《工程材料》课程教案

<<工程材料及机械制造基础》课程教案

机械工程系宛农

绪论

一、课程的性质、目的和任务

本课程是高等工程本科学校机械类、近机类专业必修的以工艺为主的综合性

技术基础课。

通过本课程的学习，应使学生

(1)获得材料的基本知识、常用工程材料性能特点、改性方法及其选用原则。

(2)基本掌握常用热加工和冷冲压工艺的基础知识。

(3)基本掌握机械加工工艺的基础知识。

通过本课程的学习，使学生在机械工程材料和机械制造工艺方面具有初步的

选择能力。为将来从事相关生产技术工作奠定必要的基础，同时也起到承前启后

的作用，为学习其后续专业课打下必不可少的基础。

二、课程教学的基本要求

(1)基本掌握常用工程材料的主要性能、应用范围和选用原则；

(2)基本掌握各种热加工和冷冲压方法的实质、工艺特点、应用范围和影响产

品质量的因素；

(3)初步掌握毛坯和零件的结构工艺性，并具有初步设计毛坯和零件结构的能

力；

(4)初步掌握最基本的机械切削加工方法的实质、工艺过程、工艺特点和应用

范围；

(5)初步掌握零件的加工方法和加工方案选择

(6)了解主要加工方法所用的设备、刀具、简单夹具的基本结构和使用范围。

三、本课程学习要点及方法

学习相关理论及分析方法；了解化学成分一加工工艺及成型方法一组织结构

一性能四者关系；掌握常用工程材料的特性、主要加工成型方法及应用。

工程材料主线示意图

四、教学安排

教学：详略，部分内容自学；

实践：讨论与实验，思考题；

考试：70%考试成绩+30%平时作业

五、实验内容

1.铁碳合金平衡组织观察2学时

2.45钢热处理实验2学时

3.铁碳合金热处理组织观察2学时

4.Q235/45钢对焊实验2学时

六、教材

《机械制造基础》（上卜陈仪先梅顺齐主编、中国水利水电出版社

七、教学参考书

1.《工程材料及应用》周风云主编华科大出版社2002年

2.《金属学原理》刘国勋主编冶金工业出版社1980年

3.《金属学教程》卢光熙主编机械工业出版社1985年

4.《机械工程材料》王焕庭主编.大连理工大学出版社，1995年

5.《热加工工艺基础》司乃均主编，高等教育出版社出版，1998年3月

第1章金属材料基础知识

§1-1金属材料的性能

/使用性能：力学、物理、化学性能等；

金属的性能（

\工艺性能：铸造、锻造、焊接、切削性能等。

一、力学性能

材料的力学性能是它在外力/能量/环境（温度、介质）作用下表现出来的特

性。通常外力/能量称为载荷/负荷。

力学性能包括：拉伸性能（弹性、强度、塑性）、硬度、冲击性能、疲劳性

能、耐磨性等。

（一）拉伸试验：

弹性模量E：弹性变形阶段内，应力与应变的比值。/£。E标志材料抵抗弹性变

形的能力，即刚度。

弹性滞后/滞弹性：实际工程材料加载后应变未立即达到平衡值，卸载时变形未

立即消失，这种应变落后于应力的现象，称为弹性滞后/滞弹性。

1、强度：是指材料抵抗变形和破坏的能力。

（1）屈服强度/屈服点os：试样屈服时承受的最小应力，反映材料对明显塑性

变形的抗力。

（2）条件屈服强度。0.2：试样的塑性变形量为标距长度的0.2%时所对应的应

力值。

屈服强度和条件屈服强度是工程设计的重要依据之一。

（3）抗拉强度。b：表示材料在断裂前所承受的最大应力。它是变形要求不高的

构件设计依据。

3、塑性：是材料在断裂前发生的永久变形的能力。

延伸率3=(Ll-LO)/L0X100%

断面收缩率①=(F0-F1)/FOX100%

其中，长试样(L0=10D0)：记6/810

短试样(L0=5D0)：记65

6、①f塑性越好。

(二)硬度：表示材料表面抵抗微区塑性变形的能力。

1、布氏硬度HB：

HB=P/F=2P/(JiD(D-SQRT(D*D-d*d)))

