第一篇機(jī)械工程材料

第一章工程材料的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展

§1工程材料的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展

材料：人類用以制作有用物件的物質(zhì)

新材料：主要是指最近發(fā)展起來(lái)或正在發(fā)展之中的具有特殊功能和

效用的材料。

人類先后經(jīng)歷了：石器時(shí)代——鐵器時(shí)代——鋼鐵時(shí)代（高分子

時(shí)代半導(dǎo)體時(shí)代先進(jìn)陶瓷時(shí)代復(fù)合材料時(shí)代），這說(shuō)明以學(xué)一種

類材料為主導(dǎo)的時(shí)代已經(jīng)一不復(fù)返了。材料的發(fā)展已進(jìn)入豐富多采

的時(shí)代，而以保護(hù)資源、環(huán)境和生態(tài)為目的的材料設(shè)計(jì)思想已形成

新的潮流，即“生態(tài)環(huán)境材料”。

材料分類：金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料（陶瓷）有機(jī)高分子材料復(fù)

合材料

一、金屬材料

1、特點(diǎn)：由于其主要通過(guò)金屬鍵結(jié)合而成，因此金屬有比高分子材

料高得多的模量，有比陶瓷高得多的韌性、可加工性、磁性和導(dǎo)電性。

2、近年來(lái)金屬材料的縱深發(fā)展：

1）高純材料

2）高強(qiáng)度及超高強(qiáng)度金屬材料

3）超易切削鋼和超高易切削鋼

4）硬質(zhì)合金和金屬陶瓷

5）高溫,合金與難熔合金

6）纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

7）共晶合金定向凝固材料

8）快速冷凝金屬非晶及微晶材料

9）有序金屬間化合物

10）超細(xì)納米顆粒金屬材料

11）形狀記憶合金

12）貯氫合金

3、金屬材料的發(fā)展趨勢(shì)

二、無(wú)機(jī)非金屬材料（陶瓷ceramic）的特點(diǎn)

陶瓷是泛指一切經(jīng)高溫處理而獲得的無(wú)機(jī)非金屬材料，除先進(jìn)（特

種）陶瓷外，還包括玻璃、搪瓷、水泥和耐火材料等。從狹義上講，

用無(wú)機(jī)非金屬化合物粉體，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，以多晶聚積體為主的固

態(tài)物均稱為陶瓷，即先進(jìn)的陶瓷。

先進(jìn)陶瓷的化學(xué)鍵是由共價(jià)鍵與離子鍵組成,具有優(yōu)良的耐高溫、

耐磨、耐腐蝕的特點(diǎn)。

三、復(fù)合材料的特點(diǎn)

復(fù)合材料，是指由不同材料組合而成，在新制成的材料中，原來(lái)各

材料的特性得到了充分的應(yīng)用，而且復(fù)合后可望獲得單一材料得不到

的新功能材料。

近代復(fù)合材料包括：

1、軟質(zhì)復(fù)合材料，具有高強(qiáng)度、高質(zhì)量的特點(diǎn)。如橡膠與紡織材

料結(jié)合在一起，人造絲、尼龍、金屬纖維

2、硬質(zhì)復(fù)合材料，“玻璃鋼”代表（又增強(qiáng)纖維與合成樹脂制成的

復(fù)合材料。

§2制造（工藝）技術(shù)發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀和趨勢(shì)

制造技術(shù)是圍繞工程材料進(jìn)行的。

所謂制造技術(shù)（ManufacturingTechnology）是制造業(yè)為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建

設(shè)和人民生活生產(chǎn)各種必需物質(zhì)所使用的一切生產(chǎn)技術(shù)的總稱，是將

原材料和其它生產(chǎn)要素經(jīng)濟(jì)合理地轉(zhuǎn)化為直接使用具有較高附加價(jià)

值的成品/半成品和技術(shù)服務(wù)的技術(shù)群。

一、制造技術(shù)的發(fā)展歷史

1、18世紀(jì)后半葉開(kāi)始，蒸汽機(jī)與工具機(jī)的發(fā)明導(dǎo)致近代產(chǎn)業(yè)革命

1、19世紀(jì)進(jìn)入電氣化時(shí)代

2、20世紀(jì)初，受二戰(zhàn)的影響，使以降低成本為中心的剛性、大批大

量制造技術(shù)和科學(xué)管理方式得到空前發(fā)展。

3、二戰(zhàn)以后，制造技術(shù)開(kāi)始向高質(zhì)量生產(chǎn)和柔性化生產(chǎn)發(fā)展，并且

形成了一批新型的先進(jìn)制造單元技術(shù)，如NC、CNC、FMC、

CAD/CAM,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理，使生產(chǎn)模式由中、小批量生產(chǎn)，向小

批量自動(dòng)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變。

4、從80年代以來(lái)，制造技術(shù)的發(fā)展由市場(chǎng)牽動(dòng)造成，代替了以前

的由技術(shù)推動(dòng)造成的。

5、進(jìn)入90年代以來(lái)，進(jìn)入先進(jìn)制造技術(shù)階段。

二、造業(yè)及先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)：

信息技術(shù)

設(shè)計(jì)技術(shù)

成型及改進(jìn)制造技術(shù)向精密、精確、少能耗、無(wú)污染向發(fā)展

第二章工程材料的基礎(chǔ)知識(shí)

§1工程材料的性能

表征材料在給定外界條件下的行為一一材料的性能

1.使用性能物理、化學(xué)、力學(xué)性能

2.工藝性能鑄造、鍛、焊、切削等

重點(diǎn)掌握

各種力學(xué)性能指標(biāo)(強(qiáng)度，塑性；沖擊韌性；硬度HB,HRC,HV；疲勞強(qiáng)度,

斷裂韌性)的物理意義和單位。

1.1工程材料的力學(xué)性能

一、靜載單向靜拉伸應(yīng)力一一應(yīng)變曲線

拉伸機(jī)上，低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線

曲線分為四階段：

1.階段I(oab)——彈性變形階段

a:Pp,b:Pe(不產(chǎn)生永久變形的最大抗力)

oa段：Z\LzP直線階段

ab段:極微量塑性變形(0.001—0.005%)

2.階段II(bed)段一一屈服變形

C：屈服點(diǎn)Ps

3.階段in(dB)段一一均勻塑性變形階段

B:R材料所能承受的最大載荷

4.階段IV(BK)段一一局部集中塑性變形：頸縮

鑄鐵、陶瓷：只有第I階段

中、高碳鋼：沒(méi)有第H階段

二、材料的強(qiáng)度一一材料所能承受的極限應(yīng)力.

