機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)HFUT第二三四章機(jī)械工程材料基礎(chǔ)課件

1、 第二章 工程材料基礎(chǔ) 2.5 鋼的熱處理 2.3 鐵碳合金 2.4 常用工程材料 2.1 金屬材料的結(jié)構(gòu)2.2 工程材料的性能 材料是人類用來制作各種產(chǎn)品的物質(zhì)。機(jī)械工程中使用的材料常按化學(xué)組成分為金屬材料、高分子材料、陶瓷材料三大類。 目前在機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣的仍是金屬材料，因?yàn)榻饘俨牧蟻碓簇S富，而且具有優(yōu)良的力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能和工藝性能。 金屬材料的特性有：強(qiáng)度較高、塑性較好、導(dǎo)電性高、導(dǎo)熱性好、有金屬光澤等。 高分子和陶瓷材料的某些力學(xué)性能不如金屬，但具有金屬材料不具備的某些特性，如耐腐蝕、電絕緣、隔音、減震、耐高溫、質(zhì)輕、來源豐富、價(jià)廉、成形加工容易等優(yōu)點(diǎn)，近年發(fā)展較快。

2、材料性能的決定因素：化學(xué)成分、內(nèi)部組織和狀態(tài)。其中“化學(xué)成分”是改變性能的基礎(chǔ)，“處理”是改變性能的手段，“組織”是性能變化的根據(jù)。 第1節(jié) 金屬材料的結(jié)構(gòu)1）晶體。 其內(nèi)部原子在空間作有規(guī)則的排列，如食鹽、金剛石等；純金屬及合金均屬于晶體。2）非晶體。 其內(nèi)部原子雜亂無章地不規(guī)則的堆積，如玻璃、瀝青等。 2.1.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 3）晶體結(jié)構(gòu)。 指晶體中原子排列的方式。 4）晶格。 把晶體內(nèi)的每一個(gè)原子看成一個(gè)小球，把這些小球用線條連接起來，形成一個(gè)空間格架，這種空間格架叫晶格。5）晶胞。晶格的最小幾何組成單元。 6）晶格常數(shù)。 晶胞中各棱邊的長度，單位為 7）金屬中常見的晶體結(jié)構(gòu) 體心立

3、方晶格：晶胞是一個(gè)正六方體，立方體的八個(gè)角上和立方體的中心各有一個(gè)原子，如圖1-2a。其原子個(gè)數(shù)為： ，如鉻、鈉等。 圖1-2a 體心立方晶格 1.1.2 合金的晶體結(jié)構(gòu) 1.固溶體 合金在固態(tài)下溶質(zhì)原子溶入溶劑，仍保持溶劑晶格。根據(jù)固溶體晶格中溶劑與溶質(zhì)原子的相互位置的不同，可分為置換固溶體（如黃銅）和間隙固溶體(如鐵素體和奧氏體) 。 合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素和非金屬元素，通過熔化或其它方法結(jié)合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。 組元是組成合金的最基本的、獨(dú)立的單元。組元可以是金屬、非金屬或化合物（如滲碳體）。 合金的晶體結(jié)構(gòu)大致可歸納為3類，即固溶體、金屬化合物和機(jī)械混合物。

4、 固溶強(qiáng)化：當(dāng)溶質(zhì)原子溶解在溶劑晶體中時(shí)，溶劑的晶格將發(fā)生畸變，晶格常數(shù)發(fā)生變化。原子尺寸相差大，化學(xué)性質(zhì)不同，都使畸變增大，結(jié)果合金的強(qiáng)度、硬度和電阻增高，塑性，韌性下降。溶入的溶質(zhì)原子越多，引起的晶格畸變也越大。這種由于溶質(zhì)原子的溶入，使基體金屬（溶劑）的強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象就叫固溶強(qiáng)化。 1.1.3 金屬的結(jié)晶1）結(jié)晶。 指金屬的原子由近程有序狀態(tài)（液態(tài)）轉(zhuǎn)變成長程有序狀態(tài)（晶態(tài)）的過程。2）純金屬結(jié)晶的冷卻曲線。 金屬液非常緩慢的冷卻時(shí)，記錄溫度隨時(shí)間而變化的曲線，如圖1-6所示。出現(xiàn)水平線段的原因是結(jié)晶時(shí)放出大量的結(jié)晶潛熱，補(bǔ)償了金屬向周圍散失的熱量。 3）過冷。 在實(shí)際結(jié)晶過程中，

5、金屬液只有冷卻到理論結(jié)晶溫度（熔點(diǎn)）以下的某個(gè)溫度時(shí)才結(jié)晶的現(xiàn)象。理論結(jié)晶溫度 和實(shí)際結(jié)晶溫度 之間的溫度差 叫過冷度，它與冷卻速度有關(guān)，冷卻越快，過冷度越大，反之。圖1-6 冷卻曲線4）結(jié)晶過程。 晶體形核和成長過程。如圖1-7所示，在液體金屬開始結(jié)晶時(shí)，在液體中某些區(qū)域形成一些有規(guī)則排列的原子團(tuán)，成為結(jié)晶的核心，即晶核 （形核過程）。然后原子按一定規(guī)律向這些晶核聚集，而不斷長大，形成晶粒（成長過程）。在晶體長大的同時(shí)，新的晶核又繼續(xù)產(chǎn)生并長大。當(dāng)全部長大的晶體都互相接觸，液態(tài)金屬完全消失，結(jié)晶完成。由于各個(gè)晶粒成長時(shí)的方向不一，大小不等，在晶粒和晶粒之間形成界面，稱為晶界。 圖1-7 結(jié)晶

6、過程示意圖5）單晶體。 結(jié)晶后，每個(gè)晶核長成為一個(gè)晶體，稱為單晶體。 6）多晶體。 由許多外形不規(guī)則、大小不等、排列位向不同的小顆粒晶體組成。在多晶體中，這些小顆粒晶體叫晶粒；晶粒與晶粒之間的界面叫晶界。晶粒的大小影響材料的力學(xué)、物理、化學(xué)性能，一般情況下，晶粒越細(xì)，強(qiáng)度和硬度越高，塑性和韌性越好。因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)小，晶界就多，晶界處的晶體排列極不規(guī)則，界面犬牙交錯(cuò)，互相咬合，因而加強(qiáng)了金屬之間的結(jié)合力。 7）細(xì)晶強(qiáng)化。 用細(xì)化晶粒的方法來提高金屬材料的力學(xué)性能。金屬凝固后的晶粒大小與凝固過程中形核的多少和晶核長大速度有關(guān)，晶核越多，長大速度越慢，晶粒越細(xì)。而過冷度越大，產(chǎn)生的晶核越多，晶核多，每

7、個(gè)晶核長大受到制約，形成的晶粒就越細(xì)小。1）鑄造性能。 指利用金屬的可熔性將其熔化后，注入鑄型制成鑄件的難易程度，包括金屬液體的流動性和收縮性。 2）鍛造性能。 指金屬材料在鍛造過程中承受壓力加工而具有的塑性變形能力。 3）焊接性。 指材料被焊接的難易性質(zhì)。 4）切削加工性。表示對材料進(jìn)行切削的難易程度，可用切削抗力的大小、加工表面質(zhì)量、排屑的難易程度和切削刀具的壽命來衡量。 5）熱處理工藝性。 指標(biāo)有淬硬性、淬透性、淬火變形與淬裂、表面氧化與脫碳、過熱與過燒、回火穩(wěn)定性與脆性。 金屬材料的剛度、強(qiáng)度、彈性、塑性是通過拉伸實(shí)驗(yàn)來測定的，標(biāo)準(zhǔn)試樣如圖1-8所示，把試樣安裝在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，并對試樣

