工程材料及应用工程材料的合理选用6-9章

本章提要您了解功能材料的含义吗？常见功能材料包括哪些种类？它们都有哪些主要特性和用途？生物材料都有哪些？它们对人类健康方面有哪些益处？纳米材料有哪些主要特性和用途？

本章主要内容纳米材料

生物材料

功能材料

功能材料智能材料

光功能材料

形状记忆材料

其它功能材料

电功能材料

磁功能材料

第一节功能材料电功能材料磁功能材料

智能材料

其它功能材料

功能材料导电材料、电阻材料、电接点材料、压电材料等软磁材料、硬磁材料、信息磁材料等.金属系、无机非金属系和高分子系智能材料贮氢材料和梯度功能材料等第一节功能材料形状记忆材料

光功能材料

固体激光器材料、信息显示材料、光纤、隐形材料等

形状记忆合金和形状记忆聚合物

第一节功能材料1电功能材料及分类电功能材料是指利用材料的电学性能和各种电效应等电功能的材料。其品种和数量较多，本节只介绍导电材料、电阻材料、电接点材料及压电材料等。第一节功能材料电功能材料电功能材料是指利用材料的电学性能和各种电效应等电功能的材料。其品种和数量较多，本节只介绍导电材料、电阻材料、电接点材料及压电材料等。第一节功能材料导电材料导电材料主要包括：常用导电金属材料、膜（薄膜或厚膜）导体布线材料、导电高分子材料、超导电材料等。第一节功能材料电阻材料电阻材料是利用物质固有的电阻特性来制造不同功能元件的材料。它主要用于电阻元件、敏感元件和发热元件。按其特性与用途可分为精密电阻材料、膜电阻材料和电热材料。第一节功能材料电接点材料常用强电接点材料有：真空开关接点材料：常用材料有Cu-Bi-Ce、Cu-Fe-Ni-Co-Bi、W-Cu-Bi-Zn合金等。空气开关接点材料：主要有银系合金和铜系合金。弱电接点材料：主要有Ag系、Au系、Pt系及Pd系金属合金四种。复合接点材料：是通过一定加工方式（轧制包覆、电镀、焊接、气相沉积等）将贵金属接点材料与普通金属基底材料（如Cu、Ni金属及其合金）结合为一体。复合接点材料已成为弱电接点材料的主流。第一节功能材料压电材料当机械外力作用于晶体时，晶体发生形变使正负电荷重心位置偏移而极化，产生的电效应，称为正压电效应。对材料施加一电压，材料产生形变，称为逆压电效应。1）压电陶瓷：主要有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅（PZT）、改性PZT和其它三元体系。目前应用最多的是PZT和改性PZT。2）压电聚合物材料：分为固有压电性聚合物和驻极体型聚合物。第一节功能材料2磁功能材料及分类指利用材料的磁性能和磁效应（电磁互感效应、压磁效应、磁光效应、磁阻及磁热效应等）实现对能量及信息转换、传递、调制、存储、检测等功能作用的材料。按成份不同可将其分为金属磁性材料（含金属间化合物）和铁氧体（氧化物磁性材料）；按磁性能不同可将其分为软磁材料与硬磁材料。第一节功能材料软磁材料指磁矫顽力低（Hc＜103A／m）、磁导率高、磁滞损耗小、磁感应强度大，且在外磁场中易磁化和退磁的一类磁功能材料。包括金属软磁材料及铁氧体软磁材料等。其中金属软磁材料的饱和磁化强度高（适于能量转换场合）、磁导率高（适于信息处理场合）、居里温度高；但电阻率低，有集肤效应，涡流损失大，故一般限于在低频领域中应用。纯铁及硅钢片是应用较早的金属软磁材料，其中硅钢片用量较大。后来又研制了铁镍合金（亦称坡莫合金）、铁钴合金及非晶、微晶及纳米晶新型软磁材料。第一节功能材料硬磁材料（永磁材料）指材料在磁场充磁后，当磁场去除时其磁性仍能长时间保留的磁功能材料。应用主要有两个方面：一是利用硬磁合金产生的磁场；二是利用硬磁合金的磁滞特性产生转动力矩，使电能转化为机械能，如磁滞电动机。硬磁材料主要有：Al-Ni-Co系硬磁材料；硬磁铁氧体（常用牌号有Y10T、Y25BH）；稀土硬磁材料（Nd-Fe-B稀土硬磁材料）和复合（粘结）稀土材料等。第一节功能材料信息磁材料信息磁材料指用于光电通讯、计算机、磁记录和其它信息处理技术中的存取信息类磁功能材料。它包括磁记录材料、磁泡材料、磁光材料、特殊功能材料等。第一节功能材料3智能材料智能材料是指对环境可感知、可响应并具有功能发现能力的新材料。这是将信息科学融合于材料物性和功能的材料新构思。它是在原子、分子水平上进行材料控制、在不同层次上赋于自检测（传感功能）、自判断、自结论（处理功能）和自指令、自执行（执行功能）所设计出的新材料。包括金属系智能材料、无机非金属系智能材料、高分子系智能材料。第一节功能材料4光功能材料

光功能材料种类繁多，按照材质可分为光学玻璃、光学晶体、光学塑料等；按用途可分为固体激光器材料、信息显示材料、光纤、隐形材料等。第一节功能材料5形状记忆材料1）形状记忆效应指在高温下制成某种形状，在低温下将其任意变形，若将其加热到高温时，材料恢复高温下的形状，但重新冷却时材料不能恢复低温时的形状，这是单程记忆效应；若到低温下材料仍能恢复低温下的形状，就是双程记忆效应。形状记忆效应是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向高温相进行可逆转变的结果。第一节功能材料5形状记忆材料形状记忆材料包括形状记忆合金（如Ti-Ni合金）和形状记忆聚合物材料。目前，高分子形状记忆材料因其优异的综合性能已成为热门材料。第一节功能材料6其它功能材料除上述外，还有许多其它功能材料，例如半导体微电子功能材料、光电功能材料、贮氢材料、传感器用敏感材料、声功能材料（水声、超声、吸声材料）、隐形功能材料、功能梯度材料、功能复合材料等。第二节生物材料生物材料（Biomaterials）又称生物医用材料（Biomedicalmaterials），它是对生物体进行诊断、治疗和置换损坏的组织、器官或增进其功能的材料。这类材料可单独或与药物一起用于人体组织或器官，起替代、增强、修复等治疗作用。包括生物陶瓷材料、生物高分子材料和生物金属材料。第二节生物材料1生物陶瓷生物陶瓷是用于人体器官替换、修补及外科矫形的陶瓷材料。陶瓷材料在生物体内极为稳定，具有卓越的耐蚀性，强度、硬度、耐磨性都较高，良好的生物相容性。特别适于作人体硬组织如骨和齿的替换、修补材料。这类材料主要有氧化铝陶瓷、羟基磷灰石、玻璃碳、生物活性玻璃及生物活性玻璃陶瓷、生物活性骨水泥等。第二节生物材料2生物高分子材料

生物高分子材料品种很多。硅橡胶由于生物相容性好、结构和性能稳定、透气性好、能耐高低温，应用很广泛。聚乙烯价格低廉，广泛用作人工器件及各种插管等制品。聚氨酯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、有机玻璃等，也应用于不同的方面。还有血液相容、组织相容、生物降解、高分子药物等方面的生物高分子材料。第二节生物材料3生物金属材料

