机械工程基础（第5版）课件 第1章 机械工程材料

第1章机械工程材料1-1金属材料的力学性能及工艺性能1-2金属及合金的晶体结构与结晶1-3铁碳合金及其相图1-4钢的热处理1-5常用金属材料1-6常用非金属材料和复合材料1-7新型材料简介1-8选用材料的一般原则

1.1.1金属材料的力学性能1.1.2金属材料的工艺性能

1.1金属材料的力学性能

及工艺性能

材料：金属材料（纯金属和合金）非金属材料（陶瓷材料、高分子材料）复合材料使用性能（使用特性）工艺性能（加工特性）金属材料的性能化学性能物理性能力学性能锻造性能铸造性能焊接性能热处理性能切削加工性能金属材料的力学性能及工艺性能

金属材料的力学性能：金属材料抵抗不同性质载荷的能力，通常又称为机械性能。主要力学性能指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度。1.1.1金属材料的力学性能金属材料的力学性能及工艺性能

1.强度和塑性强度：是指金属材料在载荷（外力）作用下抵抗变形和破坏的能力。可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯曲强度、抗扭转强度、抗剪切强度等。抗拉强度通过静拉伸试验来测定。衡量材料强度指标：屈服极限σs和强度极限σb

。

塑性：在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力通过拉伸试验测定。衡量材料塑性指标：伸长率δ和断面收缩率ψ。材料的δ和ψ值越大，说明塑性越好金属材料的力学性能及工艺性能

2.硬度硬度：是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。它是衡量金属材料软硬程度的指标。硬度值与强度值之间有一定的经验关系，还与材料的耐磨性和某些工艺性能有关。常用的硬度测定法是压入法：在规定的静态试验力下将压头压入材料表面，用单位压痕面积上所承受的载荷或压痕深度来评定硬度。测定金属材料硬度方法布氏硬度、洛氏硬度、（维氏硬度）等。（1）布氏硬度布氏硬度试验是指用一定直径D的钢球（淬火钢球或硬质合金球），以规定载荷F压入被测材料表面，保持一定时间并达到稳定状态后卸除载荷，测量材料表面压痕直径，计算单位压痕面积上所承受的载荷,即为布氏硬度值。

XHB-3000型数显布氏硬度计

金属材料的力学性能及工艺性能

金属材料的力学性能及工艺性能

材料越软，压痕直径越大，则布氏硬度值越低。

当压头为淬火钢球时，硬度符号为HBS，适用于测量布氏硬度值在450以下的材料；当压头为硬质合金球时，硬度符号为HBW，适用于测量布氏硬度值在450--650的材料。

硬度数值均标写在布氏硬度符号之前。例如230HBS、500HBW。布氏硬度试验的优点是测定的数据准确、稳定，数据重复性强，常用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。其缺点是压痕较大，易损坏成品的表面，不能测定太薄的试样硬度。金属材料的力学性能及工艺性能

（2）洛氏硬度

洛氏硬度：用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直径为1.5875mm的淬火钢球作为压头，以一定的载荷压入被测金属材料的表面层，然后根据压痕的深度来确定洛氏硬度值。洛氏硬度用符号HR表示。根据压头类型及载荷的不同，有HRA、HRB、HRC三种洛氏硬度标尺。

洛氏硬度表示方法为硬度值+符号。如58HRC、85HRA等。金属材料的力学性能及工艺性能

压痕越深，硬度越低，反之，硬度越高。实际测定时，洛氏硬度值可直接从洛氏硬度计刻度盘上读出。

标度压头总载荷（N）应用范围HRA顶角为120°的金刚石圆锥588.4硬质合金、碳化物、淬火工具钢、浅层表面硬化钢HRB直径1.5875mm的淬火钢球980.7退火钢、铜合金、铝合金HRC顶角为120°的金刚石圆锥1471.1淬火钢、调质钢、深层表面硬化钢金属材料的力学性能及工艺性能

优点是操作迅速、简便，可从表盘上直接读出硬度值，不必查表或计算，而且压痕小，可测量较薄工件的硬度。缺点是精确性较差，硬度值重复性差，通常需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。金属材料的力学性能及工艺性能

3.韧性和疲劳强度（1）韧度：冲击载荷作用下，金属材料抵抗破坏的能力。是一种动载荷性能指标。目前常用摆锤式一次冲击弯曲试验来测定金属材料的韧度。金属材料的力学性能及工艺性能

试样缺口有U和V两种，冲击韧度值分别以αKU和αKV表示,αKV值越大，材料的冲击韧度越好。

冲击韧度指标：Wk表示冲击吸收功，是指标准试样在冲击载荷作用下发生断裂所消耗的能量，可从冲击试验机上直接读出。用试样缺口处的横截面积A去除WK所得的商即为该材料的冲击韧度值，冲击韧度αk表示在单位截面积上的冲击吸收功。

金属材料的力学性能及工艺性能

（2）疲劳强度：材料在规律性变化应力长期作用下，抵抗破坏的能力。金属的疲劳：机件在交变载荷作用下经过长时间工作发生破坏，通常这种破坏现象叫做金属的疲劳。测定方法：对称弯曲循环载荷试验。

影响疲劳强度的因素很多，其中主要有循环应力、温度、材料的化学成分及显微组织、表面质量和残余应力等。疲劳强度用σ-1表示。钢：0.5σb非金属:（0.3—0.4）σb金属材料的力学性能及工艺性能

金属材料的工艺性能:金属材料所具有的能够适应各种加工工艺要求的能力,实质上是机械、物理、化学性能的综合表现。

主要工艺性能指标有：铸造性锻造性焊接性切削加工性1.1.2金属材料的工艺性能金属材料的力学性能及工艺性能

1.铸造性

铸造性能：浇注铸件时，金属材料易于成形并获得优质铸件的性能

铸造性能指标：流动性、收缩率、偏析倾向

代表金属:灰铸铁和青铜金属材料的力学性能及工艺性能

2.锻造性锻造性能：材料在塑性加工时能改变形状而不产生裂纹的性能，它实质上是材料塑性好坏的表现

压力加工：锻造、轧制、冷拉、挤压

代表金属:低碳钢金属材料的力学性能及工艺性能

3.焊接性

焊接性：材料在通常的焊接方法和焊接工艺条件下，能否获得质量良好焊缝的性能。评价标准：焊缝中是否有气孔、夹渣、裂纹等缺陷。

代表金属:低碳钢金属材料的力学性能及工艺性能

4.切削加工性切削加工性：对工件材料进行切削加工的难易程度。相关因素：化学成分，金相组织、刀具的几何形状代表金属:灰铸铁和硬度为170-250HBS的碳钢金属材料的力学性能及工艺性能

