金属材料热处理(全,相图好)

1、第一篇第一篇 金属材料基本知识金属材料基本知识本篇重点：本篇重点： 1.金属材料的力学性能金属材料的力学性能 2.铁碳合金基本组织及状态图铁碳合金基本组织及状态图 3.钢的热处理钢的热处理本篇难点：本篇难点： 1.各力学性能指标的物理意义和测定方法各力学性能指标的物理意义和测定方法 2.铁碳合金状态图的分析铁碳合金状态图的分析 3.钢的热处理钢的热处理材料：材料： 可以用来制作产品的物质。可以用来制作产品的物质。 材料按材料按物质结构物质结构不同分不同分： 金属材料金属材料、非金属材料（有机高分子材料和陶、非金属材料（有机高分子材料和陶瓷料瓷料)、复合材料、复合材料 材料按材料按用途用途不同分

2、不同分： 机械工程材料、土木工程材料、电工材料、电子材料机械工程材料、土木工程材料、电工材料、电子材料 材料按材料按功能功能不同分不同分： 结构材料、功能材料、磁性材料等结构材料、功能材料、磁性材料等世界四大材料世界四大材料：钢铁、木材、塑料、水泥钢铁、木材、塑料、水泥 常用工程材料按其化学成分、结合键的特常用工程材料按其化学成分、结合键的特点分：点分： 金属材料、非金属材料、复合材料金属材料、非金属材料、复合材料金属材料金属材料指钢铁、有色金属等材料指钢铁、有色金属等材料非金属材料非金属材料无机无机高分子材料（陶瓷、水泥、高分子材料（陶瓷、水泥、木材等），木材等），有机有机高分子材料（如塑料

3、、橡胶），高分子材料（如塑料、橡胶），复合材料复合材料-玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材料料。现在新材料现在新材料- -纳米材料、智能材料纳米材料、智能材料v纳米材料：纳米材料： 一般把分子粒径小于等于一般把分子粒径小于等于1100nm(即即10-910-7m)的材料称为纳米材料。的材料称为纳米材料。 v广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。v智能材料：智能材料：v一种新型材料，由传感器或敏感元件等与传统材料结合而成。这种材料可以自我发现故障，自我修复，并根据实际情况作出优化反应，发挥控制功能

4、。 材料发展概括材料发展概括 石器时代石器时代陶器时代陶器时代铜器时代：铜器时代：司母戊鼎司母戊鼎（公元前（公元前11111616世纪）世纪）1130113078078011001100战国编钟战国编钟（前前475475221221年）年）6565个个 总重总重2500Kg2500Kg天然石，兽骨，树枝天然石，兽骨，树枝泥巴（日晒泥巴（日晒原始陶器；火烧原始陶器；火烧瓷器用具瓷器用具） 铁器时代铁器时代 沧州大狮沧州大狮（公元公元953953年年 ）重）重50T ,50T ,长长5.3m,5.3m,宽宽3m3m人工复合材人工复合材 料料 塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等塑料、橡胶、陶瓷

5、、钛合金、碳纤维、纳米等 智能材料智能材料 出土于河南安阳侯家庄武官村。此鼎形制雄伟，重达875公斤,高达133厘米,口长110厘米、口宽78厘米，是迄今为止出土的最大最重的青铜器。 司母戊大鼎v1978年夏天出土于年夏天出土于湖北湖北随县随县(今湖北随州市今湖北随州市)擂鼓墩战国早期曾国君王曾擂鼓墩战国早期曾国君王曾侯乙墓。这是一种打击侯乙墓。这是一种打击乐器乐器，供古代宗庙祭祀和宴请宾客时使用。全套，供古代宗庙祭祀和宴请宾客时使用。全套编钟包括钮钟编钟包括钮钟19件，甬钟件，甬钟45件，外加楚惠王赠送的一件钟，共件，外加楚惠王赠送的一件钟，共65件，总件，总重量二千五百多公斤重量二千五百多

6、公斤,编钟以大小和音高为序编成编钟以大小和音高为序编成8组，悬挂在铜木结构组，悬挂在铜木结构的三层钟架上。钟上均铸有篆书铭文，共二千八百余字，其内容全面地的三层钟架上。钟上均铸有篆书铭文，共二千八百余字，其内容全面地反映了战国时期我国乐律学达到的高度水平。这是我国迄今为止发现的反映了战国时期我国乐律学达到的高度水平。这是我国迄今为止发现的数量最多、保存最完好的一套编钟。编钟音乐性能保存完好，音色优美，数量最多、保存最完好的一套编钟。编钟音乐性能保存完好，音色优美，音域宽广，从最低音到最高音，共有五个八度，能演奏古今中外的乐曲。音域宽广，从最低音到最高音，共有五个八度，能演奏古今中外的乐曲。这套

7、编钟的发现，对研究战国历史、音乐和冶铸技术等，都有着极高的这套编钟的发现，对研究战国历史、音乐和冶铸技术等，都有着极高的价值。它的总用铜量达价值。它的总用铜量达5吨之多，设计精巧，铸造瑰丽，出土时尚完整吨之多，设计精巧，铸造瑰丽，出土时尚完整地悬挂在钟架上，音域宽广，音色优美，古今乐曲均能演奏，八鼓谐余地悬挂在钟架上，音域宽广，音色优美，古今乐曲均能演奏，八鼓谐余韵绕梁令人惊叹叫绝韵绕梁令人惊叹叫绝,它是中国古代文化艺术的瑰宝，被誉为它是中国古代文化艺术的瑰宝，被誉为世界第八世界第八奇迹奇迹。1983年湖北省博物馆等单位复制成功了年湖北省博物馆等单位复制成功了28件编钟，演奏了件编钟，演奏了春

