機(jī)械制造基礎(chǔ)（張黎）全套可編輯PPT幻燈片課件第1章金屬的力學(xué)性能機(jī)械制造基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)1.理解金屬的常用力學(xué)性能指標(biāo)的含義及計(jì)算方法；2.理解金屬的常用力學(xué)性能對(duì)材料的應(yīng)用范圍和產(chǎn)品質(zhì)量及工藝性能的影響；3.了解常用物理性能和化學(xué)性能對(duì)材料的應(yīng)用范圍和產(chǎn)品質(zhì)量及工藝性能的影響。技能點(diǎn)1.掌握常用力學(xué)性能指標(biāo)硬度測試方法及其應(yīng)用；2．了解強(qiáng)度、塑性、沖擊韌度以疲勞極限等力學(xué)性能指標(biāo)的測試方法及其應(yīng)用；3．能根據(jù)機(jī)件或工具的工作條件，分析對(duì)其制造材料力學(xué)性能的要求。問題提出試分析設(shè)計(jì)人員是如何保證橋梁的承載安全的？

1.1強(qiáng)度與塑性

圖1-1懸索橋結(jié)構(gòu)示意圖

從圖中可以看出，懸索橋的橋體重量主要依靠“主索”(也稱懸索或大纜)和“吊索”(也稱吊桿)吊拉，主索和吊索的承載能力是關(guān)鍵因素，它們?cè)谑褂眠^程中不能產(chǎn)生變形，更不能發(fā)生斷裂。主索和吊索的截面尺寸過小不能滿足使用要求，截面尺寸過大又造成材料浪費(fèi)，必須進(jìn)行精確設(shè)計(jì)和計(jì)算，其設(shè)計(jì)依據(jù)就是所選用材料的強(qiáng)度和塑性等力學(xué)性能指標(biāo)。問題分析圖1-1懸索橋結(jié)構(gòu)示意圖

1.載荷

金屬材料在使用和加工過程中所受到的各種外力統(tǒng)稱為載荷，用符號(hào)表示。分為靜載荷、沖擊載荷及交變載荷三種。

2.變形

金屬材料受到載荷作用而產(chǎn)生的幾何變形和尺寸的變化稱為變形。變形分為彈性變形和塑性變形。3.應(yīng)力金屬材料在受到外力作用時(shí)，其內(nèi)部作用著與外力相對(duì)抗的力，稱為內(nèi)力。單位面積上的內(nèi)力稱為內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力能夠準(zhǔn)確地反映金屬材料內(nèi)部的受力狀態(tài)。一、載荷、變形與應(yīng)力

1.拉伸試樣

試樣分長比例試樣（0=100）和短比例試樣（0=50）兩種。拉伸試驗(yàn)時(shí)，一般優(yōu)先選用短比例試樣。

2．拉伸曲線

拉伸試驗(yàn)機(jī)一般用液壓萬能試驗(yàn)機(jī)或電子萬能試驗(yàn)機(jī)。

3．應(yīng)力—應(yīng)變曲線

二、金屬室溫靜拉伸試驗(yàn)

1．強(qiáng)度及其意義

強(qiáng)度是指金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力，是工程技術(shù)上重要的力學(xué)性能指標(biāo)。材料強(qiáng)度的大小，通常用單位面積所受的力來表示，其單位為MPa。

2.屈服強(qiáng)度

屈服強(qiáng)度用符號(hào)σS表示三、強(qiáng)度與強(qiáng)度指標(biāo)

3.抗拉強(qiáng)度試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，又稱強(qiáng)度極限，用符號(hào)σb表示屈服強(qiáng)度與抗強(qiáng)度的比值（σS/σb或ReL／）稱為材料的屈強(qiáng)比。

1.塑性

塑性是金屬材料斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。2.斷后伸長率斷后伸長率是指試樣拉斷后標(biāo)距的殘余伸長量與原始標(biāo)距的百分比。

δ=四、塑性與塑性指標(biāo)3.斷面收縮率斷面收縮率是指試樣拉斷處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號(hào)ψ表示

ψ=任何零件都要求材料具有一定的塑性。很顯然，斷后伸長率（δ）與斷面收縮率（ψ）越大，發(fā)生的塑性變形量越大，也就是材料的塑性越好。懸索橋承載安全分析根據(jù)以上知識(shí)，為了保證懸索和吊索在使用過程中不產(chǎn)生塑性變形，設(shè)計(jì)人員要以屈服點(diǎn)σ或屈服強(qiáng)度σ為設(shè)計(jì)依據(jù)，根據(jù)各懸索、吊索的受力大小和所選用材料的屈服點(diǎn)σ或屈服強(qiáng)度σ，確定其尺寸。由于各種橋梁用金屬材料都具有良好的塑性，在受力過大時(shí)，首先產(chǎn)生塑性變形，其變形抗力(即強(qiáng)度)會(huì)因加工硬化而自然提高，不至于發(fā)生突然斷裂，保證橋梁安全可靠。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了確保橋梁使用安全，還應(yīng)適當(dāng)增大金屬材料的截面尺寸，具體辦法將在相關(guān)學(xué)科中詳細(xì)介紹。問題落實(shí)1．解釋下列名詞：（1）拉伸試驗(yàn)（2）彈性極限（3）屈服現(xiàn)象（4）強(qiáng)度（5）屈服強(qiáng)度（6）抗拉強(qiáng)度（7）塑性（8）斷后伸長率（9）斷面收縮率2．什么是金屬的力學(xué)性能?金屬的力學(xué)性能有哪些?3．簡述低碳鋼拉伸試驗(yàn)的基本過程。4．彈性極限、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度在工程上各有什么實(shí)際意義？5．什么是塑性?衡量塑性的指標(biāo)有哪些?分別用什么符號(hào)表示?在工程上有什么實(shí)際意義？綜合訓(xùn)練1.2硬度問題提出

在機(jī)械制造中，各種機(jī)械金屬零件和工、模具等都要求有一定的硬度，根據(jù)工作條件對(duì)力學(xué)性能要求的不同，需要的硬度要求也不同。如軸承座、汽車半軸、傳動(dòng)齒輪、鉆頭、滾動(dòng)軸承和表面硬化齒輪等，需要進(jìn)行硬度測試，我們應(yīng)該用什么樣的方法進(jìn)行測試？

問題分析

硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)，是指金屬材料在靜載荷作用下抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕、劃痕的能力，硬度較高的金屬材料具有較強(qiáng)的抗磨損能力。它在一定成度上反應(yīng)了材料的綜合力學(xué)性能指標(biāo)。硬度值的大小不僅取決材料本身的性能，而且還取決于測量方法和條件。用不同的方法測定的硬度值具有不同的意義。1.布氏硬度原理

一、布氏硬度試驗(yàn)布氏硬度值的單位為kgf/㎜2或N/㎜2，習(xí)慣上布氏硬度是不標(biāo)單位的。F—載荷大?。∟）；D—球體直徑（mm）；d—壓痕平均直徑（mm）；

S—壓痕的面積（㎜2）；

目前金屬布氏硬度用符號(hào)HBW表示。布氏硬度的表示方法為：硬度值﹢硬度符號(hào)﹢試驗(yàn)條件。在進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)力與壓頭直徑平方的比值（0.102/2）應(yīng)為30、15、10、5、2.5、1中的一個(gè)。根據(jù)金屬材料的種類、試樣厚度及試樣的硬度范圍。按照表1-1的規(guī)范選擇合適的試驗(yàn)條件，在試樣尺寸允許時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用直徑為10㎜的球壓頭。2．布氏硬度規(guī)范3布氏硬度的應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：試樣上壓痕面積較大，能較好反映材料的平均硬度值，數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，重復(fù)性好。缺點(diǎn)：測試麻煩，壓痕較大，對(duì)材料表面的損傷也較大，不適合測試成品件及薄件材料。布氏硬度適用于鑄鐵、非鐵金屬及經(jīng)過退火、正火及調(diào)質(zhì)處理的鋼材，特別是對(duì)于軟金屬，如鋁、鉛、錫等更合適。二、洛氏硬度試驗(yàn)

1.洛氏硬度原理布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，一般均由硬度計(jì)的指示器上直接讀出。不同的壓頭和載荷組成的A、B、C、D、E、F、G、H、K等9種洛氏硬度標(biāo)尺，此外還有6種表面洛氏硬度，共15種。最常用的是A、B、C三種標(biāo)尺，分別記作HRA、HRB、HRC，其中洛氏硬度C標(biāo)尺應(yīng)用最廣。洛氏硬度不標(biāo)單位，是一個(gè)無量綱的力學(xué)性能指標(biāo)，表示方法是將硬度值寫在硬度符號(hào)前面。例如，50HRC表示用C標(biāo)尺測定的洛氏硬度值為50。2.洛氏硬度規(guī)范優(yōu)點(diǎn)：測量迅速簡便，壓痕較小，可用于測量產(chǎn)品件；缺點(diǎn)：由于壓痕較小，測得的硬度不夠準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)重復(fù)性差。在測試金屬的洛氏硬度時(shí)，需要選取不同部位測試3次，取其平均值為該材料的硬度值。3洛氏硬度的應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)

三、維氏硬度試驗(yàn)

