汽车机械基础学习任务1

1、第1页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础任务目标任务目标本章小结本章小结 主要内容主要内容重点难点重点难点重点难点重点难点主要内容主要内容重点难点重点难点本章小结本章小结 主要内容主要内容重点难点重点难点第2页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础任务目标任务目标学会一般钢材热处理的方法对其力学性能学会一般钢材热处理的方法对其力学性能的影响的影响掌握钢的热处理工艺掌握钢的热处理工艺熟悉金属与合金相图的结构熟悉金属与合金相图的结构了解金属材料的性能及其指标，铁碳合金了解金属材料的性能及其指标，铁碳合金相图基础知识相图基础知识第3页学习任务学习任务1

2、 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础重点难点重点难点钢的退火、正火、淬火和回火工艺钢的退火、正火、淬火和回火工艺铁碳合金相图铁碳合金相图金属的力学性能、合金结构金属的力学性能、合金结构第4页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础主要内容主要内容第二节第二节 金属与合金的结构金属与合金的结构第一节第一节 金属材料的性能金属材料的性能第三节第三节 铁碳合金相图基本知识铁碳合金相图基本知识第四节第四节 钢的热处理钢的热处理第5页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础第一节第一节 金属材料的性能金属材料的性能第6页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金

3、属材料基础汽车机械基础 主要了解金属材料的力学性能、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度以及物理、化学、工艺性能。本节任务目标本节任务目标第7页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础一、一、金属金属材料的性能材料的性能 金属材料的力学性能是指金属承受外加载荷作用时，抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力。金属常用力学性能包括强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。第8页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础1 1强度与塑性强度与塑性 强度是指金属在静载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力，塑性是指金属在静载荷作用下发生不可逆变形的能力。金属材料的强度指标与塑性指标可

4、以通过拉伸试验测得。第9页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础 拉伸试验是在拉伸试验机上进行的，试验之前，先将被测金属材料制成标准试样，如图所示，图中d0为试样原始直径，L0为试样原始标距长度。按照GB 6397-1986金属拉伸试验试样规定:试样分为长试样和短试样，对圆形拉伸试样，长试样L0=10d0；短试样L0=5d0。圆形拉伸试样圆形拉伸试样第10页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础低碳钢力低碳钢力伸长曲线伸长曲线 拉伸式样拉伸式样“缩颈缩颈”现象现象 从拉伸试验和拉伸曲线上，可把低碳钢拉伸过程分成四个阶段：弹性变形阶段、屈服阶段、冷变形

5、强化阶段、缩颈与断裂阶段。第11页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（1 1）强度）强度 强度是用应力来表示的，即材料受载荷作用后，内部产生一个与载荷相平衡的内力，单位面积上的内力称为应力，用“”表示。常用的强度指标有弹性极限、屈服强度和抗拉强度。 弹性极限弹性极限是指试样产生完全弹性变形时所能承受的最大应力，用符号“e”表示，单位为MPa，弹性极限的值可按下式计算：0eeFS式中，Fe试样产生完全弹性变形时的最大载荷，N； S0试样原始横截面积，mm2 。第12页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础 屈服强度 屈服强度是指试样在拉伸试验过程中

6、，力不增加（保持恒定）仍然能继续伸长时的应力。屈服强度是工程技术上极为重要的力学性能指标之一，也是大多数机械零件选材和设计的依据。屈服强度用符号“s”表示，单位为MPa,屈服强度的值可用下式计算：0SsFS式中，Fs试样屈服时的载荷，N； S0试样原始横截面积，mm2。第13页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础 工业上使用的一些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在进行拉伸试验时没有明显的屈服现象，也不会产生缩颈现象，这就无法确定。因此，国家标准规定，试样去除拉伸载荷后，其标距部分的残余伸长量达到原始标距长度0.2%时的应力，为该材料的屈服强度，用符号“0.2”表示。高碳钢拉

7、伸曲线如图所示，图中实线为拉伸曲线，虚线为卸载时的曲线。 高碳钢拉伸曲线高碳钢拉伸曲线第14页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础 抗拉强度 抗拉强度指试样拉断前所能承受的最大拉应力，用符号“ ”表示，单位为MPa,可用下式计算：b0bbFS式中，Fs试样承受的最大拉伸力，N； So试样原始横截面积，mm2。第15页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础 塑性是指材料在载荷作用下，产生塑性变形而不被破坏的能力。材料的塑性指标可以用试样拉断时的最大相对变形量来表示，常用的有断后伸长率和断面收缩率，它们是工程上广泛使用的表征材料塑性好坏的主要力学性能指

8、标。 断后伸长率 断后伸长率是试样拉断后的标距增长量与原始标距之比，用符号“ ”表示，可用下式计算：（2 2）塑性）塑性100100%LLL式中，L1拉断后试样的标距长度，mm； L0试样原始标距，mm。第16页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础 断面收缩率 断面收缩率是指试样拉断后缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积之比，用符号“ ”表示，可用下式计算：010100%SSS式中，S1试样原始横截面积，mm2； S0试样断口处的横截面积， mm2 。第17页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础2 2硬度硬度 硬度是指材料抵抗其它更硬物体压入其表

