工程材料及机械制造基础之工程材料基础知识

第一篇工程材料基础知识第一章金属材料的主要性能第二章金属及合金的晶体结构第三章铁碳合金第四章钢的热处理带着问题学习1.我们在设计时选材的主要依据是什么？2.材料的性能是不是设计要考虑的唯一因素？对产品来说，有最好的材料吗？引言引言第一章材料的主要性能

在设计机械零件和选材时，应根据零件的工作条件，损坏形式，找出对材料力学性能的要求，这是材料选择的基本出发点。第一章材料的主要性能第一节材料的力学性能力学性能——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作用在机件上的外力——载荷FFF=F’

（MPa）外力——内力——应力F’F静载荷动载荷σ=F’

/S（1）弹性变形：

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。1.两种基本变形FFF第一节材料的力学性能（2）塑性变形:

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。FFF第一节材料的力学性能拉伸实验kbb—极限载荷点Fee—弹性极限点sS—屈服点K—断裂点拉伸曲线FFL应力—应变曲线缩颈o第一节材料的力学性能

第一节材料的力学性能弹性模量是工程材料重要的性能参数。反映材料抵抗弹性变形能力的指标材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。弹性模量（E）

材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。第一节材料的力学性能

弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。1．刚度：2．强度：当σe<σ<σs时，只产生微量的塑性变形。当σ>σs时，材料将产生明显的塑性变形。条件屈服强度:σ0.2=F0.2/S0

（MPa）（2）屈服强度（σS）指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。σS=Fs/S0

（MPa）屈服强度—

是塑性材料选材和评定的依据。第一节材料的力学性能对于无明显屈服的塑性材料，规定以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限。kbFes0.2%b

σb(Rm)=Fb/S0

（MPa）（3）抗拉强度（σb）抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。

它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。抗拉强度—脆性材料选材的强度计算主要依据。第一节材料的力学性能纯金属脆性材料常用δ(A)

和ψ(Z)

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。断面收缩率:PPL良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。3.塑性第一节材料的力学性能4．硬度是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。(1)布氏硬度（HB）：

F第一节材料的力学性能布氏硬度适用HB<450(2)洛氏硬度（HRC）洛氏硬度一般用于HB>450FFF1200HRC:HB=1：10第一节材料的力学性能5．冲击韧性(Ak)

AK=G（H1–H2）（J）ak=

AK/S（J/m2）σb与HB的关系低碳钢：σb≈3.6HB高碳钢：σb≈3.4HB调质合金钢：σb≈3.25HB材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。

在冲击载荷下工作的零件，往往是受小能量多次重复冲击而破坏的。第一节材料的力学性能6．疲劳强度(σ-1)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。—循环基数钢：据统计，约80%的机件失效为疲劳破坏。有色金属：第一节材料的力学性能

牌号力学性能

应用σb/MPaσs/MPaδ%HBSHRCαk/

J/Cm2Q235-A40023526工程结构45钢6101622955（淬火）轴、杆ZG310-570570310153铸钢件ZAlSi2143450活塞HT250250气缸体QT700-27004202270曲轴7、几种常用金属材料的力学性能第一节材料的力学性能失效：在使用过程中，因零件的外部形状尺寸和内部组织结构发生变化而失去原有的设计功能，使其低效工作或无法工作或提前退役的现象即称为。失效分析：的目的就是要分析零件的失效原因并提出相应的防止和改进措施，其结论对零件的设计、选材、加工与使用都有重大的指导意义。一、失效与失效分析第二节、力学性能与失效形式的关系二、失效形式

对结构材料的失效而言，前三种是最主要的；其中断裂失效（尤其是脆性断裂）因其危险性而易受重视、且研究最多，疲劳断裂最普遍，是断裂失效的主要方式。对于功能材料，物理性能降级是其主要失效形式，但也存在断裂与腐蚀、磨损等问题。第二节、力学性能与失效形式的关系三、失效原因第二节、力学性能与失效形式的关系力学性能bs强度塑性刚度硬度韧性疲劳强度第二节、力学性能与失效形式的关系失效形式断裂塑性变形过量弹变磨损屈服强度的工程意义

