教学课件·工程材料及热处理

1、工程材料及热处理 绪论一、工程材料科学二、工程材料的分类三、工程材料的应用和发展四、课程的性质和任务一、工程材料科学材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。材料是人类生产和生活所必须的物质基础。手锤锉刀国产涡喷-7涡轮喷气发动机石器材料是人类进化的里程碑石器时代青铜器时代铁器时代新材料时代铁器 青铜器飞机发动机叶片我国在材料史上的贡献 公元前新石器时代，我们的先人就能用黏土烧制成陶器，到东汉时期又出现了瓷器，并流传海外。 司母戊鼎：晚商遗址出土，青铜铸造、高133厘米 、重875kg、饰纹优美 殷、商时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。 二、工程材料的分类工程材料是用于制造工程结构和

2、机械零件并主要要求力学性能的结构材料。 1.金属材料 2.高分子材料 3.陶瓷材料 4.复合材料金属材料以金属键结合为主 ,具有良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽 ，用量最大、应用最广泛。铁及铁合金称为钢铁材料，其世界年产量已达10亿吨，在机械产品中的用量占60%以上。高分子材料以分子键和共价键为主塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小 包括塑料、橡胶及合成纤维等 烯丙酰氯-苯乙烯陶瓷材料以共价键和离子键为主熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大 分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类 复合材料 指将两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。玻璃纤维增强高分子

3、复合材料三、工程材料的应用和发展四、课程的性质和任务课程性质：是机械类职业技能课课程任务： 具有识别一般工程材料的能力； 具有建立化学成分、组织结构与性能之间的关系的能力： 具有安排常用材料的牌号、用途和热处理工艺的能力。 具有常用材料的力学性能检验及显微组织观察的能力。课程特点：基本概念多，与实际联系紧密，是一门应用科学。工程材料及热处理第1单元 工程材料的性能一、工程材料的力学性能强度、刚度与塑性硬度冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性二、工程材料的物理、化学及工艺性能 一、工程材料的力学性能强度刚度塑性硬度冲击韧性疲劳强度断裂韧性强度拉伸实验 请见教材表1-1 新旧标准性能名称、符号对照拉伸试验

4、机相关概念强度 是指材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。符号为R ，单位为MPa。 屈服强度：材料发生微量塑性变形时的应力值。 条件屈服强度：残余变形量为0.2%时的应力值。 抗拉强度：材料断裂前所承受的最大应力值。弹性 指标为弹性极限，即材料承受最大弹性变形时的应力。刚度 指材料受力时抵抗弹性变形的能力。塑性材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。断后伸长率断面收缩率拉伸试样的颈缩现象硬度材料抵抗表面局部塑性变形的能力。布氏硬度 压头为硬质合金球，符号HBW，适用于布氏硬度在650以下的材料。 优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。洛氏硬

5、度维式硬度布氏硬度计洛氏硬度用符号HR表示根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。 洛氏硬度计钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕HRA用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等。HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。洛氏硬度实验维氏硬度维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。 维氏硬度计维氏硬度压痕显微维氏硬度计冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破

6、坏的能力。冲击韧性值ak(通过冲击实验测得)冲击实验Titanic 号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果Titanic近代船用钢板疲劳强度材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。轴的疲劳断口通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。二、工程材料的物理、化学及工艺性能使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。工程材料及热处理第2单元 工程材料的组织结构一、金属的晶体结

7、构与结晶二、金属的塑性变形与再结晶 三、合金的晶体结构 四、二元合金相图 五、铁碳合金相图 一、金属的晶体结构与结晶1.晶体与非晶体晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。金属的结构晶态非晶态SiO2的结构2.晶格与晶胞 晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。 晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。3.纯金属的晶体结构 体心立方晶格常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V等常见金属： -Fe、Ni、Al

8、、Cu、Pb、Au等(2)面心立方晶格(3)密排六方晶格常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等4.实际金属的晶体结构(1)单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。(2)多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。晶界：晶粒之间的交界面。(3)晶体缺陷晶格的不完整部位称晶体缺陷。实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。线缺陷刃型位错 螺型位错面缺陷晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为510个原子间距，位向差一般为2040。5.纯金属的结晶(1)冷却曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲

