機械制造基礎(chǔ) 第2版 林江 第1、2章 工程材料基礎(chǔ)、鑄造成形

第1章工程材料基礎(chǔ)第一節(jié)金屬材料的結(jié)構(gòu)

第二節(jié)工程材料的性能第三節(jié)鐵碳合金第四節(jié)常用工程材料返回第五節(jié)鋼的熱處理

材料是人類用來制作各種產(chǎn)品的物質(zhì)；機械工程中使用的材料按化學(xué)組成可分為金屬材料、高分子材料、陶瓷材料三大類。

目前在機械工業(yè)中應(yīng)用最廣的仍是金屬材料，因為金屬材料來源豐富，且具有優(yōu)良的力學(xué)性能、物理性能和工藝性能。工程金屬材料又分為純金屬和合金；金屬材料的特性有：強度較高、塑性較好、導(dǎo)電性高、導(dǎo)熱性好、有金屬光澤等。

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、電絕緣、隔音、減震、耐高溫、質(zhì)輕、來源豐富、價廉、成形加工容易等優(yōu)點，近年發(fā)展較快。

材料性能的決定因素：是化學(xué)成分、內(nèi)部組織和狀態(tài)。其中“化學(xué)成分”是改變性能的基礎(chǔ)，“處理”是改變性能的手段，“組織”是性能變化的根據(jù)。

第一節(jié)金屬材料的結(jié)構(gòu)1、晶體：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。2、非晶體:其內(nèi)部原子雜亂無章地不規(guī)則的堆積，如玻璃、瀝青等。

一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)

3、晶體結(jié)構(gòu)：指晶體中原子排列的方式。如圖1-1a所示。

4、晶格：把晶體內(nèi)的每一個原子看成一個小球，把這些小球用線條連接起來，形成一個空間格架，這種空間格架叫晶格。如圖1-1b

所示。5、晶胞：晶格的最小幾何組成單元。如圖1-1c所示。

6、晶格常數(shù)：晶胞中各棱邊的長度，單位為

7、金屬中常見的晶體結(jié)構(gòu)1）體心立方晶格：晶胞是一個正六方體，立方體的八個角上和立方體的中心各有一個原子，如圖1-2a。其原子個數(shù)為：。如鉻、鈉等。

圖1-2a體心立方晶格2）面心立方晶格：晶胞是一個正六方體，立方體的八個角上和立方體的六個面的中心各有一個原子，如圖1-2b。其原子個數(shù)為：。如鋁，銅等。

3）密排六方晶格：晶胞是一個正六方柱體，在六方柱體的十二個角上和上、下底面的中心各有一個原子，在上、下底面之間還均勻分布著三個原子如圖1-2c。其原子個數(shù)為：,如鎂、鋅等。

圖1-2b面心立方晶格圖1-2c密排六方晶格

二、合金的晶體結(jié)構(gòu)

1、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。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，可分為置換固溶體（如黃銅）和間隙固溶體(如鐵素體和奧氏體)，如圖1-3和1-4所示。

合金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性的物質(zhì)。

組元是組成合金的最基本的、獨立的單元。組元可以是金屬、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3類，即固溶體、金屬化合物和機械混合物。

固溶強化：當(dāng)溶質(zhì)原子溶解在溶劑晶體中時，溶劑的晶格將發(fā)生畸變，晶格常數(shù)發(fā)生變化，如圖1-5所示。原子尺寸相差大，化學(xué)性質(zhì)不同，都使畸變增大，結(jié)果合金的強度、硬度和電阻增高，塑性，韌性下降。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)原子的溶入，使基體金屬（溶劑）的強度、硬度升高的現(xiàn)象就叫固溶強化。

2、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)。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脆性。3、機械混合物：由兩種或兩種以上的組元、固溶體或金屬化合物按一定重量比例組成的均勻物質(zhì)稱為機械混合物?；旌衔镏懈鹘M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?；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、分布和形態(tài)。

三、金屬的結(jié)晶：

1、結(jié)晶：指金屬的原子由近程有序狀態(tài)（液態(tài)）轉(zhuǎn)變成長程有序狀態(tài)（晶態(tài)）的過程。2、純金屬結(jié)晶的冷卻曲線：金屬液非常緩慢的冷卻時，記錄溫度隨時間而變化的曲線。如圖1-6：出現(xiàn)水平線段的原因是結(jié)晶時放出大量的結(jié)晶潛熱，補償了金屬向周圍散失的熱量。

3、過冷：在實際結(jié)晶過程中，金屬液只有冷卻到理論結(jié)晶溫度（熔點）以下的某個溫度時才結(jié)晶的現(xiàn)象。理論結(jié)晶溫度和實際結(jié)晶溫度之間的溫度差叫過冷度，它與冷卻速度有關(guān)，冷卻越快，過冷度越大，反之。圖1-6冷卻曲線4、結(jié)晶過程：晶體形核和成長過程。如圖1-7所示，在液體金屬開始結(jié)晶時，在液體中某些區(qū)域形成一些有規(guī)則排列的原子團，成為結(jié)晶的核心，即晶核（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，形成晶粒（成長過程）。在晶體長大的同時，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)金屬也完全消失，結(jié)晶完成。由于各個晶粒成長時的方向不一，大小不等，在晶粒和晶粒之間形成界面，稱為晶界。

圖1-7結(jié)晶過程示意圖5、單晶體：結(jié)晶后，每個晶核長成為一個晶體，稱為單晶體。

6、多晶體：由許多外形不規(guī)則、大小不等、排列位向不相同的小顆粒晶體組成。在多晶體中，這些小顆粒晶體叫晶粒；晶粒與晶粒之間的界面叫晶界。晶粒的大小影響材料的機械、物理、化學(xué)性能，一般情況下，晶粒越細(xì)，強度和硬度越高，塑性和韌性越好。因為晶粒越細(xì)小，晶界就多，晶界處的晶體排列極不規(guī)則，界面犬牙交錯，互相咬合，因而加強了金屬之間的結(jié)合力。

7、細(xì)晶強化：用細(xì)化晶粒的方法來提高金屬材料的機械性能。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，晶粒越細(xì)。而過冷度越大，產(chǎn)生的晶核越多，晶核多，每個晶核長大受到制約，形成的晶粒就越細(xì)小。

為了合理地使用和加工金屬材料，必須了解其使用性能和工藝性能。第二節(jié)工程材料的性能

使用性能：指各個零件或構(gòu)件在正常工作時金屬材料應(yīng)具備的性能，他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)（機械）性能、物理性能、化學(xué)性能。工藝性能：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。包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能。一、金屬材料的性能

金屬材料的剛度、強度、彈性、塑性是通過拉伸實驗來測定的，標(biāo)準(zhǔn)試樣如圖1-8所示，把試樣安裝在拉伸試驗機上，并對試樣施加一個緩慢增加的軸向拉力，試樣產(chǎn)生變形，直至斷裂。力學(xué)性能（機械性能）：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：剛度、強度、彈性、塑性和硬度、沖擊韌度、斷裂韌度和疲勞強度。

（一）金屬材料的力學(xué)性能圖1-8圓形拉伸試樣拉伸曲線：以低碳鋼為例，其拉伸曲線如圖1-9所示，負(fù)荷為縱坐標(biāo)，絕對伸長量為橫坐標(biāo)。圖1-9低碳鋼拉伸曲線1、強度

拉伸曲線oe段是直線，金屬材料處在彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比例關(guān)系，服從虎克定律。其比值稱彈性模量。是衡量材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)。

1）彈性極限：金屬材料產(chǎn)生完全彈性變形時所能承受的最大應(yīng)力值,單位MPa

。即試樣發(fā)生完全彈性變形的最大載荷,N試樣的原始橫截面積,mm22）抗拉強度：當(dāng)負(fù)荷繼續(xù)增加超過s點后，變形量隨著負(fù)荷的增加而急劇增加，當(dāng)負(fù)荷超過b點，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，拉伸變形集中在縮頸處。繼續(xù)施加負(fù)荷，試樣在k點斷裂。材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力，即為抗拉強度（強度極限），它也是試樣能夠保持均勻塑性變形的最大應(yīng)力。

試樣被拉斷前所承受的最大載荷,N試樣的原始橫截面積,mm23）屈服點

：開始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的應(yīng)力稱為屈服點，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。

試樣發(fā)生屈服時的載荷,N試樣的原始橫截面積,mm2條件屈服極限：有些塑性較低的材料沒有明顯的屈服點，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0.2%的塑性變形時所對應(yīng)的應(yīng)力作為材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形時的屈服強度，稱為條件屈服極限。

零件設(shè)計時對塑性材料采用屈服強度；脆性材料采用抗拉強度。

2、塑性：指金屬材料在靜載荷作用時，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)有延伸率和斷面收縮率。1）延伸率：指試樣拉斷后其標(biāo)距長度的相對伸長值。即

