第一篇机械工程材料

第一篇机械工程材料

绪论

金属材料与热处理基础

钢铁材料

非金属材料与粉末金属

学习小结机械基础多媒体课件之一<机械基础>精品课程可登陆以下网址：/jingpin/jijie/jingpin/jijie绪论

学习提要一、本课程的研究对象：机械1、概念：机器、机构、构件、零件内燃机鄂式破碎机机器具有三个特征：1）它们都是人为的各个实物的组合；2）各个实物之间具有确定的相对运动；3）它们都能代替或减轻人类的劳动，去完成机械功或转换机械能。机构具有机器的前两个特征，但不具有第三个特征。

构件是指机构的运动单元。零件是机构的制造单元。→

通用零件、专用零件机械是机器和机构的总称。轴系结构（动画）滚动轴承的组成（动画）

轴的结构通用零件平键轴承专用零件曲轴2、机器的组成动画原动部分传动部分执行部分原动部分传动部分执行部分二、本课程的主要内容第一篇工程力学实例受力分析、力系的简化和构件的平衡条件构件的强度、刚度计算第二篇机械工程材料金属材料与热处理基础常用金属材料的牌号、性能及用途第三篇常用机构和机械传动实例一、实例二、实例三、实例四、实例五常用机构和机械传动的工作原理、特点应用及设计的基本知识第四篇联接与轴系零部件实例一、实例二、实例三、实例四各种联接零部件的结构、特点、标准及其选用和设计的基本方法三、本课程的性质和任务本课程性质：

本课程是职业技术学校工科有关专业的一门重要技术基础课本课程任务：初步掌握分析解决工程实际中简单力学问题的方法；初步掌握对杆件进行强度和刚度计算的方法，并具有一定的实验能力；掌握常用机械工程材料的性能、用途及选用原则，初步掌握机械零件毛坯的基本知识；掌握常用机构和通用零件的基本知识，初步具有分析、选用和设计机械零件及简单机械传动装置的能力。学习提要了解本课程的研究对象、本课程的主要内容、性质及任务掌握机械、机构、机器、构件、零件、通用零件、专用零件的概念第三章金属材料与热处理基础§3.1

金属材料的性能§3.2

金属学基础§3.3

钢的热处理课堂练习

§3.1金属材料的性能

一、金属材料的力学性能

1、强度和塑性

2、硬度

3、冲击韧度二、金属材料的物理和化学性能

§3.2金属学基础一、金属与合金的晶体结构

1、晶体与非晶体

2、晶体结构的基本知识

3、常见金属的晶格类型

4、合金的晶体结构二、纯金属的结晶与同素异构转变

1、纯金属的结晶过程

2、纯铁的同素异构转变三、铁碳合金

1、铁碳合金的基本组织和性能

2、铁碳合金相图的分析

3、铁碳合金相图的成分、组织和性能间的关系

4、铁碳合金相图的应用

§3.3钢的热处理一、钢在加热时的转变

1、奥氏体的形成

2

、奥氏体晶粒大小的控制二、钢在冷却时的转变

1、等温转变

2、等温转变图在连续冷却中应用三、钢的热处理工艺方法

1、钢的的退火与正火

2、钢的淬火

3、钢的回火

4、常用淬火缺陷四、钢的表面热处理

1、钢的表面淬火

2、钢的化学热处理五、热处理新技术简介§3.1金属材料的性能

学习提要材料的用途金属材料的信念包括：使用性能、工艺性能一、金属材料的力学性能概念

1、强度和塑性实验试件

强度（1）概念（2）衡量指标：、

塑性（1）概念（2）衡量指标、金属材料拉伸曲线金属材料拉伸实验图实验动画实验标准试件图样抗拉强度计算公式屈服点计算公式实验标准试件图样

2、硬度概念常用的硬度：布氏硬度、洛氏硬度等布氏硬度

符号表示：压头为淬火钢球时—HBS；适用HB<450；压头为硬质合金时—HBW；适用HB=450~650；布氏硬度表示：硬度数值均写在布氏硬度符号之前。例如：230HBS、500HBW布氏实验录象