耐腐蚀金属作为人工器官的修复和代用材料已有一百多年的历史，在整形外科中起着重要作用。目前用于修补骨骼系统的金属材料有不锈钢、钴基合金、钛及其合金。常用的牙科合金还有金合金和镍铬合金。金合金的主要组成是86％Au-8％Pd-4％Pt，Ni-Cr合金的主要组成是80％Ni-13％Cr及微量Co、Mo等。

第三节纳米材料1纳米材料的基本概念凡是至少在一维方向上的线度在1～100nm之间的单元和由这种单元组成的材料均称为纳米材料。纳米单元包括纳米膜、纳米线（晶须、大分子链）和纳米颗粒。从尺寸概念分析，纳米材料可包括零维、一维、二维和纳米固体材料，因此纳米材料是关于原子团簇、纳米颗粒、纳米（碳）管、纳米线、纳米薄膜和纳米固体材料的总称。第三节纳米材料碳团簇（C70）结构示意图

碳纳米管结构示意图(a)单臂纳米管(b)锯齿纳米管

(c)手性纳米管

第三节纳米材料2纳米材料的特性

1）纳米材料的物理效应材料的物理效应不仅与材料的种类有关，而且与材料组成粒子的尺度范围有关。当小粒子尺寸进入纳米量级（1～100nm）时，其本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而展现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景，同时也将推动基础研究的发展。第三节纳米材料2纳米材料的特性

2）纳米微粒的物理特性纳米材料具有特殊的光学性质（主要有光谱迁移性、光学吸收性和光学催化性等）、电学性质、磁学性质、热学性质和优异的力学性能。第三节纳米材料3纳米材料的制备按照物质的原始状态分类，可分为固相法、液相法和气相法；按研究纳米粒子的学科分类，可分为物理方法、化学方法和物理化学方法；按制备技术分类，可分为机械粉碎法、蒸发凝聚法、溶液法、激光合成法、等离子体合成法、离子溅射法、射线辐照合成法、气相化学反应法、溶胶-凝胶法等。第三节纳米材料4纳米材料应用纳米材料是纳米科技的核心。在21世纪，纳米材料将在材料、信息、能源等领域发挥举足轻重的作用并有极为广阔的应用前景。第三节纳米材料纳米碳管和苯分子构成的分子齿轮本章小结

本章概括介绍了各种功能材料（包括电功能材料，磁功能材料，智能材料，光功能材料，形状记忆材料，梯度功能材料等）、生物材料（生物无机非金属材料，生物高分子材料，生物金属材料，生物复合材料）的特性与发展应用，以及纳米材料的性质、制备和应用。7.3航空航天领域关键零件选材简介7.2典型零件的选材方法7.1机械零件失效分析与选材方法

本章内容第7章工程材料的合理选用第7章工程材料的合理选用7.1机械零件失效分析与选材方法

选用材料应考虑的一般原则是：使用性原则

是保证零件完成规定功能的必要条件。工艺性原则

材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。经济性原则

是选材的重要原则之一，一般包括材料的价格、零件的成本与国家的资源等。

机械零件的失效是指零件在使用过程中由于某种原因而丧失原设计功能的现象。失效导致严重事故

一、机械零件的失效及失效分析表7-1零件失效的模式及其失效机理1、失效的分类

1、失效的分类

零件工作条件常见失效形式力学性能指标变形方式载荷性质其他紧固螺栓拉、剪静过量变形、断裂强度、塑性传动轴弯、扭循环、冲击轴颈处摩擦、振动疲劳破坏、过量变形、轴颈处磨损综合力学性能齿轮压、弯循环、冲击强烈摩擦、振动磨损、疲劳麻点、齿断裂表面有高硬度及高的疲劳极限，心部有较高强度及韧性弹簧扭(螺旋簧)循环、冲击振动弹性丧失、疲劳破坏弹性极限、屈强比、疲劳极限油泵柱塞副压循环、冲击摩擦、油的腐蚀磨损硬度、抗压强度冷作模具复杂组合变形循环、冲击强烈摩擦磨损、脆断高硬度、高强度、足够的韧性压铸模复杂组合变形循环、冲击高温、摩擦、金属液腐蚀热疲劳、磨损、脆断高温强度、抗热疲劳性、足够韧性与热硬性几种常见零件工作条件、失效形式及其要求的力学性能

一、设计因素

设计有误二、制造（工艺）因素工艺制造条件达不到设计要求三、安装调试因素安装达不到所要求的质量指标四、材质因素选材不当

五、运转维修因素

运转工况参数及润滑条件2、失效的基本因素

二、零件失效形式

1、畸变失效

畸变是指在某种程度上减弱了零件规定功能的变形。

1）弹性畸变失效

零件由于产生过大的弹性变形而失效，刚度问题。

2）塑性畸变失效

零件承受的应力超过其材料的屈服强度时发生塑性变形。3）翘曲畸变失效

是一种大小与方向上常产生复杂规律的变形而最终形成了翘曲的外形，由温度、外加载荷、受力截面、材料组成等所引起的不均匀性的组合所致。

2、断裂失效

1）韧性断裂

在断裂时伴有宏观上的塑性变形，可观察到明显的缩颈现象，断口呈盆状或杯状。

2）脆性断裂

有些材料在应力未达到强度极限时就会突然断裂，而且只产生很小的永久变形。断口平整。

3、磨损失效

相互接触的一对金属表面，相对运动时金属表面不断发生损耗或产生塑性变形，使金属表面状态和尺寸改变的现象称为磨损。

活塞环与缸套之间的摩擦

1）粘着磨损2）磨料磨损3）表面疲劳磨损4）冲刷磨损5）腐蚀磨损粘着磨损示意图

磨粒磨损示意图冲刷磨损示意图犁削磨损示意图

1）摩擦副材质

材料副的互溶性；

材料副的表面强化处理情况；材料表层组织和结构缺陷。

2）工况参数

包括接触应力、滑动距离和滑动速度、温度、介质条件与润滑等。※影响磨损失效的基本因素1）均匀腐蚀

均匀腐蚀是在整个金属的表面均匀地发生。2）点腐蚀

腐蚀集中于局部，呈尖锐小孔，进而向深度扩成孔穴甚至穿透(孔蚀)。3）晶间腐蚀

腐蚀发生于晶粒边界或其近旁。其主要原因是晶界处化学成分不均匀。

4、腐蚀失效腐蚀是金属暴露于活性介质环境中而发生的一种表面损耗，它是金属与环境介质之间发生的化学和电化学作用的结果。断口分析是断裂失效分析的核心，同时又是断裂失效分析的向导，指引断裂失效分析少走弯路。三、断口的分析方法断口三要素：F-纤维状区R-放射状区S-剪切唇区四、机械零件选材原则

使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该具有的机械性能、物理性能和化学性能。大量机器零件和工程构件特殊条件下工作的零件材料的使用性能应满足使用要求。

1、使用性能原则※零件使用时的工作条件

1）受力状况

主要是载荷的类型(例如动载、静载、循环载荷或单调载荷等)和大小；载荷的形式；载荷的特点等。2）环境状况

主要是温度特性、介质情况等。3）特殊要求

如对导电性、磁性、热膨胀、密度、外观等的要求。

工作条件

零件

应力种类

载荷性质

受载状态

常见的失效形式

要求的主要机械性能

紧固

螺栓

拉，

剪应力

静载

—

过量变形，断裂

强度，塑性

传动轴

弯，

扭应力

循环，冲击

轴颈摩擦，振动

疲劳断裂，过量变形，轴颈摩损

综合机械性能

传动

齿轮

压，

弯应力

循环，冲击

摩擦，振动

齿折断,磨损,疲劳断裂,接触疲劳(麻点)

