汽车应用材料（第2版）PPT完整全套教学课件

汽车应用材料Automotive

application

materials

模块1金属材料的性能.ppt模块2金属的晶体结构与结晶.ppt模块3钢的热处理.ppt模块4汽车用钢铁材料.ppt模块5汽车用有色金属及其合金.ppt模块6汽车用非金属材料.ppt模块7汽车用燃料.ppt模块8汽车用润滑材料.ppt模块9汽车用工作液.ppt模块10汽车轮胎.ppt全套PPT课件1模块1金属材料的性能

任务1.1金属材料的力学性能

任务1.2金属材料的工艺性能

2模块1金属材料性能1912年，世界航海史上曾被骄傲地称为“永不沉没的巨轮”泰坦尼克号初航时，在北大西洋撞上冰山，仅仅10秒钟的碰撞，35cm厚双层船体钢板在水位线处像拉链拉开一样被撕裂，海水排山倒海般涌向船内，约2小时40分钟后，这辉煌的首航竟给它带来了葬身海底的厄运。人们不禁要问，到底是什么原因导致这场悲剧的发生？排除其他人为因素，船身的设计、材料的选择和性能无疑起着至关重要的作用。【案例引入】史上空前的海难——铁达尼号的沉没图1-1铁达尼号轮船3典型轿车构造图4任务1.1金属材料的力学性能1.1.1强度与塑性强度：金属在静载荷作用下，抵抗塑变（永久）和断裂的能力；包括：拉伸、压缩、弯曲、扭转等强度。塑性：金属在静载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力。

静载荷:载荷从0逐渐增加到max测定：拉伸强度和塑性都是通过拉伸试验测定的。5（1）设备（2）试样

拉伸试样L0=100㎜D0=10㎜（3）试样材料退火低碳钢铸铁1.拉伸试验拉伸试验机6退火低碳钢拉伸曲线铸铁拉伸曲线1.拉伸试验——（4）拉伸曲线韧性断口脆性断口7弹性变形阶段——（op、pe段）

屈服阶段——（es段）强化阶段——（sb段）

缩颈阶段——（bk段）

退火低碳钢拉伸曲线1.拉伸试验低碳钢拉伸过程中的变形阶段8（1）屈服强度——试样产生屈服现象时的最小应力。

ReL=

(MPa)

脆性材料的屈服强度表示为：Rr0.2

（2）抗拉强度——试样被拉断前所承受的最大应力。

Rm

=(MPa)

（3）意义——金属材料的强度越高，则越结实。在承受相同载荷的条件下，零件的尺寸减小，重量减轻，可实现汽车的轻量化——节油、环保。2.强度指标铸铁拉伸曲线退火低碳钢拉伸曲线9（1）断后伸长率——试样拉断后，标距长度的伸长量与原标距长度的百分比，用A表示。

A=×100%（2）断面收缩率——试样拉断后，缩颈处横截面积的收缩量与原横截面积的百分比用Z表示。

Z=×100%

塑性材料：δ＞5%，低碳钢

脆性材料：δ＜5%，铸铁、高碳钢3.塑性指标10（3）意义——塑性好的材料

A.万一超载，有一定的安全储备，避免突然断裂、安全；

B.能通过塑变实现成型加工。汽车车身覆盖件、油箱等大多是采用塑性好的冷轧钢板冲压而成。车身油箱3.塑性指标11表1-1金属材料强度与塑性的新、旧标准名词和符号对照GB/T228.1-2010新标准GB/T228-1987旧标准名称符号名称符号屈服强度Re屈服点σs上屈服强度ReH上屈服点σsU下屈服强度ReL下屈服点σsL规定残余伸长强度Rr，如Rr0.2规定残余伸长应力σr，如σr0.2抗拉强度Rm抗拉强度σb断后伸长率A和A11.3断后伸长率δ5和δ10断面收缩率Z断面收缩率ψ121.1.2硬度1.布氏硬度……重点

2.洛氏硬度……重点

3.维氏硬度……了解13

试验原理：将直径为D的硬质合金球作为压头，以规定的试验载荷F压入被测金属表面，保持规定时间后卸除载荷，此时在被测金属表面上会留下直径为d的球形压痕。计算压痕单位面积上所受的平均压力，即为该金属布氏硬度值。用符号HBW表示。HBW=读数显微镜表示方法：120HBS/10/3000/30500HBW5/750

1.布氏硬度布氏硬度计14特点：压痕面积较大(2.5~6.0㎜)，能反映较大范围内金属的平均性能，测定硬度值较准确、稳定，重复性好。1.布氏硬度应用：主要用于测定较软材料的硬度。有色金属、低合金结构钢等原材料及结构钢调质件的硬度。但:不适于太薄、太硬的材料。15试验原理：用顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588㎜的淬火钢球作为压头，先施加初始载荷F0，压入金属表面的深度为h1（图中1—1），然后施加主载荷F1，在总载荷F的作用下，压入金属表面的深度为h2（压头到2—2），待表头指针稳定后，卸除主载荷，由于金属弹性变形的恢复而使压头回升至h3（压头到3—3），压头实际压入金属的深度为h=h3-h1，以压痕深度h值的大小衡量被测金属的硬度。

可用符号：HRA、HRB、HRC表示。2.洛氏硬度洛氏硬度试验原理示意图洛氏硬度计16符号压头主载荷㎏fK测量范围

应用HRA金刚石5010020～88硬质合金、表面硬化层等HRB淬火钢球9013020～100非铁金属、退火钢、正火钢等HRC金刚石14010020～70调质钢、淬火钢等根据压头和主载荷的不同，分别用2.洛氏硬度17表示方法：60-62HRC2.洛氏硬度应用：测定铜、铝等非铁金属及其合金，硬质合金，表面淬火、渗碳件以及退火、正火和淬火钢件的硬度。