試樣斷裂后的標(biāo)距長度；試樣的原始標(biāo)距長度；2）斷面收縮率：指試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大相對收縮值。

試樣斷裂出的最小橫截面積；試樣的原始橫截面積；材料的和的數(shù)值越大，塑性越好。

3、硬度：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。

1）布氏硬度HBS(HBW)：布氏硬度是在布氏硬度計上進行測量的，用一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球為壓頭，以相應(yīng)的實驗力壓入試樣表面，保持規(guī)定的時間后，卸除實驗力，在試樣表面形成壓痕，以壓痕球形表面所承受的平均負(fù)荷作為布氏硬度值，如圖1-10示。

實驗力，kgf；球體直徑，mm；壓痕平均直徑，mm；圖1-10布氏硬度實驗原理圖

在做布氏試驗時，只需測量出d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，為HBS,適用于布氏硬度450以下的材料，壓頭為硬質(zhì)合金球時，為HBW，適用于布氏硬度650以下的材料。優(yōu)點：測量結(jié)果準(zhǔn)確，缺點：壓痕大，不適合成品檢驗。

2）洛氏硬度：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),如圖1-11所示?？梢灾苯訌穆迨嫌捕扔嫷谋肀P上讀出，它是一個相對值，人們規(guī)定每0.002mm壓痕深度為一個洛氏硬度單位。洛氏硬度用HRA、HRB和HRC來表示。HRC采用頂角為120°的金剛石圓錐體為壓頭；施加150kgf的外力，主要用于淬火鋼等較硬材料的測定，常用硬度值為20-67HRC；HRA采用外加載荷為60kgf，用于測量高硬度薄層，常用硬度值為70-85HRA；HRB采用直徑1.588mm的鋼球，100kgf的外加載荷，用于硬度較低的材料，常用硬度值為25-100HRB。優(yōu)點：測量迅速簡便，壓痕小，可在成品零件上檢測。3）維氏硬度HV：測試的基本原理與布氏硬度相同，但壓頭采用錐面夾角136°的金剛石正四棱錐體，維氏硬度試驗所用載荷小，壓痕深度淺，適用于測量零件薄的表面硬化層的硬度；試驗載荷可任意選擇，故可測硬度范圍寬，工作效率較低。4、疲勞強度1）交變應(yīng)力（周期性應(yīng)力）:應(yīng)力的大小、方向周期性變化。有對稱周期性應(yīng)力和非對稱周期性應(yīng)力。2）疲勞：構(gòu)件在低于屈服強度的交變應(yīng)力作用下，經(jīng)過較長時間工作而發(fā)生突然斷裂，而無明顯的塑性變形的現(xiàn)象。3）疲勞曲線：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1-12。圖1-12疲勞曲線4）疲勞極限：由圖可見，應(yīng)力愈高，循環(huán)次數(shù)愈少，反之亦然。當(dāng)應(yīng)力低到一定值時，循環(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)力即為疲勞強度（疲勞極限）。對稱彎曲疲勞極限用表示；無限次當(dāng)然不是數(shù)學(xué)上的無窮大，只是一個很大的數(shù)而已，對于鋼鐵材料為107，有色金屬材料為108

。5、沖擊韌性（度）:指金屬材料抵抗沖擊負(fù)荷的能力，可用擺錘沖擊試驗機來測定金屬材料的沖擊值。如圖1-13，1-14所示。沖擊韌度值可用下式計算：沖擊韌度，J/cm2；沖擊吸收功，J；擺錘重量，N；擺錘抬升高度，m；擺錘沖擊后的高度，m；試樣缺口底部處橫截面積，cm2；

材料的物理性能指不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)就能表現(xiàn)出來的性能，如密度、熔點、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性和磁性。

（二）金屬材料的物理和化學(xué)性能

材料的化學(xué)性能是材料在化學(xué)介質(zhì)的作用下所表現(xiàn)出來的性能。如材料的耐腐蝕性能和抗氧化性能和化學(xué)穩(wěn)定性能。

（三）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)加工工藝要求的能力；按工藝方法的不同，可分為鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能。1、鑄造性能：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性和收縮性。

2、鍛造性能：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。

3、焊接性：指材料被焊接的難易性質(zhì)。

4、切削加工性：表示對材料進行切削的難易程度，可用切削抗力的大小，加工表面質(zhì)量、排屑的難易程度，切削刀具的壽命來衡量。

5、熱處理工藝性：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。

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。二、非金屬材料的性能（一）非金屬材料的力學(xué)性能

非金屬的力學(xué)性能包括強度、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；但具減摩性。陶瓷在常溫下不具塑性，沖擊韌度、斷裂韌度、抗拉強度比金屬低。1、強度：金屬材料一般用拉伸試驗測定，而脆性材料如陶瓷和玻璃采用彎曲試驗，高聚合物的應(yīng)力—應(yīng)變用拉伸試驗。

強度和變形的概念與金屬材料相同，不同處如下：2、變形：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，隨時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)力逐漸降低的現(xiàn)象。

（二）非金屬材料的物理性能1、容重（松散密度）：材料在自然狀態(tài)下包括孔隙或空隙在內(nèi)的單位體積的質(zhì)量；即2、密度：材料在絕對密實狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。即式中——松散密度；單位為kg/m3；

——材料的質(zhì)量，單位為kg；

——材料在自然狀態(tài)下的體積，單位為m3。

3、孔隙：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。即4、材料的脹縮：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。

（三）與水有關(guān)的性能

水對材料性能有很大影響，特別對強度，抗腐蝕性、耐久性。主要有親水性、吸水性、耐水性、抗?jié)B性。

1、親水性：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，水就能濕潤材料的表面，三相（材料、水、空氣）交點處，沿水滴表面的切線與材料表面的夾角叫濕潤角，如果為親水性材料；反之為憎水性材料。

2、吸水性：指材料吸收水分的能力。材料吸水達(dá)到飽和狀態(tài)時的含水率叫吸水率。他與孔隙率和孔隙特征有關(guān)。

3、耐水性：指材料長期在水的作用下，其強度不顯著降低的性能。

4、抗?jié)B性：指材料抵抗壓力水滲透的性能。

1、導(dǎo)熱性：與金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)相同。

（四）與熱有關(guān)的性能

2、熱容：指材料在加熱時能吸收熱量，冷卻時能放出熱量的性質(zhì)，單位質(zhì)量材料每升高一度所需要的熱量稱為比熱容c(J/kg·K)。

3、耐熱性：指材料長期在熱環(huán)境下抵抗熱破壞的能力。熔化與燃燒。

4、耐燃性：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。

5、耐火性：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、易熔材料。

思考題1、解釋下列名詞術(shù)語：晶體、晶格、過冷、固溶體、化合物、機械混合物？3、何謂硬度，硬度實驗方法主要有哪幾種？并簡單介紹其中一種。4、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？2、試述純金屬的結(jié)晶過程？第三節(jié)鐵碳合金（體心立方晶格）（面心立方晶格）（體心立方晶格）一、鐵碳合金的基本組織和性能1、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（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個階段。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?、鐵素體（F）：碳溶于中的固溶體，它保持體心立方晶格結(jié)構(gòu)；其顯微組織如圖1-15，溶解度（0.008%--0.02%），故性質(zhì)接近純鐵，強度、硬度低，塑性、韌性好。

3、奧氏體(A)：碳溶于中的固溶體，保持面心立方晶格結(jié)構(gòu)；其顯微組織如圖1-16，溶解度（0.77%--2.11%）；其強度和硬度略高于鐵素體，塑性、韌性較好。

4、滲碳體(Fe3C)：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6.69%,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。

6、萊氏體Ld：在7270C以上，由奧氏體與滲碳體組成的機械混合物，稱為高溫萊氏體Ld；在7270C以下，該組織轉(zhuǎn)變?yōu)橛芍楣怏w與滲碳體組成的機械混合物，稱為低溫萊氏體Ld’；其顯微組織如圖1-18，其機械性能與滲碳體相似，硬度較高，脆性較大。

5、珠光體P:是鐵素體和滲碳體的機械混合物。其顯微組織如圖1-17，珠光體強度較高，塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間。

二、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)圖實際上都是鐵與滲碳體兩組元構(gòu)成的狀態(tài)圖。如圖1-19所示：鋼：含碳量小于2.11%的鐵碳合金；鑄鐵：含碳量大于2.11%的鐵碳合金。

圖1-19鐵碳合金相圖LL+AAF+AFF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+Ld’A+Fe3CIIA+Fe3CII+LdLdLd’L+Fe3CILd+Fe3CILd’+Fe3CI相圖上的特性線和點如下：