與布氏硬度試驗(yàn)原理相似，不同的是維氏硬度采用相對(duì)面夾角為136o的正四棱錐體金剛石作壓頭，試驗(yàn)原理如圖所示。1.維氏硬度原理實(shí)際測試時(shí)，維氏硬度值不用計(jì)算，而是用測微計(jì)測出壓痕對(duì)角線的長度，計(jì)算出平均值后，再根據(jù)的大小查表，即可求出所測硬度值。常用試驗(yàn)力在49.03～980.7N（5～100kgf）范圍內(nèi)。表示方法與布氏硬度相同，在符號(hào)HV的前面寫硬度值，試驗(yàn)條件寫在符號(hào)的后面，若試驗(yàn)力保持時(shí)間為10～15s時(shí)，可以不標(biāo)出。如640HV30/20表示在30kgf（294.2N）試驗(yàn)力作用下，保持20s測得的維氏硬度值為640。2．維氏硬度規(guī)范優(yōu)點(diǎn)：試驗(yàn)載荷小，壓痕較淺，適用范圍寬，測試范圍在5～3000HV，可以測定從極軟到極硬的各種金屬材料。同時(shí)維氏硬度只用一種標(biāo)尺，可直接比較大小，不存在布氏硬度試驗(yàn)力與球體直徑D之間關(guān)系的約束，也不存在洛氏硬度那樣不同標(biāo)尺的硬度無法統(tǒng)一的問題。缺點(diǎn)：對(duì)試樣表面要求高，壓痕對(duì)角線長度測量比較麻煩，不適于大批測試。3．維氏硬度的應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)問題落實(shí)1．測量硬度值（1）測量軸承座的硬度值采用布氏硬度測量其硬度值。一般情況下，該材料的硬度值在200HBS左右。（2）測量傳動(dòng)齒輪和汽車半軸的硬度值采用洛氏硬度HRC測量其硬度值。成品零件的硬度值一般在50HRC左右。（3）測量滾動(dòng)軸承的硬度值采用洛氏硬度HRC測量。成品硬度應(yīng)在60HRC以上。（4）測量鉆頭的硬度值采用洛氏硬度HRC測量其硬度值。成品硬度應(yīng)在65HRC左右。（5）測量表面硬化齒輪的硬度分布維氏硬度測量其表面硬化層的硬度值，具體硬度值取決于表面硬化方法。2．比較硬度大小幾種工件的硬度測量方法并不是完全相同的，應(yīng)換算成同一種硬度和標(biāo)尺。以上實(shí)例中，可將軸承座的布氏硬度HB換算成洛氏硬度HRC，按經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行如下?lián)Q算。同一種材料的3種硬度HB、HRC、HV值，在數(shù)字上大致呈現(xiàn)下列關(guān)系：HRC≈1/10HB，HB≈HV。在進(jìn)行材料間硬度比較時(shí)，若硬度相差較大，可直接近似換算比較。如以上實(shí)例就能滿足這一條件，即軸承座的硬度值大致為20HRC。比較結(jié)果為：軸承座硬度<齒輪硬度<滾動(dòng)軸承硬度<鉆頭硬度。1．解釋下列名詞：（1）布氏硬度；（2）洛氏硬度；（3）維氏硬度。2．試說明布氏硬度、洛氏硬度與維氏硬度的試驗(yàn)原理，并比較三種試驗(yàn)方法的應(yīng)用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)。3．現(xiàn)有如下零件和材料需測定硬度，試說明選用何種硬度試驗(yàn)方法為宜。（1）高速鋼刀具；（2）淬火鋼；（3）灰鑄鐵；（4）儀表小黃銅齒輪；（5）硬質(zhì)合金。綜合訓(xùn)練1.3沖擊韌性與疲勞極限

問題提出1．普通鑄鐵結(jié)構(gòu)件，在靜載荷作用下并不容易破壞，而一旦受到碰撞或沖擊，很容易產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，但鋼就不易產(chǎn)生裂紋和斷裂。2．一條普通鋼絲，在一點(diǎn)附近的兩側(cè)用手捏緊，經(jīng)少量次彎曲是不會(huì)斷裂的，但經(jīng)反復(fù)多次彎繞，最后是可以折斷的。以上是眾所周知的兩個(gè)實(shí)例，這些現(xiàn)象說明了什么問題？金屬材料在不同性質(zhì)載荷作用下有哪些不同的性能表現(xiàn)？在機(jī)械設(shè)計(jì)、加工和使用過程中如何正確運(yùn)用？問題分析以上兩個(gè)實(shí)例反映了同一個(gè)問題，即金屬材料在不同性質(zhì)載荷作用下的抵抗能力是不同的，也就是說表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能。金屬材料在使用和加工過程中所承受的載荷往往是比較復(fù)雜的，不僅有靜載荷，也有沖擊載荷或交變載荷，也可能同時(shí)受到多種載荷的作用。因此，必須研究金屬材料在不同性質(zhì)載荷作用下的力學(xué)性能和評(píng)價(jià)方法。拉伸試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)都屬于靜載荷試驗(yàn)，以下研究沖擊載荷試驗(yàn)和疲勞載荷試驗(yàn)及其相應(yīng)的性能指標(biāo)。一、沖擊韌性1．沖擊載荷和沖擊韌性在很短時(shí)間內(nèi)作用金屬材料上的載荷稱為沖擊載荷。沖床的沖頭、錘鍛桿、風(fēng)動(dòng)工具、錘子等。

沖擊載荷對(duì)材料的破壞效應(yīng)大于靜載荷。金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，或者說在斷裂前變形吸收能量的能力叫沖擊韌性，它是金屬材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)。（1）沖擊試樣沖擊試樣有夏比U型缺口和夏比V型缺口兩種試樣類型。一般情況下，尖銳缺口和深缺口試樣適用于韌性較好的材料。鑄鐵或工具鋼等脆性材料常采用無缺口沖擊試樣

（2）沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試驗(yàn)機(jī)有手動(dòng)和半自動(dòng)兩種。（3）一次擺錘沖擊試驗(yàn)

AK＝mg((H1－H2)2．沖擊試驗(yàn)二、疲勞極限

1．金屬疲勞現(xiàn)象（1）交變載荷是指大小，甚至方向隨時(shí)間變化的載荷，其在單位面積上的平均值為變動(dòng)應(yīng)力。交變應(yīng)力可分為規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）和無規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力。

（2）循環(huán)應(yīng)力中大小和方向都隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力，只有大小變化而方向不變的循環(huán)應(yīng)力稱為重復(fù)循環(huán)應(yīng)力。

（3）金屬疲勞概念金屬材料在受到交變應(yīng)力或重復(fù)循環(huán)應(yīng)力時(shí)往往在工作應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度的情況下突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。

據(jù)統(tǒng)計(jì)在失效機(jī)械零件或構(gòu)件中，大約有80%以上屬于疲勞破壞。疲勞斷裂與靜載荷和沖擊載荷斷裂相比，具有以下特點(diǎn)：1)疲勞是一種低應(yīng)力斷裂。

2)疲勞是脆性斷裂。

3)宏觀斷口一般可明顯地分為三個(gè)區(qū)域，即疲勞源，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)。金屬承受的循環(huán)應(yīng)力和斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)周次之間的關(guān)系通常用疲勞曲線來描述，疲勞曲線是疲勞應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線，如圖所示。它是確定疲勞極限，確定疲勞應(yīng)力判據(jù)的基礎(chǔ)。

疲勞曲線2．疲勞曲線和疲勞極限（1）金屬材料在不同性質(zhì)載荷作用下的性能表現(xiàn)是不同的，必須對(duì)其受力狀態(tài)進(jìn)行全面分析，合理確定設(shè)計(jì)和選材依據(jù)。（2）鑄鐵的抗壓強(qiáng)度和減震性較高，可以承受一定靜載荷的作用，但抗拉強(qiáng)度及塑性、韌性非常低，承受沖擊載荷的能力也很低，所以，在受到碰撞或沖擊作用時(shí)，很容易產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，主要用來制造一些機(jī)座、箱體、殼體等；而高碳鋼強(qiáng)度、硬度高、耐磨性好，但是塑性、韌性較差，所以多用于受摩擦的零件；相比而言，一般低碳鋼的強(qiáng)度、硬度較低，而塑性和韌性比較高，抗沖擊能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于鑄鐵，適用于承受較大沖擊載荷的機(jī)件。（3）任務(wù)提出中，鋼絲所受的載荷為交變載荷，金屬材料在交變載荷作用下，盡管交變應(yīng)力小于其抗拉強(qiáng)度甚至屈服點(diǎn)，但經(jīng)較長時(shí)間作用后仍然可能發(fā)生斷裂現(xiàn)象。因此，承受交變載荷的機(jī)械零件應(yīng)以疲勞強(qiáng)度σ-1作為設(shè)計(jì)依據(jù)。疲勞破壞是機(jī)械零件失效的主要形式，任何行業(yè)都有嚴(yán)格的設(shè)備保養(yǎng)、維護(hù)和檢修制度，對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期檢查、維護(hù)和維修，不僅可以保證設(shè)備的使用功能、延長其使用壽命，而且，還可以及時(shí)檢查零件的疲勞損傷情況，防止事故的發(fā)生。問題落實(shí)1．解釋下列名詞：（1）沖擊載荷；（2）沖擊韌性；（3）沖擊吸收能量；（4）韌脆轉(zhuǎn)變溫度；（5）疲勞極限；（6）條件疲勞極限。2．試舉出幾個(gè)脆性大和韌性好的材料實(shí)例。3．什么是金屬的疲勞？簡述疲勞斷裂的特點(diǎn)。綜合訓(xùn)練第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)機(jī)械制造基礎(chǔ)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】知識(shí)點(diǎn)1．了解晶體的基本概念；2．掌握金屬中常見的三種晶體結(jié)構(gòu)；3.掌握合金的相結(jié)構(gòu)與組織技能點(diǎn)1．了解實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)；2．理解合金中相的概念。2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu) 問題提出

