BC第1章 工程材料

CAD/CAM教研室机械制造基础绪论CAD/CAM教研室机械制造基础郑耀辉

沈阳航空航天大学国防重点实验AD/CAM教研室机械制造基础第一章工程材料

工程材料是人类社会赖以生存和发展重要物质基础工程材料的分类金属材料、非金属材料、复合材料现代机器以金属材料为基础使用性能满足大多数要求工艺性好很少用纯金属，多用合金材料:性能决定了解金属材料，有助于理解工艺方法的实质合理选择零件材料及其生产工艺材料的性能：以金属材料的性能为例CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能使用性能：金属材料在使用条件下所表现出来的性能。工艺性能：金属材料从冶炼到成品的生产过程中，在各种加工条件下表现出来的性能。

CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能（1）物理性能使用性能

（2）化学性能（3）力学性能

（1）铸造性（2）焊接性工艺性能（3）锻压性（4）切削加工性（5）热处理性

CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能

（1）弹性（2）强度（3）塑性（4）硬度（5）韧性（6）疲劳强度力学性能一、静力拉伸试验CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能1.标准拉伸试样a圆形l0/d0=10；l0/d0=5b板形2.应力应变的概念应力σ：材料单位面积上承受的负荷σ=F/S应变ε：材料单位长度上的伸长量ε=(l-l0)/l0CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能3.两种基本变形(1)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(2)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4.低碳钢拉伸各阶段试样的变化CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能二、力学性能1.弹性和刚度（1）弹性金属材料受外力作用时产生变形。当外力去掉后能恢复其原来形状的性能称为弹性。弹性极限：σe

弹性变形阶段CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能1.弹性和刚度（2）刚度材料在弹性范围内，应力与应变成正比，其比值E称为弹性模量，单位为MPa。弹性模量E标志着材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。刚度：E=σ/ε

弹性变形阶段CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能2.强度

金属材料抵抗外力引起的塑性变形和断裂的能力

（1）屈服强度应变增加而应力不变的现象称为屈服。屈服阶段CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能金属材料中只有低碳钢和中碳钢等少数金属有屈服现象，大多数金属没用明显的屈服点，因此对这些材料，规定已产生0.2%塑性变形的应力称为条件屈服强度σ0.2屈服强度—是塑性材料选材和评定的依据。屈服阶段CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能（2）抗拉强度材料在断裂前所承受的最大应力值称为抗拉强度或强度极限。抗拉强度—是脆性材料选材的依据。（3）屈强比均匀塑性变形阶段CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能3.塑性材料在外力作用下，产生永久塑性变形而不断裂的能力，称为塑性。工程上常用延伸率和断面收缩率作为材料的塑性指标。

δ或ψ值愈大，材料的塑性愈好。两者比较，用ψ表示塑性更接近材料的真实应变。CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能注意：长试样（）的伸长率写成δ或δ10；短试样（）的伸长率须写成δ5。同一种材料δ5>δ，所以，对不同材料，δ值和δ5值不能直接比较。一般把δ>5%的材料称为塑性材料，δ<5%的材料称为脆性材料。铸铁是典型的脆性材料，而低碳钢是黑色金属中塑性最好的材料。©2007金工教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能4.硬度金属表面抵抗其他硬物压入的能力，衡量金属软硬程度，影响耐磨性、切削加工性。

常用的度量方法：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）维氏硬度（HV）CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能（1）布氏硬度布氏硬度是由瑞典的布利涅尔于1900年提出来的。

测量方法：如图所示，用一定载荷P，将直径为D的球体（淬火钢球或硬质合金球），压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，测量被测试试表面上所形成的压痕直径d，由此计算压痕的球缺面积F，其单位面积所受载荷称为布氏硬度

FCAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能布氏硬度表示方法硬度值一般不标单位。当压头为淬火钢球时，用HBS表示；当压头为硬质合金时，用HBW表示。符号HBS或HBW之前写出硬度值，符号后面用数字依次表示压头直径、试验力及试验力保持时间（10～15s不标）等试验条件。例如，150HBS10/1000/30。一般在零件图或工艺文件上标注材料要求的布氏硬度时，不规定试验条件，只需标出要求的硬度值范围和硬度符号，如210～230HBS。CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能布氏硬度的优缺点：