2、AECF線（固相線）：當(dāng)合金冷卻到此線時，金屬液全部結(jié)晶為固相，在此線以下區(qū)域為固相。

1、ACD線（液相線）：當(dāng)金屬液冷卻到此線時開始結(jié)晶，在此線以上區(qū)域為液相。

由于圖中左上角部分在實用中用處不大，故不予分析。3、A點：純鐵的熔點（15380C）；4、D點：滲碳體的熔點（12270C）；

5、C點：共晶點，溫度11480C,成分4.3%C。共晶：指合金在一定的條件(溫度、成分)下，由液體合金中同時結(jié)晶出兩種不同的晶體，而形成一種特殊的共晶體組織的轉(zhuǎn)變。即

6、ECF線（共晶線）：含碳量在2.11%～6.69%的鐵碳合金，冷卻到此線時（1148度），將發(fā)生共晶反應(yīng)，同時結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的共晶混合物萊氏體。

7、ES線：是碳在中的溶解度曲線；E點表示在11480C時碳在中的最大溶解度為2.11%；隨著溫度降低，溶解度下降，即含碳量大于0.77%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Acm線8、GS線：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A3線。10、PSK線（共析線）：含碳量在0.02%～6.69%的鐵碳合金，冷卻到此線時（7270C），將發(fā)生共析反應(yīng)，從奧氏體中同時結(jié)晶出鐵素體和滲碳體的共析混合物珠光體。即A1線。

9、S點：共析點，溫度7270C，成分0.77%；共析轉(zhuǎn)變：指合金在一定條件下，由一種固相轉(zhuǎn)變成兩個固相的機械混合物的過程。即：

三、鐵碳合金的組織轉(zhuǎn)變

工業(yè)純鐵含碳量小于0.0218%的鐵碳合金，鋼含碳量在0.0218%～2.11%的鐵碳合金，

共析鋼

含碳量等于0.77%，

亞共析鋼

含碳量小于0.77%，

過共析鋼

含碳量位于0.77%~2.11%，白口鑄鐵

含碳量在2.11%～6.69%的鐵碳合金

共晶白口鑄鐵

含碳量等于4.3%，

亞共晶白口鑄鐵

含碳量位于2.11%~4.3%

過共晶白口鑄鐵

含碳量位于4.3%～6.69%（一）鋼的結(jié)晶過程

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1-20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：1、共析鋼（如圖I號合金）的結(jié)晶過程

其室溫組織為珠光體，為層片狀組織，具有較高的強度=800MPa，硬度HBS=230,塑性較低=12%。圖1-20鋼的鐵碳合金相圖0.772.11C%2、亞共析鋼（如圖II號合金）的結(jié)晶過程

其室溫組織為鐵素體加珠光體，其顯微組織如圖1-21a；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，故強度硬度增加，塑性韌性下降。3、過共析鋼（如圖III號合金）的結(jié)晶過程其室溫組織為滲碳體加珠光體，其顯微組織如圖1-21b；隨含碳量升高，滲碳體量增多，故硬度增加，韌性下降。圖1-20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口鑄鐵（4.3%C）、亞共晶白口鑄鐵（<4.3%C）、過共晶白口鑄鐵（>4.3%C）；其簡化的鐵碳合金相圖如圖1-22所示，下面分別分析其結(jié)晶過程。（二）白口鑄鐵的結(jié)晶過程圖1-22生鐵的鐵碳合金相圖2.114.36.690C1、共晶白口鑄鐵（如圖V）的結(jié)晶過程其室溫組織為萊氏體。

其室溫組織為珠光體加萊氏體。顯微組織如圖1-23a。圖1-22生鐵的鐵碳合金相圖2.114.36.690C2、亞共晶白口鑄鐵（如圖IV）的結(jié)晶過程3、過共晶白口鑄鐵（如圖IIV）的結(jié)晶過程

其室溫組織為滲碳體加萊氏體。顯微組織如圖1-23b。四、鐵碳合金相圖的應(yīng)用

1、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，流動性好。因而鑄造合金的成分常選用接近共晶成分。

2、在鍛造中的應(yīng)用：鋼中有奧氏體組織時，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)溫度范圍。

3、在熱處理中的應(yīng)用：相圖反映了不同成分的合金在緩慢加熱或冷卻時，所發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變溫度，是制訂熱處理工藝的依據(jù)。思考題：1、何謂奧氏體、鐵素體、滲碳體、珠光體、萊氏體，他們的性能如何？2、試簡述鐵碳合金狀態(tài)圖中C點和S點；ECF線、PSK線、ES線、GS線的物理含義。3、試分析含碳0.4%C、0.77%C、1.0%C、3.0%C、4.3%C、5.0%C的合金在極緩慢冷卻時組織的轉(zhuǎn)變過程，并指出其室溫組織？

第四節(jié)常用工程材料一、常用工程材料的分類

工程材料金屬材料碳素鋼合金鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼特殊性能鋼鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵有色金屬：銅合金、鋁合金等非金屬材料高分子材料：塑料、橡膠、復(fù)合材料等陶瓷材料：普通瓷、氧化鋁陶瓷、氧化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷鋼（一）碳素鋼分類和牌號1）按鋼的含碳量分類：

低碳鋼中碳鋼高碳鋼2）按鋼的質(zhì)量分類：有害雜質(zhì)硫、磷的含量分普通碳素鋼優(yōu)質(zhì)碳素鋼高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼二、常用金屬材料1、分類：3）按用途分為：

碳素結(jié)構(gòu)鋼：

制造各種機器零件及工程構(gòu)件，大都是低碳鋼、中碳鋼，屬普通碳素鋼或優(yōu)質(zhì)碳素鋼。

碳素工具鋼：

制造各種刃具、量具和模具等，大都是高碳鋼，屬優(yōu)質(zhì)鋼或高級優(yōu)質(zhì)鋼。4）按冶煉時脫氧程度的不同分類沸騰鋼：不脫氧的鋼；鎮(zhèn)靜鋼：完全脫氧鋼；半鎮(zhèn)靜鋼：半脫氧鋼。

5）按金相組織分亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼。2、普通碳素結(jié)構(gòu)鋼含碳量在0.06%--0.38%之間，硫、磷含量較高，在供應(yīng)狀態(tài)下使用，不需熱處理；常用于一般工程結(jié)構(gòu)及普通零件。其牌號（表示方法）由代表屈服點的字母Q、屈服點的數(shù)值、質(zhì)量等級符號(A、B、C、D)和脫氧方法符號(F、b、Z、TZ)組成。如Q235--A·F,表示其屈服點為235MPa，質(zhì)量等級為A級，沸騰鋼。3、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：按化學(xué)成分和力學(xué)性能供應(yīng)，雜質(zhì)含量少，表面質(zhì)量、組織結(jié)構(gòu)的均勻性較好，需經(jīng)熱處理；用于重要的零件。其牌號采用兩位數(shù)字來表示，表示該鋼號的平均含碳量的萬分之幾。根據(jù)含錳量不同分為普通含錳量（0.25%-0.8%）和較高含錳量（0.75%-1.2%）兩種，后者加“Mn”；如20鋼為含碳0.2%；65Mn為含碳0.65%，較高含錳量。（二）合金鋼分類和牌號

1、分類：合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼特殊性能鋼建筑及工程用鋼或構(gòu)件用鋼機器制造用鋼滲碳鋼調(diào)質(zhì)鋼彈簧鋼滾動軸承鋼刃具鋼模具鋼量具鋼不銹鋼耐熱鋼耐磨鋼磁鋼1）按用途分2）按合金元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分：3）按所含合金元素種類分為：鉻鋼、錳鋼、鎳鋼、鉻錳鋼、硅錳鋼等。4）按金相組織分為：珠光體鋼、馬氏體鋼、貝氏體鋼、奧氏體鋼。

低合金鋼（合金元素總含量<5%）中合金鋼（合金元素總含量5%-10%）高合金鋼（合金元素總含量>10%）2、合金結(jié)構(gòu)鋼1）低合金結(jié)構(gòu)鋼：Q+×××+質(zhì)量等級符號，如Q345C；Q表示屈服點的“屈”,345表示屈服點數(shù)值，C表示質(zhì)量等級，有A、B、C、D、E五個等級。

2）合金結(jié)構(gòu)鋼：數(shù)字+化學(xué)元素符號+數(shù)字；前面數(shù)字表示鋼的平均含碳量，以萬分之幾表示；后面數(shù)字表示該合金元素的平均含量，以百分之幾表示，但低于1.5%時不標(biāo)；若為高級優(yōu)質(zhì)鋼在最后加“A”字。如60Si2Mn；滾動軸承鋼，GCr15SiMn。4、特殊性能鋼：數(shù)字+化學(xué)元素符號+數(shù)字；前面數(shù)字表示鋼的平均含碳量，以千分之幾表示，但當(dāng)平均含碳量小于等于0.03%時標(biāo)為00，小于等于0.08%時標(biāo)為0；如2Cr13。

3、合金工具鋼：數(shù)字+化學(xué)元素符號+數(shù)字；前面數(shù)字表示鋼的平均含碳量，以千分之幾表示，但高于1.0%時不標(biāo)，高速鋼例外，其低于1.0%時也不標(biāo)；其余同合金結(jié)構(gòu)鋼。如5CrMnMo。