表面高强度及疲劳极限，心部强度、韧性

弹簧

扭，

弯应力

交变，冲击

振动

弹性失稳，疲劳破坏

弹性极限，屈强比，疲劳极限

冷作

模具

复杂应力

交变，冲击

强烈摩擦

磨损，脆断

硬度，足够的强度，韧性

表7-2常用零件的工作和失效形式

2、工艺性能原则材料的工艺性能应满足生产工艺的要求，这是选材必须考虑的问题。高分子材料的加工工艺路线

陶瓷材料的加工工艺路线※金属材料零件选材的工艺性能原则

金属材料的加工工艺路线性能要求不高的一般金属零件选材的工艺路线

毛坯

正火或退火

切削加工

零件。性能要求较高的金属零件选材的工艺路线

毛坯

预先热处理(正火、退火)

粗加工

最终热处理(淬火、回火，固溶时效或渗碳处理等)

精加工

零件。性能要求较高的精密金属零件选材的工艺路线

毛坯

预先热处理(正火、退火)

粗加工

最终热处理(淬火、低温回火、固溶、时效或渗碳)

半精加工

稳定化处理或氮化

精加工

稳定化处理

零件。※金属材料零件选材的工艺性能原则

3、经济性原则

1、材料的价格

零件材料的价格无疑应该尽量低。占的30%～70%2、国家的资源

材料应该来源丰富并顾及我国资源状况。3、零件的总成本

零件选用的材料必须保证其生产和使用的总成本最低。

零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用和材料价格有关。7.2典型零件的选材方法一、齿轮类零件的选材1.齿轮的工作条件、失效形式及性能要求齿轮是机械工业中应用最广的零件之一，主要用于传递扭矩和调节速度。（1）工作时的受力情况1）由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力。2）齿面相互滑动和滚动，承受较大的接触力，并发生强烈的摩擦。3）由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定的冲击。（2）主要失效形式1）疲劳断裂。

主要发生在齿根。它是齿轮最严重的失效形式。2）齿面磨损。3）齿面接触疲劳破坏。4）过载断裂。（3）齿轮用材性能要求1）高的弯曲疲劳强度2）高的接触疲劳强度和耐磨性3）齿轮心部要有足够的强度和韧性2.齿轮零件的选材3.典型齿轮选材举例（1）机床齿轮（2）汽车齿轮二、轴类零件的选材1.轴的工作条件、失效形式及性能要求（1）一般轴的工作条件1）传递一定的扭矩，承受一定的交变弯矩和拉、压载荷。2）轴颈承受较大的摩擦3）承受一定的冲击载荷（2）主要失效形式1）疲劳断裂长期受扭转和弯曲交变载荷作用2）断裂失效大载荷或冲击载荷作用3）磨损失效轴颈或花键处过度磨损（3）对轴用材料性能要求1）良好的综合力学性能2）高的疲劳强度3）良好的耐磨性2.轴类零件的选材(1)不传递动力只承受弯矩起支撑作用的轴(2)主要受弯曲，扭转的轴(3)同时承受弯曲（或扭转）及拉，压载荷的轴3.典型轴选材举例（1）机床主轴选材以C620车床主轴为例进行选材。该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合力学性能即可满足要求。但大端的轴颈、椎孔与卡盘、顶尖之间有摩擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。根据以上分析，车床主轴可选用45钢。热处理为调质处理；轴颈和椎孔进行表面淬火。工艺路线为：（2）内燃机曲轴选材内燃机曲轴选材原则主要根据内燃机的类型、功率大小、转速高低和相应轴承材料等项条件而定，同时也需考虑加工条件、生产批量和热处理工艺及制造成本。由于在滚动轴承中工作，要求轴颈部有较高的硬度和耐磨性。

通常可选用QT700—2，其工艺路线如下：铸造----高温正火----高温回火----切削加工----轮颈气体渗氮锻造----正火----粗加工----调质----精加工----表面淬火及低温回火----磨削加工三、弹簧类零件的选材1.弹簧的工作条件、失效形式及性能要求（1）工作条件1）弹簧在外力作用下，压缩、拉伸、扭转时材料将承受弯曲应力或扭转应力。2）缓冲、减震或复原用的弹簧，承受交变应力和冲击载荷的作用3）某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用（2）主要失效形式1）塑性变形2）疲劳断裂3）快速脆性断裂4）在腐蚀介质中使用的弹簧易产生应力腐蚀断裂失效；高温下使用的弹簧易出现蠕变和应力松弛，产生永久变形。（3）对弹簧用材性能要求1）高的弹性极限和屈强比（σs/σb）2）高的疲劳强度3）好的材质和表面质量4）某些弹簧需要良好的耐蚀性和耐热性2.弹簧零件的选材弹簧种类很多，载荷大小相差悬殊，使用条件和环境个不相同。在实际生产中多选用弹性极限高的金属材料来制造。3.典型弹簧选材举例（1）汽车板簧（2）火车螺旋弹簧（1）汽车板簧汽车板簧用于减震和缓冲，承受很大的交变应力和冲击载荷，需要高的屈服强度和疲劳强度。中重型汽车板簧用50CrMn，55SiMnV钢；重型大截面板簧用55SiMnMoV、55SiMnVNb。其工艺路线为：热轧钢带（板）冲载下料----压力成型----淬火----中温回火----喷丸强化（2）火车螺旋弹簧火车螺旋弹簧用于机车和车厢的缓冲和吸震，其使用条件和性能与汽车板簧相近。其工艺路线为：热轧钢棒下料----两头制扁----热卷成型----淬火----中温回火----喷丸强化----端面磨平其中淬火和回火工艺同汽车板簧。※工程材料的应用一、汽车零件用材1.缸体和缸盖缸体材料必须满足下列要求：1）有足够的强度和刚度，特别是有足够的刚度，以减小变形，保证尺寸的稳定性。2）良好的铸造性和切削性3）价格低廉2.缸套气缸内壁的过量磨损是造成发动机大修的主要原因之一，所以要选用耐磨材料。常用耐磨合金铸铁。3.活塞、活塞销和活塞环——活塞组对活塞用材的要求是热强度高、导热性好、吸热性差、膨胀系数小、密度小，减磨性、耐磨性、耐蚀性和工艺性好等。目前很难找到完全满足要求的材料。常用的活塞材料是铝硅合金。活塞销材料一般用20钢或20Cr等低碳合金钢。活塞环材料多用以珠光体为基的灰铸铁或在其上添加Cu、Cr、Mo的合金铸铁制造。4.连杆连杆是在很复杂的应力状态下工作的。受力有交变拉压应力、弯曲应力等，一般采用45钢、40Cr或40MnB。1小头与连杆的过渡区2连杆中间3大头与连杆的过渡区5.气门气门在工作时，要承受较高的机械负荷和热负荷。应选用耐热、耐蚀、耐磨的材料。进气门一般可用40Cr、35CrMo等；排气门可用4Cr10Si2Mo。6.半轴半轴在工作时主要承受扭转力矩和交变弯曲以及一定的冲击载荷。通常使用调质钢制造：40Cr、45钢、40CrNi、40MnB等。7.车身、纵梁、档板等冷冲压零件汽车冷冲压零件用的材料有钢板和钢带，主要是钢板—冷轧钢板和热轧钢板。如钢板08、20、25和16Mn等。1花键端2花键与杆部相连部位3凸缘于杆部相连部位8.螺栓、铆钉等冷镦零件9.汽车用塑料

