工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)之工程材料基礎(chǔ)知識(shí)

第一篇工程材料基礎(chǔ)知識(shí)第一章金屬材料的主要性能第二章金屬及合金的晶體結(jié)構(gòu)第三章鐵碳合金第四章鋼的熱處理帶著問題學(xué)習(xí)1.我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)選材的主要依據(jù)是什么？2.材料的性能是不是設(shè)計(jì)要考慮的唯一因素？對(duì)產(chǎn)品來說，有最好的材料嗎？引言引言第一章材料的主要性能

在設(shè)計(jì)機(jī)械零件和選材時(shí)，應(yīng)根據(jù)零件的工作條件，損壞形式，找出對(duì)材料力學(xué)性能的要求，這是材料選擇的基本出發(fā)點(diǎn)。第一章材料的主要性能第一節(jié)材料的力學(xué)性能力學(xué)性能——材料在外力作用下所表現(xiàn)出的特性。一、外力作用下材料的變形作用在機(jī)件上的外力——載荷FFF=F’

（MPa）外力——內(nèi)力——應(yīng)力F’F靜載荷動(dòng)載荷σ=F’

/S（1）彈性變形：

材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后恢復(fù)其原來形狀，這種隨外力消失而消失的變形，稱為彈性變形。1.兩種基本變形FFF第一節(jié)材料的力學(xué)性能（2）塑性變形:

材料在外力作用下產(chǎn)生永久的不可恢復(fù)的變形，稱為塑性變形。FFF第一節(jié)材料的力學(xué)性能拉伸實(shí)驗(yàn)kbb—極限載荷點(diǎn)Fee—彈性極限點(diǎn)sS—屈服點(diǎn)K—斷裂點(diǎn)拉伸曲線FFL應(yīng)力—應(yīng)變曲線縮頸o第一節(jié)材料的力學(xué)性能

第一節(jié)材料的力學(xué)性能彈性模量是工程材料重要的性能參數(shù)。反映材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力稱為剛度。彈性模量（E）

材料在彈性變形階段，其應(yīng)力和應(yīng)變成正比例關(guān)系（即符合胡克定律），其比例系數(shù)稱為彈性模量。第一節(jié)材料的力學(xué)性能

彈性模量可視為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生彈性變形越小。1．剛度：2．強(qiáng)度：當(dāng)σe<σ<σs時(shí)，只產(chǎn)生微量的塑性變形。當(dāng)σ>σs時(shí)，材料將產(chǎn)生明顯的塑性變形。條件屈服強(qiáng)度:σ0.2=F0.2/S0

（MPa）（2）屈服強(qiáng)度（σS）指材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力。σS=Fs/S0

（MPa）屈服強(qiáng)度—

是塑性材料選材和評(píng)定的依據(jù)。第一節(jié)材料的力學(xué)性能對(duì)于無明顯屈服的塑性材料，規(guī)定以產(chǎn)生0.2%殘余變形的應(yīng)力值為其屈服極限。kbFes0.2%b

σb(Rm)=Fb/S0

（MPa）（3）抗拉強(qiáng)度（σb）抗拉強(qiáng)度是材料在拉斷前承受最大載荷時(shí)的應(yīng)力。

它表征了材料在拉伸條件下所能承受的最大應(yīng)力?？估瓘?qiáng)度—脆性材料選材的強(qiáng)度計(jì)算主要依據(jù)。第一節(jié)材料的力學(xué)性能純金屬脆性材料常用δ(A)

和ψ(Z)

作為衡量塑性的指標(biāo)。伸長率：材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不引起破壞的能力。斷面收縮率:PPL良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。3.塑性第一節(jié)材料的力學(xué)性能4．硬度是材料抵抗更硬的物體壓入其內(nèi)的能力。(1)布氏硬度（HB）：

F第一節(jié)材料的力學(xué)性能布氏硬度適用HB<450(2)洛氏硬度（HRC）洛氏硬度一般用于HB>450FFF1200HRC:HB=1：10第一節(jié)材料的力學(xué)性能5．沖擊韌性(Ak)

AK=G（H1–H2）（J）ak=

AK/S（J/m2）σb與HB的關(guān)系低碳鋼：σb≈3.6HB高碳鋼：σb≈3.4HB調(diào)質(zhì)合金鋼：σb≈3.25HB材料抵抗沖擊載荷作用下斷裂的能力。

在沖擊載荷下工作的零件，往往是受小能量多次重復(fù)沖擊而破壞的。第一節(jié)材料的力學(xué)性能6．疲勞強(qiáng)度(σ-1)材料在無數(shù)次重復(fù)或交變載荷作用下不引起破壞的最大應(yīng)力?！h(huán)基數(shù)鋼：據(jù)統(tǒng)計(jì)，約80%的機(jī)件失效為疲勞破壞。有色金屬：第一節(jié)材料的力學(xué)性能

牌號(hào)力學(xué)性能

應(yīng)用σb/MPaσs/MPaδ%HBSHRCαk/

J/Cm2Q235-A40023526工程結(jié)構(gòu)45鋼6101622955（淬火）軸、桿ZG310-570570310153鑄鋼件ZAlSi2143450活塞HT250250氣缸體QT700-27004202270曲軸7、幾種常用金屬材料的力學(xué)性能第一節(jié)材料的力學(xué)性能失效：在使用過程中，因零件的外部形狀尺寸和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而失去原有的設(shè)計(jì)功能，使其低效工作或無法工作或提前退役的現(xiàn)象即稱為。失效分析：的目的就是要分析零件的失效原因并提出相應(yīng)的防止和改進(jìn)措施，其結(jié)論對(duì)零件的設(shè)計(jì)、選材、加工與使用都有重大的指導(dǎo)意義。一、失效與失效分析第二節(jié)、力學(xué)性能與失效形式的關(guān)系二、失效形式

