汽车工程材料

1、汽车汽车机械基础机械基础项目一项目一 汽车工程材料汽车工程材料 任务一任务一 汽车常用材料主要性能分析汽车常用材料主要性能分析任务二任务二 铁碳合金铁碳合金任务三任务三 汽车典型零件热处理汽车典型零件热处理任务四任务四 汽车零件常用材料汽车零件常用材料汽车汽车机械基础机械基础汽车汽车机械基础机械基础任务引入任务引入图图1-1 1-1 汽车曲轴、活塞、齿轮汽车曲轴、活塞、齿轮汽车汽车曲轴、活塞、齿轮的曲轴、活塞、齿轮的主要性能有哪些？主要性能有哪些？汽车汽车机械基础机械基础1 1掌握汽车常用材料的性能指标。掌握汽车常用材料的性能指标。2 2具有对不同汽车零件进行主要性能具有对不同汽车零件进行主要

2、性能 分析的能力。分析的能力。学习目标学习目标汽车汽车机械基础机械基础相关知识相关知识 一、金属材料的使用性能一、金属材料的使用性能 二、金属材料的工艺性能二、金属材料的工艺性能 汽车汽车机械基础机械基础 力学性能力学性能是指金属材料在是指金属材料在外力外力的作用下表现出来的作用下表现出来的特性。的特性。力力 学学 性性 能能 指指 标标强度强度硬度硬度疲劳强度疲劳强度塑性塑性冲击韧性冲击韧性（一）力学性能（一）力学性能一、金属材料的使用性能一、金属材料的使用性能汽车汽车机械基础机械基础（一）力学性能（一）力学性能两个定义：两个定义： 载荷载荷: : 金属材料在加工及使用过程中所受到的金属材料

3、在加工及使用过程中所受到的外力外力。 变形变形: : 金属材料受金属材料受载荷载荷作用而发生的几何形状和尺寸作用而发生的几何形状和尺寸 的变化称为变形。的变化称为变形。分类分类: : 静载荷、冲击载荷、变载荷静载荷、冲击载荷、变载荷分类分类: : 弹性变形、塑性变形弹性变形、塑性变形汽车汽车机械基础机械基础a.a.拉伸试样拉伸试样按国标规定按国标规定标准拉伸试样标准拉伸试样可分为：可分为： （1 1）板形试样：板形试样：原材原材料为板材或带材。料为板材或带材。短试样短试样l l0 0 5d5d0 0。 l l0 0为为试样标距试样标距，d d0 0为为试样直径试样直径。（2 2）圆形试样：圆形

4、试样：长试样长试样l l0 010d10d0 0，强度强度和和塑性塑性是根据是根据拉伸试验拉伸试验测定出来的。测定出来的。标准拉伸试样标准拉伸试样d d1 1汽车汽车机械基础机械基础拉伸试验机拉伸试验机标准拉伸试样标准拉伸试样d d1 1汽车汽车机械基础机械基础 缩颈现象缩颈现象 拉伸试验中得出的拉伸试验中得出的拉伸力拉伸力f f与与伸长量伸长量l l的关系曲线。的关系曲线。 屈服屈服弹性弹性变形变形缩颈缩颈断裂断裂塑性塑性变形变形b.b.拉伸曲线（力拉伸曲线（力- -伸长曲线）伸长曲线）图图1-4 1-4 低碳钢低碳钢的拉伸曲线（应力的拉伸曲线（应力应变曲线）应变曲线）强化强化汽车汽车机械基

5、础机械基础c.c.应力应力- -应变曲线应变曲线（1 1）应力应力：单位面积上试样承受的载荷。单位面积上试样承受的载荷。（2 2）应变：应变：单位长度的单位长度的 伸长量。伸长量。应力应力- -应变曲线应变曲线0 (mpa)fa0ll汽车汽车机械基础机械基础1 1强度强度（1 1）屈服强度和规定残余伸长应力）屈服强度和规定残余伸长应力 材料的屈服强度（屈服极限），用材料的屈服强度（屈服极限），用 s s表示。表示。ss0 (mpa)fa 材料的材料的规定残余伸长应力规定残余伸长应力，用，用 0.20.2表示。表示。0.20.20 (mpa)fa 强度强度是材料在载荷（外力）作用下抵抗是材料在载

6、荷（外力）作用下抵抗塑性变形塑性变形和和断裂断裂的的能力。能力。汽车汽车机械基础机械基础 在拉伸试验中具在拉伸试验中具有有屈服现象屈服现象的金属材的金属材料称为料称为塑性材料塑性材料，而，而工程上使用的金属材工程上使用的金属材料，大多数料，大多数没有明显没有明显的屈服现象的屈服现象，这类金，这类金属材料称为属材料称为脆性材料脆性材料。有些脆性材料，不仅有些脆性材料，不仅没有屈服现象，而且没有屈服现象，而且也也不产生缩颈不产生缩颈。铸铁的拉伸曲线铸铁的拉伸曲线 汽车汽车机械基础机械基础（2 2）抗拉强度）抗拉强度bb0 (mpa)fa 在工程上把在工程上把 称为称为屈强比屈强比。 屈强比高屈强比

7、高表示材料的抗变形能力较强，不易发生塑性变形表示材料的抗变形能力较强，不易发生塑性变形，材料强度的有效利用率高；材料强度的有效利用率高； 屈强比低屈强比低表示材料的塑性较好，零件的安全可靠性越高。表示材料的塑性较好，零件的安全可靠性越高。sb/屈服强度屈服强度和和抗拉强度抗拉强度是机械零件设计和选材的主要依据。是机械零件设计和选材的主要依据。 材料的抗拉强度，用材料的抗拉强度，用 b b表示。表示。汽车汽车机械基础机械基础2 2塑性塑性（1 1）断后伸长率）断后伸长率塑性塑性是材料断裂前发生是材料断裂前发生不可逆塑性变形不可逆塑性变形的能力。的能力。试样拉断后，试样拉断后，标距伸长量标距伸长量

