《工程材料与成形技术基础》课件（共九章）

第1章绪论1.1工程材料概述

材料是用来制造各种机器、器件、工具、结构等具有某种特性的物质。材料是人类生活和生产的物质基础。生产技术的进步和生活水平的提高与新材料的运用息息相关。材料、能源、信息被称为现代技术的三大支柱。材料是汽车工业的基础。

据粗略统计，目前世界上的材料已达40余万种，并且每年还以约5％的速率增加。现代材料种类繁多，用途广泛。工程材料有许多不同的分类方法。通常按照使用性能的不同，将工程材料分为结构材料和功能材料两大类。结构材料是指以力学性能为主要使用性能的材料，只要用于工程结构和机械零件等；功能材料是以某些物理、化学或生物功能等为主要使用性能的材料，主要用于特殊功能零件。1.1.1工程材料的分类及其应用

按照化学组成的不同，可将工程材料分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料四大类。1.金属材料：

钢铁材料-----指铁和以铁为基的合金。

非铁金属材料-----指钢铁材料以外的所有金属及其合金。金属材料中应用最广的是钢铁材料，在机械产品中占整个用材的60%以上。2.高分子材料高分子材料是以高分子化合物为主要组成物的材料，是有机合成材料。目前，高分子材料在机械、电气、纺织、汽车等制造工业和化学、交通运输、航空航天等行业中有广泛应用。它们不仅被用作人们的生活用品，而且在工业生产中已日益广泛地用于代替部分金属材料，将成为可与金属材料相匹敌的、具有强大生命力的材料。3.陶瓷材料陶瓷属于一种无机非金属脆性材料，分为普通陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类，普通陶瓷主要用作建筑材料；特种陶瓷主要用作耐高温、耐腐蚀、耐普通磨损等的工程材料，金属陶瓷主要用作工具材料和耐热材料。4.复合材料复合材料是两种或两种以上不同化学性质或不同组织结构，以微观或宏观的形式组合而成的材料。它既保持所组成材料各自的特性，又具有组成后的新特性，在强度、刚度和耐蚀性等方面比单纯的金属、陶瓷、高分子材料等优越，是一类特殊的工程材料，且其力学性能和功能可以根据使用需要进行设计、制造。

◆石器◆

青铜器◆铁器◆

钢铁、铝合金◆

复合材料、钛镁金属、纳米材料新石器时代的石制农具司母戊鼎通高133厘米,横长110厘米,宽78厘米,重875公斤.根据目前发掘的商代熔铜坩埚,一次约能熔铜12.7公斤.铸造司母戊这样的大鼎,就需要七十多个坩埚.如果一个坩埚配备三至四人,就需要二、三百人同时操作。云版又叫“点”，是军营中遇有急事敲打报警用的。此块云版用生铁铸成，上下两端勾卷如云，故名。1.1.2材料发展简史

材料成形一般指采用适当的方法或手段，将原材料转变成所需要的具有一定形状、尺寸和使用功能的毛坯或成品。汽车材料在制造成产品的过程中，都需要经过成形加工。如发动机气缸体、变速器箱体、转向器壳体等需要铸造成形；齿轮和轴的毛坯、连杆、曲轴等需要锻造成形；车身钣金件需要冲压、拉深及焊接成形；车厢隔板、门内装饰板、仪表板等塑料制品多采用注塑成形技术生产。1.2成形技术概述1.2.1制造与材料加工及成形1.制造

制造一般指通过人工或机器将原材料或半成品加工成为可供使用的物品（即产品）。随着历史的发展和技术的进步，制造的含义在不断扩展。目前制造的含义有狭义制造和广义制造两类。狭义制造又称为“小制造”，指产品的制作过程，如齿轮的制造、发动机的制造等。而广义制造又称为“大制造”，指产品的全生命周期过程，是包括产品设计、材料选择、生产规划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和售后服务的一系列相关活动和工作的总称。2.材料加工及成形材料加工一般指采用适当的方式，将材料加工成具有一定形状、尺寸和使用性能的零件或产品。材料加工的方法较多，按照在加工过程中材料的形态改变方式不同，材料加工可以分为三大类：材料变形/成形加工、材料分离加工和材料连接加工。通常情况下，根据材料在加工过程中的温度，人们将金属材料的加工分为冷加工和热加工两大类。即在金属再结晶温度以下的材料加工称为冷加工，而高于金属再结晶温度的材料加工称为热加工。铸造、锻造和焊接是金属材料的常见热加工方法，是将金属原材料加工成毛坯或成品的主要方法，人们习惯称之为成形加工。车削、铣削、磨削以及特种加工等是金属材料的常见冷加工方法，人们习惯称之为机械加工。制造技术可以分为机械加工制造和成形制造技术两大类。

