第一章 金属材料导论

1、第一章第一章 金属材料导论金属材料导论 教学内容：教学内容： 金属材料的性能及其实验方法，金属的晶体结构与金属材料的性能及其实验方法，金属的晶体结构与结晶，合金的相结构与铁碳合金状态图。结晶，合金的相结构与铁碳合金状态图。 钢的热处理及其工艺，常用金属材料的分类和应用。钢的热处理及其工艺，常用金属材料的分类和应用。目的与要求目的与要求 ：1. 通过学习通过学习“金属材料的力学性能金属材料的力学性能”一节，要求熟悉一节，要求熟悉金属的五大性能指标（强度金属的五大性能指标（强度 塑性塑性 硬度硬度 韧性和疲劳强韧性和疲劳强度）的概念。要求掌握强度和塑性指标的符号、单位及度）的概念。要求掌握强度和塑

2、性指标的符号、单位及意义，以及布氏硬度和洛氏硬度的应用。了解拉伸试验意义，以及布氏硬度和洛氏硬度的应用。了解拉伸试验方法和拉伸曲线图。对金属材料的物理性能，化学性能方法和拉伸曲线图。对金属材料的物理性能，化学性能特别是工艺性能要求应有一定的了解。特别是工艺性能要求应有一定的了解。第一章第一章 金属材料导论金属材料导论（学习要求） 2. 金属的晶体结构与结晶过程的基本知识，重点金属的晶体结构与结晶过程的基本知识，重点了解常用的金属晶体结构类型，金属结晶过程金了解常用的金属晶体结构类型，金属结晶过程金属的同素异构转变。合金的组织结构与性能特点。属的同素异构转变。合金的组织结构与性能特点。从而为学习

3、铁碳合金等内容奠定必要的基础。从而为学习铁碳合金等内容奠定必要的基础。 铁碳合金是现代工业中应用最广泛的金属材料，铁碳合金是现代工业中应用最广泛的金属材料， 要求掌握铁碳合金的基本组织铁素体，奥氏体，渗要求掌握铁碳合金的基本组织铁素体，奥氏体，渗碳体，珠光体，莱氏体的定义，结构，形成条件及碳体，珠光体，莱氏体的定义，结构，形成条件及性能特点。掌握铁碳合金状态图的分析和应用，并性能特点。掌握铁碳合金状态图的分析和应用，并学会分析几种典型铁碳合金组织结构的变化规律。学会分析几种典型铁碳合金组织结构的变化规律。第一章第一章 金属材料导论金属材料导论（学习要求） 3. 热处理是改善金属材料性能的重要工

4、艺方法。学习热处理是改善金属材料性能的重要工艺方法。学习“钢的热处理钢的热处理”基本知识，要求在了解钢在加热和冷却过基本知识，要求在了解钢在加热和冷却过程中内部组织变换规律的基础上，熟悉钢的普通热处理工程中内部组织变换规律的基础上，熟悉钢的普通热处理工艺方法（退火，正火，淬火，回火）的工艺特点、性能及艺方法（退火，正火，淬火，回火）的工艺特点、性能及应用。对于钢在冷却时组织转变和金属表面热处理工艺也应用。对于钢在冷却时组织转变和金属表面热处理工艺也有一定的了解。有一定的了解。 4. 学习常用金属材料的分类和应用，要求了解碳素钢和学习常用金属材料的分类和应用，要求了解碳素钢和合金钢的分类、牌号、

5、性能及用途；了解铸铁的分类，铸合金钢的分类、牌号、性能及用途；了解铸铁的分类，铸铁的石墨化及其影响因素。基本掌握灰铸铁、可锻铸铁、铁的石墨化及其影响因素。基本掌握灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁的成分，组织，牌号及用途。铝及铝合金，铜及球墨铸铁的成分，组织，牌号及用途。铝及铝合金，铜及铜合金的分类、特点、性能及用途。铜合金的分类、特点、性能及用途。 金属材料主要性能：第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 金属材料金属材料受到外力作用时所反映出来的属性受到外力作用时所反映出来的属性。如强度、刚度、弹性、塑性、硬度和韧性等。它如强度、刚度、弹性、塑性、硬度和韧性等。它是衡量金属材料、评价材

6、料质量的重要参数，选是衡量金属材料、评价材料质量的重要参数，选用材料的重要依据。用材料的重要依据。 一、强度一、强度 金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。力。 按作用力性质分为抗拉强度、抗压强度、抗弯按作用力性质分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。强度、抗剪强度和抗扭强度等。 工程上常用指标：屈服强度和抗拉强度，由拉工程上常用指标：屈服强度和抗拉强度，由拉伸试验测定。伸试验测定。 （见见P7图图1.2为普通低碳钢的应力为普通低碳钢的应力-应变曲线。应变曲线。） (第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能) oe段

7、，变形与外力成正比，试样只产生弹性变形，即段，变形与外力成正比，试样只产生弹性变形，即当外力去除后，试样就恢复到原始长度。材料在弹性范围当外力去除后，试样就恢复到原始长度。材料在弹性范围内所能承受的最大应力称为弹性极限内所能承受的最大应力称为弹性极限e。 当载荷继续增大到当载荷继续增大到Fs时，拉伸曲线出现了平台，这时载时，拉伸曲线出现了平台，这时载荷不增加，试样仍将继续发生塑性变形，这种现象称为屈荷不增加，试样仍将继续发生塑性变形，这种现象称为屈服。开始产生屈服现象时的应力称为屈服点，表征材料抵服。开始产生屈服现象时的应力称为屈服点，表征材料抵抗微量塑性变形的能力。用抗微量塑性变形的能力。用

8、s 表示，表示， 通常规定产生通常规定产生0.2塑性变形时的应力作为名义屈服塑性变形时的应力作为名义屈服强度，也叫条件屈服极限，用强度，也叫条件屈服极限，用0.2表示。表示。 当载荷继续增加超过当载荷继续增加超过S点后，变形量随载荷的增加而急点后，变形量随载荷的增加而急剧增加。当载荷增大到剧增加。当载荷增大到b时，变形集中在试样的某一部位时，变形集中在试样的某一部位上，出现缩颈现象。由于承载面积减小，试样很快被拉断。上，出现缩颈现象。由于承载面积减小，试样很快被拉断。试样在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用试样在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用b表示，表示， 二、刚度二、刚度 金

