工程材料导论

工程材料导论第1页/共102页第一章工程材料导论掌握金属材料的主要力学性能能画出铁碳合金相图，并运用相图判断铁碳合金的成分、组织与性能。熟悉热处理“四把火”，工艺特点和应用。掌握常用钢铁和有色金属合金的种类、牌号、性能及应用。本章基本要求第2页/共102页工程材料的性能铸造性能可锻性能可焊性能切削加工性能热处理性工艺性

使用性能力学性能物理性能化学性能工艺性能金属材料的主要性能第3页/共102页1.使用性能

――反映金属材料在使用过程中所表现出的特性。

包括：

力学性能：（强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等）

物理性能：（密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性等）化学性能：（抗大气、海水及其它介质腐蚀、抗高温氧化等2.工艺性能

――反映金属材料在加工制造过程中所表现出来的特性。

包括：铸造特性、压力加工特性、焊接特性、热处理特性、切削加工特性等。在选择和应用金属材料时，一般无特殊要求时，首先考虑金属材料的使用性能，而在使用性能中，又主要以力学性能（机械性能）为主，因此作为本章讨论的重点。第4页/共102页力学性能：材料在外力（静载荷、动载荷、交变载荷）作用下，所表现出的性能。包括强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等,是选择、使用金属材料的重要依据。第一节材料的性能第一章工程材料导论第5页/共102页一、金属材料的力学性能

常用力学性能指标：第一章工程材料导论静载强度抗拉抗压抗弯硬度塑性韧性动载冲击韧度疲劳强度第6页/共102页1.1静载荷下材料的力学性能

第一章工程材料导论图1.1拉伸试样(a)拉断前(b)拉断后1）强度：材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。抗拉强度测试实验FLF0d电子拉伸试验机第7页/共102页第一章工程材料导论工程应力：σ=F/A0工程应变：ε=(L-L0)/L0图1.3低碳钢应力-应变曲线σεσeσsσbesbk0低碳钢的应力-应变曲线e－最大弹性变形点s－屈服点b

－最大外力点k－断裂点σe－弹性极限σs－屈服极限σb－抗拉强度第8页/共102页第一章工程材料导论第9页/共102页四个阶段

1.弹性变形阶段变形可逆变形量<1％2.屈服阶段不需要进一步增加外力就可产生明显的塑性变形发生塑性变形的标志3.塑性变形阶段产生永久变形4.缩颈和断裂阶段超过b点后局部迅速变细，直至断裂第一章工程材料导论ⅠⅡⅢⅣ低碳钢应力－应变曲线第10页/共102页弹性极限

：对应最大弹性变形的应力抗拉强度：最大载荷所对应的应力伸长率：（恒量塑性变形的指标）断面收缩率：断口处第一章工程材料导论良好的塑性是塑性变形加工的必要条件。拉伸试样的颈缩现象注意与断裂强度的区别第11页/共102页不同材料的拉伸曲线s=0.2sεεε(a)脆性材料(b)塑性材料（塑性较低）(c)塑性材料举例：(a)铸铁

