工程材料及其成形技術(shù)基礎(chǔ)章

關(guān)于工程材料及其成形技術(shù)基礎(chǔ)章第1頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三復(fù)合材料非金屬材料金屬材料機械工程材料工程材料：用于機械、電子、建筑、化工和航空航天等領(lǐng)域的材料統(tǒng)稱為工程材料。機械工程材料：

用來制造各種機電產(chǎn)品的材料統(tǒng)稱為機械工程材料。概述第2頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三概述材料的發(fā)展過程

石斧青銅鼎神舟飛船

滄州鐵獅子石器時代銅器時代鐵器時代復(fù)合材料第3頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三概述工程材料的發(fā)展過程40-50年代:材料的發(fā)展主要圍繞著機械制造業(yè)，因此，主要發(fā)展以一般力學(xué)性能為主的金屬材料50-60年代:壓力容器向高強度方向發(fā)展更快，發(fā)展了高強度低合金鋼60年代以后:由于航空、空間機械和動力機的發(fā)展對材料提出了更苛刻的要求。如高溫、高壓、高的比強度和比模量。

20世紀(jì)后期：新材料特別是非金屬人工合成材料如陶瓷材料、高分子材料及復(fù)合材料快速發(fā)展。高功能化、超高性能化復(fù)合輕量化、智能化第4頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三第一章零件對材料的性能要求化學(xué)成分分類金屬材料有機高分子材料復(fù)合材料陶瓷材料黑色金屬有色金屬輕有色金屬重有色金屬稀有金屬鑄鐵碳鋼合金鋼塑料合成橡膠合成纖維有機膠粘劑及涂料硅酸鹽材料新型陶瓷非金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料機械工程材料第5頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三功能分類功能材料：用于制造實現(xiàn)其他功能的零件的材料結(jié)構(gòu)材料：用于制造實現(xiàn)運動和傳遞動力的零件機械工程材料金屬材料：具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、在具有較高的強度的同時，具有良好的塑性成形性、鑄造性、切削

加工和電加工性等加工性能；通過熱處理及表面

改性可以大幅度(成倍）改變其性能；

1.2工程材料的特征第6頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三有機高分子材料：密度小、強度低（比強度高，高于鋼鐵）

較高的彈性，良好的電絕緣性能，優(yōu)良的

減摩、耐磨和自潤滑性能，優(yōu)良的耐腐蝕

性能（超過不銹鋼），優(yōu)良的透光性和隔

熱、隔音性，加工性好，成本低，但是易老化。注：老化作用：高分子材料在加工、貯存和使用過程中，由于受各種環(huán)境因素的作用而導(dǎo)致性能逐漸變壞，以致喪失使用價值的現(xiàn)象。【輪胎發(fā)生的龜裂、玻璃纖維（起毛）】第7頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三陶瓷材料：是無機非金屬材料，是有一種或多種金屬或非金屬元素形成的具有強離子鍵或共價鍵的化合物。

優(yōu)點：熔點高、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性高，彈性模量大，具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、絕緣、熱膨脹系數(shù)??；缺點：但是抗壓不抗拉，脆性大，不易加工成形；復(fù)合材料：能充分發(fā)揮其組成材料的各自長處，同時在一定程度上克服它們的弱點；第8頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三1.3金屬材料的主要性能機械零件在使用過程中，要受到力學(xué)負(fù)荷諸如拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切以及熱負(fù)荷諸如高溫蠕變、熱應(yīng)力產(chǎn)生的熱疲勞和環(huán)境介質(zhì)的作用諸如腐蝕、摩擦損失，并且還要傳遞力和能。因此，作為構(gòu)成機械零件的金屬材料，應(yīng)具備良好的力學(xué)性能、物理性能、和化學(xué)性能以防止零件早期失效，同時還要有良好的工藝性能。第9頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三1.3.1金屬的力學(xué)性能金屬的力學(xué)性能：材料在外力作用下表現(xiàn)出來的特性，如彈性、塑性、強度、硬度和韌性等。表征和判定金屬力學(xué)性能所用的指標(biāo)和依據(jù)稱為金屬力學(xué)性能的判據(jù)。高溫蠕變疲勞強度低應(yīng)力脆斷彈性強度韌性硬度剛度塑性金屬力學(xué)性能第10頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三1彈性：

即物體在外力作用下改變其形狀和尺寸，當(dāng)外力卸除后物體又回復(fù)到原始形狀和尺寸的特性。彈性的判據(jù)可通過拉伸試驗來測定。圖1－1

拉伸曲線及拉伸試樣

拉伸試驗:即靜拉伸力對試樣軸向拉伸,測量力和相應(yīng)的伸長,一般拉至斷裂以測定其力學(xué)性能的試驗。

第11頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三圖1－2低碳鋼拉伸曲線

彈性極限：即金屬材料不產(chǎn)生塑性變形時所能承受的最大應(yīng)力。拉伸曲線p點對應(yīng)的應(yīng)力σp為彈性極限：σp=Fp/So式中

σp——彈性極限（MPa）；

Fp——試樣產(chǎn)生完全彈性變形時的最大外力（N）；

So——試樣原始橫截面積（mm2）。第12頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三

2剛度：即材料抵抗彈性變形的能力。

剛度的大小以彈性模量來衡量，彈性模量在拉伸曲線上表現(xiàn)為oe段的斜率，即：

E=σ/ε

式中E——彈性模量（MPa）；

σ——應(yīng)力（MPa）；

ε——應(yīng)變。第13頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三3強度：即金屬抵抗永久變形和斷裂的能力。（1）屈服點屈服點：即試樣在拉伸過程中力不斷增加（保持恒定）仍能繼續(xù)伸長（變形）時的應(yīng)力。在拉伸曲線上s點對應(yīng)的應(yīng)力為屈服點。

σs=Fs/S0

式中σs——屈服點（MPa）；

Fs——試樣開始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的（N）；

S0——試樣原始橫截面積（mm2）。第14頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三(2)抗拉強度：即試樣拉斷前承受的最大標(biāo)稱拉應(yīng)力。如圖1-2所示，拉伸曲線上b點對應(yīng)的應(yīng)力為抗拉強度。

σb=Fb/S0

式中σb——抗拉強度（MPa）；

Fb——試樣斷裂前所能承受的最大拉（N）；

S0——試樣原始橫截面積（mm2

）。第15頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三4塑性即斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形的能力。常用的塑性判據(jù)是伸長率和斷面收縮率。第16頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三（1）伸長率即試樣拉斷后標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比。

δ=(L1-L0)/L0×100%

式中δ——伸長率（%）；

L1——試樣拉斷后標(biāo)距（mm)；

L0

——試樣原始標(biāo)距（mm)。第17頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三

（2）斷面收縮率：即試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始的橫截面積的百分比。

Ψ=（S0-S1）/S0×100%式中

Ψ——斷面收縮率（%）；

S1——試樣的原始截面積（mm2）

S0——試樣拉斷后縮頸處的最小橫截面積（mm2)。第18頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三5硬度