9、线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的.(2)过冷与过冷度纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶温度)。在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态。结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行。液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度 T= T0 T1过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。(3)树枝状结晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶6. 控制晶粒度的方法 控制过冷度：随过冷度增加，晶粒变细。 变质处理：又称孕育处理。即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶

10、粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂）。 振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。铸铁变质处理前铸铁变质处理后7.同素异构转变物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变。纯铁的同素异构转变1394912-Fe -Fe -Fe二、金属的塑性变形与再结晶 1.金属的塑性变形 金属常以滑移方式发生塑性变形。 滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。2.冷塑性变形对金属组织和性能的影响金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶粒也相应地被拉长或

11、压扁。随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时, 内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时,外力所做的功只有10%转化为内应力残留于金属中3.冷塑性变形后加热时的回复与再结晶金属经冷变形后, 组织处于不稳定状态, 有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小,不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。 加热温度 黄铜4.金属的热塑性变形在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的。低于再结晶温度的加工称为冷加工，而高于再结晶温度的加工称为热加工。热加工

12、时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。巨型自由锻件轧制模锻拉拔三、合金的晶体结构 合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。Al-Cu两相合金黄铜单相合金两相合金合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称固溶体。习惯以、表示。与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。随溶质含量增加, 固溶体的强

13、度、硬度增加, 塑性、韧性下降固溶强化。Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体1. 固溶体合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。铁碳合金中的Fe3C当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金属化合物也是合金的重要组成相。2.金属化合物四、二元合金相图1.二元相图的建立几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。2.二元相图的建立步骤配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点。将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相

14、应的数字和字母。相图中，结晶开始点的连线叫液相线，结晶终了点的连线叫固相线。3.二元匀晶相图两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图。相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L ，固相线以下为 固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+ ）。LL+成分（wt%Ni）温度（）CuNi液相线固相线4.二元共晶相图当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。以 Pb-Sn 相图为例进行分析。ABPb-Sn合金的结晶过程Pb-Sn亚共晶组织5.二元包晶相图当两组元在液态下完全互溶，在固态下有

15、限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图称作包晶相图。在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固相的反应称包晶转变或包晶反应。单相区：L、二相区：L+、 L+、+三相区：L+ （水平线PDC）L+L+L +6.二元共析相图共析反应(共析转变)是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。共析转变也是固态相变。最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变。PS五、铁碳合金相图 1. 铁碳合金的组元 2.基本组织 （1）铁素体 ( F ) 碳溶于Fe中形成的间隙固溶体。 铁 ( ferrite ) 渗碳体 ( Cementite )2.基本组织（2）奥氏体 ( A

16、) 碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体。（3）渗碳体 ( Fe3C ) 铁与碳形成的金属化合物。 2.基本组织 （4）珠光体 ( P )铁素体和渗碳体组成的机械混合物。（5）莱氏体 ( Ld )奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。3.未简化的Fe - Fe3C相图 4.简化后 Fe - Fe3C 相图ACDEFGSPQ1148727LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C TLdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FP0.77%CLdK( P+Fe3C )P+Ld+Fe3CLd+Fe3CP+FP+Fe3C( F+ Fe3C )A+ Fe3CL+ Fe3C( A+Fe

17、3C )5.Fe - Fe3C 相图的分析五个重要的成份点: P、S、E、C、K。四条重要的线: EF、ES、GS、FK。两个重要转变: 共晶转变反应式、共析转变反应式。二个重要温度: 1148 、727 。共晶转变反应式:LC ( AE + Fe3C ) Le 1148共析转变反应式:AS ( FP + Fe3C ) P 7276.钢铁分类7.含碳量对室温平衡组织的影响 钢铁素体亚共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢白 口 铸 铁二次渗碳体工业纯铁珠光体莱氏体一次渗碳体Fe3C钢 铁分 类组织组成物相对量%相组成物相对量%含碳量%00.02180.772.114.36

