机制基础-第1章

1、姚勤课程简介组装，组装，部装，总装部装，总装车，铣，刨，磨，车，铣，刨，磨，钻，镗等钻，镗等市场调查，市场调查，购买原材料购买原材料装配调试装配调试切削加工切削加工毛坯成形毛坯成形生产准备生产准备机械制造机械制造：将原材料制成零件的将原材料制成零件的毛坯毛坯，将毛坯加工成，将毛坯加工成零件，再将零件装配成机器的整个过程。零件，再将零件装配成机器的整个过程。2 2、本课程的内容、本课程的内容 机电类专业的主干专业基础课机电类专业的主干专业基础课一、本课程的性质和内容1 1、本课程的性质、本课程的性质: : 铸造，锻造，铸造，锻造，焊接，冲压等焊接，冲压等二、本课程的目标(考试要求)1 1、了解常

2、用金属的一般性质、适用范围和选用原则、了解常用金属的一般性质、适用范围和选用原则2 2、初步掌握各种主要加工方法的实质、工艺特点和基本、初步掌握各种主要加工方法的实质、工艺特点和基本 原理；并具有选择毛坯、零件加工方法的基本知识原理；并具有选择毛坯、零件加工方法的基本知识3 3、了解各种主要加工方法的设备和工具的工作原理、大、了解各种主要加工方法的设备和工具的工作原理、大 致结构和范围致结构和范围4 4、初步掌握零件的结构工艺性和常用金属的工艺性、初步掌握零件的结构工艺性和常用金属的工艺性5 5、掌握工程材料及热处理工艺、掌握工程材料及热处理工艺6 6、了解现代制造技术的典型工艺、方法及其原理

3、、了解现代制造技术的典型工艺、方法及其原理第一章 工程材料黑色金属金属材料有色金属工程材料有机高分子材料非金属材料无机非金属材料复合材料1.1 金属材料简介金属材料简介1.1.1金属材料的性能金属材料的性能一、物理性能：一、物理性能：二、二、化学性能：化学性能：材料抵抗各种介质侵蚀的能力。材料抵抗各种介质侵蚀的能力。 如：如：抗氧化性、耐腐蚀性（耐油、耐酸、耐碱）抗氧化性、耐腐蚀性（耐油、耐酸、耐碱） 三、力学性能：三、力学性能：材料抵抗外力作用的能力材料抵抗外力作用的能力。四、工艺性能：四、工艺性能：材料加工的难易程度。材料加工的难易程度。 密度、熔点、导电性、导热性密度、熔点、导电性、导热

4、性1.强度强度 弹性极限弹性极限 e - 发生最大弹性变形时的应力。发生最大弹性变形时的应力。 屈服强度屈服强度 s - 开始出现明显塑性变形时的应力。开始出现明显塑性变形时的应力。 条件条件屈服强度屈服强度 0.2 - 产生产生0.2%塑性变形时的应力。塑性变形时的应力。 抗拉强度抗拉强度 b -拉断前所承受的最大应力。拉断前所承受的最大应力。应力应力- 单位面积上所承受的内力，以单位面积上所承受的内力，以 表示。表示。 （MPa） 应变应变-单位尺寸上的变形量，以单位尺寸上的变形量，以 表示。表示。 （%）弹性变形弹性变形-受力后立即发生，并随力的消失而消失的变形。受力后立即发生，并随力的

5、消失而消失的变形。塑性变形塑性变形-应力超过一定数值后才发生的并将永久保留的变形。应力超过一定数值后才发生的并将永久保留的变形。在外力作用下，材料抵抗变形和断裂在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。的能力。三三、力学性能、力学性能拉伸试验拉伸试验l 0lS 0S拉伸前拉伸前拉断后拉断后b 缩颈点缩颈点se e s b e - 最大弹性变形时的应力最大弹性变形时的应力 s - 开始塑性变形时的应力开始塑性变形时的应力 b - 拉断前所承受的最大应力拉断前所承受的最大应力应力应力 （MPa）应变应变 （%）刚度刚度- 材料抵抗弹性变形的能力。用材料抵抗弹性变形的能力。用弹性弹性 模量模量E（弹性

6、范围内，应力与应变的比例）（弹性范围内，应力与应变的比例） 表示（表示（E=tg ），），E越大刚性越好。越大刚性越好。 拉伸拉伸试样试样拉拉伸伸曲曲线线屈服点屈服点k 拉断点拉断点 对那些没有明显屈服现象的材料，一般规定对那些没有明显屈服现象的材料，一般规定以试样产生以试样产生0.2%残余伸长率时的应力作为其屈服残余伸长率时的应力作为其屈服强度，称为条件强度，称为条件屈服强度屈服强度 0.2应变应变 （%）应力应力 （MPa）0.2% 0.22.2.塑性塑性 延伸率延伸率 - 试样断裂前后的长度变化率试样断裂前后的长度变化率。 断面收缩率断面收缩率 - 试样断裂前后的面积变化率试样断裂前后的

7、面积变化率。在外力作用下，材料产生塑性变形在外力作用下，材料产生塑性变形而不发生断裂的能力。而不发生断裂的能力。l l 0l 0 = 100 %= S 0 S 100 %S 04 43 32 21 1例题例题：图示：图示1-41-4为四种不同材料的应力为四种不同材料的应力- -应变曲线，应变曲线， 请比较这四种材料的抗拉强度、屈服强度、请比较这四种材料的抗拉强度、屈服强度、 刚度和塑性。刚度和塑性。应力应力 应变应变 1 12 24 43 32 21 1应力应力 应变应变 0. 2 0. 2 s3 s20. 2 b1 b2 b3 b4 抗拉强度：抗拉强度：2 2 1 1 3 3 4 4（根据拉

8、断前的最大应力）根据拉断前的最大应力） 屈服强度：屈服强度：1 1 3 3 2 2 4 4（根据屈服点或条件屈服点）根据屈服点或条件屈服点）4 43 32 21 1应力应力 应变应变 1 4 2 3 塑性：塑性：3 3 2 2 4 4 1 1（根据断裂时的应变根据断裂时的应变 ） 刚度：刚度：1 1 3 3 2 2 4 4（根据弹性模量根据弹性模量 E E） 直线斜率直线斜率 总总= = 弹弹+ + 塑塑= = 塑塑 所以像这样画垂直线比较塑性是错误的所以像这样画垂直线比较塑性是错误的4 43 32 21 1应力应力 应变应变 塑性：塑性：3 3 2 2 4 4 1 1（根据试样的延伸率根据试