按照传统的强度设计方法，必然会导致片面追求材料的高屈服强度，但是随着材料屈服强度的提高，材料的抗脆断强度在降低，材料的脆断危险性增加了。屈服强度不仅有直接的使用意义，在工程上也是材料的某些力学行为和工艺性能的大致度量。例如材料屈服强度增高，对应力腐蚀和氢脆就敏感；材料屈服强度低，冷加工成型性能和焊接性能就好等等。因此，屈服强度是材料性能中不可缺少的重要指标。复习题说明σS

、σ0.2、σb、σ－1

、δ％、αk、45-50HRC、300HBS的名称和含义了解变速箱齿轮，驾驶室外壳（车身），发动机中的活塞的工况，你选材时分别考虑哪些主要力学性能，为什么？你考虑选什么材料合适生产上述零件，写出你选材料的牌号和主要力学性能指标。带着问题学习1.不同材料具有不同性能，它主要与什么有关（内因）？2.性能-组织-成分的内在关系是什么？

为了使生产的金属产品具有期望的性能，控制三件事金属的成分合适的显微组织加工路线显微组织是决定性能的主要内因（本章的工程意义）第二章金属及合金的结晶第一节金属的晶体结构

第二章金属及合金的结晶原子作无序排列；没有固定的熔点；各向同性。所有的金属和合金都是晶体晶格—原子排列形成的空间格子晶胞—组成晶胞最基本的单元晶体：非晶体：原子作有序排列；有固定的熔点；各向异性。晶格与晶胞-Fe、Cr、

-Fe

、Mo、W、VCu、Ni、Ag、AuMg、Be、Zn、-Ti、

-Cr金属的典型晶体结构体心立方晶格：面心立方晶格：密排六方晶格：第一节金属的晶体结构

一.单晶体与多晶体的基本概念

1.单晶体(singlecrystal)的特征:

*晶体由一个晶格排列方位完全一致的晶粒组成。

*晶体具有各向异性。例如:单晶硅、单晶锗等。湖北汽车工业学院材料工程教研室工程材料课程组制作第二节实际金属的体结构与晶体缺陷

2.多晶体(polycrystal)的特征

*晶体是由许多颗晶格排列方位不相同的晶粒组成。

*晶体具有各向同性。例如:常用的金属等。第二节实际金属的体结构与晶体缺陷

晶体结构示意图第二节实际金属的体结构与晶体缺陷a）单晶体b）多晶体

由于热运动以及结晶条件或冷热加工工艺等外部因素的影响，在实际晶体中会出现许多原子排列不规则的区域，称之为晶体缺陷。二、晶体缺陷第二节实际金属的体结构与晶体缺陷

多晶体结构示意图第二节实际金属的体结构与晶体缺陷第二节实际金属的体结构与晶体缺陷1、点缺陷空位(vacancy)间隙原子(gapatom)置换原子(substitutionalatom)间隙原子晶格空位置换原子点缺陷示意图第二节实际金属的体结构与晶体缺陷点缺陷的热运动，造成原子扩散。高温下扩散加快应用：钢的退火、正火，表面化学热处理等。物理性能：电阻增加，体积增大。应用：测空位浓度，研究空位变化规律。力学性能：（晶格畸变）点缺陷的存在是材料高温蠕变的重要原因。固溶强化：强度提高，脆性增大。点缺陷与材料的行为第二节实际金属的体结构与晶体缺陷

位错又可称为差排（英语：dislocation），在材料科学中，指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列（晶体学缺陷）。位错的存在对材料的物理性能，尤其是力学性能，具有极大的影响。2.线缺陷----位错第二节实际金属的体结构与晶体缺陷刃型位错示意图正刃型位错负刃型位错第二节实际金属的体结构与晶体缺陷螺旋型位错示意图第二节实际金属的体结构与晶体缺陷位错对金属的扩散、相变等过程有重要影响；金属的塑性变形，其原因就是位错的运动；金属材料的强度和硬度与位错在材料受到外力的情况下如何运动有很大的关系。比如：加工硬化，第二相强化等。线缺陷与材料的行为第二节实际金属的体结构与晶体缺陷金属的强度与位错密度的关系

