第1章工程材料

1、精品课程立体化教材系列精品课程立体化教材系列 制造工程基础贾江鸣 浙江理工大学工业工程系手机邮件：制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所教材结构o第1章 工程材料o第2章 铸造成形o第3章 金属塑性成形o第5章 金属切削基础o第6章 金属切削加工o第7章 机械加工工艺设计o第8章 机械加工工艺控制o第9章 典型零件加工o第10章 机械装配 制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所考核方式o70%期末+30%平时（作业和点名）o期末闭卷考试（必修课）o如何理解成绩的三公：公开、公正和公平制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙

2、江理工大学先进制造研究所第第01章章 工程材料工程材料o第一节第一节 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能o第二节第二节 金属的结晶与二元合金相图金属的结晶与二元合金相图o第三节第三节 钢的热处理钢的热处理o第四节第四节 常用的工程材料常用的工程材料 制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所机械工程材料机械工机械工程材料程材料金属金属材料材料非金属非金属材料材料黑色金属黑色金属钢钢有色金属有色金属铸铁铸铁合金钢合金钢无机非金属材料无机非金属材料有机材料有机材料塑料塑料橡胶橡胶陶瓷陶瓷合成纤维合成纤维铝合金铝合金铜合金铜合金其他有色合金其他有色合金制造工程基础制造工程基

3、础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所工程材料工程材料-工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能o金属材料的结构金属材料的结构o非金属材料的结构与组织非金属材料的结构与组织o工程材料的性能工程材料的性能 制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所金属材料的结构金属材料的结构o工程材料分为：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料o固体物质按其原子或分子的聚集状态可分为晶体和非晶体两类o晶体是内部质子（原子、离子或分子）在三维空间呈周期性重复排列的固体o晶体具有整齐规则的几何外形、固定的熔点、各向异性的特点o非晶体没有固定的熔点且各向同性 制造工程基础制造工程基础

4、制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所金属材料与非金属材料金属材料与非金属材料制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所金属材料金属材料-晶体点阵晶体点阵制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所金属材料金属材料-晶体结构的基本类型晶体结构的基本类型体心立方晶格体心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方立方晶格密排六方立方晶格制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所动画示意制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所金属材料金属材料-晶体缺陷晶体缺陷1、点缺陷（空位、杂质）、点缺陷（空位、杂质）2、线缺陷、线缺陷

5、3、面缺陷、面缺陷制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所晶格畸变制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所合金的结构合金的结构o合金可通过溶合成均匀液体和凝固而得o组成合金的独立的、最基本的单位称为组元o组元的数目分为：二元合金、三元合金和多元合金等o合金中结构相同、成分和性能均一，并以界面相互隔开的组成部分为相o固溶体、金属化合物、机械混合物制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所固溶体动画演示制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所非金属材料非金属材料-陶瓷陶瓷o陶瓷材料（无机玻璃、玻璃陶瓷、晶体陶瓷）

6、o晶体相：陶瓷的主要组成相，多为多相多晶体，在晶粒生长过程中，易析出一些杂质，通常聚集在晶界上o玻璃相：非晶态低熔点固体相，将分散的晶体相粘接在一起，填补晶体间的空隙；玻璃相熔点低，热稳定性差，其中存在杂质使得陶瓷的绝缘性降低；工业陶瓷中玻璃相含量控制为20%-40%；o气相：陶瓷中存在体积5%-10%的气孔，成为组织中的气相；气孔使陶瓷组织致密性下降，密度减少，能够吸收震动，应力集中，强度降低，绝缘性下降；特种陶瓷的气孔率在5%以下；制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所非金属材料非金属材料-高分子材料高分子材料o高分子材料以分子量大于10000的高分子化合物为主要组

7、成部分的材料o包含各种添加剂：固化剂、增塑剂、稳定剂等o高分子链结构：线型、支型和体型o聚集态结构：晶态、非晶态、取向态和液晶态制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所工程材料的性能工程材料的性能弹性阶段弹性阶段弹性极限弹性极限 p屈服阶段屈服阶段屈服点屈服点 s强化阶段强化阶段强度极限强度极限 b颈缩阶段颈缩阶段制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所工程材料主要参数 工程材料的刚度、强度、弹性、塑性是通过拉伸实工程材料的刚度、强度、弹性、塑性是通过拉伸实验来测定的，标准试样如图所示，把试样安装在拉伸试验来测定的，标准试样如图所示，把试样安装在拉伸

8、试验机上，并对试样施加一个缓慢增加的轴向拉力，试样验机上，并对试样施加一个缓慢增加的轴向拉力，试样产生变形，直至断裂。产生变形，直至断裂。 力学性能（机械性能）：力学性能（机械性能）：指工程材料具有的抵抗一定指工程材料具有的抵抗一定外力作用而不被破坏的性能。工程材料的力学性能主要有：外力作用而不被破坏的性能。工程材料的力学性能主要有：刚度、强度、弹性、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧度和刚度、强度、弹性、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧度和疲劳强度等。疲劳强度等。 拉伸曲线：拉伸曲线：以低碳钢为例，其拉伸曲线如图以低碳钢为例，其拉伸曲线如图1-91-9所示，所示，负荷为纵坐标，绝对伸长量为横坐标。负荷