标示法：120HBs10/1000/30—610mm钢球压头，载荷1000KG下保持30s

测定的布氏硬度为120o

500HBW5/750—65mm硬质合金球，载荷750KG下保持10/15S测定的布氏

硬度为500o

2、洛氏硬度HRA、HRB、HRC

一定规格的硬质合金，以一定的载荷压入试样表面，根据压坑深度计算硬度

值。特点：简单，方便。

3、维氏硬度HV：

压头：相对面夹角136°正四棱形锥体

HV=P/F=2*P*sin68°/d*d

标识：640HV30—30KG载荷保持10-15S测定的维氏硬度640；

640HV30/20—30KG载荷保持20S测定的维氏硬度640。

特点：各种金属的表面硬度，测试面光洁度要求高。

4、肖氏硬度HS：冲头(顶端-金刚石)自由落体

HS=K*h2/hl

式中，hl一自由落体高度，h2一反弹高度。

金属塑变!-h2t-＞硬度t

特点：无破坏，适应现场大件硬度测试。

5、莫氏硬度：划痕硬度，测定陶瓷、矿石硬度。

（三）冲击韧性ak：材料在冲击载荷作用下抵抗变形的断裂的能力。

一次冲击试验：摆锤冲击，CHARPY—U,CHARPY-V试样。

冲击功Ak=G*（hl-h2）一冲断前后的能量差或试样变形、断裂吸收的能量,J；

冲击韧性ak=Ak/F=G*（hl-h2）/F,J/cm2

akt-材料韧性越好

脆性材料：ak值低的材料。

一般规律：温度TI-akI,T!一定程度一aklI-材料韧性状态转为

脆性状态（脆性转变），相应的温度一冷脆转变温度。

冷脆转变温度II-材料低温冲击性能越好一使用的温度范围宽。

（四）疲劳特性

1、疲劳：材料经长时间低于其屈服强度的交变应力或循环应力作用下所发生的

断裂现象。

疲劳裂纹产生（表面或内部薄弱部位）一疲劳裂纹扩展（有效承载面积I）一瞬

间断裂。

2、疲劳极限：材料能经受无限次应力交变而不发生疲劳断裂的最大应力。测定

方法一一旋转弯曲试验（对称循环疲劳极限。-1一|omax|=|omin|）,。一N关

系曲线。

A

应力\

。\

0-1

107

循环次数N

钢铁一循环周次N2107,发生疲劳断裂对应的最大应力=。-1

条件疲劳极限一循环周次N=l（）7或N=1（）8时的最大应力。

陶瓷、塑料疲劳极限低，金属、复合材料疲劳极限高。

3、高周与低周疲劳

高周疲劳（机械疲劳）：交变应力低于屈服强度，断裂时的循环周次多（N

21（）7）；

低周疲劳：交变应力接近或超过屈服强度，断裂时的循环周次少

（N=102-105）O

（五）耐磨性：材料对磨损的抵抗能力，用试样单位面积的磨损厚度或试样单位

体积（重量）的减少表示。

I摩擦系数，t材料硬度ft材料耐磨性。

二、物理化学性能

1、导电性：R=PL/S

温度Ttf金属基本粒子振动振幅tf限制自由电子运动fptf导电性I

温度Tt-非金属材料中离子键、共价键中价电子动能t-PI-导电性t

2、热膨胀及导热性

温度Tt一金属基本粒子振动振幅原子间距tt体积、线尺寸t（热膨胀）

线膨胀系数：单位长度、单位温度的伸长量（mm/C-mm）o

导热现象：热能从高温区向低温区的传输现象。

热导率入：表示当温度梯度为l℃/m时，单位时间、单位面积的传热量（W/m・K）

Xt-材料的导热性能越好，金属》非金属

（三）耐腐蚀性

腐蚀：材料因环境的介质侵蚀而造成的损伤和破坏，如氧化。

耐腐蚀性：材料抵抗各种介质侵蚀的能力，用年腐蚀深度Ka（mm/a）评定。

一般地说，非金属材料》金属材料

三、工艺性能

材料的工艺性能是其力学性能、物理、化学性能的综合。

1、铸造性：液体金属能充满比较复杂的铸型并获得优质铸件的性能。

主要指标：流动性、收缩率、偏析系数

如共晶成分的合金铸造性好

2、可锻（轧）性（塑性加工性）：材料进行压力加工（锻造、压延、拉拔、轧制）

的性能。

主要指标：塑型变形能力、变形抗力

如金属高温时变形抗力I、塑型变形能力t一可锻（轧）性t

钢的可锻性好、铸铁则极差。

3、可焊性：指材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的性能，如无气孔、

裂纹缺陷。如低碳钢可焊性》中、高碳钢》铸铁。

4、切削加工性能：指材料进行切削加工的难易程度。

硬度tf一切削抗力大一切削加工性能I

硬度II排屑困难（粘刀）一切削加工性能I

最佳硬度HB160/230

§1-2晶体结构基本知识

一、晶体与非晶体（粒子聚集的组态）

1、定义：

晶体：固态物质中的基本粒子呈周期性有规律排练，这种物质称为晶体。

非晶体：固态物质中的基本粒子呈不规律的排练，这种物质称为非晶体。

二、晶格与晶胞

晶体中基本粒子排列方式多样性：无限

如基本粒子=等径刚球质点，作质点间连线，得到三维空间中的规则阵列一晶体

点阵，质点——结点/阵点。

营格/空高、阵：加象而用于描述基本粒子在晶体中排列方式的的几何空间格架。

特点：各质点的环境相同，周期重复排列

晶胞：组成晶格的最小几何单元

（a）晶体结构（b）晶格（c）晶胞

关系：晶胞在三维空间重复排列一晶格/空间点阵

三、晶格常数与晶系

取任一质点为原点，点阵三条棱作X、Y、Z轴，棱长a、b、c（nm）夹角

a、B、丫六参数表示晶胞的形状及大小。

棱长a、b、c夹角a、B、丫六参数组合方式：七大晶系、14种晶胞。

同素异构现象（多形性）：同一金属不同温度/压力下具有不同的晶体结构的现象。

同素异构转变（多形性转变）：具有多形性的金属在温度或压力变化时，由一种

晶体点阵变为另一种晶体点阵的转变，其转变产物一同素异构晶体。

四、纯金属的晶体结构

1、体心立方（b.b.c）：

形状及排列方式：立方体、立方体八个结点及其中心各一个原子

特点：a=b=c、a=p=y=90°如a-Fe、Cr、Mo、Wo.V、Ta、Nb、Na

(c)

体心立方晶格

2、面心立方（f.c.c）：

形状及排列方式：立方体、立方体八个结点和六个面的中心各一个原子

特点：a=b=c、a=B=Y=90°

如丫-Fe、Ag、Cu、Ni、Pb

面心立方晶格

3、密排六方(c.p.h)

形状及排列方式：正六棱柱，上下面结点及中心各一个原子，棱柱中心三个原子

特点：a=bWc、a=B=90°y=120°

如Mg、Zn>Be、Cd

⑷(6)(e)

密排六方晶格

4、晶胞中原子数N

b.b.cN=8*l/8+l=2

f.c.cN=8*1/8+6*1/2=4

c.p.hN=12*1/6+2*l/2+3=6

5、原子半径r

原子视同等径刚球，原子半径片最近邻两原子中心距的一半。

b.b.cr=sqr(3)/4a(体对角线的四分之一)

f.c.cr=sqr(2)/4a(面对角线的四分之一)

c.p.hr=l/2a(c/a=1.633时)