(b)铝青铜

(c)退火低碳钢、有色金属卸载后，恢复部分为弹性应变量；残留部分为塑性应变量。第一章工程材料导论第12页/共102页

2）硬度材料抵抗更硬物体压入的能力称为硬度;表示材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度等（1）布氏硬度（HBW）HBW＝试验力／压痕面积，单位N/mm2压头：硬质合金球有效值：小于650HBW适用材料：退火钢、正火钢、有色金属、不锈钢等。第一章工程材料导论第13页/共102页布氏硬度计第一章工程材料导论用直径D的淬火钢球或硬质合金球,在一定压力P下,将钢球垂直地压入金属表面,并保持压力到规定的时间后卸荷,测压痕直径d，查表获得硬度值.（一般不写单位）图1.4布氏硬度计及测试原理第14页/共102页第一章工程材料导论（2）洛氏硬度HRC、HRA、HRB规范HRAHRBHRC压头120°金刚石圆锥Φ1.588淬火钢球120°金刚石圆锥总试验力/N60×9.8100×9.8150×9.8测量范围60～8525～10020～67适用材料硬质合金、表面淬火钢软的钢材、退火钢、铜合金淬火钢、调质钢表1.1三种洛氏硬度的特点及适用范围第15页/共102页第一章工程材料导论洛氏硬度计用金刚石圆锥作压头，在规定的预载荷和总载荷下压入材料，卸载后测其深度h，由压痕深度计算硬度，可在洛氏硬度计上直接读出，无单位。图1.5洛氏硬度计及测试原理第16页/共102页第一章工程材料导论布氏硬度与洛氏硬度的特点比较布氏硬度：压痕面积大；HB值的代表性较全面；实验数据的重复性好；由于淬火钢球本身易变形，不能试验太硬的材料；由于压痕较大，不能进行成品检验洛氏硬度：一般采用金刚石压头，因此可用于硬度很高的材料；压痕很小，几乎不损伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最多；由于压痕小，数据代表性、重复性差些；必须进行多点测试，取平均值。第17页/共102页动画洛氏硬度测量动画布氏硬度测量

第一章工程材料导论第18页/共102页第一章工程材料导论1.2动载荷下材料的力学性能设计受冲击载荷件时，必须考虑材料的抗冲击性能；在某些条件下（如低温）具有脆性倾向的材料，如鸟巢Q460E钢，-40℃冲击功≥27J。1）冲击韧度：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧度。通过摆锤冲击实验测得冲击韧度Ak—冲断试样所消耗的冲击功（J）Ao—试样断口处的原始截面积（mm2）第19页/共102页第一章工程材料导论摆锤冲击试验：由摆锤将试样一次冲断后，计算缺口处断面单位面积上的冲击吸收功。冲击试样第20页/共102页图1.6冲击韧性试验原理图第一章工程材料导论第21页/共102页第一章工程材料导论第22页/共102页第一章工程材料导论2）疲劳强度许多零件如曲轴、齿轮、连杆、弹簧等在交变载荷作用下工作，发生断裂时的应力远低于该材料的屈服强度，这种现象叫疲劳破坏。据统计，80%机件失效是由于疲劳破坏。疲劳强度：材料在无数次交变载荷作用下而不致于引起断裂的最大应力。注：疲劳强度用σ-1表示。规定钢铁材料经受107、有色金属经受108次循环对应的应力为σ-1。钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:σ-1=(0.45～0.55)σb

第23页/共102页图1轴的疲劳试验材料的疲劳强度通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测定疲劳曲线,即交变应力与断裂前的循环次数N之间的关系第一章工程材料导论第24页/共102页疲劳破坏原因:材料中的杂质,表面划痕,能引起应力集中（指受力构件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象）,导致微裂纹,裂纹扩展致使零件不能承受所加载荷突然破坏.第一章工程材料导论疲劳曲线第25页/共102页1943年美国T-2油轮发生断裂陶瓷、高分子材料：疲劳抗力很低；金属材料：疲劳强度较高；纤维增强复合材料：较好的抗疲劳性能。

为提高零件的疲劳强度，除废改善其结构形状、减少应力集少外，还可采取表面强化的方法，如提高零件的表面质量、喷丸处理、表面热处理等。第一章工程材料导论第26页/共102页二、金属材料的物理性能1.密度金属的密度即是单位体积金属的质量，其单位为kg/ｍ3。

根据密度的大小，金属材料可分为轻金属和重金属。密度小于45g/cm3

的金属叫做轻金属，如铝，钛等。

第一章工程材料导论第27页/共102页2.熔点

金属从固体状态向液体状态转变时的温度称为熔点。熔点一般用摄氏温度（℃）表示。各种金属都有其固定熔点。如铅的熔点为323℃，钢的熔点为1538℃。熔点对于冶炼、铸造、焊接和配制合金等都很重要。熔点低于1000℃的金属称为低熔点金属，熔点在1000～2000℃的金属称为中熔点金属，熔点高于2000℃的金属称为高熔点金属。