9、面的能力，是衡量金属软硬程度的一种性能指标，是金属表面上局部体积内抵抗塑性变形和破裂的能力。硬度的测定方法很多，目前生产中应用较多的是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等试验方法。 第18页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（1 1）布氏硬度）布氏硬度 布氏硬度的标注方法是所测得的硬度值应在硬度符号的前面，如120HBS表示布氏硬度值为120。 布氏硬度的特点是试验时金属表面压痕大，能客观地反映被测金属的平均硬度，试验结果较准确，数据重复性强。但由于其压痕大，不宜测量成品或薄片金属的硬度。第19页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（2 2）洛氏硬度

10、）洛氏硬度 洛氏硬度试验是生产中广泛应用的一种硬度试验。其特点是：硬度试验压痕小，对试样表面损伤小，常用来直接检验成品或半成品的硬度；试验操作迅速简便，可以直接从试验机上读出硬度值。当采用不同标尺时，可测量出从极软到极硬材料的硬度。其缺点是由于压痕小，对于内部组织和硬度不均匀的材料，所测结果不够准确。因此在测试洛氏硬度时在被测金属的不同位置的三点测出硬度值，再计算其平均值。洛氏硬度各标尺之间没有直接的对应关系。第20页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（3 3）维氏硬度）维氏硬度 布氏硬度试验不能测定硬度较高的金属材料，洛氏硬度试验虽可用来测定由极软到极硬金属材料的硬

11、度，但不同标尺的硬度间没有简单的换算关系，使用上很不方便。为了能在同一种硬度标尺上，测定从极软到极硬金属材料的硬度值，因而制定了维氏硬度试验法。第21页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础3 3冲击韧性冲击韧性 以很大速度作用于工件上的载荷称为冲击载荷，金属材料在冲击载荷的作用下，抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。 冲击功的大小与试验的温度有关。有些材料在室温（20）左右试验时不显示脆性，而在较低温度下可能发生脆性断裂，从图中可以看出，在某一温度处，冲击功急剧降低，金属材料由韧性断裂转变为脆性断裂，这一温度区域称为韧脆转变温度。材料的韧脆转变温度越低，材料的低温抗冲击性能越好

12、。冲击吸收功冲击吸收功温度曲线温度曲线第22页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础4 4疲劳强度疲劳强度 许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力，也称循环应力。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。 疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在机械零件失效中大约有80以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故。（1 1）疲劳的）疲劳的概念概念第23页学习任

13、务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（2 2）疲劳破坏的特征）疲劳破坏的特征 尽管交变载荷有各种不同的类型，但疲劳破坏仍有以下共同的特点： 疲劳断裂时并没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有预兆，而是突然破坏； 引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点； 疲劳破坏的宏观断口由两部分组成，即疲劳裂纹的策源地及扩展区（光滑部分）和最后断裂区（粗糙部分），如图所示。 疲劳断裂宏观断口示意图疲劳断裂宏观断口示意图第24页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（3 3）疲劳曲线和疲劳极限）疲劳曲线和疲劳极限 疲劳曲线是指交变应力与循环次数的关系曲线，如图所示。曲线

14、表明，金属承受的交变应力越小，则断裂前的应力循环次数N越多，反之，则N越少。 疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图 对称循环应力图对称循环应力图第25页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础二、金属材料的其他性能二、金属材料的其他性能 金属材料的物理性能是指其本身所固有的一些属性，如密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。由于机器零件的用途不同，对于其物理性能的要求也有所不同。1 1金属的物理金属的物理性能性能第26页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础2 2金属的化学性能金属的化学性能 金属材料的化学性能主要是指在常温或高温时，抵抗各种介质侵蚀的能

15、力，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。 3 3金属的金属的工艺性能工艺性能 金属材料的工艺性能是指金属在制造机械零件和工具的过程中，适应各种冷、热加工的能力，也就是金属采用某种加工方法制成成品的难易程度。它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能等。第27页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础本节思考与练习本节思考与练习1、金属常用的力学性能有哪些？2、疲劳破坏的特征有哪些？3、材料的硬度有哪些测定方法？第28页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础第二节第二节金属与合金的结构金属与合金的结构第29页学习任务学习任务1 1 金属材料基

16、础金属材料基础汽车机械基础本节任务目标本节任务目标 主要了解金属的特性、结构，晶体的缺陷，以及合金的结构、分类和性能。第30页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础一、金属的晶体结构一、金属的晶体结构 金属是一种具有光泽、富有延展性、容易导电、导热等性质的物质。地球上的绝大多数金属元素是以化合态存在于自然界中的。这是因为多数金属的化学性质比较活泼，只有极少数的金属比如金等以游离态存在。金属在自然界中广泛存在，在生活中应用极为普遍，是在现代工业中非常重要和应用最多的一类物质。1 1金属的金属的特性特性与结构与结构（1 1）金属金属特性特性第31页学习任务学习任务1 1 金属