即材料抵抗局部變形的能力。

硬度是材料抵抗塑性變形、壓痕的能力，是衡量金屬軟硬的判據(jù)，也是表征力學(xué)性能的一項綜合指標(biāo)。第19頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三（1）布氏硬度試驗

動畫演示第20頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三（2）洛氏硬度試驗（動畫演示)即在初始試驗力及總試驗力先后作用下，將壓頭壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除試驗力，用測量的殘余壓痕深度增量計算硬度的一種壓痕硬度試驗。

第21頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三6韌性

即金屬在斷裂前吸收變形能量的能力。常采用夏比沖擊試驗來測定材料的韌性。

αＫ＝ＡＫ／Ａ＝Ｇ(h1-h2)/A

式中

αＫ——沖擊韌度（J/cm2）ＡＫ——試樣的沖擊吸收功（J)

Ａ——缺口底部橫截面積(mm2)

Ｇ——擺錘重量(Kg)h1——擺錘舉起高度(m)h2——擊斷試樣后升起高度(m)圖１－3夏比沖擊試驗第22頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三金屬材料的物理、化學(xué)性能包括密度、熔點、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁性、熱膨脹性、耐熱性和耐蝕性、光學(xué)性能等。

機械零件的用途不同，對材料的物理、化學(xué)性能要求也不同。光學(xué)性能耐腐蝕導(dǎo)熱性磁性耐熱性熱膨脹性導(dǎo)電性熔點密度金屬的理化性能1.3.2金屬材料的物理、化學(xué)性能第23頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三金屬的工藝性能：即金屬材料對加工工藝的適應(yīng)性。

按加工方法不同，可分為鑄造性能、塑性成形性、焊接性、切削加工性、熱處理工藝性等。

金屬的各種工藝性能將在以后的有關(guān)章節(jié)中作詳細(xì)介紹。鑄造性塑性成形性焊接性金屬的工藝性能1.3.3金屬材料的工藝性能第24頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三1.常用的力學(xué)性能判據(jù)各用什么符號表示？它們的物理含義各是什么？2.測定下列材料或零件的硬度宜采用何種硬度指標(biāo)？熱軋鋼坯青銅鑄件淬硬鋼齒輪薄鋁板灰鑄鐵思考

題3’第25頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三金屬材料高分子材料復(fù)合材料陶瓷材料固體材料第二章材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組織與性能本章主要講解

金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組織與性能

2.1固體材料的分類第26頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三2.2金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶按原子排列的特征，可將固體金屬物質(zhì)分為晶體和非晶體兩大類。晶體：物質(zhì)內(nèi)部的原子是按一定的次序有規(guī)律排列的。如金剛石、石墨等，固態(tài)金屬一般屬于晶體。非晶體：非晶體內(nèi)部的原子則是無規(guī)則排列的，如玻璃、松香和瀝青等。第27頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三晶體的特點：具有固定熔點，各向異性（單晶）特征；非晶體的特點：無固定熔點，其是在一個溫度范圍內(nèi)熔化，各方向上原子聚集密度大致相同，所以表現(xiàn)各向同性；晶體與非晶體在一定條件下互相轉(zhuǎn)化。第28頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三2.2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶格：為了便于理解和描述晶體中原子排列的規(guī)律，可以近似地將晶體中每一個原子看成是一個點，并將各點用假想的線連接起來，就得到一個空間骨架，簡稱晶格，如圖1-4(b)所示。晶胞：即晶格中最小的幾何單元。圖１－4晶體結(jié)構(gòu)示意圖晶體結(jié)構(gòu)晶格晶胞第29頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三

常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格等三種類型。１.體心立方晶格體心立方的晶格是一個立方體，其中心和八個角上各有一個原子，如圖1－5所示。屬于這類晶格的金屬有α-Fe、Cr、W、V等。它們都具有較好的塑性和較大的強度。圖１－5體心立方球體模型及其晶格第30頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三2.面心立方晶格

面心立方晶格的晶胞也是一個立方體，其六個面中心和八個角上各有一個原子，如圖1－5所示。屬于這類晶格的金屬有γ-Fe、Cu、Al、Ni等。

它們都具有較好的塑性。

圖1－6面心立方球體模型及其晶胞第31頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三３.密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞是一個六方柱體，其上下底面的中心和十二個角上各有一個原子，且在六方柱體的中間還有三個原子，如圖1－7所示。屬于這類晶格的金屬有Ｍg、Ｚn、Ｃd、Ｂe等。這類金屬塑性較差。圖1－7密排六方球體模型及其晶胞

第32頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三實際金屬結(jié)構(gòu)并不像晶體那樣規(guī)律和完整，存在晶體缺陷。空位、間隙原子和置換原子（點缺陷）:

導(dǎo)致金屬的強度、電阻等增加，塑性下降，是固溶強化的主要原因。錯位（線缺陷）：高密度的線缺陷是導(dǎo)致加工硬化的主要原因之一；

無數(shù)的位錯滑動導(dǎo)致晶體產(chǎn)生

宏觀塑性變形。晶界（面缺陷）：晶界處的能量較高，穩(wěn)定性差，熔點低，易受腐蝕；在常溫下晶界對位錯的移動有阻礙作用。晶粒越細(xì)（晶粒細(xì)化），晶界對塑性變形的抗力越大，同時晶粒的變形越均勻，致使強度、硬度越高，塑性、韌性越好；在高溫下的穩(wěn)定性差，晶粒越細(xì)，高溫性能就越差。實際金屬結(jié)構(gòu)第33頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三2.2.2金屬的結(jié)晶過程１、金屬的結(jié)晶

即液態(tài)金屬凝固時原子占據(jù)晶格的規(guī)定位置形成晶體的過程。

純金屬的結(jié)晶過程可通過熱分析實驗法得到的溫度與時間的關(guān)系曲線，即冷卻曲線來表示，如圖1-8所示。第34頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三圖1-8純金屬的冷卻曲線T0——理論結(jié)晶溫度Tn——實際結(jié)晶溫度ΔT——過冷度ΔT溫度T0Tn時間第35頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三2、過冷：即熔融金屬冷卻到平衡的凝固點以下而沒有發(fā)生凝固,而是必須冷卻至理論結(jié)晶溫度以下的某個溫度開始結(jié)晶的現(xiàn)象。

過冷度:

理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度的差值稱為過冷度。即：

ΔT=T0-Tn式中ΔT——過冷度（℃）；

T0——金屬的理論結(jié)晶溫度（℃）；

Tn——金屬的實際結(jié)晶溫度（℃）。每一種純金屬的理論結(jié)晶溫度是恒定的。金屬的過冷度不是恒定值，它與冷卻速度有關(guān)。冷卻速度越快，過冷度也越大。第36頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三

