工程材料及机械制造基础ppt

1、朱世根朱世根 2014.2 一、课程的性质一、课程的性质 本课程是一门综合性的技术基础课，主本课程是一门综合性的技术基础课，主 要研究工程材料（主要是金属材料）的组要研究工程材料（主要是金属材料）的组 织、结构与性能，及其加工工艺的一门学织、结构与性能，及其加工工艺的一门学 科。科。 *承前启后：既应用到以前基础课的知识，又为以承前启后：既应用到以前基础课的知识，又为以 后专业课打基础。后专业课打基础。 *课程实践性强，理论上还很不成熟。课程实践性强，理论上还很不成熟。 1.1 1.1 材料性能材料性能 * * 不同的材料有不同的性能。不同的材料有不同的性能。 * * 同种金属材料也具有不同的

2、性能。为什么？同种金属材料也具有不同的性能。为什么？ 如：软、硬、变形、磨损等。如：软、硬、变形、磨损等。 * * 材料性能材料性能成分成分组织组织热处理工艺热处理工艺 1.1 1.1 材料的重要性材料的重要性 * * 科学和工业技术发展的基础。科学和工业技术发展的基础。 * * 反映人类社会文明程度的主要标志。反映人类社会文明程度的主要标志。 按制成工具的材料不同，可分为：按制成工具的材料不同，可分为： 石器时代石器时代 青铜器时代青铜器时代 铁器时代铁器时代 1.1 1.1 材料的分类材料的分类按属性分：按属性分： 黑色金属：钢、铁黑色金属：钢、铁 金属材料金属材料 有色金属：铜、铝、镁、

3、钛等及其合金有色金属：铜、铝、镁、钛等及其合金 陶瓷陶瓷 无机非金属材料无机非金属材料 玻璃玻璃 混凝土混凝土 塑料塑料 有机高分子（高分子聚合物）材料有机高分子（高分子聚合物）材料 橡胶橡胶 纤维纤维 金属基金属基 复合材料复合材料 纤维基纤维基 1.1 1.1 材料的分类材料的分类按性能分：按性能分： 结构材料：利用材料的力学性能，所制备的各结构材料：利用材料的力学性能，所制备的各 类器件或构件是为了承受各种形式类器件或构件是为了承受各种形式 的载荷，主要起支撑作用。的载荷，主要起支撑作用。 功能材料：具有特殊的电、磁、光、热、声、功能材料：具有特殊的电、磁、光、热、声、 力、化学性能和理

4、化效应的各种新力、化学性能和理化效应的各种新 材料。材料。 用以对信息和能量的感受、计划、用以对信息和能量的感受、计划、 输运、屏蔽、绝缘、吸收、控制、输运、屏蔽、绝缘、吸收、控制、 记忆、存储、显示、发射、转化和记忆、存储、显示、发射、转化和 变换的目的。变换的目的。 热加工：铸造、锻造、焊接等，（热处理）热加工：铸造、锻造、焊接等，（热处理） 冷加工：切削加工（机加工、钳工）冷加工：切削加工（机加工、钳工） 铸、锻、焊、切削加工铸、锻、焊、切削加工是以改变形状为主。是以改变形状为主。 热处理热处理 是以改变性能为主。是以改变性能为主。 二、内容二、内容 1 1、材料及热处理。、材料及热处理

5、。 2 2、铸造、锻造、焊接、切削加工。、铸造、锻造、焊接、切削加工。 三、要求三、要求 1 1、了解常用金属材料的性能及选用。、了解常用金属材料的性能及选用。 2 2、了解各种成型方法的工艺特点。、了解各种成型方法的工艺特点。 3 3、 零件的结构工艺性。零件的结构工艺性。 四、四、学习方法学习方法 1 1、课堂上认真听讲、课堂上认真听讲 2 2、课堂后归纳总结、课堂后归纳总结 3 3、课堂外多查资料、课堂外多查资料 要适当记忆、联系实际、反复运用要适当记忆、联系实际、反复运用 五、考核五、考核 重在平时小测验、作业、质疑、考试、上课提重在平时小测验、作业、质疑、考试、上课提 问。问。 注意

6、避免：一听就懂、一放就忘、一做就错、注意避免：一听就懂、一放就忘、一做就错、 一考就砸一考就砸 1 金属及合金的性能金属及合金的性能 L l力学性能力学性能 l受外力作用时反映出来的性能受外力作用时反映出来的性能 l弹性、塑性、刚度、强度、硬度、弹性、塑性、刚度、强度、硬度、 冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等。冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等。 L 屈服强度屈服强度 金属发生屈服现象时的屈服极限，材金属发生屈服现象时的屈服极限，材 料在载荷保持不变而变形继续续增加。抵抗微量塑料在载荷保持不变而变形继续续增加。抵抗微量塑 性变形的应力性变形的应力 抗拉强度抗拉强度材料在断裂前能承受的最大应力材料在断

7、裂前能承受的最大应力 )( 0 MPa F P s s )( 0 MPa F P b b 其中：其中：P PS S 试样产生屈服现象时的载荷试样产生屈服现象时的载荷(N) (N) P Pb b 试样在断裂前的最大载荷 试样在断裂前的最大载荷(N)(N) F F0 0 试样原来的横截面积试样原来的横截面积(mm(mm2 2) ) 屈服强度和抗拉强度在设计机械和选择、屈服强度和抗拉强度在设计机械和选择、 评定金属材料时有重要意义：评定金属材料时有重要意义： 金属材料不能在超过屈服极限的条件下工作，否则，金属材料不能在超过屈服极限的条件下工作，否则， 机件会塑性变形。机件会塑性变形。 金属材料不能在

