工程材料基础

工程材料基础第一页，共一百二十一页，2022年，8月28日

材料是人类用来制作各种产品的物质。机械工程中使用的材料常按化学组成分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料三大类。第二页，共一百二十一页，2022年，8月28日第一节工程材料的性能材料性能的决定因素：化学成分、内部组织和状态。其中“化学成分”是改变性能的基础，“处理”是改变性能的手段，“组织”是性能变化的根据。在工程材料领域，力学性能是工程材料的重要性能。力学性能（或机械性能，MechanicalPerformance）是指材料受到外加载荷作用时，所反映出来的固有性能。第三页，共一百二十一页，2022年，8月28日一、强度

强度(Strength)是指材料抵抗由外力载荷所引起的应变或断裂的能力，外力载荷方式不同，描述强度的指标也不同。（一）抗拉强度塑性较好的金属或高分子材料常用抗拉强度衡量其抵抗破坏的能力，它是通过标准试样在拉伸试验机上通过拉伸试验测出来的。图1-1为低碳钢拉伸试样的形状和尺寸示意图。

第四页，共一百二十一页，2022年，8月28日1、金属材料抗拉强度

图1-2a为低碳钢的拉伸曲线。

图1-2b为不同金属材料的应力－应变拉伸曲线图。抗拉强度是表示材料在拉伸过程中单位面积所能承受的最大拉伸力，用σb（单位MPa）表示，计算方法为：σb=Pb/A0式中：Pb——试样拉伸时的最大拉力（N）

A0——试样的原始载面积（m2）屈服强度是工程材料在外力作用下开始产生屈服时单位面积所能承受的最大拉伸力。用σs表示，计算方法为：σs=Ps/A0

式中：Ps——试样产生屈服现象时的对应载荷（N）。2、高分子材料抗张（拉）强度图1-3为高分子聚合物在不同温度范围时的拉伸曲线。

第五页，共一百二十一页，2022年，8月28日（二）抗折（弯）强度

图1-4(a)，1-4(b)分别为三点、四点弯曲加载示意图其中三点弯曲抗折强度计算公式为：

式中，P为断裂载荷（N），L为下支点间跨距（mm），b为试样的宽度（mm），h为试样的厚度（mm）。强度单位为MPa。

第六页，共一百二十一页，2022年，8月28日二、塑性

工程材料的塑性(plasticity)是指工程材料在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。对应拉伸变形，通常用两种方式来表示，即伸长率（δ）和断面收缩率(Ψ)。

δ=(L1-L0)/L0×100%Ψ=(A0-A1)/A0×100%式中L0--试样标距的原始长度；

L1--试样拉断瞬间标距的实际长度；

A0--试样原始截面积；

A1--试样断囗处的截面积。第七页，共一百二十一页，2022年，8月28日三、冲击韧度

冲击韧度是指被冲击试件在一次冲击试验时被冲断所吸收的能量Ak除以原试件的最小横截面积A0所得的值。用符号ak(单位为J/m)表示。工程上常用摆锤冲击试验机来测定冲击韧度，图1-5为试验示意图

ak=AK/A0

式中AK--摆锤对冲击试样做的功（J）；

A0--试样缺口处截面积（cm2）。第八页，共一百二十一页，2022年，8月28日四、疲劳强度

图1-6列出了几种变动载荷示意图。疲劳强度(fatiguestrength)是工程材料承受规定循环次数（常取106-107）而不失效的最大应力，用σγ表示。下标γ表示应力循环对称系数，由下式确定：

γ=σmin/σmax

式中σmin--循环应力中数值最小的应力；

σmax--循环应力中数值最大的应力。试样承受不同的应力幅σa[σa=(σmax-σmin)/2]与循环断裂周次N之间的关系曲线，称疲劳曲线，如图1-7所示。

第九页，共一百二十一页，2022年，8月28日五、硬度

硬度(Hardness)是指更硬的外来物体作用于固体材料上时，固体材料抵抗塑性变形、压入或压痕的能力。第十页，共一百二十一页，2022年，8月28日六、断裂韧性断裂韧性KIC是材料抵抗裂纹失稳扩展能力的度量，是材料抵抗低应力脆性断裂的能力。KIC主要用于脆性材料，断裂韧性的测量方法与抗折强度测量方法相类似（见图1-11）。不同之处是在弯曲试样中部预制一个0.1mm左右宽的小口，以模拟材料内部微裂纹的一半，然后加载后测量其断裂韧性KIC。KIC计算公式:

Y--是一个和裂纹形状及加载方式有关的无量纲系数σc--裂纹失稳扩展的应力，即断裂应力.

a--材料内部裂纹长度的一半韧性，表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力第十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日

物理性能指不发生化学反应就能表现出来的性能，如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。

七、金属材料的物理和化学性能

化学性能是材料在化学介质的作用下所表现出来的性能。如材料的耐腐蚀性能、抗氧化性能和化学稳定性能等。

第十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日1）导热性。指材料传导热量的能力用导热系数表示，当温度垂直梯度为1℃/m时，单位时间内通过单位水平截面积所传递的热量