布氏硬度计洛氏硬度

压头为锥顶角120°的金刚石圆锥或直径为1.58mm的淬火钢球

布氏硬度符号表示：HR

常用的洛氏硬度标尺有：A、B、C三种，用符号HRA、HRB、HRC表示实验条件见P115表3-1

例如：20HRA、80HRB

、80HRC

洛氏实验原理

洛氏硬度计

3、冲击韧度概念冲击实验衡量指标：-冲击吸收功

-冲击韧度

脆性材料-冲击韧性低的材料特点：断口较平整、有金属光泽、无明显塑性变形。

韧性材料-冲击韧性低的材料特点：有明显的塑性变形，断口呈流线状、无光泽。冲击试样

冲击实验录象冲击试样二、金属材料的物理和化学性能物理性能：

主要有密度、熔点、热膨胀系数、热导电率等。化学性能：

是金属材料在常温或高温时抵抗各种化学作用的能力。如耐酸性、耐碱性和抗氧化性。§3.2金属学基础一、金属与合金的晶体结构1、晶体与非晶体

晶体：具有固定的熔点和各向异性的特征；

常见的金属一般都是晶体。

非晶体：没有固定的熔点，且各向同性。

如：松香、沥青、玻璃等。2、晶体结构的基本知识（1）晶格：抽象的、用于描述原子在晶体中排列方式的几何格架称为晶格。（2）晶胞：通常从晶格中取出一个能够反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。（3）晶格常数：a、b、c(棱边长度)、α、β、γ(棱边夹角)

晶胞棱边的长度称为晶格常数3、常见金属的晶格类型

（1）体心立方晶格：属于这类晶格的金属有铁（α-Fe）、铬、钨、钼、钒等。

特点：这类金属塑性较好。（2）面心立方晶格：属于这类晶格的金属有铁（γ-Fe）、铝、铜、镍等。特点：这类金属塑性优于具有体心立方晶格的金属。（3）密排六方晶格：属于这类晶格的金属有镁、锌、铍等。特点：这类金属通常较脆。bacxyzαβγ晶胞xyz晶格简单立方晶体示意图体心立方晶格金属有铁（α-Fe）、铬、钨、钼、钒等面心立方晶格金属有铁（γ-Fe）、铝、铜、镍等密排六方晶格金属有镁、锌、铍等

4、合金的晶体结构

（1）合金的基本概念

1）合金：是指两种或更多种化学元素（其中至少一种是金属元素）所组成具有金属特性的物质。

如：黄铜是铜与锌组成的合金；钢是铁与碳组成的合金。2）组元：组成合金的最基本的独立物质成为合金的组元。

组元可以是元素，也可以是稳定的化合物。引入：二元合金、三元合金、多元合金的概念3）相：合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫做相。4）组织：用金相分析的方法，在金属及合金内部看到的有关晶体或晶粒大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况称为组织。（2）合金的相固溶体、金属化合物1）固溶体：溶质原子溶入溶剂晶格中，而仍保持溶剂晶格类型的合金相，称为固溶体。

根据溶质元素在溶剂中所占位置的不同,固溶体可分为

置换固溶体、间隙固溶体溶质溶剂溶质溶剂固溶体图置换固溶体：就是溶质原子替换了溶剂晶格某结点上原子而形成的。间隙固溶体：就是溶质原子溶入溶剂晶格的间隙中而形成的。固溶体的特点:溶剂晶格类型不变。固溶强化：晶格畸变使合金变形阻力增大，从而提高了合金的强度和硬度，这种现象称为固溶强化溶质溶质剂质2）金属化合物金属化合物是合金组元之间相互发生作用而形成的具有金属特性的一种新相。一般可以用分子式来表示；