鑄鐵：含碳量大于2.11%的鐵碳合金，一般含碳量2.5%--4.0%；含有較多的硅、錳、硫、磷等雜質(zhì)。

根據(jù)碳在鑄鐵中的存在形態(tài)可分為：

1、白口鑄鐵：即生鐵,碳除少量溶于鐵素體外，絕大部分以滲碳體形式存在，其斷口呈銀白色。特點是硬和脆，難以加工，但耐磨。一般不直接用來制造機器零件，常用作煉鋼原料或制造可鍛鑄鐵件。

2、灰鑄鐵：碳主要以自由狀態(tài)的片狀石墨形態(tài)存在，如圖1-24，斷口為暗灰色。強度低，塑性差，但易切削，減摩消振性好，且鑄造性能好，應(yīng)用最廣泛。

圖1-24片狀石墨（三）鑄鐵和鑄鋼

3、可鍛鑄鐵：碳主要以團絮狀石墨形態(tài)存在，如圖1-25，因而有較高的塑性和韌性。用于受沖擊和振動的薄壁小件。由白口鑄鐵經(jīng)高溫退火處理獲得。

圖1-25團絮狀石墨4、球墨鑄鐵：鐵液在澆注前經(jīng)球化處理，碳大部分或全部以自由狀態(tài)的球狀石墨存在,如圖1-26，有時出現(xiàn)少量團絮狀。強度、塑性均高于可鍛鑄鐵，抗拉強度甚至高于碳鋼。

圖1-26球狀石墨5、鑄鋼：1）鑄鋼件：將鋼液直接鑄成零件毛坯，以后不再進行鍛造的鋼件。常用于要求較高而復(fù)雜的零件。

2）鑄造碳鋼的含碳量在0.20%--0.60%之間，含碳量太高則塑性差，易冷裂；硫、磷含量在0.040%以下。

3）牌號：“ZG+兩組數(shù)字”表示，數(shù)字分別表示最低屈服點和最低抗拉強度的值。如ZG200-400

。（四）有色金屬

純銅的性能特點：具有很高的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，僅次于銀；化學(xué)穩(wěn)定性高，抗大氣腐蝕性好，無磁性，塑性好；但強度低。

工業(yè)生產(chǎn)中通常稱鐵和鐵基合金為黑色金屬，而把鐵和鐵基合金以外的金屬稱為有色金屬。1、銅及銅合金

銅及其合金是人類應(yīng)用最早的金屬，目前工業(yè)上使用的主要有工業(yè)純銅、黃銅、青銅。1）工業(yè)純銅：

純銅呈玫瑰紅色，因表面經(jīng)常形成一層紫紅色的氧化物，俗稱紫銅，電解銅。其熔點為10830C，密度為8.96g/cm3，為面心立方晶格。

牌號：工業(yè)純銅牌號為T+順序號，共有T1,T2,T3,T4；序號越大，純度越低。

2）黃銅

黃銅：以鋅為主要合金元素的銅基合金。它具有良好的力學(xué)性能、加工成形性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，價格較低，是重有色金屬中應(yīng)用最廣的金屬材料。可分為普通和特殊黃銅兩類，按加工方式分為壓力加工黃銅和鑄造黃銅。壓力加工普通黃銅：也叫二元黃銅，是Cu-Zn二元合金。根據(jù)含鋅量分為（小于39%）單相（）黃銅、（39%-45%）雙相（）黃銅；相是鋅溶于銅中的固溶體，溶解度隨溫度的下降而增大，為面心立方晶格，塑性好，可冷熱加工。相是以電子化合物CuZn為基的固溶體，室溫下較脆，但加熱到4500C以上時，塑性良好。其性能隨鋅含量壓力加工特殊黃銅：在銅鋅二元合金的基礎(chǔ)上加入其它合金元素組成的多元合金。常加入硅、鉛、鋁、錳等，稱為硅黃銅、鉛黃銅，鋁黃銅。鉛能改善切削加工性能，提高耐磨性，故鉛黃銅用于鐘表零件；硅能顯著提高黃銅的機械性能、耐蝕性，具良好鑄造性能，用于船舶及化工零件。其牌號為增加，起初強度塑性提高，而后由于出現(xiàn)了相，強度繼續(xù)升高，但塑性下降；直至全部為相時，強度塑性急劇下降。如圖1-27所示。其牌號為H+銅的名義質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如H62。而H70、H68又稱為三七黃銅，因強度高，塑性好常用來制作槍彈殼和炮彈筒，有“彈殼黃銅”之稱。圖1-27黃銅的機械性能與含鋅量的關(guān)系H+主加元素符號+銅及各合金元素的名義質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如HPb59-1。鑄造黃銅：采用鑄造方法來生產(chǎn)的黃銅。其代號為ZCu+合金元素1的化學(xué)符號及其名義質(zhì)量分?jǐn)?shù)+合金元素2級其名義質(zhì)量分?jǐn)?shù)+……。如ZCuZn38（ZH62),ZCuZn40Pb2(ZHPb59-1)。

青銅：除黃銅、白銅以外的銅合金均稱為青銅。工業(yè)上常用的有錫青銅、鋁青銅、鈹青銅等。一般都有高的耐蝕性、較高的導(dǎo)電導(dǎo)熱性及良好的切削加工性。分為壓力加工青銅和鑄造青銅兩類。前者的代號為Q+第一個主加元素的化學(xué)符號及其名義質(zhì)量分?jǐn)?shù)-數(shù)字（其它合金元素的名義質(zhì)量分?jǐn)?shù)），如QSn4-3表示含錫4%，含鋅3%,。后者的代號為ZCu+合金元素1的化學(xué)符號及其名義質(zhì)量分?jǐn)?shù)+合金元素2及其名義質(zhì)量分?jǐn)?shù)+……如ZCuSn10Zn2.3）青銅錫青銅：以錫為主要添加元素的銅基合金。耐蝕、耐磨、強度高、彈性好，常用牌號有QSn4-3等，用于彈簧、軸瓦、襯套等耐磨零件。

鋁青銅：以鋁為主要合金元素的銅基合金。它有良好的力學(xué)性能，耐蝕、耐磨，有良好的鑄造性能，受沖擊無火花。常用牌號有QAl9-4,QAl5等，用于軸套、齒輪、蝸輪、管路配件等。

鈹青銅：以鈹為主要合金元素的銅基合金。有很高的強度、硬度疲勞極限和彈性極限，耐蝕、耐熱、無磁性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，受沖擊無火花，冷熱加工，鑄造性能均好。常用牌號有Qbe2,主要用于制作高級精密的彈性元件，如彈簧、膜片；特殊要求的耐磨零件，如鐘表的齒輪和發(fā)條；高速高溫高壓下的軸承、襯套。

2、鋁及鋁合金

1）工業(yè)純鋁：2）鋁合金

其熔點為660.370C，密度為2.7g/cm3,為面心立方晶格，呈銀白色；強度（=80—100MPa）和硬度(20HBS)很低，塑性(=80%)很高。有良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性。工業(yè)純鋁為L1-L7，其順序數(shù)越大，純度越低。

由于純鋁的強度低，不宜作承力結(jié)構(gòu)材料，向純鋁中加入適量的硅、銅、鎂、鋅、錳等元素，通過固溶強化，沉淀硬化及組織強化，而得到的高強度合金。鋁合金的分類：根據(jù)鋁合金的成分以及生產(chǎn)工藝特點，鋁合金可分為形變鋁合金和鑄造鋁合金。鋁合金的一般類型相圖如圖1-28所示，在D點以左的合金，在加熱到DF線以上時，得到單相固溶體組織，塑性好，適于壓力加工，故稱形變鋁合金；成分在F點以左的合金，冷卻時組織不隨溫度變化，故不能熱處理強化，因而稱為熱處理不能強化鋁合金；在D點以右為鑄造鋁合金。形變鋁合金：在加熱時能形成單相的固溶體，塑性很好，適于冷熱壓力加工的鋁合金。又可分為：熱處理不能強化的鋁合金和熱處理能強化的鋁合金。圖1-28鋁合金狀態(tài)圖的一般類型鑄造鋁合金：含有低熔點的共晶體，液態(tài)流動性較高，適于鑄造的鋁合金。它具有良好的力學(xué)性能，抗蝕性及良好的工藝性能。而且生產(chǎn)工藝較為簡便，成本較低。用途較廣。其合金代號為ZL+三位數(shù)字，第一位為合金系，1位鋁硅系，2位鋁銅系，3位鋁鎂系，4位鋁鋅系，后兩位為順序號。三、非金屬材料

通常認(rèn)為除金屬材料以外的材料都是非金屬材料，主要有高分子材料、陶瓷材料。1、塑料：以有機合成樹脂為主，加入適量的添加劑，在一定溫度和壓力作用下加工成形的玻璃態(tài)高分子材料。

