第一章工程材料基礎(chǔ)-機(jī)械制造基礎(chǔ)

1、第第1 1章章 工程材料基礎(chǔ)工程材料基礎(chǔ) 1.11.1 金屬材料的結(jié)構(gòu)金屬材料的結(jié)構(gòu) 1.2 1.2 工程材料的性能工程材料的性能1.3 1.3 鐵碳合金鐵碳合金 1.4 1.4 常用工程材料常用工程材料 返回返回1.5 1.5 鋼的熱處理鋼的熱處理 材料是人類用來制作各種產(chǎn)品的物質(zhì)。機(jī)械工程中材料是人類用來制作各種產(chǎn)品的物質(zhì)。機(jī)械工程中使用的材料常按化學(xué)組成分為金屬材料、高分子材料、使用的材料常按化學(xué)組成分為金屬材料、高分子材料、陶瓷材料三大類。陶瓷材料三大類。 目前在機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣的仍是金屬材料，因?yàn)槟壳霸跈C(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣的仍是金屬材料，因?yàn)榻饘俨牧蟻碓簇S富，而且具有優(yōu)良的力學(xué)性能、

2、物理性金屬材料來源豐富，而且具有優(yōu)良的力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能和工藝性能。能、化學(xué)性能和工藝性能。 金屬材料的特性金屬材料的特性有有：強(qiáng)度較高、塑性較好、導(dǎo)電性強(qiáng)度較高、塑性較好、導(dǎo)電性高、導(dǎo)熱性好、有金屬光澤高、導(dǎo)熱性好、有金屬光澤等。等。 高分子和陶瓷材料的某些力學(xué)性能不如金屬，高分子和陶瓷材料的某些力學(xué)性能不如金屬，但具有金屬材料不具備的某些特性，如耐腐蝕、電但具有金屬材料不具備的某些特性，如耐腐蝕、電絕緣、隔音、減震、耐高溫、質(zhì)輕、來源豐富、價(jià)絕緣、隔音、減震、耐高溫、質(zhì)輕、來源豐富、價(jià)廉、成形加工容易等優(yōu)點(diǎn)，近年發(fā)展較快。廉、成形加工容易等優(yōu)點(diǎn)，近年發(fā)展較快。 材料性能的決定因素

3、：材料性能的決定因素：化學(xué)成分、內(nèi)部組織和化學(xué)成分、內(nèi)部組織和狀態(tài)狀態(tài)。其中。其中“化學(xué)化學(xué)成分成分”是是改變性能的改變性能的基礎(chǔ)基礎(chǔ)，“處處理理”是是改變性能的改變性能的手段手段，“組織組織”是是性能變化的性能變化的根根據(jù)。據(jù)。 第第1節(jié)節(jié) 金屬材料的結(jié)構(gòu)金屬材料的結(jié)構(gòu)1 1）晶體。）晶體。 其內(nèi)部原子在空間作有規(guī)則的排列，如食鹽、其內(nèi)部原子在空間作有規(guī)則的排列，如食鹽、金剛石等；純金屬及合金均屬于晶體。金剛石等；純金屬及合金均屬于晶體。2 2）非晶體。）非晶體。 其內(nèi)部原子雜亂無章地不規(guī)則的堆積，如玻其內(nèi)部原子雜亂無章地不規(guī)則的堆積，如玻璃、瀝青等。璃、瀝青等。 1.1.1 1.1.1 金

4、屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu) 3 3）晶體結(jié)構(gòu)）晶體結(jié)構(gòu)。 指晶體中原子排列的方式，指晶體中原子排列的方式，如圖如圖1-1a1-1a所示。所示。 4 4）晶格。）晶格。 把晶體內(nèi)的每一個(gè)原子看成一個(gè)小球，把這些把晶體內(nèi)的每一個(gè)原子看成一個(gè)小球，把這些小球用線條連接起來，形成一個(gè)空間格架，這種空間格架小球用線條連接起來，形成一個(gè)空間格架，這種空間格架叫晶格，叫晶格，如圖如圖1-1b1-1b 所示。所示。5 5）晶胞。）晶胞。晶格的最小幾何組成單元，晶格的最小幾何組成單元，如圖如圖1-1c1-1c所示。所示。 6 6）晶格常數(shù)）晶格常數(shù)。 晶胞中各棱邊的長度，單位為晶胞中各棱邊的長度，單位為 m10

5、A1A10007）金屬中常見的晶體結(jié)構(gòu)）金屬中常見的晶體結(jié)構(gòu) 體心立方晶格：體心立方晶格：晶胞是一個(gè)正六方體，立方體的八晶胞是一個(gè)正六方體，立方體的八個(gè)角上和立方體的中心各有一個(gè)原子，如圖個(gè)角上和立方體的中心各有一個(gè)原子，如圖1-2a1-2a。其原。其原子個(gè)數(shù)為：子個(gè)數(shù)為： ，如鉻、鈉等。，如鉻、鈉等。 2188/1圖圖1-2a 體心立方晶格體心立方晶格 面心立方晶格：面心立方晶格：晶胞是一個(gè)正六方體，立方體的八個(gè)晶胞是一個(gè)正六方體，立方體的八個(gè)角上和立方體的六個(gè)面的中心各有一個(gè)原子，如圖角上和立方體的六個(gè)面的中心各有一個(gè)原子，如圖1-2b1-2b。其原子個(gè)數(shù)為：其原子個(gè)數(shù)為： ，如鋁，銅等。

6、，如鋁，銅等。 462/188/1 密排六方晶格：密排六方晶格：晶胞是一個(gè)正六方柱體，在六方柱體晶胞是一個(gè)正六方柱體，在六方柱體的十二個(gè)角上和上、下底面的中心各有一個(gè)原子，在上、的十二個(gè)角上和上、下底面的中心各有一個(gè)原子，在上、下底面之間還均勻分布著三個(gè)原子如圖下底面之間還均勻分布著三個(gè)原子如圖1-2c1-2c。其原子個(gè)數(shù)。其原子個(gè)數(shù)為：為： ，如鎂、鋅等。，如鎂、鋅等。 6322/1126/1圖圖1-2b 面心立方晶格面心立方晶格圖圖1-2c 密排六方晶格密排六方晶格 1.1.2 合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu) 1.1.固溶體固溶體 合金在固態(tài)下溶質(zhì)原子溶入溶劑，仍保持溶劑晶格。合金在固態(tài)下溶

7、質(zhì)原子溶入溶劑，仍保持溶劑晶格。根據(jù)固溶體晶格中溶劑與溶質(zhì)原子的相互位置的不同，可根據(jù)固溶體晶格中溶劑與溶質(zhì)原子的相互位置的不同，可分為分為置換固溶體置換固溶體（如黃銅）和（如黃銅）和間隙固溶體間隙固溶體( (如鐵素體和奧氏如鐵素體和奧氏體體) )，如圖如圖1-31-3和和圖圖1-41-4所示。所示。 合金合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素和是指由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素和非金屬元素，通過熔化或其它方法結(jié)合而成的具有金屬特非金屬元素，通過熔化或其它方法結(jié)合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。性的物質(zhì)。 組元組元是組成合金的最基本的、獨(dú)立的單元。組元可以是組成合金的最基本的、獨(dú)立的單元

