緒論

一、本課程所學(xué)內(nèi)容

1、金屬材料知識：鋼、鑄鐵、銅、鋁合金等。

2、熱處理：改變材料性能手段。

3、加工工藝：鑄、鍛、焊、切削工藝原理等。

二、本課程對人類的重要性：

材料與加工方法的不斷進(jìn)步是人類發(fā)展的重要里程碑，如:

石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代是以材料作為時(shí)代標(biāo)志。

一句話：金屬材料是現(xiàn)代工業(yè)的骨架。

三、學(xué)習(xí)的必要性：

1、機(jī)械制造三過程：設(shè)計(jì)、制造、使用

2、培養(yǎng)人才：

設(shè)計(jì)人員、制造人員、使用人員、維修人員、管理人員。

四、學(xué)習(xí)特點(diǎn)：

1、課程特點(diǎn)：

①內(nèi)容廣泛性

②內(nèi)容實(shí)踐性

③內(nèi)容的綜合性

2、學(xué)習(xí)方法：

①理解不死記

②密切聯(lián)系實(shí)際

③顧及相互聯(lián)系

第一章金屬的性熊

一、材料的力學(xué)性能

從材料的重要性引出其性能。

金屬材料的性能分：使用性能和工藝性能

使用性能包括：力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能

1、力學(xué)性能:

金屬在外力或能的作用下所顯示的一系列力學(xué)特性。

如：彈性、強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、抗疲性等。

2、內(nèi)力：

在外力作用下材料內(nèi)部產(chǎn)生的抵抗變形的力或物體內(nèi)部的相

互作用力。

3、應(yīng)力：單位面積上的內(nèi)力。

a=F/S外力/截面積

單位：N/m?(pa)或者N/mm2(Mpa)

二、強(qiáng)度：

強(qiáng)度：材料抵抗永久變形和斷裂的能力。

1、試驗(yàn)方法：用拉伸試驗(yàn)法

試樣：

長D=10mmL=100mm

短D=10mmL=50mm4。

拉伸機(jī)：將試樣或原材料拉

長到斷裂。

2、力—伸長曲線：拉伸時(shí)圖17拉伸試樣

?＞馀魔收仲斌樨b)拉斷后

外力F和試樣伸長量△L之間的

關(guān)系曲線。

以低碳鋼為例：觀察發(fā)現(xiàn)拉伸中材

料產(chǎn)生這樣一些變化。

彈性變形段0E

屈服點(diǎn)S

冷變形強(qiáng)化段SB

縮頸斷裂段BD

屈服：拉伸中力不再增加，伸長繼

續(xù)進(jìn)行的現(xiàn)象叫屈服。

3、強(qiáng)度指標(biāo)：強(qiáng)度是用應(yīng)力來衡量的。

生產(chǎn)中按作用力性質(zhì)不同，強(qiáng)度可分為：

屈服點(diǎn)（屈服強(qiáng)度）、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗

扭強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。

在工程上常用來表示金屬材料強(qiáng)度的指標(biāo)有：屈服強(qiáng)度和抗

拉強(qiáng)度。

關(guān)于強(qiáng)度的兩點(diǎn)說明：

1、試驗(yàn)是用靜載荷；

2、制作試樣并且試驗(yàn)是破壞性的。

①屈服點(diǎn)（屈服強(qiáng)度）：材料產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力。即S點(diǎn)時(shí)

的應(yīng)力。

Os=Fs/So（Mpa）

Fs—試樣屈服時(shí)的拉伸力，N；

So一試樣原始橫載面積，mm2o

缶是設(shè)計(jì)零件、選材的依據(jù)。

規(guī)定殘余伸長應(yīng)力：試樣卸除拉伸力后，標(biāo)距的殘余伸長達(dá)

到規(guī)定數(shù)值時(shí)的應(yīng)力，用Q加角標(biāo)表示。

如：co.2一表示殘余伸長率為0.2%時(shí)的應(yīng)力。

②抗拉強(qiáng)度(簡稱強(qiáng)度)：材料斷裂前能承受的最大應(yīng)力。

ob—Fb/So(Mpa)

Fb一試樣承受的最大拉伸力，N;

2

So一試樣原始橫載面積，mmo

ob是設(shè)計(jì)零件、選材的重要依據(jù)。

三、塑性

1、塑性：材料產(chǎn)生永久變形而不斷裂的能力。

表示材料的加工性能，也起零件超載保護(hù)作用，用拉伸試驗(yàn)

法進(jìn)行試驗(yàn)。

2、塑性指標(biāo)：

①斷后伸長率：試樣拉伸后伸長量與原始長度比值的百分率。

5=(L-Lo)/Lo*100%單位％；

長試樣記610,常記310;短試樣記65o

②斷面收縮率：試樣拉斷后橫截面積的縮減量與原截面積比

值的百分率。

V=(So-S)So*100%

四、硬度

硬度：材料表面抵抗硬物壓入的能力(實(shí)質(zhì)是抵抗局部塑性

變形的能力)。

試驗(yàn)方法有：壓入法、劃痕法、回彈高度法

壓入法：布氏法，洛氏法，維氏法

(一)布氏法：布氏硬度

1、內(nèi)容：用標(biāo)準(zhǔn)壓力將標(biāo)準(zhǔn)壓頭壓入材料表面，壓力F與壓

痕表面積的比值叫布氏硬度法。

HB=F/S(N/mm2)