。

与热有关的性能

2）热容。指材料在加热时能吸收热量，冷却时能放出热量的性质，单位质量材料每升高一度所需要的热量称为比热容c(J/kg·K)。

3）耐热性。指材料长期在热环境下抵抗热破坏的能力。4）耐燃性。指材料对火焰和高温的抵抗性能；可分为不燃材料、难燃材料，易燃材料。

5）耐火性。指材料长期抵抗高热而不熔化的性能，耐熔性，耐火材料还应不变形，能承载；分为耐火材料、难熔材料、易熔材料。

第十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日八、金属材料的工艺性能

金属材料的工艺性能指金属材料适应加工工艺要求的能力。按工艺方法的不同，可分为铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。第十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日1）铸造性能。指利用金属的可熔性将其熔化后，注入铸型制成铸件的难易程度，包括金属液体的流动性和收缩性。

2）锻造性能。指金属材料在锻造过程中承受压力加工而具有的塑性变形能力。

3）焊接性。指材料被焊接的难易性质。

4）切削加工性。表示对材料进行切削的难易程度，可用切削抗力的大小、加工表面质量、排屑的难易程度和切削刀具的寿命来衡量。

5）热处理工艺性。指标有淬硬性、淬透性、淬火变形与淬裂、表面氧化与脱碳、过热与过烧、回火稳定性与脆性。

第十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日低碳钢拉伸试样示意图第十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日低碳钢拉伸曲线示意图第十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日不同金属的应力-应变拉伸曲线图第十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日聚合物应力应变图第十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日三点弯曲加载示意图第二十页，共一百二十一页，2022年，8月28日三点弯曲加载示意图第二十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日冲击韧性实验示意图第二十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日变载荷示意图第二十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日疲劳曲线图第二十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日断裂韧性测量示意图第二十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日

第2节金属材料的结构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。

一、金属的晶体结构

3）晶体结构。指晶体中原子排列的方式，如图2-1a所示。

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，如图2-1b

所示。5）晶胞。晶格的最小几何组成单元，如图2-1c所示。

第二十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日晶体点阵和晶胞示意图第二十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日6）晶格常数。晶胞中各棱边的长度，单位为

7）金属中常见的晶体结构

体心立方晶格：晶胞是一个正六方体，立方体的八个角上和立方体的中心各有一个原子，如图1-2a。其原子个数为：，如铬、钠等。

第二十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日

面心立方晶格：晶胞是一个正六方体，立方体的八个角上和立方体的六个面的中心各有一个原子，如图。其原子个数为：，如铝，铜等。

第二十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日

密排六方晶格：晶胞是一个正六方柱体，在六方柱体的十二个角上和上、下底面的中心各有一个原子，在上、下底面之间还均匀分布着三个原子如图示，如镁、锌等。

第三十页，共一百二十一页，2022年，8月28日4.多晶结构(多晶体)

大块金属材料通常是由许多小晶体组成的，如图。第三十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日

5.晶体缺陷

(1)点缺陷常见的点缺陷有三种，即空位、间隙原子和置换原子，如图所示。第三十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日

5.晶体缺陷

(2)线缺陷刃型位错是一种比较典型的线缺陷，其结构特点如图所示。

(3)面缺陷第三十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日二、金属的结晶1、结晶。指金属的原子由近程有序状态（液态）转变成长程有序状态（晶态）的过程。2、纯金属结晶的冷却曲线。金属液非常缓慢的冷却时，记录温度随时间而变化的曲线，如图所示。出现水平线段的原因是结晶时放出大量的结晶潜热，补偿了金属向周围散失的热量。

3、过冷。在实际结晶过程中，金属液只有冷却到理论结晶温度（熔点）以下的某个温度时才结晶的现象。理论结晶温度和实际结晶温度之间的温度差叫过冷度，它与冷却速度有关，冷却越快，过冷度越大。

冷却曲线图第三十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日4、结晶过程。晶体形核和成长过程。如图所示，在液体金属开始结晶时，在液体中某些区域形成一些有规则排列的原子团，成为结晶的核心，即晶核（形核过程）。然后原子按一定规律向这些晶核聚集，而不断长大，形成晶粒（成长过程）。在晶体长大的同时，新的晶核又继续产生并长大。当全部长大的晶体都互相接触，液态金属完全消失，结晶完成。由于各个晶粒成长时的方向不一，大小不等，在晶粒和晶粒之间形成界面，称为晶界。

在晶界处，晶粒之间的晶向和晶面均不相同。晶向：晶体中质点的位置、质点列（在一个方向上的质点，“可用一条线串起来的质点”）的方向晶面：阵点（晶粒中有序排列的原子、离子、分子等质点）构成的平面第三十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日a)d)c)b)

液态金属的结晶过程示意图

第三十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日5）单晶体。结晶后，每个晶核长成为一个晶体，称为单晶体。

6）多晶体。由许多外形不规则、大小不等、排列位向不同的小颗粒晶体组成。在多晶体中，这些小颗粒晶体叫晶粒；晶粒与晶粒之间的界面叫晶界。晶粒的大小影响材料的力学、物理、化学性能，一般情况下，晶粒越细，强度和硬度越高，塑性和韧性越好。因为晶粒越细小，晶界就多，晶界处的晶体排列极不规则，界面犬牙交错，互相咬合，因而加强了金属之间的结合力。

7）细晶强化。用细化晶粒的方法来提高金属材料的力学性能。金属凝固后的晶粒大小与凝固过程中形核的多少和晶核长大速度有关，晶核越多，长大速度越慢，晶粒越细。而过冷度越大，产生的晶核越多，晶核多，每个晶核长大受到制约，形成的晶粒就越细小。8）金属的细晶强化方法。增加过冷度、变质处理、附加振动。