8、春江花月夜江花月夜等乐曲，抑扬顿挫和谐动听，湖北省歌舞团演出了历史歌舞等乐曲，抑扬顿挫和谐动听，湖北省歌舞团演出了历史歌舞编钟乐舞编钟乐舞，使观众听到了两千多年前的美妙声音。，使观众听到了两千多年前的美妙声音。v编钟的钟架称为编钟的钟架称为钜钜(j)，由，由245个构件组成，设计精巧，比例适宜，个构件组成，设计精巧，比例适宜，结构牢固，可以拆卸。虽然承受了二千多公斤重的全套编钟，历时二千结构牢固，可以拆卸。虽然承受了二千多公斤重的全套编钟，历时二千多年，出土时仍矗立如故。是研究先秦音乐史与青铜铸造工艺的珍品。多年，出土时仍矗立如故。是研究先秦音乐史与青铜铸造工艺的珍品。 永乐大钟高6.75m、

9、直径3.3m、重量46.5t的铜钟，是明朝永乐年间（约1420年）铸造的，在世界大钟之林中铸造年代最久远。钟身内外铸满了佛经，经文清晰，排列巧妙，总字数达230184个，是世界上铸字最多的大钟。撞击一下，钟声悠扬悦耳，可传4050km。 永乐大钟局部，上面载明大钟铸造的时间。沧州铁沧州铁狮狮铸造于铸造于公公元元953953年。年。铁狮子通铁狮子通高高5.785.78米，米，身长身长6.56.5米，体宽米，体宽3.173.17米，米，重约重约4040吨吨v沧州铁狮子，当地又称作沧州铁狮子，当地又称作“镇海吼镇海吼”，它位于沧县，它位于沧县旧州城内，坐落在原开元寺前。关于铁狮子的确实旧州城内，坐落

10、在原开元寺前。关于铁狮子的确实来历，有许多说法，古今不一。据来历，有许多说法，古今不一。据沧县志沧县志记载，记载，相传周世宗北征契丹罚罪人所铸，相传周世宗北征契丹罚罪人所铸，“以镇州城以镇州城”。可是，后来的考据家分辩说，周世宗素不信佛，罚可是，后来的考据家分辩说，周世宗素不信佛，罚罪之说不足信。流传广泛又比较合乎情理的，是当罪之说不足信。流传广泛又比较合乎情理的，是当地一个有名的传说。古时沧州一带滨临沧海，海水地一个有名的传说。古时沧州一带滨临沧海，海水经常泛滥，海啸为害，民不聊生，当地人为清除这经常泛滥，海啸为害，民不聊生，当地人为清除这无情的水患，自动集资捐钱，请当时山东有名的铸无情的水

11、患，自动集资捐钱，请当时山东有名的铸造师李云铸此狮以镇遏海啸水患，并取名造师李云铸此狮以镇遏海啸水患，并取名“镇海镇海吼吼”。狮身外面铸有捐钱者的姓名，一般认为此说。狮身外面铸有捐钱者的姓名，一般认为此说比较可信。比较可信。 1996年我国钢产量超过一亿吨，变成世界第一产钢大国。这是为纪念钢产量突破一亿吨而发行的邮票。 材料历史发展图片：陶器时代陶器时代第一章第一章 金属材料的主要性能金属材料的主要性能 本章重点：本章重点：金属材料的力学性能金属材料的力学性能主要内容：主要内容：金属材料的力学性能金属材料的力学性能, ,包括材料的强包括材料的强 度度 、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳、硬度、塑性、

12、冲击韧性、疲劳 强度等。强度等。本本章章难点：难点：各性能指标的物理意义和测定方法各性能指标的物理意义和测定方法v金属材料应用最为广泛金属材料应用最为广泛（1）地球上的储量丰富）地球上的储量丰富（2）具备制造机器的物理和化学性能）具备制造机器的物理和化学性能（3）易于加工）易于加工金属材料的性能金属材料的性能使用性能使用性能力学力学、物理、化学、物理、化学工艺性能工艺性能铸造、锻压、焊接、切削加工铸造、锻压、焊接、切削加工力学性能力学性能：受外力作用下所表现出的性能受外力作用下所表现出的性能。 判据判据 如：如： 强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等金属材料的性

13、能对零件的使用和加工有重要作用金属材料的性能对零件的使用和加工有重要作用第一节第一节 材料的力学性能材料的力学性能v力学性能力学性能 材料在外力作用下所表现出的特性。材料在外力作用下所表现出的特性。一、外力作用下材料的变形与失效一、外力作用下材料的变形与失效 作用在机件上的外力载荷FFF = F （MPa）外力 内力应力FF静载荷静载荷:载荷不随时间变化或者变化极其平稳缓慢，并且使各部件的加速度为0：（起重机以等速度吊起重物）动载荷：动载荷：载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化：（起重机加速度吊起重物）= F /SSFSF（1 1）弹性变形：）弹性变形： 材料受外力作用时产生变形，当外力

14、去除后恢复其原来材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。1. 1.两种基本变形两种基本变形FFF （2 2）塑性变形）塑性变形: : 材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称为塑性变形。称为塑性变形。FFFbkse拉伸力拉伸力 F O伸长量伸长量 LFsFbFe低碳钢的力低碳钢的力伸长曲线伸长曲线0AF应力：LL0应变：Fe ：弹性变形LFFs ：s点为屈服点Fb ：b，缩颈FK：k，断裂。 在低碳钢拉伸曲线中，把在低碳钢拉伸曲线中，把F-l坐标