說明：①有單位(Mpa),有物理意義(應(yīng)力)。

②生產(chǎn)中不計(jì)算，用測量壓痕直徑d查表找出。

2、試驗(yàn)條件：

①壓頭：

有淬火鋼球記HBS,也有硬質(zhì)合金球；

直徑有10、5、2.5、2、1mm

②壓力：有3000、1000.750.187.5kgf

等

③時(shí)間（壓入時(shí)間）：1075秒不標(biāo)，

其余標(biāo)時(shí)間

3、標(biāo)注：不標(biāo)單位，只標(biāo)符號:

450以下用淬火鋼球標(biāo)HBS；

450-650用硬質(zhì)合金球標(biāo)HBW;

除3000kg>10mm、10-15秒不

標(biāo)外,其余都標(biāo)注條件。如：圖

紙上標(biāo)220HBs，說明是用3000kg

力，10mm淬火鋼球，用10-15秒

時(shí)間，測得布氏硬度值為220Mpao

150HBS10/1000/30.500HBS5/750

說明：用1000kg力將直徑10mm的淬火鋼球壓入表面持續(xù)30

秒，測得布氏硬度值為150Mpa;

用750kg力將5mm直徑硬質(zhì)合金球壓入表面持續(xù)10-15秒，

測得布氏硬度值為500Mpa;

4、特點(diǎn)：壓痕大，數(shù)值較準(zhǔn)確，不宜測成品件、薄件；可換

算強(qiáng)度，ob=0.36HB（低碳鋼）0.1HB（灰鑄鐵）0.34HB高碳鋼

0.325HB調(diào)質(zhì)鋼

5、應(yīng)用：適用于測灰鐵、有色金屬、非金屬材料、退火件的

原材料或半成品。

（二）洛氏法

1、內(nèi)容：標(biāo)準(zhǔn)壓力將標(biāo)準(zhǔn)壓頭

壓入材料表面用壓痕深淺表示硬度

值，是相對算法，無單位也無物理意

義。

2、試驗(yàn)條件：1/16英寸

（1.588mm）淬火鋼球，頂角120°金

剛石圓錐。

3、計(jì)算：HR=K-e=K-壓深

/0.002mm（說明原因）

標(biāo)尺初壓力主壓力壓頭測量范圍應(yīng)用范圍

硬質(zhì)合金、滲C

HRA10kg50kg圓錐20-85很硬

件、表面淬火件

有色金屬、退火、

HRB10kg90kg鋼球20-100軟

灰鑄鐵

HRC10kg140kg圓錐20-70硬淬火鋼

4、標(biāo)注：48HRC,30-35HRC

5、特點(diǎn)：①壓痕小、非破壞性，可測成品；②方法操作簡便;

③數(shù)值欠準(zhǔn)，多測幾次。

（三）維氏硬度略

（四）硬度意義：是生產(chǎn)中廣泛使用的性能指

標(biāo)

A、在零件圖上標(biāo)注硬度值作為技術(shù)條件;

B、在半成品用它來檢驗(yàn)產(chǎn)品是否合格

原因是：

A、能在很大程度上反映材料的耐磨性;

B、能反映強(qiáng)度；

C、試驗(yàn)方法簡單方便，且非破壞性。

五、韌性

韌性：金屬材料抵抗沖擊載荷而

不被破壞的能力。

沖擊力比靜載荷具有更大破壞

性，須含韌性概念。

1、沖擊試驗(yàn)：沖擊試驗(yàn)機(jī)（擺

錘式）

試樣：長方塊，10*10*55,開缺口V或U型

試驗(yàn)原理：一次沖斷

2、沖擊韌性值：一次沖斷試樣，消耗于試樣單位面積上的沖

擊功。（???試樣10*10=1*1cm2）

Aku=Aku1-AKu2（單位為J/cm2）

3、韌脆轉(zhuǎn)變：有些金屬正常溫度下，不顯示脆性，當(dāng)溫度下

降時(shí)韌性下降脆性增加，當(dāng)溫度下降到某個(gè)溫度，如鋼在-20℃時(shí),

由韌斷變脆斷。

金屬由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變溫度稱之韌脆轉(zhuǎn)變溫度，是

衡量材料韌脆傾向的指標(biāo)。在高寒地帶工作的車輛、橋梁、管道

要考慮。

4、小能量多次沖擊：實(shí)驗(yàn)證明，小能量多次沖擊時(shí)材料斷裂

是由強(qiáng)度決定的（即韌性大、強(qiáng)度低的壽命短，強(qiáng)度大韌性低的

壽命長）只有大能量沖擊時(shí)，才與塑性韌性值有關(guān)。

六、疲勞

1、抗疲性：金屬材料抵抗交變載荷而不破壞的能力叫抗疲性。

2、疲勞現(xiàn)象及危害：

①疲勞：齒輪彈簧在循環(huán)交變應(yīng)力下工作，即其力的大小或

方向是周期性變化，其o工作遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于oS、ob,但長時(shí)間工作

后產(chǎn)生裂紋后突然斷裂的現(xiàn)象叫疲勞。

②疲勞損壞：長時(shí)間工作先是在應(yīng)力集中處產(chǎn)生微裂源叫微

裂源，在循環(huán)應(yīng)力下不斷擴(kuò)展，工作面積減小應(yīng)力增大，當(dāng)。工

作＞ob時(shí)，突然斷裂。

3、疲勞強(qiáng)度：材料抵抗無數(shù)次循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力叫疲