第三十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日

二、合金的晶体结构

1.固溶体

合金在固态下溶质原子溶入溶剂，仍保持溶剂晶格。根据固溶体晶格中溶剂与溶质原子的相互位置的不同，可分为置换固溶体（如黄铜）和间隙固溶体(如铁素体和奥氏体)，如图所示。

合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素，通过熔化或其它方法结合而成的具有金属特性的物质。

组元（组分，基于化学角度而言）是组成合金的最基本的、独立的单元。组元可以是金属元素、非金属元素或化合物（如渗碳体）。

相，成分相同、结构相同、性能均匀，并与其他部分以界面分开的均匀组成部分（基于化学、组织结构、性能而言）。按照晶格结构的基本属性，固态合金的相可以分为固溶体、金属化合物。第三十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日第三十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日

固溶强化：当溶质原子溶解在溶剂晶体中时，溶剂的晶格将发生畸变，晶格常数发生变化。原子尺寸相差大，化学性质不同，都使畸变增大.融入固溶体中的原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使塑性变形更加困难，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。这种通过形成固溶体使金属强化的现象称为固溶强化。（如钢和铁）固溶体的晶格畸变第四十页，共一百二十一页，2022年，8月28日

2.金属化合物

组成合金的元素相互化合形成一种新的晶格组成的物质。它的晶体结构与性能，和原两组元都不同，如渗碳体就是铁和碳组成的晶格复杂的碳化物，一般具有高硬度和高脆性。3.机械混合物

由两种或两种以上的组元、固溶体或金属化合物按一定重量比例组成的均匀物质称为机械混合物。混合物中各组成部分仍按自己原来的晶格形式结合成晶体，如铁素体和渗碳体形成珠光体。混合物的性能取决于组成混合物的各部分的性能，及其数量、大小、分布和形态。

第四十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日三.二元合金相图(PhaseDiagram)

对于单一的一种合金（某一比例组元的合金），我们可以通过冷却曲线来描述温度与时间的关系，研究相之间的平衡。然而，对于整个合金体系（不同比列组元的合金），例如Fe-C合金体系，不同成分、不同温度时相或组织的组成及其变化规律，仅仅靠冷却曲线方法是不够的，可以考虑用一系列的冷却曲线来分析。将同一合金体系的不同冷却曲线组合在一起，组成合金相图（又称状态图、平衡图），用来描述合金在平和条件下，不通过成分、不同温度时相或组织的组成及其变化规律。第四十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日三.二元合金相图(PhaseDiagram)1．相图的建立方法与步骤以铜镍（Cu-Ni）为例（1）配制一系列成分不同的合金。（2)作出各种不同成分合金的冷却曲线，并找出冷却曲线上相变点（转折点）的温度，如图a)所示。第四十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日1．相图的建立方法与步骤

（3）以温度为纵座标、成分为横座标建立一个直角座标系，将相变点分别标在这个座标系上，如图。（4）把具有相同意义的各相变点连成曲线，即将所有上相变点相连，所有下相变点相连，则构成了图所示的Cu-Ni二元合金相图。

第四十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日2．匀晶相图(两组元在固态下互溶，结晶成单一的相）

Cu-Ni合金相图既是匀晶相图，如图所示。

第四十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日3．共晶相图（两组元在固态下不能互溶，在一定温度下结晶出两种具有不同成分的相固（体）相）

下图为Pb－Sn二元共晶相图。

第四十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日第3节铁碳合金（体心立方晶格）（面心立方晶格）（体心立方晶格）一、铁碳合金的基本组织和性能1.铁的同素异晶转变金属在固态下发生的晶格结构的转变叫同素异晶（构）转变。金属的同素异构转变也是一种结晶过程，有一定的转变温度和过冷度；也有晶核的形成和长大两个阶段。故同素异构转变又称为重结晶。铁的同素异构转变如下所示。第四十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日第四十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日2.铁素体（F）

碳溶于中的固溶体，它保持体心立方晶格结构。溶解度（0.008%∼0.02%），故性质接近纯铁，强度、硬度低，塑性、韧性好。

3.奥氏体（A）

碳溶于中固溶体，保持面心立方晶格结构。溶解度（0.77%∼2.11%），其强度和硬度略高于铁素体，塑性、韧性较好。

4.渗碳体（Fe3C）

铁和碳组成的金属化合物，复杂斜方晶体结构。含碳量为6.69%，其硬度很高，塑性、韧性几乎为零，脆性极大，在一定条件下分解为铁和石墨。

第四十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日6.莱氏体Ld

莱氏体在7270C以上，由奥氏体与渗碳体组成的机械混合物，称为高温莱氏体Ld；在7270C以下，该组织转变为由珠光体与渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体Ld’。其力学性能与渗碳体相似，硬度较高，脆性较大。

5.珠光体P

珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。

第五十页，共一百二十一页，2022年，8月28日二、铁碳合金相图

铁碳合金相图：表示在平衡状态下铁碳合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。利用它可以研究钢和铸铁的内部组织及其变化规律，从而为更好的利用它们，并为制定热处理、压力加工等工艺规程打下基础。在工程中一般研究的铁碳合金状态图实际上都是铁与渗碳体两组元构成的状态图。

钢：含碳量小于2.11%的铁碳合金；

铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金。

第五十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日二、铁碳合金相图

1．铁碳合金的基本相

（1）铁素体碳原子溶于α-Fe中形成间隙固溶体，原子排列仍为体心立方点阵，该结构即为铁素体，用F或α表示。（2）奥氏体碳原子若溶于γ-Fe中，形成间隙固溶体，仍保持面心立方晶体结构，该结构称为奥氏体，用A或γ表示。（3）渗碳体是铁和碳的化合物，含碳量为6.69wt％，晶体结构复杂，呈复杂斜方晶体结构。