"

o=P/A,)表示材料抵抗變形和斷裂的能力單位：MPa(MN/mm)

1.抗拉強(qiáng)度

。b=Pb/Ao

材料被拉斷前所承受的最大應(yīng)力值（材料抵抗外力而不致斷裂的極限應(yīng)力值）。

2.屈服強(qiáng)度和條件屈服強(qiáng)度00.02

a:o=PS/AO（。，代表材料開(kāi)始明顯塑性變形的抗力，是設(shè)計(jì)

和選材的主要依據(jù)之一。）

b:。。,條件屈服強(qiáng)度

（中高碳鋼、無(wú)屈服點(diǎn)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以產(chǎn)生一定的微量塑性變形的抗力的極限應(yīng)

力值來(lái)表示。）

脆性材料：?！??；铱阼T鐵

3.疲勞強(qiáng)度。?（80%的斷裂由疲勞造成）

疲勞：承受載荷的大小和方同隨時(shí)間作周期性變化，交變應(yīng)力作用下，往往在遠(yuǎn)

小于強(qiáng)度極限，甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。

疲勞極限：材料經(jīng)無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應(yīng)力值。

條件疲勞極限：經(jīng)受IO,應(yīng)力循環(huán)而不致斷裂的最大應(yīng)力值。

陶瓷、高分子材料的疲勞抗力很低，金屬材料疲勞強(qiáng)度較高，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

也有較好的抗疲勞性能。

影響因素：循環(huán)應(yīng)力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀態(tài)、殘余應(yīng)

力等。

三、塑性：

1.延伸率

^=—=%―%x100%

L:試樣拉斷后最終標(biāo)距長(zhǎng)度

延伸率與試樣尺寸有關(guān)，g5,8l0（Lo=5do,10do）

2.斷面收縮率

v=AF/Fo=（F0-Fk）/F0x100%

8，v越大，塑性愈好；8<5%,脆性材料

四、剛度和彈性

1.剛度（材料在受力時(shí)，抵抗彈性變形的能力）

E=o/e楊氏彈性模量GPa,MPa

本質(zhì)是：反映了材料內(nèi)部原子結(jié)應(yīng)力的大小，組織不敏感的力系指標(biāo)。

2.彈性：材料不產(chǎn)生塑性變形的情況下，所能承受的最大應(yīng)力。

比例極限：。^Pp/F,,應(yīng)力一一應(yīng)變保持線性關(guān)系的極限應(yīng)力值

彈性極限：oe=Pe/F0不產(chǎn)永久變形的最大抗力。

工程上，。八Oe視為同一值，通常也可用O0.01

五：硬度

抵抗外物壓入的能力，稱為硬度一一綜合性能指標(biāo)。

1.布氏硬度

HB=----------2,

必卬一份一笳）

適用于未經(jīng)淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或質(zhì)地輕軟的軸承合金。

2.洛氏硬度

定義：每0.002mm相當(dāng)于洛氏1度

洛氏硬度常用標(biāo)尺有：B、C、A三種

①HRB輕金屬，未淬火鋼

②HRC較硬，淬硬鋼制品

③HRA硬、薄試件

d

回

3.維氏硬度一一科學(xué)試驗(yàn)

P

1

2Psm—p

HV=----^-="544二

d1d2

維氏硬度的壓力一般可選5,10,20,30,50,100,120kg等，小于。kg的壓

力可以測(cè)定顯微組織硬度。

六、沖擊韌性

韌性：材料斷裂前吸收變形能量的能力一一韌度

沖擊韌性：沖擊載荷下材料抵抗變形和斷裂的能力。

也=沖擊破壞所消耗的功AM標(biāo)準(zhǔn)試樣斷口截面積F(J/cm2)

ak值低的材料叫做脆性材料，斷裂時(shí)無(wú)明顯變形，金屬光澤，呈結(jié)晶狀。

ak值高，明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無(wú)光澤，韌性材料。

韌性與溫度有關(guān)一一脆性轉(zhuǎn)變溫度TK

沖

擊

值

飆

七、斷裂韌性

1.問(wèn)題的提出

低應(yīng)力脆斷一一斷裂力學(xué)

2.應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子M

前面所述的力學(xué)性能，都是假定材料內(nèi)部是完整、連續(xù)的，但是實(shí)際上，內(nèi)部不

可避免的存在各種缺陷(夾雜、氣孔等)，由于缺陷的存在，使材料內(nèi)部不連續(xù),

這可看成材料的裂紋，在裂紋尖端前沿有應(yīng)力集中產(chǎn)生，形成一個(gè)裂紋尖端應(yīng)力

場(chǎng)。表示應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的參數(shù)一一“應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子”。

=y小百

I：?jiǎn)挝缓穸?，無(wú)限大平板中有一長(zhǎng)度2a的穿透裂紋

Y：裂紋形狀，加載方式，試樣幾何尺寸，試驗(yàn)類型有關(guān)的系數(shù)一一幾何形狀因

子。丫=八

3.斷裂韌性

對(duì)于一個(gè)有裂紋的試樣，在拉伸載荷

作用下，Y值是一定的，當(dāng)外力逐漸

增大，或裂紋長(zhǎng)度逐漸擴(kuò)展時(shí)，應(yīng)力

場(chǎng)強(qiáng)度因子也不斷增大，當(dāng)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)

度因子KJ曾大到某一值時(shí)，

oy

就可使裂紋前沿某一區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力

大到足以使材料產(chǎn)生分離，從而導(dǎo)致

裂紋突然失穩(wěn)擴(kuò)展，即發(fā)生脆斷。

這個(gè)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的臨界值，稱為

材料的斷裂韌性，用Me表示，它表

明了材料有裂紋存在時(shí)抵抗脆性斷

裂的能力。

當(dāng)時(shí)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，發(fā)生脆斷。

K1=K1c時(shí)，裂紋處于【I缶界狀態(tài)

KKL：時(shí)，裂紋擴(kuò)展很慢或不擴(kuò)展，不發(fā)生脆斷。

口可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，它是評(píng)價(jià)阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的力學(xué)性能指標(biāo)。是材料

的一種固有特性，與裂紋本身的大小、形狀、外加應(yīng)力等無(wú)關(guān)，而與材料本身的

成分、熱處理及加工工藝有關(guān)。

4.應(yīng)用

斷裂韌性是強(qiáng)度和韌性的綜合體現(xiàn)。

(1)探測(cè)出裂紋形狀和尺寸，根據(jù)K。制定零件工作是否安全KINKH；,失穩(wěn)

擴(kuò)展。

(2)已知內(nèi)部裂紋2a,計(jì)算承受的最大應(yīng)力。

(3)已知載荷大小，計(jì)算不產(chǎn)生脆斷所允許的內(nèi)部宏觀裂紋的臨界尺寸。

1.2工程材料的其它性能

一、熱學(xué)性能

材料的熱學(xué)性能與原子和自由電子的能量交換密切相關(guān)。

1.熱膨脹一一原子（或分子）受熱后平均振幅增加

（1）體積膨脹系數(shù)6

（2）線膨脹系數(shù)a

結(jié)合鍵越強(qiáng)則原子間作用力越大，原子離開(kāi)平衡位置所需的能量越高，則膨脹系

數(shù)越小。

2.熱傳導(dǎo)一一自由電子的運(yùn)動(dòng)和晶格振動(dòng)。

導(dǎo)熱系數(shù)入：?jiǎn)挝粶囟忍荻认?，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位垂直面積的熱量：

3.熱容：

材料在溫度升高1℃時(shí)所吸收的熱量叫做熱容。

一克物質(zhì)的熱容也叫比熱。

二、電學(xué)性能

1.導(dǎo)電性

R=PL/S

電阻率：P

電導(dǎo)率：1/p

超導(dǎo)體：P---0、導(dǎo)體：P=10-8-10-5

半導(dǎo)體：P=10"5-10\絕緣體：P=107-1022

三、磁性

1.物質(zhì)接磁性分類：

抗磁性物質(zhì)、順磁性物質(zhì)、鐵磁性物質(zhì)

2.磁化率

磁化強(qiáng)度M=X?HX：磁化率（或磁化系數(shù)）

3.導(dǎo)磁率B=口?H（u：介質(zhì)導(dǎo)磁率）

4.磁彈回線和矯頑力

四、比重和熔點(diǎn)

1.比重2.熔點(diǎn)

五、耐磨性能

六、抗蝕性能

§2工程材料的晶體結(jié)構(gòu)

對(duì)材料的認(rèn)識(shí)：宏觀；微觀。

材料結(jié)構(gòu)-------微觀認(rèn)識(shí)。如：晶體結(jié)構(gòu)

［重點(diǎn)掌握］

1.有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的基本概念：金屬鍵，晶面，晶向，晶體，晶格，晶粒，單晶