勞強(qiáng)度。即循環(huán)次數(shù)無窮大時(shí)對應(yīng)的最大應(yīng)力。

規(guī)定：黑色金屬N=107次，有色金屬N=108次，用表示°

實(shí)踐證明：當(dāng)結(jié)構(gòu)鋼R400Mpa時(shí)，o-1=1/2obo

4、提高G-1的措施：

①設(shè)計(jì)中注意減少應(yīng)力集中（結(jié)構(gòu)、內(nèi)部組織上如缺陷）

②采用表面處理，如高頻淬火、形變強(qiáng)化（噴刃、滾壓）滲

C、化學(xué)處理。

③減少表面粗糙度（即增加光潔度）

本章小結(jié)：

①ob、3、Ak、Q-1是破壞性試驗(yàn)，只能試原材料，而HB非

破壞性，???生產(chǎn)中HB應(yīng)用很廣。

②帥、3、HB加靜載荷，Ak加沖擊載荷，0-1循環(huán)應(yīng)力。

③力學(xué)性能中ob3是獨(dú)立的，HB是局部反映，Ak是ob3

綜合反映，和ob有關(guān)。

④記下符號、單位。、ob、os、3、HBS、HBW、HRC、Aku.。

第二章純金屬的結(jié)晶

一、概述

1、晶體：內(nèi)部原子有規(guī)則排列的物質(zhì)。

非晶體：內(nèi)部原子雜亂堆集的物質(zhì)。

2、晶格：描述原子排列規(guī)則的空間格架。

3點(diǎn)假設(shè)：a、原子不動°

b、沒有大小，用點(diǎn)代替。

c、中心用線連接。

3、晶胞：代表整個(gè)晶格特征的最小單元。

4、常見晶格類型：

(1)體心立方晶格：晶胞正方體，八個(gè)角上八個(gè)原子，中心

一個(gè)原子。MO、W、V、Cr;a-Fe

(2)面心立方晶格：晶胞正方體，八個(gè)角上八個(gè)原子，六面

中心一個(gè)原子。Al、Cr>Ni;y-Fe

(3)密排六方晶格：晶胞六方體，在六方體的十二頂角和上

下底面中心各一個(gè)原子，另外上下面之間還有三個(gè)原子。Mg、Zn、

Be、a-Ti

二、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)：

1、單晶體：一塊晶體內(nèi)晶格位向(原子排列方向)完全一致

的晶體叫單晶體。如單晶硅、單晶錯等。

2、多晶體：許多晶粒組成的晶體叫多晶體。

3、晶粒：由一個(gè)晶核長大的晶格位向完全一致外形不規(guī)則的

小晶體。

說明：各向同性：金屬的晶粒多，各個(gè)方向晶粒排列的平均

性能相差不大所顯示各向同性。

4、晶界：晶粒之間的邊界叫晶界。

5、實(shí)際晶體缺陷：實(shí)際晶體中原子不規(guī)則排列的現(xiàn)象叫缺陷。

有點(diǎn)缺陷（晶格空位，間隙原子）、線缺陷（刃性位錯）、

面缺陷。

統(tǒng)稱晶格畸變：由于晶格畸變（尤其是面缺陷）從而使強(qiáng)度、

硬度有所提高。（常溫下對材料塑性變形起阻礙作用）

三、純金屬的結(jié)晶：研究金屬結(jié)晶過程，掌握基本規(guī)律，指

導(dǎo)實(shí)踐，獲得所需性能、組織。

1、結(jié)晶：金屬由液態(tài)到固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)的形成過程。

2、冷卻曲線及過冷度

①結(jié)晶過程中溫度隨時(shí)間變化的曲線

②過冷：在理論結(jié)晶溫度以下，才開始結(jié)晶的現(xiàn)象，叫過冷。

過冷是結(jié)晶的必要條件。

③過冷度：理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差叫過冷度。

3、結(jié)晶過程：實(shí)驗(yàn)實(shí)踐證明：金屬的結(jié)晶是由晶核的形成和

長大兩個(gè)基本過程完成的。

4、結(jié)論：純金屬結(jié)晶的特點(diǎn)：

①有過冷；②有結(jié)晶潛熱釋放；③結(jié)晶帥晶核的形成長大兩

個(gè)基本過程完成。

四、金屬結(jié)晶后的晶粒大?。?/p>

1、晶粒：由一個(gè)晶核長大外形不規(guī)則，內(nèi)部晶格位向一致的

小晶體。

2、晶粒大小對性能影響：一般情況下晶粒越細(xì)，其硬度、強(qiáng)

度越高、塑性、韌性越好。

一句話，細(xì)晶粒力學(xué)性能好。

簡說原因：晶界多，阻力大，強(qiáng)度高，晶粒多，每個(gè)晶粒變

形總量多，塑性好。

3、細(xì)化晶粒方法：晶粒多少與形核速度有關(guān)（即形成晶核數(shù)

目快、多）

①加快金屬液冷卻速度，即增大過冷度，晶核形成快且數(shù)目

多

②變質(zhì)處理：澆注前加入高熔點(diǎn)粉末材料，相當(dāng)于人工晶核。

③附加振動：用超聲波、機(jī)械、電磁振動打碎長大晶核（核

心是增加晶核數(shù)目）。

五、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：

做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)，鐵絲通電伸長再過一段時(shí)間又收縮。

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：在固態(tài)下金屬由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格

的現(xiàn)象（即固態(tài)下晶格發(fā)生轉(zhuǎn)變）FeMnTi

2、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：

式子:5_Fey_Fea_Fe

體心五方晶格面心體心

3、轉(zhuǎn)變特點(diǎn)：

①由晶核形成長大兩個(gè)基本過程來完成的，新晶核優(yōu)先在原

晶界處形成；

②有過冷且過冷度大；

③有結(jié)晶潛熱釋放出；

④有體積的變化；

4、意義：純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鋼熱處理的理論依據(jù)，是鋼

鐵材料性能多樣化、用途廣泛的原因之一。

合金的相結(jié)構(gòu)