3、金屬的結(jié)晶過程

動畫演示

金屬的結(jié)晶過程包括形核和晶核長大兩個階段，并持續(xù)到液相全部轉(zhuǎn)變成固相為止。金屬的結(jié)晶過程動畫演示了金屬從形核、晶體長大直至結(jié)晶完畢整個過程。第37頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三（1）形核：又稱成核，是過冷金屬液中生成晶核的過程，是結(jié)晶的初始階段。形核包括均質(zhì)形核和非均質(zhì)形核兩種方式。1）均質(zhì)形核：又稱自發(fā)形核，是熔融金屬內(nèi)僅因過冷而產(chǎn)生晶核的過程。在一定過冷度下，金屬液中的一些原子自發(fā)聚集在一起，按晶體的固有規(guī)律排列起來形成晶核。

2）非均質(zhì)形核：又稱非自發(fā)形核，是以熔融金屬內(nèi)原有的或加入的異質(zhì)點作為晶核或晶核襯底的形核過程。

形核第38頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三（2）晶核長大：即金屬結(jié)晶時，晶粒長大成為晶體的過程。

結(jié)晶過程中，已經(jīng)形成的晶核不斷長大，同時液態(tài)金屬中又會不斷地產(chǎn)生新的晶核并不斷長大，直至液態(tài)金屬全部消失、長大的晶體互相接觸為止。

晶粒：多晶體材料內(nèi)，晶體學(xué)位向（即原子排列的位向）基本相同的小晶體稱為晶粒。晶界：相鄰晶粒之間的界面稱為晶界。

第39頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三4、晶粒度及其控制晶粒度：指多晶體內(nèi)晶粒的大小，可用晶粒號、晶粒平均直徑、單位面積或單位體積的晶粒數(shù)目來定量表征。（1）晶粒度對金屬力學(xué)性能的影響通常，金屬的晶粒越細(xì)，力學(xué)性能越好。晶粒細(xì)，晶界就多，晶粒間犬牙交錯，相互楔合，從而加強了金屬內(nèi)部的結(jié)合力。（2）細(xì)化晶粒的方法生產(chǎn)中常采用加入形核劑、增大過冷度、動力學(xué)法等來細(xì)化晶粒，以改善金屬材料性能。第40頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三1)加入形核劑加入金屬液中能作為晶核，或雖未能成為晶核但能與液態(tài)金屬中某些元素相互作用產(chǎn)生晶核或有效形核質(zhì)點的添加劑。2）增大過冷度

形核率和晶核長大速度都隨著過冷度的增大而增大，但形核率的增長比長大速率的增加要快，過冷度ΔT越大，單位體積中晶核的數(shù)目越多，故能使晶粒細(xì)化。冷卻速度越大，過冷度也就越大，故可通過增加冷卻速度的方法來使晶粒細(xì)化。第41頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三３）動力學(xué)法通過機械振動、電磁攪拌等方式使金屬中產(chǎn)生對流，從而使生長中的晶核折斷而增加晶核數(shù)目，細(xì)化晶粒。４）其它方法熱處理、塑性變形等方法也能使金屬細(xì)化。第42頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三2.2.3金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：金屬在固態(tài)下隨溫度的變化改變其晶格類型的過程稱為金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。如純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。二次結(jié)晶:金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程與液態(tài)金屬的結(jié)晶過程很相似，也有一定的轉(zhuǎn)變溫度和過冷度，同樣包括晶核的形成和晶核的長大兩個過程，故常稱為重結(jié)晶或二次結(jié)晶。第43頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三2.2.4合金的晶體結(jié)構(gòu)合金：是兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬與非金屬元素所組成的金屬材料。組元：組成合金的最基本的、獨立的單元稱為組元。按照組元的數(shù)目，合金可以分為二元合金、三元合金。

合金的晶體結(jié)構(gòu)比純金屬復(fù)雜，根據(jù)組成合金的組元相互之間作用方式不同，可以形成固溶體、金屬化合物和機械混合物三種結(jié)構(gòu)。組元1組元2組元3合金

第44頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三1.固溶體(1)固容體的類型間隙固溶體：當(dāng)溶質(zhì)原子很小時，只能處于溶劑原子的間隙中，稱為間隙固溶體。如圖1-10a所示。如C、H、O等原子易形成間隙固溶體。置換固溶體：當(dāng)溶質(zhì)和溶劑的原子直徑較接近時，只能替代一部分溶劑原子而占據(jù)溶劑晶格中的某些結(jié)點位置，稱為置換固溶體。如圖1-10b所示。如Fe-Ni、Cu-Ni等。圖1-10a間隙固溶體圖1-10b置換固溶體第45頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三(2)固溶強化固溶強化：通過溶入某種溶質(zhì)元素形成固溶體而使金屬的強度、硬度升高的現(xiàn)象。如圖1-10c、1-10d所示。1-10c間隙固溶體晶格畸變1-10d置換固溶體晶格畸變第46頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三2、金屬化合物：即由兩組元的原子按一定的數(shù)量比相互化合而形成的一種新的具有金屬特性的物質(zhì)。金屬化合物具有與各組元完全不同的復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)，通常具有較高的熔點和硬度，且脆性較大。碳鋼中的Fe３C、合金鋼中的TiC、WC、VC等均屬于金屬化合物。Fe３C的晶格如圖1-11b所示。圖1-11a石墨的晶格圖1-11b滲碳體的晶格第47頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三3、機械混合物：即由純金屬、固溶體或化合物按一定的重量比組成的物質(zhì)。機械混物各組成物的原子仍然按自己原來的晶格形式結(jié)合成晶體，在顯微鏡下可明顯區(qū)別出各組成物的晶粒。機械混合物的力學(xué)性能通常介于各組成物之間，并取決于各組成物的含量、性能、分布和形態(tài)。如碳鋼中的珠光體就是由化合物（滲碳體）和固溶體（鐵素體）組成的機械混合物，其力學(xué)性能介于二者之間。第48頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三思考題1.何謂金屬結(jié)晶？純金屬結(jié)晶有哪些基本規(guī)律？2.生產(chǎn)中常用那些方法細(xì)化晶粒？各類方法使晶粒細(xì)化的機理是什么？3.試分析純鐵的結(jié)晶過程，并指出金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與液態(tài)結(jié)晶的異同點。第49頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三二元合金結(jié)晶圖（自學(xué)）相圖（狀態(tài)圖或平衡圖）：用圖解的方法表示不同溫度、壓力及成分下合金系中各相的平衡關(guān)系。合金在極其緩慢冷卻的條件下的結(jié)晶過程，可以看做平衡的結(jié)晶過程。狀態(tài)取決于溫度和成分。

1、二元相圖的建立：合金的加入使其結(jié)晶溫度變?yōu)橐粋€范圍。

2、二元均晶相圖：凡二元系中的兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均能無限互溶時，其所構(gòu)成的相圖；

