第一章工程材料(机械制造基础)

第1章

工程材料Chapter1EngineeringMaterials

A380客机约25%由高级减重材料制造,其中,22%为碳纤维混合型增强塑料

(CFRP),3%为首次用于民用飞机的GLARE纤维-金属板。

本章内容1.1工程材料概述1.2机械制造与材料选择简介1.3金属材料简介1.4晶体的结构1.5金属的结晶1.6二元合金晶体结构1.7铁碳合金1.8钢铁材料1.9钢的热处理1.10有色金属1.11其它材料1.1工程材料概述

1.1.1

材料是人类生活生产的物质基础“神舟”四号飞船成功返回涡轮喷气发动机

1.1.2

材料是人类进步的重要里程碑材料是人类社会进步的的里程碑，人类的发展史也是材料的发展史。

石器时代利用天然材料制作的工具

青铜器时代制造的工具和生活用品，具有精制的图案

象形尊(西周)埃菲尔(Eiffel)铁塔1889年建造324米高用金属7300吨

钢铁时代，人类文明突飞猛进

半导体时代的到来，让我们感受到了五彩的斑斓世界龙芯没有半导体材料的工业化生产，就没有今天的数字化生活

现代结构材料的出现，我们做到了“上天入地”在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片飞机发动机叶片波音客机

1.1.3中华民族在为材料的发展和应用作出过重大贡献早在公元前6000~5000年的新石器时代，中华民族的先人就能用黏土烧制成陶器，到东汉时期又出现了瓷器，并流传海外。

我国陶瓷历史源远流长，“China”就是“瓷器”的意思

4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商

时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。

司母戊鼎河南安阳晚商遗址出土青铜铸造高133厘米重875kg饰纹优美越王勾践宝剑春秋晚期越国青铜兵器出土于湖北江陵楚墓长55.7厘米千年不锈剑锷锋芒犀利锋能割断头发

春秋时期，我国炼铁、锻造和热处理技术达到较高水平。

鞍钢攀钢夜景新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地。钢产量由1949年的15.8万吨上升到现在的4亿吨。中国第一颗人造卫星长征火箭大家族中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸

原子弹、氢弹的爆炸，卫星、飞船的上天等说明了我国在材料的开发、研究及应用等方面有了飞跃的发展。

1.1.4

人类对材料的认识是逐步深入的灰铸铁的显微组织光学显微镜Pb-Sn共晶组织1.1863年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。2.1912年发现了X-射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识从最初的假想到科学的现实。

Si表面的重构图象X-射线衍射仪3.1932年发明了电子显微镜，把人们带到了微观世界的更深层次（10-7m）。透射电子显微镜

扫描电子显微镜

光镜下电镜下4.1934年位错理论的提出，解决了晶体理论计算强度与实验测得的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料的力学性能及设计高强度材料具有划时代的意义。

金属钛中的位错

1.1.5工程材料分类1.按经济部门分：土木建筑材料、机械工程材料、电子材料、航空航天材料、医学材料等2.按材料的功能分：结构材料、功能材料3.按组成与结合键分：金属材料：黑色金属和有色金属高分子材料：塑料、橡胶和合成纤维陶瓷材料（无机非金属材料）：传统陶瓷和功能陶瓷复合材料：金属基、高分子基和陶瓷基复合材料

1.2.1应用科学家和工程师都用到材料,必须了解材料的性能和行为特征。如汽车用材料：1.2机械制造与材料选择简介steel1530kgzinc26kgplastic55kgrubber60kglead15kgaluminum30kgglass52kgCastiron350kgcopper16kg钢铁、玻璃、塑料、橡胶等。仅钢材有2000多种不同种类、型号品种。制造一个特定零件，应根据什么原则选择材料呢？如隐形战机材料：