實(shí)際中，純金屬用的少，合金用的多；

合金有不同于純金屬的力學(xué)、物理性能。

合金的結(jié)構(gòu)就是合金的相結(jié)構(gòu)

一、合金的基本概念

1、合金：兩種以上元素組成的，具有金屬特性的物質(zhì)。

金屬特性：金屬光澤、晶體結(jié)構(gòu)

如：Fe>C組成鋼、鑄鐵

Cu一Zn組成黃銅

Al—Si—Cu鍛鋁合金

AI一Cu一Mn一Zn超硬鋁

AI一Cu一Mg硬鋁

2、組元：合金中最基本的獨(dú)立的物質(zhì)，叫組元

組元可以是元素也可是化合物

3、合金系：組元相同，比例不同的一系列合金叫合金系。

4、相：合金中成份相同，結(jié)構(gòu)相同，以界面分開的那一部分

物質(zhì)叫相。

如：水中放入糖，未溶化時(shí)有兩相；溶化后只有一相

密閉家中的與外界隔絕的空氣成份不同：兩相成份相

同：一相；

二、合金的晶體結(jié)構(gòu)

1、固溶體：固態(tài)下溶質(zhì)原子溶于溶劑晶格所形成的物質(zhì)。

（1）分類：置換固溶體（有限、無限固溶體）間隙固溶體

（2）固溶強(qiáng)化：由于溶質(zhì)原子的進(jìn)入，使固溶體強(qiáng)度、硬度

升高的現(xiàn)象叫固溶強(qiáng)化。是提高金屬材料性能的重要手段。

2、金屬化合物：（也可取代、溶于，也可兩種元素形成新晶

格物質(zhì)）兩種元素按一定的原子數(shù)比例（數(shù)比固定）形成新晶格

的物質(zhì)叫金屬化合物。如：Fe3CCu6Sn5

特性：硬而脆；起第二相強(qiáng)化作用

3、機(jī)械混合物：合金中的固溶體、金屬化合物或純金屬等機(jī)

械混合在一起叫機(jī)械混合物

固溶體、金屬化合物都是一個(gè)相，混合在一^起就是兩個(gè)相，

兩相或多相組織

第二相強(qiáng)化：化合物幫助固溶體提高強(qiáng)度叫第二相強(qiáng)化。

結(jié)論：由于合金中有固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化，所以合金的強(qiáng)

度、硬度優(yōu)（高）于純金屬。

三、合金結(jié)晶特點(diǎn)：

仍遵循純金屬結(jié)晶三條規(guī)律：

1、有過冷；

2、有結(jié)晶潛熱放出；

3、由晶核形成、長大兩個(gè)基本過程完成的；

但有另外幾點(diǎn)：

4、結(jié)晶在一個(gè)溫度范圍內(nèi)完成；

5、合金結(jié)晶產(chǎn)物成份在局部范圍內(nèi)變動；

6、結(jié)晶產(chǎn)物可隨成份而不同。

鐵碳合金

一、鐵碳合金的基本組織：

1、鐵素體（F）：C原子溶于a-Fe所形成的間隙固溶體。

溶C量少0.008%727℃時(shí)溶C量最大為0.0218%

性能近于純鐵：強(qiáng)度、硬度低；塑性韌性好

2、奧氏體（A）：C原子溶于y-Fe所形成的間隙固溶體。

溶C量大727℃時(shí)0.77%

1148℃溶C量最大2.11%

特點(diǎn)：高溫組織，只存在于727C以上

性能特點(diǎn)：強(qiáng)度高、硬度較高，塑性很好

3、滲碳體（Fe3C）:金屬化合物Fe、C

含C量6.69%強(qiáng)度幾乎為零

性能：硬而脆800HBW；起第二相強(qiáng)化作用（滲C體的數(shù)量、

形狀、晶粒大小、分布對鋼性能有很大影響）；在一定條件下，

滲C體可分解成石墨，對鑄鐵有很大意義

片狀（灰鑄鐵）、團(tuán)絮狀（可鍛鑄鐵）后橋殼、球狀（球墨

鑄鐵）曲軸

4、珠光體（P）:片狀F和片狀Fe3c的特殊機(jī)械混合物

含C量0.77%,由A共析轉(zhuǎn)變而成的

性能：介于F、Fe3c之間

硬度適中，塑性、韌性適當(dāng)；強(qiáng)度提高。???綜合力學(xué)性能好

5、萊氏體Ld:P+Fe3C的混合物在727℃時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)锳+Fe3C

的混合物叫萊氏體。

Ld*作業(yè)

名稱符號內(nèi)容性能

F

A

P

Fe3C

二、鐵碳合金狀態(tài)圖:

1、Fe-Fe3c狀態(tài)圖的建立：實(shí)驗(yàn)方法

①先配制各種成份的Fe—C合金

②加熱到液態(tài)，緩慢冷卻；

畫冷卻曲線，找轉(zhuǎn)變點(diǎn)；每個(gè)階段觀察組織變化

③將上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄到成份——橫坐標(biāo)，溫度——縱坐標(biāo)