第一章工程材料导论第28页/共102页3.导热性

金属材料传导热量的能力称为导热性。一般用热导率（导热系数）λ表示金属材料导热性能的优劣。热导率大的金属材料的导热性好。在一般情况下，金属材料的导热性比非金属材料好。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。

导热性好的金属散热也好，可用来制造散热器零件，如冰箱、空调的散热片。第一章工程材料导论第29页/共102页4.热膨胀性

金属材料在受热时体积会增大，冷却时则收缩，这种现象称为热膨胀性。各种金属的热膨胀性能不同。在实际工作中有时必须考虑热膨胀的影响。例如，一些精密测量工具就要选用膨胀系数较小的金属材料来制造；铺设铁轨、架设桥梁、金属工件加工过程中测量尺寸等都要考虑到热膨胀的因素。第一章工程材料导论第30页/共102页5.导电性

金属材料传导电流的性能称为导电性。各种金属材料的导电性各不相同，其中以银为最好，铜、铝次之，工业上用铜、铝做导电的材料。导电性差的高电阻金属材料，如铁铬合金、镍铬铝、康铜和锰铜等用于制造仪表零件或电热元件，如电炉丝。第一章工程材料导论第31页/共102页6.磁性

金属导磁的性能称为磁性。具有导磁能力的金属材料都能被磁铁吸引。铁、钴等为铁磁性材料，锰、铬、铜、锌为无磁性或顺磁性材料。但对某些金属来说，磁性也不是固定不变的，如铁在768℃以上就表现为没有磁性或顺磁性。铁磁性材料可用于制作变压器、电机的铁心和测量仪表零件等；无（顺）磁性材料可用做要求避免磁场干扰的零件。第一章工程材料导论第32页/共102页三、金属材料的化学性能

金属材料的化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能。

1.耐腐蚀性

金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀作用的能力，称为耐腐蚀性。常见的钢铁生锈，就是腐蚀现象。

2.抗氧化性

金属材料抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。

金属材料在加热时，氧化作用加速，如钢材在锻造、热处理、焊接等加热作业时，会发生氧化和脱碳，造成材料的损耗和各种缺陷。因此，在加热坯件或材料时，常在其周围形成一种还原气体或保护气体，以避免金属材料的氧化。

3.化学稳定性

化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性叫做热稳定性。用于制造在高温下工作的零件的金属材料，要有良好的热稳定性。

第一章工程材料导论第33页/共102页四、工艺性能

工艺性能是金属材料物理、化学性能和力学性能在加工过程中的综合反映，是指是否易于进行冷、热加工的性能。按工艺方法的不同，可分为铸造性、可锻性、焊接性、热处理性和切削加工性等。1.铸造性能（流动性、收缩、偏析倾向）铸造铝、铜合金>铸铁（灰口）>铸钢（共晶点附近最好）2.锻造性能（塑性、变形抗力）低碳钢>中碳钢（低合金钢）>高碳钢（高合金钢）铸铁不可锻压3.焊接性能（可焊性、焊后开裂的倾向、焊区硬度）低碳钢>中碳钢（低合金钢）>高碳钢（高合金钢）>铜、铝合金4.切削性能（切削难易程度、加工表面质量）5.热处理工艺性能（热处理难易程度及产生缺陷的倾向）淬透性、变形和开裂、过热敏感性、回火脆化和氧化脱碳等第一章工程材料导论第34页/共102页第二节材料的微观结构基础2.1晶体与非晶体晶体：材料内部的原子呈周期性规则排列，如固态金属、合金、金刚石、石墨等。非晶体：材料内部的原子排列是不规则的，如松香、玻璃、沥青等。性能差异：晶体具有一定的凝固点和熔点，非晶体没有；晶体呈各向异性，非晶体各向同性;非晶没有晶界、枝晶，避免了偏析，从而具有高的强度、硬度，还有优异的耐腐蚀性。第一章工程材料导论(a)(b)图2.1晶体与非晶体的高分辨图像