特点：压痕小，代表性差，一般测三点取其平均值。183.维氏硬度维氏硬度试验原理示意图

试验原理与布氏硬度相似，其值也用单位面积所受载荷表示

区别：

压头——两相对面夹角为136°的金刚石四棱锥。压痕——四边形。测量——对角线长度，取其平均值。最后查表即可求出HV值。19表示方法：640HV30/20表示在30kgf试验力作用下，保持20s测得的维氏硬度值为640。特点：试验力小，压痕更小，轮廓清晰，数值准确可靠。但需要测量对角线的长度，然后经计算或查表确定，故效率低。不适于大批测试。用于：可测从极软到极硬的材料。常用来测薄片金属、金属镀层及表面硬化层的硬度。3.维氏硬度20韧性：金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力。1.1.3韧性

夏比冲击试验原理示意图1.夏比冲击试验冲击吸收能量：

K=mg（h1-h2）冲击试验计21韧脆转变温度越低，材料的低温抗冲击性能越好。非合金钢韧脆转变温度约为-20℃。在寒冷地区使用非合金钢制造车辆、桥梁、输油管道等，在冬天易发生脆断现象。低合金高强钢韧脆转变温度约为-40℃，适合在较低温度下工作。冲击吸收功—温度关系曲线1.1.3韧性韧脆转变温度示意图

221.1.3韧性2.小能量多次冲击试验小能量多次冲击试验示意图

汽车发动机中的活塞、活塞销、曲轴、连杆等在工作中就受到冲击载荷的作用，应采用韧性好的材料制造。231.疲劳现象

汽车上的齿轮、连杆、弹簧、发动机曲轴等零件，在工作过程中受到大小和方向都随时间作周期性变化的交变载荷作用，即使应力远远低于材料的屈服强度，但经过一定循环次数后，也可能发生突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂都是突然发生的，具有很大的危险性。例如：汽车的板弹簧或前轴发生疲劳而突然断裂，就会造成车毁人亡的重大交通事故。

1.1.4疲劳强度24疲劳曲线示意图

工程上规定钢铁材料的循环基数为107；有色金属、超高强度钢为108。2.疲劳强度1.1.4疲劳强度材料经无限次交变载荷作用而不破坏的最大应力，称为疲劳强度，用S（旧标准为σ-1）表示。

25疲劳断裂的原因材料夹杂表面划痕在汽车的维修、保养过程中，应及时排除隐患，以保证车辆的安全运行。

改善结构形状，避免应力集中避免提高表面光洁度表面强化：喷丸、表面淬火等1.1.4疲劳强度26任务1.2金属材料的工艺性能锻压性能铸造性能焊接性能热处理性能工艺性能可加工性能27

铸造性能——金属材料铸造成形获得优质铸件的能力。任务1.2金属材料的工艺性能包括流动性、收缩性及偏析倾向等。曲轴凸轮轴汽缸体转向器壳体28

锻压性能——是指金属材料对采用压力加工方法成形的适应能力。任务1.2金属材料的工艺性能轿车侧围29

焊接性能——金属材料对焊接加工的适应性。任务1.2金属材料的工艺性能汽车一厂车身车间POLO底盘焊接30

热处理性能——通过热处理改变其组织和性能的能力汽车零件缝纫机零件机床电主轴任务1.2金属材料的工艺性能31

可加工性能常用切削方法——用切削刀具进行加工时所表现出来的性能任务1.2金属材料的工艺性能32疲劳强度是受循环交变载荷零件选材、检验依据断后伸长率A>5%断面伸缩率Z>10%布氏硬度——<650HBW洛氏硬度维氏硬度冲击吸收能量K是受冲击零件的选材、检验依据屈服强度—塑性材料产生明显永久变形的抗力可满足一般零件20～70HRC20～100HRB20～88HRA[5～1000HV]强度判据静载荷塑性判据硬度判据韧性判据疲劳判据动载荷金属的力学性能设计选材参考安全可靠保证测定麻烦结果精确测定简单不伤工件用来测薄件用来测成品或薄件用来测半成品测定麻烦结果精确设计选材依据抗拉强度—断裂前最大拉应力本章小结33本章小结金属材料的工艺性能铸造性能

是金属材料铸造成形获得优质铸件的能力锻压性能

是金属材料锻压成型的难易程度焊接性能

是指金属材料对焊接加工的适应性热处理性能

是金属材料适应各种热处理工艺的性能切削加工性能

是指金属材料接受切削加工的难易程度据34二、填空题1.载荷按照性质不同一般可分为

和

。2.金属材料在载荷作用下，形状和尺寸的变化称为变形。变形一般分为

变形和

变形。3.金属材料的力学性能主要包括

、

、

、

、

等。4.拉伸低碳钢时，试样的变形可分为

、

、

和

四个阶段。5.通过拉伸试验测得的强度指标主要有

强度和

强度，分别用符号

和

表示。6.金属材料的塑性也可通过拉伸试验测定，主要的指标有

和

，分别用符号

和

表示。7.洛氏硬度采用了不同的压头和载荷组成不同的硬度标尺，常用的洛氏硬度标尺有

、

和

三种，其中

应用最为广泛。8.530HBW5/750，表示用直径

的硬质合金球，在

kgf（

N）的载荷作用下，保持

s时测得的硬度值为

。9.工程技术上常用

来测定金属承受冲击载荷的能力。10.材料经过无限次

载荷作用而不发生断裂的最大应力，称为疲劳强度，用符号

表示。11.铁和铜的密度较大，称为

金属；铝的密度较小，称为

金属。三、选择题1.拉伸试验时，试样在断裂前所能承受的最大应力称为材料的（）。A．屈服强度B．抗拉强度C．弹性极限2.测定淬火钢件的硬度，一般常选用（）来测试。A．布氏硬度计B．洛氏硬度计C．维氏硬度计3．金属材料的（）越好，则其压力加工性能越好。A．强度B.塑性C．硬度4.运转中的发动机曲轴、齿轮等零部件所承受的载荷均为（）。A．静载荷B.冲击载荷C．交变载荷技能训练题35TheEnd36