8、施加一個(gè)緩慢增加的軸向拉力，試樣產(chǎn)生變形，直至斷裂。 力學(xué)性能（機(jī)械性能）：指金屬材料具有的抵抗一定外力作用而不被破壞的性能。金屬材料的力學(xué)性能主要有：剛度、強(qiáng)度、彈性、塑性、硬度、沖擊韌度、斷裂韌度和疲勞強(qiáng)度等。 2.2.1.1 金屬材料的力學(xué)性能圖1-8 圓形拉伸試樣彈性變形外力去除后能完全消失的變形塑性變形外力去除后不能消失的變形變形過程：oe為純彈性變形階段 外力去除后試樣完全恢復(fù)原狀e以上為彈塑性變形階段es為屈服階段 外力不增加，試樣明顯伸長sb為大量塑性變形階段 外力增加不多，試樣明顯伸長bk為縮頸階段 試樣出現(xiàn)集中變形，抵抗外力能力下降F(N)FbFsFeoL %1.拉伸曲線分

9、析：力伸長曲線FesbkLFsFbO屈服彈性變形縮頸斷裂塑性變形塑性變形:外力去除后不能消失的變形變換：F/S0 = (MPa)S0 為試樣原始截面積(mm2) L/ L0 = （%）L0 為試樣標(biāo)距長度轉(zhuǎn)化：縱坐標(biāo)：以應(yīng)力表示，橫坐標(biāo)：以應(yīng)變表示， 怎樣比較不同材料抵抗外力能力的大小？2.應(yīng)力-應(yīng)變曲線（-曲線）圖2.1.5 普通低碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變圖彈性極限試樣產(chǎn)生完全彈性變形時(shí)所能承受的最大拉應(yīng)力。 1. 屈服點(diǎn)材料產(chǎn)生屈服點(diǎn)的最小應(yīng)力。 表征金屬發(fā)生明顯塑性變形的抗力。2. 抗拉強(qiáng)度材料在拉斷前所承受的最大應(yīng)力。 表示材料抵抗均勻塑性變形的最大能力。3.強(qiáng)度指標(biāo)：（1）斷后伸長率（延伸率）

10、 = ( L1 - L0 )/ L0 100%（2）斷面收縮率 = ( S0 - Sk )/S0 100% 和越大，材料的塑性越好塑性對材料的意義：提高安全性2. 便于壓力加工成型 （板金件加工成型）(二)塑性 產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力。（三）硬度指工程材料抵抗更硬的物體壓入其表面內(nèi)的能力，表示材料抵抗局部塑性變形或破壞的性能，是一個(gè)綜合反映材料彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性的機(jī)械性能指標(biāo)。常用的硬度指標(biāo)： 布氏硬度HB 洛氏硬度HR 維氏硬度HV壓入法HBS（HBW） = F/S = 2F/DD - (D2-d2)1/2不寫單位：kgf/mm2 淬火鋼球： HBS 硬質(zhì)合金鋼球： HBW 當(dāng)F的單

11、位取N時(shí)，加系數(shù)0.102圖2.1.8 布氏硬度實(shí)驗(yàn)原理（2）計(jì)算公式：（3） 特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：測量誤差?。ㄒ驂汉鄞螅?，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。缺點(diǎn)：壓痕面積較大，測量費(fèi)時(shí)。應(yīng)用：常用于測量較軟材料、灰鑄鐵、有色金屬、退火正火鋼材的硬度。不適于測量成品零件或薄件的硬度。（1）試驗(yàn)原理： 用錐頂角為120的金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球，以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后卸除主試驗(yàn)力，以測量的殘余壓痕深度增量來計(jì)算出硬度值。 HR = (k-h) / 0.002 不寫單位 對金剛石圓錐壓頭 k = 0.2 mm 對鋼球壓頭 k = 0.26 mm圖2.1.10 洛氏硬度實(shí)驗(yàn)原理（2）

12、計(jì)算公式：7085HRA25100HRB2070HRC注意：HRA、HRB、HRC分別測得的硬度， 不可直接比較大小例如： 50HRC40HRC （3）洛氏硬度值的表示：（4）特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：測量操作簡單，壓痕小。缺點(diǎn)：測量精度較低，可比性差，不同標(biāo)尺的硬度值不能比較。是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣 泛的硬度試驗(yàn)方法。用于成品檢驗(yàn)和薄件表面硬度檢驗(yàn)。不適于測量組織不均勻材料。應(yīng)用：維氏硬度計(jì)3. 維氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness ) 以一定的試驗(yàn)力將壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后，在試樣表面留下一個(gè)四方錐形的壓痕，測量壓痕兩對角線長度，以此計(jì)算出硬度值。（1）試驗(yàn)

13、原理： 與布氏硬度試驗(yàn)原理基本相同。只是壓頭改用了金剛石四棱錐體。（2）壓頭：錐面夾角為136的金剛石正四棱錐體aadH V=F/S（3）特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測量；測量精度高，可比性強(qiáng)；能測較薄工件。缺點(diǎn)：測量操作較麻煩，測量效率低。應(yīng)用：廣泛用于科研單位和高校，以及薄件表面硬度檢驗(yàn)。不適于大批生產(chǎn)和測量組織不均勻材料。一、金屬材料的力學(xué)性能（四）沖擊韌度材料抵抗沖擊載荷而不斷裂的能力。圖2.1.3一次擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)沖擊韌度： k = Ak/SN （J/cm2） Ak 沖斷試樣所消耗的沖擊功；（J） SN 試樣缺口處的截面積。沖擊吸收功對材料的意義：Ak 對材料內(nèi)部缺陷很

14、敏感，可用來鑒定材料的冶金質(zhì)量、熱加工質(zhì)量Ak 隨溫度降低而下降，可用來評定材料的冷脆現(xiàn)象 （寒冷地區(qū)的機(jī)械）試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功A k為: A k = m g H m g h (J)疲勞試驗(yàn)疲勞曲線疲勞強(qiáng)度（疲勞極限）： 材料經(jīng)無限多次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力。它表 示材料抵抗疲勞斷裂的能力。 當(dāng)應(yīng)力為對稱交變應(yīng)力時(shí)，疲勞極限用-1表示（五）疲勞強(qiáng)度影響材料疲勞極限的因素：材質(zhì)（組織、缺陷、夾雜、）設(shè)計(jì)（尺寸變化、缺口、避免尖角）工藝（降低表面粗糙度、表面強(qiáng)化）應(yīng)力場強(qiáng)度因子 KI =Y(a)1/2 Y 是裂紋形狀系數(shù) 是外加拉應(yīng)力 a 是裂紋半長度當(dāng)KI較小時(shí)，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展；當(dāng)KI