8、和和原始标距原始标距的百分比。的百分比。100100%lll 5% 5%，塑性塑性材料；材料； 5% 5%，脆性脆性材料。材料。 长试样：长试样： ；短试样：短试样： 。105汽车汽车机械基础机械基础 试样拉断后，试样拉断后，横截面积的缩减量横截面积的缩减量与与原始横截面积原始横截面积的的百分比。百分比。（2 2）断面收缩率）断面收缩率010100%aaa 材料的材料的或或值越大值越大，表示材料的，表示材料的塑性越好塑性越好。塑性直接影。塑性直接影响到零件的成形加工及使用。响到零件的成形加工及使用。 汽车汽车机械基础机械基础3 3硬度硬度 硬度硬度是指金属材料抵抗是指金属材料抵抗局部变形局部变

9、形，特别是，特别是塑性变形、压痕塑性变形、压痕或或划伤划伤的能力。的能力。布氏硬度布氏硬度 hb hb 洛氏硬度洛氏硬度 hr hr 维氏硬度维氏硬度 hvhv压入法压入法硬度试验方法：硬度试验方法：汽车汽车机械基础机械基础（1 1）布氏硬度）布氏硬度压头压头淬火钢球淬火钢球 hbshbs：布氏硬度值：布氏硬度值 450450的材料；的材料；硬质合金球硬质合金球 hbwhbw：布氏硬度值：布氏硬度值450450650650的材料。的材料。222hbs(hbw)0.1020.1020.102 ()fffadhd ddd汽车汽车机械基础机械基础优点：优点：测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强

10、。缺点：缺点：压痕面积较大，测量费时，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。应用：应用：常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。不适于测量成品零件或薄件的硬度。汽车汽车机械基础机械基础（2 2）洛氏硬度）洛氏硬度压头压头120120金刚石圆锥体金刚石圆锥体 hrahra与与hrchrc淬火钢球淬火钢球 hrbhrb初试验力初试验力f f1 1总试验力总试验力f f主试验力主试验力f f2 2f = ff = f1 1 + f+ f2 2汽车汽车机械基础机械基础测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测较薄工件。测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。例如：

11、例如： 50hrc40hrc 优点：优点：缺点：缺点：应用：应用：可用于成品检验和薄件表面硬度检验。不适于测量组织不均匀材料。汽车汽车机械基础机械基础（3 3）维氏硬度）维氏硬度 与布氏硬度试验原理基本相同，只是改用与布氏硬度试验原理基本相同，只是改用金刚石四棱锥体金刚石四棱锥体作压头。作压头。 特点：特点：可测较薄的硬化层可测较薄的硬化层及很软、很硬的材料。及很软、很硬的材料。2hv0.1020.1891压痕ffsd汽车汽车机械基础机械基础4 4冲击韧性冲击韧性 冲击韧性冲击韧性采采用的测定方法是用的测定方法是摆锤式一次冲击摆锤式一次冲击试验方法试验方法。 冲击韧性冲击韧性是指金属材料在冲击

12、载荷作用下是指金属材料在冲击载荷作用下断裂时吸收变形断裂时吸收变形能量能量的能力。的能力。汽车汽车机械基础机械基础冲击韧度冲击韧度是指冲击试样是指冲击试样缺口处单位横截面面积缺口处单位横截面面积上的上的冲击吸收功冲击吸收功。2kk(j/cm )nas 冲击韧度冲击韧度（ ）：）：k冲击试验原理示意图冲击试验原理示意图k () (j)aghghg hh冲击吸收功：冲击吸收功：汽车汽车机械基础机械基础-40-20020204060tt，k k 急剧急剧，韧性韧性脆性脆性。韧脆转变温度：材料由韧脆转变温度：材料由韧性韧性状态向状态向脆性脆性状态转变的温度。状态转变的温度。k()t 汽车汽车机械基础机

13、械基础 titanic titanic钢板钢板强度强度高，高，韧韧性性很差，特别是在低温呈很差，特别是在低温呈脆性脆性，冲击试样是典型的冲击试样是典型的脆性断口脆性断口，近代船用钢板的冲击试样则具近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的有相当好的韧性韧性。 titanic titanic钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果titanictitanic沉没原因：沉没原因：汽车汽车机械基础机械基础 疲劳强度（疲劳强度（-1-1 ）是材料在无数次重复的交变载荷作用是材料在无数次重复的交变载荷作用下不发生断裂的下不发生断裂的最大应力最大应力，其大

14、小与应力变化的其大小与应力变化的次数次数有关。有关。5.5.疲劳强度疲劳强度 在循环应力和应变作用下，零部件在一处或几处产生局在循环应力和应变作用下，零部件在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后，产生裂纹或突然产部永久性累积损伤，经一定循环次数后，产生裂纹或突然产生断裂的过程，这种破坏称为生断裂的过程，这种破坏称为疲劳破坏疲劳破坏（或疲劳断裂）。（或疲劳断裂）。对于对于黑色金属（钢材）黑色金属（钢材）规定循环次数为规定循环次数为n=10n=107 7次，对应次，对应有有色金属色金属循环次数为循环次数为n=10n=108 8次。次。汽车汽车机械基础机械基础（二）物理性能（二）物理性

15、能1.1.密度；密度；2.2.熔点；熔点；3.3.导热性；导热性； 4.4.导电性；导电性；5.5.热膨胀性。热膨胀性。金属材料的金属材料的物理性能物理性能是指金属固有的属性。是指金属固有的属性。 物物 理理 性性 能能汽车汽车机械基础机械基础（三）化学性能（三）化学性能 化化 学学 性性 能能1.1.耐腐蚀性；耐腐蚀性；2.2.抗氧化性；抗氧化性；3.3.化学稳定性。化学稳定性。 化学性能化学性能是指金属材料在是指金属材料在常温或高温条件下常温或高温条件下抵抵抗抗外界介质外界介质对其对其化学侵蚀化学侵蚀的能力。的能力。汽车汽车机械基础机械基础二、金属材料的工艺性能二、金属材料的工艺性能金属材