對(duì)結(jié)構(gòu)材料的失效而言，前三種是最主要的；其中斷裂失效（尤其是脆性斷裂）因其危險(xiǎn)性而易受重視、且研究最多，疲勞斷裂最普遍，是斷裂失效的主要方式。對(duì)于功能材料，物理性能降級(jí)是其主要失效形式，但也存在斷裂與腐蝕、磨損等問題。第二節(jié)、力學(xué)性能與失效形式的關(guān)系三、失效原因第二節(jié)、力學(xué)性能與失效形式的關(guān)系力學(xué)性能bs強(qiáng)度塑性剛度硬度韌性疲勞強(qiáng)度第二節(jié)、力學(xué)性能與失效形式的關(guān)系失效形式斷裂塑性變形過量彈變磨損屈服強(qiáng)度的工程意義

按照傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，必然會(huì)導(dǎo)致片面追求材料的高屈服強(qiáng)度，但是隨著材料屈服強(qiáng)度的提高，材料的抗脆斷強(qiáng)度在降低，材料的脆斷危險(xiǎn)性增加了。屈服強(qiáng)度不僅有直接的使用意義，在工程上也是材料的某些力學(xué)行為和工藝性能的大致度量。例如材料屈服強(qiáng)度增高，對(duì)應(yīng)力腐蝕和氫脆就敏感；材料屈服強(qiáng)度低，冷加工成型性能和焊接性能就好等等。因此，屈服強(qiáng)度是材料性能中不可缺少的重要指標(biāo)。復(fù)習(xí)題說明σS

、σ0.2、σb、σ－1

、δ％、αk、45-50HRC、300HBS的名稱和含義了解變速箱齒輪，駕駛室外殼（車身），發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞的工況，你選材時(shí)分別考慮哪些主要力學(xué)性能，為什么？你考慮選什么材料合適生產(chǎn)上述零件，寫出你選材料的牌號(hào)和主要力學(xué)性能指標(biāo)。帶著問題學(xué)習(xí)1.不同材料具有不同性能，它主要與什么有關(guān)（內(nèi)因）？2.性能-組織-成分的內(nèi)在關(guān)系是什么？

為了使生產(chǎn)的金屬產(chǎn)品具有期望的性能，控制三件事金屬的成分合適的顯微組織加工路線顯微組織是決定性能的主要內(nèi)因（本章的工程意義）第二章金屬及合金的結(jié)晶第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

第二章金屬及合金的結(jié)晶原子作無序排列；沒有固定的熔點(diǎn)；各向同性。所有的金屬和合金都是晶體晶格—原子排列形成的空間格子晶胞—組成晶胞最基本的單元晶體：非晶體：原子作有序排列；有固定的熔點(diǎn)；各向異性。晶格與晶胞-Fe、Cr、

-Fe

、Mo、W、VCu、Ni、Ag、AuMg、Be、Zn、-Ti、

-Cr金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶格：面心立方晶格：密排六方晶格：第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

一.單晶體與多晶體的基本概念

1.單晶體(singlecrystal)的特征:

*晶體由一個(gè)晶格排列方位完全一致的晶粒組成。

*晶體具有各向異性。例如:單晶硅、單晶鍺等。湖北汽車工業(yè)學(xué)院材料工程教研室工程材料課程組制作第二節(jié)實(shí)際金屬的體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷

2.多晶體(polycrystal)的特征

*晶體是由許多顆晶格排列方位不相同的晶粒組成。

*晶體具有各向同性。例如:常用的金屬等。第二節(jié)實(shí)際金屬的體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷

晶體結(jié)構(gòu)示意圖第二節(jié)實(shí)際金屬的體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷a）單晶體b）多晶體

由于熱運(yùn)動(dòng)以及結(jié)晶條件或冷熱加工工藝等外部因素的影響，在實(shí)際晶體中會(huì)出現(xiàn)許多原子排列不規(guī)則的區(qū)域，稱之為晶體缺陷。二、晶體缺陷第二節(jié)實(shí)際金屬的體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷

多晶體結(jié)構(gòu)示意圖第二節(jié)實(shí)際金屬的體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷第二節(jié)實(shí)際金屬的體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷1、點(diǎn)缺陷空位(vacancy)間隙原子(gapatom)置換原子(substitutionalatom)間隙原子晶格空位置換原子點(diǎn)缺陷示意圖第二節(jié)實(shí)際金屬的體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷點(diǎn)缺陷的熱運(yùn)動(dòng)，造成原子擴(kuò)散。高溫下擴(kuò)散加快應(yīng)用：鋼的退火、正火，表面化學(xué)熱處理等。物理性能：電阻增加，體積增大。應(yīng)用：測(cè)空位濃度，研究空位變化規(guī)律。力學(xué)性能：（晶格畸變）點(diǎn)缺陷的存在是材料高溫蠕變的重要原因。固溶強(qiáng)化：強(qiáng)度提高，脆性增大。點(diǎn)缺陷與材料的行為第二節(jié)實(shí)際金屬的體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷

位錯(cuò)又可稱為差排（英語：dislocation），在材料科學(xué)中，指晶體材料的一種內(nèi)部微觀缺陷，即原子的局部不規(guī)則排列（晶體學(xué)缺陷）。位錯(cuò)的存在對(duì)材料的物理性能，尤其是力學(xué)性能，具有極大的影響。2.線缺陷----位錯(cuò)第二節(jié)實(shí)際金屬的體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷刃型位錯(cuò)示意圖正刃型位錯(cuò)負(fù)刃型位錯(cuò)第二節(jié)實(shí)際金屬的體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷螺旋型位錯(cuò)示意圖第二節(jié)實(shí)際金屬的體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷位錯(cuò)對(duì)金屬的擴(kuò)散、相變等過程有重要影響；金屬的塑性變形，其原因就是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)；金屬材料的強(qiáng)度和硬度與位錯(cuò)在材料受到外力的情況下如何運(yùn)動(dòng)有很大的關(guān)系。比如：加工硬化，第二相強(qiáng)化等。線缺陷與材料的行為第二節(jié)實(shí)際金屬的體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷金屬的強(qiáng)度與位錯(cuò)密度的關(guān)系

第二節(jié)實(shí)際金屬的體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷3.面缺陷晶界晶粒與晶粒之間的界面。亞晶界相鄰晶粒位向很小(一般1～2°)的小角度晶界。第二節(jié)實(shí)際金屬的體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷

晶界與亞晶界結(jié)構(gòu)示意圖大角度晶界---晶界小角度晶界---亞晶界當(dāng)晶體中存在能降低界面能的異類原子時(shí)，這些原子將向晶界偏聚－－內(nèi)吸附晶界上原子具有較高的能量，且存在較多的晶體缺陷，使原子的擴(kuò)散速度比晶粒內(nèi)部快得多常溫下，晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)起阻礙作用，故金屬材料的晶粒越細(xì)，則單位體積晶界面積越多，其強(qiáng)度，硬度越高（細(xì)晶強(qiáng)化）晶界比晶內(nèi)更易氧化和優(yōu)先腐蝕面缺陷與材料的行為第二節(jié)實(shí)際金屬的體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷一、金屬的結(jié)晶過程1．金屬結(jié)晶的過冷現(xiàn)象溫度℃時(shí)間T0TnΔT第三節(jié)金屬的結(jié)晶過程冷卻曲線過冷度2．金屬的結(jié)晶過程結(jié)晶形核長大

金屬是由許多大小、形狀、晶格排列方向均不相同的晶粒所組成的多晶體。一般金屬的晶粒越細(xì)小，其力學(xué)性能越好。晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高，塑性和韌性也較好。第三節(jié)金屬的結(jié)晶過程

實(shí)驗(yàn)表明，在常溫下的細(xì)晶粒金屬比粗晶粒金屬有更高的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。這是因?yàn)榧?xì)晶粒受到外力發(fā)生塑性變形可分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，塑性變形較均勻，應(yīng)力集中較小；此外，晶粒越細(xì)，晶界面積越大，晶界越曲折，越不利于裂紋的擴(kuò)展。晶粒越細(xì)小，位錯(cuò)集群中位錯(cuò)個(gè)數(shù)（n）越小，根據(jù)τ=nτ0，應(yīng)力集中越小，所以材料的強(qiáng)度越高；晶界越多，晶粒越細(xì)，根據(jù)霍爾-配奇關(guān)系式，晶粒的平均值(d)越小，材料的屈服強(qiáng)度就越高。第三節(jié)金屬的結(jié)晶過程3．細(xì)化晶粒的方法1）變質(zhì)處理2）增大過冷度3）機(jī)械的振動(dòng)和攪拌4）熱處理5）壓力加工再結(jié)晶

快速冷卻，增加晶核數(shù)；添加高熔點(diǎn)彌散質(zhì)點(diǎn)第三節(jié)金屬的結(jié)晶過程二、金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變同素異晶轉(zhuǎn)變—在固態(tài)下，隨著溫度的變化，金屬的晶體結(jié)構(gòu)從一種晶格類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格類型的過程。L1538℃1394℃912℃Fe、Sn、Ti、MnFe純鐵在晶體狀態(tài)下有兩種原子排列形式.非常重要：

因?yàn)棣?Fe與α-Fe的轉(zhuǎn)變和因此引起的溶碳能力的不同，才使鋼鐵材料在加工和冷卻過程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，從而改變性能。此外，γ-Fe與α-Fe具有不同的性能，也是研究特殊性能鋼的基礎(chǔ)。

由于γ-Fe的間隙位置比α-Fe間隙位置大，所以γ-Fe的溶碳能力比α-Fe大得多

二、金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變第四節(jié)合金的結(jié)構(gòu)合金

—以一種金屬為基礎(chǔ)，加入其它金屬或非金屬，所形成的具有金屬特性的物質(zhì)。合金的結(jié)構(gòu)

機(jī)械混合物固溶體金屬化合物相與組織

在固體材料中，具有同樣聚集狀態(tài)、同一化學(xué)成分、同樣原子排列特征性質(zhì),并以界面相互隔開的均勻組成部分稱之為“相”。相可以是單質(zhì)，也可以是化合物。材料的性能與各組成相的性質(zhì)、形態(tài)、分布和數(shù)量直接有關(guān)。

第四節(jié)合金的結(jié)構(gòu)

不同的相具有不同的原子排列方式，相的種類也很多，但按其原子排列的特點(diǎn)可以歸納分為二類，一類為固溶體，另一類為化合物。常將用肉眼觀察到的或借助于放大鏡、顯微鏡觀察到的相的形態(tài)、分布的圖象統(tǒng)稱為組織。組織則可以理解是一種結(jié)合形態(tài)。比如共晶組織，組織可以由多個(gè)相組成。一、固溶體溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格而仍保持溶劑晶格類型的金屬晶體。固溶體固溶體的性能特點(diǎn)：具有良好的塑性和韌性，強(qiáng)度、硬度較低。F：σb=250MPaδ=45—50%HB=80置換固溶體間隙固溶體置換固溶體間隙固溶體