白云母片與同樣形狀的玻璃外觀上幾乎看不出區(qū)別。但我們?nèi)⊥庥^上相同的白云母片與玻璃做實(shí)驗(yàn)卻得到了不同的結(jié)果。取一張?jiān)颇副∑?，在上面涂上一層很薄的石蠟，用燒熱的鋼針去接觸云母片．觀察接觸點(diǎn)周圍的石蠟熔化后所形成的形狀為橢圓形。然后我們同樣在玻璃上做相同的實(shí)驗(yàn)，可以觀察到，在玻璃上熔化后的石蠟的形狀是圓形的。這說明什么問題呢?實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明白云母片和玻璃的導(dǎo)熱性不同。而要弄清楚為什么云母片上的石蠟呈橢圓，而玻璃上的呈圓形，我們需要了解更多的相關(guān)知識(shí)。問題分析一金屬1金屬的特性2金屬的原子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)3金屬原子間的結(jié)合方式（金屬鍵）金屬的主要特性及其晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，都是和金屬鍵這種結(jié)合方式密切相關(guān)的。

二金屬的晶體結(jié)構(gòu)1晶體的基本概念1）晶體與非晶體2）晶格:假設(shè)通過原子結(jié)點(diǎn)的中心劃出許多空間直線所形成的空間格架。3）晶胞:能反映晶格特征的最小組成單元。4）晶格參數(shù):晶胞的三個(gè)棱邊的長度a,b,c。晶體：材料的原子(離子、分子)在三維空間呈規(guī)則的周期性排列的物體。如金剛石、水晶、金屬等。非晶體：材料的原子(離子、分子)在三維空間無規(guī)則排列的物體。如松香、石蠟、玻璃等。2常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)（1）體心立方晶格有：鉬(Mo)、鎢、釩、鉻、鈮、α-Fe等。（2）面心立方晶格（3）密排六方晶胞有：鋁、銅、鎳、金、銀、γ-Fe等。有：鎂、鎘(Cd)、鋅、鈹(Be)等。3晶體的各向異性在相同晶格中，由于不同晶面和晶向上的原子排列情況不同，因而原子間距不同，原子間相互作用的強(qiáng)弱亦不同，從而導(dǎo)致晶體的宏觀性能在不同方向上具有不同數(shù)值，這種現(xiàn)象稱為晶體的各向異性。然而，實(shí)際使用的金屬材料，一般都不表現(xiàn)出各向異性的特征，而表現(xiàn)出各向同性。1點(diǎn)缺陷—三維尺度上都很小，不超過幾個(gè)原子直徑的缺陷。①空位②間隙原子2線缺陷—二維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷。①刃型位錯(cuò)②螺型位錯(cuò)①空位②間隙原子①刃型位錯(cuò)3面缺陷—二維尺度很大而三維尺度很小的缺陷。①晶界②亞晶界

晶界三金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)※金屬晶體缺陷的影響？

點(diǎn)缺陷--造成局部晶格畸變,使金屬的電阻率;屈服強(qiáng)度增加,密度發(fā)生變化。

線缺陷--形成位錯(cuò)對(duì)金屬的機(jī)械性能影響很大，位錯(cuò)極少時(shí)，金屬強(qiáng)度很高，位錯(cuò)密度越大，金屬強(qiáng)度也會(huì)提高。

面缺陷--晶界和亞晶界越多，晶粒越細(xì)，金屬強(qiáng)度越高。

金屬塑性變形的能力越大，塑性越好。問題落實(shí)通過學(xué)習(xí)，我們知道了晶體與非晶體的本質(zhì)區(qū)別，而白云母片是晶體，玻璃是非晶體。實(shí)驗(yàn)中熔化后的石蠟形狀不同。是因?yàn)榘自颇概c玻璃的性質(zhì)不同，白云母的原子排列是有規(guī)則的，而玻璃的原子排列沒有一定的規(guī)則。熔化的石蠟在云母上呈現(xiàn)出橢圓形，是因?yàn)樵颇傅膬?nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)各向異性；而玻璃上熔化的石蠟呈現(xiàn)出圓形，是因?yàn)椴ＡУ膬?nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)各向同性。綜合訓(xùn)練1．請(qǐng)解釋晶體與非晶體的區(qū)別。2．請(qǐng)解釋晶格與晶胞的區(qū)別。3．常見的晶格有哪些？各有何結(jié)構(gòu)特征？4．實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中有哪些缺陷？對(duì)金屬性能有何影響？5．金屬為晶體，實(shí)際應(yīng)用的金屬為什么表現(xiàn)出各向同性？6．試分析鐵α-Fe轉(zhuǎn)變成γ-Fe時(shí)，其體積將增大還是減?。繛槭裁?？2.2合金的相結(jié)構(gòu)問題提出純銅具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、塑性和化學(xué)穩(wěn)定性，但純銅的強(qiáng)度和硬度很低，在使用中受到很大的限制。然而無論是在3000多年前的殷商時(shí)期，還是在現(xiàn)代制造業(yè)中，銅都得到了廣泛的應(yīng)用。那么，人們是如何提高同的強(qiáng)度和硬度的？問題分析實(shí)際上，我們?cè)谥圃鞓I(yè)中廣泛應(yīng)用的是銅合金，而不是純銅。我們都知道，結(jié)構(gòu)決定性能，因此我們需要了解合金的結(jié)構(gòu)，即合金的相結(jié)構(gòu)。一合金的基本概念1合金

2組元

3合金系

4相

5組織

由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素熔合、燒結(jié)而成的具有金屬特性的物質(zhì)。組成合金最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)叫做組元，簡稱為元。在研制合金時(shí)，可以選定一組組元，以不同配比，配制出一系列不同成分、不同性能的合金。這一系列合金構(gòu)成了一個(gè)合金系統(tǒng)，簡稱合金系。金屬中具有相同的化學(xué)成分、相同結(jié)構(gòu)和相同物理性能的組分，稱為相。是指用金相觀察方法看到的由形態(tài)、尺寸不同和分布方式不同的一種或多種相構(gòu)成的總體，以及各種材料的缺陷和損傷。合金中兩組元在液態(tài)和固態(tài)下都互相溶解，共同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。固溶體溶劑+溶質(zhì)一種固相能夠保持其原有晶格類型并與固溶體晶格相同的組元稱為溶劑。失去原有晶格類型的組元稱為溶質(zhì)，一般在合金中含量較少。二固溶體1固溶體的分類根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)的位置，可將固溶體分為：間隙固溶體和置換固溶體。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中分布是否有規(guī)律可將固溶體分為：有序固溶體和無序固溶體。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解度可將固溶體分為：有限固溶體和無限固溶體。間隙固溶體溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格中的間隙之中形成的固溶體。置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)在溶劑晶格的某些結(jié)點(diǎn)上，使晶格上的某些溶劑原子被置換而形成的固溶體。

溶質(zhì)與溶劑以任何比例都能互溶，固溶度達(dá)100％，則稱為無限固溶體，否則為有限固溶體。間隙固溶體溶質(zhì)原子與溶劑原子直徑之比應(yīng)小于0.59方可。溶質(zhì)原子將使間隙固溶體發(fā)生畸變，其濃度越大，畸變?cè)酱?。直徑較大的原子所組成的晶格，其空隙的尺寸也較大。過渡族元素(溶劑)與尺寸較小的元素C、N、H、B等易形成間隙固溶體。溶質(zhì)原子在間隙固溶體中的溶解度一般很小,所以間隙固溶體都是有限固溶體。置換固溶體無限固溶體形成條件無限固溶體一定是置換固溶體。置換固溶體也可以是有限固溶體。兩組元晶體結(jié)構(gòu)相同，原子半徑和電化學(xué)特性接近，則容易形成置換固溶體。兩組元晶體結(jié)構(gòu)相同是必要條件。溶劑原子半徑rA與溶質(zhì)原子半徑rB的相對(duì)差(rA—rB)\rA小于8%左右時(shí)。固溶體與純金屬相比強(qiáng)度、硬度升高。固溶體的強(qiáng)度和塑性、韌性之間有較好的配合，所以，其綜合性能較好，常作為結(jié)構(gòu)合金的基體相。固溶體與純金屬相比電阻率上升，導(dǎo)電率下降等。2固溶體的性能這種通過形成固溶體使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。它是強(qiáng)化金屬材料的重要途徑之一。三金屬化合物它是合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相。金屬化合物一般具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，硬而脆。合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，常能提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但會(huì)降低塑性和韌性。當(dāng)金屬化合物呈細(xì)小顆粒均勻分布在固溶體基體上時(shí)，將顯著提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，此現(xiàn)象稱為彌散強(qiáng)化。因此，金屬化合物主要用來作為碳鋼、各類合金鋼、硬質(zhì)合金及有色金屬的重要組成相及強(qiáng)化相。四機(jī)械混合物工業(yè)合金中其組織僅由化合物單相組成的情況是不存在的。因?yàn)榛衔锕倘挥泻芨叩挠捕?，但脆性太大，無法應(yīng)用。固溶體組成的合金，往往由于強(qiáng)度、硬度等不夠高，使用受到一定限制。絕大多數(shù)的工業(yè)合金，其組織均為固溶體與少量化合物(一種或幾種)所構(gòu)成的機(jī)械混合物。合金的性能取決于其形態(tài)、大小、數(shù)量、種類等。問題落實(shí)工業(yè)上應(yīng)用廣泛的黃銅是由銅和鋅組成的合金，鋼主要是由鐵和碳組成的合金，合金鋼、青銅和硬鋁等都是合金。實(shí)踐證明，合金與組成它們的純金屬相比，除具有更高的機(jī)械性能外，有的還可能具有強(qiáng)磁性、耐蝕性等特殊性能。同時(shí)，還可以通過調(diào)節(jié)它們的組成比例，來獲得一系列性能各不相同的合金．用來滿足工業(yè)生產(chǎn)中提出的各種不同的需求。綜合訓(xùn)練1．不論是置換固溶體還是間隙固溶體都會(huì)引起其強(qiáng)度、硬度升高，試分析其原因。2．置換固溶體和間隙固溶體的形成條件分別是什么？3．簡述金屬化合物的特性及應(yīng)用。4．簡述固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化。第三章金屬的結(jié)晶機(jī)械制造基礎(chǔ)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】知識(shí)點(diǎn)1．了解純金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象與微觀過程，掌握晶核形成的條件、細(xì)晶強(qiáng)化的方法及其作用機(jī)理；2．了解合金狀態(tài)圖的概念及其建立方法，熟悉二元合金狀態(tài)圖的基本類型、分析方法、典型合金的平衡結(jié)晶過程及其組織；3．理解合金性能與相圖的關(guān)系。技能點(diǎn)1．通過學(xué)習(xí)二元合金相圖及典型合金的結(jié)晶過程，會(huì)初步分析一般的二元合金相圖，初步判斷合金的相或組織組成物；2．通過杠桿定律的學(xué)習(xí)，能夠初步定量分析合金的相組成和組織組成。問題提出一般情況下，液態(tài)金屬凝固形成晶體時(shí)，冷卻速度越快，其力學(xué)性能越好，因此可通過加快冷卻速度來提高力學(xué)性能。但對(duì)于截面尺寸變化越大的大型鑄件，由于散熱較慢，而且過分大的冷卻速度往往導(dǎo)致鑄件開裂而造成廢品，因此，其力學(xué)性能的提高受到冷卻速度的限制，在生產(chǎn)中，又是如何提高其力學(xué)性能的呢？問題分析要解決此問題，需要先了解金屬結(jié)晶的過程，及其與鑄件力學(xué)性能的關(guān)系。1.1純金屬的結(jié)晶