特点：一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬度高，脆性大。

固溶体与金属化合物的区别：

固溶体溶剂晶格类型不变，金属化合物产生一种新相。

3）机械混合物机械混合物是合金中的一类多相混合物组织；不同的相均可互相组合形成机械混合物；工业上大多数合金均由机械混合物组成。

二、纯金属的结晶与同素异构转变T1T0液态固态abΔTTt0纯金属冷却曲线图中

T0–理论结晶温度

T1–实际结晶温度

结晶：是指金属由液态转变为固态的过程。

纯金属结晶过程示意图1、纯金属的结晶过程

纯金属的结晶是在一定的温度下进行的。

过冷现象：

T1<T0

过冷度：ΔT=

T0

–T1

原子由不规则非晶体状态原子作规则排列的晶体状态的过程T1T0液态固态abΔTTt0纯金属冷却曲线图中T0–理论结晶温度

T1–实际结晶温度纯金属的结晶过程是在冷却曲线上的水平线段所经历的时间内完成的。纯金属结晶过程示意图2、纯铁的同素异构转变概念：在固态下，随温度变化，其晶格类型会发生变化，这种现象称为同素异构现象。

常见的金属有：铁、钴、锡、钛等。纯铁的同素异构转变过程同素异构转变也是一种结晶过程。为区别液态金属的结晶，一般称为重结晶。铁的同素异构转变是钢铁进行热处理的依据。纯铁的的冷却曲线

δ-Feγ-Feα-Fe1394℃912℃(体心立方晶格)(面心立方晶格)(体心立方晶格)1538℃纯铁(液体)冷却结晶时间温度/°C1400120010008006004002001538液体1394δ-Fe912770γ-Fea=0.293mmα-Fea=0.286mma=0.293mm铁磁性无铁磁性纯铁的的冷却曲线三、铁碳合金1、铁碳合金的基本组织和性能

（1）铁素体：碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体，用符号F表示。铁素体保持α-Fe的体心立方晶格。

铁素体的性能：

F的溶碳能力很低，在727℃时可达到最大的溶碳量为0.0218%。其性能与纯铁类似，强度、硬度不高，塑性、韧性很好。

（2）奥氏体：碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体，用符号A表示。奥氏体保持γ-Fe的面心立方晶格。奥氏体的性能：

A的溶碳能力较大，在727℃时溶碳量为0.77%；在1148℃时最大碳溶量可达2.11%；奥氏体的硬度较低而塑性较高。（3）渗碳体：铁与碳形成的金属化合物，用符号Fe3C

表示。渗碳体中碳的含量为6.69%，是一种复杂的晶格结构化合物。渗碳体的性能：

硬度很高，脆性很大，几乎没有塑性，不能单独使用。通常以片状、粒状、网状等不同的形态分布于铁碳合金中。（4）珠光体：由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示。

珠光体中的平均含碳量为0.77%；珠光体的性能：力学性能介于铁素体和渗碳体之间，其显微组织为铁素体与渗碳体层片相间。P=F+Fe3C（5）莱氏体：由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，用符号Ld表示。

莱氏体中的平均含碳量为4.3%，存在于1148~727℃温度范围的莱氏体，称为高温莱氏体。

温度低于727℃时，莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称为低温莱氏体，用Ld′表示。莱氏体的性能：莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性、韧性很差。Ld

=A+Fe3CLd'

=P+Fe3C奥氏体组织结构

奥氏体晶粒显示出边界比较平直的多边形特征。铁素体组织结构

铁素体晶粒显示出边界比较平缓的多边形特征。

珠光体立体形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物。其显微组织金棚形态酷似珍珠母甲壳外表面的光泽.