體，三種常見(jiàn)的金屬晶格，實(shí)際晶體的缺陷；

2.合金相結(jié)構(gòu)的基本類型：固溶體、化合物及混合物，以及這些合金相結(jié)構(gòu)的

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與性能特點(diǎn)。

3.金屬的結(jié)晶、結(jié)晶過(guò)程、晶核的形成，長(zhǎng)大規(guī)律及其影響因素；

4.二元合金相圖的基本概念：相、組織、組元、相圖、合金、合金系等；

5.二元合金相圖的分析方法，熟悉幾種最基本的二元合金相圖；

6.杠桿定律及其應(yīng)用。

［一般要求］

1.晶格的致密度，晶體的各向異性；

2.金屬中的擴(kuò)散。

3.復(fù)習(xí)并進(jìn)一步熟悉強(qiáng)度，塑性等機(jī)械性能指標(biāo)

4.有關(guān)滑移和李生的理論解釋。

5.金屬鑄錠的組織特征及缺陷；

6.形成穩(wěn)定化合物的相圖；

7.合金相圖與性能的關(guān)系；

2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶

一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)

（一）晶體點(diǎn)陣和晶胞

晶體：是指由許多質(zhì)點(diǎn)（原子、離子、分子）在三維空間呈周期性規(guī)

則排列所構(gòu)成的固體。這種規(guī)則排列是由于原子之間的相互吸引力與

排斥力相平衡的結(jié)果。

晶體點(diǎn)陣：用來(lái)描述晶體中原子（離子、分子）排列規(guī)則的空間構(gòu)架

模型稱為晶體點(diǎn)陣。

晶胞：晶體點(diǎn)陣的一個(gè)基本單元。

晶格常數(shù)：三個(gè)棱邊長(zhǎng)用a、b、c表示，大小以埃為計(jì)量單位。三個(gè)

棱邊之間的夾角用

（二）常見(jiàn)的三種晶體結(jié)構(gòu)（在金屬元素中，約由百分之九十以上的

金屬晶體都屬于這三種晶格形式）

1、體心立方晶體結(jié)構(gòu)BCCBody-CenteredCube

2、面心立方晶體結(jié)構(gòu)FCCFace-CenteredCube

3、密排六方晶體結(jié)構(gòu)HCPHexagonalClose-Packed

金屬晶體的典型晶體結(jié)構(gòu)重要參數(shù)

晶胞晶體學(xué)參數(shù)原子半徑晶胞原子配位數(shù)致

度

數(shù)

FCC2868%

a=b=c,a=B=y=90"用

——a

4

BCC41274%

a=b=c,a邛=y=90°.12

——a

4

HCPa/261274%

a=b=c,c/a=l.633,a=P

=90°,y=120°

其中

原子半徑：是指晶胞中原子密度最大的方向上相鄰兩原子間平衡距離的一半，或

晶胞中相距最近的兩個(gè)原子間距的一半。

配位數(shù)：是晶格中與任一原子處于等距離且相距最近的原子數(shù)目。

致密度：金屬晶胞中的全部原子的體積占晶胞總體積的百分?jǐn)?shù)。

（二）晶向指數(shù)、晶面指數(shù)

1、晶向指數(shù)

晶向是晶格中各種原子列的位向，晶向指數(shù)即是用來(lái)描述晶向的一種

符號(hào)。如圖2-13,以［u.v.w］表示。

2、晶面指數(shù)

晶面是指各種不同方位上的原子面，而用來(lái)描述晶面位置的符號(hào)稱為

晶面指數(shù)。如圖2-14,以（h.k.l）表示。

二、多晶體結(jié)構(gòu)及晶體缺陷

1、單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致。

2、多晶體結(jié)構(gòu)：由許多位向各不相同的單晶體塊組成，即由多個(gè)

晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。

3、晶體缺陷：原子偏離規(guī)則的不完整區(qū)域。

1）點(diǎn)缺陷：三維方向尺寸都很小。

分為空位、間隙原子、置換原子

特點(diǎn)：它們的存在使其周圍臨近原子偏離平衡位置，造成了點(diǎn)陣畸變,

即晶格畸變，引起材料的進(jìn)一步變形困難，達(dá)到強(qiáng)化效果。

2）線缺陷：某一方向尺寸很大，而三維空間的其它兩個(gè)尺寸小，即晶

格中的“位錯(cuò)線”或簡(jiǎn)稱“位錯(cuò)”。

所謂位錯(cuò)可視為晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體的局部

滑移而造成的結(jié)果，晶體滑移部分與未滑移部分的交界線即為位錯(cuò)

線，是金屬塑性變形的一種。

3）面缺陷：兩個(gè)方向尺寸很大，而第三方向的尺寸很小，即為晶界。

由于晶界處原子排列不規(guī)則，晶體處于畸變狀態(tài)，存在畸變能，

是雜質(zhì)原子聚集的場(chǎng)所，也是金屬材料發(fā)生損壞失效的策源地。（是

因?yàn)榫w中不同區(qū)域之間的晶格位向過(guò)渡所造成的）。這種畸變也導(dǎo)

致材料的強(qiáng)化……細(xì)晶強(qiáng)化。

三、純金屬的結(jié)晶及其組織

1.結(jié)晶與凝固的區(qū)別

凝固：LfSS可以是非晶態(tài)或晶態(tài)

結(jié)晶：一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)或晶態(tài)）過(guò)渡為另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）

的轉(zhuǎn)變過(guò)程

一次結(jié)晶：LfS晶態(tài)

二次結(jié)晶：S-S晶態(tài)

2.結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力AFWO,而不是過(guò)冷度AT

自然界的自發(fā)過(guò)程進(jìn)行的熱力學(xué)條件都是AFWO

體系中各種能量的總和叫做內(nèi)能一U,其中可以對(duì)外做功或向外釋放的能量叫自

由能-F,F=U-TS（嫡）

a當(dāng)溫度T>Tm時(shí)，F(xiàn)s>FL,液相穩(wěn)定

b當(dāng)溫度T<Tm時(shí)，F(xiàn)sCFL,固相穩(wěn)定

c當(dāng)溫度T=Tm時(shí)，F(xiàn)s=FL,平衡狀態(tài)

Tm：理論結(jié)晶溫度

Tn：實(shí)際結(jié)晶溫度

過(guò)冷度：<T=Tm-Tn,<F克服界面能

3.過(guò)冷度與冷卻曲線

冷速越快，過(guò)冷度越大

TO

T

溫

度

△3一

時(shí)間一*

液態(tài)金屬不同冷卻速度時(shí)的冷卻曲線

4、結(jié)晶的過(guò)程

a.形核一一自發(fā)形核、非自發(fā)形核

b.長(zhǎng)大一一平面長(zhǎng)大、樹枝狀長(zhǎng)大

5、晶粒尺寸的控制

（1）晶粒度

單位面積上的晶粒數(shù)目或晶粒的平均線長(zhǎng)度（或直徑）表示。

形核速度大，長(zhǎng)大速率慢，晶?？倲?shù)目多，晶粒細(xì)小。

（2）過(guò)冷度對(duì)形核一長(zhǎng)大的影響

過(guò)冷度＜T提高，N提高、G提高

過(guò)冷度＜T太高，D降低——N降低、G降低

(3)控制晶粒度的因素

①提高過(guò)冷度

過(guò)冷度＜Tt,Ntt,Gt——N/G增大，細(xì)化

②變質(zhì)處理

在液態(tài)金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑作為非自發(fā)晶核的核心，以細(xì)化晶粒和改善組

織。

③振動(dòng)，攪拌等

2.2合金的晶體結(jié)構(gòu)和組織

一、合金相結(jié)構(gòu)