16、料的金属材料的工艺性能工艺性能是指材料加工成形的难易程度。是指材料加工成形的难易程度。零件冷轧、冷拔、冷冲机加工焊接材板材、棒材、型材、管热轧机加工锻件热锻铸锭机加工铸件铸造冶炼 工艺性能往往是由工艺性能往往是由物理性能、化学性能物理性能、化学性能和和力学性能力学性能综合作用所决综合作用所决定的，不能简单用一个物理参数来表示。定的，不能简单用一个物理参数来表示。 零件的制造过程：零件的制造过程：1 1铸造性能铸造性能2 2锻造性能锻造性能3 3焊接性能焊接性能4 4切削加工性能切削加工性能汽车汽车机械基础机械基础3 3焊接性能焊接性能铸造性能铸造性能是指金属在铸造生产中表现出的工艺性能。是指金

17、属在铸造生产中表现出的工艺性能。 焊接性能焊接性能是指金属材料对焊接成形的适应性，也就是指是指金属材料对焊接成形的适应性，也就是指在一定的焊接工艺条件下，金属材料获得优质焊接接头的难在一定的焊接工艺条件下，金属材料获得优质焊接接头的难易程度。易程度。 切削加工性能切削加工性能是指金属材料被切削加工的难易程度。是指金属材料被切削加工的难易程度。锻造性能锻造性能是指锻造金属材料的难易程度。是指锻造金属材料的难易程度。1 1铸造性能铸造性能2 2锻造性能锻造性能4 4切削加工性能切削加工性能汽车汽车机械基础机械基础任务实施任务实施 一、汽车曲轴的主要性能分析一、汽车曲轴的主要性能分析 二、汽车发动机

18、活塞的主要性能分析二、汽车发动机活塞的主要性能分析 三、汽车变速器齿轮的主要性能分析三、汽车变速器齿轮的主要性能分析汽车汽车机械基础机械基础一、汽车曲轴的主要性能分析一、汽车曲轴的主要性能分析1 1具有高的具有高的强度强度、一定的、一定的冲击韧性冲击韧性，以抵抗冲击载荷。，以抵抗冲击载荷。2 2具有足够的弯曲和扭转具有足够的弯曲和扭转疲劳强度疲劳强度，以抵抗弯曲和扭转载荷。，以抵抗弯曲和扭转载荷。3 3具有足够的具有足够的刚度刚度，以抵抗曲轴磨损变形。，以抵抗曲轴磨损变形。4 4轴颈表面轴颈表面具有高的具有高的硬度硬度和和耐磨性耐磨性。汽车汽车机械基础机械基础二、汽车发动机活塞的主要性能分析二

19、、汽车发动机活塞的主要性能分析1 1要有足够的要有足够的强度强度，以抵抗不同载荷。，以抵抗不同载荷。2 2要有足够的要有足够的刚度刚度，以抵抗变形磨损。，以抵抗变形磨损。3 3导热性导热性好，耐高压、耐高温，以适应恶劣的工作条件。好，耐高压、耐高温，以适应恶劣的工作条件。4 4耐腐蚀性耐腐蚀性好，以抵抗燃气的化学腐蚀。好，以抵抗燃气的化学腐蚀。5 5质量小，重量轻质量小，重量轻，尽可能减小往复惯性力。，尽可能减小往复惯性力。汽车汽车机械基础机械基础三、汽车变速器齿轮的主要性能分析三、汽车变速器齿轮的主要性能分析1 1齿面有足够的齿面有足够的硬度硬度，以抵抗齿面磨损、点蚀、胶合以及，以抵抗齿面磨

20、损、点蚀、胶合以及 塑性变形等。塑性变形等。2 2齿心有足够的齿心有足够的强度强度和较好的和较好的韧性韧性，以抵抗齿根折断和冲，以抵抗齿根折断和冲 击载荷。击载荷。3 3有良好的有良好的加工工艺性能加工工艺性能及及热处理性能热处理性能，使之便于加工且，使之便于加工且 便于提高其力学性能便于提高其力学性能。汽车汽车机械基础机械基础汽车汽车机械基础机械基础任务引入任务引入 钢和铸铁都是以铁和碳为主要元素组成的合钢和铸铁都是以铁和碳为主要元素组成的合金，统称为金，统称为铁碳合金铁碳合金。铁碳合金铁碳合金基本组织包含哪基本组织包含哪些，力学性能如何？铁碳合金相图有哪些应用？些，力学性能如何？铁碳合金相

21、图有哪些应用？汽车汽车机械基础机械基础1 1掌握金属的晶体结构和同素异晶转变。掌握金属的晶体结构和同素异晶转变。2 2掌握铁碳合金的基本组织。掌握铁碳合金的基本组织。3. 3. 掌握铁碳合金相图的应用。掌握铁碳合金相图的应用。学习目标学习目标汽车汽车机械基础机械基础相关知识相关知识 一、金属的晶体结构和同素异晶转变一、金属的晶体结构和同素异晶转变 二、合金的晶体结构二、合金的晶体结构 三、铁碳合金的基本组织三、铁碳合金的基本组织 四、铁碳合金相图四、铁碳合金相图 五、铁碳合金的分类五、铁碳合金的分类汽车汽车机械基础机械基础一、金属的晶体结构与同素异晶转变一、金属的晶体结构与同素异晶转变（1 1

22、）晶体和非晶体）晶体和非晶体 晶晶 体：体：原子在空间原子在空间呈有序排列的呈有序排列的固态物质固态物质。 具有规则的外形；具有规则的外形； 具有一定的熔点；具有一定的熔点； 具有具有各向异性各向异性。 没有规则的外形；没有规则的外形； 没有固定的熔点；没有固定的熔点； 具有具有各向同性各向同性。 非晶体：非晶体：原子或分子原子或分子无规则的堆积在一起的无规则的堆积在一起的固固态物质态物质。固态物质根据其原子排列特征，可分为固态物质根据其原子排列特征，可分为晶体晶体和和非晶体非晶体两类。两类。1.1.金属的晶体结构金属的晶体结构汽车汽车机械基础机械基础 晶体结构：晶体结构：指在晶体内部，原子、

