第一章工程材料(機(jī)械制造基礎(chǔ))

第1章

工程材料Chapter1EngineeringMaterials

A380客機(jī)約25%由高級減重材料制造,其中,22%為碳纖維混合型增強(qiáng)塑料

(CFRP),3%為首次用于民用飛機(jī)的GLARE纖維-金屬板。

本章內(nèi)容1.1工程材料概述1.2機(jī)械制造與材料選擇簡介1.3金屬材料簡介1.4晶體的結(jié)構(gòu)1.5金屬的結(jié)晶1.6二元合金晶體結(jié)構(gòu)1.7鐵碳合金1.8鋼鐵材料1.9鋼的熱處理1.10有色金屬1.11其它材料1.1工程材料概述

1.1.1

材料是人類生活生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)“神舟”四號飛船成功返回渦輪噴氣發(fā)動機(jī)

1.1.2

材料是人類進(jìn)步的重要里程碑材料是人類社會進(jìn)步的的里程碑，人類的發(fā)展史也是材料的發(fā)展史。

石器時代利用天然材料制作的工具

青銅器時代制造的工具和生活用品，具有精制的圖案

象形尊(西周)埃菲爾(Eiffel)鐵塔1889年建造324米高用金屬7300噸

鋼鐵時代，人類文明突飛猛進(jìn)

半導(dǎo)體時代的到來，讓我們感受到了五彩的斑斕世界龍芯沒有半導(dǎo)體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，就沒有今天的數(shù)字化生活

現(xiàn)代結(jié)構(gòu)材料的出現(xiàn)，我們做到了“上天入地”在航天飛機(jī)表面裝陶瓷防護(hù)瓦片飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片波音客機(jī)

1.1.3中華民族在為材料的發(fā)展和應(yīng)用作出過重大貢獻(xiàn)早在公元前6000~5000年的新石器時代，中華民族的先人就能用黏土燒制成陶器，到東漢時期又出現(xiàn)了瓷器，并流傳海外。

我國陶瓷歷史源遠(yuǎn)流長，“China”就是“瓷器”的意思

4000年前的夏朝我們的祖先已經(jīng)能夠煉銅，到殷、商

時期，我國的青銅冶煉和鑄造技術(shù)已達(dá)到很高水平。

司母戊鼎河南安陽晚商遺址出土青銅鑄造高133厘米重875kg飾紋優(yōu)美越王勾踐寶劍春秋晚期越國青銅兵器出土于湖北江陵楚墓長55.7厘米千年不銹劍鍔鋒芒犀利鋒能割斷頭發(fā)

春秋時期，我國煉鐵、鍛造和熱處理技術(shù)達(dá)到較高水平。

鞍鋼攀鋼夜景新中國成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、寶鋼等大型鋼鐵基地。鋼產(chǎn)量由1949年的15.8萬噸上升到現(xiàn)在的4億噸。中國第一顆人造衛(wèi)星長征火箭大家族中國第一顆原子彈爆炸中國第一顆氫彈爆炸

原子彈、氫彈的爆炸，衛(wèi)星、飛船的上天等說明了我國在材料的開發(fā)、研究及應(yīng)用等方面有了飛躍的發(fā)展。

1.1.4

人類對材料的認(rèn)識是逐步深入的灰鑄鐵的顯微組織光學(xué)顯微鏡Pb-Sn共晶組織1.1863年，光學(xué)顯微鏡首次應(yīng)用于金屬研究，誕生了金相學(xué)，使人們能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微觀組織聯(lián)系起來。2.1912年發(fā)現(xiàn)了X-射線對晶體的作用并在隨后被用于晶體衍射分析，使人們對固體材料微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識從最初的假想到科學(xué)的現(xiàn)實(shí)。

Si表面的重構(gòu)圖象X-射線衍射儀3.1932年發(fā)明了電子顯微鏡，把人們帶到了微觀世界的更深層次（10-7m）。透射電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡

光鏡下電鏡下4.1934年位錯理論的提出，解決了晶體理論計算強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測得的實(shí)際強(qiáng)度之間存在的巨大差別的矛盾，對于人們認(rèn)識材料的力學(xué)性能及設(shè)計高強(qiáng)度材料具有劃時代的意義。

金屬鈦中的位錯

1.1.5工程材料分類1.按經(jīng)濟(jì)部門分：土木建筑材料、機(jī)械工程材料、電子材料、航空航天材料、醫(yī)學(xué)材料等2.按材料的功能分：結(jié)構(gòu)材料、功能材料3.按組成與結(jié)合鍵分：金屬材料：黑色金屬和有色金屬高分子材料：塑料、橡膠和合成纖維陶瓷材料（無機(jī)非金屬材料）：傳統(tǒng)陶瓷和功能陶瓷復(fù)合材料：金屬基、高分子基和陶瓷基復(fù)合材料