9、为纵坐标，绝对伸长量为横坐标。0kbsePPPbsePl低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线1.1.强度强度 拉伸曲线拉伸曲线oeoe段是直线，段是直线，金属材料处在弹性变形阶金属材料处在弹性变形阶段，应力与应变成正比例段，应力与应变成正比例关系，服从虎克定律，其关系，服从虎克定律，其比值称弹性模量，是衡量比值称弹性模量，是衡量材料抵抗弹性变形能力的材料抵抗弹性变形能力的指标。指标。 1 1）弹性极限）弹性极限。 金属材料产生完全弹性变形时所能承受的最金属材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值，单位大应力值，单位MPaMPa 。即。即0APeeeP发生完全弹性变形的最大载荷（发生完全弹性变形的最大

10、载荷（N）；）；0A原始横截面积（原始横截面积（mm2 ）。）。式中式中2 2）抗拉强度。）抗拉强度。 当负荷继续增加超过当负荷继续增加超过s s点后，变形量随着负点后，变形量随着负荷的增加而急剧增加，当负荷超过荷的增加而急剧增加，当负荷超过b b点，变形集中在试样的点，变形集中在试样的某一部位上，试样在该部位出现缩颈现象，拉伸变形集中某一部位上，试样在该部位出现缩颈现象，拉伸变形集中在缩颈处。继续施加负荷，试样在在缩颈处。继续施加负荷，试样在k k点断裂。材料断裂前所点断裂。材料断裂前所承受的最大应力，即为抗拉强度（强度极限），它也是试承受的最大应力，即为抗拉强度（强度极限），它也是试样能够

11、保持均匀塑性变形的最大应力样能够保持均匀塑性变形的最大应力 。 b0APbbbP试样被拉断前所承受的最大载荷（试样被拉断前所承受的最大载荷（N）；）；0A试样的原始横截面积（试样的原始横截面积（mm2 ）。）。式中式中3 3）屈服点）屈服点 。 开始产生屈服现象时的应力称为屈服点，开始产生屈服现象时的应力称为屈服点，其含义指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力，其含义指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力，也即材料抵抗微量塑性变形的能力。也即材料抵抗微量塑性变形的能力。 s0APss 条件屈服极限：条件屈服极限：有些塑性较低的材料没有明显的屈服有些塑性较低的材料没有明显的屈服点，难

12、于确定产生塑性变形的最小应力。故规定当试样产点，难于确定产生塑性变形的最小应力。故规定当试样产生生0.2%0.2%的塑性变形时所对应的应力作为材料开始产生明显的塑性变形时所对应的应力作为材料开始产生明显塑性变形时的屈服强度，称为条件屈服极限塑性变形时的屈服强度，称为条件屈服极限 。 2 . 0 零件设计时对塑性材料采用屈服强度；脆性材料采用零件设计时对塑性材料采用屈服强度；脆性材料采用抗拉强度。抗拉强度。 sP试样发生屈服时的载荷（试样发生屈服时的载荷（N）；）；0A试样的原始横截面积（试样的原始横截面积（mm2 ）。）。式中式中2.2.塑性塑性 塑性塑性指金属材料在静载荷作用时，在断裂前产生

13、塑性指金属材料在静载荷作用时，在断裂前产生塑性变形的能力，反映材料塑性的力学性能指标有延伸率变形的能力，反映材料塑性的力学性能指标有延伸率 和和断面收缩率断面收缩率 。1 1）延伸率。）延伸率。 指试样拉断后其标距长度的相对伸长值。即指试样拉断后其标距长度的相对伸长值。即 %10000lllk2 2）断面收缩率。）断面收缩率。 指试样拉断后缩颈处横截面积的最大指试样拉断后缩颈处横截面积的最大相对收缩值。相对收缩值。 %10000AAAkkl试样断裂后的标距长度；试样断裂后的标距长度；0l试样的原始标距长度；试样的原始标距长度；式中式中kA试样断裂出的最小横截面积；试样断裂出的最小横截面积；0A

14、试样的原始横截面积；试样的原始横截面积；式中式中3.3.硬度硬度 硬度硬度指金属材料抵抗外物压入其表面的能力，也是衡指金属材料抵抗外物压入其表面的能力，也是衡量金属材料软硬程度的一种力学性能指标。工程上常用的量金属材料软硬程度的一种力学性能指标。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 1 1）布氏硬度）布氏硬度HBS(HBW)HBS(HBW)。 布氏硬度是在布氏硬度计上进行测布氏硬度是在布氏硬度计上进行测量的，用一定直径的钢球或硬质合金球为压头，以相应的实量的，用一定直径的钢球或硬质合金球为压头，以相应的实验力压入试样表面，保持规定的时间后，卸除实验力，在

15、试验力压入试样表面，保持规定的时间后，卸除实验力，在试样表面形成压痕，以压痕球形表面所承受的平均负荷作为布样表面形成压痕，以压痕球形表面所承受的平均负荷作为布氏硬度值。氏硬度值。 222HBS(HBW)dDDDF布氏硬度实验原理图布氏硬度实验原理图F实验力（实验力（kgf）；）；D球体直径（球体直径（mm）；）；d压痕平均直径（压痕平均直径（mm）。）。式中式中 在做布氏试验时，只需测量出在做布氏试验时，只需测量出d值即可从有关表格上值即可从有关表格上查出相应的布氏硬度值。压头为钢球时，为查出相应的布氏硬度值。压头为钢球时，为HBSHBS，适用于，适用于布氏硬度布氏硬度450450以下的材料；