2．铁碳合金相图分析

下图为简化的铁碳合金相图。相图中各主要特征点均具有重要含义，连接各特征点将组成特征线，特征线则将相图分成特征区，点、线、面及其含义。

第五十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日第五十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日

相图上的特性线和点如下：

2）AECF线（固相线）。当合金冷却到此线时，金属液全部结晶为固相，在此线以下区域为固相。

1）ACD线（液相线）。当金属液冷却到此线时开始结晶，在此线以上区域为液相。

由于图中左上角部分在实用中用处不大，故不予分析。3）A点。纯铁的熔点（15380C）。4）D点。渗碳体的熔点（12270C）。

5）C点。共晶点，温度11480C，成分4.3%C。共晶：指合金在一定的条件(温度、成分)下，由液体合金中同时结晶出两种不同的晶体，而形成一种特殊的共晶体组织的转变。即

第五十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日6）ECF线（共晶线）。含碳量在2.11%～6.69%的铁碳合金，冷却到此线时（1148度），将发生共晶反应，同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶混合物莱氏体。

7）ES线。是碳在中的溶解度曲线，E点表示在11480C时碳在中的最大溶解度为2.11%。随着温度降低，溶解度下降，即含碳量大于0.77%的奥氏体冷却过程中都将从奥氏体中析出渗碳体（次生渗碳体），常称为Acm线8）GS线。是冷却过程不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的转变线，常称为A3线。第五十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日10）PSK线（共析线）。含碳量在0.02%～6.69%的铁碳合金，冷却到此线时（7270C），将发生共析反应，从奥氏体中同时结晶出铁素体和渗碳体的共析混合物珠光体。即A1线。

9）S点。共析点，温度7270C，成分0.77%。共析转变：指合金在一定条件下，由一种固相转变成两个固相的机械混合物的过程。即：

第五十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日3.铁碳合金的组织转变

工业纯铁含碳量小于0.0218%的铁碳合金，钢含碳量在0.0218%～2.11%的铁碳合金，

共析钢

含碳量等于0.77%，

亚共析钢

含碳量小于0.77%，

过共析钢

含碳量位于0.77%～2.11%，白口铸铁

含碳量在2.11%～6.69%的铁碳合金

共晶白口铸铁

含碳量等于4.3%，

亚共晶白口铸铁

含碳量位于2.11%~4.3%

过共晶白口铸铁

含碳量位于4.3%～6.69%第五十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日3.1.钢的结晶过程

为方便起见，按照铁碳合金的分类，把相图分为钢和白口铁两部分；如图为经过简化的钢的铁碳合金相图。下面分析其结晶过程：1）共析钢（如图I号合金）的结晶过程

其室温组织为珠光体，为层片状组织，具有较高的强度=800MPa，硬度HBS=230,塑性较低=12%。钢的铁碳合金相图0.772.11C%第五十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日2）亚共析钢（如图II号合金）的结晶过程

其室温组织为铁素体加珠光体,其性能介于铁素体和珠光体之间；随含碳量升高，珠光体量增多，故强度硬度增加，塑性韧性下降。3）过共析钢（如图III号合金）的结晶过程其室温组织为渗碳体加珠光体，随含碳量升高，渗碳体量增多，故硬度增加，韧性下降。

钢的铁碳合金相图0.772.11C%第五十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日

铸铁根据含碳量的不同可分为共晶白口铸铁（4.3%C）、亚共晶白口铸铁（<4.3%C）、过共晶白口铸铁（>4.3%C）；下面分别分析其结晶过程。3.2白口铸铁的结晶过程

生铁的铁碳合金相图2.114.36.690C1）共晶白口铸铁（如图V）的结晶过程其室温组织为莱氏体。第六十页，共一百二十一页，2022年，8月28日

其室温组织为珠光体加莱氏体。生铁的铁碳合金相图2.114.36.690C2）亚共晶白口铸铁（如图IV）的结晶过程3）过共晶白口铸铁（如图IIV）的结晶过程

其室温组织为渗碳体加莱氏体。第六十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日第四节钢的热处理

热处理：将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺方法。

热处理的三个阶段：加热、保温、冷却。如图所示是最基本的热处理工艺曲线。温度加热保温冷却时间图1-29热处理工艺曲线第六十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日（1）.加热和冷却时的转变温度

要使钢的组织发生变化，必须加热到相变温度以上，相变温度可由相图来确定。但在实际加热和冷却时，合金有过冷和过热现象，如图所示，加热时实际相变温度偏高，冷却时偏低。加热和冷却速度越快，偏离越严重。常用、、表示加热时偏离的相变温度。用、、表示冷却时偏离的相变温度。

加热（冷却）时相变温度图1.热处理过程中的组织转变第六十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日（2）.钢在加热时的组织转变

奥氏体化：为使热处理获得所需的性能，将钢加热到临界温度以上，使室温组织转变为均匀的奥氏体的过程。

奥氏体的形成：

以共析钢为例，共析钢的组织室温时为珠光体（F+Fe3C），当加热到以上时，珠光体转变为奥氏体。其过程如下：2）奥氏体晶核长大。通过原子扩散，使渗碳体不断溶解和铁素体晶格由体心立方晶格改组为面心立方晶格。