8、。組元可以是金屬、非金屬或化合物（如滲碳體）。是金屬、非金屬或化合物（如滲碳體）。 合金的晶體結(jié)構(gòu)大致可歸納為合金的晶體結(jié)構(gòu)大致可歸納為3 3類，即固溶體、金屬類，即固溶體、金屬化合物和機(jī)械混合物?；衔锖蜋C(jī)械混合物。 固溶強(qiáng)化：固溶強(qiáng)化：當(dāng)溶質(zhì)原子溶解在溶劑晶體中時(shí)，溶劑的當(dāng)溶質(zhì)原子溶解在溶劑晶體中時(shí)，溶劑的晶格將發(fā)生畸變，晶格常數(shù)發(fā)生變化，晶格將發(fā)生畸變，晶格常數(shù)發(fā)生變化，如圖如圖1-51-5所示所示。原。原子尺寸相差大，化學(xué)性質(zhì)不同，都使畸變增大，結(jié)果合金子尺寸相差大，化學(xué)性質(zhì)不同，都使畸變增大，結(jié)果合金的強(qiáng)度、硬度和電阻增高，塑性，韌性下降。溶入的溶質(zhì)的強(qiáng)度、硬度和電阻增高，塑性，韌性

9、下降。溶入的溶質(zhì)原子越多，引起的晶格畸變也越大。這種由于溶質(zhì)原子的原子越多，引起的晶格畸變也越大。這種由于溶質(zhì)原子的溶入，使基體金屬（溶劑）的強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象就叫溶入，使基體金屬（溶劑）的強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象就叫固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化。 2.2.金屬化合物金屬化合物 組成合金的元素相互化合形成一種新的晶格組成的物質(zhì)。組成合金的元素相互化合形成一種新的晶格組成的物質(zhì)。它的晶體結(jié)構(gòu)與性能，和原兩組元都不同，如滲碳體它的晶體結(jié)構(gòu)與性能，和原兩組元都不同，如滲碳體 就是鐵和碳組成的晶格復(fù)雜的碳化物，一般具有高硬度和高就是鐵和碳組成的晶格復(fù)雜的碳化物，一般具有高硬度和高脆性。脆性。CFe33.3.機(jī)械混

10、合物機(jī)械混合物 由兩種或兩種以上的組元、固溶體或金屬化合物按一由兩種或兩種以上的組元、固溶體或金屬化合物按一定重量比例組成的均勻物質(zhì)稱為機(jī)械混合物。定重量比例組成的均勻物質(zhì)稱為機(jī)械混合物。 混合物中各組成部分仍按自己原來的晶格形式結(jié)合成混合物中各組成部分仍按自己原來的晶格形式結(jié)合成晶體，如鐵素體和滲碳體形成珠光體。混合物的性能取決晶體，如鐵素體和滲碳體形成珠光體?；旌衔锏男阅苋Q于組成混合物的各部分的性能，及其數(shù)量、大小、分布和于組成混合物的各部分的性能，及其數(shù)量、大小、分布和形態(tài)。形態(tài)。 1.1.3 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶1）結(jié)晶。結(jié)晶。 指金屬的原子由近程有序狀態(tài)（液態(tài)）轉(zhuǎn)變成指金屬的原子由

11、近程有序狀態(tài)（液態(tài)）轉(zhuǎn)變成長程有序狀態(tài)（晶態(tài)）的過程長程有序狀態(tài)（晶態(tài)）的過程。2 2）純金屬結(jié)晶的冷卻曲線）純金屬結(jié)晶的冷卻曲線。 金屬液非常緩慢的冷卻時(shí)，金屬液非常緩慢的冷卻時(shí)，記錄溫度隨時(shí)間而變化的曲線，如圖記錄溫度隨時(shí)間而變化的曲線，如圖1-61-6所示。出現(xiàn)水平所示。出現(xiàn)水平線段的原因是結(jié)晶時(shí)放出大量的結(jié)晶潛熱，補(bǔ)償了金屬向線段的原因是結(jié)晶時(shí)放出大量的結(jié)晶潛熱，補(bǔ)償了金屬向周圍散失的熱量。周圍散失的熱量。 3 3）過冷。）過冷。 在實(shí)際結(jié)晶過程中，金屬在實(shí)際結(jié)晶過程中，金屬液只有冷卻到理論結(jié)晶溫度（熔點(diǎn)）液只有冷卻到理論結(jié)晶溫度（熔點(diǎn)）以下的某個(gè)溫度時(shí)才結(jié)晶的現(xiàn)象。理以下的某個(gè)溫度時(shí)

12、才結(jié)晶的現(xiàn)象。理論結(jié)晶溫度論結(jié)晶溫度 和實(shí)際結(jié)晶溫度和實(shí)際結(jié)晶溫度 之間之間的溫度差的溫度差 叫叫過冷度過冷度，它與冷卻速，它與冷卻速度有關(guān)，冷卻越快，過冷度越大，反度有關(guān)，冷卻越快，過冷度越大，反之。之。0TnTT圖圖1-6 冷卻曲線冷卻曲線4 4）結(jié)晶過程。）結(jié)晶過程。 晶體形核和成長過程。如圖晶體形核和成長過程。如圖1-71-7所示，在所示，在液體金屬開始結(jié)晶時(shí)，在液體中某些區(qū)域形成一些有規(guī)則液體金屬開始結(jié)晶時(shí)，在液體中某些區(qū)域形成一些有規(guī)則排列的原子團(tuán)，成為結(jié)晶的核心，即排列的原子團(tuán)，成為結(jié)晶的核心，即晶核晶核 （形核過程）。（形核過程）。然后原子按一定規(guī)律向這些晶核聚集，而不斷長大，

13、形成然后原子按一定規(guī)律向這些晶核聚集，而不斷長大，形成晶粒（成長過程）。在晶體長大的同時(shí)，新的晶核又繼續(xù)晶粒（成長過程）。在晶體長大的同時(shí)，新的晶核又繼續(xù)產(chǎn)生并長大。當(dāng)全部長大的晶體都互相接觸，液態(tài)金屬完產(chǎn)生并長大。當(dāng)全部長大的晶體都互相接觸，液態(tài)金屬完全消失，結(jié)晶完成。由于各個(gè)晶粒成長時(shí)的方向不一，大全消失，結(jié)晶完成。由于各個(gè)晶粒成長時(shí)的方向不一，大小不等，在晶粒和晶粒之間形成界面，稱為小不等，在晶粒和晶粒之間形成界面，稱為晶界晶界。 圖圖1-7 結(jié)晶過程示意圖結(jié)晶過程示意圖5 5）單晶體。）單晶體。 結(jié)晶后，每個(gè)晶核長成為一個(gè)晶體，稱為結(jié)晶后，每個(gè)晶核長成為一個(gè)晶體，稱為單晶體。單晶體。

14、6 6）多晶體。）多晶體。 由許多外形不規(guī)則、大小不等、排列位向由許多外形不規(guī)則、大小不等、排列位向不同的小顆粒晶體組成。在多晶體中，這些小顆粒晶體不同的小顆粒晶體組成。在多晶體中，這些小顆粒晶體叫叫晶粒晶粒；晶粒與晶粒之間的界面叫；晶粒與晶粒之間的界面叫晶界晶界。晶粒的大小影。晶粒的大小影響材料的力學(xué)、物理、化學(xué)性能，一般情況下，晶粒越響材料的力學(xué)、物理、化學(xué)性能，一般情況下，晶粒越細(xì)，強(qiáng)度和硬度越高，塑性和韌性越好。因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)細(xì)，強(qiáng)度和硬度越高，塑性和韌性越好。因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)小，晶界就多，晶界處的晶體排列極不規(guī)則，界面犬牙小，晶界就多，晶界處的晶體排列極不規(guī)則，界面犬牙交錯(cuò)，互相咬合，因而