材料加工

的分类

1.2.2

材料成形

方法的分类

工艺性能力学性能物理性能化学性能使用性能1.3材料的性能及选材

材料的性能是用来表征材料在给定外界条件下的行为的参量。

材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能：是指零部件在正常使用条件下材料所表现出来的性能。主要包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：是指材料在被制成各种零部件的过程中适应加工的性能。对于金属材料来讲，工艺性能主要包括了铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理工艺性能。1.3.1材料的力学性能

材料的力学性能：是指材料在外加载荷作用下所表现出来的性能。包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。力学性能指标：用来表征材料力学性能的各种临界值或规定值，可通过试验测定。根据外加载荷的性质，载荷分为：根据加载形式的不同，分为：在外载荷作用下，材料几何尺寸和形状的变化称为变形。变形一般可分为：

弹性变形：构件随外力作用产生变形，并随着外力卸除后恢复原状。

塑性变形：构件在外力作用下产生变形后，不能随着外力卸除而消失的变形,也叫永久变形。静载荷冲击载荷交变载荷拉伸载荷压缩载荷弯曲载荷剪切载荷扭转载荷工件在不同载荷形式下产生的变形拉压实验—拉压图—应力应变图—力学性能（指标）

1)弹性：材料保持弹性变形的能力。（弹性模量，弹性极限）

2)强度：指材料抵抗破坏（塑性变形或断裂）的能力。

3)塑性：指材料在断裂前产生永久变形而不被破坏的能力。1.材料的强度与塑性

材料的强度与塑性是材料最重要的力学性能指标。（1）拉伸试验

根据国家标准《金属材料拉伸试验》（GB/T228.1-2010）规定，将材料制成标准拉伸试样，装在材料拉伸试验机上加载拉伸至断裂，得

拉伸图：F--ΔL曲线；再作出应力-应变图。试样的形状

试样标距试样直径拉伸前拉伸后试样的标距试样的标距拉伸试验过程中用以测量试样伸长的两标记之间的长度，称为标距。试样的分类长试样(L0=10d0)，短试样(L0=5d0)，1）op、pe段——弹性变形阶段op段，伸长量与载荷成正比例增加，pe段不再成正比例。2）es、ss’段——屈服阶段当拉力增大到Fs时，试样会继续伸长，材料丧失了抵抗变形的能力，存在塑性变形，这种现象称为屈服，Fs称为屈服载荷。3）s’b段——均匀塑性变形阶段载荷超过Fs时，试样开始产生明显塑性变形，伸长量随载荷增加而增大。Fb为试样拉伸试验中的最大载荷。4）bk段——断裂载荷达到最大值Fb之后，试样直径局部开始急剧缩小，出现“缩颈”现象，当变形达到一定程度时试样断裂。低碳钢的σ-ε曲线