相：凡是化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同，與其它部分有明顯分界的均勻組成部分。

合金中有兩類基本的相結(jié)構(gòu)，固溶體和金屬間化合物。

1、固溶體

組元通過(guò)溶解形成一種成分和性能均勻的，且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為固

溶體A(B)oA：溶劑B：溶質(zhì)

①分類

a.溶質(zhì)原子的位置

置換固溶體晶格類型相同，原子半徑相差不大，電化學(xué)性質(zhì)相近

間隙固溶體原子半徑較小

b.溶解度：有限固溶體和無(wú)限固溶體

c.分布有序度分：有序固溶體和無(wú)序固溶體

②固溶強(qiáng)化

由于溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格產(chǎn)生晶格畸度而造成材料硬度升高，塑性和韌性沒(méi)有

明顯降低。

溶質(zhì)原子溶入一晶格畸變一位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力上升~金屬塑性變形困難一強(qiáng)度、硬度

升高。

2、金屬間化合物

金屬間化合物是合金的組元相互作用而形成的具有金屬特性，而晶格類型和特性

又完全不同于任一組元的化合物一中間相。

熔點(diǎn)、硬度高、脆性大。

3、機(jī)械混合物

單一固溶體：強(qiáng)度、硬度較低

單一化合物：硬而脆

機(jī)械混合物一一不是一種單一相，是固溶體與化合物的機(jī)械混合。

二、合金相圖概述

Cu-Ni合金相圖

1、相圖：描述平衡條件下，相和相變與溫度、成份、壓力之間的關(guān)系圖稱為相

圖一一平衡圖。

2、相圖的建立

I：純銅II：75%Cu+25%NiIII：50%Cu+50%Ni

IV：25%Cu+75%NiV：純Ni

三、二元合金相圖

1、勻晶相圖

兩組元在液態(tài)無(wú)限互溶，在固態(tài)也無(wú)限互溶，冷卻時(shí)發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變的合金系一勻

晶相圖（L-a）,Cu-Ni,Fe-Cr,Au-Ag

(1)相圖分析

液相線固相線LaL+a

(2)勻晶轉(zhuǎn)變的結(jié)晶過(guò)程LfL+cs

O

。

超

照

勻晶相圖合金的結(jié)晶過(guò)程

(3)勻晶轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)

a.形核、長(zhǎng)大，樹枝狀長(zhǎng)大

b.變溫過(guò)程

c.兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定，成分確定

d.兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定，兩相相對(duì)量一定

0b100

CuNi,%---------------->Ni

杠桿定律的證明和力學(xué)比喻

QK__ab

杠桿定律.QL￡%be

Qi,%ab=Qos%be

證明：Q合金，其Ni含量b%,T1溫度時(shí)：L相中Ni%二a%,a相中Ni%二c%

Q合金％b%=QL%a%+Qc?%c%

又因?yàn)镼合金=QL+Q6所以(Qi+Qa)%b%=Q(.%a%+Qa%c%

Q次—由％_b-a_ab

QL￡%c-bbe

PbXIX3X2X4Sn

Sn,%-------------------

Pb-Sn合金相圖及成分線

2.共晶相圖：

兩組元在液態(tài)無(wú)限互溶，在固態(tài)有限互溶的結(jié)晶轉(zhuǎn)變。共晶轉(zhuǎn)變的合

金系構(gòu)成共晶相圖，Pb-Sn,Al-Si,Ag-Cu

（1）相圖分析

液相線adb

固相線acdeb

三個(gè)單相區(qū)：L、a、B（a、B是有限固溶體）

共晶點(diǎn)：d共晶成分的合金冷卻到此點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度（共晶溫度），

共同結(jié)晶出ac.Be

￡->%+旦共晶反應(yīng)線

溶解度線：cf,eg

TI-*過(guò)飽和固溶體析出另一相一脫溶轉(zhuǎn)變

室溫下：相組成物a,B

四、合金性能與相圖的關(guān)系

1、合金的使用性能與相圖的關(guān)系

溶質(zhì)元素一晶格畸變大一強(qiáng)度、硬度t,（50%t最大）

a.復(fù)相組織區(qū)域內(nèi)（如共晶轉(zhuǎn)變范圍內(nèi)），合金的強(qiáng)度和硬度隨成分

的變化呈直線關(guān)系，大致是兩相性能的算術(shù)平均值。HB=HBs*G?%

+HBB*B%

b.對(duì)組織較敏感的性能一強(qiáng)度，與組成相或組織組成物的形態(tài)有很大

關(guān)系。組成相或組織組成物越細(xì)密，強(qiáng)度越高（共晶點(diǎn)處，共晶組織

呈細(xì)小、均勻細(xì)密的復(fù)相組織，強(qiáng)度可達(dá)最高值。）

2、合金的工藝性能

a.鑄造性能一液態(tài)合金的流動(dòng)性以及產(chǎn)生縮孔，裂紋的傾向性等。

液固相線距離愈小，結(jié)晶溫度范圍愈小一合金的流動(dòng)性好一有利

于澆注；液固相線距離大一枝晶偏析傾向愈大，合金流動(dòng)性也愈

差，形成分散縮孔的傾向也愈大，使鑄造性能惡化，所以鑄造合

金的成分常取共晶成分和接近共晶成分或選擇結(jié)晶溫度間隙最小

的成分。

b.鍛造、軋制性能單相固溶體合金

單相組織變形抗力小，變形均勻，不易開(kāi)裂，塑性好

§3鐵碳合金相圖

［重點(diǎn)掌握］

1.純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變；

2.鐵碳合金的基本組織；鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體的結(jié)構(gòu)和

性能特點(diǎn)及顯微組織形貌；

3.鐵碳合金相圖中各點(diǎn)、錢、區(qū)的含義，了解成份、溫度、組織、相之間的關(guān)

系和變化規(guī)律，根據(jù)相圖，分析各種典型成份的鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程；

4.鐵碳合金的成份、組織與性能之間的關(guān)系；

5.鐵碳相圖的應(yīng)用。

［一般要求］

1.各類特殊性能鑄鐵的成分，組織，性能特點(diǎn)和應(yīng)用；

2.白口鐵的組織與性能。

3.1Fe-Fe3c相圖

一、Fe-Fe3c相圖的組元

1.Fe組元

?#-Fe(bcc)—1394℃—y-Fe(fcc)—912℃--cs-Fe(bcc)(同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變)

強(qiáng)度低、硬度低、韌性、塑性好

2.Fe3c(Cem,Cm)

熔點(diǎn)高，硬而脆，塑性、韌性幾乎為零。

二、Fe-Fe3c相圖中的相

1.液相L

2.米相高溫鐵素體(C固溶到米-Fe中一一米相)

3.a相鐵素體F（C固溶到a-Fe中——a相）

強(qiáng)度、硬度低、塑性好（室溫：C%=0.0008%,727度：C%=0.0218%）

4.Y相、A奧氏體（C固溶至Uy-Fe中——丫相）

強(qiáng)度低，易塑性變形

5.Fe￡

三、相圖分析

1.三條水平線和三個(gè)重要點(diǎn)