3、二元共晶相圖：當(dāng)兩個組元液態(tài)能無限互溶，但固態(tài)只能有限互溶并且發(fā)生共晶反應(yīng)時，其所構(gòu)成的相圖；

4、二元包晶相圖：若兩組元在液態(tài)時無限互溶，在固態(tài)時形成有限固溶體而且發(fā)生包晶反應(yīng)，其所構(gòu)成的相圖。3’第50頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三2.3鐵碳合金

鐵碳合金：以鐵為基體，有不同碳含量的合金，稱為鐵碳合金。碳主要影響鐵碳合金性能的成分。（鐵-碳合金的含碳量最高不超過5%）；

鐵碳合金是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的合金。第51頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三2.3.1鐵碳合金的基本組織（1）鐵碳合金中，固態(tài)時可形成固溶體、化合物、機械混合物（2）鐵碳合金的基本組織有鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體。（3）純鐵：熔點1538℃，有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變；（4）碳：在鐵碳合金中的存在形式有固溶體、金屬化合物、石墨。奧氏體珠光體萊氏體滲碳體鐵素體鐵碳合金第52頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三1.鐵素體

鐵素體：即α-Fe鐵中溶入碳元素構(gòu)成的固溶體，用符號

F或α

表示。它仍保持溶劑α-Fe的的體心立方晶格結(jié)構(gòu)。由于α-Fe內(nèi)原子間的空隙比較小，故溶碳能力極小，在727℃時溶碳能力達(dá)到最大，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%。隨著溫度下降，溶碳量逐步減少，在室溫時只能溶解微量。力學(xué)性能：強度、硬度低，塑性、韌性好。第53頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三

2.奧氏體

奧氏體：即(γ-Fe)中溶入碳元素構(gòu)成的固溶體，用符號

A

或

γ表示。它仍保持γ-Fe的晶體結(jié)構(gòu)。由于γ-Fe內(nèi)原子間的空隙比α-Fe大，故溶碳能力也較大，在1148℃時的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)2.11%。

力學(xué)性能：具有一定的強度，塑性很好。易鍛壓成形。第54頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三3.滲碳體

滲碳體

:化學(xué)式為Fe3C的金屬化合物。滲碳體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69%,晶格結(jié)構(gòu)復(fù)雜。滲碳體在鋼和鑄鐵中，一般以片狀、網(wǎng)狀或球狀存在。它的形狀和分布對鋼的性能影響很大，是鐵碳合金的重要強化物。力學(xué)性能：硬度很高(HV=950~1050)；而脆性大，塑性極差，不能單獨應(yīng)用；在鐵碳合金中起強化作用。

圖1-12滲碳體晶格第55頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三4.珠光體

(金相組織)珠光體

:鐵素體薄層(片)與滲碳薄層(片)交替重疊組成的共析組織,用符號

P

表示,其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77％。珠光體通常是由奧氏體中同時析出鐵素體和滲碳體形成的。力學(xué)性能：介于鐵素體和滲碳體之間,強度較高,塑性較差。第56頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三5.萊氏體(金相組織)萊氏體

:即鑄鐵或高碳高合金鋼中由奧氏體(或其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物)與滲碳體組成的共晶組織，屬于機械混合物，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%。

萊氏體通常在高溫下由奧氏體和滲碳體組成，727℃以下由珠光體和滲碳體組成,分別用符號Ld和L’d表示。力學(xué)性能：與滲碳體相似，硬度很高，塑性極差。第57頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三第58頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三2.3.2鐵碳相圖鐵碳相圖：是用縱坐標(biāo)表示溫度,橫坐標(biāo)表示碳的量分?jǐn)?shù)的鐵碳合金不同相的平衡圖,如圖1-13所示。用途：鐵碳相圖是用實驗方法作出的,是研究鋼和鑄鐵的成分、溫度與組織之間關(guān)系的重要工具，是選材和制定鋼鐵材料鑄造、鍛造和熱處等熱加工工藝的基本依據(jù)。第59頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三圖1-13鐵碳相圖1.鐵碳相圖及其各成分組織示意圖第60頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三符號溫度℃含碳量%

(重量)特性A15380純鐵的熔點C11484.3共晶反應(yīng)點D12276.69滲碳體的熔點E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69滲碳體G9120α-Fe與γ-Fe同素異晶轉(zhuǎn)變點K7276.69滲碳體N13940γ

-Fe與δ-Fe同素異晶轉(zhuǎn)變點P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析反應(yīng)點Q6000.008600℃時碳在α-Fe中的最大溶度

表1－1相圖中主要特性點的含義第61頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三2.鐵碳合金的分類及室溫組織（１）工業(yè)純鐵即w(C)≤0.0218%的鐵碳合金。室溫組織：為鐵素體和極少量的三次滲碳體。鋼白口鑄鐵工業(yè)純鐵鐵碳合金（按質(zhì)量分?jǐn)?shù)）第62頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三(2)鋼鋼：即0.0218%<w(C)≤2.11%的鐵碳合金。按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，鋼可分為共析鋼、亞共析鋼和過共析鋼三類。過共析鋼亞共析鋼共析鋼鋼第63頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三

1)共析鋼

即W(C)=0.77%,室溫組織為珠光體。

2)亞共析鋼即W(C)<0.77%,室溫組織為珠光體和鐵素體。

3)過共析鋼

即W(C)>0.77%,室溫組織為珠光體和二次滲碳體。

第64頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三(3)白口鑄鐵即2.11%<w(C)<6.69%的鐵碳合金。按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，白口鑄鐵可分為共晶白口鑄鐵、亞共晶白口鑄鐵和過共晶白口鑄鐵三類。亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵白口鑄鐵

1）共晶白口鑄鐵

W(C)＝4.3%，室溫組織為萊氏體（Ｌ’d）。

第65頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三2）亞共晶白口鑄鐵W(C)<4.3%，室溫組織為萊氏體（Ｌ’d）、珠光體和二次滲碳體。3）過共晶白口鑄鐵

W(C)>4.3%，室溫組織為萊氏體（Ｌ’d）和一次滲碳體。第66頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三3.典型鐵碳合金的結(jié)晶過程(1)共析鋼結(jié)晶過程

動畫演示

L→L+A→A→P（F+Fe3C）第67頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三(2)亞共析鋼結(jié)晶過程

動畫演示

L→L+A→A→A+F→P+F第68頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三(3)過共析鋼結(jié)晶過程

動畫演示

L→L+A→A→A+Fe3CⅡ→

P+Fe3CⅡ第69頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三(4)共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程

動畫演示L→Ld（A+Fe3C）→Ld（A+Fe3C+Fe3CⅡ）→L’d（P+Fe3C+Fe3CⅡ）第70頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三(5)亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程

動畫演示

L→L+A→Ld+A→Ld+A+Fe3CⅡ

→

L’d+P+Fe3CⅡ第71頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三(6)過共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程

