機(jī)械制造基礎(chǔ)

1、第一篇第一篇 金屬工藝學(xué)金屬工藝學(xué)緒緒 論論n金屬工藝學(xué)金屬工藝學(xué)講述有關(guān)制造金屬零件的的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)（材料和熱處理）。n加工方法n鑄造n壓力加工n焊接n熱處理 n切削加工熱加工工藝毛坯金屬材料冷加工工藝零件金屬材料或毛坯改善金屬材料或毛坯的加工性能和力學(xué)性能第一篇 金屬材料導(dǎo)論n內(nèi)容n金屬材料的主要性能n不同溫度下金屬材料的結(jié)構(gòu)及變化n金屬材料的種類n鐵碳合金n鋼的熱處理第一章 金屬材料的主要性能n力學(xué)性能-重點(diǎn)（機(jī)械制造角度）n物理性能n化學(xué)性能n工藝性能n性能為什么要分為幾類？每一類都包括哪些具體指標(biāo)？具體指標(biāo)是重點(diǎn)第一章 金屬材料的主要性能n金屬材料的力學(xué)性能：材料在力的作用下所表現(xiàn)出

2、來的性能，也稱機(jī)械性能。n強(qiáng)度強(qiáng)度n塑性塑性n硬度硬度n韌性韌性n疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度靜載荷下的力學(xué)性能靜載荷下的力學(xué)性能動(dòng)載荷下的力學(xué)性能動(dòng)載荷下的力學(xué)性能衡量衡量金屬金屬材料材料主要主要標(biāo)志標(biāo)志學(xué)習(xí)要求：學(xué)習(xí)要求： 常用的力學(xué)（機(jī)械）性能指標(biāo)（名稱、符號(hào)、含義、單位）學(xué)習(xí)方式：學(xué)習(xí)方式： 結(jié)合對(duì)概念的理解去記憶。強(qiáng)度和塑性n測(cè)定方法： （1）試樣兩端緩慢施加軸向拉伸載荷。（2）載荷不斷增加，試樣被逐步拉長(zhǎng)，直到拉斷。（3）記錄每一瞬間載荷F 和伸長(zhǎng)量，并繪制出拉伸曲線。FF強(qiáng)度和塑性nOe階段彈性變形nes階段彈性塑性變形ns點(diǎn)屈服點(diǎn)，出現(xiàn)“屈服”現(xiàn)象nbk階段出現(xiàn)“縮頸”nk點(diǎn)斷裂點(diǎn)l204

3、Fdll強(qiáng)度（名稱）n定義：金屬材料在力的作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。n判據(jù)：屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度。（應(yīng)用場(chǎng)合）n屈服強(qiáng)度 拉伸試樣產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力。n符號(hào)、單位無明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，以試樣產(chǎn)生無明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，以試樣產(chǎn)生0.2塑性塑性變形時(shí)的應(yīng)力，作為該材料的屈服點(diǎn)，用變形時(shí)的應(yīng)力，作為該材料的屈服點(diǎn)，用 表示。表示。0.2r0()ssFMPaA屈服時(shí)最大載荷試樣原始截面積單位橫截單位橫截面上內(nèi)力面上內(nèi)力 強(qiáng)度n判據(jù)n抗拉強(qiáng)度 金屬材料在拉斷前所能承受的最大應(yīng)力，以 表示。 0()bbFMPaA機(jī)械零件或構(gòu)件，通常不允許發(fā)生塑性變形，以屈機(jī)械零件或構(gòu)件，通常不允許發(fā)生塑性

4、變形，以屈服點(diǎn)作為判據(jù)。脆性材料，斷裂前基本不發(fā)生塑性服點(diǎn)作為判據(jù)。脆性材料，斷裂前基本不發(fā)生塑性變形，以抗拉強(qiáng)度作為判據(jù)。變形，以抗拉強(qiáng)度作為判據(jù)。b拉斷前最大載荷試樣原始截面積塑性n定義：金屬材料產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力，以伸長(zhǎng)率 或收縮率 表示： 0010005105ldld時(shí) ， 用或表 示 ；時(shí) ， 用表 示 。100100%lll010100%AAA, 塑性塑性試樣拉試樣拉斷后標(biāo)斷后標(biāo)距長(zhǎng)度距長(zhǎng)度試樣原試樣原始標(biāo)距始標(biāo)距長(zhǎng)度長(zhǎng)度試樣拉試樣拉斷后斷斷后斷口截面口截面積積試樣原試樣原始截面始截面積積硬度n定義：金屬材料抵抗局部局部變形、壓痕的能力，稱為硬度。 它是金屬材料在靜載時(shí)所