9、属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。 大小以材料在弹性范围内应力与应变的比值大小以材料在弹性范围内应力与应变的比值弹性模数弹性模数E来表示。在拉伸曲线上表现为来表示。在拉伸曲线上表现为OE段斜段斜率，相当于引起单位变形时所需的应力。它是衡率，相当于引起单位变形时所需的应力。它是衡量金属材料刚度大小的指标，反映了材料弹性变量金属材料刚度大小的指标，反映了材料弹性变形的难易程度。在相同外力作用下，材料的形的难易程度。在相同外力作用下，材料的E愈愈大，则弹性变形愈小；大，则弹性变形愈小；E小则弹性变形大。小则弹性变形大。 对于一个机械零件来说，其刚度除与所用材对于一

10、个机械零件来说，其刚度除与所用材料的料的E有关外，还与该零件的形状、尺寸和使用有关外，还与该零件的形状、尺寸和使用温度有关。温度有关。 （第一节（第一节 金属材料的力学性能）金属材料的力学性能） 三、塑性三、塑性 金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起断金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起断裂的能力。在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，裂的能力。在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫做塑性变形。叫做塑性变形。 通常用伸长率和截面收缩率作为衡量材料塑性大小的指标。通常用伸长率和截面收缩率作为衡量材料塑性大小的指标。 （一一）伸长率伸长率 伸长率是试样拉断后标距长度的增量

11、与原标距长度的伸长率是试样拉断后标距长度的增量与原标距长度的百分比，用百分比，用 表示。表示。 =（L0-L1）/L0100% （二二）截面收缩率截面收缩率 截面收缩率是试样拉断后缩颈处横截截面收缩率是试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。比。 和和的数值越大，说明金属材料的塑的数值越大，说明金属材料的塑性越好；反之亦然。良好的塑性是金属材性越好；反之亦然。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。料进行塑性加工的必要条件。 四、硬度四、硬度 金属材料抵抗外物压入其表面的能力。一般来说，硬金属材料抵抗外物压入其表面的能力。一般来说，硬

12、度高的材料，耐磨性能好，强度也高。因此，硬度是机械度高的材料，耐磨性能好，强度也高。因此，硬度是机械零件设计要求的技术条件之一。零件设计要求的技术条件之一。 生产中常用有布氏硬度（生产中常用有布氏硬度（HB）和洛氏硬度（）和洛氏硬度（HR）等）等。 （一）一）布氏硬度测定方法：布氏硬度测定方法： 用一定直径的淬火钢球或硬质合金球作压头，用一定直径的淬火钢球或硬质合金球作压头，在一定的静载荷下压入试件表面，保持压力至规在一定的静载荷下压入试件表面，保持压力至规定的时间后卸载。根据所加载荷的大小和所得压定的时间后卸载。根据所加载荷的大小和所得压痕表面积来计算（或查表）得压痕表面上的平均痕表面积来计

13、算（或查表）得压痕表面上的平均应力值。此平均应力值作为布氏硬度，并用应力值。此平均应力值作为布氏硬度，并用HBS（淬火钢球压头）（淬火钢球压头）或或HBW（硬质合金压头）（硬质合金压头）表示表示。 由于布氏硬度测量时压痕面积较大，能反映由于布氏硬度测量时压痕面积较大，能反映较大范围内金属各组成物的平均性能，且试验数较大范围内金属各组成物的平均性能，且试验数据的重复性好，据的重复性好，准确但不适合测成品准确但不适合测成品。因此广泛。因此广泛用于测定铸铁、有色金属、退火钢等小用于测定铸铁、有色金属、退火钢等小450HBS的金属材料。的金属材料。（650HBW）(第一节第一节 金属材料的力学性能金属

14、材料的力学性能) （二二）洛氏硬度洛氏硬度 测定方法：用一定的载荷将顶角为测定方法：用一定的载荷将顶角为120的金的金刚石圆锥体或直径为刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球压入试的淬火钢球压入试样，然后根据压痕的深度确定硬度值，用样，然后根据压痕的深度确定硬度值，用HR表示，表示，实测时，可以从硬度计刻度盘上直接读出洛氏硬实测时，可以从硬度计刻度盘上直接读出洛氏硬度值。度值。 洛氏硬度计上有九种标尺，分别用符号（常用）洛氏硬度计上有九种标尺，分别用符号（常用）HRA、HRB和和HRC等等表示。不同洛氏硬度的表示。不同洛氏硬度的压头、压头、负荷和适用范围如表负荷和适用范围如表1-1 （p9

15、）所列）所列。 符号压头类型、负荷（符号压头类型、负荷（kg）、适用范围）、适用范围不同不同：刻度盘：刻度盘上常用标尺有：上常用标尺有： HRA 120金刚石圆锥体测很硬或硬而薄的材料，如金刚石圆锥体测很硬或硬而薄的材料，如硬质合金、表面处理的工件，总载荷硬质合金、表面处理的工件，总载荷588.4KN； HRB 直径直径1.588mm淬火钢球测软金属，如铜合金、淬火钢球测软金属，如铜合金、退火钢件等，总载荷退火钢件等，总载荷980.7KN； HRC 120金刚石圆锥体测如淬火工件金刚石圆锥体测如淬火工件，总载荷总载荷1471.1KN 。 洛氏硬度试验操作简便、迅速，洛氏硬度试验操作简便、迅速，

16、可测定各种金属材可测定各种金属材料的硬度料的硬度。 洛氏硬度洛氏硬度压痕压痕小，小，适用于成品，但重复性差，需在适用于成品，但重复性差，需在不同部位测多次。不同部位测多次。 布氏硬度和洛氏硬度可以利用特制的表格互相进行换布氏硬度和洛氏硬度可以利用特制的表格互相进行换算算。（第一节（第一节 金属材料的力学性能）金属材料的力学性能） (三三)维氏硬度维氏硬度（了解）了解） 维氏硬度也是根据压痕单位面积上的载维氏硬度也是根据压痕单位面积上的载荷来计算硬度值的，用荷来计算硬度值的，用HV表示。压头是金表示。压头是金刚石的正四棱锥体，试验时在载荷的作用刚石的正四棱锥体，试验时在载荷的作用下，试样表面压出