15、加強(qiáng)了金屬之間的結(jié)合力。交錯(cuò)，互相咬合，因而加強(qiáng)了金屬之間的結(jié)合力。 7 7）細(xì)晶強(qiáng)化。）細(xì)晶強(qiáng)化。 用細(xì)化晶粒的方法來提高金屬材料的力用細(xì)化晶粒的方法來提高金屬材料的力學(xué)性能。金屬凝固后的晶粒大小與凝固過程中形核的多學(xué)性能。金屬凝固后的晶粒大小與凝固過程中形核的多少和晶核長大速度有關(guān)，晶核越多，長大速度越慢，晶少和晶核長大速度有關(guān)，晶核越多，長大速度越慢，晶粒越細(xì)。而過冷度越大，產(chǎn)生的晶核越多，晶核多，每粒越細(xì)。而過冷度越大，產(chǎn)生的晶核越多，晶核多，每個(gè)晶核長大受到制約，形成的晶粒就越細(xì)小。個(gè)晶核長大受到制約，形成的晶粒就越細(xì)小。 為了合理地使用和加工金屬材料，必須了解其使為了合理地使用和加

16、工金屬材料，必須了解其使用性能和工藝性能。用性能和工藝性能。 第第2 2節(jié)節(jié) 工程材料的性能工程材料的性能 使用性能：使用性能：指各個(gè)零件或構(gòu)件在正常工作時(shí)金屬指各個(gè)零件或構(gòu)件在正常工作時(shí)金屬材料應(yīng)具備的性能，它決定了金屬材料的應(yīng)用范圍、材料應(yīng)具備的性能，它決定了金屬材料的應(yīng)用范圍、使用的可靠性和壽命。包括力學(xué)性能、物理性能、化使用的可靠性和壽命。包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能。學(xué)性能。 工藝性能：工藝性能：指金屬材料在冷、熱加工過程中應(yīng)具指金屬材料在冷、熱加工過程中應(yīng)具備的性能，它決定了金屬材料的加工方法。包括鑄造備的性能，它決定了金屬材料的加工方法。包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削

17、加工性能和熱處理性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能。性能。1.2.1 金屬材料的性能金屬材料的性能 金屬材料的剛度、強(qiáng)度、彈性、塑性是通過拉伸實(shí)金屬材料的剛度、強(qiáng)度、彈性、塑性是通過拉伸實(shí)驗(yàn)來測定的，標(biāo)準(zhǔn)試樣如圖驗(yàn)來測定的，標(biāo)準(zhǔn)試樣如圖1-81-8所示，把試樣安裝在拉所示，把試樣安裝在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，并對試樣施加一個(gè)緩慢增加的軸向拉力，伸試驗(yàn)機(jī)上，并對試樣施加一個(gè)緩慢增加的軸向拉力，試樣產(chǎn)生變形，直至斷裂。試樣產(chǎn)生變形，直至斷裂。 力學(xué)性能（機(jī)械性能）：力學(xué)性能（機(jī)械性能）：指金屬材料具有的抵抗一定指金屬材料具有的抵抗一定外力作用而不被破壞的性能。金屬材料的力學(xué)性能主要有：外力作

18、用而不被破壞的性能。金屬材料的力學(xué)性能主要有：剛度、強(qiáng)度、彈性、塑性、硬度、沖擊韌度、斷裂韌度和剛度、強(qiáng)度、彈性、塑性、硬度、沖擊韌度、斷裂韌度和疲勞強(qiáng)度等。疲勞強(qiáng)度等。 1.2.1.1 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能圖圖1-8 圓形拉伸試樣圓形拉伸試樣 拉伸曲線：拉伸曲線：以低碳鋼為例，其拉伸曲線如圖以低碳鋼為例，其拉伸曲線如圖1-91-9所示，所示，負(fù)荷為縱坐標(biāo)，絕對伸長量為橫坐標(biāo)。負(fù)荷為縱坐標(biāo)，絕對伸長量為橫坐標(biāo)。0kbsePPPbsePl圖圖1-9 低碳鋼拉伸曲線低碳鋼拉伸曲線1.1.強(qiáng)度強(qiáng)度 拉伸曲線拉伸曲線oeoe段是直線，段是直線，金屬材料處在彈性變形階金屬材料處在彈性變形

19、階段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比例段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比例關(guān)系，服從虎克定律，其關(guān)系，服從虎克定律，其比值稱彈性模量，是衡量比值稱彈性模量，是衡量材料抵抗彈性變形能力的材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)。指標(biāo)。 1 1）彈性極限）彈性極限。 金屬材料產(chǎn)生完全彈性變形時(shí)所能承受的最金屬材料產(chǎn)生完全彈性變形時(shí)所能承受的最大應(yīng)力值，單位大應(yīng)力值，單位MPaMPa 。即。即0APeeeP試樣發(fā)生完全彈性變形的最大載荷（試樣發(fā)生完全彈性變形的最大載荷（N）；）；0A試樣的原始橫截面積（試樣的原始橫截面積（mm2 ）。）。式中式中2 2）抗拉強(qiáng)度。）抗拉強(qiáng)度。 當(dāng)負(fù)荷繼續(xù)增加超過當(dāng)負(fù)荷繼續(xù)增加超過s s點(diǎn)后，變形量隨著負(fù)點(diǎn)后

20、，變形量隨著負(fù)荷的增加而急劇增加，當(dāng)負(fù)荷超過荷的增加而急劇增加，當(dāng)負(fù)荷超過b b點(diǎn)，變形集中在試樣的點(diǎn)，變形集中在試樣的某一部位上，試樣在該部位出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，拉伸變形集中某一部位上，試樣在該部位出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，拉伸變形集中在縮頸處。繼續(xù)施加負(fù)荷，試樣在在縮頸處。繼續(xù)施加負(fù)荷，試樣在k k點(diǎn)斷裂。材料斷裂前所點(diǎn)斷裂。材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力，即為抗拉強(qiáng)度（強(qiáng)度極限），它也是試承受的最大應(yīng)力，即為抗拉強(qiáng)度（強(qiáng)度極限），它也是試樣能夠保持均勻塑性變形的最大應(yīng)力樣能夠保持均勻塑性變形的最大應(yīng)力 。 b0APbbbP試樣被拉斷前所承受的最大載荷（試樣被拉斷前所承受的最大載荷（N）；）；0A試樣的原始橫截

21、面積（試樣的原始橫截面積（mm2 ）。）。式中式中3 3）屈服點(diǎn)）屈服點(diǎn) 。 開始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力稱為屈服點(diǎn)，開始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力稱為屈服點(diǎn)，其含義指在外力作用下開始產(chǎn)生明顯塑性變形的最小應(yīng)力，其含義指在外力作用下開始產(chǎn)生明顯塑性變形的最小應(yīng)力，也即材料抵抗微量塑性變形的能力。也即材料抵抗微量塑性變形的能力。 s0APss 條件屈服極限：條件屈服極限：有些塑性較低的材料沒有明顯的屈服有些塑性較低的材料沒有明顯的屈服點(diǎn)，難于確定產(chǎn)生塑性變形的最小應(yīng)力。故規(guī)定當(dāng)試樣產(chǎn)點(diǎn)，難于確定產(chǎn)生塑性變形的最小應(yīng)力。故規(guī)定當(dāng)試樣產(chǎn)生生0.2%0.2%的塑性變形時(shí)所對應(yīng)的應(yīng)力作為材料開始產(chǎn)生明顯的塑性變形