优点：测定的数据准确、稳定、数据重复性强，常用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。

缺点：对不同材料需要更换压头和改变载荷，且压痕较大，压痕直径的测量也较麻烦，易损坏成品的表面，故不宜在成品上进行试验，也不适用于太薄、太硬的材料。（2）洛氏硬度

洛氏硬度是用压头压痕深度作为洛氏硬度值的计量即，符号用HR表示。可以直接从洛氏硬度计的表盘上读出，它是一个相对值，人们规定每0.002mm压痕深度为一个洛氏硬度单位。CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能计算公式为：CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能

压头类型：淬火钢球压头多用于测定退火件、有色金属等较软材料的硬度，压入深度较深；金刚石压头多用于测定淬火钢等较硬材料的硬度，压入深度较浅。

采用不同的压头与总试验力，组合成几种不同的洛氏硬度标尺。我国常用的是HRA、HRB、HRC三种，其中HRC应用最广。其试验规范如图。洛氏硬度无单位，须标明硬度标尺符号，在符号前面写出硬度值，如58HRC、76HRA。

试验规范及表示方法:

CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能洛氏硬度压头总载荷/N（kgf）测量范围适用材料HRA120°金刚石圆锥体588.4（60）60～85硬质合金材料、表面淬火钢等HRBΦ1.588淬火钢球980.7（100）25～100软钢、退火钢、铜合金等HRC120°金刚石圆锥体1471.1（150）20～67淬火钢、调质钢等CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能

洛氏硬度试验的优缺点

优点:操作迅速、简便，硬度值可从表盘上直接读出；压痕较小，可在工件表面试验；可测量较薄工件的硬度，因而广泛用于热处理质量的检验。

缺点:精确性较低，硬度值重复性差、分散度大，通常需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。此外，用不同标尺测得的硬度值彼此之间没有联系，也不能直接进行比较。（3）维氏硬度维氏硬度也是以单位压痕面积的力作为硬度值计量。试验力较小，压头是锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体，见图所示。维氏硬度用符号HV表示。CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能

维氏硬度试验的优缺点：

优点是可测软、硬金属，特别是极薄零件和渗碳层、渗氮层的硬度，其测得的数值较准确，并且不存在布氏硬度试验那种载荷与压头直径比例关系的约束。此外，维氏硬度也不存在洛氏硬度那样不同标尺的硬度无法统一的问题，而且比洛氏硬度能更好地测定薄件或薄层的硬度。

缺点是硬度值的测定较为麻烦，工作效率不如洛氏硬度，因此不太适合成批生产的常规检验。CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能5.冲击韧性

外力的瞬时冲击作用所引起的变形和应力比静载荷大得多，因此在设计承受冲击载荷的零件和工具时，不仅要满足强度、塑性、硬度等性能要求，还必须有足够的韧性。

摆锤式一次冲击实验原理CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能

韧性是指金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。

根据功能原理可知：摆锤冲断试样所消耗的功AK=mgH1-mgH2。AK称为冲击吸收功，用AK除以试样缺口处的横截面积Ｓ所得的商即为该材料的冲击韧度，用符号αK表示，即：

CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能6.疲劳强度

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。（1）交变应力（周期性应力）：应力的大小、方向周期性变化。有对称周期性应力和非对称周期性应力。（2）疲劳：构件在低于屈服强度的交变应力作用下，经过较长时间工作而发生突然断裂，而无明显的塑性变形的现象。CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能（3）疲劳曲线：反映承受的交变应力与断裂前的应力周期次数间的关系曲线，如图所示。图1-12疲劳曲线（4）疲劳极限。由图可见，应力愈高，循环次数愈少，反之亦然。当应力低到一定值时，循环次数无穷大，表示材料可经无限次应力循环而不失效；此应力即为疲劳强度（疲劳极限）。对称弯曲疲劳极限用表示；对于钢铁材料为107，有色金属材料为108。CAD/CAM教研室机械制造基础1.1工程材料的主要性能（5）疲劳破坏的原因：材料的缺陷、应力集中、表面划痕