6、致密度K与配位数

两者是描述晶体中原子排列密集程度的参数。

致密度K：晶胞中原子体积与晶胞体积之比。

b.b.cK=晶胞原子数*原子体积/晶胞体积=2*4*n*rt4/3/at3=68%

f.c.cK=晶胞原子数*原子体积/晶胞体积=4*4*Ji*rt4/3/at3=74%

c.p.hK=晶胞原子数*原子体积/晶胞体积=6*4*n*rt4/3/(6*

sqr(3)*a*a*c/4)=74%

配位数:晶格中与任一原字相等距离并最近的原子数。

b.b.c8f.c.c=c.p.h=12

致密度K与配位数t一原子排列密集程度t

7晶向与晶面

晶向：晶体中，通过原子中心的许多表示不同方位的直线。

晶面：通过原子中心的二维平面。

密勒指数标定：晶向指数、晶面指数

1)晶向指数标定：

过原点作//欲定晶向的直线，定直线上任一点坐标，并最小化，记[UVW]

如有负数，可标为fnvw]

[uvw]//[uvw],方向相反

立方晶系原子排练的高度对称，存在原子排练完全相同，彼此不平行的晶向一晶

向族，记(uvw)族，如(100)=[100]>[010]>[001]X[100]、[010]>[001]

2)晶面指数标定：

求欲定晶面在三坐标的截距，取倒数，按比例最简整数化，记(hkl),如(110)。

立方晶系存在原子排练完全相同，彼此不平行的晶面一晶面族。如{100}=(100)

(010)(001)0

晶面指数标定

3)晶向及晶面的原子密度：

晶向原子密度：晶向单位长度上的原子数；

晶面原子密度：晶面单位面积上的原子数。

计算结果表明，不同晶向/晶面，其原子分布密度不同一结合力不同性能不同

(单晶体的各向异性)

b.c.c密排方向〈111〉、密排面{110}弹性模量E<110>E<100）

f.c.c密排方向〈110〉、密排面{111}

单晶体：晶体内部原子规则排练的位向不发生变化的晶体。

多晶体：由无数位向不同的微小单晶体/晶粒组成的晶体。

单晶体多晶体

单晶体与多晶体示意图

8实际金属晶体的结构特点

I）多晶体的组合

实际金属材料是多晶体，由许多外形不规则的单晶体集合而成。这些单晶体属于

同一位向一晶粒。

息里.导力匕导力例1办鬼后卜

伪各向异性「不同晶粒内原方位向各不相同，使其各向异性互相抵消，以至多晶

体材料的性能在各方面一致。

2）晶体中的缺陷

（一）点缺陷：指三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷。

1、空位：晶格上无原子的结点。原因：热振动使原子脱离原结点。

2、间隙原子：在晶格以外存在的原子。一般是较小直径的异类原子，如C、B、

N、Ho

3、置换原子：占据晶格结点的异类原子，一般是直径相当或较大的原子。

点缺陷存在f原子平衡状态破坏一晶格歪扭（畸变）一性能变化（强硬度t、导

电性I）

,换原子间

晶格空位

点缺陷示意图

（二）线缺陷：晶体中二维尺度很小而第三维尺度较大的缺陷，如晶体中一列或

数列原子发生有规律的位置错动。

如刃型位错及刃型位错线EFo

正刃型位错-晶体从上部多插入的原子面；

负刃型位错丁：晶体从下部多插入的原子面；

特点：1、离刃型位错线距离I一原子排练错动t一位错线周围存在畸变和应力

场

2、-L：上部：压应力，下部：拉硬力；T：上部：拉硬力，下部：压应力

3、位错线的易动性：移动方向//晶体上、下两部分相对滑移方向。

4、实际金属中位错数量很多，连接成网状。位错数量t-强硬度t、导电性I

正刃型位错

负刃型位错

线缺陷示意图

(三)面缺陷：是指二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷，如晶界，亚晶界

1、晶界特点：原子排列不规则(过度层)，晶格畸变大，高能不稳定状态

2、亚晶界/亚结构/嵌镶块：实际多晶体的每一个晶粒中，存在许多尺寸很小

(100-1000A),位向差也很小(1-2°)的小晶块。

特点：原子排列不规则，程度〈晶界，系列刃型位错组成，

小角度品界一业品界

面缺陷示意图

总结：

缺陷产生的影响因素：晶体生成条件、原子热运动、加工过程等。

点、线、面缺陷破坏了原子排练的完整性一金属力学、物理、化学性能变化。

掌握其变化规律，用于改善金属力学、物理、化学性能。

J理论值

制\X加工硬化

Ib退火态二

位错密度PA

金属强度与位错密度的关系

§1-3金属的结晶过程

凝固与结晶

凝固：物质从液态经冷却转化为固态的过程。

结晶：通过凝固形成晶体物质的过程。

一、金属结晶时的过冷现象

温度T—时间曲线（冷却曲线）

理论结晶温度TO

实际结晶温度Tn

理论结晶温度To：金属在无限缓慢冷却条件下（平衡冷却条件）的结晶温度。

过冷现象：金属实际结晶温度Tn低于理论结晶温度TO的现象。

过冷度理论结晶温度与实际结晶温度之差，AT=T0-Tn。

冷速t-*ATt-*TnIo

二、结晶的条件

（一）、能量条件

最小自由能原理：等温等压条件下，甲状态f乙状态

甲状态自由能＞乙状态自由能，转变的驱动力=乙状态自由能-甲状态自由能

自由能F：物质能量状态，F=系统内能U-绝对温度T*燧S（表征原子排列混乱

程度参数）

固体金属（s）:Fs=Us-T*Ss

温度T

T>TO时,FKFs,S-*L（熔化）

T〈TO时，Fl>Fs,LfS（结晶）

欲使液体金属结晶成固体，需冷却到To以下的某一温度Tn一过冷现象的原因。

过冷是金属结晶的必要条件，ATt-AFt->结晶倾向t

（二）、结构条件

固体金属：长程有序结构

液体金属：成分起伏一瞬时近程有序结构一结晶核心/晶核一长大。

结晶本质：金属从一种原子排练状态过渡到另一种排练状态的过程。

一次结晶：金属从液体过渡到固体晶态的转变。

二次结晶：金属从一种固体过渡到另一种固体晶态的转变。

（三）、结晶的过程：晶核形成+晶核长大

过冷液体金属中能量起伏+成分起伏~局部形核（微小晶体-晶粒）一长大、其它

部位再形核一长大。。。。。。一晶粒相遇一多晶体

3W(c)