18、.6910010000三次渗碳体工程材料及热处理第3单元 钢的热处理 一、 热处理概述二、 钢的热处理原理三、钢的普通热处理四、钢的表面热处理五、其他热处理工艺一、 热处理概述热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。热处理工艺曲线 模具、滚动轴承100%需经过热处理。在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。热处理特点：热处理只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。热处理适用范围：只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用

19、热处理强化。 热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律称热处理原理。热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称热处理工艺。热处理概述根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工艺分类如下：其他热处理普通热处理表面热处理热处理退火正火淬火回火真空热处理形变热处理激光热处理控制气氛热处理表面淬火感应加热、火焰加热、电接触加热等化学热处理渗碳、氮化、碳氮共渗、渗其他元素等热处理概述预备热处理与最终热处理预备热处理为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理作准备的热处理。最终热处理赋予工件所要求的使用性能的热处理.预备热处理最终热处理W18Cr4V钢热处理工艺曲线时间温度

20、/热处理概述铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示。钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示;冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。二、 钢的热处理原理1.钢在加热时的转变奥氏体化在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。奥氏体晶粒长大及其影响因素加热温度和保温时间 加热速度合金元素 原始组织2.钢在冷却时的转变（1）过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体的等温转变图是表示奥氏体急速冷却到临界点A1 以下在各不同温度下的保温过程中转变量与转变时间的关系曲线.又称C 曲线、S 曲线或TTT曲线。C曲线的建立以共析钢为例： 取一批小试样

21、并进行奥氏体化。 将试样分组淬入低于A1 点的不同温度的盐浴中,隔一定时间取一试样淬入水中。 测定每个试样的转变量，确定各温度下转变量与转变时间的关系。 将各温度下转变开始时间及终了时间标在温度时间坐标中，并分别连线。 转变开始点的连线称转变开始线。转变终了点的连线称转变终了线。C 曲线的分析转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小.孕育期最小处称C 曲线的“鼻尖”。碳钢鼻尖处的温度为550。C曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物。A1-Ms 间及转变开始线以左的区域为过冷奥氏体区。转变终了线以右及Mf以下为转变产物区。两线之间及Ms与Mf之间为转变

22、区。时间温度A1MSMfA过冷PBMAMABAP转变开始线转变终了线奥氏体共析钢过冷奥氏体转变产物转变类型转变产物形成温度， 转变机制显微组织特征HRC获得工艺珠光体PA1650扩散型粗片状，F、Fe3C相间分布5-20退火S650600细片状，F、Fe3C相间分布20-30正火T600550极细片状，F、Fe3C相间分布30-40等温处理贝氏体B上550350半扩散型羽毛状，短棒状Fe3C分布于过饱和F条之间40-50等温处理B下350MS竹叶状，细片状Fe3C分布于过饱和F针上50-60等温淬火马氏体M针MSMf无扩散型针状60-65淬火M*板条MSMf板条状50淬火（2）过冷奥氏体连续冷

23、却转变共析钢的CCT曲线没有贝氏体转变区，在珠光体转变区之下多了一条转变中止线当连续冷却曲线碰到转变中止线时，珠光体转变中止，余下的奥氏体一直保持到Ms以下转变为马氏体。三、钢的普通热处理1.退火 将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却 (炉冷) 的热处理工艺叫做退火。退火目的调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HB。 消除内应力，防止加工中变形。 细化晶粒，为最终热处理作组织准备。真空退火炉退火的种类很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火。2.正火正火是将亚共析钢加热到Ac3+30 50 共析钢加热到Ac1+3050， 过共析钢加热到Ac

24、cm+30 50保温后空冷的工艺。正火后的组织： 0.6%C时，组织为F+S； 0.6%C时，组织为S 。正火目的 对于低、中碳钢(0.6C%)，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，为球化退火作组织准备。3.淬火淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于Vk速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。 亚共析钢淬火温度为Ac3+30-50。预备热处理组织为退火或正火组织。亚共析钢淬火组织：0.5%C时为M0.5%C时为M+A。在Ac1 Ac3之间的加热淬火称亚温淬火。亚温淬火组织为F+M，强硬度低，但塑韧性好.淬火（2）共析钢淬火温度为Ac1+30-50；淬火组织为M+A。