1）奥氏体晶核形成。首先在铁素体和渗碳体的晶界上出现奥氏体晶核，因为相界面的原子排列紊乱，晶体缺陷较多，易于形核。

第六十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日3）残余渗碳体的溶解。铁素体先消失，渗碳体继续向奥氏体溶解完；4）奥氏体均匀化。残余渗碳体溶解完后，碳的浓度并不均匀，在原来渗碳体的地方碳含量高，铁素体处低，保温一定时间，碳原子扩散，得到均匀的奥氏体组织。

亚共析钢和过共析钢，加热到时，只有珠光体转变为奥氏体，随着加热温度升高，铁素体和二次渗碳体才不断向奥氏体转变，到加热温度超过或时，才全部转变成奥氏体。珠光体组织比较细密，形成奥氏体的晶核较多，因而珠光体刚转变成奥氏体时，其晶粒比较细小。但若升高温度或保温时间过长，晶粒将长大。

第六十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日（3）.钢在冷却时的组织转变

热处理工艺中常用的冷却方式：连续冷却、等温冷却。

钢经奥氏体化后，冷却条件不同，转变产物的组织结构、性能均不同。

1）连续冷却。将已奥氏体化的钢以某种速度连续冷却，使其在临界点以下变温连续转变（如在水中冷却）。

2）等温冷却。将已奥氏体化的钢迅速冷却到相变点以下的某个温度，进行保温，使过冷奥氏体在该温度下恒温转变。

注：过冷奥氏体。冷却至A1以下尚未转变的奥氏体，是暂时存在的，处于不稳定状态的奥氏体。

第六十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日

下面以共析钢为例，分析奥氏体在不同温度下冷却时的组织转变。

奥氏体等温转变图：将不同等温转变过程中奥氏体转变开始和终结时间，标注在温度时间坐标系中，分别连接开始转变点和终结点，所得的图即为等温转变图，共析钢的等温转变图如图所示。A1为奥氏体转变的临界温度，此线以上为奥氏体稳定区，左边的一条C曲线为过冷奥氏体的转变开始线，其左方为过冷奥氏体区，右边的一条C曲线为过冷奥氏体的转变终结线，其右方为转变产物区，中间为转变区，下方的两条水平线分别为马氏体共析钢等温转变图第六十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日

依据等温转变图，奥氏体的转变过程如下：转变开始线（Ms=2300C)和终结线（Mf=-500C)。由图可知，过冷奥氏体等温转变的孕育期不同，以转变开始线与纵坐标的距离来表示，孕育期越长，过冷奥氏越稳定，C曲线鼻尖部位（约5500C）,转变最快。

共析钢等温转变图1）高温转变（珠光体转变）。（铁碳原子均扩散）在A1线至5500C，转变产物为铁素体与渗碳体片层相间的珠光体型组织。其中在A1～6500C为粗片状珠光体，硬度在17～23HRC。6500C～6000C为较细片状珠光体，亦称索氏体，硬度在23-32HRC。6000C～5500C为极细片状珠光体，第六十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日亦称托氏体，硬度在33～40HRC。层片越细，强度、硬度越高、塑性韧性越好。2）中温转变（贝氏体转变）。（铁原子不扩散，碳原子扩散）在5500C～Ms温度范围内，得到过量碳浓度的铁素体和微小的渗碳体混合物。在5500C～3500C，得到羽毛状的上贝氏体，硬度较高40～45HRC，强度较低、塑性韧性较差。在3500C～Ms，得到黑色针状的下贝氏体，硬度高45～55HRC，强度较高、塑性韧性较好。

共析钢等温转变图第六十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日

马氏体可分为片状马氏体和板条状马氏体，含碳量C>1.0%的为片状，其硬度高，脆性大。含碳量C<0.2%的为板条状马氏体，其强度、韧性较好。含碳量0.2%<C<1.0%的为片状马氏体和板条状马氏体的复合组织。（铁原子和碳原子均不扩散）。

共析钢等温转变图3）低温转变（马氏体转变）。在Ms以下，得到碳在中的过饱和固溶体，即马氏体。马氏体转变速度极快，瞬间完成。马氏体量随温度下降而增加，但总有一部分奥氏体残留下来，称为残余奥氏体，它将降低钢的硬度，影响零件形状、尺寸的稳定性。第七十页，共一百二十一页，2022年，8月28日过冷奥氏体转变产物（共析钢）

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PA1~650扩散型粗片状，F、Fe3C相间分布5-20退火S650~600细片状，F、Fe3C相间分布20-30正火T600~550极细片状，F、Fe3C相间分布30-40等温处理贝氏体B上550~350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350~MS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MS~Mf无扩散型针状60-65淬火M*板条MS~Mf板条状50淬火第七十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日关于渗碳体的类型形态.1、片状渗碳体，奥氏体转变成珠光体时形成；2.网状渗碳体，由慢冷时从奥氏体晶界处析出，也称二次渗碳体；3.球状渗碳体（颗粒状），球化退火时形成；4.杆状渗碳体，属于先共晶渗碳体；5.块状渗碳体，是共晶、过共晶合金中的基体组织。第七十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日渗碳体类型（形成）一次渗碳体：在铁-石墨相图中，碳含量大于4.3％时，在L(Fe)＋Fe3C两相区内结晶析出的初生Fe3C为一次渗碳体，形成温度于共晶温度（1148℃）以上，形貌为大的片（其间为共晶组织）。碳含量于4.3%～6.69%是其典型成分区间。二次渗碳体：在铁-石墨相图中，碳含量大于0.77％时，在A(Fe)＋Fe3C两相区内析出的Fe3C为二次渗碳体，形成温度于共晶温度（1148℃）与共析温度（727℃）之间，形貌以网状为典型。碳含量于0.77%～6.69％是其典型成分区间。三次渗碳体：在铁-石墨相图中，F(Fe)＋Fe3C两相区内析出的Fe3C为三次渗碳体，形成温度于共析温度（727℃）以下，形貌为细片状或粒状。共晶渗碳体：于共晶温度（1148℃）形成的共晶组织（A（Fe）＋Fe3C）中的Fe3C体。形貌为片状的共晶组织形貌。碳含量约为4.3%。共析渗碳体：于共析温度（727℃）形成的共析组织（F(Fe)+Fe3C)中的Fe3C，形貌为片状的共析组织形貌。碳含量约为0.77%。第七十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日2.钢的热处理工艺