四、晶粒大小结晶过程示意图

晶粒大小与形核、长大过程有关。

（一）、形核方式

1、自发形核：是无择优位置的形核，主要依赖过冷度提供结晶动力和近程有序

原子集团提供晶坯。

特点：过冷度t-AFt-单位时间、单位体积内结晶核心（近程有序原子集团）

数量tf形核率Nt

2、非自发形核：依附于系统中某些现成的固相（如杂质或固体微粒）的形核。

特点：杂质或固体微粒与液体金属的晶格类型和晶格常数相近一非自发形核作用

t

实际金属结晶时，非自发形核起优先和主导作用。

（二）、晶粒长大

长大初期晶核规则几何外形一棱角处散热快一优先成长一一次晶轴一再分枝（二

次晶轴）。。。。f多次晶轴f树枝状晶体/状晶一各次晶轴接触f晶粒

晶粒长大过程中，震动或液体流动一晶轴转动、折断f位向差一亚晶粒、位错

（三）、晶粒大小/晶粒度

晶粒大小：单位面积的晶粒数或晶粒平均直径表示。

晶粒度：八级，一级最粗、八级最细

晶粒尺寸I-金属材料常温强度、塑性、韧性t

单位体积晶粒数Z8形核率N/长大速度G

9

林

幺

隹

尊

嚼

H过冷度

过冷度对晶粒大小的影响

过冷度ATt-AN>AG-N/Gt-单位体积晶粒数Zt—晶粒尺寸I

（四）、变质处理：在液体金属中，加入固体微粒，起非自发形核作用核心作用

或抑制晶体长大的作用以达到细化晶粒的目的。所用的物质一变质剂。

思考题

1.常见的金属晶体结构有哪几种？a-Fe、丫-Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、

V、Mg、Zn各属何种晶体结构？

2.以纯铁为例说明什么是同素异构转变？

3.金属结晶的基本规律是什么？晶核的形成率和成长率受到哪些因素的影响？

4.在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒大小？在生产中如何应用变质处理？

作业：教材：P211510111214

第2章合金结构和相图

合金：是指由两种以上的金属或金属和非金属元素经熔炼/烧结/或其它方法使之

结合在一起而形成具有金属特性的物质。

组元：组成合金最简单、最基本且能独立存在的物质。

按组元数目分：二元合金、三元合金、四元合金。。。。。

合金的结晶：形核+长大，较纯金属复杂，存在组元间的相互作用。

§2-1合金中的相结构

一、相结构及性能

相：合金中化学成分相同、晶体结构相同并以界面互相分开的均匀组成部分。

（显微）组织：用肉眼或显微镜观察到的材料微观形貌，是由合金中不同形状、

大小、数量和分布的相组成。

不同相一不同组织一不同性能的合金

（一）、固溶体：合金中的组元互相溶解，结晶时形成一种在某组元的晶格中含

有其它组元的新固相。

溶剂：合金中含量较多，且与固溶体晶体结构相同的组元，如Fe-C合金中的Fe。

溶质：进入溶剂中的其它组元，其含量相对较少多，如Fe-C合金中的C。

固溶体的浓度：溶质原子溶入固溶体的数量。

固溶体的溶解度：在一定条件下，固溶度在固溶体中的极限浓度。

1、置换固溶体：溶质原子取代部分溶剂原子而占据晶格结点位置的固溶体。

/有限固溶体：溶质在溶剂中的溶解度有限

置换固溶体（

、无限固溶体：无溶解度限制，溶质溶剂原子互相取代不改变晶格类型。

无限固溶体形成条件：溶质溶剂组元晶格类型同、原子尺寸接近、得失电子能力

相当。

a）b]