8、超过抗拉强度的条件下工作，否则，金属材料不能在超过抗拉强度的条件下工作，否则， 机件会破坏。机件会破坏。 S S 安全安全 S S 断裂断裂 大多数量的零件设计的依据以大多数量的零件设计的依据以S S。 弹性弹性-金属材料在外力作用下产生变形金属材料在外力作用下产生变形, ,外力去外力去 除后恢复其原来形状的性能除后恢复其原来形状的性能. .所产生的随所产生的随 外力消失而消失的变形外力消失而消失的变形, ,称为弹性变形称为弹性变形. . 弹性变形大小与外力成正比弹性变形大小与外力成正比. . 塑性塑性-金属材料在外力作用下产生永久变形而不金属材料在外力作用下产生永久变形而不 至于引起破坏的性

9、能至于引起破坏的性能. . 外力去除后留下来外力去除后留下来 的这部分不可恢复的变形的这部分不可恢复的变形, ,称为塑性变形称为塑性变形. . 塑性变形大小与外力不成正比塑性变形大小与外力不成正比. . （1 1）延伸率）延伸率 =(L =(L1 1-L-L0 0)/L)/L0 0100%100% （2 2）断面收缩率）断面收缩率 =(F =(F0 0-F-F1 1)/F)/F0 0 100%100% 工程上一般工程上一般: : 5%5%的材料称为塑性材料，如低碳钢。的材料称为塑性材料，如低碳钢。 5%5%的材料称为脆性材料，如铸铁。的材料称为脆性材料，如铸铁。 l布氏硬度：布氏硬度： 以压痕

10、单位球面积上所承受载荷的以压痕单位球面积上所承受载荷的 大小，作硬度值。（大小，作硬度值。（HBHB） l洛氏硬度：洛氏硬度： 以压痕的深度来确定其的硬度值。以压痕的深度来确定其的硬度值。 （HRCHRC） lHBS HBS 压头为淬火钢球，用于测定较软金压头为淬火钢球，用于测定较软金 属材料（属材料（450HBS450HBW450HBW）。）。 l洛氏硬度洛氏硬度 20-67 HRC20-67 HRC。压头为金刚石圆。压头为金刚石圆 锥体。锥体。HRC1/10HBSHRC1/10HBS ak =AK/F (J/cm2) 其中：其中： A AK K冲断试样所需的冲击功（单位为冲断试样所需的冲击

11、功（单位为J J） F F试样断口处截面积（单位为试样断口处截面积（单位为cmcm2 2） 失失 效效断断 裂裂塑性变形塑性变形磨磨 损损 性性 能能b b ,a,ak k ,S SHB,HRCHB,HRC 如：比重、熔点、耐腐蚀性等。如：比重、熔点、耐腐蚀性等。 （材料适应成型加工工艺的能力，反（材料适应成型加工工艺的能力，反 映对材料成型加工的难易程度）映对材料成型加工的难易程度） l 铸造性能铸造性能 l 压力加工性能压力加工性能 l 焊接性能焊接性能 l 切削加工性能切削加工性能 l 热处理工艺性能热处理工艺性能 1 1、金属材料的机械性能中哪个性能最好？、金属材料的机械性能中哪个性能

12、最好？ 2 2、已知某钢材的、已知某钢材的S S =240 MPa =240 MPa，b b =400 =400 MPaMPa，在，在20mm20mm的拉杆上分别承受以下的拉的拉杆上分别承受以下的拉 力：力：F F1 1=5=510104 4N N；F F2 2=1=110103 3N N； F F3 3=1.5=1.510105 5N N。试问会产生什么现象？。试问会产生什么现象？ P22,(1),(2)P22,(1),(2) 一、碳钢 碳钢铁碳合金。C0.9%C0.9%时，时， lSiSi： SiSi、HBHB，、a ak k。 l但但SiSi含量少，故影响不大。含量少，故影响不大。 lM

13、nMn： MnMn、HBHB，并减少，并减少S S的危害。也的危害。也 MnMn含量少，故影响不大。含量少，故影响不大。 lS: S: 生成生成FeSFeS，FeSFeS与与FeFe形成晶体（形成晶体（985985熔熔 点），易热脆点），易热脆( (高温加工时容易产生裂纹高温加工时容易产生裂纹) )。 lP P： PP、HBHB，、a ak k。易冷脆。易冷脆 ( (钢在低温时的脆性急剧增加钢在低温时的脆性急剧增加) )。 1 1、碳及杂质对碳钢性能的影响、碳及杂质对碳钢性能的影响 （1 1）按钢的含碳量不同分：）按钢的含碳量不同分： l低碳钢低碳钢 Wc0.25%Wc0.25% l中碳钢中碳

14、钢 Wc=0.25%Wc=0.25%0.60%0.60% l高碳钢高碳钢 Wc0.60%Wc0.60% （2 2）按钢的质量（根据钢中）按钢的质量（根据钢中S S、P P含量）分含量）分: : l普通碳素钢普通碳素钢 S0.055%,P0.045%S0.055%,P0.045% l优质碳素钢优质碳素钢 S0.04%S0.04%，P0.04%P0.04% l高级优质碳素钢高级优质碳素钢 S0.03%S0.03%，P0.035%P0.035% （3 3）按用途不同分：）按用途不同分： l碳素结构钢：主要用于制造各种工程结构（如桥碳素结构钢：主要用于制造各种工程结构（如桥 梁、船舶、建筑等）、机器零

15、件（如齿轮、螺栓梁、船舶、建筑等）、机器零件（如齿轮、螺栓 等）。等）。 l这类钢一般为低碳钢和中碳钢。这类钢一般为低碳钢和中碳钢。 l碳素工具钢：主要用于各种刀具、量具和模具。碳素工具钢：主要用于各种刀具、量具和模具。 大多为高碳钢。大多为高碳钢。 （1 1）碳素结构钢）碳素结构钢 l如：如：Q235Q235。 l其中：其中： Q Q 屈服强度的屈服强度的“屈屈”汉字拼音字首，汉字拼音字首， 235 235 屈服强度的数值（屈服强度的数值（MPaMPa） 此类钢一般在供应状态下不热处理使用，此类钢一般在供应状态下不热处理使用， 必要时可进行锻造、焊接等热加工，亦可通过必要时可进行锻造、焊接等