塑料的組成：合成樹脂和某些添加劑。

樹脂：它是低分子化合物經(jīng)聚合反應(yīng)形成的高分子化合物，是塑料的主要成分。其種類、性質(zhì)、含量等對塑料的性能起決定作用。塑料多以樹脂來命名。

添加劑：是在塑料中，有目的加入的某些固態(tài)物質(zhì)，以彌補樹脂自身性能的不足。有：1）填料，為增加塑料的強度而加入的；如木粉、高嶺土、石墨等。2）增塑劑，使大分子鏈的距離拉開，降低分子間的作用力，增加柔順性。如甲酸酯類化合物。3）固化劑，在高聚物中生成橫跨鏈，使分子交聯(lián)，樹脂由線型結(jié)構(gòu)變成體型結(jié)構(gòu)；如乙二胺。4）穩(wěn)定劑，又稱防老化劑，一般加入量在千分之幾，防止過早老化的作用；如硬脂酸鈣。5)其它，按性能要求加入一定量的潤滑劑、染料、發(fā)泡劑、阻燃劑等。塑料的分類：

1）按熱性能分為熱塑性塑料和熱固性塑料。

熱塑性塑料：加熱軟化，可熔成粘稠狀的液體，冷卻時硬化成所需的形狀。再加熱時又重新軟化。如聚氯乙烯，聚酰胺等。

熱固性塑料：樹脂受熱先軟化，繼續(xù)加熱又硬固化，大分子由線型結(jié)構(gòu)變成體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，固化后加熱則不再軟化。如酚醛塑料。

2）按應(yīng)用范圍分：通用塑料、工程塑料、特種塑料

2、橡膠：

是指在很寬的溫度范圍（-50-1500C），均處于高彈態(tài)，在很小的力作用下可發(fā)生很大的彈性變形，外力去除后能瞬間恢復(fù)原來的狀態(tài)的經(jīng)過硫化，并加入了配合劑的高分子材料。

橡膠的組成：生產(chǎn)中把未經(jīng)硫化的天然膠與合成膠稱為生膠，硫化后的膠稱為橡膠。為提高橡膠制品的性能，常添加各種配合劑。

1）硫化劑：使生膠分子相互交聯(lián)成為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，天然橡膠中常加硫磺，合成橡膠則還要加入過氧化物及金屬氧化物。2）促進劑：常選用有機化合物，以縮短硫化時間，降低硫化溫度。3）軟化劑，常選用硬脂酸，精制蠟、凡士林等，增加橡膠的塑性，改善粘附力，降低硬度和提高耐寒性。4）補強劑，常選用碳黑、白碳黑，以提高強度，硬度，增強耐磨性。橡膠的分類：按來源分為天然橡膠和合成橡膠兩大類。

常用橡膠有：天然橡膠，丁苯橡膠，順丁橡膠。特種橡膠有；聚胺脂橡膠，硅橡膠等。

3、陶瓷：陶瓷是陶器和瓷器的總稱，發(fā)展到近代泛指全部硅酸鹽材料，而現(xiàn)代則擴展到所有無機非金屬材料。它與金屬材料，高分子材料構(gòu)成三大固體材料。

陶瓷是由金屬元素和非金屬元素的化合物構(gòu)成的多晶材料，其顯微組織是由晶相、玻璃相、氣相組成的。

陶瓷生產(chǎn)工藝特點：先成形，后燒結(jié)。如傳統(tǒng)陶瓷選用天然原料，粘土，高嶺土等，經(jīng)粉碎，成形，干燥，燒結(jié)而成。

常用工業(yè)陶瓷的分類：

1）普通陶瓷:粘土類陶瓷，以高嶺土、長石、石英為原料制成，產(chǎn)量大，應(yīng)用廣；日用陶瓷、瓷器，建筑業(yè)等。2）氧化鋁陶瓷：以Al2O3位主要成分的陶瓷，也稱高鋁陶瓷；其熔點高，耐高溫，并有較高的強度、硬度及耐磨性，但脆性大。用于制造耐高溫材料、刀具材料和電絕緣材料。

3）碳化硅陶瓷：以碳化硅為主要成分的陶瓷；具有優(yōu)異的高溫強度，良好的熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐蝕性及抗蠕變性。主要用于制造熱電偶套管、爐管、火箭噴嘴、高溫軸承、熱交換器、砂輪、磨料等。4）氮化硅陶瓷：以氮化硅為主要成分的陶瓷；穩(wěn)定性極強，除氫氟酸外，能耐各種酸、堿的腐蝕，具有良好的耐磨性，摩擦系數(shù)和熱膨脹系數(shù)小，具有自潤滑性。用于制造耐磨、耐腐蝕、耐高溫、絕緣及切削刀具等。第五節(jié)鋼的熱處理

熱處理：將固態(tài)金屬或合金在一定介質(zhì)中加熱、保溫和冷卻，以改變其整體或表面組織，從而獲得所需性能的工藝方法。

熱處理的三個階段：加熱、保溫、冷卻。如圖1-29所示是最基本的熱處理工藝曲線。溫度加熱保溫冷卻時間圖1-29熱處理工藝曲線1、加熱和冷卻時的轉(zhuǎn)變溫度

要使鋼的組織發(fā)生變化，必須加熱到相變溫度以上。相變溫度可由相圖來確定。但在實際加熱和冷卻時，合金有過冷和過熱現(xiàn)象，如圖1-30所示，加熱時實際相變溫度偏高，冷卻時偏低。加熱和冷卻速度越快，偏離越嚴(yán)重。常用、、表時加熱時偏離的相變溫度。用、、表示冷卻時偏離的相變溫度。

圖1-30加熱（冷卻）時相變溫度一、熱處理過程中的組織轉(zhuǎn)變2、鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變

奧氏體化：為使熱處理獲得所需的性能，將鋼加熱到臨界溫度以上，使室溫組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻膴W氏體的過程。

奧氏體的形成

以共析鋼為例：共析鋼室溫時為珠光體（F+Fe3C），當(dāng)加熱到以上時，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。其過程如下：2）奧氏體晶核長大：通過原子擴散，使?jié)B碳體不斷溶解和鐵素體晶格由體心立方晶格改組為面心立方晶格。

1）奧氏體晶核形成：首先在鐵素體和滲碳體的晶界上出現(xiàn)奧氏體晶核，因為相界面的原子排列紊亂，晶體缺陷較多，易于形核；

3）殘余滲碳體的溶解：鐵素體先消失，滲碳體繼續(xù)向奧氏體溶解完；

4）奧氏體均勻化：殘余滲碳體溶解完后，碳的濃度并不均勻，在原來滲碳體的地方碳含量高，鐵素體處低，保溫一定時間，碳原子擴散，得到均勻的奧氏體組織。

亞共析鋼和過共析鋼，加熱到時，只有珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，隨著加熱溫度升高，鐵素體和二次滲碳體才不斷向奧氏體轉(zhuǎn)變，到加熱溫度超過或時，才全部轉(zhuǎn)變成奧氏體。珠光體組織比較細(xì)密，形成奧氏體的晶核較多，因而珠光體剛轉(zhuǎn)變成奧氏體時，其晶粒比較細(xì)小。但若升高溫度或保溫時間過長，晶粒將長大。

3、鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變

熱處理工藝中常用的冷卻方式：連續(xù)冷卻、等溫冷卻。

鋼經(jīng)奧氏體化后，冷卻條件不同，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織結(jié)構(gòu)、性能均不同。

1）連續(xù)冷卻：將已奧氏體化的鋼以某種速度連續(xù)冷卻，使其在臨界點以下變溫連續(xù)轉(zhuǎn)變。

2）等溫冷卻：將已奧氏體化的鋼迅速冷卻到相變點以下的某個溫度，進行保溫，使過冷奧氏體在該溫度下恒溫轉(zhuǎn)變。注：過冷奧氏體：冷卻至A1以下尚未轉(zhuǎn)變的奧氏體，是暫時存在的，處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體。

下面以共析鋼為例，分析奧氏體在不同溫度下冷卻時的組織轉(zhuǎn)變。

奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖：將不同等溫轉(zhuǎn)變過程中奧氏體轉(zhuǎn)變開始和終結(jié)時間，標(biāo)注在溫度時間坐標(biāo)系中，分別連接開始轉(zhuǎn)變點和終結(jié)點，所得的圖即為等溫轉(zhuǎn)變曲線圖，共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖如圖1-31所示。A1為奧氏體轉(zhuǎn)變的臨界溫度，此線以上為奧氏體穩(wěn)定區(qū)；左邊的一條C曲線為過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變開始線；其左方為過冷奧氏體區(qū)；右邊的一條C曲線為過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變終結(jié)線；其右方為轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)，中間為轉(zhuǎn)變區(qū)；下方的兩條水平線分別為圖1-31共析鋼等溫轉(zhuǎn)變圖