25、（3） 过共析钢淬火温度: Ac1+30-50.温度高于Accm，则奥氏体晶粒粗大、含碳量高,淬火后马氏体晶粒粗大、A量增多。使钢硬度、耐磨性下降，脆性、变形开裂倾向增加。淬火组织: M+Fe3C颗粒+A。(预备组织为P球)T12钢（含1.2%C）正常淬火组织淬火介质理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷，而在Ms附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小内应力的目的。常用淬火介质是水和油。水的冷却能力强，但低温却能力太大，只使用于形状简单的碳钢件。理想淬火曲线示意图MsMf油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太小，使用于合金钢和小尺寸的碳钢件。熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之

26、间,用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业常用的淬火介质.淬火方法单液淬火法 加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法。双液淬火法 工件先在一种冷却能力强的介质中冷，却躲过鼻尖后，再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。分级淬火法 在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀后再取出缓冷。等温淬火法 将工件在稍高于 Ms 的盐浴或碱浴中保温足够长时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。各种淬火方法示意图钢的淬透性淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区(50%M + 50%P)

27、的深度。淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力.柴油机连杆齿轮4.回火回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺。回火的目的1.减少或消除淬火内应力, 防止变形或开裂.2.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。3.稳定尺寸。淬火M和A都是非平衡组织，有自发向平衡组织转变的倾向。回火可使M与A转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。回火时力学性能变化总的趋势是随回火温度提高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。淬火加高温回火的热处理称作调质处理，简称调质。回火种类广泛用于各种结构件如轴、齿轮等热处理。也可作为要求较高精密件、量具等预备热处

28、理。 适用于各种高碳钢、渗碳件及表面淬火件。 应用获得良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。 提高e及s，同时使工件具有一定韧性 。在保留高硬度、高耐磨性的同时，降低内应力。 回火目的S回 T回 M回 回火组织500-650350-500150-250 回火温度 高温回火 中温回火 低温回火 适用于弹簧热处理四、钢的表面热处理表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。表面淬火目的： 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限; 心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。适用

29、于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。表面淬火1.表面淬火用材料 0.4-0.5%C的中碳钢含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。含碳量过高，心部韧性下降； 铸铁 提高其表面耐磨性。2.预备热处理对于结构钢为调质或正火。为表面淬火作组织准备； 获得最终心部组织。3.表面淬火后的回火采用低温回火，温度不高于200。回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。4.表面淬火+低温回火后的组织表层组织为M回；心部组织为S回(调质)或F+S(正火)。表面淬火常用加热方法 感应加热 火焰加热 激光热处理化学热处理根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他元素等。渗碳1.渗碳目的 提高工

30、件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。2.渗碳用钢 为含0.1-0.25%C的低碳钢。碳高则心部韧性降低。3.渗碳方法 气体渗碳法、固体渗碳法、真空渗碳法4.渗碳温度：为900-950。渗碳缓冷后组织：表层为P+网状Fe3C; 心部为F+P; 中间为过渡区。真空渗碳炉工程材料及热处理第4单元 工业用钢与铸铁一、碳素钢二、低合金结构钢三、合金钢四、 铸铁钢筋、螺纹钢一、碳素钢钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S，是由原料带入或脱氧残留的元素。1、Mn: 0.8%时为杂质, 是有益元素。作用为： 强化铁素体； 消除硫的有害作用。2、Si：0.5%时为杂质，是有益元素。作用为： 强化

31、铁素体； 增加钢液流动性。 3、S：是有害元素。 常以FeS形式存在。易与Fe在晶界上形成低熔点共晶(985)，热加工时(11501200)，由于其熔化而导致开裂，称热脆性。钢中的硫应控制在0.045%以下4、P：也是有害元素。能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆性。 P一般控制在0.045%以下。2.优质碳素结构钢牌号用两位数字表示。这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。45钢平均含碳量为万分之四十五（即0.45%）的优质碳素结构钢。1.普通碳素结构钢成分：0.4%C, P、S量及非金属夹杂较多.性能：可焊性、塑性好。热处理：不进行专门热处理，热轧空冷态下使用