16、热加工，亦可通过 热处理调整其机械强度。（用途见书中表格热处理调整其机械强度。（用途见书中表格: : 薄板、钢管、钢筋、冲压件、焊接件等）薄板、钢管、钢筋、冲压件、焊接件等） （2 2）优质碳素结构钢）优质碳素结构钢 l如：如：4545（0808，1010，1515，2020，5555，6060） l用两个数字表示其牌号。（钢中平均含碳用两个数字表示其牌号。（钢中平均含碳 量）。量）。 l优质碳素结构钢中的优质碳素结构钢中的S S、P P含量较少，一般用含量较少，一般用 于较重要的零件，常进行热处理提高其力学于较重要的零件，常进行热处理提高其力学 性能后使用。供货时既保证其力学性能又保性能后使

17、用。供货时既保证其力学性能又保 证其化学性能。证其化学性能。 l低碳钢：低碳钢： 、HBHB较低，较低，、a ak k较好。可焊性、可锻性较好。可焊性、可锻性 良好。良好。 主要用于制作冲压件、焊接件、渗碳件及强主要用于制作冲压件、焊接件、渗碳件及强 度要求不高的零件。度要求不高的零件。 l中碳钢：中碳钢： 、HBHB、a ak k 适中。经热处理后有较好适中。经热处理后有较好 的综合力学性能。的综合力学性能。 常用于齿轮、轴、连杆、丝杆等受力较大的常用于齿轮、轴、连杆、丝杆等受力较大的 零件。零件。 l高碳钢：高碳钢： 、HBHB、弹性较高，、弹性较高，、a ak k 较差。较差。 常用于制

18、造要求具有较高强度，耐磨性和常用于制造要求具有较高强度，耐磨性和 弹性的零件。弹性的零件。 如弹簧（板、螺旋、垫圈弹簧等）、轧辊、如弹簧（板、螺旋、垫圈弹簧等）、轧辊、 钢丝绳等。钢丝绳等。 （3 3）碳素工具钢）碳素工具钢 如：如：T12,T12AT12,T12A 其中：其中： T T 汉字汉字“碳碳”或汉字拼音字母或汉字拼音字母“T T”， 12 12 含碳量的的千分之几，含碳量的的千分之几， A A 高级优质钢。高级优质钢。 * *碳素工具钢都是高碳钢、优质钢。碳素工具钢都是高碳钢、优质钢。 * *碳素工具钢的热硬性差（碳素工具钢的热硬性差（20010o 亚晶界 Sub-grain Bo

19、undary 相邻晶体的位向差较小，几十分20 同素异构转变同素异构转变 在固态下由于温度的变在固态下由于温度的变 化（改变）而发生晶格改变的现象。重结晶。化（改变）而发生晶格改变的现象。重结晶。 铁的同素异构转变曲线：铁的同素异构转变曲线： 1. 总结以下概念 晶体，晶格(晶胞)，晶格常数，结晶，单(多)晶体， 晶粒，变质处理，过冷，同素异晶现象(转变) 2. 对晶体缺陷进行分类。 3. 结晶必须那些条件？如何细化晶粒？ 4. 画出金属常见的三种晶体结构，举出相应的2-3种金 属。 1. 常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和 晶格常数有什么特 点？ Fe、Fe、Al、Cu、Ni、Pb

20、、Cr、V、Mg、 Zn各属何种结构？ 2已知Fe的晶格常数（a3.63A）要大于Fe 的晶格常数（a2.89A ），但为什么Fe冷却到 912转变为Fe时，体积反而增大？ 3. 比较凝固组织的粗细（其它条件相同）： 1) 砂型与金属型铸造； 2) 厚与薄铸件 3) 有无变质处理； 4) 铸型是否预热 5) 浇注时有无振动 6) 浇注温度高与低 1 1、合金的晶体结构、合金的晶体结构 合金是工业上广泛应用的金属材料，如钢铁合金是工业上广泛应用的金属材料，如钢铁 就是由就是由FeFe和和C C组成的合金。组成合金的元素叫组成的合金。组成合金的元素叫 组元，在组元，在Fe-CFe-C合金中，合金中

21、，FeFe和和C C就是组元。就是组元。 在金属和合金的晶体组织中，凡化学成分、在金属和合金的晶体组织中，凡化学成分、 晶格结构和物理性能相同，并与其他部分有界晶格结构和物理性能相同，并与其他部分有界 面分开的均匀组成部分叫相。面分开的均匀组成部分叫相。 纯金属：固态时是一个相纯金属：固态时是一个相固相；液态时固相；液态时 也是一个相也是一个相液相；在熔化过程中，是固相液相；在熔化过程中，是固相 和液相的两相混合物。和液相的两相混合物。 在合金中，能找到几种成分和结构都相同在合金中，能找到几种成分和结构都相同 的均匀部分，该合金就有几个相组成。的均匀部分，该合金就有几个相组成。 液态下，大多数

22、合金组元能互相溶解，成液态下，大多数合金组元能互相溶解，成 为一个均匀的液相。如果这种相互溶解的状为一个均匀的液相。如果这种相互溶解的状 态在凝固后能保留下来，则可形成固溶体相。态在凝固后能保留下来，则可形成固溶体相。 如果合金凝固时组元之间相互反应，则形成如果合金凝固时组元之间相互反应，则形成 具有金属性质的金属化合物。具有金属性质的金属化合物。 固态合金的相结构：固溶体、金属化合物、固态合金的相结构：固溶体、金属化合物、 固溶体和金属化合物组成的混合物组织。固溶体和金属化合物组成的混合物组织。 2 2、铁碳合金的基本组织、铁碳合金的基本组织 在铁碳合金中，碳常以三种形式存在：在铁碳合金中，