依據(jù)等溫轉(zhuǎn)變圖，奧氏體的轉(zhuǎn)變過程如下：馬氏體轉(zhuǎn)變開始線（Ms=2300C)和終結(jié)線（Mf=-500C)。由圖可知，過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的孕育期不同，以轉(zhuǎn)變開始線與縱坐標(biāo)的距離來表示，孕育期越長，過冷奧氏越穩(wěn)定；C曲線鼻尖部位（約5500C）,轉(zhuǎn)變最快。圖3-3共析鋼等溫轉(zhuǎn)變圖1）高溫轉(zhuǎn)變（珠光體轉(zhuǎn)變）：在A1線至5500C，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體與滲碳體片層相間的珠光體型組織；其中在A1～6500C為粗片狀珠光體，硬度在17-23HRC；6500C～6000C為較細(xì)片狀珠光體，亦稱索氏體；硬度在23-32HRC。6000C～5500C為極細(xì)片狀珠光體，亦稱托氏體；硬度在33-40HRC。層片越細(xì)，強度、硬度越高、塑性韌性越好。2）中溫轉(zhuǎn)變（貝氏體轉(zhuǎn)變）：在5500C～Ms溫度范圍內(nèi)，得到過量碳濃度的鐵素體和微小的滲碳體混合物。在5500C～3500C，得到羽毛狀的上貝氏體，硬度較高40～45HRC，強度較低、塑性韌性較差；在3500C～Ms，得到黑色針狀的下貝氏體，硬度高45～55HRC，強度較高、塑性韌性較好。

圖1-31共析鋼等溫轉(zhuǎn)變圖

馬氏體可分為片狀馬氏體和板條狀馬氏體，含碳量C>1.0%的為片狀，其硬度高，脆性大；含碳量C<0.2%的為板條狀馬氏體,其強度、韌性較好；含碳量0.2%<C<1.0%的為片狀馬氏體和板條狀馬氏體的復(fù)合組織。圖1-31共析鋼等溫轉(zhuǎn)變圖3）低溫轉(zhuǎn)變（馬氏體轉(zhuǎn)變）：在Ms以下，得到碳在中的過飽和固溶體，即馬氏體；馬氏體轉(zhuǎn)變速度極快，瞬間完成；馬氏體量隨溫度下降而增加，但總有一部分奧氏體殘留下來，稱為殘余奧氏體，將降低鋼的硬度，影響零件形狀、尺寸的穩(wěn)定性。二、鋼的熱處理工藝

鋼的熱處理可分為普通熱處理（如退火、正火、淬火、回火等）和表面熱處理。

1、退火：將組織偏離平衡狀態(tài)的金屬或合金加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻得到接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。

退火的目的：

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）消除鋼中的殘余內(nèi)應(yīng)力，以防工件變形和開裂；

3）改善組織，細(xì)化晶粒，改變鋼的性能或為以后熱處理做準(zhǔn)備。

退火的分類：各種退火正火加熱溫度及工藝曲線如圖1-32所示圖1-32退火正火工藝規(guī)范示意圖1）完全退火：加熱到Ac3以上20～300C，保溫，緩冷至6000C以下，再空冷。得到接近平衡狀態(tài)組織；主要用于亞共析鋼和共析鋼的鍛件、軋件、鑄件，使晶粒細(xì)化，組織均勻和消除殘余應(yīng)力，提高鋼件的性能。過共析鋼不宜完全退火，因析出網(wǎng)狀滲碳體，降低鋼的機械性能。

2）球化退火：使鋼中的碳化物呈球狀而進行的退火。將工件加熱到Ac1以上20～300C，保溫，然后緩慢冷卻。主要用于過共析鋼，使鋼中二次滲碳體和珠光體中的片狀滲碳體球狀化，以降低硬度提高韌性，改善切削加工性能。圖2-10退火正火工藝規(guī)范示意圖3)去應(yīng)力退火：為消除形變加工、鍛造、焊接等以及鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力而進行的退火。鑄鋼件的溫度為600～6500C，鑄鐵件為500～550，保溫后在爐內(nèi)緩慢冷卻。組織不發(fā)生變化，只消除內(nèi)應(yīng)力,減少變形，穩(wěn)定尺寸。

4）擴散退火(均勻化退火):將鋼加熱到略低于固相線溫度，長時間保溫，隨爐冷卻，使化學(xué)成分和組織均勻化；主要用于質(zhì)量要求高的合金鋼鑄錠、鑄件或鍛件。

2、正火：將工件加熱到Ac3（亞共析鋼）或Accm（過共析鋼）以上30～500C，保溫適當(dāng)時間，在自由流通的空氣中冷卻，得到珠光體類組織的熱處理工藝。

主要應(yīng)用于：1）對不太重要的零件，可細(xì)化晶粒，組織均勻，提高機械性能，作為最終熱處理；

2）對低碳鋼火低碳合金鋼，可提高硬度，改善切削加工性。

3）對于過共析鋼或工具鋼，可減少二次滲碳體，并使其不呈連續(xù)網(wǎng)狀碳化物，便于球化退火。

3、淬火：將鋼加熱到相變溫度以上，保溫一定時間，然后快速冷卻以獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。從而提高其硬度和耐磨性，一般淬火后的工件再配合適當(dāng)溫度的回火，可獲得較好的綜合力學(xué)性能，如刀具、模具、軸和齒輪。淬火質(zhì)量取決于加熱溫度和冷卻方式。

1）淬火加熱溫度：根據(jù)鋼材的化學(xué)成分決定，亞共析鋼在Ac3以上30～500C，此時鋼的組織為細(xì)顆粒的奧氏體，淬火后獲得細(xì)小的馬氏體；若溫度低于Ac3，將出現(xiàn)自由鐵素體；若溫度過高，得到粗大的馬氏體，性能變壞。共析鋼和過共析鋼加熱溫度在Ac1以上30～500C，得到細(xì)小的馬氏體和小顆粒的滲碳體組織。

2）淬火冷卻方法：冷卻介質(zhì)對淬火效果有很大影響，常用的有水、油和鹽、堿的水溶液。水用于形狀簡單、截面較大的碳素鋼工件。油用于合金鋼和復(fù)雜的碳素鋼。常用淬火方法如圖1-33所示。1表示單液淬火，2表示雙液淬火，3表示分級淬火，4表示等溫淬火。3）淬透性和淬硬性：

圖1-33常用淬火方法示意圖1）淬透性：鋼在淬火后，獲得淬透層（淬硬層）深度的能力。

2）淬硬性：鋼淬火時能達(dá)到的最高硬度。

4、回火：

為了消除淬火引起的殘余應(yīng)力及獲得要求的組織和性能，將淬火后的工件加熱到Ac1以下某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。

回火目的：淬火后得到性能很脆的馬氏體組織，而且淬火馬氏體是不穩(wěn)定的組織，它有變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)的趨勢，而使零件尺寸變化，并存在內(nèi)應(yīng)力，零件容易變形和開裂。為此利用回火：

1）減少和消除淬火應(yīng)力；

2）穩(wěn)定工件尺寸，防止變形和開裂；3）獲得工件所需的組織和性能；即獲得要求的強度、硬度和韌性。

回火的種類及應(yīng)用：

1）低溫回火：加熱溫度為150～2500C，得到碳的過飽和程度稍小的固溶體—回火馬氏體，硬度較高，在HRC58～64之間，高耐磨性；可消除一定的殘余應(yīng)力，韌性有所改善。用于各類高碳鋼的工具、模具、量具。2）中溫回火：加熱溫度為350～5000C，得到極細(xì)顆粒狀滲碳體和鐵素體的混合物—回托氏體，有極高的彈性極限和屈服強度，也有較好的韌性。硬度在HRC35～45；用于各種彈簧、彈簧夾頭及鍛模。

3）高溫回火：加熱溫度為500～6500C，得到細(xì)而均勻的顆粒狀滲碳體和鐵素體的混合物---回火索氏體，有較高的強度和硬度，又有較好的韌性和塑性。工廠一般把淬火和高溫回火叫調(diào)質(zhì)處理。用于重要的零件如軸、齒輪、連桿和螺栓。

5、表面熱處理：使工作表面具有高的硬度和耐磨性，心部有足夠的韌性和塑性的熱處理。常用的有表面淬火及化學(xué)熱處理。（2）表面淬火：對工件表層迅速加熱至淬火溫度，而心部溫度仍保持在臨界溫度以下，然后快速冷卻，使鋼的表面至一定深度的組織為馬氏體，心部仍為原始組織的熱處理工藝。

（1）化學(xué)熱處理：將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入它的表面，改變其表面的化學(xué)成分、組織和性能的熱處理。使表面具有耐磨、耐腐蝕、耐熱等性能。分為滲碳、滲氮、碳氮共滲（氰化）、滲硼、滲鉻等金屬、多元共滲等。