23、离子或原子集团指在晶体内部，原子、离子或原子集团规则排列的规则排列的方式方式。晶格：晶格：抽象的用于描述原子在晶体中排列方式的抽象的用于描述原子在晶体中排列方式的空间几何格架空间几何格架。 晶胞：晶胞：组成晶格的能反映其特征和规律的组成晶格的能反映其特征和规律的最基本几何单元最基本几何单元。（2 2）晶格和晶胞）晶格和晶胞 原子排列原子排列晶格晶格晶胞晶胞汽车汽车机械基础机械基础（3 3）三种典型的金属晶体结构）三种典型的金属晶体结构-铁（铁（912912以下的钝铁）、以下的钝铁）、铬、钼、钨、钒铬、钼、钨、钒体心立方晶格示意图体心立方晶格示意图 原子排列原子排列 晶格晶格 晶胞晶胞 体心立方

24、晶格体心立方晶格汽车汽车机械基础机械基础-铁（铁（13941394912912的钝铁）、的钝铁）、铜、铝、镍等铜、铝、镍等 原子排列原子排列 晶格晶格 晶胞晶胞 面心立方晶格示意图面心立方晶格示意图 面心立方晶格面心立方晶格汽车汽车机械基础机械基础铍、镁、锌、镉等铍、镁、锌、镉等原子排列原子排列 晶格晶格 晶胞晶胞密排六方晶格示意图密排六方晶格示意图 密排六方晶格密排六方晶格汽车汽车机械基础机械基础（4 4）实际金属的晶体结构）实际金属的晶体结构由许多晶粒组成的晶体称为由许多晶粒组成的晶体称为多晶体多晶体，实际金属就是多晶体。，实际金属就是多晶体。实际金属晶体结构实际金属晶体结构汽车汽车机械基

25、础机械基础晶体缺陷：晶体缺陷： 点缺陷：点缺陷：不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小，不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小，主要是主要是空位、间隙原子、置换原子空位、间隙原子、置换原子。 实际晶体中，排列不规则的区域称为实际晶体中，排列不规则的区域称为晶体缺陷晶体缺陷。 在实际晶体结构中，晶格的某些结点上没有原子，则称这在实际晶体结构中，晶格的某些结点上没有原子，则称这结点为结点为空位空位。位于晶格空隙之间的原子称为。位于晶格空隙之间的原子称为间隙原子间隙原子。汽车汽车机械基础机械基础 线缺陷：线缺陷：不规则区域在一个方向的尺寸很大，在另外两不规则区域在一个方向的尺寸很大，在另外两个方向的

26、尺寸都很小，主要是个方向的尺寸都很小，主要是位错位错，即晶体中某处有一列或若干，即晶体中某处有一列或若干列原子发生列原子发生有规律的错排现象有规律的错排现象。汽车汽车机械基础机械基础 面缺陷：面缺陷：一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域，一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域，主要是主要是晶界晶界和和亚晶界亚晶界。 汽车汽车机械基础机械基础2 2金属的结晶金属的结晶（1 1）结晶的基本概念）结晶的基本概念 结晶：结晶：物质由液态变为固态的过程称为物质由液态变为固态的过程称为凝固凝固，凝固后的，凝固后的固态物质可以为固态物质可以为晶态晶态，也可以为，也可以为非晶态非晶态。如果通过凝固形

27、成。如果通过凝固形成晶体晶体，称为，称为结晶结晶。 金属材料的凝固金属材料的凝固是典型的是典型的结晶结晶过程，而过程，而玻璃的凝固玻璃的凝固过程过程是是非晶体凝固非晶体凝固过程。过程。金属的结晶：金属的结晶：是指液态金属凝固成固态金属晶体的过程。是指液态金属凝固成固态金属晶体的过程。汽车汽车机械基础机械基础纯液态金属纯液态金属的冷却曲线的冷却曲线（理想状态理想状态）纯液态金属纯液态金属的冷却曲线的冷却曲线（实际状态实际状态）时间时间/s s0t t0 0：理论结晶温度：理论结晶温度t t1 1：实际结晶温度：实际结晶温度 t = tt = t0 0-t-t1 1（过冷度过冷度）t t0 0温度

28、温度/ct t1 1时间时间/s sa a：结晶开始点结晶开始点 b b：结晶终了点：结晶终了点温度温度/ct t0 0 ab0 结晶平台：由结晶平台：由结晶潜热结晶潜热导致，即金属液固转变所导致，即金属液固转变所释放的潜热释放的潜热与与系系统散热量统散热量相等的结果。相等的结果。汽车汽车机械基础机械基础（2 2）金属的结晶过程）金属的结晶过程从从宏观角度宏观角度看结晶规律：看结晶规律： 结晶是在一定的结晶是在一定的过冷度过冷度下完成的，即存在下完成的，即存在过冷现象过冷现象。 结晶过程是在结晶过程是在恒温恒温下完成的。下完成的。包括晶核包括晶核形核形核和和长大长大两个基本过程。两个基本过程。

29、 形核形核方式：方式：自发形核自发形核与与非自发形核非自发形核 长大长大方式：方式：平面方式平面方式与与树枝状方式树枝状方式从从微观角度微观角度看结晶规律：看结晶规律：汽车汽车机械基础机械基础 * *自发形核自发形核 从液态内部由金属本身原子从液态内部由金属本身原子自发长出结晶核心自发长出结晶核心的的过程叫做自发形核，形成的过程叫做自发形核，形成的结晶核心结晶核心叫做叫做自发晶核自发晶核。 * *非自发形核非自发形核 依附于杂质依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核，而生成晶核的过程叫做非自发形核，形成的形成的结晶核心结晶核心叫做叫做非自发晶核非自发晶核。 晶核的形成晶核的形成汽车汽车机械基

