工程材料基礎(chǔ)

工程材料基礎(chǔ)第一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

材料是人類用來制作各種產(chǎn)品的物質(zhì)。機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。第二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第一節(jié)工程材料的性能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)。在工程材料領(lǐng)域，力學(xué)性能是工程材料的重要性能。力學(xué)性能（或機械性能，MechanicalPerformance）是指材料受到外加載荷作用時，所反映出來的固有性能。第三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日一、強度

強度(Strength)是指材料抵抗由外力載荷所引起的應(yīng)變或斷裂的能力，外力載荷方式不同，描述強度的指標(biāo)也不同。（一）抗拉強度塑性較好的金屬或高分子材料常用抗拉強度衡量其抵抗破壞的能力，它是通過標(biāo)準(zhǔn)試樣在拉伸試驗機上通過拉伸試驗測出來的。圖1-1為低碳鋼拉伸試樣的形狀和尺寸示意圖。

第四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1、金屬材料抗拉強度

圖1-2a為低碳鋼的拉伸曲線。

圖1-2b為不同金屬材料的應(yīng)力－應(yīng)變拉伸曲線圖?？估瓘姸仁潜硎静牧显诶爝^程中單位面積所能承受的最大拉伸力，用σb（單位MPa）表示，計算方法為：σb=Pb/A0式中：Pb——試樣拉伸時的最大拉力（N）

A0——試樣的原始載面積（m2）屈服強度是工程材料在外力作用下開始產(chǎn)生屈服時單位面積所能承受的最大拉伸力。用σs表示，計算方法為：σs=Ps/A0

式中：Ps——試樣產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的對應(yīng)載荷（N）。2、高分子材料抗張（拉）強度圖1-3為高分子聚合物在不同溫度范圍時的拉伸曲線。

第五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（二）抗折（彎）強度

圖1-4(a)，1-4(b)分別為三點、四點彎曲加載示意圖其中三點彎曲抗折強度計算公式為：

式中，P為斷裂載荷（N），L為下支點間跨距（mm），b為試樣的寬度（mm），h為試樣的厚度（mm）。強度單位為MPa。

第六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日二、塑性

工程材料的塑性(plasticity)是指工程材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。對應(yīng)拉伸變形，通常用兩種方式來表示，即伸長率（δ）和斷面收縮率(Ψ)。

δ=(L1-L0)/L0×100%Ψ=(A0-A1)/A0×100%式中L0--試樣標(biāo)距的原始長度；

L1--試樣拉斷瞬間標(biāo)距的實際長度；

A0--試樣原始截面積；

A1--試樣斷囗處的截面積。第七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日三、沖擊韌度

沖擊韌度是指被沖擊試件在一次沖擊試驗時被沖斷所吸收的能量Ak除以原試件的最小橫截面積A0所得的值。用符號ak(單位為J/m)表示。工程上常用擺錘沖擊試驗機來測定沖擊韌度，圖1-5為試驗示意圖

ak=AK/A0

式中AK--擺錘對沖擊試樣做的功（J）；

A0--試樣缺口處截面積（cm2）。第八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日四、疲勞強度

圖1-6列出了幾種變動載荷示意圖。疲勞強度(fatiguestrength)是工程材料承受規(guī)定循環(huán)次數(shù)（常取106-107）而不失效的最大應(yīng)力，用σγ表示。下標(biāo)γ表示應(yīng)力循環(huán)對稱系數(shù)，由下式確定：

γ=σmin/σmax

式中σmin--循環(huán)應(yīng)力中數(shù)值最小的應(yīng)力；

σmax--循環(huán)應(yīng)力中數(shù)值最大的應(yīng)力。試樣承受不同的應(yīng)力幅σa[σa=(σmax-σmin)/2]與循環(huán)斷裂周次N之間的關(guān)系曲線，稱疲勞曲線，如圖1-7所示。

第九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日五、硬度

硬度(Hardness)是指更硬的外來物體作用于固體材料上時，固體材料抵抗塑性變形、壓入或壓痕的能力。第十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日六、斷裂韌性斷裂韌性KIC是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展能力的度量，是材料抵抗低應(yīng)力脆性斷裂的能力。KIC主要用于脆性材料，斷裂韌性的測量方法與抗折強度測量方法相類似（見圖1-11）。不同之處是在彎曲試樣中部預(yù)制一個0.1mm左右寬的小口，以模擬材料內(nèi)部微裂紋的一半，然后加載后測量其斷裂韌性KIC。KIC計算公式:

Y--是一個和裂紋形狀及加載方式有關(guān)的無量綱系數(shù)σc--裂紋失穩(wěn)擴展的應(yīng)力，即斷裂應(yīng)力.

a--材料內(nèi)部裂紋長度的一半韌性，表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力第十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

物理性能指不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)就能表現(xiàn)出來的性能，如密度、熔點、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性和磁性等。