塑性材料：断裂前有明显的塑性变形，称为塑性断裂，塑性断裂的断口呈“杯锥”状。如低碳钢。

脆性材料：在断裂前未发生明显的塑性变形，为脆性断裂，断口是平整的。如铸铁、玻璃等。

不同类型的材料，其σ-ε曲线有很大差异，反映出其所具有不同的抗拉性能特点。

（2）材料的强度

1）屈服强度Rel：表示材料产生屈服时对应的应力。屈服点也称为屈服强度。

Rel=Fs/Ao

（MPa）

式中，Fs为试样发生屈服变形时的载荷（N），A0为试样原始横截面积（mm2）。2）抗拉强度Rm

：指试样在拉伸过程中所能承受的最大应力值。

Rm=Fb/Ao

（MPa）式中，Fb是试样断裂前所承受的最大载荷(N),Ao是试样的原始横截面积(㎜2)。Rm是设计和选材的主要依据之一，是工程技术上的主要强度指标。

屈强比：Rel/Rm，是一个有意义的指标。其比值越大，越能发挥材料的潜力。但是为了使用安全，该比值亦不宜过大，适当的比值一般在0.65～0.75之间。

比强度：Rm/ρ，它表征了材料强度与密度之间的关系。在考虑汽车轻量化的问题时，常常用到这个指标。

3）材料的刚度指标

弹性模量E：表征了材料抵抗弹性变形的能力，也称之为刚度。E=σ/ε=tanα（MPa）式中，σ为弹性变形阶段的应力，ε为相应的应变，tanα为拉伸曲线的斜率。

弹性极限σe

：指材料在弹性变形阶段所能承受的最大应力。

σe=Fe/A0

（MPa）

式中，Fe是试样不产生塑性变形时的最大载荷（N）；A0是试样的原始横截面积（mm2）。σe表示材料保持弹性变形的最大应力。

（3）材料的塑性指标

1）断后伸长率A

：是指试样拉断后，标距伸长量与原始标距的百分比。即式中，L1是试样断裂后的标距（㎜），L0是试样的原始标距（mm），同一材料的伸长率与试样尺寸有关。

2）断面收缩率Z：是指试样拉断后横截面积的缩减量与原始横截面积之比。即Z=（S0-S1）/S0×100%

式中,S1是试样断裂处的最小横断面积（㎜2），S0是试样的原始横截面积(㎜2)。

材料抵抗局部变形或破坏的能力。它是衡量材料软硬程度的性能指标。测定硬度的方法最常用的是压入硬度法。是用一定载荷将一定几何形状的压头压入被测试的金属材料表面，根据压头压入程度来测量硬度值。最常用的硬度试验为

布氏硬度（HBW）

洛氏硬度(HRC)

此外，还有维氏硬度(HV)、、显微硬度和锤击式布氏硬度等。2.硬度布氏硬度计洛氏硬度计（1）布氏硬度

测试原理：用一定大小的载荷F，把直径为D的硬质合金球压入被测试样表面，保持规定时间后卸除载荷，移去压头，用读数显微镜测出压痕平均直径d。用载荷F除以压痕的表面积所得的商，即为被测材料的布氏硬度值。

用硬质合金球作为压头所测得的布氏硬度用符号HBW表示，适用于测量硬度不超过650的材料。

布氏硬度的表示方法规定为：

符号HBW前面的数值为硬度值，符号后面按以下顺序表示试验条件：压头球体直径（㎜）、试验载荷（kgf，1kgf=9.807N）、试验载荷保持时间（S）（10～15S不标注）。

例120HBW10/1000/30实验测量d—查表—硬度。

（2）洛氏硬度

洛氏硬度采用直接测量压痕深度来确定硬度值。

我国常用的是HRA、HRB、HRC三种，试验条件及应用范围见表1-3。

洛氏硬度值的表示方法规定为：硬度符号前面注明硬度值，例如52HRC、70HRA、60HRBW。由于各种硬度试验条件不同，因此各硬度试验值之间不能直接进行比较。但根据试验结果，可以按如下经验公式粗略换算布氏硬度和洛氏硬度：硬度在200～600HBW范围内，HRC=1/10HBW。3.韧性

材料抵抗冲击载荷的能力，是指材料在受到冲击载荷而断裂之前吸收能量并进行塑性变形的能力。对于两种不同的冲击载荷，分别采用了冲击韧度和多冲抗力两个指标来衡量材料的冲击性能。（1）冲击韧度

冲击韧度通常是采用一次摆锤冲击试验来测定的。冲击试验的原理如下图所示。在忽略机械摩擦和空气阻力等条件下，摆锤冲断试样所消耗的冲击功Ak可以从试验机刻度盘上直接读出。且

Ak=G(H-h)（J）式中，G为摆锤产生的重力（N）。

Hh

将冲击功Ak除以缺口处的截面积，即为材料的冲击韧度ak则ak=（J·cm2）

根据试样缺口形式的不同，U型缺口试样测得的冲击韧度用aku表示，V型缺口测得的冲击韧度用akv

表示。

（2）多冲抗力

多冲抗力一般采用小能量多冲试验进行测定。下图所示为落锤式多次冲击弯曲试验示意图，将材料制成标准试样放在试验机上，使之受到锤头的小能量（＜1500J且多次)冲击。

测定在一定冲击能量下试样断裂前的冲击次数。并以此作为多冲抗力的指标。

试验表明，材料抵抗大能量一次冲击的能力主要取决于材料的塑性，而抵抗小能量多次冲击的能力主要取决于材料的强度。

（3）材料的低温冲击性能

材料韧性与环境温度有关。

冷脆：有些材料在室温下并不显示脆性，而在较低温度下则可能发生脆断，这一现象称为冷脆。材料韧性状态变为脆性状态的温度TK称为该材料的脆性转变温度。脆性转变温度越低，材料的低温冲击性能就越好。