15、KIC （臨界值）時(shí)，裂紋加速擴(kuò)展 斷裂斷裂韌度KIC ： 材料有裂紋時(shí)，抵抗脆性斷裂的能力。2a（六）斷裂韌度 非金屬材料的基本性能包括物理性能、力學(xué)性能、與水有關(guān)和與熱有關(guān)的性能及耐久性。2.2.2 非金屬材料的性能2.2.2.1非金屬材料的力學(xué)性能 非金屬的力學(xué)性能包括強(qiáng)度、剛度、韌性、蠕變性、減摩性等，一般高分子材料的塑性、剛度、韌性較鋼低；但具減摩性。陶瓷在常溫下不具塑性，沖擊韌度、斷裂韌度、抗拉強(qiáng)度比金屬低。 1）強(qiáng)度。金屬材料一般用拉伸試驗(yàn)測定，而脆性材料如陶瓷和玻璃采用彎曲試驗(yàn)，高聚合物的應(yīng)力應(yīng)變用拉伸試驗(yàn)。 強(qiáng)度和變形的概念與金屬材料相同，不同處如下： 2）變形。除彈性變形、

16、塑性變形、彈性模量外，還有徐變（蠕變）、松弛。徐變指材料在恒定載荷的作用下，隨時(shí)間的延長而變形不斷增長的現(xiàn)象。松弛指總的變形不變，但塑性變形增大，彈性變形減小，載荷與應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象。 2.2.2.2 非金屬材料的物理性能1）松散密度。 材料在自然狀態(tài)下包括孔隙或空隙在內(nèi)的單位體積的質(zhì)量。即2）密度。 材料在絕對密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。式中 松散密度（kg/m3 ） ； 材料的質(zhì)量（kg）； 材料在自然狀態(tài)下的體積（m3 ） 。 3）孔隙。 用孔隙率作為衡量指標(biāo)，即材料內(nèi)部空隙體積占材料總體積的百分比。4）材料的脹縮：指由于大氣中溫度、濕度變化或其他介質(zhì)的作用而導(dǎo)致的材料的膨脹或收縮。 2

17、.2.2.3 與水有關(guān)的性能 水對材料性能有很大影響，特別對強(qiáng)度，抗腐蝕性、耐久性。主要有親水性、吸水性、耐水性、抗?jié)B性。 1）親水性。材料在空氣中與水接觸，如果材料分子與水分子之間的附著力大于水分子之間的內(nèi)聚力，水就能濕潤材料的表面，三相（材料、水、空氣）交點(diǎn)處，沿水滴表面的切線與材料表面的夾角 叫濕潤角，如果 為親水性材料；反之為憎水性材料。 2）吸水性。指材料吸收水分的能力。材料吸水達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的含水率叫吸水率。他與孔隙率和孔隙特征有關(guān)。 3）耐水性。指材料長期在水的作用下，其強(qiáng)度不顯著降低的性能。 4）抗?jié)B性。指材料抵抗壓力水滲透的性能。 1）導(dǎo)熱性。與金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)相同。 2.

18、2.2.4 與熱有關(guān)的性能 2）熱容。指材料在加熱時(shí)能吸收熱量，冷卻時(shí)能放出熱量的性質(zhì)，單位質(zhì)量材料每升高一度所需要的熱量稱為比熱容c(J/kgK)。 3）耐熱性。指材料長期在熱環(huán)境下抵抗熱破壞的能力。4）耐燃性。指材料對火焰和高溫的抵抗性能；可分為不燃材料、難燃材料，易燃材料。 5）耐火性。指材料長期抵抗高熱而不熔化的性能，耐熔性，耐火材料還應(yīng)不變形，能承載；分為耐火材料、難熔材料、易熔材料。 思考題1. 解釋下列名詞術(shù)語：晶體、晶格、過冷、固溶體、化合物、機(jī)械混合物。3. 何謂硬度，硬度實(shí)驗(yàn)方法主要有哪幾種？并簡單介紹其中一種。4. 材料的工藝性能包括哪幾種？5. 非金屬材料與水和熱有關(guān)的

19、性能主要有？2. 試述純金屬的結(jié)晶過程。第3節(jié) 鐵碳合金2.3.1 鐵碳合金的基本組織和性能Pb-Sn相圖簡介 組元：通常把組成合金的最簡單、最基本、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)稱為組元。組元在大多數(shù)情況下是元素，例如Pb和Sn；但在所研究的范圍內(nèi)既不分解也不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定化合物也可成為組元，如Fe3C。 合金系：由兩個(gè)或兩個(gè)以上組元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，稱為合金系，如Pb-Sn;Fe- Fe3C。 相圖：用來表示合金系中各個(gè)合金的結(jié)晶過程的簡明圖解稱為相圖，又稱狀態(tài)圖或平衡圖。 相平衡：在合金系中，參與結(jié)晶或相變過程中的各相之間的相對重量和相的濃度不再改變時(shí)所達(dá)到的一種平衡。 第

20、3節(jié) 鐵碳合金2.3.1 鐵碳合金的基本組織和性能AEB為液相線；AMENB為固相線；A為Pb的熔點(diǎn)；B為Sn的熔點(diǎn)。固溶體是以Pb為溶劑，以Sn為溶質(zhì)，其溶解度曲線為FM；固溶體是以Sn為溶劑，以Pb為溶質(zhì)，其溶解度曲線是NG。第3節(jié) 鐵碳合金（體心立方晶格）（面心立方晶格）（體心立方晶格）2.3.1 鐵碳合金的基本組織和性能1. 鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變 金屬在固態(tài)下發(fā)生的晶格結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變叫同素異晶（構(gòu)）轉(zhuǎn)變。金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變也是一種結(jié)晶過程，有一定的轉(zhuǎn)變溫度和過冷度；也有晶核的形成和長大兩個(gè)階段。故同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變又稱為重結(jié)晶。鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)缦滤尽?.鐵素體（F） 碳溶于 中的固溶體，它保持體

21、心立方晶格結(jié)構(gòu)。其顯微組織如圖1-15，溶解度（0.008%0.02%），故性質(zhì)接近純鐵，強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好。 3.奧氏體（A） 碳溶于 中的固溶體，保持面心立方晶格結(jié)構(gòu)。其顯微組織如圖1-16，溶解度（0.77%2.11%），其強(qiáng)度和硬度略高于鐵素體，塑性、韌性較好。 4.滲碳體（Fe3C） 鐵和碳組成的金屬化合物，復(fù)雜斜方晶體結(jié)構(gòu)。含碳量為6.69%，其硬度很高，塑性、韌性幾乎為零，脆性極大，在一定條件下分解為鐵和石墨。 6.萊氏體Ld 萊氏體在7270C以上，由奧氏體與滲碳體組成的機(jī)械混合物，稱為高溫萊氏體Ld；在7270C以下，該組織轉(zhuǎn)變?yōu)橛芍楣怏w與滲碳體組成的機(jī)械混合物，稱為

