角线长度表示。如：640HV。 3、优缺点
1 测量准确,应用范围广 硬度从极软到极硬 2 可测成品与薄件 3 试样表面要求高,费工。
4、测量范围
常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。
➢韧性
金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力 称为冲击韧性。 常用一次摆锤冲击弯曲,试验来测定金属材料 的冲击韧性。 冲击试样 冲击试样的原理及方法：冲击韧度越大, 表示材料的冲击韧性越好。 小能量多次冲击试验
•强度的指标
强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力 。 1、屈服点
Re= Fs/S0
符号： Re 材料产生屈服现象时的最小应力
Fs：试样屈服时所承受的拉伸力 N S0 ：试样原始横截面积 mm
2、抗拉强度
指试样拉断前所承受的最大拉应力。 其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力。
Rm = Fm/S0
疲劳曲线和疲劳极限
σ
疲劳曲线是指交变
应力与循环次数的 σ1
关系曲线。
σ2
σ3
N1 N2
N3
N
疲劳曲线示意图
物理性能
✓密度 ✓熔点 ✓导热性 ✓导电性 ✓热膨胀性 ✓磁性
材料热处理原理第二章 奥氏体的形成
• 奥氏体的形成速度：形核率I 和长大速度G
转变温度/℃
740 760 780 800
共析碳钢
形核率I /(1/mm3s)
长大速度 G/(mm/s)
2280
0.0005
11000
0.010
51500
0.026
616000
0.041
转变一半所需 时间/s 100 9 3 1
• T，形成速度增大
1. 奥氏体等温形成动力学
结构： 体心立方 复杂斜方 面心立方
C含量： 0.02% 6.69% 0.77%
奥氏体A(γ)
Acm A3
A1
奥氏体的形成： （1） 的点阵重构 （2）渗碳体的溶解 （3）C在中的扩散重新分布
1. 奥氏体形核
G -Vgv S V < 0
V•gv :新奥氏体与母相之间的体积 自由能之差，加热相变的动力
T，有利于改善淬火钢尤其是淬火高碳工具钢的韧性。
1. 奥氏体等温形成动力学
• ②碳含量的影响
– 钢中碳含量愈高，奥氏体形成速度就愈快。
原因：
**碳含量增高时，碳化物数量增多，铁素体与渗碳体的相
界面面积增大，因而增加了奥氏体的形核部位，使形核率增 大。
**同时，碳化物数量增多后，使碳的扩散距离减小， ** 随奥氏体中碳含量增加，碳和铁原子的扩散系数增大
1. 奥氏体等温形成动力学
• T
C / - C /
形核所需C浓度的起伏
，有利于提高形核率
• 因此，T，相变过热 度增加，形核急剧增 加 （I>G)，有利于形 成细小的奥氏体晶粒。
1.奥氏体等温形成动力学
(2) 长大速度G • 等温转变
G
金属材料与热处理课后习题
第一章金属材料基础知识1、什么是强度？材料强度设计的两个重要指标分别是什么？2、什么是塑性？塑性对材料的使用有何实际意义？3、绘出简化后的Fe-Fe3C相图。
4、根据Fe-Fe3C相图，说明下列现象的原因。
（1）含碳量1%的铁碳合金比含碳量0.5%的铁碳合金的硬度高。
（2）一般要把钢材加热到1000~1250℃高温下进行锻轧加工。
（3）靠近共晶成分的铁碳合金的铸造性能好。
5、随着含碳量的增加，钢的组织性能如何变化？6、铁碳相图中的几个单相分别是什么？其本质及性能如何？第二章钢的热处理原理1、何谓奥氏体？简述奥氏体转变的形成过程及影响奥氏体晶粒长大的因素。
奥氏体晶粒的大小对钢热处理后的性能有何影响？2、什么是过冷奥氏体与残余奥氏体。
3、为什么相同含碳量的合金钢比碳素钢热处理的加热温度要高、保温时间要长？4、画出共析钢过冷奥氏体等温转变动力学图。
并标出：（1）各区的组织和临界点（线）代表的意义；（2）临界冷却曲线；，S，T＋M组织的冷却曲线。
（3）分别获得M、P、B下5、什么是第一类回火脆性和第二类回火脆性？如何消除？6、说明45钢试样（Φ10mm）经下列温度加热、保温并在水中冷却得到的室温组织：700℃，780℃，860℃，1100℃。
7、马氏体的本质是什么？它的硬度为什么很高？是什么因素决定了它的脆性？8、简述随回火温度升高，淬火钢在回火过程中的组织转变过程与性能的变化趋势。
第三章钢的热处理工艺1、简述退火的种类、目的、用途。