1.2.1應(yīng)用科學(xué)家和工程師都用到材料,必須了解材料的性能和行為特征。如汽車用材料：1.2機(jī)械制造與材料選擇簡介steel1530kgzinc26kgplastic55kgrubber60kglead15kgaluminum30kgglass52kgCastiron350kgcopper16kg鋼鐵、玻璃、塑料、橡膠等。僅鋼材有2000多種不同種類、型號品種。制造一個特定零件，應(yīng)根據(jù)什么原則選擇材料呢？如隱形戰(zhàn)機(jī)材料：

①內(nèi)部機(jī)構(gòu)材料：鋁合金為主、一定比例復(fù)合材料、少量的鋼和鈦合金。

②蒙皮材料：透波復(fù)合材料。

③涂層材料：吸波涂層/覆層。

如變速齒輪材料：

①須易機(jī)械加工；

②表面要有足夠的耐磨性；

③芯部要有足夠韌性及沖擊性。

1.2.2機(jī)械制造中材料選擇不當(dāng)將對造成毀滅性的打擊TITANIC1.TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)!!!哥倫比亞號航天飛機(jī)失事2.美國哥倫比亞號號航天飛機(jī)爆炸是因機(jī)身熱涂層材料撞擊脫落造成3.美國挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)爆炸的主要原因是燃料艙的O形環(huán)失效

費(fèi)曼博士用實(shí)驗(yàn)證明橡膠O形環(huán)在冰水的浸泡下發(fā)生脆性行為，已經(jīng)失效2.加工工藝與材料性能性能對加工過程很重要。特硬材料打壞刀刃，軟材料“粘住”鋸條、砂輪。高強(qiáng)度材料尤脆性材料不適合塑性形變。加工對性能有影響。如：金屬絲拉拔直徑減小，本身強(qiáng)化和變硬（材料形變，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，性能也跟著變化）。1.2.3機(jī)械加工中的材料選擇1.材料的本身特性

首先考慮強(qiáng)度、導(dǎo)電性或?qū)嵝?，密度及其它性能。然后考慮材料加工性能和使用行為(可成型性、機(jī)械加工性、電穩(wěn)定性、化學(xué)持久性及輻照行為)。最后考慮成本和材料來源。3.材料的使用行為

成品材料有一套滿足設(shè)計要求的性能—強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)電性、密度等。使用過程材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒變化，將永遠(yuǎn)保持這些性能。

橡膠在環(huán)境中會否逐漸老化？金屬在低溫下是否能保持常溫性能？金屬在周期性載荷作用下產(chǎn)生疲勞？

1.3金屬材料簡介

1.3.1金屬材料分類黑色金屬(鋼鐵金屬)有色金屬(非鐵金屬)1.金屬材料

碳鋼合金鋼鑄鐵銅鋁鎂鈦，等2.區(qū)分不同的金屬材料（鎂、銅、鐵和鈦）？（？）（？）（？）（？）

1.3.2金屬材料特點(diǎn)1、以金屬鍵結(jié)合為主；

高分子材料和陶瓷的結(jié)合鍵？2、良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性；

常溫導(dǎo)電性能最好的材料：銀和銅

低溫下導(dǎo)電性能好的材料：？3、良好的延展性；3、用量最大、應(yīng)用最廣泛。用量最大的金屬材料：鋼鐵和鋁。金屬鍵Maxelongation,191.5%鎂的拉伸延伸率1.4晶體結(jié)構(gòu)

1.4.1晶體與非晶體晶體原子排列示意圖

非晶體原子排列示意圖

晶體：原子在三維空間排列有規(guī)律非晶體：原子是雜亂無章的堆積在一起無規(guī)律可循固態(tài)物質(zhì)

在自然界中，除普通玻璃、松香、石蠟等少數(shù)物質(zhì)以外，包括金屬和合金在內(nèi)的絕大多數(shù)固體都是晶體。1.晶體的空間點(diǎn)陣和晶系：(1)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。(2)晶胞:

晶格的最小幾何組成單元。2.金屬的晶體結(jié)構(gòu)三種常見金屬的晶體結(jié)構(gòu)：體心立方，面心立方和密排六方。(1)體心立方晶格的晶胞如圖所示。

在晶胞的八個角上各有一個金屬原子，構(gòu)成立方體。在立方體的中心還有一個原子,所以叫作體心立方晶格。屬于這類晶格的金屬有鉻、釩、鎢、鉬和α-鐵等。

(2)面心立方晶格的晶胞如圖所示。在晶胞的八個角上各有一個原子，構(gòu)成立方體。在立方體的六個面的中心各有一個原子，所以叫做面心立方晶格。屬于這類晶格的金屬有鋁、銅、鎳、鉛和-鐵等。