汽车应用材料Automotive

application

materials

37模块2金属的晶体结构与结晶

任务2.1纯金属与合金的晶体结构

任务2.2纯金属与合金的结晶

任务2.3铁碳合金相图38任务2.1纯金属与合金的晶体结构

2.1.1纯金属的晶体结构

2.1.2合金的晶体结构

2.1.3金属实际的晶体结构39任务2.1纯金属与合金的晶体结构【案例引入】石墨和金刚石是化学元素碳家族里的哥儿俩，可是石墨又黑又软，是最软的矿石之一，可以用于制造铅笔芯和润滑剂。而金刚石（钻石）却晶莹透明、坚硬无比，价值连城。哥儿俩相貌和脾气天壤之别，是什么原因呢?

a)b)图2-1碳元素组成的物质a)金刚石b)石墨40

2.1.1纯金属的晶体结构自然界的固态物质，可分为晶体和非晶体两大类

晶体:原子是按一定几何形状有规律排列的。（金刚石、石墨、雪花、食盐、固态金属及合金）。石墨食盐纯铁41非晶体:原子或分子无规则堆积在一起的。（玻璃、石蜡、沥青、松香等）。晶体非晶体液体晶体结构:晶体内部原子排列的规律及特性。

2.1.1纯金属的晶体结构42

晶胞常数：a、b、c、α、β、γ晶格常数：a、b、ca)晶体中原子排列

b)晶格c)晶胞1.晶格与晶胞结点晶格：表示晶体中原子排列形式的空间格子。

晶胞：组成晶格的最小的几何单元称为晶胞。

晶格参数：表示晶胞几何形状和大小的棱边长度和棱间夹角。43体心立方晶格

（bcc）面心立方晶格

（fcc）密排六方晶格

（hcp）2.常见的金属晶格类型44常见金属晶格类型的基本参数晶格类型体心立方（bcc）面心立方（fcc）密排六方（hcp）晶胞结构晶胞常数晶胞内原子数原子半径致密度配位数典型金属a＝b＝cα＝β＝γ＝90°a＝b＝cα＝β＝γ＝90°

a＝bc/a＝1.633

α＝β＝90

°

γ＝120°

68%74%74%81212α-Fe、Cr、Mo、W、V、Nbγ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、PbMg、Zn、Cd、Be、Ca45有些金属在固态下，其晶体结构会随温度变化而改变，这种现象称同素异构转变，转变产物称同素异构体。如：γ-Fe→α-Fe（体积膨胀1%）即：热缩冷涨（水→冰）

意义：由于不同晶格类型原子排列紧密程度不同，晶格变化将导致金属的体积发生变化，因此，同素异构转变时会产生较大的内应力

1394℃912℃δ-Fe

γ-Fe α-Febccfccbcc3.金属的同素异构转变46有关合金的基本概念

2.1.2合金的晶体结构由两种或两种以上金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质合金组成合金的最基本的、独立的物质

组元合金中化学成分、晶体结构和物理性能相同的均匀组成部分

相泛指用金相观察方法看到的由形态、尺寸和分布方式不同的一种或多种相构成的总体组织47合金的相结构1.固溶体合金在固态下一种组元的晶格内溶解了另一组元的原子，形成的均匀相概念固溶体的晶体结构与溶剂相同特点合金的相结构固溶体金属化合物机械混合物48按溶质位置置换固溶体间隙固溶体固溶体的分类按溶解度有限固溶体无限固溶体置换固溶体间隙固溶体特点：溶质原子位于溶

剂晶格某些结点特点：溶质原子溶入溶剂晶格间隙49

固溶体的性能

通过溶入溶质原子形成固溶体，使金属材料强度、硬度增加的现象固溶强化

无论是置换固溶体还是间隙固溶体，都因溶质原子的溶入而使溶剂晶格发生歪扭，从而使合金对塑性变形的抗力增加原因固溶强化是金属材料最主要的一种强化手段50

2.金属化合物合金组元间相互作用而形成的具有金属特性的一种新相

概念晶格类型不同于任一组元

特点

熔点高，硬而脆

性能当金属化合物呈细小的颗粒弥散分布在固溶体基体上时，能显著提高合金的强度、硬度和耐磨性，这种现象称为弥散强化

弥散强化51

3.机械混合物

由两相或两相以上组成的多相组织概念各组成相仍保持它原有的晶格类型和性能特点性能介于各组成相性能之间，并与各组成相的性能以及相的数量、形状、大小和分布状况等密切相关

性能522.1.3金属实际的晶体结构金属实际的晶体结构由许多位向不同的单晶体构成的晶体多晶体晶体缺陷实际晶体结构中，局部原子排列的不规则性单晶体多晶体多晶冰糖单晶冰糖53晶体缺陷空位、间隙原子、置换原子点缺陷线缺陷面缺陷位错：刃型位错、螺型位错晶界、亚晶界

晶体缺陷的类型54晶体缺陷点缺陷空位及间隙原子置换原子形成的原因：热振动的偶然偏差结果：导致晶格畸变。晶格畸变将使晶体的强度、硬度和电阻增加。55线缺陷——晶体中呈线状分布的缺陷（位错）刃型位错晶体缺陷刃型位错

位错——在晶体中有一列或若干列原子发生了某种有规律错排的现象。刃型位错——比较简单的位错形式线缺陷56面缺陷——晶界、亚晶界晶界特征：①呈面状分布②产生晶格畸变亚晶界（位错墙模型）晶体缺陷57晶体缺陷对材料性能的影响使实际金属的强度远远小于理想金属晶界处位错密度高，使其局部强度、硬度提高对实际金属来说，晶体缺陷越多(尤其位错)，强度、硬度越高，塑性、韧性越低58

任务2.2纯金属与合金的结晶

2.2.1纯金属的结晶

2.2.2合金的结晶

59凝固:

液体-->固体（晶体或非晶体）结晶:液体-->晶体

2.2.1纯金属的结晶结晶——金属由液体状态转变为晶体状态的过程。液体晶体601.纯金属的冷却曲线与过冷度过冷度：T=T0-Tn结晶的必要条件：

必须有过冷度！影响过冷度的因素：

V冷T1T

纯度

T1T

纯金属的结晶61纯金属的结晶过程是在冷却曲线上的水平线段内发生的，是晶核的不断形成和长大的过程。2.纯金属的结晶过程

纯金属的结晶623.金属晶粒大小与控制晶粒大小对性能的影响晶粒越细，金属材料的强度、硬度越高，塑性、韧性越好，这种现象称为细晶强化。

细晶强化是唯一不以牺牲塑性为代价的强化方法

纯金属的结晶63增加过冷度进行变质处理（孕育处理）附加振动采用冷却能力强的铸模提高液体金属的过冷能力增加形核率降低长大速度机械振动超声波振动电磁振动细化晶粒的方法