17、一个四方锥形的压痕，下，试样表面压出一个四方锥形的压痕，测量压痕对角线长度测量压痕对角线长度d，就可算出压痕的表，就可算出压痕的表面积面积F。 维氏硬度适用于测定极薄试样硬度、镀维氏硬度适用于测定极薄试样硬度、镀层硬度和覆层硬度。层硬度和覆层硬度。 （第一节（第一节 金属材料的力学性能）金属材料的力学性能） 五、冲击韧性五、冲击韧性 有些机器零件和工具在工作时要受到冲击作用，如空有些机器零件和工具在工作时要受到冲击作用，如空气锤的锤杆，柴油机的曲轴、冲床的冲头等。由于瞬时的气锤的锤杆，柴油机的曲轴、冲床的冲头等。由于瞬时的外力冲击作用所引起的变形和应力，比静载荷的大得多。外力冲击作用所引起的变

18、形和应力，比静载荷的大得多。因此，对承受冲击载荷的零件和工具，必须考虑所用金属因此，对承受冲击载荷的零件和工具，必须考虑所用金属材料承受冲击载荷的能力。这种金属材料抵抗冲击载荷的材料承受冲击载荷的能力。这种金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性。用能力称为冲击韧性。用ak来表示。来表示。 将一标准试样放置在摆锤冲击试验机的试验台上，然将一标准试样放置在摆锤冲击试验机的试验台上，然后抬起摆锤后抬起摆锤W，让它从一定高度，让它从一定高度(h1)落下，将试样击断，落下，将试样击断，摆锤又摆至摆锤又摆至h2的高度。则击断试样所消耗的冲击功为的高度。则击断试样所消耗的冲击功为 ak=W (h1- h2)

19、，冲击功可以直接从试验机的刻度盘上读出。，冲击功可以直接从试验机的刻度盘上读出。（第一节（第一节 金属材料的力学性能）金属材料的力学性能） 六、疲劳强度六、疲劳强度 许多机械零件，如曲轴、齿轮、连杆、弹簧等，许多机械零件，如曲轴、齿轮、连杆、弹簧等，是在交变载荷下的作用下工作的。虽然零件所受是在交变载荷下的作用下工作的。虽然零件所受的应力远低于材料的抗拉强度，甚至远低于屈服的应力远低于材料的抗拉强度，甚至远低于屈服点，但在使用中往往会发生突然断裂，这种现象点，但在使用中往往会发生突然断裂，这种现象称为疲劳破坏。据统计，约有称为疲劳破坏。据统计，约有80的机械零件的的机械零件的失效是属于疲劳造成

20、的。失效是属于疲劳造成的。 金属材料在无数次重复交变载荷作用下不致金属材料在无数次重复交变载荷作用下不致引起断裂的最大应力称为疲劳强度。应力愈高，引起断裂的最大应力称为疲劳强度。应力愈高，则断裂前所承受的循环次数愈低，应力愈低，则则断裂前所承受的循环次数愈低，应力愈低，则断裂前所承受的循环次数愈高。断裂前所承受的循环次数愈高。 (第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能) 疲劳破坏产生原因疲劳破坏产生原因: 一般认为是由于一般认为是由于材料有杂质、表面划痕及其他能引起应力材料有杂质、表面划痕及其他能引起应力集中的缺陷而导致微裂纹的产生。这种微集中的缺陷而导致微裂纹的产生。这种微裂纹随

21、应力循环次数的增加而逐渐扩展，裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，致使零件不能承受所加载荷而突然破坏。致使零件不能承受所加载荷而突然破坏。 提高疲劳强度措施：改善其结构形状，提高疲劳强度措施：改善其结构形状，避免应力集中，表面强化避免应力集中，表面强化 (如表面淬火、喷如表面淬火、喷丸处理丸处理)和减小表面粗糙度数值等。和减小表面粗糙度数值等。第二节第二节 金属材料的物理、化学和工艺性能金属材料的物理、化学和工艺性能 一、物理性能一、物理性能 金属材料的物理性能是指不发生化学反金属材料的物理性能是指不发生化学反应就能表现出来的一些性能，如密度、熔应就能表现出来的一些性能，如密度、熔点、导电性、

22、导热性、磁性和热膨胀性等。点、导电性、导热性、磁性和热膨胀性等。 二、化学性能二、化学性能 金属材料的化学性能是指其抵抗各种化金属材料的化学性能是指其抵抗各种化学作用的能力，主要是抵抗活泼性介质的学作用的能力，主要是抵抗活泼性介质的化学侵蚀能力，如耐酸性、耐碱性和抗氧化学侵蚀能力，如耐酸性、耐碱性和抗氧化性等。化性等。 金属材料的力学性能、物理和化学性金属材料的力学性能、物理和化学性能都是在使用时表现出来的性能，统称为能都是在使用时表现出来的性能，统称为金属材料的金属材料的使用性能使用性能。 （第二节（第二节 金属材料的加工工艺性能）金属材料的加工工艺性能） 三、工艺性能三、工艺性能 金属材料

23、的工艺性能是指金属材料在加金属材料的工艺性能是指金属材料在加工时表现出的难易程度，是物理、化学、工时表现出的难易程度，是物理、化学、力学性能的综合指标。力学性能的综合指标。 在设计机械零件和选择其加工方法时，都要在设计机械零件和选择其加工方法时，都要考虑金属材料的工艺性能。按工艺方法不同，工考虑金属材料的工艺性能。按工艺方法不同，工艺性能可分为铸造性能、可锻性能、焊接性能和艺性能可分为铸造性能、可锻性能、焊接性能和切削加工性等如低碳钢的可锻性和可焊性都很切削加工性等如低碳钢的可锻性和可焊性都很好；而高碳钢则较差，切削加工性也不好。好；而高碳钢则较差，切削加工性也不好。（第二节（第二节 金属材料