動畫演示

L→L+Fe3CⅠ

→Ld+Fe3CⅠ

→

L’d+Fe3CⅠ第72頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三2.3.3碳對鐵碳合金組織和性能的影響（1）當(dāng)w(c)<0.9%時，隨著含碳量的增加，鋼的強度的硬度不斷提高，而塑性不斷下降，這是由于鋼中珠光體的含量不斷增多，鐵素體的含量不斷減少所致。（2）當(dāng)w(c)>0.9%時，隨著碳含量的不斷增加，鋼的硬度仍不斷升高，但強度和塑性不斷下降，這是由于網(wǎng)狀滲碳體明顯形成并不斷增多所致。（3）在白口鑄鐵部分，隨著含碳量增加，硬度不斷增加，強度不斷下降，而塑性則幾乎為零。這是由于萊氏體或一次滲碳體等脆硬組織不斷增多所致。第73頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三思考題1.比較鐵碳合金各種基本組織的晶體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。2.碳鋼與鑄鐵在成分與組織上有哪些區(qū)別？3.試分析W(C)分別為0.2%、0.77%、1.3%的鐵碳合金自高溫緩慢冷卻至室溫的組織轉(zhuǎn)變過程。4’第74頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三第三章改變材料性能的主要途徑3.1.1概述1）金屬熱處理：采用適當(dāng)?shù)姆绞綄饘俨牧匣蚬ぜM(jìn)行加熱、保溫和冷卻以獲得預(yù)期的組織、結(jié)構(gòu)與性能的工藝。圖1-51所示溫度－時間曲線描述了其基本過程。

圖1-51熱處理工藝曲線示意圖3.1金屬的熱處理第75頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三2）金屬熱處理的目的：不改變工件的形狀，通過改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)來改變性能；消除毛坯缺陷，改善工藝性能，以利于進(jìn)行冷、熱加工；充分發(fā)揮材料的潛力，顯著提高其力學(xué)性能。3）應(yīng)用：機床工業(yè)中，有60－70％的零件需要熱處理；汽車、拖拉機工業(yè)中，有70－80％的零件需要熱處理；各類工具、模具幾乎都要進(jìn)行熱處理。第76頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三4）金屬熱處理的前提條件：

金屬在固態(tài)下可相變、溶解度可變，或處于不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)（諸如：整體熱處理、表面熱處理），或表面可滲入其它元素的材料（化學(xué)熱處理）。第77頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三普通熱處理表面熱處理退火正火淬火回火表面淬火化學(xué)熱處理火焰加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火滲碳滲氮碳氮共滲滲金屬(鋁、鉻等)常用的熱處理方法5）分類第78頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三3.1.2鋼的普通熱處理1.退火1）工藝：將鋼加熱到一定溫度，保溫一定時間，然后緩慢地冷卻到室溫。2）目的：

①降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷變形加工；②細(xì)化晶粒，均勻鋼的組織及成分，改善鋼的性能或為以后的熱處理作準(zhǔn)備；③消除鋼中的殘余內(nèi)應(yīng)力，以防止變形和開裂。

第79頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三完全退火常用的退火方法球化退火去應(yīng)力退火圖1-52碳鋼各種退火和正火工藝示意圖第80頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三

（1）完全退火

工藝：將鋼加熱到Ac3以上20—40℃，保溫一定時間，然后隨爐緩慢冷卻，這種退火方法稱為完全退火。目的：細(xì)化晶粒，降低硬度，消除內(nèi)應(yīng)力。用途：主要用于亞共析鋼和共析鋼的鍛件、鑄件等。第81頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三（2）球化退火

工藝：

將鋼加熱到Ac1以上20—30℃，保溫一定時間，以不大于50℃/h的冷卻速度隨爐冷卻，獲得球狀碳化物的退火方法。目的：

使網(wǎng)狀滲碳體球化，降低硬度，提高韌性，并為淬火作準(zhǔn)備。用途：用于共析鋼及過共析鋼。如碳素工具鋼、合金工具鋼、軸承鋼等。

第82頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三（3）去應(yīng)力退火(又稱低溫退火)工藝：將鋼加熱到略低于A1的溫度(500—650℃)，經(jīng)保溫后緩慢冷卻。特點：鋼的組織不發(fā)生變化，只是消除內(nèi)應(yīng)力。用途：用于鍛造、鑄造、焊接及切削加工后的工件。第83頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三2.正火工藝：將鋼加熱到Ac3或Accm以上30—50℃，保溫一定時間后在空氣中冷卻。目的：

（1)細(xì)化晶粒(比退火更細(xì)）；（2）消除網(wǎng)狀碳化物，為以后的熱處理作準(zhǔn)備；（3）提高低、中碳鋼的硬度，改善切削加工性，消除應(yīng)力。

1-正火2-退火3-球化退火圖1-53退火和正火鋼的硬度值范圍比較第84頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三3.淬火工藝：將鋼加熱到臨界溫度(Ac3或Ac1)以上的適當(dāng)溫度以適當(dāng)方式冷卻，以獲得馬氏體或貝氏體組織的熱處理工藝。

圖1-54碳鋼的淬火加熱溫度范圍圖1－55淬火第85頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三目的：

1）獲得馬氏體組織，提高鋼的硬度和耐磨性；

2）與回火配合，獲得不同強韌性的組織。

淬火介質(zhì)：是控制鋼件冷卻速度，保證淬火質(zhì)量的重要媒介物質(zhì)。水：價廉易得，冷卻速度在650~550℃很快。油：在300~200℃時，冷卻很慢，應(yīng)力小。

第86頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三4.回火（1）工藝：將淬火后的鋼加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。

（2）目的：

1）消除或減小淬火應(yīng)力，

2）穩(wěn)定工件尺寸，防止變形與開裂，

3）調(diào)整淬火件的性能。

第87頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三低溫回火中溫回火高溫回火（3）回火種類1）低溫回火溫度：150~250℃，目的：降低應(yīng)力、脆性，提高塑性、韌性。組織：M回+A殘（少量）。性能：基本保持M的高硬度（58－62HRC）和耐磨性，內(nèi)應(yīng)力和脆性有所降低。應(yīng)用：各種工具、滾動軸承、滲碳件和表面淬火件等。

第88頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三2）中溫回火溫度：250~500℃。目的：提高鋼彈性極限，屈服強度及韌性。組織：回火屈氏體，T回性能：具有較高的彈性極限和屈服點，一定的韌性和硬度（35－45HRC）。應(yīng)用：各種彈簧和模具等。

第89頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三3）高溫回火溫度：500~650℃目的：提高材料綜合力學(xué)性能。組織：回火索氏體S回。性能：具有強度、硬度、塑性和韌性都較好的綜合力學(xué)性能，硬度可達(dá)25—35HRC。應(yīng)用：各種重要結(jié)構(gòu)零件，如各種軸、齒輪、連桿等?！罢{(diào)質(zhì)”=淬火+高溫回火。復(fù)合熱處理。組織：S回，滲碳體呈粒狀。第90頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三3.1.3鋼的表面熱處理與化學(xué)熱處理機械設(shè)備中，有許多零件應(yīng)具有高的硬度和耐磨性，而心部應(yīng)具有足夠的塑性和韌性。故應(yīng)進(jìn)行表面熱處理。(如齒輪、活塞銷、曲軸等)。常用的表面熱處理方法:1.表面淬火工藝：把鋼的表面迅速加熱到淬火溫度，然后快速冷卻，使鋼表面至一定深度轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，而心部組織不變。分類:火焰淬火、感應(yīng)淬火、激光淬火、接觸電阻淬火、電子束淬火等。