5、表現(xiàn)出的機(jī)械性能。n內(nèi)涵：硬度是衡量金屬軟硬的判據(jù)。n測(cè)定方法：在硬度計(jì)上測(cè)定。n布氏硬度法n洛氏硬度法n維氏硬度法布氏硬度（HB）n測(cè)試原理：（1）以直徑為D 的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，在載荷F的靜壓力下，壓入被測(cè)材料的表面；（2）停留若干秒后，卸去載荷；（3）測(cè)出壓痕直徑d，并根據(jù)d的數(shù)值查出HB值。d布氏硬度（HB）n優(yōu)點(diǎn)：硬度值較穩(wěn)定，測(cè)試數(shù)據(jù)重復(fù)性好，準(zhǔn)確度較洛氏硬度法高。n缺點(diǎn)：測(cè)量費(fèi)時(shí)，且因壓痕較大，不適于成品檢驗(yàn)，太薄太硬（450HB）的不適合。n名稱、符號(hào)、定義、方法、單位洛氏硬度（HR）法n測(cè)試原理：（1）以頂角為120金剛石圓錐體（或1.588mm淬火球）為壓頭（根據(jù)材料不

6、同情況），在規(guī)定的載荷下，垂直地壓入被測(cè)金屬表面；（2）卸載后依據(jù)壓入深度h，由刻度盤上的指針直接指示出HR值。n優(yōu)點(diǎn)：測(cè)試簡(jiǎn)單、迅速，壓痕小，可用于成品檢驗(yàn)。n缺點(diǎn)：重復(fù)性較差，必須在不同部位測(cè)量數(shù)次。韌性n定義：金屬材料斷裂前吸收的變形能量。n評(píng)價(jià)指標(biāo)：沖擊韌度 。n測(cè)定方法：采用擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)定。K2()KKAJcmA韌性n原理：原理：（1）將帶缺口的標(biāo)準(zhǔn) 沖擊試樣放在試驗(yàn)機(jī)上（2）用擺錘將其一次沖斷（3）以試樣缺口處單位截面積上所吸收的沖擊功表示沖擊韌度，即：2()KKAJcmA試樣缺口試樣缺口處截面積處截面積沖斷試樣所消沖斷試樣所消耗的沖擊功耗的沖擊功疲勞強(qiáng)度n疲勞斷裂：當(dāng)零件在

7、疲勞載荷（周期性或非周期性動(dòng)載荷動(dòng)載荷）作用下發(fā)生斷裂時(shí)，其應(yīng)力往往大大低于大大低于該零件材料的強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限，稱該斷裂為疲勞斷裂。n區(qū)別屈服、抗拉強(qiáng)度靜載荷疲勞強(qiáng)度n疲勞曲線：金屬材料所承受的疲勞應(yīng)力與其斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。n疲勞極限或疲勞強(qiáng)度：金屬材料在無數(shù)次循環(huán)載荷作用下不致引起斷裂的最大應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力按正弦曲線對(duì)當(dāng)應(yīng)力按正弦曲線對(duì)稱循環(huán)時(shí)，疲勞強(qiáng)度稱循環(huán)時(shí)，疲勞強(qiáng)度以符號(hào)以符號(hào) 表示。表示。 1原因：金屬材料存在內(nèi)部缺陷原因：金屬材料存在內(nèi)部缺陷或零件局部應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋?；蛄慵植繎?yīng)力集中產(chǎn)生裂紋。思考：思考： 1 疲勞曲線的水平部分說明什么？ 2 工業(yè)實(shí)際中，無數(shù)次循環(huán)載荷

8、作用怎么體現(xiàn)？各種材料有相應(yīng)的循環(huán)次數(shù) 3 通常的鋼材是以多少次循環(huán)載荷來決定疲勞極限（疲勞強(qiáng)度）？107金屬材料的物理、化學(xué)及工藝性能n物理性能物理性能n密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和磁性等。n化學(xué)性能化學(xué)性能n主要是指在常溫或高溫時(shí)，抵抗各種介質(zhì)侵襲的能力，如耐酸性、耐堿性和抗氧化性等。金屬材料的物理、化學(xué)及工藝性能n工藝性能工藝性能n是金屬材料物理、化學(xué)性能和力學(xué)性能在加工過程中的綜合反映，是指是否易于進(jìn)行冷、熱加工的性能。n按工藝方法的不同，可分為鑄造性、可鍛性、焊接性和切削加工性等。小結(jié)n本章重點(diǎn)是金屬材料的力學(xué)性能n力學(xué)性能方面n各種性能（強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度）

9、的名稱、定義、符號(hào)、單位n拉伸曲線、硬度測(cè)試方法、疲勞曲線第二章 鐵碳合金n定義：n合金以一種金屬為基礎(chǔ)加入其它金屬或非金屬，經(jīng)過熔合而得到的具有金屬特性的材料，稱為合金。n鐵碳合金以鐵、碳為主要組成的合金。如鋼和鑄鐵都是以鐵為基礎(chǔ)的鐵碳合金，其中鐵的含量占95以上。第二章 鐵碳合金n主要內(nèi)容：n純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變n鐵碳合金的基本組織n鐵碳合金狀態(tài)圖n工業(yè)用鋼簡(jiǎn)介n零件選材原則第一節(jié) 純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變n對(duì)金屬結(jié)晶過程的了解（液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)）n金屬結(jié)晶過程所涉及的幾個(gè)基本概念n 過冷、過冷度、自發(fā)晶核、非自發(fā)晶核、晶粒粗細(xì)（影響材料性能）n對(duì)純鐵晶體結(jié)構(gòu)的了解n同素異晶