32、。使用状态下组织：F+P用途:常以热轧板、带、棒及型钢使用，用量约占钢材总量的70%。用于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。如碳素结构钢牌号表示为Q235、Q235。3.碳素工具钢成分：高碳(0.651.35%C) 随含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韧性下降。 热处理：正火+球化退火+淬火+低温回火 球化退火目的： 降低硬度, 便于加工; 为淬火作组织准备。 使用状态下的组织： M回+颗粒状碳化物+A(少量) 用途：由于碳工钢热硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。 木工凿4.铸造碳钢钢号 ：如 ZG270-500 性能 ：强度和塑性、韧性高于铸铁 ，但铸造流动性能差，

33、收缩率大。用途 ：形状复杂，需一定强度、塑性、韧性的零件，如轧辊、机座、外壳。轧辊外壳二、低合金结构钢1.低合金高强度结构钢性能要求高强度及足够韧性。良好的焊接性能。 良好的耐蚀性及低的韧脆转变温度。成分特点低碳：0.2%C.合金元素：主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等。热处理：大多数热轧空冷后使用。少数可用正火+高温回火处理。使用状态下组织：F+P低合金高强钢合金元素细化晶粒作用低合金高强度结构钢用途：Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的压力容器。Q460钢含Mo、B，正火组织为贝氏体，强度高,用于石化中温高

34、压容器。南京长江大桥2.低合金耐候钢 低合金耐候钢即耐大气腐蚀钢，是在低碳非合金钢的基础上加入少量合金元素，使钢表面在空气中形成一层保护膜，从而提高钢材的耐大气腐蚀性。三、合金钢1.合金钢的分类与牌号 合金钢合金工具钢特殊性能钢合金结构钢机械制造用合金钢低合金结构钢低合金高强度结构钢低合金耐候钢低合金专业用钢合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢滚动轴承钢超高强度钢刃具钢量具钢模具钢低合金刃具钢高速钢冷作模具钢热作模具钢不锈钢耐热钢耐磨钢易切削钢钢的编号原则：根据编号可大致看出钢的成分；根据编号可大致看出钢的用途。因此合金钢的牌号在国标中常采用如下格式：数字 + 化学元素 + 数字 + 尾缀符号2.合

35、金元素在钢中的作用 对Fe - Fe3C相图的影响合金元素使钢获得特殊性能 合金元素使钢的力学性能的影响 合金元素对钢的热处理工艺性能的影响 3.机械结构用合金钢 渗 碳 钢调 质 钢弹 簧 钢滚动轴承钢（1）渗碳钢性能要求 表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧。 良好的热处理性能,如淬透性和渗碳能力。成分特点 低碳：0.10.25%C 合金元素作用： 提高淬透性： Cr、Mn、Ni、B 强化铁素体： Cr、Mn、Ni 细化晶粒： W、Mo、Ti、V热处理特点渗碳件的加工工艺路线为：下料锻造正火机加工渗碳淬火+低温回火正火目的为调整硬度，便于切削加工。淬火温度一般为

36、Ac1+30-50。 使用状态下组织心部：M回+F表层：M回+颗粒状碳化物+A(少量)；活塞销(20Cr)（2）调质钢1.性能要求 良好的综合力学性能。 良好的淬透性。2.成分特点 中碳：0.30.5%C 合金元素作用： 提高淬透性: Mn、Si、Cr、Ni、B 强化铁素体: Mn、Si、Cr、Ni 细化晶粒: Ti、V3.热处理及组织特点 调质件的加工工艺路线为：下料锻造退火粗加工调质精加工装配调质目的：获得良好综合力学性能使用状态下的组织为：S回柴油机凸轮轴（3）弹簧钢1.性能要求弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件。2.成分特点 中高碳 合金元素作用： 提高淬透性、强化铁素体：Mn

