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第一篇 工程材料基础知识 材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。 复合材料 工程材料 金属材料 陶瓷材料 高分子材料 第一章 金属材料的主要性能 第二章 金属及合金的晶体结构 第三章 铁 碳 合 金 第四章 钢的热处理 带着问题学习 1 . 我们在设计时选材的主要依据是什么？ 2 . 材料的性能是不是设计要考虑的唯一因 素？对产品来说，有最好的材料吗？ 2 . 工艺性能 第一章 材料的主要性能 材料的主要性能是指: 1 . 使用性能 （1 ）力学性能 强度、塑性、硬度 （2 ）物理性能 密度、熔点、导电性 （3 ）化学性能 耐酸碱性、抗氧化性。 加工成形的性能 在设计机械零件和选材时，应根据零 件的工作条件，损坏形式，找出对材料 力学性能的要求，这是材料选择的基本 出发点。 第一章 材料的主要性能 第一节 材料的力学性能 力学性能材料在外力作用下所表现出的特性。 一、外力作用下材料的变形 作用在机件上的外力载荷 f f f = f （mpa） 外力内力应力 ff 静载荷 动载荷 = f /s s f s f = （1 ）弹性变形： 材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来 形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。 1 . 两种基本变形 f f f 第一节 材料的力学性能 （2 ）塑性变形: 材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称 为塑性变形。 f f f 第一节 材料的力学性能 拉伸实验 k b b极限载荷点 0 l k l 0 d f e e弹性极限点 s s屈服点 k断裂点 拉伸曲线 f f l k d l 应力应变曲线 = 0 s f = 0 l l 缩颈 s f e f b f o 第一节 材料的力学性能 弹性模量是工程材料重要的性能参数。反映材料 抵抗弹性变形能力的指标 材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。 弹性模量（e ） 材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关 系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。 第一节 材料的力学性能 弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的 指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也 越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发 生弹性变形越小。 =e 1刚度： 2 强度： 当 e s 时， 材料将产生明显的塑性变形。 条件屈服强度: 0 . 2 = f0 . 2/ s 0 （mp a ） （2 ） 屈服强度（ s ） 指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。 s= f s / s 0 （mp a ） 屈服强度是塑性材料选材和评定的依据。 第一节 材料的力学性能 对于无明显屈服的塑性材料，规定以产生0 . 2 %残余变形的应力值为其屈服极限。 k b f e s l = 0 l l = 0 s f 2 . 0 s 0.2% 2 . 0 f b b( rm) = fb / s 0 （mp a ） （3 ）抗拉强度（ b） 抗拉强度是材料在拉断前 承受最大载荷时的应力。 它表征了材料在拉伸条件下 所能承受的最大应力。 抗拉强度脆性材料选材的强度计算主要依据。 第一节 材料的力学性能 纯金属 脆性材料 常用 ( a )和( z )作为衡量塑性的指 标。 伸长率： 材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。 断面收缩率: %100 0 0 = l llk %100 0 0 = s ss k 0 l 1 l 0 f p p l 1 f 良好的塑性是金属材料进行 塑性加工的必要条件。 3 . 塑性 第一节 材料的力学性能 4 硬度 是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。 ( 1 ) 布氏硬度（h b ）： d d d f ）压痕的表面积（ ）压入载荷（ mm n hb = 第一节 材料的力学性能 布氏硬度适用h b 4 5 0 f f f 1200 h h r c : h b = 1 ：1 0 第一节 材料的力学性能 5 冲击韧性( a k ) a k=g （h1 h 2 ）（j ） a k=ak/ s （j / m 2 ） b 与hb 的关系 低碳钢： b 3 . 6 h b 高碳钢： b 3 . 4 h b 调质合金钢： b 3 . 2 5 hb 材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。 1 h 2 h 在冲击载荷下工作的零件，往往是受 小能量多次重复冲击而破坏的。 第一节 材料的力学性能 6 疲劳强度( - 1 ) 1 n 材料在无数次重复或交变载荷作用下不引起破坏的最大应力。 循环基数 钢： 据统计，约8 0 %的机件失效 为疲劳破坏。 0 n 0 n 7 0 10=n 8 0 10=n有色金属： 第一节 材料的力学性能 k / j / c m2 h r ch b s% s/ m p a 工程结构2 62 3 54 0 0q 2 3 5 - a 4 2 0 3 1 0 2 4 1 5 1 6 2 7 0 5 0 2 2 9 曲轴7 0 0q t 7 0 0 - 2 气缸体2 5 0h t 2 5 0 活塞1 4 3z a l s i 2 铸钢件35 7 0z g 3 1 0 - 5 7 0 轴、杆5 5 （淬火） 6 1 04 5 钢 b/ m p a 应 用 力学性能牌 号 7 、几种常用金属材料的力学性能 第一节 材料的力学性能 失效：在使用过程中，因零件的外部形状尺寸 和内部组织结构发生变化而失去原有的设计功 能，使其低效工作或无法工作或提前退役的现 象即称为。 失效分析：的目的就是要分析零件的失效原因 并提出相应的防止和改进措施，其结论对零件 的设计、选材、加工与使用都有重大的指导意 义。 一、失效与失效分析 第二节、力学性能与失效形式的关系 二、失效形式 对结构材料的失效而言，前三种是最主要的； 其中断裂失效（尤其是脆性断裂）因其危险性 而易受重视、且研究最多，疲劳断裂最普遍， 是断裂失效的主要方式。对于功能材料，物理 性能降级是其主要失效形式，但也存在断裂与 腐蚀、磨损等问题。 第二节、力学性能与失效形式的关系 三、失效原因 第二节、力学性能与失效形式的关系 力学性能 b s 强度 塑性 刚度 硬度 韧性 疲劳强度 第二节、力学性能与失效形式的关系 失效形式 断裂 塑性变形 过量弹变 磨损 屈服强度的工程意义 按照传统的强度设计方法，必然会导致片面追求材 料的高屈服强度，但是随着材料屈服强度的提高，材 料的抗脆断强度在降低，材料的脆断危险性增加了。 屈服强度不仅有直接的使用意义，在工程上也是材料 的某些力学行为和工艺性能的大致度量。例如材料屈 服强度增高，对应力腐蚀和氢脆就敏感；材料屈服强 度低，冷加工成型性能和焊接性能就好等等。因此， 屈服强度是材料性能中不可缺少的重要指标。 复习题 1. 说明s、0.2、b、1、k、45- 50hrc、300hbs的名称和含义 2. 了解变速箱齿轮，驾驶室外壳（车身），发动机 中的活塞的工况，你选材时分别考虑哪些主要力 学性能，为什么？你考虑选什么材料合适生产上 述零件，写出你选材料的牌号和主要力学性能指 标。 带着问题学习 1 . 不同材料具有不同性能，它主要与什么 有关（内因）？ 2 . 性能- 组织- 成分的内在关系是什么？ 为了使生产的金属产品具有期望的性 能，控制三件事 ?金属的成分 ?合适的显微组织 ?加工路线 显微组织是决定性能的主要内因（本章的 工程意义） 第二章金属及合金的结晶 第一节金属的晶体结构 第二章 金属及合金的结晶 原子作无序排列；没有固定的熔点；各向同性。 所有的金属和合金都是晶体 晶格原子排列形成的空间格子 晶胞组成晶胞最基本的单元 晶体： 非晶体： 原子作有序排列；有固定的熔点；各向异性。 晶格与晶胞 - f e 、 c r 、 ? - f e、 mo 、w、 v c u 、n i 、a g 、a u mg 、b e 、z n 、 - t i 、? - c r 金属的典型晶体结构 体心立方晶格： 面心立方晶格： 密排六方晶格： 第一节 金属的晶体结构 一. 单晶体与多晶体的基本概念 1 . 单晶体( s i n g l ec r y s t a l ) 的特征: *晶体由一个晶格排列方位完全一 致的晶粒组成。 *晶体具有各向异性。 