30、础机械基础均匀长大均匀长大 晶核的长大晶核的长大树枝状方式树枝状方式平面方式平面方式汽车汽车机械基础机械基础结论：金属的结晶过程形核与长大过程。金属液形成晶核晶核长大形成晶体汽车汽车机械基础机械基础3 3金属的同素异晶转变金属的同素异晶转变体心立体心立方晶格方晶格 体心立体心立方晶格方晶格 面心立面心立方晶格方晶格 物理性质：物理性质：纯铁在纯铁在15381538熔熔化，纯铁液体化，纯铁液体结结晶晶为固体后，在为固体后，在冷却至室温过程冷却至室温过程中，经历两次中，经历两次同同素异晶素异晶转变。转变。 同素异晶：同素异晶：元素相同，结构元素相同，结构不同。不同。 二次结晶二次结晶汽车汽车机械基

31、础机械基础 合金：合金：由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素组成的具有金属元素组成的具有金属性质金属性质的物质。的物质。组元：组元：组成合金的组成合金的基本物质基本物质。 相：相：指金属或合金中具有相同成分、相同结构并以界面指金属或合金中具有相同成分、相同结构并以界面相互分开的相互分开的各个均匀的组成部分各个均匀的组成部分。 组织：组织：指用肉眼或借助于放大镜、显微镜观察到的指用肉眼或借助于放大镜、显微镜观察到的材料材料内部的形态结构内部的形态结构。 如如: : 黄铜：黄铜：cu-zncu-zn，铝合金：，铝合金：al-sial-si。1

32、.1.合金的组元合金的组元二、合金的晶体结构二、合金的晶体结构2.2.相和组织相和组织汽车汽车机械基础机械基础 根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的相可分根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的相可分为为固溶体、金属化合物固溶体、金属化合物和和机械混合物机械混合物三类。三类。 固溶体固溶体3.3.合金的组织合金的组织固溶体固溶体强度、硬度较低，塑性、韧性较好强度、硬度较低，塑性、韧性较好。 汽车汽车机械基础机械基础 金属化合物金属化合物 机械混合物机械混合物 金属化合物金属化合物是合金组元是合金组元之间相互发生作用而形成具之间相互发生作用而形成具有金属特性的一种有金属特性的

33、一种新相新相。 金属化合物金属化合物晶体结构复晶体结构复杂，熔点高，硬而脆。杂，熔点高，硬而脆。 机械混合物的性能介于固溶体和金属化合物之间，即机械混合物的性能介于固溶体和金属化合物之间，即强度、硬度较高，塑性、韧性较好强度、硬度较高，塑性、韧性较好。 汽车汽车机械基础机械基础三、铁碳合金的基本组织三、铁碳合金的基本组织 1.1.铁素体：铁素体：碳溶解在碳溶解在-fe-fe中的间隙固溶体（中的间隙固溶体（f f），它仍保持），它仍保持-fe-fe的的体心立方晶格体心立方晶格结构。结构。 由于由于-fe-fe晶粒间隙小，碳在晶粒间隙小，碳在-fe-fe中溶解度极小，室温时仅中溶解度极小，室温时仅

34、为为0.0008%0.0008%， 727727最大为最大为0.0218%0.0218%，所以是几乎不含碳的纯铁。，所以是几乎不含碳的纯铁。 塑性塑性和和冲击韧度较好冲击韧度较好，而，而强度、硬度较低强度、硬度较低。铁素体原子排列铁素体原子排列汽车汽车机械基础机械基础 因晶格间隙较大，碳在因晶格间隙较大，碳在-fe-fe中的解度要比在中的解度要比在-fe-fe中大，在中大，在727727时为时为0.77%0.77%，在，在11481148时溶解度最大，可达时溶解度最大，可达2.11%2.11%。 奥氏体的奥氏体的强度强度、硬度较低硬度较低，但，但具有良好的塑性具有良好的塑性，是绝大多数，是绝大

35、多数钢高温进行压力加工的理想组织。钢高温进行压力加工的理想组织。 2. 2.奥氏体：奥氏体：碳溶解在碳溶解在-fe-fe中的间隙固溶体（中的间隙固溶体（a a），它扔保持），它扔保持-fe-fe的的面心立方晶格面心立方晶格结构。结构。奥氏体原子排列奥氏体原子排列汽车汽车机械基础机械基础 3.3.渗碳体：渗碳体：铁与碳形成的金属化合物（铁与碳形成的金属化合物（fefe3 3c c）。含碳量为）。含碳量为6.69%6.69%，硬度很高硬度很高（大于（大于800hbw800hbw），），脆性大脆性大，塑性塑性和和冲击韧度几冲击韧度几乎为零乎为零。 4. 4.珠光体：珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混

36、合物（铁素体和渗碳体组成的机械混合物（p p）。）。力学力学性能介于铁素体和渗碳体之间，性能介于铁素体和渗碳体之间，综合性能良好综合性能良好。即。即强度较好强度较好，硬硬度适中度适中，并具有一定的塑性。并具有一定的塑性。 铁素体、奥氏体、渗碳体铁素体、奥氏体、渗碳体属于属于单相组织单相组织，珠光体、莱氏体珠光体、莱氏体属属于于两相混合组织两相混合组织。 5.5.莱氏体：莱氏体：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物（奥氏体和渗碳体组成的机械混合物（l ld d）。）。莱氏莱氏体中由于大量渗碳体存在，其性能与渗碳体相似，即体中由于大量渗碳体存在，其性能与渗碳体相似，即硬度高硬度高，塑塑性差。性差。 汽车

37、汽车机械基础机械基础铁碳合金中的基本相：铁碳合金中的基本相： 在在铁碳合金中铁碳合金中一共有一共有三个相三个相，即，即铁素体、奥氏体铁素体、奥氏体和和渗碳体渗碳体。 但但一般仅存在于一般仅存在于，所以，所以室温下室温下所有所有的铁碳合金中只有的铁碳合金中只有两个相两个相，就是，就是铁素体铁素体和和渗碳体渗碳体。 由于铁素体中的含碳量非常少，所以可以认为由于铁素体中的含碳量非常少，所以可以认为铁铁碳合金碳合金中的中的碳碳绝大部分存在于绝大部分存在于渗碳体渗碳体中。中。 汽车汽车机械基础机械基础四、铁碳合金相图四、铁碳合金相图fe3cfe2cfec温度温度fec(6.69%c)fecfec二元相图