一金屬結(jié)晶的現(xiàn)象液態(tài)L→固態(tài)S

S可以是非晶體。一種原子排列狀態(tài)過渡為另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)(晶態(tài))的轉(zhuǎn)變過程。一L→S晶態(tài)S→S晶態(tài)一次結(jié)晶二次結(jié)晶凝固結(jié)晶液態(tài)金屬在結(jié)晶時(shí)的溫度——時(shí)間曲線1金屬結(jié)晶的過冷現(xiàn)象過冷度——理論結(jié)晶溫度和實(shí)際結(jié)晶溫度之差。ΔT=

T0－T1

冷卻速度越快，過冷度越大過冷—液態(tài)金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度總是低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象。只有當(dāng)液體的過冷度達(dá)到一定的大小，結(jié)晶過程才能開始進(jìn)行—過冷是金屬結(jié)晶的必要條件。2純金屬的結(jié)晶過程二晶粒大小的控制1晶粒大小對(duì)力學(xué)性能的影響2影響晶粒大小的因素在常溫下，晶粒越細(xì)小，金屬的強(qiáng)度、硬度就越高，塑性、韌性也越好?？刂凭Я５拇笮∽钪匾氖强刂凭Ш说男魏寺屎烷L大速率。3晶粒大小的控制①提高過冷度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)、攪拌機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)、電磁振動(dòng)三同素異晶轉(zhuǎn)變問題落實(shí)金屬的晶粒大小對(duì)金屬的力學(xué)性能有重要的影響。一般情況下，晶粒越細(xì)，金屬的強(qiáng)度、塑性、韌性越好。在生產(chǎn)中，尤其是在制造力學(xué)性能要求高、截面尺寸變化較大的大型鑄件時(shí)，力學(xué)性能的提高收到冷卻速度的限制，在澆鑄前向液態(tài)金屬中加入一定的孕育劑，使其分散在金屬液中作為人工晶核，可使晶粒顯著增加，起到細(xì)化晶粒的作用，從而提高力學(xué)性能。綜合訓(xùn)練1．何謂過冷度？過冷度大小由什么決定？2．簡述金屬結(jié)晶過程。3．為什么一般材料都希望獲得細(xì)晶粒？晶粒細(xì)化的方法有哪些？4．請(qǐng)解釋二次結(jié)晶。3.2合金的結(jié)晶任務(wù)提出

鋼鐵廠，通常熔煉爐一旦開爐后，不允許停電，為什么?任務(wù)分析

熔煉爐開爐后，就要熔化金屬材料，若材料熔化了一部分，或者還沒到澆注溫度就停電，熔化了的金屬在加熱或隨后冷卻時(shí)可能會(huì)發(fā)生變化，若下次繼續(xù)加熱會(huì)遇到更大的麻煩，甚至可能出大事故，要解釋其原因就要學(xué)習(xí)合金結(jié)晶的相關(guān)知識(shí)。

一二元合金相圖的建立二二元?jiǎng)蚓鄨D二組元在液態(tài)時(shí)完全互相溶解，在固態(tài)時(shí)也能互相溶解，并形成無限固溶體的合金系，其相圖稱為勻晶相圖。1相圖分析2固溶體的平衡結(jié)晶及其組織3杠桿定律的應(yīng)用4固溶體的不平衡結(jié)晶及其組織固溶體合金的結(jié)晶過程也是一個(gè)形核和長大的過程，形核的方式可以是均勻形核，也可以是依靠外來質(zhì)點(diǎn)的非均勻形核。5固溶體合金的性能和相圖的關(guān)系三共晶相圖凡二組元在液態(tài)時(shí)完全互溶，在固態(tài)時(shí)形成兩種不同的固相，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的合金系．其相圖稱為共晶相圖。1相圖分析2合金的平衡結(jié)晶及其組織3共晶合金性能與成分的關(guān)系四包晶相圖凡二組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下形成有限固溶體，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的合金系統(tǒng)，其相圖稱為包晶相圖。1相圖分析2典型合金的平衡結(jié)晶及其組織五其他相圖1共析相圖2包析相圖問題落實(shí)通過對(duì)二元合金結(jié)晶的學(xué)習(xí)，可知兩種組元在熔化后從高溫冷卻到低溫時(shí)有可能會(huì)生成新相，新相的熔點(diǎn)可能很高，若停電后再次加熱的溫度可能很高，表層以下的金屬先熔化，體積膨脹，產(chǎn)生爆炸，非常危險(xiǎn)，因此鋼鐵廠不允許停電。綜合訓(xùn)練1．簡述相圖的作用。2．什么樣的兩種金屬可以形成勻晶相圖？什么樣的兩種金屬可以形成共晶相圖？3．什么是共晶轉(zhuǎn)變？什么是共析轉(zhuǎn)變？請(qǐng)說明其異同點(diǎn)。4．在共晶相圖中，為什么亞共晶成分、過共晶成分的合金在冷卻過程中也發(fā)生共晶反應(yīng)？第四章鐵碳合金機(jī)械制造基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)1.理解Fe-Fe3C相圖中點(diǎn)、線及各相區(qū)的物理意義；2.理解碳含量對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響；3.了解Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用及局限性4.了解合金元素對(duì)鐵碳合金的影響技能點(diǎn)1.通過Fe-Fe3C相圖能夠判斷金屬結(jié)晶組織，并能夠應(yīng)用到生產(chǎn)中；2.學(xué)會(huì)分析不同成分的鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程,并應(yīng)用于選材、鍛造、鑄造等工序中；3.初步應(yīng)用鐵碳相圖分析金屬成分與組織【學(xué)習(xí)目標(biāo)】問題提出工業(yè)中使用的雖然都是鐵合金，但不同的鐵合金有不同的性能。比如有低碳鋼、合金鋼、工具鋼和特殊鋼等等。究竟是什么因素使它們具有如此不同的性能，這是一個(gè)很重要的問題。在制造具有高塑性的地腳螺釘、煙囪、屋面板、薄板等結(jié)構(gòu)和制造強(qiáng)度較高的零件：齒輪、軸、鏈輪、鍵、螺栓、螺母等工件時(shí)，都需要哪些與之相適合的材料？4.1鐵碳合金的基本相與鐵碳合金相圖鋼鐵材料是工業(yè)中應(yīng)用范圍最廣的合金，鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的重要工具。它是研究鐵碳合金的化學(xué)成分、組織和性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)。了解與掌握鐵碳相圖，對(duì)于鋼鐵材料的研究和使用，各種熱加工工藝的制定等方面具有很重要的指導(dǎo)意義。鐵碳相圖是人類經(jīng)過長期生產(chǎn)實(shí)踐并進(jìn)行大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來的。由于鋼中的含碳量最多不超過2.11%，鑄鐵中的含碳量不超過6.69%，所以研究鐵碳合金時(shí)，僅研究Fe-Fe3C(含碳量為0%～6.69%)部分，下面所討論的鐵碳合金相圖，實(shí)際上是Fe-Fe3C相圖，是Fe-C相圖的一部分。鐵碳相圖存在Fe-Fe3C和Fe-石墨兩種形式，本模塊僅研究Fe-Fe3C相圖。研究好它們的關(guān)系，我們就可以了解不同成分的金屬的性能和熱處理前后性能的變化，幫助我們更好的發(fā)揮金屬的性能。問題分析1.純鐵（1）鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變

（2）鐵素體與奧氏體

（3）純鐵的性能與應(yīng)用

2.碳與滲碳體（1）碳

（2）滲碳體

一、鐵碳合金的基本相二、Fe-Fe3C相圖分析

Fe1234566.69C%Fe-Fe3C相圖140012001000800600400200溫度

/℃CEFDBAJNSGPKQγ＋δγL＋δδL＋γγ＋αL＋Fe3Cγ＋Fe3Cα＋Fe3CαH1.相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)及其意義

相圖上的液相線是ABCD，固相線是AHJECF，相圖中有五個(gè)單相區(qū)，分別是：

ABCD以上——液相區(qū)(L)AHNA——δ固溶體區(qū)(δ)NJESGN——奧氏體區(qū)(γ)GPQG——鐵素體區(qū)(α)DFKL——滲碳體區(qū)(Fe3C或Cm)相圖上有七個(gè)兩相區(qū)，它們分別存在于相鄰兩個(gè)單相區(qū)之間，這些兩相區(qū)分別是：