例如: 单晶硅、单晶锗等。 湖北汽车工业学院材料工程教研室工程材料课程组制作 第二节 实际金属的体结构与晶体缺陷 单晶体结构示意图 第二节 实际金属的体结构与晶体缺陷 2 . 多晶体( p o l y c r y s t a l ) 的特征 * 晶体是由许多颗晶格排列方位不 相同的晶粒组成。 * 晶体具有各向同性。 例如:常用的金属等。 第二节 实际金属的体结构与晶体缺陷 多晶体结构示意图 第二节 实际金属的体结构与晶体缺陷 第二节 实际金属的体结构与晶体缺陷 1 、点缺陷 ?空位( v a c a n c y) ?间隙原子( g a pa t o m ) ?置换原子(s u b s t i t u t i o n a l a t o m ) 二、晶体缺陷 间隙原子 晶格空位 置换原子 点缺陷示意图 第二节 实际金属的体结构与晶体缺陷 ?点缺陷的热运动，造成原子扩散。 ?高温下扩散加快 ?应用：化学热处理，退火，烧结等。 ?物理性能： ?电阻增加，体积增大。 ?应用：测空位浓度，研究空位变化规律。 ?力学性能： ?点缺陷的存在是材料高温蠕变的重要原因。 ?过饱和点缺陷形成空位片：强度提高，脆性增大。 点缺陷与材料的行为 第二节 实际金属的体结构与晶体缺陷 2.线缺陷- - - - 位错 螺旋型位错示意图 第二节 实际金属的体结构与晶体缺陷 刃型位错示意图 正刃型位错 负刃型位错 第二节 实际金属的体结构与晶体缺陷 3 . 面缺陷 ?晶界 晶粒与晶粒之间的界面。 ?亚晶界 相邻晶粒位向很小( 一般1 2) 的小角度晶界。 第二节 实际金属的体结构与晶体缺陷 晶界与亚晶界结构示意图 大角度晶界-晶界 小角度晶界-亚晶界 当晶体中存在能降低界面能的异类原子 时，这些原子将向晶界偏聚内吸附 晶界上原子具有较高的能量，且存在较 多的晶体缺陷，使原子的扩散速度比晶 粒内部快得多 常温下，晶界对位错运动起阻碍作用， 故金属材料的晶粒越细，则单位体积晶 界面积越多，其强度，硬度越高 晶界比晶内更易氧化和优先腐蚀 面缺陷与材料的行为 第二节 实际金属的体结构与晶体缺陷 一、金属的结晶过程 1 金属结晶的过冷现象 温度 时间 t 0 t n t n ttt= 0 第三节 金属的结晶过程 冷却曲线 过冷度 2 金属的结晶过程 结晶 形核 长大 金属是由许多大小、形状、晶格排列方向均不相同的晶 粒所组成的多晶体。一般金属的晶粒越细小，其力学性能 越好。晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也越好。 第三节 金属的结晶过程 3 细化晶粒的方法 1 ）变质处理 2 ）增大过冷度 3 ）机械的振动和搅拌 4 ）热处理 5 ）压力加工再结晶 快速冷却，增加晶核数； 添加高熔点弥散质点 第三节 金属的结晶过程 二、金属的同素异晶转变 fe 同素异晶转变在固态下，随着温度的变化，金属的晶体 结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。 l 1 5 3 81 3 9 4 9 1 2 fe、sn、ti、mn fe fe fe 纯铁在晶体状态下有两种原子排列形式纯铁在晶体状态下有两种原子排列形式. . 非常重要： fe 9 1 2 fe fe 9 1 29 1 2 fefe 因为- f e 与- f e 的转变和因此引起的溶碳能力的不 同，才使钢铁材料在加工和冷却过程中发生组织转变， 从而改变性能。此外，- f e 与- f e 具有不同的性能， 也是研究特殊性能钢的基础。 由于- f e 的间隙位置比- f e 间隙位置大，所以- f e 的溶碳能力比- f e 大得多 二、金属的同素异晶转变 第四节 合金的结构 合金以一种金属为基础，加入其它金属或非金 属，所形成的具有金属特性的物质。 合金的结构 机械混合物 固溶体 金属化合物 相与组织 在固体材料中，具有同样聚集状态，同样原子排列特征性 质 , 并以界面相互隔开的均匀组成部分称之为相。相可 以是单质，也可以是化合物。 材料的性能与各组成相的性质、形态、分布和数量直接 有关。 不同的相具有不同的原子排列方式，相的种类也很多， 但按其原子排列的特点可以归纳分为二类，一类为固溶体， 另一类为化合物。 常将用肉眼观察到的或借助于放大镜、显微镜观察到的 相的形态、分布的图象统称为组织。 组织则可以理解是一种结合形态。比如共晶组织，组织 可以由多个相组成。 第四节 合金的结构 一、固溶体 溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体。 