材料成形技术

材料成形技术第1页，共98页，2023年，2月20日，星期五

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。

目前在机械工业中应用最广的仍是金属材料，因为金属材料来源丰富，而且具有优良的力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能。金属材料的特性有：强度较高、塑性较好、导电性高、导热性好、有金属光泽等。

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高分子和陶瓷材料的某些力学性能不如金属，但具有金属材料不具备的某些特性，如耐腐蚀、电绝缘、隔音、减震、耐高温、质轻、来源丰富、价廉、成形加工容易等优点，近年发展较快。

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。

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第1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。

1.1.1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1-1a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1-1b

所示。5）晶胞。晶格的最小几何组成单元，如图1-1c所示。

第4页，共98页，2023年，2月20日，星期五6）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。如铬、钠等。

纯铁在1538℃--1394℃或912℃以下，具有体心立方晶格结构。图1-2a体心立方晶格第5页，共98页，2023年，2月20日，星期五

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1-2b。如铝，铜等。纯铁在912℃—1394℃时，具有面心立方晶格结构。

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1-2c。如镁、锌等。

图1-2b面心立方晶格图1-2c密排六方晶格第6页，共98页，2023年，2月20日，星期五1.1.2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1-3和图1-4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。

组元是组成合金的最基本的、独立的单元。组元可以是金属、非金属或化合物（如渗碳体）。合金的晶体结构大致可归纳为3类，即固溶体、金属化合物和机械混合物。第7页，共98页，2023年，2月20日，星期五

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，如图1-5所示。原子尺寸相差大，化学性质不同，都使畸变增大，结果合金的强度、硬度和电阻增高，塑性，韧性下降。溶入的溶质原子越多，引起的晶格畸变也越大。这种由于溶质原子的溶入，使基体金属（溶剂）的强度、硬度升高的现象就叫固溶强化。

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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9页，共98页，2023年，2月20日，星期五1.1.3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1-6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，反之。图1-6冷却曲线第10页，共98页，2023年，2月20日，星期五4）结晶过程。晶体形核和成长过程。如图1-7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。

图1-7结晶过程示意图第11页，共98页，2023年，2月20日，星期五5）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。

第12页，共98页，2023年，2月20日，星期五7）细晶细化。由于晶粒越细，金属材料的力学性能越好，所以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。在工业生产中，细化晶粒的方法有多种。（1）加快冷却速度，即增大过冷度，以提高自发晶核的形成率；（2）孕育处理，即向液态金属中加入某些固态质点（如稀土或钛等金属），以起到外来晶核的作用，从而达到细化晶粒的目的；（3）金属在结晶过程中进行震动或搅拌，以破碎树枝状晶体，从而增加晶核的数量；（4）对于固态下金属，某些加工方法也可以细化晶粒，如锻造加工，热处理、抛丸处理等。第13页，共98页，2023年，2月20日，星期五第2节铁碳合金（体心立方晶格）（面心立方晶格）（体心立方晶格）1.2.1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14页，共98页，2023年，2月20日，星期五2.铁素体（F）

碳溶于中的固溶体，它保持体心立方晶格结构。其显微组织如图1-15，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）

碳溶于中的固溶体，保持面心立方晶格结构。其显微组织如图1-16，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15页，共98页，2023年，2月20日，星期五6.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’。其显微组织如图1-18，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。其显微组织如图1-17，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16页，共98页，2023年，2月20日，星期五1.2.2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，如图1-19所示。

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17页，共98页，2023年，2月20日，星期五图1-19铁碳合金相图LL+AAF+AFF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+Ld’A+Fe3CIIA+Fe3CII+LdLdLd’L+Fe3CILd+Fe3CILd’+Fe3CI第18页，共98页，2023年，2月20日，星期五

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19页，共98页，2023年，2月20日，星期五6）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20页，共98页，2023年，2月20日，星期五10）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21页，共98页，2023年，2月20日，星期五1.2.3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22页，共98页，2023年，2月20日，星期五1.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1-20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%。图1-20钢的铁碳合金相图0.772.11C%第23页，共98页，2023年，2月20日，星期五2）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，其显微组织如图1-21a；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，其显微组织如图1-21b；随含碳量升高，渗碳体量增多，故硬度增加，韧性下降。图1-20钢的铁碳合金相图0.772.11C%第24页，共98页，2023年，2月20日，星期五

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）；其简化的铁碳合金相图如图1-22所示，下面分别分析其结晶过程。2.白口铸铁的结晶过程图1-22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25页，共98页，2023年，2月20日，星期五