ABJHA——液相＋δ固溶體區(qū)(L＋δ)JBCEJ——液相＋奧氏體區(qū)(L＋γ)DCFD——液相＋滲碳體區(qū)(L＋Fe3C)HJNH——δ固溶體＋奧氏體區(qū)(δ＋γ)GSPG——鐵素體＋奧氏體區(qū)(α＋γ)ECFKSE——奧氏體＋滲碳體(γ＋Fe3C)相圖上有兩條磁性轉(zhuǎn)變線：

MO——鐵素體的磁性轉(zhuǎn)變線過230℃的虛線——滲碳體的磁性轉(zhuǎn)變線相圖上有三條水平線，分別是：

HJB——包晶轉(zhuǎn)變線

ECF——共晶轉(zhuǎn)變線

PSK——共析轉(zhuǎn)變線在制造地腳螺釘、煙囪、屋面板、薄板等結(jié)構(gòu)時(shí)，需要材料具有高的塑性、韌性和焊接性能，良好的加工性能，強(qiáng)度低，因而采用Q195、Q215鋼。如用于制造強(qiáng)度較高的零件：齒輪、軸、鏈輪、鍵、螺栓、螺母等工件時(shí)，就需要使用具有較高的強(qiáng)度，較好的塑性和切削加工性能，如Q255、Q275鋼。問題落實(shí)綜合訓(xùn)練1．鐵碳合金的基本相和組織有哪些？各用什么符號(hào)表示？分別敘述它們的定義及基本性能。2．默畫出Fe-Fe3C相圖，并注明各點(diǎn)的符號(hào)、溫度、成分，填出各相區(qū)的組織組成物。3．寫出Fe-Fe3C相圖中三條水平線的轉(zhuǎn)變式，并注明碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及溫度。4．解釋下列名詞并說明其性能特點(diǎn)：鐵素體、奧氏體、珠光體、滲碳體。問題提出我們常用的鐵合金有很多的名稱，如共析鋼、過共析鋼等等，這些名稱究竟是如何來的，它們又有著怎樣的性能，我們?nèi)绾尾拍艿玫竭@些性能不同的合金？問題分析我們將通過對(duì)典型鐵碳合金的冷卻過程和組織轉(zhuǎn)變進(jìn)行研究，了解我們常用金屬的生成過程和性能特征。這樣我們?cè)诮窈蟮墓ぷ骱蜕a(chǎn)中，將更好的駕馭不同特性的合金為我們服務(wù)。常見的鋼有工業(yè)純鐵、鋼（亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼）和白口鐵（亞共晶白口鐵、過共晶白口鐵），這些金屬除了含碳量的不同，它們的冷卻過程更是不同，從而決定了它們的性能也有所不同。4.2典型鐵碳合金的冷卻過程及組織轉(zhuǎn)變（1）工業(yè)純鐵：ωC<0.021

8%；（2）共析鋼：ωC=0.77%；（3）亞共析鋼：0.021

8%<ωC<0.77%；（4）過共析鋼：0.77%<ωC<2.11%；（5）共晶白口鑄鐵：ωC=4.30%；（6）亞共晶白口鑄鐵：2.11%<ωC<4.30%；（7）過共晶白口鑄鐵：4.30%<ωC<6.69%。根據(jù)組織特征，將鐵碳合金按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)劃分為7種類型。δγLδ1以上工業(yè)純鐵結(jié)晶過程示意圖LδγααFe3CⅢγα1—22—33—44—55—66—77以下一、工業(yè)純鐵(含碳量小于0.0218%)

共析鋼結(jié)晶過程示意圖γLLγP1以上1—22—33以下25μ珠光體組織二、共析鋼(含碳量為0.77%)

1以上1~222~33~44~55以下亞共析鋼結(jié)晶過程示意圖δLLαγαPγLγLδγ25μ亞共析鋼的顯微組織三、亞共析鋼(含碳量0.0218%～0.77%)

PγFe3CⅡLγ1以上1~22~33~44以下過共析鋼結(jié)晶過程示意圖Lγ25μ過共析鋼的顯微組織四、過共析鋼(含碳量為0.77%～2.11%)

1以上1~22以下共晶白口鐵結(jié)晶過程示意圖LLdLd`25μ共晶白口鐵的顯微組織五、共晶白口鑄鐵(含碳量為4.3%)

1以上1~22~33以下亞共晶白口鐵結(jié)晶過程示意圖LγγPLd`LdL60μ亞共晶白口鐵的顯微組織六、亞共晶白口鑄鐵(含碳量為2.11%～4.3%)

1以上1~22~33以下過共晶白口鐵結(jié)晶過程示意圖LLd`LdFe3CⅠFe3CⅠL60μ過共晶白口鐵的顯微組織七、過共晶白口鑄鐵(含碳量為4.3%～6.69%)

按組織組成物標(biāo)注的鐵碳合金相圖問題落實(shí)

含碳量正好是0.77%的鋼稱為共析鋼，它的組織是珠光體，用于制造工作時(shí)不宜受熱的工具，如加工木材用的銑刀、埋頭鉆等。亞共析鋼就是含碳量為0.0218%到0.77%的鋼，它包括了碳素結(jié)構(gòu)鋼、低碳鋼、中碳鋼及高碳鋼。亞共析鋼中的碳素結(jié)構(gòu)鋼因價(jià)格便宜，產(chǎn)量大，大量用之于金屬結(jié)構(gòu)（建筑材料）和一般的機(jī)械零件。過共析鋼的含碳量往往超過0.77%，這種鋼組織中滲碳體的比例超過12%，所以除與鐵素體形成珠光體外，還有多余的滲碳體，于是這類鋼的組織是珠光體+滲碳體。具有較好的綜合力學(xué)性能（如硬度、耐磨性和韌性等），晶粒更細(xì)，在加熱時(shí)對(duì)晶粒長大和形成碳化物網(wǎng)的敏感性小。用于制造在工作時(shí)切削刃口不變熱的工具，如鋸、鏨刀、絲錐、銼刀、刮刀、發(fā)條、儀規(guī)、擴(kuò)孔鉆、板牙、切煙葉用刀具、尺寸不大和斷面無急劇變化的冷沖模及木工刀具等。綜合訓(xùn)練1．共析成分的鐵碳合金平衡結(jié)晶至室溫時(shí)，其相組成物為

，組織組成物為

。2．在鐵碳合金中，含三次滲碳體最多的合金成分點(diǎn)為

，含二次滲碳體最多的合金成分點(diǎn)為

。3．比較Fe3CI、Fe3CII、Fe3CIII，F(xiàn)e3C共晶、Fe3C共析的異同之處。4．分析ωC為0.01%、0.45%、0.77%、1.2%、3.5%的鐵碳合金的結(jié)晶過程及室溫組織。4.3含碳量對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響問題提出含碳量不同的金屬之所以會(huì)有不同的性能，是由于結(jié)晶后的組織不同。那么不同碳含量的金屬結(jié)晶之后會(huì)在哪些方面有所不同呢，這些不同又會(huì)影響到它們的哪些使用特性呢？問題分析我們首先要討論的是含碳量對(duì)鐵碳合金平衡組織的影響，在室溫下這些金屬將有不同的微觀特征，這將直接影響它們的宏觀性能。低碳鋼韌性大，硬度低，耐磨性差

含碳量高，組織一般由滲碳體跟珠光體組成，淬火后多為片狀馬氏體；高碳鋼脆性大，硬度高，耐磨性好。一般碳的含量越高硬度越大，韌性降低?；阡摰倪@些特性，我們?cè)谑褂脮r(shí)也就有了一定的選擇范圍。一、含碳量對(duì)平衡組織的影響

隨著含碳量的增加，鐵碳合金的組織變化順序?yàn)?/p>

α→α+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ld'→Ld'→Ld'+Fe3CⅠ二、含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響

含碳量對(duì)鋼性能的影響鐵素體有很好的塑性和韌性，但其強(qiáng)度和硬度很低，滲碳體是硬脆相。珠光體由鐵素體和滲碳體所組成，且滲碳體以細(xì)片狀分散地分布在鐵素體的基體上，起到了強(qiáng)化作用。因此珠光體有較高的強(qiáng)度和硬度，但塑性較差。珠光體內(nèi)的層片越細(xì)，則強(qiáng)度越高。由圖可以看出，在亞共析鋼中，隨著含碳量的增加，珠光體逐漸增多，強(qiáng)度、硬度升高，而塑性、韌性下降。當(dāng)含碳量達(dá)到0.77%時(shí)，其性能就是珠光體的性能。在過共析鋼中，含碳量在接近l%時(shí)其強(qiáng)度達(dá)到最高值，含碳量繼續(xù)增加，強(qiáng)度下降。這是由于脆性的二次滲碳體在含碳量高于l%時(shí)于晶界呈連續(xù)的網(wǎng)狀，使鋼的脆性大大增加。因此在用拉伸試驗(yàn)測定其強(qiáng)度時(shí)，會(huì)在脆性的二次滲碳體處出現(xiàn)早期裂紋，并發(fā)展至斷裂，使抗拉強(qiáng)度下降。三、含碳量對(duì)工藝性能的影響1.切削加工性能鋼的含碳量對(duì)切削加工性能有一定的影響。低碳鋼中的鐵素體較多，塑性韌性好，切削加工時(shí)產(chǎn)生的切削熱較大，容易粘刀，而且切屑不易折斷，影響表面粗糙度，因此切削加工性能不好。高碳鋼中滲碳體多，硬度較高，嚴(yán)重磨損刀具，切削性能也差。中碳鋼中的鐵素體與滲碳體的比例適當(dāng)，硬度和塑性也比較適中，其切削加工性能較好。一般認(rèn)為，鋼的硬度大致為240HB時(shí)切削加工性能較好。鋼的導(dǎo)熱性對(duì)切削加工性能具有很大的影響。具有奧氏體組織的鋼導(dǎo)熱性低，切削熱很少為工件所吸收，而基本上集中在切削刃附近，因而使刃具的切削刃變熱，降低了刀具使用壽命。因此，盡管奧氏體鋼的硬度不高，但切削加工性能不好。