固溶体 固溶体的性能特点： 具有良好的塑性和韧 性，强度、硬度较低。 f ： b=2 5 0 mp a =4 5 5 0 % hb=8 0 置换固溶体 间隙固溶体 置换固溶体间隙固溶体 合金各组成元素之间相互作用而生成的一种新的具有 金属特性的物质。 金属化合物各元素之间呈整数比关系。 如： f e 3 c 、wc 、t i c等 金属化合物的性能特点： 脆性大、硬度高；强度低；塑性、韧性差；高的熔点。 f e 3 c ：h b = 8 0 0 ； b= 3 0 mp a ； 0 % 二、金属化合物 三、机械混合物 合金的组成在固态下既不互相溶解又不形成化合物， 而是按一定的重量比混合而成的新物质。 性能特点： 性能介于各组成物的性能之间。一般具有良好的综 合力学性能。 p ：b=7 5 0 m p a= 2 5 %h b=1 8 0 - 2 0 0 f ： b=2 5 0 m p a=4 5 5 0 %h b=8 0 f e 3 c ：h b = 8 0 0 ； b= 3 0 m p a； 0 % 带着问题学习 1 .钢和铁是如何划分的？它们的性能差异 的主要内在原因？ 2 .改变化学成分（或成分比例）能否改变 材料性能？ 3 .研究钢铁材料的主要理论依据是什么？ 铁素体碳（c ）溶入 - f e 中所形成的固溶体。 7 2 7 0 . 0 2 %c 第三章 铁碳合金 一、铁素体（f ） 力学性能： b=2 5 0 mp a =4 5 5 0 %hb=8 0 二、奥氏体（a ） 奥氏体碳（c ）溶入 - f e 中所形成的固溶体。 1 1 4 7 2 . 0 6 %c、7 2 7 0 . 7 7 % 力学性能： b=2 5 03 5 0 mp a =4 0 4 5 % hb=1 6 0 2 0 0 第一节 铁碳合金的基本组织 四、珠光体（p=f+f e 3 c） 力学性能： b = 7 5 0 mp a = 2 5 % h b=1 8 0 - 2 0 0 珠光体是铁素体和渗碳体组 成的机械混合物。 7 2 7 0 . 7 7 %c 三、渗碳体（f e 3 c ） 渗碳体是金属化合物。6 . 6 7 %c 力学性能： b=3 0 mp a =0h b=8 0 0 白色f基体中嵌入黑片状fe 3c 第一节 铁碳合金的基本组织 五、莱氏体（l e ） 力学性能： b=3 0 mp a =0 hb=7 0 0 莱氏体是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。 莱氏体（l e ）1 1 4 7 4 . 3 % c 7 2 7 以上为高温l e（a + f e3c ）； 7 2 7 以下为低温l e （ p + f e3c）； 第一节 铁碳合金的基本组织 状态图表示合金系的 成分、温度、组织、状态之 间关系的图表。 第二节 铁碳合金状态图 一、什么是状态图 温度 时间 1 5 3 8 1 3 9 4 9 1 2 体心 面心 体心 1 5 3 8 1 3 9 4 9 1 2 （成分） 二、状态图的作用 是研究合金的成分、温度、 组织、状态之间变化规律的 工具。 a e s p q g k d 4 . 3 2 . 0 60 . 7 70 . 0 2 c % 1 1 4 7 1 5 3 8 7 2 7 p l a f 三、铁碳合金状态图 温度 9 1 2 c fe3c 6 . 6 7 f a 纯铁的熔点。 df e 3 c 的熔点。 1 . 状态图上点的意义 e c 在 - f e 中的最 大溶解度点。 1 1 4 7 2 . 0 6 %c 钢和铁的分界点。 l e 第二节 铁碳合金状态图 c 共晶点，1 1 4 7 4 . 3 %c 共晶点发生共晶反应的点。 共晶反应在一定的温度下，由一定成分的液体同时结 晶出一定成分的两个固相的反应。 共晶反应的产物共晶体机械混合物 l （4 . 3 %c ）a （2 . 0 6 %c）+f e 3 c（6 . 6 7 %c） 1 1 4 7 l e g纯铁的同素异晶转变点。 9 1 2 pc 在 - f e 中的最大溶解度点。7 2 7 0 . 0 2 %c 第二节 铁碳合金状态图 s共析点。 7 2 7 0 . 7 7 % 共析反应在一定的温度下，由一定成分的固相 同时结晶出不同成分的另外两个固相的反应。 共析反应的产物共析体机械混合物 a （0 . 7 7 %c ）f （0 . 0 0 2 %c）+f e 3 c （6 . 6 7 %c） 7 2 7 p 第二节 铁碳合金状态图 2 . 状态图上线的意义 a e s p q g k d 4 . 3 2 . 0 60 . 7 70 . 