16、压头为硬质合金球时，为以下的材料；压头为硬质合金球时，为HBWHBW，适用于布氏硬度适用于布氏硬度650650以下的材料。以下的材料。优点：测量结果准确，优点：测量结果准确，缺点：压痕大，不适合成品检验缺点：压痕大，不适合成品检验。 2 2）洛氏硬度）洛氏硬度。 洛氏硬度是用压头压入的压痕深度作为测洛氏硬度是用压头压入的压痕深度作为测量硬度值的依据。可以直接从洛氏硬度计的表盘上读出，量硬度值的依据。可以直接从洛氏硬度计的表盘上读出，它是一个相对值，它是一个相对值，人们规定每人们规定每0.002mm0.002mm压痕深度为一个洛氏压痕深度为一个洛氏硬度单位。洛氏硬度用硬度单位。洛氏硬度用HRAH

17、RA、HRBHRB和和HRCHRC来表示来表示。HRCHRC采用采用顶顶角为角为120120的金刚石的金刚石圆圆锥体锥体为压头，施加为压头，施加150kgf150kgf的外力，主的外力，主要用于淬火钢等较硬材料的测定，常用硬度值为要用于淬火钢等较硬材料的测定，常用硬度值为20-67HRC20-67HRC； HRAHRA采用外加载荷为采用外加载荷为60kgf60kgf，用于测量高硬度薄层，常用硬，用于测量高硬度薄层，常用硬度值为度值为70-85HRA70-85HRA；HRBHRB采用直径采用直径1.588mm1.588mm的钢球，的钢球，100kgf100kgf的的外加载荷，用于硬度较低的材料，

18、常用硬度值为外加载荷，用于硬度较低的材料，常用硬度值为25-100HRB25-100HRB。优点：测量迅速简便，压痕小，可在成品零件上检测优点：测量迅速简便，压痕小，可在成品零件上检测 。3 3）维氏硬度）维氏硬度HVHV。 测试的基本原理与布氏硬度相同，但测试的基本原理与布氏硬度相同，但压头采用锥面夹角压头采用锥面夹角136136的金刚石正四棱锥体，维氏硬度的金刚石正四棱锥体，维氏硬度试验所用载荷小，压痕深度浅，适用于测量零件薄的表试验所用载荷小，压痕深度浅，适用于测量零件薄的表面硬化层的硬度。试验载荷可任意选择，故可测硬度范面硬化层的硬度。试验载荷可任意选择，故可测硬度范围宽，工作效率较低

19、。围宽，工作效率较低。4. 疲劳强度疲劳强度1 1）交变应力（周期性应力）交变应力（周期性应力）。 应力的大小、方向周期应力的大小、方向周期性变化。有对称周期性应力性变化。有对称周期性应力和非对称周期性应力。和非对称周期性应力。2）疲劳）疲劳。 构件在低于屈服强度的交变应力作用下，经构件在低于屈服强度的交变应力作用下，经过较长时间工作而发生突然断裂，而无明显的塑性变过较长时间工作而发生突然断裂，而无明显的塑性变形的现象形的现象。3）疲劳曲线）疲劳曲线。 反映承受的交变应力与断裂前的应力周期反映承受的交变应力与断裂前的应力周期次数间的关系曲线，如图所示。次数间的关系曲线，如图所示。疲劳曲线疲劳曲

20、线4 4）疲劳极限。）疲劳极限。 由图可见，应力由图可见，应力愈高，循环次数愈少，反之亦然。愈高，循环次数愈少，反之亦然。 当应力低到一定值时，循环次数当应力低到一定值时，循环次数无穷大，表示材料可经无限次应无穷大，表示材料可经无限次应力循环而不失效；此应力即为疲力循环而不失效；此应力即为疲劳强度（疲劳极限）。对称弯曲劳强度（疲劳极限）。对称弯曲疲劳极限用疲劳极限用 表示表示 ；无限次当无限次当然不是数学上的无穷大，只是一然不是数学上的无穷大，只是一个很大的数而已，对于钢铁材料个很大的数而已，对于钢铁材料为为10107 7，有色金属材料为，有色金属材料为10108 8 。15. 冲击韧度冲击韧

21、度 指金属材料抵抗冲击负荷的能力，可用摆锤冲击试验指金属材料抵抗冲击负荷的能力，可用摆锤冲击试验机来测定金属材料的冲击值。冲击韧度值可用下式计算。机来测定金属材料的冲击值。冲击韧度值可用下式计算。FGhGHFAkkk冲击韧度（冲击韧度（J/cm2 ） ；kA冲击吸收功（冲击吸收功（J）；）；G摆锤重量（摆锤重量（N）；）；H摆锤抬升高度（摆锤抬升高度（m）；）；h摆锤冲击后的高度（摆锤冲击后的高度（m）；F试样缺口底部处横截面积（试样缺口底部处横截面积（cm2 ）。）。式中式中制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所影响力学性能的主要因素 1、含碳量 含碳量越高，强度和硬