其室温组织为珠光体加莱氏体。显微组织如图1-23a。图1-22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。显微组织如图1-23b。第26页，共98页，2023年，2月20日，星期五1.2.4铁碳合金相图的应用

1）在铸造中的应用。根据相图可以知道各种成分的钢和铸铁的结晶温度，可确定合金的浇注温度，知道合金的凝固温度范围，判断流动性以及缩孔、缩松的倾向。共晶成分的合金，结晶温度较低，偏析较小，流动性好，因而铸造合金的成分常选用接近共晶成分。

2）在锻造中的应用。钢中有奥氏体组织时，塑性好，变形是抗力低，便于塑性变形，故常选择单相奥氏体区域的适当温度范围。

3）在热处理中的应用。相图反映了不同成分的合金在缓慢加热或冷却时，所发生的组织转变温度，是制订热处理工艺的依据。第27页，共98页，2023年，2月20日，星期五思考题：1.何谓奥氏体、铁素体、渗碳体、珠光体、莱氏体，它们的性能如何？2.试简述铁碳合金状态图中C点、S点、ECF线、PSK线、ES线和GS线的物理含义。3.试分析含碳0.4%C、0.77%C、1.0%C、3.0%C、4.3%C和5.0%C的合金在极缓慢冷却时组织的转变过程，并指出其室温组织。

第28页，共98页，2023年，2月20日，星期五第3节常用工程材料1.3.1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29页，共98页，2023年，2月20日，星期五1.3.2.1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1.3.2常用金属材料1.分类第30页，共98页，2023年，2月20日，星期五3）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）按冶炼时脱氧程度的不同分类沸腾钢：不脱氧的钢；镇静钢：完全脱氧钢；半镇静钢：半脱氧钢。

5）按金相组织分亚共析钢、共析钢、过共析钢。第31页，共98页，2023年，2月20日，星期五2.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32页，共98页，2023年，2月20日，星期五1.3.2.2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33页，共98页，2023年，2月20日，星期五2）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34页，共98页，2023年，2月20日，星期五2.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。第35页，共98页，2023年，2月20日，星期五4.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0.03%时标为00，小于等于0.08%时标为0，如2Cr13。

3.合金工具钢合金工具钢牌号为数字+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，但高于1.0%时不标，高速钢例外，其低于1.0%时也不标，其余同合金结构钢，如5CrMnMo。

第36页，共98页，2023年，2月20日，星期五1.铸铁铸铁含碳量大于2.11%的铁碳合金，一般含碳量2.5%∼4.0%，含有较多的硅、锰、硫、磷等杂质。

根据碳在铸铁中的存在形态可分为：

1）白口铸铁。即生铁,碳除少量溶于铁素体外，绝大部分以渗碳体形式存在，其断口呈银白色。特点是硬和脆，难以加工，但耐磨。一般不直接用来制造机器零件，常用作炼钢原料或制造可锻铸铁件。

2）灰铸铁。碳主要以自由状态的片状石墨形态存在，如图1-24，断口为暗灰色。强度低，塑性差，但易切削，减摩消振性好，且铸造性能好，应用最广泛。

图1-24片状石墨1.3.2.3铸铁和铸钢

第37页，共98页，2023年，2月20日，星期五3）可锻铸铁。碳主要以团絮状石墨形态存在，如图1-25，因而有较高的塑性和韧性。用于受冲击和振动的薄壁小件。可锻铸铁由白口铸铁经高温退火处理获得。

图1-25团絮状石墨4）球墨铸铁。铁液在浇注前经球化处理，碳大部分或全部以自由状态的球状石墨存在，如图1-26，有时出现少量团絮状。强度、塑性均高于可锻铸铁，抗拉强度甚至高于碳钢。

图1-26球状石墨第38页，共98页，2023年，2月20日，星期五2.铸钢1）铸钢件。将钢液直接铸成零件毛坯，以后不再进行锻造的钢件。常用于要求较高而复杂的零件。

2）含碳量。铸造碳钢的含碳量在0.20%∼0.60%之间，含碳量太高则塑性差，易冷裂，硫、磷含量在0.040%以下。

3）牌号。“ZG+两组数字”表示，数字分别表示最低屈服点和最低抗拉强度的值。如ZG200-400

。第39页，共98页，2023年，2月20日，星期五1.3.3非金属材料

通常认为除金属材料以外的材料都是非金属材料，主要有高分子材料、陶瓷材料。1.塑料塑料以有机合成树脂为主，加入适量的添加剂，在一定温度和压力作用下加工成形的玻璃态高分子材料。