第91頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三圖1-56感應(yīng)加熱示意圖圖1-57火焰淬火示意圖1-工件2-燒嘴3-噴水管4-移動方向5-淬硬層第92頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三2.鋼的化學(xué)熱處理

（1）化學(xué)熱處理：將工件放在適當(dāng)?shù)幕钚越橘|(zhì)中加熱，使某些元素滲入工件表層，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理。（2）特點：不僅改變表層組織，同時也改變其化學(xué)成分。（3）基本過程：

1）化學(xué)介質(zhì)的分解；

2）活性原子被吸收和溶解；

3）形成擴散層。（4）化學(xué)熱處理方法：滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲金屬等。

第93頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三

圖1-58離子滲氮裝置示意圖1-密封橡皮棒2-陰極3-工件4-觀察孔5-真空室外殼6-陽極圖1-59氣體滲碳法示意圖第94頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三思考題1.比較鋼的各類普通熱處理工藝的加熱溫度范圍、冷卻方式和目的。2.軸、彈簧、鋸條和扳手各需進(jìn)行何種熱處理？為什么？第95頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三3.2金屬的合金化改性3.2.1合金元素的存在形式固溶體：將合金元素溶于鋼中的鐵素體、奧氏體和馬氏體中，形成合金鐵素體、合金奧氏體和合金馬氏體。起固溶強化的作用?；衔铮汉辖鹪嘏c鋼中的碳、其它合金元素以及常存雜質(zhì)元素之間形成碳化物、金屬間化合物和非金屬夾雜物。游離態(tài)：有些元素難溶于鐵、也不易生成化合物，以游離狀

態(tài)存在；如碳在鋼中可以自由狀態(tài)（石墨）存在。第96頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三3.2.2合金元素的作用

1）形成固溶體，產(chǎn)生固溶強化；

2）形成金屬化合物，產(chǎn)生彌散強化或第二相強化；

3）溶入奧氏體，提高鋼的淬透性；

4）提高鋼的熱穩(wěn)定性，增強鋼在高溫下的強度、硬度和耐磨性；

5）細(xì)化晶粒，產(chǎn)生細(xì)晶強韌化；

6）形成鈍化保護(hù)膜；

7）對奧氏體和鐵素體存在范圍的影響；

8）其他作用。第97頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三3.3金屬的形變強化3.3.1冷塑性變形對金屬組織與性能的影響1）單晶體的塑性變形單晶體塑性變形的基本形式有滑移和孿生，其中滑移是主要的變形方式；實際晶體的滑移是通過滑移面上位錯的運動來實現(xiàn)，無數(shù)位錯的滑移形成了晶體的宏觀塑性變形。

2)多晶體的塑性變形晶界和晶粒方位的影響；多晶體塑性變形的特點。第98頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三3）冷塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的變化形成纖維組織；亞結(jié)構(gòu)細(xì)化；出現(xiàn)擇優(yōu)取向。4）冷塑性變形對金屬性能的變化加工硬化；產(chǎn)生殘余應(yīng)力；各向異性；其它性能變化；第99頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三5）冷塑性變形金屬在加熱時組織與性能的變化冷變形后的金屬在加熱過程中，隨著溫度的升高或加熱時間的延長，其組織和性能一般要經(jīng)歷回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長大3個階段；影響再結(jié)晶后晶粒度的主要因素：

加熱溫度和保溫時間；變形程度。第100頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三3.3.2金屬熱變形、熱塑性變形對金屬組織和性能的影響1）金屬的熱變形和冷變形2）熱塑性變形對金屬組織和性能的影響改善鑄態(tài)組織；形成熱變形纖維組織（流線）；形成帶狀組織。第101頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三3.3有機高分子材料和陶瓷材料的改性簡介化學(xué)改性嵌段共聚改性填充增強改性共混改性接枝共聚改性輻射交聯(lián)改性1）高分子材料的改性

物理改性2）陶瓷材料的改性（自學(xué)）第102頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三高能束電化學(xué)鍍氣相沉積熱噴涂化學(xué)轉(zhuǎn)化膜表面形變強化材料表面改性技術(shù)3.4材料的表面改性技術(shù)簡介8’第103頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三第四章常用金屬材料鑄鐵粉末冶金材料鋁及其合金銅及其合金鋼金屬材料

常用的金屬材料包括鋼、鑄鐵、銅及其合金、鋁及其合金、粉末冶金材料等，其中以鋼和鑄鐵應(yīng)用最為廣泛。圖1-14

蕪湖長江大橋第104頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三4.1鋼1.化學(xué)成分對鋼的力學(xué)性能的影響（1）雜質(zhì)元素的影響：

1)

錳、硅的影響:有益元素.Mn和Si在鋼中大部分溶于鐵素體,起強化作用。Mn能減輕S的有害作用。FeS＋Mn＝MnS＋Fe2)

硫的影響:有害元素,Fe＋S＝FeS，F(xiàn)eS與Fe易形成低熔點的共晶體，可使鋼引起熱脆性。

3)

磷的影響:有害元素，P在鋼中可溶于鐵素體，使鋼強度、硬度增加，塑性、韌性減小，易使鋼產(chǎn)生冷脆現(xiàn)象。但P與Cu同時存在，可提高鋼的耐蝕性和耐磨性。第105頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三

(2)合金元素的影響

合金元素：是為改善鋼的某些性能而在鋼中特意加入的元素,對鋼的力學(xué)性能有很大影響。1)對鋼的強度的影響:

C、Si、Mn產(chǎn)生固溶強化，使鋼的強度提高；

C、N、Cr、Al形成碳化物或氮化物，使鋼的強度和硬度提高；

Nb、V、Al、Ti可細(xì)化晶粒，提高鋼的強度。2）對鋼的韌性的影響:

Nb、V等元素可細(xì)化晶粒,從而也顯著提高鋼的韌性；

C、Si、Mn一般使鋼的韌性降低。第106頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三

2.鋼的分類

(1)按化學(xué)成分分類:

根據(jù)各種合金元素規(guī)定含量界限值,將鋼分為1）非合金鋼（碳素鋼）;普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼。含碳量小于0.25%為低碳鋼，0.25－0.6%為中碳鋼，大于0.6%為高碳鋼;2）低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼;3）合金鋼。

鋼的分類化學(xué)成分質(zhì)量等級主要性能使用特性第107頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三表1-2部分合金元素規(guī)定質(zhì)量分?jǐn)?shù)界限值(%)