第二节实际金属的体结构与晶体缺陷3.面缺陷晶界晶粒与晶粒之间的界面。亚晶界相邻晶粒位向很小(一般1～2°)的小角度晶界。第二节实际金属的体结构与晶体缺陷

晶界与亚晶界结构示意图大角度晶界---晶界小角度晶界---亚晶界当晶体中存在能降低界面能的异类原子时，这些原子将向晶界偏聚－－内吸附晶界上原子具有较高的能量，且存在较多的晶体缺陷，使原子的扩散速度比晶粒内部快得多常温下，晶界对位错运动起阻碍作用，故金属材料的晶粒越细，则单位体积晶界面积越多，其强度，硬度越高（细晶强化）晶界比晶内更易氧化和优先腐蚀面缺陷与材料的行为第二节实际金属的体结构与晶体缺陷一、金属的结晶过程1．金属结晶的过冷现象温度℃时间T0TnΔT第三节金属的结晶过程冷却曲线过冷度2．金属的结晶过程结晶形核长大

金属是由许多大小、形状、晶格排列方向均不相同的晶粒所组成的多晶体。一般金属的晶粒越细小，其力学性能越好。晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也较好。第三节金属的结晶过程

实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。晶粒越细小，位错集群中位错个数（n）越小，根据τ=nτ0，应力集中越小，所以材料的强度越高；晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式，晶粒的平均值(d)越小，材料的屈服强度就越高。第三节金属的结晶过程3．细化晶粒的方法1）变质处理2）增大过冷度3）机械的振动和搅拌4）热处理5）压力加工再结晶

快速冷却，增加晶核数；添加高熔点弥散质点第三节金属的结晶过程二、金属的同素异晶转变同素异晶转变—在固态下，随着温度的变化，金属的晶体结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。L1538℃1394℃912℃Fe、Sn、Ti、MnFe纯铁在晶体状态下有两种原子排列形式.非常重要：

因为γ-Fe与α-Fe的转变和因此引起的溶碳能力的不同，才使钢铁材料在加工和冷却过程中发生组织转变，从而改变性能。此外，γ-Fe与α-Fe具有不同的性能，也是研究特殊性能钢的基础。

由于γ-Fe的间隙位置比α-Fe间隙位置大，所以γ-Fe的溶碳能力比α-Fe大得多

二、金属的同素异晶转变第四节合金的结构合金

—以一种金属为基础，加入其它金属或非金属，所形成的具有金属特性的物质。合金的结构

机械混合物固溶体金属化合物相与组织

在固体材料中，具有同样聚集状态、同一化学成分、同样原子排列特征性质,并以界面相互隔开的均匀组成部分称之为“相”。相可以是单质，也可以是化合物。材料的性能与各组成相的性质、形态、分布和数量直接有关。

第四节合金的结构

不同的相具有不同的原子排列方式，相的种类也很多，但按其原子排列的特点可以归纳分为二类，一类为固溶体，另一类为化合物。常将用肉眼观察到的或借助于放大镜、显微镜观察到的相的形态、分布的图象统称为组织。组织则可以理解是一种结合形态。比如共晶组织，组织可以由多个相组成。一、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。固溶体固溶体的性能特点：具有良好的塑性和韧性，强度、硬度较低。F：σb=250MPaδ=45—50%HB=80置换固溶体间隙固溶体置换固溶体间隙固溶体

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%二、金属化合物三、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。

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。P：σb=750MPaδ=25%HB=180-200F：σb=250MPaδ=45—50%HB=80Fe3C：HB=800；σb=30MPa；δ≈0%带着问题学习1.钢和铁是如何划分的？它们的性能差异的主要内在原因？2.改变化学成分（或成分比例）能否改变材料性能？3.研究钢铁材料的主要理论依据是什么？铁素体—碳（C）溶入α-Fe中所形成的固溶体。727℃0.02%C