9、样的延伸率）刚度：刚度：1 1 3 3 2 2 4 4（根据弹性模量根据弹性模量 E E） 直线斜率直线斜率 总总= = 弹弹+ + 塑塑= = 塑塑1 2343.3.硬度硬度布氏硬度布氏硬度： 用用淬火钢球淬火钢球或或硬质合金球硬质合金球作作压头，以压痕直径来衡量材料硬度。压头，以压痕直径来衡量材料硬度。 压痕大，不适宜测薄片或成品，主要用于测较软的压痕大，不适宜测薄片或成品，主要用于测较软的原材料、半成品的硬度，如有色合金、软钢、铸铁等。原材料、半成品的硬度，如有色合金、软钢、铸铁等。 注意：注意：压头为钢球时表示成数字压头为钢球时表示成数字+ HBS ，如，如450HBS， 用硬质合金球

10、时表示为数字用硬质合金球时表示为数字+ HBW ，如，如650HBW洛氏硬度洛氏硬度： 用用金刚石圆锥金刚石圆锥或或淬火钢球淬火钢球作作压压头，以压痕深度来衡量材料的硬度头，以压痕深度来衡量材料的硬度 。FF材料抵抗更硬物体压入的能力。材料抵抗更硬物体压入的能力。 由压头和载荷的不同，洛氏硬度由压头和载荷的不同，洛氏硬度分成分成 HRA、HRB、HRC三种，以三种，以HRC应应用最广。用最广。 洛氏硬度压痕小，不损伤工件，常用于测洛氏硬度压痕小，不损伤工件，常用于测硬硬材料、薄试样及成品零件。材料、薄试样及成品零件。标尺标尺压头类型压头类型总载荷总载荷(N)应用范围应用范围HRA120金刚石圆

11、锥体金刚石圆锥体588.4 硬质合金、表面淬火硬质合金、表面淬火层、渗碳钢层、渗碳钢HRB 1.588mm淬火钢球淬火钢球980.7 有色金属、退火钢、有色金属、退火钢、正火钢正火钢HRC120金刚石圆锥体金刚石圆锥体235.4淬火钢、调质钢淬火钢、调质钢三种洛氏硬度的试验规范和应用范围三种洛氏硬度的试验规范和应用范围 维氏硬度维氏硬度： 用用136度金刚石四棱锥度金刚石四棱锥作作压头。压头。（用（用HV标记）标记） 维氏硬度法维氏硬度法载荷小、压痕浅，可测量各种软载荷小、压痕浅，可测量各种软硬程度的材料，但测量过程较麻烦。主要用于测硬程度的材料，但测量过程较麻烦。主要用于测极薄的表面硬化层、

12、金属镀层及薄片金属的硬度。极薄的表面硬化层、金属镀层及薄片金属的硬度。 另外，强度和硬度都能反映材料抵抗塑性变形的能力，另外，强度和硬度都能反映材料抵抗塑性变形的能力，两者之间有一定的关系，可近似换算：两者之间有一定的关系，可近似换算： 低碳钢轧材或锻件：低碳钢轧材或锻件： b 0.36 HB； 灰铸铁件：灰铸铁件： b 0.1 HB； 高碳钢轧材或锻件：高碳钢轧材或锻件： b 0.34 HB； 铸铝件：铸铝件： b 0.26 HB； 调质合金钢：调质合金钢： b 0.325 HB特别提醒：特别提醒：不同硬度试验法所获得的硬度值是不能直接不同硬度试验法所获得的硬度值是不能直接进行比较的，必须通

13、过换算成同一硬度指标后才能比较。进行比较的，必须通过换算成同一硬度指标后才能比较。4.4.冲击韧度冲击韧度 通常采用通常采用一次摆锤冲击弯曲试验一次摆锤冲击弯曲试验进行测定，用摆锤冲进行测定，用摆锤冲击缺口试样时单位截面所消耗的冲击功击缺口试样时单位截面所消耗的冲击功 k 表示冲击韧度。表示冲击韧度。 材料抵抗材料抵抗一次或数次大能量一次或数次大能量冲击的能力。冲击的能力。 k =G（H - h）S其中：其中：G -摆锤质量摆锤质量, KgS -试样缺口处原始截面积试样缺口处原始截面积, cm2摆锤摆锤缺口试样缺口试样! ! ! 材料的冲击韧度主要取决于塑性，并与温度材料的冲击韧度主要取决于塑

14、性，并与温度 密切相关密切相关。 二次世界大战中，美国建造了约二次世界大战中，美国建造了约50005000艘全焊艘全焊接接“自由轮自由轮”，然而在，然而在19421942年年19461946年之间有年之间有10001000艘船舶发生破断，艘船舶发生破断，19461946年年19561956年之间有年之间有200200艘发生严重折断。艘发生严重折断。19431943年年1 1月美国的一艘月美国的一艘T-T-2y2y油船停泊在装货码头时断裂成两半截，当时计油船停泊在装货码头时断裂成两半截，当时计算的甲板应力水平仅为算的甲板应力水平仅为7 Kg7 Kgf/mmf/mm2 2，远远低于船，远远低于船板

15、钢的强度极限。板钢的强度极限。为什么会断裂呢？为什么会断裂呢？原因是发生原因是发生冷脆冷脆 通过在不同温度下对材料进行冲击试验，结通过在不同温度下对材料进行冲击试验，结果表明果表明: :材料的冲击韧度值随温度的降低而减小，材料的冲击韧度值随温度的降低而减小，当温度降低到某一温度范围时，冲击韧度急剧下当温度降低到某一温度范围时，冲击韧度急剧下降，材料由韧性状态转变为脆性状态。降，材料由韧性状态转变为脆性状态。1.1.2 金属材料的种类金属材料的种类 金属材料分为黑色金属和有色金属两类金属材料分为黑色金属和有色金属两类黑色金属黑色金属 ：主要指钢和铸铁。主要指钢和铸铁。一、钢的种类一、钢的种类 （