10、的概念純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變n金屬結(jié)晶的基本概念n定義：金屬原子的聚集狀態(tài)由無規(guī)則的液態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則排列的固態(tài)晶體的過程，可用冷卻曲線來表達(dá)。n結(jié)晶溫度：每種金屬的固定熔點(diǎn)，即結(jié)晶溫度t0，通常稱理論結(jié)晶溫度（特殊條件）。金屬結(jié)晶的基本概念n冷卻曲線：表示金屬冷卻到某一溫度時(shí)，冷卻時(shí)間增加而溫度不再下降，出現(xiàn)一個(gè)水平臺(tái)階， 其對(duì)應(yīng)溫度 為實(shí)際結(jié)晶 溫度。金屬結(jié)晶的基本概念n過冷：實(shí)際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度（平衡結(jié)晶溫度）的現(xiàn)象。n過冷度：理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差。n為什么強(qiáng)調(diào)過冷和過冷度的概念？為什么強(qiáng)調(diào)過冷和過冷度的概念？n對(duì)金屬結(jié)晶過程和晶粒的大小有重要影響。 冷卻速度冷卻

11、速度 實(shí)際結(jié)晶溫度實(shí)際結(jié)晶溫度 過冷度過冷度金屬的結(jié)晶過程n金屬的結(jié)晶過程：晶核的形成晶核的長(zhǎng)大n晶核的形成：晶核的形成：液態(tài)金屬冷卻到一定溫度時(shí)，部分原子開始按一定規(guī)則排列，形成細(xì)小的晶胚，部分尺寸較大的晶胚形成繼續(xù)結(jié)晶的核心（晶核晶核的成長(zhǎng)純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變n晶核的形成方式：n自發(fā)晶核：液態(tài)金屬原子自發(fā)形成的晶核。n非自發(fā)晶核：實(shí)際結(jié)晶過程中，金屬液體中的某些雜質(zhì)也能成為金屬結(jié)晶核心而形成晶核。如人工加入非自發(fā)晶核物質(zhì)，稱人工晶核。n材料中形成的晶核數(shù)量越多（原子數(shù)量一定）則結(jié)晶后的晶粒越細(xì)小。金屬的結(jié)晶過程n晶核的長(zhǎng)大：晶核的長(zhǎng)大：晶核在冷卻過程中不斷集結(jié)液體中的原于而逐漸長(zhǎng)

12、大，同時(shí)新的晶核也不斷形成和長(zhǎng)大，直至由晶核長(zhǎng)大形成的晶粒彼此接近，液態(tài)金屬逐漸消失而完成結(jié)晶。結(jié)晶過程示意圖純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變n晶核長(zhǎng)大的實(shí)質(zhì)：液體原子向固態(tài)晶核表面集結(jié)遷移，形成晶粒。結(jié)晶過程示意圖純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變n晶粒的大小及其控制n晶粒大好？小好？n晶粒小、晶界多且方向各異、塑性變形阻力大、機(jī)械性能增高（強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度）純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變n晶粒的大小取決于：n晶核形成的多少晶核形成的多少 單位時(shí)間內(nèi)晶核的形成多，晶粒數(shù)量多，最終形成許多細(xì)小的晶粒。n晶核的成長(zhǎng)速度速度越快，晶粒越粗。n過冷度過冷度增加，形核率與成長(zhǎng)率增加，但形核率

13、遠(yuǎn)大于成長(zhǎng)率，晶粒細(xì)。n關(guān)注“過冷度”的原因是由于其與晶粒的大小相關(guān)，而晶粒大小又與材料的強(qiáng)度、硬度等機(jī)械性能相關(guān)。n晶粒越小，晶粒之間晶界的強(qiáng)度越高，材料的力學(xué)越高，所以晶粒越小越好。n哪些因素會(huì)影響晶粒的大小？晶粒的大小及其控制n細(xì)化晶粒的方法細(xì)化晶粒的方法n加快冷卻速度加快冷卻速度 冷卻速度愈大，過冷度越大，晶核形成速度大于晶核的成長(zhǎng)速度，晶粒細(xì)小。n變質(zhì)處理變質(zhì)處理 在液態(tài)金屬內(nèi)加入某種難熔雜質(zhì)，直接形成晶核，或使晶核加速形成，晶核數(shù)量增加，細(xì)化晶粒。n促使結(jié)晶時(shí)液態(tài)金屬流動(dòng)促使結(jié)晶時(shí)液態(tài)金屬流動(dòng) 電磁攪拌、機(jī)械振動(dòng)和離心澆注等，液態(tài)金屬流動(dòng)加快，晶核形成率提高，生長(zhǎng)的晶體破壞，晶粒細(xì)