38、二元相图汽车汽车机械基础机械基础pskpsk共析线共析线-a-a1 1线线ecfecf共晶线共晶线acdacd线线液相线液相线aecfaecf线线固相线固相线gsgs线线-a-a3 3 线线eses线线-a-acmcm线线纯铁的纯铁的熔点熔点15381538共晶点共晶点11481148渗碳体熔点渗碳体熔点12271227共析点共析点727727同素异同素异晶转变晶转变点点912912碳在奥氏体中的最碳在奥氏体中的最大溶解度点大溶解度点11481148汽车汽车机械基础机械基础 特性点特性点 的符号的符号 温度温度 t/t/ 含碳量含碳量 w wc c% % 含含 义义a ab bc cd de

39、eg gp ps s 15381538 1495 1495 1148 1148 1227 1227 1148 1148 912 912 727 727 727 727 0 00.530.534.34.36.696.692.112.110 00.02180.02180.770.77纯铁熔点纯铁熔点包晶反应液态合金的浓度包晶反应液态合金的浓度共晶点共晶点 渗碳体的熔点渗碳体的熔点（计算值计算值）碳在碳在-fe-fe中的最大溶解度点中的最大溶解度点-fe -fe -fe-fe同素异晶转变点同素异晶转变点碳在碳在-fe-fe中的最大溶解度点中的最大溶解度点共析点共析点铁碳合金相图中主要特性点的含义铁碳

40、合金相图中主要特性点的含义汽车汽车机械基础机械基础fe-fefe-fe3 3c c相图相区分析相图相区分析 单相区单相区-5 5个个: : 液相区（液相区（l l）-abcd-abcd以上区域；以上区域； 固溶体区（固溶体区（）-ahna-ahna； 奥氏体区（奥氏体区（a a）-njesgn-njesgn； 铁素体区（铁素体区（f f）-gpq-gpq； 渗碳体区（渗碳体区（fefe3 3c c）-dfkl-dfkl线段区域。线段区域。两相区两相区-7 7个个: 7: 7个两相区分别存在于两个相应的单相区之间。个两相区分别存在于两个相应的单相区之间。 l +-ahjbal +-ahjba；

41、a +-hnjha +-hnjh； l + a-bjecbl + a-bjecb； l + fel + fe3 3c-dcfdc-dcfd； a + f-gpsga + f-gpsg； a + fea + fe3 3c-eskfcec-eskfce； f + fef + fe3 3c-pqlkspc-pqlksp。三相区三相区-3 3个个: : （三个恒温转变：包晶、共晶、共析）（三个恒温转变：包晶、共晶、共析） 包晶线包晶线-（发生在（发生在14951495）水平线）水平线hjbhjb（l + + al + + a）；）； 共晶线共晶线-（发生在（发生在11481148）水平线）水平线ecf

42、ecf（l + a + fel + a + fe3 3c c）；）； 共析线共析线-（发生在（发生在 727727）水平线）水平线pskpsk（f + a + fef + a + fe3 3c c）。）。汽车汽车机械基础机械基础亚共亚共析钢析钢过共析钢过共析钢 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁工工业业纯纯铁铁共共析析钢钢共共晶晶白白口口铸铸铁铁汽车汽车机械基础机械基础五、铁碳合金的分类五、铁碳合金的分类根据相图，将铁碳合金分为根据相图，将铁碳合金分为三大类三大类7 7种：种：1.1.工业纯铁工业纯铁： wc 0.0218%0.0218%； 2.2.钢：钢：（0.021

43、82.11%0.02182.11%）亚共析钢（亚共析钢（0.02180.77%0.02180.77%） 共析钢（共析钢（0.77%0.77%） 过共析钢（过共析钢（0.772.11%0.772.11%） 3.3.白口铸铁：白口铸铁：（2.116.69%2.116.69%）亚共晶白口铸铁（亚共晶白口铸铁（2.114.30%2.114.30%） 共晶白口铸铁（共晶白口铸铁（4.30%4.30%） 过共晶白口铸铁（过共晶白口铸铁（4.306.69%4.306.69%） 低碳钢低碳钢（0.02180.25%0.02180.25%）中碳钢中碳钢（0.250.6%0.250.6%）高碳钢高碳钢（0.61.

44、5%0.61.5%）工程实践工程实践中钢的分类：中钢的分类：汽车汽车机械基础机械基础任务实施任务实施 一、铁碳合金的基本组织及其力学性能一、铁碳合金的基本组织及其力学性能 二、铁碳合金相图二、铁碳合金相图在选材方面的应用在选材方面的应用 三、三、铁碳合金相图铁碳合金相图在热处理工艺方面的应用在热处理工艺方面的应用汽车汽车机械基础机械基础一、铁碳合金的基本组织及其力学性能一、铁碳合金的基本组织及其力学性能1 1铁素体铁素体 铁素体的强度、硬度很低，其硬度值为铁素体的强度、硬度很低，其硬度值为505080hbs80hbs， 但它具有良好的塑性和韧性。但它具有良好的塑性和韧性。2 2奥氏体奥氏体 奥

45、氏体具有良好的塑性和较低的变形抗力。奥氏体具有良好的塑性和较低的变形抗力。3 3渗碳体渗碳体 渗碳体的硬度高、脆性大，塑性和冲击韧度几乎等于渗碳体的硬度高、脆性大，塑性和冲击韧度几乎等于 零，在钢中起强化作用。零，在钢中起强化作用。4 4珠光体珠光体 珠光体的力学性能介于铁素体和渗碳体之间。珠光体的力学性能介于铁素体和渗碳体之间。5 5莱氏体莱氏体 莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度很高约莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度很高约700hbw700hbw，塑，塑 性极差。性极差。 汽车汽车机械基础机械基础二、在选材方面的应用二、在选材方面的应用 需要塑性、韧性好的材料，可选用低碳钢；对工作中承受冲需要塑