钢的热处理可分为普通热处理（如退火、正火、淬火、回火等）和表面热处理。

（1）.退火退火是将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却得到接近平衡状态组织的热处理工艺。

退火的目的：

1）降低钢的硬度，提高塑性，从而有利于切削加工及冷变形加工；

2）消除钢中的残余内应力，以防工件变形和开裂；

3）改善组织，细化晶粒，改变钢的性能或为以后热处理做准备。

第七十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日

退火的分类：各种退火、正火加热温度及工艺曲线如图所示。退火正火工艺规范示意图1）完全退火。加热到Ac3以上20～300C，保温，缓冷至6000C以下，再空冷，得到接近平衡状态组织。主要用于亚共析钢和共析钢的锻件、轧件、铸件(加工终止温度高，组织晶粒大，热应力高），（缓慢冷却）使晶粒细化，组织均匀和消除残余应力，提高钢件的性能。过共析钢不宜完全退火，因析出网状渗碳体，降低钢的力学性能。

2）球化退火。使钢中的碳化物呈球状而进行的退火。将工件加热到Ac1以上20～300C，保温，然后缓慢冷却。主要用于过共析钢，使钢中珠光体中的片状第七十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日渗碳体和二次渗碳（先正火处理）球状化，因为渗碳体从片状转变为粒状，所以可以降低硬度提高韧性，改善切削加工性能。退火正火工艺规范示意图3)去应力退火。为消除形变加工、锻造、冷冲压、焊接、铸造件、切削加工件以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。铸钢件的温度为600～6500C，铸铁件为500～550，保温后在炉内缓慢冷却。组织不发生变化，只消除残余内应力，减少变形和开裂倾向，稳定尺寸。

4）扩散退火(均匀化退火)。将钢加热到略低于固相线温度，长时间保温，随炉冷却，使化学成分和组织均匀化。主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件或锻件。

第七十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日（2）.正火正火是将工件加热到Ac3（亚共析钢）或Accm（过共析钢）以上30～500C，保温适当时间，在自由流通的空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。

正火主要应用于：1）对不太重要的零件，可细化晶粒，组织均匀，提高机械性能，作为最终热处理，而不再进行淬火处理；

2）对低碳钢与中碳合金钢，可提高硬度，改善切削加工性（细化晶粒），可替代退火，未正火加工粗糙；

3）对于过共析钢或工具钢，可减少网状二次渗碳体，并使其不呈连续网状碳化物，便于球化退火（在球化退化前进行）。

与退火比较，其加热温度略高于退火，保温时间短于退火，最大的差别是冷却方式不同。

第七十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日退火能不能消除网状渗碳体？

不能！！

退火加热到Accm线以上，虽然得到奥氏体单一相，但是退火是随炉缓慢冷却，冷却速度过于缓慢，碳沿奥氏体晶界析出得到网状渗碳体；

对于过共析钢，通常要通过球化退火降低硬度，改善加工性能，因为球化退火无法消除网状渗碳体，所以在球化退火前加入正火这么一道工序。

由于加热到Accm以上的温度，奥氏体化了。相对快速的冷却会快速通过Arcm-Ar1区间，抑制C的扩散，形成室温下的渗碳体+珠光体组织。第七十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日（3）.淬火淬火是将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。淬火的目的是提高工件的硬度和耐磨性，一般淬火后的工件再配合适当温度的回火，可获得较好的综合力学性能，如刀具、模具、轴和齿轮。淬火质量取决于加热温度和冷却方式。

1）淬火加热速度。钢的导热性好，为防止晶粒长大，应选择大的加热速度第七十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日2）淬火加热温度。根据钢材的化学成分决定，亚共析钢在Ac3以上30～500C，此时钢的组织为细颗粒的奥氏体，淬火后获得细小的马氏体。若温度低于Ac3，将出现自由铁素体。若温度过高，得到粗大的马氏体，性能变坏。共析钢和过共析钢加热温度在Ac1以上30～500C（获得渗碳体和奥氏体两相组织），冷却后得到细小的马氏体和小颗粒的渗碳体组织。若加热到Accm线以上，则获得粗大奥氏体，冷却后将获得大量残余奥氏体，降低钢的硬度和耐磨性，并且冷却后获得粗大的马氏体和伴有显微裂纹，增加钢的脆性。加热到Accm的粗大和高温奥氏体，快速冷却还导致热应力和氧化脱碳，从而钢件开裂。第八十页，共一百二十一页，2022年，8月28日3）保温时间也是淬火的一个关键因素，保温时间过长将导致晶粒过大和氧化脱碳，过短将导致组织转变不均匀。第八十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日2）淬火冷却方法（连续冷却为主）。冷却速度通过冷却介质控制，