（1）包晶轉(zhuǎn)變線HJB：1495攝氏度，C%=0.09-0.53%

LB+6H----------AJ即Lo.53+50.09---------Ao.17

（2）共晶轉(zhuǎn)變線ECF,1148攝氏度,C%=2.11--6.69%

L「Azn+Fe3c（共晶滲碳體）——Le4.3高溫萊氏體Le,Ld

（3）共析轉(zhuǎn)變線PSK,727攝氏度,C%=0.0218—6.69%

As----Fp+Fe3c（共析滲碳體）

Ao.77——Fo.0218+Fe3cP（珠光體）

珠光體的強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于Fe：C和F之間

Le----P+Fe3Cn+Fe3c共晶（低溫萊氏體Le'）

2.液固相線

液相線ACD、固相線AECF

3.溶解度線

ES線碳在A中的固溶線，1148攝氏度，2.11%——727攝氏

度,0.77%,Fe3cli

PQ線碳在F中的固溶線，727攝氏度,0.0218%——0.0008%室溫,

Fe3cHi

4.GS線

四、基于Fe-Fe3c相圖的Fe-C合金分類

1.工業(yè)純鐵,C%^0.0218%

2.鋼0.0218%<C%<2.11%

亞共析鋼0.0218/C%<0.77%

共析鋼0.77%

過(guò)共析鋼0.77%<C%^2.11%

3.白口鑄鐵2.11%<C%<6.69%

亞共晶白口鑄鐵2.11水C水4.3%

共晶白口鑄鐵4.3%

過(guò)共晶白口鑄鐵4.3%<C%<6,69%

3.2Fe-C合金平衡結(jié)晶過(guò)程

3.3鐵碳相圖的應(yīng)用及局限

§4鋼的熱處理工藝

［重點(diǎn)掌握］

1.鋼在加熱時(shí)組織轉(zhuǎn)變的過(guò)程中及影響因素；

2.本質(zhì)晶粒度與實(shí)際晶粒度的含義，控制晶粒度大小的因素；

3.共析鋼奧氏體等溫冷卻曲線中各條線的含義。C曲線中種溫度

區(qū)域內(nèi)奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形貌，性能特點(diǎn)。

4.非共析鋼C曲線與共析鋼C典線的差別及影響C典線的因素；

5.奧低體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線的特點(diǎn)，冷卻速度對(duì)鋼的組織變化和最

終性能的影響；

6.各種熱處理的定義、目的、組織轉(zhuǎn)變過(guò)程，性能變化，用途和適

用的鋼種，零件的范圍。

［一般要求］

1.鋼在加熱和冷卻時(shí)組織轉(zhuǎn)變的機(jī)理；

2.各種熱處理的具體工藝過(guò)程；

3.鋼在加熱和冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷；

4.1鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

一、共析鋼的奧氏體化(晶格改組和Fe,C原子的擴(kuò)散過(guò)程，遵循

形核、長(zhǎng)大規(guī)律)

1.共析鋼奧氏體化溫度

Acl溫度:F(bcc,0.0218)+Fe3C(6.69)——>A(Fee,0.77)

2.共析鋼奧氏體化過(guò)程

a.形核（優(yōu)先在相界（F,Fe3C）

b.長(zhǎng)大

c.滲碳體完全溶解

d.碳的均勻化

二、亞（過(guò)）析鋼的奧氏體化

三、影響奧氏體化的因素

1.加熱溫度

Tt-A化t（Dt-濃度梯度大）

2.加熱速度

Vt一轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度t,轉(zhuǎn)變時(shí)間I

3.含碳量

C%t一界面多一核心多一轉(zhuǎn)變快

4.合金元素

a.Cr、M。、W、V、Nb、Ti強(qiáng)碳化物形成元素，I奧氏體形成速度

b.C。、Ni非碳化物形成元素，t奧氏形成速度

c.Al、Si、Mn影響不太

5.原始組織

片狀，片間距小一相界面多一碳彌散度大一碳原子擴(kuò)散距離短一奧氏體形核長(zhǎng)大

快>粒狀

四、奧氏體晶粒大小及控制

1.晶粒度：表征晶體內(nèi)晶粒大小的量度，通常用長(zhǎng)度，面積，體積或晶粒度級(jí)

別表示。

2.起始晶粒度、實(shí)際晶粒度、本質(zhì)晶粒度

本質(zhì)晶粒度：鋼奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向。

奧氏體晶粒隨溫度的升高而且迅速長(zhǎng)大的傾向一本質(zhì)粗晶鋼

奧氏體晶粒隨溫度升高到某一溫度時(shí)，才迅速長(zhǎng)大一本質(zhì)細(xì)晶鋼

3.奧氏體晶粒度的控制

a.加熱工藝

加熱溫度，保溫時(shí)間

b.鋼的成分---合金化

A中C/t―晶粒長(zhǎng)大t

MxC%t一是粒長(zhǎng)大I

1）碳化物形成元素細(xì)化晶粒

2）A1一本質(zhì)細(xì)晶鋼

3）Mn、P促進(jìn)長(zhǎng)大

本質(zhì)細(xì)晶粒和本質(zhì)粗晶粒（示意圖）

4.2鋼在冷卻過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變

時(shí)間?一

矮處理的兩種冷卻方式(示意圖)

1一連續(xù)冷卻，2一■孤處理

等溫處理連續(xù)處理

一、過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變

1.共析鋼過(guò)冷A等溫轉(zhuǎn)變曲線。

冷卻到一定溫度，保溫，測(cè)量A過(guò)冷轉(zhuǎn)變開(kāi)始和終了時(shí)間

A1以上：A穩(wěn)定

A1以下：A不穩(wěn)定，過(guò)冷

C曲線有一最小孕育期：

1：TI,A——P的驅(qū)動(dòng)力F提高

2：TI---DI

2.共析鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和特征

(1)高溫轉(zhuǎn)變區(qū)

Ai——鼻子溫度(550℃)

A過(guò)冷一P(S,T)索氏體，屈氏體。

P的形成取決于生核，長(zhǎng)大速率。TI,生核，長(zhǎng)大t。

TI-*600°C,DI,長(zhǎng)大慢一層間距薄，短

擴(kuò)散型相變，綜合性能好，HB較低，韌性好。TI——HBt,強(qiáng)度t

(2)中溫區(qū)轉(zhuǎn)變，貝氏體轉(zhuǎn)變550℃"230℃(Ms)

A過(guò)冷fB,碳化物分布在含過(guò)飽和碳的F基體上的兩相機(jī)械混合物。

550℃^350℃：上貝氏體半擴(kuò)散型(Fe不擴(kuò)散),羽毛狀碳化物在F間，韌性差

350℃~MS：下貝氏體C原子有一定的擴(kuò)散能力，針狀碳化物在F內(nèi)，韌性高，綜

合機(jī)械性能好

(3)低溫區(qū)轉(zhuǎn)變——馬氏體轉(zhuǎn)變，禮一加,之間一個(gè)溫度范圍內(nèi)連續(xù)冷

卻完成的，離于非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。

a.A過(guò)冷-M+A，殘余

b.轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：馬氏體M,碳在a-Fe中的過(guò)飽和固溶體。

C%<0.23%,板條狀M

C%>1.0%,針狀，馬氏體

c.實(shí)質(zhì)：T低一一C無(wú)法擴(kuò)散一非擴(kuò)散性晶格切變一過(guò)飽和C的鐵素體。

d.M轉(zhuǎn)變的特征，①無(wú)擴(kuò)散性②瞬時(shí)性③存在乩，④不完全性⑤體積膨

脹

3.共析鋼等溫轉(zhuǎn)變組織一一，性能的關(guān)系

（1）珠光體型

轉(zhuǎn)變溫度降低，片間距小，細(xì)晶強(qiáng)化一強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性提高

（2）貝氏體

B上：強(qiáng)度、韌性差

B下：硬度高，韌性好，具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能

（3）馬氏體

硬度高,C%t-HRCt

針狀馬氏體，硬而脆，塑、韌性差

板條狀，強(qiáng)度高，塑性，韌性好

4.亞（過(guò)）共析鋼的等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線

二、影響C曲線的因素

C曲線反映奧氏體的穩(wěn)定性及分解轉(zhuǎn)變特性，這些取決于奧氏體的化學(xué)成分和加

熱時(shí)的狀態(tài)。C曲線的形狀位置，不僅對(duì)過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變速度和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的

性能具有重要意義，而且對(duì)鋼的熱處理工藝也有指導(dǎo)性作用。

（一）成分

1.含碳量

A中C%tfC曲線右移.