22、時(shí)所對應(yīng)的應(yīng)力作為材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形時(shí)的屈服強(qiáng)度，稱為條件屈服極限塑性變形時(shí)的屈服強(qiáng)度，稱為條件屈服極限 。 2 . 0 零件設(shè)計(jì)時(shí)對塑性材料采用屈服強(qiáng)度；脆性材料采用零件設(shè)計(jì)時(shí)對塑性材料采用屈服強(qiáng)度；脆性材料采用抗拉強(qiáng)度?？估瓘?qiáng)度。 sP試樣發(fā)生屈服時(shí)的載荷（試樣發(fā)生屈服時(shí)的載荷（N）；）；0A試樣的原始橫截面積（試樣的原始橫截面積（mm2 ）。）。式中式中2.2.塑性塑性 塑性塑性指金屬材料在靜載荷作用時(shí)，在斷裂前產(chǎn)生塑性指金屬材料在靜載荷作用時(shí)，在斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力，反映材料塑性的力學(xué)性能指標(biāo)有延伸率變形的能力，反映材料塑性的力學(xué)性能指標(biāo)有延伸率 和和斷面收縮率斷面收縮率 。

23、1 1）延伸率。）延伸率。 指試樣拉斷后其標(biāo)距長度的相對伸長值。即指試樣拉斷后其標(biāo)距長度的相對伸長值。即 %10000lllk2 2）斷面收縮率。）斷面收縮率。 指試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大指試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大相對收縮值。相對收縮值。 %10000AAAkkl試樣斷裂后的標(biāo)距長度；試樣斷裂后的標(biāo)距長度；0l試樣的原始標(biāo)距長度；試樣的原始標(biāo)距長度；式中式中kA試樣斷裂出的最小橫截面積；試樣斷裂出的最小橫截面積；0A試樣的原始橫截面積試樣的原始橫截面積；式中式中3.3.硬度硬度 硬度硬度指金屬材料抵抗外物壓入其表面的能力，也是衡指金屬材料抵抗外物壓入其表面的能力，也是衡量金屬材料軟

24、硬程度的一種力學(xué)性能指標(biāo)。工程上常用的量金屬材料軟硬程度的一種力學(xué)性能指標(biāo)。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。 1 1）布氏硬度）布氏硬度HBS(HBW)HBS(HBW)。 布氏硬度是在布氏硬度計(jì)上進(jìn)行測布氏硬度是在布氏硬度計(jì)上進(jìn)行測量的，用一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^，以相應(yīng)的實(shí)量的，用一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^，以相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)力壓入試樣表面，保持規(guī)定的時(shí)間后，卸除實(shí)驗(yàn)力，在試驗(yàn)力壓入試樣表面，保持規(guī)定的時(shí)間后，卸除實(shí)驗(yàn)力，在試樣表面形成壓痕，以壓痕球形表面所承受的平均負(fù)荷作為布樣表面形成壓痕，以壓痕球形表面所承受的平均負(fù)荷作為布氏硬度值，如

25、圖氏硬度值，如圖1-101-10示。示。 222HBS(HBW)dDDDF圖圖1-10 布氏硬度實(shí)驗(yàn)原理圖布氏硬度實(shí)驗(yàn)原理圖F實(shí)驗(yàn)力（實(shí)驗(yàn)力（kgf）；）；D球體直徑（球體直徑（mm）；）；d壓痕平均直徑（壓痕平均直徑（mm）。）。式中式中 在做布氏試驗(yàn)時(shí)，只需測量出在做布氏試驗(yàn)時(shí)，只需測量出d值即可從有關(guān)表格上值即可從有關(guān)表格上查出相應(yīng)的布氏硬度值。壓頭為鋼球時(shí)，為查出相應(yīng)的布氏硬度值。壓頭為鋼球時(shí)，為HBSHBS，適用于，適用于布氏硬度布氏硬度450450以下的材料；壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，為以下的材料；壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，為HBWHBW，適用于布氏硬度適用于布氏硬度650650以下的材料。以

26、下的材料。優(yōu)點(diǎn)：測量結(jié)果準(zhǔn)確，優(yōu)點(diǎn)：測量結(jié)果準(zhǔn)確，缺點(diǎn)：壓痕大，不適合成品檢驗(yàn)缺點(diǎn)：壓痕大，不適合成品檢驗(yàn)。 2 2）洛氏硬度）洛氏硬度。 洛氏硬度是用壓頭壓入的壓痕深度作為測洛氏硬度是用壓頭壓入的壓痕深度作為測量硬度值的依據(jù)量硬度值的依據(jù), ,如圖如圖1-111-11所示?？梢灾苯訌穆迨嫌捕扔?jì)的所示。可以直接從洛氏硬度計(jì)的表盤上讀出，它是一個(gè)相對值，表盤上讀出，它是一個(gè)相對值，人們規(guī)定每人們規(guī)定每0.002mm0.002mm壓痕深壓痕深度為一個(gè)洛氏硬度單位。洛氏硬度用度為一個(gè)洛氏硬度單位。洛氏硬度用HRAHRA、HRBHRB和和HRCHRC來表示來表示。HRCHRC采用采用頂角為頂角為120

27、120的金剛石的金剛石圓圓錐體錐體為壓頭，施加為壓頭，施加150kgf150kgf的外力，主要用于淬火鋼等較硬材料的測定，常用硬度值的外力，主要用于淬火鋼等較硬材料的測定，常用硬度值為為20-6720-67HRCHRC； HRAHRA采用外加載荷為采用外加載荷為60kgf60kgf，用于測量高硬度，用于測量高硬度薄層，常用硬度值為薄層，常用硬度值為70-8570-85HRAHRA；HRBHRB采用直徑采用直徑1.588mm1.588mm的鋼的鋼球，球，100kgf100kgf的外加載荷，用于硬度較低的材料，常用硬度的外加載荷，用于硬度較低的材料，常用硬度值為值為25-10025-100HRBH

28、RB。優(yōu)點(diǎn)：測量迅速簡便，壓痕小，可在成品優(yōu)點(diǎn)：測量迅速簡便，壓痕小，可在成品零件上檢測零件上檢測 。3 3）維氏硬度）維氏硬度HVHV。 測試的基本原理與布氏硬度相同，但測試的基本原理與布氏硬度相同，但壓頭采用錐面夾角壓頭采用錐面夾角136136的金剛石正四棱錐體，維氏硬度的金剛石正四棱錐體，維氏硬度試驗(yàn)所用載荷小，壓痕深度淺，適用于測量零件薄的表試驗(yàn)所用載荷小，壓痕深度淺，適用于測量零件薄的表面硬化層的硬度。試驗(yàn)載荷可任意選擇，故可測硬度范面硬化層的硬度。試驗(yàn)載荷可任意選擇，故可測硬度范圍寬，工作效率較低。圍寬，工作效率較低。4. 疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度1 1）交變應(yīng)力（周期性應(yīng)力）交變應(yīng)力（周

29、期性應(yīng)力）。 應(yīng)力的大小、方向周期應(yīng)力的大小、方向周期性變化。有對稱周期性應(yīng)力性變化。有對稱周期性應(yīng)力和非對稱周期性應(yīng)力。和非對稱周期性應(yīng)力。2）疲勞）疲勞。 構(gòu)件在低于屈服強(qiáng)度的交變應(yīng)力作用下，經(jīng)構(gòu)件在低于屈服強(qiáng)度的交變應(yīng)力作用下，經(jīng)過較長時(shí)間工作而發(fā)生突然斷裂，而無明顯的塑性變過較長時(shí)間工作而發(fā)生突然斷裂，而無明顯的塑性變形的現(xiàn)象形的現(xiàn)象。3）疲勞曲線）疲勞曲線。 反映承受的交變應(yīng)力與斷裂前的應(yīng)力周期反映承受的交變應(yīng)力與斷裂前的應(yīng)力周期次數(shù)間的關(guān)系曲線，如圖次數(shù)間的關(guān)系曲線，如圖1-12所示。所示。圖圖1-12 疲勞曲線疲勞曲線4 4）疲勞極限。）疲勞極限。 由圖由圖1-121-12可見，