金属材料的力学性能指标金属材料的力学性能及工艺性能

学习目标达到了吗？1金属的力学性能有哪些指标？2金属的工艺性能有哪些指标？3课外链接

弹塑性变形

金属疲劳曲线金属材料的力学性能及工艺性能

TheEnd金属材料的力学性能及工艺性能

1.2金属及合金的

晶体结构与结晶1.2.1

实际金属的晶体结构1.2.2

金属的结晶1.2.3金属的同素异构转变1.2.4合金的结构1.晶体结构的基本知识晶体与非晶体晶体---固体物质中原子呈周期性有规则的排列。如金钢石、石墨和一切固状金属。非晶体---固体物质中原子呈不规则排列。如玻璃、沥清和松香。1.2.1纯金属的晶体结构及其结晶金属及合金的晶体结构与结晶晶体具有固定的熔点和各向异性的特征晶格为了便于分析晶体中原子排列的规律性，用假想的线条将原子的中心连接起来，使之构成一个空间格子。这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列方式的空间格子称为晶格。晶胞取晶格中一个最基本的几何单元来表明原子排列的规律性（晶格形式特征），称为晶胞。金属及合金的晶体结构与结晶晶格常数晶格是由无数个晶胞重复堆积而成的。晶胞的棱边长度和棱边夹角称为晶格常数。

金属及合金的晶体结构与结晶2.常见的金属晶格体心立方晶格：晶胞是一个立方体，八个顶角和立方体的中心各排列着一个原子。如：α铁、铬、钨、钼、钒。强度较大，塑性较好。金属及合金的晶体结构与结晶面心立方晶格：晶胞也是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各排列着一个原子。铜、铝、银、金、镍、γ铁。塑性优于体心立方晶格的金属。金属及合金的晶体结构与结晶密排六方晶格：晶胞是在正六方柱体的十二个顶角和上、下两底面的中心处各排列一个原子，另外中间还有三个原子。原子排列最紧密，属于这种晶格类型的金属有镁、锌、镉、铍等。金属及合金的晶体结构与结晶3.实际金属的晶体结构单晶体：晶体内部晶格方位完全一致的晶体，具有各向异性的特征。多晶体：由许多方位不同的单晶体组成，具有各项同性的特征。晶粒：在多晶体材料内，晶体位向基本相同的小晶体。晶界：多晶体材料中相邻晶粒间的界面。金属及合金的晶体结构与结晶结晶：金属由液态转变为固态而形成晶体的整个过程结晶温度：纯金属的结晶是在一定温度下进行的，这个温度称为结晶温度。每种金属都有一定的理论结晶温度，用T0表示。纯金属的冷却曲线有一水平段，对应的温度为实际结晶温度Tn。过冷：纯金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，这种现象称为过冷。1）冷却曲线与过冷度1.2.2

纯金属的结晶金属及合金的晶体结构与结晶结晶过程是在冷却曲线平台上所经历的时间内发生的。实质上是金属原子由不规则排列过渡到规则排列而形成晶体的过程。理论结晶温度T0与实际结晶温度Tn之差称为过冷度(用△T表示)，即△T=T0

-Tn。冷却速度越快，过冷度就越大，实际结晶温度越低。金属及合金的晶体结构与结晶2）结晶过程（1）生核——晶核（2）长大——晶体金属及合金的晶体结构与结晶晶粒大小的控制有两种方法：（1）控制过冷度，提高过冷度使晶粒细化。（2）在结晶过程进行变质处理。3）影响晶粒大小的因素晶粒的大小对金属性能有影响，且晶粒越细小，性能越好。晶粒的大小通常以单位界面面积上的晶粒数或晶粒的平均直径来表示。晶粒大小的影响因素：晶核数目：晶核越多，每个晶核长大的余地就越小，长成的晶粒就越细。晶核长大速率：晶核长大的速率越小，生成的晶粒尺寸就越小，反之则晶粒粗大。细晶原则：促进晶核生长；抑制晶粒长大。金属及合金的晶体结构与结晶有些金属在固态可以有两种或两种以上的晶体结构，如Fe、Mn、Ti等。金属在固态下随外界条件（温度、压力）的改变，由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的变化，称为金属的同素异构转变。金属的同素异构转变是原子重新排列的过程，实际上是一个重新结晶的过程，亦应遵守前述的一般规律。最常见的是铁的同素异构转变，可表示为：

δ-Fe（1394℃）→γ-Fe（912℃）→α-Fe（体心立方）（面心立方）（体心立方）1.2.3

金属的同素异构转变金属及合金的晶体结构与结晶纯铁的冷却曲线及晶体结构变化金属及合金的晶体结构与结晶1.合金的基本概念合金：一种金属与另一种或几种金属、非金属熔合组成的，具有金属特性的物质。组元：组成合金的最基本、独立的物质。通常是组成合金的元素或某些稳定的化合物。按组元数二元合金 三元合金 多元合金。相：金属或合金中化学成分相同、晶体结构相同的原子聚集状态，并与其他部分之间有明确的界面的独立均匀组成部分。组织：用放大镜、显微镜能观察分辨的材料内部微观形貌的图像。只有一相组成的组织称为单相组织；由两种或两种以上相组成的组织称为多相组织。1.2.4