14、化。用細(xì)化晶粒強(qiáng)化金屬的用細(xì)化晶粒強(qiáng)化金屬的方法，稱為細(xì)晶強(qiáng)化方法，稱為細(xì)晶強(qiáng)化n思考：n1 晶粒大小對(duì)材料性能有何影響？晶粒大好還是晶粒小好？n2 在結(jié)晶過程中哪些因素能帶來小晶粒？n3這些因素與過冷度有何關(guān)系？純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變n純鐵的晶體結(jié)構(gòu)n晶體與非晶體 n晶體是由原子按一定規(guī)則排列，如金屬及其合金及大多數(shù)礦物。n非晶體的原子排列較不規(guī)則， 如玻璃。純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變n晶格、晶胞和晶格常數(shù)n晶格：假設(shè)將原子抽象為一個(gè)結(jié)點(diǎn)，用假想的直線連接結(jié)點(diǎn)，形成空間格架。n晶胞：把晶格中具有空間排列特征的最小幾何單元純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變n晶格常數(shù)：晶胞三個(gè)棱邊的長(zhǎng)度

15、稱為晶格常數(shù)，用a、b、c表示，棱邊之間的夾角用 來表示。、 、常見金屬的晶格類型n體心立方立方體8個(gè)頂角和立方體中心各有1個(gè)原子，晶胞實(shí)有原子數(shù)為2個(gè)，致密度68。n面心立方8個(gè)頂角和6個(gè)面的中心都各有1個(gè)原子，晶胞實(shí)有原子數(shù)為4個(gè)，致密度74n有什么意義？同樣材料有不同結(jié)構(gòu)，密度不同，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化時(shí)有體積變化。純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變n純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變n定義：隨著溫度的改變，固態(tài)金屬晶格由一種轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的變化。n晶體結(jié)構(gòu)改變n結(jié)晶過程溫度不變純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變n純鐵冷卻曲線（三個(gè)平臺(tái)）n1538 ，純鐵由液態(tài)到固態(tài)的結(jié)晶階段，體心立方晶格， 鐵

16、n1394 ，晶格轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蛄⒎骄Ц瘢?鐵n912 ，晶格再次轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格， 鐵純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變FeFeC912鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變-固態(tài)下原子重新排列的過程（重結(jié)晶）n實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì)：遵循晶核形成和長(zhǎng)大的結(jié)晶過程，為了區(qū)別由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的初次結(jié)晶，將同素異晶轉(zhuǎn)變稱作二次結(jié)晶或重結(jié)晶（固態(tài)下的轉(zhuǎn)變）（固態(tài)下的轉(zhuǎn)變）。n實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)溫度變化過程中，體積發(fā)生改變，進(jìn)而研究?jī)?nèi)部分子結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變。鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變-固態(tài)下原子重新排列的過程n與結(jié)晶（液態(tài)下進(jìn)行）的區(qū)別與結(jié)晶（液態(tài)下進(jìn)行）的區(qū)別：n同素異晶轉(zhuǎn)變時(shí)，其新相的晶核在特定的晶面上形成。n固態(tài)轉(zhuǎn)變比結(jié)晶轉(zhuǎn)變具有

17、較大的過冷傾向。后者低于20度，前者達(dá)幾百度。n同素異晶轉(zhuǎn)變易于造成較大的內(nèi)應(yīng)力（晶體結(jié)構(gòu)不同，引起密度變化，引起體積變化）。n小結(jié)n過冷的概念及對(duì)材料性能的影響n結(jié)晶過程n晶粒的概念及其大小對(duì)材料性能的影響n細(xì)化晶粒的方法n鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的概念及其特點(diǎn)鐵碳合金的基本組織n概念較多n基本脈絡(luò)：n鐵碳合金的鐵碳合金的組織分為三類組織分為三類：固溶體、：固溶體、金屬化合物、機(jī)械混合物金屬化合物、機(jī)械混合物n每一類又分為若干的每一類又分為若干的“體體” ” 鐵碳合金的基本組織n合金的基本概念n合金合金兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬與非金屬元素熔合在一起，構(gòu)成具有金屬特性的物質(zhì)，稱為合金。n如鐵和

18、碳組成的鐵碳合金有碳素鋼、鑄鐵等；銅和鋅組成的合金有黃銅等。鐵碳合金的基本組織n合金的基本概念n組元組元組成合金的最簡(jiǎn)單、最基本、能獨(dú)立存在的物質(zhì)稱作組元。合金中的穩(wěn)定化合物（如Fe3C）也可稱作組元。n相相在合金中，凡化學(xué)成分化學(xué)成分和晶格構(gòu)造晶格構(gòu)造相同、并與其它部分有界面分開的均勻組成部分。鐵碳合金的基本組織合金的基本概念n同種金屬的同素異構(gòu)體之間屬同一種相嗎？n合金中由成分、結(jié)構(gòu)相同的同一種晶粒組成的多晶體組織，雖然晶粒間有界面，仍為同一種相。（區(qū)分界面的概念，多晶體有許多晶粒，每個(gè)晶粒的化學(xué)成分、內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)相同）鐵碳合金的基本組織n合金的基本概念n組織組織用肉眼或用放大鏡、顯微鏡能