第三章铁碳合金一、铁素体（F）力学性能：σb=250MPaδ=45~50%HB=80二、奥氏体（A）奥氏体—

碳（C）溶入γ-Fe中所形成的固溶体。

1147℃2.06%C、727℃0.77%℃力学性能：σb=250~350MPaδ=40~45%HB=160~200第一节铁碳合金的基本组织四、珠光体（P=F+Fe3C）力学性能：σb=750MPaδ=25%HB=180-200珠光体—是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。

727℃0.77%C三、渗碳体（Fe3C）渗碳体—是金属化合物。碳在铁碳合金存在的另一种形式

6.67%C

力学性能：σb=30MPaδ=0HB=800白色F基体中嵌入黑片状Fe3C第一节铁碳合金的基本组织五、莱氏体（Le）力学性能：σb=30MPaδ=0HB=700

莱氏体—是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。

莱氏体（Le）1147℃4.3%C

727℃以上为高温Le（A+Fe3C）；

727℃以下为低温Le’（P+Fe3C）；第一节铁碳合金的基本组织状态图——表示合金系的成分、温度、组织、状态之间关系的图表。第二节铁碳合金状态图一、什么是状态图温度℃时间1538℃1394℃912℃体心面心体心1538℃1394℃912℃（成分）

二、状态图的作用是研究合金的成分、温度、组织、状态之间变化规律的工具。AESPQGKD4.32.060.770.02C%1147℃1538℃727℃PLAF三、铁碳合金状态图温度℃912℃CFe3C6.67FA—纯铁的熔点。D—Fe3C的熔点。

1.状态图上点的意义E—C在γ-Fe中的最大溶解度点。1147℃2.06%C钢和铁的分界点。Le第二节铁碳合金状态图AESPQGKD4.32.060.770.02C%1147℃1538℃727℃PLAF三、铁碳合金状态图温度℃912℃CFe3C6.67FA—纯铁的熔点。D—Fe3C的熔点。

1.状态图上点的意义E—C在γ-Fe中的最大溶解度点。1147℃2.06%C钢和铁的分界点。Le第二节铁碳合金状态图C—共晶点，1147℃4.3%C

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（2.06%C）+Fe3C（6.67%C）1147℃Le

G—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℃0.02%C

第二节铁碳合金状态图

S—共析点。727℃0.77%℃

共析反应—在一定的温度下，由一定成分的固相同时析出不同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（0.002%C）+Fe3C（6.67%C）727℃P第二节铁碳合金状态图2.状态图上线的意义AESPQGKD4.32.060.770.02C%1147℃1538℃Le727℃PLAF温度℃912℃CFe3C6.67FAECF线—固相线

ACD线—液相线AE—A结晶终了线ECF—共晶线

1147℃AC—结晶出ACD—结晶出Fe3CAL+Fe3CL+Fe3CⅡF+AA+A+LeLe+

Fe3C第二节铁碳合金状态图ES线—C在γ-Fe中的溶解度曲线。析出二次Fe3CⅡAcm线

（1）

单相区：L、F、A、Fe3C

（2）

两相区：L+A、L+Fe3C、A+F、F+Fe3C（3）

三相区：L+A+Fe3C、A+F+Fe3C（S、C点）GS线

—A—F转变线A3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。析出二次Fe3CⅢ第二节铁碳合金状态图室温组织：F+P四铁碳合金状态图分析

1亚共析钢的结晶过程1点以上L1～2L＋δ2～3A+L

3～4A4~5A+F5点A→P5点以下P+F亚共析钢的结晶过程第二节铁碳合金状态图

室温组织:P

2共析钢（T8钢）

1点以上L1～2L＋A2～3A

3点A→P3点以下P共析钢的结晶过程第二节铁碳合金状态图室温组织：P+Fe3C（网状）过共析钢的结晶过程AAAAAAFAF

3过共析钢（T10)