纯金属的结晶641——表面细晶粒层（激冷层）2——柱状晶粒层3——中心等轴晶粒金属铸锭组织

纯金属的结晶65——表示在平衡条件下，合金的状态与温度和成分之间关系的图形，也称为状态图或平衡图。2.2.2合金的结晶

在生产实践中，相图可作为正确制定铸造、锻压、焊接及热处理工艺的重要依据。合金相图（状态图）合金的结晶要借助于合金相图来描述。66合金的结晶1.二元合金相图的建立（以Cu—Ni合金为例）1.配制不同成分的Cu-Ni合金2.测出所配制各合金的冷却曲线3.找出各冷却曲线中的相变点；4.将各合金相变点分别标注在温度-成分坐标图中相应成分的位置上；5.连接各相同意义的相变点。67合金的结晶2.匀晶相图特点：两组元在液态和固态下均可以任意比例互相溶解相图分析

A：纯铜的熔点1083℃两点

B：纯镍的熔点1452℃液相线：上临界点的连线两线固相线：下临界点的连线两个单相区：L区和α区三区一个两相区L+α结晶过程分析:图b)68合金的结晶3.共晶相图特点：两组元在液态能完全互溶，在固态下相互有限溶解或不溶，并发生共晶转变的相图称为共晶相图共晶转变：在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两种成分不同固相的转变。

69共晶相图相图分析：70典型Pb—Sn合金的平衡结晶过程共晶相图合金I（E~D之间的合金）

合金I的冷却曲线及组织转变示意图

室温组织：α+βⅡ

71典型Pb—Sn合金的平衡结晶过程共晶相图合金II（C点成分的合金）共晶合金的冷却曲线及结晶过程示意图

共晶合金的显微组织

室温组织：（α+β）

72典型Pb—Sn合金的平衡结晶过程共晶相图合金III（E~C点之间的合金）

室温组织：α+βII+（α+β）亚共晶合金的冷却曲线及结晶过程示意图亚共晶合金的显微组织

（α+β）αβII73典型Pb—Sn合金的平衡结晶过程共晶相图合金IV（C~F点之间的合金）

过共晶合金的冷却曲线和结晶过程

过共晶合金的显微组织

室温组织：αII+β+（α+β）74共晶相图以组织组分填写的Pb—Sn二元合金相图

75

任务2.3铁碳合金相图

2.3.1铁碳合金的基本相及其组织

2.3.2铁碳合金相图

2.3.3铁碳相图的应用

76任务2.3铁碳合金相图钢铁材料的基本组元是铁和碳两种元素，称为铁碳合金。铁碳合金铁碳合金相图——是研究平衡条件下，铁碳合金的成分、温度和组织之间关系的图形，是制定钢铁材料各种热加工工艺的重要依据。771.铁素体（F或α）：碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体

晶格结构：bcc

最大溶解度：0.0218%（727℃）

性能组织：

Rm=180～230MPa

ReL=100～170MPa

HBS=50～80

A=30%～50%

Z=70%～80%

ak=160～200J/cm2

2.3.1铁碳合金的基本相及组织782.奥氏体（A或γ）：碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体

晶格结构：Fcc

最大溶解度：2.11%（1148℃）

性能组织：

Rm≈400MPa

HBS=170～220A=40%～50%

2.3.1铁碳合金的基本相及组织793.渗碳体（Fe3C

）：铁和碳所形成的金属化合物

晶格结构：复杂斜方

含碳量：6.69%

性能组织：

Rm≈30MPa

HBW=800A≈0

Z≈0，硬而脆

2.3.1铁碳合金的基本相及组织804.珠光体（P）：铁素体和渗碳体相间排列而成的层片状的机械混合物

平均含碳量：0.77%

性能组织：

Rm=750MPa

HBS=180

A=20%～25%

ak=30～40J/cm2

2.3.1铁碳合金的基本相及组织815.莱氏体（Ld

）：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物低温莱氏体（L′d）：珠光体和渗碳体组成的机械混合物平均含碳量：4.3%

性能组织：

硬而脆

2.3.1铁碳合金的基本相及组织822.3.2铁碳合金相图Fe-Fe3C相图FeFe3C83特性点温度/℃w(C)(%)A15380C11484.3D12276.69E11482.11F11486.69G9120K7276.69P7270.0218S7270.77Q6000.00572.3.2铁碳合金相图——相图分析84特性线含义备注ACD液相线AECF固相线

ECF共晶线

PSK共析线A1

ES碳在γ-Fe中的溶解度曲线，AcmGS奥氏体向铁素体转变的开始线A3GP奥氏体向铁素体转变的终了线PQ碳在α-Fe中的溶解度曲线2.3.2铁碳合金相图——相图分析85亚共析钢：WC=0.0218%-0.77%共析钢：WC=0.77%过共析钢：WC=0.77%-2.11%3)白口铸铁：2.11%＜WC