的坐標(biāo)圖上，同時(shí)把意義相同的點(diǎn)連成線

④將觀察到的組織標(biāo)到圖上

2、內(nèi)容：

Fe-C合金的內(nèi)部組織，隨成份、溫度變化規(guī)律的關(guān)系圖

如:0.77%,300℃時(shí)組織為P;0.77%,800℃時(shí)組織為A;1%,

730℃時(shí)組織為A+Fe3c

3、主要特性點(diǎn)：

點(diǎn)成份溫度意義

A01538℃純鐵的熔點(diǎn)

E2.111148℃A溶C的飽和點(diǎn)

D6.691227℃Fe3c的熔點(diǎn)

G0912c純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

P0.0218727℃F的溶C飽和點(diǎn)

Q0.008常溫下常溫下F的溶C點(diǎn)

C4.31148℃共晶點(diǎn)

S0.77727℃共析點(diǎn)

4、兩個(gè)反應(yīng)：

①共晶反應(yīng)：含C量4.3%的鐵、碳合金溶液,在1148c恒溫

下同時(shí)結(jié)晶由(A+Fe3C)機(jī)械混合物叫共晶反應(yīng)。反應(yīng)生成萊氏

體：是F63c體基體上均勻分布的A塊。

式子：L4.3%CLd(A2.11%C+Fe3C6.69%C)

A:2.11%C一相Fe3C:6.69%C一相

②共析反應(yīng)：含C量0.77%的A,在727℃的恒溫下，同時(shí)轉(zhuǎn)

變成F+Fe3C的機(jī)械混合物的反應(yīng)叫共析反應(yīng)。生成的組織叫P

A:Y—Fe(C)在727℃以下變成F:a—Fe(C)

5、主要特性線：

ACD線液相線，以上為液相

AC線以下結(jié)晶出A

CD線以下結(jié)晶出Fe3C

AECF線固相線

AE線以下為單一A

ECF線共晶線

含C量大于2.11%,小于6.69%的Fe—C合金溶液冷卻碰到

ECF線時(shí)都要發(fā)生共晶反應(yīng)，生成Ld。

例：100人，每人有3元，出去2.11*60剩余X*40)

GS線先析鐵素體線

A冷卻碰到GS線，一部分A轉(zhuǎn)變成F

ES線A的溶C飽和線

A碰至UES線析出Fe3CII,C從A中析出形成Fe3C,所以叫II

次Fe3C

GP線A碰到GP線，全部轉(zhuǎn)變?yōu)镕

PQ線F溶C飽和線

F碰到PQ線出要析出Fe3CH

PSK線共析線

含C量大于0.0218%,小于6.69%的A,冷卻碰到PSK線時(shí)，

A的含C量正好是0.77%,發(fā)生共析反應(yīng)生成P。

共析線：

6、狀態(tài)圖上的相區(qū)

4個(gè)單相區(qū):L、A、F、Fe3C

5個(gè)雙相區(qū):L+A、A+F、L+Fe3C、A+Fe3C、F+Fe3c

室溫下，F(xiàn)+Fe3C隨C量增加，F(xiàn)e3C越來越多，所以引起Fe—C

合金組織和性能變化，F(xiàn)e3c形狀、分布變化。

7、Fe—C合金分類：

工業(yè)純鐵：<0.0218%

鋼：0.0218%—2.11%

白口鑄鐵：2.1%—6.69%

鋼：C<0.77%F+P亞共析鋼

C=0.77%P共析鋼

00.77%P+Fe3cII過共析鋼

幾乎所有的零件都是亞共析鋼

幾乎所有的刀具、量具都是過共析鋼

二、C對鋼組織性能的影響

1、組織：隨著含C量的增加，鋼的組織為F+P；P；P+Fe3CII;

說明隨含C量的增加，F(xiàn)e3c增加，且分布也變化，由小片、粗片、

網(wǎng)狀、條塊

2、性能：隨著含C量的增加，硬度呈直線上升，塑性、韌性

不斷下降，強(qiáng)度先升后降：C%=0.9%

三、狀態(tài)圖的應(yīng)用：

1、選材：低C,強(qiáng)度低，塑性好，制型材建材造船；中C,

適中，做零件；中高C,做彈簧；高C,硬，做刀具。

2、鑄造：澆注溫度在ACD線以上，50T00C分別找出相尖溫

度，以共晶為好。

3、鍛造：A狀態(tài)，塑性最好，選在A區(qū)鍛造，始鍛11507200℃,

終鍛750-750℃。

4、熱處理：狀態(tài)圖上熱處理理論依據(jù)加熱在A區(qū)域，加熱隨

成分不同溫度也隨GS、PSK、ES線變化。

第三章非合金鋼

一、概念：含C量小于2.1%的Fe—C合金。Fe是基本元素。

（無鐵不成鋼）

Fe（C、Mn、Si、P、S）共同構(gòu)成才叫鋼。

二、常見元素對鋼的影響

1、C的影響：主加元素

隨含C的增加，硬度直線上升，塑性、韌性逐步下降，強(qiáng)度

先升后降。

2、Mn、Si、P、S的影響,雜質(zhì)元素

①M(fèi)n脫氧帶入溶入F=a—Fe（C）

煉鋼先氧化，后脫氧a—Fe（C、Mn、S、P…）固溶強(qiáng)化；

Mn提高鋼的強(qiáng)度、硬度0.25—0.8%;Mn可以消除S害為“有

益元素”

