机械制造技术基础HFUT第二三四章机械工程材料基础

第二章工程材料基础2.5钢的热处理2.3铁碳合金2.4常用工程材料2.1

金属材料的结构

2.2工程材料的性能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。

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。

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。

2.1.1金属的晶体结构

3）晶体结构。指晶体中原子排列的方式。

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。5）晶胞。晶格的最小几何组成单元。

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。其原子个数为：，如铬、钠等。

图1-2a体心立方晶格

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。其原子个数为：，如铝，铜等。

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。其原子个数为：，如镁、锌等。

图1-2b面心立方晶格图1-2c密排六方晶格

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)。

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。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。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。

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。

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。

7）细晶强化。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。第2节工程材料的性能

2.2.1金属材料的性能1．物理性能密度（比重）、熔点、热膨胀性、导电性、导热性、导磁性等。2．化学性能化学稳定性耐腐蚀性高温抗氧化性

4．工艺性能——材料在加工制造中表现出的性能，显示了加工制造的难易程度。

铸造性，锻造性，焊接性，切削加工性，热处理性3．力学性能——金属材料在外力作用下（静载荷、动载荷、交变载荷）所表现的抵抗变形和破坏的能力。强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、断裂韧度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。

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。

2.2.1.1金属材料的力学性能图1-8圆形拉伸试样拉伸试验拉伸试验机拉伸试样的颈缩现象弹性变形——外力去除后能完全消失的变形塑性变形——外力去除后不能消失的变形变形过程：oe为纯弹性变形阶段

外力去除后试样完全恢复原状e以上为弹塑性变形阶段es为屈服阶段

外力不增加，试样明显伸长sb为大量塑性变形阶段

外力增加不多，试样明显伸长bk为缩颈阶段

试样出现集中变形，抵抗外力能力下降F(N)FbFsFeo△L%1.拉伸曲线分析：力—伸长曲线FesbkLFsFbO屈服弹性变形缩颈断裂塑性变形塑性变形:外力去除后不能消失的变形变换：F/S0=

σ

(MPa)S0

为试样原始截面积(mm2)L/L0=ε（%）L0为试样标距长度转化：纵坐标：以应力σ表示，横坐标：以应变ε表示，

怎样比较不同材料抵抗外力能力的大小？2.应力-应变曲线（σ-ε曲线）图2.1.5普通低碳钢应力-应变图弹性极限——试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉应力。

1.屈服点——材料产生屈服点的最小应力。表征金属发生明显塑性变形的抗力。2.抗拉强度——材料在拉断前所承受的最大应力。

表示材料抵抗均匀塑性变形的最大能力。3.强度指标：（1）断后伸长率（延伸率）

δ=[(L1-L0)/L0]╳100%（2）断面收缩率

ψ=[(S0-Sk)/S0]╳100%δ和ψ越大，材料的塑性越好塑性对材料的意义：提高安全性2.便于压力加工成型（板金件加工成型）(二)塑性——

产生塑性变形而不断裂的能力。（三）硬度——指工程材料抵抗更硬的物体压入其表面内的能力，表示材料抵抗局部塑性变形或破坏的性能，是一个综合反映材料弹性、塑性、强度和韧性的机械性能指标。常用的硬度指标：

布氏硬度HB

洛氏硬度HR

维氏硬度HV压入法（1）试验原理：

用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。HBS（HBW）=F/S=2F/πD[D-(D2-d2)1/2]不写单位：kgf/mm2

淬火钢球：HBS

硬质合金钢球：HBW

当F的单位取N时，加系数0.102图2.1.8布氏硬度实验原理（2）计算公式：（3）特点：优点：测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。缺点：压痕面积较大，测量费时。应用：常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。不适于测量成品零件或薄件的硬度。2．洛氏硬度

HR(Rockwllhardness)（1）试验原理：

用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。

HR=(k-h)/0.002不写单位对金刚石圆锥压头k=0.2mm

对钢球压头k=0.26mm图2.1.10洛氏硬度实验原理（2）计算公式：70~85HRA25~100HRB20~70HRC注意：HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，