1）火焰加熱表面淬火：使用氧-乙炔火焰噴向工件表面，立即噴水冷卻的淬火方法。如圖1-34所示。2）感應(yīng)加熱表面淬火：利用感應(yīng)電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)萊加熱工件表面，噴水冷卻的方法。如圖1-35所示。

圖1-34火焰加熱表面淬火示意圖圖1-35感應(yīng)加熱表面淬火示意圖思考題：

1、試述共析鋼加熱時奧氏體形成的幾個步驟。2、試述過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能。3、何謂淬透性，與淬硬性有何不同？4、現(xiàn)有45鋼制造的軸，工藝路線為：鍛造----熱處理----機加工-----熱處理-----精加工。試寫出上述熱處理工序的方法及其作用。返回文檔圖1-1晶體結(jié)構(gòu)示意圖返回文檔圖1-3置換固溶體圖1-4間隙固溶體返回文檔圖1-5固溶體的晶格畸變返回文檔圖1-11洛氏硬度實驗原理返回文檔圖1-13試樣安放位置圖1-14沖擊試驗返回文檔圖1-15鐵素體的顯微組織返回文檔圖1-16奧氏體的顯微組織圖1-17珠光體的顯微組織返回文檔返回文檔1圖1-18萊氏體的顯微組織返回文檔圖1-21a亞共析鋼顯微組織圖1-21b過共析鋼顯微組織返回文檔圖1-23a亞共晶白口生鐵的室溫組織圖1-23b過共晶白口生鐵的室溫組織第2章鑄造成形第一節(jié)液態(tài)成形理論基礎(chǔ)

第二節(jié)砂型鑄造方法第三節(jié)特種鑄造方法第四節(jié)鑄造工藝設(shè)計第五節(jié)鑄件結(jié)構(gòu)工藝性第六節(jié)鑄造成形新發(fā)展返回

鑄造：將液態(tài)金屬澆注到與零件形狀、尺寸相適應(yīng)的鑄型型腔中，待其冷卻凝固后，獲得一定形狀的毛坯或零件的方法。鑄造是生產(chǎn)機器零件毛坯的主要方法之一，其實質(zhì)是液態(tài)金屬逐步冷卻凝固成形。鑄造的優(yōu)點：1）可以鑄出內(nèi)腔、外形很復(fù)雜的毛坯；2）工藝靈活性大。幾乎各種合金、各種尺寸、形狀、重量和數(shù)量的鑄件都能生產(chǎn)；3）成本較低。原材料來源廣泛，價格低廉。鑄造的缺點：

2）鑄件的機械性能較低。

3）鑄造工序多，難以精確控制，是鑄件質(zhì)量不夠穩(wěn)定。

4）勞動條件較差,勞動強度較大。

1）鑄造組織疏松、晶粒粗大，內(nèi)部易產(chǎn)生縮孔、縮松、氣孔等缺陷。

機床、內(nèi)燃機、重型機器機械類別風(fēng)機、壓縮機拖拉機農(nóng)業(yè)機械汽車%70--9060--8050--7040--7020--30表2-1各類機械工業(yè)中鑄件重量比

鑄造在機械制造業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，在各種類型的機器設(shè)備中鑄件占很大比重。如表2-1所示。第一節(jié)液態(tài)成形理論基礎(chǔ)一、金屬的凝固

二、金屬與合金的鑄造性能三、鑄造性能對鑄件質(zhì)量的影響一、金屬的凝固1、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)：1）液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)：固態(tài)金屬經(jīng)加熱變?yōu)槿廴跔顟B(tài)即得液態(tài)金屬，是由呈有序排列的游動原子集團組成，其結(jié)構(gòu)與原有固體結(jié)構(gòu)相似，但熱運動劇烈，溫度越高，熱運動越劇烈，原子集團越小，游動越快。2）液態(tài)金屬的性質(zhì)：具有粘度和表面張力。2、液態(tài)金屬的凝固：液態(tài)金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程，包括形核和長大兩個過程。得到的凝固組織（鑄態(tài)晶粒形態(tài)、大小、分布、缺陷等）取決于成分、冷卻速度、形核條件等。3、鑄件的凝固方式

在鑄件凝固過程中，鑄件斷面上存在三個區(qū)域，即固相區(qū)、凝固區(qū)和液相區(qū)；其中凝固區(qū)對鑄件質(zhì)量有較大影響，鑄件的凝固方式也可根據(jù)凝固區(qū)的寬窄來劃分，如圖2-1。a)逐層凝固b)中間凝固c)糊狀凝固圖2-1鑄件的凝固方式1）逐層凝固：純金屬或共晶成分的合金的凝固，如圖2-1a；2）糊狀凝固：結(jié)晶溫度范圍很寬的合金的凝固，如圖2-1c；3）中間凝固：介于逐層凝固和糊狀凝固之間，大多數(shù)合金為此凝固方式，如圖2-1b所示。

鑄件質(zhì)量與凝固方式有關(guān)，逐層凝固時，合金充型能力強（流動性好），便于防治縮孔、縮松。而糊狀凝固時，充型能力差，易產(chǎn)生縮松。4、影響鑄件凝固方式的因素：1）合金的結(jié)晶溫度范圍；結(jié)晶溫度范圍越小，凝固區(qū)域越窄，越傾向于逐層凝固。低碳鋼，近共晶成分鑄鐵傾向于逐層凝固，高碳鋼、遠(yuǎn)共晶成分鑄鐵傾向于糊狀凝固。2）鑄件的溫度梯度。在合金的結(jié)晶溫度范圍已定時，若鑄件的溫度梯度由小變大，則凝固區(qū)由寬變窄，傾向于逐層凝固。如圖2-2所示。

圖2-2溫度梯度對凝固區(qū)域的影響鑄件溫度梯度主要取決于：a)合金的性質(zhì)。合金的凝固溫度越低、熱導(dǎo)率越高、結(jié)晶潛熱越大，溫度梯度越小，如多數(shù)鋁合金；b)鑄型的蓄熱能力越強，激冷能力越強，溫度梯度越大；如金屬型鑄造易得致密組織。c)澆注溫度越高，溫度梯度減小。二、金屬與合金的鑄造性能

鑄造性能是表示合金鑄造成形獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的能力；用充型能力、收縮性等來衡量。（一）充型能力

充型能力：熔融金屬或合金充滿鑄型型腔，獲得形狀完整，輪廓清晰鑄件的能力。主要影響因素有：圖2-3螺旋形標(biāo)準(zhǔn)試樣1、金屬或合金的流動性：流動性是熔融金屬的流動能力，合金的流動性用澆注流動性試樣的方法來衡量，一般采用如圖2-3所示的螺旋形試樣，流動距離越長，表明流動性越好。決定合金流動性的主要因素有：1）合金的種類。2）合金的成分。同種合金，成分不同，其結(jié)晶特點不同，流動性也不同。如圖2—4所示鉛錫合金的流動性與相圖的關(guān)系；純金屬和共晶合金在恒溫下結(jié)晶，為逐層凝固方式，如圖2-5a所示，凝固層表面光滑，阻力小，故流動性好，同時共晶合金熔點最低，故流動性最好。而亞共晶合金，為中間凝固方式，復(fù)雜枝晶阻礙流動，故流動性差，如圖2—5b所示。圖2-4鉛錫合金的流動性與相圖的關(guān)系3）雜質(zhì)和含氣量。固態(tài)夾雜物使粘度增加，流動性下降；如灰鐵中的MnS；含氣量越少，流動性越好。2、澆注條件：1）澆注溫度越高，保持液態(tài)的時間越長，流動性越好；溫度越高，合金粘度越低，阻力越小，充型能力越強。故提高澆注溫度能有效提高充型能力；但過高吸氣量和總收縮大，易產(chǎn)生鑄造缺陷。故在保證充型能力的前提下溫度應(yīng)盡量低。生產(chǎn)中薄壁件常采用較高溫度，厚壁件采用較低澆注溫度。2）充型壓力。壓力越大，充型能力越強。3、鑄型條件1）鑄型的蓄熱能力越強，充型能力越差；2）鑄型溫度越高，充型能力越好；3）鑄型中的氣體阻礙充型；4）鑄件結(jié)構(gòu)，壁厚過小、壁厚變化劇烈、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大平面都影響充型。（二）合金的收縮1、收縮。合金從液態(tài)冷卻至常溫的過程中，體積或尺寸縮小的現(xiàn)象。通常用體收縮率或線收縮率來表示：

合金的收縮過程可分為三個階段：如圖2-6所示。1）液態(tài)收縮。指合金從澆注溫度冷卻到液相線溫度過程中的收縮。2）凝固收縮。指合金在液相線和固相線之間凝固階段的收縮。結(jié)晶溫度范圍越大，收縮率越大。液態(tài)和凝固收縮時金屬液體積縮小，是形成縮孔和縮松的基本原因。