＜6.69%2）钢：0.0218%＜WC

≤2.11%亚共晶白口铸铁：WC=2.11%-4.3%共晶白口铸铁：WC=4.3%过共晶白口铸铁：WC=4.3%-6.69%2.3.2铁碳合金相图——铁碳合金的分类1）工业纯铁wC≤0.0218%的铁碳合金。862.11%4.3%6.69%0.77%0.02%工业纯铁共析钢亚共析钢过共析钢亚共晶白口铁过共晶白口铁共晶白口铁钢铸铁铁碳合金分类ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%87共析钢[wc=0.77%]ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.0218%1320铁碳合金的平衡结晶过程分析88共析钢[wc=0.77%]室温平衡组织:P组成相的质量分数为：铁碳合金的平衡结晶过程分析12389亚共析钢[wc=0.0218~0.77%]1321铁碳合金的平衡结晶过程分析490亚共析钢[wc=0.0218~0.77%]室温平衡组织:F+P铁碳合金的平衡结晶过程分析1234wc=0.2%wc=0.4%wc=0.6%91过共析钢[wc=0.77~2.11%]1321铁碳合金的平衡结晶过程分析492过共析钢[wc=0.77~2.11%]室温平衡组织:P+Fe3CⅡ铁碳合金的平衡结晶过程分析1234硝酸酒精侵蚀苦味酸侵蚀93共晶白口铸铁[wc=4.3%]12铁碳合金的平衡结晶过程分析94共晶白口铸铁[wc=4.31%]室温平衡组织:铁碳合金的平衡结晶过程分析1295亚共晶白口铸铁[wc=2.11~4.3%]321铁碳合金的平衡结晶过程分析96亚共晶白口铸铁[wc=2.11~4.3%]室温平衡组织:P+Fe3CⅡ+

铁碳合金的平衡结晶过程分析12397过共晶白口铸铁[wc=4.3~6.69%]321铁碳合金的平衡结晶过程分析98过共晶白口铸铁[wc=4.3~6.69%]铁碳合金的平衡结晶过程分析123室温平衡组织:

+Fe3CⅠ99ABCDFENGPSKQJHALFδFeFe3C铁碳合金平衡组织100标注了组织组成物的相图1013.铁碳合金的

成分-组织-性能关系1.含碳量与组织关系（a）和（b）：2.含碳量与相的相对量关系（C

）：

wC↑→F

%↓，Fe3C

%↑3.含碳量与性能关系（d）：硬度：随wC↑而↑强度：wC=

0.9%时最大塑性、韧性：随wC

↑而↓102铁碳相图的应用在选材方面的应用在铸造方面的应用在锻轧方面的应用在焊接方面的应用在热处理方面的应用ABCDFENGPSKQJHALFδFeFe3C2.3.3铁碳相图的应用103汽车的油底壳汽缸盖罩2.3.3铁碳相图的应用——在选材方面的应用1.要求塑韧性好的零件——选低碳钢（汽车油底壳、汽缸盖罩）1042.3.3铁碳相图的应用——在选材方面的应用2.要求综合性能较高时——选中碳钢（汽车连杆、曲轴及齿轮、轴）1052.3.3铁碳相图的应用——在选材方面的应用3.要求弹性极限高的——中高碳钢（汽车上承受交变载荷的弹簧）1062.3.3铁碳相图的应用——在选材方面的应用4.要求硬度、耐磨性较高时——选高碳钢（模具、切削刀具、测量工具）1072.3.3铁碳相图的应用——在选材方面的应用5.形状复杂的箱体、机座等——选铸造性能好的铸铁（轴承座）1082.3.3铁碳相图的应用——制定热加工工艺方面铸造方面

:确定钢铁材料的浇注温度锻压方面:确定钢的锻造温度范围的依据焊接方面:选择焊接材料热处理方面:确定热处理加热温度1091.研究金属的晶体结构与结晶，有利于探索和改善金属材料的性能。2.常见的金属晶格类型有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两大类。金属实际的晶体结构是一个多晶体，并存在有晶体缺陷，晶体缺陷导致金属塑性变形抗力增大，从而使金属材料在常温下强度、硬度提高。3.晶粒大小是影响金属材料性能的重要因素之一。一般来说，晶粒越细，金属材料的强度、硬度越高，塑性、韧性越好，这种现象称为细晶强化4.铁碳合金相图是研究平衡条件下，铁碳合金的成分、温度和组织之间关系的图形，是研究钢铁材料的基础，也是制定钢铁材料各种热加工工艺的重要依据。本章小结110二、填空题1.常见的金属晶格类型有