莱氏体组织可以看成是在渗碳体的基体上分布着颗粒状的奥氏体(或珠光体)珠光体组织结构莱氏体组织结构

2、铁碳合金相图的分析铁碳合金相图是表示铁碳合金的成分、温度与组织之间的关系的图形，根据相图可以了解铁碳合金的内部组织随含碳量和温度变化的规律，是金属材料进行热处理的基础。（1）特性点及意义（表3-2）

（补充概念）共晶转变：是指合金在一定的条件下，能从均匀的液相中同时结晶出两种不同固相的转变。特性点温度/℃Wc(%)含义AC1538114804.3纯铁的熔点共晶点，Lc

Ae+Fe3CLα+β特性点及意义（表3-2）特性点温度/℃Wc(%)含义DE122711486.692.11渗碳体的熔点共析点，AsFp+Fe3C碳在γ-Fe中的最大溶度FPGSK11489127277277276.696.6900.02180.77渗碳体的成分

α-Fe

γ-Fe的同素异构转变点碳在α-Fe中的最大溶解度渗碳体的成分（补充概念）共析转变：是指合金在一定的条件下，由一个固相同时转变成两个不同的固相出两种不同固相的转变。γ

α+β简化的铁碳合金相图纯铁的熔点共晶点渗碳体的熔点渗碳体的成分碳在γ-Fe中的最大溶度碳在α-Fe中的最大溶解度同素异构转变点共析点（2）特性线及意义（表3-3）

Fe-Fe3C相图的特性曲线:是不同成分合金具有相同意义相变点的连接线。特性线名称含义ACD线AECF线ECF线PSK线GS线ES线液相线固相线共晶线共析线

A1线A3线Acm线液态合金冷却至此线，将分别结晶出A+

Fe3CⅠ

液态合金冷却至此线，将全部结晶出为固体凡是Wc>2.11%的铁碳合金，缓冷至此线，均发生共晶转变，生成LdWc<

0.77%的铁碳合金，缓冷时，由A析出F的开始线；也是缓慢加热时，F转变为A的终了线。凡是Wc>0.0218%的铁碳合金，缓冷至此线，均发生共析转变，生成P碳在A中的溶解度曲线。当Wc>

0.77%的铁碳合金，由高温缓冷时，从A中析出Fe3C的开始线，此时生成Fe3CⅡ

。它还是缓慢加热时，二次渗碳体溶入A的终了温度线。简化的铁碳合金相图液相线（ACD线）固相线（AECF线）共晶线（ECF线）共析线A1线（PSK线）

Acm线（ES线）A3线（GS线）共析钢结晶动画铁碳合金相图的特点（五个）1、两个单相之间是双相；2、单相区的成份即相的成份；3、水平线为三相区；4、共晶点C的熔点低，流动性好，适合铸造；5、单相区A的塑性好，适合锻造。（3）铁碳合金相图各相区的组织

1）工业纯铁：Wc<0.0218%，其显微组织为单相。

2）钢：

Wc=0.0218%~2.11%，碳的含量不同，可分为：

亚共析钢：

Wc<0.77%，组织是

共析钢：

Wc=0.77%，组织是

过共析钢：

Wc>0.77%，组织是

3)白口铸铁:

Wc=2.11%~6.69%，碳的含量不同，可分为：

亚共晶白口铸铁：

2.11%<

Wc<4.3%，室温组织是

共晶白口铸铁：

Wc=4.3%，组织是

过共晶白口铸铁：

4.3%<

Wc<6.69%，

组织是F+PPP+Fe3CⅡ

P+Fe3CⅡ+Ld′

Ld′

Fe3CⅠ+Ld′F工业纯铁亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁亚共析钢共析钢过共析钢铁碳合金动画共析钢结晶动画

3、铁碳合金的成分、组织和性能间的关系(1)碳的质量分数与平衡组织间的关系

室温时,含碳量的增加,F的相对含量减少,Fe3C的相对量增多，Fe3C的形状和分布也有所不同。

室温时，随含碳量增加，铁碳合金组织变化如下：(2)含碳的量与力学性能的关系:

当WC<0.9%时,随含碳量的增加,钢的强度和硬度增加,塑性和韧性降低。

当WC>0.9%时，网状渗碳体不仅使钢的塑性、韧性进一步降低，而且强度也明显下降。

故工业上使用的钢WC<1.3%~1.4%。含碳的量对钢力学性能影响曲线任何成分的铁碳合金室温时均由F和Fe3C两相组成F+PPP+Fe3CⅡLd'P+Fe3CⅡ+Ld'Fe3CⅠ+Ld'

4、铁碳合金相图的应用(1)在选材方面的应用WC0.≤25%-低碳钢；WC=0.25%~0.6%-中碳钢；WC>0.6%-高碳钢(2)在热处理方面的应用：铁碳合金相图是制定热处理工艺的重要依据。(3)在铸造方面的应用：由铁碳合金相图可知，共晶成分附近的合金，结晶范围小，故流动性好，分散缩孔少，偏析小，是铸造性能良好的合金。(4)在锻造方面的应用：钢在室温时是，塑性差，变形困难。加热到单相奥氏体状态，可获得良好的塑性，易于锻压成形。

(5)在焊接方面的应用：由铁碳合金相图可知，温度不同冷却后组织、性能就不同，需要通过焊接后热处理来调整和改善。F和Fe3C两相组成工业纯铁亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁亚共析钢共析钢过共析钢铁碳合金动画共析钢结晶动画§3.3钢的热处理热处理的实质和作用（录象）

钢的热处理概念：就是采用适当的方式对钢进行加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构与性能的工艺。

根据热处理的目的、要求和工艺方法不同，常用的热处理方法可分为：热处理普通热处理正火退火回火淬火表面淬火感应加热表面淬火火焰加热表面淬火化学热处理表面热处理热处理工艺曲线热处理工艺曲线加热Tt0保温冷却一、钢在加热时的转变

由铁碳合金相图可知，碳钢被缓慢加热至A1、A3

、Acm温度以上时均发生组织转变。

奥氏体化：当钢加热至Ac1、Ac3

、Acm

温度以上，以获得完全或部分奥氏体组织的过程。

1、奥氏体的形成当钢加热到Ac1时，就会发生珠光体向奥氏体的转变。以共析钢为例，奥氏体过程可通过下列三个阶段来完成。加热、冷却时的相变点共析钢奥氏体化过程共析钢奥氏体化过程动画加热、冷却时的相变点实际加热时各相变温度用Ac1、Ac3

、Acm

实际冷却时各相变温度用Ar1、Ar3

、Arcm

共析钢奥氏体化过程（加热到Ac1

）共析钢奥氏体化过程动画a)界面形核b)A核长大c)未溶Fe3C溶解d)A均匀化以共析钢为例，奥氏体化过程可通过下列三个阶段来完成

1)奥氏体晶核的形成和长大；（图a、b）2)残余渗碳体的溶解；3)奥氏体成分的均匀化保温一段时间

2、奥氏体晶粒大小的控制

珠光体刚转变为奥氏体时，其晶粒比较细。如果继续加热或保温，奥氏体晶粒将会自发长大。奥氏体晶粒越细，冷却后的组织也越细，不仅强度、硬度高，而且塑性、韧性较好。所以，热处理时，控制奥氏体晶粒的大小，是保证热处理质量的重要因素之一。不同冷却转变方式曲线二、钢在冷却时的转变钢经过A化后，当采用不同的冷却速度冷却时，将会转变为不同的组织，具备不同的性能。所以冷却过程是热处理的最关键环节。

热处理生产中，常用的冷却方式有：

等温冷却、连续冷却等温冷却：是把加热到奥氏体状态的钢快速冷却到Ar1以下的某个温度，并等温停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温。连续冷却：是把加热到奥氏体状态的钢，以不同的冷却速度（如炉冷、空冷、油冷、水冷等）连续冷却到室温。Tt0A112不同冷却转变方式1--等温冷却2--连续冷却1、等温冷却