24、的加工工艺性能）金属材料的加工工艺性能） 一、金属的铸造性能：一、金属的铸造性能： 1、金属的流动性、金属的流动性 2、收缩性、收缩性 3、偏析倾向、偏析倾向 二、金属的可锻性能：二、金属的可锻性能： 1、塑性、塑性 2、变形抗力、变形抗力 三、金属的可焊性：三、金属的可焊性： 四、金属的可切削性：四、金属的可切削性：第二章第二章 铁碳合金铁碳合金 概述第一节第一节 纯铁的晶体结构及同素异构转变纯铁的晶体结构及同素异构转变 一、晶体结构：一、晶体结构： 为了便于分析比较各种晶体的内部结构，把每个为了便于分析比较各种晶体的内部结构，把每个原子看成一个点，把这些点用直线连接起来，便原子看成一个点，

25、把这些点用直线连接起来，便形成一个空间格子，叫做晶格。晶格中每个点叫形成一个空间格子，叫做晶格。晶格中每个点叫做结点。做结点。 各个方位的原子平面叫做晶面。各个方位的原子平面叫做晶面。 具有代表性的最小单元称为晶胞。具有代表性的最小单元称为晶胞。 晶胞中各棱边的长度叫做晶格常数，其大小以埃晶胞中各棱边的长度叫做晶格常数，其大小以埃来度量来度量。(第一节 纯铁的晶体结构及同素异构转变) 最常见的有下面三种类型最常见的有下面三种类型 一、体心立方晶格一、体心立方晶格 原子分布在立方体的各结点和中心处。原子分布在立方体的各结点和中心处。 Cr、Mo、V、W及及Fe等属于这种晶格形式，有较大的等属于这

26、种晶格形式，有较大的强度和较好的塑性。强度和较好的塑性。 二、面心立方晶格二、面心立方晶格 原子分布在立方体的各结点和各面的中心处。原子分布在立方体的各结点和各面的中心处。 属于这类晶格的金属有属于这类晶格的金属有 Al、Pb、Ag、Cu、Ni和和-Fe等，等，具有很好的塑性。具有很好的塑性。 另外，还有密排六方晶胞。另外，还有密排六方晶胞。(第一节 纯铁的晶体结构及同素异构转变) 二、二、纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变 1.结晶的概念结晶的概念 金属由液体状态转变为固态晶体的过程就叫金属由液体状态转变为固态晶体的过程就叫结晶结晶 结晶过程可用热分析法研究，得到冷却曲线，即温度随时结晶过

27、程可用热分析法研究，得到冷却曲线，即温度随时间而变化的曲线。间而变化的曲线。 如图如图1-10所示，冷却曲线有一水平线段，表示该金属在此所示，冷却曲线有一水平线段，表示该金属在此温度下由液体状态转变为固体状态产生的结晶潜热补偿了温度下由液体状态转变为固体状态产生的结晶潜热补偿了它向环境散失的热量，因此，线段是水平的。它向环境散失的热量，因此，线段是水平的。 在实际结晶过程中，金属液都是冷却到理论结晶温度在实际结晶过程中，金属液都是冷却到理论结晶温度T0以以下某个温度下某个温度Tn时才结晶。这一现象叫时才结晶。这一现象叫过冷过冷。 理论结晶温度与实际结晶温度之差称为理论结晶温度与实际结晶温度之差

28、称为过冷度过冷度，用，用T表表示，即示，即T= T0-Tn。(第一节 纯铁的晶体结构及同素异构转变) 2、同素异构转变、同素异构转变 -金属在固态下随着温度变化晶体结构也改变的现象叫金属在固态下随着温度变化晶体结构也改变的现象叫同素异构转变同素异构转变 。 以纯铁为例：以纯铁为例：15381394，体心立方晶格，叫做，体心立方晶格，叫做铁；铁； 1394912，面心立方晶格，叫做，面心立方晶格，叫做铁；铁； 912以下，以下，又为体心立方晶格，叫做又为体心立方晶格，叫做铁。铁。 第二节第二节 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织（第二章）（第二章） 一、一、Fe和和C的结合方式：的结合方式：

29、一）形成固溶体一）形成固溶体 例如碳的原子就能溶解到铁的晶格里，这时铁是例如碳的原子就能溶解到铁的晶格里，这时铁是溶剂，碳是溶质。这种溶质原子溶入溶剂晶格而溶剂，碳是溶质。这种溶质原子溶入溶剂晶格而仍仍保持溶剂晶格类型保持溶剂晶格类型的合金相结构叫做的合金相结构叫做固溶体固溶体。 根据固溶体晶格中溶剂与溶质原子的相互位置不根据固溶体晶格中溶剂与溶质原子的相互位置不同，固溶体分为同，固溶体分为置换固溶体置换固溶体和和间隙固溶体间隙固溶体。第二节第二节 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织（第二章）（第二章） 1、 置换固溶体置换固溶体: 当溶质原子代替了一部分当溶质原子代替了一部分溶剂原子而占据

30、溶剂晶格的某些结点位置溶剂原子而占据溶剂晶格的某些结点位置时，所形成的固溶体叫做置换固溶体时，所形成的固溶体叫做置换固溶体. 2、间隙固溶体间隙固溶体: 当溶质原子在溶剂晶当溶质原子在溶剂晶格中不是占据结点位置，而是嵌入各格中不是占据结点位置，而是嵌入各结点之间的空隙时，所形成的固溶体结点之间的空隙时，所形成的固溶体叫做间隙固溶体。叫做间隙固溶体。 第二节第二节 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织（第二章）（第二章） （重要概念：） 由于原子尺寸相差大，化学性质也不由于原子尺寸相差大，化学性质也不同，当溶质原子（如同，当溶质原子（如C、N、B等）溶解等）溶解在溶剂原子（如在溶剂原子（如Fe）

31、晶体中时，并不改）晶体中时，并不改变原晶格类型，但引起溶剂的晶格畸变，变原晶格类型，但引起溶剂的晶格畸变，使再变形越发困难，表现为合金的强度、使再变形越发困难，表现为合金的强度、硬度增高，这种现象叫做硬度增高，这种现象叫做固溶强化固溶强化。 第二节第二节 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织（第二章）（第二章）二）形成金属化合物二）形成金属化合物 它是两组元相互作用而形成的一种新的晶它是两组元相互作用而形成的一种新的晶体结构，其结构与原两组元都不同且具有金属体结构，其结构与原两组元都不同且具有金属特性。例如碳钢中的特性。例如碳钢中的Fe3C 。 这种硬而脆的化合物少量均匀分布在金属这种硬而脆的