不可直接比较大小例如：50HRC<70HRA〤

50HRB>40HRC〤（3）洛氏硬度值的表示：（4）特点：优点：测量操作简单，压痕小。缺点：测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。是生产中应用最广泛的硬度试验方法。用于成品检验和薄件表面硬度检验。不适于测量组织不均匀材料。应用：维氏硬度计3.维氏硬度

HV(diamondpenetratorhardness)

以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。（1）试验原理：

与布氏硬度试验原理基本相同。只是压头改用了金刚石四棱锥体。（2）压头：锥面夹角为136º的金刚石正四棱锥体aadHV=F/S（3）特点：优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量；测量精度高，可比性强；能测较薄工件。缺点：测量操作较麻烦，测量效率低。应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。一、金属材料的力学性能（四）冲击韧度——材料抵抗冲击载荷而不断裂的能力。图2.1.3一次摆锤冲击实验冲击韧度：

αk

=Ak/SN

（J/cm2）

Ak——冲断试样所消耗的冲击功；（J）

SN——

试样缺口处的截面积。冲击吸收功对材料的意义：Ak

对材料内部缺陷很敏感，可用来鉴定材料的冶金质量、热加工质量Ak

随温度降低而下降，可用来评定材料的冷脆现象（寒冷地区的机械）试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:

Ak=mgH–mgh(J)疲劳试验疲劳曲线疲劳强度（疲劳极限）：

——材料经无限多次应力循环而不断裂的最大应力。它表示材料抵抗疲劳断裂的能力。当应力为对称交变应力时，疲劳极限用σ-1表示（五）疲劳强度影响材料疲劳极限的因素：材质（组织、缺陷、夹杂、……）设计（尺寸变化、缺口、避免尖角……）工艺（降低表面粗糙度、表面强化……）应力场强度因子

KI=Yσ(a)1/2Y是裂纹形状系数

σ是外加拉应力

a是裂纹半长度当KI较小时，裂纹稳定扩展；当KI>KIC

（临界值）时，裂纹加速扩展→断裂断裂韧度KIC

：材料有裂纹时，抵抗脆性断裂的能力。2aσσ（六）断裂韧度非金属材料的基本性能包括物理性能、力学性能、与水有关和与热有关的性能及耐久性。2.2.2非金属材料的性能2.2.2.1非金属材料的力学性能非金属的力学性能包括强度、刚度、韧性、蠕变性、减摩性等，一般高分子材料的塑性、刚度、韧性较钢低；但具减摩性。陶瓷在常温下不具塑性，冲击韧度、断裂韧度、抗拉强度比金属低。

1）强度。金属材料一般用拉伸试验测定，而脆性材料如陶瓷和玻璃采用弯曲试验，高聚合物的应力—应变用拉伸试验。

强度和变形的概念与金属材料相同，不同处如下：

2）变形。除弹性变形、塑性变形、弹性模量外，还有徐变（蠕变）、松弛。徐变指材料在恒定载荷的作用下，随时间的延长而变形不断增长的现象。松弛指总的变形不变，但塑性变形增大，弹性变形减小，载荷与应力逐渐降低的现象。

2.2.2.2非金属材料的物理性能1）松散密度。材料在自然状态下包括孔隙或空隙在内的单位体积的质量。即2）密度。材料在绝对密实状态下单位体积的质量。式中——松散密度（kg/m3）

；

——材料的质量（kg）；

——材料在自然状态下的体积（m3）

。

3）孔隙。用孔隙率作为衡量指标，即材料内部空隙体积占材料总体积的百分比。4）材料的胀缩：指由于大气中温度、湿度变化或其他介质的作用而导致的材料的膨胀或收缩。

2.2.2.3与水有关的性能水对材料性能有很大影响，特别对强度，抗腐蚀性、耐久性。主要有亲水性、吸水性、耐水性、抗渗性。

1）亲水性。材料在空气中与水接触，如果材料分子与水分子之间的附着力大于水分子之间的内聚力，水就能湿润材料的表面，三相（材料、水、空气）交点处，沿水滴表面的切线与材料表面的夹角叫湿润角，如果为亲水性材料；反之为憎水性材料。