0 2 c % 1 1 4 7 1 5 3 8 l e 7 2 7 p l a f 温度 9 1 2 c fe3c 6 . 6 7 f a e c f 线固相线 a c d线液相线 a e a 析出终了线 e c f 共晶线 1 1 4 7 a c 析出a c d析出 f e 3 c a l+ fe3c l+ fe3c f+a a+ a+le le + fe3c 第二节 铁碳合金状态图 e s 线c 在 - f e 中的溶解度曲线。析出二次f e 3 c （1 ）单相区：l 、f 、a 、f e 3 c （2 ）两相区：l + a 、l +f e 3 c 、a + f 、f +f e 3 c （3 ）三相区：l + a +f e 3 c 、a + f +f e 3 c gs 线溶解度曲线 a f g p 线f 析出终了线。 p s k 线共析线7 2 7 p q 线碳在 - f e 中的溶解度曲线。 第二节 铁碳合金状态图 室温组织：室温组织：f+pf+p 四 铁碳合金状态图分析 1 亚共析钢的结晶过程 1点以上l 12l 23a+l 34a 45a+f 5点ap 5点以下 p+f 亚共析钢的结晶过程 第二节 铁碳合金状态图 室温组织: p 2 共析钢（t8钢） 1点以上 l 12la 23a 3点ap 3点以下 p 共析钢的结晶过程 第二节 铁碳合金状态图 室温组织：室温组织：p+fe3c（网状） 过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程 a a a a a a f a f 3过共析钢（t 1 0 ) 1点以上l 12l+a 23a 34a+fe3cii 4点ap 4点以下p+fe3cii 第二节 铁碳合金状态图 4亚共晶铸铁 第二节 铁碳合金状态图 室温组织室温组织 p+fe3cp+fe3c ii ii +le+le 1 点以上l 1 2a +l 2 点共晶反应 2 3a +f e 3 c i i +l e 3 点共析反应 3 点以下 p +f e 3 c i i +l e 注明： f e 3 c i i 二次渗碳体 l e高温莱氏体 l e 低温莱氏体 第二节 铁碳合金状态图 e s q g k d 4 . 3 2 . 0 60 . 7 70 . 0 2 c % 1 1 4 7 1 5 3 8 7 2 7 p l a f 温度 9 1 2 c fe3c 6 . 6 7 a p l e f a l+ fe3c l+ fe3c f+a 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 f+pp+fe3c 3 le p+fe3c+le 2 fe3c+le fe3c+le 2 31 laal+p p+f 1 laal+a+ 432 fp+fe3c 4 a+ 3 a 1 ll+ 2 afe3c 1 l 2 lele 1 la+l+lep+fe3c+lea+le + 32 afe3cfe3c+le 1 l 32 l+ fe3c fe3c+ le 第二节 铁碳合金状态图 231 laal+p 1 laal+a+p+f 432 f 41 ll+a+p+fe3c 23 aafe3c 1 l 2 lele 1 la+l+lep+fe3c+lea+le + 32 afe3c 31 l 2 l+ fe3cfe3c+fe3c+lele 1 钢 2 生铁 共析钢: 亚共析钢: 过共析钢: 共晶生铁: 亚共晶生铁: 过共晶生铁: 五、铁碳合金的结晶过程及组织转变 第二节 铁碳合金状态图 0.91.0 b hb c% b hb 1 选择材料 2 确定各种工艺参数 六状态图的作用 第二节 铁碳合金状态图 第三节 钢的分类和应用 1 按化学成分分类 一、钢的分类 （1 ）低合金钢me1 0 % 1 ）碳素钢 2 ）合金钢 （1 ）低碳钢c0 . 6 % 2 . 按质量分类 p、s 0.030% 1 ）普通钢 2 ）优质钢 3 ）高级优质钢： s：使合金产生热裂、热脆缺陷 p：使合金产生冷裂、冷脆缺陷 p 0.045% s 0.055% p 0.040% s 0.045% 第三节 钢的分类和应用 3 按用途分 弹簧钢、轴承钢、耐热钢、耐蚀钢等 。 1 ）结构钢 2 ）工具钢 3 ）特殊性能钢: （1 ）工程结构钢 （2 ）机械制造用钢 （1 ）碳素工具钢 （2 ）合金工具钢 第三节 钢的分类和应用 二、钢的编号及应用 碳素结构钢的钢号用屈服强度（mp a ）表示。这类钢 主要用于制造一般的机械零件和工程构件。 