17、材料技术金属材料技术汽车机械基础（2 2）金属原子的结构特征）金属原子的结构特征 金属元素与其他元素在物理、化学性质上的区别与其原子的电子结构有关。按照卢瑟福（Rutherford）模型，自由原子是由带正电荷的核和包围它的电子云所构成的，元素的原子序数Z等于原子的电子数。第32页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础2 2金属晶体的结构金属晶体的结构 晶格：用于描述晶体中原子排列规律的空间格架称为空间点阵，简称点阵或晶格。 晶胞：晶格中能够反映晶格特征的最小的几何单元，称为晶胞。 晶格常数：晶胞的棱边长度一般称为晶格常数或点阵常数，如图所示。一般用a、b、c来表示。 轴间

18、夹角：晶胞的棱间夹角 又称为轴间夹角。 一般用、来表示。（1 1）晶体的有关概念）晶体的有关概念 晶格常数表示法晶格常数表示法第33页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础 （2 2）三种典型的金属晶体结构）三种典型的金属晶体结构 晶体的结构虽然有许多种类，但是根据晶胞的三个晶格常数和三个轴间夹角的相互关系，可以归纳为7个晶系14种点阵。由于金属原子的键合力是金属键，使其原子间的堆积趋向于紧密堆积排列，所以最常见的金属晶体结构有三种。体心立方晶胞体心立方晶胞 体心立方晶格 如图所示，体心立方晶格在立方体的八个顶点上各有一个原子，在立方体的中心还有一个原子。具有面心立方晶格

19、的金属有-Fe、Cr、Mo、V 、Nb、W 。第34页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础 面心立方晶格 如图所示，面心立方晶格在立方体的八个顶点上各有一个原子，在立方体六个面的中心各有一个原子。具有面心立方晶格的金属有-Fe、Ni、Mn、Al、Au、Ag、Cu等。 密排六方晶格 如图所示，密排六方晶格在晶胞的12个角上各有一个原子，构成六方柱体，上、下底面的中心各有一个原子，晶胞内还有三个原子。密排六方晶格的晶格常数有两个：一个是上下底面之间的距离c，一个是六边形的边长a，c与a之比c/a称为轴比。 具有密排六方晶格的有Zn、Mg、Be、Cd等。 面心立方晶胞面心立方

20、晶胞 密排六方晶胞密排六方晶胞 第35页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础二、晶体的缺陷二、晶体的缺陷 实际金属晶体的结构不同于理想晶体的结构，理想晶体的结构是原子完全按空间点阵有规则的排列。实际金属晶体的结构不可避免地存在有各种各样的晶体缺陷，这些晶体缺陷对金属材料的性能会产生很大的影响。我们可以认为实际金属晶体是由理想晶体加晶体缺陷构成的。 晶体缺陷按照其在晶体中分布的几何特点，可以分成三大类。 第36页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础1 1点缺陷点缺陷 点缺陷是指在长、宽、高三个方向上尺寸都很小的一种缺陷，最常见的是空位和间隙原子，如

21、图所示。空位和间隙原子示意图空位和间隙原子示意图第37页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础2 2线缺陷线缺陷 线缺陷是指在晶体中呈线状分布，即一个方向上尺寸很大，而另两个方向上很小的缺陷。常见的线缺陷是各种类型的位错。所谓位错，就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。金属晶体内存有大量的各种类型位错，其中“刃型位错”是一种比较简单的位错，如图所示。晶体中位错的多少可用单位体积中所包括的位错线的总长度表示，称为位错密度。刃型位错示意图刃型位错示意图第38页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础3 3面缺陷面缺陷 第39页学习任

22、务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（1 1）晶界）晶界 工业上使用的金属材料一般都是多晶体。多晶体中两个相邻晶粒之间的位向不同，所以晶界处实际上是原子排列逐渐从一种位向过渡到另一种位向的过渡层，该层的原子排列是不规则的。相邻晶粒的位向差一般为3040，晶界宽度为10个原子间距，如图示。晶界的过渡结构示意图晶界的过渡结构示意图第40页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（2 2）亚晶界）亚晶界 在每个晶粒内，其晶格位向并不像理想晶体那样完全一致，而是存在许多尺寸很小，位向差也很小（一般）的小晶块，这些小晶块称为“亚晶粒”，两相邻亚晶粒的界面称为“亚晶界

23、”。亚晶界实际上是由一系列刃型位错所组成的小角度晶界，如图所示。亚晶界结构示意图亚晶界结构示意图第41页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础三、三、合金合金的结构的结构 由一种金属元素与其它金属原子或非金属元素组成的具有金属性质的物质称为合金。组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。通常组元是指组成合金的元素，例如普通黄铜的组元是铜和锌，铁碳合金的组元是铁和碳。 可以由给定组元按不同比例配制出一系列不同成分的合金，这一系列合金就构成了合金系。例如各种牌号的碳钢就是由不同铁、碳含量的合金所构成的铁碳合金系。 某种成分的合金是由一些相构成的。相是指合金中结构相同、成分和性能

24、均一并以界面相互分开的组成部分。由一种固相组成的合金称为单相合金，由几种不同固相组成的合金称为多相合金。 1 1基本基本概念概念 第42页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础2 2相的分类相的分类 不同的相具有不同的晶体结构，这样相的种类是相当多的，人们根据相的晶体结构的特点将其分为固溶体和金属化合物两大类。 第43页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（1 1）固溶体）固溶体 所谓固溶体是指合金的组元之间以不同的比例相互混合，混合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元相同，这种相就称为固溶体。 也就是说固溶体是以某一种组元作为溶剂，另一种或