塑料的组成：合成树脂和某些添加剂。

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树脂：它是低分子化合物经聚合反应形成的高分子化合物，是塑料的主要成分。其种类、性质、含量等对塑料的性能起决定作用。塑料多以树脂来命名。

添加剂：是在塑料中，有目的加入的某些固态物质，以弥补树脂自身性能的不足。

1）填料，为增加塑料的强度而加入的，如木粉、高岭土、石墨等。

2）增塑剂，使大分子链的距离拉开，降低分子间的作用力，增加柔顺性，如甲酸酯类化合物。

3）固化剂，在高聚物中生成横跨链，使分子交联，树脂由线型结构变成体型结构，如乙二胺。

4）稳定剂，又称防老化剂，一般加入量在千分之几，防止过早老化的作用，如硬脂酸钙。第41页，共98页，2023年，2月20日，星期五5）其它，按性能要求加入一定量的润滑剂、染料、发泡剂、阻燃剂等。

塑料的分类：

1）按热性能分为热塑性塑料和热固性塑料。

热塑性塑料：加热软化，可熔成粘稠状的液体，冷却时硬化成所需的形状。再加热时又重新软化。如聚氯乙烯，聚酰胺等。

热固性塑料：树脂受热先软化，继续加热又硬固化，大分子由线型结构变成体型网状结构，固化后加热则不再软化。如酚醛塑料。

2）按应用范围分：通用塑料、工程塑料、特种塑料。

第42页，共98页，2023年，2月20日，星期五2.橡胶橡胶是指在很宽的温度范围（-50∼1500C），均处于高弹态，在很小的力作用下可发生很大的弹性变形，外力去除后能瞬间恢复原来的状态的经过硫化，并加入了配合剂的高分子材料。

橡胶的组成：生产中把未经硫化的天然胶与合成胶称为生胶，硫化后的胶称为橡胶。为提高橡胶制品的性能，常添加各种配合剂。

第43页，共98页，2023年，2月20日，星期五

1）硫化剂。使生胶分子相互交联成为网状结构，天然橡胶中常加硫磺，合成橡胶则还要加入过氧化物及金属氧化物。

2）促进剂。常选用有机化合物，以缩短硫化时间，降低硫化温度。

3）软化剂。常选用硬脂酸，精制蜡、凡士林等，增加橡胶的塑性，改善粘附力，降低硬度和提高耐寒性。

4）补强剂。常选用碳黑、白碳黑，以提高强度，硬度，增强耐磨性。

橡胶的分类：按来源分为天然橡胶和合成橡胶两大类。

常用橡胶有：天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶。特种橡胶有：聚胺脂橡胶、硅橡胶等。

第44页，共98页，2023年，2月20日，星期五3.陶瓷

陶瓷是陶器和瓷器的总称，发展到近代泛指全部硅酸盐材料，而现代则扩展到所有无机非金属材料。它与金属材料，高分子材料构成三大固体材料。

陶瓷是由金属元素和非金属元素的化合物构成的多晶材料，其显微组织是由晶相、玻璃相、气相组成的。

陶瓷生产工艺特点：先成形，后烧结。如传统陶瓷选用天然原料，粘土，高岭土等，经粉碎，成形，干燥，烧结而成。

第45页，共98页，2023年，2月20日，星期五

常用工业陶瓷的分类：

1）普通陶瓷。粘土类陶瓷，以高岭土、长石、石英为原料制成，产量大，应用广，如日用陶瓷、瓷器，建筑业等。2）氧化铝陶瓷。以Al2O3位主要成分的陶瓷，也称高铝陶瓷。其熔点高，耐高温，并有较高的强度、硬度及耐磨性，但脆性大。用于制造耐高温材料、刀具材料和电绝缘材料。

第46页，共98页，2023年，2月20日，星期五3）碳化硅陶瓷。以碳化硅为主要成分的陶瓷。具有优异的高温强度，良好的热稳定性、耐磨性、耐蚀性及抗蠕变性。主要用于制造热电偶套管、炉管、火箭喷嘴、高温轴承、热交换器、砂轮、磨料等。4）氮化硅陶瓷。以氮化硅为主要成分的陶瓷。稳定性极强，除氢氟酸外，能耐各种酸、碱的腐蚀，具有良好的耐磨性，摩擦系数和热膨胀系数小，具有自润滑性。用于制造耐磨、耐腐蚀、耐高温、绝缘及切削刀具等。第47页，共98页，2023年，2月20日，星期五第4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1-29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48页，共98页，2023年，2月20日，星期五1.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1-30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、、表时加热时偏离的相变温度。用、、表示冷却时偏离的相变温度。