②Si:作為脫氧劑加入，溶入到F,起固溶強(qiáng)化，提高鋼的

強(qiáng)度。SiV0.5%時(shí)，為有益元素

③P:由礦石、焦炭帶入，使鋼產(chǎn)生“冷脆”，為“有害元素”；

缸筒、活塞環(huán)、鑄鐵，加入P后增強(qiáng)耐磨性，硬度上升，脆性增

加。

④S由焦炭（以含S量多少為焦炭質(zhì)量依據(jù)）中帶入，使鋼

產(chǎn)生“熱脆”，F(xiàn)eS+Fe生成共晶體，存在于晶粒的邊界上，熔點(diǎn)為

985℃,鍛壓鋼材時(shí)，溫度在1000—1200C,???產(chǎn)生熱脆

P、S為有害元素產(chǎn)生熱、冷脆

但在易切削鋼中加入S（如：炮彈殼中加入S,炸裂時(shí)碎片多）

三、鋼的分類

1、按含C量分：

低C鋼<0.25%

中C鋼0.3—0.6%

高C鋼>0.6%

2、按質(zhì)量分：

標(biāo)準(zhǔn)：P、S量越少越好；含C量的準(zhǔn)確度；晶粒的粗細(xì)度

普通質(zhì)量、優(yōu)質(zhì)、特殊質(zhì)量

3、按用途分：

結(jié)構(gòu)鋼（零件、構(gòu)件）、

工具鋼（刀具、工具、量具、模具）

四、鋼的牌號：

1、普通碳素結(jié)構(gòu)鋼：

Q235AF

Q:屈服點(diǎn)；

235:屈服點(diǎn)為235MPa;

A:質(zhì)量等級符號A、B、C、D,AB普通級，CD優(yōu)質(zhì)級；

F：脫氧等級：

F：沸騰鋼；Z：鎮(zhèn)靜鋼：不標(biāo)；B：半鎮(zhèn)靜鋼、TZ：特殊鎮(zhèn)靜

鋼

2、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼:0.08—0.75%

用兩位數(shù)字表示

08F、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、

70、75;

兩位數(shù)字是表示鋼的平均含C量；如：0.35%.0.55%

特：15Mn、25Mn;當(dāng)Mn含量達(dá)到1—1.2%時(shí)，仍然將其歸于

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（因中國Mn含量大）較高的含Mn量。

3、碳素工具鋼:0.7%—1.4%

T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13、T14；T7A、T8A、T9A、

T10A、T11A,T12A、T13A、TUA

T:碳素工具鋼（Tan）

7一14表示平均含C量，數(shù)字xO.1%

即:0.7、0.8、0.9、1.0.1.1.1,2、1.3、1.4%；

A為高級優(yōu)質(zhì)鋼

，零件構(gòu)件用亞共析鋼含C量少

刀具、工具用過共析鋼含C量多

4、鑄鋼:

ZG200100

ZG：漢語拼音第一個(gè)字母

200—最小屈服強(qiáng)度；400——最小抗拉強(qiáng)度

五、常用鋼材

（一）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼

牌號：Q235A

成份：含C量偏低0.06—0.38%;質(zhì)量普通，P、S多：便宜

價(jià)廉。（組織不夠嚴(yán)密，晶粒不夠細(xì)化，質(zhì)量不高）

性能：經(jīng)軋鋼廠軋制成各種型材供使用，保證強(qiáng)度（數(shù)字）；

塑性、韌性好；焊接性能好（鋼材中含C量越少，焊接性越好）

用途：用于建筑構(gòu)件、橋梁、造船、焊接容器、工程車輛、

農(nóng)業(yè)機(jī)械。

（二）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

含C量準(zhǔn)確：如45#;質(zhì)量優(yōu)等：P、S少

0.08—0.85%范圍廣

1、冷沖壓鋼：08F、10（含C量最少）

塑性很好、焊接性能好

適用于冷沖壓件（油底殼、墊片）

2、低C鋼：如15、25

含C量低，塑性好，焊接性好，應(yīng)用少，價(jià)高；用于制焊接

容器、螺釘、桿件、軸套類；

滲C鋼，25、25Mn經(jīng)滲C處理后（表面很硬，中心部分韌性

好）用于耐磨，受沖擊的零件。經(jīng)滲C后，硬、耐磨，可制一般

滑塊、凸輪、活塞銷；如：氣泵的活塞銷、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的滑塊、

小軸等

3、中C鋼（調(diào)質(zhì)鋼）：

牌號：30、35、40、45、50、55;常用45和45Mn

熱處理：含C量中等，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火）

性能：綜合力學(xué)性能好，用于軸、桿、齒輪類零件；機(jī)床、

床頭箱（軸、齒輪）；減速器中的軸、齒輪；橫縱托桿（轉(zhuǎn)向系）；

絲桿和光桿。

4、中高C鋼：60、65和65Mn、70、75

又名：彈簧鋼

含C量高，強(qiáng)度高，熱處理后（淬火+中溫回火）有很好的彈

性，用于承受力不大的小截面彈簧，鋼絲繩、軋輻。

說明：加Mn的應(yīng)用比不加Mn的強(qiáng)度高，用于承力大的重要

件。

其它優(yōu)質(zhì)合金鋼（略）。

（三）鑄鋼：ZG200-00

成份：含C量0.2—0.6%范圍廣，0.45實(shí)際中使用多

含C量低強(qiáng)度小ZG45

含C量高不易鑄造ZG30、ZG35

經(jīng)常用含C量中等0.45%的鋼：離合器殼ZG20

用途：用于承力大的形狀復(fù)雜的大型零件(大型齒輪、水壓

機(jī)的橫梁)因形狀復(fù)雜、鍛壓不行

(四)碳素工具鋼

成份：含C量0.7—1.4%

質(zhì)量：優(yōu)等、高級優(yōu)等(主要指韌性)

性能：100%的經(jīng)熱處理后，硬度、耐磨性好(硬度與含C量

的關(guān)系)