合金的结构金属及合金的晶体结构与结晶1）固溶体合金各组元在固态时具有互相溶解的能力，形成与某组元晶格类型相同的合金，称为固溶体。保留原有晶格类型的组元称为溶剂，其他组元称为溶质。置换固溶体：是指溶剂晶格上的原子被溶质原子所取代而形成的固溶体。间隙固溶体：指溶质原子溶入溶剂晶格的间隙中所形成的固溶体。2.合金的结构金属及合金的晶体结构与结晶由于溶质原子和溶剂原子的直径差别，溶质原子溶入后，造成棱边长度发生撑开或靠拢的的现象（晶格畸变）使晶体的变形抗力增大，导致强度、硬度提高，称为固溶强化，它是改善材料性能的重要途径之一。金属及合金的晶体结构与结晶金属化合物是合金的组元间相互作用而形成的具有明显金属特性的化合物，其晶格类型和性能完全不同于任一组元，而且组成可用分子式表示。如其晶格类型和性能完全不同于合金中的任一组元，一般具有复杂的晶格，且熔点高，硬度高，脆性大,低塑性和韧性。2）金属化合物金属及合金的晶体结构与结晶组成合金的各组元在固态下既不溶解，也不形成化合物，而以混合形式组合在一起的物质，称为机械混合物，其各相仍保持原来的晶格结构和性能。所以，机械混合物的性能取决于各相的性能、相对数量、形状、大小及分布情况。在常用合金中，其组织大多是固溶体和金属化合物的机械混合物。3）机械混合物金属及合金的晶体结构与结晶

1.3铁碳合金及其相图1.3.1

铁碳合金的基本组织和性能1.3.2

铁碳合金相图1.3.3含碳量及杂质对铁碳合金性能的影响1.3.4铁碳合金相图应用相图：表示在平衡条件下（极其缓慢加热和冷却）合金成分、温度、组织状态之间的关系图形称为合金相图，又称合金状态图。合金相图的建立：首先配置一系列成分比的铁碳合金，分别加热到液态，然后以极其缓慢的冷却速度冷却到室温，分别绘制它们的冷却曲线，标明相变点。将冷却曲线上的相变点投影到温度－成分坐标图中相应的坐标上，将意义相同的点连接起来，铁碳合金的相图就建立起来了。铁碳合金及其相图1.3.1铁碳合金的基本组织和性能平衡条件下铁碳合金的成分、温度和组成相之间及其变化规律通常用铁碳合金相图来描述，即Fe-Fe3C相图。与其它合金一样，铁碳合金也具有固溶体、金属化合物等基本组织。1）铁素体2）奥氏体3）渗碳体4）珠光体5）莱氏体

铁碳合金及其相图

1）铁素体（F）碳溶解在

-Fe中形成的间隙固溶体。铁素体保持了α-Fe的体心立方晶格结构。C溶于α-Fe中的能力随温度不同而不同。室温F的含碳量为0.0008%

；在727℃时F的含碳量最大为0.0218%

。

F的碳溶量少,所以F的性能与纯铁相近。硬度和强度低，塑性好。

σb=250MPa;HBS=80;δ=45-50%。在显微镜下观察铁素体，为均匀灰白色的多边形晶粒。铁碳合金及其相图奥氏体硬度较低而塑性较高(HBS=170-220,δ=40-50%),常作为各类钢的加工状态。在显微镜下观察，奥氏体晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直。2）奥氏体（A）碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体。奥氏体保持了γ-Fe的面心立方晶格结构。由于γ-Fe的间隙相对很大，故溶碳能力较大，727℃时含碳量为0.77%；在1148℃时可达2.11%

。铁碳合金及其相图

3）渗碳体（Fe3C

或Cm

）铁和碳形成的稳定金属化合物Fe3C。含碳为6.69%。具有复杂的晶格形式，与铁的晶格截然不同。渗碳体的熔点高：1227℃硬度高：HBW≥800极脆，塑性几乎等于零。铁碳合金及其相图4）珠光体(P)铁素体和渗碳体二者的机械混合物，含碳量为0.77％，以“P”表示。珠光体是由硬的渗碳体片和软的铁素体片相间组成的混合物，性能取决于两者各自的性能和相对数量，并与它们的形状、大小、分布有关。有较高的强度、硬度和足够的塑性、韧性。σB≈705MPa;HBS≈250例如:中碳钢比低碳钢中的Fe3C含量多。所以强度、硬度稍高，塑性、韧性则稍低。铁碳合金及其相图5）莱氏体(

Ld)奥氏体和渗碳体的机械混合物称为莱氏体，以“

Ld”表示，它的含碳量为4.3%（1148℃）。只在727℃以上存在,727℃以下莱氏体是由珠光体和渗碳体组成的机械混合物，用L’d

表示。莱氏体的机械性能和渗碳体相似，硬度很高HB≥700,塑性极差，一般莱氏体只出现在生铁组织中，是生铁的基本组织。铁碳合金及其相图1.3.2铁碳合金相图特性点：A:纯铁的熔点C:共晶点LC↔LdD:渗碳体的熔点E:碳在γ－Fe中的最大溶解度G:纯铁的同素异构转变点α－Fe↔γ－FeS:共析点AS↔PP:碳在α－Fe中的最大溶解度铁碳合金及其相图特性线：ACD：液相线AECF：固相线AE：A结晶终了线ECF：共晶线GS：A冷却时析出F的开始线。ES：碳在A中的溶解度曲线PSK：共析线铁碳合金及其相图工业纯铁：含C量为Wc≤0.0218%,室温组织为F（含有少量的Fe3C）根据含碳量和室温组织不同，分为：铁碳合金的分类钢：含C量为0.0218%≤Wc≤2.11％1）共析钢，Wc=0.77％，P2）亚共析钢，0.0218％<Wc<0.77％，P+F3）过共析钢，0.77％<Wc≤2.11％，P+Fe3C1）共晶白口铁：Wc=4.3％，Ld′2）亚共晶白口铁：2.11％<Wc≤4.3％，P+Ld′+Fe3C3）过共晶白口铁：4.3％<Wc≤6.69％，Ld′+Fe3C白口铁碳含量2.11％<Wc≤6.69％的铁碳合金铁碳合金及其相图（1）共析钢0.77%C铁碳合金及其相图（2）亚共析钢0.0218~0.77%C