37、、Si、Cr提高s/b：Si 细化晶粒：V3.热处理及组织特点 冷成型弹簧：冷拔 冷成型定型处理(250300)。用于10mm)4.常用钢号及用途Si、Mn弹簧钢，如65Mn、60Si2Mn，用于制造较大截面弹簧。 Cr、V弹簧钢，如50CrV，用于大截面、大载荷、耐热的弹簧。大型热卷弹簧（4）滚动轴承钢成分：c=0.951.10%，主加元素是Cr，形成细小的碳化物。性能：高接触疲劳强度、高硬度和耐磨性，韧性、淬透性好。应用 GCr15：中小型轴承，冷冲模，量具，丝锥。热处理：球化退火 + 淬火 + 低温回火 冷处理，时效（120140,1020h）；稳定尺寸，去应力。4.合金工具钢 （1）刃

38、具钢低合金刃具钢 高速钢性能要求:高硬度、高耐磨性、有一定的红硬性、强度和韧性,工作温度不超过300。化学成分特点:高碳*加入Cr、Mn、Si、W、V 等合金元素。热处理特点:球化退火、淬火 + 低温回火 9 SiCr 高硬度、高耐磨性、高的红硬性(600时,HRC63以上) 、有一定的强度和韧性。性能要求:W18Cr4V钢铸造、锻造、 球化退火、机加工、淬火+三次570回火、磨削加工（2）模具钢热作模具钢性能要求:高的热硬性、高温耐磨性;高的抗氧化能力;高的热强性和足够高的韧性;高的热疲劳抗力( 防止龟裂 );高的淬透性和导热性; 化学成分特点:中碳 0.30.6 %;合金元素:Cr、Ni、

39、Mn、 Si、Mo、W、V。热处理工艺: 淬火 + 550回火 热处理后的组织: S回或T回 5 CrMnMo冷作模具钢性能要求:高的硬度,HRC62;高的耐磨性;足够高的韧性与疲劳抗力;热处理变形小; 化学成分特点:高碳 12 %;合金元素:Cr, Mo、W、V。Cr12、Cr12MoV（3）量具钢高的硬度, HRC62;高的耐磨性;高的尺寸稳定性;足够高的心部韧性;热处理变形小; 尺寸稳定;良好的耐蚀性;性能要求:卡 尺量 规千分尺高碳 0.91.5 %;合金元素:Cr, Mn、W。化学成分特点:淬火、冷处理 ( - 70 - 80 ) 、低温回火 、时效处理 ( 120130、几十小时

40、) 热处理特点:牌号: CrWMn、4Cr13、GCr15、 9SiCr、T12A、60等。5. 特殊性能合金钢 （1）不锈钢概念:*在空气中的年腐蚀量为0.01mm 以内的钢, 称为在空气中使用的 不锈钢。 *在强酸、强碱介质中的年腐蚀 量为0.1mm以内的钢,称为在强 酸、强碱介质中使用的不锈钢。化学成分特点: * 低碳:耐蚀性要求愈高,碳含量愈低。 * 合金元素:主加Cr。 辅加Ni、Mo、Cu、Ti、Nb、Mn 等。常用的不锈钢: *马氏体型不锈钢牌号: 1Cr134Cr13 *铁素体型不锈钢牌号: 1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28 *奥氏体型不锈钢牌号: 0Cr18Ni9、1C

41、r18Ni9、 0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti（2）耐热钢定义:在高温下具有抗氧化性和高温强度的特殊钢。 抗氧化钢 ( 不起皮钢 ) : 奥氏体型钢1Cr18Ni9Ti等,工作温度 850。热强钢珠光体型 16Mo，工作温度 600。马氏体型1Cr13，工作温度 600。奥氏体型18-8型，工作温度 850。汽车阀门（3）耐磨钢定义:在强烈冲击载荷作用下发生冲击形变硬化的高锰钢。球磨机挖掘机颚式破碎机性能要求:高硬度、耐磨性、韧性。化学成分特点:高碳 Wc = 11.3 %高锰 WMn = 1114 % 热处理特点:水韧处理。室温组织:过饱和单相奥氏体。6.硬质合金 硬质合金具有高

