机械制造技术材料

目录

第二章工程材料(1)2.5.1固溶体2.5.2固溶体的性能2.6铁碳合金2.6.1铁碳合金基本组织2.6.2铁碳合金相图2.6.3铁碳合金室温组织性能随成分的变化规律2.1概述2.2金属材料简介2.2.1金属材料的种类2.2.2金属材料的性能2.3晶体的结构2.3.1晶体与非晶体2.3.2实际金属的晶体结构2.4金属的结晶2.4.1金属结晶过程2.4.2铸态晶粒的大小2.4.3金属的同素异构

2.5二元合金的晶体结构

第二章工程材料

材料是现代文明的三大支柱（材料、能源和信息）之一，是发展国民经济特别是机械工业的重要物质基础；是生产活动的基本投入。材料的利用标志着人类生活的进展，历史上有“石器时代”、“青铜器时代”和“铁器时代”。当前，材料总数有50万余种之多，而且新材料每年以5%左右的速度递增。材料的质量、品种和数量已成为衡量一个国家科技、经济水平和国防力量的重要标志之一。12.1概述动画1轿车车身部分的材料2

以汽车工业为例：一辆轿车，需用800多种材料，动画1是轿车车身部分所采用的材料。2.2金属材料简介

2.2.1金属材料的种类

传统金属材料是能源、通信、交通运输、建筑、家用电器等行业中最基本的构成物质。金属材料是工程材料中广泛应用的大类。金属材料可分为黑色金属和有色金属两类。除了黑色金属以外的其他金属材料统称为有色金属，如铜、铝及其合金、轴承合金、硬质合金等。常用的黑色金属材料分为碳钢和铸铁两大类。31.碳钢

碳钢按质量分可分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢、特级优质钢等。按化学成分分可分为：

(1)低碳钢(wC≤0.25%)。

(2)中碳钢(wC＝0.25%～0.6%)。

(3)高碳钢(wC＞0.6%)。

(4)合金钢(低合金钢、中合金钢、高合金钢)等。按用途分可分为结构钢(工程结构钢、机器零件用钢等)、工具钢(制造刃具、模具、量具等)、特殊性能钢(如不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等)。42.铸铁

铸铁可分为一般工程应用铸铁和特殊性能铸铁。在一般工程应用铸铁中，碳主要以石墨存在。按照石墨形貌的不同，这类铸铁又可分为灰口铸铁(碳以粗片状石墨形式出现)、可锻铸铁(碳以团絮状石墨形式出现)、球墨铸铁(碳以球状石墨形式出现)和蠕墨铸铁(碳以蠕虫状石墨形式出现)。特殊性能铸铁既有含石墨的和不含石墨的(白口铸铁铁碳合金中的碳以Fe3C形式出现)。这类铸铁的合金元素含量较高(wMe>3%)，可应用于高温、有腐蚀或磨料磨损的工况条件。(如耐磨铸铁代号KmTB、冷硬铸铁代号LT、耐热铸铁代号RT、耐蚀铸铁代号ST等。)5

表1

常用的黑色金属材料（教材P3表1-1）

6名称分类/标准号编号方法用途举例说明碳钢碳素结构钢GB/T700-1988Q235-AF屈服点为235MPa、质量为A级的沸腾钢

一般以型材供应的工程结构件，制造不太重要的机械零件及焊接件优质碳素结构钢GB/T699-199945表示平均wC=0.45%的优质碳素结构钢

用于制造曲轴、传动轴、齿轮、连杆等重要零件碳素工具钢GB/T1298-1986T8T8A表示平均wC=0.8%的碳素工具钢，A表示高级优质

制造需较高硬度、耐磨性、又能承受一定冲击的工具，如手锤、冲头等一般工程铸造碳钢GB/T5613-1995ZG200-400表示屈服强度为200MPa、抗拉强度为400MPa的碳素铸钢

适用于铸造成形的钢质零件，（ZG200-400为低碳铸钢，ZG310-570为中碳铸钢，ZG340-640为高碳铸钢）续表7名称分类/标准号编号方法用途举例说明合金钢合金结构钢GB/T699-199940Cr表示平均wC为万分之40，主加元素为Cr40Cr为调质钢，用于承受弯曲、扭转、拉压、冲击等复杂应力的重要件，如传动轴、曲轴等高合金刃具钢GB/T9943-1988