七、金屬材料的物理和化學(xué)性能

化學(xué)性能是材料在化學(xué)介質(zhì)的作用下所表現(xiàn)出來的性能。如材料的耐腐蝕性能、抗氧化性能和化學(xué)穩(wěn)定性能等。

第十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1）導(dǎo)熱性。指材料傳導(dǎo)熱量的能力用導(dǎo)熱系數(shù)表示，當(dāng)溫度垂直梯度為1℃/m時，單位時間內(nèi)通過單位水平截面積所傳遞的熱量

。

與熱有關(guān)的性能

2）熱容。指材料在加熱時能吸收熱量，冷卻時能放出熱量的性質(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/kg·K)。

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。

第十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日八、金屬材料的工藝性能

金屬材料的工藝性能指金屬材料適應(yīng)加工工藝要求的能力。按工藝方法的不同，可分為鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能。第十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日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。

第十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日低碳鋼拉伸試樣示意圖第十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日低碳鋼拉伸曲線示意圖第十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日不同金屬的應(yīng)力-應(yīng)變拉伸曲線圖第十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日聚合物應(yīng)力應(yīng)變圖第十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日三點彎曲加載示意圖第二十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日三點彎曲加載示意圖第二十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日沖擊韌性實驗示意圖第二十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日變載荷示意圖第二十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日疲勞曲線圖第二十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日斷裂韌性測量示意圖第二十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

第2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。

一、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，如圖2-1a所示。

4）晶格。把晶體內(nèi)的每一個原子看成一個小球，把這些小球用線條連接起來，形成一個空間格架，這種空間格架叫晶格，如圖2-1b

所示。5）晶胞。晶格的最小幾何組成單元，如圖2-1c所示。

第二十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日晶體點陣和晶胞示意圖第二十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日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)

體心立方晶格：晶胞是一個正六方體，立方體的八個角上和立方體的中心各有一個原子，如圖1-2a。其原子個數(shù)為：，如鉻、鈉等。

第二十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

面心立方晶格：晶胞是一個正六方體，立方體的八個角上和立方體的六個面的中心各有一個原子，如圖。其原子個數(shù)為：，如鋁，銅等。

第二十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

密排六方晶格：晶胞是一個正六方柱體，在六方柱體的十二個角上和上、下底面的中心各有一個原子，在上、下底面之間還均勻分布著三個原子如圖示，如鎂、鋅等。

第三十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日4.多晶結(jié)構(gòu)(多晶體)

大塊金屬材料通常是由許多小晶體組成的，如圖。第三十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

5.晶體缺陷

(1)點缺陷常見的點缺陷有三種，即空位、間隙原子和置換原子，如圖所示。第三十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

5.晶體缺陷

(2)線缺陷刃型位錯是一種比較典型的線缺陷，其結(jié)構(gòu)特點如圖所示。

(3)面缺陷第三十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日二、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，記錄溫度隨時間而變化的曲線，如圖所示。出現(xiàn)水平線段的原因是結(jié)晶時放出大量的結(jié)晶潛熱，補償了金屬向周圍散失的熱量。

3、過冷。在實際結(jié)晶過程中，金屬液只有冷卻到理論結(jié)晶溫度（熔點）以下的某個溫度時才結(jié)晶的現(xiàn)象。理論結(jié)晶溫度和實際結(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。

冷卻曲線圖第三十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日4、結(jié)晶過程。晶體形核和成長過程。如圖所示，在液體金屬開始結(jié)晶時，在液體中某些區(qū)域形成一些有規(guī)則排列的原子團，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，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。由于各個晶粒成長時的方向不一，大小不等，在晶粒和晶粒之間形成界面，稱為晶界。

在晶界處，晶粒之間的晶向和晶面均不相同。晶向：晶體中質(zhì)點的位置、質(zhì)點列（在一個方向上的質(zhì)點，“可用一條線串起來的質(zhì)點”）的方向晶面：陣點（晶粒中有序排列的原子、離子、分子等質(zhì)點）構(gòu)成的平面第三十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日a)d)c)b)

液態(tài)金屬的結(jié)晶過程示意圖

第三十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日5）單晶體。結(jié)晶后，每個晶核長成為一個晶體，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，強度和硬度越高，塑性和韌性越好。因為晶粒越細小，晶界就多，晶界處的晶體排列極不規(guī)則，界面犬牙交錯，互相咬合，因而加強了金屬之間的結(jié)合力。

7）細晶強化。用細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。而過冷度越大，產(chǎn)生的晶核越多，晶核多，每個晶核長大受到制約，形成的晶粒就越細小。8）金屬的細晶強化方法。增加過冷度、變質(zhì)處理、附加振動。

第三十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

二、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)，如圖所示。

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（組分，基于化學(xué)角度而言）是組成合金的最基本的、獨立的單元。組元可以是金屬元素、非金屬元素或化合物（如滲碳體）。