（6）防止或减少的方法：合理设计结构防止应力集中，减小表面粗糙度，采取表面硬化处理CAD/CAM教研室机械制造基础小结疲劳强度σr冲击韧度ak硬度HBHR塑性δψ强度σbσsσ0.2工程材料的力学性能弹性σeECAD/CAM教研室机械制造基础1.2金属、合金的晶体结构与结晶

1.2.1金属的晶体结构一、基本概念1.晶体：其内部原子在空间作有规则的排列，如食盐、金刚石等；纯金属及合金均属于晶体。2.非晶体：其内部原子杂乱无章地不规则的堆积，如玻璃、沥青等。晶体原子排列示意图非晶体原子排列示意图CAD/CAM教研室机械制造基础1.2.1金属的晶体结构3.晶体结构：指晶体中原子排列的方式。4.晶格：把晶体内的每一个原子看成一个小球，把这些小球用线条连接起来，形成一个空间格架，这种空间格架叫晶格。5.晶胞：晶格的最小几何组成单元。CAD/CAM教研室机械制造基础1.2.1金属的晶体结构6.晶格常数：晶胞中各棱边的长度，单位为

二、常见的金属晶体结构

1.体心立方晶格

晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和立方体中心各有一个原子。Cr、Mo、W、V、-Fe

CAD/CAM教研室机械制造基础1.2.1金属的晶体结构2.面心立方晶格晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面中心各有一个原子。Cu、Ni、Al、γ-FeCAD/CAM教研室机械制造基础1.2.1金属的晶体结构3.密排六方晶格晶胞是一个正六棱柱体，在柱体的各个角和上下底面中央各有一个原子，在顶面和底面的中间还有三个原子。Mg、Zn、-Ti、CAD/CAM教研室机械制造基础1.2.1金属的晶体结构三、单晶体的各向异性单晶体：晶体内部的晶格位向（即原子排列方向）完全一致的晶体称为单晶体。

各向异性：CAD/CAM教研室机械制造基础1.2.1金属的晶体结构四、金属实际的晶体结构

1.多晶体结构

由许多小晶体组成的晶体称为多晶体，这些小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。

虽然每个晶粒具有各向异性，但不同方向的金属性能是很多位向不同晶粒的平均性能，故多晶体材料表现为各向同性。

CAD/CAM教研室机械制造基础1.2.1金属的晶体结构2.晶体缺陷

晶体中原子规律排列受到破坏的某些区域，称为晶体缺陷。晶体缺陷按其几何特征分为点缺陷线缺陷面缺陷CAD/CAM教研室机械制造基础1.2.1金属的晶体结构

点缺陷：空位、置换原子、间隙原子线缺陷：刃型位错面缺陷：晶界CAD/CAM教研室机械制造基础1.2.2金属的结晶1.2.2金属的结晶一、结晶的概念1.凝固：物质由液态转变为固态的过程。2.结晶：凝固形成晶体的过程。二、结晶的条件1.冷却曲线CAD/CAM教研室机械制造基础1.2.2金属的结晶2.过冷理论结晶温度：t0实际结晶温度：t1过冷度：Δt＝t0－t1。过冷是金属结晶的必要条件。温度℃时间T0T1ΔT过冷度纯金属的冷却曲线CAD/CAM教研室机械制造基础1.2.2金属的结晶三、金属的结晶过程1.形核：自发形核、非自发形核。2.晶核长大：以树枝方式长大。

纯金属的冷却曲线及结晶过程

纯金属的结晶过程

CAD/CAM教研室机械制造基础1.2.2金属的结晶三、金属晶粒大小及细化方法

结晶后，得到多晶体金属。一般，晶粒越细小，强度、硬度越高，塑性、韧性也越好。1.影响因素：形核率N、长大速度（率）G

CAD/CAM教研室机械制造基础1.2.2金属的结晶2．细化晶粒的方法（1）变质处理（2）增大过冷度（3）附加振动（4）热处理（5）压力加工再结晶CAD/CAM教研室机械制造基础1.2.2金属的结晶四、金属的同素异构转变