32、化合物少量均匀分布在金属基体中，会引起金属的强度、硬度增高，我们基体中，会引起金属的强度、硬度增高，我们称此现象为称此现象为弥散强化弥散强化。三）形成机械混合物三）形成机械混合物 既有固溶体又有金属化合物共同形成金属的既有固溶体又有金属化合物共同形成金属的机械混合物。如：珠光体、莱氏体等。机械混合物。如：珠光体、莱氏体等。（P17）第三节第三节 铁碳合金状态图铁碳合金状态图（第二章）第三节第三节 铁碳合金状态图铁碳合金状态图（第二章） 二、铁碳合金状态图中主要点和线的意义二、铁碳合金状态图中主要点和线的意义 。 1、补充说明：（、补充说明：（770水平线表示铁素体的磁性转变温水平线表示铁素体的

33、磁性转变温度度,常称为常称为A2温度。在此温度以下温度。在此温度以下,铁素体呈铁磁性。铁素体呈铁磁性。230水平线表示渗碳体的磁性转变温度。磁性转变时不水平线表示渗碳体的磁性转变温度。磁性转变时不发生晶体结构的变化，渗碳体在发生晶体结构的变化，渗碳体在230以下呈铁磁性。以下呈铁磁性。 ） 2、图中各区域组织及几个主要点和线的意、图中各区域组织及几个主要点和线的意义。义。 3、不同成分组织在平衡状态下冷却和加热时的、不同成分组织在平衡状态下冷却和加热时的组织变化。组织变化。第三节第三节 铁碳合金状态图铁碳合金状态图（第二章） 三、几种基本组织：三、几种基本组织： （1）. F（铁素体）（铁素体

34、） ：碳溶解于：碳溶解于-Fe中的固溶体，中的固溶体，用符号用符号F表示。碳在表示。碳在Fe中的溶解度很小中的溶解度很小 ，在，在727时溶解度最大也才时溶解度最大也才0.0218 ，强度和硬度，强度和硬度均不高均不高 。 （2）. A（奥氏体）（奥氏体） ：碳溶解于：碳溶解于-Fe中的固溶体，中的固溶体，用符号用符号A表示。碳在奥氏体中的溶解度在表示。碳在奥氏体中的溶解度在1148时的溶解度达时的溶解度达2.11%。塑性很好，是绝大多数钢。塑性很好，是绝大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的组织。在高温进行锻造和轧制时所要求的组织。第三节第三节 铁碳合金状态图铁碳合金状态图（第二章） （3）

35、Fe3C（渗碳体）（渗碳体） ： 由铁和由铁和6.69的碳形成的金属化合物，其分子的碳形成的金属化合物，其分子式为式为Fe3C。硬而脆。硬而脆。 （4）P（珠光体）：（珠光体）： 铁素体和渗碳体组成的机械混合物。用符号铁素体和渗碳体组成的机械混合物。用符号P表示。强度较高，莱氏体：由奥氏体和渗碳体组表示。强度较高，莱氏体：由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，用符号成的机械混合物，用符号Ld来表示。力学性能与来表示。力学性能与渗碳体相似渗碳体相似,硬度很高硬度很高(HB700)，塑性极差。，塑性极差。 第二章第二章 铁碳合金思考与练习题铁碳合金思考与练习题 1、概念：晶体、晶格、晶胞、过冷度、同素

36、异、概念：晶体、晶格、晶胞、过冷度、同素异构转变、固溶强化和弥散强化。构转变、固溶强化和弥散强化。 2、分析在缓慢冷却条件下，、分析在缓慢冷却条件下，0.4c、0.77c和和1.3c的结晶过程和室温组织。的结晶过程和室温组织。 第三章第三章 工业常用钢简介工业常用钢简介常用金属材料：第一节第一节 常用金属材料的分类和应用常用金属材料的分类和应用（第三章 工业常用钢简介） 一、钢的分类一、钢的分类 （一）按钢的质量来分（一）按钢的质量来分 根据钢中所含有害元素硫、磷量的多少，根据钢中所含有害元素硫、磷量的多少，钢材分成三类。钢材分成三类。 普通质量钢普通质量钢 ： P0.045 S0.50 优质

37、钢优质钢 p0.350.04S0.030.04 高级优质钢：高级优质钢： P0.030.035 S0.020.03第一节第一节 常用金属材料的分类和应用常用金属材料的分类和应用（第三章 工业常用钢简介） (二二)按钢的化学成分来分按钢的化学成分来分 根据化学成分，钢材分为碳素钢和合金钢两类。根据化学成分，钢材分为碳素钢和合金钢两类。 1碳素钢碳素钢 按含碳量多少分成四类。按含碳量多少分成四类。 工业纯铁：工业纯铁： C%0.0218 低碳钢：低碳钢： O.0218C%0.25 中碳钢：中碳钢： 0.25C%60HRC)和良好的耐磨性，常用和良好的耐磨性，常用来制造一般用途的工具和小型模具。来制

38、造一般用途的工具和小型模具。（P32表1-6） 第一节第一节 常用金属材料的分类和应用常用金属材料的分类和应用（第三章 工业常用钢简介） 四、合金钢四、合金钢 ： （一）合金结构钢；（一）合金结构钢； （二）合金工具钢；（二）合金工具钢； （三）特殊性能用钢。（三）特殊性能用钢。第一节第一节 常用金属材料的分类和应用常用金属材料的分类和应用（第三章 工业常用钢简介）（一）（一） 合金结构钢合金结构钢第一节 常用金属材料的分类和应用常用金属材料的分类和应用（第三章 工业常用钢简介）（二）合金工具钢二）合金工具钢编号方法与合金结构钢相似，只是碳含量的表示方法不同，当平均含碳量大于或等于编号方法与合