對(duì)亞共析鋼，鋼中C%t,A中C%t-C曲線右移

對(duì)過(guò)共析鋼，一般在M以上A化，鋼中C%t,未溶FesCtf有利于形核一C曲

線左移

共析鋼，C曲線最靠右邊，穩(wěn)定性最高。

2.合金元素，（Co%tf左移）

除C。以外，所有合金元素溶入A中，增大過(guò)冷A穩(wěn)定性一一右移

非碳化物形成元素，Si.Ni,Cu,不改變C曲線形狀

強(qiáng)碳化物形成元素，Cr,Mo,W,V,Nb,Ti,改變C曲線形狀

除C0,A1外,均使M,,M「下降，殘余At

（二）A化條件的影響

加熱溫度和時(shí)間：

A化溫度t,時(shí)間t（成分均勻，晶粒大，未溶碳化物少，形核率降低）一A穩(wěn)

定性t,C曲線右移

三、過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變

1.過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖

PS：A-P開(kāi)始線

Pf：A-P終止線

K：珠光體型轉(zhuǎn)變終止線

Vk：上臨界冷卻速度（馬氏體臨界冷卻

速度）fM最小冷速

Vk'：下臨界冷速f完全P最大冷速

2.連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線和等溫轉(zhuǎn)變曲

時(shí)間（18T）------

線的比較

共析鋼的連續(xù)冷卻

（1）CCT位于TTT曲線右下方A-P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變曲線（示意圖）

變溫度低一些，t長(zhǎng)一些

（2）CCT無(wú)A-B轉(zhuǎn)變

CCT測(cè)定困難，常用TTT曲線定性分析

3.C曲線的應(yīng)用

（1）根據(jù)工件要求，確定熱處理工藝。

（2）確定工件淬火時(shí)的臨界冷速。

（3）可以指導(dǎo)連續(xù)冷卻操作

VI:爐冷（退火）P

V2:空冷，S,T

V3：空冷，S,T

V4：油冷，T+M+A'

V5：M+A'

（4）選擇鋼材的依據(jù)

（5）C曲線對(duì)選擇淬火介質(zhì)與淬火方法有指導(dǎo)。

4.3鋼的退火與正火工藝

一、退火（將鋼件加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻的熱處理工

藝。）

1.完全退火

加熱溫度:Ac3以上20-30度

組織：P+F

目的：①細(xì)化，均勻化粗大、不均勻組織

②接近平衡組織一一調(diào)整硬度一切削性t

③消除內(nèi)應(yīng)力

應(yīng)用范圍：亞共折鋼，共析鋼，不適用于過(guò)共析鋼。

2.球化退火（不完全退火）

加熱溫度：Acl以上20-40度

應(yīng)用范圍：過(guò)共析鋼，共析鋼

組織：球狀P（F+球狀Cem）

目的：

①使Cem球化一HRCI,韌性t一切削性t

②為淬火作準(zhǔn)備

3.擴(kuò)散退火（均勻化退火）

1050-1150℃,10-20h,P+F或P+FesC”

目的：消除偏析

后果：粗大晶粒（應(yīng)用完全退火消除）

4.再結(jié)晶退火

加熱溫度：Acl以下50-150度，或T再+30-50度

目的：消除加工硬化

5.去應(yīng)力退火

500-650℃

二、正火（空冷）

Ac3或Accm+30-50℃

組織：S+（F或Fe；C）

應(yīng)用：

（1）作最終熱處理，普通結(jié)構(gòu)鋼零件

目的：a.細(xì)化A晶粒，組織均勻化

b.減了亞共析鋼中F%-P/t,細(xì)化一強(qiáng)度，韌性，硬度t

（2）預(yù)先熱處理

a.消除魏氏組織，帶狀組織；細(xì)化組織一為淬火、調(diào)質(zhì)作準(zhǔn)備

b.使過(guò)共析鋼中Fe：,CnI-使其不形成連續(xù)網(wǎng)狀，為球化作準(zhǔn)備

（3）改善切削加工性能

三、退火、正火的選擇

正火：冷速快，材料組織細(xì)化，機(jī)械性能好

1.切削加工

低、中碳鋼一正火

中高碳剛，合金工具鋼一完全退火，球化退火

2.作為最終熱處理正火

3.為最終熱處理提供良好的組織狀態(tài)

工具鋼一正火+球化退火

結(jié)構(gòu)鋼一正火

返修件一退火

4.4鋼的淬火與回火

一、淬火

加熱到AC3、AC1相變溫度以上，保溫，快速冷卻->M+A'

1.淬火溫度的決定

亞共析鋼：Ac3+30-—50度

共析鋼：Ac1+30--50度

過(guò)共析鋼：Ac1+30--50度

原因：保留一定的Cem—HRCf,耐磨性T

A中C%1-M中C%］一M脆性1

A中C%l—M過(guò)飽和度J—?dú)堄郃；

淬火溫度過(guò)高fA粗大一M粗大一力學(xué)性能I,

淬火溫度過(guò)高一A粗大一M粗大一淬火應(yīng)力t-變形，開(kāi)裂t

2.加熱時(shí)間

升溫、保溫一一根據(jù)熱處理材料的具體尺寸來(lái)定。

3.淬火介質(zhì)

650°C以上，慢，減小熱應(yīng)力

650-400°C,快，避免C曲線

400°C以下，慢，減輕相變應(yīng)力

二、鋼的淬透性

1.淬透性；淬火條件下得到M組織的能力，取決于VK(上臨界冷卻速度)

2.淬硬性，鋼在淬火后獲得硬度的能力，取決于M中C%,

C%tf淬硬性t

3.影響淬透性的因素一一VK，C曲線

C%：亞共析鋼C%tf淬硬性3過(guò)共析鋼C%tf淬硬性I

奧氏體化溫度：Tttt-淬透性t

合金元素：除Co%以外，C曲線右移，t淬透性

未溶第二相：I淬透性

4.淬透性的應(yīng)用

(1)根據(jù)服役條件，確定對(duì)鋼淬透性的要求一一選材的依據(jù)

(2)熱處理工藝制定的依據(jù)

(3)尺寸效應(yīng)

三、回火

1.回火目的

a.消除淬火應(yīng)力，降低脆性

b.穩(wěn)定工件尺寸，由于M,殘余A不穩(wěn)定

c.獲得要求的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性。

2.鋼在回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

a.馬氏體分解(80"C-300°C)

析出￡碳化物(亞穩(wěn)定)

回火組織為：過(guò)飽和5固溶體十亞穩(wěn)定￡碳化物(極細(xì)的)f回火M

(M，)晶格畸變降低，淬火應(yīng)力有所下降。

b.殘余A有分解200-300°CA-M

c.碳化物的聚集長(zhǎng)大＞280℃

)碳化物fFe3c片f細(xì)粒狀Feac

d.鐵素體的回復(fù)與再結(jié)晶

3.回火工藝組織一性能關(guān)系(及應(yīng)用)

(1)回火馬氏體150°C-350°C回火

極細(xì)的在碳化物和低過(guò)飽和度6固溶體，形態(tài)基本不變

(2)回火屈氏體T350-500°C

馬氏體形F+細(xì)粒狀Fe3c

(3)回火索氏體S'500-600°C

再結(jié)晶等軸F+粗粒狀Fe3c

(4)球狀P650°C~A°,粗大球狀Fe;tC+F

(5)回火溫度與機(jī)械性能的關(guān)系

200度以下，HRC不變。

200-300度，M分解，殘余A轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，硬度降低不大，高碳鋼硬度有