鋼的晶粒尺寸的大小并不顯著影響硬度。但粗晶粒鋼的韌性較差，切屑易斷，因而切削性能較好。

2.可鍛性金屬的鍛造性能是指金屬在壓力加工時(shí)，能改變形狀而不產(chǎn)生裂紋的性能。鋼的鍛造性能首先與含碳量有關(guān)。低碳鋼的可鍛性較好，隨著含碳量的增加逐漸變差。奧氏體具有良好的塑性，易于塑性變形。鋼加熱到高溫可獲得單相奧氏體組織，具有良好的鍛造性能。因此鋼材的始鍛或終鍛溫度一般在固相線以下100℃～200℃范圍內(nèi)。終鍛溫度不能過低，以免因溫度過低而使塑性變差，產(chǎn)生裂紋。一般對(duì)亞共析鋼終鍛溫度控制在GS線以上較近處，對(duì)過共析鋼控制在SE線以上較近處。白口鑄鐵無論在低溫或高溫，其組織都是以硬而脆的滲碳體為基體，其鍛造性能很差。不能通過鍛造進(jìn)行變形。

3.鑄造性

1）流動(dòng)性2）收縮性

3）枝晶偏析

問題落實(shí)碳素工具鋼是基本上不含合金元素的高碳鋼，含碳量在0.65％～1.35％范圍內(nèi)，其生產(chǎn)成本低，原料來源易取得，切削加工性良好，處理后可以得到高硬度和高耐磨性，所以是被廣泛采用的鋼種，用來制造各種刃具、模具、量具。碳素結(jié)構(gòu)鋼屬于低碳鋼或中碳鋼，這類鋼主要用于建筑行業(yè)（如建筑鋼筋、鋼板）和制造各種工程用結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件（如橋梁、船舶、鍋爐等），或機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼零件（如軸、螺釘、螺母等）。綜合訓(xùn)練1．鐵碳合金中，共析鋼的ωC=

；室溫平衡組織為

，亞共析鋼的ωC=

，室溫平衡組織為

；過共析鋼的ωC=

，室溫平衡組織為

。2．在實(shí)際生產(chǎn)中，若要進(jìn)行熱鍛或熱軋時(shí)，必須把鋼加熱到

相區(qū)。3．碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)合金的組織和性能有什么影響？4．同樣形狀和大小的兩塊鐵碳合金，一塊是低碳鋼，另一塊是白口鑄鐵，如何迅速用簡易的方法區(qū)分它們。4.4

Fe—Fe3C相圖的應(yīng)用及局限性問題提出在實(shí)際生產(chǎn)中，我們經(jīng)常會(huì)用到鐵碳合金相圖。根據(jù)生產(chǎn)設(shè)計(jì)原則選定相應(yīng)材料后，我們要如何使其具有我們想要的性能，這就要從相圖中尋找依據(jù)。例如，鑄造、鍛造等工藝是如何應(yīng)用鐵碳相圖的呢？問題分析我們將討論鐵碳合金相圖在生產(chǎn)中常見的應(yīng)用，比如選材、生產(chǎn)、加工等。然后討論使用中要注意的問題和局限性等問題。鐵碳相圖中的變量只有溫度和含碳量，因此，隨著鋼中含碳量的變化，金屬的力學(xué)性能會(huì)發(fā)生變化；同時(shí)，隨著溫度的不同，金屬的組織和性能也會(huì)不同，這就為我們鑄造、鍛造等工序的實(shí)施提供了理論基礎(chǔ)。一、Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用

Fe-Fe3C相圖除了對(duì)制定熱處理工藝有重要意義外，在制定鑄造、鍛造、焊接等熱加工工藝以及選材方面都有重要用途。1.在選材方面的應(yīng)用

2.在鑄造生產(chǎn)上的應(yīng)用3.在鍛壓生產(chǎn)上的應(yīng)用4.在焊接生產(chǎn)上的應(yīng)用5.在制定熱加工工藝方面的應(yīng)用①鐵碳相圖不能表示快速加熱或冷卻時(shí)鐵碳合金組織的變化規(guī)律。②可參考鐵碳相圖來分析快速冷卻和加熱的問題，但還應(yīng)借助于其他理論知識(shí)。③相圖可以表示鐵碳合金可能進(jìn)行的相變，但不能看出相變過程所經(jīng)過的時(shí)間。相圖反映的是平衡相的概念，而不是組織的概念。④鐵碳合金相圖是用極純的Fe和C配制的合金測定的，而實(shí)際的鋼鐵材料中還含有或有意加入許多其他元素。其中某些元素對(duì)臨界點(diǎn)和相的成分都可能有很大的影響，此時(shí)必須借助于三元或多元相圖來分析和研究。二、應(yīng)用鐵碳合金相圖應(yīng)注意的問題三、鐵碳合金相圖的局限性

(1)相圖只反映了鐵與碳兩種元素的成分與組織的關(guān)系,而工業(yè)上應(yīng)用的鋼和鑄鐵,在冶煉過程中不可避免存在著多種雜質(zhì),這些雜質(zhì)均在不同程度上影響著合金的組織與性能。

(2)相圖是平衡條件下繪制的,在生產(chǎn)實(shí)踐中對(duì)鋼和鑄鐵的加熱、冷卻都具有一定的速度,因此結(jié)晶溫度及產(chǎn)物均有變化。在選材方面的應(yīng)用由鐵碳相圖可見，鐵碳合金中隨著含碳量的不同，其平衡組織各不相同，從而導(dǎo)致其力學(xué)性能不同。因此，可以根據(jù)零件的不同性能要求來合理地選擇材料。

在鑄造方面的應(yīng)用由Fe-Fe3C相圖可見，共晶成分的鐵碳合金熔點(diǎn)低，結(jié)晶溫度范圍最小，具有良好的鑄造性能。因此，在鑄造生產(chǎn)中，經(jīng)常選用接近共晶成分的鑄鐵。同時(shí)，在鑄造生產(chǎn)時(shí)參照鐵碳相圖可以確定鋼鐵的澆注溫度，通常澆注溫度在液相線以上50－60℃。

在鍛壓生產(chǎn)上的應(yīng)用鋼在室溫時(shí)的組織為兩相混合物，塑性較差，變形困難，只有將其加熱到單相奧氏體狀態(tài)，才具有較低的強(qiáng)度，較好的塑性和較小的變形抗力，易于成形。問題落實(shí)1．鐵碳相圖有哪些應(yīng)用？又有哪些局限性？2．鋼進(jìn)行熱鍛制時(shí)，通常將鋼材加熱到1

000℃～1

250℃，為什么？3．制造汽車外殼多用低碳鋼，ωC<0.2%，制造機(jī)床主軸、齒輪多用中碳鋼，ωC=0.25～0.6%，而制造車刀、絲錐等多用高碳鋼，ωC>0.6%，而ωC在1.3%～2.1%的碳鋼根本不用，這是為什么？4．綁扎物件一般用低碳鋼絲，而起重機(jī)吊重物時(shí)則用ωC=0.6%～0.75%的鋼絲繩，請(qǐng)解釋其中的原因。

綜合訓(xùn)練4.5碳素鋼問題提出工業(yè)使用的鋼鐵材料中碳素鋼占有重要地位。常用的碳素鋼含碳量一般都小于1.3%，強(qiáng)度和韌性較好。與合金鋼相比，碳素鋼冶煉簡便，加工容易，價(jià)格便宜，一般可滿足使用性能要求，應(yīng)用廣泛。那么在選擇的時(shí)候我們?cè)撊绾芜x擇及需要注意的問題都將進(jìn)行討論。例如，為什么鉗工鋸T8、T12等鋼料比鋸10、20鋼費(fèi)力且鋸條易磨損？問題分析含碳量對(duì)鋼的性能有著極大的影響，所以在加工這些鋼材時(shí)我們也會(huì)根據(jù)它們的特性選擇不同的加工方法和工具。T8、T12鋼高碳鋼，而10、20鋼屬于低碳鋼，這就使得它們的性能有著較大差異。隨著含碳量的增加，強(qiáng)度硬度增加，韌性、塑性下降。一、鋼中的常存雜質(zhì)對(duì)鋼性能的影響1.Mn的影響——有益元素；增韌2.硅的影響——有益元素；增強(qiáng)3.硫的影響——有害元素；“熱脆”4.磷的影響——有害元素；“冷脆”

㈠碳素鋼的分類⒈按鋼中碳含量的多少可分為：

⒉按鋼的質(zhì)量可分為：

二、碳素鋼的分類、鋼號(hào)和主要用途⒊按鋼的用途可分為：

⒋按煉鋼時(shí)的脫氧程度可分為：

⑴低碳鋼wc≤0.25％⑵中碳鋼0.25％＜wc≤0.6％⑶高碳鋼wc＞0.6％⑴普通鋼ws≤0.05％，wp≤0.045％⑵優(yōu)質(zhì)鋼ws≤0.035％，wp≤0.035％⑶高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼ws≤0.02％，wp≤0.03％⑴碳素結(jié)構(gòu)鋼

