金属材料及热处理

0 绪论 1

1 金属的结构和性能 3

1.1 金属及其特性 3

1.1.1 金属的定义 3

1.1.2 金属原子的结构特点 3

1.1.3 金属原子的结合方式 3

1.2 金属的晶体结构 4

1.2.1 晶体与非晶体 4

1.2.2 晶体的特性 5

1.2.3 晶格与晶胞 5

1.2.4 三种典型的金属晶体结构 6

1.2.5 晶向指数和晶面指数 9

1.2.6 金属的同素异构转变 11

1.3 实际金属的晶体结构 11

1.3.1 点缺陷 11

1.3.2 线缺陷 12

1.3.3 面缺陷 13

1.4 金属材料的力学性能 14

1.4.1 强度和塑性 15

1.4.2 硬度 19

1.4.3 冲击性能 25

1.4.4 疲劳强度 26

1.5 金属材料的物理和化学性能 27

1.5.1 金属材料的物理性能 27

1.5.2 金属材料的化学性能 28

1.6 金属材料的工艺性能 29

1.6.1 铸造性能 29

1.6.2 压力加工性能 29

1.6.3 可焊性能 29

1.6.4 切削加工性能 29

1.6.5 热处理性能 30

习题与思考题 30

2 纯金属的结晶 31

2.1 金属结晶的现象 31

2.1.1 金属结晶的热分析实验和冷却曲线 31

2.1.2 结晶过程的宏观现象 32

2.1.3 金属结晶的微观过程 32

2.2 金属结晶的条件 32

2.2.1 金属结晶的热力学条件 33

2.2.2 金属结晶的结构条件 33

2.2.3 金属结晶的动力学条件 34

2.3 晶核的形成及晶粒大小的控制 35

2.3.1 晶核的形成 35

2.3.2 晶核的长大 35

2.3.3 晶粒大小的控制 36

2.4 铸锭、铸坯及焊缝的结晶 37

2.4.1 铸锭的结晶 37

2.4.2 铸坯的结晶 40

2.4.3 焊缝的结晶 41

习题与思考题 42

3 二元合金的相结构和结晶 43

3.1 合金中的相 43

3.1.1 基本概念 43

3.1.2 合金中相的种类 43

3.2 合金的相结构 45

3.2.1 固溶体的结构和性能 45

3.2.2 金属化合物的结构 46

3.3 二元合金相图的建立 48

3.3.1 二元合金相图的表示方法 48

3.3.2 二元合金相图的测定方法 49

3.3.3 相律及杠杆定律 49

3.4 匀晶相图及固溶体的结晶 51

3.4.1 Cu-Ni合金相图分析 51

3.4.2 固溶体合金的平衡结晶过程 51

3.4.3 固溶体的不平衡结晶 53

3.4.4 固溶体结晶时的偏析现象 54

3.5 共晶相图及其合金的结晶 54

3.5.1 Pb-Sn合金相图分析 54

3.5.2 典型合金的平衡结晶及组织 55

3.5.3 不平衡结晶及组织 58

3.5.4 比重偏析和区域偏析 59

3.6 包晶相图及其合金的结晶 60

3.6.1 Pt-Ag合金相图分析 60

3.6.2 典型合金的平衡结晶过程及组织 61

3.6.3 不平衡结晶及组织 62

3.7 其他类型的二元合金相图 63

3.7.1 组元间形成化合物的相图 63

3.7.2 偏晶、熔晶和合晶相图 64

3.7.3 具有固态转变的二元合金相图 64

3.8 二元相图的分析和使用 66

3.8.1 二元合金相图遵循的规律 66

3.8.2 二元合金相图的分析步骤 66

3.8.3 应用相图时应注意的问题 67

3.8.4 二元合金相图的应用 67

习题与思考题 68

4 铁碳合金相图 70

4.1 铁碳合金的组元及基本相 70

4.1.1 铁素体 70

4.1.2 奥氏体 71

4.1.3 渗碳体 71

4.2 Fe-Fe3C相图分析 71

4.2.1 铁碳合金相图中的特性点 72

4.2.2 铁碳合金相图中的特性线 73

4.2.3 铁碳合金相图中的相区 73

4.3 典型铁碳合金的平衡结晶过程及组织 74

4.3.1 工业纯铁 74

4.3.2 共析钢 75

4.3.3 亚共析钢 76

4.3.4 过共析钢 77

4.3.5 共晶白口铁 77

4.3.6 亚共晶白口铁 78

4.3.7 过共晶白口铁 79

4.3.8 按组织分区的铁碳合金相图 79

4.4 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 81

4.4.1 对平衡组织的影响 81

4.4.2 对力学性能的影响 81

4.4.3 对工艺性能的影响 82

4.5 铁碳合金相图的应用 83

4.5.1 在选材方面的应用 83

4.5.2 在铸造方面的应用 83

4.5.3 在压力加工方面的应用 83

4.5.4 在热处理方面的应用 84

4.5.5 应用铁碳合金相图时应注意的问题 84

习题与思考题 84

5 金属的塑性变形与再结晶 86

5.1 单晶体的塑性变形 86

5.1.1 滑移 86

5.1.2 孪生 89

5.2 多晶体的塑性变形 89

5.2.1 多晶体的塑性变形过程 90

5.2.2 多晶体的塑性变形机构 90

5.3 合金的塑性变形 91

5.3.1 单相固溶体的塑性变形 92

5.3.2 多相合金的塑性变形 92

5.4 冷塑性变形对组织和性能的影响 93

5.4.1 冷塑性变形对组织结构的影响 93

5.4.2 冷塑性变形对金属性能的影响 94