在固态下，随温度的变化，其晶格类型会发生转变，这种现象称为金属的同素异构转变。铁的同素异构转变：L1538℃1394℃912℃温度℃时间1538℃1394℃912℃体心面心体心CAD/CAM教研室机械制造基础1.2.3合金的晶体结构与结晶1.2.3合金的晶体结构与结晶一、合金的基本概念1.合金：就是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。2.组元：组成合金独立的、最基本的物质称为组元，简称元合金的组元通常是纯元素，也可以是稳定化合物。3.合金系：由二个或二个以上的组元按不同比例配制的一系列不同成分的合金，称为一个合金系，简称系。

CAD/CAM教研室机械制造基础1.2.3合金的结晶结构与结晶

4.相：合金中凡是结构、成分和性能相同（晶格相同）并且与其它部分有界面分开的均匀组成部分称为相。5.组织：将金属或合金制成金相试样，借助于金相显微镜，看到的试样内部各组成相晶粒的大小、方向、形状、排列状况等的构造情况，称为显微组织，通常简称为组织。它直接决定合金的性能。

CAD/CAM教研室机械制造基础1.2.3合金的结晶结构与结晶

光镜下形貌电镜下形貌CAD/CAM教研室机械制造基础1.2.3合金的晶体结构与结晶二、合金的结构

根据合金中各组元之间的相互作用不同，可分为

1）固溶体

2）金属化合物

3）机械混合物

(1)置换固溶体

(2)间隙固溶体

CAD/CAM教研室机械制造基础1.2.3合金的晶体结构与结晶

1.固溶体

溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体。据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同固溶体置换固溶体间隙固溶体固溶强化：溶质原子使固溶体的强度和硬度升高的现象CAD/CAM教研室机械制造基础1.2.3合金的晶体结构与结晶

空位同类原子的间隙原子异类原子的间隙原子异类原子的置换原子CAD/CAM教研室机械制造基础1.2.3合金的晶体结构与结晶

固溶体的性能特点：具有良好的塑性和韧性，强度、硬度较低。如铁素体、奥氏体F：σb=250MPaδ=45—50%HB=80CAD/CAM教研室机械制造基础1.2.3合金的晶体结构与结晶

2.金属化合物

合金各组成元素之间相互作用而生成的一种新的具有金属特性的物质。

金属化合物各元素之间呈整数比关系。如：Fe3C、WC、TiC等金属化合物的性能特点：脆性大、硬度高；强度低；塑性、韧性差；高的熔点。Fe3C：HB=800；σb=30MPa；δ≈0%CAD/CAM教研室机械制造基础1.2.3合金的晶体结构与结晶

3.机械混合物合金的组成在固态下既不互相溶解又不形成化合物，而是按一定的重量比混合而成的新物质。

机械混合物既可以是纯金属、固溶体或金属化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。性能特点：性能介于各组成物的性能之间。一般具有良好的综合力学性能。CAD/CAM教研室机械制造基础1.2.3合金的晶体结构与结晶三、合金的结晶合金的结晶与纯金属相似，都遵循形核与核长大的规律。CAD/CAM教研室机械制造基础小结CAD/CAM教研室机械制造基础1.3铁碳合金相图1.3.1铁碳合金的基本组织

铁素体是碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格。碳在α-Fe中的溶解度很小，727℃时0.0218%；室温时为0.0008%,几乎为零。其强度和硬度很低，塑性、韧性好。显微组织是明亮的多边形晶粒。

1.铁素体（F或α）

CAD/CAM教研室机械制造基础1.3铁碳合金相图2.奥氏体（A或γ）

奥氏体是碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格。碳在γ-Fe中的溶碳量较高，1148℃时2.11%；727℃时为0.77%。其强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性也好。其晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直。渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，碳含量是6.69％，具有复杂的晶体结构。其硬度很高，塑性和韧性很差，δ、Ak接近于零，脆性很大。3.渗碳体（Fe3C）