过冷奥氏体:在共析温度A1以下,未发生转变而存在的奥氏体称为过冷奥氏体。

等温转变图：是过冷奥氏体在不同温度下等温时，温度、时间与转变产物的关系图。

共析钢奥氏体等温转变图，曲线呈“C”，通常称为C曲线。

此等温曲线，由以下几个线、区组成：

A1线——表示A和P的平衡温度；

左边一条曲线——为转变开始线；右边一条曲线——为终止开始线；

MS线——表示A开始向马氏体转变的温度线。

C曲线上拐弯处俗称为“鼻尖”

随着过冷奥氏体等温转变温度不同，其转变的组织也不同，分为：

（1）高温珠光体型转变（A1~550°）

形成组织均为片状珠光体组织，其片层间距随过冷度增大而减小，按片层间距大小可分为：

珠光体（P）、索氏体（S）、托氏体（T）三者的区别：组织相同，随过冷度增大，强度、硬度增高。但对塑性没有影响。

（2）中温贝氏体型转变（550°

~MS）

形成组织均为过饱和α-Fe+渗碳体

与上贝氏体下贝氏体不仅硬度、强度高,韧性塑性也好,具有良好的综合力学性能。（3）低温马氏体型转变（MS

~Mf

）

马氏体是碳在α-Fe中的过饱合固溶体，

分为板条状、片状两种：

当WC<0.2%时，一般呈板条状；——较高的强度和硬度，而且具有较好的塑性和韧性。当WC>1.0%时，一般片状条状——强度和硬度高，但塑性和韧性很差。共析钢奥氏体等温转变图A和P的平衡温度线转变开始线转变终止线MS线A向M转变温度线350℃A1~550℃550℃~MS

2、等温转变图在连续冷却中的应用马氏体临界冷却速度水冷组织为马氏体油冷组织为托氏体和马氏体炉冷组织为珠光体空冷组织为索氏体三、钢的热处理工艺方法钢常用的热处理工艺分为：预先热处理和最终热处理。

预先热处理：用来消除坯料、半成品的某些缺陷，为后续的冷加工和最终热处理做组织准备。正火和退火是常见的预先热处理，淬火和回火常作为最终热处理。

1、钢的退火与正火（1）退火（录象）

概念：将钢加热到适当的温度，保持一段时间后缓慢冷却的热处理工艺。

目的：调整钢的力学性能和工艺性能，均匀钢的化学成分，消除和减少内应力，为后续工艺作准备。

（2）正火（录象）

概念：是将钢加热到Ac3(亚共析钢)或Acm(过共析钢)以上30~5O℃，保温一段时间后在空气中冷却的热处理工艺。

目的：正火实质上是退火的一种特殊形式，具有与退火相似的目的。所不同的是正火的冷却速度比退火快，得到的组织较细小，强度和硬度稍有提高。

2、钢的淬火（录象一、录象二）

概念：是将钢加热到Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上30~5O℃，经保温后放入水或油等冷却液中快速冷却的热处理工艺称为淬火。目的：主要是使钢件得到马氏体（或贝氏体）组织，然后与适当的回火配合，以获得机械零件所需的使用性能。退火和正火热处理工艺规范

3、钢的回火（录象一）

概念：是指钢件淬硬后，再加热到Ac1点以下某一温度，保温一定时间，然后空冷到室温的热处理工艺。

目的：消除淬火钢内应力，降低脆性，提高其塑性和韧性，稳定钢件的组织和尺寸。

1)低温回火:是指淬火后钢件到150~250℃。组织为回火马氏体

2)中温回火：是指淬火后钢件到350~500℃。组织为回火托氏体

3)高温回火：是指淬火后钢件到500~650℃。组织为回火索氏体

称为调质——获得强度、硬度和塑性、韧性都较好的综合力学性能。

淬火+高温回火

4、常见淬火缺陷(1)淬火工件的过热与过烧;(2)变形与开裂;(3)氧化与脱碳;(4)硬度不足与软点。四、钢的表面热处理钢的表面热处理可分为：表面淬火和化学热处理