22、低溫萊氏體Ld。其顯微組織如圖1-18，其力學(xué)性能與滲碳體相似，硬度較高，脆性較大。 5.珠光體P 珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物。其顯微組織如圖1-17，珠光體強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間。 圖1-15鐵素體的顯微組織圖1-16奧氏體的顯微組織圖1-17 珠光體的顯微組織圖1-18萊氏體的顯微組織2）亞共析鋼（如圖II號合金）的結(jié)晶過程 其室溫組織為鐵素體加珠光體，其顯微組織如圖1-21a；其性能介于鐵素體和珠光體之間；隨含碳量升高，珠光體量增多，故強(qiáng)度硬度增加，塑性韌性下降。3）過共析鋼（如圖III號合金）的結(jié)晶過程其室溫組織為滲碳體加珠光體，其顯微組織如圖1-21

23、b；隨含碳量升高，滲碳體量增多，故硬度增加，韌性下降。圖1-20 鋼的鐵碳合金相圖0.772.11C%圖1-21a 亞共析鋼顯微組織圖1-21b 過共析鋼顯微組織2.3.2 鐵碳合金相圖 鐵碳合金相圖：表示在平衡狀態(tài)下鐵碳合金的化學(xué)成分、相、組織與溫度的關(guān)系圖。利用它可以研究鋼和鑄鐵的內(nèi)部組織及其變化規(guī)律，從而為更好的利用它們，并為制定熱處理、壓力加工等工藝規(guī)程打下基礎(chǔ)。在工程中一般研究的鐵碳合金狀態(tài)圖實(shí)際上都是鐵與滲碳體兩組元構(gòu)成的狀態(tài)圖，如圖1-19所示。 鋼：含碳量小于2.11%的鐵碳合金； 鑄鐵：含碳量大于2.11%的鐵碳合金。 圖1-19 鐵碳合金相圖LL+AAF+AFF+PPP+F

24、e3CIIP+Fe3CII+LdA+Fe3CIIA+Fe3CII+LdLdLdL+Fe3CILd+Fe3CILd+Fe3CI 相圖上的特性線和點(diǎn)如下： 2）AECF線（固相線）。當(dāng)合金冷卻到此線時(shí)，金屬液全部結(jié)晶為固相，在此線以下區(qū)域?yàn)楣滔唷?1）ACD線（液相線）。當(dāng)金屬液冷卻到此線時(shí)開始結(jié)晶，在此線以上區(qū)域?yàn)橐合唷?由于圖中左上角部分在實(shí)用中用處不大，故不予分析。3）A點(diǎn)。純鐵的熔點(diǎn)（15380C）。4）D點(diǎn)。滲碳體的熔點(diǎn)（12270C）。 5）C點(diǎn)。共晶點(diǎn)，溫度11480C，成分4.3%C。共晶：指合金在一定的條件(溫度、成分)下，由液體合金中同時(shí)結(jié)晶出兩種不同的晶體，而形成一種特殊的共

25、晶體組織的轉(zhuǎn)變。即 6）ECF線（共晶線）。含碳量在2.11%6.69%的鐵碳合金，冷卻到此線時(shí)（1148度），將發(fā)生共晶反應(yīng)，同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的共晶混合物萊氏體。 7）ES線。是碳在 中的溶解度曲線，E點(diǎn)表示在11480C時(shí)碳在 中的最大溶解度為2.11%。隨著溫度降低，溶解度下降，即含碳量大于0.77%的奧氏體冷卻過程中都將從奧氏體中析出滲碳體（次生滲碳體），常稱為Acm線8）GS線。 是冷卻過程不同含碳量的奧氏體中析出鐵素體的轉(zhuǎn)變線，常稱為A3線。10）PSK線（共析線）。 含碳量在0.02%6.69%的鐵碳合金，冷卻到此線時(shí)（7270C），將發(fā)生共析反應(yīng)，從奧氏體中同時(shí)結(jié)晶出鐵

26、素體和滲碳體的共析混合物珠光體。即A1線。 9）S點(diǎn)。共析點(diǎn)，溫度7270C，成分0.77%。共析轉(zhuǎn)變：指合金在一定條件下，由一種固相轉(zhuǎn)變成兩個(gè)固相的機(jī)械混合物的過程。 即： 2.3.3 鐵碳合金的組織轉(zhuǎn)變 工業(yè)純鐵 含碳量小于0.0218%的鐵碳合金， 鋼 含碳量在0.0218%2.11%的鐵碳合金， 共析鋼 含碳量等于0.77%， 亞共析鋼 含碳量小于0.77%， 過共析鋼 含碳量位于0.77%2.11%， 白口鑄鐵 含碳量在2.11%6.69%的鐵碳合金 共晶白口鑄鐵 含碳量等于4.3% ， 亞共晶白口鑄鐵 含碳量位于2.11%4.3% 過共晶白口鑄鐵 含碳量位于4.3%6.69% 1.

27、 鋼的結(jié)晶過程 為方便起見，按照鐵碳合金的分類，把相圖分為鋼和白口鐵兩部分；如圖1-20為經(jīng)過簡化的鋼的鐵碳合金相圖。下面分析其結(jié)晶過程：1）共析鋼（如圖I號合金）的結(jié)晶過程 其室溫組織為珠光體，為層片狀組織，具有較高的強(qiáng)度 =800MPa，硬度HBS=230,塑性較低 =12%。圖1-20 鋼的鐵碳合金相圖0.772.11C% 鑄鐵根據(jù)含碳量的不同可分為共晶白口鑄鐵（4.3%C）、亞共晶白口鑄鐵（4.3%C）；其簡化的鐵碳合金相圖如圖1-22所示，下面分別分析其結(jié)晶過程。2. 白口鑄鐵的結(jié)晶過程圖1-22 生鐵的鐵碳合金相圖2.114.36.690C1）共晶白口鑄鐵（如圖V）的結(jié)晶過程其室溫

28、組織為萊氏體。 其室溫組織為珠光體加萊氏體。顯微組織如圖1-23a。圖1-22 生鐵的鐵碳合金相圖2.114.36.690C2）亞共晶白口鑄鐵（如圖IV）的結(jié)晶過程3）過共晶白口鑄鐵（如圖IIV）的結(jié)晶過程 其室溫組織為滲碳體加萊氏體。顯微組織如圖1-23b。圖1-23a 亞共晶白口生鐵的 室溫組織圖1-23b 過共晶白口生鐵的室溫組織2.3.4 鐵碳合金相圖的應(yīng)用 1）在鑄造中的應(yīng)用。 根據(jù)相圖可以知道各種成分的鋼和鑄鐵的結(jié)晶溫度，可確定合金的澆注溫度，知道合金的凝固溫度范圍，判斷流動性以及縮孔、縮松的傾向。共晶成分的合金，結(jié)晶溫度較低，偏析較小，流動性好，因而鑄造合金的成分常選用接近共晶成

29、分。 2）在鍛造中的應(yīng)用。鋼中有奧氏體組織時(shí)，塑性好，變形是抗力低，便于塑性變形，故常選擇單相奧氏體區(qū)域的適當(dāng)溫度范圍。 3）在熱處理中的應(yīng)用。 相圖反映了不同成分的合金在緩慢加熱或冷卻時(shí)，所發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變溫度，是制訂熱處理工藝的依據(jù)。思考題：1.何謂奧氏體、鐵素體、滲碳體、珠光體、萊氏體，它們的性能如何？2.試簡述鐵碳合金狀態(tài)圖中C點(diǎn)、S點(diǎn)、ECF線、PSK線、ES線和GS線的物理含義。3.試分析含碳0.4%C、0.77%C、1.0%C、3.0%C、4.3%C和5.0%C的合金在極緩慢冷卻時(shí)組織的轉(zhuǎn)變過程，并指出其室溫組織。 第4節(jié) 常用工程材料2.4.1 常用工程材料的分類 工程 材料金屬