合金各組成元素之間相互作用而生成的一種新的具有金屬特性的物質(zhì)。金屬化合物各元素之間呈整數(shù)比關(guān)系。如：Fe3C、WC、TiC等金屬化合物的性能特點(diǎn)：脆性大、硬度高；強(qiáng)度低；塑性、韌性差；高的熔點(diǎn)。Fe3C：HB=800；σb=30MPa；δ≈0%二、金屬化合物三、機(jī)械混合物

合金的組成在固態(tài)下既不互相溶解又不形成化合物，而是按一定的重量比混合而成的新物質(zhì)。

性能特點(diǎn)：性能介于各組成物的性能之間。一般具有良好的綜合力學(xué)性能。P：σb=750MPaδ=25%HB=180-200F：σb=250MPaδ=45—50%HB=80Fe3C：HB=800；σb=30MPa；δ≈0%帶著問題學(xué)習(xí)1.鋼和鐵是如何劃分的？它們的性能差異的主要內(nèi)在原因？2.改變化學(xué)成分（或成分比例）能否改變材料性能？3.研究鋼鐵材料的主要理論依據(jù)是什么？鐵素體—碳（C）溶入α-Fe中所形成的固溶體。727℃0.02%C

第三章鐵碳合金一、鐵素體（F）力學(xué)性能：σb=250MPaδ=45~50%HB=80二、奧氏體（A）奧氏體—

碳（C）溶入γ-Fe中所形成的固溶體。

1147℃2.06%C、727℃0.77%℃力學(xué)性能：σb=250~350MPaδ=40~45%HB=160~200第一節(jié)鐵碳合金的基本組織四、珠光體（P=F+Fe3C）力學(xué)性能：σb=750MPaδ=25%HB=180-200珠光體—是鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。

727℃0.77%C三、滲碳體（Fe3C）滲碳體—是金屬化合物。碳在鐵碳合金存在的另一種形式

6.67%C

力學(xué)性能：σb=30MPaδ=0HB=800白色F基體中嵌入黑片狀Fe3C第一節(jié)鐵碳合金的基本組織五、萊氏體（Le）力學(xué)性能：σb=30MPaδ=0HB=700

萊氏體—是奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。

萊氏體（Le）1147℃4.3%C

727℃以上為高溫Le（A+Fe3C）；

727℃以下為低溫Le’（P+Fe3C）；第一節(jié)鐵碳合金的基本組織狀態(tài)圖——表示合金系的成分、溫度、組織、狀態(tài)之間關(guān)系的圖表。第二節(jié)鐵碳合金狀態(tài)圖一、什么是狀態(tài)圖溫度℃時(shí)間1538℃1394℃912℃體心面心體心1538℃1394℃912℃（成分）

二、狀態(tài)圖的作用是研究合金的成分、溫度、組織、狀態(tài)之間變化規(guī)律的工具。AESPQGKD4.32.060.770.02C%1147℃1538℃727℃PLAF三、鐵碳合金狀態(tài)圖溫度℃912℃CFe3C6.67FA—純鐵的熔點(diǎn)。D—Fe3C的熔點(diǎn)。

1.狀態(tài)圖上點(diǎn)的意義E—C在γ-Fe中的最大溶解度點(diǎn)。1147℃2.06%C鋼和鐵的分界點(diǎn)。Le第二節(jié)鐵碳合金狀態(tài)圖AESPQGKD4.32.060.770.02C%1147℃1538℃727℃PLAF三、鐵碳合金狀態(tài)圖溫度℃912℃CFe3C6.67FA—純鐵的熔點(diǎn)。D—Fe3C的熔點(diǎn)。

1.狀態(tài)圖上點(diǎn)的意義E—C在γ-Fe中的最大溶解度點(diǎn)。1147℃2.06%C鋼和鐵的分界點(diǎn)。Le第二節(jié)鐵碳合金狀態(tài)圖C—共晶點(diǎn)，1147℃4.3%C

共晶點(diǎn)—發(fā)生共晶反應(yīng)的點(diǎn)。

共晶反應(yīng)—在一定的溫度下，由一定成分的液體同時(shí)結(jié)晶出一定成分的兩個(gè)固相的反應(yīng)。共晶反應(yīng)的產(chǎn)物——共晶體——機(jī)械混合物

L（4.3%C）A（2.06%C）+Fe3C（6.67%C）1147℃Le

G—純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)。

912℃

P—C在α-Fe中的最大溶解度點(diǎn)。727℃0.02%C

第二節(jié)鐵碳合金狀態(tài)圖

S—共析點(diǎn)。727℃0.77%℃

共析反應(yīng)—在一定的溫度下，由一定成分的固相同時(shí)析出不同成分的另外兩個(gè)固相的反應(yīng)。共析反應(yīng)的產(chǎn)物—共析體—機(jī)械混合物

A（0.77%C）F（0.002%C）+Fe3C（6.67%C）727℃P第二節(jié)鐵碳合金狀態(tài)圖2.狀態(tài)圖上線的意義AESPQGKD4.32.060.770.02C%1147℃1538℃Le727℃PLAF溫度℃912℃CFe3C6.67FAECF線—固相線