39、金结构钢相似，只是碳含量的表示方法不同，当平均含碳量大于或等于10时，碳量不标出，平均含碳量小于时，碳量不标出，平均含碳量小于l0时，一般以千分之几表示。时，一般以千分之几表示。 第一节 常用金属材料的分类和应用常用金属材料的分类和应用（第三章 工业常用钢简介）（三）特殊性能钢（三）特殊性能钢包括不锈钢、耐热钢、磁钢、耐磨钢等。常用的几种特殊性能钢的牌号、性能及应用包括不锈钢、耐热钢、磁钢、耐磨钢等。常用的几种特殊性能钢的牌号、性能及应用见表46。 第一节 常用金属材料的分类和应用常用金属材料的分类和应用（第三章 工业常用钢简介） 五、铸铁五、铸铁（将这部分内容放在第二篇铸造中学习） 第三章第

40、三章 工业常用钢简介思考与练习题工业常用钢简介思考与练习题 1、钢中常存杂质元素主要有哪些、钢中常存杂质元素主要有哪些?对钢的性能有对钢的性能有何影响何影响?衡量钢质量的主要标准是什么衡量钢质量的主要标准是什么? 2、随着含碳量的增加，碳素钢的强度、硬度、随着含碳量的增加，碳素钢的强度、硬度、塑性和韧性怎样变化塑性和韧性怎样变化? 3、下列钢的牌号：、下列钢的牌号：Q235A、20、40Cr、9SiCr、16Mn、45、W18Cr4V、T10A、60Si2MnA、1Crl8Ni9Ti试分辨什么钢种试分辨什么钢种?数字数字和元素符号代表什么意思和元素符号代表什么意思?牌号中的碳素钢在使牌号中的碳

41、素钢在使用时需进行什么样的热处理用时需进行什么样的热处理? 4、（见、（见P35复习题）复习题）第四章第四章 钢的热处理钢的热处理 知识点：第一节钢在加热和冷却时的组织转变（第四章 钢的热处理） 一、钢在加热时的转变温度一、钢在加热时的转变温度 对于大多数热处理工艺，都要将钢加热对于大多数热处理工艺，都要将钢加热到临界温度到临界温度A1、A3、Acm以上，使其组织以上，使其组织发生变化。发生变化。 因为因为“过热过热”，实际转变温度比相图中，实际转变温度比相图中所规定的相变温度有一些差异，通常将加所规定的相变温度有一些差异，通常将加热时实际临界温度的位置用热时实际临界温度的位置用Ac1、Ac3

42、、Accm表示，如图表示，如图1-24所示。所示。第一节钢在加热和冷却时的组织转变（第四章 钢的热处理） 二、钢在加热时的组织转变二、钢在加热时的组织转变 以共析钢为例，说明钢在加热叫的组织转变以共析钢为例，说明钢在加热叫的组织转变 。 加热到，加热到，Ac1以上时，以上时，P向向A的转变。在的转变。在P中中F与与Fe3C片层的交界上出现大量的片层的交界上出现大量的A晶核，随着时间的延续，不断晶核，随着时间的延续，不断地溶解地溶解F和和Fe3C而逐渐长大，形成而逐渐长大，形成A晶粒，这样一来，晶晶粒，这样一来，晶粒数量小而多，机械性能提高。粒数量小而多，机械性能提高。 但随保温时间延长或升高温

43、度，奥氏体晶粒长大变粗。但随保温时间延长或升高温度，奥氏体晶粒长大变粗。为了控制奥氏体晶粒大小，一定要控制钢在加热时的温度为了控制奥氏体晶粒大小，一定要控制钢在加热时的温度和保温时间。和保温时间。 第一节钢在加热和冷却时的组织转变（第四章 钢的热处理） （冷却方式和冷却速度与奥氏体冷却后的组织转变有直接关系。）冷却方式和冷却速度与奥氏体冷却后的组织转变有直接关系。） 热处理工艺中有两种冷却方式：热处理工艺中有两种冷却方式： 一、连续冷却一、连续冷却 将已奥氏体化的钢，在连续冷却过程中，使将已奥氏体化的钢，在连续冷却过程中，使奥氏体发生组织转变，这种冷却方式叫连续冷却。奥氏体发生组织转变，这种冷

44、却方式叫连续冷却。例如在热处理生产中经常使用的在水中、油中或例如在热处理生产中经常使用的在水中、油中或空气中冷却等都是连续冷却方式。空气中冷却等都是连续冷却方式。第一节钢在加热和冷却时的组织转变（第四章 钢的热处理） 二、等温冷却二、等温冷却 将已奥氏体化的钢，先以较快的冷却速度冷到将已奥氏体化的钢，先以较快的冷却速度冷到A1线以下一定的温度，这时奥氏体尚未转变，称线以下一定的温度，这时奥氏体尚未转变，称其为过冷奥氏体，然后进行保温，使过冷奥氏体其为过冷奥氏体，然后进行保温，使过冷奥氏体在等温下发生组织转变。转变完成后再冷却到室在等温下发生组织转变。转变完成后再冷却到室温。温。 现以共析钢为例

45、，进行一系列不同过冷度的等现以共析钢为例，进行一系列不同过冷度的等温冷却实验温冷却实验 ：第一节钢在加热和冷却时的组织转变（第四章 钢的热处理）（一）缓慢冷却（一）缓慢冷却 即随炉冷即随炉冷 （高温转变产物）（高温转变产物） 又称珠光体型组织，它是指过冷奥氏体在又称珠光体型组织，它是指过冷奥氏体在727550间等温转变，组织是由一层铁素间等温转变，组织是由一层铁素体和一层渗碳体组成的机械混合物。过冷度越体和一层渗碳体组成的机械混合物。过冷度越大，层片越薄，硬度也越高。大，层片越薄，硬度也越高。727650：珠光体：珠光体P；（；（HRC18左右）左右） 650600：细珠光体，又称做索氏体：细