19、觀察分辯的材料內(nèi)部微觀形貌圖象。n組織可分為三大類：1.固溶體2.金屬化合物3.機(jī)械混合物鐵碳合金的基本組織n鐵碳合金的組織n固溶體：溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格而保持溶劑晶格類型的金屬晶體。（借用液體概念）n金屬化合物：各組元按一定的整數(shù)比結(jié)合而成、并具有金屬性質(zhì)的均勻物質(zhì)，屬于單相組織。(原子數(shù)量有一定比例關(guān)系)n機(jī)械混合物：由結(jié)晶過程所形成的兩相混合組織，可以是純金屬、固溶體或化合物各自的混合，也可以是它們之間的混合。固溶體（單相組織）n種類：根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)位置的不同，分為置換固溶體置換固溶體和間隙固溶體間隙固溶體。固溶體（單相組織）n置換固溶體：當(dāng)溶質(zhì)原子代替了一部分溶劑原子、

20、占據(jù)溶劑晶格的某些結(jié)點(diǎn)位置時(shí)。n間隙固溶體：當(dāng)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中不是占據(jù)結(jié)點(diǎn)位置，而是嵌入各結(jié)點(diǎn)之間的空隙時(shí)，所形成的固溶體。固溶體n固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化：由于形成固溶體而引起強(qiáng)度提高的現(xiàn)象。n固溶強(qiáng)化實(shí)質(zhì)：溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格，使晶格發(fā)生畸變提高晶格發(fā)生畸變提高合金的強(qiáng)度、硬度。提高金屬?gòu)?qiáng)度的重要途徑之一提高金屬?gòu)?qiáng)度的重要途徑之一n思考：思考：n工業(yè)上通過工件表面的滲碳、滲氮等強(qiáng)化表面的強(qiáng)度、硬度，其原理是什么？固溶體（學(xué)習(xí)兩類）n鐵素體鐵素體n定義：溶解于 中形成 的固溶體，呈體心立方晶格 通常以符號(hào) F 表示。n特點(diǎn)：特點(diǎn)：溶碳能力極小，固溶強(qiáng)化作用甚微。其強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好。晶格

21、示意圖晶格示意圖Fe固溶體n奧氏體奧氏體n定義：碳溶入 中 形成的固溶體為奧氏體， 呈面心立方晶格（A）n特點(diǎn)：特點(diǎn)：溶碳能力較鐵素體高，但還不能很有效提升強(qiáng)度和硬度。一般來說，其強(qiáng)度、硬度不高；但塑性優(yōu)良（熱變形加工）。晶格示意圖晶格示意圖Fe金屬化合物n定義：各組元按一定的整數(shù)比結(jié)合而成、并具有金屬性質(zhì)的均勻物質(zhì)，屬于單相組織。n特點(diǎn)：具有復(fù)雜的晶格，熔點(diǎn)高，硬而脆。金屬化合物（只學(xué)習(xí)一類）n滲碳體滲碳體n特點(diǎn)：特點(diǎn)：硬度極高，而塑性、韌性極低。伸長(zhǎng)率和沖擊韌度接近于零。n滲碳體在一定條件下可發(fā)生分解，形成石墨。其反應(yīng)式為：石墨C3FeCFe3鐵碳合金的基本組織n比較固溶體和金屬化合物的特

22、點(diǎn)，其機(jī)械性能差異很大，占據(jù)兩極端（極軟、極硬）。n那么第三類，機(jī)械混合物又有著怎樣的特點(diǎn)呢？機(jī)械混合物（學(xué)習(xí)兩類）n定義：由結(jié)晶過程所形成的兩相混合組織，可以是純金屬、固溶體或化合物各自的混合，也可以是它們之間的混合。（混合比例不同）n特點(diǎn)：特點(diǎn)：性能介于各組成相之間，它不僅取決于各相的性能和比例，還與各相的形狀、大小和分布有關(guān)。機(jī)械混合物（學(xué)習(xí)兩類）n珠光體珠光體n定義：鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，用符號(hào)P或（FFe3C）表示。n特點(diǎn)：特點(diǎn)：抗拉強(qiáng)度高、硬度較高，且仍有一定的塑性和韌性。在顯微鏡下呈片狀。nFFe3C混合后形成了中和的性能。n3535鋼的顯微組織中，黑色部分即為固溶體與

23、鋼的顯微組織中，黑色部分即為固溶體與Fe3CFe3C組成的機(jī)械混合物，組成的機(jī)械混合物，珠光體（珠光體（P P）組織。）組織。n將黑色部分放大，其中白色基體是將黑色部分放大，其中白色基體是FeFe與與C C形成的固形成的固溶體鐵素體（溶體鐵素體（F F），）， 黑色條紋為滲碳體（黑色條紋為滲碳體（Fe3CFe3C）機(jī)械混合物n萊氏體萊氏體Ldn定義：奧氏體（高溫存在）和滲碳體組成的機(jī)械混合物稱高溫萊氏體，用符號(hào)或（A+ Fe3C ）表示。n特點(diǎn)：特點(diǎn)：性能與滲碳體相近，即極為硬脆。機(jī)械混合物n低溫萊式體低溫萊式體 Ldn高溫萊氏體冷卻到727C以下時(shí)，其中 A 將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w（ P FFe3C