16、1）按化学成份：）按化学成份：碳钢碳钢 合金钢合金钢并且按碳量高低划分为：并且按碳量高低划分为：低碳钢、中碳钢、高碳钢低碳钢、中碳钢、高碳钢按合金量高低划分为：按合金量高低划分为：低合金钢、中合金钢、高合金钢低合金钢、中合金钢、高合金钢（铁、碳及少量残存的杂质）（铁、碳及少量残存的杂质）（铁、碳及添加的合金元素）（铁、碳及添加的合金元素）低碳低碳 中碳中碳 高碳高碳0.25 0.6 碳量碳量（%）低碳低碳 中碳中碳 高碳高碳 5 10 合金量合金量（%）低合金低合金 中合金中合金 高合金高合金（2）按质量划分（）按质量划分（4个级别）：个级别）：普通普通、优质优质、 高级优质高级优质、特级优质

17、特级优质（3）按用途划分（）按用途划分（3种）：种）：结构钢结构钢、工具钢工具钢、 特殊性能钢特殊性能钢二、常用钢材的牌号二、常用钢材的牌号 1.（普通）碳素结构钢（普通）碳素结构钢： Q235 - AF 牌号意义：屈服强度为牌号意义：屈服强度为235MPa, 质量为质量为A级，沸腾钢级，沸腾钢 碳素结构钢主要用于一般的工程结构（钢窗、碳素结构钢主要用于一般的工程结构（钢窗、钢筋等）和不太重要的机械零件及焊接件。钢筋等）和不太重要的机械零件及焊接件。 2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢： 45 数字代表碳量（数字代表碳量（ c）的万分之几的万分之几 优质碳素结构钢主要用于制造重要的机械零件。优质

18、碳素结构钢主要用于制造重要的机械零件。如如 08、08F、10、10F 的冷轧薄板可制造仪表仪器的冷轧薄板可制造仪表仪器的外壳和汽车、拖拉机的冲压件；的外壳和汽车、拖拉机的冲压件；15、20、25常制常制造尺寸小、负荷轻、表面耐磨、心部软韧的零件造尺寸小、负荷轻、表面耐磨、心部软韧的零件; 而而40、45主要制造重要的受力和传递运动的零件主要制造重要的受力和传递运动的零件; 55、60、65用于制作负荷不大、尺寸较小的弹簧。用于制作负荷不大、尺寸较小的弹簧。*专门用途应标出，如专门用途应标出，如20g代表锅炉用钢代表锅炉用钢*含锰较高也应注明含锰较高也应注明, 如如50Mn 3.碳素工具钢（优

19、质、高级优质）碳素工具钢（优质、高级优质）： T8 T8A 碳素工具钢的红硬性差，只能用于制造手工碳素工具钢的红硬性差，只能用于制造手工用的低速运动的刀具、量具、模具等。用的低速运动的刀具、量具、模具等。如如T7、T8（T7A、T8A）用于制造受震动和冲击、要求高）用于制造受震动和冲击、要求高韧性的工具（凿子、锤子、冲头）；韧性的工具（凿子、锤子、冲头）； T10、T12（ T10A、T12A）用于制造不受震动但要求极高）用于制造不受震动但要求极高硬度的工具（锉刀、锯条、丝锥）。硬度的工具（锉刀、锯条、丝锥）。数字代表碳量（数字代表碳量（ c）的千分之几的千分之几工具工具高级优质高级优质 4.

20、铸造碳钢（铸钢）铸造碳钢（铸钢）：ZG200-400 s b 用于制造形状特别复杂且受力较大，须铸造用于制造形状特别复杂且受力较大，须铸造成形的钢质零件。成形的钢质零件。 低碳铸钢具有良好的导磁性，常用于铸造电低碳铸钢具有良好的导磁性，常用于铸造电磁吸盘和电机壳体等；中碳铸钢的综合机械性能磁吸盘和电机壳体等；中碳铸钢的综合机械性能好，广泛用于铸造重要的复杂机器零件，如轧钢好，广泛用于铸造重要的复杂机器零件，如轧钢机机架、机车机架、重型齿轮、减速机壳体等；机机架、机车机架、重型齿轮、减速机壳体等；高碳铸钢因韧性较差，很少应用。要求特别高的高碳铸钢因韧性较差，很少应用。要求特别高的零件或工具可采用

21、合金铸钢，如零件或工具可采用合金铸钢，如ZGMn13等。等。三、铸铁的种类、性能及牌号三、铸铁的种类、性能及牌号1、白口铸铁、白口铸铁碳全部以碳全部以渗碳体渗碳体形式存在的铸铁。形式存在的铸铁。 因断口呈银白色而得名。性能硬而脆。因断口呈银白色而得名。性能硬而脆。 主要用作炼钢或生产其它种类铸铁的原料主要用作炼钢或生产其它种类铸铁的原料。 2、灰口铸铁、灰口铸铁碳主要以碳主要以片状石墨片状石墨的形式存在。的形式存在。 因断口呈暗灰色而得名。力学性能比较低但铸因断口呈暗灰色而得名。力学性能比较低但铸 造性能极佳，并具有较好的减震性。造性能极佳，并具有较好的减震性。 用于制造机床床身、底座、减速器

22、箱体、泵体、用于制造机床床身、底座、减速器箱体、泵体、 阀体、气缸体等阀体、气缸体等。（铸后需进行去应力退火）。（铸后需进行去应力退火）例：例：HT150代表代表 b b不低于不低于150MPa150MPa的的灰口铸铁灰口铸铁3、可锻铸铁、可锻铸铁碳主要以碳主要以团絮状石墨团絮状石墨的形式存在。的形式存在。 是由白口铸铁经长时间的高温石墨化退火而形是由白口铸铁经长时间的高温石墨化退火而形 成的，力学性能较好，特别是韧性较高，并具成的，力学性能较好，特别是韧性较高，并具 有一定的耐腐蚀性。有一定的耐腐蚀性。 常用于制造棘轮、链条、制动器等承受冲击振常用于制造棘轮、链条、制动器等承受冲击振 动的薄