用途：手動刀具，低速切削刀T7(A)T8(A)T9(A)韌

性好，硬度低用于有沖擊力的工具扁鏟、沖頭、木工工具

T10(A)T11(A)T12(A)韌性適中，硬度中等用于鋼絲

鉗、鉆頭、鋸條、粗車刀

T13(A)T14(A)韌性差、硬度高用于刮刀、鋰刀、精

車刀

具

第四章鋼的熱處理

一、概述：

1、定義：在固態(tài)下，經(jīng)加熱、保溫、冷卻；改變組織和性能

的操作工藝。

2、目的和意義：

提高強(qiáng)度、硬度

延長使用壽命

改善工藝性。

如滾動軸承：熱處理后，100萬次以上，不熱處理，10萬次

不到。

3、三個(gè)工藝參數(shù)：

加熱溫度的高低；

保溫時(shí)間的長短；

冷卻速度的快慢。

還有一個(gè)加熱速度

4、熱處理分類：

整體：退、正、淬、回火；

表面：表面淬火、回火等

化學(xué)：既改變成份、又改變組織（滲C）

5、熱處理與平衡圖（狀態(tài)圖）

狀態(tài)圖上任一點(diǎn)、線都是加熱過程中的組織轉(zhuǎn)變點(diǎn)、轉(zhuǎn)變線。

規(guī)定：PSK線是A1線；

GS線是A3線；

ES線是Acm線

鋼的熱處理：鋼02.11%,熱處理為固態(tài)

鐵碳狀態(tài)圖是緩冷、緩慢加熱的過程下制出來的

具體加熱時(shí)隨加熱速度不同：

A1線變成Ac1線；

A3線變成Ac3線；

Acm線變成Accm線

隨冷卻速度不同：

A1線變成A門線；

A3線變成Ar3線；

Acm線變成Arcm線

二、鋼在加熱時(shí)組織轉(zhuǎn)變

1、P向A的轉(zhuǎn)變

F+Fe3CA

a-Fe（C）體心y_Fe（C）面心

實(shí)質(zhì)是：

鐵的晶格重組（鐵原子重新排列）；

碳原子擴(kuò)散轉(zhuǎn)移（平均分配）；

加熱不僅僅是加熱，還意味著保溫

P轉(zhuǎn)變A有四個(gè)階段：

①A晶核和形成

②A晶核的長大，滲C體的溶解

③殘留滲C體的溶解

④A成份均勻化

2、亞共析鋼加熱到Ac3以上時(shí)F轉(zhuǎn)變?yōu)锳

過共析鋼加熱到Accm以上Fe3C全部溶于A

成為單一A

3、繼續(xù)加熱：

A互相、吞并而長大，初生成的A晶粒細(xì)小，隨加熱溫度升

高保溫時(shí)間延長，A的晶?；ハ嗤滩㈤L大

1個(gè)P變成許多A

4、控制A晶粒大小的措施：

①嚴(yán)格、合理控制加熱溫度、保溫時(shí)間（電爐45號820℃）

②加入Cr>Ni等合金元素易與C形成合金碳化物存在于A的

邊界，阻礙A晶粒的長大。

引言：鋼材加熱的目的：就是要獲得均勻細(xì)小的A晶粒，如:

書表45號鋼加熱到840c三種不同冷卻方式的力學(xué)性能表

1、緩冷；2、空冷；3、水冷

這個(gè)表說明：

1、冷卻對熱處理是很重要的

2、性能是由組織決定的

3、冷卻速度的變化得到的組織已經(jīng)偏離了狀態(tài)圖。

三、鋼材在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

（一）過冷A及其轉(zhuǎn)變方式

1、過冷A：存在于727℃以下的A

2、過冷A轉(zhuǎn)變方式

①過冷A的等溫轉(zhuǎn)變：過冷A在A1線以下某個(gè)恒溫條件下的

轉(zhuǎn)變。

②過冷A的連續(xù)轉(zhuǎn)變：過冷A在A1線以下某個(gè)溫度范圍內(nèi)完

成的轉(zhuǎn)變

（二）過冷A等溫轉(zhuǎn)變C曲線

1、等溫C曲線的建立（實(shí)驗(yàn)法）

加熱至IA狀態(tài)取出放至UA1線以下某個(gè)恒溫池中，用金相顯微

鏡觀察

分析：

左：過冷A保持區(qū)（孕育區(qū)）

中：過冷A轉(zhuǎn)變過程區(qū)

右：過冷A轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)

aa線：過冷A碰到它開始轉(zhuǎn)變

bb線：過冷A碰到bb線說明轉(zhuǎn)變完成（再也不發(fā)生變化）

2、過冷A等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：

類型溫度范圍組織組織狀態(tài)性能特點(diǎn)