23、碳常以三种形式存在： （1 1）石墨形态独立存在）石墨形态独立存在 （2 2）固溶体（碳溶解于铁的晶格中）固溶体（碳溶解于铁的晶格中） （3 3）金属化合物（碳和铁形成化合物）金属化合物（碳和铁形成化合物） （1 1）固溶体）固溶体 合金在固态下溶质原子溶入溶剂合金在固态下溶质原子溶入溶剂 晶格而保持溶剂晶格类型的金属晶体。晶格而保持溶剂晶格类型的金属晶体。 糖溶入水得到糖的水溶液糖溶入水得到糖的水溶液 糖水。水是糖水。水是 溶剂，糖是溶质。如糖水结成冰，则得到糖在水溶剂，糖是溶质。如糖水结成冰，则得到糖在水 中的固溶体。中的固溶体。( (溶剂溶剂含量较多的元素，保持含量较多的元素，保持 原晶

24、格。溶质原晶格。溶质无自身晶格，含量少无自身晶格，含量少) ) （2 2）固溶体是单相，它具有与溶剂金属相同的晶）固溶体是单相，它具有与溶剂金属相同的晶 格。其基本性能也同溶剂。格。其基本性能也同溶剂。 （3 3）根据溶解的方式不同，固溶体可分为：）根据溶解的方式不同，固溶体可分为： 置换固溶体（下页图）置换固溶体（下页图） 一部分溶剂晶格结点上的原子被溶质原子所代一部分溶剂晶格结点上的原子被溶质原子所代 替。在溶剂和溶质原子直径差别不大时易形成。晶替。在溶剂和溶质原子直径差别不大时易形成。晶 格会发生畸变，塑性变形阻力增加，强度和硬度升格会发生畸变，塑性变形阻力增加，强度和硬度升 高，这种溶

25、质原子使固溶体的强度和硬度升高的现高，这种溶质原子使固溶体的强度和硬度升高的现 象，叫固溶强化。象，叫固溶强化。提高合金机械性能的一个途提高合金机械性能的一个途 径。径。 间隙固溶体（下页图）间隙固溶体（下页图） 溶质原子溶入溶剂晶格的间隙之中。在溶质和溶质原子溶入溶剂晶格的间隙之中。在溶质和 溶剂原子直径之比小于溶剂原子直径之比小于0.590.59时形成。时形成。 溶剂晶格间隙有限，溶质溶解度不大。也使晶溶剂晶格间隙有限，溶质溶解度不大。也使晶 格畸变，产生固溶强化。格畸变，产生固溶强化。 (4) (4) 大多数固溶体的溶解度都是有限的，其饱和大多数固溶体的溶解度都是有限的，其饱和 溶解度都

26、随温度的升降而增减。溶解度都随温度的升降而增减。 金属化合物具有明显的金属性质，如碳钢金属化合物具有明显的金属性质，如碳钢 中的中的FeFe3 3C C、黄铜中的、黄铜中的CuZnCuZn等。而一般化合物没等。而一般化合物没 有金属性质，如有金属性质，如FeSFeS、MnSMnS等。等。 金属化合物通常具有复杂的晶格结构。金属化合物通常具有复杂的晶格结构。 金属化合物具有较高的熔点、较大的脆性金属化合物具有较高的熔点、较大的脆性 和较高的硬度。合金中含金属化合物时，将使和较高的硬度。合金中含金属化合物时，将使 合金的强度、硬度和耐磨性提高，而塑性降低。合金的强度、硬度和耐磨性提高，而塑性降低。

27、 以金属化合物作为强化相强化金属的方法称为以金属化合物作为强化相强化金属的方法称为 第二相强化。第二相强化。 基本组织有以下四种：基本组织有以下四种： （1 1）铁素体）铁素体 F F （2 2）奥氏体）奥氏体 A A （3 3）渗碳体）渗碳体 FeFe3 3C C （4 4）珠光体）珠光体 P P （5 5）莱氏体）莱氏体 LeLe 碳溶解于碳溶解于FeFe中的间隙固溶体。（保持中的间隙固溶体。（保持 FeFe的体心立方晶格）的体心立方晶格） 碳原子的溶入引起晶格畸变，碳原子的溶入引起晶格畸变，、HBHB， 、a ak k F F的溶碳能力很小，的溶碳能力很小，727727时最大也只能固溶时

28、最大也只能固溶 0.02%0.02%的碳。（室温时，的碳。（室温时，0.0008%C0.0008%C） F F的性能接近纯铁，的性能接近纯铁，、HBHB低，低，、a ak k很好。很好。 （低碳钢中（低碳钢中F F较多）较多）=30=3050%50%，b b =180 =180 280MPa 280MPa ，HB=80HB=80 在显微镜下为均匀明亮的多边形晶粒。在显微镜下为均匀明亮的多边形晶粒。 l碳溶解于碳溶解于FeFe中的间隙固溶体。中的间隙固溶体。 （保持（保持FeFe的面心立方晶格）的面心立方晶格） lA A溶解碳的能力较大，在溶解碳的能力较大，在11481148时可最大达时可最大达

29、 2.11%2.11%的碳，随着温度的下降，在的碳，随着温度的下降，在727727为为0.77%0.77% 的碳。的碳。 lA A属高温组织（属高温组织（727727以下不存在），故以下不存在），故、HBHB 不高，不高，很好。（无磁性）很好。（无磁性） l性能：塑性很好、硬度不高。性能：塑性很好、硬度不高。=40=4050%50%，HBSHBS =170=170220220。是钢在高温进行压力加工所要求的。是钢在高温进行压力加工所要求的 组织。组织。 l显微镜下晶粒为多边形，晶界比显微镜下晶粒为多边形，晶界比F F平直。平直。 lFeFe3 3C C是铁和碳形成的金属化合物。是铁和碳形成的金