一定的升高；＞300度，HRC降低。

韌性：400度開(kāi)始升高，600度最高。

彈性極限：在300-400度最高。

塑性:在600-650度最高。

高碳回火馬氏體：強(qiáng)度、硬度高、塑性、韌性差

低碳回火馬氏體：高的強(qiáng)度與韌性，硬度、耐磨性也較好

回火屈氏體：層服強(qiáng)度與彈性極限高

回火索氏體：綜合機(jī)械性能。

4.合金元素對(duì)回火轉(zhuǎn)變的影響

a.提高回火穩(wěn)定性

回火穩(wěn)定性：指鋼在回火時(shí)，抵抗回火造成軟化的能力

b.產(chǎn)生二次硬化

一些Mo、W、V含量較高的鋼回火時(shí)，硬度并不隨回火溫度的升高單

調(diào)降低，而是在某一溫度(約400℃)后反而開(kāi)始增大，并在另一更

高溫度(550℃)達(dá)到峰值。

c.增大回火脆性

回火脆性：指隨回火溫度升高時(shí)，在250~400和450-650兩個(gè)區(qū)出現(xiàn)

沖擊韌性明顯下降的脆化現(xiàn)象。

5.回火工藝及其應(yīng)用

低溫回火：150~250,回火M（M'）,保持高硬度，降低脆性及殘余應(yīng)力，用

于工模具鋼，表面淬火及滲碳淬火件，組織形態(tài)是過(guò)飽和6-Fe+￡碳

化物

中溫回火：350-500C,回火屈氏體（「），硬度下降，韌性、彈性極限和屈

服強(qiáng)度t，用于彈性元件。組織形態(tài)是保留馬氏體針形F+細(xì)粒狀Fe3c

高溫回火：500-650C,回火索氏體（S'）,強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、良好

綜合機(jī)械性能，優(yōu)于正火得到的組織。中碳鋼、重要零件采用。組織

形態(tài)是多邊形F+粒狀Fe3c

4.5鋼的表面熱處理

表面淬火：不改變表面化學(xué)成分，只改變其表面組織的局部熱處理方法。

化學(xué)熱處理：

一、表面淬火

（一）感應(yīng)加熱表面淬火

1.原理

交變磁場(chǎng)一感應(yīng)電流一工件電阻一加熱，集膚效應(yīng)一表面加熱

2.分類

a.高頻200-300KHZ,淬硬深度0.5-2mm小工件

b.中頻2500-8000Hz淬硬深度2-5mm尺寸較大的工件

c.I頻50Hz淬硬深度10-15mm大型工件

d.超音頻30-40KHZ

3.鋼種

中碳鋼和中碳低合金鋼

4.特點(diǎn)

a.加熱速度快幾秒一一幾十秒

b.加熱時(shí)實(shí)際晶粒組小，淬火得到極細(xì)馬氏體，硬度t,脆性I

c.殘余壓應(yīng)力提高壽命

d.不易氧化、脫碳、變形小

e.工藝易控制，設(shè)備成本高

5.工藝路線

鍛造一退火式正火f粗加工f調(diào)度一精加工一表面淬火一低溫回火一（粗磨一時(shí)

效f精磨）

二、鋼的化學(xué)熱處理

（一）滲碳

ACB以上；900~950°C,低碳鋼

1.目的及應(yīng)用

提高表面硬度，耐磨性，而使心部仍保持一定的強(qiáng)度和良好的塑性和韌性

2.鋼種

低碳鋼，低碳合金鋼

3.滲碳工藝-組織-性能關(guān)系

加熱溫度，保溫時(shí)間一污碳層厚度

（1）直接淬火

奧氏體晶粒大，馬氏體粗，殘余A多，耐磨性低，變形大。

只適用于本質(zhì)細(xì)晶鋼或耐磨性要求低和承載低的零件。

（2）一次淬火

心部要求高AC3以上

表面要求高，A,」以上30-50℃

（3）二次淬火

第一次，改變心部組織Ac.,以上30-50°C

第二次，細(xì)化表面組織A。以上30-50℃

4.加工工藝路線

鍛造一正火一切削加工一滲碳一直接淬火（一次淬火，二次淬火）一低溫回火一

噴丸一磨削

（二）氮化（含AlCr,Mo,V的鋼）

1.氮化溫度低

2.時(shí)間長(zhǎng)

3.氮化前調(diào)質(zhì)

4.最后工序

§5常用金屬材料

5.1碳鋼

［重點(diǎn)掌握］

1.碳鋼的分類，編號(hào)和用途；

2.鑄鐵的石墨化原理，石墨的形態(tài)，大小對(duì)鑄鐵性能的影響，鑄鐵的性能特點(diǎn)

及應(yīng)用范圍；

3.各類鑄鐵的成份，組織和性能特點(diǎn)及牌號(hào)識(shí)別；

4.鑄鐵的常用熱處理的方法和目的。

［一般要求］

各類特殊性能鑄鐵的成分，組織，性能特點(diǎn)和應(yīng)用；

一、碳鋼中的雜質(zhì)

1.鎰--有益；0.25—0.80%

脫氧劑；降低FeO-I脆性，

Mn+S->MnS(降低S的有害作用)t熱加工性能

固溶強(qiáng)化；使性能更優(yōu)；

2.Si有益

脫氧一I脆性

固溶強(qiáng)化

3.硫一一有害

985℃(Fe+FeS)f熱脆

加入Mn-MnS進(jìn)行脫S

4.磷有害

Fe3P室溫下＜100℃,脆性大一冷脆

5.0、N、H

02-1機(jī)械性能，強(qiáng)度、塑性降低，有害元素

N2——蘭脆，若鋼中存在A1、V、Tit一蘭脆消失一強(qiáng)度，硬度提高

比一一氫脆、白點(diǎn)，有害

二、碳鋼的分類

1.碳含量（低碳鋼C機(jī)0.25%、中碳鋼0.25?斷0.6%、高碳鋼00.6%）

2.質(zhì)量（S、P雜質(zhì)含量）（普碳鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼）

3.按用途（碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、鑄鋼）

三、碳鋼的牌號(hào)及作用

1.普通碳素結(jié)構(gòu)鋼

Q235

2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

鋼號(hào)用平均碳含量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)的數(shù)字表示。

如：08F,20A,45,15Mno

（F表沸騰鋼）（0.20就，后有“A”表高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼）（表含Mn量

高）

制作各種機(jī)器零件，一般進(jìn)行熱處理。

例：08F塑性好，冷沖壓件

10,20冷沖壓件，焊接件，滲碳處理。

35,45,40,50齒輪、軸類

60,65彈簧

3.碳素工具鋼0.651.35C%,用以制作刃具、量具、模具

鋼號(hào)用平均碳含量的千分?jǐn)?shù)的數(shù)字和T一起表示。如：

T10A,T9,T12,

(1.0%C,A表示高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼)(0.9%C)(1.2%C,)

例：T7,T8,強(qiáng)度，韌性較高，可制作沖頭、鑿子、榔頭

T9,T10,T11,強(qiáng)度，韌性適中，可制作鉆頭、刨刀、絲錐、手鋸及冷作模具。

T12,T13,硬度很高，韌性低，可制作鋰刀、刮刀、量規(guī)。

4.鑄鋼

“ZG”加平均碳含量萬(wàn)分?jǐn)?shù)表示，

如：ZG25(0.25%C),

ZG45(0.45%C)