P類型A1—650P粗片F(xiàn)+Fe3c混合物0.3mm<250HBS

650—600S細(xì)片F(xiàn)+Fe3C混合物

0.1-0.3mm25-35HRC

600—550T極2田片F(xiàn)+Fe3C<0.1mm35-40HRC

B類型550—350B上羽毛狀40-45HRC

350—Ms230

常用300B下竹葉狀45-50HRC

索氏體：S細(xì)片狀F+Fe3c混合物（比P強(qiáng)度、硬度要高）

托氏體：T極細(xì)片F(xiàn)+Fe3c混合物

下貝氏體：B下是一種很好的組織

強(qiáng)度、韌性配合的好、內(nèi)應(yīng)力很小

四、鋼在連續(xù)冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

1、過冷A連續(xù)冷卻曲線圖：實(shí)驗(yàn)方法得出

特點(diǎn)：①時(shí)間滯后（過冷A開始轉(zhuǎn)變、轉(zhuǎn)變終了時(shí)間用得長）

②連續(xù)冷卻時(shí)，過冷A在貝氏體區(qū)域內(nèi)不轉(zhuǎn)變

連續(xù)冷卻用等溫c曲線來解決

2、過冷A連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物

冷卻方式轉(zhuǎn)變溫度組織性能

爐冷650-727P+s＜250HBS

空冷600-650S+T25-35HRC

油冷600-550及MsC以下T+M35-50HRC

水冷Ms以下M50-65HRC

將冷卻曲線畫到C曲線圖上，根據(jù)相交位置來判斷

說明：

①等溫冷卻得到的是單一的組織，而連續(xù)冷卻得到的大多是

混合組織

②連續(xù)冷卻不可以得到B組織

五、馬氏體轉(zhuǎn)變

1、馬氏體（M）:a_Fe含C過飽和固溶體。

a-Fe（體心）晶格嚴(yán)重畸變，，M是不穩(wěn)定的組織

2、馬氏體分類、性能

低CM（板條狀）＜0.2%45HRC以下，強(qiáng)度高，韌性好，硬

度不高

高CM（雙凸透鏡狀）＞1%硬而脆，60HRC

3、馬氏體的轉(zhuǎn)變特點(diǎn)：

①馬氏體的轉(zhuǎn)變從Ms開始，到Mf結(jié)束，連續(xù)冷卻，連續(xù)轉(zhuǎn)

變，溫度停止，轉(zhuǎn)變停止；

②馬氏體轉(zhuǎn)變有體積的膨脹，有很大的內(nèi)應(yīng)力；

③馬氏體轉(zhuǎn)變不完全徹底，總有少量殘余A的存在。（原因：

不可能冷卻到Mf、體積膨脹）

④馬氏體轉(zhuǎn)變是非擴(kuò)散性的

生產(chǎn)中，為全面得到M,有冷處理，如：柱塞副

鋼的退火和正火

一、鋼的退火

退火：將鋼加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，保溫后，用緩慢速度冷卻的工

藝（爐冷、灰冷、砂冷）

2、目的：

①降低硬度，改善切削加工性能

②細(xì)化晶粒，均勻組織，為淬火作準(zhǔn)備

③消除內(nèi)應(yīng)力

3、退火方法：

完全退火、球化退火、去應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火（鍛壓時(shí)講）

①完全退火：亞共析鋼加熱到Ac3以上30-500C,保溫、緩

慢冷卻得到F+P組織

目的：

a、降低硬度、改善切削加工性能

b、細(xì)化晶粒，均勻組織，為淬火作準(zhǔn)備

②球化退火（C%>0.77%）

過共析鋼，加熱到Ac1以上10—20℃,保溫緩冷得到球狀珠

光體。

注意：A1線以上不高，P中Fe3C自動收縮成球狀。

目的：1、2條

③去應(yīng)力退火：所有鋼材加熱到500-600℃o組織不轉(zhuǎn)變

目的：消除內(nèi)應(yīng)力（A的內(nèi)部有殘余內(nèi)應(yīng)力）。

如：鋰刀生產(chǎn)過退火

方法適用

鋼材加熱

溫度得到

組織目的

應(yīng)用

完全亞共析鋼Ac3以上30-50CF+P用于零件鑄鍛之后

均勻組織

球化過共析鋼Ac1以上10-20℃球狀P用于工具鋼的預(yù)備

熱處理

去應(yīng)力所有鋼500-600℃不變削除然后鍛件的內(nèi)應(yīng)

力

程

鍛毛坯正火球化退火切削加工

最終熱處理

二、鋼的正火

1、正火：將鋼加熱到均勻A狀態(tài)，保溫之后，空氣冷卻的

工藝

2、加熱溫度：亞共析鋼：Ac3線以上30-50℃0;過共析鋼：

Accm線以上30-50℃

3、組織：亞共析鋼F+S;過共析鋼S+Fe3c

4、應(yīng)用：

①改善切削性：低C鋼、低C合金鋼（小于0.25%的含C量）

提高硬度，“不粘刀”

F+P正火后成F+S

②消除網(wǎng)狀Fe3CH:過共析鋼，過共析鋼加熱到A狀態(tài)，當(dāng)

在空氣中冷卻時(shí)，因?yàn)槔鋮s速度快一些，析出Fe3CH形不成網(wǎng)狀

③代替調(diào)質(zhì)：中C鋼45#不太重要的中C鋼零件，用正火

代替調(diào)質(zhì)。

④淬火返修件：淬火不好的工件，重新淬火前先正火。

5、正火的特點(diǎn):

①操作簡單，成本低，

②冷卻速度快，強(qiáng)度、硬度高一些（含C量少于5%用正火,

含C量大于5%用退火）

鋼的淬火

1、淬火：將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫后，以一定的方式冷卻

下來獲得馬氏體或下貝氏體的工藝。

2、目的：獲得M或B下和回火配相合獲得所需的性能（可以

充分發(fā)揮材料的潛力）

3、加熱溫度：

亞共析鋼：Ac3以上30-50℃

過共析鋼：Ad以上30-50℃

處理中只有A才能變化為其他組織，，稱A為母體

4、冷卻介質(zhì)

水（鹽水）冷卻速度快，能淬透，內(nèi)應(yīng)力大，用于碳素鋼

油：冷卻速度慢，內(nèi)應(yīng)力小，淬