15、换成坐标换成 -（应力（应力应变）就可应变）就可以直接在图上读出力学性能指标，以直接在图上读出力学性能指标，并且不需要做成标准试样。并且不需要做成标准试样。强度强度 材料在外力作用下，抵抗材料在外力作用下，抵抗塑性变形塑性变形和和断裂断裂的的 能力。工能力。工程上常用的金属材料的强度指标有程上常用的金属材料的强度指标有屈服强度屈服强度(s)和和抗拉强度抗拉强度(b)等等.应用：强度是机械零件（或工程构件）在设计、加工、使用过程中的主要性能应用：强度是机械零件（或工程构件）在设计、加工、使用过程中的主要性能指标，特别是选材和设计的主要依据。指标，特别是选材和设计的主要依据。L0LKd0拉断拉断前

16、前试样试样拉断拉断后后试样试样试样按试样按GB639786制取，制取，分长试样分长试样L0=10d0短试样短试样 L0=5d0说明说明：bkse拉伸力拉伸力 F O伸长量伸长量 LFsFbFe低碳钢的力低碳钢的力伸长曲线伸长曲线FF0AFbb%10000 LLLk 0AFss不同的金属材料拉伸曲线不同的金属材料拉伸曲线低碳钢低碳钢铸铁铸铁典型塑性材料的拉伸曲线典型塑性材料的拉伸曲线典型脆性材料典型脆性材料注意注意1.室温室温2.静载荷静载荷3.材料类型材料类型1 1强度强度：当材料单位面积上所受的应力 e es s时，材料将产生明显的塑性变形。条件屈服强度:0.2=F 0.2/A0 （MPa）

17、材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。（1 1） 屈服强度屈服强度（S）指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。 S S =Fs/A =Fs/A0 0 （MPaMPa）它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。屈服强度屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据。是塑性材料选材和评定的依据。kbFesl0ll0SF2 . 0s100%0.2%2 . 0Fb b =Fb/A0 （MPa）（2 2）抗拉强度）抗拉强度（b ）抗拉强度是材料在拉断前抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。承受最大载荷时的应力。 它表征

18、了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。抗拉强度抗拉强度 是脆性材料选材的依据。是脆性材料选材的依据。高碳钢：高碳钢：6060、6565强度高，用于制造钢丝绳，弹簧，发条等强度高，用于制造钢丝绳，弹簧，发条等2. 2. 塑性塑性常用常用 和和 作为衡量塑性的指标。作为衡量塑性的指标。伸长率：材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。断面收缩率:%10000lllk%10000sssk0lkl0dFFLkd良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。低碳钢：低碳钢：1010、1515、2020，塑

19、性好，用于拉拔、冲压、锻造和焊接，塑性好，用于拉拔、冲压、锻造和焊接对于塑性差的材料，用对于塑性差的材料，用0.2来代替来代替s； 1）使材料具有良好的成形性；）使材料具有良好的成形性； 2）受到外力变形时，有强化作用。）受到外力变形时，有强化作用。 GB/T2282002金属材料金属材料 室温拉伸试验方法室温拉伸试验方法 规定：断后伸长率规定：断后伸长率 A 表示；表示； 断面收缩率断面收缩率 Z 表示；表示； 屈服强度屈服强度 Re 表示；表示； 抗拉强度抗拉强度 Rm 表示；表示；此规定代替此规定代替GB228-87，从，从2002年年7月执行月执行。3.硬度硬度 材料抵抗更硬的物体压入

20、其内的能力。材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。 决定金属材料的耐磨性：刀具、模具、耐磨表面等。决定金属材料的耐磨性：刀具、模具、耐磨表面等。最常用的硬度指标有：最常用的硬度指标有：布氏硬度（布氏硬度（HB)和和洛氏硬度洛氏硬度 (HRA-C)。布氏硬度和洛氏硬度试验原理和使用范围均。布氏硬度和洛氏硬度试验原理和使用范围均不相同；不相同；v布氏硬度原理：图布氏硬度原理：图13 布氏硬度试验是指布氏硬度试验是指用一定直径的用一定直径的 球体球体（钢球或硬质合金球）（钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入以相应的试验力压入试样表面，经规定保试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，持时间后卸除试验力，用测

21、量的表面压痕直用测量的表面压痕直径计算硬度的一种压径计算硬度的一种压痕硬度试验。痕硬度试验。v 使用使用钢球钢球压头时布氏硬度值用符号压头时布氏硬度值用符号HBS表示；使表示；使用用硬质合金压头硬质合金压头时用符号时用符号HBW表示。表示。 在实际测试时，不必用公式计算，一般用读数显微在实际测试时，不必用公式计算，一般用读数显微镜测出压痕直镜测出压痕直 径径d，然后根据，然后根据 d大小查表，即可求大小查表，即可求出所测的硬度值。出所测的硬度值。应用：测量比较软的材料。测量范围应用：测量比较软的材料。测量范围 HBS450、HBW650的金属材料。的金属材料。优缺点：优缺点：压痕大，测量准确，

22、但不能测量成品件。广泛用于压痕大，测量准确，但不能测量成品件。广泛用于测定铸铁、有色金属、退火钢等小于测定铸铁、有色金属、退火钢等小于450HBS的金属材料。的金属材料。v金属布氏硬度试验方法标准金属布氏硬度试验方法标准v 1. 概述概述v GB/ T231. 1 2002 金属布氏硬度试验金属布氏硬度试验 第第1 部分：部分： 试验方法试验方法修修改采用国际标准改采用国际标准I SO6506 1 ： 1999金属材料金属材料 布氏硬度试验布氏硬度试验 第第1 部部分：分： 试验方法试验方法， 是对是对GB/ T231 1984 金属布氏硬度试验方法金属布氏硬度试验方法的修订，并于的修订，并于