適用于形狀復(fù)雜，需要一定強(qiáng)度、塑性和韌性的零件。

5.2合金鋼

［重點(diǎn)掌握］

1.合金元素在鋼中的作用，尤其是合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響？

2.合金鋼的編號(hào)方法，會(huì)辯認(rèn)各種鋼號(hào)；

3.各類合金結(jié)構(gòu)鋼的成分，熱處理方法，熱處理后的組織，性能的特點(diǎn)以及主

要用途。

［一般要求］

1.工具鋼的性能要求，成份特點(diǎn)，熱處理目的和方法，及熱處理后的組織；

2.特殊性能鋼部分，根據(jù)各專業(yè)特點(diǎn)選?。?/p>

3.了解粉末冶金的一般常識(shí)。

一、合金鋼的編號(hào)

I.合金結(jié)構(gòu)鋼碳含量用萬(wàn)分?jǐn)?shù)（兩位）C%

如40Cr,C%=0.4%

合金含量用（百分?jǐn)?shù)）表示，如20Cr3MoWVA,其中C%=0.2%,Cr%=3%,

Mo,W,V<1.5%.合金含量小于1.5%不標(biāo)

A：表示高級(jí)優(yōu)質(zhì)

2.合金工具鋼，特殊性能鋼

碳含量大于1.0%時(shí)，不標(biāo)注其含量。碳含量小于1.0%時(shí)，用千分?jǐn)?shù)

表示，如5CrMnMo,C%=0.5%

二、合金元素在鋼中的作用

㈠對(duì)鋼中基本相的影響

1、溶于鐵素體，起固溶強(qiáng)化作用非碳化物形成元素及過(guò)剩的碳化物

形成元素都溶于鐵素體，形成合金鐵素體。

Si、Mn對(duì)強(qiáng)度、硬度提高顯著。Cr、Ni在適當(dāng)范圍內(nèi)提高韌性。

2、形成碳化物，起強(qiáng)化相作用

合金元素與碳的親和力從大到小的順序?yàn)椋?/p>

㈡對(duì)Fe-Fe3c相圖的影響

1、對(duì)奧氏體相區(qū)的影響

⑴Ni、Mn、Co、C、N等元素?cái)U(kuò)大奧氏體相區(qū)。

Mn〉13%或Ni〉9%時(shí)，室溫下為單相奧氏體組織，稱奧氏體鋼。

⑵Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等元素縮小奧氏體相區(qū)

Cr〉13%時(shí)，室溫下為單相鐵素體組織，稱鐵素體鋼。

2、對(duì)E點(diǎn)和S點(diǎn)位置的影響

所有合金元素均使E點(diǎn)和S點(diǎn)左移，即這兩點(diǎn)的含碳量下降，使碳含

量比較低的鋼出現(xiàn)過(guò)共析組織（如4CH3）或共晶組織（如W18Cr4V）。

㈢對(duì)鋼中相變過(guò)程的影響

1、對(duì)奧氏體化的影響

⑴對(duì)奧氏體形成速度的影響：除Ni、Co外，都減緩?qiáng)W氏體化過(guò)程。

2、對(duì)過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響

⑴對(duì)C曲線和淬透性的影響：除Co外，凡溶入奧氏體的合金元素均使

C曲線右移，淬透性提高。常用提高淬透性的元素為Mn、Si、Cr、Ni、

Bo

⑵對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向的影響：

碳、氮化物形成元素阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大Mn、P促進(jìn)長(zhǎng)大。

3、對(duì)回火轉(zhuǎn)變的影響

⑴提高耐回火性：

淬火鋼在回火過(guò)程中抵抗硬度下降的能力稱耐回火性。

⑵產(chǎn)生二次硬化

含高W、Mo、Cr、V鋼淬火后回火時(shí)，硬度不僅不下降，反而升高的現(xiàn)

象稱二次硬化。

⑶防止第二類回火脆性

加W、Mo可防止第二類回火脆性。

三、合金結(jié)構(gòu)鋼和合金工具鋼

1.合金結(jié)構(gòu)鋼

含碳量以萬(wàn)分之一為單位標(biāo)出（兩位數(shù)字）如40Cr、60Si2Mn

2.工具鋼和特殊性能鋼

含碳量以千分之一為單位標(biāo)出（一位數(shù)字）如8MnSi、4Crl3

*說(shuō)明

①低合金工具鋼含碳量大于1.00%時(shí)，不標(biāo)含碳量，如CrWMn（1.0版）

②高速鋼不標(biāo)含碳量，如W18Cr4V（含0.75%C）

③滾動(dòng)軸承鋼不標(biāo)含碳量，如GCrl5（1.0%C）

④高鎰鋼不標(biāo)含碳量，如ZGMnl3（0.75?1.45%C）

⑤珠光體耐熱鋼含碳量標(biāo)注同結(jié)構(gòu)鋼，如15CrMo

⑥鑄鋼在牌號(hào)前加“ZG”，余同結(jié)構(gòu)鋼，如ZG20CH3

⑦不銹鋼和耐熱鋼

當(dāng)含碳量為0.1%-0.03%時(shí),以“0”表示，如“0Crl8Ni9”（含碳

量上限為0.08%）

當(dāng)含碳量為0.03%-0.01%時(shí)（超低碳）,以“03”標(biāo)，如“03Crl9Nil0”

（含碳量上限為0.03%）

當(dāng)含碳量W0.01%時(shí)（極低碳），以“01”表示，如“01Crl9Nill”（含

碳量上限為0.01%）

*注:舊牌號(hào):WO.O8%C時(shí),標(biāo)“0”;WO.O3%C時(shí),標(biāo)“00”

四、典型材料

（一）碳素結(jié)構(gòu)鋼

1、成分：＜0.4%C,P、S量較多。

2、性能：可焊性、塑性好。

3、熱處理：熱軋空冷態(tài)下使用。

4、使用狀態(tài)下組織：F+P

（二）低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

1、性能要求：

⑴高強(qiáng)度及足夠韌性。

⑵良好的焊接性能、耐蝕性及低的冷脆轉(zhuǎn)變溫度。

2、成分特點(diǎn)：低碳（W0.2%C）、主加Mn

①M(fèi)n:強(qiáng)化鐵素體，增加珠光體的量，降低脆轉(zhuǎn)溫度。

②V、Ti、Nb:起細(xì)化晶粒和彌散強(qiáng)化作用。

③Cu、P可提高耐蝕性，RE可提高韌性、疲勞極限。

3、熱處理：熱軋空冷后使用

4、使用狀態(tài)下組織：F+P

5、用途：

Q345鋼（16Mn）綜合性能好，用于船舶、橋梁、車輛等大型鋼結(jié)構(gòu)。

Q390鋼含V、Ti、Nb,強(qiáng)度高，用于中等壓力的壓力容器。

Q460鋼含Mo、B,正火組織為反強(qiáng)度高，用于石化中溫高壓容器。

（三）滲碳鋼一一制造滲碳零件的鋼種

1、性能要求：

（1）表硬里韌

⑵良好淬透性和滲碳能力。

2、成分特點(diǎn)：低碳(0.l~0.25%C),加Cr、Mn、Ni、B等元素

①Cr、Mn、Ni、B：提高淬透性

②Cr、Mn、Ni：強(qiáng)化鐵素體

③W、Mo、Ti、V：細(xì)化晶粒

3、熱處理特點(diǎn)

滲碳件的加工工藝路線為：下料一鍛造一正火一機(jī)加工一滲碳一淬火

+低溫回火

正火目的為調(diào)整硬度，便于切削加工。

淬火溫度：AC1+30-50℃o

4、使用狀態(tài)下組織

心部：M回+F

表層：M“+