23、壁小零件及弯头、三通等管道件和阀门动的薄壁小零件及弯头、三通等管道件和阀门 等。等。例：例：KTZ550-04代表代表 b b不低于不低于550MPa550MPa， 不低于不低于4%的珠光体基的珠光体基的可锻铸铁的可锻铸铁 b b4、球墨铸铁、球墨铸铁碳主要以碳主要以球状石墨球状石墨的形式存在。的形式存在。 是在浇注前向铁水中加入孕育剂和球化剂而形是在浇注前向铁水中加入孕育剂和球化剂而形 成的，强度高，是以铁代钢的重要材料。成的，强度高，是以铁代钢的重要材料。 用于制造载荷大、形状复杂的零件，如曲轴、用于制造载荷大、形状复杂的零件，如曲轴、 汽车齿轮等。汽车齿轮等。（铸后退火、正火、调质等）（

24、铸后退火、正火、调质等）例：例：QT600-3代表代表 b b不低于不低于600MPa600MPa， 不低于不低于3%的球墨铸铁的球墨铸铁 b 5、蠕墨铸铁、蠕墨铸铁碳主要以碳主要以蠕虫状石墨蠕虫状石墨的形式存在的形式存在。 比灰口铸铁强度高，比球墨铸铁铸造性、耐热比灰口铸铁强度高，比球墨铸铁铸造性、耐热 性、抗疲劳性好。（铸后正火、退火）性、抗疲劳性好。（铸后正火、退火）例：例：RuT380代表代表 b b不低于不低于380MPa380MPa的蠕墨铸铁的蠕墨铸铁6、合金铸铁、合金铸铁在铁水中添加某些合金元素，可得在铁水中添加某些合金元素，可得 到某种特殊性能，如加硅、铝、铬能提高耐热到某种特

25、殊性能，如加硅、铝、铬能提高耐热 性，加硅、铝、铬、铜、镍能提高耐腐蚀性。性，加硅、铝、铬、铜、镍能提高耐腐蚀性。*耐磨耐磨铸铁铸铁 *耐热耐热铸铁铸铁 *耐蚀耐蚀铸铁铸铁1.2 1.2 晶体的结构晶体的结构 固态物质按原子聚集状态分为晶体和非晶体。 晶体晶体 - 原子在三维空间呈有规则的周期原子在三维空间呈有规则的周期 性重复排列。性重复排列。 非非晶体晶体 - 原子呈现无规律、无次序的堆原子呈现无规律、无次序的堆 积。积。 绝大多数的固态金属和合金都是晶体。晶格晶格-将将晶体中的每一个原子假设成一个几何晶体中的每一个原子假设成一个几何 点，忽略其尺寸和重量，再用假想线把点，忽略其尺寸和重量

26、，再用假想线把 这些点连接起来，所得到的一个表示金这些点连接起来，所得到的一个表示金 属内部原子排列规律的抽象的空间格子。属内部原子排列规律的抽象的空间格子。 一、晶格、晶胞和晶格常数一、晶格、晶胞和晶格常数晶胞晶胞-反映晶格特征的最小几何单元。反映晶格特征的最小几何单元。晶格常数晶格常数-反映晶胞大小、形状的参数。反映晶胞大小、形状的参数。 如棱边长度如棱边长度a a、b b 、c(c(以以 A A 为单位，为单位，1 1 A A =10=10-10 -10 米米) )和棱间夹角和棱间夹角、 等。等。 （a）原子排列模型原子排列模型（b）晶格晶格（c）晶胞晶胞 。二、纯金属的晶体结构（晶格类

27、型）二、纯金属的晶体结构（晶格类型）对纯金属而言，常见的晶体结构有三种，分别是：对纯金属而言，常见的晶体结构有三种，分别是： 体心立方晶格体心立方晶格 -晶胞形状为立方体，晶胞形状为立方体，8 8个顶点及体个顶点及体 心各有心各有1 1个原子个原子(1(1个晶胞个晶胞2 2个原子个原子) )，晶格常数，晶格常数 = = b b = = , , = = = =90= =90。属于此类晶格的金属有铬。属于此类晶格的金属有铬、钼、钒、钼、钒、 钨、钨、- -铁等。具有相当高的强度和塑性。铁等。具有相当高的强度和塑性。 c ca a 面心立方面心立方晶格晶格 -晶胞形状为立方体，晶胞形状为立方体，8

28、8个顶点及个顶点及6 6 个表面的中心各有个表面的中心各有1 1个原子个原子(1(1个晶胞个晶胞4 4个原子个原子) )，晶格常，晶格常 数数 = = b b = = , , = = = =90= =90。属于此类晶格的金属有金。属于此类晶格的金属有金、 银、铜、铝、镍、银、铜、铝、镍、 - -铁等。具有较好的塑性而且低温铁等。具有较好的塑性而且低温 下不会发生下不会发生冷脆冷脆。c ca a 密排六方密排六方晶格晶格 -晶胞形状是一个六方柱体。柱体晶胞形状是一个六方柱体。柱体 的的1212个顶点及上、下底面中心各有个顶点及上、下底面中心各有1 1个原子，柱体中心个原子，柱体中心 还有还有3

29、3个原子个原子(1(1个晶胞个晶胞6 6个原子个原子) )。属于这类晶格的金属。属于这类晶格的金属 有镁、锌、铍、镉等。塑性一般较差。有镁、锌、铍、镉等。塑性一般较差。理想晶体是理想晶体是单晶体单晶体 结晶结构和结晶结构和 位向完全一致的晶体。位向完全一致的晶体。 单晶体一般性能呈现单晶体一般性能呈现各向异性各向异性，须用特殊手段制取须用特殊手段制取。 实际金属是实际金属是多多晶体晶体 由许多结构相同由许多结构相同 但位向不同的小晶体所构成的晶体。但位向不同的小晶体所构成的晶体。 多晶体一般呈现多晶体一般呈现各向同性各向同性( (又称为又称为伪各向同性，即各晶粒因位向不同而伪各向同性，即各晶粒

30、因位向不同而将各向异性抵消，使各向性能趋于相同将各向异性抵消，使各向性能趋于相同) )晶粒晶粒晶界晶界三、三、实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构实际金属有晶格缺陷实际金属有晶格缺陷 原子排列规则受到破坏，原子排列规则受到破坏， 出现与理想结构的偏差出现与理想结构的偏差 点缺陷：点缺陷：间隙原子间隙原子、 置换原子置换原子、 晶格空位晶格空位 晶格缺陷分为晶格缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷 所有的晶格所有的晶格缺陷都将导致其周围的晶格发生畸变，缺陷都将导致其周围的晶格发生畸变，从而引起金属的力学性能、化学性能等发生显著的变化。从而引起金属的力学性能、化学性能等发生显著的变