相，成分相同、結(jié)構(gòu)相同、性能均勻，并與其他部分以界面分開的均勻組成部分（基于化學(xué)、組織結(jié)構(gòu)、性能而言）。按照晶格結(jié)構(gòu)的基本屬性，固態(tài)合金的相可以分為固溶體、金屬化合物。第三十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第三十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

固溶強化：當(dāng)溶質(zhì)原子溶解在溶劑晶體中時，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.融入固溶體中的原子造成晶格畸變，晶格畸變增大了位錯運動的阻力，使塑性變形更加困難，從而使合金固溶體的強度與硬度增加。這種通過形成固溶體使金屬強化的現(xiàn)象稱為固溶強化。（如鋼和鐵）固溶體的晶格畸變第四十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

2.金屬化合物

組成合金的元素相互化合形成一種新的晶格組成的物質(zhì)。它的晶體結(jié)構(gòu)與性能，和原兩組元都不同，如滲碳體就是鐵和碳組成的晶格復(fù)雜的碳化物，一般具有高硬度和高脆性。3.機械混合物

由兩種或兩種以上的組元、固溶體或金屬化合物按一定重量比例組成的均勻物質(zhì)稱為機械混合物?；旌衔镏懈鹘M成部分仍按自己原來的晶格形式結(jié)合成晶體，如鐵素體和滲碳體形成珠光體。混合物的性能取決于組成混合物的各部分的性能，及其數(shù)量、大小、分布和形態(tài)。

第四十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日三.二元合金相圖(PhaseDiagram)

對于單一的一種合金（某一比例組元的合金），我們可以通過冷卻曲線來描述溫度與時間的關(guān)系，研究相之間的平衡。然而，對于整個合金體系（不同比列組元的合金），例如Fe-C合金體系，不同成分、不同溫度時相或組織的組成及其變化規(guī)律，僅僅靠冷卻曲線方法是不夠的，可以考慮用一系列的冷卻曲線來分析。將同一合金體系的不同冷卻曲線組合在一起，組成合金相圖（又稱狀態(tài)圖、平衡圖），用來描述合金在平和條件下，不通過成分、不同溫度時相或組織的組成及其變化規(guī)律。第四十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日三.二元合金相圖(PhaseDiagram)1．相圖的建立方法與步驟以銅鎳（Cu-Ni）為例（1）配制一系列成分不同的合金。（2)作出各種不同成分合金的冷卻曲線，并找出冷卻曲線上相變點（轉(zhuǎn)折點）的溫度，如圖a)所示。第四十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1．相圖的建立方法與步驟

（3）以溫度為縱座標(biāo)、成分為橫座標(biāo)建立一個直角座標(biāo)系，將相變點分別標(biāo)在這個座標(biāo)系上，如圖。（4）把具有相同意義的各相變點連成曲線，即將所有上相變點相連，所有下相變點相連，則構(gòu)成了圖所示的Cu-Ni二元合金相圖。

第四十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2．勻晶相圖(兩組元在固態(tài)下互溶，結(jié)晶成單一的相）

Cu-Ni合金相圖既是勻晶相圖，如圖所示。

第四十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日3．共晶相圖（兩組元在固態(tài)下不能互溶，在一定溫度下結(jié)晶出兩種具有不同成分的相固（體）相）

下圖為Pb－Sn二元共晶相圖。

第四十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第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）一、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?。第四十七頁，共一百二十一頁?022年，8月28日第四十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2.鐵素體（F）

碳溶于中的固溶體，它保持體心立方晶格結(jié)構(gòu)。溶解度（0.008%～0.02%），故性質(zhì)接近純鐵，強度、硬度低，塑性、韌性好。

3.奧氏體（A）

碳溶于中固溶體，保持面心立方晶格結(jié)構(gòu)。溶解度（0.77%～2.11%），其強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。

第四十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日6.萊氏體Ld

萊氏體在7270C以上，由奧氏體與滲碳體組成的機械混合物，稱為高溫萊氏體Ld；在7270C以下，該組織轉(zhuǎn)變?yōu)橛芍楣怏w與滲碳體組成的機械混合物，稱為低溫萊氏體Ld’。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械混合物。珠光體強度較高，塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間。

第五十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日二、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)圖實際上都是鐵與滲碳體兩組元構(gòu)成的狀態(tài)圖。

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。

第五十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日二、鐵碳合金相圖

1．鐵碳合金的基本相

（1）鐵素體碳原子溶于α-Fe中形成間隙固溶體，原子排列仍為體心立方點陣，該結(jié)構(gòu)即為鐵素體，用F或α表示。（2）奧氏體碳原子若溶于γ-Fe中，形成間隙固溶體，仍保持面心立方晶體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)稱為奧氏體，用A或γ表示。（3）滲碳體是鐵和碳的化合物，含碳量為6.69wt％，晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，呈復(fù)雜斜方晶體結(jié)構(gòu)。