冷却介质对淬火效果有很大影响，常用的有水、油和盐、碱的水溶液。水用于形状简单、截面较大的碳素钢工件。油用于合金钢和复杂的碳素钢。常用淬火方法如图所示。图中C曲线是等温冷却时的奥氏体转变曲线，不与C曲线相交的冷却速度线为获得马氏体组织的冷却，1表示单液淬火，2表示双液淬火，3表示分级淬火，4表示等温淬火。3）淬透性和淬硬性。

常用淬火方法示意图

淬透性：钢在淬火后，获得淬透层（淬硬层）深度的能力。

淬硬性：钢淬火时能达到的最高硬度。

第八十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日不同冷却条件下的转变产物等温退火P退火(炉冷)正火(空冷)S(油冷)T+M+A’等温淬火B下M+A’分级淬火M+A’淬火(水冷)A1MSMf时间温度淬火PP均匀A细A？？？第八十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日(4)钢的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。一、回火的目的1、淬火冷却速度快，在冷却过程中工件内沿截面将产生一定温度梯度，内部热应力大（大于材料的屈服强度时，材料发生变形，大于抗拉强度则开裂）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。螺杆表面的淬火裂纹第八十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日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。4、对于某些高淬透性的钢，空冷即可淬火，如采用

回火软化既能降低硬度，又能缩短软化周期。未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置使用过程中易变形或开裂。钢经淬火后应立即进行回火。第八十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日二、钢在回火时的转变淬火钢回火时的组织转变主要发生在加热阶段。随加热温度升高，淬火钢的组织发生四个阶段变化。第八十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日㈠回火时组织转变1、马氏体的分解100℃回火时，钢的组织无变化。100-200℃加热时，马氏体将发生分解,从马氏体中析出-碳化物(-FeXC)，使马氏体过饱和度降低。析出的碳化物以细片状分布在马氏体基体上，这种组织称回火马氏体，用M回表示。透射电镜下的回火马氏体形貌第八十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日回火马氏体在光镜下M回为黑色，A’为白色。0.2%C时，不析出碳化物。只发生碳在位错附近的偏聚。2、残余奥氏体分解200-300℃时,由于马氏体分解，奥氏体所受的压力下降,Ms上升，A’分解为-碳化物和过饱和铁素体，即M回。第八十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日衡成分,内应力大量消除，M回转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状Fe3C组织，称回火托氏体，用T回表示。发生于250-400℃，此时，-碳化物溶解于F中，并从铁素体中析出Fe3C。到350℃,马氏体含碳量降到铁素体平回火托氏体3、-碳化物转变为Fe3C第八十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日回火索氏体4、Fe3C聚集长大和铁素体多边形化400℃以上,Fe3C开始聚集长大。450℃以上铁素体发生多边形化，由针片状变为多边形.这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织称回火索氏体，用S回表示。第九十页，共一百二十一页，2022年，8月28日淬火钢硬度随回火温度的变化40钢力学性能与回火温度的关系㈡回火时的性能变化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。（下左图）第九十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日200℃以下，由于马氏体中碳化物的弥散析出，钢的硬度并不下降，高碳钢硬度甚至略有提高。200-300℃，由于高碳钢中A’转变为M回,硬度再次升高。大于300℃,由于Fe3C粗化，马氏体转变为铁素体,硬度直线下降。第九十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日四、回火种类根据钢的回火温度范围，可将回火分为三类。●淬火加高温回火的热处理称作调质处理，简称调质.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。

提高弹性及屈服点，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500-650℃350-500℃150-250℃回火温度高温回火中温回火低温回火适用于、锻模、弹簧热处理第九十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日弹簧热处理第九十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日（4）.回火回火是为了消除淬火引起的残余应力及获得要求的组织和性能，将淬火后的工件加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。

回火目的：淬火后得到性能很脆的马氏体组织，而且淬火马氏体是不稳定的组织，它有变为稳定状态的趋势，即有组织转变应力；同时，淬火冷却速度快，热应力也大。上述淬火应力，均使零件尺寸变化，零件容易变形和开裂。为此利用回火来达到以下目的：1）减少和消除淬火应力；

2）稳定工件尺寸，防止变形和开裂；3）获得工件所需的组织和性能；即获得要求的强度、硬度和韧性。

第九十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日

回火的种类及应用：

1）低温回火。加热温度为150～2500C，得到碳的过饱和程度稍小的固溶体—回火马氏体，硬度较高，在HRC58～64之间，高耐磨性。可消除一定的残余应力，韧性有所改善。用于各类高碳钢的工具、模具、量具。2）中温回火。加热温度为350～5000C，得到极细颗粒状渗碳体和铁素体的混合物—回托氏体，有极高的弹性极限和屈服强度，也有较好的韧性。硬度在HRC35～45；用于各种弹簧、弹簧夹头及锻模。3）高温回火。加热温度为500～6500C，得到细而均匀的颗粒状渗碳体和铁素体的混合物---回火索氏体，有较高的强度和硬度，又有较好的韧性和塑性。工厂一般把淬火和高温回火叫调质处理。用于重要的零件如轴、齿轮、连杆和螺栓。

第九十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日(5).表面热处理表面热处理是使工作表面具有高的硬度和耐磨性，心部有足够的韧性和塑性的热处理。常用的有表面淬火及化学热处理。2）表面淬火。对工件表层迅速加热至淬火温度，而心部温度仍保持在临界温度以下，然后快速冷却，使钢的表面至一定深度的组织为马氏体，心部仍为原始组织的热处理工艺。