24、 ） 和（原有）滲碳體機(jī)械混合物（PFe3C ）。n特點(diǎn)：特點(diǎn)：性能與滲碳體相近，即極為硬脆。n思考：思考：1 1 鐵碳合金的三類組織：固溶體、金屬化合物、鐵碳合金的三類組織：固溶體、金屬化合物、機(jī)械混合物有硬有軟，機(jī)械混合物有硬有軟，“誰誰”硬硬“誰誰”軟？軟？2 2 鐵碳合金的組織有哪些？性能如何？之間有鐵碳合金的組織有哪些？性能如何？之間有何聯(lián)系？何聯(lián)系？3 3 機(jī)械混合物中的機(jī)械混合物中的“體體”分別是分別是“誰誰”和和“誰誰”的混合？的混合？n小結(jié)n合金的基本概念（合金、相、組元、組織）n合金組織的基本類型（固溶體、化合物、機(jī)械混合物）n固溶強(qiáng)化概念與作用n鐵碳合金的基本組織（名稱、

25、類型、特點(diǎn)）第三節(jié)第三節(jié) 鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金狀態(tài)圖n狀態(tài)圖狀態(tài)圖表示不同表示不同成分成分和和溫度溫度時(shí)的組時(shí)的組織狀態(tài)關(guān)系的圖形?？棤顟B(tài)關(guān)系的圖形。n根據(jù)前面所學(xué)鐵碳合金的基本組織類型根據(jù)前面所學(xué)鐵碳合金的基本組織類型和特點(diǎn)，根據(jù)此圖可以知道在什么溫度和特點(diǎn)，根據(jù)此圖可以知道在什么溫度和成分條件下，可以獲得什么樣的組織和成分條件下，可以獲得什么樣的組織和性能的材料。和性能的材料。n坐標(biāo)含義：溫度、成分。坐標(biāo)含義：溫度、成分。狀態(tài)圖狀態(tài)圖不同不同成分成分的鐵碳合的鐵碳合金在緩慢金在緩慢加熱、冷加熱、冷卻條件下，卻條件下，不同不同溫度溫度時(shí)的組織時(shí)的組織狀態(tài)。狀態(tài)。LFe3CFeFe滲碳滲碳體

26、熔體熔點(diǎn)點(diǎn)A AF F共晶點(diǎn)共晶點(diǎn)共析點(diǎn)共析點(diǎn)純鐵熔點(diǎn)純鐵熔點(diǎn)同素異晶同素異晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)轉(zhuǎn)變點(diǎn)碳在碳在最大溶解度最大溶解度碳在碳在 最大溶解度最大溶解度鐵碳合金狀態(tài)圖的分析重點(diǎn)：鐵碳合金狀態(tài)圖的分析重點(diǎn)：n4個(gè)基本相：n液相（L）n奧氏體相（A）n鐵素體相（F）n滲碳體相（Fe3C）LAFFe3Cn鐵碳合金狀態(tài)圖6條特性線的分析nACD線：即液態(tài)線液態(tài)線，當(dāng)鐵碳合金冷卻到此線開始結(jié)晶，在此線以上是液相區(qū)。nAECF線：即固態(tài)線固態(tài)線，當(dāng)鐵碳合金冷卻到此線將全部結(jié)晶為固態(tài)，在此線以下是固相區(qū)。LAFFe3CnES線：A cm線，是碳在奧氏體中的溶解度曲線。隨著溫度的下降，碳在奧氏體中的溶解度減小，將

27、由奧氏體中析出滲碳體。nGS線：A 3線，是從奧氏體中析出鐵素體的開始線。LAFFe3CnPSK線：也叫共析線，鐵碳合金冷卻到此線時(shí)，在恒溫(727 C)下，珠光體P析出，稱為共折反應(yīng)共折反應(yīng)。AF727 CnECF線：鐵碳合金冷卻到此線時(shí)，在恒溫(1147C)下，將從液體中結(jié)晶出萊氏體Ld，稱共晶反應(yīng)共晶反應(yīng)。A1147CA+Fe3CF+Fe3C學(xué)習(xí)重點(diǎn)：n鐵碳合金的分類（根據(jù)含碳量不同） 要求：記住具體的分界點(diǎn)處的含碳量掌握鐵碳合金相圖分界點(diǎn)的含義。n不同成分，組織、性能不同。鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金的分類（按含碳量不同）n鋼：含碳量小于鋼：含碳量小于2.11的鐵碳合金的鐵碳合金n亞共析鋼0