30、属化合物。 （具有复杂的晶格）（具有复杂的晶格） lFeFe3 3C C中的碳的含量为中的碳的含量为6.69%6.69%，其性能，其性能HBHB高，高，低，低， 很差，硬而脆。很差，硬而脆。、a ak k 0 0，熔点，熔点16001600， 硬度硬度800HB 800HB l在钢中与其他组织共存时，可呈片状、网状或在钢中与其他组织共存时，可呈片状、网状或 粒状。粒状。 FeFe3 3C C的形状、大小、分布和数量对钢的的形状、大小、分布和数量对钢的 性能有极大的影响。性能有极大的影响。 l FeFe3 3C C在一定条件下可分解成铁和石墨。在一定条件下可分解成铁和石墨。 l含碳量为含碳量为0

31、.77%0.77%的的A A同时析出同时析出F F和和FeFe3 3C C的机械混的机械混 合物。（共析反应）合物。（共析反应） lP P是软的是软的F F片和硬的片和硬的FeFe3 3C C片相间的机械混合物。片相间的机械混合物。 性能介于两者之间：性能介于两者之间：=20=2025%25%，b b =600 =600 800MPa800MPa，HBS=170HBS=170230230 l由由A A和和FeFe3 3C C 组成的机械混合物，只在组成的机械混合物，只在727727度以度以 上存在。上存在。 l在在727727度以下是度以下是P P和和FeFe3 3C C组成的机械混合物。组成

32、的机械混合物。 l机械性能与机械性能与FeFe3 3C C类似，硬度很高（类似，硬度很高（HB700HB700）, , 塑性极差。塑性极差。 F F、A A、FeFe3 3C C、P P、LeLe组织的性能见下页表。组织的性能见下页表。 名称名称 符号符号 结合类型结合类型 b b (Mpa)(Mpa) HB (%)(%) a ak k (J) (J) 铁素铁素 体体 F或或C在在-Fe中的固中的固 溶体溶体 230 80 50 160 渗碳渗碳 体体 Fe3CFe和和C的化合物的化合物 30 8000 0 珠光珠光 体体 PF和和Fe3C的层片的层片 状机械混合物状机械混合物 750 180

33、20252432 F F的塑性和韧性最好的塑性和韧性最好, ,硬度最低硬度最低;P;P的强度最高的强度最高, ,塑塑 性和韧性介于性和韧性介于F F和和FeFe3 3C C之间。之间。 铁碳合金状态图是研究铁碳合金在平衡状态铁碳合金状态图是研究铁碳合金在平衡状态 下的组织随温度和成分变化的图形。下的组织随温度和成分变化的图形。 l铁碳合金状态图（实际上是铁碳合金状态图（实际上是FeFeFeFe3 3C C状态图）状态图） （由于含碳量大于（由于含碳量大于6.69%6.69%的铁碳合金在工业上的铁碳合金在工业上 已无实用价值，因此实用的铁碳状态图只研究含已无实用价值，因此实用的铁碳状态图只研究含

34、 碳量由碳量由0 06.69%6.69%的部分，即的部分，即FeFeFeFe3 3C C状态图）。状态图）。 研究纲和铁的成分、温度和组织结构之间关系的研究纲和铁的成分、温度和组织结构之间关系的 工具。工具。 l重要特性点重要特性点 P9 B1-4P9 B1-4 l主要线主要线 P9 B1-4P9 B1-4 l面（区域）面（区域） l重要特性点重要特性点 P9 B1-4P9 B1-4 特性点特性点温度温度 含碳量含碳量 含义含义 A A15381538 0 0纯铁熔点纯铁熔点 C C11481148 4.3%4.3%共晶点共晶点 D D12271227 6.69%6.69%FeFe3 3C C

35、熔点熔点 E E11481148 2.11%2.11% C C在在A A中最大溶解度中最大溶解度 F F11481148 6.69%6.69%FeFe3 3C C成分成分 G G9129120 0 FeFe FeFe转变转变 点点 主要线主要线 P9 B1-4P9 B1-4 特性线特性线 含含 义义 AC AC 液相线，液态合金开始结晶出液相线，液态合金开始结晶出A A CD CD 液相脱溶线，液相开始脱溶出液相脱溶线，液相开始脱溶出FeFe3 3C C AE AE固相线，固相线，A A结晶终了线结晶终了线 GS GSA A转变为转变为F F开始线，开始线，A A3 3 GP GPA A转变为

36、转变为F F终了线终了线 l二条平行线（二条平行线（ECFECF、PSKPSK）表示恒温反应：）表示恒温反应： ECFECF：1148 1148 发生共晶反应发生共晶反应 Lc - ALc - AE E + Fe + Fe3 3C C PSK: 727 PSK: 727 发生共析反应发生共析反应 A As s - F - FP P + Fe + Fe3 3C C lESES线（线（AcmAcm线）线）:C:C在在A A中的固溶线。中的固溶线。 1148 1148 ：C C在在A A中最大溶解度中最大溶解度2.11%2.11% 727 : C 727 : C在在A A中最大溶解度中最大溶解度0.

37、77%0.77% 凡含碳量大于凡含碳量大于0.77%0.77%的的Fe-CFe-C合金从合金从1148 1148 冷到冷到 727 727 ，均从，均从A A晶界析出二次渗碳体（晶界析出二次渗碳体（ FeFe3 3C C ）。）。 lPQPQ线：线： C C在在F F中的固溶线。（中的固溶线。（727 727 ：0.02%,0.02%,室室 温：温：0.0008%0.0008%）。）。 一般一般Fe-CFe-C合金从合金从727 727 冷却冷却 到室温，均从到室温，均从F F晶界析出三次渗碳体（晶界析出三次渗碳体（FeCFeC） l铁碳合金相图上的各种合金，按含碳量和组织的铁碳合金相图上的各