(3)密排六方晶格的晶胞如圖所示。在晶胞的十二個角上各有一個原子，構(gòu)成六方柱體。上下底面中心各有一個原子。晶胞內(nèi)部還有三個原子，所以叫做密排六方晶格。屬于這類晶格金屬有鈹、鎂、鋅、-鈦和β-鉻等。

1.4.2實(shí)際金屬結(jié)構(gòu)(1)單晶體與多晶體單晶體：晶體內(nèi)部的晶格位向是完全一致。多晶體：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。晶粒晶界(2)晶格缺陷Ⅰ、點(diǎn)缺陷Ⅱ、線缺陷

Ⅲ、面缺陷1.5金屬的結(jié)晶

金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過程稱為結(jié)晶。oCT0

L

ab

S0a：結(jié)晶開始點(diǎn)b：結(jié)晶終了點(diǎn)t純金屬的冷卻曲線（理想狀態(tài)）oC

LT0T1S0tT0：理論結(jié)晶溫度T1：實(shí)際結(jié)晶溫度T=T0--T1(過冷度)純金屬的冷卻曲線（實(shí)際）

1.5.1結(jié)晶的概念

1.5.2結(jié)晶過程

原子團(tuán)

形核

晶核長大

小晶粒

晶粒（外形不規(guī)則小晶體）形核：自身晶核、外來晶核晶核長大方式：樹枝狀方式晶界—晶粒間的分界面；純金屬結(jié)晶過程示意圖

1.5.3晶粒大小的控制

金屬晶粒的粗細(xì)對金屬力學(xué)性能影響很大，一般說，同一成分的金屬晶粒越細(xì)，其強(qiáng)度越高，硬度也越高，塑性、韌性也越好。晶核越多，晶粒越細(xì)。（細(xì)晶強(qiáng)化）增加冷卻速度，如增大過冷度；增加外來晶核，如加入變質(zhì)劑;

（注意：變質(zhì)和孕育的區(qū)別）采用機(jī)械、超聲波振動、電磁攪拌等；Hall-Petch關(guān)系式

1.5.4金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變某些固態(tài)金屬,在不同溫度范圍內(nèi)將呈現(xiàn)出不同的晶格形態(tài)，這種現(xiàn)象稱為同素異晶轉(zhuǎn)變。

具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變特性的常見金屬有：Fe,Co,Sn和Mn等元素。1538co1394oc912oc室溫δ-Feγ-Feα-Fe體心立方面心立方體心立方1.6合金的晶體結(jié)構(gòu)

合金：由兩種或兩種以上的元素通過熔煉后所獲得的新的物質(zhì)仍然具有金屬特性。(Alloy)（如黃銅是銅和鋅的合金，青銅是銅和錫的合金。）組元：組成合金的基本元素。一般指化學(xué)元素，但穩(wěn)定的化合物也可以看成是一個組元。(Component)（如銅和鋅是黃銅的組元）相：是指合金中成分、結(jié)構(gòu)均相同的組成部分，并與其他部分以界面分開的均勻組成部分。(Phase)（水和油混在一起有幾個相？）

組織：泛指用金相觀察方法看到的由形態(tài)、尺寸不同和分布方式不同的一種或多種相構(gòu)成的總體。

1.6.1

合金的相：可分為固溶體和金屬化合物兩大類。固溶體：溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中而仍保持溶劑晶格類型的合金相，稱為固溶體。分為置換固溶體和間隙固溶體。(2)化合物：溶質(zhì)含量超過固溶體的溶解度時，將析出新相；若新相的晶格結(jié)構(gòu)不同于任一組元，形成化合物。

金屬化合物一般具有復(fù)雜的晶格，且和各組元的晶格不相同，其性能特征是硬而脆。例如，滲碳體Fe3C是金屬化合物，硬度極高800HBS可以劃玻璃，塑性韌性極低，伸長率和沖擊韌性近于零。滲碳體是強(qiáng)化相，其組織呈片狀、球狀、網(wǎng)狀等不同形狀，滲碳體的數(shù)量、形態(tài)、和分布對鋼的性能影響很大。鐵碳合金由于其資源廣泛、冶煉方便、價格低廉、性能優(yōu)越，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用。1.6.1

Fe-C合金基本組織鐵素體：碳溶于-Fe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(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好。1.7Fe-C合金(2)奧氏體：碳溶于-Fe中的固溶體，保持面心立方晶格構(gòu)。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。(3)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。(4)珠光體：鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物。顯微組織珠光體強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體間。

(5)萊氏體：高溫萊氏體(727℃以上)，奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物；低溫萊氏體(727℃以下)，珠光體和滲碳體的機(jī)械混合物。概念：表示鐵碳合金在不同成分和溫度下的組織、性能以及它們之間相互關(guān)系的圖形。又稱鐵碳合金相圖或鐵碳合金平衡圖。是通過實(shí)驗(yàn)的方法建立起來的。作用：是研制新材料，制定合金熔煉、鑄造、壓力加工和熱處理等工藝的重要工具。