⑵優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

⑶碳素工具鋼

⑷一般工程用鑄造碳素鋼件

⑴沸騰鋼是脫氧不徹底的鋼，代號(hào)F。⑵鎮(zhèn)靜鋼是脫氧徹底的鋼，代號(hào)Z。⑶半鎮(zhèn)靜鋼是脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，代號(hào)為b。⑷特殊鎮(zhèn)靜鋼進(jìn)行脫氧的鋼，代號(hào)為TZ。⒈碳素結(jié)構(gòu)鋼這類鋼主要用于各類工程，應(yīng)用量很大2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼這類鋼中磷、硫等有害雜質(zhì)含量較低，夾雜物也少，化學(xué)成分控制較嚴(yán)格，質(zhì)量較好。3.碳素工具鋼這類鋼是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.65％～1.35％的碳素鋼。主要用于制作各種小型工具。4.一般工程用鑄造碳素鋼在工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)遇到一些形狀復(fù)雜的零件，不便鍛壓制成毛坯用鍛壓制成毛坯，而鑄鐵又保證不了塑性的要求，這時(shí)可采用鑄鋼件。㈡碳素鋼的鋼號(hào)和命名方法和主要用途

T8、T12鋼含碳量高，屬于碳素工具鋼，主要用于制造刀具，本身強(qiáng)度高，耐磨性好。而10、20鋼含碳量低，屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼，強(qiáng)度、硬度較低，韌性很好，淬透性、淬硬性差，容易切削，因此廣泛用來制造冷沖壓零件。所以鋸10、20鋼省力且使鋸條不易磨損。而T8、T12鋼塑性較低，且經(jīng)過熱處理后耐磨性增加，相比10、20鋼不易切削，所以鋸的時(shí)候不但費(fèi)力，而且鋸條易磨損。問題落實(shí)1．指出Q235、45鋼、T12A鋼的類別、主要特點(diǎn)及用途。2．鋼中常見的夾雜物有哪些，對(duì)鋼的性能有什么影響？3．非合金鋼中常存雜質(zhì)元素，為什么錳和珪是有益元素，而硫和磷是有害元素？4．什么叫碳素鋼？下述鋼是按什么分類來命名的：高碳鋼、沸騰鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、工具鋼、轉(zhuǎn)爐鋼、鑄鋼或碳素鑄鋼？綜合訓(xùn)練第五章鋼的熱處理機(jī)械制造基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)

1.理解鋼在加熱、冷卻時(shí)的組織變化過程；鋼的退火、正火、淬火和

回火工藝；

2.了解鋼的表面熱處理工藝。技能點(diǎn)

1.掌握控制鋼在加熱和冷卻時(shí)的組織變化；

2．了解鋼的表面熱處理工藝的應(yīng)用；

3．能根據(jù)機(jī)件或工具的工作條件，分析對(duì)其熱處理工藝的要求?！緦W(xué)習(xí)目標(biāo)】鋼的熱處理是指采用適當(dāng)?shù)姆绞皆诠虘B(tài)下對(duì)鋼件進(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需組織和性能的工藝方法。熱處理是提高金屬材料的使用性能，發(fā)揮材料的性能潛力；以及改善材料的工藝性能，更好地滿足機(jī)械加工要求的重要工藝方法；同時(shí)，也是提高產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命的主要途徑之一。在機(jī)械裝備中絕大多數(shù)的零件都要進(jìn)行處理。常用熱處理工藝可分為普通熱處理(退火、正火、淬火和回火)和表面熱處理(表面沖火和化學(xué)熱處理)等。

5.1鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變問題提出鏨子是鏨削加工工具，常采用T7或T8鋼制作，為了達(dá)到使用性能要求，需對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)熱處理。試分析其在加熱過程中的組織和性能變化規(guī)律，為了達(dá)到使用性能要求，需采用怎樣的加熱方式？鏨子在鏨削金屬工件時(shí)，刃口部分受到較大的沖擊和磨擦作用，要求具有較高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，若硬度不足，鏨削金屬時(shí)刃口易出現(xiàn)卷刃現(xiàn)象；同時(shí)還要求具有一定的沖擊韌性，韌性不足易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，因此，鏨子常選用T7或T8鋼制作。常溫下，T7或T8鋼鍛造性能較差，只有加熱到一定溫度才能鍛打成形。T7或T8鋼的成分接近共析鋼，正常冷卻條件下的組織主要是珠光體組織，其硬度和耐磨性難以滿足使用性能要求。所以刃口經(jīng)刃磨后，需進(jìn)行適當(dāng)熱處理。對(duì)鏨子進(jìn)行熱處理的本質(zhì)，就是將其加熱到一定溫度后，采用特殊方式冷卻，得到珠光體組織，達(dá)到提高硬度和耐磨性的目的。問題分析一、相變點(diǎn) 形成奧氏體組織的狀況，如化學(xué)成分、均勻程度、晶粒大小等會(huì)直接影響奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變過程以及轉(zhuǎn)變后的組織和性能，因此，研究加熱時(shí)奧氏體的形成過程具有重要的意義。 由Fe—Fe3C相圖可知，將共析鋼加熱到Al以上全部變?yōu)閵W氏體；而亞共析鋼和過共析鋼必須加熱至A3和ACm以上才能獲得單相奧氏體。實(shí)際情況下，鋼在加熱時(shí)的相變并不按照相圖上所示的臨界溫度進(jìn)行，大多有不同程度的滯后現(xiàn)象產(chǎn)生，即實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度往往要偏離平衡的臨界溫度，冷卻時(shí)也是如此。隨著加熱和冷卻速度的增加，滯后現(xiàn)象將越加嚴(yán)重如圖表示鋼加熱和冷卻速度分別為7．5℃/h時(shí)對(duì)臨界溫度的影響。通常把加熱時(shí)的臨界溫度標(biāo)以字母“C”，如Ac1、Ac3、Acm等；加熱和冷卻速度對(duì)臨界溫度的影響把冷卻時(shí)的臨界溫度標(biāo)以字母“r”，如Ar1、Ar3、Arcm等。二、奧氏體的形成過程

共析鋼在A1點(diǎn)以下全部為珠光體組織，加熱到A1點(diǎn)以上時(shí)珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。其過程遵循形核和長大的基本規(guī)律。奧氏體的形成過程可分為四個(gè)階段，即奧氏體晶核的形成、奧氏體晶核長大、殘余滲碳體溶解、奧氏體均勻化。如圖6-4所示。共析鋼的奧氏體化過程示意圖1.奧化體晶核的形成 奧氏體晶核總是優(yōu)先在鐵素體和滲碳體的相界面上形成。這是因?yàn)樵谙嘟缑嫔显优帕胁灰?guī)則，位錯(cuò)、空位的密度較高，處于能量較高狀態(tài)，化學(xué)成分不均勻，為奧氏體的形核提供了良好的條件。2.奧氏體晶核的長大 奧氏體晶核形成后，奧氏體中的含碳量是不均勻的，奧氏體與鐵素體相接觸處碳原子濃度低，而與滲碳體相接觸處的碳原子濃度高，導(dǎo)致碳原子不斷地由濃度高處向濃度低處擴(kuò)散。使奧氏體與鐵素體接觸處含碳量增高，而與滲碳體接觸處含碳量降低。從而不斷打斷相界面碳濃度的平衡，又通過滲碳體的不斷溶解和鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變來維持界面的平衡，使相界面不斷向鐵素體和滲碳體中擴(kuò)展，奧氏體逐漸長大至鐵素體全部轉(zhuǎn)變成奧氏體為止。3.殘余滲碳體的溶解 由于奧氏體與滲碳體含碳量和晶體結(jié)構(gòu)都比奧氏體與鐵素體差別大，所以奧氏體晶核向鐵素體方面的長大總是快于向滲碳體方面的長大，因而鐵素體比滲碳體先消失，轉(zhuǎn)變溫度越高差別越大，當(dāng)鐵素體消失后還有部分殘余的滲碳體存在。這些殘余滲碳體需用一定的時(shí)間逐漸溶入奧氏體中。4.奧氏體均勻化 當(dāng)殘余滲碳體全部溶入奧氏體時(shí)，奧氏體中的碳濃度仍是不均勻的，原來滲碳體處碳濃度較高，原來鐵素體處碳濃度較低，需要一定的保溫時(shí)間，通過碳原子的擴(kuò)散，使奧氏體的碳濃度趨于均勻。 因此，熱處理加熱后的保溫階段，不僅為了使零件透熱和相變完全，而且還為了獲得成分均勻的奧氏體，以便冷卻后得到良好的組織與性能。

三、奧氏體長大1．奧氏體的晶粒度

圖

加熱溫度與奧氏體晶粒長大之間的關(guān)系奧氏體的晶粒度是指將鋼加熱到相變點(diǎn)以上某一溫度，保溫一段時(shí)間后，所得到的奧氏體晶粒的大小。若所獲得的奧氏體晶粒細(xì)小，則冷卻后轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織也細(xì)小，其強(qiáng)度、韌性都較高。國家標(biāo)準(zhǔn)將晶粒度級(jí)別分為12級(jí)。奧氏體長大有兩種情況，如圖所示。一種是隨著加熱溫度的升高晶粒長大的較快，如曲線1，具有這種特性的鋼稱為粗晶粒鋼；另一種是隨著加熱溫度的升高晶粒不容易長大，但加熱到930℃以上時(shí)，晶粒將迅速長大，如曲線2，具有這種特性的鋼稱為細(xì)晶粒鋼。煉鋼時(shí)，用錳鐵脫氧的鋼多屬于粗晶粒鋼，用鋁脫氧的鋼多屬于細(xì)晶粒鋼。沸騰鋼是粗晶粒鋼，鎮(zhèn)靜鋼是細(xì)晶粒鋼。2．奧氏體實(shí)際晶粒度的控制（1）加熱溫度和保溫時(shí)間在保證工件完全熱透并獲得均勻奧氏體的前提下，盡量降低加熱溫度和保溫時(shí)間。一般都是將鋼加熱到相變點(diǎn)以上某一適當(dāng)?shù)臏囟取＃?）加熱速度生產(chǎn)上采用快速加熱和短時(shí)間保溫的方法來細(xì)化晶粒。（3）鋼的原始組織及成分鋼的原始組織越細(xì)，則相界面越多，使奧氏體晶核數(shù)量增加，有利于獲得細(xì)晶粒組織。隨著奧氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，奧氏體晶粒長大的傾向性也增加。但當(dāng)奧氏體晶界上存在未溶化的殘余滲碳體時(shí)，未溶的滲碳體有阻礙奧氏體晶粒長大的作用。問題落實(shí)（1）根據(jù)鏨子的工作特點(diǎn)和使用性能要求，首先將其加熱到Ac1以上轉(zhuǎn)變成奧氏體，然后再進(jìn)行冷卻，具體的冷卻方式在下一節(jié)中介紹。（2）由于此時(shí)鏨子具有內(nèi)應(yīng)力，韌性不足，還需進(jìn)行后續(xù)熱處理，這將在以后的內(nèi)容中介紹。綜合訓(xùn)練 1、什么叫熱處理？其目的是什么？ 2、加熱過程中組織轉(zhuǎn)變有何特點(diǎn)？5.2鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變問題提出從上一課題中得知，為了達(dá)到使用性能要求，需對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)熱處理。試分析其在冷卻過程中的組織和性能變化規(guī)律，為了達(dá)到使用性能要求，需采用怎樣的冷卻方式？