W18Cr4VwC=0.70%～1.65%，wW=17.5%～18.5%，wCr=3.8%～4.4%，wV=1.00%～1.40%用于淬透性好、红硬性高，截面尺寸不大的刃具灰铸铁灰口铸铁GB/T9439-1988HT200表示试样直径为30mm，平均抗拉强度200MPa的灰口铸铁承受较大载荷或较重要的零件，如汽缸、齿轮、底座、飞轮、床身等可锻铸铁GB/T9440-1988KTZ450-06平均抗拉强度不小于450MPa,伸长率不小于6%的珠光体可锻铸铁

制造负荷较高的耐磨损零件，如曲轴、连杆、齿轮、凸轮轴等薄壁小铸件球墨铸铁GB/T1348-1988QT450-10表示抗拉强度大于450MPa,伸长率10%的球墨铸铁承受冲击振动的零件如曲轴、蜗杆等续表名称分类编号方法用途举例说明灰铸铁蠕墨铸铁GB/T5612-1985RuT340表示平均抗拉强度大于450MPa的蠕墨铸铁

制造大截面复杂铸件，主要用来代替高强度灰口铸铁、合金铸铁特殊性能铸铁抗磨铸铁GB/T8263-1999KmTBMn5W3中锰球墨铸铁，具有一定的强度和韧性，耐磨料磨损

可制造承受干摩擦及为磨料磨损条件下工作的零件，在矿山、冶金、电力、建材和机械制造等行业有广泛的应用耐热铸铁GB/T9437-1988RQTSi4Mo

在铸铁中加入Si、Al、Cr等元素，使铸铁在高温下表面形成一层致密的氧化膜，保护内层不被继续氧化

可制造在高温工况下工作的零件耐蚀铸铁GB/T8491-1987STSi11Cu2CrR

合金元素的作用是提高铸铁基体组织的电位，使铸铁表面形成一层致密的保护膜可制造在腐蚀工况下工作的零件,广泛用于化工等行业82.2.2金属材料的性能

固体材料主要性能力学性能物理性能化学性能工艺性能

力学性能即材料在外力作用下表现出来的性能，包括弹性、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、蠕变和磨损等。外力即载荷，常见的各种载荷如动画2所示。9动画2

常见的各种外载荷

102.3晶体的结构

2.3.1晶体与非晶体固体可分为晶体和非晶体两类。晶体中原子按一定规则排列。最普通的非晶体是玻璃，它的原子排列较不规则。非晶体的结构比晶体结构更难确定。

1.晶体的空间点阵和晶系如果把所有具有相同环境的原子或原子群作为一个质点，则晶体结构可以抽象为这些质点在空间上的、周期性规则排列的空间点阵。112.晶格、晶胞和晶格常数动画3

晶体中原子排列示意图

在空间点阵中取一单位体积（通常为平行六面体）作为点阵的最小组成单元，称为晶胞。晶胞的大小和形状以晶胞的棱边长a、b、c和棱边之间的夹角α、β、γ来表示(见动画3)。12

根据晶胞的三条棱边是否相等、三个夹角是否相等以及是否为直角，晶体学将所有晶体分为7个晶系，14种空间点阵。称作布喇菲空间点阵，如图1所示。常见的三种晶格类型：体心立方晶格。面心立方晶格。密排六方晶格。3.常见的晶格类型

13图1

布喇菲空间点阵

由于结晶条件或加工等方面的影响，使原子的排列规则受到破坏，存在偏离理想结构的区域，称为晶格缺陷。晶格缺陷可分为三类：点缺陷。线缺陷。面缺陷。2.3.2实际金属的晶体结构141.晶格缺陷1）点缺陷

点缺陷是指长、宽、高三个方向上尺寸都很小的缺陷，如“间隙原子”、“置换原子”和“空位”（见动画4）。间隙原子是在晶格的间隙中存在多余原子；置换原子是指结点上的原子被异类原子所置换；晶格空位是在正常的晶格结点上出现空位。15动画4

点缺陷示意图

线缺陷是指在一个方向上尺寸较大，而在另外两个方向上尺寸很小的缺陷，呈线状分布，其具体形式是各种类型的位错，如动画5所示。2）线缺陷动画5刃型位错结构示意图163）面缺陷