CAD/CAM教研室机械制造基础1.3.1铁碳合金的基本组织4.珠光体（P）

珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。是奥氏体冷却时，在727℃恒温下发生共析转变的产物。显微组织是铁素体与渗碳体片层状交替排列。性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。CAD/CAM教研室机械制造基础1.3.1铁碳合金的基本组织5.莱氏体（Ld或Ld'）

高温莱氏体Ld

：是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。是在1148℃恒温下发生共晶转变的产物，平均碳含量4.3%。

低温莱氏体Ld'

：是由珠光体和渗碳体组成的机械混合物。CAD/CAM教研室机械制造基础1.3.2相图的建立一、相图的概念

表示合金系的成分、温度、组织、状态之间关系的图表，状态图、平衡图。二、相图的作用相图是研究合金的成分、温度、组织、状态之间变化规律的工具。

CAD/CAM教研室机械制造基础1.3.2相图的建立三、Cu-Ni合金二元相图用热分析法测定Cu-Ni合金相图四、铁碳合相图的建立CAD/CAM教研室机械制造基础1.3.2相图的建立CAD/CAM教研室机械制造基础1.3.3铁碳合金相图的分析目前应用的铁碳合金状态图是含碳量为0～6.69%的铁碳合金部分（即Fe－Fe3C部分），因为含碳量大于6.69％的铁碳合金在工业上无使用价值。右图为简化后的Fe－Fe3C状态图。

1.3.3铁碳合金相图的分析ASF+Fe3CQGKD4.32.110.770.0218WC%1148℃1538℃727℃PLAF温度℃912℃CFe3C6.69FAL+Fe3CL+F+AA+

Fe3CE1227℃CAD/CAM教研室机械制造基础1.3.3铁碳合金相图的分析一、特性点的意义

A—纯铁的熔点。D—Fe3C的熔点。

E—C在γ-Fe中的最大溶解度点。1148℃2.11%C钢和铸铁的分界点。CAD/CAM教研室机械制造基础1.3.3铁碳合金相图的分析C—共晶点，1148℃4.3%C查看铁碳合金相图

共晶点—发生共晶反应的点。

共晶反应—在一定的温度下，由一定成分的液体同时结晶出一定成分的两个固相的反应。

共晶反应的产物——共晶体——机械混合物

L（4.3%C）A（2.11%C）+Fe3C（6.69%C）1148℃LeG—纯铁的同素异晶转变点。

912℃

P—C在α-Fe中的最大溶解度点。727℃0.0218%C

CAD/CAM教研室机械制造基础1.3.3铁碳合金相图的分析

S—共析点。727℃0.77%C查看铁碳合金相图

共析点—发生共析反应的点。

共析反应—在一定的温度下，由一定成分的固相同时结晶出一定成分的另外两个固相的反应。

共析反应的产物—共析体—机械混合物A（0.77%C）F（0.0218%C）+Fe3C（6.69%C）727℃PCAD/CAM教研室机械制造基础1.3.3铁碳合金相图的分析二、特性线的意义CAD/CAM教研室机械制造基础1.3.3铁碳合金相图的分析AESPQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃Le727℃PLAF温度℃912℃CFe3C6.69FAL+Fe3CL+Fe3CⅡF+AA+A+LeLe+

Fe3C2.AECF线—固相线

1.ACD线—液相线AE—A析出终了线ECF—共晶线

1148℃AC—析出ACD—析出Fe3CCAD/CAM教研室机械制造基础1.3.3铁碳合金相图的分析ES线—C在γ-Fe中的溶解度曲线。析出二次Fe3CⅡ

Acm线（Fe3Ccementite）

GS线—A析出F的开始线A—FA3线GP线—F析出终了线。PSK线—共析线727℃A1线PQ线—碳在α-Fe中的溶解度曲线。CAD/CAM教研室机械制造基础1.3.3铁碳合金相图的分析三、相区1）单相区有F、A、L和Fe3C四个单相区2）两相区五个两相区：L＋A两相区、L+Fe3C两相区、A+Fe3C两相区、A＋F两相区、F+Fe3C两相区3）三相区ECF共晶线是液相、奥氏体、渗碳体的三相共存线（L、A、Fe3C）PSK共析线是奥氏体、铁素体、渗碳体的三相共存线（A、F、Fe3C）铁碳合金相图分析CAD/CAM教研室机械制造基础1.3.3铁碳合金相图的分析四、铁碳合金的分类