23、2002 年年12 月月31 日发布、日发布、2003 年年6 月月1 日实施。从实施之日实施。从实施之日起代替日起代替GB/ T231 1984 。v 2. 取消用钢球压头进行布氏硬度试验取消用钢球压头进行布氏硬度试验v 按旧标准规定，按旧标准规定， 布氏硬度试验可以采用钢球压头或硬质合金球压头两布氏硬度试验可以采用钢球压头或硬质合金球压头两种。压头为钢球时，种。压头为钢球时， 用符号用符号“HBS”或或“HB” 表示表示; 压头为硬质合金球压头为硬质合金球时，时， 用符号用符号“HBW”表示。钢球压头的布氏硬度试验适用于表示。钢球压头的布氏硬度试验适用于450 HBS 以下的材料。硬质合金

24、球压头的布氏硬度试验适用于以下的材料。硬质合金球压头的布氏硬度试验适用于650HBW以下的材以下的材料。由于淬火钢球相对硬质合金球压头容易产生变形，料。由于淬火钢球相对硬质合金球压头容易产生变形， 当布氏硬度值超当布氏硬度值超过过350 时，时， 用钢球和硬质合金球得到的试验结果明显不同。因此，用钢球和硬质合金球得到的试验结果明显不同。因此， 为为了统一起见，了统一起见， 新标准只规定了硬质合金球压头一种。因此，新标准只规定了硬质合金球压头一种。因此， 本标准实本标准实施后，施后， 硬度计应全部采用硬质合金球压头。技术文件应一律标注符号硬度计应全部采用硬质合金球压头。技术文件应一律标注符号“H

25、BW”。补充说明补充说明1. 原理原理 洛氏硬度洛氏硬度加初载荷加初载荷加主载荷加主载荷卸除主载荷卸除主载荷读硬度值读硬度值应用范围应用范围20701500N120金刚石圆锥体HRC201001000N1.588mm钢球HRB6085600N120金刚石圆锥体HRA常用洛氏硬度标度的试验范围常用洛氏硬度标度的试验范围硬质合金、表硬质合金、表面淬火钢等面淬火钢等软钢、退火钢软钢、退火钢、铜合金等、铜合金等淬火钢、调质淬火钢、调质钢等钢等4.冲击韧性冲击韧性 金属材料抵抗冲击载荷的作用而金属材料抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力。常用的指标有不破坏的能力。常用的指标有冲击韧度冲击韧度(Ak)。 试验

26、原理：试样被冲断过程中吸收的能试验原理：试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功（量即冲击吸收功（Ak ）等于摆锤冲击试）等于摆锤冲击试样前后的势能差。样前后的势能差。冲击韧度（冲击韧度（a k）：冲击吸收功除以试样缺）：冲击吸收功除以试样缺口处截面积口处截面积。试验过程如图所示。试验过程如图所示。 计算公式计算公式 A Ak k= =GHGH1 1 - GH- GH2 2 =G=G（H H1 1 - H- H2 2）在冲击载荷下工作的零件，很少是受大能量在冲击载荷下工作的零件，很少是受大能量一次冲击而破坏的；往往是受小能量多次重一次冲击而破坏的；往往是受小能量多次重复冲击而破坏的。复冲击而破坏

27、的。材料材料的断裂前的断裂前塑性变形塑性变形的能力。的能力。与与脆性脆性相反，材料在断裂前有较大相反，材料在断裂前有较大形变形变、断裂时、断裂时断断面面常呈现外延形变，常呈现外延形变，此形变不能立即恢复，其应力此形变不能立即恢复，其应力- -形变关系成非线性、形变关系成非线性、消耗的消耗的断裂断裂能很大的材料。能很大的材料。通常以通常以冲击强度冲击强度的大小、晶状断面率来衡量。的大小、晶状断面率来衡量。韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小5.疲劳强度疲劳强度 金属材料抵抗交变载荷的作用而不金属材料抵抗交变载荷的作用而不 破坏破坏 的能力。常用的指标有的能力。

28、常用的指标有疲劳强度疲劳强度(-1) 。 零件发生疲劳破坏是没有预兆而零件发生疲劳破坏是没有预兆而突然断裂突然断裂，此时发，此时发生疲劳破坏的应力远远小于抗拉强度，甚至比屈服强度生疲劳破坏的应力远远小于抗拉强度，甚至比屈服强度还小，非常危险。还小，非常危险。有许多机械零件，如轴、齿轮、连杆和弹簧等，在工作过有许多机械零件，如轴、齿轮、连杆和弹簧等，在工作过程中受到大小、方向随时间呈周期性变化的载荷作用，这程中受到大小、方向随时间呈周期性变化的载荷作用，这种载荷称为交变载荷。种载荷称为交变载荷。 1n材料在无数次重复或交变载荷作用下不引起破坏的最大应力。材料在无数次重复或交变载荷作用下不引起破坏

29、的最大应力。 循环基数钢： 受交变载荷作用的零件，在其所受应力远远低于该材料的屈服强度时，会发生突然的断裂。而且是脆性断裂。据统计，约据统计，约80%80%的机件失效的机件失效为疲劳破坏。为疲劳破坏。0n0n7010n8010n有色金属：疲劳强度是指疲劳强度是指金属材料金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称 为疲劳强度或疲劳极限。为疲劳强度或疲劳极限。实际上，金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验。一般试验时规定，钢实际上，金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验。一般试验时规定，钢在经受在经受10107 7次、非铁（有色）金属材料经受次

30、、非铁（有色）金属材料经受10108 8次交变载荷作用时不产生次交变载荷作用时不产生断裂时的最大应力称为疲劳强度。断裂时的最大应力称为疲劳强度。当施加的当施加的交变应力交变应力是对称循环应力时，所得的疲劳强度用是对称循环应力时，所得的疲劳强度用11表示。表示。许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。在交变应力的作用下，虽然零件所承受的应力低于材力（也称循环应力）