22、度越高，但塑性显著降低。 2、杂质元素：有益Si、Mn，有害S、P 3、合金元素 加入某些合金元素，可提高和改善其综合力学性能，并获得某些特殊的物理和化学性能。 4、温度 一般，低温条件下强度有所增加，塑性和冲击韧性下降 ，高温条件下相反。 5、热处理工艺制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所工程材料的其他性能o物理性能：密度、熔点、热膨胀性、套热性、导电性、磁性o化学性能：耐酸性、抗氧化性、耐腐蚀性o工艺性能：铸造性能、塑性加工性能、焊接性能、切削加工性能制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所1.2 金属的结晶与二元合金相图-金属结晶过程 1、

23、晶胚； 2、晶核形成； 3、晶核长大和新的晶核产生；4、晶核长大； 5、所有液态形成晶核 制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所结晶曲线与过冷现象1、理论结晶温度2、过冷现象：实际结晶过程只有在理论结晶温度以下才能进行的现象叫过冷现象。制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所过冷度对于晶核形成率和成长速率的影响1、晶体与液体的自由能差（F），是晶核形成和长大的驱动力；2、液体中原子迁移能力或扩散系数（D），是晶核形成和长大的必须条件。制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所细化晶粒方法1. 控制过冷度 为结晶过程提供了更多的能

24、量 。2. 变质处理 在液态金属中加入一定变质剂（粉末状、细颗变质剂（粉末状、细颗粒）粒），促进形核，以增加晶核数目或抑制晶粒长大，从而细化晶粒。 3. 机械振动法（如搅动）超声波振动法等。制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所金属的同素异晶转变FeFeFe同素异晶转变同素异晶转变在固态下，随着温度的变化，金属的晶体在固态下，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。结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。L1538 1394 912 一种金属能以几种晶格类型存在的性质 称为同素异晶性。Fe、Sn、Ti、Mn温度时间1538 1394

25、 912 体心面心体心FeFeFeFe制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所铁的同素异晶转变制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所典型合金-铁碳合金铁碳合金中的基本相中有:l铁素体（F）l奥氏体(A)l渗碳体(Fe3C)制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所珠光体和莱氏体Ld制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所五种基本组织的关系C溶入溶入-Fe溶入溶入-FeFAFe3C与与Fe化化合合P混混合合LdLd混混合合混合混合制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所铁碳合金平衡状态图

26、铁碳合金平衡状态图o1、相图（状态图）o2、相图的组成 （1）纵坐标：温度； （2）横坐标：成分； （3）图中的每一条相变线； （4）每一相变线组成的相区。制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所状态图表示合金系的成分、温度、组织、状态之间关系的图表。 状态图温度时间1538 1394 912 体心面心体心1538 1394 912 成分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。 制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所铁碳相图中的特性点及意义铁碳相图中的特性点及意义AESPQGKD4.34.32.112.110.770.77

27、0.020.02C%C%114114881538 1538 727727P PL LAF F温度912912CFe3C6.696.69FA纯铁的熔点。DFe3C的熔点。 EC在-Fe中的最大溶解度点。1148 2.11%C 钢和铁的分界点。L Ld d制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所相图“点”介绍C共晶点，1148 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（2.11%C ）+ Fe3C （6.69%C ）1148Ld G 纯铁的同素异晶

28、转变点。 912 P C在-Fe中的最大溶解度点。727 0.02%C 制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所相图“点”介绍 S 共析点。 727 0.77% 共析点 发生共析反应的点。 共析反应在一定的温度下，由一定成分的固相同时结晶出一定成分的另外两个固相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 A（0.77%C0.77%C） F F（0.002%C 0.002%C ）+ Fe+ Fe3 3C C（6.69%C 6.69%C ）727727P P制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所相图“线”介绍AESPQGKD4.34.

29、32.112.110.770.770.020.02C%C%114114881538 1538 L Ld d727727P PL LAF F温度912912CFe3C6.696.69FAECFAECF线固相线 ACDACD线液相线AEAEA A析出终了线ECFECF共晶线 1148ACAC析出A ACDCD析出 FeFe3 3C CAL+Fe3CL+Fe3CF+AA+A+LdLd + Fe3C制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所相图“线”介绍ES线 C在-Fe中的溶解度曲线。析出二次Fe3CGS线 溶解度曲线 AF GP线 F析出终了线。PSK线 共析线 727PQ线

30、碳在-Fe中的溶解度曲线。制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所相图“区”介绍（1）单相区：L、F、A、Fe3C （2）两相区：L+A、L+ Fe3C、A+F、F+ Fe3C（3）三相区：L+A+ Fe3C、A+F+ Fe3C制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所Fe-Fe3C制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所工业纯铁、钢和生铁的分类、成分及室温组织制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所钢和生铁相图转变2 23 31 1LAAL+P1 1LAAL+A+P+F4 43 32 2F4 41 1LL+

31、A+P+Fe3C2 23 3AAFe3C1 1L2 2LdLd1 1LA+L+LdP+Fe3C+LdA+Ld +3 32 2AFe3C3 31 1L2 2L+ Fe3CFe3C+Fe3C+LdLd 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:铁铁碳碳合合金金平平衡衡状状态态图图 制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所一些显微图片铁素体的显微组织铁素体的显微组织制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所一些显微图片奥氏体的显微组织奥氏体的显微组织制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所一些显微图片珠光体