38、种合金，按含碳量和组织的 不同，分为以下三类：不同，分为以下三类： （1 1）工业纯铁（）工业纯铁（C0.02%C0.02%） (2) (2) 钢（钢（0.02-2.11%C0.02-2.11%C）: : 亚共析钢（亚共析钢（0.77%C0.77%C)(0.77%C) (3) (3) 白口铸铁白口铸铁(2.11-6.69%):(2.11-6.69%): 亚共晶白口铸铁（亚共晶白口铸铁（4.3%4.3%)(4.3%) 补充：共晶转变补充：共晶转变 l 液态到固态的过程即结晶过程。液态到固态的过程即结晶过程。 l 含碳量大于含碳量大于2.11%2.11%的铁碳合金冷却到的铁碳合金冷却到114811

39、48均均 发生共晶转变。发生共晶转变。 l 共晶转变是在共晶转变是在11481148的恒温下，从含碳的恒温下，从含碳4.3%4.3%的的 液态合金中同时结晶出液态合金中同时结晶出A A和和FeFe3 3C C晶体的机械混合晶体的机械混合 物。（即高温莱氏体物。（即高温莱氏体LdLd，反应的产物是在共晶渗，反应的产物是在共晶渗 碳体的基体上分布着粒状奥氏体的机械混合物）碳体的基体上分布着粒状奥氏体的机械混合物） l 所谓共晶是指合金在一定的条件（温度、成所谓共晶是指合金在一定的条件（温度、成 份）下，由液态合金中同时结晶出两种不同的份）下，由液态合金中同时结晶出两种不同的 晶体，而形成一种特殊构

40、造的共晶体组织的转晶体，而形成一种特殊构造的共晶体组织的转 变。变。 l 共晶反应（转变）：共晶反应（转变）： l 共晶转变如同纯铁的结晶一样是在恒温下进共晶转变如同纯铁的结晶一样是在恒温下进 行的。行的。 右边写组织右边写组织 Ld Ld A+Fe A+Fe3 3C C 左边写转变左边写转变 LdLd P+ Fe P+ Fe3 3C C（称低温莱氏体）（称低温莱氏体） l共析反应共析反应: : 含碳量为含碳量为0.77%0.77%的的A A，冷却到，冷却到727727发生共析发生共析 反应。反应。 l其反应是在恒温下进行，产物是片状其反应是在恒温下进行，产物是片状P P。 根据含碳量与共析成

41、分的点，可将钢分成根据含碳量与共析成分的点，可将钢分成 三类：三类： l 三类钢在缓慢冷却时的转变：三类钢在缓慢冷却时的转变： （右边写组织，左边写转变）（右边写组织，左边写转变） l 三类钢的室温金相组织。三类钢的室温金相组织。 见投影见投影 在铸造中的应用在铸造中的应用：（：（1 1）确定合适浇注温度；（）确定合适浇注温度；（2 2） 纯铁和共晶成分的纯铁和共晶成分的Fe-CFe-C合金凝固温度区间为零，合金凝固温度区间为零， 流动性好，可获得致密铸件。流动性好，可获得致密铸件。 在锻造中的应用：帮助确定合适的锻轧温度。在锻造中的应用：帮助确定合适的锻轧温度。 在热处理方面的应用：下章详细

42、讨论。在热处理方面的应用：下章详细讨论。 l作业：作业： （1 1） 4545钢从液态冷却到室温是什么组织？钢从液态冷却到室温是什么组织？ （2 2） 为什么为什么4545钢（钢（T10T10钢）的含碳量小于（大于）钢）的含碳量小于（大于） 0.77%0.77%，但它冷却到，但它冷却到PSKPSK线（即线（即A1A1）也发生共析反）也发生共析反 应？应？ （3 3）写出）写出4545钢，钢，6565钢从液态缓慢冷却到室温时的钢从液态缓慢冷却到室温时的 转变。转变。 l热处理 通过对钢在固态下的加热、 保温和以不同速度冷却的方法来改变钢 的内部组织结构，从而达到改善和提高 其性能的一种工艺方法。

43、 l热处理伴随固态相变或扩散。 *在整个热处理过程中，不允许改变钢件的形状和尺寸。 热处理 普通热处理（退火、正火、淬火、回火） 表面热处理（表面淬火、渗碳、渗氮、碳氮共渗等） l退火 将钢加热到AC3（亚共折钢）或AC1 （过共折钢）以上2030或低于AC1的某一温度， 保温后缓冷。（随炉冷却，100/h） l目的： 细化晶粒（可提高、ak） 降低硬度（便于切削加工） 消除内应力（以及加工硬化）、（可防变形和 开裂） l 将亚共折钢AC3加热到以上3050，保温 后缓冷。 l 加热得细晶粒的A，冷却后得细晶粒FP。 l 目的： 细化晶粒；降低硬度；消除内应力。 l将过共析钢加热到AC1以上2

44、030，保温 后缓冷。 l原因：过共析钢未经退火时的组织为片状 P+网状Fe3C，其硬度高，不利于切削加工。 球化退火后组织为F的基体上分布粒状Fe3C， 称为球状P。P球的硬度较低，适合于切削加 工，并能防止淬火时产生裂纹。 l目的：使片状或网状Fe3C球化，软化钢件 便于切削加工，为淬火作组织准备。 l将钢加热到500650，保温后缓冷。 l目的： 消除内应力。 （钢的组织不发生变化）。 （也可放在露天一年）。 （在缓冷过程中，使工件各部分均匀冷却 和收缩，从而消除内应力）。 l将钢加热到AC3线以上（亚共析钢）或Acm 线以上（过共析钢）3050,保温后在 空气中冷却。 l正火得到的组织

45、接近于平衡状态的组织， 但它的V正比V退稍快，所以得到组织较细。 （如：S体），因而HB、比退火钢高。 对于过共析钢，正火可抑制或消除网状 Fe3C。 l目的： 作为最终热处理。（对不太重要的零件，正火 后性能已满足要求）（低碳钢防粘刀） 作为预备热处理。（对重要零件在热处理前调 整组织，如球化退火前正火，可减少二次Fe3C 数量，使其不易连续成网状；合金钢调质前均 要正火，以获得细密而均匀的组织。 经济。（V正比V退快，不占用设备，生产周期短） l淬火是将钢加热到AC3线以上（亚共析钢） 或Ac1线以上（过共析钢）3050,保 温后快速冷却。 碳钢在水中冷却 合金钢在油中冷却 l亚共析钢加热