31、化。一般而言，一般而言，晶格晶格缺陷越多，强度、硬度越高。缺陷越多，强度、硬度越高。 线缺陷：线缺陷：位错位错（一列或多列原子发生错排）（一列或多列原子发生错排） 面缺陷：面缺陷：晶界晶界或或亚晶界亚晶界上的晶格畸变上的晶格畸变晶界晶界亚晶界亚晶界晶粒与晶粒晶粒与晶粒之间的交界面之间的交界面 在同一晶粒内，在同一晶粒内，略有位向差的略有位向差的小晶块之间的边界小晶块之间的边界1.3 金属的结晶金属的结晶一、有关结晶的几个概念一、有关结晶的几个概念二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程三、结晶后的晶粒大小三、结晶后的晶粒大小四、金属的同素异构转变四、金属的同素异构转变一、一、有关结晶的几个概念有关

32、结晶的几个概念1.结晶结晶-液态金属凝固成为原子有规则排列的液态金属凝固成为原子有规则排列的 晶体的过程。晶体的过程。2.冷却曲线冷却曲线-液态金属从高温冷却至室温的过液态金属从高温冷却至室温的过 程中测得的温度程中测得的温度-时间变化曲线。时间变化曲线。 温度温度 无限缓慢冷却时无限缓慢冷却时 温度温度 实际冷却时实际冷却时 T0 T 时间时间 时间时间3.3.理论结晶温度理论结晶温度T T0 0-在无限缓慢冷却条件下的在无限缓慢冷却条件下的 平衡结晶温度。平衡结晶温度。4.4.过冷现象及过冷度过冷现象及过冷度过冷现象过冷现象-实际冷却实际冷却条件下，实际结晶温度总条件下，实际结晶温度总 是

33、低于理论（平衡）结晶温度的现象。是低于理论（平衡）结晶温度的现象。过冷度过冷度-理论结晶温度与实际结晶温度的差值理论结晶温度与实际结晶温度的差值。过冷度与冷却速度的关系：过冷度与冷却速度的关系： 冷却速度越快，过冷度冷却速度越快，过冷度 T T越大越大。二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程结晶结晶=晶核形成晶核形成+晶核长大晶核长大 通常情况下，晶核形成后的晶核长大方式是通常情况下，晶核形成后的晶核长大方式是呈树枝状的长大，即首先沿散热条件最好的晶核呈树枝状的长大，即首先沿散热条件最好的晶核棱角处快速生长形成主干（一次晶轴），同时又棱角处快速生长形成主干（一次晶轴），同时又不断地生出新的分枝，

34、直至液体全部消耗殆尽。不断地生出新的分枝，直至液体全部消耗殆尽。 一般结晶完毕后，这种树枝晶形态并不显露，一般结晶完毕后，这种树枝晶形态并不显露，但在铸锭组织中较为明显。但在铸锭组织中较为明显。 根据结晶过程分析，若形核速度快于生长速根据结晶过程分析，若形核速度快于生长速度，则结晶后的晶体晶粒细密，力学性能较好；度，则结晶后的晶体晶粒细密，力学性能较好；而若形核少、生长快，则易得到粗大的晶粒，造而若形核少、生长快，则易得到粗大的晶粒，造成力学性能的下降。成力学性能的下降。三、结晶后的晶粒大小三、结晶后的晶粒大小 金属结晶后的晶粒愈细，晶界面积就愈大金属结晶后的晶粒愈细，晶界面积就愈大, ,意味

35、着晶体缺陷就愈多，则对金属力学性能的影意味着晶体缺陷就愈多，则对金属力学性能的影响愈大。一般情况下，响愈大。一般情况下，细晶粒组织的强度、硬度、细晶粒组织的强度、硬度、塑性和韧性都比粗晶粒组织好塑性和韧性都比粗晶粒组织好。 细化晶粒的方法：细化晶粒的方法：1.增大冷却速度以提高过冷度，可细化晶粒。增大冷却速度以提高过冷度，可细化晶粒。 如铸造时用金属型代替砂型，加快冷却。如铸造时用金属型代替砂型，加快冷却。2.通过变质处理（孕育处理）增加晶核数，可通过变质处理（孕育处理）增加晶核数，可 细化晶粒。细化晶粒。 匀质晶核（自发晶核）匀质晶核（自发晶核） 异质晶核（人工晶核）异质晶核（人工晶核） 3

36、.结晶时外加振动（机械、超声波、电磁）破结晶时外加振动（机械、超声波、电磁）破 碎大晶粒，获得细晶组织。碎大晶粒，获得细晶组织。四、金属的同素异构转变四、金属的同素异构转变 固态物质随温度不同而改变其原子排列方式，固态物质随温度不同而改变其原子排列方式，得到不同晶体结构的现象称为得到不同晶体结构的现象称为同素异构转变同素异构转变，又，又称为称为重结晶重结晶。纯铁的同素纯铁的同素异构转变过程：异构转变过程： 912912 13941394 -Fe-Fe -Fe-Fe - -FeFe ( (体心立方）体心立方） （面心立方）（面心立方） （体心立方）（体心立方）具有同素异构转变特性的金属（如具有同

37、素异构转变特性的金属（如FeFe、CoCo、SnSn、MnMn等）等）可以通过热处理来改变组织和性能。可以通过热处理来改变组织和性能。液态铁液态铁15381538结晶结晶重结晶重结晶重结晶重结晶 -Fe-Fe -Fe153815381394 912 1.5 二元合金的晶体结构二元合金的晶体结构一、有关合金的几个概念一、有关合金的几个概念二、合金的晶体结构二、合金的晶体结构三、二元合金相图三、二元合金相图一、有关合金的几个概念一、有关合金的几个概念合金合金-由两种或两种以上的金属元素或金属元素与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特性的物质。非金属元素组成的具有金属特