合金元素非合金鋼低合金鋼合金鋼Cr<0.300.30~0.50≥0.50

Mn<1.001.00~1.40≥1.40Mo<0.050.05~0.10≥0.10Ni<0.300.30~0.50≥0.50Si<0.500.50~0.90≥0.90第108頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三(2)按主要質(zhì)量等級分類1)普通質(zhì)量鋼：即對生產(chǎn)過程中控制質(zhì)量無特殊規(guī)定的、一般用途的非合金鋼和低合金鋼。S、P含量均小于0.045%。2)優(yōu)質(zhì)鋼:即在生產(chǎn)過程中需要按規(guī)定控制質(zhì)量的鋼,并達(dá)到比普通質(zhì)量鋼較高的質(zhì)量要求。S、P含量均小于0.040%。3）特殊質(zhì)量鋼：即在生產(chǎn)過程中需要嚴(yán)格控制質(zhì)量和性能的鋼,特別是要求嚴(yán)格控制硫、磷等含量和提高純潔度等。S、P含量均小于0.020%。

按質(zhì)量等級普通質(zhì)量鋼優(yōu)質(zhì)鋼特殊質(zhì)量鋼第109頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三(3)按使用特性分類工程結(jié)構(gòu)用鋼耐熱鋼不銹耐蝕鋼機械結(jié)構(gòu)用鋼工具鋼使用特性第110頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三

(1)非合金鋼1)碳素結(jié)構(gòu)鋼

牌號：例如Q235F“Q”表示屈服點;“235”表示屈服點值為235MPa;“F”表示脫氧方法（沸騰鋼）。用途：碳素結(jié)構(gòu)鋼w(C)為0.06%~0.38%。主要用來制造一般工程結(jié)構(gòu)和普通機床零件，通常軋制成各種型材、板材和線材等。3.鋼的牌號和應(yīng)用

第111頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三牌號質(zhì)量等級化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)力學(xué)性能CMnSiSPσs/MPaσb/MPaδ(%)不大于Q195——0.06~0.120.25~0.500.030.0500.045195315~43033Q215A0.09~0.150.25~0.550.300.0500.045215335~45031Q255A0.18~0.280.40~0.700.300.0500.045255410~55024Q275——0.28~0.380.50~0.800.350.0500.045275490~63020表1-3碳素結(jié)構(gòu)鋼部分牌號、成分與力學(xué)性能第112頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三2)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

牌號：是用二位數(shù)字表示，這兩位數(shù)字表示鋼中的平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（萬分?jǐn)?shù)）。例如45鋼表示平均w(C)為0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。若為沸騰鋼，則在牌號后加“F”符號，如08F。若含錳量較高，則在數(shù)字后加“Mn”符號。用途：主要用來制造比較重要的機械零件，如軸、連桿、彈簧等。

20鋼金相組織示意圖第113頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三牌號化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）力學(xué)性能（不小于）應(yīng)用舉例CSiMnσs/MPaσb/MPaδ(%)ψ(%)HBS(熱軋）08F0.05~0.11≤0.030.25~0.502951753560131要求冷成形性和焊接性良好的零件，如沖壓件、焊接件等。200.17~0.230.17~0.370.35~0.654102452555156同上，且用于要求內(nèi)韌外硬的滲碳件。600.57~0.650.17~0.370.50~0.806754001535255經(jīng)淬火和中溫回火具有較高彈性的各類彈簧等。表1-4優(yōu)質(zhì)碳素鋼部分牌號、成份、力學(xué)性能及應(yīng)用舉例第114頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三3）碳素工具鋼牌號：是用規(guī)定符號T（碳字的漢語拼音字首）和數(shù)字表示。

例如T10A“10”表示平均w(C)為1.0%，“A”表示高級優(yōu)質(zhì)。用途:用于制造不受沖擊、高硬度、耐磨的工具，如銼刀、手鋸條、拉絲模等。

T12鋼的金相組織圖1-15

絲錐第115頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三牌號化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）試樣淬火HRC（不小于）應(yīng)用舉例CSiMnT80.75~0.84≤0.35≤0.40（780~800℃，水淬）62承受沖擊，要求較高硬度的工具。如壓縮空氣工具等。T9A0.85~0.94≤0.40（760~780℃,水淬）62韌性中等，硬度高的工具。如沖頭、木工工具，鑿巖工具。T100.95~1.04不受劇烈沖擊、高硬度、耐磨的工具。如沖頭、手鋸條等。T12A1.15~1.24不受沖擊、要求高硬度、高耐磨的工具。如銼刀、量具等。表1-5

碳素工具鋼部分牌號、成份、硬度和應(yīng)用第116頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三(2)低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼牌號：例如Q390A“Q”表示屈服點，“390”表示屈服點值為390MPa，“A”表示質(zhì)量等級為A級。用途：低合金高強度高強度結(jié)構(gòu)鋼一般不用熱處理，綜合力學(xué)性能良好，用于橋梁、船舶、車輛、高壓容器、管道、建筑物等。第117頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三(3)合金鋼1）合金結(jié)構(gòu)鋼牌號：例如60Si2Mn,“60”表示平均w(C)=0.6%，“Si2”表示平均w(Si)=2%，“Mn”表示平均w(Mn)<1.5%。用途：合金結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能優(yōu)于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，常用來制造重要的零件，如齒輪、軸類、彈簧等。例：滲碳鋼，20CrMnTi；調(diào)質(zhì)鋼，40CrMn；彈簧鋼，60Si2Mn。第118頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三2）合金工具鋼牌號：例1：低合金工具鋼:9SiCr“9”表示平均w(C)=0.9%，“Si”表示平均w(Si)<1.5%，“Cr”表示平均w(Cr)<1.5%。用途：合金工具鋼的力學(xué)性能優(yōu)于碳素工具鋼，廣泛用于制造各種刃具、量具、模具等。如鉆頭、絞刀、量塊和沖模等。圖1-16

硬質(zhì)合金沖模第119頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三例2：高合金工具鋼

高速鋼：W18Cr4V

平均w(C)為0.7－0.8%;“W18”表示平均w(W)=18%;“Cr4”表示平均w(Cr)=4%;“V”表示平均w(V)＜1.5%;用于制作車刀、刨刀、鉆頭、銑刀等。第120頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三(4)鑄鋼即在凝固過程中不經(jīng)歷共晶轉(zhuǎn)變的用于生產(chǎn)鑄件的鐵基合金。性能特點：鑄鋼的綜合性能和焊接性能均優(yōu)于鑄鐵，用途：主要用于制造承受重載荷及沖擊載荷的構(gòu)件。如鍛錘機架、齒輪、軋輥等。在各類鑄造合金中，鑄鋼的應(yīng)用僅次于鑄鐵。主要分為：鑄造碳鋼和鑄造合金鋼。圖1-17

鑄鋼件第121頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三1)鑄造碳鋼牌號：例如ZG230－450450—бb≥450MPa；