①内部机构材料：铝合金为主、一定比例复合材料、少量的钢和钛合金。

②蒙皮材料：透波复合材料。

③涂层材料：吸波涂层/覆层。

如变速齿轮材料：

①须易机械加工；

②表面要有足够的耐磨性；

③芯部要有足够韧性及冲击性。

1.2.2机械制造中材料选择不当将对造成毁灭性的打击TITANIC1.TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关!!!哥伦比亚号航天飞机失事2.美国哥伦比亚号号航天飞机爆炸是因机身热涂层材料撞击脱落造成3.美国挑战者号航天飞机爆炸的主要原因是燃料舱的O形环失效

费曼博士用实验证明橡胶O形环在冰水的浸泡下发生脆性行为，已经失效2.加工工艺与材料性能性能对加工过程很重要。特硬材料打坏刀刃，软材料“粘住”锯条、砂轮。高强度材料尤脆性材料不适合塑性形变。加工对性能有影响。如：金属丝拉拔直径减小，本身强化和变硬（材料形变，内部结构发生变化，性能也跟着变化）。1.2.3机械加工中的材料选择1.材料的本身特性

首先考虑强度、导电性或导热性，密度及其它性能。然后考虑材料加工性能和使用行为(可成型性、机械加工性、电稳定性、化学持久性及辐照行为)。最后考虑成本和材料来源。3.材料的使用行为

成品材料有一套满足设计要求的性能—强度、硬度、导电性、密度等。使用过程材料内部结构没变化，将永远保持这些性能。

橡胶在环境中会否逐渐老化？金属在低温下是否能保持常温性能？金属在周期性载荷作用下产生疲劳？

1.3金属材料简介

1.3.1金属材料分类黑色金属(钢铁金属)有色金属(非铁金属)1.金属材料

碳钢合金钢铸铁铜铝镁钛，等2.区分不同的金属材料（镁、铜、铁和钛）？（？）（？）（？）（？）

1.3.2金属材料特点1、以金属键结合为主；

高分子材料和陶瓷的结合键？2、良好的导电性、导热性；

常温导电性能最好的材料：银和铜

低温下导电性能好的材料：？3、良好的延展性；3、用量最大、应用最广泛。用量最大的金属材料：钢铁和铝。金属键Maxelongation,191.5%镁的拉伸延伸率1.4晶体结构

1.4.1晶体与非晶体晶体原子排列示意图

非晶体原子排列示意图

晶体：原子在三维空间排列有规律非晶体：原子是杂乱无章的堆积在一起无规律可循固态物质

在自然界中，除普通玻璃、松香、石蜡等少数物质以外，包括金属和合金在内的绝大多数固体都是晶体。1.晶体的空间点阵和晶系：(1)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。(2)晶胞:

晶格的最小几何组成单元。2.金属的晶体结构三种常见金属的晶体结构：体心立方，面心立方和密排六方。(1)体心立方晶格的晶胞如图所示。

在晶胞的八个角上各有一个金属原子，构成立方体。在立方体的中心还有一个原子,所以叫作体心立方晶格。属于这类晶格的金属有铬、钒、钨、钼和α-铁等。

(2)面心立方晶格的晶胞如图所示。在晶胞的八个角上各有一个原子，构成立方体。在立方体的六个面的中心各有一个原子，所以叫做面心立方晶格。属于这类晶格的金属有铝、铜、镍、铅和-铁等。

(3)密排六方晶格的晶胞如图所示。在晶胞的十二个角上各有一个原子，构成六方柱体。上下底面中心各有一个原子。晶胞内部还有三个原子，所以叫做密排六方晶格。属于这类晶格金属有铍、镁、锌、-钛和β-铬等。

1.4.2实际金属结构(1)单晶体与多晶体单晶体：晶体内部的晶格位向是完全一致。多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。晶粒晶界(2)晶格缺陷Ⅰ、点缺陷Ⅱ、线缺陷