31、。在交变应力的作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。称为金属的疲劳。疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在机械零件失效中疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在机械零件失效中大约有大约有80%80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故，所以对于轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等承受交变破坏经常造成重大事故，所以对于轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等承受

32、交变载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造。载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造。 金属内部结构并不均匀，从而造成应力传递的不平衡，有的地方会成金属内部结构并不均匀，从而造成应力传递的不平衡，有的地方会成为应力集中区。与此同时，金属内部的缺陷处还存在许多微小的裂纹。为应力集中区。与此同时，金属内部的缺陷处还存在许多微小的裂纹。在力的持续作用下，裂纹会越来越大，材料中能够传递应力部分越来在力的持续作用下，裂纹会越来越大，材料中能够传递应力部分越来越少，直至剩余部分不能继续传递负载时，金属构件就会全部毁坏。越少，直至剩余部分不能继续传递负载时，金属构件就会全部毁坏。 金属疲劳的破坏作用金属疲

33、劳的破坏作用金属疲劳原理金属疲劳原理 金属在一定振幅下能承受多少次的震动，超过这个次数就超过了金属在一定振幅下能承受多少次的震动，超过这个次数就超过了金属的疲劳极限，就会发生变形，如果振幅很大，就直接产生变金属的疲劳极限，就会发生变形，如果振幅很大，就直接产生变形了，如果振幅很小，次数就可达到无限次形了，如果振幅很小，次数就可达到无限次 机械零件在交变压力作用下，经过一段时间后，在局部高应力区形成微小裂纹，机械零件在交变压力作用下，经过一段时间后，在局部高应力区形成微小裂纹，再由微小裂纹逐渐扩展以致断裂。疲劳破坏具有在时间上的突发性，再由微小裂纹逐渐扩展以致断裂。疲劳破坏具有在时间上的突发性，

34、在位置上的局部性及对环境和缺陷的敏感性等特点，故疲劳破坏常不易被在位置上的局部性及对环境和缺陷的敏感性等特点，故疲劳破坏常不易被及时发现且易于造成事故。及时发现且易于造成事故。应力幅值、平均应力大小和循环次数是影响金属疲劳的三个主要因素。应力幅值、平均应力大小和循环次数是影响金属疲劳的三个主要因素。 小小 结结 金属材料的力学性能是在外力作用下金属材料的力学性能是在外力作用下表现出的力学性能，在实际生产中应用相表现出的力学性能，在实际生产中应用相当广泛。当广泛。 三、材料的工艺性能：加工性能三、材料的工艺性能：加工性能第二节第二节 材料的物理、化学及材料的物理、化学及工艺性能（自学）工艺性能（

35、自学）一、材料的物理性能：一、材料的物理性能：比重、密度、熔点、导电性、导热性、磁性、热膨胀系数。二、材料的化学性能：二、材料的化学性能：耐酸性、耐碱性、抗氧化性。思思 考考 题题1 将钟表发条拉成一直线，问这是弹将钟表发条拉成一直线，问这是弹性变形还是塑性变形？怎样判断它的性变形还是塑性变形？怎样判断它的变形性质？变形性质？2 2 疲劳破坏有什么危害？在什么情疲劳破坏有什么危害？在什么情况下发生疲劳破坏，产生原因是什况下发生疲劳破坏，产生原因是什么？如何提高零件的疲劳强度？么？如何提高零件的疲劳强度？第二章第二章 铁碳合金铁碳合金v本章重点：本章重点：v 金属的晶体结构及同素异晶转变金属的晶

36、体结构及同素异晶转变v 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织v 铁碳合金状态图铁碳合金状态图v难点：状态图的分析难点：状态图的分析 金属的晶体结构金属的性能是由其组织结构决定的，金属的性能是由其组织结构决定的，其中结构指的就是晶体结构。金属其中结构指的就是晶体结构。金属的晶体结构就是其内部原子的排列的晶体结构就是其内部原子的排列方式，因为金属是晶体，所以称为方式，因为金属是晶体，所以称为晶体结构。晶体结构。原子作无序排列原子作无序排列；没有固定的熔点；各向同性。所有的金属和合金都是晶体晶体：晶体：非晶体：非晶体：原子作有序排列原子作有序排列；有固定的熔点；各向异性。晶格原子排列形成的空间格子晶

37、胞组成晶格最基本的单元第一节第一节 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 一、金属的结晶：原子由无序状态向有序状态转变一、金属的结晶：原子由无序状态向有序状态转变的过程。有晶体形成。的过程。有晶体形成。结晶：液态金属凝结成固态金属的现象。结晶：液态金属凝结成固态金属的现象。理论结晶温度金属在无限缓冷冷却下结晶得到的理论结晶温度金属在无限缓冷冷却下结晶得到的结晶温度结晶温度To。 （计算出来的）（计算出来的）实际结晶温度金属以实际冷却速度冷却结晶得到实际结晶温度金属以实际冷却速度冷却结晶得到的结晶温度的结晶温度Tn。（实际测量出来的）（平时浇注的。（实际测量出来的）（平时

38、浇注的温度）温度）v金属结晶的过冷现象：金属结晶的过冷现象：v金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，Tn 0.9%后，后，其其HB，b、akAGPQSECDFKAFA+FP+FPLL+ALd+Fe3CA+Fe3CP+Fe3CLd+P+Fe3CLd+Fe3CLd+A+Fe3CLd+Fe3CLdLd% Fe3C铁碳合金状态图特性特性点点：AGPQSECDFKAFA+FP+FPLL+ALd+Fe3CA+Fe3CP+Fe3CLd+P+Fe3CLd+Fe3CLd+A+Fe3CLd+Fe3CLdLd% Fe3C铁碳合金状态图A：1538 ( (含含C0%)C0%)