28、.77n鑄鐵：含碳量鑄鐵：含碳量2.116.69的鐵碳合金的鐵碳合金n亞共晶鐵含碳量4.3（主要分界點(diǎn)要記?。ㄖ饕纸琰c(diǎn)要記?。〧e3CII組織組成物相對(duì)量0100組織組成物相對(duì)量0100FFPFe3CFe3C1Ld0.77%亞共析鋼高溫固態(tài)組織為單相固溶體組織特征c0.0218%項(xiàng)目純鐵工業(yè)白口鑄鐵亞共晶白口鐵組織中有共晶萊氏體2.11%過共析鋼鋼4.3%6.69%過共晶白口鐵圖2-14室溫下鐵碳和金的含碳量與相和組織的關(guān)系1. 鐵碳合金含碳量與組織的關(guān)系鐵碳合金含碳量與組織的關(guān)系2. 鐵碳合金含碳量與力學(xué)性能的關(guān)系鐵碳合金含碳量與力學(xué)性能的關(guān)系 隨含碳量增加，鋼隨含碳量增加，鋼的強(qiáng)度和硬

29、度增加，的強(qiáng)度和硬度增加，塑性韌性下降。但塑性韌性下降。但當(dāng)當(dāng)c = 0.9%時(shí)，時(shí)，由于網(wǎng)狀滲碳體的由于網(wǎng)狀滲碳體的出現(xiàn)使鋼的強(qiáng)度開出現(xiàn)使鋼的強(qiáng)度開始降低。始降低。鐵碳合金相圖的應(yīng)用鐵碳合金相圖的應(yīng)用 中退火、正中退火、正火、淬火溫度火、淬火溫度 。小結(jié)n鐵碳合金相圖的概念和分析n鐵碳合金的分類n鐵碳合金含碳量與組織關(guān)系n含碳量對(duì)材料組織和性能的影響n鐵碳合金相圖的應(yīng)用第四節(jié) 工業(yè)用鋼簡(jiǎn)介n學(xué)習(xí)要求：n鋼的基本分類鋼的基本分類n碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)的含義碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)的含義n對(duì)鋼中的有害元素及有益元素的了解對(duì)鋼中的有害元素及有益元素的了解第四節(jié) 工業(yè)用鋼簡(jiǎn)介碳素鋼碳素鋼合金鋼合金鋼鋼鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼碳

30、素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼碳素工具鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼合金工具鋼特殊性能鋼特殊性能鋼低合金低合金結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼滲碳鋼滲碳鋼調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼刃具鋼刃具鋼模具鋼模具鋼量具鋼量具鋼不銹鋼不銹鋼耐熱鋼耐熱鋼耐磨鋼耐磨鋼其它鋼其它鋼工業(yè)用鋼簡(jiǎn)介n碳鋼 n含碳量小于2.11的鐵碳合金，實(shí)際中含碳量都小于1.5。n合金鋼n含有合金元素的鋼。常用元素有錳、硅、鉻、鎳、鉬、鈦等。（含碳嗎？）工業(yè)用鋼簡(jiǎn)介n碳鋼中的常存雜質(zhì)元素及其作用碳鋼中的常存雜質(zhì)元素及其作用n硅和錳 有益元素。有益元素。益于脫氧和合金化，人為加入，含量低，影響小。n硫和磷 有害元素。使材料脆化。通常以硫、磷含量來劃分

31、鋼的質(zhì)量等級(jí)。n氧、氫和氮 有害元素，使鋼的塑性、韌性塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度急劇降低和疲勞強(qiáng)度急劇降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成裂紋、脆斷。（滲氮降低塑性，表面一層高的硬度） n思考：n1哪些元素有益，哪些元素有害？n2有害元素影響材料何種性能？工業(yè)用鋼簡(jiǎn)介n碳鋼 n碳鋼的分類、牌號(hào)和用途n按質(zhì)量分類（主要按元素硫和磷含量）n普通鋼S=0.050，P=0.045%n優(yōu)質(zhì)鋼S=0.035，P=0.035%n高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼S （P） = Vk（如水冷）抑制珠光體，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。n小結(jié)n熱處理工藝過程n熱處理目的、原理和實(shí)質(zhì)n熱處理工藝過程的組織轉(zhuǎn)變退火和正火n退火n定義：將鋼加熱、保溫，然后隨爐冷卻或埋入灰中使其緩

32、慢冷卻，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。退火和正火n退火n目的：降低硬度、消除殘余應(yīng)力、細(xì)化晶粒、預(yù)備熱處理。n工藝方法n完全退火n球化退火n低溫退火退火和正火n完全退火n方法：將亞共析鋼加熱到Ac3以上3050，保溫后緩慢冷卻。n原理：加熱到Ac3以上，呈完全奧氏體狀態(tài)。經(jīng)過緩慢冷卻時(shí)，重結(jié)晶獲得細(xì)小晶粒，并清除內(nèi)應(yīng)力。退火和正火n完全退火n熱處理后組織：得到平衡組織鐵素體奧氏體。n應(yīng)用場(chǎng)合：用于亞共析鋼和合金鋼的鑄、鍛件，目的是細(xì)化品粒，消除應(yīng)力，軟化鋼。n缺點(diǎn)：費(fèi)時(shí)、效率低，常被正火替代。名稱工藝過程目的應(yīng)用退火 完全細(xì)化晶粒消除內(nèi)應(yīng)力亞共析鋼鑄鍛件球化過共析鋼低溫退火和正火n球化退火n