46、到AC3线以上后为A，快冷后得到 M+A残。 l过共析钢加热到AC1线以上后为A+Fe3C，快冷后 得到M均匀、细小+Fe3C粒+A残（较少）。 * 其中Fe3C的存在不仅不降低钢的HB，而且还会 提高耐磨性。如加热到Acm线以上，则会使A晶 粒变粗，淬火后得粗大M，同时易引起严重变 形和开裂，钢中A残也增多。 * M碳在Fe中的过饱和的固溶体。 M硬而脆，其硬度随含碳量增加而增加。 20钢：淬火后得低碳M+A残，HRC50， 原因是M体中过饱和程度小。 T12钢：淬火后得高碳M+ Fe3C+A残，HRC65， 原因是M体中过饱和程度大，以及有Fe3C。 45钢：淬火后得M+A残，HRC505

47、5。 l淬火目的： l提高硬度、耐磨性。 l冷却剂选用：V盐水V水V油 * 冷却速度V的快慢与水冷、油冷有关。如同样用 水淬，小件V很大，而大件V小。 * V油要比V水好，主要是变形小，不易开裂。（故 合金钢用油淬）。 lM是一种不稳定的组织，在一定条件下经过一定 时间，它们有可能分解向平衡态转变。这将会 引起工件变形甚至开裂。所以淬火后的工件要 及时进行回火处理。 l将淬火钢加热到AC1线以下某一温度，保 温后在冷却。（一般在空气中冷却） * 调质处理淬火高温回火。 低温回火得：回火马氏体 M(=M+弥散碳化物，此时 M含量 ，但仍为片状) 中温回火得：回火屈氏体 T(=F+Fe3C细粒)

48、高温回火体：回火索氏体 S(=F+Fe3C粗粒) P （F+Fe3C 片状，小于500倍显微镜下可分 辨片状） S（ F+Fe3C 细片状，5001500倍显微镜下 可分辨细片状） T（ F+Fe3C 极细片状，5000倍以上电子显 微镜下可分辨极细片状） 只改变零件表面组织和性能，而不改变表层 化学成份。表面淬火。 同时改变表层的化学成份和组织。渗碳、渗 氮、碳氮共渗等。 l问：某厂用T10A钢制造冷作模具，经淬火及 低温回火使用；用45钢制造齿轮，经调质后使 用。若它们两种材料搞混了，经热处理后会怎 样？ l问：亚共析钢的淬火温度为Ac3以上3050 ， 若淬火温度过高或过低有什么不好？

49、l问：为什么过共析钢淬火温度加热到Ac1 3050以上，而不加热到Accm以上？ l问：实验室里开了六个电炉，温度分别为 910 、840 、780 、600 、400 、 200 。现有材料15钢、45钢、T12钢。问： 若要进行退火处理，三种材料分别放在那个 炉子里加温？ 若要制作钳工用锯条，选用什么样的材料？ 并写出热处理工艺以及处理后的组织是什么？ 目的是什么？ 若要制作轴，选用什么材料？并写出热处理 工艺以及处理后的组织是什么？目的是什么？ 随着现代科学技术的不断发展，对 使用的钢材提出了越来越高的要求。要 求钢材具有高强度、高韧性、高耐磨性 以及耐高温、抗氧化、抗腐蚀等性能。 碳钢

50、是远远不能满足这些要求的。 合金钢为了改善钢的性能特意在 碳钢的基础上加入某些合金元素所获得 的钢种。 l合金钢中常加入的合金元素有： Mn,Si,Cr,Ni,Mo,W,V,Ti等 l在合金钢中加入合金元素的目的： 提高钢的机械性能。(如 ,HB, ak等) 改善钢的热处理工艺性能。(如提高淬透 性，减少淬火变形等) 使钢获得某种特殊的性能。(如耐腐蚀、 耐热等) 牌号Q23520CrMnTi4540Cr S (Mpa)235850355800 合金结构钢 合金工具钢 特殊性能钢 合金钢按用途可分为 l合金结构钢是用来制造各种机器零件及 各类工程结构的钢。 l牌号表示 “数字+合金元素符号（或

51、 汉字）+数字 ” 前面的数字表示钢的含碳量的万分之几 元素符号表示钢中所含的合金元素 后面的数字表示前面合金元素的百分之几 平均含量。（四舍五入，若1.5%则不标） *若为高级优质钢，则在牌号最后加“A”。(或 高) l如：30CrMnSi，20CrMnTi，60Si2Mn. 名 称牌 号热处理用 途 普通 低合金钢 16Mn (Q235) 供货状态 （热轧） 桥梁、车辆、建筑、 容器等 合金渗碳钢 20CrMnTi (20) 渗碳+淬火 +低温回火 （耐磨、冲击）齿 轮、凸轮、活塞销 等 合金调质钢 40Cr (45) 淬火+高温 回火 齿轮、主轴、花键 轴、连杆等 l合金工具钢是用来制造

52、刃、量、模具等 各种工具。 l牌号表示“数字（或无数字）+化学 元素符号+数字 ” 前面的数字表示钢中平均含碳量的千分之几。 （ 1%C不标，高速钢例外）。 其余同合金结构钢表示方法 名 称牌 号用 途 刃具钢 9SiCr W18Cr4V 扳牙、丝锥、铰刀、钻头等 车刀、铣刀、刨刀、高速钻头等 量具钢 CrWMn 9SiCr 高精度块规，螺纹塞规等 模具钢Cr12MoV 冷变形模具 （如：冷冲模、拉丝模等） 如：不锈钢、1CrNi9Ti、0Cr18Ni9Ti等。 1Cr13、2Cr13、3Cr13等。 l腐蚀是金属制件经常发生的一种现象 （约占其产量的10%）。 化学腐蚀（如钢在高温下的氧化）