42、的抗压强度、耐蚀性和抗氧化性，常温下硬度可达 钨钴类 YG钨钛钴类 YT通用类 YW四、 铸铁1.铸铁的组织与性能 铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。P2.常用铸铁材料 铸铁名称 石墨形态 基体组织 编 号 方 法 牌号实例 灰 铸 铁 片状FHT + 一组数字数字表示最低抗拉强度值，单位MPa。“HT”表示灰铸铁代号。 HT100F+PHT150PHT200 可 锻 铸 铁 团絮状FKTH + 两组数字KTB + 两组数字KTZ + 两组数字KTH300-06表F心PKTB350-04PKTZ450-06KTH、KTB、KTZ分别为黑心、白心、珠光体可锻

43、铸铁代号；第一组数字表示最低抗拉强度值，MPa；第二组数字表示最低伸长率值，% 常用铸铁材料 铸铁名称 石墨形态 基体组织 编 号 方 法 牌号实例 球 墨 铸 铁 球状FQT + 两组数字 第一组数字表示最低抗拉强度值，MPa；第二组数字表示最低伸长率值，%。 “QT”表示 球墨铸铁代号QT400-15F+PQT600-3PQT700-2蠕 墨铸 铁 蠕虫状FRuT + 一组数字数字表示最低抗拉强度值, MPa。“RuT”表示蠕墨铸铁代号 RuT260F+PRuT300PRuT420工程材料及热处理第5单元 非铁合金与粉末冶金材料铝及铝合金铜及铜合金钛及钛合金镁及镁合金滑动轴承合金与粉末冶金

44、船用青铜软管快速接头阀(锡青铜阀体、阀盖)1.铝及铝合金纯铝具有银白色金属光泽，密度小(2.72 )，熔点低(660.4), 导电、导热性能优良。耐大气腐蚀，易于加工成形 。具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性 。铝合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外还有Cr、Ni、Ti、Zr 等辅加元素。 铸造铝合金变形铝合金变形铝合金GB 3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为: 防锈铝合金：LF+序号 硬铝合金： LY +序号 超硬铝合金：LC +序号 锻铝合金： LD +序号卫星天线（LF2）铸造铝合金Al- Si系： 代号为

45、ZL1+两位数字顺序号Al-Cu系：代号为ZL2+两位数字顺序号Al-Mg系：代号为ZL3+两位数字顺序号Al-Zn系： 代号为ZL4+两位数字顺序号汽缸头2.铜及铜合金纯铜呈紫红色，故又称紫铜，具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。 纯铜具有优良的导电性和导热性，在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性。塑性好。铜合金常加元素为Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既提高了强度，又保持了纯铜特性.铜合金分为黄铜、青铜、白铜三大类。以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。黄铜按化学成分可分为普通黄铜和特殊黄铜。按工艺可分为加工黄铜和铸造黄铜。 黄铜铸件黄铜棒黄铜除黄铜和白铜

46、外的其他铜合金统称为青铜。 加工青铜的牌号为：Q +主加元素符号及其平均百分含量+其他元素平均百分含量如QSn4-3(含4%Sn、3%Zn).常用青铜有锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。 青铜制品青铜3.钛及钛合金纯钛密度小，熔点高。882.5发生同素异构转变-Ti-Ti, 由体心立方-Ti转变为密排六方-Ti.纯钛比强度高，塑性、低温韧性和耐蚀性好。纯钛加入合金元素形成钛合金。钛合金几乎都含有铝。铝能提高钛合金的强度、比强度和再结晶温度。美F-22战机约36%重量的零件用钛合金制造按退火组织，钛合金可分为型钛合金、型钛合金和+型钛合金三类，它们的牌号分别用TA、TB、TC加顺序号表示

47、 。如TA5、TB2、TC4等。其中TA0TA3为工业纯钛。4.滑动轴承合金与粉末冶金制造滑动轴承的轴瓦及其内衬的耐磨合金称为轴承合金。滑动轴承是许多机器设备中对旋转轴起支撑作用的重要部件，由轴承体和轴瓦两部分组成。与滚动轴承相比滑动轴承具有承载面积大，工作平稳，无噪音及拆装方便等优点。 组织性能要求当轴高速旋转时，轴瓦与轴颈发生强烈摩擦，承受轴颈施加的交变载荷和冲击力。对轴承合金的性能要求： 足够的强韧性 较小的热膨胀系数，良好的导热性和耐蚀性 较小的摩擦系数，良好的耐磨性和磨合性，以减少轴颈磨损，保证轴与轴瓦良好的跑合。锡基轴承合金 是以锡为主并加入少量锑、铜等元素组成的合金，熔点较低，是