25、多种组元作为溶质，固溶体保有溶剂组元的晶格类型，固溶体的成分可以在一定的范围内变化。 根据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种。第44页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础 置换固溶体 若溶质原子代替一部分溶剂原子而占据溶剂晶格中的某些结点位置，这种形式的固溶体称为置换固溶体，如图所示。 间隙固溶体 溶质原子在溶剂晶格中并不占据晶格结点的位置，而在结点间的空隙中，这种形式的固溶体称为间隙固溶体，如图所示。固溶体的两种类型固溶体的两种类型第45页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（2 2）固溶体的性能）固

26、溶体的性能 合金中的固溶体由于溶质原子溶入后造成了晶格畸变，会使固溶体的硬度、屈服强度高于组成它的纯金属组元的性能的平均值。 把固溶体随着溶质原子的增多，固溶体的强度、硬度上升以及塑性、韧性下降的现象称为固溶强化。它是强化金属材料的重要途径之一。加入同样量的溶质原子，间隙原子的强化效果最大；对于置换原子，溶质原子与溶剂原子的尺寸差别越大，强化效果越好。 由于固溶体具有较高的强度和硬度，较好的塑性和韧性，所以在合金中固溶体一般是作为合金的基体相。 第46页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（3 3）金属化合物）金属化合物 金属化合物是指合金组元间发生相互作用而形成的一种

27、新相，由于其成分往往处于合金相图的中间，所以也之称为中间相。根据形成条件及结构特点，常见的金属化合物有三种类型: 正常价化合物 电子化合物 间隙化合物第47页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础本节思考与练习本节思考与练习1、晶体缺陷按照其在晶体中分布的几何特点，可以分成三大类哪几类？分别有什么特征？2、何谓固溶强化？固溶体的性能如何？3、常见的金属化合物根据形成条件及结构特点有哪些？第48页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础第三节第三节铁碳合金相图基本知识铁碳合金相图基本知识第49页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础

28、本节任务目标本节任务目标 主要了解金属与合金的结晶、铁碳合金相图以及铁碳合金的成分、组织、性能间的关系。第50页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础一、金属与合金的结晶一、金属与合金的结晶 纯金属的结晶是在一定温度下进行的，其结晶过程可用冷却曲线来描述。图所示的冷却曲线是用热分析法测量绘制的，即在液态金属的缓慢冷却过程中，每隔一定时间测量一次温度，直到冷却至室温。然后将测量结果在温度一时间坐标上就绘制出金属的冷却曲线。可见，冷却曲线是一条温度随时间而变化的曲线。1 1纯金属的纯金属的结晶结晶（1 1）结晶的概念）结晶的概念 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线第51页学习任

29、务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础 但在实际生产中，金属由液态结晶为固态时都有较大的冷却速度，此时金属要在理论结晶温度以下某一温度才开始进行结晶，这一温度称为实际结晶温度Tn。金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷现象。而理论结晶温度与实际结晶温度之差（T0-Tn），称为过冷度，用T表示，即T = T0-Tn。 实践证明，金属总是在一定的过冷度下结晶的，过冷是结晶的必要条件。金属结晶时的冷却速度越大，过冷度就越大，金属的实际结晶温度就越低。 第52页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（2 2）金属的结晶过程）金属的结晶过程 纯金属的结晶过

30、程在冷却曲线上平台所经历的这段时间内发生的。金属结晶时，首先自液体金属中自发地形成一批结晶核心，简称晶核，也称自发晶核，这些晶核通过不断吸附周围液体中原子而长大。与此同时，在液体中又不断产生出新的晶核并且长大，直至全部液体金属都转变为固体为止。最后，形成由许多外形不规则，位向不同的小晶体（晶粒）所组成的多晶体。总之，液体金属的结晶过程是由晶核的产生和长大两个基本过程所组成，并且两个过程是同时进行的，如图所示。 金属结晶过程示意图金属结晶过程示意图第53页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（3 3）金属晶粒大小与控制）金属晶粒大小与控制 金属晶粒的大小可以用单位体积内晶

31、粒的数目表示。为了便于测量，常以单位截面积上晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。晶粒大小对金属材料的力学性能有很大影响。一般在常温下晶粒数目越多，晶粒越细小，金属的强度、塑性和韧性越高。因此，研究液体金属的结晶过程，就是为了找到控制晶粒大小的途径。 结晶过程是由晶核的产生及其长大两个基本过程所组成，所以结晶后晶粒的大小主要取决于形核率N和晶核的长大速率G。形核率是指单位时间内、单位体积中所产生的晶核数目。长大速率是指单位时间内晶核向周围长大的平均线速度。显然，凡能促进形核率N，抑制长大速率G的因素，都能细化晶粒。反之则使晶粒粗化。第54页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础