CAD/CAM教研室1.3.3铁碳合金相图的分析五、典型铁碳合金的结晶过程分析

ESQGKD4.32.110.770.0218C%1148℃1538℃727℃PLAF温度℃912℃CFe3C6.69APLeFAL+Fe3CⅠL+Fe3CⅡF+A①②③④⑤⑥11111122222333344F+PP+Fe3C3Le’P+Fe3C+Le’2Fe3C+Le’Fe3C+LeCAD/CAM教研室机械制造基础1.3.3铁碳合金相图的分析1.共析钢的结晶过程①典型铁碳合金结晶过程分析1点温度以上，合金处于液态；缓冷到1点温度时，开始从液相结晶出奥氏体，温度继续下降，奥氏体量逐渐增加；直至2点温度结晶终止，液相全部结晶为奥氏体；2点至3点间为单一奥氏体的冷却；当温度降到S点时，奥氏体在恒温下发生共析转变，转变为珠光体；S点以下，珠光体冷却至室温。231LAAL+PCAD/CAM教研室机械制造基础1.3.3铁碳合金相图的分析CAD/CAM教研室机械制造基础1.3.3铁碳合金相图的分析1.3.3铁碳合金相图的分析2.亚共析钢的结晶过程查看相图亚共析钢在3点以前的结晶过程与共析钢类似；当缓冷到3点时，从均匀的奥氏体中开始析出铁素体；温度继续下降，铁素体量逐渐增加，奥氏体量逐渐减少，尚未转变的奥氏体的碳含量沿GS线逐渐增加；当缓冷到4点(727℃)时，剩余的奥氏体的Wc=0.77%，发生共析转变而形成珠光体；共析转变结束后，合金组织由铁素体加珠光体组成，冷却到4点以下，组织不再产生改变。所有亚共析钢的室温平衡组织均为铁素体+珠光体，随着碳含量的增加，铁素体量减少，珠光体量增加。1LAAL+A+P+F432FCAD/CAM教研室机械制造基础1.3.3铁碳合金相图的分析典型铁碳合金结晶过程分析CAD/CAM教研室机械制造基础1.3.3铁碳合金相图的分析1.3.3铁碳合金相图的分析3.过共析钢的结晶过程查看相图过共析钢在3点以前与共析钢类似；当缓冷到3点温度时，奥氏体的溶碳量随着温度的下降而逐渐降低，并沿着奥氏体晶界析出二次渗碳体；随着温度继续下降，二次渗碳体不断析出，而剩余奥氏体的碳含量沿ES线逐渐减少；温度降到4点(727℃)时；剩余奥氏体恒温下发生共析转变而形成珠光体；共析转变结束后，合金组织为珠光体+网状二次渗碳体，直至室温。随着含碳量的增加，组织中珠光体的数量减少，网状二次滲碳体的数量增加，并变得更粗大。41LL+A+P+Fe3CⅡ23AAFe3CⅡCAD/CAM教研室机械制造基础1.3.3铁碳合金相图的分析典型铁碳合金结晶过程分析CAD/CAM教研室机械制造基础1.3.3铁碳合金相图的分析CAD/CAM教研室机械制造基础1.3.3铁碳合金相图的分析1L2LeLe’31L2L+Fe3CFe3C+Fe3C+Le’Le4.生铁的结晶过程

共晶生铁:亚共晶生铁:过共晶生铁:1LA+L+LeP+Fe3C+Le’A+Le+32AFe3CCAD/CAM教研室机械制造基础1.3.3铁碳合金相图的分析六、铁碳合金的成分、组织与性能的关系1.组织物的相对量