32、的显微组织珠光体的显微组织制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所一些显微图片莱氏体的显微组织莱氏体的显微组织制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所一些显微图片亚共析钢显微组织亚共析钢显微组织过共析钢显微组织过共析钢显微组织制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所一些显微图片亚共晶白口生铁组织亚共晶白口生铁组织过共晶白口生铁组织过共晶白口生铁组织制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所铁碳合金的化学成分、组织和性能的关系铁碳合金的化学成分、组织和性能的关系o按照铁碳相图, 铁碳合金在室温下的组织都由F和F

33、e3C两相组成。随碳含量的增加, F的量逐渐变少, 由100%按直线关系变至0%(碳质量分数为6.69%C时); Fe3C的量则逐渐增多, 由0%按直线关系变至100%。o在室温下, 碳含量不同时, 不仅F和Fe3C的质量分数变化, 而且两相相互组合的形态即合金的组织也在变化。o合金含碳量 组 织 小于0.0218% 组织全部为F 等于0.77%C 组织全部为P 等于4.3%C 组织全部为Ld 等于6.69%C 组织全部为Fe3C在上述碳含量之间, 则为相应组织组成物的混合组织。随碳含量增大, 组织按下列顺序变化：FF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+ LdLdLd+Fe3CIFe3C制

34、造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所铁碳合金状态图的应用铁碳合金状态图的应用o钢铁材料选用方面的应用； o铸造工艺方面的应用； o热锻、热轧工艺方面的应用；o热处理工艺方面的应用。制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所1.3 钢的热处理 热处理：热处理：将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺方法。以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺方法。 热处理的三个阶段热处理的三个阶段：加热、保温、冷却：加热、保温、冷却。如图所示是最基本。如图所示是最

35、基本的热处理工艺曲线。的热处理工艺曲线。温温度度加热加热保温保温冷却冷却时间时间 热处理工艺曲线热处理工艺曲线制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所1.3 钢的热处理 热处理是由加热、保温和冷却三个基本环节组成的。 在大多数热处理工艺中，钢加热的主要目的是获得奥氏体组织。 制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所奥氏体的形成珠光体向奥氏体转变示意图（1）奥氏体晶核形成（2）奥氏体晶核长大 （3）残余渗碳体溶解 （4）奥氏体成分均匀化 制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所奥氏体的粒度加热温度、保温时间、加热速度、化学成分 碳

36、含量: 合金元素: 制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所钢在冷却时的组织转变 钢在冷却时，主要的冷却方式有两种: 一种是等温冷却，另一种是连续冷却。 不同冷却方式示意图 制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所过冷奥氏体转变曲线 (1)碳含量 (2)合金元素 (3)加热温度和保温时间制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所珠光体型组织的形成制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所退火o退火，就是将金属或合金加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火的实质是将钢加热奥氏体化后进行珠光体型

37、转变。退火后的组织，对亚共析钢是铁素体加片状珠光体;对共析或过共析钢则是粒状珠光体。总之，退火组织是接近平衡状态的组织。o降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。 o细化晶粒，消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的热处理做准备。 o消除钢中的内应力，以防止变形和开裂制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所正火 o将钢加热到Ac3(或Accm)以上3050，保温适当时间后，在静止的空气中冷却的热 处理工艺称为正火。由于正火将钢加热到完全奥氏体化状态，使钢中原始组织的缺陷基本消除，然后再控制以适当的冷却速度，所以正火得到以索氏体

38、为主的组织。 o正火与退火两者的目的基本相同，但正火的冷却速度比退火稍快，故正火钢组织比较细，它的强度、硬度比退火钢高。制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所淬火 o钢的淬火就是将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间，然后以适当速度冷却获得马氏体和(或)下贝氏体组织的热处理工艺。 o 淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体(或下贝氏体)型转变，得到马氏体或下贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，获得所需的力学性能。 制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所淬火加热温度 在具体选择钢的淬火加热温度时，除了遵循一般原则外，还应考虑工件的化学成分

39、、技术要求、尺寸形状、原始组织以及加热设备、冷却介质等诸多因素的影响，对加热温度予以适当调整。 碳钢的淬火加热温度范围制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所淬火介质 生产中实际使用的淬火介质可分为两大类: 一类是工件在冷却过程中会发生物态变化的介质; 另一类是不发生物态变化的介质。其冷却特性的不同，直接影响了工件的冷却速度。 钢在理想淬火介质中冷却速度示意图 制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所淬火冷却方法 单液淬火: 双介质淬火:马氏体分级淬火: 下贝氏体等温淬火: 延迟淬火冷却: 局部淬火: 深冷处理:常用淬火方法冷却曲线示意图 制造工程基

40、础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所回火 o回火就是钢淬硬后，再加热到低于Ac1以下的某一温度，保温一定的时间，然后冷却到室温的热处理工艺。o回火的目的:合理调整力学性能，使工件满足使用要求;稳定组织，使工件在使用过程中不发生组织转变，从而保证工件的形状、尺寸不变;降低或消除内应力，以减少工件的变形并防止开裂。o淬火钢回火时力学性能总的变化趋势是：随着回火温度的上升，硬度、强度降低，塑性、 韧性升高。 制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所回火对淬火钢硬度的影响不同碳含量的碳钢回火温度与硬度的关系制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研