38、性的物质。元元-组成合金的元素或稳定化合物叫组元，简称元。组成合金的元素或稳定化合物叫组元，简称元。相相-成分相同、结构相同，并与其它部分以界面分开成分相同、结构相同，并与其它部分以界面分开 的均匀物质部分。的均匀物质部分。组织组织-由一个或多个相按一定方式相互结合所构成的，由一个或多个相按一定方式相互结合所构成的， 具有相同形貌特征的整体。具有相同形貌特征的整体。固态合金的固态合金的晶格结构晶格结构按按相相属性分为属性分为固溶体固溶体和和化合物化合物两类。两类。按按组织组织属性分为属性分为固溶体固溶体、化合物化合物和和机械混合物机械混合物三类。三类。二、合金的晶体结构二、合金的晶体结构1.固

39、溶体固溶体-( (少数少数) )溶质原子溶入溶质原子溶入( (多数多数) )溶剂原子溶剂原子 的晶体结构的晶体结构中所形成的合金相。中所形成的合金相。 固溶体仍将保持溶剂金属的晶体结构，但晶格参数固溶体仍将保持溶剂金属的晶体结构，但晶格参数发生改变。发生改变。 间隙固溶体：间隙固溶体： 固溶强化固溶强化-固溶体形成时，因溶质原子钻入溶剂原子固溶体形成时，因溶质原子钻入溶剂原子的间隙或置换溶剂原子而引起晶格畸变，造成合金强度、的间隙或置换溶剂原子而引起晶格畸变，造成合金强度、硬度提高的现象。硬度提高的现象。溶剂原子直径溶剂原子直径溶质原子直径溶质原子直径 0.59 0.59 时形成。时形成。溶质

40、和溶剂原子大小接近时形成。溶质和溶剂原子大小接近时形成。 置换固溶体：置换固溶体：间隙固溶体一定是间隙固溶体一定是有限固溶体。有限固溶体。置换固溶体可以是置换固溶体可以是有限有限互溶体或互溶体或无限无限互溶体。互溶体。温度越高，溶解度越大。温度越高，溶解度越大。2.金属化合物金属化合物-两组元都放弃自身的原子排列方两组元都放弃自身的原子排列方 式而形成的一种具有全新晶体结式而形成的一种具有全新晶体结 构的新物质。构的新物质。 化合物一般具有复杂的晶格，熔点高，硬而脆。化合物一般具有复杂的晶格，熔点高，硬而脆。3.机械混合物机械混合物-由固溶体和金属化合物均匀混合由固溶体和金属化合物均匀混合 而

41、成的物质。而成的物质。 机械混合物可以将固溶体的柔软和化合物的硬脆进机械混合物可以将固溶体的柔软和化合物的硬脆进行不同程度的中和，从而满足不同的性能要求。所以，行不同程度的中和，从而满足不同的性能要求。所以，工业中使用的合金都希望有相当比例的机械混合物存在。工业中使用的合金都希望有相当比例的机械混合物存在。 第二相强化（弥散强化）第二相强化（弥散强化）-化合物弥散均匀地分布在化合物弥散均匀地分布在固溶体上，使合金强度硬度提高，塑性韧性下降的现象。固溶体上，使合金强度硬度提高，塑性韧性下降的现象。三、二元合金相图三、二元合金相图二元二元合金合金-由两种组元组成的合金。由两种组元组成的合金。二元合

42、金相图（二元合金状态图）二元合金相图（二元合金状态图） -表达表达平衡条件平衡条件（极其缓慢的冷却）下，（极其缓慢的冷却）下， 合金系中温度、成分和相组织之间关系合金系中温度、成分和相组织之间关系 的图形。的图形。二元合金相图的主要类型二元合金相图的主要类型 分为共晶相图、共析相图、包晶相图等分为共晶相图、共析相图、包晶相图等共晶相图共晶相图：两组元在液态无限互溶，固态时有限两组元在液态无限互溶，固态时有限 溶解，并发生共晶转变的合金相图。溶解，并发生共晶转变的合金相图。共晶转变共晶转变-一个液相同时结晶出两个固相的过程。一个液相同时结晶出两个固相的过程。共晶转变式共晶转变式：Lc d + e

43、共晶体共晶体（ + ）BL Acde亚共晶亚共晶合金合金共共晶晶合合金金过共晶过共晶合金合金 共析相图：共析相图：两组元在固态时发生共析转变。两组元在固态时发生共析转变。共析转变共析转变-一个固相同时析出两个新固相的过程一个固相同时析出两个新固相的过程。共析转变式共析转变式： c d + e*共析反应是在固态共析反应是在固态 下进行的，原子扩下进行的，原子扩 散较困难，易达到散较困难，易达到 较大的过冷度，形较大的过冷度，形 核率高，故共析组核率高，故共析组 织要比共晶组织细织要比共晶组织细 得多。得多。 AB cde共析体共析体（ + ）亚共析亚共析合金合金共共析析合合金金过共析过共析合金合

44、金 包晶相图包晶相图：两组元在液态无限互溶，固态时有两组元在液态无限互溶，固态时有 限溶解，并发生包晶转变。限溶解，并发生包晶转变。包晶转变包晶转变-一个液相与一个固相形成另一个固相的一个液相与一个固相形成另一个固相的 过程。过程。J 包晶转变式包晶转变式： LB + H JL BH 1.6 铁碳合金铁碳合金一、铁碳合金的基本组织一、铁碳合金的基本组织（1）铁素体铁素体F-碳溶于碳溶于 -Fe中形成的中形成的固溶体固溶体。 *F中碳的最大溶解度为中碳的最大溶解度为0.0218%，F塑性、韧性好塑性、韧性好（2） 奥氏体奥氏体A-碳溶于碳溶于 -Fe中形成的中形成的固溶体固溶体。 *A中碳的最大

45、溶解度为中碳的最大溶解度为2.11%，A硬度低、塑性好硬度低、塑性好 （3） 渗碳体渗碳体Fe3C-Fe与与C形成的形成的间隙化合物间隙化合物。 * Fe3C的的 c=6.69%， Fe3C性能硬而脆性能硬而脆 * 从从L中析出的称为中析出的称为Fe3CI I；从从A中析出的称为中析出的称为Fe3CIIII；从从F中析出的称为中析出的称为Fe3CIIIIII（4）珠光体珠光体P-由由 c=0.77%的的A共析生成的共析生成的F与与 Fe3C的的机械混合物机械混合物。 * P中中F与与Fe3C一般呈片状分布，一般呈片状分布， 经特殊处理后可得到球状经特殊处理后可得到球状P。 P的强度、硬度较好，