2．鐵碳合金相圖分析

下圖為簡化的鐵碳合金相圖。相圖中各主要特征點均具有重要含義，連接各特征點將組成特征線，特征線則將相圖分成特征區(qū)，點、線、面及其含義。

第五十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第五十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

相圖上的特性線和點如下：

2）AECF線（固相線）。當(dāng)合金冷卻到此線時，金屬液全部結(jié)晶為固相，在此線以下區(qū)域為固相。

1）ACD線（液相線）。當(dāng)金屬液冷卻到此線時開始結(jié)晶，在此線以上區(qū)域為液相。

由于圖中左上角部分在實用中用處不大，故不予分析。3）A點。純鐵的熔點（15380C）。4）D點。滲碳體的熔點（12270C）。

5）C點。共晶點，溫度11480C，成分4.3%C。共晶：指合金在一定的條件(溫度、成分)下，由液體合金中同時結(jié)晶出兩種不同的晶體，而形成一種特殊的共晶體組織的轉(zhuǎn)變。即

第五十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日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（1148度），將發(fā)生共晶反應(yīng)，同時結(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點表示在11480C時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。第五十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日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（7270C），將發(fā)生共析反應(yīng)，從奧氏體中同時結(jié)晶出鐵素體和滲碳體的共析混合物珠光體。即A1線。

9）S點。共析點，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)變成兩個固相的機械混合物的過程。即：

第五十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日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%第五十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日3.1.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，具有較高的強度=800MPa，硬度HBS=230,塑性較低=12%。鋼的鐵碳合金相圖0.772.11C%第五十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日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，隨含碳量升高，滲碳體量增多，故硬度增加，韌性下降。

鋼的鐵碳合金相圖0.772.11C%第五十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

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）、過共晶白口鑄鐵（>4.3%C）；下面分別分析其結(jié)晶過程。3.2白口鑄鐵的結(jié)晶過程

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)晶過程其室溫組織為萊氏體。第六十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

其室溫組織為珠光體加萊氏體。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。第六十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第四節(jié)鋼的熱處理

熱處理：將固態(tài)金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。

熱處理的三個階段：加熱、保溫、冷卻。如圖所示是最基本的熱處理工藝曲線。溫度加熱保溫冷卻時間圖1-29熱處理工藝曲線第六十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（1）.加熱和冷卻時的轉(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。但在實際加熱和冷卻時，合金有過冷和過熱現(xiàn)象，如圖所示，加熱時實際相變溫度偏高，冷卻時偏低。加熱和冷卻速度越快，偏離越嚴(yán)重。常用、、表示加熱時偏離的相變溫度。用、、表示冷卻時偏離的相變溫度。

加熱（冷卻）時相變溫度圖1.熱處理過程中的組織轉(zhuǎn)變第六十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（2）.鋼在加熱時的組織轉(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為珠光體（F+Fe3C），當(dāng)加熱到以上時，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，因為相界面的原子排列紊亂，晶體缺陷較多，易于形核。

第六十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日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含量高，鐵素體處低，保溫一定時間，碳原子擴散，得到均勻的奧氏體組織。

亞共析鋼和過共析鋼，加熱到時，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，才全部轉(zhuǎn)變成奧氏體。珠光體組織比較細密，形成奧氏體的晶核較多，因而珠光體剛轉(zhuǎn)變成奧氏體時，其晶粒比較細小。但若升高溫度或保溫時間過長，晶粒將長大。

第六十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（3）.鋼在冷卻時的組織轉(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，使其在臨界點以下變溫連續(xù)轉(zhuǎn)變（如在水中冷卻）。

2）等溫冷卻。將已奧氏體化的鋼迅速冷卻到相變點以下的某個溫度，進行保溫，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，是暫時存在的，處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體。

第六十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

下面以共析鋼為例，分析奧氏體在不同溫度下冷卻時的組織轉(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)時間，標(biāo)注在溫度時間坐標(biāo)系中，分別連接開始轉(zhuǎn)變點和終結(jié)點，所得的圖即為等溫轉(zhuǎn)變圖，共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖如圖所示。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)變區(qū)，下方的兩條水平線分別為馬氏體共析鋼等溫轉(zhuǎn)變圖第六十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

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。

共析鋼等溫轉(zhuǎn)變圖1）高溫轉(zhuǎn)變（珠光體轉(zhuǎn)變）。（鐵碳原子均擴散）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A1～6500C為粗片狀珠光體，硬度在17～23HRC。6500C～6000C為較細片狀珠光體，亦稱索氏體，硬度在23-32HRC。6000C～5500C為極細片狀珠光體，第六十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日亦稱托氏體，硬度在33～40HRC。層片越細，強度、硬度越高、塑性韌性越好。2）中溫轉(zhuǎn)變（貝氏體轉(zhuǎn)變）。（鐵原子不擴散，碳原子擴散）在5500C～Ms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5500C～3500C，得到羽毛狀的上貝氏體，硬度較高40～45HRC，強度較低、塑性韌性較差。在3500C～Ms，得到黑色針狀的下貝氏體，硬度高45～55HRC，強度較高、塑性韌性較好。