32、 增大金属的过冷度 金属结晶时，随过冷度的增加，形核率N和长大速率G均增加，但增加的速度有所不同，如图1.20。在实际生产中，液态金属能达到的过冷范围内，形核率N的增长比长大速率G的增长要快。 因此，过冷度T越大，N和G的比值也越大时，单位体积中晶粒的数目就会越多，晶粒则越细。形核率和长大率与过冷度的关系形核率和长大率与过冷度的关系 在工业生产中，为了细化铸件的晶粒，改善其性能，常采用以下方法。第55页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础 进行变质处理 在浇注前，向液态金属中加人某种元素或化合物(称为变质剂)，由它形成的微粒，起着非自发结晶核心的作用，从而使晶核数目增多

33、，使晶粒变细。例如，在铝合金中加人钦、错、钒，可使晶粒细化；在铸铁中加人硅铁、硅钙合金，能使组织中的石墨细化。 附加振动 在金属液结晶过程中，对其采用机械振动、超声波振动、电磁振动等措施，可使枝晶破碎、折断，而破碎了的细小枝晶又可起到新晶核的作用，从而增加了形核率N，使结晶后的晶粒数目增多，晶粒细小。第56页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础2 2合金的结晶合金的结晶 合金的结晶过程同纯金属一样，也遵循形核与长大的基本规律。但由于合金成分中包含有两个以上的组元，使其结晶过程比纯金属复杂得多。为了研究合金在结晶过程的特点以及合金组织、成分和性能之间的关系，必须利用合金相

34、图这一重要工具。 合金相图又称为合金状态图或合金平衡图。它是以温度为纵坐标，以成分为横坐标，表示在平衡状态下，合金的组成相、温度和成分之间关系的图形。根据相图可以了解合金系中不同成分合金在不同温度下的组成相，还可以了解合金在缓慢加热和冷却过程中的相变规律。所以相图是研究合金的组织形成和变化规律的有效工具。在生产实践中，相图可以作为正确制订铸造、锻压、焊接及热处理工艺的重要依据。第57页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础二、铁碳合金相图二、铁碳合金相图 大多数金属结晶完成后晶格类型不再发生变化。但有少数金属，在结晶成固态后继续冷却时，晶格类型还会发生变化，如铁有体心立方

35、晶格的和面心立方晶的；这种金属在固态下随温度的改变，由一种晶格变为另一种晶格的现象称为同素异晶转变。 由同素异晶转变所得到的不同晶格的晶体，称为同素异晶体。在常温下的同素异晶体一般用希腊字母表示，较高温度下的同素异晶体依次用,等表示。即正是由于纯铁发生同素异晶转变，生产中才有可能对钢和铸铁进行各种热处理，以改变其组织和性能。1 1铁碳合金的铁碳合金的基本基本相图相图 （1 1）纯铁的同素异晶转变）纯铁的同素异晶转变第58页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（2 2）铁碳合金的基本组织及其性能）铁碳合金的基本组织及其性能 在铁碳合金中，铁和碳可以形成化合物Fe3C，碳也

36、可以溶解在铁中形成固溶体，或形成化合物与固溶体的机械混合物。属于固溶体相的有铁素体与奥氏体，属于金属化合物相的有渗碳体，属于机械混合物的有珠光体和莱氏体。它们组成铁碳合金中的基本组织。 铁素体 碳溶于中形成的间隙固溶体称为铁素体，以符号F表示。因是体心立方晶格，其晶格间隙很小，故对碳的溶解度很小，在727时，溶解度最大，随温度的下降溶碳量逐渐减少，在室温时溶碳量约为WC=0.0057%，所以室温时铁素体的机械性能与纯铁相似，强度、硬度低，塑性、韧性好。第59页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础 奥氏体 碳溶于中形成的间隙固溶体称为奥氏体，以符号A表示。由于是面心立方晶

37、格，其晶格间隙较大，故溶碳能力也较大，在1148时溶解度最大，最大溶碳量为WC=2.11%，随温度的下降溶碳量逐渐减少，在727时溶碳量为WC=0.77%。奥氏体的硬度较低（170200HB），塑性较高（= 40%50%），易于锻压加工成形。奥氏体是一个高温相，存在于727以上的温度。 渗碳体 铁与碳相互作用形成的具有复杂晶格结构的金属化合物称为渗碳体，用化学式Fe3C表示。渗碳体Fe3C的碳的质量分数为6.69%，具有很高的硬度，其塑性和韧性几乎为零。渗碳体在铁碳合金中常以片状、粒状和网状等形式与其他相共存，它是钢的主要强化相，其数量、大小、形态和分布对钢的性能有很大影响。第60页学习任务学

38、习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础 珠光体 珠光体是软的铁素体和硬的渗碳体片相间组成的机械混合物，机械性能介绍两者之间。珠光体的平均含碳量为0.77%，它的强度较高，硬度适中，并具有一定的塑性。 莱氏体 莱氏体是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，727以上的莱氏体由奥氏体和渗碳体所组成，称为高温莱氏体，用符号Ld表示。727以下的莱氏体由珠光体和渗碳体所组成，称为低温莱氏体，用符号Ld表示。由于莱氏体中含有的渗碳体较多，所以性能与渗碳体相近，即极为硬脆。第61页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础2 2铁碳合金相图铁碳合金相图 铁碳合金相图是表示在极其缓慢