ACD線—液相線AE—A結(jié)晶終了線ECF—共晶線

1147℃AC—結(jié)晶出ACD—結(jié)晶出Fe3CAL+Fe3CL+Fe3CⅡF+AA+A+LeLe+

Fe3C第二節(jié)鐵碳合金狀態(tài)圖ES線—C在γ-Fe中的溶解度曲線。析出二次Fe3CⅡAcm線

（1）

單相區(qū)：L、F、A、Fe3C

（2）

兩相區(qū)：L+A、L+Fe3C、A+F、F+Fe3C（3）

三相區(qū)：L+A+Fe3C、A+F+Fe3C（S、C點(diǎn)）GS線

—A—F轉(zhuǎn)變線A3線GP線—F析出終了線。PSK線—共析線727℃A1線PQ線

—

碳在α-Fe中的溶解度曲線。析出二次Fe3CⅢ第二節(jié)鐵碳合金狀態(tài)圖室溫組織：F+P四鐵碳合金狀態(tài)圖分析

1亞共析鋼的結(jié)晶過程1點(diǎn)以上L1～2L＋δ2～3A+L

3～4A4~5A+F5點(diǎn)A→P5點(diǎn)以下P+F亞共析鋼的結(jié)晶過程第二節(jié)鐵碳合金狀態(tài)圖

室溫組織:P

2共析鋼（T8鋼）

1點(diǎn)以上L1～2L＋A2～3A

3點(diǎn)A→P3點(diǎn)以下P共析鋼的結(jié)晶過程第二節(jié)鐵碳合金狀態(tài)圖室溫組織：P+Fe3C（網(wǎng)狀）過共析鋼的結(jié)晶過程AAAAAAFAF

3過共析鋼（T10)

1點(diǎn)以上L

1~2

L+A

2~3A

3~4A+Fe3CII4點(diǎn)A→P

4點(diǎn)以下P+Fe3CII第二節(jié)鐵碳合金狀態(tài)圖4亞共晶鑄鐵第二節(jié)鐵碳合金狀態(tài)圖室溫組織P+Fe3CII+Le’

1點(diǎn)以上L1~2A+L2點(diǎn)共晶反應(yīng)2~3A+Fe3CII+Le3點(diǎn)共析反應(yīng)

3點(diǎn)以下P+Fe3CII+Le’注明：Fe3CII—二次滲碳體Le—高溫萊氏體（A+Fe3C)

Le’—低溫萊氏體（P+Fe3C)第二節(jié)鐵碳合金狀態(tài)圖ESQGKD4.32.060.770.02C%1147℃1538℃727℃PLAF溫度℃912℃CFe3C6.67APLeFAL+Fe3CⅠL+Fe3CⅡF+A①②③④⑤⑥11111122222333344F+PP+Fe3C3Le’P+Fe3C+Le’2Fe3C+Le’Fe3C+Le231LAAL+P①P+F1LAAL+A+432F②P+Fe3C4A+3A1LL+2AFe3C③1L2LeLe’④⑤1LA+L+LeP+Fe3C+Le’A+Le+32AFe3CFe3C+Le’1L32L+Fe3CFe3C+Le⑥第二節(jié)鐵碳合金狀態(tài)圖231LAAL+P1LAAL+A+P+F432F41LL+A+P+Fe3C23AAFe3C1L2LeLe’1LA+L+LeP+Fe3C+Le’A+Le+32AFe3C31L2L+Fe3CFe3C+Fe3C+Le’Le1．鋼2．生鐵共析鋼:亞共析鋼:過共析鋼:

共晶生鐵:亞共晶生鐵:過共晶生鐵:五、鐵碳合金的結(jié)晶過程及組織轉(zhuǎn)變第二節(jié)鐵碳合金狀態(tài)圖0.9~1.0HBC%HB

1．選擇材料2．確定各種工藝參數(shù)六．狀態(tài)圖的作用第二節(jié)鐵碳合金狀態(tài)圖第三節(jié)鋼的分類和應(yīng)用1．按化學(xué)成分分類一、鋼的分類（1）低合金鋼Me<5%（2）中合金鋼Me=5-10%（3）高合金鋼Me>10%1）碳素鋼2）合金鋼（1）低碳鋼C<0.25%（2）中碳鋼C=0.25-0.6%（3）高碳鋼C>0.6%2.按質(zhì)量分類

P、S<0.030%1）普通鋼2）優(yōu)質(zhì)鋼3）高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：S：使合金產(chǎn)生熱裂、熱脆缺陷P：使合金產(chǎn)生冷裂、冷脆缺陷P<0.045%S<0.055%P<0.040%S<0.045%第三節(jié)鋼的分類和應(yīng)用3．按用途分彈簧鋼、軸承鋼、耐熱鋼、耐蝕鋼等。1）結(jié)構(gòu)鋼2）工具鋼

3）特殊性能鋼:（1）工程結(jié)構(gòu)鋼（2）機(jī)械制造用鋼（1）碳素工具鋼（2）合金工具鋼第三節(jié)鋼的分類和應(yīng)用4．按顯微組織分1）亞共析鋼2）共析鋼3）過共析鋼二、鋼的編號(hào)及應(yīng)用

碳素結(jié)構(gòu)鋼的鋼號(hào)用屈服強(qiáng)度（MPa）表示。這類鋼主要用于制造一般的機(jī)械零件和工程構(gòu)件。

1．結(jié)構(gòu)鋼Q195（0.06-0.12%C）、Q235（0.14-0.22%C）Q195屈σs1）（普通）碳素結(jié)構(gòu)鋼(Wc0.06-0.38%)第三節(jié)鋼的分類和應(yīng)用焊接性能好，塑性、韌性好，有一定強(qiáng)度2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼08、10、15—沖壓件、焊接件。15、20、25—滲碳淬火。40、45、50—調(diào)質(zhì)處理。制造齒輪、軸類零件。60、65、70—淬火+中溫回火，制造彈簧。