46、塑性一般。的强度、硬度较好，塑性一般。（5）莱氏体莱氏体高温莱氏体高温莱氏体Ld-由由 c=4.3%的液体共晶的液体共晶 生成的生成的A和和Fe3C的的机械混合物机械混合物。低温莱氏体低温莱氏体Ld- c=4.3%的的Ld冷到室温冷到室温 后形成的后形成的P和和Fe3C的的机械混合物机械混合物。Fe3CF片状片状P球状球状PLAPLdLdFe3CL+A F+AF+P A + Fe3C P + Fe3CA +Fe3C + LdLd+ Fe3CP +Fe3C + LdLd+ Fe3CL+ Fe3CFF+ Fe3C1148 727 0 .02180 . 772 . 114 . 36 . 69二、铁碳

47、合金状态图（二、铁碳合金状态图（ Fe-Fe3C相图）相图）Fe3CFe根据含碳量和组织的不同，铁碳合金分为三类：根据含碳量和组织的不同，铁碳合金分为三类：工业纯铁工业纯铁：平衡组织为铁素体及少量三次渗碳体平衡组织为铁素体及少量三次渗碳体钢钢白口铸铁白口铸铁亚共析钢亚共析钢：室温平衡组织为铁素体室温平衡组织为铁素体+ +珠光体珠光体共析钢共析钢：室温平衡组织为珠光体室温平衡组织为珠光体过共析钢过共析钢：室温组织为珠光体室温组织为珠光体+ +二次渗碳体二次渗碳体亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁：P+ Fe3C +Ld共晶白口铸铁共晶白口铸铁: Ld过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁: Ld+ Fe3C 工

48、工业业纯纯铁铁钢钢白口铸铁白口铸铁6 . 692 . 110. 02180 Fe-Fe3C相图的学习要求相图的学习要求 相图的形态会默画相图的形态会默画 特征点线数据要记牢特征点线数据要记牢 成分成分: 0.0218%、 0.77%、 2.11%、 4.3%、 6.69% F的最大碳量的最大碳量 共析成分共析成分 钢铁分界钢铁分界 共晶成分共晶成分 Fe3C的碳量的碳量 温度：温度：727、1148 共析温度共析温度 共晶温度共晶温度 区域组织会分析（区域组织会分析（仅记单相区仅记单相区） 会分析会分析6种合金冷却曲线和组织转变过程种合金冷却曲线和组织转变过程 亚共析、共析、过共析、亚共晶、共

49、晶、过共晶亚共析、共析、过共析、亚共晶、共晶、过共晶亚亚共析钢的平衡冷却曲线共析钢的平衡冷却曲线及组织转变过程及组织转变过程亚亚共析钢室温平衡共析钢室温平衡组织金相照片组织金相照片F Pa)a)共析钢的共析钢的共析钢的平衡冷却曲线共析钢的平衡冷却曲线及组织转变过程及组织转变过程共析钢室温平衡共析钢室温平衡组织金相照片组织金相照片 P过过共析钢的平衡冷却曲线共析钢的平衡冷却曲线及组织转变过程及组织转变过程过过共析钢室温平衡共析钢室温平衡组织金相照片组织金相照片 P Fe3C（网状）（网状）a)3211223 31 1以上以上1-21-22-32-33 3以下以下亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁的平衡

50、的平衡冷却曲线及组织转变过程冷却曲线及组织转变过程LFe 1Fe 1 2 2 3 43 4 5 5 6 6.696 6.69温度温度( )LAALd亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁室温平衡组织金相照片室温平衡组织金相照片 Ld P时间时间温度温度PLd c( % )（鱼骨状）（鱼骨状）共晶白口铸铁共晶白口铸铁的平衡的平衡冷却曲线及组织转变过程冷却曲线及组织转变过程共晶白口铸铁共晶白口铸铁室温平衡组织金相照片室温平衡组织金相照片21 LdLd d1 1以上以上L1-21-2Ld d122312过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁的平衡的平衡冷却曲线及组织转变过程冷却曲线及组织转变过程过共晶白口铸铁过共晶白口

51、铸铁室温平衡组织金相照片室温平衡组织金相照片 LdFeFe3 3C CL1 1以上以上213 31-21-2LdF Fe e3 3C C22-32-3LF Fe e3 3C C3 3以下以下LdF Fe e3 3C C会写会写2种转变式种转变式 共晶转变式共晶转变式：L 4.3 2.11 + Fe3C 共析转变式共析转变式： 0.77 0.0218 + Fe3C能理解能理解碳量对铁碳合金组织和性能的影响碳量对铁碳合金组织和性能的影响 c1%时，随碳量的增加，硬度时，随碳量的增加，硬度 ；强度；强度 、塑性塑性 、韧性、韧性 对亚共析和共析钢来说，基体是对亚共析和共析钢来说，基体是F， Fe3C

52、是是作为强化相出现在作为强化相出现在P中的。且随中的。且随C，P，故材，故材料强度、硬度就越高，塑性和韧性则有所下降。料强度、硬度就越高，塑性和韧性则有所下降。 而对过共析钢，分布在晶界上并连成网状的而对过共析钢，分布在晶界上并连成网状的Fe3C使整个使整个材料脆性增加，造成强度、塑性、材料脆性增加，造成强度、塑性、韧性的下降。韧性的下降。 对白口铸铁来说，对白口铸铁来说， 硬而脆的硬而脆的Fe3C作为基体作为基体出现，从而使整个出现，从而使整个材料的性能特别硬脆，难以切材料的性能特别硬脆，难以切削加工，因此实际生产中很少应用此类材料。削加工，因此实际生产中很少应用此类材料。书上书上14页图页

53、图1-171.7 钢的热处理钢的热处理 将钢在固态下进行不同方式的加热、保将钢在固态下进行不同方式的加热、保温和冷却，从而改变其内部组织，获得所需温和冷却，从而改变其内部组织，获得所需性能的工艺过程称为钢的热处理。性能的工艺过程称为钢的热处理。 纯粹利用钢材的原始性能来满足对零件纯粹利用钢材的原始性能来满足对零件日益趋高的使用要求常常是不经济的，有时日益趋高的使用要求常常是不经济的，有时甚至是不可能的。甚至是不可能的。 对同一种材料施以不同的热处理工艺获对同一种材料施以不同的热处理工艺获得截然不同的性能，可满足加工和使用要求。得截然不同的性能，可满足加工和使用要求。 因此热处理的应用日益广泛，