Ⅲ、面缺陷1.5金属的结晶

金属由液态转变为固态晶体的过程称为结晶。ºCT0

L

ab

S0a：结晶开始点b：结晶终了点t纯金属的冷却曲线（理想状态）ºC

LT0T1S0tT0：理论结晶温度T1：实际结晶温度T=T0--T1(过冷度)纯金属的冷却曲线（实际）

1.5.1结晶的概念

1.5.2结晶过程

原子团

形核

晶核长大

小晶粒

晶粒（外形不规则小晶体）形核：自身晶核、外来晶核晶核长大方式：树枝状方式晶界—晶粒间的分界面；纯金属结晶过程示意图

1.5.3晶粒大小的控制

金属晶粒的粗细对金属力学性能影响很大，一般说，同一成分的金属晶粒越细，其强度越高，硬度也越高，塑性、韧性也越好。晶核越多，晶粒越细。（细晶强化）增加冷却速度，如增大过冷度；增加外来晶核，如加入变质剂;

（注意：变质和孕育的区别）采用机械、超声波振动、电磁搅拌等；Hall-Petch关系式

1.5.4金属的同素异构转变某些固态金属,在不同温度范围内将呈现出不同的晶格形态，这种现象称为同素异晶转变。

具有同素异构转变特性的常见金属有：Fe,Co,Sn和Mn等元素。1538cº1394ºc912ºc室温δ-Feγ-Feα-Fe体心立方面心立方体心立方1.6合金的晶体结构

合金：由两种或两种以上的元素通过熔炼后所获得的新的物质仍然具有金属特性。(Alloy)（如黄铜是铜和锌的合金，青铜是铜和锡的合金。）组元：组成合金的基本元素。一般指化学元素，但稳定的化合物也可以看成是一个组元。(Component)（如铜和锌是黄铜的组元）相：是指合金中成分、结构均相同的组成部分，并与其他部分以界面分开的均匀组成部分。(Phase)（水和油混在一起有几个相？）

组织：泛指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相构成的总体。

1.6.1

合金的相：可分为固溶体和金属化合物两大类。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。分为置换固溶体和间隙固溶体。(2)化合物：溶质含量超过固溶体的溶解度时，将析出新相；若新相的晶格结构不同于任一组元，形成化合物。

金属化合物一般具有复杂的晶格，且和各组元的晶格不相同，其性能特征是硬而脆。例如，渗碳体Fe3C是金属化合物，硬度极高800HBS可以划玻璃，塑性韧性极低，伸长率和冲击韧性近于零。渗碳体是强化相，其组织呈片状、球状、网状等不同形状，渗碳体的数量、形态、和分布对钢的性能影响很大。铁碳合金由于其资源广泛、冶炼方便、价格低廉、性能优越，在工业生产中广泛使用。1.6.1

Fe-C合金基本组织铁素体：碳溶于-Fe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。1.7Fe-C合金(2)奥氏体：碳溶于-Fe中的固溶体，保持面心立方晶格构。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。(3)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。(4)珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物。显微组织珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体间。

(5)莱氏体：高温莱氏体(727℃以上)，奥氏体和渗碳体的机械混合物；低温莱氏体(727℃以下)，珠光体和渗碳体的机械混合物。概念：表示铁碳合金在不同成分和温度下的组织、性能以及它们之间相互关系的图形。又称铁碳合金相图或铁碳合金平衡图。是通过实验的方法建立起来的。作用：是研制新材料，制定合金熔炼、铸造、压力加工和热处理等工艺的重要工具。

1.7.2Fe-C合金相图Fe-C相图ACD线—液相线：不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。AECF线—固相线：各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止线。ECF水平线—共晶线：含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线时，在1148℃由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共晶反应。PSK水平线—共析线(A1线)：含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此线时，在727℃同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应。GS线—(A3线)：是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。ES线—Acm线：是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。