晶格、

晶格和

晶格三种类型。α-Fe属于

晶格，γ-Fe属于

晶格，铬属于

晶格，铜属于

晶格，锌属于

晶格。2.根据缺陷的几何形态特征，实际金属的晶体缺陷分为

、

和

。3.过冷度不是一个恒定值，它与液态金属的冷却速度有关。冷却速度越大，金属的实际结晶温度越

，过冷度越

。4.金属结晶过程是一个

和

的过程。5.金属的晶粒越细小，其强度、硬度

，塑性、韧性

，这种现象称为细晶强化。6.按溶质原子在溶剂中所占位置的不同，固溶体分为

和

两类。7.奥氏体在1148℃时，碳的质量分数为

，在727℃时，碳的质量分数为

。8.根据室温组织的不同，钢分为

钢，其室温组织为

和

；

钢，其室温组织为

；

钢，其室温组织为

和

。技能训练题111三、选择题1.位错是一种（

）。A．点缺陷B．线缺陷C．面缺陷

2.在20℃时，纯铁的晶体结构类型为（

）。A．体心立方晶格B．面心立方晶格C．密排六方晶格3.固溶体的晶体结构与（

）相同。A．溶剂B．溶质C．溶剂和溶质都不4.金属化合物的性能特点是（

）。A．熔点高，硬度低B．熔点高，硬而脆C．熔点低，硬度高5.铁素体为（

）晶格，奥氏体为（

）晶格，渗碳体为（

）晶格。A．体心立方B．面心立方C．复杂斜方6.铁碳相图上的ES线是（

），PSK线是（

）。A．A1B．A3C．Acm技能训练题112四、判断题1.纯铁在950℃时为体心立方晶格的α-Fe。（

）2.实际金属的晶体结构不仅是一个多晶体，而且还存在有很多缺陷。（

）3.固溶体的晶格类型与溶剂相同。（

）4.置换固溶体只能为有限固溶体，而间隙固溶体可以是无限固溶体。（

）5.组织和相是两个不同的概念，它们之间没有任何联系。（

）6.碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体称为奥氏体。（

）7.室温下w(C)=0.9%的碳钢比w(C)=1.2%的碳钢强度高。（

）8.在1100℃时，w(C)=0.4%的钢能进行锻造，而w(C)=4.0%的铸铁不能锻造。（

）技能训练题113TheEnd114

汽车应用材料Automotive

application

materials

115模块3钢的热处理

任务3.1钢在加热和冷却时的组织转变

任务3.2钢的普通热处理

任务3.3钢的表面热处理116模块3钢的热处理据史书记载，三国时期蒲元为诸葛亮锻制出3000把“斩金断玉，削铁如泥”的神刀。蒲元在冶炼金属、制造刀具上所用方法与常人大不一样，当钢刀制成后，为了检验钢刀的锋利程度，他在大竹筒中装满铁珠，然后让人举刀猛劈，结果“应手灵落”，如同斩草一样，竹筒豁然断成两截，而筒内的铁珠也一分为二。那么蒲元在冶炼金属、制造刀具上使用了什么方法呢？其实“神刀”是蒲元对钢材进行了热处理的基础上打造的，那么钢材在热处理后性能为什么会发生改变？又是如何提高钢的强度和硬度的呢？【案例引入】——斩金断玉，削铁如泥”的神刀117任务3.1钢在加热和冷却时的组织转变

3.1.1钢在加热时的组织转变

3.1.2钢在冷却时的组织转变118钢的热处理概述定义：目的及重要性：提高和改善钢的性能；充分发挥钢的性能潜力；提高寿命；减低成本

分类：

普通热处理（四把火：退火、正火、淬火、回火）表面热处理（表面淬火、化学热处理）加热T(℃)t(h)冷却热处理工艺曲线保温

把钢在固态下，通过加热冷却来改变钢内部的组织和性能保温蘸火119转变温度Fe-Fe3C相图上：PSK、GS、ES平衡临界点为：A1、A3、Acm加热时临界点为：Ac1、Ac3、Accm冷却时临界点为：Ar1、Ar3、Arcm

任务3.1钢在加热和冷却时的组织转变120钢热处理时首先要加热，其目的是获得均匀而细小的奥氏体组织。经过A化以后的钢，再以不同的方式冷却，即可得到不同的组织，从而获得所需要的性能。热处理工艺曲线任务3.1钢在加热和冷却时的组织转变1213.1.1钢在加热时的组织转变（以共析钢为例）：

共析钢在A1以下全部为P。P是F和Fe3C组成的机械混合物。当把共析钢加热到Ac1以上温度时，P→A，这种转变可用下式表示。P（F+Fe3C）→A0.0218%6.69%0.77%bcc复杂斜方fcc珠光体任务3.1钢在加热和冷却时的组织转变122共析钢奥氏体形成过程可归纳为奥氏体晶核的形成：a)奥氏体晶核的长大:b)残余渗碳体的溶解:c)奥氏体成分均匀化:d)

加热时，为了获得均匀而细小的奥氏体晶粒，必须选取合适的加热温度，并严格控制保温时间。

亚共析钢：F+P→F+A→A过共析钢：P+Fe3C→A+Fe3C→A3.1.1钢在加热时的组织转变——奥氏体形成过程123钢加热获得均匀而细小的A晶粒，是为随后的冷却做组织准备，冷却过程是热处理的关键工序，冷却方式不同，冷却后的组织和性能也不同。热处理生产中的冷却方式

等温冷却

连续冷却

3.1.2钢在冷却时的组织转变1241.过冷A等温转变曲线

过冷奥氏体：把在Ar1温度以下暂时存在的、不稳定的奥氏体称为过冷奥氏体。3.1.2钢在冷却时的组织转变125A1——PSKMs——M转变开始线Mf——M转变终了线aa′——等温转变开始线bb′——等温转变终了线五线

A1

线以上：A稳定存在区Ms~Mf：M转变区aa′以左：过冷A区bb′以右：转变产物区aa′~bb′：过冷A与转变产物共存区五区

aa′bb′曲线分析共析钢的C曲线

aa′bb′3.1.2钢在冷却时的组织转变——过冷A等温转变曲线

C曲线126共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能：1)珠光体转变

Ar1~550℃A过→P2)贝氏体转变

550℃~MsA过→B

3)马氏体转变

Ms~Mf连续冷却A过→M共析钢的C曲线

3.1.2钢在冷却时的组织转变1271)珠光体转变等温温度组织名称符号片层间距硬度HRCAr1~650℃珠光体P＞0.4μm10~20650~600℃索氏体S0.2~0.4μm20~30600~550℃托氏体T＜0.2μm30~40珠光体(P)3800×索氏体(S)8000×托氏体(T)8000×PTS问题：P、S、T有何异同？共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能1282)贝氏体转变温度：550℃~Ms产物：贝氏体——含过饱和碳的铁素体和碳化物组成的机械混合物，用“B”表示。

等温温度组织名称符号形态硬度HRC550~350℃上贝氏体B上羽毛状40-45HRC塑性低、脆350~Ms下贝氏体B下黑色针状45-55HRC塑韧性好上贝氏体下贝氏体PTSB上B下共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能1293)马氏体转变温度：Ms~Mf产物：马氏体——碳在α-Fe中的过饱和固溶体，用“M”表示Wc组织名称符号形态硬度HRCWC＜0.2%板条马氏体M板条板条状＞50HRC塑韧性好WC＞1.0%针状马氏体M针状针状65HRC塑韧性极差、脆板条马氏体

针状马氏体PTSB上B下M混合M隐晶M共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能130类型温度产物形态性能特点P转变Ar1-550℃Ar1-650℃珠光体(P)粗片＞0.4＜25HRC扩散型650-600℃索氏体(S)细片0.4-0.225-35HRC600-550℃屈氏体(T)极细＜0.235-40HRCB转变550℃-Ms550-350℃上贝氏体(B上)羽毛40-45HRC塑性低、脆半扩散型350℃-Ms下贝氏体(B下)针状45-55HRC塑韧性好M转变Ms-MfWc＜0.2%板条M板条＞50HRC塑韧性好非扩散型不完全性体积膨胀Wc＞1.0%片状M竹叶(铁饼)65HRC塑韧性差、脆PTSB上B下M共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能131Ps