3）固態(tài)收縮。指合金從固相線溫度冷卻到室溫時的收縮。用線收縮率表示，它對鑄件形狀和尺寸精度影響很大，是鑄造應(yīng)力、變形和裂紋等缺陷產(chǎn)生的基本原因。圖2-6鑄造合金收縮過程示意圖I—液態(tài)收縮II—凝固收縮III—固態(tài)收縮a)合金狀態(tài)圖b)一定溫度范圍合金c)共晶合金a)b)c)

2、影響收縮的因素：1）化學(xué)成分;2）澆注溫度越高，過熱度越大，收縮越大;3）鑄件結(jié)構(gòu)和鑄型條件，鑄件結(jié)構(gòu)造成各部分冷卻速度不同，產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力阻礙收縮；鑄型和型芯產(chǎn)生機械阻力。

收縮是造成縮孔、縮松、應(yīng)力、變形和裂紋的基本原因;充型能力不好，鑄件易產(chǎn)生澆不到、冷隔、氣孔、夾雜、縮孔、熱裂等缺陷。三、鑄造性能對鑄件質(zhì)量的影響（一）縮孔和縮松

凝固結(jié)束后在鑄件某些部位出現(xiàn)的孔洞，大而集中的孔洞稱縮孔，細(xì)小而分散的孔洞稱縮松?？s孔縮松可使鑄件機械性能大大降低，以致成為廢品。

縮孔產(chǎn)生的基本原因是合金的液態(tài)收縮和凝固收縮值大于固態(tài)收縮值，且得不到補償。縮孔產(chǎn)生的部位在鑄件最后凝固區(qū)域，此區(qū)域也稱熱節(jié)。

（1）縮孔的形成：形成條件，金屬在恒溫或很窄的溫度范圍內(nèi)結(jié)晶，鑄件壁以逐層凝固方式凝固。形成過程如圖2-7所示：動畫演示

1、縮孔和縮松的形成圖2-7縮孔形成過程示意圖（2）縮松的形成：

其基本原因也是液態(tài)收縮和凝固收縮大于固態(tài)收縮。但主要出現(xiàn)在糊狀凝固的合金中，或斷面較大的鑄件壁中。形成過程如圖2-8所示。動畫演示一般出現(xiàn)在鑄件壁的軸線區(qū)域、熱節(jié)處、冒口根部和內(nèi)澆口附近，也常分布在集中縮孔的下方。

圖2-8縮松形成過程示意圖（3）縮孔縮松的形成規(guī)律：1）合金的液態(tài)收縮和凝固收縮越大（如鑄鋼，白口鐵等），鑄件越易形成縮孔。2）合金的澆注溫度越高，液態(tài)收縮越大，越易形成縮孔；3）結(jié)晶溫度范圍寬的合金，傾向于糊狀凝固，易形成縮松；純金屬和共晶成分合金傾向于逐層凝固，易形成縮孔。2、縮孔和縮松的防止

一定成分的合金，縮孔、縮松的數(shù)量可以相互轉(zhuǎn)化，但其總?cè)莘e基本一定，如圖2-9所示。圖2-9鐵碳合金成分與體積收縮率的關(guān)系防止縮孔和縮松的基本原則是：采用合理的工藝條件，使縮松轉(zhuǎn)化為縮孔，并使縮孔移至冒口中。1）按照順序凝固原則進行凝固

是指采用各種工藝措施，使鑄件上從遠(yuǎn)離冒口的部分到冒口之間建立一個逐漸遞增的溫度梯度，從而實現(xiàn)由遠(yuǎn)離冒口的部分向冒口的方向順序地凝固，如圖2-10所示，使縮孔轉(zhuǎn)移到冒口中。2）合理確定內(nèi)澆道位置及澆注工藝

內(nèi)澆道的引入位置應(yīng)按照順序凝固原則確定；澆注溫度和澆注速度，應(yīng)根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)類型確定，慢澆有利于順序凝固，有利于補縮、消除縮孔。

適用于收縮大或壁厚差別大，易產(chǎn)生縮孔的合金鑄件；如鑄鋼，高強度灰鑄鐵?？慑戣T鐵等。動畫演示圖2-10順序凝固原則示意圖3）合理應(yīng)用冒口、冷鐵和補貼等工藝措施

冒口，在鑄件厚壁處和熱節(jié)部位設(shè)置冒口，是防止縮孔、縮松最有效的措施。冷鐵，用鑄鐵、鋼、銅等材料制成的激冷物。加大冷卻速度，調(diào)節(jié)凝固順序。補貼，在鑄件壁上部靠近冒口處增加一個楔型厚度，使鑄件壁厚變成朝冒口逐漸增厚的形狀，即造成一個向冒口逐漸遞增的溫度梯度，增大補縮距離。

三者綜合應(yīng)用是消除縮孔縮松的有效措施。如圖2-11所示。

動畫演示圖2-11冒口冷鐵的作用（二）鑄造應(yīng)力鑄造應(yīng)力:鑄件的固態(tài)收縮受到阻礙而引起的內(nèi)應(yīng)力。可分為熱應(yīng)力和收縮應(yīng)力；熱阻礙：鑄件各部分由于冷卻速度不同，收縮量不同而引起的阻礙,由其引起的應(yīng)力稱熱應(yīng)力。機械阻礙：鑄型、型芯對鑄件收縮的阻礙,由其引起的應(yīng)力稱機械應(yīng)力（收縮應(yīng)力）。

1、熱應(yīng)力：由熱阻礙引起，落砂后熱應(yīng)力仍存在于鑄件內(nèi)，是一種殘留鑄造應(yīng)力，以框架鑄件為例，說明殘留熱應(yīng)力的形成過程，如圖2-12所示，其熱應(yīng)力形成過程分三階段。第一階段，兩者都塑性變形，無熱應(yīng)力；第二階段，一塑性，一彈性，仍無熱應(yīng)力；第三階段，兩者均彈性變形，冷卻慢的受拉，快的受壓。殘留熱應(yīng)力和合金的彈性模量、線收縮系數(shù)、鑄件各部分壁厚差別及溫度差成正比。

動畫演示圖2-12熱應(yīng)力的形成2、收縮應(yīng)力：由機械阻礙產(chǎn)生，一般都是拉應(yīng)力，在形成應(yīng)力的原因消除時，應(yīng)力也隨之消除。但如果臨時拉應(yīng)力和殘留熱應(yīng)力同時作用在某瞬間超過鑄件的強度極限時，鑄件將產(chǎn)生裂紋。如圖2-13所示。

3、減小和消除鑄造應(yīng)力的措施1）合理設(shè)計鑄件結(jié)構(gòu)。盡量避免牽制收縮的結(jié)構(gòu)，如壁厚均勻，壁之間連接均勻等。2）盡量選用線收縮率小、彈性模量小的合金。3）采用同時凝固的工藝。如圖2-14所示，各部分溫差小，不易產(chǎn)生熱應(yīng)力。主要用于收縮較小的普通灰鑄鐵、結(jié)晶范圍大，不易實現(xiàn)冒口補縮，對氣密性要求不高的錫青銅鑄件等。

4）設(shè)法改善鑄型、型芯的退讓性，合理設(shè)置澆冒口。5）對鑄件進行時效處理。自然時效、熱時效（去應(yīng)力退火）和共振時效。（三）鑄件的變形與裂紋1、鑄件的變形殘留鑄造應(yīng)力超過鑄件材料的屈服極限時產(chǎn)生的翹曲變形。如圖2-15所示的框架鑄件，圖2-16的T型梁，當(dāng)剛度不夠時，將產(chǎn)生如圖所示的變形。再如圖2-17所示的車床床身的變形。圖2-15框架鑄件的變形圖2-16T型梁的變形

防止鑄造應(yīng)力的方法也是防止變形的根本方法；同時在工藝上還可以采用反變形法，提早落砂、去應(yīng)力退火消除機械應(yīng)力。2、鑄件的裂紋：當(dāng)鑄造應(yīng)力超過金屬的強度極限時，鑄件便產(chǎn)生裂紋?？煞譃闊崃押屠淞?。1）熱裂

在凝固末期高溫下形成的裂紋。裂紋表面被氧化而呈氧化色，裂紋沿晶粒邊界產(chǎn)生和發(fā)展，外形曲折而不規(guī)則；裂紋短，縫隙寬。產(chǎn)生原因凝固末期，合金絕大部分已成固體，但強度和塑性很低，當(dāng)鑄件受到機械阻礙產(chǎn)生很小的鑄造應(yīng)力就能引起熱裂。分布在應(yīng)力集中處或熱節(jié)處。防止熱裂的措施：

應(yīng)盡量選用凝固溫度范圍小、熱裂傾向小的合金；提高鑄型、型芯的退讓性，減小機械應(yīng)力；合理設(shè)計澆道、冒口；對于鑄鋼、鑄鐵件，嚴(yán)格控制硫含量，防止熱脆性。2）冷裂是鑄件處于彈性狀態(tài)即在低溫時形成的裂紋。其表面光滑，具有金屬光澤或