间隙固溶体原子模型示意图

置换固溶体原子模型示意图

2、间隙固溶体：溶质原子分布在溶剂晶格间隙（＜O.lnm）中一有限固溶体

形成条件：溶质原子半径/溶剂原子半径＜0.59,溶质原子：C、N、B、H、O

3、固溶体性质

溶质溶剂半径差异f晶格畸变一强硬度t塑、韧性微；一综合机械性能一合金基

体相

固溶强化：通过形成固溶体而使金属强度、硬度增加的现象。

（二）、金属化合物/中间相：合金组元间发生相互作用而形成的一种晶格类型和

性能完全不同于原来任一组元的新固相，离子键+共价键+金属键

1、正常价化合物：遵循正常化合价规律、具有一定的成分的化合物。

2、电子化合物：按一定电子浓度（化合物价电子数/原子数）组成一有色金属组

成相。

3、间隙化合物：由原子半径较大的过渡族金属元素与原子半径较小的C、N、B、

H等非金属元素互相作用而形成。

1）、简单结构的间隙化合物/间隙相：非金属元素原子半径/金属元素原子半径

<0.59,b.b.c、f.c.c结构，如TiC、VC、ZrC等。

特点：高熔点、高硬度，高合金钢和硬质合金组成相。

2）、复杂结构间隙化合物：非金属元素原子半径/金属元素原子半径>0.59

Fe3C、Cr23c6、Cr7C3

特点：结构复杂，硬而脆，高合金钢组成相一强化相。

二、合金相图

合金与纯金属结晶对比：复杂

1、结晶温度：合金：温度范围；纯金属：恒温

2、成分：合金：变化；纯金属：无变化

（一）基本知识

1、合金系：两个或两个以上的组元按不同比例配制的一系列不同成分的合金，

Pb-Sn合金系。

2、相图：用于描述合金系在平衡条件下，各成分合金的结晶过程以及相和组织

存在范围与变化规律的示意图一合金冶炼、铸、锻、焊、热工艺制定的重要依据。

（二）、二元相图绘制

相变温度确定法：热分析法、膨胀法、电阻法、X射线

1、配制不同成分的Cu-Ni合金若干；

2、测定缓冷条件下各合金冷却曲线；

3、温度一成分坐标系标出冷却曲线临界温度；

4、连线。

建立Cu-Ni相图的示意图

三、相图结晶分析

（一）、匀晶相图

匀晶相图合金的结晶过程

1、特点：两组元能形成无限固溶体，Ag-Au、Fe-Cr、Au-Pt。

平衡结晶过程：L_>L+aa

2、枝晶偏析：实际金属结晶时，由于不平衡结晶，先析出的晶体含有较多的高

熔点组元，由此形成晶粒内部的化学成分不均匀现象。

枝晶偏析一力学性能、耐腐蚀性能I工艺性能恶化

消除法：高温扩散退火

Cu-Ni合金枝

晶偏析示意图

3、杠杆定律

两相区平衡结晶时，温度一定，两相质量比一定。

Ml*ax=Ma*xc

证明：M1+Ma=1(1)

Ml*a+Ma*c=x(2)

(1)(2)->Ml=(c-x)/(c-a)=xc/ac,Ma=(x-a)/(c-a)=ax/ac

Ml/Ma=xc/ax

杠杆定律的证明和力学比喻

(二)、共晶相图：

1、定义：

共晶反应：一定成分的液相，在恒温下同时结晶出两种成分、结构都不同的固相

的反应。

反应产物aM+BN：两相机械混合物一共晶体

特点：1)恒温、三相共存2)MN成分之间合金都发生此反应3)亚、过共晶

划分法

4)MF、NG溶解度曲线的意义

共晶相图：合金两组元，液态无限互溶、固态有限互溶，并发生共晶反应所构成

的相图。

2、平衡结晶过程：

组织组成物：合金组织中具有确定本质和特殊形态的组成部分。

合金I：L(>1)-L+a(1-2)-a(2-3)-a+BH

室温：组织组成物a+8H,相组成物a+B

合金H：L(E)-LE-aM+BN-aM+BN+aH+BH(共晶合金)

室温：组织组成物aM+BN,相组成物a+8

Pb-Sn合金相图及成分线

aM、BN相对数量：

aM=EN/MN=(97.5-61.9)/(97.5-19)=45%

PN=l-aM=55%

合金HI：L(>1)-L+a(1-2)-aM+(aM+BN)(2)-a+(a+B)+3II

(2-3)(亚共晶合金)

室温：组织组成物a+(a+B)+BH,相组成物a+B

合金IV：L(>1)fL+B(1-2)-BN+(aM+BN)(2)fB+(a+B)+aII

(2-3)(过共晶合金)