41、究所回火对钢的强度、塑性和韧性的影响 制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所钢的表面热处理 感应加热示意图制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所感应加热表面淬火后的组织及性能感应加热表面淬火后的组织:感应加热表面淬火后的力学性能: 硬度: 疲劳强度: 耐磨性: 淬火钢感应加热表面淬火后的组织、硬度与加热温度之间关系制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所钢的化学热处理 渗碳 (1)渗碳概述 (2)气体渗碳 (3)渗碳后的热处理及其性能 渗碳后的热处理: 渗碳淬火后的组织: 一类是从表面到心部组织依次为马氏体+残余奥氏体马氏体

42、心部组织; 另一类是马氏体+残余奥氏体+碳化物马氏体+残余奥氏体马氏体心部组织。 制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所渗氮气体渗氮工艺曲线制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所1.4 常用工程材料机械工机械工程材料程材料金属金属材料材料非金属非金属材料材料黑色金属黑色金属钢钢有色金属有色金属铸铁铸铁合金钢合金钢无机非金属材料无机非金属材料有机材料有机材料塑料塑料橡胶橡胶陶瓷陶瓷合成纤维合成纤维铝合金铝合金铜合金铜合金其他有色合金其他有色合金制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所常用金属材料-碳素钢1 1）按钢的含碳量分类

43、：）按钢的含碳量分类： 低碳钢低碳钢 中碳钢中碳钢 高碳钢高碳钢 %25. 0%04. 0cw%6 . 0%25. 0cwcw%6 . 02 2）按钢的质量分类）按钢的质量分类：有害杂质硫、磷的含量：有害杂质硫、磷的含量普通碳素钢普通碳素钢 优质碳素钢优质碳素钢 高级优质碳素钢高级优质碳素钢 %050. 0 %,045. 0spww%035. 0 %,035. 0spww%030. 0 %,035. 0spww1.分类分类制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所碳素钢3 3）按用途分为：按用途分为： 碳素结构钢：碳素结构钢： 制造各种机器零件及工程构件，大都是低碳制造各种

44、机器零件及工程构件，大都是低碳钢、中碳钢，属普通钢、中碳钢，属普通碳素钢或优质碳素钢。碳素钢或优质碳素钢。 碳素工具钢：碳素工具钢： 制造各种刃具、量具和模具等，大都是高碳制造各种刃具、量具和模具等，大都是高碳钢，属优质钢或高级优质钢。钢，属优质钢或高级优质钢。4 4）按冶炼时脱氧程度的不同分类）按冶炼时脱氧程度的不同分类沸腾钢：不脱氧的钢；沸腾钢：不脱氧的钢；镇静钢：完全脱氧钢；镇静钢：完全脱氧钢；半镇静钢：半脱氧钢。半镇静钢：半脱氧钢。 5）按金相组织分）按金相组织分亚共析钢、共析钢、过共析钢。亚共析钢、共析钢、过共析钢。制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所碳素钢

45、2.2.普通碳素结构钢普通碳素结构钢 含碳量在含碳量在0.06%0.06% 0.38%0.38%之间，硫、磷含量较高，在供应状态下之间，硫、磷含量较高，在供应状态下使用，不需热处理。常用于一般工程结构及普通零件。其牌号（表使用，不需热处理。常用于一般工程结构及普通零件。其牌号（表示方法）由代表屈服点的字母示方法）由代表屈服点的字母Q Q、屈服点的数值、质量等级符号、屈服点的数值、质量等级符号(A(A、B B、C C、D)D)和脱氧方法符号和脱氧方法符号(F(F、b b、Z Z、TZ)TZ)组成。如组成。如Q235-AFQ235-AF，表示，表示其屈服点为其屈服点为235MPa235MPa，质量

46、等级为，质量等级为A A级，沸腾钢。级，沸腾钢。3.3.优质碳素结构钢优质碳素结构钢 按化学成分和力学性能供应，杂质含量少，表面质量、组织结按化学成分和力学性能供应，杂质含量少，表面质量、组织结构的均匀性较好，需经热处理，用于重要的零件。其牌号采用两位构的均匀性较好，需经热处理，用于重要的零件。其牌号采用两位数字来表示，表示该钢号的平均含碳量的万分之几。根据含锰量不数字来表示，表示该钢号的平均含碳量的万分之几。根据含锰量不同分为普通含锰量（同分为普通含锰量（0.25%0.25% 0.8%0.8%）和较高含锰量（）和较高含锰量（0.75%0.75% 1.2%1.2%）两种，后者加两种，后者加“M

47、n”Mn”，如，如2020钢为含碳钢为含碳0.2%0.2%，65Mn65Mn为含碳为含碳0.65%0.65%，较高，较高含锰量。含锰量。制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所合金钢1. 分类分类合金结构钢合金结构钢合金工具钢合金工具钢特殊性能钢特殊性能钢建筑及工程用钢或构件用钢建筑及工程用钢或构件用钢机器制造用钢机器制造用钢渗碳钢渗碳钢调质钢调质钢弹簧钢弹簧钢滚动轴承钢滚动轴承钢刃具钢刃具钢模具钢模具钢量具钢量具钢不锈钢不锈钢耐热钢耐热钢耐磨钢耐磨钢磁钢磁钢1）按用途分）按用途分:制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所合金钢2 2）按合金元素含量