39、纯铁熔点纯铁熔点C：1148(4.3%)(4.3%)共晶点共晶点D：1227(6.69%)(6.69%)渗碳体熔点渗碳体熔点E：1148(2.11%)(2.11%)（C C在在 FeFe中最大溶解度）中最大溶解度）F：1148(6.69%)(6.69%)（FeFe3 3C C的成分点）的成分点）)%)(0(912:FeFeCGoS：727(0.77%)(0.77%)（共析点）（共析点）)%)(0218.0(727:最大溶解度在FeCCPo),600%)(006.0(600:最大溶解度在FeCCCQoo特性特性线线：1、ACD线；线；2、AECF线线固相线固相线液相线液相线AEAE线是线是碳钢碳

40、钢固相线固相线5、ECF线线共晶转变线共晶转变线 LLd4、GS线线（A3线）线）3、ES线（线（Acm线）线）6、PSK线线共析转变线共析转变线 A p（A1线）线）AGPQSECDFKAFA+FP+FPLL+ALd+Fe3CA+Fe3CP+Fe3CLd+P+Fe3CLd+Fe3CLd+A+Fe3CLd+Fe3CLdLd% Fe3C铁碳合金状态图4、合金的结晶过程分析、合金的结晶过程分析亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢AF+ALEA+Fe3CL+A5、合金的结晶过程分析、合金的结晶过程分析AEGPQSFeLAL+AFF+A F+PPP+Fe3CA+Fe3C0.772.11 、共析

41、钢、共析钢 WC=0.77%123P、亚共析钢、亚共析钢123412344LL+AAF+AAPP+F冷却曲线冷却曲线过共析钢过共析钢 WC=1.0%二、钢在结晶过程中的组织转变1、共析钢S点成分的合金。GASE11122233344Fe0.77%2.11%P图118共析钢结晶示意图室温组织是：P2点：结晶终点,-A3点：共析点,-P图120亚共析钢结晶示意图1、亚共析钢S点成分左的合金。GASE11122233344Fe0.77%2.11%P沿GS线，A的含C量增大至S点。3-4点：FA2点：结晶终点,-A3点：析出点,-F4点：共析,A-P 。室温组织是：F+P 。图122过共析钢结晶示意图

42、GASE11122233344Fe0.77%2.11%PS点成分右的合金。沿ES线，A的含C量降低至S点。3-4点：AFe3C2点：结晶终点,-A3点：析出点,-Fe3C4点：共析,A-P 。室温组织是：P +Fe3C。1点：凝固点 铁碳合金相图中主要特性点的含义铁碳合金相图中主要特性点的含义 特性点的特性点的符号符号温度温度t/ 含碳量含碳量wc%含义含义A AC CD DE EG GP PS SQ Q 15381538 1148 1148 1227 1227 1148 1148 912 912 727 727 727 727 600 6000 04.34.36.696.692.112.11

43、0 00.020.020.770.770.0060.006纯铁的熔点纯铁的熔点共晶点共晶点 渗碳体的熔点渗碳体的熔点碳在奥氏体中的最大溶解度碳在奥氏体中的最大溶解度-Te -Te -Te-Te同素异晶转变同素异晶转变点点碳在铁素体中的最大溶解度碳在铁素体中的最大溶解度共析点共析点碳在铁素体中的溶解度碳在铁素体中的溶解度 相图中主要线的含义相图中主要线的含义ACD线线液相线液相线 是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。AECF线线固相线固相线 各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止线。止线。ECF水平线水平线共晶线共晶

44、线 含碳量为含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线时，在的液态合金冷却到此线时，在1148 由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共晶反应。应称为共晶反应。PSK水平线水平线共析线共析线（A1线）线） 含碳量为含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此的奥氏体冷却到此线时，在线时，在727 同时同时析出析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应。为共析反应。GS线线（A3线）线） 是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。ES线线称称Acm线线 是碳在奥氏体中

45、的溶解度线，实际上是冷却时是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。 典型合金结晶过程分析典型合金结晶过程分析铁碳铁碳合金合金含碳量为含碳量为2.11%6.69%2.11%6.69%的铁碳合金。的铁碳合金。共晶生铁：共晶生铁： 含碳量为含碳量为4.3%;4.3%;亚共晶生铁：亚共晶生铁：含碳量在含碳量在2.11%4.3%2.11%4.3%之间；之间；过共晶生铁：过共晶生铁：含碳量在含碳量在4.3%6.69%4.3%6.69%之间；之间；含碳量小于含碳量小于0.02%0.02%的铁碳合金。的铁碳合金。工业纯铁工业纯铁钢钢生铁生铁

46、含碳量为含碳量为0.02%2.11%的铁碳合金。根的铁碳合金。根据金相据金相 组织的不同，可分为三种。组织的不同，可分为三种。共析钢：共析钢： 含碳量为含碳量为0.77%;亚共析钢：亚共析钢：含碳量在含碳量在0.02%0.77%之间；之间；过共析钢：过共析钢：含碳量在含碳量在0.77%2.11%之间；之间； 铁碳合金状态图分析铁碳合金状态图分析 LL+AAA+Fe3CF+AA+Fe3C+LdP+Fe3C +LdP+Fe3CPP+FLdLdL+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3CL Ld dP+FeP+Fe3 3C C+ +Fe3C转变 AA奥氏体奥氏体PP珠光体珠光体FF铁素体铁素体共析钢和亚