2、什么是正火？正火有哪些应用？3、什么是淬火，淬火的主要目的是什么？4、什么是临界冷却速度？它与钢的淬透性有何关系？5、什么是表面淬火？表面淬火的方法有哪几种？表面淬火适应于什么钢？简述钢的表面淬火的目的及应用。
6、有一具有网状渗碳体的T12钢坯，应进行哪些热处理才能达到改善切削加工性能的目的？试说明热处理后的组织状态。
7、简述化学热处理的几个基本过程。
渗碳缓冷后和再经淬火回火后由表面到心部是由什么组织组成？8、什么是钢的淬透性和淬硬性？影响钢的淬透性的因素有哪些？如何影响？9、过共析钢一般在什么温度下淬火？为什么？10、将共析钢加热至780℃，经保温后，请回答：（1）若以图示的V1、V2、V3、V4、V5和V6的速度进行冷却，各得到什么组织？（2）如将V1冷却后的钢重新加热至530℃，经保温后冷却又将得到什么组织？力学性能有何变化？11、甲、乙两厂生产同一种零件，均选用 45 钢，硬度要求 220 ～ 250HBS 。
金属材料及热处理基础知识
目录
• 金属材料概述 • 金属材料的热处理 • 金属材料的力学性能 • 金属材料的腐蚀与防护 • 金属材料的选择与应用
01
金属材料概述
金属材料的定义与分类
金属材料的定义
金属材料是指以金属 元素或以金属元素为 主要成分，具有金属 特性的材料统称为金 属材料。
金属材料的分类
区域受到腐蚀的现象。
金属腐蚀的原理与影响因素
总结词
金属腐蚀的原理是金属原子失去电子成为正离子，而环境中的阴离子获得电子成为原子或负离子。影响因素包括 环境因素和金属本身的因素。
详细描述
金属腐蚀的原理是金属原子失去电子成为正离子，而环境中的阴离子获得电子成为原子或负离子。这个过程通常 涉及到电化学反应。影响因素包括环境因素和金属本身的因素。环境因素如湿度、温度、氧气、二氧化碳、污染 物等，而金属本身的因素包括合金成分、微观结构、表面状态等。
详细描述
热处理是金属材料加工过程中的一个重要环节，主要通过控制温度和时间来改变 金属材料的内部结构，从而改善其物理、化学和机械性能。根据不同的加热温度 和冷却方式，热处理可以分为多种类型，如退火、正火、淬火和回火等。
热处理的基本原理
总结词
热处理的基本原理是利用金属在加热和冷却过程中的相变现象，通过控制相变 过程来改变材料的内部组织结构，从而达到改善其性能的目的。
• 详细描述：退火是将金属加热到适当温度后保温一段时间，然后缓慢冷却至室温的过程，主要用于消除内应力、降低硬 度、提高塑性和韧性等。正火是将金属加热到适当温度后保温一段时间，然后空冷至室温的过程，主要用于细化晶粒、 提高强度和韧性等。淬火是将金属加热到适当温度后迅速冷却至室温的过程，主要用于提高金属的硬度和耐磨性等。回 火则是将淬火后的金属加热到适当温度后保温一段时间，然后冷却至室温的过程，主要用于消除淬火产生的内应力、稳 定组织结构和提高韧性等。
金属材料与热处理教案
生产生活中常见到一些机械零件因受力过大被破坏，而失去工作能力。如：拧断
的钥匙、弯曲的自行车辐条、 扣的螺栓等。总结机械零件常见损坏形式
变形
V断裂
磨损
主要原因：材料的实际使用性能达不到工作要求。
使用性能：为保证机械零件或工具正常工作，材
巳料应具务的性能（力学、物理、化学性能等）。此性能决定了金属村性能料的应用范围、安全可靠性和使用寿命等。
2.晶界的作用
晶界处原子排列比较紊乱，阻碍位错的移动，因而阻碍了滑移。晶界越多， 则晶体的塑变抗力越大。
3.晶粒大小的影响
在一定体积的晶体内，晶粒数目越多，晶界就越多，晶粒就越细，且不同位 向的晶粒也越多，1因而塑性变形抗力也越大。细晶粒的多晶体不仅强度较高，且 塑性和韧性也较好，故生产中总是尽可能细化晶粒。
1.载荷
载荷一一金属材料在加工及使用过程中所受的外力。
根据载荷作用性质的不同分：
（1）静载荷大小不变或变化过程缓慢的载荷。
（2）冲击载荷一一在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。
（3）交变载荷一一大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。
力一一物体之间的相互作用，是使物体发生加速度和发生形变的外因。物体 受力后一变形（材料学是从微观角度来研究物体受外力后发生变形甚至破坏的规 律）
t\T
纯金属结晶时的冷却曲线,。
a）理论结晶温度b）实际结晶温度
a)b)
纯金属的结晶条件:
纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度
属不同的sw&wn曲线
冷却速度越大，则过冷度越大。
2.纯金属的结晶过程
金属结晶的微观过程一一结晶过程是形核和长大的过程