48、（质量分数）分：）按合金元素含量（质量分数）分：3 3）按所含合金元素种类分为：）按所含合金元素种类分为：铬钢、锰钢、镍钢、铬锰钢、铬钢、锰钢、镍钢、铬锰钢、硅锰钢等。硅锰钢等。4 4）按金相组织分为：）按金相组织分为：珠光体钢、马氏体钢、贝氏体钢、奥珠光体钢、马氏体钢、贝氏体钢、奥氏体钢。氏体钢。 低合金钢（合金元素总含量低合金钢（合金元素总含量10%）制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所合金钢1 1）低合金结构钢。）低合金结构钢。 Q+Q+ +质量等级符号，如质量等级符号，如Q345CQ345C；Q Q表示屈表示屈服点的服点的“屈屈”，345345表示屈服点数值，

49、表示屈服点数值，C C表示质量等级，有表示质量等级，有A A、B B、C C、D D、E E五个等级。五个等级。 2 2）合金结构钢合金结构钢。 数字数字+ +化学元素符号化学元素符号+ +数字数字，前面数字表示钢的平，前面数字表示钢的平均含碳量，以万分之几表示，后面数字表示该合金元素的平均含量，均含碳量，以万分之几表示，后面数字表示该合金元素的平均含量，以百分之几表示，但低于以百分之几表示，但低于1.5%1.5%时不标。若为高级优质钢在最后加时不标。若为高级优质钢在最后加“A”A”字，字，如如60Si2Mn60Si2Mn，滚动轴承钢，滚动轴承钢，GCr15SiMnGCr15SiMn。4 4）

50、特殊性能钢。特殊性能钢。数字数字+ +化学元素符号化学元素符号+ +数字数字。前面数字表示钢的平均含。前面数字表示钢的平均含碳量，以千分之几表示，但当平均含碳量小于等于碳量，以千分之几表示，但当平均含碳量小于等于0.03%0.03%时标为时标为0000，小，小于等于于等于0.08%0.08%时标为时标为0 0，如如2Cr132Cr13。 3 3）合金工具。）合金工具。数字数字+ +化学元素符号化学元素符号+ +数字。前面数字表示钢的平均含数字。前面数字表示钢的平均含碳量，以千分之几表示，但高于碳量，以千分之几表示，但高于1.0%1.0%时不标，高速钢例外，其低于时不标，高速钢例外，其低于1.0

51、%1.0%时也不标，其余同合金结构钢，如时也不标，其余同合金结构钢，如5CrMnMo5CrMnMo。 制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所铸铁 铸铁铸铁含碳量大于含碳量大于2.11%2.11%的铁碳合金，一般含碳量的铁碳合金，一般含碳量2.5%2.5% 4.0%4.0%，含有较多，含有较多的硅、锰、硫、磷等杂质。的硅、锰、硫、磷等杂质。 1）白口铸铁。）白口铸铁。即生铁即生铁,碳除少量溶于铁素体外，绝大部分以渗碳体形碳除少量溶于铁素体外，绝大部分以渗碳体形式存在，其断口呈银白色。特点是硬和脆，难以加工，但耐磨。一般式存在，其断口呈银白色。特点是硬和脆，难以加工，但耐磨

52、。一般不直接用来制造机器零件，常用作炼钢原料或制造可锻铸铁件。不直接用来制造机器零件，常用作炼钢原料或制造可锻铸铁件。 2 2）灰铸铁。）灰铸铁。碳主要以自由状态的片状石墨形态存在，碳主要以自由状态的片状石墨形态存在，断口为暗灰色。强度低，塑性差，但易切削，减摩断口为暗灰色。强度低，塑性差，但易切削，减摩消振性好，且铸造性能好，应用最广泛。消振性好，且铸造性能好，应用最广泛。 3 3）可锻铸铁。）可锻铸铁。碳主要以团絮状石墨形态存在，因碳主要以团絮状石墨形态存在，因而有较高的塑性和韧性。用于受冲击和振动的薄壁而有较高的塑性和韧性。用于受冲击和振动的薄壁小件。可锻铸铁由白口铸铁经高温退火处理获得

53、小件。可锻铸铁由白口铸铁经高温退火处理获得。 4 4）球墨铸铁。）球墨铸铁。 铁液在浇注前经球化处理，碳大铁液在浇注前经球化处理，碳大部分或全部以自由状态的球状石墨存在，有时出部分或全部以自由状态的球状石墨存在，有时出现少量团絮状。强度、塑性均高于可锻铸铁，抗现少量团絮状。强度、塑性均高于可锻铸铁，抗拉强度甚至高于碳钢。拉强度甚至高于碳钢。 制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所铸钢1 1）铸钢件。）铸钢件。将钢液直接铸成零件毛坯，以后不再进行锻造将钢液直接铸成零件毛坯，以后不再进行锻造的钢件。常用于要求较高而复杂的零件。的钢件。常用于要求较高而复杂的零件。 2 2）含

54、碳量。）含碳量。 铸造碳钢的含碳量在铸造碳钢的含碳量在0.20%0.20% 0.60%0.60%之间，含之间，含碳量太高则塑性差，易冷裂，硫、磷含量在碳量太高则塑性差，易冷裂，硫、磷含量在0.040%0.040%以下。以下。 3 3）牌号。）牌号。“ZG+ZG+两组数字两组数字”表示，数字分别表示最低屈服表示，数字分别表示最低屈服点和最低抗拉强度的值。如点和最低抗拉强度的值。如ZG200-400ZG200-400 。制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所有色金属 纯铜的性能特点：纯铜的性能特点：具有很高的导电导热性，仅次于银；具有很高的导电导热性，仅次于银；化学稳定性高