46、性、韧性好的材料，可选用低碳钢；对工作中承受冲击载荷和要求较高强度的各种机械零件，希望强度和韧性都比较击载荷和要求较高强度的各种机械零件，希望强度和韧性都比较好，可选用中碳钢；制造各种切削工具、模具及量具时，需要高好，可选用中碳钢；制造各种切削工具、模具及量具时，需要高的硬度、耐磨性，可选用高碳钢。对于形状复杂的箱体、机器底的硬度、耐磨性，可选用高碳钢。对于形状复杂的箱体、机器底座等，可选用熔点低、流动性好的铸铁材料。座等，可选用熔点低、流动性好的铸铁材料。 铁碳合金在固态加热或冷却过程中均有相的变化，所以钢和铁碳合金在固态加热或冷却过程中均有相的变化，所以钢和铸铁可以进行有相变的退火、正火、

47、淬火和回火等热处理。奥氏铸铁可以进行有相变的退火、正火、淬火和回火等热处理。奥氏体有溶解碳和其他合金元素的能力，而且溶解度随温度的提高而体有溶解碳和其他合金元素的能力，而且溶解度随温度的提高而增加。增加。三、在热处理方面的应用三、在热处理方面的应用汽车汽车机械基础机械基础汽车汽车机械基础机械基础任务引入任务引入 汽车发动机曲轴轴颈处要求有汽车发动机曲轴轴颈处要求有高的硬度和耐磨高的硬度和耐磨性性；汽车齿轮要求齿面具有；汽车齿轮要求齿面具有足够的硬度，同时齿心足够的硬度，同时齿心具有较好的韧性具有较好的韧性。 为达到使用要求，曲轴、齿轮必须进行为达到使用要求，曲轴、齿轮必须进行热处理。热处理。那

48、么，那么，它们采用了哪些热处理工艺它们采用了哪些热处理工艺，其作用如何？，其作用如何？汽车汽车机械基础机械基础1 1掌握钢的热处理概念。掌握钢的热处理概念。2 2掌握汽车典型零件的热处理方法及应用。掌握汽车典型零件的热处理方法及应用。学习目标学习目标汽车汽车机械基础机械基础相关知识相关知识 一、钢的热处理的组织改变原理一、钢的热处理的组织改变原理 二、钢的热处理二、钢的热处理汽车汽车机械基础机械基础 热处理热处理是将钢铁材料在是将钢铁材料在固态下固态下以适当的方式进行以适当的方式进行加热、保温加热、保温和和冷却冷却，以获得所需组织和性能的工艺过程，可用下图所示的工，以获得所需组织和性能的工艺过

49、程，可用下图所示的工艺曲线表示。艺曲线表示。汽车汽车机械基础机械基础一、钢的热处理的组织改变原理一、钢的热处理的组织改变原理1 1钢在加热时的转变钢在加热时的转变（1 1）钢的相变点）钢的相变点平衡平衡相变相变点：点：加热加热相变相变点：点：冷却冷却相变相变点：点：a a1 1、a a3 3、a acmcmacac1 1、acac3 3、acaccmcmarar1 1、arar3 3、ararcmcmu加热工序目的：加热工序目的：得到奥氏体（得到奥氏体（a a）。）。汽车汽车机械基础机械基础f ffefe3 3c ca a未溶未溶fefe3 3c c残余残余fefe3 3c ca aa a共析

50、钢中奥氏体形成过程示意图共析钢中奥氏体形成过程示意图（1 1）奥氏体晶核的形成）奥氏体晶核的形成 （2 2）奥氏体晶核的长大）奥氏体晶核的长大（3 3）剩余渗碳体的溶解）剩余渗碳体的溶解 （4 4）奥氏体的均匀化）奥氏体的均匀化奥氏体形成过程奥氏体形成过程四个阶段：四个阶段：（2 2）奥氏体的形成）奥氏体的形成 任何成分的钢任何成分的钢加热到加热到a ac1c1点以上时，都要发生点以上时，都要发生珠光体珠光体向向奥氏奥氏体体的转变，并使其成分均匀化，即进行的转变，并使其成分均匀化，即进行奥氏体化奥氏体化。 转变过程遵从转变过程遵从结晶结晶的普遍规律。的普遍规律。汽车汽车机械基础机械基础 使零件

51、内外温度均匀和转变完全使零件内外温度均匀和转变完全，而且还可以，而且还可以获得成分均匀的获得成分均匀的奥氏体奥氏体，以便钢冷却后获得良好的组织和性能。，以便钢冷却后获得良好的组织和性能。 冷却方式冷却方式随炉缓冷随炉缓冷空冷空冷油冷油冷水冷水冷冷却速度冷却速度10/min10/min10/s10/s150/s150/s600/s600/s所得硬度所得硬度 12hrc12hrc26hrc26hrc41hrc41hrc63hrc63hrc表表1-31-3冷却速度与力学性能冷却速度与力学性能2 2钢的热处理保温阶段的目的钢的热处理保温阶段的目的3 3钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变汽车汽车机械基础机

52、械基础 珠光体珠光体 索氏体索氏体 （1 1）珠光体（）珠光体（p p）：）：形成温度为形成温度为 a a1 1650650，片层较厚，片层较厚，500500倍光镜下可辨，硬度值小于倍光镜下可辨，硬度值小于20hrc20hrc。 （2 2）索氏体（）索氏体（s s）：）：形成温度为形成温度为650650600600，片层较薄，片层较薄，800-1000800-1000倍光镜下可辨，硬度值为倍光镜下可辨，硬度值为222235hrc35hrc。 共析钢冷却转变后所获得组织的形成温度和硬度：共析钢冷却转变后所获得组织的形成温度和硬度：汽车汽车机械基础机械基础 （3 3）托氏体（）托氏体（t t）：）