共析鋼等溫轉(zhuǎn)變圖第六十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

馬氏體可分為片狀馬氏體和板條狀馬氏體，含碳量C>1.0%的為片狀，其硬度高，脆性大。含碳量C<0.2%的為板條狀馬氏體，其強度、韌性較好。含碳量0.2%<C<1.0%的為片狀馬氏體和板條狀馬氏體的復(fù)合組織。（鐵原子和碳原子均不擴散）。

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。第七十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（共析鋼）

轉(zhuǎn)變類型轉(zhuǎn)變產(chǎn)物形成溫度，℃轉(zhuǎn)變機制顯微組織特征HRC獲得工藝珠光體PA1~650擴散型粗片狀，F(xiàn)、Fe3C相間分布5-20退火S650~600細片狀，F(xiàn)、Fe3C相間分布20-30正火T600~550極細片狀，F(xiàn)、Fe3C相間分布30-40等溫處理貝氏體B上550~350半擴散型羽毛狀，短棒狀Fe3C分布于過飽和F條之間40-50等溫處理B下350~MS竹葉狀，細片狀Fe3C分布于過飽和F針上50-60等溫淬火馬氏體M針MS~Mf無擴散型針狀60-65淬火M*板條MS~Mf板條狀50淬火第七十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日關(guān)于滲碳體的類型形態(tài).1、片狀滲碳體，奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體時形成；2.網(wǎng)狀滲碳體，由慢冷時從奧氏體晶界處析出，也稱二次滲碳體；3.球狀滲碳體（顆粒狀），球化退火時形成；4.桿狀滲碳體，屬于先共晶滲碳體；5.塊狀滲碳體，是共晶、過共晶合金中的基體組織。第七十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日滲碳體類型（形成）一次滲碳體：在鐵-石墨相圖中，碳含量大于4.3％時，在L(Fe)＋Fe3C兩相區(qū)內(nèi)結(jié)晶析出的初生Fe3C為一次滲碳體，形成溫度于共晶溫度（1148℃）以上，形貌為大的片（其間為共晶組織）。碳含量于4.3%～6.69%是其典型成分區(qū)間。二次滲碳體：在鐵-石墨相圖中，碳含量大于0.77％時，在A(Fe)＋Fe3C兩相區(qū)內(nèi)析出的Fe3C為二次滲碳體，形成溫度于共晶溫度（1148℃）與共析溫度（727℃）之間，形貌以網(wǎng)狀為典型。碳含量于0.77%～6.69％是其典型成分區(qū)間。三次滲碳體：在鐵-石墨相圖中，F(xiàn)(Fe)＋Fe3C兩相區(qū)內(nèi)析出的Fe3C為三次滲碳體，形成溫度于共析溫度（727℃）以下，形貌為細片狀或粒狀。共晶滲碳體：于共晶溫度（1148℃）形成的共晶組織（A（Fe）＋Fe3C）中的Fe3C體。形貌為片狀的共晶組織形貌。碳含量約為4.3%。共析滲碳體：于共析溫度（727℃）形成的共析組織（F(Fe)+Fe3C)中的Fe3C，形貌為片狀的共析組織形貌。碳含量約為0.77%。第七十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日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，從而有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，細化晶粒，改變鋼的性能或為以后熱處理做準(zhǔn)備。

第七十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

退火的分類：各種退火、正火加熱溫度及工藝曲線如圖所示。退火正火工藝規(guī)范示意圖1）完全退火。加熱到Ac3以上20～300C，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(加工終止溫度高，組織晶粒大，熱應(yīng)力高），（緩慢冷卻）使晶粒細化，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行的退火。將工件加熱到Ac1以上20～300C，保溫，然后緩慢冷卻。主要用于過共析鋼，使鋼中珠光體中的片狀第七十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日滲碳體和二次滲碳（先正火處理）球狀化，因為滲碳體從片狀轉(zhuǎn)變?yōu)榱睿钥梢越档陀捕忍岣唔g性，改善切削加工性能。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、冷沖壓、焊接、鑄造件、切削加工件以及鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力而進行的退火。鑄鋼件的溫度為600～6500C，鑄鐵件為500～550，保溫后在爐內(nèi)緩慢冷卻。組織不發(fā)生變化，只消除殘余內(nèi)應(yīng)力，減少變形和開裂傾向，穩(wěn)定尺寸。

4）擴散退火(均勻化退火)。將鋼加熱到略低于固相線溫度，長時間保溫，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。