如課題一所分析，鏨子在鏨削金屬工件時(shí)，刃口部分受到較大的沖擊和磨擦作用，要求具有較高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，若硬度不足，鏨削金屬時(shí)刃口易出現(xiàn)卷刃現(xiàn)象；同時(shí)還要求具有一定的沖擊韌性，韌性不足易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，因此，對(duì)鏨子進(jìn)行熱處理的本質(zhì)，就是將其加熱到一定溫度后，采用特殊方式冷卻，得到珠光體組織，達(dá)到提高硬度和耐磨性的目的。問題分析

連續(xù)冷卻，即將奧氏體化后的鋼件以一定的冷卻速度從高溫一直連續(xù)冷卻至室溫．在連續(xù)冷卻過程中完成的組織轉(zhuǎn)變稱為連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變；等溫冷卻．即把奧氏體化后的鋼件迅速冷卻到臨界點(diǎn)以下某一溫度，等溫保持一定時(shí)間后再冷至室溫，在保溫過程中完成的組織轉(zhuǎn)變稱為等溫轉(zhuǎn)變。一、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線1．共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(C曲線)奧氏體在臨界點(diǎn)以上為穩(wěn)定相，不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，冷卻至臨界點(diǎn)以下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，將會(huì)發(fā)分解，把這種在臨界點(diǎn)以下暫時(shí)存在的奧氏體稱為過冷奧氏體，可用多種方法來顯示出過冷奧氏體的恒溫轉(zhuǎn)變過程。圖

共析鋼過冷A的等溫轉(zhuǎn)變曲線圖圖45鋼過冷A等溫轉(zhuǎn)變曲線圖T10鋼過冷A等溫轉(zhuǎn)變曲線2．過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

在實(shí)際生產(chǎn)中，普遍采用的冷卻方式是連續(xù)冷卻，因此，研究過冷奧氏體在連續(xù)冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律具有很大的實(shí)際意義。連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT曲線)也是通過實(shí)驗(yàn)測定出來的。圖

共析鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線示意圖二、珠光休轉(zhuǎn)變1．珠光體的組織形態(tài)一種是片狀珠光體；球狀或粒狀珠光體。在奧氏體化過程中剩余滲碳體溶解和碳濃度均勻化比較完全的條件下，冷卻分解得到的珠光體通常呈片狀，各相形態(tài)是鐵素體和滲碳體交替排列成層片狀，

如圖1所示；當(dāng)奧氏體化溫度較低，成分不太均勻，尤其是組織中有未溶滲碳體粒子存在時(shí)，隨后緩慢冷卻通常得到粒狀珠光體，在這種組織中滲碳體呈顆粒狀分布在鐵素體基體中，如圖2所示。圖1片狀珠光體組織500X圖2粒狀珠光體組織1500X

片狀珠光體中，按片間距的大小可將其分為三類：即A1~650℃之間形成的片層較粗的珠光體，光鏡下能明顯分辨片層形態(tài)，稱為珠光體，以將號(hào)“P”表示；650~600℃之間形成的片層較細(xì)的珠光體，高倍光鏡下可分辨其片層形態(tài)，稱為索氏體．以符號(hào)“S”表示；600~500℃之間形成的片層極細(xì)的珠光體．其片層形態(tài)只有在電鏡下才能分辨清楚．稱為托氏體，以符號(hào)“T”表示。珠光體、索氏體和托氏體三者同屬鐵素體十滲碳體組成的片層狀珠光體型組織，其區(qū)別僅在于片層粗細(xì)不同。2．珠光體的力學(xué)性能

片狀珠光體的性能主要取決于珠光體的片層間距。片層間距越小，則強(qiáng)度和硬度越高(如粗片狀珠光體的硬度5~25HRC[170HB左右]，索氏體的硬度25~35HRC，而托氏體的硬度36~42HRC)，塑性和韌性也越好。 形成粒狀珠光體時(shí)，轉(zhuǎn)變溫度越低粒度越細(xì)。在相同硬度下，粒狀珠光體比片狀珠光體的綜合力學(xué)性能優(yōu)越得多，因?yàn)榱顫B碳體不易產(chǎn)生應(yīng)力集中和裂紋所致。三、馬氏體轉(zhuǎn)變

馬氏體的轉(zhuǎn)變發(fā)生在比較低的溫度區(qū)域內(nèi)，所以在轉(zhuǎn)變過程中鐵和碳原子都不能進(jìn)行擴(kuò)散，因而不發(fā)生濃度變化(馬氏體和奧氏體具有同樣的化學(xué)成分)，只發(fā)生鐵的晶格改組，由面心立方變成體心正方。 馬氏體轉(zhuǎn)變是典型的無擴(kuò)散性相變，以共格切變的方式進(jìn)行，故也稱為切變型相變。 馬氏體是碳在α—Fe中的過飽和固溶體，具有非常高的強(qiáng)度和硬度。所以馬氏體轉(zhuǎn)變是強(qiáng)化金屬的重要途徑之一。1.馬氏體的組織形態(tài)ωc在0.25%以下時(shí)，基本上形成板條狀馬氏體(也稱低碳馬氏體)，其顯微組織是由許多成群曲、相互平行排列的板條組成。當(dāng)ωc＞1.0％時(shí)，奧氏體幾乎只形成片狀馬氏體(針狀馬氏體)。ωc在0.25％~1.0％之間的奧氏體則形成上述兩種馬氏體的混合組織，含碳量越高，條狀馬氏體量越少而片狀馬氏體量越多。

圖

板條馬氏體的組織形態(tài)

a)1000Xb)板條馬氏體示意圖

圖

片狀馬氏體的組織形態(tài)

a)1500Xb)片狀馬氏體示意圖2．馬氏體的力學(xué)性能

馬氏體最主要的力學(xué)性能特點(diǎn)就是具有高硬度、高強(qiáng)度。3．馬氏體轉(zhuǎn)變的主要特點(diǎn)馬氏體轉(zhuǎn)變是在較低的溫度下進(jìn)行的，因而具有一系列的特點(diǎn)，其中主要有：(1)無擴(kuò)散性馬氏體的形成無需借助于擴(kuò)散過程。(2)轉(zhuǎn)變是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的馬氏體轉(zhuǎn)變是在Ms—Mf的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，其轉(zhuǎn)變量隨溫度的下降而增加，一旦溫度停止下降，轉(zhuǎn)變立即中止。(3)轉(zhuǎn)變不完全多數(shù)鋼的Mf點(diǎn)在室溫以下，因此冷卻到室溫時(shí)仍會(huì)保留相當(dāng)數(shù)量未轉(zhuǎn)變的奧氏體，這稱之為殘余(留)奧氏體，常用Ar表示。奧氏體的合碳量越高，Ms、Mf就越低，所以殘余奧氏體量就越高。四、貝氏體轉(zhuǎn)變1.貝氏體的組織形態(tài)(1)上貝氏體共析鋼上貝氏體大約在550℃(‘“鼻子”溫度)至350℃之間形成。光學(xué)顯微鏡觀察，典型上貝氏體組織形態(tài)呈羽毛狀

；電子顯微鏡研究表明，上貝氏體是由許多平行排列的鐵素體條，以及條之間不連續(xù)的短桿狀診碳體所組成。

圖

上貝氏體形態(tài)a)光學(xué)顯微照片600Xb)電子顯微照片5000X

(2)下貝氏體共折鋼下貝氏體大約在350℃至Ms之間形成。光學(xué)顯微鏡觀察，下貝氏體呈黑色針狀或竹葉狀；在電子顯撤鏡下可以看到。在下貝氏體的針片狀鐵索體內(nèi)成行地分布著微細(xì)的碳化物。值得指出的是，下貝氏體中的針狀鐵素體是含碳過飽和的固镕體。

圖

下貝氏體形態(tài)

a)光學(xué)顯微照片500Xb)電子顯微照片10000X

2．貝氏體的力學(xué)性能

貝氏體的力學(xué)性能主要取決于其組織形態(tài)。上貝氏體的形成溫度較高，其鐵素體條粗大，塑性變形抗力較低；同時(shí)，滲碳體分布在鐵素體條之間，易于引起脆斷，因此，上貝氏體的強(qiáng)度和韌性均差。下貝氏體形成溫度較低，鐵素體細(xì)小、分布均勻．鐵素體內(nèi)碳的過飽和度大．位鍺密度高，碳化物細(xì)小彌散，所以，下貝氏體不僅強(qiáng)度高，而且韌性也好，表現(xiàn)為具有較好的綜合力學(xué)件能，是一種很有應(yīng)用價(jià)值的組織。問題落實(shí)（1）根據(jù)鏨子的工作特點(diǎn)和使用性能要求，首先將其加熱到