1.7.2Fe-C合金相圖Fe-C相圖ACD線—液相線：不同成分鐵碳合金開始結(jié)晶的溫度線。AECF線—固相線：各種成分的合金均處在固體狀態(tài)。結(jié)晶溫度終止線。ECF水平線—共晶線：含碳量為4.3%的液態(tài)合金冷卻到此線時，在1148℃由液態(tài)合金同時結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物，此反應(yīng)稱為共晶反應(yīng)。PSK水平線—共析線(A1線)：含碳量為0.77%的奧氏體冷卻到此線時，在727℃同時析出鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，此反應(yīng)稱為共析反應(yīng)。GS線—(A3線)：是冷卻時奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的開始線。ES線—Acm線：是碳在奧氏體中的溶解度線，實(shí)際上是冷卻時由奧氏體中析出二次滲碳體的開始線。

1.7.3Fe-C合金分類根據(jù)含碳量的不同，鐵碳合金可分為工業(yè)純鐵，碳鋼和生鐵三大類：第一類：工業(yè)純鐵：含碳量小于0.0218%的鐵碳合金；第二類：鋼：含碳量小于2.11％的鐵碳合金鋼；按室溫組織不同又可分為三類，以0.77％為界：*亞共析鋼——含碳量＜0.77％*共析鋼——含碳量＝0.77％*過共析鋼——含碳量＞0.77％第三類：鑄鐵，即生鐵：含碳量為2.11％～6.69％的鐵碳合金，按室溫組織的不同，分為三類：*亞共晶鑄鐵——含碳量＜4.3％*共晶鑄鐵——含碳量＝4.3％*過共晶鑄鐵——含碳量＞4.3％

1.7.4Fe-C合金結(jié)晶過程和組織轉(zhuǎn)變（1）共析鋼（T8鋼）

1點(diǎn)以上L1～2L＋A2～3A

3點(diǎn)A→P3點(diǎn)以下P室溫組織:P室溫組織：F+P亞共析鋼的結(jié)晶過程

1點(diǎn)以上L1～2L＋δ2～3A+L3～4A4~5A+F5點(diǎn)A→P5點(diǎn)以下P+F（2）亞共析鋼(45鋼）室溫組織：P+Fe3C（網(wǎng)狀）過共析鋼的結(jié)晶過程

1點(diǎn)以上L1~2L+A2~3A3~4A+Fe3CII4點(diǎn)A→P4點(diǎn)以下P+Fe3CII（3）過共析鋼（T10）（4）共晶白口鐵（5）亞共晶白口鐵（6）過共晶白口鐵1.7.5碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對鐵碳合金組織、性能的影響和鐵碳合金相圖的應(yīng)用(1)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對平衡組織、力學(xué)性能的影響

(2)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對工藝性能的影響

①切削加工性

金屬的切削加工性能是指其經(jīng)切削加工成工件的難易程度。

低碳鋼中F較多，塑性好，切削加工時產(chǎn)生切削熱大，易粘刀，不易斷屑，表面粗糙度差，故切削加工性差。

高碳鋼中Fe3C多，刀具磨損嚴(yán)重，故切削加工性也差。

中碳鋼中F和Fe3C的比例適當(dāng)，切削加工性較好。

一般認(rèn)為鋼的硬度在170HBW～250HBW左右時，切削加工性較好。高碳鋼Fe3C呈球狀時，可改善切削加工性。②鑄造性能合金的鑄造性能取決于相圖中液相線與固相線之間的距離。距離越大，合金的鑄造性能越差。低碳鋼的液相線與固相線距離很小，則有較好的鑄造性能，但其液相線溫度較高，使鋼液過熱度較小，流動性較差。隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，鋼的結(jié)晶溫度間隔增大，鑄造性能變差。

共晶成分附近的鑄鐵，不僅液相線與固相線的距離最小，而且液相線溫度也最低，其流動性好，鑄造性能好。③可鍛性金屬可鍛性是指金屬壓力加工時，能改變形狀而不產(chǎn)生裂紋的性能。當(dāng)鋼加熱到高溫得到單相A組織時，可鍛性好。低碳鋼中鐵素體多可鍛性好，隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加金屬可鍛性下降。白口鑄鐵無論在高溫或低溫，因組織是以硬而脆的Fe3C為基體，所以不能鍛造。

④可焊性隨著鋼中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，鋼的塑性下降，可焊性下降。所以，為了保證獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭，應(yīng)優(yōu)先選用低碳鋼（碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜0.25％的鋼）。一般不用碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.5％的鋼，因?yàn)榭珊感圆?，如果要用，?yīng)采取必要的焊接工藝措施。1.8鋼鐵材料分類金屬材料分類黑色金屬(鋼鐵金屬)有色金屬(非鐵金屬)金屬材料