46、珠光体，又称做索氏体S；（HRC30左右）左右） 600550：极细珠光体，又称做屈氏体：极细珠光体，又称做屈氏体T。（HRC40左右）左右）第一节钢在加热和冷却时的组织转变（第四章 钢的热处理） （二）较快冷却即空冷（中温转变产物）（二）较快冷却即空冷（中温转变产物） 又称贝氏体（又称贝氏体（B）型转变产物，它是指过冷奥）型转变产物，它是指过冷奥氏体在氏体在550230之间等温转变，组织是由含碳之间等温转变，组织是由含碳过量的铁素体和微小的渗碳体混合而成。贝氏体过量的铁素体和微小的渗碳体混合而成。贝氏体比珠光体的硬度更高。比珠光体的硬度更高。 550350：上贝氏体；：上贝氏体； 35023

47、0：下贝氏体。：下贝氏体。 下贝氏体较上贝氏体有较高的强度和硬度，塑性下贝氏体较上贝氏体有较高的强度和硬度，塑性和韧性也较好。和韧性也较好。第一节钢在加热和冷却时的组织转变（第四章 钢的热处理） （三）快速冷却即水或油冷或先水后油（低温转变产物）（三）快速冷却即水或油冷或先水后油（低温转变产物） 又称马氏体型转变，它指过冷奥氏体在又称马氏体型转变，它指过冷奥氏体在230以下的以下的等温转变。由于转变温度较低，碳原子已不能扩散，只发等温转变。由于转变温度较低，碳原子已不能扩散，只发生铁的晶格重构，由面心立方晶格变成体心立方晶格，形生铁的晶格重构，由面心立方晶格变成体心立方晶格，形成了碳在成了碳在

48、-Fe中的过饱和固溶体，称为马氏体中的过饱和固溶体，称为马氏体, 用符号用符号M来表示。马氏体通常具有高的硬度和耐磨性，但塑性和韧来表示。马氏体通常具有高的硬度和耐磨性，但塑性和韧性很差。性很差。 随着温度的降低，马氏体数量不断增加，直至冷却到随着温度的降低，马氏体数量不断增加，直至冷却到马氏体转变终了温度马氏体转变终了温度-50时，过冷奥氏体才能全部转变时，过冷奥氏体才能全部转变成马氏体。成马氏体。 第二节 钢的热处理工艺（第四章 钢的热处理） 钢的热处理工艺种类很多，本节主要讨论钢的热处理工艺种类很多，本节主要讨论普通热处理、表面淬火和化学热处理。普通热处理、表面淬火和化学热处理。 一、普

49、通热处理一、普通热处理 普通热处理在钢的热处理工艺中应用最普通热处理在钢的热处理工艺中应用最广泛，它包括退火、正火、淬火和回火。广泛，它包括退火、正火、淬火和回火。第二节 钢的热处理工艺（第四章 钢的热处理） （一）退火（一）退火 退火是将钢加热到合适温度，保温一定时间后，退火是将钢加热到合适温度，保温一定时间后，在加热炉中或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却，在加热炉中或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却，从而获得接近平衡组织的一种热处理工艺。从而获得接近平衡组织的一种热处理工艺。 1退火目的退火目的 各种钢在退火时目的不同。其主要各种钢在退火时目的不同。其主要有：有： (1)降低硬度，以利于切削加

50、工或其他种类加工。降低硬度，以利于切削加工或其他种类加工。 (2)细化晶粒，提高钢的塑性和韧性。细化晶粒，提高钢的塑性和韧性。 (3)消除内应力，并为淬火工序做好准备。消除内应力，并为淬火工序做好准备。第二节 钢的热处理工艺（第四章 钢的热处理） 2.退火分类退火分类 由于钢的成分和退火目的不同，主要的退火由于钢的成分和退火目的不同，主要的退火工艺有：工艺有： (1)完全退火完全退火 把工件加热到把工件加热到Ac3以上以上30-50，（P27图图1-27）保温后缓慢冷却下来的热处理工艺，保温后缓慢冷却下来的热处理工艺，称为称为完全退火完全退火，又叫重结晶退火。，又叫重结晶退火。 完全退火是应用

51、最广泛的退火方法，主要用于亚完全退火是应用最广泛的退火方法，主要用于亚共析钢和共析钢的锻件、轧件和铸件的退火。通共析钢和共析钢的锻件、轧件和铸件的退火。通过重结晶退火使晶粒细化，组织均匀和消除残余过重结晶退火使晶粒细化，组织均匀和消除残余应力，用以提高钢件性能。应力，用以提高钢件性能。第二节 钢的热处理工艺（第四章 钢的热处理） (2)球化退火球化退火 使钢中碳化物呈球状化而进行使钢中碳化物呈球状化而进行的退火，称为球化退火。退火时将工件加的退火，称为球化退火。退火时将工件加热到热到Ac1以上以上3050，（见，（见P27图图1-27）然慢慢然慢慢冷却。冷却。 球化退火主要用于过共析钢，使钢中

52、二次球化退火主要用于过共析钢，使钢中二次渗碳体和珠光体中的片状渗碳体球状化，渗碳体和珠光体中的片状渗碳体球状化，以降低硬度和提高韧性，改善切削加工性以降低硬度和提高韧性，改善切削加工性能。能。 第二节 钢的热处理工艺（第四章 钢的热处理） (3)去应力退火去应力退火 为了消除钢件在铸造、锻造、焊接或切为了消除钢件在铸造、锻造、焊接或切削加工过程中残留的内应力而进行的退火，削加工过程中残留的内应力而进行的退火，称为去应力退火。称为去应力退火。 去应力退火加热温度是低于去应力退火加热温度是低于Ac1,以下，约以下，约500-600保温后缓冷。保温后缓冷。第二节 钢的热处理工艺（第四章 钢的热处理）

53、 (二二)正火正火 正火是将钢加热到正火是将钢加热到Ac3或或Accm以上以上3050，（见，（见P27图图1-27）保温合适时间后，在空气保温合适时间后，在空气中冷却的热处理工艺。中冷却的热处理工艺。 正火与退火的目的相似。但是，正火的正火与退火的目的相似。但是，正火的加热温度稍高。正火是在空气中冷却，冷加热温度稍高。正火是在空气中冷却，冷却速度比退火快却速度比退火快,得到的组织（得到的组织（B）的片层）的片层间距比退火时要小，强度和硬度比退火后间距比退火时要小，强度和硬度比退火后的为高。的为高。第二节 钢的热处理工艺（第四章 钢的热处理） 亚共析钢正火的目的主要是亚共析钢正火的目的主要是细