1 结构钢 q195（0.06-0.12%c）、q235（0.14-0.22%c） q195 屈 s 1 ）（普通）碳素结构钢( wc 0 . 0 6 - 0 . 3 8 %) 第三节 钢的分类和应用 焊接性能好，塑性、韧性好，有一定强度 2 ）优质碳素结构钢 0 8 、1 0 、1 5冲压件、焊接件。 1 5 、2 0 、2 5渗碳淬火。 4 0 、4 5 、5 0调质处理。制造齿轮、轴类零件。 6 0 、6 5 、7 0淬火+ 中温回火，制造弹簧。 杂质p 、s 含量较低，主要用于制造各种较重要的机 械零件。钢号用两位数字表示含碳量的万分之几。 45表示含碳量是万分之4 5 （0 . 4 5 %） 第三节 钢的分类和应用 第四节合金钢 3 ）合金结构钢 合金元素在钢中的作用 合金钢是指为了改善钢的性能，在碳 钢中特意加入某种合金元素的钢种。 合金元素在钢中可以与铁和碳形成固 溶体（合金奥氏体、合金铁素体、合金 马氏体）和碳化物（合金渗碳体、特殊 化合物）。 合金元素提高钢的使用性能 1 、合金元素使钢强化（固溶强化、第二相 强化、细晶强化） 2 、合金元素使钢获得特殊性能 （1 ）形成稳定的单相组织 （2 ）形成致密氧化膜和金属间化合物 第四节合金钢 在低碳钢的基础上加入不超过5 %合金元素，以mn 为主要合金因素。广泛用于建筑、石油、化工、铁道、 桥梁、造船等工业部门。 牌号有q 2 9 5 、q3 4 5 、q4 6 0 3 ）合金结构钢 其钢号的表示方法为：两为数字+ 元素符号+ 数字。如： 4 0 c r 2 mo 4 v 、6 0 s i 2 mn 低合金高强度结构钢 第三节 钢的分类和应用 用于制造各种机械零件的合金结构钢。又可分为： 合金渗碳钢：2 0 c r 、2 0 c r mn t i 主要生产：齿轮、内燃机凸轮轴 受力情况：受摩擦力、交变接触应力、冲击 性能要求：高的硬度和耐磨性、高的接触疲劳强 度，心部要求有良好的韧性 热处理：渗碳热处理 机械结构用合金钢 第三节 钢的分类和应用 ?合金调质钢：4 0 c r 、4 0 mn b 主要生产：机床主轴、汽车后桥半轴、曲轴等 受力情况：弯曲、扭转或交变载荷与冲击载荷的 复合作用 性能要求：高的强度、又要有较高的塑性和 韧性 热处理：淬火+ 高温回火 第三节 钢的分类和应用 第三节 钢的分类和应用 ?合金弹簧钢 主要生产：弹簧和其他弹性零件等 受力情况：传递力和缓和机械的振动与冲击 性能要求：高的弹性极限和屈服强度，较高的 疲劳强度和足够的塑性和韧性 热处理：淬火+ 中温回火 第三节 钢的分类和应用 滚动轴承钢 滚动轴承的内、外套圈和滚珠、滚柱的专用 钢种。如 g c r 1 5 等，含碳在0 . 9 5 % - 1 . 1 %，1 . 4 - 1 . 6 5 %c r 。 受力情况：交变接触压应力及很大的摩擦力， 还会受到大气、润滑油的侵蚀 性能要求：高的接触疲劳强度、高的弹性 极限和高而均匀的硬度和适当的韧性 热处理：球化退火+ 淬火+ 低温回火 2 工具钢 工具钢是用于制造刃具、模具、量具的钢种。 工具的工作条件 （一）刃具 工作时强烈的摩擦，造成强烈的磨损，切削时 刃部温度很高，刃口局部会受到很大的切削力， 导致时刃崩缺；断续切削还会给刃具带来极大的 冲击与振动，使刃具发生折断 第三节 钢的分类和应用 第三节 钢的分类和应用 （二）模具 由于金属坯料的剧烈变形，模具的型腔及刃 口部分会受到强烈的摩擦和挤压，从而导致型 腔壁的磨损、刃口钝化；模具工作时，还会受 到冲击与热得作用，尤其是热作模具，在巨大 的冲击载荷与周期性高温急冷（因模具表面 喷洒润滑剂）复合作用下，型腔表面会出现塌 陷、沟槽、热疲劳裂纹，甚至断裂。 第三节 钢的分类和应用 （三）刃具 控制加工精度的测量工具。如卡尺、量规等。 在工作中，量具必须以极低的粗糙度与被测 工件相接触以保障被测尺寸的精确。由于量具 与被测工件长期反复接触，会导致工作面磨损、 碰撞，甚至变形，使其失去原有的尺寸精度而 不能继续使用。 第三节 钢的分类和应用 各类工具虽然工作条件不一样，但大 多数在工作中既要承受很大的局部压力 和磨损，又要承受冲击、振动与热作用。 所以工具钢既要有高的硬度和耐磨 性，又要有足够的韧性。 0 . 3 5 2 . 3 % 之间。 常加入的元素有s i 、m n 、g r 、m o 、w 、v 等 第三节 钢的分类和应用 1 ）碳素工具 含碳量为0 . 6 5 - 1 . 3 5 % ，可制造低速切削的刀具和普通 模具、量具。如t 8 、t 1 2 a 等。 2 ）合金工具钢 其牌号表示方法是：一位数字（或无数字）+ 元素符号+ 数字。如：9 s i c r 、w1 8 c r 4 v 等。 