1.7.3Fe-C合金分类根据含碳量的不同，铁碳合金可分为工业纯铁，碳钢和生铁三大类：第一类：工业纯铁：含碳量小于0.0218%的铁碳合金；第二类：钢：含碳量小于2.11％的铁碳合金钢；按室温组织不同又可分为三类，以0.77％为界：*亚共析钢——含碳量＜0.77％*共析钢——含碳量＝0.77％*过共析钢——含碳量＞0.77％第三类：铸铁，即生铁：含碳量为2.11％～6.69％的铁碳合金，按室温组织的不同，分为三类：*亚共晶铸铁——含碳量＜4.3％*共晶铸铁——含碳量＝4.3％*过共晶铸铁——含碳量＞4.3％

1.7.4Fe-C合金结晶过程和组织转变（1）共析钢（T8钢）

1点以上L1～2L＋A2～3A

3点A→P3点以下P室温组织:P室温组织：F+P亚共析钢的结晶过程

1点以上L1～2L＋δ2～3A+L3～4A4~5A+F5点A→P5点以下P+F（2）亚共析钢(45钢）室温组织：P+Fe3C（网状）过共析钢的结晶过程

1点以上L1~2L+A2~3A3~4A+Fe3CII4点A→P4点以下P+Fe3CII（3）过共析钢（T10）（4）共晶白口铁（5）亚共晶白口铁（6）过共晶白口铁1.7.5碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响和铁碳合金相图的应用(1)碳的质量分数对平衡组织、力学性能的影响

(2)碳的质量分数对工艺性能的影响

①切削加工性

金属的切削加工性能是指其经切削加工成工件的难易程度。

低碳钢中F较多，塑性好，切削加工时产生切削热大，易粘刀，不易断屑，表面粗糙度差，故切削加工性差。

高碳钢中Fe3C多，刀具磨损严重，故切削加工性也差。

中碳钢中F和Fe3C的比例适当，切削加工性较好。

一般认为钢的硬度在170HBW～250HBW左右时，切削加工性较好。高碳钢Fe3C呈球状时，可改善切削加工性。②铸造性能合金的铸造性能取决于相图中液相线与固相线之间的距离。距离越大，合金的铸造性能越差。低碳钢的液相线与固相线距离很小，则有较好的铸造性能，但其液相线温度较高，使钢液过热度较小，流动性较差。随着碳的质量分数增加，钢的结晶温度间隔增大，铸造性能变差。

共晶成分附近的铸铁，不仅液相线与固相线的距离最小，而且液相线温度也最低，其流动性好，铸造性能好。③可锻性金属可锻性是指金属压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。当钢加热到高温得到单相A组织时，可锻性好。低碳钢中铁素体多可锻性好，随着碳的质量分数增加金属可锻性下降。白口铸铁无论在高温或低温，因组织是以硬而脆的Fe3C为基体，所以不能锻造。

④可焊性随着钢中的碳的质量分数增加，钢的塑性下降，可焊性下降。所以，为了保证获得优质焊接接头，应优先选用低碳钢（碳的质量分数＜0.25％的钢）。一般不用碳的质量分数大于0.5％的钢，因为可焊性差，如果要用，应采取必要的焊接工艺措施。1.8钢铁材料分类金属材料分类黑色金属(钢铁金属)有色金属(非铁金属)金属材料

碳钢合金钢铸铁铜铝镁钛，等1.8.1碳钢的分类按含碳量分低碳钢

<0.25%C

中碳钢0.25-0.6%C,高碳钢>0.6%C按质量分(含S，P多少分)普通钢S<=0.050%,P<=0.045%优质钢S，P<=0.035%高级优质钢S，P<=0.03%

按用途分碳素结构钢碳素工具钢

>0.6%C（一）不同分类方法

（二）碳钢的编号和用途

（1）普通碳素结构钢牌号：Q+三位数，数字表示屈服强度，单位Mpa。如：Q195Q235Q215应用于受力不大的场合：如工程结构

（薄钢板，钢筋，钢管等）建筑结构要求不太高的机械零件（螺钉，螺栓，手柄，小轴）（2）优质碳素结构钢牌号：两位数字表示，表示含C量的万分之几，有08，15，20，25，……75，80，85等牌号0810152025:

强↓塑↑应用：

冲压件，焊件（用来制造螺钉、螺母、垫圈等）冲压件3035404550：

强↑硬↑

应用：调质后有良好的综合机械性能。（用作轴、连杆、丝杠、键，齿轮等。）轴连杆丝杠齿轮55606570758085

：强↑硬↑塑↓应用：热处理后有良好的弹性。（用作耐磨件，弹簧、轧辊、钢丝绳等）弹簧钢丝绳（3）碳素工具钢牌号：T+一位（或是两位）数字，数字表示含C量的千分之几。如：T7T8

T9T10T12T13应用：T7-T8：中等硬度，高韧性。(冲头、凿子、锻造工具、锤子)T9-T11：高硬度、中等韧性。(钻头、丝锥、钢锯条、小冲模)T12-T13：高硬度、耐磨性，韧性低。(量具、锉刀、刮刀)锉刀锤子钢锯条

1.8.2铸铁的分类根据碳在铸铁中存在形式不同，可分三大类：（1）白口铸铁（2）灰口铸铁（3）麻口铸铁C的存在形式：渗碳体(Fe3C)，断口为白色。性能硬而脆，难以切削加工。主要用作炼钢原料，高耐磨零件（如轧辊、犁铧等）。

C的存在形式：石墨，断口为灰黑色。

C的存在形式：石墨+渗碳体，断口为黑白色。灰铸铁是铸造性能最好，应用最广泛的铸铁材料。性能：脆性大，很少使用。根据石墨在铸铁中存在形态，可分为：①普通灰铸铁：石墨呈片状②可锻铸铁：石墨呈团絮状④蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状③球墨铸铁：石墨呈球状（2）灰口铸铁HT+三位数字，数字表示最低抗拉强度。牌

号铸

件

壁

厚

/mm用

途

举

例2.5～1010～2020～3030～50HT1001301009080重锤、防护罩、盖板等HT150175145130120机座、支架、箱体、法兰、泵体、缝纫机件、阀体等HT200220195170160气缸、齿轮、机床床身、飞轮、底架、中等压力阀阀体等HT250270240220200机体、阀体、油缸、床身、凸轮、衬套等HT300—290250230齿轮、凸轮、剪床、压力机床身、重型机械床身等HT350—340290260①普通灰铸铁：石墨呈片状铁素体可锻铸铁以“KT”表示，珠光体可锻铸铁以“KTZ”表示。其后的两组数字表示最低抗拉强度和延伸率。

②可锻铸铁：石墨呈团絮状③球墨铸铁：石墨呈球状用“QT”标明，其后两组数值表示最低抗拉强度和延伸率。牌号基体b(MPa)0.2(MPa)5(%)HB应用举例QT400-17铁素体40025017≤179汽车、拖拉机床底盘零件；16-64大气压阀门的阀体、阀盖QT420-10铁素体42027010≤207QT500-5铁素体+球光体5003505147～241机油泵齿轮QT600-2球光体60042022297～302柴油机、汽油机曲轴；磨床、铣床、车床的主轴；空压机、冷冻机缸体、缸套QT700-2球光体70049022297～302QT800-2球光体80056022417～321④蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状

强度接近球墨铸铁，并且有一定的韧性、较高的耐磨性；同时又有和灰口铸铁一样的良好的铸造性能和导热性。

蠕墨铸铁以“RuT”表示，其后的数字表示最低抗拉强度。

RuT300、RuT420

如：蠕墨铸铁已成功地用于高层建筑中高压热交换器、内燃机汽缸和缸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸件。