(a)Si3N4陶瓷晶体

(b)非晶碳膜第35页/共102页2.2晶体学基础第一章工程材料导论图2.2a)晶体；b)晶格；c)晶胞；第36页/共102页（1）基本概念晶格：描述晶体中原子排列规律的空间格架。晶胞：空间点阵中的最小几何单元，能代表整个晶格中的原子排列规律。晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。晶格常数：晶胞中各棱边的长度a,b,c及夹角α,β,γ

第一章工程材料导论第37页/共102页（2）晶向和晶面（国际上通用米勒指数标定）晶向：空间点阵中各阵点列的方向。晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面。第一章工程材料导论第38页/共102页14种布拉菲点阵、7种晶系第一章工程材料导论图2.314种布拉菲点阵第39页/共102页（3）常见金属晶体结构三种面心立方体心立方密排六方第一章工程材料导论图2.4典型晶体类型第40页/共102页（4）金属的实际晶体结构（多晶体＋缺陷）单晶体：晶体内部的晶格方位完全一致多晶体：许多晶粒组成的晶体结构晶粒：外形不规则而内部晶格方位一致的小晶体晶界：晶粒之间的界面晶体缺陷：金属晶体中，原子排列或多或少地存在偏离理想结构的区域，称为晶体缺陷。点缺陷线缺陷面缺陷第一章工程材料导论第41页/共102页2.3金属的结晶和同素异构转变（1）纯金属的结晶过冷现象：在一定冷却速度下，实际结晶温度低于理论结晶温度。过冷度ΔT=T0–T1①过冷是结晶的必要条件；②冷却速度越快，过冷度越大。第一章工程材料导论To时间温度理论冷却曲线实际冷却曲线T1结晶平台(是由结晶潜热导致)纯金属的冷却曲线第42页/共102页纯金属的结晶过程第一章工程材料导论随着温度降低，原子活动能力减弱，当达到结晶温度时，某些原子按一定规律排列聚集，形成晶核。晶核长大形成晶粒。过冷度对形核速率和长大速率的影响当ΔT较小时，G>N→晶粒粗大；当ΔT较大时，N>G→晶粒细小；当ΔT过大时，N和G降低→难以形核第43页/共102页晶粒细化的作用和途径作用：提高材料的强度、硬度、塑性、韧性途径：1）增加过冷度：冷却速度愈大，过冷度愈大，形核数量愈多，晶粒愈细。2）变质处理：在实际生产中，通过向金属液中加入某些物质（称为变质剂），在金属液中形成大量分散的人工的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，这种处理方法称为变质处理。3）振动：对正在结晶的金属施以机械振动、超声波振动和电磁振动，均可使树枝晶尖端破碎而增加新的核心，提高形核率，使晶粒细化。第一章工程材料导论第44页/共102页（2）同素异构转变（如Fe、Co、Ti等）同一种元素在固态下由于温度变化而发生的晶体结构的变化。

第一章工程材料导论纯铁的同素异构转变液态铁Lδ-Feγ-Feα-F心立方面心立方体心立方第45页/共102页2.4合金（1）基本概念合金：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质，如钢、铁、黄铜(Cu-Zn)。组元：指组成合金的最基本的、能独立存在的物质，如化学元素Fe、C。

相：指合金中结构相同、成分和性能均一，并以界面相互隔开的组成部分。固溶体、金属间化合物。组织：是合金中不同相的组合。第一章工程材料导论第46页/共102页固溶体溶质原子溶入溶剂中并且保持溶剂晶格类型的晶体。按溶质原子在溶剂晶格中所处位置不同，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体。（原子半径、固溶度）→固溶强化：由于溶质与溶剂原子半径不同，使溶剂晶格产生畸变，导致材料的变形抗力、硬度和强度增加。第一章工程材料导论置换固溶体间隙固溶体置换固溶体中的晶格畸变第47页/共102页金属间化合物合金组元发生相互作用而形成的一种新相，它的晶体结构类型和性能均不同于任一组元，具有金属性质。特点：1）其晶格类型和性能不同于任一组元；2）一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆；3）作强化相，能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但降低合金的塑性。机械混合物：固溶体+金属化合物、固+固，综合性能好，如：P—α-Fe+Fe3C第一章工程材料导论第48页/共102页第三节铁碳合金相图3.1铁碳合金的基本相和组织铁素体（F、α