30、材料碳素鋼合金鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼特殊性能鋼鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵有色金屬：銅合金、鋁合金等非金屬材料高分子材料：塑料、橡膠、復(fù)合材料等陶瓷材料：普通瓷、氧化鋁陶瓷、氧化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷鋼2.4.2.1 碳素鋼分類和牌號1）按鋼的含碳量分類： 低碳鋼 中碳鋼 高碳鋼 2）按鋼的質(zhì)量分類：有害雜質(zhì)硫、磷的含量普通碳素鋼 優(yōu)質(zhì)碳素鋼 高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼 2.4.2 常用金屬材料1.分類3）按用途分為： 碳素結(jié)構(gòu)鋼： 制造各種機(jī)器零件及工程構(gòu)件，大都是低碳鋼、中碳鋼，屬普通碳素鋼或優(yōu)質(zhì)碳素鋼。 碳素工具鋼： 制造各種刃具、量具和模具等，大都是高碳鋼

31、，屬優(yōu)質(zhì)鋼或高級優(yōu)質(zhì)鋼。4）按冶煉時(shí)脫氧程度的不同分類沸騰鋼：不脫氧的鋼；鎮(zhèn)靜鋼：完全脫氧鋼；半鎮(zhèn)靜鋼：半脫氧鋼。 5）按金相組織分亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼。2.普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 含碳量在0.06%0.38%之間，硫、磷含量較高，在供應(yīng)狀態(tài)下使用，不需熱處理。常用于一般工程結(jié)構(gòu)及普通零件。其牌號（表示方法）由代表屈服點(diǎn)的字母Q、屈服點(diǎn)的數(shù)值、質(zhì)量等級符號(A、B、C、D)和脫氧方法符號(F、b、Z、TZ)組成。如Q235-AF，表示其屈服點(diǎn)為235MPa，質(zhì)量等級為A級，沸騰鋼。3.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 按化學(xué)成分和力學(xué)性能供應(yīng)，雜質(zhì)含量少，表面質(zhì)量、組織結(jié)構(gòu)的均勻性較好，需經(jīng)熱處理，用于重要的零件

32、。其牌號采用兩位數(shù)字來表示，表示該鋼號的平均含碳量的萬分之幾。根據(jù)含錳量不同分為普通含錳量（0.25%0.8%）和較高含錳量（0.75%1.2%）兩種，后者加“Mn”，如20鋼為含碳0.2%，65Mn為含碳0.65%，較高含錳量。2.4.2.2 合金鋼分類和牌號 1. 分類合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼特殊性能鋼建筑及工程用鋼或構(gòu)件用鋼機(jī)器制造用鋼滲碳鋼調(diào)質(zhì)鋼彈簧鋼滾動軸承鋼刃具鋼模具鋼量具鋼不銹鋼耐熱鋼耐磨鋼磁鋼1）按用途分:2）按合金元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分：3）按所含合金元素種類分為：鉻鋼、錳鋼、鎳鋼、鉻錳鋼、硅錳鋼等。4）按金相組織分為：珠光體鋼、馬氏體鋼、貝氏體鋼、奧氏體鋼。 低合金鋼（合金元素

33、總含量10%）2.合金結(jié)構(gòu)鋼1）低合金結(jié)構(gòu)鋼。 Q+質(zhì)量等級符號，如Q345C；Q表示屈服點(diǎn)的“屈”，345表示屈服點(diǎn)數(shù)值，C表示質(zhì)量等級，有A、B、C、D、E五個(gè)等級。 2）合金結(jié)構(gòu)鋼。 數(shù)字+化學(xué)元素符號+數(shù)字，前面數(shù)字表示鋼的平均含碳量，以萬分之幾表示，后面數(shù)字表示該合金元素的平均含量，以百分之幾表示，但低于1.5%時(shí)不標(biāo)。若為高級優(yōu)質(zhì)鋼在最后加“A”字，如60Si2Mn，滾動軸承鋼，GCr15SiMn。4.特殊性能鋼 特殊性能鋼牌號為數(shù)字+化學(xué)元素符號+數(shù)字。前面數(shù)字表示鋼的平均含碳量，以千分之幾表示，但當(dāng)平均含碳量小于等于0.03%時(shí)標(biāo)為00，小于等于0.08%時(shí)標(biāo)為0，如2Cr13

34、。 3.合金工具鋼 合金工具鋼牌號為數(shù)字+化學(xué)元素符號+數(shù)字。前面數(shù)字表示鋼的平均含碳量，以千分之幾表示，但高于1.0%時(shí)不標(biāo)，高速鋼例外，其低于1.0%時(shí)也不標(biāo)，其余同合金結(jié)構(gòu)鋼，如5CrMnMo。 1.鑄鐵 鑄鐵含碳量大于2.11%的鐵碳合金，一般含碳量2.5%4.0%，含有較多的硅、錳、硫、磷等雜質(zhì)。 根據(jù)碳在鑄鐵中的存在形態(tài)可分為： 1）白口鑄鐵。即生鐵,碳除少量溶于鐵素體外，絕大部分以滲碳體形式存在，其斷口呈銀白色。特點(diǎn)是硬和脆，難以加工，但耐磨。一般不直接用來制造機(jī)器零件，常用作煉鋼原料或制造可鍛鑄鐵件。 2）灰鑄鐵。碳主要以自由狀態(tài)的片狀石墨形態(tài)存在，如圖1-24，斷口為暗灰色。

35、強(qiáng)度低，塑性差，但易切削，減摩消振性好，且鑄造性能好，應(yīng)用最廣泛。 圖1-24片狀石墨2.4.2.3 鑄鐵和鑄鋼 3）可鍛鑄鐵。碳主要以團(tuán)絮狀石墨形態(tài)存在，如圖1-25，因而有較高的塑性和韌性。用于受沖擊和振動的薄壁小件?？慑戣T鐵由白口鑄鐵經(jīng)高溫退火處理獲得。 圖1-25 團(tuán)絮狀石墨4）球墨鑄鐵。 鐵液在澆注前經(jīng)球化處理，碳大部分或全部以自由狀態(tài)的球狀石墨存在，如圖1-26，有時(shí)出現(xiàn)少量團(tuán)絮狀。強(qiáng)度、塑性均高于可鍛鑄鐵，抗拉強(qiáng)度甚至高于碳鋼。 圖1-26球狀石墨2.鑄鋼1）鑄鋼件。將鋼液直接鑄成零件毛坯，以后不再進(jìn)行鍛造的鋼件。常用于要求較高而復(fù)雜的零件。 2）含碳量。 鑄造碳鋼的含碳量在0.