1点以上L

1~2

L+A

2~3A

3~4A+Fe3CII4点A→P

4点以下P+Fe3CII第二节铁碳合金状态图4亚共晶铸铁第二节铁碳合金状态图室温组织P+Fe3CII+Le’

1点以上L1~2A+L2点共晶反应2~3A+Fe3CII+Le3点共析反应

3点以下P+Fe3CII+Le’注明：Fe3CII—二次渗碳体Le—高温莱氏体（A+Fe3C)

Le’—低温莱氏体（P+Fe3C)第二节铁碳合金状态图ESQGKD4.32.060.770.02C%1147℃1538℃727℃PLAF温度℃912℃CFe3C6.67APLeFAL+Fe3CⅠL+Fe3CⅡF+A①②③④⑤⑥11111122222333344F+PP+Fe3C3Le’P+Fe3C+Le’2Fe3C+Le’Fe3C+Le231LAAL+P①P+F1LAAL+A+432F②P+Fe3C4A+3A1LL+2AFe3C③1L2LeLe’④⑤1LA+L+LeP+Fe3C+Le’A+Le+32AFe3CFe3C+Le’1L32L+Fe3CFe3C+Le⑥第二节铁碳合金状态图231LAAL+P1LAAL+A+P+F432F41LL+A+P+Fe3C23AAFe3C1L2LeLe’1LA+L+LeP+Fe3C+Le’A+Le+32AFe3C31L2L+Fe3CFe3C+Fe3C+Le’Le1．钢2．生铁共析钢:亚共析钢:过共析钢:

共晶生铁:亚共晶生铁:过共晶生铁:五、铁碳合金的结晶过程及组织转变第二节铁碳合金状态图0.9~1.0HBC%HB

1．选择材料2．确定各种工艺参数六．状态图的作用第二节铁碳合金状态图第三节钢的分类和应用1．按化学成分分类一、钢的分类（1）低合金钢Me<5%（2）中合金钢Me=5-10%（3）高合金钢Me>10%1）碳素钢2）合金钢（1）低碳钢C<0.25%（2）中碳钢C=0.25-0.6%（3）高碳钢C>0.6%2.按质量分类

P、S<0.030%1）普通钢2）优质钢3）高级优质钢：S：使合金产生热裂、热脆缺陷P：使合金产生冷裂、冷脆缺陷P<0.045%S<0.055%P<0.040%S<0.045%第三节钢的分类和应用3．按用途分弹簧钢、轴承钢、耐热钢、耐蚀钢等。1）结构钢2）工具钢

3）特殊性能钢:（1）工程结构钢（2）机械制造用钢（1）碳素工具钢（2）合金工具钢第三节钢的分类和应用4．按显微组织分1）亚共析钢2）共析钢3）过共析钢二、钢的编号及应用

碳素结构钢的钢号用屈服强度（MPa）表示。这类钢主要用于制造一般的机械零件和工程构件。

1．结构钢Q195（0.06-0.12%C）、Q235（0.14-0.22%C）Q195屈σs1）（普通）碳素结构钢(Wc0.06-0.38%)第三节钢的分类和应用焊接性能好，塑性、韧性好，有一定强度2）优质碳素结构钢08、10、15—冲压件、焊接件。15、20、25—渗碳淬火。40、45、50—调质处理。制造齿轮、轴类零件。60、65、70—淬火+中温回火，制造弹簧。

杂质P、S含量较低，主要用于制造各种较重要的机械零件。钢号用两位数字表示含碳量的万分之几。45—表示含碳量是万分之45（0.45%）第三节钢的分类和应用第三节钢的分类和应用3）合金结构钢合金元素在钢中的作用

合金钢是指为了改善钢的性能，在碳钢中特意加入某种合金元素的钢种。

合金元素在钢中可以与铁和碳形成固溶体（合金奥氏体、合金铁素体、合金马氏体）和碳化物（合金渗碳体、特殊化合物）。合金元素提高钢的使用性能1、合金元素使钢强化（固溶强化、第二相强化、细晶强化）2、合金元素使钢获得特殊性能（1）形成稳定的单相组织（2）形成致密氧化膜（3）形成金属间化合物第三节钢的分类和应用