第七十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（2）.正火正火是將工件加熱到Ac3（亞共析鋼）或Accm（過共析鋼）以上30～500C，保溫適當(dāng)時間，在自由流通的空氣中冷卻，得到珠光體類組織的熱處理工藝。

正火主要應(yīng)用于：1）對不太重要的零件，可細化晶粒，組織均勻，提高機械性能，作為最終熱處理，而不再進行淬火處理；

2）對低碳鋼與中碳合金鋼，可提高硬度，改善切削加工性（細化晶粒），可替代退火，未正火加工粗糙；

3）對于過共析鋼或工具鋼，可減少網(wǎng)狀二次滲碳體，并使其不呈連續(xù)網(wǎng)狀碳化物，便于球化退火（在球化退化前進行）。

與退火比較，其加熱溫度略高于退火，保溫時間短于退火，最大的差別是冷卻方式不同。

第七十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日退火能不能消除網(wǎng)狀滲碳體？

不能?。?/p>

退火加熱到Accm線以上，雖然得到奧氏體單一相，但是退火是隨爐緩慢冷卻，冷卻速度過于緩慢，碳沿奧氏體晶界析出得到網(wǎng)狀滲碳體；

對于過共析鋼，通常要通過球化退火降低硬度，改善加工性能，因為球化退火無法消除網(wǎng)狀滲碳體，所以在球化退火前加入正火這么一道工序。

由于加熱到Accm以上的溫度，奧氏體化了。相對快速的冷卻會快速通過Arcm-Ar1區(qū)間，抑制C的擴散，形成室溫下的滲碳體+珠光體組織。第七十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（3）.淬火淬火是將鋼加熱到相變溫度以上，保溫一定時間，然后快速冷卻以獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。淬火的目的是提高工件的硬度和耐磨性，一般淬火后的工件再配合適當(dāng)溫度的回火，可獲得較好的綜合力學(xué)性能，如刀具、模具、軸和齒輪。淬火質(zhì)量取決于加熱溫度和冷卻方式。

1）淬火加熱速度。鋼的導(dǎo)熱性好，為防止晶粒長大，應(yīng)選擇大的加熱速度第七十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2）淬火加熱溫度。根據(jù)鋼材的化學(xué)成分決定，亞共析鋼在Ac3以上30～500C，此時鋼的組織為細顆粒的奧氏體，淬火后獲得細小的馬氏體。若溫度低于Ac3，將出現(xiàn)自由鐵素體。若溫度過高，得到粗大的馬氏體，性能變壞。共析鋼和過共析鋼加熱溫度在Ac1以上30～500C（獲得滲碳體和奧氏體兩相組織），冷卻后得到細小的馬氏體和小顆粒的滲碳體組織。若加熱到Accm線以上，則獲得粗大奧氏體，冷卻后將獲得大量殘余奧氏體，降低鋼的硬度和耐磨性，并且冷卻后獲得粗大的馬氏體和伴有顯微裂紋，增加鋼的脆性。加熱到Accm的粗大和高溫奧氏體，快速冷卻還導(dǎo)致熱應(yīng)力和氧化脫碳，從而鋼件開裂。第八十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日3）保溫時間也是淬火的一個關(guān)鍵因素，保溫時間過長將導(dǎo)致晶粒過大和氧化脫碳，過短將導(dǎo)致組織轉(zhuǎn)變不均勻。第八十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2）淬火冷卻方法（連續(xù)冷卻為主）。冷卻速度通過冷卻介質(zhì)控制，

冷卻介質(zhì)對淬火效果有很大影響，常用的有水、油和鹽、堿的水溶液。水用于形狀簡單、截面較大的碳素鋼工件。油用于合金鋼和復(fù)雜的碳素鋼。常用淬火方法如圖所示。圖中C曲線是等溫冷卻時的奧氏體轉(zhuǎn)變曲線，不與C曲線相交的冷卻速度線為獲得馬氏體組織的冷卻，1表示單液淬火，2表示雙液淬火，3表示分級淬火，4表示等溫淬火。3）淬透性和淬硬性。

常用淬火方法示意圖

淬透性：鋼在淬火后，獲得淬透層（淬硬層）深度的能力。

淬硬性：鋼淬火時能達到的最高硬度。

第八十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日不同冷卻條件下的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物等溫退火P退火(爐冷)正火(空冷)S(油冷)T+M+A’等溫淬火B(yǎng)下M+A’分級淬火M+A’淬火(水冷)A1MSMf時間溫度淬火PP均勻A細A？？？第八十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日(4)鋼的回火回火是指將淬火鋼加熱到A1以下的某溫度保溫后冷卻的工藝。一、回火的目的1、淬火冷卻速度快，在冷卻過程中工件內(nèi)沿截面將產(chǎn)生一定溫度梯度，內(nèi)部熱應(yīng)力大（大于材料的屈服強度時，材料發(fā)生變形，大于抗拉強度則開裂）減少或消除淬火內(nèi)應(yīng)力,防止變形或開裂.2、獲得所需要的力學(xué)性能。淬火鋼一般硬度高，脆性大，回火可調(diào)整硬度、韌性。螺桿表面的淬火裂紋第八十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日3、穩(wěn)定尺寸。淬火M和A’都是非平衡組織，有自發(fā)向平衡組織轉(zhuǎn)變的傾向?；鼗鹂墒筂與A’轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶饣蚪咏胶獾慕M織，防止使用時變形。4、對于某些高淬透性的鋼，空冷即可淬火，如采用