铁碳合金及其相图铁碳合金及其相图（3）过共析钢0.77～2.11%C铁碳合金及其相图1.3.3含碳量及杂质对铁碳合金性能的影响碳以渗碳体的状态存在于钢中。亚共析钢，当含碳量增加时，组织中珠光体数量增加，硬度、强度上升，塑性、韧性下降。过共析钢，当含碳量增加时，组织中呈网状分布的二次渗碳体增加，强度明显变差，塑性、韧性急剧下降，硬度增加。实际应用的钢，含碳量不超过1.4%。铁碳合金及其相图1.3.3含碳量及杂质对铁碳合金性能的影响铁碳合金除含碳外，一般还含有锰、硅、磷、硫等元素。硅、锰是有益的元素，可改善铁碳合金的质量，提高其强度和硬度。磷和硫为有害元素。硫与铁会形成化合物FeS，而FeS与Fe形成低熔点共晶体，分布在奥氏体晶界上。当热压力加工时钢就会沿晶界碎裂，这种现象称为钢的热脆性。锰能消除硫的热脆性。磷降低钢的塑性和韧性，尤其在低温时影响更大，这种现象称为冷脆性。所以，钢中要严格控制硫、磷的含量。铁碳合金及其相图1.3.4铁碳合金相图的应用如需要材料具有较高的塑性、韧性应选用碳的质量分数小于0.25%的低碳钢如需要强度、塑性及韧性都较好的材料，应选用碳的质量分数为0.30%~0.50%的中碳钢如需要较好弹性（如一般弹簧件）应选用碳的质量分数为0.55~0.85%的中高碳钢如需要具备足够硬度和相当韧性、耐磨性的各种工具，则应选用碳的质量分数为0.7%~1.3%的高碳钢。铁碳合金相图在选材上的应用铁碳合金及其相图1.3.4铁碳合金相图的应用在铸造生产方面，根据铁碳相图可以确定铸钢和铸铁的浇注温度。在锻造生产方面，钢处于单相奥氏体时，强度低，塑性好，便于锻造成形。在焊接方面，可根据Fe-FeC相图分析低碳钢焊接接头的组织变化情况铁碳合金相图在制定加工工艺方面的应用Fe-FeC相图与铸、锻工艺关系铁碳合金及其相图小结：铁碳合金及其相图小结：铁碳合金及其相图TheEnd1.4钢的热处理1.4.1钢的热处理组织转变1.4.2钢的热处理方法1.4.3钢的热处理新技术简介

钢的热处理基本原理

热处理就是对钢进行适当的加热，保温和冷却，从而得到所需的组织和性能的过程。

热处理只改变金属材料的内部组织和性能，而不改变其形状和尺寸。

钢的热处理1.4.1

钢热处理的组织转变

钢从室温缓慢加热，最终转变为奥氏体，此过程称为钢的奥氏体化。1.钢加热时的组织转变与保温钢的热处理奥氏体化主要包括以下四个过程：（1）奥氏体晶核的形成在铁素体和渗碳体的相界面上形成（2）奥氏体晶核的长大原子扩散（3）残余渗碳体的溶解（4）奥氏体的均匀化钢的热处理2.钢冷却时的组织转变

同一种钢在相同的奥氏体条件下，若采用不同的冷却方法，就可获得不同的组织和性能，即钢热处理的组织和性能是由冷却过程决定的。奥氏体的冷却过程是钢热处理的关键工序。

1）连续冷却——加热得到A的钢，在温度连续下降的过程中，组织发生转变。如在热处理生产上常用的在水中、油中或空气中冷却等都是连续冷却方式。

2）等温冷却——加热到A的钢，先在较快的冷却速度至A1线以下某一定的温度，这时奥氏体尚未转变，但成为过冷奥氏体。然后进行保温，使奥氏体在等温下发生组织转变。转变后冷却到室温。例如等温退火,等温淬火.钢的热处理◆奥氏体的等温转变曲线钢的热处理◆奥氏体等温转变的产物1）高温转变区（珠光体型转变区)奥氏体过冷到727~550℃之间，等温转变为层片状铁素体和渗碳体所组成的机械混合物（即珠光体Ｐ），称为珠光体型转变。过冷度越大，层片状越薄，硬度也越高。

又分为珠光体、索氏体和托氏体三种，其中珠光体片层较粗，索氏体片层较薄，托氏体片层更薄。

珠光体型组织的力学性能主要取决于片层间距的大小，片层间距越小，则其抗变形力越大，强度、硬度越高，同时塑性、韧性也有所改善。钢的热处理2）中温转变区（贝氏体型转变区）奥氏体过冷到550~230℃之间，等温转变为含过量碳的铁素体和微小渗碳体的机械混合物，称为贝氏体（用Ｂ表示）。贝氏体比珠光体硬度高。

根据等温转变温度和产物的组织形态不同，又分为上贝氏体、下贝氏体。

贝氏体的性能主要取决于铁素体的粗细、铁素体的过饱和量和渗碳体的大小、形状和分布。钢的热处理

上贝氏体中铁素体片较宽，渗碳体粗大，且分布在铁素体中间，故其强度大、塑性差，无实用价值。

下贝氏体中铁素体针片细小，铁素体中碳的过饱和量大，故其具有较高的硬度、强度和耐磨性，同时塑性、韧性也良好。钢的热处理3）低温转变区（马氏体型转变区）

根据组织形态和碳的过饱和度不同又分为片状马氏体（Wc>1.0%）和板条状马氏体（Wc<0.20%)。低碳的板条状马氏体具有较高的强度和硬度，同时具有良好的塑性和韧性。奥氏体过冷到230℃（Ms）以下时，由于温度过低，奥氏体来不及分解，渗碳体也来不及析出，只发生晶格的改变（γ-Fe变为

-Fe

），碳原子全部保留在

-Fe的晶格中，形成过饱和的

-Fe固溶体，称为马氏体（用Ｍ表示）。马氏体具有很高的硬度、强度及耐磨性。

钢的热处理3.奥氏体等温转变曲线的应用◆钢的热处理3.奥氏体等温转变曲线的应用（1）冷却速率为V1（相当于随炉冷却）其与Ｃ曲线相交的位置判断，奥氏体转变为珠光体。（2）冷却速率为V2（相当于在空气中冷却）转变产物为索氏体（即细珠光体，用Ｓ表示）。（3）冷却速率为V4（相当于在水中冷却）冷却曲线与Ｃ曲线不相交，奥氏体过冷到MS以下转变为马氏体。（4）若过冷速率为V0冷却曲线恰好与Ｃ曲线“鼻尖”相切，这是奥氏体全部过冷到Mｓ以下转变为马氏体的最小冷却速率，称为临界冷却速率。钢的热处理1.4.2