FF+PPP+Fe3CP+Fe3C+Le’Le’Le’+Fe3CC%00.772.114.36.690.0218FPLe’Fe3CⅠFe3CⅡCAD/CAM教研室机械制造基础1.3.3铁碳合金相图的分析2.含碳量与力学性能间的关系

强度：当Wc<0.9％时，随着Wc增加，不断提高；当Wc>0.9％时，由于渗碳体在晶界呈网状分布，使钢的强度下降。硬度：随Wc的增加而提高。

塑性：随Wc的增加而迅速降低。

冲击韧性：随Wc的增加而迅速降低。

0.9~1.0HBC%HBCAD/CAM教研室机械制造基础1.3.4铁碳相图的应用1、选用材料：由铁碳相图可知，合金中随着含碳量的不同，其组织各不相同，从而导致其力学性能不同。因此，我们就可以根据机器零件所要求的性能来选择不同含碳量的材料。2、叛断切削加性能：低碳钢中铁素体较多，塑性好，加工性不好；中碳钢中铁素体含量比例适当，钢的硬度适当，易于加工。3、制定热加工工艺：在铸造工艺方面，根据相图可以确定合适的熔化温度和浇注温度，含碳量为4.3%的铸铁铸造性最好；在锻造工艺方面，可以选择钢材的轧制和锻造的温度范围应在奥氏体区。4、应用于热处理生产：由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有组织的变化，可以进行热处理。并且可以正确选择加热温度。CAD/CAM教研室机械制造基础铁碳合金相图（全图4）ACD－液相线CAD/CAM教研室机械制造基础铁碳合金相图（全图5）AECF：固相线ECF－共晶线CAD/CAM教研室机械制造基础铁碳合金相图（全图6）GS（A3）：奥氏体中开始析出铁素体CAD/CAM教研室机械制造基础铁碳合金相图（全图7）ES（Acm）：奥氏体中析出二次渗碳体（II）CAD/CAM教研室机械制造基础铁碳合金相图（全图8）PSK（A1）：共析线CAD/CAM教研室机械制造基础铁碳合金相图（全图9）PQ：铁素体中析出三次渗碳体（III）CAD/CAM教研室机械制造基础铁碳合金相图：随手画1148－7274.3－2.11－0.77912－1538－1227

两个Y字当中立0.774.32.119121538727114812271.4.1钢的分类与编号钢碳素钢合金钢1、按含碳量分低碳钢0.0218%<C<0.25%中碳钢0.25%<C<0.6%高碳钢0.6%<C<2.11%2、按质量和用途分碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢易切削结构钢铸钢一、钢的分类1.4工程材料的种类、特点及应用二、 钢的牌号及其应用1、碳素结构钢：牌号：Q+屈服点数值。例如：Q195，Q275等。用途：薄板，铁丝，钉，小轴，螺栓等。2、优质碳素结构钢：牌号：用两位数字表示，该数字表示钢中平均含碳量的万倍。例如：08F，20，45，60等。用途：用作各种较重要的机器零件如：齿轮、主轴等。1.4工程材料的种类、特点及应用3、碳素工具钢牌号：用“T”加数字表示，该数字表示钢中平均含碳量的千倍。如：T8，T9等。

T8：表示碳的平均含碳量为0.8%的碳素工具钢。用途：用来制作各种刀具、量具和模具。4、易切削用钢：主要用在自动机床上加工大批量的零件，如螺钉，螺母等。其牌号如：Y20,表示易切削结构钢，其平均含碳量为0.2%。

5、铸钢：用于浇注成铸件的钢。其强度高于各类铸铁，同时具有良好的塑性和韧性，适于制造形状复杂、强度和韧性要求高的零件，如火车轮、大齿轮等。其牌号如：ZG230-450。1.4工程材料的种类、特点及应用1.4.2合金钢