）：碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体。由于α-Fe晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最大溶碳量只有0.0218%（727℃），所以是几乎不含碳的纯铁。HB:～60奥氏体（A、γ

）：碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体。γ-Fe的溶碳能力较高，最大为2.11%（1148℃）。显微镜观察，奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结构，并有明显的界限。具有良好的塑性和低的变形抗力。是绝大多数钢种在高温进行压力加工所需的组织。HB：170~210第一章工程材料导论第49页/共102页渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成的稳定化合物。含碳量为6.69%，硬度很高，脆性极大，是钢中的强化相。HRC>65（或HB>800）网状、针状、层状珠光体（P）：由铁素体F和渗碳体Fe3C组成的机械混合物。平均含碳量为0.77%，在727℃以下温度范围内存在。多呈层片状特征，表面具有珍珠光泽。片层愈密，强度愈高。HB：160～260莱氏体（Ld）：由奥氏体A和渗碳体Fe3C组成的机械混合物。铁碳合金中含碳量为4.3%的液体冷却到1148℃时发生共晶转变，生成高温莱氏体。合金继续冷却到727℃时，其中的奥氏体转变为珠光体，故室温时由珠光体P和渗碳体Fe3C组成，叫低温莱氏体。统称莱氏体。特点：硬、脆；高温Ld的硬度HB>700第一章工程材料导论第50页/共102页3.2合金相图（平衡条件下，成分－温度－相）（1）合金相图的建立：配制合金→冷却曲线→相同意义点连线第一章工程材料导论相图建立过程示意图(a)冷却曲线；(b)Cu-Ni合金相图温度成分相变点液相线固相线合金冷却过程中，随温度的降低，液相和固相的成分都在不断变化第51页/共102页（2）匀晶相图和共晶相图匀晶相图：凡是在液态和固态都能完全互溶，固态下形成无限固溶体的二元合金，均形成二元匀晶相图。如Cu-Ni、Ag-Au，Fe-Ni等。匀晶转变：从液相结晶出单相固溶体共晶相图：两组元在液态时无限互溶，在固态下是有限固溶并能够发生共晶转变，产生共晶组织的合金构成的相图。如Ag-Cu、Fe-C等。共晶转变：在一定的温度下，由一定成分的液相中同时结晶出两种成分不同的固相的过程。第一章工程材料导论L→SL→S1＋S2第52页/共102页第一章工程材料导论共晶线：MEN共晶点：E固溶度线：MF、NG亚共晶合金：成分在M-E之间过共晶合金：成分在E-N之间Pb-Sn的二元共晶相图第53页/共102页3.3铁碳合金相图重点内容（1）画图（2）特征点对应的温度、含碳量及其含义（3）特征线对应的温度、含碳量及其含义（4）各相区对应的显微组织性能（5）结晶过程分析（6）相图的应用第一章工程材料导论第54页/共102页（1）Fe-Fe3C合金相图简称Fe－C合金相图第一章工程材料导论铁碳合金相图第55页/共102页（2）特征点第一章工程材料导论铁碳合金相图中的特征点第56页/共102页（3）特征线第一章工程材料导论A1线铁碳合金相图中的特征线第57页/共102页ACD线：液相线，在此线以上的区域为液相，当合金液冷却到此线时开始结晶。AECF线：固相线，合金熔液冷却到此线时结晶完毕，此线以下为固相区。ECF线：共晶线，它是一条重要的水平线，温度为1148℃，液态合金冷却到此线时，在恒温条件下，将从液体中同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，即发生共晶反应：