钢的热处理方法根据加热和冷却方法的不同，常用热处理可分为：整体热处理：对工件整体进行穿透加热的热处理工艺，包括退火、正火、淬火、回火等。表面热处理：对工件表层进行的热处理工艺，包括感应淬火和火焰淬火等。化学热处理：用化学方法改变钢件表层化学成分及组织结构，包括渗氮、渗碳、碳氮共渗等。根据热处理在零件加工过程中的工序位置及作用不同分为：

预备热处理：为消除坯料或半成品的某些缺陷或为后续的切削加工和最终热处理作组织准备的热处理。最终热处理：为使工件获得所要求的使用性能的热处理。钢的热处理钢的热处理1.退火退火：将工件加热到A3、A1以上某一温度，保温一定时间，随后缓慢冷却（炉冷、灰冷、砂冷、坑冷等）的热处理工艺。第一类退火工艺：扩散退火、均匀退火、去应力退火等。主要目的是：使组织与成分均匀化、或消除形变强化、或消除内应力。按照物理冶金特点，可将退火工艺分为两类：

第二类退火工艺：完全退火、球化退火、等温退火等。其主要目的是：改变工件的组织和性能。如降低硬度、提高塑性、细化晶粒、改善机械加工性能等。钢的热处理正火的目的是细化晶粒、调整硬度、消除网状渗碳体，并为后续加工和球化退火、淬火等热处理作组织上的准备。2.正火正火：工件加热到A3

或ACm以上某一温度（30~50℃），保温适当的时间后，在空气中冷却的热处理工艺。正火的主要应用范围：（1）改善切削加工性（主要针对退火后的低碳钢和低合金钢加工时出现粘刀现象）（3）最终热处理（对性能要求不高的普通结构零件）（2）预备热处理（消除或破碎过共析钢的网状渗碳体，为球化退火作组织上的准备）钢的热处理3.淬火淬火：将工件加热到A1、A3以上，保温一段时间，然后放入水（油或盐碱溶液等）中急剧冷却热的处理工艺。最终产物为马氏体。钢的热处理淬透性：钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。淬硬层越深，淬透性越好。淬透性主要取决于过冷奥氏体的稳定性，即临界冷却速度的大小。如含有合金元素（除Co外）的钢淬透性要比碳钢好。淬透性是选材和确定热处理工艺的重要依据。淬火可以大大提高零件的硬度，与回火相配合，使工件具有不同的力学性能。如高碳钢淬火加低温回火，可获得高硬度和高耐磨性；中碳钢淬火加高温回火，可得到强度、塑性和韧性均较好的综合力学性能钢的热处理钢的热处理4.回火回火：把已经淬火的工件重新加热到某一温度（A1以下），适当保温后，冷却到室温的热处理工艺。回火的目的：为了稳定钢在淬火后的组织，消除因淬火冷却过快而产生的内应力并稳定其尺寸，调整强度、硬度，提高塑性，使工件获得较好的综合力学性能等

低温回火：150~250℃可减小工件的淬火应力，降低脆性并保持高硬度

(刀具、模具）中温回火：350~500℃显著减小淬火应力，提高弹性和屈服强度

（弹簧、模具）高温回火：500~600℃可消除淬火应力，使零件获得优良的综合力学性（用于重要的结构件轴、齿轮等)调质处理=淬火+高温回火钢的热处理表面淬火：表面淬火是将钢件表层快速加热至淬火温度，随后快速冷却的一种局部淬火工艺。它主要是改变零件的表层组织，这种热处理工艺适用于要求表面硬而耐磨、心部具有高韧性的零件，零件在表面淬火前，一般须进行正火或调质处理，表面淬火后要进行低温回火。表面淬火加热可采用感应加热、火焰加热、接触电阻加热、激光加热等不同的加热方法。目前生产中广泛应用的感应加热。表面淬火可以使零件表面具有很高的硬度和耐磨性，而心部尚未被加热到淬火，仍保持原有的塑性和韧性，这种零件具有较高的抗冲击能力。适用于中碳钢。5.表面淬火

1.3.2常用的热处理方法化学热处理：将钢件放在某种活性化学介质中，通过加热和保温，使介质中的一种或几种元素渗入它的表层，以改变表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。

根据渗入元素的不同，化学热处理包括渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗铬、渗铝等。渗碳是用于承受冲击载荷和强烈摩擦的低碳钢和低碳合金钢件。渗氮用于承受冲击载荷和强烈摩擦的中碳合金钢（Al、Cr

）。碳氮共渗具有二者的优点。6.钢的化学热处理钢的热处理热处理工艺应用分析钢的热处理钢的热处理1.4.3

钢的热处理新技术真空热处理：指工件在真空炉中加热或冷却的热处理，包括真空淬火、真空退火、真空回火和真空化学热处理（真空渗碳、渗铬等）。真空热处理可以减少工件变形，使工件表面无氧化、不脱碳、表面光洁，可显著提高耐磨性和疲劳强度。此外，真空热处理的工艺操作条件好，便于实现机械化和自动化，而且节约能源，减少污染，因此真空热处理目前发展较快，特别是在航空、航天工业中应用广泛。

激光热处理：利用专门的激光器产生能量密度极高的激光，以极快的速率加热工件表面、自冷后使工件表面淬火强化的热处理。电子束热处理：利用电子枪发射高能量密度的成束电子，轰击工件表面，使之急速加热，而后自冷使工件表面淬火。与激光热处理相比，电子束热处理的热效率高，操作费用低，处理周期短钢的热处理小结钢的热处理原理钢加热时的组织转变：主要是A的形成钢冷却时的组织转变常用热处理方法：退火正火淬火回火表面淬火表面化学热处理钢的热处理新技术钢的热处理TheEnd1.5.1钢铁材料1.5.2非铁金属材料1.5