碳鋼合金鋼鑄鐵銅鋁鎂鈦，等1.8.1碳鋼的分類按含碳量分低碳鋼

<0.25%C

中碳鋼0.25-0.6%C,高碳鋼>0.6%C按質(zhì)量分(含S，P多少分)普通鋼S<=0.050%,P<=0.045%優(yōu)質(zhì)鋼S，P<=0.035%高級優(yōu)質(zhì)鋼S，P<=0.03%

按用途分碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼

>0.6%C（一）不同分類方法

（二）碳鋼的編號和用途

（1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號：Q+三位數(shù)，數(shù)字表示屈服強(qiáng)度，單位Mpa。如：Q195Q235Q215應(yīng)用于受力不大的場合：如工程結(jié)構(gòu)

（薄鋼板，鋼筋，鋼管等）建筑結(jié)構(gòu)要求不太高的機(jī)械零件（螺釘，螺栓，手柄，小軸）（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號：兩位數(shù)字表示，表示含C量的萬分之幾，有08，15，20，25，……75，80，85等牌號0810152025:

強(qiáng)↓塑↑應(yīng)用：

沖壓件，焊件（用來制造螺釘、螺母、墊圈等）沖壓件3035404550：

強(qiáng)↑硬↑

應(yīng)用：調(diào)質(zhì)后有良好的綜合機(jī)械性能。（用作軸、連桿、絲杠、鍵，齒輪等。）軸連桿絲杠齒輪55606570758085

：強(qiáng)↑硬↑塑↓應(yīng)用：熱處理后有良好的彈性。（用作耐磨件，彈簧、軋輥、鋼絲繩等）彈簧鋼絲繩（3）碳素工具鋼牌號：T+一位（或是兩位）數(shù)字，數(shù)字表示含C量的千分之幾。如：T7T8

T9T10T12T13應(yīng)用：T7-T8：中等硬度，高韌性。(沖頭、鑿子、鍛造工具、錘子)T9-T11：高硬度、中等韌性。(鉆頭、絲錐、鋼鋸條、小沖模)T12-T13：高硬度、耐磨性，韌性低。(量具、銼刀、刮刀)銼刀錘子鋼鋸條

1.8.2鑄鐵的分類根據(jù)碳在鑄鐵中存在形式不同，可分三大類：（1）白口鑄鐵（2）灰口鑄鐵（3）麻口鑄鐵C的存在形式：滲碳體(Fe3C)，斷口為白色。性能硬而脆，難以切削加工。主要用作煉鋼原料，高耐磨零件（如軋輥、犁鏵等）。

C的存在形式：石墨，斷口為灰黑色。

C的存在形式：石墨+滲碳體，斷口為黑白色?；诣T鐵是鑄造性能最好，應(yīng)用最廣泛的鑄鐵材料。性能：脆性大，很少使用。根據(jù)石墨在鑄鐵中存在形態(tài)，可分為：①普通灰鑄鐵：石墨呈片狀②可鍛鑄鐵：石墨呈團(tuán)絮狀④蠕墨鑄鐵：石墨呈蠕蟲狀③球墨鑄鐵：石墨呈球狀（2）灰口鑄鐵HT+三位數(shù)字，數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度。牌

號鑄

件

壁

厚

/mm用

途

舉

例2.5～1010～2020～3030～50HT1001301009080重錘、防護(hù)罩、蓋板等HT150175145130120機(jī)座、支架、箱體、法蘭、泵體、縫紉機(jī)件、閥體等HT200220195170160氣缸、齒輪、機(jī)床床身、飛輪、底架、中等壓力閥閥體等HT250270240220200機(jī)體、閥體、油缸、床身、凸輪、襯套等HT300—290250230齒輪、凸輪、剪床、壓力機(jī)床身、重型機(jī)械床身等HT350—340290260①普通灰鑄鐵：石墨呈片狀鐵素體可鍛鑄鐵以“KT”表示，珠光體可鍛鑄鐵以“KTZ”表示。其后的兩組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度和延伸率。

②可鍛鑄鐵：石墨呈團(tuán)絮狀③球墨鑄鐵：石墨呈球狀用“QT”標(biāo)明，其后兩組數(shù)值表示最低抗拉強(qiáng)度和延伸率。牌號基體b(MPa)0.2(MPa)5(%)HB應(yīng)用舉例QT400-17鐵素體40025017≤179汽車、拖拉機(jī)床底盤零件；16-64大氣壓閥門的閥體、閥蓋QT420-10鐵素體42027010≤207QT500-5鐵素體+球光體5003505147～241機(jī)油泵齒輪QT600-2球光體60042022297～302柴油機(jī)、汽油機(jī)曲軸；磨床、銑床、車床的主軸；空壓機(jī)、冷凍機(jī)缸體、缸套QT700-2球光體70049022297～302QT800-2球光體80056022417～321④蠕墨鑄鐵：石墨呈蠕蟲狀