室温：组织组成物B+(a+B)+aII,相组成物a+p

（三）、其它相类型反应及相图

1、包晶反应：恒温条件下由一种液相与一种固相相互作用转化为另一种固相的

反应。

Le+aBc

L+a

2、共析反应：从均匀的固相同时析出两中化学成分和晶格结构完全不同的新固

相的反应，其产物一共析体。

yd-*ac+Be

反应产物粗细：共析反应固态中进行，原子扩散慢，共析体较共晶细密。

形成稳定化合物的相图：稳定化合物视同一组元。

五、由相图分析合金性能

合金的使用性能与相图的关系（示意图）

ABAB

合金的铸造性能与相图的关系（示意图）

§2-1铁碳合金相图

铁碳合金：以铁和碳两种元素为基本组元的合金。

一、组元特性

1、纯铁

铁的同素异构转变：

8-Fe=Y-Fe=a-Fe

特点：强度、硬度低，塑性好

2、碳

游离碳：金刚石、石墨G

石墨G特点：简单六方晶格，同层原子间距小，结合力强；层间间距大，结合

力强，层-层易分离，沿着层面生长，结晶形状一片状。强硬度低、塑性极差。

铁碳合金中C的存在形式：间隙固溶体（铁素体F）、金属化合物Fe3c（渗碳体）、

游离石墨G

二、铁碳双重相图

Fe3CfFe+C

Fe—Fe3C：亚稳系

Fe—G：稳定系

三、Fe—Fe3c相图特征

1、基本相

铁素体F：C溶入a-Fe中所形成的间隙固溶体，b.c.c

特点：强硬度低、塑性好。

奥素体A：C溶入y-Fe中所形成的间隙固溶体，f.c.c

特点：强硬度不高、塑性好，可压力加工，无磁性

渗碳体Fe3cC与铁形成的金属化合物。

特点：硬而脆

6固溶体：C溶入6-Fe中所形成的间隙固溶体，b.c.c,高温相（1394-1538℃）

2、特性点、线分析

转变产物（AE+Fe3C）：A和共晶渗碳体的机械混合物一莱氏体Ld,冷却至室温

的莱氏体一变态莱氏体（低温莱氏体）

CD线：液体中结晶出Fe3C开始线，从液体中直接结晶出的Fe3C----次渗碳体

Fe3CI

ES线（Acm线）：C在A中的溶解度曲线，也是Fe3c从A中开始析出线，析出

线的Fe3C—二次渗碳体Fe3CIIo

PQ线：C在F中的溶解度曲线，也是Fe3c从F中开始析出线，析出线的Fe3C—

三次渗碳体Fe3CIIIo

GS线（A3线）：合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线。

铁碳合金相图

§4-2铁碳合金平衡结晶过程

一、铁碳合金分类

（一）、工业纯铁：室温下的平衡组织为F的铁碳合金（CV0.02%）。

（二）、钢：高温固态组织为单相A的铁碳合金（0.02%<C<2.11%）。塑性良好,

可锻、轧

1、亚共析钢：室温下的平衡组织为F+P的铁碳合金（0.02%<C<0.77%）o

2、共析钢：室温下的平衡组织仅为P的铁碳合金（C=0.77%）。

3、过共析钢：室温下的平衡组织为P+Fe3cH的铁碳合金(0.77%<C<2.11%)。

(三)、白口铸铁：液态结晶时都有共晶反应且室温平衡组织有变态莱氏体的铁

碳合金(2.11%<C<6.69%)。熔点低、流动性好、铸造性好，不能锻、轧加工。

1、亚共晶白口铸铁：室温下的平衡组织为变态莱氏体+P+Fe3cH的铁碳合金

(2.11%<C<4.3%)o

2、共晶白口铸铁：室温下的平衡组织为变态莱氏体的铁碳合金(C=4.3%)。

3、过共晶白口铸铁：室温下的平衡组织为变态莱氏体+Fe3cl的铁碳合金(4.3%<

C<%6.69%)o

二、铁碳合金平衡结晶过程

(一)、共析钢

LT+AfAfA+(Fp+Fe3C)-*Fp+Fe3C^F+Fe3C+Fe3CIII

F=(6.69-0.77)/(6.99-0.02)=88%

Fe3C=1-0.88=12%

P形貌特征：指纹状，F和Fe3c片层相间

共析钢结晶过程示意图

(二)亚共析钢(0.40%C))

组织形貌特征：F白色块状，P暗色片层状

组织比例:F=(0.77-0.4)/(0.77-0.02)=49%,P=51%

相比例：F=(6.69-0.4)/6.69=94,Fe3c=6%

C%t-P%t

亚共析钢结晶过程示意图

LfL+A—A-A+F-F+(Fp+Fe3C)-F+(F+Fe3C)+Fe3CIII

(三)、过共析钢(1.20%C)

L—L+A—A-A+Fe3Cn—(Fp+Fe3C)+Fe3CII

组织比例:Fe3CII=(1.2-0.77)/(6.69-0.77)=7%,P=93%

相比例：Fe3C=(1.20-0.02)/6.69=18%,F=82%

组织形貌特征：Fe3CII白色网状，P暗色片层状

过4M结晶过程示意图

(四)、白口铸铁

1、共晶白口铸铁：L-L+Ld(Ae+Fe3C)TLd—Ld(A+Fe3C+Fe3CII)—Ld，(P+

Fe3C+Fe3CII)