39、加热（或冷却）的条件下，不同成分的铁碳合金，在不同温度下所具有的状态或组织的图形。 铁与碳可以形成Fe3C，Fe2C，FeC等一系列稳定化合物，而稳定化合物可以作为一个独立的组元，因此整个Fe-C相图可以看成是由Fe-Fe3C，Fe3C-Fe2C，Fe2C-FeC等一系列二元相图组成。由于WC5%的铁碳合金脆性极大，没有实用价值，因此我们所研究的铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，如下图所示是简化了的Fe-Fe3C相图。第62页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础简化后的简化后的Fe-Fe3CFe-Fe3C相图相图第63页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料

40、技术汽车机械基础（1 1） Fe-Fe3C Fe-Fe3C相图分析相图分析 根据前面对二元合金相图的分析，我们不难看出，铁碳合金相图实际是由几个简单的二元合金相图所构成。上半部分图形是前面所述的二元共晶相图类型，C点是共晶点。在1148时，一定成分的液态合金在恒温下同时结晶出成分为E点的奥氏体和成分为F点渗碳体的细密混合物（共晶体），称为共晶转变。这种共晶体（A+Fe3C）称为莱氏体，用符号Ld表示。 Fe-Fe3C相图的下半部分图形与二元共晶相图很相似，所不同的是，相变完全是在固态下进行的。这种在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两种不同成分的固相的转变，称为共析转变。S点为共析点，共析转

41、变后的组织称为共析组织或共析体，是由铁素体和渗碳体组成的细密混合物（FP+Fe3C），称为珠光体，用符号P表示。 第64页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础 Fe-Fe3C相图中的特性点 下表为简化后的Fe-Fe3C相图中各特性点的温度、成分和含义。各特性点的代表符号一般不可随意改变。 简化的简化的Fe-Fe3C相图的特性点相图的特性点第65页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础 Fe-Fe3C相图中的特性线 下表为简化后的Fe-Fe3C相图中各特性线的含义。 简化的简化的Fe-Fe3C相图中的特性线相图中的特性线第66页学习任务学习任务1 1

42、 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础3 3铁碳合金的成分、组织、性能间的关系铁碳合金的成分、组织、性能间的关系 不同种类的铁碳合金，其室温组织是不同的。碳的质量分数与铁碳合金缓冷后的组织组分及相组分间的定量关系如图所示。铁碳合金中碳的质量分数与组织组分及相组分间的关系铁碳合金中碳的质量分数与组织组分及相组分间的关系（1 1）碳的质量分数与平衡组织间的关系）碳的质量分数与平衡组织间的关系第67页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（2 2）碳的质量分数与）碳的质量分数与力学力学性能间的关系性能间的关系 为了保证工业用钢具有足够的强度，一定的塑性和韧性，钢中碳的质量分数一

43、般都不超过1.3%1.4%。WC2.11%的白口铸铁，由于组织中有大量的渗碳体，硬度高，塑性、韧性极差，既难切削加工，又不能以锻压的方法加工，故机械工程上很少直接应用。 碳的质量分数对钢的力学性能的影响碳的质量分数对钢的力学性能的影响第68页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（3 3）碳）碳的质量分数与工艺性能间的关系的质量分数与工艺性能间的关系 铸造性能 合金的铸造性能取决于相图中液相线与固相线的水平距离和垂直距离，距离越大，合金的铸造性能越差。由Fe-Fe3C相图可见，共晶成分的铸铁，不仅液相线与固相线的距离最小，熔点也最低，故合金的流动性好，分散缩孔少，偏析小，

44、因而铸造性能最好。所以在铸造生产中，共晶成分附近的铸铁得到广泛应用。 可锻性能 碳钢在室温时是由铁素体和渗碳体组成的两相组织，塑性较差，变形困难，当将其加热到高温，可获得塑性良好的单相奥氏体组织，具有良好的可锻性。低碳钢的可锻性优于高碳钢。白口铸铁在低温和高温下，组织都是以硬而脆的渗碳体为基体，所以不能锻造。第69页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础 焊接性能 铁碳合金的焊接性与碳的质量分数有关，随碳的质量分数的增加，组织中的渗碳体量增加，钢的脆性增加塑性下降，导致钢的冷裂倾向增加，焊接性变差。含碳越高，铁碳合金的焊接性越差，故焊接用钢主要是低碳钢或低碳合金钢。 切削

45、加工性 钢中含碳不同，其切削加工性能不同。当WC0.25%时，钢中有大量的铁素体，硬度低，塑性好，切削时产生较多的切削热，容易粘刀，而且不易断屑和排屑，影响工件的表面粗糙度，切削加工性能差；当WC0.6%时，钢中渗碳体多，当渗碳体呈层状或网状分布时，刃具易磨损切削加工性也较差;当0.25%WC 0.6%时，钢中铁素体与渗碳体的比例适当，硬度和塑性适中，切削加工性能较好。 热处理性 由于铁碳合金在加热或冷却过程中有相的变化，故钢和铸铁可通过热处理来改善性能，根据Fe-Fe3C相图可确定各种热处理操作的加热温度。 第70页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础本节思考与练习本