47、共析钢的结晶过程分析共析钢和亚共析钢的结晶过程分析过共析钢结晶过程分析过共析钢结晶过程分析共晶生铁结晶过程分析共晶生铁结晶过程分析Ld变态莱氏体变态莱氏体亚共晶、过共晶生铁结晶过程分析亚共晶、过共晶生铁结晶过程分析钢钢碳素钢碳素钢碳素结构钢（碳素结构钢（0.38%C)优质碳素结构钢优质碳素结构钢 (0.2-0.7%C用途广用途广)碳素工具钢碳素工具钢 (T8等等)合金钢合金钢合金结构钢合金结构钢合金工具钢合金工具钢特殊性能钢特殊性能钢不锈钢不锈钢耐热钢耐热钢 耐磨钢耐磨钢其它其它量具钢量具钢模具钢模具钢刃具钢刃具钢轴承钢轴承钢弹簧钢弹簧钢调质钢调质钢渗碳钢渗碳钢低合金结构钢低合金结构钢（1.5

48、%C)1.5%C) 16Mn、20Cr9Cr2、CrWMn2Cr13、1Cr18Ni9第四章第四章 工业用钢分类、牌号、性能及其应用工业用钢分类、牌号、性能及其应用(非合金钢非合金钢)v根据炼钢时脱氧程度的不同，钢可分为沸腾钢、镇静钢和半根据炼钢时脱氧程度的不同，钢可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢三类。镇静钢三类。 沸腾钢为脱氧不完全的钢。浇注时钢液在钢锭模内产生沸腾沸腾钢为脱氧不完全的钢。浇注时钢液在钢锭模内产生沸腾现象（气体逸出），钢锭凝固后，蜂窝气泡分布在钢锭中，现象（气体逸出），钢锭凝固后，蜂窝气泡分布在钢锭中，在轧制过程中这种气泡空腔会被粘合起来。这类钢的特点是在轧制过程中这种气泡空腔

49、会被粘合起来。这类钢的特点是钢中含硅量很低，通常注成不带保温帽的上小下大的钢锭。钢中含硅量很低，通常注成不带保温帽的上小下大的钢锭。优点是钢的收率高，生产成本低，表面质量和深冲性能好。优点是钢的收率高，生产成本低，表面质量和深冲性能好。缺点是钢的杂质多，成分偏析较大，所以性能不均匀。缺点是钢的杂质多，成分偏析较大，所以性能不均匀。 镇静钢为完全脱氧的钢。通常铸成上大下小带保温帽的锭型，镇静钢为完全脱氧的钢。通常铸成上大下小带保温帽的锭型，浇注时钢液镇静不沸腾。由于锭模上部有保温帽（在钢液凝浇注时钢液镇静不沸腾。由于锭模上部有保温帽（在钢液凝固时作补充钢液用），这节帽头在轧制开坯后需切除，故钢固

50、时作补充钢液用），这节帽头在轧制开坯后需切除，故钢的收得率低，但组织致密，偏析小，质量均匀。优质钢和合的收得率低，但组织致密，偏析小，质量均匀。优质钢和合金一般都是镇静钢。金一般都是镇静钢。 半镇静钢为脱氧较完全的钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢半镇静钢为脱氧较完全的钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，浇注时有沸腾现象，但较沸腾钢弱。这类钢具有沸腾之间，浇注时有沸腾现象，但较沸腾钢弱。这类钢具有沸腾钢和镇静钢的某些优点，在冶炼操作上较难掌握。钢和镇静钢的某些优点，在冶炼操作上较难掌握。 v碳素钢碳素钢：含碳量含碳量1.4%,含碳量增加含碳量增加,强度和硬强度和硬度增加度增加,塑性和韧性下降塑性和

51、韧性下降.v1)碳素结构钢碳素结构钢:是是s、p含量较高，含量较高，C0.38%牌号由代表屈服点的字母牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法四部分组成。其中质量等级等级符号、脱氧方法四部分组成。其中质量等级分别用分别用A、B、C、D表示。表示。A的的S、P量高，量高，D的的S、P量最低，且质量最好。量最低，且质量最好。第一节第一节 碳素钢碳素钢2)、优质碳素结构钢、优质碳素结构钢S S、P P含量较低，用于重要零件含量较低，用于重要零件GB/T69999规定：牌号用规定：牌号用两位数字两位数字表示。其表示。其中中两位数字两位数字表示含碳量表示含碳量万分之

52、几。万分之几。如如：08F、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75。 如如: 45钢是钢是WC=0.45%20Mn、65Mn等称等称 含含锰锰量较高的优质碳素结构钢。量较高的优质碳素结构钢。当当MnMn=0.7%-1.3%=0.7%-1.3%标出标出3)、碳素工具钢、碳素工具钢含碳量含碳量0.71.3GB/T129886规定：牌号用规定：牌号用“碳碳”字汉语拼音字字汉语拼音字首首“T”+数字数字表示。数字表示表示。数字表示WC的的千分之几千分之几。如如：T7、T8、T9、T10、T10A、T12等。等。如如T10钢钢WC=1%；T10AT10A中的中

53、的“A A”表示为表示为高级优质高级优质碳素工具钢。碳素工具钢。质量：优质质量：优质S0.035%S0.035%，P0.035%P0.035%； 高级高级S0.02%S0.02%，P0.03%P0.03%；碳素工具钢的性能：硬度高、塑性和韧性低、淬透性与红硬性碳素工具钢的性能：硬度高、塑性和韧性低、淬透性与红硬性差。淬火差。淬火+ +低温回火后硬度为低温回火后硬度为58-62HRC58-62HRC。碳素工具钢的应用：多用于制造低速刃具、手用工具和量具。碳素工具钢的应用：多用于制造低速刃具、手用工具和量具。第二节第二节 低合金钢低合金钢 合金钢：碳钢中加入一种或几种合金元素合金钢：碳钢中加入一种