常用金属材料1.5.1

钢铁材料常用金属材料钢的种类品种繁多，如根据化学成分，可概括分为碳素钢和合金钢两大类碳钢低碳钢中碳钢高碳钢按含碳量合金钢低合金钢中合金钢高合金钢按合金元素含量钢结构钢工具钢特殊性能钢按用途碳钢普通钢优质钢高级优质钢按冶金质量特级优质钢1.碳素钢碳素钢：含碳量小于2.11%，并且含有少量Si、Mn、S、P等杂质的铁碳合金，简称碳钢。（1）普通碳素结构钢（普钢）（2）优质碳素结构钢（优质碳结钢或优钢）（3）铸钢（4）碳素工具钢常用金属材料（1）普通碳素结构钢碳钢的含碳量一般在0.06~0.38%范围内，大多用于要求不高的机械零件和一般结构件。通常轧制成钢板或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、角钢、钢筋等）供应。其牌号表示方法由Q、屈服强度值、质量等级符号和脱氧方法四部分按顺序表示。质量等级有A、B、C、D，其中A级质量最低，D级质量最高；脱氧方法用F（沸腾钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）表示，牌号“Z”、“TZ”可以省略。如Q235—AF表示屈服强度为235MPa、质量等级为A级的沸腾钢。下表为碳素结构钢的牌号、主要成分、力学性能及用途。常用金属材料牌号等级化学成分（%）脱氧方法力学性能（MPa及%）应用举例WcWsWpσsσbδQ195—0.06~012≤0.050≤0.045F、b、Z195315~390≥33承受载荷不大的金属结构件、铆钉、垫圈、地脚螺栓、冲压件及焊接件Q215A0.09~0.15≤0.050≤0.045F、b、Z215335~410≥31B≤0.045Q235A0.14~0.22≤0.050≤0.045F、b、Z235370~460≥26金属结构件、钢板、钢筋、型钢、螺栓、螺母、短轴、心轴；Q235C、D可用作重要焊接结构B0.12~0.20≤0.045C≤0.18≤0.040≤0.040ZD≤0.17≤0.035≤0.035TZQ255A0.18~0.28≤0.050≤0.045Z255410~510≥24强度较高，用于制造承受中等载荷的零件如键、销、转轴、拉杆、链轮、链环片等B≤0.045Q275—0.28~0.38≤0.050≤0.045Z275490~610≥20有害杂质较少，其力学性能均比碳素结构钢好，主要用于制造重要的机械零件。

牌号用两位阿拉伯数字表示。阿拉伯数字表示钢的平均含碳量（数字的万分之一）。如：45钢，表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。若钢中含锰量（Mn=0.7~1.2%）较高时，在两位数字后面写“Mn”。如：65Mn，表示平均含碳量为0.65%，并含有较多Mn（Mn=0.7~1.2%）的优质碳素结构钢。若是沸腾钢，在两位数字后面写“F”，如08F。优质碳素结构钢牌号、力学性能和应用见表。（2）优质碳素结构钢

常用金属材料钢号力学性能应用举例σs/MPaσb/MPaδ5/%ψ/%Ak/J08F0810F1015F15202517519518520520522524527529532531533535537541045035333331292725236060555555555550———————71低碳钢强度、硬度低，塑性、韧性高，冷塑性加工和焊接性能优良，切削加工性欠佳，热处理强化效果不够显著。其中碳含量较低的钢如08（F）、10（F）常轧制成薄钢板，广泛用于深冲压和深拉延制品；碳含量较高的钢（15~25）可用作渗碳钢，用于制造表硬心韧的中、小尺寸的耐磨零件30354050552953153353753804955305706306452120191413504545403563554731—中碳钢的综合力学性能好，热塑性加工性和切削加工性较佳，冷变形能力和焊接性中等。多在调质或正火状态下使用，还可以用于表面淬火处理以提高零件的疲劳性能和表面耐磨性，其中45钢应用最广钢号力学性能应用举例σs/MPaσb/MPaδ5/%ψ/%Ak/J60657075808540041042088093098067569571510801080113012109766353030303030——————高碳钢具有较高的强度、硬度、耐磨性和良好的弹性，切削加工性中等，焊接性能不佳，淬火开裂倾向大。主要用于制造弹簧、轧辊和凸轮等耐磨件与钢丝绳等，其中65钢是一种常用的弹簧钢15Mn20Mn25Mn30Mn35Mn40Mn45Mn50Mn60Mn65Mn70Mn245275295315335355375390410430450410450490540560590620645695735785262422201917151311985550504545454040353030——716355473931———应用范围基本同于相对应的普通锰含量钢，但因淬透性和强度较高，可用于制作截面尺寸较大或强度要求较高的零件，其中以65Mn钢最常用许多形状复杂的零件，很难通过锻压等方法加工成形，用铸铁时性能又难以满足需要，此时常选用铸钢铸造获得铸钢件。

牌号首位冠以“铸钢”两字的汉语拼音字首“ZG”，在“ZG”后面有两组数字，第一组数字表示最低屈服强度值，第二组数字表示最低抗拉强度值。如：ZG310—570，表示屈服强度不小于310MPa，抗拉强度不小于570MPa的铸钢。（3）铸钢