合金工具钢又可分为合金刃具钢、合金模具钢、和合金量 具钢。 合金刃具钢 制造各种刀具的钢材。含碳量为0 . 7 5 - 1 . 5 0 %，9 s i c r 、w1 8 c r 4 v 等。 合金量具钢生产中常用的量具，钢板尺、游标卡尺等。 c r wmn 、g c r 1 5 合金模具钢用于制造各种模具的钢材。如：c r 1 2 mo v 、 5 c r n i mo 等。 第三节 钢的分类和应用 第三节 钢的分类和应用 3 特殊性能钢 1 ）不锈、耐蚀钢 性能要求： 主要是耐蚀性，高的强度，良好的加工性能（冷 成形、焊接、热处理） 加入合金元素的目的： 提高基体的电极电位；g r 使钢在室温呈单相组织；g r 、n i 在钢的表面形成致密的氧化膜；g r 、s i 、a l 形成稳定的碳化物和金属间化合物n i 、n b 、t i 第三节 钢的分类和应用 2 ）耐热钢 性能要求：高的热稳定性（高温抗氧化能力）； 高的热强性（高的蠕变抗力和持久强度）。 加入合金元素的目的： 固溶强化和形成单相组织并提高再结晶温度 g r 、n i 、w、mo 形成弥散分布且稳定的碳化物 v 、t i 、n b 形成致密的氧化膜；g r 、s i 、a l 具有特殊磁、电、弹性、膨胀等物理性能的钢。 不锈、耐蚀钢具有较强抵抗腐蚀能力的钢。碳量低，加合 金元素c r 、n i 。如1 c r 1 8 n i 9 、0 c i 1 9 n i 9 等。 耐热钢良好的抗氧化性和热强性钢，如1 c r 1 3 、c r 1 7 等。 2 ）特殊物理性能钢 第三节 钢的分类和应用 ?说明晶粒粗细对力学性能的影响。 ?何谓铁的同素异晶转变，并用反应式和冷 却结晶曲线分别描述。 ?说明f 、a 、 f e 3 c 、p 的名称、含碳量、晶 体类型及力学性能特征。 ?依f e- c 状态图分析缓慢冷却条件下4 5 钢和 t 1 0 钢的结晶过程与室温组织。并划出各自 的冷却曲线。 复习题 第四章 带着问题学习 1 . 不改变化学成分能否改变材料性能，主 要途径有哪些？ 2 . 改变材料性能的外部主要途径？ 应用机床制造中，热处理零件占6 0 % 7 0 % ， 汽车制造中，热处理零件占7 0 % 8 0 % 。 方法： 通过对钢件重新加热 、保温 并以不同条件下的冷却方式获得所需 组织和性能。 意义： 在固态下改善钢件内部组织和提高其力 学性能，但不允许改变形状。 1 、概述 第四章 钢的热处理 热处理 普通热处理 表面热处理 退火 正火 淬火 回火 表面淬火 化学热处理 渗碳 渗氮 碳氮共渗 加热 保温 冷却 临界温度 热处理工艺曲线 t 其它热处理 形变 真空 激光 第四章 钢的热处理 第四章 钢的热处理 2 、钢在加热时的转变 1 ）奥氏体的形成 加热是热处理的第一道工序。 当钢加热到a 1 （7 2 7 ）以上 p f 转变 将共析钢、亚共析钢、过共析钢分别加热 到a 1、a3、ac m以上时，p 都将转变为单相a 加热的目的：获得奥氏体组织 p 向a 转变：通过同素异构转变和渗碳体 的溶解来实现的。 第四章 钢的热处理 奥氏体的形成 ffe3c未溶fe3c a 残余fe3ca a a a形核 a长大 残余fe3c溶解 a均匀化 第四章 钢的热处理 2 ）奥氏体晶粒大小 奥氏体晶粒度: 1 . 起始晶粒度: 珠光体刚刚转变成奥氏体 的晶粒大小。 2 . 实际晶粒度: 热处理后所获得的奥氏体 晶粒的大小。 3 . 本质晶粒度: 度量钢本身晶粒在9 3 0 以 下, 随温度升高, 晶粒长大倾向的程度。 钢的本质晶粒度示意图 第四章 钢的热处理 奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响 1.奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力 学性能提高。 2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起 工件产生较大的变形甚至开裂。 第四章 钢的热处理 3 . 过冷奥氏体的等温冷却转变 1) 建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转 变曲线 - ttt曲线 ( c 曲线 ) t - time t - temperature t - transformation 第四章 钢的热处理 共析碳钢 t t t曲线建立过程示意图 时间(s) 300 1021031041010 800 -100 100 200 500 600 700 温度 () 0 400 a1 第四章 钢的热处理 2) 共析碳钢 ttt 曲线的分析 稳定的奥氏体区 过冷奥氏体区 a向产 物转变开始线 a向产物 转变终止线 a + 产 物 区 产物区 a1550;高温转变区; 扩散型转变;p 转变区。 