在低碳钢的基础上加入不超过5%合金元素，以Mn为主要合金因素。广泛用于建筑、石油、化工、铁道、桥梁、造船等工业部门。

牌号有Q295、Q345、Q4603）合金结构钢其钢号的表示方法为：两位数字+元素符号+数字。如：40Cr2Mo4V、60Si2Mn①低合金高强度结构钢第三节钢的分类和应用用于制造各种机械零件的合金结构钢。又可分为：合金渗碳钢：20Cr、20CrMnTi主要生产：齿轮、内燃机凸轮轴受力情况：受摩擦力、交变接触应力、冲击性能要求：高的硬度和耐磨性、高的接触疲劳强度，心部要求有良好的韧性热处理：渗碳热处理②机械结构用合金钢第三节钢的分类和应用合金调质钢：40Cr、40MnB主要生产：机床主轴、汽车后桥半轴、曲轴等受力情况：弯曲、扭转或交变载荷与冲击载荷的复合作用性能要求：高的强度、又要有较高的塑性和韧性热处理：淬火+高温回火第三节钢的分类和应用第三节钢的分类和应用合金弹簧钢主要生产：弹簧和其他弹性零件等受力情况：传递力和缓和机械的振动与冲击性能要求：高的弹性极限和屈服强度，较高的疲劳强度和足够的塑性和韧性热处理：淬火+中温回火第三节钢的分类和应用③滚动轴承钢

滚动轴承的内、外套圈和滚珠、滚柱的专用钢种。如GCr15等，含碳在0.95%-1.1%，1.4-1.65%Cr。受力情况：交变接触压应力及很大的摩擦力，还会受到大气、润滑油的侵蚀

性能要求：高的接触疲劳强度、高的弹性极限和高而均匀的硬度和适当的韧性热处理：球化退火+淬火+低温回火2．工具钢工具钢是用于制造刃具、模具、量具的钢种。工具的工作条件（一）刃具工作时强烈的摩擦，造成强烈的磨损，切削时刃部温度很高，刃口局部会受到很大的切削力，导致时刃崩缺；断续切削还会给刃具带来极大的冲击与振动，使刃具发生折断第三节钢的分类和应用第三节钢的分类和应用（二）模具

由于金属坯料的剧烈变形，模具的型腔及刃口部分会受到强烈的摩擦和挤压，从而导致型腔壁的磨损、刃口钝化；模具工作时，还会受到冲击与热得作用，尤其是热作模具，在巨大的冲击载荷与周期性高温—急冷（因模具表面喷洒润滑剂）复合作用下，型腔表面会出现塌陷、沟槽、热疲劳裂纹，甚至断裂。第三节钢的分类和应用（三）刃具控制加工精度的测量工具。如卡尺、量规等。在工作中，量具必须以极低的粗糙度与被测工件相接触以保障被测尺寸的精确。由于量具与被测工件长期反复接触，会导致工作面磨损、碰撞，甚至变形，使其失去原有的尺寸精度而不能继续使用。第三节钢的分类和应用各类工具虽然工作条件不一样，但大多数在工作中既要承受很大的局部压力和磨损，又要承受冲击、振动与热作用。所以工具钢既要有高的硬度和耐磨性，又要有足够的韧性。工具钢的含碳量在0.95—2.3%之间。常加入的元素有Si、Mn、Cr、Mo、W、V等第三节钢的分类和应用1）碳素工具

含碳量为0.65-1.35%，可制造低速切削的刀具和普通模具、量具。如T8、T12A等。2）合金工具钢其牌号表示方法是：一位数字（或无数字,含碳量>1%）+元素符号+数字。如：9SiCr、W18Cr4V等。合金工具钢又可分为合金刃具钢、合金模具钢、和合金量具钢。①合金刃具钢制造各种刀具的钢材。含碳量为0.75-1.50%，9SiCr、W18Cr4V等。③合金量具钢