230—бs（σ0.2）≥230MPa；

ZG—

“鑄鋼”漢語拼音首字母。性能特點：有一定的強度和較好的塑性、韌性，焊接性能良好，切削加工性尚好。用途：作砧座、軸承蓋、齒輪等。圖1-18

各種鑄鋼件第122頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三牌號化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）力學(xué)性能（最小值）主要特點及應(yīng)用CSiMnσs(σ0.2)/MPaΣb/MPaδ(%)ZG200－4000.200.500.8020040025塑性、韌性較好，強度、硬度較低，焊接性良好，但鑄造性能差，用于受力不大，韌性要求較高的零件。如機座、機架等。ZG340－6400.600.600.9034064010強度、硬度較高，塑性、韌性較差，焊接性和鑄造性能均差，用于受力較大的耐磨零件。如齒輪、棘輪、車輪等。表1-6鑄造碳鋼部分牌號、成份、力學(xué)性能和應(yīng)用第123頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三2)鑄造合金鋼即為改善性能而添加的合金元素含量超過鑄造碳鋼范圍的鑄鋼。

牌號：例如ZG30MnSi130——W（C）為0.3%左右。

Si——W（Si）為0.9~1.4%Mn——W（Mn）為0.9~1.4%主要特點：耐磨性高。用途：用于受力較大的耐磨零件，如鏈輪、齒輪、承力支架等。第124頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三4.2鑄鐵鑄鐵：在凝固過程中經(jīng)歷共晶轉(zhuǎn)變，用于生產(chǎn)鑄件的鐵基合金的總稱。性能特點：良好的鑄造性能、切削加工性能、耐磨性和減震性，且熔煉工藝與設(shè)備比較簡單，成本低廉。用途：鑄鐵件占鑄件總產(chǎn)量的80%左右。如機床床身、箱體等。w(Si)1.0%~3.0%w(Mn)0.5%~1.3%w(P)≤0.3%w(S)≤0.15%w(C)2.5%~4.0%鑄鐵的化學(xué)成分第125頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三1.鐵碳合金雙重相圖

鑄鐵中，碳的存在形式有滲碳體（Fe3C）和游離狀態(tài)的石墨（G）兩種。鐵碳合金實際上存在兩種相圖：（1）Fe－Fe3C相圖;（2）Fe－G相圖。圖1-19鐵碳雙重相圖

第126頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三2.鑄鐵的石墨化過程(三個過程)

第一階段：高溫石墨化階段，“一次結(jié)晶析出石墨G”1154℃：L4.26→A2.08+G(共晶)第二階段：中間石墨化階段，“二次結(jié)晶析出G”1154-738℃：A→G第三階段：低溫石墨化階段，“共析反應(yīng)析出G”738℃：A0.68→F+G(共析)第127頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三

鑄鐵的組織：

鑄鐵按石墨化程度的不同可獲得三種不同基體的組織：（1）珠光體+石墨，（2）珠光體+鐵素體+石墨，（3）鐵素體+石墨。鐵素體+石墨鐵素體+珠光體+石墨珠光體+石墨鑄鐵組織第128頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三3.影響鑄鐵石墨化的因素影響鑄鐵石墨化的因素主要有化學(xué)成分和冷卻速度。（1）化學(xué)成分碳和硅分別是形成石墨和強烈促進(jìn)石墨化的元素,鑄鐵中碳、硅含量越高，石墨越容易析出;硫強烈阻礙石墨化，且容易增加鑄鐵的熱裂傾向;錳雖然阻礙石墨化，但錳與硫能形成硫化錳，有利于減弱硫的不利影響，而且還能促進(jìn)珠光體形成,強化基體,故鑄鐵中必須含一定量的錳。磷是微弱促進(jìn)石墨化的元素，但會增加鑄鐵的冷脆性。第129頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三（2)冷卻速度1）慢冷：利于石墨析出并長大，形成灰口，2）快冷：石墨來不及析出，碳以Fe3C存在，形成白口。

注：要獲得所需的組織和性能的鑄件，應(yīng)根據(jù)鑄件的壁厚，控制鑄件中碳和硅的含量，配合以適當(dāng)?shù)暮i量，并嚴(yán)格控制硫、磷的含量。第130頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三（3）變質(zhì)處理（孕育處理）變質(zhì)處理：在澆注前向鐵水中加入變質(zhì)劑（孕育劑），如Si－Fe、Si－Ca合金，以增加石墨的結(jié)晶核心，促進(jìn)石墨化，使石墨片細(xì)小、均勻，獲得高強度鑄鐵。變質(zhì)鑄鐵（孕育鑄鐵）即經(jīng)過變質(zhì)處理后所獲得的高強度鑄鐵。

性能特點：強度較高，塑性、韌性得到改善。第131頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三4.鑄鐵的分類、牌號及應(yīng)用

按碳的存在形式和石墨形態(tài)的不同，可以將鑄鐵分為白口鑄鐵、麻口鑄鐵、灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、蠕墨鑄鐵等類型。

鑄鐵按石墨形態(tài)按碳的存在形式白口鑄鐵麻口鑄鐵灰鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵蠕墨鑄鐵第132頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三鑄鐵中常見的石墨形態(tài)（示意圖）鑄鐵中常見的石墨形態(tài)（1）片狀（2）球狀（3）團(tuán)絮狀（4）蠕蟲狀第133頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三

(1)白口鑄鐵

白口鑄鐵：碳以游離碳化物的形式析出的鑄鐵，斷口呈白色。白口鑄鐵硬而脆，難以加工，很少用來制造零件，有時利用其硬而耐磨的特點制造某些耐磨零件，如球磨機的襯板、磨球等。（2）麻口鑄鐵

麻口鑄鐵：碳部分以游離碳化物形式析出，部分以石墨形式析出的鑄鐵，斷口呈灰白色相間。圖1-21灰口鑄鐵圖1-20白口鑄鐵第134頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三（3）灰鑄鐵

灰鑄鐵：又稱片墨鑄鐵，碳主要以片狀石墨形成或析出的鑄鐵。1)灰鑄鐵的性能

①力學(xué)性能較差（相比碳鋼）。②工藝性能

鑄造性能良好，切削加工性能良好，不能進(jìn)行鍛造，焊接性和熱處理性能也差。③其它使用性能

耐磨性好，減震性好，缺口敏感性小。第135頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三2)灰鑄鐵的牌號及應(yīng)用

牌號：例如HT200

“200”：抗拉強度бb≥200MPa，

“HT”：灰鐵的漢語拼音首字母。應(yīng)用：用于制造機座、支架、縫紉機零件、車床床身等。

圖1-22灰鑄鐵件第136頁，講稿共188頁，2023年5月2日，星期三類別牌號鑄件壁厚/cm基體組織最小抗拉強度σb/MPaHBS應(yīng)用舉例普通灰鑄鐵HT1002.5~1010~2020~3030~50F1301009080110~16793~14087~13182~122負(fù)荷很小的不重要零件。如重錘、防護(hù)罩、蓋板等普通灰鑄鐵HT1502.5~