53、 电化学腐蚀（如钢在室温时的氧化（即生锈） 腐蚀 *（大部分腐蚀属于电化学腐蚀） F的电极电位较负，成为阳极被腐蚀。 Fe3C电极电位较正，成为阴极而不被腐蚀。 P （置于硝酸酒精溶液中） l防止腐蚀的途径： 提高合金本身的电 极电位。 在铁中加入大于13% 的铬后，则铁的电极电 位由0.56V突然升至 0.2V，因此其抗蚀性显 著提高。 铁铬合金的电极电位 （大气条件） 在钢中同时加入铬和镍，可能形成单一奥氏 体组织。 l分类： 按组织分 马氏体不锈钢 铁素体不锈钢 奥氏体不锈钢 按成份分 铬不锈钢 铬镍不锈钢 铬锰氮不锈钢 1Cr13，2Cr13（汽轮机叶片、螺栓、螺帽等） 3Cr13，4

54、Cr13（医疗工具如手术刀，量具等） M 0Cr18Ni9Ti，1Cr18Ni9Ti （耐酸设备，化工容器等 A F 1Cr17 （管道、酸槽、食品设备等 l铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。 （另外其Si、Mn、S、P均比钢中高） l根据铸铁中碳的存在形式不同分类： 白口铸铁 灰口铸铁 l其碳几乎全部以化合物（Fe3C）状态存在，断口 成银白色（故称白口） l其性能硬而脆，很难进行切削加工（故很少用） l有时利用它的高硬度、耐磨性好的特点，制造一 些要求表面有高耐磨性的机件。 如轧辊（表面），球磨机的内衬和磨球、犁铧等 l目前白口铸铁主要用作炼钢原料和生产可锻铸铁 的毛坯。 l其中碳全部

55、或大部分以石墨形式存在，因 断口呈暗灰色而得名。 l它是生产上应用最广泛的铸铁。 l根据灰口铸铁中石墨形状不同，灰口铸铁 可分为： 普通灰口铸铁（简称灰铸铁） 其石墨成片状， HT150，(仅钢2030%) 可锻铸铁 其石墨成团紫状， KTH300-06，(仅钢5070%) 球墨铸铁 其石墨成球状， QT600-02，(仅钢7090%) l石墨G在铸铁约占体积710%，它的 20MPa， HB 3，、ak 几乎为零。 如：铅笔芯=G+粘土，但它的抗压强度接近钢。 l片状石墨：缩减作用； 割裂作用。 灰铸铁组织=钢的基体+G片 共析钢 P+G片 亚共析钢 P+F+ G片 F+ G片 G片 细小

56、粗大 高 低 ,HB l灰铸铁的铸造工艺性优异、 价格低廉、故在工业生产 上应用最广，其产量约占 各类铸铁产量的80%以上。 l灰铸铁主要应用于盖、支 柱、底座、箱体、机体、 阀体、缸体等。 铸造工艺性 切削工艺性 好 好 焊接性能 锻造性能 热处理性能 差 差 差 减振性 减磨性 缺口敏感性 好 好 好 其他性能 共析钢正火状态 b 900MPa P基体的灰铸铁b 200 250MPa l 工业上把铁及其合金称为黑色金属， 把其它金属及其合金统称为有色金属。 工业纯铜 （由于表面形成氧化膜，外观呈紫红色，习惯 上称为紫铜） 含铜量：99.599.95% （常含氧、硫、铅、砷、铋等杂质） 比重

57、：8.94 熔点：1083 纯铜具有优良的导电性、导热性、抗大气腐蚀性。 纯铜的强度低 b=200250 MPa，塑性好， =4550% 冷变形后，b=400500 MPa，塑性好，=5% l纯铜具有面心立方晶格，无同素异构转变。 l常用工业纯铜的牌号有T1、T2、T3、T4。其中 “T”为铜字的汉语拼音的第一个字母，后面数字 表示顺序号。顺序号越高，其杂质含量也越高。 （即铜的纯度越低）。 l工业纯铜主要用于制造导体（如电线），热 交换器和油管等。 l由于纯铜的机械性能不高，不宜直接用作结 构件，须配制成铜合金后再使用。常用的铜 合金有黄铜和青铜。 l黄铜是以锌为主要添加元素的铜合金。 l根

58、据黄铜中所含其它合金元素的种类： 普通黄铜（铜锌合金） 特殊黄铜（在铜锌合金中再加入铝、铅、锰、 锡等元素。） l黄铜的力学性能取决于含锌量： 当含锌量32%时，随含锌量的增加，强度继续 升高、而塑性降低。（有硬脆相） 当含锌量45%时，强度和塑性都急剧下降。 （组织全部是硬脆相） l普通黄铜的牌号用“黄”字的汉语拼音的第一个 字母“H”加铜量的百分数表示。 如 H70含铜量70%，含锌量30%。 ZH62含铜量62%，含锌量38%，铸造黄铜。 l 黄铜主要用于制造弹簧，衬套及耐蚀零件，如 ： H90 艺术品（又称金色黄铜） H68 子弹壳 H62 螺钉、螺母、垫圈、弹簧等 普通青铜（或锡青铜）Cu-Sn合金。 （铜与镍的合金称为白铜） 特殊青铜（或无锡青铜）（以Al、Si、Pb等元素） 当Sn 5 6% 时， ，； 当Sn 2.5 % 时， 。 l锡青铜主要用来制造各种耐磨件，耐蚀件 及弹性元件，如轴承、弹簧等。 当Sn 10%, 常采用铸造方式成形，称为铸造锡 青铜。(如ZCuSn10Pb1, 其中Sn为10%，Pb为