雜質(zhì)P、S含量較低，主要用于制造各種較重要的機(jī)械零件。鋼號(hào)用兩位數(shù)字表示含碳量的萬分之幾。45—表示含碳量是萬分之45（0.45%）第三節(jié)鋼的分類和應(yīng)用第三節(jié)鋼的分類和應(yīng)用3）合金結(jié)構(gòu)鋼合金元素在鋼中的作用

合金鋼是指為了改善鋼的性能，在碳鋼中特意加入某種合金元素的鋼種。

合金元素在鋼中可以與鐵和碳形成固溶體（合金奧氏體、合金鐵素體、合金馬氏體）和碳化物（合金滲碳體、特殊化合物）。合金元素提高鋼的使用性能1、合金元素使鋼強(qiáng)化（固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化）2、合金元素使鋼獲得特殊性能（1）形成穩(wěn)定的單相組織（2）形成致密氧化膜（3）形成金屬間化合物第三節(jié)鋼的分類和應(yīng)用

在低碳鋼的基礎(chǔ)上加入不超過5%合金元素，以Mn為主要合金因素。廣泛用于建筑、石油、化工、鐵道、橋梁、造船等工業(yè)部門。

牌號(hào)有Q295、Q345、Q4603）合金結(jié)構(gòu)鋼其鋼號(hào)的表示方法為：兩位數(shù)字+元素符號(hào)+數(shù)字。如：40Cr2Mo4V、60Si2Mn①低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼第三節(jié)鋼的分類和應(yīng)用用于制造各種機(jī)械零件的合金結(jié)構(gòu)鋼。又可分為：合金滲碳鋼：20Cr、20CrMnTi主要生產(chǎn)：齒輪、內(nèi)燃機(jī)凸輪軸受力情況：受摩擦力、交變接觸應(yīng)力、沖擊性能要求：高的硬度和耐磨性、高的接觸疲勞強(qiáng)度，心部要求有良好的韌性熱處理：滲碳熱處理②機(jī)械結(jié)構(gòu)用合金鋼第三節(jié)鋼的分類和應(yīng)用合金調(diào)質(zhì)鋼：40Cr、40MnB主要生產(chǎn)：機(jī)床主軸、汽車后橋半軸、曲軸等受力情況：彎曲、扭轉(zhuǎn)或交變載荷與沖擊載荷的復(fù)合作用性能要求：高的強(qiáng)度、又要有較高的塑性和韌性熱處理：淬火+高溫回火第三節(jié)鋼的分類和應(yīng)用第三節(jié)鋼的分類和應(yīng)用合金彈簧鋼主要生產(chǎn)：彈簧和其他彈性零件等受力情況：傳遞力和緩和機(jī)械的振動(dòng)與沖擊性能要求：高的彈性極限和屈服強(qiáng)度，較高的疲勞強(qiáng)度和足夠的塑性和韌性熱處理：淬火+中溫回火第三節(jié)鋼的分類和應(yīng)用③滾動(dòng)軸承鋼

滾動(dòng)軸承的內(nèi)、外套圈和滾珠、滾柱的專用鋼種。如GCr15等，含碳在0.95%-1.1%，1.4-1.65%Cr。受力情況：交變接觸壓應(yīng)力及很大的摩擦力，還會(huì)受到大氣、潤滑油的侵蝕

性能要求：高的接觸疲勞強(qiáng)度、高的彈性極限和高而均勻的硬度和適當(dāng)?shù)捻g性熱處理：球化退火+淬火+低溫回火2．工具鋼工具鋼是用于制造刃具、模具、量具的鋼種。工具的工作條件（一）刃具工作時(shí)強(qiáng)烈的摩擦，造成強(qiáng)烈的磨損，切削時(shí)刃部溫度很高，刃口局部會(huì)受到很大的切削力，導(dǎo)致時(shí)刃崩缺；斷續(xù)切削還會(huì)給刃具帶來極大的沖擊與振動(dòng)，使刃具發(fā)生折斷第三節(jié)鋼的分類和應(yīng)用第三節(jié)鋼的分類和應(yīng)用（二）模具

由于金屬坯料的劇烈變形，模具的型腔及刃口部分會(huì)受到強(qiáng)烈的摩擦和擠壓，從而導(dǎo)致型腔壁的磨損、刃口鈍化；模具工作時(shí)，還會(huì)受到?jīng)_擊與熱得作用，尤其是熱作模具，在巨大的沖擊載荷與周期性高溫—急冷（因模具表面噴灑潤滑劑）復(fù)合作用下，型腔表面會(huì)出現(xiàn)塌陷、溝槽、熱疲勞裂紋，甚至斷裂。第三節(jié)鋼的分類和應(yīng)用（三）刃具控制加工精度的測(cè)量工具。如卡尺、量規(guī)等。在工作中，量具必須以極低的粗糙度與被測(cè)工件相接觸以保障被測(cè)尺寸的精確。由于量具與被測(cè)工件長期反復(fù)接觸，會(huì)導(dǎo)致工作面磨損、碰撞，甚至變形，使其失去原有的尺寸精度而不能繼續(xù)使用。第三節(jié)鋼的分類和應(yīng)用各類工具雖然工作條件不一樣，但大多數(shù)在工作中既要承受很大的局部壓力和磨損，又要承受沖擊、振動(dòng)與熱作用。所以工具鋼既要有高的硬度和耐磨性，又要有足夠的韌性。工具鋼的含碳量在0.95—2.3%之間。常加入的元素有Si、Mn、Cr、Mo、W、V等第三節(jié)鋼的分類和應(yīng)用1）碳素工具