46、节思考与练习1、 在工业生产中，为了细化铸件的晶粒，用那些方法改善晶粒性能？2、金属的结晶过程。3、简述碳的质量分数与力学性能间的关系。第71页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础第四节第四节钢的热处理钢的热处理第72页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础本节任务目标本节任务目标 主要了解钢的热处理概述、热处理基本原理、以及钢的常用热处理方法。第73页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础一、钢的热处理概述一、钢的热处理概述 钢的热处理是将钢在固态下采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构与性能的工艺。根据

47、加热和冷却方法不同，常用的热处理大致分类如下。（1）整体热处理对工件进行整体穿透加热。常用的方法有：退火、正火、淬火、回火等。（2）表面热处理对工件表层进行加热与冷却，以改变表层的组织和性能。常用的方法有:感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、激光加热表面淬火等。（3）化学热处理通过改变工件表层的化学成分，来改变其组织和性能。常用的方法有：渗碳、碳氮共渗、渗氮等。 第74页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础 各种热处理的工艺过程都是由加热、保温和冷却3个阶段组成，其中，加热温度对热处理影响最大，通常可用“温度-时间”为坐标的曲线图来表示，称为热处理工艺曲线，如图所示。

48、热处理工艺曲线图热处理工艺曲线图第75页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础二、钢的热处理原理二、钢的热处理原理 将钢加热到一定温度，获得完全或部分奥氏体组织的转变称为奥氏体化，钢中珠光体将向奥氏体转变，其转变过程可以分为三个阶段，即奥氏体形核与长大阶段、残余渗碳体溶解阶段、奥氏体均匀化阶段，奥氏体化过程如图所示。1 1钢在加热时的钢在加热时的组织组织转变转变（1 1）钢的奥氏体化）钢的奥氏体化 共析钢中奥氏体形成过程示意图共析钢中奥氏体形成过程示意图第76页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（2 2）奥氏体晶粒的长大）奥氏体晶粒的长大 刚转变

49、的奥氏体晶粒往往是细小的，如果继续升温或进行长时间的保温，就会引起奥氏体晶粒的长大。一般来说，加热温度的影响远比保温时间的影响大。 加热温度越高，奥氏体晶粒就越易长大，在高温下的停留时间越长，奥氏体晶粒也越易长大。冷却后，钢的晶粒完全由奥氏体晶粒大小所决定，只有细小的奥氏体晶粒，才会得到细小的钢的室温组织。因此，在加热时，如何获得细而均匀的奥氏体晶粒，常常成为热处理产品质量的关键之一。第77页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础2 2钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变 钢经加热获得奥氏体组织后，如果在不同的冷却条件下冷却，最后可使钢获得不同的力学性能。在热处理工艺

50、中，常采用等温冷却和连续冷却两种冷却方式。第78页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（1 1）等温冷却转变）等温冷却转变 共析钢的等温冷却转变主要有3种： 珠光体转变。共析钢奥氏体（A）过冷到550727之间进行等温转变得到的最终产物，显微组织属于珠光体类型，是铁素体和渗碳体的层片状组织构成的机械混合物。650727之间等温转变产物是正常珠光体（P），硬度为150220HBS；600650之间等温转变产物是细珠光体，又称索氏体（S），硬度为220270HBS；50600之间等温转变产物是极细珠光体，又称托氏体（T），硬度为270430HBS。 贝氏体转变。在23055

51、0温度范围等温转变，得到最终产物贝氏体（B）。350550之间等温转变产物为上贝氏体；230350之间等温转变产物为下贝氏体。上贝氏体和下贝氏体比较，下贝氏体有较高的硬度、强度、塑性、韧性。 马氏体转变。在230温度范围以下并连续冷却时，将发生马氏体转变。第79页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（2 2）连续冷却转变）连续冷却转变 马氏体转变，当钢从高温急冷到230时，便开始转变为马氏体（M），马氏体组织是碳在-Fe中的过饱和固溶体，用M表示。马氏体具有较高的强度和硬度，含碳量较低的马氏体（Wc0.2%）具有良好的塑性和韧性，是一种强韧性很好的组织。含碳量高的马氏体

52、的塑性、韧性差。马氏体转变是强化钢铁材料的有效手段。但马氏体形成时要伴随体积膨胀，因而产生内应力，组织也不稳定。第80页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基础汽车机械基础三、钢的常用热处理方法三、钢的常用热处理方法 退火是将钢件加热到适当的温度，保温一定的时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。1 1钢的钢的退火退火第81页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（1 1）退火的目的）退火的目的 调整硬度，便于切削加工。 消除或改善工件在铸、锻、焊等加工过程中所造成的成分不均匀或组织缺陷，以提高工件的工艺性能和使用性能。 消除内应力或加工硬化，以防工件变形开裂。第82页学

53、习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（2 2）退火的方法）退火的方法 完全退火 一般是将钢加热至Ac3以上3050，将钢完全奥氏体化后进行缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火工艺。此法主要用于消除或改善亚共析钢的铸、锻件的内应力，降低硬度、提高韧度、均匀组织。 球化退火 球化退火是为使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺。球化退火一般是将高碳钢加热至Ac1以上2030，经保温后缓冷，以获得粒状珠光体的组织。具有粒状珠光体高碳钢有以下优点：1）硬度较低，便于切削加工；2）减少淬火时过热和变形倾向；3）淬火后力学性能高，耐磨性好。第83页学习任务学习任务1 1 金属材料基础金属材料基