排气管

进气管

合金钢：在碳素钢中添加一些合金元素而炼制的一类钢，以改善碳素钢的性能。

合金元素加入钢后，通常使钢的强度，硬度增加，合金元素超过一定量时，可能使韧性下降。为什么要发展合金钢？因为碳钢不能满足要求。

1.8.2合金钢的分类（一）不同的分类方法分（1）按用途分为：合金结构钢（建筑、桥梁、船舶、锅炉、机械零件）合金工具钢（刃具、量具、模具）特殊性能钢（不锈钢、耐热钢、耐磨钢）（2）按合金元素的总含量分为:低合金钢（WMe＜5％）中合金钢（WMe

＝5%～10%）高合金钢（WMe

＞10％）（3）按钢的金相组织分为：铁素体钢奥氏体钢马氏体钢珠光体钢贝氏体钢。（二）合金钢典型牌号（1）合金结构钢（普通低合金，合金渗碳，调质结构钢等）

如：16Mn，20Cr，40MnB，30CrMnSiA牌号：数字+元素符号+数字，数字表示含碳万分之几；符号表示合金元素,

符号后面数表示含合金%,<1.5%不标；若为高级优质钢，后加A。桥梁、船舶16Mn20CrMnTi齿轮曲轴40MnB，30CrMnSiA（2）合金工具钢（合金刃具钢，量具钢和模具钢）

如：9SiCr，9Mn2V，W18Cr4V（高碳，高合金）牌号：数字+元素符号+数字，数字为一位数，含C千分之几，含C>=1.0%不标。铣刀千分尺模具钢W18Cr4V9SiCr冷作模具：9Mn2V热作模具：5CrMnMo（3）特殊性能钢

包括不锈钢，耐热钢，耐磨钢，磁钢等。如：2Cr13，1Cr18Ni9，0Cr18Ni11Ti，00Cr17Ni14Mo2等牌号：钢牌号前面数字表示碳质量的千分数，其它元素标注与合金结构钢相同当碳的质量分数Wc≤0.03％及Wc≤0.08％时，则在牌号前面分别冠以“00”及“0”表示。不锈钢剪刀2Cr13耐磨钢轨坦克履带ZGMn13ZGMn131.9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。

基本过程：热处理的三个阶段：加热、保温、冷却。保温临界温度冷却时间加热零件经适当热处理后，可以提高强度和硬度，增强耐磨性或改善塑性，切削加工性等。

1.9.1钢在加热时的组织转变共析钢加热到Ac1时,发生珠光体向奥氏体转变。

奥氏体的形成是通过形核与长大过程来实现的，其转变过程分为三个阶段，如图所示。第一阶段是奥氏体的形核与长大第二阶段是残余渗碳体的溶解第三阶段是奥氏体成分均匀化

1.9.2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。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。

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。

1.9.3常用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。

退火：是将钢加热到适当的温度，保温一定时间，随炉缓慢冷却的一种热处理工艺。①降低硬度，便于进行机加工；②细化晶粒，提高塑性和韧性；③消除应力。(1)退火退火目的：退火类型：根据钢的成分、退火工艺与目的不同，退火常分为完全退火、球化退火、等温退火、均匀化退火、去应力退火和再结晶退火等，如图所示。工艺曲线示意图加热温度范围①

完全退火(P+F)加热到Ac3以上30～50℃，保温后随炉冷到600℃以下，再出炉空气冷却。目的：细化晶粒，消除应力，降低硬度，便于切削加工。

亚共析钢加热到Ac3以上，共析钢加热到Ac1以上20-30℃，保温后快速冷却到稍低于Ar1的温度后进行等温处理，使A转变为P,再在空气中冷却。目的：与完全退火相同，时间可缩短一半，适于大批生产。②等温退火③球化退火(球状P）