5.4.3 冷塑性变形产生的残余内应力 95

5.5 回复与再结晶 96

5.5.1 回复 96

5.5.2 再结晶 97

5.5.3 晶粒长大 99

5.6 金属的热加工 100

5.6.1 热加工与冷加工的区别 100

5.6.2 动态回复与动态再结晶 100

5.6.3 热加工对组织和性能的影响 100

5.7 金属的断裂 102

5.7.1 按断裂前产生的塑性变形大小分类 103

5.7.2 按裂纹扩展路径分类 103

5.7.3 按断裂机制分类 103

习题与思考题 103

6 钢的热处理 105

6.1 概述 105

6.1.1 热处理的作用 105

6.1.2 热处理与相图 105

6.1.3 固态相变的类型 106

6.1.4 热处理的分类 106

6.2 钢在加热时的转变 106

6.2.1 共析钢的奥氏体化 107

6.2.2 亚共析钢和过共析钢的奥氏体化 108

6.2.3 影响奥氏体化的因素 108

6.2.4 奥氏体晶粒大小及其影响因素 108

6.2.5 钢的加热及加热缺陷 111

6.3 钢在冷却时的转变 113

6.3.1 概述 113

6.3.2 过冷奥氏体的等温转变 113

6.3.3 过冷奥氏体的连续冷却转变 117

6.3.4 过冷奥氏体的转变 119

6.4 钢的退火与正火 124

6.4.1 钢的退火 124

6.4.2 钢的正火 126

6.4.3 退火和正火的选用 127

6.5 钢的淬火与回火 127

6.5.1 钢的淬火 128

6.5.2 钢的回火 132

6.6 钢的表面热处理 134

6.6.1 表面淬火 135

6.6.2 化学热处理 136

6.7 热处理新工艺简介 139

6.7.1 形变热处理 139

6.7.2 可控气氛热处理 140

6.7.3 真空热处理 140

6.7.4 强韧化热处理 141

6.7.5 流动化热处理 141

6.7.6 循环热处理 142

习题与思考题 142

7 工业用钢材料 144

7.1 钢的分类和牌号 144

7.1.1 钢的分类 144

7.1.2 钢的牌号 146

7.2 钢中各种元素对钢的影响 156

7.2.1 钢中的杂质元素及其影响 156

7.2.2 钢中的合金元素及其作用 158

7.3 结构钢 163

7.3.1 建筑及工程结构用钢 163

7.3.2 机械制造用钢 169

7.4 工具钢 177

7.4.1 刃具钢 177

7.4.2 模具钢 183

7.4.3 量具钢 187

7.5 特殊性能钢 188

7.5.1 不锈钢 188

7.5.2 耐热钢 190

7.5.3 耐磨钢 194

习题与思考题 194

8 铸铁材料 196

8.1 概述 196

8.1.1 铸铁的分类 196

8.1.2 铸铁的石墨化过程 197

8.2 普通灰口铸铁 199

8.2.1 灰口铸铁的化学成分、组织、性能和用途 199

8.2.2 灰口铸铁的孕育处理 202

8.2.3 灰口铸铁的热处理 202

8.3 球墨铸铁 203

8.3.1 球墨铸铁的化学成分、组织、性能及用途 203

8.3.2 球墨铸铁的球化处理和孕育处理 205

8.3.3 球墨铸铁的热处理 206

8.4 可锻铸铁和蠕墨铸铁 208

8.4.1 可锻铸铁 208

8.4.2 蠕墨铸铁 210

8.5 合金铸铁 211

8.5.1 耐磨铸铁 211

8.5.2 耐热铸铁 211

8.5.3 耐蚀铸铁 211

习题与思考题 212

9 有色金属及合金材料 213

9.1 有色金属及合金简介 213

9.1.1 有色金属 213

9.1.2 有色金属合金 215

9.2 铝及铝合金 215

9.2.1 铝及铝合金的分类和牌号 215

9.2.2 铝及铝合金的强化 218

9.2.3 纯铝 218

9.2.4 变形铝合金 219

9.2.5 铸造铝合金 219

9.3 铜及铜合金 222

9.3.1 纯铜 222

9.3.2 铜合金 224

9.4 钛及钛合金 228

9.4.1 纯钛 228

9.4.2 钛合金 229

习题与思考题 230

10 非金属材料简介 231

10.1 高分子材料 231

10.1.1 概述 231

10.1.2 工程塑料 232

10.1.3 橡胶 235

10.1.4 合成纤维 236

10.1.5 合成胶黏剂和涂料 237

10.2 陶瓷材料 238

10.2.1 概述 238

10.2.2 普通陶瓷 239

10.2.3 特种陶瓷 239

10.2.4 金属陶瓷 240

10.3 复合材料 240

10.3.1 概述 240

10.3.2 常用复合材料 241

10.4 功能材料 242

10.4.1 功能材料的特点 242

10.4.2 功能材料的分类 243

10.4.3 常用功能材料 244

10.5 纳米材料 247

10.5.1 概述 247

10.5.2 纳米材料的性能特点 248

10.5.3 纳米材料的应用 249

习题与思考题 251

附录 253

附录1 黑色金属材料的强度与硬度换算表 253

附录2 无孪晶晶粒度标准系列评级示意图 256

附录3 钢铁产品牌号统一数字代号与细分类 257

附录4 中外常用钢铁材料牌号对照表 259

参考文献 263