回火軟化既能降低硬度，又能縮短軟化周期。未經(jīng)淬火的鋼回火無意義，而淬火鋼不回火在放置使用過程中易變形或開裂。鋼經(jīng)淬火后應(yīng)立即進行回火。第八十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日二、鋼在回火時的轉(zhuǎn)變淬火鋼回火時的組織轉(zhuǎn)變主要發(fā)生在加熱階段。隨加熱溫度升高，淬火鋼的組織發(fā)生四個階段變化。第八十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日㈠回火時組織轉(zhuǎn)變1、馬氏體的分解100℃回火時，鋼的組織無變化。100-200℃加熱時，馬氏體將發(fā)生分解,從馬氏體中析出-碳化物(-FeXC)，使馬氏體過飽和度降低。析出的碳化物以細片狀分布在馬氏體基體上，這種組織稱回火馬氏體，用M回表示。透射電鏡下的回火馬氏體形貌第八十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日回火馬氏體在光鏡下M回為黑色，A’為白色。0.2%C時，不析出碳化物。只發(fā)生碳在位錯附近的偏聚。2、殘余奧氏體分解200-300℃時,由于馬氏體分解，奧氏體所受的壓力下降,Ms上升，A’分解為-碳化物和過飽和鐵素體，即M回。第八十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日衡成分,內(nèi)應(yīng)力大量消除，M回轉(zhuǎn)變?yōu)樵诒３竹R氏體形態(tài)的鐵素體基體上分布著細粒狀Fe3C組織，稱回火托氏體，用T回表示。發(fā)生于250-400℃，此時，-碳化物溶解于F中，并從鐵素體中析出Fe3C。到350℃,馬氏體含碳量降到鐵素體平回火托氏體3、-碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3C第八十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日回火索氏體4、Fe3C聚集長大和鐵素體多邊形化400℃以上,Fe3C開始聚集長大。450℃以上鐵素體發(fā)生多邊形化，由針片狀變?yōu)槎噙呅?這種在多邊形鐵素體基體上分布著顆粒狀Fe3C的組織稱回火索氏體，用S回表示。第九十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日淬火鋼硬度隨回火溫度的變化40鋼力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系㈡回火時的性能變化回火時力學(xué)性能變化總的趨勢是隨回火溫度提高，鋼的強度、硬度下降，塑性、韌性提高。（下左圖）第九十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日200℃以下，由于馬氏體中碳化物的彌散析出，鋼的硬度并不下降，高碳鋼硬度甚至略有提高。200-300℃，由于高碳鋼中A’轉(zhuǎn)變?yōu)镸回,硬度再次升高。大于300℃,由于Fe3C粗化，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體,硬度直線下降。第九十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日四、回火種類根據(jù)鋼的回火溫度范圍，可將回火分為三類。●淬火加高溫回火的熱處理稱作調(diào)質(zhì)處理，簡稱調(diào)質(zhì).廣泛用于各種結(jié)構(gòu)件如軸、齒輪等熱處理。也可作為要求較高精密件、量具等預(yù)備熱處理。適用于各種高碳鋼、滲碳件及表面淬火件。應(yīng)用獲得良好的綜合力學(xué)性能，即在保持較高的強度同時，具有良好的塑性和韌性。

提高彈性及屈服點，同時使工件具有一定韌性。在保留高硬度、高耐磨性的同時，降低內(nèi)應(yīng)力。

回火目的S回

T回

M回

回火組織500-650℃350-500℃150-250℃回火溫度高溫回火中溫回火低溫回火適用于、鍛模、彈簧熱處理第九十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日彈簧熱處理第九十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（4）.回火回火是為了消除淬火引起的殘余應(yīng)力及獲得要求的組織和性能，將淬火后的工件加熱到Ac1以下某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。

回火目的：淬火后得到性能很脆的馬氏體組織，而且淬火馬氏體是不穩(wěn)定的組織，它有變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)的趨勢，即有組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力；同時，淬火冷卻速度快，熱應(yīng)力也大。上述淬火應(yīng)力，均使零件尺寸變化，零件容易變形和開裂。為此利用回火來達到以下目的：1）減少和消除淬火應(yīng)力；