生产中常用的量具，钢板尺、游标卡尺等。CrWMn、GCr15②合金模具钢用于制造各种模具的钢材。如：Cr12MoV、5CrNiMo等。第三节钢的分类和应用第三节钢的分类和应用3．特殊性能钢1）不锈、耐蚀钢性能要求：

主要是耐蚀性，高的强度，良好的加工性能（冷成形、焊接、热处理）加入合金元素的目的：提高基体的电极电位；Cr使钢在室温呈单相组织；Cr、Ni在钢的表面形成致密的氧化膜；Cr、Si、Al形成稳定的碳化物和金属间化合物Ni、Nb、Ti第三节钢的分类和应用2）耐热钢性能要求：高的热稳定性（高温抗氧化能力）；高的热强性（高的蠕变抗力和持久强度）。加入合金元素的目的：固溶强化和形成单相组织并提高再结晶温度Cr、Ni、W、Mo形成弥散分布且稳定的碳化物V、Ti、Nb形成致密的氧化膜；Cr、Si、Al具有特殊磁、电、弹性、膨胀等物理性能的钢。①不锈、耐蚀钢具有较强抵抗腐蚀能力的钢。碳量低，加合金元素Cr、Ni。如1Cr18Ni9、0Ci19Ni9等。②耐热钢良好的抗氧化性和热强性钢，如1Cr13、CR17等。2）特殊物理性能钢第三节钢的分类和应用说明晶粒粗细对力学性能的影响。何谓铁的同素异晶转变，并用反应式和冷却结晶曲线分别描述。说明F、A、Fe3C、P的名称、含碳量、晶体类型及力学性能特征。依Fe-C状态图分析缓慢冷却条件下45钢和T10钢的结晶过程与室温组织。并划出各自的冷却曲线。复习题第四章带着问题学习1.不改变化学成分能否改变材料性能，主要途径有哪些？2.改变材料性能的外部主要途径？

应用机床制造中，热处理零件占60%~70%，

汽车制造中，热处理零件占70%~80%。

方法：

通过对钢件重新加热、保温并以不同条件下的冷却方式获得所需组织和性能。

意义：在固态下改善钢件内部组织和提高其力学性能，但不允许改变形状。1、概述第四章钢的热处理热处理普通热处理表面热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理渗碳渗氮碳氮共渗加热保温冷却临界温度热处理工艺曲线T℃其它热处理形变真空激光第四章钢的热处理第四章钢的热处理2、钢在加热时的转变1）奥氏体的形成加热是热处理的第一道工序。当钢加热到A1（727℃）以上P→F转变将共析钢、亚共析钢、过共析钢分别加热到A1、A3、Acm以上时，P都将转变为单相A加热的目的：获得奥氏体组织P向A转变：通过同素异构转变α→γ和渗碳体的溶解来实现的。第四章钢的热处理奥氏体的形成FFe3C未溶Fe3CA残余Fe3CAAAA

形核A

长大残余Fe3C溶解A均匀化第四章钢的热处理2）奥氏体晶粒大小奥氏体晶粒度:

1.起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏体的晶粒大小。

2.实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。

3.本质晶粒度:度量钢本身晶粒在930℃以下,随温度升高,晶粒长大倾向的程度。它并不表示奥氏体实际晶粒的大小。在设计时，凡是需经热处理或焊接的零件尽量选用本质细晶粒钢。。

钢的本质晶粒度示意图第四章钢的热处理奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响1.奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。第四章钢的热处理3.过冷奥氏体的等温冷却转变1)

建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线----TTT曲线(C曲线)T---timeT---temperatureT---transformation第四章钢的热处理共析碳钢TTT曲线建立过程示意图时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1第四章钢的热处理2)共析碳钢TTT曲线的分析稳定的奥氏体区过冷奥氏体区A向产物转变开始线A向产物转变终止线