2）吸水性。指材料吸收水分的能力。材料吸水达到饱和状态时的含水率叫吸水率。他与孔隙率和孔隙特征有关。

3）耐水性。指材料长期在水的作用下，其强度不显著降低的性能。

4）抗渗性。指材料抵抗压力水渗透的性能。

1）导热性。与金属材料的导热系数相同。

2.2.2.4与热有关的性能

2）热容。指材料在加热时能吸收热量，冷却时能放出热量的性质，单位质量材料每升高一度所需要的热量称为比热容c(J/kg·K)。

3）耐热性。指材料长期在热环境下抵抗热破坏的能力。4）耐燃性。指材料对火焰和高温的抵抗性能；可分为不燃材料、难燃材料，易燃材料。

5）耐火性。指材料长期抵抗高热而不熔化的性能，耐熔性，耐火材料还应不变形，能承载；分为耐火材料、难熔材料、易熔材料。

思考题1.解释下列名词术语：晶体、晶格、过冷、固溶体、化合物、机械混合物。3.何谓硬度，硬度实验方法主要有哪几种？并简单介绍其中一种。4.材料的工艺性能包括哪几种？5.非金属材料与水和热有关的性能主要有？2.试述纯金属的结晶过程。第3节铁碳合金2.3.1铁碳合金的基本组织和性能Pb-Sn相图简介

组元：通常把组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质称为组元。组元在大多数情况下是元素，例如Pb和Sn；但在所研究的范围内既不分解也不发生化学反应的稳定化合物也可成为组元，如Fe3C。合金系：由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，称为合金系，如Pb-Sn;Fe-Fe3C。

相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图，又称状态图或平衡图。相平衡：在合金系中，参与结晶或相变过程中的各相之间的相对重量和相的浓度不再改变时所达到的一种平衡。

第3节铁碳合金2.3.1铁碳合金的基本组织和性能AEB为液相线；AMENB为固相线；A为Pb的熔点；B为Sn的熔点。α固溶体是以Pb为溶剂，以Sn为溶质，其溶解度曲线为FM；β固溶体是以Sn为溶剂，以Pb为溶质，其溶解度曲线是NG。第3节铁碳合金（体心立方晶格）（面心立方晶格）（体心立方晶格）2.3.1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。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。

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。

图1-15铁素体的显微组织图1-16奥氏体的显微组织图1-17珠光体的显微组织图1-18莱氏体的显微组织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%图1-21a亚共析钢显微组织图1-21b过共析钢显微组织2.3.2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。

图1-19铁碳合金相图LL+AAF+AFF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+Ld’A+Fe3CIIA+Fe3CII+LdLdLd’L+Fe3CILd+Fe3CILd’+Fe3CI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

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。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：

2.3.3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%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%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。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。图1-23a亚共晶白口生铁的室温组织图1-23b过共晶白口生铁的室温组织2.3.4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。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4节常用工程材料2.4.1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2.4.2.1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2.4.2常用金属材料1.分类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。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。2.4.2.2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: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%）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。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。

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2.4.2.3铸铁和铸钢

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

。2.4.2.4有色金属

纯铜的性能特点：具有很高的导电导热性，仅次于银；化学稳定性高，抗大气腐蚀性好，无磁性，塑性好，但强度低。

工业生产中通常称铁和铁基合金为黑色金属，而把铁和铁基合金以外的金属称为有色金属。1.铜及铜合金铜及其合金是人类应用最早的金属，目前工业上使用的主要有工业纯铜、黄铜、青铜。1）工业纯铜。纯铜呈玫瑰红色，因表面经常形成一层紫红色的氧化物，俗称紫铜，电解铜。其熔点为10830C，密度为8.96g/cm3，为面心立方晶格。