48、软基体硬质点组织类型的轴承合金。 工业上常用的是锡基、铅基轴承合金, 又称巴氏合金。典型牌号为ZSnSb11Cu6(其组织为基体+白亮块状SnSb+星状Cu3Sn)ZSnSb11Cu6合金的显微组织 常用轴承合金是以铅为主加入少量锑、锡、铜等元素的合金，也是软基体硬质点型轴承合金。典型牌号为ZPbSb16Sn16Cu2。ZPbSb16Sn16Cu2合金的显微组织(+)共晶基体+方块状SnSb+针状Cu3Sn 铅基轴承合金工程材料及热处理第6单元 非金属材料与新型材料一、高分子材料二、陶瓷材料三、复合材料四、新型材料一、高分子材料高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。常称聚合物或高聚物。高

49、分子化合物的分子量一般104 。高分子化合物有天然的，也有人工合成的。工业用高分子材料主要是人工合成的。按用途分塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料等。 聚乙烯分子链塑料塑料是在玻璃态下使用的高分子材料。在一定温度、压力下可塑制成型，在常温下能保持其形状不变。塑料是以树脂为主要成分，加入各种添加剂。树脂是塑料的主要成分，对塑料性能起决定性作用。按树脂受热时行为可分为热塑性塑料和热固性塑料。 按使用范围可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。塑料的优点：相对密度小(一般为0.9 2.3)；耐蚀性、电绝缘性、减摩、耐磨性好；有消音吸振性能 。 塑料的缺点：刚性差，强度低；耐热性差、热膨胀系数大、导热系数小；

50、蠕变温度低、易老化。 尼龙管件工程塑料一般结构用塑料：包括聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)和ABS塑料等。摩擦传动零件用塑料：包括聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯(PTFE)等。耐蚀用塑料耐蚀用塑料主要有聚四氟乙烯、氯化聚醚(PENTON)、聚丙烯等。PC挡风板橡胶橡胶是以高分子化合物为基础的具有高弹性的材料。工业用橡胶由生胶和橡胶配合剂组成。生胶无配合剂并未经硫化。橡胶配合剂有硫化剂、硫化促进剂、防老剂、软化剂、填充剂、发泡剂、着色剂等。橡胶最大的特点是高弹性。橡胶有储能、耐磨、隔音、绝缘等性能。 二、陶瓷材料陶瓷材料是除金属

51、和高聚物以外的无机非金属材料通称。 陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。 陶瓷材料还具有密度小、弹性模量大、耐磨损、强度高等特点。 功能陶瓷还具有电、光、磁等特殊性能。 按使用的原材料分类普通陶瓷：以天然的岩石、矿石、黏土等 材料作原料。特种陶瓷：采用人工合成的材料作原料。按性能和用途分类，可陶瓷材料分为结构陶瓷和功能陶瓷两类。 陶瓷零件三、复合材料复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成的材料。 复合材料是多相材料，主要包括基体相和增强相。纤维增强高分子复合材料复合材料的特点1、比强度和比模量高 其中纤维增强复合材料的最高。 2、抗疲劳性能好 因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。3、减振性能良好 复合材料中的大量界面对振动有反射吸收作用，不易产生共振。4、高温性能好。 四、新型材料纳米材料超导材料高温材料储氢材料工程材料及热处理第7单元 工程材料的合理选用与质量检验机械零件的失效选材的基本原则典型零件选材实例金属材料的质量检验一、机械零件的失效1.定义: 零件不能正常和安全的工作, 即零件失效。2.原因结构或形状设计不合理。材料的选择不合理。加工工艺不合理。安装与使用不合理。3.失效形式过量变形失效过量弹性变形过量塑性变形断裂失效韧性断裂应力腐蚀断裂蠕变断裂疲劳断裂低应