53、：形成温度为形成温度为600600550550，片层极薄，电镜，片层极薄，电镜下可辨，硬度值为下可辨，硬度值为353542hrc42hrc。托氏体托氏体 珠光体、索氏体、托氏体珠光体、索氏体、托氏体三种组织无本质区别，只是三种组织无本质区别，只是形态形态上有上有粗细粗细之分，因此其界限也是相对的。之分，因此其界限也是相对的。汽车汽车机械基础机械基础上贝氏体上贝氏体下贝氏体下贝氏体（4 4）贝氏体（）贝氏体（b b）：）： 上贝氏体（上贝氏体（b b上上）：）：形成温度为形成温度为550550350350，在光镜下呈，在光镜下呈羽毛羽毛状状，硬度值为，硬度值为404045hrc45hrc。 下贝

54、氏体（下贝氏体（b b下下）：）：形成温度为形成温度为350350230230，在光镜下呈，在光镜下呈竹叶竹叶状状，硬度值为，硬度值为454555hrc55hrc。（500500）（500500）汽车汽车机械基础机械基础板条状板条状-低碳马氏体（低碳马氏体（c%c%0.2%0.2%），在光镜下呈），在光镜下呈细板条状细板条状；针片状针片状-高碳马氏体（高碳马氏体（c%c% 1%1%），在光镜下呈），在光镜下呈竹叶状竹叶状。板条状马氏体板条状马氏体针片状马氏体针片状马氏体（5 5）马氏体（）马氏体（m m）：）：形成温度在形成温度在230230以下，硬度值为以下，硬度值为555565hrc65h

55、rc。（10001000）（15001500）汽车汽车机械基础机械基础热热处处理理普普 通通热处理热处理表表 面面热处理热处理退火、正火、退火、正火、淬火、回火。淬火、回火。表面表面 淬火淬火化学热处理化学热处理感应加热淬火感应加热淬火火焰加热淬火火焰加热淬火钢的渗碳钢的渗碳钢的渗氮钢的渗氮二、钢的热处理二、钢的热处理汽车汽车机械基础机械基础 根据热处理的作用不同，热处理一般可分为根据热处理的作用不同，热处理一般可分为预备热处理预备热处理和和最最终热处理终热处理。 只有当工件性能要求不只有当工件性能要求不高时，才作为高时，才作为最终热处理最终热处理。一般零件生产的工艺路线：一般零件生产的工艺路

56、线：汽车汽车机械基础机械基础 退火退火是将钢件加热到高于或低于钢的临界点，保温一定时间，随是将钢件加热到高于或低于钢的临界点，保温一定时间，随后在后在炉炉中或埋入导热性较差的介质中缓慢中或埋入导热性较差的介质中缓慢冷冷却，以获得接近平衡组织却，以获得接近平衡组织的一种热处理工艺，又称的一种热处理工艺，又称“焖火焖火”。 （一）普通热处理（一）普通热处理1 1退火退火加热温度加热温度ac3+3050消除残余内应力消除残余内应力500650去应力退火去应力退火消除加工硬化消除加工硬化使fe3c球化，降低硬度，提高塑性，改善切削加工性改善切削加工性能能；为淬火作组织准备。ac1+2030球化退火球化

57、退火不完全退火不完全退火亚共析钢细化晶粒，均匀化组织；降低硬度，便于切削加工降低硬度，便于切削加工；消除内应力内应力。适用钢种适用钢种退火目的退火目的退火工艺退火工艺再结晶退火再结晶退火完全退火完全退火过共析钢合金工具钢所有碳钢650700所有碳钢汽车汽车机械基础机械基础2. 2. 正火正火 正火是将钢件加热到正火是将钢件加热到a ac3c3（对于亚共析钢）或（对于亚共析钢）或acaccmcm （对于过（对于过共析钢）以上共析钢）以上30305050，保温后从炉内取出，在，保温后从炉内取出，在空空气中气中冷冷却却的热处理工艺。的热处理工艺。正火目的：正火目的： 对于低、中碳钢（对于低、中碳钢（

58、w wc c0.6%0.6%），目的与退火的相同。），目的与退火的相同。 对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。作组织准备。 对于普通件，作为最终热处理。对于普通件，作为最终热处理。汽车汽车机械基础机械基础3.3.淬火淬火 将钢件加热到将钢件加热到a ac3c3或或a ac1c1以上以上30305050，保温一定时间后，在，保温一定时间后，在水、水、盐水或油盐水或油等介质中等介质中快速冷却快速冷却，从而获得马氏体或贝氏体组织的一种，从而获得马氏体或贝氏体组织的一种热处理工艺。热处理工艺。 淬火目的：淬火目的： 提高钢的强度、

59、硬度，使钢强化；提高钢的强度、硬度，使钢强化； 与不同回火处理相配合，获得所需要的力学性能。与不同回火处理相配合，获得所需要的力学性能。淬透性和淬硬性：淬透性和淬硬性： 淬透性淬透性：是指钢在淬火时：是指钢在淬火时奥氏体奥氏体转变为转变为马氏体马氏体的难易程度。的难易程度。 淬硬性淬硬性：是指钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的：是指钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬最高硬度度的能力。的能力。汽车汽车机械基础机械基础4.4.回火回火 把淬火后的钢件重新加热到把淬火后的钢件重新加热到acac1 1线以下，保温一段时间，再线以下，保温一段时间，再以以适当的冷却速度适当的冷却速度冷却到室温的

60、热处理工艺。冷却到室温的热处理工艺。回火目的：回火目的： 减少或消除淬火内应力，防止变形或开裂。减少或消除淬火内应力，防止变形或开裂。 获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。回火可调整硬度、韧性。汽车汽车机械基础机械基础淬火淬火 + + 高温回火高温回火 = = 调质处理调质处理回火分类：回火分类：名称名称温度温度组织组织用途用途材料硬度材料硬度低温回火低温回火150150250250回火马氏体回火马氏体耐磨件耐磨件585864hrc64hrc中温回火中温回火350350500500回火托氏体回火托氏体弹簧等弹簧等