強(qiáng)度接近球墨鑄鐵，并且有一定的韌性、較高的耐磨性；同時又有和灰口鑄鐵一樣的良好的鑄造性能和導(dǎo)熱性。

蠕墨鑄鐵以“RuT”表示，其后的數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度。

RuT300、RuT420

如：蠕墨鑄鐵已成功地用于高層建筑中高壓熱交換器、內(nèi)燃機(jī)汽缸和缸蓋、汽缸套、鋼錠模、液壓閥等鑄件。

排氣管

進(jìn)氣管

合金鋼：在碳素鋼中添加一些合金元素而煉制的一類鋼，以改善碳素鋼的性能。

合金元素加入鋼后，通常使鋼的強(qiáng)度，硬度增加，合金元素超過一定量時，可能使韌性下降。為什么要發(fā)展合金鋼？因?yàn)樘间摬荒軡M足要求。

1.8.2合金鋼的分類（一）不同的分類方法分（1）按用途分為：合金結(jié)構(gòu)鋼（建筑、橋梁、船舶、鍋爐、機(jī)械零件）合金工具鋼（刃具、量具、模具）特殊性能鋼（不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼）（2）按合金元素的總含量分為:低合金鋼（WMe＜5％）中合金鋼（WMe

＝5%～10%）高合金鋼（WMe

＞10％）（3）按鋼的金相組織分為：鐵素體鋼奧氏體鋼馬氏體鋼珠光體鋼貝氏體鋼。（二）合金鋼典型牌號（1）合金結(jié)構(gòu)鋼（普通低合金，合金滲碳，調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼等）

如：16Mn，20Cr，40MnB，30CrMnSiA牌號：數(shù)字+元素符號+數(shù)字，數(shù)字表示含碳萬分之幾；符號表示合金元素,

符號后面數(shù)表示含合金%,<1.5%不標(biāo)；若為高級優(yōu)質(zhì)鋼，后加A。橋梁、船舶16Mn20CrMnTi齒輪曲軸40MnB，30CrMnSiA（2）合金工具鋼（合金刃具鋼，量具鋼和模具鋼）

如：9SiCr，9Mn2V，W18Cr4V（高碳，高合金）牌號：數(shù)字+元素符號+數(shù)字，數(shù)字為一位數(shù)，含C千分之幾，含C>=1.0%不標(biāo)。銑刀千分尺模具鋼W18Cr4V9SiCr冷作模具：9Mn2V熱作模具：5CrMnMo（3）特殊性能鋼

包括不銹鋼，耐熱鋼，耐磨鋼，磁鋼等。如：2Cr13，1Cr18Ni9，0Cr18Ni11Ti，00Cr17Ni14Mo2等牌號：鋼牌號前面數(shù)字表示碳質(zhì)量的千分?jǐn)?shù)，其它元素標(biāo)注與合金結(jié)構(gòu)鋼相同當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wc≤0.03％及Wc≤0.08％時，則在牌號前面分別冠以“00”及“0”表示。不銹鋼剪刀2Cr13耐磨鋼軌坦克履帶ZGMn13ZGMn131.9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。

基本過程：熱處理的三個階段：加熱、保溫、冷卻。保溫臨界溫度冷卻時間加熱零件經(jīng)適當(dāng)熱處理后，可以提高強(qiáng)度和硬度，增強(qiáng)耐磨性或改善塑性，切削加工性等。

1.9.1鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變共析鋼加熱到Ac1時,發(fā)生珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變。

奧氏體的形成是通過形核與長大過程來實(shí)現(xiàn)的，其轉(zhuǎn)變過程分為三個階段，如圖所示。第一階段是奧氏體的形核與長大第二階段是殘余滲碳體的溶解第三階段是奧氏體成分均勻化

1.9.2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。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。將已奧氏體化的鋼迅速冷卻到相變點(diǎn)以下的某個溫度，進(jìn)行保溫，使過冷奧氏體在該溫度下恒溫轉(zhuǎn)變。

1.9.3常用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。

退火：是將鋼加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，保溫一定時間，隨爐緩慢冷卻的一種熱處理工藝。①降低硬度，便于進(jìn)行機(jī)加工；②細(xì)化晶粒，提高塑性和韌性；③消除應(yīng)力。(1)退火退火目的：退火類型：根據(jù)鋼的成分、退火工藝與目的不同，退火常分為完全退火、球化退火、等溫退火、均勻化退火、去應(yīng)力退火和再結(jié)晶退火等，如圖所示。工藝曲線示意圖加熱溫度范圍①

完全退火(P+F)加熱到Ac3以上30～50℃，保溫后隨爐冷到600℃以下，再出爐空氣冷卻。目的：細(xì)化晶粒，消除應(yīng)力，降低硬度，便于切削加工。