（1）汽车内饰用塑料（2）汽车用工程塑料（3）汽车外装机结构件用纤维增强塑料复合材料10.汽车用橡胶11.汽车用陶瓷材料

二、机床零件用材常用的机床零部件有机座、轴承、导轨、齿轮、弹簧、紧固件、刀具等。1.机身、底座用材首选材料当为灰铸铁、孕育铸铁，球墨铸铁也可使用。HT150、HT200，HT250，HT300，QT400-17，QT600-2等等。2.齿轮用材HT150、HT200，HT250，HT300，Q235，Q255，20Cr，40Cr等等，根据不同用途选用不同材料。3.轴类零件用材曲轴和主轴常用QT600-2、KTZ600-3,不重要或受力较小的轴可用Q235、Q255等，承受大载荷的轴类可用40Cr或20Cr。4.螺纹联接件用材无特殊要求的螺纹常用Q235、Q255、Q275制造；中等载荷及精密螺纹常用35钢、45钢；重载荷及极重要的螺纹用40Cr、40CrV。5.螺旋传动件用材通常不进行热处理的螺旋传动件用45钢、50钢；进行热处理的螺旋传动件用T10、65Mn、40Cr等。6.蜗轮传动用材蜗轮用材：HT200、HT150、HT250等；蜗杆用材：15钢、20钢、15Cr、20Cr、45钢、40Cr，低速传动的蜗杆也可用Q275。7.滑动轴承用材滑动轴承材料应具有优异的减磨性、耐磨性、抗胶合能力和足够的冲击韧性及抗压、疲劳强度。轴承材料可分为：（1）金属材料包括巴士合金、铜基轴承合金和铸铁（2）粉末冶金材料（3）塑料轴承材料（4）橡胶轴承8.滚动轴承用材一般用GCr9、GCr15、GCR15SiMn、GSiMnV等制造。9.机床其它零件用材（1）凸轮用材

45钢（2）刀具用材工具钢、高速钢和硬质合金钢（3）其它用材灵活选用三、仪器仪表用用材仪器仪表用材包括结构钢、有色金属和工程塑料等多种，一般应具有良好的切削性能。1.壳体材料（1）金属材料Q195、Q235，1Cr13，1Cr13Ni9Ti（2）非金属材料工程塑料、复合材料2.轴类零件用材Q235、2A12（LY12）、2A11（LY11）、HMn58-2等。3.凸轮用材中碳钢或中碳合金钢

45钢，40Cr4.齿轮用材

仪器仪表中的齿轮用材广泛，有钢、铜、塑料、复合材料等。

5.蜗轮、蜗杆用材

仪器仪表中常用铜合金制造蜗轮蜗杆。

四、热能设备用材热能设备很多，主要包括锅炉、汽轮机、电机等。这些设备多在高温、高压和腐蚀介质作用下长期运行，对所用材料要求很高。(一)锅炉主要设备用钢1.锅炉管道用钢（1）对管道用钢提出如下要求1）足够高的蠕变极限和持久强度2）高的抗氧化性和耐腐蚀性能3）良好的组织稳定性4）良好的工艺性能，特别是焊接性能要好（2）锅炉管道用钢的选择1）壁温<500℃的过热器管和壁温<450℃的蒸汽管道。20钢2）壁温≤550℃的过热器管和壁温≤

510℃的蒸汽管道。

15CrMo3）壁温≤580℃的过热器管和壁温≤

540℃的蒸汽管道。

12CrMo4）壁温≤(620—650)℃的过热器管和壁温≤

(550—570)℃的蒸汽管道。12Cr2MoWVB5）壁温≤(600—650)℃的过热器管和壁温≤

(550—600)℃的蒸汽管道。F11，F12，HT9等2.锅炉汽包用钢（1）对锅炉汽包用钢的要求1）较高的常温和中温强度2）良好的塑性3）较低的缺口敏感性。4）气孔、疏松、非金属夹杂等缺陷尽可能少。5）良好的焊接性能等加工工艺性能。（2）锅炉汽包用钢的选择低压锅炉汽包用钢为12Mng、16Mng和15MnVg等普通低合金钢板。(二)汽轮机主要零部件用钢汽轮机主要零部件包括汽轮机叶片、汽轮机转子和汽轮机静子等1.汽轮机叶片（1）对叶片材料的严格要求1）足够的室温和高温力学性能2）良好的减震性3）高的组织稳定性4）良好的耐蚀性及抗冲蚀稳定性5）良好的冷、热加工工艺性能（2）汽轮机叶片材料的选择主要有三种1）铬不锈钢（1Cr13和2Cr13）2）强化型铬不锈钢。在1Cr13和2Cr13基础上加入Mo、W、V、Nb、B等元素；3）铬—镍不锈钢，Cr17Ni13W、Cr14Ni18W2NbBCe2.汽轮机转子汽轮机转子是汽轮机的心脏，其工作条件十分恶劣。主轴工作时承受扭转应力、弯曲应力和热应力，以及震动产生的附加应力和发电机短路时产生的巨大扭转应力和冲击载荷的共同作用。（1）对制造转子的材料的要求有：1）良好的综合力学性能。2）一定的抗氧化、抗蒸汽腐蚀的能力3）不允许存在白点、内裂、缩孔、大块非金属夹杂物或密集性细小夹杂物等缺陷。4）有良好的淬透性、焊接性等工艺性能。（2）针对上述要求，转子用钢选择叶轮、主轴和转子的材料是按不同的强度级别选用的，但它们都属于中碳钢和中碳合金钢。只有制作焊接转子时，为了保证材料的焊接性才适当降低碳含量（例如选用17CrMo1V钢）.3.汽轮机静子汽轮机静子部件是在高温、高压或一定的温差、压差作用下长期工作的。静子部件在机组运行时将承受蒸汽的内压力、转子质量所引起的静应力、由于温差所产生的热应力，以及由于变化的热应力所引起的热疲劳作用。因此，对静子材料提出以下要求：1）足够高的室温力学性能和较好的热强性。2）具有一定的抗氧化性和抗腐蚀性，良好的热疲劳性能和组织稳定性。3）具有尽可能好的铸造性能和焊接性能。五、化工设备用材