将过共析钢加热到Ac1以上20～30℃，保温后随炉冷到700℃左右，再出炉空气冷却。目的：使渗碳体球化，降低硬度，改善切削加工性。将钢加热到500～650℃,保温后随炉冷却。目的：消除残余应力,提高工件的尺寸稳定性。④去应力退火（组织不变）⑤再结晶退火在再结晶温度以上的退火，不发生同素异构转变。目的：消除加工硬化，细化晶粒。将工件加热到1100℃左右，保温10～15h，随炉缓冷到350℃，再出炉空冷。目的：使原子充分扩散，消除晶内偏析。⑥均匀化退火(2)钢的正火方法：将亚共析钢加热到Ac3以上30～50℃;过共析钢Accm以上30～50℃;保温后空冷。目的：①取代部分完全退火；②用于普通结构钢的最终热处理；③同于过共析钢，减少或消除网状二次渗碳体，为球化处理做准备。应用：①对一些大型或形状复杂的零件，淬火有开裂的危险，用正火；②对于含碳量0.3～0.5％的钢件，用正火代替退火；③含碳量低于0.3％的钢件，采用正火，能提高硬度利于切削。

正火与退火的主要区别是：正火的冷却速度较快，过冷度较大，因此正火后所获得的组织比较细，强度和硬度比退火高一些。退火后组织正火后组织(2)钢的淬火方法：在固态范围内，把钢加热到一定的温度(亚共析钢Ac3＋30～50°；共析钢及过共析钢Ac1＋30～50°)，保温一定时间，在水、油等淬火介质中快速冷却下来的一种热处理工艺。目的：获得马氏体组织，提高钢的硬度和耐磨性。应用:工具，模具，量具，滚动轴承。淬火工艺①淬火加热温度的选择

选择淬火加热温度的原则是获得均匀细小的奥氏体。温度不足，不能完全奥氏体化，有少量铁素体，使淬火后硬度不足；温度过高，奥氏体晶粒过大，也会增加脆性，使工件易裂，易变形。一般淬火加热温度在临界点以上。亚共析钢：Ac3+（30～50C）共析钢：Ac1+（30～50C）过共析钢：Ac1+（30～50C）②正确选择淬火方法由于淬火冷却介质不能完全满足淬火质量的要求，所以在热处理工艺方面还应考虑从淬火方法上加以解决。单液淬火(普通淬火)：在一种淬火介质中连续冷却至室温。（这种方法操作简单，易机械化、自动化，通常工件是形状简单的碳钢和合金钢。在水中或盐水中进行单液淬火，操作虽然简单，单液淬火变形大，如果采用油冷又难以取得淬硬的效果，这就可将油、水冷却结合起来进行如下的双液淬火）。应用：卡规、轴承、锯条等。双液淬火：

先在冷却能力较强的介质中冷却到300℃左右,再放入冷却能力较弱的介质中冷却,获得马氏体。—水淬油冷法。（双液淬火广泛应用于各种零件或工具，能得到高硬度，又能减少淬火内应力，缺点是操作难，且未能很好地改进工件表面与心部的温差这一缺点。技术还要熟练）。应用：齿轮、缸体、阀体等。分级淬火：把工件加热到淬火温度，经保温后，迅速冷却到Ms点附近，稍加停留，待工件表面和中心温度基本一致时，再取出放入油中或空气中冷却。

（这种淬火法由于在奥氏体向马氏体转变前，工件的温度经等温停留后逐渐趋于一致，使随后的组织转变得以在表层和内部同时进行，由此可大大减小淬火内应力和变形，主要应用于形状复杂、小尺寸的碳钢和合金钢。）应用：刀具、量具和要求变形小的精密工件。

等温淬火：把加热到淬火温度的工件，经保温后，放入稍高于Ms点的盐浴或碱浴中，并等温到奥氏体转变成下贝氏体后，再取出空冷。应用：形状复杂的小零件，硬度较高，韧性好，防变形、开裂。缺点：时间长。③淬透性和淬硬性淬透性：钢在淬火时具有获得淬硬层深度的能力。淬硬性：在淬火后获得的马氏体达到的硬度,它的大小取决于淬火时溶解在奥氏体中的碳含量。(4)钢的回火