54、础汽车机械基础 均匀化退火。 均匀化退火是将钢加热至略低于固相线温度长时间保温，然后进行缓慢冷却，以达到化学成分和组织均匀化为目的的退火工艺。均匀化退火又称扩散退火。 去应力退火。 去应力退火一般是把钢件加热至低于Ac1以下某一温度，经保温后缓慢冷却。此工艺主要用于去除铸件、焊件以及塑性变形件中存在的内应力，以稳定组织或尺寸。第84页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础2 2正火正火 正火是将钢材或钢件加热到Ac3以上3050，保温适当的时间后在静止的空气中冷却的热处理工艺。正火由于冷却速度比退火快，所以得到的组织是非平衡组织。第85页学习任务学习任务1 1 金属材料技

55、术金属材料技术汽车机械基础（1 1）正火的作用）正火的作用 对于普通结构钢中的低碳钢、低碳合金钢工件，正火的目的是消除铸造和焊接过程引起的过热缺陷，细化晶粒、提高硬度、改善切削加工性。 对力学性能要求不高或尺寸较大的结构件，常用正火作为最终热处理，以提高其强度、硬度。 对中碳结构钢工件，正火可消除成形工艺过程中产生的缺陷，保证合适的切削加工硬度，为后续热处理作好组织准备。 消除过共析钢网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。第86页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（2 2）退火和正火的选择）退火和正火的选择 退火与正火都属于钢的预备处理，它们的工艺及其作用有着许多相似

56、之处。因此，在实际生产中有时两者可以相互替代，选用时主要从如下3个方面考虑。 从切削加工性考虑。一般情况下，钢的硬度在170260HBS范围内时，切削加工性能较好。对碳的质量分数小于0.50%的结构钢选用正火为宜；对于碳的质量分数大于0.50%的结构钢选用完全退火为宜；而对于高碳工具钢则应选用球化退火作为预备热处理。 从零件的结构形状考虑。对形状复杂的零件或尺寸较大的大型钢件，若采用正火因冷却速度太快，可能产生较大内应力，导致变形和裂纹，宜采用退火。 从经济性能考虑。因正火比退火的生产周期短，成本低，操作简单，故在可能条件下应尽量采用正火，以降低生产成本。第87页学习任务学习任务1 1 金属材

57、料技术金属材料技术汽车机械基础3 3淬火淬火 淬火是将钢加热到Ac1或Ac3线以上3050，保温一定时间，然后进行快速冷却的一种热处理工艺。其目的是获得马氏体组织，使钢具有高硬度和高耐磨性。淬火是强化钢材的重要方法。第88页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（1 1）淬火加热温度的选择）淬火加热温度的选择 碳钢的淬火加热温度可根据Fe-Fe3C相图来确定。适宜淬火加热温度是：亚共析钢为Ac3+（30100），共析钢、过共析钢为Ac1+（30100），合金钢的淬火加热温度可以适当提高。（2 2）保温时间的选择）保温时间的选择 淬火加热的保温时间一般根据钢件的材料、有效厚

58、度、加热介质、装炉方式和装炉量等具体情况而定。第89页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（3 3）淬火冷却介质）淬火冷却介质 常用的冷却介质有水、盐水、碱水和矿物油等。碳钢淬火时，一般用水淬，合金钢淬火时，一般用油淬。（4 4）常用的）常用的淬火淬火方法方法 常用的淬火方法有单介质淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火和贝氏体等温淬火。 常用淬火方法示意图常用淬火方法示意图第90页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（5 5） 淬透性及淬硬性淬透性及淬硬性 钢的淬透性。 钢在淬火时，奥氏体转变为马氏体的难易程度叫淬透性。淬透性好的钢比淬透性差的钢便于

59、整体淬硬。钢的淬透性与钢的化学成分有关，除钴外，所有合金元素都提高钢的淬透性。淬透性好的钢，经淬火回火后，截面上组织均匀一致，综合力学性能好，而且淬火冷却时，可采用比较缓和的淬火介质，减少工件的变形及开裂倾向。 钢的淬硬性。 淬硬性指钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。钢的淬硬性主要取决于钢的含碳量，低碳钢淬硬性差，高碳钢淬硬性好。第91页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础（6 6） 淬火缺陷淬火缺陷 氧化与脱碳。氧化不仅造成金属损耗，还影响工件的力学性能和表面质量。脱碳使钢件表面含碳量降低，钢件表面的强度、硬度和疲劳强度也降低。 过热与过烧。工件过热后，晶粒粗大，不仅降低钢的力学性能，也容易引起变形和开裂。过热后可以用正火处理予以纠正，过烧后的工件只能报废。 淬火变形与开裂。是由于淬火应力造成的，变形的工件可以通过校正减少其变形，而开裂的工件只能报废。 硬度不足与软点。局部小区域硬度不足称为软点。硬度不足与软点，一般情况下可采用重新淬火来消除，但淬火前要进行一次退火或正火处理。第92页学习任务学习任务1 1 金属材料技术金属材料技术汽车机械基础4 4回火回火 钢件淬火后，再加热到某一温度，经保温后，冷却到室温的热处理工艺为回火。回火的主要目的