30、可見，應(yīng)力愈高，循環(huán)次數(shù)愈少，反之應(yīng)力愈高，循環(huán)次數(shù)愈少，反之亦然。亦然。 當(dāng)應(yīng)力低到一定值時(shí)，循當(dāng)應(yīng)力低到一定值時(shí)，循環(huán)次數(shù)無窮大，表示材料可經(jīng)無環(huán)次數(shù)無窮大，表示材料可經(jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)而不失效；此應(yīng)力限次應(yīng)力循環(huán)而不失效；此應(yīng)力即為疲勞強(qiáng)度（疲勞極限）。對即為疲勞強(qiáng)度（疲勞極限）。對稱彎曲疲勞極限用稱彎曲疲勞極限用 表示表示 ；無無限次當(dāng)然不是數(shù)學(xué)上的無窮大，限次當(dāng)然不是數(shù)學(xué)上的無窮大，只是一個(gè)很大的數(shù)而已，對于鋼只是一個(gè)很大的數(shù)而已，對于鋼鐵材料為鐵材料為10107 7，有色金屬材料為，有色金屬材料為10108 8 。15. 沖擊韌度沖擊韌度 指金屬材料抵抗沖擊負(fù)荷的能力，可用擺錘沖擊試

31、驗(yàn)指金屬材料抵抗沖擊負(fù)荷的能力，可用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)來測定金屬材料的沖擊值。機(jī)來測定金屬材料的沖擊值。如圖如圖1-131-13，1-141-14所示。沖擊所示。沖擊韌度值可用下式計(jì)算。韌度值可用下式計(jì)算。FGhGHFAkkk沖擊韌度（沖擊韌度（J/cm2 ） ；kA沖擊吸收功（沖擊吸收功（J）；）；G擺錘重量（擺錘重量（N）；）；H擺錘抬升高度（擺錘抬升高度（m）；）；h擺錘沖擊后的高度（擺錘沖擊后的高度（m）；F試樣缺口底部處橫截面積（試樣缺口底部處橫截面積（cm2 ）。）。式中式中 物理性能物理性能指不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)就能表現(xiàn)出來的性能，如指不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)就能表現(xiàn)出來的性能，如密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性

32、、導(dǎo)電性、熱膨脹性和磁性等。密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性和磁性等。 1.2.1.2 金屬材料的物理和化學(xué)性能金屬材料的物理和化學(xué)性能 化學(xué)性能化學(xué)性能是材料在化學(xué)介質(zhì)的作用下所表現(xiàn)出來的性是材料在化學(xué)介質(zhì)的作用下所表現(xiàn)出來的性能。如材料的耐腐蝕性能、抗氧化性能和化學(xué)穩(wěn)定性能等。能。如材料的耐腐蝕性能、抗氧化性能和化學(xué)穩(wěn)定性能等。 1.2.1.3 金屬材料的工藝性能金屬材料的工藝性能 金屬材料的工藝性能指金屬材料適應(yīng)加工工藝要求金屬材料的工藝性能指金屬材料適應(yīng)加工工藝要求的能力。按工藝方法的不同，可分為的能力。按工藝方法的不同，可分為鑄造性能、鍛造性鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工

33、性能和熱處理性能能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能。1 1）鑄造性能。）鑄造性能。 指利用金屬的可熔性將其熔化后，注入鑄指利用金屬的可熔性將其熔化后，注入鑄型制成鑄件的難易程度，包括金屬液體的流動(dòng)性和收縮性。型制成鑄件的難易程度，包括金屬液體的流動(dòng)性和收縮性。 2 2）鍛造性能。）鍛造性能。 指金屬材料在鍛造過程中承受壓力加工而指金屬材料在鍛造過程中承受壓力加工而具有的塑性變形能力。具有的塑性變形能力。 3 3）焊接性。）焊接性。 指材料被焊接的難易性質(zhì)。指材料被焊接的難易性質(zhì)。 4 4）切削加工性。）切削加工性。表示對材料進(jìn)行切削的難易程度，可用表示對材料進(jìn)行切削的難易程度，可用切削抗力

34、的大小、加工表面質(zhì)量、排屑的難易程度和切削切削抗力的大小、加工表面質(zhì)量、排屑的難易程度和切削刀具的壽命來衡量。刀具的壽命來衡量。 5 5）熱處理工藝性。）熱處理工藝性。 指標(biāo)有淬硬性、淬透性、淬火變形與指標(biāo)有淬硬性、淬透性、淬火變形與淬裂、表面氧化與脫碳、過熱與過燒、回火穩(wěn)定性與脆性。淬裂、表面氧化與脫碳、過熱與過燒、回火穩(wěn)定性與脆性。 非金屬材料的基本性能包括物理性能、力學(xué)性能、非金屬材料的基本性能包括物理性能、力學(xué)性能、與水有關(guān)和與熱有關(guān)的性能及耐久性。與水有關(guān)和與熱有關(guān)的性能及耐久性。1.2.2 非金屬材料的性能非金屬材料的性能1.2.2.1非金屬材料的力學(xué)性能非金屬材料的力學(xué)性能 非金

35、屬的力學(xué)性能包括強(qiáng)度、剛度、韌性、蠕變性、非金屬的力學(xué)性能包括強(qiáng)度、剛度、韌性、蠕變性、減摩性等，一般高分子材料的塑性、剛度、韌性較鋼低；減摩性等，一般高分子材料的塑性、剛度、韌性較鋼低；但具減摩性。陶瓷在常溫下不具塑性，沖擊韌度、斷裂韌但具減摩性。陶瓷在常溫下不具塑性，沖擊韌度、斷裂韌度、抗拉強(qiáng)度比金屬低。度、抗拉強(qiáng)度比金屬低。 1 1）強(qiáng)度。）強(qiáng)度。金屬材料一般用拉伸試驗(yàn)測定，而脆性材金屬材料一般用拉伸試驗(yàn)測定，而脆性材料如陶瓷和玻璃采用彎曲試驗(yàn)，高聚合物的應(yīng)力料如陶瓷和玻璃采用彎曲試驗(yàn)，高聚合物的應(yīng)力應(yīng)變用應(yīng)變用拉伸試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)。 強(qiáng)度和變形的概念與金屬材料相同，不同處如下：強(qiáng)度和變形

36、的概念與金屬材料相同，不同處如下： 2 2）變形。）變形。除彈性變形、塑性變形、彈性模量外，還除彈性變形、塑性變形、彈性模量外，還有徐變（蠕變）、松弛。徐變指材料在恒定載荷的作用下，有徐變（蠕變）、松弛。徐變指材料在恒定載荷的作用下，隨時(shí)間的延長而變形不斷增長的現(xiàn)象。松弛指總的變形不隨時(shí)間的延長而變形不斷增長的現(xiàn)象。松弛指總的變形不變，但塑性變形增大，彈性變形減小，載荷與應(yīng)力逐漸降變，但塑性變形增大，彈性變形減小，載荷與應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象。低的現(xiàn)象。 1.2.2.2 非金屬材料的物理性能非金屬材料的物理性能1 1）松散密度。）松散密度。 材料在自然狀態(tài)下包括孔隙或空隙在內(nèi)的材料在自然狀態(tài)下包括