33、方法：將過共析鋼加熱到Ac1以上 2030 ，保溫后隨爐冷卻到700左右，再出爐空氣冷卻。n原理：鋼加熱到Ac1以上時(shí)，初始形成的奧氏體及其晶界上存有少量未熔滲碳體。在冷卻中，滲碳體呈球狀析出，分布在鐵素體基體上，稱為球化體。退火和正火n球化退火n熱處理后組織： 在鐵素體基體上均勻分布球狀滲碳體組織。n應(yīng)用場(chǎng)合： 用于共析和過共析成分的碳鋼和合金鋼，消除粗片珠光體，球狀滲碳體形成，能降低硬度，改善切削加工性能。退火和正火n低溫退火（去應(yīng)力退火）n 方法：將鋼加熱到Ac1以下，保溫后緩冷。n熱處理后組織：由于加熱溫度低于臨界溫度，鋼未發(fā)生組織變化，目的是消除內(nèi)應(yīng)力。退火和正火n低溫退火（去應(yīng)力退

34、火）應(yīng)用場(chǎng)合： n當(dāng)退火用于消除工件內(nèi)應(yīng)力時(shí)，稱去應(yīng)力退火。用于部分鑄件、鍛件及焊件和去除粗加工所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。n當(dāng)退火用于消除冷變形所產(chǎn)生的加工硬化時(shí)，稱再結(jié)晶退火?？梢垣@得均勻細(xì)小的等軸晶粒，從而降低硬度，恢復(fù)塑性，以便繼續(xù)冷變形。退火和正火n 正火正火n 定義：將鋼加熱到Ac3以上3050 或Acm 以上3050 ，保溫后在空氣中冷卻的熱處理工藝。n原理：將鋼加熱到奧氏體區(qū)，使鋼進(jìn)行重結(jié)晶（細(xì)化晶粒），從而解決鑄鋼件、鍛件的粗大晶粒和組織不均問題。正火比退火的冷卻速度稍快，所形成的（FeFe3C）機(jī)械混合物比退火得到的珠光體片層更薄，稱為萊萊式體式體。退火和正火n正火n熱處理后組織：可細(xì)

35、化普通結(jié)構(gòu)鋼晶粒；使共析鋼獲得萊氏體組織；對(duì)過共析鋼，可以消除二次滲碳體網(wǎng)。n應(yīng)用場(chǎng)合： n取代部分完全退火。n用于普通結(jié)構(gòu)件的最終熱處理。n用于過共析鋼，以減少或消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火準(zhǔn)備。n思考：n退火與正火在冷卻方式上的區(qū)別是什么？n三種退火方式適用于不同的目的，從對(duì)材料性能的影響方面有什么共同效應(yīng)？n正火使鋼重結(jié)晶，細(xì)化晶粒，降低硬度，調(diào)整材料的塑性韌性。n退火降低硬度，增加塑性韌性。淬火和回火n淬火淬火n 定義：將鋼加熱到Ac3以上3050 ，保溫后在淬火介質(zhì)中快速冷卻以獲得馬氏體（碳在F中過飽和固溶體，使鐵素體晶格發(fā)生嚴(yán)重的畸變，提高強(qiáng)度，耐磨性提升）組織的熱處理工藝。淬火

36、和回火n淬火淬火n原理：共析鋼加熱到Ac1以上，全部轉(zhuǎn)化為奧氏體。快速冷卻時(shí)，奧氏體發(fā)生-Fe向-Fe的同素異晶轉(zhuǎn)變，而-Fe中的過飽和碳原子在低溫下卻難以從晶格內(nèi)擴(kuò)散出去，形成碳在-Fe中的嚴(yán)重過飽和固熔體，稱馬氏體（馬氏體（M M）。M不穩(wěn)定組織，具有重新轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定組織的趨勢(shì)。淬火和回火n淬火淬火n熱處理后組織：亞共析鋼為細(xì)小馬氏體組織；過共析鋼為馬氏體和顆粒狀二次滲碳體組織。n應(yīng)用場(chǎng)合：提高鋼件的硬度和耐磨性，是強(qiáng)化鋼材最重要的熱處理方法。淬火n降低淬火內(nèi)應(yīng)力措施（馬氏體比容比奧氏體大）n淬火溫度淬火溫度：溫度不足，未完全形成奧氏體，轉(zhuǎn)化馬氏體后，殘余鐵素體，硬度不足；溫度過高，奧氏體晶粒大，馬氏體晶粒也大，鋼的脆性增加，易產(chǎn)生裂紋、變形。淬火n淬火介質(zhì)淬火介