（一）低合金钢1.压力容器用低合金结构钢常用的是低合金结构钢。要求强度、塑性和焊接性能。常用钢种16MnR、15MnVR和18MnMoNbR。

2.不锈钢化工设备对材料耐蚀性能有较高的要求，因此广泛的利用各种不锈钢制造。

（1）铬不锈钢1Cr13、2Cr13等钢种有良好的耐蚀性，0Cr13、0Cr17Ti有良好的塑性。（2）铬镍不锈钢由耐蚀要求的压力容器常用铬镍不锈钢，主要牌号有1Cr18Ni9、0Cr18Ni11Ti和0Cr17Ni12Mo2等。3.耐热钢有些化工设备是在650℃以上的高温环境工作。在这样高的温度下，一般碳钢抗氧化腐蚀性能和强度变得很差而无法使用，此时必须采用耐热钢。主要牌号有：1Cr13Si3、1Cr13Ni3、1Cr25Ni20Si2等。4.其它类型的特殊性能钢（1）低温钢在化工生产中，会用到零件必须采用能承受低温的金属材料制造。主要牌号有：16MnDR、09Mn2VDR、09MnTiCuREDR。（2）抗氢腐蚀钢我国目前生产的抗氢钢种有：15CrMo、20CrMo、12Cr3MoA、15MnV、10MoVWNb。（3）抗氮腐蚀钢1Cr18Ni9Ti不锈钢具有较强的抗氮化腐蚀能力，故常用制造氨合成塔的内件。(二)有色金属及其合金1.铜及其合金铜耐蚀性好，除了各种浓度的硝酸、氨和胺盐溶液。黄铜可作深冷设备的筒体、管板、法兰和螺母等。锡青铜主要来制造耐蚀和耐磨零件。2.铝及其合金工业纯铝广泛应用于制造硝酸、含硫石油工业、橡胶硫化和含硫的药剂等生产所用设备。防锈铝可用作空气分离的蒸馏塔、热交换器等。铸铝可制造形状复杂的耐蚀零件。3.铅及其合金铅在许多物质中，特别是在热硫酸和冷硫酸中具有较高耐蚀性。由于其强度、硬度低，主要用来做设备衬里。4.镍及其合金镍在碱类物质中具有良好的耐蚀性。

（三）非金属材料1.无机非金属材料（1）化工陶瓷主要用于制作塔、泵、管道、耐酸瓷砖和设备衬里。

（2）玻璃制作管道、离心泵、热交换器、精馏塔等设备。

（3）天然耐酸材料

可制造衬砌设备、设备密封圈、填料。

2.有机非金属材料（1）工程塑料

工程塑料品种很多，在化工生产中应用很广泛。

（2）不锈钢石墨

可制造换热设备。

7.3航空航天领域关键零件选材简介高的比强度和比模量优良的耐高温性能耐老化和耐腐蚀适应空间环境寿命和安全一、航空航天材料的要求1.中碳调质钢（1）Cr-Mn-Si钢

其中30CrMnSi是最典型的钢种。（2）Cr-Ni-Mo钢

主要用于高负荷、大截面的轴类及承受冲击载荷的截面。（3）超高强度钢

该钢可作超音速喷气机体材料。2.高合金耐热钢可分为马氏体型、铁素体型、奥氏体型、弥散强化性四种，用于制造涡轮泵及火箭发动机、航空发动机转子和其他零件。3.高温合金高温合金是指在高温下有较高力学性能、抗氧化和抗腐蚀性能的合金。按基体可分为镍基、铁基、钴基。4.镍基耐蚀合金

用于耐高温、高压、高浓度或混有不纯物等腐蚀环境中的理想材料。

7.3航空航天领域关键零件选材简介二、航空航天常用材料简介5.铝及其合金铝及其铝合金具有良好的耐蚀性，较高的比强度、导电性及导热性等优点，在航空航天工业中已大量应用。（1）变形铝合金

5A05、5A11用于焊接油箱、油管等。2A01可制造工作温度不超过100℃的结构用中等强度铆钉。2A14用于制造承受载荷的锻件和模锻件等等。（2）铸造铝合金

ZL101可制造发动机匣、气缸体等，ZL109制造较高温度下工作的零件如活塞等。ZL401适宜压力铸造制造工作温度不超过200℃、结构形状复杂的飞机零件。6.镁合金

镁合金以其密度小质量轻而在航空航天工业中得到非常广泛的应用。

7.钛及其合金

钛及其合金的最大优点是比强度大，钛合金的比强度超过铝合金和超高强度中碳调质钢。目前近一半的钛合金应用于航空航天领域。主要用于制造质量轻、可靠性强的结构，如发动机支架、发动机匣、压气机盘、叶片、外涵道等。8.钨、钼、铌及其合金钨、钼及其合金在航天工业中可作火箭发动机喷管材料。铌及其合金可作航天方面优选的热防护材料和结构材料。9.复合材料广泛应用于直升机飞机机身、机翼及各种航天器内置结构件，如仪表盘、底盘、仪器壳体等。本章小结

一个机械产品的设计应包括结构设计、工艺设计和材料设计三个部分，机器零件的正确选材、合理用材是机械工程技术人员的基本任务之一，也是本课程的主要教学目的。本章的主要内容有两个：一是掌握机械零件用材合理选用的三个基本原则；二是熟悉齿轮和轴这两类典型零件材料选用的分析。第8章实验

由于本课程与工程应用密切相关，学习过程中在掌握基本理论的同时，进行必要的实验，对工程设计中正确、合理地选用材料，正确地进行加工、改性、检验等，提高分析与解决实际问题的能力非常重要。

工程背景您知道怎么对合金中的组织进行观察和分析吗？您了解各类硬度测试的基本原理以及怎么进行硬度测定吗？不同热处理方式对碳钢显微组织及性能有什么样的影响？常用合金中的相及组织组分的本质、形态及分布特征对性能有什么样的影响？

第8章实验本章提要本章主要内容第8章实验金相试样的制备和硬度实验铁碳合金平衡组织观察碳钢的热处理及显微组织观察综合实验合金钢、铸铁、有色金属的显微组织观察8.1金相试样的制备和硬度实验

8.1.1实验目的

1．熟悉金相样品的制备过程。

2．了解利用压入法测定硬度的基本原理及应用。

3．了解布氏、洛氏、维氏硬度计的主要结构及操作方法。

4．了解各种硬度值的换算和查表方法。第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验

8.1.2金相试样的制备金相试样的制备包括取样、磨制、抛光、浸蚀过程。

1．取样、镶嵌

取样：对于失效零件，应在零件的破损部位及完好部位同时取样，以便对比。对锻造和轧制材料，一般进行由表面到中心有代表性的纵向取样，以便观察组织和夹杂物等的变形情况。第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验横向截面的取样可用于检验脱碳层、化学热处理的渗层、淬火层、表面缺陷、晶粒度测定等。对于一般热处理后的零件，由于组织状态比较均匀，试样可在任意截面获取。试样截取中首先要保证检验部位的金相组织不发生变化。软材料可用锯、车、刨等方法截取，硬材料可用砂轮切割机或线切割。硬而脆的材料可用锤击取样。试样的大小应便于握持和易于磨制，一般方形试样边长为10-12mm，圆形试样直径为10-15mm。

第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验镶嵌：对于尺寸小或形状特殊，不易握持的试样，可采用机械夹持或镶嵌的方法。镶嵌法是将试样镶在镶嵌材料中，目前使用的镶嵌材料有热固性塑料（如胶木粉）及热塑性材料（聚乙烯聚合树脂）等，还可将试样放在金属圈内，然后注入低熔点物质，如硫磺、松香、低熔点合金等。（图8-1）

图8-1金相试样的夹持和镶样方法：a)、b)机械夹持；c)低熔点合金镶样；d)塑料镶样

第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验

2．磨制磨制分为粗磨和细磨。

粗磨：使用砂轮机或锉刀挫平，目的是为了将试样修整成平面。在砂轮上磨制时，应握紧试样，压力不易过大，并随时用水冷却，以防受热引起金属组织变化。试样要倒角，以防后道工序划破砂纸及抛光布。