含碳量為0.65-1.35%，可制造低速切削的刀具和普通模具、量具。如T8、T12A等。2）合金工具鋼其牌號(hào)表示方法是：一位數(shù)字（或無數(shù)字,含碳量>1%）+元素符號(hào)+數(shù)字。如：9SiCr、W18Cr4V等。合金工具鋼又可分為合金刃具鋼、合金模具鋼、和合金量具鋼。①合金刃具鋼制造各種刀具的鋼材。含碳量為0.75-1.50%，9SiCr、W18Cr4V等。③合金量具鋼

生產(chǎn)中常用的量具，鋼板尺、游標(biāo)卡尺等。CrWMn、GCr15②合金模具鋼用于制造各種模具的鋼材。如：Cr12MoV、5CrNiMo等。第三節(jié)鋼的分類和應(yīng)用第三節(jié)鋼的分類和應(yīng)用3．特殊性能鋼1）不銹、耐蝕鋼性能要求：

主要是耐蝕性，高的強(qiáng)度，良好的加工性能（冷成形、焊接、熱處理）加入合金元素的目的：提高基體的電極電位；Cr使鋼在室溫呈單相組織；Cr、Ni在鋼的表面形成致密的氧化膜；Cr、Si、Al形成穩(wěn)定的碳化物和金屬間化合物Ni、Nb、Ti第三節(jié)鋼的分類和應(yīng)用2）耐熱鋼性能要求：高的熱穩(wěn)定性（高溫抗氧化能力）；高的熱強(qiáng)性（高的蠕變抗力和持久強(qiáng)度）。加入合金元素的目的：固溶強(qiáng)化和形成單相組織并提高再結(jié)晶溫度Cr、Ni、W、Mo形成彌散分布且穩(wěn)定的碳化物V、Ti、Nb形成致密的氧化膜；Cr、Si、Al具有特殊磁、電、彈性、膨脹等物理性能的鋼。①不銹、耐蝕鋼具有較強(qiáng)抵抗腐蝕能力的鋼。碳量低，加合金元素Cr、Ni。如1Cr18Ni9、0Ci19Ni9等。②耐熱鋼良好的抗氧化性和熱強(qiáng)性鋼，如1Cr13、CR17等。2）特殊物理性能鋼第三節(jié)鋼的分類和應(yīng)用說明晶粒粗細(xì)對(duì)力學(xué)性能的影響。何謂鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變，并用反應(yīng)式和冷卻結(jié)晶曲線分別描述。說明F、A、Fe3C、P的名稱、含碳量、晶體類型及力學(xué)性能特征。依Fe-C狀態(tài)圖分析緩慢冷卻條件下45鋼和T10鋼的結(jié)晶過程與室溫組織。并劃出各自的冷卻曲線。復(fù)習(xí)題第四章帶著問題學(xué)習(xí)1.不改變化學(xué)成分能否改變材料性能，主要途徑有哪些？2.改變材料性能的外部主要途徑？

應(yīng)用機(jī)床制造中，熱處理零件占60%~70%，

汽車制造中，熱處理零件占70%~80%。

方法：

通過對(duì)鋼件重新加熱、保溫并以不同條件下的冷卻方式獲得所需組織和性能。

意義：在固態(tài)下改善鋼件內(nèi)部組織和提高其力學(xué)性能，但不允許改變形狀。1、概述第四章鋼的熱處理熱處理普通熱處理表面熱處理退火正火淬火回火表面淬火化學(xué)熱處理滲碳滲氮碳氮共滲加熱保溫冷卻臨界溫度熱處理工藝曲線T℃其它熱處理形變真空激光第四章鋼的熱處理第四章鋼的熱處理2、鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變1）奧氏體的形成加熱是熱處理的第一道工序。當(dāng)鋼加熱到A1（727℃）以上P→F轉(zhuǎn)變將共析鋼、亞共析鋼、過共析鋼分別加熱到A1、A3、Acm以上時(shí)，P都將轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗郃加熱的目的：獲得奧氏體組織P向A轉(zhuǎn)變：通過同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?chǔ)痢煤蜐B碳體的溶解來實(shí)現(xiàn)的。第四章鋼的熱處理奧氏體的形成FFe3C未溶Fe3CA殘余Fe3CAAAA

形核A

長大殘余Fe3C溶解A均勻化第四章鋼的熱處理2）奧氏體晶粒大小奧氏體晶粒度:

1.起始晶粒度:珠光體剛剛轉(zhuǎn)變成奧氏體的晶粒大小。

2.實(shí)際晶粒度:熱處理后所獲得的奧氏體晶粒的大小。

3.本質(zhì)晶粒度:度量鋼本身晶粒在930℃以下,隨溫度升高,晶粒長大傾向的程度。它并不表示奧氏體實(shí)際晶粒的大小。在設(shè)計(jì)時(shí)，凡是需經(jīng)熱處理或焊接的零件盡量選用本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。。

鋼的本質(zhì)晶粒度示意圖第四章鋼的熱處理奧氏體晶粒大小對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響1.奧氏體晶粒均勻細(xì)小,熱處理后鋼的力學(xué)性能提高。2.粗大的奧氏體晶粒在淬火時(shí)容易引起工件產(chǎn)生較大的變形甚至開裂。第四章鋼的熱處理3.過冷奧氏體的等溫冷卻轉(zhuǎn)變1)