常用金属材料（4）碳素工具钢

含碳量较高C=0.65~1.35%，硫、磷杂质含量较少，经球化退火、淬火和低温回火后硬度比较高，耐磨性好，但塑性较低。主要用于制造各种低速切削刀具、量具和模具。

其牌号由表示“碳”的汉语拼音字首“T”与阿拉伯数字组成，其中阿拉伯数字表示钢的平均含碳量（数字的千分之一即为平均含碳量），如T8表示平均含碳量为0.8%的碳素工具钢。若为高级优质碳素工具钢，则在牌号后加“A”，如T12A钢，表示平均含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。碳素工具钢牌号、成分、性能和应用见表。常用金属材料牌号化学成分（%）退火状态硬度HBS不小于试样淬火硬度HRC不小于用途举例WCWSiWMnT7T7A0.65~0.74≤0.35≤0.04187800~820℃水，62承受冲击、韧性较好、硬度适当的工具，如扁铲、手钳、大锤、木工工具T8T8A0.75~0.84≤0.350.40~0.60187780~800℃水，62承受冲击、要求较高硬度的工具，如冲头、压缩空气工具、木工工具T8MnT8MnA0.80~0.90≤0.35≤0.04187780~800℃水，62同T8，但淬透性较大，可制造截面较大的工具T9T9A0.85~0.94≤0.35≤0.04192760~780℃水，62韧性中等、硬度高的工具，如冲头、木工工具、凿岩工具T10T10A0.95~1.04≤0.35≤0.04197760~780℃水，62不受剧烈冲击，高硬度耐磨工具，如车刀、刨刀、冲头、丝锥、钻头、手锯条T11T11A1.05~1.14≤0.35≤0.04207760~780℃水，62不受剧烈冲击，高硬度耐磨工具，如车刀、刨刀、冲头、丝锥、钻头T12T12A1.15~1.24≤0.35≤0.04207760~780℃水，62不受冲击，要求高硬度耐磨工具，如锉刀、刮刀、精车刀、丝锥、量具T13T13A1.25~1.35≤0.35≤0.04217760~780℃水，62同T12，要求更耐磨工具，如刮刀、剃刀2.合金钢在碳钢中有目的的加入一些合金元素的钢称为合金钢。（1）合金结构钢（2）合金工具钢（3）特殊性能钢常用金属材料主要用来制造各种机械零件、工程结构、建筑结构。其牌号（除滚动轴承钢外）以两位阿拉伯数字为首，表示碳的平均万分含量，其后为元素符号表示钢中所含的合金元素，元素符号后面的数字表示该合金元素的平均百分含量，若元素平均含量小于1.5%时，只写元素符号，其后不标出数字。若牌号末尾加“A”，则表示钢中硫、磷含量少，属高级优质钢。如60Si2Mn表示平均C=0.6%、Si=2%、Mn<1.5%的合金钢。（1）合金结构钢常用金属材料1）普通低合金结构钢2）合金渗碳钢3）合金调质钢4）合金弹簧钢5）滚动轴承钢“G+Cr+数字+元素+数字”含其他金属其他金属含量含铬量（千分之一）压力容器柴油机凸轮轴滚珠轴承常用金属材料（2）合金工具钢“一位数字+元素符号+数字”含碳量（千分之一）当大于1%可不标含其他金属其他金属含量合金工具钢用来制造切削刃具、量具和模具，它以高硬、耐磨为基本特征。与碳素工具钢比，合金工具钢具有淬透性好、耐磨性好、热硬性高和热处理变形小等优点。合金工具钢的牌号表示法为：当钢中平均C<1%时，其牌号以一位数字为首，表示碳的平均千分含量；若C≥1%时，牌号前不标数字。例如9Mn2V表示平均C=0.9%、Mn=2%、V<1.5%的合金工具钢。常用金属材料1）合金量具钢2）合金模具钢冷作模具钢热作模具钢塑料模具钢3）合金刃具钢低合金刃具钢高速工具钢（简称高速钢）常用金属材料高碳工具钢，许用切削速度≈5米/分合金工具钢，许用切削速度≈8米/分高速钢，又提高两倍以上；硬质合金，比用高速钢提高两倍以上，切削加工出的工件表面质量和尺寸精度也大大提高。车刀铣刀钻头W18Cr4V表示平均W=18%、Cr=4%、V<1.5%常用金属材料（3）特殊性能钢在特殊条件下使用，要求具有特殊物理、化学性能的钢称为特殊性能钢不锈钢耐热钢耐磨钢常用金属材料1）不锈钢不锈钢系指在腐蚀性介质中具有抗腐蚀性能的钢。Cr是不锈钢中最重要的合金元素，其含量一般在11.5-32.1%；Ni可显著提高耐蚀性。2Cr13硝酸生产装置大型化工储罐(304)常用金属材料2）耐热钢用来制造在高温下工作的零件，如锅炉、蒸汽涡轮、发动机、炼油设备等耐热零件和装置。发动机叶片航空发动机汽轮机叶片汽车阀门常用金属材料3）耐磨钢主要成分：碳，锰。主要性能：具有很高的耐磨性，而且借助于使用过程的加工硬化和相变，越磨越硬。用途：用于制造经受严重磨损和强烈冲击的零件，如坦克的履带、粉碎机的颚板、铁轨道岔及地质钻探的钻头等。挖掘机常用金属材料3.铸铁铸铁是指含碳量大于2.11%的铁碳合金。与钢相比，虽然铸铁的力学性能较低，但它成本低廉并具有良好的铸造性能、良好的减摩性能、良好的切削加工性能、消振性和缺口敏感性低。（1）白口铸铁成分：碳以渗碳体形式存在特性：耐磨性好，硬而脆，难于切削加工用途：车轮牌号：以KmTB后附以主要合金元素符号及含量，如KmTBMn5W3。常用金属材料（2）灰口铸铁成分：碳以片状石墨形式存在特性：软而脆，铸造性能好，减摩性及消振性好，强度差用途：支撑件牌号：以HT后附以数值表示，后面的数字表示铸铁的最低抗拉强度（MPa）。如HT200（3）球墨铸铁成分：碳以球状石墨形式存在特性：具有较好的综合力学性能；具有良好的铸造性能和切削加工性能。用途：承受大载荷、耐磨损和受冲击的重要零部件牌号：以QT后附以数值表示，后面的两组数字表示铸铁的最低抗拉强度（MPa）和最低断后伸长率。QT400—18常用金属材料（4）可锻铸铁成分：碳以团絮状石墨形式存在特性：具有较好的综合力学性能用途：形状复杂、强度、韧度高的小截面工件牌号：以KTH（黑心可锻铸铁），KTB（白心可锻铸铁），，KTZ（珠光体可锻铸铁），后附以数值表示，后面的数字表示铸铁的最低抗拉强度（MPa）和最低断后伸长率。KTZ450—06（5）合金铸铁成分：在铸铁中加入合金元素特性：耐磨；耐热；耐腐蚀用途：内燃机活塞环，水泵叶轮牌号：MQTMn6，RTCr，STSi17RE常用金属材料

1.5.2

非铁金属材料有色金属材料通常是指铝、铜、锌、钛等金属及其合金。与钢铁相比，它们具有许多特殊的物理、化学和力学性能，因而成为现代工业中不可缺少的材料。国产中型载货汽车每辆约用有色金属20kg-60kg，其构成比为：铜60％-70％，铝10％-20％，锌15％-20％，锡和铅5％-10％。1.铝及其合金2.铜及其合金3.轴承合金4.粉末冶金及硬质合金常用金属材料1.铝及其合金