第一章工程材料导论第58页/共102页PSK线：共析线，代号A1。也是一条重要的水平线，温度为727℃，当合金冷却到此线时，从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，即共析反应：ES线：代号Acm。是碳在奥氏体中的溶解度线。在1148℃时奥氏体中的溶碳能力最大为2.11%，随着温度降低溶解度沿此线降低，而在727℃时仅为0.77%C，所以含碳量大于0.77%的铁碳合金，自1148℃冷至727℃的过程中，由于奥氏体含碳量的减少，将从奥氏体中析出二次渗碳体(Fe3CII)，以区别于自液体中结晶出的一次渗碳体(Fe3CI)。GS线：代号A3，奥氏体冷却到此线时，开始析出铁素体，使奥氏体含碳量沿此线向0.77%递增。

第一章工程材料导论第59页/共102页第60页/共102页第61页/共102页

单相区：L、、F（）、A（）

、Fe3C

两相区：L+、

L+A、L+Fe3C、+A、A+F、A+Fe3C、F+Fe3C三相区：L++A、L+A+Fe3C、A+F+Fe3C（4）特征区第一章工程材料导论第62页/共102页（5）相图分析铁碳合金分类工业纯铁亚共析钢共析钢过共析钢亚共晶白口铁共晶白口铁过共晶白口铁第一章工程材料导论钢生铁亚共析过共析亚共晶过共晶纯铁不同的组织是通过怎样的结晶过程得到的？第63页/共102页共析钢第一章工程材料导论123共析转变A→F+F3CP第64页/共102页亚共析钢第一章工程材料导论1234PF5第65页/共102页过共析钢第一章工程材料导论1234网状Fe3CP第66页/共102页共晶白口铁第一章工程材料导论12共析转变共晶转变L→A+F3CA→F+F3C白亮色Fe3C基体点状、短条状P+Fe3CⅡ第67页/共102页亚共晶白口铁第一章工程材料导论123块状P一圈白亮色Fe3CLd’基体第68页/共102页过共晶白口铁第一章工程材料导论123Ld’粗大的Fe3C第69页/共102页（6）相图的应用含碳量对钢铁组织和性能的影响合理选材制定热处理工艺的依据铸造生产：共晶点附近铸造性能好；

锻造工艺：确定锻造温度及区间；

焊接工艺：研究焊缝区及近缝区组织和性能变化的理论依据，焊接缺陷用热处理改善；热处理工艺：根据状态图制定热处理工艺。第一章工程材料导论第70页/共102页第四节常用钢铁材料4.1钢的分类按化学成分分：碳素钢、合金钢按用途分：结构钢、工具钢、特殊性能钢按质量分：普通钢、优质钢、高级优质钢碳素钢低碳钢：Wc<0.3%中碳钢：0.3%<Wc<0.6%高碳钢：Wc>0.6%杂质元素：S、P合金元素：Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V

、Ti

第一章工程材料导论冷脆：P引起的低温脆性增加热脆：S引起的高温轧制时钢破裂第71页/共102页普通碳素结构钢Q235－AQ：屈服点235：屈服强度，MPaA：质量等级优质碳素结构钢45，08～25，30～55，60～702位数字表示：含碳量万分之几（45/10000，即0.45%)碳素工具钢（含碳量较高）T7、T8、T10AT：工具钢Tool8：含碳量千分之几（8/1000，即0.8%）A：高级优质，含S、P量<0.03％第一章工程材料导论

低碳钢塑性好（冲击件、焊接）中碳钢强韧好（轴类、齿轮）高碳钢弹性好（弹簧、垫片）第72页/共102页合金结构钢60Si2Mn、16Mn、20CrMnTi、40Cr、GCr15首二位数：含碳量万分之几，如60即0.6%合金元素后的数：含该元素量百分之几，如2％合金元素后没有数：含该元素量<1.5%G：滚动轴承钢，C1.0%，Cr1.5%合金工具钢（含碳量较高）9SiCr、5CrMnMo、CrWMn、W18Cr4V首位数：含碳量千分之几，如0.9%高速工具钢首位没有数：含碳量≥1％，特例：含碳量<1%合金元素后的数：含该元素量百分之几，如18％合金元素后没有数：含该元素量<1.5%特殊性能钢：不锈钢1Cr18Ni9Ti、耐热钢、耐磨钢第一章工程材料导论第73页/共102页4.2铸铁（碳在铸铁中的存在形态不同）白口铸铁：Fe3C