建立共析鋼過冷奧氏體等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線----TTT曲線(C曲線)T---timeT---temperatureT---transformation第四章鋼的熱處理共析碳鋼TTT曲線建立過程示意圖時(shí)間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1第四章鋼的熱處理2)共析碳鋼TTT曲線的分析穩(wěn)定的奧氏體區(qū)過冷奧氏體區(qū)A向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變開始線A向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變終止線

A+產(chǎn)物區(qū)產(chǎn)物區(qū)A1～550℃;高溫轉(zhuǎn)變區(qū);擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變;P轉(zhuǎn)變區(qū)。550～230℃;中溫轉(zhuǎn)變區(qū);半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變;

貝氏體(B)轉(zhuǎn)變區(qū);230～-50℃;低溫轉(zhuǎn)變區(qū);非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變;馬氏體(M)轉(zhuǎn)變區(qū)。時(shí)間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf3)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能珠光體型(P)轉(zhuǎn)變(A1～550℃):A1～650℃:

P;5～25HRC;

片間距為0.6～0.7μm(500×)。650～600℃:

細(xì)片狀P---索氏體(S);

片間距為0.2～0.4μm(1000×);25～36HRC。600～550℃:極細(xì)片狀P---托氏體(T);

片間距為＜0.2μm(電鏡);35～40HRC。第四章鋼的熱處理貝氏體型(B)轉(zhuǎn)變(550～230℃):550～350℃:B上;40～45HRC;B上=過飽和碳

α-Fe條狀+Fe3C細(xì)條狀過飽和碳α-Fe條狀Fe3C細(xì)條狀羽毛狀第四章鋼的熱處理

上貝氏體組織金相圖第四章鋼的熱處理貝氏體型(B)轉(zhuǎn)變(550～230℃):350～230℃:B下;50～60HRC;B下=過飽和碳

α-Fe針葉狀+Fe3C細(xì)片狀過飽和碳

α-Fe針葉狀Fe3C細(xì)片狀針葉狀第四章鋼的熱處理

下貝氏體組織金相圖第四章鋼的熱處理

上貝氏體塑性和韌性較好較差，在生產(chǎn)中很少應(yīng)用。下貝氏體具有高的硬度，同時(shí)塑性和韌性較好，生產(chǎn)中有時(shí)對(duì)中碳合金鋼和高碳合金鋼采用“等溫淬火”的方法，就是為了獲得下貝氏體組織。第四章鋼的熱處理馬氏體型(M)轉(zhuǎn)變(230～-50℃):1)定義:馬氏體是一種碳在α–Fe中的

過飽和固溶體。2)轉(zhuǎn)變特點(diǎn):在一個(gè)溫度范圍內(nèi)連續(xù)冷卻完成;轉(zhuǎn)變速度極快,即瞬間形核與長大;無擴(kuò)散轉(zhuǎn)變(Fe、C原子均不擴(kuò)散

),M與原A的成分相同,造成晶格畸變。轉(zhuǎn)變不完全性,QM=f(T)第四章鋼的熱處理3）馬氏體的組織形態(tài):板條狀

---低碳馬氏體(＜0.2%C);30～50HRC;δ=9～17%。第四章鋼的熱處理

低碳板條狀馬氏體組織金相圖第四章鋼的熱處理針、片狀

---高碳馬氏體(＞1%C);66HRC左右;δ≈1%。第四章鋼的熱處理

高碳針片狀馬氏體組織金相圖第四章鋼的熱處理4.過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變1)建立共析鋼過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線----CCT曲線

C---continuousC---coolingT---

transformation第四章鋼的熱處理Vk共析碳鋼CCT曲線建立過程示意圖時(shí)間(lgτ)溫度℃A1PfPsA+PKMsMf水冷油冷Vk1爐冷空冷共析碳鋼TTT曲線與CCT曲線的比較穩(wěn)定的奧氏體區(qū)時(shí)間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMfCCT曲線TTT曲線穩(wěn)定的奧氏體區(qū)時(shí)間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf在連續(xù)冷卻過程中TTT曲線的應(yīng)用V1V2VkV3V4V1=5.5℃/s:爐冷;PV2=20℃/s:空冷;SV3=33℃/s:油冷;T+M+A殘V4≥138℃/s:水冷;M+A殘5、熱處理工藝方法退火：

將鋼件加熱、保溫至奧氏體化后隨爐冷卻(緩慢)，使其重新結(jié)晶的熱處理工藝。退火目的：

降低硬度，利于切削加工；細(xì)化晶粒，提高塑性和韌性；消除熱應(yīng)力。應(yīng)用：主要應(yīng)用于鑄件、鍛件、焊件等多種毛坯加工前的預(yù)備熱處理。第四章鋼的熱處理退火分類：完全退火、球化退火和低溫退火

完全退火

應(yīng)用：亞共析鋼的鑄、鍛、焊件。

加熱保溫：Ac3+30~50℃，奧氏體化；冷卻：爐冷至500℃后開爐空冷。室溫組織：F+P目的：改善組織，細(xì)化晶粒，降低硬度，改善切削加工性

第四章鋼的熱處理球化退火應(yīng)用：過共析鋼(刀具、刃具)或合金鋼目的：降低硬度，利于切削加工，并為進(jìn)一步淬火做準(zhǔn)備。組織變化特征：Fe3C球化加熱、保溫：Ac1+20~30℃；冷卻：隨爐緩慢冷卻；第四章鋼的熱處理低溫退火(去應(yīng)力退火)

加熱，保溫：

500~650℃以下(<Ac1)目的：消除熱應(yīng)力、加工硬化。第四