细磨：消除粗磨留下的磨痕以得到平整而光滑的磨面，为进一步的抛光作好准备。细磨时，将粗磨好的试样用水冲洗并擦干后，依次在由粗到细的各号金相砂纸上把磨面磨光。

第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验注意事项：磨制时砂纸应平铺于厚玻璃板上，手持试样使磨面朝下并与砂纸接触，在轻微压力作用下向前推行磨制，用力要均匀、平稳，否则会使磨痕过深，造成磨面变形。回程时提起试样不与砂纸接触，直至磨面上旧的磨痕被去除，新的磨痕均匀一致时为止。每更换一道砂纸，应将试样上的磨屑和砂粒清除干净并将试样的研磨方向掉转90°，与上一道磨痕方向垂直，直到磨痕全部消除。为了加快磨制速度，除手工磨制外，还可以将不同型号的砂纸贴在带有旋转圆盘的预磨机上，实现机械磨制。第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验

3．抛光去除细磨时磨面上遗留下来的细微磨痕和变形层，以获得光滑的镜面。常用的抛光方法有机械抛光，电解抛光和化学抛光三种，其中以机械抛光应用最广。

机械抛光是在专用的抛光机上进行。抛光机主要由电动机和抛光圆盘组成。抛光盘上铺以细帆布、呢绒、丝绸等，抛光时在抛光盘上不断滴注抛光液。机械抛光是靠极细的抛光粉对磨面的机械作用消除磨痕而使其成为光滑的镜面。第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验注意事项：抛光试样的磨面应均匀、平整地压在旋转的抛光盘上，试样要拿牢，与抛光布紧密接触，压力适当。抛光时要将试样逆着抛光盘的转动方向而自身转动，同时由盘的边缘到中心往复运动。抛光时间不可太长，试样表面磨痕消除，呈光亮的镜面，即可停止抛光。第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验

4.浸蚀抛光后的试样磨面是一光滑面，若直接放在显微镜下观察，只能看到一片亮光，除某些非金属夹杂物、石墨、孔洞、裂纹外，无法辨别出各种组成物及其形态特征。必须经过适当的浸蚀，才能使显微组织正确地显示出来。目前，最常用的浸蚀方法是化学浸蚀法。常用的化学浸蚀剂有硝酸、盐酸、苦味酸、过氧酸铵等，根据材料的不同来选择浸蚀剂配方。钢铁材料常用4%的硝酸酒精溶液进行浸蚀。第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验

8.1.3硬度实验

1．实验概述硬度试验方法很多，机械工业普遍采用压入法来测定硬度，压入法又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。

2．布氏硬度

1）试验原理布氏硬度测定的原理是把一定直径的淬火钢球（硬质合金球），以规定的载荷F压入被测材料表面保持一定时间后卸除载荷，测出压痕直径d，求出压痕的表面积S，计算出平均应力值，以此为布氏硬度值的计量指标，并用符号HBS（W）表示。因此布氏硬度值是以试样压痕面积上的平均压力F/S表示。即单位面积所承受的压力。（图8-2）

第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验布氏硬度公式：

式中：F—载荷（kgf）常为3000、750、187.5三种；

S—压痕表面积（mm2）；

D—钢球直径（mm）常有10、5、2.5三种；

d—压痕直径（mm）。第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验表示方法：压头为钢球时用符号HBS表示，适用于测量布氏硬度值小于450的材料；用硬质合金球压头测得的硬度值以符号HBW表示，适用于测量硬度值范围450-650的材料。符号HBS或HBW之前为硬度值，符号后面的数值依次表示试验条件：球体直径、载荷、载荷保持时间。120HBS10/1000/30表示用直径10mm的钢球在1000kgf载荷作用下保持30s测得布氏硬度值为120；500HBW5/750表示用直径5mm硬质合金球在750kgf载荷作用下保持10-15s测得布氏硬度值为500。习惯上只写布氏硬度的数值而不标出单位。第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验

2）布氏硬度计构造、操作与要求（1）布氏硬度试验机构造图8-3HB-3000型布氏硬度计第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验（2）操作方法与要求选择压头、载荷、保持时间。将选定的压头装入主轴衬套中，加上相应的砝码，然后将紧压螺钉拧松，把时间定位器圆盘（红色指示点）转到与保持时间相符的位置上。将试样置于载物台上，打开电源开关，顺时针方向转动手轮，使工作台上升至压头与试样接触，并在手轮打滑后，按动加载按钮，启动电动机，即开始加载荷。此时因压紧螺钉已拧松，时间圆盘并不转动，当绿色加载指示灯亮时，迅速拧紧紧压螺钉，使时间圆盘转动，达到所要求的持续时间后，转动自动停止，随后电动机自动反转，上升而卸除载荷。从加压指示灯亮到熄灭为载荷持续时间。第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验

逆时针转动手轮降下载物台，取下试样用读数放大镜测出压痕直径，将测得结果查表（压痕直径与布氏硬度对照表）即可确定出试样硬度值。试验后压痕直径应在0.25D＜d＜0.6D范围内，否则影响准确性。压痕中心至试样边缘间距应不小于压痕直径的2.5倍，即距压痕中心距离不小于压痕直径的4倍。第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验

2．洛氏硬度

1）基本原理洛氏硬度同布氏硬度一样也属压入法，但不是测定压痕面积而是根据压痕深度来确定硬度值指标。洛氏硬度试验所用压头有两种：一种是顶角为120°的金刚石压锥，另一种是直径为1/16（1.588mm）或1/8（3.175mm）英寸的淬火钢球。根据金属材料软硬程度不同。可选用不同压头和载荷配合使用，最常见的是HRA、HRB、HRC。洛氏硬度测定时需要先后施加二次载荷（预载荷F1和主载荷F2），预加载荷的目的是使压头与试样表面接触良好以保证测量结果准确。(图8-4)第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验

图8-4洛氏硬度原理图第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验洛氏硬度值公式如下：式中：

h1—预加载荷压入试样的深度（mm）；

h3—卸除主载荷后压入试样的深度（mm）；

k—常数，采用金刚石圆锥时k=0.2（用于HRA，HRC），采用钢球时k=0.26（用于HRB）。第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验

2）洛氏硬度计构造、操作与要求（1）洛氏硬度试验机构造图8-5洛氏硬度计机构示意图1-小杠杆；2-刻度盘；3-压头；4-试样；5-试样台；6-丝杠；7-手轮；8-弹簧；9-加载手柄；10-杠杆；11-纵杆；12-砝码；13-顶杆；14-油压缓冲器；15-卸载手柄；16-转盘；17-小齿轮；18-扇齿轮

第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验（2）操作方法与要求加预载荷，对零点。按顺时针方向转动升降丝杠手轮，使试样与压头缓慢接触，并观察刻度盘，直至表盘小指针转到小红点处，大指针指向上方左右15°时为止。调整刻度盘，如进行HRC、HRA硬度试验时，使大指针与表盘上黑字C处对准。试验HRB时，使大指针与表盘上红字B处对准。加主载荷。平稳地扳动加载手柄，手柄自动升高至停止位置（时间为4~6秒），并停留10秒后卸去主载，扳回手柄至原来位置。由表盘上直接读出硬度值。HRC、HRA读黑刻度数字。HRB读红刻度数字，然后逆时针转动手轮，卸下试样。用同样的方法在试样的不同位置测三个数据，取其算术平均值为试样的硬度值，各压痕中心距和压痕中心至试样边缘的距离不得小于3mm。第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验