55、，抗大气腐蚀性好，无磁性，塑性好，但强化学稳定性高，抗大气腐蚀性好，无磁性，塑性好，但强度低。度低。 工业生产中通常称铁和铁基合金为黑色金属，而把工业生产中通常称铁和铁基合金为黑色金属，而把铁和铁基合金以外的金属称为有色金属。铁和铁基合金以外的金属称为有色金属。1.铜及铜合金铜及铜合金 铜及其合金是人类应用最早的金属，目前工业上使铜及其合金是人类应用最早的金属，目前工业上使用的主要有工业纯铜、黄铜、青铜。用的主要有工业纯铜、黄铜、青铜。 1）工业纯铜。）工业纯铜。 纯铜呈玫瑰红色，因表面经常形成一层紫纯铜呈玫瑰红色，因表面经常形成一层紫红色的氧化物，俗称红色的氧化物，俗称紫铜，电解铜紫铜，电解

56、铜。其熔点为。其熔点为108310830 0C C，密，密度为度为8.96g/cm8.96g/cm3 3，为面心立方晶格。，为面心立方晶格。 制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所铜1 1） 纯铜纯铜T+T+顺序号，顺序号，T1,T2, T3,T4T1,T2, T3,T4；序号越大，纯度越低。序号越大，纯度越低。 2 2） 黄铜黄铜以锌为主要合金元素的铜基合金。它具有良好的力学性能、以锌为主要合金元素的铜基合金。它具有良好的力学性能、加工成形性、导电性和导热性，价格较低，是重有色金属中应用最广加工成形性、导电性和导热性，价格较低，是重有色金属中应用最广的金属材料。可分为

57、普通和特殊黄铜两类，按加工方式分为压力加工的金属材料。可分为普通和特殊黄铜两类，按加工方式分为压力加工黄铜和铸造黄铜黄铜和铸造黄铜。3）青铜）青铜除黄铜、白铜以外的铜合金均称为青铜。工业上常用的有锡青除黄铜、白铜以外的铜合金均称为青铜。工业上常用的有锡青铜、铝青铜、铍青铜等。一般都有高的耐蚀性、较高的导电导热性及良铜、铝青铜、铍青铜等。一般都有高的耐蚀性、较高的导电导热性及良好的切削加工性。分为好的切削加工性。分为压力加工青铜和铸造青铜压力加工青铜和铸造青铜两类。前者的代号为两类。前者的代号为Q+Q+第一个主加元素的化学符号及其名义质量分数第一个主加元素的化学符号及其名义质量分数- -数字（其

58、它合金元素的数字（其它合金元素的名义质量分数），如名义质量分数），如QSn4-3QSn4-3表示含锡表示含锡4%4%，含锌，含锌3%3%，后者的代号为，后者的代号为ZCu+ZCu+合合金元素金元素1 1的化学符号及其名义质量分数的化学符号及其名义质量分数+ +合金元素合金元素2 2及其名义质量分数及其名义质量分数+如如ZCuSn10Zn2.ZCuSn10Zn2.制造工程基础制造工程基础制造工程基础浙江理工大学先进制造研究所铝和铝合金1 1）工业纯铝。）工业纯铝。其熔点为其熔点为660.37660.370 0C C，密度为，密度为2.7g/cm2.7g/cm3 3，为面心立方晶格，为面心立方晶格

59、，呈银白色。强度（呈银白色。强度（=80100MPa=80100MPa）和硬度）和硬度(20HBS)(20HBS)很低，塑性很低，塑性(=80%)(=80%)很很高，有良好的导热导电性。工业纯铝为高，有良好的导热导电性。工业纯铝为L1-L7L1-L7，其顺序数越大，纯度越，其顺序数越大，纯度越低。低。2 2）铝合金铝合金。 由于纯铝的强度低，不宜作承力结构材料，向纯铝中加由于纯铝的强度低，不宜作承力结构材料，向纯铝中加入适量的硅、铜、镁、锌、锰等元素，通过固溶强化，沉淀硬化及组入适量的硅、铜、镁、锌、锰等元素，通过固溶强化，沉淀硬化及组织强化，而得到的高强度合金。织强化，而得到的高强度合金。

60、铝合金的分类：铝合金的分类：根据铝合金的成分以及生产工艺特点，铝合金可根据铝合金的成分以及生产工艺特点，铝合金可分为形变铝合金和铸造铝合金。铝合金的一般类型相图如图分为形变铝合金和铸造铝合金。铝合金的一般类型相图如图1-281-28所示，所示，在在D D点以左的合金，在加热到点以左的合金，在加热到DFDF线以上时，得到单相固溶体组织，塑性线以上时，得到单相固溶体组织，塑性好，适于压力加工，故称形变铝合金；成分在好，适于压力加工，故称形变铝合金；成分在F F点以左的合金，冷却时点以左的合金，冷却时组织不随温度变化，故不能热处理强化，因而称为热处理不能强化铝组织不随温度变化，故不能热处理强化，因而