组织形貌特征：Fe3CH与共晶Fe3c在一起，白色，两者难分辨；P：黑色斑点

或条状。

北晶白口懒结晶过程云意国

2、亚共晶白口铸铁：L-L+A-L+Ld(Ae+Fe3C)+A^Ld+A->Ld(A+Fe3C+

Fe3CII)+A+Fe3CII-Ld,(P+Fe3C+Fe3CII)+P+Fe3CII

组织形貌特征：P：黑色树枝状，P周围是白色网状

亚共晶白口铸铁结晶过程示意图

3、过共晶白口铸铁：L-L+Fe3CI—L+Ld(Ae+Fe3C)+Fe3CI-Ld++Fe3cl-

Ld(A+Fe3C+Fe3CII)+Fe3CI^Ld,(P+Fe3C+Fe3CII)+Fe3CI

组织形貌特征：Fe3cl白色条带状，Ld'黑白点条状。

过共晶白口就结晶过程示意图

总结

§2-3碳对铁碳合金的影响

C%tfFe3ctfP%tf强硬度t,塑/韧性；-中低碳钢（结构钢）

C%t网状Fe3CHt~强度/塑/韧性I,硬度t-中高碳钢（工具钢）

C%ttt-Ld出现,Fe3c块状基体一硬度tt,耐磨性t,塑/韧性II,-白口

铸铁

思考题

1.何谓相组成物和组织组成物？何为“杠杆定律”？“杠杆定律”的应用范围

及用途。

2.铁碳合金有那些基本相？从组织反应的角度看，纯铁、钢、铸铁有何区别？

3.纯铁的三个同素异构体是什么？晶体结构如何？

4.a—Fe和铁素体有何区别？丫一Fe和奥氏体有何区别？

5.从组织的角度看，渗碳体有哪几种基本的形态？

5.按含碳量可将铁碳合金分为那几类？它们的力学性能随含碳量的增加有何

变化规律？

作业：教材P4123671112

第3章常用金属材料

§3-1碳钢

实际铁碳合金材料含有Si、Mn、P、S、H、N、O等杂质。

一、钢铁制品生产过程

铁矿+焦炭+石灰一高炉炼铁一转炉炼钢一连铸/铸钢（结晶）一轧/锻一机械厂（锻/机加

/热）、铸造

二、钢^组织及缺陷

镇静钢：钢液浇铸前进行了充分脱氧，浇铸后不发生C-0反应而处于镇静状态。

成分均匀，组织致密。

沸腾钢：钢液浇铸前脱氧不充分，浇铸后发生C-0反应而形成状态。

半镇静钢：介于镇静钢和沸腾钢之间。

（一）、钢^组织特点：三晶区

1、表层细晶区：钢^模壁外来晶核，冷速快

2、柱状晶区：垂直模壁方向冷速快，优先长大

3、中心等轴晶区：冷速慢，过冷度小，散热无方向

（二）、钢筵缺陷

1、缩孔和疏松：钢液结晶时体积收缩所致。

集中体积收缩一缩孔，锻/轧时不能焊合

分散体积收缩一疏松，锻/轧时不能焊合

2、杂质：上部：P、S,下部：氧化物，如SiO2,FeO

（三）、杂质对碳钢性能的影响

1、P、S的影响

P固溶F-强硬度t塑韧性II

Pt-Fe3P-脆性转变Tt-冷脆现象

St-晶界处Fe-FeS共晶体（988℃）-高温加工开裂一热脆现象

2、Si、Mn的影响

Si、Mn脱氧残存物，强化F

MnS亲合力/熔点/热塑性》FeS,加MnIS的危害

三、碳钢分类、牌号及应用

（一）分类

W0.250低碳

0.25-0.60中碳

>0.60高碳

P%S%

<0.045W0.055普通碳钢

<W0.040<0.040优质碳钢

W0.035W0.030高级优质碳钢

用途：结构钢，工具钢

（二）、牌号

1、普通碳结钢：Q235-A•FQ275—D-bQ255-C•TZ

特点：只保证力学性能，热轧态应用，板、型材，桥梁、建筑结构件。

2、优质碳结钢：同时保证力学性能和化学成分，热处理使用，车辆、机械结构

件

08、20、45、60—平均C含量为0.08%、0.20%、0.45%、0.60%的优质碳结钢

ZG45—平均C含量为0.45%的铸钢

3、碳素工具钢：

T8、T10—平均C含量为0.8%、1.00%的碳素工具钢。

T12A—平均C含量为1.20%的高级碳素工具钢。

§3-2合金钢：

炼钢时有目的地加入一定量的一种或一种以上的金属或非金属元素，这类含

有所加合金元素的钢称为合金钢。

特点：力学性能提高/特殊物理化学性能（温度/腐蚀/磨损/电磁）/工艺性能（淬

透性）

成本/压加/机加/焊接复杂化

一、合金钢分类及编号

合金含量：低合金钢（〈5%）、中合金钢（5-10%）、高合金钢（＞10%）

正火/铸造组织：P、M、F、A、Le钢

用途：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢

编号：1、合金结构钢：40Cr、38CrMnAlA、18Cr2Ni4W

2、合金工具钢:9Cr2、9SiCr、CrWMn

3、特殊钢：GCr9、GCrl5、GCrl5SiMn、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、Y12、

Y40Mn

二、合金元素在钢中的作用

1、强化钢中基本相

合金F：固溶强化Si、Mn、Ni、W、Mo、Cr

原子半径差t晶体结构差t~F强化效果f

2、合金渗碳体M3C/特殊碳化物M23c6、M7c3、MC

硬度/稳定性高于Fe3c-t强硬度/耐磨性/热硬性

3、改变铁碳相图相区

1）Y稳定化元素一一使A3l,A4f,丫稳定存在区扩大。

a）与Y区无限固溶一一Ni、Mn、Co,开启Y区一一量大时，室温为丫相;

b）与丫区有限固溶C、N、Cu----扩大丫区；

2）a稳定化元素----使A3t,A4l,丫稳定存在区缩小。

a）完全封闭Y区——Cr、V与a-Fe完全互溶，Cr量大时室温也为a相;

W、Mo.Ti等部分溶解；

b)缩小Y区---Nb等。

Me和Fe的作用

在Y-Fe中有较大溶解度并稳定丫相的元素称为A形成元素；

在a-Fe中有比较大溶解度并使丫固溶体不稳定的元素称为F形成元素。

A形成元素均使S、E点向左下方移动，

F形成元素使S、E点向左上方移动。

S点左移一意味着共析C量减小，如：12%Cr时，共析C量为0.4%。合

金元素对共析C量(S点)的影响。

E点左移一意味着出现莱氏体的C量降低，如：高速钢中含C量仅0.8%,

但已有Ld组织。

Me对共析C量的影响Me对共析温度的影响

对临界点的影响

A形成元素Ni、Mn等使％(A3)线向下移动；

F形成元素Cr、Si等使A1(A3)线向下移动。

对Y-Fe区的影响

A形成元素Ni、Mn等使丫-Fe区扩大一钢在室温下也为A体一奥氏体钢;