36、20%0.60%之間，含碳量太高則塑性差，易冷裂，硫、磷含量在0.040%以下。 3）牌號?！癦G+兩組數(shù)字”表示，數(shù)字分別表示最低屈服點(diǎn)和最低抗拉強(qiáng)度的值。如ZG200-400 。2.4.2.4 有色金屬 純銅的性能特點(diǎn)：具有很高的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，僅次于銀；化學(xué)穩(wěn)定性高，抗大氣腐蝕性好，無磁性，塑性好，但強(qiáng)度低。 工業(yè)生產(chǎn)中通常稱鐵和鐵基合金為黑色金屬，而把鐵和鐵基合金以外的金屬稱為有色金屬。1.銅及銅合金 銅及其合金是人類應(yīng)用最早的金屬，目前工業(yè)上使用的主要有工業(yè)純銅、黃銅、青銅。 1）工業(yè)純銅。 純銅呈玫瑰紅色，因表面經(jīng)常形成一層紫紅色的氧化物，俗稱紫銅，電解銅。其熔點(diǎn)為10830C，密度為

37、8.96g/cm3，為面心立方晶格。 牌號：工業(yè)純銅牌號為T+順序號，共有T1,T2, T3,T4；序號越大，純度越低。 2）黃銅。 黃銅以鋅為主要合金元素的銅基合金。它具有良好的力學(xué)性能、加工成形性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，價(jià)格較低，是重有色金屬中應(yīng)用最廣的金屬材料?？煞譃槠胀ê吞厥恻S銅兩類，按加工方式分為壓力加工黃銅和鑄造黃銅。 壓力加工普通黃銅：也叫二元黃銅，是Cu-Zn二元合金。根據(jù)含鋅量分為（小于39%）單相（ ）黃銅、（39%-45%）雙相（ ）黃銅； 相是鋅溶于銅中的固溶體，溶解度隨溫度的下降而增大，為面心立方晶格，塑性好，可冷熱加工。 相是以電子化合物CuZn為基的固溶體，室溫下較脆，

38、但加熱到4500C以上時(shí)，塑性良好。其性能隨鋅含量 壓力加工特殊黃銅：在銅鋅二元合金的基礎(chǔ)上加入其它合金元素組成的多元合金。常加入硅、鉛、鋁、錳等，稱為硅黃銅、鉛黃銅，鋁黃銅。鉛能改善切削加工性能，提高耐磨性，故鉛黃銅用于鐘表零件，硅能顯著提高黃銅的機(jī)械性能、耐蝕性，具良好鑄造性能，用于船舶及化工零件。其牌號為增加，起初強(qiáng)度塑性提高，而后由于出現(xiàn)了 相，強(qiáng)度繼續(xù)升高，但塑性下降，直至全部為 相時(shí)，強(qiáng)度塑性急劇下降，如圖1-27所示。其牌號為H+銅的名義質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如H62。而H70、H68又稱為三七黃銅，因強(qiáng)度高，塑性好常用來制作槍彈殼和炮彈筒，有“彈殼黃銅”之稱。圖1-27 黃銅的機(jī)械性能與含

39、鋅量的關(guān)系H+主加元素符號+銅及各合金元素的名義質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如HPb59-1。 鑄造黃銅：采用鑄造方法來生產(chǎn)的黃銅。其代號為ZCu+合金元素1的化學(xué)符號及其名義質(zhì)量分?jǐn)?shù)+合金元素2級其名義質(zhì)量分?jǐn)?shù)+，如ZCuZn38（ZH62),ZCuZn40Pb2(ZHPb59-1)。3）青銅青銅。 除黃銅、白銅以外的銅合金均稱為青銅。工業(yè)上常用的有錫青銅、鋁青銅、鈹青銅等。一般都有高的耐蝕性、較高的導(dǎo)電導(dǎo)熱性及良好的切削加工性。分為壓力加工青銅和鑄造青銅兩類。前者的代號為Q+第一個(gè)主加元素的化學(xué)符號及其名義質(zhì)量分?jǐn)?shù)-數(shù)字（其它合金元素的名義質(zhì)量分?jǐn)?shù)），如QSn4-3表示含錫4%，含鋅3%，后者的代號為ZCu

40、+合金元素1的化學(xué)符號及其名義質(zhì)量分?jǐn)?shù)+合金元素2及其名義質(zhì)量分?jǐn)?shù)+如ZCuSn10Zn2. 錫青銅：以錫為主要添加元素的銅基合金。耐蝕、耐磨、強(qiáng)度高、彈性好，常用牌號有QSn4-3等，用于彈簧、軸瓦、襯套等耐磨零件。 鋁青銅：以鋁為主要合金元素的銅基合金。它有良好的力學(xué)性能，耐蝕、耐磨，有良好的鑄造性能，受沖擊無火花。常用牌號有QAl9-4，QAl5等，用于軸套、齒輪、蝸輪、管路配件等。 鈹青銅：以鈹為主要合金元素的銅基合金。有很高的強(qiáng)度、硬度疲勞極限和彈性極限，耐蝕、耐熱、無磁性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，受沖擊無火花，冷熱加工，鑄造性能均好。常用牌號有Qbe2，主要用于制作高級精密的彈性元件，如彈簧

41、、膜片。特殊要求的耐磨零件，如鐘表的齒輪和發(fā)條，高速高溫高壓下的軸承、襯套。 2.鋁及鋁合金 1）工業(yè)純鋁。 其熔點(diǎn)為660.370C，密度為2.7g/cm3，為面心立方晶格，呈銀白色。強(qiáng)度（=80100MPa）和硬度(20HBS)很低，塑性(=80%)很高，有良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性。工業(yè)純鋁為L1-L7，其順序數(shù)越大，純度越低。2）鋁合金。 由于純鋁的強(qiáng)度低，不宜作承力結(jié)構(gòu)材料，向純鋁中加入適量的硅、銅、鎂、鋅、錳等元素，通過固溶強(qiáng)化，沉淀硬化及組織強(qiáng)化，而得到的高強(qiáng)度合金。 鋁合金的分類：根據(jù)鋁合金的成分以及生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，鋁合金可分為形變鋁合金和鑄造鋁合金。鋁合金的一般類型相圖如圖1-28所示，

42、在D點(diǎn)以左的合金，在加熱到DF線以上時(shí)，得到單相固溶體組織，塑性好，適于壓力加工，故稱形變鋁合金；成分在F點(diǎn)以左的合金，冷卻時(shí)組織不隨溫度變化，故不能熱處理強(qiáng)化，因而稱為熱處理不能強(qiáng)化鋁合金；在D點(diǎn)以右為鑄造鋁合金。 形變鋁合金：在加熱時(shí)能形成單相的固溶體，塑性很好，適于冷熱壓力加工的鋁合金。又可分為：熱處理不能強(qiáng)化的鋁合金和熱處理能強(qiáng)化的鋁合金。圖1-28鋁合金狀態(tài)圖的一般類型 鑄造鋁合金：含有低熔點(diǎn)的共晶體，液態(tài)流動性較高，適于鑄造的鋁合金。它具有良好的力學(xué)性能，抗蝕性及良好的工藝性能。而且生產(chǎn)工藝較為簡便，成本較低。用途較廣。其合金代號為ZL+三位數(shù)字，第一位為合金系，1位鋁硅系，2位鋁