灰口铸铁：石墨灰铸铁－片状石墨球墨铸铁－球状石墨可锻铸铁－团絮状石墨蠕墨铸铁－蠕虫状石墨石墨化：影响铸铁中石墨化的因素主要有化学成分和冷却速度。第一章工程材料导论第74页/共102页灰口铸铁的显微组织第一章工程材料导论灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁蠕墨铸铁第75页/共102页灰口铸铁牌号HT150HT：灰铸铁150：抗拉强度，150MPaQT600-3QT：球墨铸铁600：抗拉强度，600MPa3：伸长率，3％RuT300、RuT420、RuT380RuT：蠕墨铸铁300：抗拉强度，300MPa第一章工程材料导论第76页/共102页灰口铸铁牌号KTH330-08、KTZ450-06KTH:黑心可锻铸铁，F基体KTZ：珠光铁可锻铸铁，P基体330、450：抗拉强度330MPa、450MPa08、06：伸长率8％、6％第一章工程材料导论第77页/共102页铸铁的性能及应用白口铸铁：简称为白口铁，按照Fe-Fe3C相图进行结晶而得到的铸铁。其中碳全部以渗碳体(Fe3C)形式存在，断口呈银白色。由于存在有大量硬而脆的Fe3C，硬度高，脆性大，很难切削加工。很少用来直接制造机器，主要用于炼钢原料或制造可锻铸铁的毛坯。灰口铸铁：化学成分C、Si、Mn、S、P；抗拉强度低、塑韧性差，几乎没有延伸率，抗压强度远大于抗拉强度；抗压、耐磨、减振；不能锻造或冲压，焊接性差，但具有优良的铸造性能和切削性能；缺口敏感性小。常见的铸铁件多数是灰口铸铁，如机床床身、箱体、底座等。第一章工程材料导论第78页/共102页铸铁的性能及应用为了改善灰口铸铁的组织和力学性能，生产中常采用孕育处理的方法：使石墨细小、分散，减轻割裂作用。可锻铸铁：又称玛铁或玛钢，由一定成分的白口铸铁经石墨化退火处理时渗碳体分解而获得团絮状石墨的铸铁。由于具有较灰口铸铁高得多的塑性和韧性，习惯上称为可锻铸铁，实际上并不可锻。适用于对机械性能要求较高，承受冲击负荷的薄壁、形状复杂的小型铸件，如各种管接头、阀门及汽车上的一些小零件。生产周期长，工艺复杂，成本较高。第一章工程材料导论第79页/共102页球墨铸铁：铁水在浇注前经球化处理，其中碳大部分或全部以球状石墨形式存在，减少了石墨对基体的割裂作用，抗拉强度不亚于碳钢，塑性和韧性比其他铸铁好。良好的铸造性能、切削加工性能、减磨减振性能。生产工艺比可锻铸铁简单，近年来日益得到广泛的应用。蠕墨铸铁：在出铁时往铁水中加入蠕化剂，进行蠕化处理，然后加入孕育剂作孕育处理而得到。其机械性能介于普通灰铸铁和球铁之间，热疲劳性能好。具有接近灰口铸铁的优良的铸造性能。它主要应用于一些经受热循环载荷，要求组织致密、结构复杂、强度高的铸件，如汽缸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸件。第一章工程材料导论第80页/共102页第五节钢的热处理