37、孔隙或空隙在內(nèi)的單位體積的質(zhì)量單位體積的質(zhì)量。即。即00Vm2）密度密度。 材料在絕對密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。材料在絕對密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。式中式中 松散密度（松散密度（kg/m3 ） ； 材料的質(zhì)量（材料的質(zhì)量（kg）；）； 材料在自然狀態(tài)下的體積（材料在自然狀態(tài)下的體積（m3 ） 。 0m0V3 3）孔隙。）孔隙。 用孔隙率作為衡量指標(biāo)，即材料內(nèi)部空隙體用孔隙率作為衡量指標(biāo)，即材料內(nèi)部空隙體積占材料總體積的百分比。積占材料總體積的百分比。4 4）材料的脹縮：）材料的脹縮：指由于大氣中溫度、濕度變化或其他介質(zhì)指由于大氣中溫度、濕度變化或其他介質(zhì)的作用而導(dǎo)致的材料的膨脹或收縮。的作用而

38、導(dǎo)致的材料的膨脹或收縮。 1.2.2.3 與水有關(guān)的性能與水有關(guān)的性能 水對材料性能有很大影響，特別對強(qiáng)度，抗腐蝕性、水對材料性能有很大影響，特別對強(qiáng)度，抗腐蝕性、耐久性。主要有親水性、吸水性、耐水性、抗?jié)B性。耐久性。主要有親水性、吸水性、耐水性、抗?jié)B性。 1）親水性。）親水性。材料在空氣中與水接觸，如果材料分子與水材料在空氣中與水接觸，如果材料分子與水分子之間的附著力大于水分子之間的內(nèi)聚力，水就能濕潤分子之間的附著力大于水分子之間的內(nèi)聚力，水就能濕潤材料的表面，三相（材料、水、空氣）交點(diǎn)處，沿水滴表材料的表面，三相（材料、水、空氣）交點(diǎn)處，沿水滴表面的切線與材料表面的夾角面的切線與材料表面的

39、夾角 叫濕潤角，如果叫濕潤角，如果 為親為親水性材料；反之為憎水性材料。水性材料；反之為憎水性材料。090 2）吸水性。）吸水性。指材料吸收水分的能力。材料吸水達(dá)到飽指材料吸收水分的能力。材料吸水達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的含水率叫吸水率。他與孔隙率和孔隙特征有關(guān)。和狀態(tài)時(shí)的含水率叫吸水率。他與孔隙率和孔隙特征有關(guān)。 3 3）耐水性。）耐水性。指材料長期在水的作用下，其強(qiáng)度不顯著指材料長期在水的作用下，其強(qiáng)度不顯著降低的性能。降低的性能。 4 4）抗?jié)B性。）抗?jié)B性。指材料抵抗壓力水滲透的性能。指材料抵抗壓力水滲透的性能。 1 1）導(dǎo)熱性。）導(dǎo)熱性。與金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)相同。與金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)相同。 1.

40、2.2.4 與熱有關(guān)的性能與熱有關(guān)的性能 2 2）熱容。）熱容。指材料在加熱時(shí)能吸收熱量，冷卻時(shí)能放出熱指材料在加熱時(shí)能吸收熱量，冷卻時(shí)能放出熱量的性質(zhì)，單位質(zhì)量材料每升高一度所需要的熱量稱為比量的性質(zhì)，單位質(zhì)量材料每升高一度所需要的熱量稱為比熱容熱容c(J/kgK)。 3 3）耐熱性。）耐熱性。指材料長期在熱環(huán)境下抵抗熱破壞的能力。指材料長期在熱環(huán)境下抵抗熱破壞的能力。4 4）耐燃性。）耐燃性。指材料對火焰和高溫的抵抗性能；可分為不指材料對火焰和高溫的抵抗性能；可分為不燃材料、難燃材料，易燃材料。燃材料、難燃材料，易燃材料。 5 5）耐火性。）耐火性。指材料長期抵抗高熱而不熔化的性能，耐熔性

41、，指材料長期抵抗高熱而不熔化的性能，耐熔性，耐火材料還應(yīng)不變形，能承載；分為耐火材料、難熔材料、耐火材料還應(yīng)不變形，能承載；分為耐火材料、難熔材料、易熔材料。易熔材料。 思考題思考題1. 解釋下列名詞術(shù)語：晶體、晶格、過冷、固溶體、解釋下列名詞術(shù)語：晶體、晶格、過冷、固溶體、化合物、機(jī)械混合物。化合物、機(jī)械混合物。3. 何謂硬度，硬度實(shí)驗(yàn)方法主要有哪幾種？并簡單介何謂硬度，硬度實(shí)驗(yàn)方法主要有哪幾種？并簡單介紹其中一種。紹其中一種。4. 材料的工藝性能包括哪幾種？材料的工藝性能包括哪幾種？5. 非金屬材料與水和熱有關(guān)的性能主要有？非金屬材料與水和熱有關(guān)的性能主要有？2. 試述純金屬的結(jié)晶過程。試

42、述純金屬的結(jié)晶過程。第第3節(jié)節(jié) 鐵碳合金鐵碳合金FeFeFeC912C1394C1538000 純鐵液體（體心立方晶格）（體心立方晶格）（面心立方晶格）（面心立方晶格）（體心立方晶格）（體心立方晶格）1.3.1 鐵碳合金的基本組織和性能鐵碳合金的基本組織和性能1. 鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變 金屬在固態(tài)下發(fā)生的晶格結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變叫同素異晶金屬在固態(tài)下發(fā)生的晶格結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變叫同素異晶（構(gòu)）轉(zhuǎn)變。金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變也是一種結(jié)晶過程，（構(gòu)）轉(zhuǎn)變。金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變也是一種結(jié)晶過程，有一定的轉(zhuǎn)變溫度和過冷度；也有晶核的形成和長大兩有一定的轉(zhuǎn)變溫度和過冷度；也有晶核的形成和長大兩個(gè)階段。故同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變又

43、稱為重結(jié)晶。鐵的同素異構(gòu)個(gè)階段。故同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變又稱為重結(jié)晶。鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)缦滤尽＾D(zhuǎn)變?nèi)缦滤尽?.2.鐵素體（鐵素體（F F） 碳溶于碳溶于 中的固溶體，它保持體心立方晶格結(jié)構(gòu)。中的固溶體，它保持體心立方晶格結(jié)構(gòu)。其顯微組織其顯微組織如圖如圖1-151-15，溶解度（溶解度（0.008%0.008% 0.02%0.02%），故性質(zhì)接），故性質(zhì)接近純鐵，強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好。近純鐵，強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好。 Fe3.3.奧氏體（奧氏體（A A） 碳溶于碳溶于 中的固溶體，保持面心立方晶格結(jié)構(gòu)。其中的固溶體，保持面心立方晶格結(jié)構(gòu)。其顯微組織顯微組織如圖如圖1-161-16，溶解度（

44、，溶解度（0.77%0.77% 2.11%2.11%），其強(qiáng)度和），其強(qiáng)度和硬度略高于鐵素體，塑性、韌性較好。硬度略高于鐵素體，塑性、韌性較好。 Fe4.4.滲碳體（滲碳體（FeFe3 3C C） 鐵和碳組成的金屬化合物，復(fù)雜斜方晶體結(jié)構(gòu)。含碳量鐵和碳組成的金屬化合物，復(fù)雜斜方晶體結(jié)構(gòu)。含碳量為為6.69%6.69%，其硬度很高，塑性、韌性幾乎為零，脆性極大，其硬度很高，塑性、韌性幾乎為零，脆性極大，在一定條件下分解為鐵和石墨。在一定條件下分解為鐵和石墨。 6.6.萊氏體萊氏體LdLd 萊氏體萊氏體在在7277270 0C C以上，由奧氏體與滲碳體組成的機(jī)械以上，由奧氏體與滲碳體組成的機(jī)械混合