54、化晶粒，提高细化晶粒，提高其力学性能其力学性能。 过共析钢正火过共析钢正火使钢中渗碳体沿晶界析出不能使钢中渗碳体沿晶界析出不能成网状成网状，而是呈断续的链条状分布，这就有利于，而是呈断续的链条状分布，这就有利于进一步的球化退火，所以，在生产中，常在进一步的球化退火，所以，在生产中，常在球化球化退火之前进行一次正火退火之前进行一次正火，来消除钢中的网状渗碳，来消除钢中的网状渗碳体体 正火优点：正火优点： 在炉外冷却，不占用加热设备，生产效率高，在炉外冷却，不占用加热设备，生产效率高，工艺简单，经济。所以，低碳钢多采用正火来代工艺简单，经济。所以，低碳钢多采用正火来代替退火。替退火。第二节 钢的热

55、处理工艺（第四章 钢的热处理） （三）淬火（三）淬火 淬火是将钢加热到淬火是将钢加热到Ac3或或Acl以上以上3050，（见（见P27图图1-28）保温后快速冷却以获得不稳定）保温后快速冷却以获得不稳定组织的热处理工艺。组织的热处理工艺。 目的：提高钢的硬度和耐磨性。并与回火相配合目的：提高钢的硬度和耐磨性。并与回火相配合获得所需要的力学性能。获得所需要的力学性能。 以共析钢为例，分析淬火时钢的组织转变。如以共析钢为例，分析淬火时钢的组织转变。如前所述，共析钢被加热到前所述，共析钢被加热到Acl以上，将全部转变为以上，将全部转变为奥氏体。由于淬火时的冷却速度极快，奥氏体仅奥氏体。由于淬火时的冷

56、却速度极快，奥氏体仅能发生能发生-Fe向向-Fe的同素异构转变，而的同素异构转变，而-Fe中的中的过饱和碳原子在低温下却难以从晶格内扩散出去，过饱和碳原子在低温下却难以从晶格内扩散出去，这样就形成了碳在这样就形成了碳在-Fe中的过饱和固溶体。中的过饱和固溶体。第二节第二节 钢的热处理工艺钢的热处理工艺（第四章 钢的热处理） 马氏体的比容比奥氏体大，致使形成马氏体的比容比奥氏体大，致使形成马氏体过程中将伴随着体积膨胀，于是造马氏体过程中将伴随着体积膨胀，于是造成成淬火内应力淬火内应力。为防止因内应力过大使工。为防止因内应力过大使工件产生变形或开裂，在工艺上应采取如下件产生变形或开裂，在工艺上应采

57、取如下措施。措施。 第二节 钢的热处理工艺（第四章 钢的热处理） 1. 严格控制淬火加热温度严格控制淬火加热温度 亚共析钢的加热温度：亚共析钢的加热温度：Ac3以上以上3050，得到细颗粒的奥氏体，淬火后获得细小的马氏体得到细颗粒的奥氏体，淬火后获得细小的马氏体组织。如果加热温度低于组织。如果加热温度低于Ac3，则淬火组织中将，则淬火组织中将会出现自由铁素体，使钢的硬度不足；如果加热会出现自由铁素体，使钢的硬度不足；如果加热温度过高，增加了淬火应力，得到粗大马氏体组温度过高，增加了淬火应力，得到粗大马氏体组织，淬火后使钢的脆性增大织，淬火后使钢的脆性增大,易使工件产生裂纹和易使工件产生裂纹和变

58、形。变形。第二节第二节 钢的热处理工艺钢的热处理工艺（第四章第四章 钢的热处理）钢的热处理） 共析钢和过共析钢的加热温度：Ac1以上3050，淬火后获得均匀细小的马氏体和小颗粒的渗碳体组织。如果淬火温度在Accm以上，由于渗碳体的溶解，反而会渗碳体的溶解，反而会降低淬火后钢的耐磨性，再者由于温度过降低淬火后钢的耐磨性，再者由于温度过高，同样也会得到粗大马氏体组织高，同样也会得到粗大马氏体组织，引起钢的严重变形，甚至开裂。第二节第二节 钢的热处理工艺钢的热处理工艺（第四章第四章 钢的热处理）钢的热处理）2合理选择淬火介质合理选择淬火介质 常用的淬火介质有油、水、盐水等，常用的淬火介质有油、水、盐

59、水等，油中冷却较慢，水中冷却快，盐水中冷却油中冷却较慢，水中冷却快，盐水中冷却更快，要根据钢的化学成分及对工件的技更快，要根据钢的化学成分及对工件的技术要求，选用不同的冷却介质。水的冷却术要求，选用不同的冷却介质。水的冷却能力较强，碳钢多用它来淬火。油的冷却能力较强，碳钢多用它来淬火。油的冷却能力较低，合金钢多用它来淬火。能力较低，合金钢多用它来淬火。第二节第二节 钢的热处理工艺钢的热处理工艺（第四章第四章 钢的热处理）钢的热处理） （四）（四） 回火回火 （作用：消除内应力；调整其（作用：消除内应力；调整其机械性能）机械性能） 将淬火后的钢重新加热到将淬火后的钢重新加热到Ac1以下某温以下某

60、温度，保温合适时间后，冷却（一般空冷）度，保温合适时间后，冷却（一般空冷）到室温的热处理工艺称为回火。到室温的热处理工艺称为回火。 根据加热温度和工件所要求的性能，根据加热温度和工件所要求的性能，回火分为下面回火分为下面3种。种。第二节第二节 钢的热处理工艺钢的热处理工艺（第四章第四章 钢的热处理）钢的热处理） 1低温回火低温回火 回火温度：回火温度：150250。 1) 组织：组织： 碳的过饱和程度稍小的碳的过饱和程度稍小的-Fe固溶体固溶体+少少量碳化物，称为回火马氏体。量碳化物，称为回火马氏体。 2) 目的：目的： 降低钢的内应力和脆性，保持钢在淬火降低钢的内应力和脆性，保持钢在淬火后得