——A→P开始线Pf

——A→P终止线KK'——P转变终止线υk

——

上临界冷却速度υk′

——

下临界冷却速度

MS

——A→M开始温度

Mf

——A→M终止温度3.1.2钢在冷却时的组织转变——过冷A连续转变曲线

132PSTT+M+A′M+A′炉冷→P(υ

≈０)空冷→S(υ≤υk′)油冷→T+M+A'(υk′

～υk)水冷→M+A'(υ≥υk′

)连续冷却转变产物和冷却速度的关系3.1.2钢在冷却时的组织转变——过冷A连续转变曲线

133任务3.2钢的普通热处理(四把火)3.2.2钢的淬火3.2.1钢的退火和正火3.2.3钢的回火134退火：把钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。P600℃钢的退火缓慢冷却：随炉冷却、埋砂冷却或灰冷3.2.1钢的退火和正火——钢的退火135退火分类：

完全退火（等温退火）等温退火球化退火扩散退火（均匀化退火）去应力退火3.2.1钢的退火和正火——钢的退火136适用范围：亚共析钢（WC=0.3~0.6%）

（铸、锻、焊件）加热温度：AC3+30～50℃AC3+30～50℃完全退火AC3+30～50℃炉冷AC3600℃，空冷完全退火工艺曲线3.2.1钢的退火和正火——钢的退火137退火后组织：P+F中碳钢：珠光体+铁素体完全退火目的：降低硬度，改善切削加工性能细化晶粒消除应力均匀成份、组织提高塑性AC3+30～50℃3.2.1钢的退火和正火——钢的退火138适用范围：合金钢加热温度：AC3+30～50℃AC3（Ac1）+30～50℃②

等温退火等温退火工艺曲线3.2.1钢的退火和正火——钢的退火139等温退火——完全退火的特例优点:退火时间短，组织均匀，缩短生产周期高速钢的退火工艺曲线3.2.1钢的退火和正火——钢的退火140适用范围：共析钢、过共析钢加热温度：目的：使片状Fe3CⅡ

球化Ar1-20℃炉冷AC1500℃，空冷AC1+20～30℃AC1+20～30℃HB便于切削加工使塑性达到最佳为淬火、回火做准备③

球化退火AC1+30～50℃3.2.1钢的退火和正火——钢的退火141球状珠光体退火后组织：球状P——软

③

球化退火片状珠光体3.2.1钢的退火和正火——钢的退火142加热温度：目的：消除工件残余应力，稳定工件的尺寸；扩散退火去应力退火T加热＜AC1T加热=AC3＋150～250℃④

去应力退火⑤

均匀化退火（扩散退火）加热温度：目的：消除偏析，均匀成份、组织。3.2.1钢的退火和正火——钢的退火143S正火：将钢加热到Ac3（或Accm）以上

30~50℃，保温一定时间，然后出炉在空气中冷却的热处理工艺。钢的正火空冷3.2.1钢的退火和正火——钢的正火144S

消除应力、细化晶粒、改善组织，提高钢的综合性能对于中低碳钢，可适当提高硬度，改善其切削加工性能；对于过共析钢，可消除网状Fe3CⅡ，为球化退火做准备；作为普通结构件的最终热处理。正火后组织：目的：3.2.1钢的退火和正火——钢的正火145加热温度组织和性能对切削加工的影响正火——细化、硬化退火——软化

生产周期——在满足使用性能要求的情况下，优选正火。3.2.1钢的退火和正火——退火与正火比较146退火分类加热温度冷却方式目的适用范围完全退火Ac3+30~50℃

随炉冷却到600℃以下，出炉空冷细化、均匀化，软化、稳定化亚共析钢（WC=0.3~0.6%）的铸、锻、焊接件过共析钢不宜完全退火等温退火Ac3（Ac1）+30~50℃

快速冷却到Ar1以下某一温度，等温一定时间，出炉空冷与完全退火相同。可缩短生产周期，提高生产效率（1/3）A较稳定的合金钢工件球化退火Ac1+30~50℃

经充分保温后，随炉冷却到600℃出炉空冷

软化（P球）

具有共析或过共析成分的碳钢或合金钢扩散退火固相线以下100~200℃

长时间（10-15h）保温后，随炉冷却

均匀化

质量要求高的合金钢铸锭或铸件去应力退火Ac1以下（一般为500~650℃）

随炉冷却到200~300℃出炉空冷

稳定化

所有钢件正火AC3（Accm）+30-50℃保温适当时间，出炉空冷细化晶粒、提高硬度，消除网状Fe3C普通件：提高力性

低碳钢：提高硬度

过共析钢：细化晶粒表3-4退火和正火的工艺特点及适用范围3.2.1钢的退火和正火1473.2.1钢的退火和正火148淬火：将钢加热到Ac3（或Ac1）以上

30~50℃，保温一定时间，然后

以大于υk的速度快速冷却，以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。目的：提高钢的硬度和耐磨性。是强化钢材最重要的工艺方法。

M+A′钢的淬火钢的退火钢的正火蘸火

冷却速度快，热应力和组织转变应力大，工件易变形和开裂；淬火（+回火）一般是最终热处理，是决定产品质量的关键工序。3.2.2钢的淬火149（1）淬火加热温度

亚共析钢：Ac3+30～50℃（过）共析钢：Ac1+30～50℃合金钢——比相同含碳量的碳钢高

碳钢——以铁碳相图为依据钢号Ac3/℃T/℃4578083040Cr7828503.2.2钢的淬火——淬火工艺（2）淬火保温时间：

用经验公式τ=αKD估算150常用冷却介质：水、油、盐或碱的水溶液

冷却速度：盐水＞水＞盐浴＞油理想的冷却介质：在保证淬后获得M的前提下，又不造成开裂，且变形最小。3.2.2钢的淬火——淬火工艺（3）淬火冷却介质

151①②④③①单介质淬火：碳钢→水；合金钢→油优点：操作简单、成本低；缺点：淬火件质量较低、热应力大②双介质淬火：水—油；水—空气优点：能保证淬火件的质量要求缺点：操作难度大、热应力大③分级淬火：转变产物→