图1-30加热（冷却）时相变温度1.4.1热处理过程中的组织转变CFe-Fe3第49页，共98页，2023年，2月20日，星期五2.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50页，共98页，2023年，2月20日，星期五3）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51页，共98页，2023年，2月20日，星期五3.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。

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52页，共98页，2023年，2月20日，星期五

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1-31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图1-31共析钢等温转变图第53页，共98页，2023年，2月20日，星期五

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。图3-3共析钢等温转变图1）高温转变（珠光体转变）。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54页，共98页，2023年，2月20日，星期五亦称托氏体，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）。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。

图1-31共析钢等温转变图第55页，共98页，2023年，2月20日，星期五

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。图1-31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56页，共98页，2023年，2月20日，星期五1.4.2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，以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57页，共98页，2023年，2月20日，星期五

退火的分类：各种退火、正火加热温度及工艺曲线如图1-32所示。图1-32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，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，使钢中二次渗碳第58页，共98页，2023年，2月20日，星期五体和珠光体中的片状渗碳体球状化，以降低硬度提高韧性，改善切削加工性能。图1-32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、焊接等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，只消除内应力，减少变形，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59页，共98页，2023年，2月20日，星期五2.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；

2）对低碳钢或低碳合金钢，可提高硬度，改善切削加工性；

3）对于过共析钢或工具钢，可减少二次渗碳体，并使其不呈连续网状碳化物，便于球化退火。

第60页，共98页，2023年，2月20日，星期五3.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。淬火可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，得到细小的马氏体和小颗粒的渗碳体组织。

第61页，共98页，2023年，2月20日，星期五2）淬火冷却方法。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1-33所示。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。

图1-33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62页，共98页，2023年，2月20日，星期五4.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，而使零件尺寸变化，并存在内应力，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63页，共98页，2023年，2月20日，星期五

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64页，共98页，2023年，2月20日，星期五5.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65页，共98页，2023年，2月20日，星期五1）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。如图1-34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1-35所示。

图1-34火焰加热表面淬火示意图图1-35感应加热表面淬火示意图第66页，共98页，2023年，2月20日，星期五

为了合理地使用和加工金属材料，必须了解其使用性能和工艺性能。

第5节工程材料的性能

使用性能：指各个零件或构件在正常工作时金属材料应具备的性能，它决定了金属材料的应用范围、使用的可靠性和寿命。包括力学性能、物理性能、化学性能。

工艺性能：指金属材料在冷、热加工过程中应具备的性能，它决定了金属材料的加工方法。包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。1.5.1金属材料的性能第67页，共98页，2023年，2月20日，星期五

金属材料的刚度、强度、弹性、塑性是通过拉伸实验来测定的，标准试样如图1-8所示，把试样安装在拉伸试验机上，并对试样施加一个缓慢增加的轴向拉力，试样产生变形，直至断裂。

力学性能（机械性能）：指金属材料具有的抵抗一定外力作用而不被破坏的性能。金属材料的力学性能主要有：刚度、强度、弹性、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧度和疲劳强度等。

1.5.1.1金属材料的力学性能图1-8圆形拉伸试样第68页，共98页，2023年，2月20日，星期五

拉伸曲线：以低碳钢为例，其拉伸曲线如图1-9所示，负荷为纵坐标，绝对伸长量为横坐标。图1-9低碳钢拉伸曲线1.强度

拉伸曲线oe段是直线，金属材料处在弹性变形阶段，应力与应变成正比例关系，服从虎克定律，其比值称弹性模量，是衡量材料抵抗弹性变形能力的指标。

1）弹性极限。金属材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值，单位MPa

。即试样发生完全弹性变形的最大载荷（N）；试样的原始横截面积（mm2）。式中第69页，共98页，2023年，2月20日，星期五2）抗拉强度。当负荷继续增加超过s点后，变形量随着负荷的增加而急剧增加，当负荷超过b点，变形集中在试样的某一部位上，试样在该部位出现缩颈现象，拉伸变形集中在缩颈处。继续施加负荷，试样在k点断裂。材料断裂前所承受的最大应力，即为抗拉强度（强度极限），它也是试样能够保持均匀塑性变形的最大应力。

试样被拉断前所承受的最大载荷（N）；试样的原始横截面积（mm2）。式中第70页，共98页，2023年，2月20日，星期五3）屈服点

。开始产生屈服现象时的应力称为屈服点，其含义指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力，也即材料抵抗微量塑性变形的能力。

条件屈服极限：有些塑性较低的材料没有明显的屈服点，难于确定产生塑性变形的最小应力。故规定当试样产生0.2%的塑性变形时所对应的应力作为材料开始产生明显塑性变形时的屈服强度，称为条件屈服极限。