45、物，稱為高溫萊氏體混合物，稱為高溫萊氏體LdLd；在；在7277270 0C C以下，該組織轉(zhuǎn)變以下，該組織轉(zhuǎn)變?yōu)橛芍楣怏w與滲碳體組成的機(jī)械混合物，稱為低溫萊氏體為由珠光體與滲碳體組成的機(jī)械混合物，稱為低溫萊氏體LdLd。其顯微組織。其顯微組織如圖如圖1-181-18，其力學(xué)性能與滲碳體相似，其力學(xué)性能與滲碳體相似，硬度較高，脆性較大。硬度較高，脆性較大。 5.5.珠光體珠光體P P 珠光體珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物。其顯微組織是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物。其顯微組織如圖如圖1-171-17，珠光體強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于滲碳珠光體強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間

46、。體和鐵素體之間。 1.3.2 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖 鐵碳合金相圖：鐵碳合金相圖：表示在平衡狀態(tài)下鐵碳合金的化學(xué)成表示在平衡狀態(tài)下鐵碳合金的化學(xué)成分、相、組織與溫度的關(guān)系圖。利用它可以研究鋼和鑄鐵分、相、組織與溫度的關(guān)系圖。利用它可以研究鋼和鑄鐵的內(nèi)部組織及其變化規(guī)律，從而為更好的利用它們，并為的內(nèi)部組織及其變化規(guī)律，從而為更好的利用它們，并為制定熱處理、壓力加工等工藝規(guī)程打下基礎(chǔ)。在工程中一制定熱處理、壓力加工等工藝規(guī)程打下基礎(chǔ)。在工程中一般研究的鐵碳合金狀態(tài)圖實(shí)際上都是鐵與滲碳體兩組元構(gòu)般研究的鐵碳合金狀態(tài)圖實(shí)際上都是鐵與滲碳體兩組元構(gòu)成的狀態(tài)圖，如圖成的狀態(tài)圖，如圖1-191-19所

47、示。所示。 鋼：鋼：含碳量小于含碳量小于2.11%的鐵碳合金；的鐵碳合金； 鑄鐵：鑄鐵：含碳量大于含碳量大于2.11%的鐵碳合金。的鐵碳合金。 圖圖1-19 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖LL+AAF+AFF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+LdA+Fe3CIIA+Fe3CII+LdLdLdL+Fe3CILd+Fe3CILd+Fe3CI 相圖上的特性線和點(diǎn)如下：相圖上的特性線和點(diǎn)如下： 2）AECFAECF線（固相線）線（固相線）。當(dāng)合金冷卻到此線時(shí)，金屬液全。當(dāng)合金冷卻到此線時(shí)，金屬液全部結(jié)晶為固相，在此線以下區(qū)域?yàn)楣滔唷２拷Y(jié)晶為固相，在此線以下區(qū)域?yàn)楣滔唷?1）ACDACD線（液相線）線（

48、液相線）。當(dāng)金屬液冷卻到此線時(shí)開始結(jié)晶，。當(dāng)金屬液冷卻到此線時(shí)開始結(jié)晶，在此線以上區(qū)域?yàn)橐合?。在此線以上區(qū)域?yàn)橐合唷?由于圖中左上角部分在實(shí)用中用處不大，故不予分析。由于圖中左上角部分在實(shí)用中用處不大，故不予分析。3）A A點(diǎn)點(diǎn)。純鐵的熔點(diǎn)（。純鐵的熔點(diǎn)（153815380 0C C）。）。4 4）D D點(diǎn)點(diǎn)。滲碳體的熔點(diǎn)（。滲碳體的熔點(diǎn)（122712270 0C C）。）。 5 5）C C點(diǎn)點(diǎn)。共晶點(diǎn)，溫度。共晶點(diǎn)，溫度114811480 0C C，成分，成分4.3%4.3%C C。共晶：共晶：指合指合金在一定的條件金在一定的條件( (溫度、成分溫度、成分) )下，由液體合金中同時(shí)結(jié)下，由液

49、體合金中同時(shí)結(jié)晶出兩種不同的晶體，而形成一種特殊的共晶體組織的晶出兩種不同的晶體，而形成一種特殊的共晶體組織的轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變。即即 6.69%C32.11%C4.3%CC11484.3%CCFeALdL06 6）ECFECF線（共晶線）線（共晶線）。含碳量在。含碳量在2.11%2.11%6.69%6.69%的鐵碳合金，的鐵碳合金，冷卻到此線時(shí)（冷卻到此線時(shí)（11481148度），將發(fā)生共晶反應(yīng)，同時(shí)結(jié)晶出度），將發(fā)生共晶反應(yīng)，同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的共晶混合物萊氏體。奧氏體和滲碳體的共晶混合物萊氏體。 7 7）ESES線線。是碳在。是碳在 中的溶解度曲線，中的溶解度曲線，E E點(diǎn)表示在點(diǎn)表示在1

50、14811480 0C C時(shí)碳在時(shí)碳在 中的最大溶解度為中的最大溶解度為2.11%2.11%。隨著溫度降。隨著溫度降低，溶解度下降，即含碳量大于低，溶解度下降，即含碳量大于0.77%0.77%的奧氏體冷卻過程的奧氏體冷卻過程中都將從奧氏體中析出滲碳體（次生滲碳體），常稱為中都將從奧氏體中析出滲碳體（次生滲碳體），常稱為A Acmcm線線FeFe8 8）GSGS線線。 是冷卻過程不同含碳量的奧氏體中析出鐵素體的是冷卻過程不同含碳量的奧氏體中析出鐵素體的轉(zhuǎn)變線，常稱為轉(zhuǎn)變線，常稱為A A3 3線。線。1010）PSKPSK線（共析線）。線（共析線）。 含碳量在含碳量在0.02%0.02%6.69%

51、6.69%的鐵碳合的鐵碳合金，冷卻到此線時(shí)（金，冷卻到此線時(shí)（7277270 0C C），將發(fā)生共析反應(yīng)，從奧氏），將發(fā)生共析反應(yīng)，從奧氏體中同時(shí)結(jié)晶出鐵素體和滲碳體的共析混合物珠光體。即體中同時(shí)結(jié)晶出鐵素體和滲碳體的共析混合物珠光體。即A A1 1線。線。 9 9）S S點(diǎn)。共析點(diǎn)，點(diǎn)。共析點(diǎn)，溫度溫度7277270 0C C，成分，成分0.77%0.77%。共析轉(zhuǎn)變：共析轉(zhuǎn)變：指合金在一定條件下，由一種固相轉(zhuǎn)變成兩個(gè)固相的機(jī)指合金在一定條件下，由一種固相轉(zhuǎn)變成兩個(gè)固相的機(jī)械混合物的過程。械混合物的過程。 即：即： 6.69%C30.02%C0.77%C7270.77%CCFeFPA0 C1

52、.3.3 鐵碳合金的組織轉(zhuǎn)變鐵碳合金的組織轉(zhuǎn)變 工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵 含碳量小于含碳量小于0.0218%0.0218%的鐵碳合金，的鐵碳合金， 鋼鋼 含碳量在含碳量在0.0218%0.0218%2.11%2.11%的鐵碳合金，的鐵碳合金， 共析鋼共析鋼 含碳量等于含碳量等于0.77%0.77%， 亞共析鋼亞共析鋼 含碳量小于含碳量小于0.77%0.77%， 過共析鋼過共析鋼 含碳量位于含碳量位于0.77%0.77%2.11%2.11%， 白口鑄鐵白口鑄鐵 含碳量在含碳量在2.11%6.69%的鐵碳合金的鐵碳合金 共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵 含碳量等于含碳量等于4.3% ， 亞共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄

53、鐵 含碳量位于含碳量位于2.11%4.3% 過共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵 含碳量位于含碳量位于4.3%6.69% 1. 鋼的結(jié)晶過程鋼的結(jié)晶過程 為方便起見，按照鐵碳合金的分類，為方便起見，按照鐵碳合金的分類，把相圖分為鋼和白口鐵兩部分；如圖把相圖分為鋼和白口鐵兩部分；如圖1-20為經(jīng)過簡化的鋼的鐵碳合金相圖。下面為經(jīng)過簡化的鋼的鐵碳合金相圖。下面分析其結(jié)晶過程：分析其結(jié)晶過程：1）共析鋼）共析鋼（如圖（如圖I號合金）的結(jié)晶過程號合金）的結(jié)晶過程CFeFPAALL3727ttt0321C 其室溫組織為其室溫組織為珠光體珠光體，為層片狀組，為層片狀組織，具有較高的強(qiáng)度織，具有較高的強(qiáng)度 =800

54、MPa，硬度，硬度HBS=230,塑性較低塑性較低 =12%。b圖圖1-20 鋼的鐵碳合金相圖鋼的鐵碳合金相圖0.772.11C%2）亞共析鋼）亞共析鋼（如圖（如圖II號合金）的結(jié)晶過程號合金）的結(jié)晶過程FAAALL321tttCFeFPF3727t04C 其室溫組織為其室溫組織為鐵素體加珠光體鐵素體加珠光體，其顯，其顯微組織微組織如圖如圖1-21a；其性能介于鐵素體和珠；其性能介于鐵素體和珠光體之間；隨含碳量升高，珠光體量增多，光體之間；隨含碳量升高，珠光體量增多，故強(qiáng)度硬度增加，塑性韌性下降。故強(qiáng)度硬度增加，塑性韌性下降。3）過共析鋼）過共析鋼（如圖（如圖III號合金）的結(jié)晶過程號合金）的

55、結(jié)晶過程II3tttCFeAAALL321CFeFPCFe3II3727t04C其室溫組織為其室溫組織為滲碳體加珠光體滲碳體加珠光體，其顯微組，其顯微組織織如圖如圖1-21b；隨含碳量升高，滲碳體量；隨含碳量升高，滲碳體量增多，故硬度增加，韌性下降。增多，故硬度增加，韌性下降。圖圖1-20 鋼的鐵碳合金相圖鋼的鐵碳合金相圖0.772.11C% 鑄鐵根據(jù)含碳量的不同可分為共晶白鑄鐵根據(jù)含碳量的不同可分為共晶白口鑄鐵（口鑄鐵（4.3%C）、亞共晶白口鑄鐵）、亞共晶白口鑄鐵（ 4.3%C）；其簡化的鐵碳合金相圖如）；其簡化的鐵碳合金相圖如圖圖1-22所示，下面分別分析其結(jié)晶過程。所示，下面分別分析其

56、結(jié)晶過程。2. 白口鑄鐵的結(jié)晶過程白口鑄鐵的結(jié)晶過程圖圖1-22 生鐵的鐵碳合金相圖生鐵的鐵碳合金相圖2.114.36.690C1）共晶白口鑄鐵）共晶白口鑄鐵（如圖（如圖V）的結(jié)晶過程）的結(jié)晶過程CFeCFeALdCFeALdL3II3tt3t211 CFeCFePLd3II3727t02C其室溫組織為其室溫組織為萊氏體萊氏體。 其室溫組織為珠光體加萊氏體。顯其室溫組織為珠光體加萊氏體。顯微組織微組織如圖如圖1-23a。圖圖1-22 生鐵的鐵碳合金相圖生鐵的鐵碳合金相圖2.114.36.690C2）亞共晶白口鑄鐵）亞共晶白口鑄鐵（如圖（如圖IV）的結(jié)晶過程）的結(jié)晶過程CFeALdAALL3tt

57、21CFeCFeALdCFeA3II3II3tt32 CFeCFePLdCFeP3II3II3t33）過共晶白口鑄鐵）過共晶白口鑄鐵（如圖（如圖IIV）的結(jié)晶過程）的結(jié)晶過程I33tI3tCFCFeALdCFLL21eeI33II3ttCFeCFeCFeALd32 I33II3tCFeCFeCFePLd3 其室溫組織為滲碳體加萊氏體。顯其室溫組織為滲碳體加萊氏體。顯微組織微組織如圖如圖1-23b。1.3.4 鐵碳合金相圖的應(yīng)用鐵碳合金相圖的應(yīng)用 1 1）在鑄造中的應(yīng)用。）在鑄造中的應(yīng)用。 根據(jù)相圖可以知道各種成分的鋼和鑄根據(jù)相圖可以知道各種成分的鋼和鑄鐵的結(jié)晶溫度，可確定合金的澆注溫度，知道合

58、金的凝固溫鐵的結(jié)晶溫度，可確定合金的澆注溫度，知道合金的凝固溫度范圍，判斷流動(dòng)性以及縮孔、縮松的傾向。共晶成分的合度范圍，判斷流動(dòng)性以及縮孔、縮松的傾向。共晶成分的合金，結(jié)晶溫度較低，偏析較小，流動(dòng)性好，因而鑄造合金的金，結(jié)晶溫度較低，偏析較小，流動(dòng)性好，因而鑄造合金的成分常選用接近共晶成分。成分常選用接近共晶成分。 2 2）在鍛造中的應(yīng)用。）在鍛造中的應(yīng)用。鋼中有奧氏體組織時(shí)，塑性好，變形鋼中有奧氏體組織時(shí)，塑性好，變形是抗力低，便于塑性變形，故常選擇單相奧氏體區(qū)域的適當(dāng)是抗力低，便于塑性變形，故常選擇單相奧氏體區(qū)域的適當(dāng)溫度范圍。溫度范圍。 3 3）在熱處理中的應(yīng)用。）在熱處理中的應(yīng)用。

59、相圖反映了不同成分的合金在緩相圖反映了不同成分的合金在緩慢加熱或冷卻時(shí)，所發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變溫度，是制訂熱處理慢加熱或冷卻時(shí)，所發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變溫度，是制訂熱處理工藝的依據(jù)。工藝的依據(jù)。思考題：思考題：1.1.何謂奧氏體、鐵素體、滲碳體、珠光體、萊氏體，它何謂奧氏體、鐵素體、滲碳體、珠光體、萊氏體，它們的性能如何？們的性能如何？2.2.試簡述鐵碳合金狀態(tài)圖中試簡述鐵碳合金狀態(tài)圖中C C點(diǎn)、點(diǎn)、S S點(diǎn)、點(diǎn)、ECFECF線、線、PSKPSK線、線、ESES線和線和GSGS線的物理含義。線的物理含義。3.3.試分析含碳試分析含碳0.4%C0.4%C、0.77%C0.77%C、1.0%C1.0%C、3.0

60、%C3.0%C、4.3%C4.3%C和和5.0%C5.0%C的合金在極緩慢冷卻時(shí)組織的轉(zhuǎn)變過程，并指出其的合金在極緩慢冷卻時(shí)組織的轉(zhuǎn)變過程，并指出其室溫組織。室溫組織。 第第4節(jié)節(jié) 常用工程材料常用工程材料1.4.1 1.4.1 常用工程材料的分類常用工程材料的分類 工工程程 材材料料金屬材料金屬材料碳素鋼碳素鋼合金鋼合金鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼碳素工具鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼合金工具鋼特殊性能鋼特殊性能鋼鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵有色金屬：銅合金、鋁合金等有色金屬：銅合金、鋁合金等非金屬材料非金屬材料高分子材料：塑料、