2）穩(wěn)定工件尺寸，防止變形和開裂；3）獲得工件所需的組織和性能；即獲得要求的強度、硬度和韌性。

第九十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

回火的種類及應(yīng)用：

1）低溫回火。加熱溫度為150～2500C，得到碳的過飽和程度稍小的固溶體—回火馬氏體，硬度較高，在HRC58～64之間，高耐磨性?？上欢ǖ臍堄鄳?yīng)力，韌性有所改善。用于各類高碳鋼的工具、模具、量具。2）中溫回火。加熱溫度為350～5000C，得到極細顆粒狀滲碳體和鐵素體的混合物—回托氏體，有極高的彈性極限和屈服強度，也有較好的韌性。硬度在HRC35～45；用于各種彈簧、彈簧夾頭及鍛模。3）高溫回火。加熱溫度為500～6500C，得到細而均勻的顆粒狀滲碳體和鐵素體的混合物---回火索氏體，有較高的強度和硬度，又有較好的韌性和塑性。工廠一般把淬火和高溫回火叫調(diào)質(zhì)處理。用于重要的零件如軸、齒輪、連桿和螺栓。

第九十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日(5).表面熱處理表面熱處理是使工作表面具有高的硬度和耐磨性，心部有足夠的韌性和塑性的熱處理。常用的有表面淬火及化學(xué)熱處理。2）表面淬火。對工件表層迅速加熱至淬火溫度，而心部溫度仍保持在臨界溫度以下，然后快速冷卻，使鋼的表面至一定深度的組織為馬氏體，心部仍為原始組織的熱處理工藝。

1）化學(xué)熱處理。將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入它的表面，改變其表面的化學(xué)成分、組織和性能的熱處理。使表面具有耐磨、耐腐蝕、耐熱等性能。分為滲碳、滲氮、碳氮共滲（氰化）、滲硼、滲鉻等金屬、多元共滲等。第九十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日鋼的表面淬火表面淬火是指在不改變鋼的化學(xué)成分及心部組織情況下，利用快速加熱將表層奧氏體化后進行淬火以強化零件表面的熱處理方法?；鹧婕訜岣袘?yīng)加熱第九十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日表面淬火目的：①使表面具有高的硬度、耐磨性和疲勞極限;②

心部在保持一定的強度、硬度的條件下，具有足夠的塑性和韌性。即表硬里韌。適用于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、摩擦和沖擊的零件。軸的感應(yīng)加熱表面淬火第九十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1、表面淬火用材料⑴

0.4-0.5%C的中碳鋼。含碳量過低，則表面硬度、耐磨性下降。含碳量過高，心部韌性下降；⑵鑄鐵提高其表面耐磨性。機床導(dǎo)軌表面淬火齒輪第一百頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1）火焰加熱表面淬火。使用氧-乙炔火焰噴向工件表面，立即噴水冷卻的淬火方法。如左圖所示。2）感應(yīng)加熱表面淬火。利用感應(yīng)電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)萊加熱工件表面，噴水冷卻的方法。如圖右圖所示。

火焰加熱表面淬火示意圖

感應(yīng)加熱表面淬火示意圖第一百零一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第五節(jié)常用工程材料一、常用工程材料的分類

工程材料金屬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、氮化硼陶瓷鋼第一百零二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日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)碳素鋼二、常用金屬材料（1）.分類第一百零三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日3）按用途分為：

碳素結(jié)構(gòu)鋼：

制造各種機器零件及工程構(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，屬優(yōu)質(zhì)鋼或高級優(yōu)質(zhì)鋼。4）按金相組織分亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼。第一百零四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（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）由代表屈服點的字母Q、屈服點的數(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--A·F，表示其屈服點為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。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。第一百零五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

3.碳素工具鋼碳素工具鋼的牌號由TXX兩部分組成,既鋼號前冠以“碳”或“T”，表示碳素工具鋼，其后跟一組數(shù)字，表示含碳量的千分之幾。如T8A表示平均含碳量為0.8%的碳素結(jié)構(gòu)鋼，A表示高級優(yōu)質(zhì)。

第一百零六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日二、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:第一百零七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2）按合金元素含量（質(zhì)量分數(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（合金元素總含量<5%）中合金鋼（合金元素總含量5%-10%）高合金鋼（合金元素總含量>10%）第一百零八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日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表示屈服點的“屈”，345表示屈服點數(shù)值，C表示質(zhì)量等級，有A、B、C、D、E五個等級。

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（“G”表示滾動軸承鋼的意思（鋼號冠以（或后綴）代表該鋼種用途的符號

），“CR”表示所含的合金元素為鉻鐵。GCr15表示含CR為1.5%的軸承鋼，含碳量為0.95%-1.05%，硅Si：0.40%

～0.65%

，錳Mn：0.90%

～1.20%

）。第一百零九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日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