零件设计时对塑性材料采用屈服强度；脆性材料采用抗拉强度。

试样发生屈服时的载荷（N）；试样的原始横截面积（mm2）。式中第71页，共98页，2023年，2月20日，星期五2.塑性塑性指金属材料在静载荷作用时，在断裂前产生塑性变形的能力，反映材料塑性的力学性能指标有延伸率和断面收缩率。1）延伸率。指试样拉断后其标距长度的相对伸长值。即

2）断面收缩率。指试样拉断后缩颈处横截面积的最大相对收缩值。

试样断裂后的标距长度；试样的原始标距长度；式中试样断裂出的最小横截面积；试样的原始横截面积；式中第72页，共98页，2023年，2月20日，星期五3.硬度硬度指金属材料抵抗外物压入其表面的能力，也是衡量金属材料软硬程度的一种力学性能指标。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

1）布氏硬度HBS(HBW)。布氏硬度是在布氏硬度计上进行测量的，用一定直径的钢球或硬质合金球为压头，以相应的实验力压入试样表面，保持规定的时间后，卸除实验力，在试样表面形成压痕，以压痕球形表面所承受的平均负荷作为布氏硬度值，如图1-10示。

图1-10布氏硬度实验原理图实验力（kgf）；球体直径（mm）；压痕平均直径（mm）。式中第73页，共98页，2023年，2月20日，星期五

在做布氏试验时，只需测量出d值即可从有关表格上查出相应的布氏硬度值。压头为钢球时，为HBS，适用于布氏硬度450以下的材料；压头为硬质合金球时，为HBW，适用于布氏硬度650以下的材料。优点：测量结果准确，缺点：压痕大，不适合成品检验。

2）洛氏硬度。洛氏硬度是用压头压入的压痕深度作为测量硬度值的依据,如图1-11所示。可以直接从洛氏硬度计的表盘上读出，它是一个相对值，人们规定每0.002mm压痕深度为一个洛氏硬度单位。洛氏硬度用HRA、HRB和HRC来表示。HRC采用顶角为120°的金刚石圆锥体为压头，施加150kgf的外力，主要用于淬火钢等较硬材料的测定，常用硬度值为20-67HRC；HRA采用外加载荷为60kgf，用于测量高硬度薄层，常用硬度值为70-85HRA；HRB采用直径1.588mm的钢球，100kgf的外加载荷，用于硬度较低的材料，常用硬度值为25-100HRB。优点：测量迅速简便，压痕小，可在成品零件上检测。第74页，共98页，2023年，2月20日，星期五3）维氏硬度HV。测试的基本原理与布氏硬度相同，但压头采用锥面夹角136°的金刚石正四棱锥体，维氏硬度试验所用载荷小，压痕深度浅，适用于测量零件薄的表面硬化层的硬度。试验载荷可任意选择，故可测硬度范围宽，工作效率较低。4.疲劳强度1）交变应力（周期性应力）。应力的大小、方向周期性变化。有对称周期性应力和非对称周期性应力。2）疲劳。构件在低于屈服强度的交变应力作用下，经过较长时间工作而发生突然断裂，而无明显的塑性变形的现象。第75页，共98页，2023年，2月20日，星期五3）疲劳曲线。反映承受的交变应力与断裂前的应力周期次数间的关系曲线，如图1-12所示。图1-12疲劳曲线4）疲劳极限。由图1-12可见，应力愈高，循环次数愈少，反之亦然。当应力低到一定值时，循环次数无穷大，表示材料可经无限次应力循环而不失效；此应力即为疲劳强度（疲劳极限）。对称弯曲疲劳极限用表示；无限次当然不是数学上的无穷大，只是一个很大的数而已，对于钢铁材料为107，有色金属材料为108

。第76页，共98页，2023年，2月20日，星期五5.冲击韧度

指金属材料抵抗冲击负荷的能力，可用摆锤冲击试验机来测定金属材料的冲击值。如图1-13，1-14所示。冲击韧度值可用下式计算。冲击韧度（J/cm2）

；冲击吸收功（J）；摆锤重量（N）；摆锤抬升高度（m）；摆锤冲击后的高度（m）；试样缺口底部处横截面积（cm2）。式中第77页，共98页，2023年，2月20日，星期五

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。

1.5.1.2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。

1.5.1.3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78页，共98页，2023年，2月20日，星期五1）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79页，共98页，2023年，2月20日，星期五

非金属材料的基本性能包括物理性能、力学性能、与水有关