A+产物区产物区A1～550℃;高温转变区;扩散型转变;P转变区。550～230℃;中温转变区;半扩散型转变;

贝氏体(B)转变区;230～-50℃;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf3)转变产物的组织与性能珠光体型(P)转变(A1～550℃):A1～650℃:

P;5～25HRC;

片间距为0.6～0.7μm(500×)。650～600℃:

细片状P---索氏体(S);

片间距为0.2～0.4μm(1000×);25～36HRC。600～550℃:极细片状P---托氏体(T);

片间距为＜0.2μm(电镜);35～40HRC。第四章钢的热处理贝氏体型(B)转变(550～230℃):550～350℃:B上;40～45HRC;B上=过饱和碳

α-Fe条状+Fe3C细条状过饱和碳α-Fe条状Fe3C细条状羽毛状第四章钢的热处理

上贝氏体组织金相图第四章钢的热处理贝氏体型(B)转变(550～230℃):350～230℃:B下;50～60HRC;B下=过饱和碳

α-Fe针叶状+Fe3C细片状过饱和碳

α-Fe针叶状Fe3C细片状针叶状第四章钢的热处理

下贝氏体组织金相图第四章钢的热处理

上贝氏体塑性和韧性较好较差，在生产中很少应用。下贝氏体具有高的硬度，同时塑性和韧性较好，生产中有时对中碳合金钢和高碳合金钢采用“等温淬火”的方法，就是为了获得下贝氏体组织。第四章钢的热处理马氏体型(M)转变(230～-50℃):1)定义:马氏体是一种碳在α–Fe中的

过饱和固溶体。2)转变特点:在一个温度范围内连续冷却完成;转变速度极快,即瞬间形核与长大;无扩散转变(Fe、C原子均不扩散

),M与原A的成分相同,造成晶格畸变。转变不完全性,QM=f(T)第四章钢的热处理3）马氏体的组织形态:板条状

---低碳马氏体(＜0.2%C);30～50HRC;δ=9～17%。第四章钢的热处理

低碳板条状马氏体组织金相图第四章钢的热处理针、片状

---高碳马氏体(＞1%C);66HRC左右;δ≈1%。第四章钢的热处理

高碳针片状马氏体组织金相图第四章钢的热处理4.过冷奥氏体的连续冷却转变1)建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线----CCT曲线

C---continuousC---coolingT---

transformation第四章钢的热处理Vk共析碳钢CCT曲线建立过程示意图时间(lgτ)温度℃A1PfPsA+PKMsMf水冷油冷Vk1炉冷空冷共析碳钢TTT曲线与CCT曲线的比较稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMfCCT曲线TTT曲线稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf在连续冷却过程中TTT曲线的应用V1V2VkV3V4V1=5.5℃/s:炉冷;PV2=20℃/s:空冷;SV3=33℃/s:油冷;T+M+A残V4≥138℃/s:水冷;M+A残5、热处理工艺方法退火：

将钢件加热、保温至奥氏体化后随炉冷却(缓慢)，使其重新结晶的热处理工艺。退火目的：

降低硬度，利于切削加工；细化晶粒，提高塑性和韧性；消除热应力。应用：主要应用于铸件、锻件、焊件等多种毛坯加工前的预备热处理。第四章钢的热处理退火分类：完全退火、球化退火和低温退火

完全退火

应用：亚共析钢的铸、锻、焊件。

加热保温：Ac3+30~50℃，奥氏体化；冷却：炉冷至500℃后开炉空冷。室温组织：F+P目的：改善组织，细化晶粒，降低硬度，改善切削加工性

第四章钢的热处理球化退火应用：过共析钢(刀具、刃具)或合金钢目的：降低硬度，利于切削加工，并为进一步淬火做准备。组织变化特征：Fe3C球化加热、保温：Ac1+20~30℃；冷却：随炉缓慢冷却；第四章钢的热处理低温退火(去应力退火)

加热，保温：

500~650℃以下(<Ac1)目的：消除热应力、加工硬化。第四