43、銅系，3位鋁鎂系，4位鋁鋅系，后兩位為順序號。2.4.3 非金屬材料 通常認(rèn)為除金屬材料以外的材料都是非金屬材料，主要有高分子材料、陶瓷材料 。1.塑料 塑料以有機(jī)合成樹脂為主，加入適量的添加劑，在一定溫度和壓力作用下加工成形的玻璃態(tài)高分子材料。 塑料的組成：合成樹脂和某些添加劑。 樹脂：它是低分子化合物經(jīng)聚合反應(yīng)形成的高分子化合物，是塑料的主要成分。其種類、性質(zhì)、含量等對塑料的性能起決定作用。塑料多以樹脂來命名。 添加劑：是在塑料中，有目的加入的某些固態(tài)物質(zhì)，以彌補(bǔ)樹脂自身性能的不足。 1）填料，為增加塑料的強(qiáng)度而加入的，如木粉、高嶺土、石墨等。 2）增塑劑，使大分子鏈的距離拉開，降低分子間

44、的作用力，增加柔順性，如甲酸酯類化合物。 3）固化劑，在高聚物中生成橫跨鏈，使分子交聯(lián)，樹脂由線型結(jié)構(gòu)變成體型結(jié)構(gòu)，如乙二胺。 4）穩(wěn)定劑，又稱防老化劑，一般加入量在千分之幾，防止過早老化的作用，如硬脂酸鈣。 5）其它，按性能要求加入一定量的潤滑劑、染料、發(fā)泡劑、阻燃劑等。 塑料的分類： 1）按熱性能分為熱塑性塑料和熱固性塑料。 熱塑性塑料：加熱軟化，可熔成粘稠狀的液體，冷卻時(shí)硬化成所需的形狀。再加熱時(shí)又重新軟化。如聚氯乙烯，聚酰胺等。 熱固性塑料：樹脂受熱先軟化，繼續(xù)加熱又硬固化，大分子由線型結(jié)構(gòu)變成體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，固化后加熱則不再軟化。如酚醛塑料。 2）按應(yīng)用范圍分：通用塑料、工程塑料、特種

45、塑料。 2.橡膠 橡膠是指在很寬的溫度范圍（-501500C），均處于高彈態(tài)，在很小的力作用下可發(fā)生很大的彈性變形，外力去除后能瞬間恢復(fù)原來的狀態(tài)的經(jīng)過硫化，并加入了配合劑的高分子材料。 橡膠的組成：生產(chǎn)中把未經(jīng)硫化的天然膠與合成膠稱為生膠，硫化后的膠稱為橡膠。為提高橡膠制品的性能，常添加各種配合劑。 1）硫化劑。使生膠分子相互交聯(lián)成為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，天然橡膠中常加硫磺，合成橡膠則還要加入過氧化物及金屬氧化物。 2）促進(jìn)劑。常選用有機(jī)化合物，以縮短硫化時(shí)間，降低硫化溫度。 3）軟化劑。常選用硬脂酸，精制蠟、凡士林等，增加橡膠的塑性，改善粘附力，降低硬度和提高耐寒性。 4）補(bǔ)強(qiáng)劑。常選用碳黑、白碳黑，

46、以提高強(qiáng)度，硬度，增強(qiáng)耐磨性。 橡膠的分類：按來源分為天然橡膠和合成橡膠兩大類。 常用橡膠有：天然橡膠、丁苯橡膠、順丁橡膠。特種橡膠有：聚胺脂橡膠、硅橡膠等。 3.陶瓷 陶瓷是陶器和瓷器的總稱，發(fā)展到近代泛指全部硅酸鹽材料，而現(xiàn)代則擴(kuò)展到所有無機(jī)非金屬材料。它與金屬材料，高分子材料構(gòu)成三大固體材料。 陶瓷是由金屬元素和非金屬元素的化合物構(gòu)成的多晶材料，其顯微組織是由晶相、玻璃相、氣相組成的。 陶瓷生產(chǎn)工藝特點(diǎn)：先成形，后燒結(jié)。如傳統(tǒng)陶瓷選用天然原料，粘土，高嶺土等，經(jīng)粉碎，成形，干燥，燒結(jié)而成。 常用工業(yè)陶瓷的分類： 1）普通陶瓷。粘土類陶瓷，以高嶺土、長石、石英為原料制成，產(chǎn)量大，應(yīng)用廣，如

47、日用陶瓷、瓷器，建筑業(yè)等。 2）氧化鋁陶瓷。 以Al2O3位主要成分的陶瓷，也稱高鋁陶瓷。其熔點(diǎn)高，耐高溫，并有較高的強(qiáng)度、硬度及耐磨性，但脆性大。用于制造耐高溫材料、刀具材料和電絕緣材料。 3）碳化硅陶瓷。以碳化硅為主要成分的陶瓷。具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，良好的熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐蝕性及抗蠕變性。主要用于制造熱電偶套管、爐管、火箭噴嘴、高溫軸承、熱交換器、砂輪、磨料等。 4）氮化硅陶瓷。以氮化硅為主要成分的陶瓷。穩(wěn)定性極強(qiáng)，除氫氟酸外，能耐各種酸、堿的腐蝕，具有良好的耐磨性，摩擦系數(shù)和熱膨脹系數(shù)小，具有自潤滑性。用于制造耐磨、耐腐蝕、耐高溫、絕緣及切削刀具等。第5節(jié) 鋼的熱處理 熱處理：將固態(tài)金

48、屬或合金在一定介質(zhì)中加熱、保溫和冷卻，以改變其整體或表面組織，從而獲得所需性能的工藝方法。 熱處理的三個(gè)階段：加熱、保溫、冷卻。如圖1-29所示是最基本的熱處理工藝曲線。溫度加熱保溫冷卻時(shí)間圖1-29 熱處理工藝曲線1.加熱和冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度 要使鋼的組織發(fā)生變化，必須加熱到相變溫度以上，相變溫度可由 相圖來確定。但在實(shí)際加熱和冷卻時(shí)，合金有過冷和過熱現(xiàn)象，如圖1-30所示，加熱時(shí)實(shí)際相變溫度偏高，冷卻時(shí)偏低。加熱和冷卻速度越快，偏離越嚴(yán)重。常用 、 、 表時(shí)加熱時(shí)偏離的相變溫度。用 、 、 表示冷卻時(shí)偏離的相變溫度。 圖1-30 加熱（冷卻）時(shí)相變溫度2.5.1 熱處理過程中的組織轉(zhuǎn)變2.鋼

49、在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 奧氏體化：為使熱處理獲得所需的性能，將鋼加熱到臨界溫度以上，使室溫組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻膴W氏體的過程。 奧氏體的形成： 以共析鋼為例，共析鋼的組織室溫時(shí)為珠光體（F+Fe3C），當(dāng)加熱到 以上時(shí)，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。其過程如下：2）奧氏體晶核長大。通過原子擴(kuò)散，使?jié)B碳體不斷溶解和鐵素體晶格由體心立方晶格改組為面心立方晶格。 1）奧氏體晶核形成。首先在鐵素體和滲碳體的晶界上出現(xiàn)奧氏體晶核，因?yàn)橄嘟缑娴脑优帕形蓙y，晶體缺陷較多，易于形核。 3）殘余滲碳體的溶解。 鐵素體先消失，滲碳體繼續(xù)向奧氏體溶解完； 4）奧氏體均勻化。 殘余滲碳體溶解完后，碳的濃度并不均勻，在原來滲碳體的地方碳