牌号：工业纯铜牌号为T+顺序号，共有T1,T2,T3,T4；序号越大，纯度越低。

2）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。压力加工普通黄铜：也叫二元黄铜，是Cu-Zn二元合金。根据含锌量分为（小于39%）单相（）黄铜、（39%-45%）双相（）黄铜；相是锌溶于铜中的固溶体，溶解度随温度的下降而增大，为面心立方晶格，塑性好，可冷热加工。相是以电子化合物CuZn为基的固溶体，室温下较脆，但加热到4500C以上时，塑性良好。其性能随锌含量压力加工特殊黄铜：在铜锌二元合金的基础上加入其它合金元素组成的多元合金。常加入硅、铅、铝、锰等，称为硅黄铜、铅黄铜，铝黄铜。铅能改善切削加工性能，提高耐磨性，故铅黄铜用于钟表零件，硅能显著提高黄铜的机械性能、耐蚀性，具良好铸造性能，用于船舶及化工零件。其牌号为增加，起初强度塑性提高，而后由于出现了相，强度继续升高，但塑性下降，直至全部为相时，强度塑性急剧下降，如图1-27所示。其牌号为H+铜的名义质量分数，如H62。而H70、H68又称为三七黄铜，因强度高，塑性好常用来制作枪弹壳和炮弹筒，有“弹壳黄铜”之称。图1-27黄铜的机械性能与含锌量的关系H+主加元素符号+铜及各合金元素的名义质量分数，如HPb59-1。铸造黄铜：采用铸造方法来生产的黄铜。其代号为ZCu+合金元素1的化学符号及其名义质量分数+合金元素2级其名义质量分数+……，如ZCuZn38（ZH62),ZCuZn40Pb2(ZHPb59-1)。3）青铜青铜。除黄铜、白铜以外的铜合金均称为青铜。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及其名义质量分数+……如ZCuSn10Zn2.锡青铜：以锡为主要添加元素的铜基合金。耐蚀、耐磨、强度高、弹性好，常用牌号有QSn4-3等，用于弹簧、轴瓦、衬套等耐磨零件。

铝青铜：以铝为主要合金元素的铜基合金。它有良好的力学性能，耐蚀、耐磨，有良好的铸造性能，受冲击无火花。常用牌号有QAl9-4，QAl5等，用于轴套、齿轮、蜗轮、管路配件等。

铍青铜：以铍为主要合金元素的铜基合金。有很高的强度、硬度疲劳极限和弹性极限，耐蚀、耐热、无磁性、导电导热性好，受冲击无火花，冷热加工，铸造性能均好。常用牌号有Qbe2，主要用于制作高级精密的弹性元件，如弹簧、膜片。特殊要求的耐磨零件，如钟表的齿轮和发条，高速高温高压下的轴承、衬套。

2.铝及铝合金

1）工业纯铝。其熔点为660.370C，密度为2.7g/cm3，为面心立方晶格，呈银白色。强度（=80—100MPa）和硬度(20HBS)很低，塑性(=80%)很高，有良好的导热导电性。工业纯铝为L1-L7，其顺序数越大，纯度越低。2）铝合金。由于纯铝的强度低，不宜作承力结构材料，向纯铝中加入适量的硅、铜、镁、锌、锰等元素，通过固溶强化，沉淀硬化及组织强化，而得到的高强度合金。铝合金的分类：根据铝合金的成分以及生产工艺特点，铝合金可分为形变铝合金和铸造铝合金。铝合金的一般类型相图如图1-28所示，在D点以左的合金，在加热到DF线以上时，得到单相固溶体组织，塑性好，适于压力加工，故称形变铝合金；成分在F点以左的合金，冷却时组织不随温度变化，故不能热处理强化，因而称为热处理不能强化铝合金；在D点以右为铸造铝合金。形变铝合金：在加热时能形成单相的固溶体，塑性很好，适于冷热压力加工的铝合金。又可分为：热处理不能强化的铝合金和热处理能强化的铝合金。图1-28铝合金状态图的一般类型铸造铝合金：含有低熔点的共晶体，液态流动性较高，适于铸造的铝合金。它具有良好的力学性能，抗蚀性及良好的工艺性能。而且生产工艺较为简便，成本较低。用途较广。其合金代号为ZL+三位数字，第一位为合金系，1位铝硅系，2位铝铜系，3位铝镁系，4位铝锌系，后两位为顺序号。2.4.3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。

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。

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