54、或几种合金元素v常加合金元素常加合金元素: Mn Si Cr Ni Mo W V Ti B(硼硼) 稀土元素稀土元素(Xt)等等低合金钢低合金钢: :合金总含量较低合金总含量较低(3%),(3%),含碳量也较低的含碳量也较低的合金结构钢合金结构钢. . 性能性能: :较高的强度、塑性、韧性和耐蚀性，大较高的强度、塑性、韧性和耐蚀性，大多有良好的焊接性。多有良好的焊接性。 应用很广泛。应用很广泛。v分类：分类：1.1.可焊接低合金高强钢可焊接低合金高强钢2.2.低合金耐候钢低合金耐候钢3.3.低合金钢筋钢低合金钢筋钢4.4.铁道用低合金钢铁道用低合金钢5.5.矿用低合金钢矿用低合金钢牌号同碳素结

55、构钢牌号同碳素结构钢1 1、可焊接的高强度结构钢，规定的屈服强度大于、可焊接的高强度结构钢，规定的屈服强度大于360MPa360MPa而小于而小于420MPa420MPa的一般用途低合金结构钢，如的一般用途低合金结构钢，如GB/T 1591GB/T 1591规定的规定的Q295BQ295B、Q345BQ345B、Q345CQ345C、Q345DQ345D、Q345EQ345E、Q390AQ390A、Q390BQ390B、Q390CQ390C，Q390DQ390D、Q390EQ390E； 2 2、低合金耐候钢，如、低合金耐候钢，如GB/T 417lGB/T 417l规定的规定的09CuPCrNi

56、A09CuPCrNiA、09CuPCrNiB09CuPCrNiB、09CuP09CuP，GB/T 4172GB/T 4172规定的规定的16CuCr16CuCr、12MnCuCr12MnCuCr、15MnCuCr15MnCuCr、15MnCuCrQT 15MnCuCrQT 3 3、低合金钢筋钢，如、低合金钢筋钢，如GB 1499GB 1499规定的规定的20MnSi20MnSi、20MnTi20MnTi、20MnSiV20MnSiV、25MnSi25MnSi、20MnNbb 20MnNbb 4 4、铁道用低合金钢，如、铁道用低合金钢，如GB 2585GB 2585规定的低合金重轨钢规定的低合金

57、重轨钢U71CuU71Cu、U71MnU71Mn、U70MnSiU70MnSi、U71MnSiCuU71MnSiCu，YB/T 5055YB/T 5055规定的起重机用低合金规定的起重机用低合金钢轨钢钢轨钢U71Mn U71Mn 5 5、矿用低合金钢，如、矿用低合金钢，如GB/T 3414GB/T 3414规定的规定的M510M510、M540M540、M565M565热轧钢热轧钢 表表1 17 7低合金高强钢的牌号、化学成分、力学性能和用途低合金高强钢的牌号、化学成分、力学性能和用途 (P33)(P33)第三节第三节 合金钢合金钢合金钢：碳钢中加入一种或几种合金元素合金钢：碳钢中加入一种或几

58、种合金元素v常加合金元素常加合金元素: Mn Si Cr Ni Mo W V Ti B(硼硼) 稀土元素稀土元素(Xt)等等 1 ）合金结构钢）合金结构钢v “数数 +元素符号元素符号+数数”表示表示v数数含碳万分之几含碳万分之几, 符号符号合金元素合金元素, v符号后面数表示含合金符号后面数表示含合金%, 1.5%不标不标, =1.5% 标标2v若为高级优质钢若为高级优质钢,后加后加A如如: 60Si2Mn 0.6%C, 2%Si 1.5%Mn 18Cr2Ni4WA 0.18%C, 2%Cr, 4%Ni, =1.0%不标不标v 如如: 9SiCr (板牙板牙, 丝锥丝锥)v 0.9%C 1.

59、5%Si 1.5%Crv CrWMn (长铰刀长铰刀,丝锥丝锥,拉刀拉刀, 精密丝杠精密丝杠)v *高速钢高速钢 含含C1.0也不标也不标 W18Cr4V 0.70.8%C,18%W,4%Cr,400 工作工作v 耐磨钢耐磨钢: 高锰钢水韧处理高锰钢水韧处理,冲击下工作冲击下工作,表面产生加表面产生加工硬化工硬化.并有马氏体在滑移面形成并有马氏体在滑移面形成,表面硬度达表面硬度达HB450550,表面耐磨表面耐磨,心部为心部为A（奥氏体）（奥氏体）.v 水韧处理水韧处理: 钢加热到临界点以上钢加热到临界点以上(10001100)保保温温,碳化物全容于碳化物全容于A,水冷水冷,因冷速快因冷速快,

60、无法析出碳化物无法析出碳化物,成单一成单一A组织组织.(由于锰的存在，使由于锰的存在，使Ms与与Mf下移到室下移到室温以下，故得到奥氏体温以下，故得到奥氏体 ) 常用碳素结构钢钢板钢筋建筑构件螺钉铆钉钢桥梁常用优质碳素结构钢：螺栓 齿轮 曲轴弹簧常用碳素工具钢： 锉刀 量规钻头 容器 船舶 车辆桥梁储气罐齿轮齿轮曲轴曲轴汽车万向节汽车万向节连杆连杆 常用不锈钢常用不锈钢 不锈钢船用螺旋桨不锈钢船用螺旋桨 不锈钢剪刀不锈钢剪刀燃气轮机燃气轮机耐热钢耐热钢拖拉机履带拖拉机履带耐磨钢耐磨钢铁轨分道岔铁轨分道岔挖掘机斗齿挖掘机斗齿 耐磨钢耐磨钢小榔头小榔头锻造预先热处理切削加工钳工最终热处理。1.选4