1、合金元素对钢性能的影响引言（1）提高了钢的力学性能（2）提高了钢的淬透性（3）使钢具有某些特殊性能

钛、钒等合金元素的加入提高了钢的强度和硬度，细化了晶粒，也提高了塑性与韧性。铬、硅、镍、锰、硼等合金元素的加入提高钢的淬透性。

铬、锰等合金元素的加入使钢具有了耐高温、耐热、耐磨、不生锈等特殊性能。1.4工程材料的种类、特点及应用2、合金钢的分类与牌号合金钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢：机器合金结构钢

：工程合金结构钢

：普通低合金结构钢

不锈钢、耐热钢、耐磨钢合金刃具钢：

合金弹簧钢、合金渗碳钢合金调质钢、合金轴承钢合金模具钢

：

合金量具钢：

低合金刃具钢、高合金刃具钢、高速钢冷作模具钢、热作模具钢

没有专用钢种.1.4工程材料的种类、特点及应用3、合金钢的牌号(1)合金结构钢的牌号(2)合金工具钢的牌号两位数字+合金元素符号+数字前两位数字表示平均含碳量的万倍，后面数字表示合金元素的百倍。如60Si2Mn,40Cr等。其牌号表示方法与合金结构钢类似，但其平均Wc>1%时不标出；当Wc<1%前面数字表示含碳量的千倍。如：9SiCr,Cr12,5CrMnMo等。

但高速钢不标含碳量，只写出合金元素符号及其含量。如:W18Cr4V,W6Mo5Cr4V21.4工程材料的种类、特点及应用一、合金结构钢1、普通低合金结构钢

低碳，合金含量小于3%。主加元素为Mn其强化了铁素体，提高了强度；V，Ti等元素使晶粒细化，使韧性提高。在建筑、桥梁、车辆、船舶中应用广泛。以16Mn为最广。船舶桥梁1.4工程材料的种类、特点及应用2、合金渗碳钢

含碳量为0.1%--0.2%,以保障心部具有足够的韧性，合金含量小于3%。主加元素为Cr、Mn、钛、钒，提高了淬透性，使晶粒细化，耐磨性提高。

主要用于表面要求硬而耐磨，心部具有足够强度和韧性的零件，如：汽车变速箱的齿轮等。以20Cr、20CrTiMn为最广。变速齿轮拨叉1.4工程材料的种类、特点及应用3、合金调质钢

含碳量为0.25%--0.5%,主加元素为Cr、Mn、Si、Ni等以提高淬透性和强化铁素体.调质钢具有良好的综合力学性能。

合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆等。

曲轴

连杆

1.4工程材料的种类、特点及应用4、合金弹簧钢它具有高的弹性、疲劳强度及冲动韧度。含碳量为0.5%--0.7%,主加元素为Cr、Mn、Si等以提高淬透性和弹性极限。

合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。

拉力弹簧

离合器弹簧

1.4工程材料的种类、特点及应用5、滚动轴承钢

主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等，属专用结构钢。

碳质量分数一般为0.95%--1.10%，以保证其高硬度、高耐磨性和高强度。铬为基本合金元素，铬含量为0.40%--1.65%。高碳低铬。如：GCr15(滚珠轴承钢)

1.4工程材料的种类、特点及应用二、合金工具钢

合金工具钢是制造刃具、量具和模具的钢种。不仅有更高的硬度和耐磨性,还具有更高的红硬性。1、合金刃具钢

用途：主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、钻头等。

性能：（1）高硬度，60HRC以上；（2）高的耐磨性；（3）高热硬性；（4）足够的塑性和韧性。铣刀英制模板刀1.4工程材料的种类、特点及应用合金工具钢的种类及牌号

(1)低合金刃具钢(2)高速钢

最高工作温度不超过300℃。

①高碳：碳质量分数为0.9%--1.1%，以保证高硬度和高耐磨性。

②Cr、Mn、Si主要是提高钢的淬透性，Si还能提高钢的回火稳定性；

W、V能提高硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持细小的晶粒。

高速钢是高合金刃具钢，具有很高的热硬性，高速切削中刃部温度达600℃时，其硬度无明显下降。

①高碳：碳质量分数在0.70%以上，最高可达1.5%左右，

②加入Cr、W、Mo、V等合金元素：