550230;中温转变 区;半扩散型转变; 贝氏体( b ) 转变区; 230 - 50;低温转 变区;非扩散型转变; 马氏体 ( m ) 转变区。 时间(s) 300 1021031041010 800 -100 100 200 500 600 700 温度 () 0 400 a1 ms mf 3 ) 转变产物的组织与性能 珠光体型 ( p ) 转变 ( a1550 ) : a1650:p ; 525hrc; 片间距为0.60.7m ( 500)。 650600 :细片状p-索氏体(s); 片间距为0.20.4m (1000); 2536hrc。 600550:极细片状p-屈氏体(t); 片间距为0.2m ( 电镜 ); 3540hrc。 第四章 钢的热处理 贝氏体型 ( b ) 转变 ( 550230 ) : 550350: b上; 4045hrc; b上=过饱和碳-fe条状+ fe3c细条状 过饱和碳-fe条状fe3c细条状 羽毛状 第四章 钢的热处理 上贝氏体组织金相图 第四章 钢的热处理 贝氏体型 ( b ) 转变 ( 550230 ) : 350230: b下; 5060hrc; b下=过饱和碳-fe针叶状+ fe3c细片状 过饱和碳-fe针叶状fe3c细片状 针叶状 第四章 钢的热处理 下贝氏体组织金相图 第四章 钢的热处理 上贝氏体塑性和韧性较好较差，在生 产中很少应用。 下贝氏体具有高的硬度，同时塑性和 韧性较好，生产中有时对中碳合金钢和 高碳合金钢采用“等温淬火”的方法，就 是为了获得下贝氏体组织。 第四章 钢的热处理 马氏体型 ( m ) 转变 ( 230 -50 ) : 1)定义:马氏体是一种碳在 fe中的 过饱和固溶体。 2)转变特点: 在一个温度范围内连续冷却完成; 转变速度极快,即瞬间形核与长大; 无扩散转变( fe、c原子均不扩散 ), m与原a的成分相同,造成晶格畸变。 转变不完全性, qm = f ( t ) 第四章 钢的热处理 3）马氏体的组织形态: 板条状 - 低碳马氏体(0.2%c ); 3050hrc ; = 917%。 第四章 钢的热处理 低碳板条状马氏体组织金相图 第四章 钢的热处理 针、片状 - 高碳马氏体(1%c); 66hrc左右 ; 1%。 第四章 钢的热处理 高碳针片状马氏体组织金相图 第四章 钢的热处理 4 . 过冷奥氏体的连续冷却转变 1) 建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转 变曲线 - cct 曲线 c - continuous c - cooling t - transformation 第四章 钢的热处理 vk 共析碳钢 c c t曲线建立过程示意图 时间( lg ) 温度 a1 pf ps a+p k ms mf 水冷油冷vk1 炉冷 空冷 共析碳钢 ttt 曲线与cct曲线的比较 稳定的奥氏体区 时间(s) 300 1021031041010 800 -100 100 200 500 600 700 温度 () 0 400 a1 ms mf cct曲线 ttt曲线 稳定的奥氏体区 时间(s) 300 1021031041010 800 -100 100 200 500 600 700 温度 () 0 400 a1 ms mf 在连续冷却过程中 ttt 曲线的应用 v1 v2 vkv3v4 v1= 5.5/s : 炉冷 ; p v2= 20/s : 空冷 ; s v3= 33/s : 油冷;t+m+a残 v4 138/s : 水冷 ; m+a残 5 、热处理工艺方法 退火： 将钢件加热、保温至奥 氏体化后随炉冷却(缓慢)，使其 重新结晶的热处理工艺。 退火目的： 降低硬度，利于切削加工； 细化晶粒，提高塑性和韧 性； 消除热应力。 应用：主要应用于铸件、锻件、 焊件等多种毛坯加工前的预备热 处理。 第四章 钢的热处理 退火分类：完全退火、球化退火和低温退火 完全退火 应用：亚共析钢的铸、锻、 焊件。 加热保温：ac3+3050， 奥氏体化； 冷却： 炉冷至500后开炉 空冷。 第四章 钢的热处理 ?球化退火 应用：过共析钢(刀具、刃具)锻坯。 作用：降低硬度，利于切削加工，并为进一步淬火做准备。 组织变化特征： 加热、保温：ac1+2030； 冷却：随炉缓慢冷却； 第四章 钢的热处理 低温