3．维氏硬度

1）基本原理维氏硬度试验法是压入试验法中较精确的一种，它与布氏硬度试验法相似，是用一个相对面夹角为136°的金刚石正四棱锥体压头，在载荷F（kgf）作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷。然后再测量压痕投影的两对角线的平均长度d（mm），供以计算压痕面积S（mm2）以F/S的数值表示试样的硬度值。单位面积承受载荷愈大，则硬度愈高。(图8-6)图8-6维氏硬度试验压头及压痕示意图第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验其计算公式如下：式中：

F—载荷，大小根据试样厚度和其它条件的不同在5~100kgf范围选用；

d—压痕两对角线的平均值（mm）。第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验（2）操作方法与要求载荷的选择要根据试样种类、试样厚度和预期的硬度范围而定。标准规定，试样或试验层的厚度至少为压痕对角线长度的1.5倍。维氏硬度按载荷大小的不同，可细分为三种：维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验和显微维氏硬度试验。试样表面应平整光洁。试验时将试样放入工作台，转动物镜与压头转盘，将压头转到工作台中心位置，在转动时避免碰坏压头。将加载操作手柄扳至水平位置，转动负荷值手轮，调好加载负荷值，旋转工作台升降手轮，直到试样与压头保护套紧密接触为止。向左转动操作手柄，使负荷作用到试样上，从指示灯燃亮到熄灭；转动升降手轮使试样离开压头；转动压头转盘使物镜转到工作台中心，再通过转动升降手轮来调整试样与物镜间焦距。直到在目镜内看清压痕为止。第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验通过目镜测微计测量压痕对角线平均值，在维氏硬度值换算表中查出硬度值或计算出硬度值，最后取下试样。在试样上两压痕中心距及压痕中心到试样边缘距离，均不得小于2.5倍压痕对角线。维氏硬度表示为HV，维氏硬度符号HV前面的数值为硬度值，后面为试验力值。标准的试验保持时间为10-15s。如果选用的时间超出这一范围，在力值后面还要注上保持时间。例如：600HV30—表示采用294.2N（30kg）的试验力，保持时间10-15s时得到的硬度值为600。600HV30/20—表示采用294.2N（30kg）的试验力，保持时间20s时得到的硬度值为600。第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验8.1.4实验设备及材料

1．金相显微镜；不同型号金相砂纸一套；玻璃板；抛光液；酒精浸蚀剂（4%硝酸酒精溶液）；抛光机；抛光绒布、帆布。

2．HB-3000型布氏硬度计；HR-150型洛氏硬度计；HV-120型维氏硬度计；20倍读数放大镜。

3．试样：45钢淬火及正火状态，标准块。第8章实验8.1金相试样的制备和硬度实验8.1.5实验报告要求

1．简述布氏和洛氏硬度试验原理。

2．说明洛氏硬度试验加10公斤预载荷其目的是什么？

3．测定标准块的布氏硬度值。

4．测定45钢正火及淬火试样的洛氏硬度值。

5．测定标准块的维氏硬度值。第8章实验8.2铁碳合金平衡组织观察8.2.1实验目的

1．根据Fe-Fe3C相图观察和分析铁碳合金（碳钢及白口铸铁）在接近平衡状态下的显微组织。

2．分析成份（含碳量）对铁碳合金显微组织的影响，从而加深理解成份、组织与性能之间的相互关系。第8章实验8.2铁碳合金平衡组织观察

8.2.2实验概述

1．铁碳合金的基本相和组织特征所有碳钢和白口铸铁的室温组织均由铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）这两个基本相所组成。但由于含碳量不同，铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）相对数量、析出条件以及分布情况均有所不同，因为呈现各种不同的组织形态。

1）铁素体（F）是碳在α-Fe中的固溶体。铁素体为体心立方晶格、具有磁性及良好塑性，硬度低。用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒，亚共析钢中铁素体呈块状分布，当含碳量接近于共析成份时，铁素体则呈现断续的网状分布于珠光体周围。第8章实验8.2铁碳合金平衡组织观察

2）渗碳体（Fe3C）是铁与碳形成的一种化合物，其含碳质量分数为6.69%，质硬而脆。耐腐蚀性强，经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色，若用苦味酸溶液浸蚀。则渗碳体能被染成暗黑色或棕红色，而铁素体仍为白色。由此可区别铁素体与渗碳体。第8章实验8.2铁碳合金平衡组织观察

3）珠光体（P）是铁素体和渗碳体的机械混合物，在一般退火处理情况下是由铁素体与渗碳体相互混合交替排列形成的层片组织。经硝酸酒精溶液浸蚀后，在不同放大倍数的显微镜下可以看到具有不同特征的珠光体组织。在高倍放大镜下能清楚地看到珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体；当放大倍数较低时，由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体片厚度而无法分辩，因此，当组织较细而放大倍数低时，珠光体的片层不能分辩，而呈黑色。

4）莱氏体（Ld′）是在室温时珠光体及二次渗碳体和共晶渗碳体所组成的机械混合物。第8章实验8.2铁碳合金平衡组织观察

2．铁碳合金的平衡组织

1）工业纯铁工业纯铁是含碳质量分数＜0.0218%的铁碳合金，其组织为单相铁素体或铁素体和极少量的三次渗碳体。当为单相铁素体时，显微组织由亮白色的呈不规则块状晶粒组成，黑色网状细线为铁素体晶界。当组织中存在三次渗碳体时，三次渗碳体以薄片状析出于铁素体晶界处。

第8章实验8.2铁碳合金平衡组织观察

2）碳钢（1）共析钢含碳质量分数为0.77%的铁碳合金称为共析钢，室温下它由单一的珠光体组成。珠光体是由铁素体片和渗碳体片交替排列形成的层片状。在硝酸酒精浸蚀下，铁素体和渗碳体均不易腐蚀，而在铁素体和渗碳体交界处易腐蚀下凹，我们在显微镜上看到的层片状珠光体是黑白相间的平行条纹，实则难以分辩铁素体和渗碳体，黑的条纹是两相交界。第8章实验8.2铁碳合金平衡组织观察（2）亚共析钢含碳质量分数为在0.0218-0.77%铁碳合金称为亚共析钢，室温下的组织为先共析铁素体和珠光体。如前所述，铁素体呈亮白色不规则块状晶粒，珠光体在放大倍数较低时呈暗黑色。随碳的质量分数的增加铁素体逐渐减少，珠光体逐渐增多，铁素体的形态逐渐由块状变为碎块状或网状。（3）过共析钢含碳质量分数为在0.77-2.11%铁碳合金称为过共析钢，在室温下的组织为珠光体和二次渗碳体。钢中含碳量越多，二次渗碳体数量就越多。二次渗碳体是由奥氏体中析出的，在奥氏体转变成珠光体后，它呈网状分布在珠光体的边界上。第8章实验8.2铁碳合金平衡组织观察