F形成元素Cr、Si等使Y-Fe区缩小一使钢在高温下仍为F体一铁素体钢。

4、Me在钢中的存在形式

Me的存在形式

非K形成元素只以原子态存在于钢的基体中，在K中的溶解量极少。K形

成元素可存在于基体中，也可在K中。一般有几种形式：

1、溶于固溶体（A或F）,间隙和置换两类。包括缺陷中的存在；

2、形成各种K（C、N化物）；

3、存在于金属间化合物中，常在高合金钢中出现；

4、各类夹杂物（如氧化物、硫化物等）；

5、自由态，极少数元素，如Pb在超过其微量溶解度后，以自由态存在。

Me在不同状态下的分布

Me在钢中的分布是不均匀的，受热处理条件影响：

1、退火态非K形成元素绝大多数固溶于基体中，而K形成元素视C和

本身量多少而定。优先形成K,余量溶入基体。

2、正火态与退火态没有本质区别。

3、淬火态Me的分布与淬火工艺有关。溶入A体的元素淬火后存在于M、

B中或AR中；未溶者仍在K中。

4、回火态低温回火，Me不发生重新分布；>400C,Me开始重新分布。

非K形成元素仍然留在基体中，K形成元素逐步进入析出的K中，其程度决定

于回火温度和时间。

5、热处理影响

强C化物形成元素Nb\Ti\W\Mo\CrIFe/C扩散难溶一tA化温度

合金元素右移C曲线一淬透性t-缓慢冷却得当M/B/1残A

合金元素t回火稳定性IM残A分解一t红硬性

二次硬化

三、合金结构钢

定义：用于制作工程构件和机械零件的合金钢。

一）、普通低合金钢

性能：强韧性/压加性/焊接性

C<0.25%主合金Mn<2%,微合金Ti、V、NbCu、P

16Mn、14MnNb、15MnV、16MnCu

热轧/正火态：F+P

二）、渗碳钢

性能：表硬心韧

CO.10-0.25%主合金：Mn、Ni、Cr、B,辅助Ti、V、Mo、W

20C、20MnV、20CrMnTi、20Cr2Ni4A

热处理：渗碳+淬火+低回

三）、调质钢

性能：综合力学性能

中C0.35-0.50%,主合金Cr、Mn、Ni、Si、B,辅助V、Mo

40Cr、40MnB、35CrMo、42CrMo

热处理：淬火+高回：S回

四）、弹簧钢

性能：高弹簧极限/屈强比/疲劳强度+一定韧性

0.5-0.70%C,主合金Si、Mn,辅助Cr、Mo、V

55SiMnVB、60Si2Mn、5OCrV

热处理：淬火+中回：T回

五）、轴承钢

性能：高硬度/耐磨性HRC62-64/接触疲劳强度/足够韧性/高纯洁度

0.95-1.05%C,主合金Cr,辅助Si、Mn、Mo

GCr6、GCr9、GCrl5、GCrl5SiMn、GCrl5SiMo

热处理：球化退火、淬火+低回：M回+细K+残A

四、合金工具钢

合金工具钢：用于制作刃具、量具和模具的合金钢。

一）、合金刃具钢

性能：高硬度/耐磨性/红硬性/足够韧性

1、低合金：0.9-1.1%C,主合金Cr、Si、Mn,辅助W、V

热处理：淬火+低回：M回+细K+残A

2、高速钢：0.7-1.3%C,主合金W、Mo、Cr、V

锻造加工，热处理：等温退火+淬火+高回三次：M回+细K+残AHRC64-68

二）、合金模具钢

1、冷作模具钢：<300℃,冷冲/挤压/锻/拉丝/磋丝

性能：高硬度/耐磨性疲劳强度/足够韧性/热处理变形小

1.0-2.0%C合金Cr、Mo、V、W

9Cr2、9SiCr,CrWMn、GCrl5>Crl2Crl2MoV

热处理：淬火+低回：M回+细K+残A

2、热作模具钢：工作温度（600℃,热锻模、挤压模、精锻模

性能：高强韧性/足够/耐磨性热硬性/热疲劳性

中C0.4-0.6%,合金Cr、Mn、Ni、Mo、V、W

5CrMMo、5CrNiMo、3Cr2W8V、H13

热处理：淬火+中高回：T回/S回/M回+K

五）、量具钢

同合金刃具钢

热处理：球化退火、淬火+冷处理+低回+人工时效：M回+细K+残A

五、特殊性能钢

特殊性能钢：具有特殊物理、化学性能的合金钢。

一、不锈钢：抗大气腐蚀、抗化学介质腐蚀钢

金属腐蚀：金属与周围介质发生作用而引起破坏的现象。

1）加入Cr、Al、Si,形成致密的保护层Cr2O3、A12O3、SiO2；

2）I合金各相电位差：Cr>13%-*JF/Fe3C电位差->t耐腐蚀

3）获得单相组织，化学物理性能一致

CH3型不锈钢:0Crl3、lCrl3、2Crl3、3Crl3>4Crl3

高Cr钢：Cr27—35

A体不锈钢：18-8：

固溶处理：加热1050-1150℃,是A中K全部溶解，淬火冷却，获得单相A体

组织；

目的：消除K和防止晶间腐蚀，软化/T耐腐蚀

二、耐热钢

抗氧化性、持久强度、蠕变极限

强化途径：W、Mo、Cr、V合金化t再结晶T、Nb、Ti、Mo,Cr第二相强化/控

制粒度

三、低温钢：F型、低CM型、A体型

四、耐磨钢：ZGMnl3

§3-3铸铁

铸铁：C含量大于2.11%,并含有Si、Mn、P、S等元素的铁碳合金。

特点：强度、塑/韧性不及钢，良好的铸造性、价低

一、铸铁的石墨化过程及组织

高温（>1000℃）长时间下：Fe3c-3Fe+C

亚稳相Fe3C->稳定相G铸铁的石墨化

原因：Fe3c比G更接近铸铁成分，形成Fe3c容易，在时间、温度和成分满足

的条件下，G可直接从铁水中结晶。

这就是铁碳双重相图形成的原因。P55

铸铁的石墨化三个阶段：

（一）、第一阶段（高温石墨化阶段）

过共晶：L->L+GI

共晶、亚共晶：Lc'—Ae'+G共晶

高温长时间退火：Fe3CI-3Fe+G

Fe3C共晶-3Fe+G

（二）、第二阶段（中间石墨化阶段）1154-738℃：

A-A+GII

（三）、第三阶段（低温石墨化阶段）：

共析转变：As'-Fp'+G

温度低，原子扩散慢，共析转变不充分。

三阶段转变充分：铸铁组织F+G；

第一、二阶段转变充分，第三阶段抑制，铸铁组织P+G；

第一、二阶段转变充分，第三阶段不充分，铸铁组织F+P+G

二、影响石墨化的因素

C%tfG晶核tftG化过程一促进G化兀素；

Si：共晶点左移，I共晶点C含量，tTE-促进G化元素；

Ceq=C+Si/3,Ceq接近共晶点，铸造性能最佳。

S：tFe-C结合力，IC的扩散速度一阻碍G化元素；

Mn：形成MnS,消除S的不利影响（作用小）一阻碍G化元素

P：促进G化元素作用小。

冷却速度II/铸件壁厚t-有利G化进程

三、铸铁类型

（-）灰口铸铁（HT）

特点：1、C、Si含量高，G化能力强，G呈片状

2、基体组织：F、F+P、P

3、片状G割裂基体组织，破坏基体