面缺陷主要指金属中的晶界和亚晶界(见图2)。亚晶界指亚晶粒之间形成的交界面。亚晶粒是由被称为镶嵌块的小晶粒组成的。图2

面缺陷2.4金属的结晶172.4.1金属结晶过程

金属熔液在凝固后一般都以晶质状态存在，即内部原子由不规则的排列转变到规则排列，形成晶体（见动画6，视频1）。

金属的结晶过程是不断形成晶核和晶核不断长大的过程，即由晶核的产生和长大两个基本过程组成的。教学视频1

金属的结晶动画6

金属的结晶

金属结晶后的晶粒愈细小，晶界的面积就愈大。晶界面积愈大，晶体缺陷就愈多，则对金属的力学性能影响愈大。一般情况下，细晶粒组织的强度、硬度、塑性和韧性都比粗晶粒组织好。获得细晶粒的方法通常有:

增加过冷度。变质处理。附加振动。2.4.2铸态晶粒的大小

182.4.3金属的同素异构

某些金属在不同温度和压力下呈不同的晶体结构。同一种固态的纯金属（或其他单相物质），在加热或冷却时发生由一种稳定状态转变成另一种不同的晶体结构稳定状态，这种转变，称为同素异构转变（见动画7）。此时除体积变化和热效应外还会发生其他性质改变。Fe、Co、Sn、Mn等元素都具有同素异构特性。动画7

纯铁的同素异构转变

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由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素组成的具有金属性质的物质，称为合金。组成合金的元素叫做组元。由两种组元组成的合金，称为二元合金。在物质中，凡是成分相同，结构相同，并与其他部分以界面分开的均匀组成部分，称为相。合金结晶后可以是一种相，也可以是由若干种相所组成。一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体称为组织。相的相对数量、形状、尺寸和分布的不同，形成了不同的组织，不同的组织使合金具有不同的力学性能。固态合金中的相，按其晶格结构的基本属性来分，可以分为固溶体和化合物两类。2.5二元合金的晶体结构

20

溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金相称为固溶体。按照溶质原子在固溶体中所处的位置，固溶体又可分为间隙固溶体（见动画8）和置换固溶体（见动画9）。间隙固溶体中的溶质元素多半是原子半径较小的非金属元素；对于溶质和溶剂原子大小比较接近的元素，只能形成置换固溶体。2.5.1固溶体21动画8

间隙固溶体

动画9

置换固溶体

溶质原子溶入溶剂晶格,将使晶格发生畸变,从而使合金的强度、硬度上升（见动画10）。这种由于形成固溶体而引起强度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是强化合金的基本途径之一。如果溶质浓度适当，固溶体亦具有良好的塑性和韧性。2.5.2固溶体的性能动画10

晶格畸变22

铁碳合金是以铁和碳为基本组元的合金。一般将碳的质量分数为0.0218%～2.11%的铁碳合金称为碳钢，碳的质量分数大于2.11%的称为铸铁。2.6铁碳合金2.6.1铁碳合金基本组织

1.铁素体铁素体是碳在α-Fe中的固溶体，用符号“F”表示。其组织结构与组织形态如图3所示。23图3

铁素体(1)在727℃有最大溶解度，wC=0.0218%。

(2)强度和硬度低，韧性塑性好。力学性能如表2所示。1）铁素体的特点

2）纯铁（＜0.02%）的力学性能(如表3所示)以上性能与晶粒大小、杂质含量有关。24σb

180~280MN/m2ψ70%～80%σ0.2100～170MN/m2δ30%～50%硬度50～80HBSak1.8~2.5MJ/m2σb250MN/m2ψ85%σ0.2120MN/m2δ50%硬度80HBSak2.0MJ/m2表2

铁素体的力学性能表3

纯铁的力学性能

奥氏体是碳在γ-Fe中的固溶体，用符号“A”表示。高温奥氏体的显微组织如图4所示。奥氏体的特点：2.奥氏体25图4

奥氏体(1)在1148℃时有最大溶解度wC=

2.11%。当727℃时，wC=0.77%。

(2)其力学性能与碳含量及晶粒大小有关，硬度低塑性好，形变能力好。3.渗碳体

渗碳体是铁和碳的化合物，碳质量分数6.67%，用“Fe3C”或“Cem”表示。渗碳体的特点：硬度近800HBW、塑性几乎为零。一般认为其熔点1600℃。

1.相图分析铁碳合金相图是研究钢铁材料的成分、相和组织的变化规律以及与性能之间关系的重要工具。铁碳合金相图如动画11所示。2.6.2铁碳合金相图26动画11

铁碳合金相图1）相区区域27动画12

铁碳合金相