纯铝铸造铝合金按用途分形变铝合金铝及合金在工业中的应用量仅次于钢铁。其最大特点是质量轻、比强度和比刚度高、导电导热性好、耐腐蚀，因而广泛用于飞机制造业，成为宇航、航空等工业的主要原材料。同时也广泛用于建筑、运输、电力等各个领域。

纯铝为白色金属，面心立方晶格结构。其特点:密度小，有优良的电导性、热导性、强度不高而塑性好。常用金属材料形变铝合金1.特点较高的强度，良好的塑性，适于塑性变形。2.分类类型GB3190-1982主要合金元素性能防锈铝合金LFMn，Mg抗腐蚀硬铝合金LYCu-Mg硬度高超硬铝合金LCCu-Mg-Zn硬度很高锻铝合金LDMg-Si-Cu，Cu-Mg-Ni-Fe锻造性能好飞机主起落架常用金属材料铸造铝合金1.用途适合于铸造成形。3.典型的代号ZL+主加元素类别+其他元素类别2.分类Al—Si系1，Al—Cu系2，Al—Mg系3，Al—Zn系4序号合金牌号合金代号1ZAlSi7MgZL1012ZAlCu5MnZL2013ZAlMg10ZL3014ZAlZn11Si7ZL401GB/T1173-1995汽缸头常用金属材料2.铜及其合金工业纯铜黄铜按组成成分分青铜白铜工业纯铜含铜99.5%~99.95%，又称紫铜。其特点：有优良的电导性、热导性，较强的抗大气腐蚀性能和一定的力学性能。常用金属材料黄铜1.成分以锌为主要合金元素2.特点含锌小于39%时，塑性好，可进行各种冷、热压力加工。有良好的力学性能、耐腐蚀性和工艺性能。3.典型的代号（GB/T5231-2001）H68，H62。H+铜的百分含量特殊黄铜H+元素符号+含铜百分量+合金元素百分量HPb63—3HPb61—1a加铅改善切削加工性和耐磨性b加锡提高耐腐蚀性c加铝、镍、锰、硅提高强度、硬度法兰阀常用金属材料青铜1.分类2.特点3.典型的代号QSn4—3ZCuSn10Pb1Q+元素符号+合金元素百分含量+其他元素含量百分数锡青铜铝青铜铍青铜铅青铜良好的力学性能、铸造性能、耐腐蚀性、减摩性常用金属材料1.用途用于制造轴瓦及内衬。3.轴承合金工件体轴轴瓦2.分类锡基轴承合金塑性、导热性好，摩擦系数小ZSnSb11Cu6铅基轴承合金性能不好ZPbSb16Sn16Cu2铜基轴承合金耐磨性和导热性好，摩擦系数小ZCuPb30铝基轴承合金耐磨、耐热、耐腐蚀、疲劳强度高ZAlSn6Cu1Ni1常用金属材料4.粉末冶金及硬质合金1）粉末冶金：将金属粉末与金属或非金属粉末混合，经过成型、烧结等过程制成零件或材料的工艺方法称为“粉末冶金”。以铁基粉末冶金为例粉末制取粉末混合成型烧结后处理成品特点：少切削或无切削、材料利用率高、生产率高、低成本等优点应用：衬套和轴套，一些机械零件，硬质合金、难熔金属及其合金、金属陶瓷、耐磨材料

常用金属材料2）硬质合金硬质合金是采用一种或多种难熔金属的碳化物（WC、TiC等）和金属粘结剂粉末相混合，压制成形，再经高温下烧结而成的一种粉末冶金材料。特点：硬度高、热硬性好、耐磨性高。应用：高速切削刀具，也用来制造某些冷作模具、量具及不受冲击、振动的高耐磨零件（1）钨钴类硬质合金牌号：YG＋数字＋符号（2）钨钴钛类硬质合金牌号：YT＋数字（3）钛钽（铌）钴类硬质合金（万能硬质合金）牌号：W＋顺序号（4）碳化钛镍钼硬质合金代号：YN常用金属材料小结常用金属材料TheEnd1.6常用非金属材料简介1.6.1高分子材料（塑料、橡胶）1.6.2陶瓷材料1.6.3复合材料1.6.1

高分子材料高分子材料是以高分子化合物为主组成的材料。有机高分子化合物无机高分子化合物按来源可分为天然高分子化合物人工合成高分子化合物人工合成有机高分子聚合物，简称高聚物。按受热行为：热塑性高聚物、热固性高聚物按用途：塑料、橡胶、胶粘剂特点：相对分子质量巨大、化学组成简单、具有长链常用非金属材料简介1.塑料塑料是在一定温度和压力下可塑制成形的高分子合成材料的通称。塑料一般以合成树脂为基础，再加入各种添加剂（填充剂、增塑剂、固化剂、防老化剂等）而制成。特点：密度小、比强度高、化学稳定性好、优异的电绝缘性、减摩、耐磨性好、消声吸振性好、成形加工性好、耐热性低常用塑料有：热塑性塑料PE、PVC、PMMA、PA、POM热固性塑料PF、EP、UF2.橡胶橡胶是以生胶为基础加入适量的配合剂而组成的高分子材料。特点：具有高弹性、一定的耐蚀性、良好的耐磨性、隔声性和绝缘性，并有足够的强度，吸振能力强。根据原料来源不同，可分为天然橡胶和合成橡胶。根据应用范围，可分为通用橡胶和特种橡胶。常用非金属材料简介1.6.2

陶瓷材料陶瓷是指以天然或人工合成的各种化合物为基本原料，经原料处理、成形、干燥、高温烧结而成的一种无机非金属固体材料。特点：硬度高，抗拉强度较低，抗压强度高，在室温下塑性几乎为零，韧性和疲劳性能较差；具有高的熔点和高温强度，高的抗氧化能力，较好的绝缘性能。有的陶瓷具有各种特殊性能，如压电陶瓷、磁性陶瓷、透明铁电陶瓷等。常用非金属材料简介1.普通陶瓷（传统陶瓷）以天然的硅酸盐矿物为原料（如粘土、长石、石英等），经成形、烧结而成的产品，因而又称硅酸盐陶瓷。如日用陶瓷、化工陶瓷、电器绝缘陶瓷等。