亞共析鋼加熱到Ac3以上，共析鋼加熱到Ac1以上20-30℃，保溫后快速冷卻到稍低于Ar1的溫度后進(jìn)行等溫處理，使A轉(zhuǎn)變?yōu)镻,再在空氣中冷卻。目的：與完全退火相同，時間可縮短一半，適于大批生產(chǎn)。②等溫退火③球化退火(球狀P）

將過共析鋼加熱到Ac1以上20～30℃，保溫后隨爐冷到700℃左右，再出爐空氣冷卻。目的：使?jié)B碳體球化，降低硬度，改善切削加工性。將鋼加熱到500～650℃,保溫后隨爐冷卻。目的：消除殘余應(yīng)力,提高工件的尺寸穩(wěn)定性。④去應(yīng)力退火（組織不變）⑤再結(jié)晶退火在再結(jié)晶溫度以上的退火，不發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。目的：消除加工硬化，細(xì)化晶粒。將工件加熱到1100℃左右，保溫10～15h，隨爐緩冷到350℃，再出爐空冷。目的：使原子充分?jǐn)U散，消除晶內(nèi)偏析。⑥均勻化退火(2)鋼的正火方法：將亞共析鋼加熱到Ac3以上30～50℃;過共析鋼Accm以上30～50℃;保溫后空冷。目的：①取代部分完全退火；②用于普通結(jié)構(gòu)鋼的最終熱處理；③同于過共析鋼，減少或消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化處理做準(zhǔn)備。應(yīng)用：①對一些大型或形狀復(fù)雜的零件，淬火有開裂的危險，用正火；②對于含碳量0.3～0.5％的鋼件，用正火代替退火；③含碳量低于0.3％的鋼件，采用正火，能提高硬度利于切削。

正火與退火的主要區(qū)別是：正火的冷卻速度較快，過冷度較大，因此正火后所獲得的組織比較細(xì)，強(qiáng)度和硬度比退火高一些。退火后組織正火后組織(2)鋼的淬火方法：在固態(tài)范圍內(nèi)，把鋼加熱到一定的溫度(亞共析鋼Ac3＋30～50°；共析鋼及過共析鋼Ac1＋30～50°)，保溫一定時間，在水、油等淬火介質(zhì)中快速冷卻下來的一種熱處理工藝。目的：獲得馬氏體組織，提高鋼的硬度和耐磨性。應(yīng)用:工具，模具，量具，滾動軸承。淬火工藝①淬火加熱溫度的選擇

選擇淬火加熱溫度的原則是獲得均勻細(xì)小的奧氏體。溫度不足，不能完全奧氏體化，有少量鐵素體，使淬火后硬度不足；溫度過高，奧氏體晶粒過大，也會增加脆性，使工件易裂，易變形。一般淬火加熱溫度在臨界點(diǎn)以上。亞共析鋼：Ac3+（30～50C）共析鋼：Ac1+（30～50C）過共析鋼：Ac1+（30～50C）②正確選擇淬火方法由于淬火冷卻介質(zhì)不能完全滿足淬火質(zhì)量的要求，所以在熱處理工藝方面還應(yīng)考慮從淬火方法上加以解決。單液淬火(普通淬火)：在一種淬火介質(zhì)中連續(xù)冷卻至室溫。（這種方法操作簡單，易機(jī)械化、自動化，通常工件是形狀簡單的碳鋼和合金鋼。在水中或鹽水中進(jìn)行單液淬火，操作雖然簡單，單液淬火變形大，如果采用油冷又難以取得淬硬的效果，這就可將油、水冷卻結(jié)合起來進(jìn)行如下的雙液淬火）。應(yīng)用：卡規(guī)、軸承、鋸條等。雙液淬火：

先在冷卻能力較強(qiáng)的介質(zhì)中冷卻到300℃左右,再放入冷卻能力較弱的介質(zhì)中冷卻,獲得馬氏體?！阌屠浞?。（雙液淬火廣泛應(yīng)用于各種零件或工具，能得到高硬度，又能減少淬火內(nèi)應(yīng)力，缺點(diǎn)是操作難，且未能很好地改進(jìn)工件表面與心部的溫差這一缺點(diǎn)。技術(shù)還要熟練）。應(yīng)用：齒輪、缸體、閥體等。分級淬火：把工件加熱到淬火溫度，經(jīng)保溫后，迅速冷卻到Ms點(diǎn)附近，稍加停留，待工件表面和中心溫度基本一致時，再取出放入油中或空氣中冷卻。

（這種淬火法由于在奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變前，工件的溫度經(jīng)等溫停留后逐漸趨于一致，使隨后的組織轉(zhuǎn)變得以在表層和內(nèi)部同時進(jìn)行，由此可大大減小淬火內(nèi)應(yīng)力和變形，主要應(yīng)用于形狀復(fù)雜、小尺寸的碳鋼和合金鋼。）應(yīng)用：刀具、量具和要求變形小的精密工件。