钢的热处理在固态下将钢加热到一定温度，进行必要的保温，以适当的冷却速度冷至室温，改变钢的组织结构和性能的工艺方法。热处理目的：提高金属材料的力学性能，延长零件使用寿命。消除毛坯中的缺陷，改善工艺性能，为其他工艺处理（如锻造、焊接、切削等）做组织准备。热处理方法普通热处理表面热处理第一章工程材料导论提高强度、硬度增加塑性、降低硬度正火淬火回火退火区别在于加热温度冷却方式第81页/共102页5.1钢在加热和冷却时的组织结构转变组织转变的

临界温度第一章工程材料导论（1）平衡条件下

A3、Acm、A1（2）实际生产中加热：Ac3、Accm、Ac1冷却：Ar3、Arcm、Ar1加热和冷却速度越大，相变温度偏离平衡临界点的程度也越大，即过热度和过冷度越大。

钢的固态相变第82页/共102页

（1）钢在加热时的组织结构转变大多数热处理工艺都是将钢加热至临界温度以上，奥氏体区域，使其室温组织转变为均匀奥氏体，即“奥氏体化”。以共析钢为例

奥氏体形核奥氏体长大A成分均匀化第一章工程材料导论P（F＋Fe3C）A体心立方复杂结构面心立方奥氏体的形成过程第83页/共102页

第一章工程材料导论A形核：晶核易于在F和Fe3C相界面形成，由于位错、空位密度高。影响因素：T、C%、P粗细(b)A长大：①F→A（先完成）；②

Fe3C溶解。影响因素：T、t、合金元素Ti、Cr(c)残余Fe3C溶解：残余Fe3C溶入A(d)A均匀化：保温，碳扩散使A的含C量趋于均匀。

第84页/共102页4.2钢的基本热处理方法退火：将钢加热到一定温度，保温一定时间，随后在炉中缓慢冷却，以获得近于平衡组织的一种热处理方法。正火：将钢加热到Ac3线（亚共析钢）、Ac1线（共析钢）、Accm线(过共析钢）以上30～50℃，保温一定时间后，出炉在空气中冷却的热处理方法。淬火：将钢加热到Ac3线（亚共析钢）、Ac1线（共析钢和过共析钢）以上30～50℃，保温后在水或油中迅速冷却的热处理方法。回火：将淬火后的钢重新加热至Ac1线以下的某一温度，保温后在空气中冷却的一种热处理方法。注意：淬火与回火成对使用。第一章工程材料导论第85页/共102页

（1）退火（A均匀化）目的：降低硬度，以利于切削加工；细化晶粒，均匀组织、改善性能；增加塑性和韧性，消除内应力；为淬火作好组织准备。完全退火用于亚共析钢加热到Ac3线以上30～50℃球化退火（不完全退火）用于共析、过共析钢和铸铁件加热到Ac1线以上10～20℃第一章工程材料导论去应力退火加热到Ac1以下某一温度(约500~650℃)保温后缓冷完全A化未发生相变第86页/共102页

（2）正火目的：提高硬度、改善切削加工性对重要件：为淬火作准备与退火的区别：组织不同（S／P）硬度略高，切削性能好消除内应力不如退火彻底不占用设备第一章工程材料导论完全A化亚共析：Ac3共析：Ac1过共析：Accm＋30～50℃第87页/共102页第一章工程材料导论第88页/共102页

（3）淬火（A→M）目的：提高硬度、耐磨性应用：工具、模具、量具、滚动轴承马氏体（M）：碳在α-Fe中的过饱和固溶体。

第一章工程材料导论亚共析：Ac3共析：Ac1过共析：Ac1＋30～50℃第89页/共102页

（4）回火（与淬火并用，重新加热至Ac1以下）目的消除淬火产生的内应力降低脆性、提高韧性调整硬度、防止开裂变形分类低温回火：150～220℃，保持高硬度、耐磨性中温回火：350～500℃，降低脆性、提高弹性高温回火：500～650℃，获得较好的强、硬、塑、韧综合性能。调质处理：淬火＋高温回火第一章工程材料导论回火马氏体M回火托氏体T回火索氏体S第90页/共102页P、S、T的