50、含量高，鐵素體處低，保溫一定時(shí)間，碳原子擴(kuò)散，得到均勻的奧氏體組織。 亞共析鋼和過共析鋼，加熱到 時(shí)，只有珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，隨著加熱溫度升高，鐵素體和二次滲碳體才不斷向奧氏體轉(zhuǎn)變，到加熱溫度超過 或 時(shí)，才全部轉(zhuǎn)變成奧氏體。珠光體組織比較細(xì)密，形成奧氏體的晶核較多，因而珠光體剛轉(zhuǎn)變成奧氏體時(shí)，其晶粒比較細(xì)小。但若升高溫度或保溫時(shí)間過長，晶粒將長大。 3.鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 熱處理工藝中常用的冷卻方式：連續(xù)冷卻、等溫冷卻。 鋼經(jīng)奧氏體化后，冷卻條件不同，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織結(jié)構(gòu)、性能均不同。 1）連續(xù)冷卻。 將已奧氏體化的鋼以某種速度連續(xù)冷卻，使其在臨界點(diǎn)以下變溫連續(xù)轉(zhuǎn)變。 2）等溫冷卻。 將已奧

51、氏體化的鋼迅速冷卻到相變點(diǎn)以下的某個(gè)溫度，進(jìn)行保溫，使過冷奧氏體在該溫度下恒溫轉(zhuǎn)變。 注：過冷奧氏體。 冷卻至A1以下尚未轉(zhuǎn)變的奧氏體，是暫時(shí)存在的，處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體。 下面以共析鋼為例，分析奧氏體在不同溫度下冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變。 奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖：將不同等溫轉(zhuǎn)變過程中奧氏體轉(zhuǎn)變開始和終結(jié)時(shí)間，標(biāo)注在溫度時(shí)間坐標(biāo)系中，分別連接開始轉(zhuǎn)變點(diǎn)和終結(jié)點(diǎn)，所得的圖即為等溫轉(zhuǎn)變圖，共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖如圖1-31所示。A1為奧氏體轉(zhuǎn)變的臨界溫度，此線以上為奧氏體穩(wěn)定區(qū)，左邊的一條C曲線為過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變開始線，其左方為過冷奧氏體區(qū)，右邊的一條C曲線為過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變終結(jié)線，其右方為轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)，中間為轉(zhuǎn)變

52、區(qū)，下方的兩條水平線分別為馬氏體圖1-31 共析鋼等溫轉(zhuǎn)變圖 依據(jù)等溫轉(zhuǎn)變圖，奧氏體的轉(zhuǎn)變過程如下：轉(zhuǎn)變開始線（Ms=2300C)和終結(jié)線（Mf=-500C)。由圖可知，過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的孕育期不同，以轉(zhuǎn)變開始線與縱坐標(biāo)的距離來表示，孕育期越長，過冷奧氏越穩(wěn)定，C曲線鼻尖部位（約5500C）,轉(zhuǎn)變最快。圖3-3 共析鋼等溫轉(zhuǎn)變圖1）高溫轉(zhuǎn)變（珠光體轉(zhuǎn)變）。在A1線至5500C，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體與滲碳體片層相間的珠光體型組織。其中在A16500C為粗片狀珠光體，硬度在1723HRC。6500C6000C為較細(xì)片狀珠光體，亦稱索氏體，硬度在23-32HRC。 6000C5500C為極細(xì)片狀珠光體

53、，亦稱托氏體，硬度在3340HRC。層片越細(xì)，強(qiáng)度、硬度越高、塑性韌性越好。2）中溫轉(zhuǎn)變（貝氏體轉(zhuǎn)變）。在5500CMs溫度范圍內(nèi)，得到過量碳濃度的鐵素體和微小的滲碳體混合物。在5500C3500C，得到羽毛狀的上貝氏體，硬度較高4045HRC，強(qiáng)度較低、塑性韌性較差。在3500CMs，得到黑色針狀的下貝氏體，硬度高4555HRC，強(qiáng)度較高、塑性韌性較好。 圖1-31 共析鋼等溫轉(zhuǎn)變圖 馬氏體可分為片狀馬氏體和板條狀馬氏體，含碳量C1.0%的為片狀，其硬度高，脆性大。含碳量C0.2%的為板條狀馬氏體， 其強(qiáng)度、韌性較好。含碳量0.2%C1.0%的為片狀馬氏體和板條狀馬氏體的復(fù)合組織。圖1-31

54、 共析鋼等溫轉(zhuǎn)變圖3）低溫轉(zhuǎn)變（馬氏體轉(zhuǎn)變）。在Ms以下，得到碳在 中的過飽和固溶體，即馬氏體。馬氏體轉(zhuǎn)變速度極快，瞬間完成。馬氏體量隨溫度下降而增加，但總有一部分奧氏體殘留下來，稱為殘余奧氏體，它將降低鋼的硬度，影響零件形狀、尺寸的穩(wěn)定性。2.5.2 鋼的熱處理工藝 鋼的熱處理可分為普通熱處理（如退火、正火、淬火、回火等）和表面熱處理。 1.退火 退火是將組織偏離平衡狀態(tài)的金屬或合金加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻得到接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。 退火的目的： 1）降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷變形加工； 2）消除鋼中的殘余內(nèi)應(yīng)力，以防工件變形和開裂； 3）改善組織，

55、細(xì)化晶粒，改變鋼的性能或?yàn)橐院鬅崽幚碜鰷?zhǔn)備。 退火的分類： 各種退火、正火加熱溫度及工藝曲線如圖1-32所示。圖1-32 退火正火工藝規(guī)范示意圖1）完全退火。 加熱到Ac3以上20300C，保溫，緩冷至6000C以下，再空冷，得到接近平衡狀態(tài)組織。主要用于亞共析鋼和共析鋼的鍛件、軋件、鑄件，使晶粒細(xì)化，組織均勻和消除殘余應(yīng)力，提高鋼件的性能。過共析鋼不宜完全退火，因析出網(wǎng)狀滲碳體，降低鋼的力學(xué)性能。 2）球化退火。使鋼中的碳化物呈球狀而進(jìn)行的退火。將工件加熱到Ac1以上20300C，保溫，然后緩慢冷卻。主要用于過共析鋼，使鋼中二次滲碳體和珠光體中的片狀滲碳體球狀化，以降低硬度提高韌性，改善切削加工性能。圖1-32 退火正火工藝規(guī)范示意圖3)去應(yīng)力退火。為消除形變加工、鍛造、焊接等以及鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力而進(jìn)行的退火。鑄鋼件的溫度為6006500C，鑄鐵件為500550，保溫后在爐內(nèi)緩慢冷卻。組織不發(fā)生變化，只消除內(nèi)應(yīng)力，減少變形，穩(wěn)定尺寸。 4）擴(kuò)散退火(均勻化退火)。將鋼加熱到略低于固相線溫度，長時(shí)間保溫，隨爐冷卻，使化學(xué)成分和組織均勻化。主要用于質(zhì)量要求高的合金鋼鑄錠、鑄件或鍛件。 2.正火 正火是將工件加熱到Ac3（亞共析鋼）