M；优点：热应力小，工件不易变形；缺点：操作难度大④等温淬火：转变产物→

B下；优点：综合性能及尺寸精度高、不需回火；缺点：工艺复杂、成本高3.2.2钢的淬火——常用淬火方法152淬透性：是指钢淬火时获得淬硬层深度的能力。通常以在规定条件下获得淬硬层深度来衡量。淬硬（透）层越深，表明淬透性越好。决定于υK，υK越小，A越稳定，淬透性越好。

淬硬性：是指钢在淬火后所能达到的最高硬度。决定于马氏体的含碳量。含碳量越高，淬硬性越好。

淬透性≠淬硬性3.2.2钢的淬火——钢的淬透性153

淬透性值的表示：半M区到水冷端距离半M区硬度如:

淬透性曲线的测定——末端淬火法（端淬试验）3.2.2钢的淬火——钢的淬透性154加热淬火钢Ac1以下保温冷却室温

定义：目的：减少或消除淬火应力，防止工件变形与开裂稳定工件组织及尺寸；获得所需的力学性能。马氏体的分解残余奥氏体的分解碳化物的析出和变化α相（F）的回复和再结晶回火时的组织转变及性能变化3.2.3钢的回火155回火时的组织转变及性能变化回火阶段组织变化内应力体积性能回火后组织（一）＜200℃（二）200～300℃（三）300～400℃（四）＞400℃c/a»1c/a＞

1c/a＞1c/a＝1εFe3CArB下或M回马氏体分解MH不变或略δ、ψ、ak略含C过饱和α(针)+ε(点)

M回马氏体分解残余奥氏体分解(略)σ、H(略)

脆性M回1马氏体分解碳化物聚集长大α相（F）的回复和再结晶消失Hδ、ak＞M回σ、H较高弹性最佳σs

最佳针状

F+颗粒状Fe3C

T回σ、Hδ、ψ、ak综合性能最佳等轴

F+颗粒状Fe3C

S回156——回火的种类和应用回火工艺回火温度/℃回火组织及硬度特点用途低温回火100~250回火马氏体58~64HRC

保持了淬火M的高硬度和高耐磨性，韧性提高，内应力和脆性有所降低

用于工模量具、滚动轴承及表面处理件中温回火350~500回火托氏体38~50HRC

具有较高的弹性和一定的韧性

用于各种弹性零件，如汽车弹簧和热作模具高温回火500~650回火索氏体25~35HRC

具有较好的综合力学性能

广泛用于汽车、拖拉机轴类零件、齿轮和高强度螺栓、连杆等※调质处理＝淬火＋高温回火3.2.3钢的回火157158——回火后的性能：影响回火后性能的关键因素：回火温度3.2.3钢的回火159

回火脆性的概念

第一类回火脆性250～350℃（低温、不可逆）

产生范围：所有钢

防止措施：避免在该脆性区回火；钢中加少量Si；

第二类回火脆性

500～650℃

（高温、可逆）产生范围：部分合金结构钢（含Cr、Ni、Si、Mn）

防止措施：回火后快冷加少量Mo、W

减少钢中杂质改变热处理工艺——回火脆性3.2.3钢的回火160任务3.3钢的表面热处理3.3.1钢的表面淬火3.3.2钢的化学热处理161定义：不改变钢的化学成分和心部组织的情况下，利用快速加热，将表层加热到A化温度后进行淬火的热处理工艺。目的：提高表面硬度和耐磨性，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。3.3.1钢的表面淬火162所用钢种：中碳成分的优质碳素结构钢、合金结构钢应用：承受弯曲、扭转、摩擦和冲击载荷的零件：齿轮、凸轮、曲轴、轧辊等——只需表面淬硬的工件；机床导轨等大型、复杂工件——只能表面淬硬的工件。分类：感应加热淬火、火焰加热淬火、激光加热淬火……3.3.1钢的表面淬火163——感应加热表面淬火分类①高频感应加热：f=200～300kHZ，δ=0.5~2.0m②中频感应加热f=2500～8000HZ，δ=2.0~10mm③工频感应加热f=50HZδ=10~15mm原理：利用工件在交变磁场中产生的感应电流，

将工件表面迅速加热到淬火温度，然后快速冷却的工艺。

淬硬层深度

淬后要低温(180℃~200℃)回火。3.3.1钢的表面淬火164表3-4感应加热淬火的种类及应用范围种类常用频率/kHz淬硬深度/㎜应用范围高频感应加热200~3000.5~2

淬硬层要求较薄的中小模数齿轮和中小尺寸的轴类零件中频感应加热2.5~82~10

大、中模数齿轮和较大直径的轴类零件工频感应加热50Hz10~20

大直径零件如轧辊、火车车轮等高频淬火超音频淬火设备长轴高频淬火内齿圈高频淬火3.3.1钢的表面淬火——感应加热表面淬火165加热速度快：高频只需几秒-几十秒，不需保温，生产率高

加热温度高：AC3+100-200℃

淬火质量好：组织为极细M，比普通淬火高2-3HRC，且塑韧性好。但感应加热设备较贵，维修调整较困难，形状复杂的零件不易制作感应器，不适于单件生产。

特点3.3.1钢的表面淬火——感应加热表面淬火166

锻造→退火或正火→粗加工→调质或正火→精加工→感应加热表面淬火→低温回火→粗磨→时效处理→精磨消除锻造应力；调整硬度，便于机加工细化晶粒，提高心部综合性能，为淬火做准备强化表面，获得M降低淬火应力稳定表面组织T加：160～200℃进一步降低应力，稳定组织，防止工件变形开裂

工艺路线：3.3.1钢的表面淬火——感应加热表面淬火167原理：利用氧—乙炔（煤气）的混合气体燃烧的火焰，将工件表层快速加热到淬火温度，然后立即喷水冷却的热处理工艺。淬硬层深度:δ=2～8mm特点：设备简单成本低；但质量不易控制。应用：批量小、形状复杂、大件。3.3.1钢的表面淬火——火焰加热表面淬火168将工件置于一定温度的活性介质中，使一种或几种元素渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。渗碳、渗氮和碳氮共渗等。3.3.2钢的化学热处理定义：种类169——钢的渗碳定义：将工件在