定义：将淬火后的钢重新加热到Ac1以下某温度，保温一定时间，然后冷却的一种工艺。（淬火钢不经回火一般不能直接使用。）

原因是：淬火马氏体和残余奥氏体是不稳定组织；且淬火马氏体极脆；淬火工件中有很大内应力，回火后可消除内应力，降低脆性，防止产生裂纹。经回火后，将马氏体中过饱和的碳，以碳化物形式析出，析出后，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性升高。目的：①降低材料的脆性、消除内应力；②获得要求的力学性能；③稳定工件尺寸；④降低合金钢的硬度，使之易被切削。

回火种类与应用根据对工件力学性能要求不同，按其回火温度范围，可将回火分为三种。

①

低温回火

(150～250℃)

组织：回火马氏体HRC58～64。主要用于要求高硬度，高耐磨的材料零件。例如：刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳、碳氮共渗和表面淬火的零件。②中温回火（350～500℃）组织：回火屈氏体HRC35～45。应用于需要较高弹性、韧性的材料零件等。例如：弹簧、板簧、发条、冲击工具等。③高温回火(500～650℃)

组织：回火索氏体HRC15～25（HB200～250）。应用于受交变载荷作用的材料零件等。例如：轴、丝杠、齿轮、连杆等。

调质一般作为最终热处理，但也作为表面淬火和化学热处理的预先热处理。调质后的硬度不高，便于切削加工，并能获得较低得表面粗糙度值。淬火+高温回火调质处理1.10有色金属

金属材料分类黑色金属(钢铁金属)有色金属(非铁金属)1.金属材料

碳钢合金钢铸铁铝铜镁钛，等1.10.1铝及铝合金（1）工业纯铝的性能特点密度小、导电及导热性能好、抗大气腐蚀性好、塑性高、强度低、无磁性、无打击火花、加工工艺性好等。（2）常用铝合金分类形变铝合金铸造铝合金（3）常用铝合金1、变形铝合金

防锈铝（Al-Mg、Al-Mn）—LF，抗腐蚀性和塑性好，做油箱、油管、铆钉等。硬铝（Al-Cu-Mg）—LY，机械性能好，抗腐蚀性差；做螺旋桨叶片等。超硬铝（Al-Cu-Mg-Zn）—LC，强度最高，抗腐蚀性差，做飞机大梁、起落架等。锻铝（Al-Mg-Si-Cu）—LD，机械性能和锻造性能好，做锻件、模锻件等。Al-Si系铸造铝合金。铸造性好、线收缩系数小、热裂倾向小。是铸造铝合金中应用最广泛的一类。Al-Cu系铸造铝合金。有较高的强度、耐热性，但密度大、耐蚀性差，铸造性能不好。Al-Mg系铸造铝合金。耐蚀性好，强度高，密度小，但铸造性能差，耐热性低。Al-Zn系铸造铝合金。铸造性能好，强度较高，但密度大，耐蚀性较差。2、铸造铝合金

1.10.2铜和铜合金

（1）工业纯铜

密度大、导电及导热性好、抗大气腐蚀性好、塑性高、强度低、无磁性、无打击火花、加工工艺性好等。又称为紫铜。黄铜：Cu-Zn（2）铜合金的分类白铜：Cu-Ni

青铜：除黄铜和白铜以外的所有铜合金。（3）常用铜合金1.黄铜。

黄铜以锌为主要合金元素的铜基合金。它具有良好的力学性能、加工成形性、导电性和导热性，价格较低，是重有色金属中应用最广的金属材料。可分为普通和特殊黄铜两类，按加工方式分为压力加工黄铜和铸造黄铜。2.青铜。工业上常用的有锡青铜、铝青铜、铍青铜等。一般都有高的耐蚀性、较高的导电导热性及良好的切削加工性。分为压力加工青铜和铸造青铜两类。前者的代号为Q+第一个主加元素的化学符号及其名义质量分数-数字（其它合金元素的名义质量分数），如QSn4-3表示含锡4%，含锌3%，后者的代号为ZCu+合金元素1的化学符号及其名义质量分数+合金元素2及其名