等溫淬火：把加熱到淬火溫度的工件，經(jīng)保溫后，放入稍高于Ms點(diǎn)的鹽浴或堿浴中，并等溫到奧氏體轉(zhuǎn)變成下貝氏體后，再取出空冷。應(yīng)用：形狀復(fù)雜的小零件，硬度較高，韌性好，防變形、開裂。缺點(diǎn)：時間長。③淬透性和淬硬性淬透性：鋼在淬火時具有獲得淬硬層深度的能力。淬硬性：在淬火后獲得的馬氏體達(dá)到的硬度,它的大小取決于淬火時溶解在奧氏體中的碳含量。(4)鋼的回火

定義：將淬火后的鋼重新加熱到Ac1以下某溫度，保溫一定時間，然后冷卻的一種工藝。（淬火鋼不經(jīng)回火一般不能直接使用。）

原因是：淬火馬氏體和殘余奧氏體是不穩(wěn)定組織；且淬火馬氏體極脆；淬火工件中有很大內(nèi)應(yīng)力，回火后可消除內(nèi)應(yīng)力，降低脆性，防止產(chǎn)生裂紋。經(jīng)回火后，將馬氏體中過飽和的碳，以碳化物形式析出，析出后，鋼的強(qiáng)度、硬度下降，塑性、韌性升高。目的：①降低材料的脆性、消除內(nèi)應(yīng)力；②獲得要求的力學(xué)性能；③穩(wěn)定工件尺寸；④降低合金鋼的硬度，使之易被切削。

回火種類與應(yīng)用根據(jù)對工件力學(xué)性能要求不同，按其回火溫度范圍，可將回火分為三種。

①

低溫回火

(150～250℃)

組織：回火馬氏體HRC58～64。主要用于要求高硬度，高耐磨的材料零件。例如：刃具、量具、模具、滾動軸承、滲碳、碳氮共滲和表面淬火的零件。②中溫回火（350～500℃）組織：回火屈氏體HRC35～45。應(yīng)用于需要較高彈性、韌性的材料零件等。例如：彈簧、板簧、發(fā)條、沖擊工具等。③高溫回火(500～650℃)

組織：回火索氏體HRC15～25（HB200～250）。應(yīng)用于受交變載荷作用的材料零件等。例如：軸、絲杠、齒輪、連桿等。

調(diào)質(zhì)一般作為最終熱處理，但也作為表面淬火和化學(xué)熱處理的預(yù)先熱處理。調(diào)質(zhì)后的硬度不高，便于切削加工，并能獲得較低得表面粗糙度值。淬火+高溫回火調(diào)質(zhì)處理1.10有色金屬

金屬材料分類黑色金屬(鋼鐵金屬)有色金屬(非鐵金屬)1.金屬材料

碳鋼合金鋼鑄鐵鋁銅鎂鈦，等1.10.1鋁及鋁合金（1）工業(yè)純鋁的性能特點(diǎn)密度小、導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能好、抗大氣腐蝕性好、塑性高、強(qiáng)度低、無磁性、無打擊火花、加工工藝性好等。（2）常用鋁合金分類形變鋁合金鑄造鋁合金（3）常用鋁合金1、變形鋁合金

防銹鋁（Al-Mg、Al-Mn）—LF，抗腐蝕性和塑性好，做油箱、油管、鉚釘?shù)?。硬鋁（Al-Cu-Mg）—LY，機(jī)械性能好，抗腐蝕性差；做螺旋槳葉片等。超硬鋁（Al-Cu-Mg-Zn）—LC，強(qiáng)度最高，抗腐蝕性差，做飛機(jī)大梁、起落架等。鍛鋁（Al-Mg-Si-Cu）—LD，機(jī)械性能和鍛造性能好，做鍛件、模鍛件等。Al-Si系鑄造鋁合金。鑄造性好、線收縮系數(shù)小、熱裂傾向小。是鑄造鋁合金中應(yīng)用最廣泛的一類。Al-Cu系鑄造鋁合金。有較高的強(qiáng)度、耐熱性，但密度大、耐蝕性差，鑄造性能不好。Al-Mg系鑄造鋁合金。耐蝕性好，強(qiáng)度高，密度小，但鑄造性能差，耐熱性低。Al-Zn系鑄造鋁合金。鑄造性能好，強(qiáng)度較高，但密度大，耐蝕性較差。2、鑄造鋁合金

1.10.2銅和銅合金

（1）工業(yè)純銅

密度大、導(dǎo)電及導(dǎo)熱性好、抗大氣腐蝕性好、塑性高、強(qiáng)度低、無磁性、無打擊火花、加工工藝性好等。又稱為紫銅。黃銅：Cu-Zn（2）銅合金的分類白銅：Cu-Ni

青銅：除黃銅和白銅以外的所有銅合金。（3）常用銅合金1.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。2.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+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