3）白口铸铁（1）共晶白口铁共晶白口铁的含碳质量分数4.3%，在室温下为单一的共晶莱氏体。莱氏体是珠光体与渗碳体组成的机械混合物。经硝酸酒精浸蚀以后，渗碳体为亮白的基体，珠光体呈黑色粒状或条状。（2）亚共晶白口铁亚共晶白口铁的含碳质量分数在2.11-4.3%，在室温下的组织为珠光体，二次渗碳体和莱氏体构成。经硝酸酒精浸蚀以后，珠光体呈暗黑色椭圆形枝状分布，其周边为二次渗碳体，在白色基底上分布有黑色斑点状的组织为莱氏体。通常二次渗碳体与共晶渗碳体连在一起，难以区分。（3）过共晶白口铁过共晶白口铁的含碳质量分数在4.3-6.69%，在室温下的组织为一次渗碳体和菜氏体。一次渗碳体是直接由液体中析出的，在显微镜下呈亮白、粗大的板条分布在莱氏体基体上。第8章实验8.2铁碳合金平衡组织观察

8.2.3实验设备及材料

1．金相显微镜

2．观察样品

8.2.4实验报告要求

1．实验目的

2．画出所观察过的组织，并注明材料名称、含碳量、浸蚀剂和放大倍数。显微组织图画在直径为30mm的圆内，并将组织组成物名称以箭头引出标明。

3．本次实验的心得体会。第8章实验8.3碳钢的热处理及显微组织观察

8.3.1实验目的

1．了解碳钢热处理的基本方法。

2．了解不同热处理方法对碳钢组织与性能的影响。

3．熟悉碳钢的几种典型热处理组织的形态及特征。第8章实验8.3碳钢的热处理及显微组织观察

8.3.2实验概述热处理的目的是改变钢的性能，它的工艺特点就是利用钢在固态下加热、保温和冷却，以改变其组织结构，从而获得所需要的性能。钢的热处理工艺分为退火、正火、淬火和回火等。第8章实验8.3碳钢的热处理及显微组织观察

1．碳钢的热处理工艺

1）加热温度的确定

Fe-Fe3C相图是确定钢的热处理加热温度的主要依据。加热温度不能过高，否则会使工件的晶粒粗大、氧化、脱碳严重，变形、开裂倾向增加。但加热温度过低，也达不到要求的效果。

2）加热时间的确定通常将零件升温和保温所需的总时间称为加热时间。在实验室中，通常将钢件放入炉中后，当炉温恢复到指定温度，从此刻到钢件出炉的一段时间为保温时间。根据经验，在空气介质中，升到规定温度后的保温时间，碳钢按工件厚度每毫米需一分至一分半钟，合金钢按每毫米两分钟估算；在盐浴炉中，保温时间可缩短1-2倍。回火保温时间与回火温度有关。通常低温回火保温时间较长为1-2小时，而高温回火保温时间较短，为0.5-1小时。第8章实验8.3碳钢的热处理及显微组织观察

3）冷却方式热处理的冷却方法必须适当，才能获得所要求的组织和性能。退火一般采用随炉冷却，为节约时间，可在炉冷至600~550℃时出炉空冷。正火采用在空气中冷却，大工件常进行吹风冷却。淬火时，钢在过冷奥氏体最不稳定的范围内（650~550℃）的冷却速度应大于临界冷却速度，以保证工件不转变为珠光体型组织；而在MS点附近的冷却速度应尽可能低，以降低淬火内应力，减少工件变形与开裂。因此，淬火时除了要选用合适的淬火冷却介质外，还应确定合适的淬火方法。对于形状简单的工件，常采用简易的单液淬火法，碳钢用水或盐水溶液作冷却介质，合金钢常用油作冷却介质。第8章实验8.3碳钢的热处理及显微组织观察

2．碳钢热处理后的显微组织由于碳钢热处理冷却条件不同，过冷奥氏体将在不同温度范围发生不同类型的转变。

1）珠光体型组织它是过冷奥氏体在高温区（Ar1至C曲线鼻尖）转变产物。随奥氏体在冷却时过冷度的增加，依次得到珠光体、索氏体、屈氏体。它们都是铁素体与渗碳体的细密机械混合物，但铁素体与渗碳体层片间距离依次变小，使组织的强度、硬度递增。

第8章实验8.3碳钢的热处理及显微组织观察

2）贝氏体型组织贝氏体型组织是过冷奥氏体在中温区（C曲线鼻尖至MS）转变的产物。上贝氏体与下贝氏体是由含碳过饱和铁素体与渗碳体组成的两相混合物。上贝氏体在光学显微镜下呈羽毛状，下贝氏体在光学显微镜下呈黑色针状。下贝氏体的性能与上贝氏体比较，它不仅具有较高的硬度、强度与耐磨性，而且下贝氏体的韧性与塑性均高于上贝氏体。钢的等温淬火处理正是为了得到这种综合机械性能较高的下贝氏体组织。第8章实验8.3碳钢的热处理及显微组织观察

3）马氏体组织马氏体是过冷奥氏体在低温区（MS以下）转变的产物，是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。低碳马氏体组织呈板条状，在光学显微镜下，板条马氏体的形态呈现为一束马氏体板条群，每一束内的马氏体板条之间以小角度晶界分开，而束与束之间以大角度晶界分开，每个原奥氏体晶粒内包含几束马氏体板条群。板条马氏体不仅具有较高的强度和硬度，同时还具有良好的塑性与韧性。高碳马氏体组织呈片状（或称针状），性能硬而脆。在光学显微镜下，片间有一定的角度，其组织难以浸蚀，所以颜色较浅，呈灰白色。当高碳钢的淬火温度过高时，获得粗大的片状马氏体和相当数量的残余奥氏体（呈白色）。但当过共析钢在正常淬火时，获得片状马氏体和未溶渗碳体组织。此时，得到的马氏体都是很细小的，在光学显微镜下分辨不出它的形态，故通常称为隐晶马氏体。第8章实验8.3碳钢的热处理及显微组织观察

4）回火组织淬火组织为马氏体（常有少量残余奥氏体）的碳钢，经回火转变后，能够获得不同的组织。低温回火后获得回火马氏体组织，它由含碳过饱和的α固溶体及与其母相保持共格关系的ε碳化物组成。回火马氏体仍保留着原来马氏体的针片状或板条状形态，但由于在过饱和α固溶体上分布着大量高度弥散的细小ε碳化物，回火马氏体比淬火马氏体容易被腐蚀，故在光学显微镜下呈暗黑色。回火马氏性能基本上与淬火马氏体相同，但脆性较低。中温回火获得回火屈氏体组织，它是由尚未发生再结晶的铁素体和弥散分布的极细粒状渗碳体组成。这些极细的粒状渗碳体在光学显微镜下无法分辨，且因铁素体尚未再结晶，仍保持原来马氏体形态。回火屈氏体具有较高的屈服强度、弹性极限和较好的韧性。高温回火得到回火索氏体组织，它是由已再结晶的铁素体与细粒状渗碳体组成。由于铁素体已发生再结晶，故基本已失去马氏体的形态。回火索氏体具有优良的综合机械性能。第8章实验8.3碳钢的热处理及显微组织观察

8.3.3实验设备及材料

1．箱式电炉。

2．洛氏硬度计。

3．金相显微镜。

4．冷却剂：水、10#机械油。

5．热处理试样。

6．经过不同热处理的金相试样。第8章实验8.3碳钢的热处理及显微组织观察

8.3.4实验内容及步骤

1．进行不同的热处理。

2．将热处理后试样表面用砂纸磨去氧化皮，然后测量HRC值。

3．在炉内取、放试样时必须切断电源，淬火过程动作要迅速，试样在冷却液中要不断搅动。第8章实验8.3碳钢的热处理及显微组织观察

8.3.5实验报告要求

1．实验目的。

2．实验结果。

3．画出热处理样