1）化学热处理。将工件置于一定温度的活性介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入它的表面，改变其表面的化学成分、组织和性能的热处理。使表面具有耐磨、耐腐蚀、耐热等性能。分为渗碳、渗氮、碳氮共渗（氰化）、渗硼、渗铬等金属、多元共渗等。第九十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日钢的表面淬火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。火焰加热感应加热第九十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日表面淬火目的：①使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限;②

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。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。轴的感应加热表面淬火第九十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日1、表面淬火用材料⑴

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；⑵铸铁提高其表面耐磨性。机床导轨表面淬火齿轮第一百页，共一百二十一页，2022年，8月28日1）火焰加热表面淬火。使用氧-乙炔火焰喷向工件表面，立即喷水冷却的淬火方法。如左图所示。2）感应加热表面淬火。利用感应电流产生的热效应莱加热工件表面，喷水冷却的方法。如图右图所示。

火焰加热表面淬火示意图

感应加热表面淬火示意图第一百零一页，共一百二十一页，2022年，8月28日第五节常用工程材料一、常用工程材料的分类

工程材料金属材料碳素钢合金钢碳素结构钢碳素工具钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁有色金属：铜合金、铝合金等非金属材料高分子材料：塑料、橡胶、复合材料等陶瓷材料：普通瓷、氧化铝陶瓷、氧化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷钢第一百零二页，共一百二十一页，2022年，8月28日1.碳素钢分类和牌号1）按钢的含碳量分类：

低碳钢中碳钢高碳钢2）按钢的质量分类：有害杂质硫、磷的含量普通碳素钢优质碳素钢高级优质碳素钢二、常用金属材料（1）.分类第一百零三页，共一百二十一页，2022年，8月28日3）按用途分为：

碳素结构钢：

制造各种机器零件及工程构件，大都是低碳钢、中碳钢，属普通碳素钢或优质碳素钢。

碳素工具钢：

制造各种刃具、量具和模具等，大都是高碳钢，属优质钢或高级优质钢。4）按金相组织分亚共析钢、共析钢、过共析钢。第一百零四页，共一百二十一页，2022年，8月28日（2）.普通碳素结构钢含碳量在0.06%∼0.38%之间，硫、磷含量较高，在供应状态下使用，不需热处理。常用于一般工程结构及普通零件。其牌号（表示方法）由代表屈服点的字母Q、屈服点的数值、质量等级符号(A、B、C、D)和脱氧方法符号(F、b、Z、TZ)组成。如Q235--A·F，表示其屈服点为235MPa，质量等级为A级，沸腾钢。（3）.优质碳素结构钢按化学成分和力学性能供应，杂质含量少，表面质量、组织结构的均匀性较好，需经热处理，用于重要的零件。其牌号采用两位数字来表示，表示该钢号的平均含碳量的万分之几。根据含锰量不同分为普通含锰量（0.25%∼0.8%）和较高含锰量（0.75%∼1.2%）两种，后者加“Mn”，如20钢为含碳0.2%，65Mn为含碳0.65%，较高含锰量。第一百零五页，共一百二十一页，2022年，8月28日

3.碳素工具钢碳素工具钢的牌号由TXX两部分组成,既钢号前冠以“碳”或“T”，表示碳素工具钢，其后跟一组数字，表示含碳量的千分之几。如T8A表示平均含碳量为0.8%的碳素结构钢，A表示高级优质。

第一百零六页，共一百二十一页，2022年，8月28日二、合金钢分类和牌号

1.分类合金结构钢合金工具钢特殊性能钢建筑及工程用钢或构件用钢机器制造用钢渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢刃具钢模具钢量具钢不锈钢耐热钢耐磨钢磁钢1）按用途分:第一百零七页，共一百二十一页，2022年，8月28日2）按合金元素含量（质量分数）分：3）按所含合金元素种类分为：铬钢、锰钢、镍钢、铬锰钢、硅锰钢等。4）按金相组织分为：珠光体钢、马氏体钢、贝氏体钢、奥氏体钢。

低合金钢（合金元素总含量<5%）中合金钢（合金元素总含量5%-10%）高合金钢（合金元素总含量>10%）第一百零八页，共一百二十一页，2022年，8月28日2.合金结构钢1）低合金结构钢。Q+×××+质量等级符号，如Q345C；Q表示屈服点的“屈”，345表示屈服点数值，C表示质量等级，有A、B、C、D、E五个等级。

2）合金结构钢。数字+化学元素符号+数字，前面数字表示钢的平均含碳量，以万分之几表示，后面数字表示该合金元素的平均含量，以百分之几表示，但低于1.5%时不标。若为高级优质钢在最后加“A”字，如60Si2Mn，滚动轴承钢-GCr15SiMn（“G”表示滚动轴承钢的意思（钢号冠以（或后缀）代表该钢种用途的符号

），“CR”表示所含的合金元素为铬铁。GCr15表示含CR为1.5%的轴承钢，含碳量为0.95%-1.05%，硅Si：0.40%

～0.65%

，锰Mn：0.90%

～1.20%

）。第一百零九页，共一百二十一页，2022年，8月28日4.特殊性能钢特殊性能钢牌号为数字+化学元素符号+数字。前面数字表示钢的平均含碳量，以千分之几表示，但当平均含碳量小于等于