54、几乎因此热处理的应用日益广泛，几乎80%80%的机械零件都要热处理，至于工具（刀具、的机械零件都要热处理，至于工具（刀具、量具、模具）和轴承则量具、模具）和轴承则100%100%都要进行热处理都要进行热处理, ,以延长零件的使用寿命以延长零件的使用寿命。 一、热处理的基本概念一、热处理的基本概念 1.目的目的改善组织和性能改善组织和性能2.机理机理固态相变固态相变（纯金属的同素异构转变、（纯金属的同素异构转变、 合金的晶体结构改变）及合金的晶体结构改变）及原子扩散原子扩散？钢烧红后放入水中急冷会变硬，紫铜却不会？钢烧红后放入水中急冷会变硬，紫铜却不会4.分类分类3.工艺过程工艺过程加热加热+保

55、温保温+冷却冷却加热加热保温保温冷却冷却普通热处理（整体热处理）普通热处理（整体热处理）表面热处理表面热处理化学热处理化学热处理形变热处理形变热处理5.过热和过冷过热和过冷过热过热-加热时加热时高于高于平衡转变温度才发生相变平衡转变温度才发生相变过冷过冷-冷却时冷却时低于低于平衡转变温度才发生相变平衡转变温度才发生相变*加热转变温度加热转变温度： Ac1、Ac3、AccmAc1Ac3Accm*平衡转变温度平衡转变温度： A1、A3、Acm AcmA3A1*冷却转变温度：冷却转变温度： Ar1、Ar3、Arcm Ar3Ar1Arcm二、钢加热时的组织转变二、钢加热时的组织转变（属于平衡转变属于平

56、衡转变）奥氏体化奥氏体化+奥氏体长大奥氏体长大1.奥氏体的形成过程（奥氏体的形成过程（= =形核+长大）*完全完全A化（加热至化（加热至Ac3或或 Accm 以上温度）以上温度） F、P、 Fe3C A*部分部分A化（仅加热至化（仅加热至Ac1以上温度）以上温度） P A部分部分A化化部分部分A化化完全完全A化化Ac3线线Accm线线Ac1线线根据加热温度的不同，奥氏体化可分为：根据加热温度的不同，奥氏体化可分为： 2.奥氏体的长大过程奥氏体的长大过程 奥氏体形成后，如果继续加热或保温，在伴随残余渗奥氏体形成后，如果继续加热或保温，在伴随残余渗碳体溶解和奥氏体均匀化的同时碳体溶解和奥氏体均匀化

57、的同时，奥氏体晶粒将开始长大。奥氏体晶粒将开始长大。奥氏体晶粒的长大是大晶粒吞并小晶粒的过程，其结果是奥氏体晶粒的长大是大晶粒吞并小晶粒的过程，其结果是使晶界面积减小，从而降低了表面能，因此它是一个自发使晶界面积减小，从而降低了表面能，因此它是一个自发的过程。的过程。 热处理热处理生产中应严格控制加热温度生产中应严格控制加热温度，不能过热。不能过热。常采用常采用快速加热快速加热和和短时间保温短时间保温的方法来细化晶粒。的方法来细化晶粒。因为适当提高加热速度有利于增大过热度，使因为适当提高加热速度有利于增大过热度，使A晶晶粒细化，则冷却后的组织也越细，材料的强度、塑粒细化，则冷却后的组织也越细，

58、材料的强度、塑性、韧性越好；适当的保温时间有利于性、韧性越好；适当的保温时间有利于A均匀化，均匀化，但保温时间过长将使晶粒过份长大，形成粗晶。但保温时间过长将使晶粒过份长大，形成粗晶。 3.3.影响影响奥氏体晶粒度的因素奥氏体晶粒度的因素 热处理时的加热温度、加热速度、保温时间以热处理时的加热温度、加热速度、保温时间以及钢中的碳元素、合金元素的含量都会影响及钢中的碳元素、合金元素的含量都会影响A的长的长大程度，从而影响实际晶粒度。大程度，从而影响实际晶粒度。 加热温度越高、加热速度越慢、保温时间越长，加热温度越高、加热速度越慢、保温时间越长，实际晶粒度越粗。实际晶粒度越粗。三三、钢冷却时的组织

59、转变钢冷却时的组织转变（属于非平衡转变属于非平衡转变）过冷奥氏体过冷奥氏体珠光体珠光体贝氏体贝氏体马氏体马氏体过冷奥氏体过冷奥氏体-在在A1温度以下，未发生转变的、温度以下，未发生转变的、 处于不稳定状态的奥氏体处于不稳定状态的奥氏体。贝氏体贝氏体-含碳略微过饱和的铁素体与弥散分布含碳略微过饱和的铁素体与弥散分布 的微细渗碳体的混合物，代号的微细渗碳体的混合物，代号B。马氏体马氏体-碳在碳在 -Fe中的过饱和固溶体，代号中的过饱和固溶体，代号M。1、钢的等温冷却转变曲线（、钢的等温冷却转变曲线（TTT曲线或曲线或C曲线曲线）550 600 650 MsMf转变开始线转变开始线转变终了线转变终了

60、线-100 PST珠光体转变珠光体转变B 贝氏体转变贝氏体转变马氏体转变马氏体转变温度温度时间时间A 共共 析析 钢钢 的的TTT 曲曲 线线1）过冷奥氏体在）过冷奥氏体在A1 550之间发生的转变之间发生的转变 珠光体转变珠光体转变2）渗碳体呈片状分布在铁素体基体上）渗碳体呈片状分布在铁素体基体上3）转变温度越低，层片间距越小）转变温度越低，层片间距越小4）按层片间距从大到小，划分为：）按层片间距从大到小，划分为： 珠光体珠光体P 索氏体索氏体S（细珠光体（细珠光体 ） 托氏体托氏体T（极细珠光体，亦称屈氏体）（极细珠光体，亦称屈氏体）5）层片间距越小（即从）层片间距越小（即从PS T），材