4.疲劳强度

承受交变应力的零件，在工作应力低于材料的屈服强度的情况下较长时间工作时，会产生裂纹或突然断裂，这种现象称为疲劳失效或疲劳破坏。疲劳失效原因分析:由于材料表面或内部存在有划痕、尖角、夹杂等缺陷，或横截面面积发生突变以及尖角部位在工作时产生应力集中。这些有缺陷部位的局部应力大于屈服点，会产生局部变形引起微裂纹，成为疲劳源，随着应力循环次数的增加，微裂纹逐渐扩展，使零件承载的横截面大大减少，以至于不能承受载荷而突然断裂。可以通过疲劳试验，绘制疲劳曲线进行测定。

材料抵抗疲劳断裂的能力称为疲劳强度，疲劳强度是指材料经受无数次应力循环而不被破坏的最大应力值。它可以通过疲劳试验绘制疲劳曲线进行测定。疲劳失效的原因：

表面或内部缺陷，设计缺陷（截面突变、尖角等），环境（温度、腐蚀、超载等），装配错误等。预防措施：

a.设计时避免尖角、缺口和截面应变，以免应力集中引起疲劳裂纹。b.提高零件表面加工质量，尽量减少能成为疲劳源的各种表面缺陷和表面损伤。c.采用各种表面强化处理工艺，如化学热处理、表面淬火、喷丸、滚压等以形成表面残余压应力，提高疲劳强度。1.3.2材料的理化性能指材料的固有属性，如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性和色泽等。

材料的理化性能即物理性能和化学性能。1.材料的物理性能金属元素符号密度/（kg/m3×103）熔点/°C热导率/W/（m·K）线膨胀系数/（K-1×10-6）电阻率/（Ω·m）×10-6磁导率/H·m-1银Ag10.49960.8418.619.71.5抗磁铝Al2.6894660.1221.923.62.65521铜Cu8.961083393.517.01.67~1.68抗磁铬Cr7.191903676.212.9顺磁铁Fe7.84153875.411.769.7铁磁镁Mg1.74650153.424.34.4712锰Mn7.4312444.98（-192°C）37185顺磁镍Ni8.90145392.113.46.48铁磁钛Ti4.508167715.18.242.1~47.8182锡Sn7.298231.9162.82.311.52钨W19.33380166.24.6（20°C）5.1--铅Pb11.34327--297抗磁

表1-4常用金属材料的物理性能名称定义表示符号单位意义密度单位体积物质的质量

ρkg/m3

材料的密度关系到产品的重量和效能。熔点材料由固态向液态转变的温度。制定冶炼、铸造、锻造和焊接等热加工工艺规范的一个重要的参数。导热性指材料传导热量的能力。λ

瓦特每米开尔文

W/(m·K)

材料的热导率越大，导热性就越好。导电性材料传导电流的能力称为导电性。ρδ

Ω.cm1/(Ω.cm)名称定义表示符号单位意义热膨胀性材料随着温度的变化产生膨胀、收缩的特性。

线膨胀系数αL和体膨胀系数αv

生产中，在热加工和热处理时要考虑材料的热膨胀性的影响，可减少工件的变形和开裂。磁性材料能被磁场吸引或被磁化的性能称为磁性或导磁性。磁导率μ

亨利每米H/m

2.材料的化学性能

化学性能:是指材料抵抗周围介质侵蚀的能力。对于金属材料来说，化学性能一般指耐蚀性和抗氧化性。对于非金属材料，化学性能还包括化学稳定性、抗老化能力和耐热性等。

材料在常温下抵抗周围介质（如大气、燃气、水、酸、碱、盐等）腐蚀的能力。

化学腐蚀电化学腐蚀。

腐蚀防护途径：

1、采用耐蚀性好的不锈钢、铝合金等；

2、采用适当的涂料进行涂覆；

3、结构设计（防止形成闭合回路）；

4、阴极保护。（1）耐蚀性（2)抗氧化性

指材料在高温下抵抗氧化的能力，又称为热稳定性。在钢中加入Cr、Si等元素，可大大提高钢的抗氧化性。如高温下工作发动机的气门、内燃机排气阀。铸造性能：流动性、收缩率、吸气性、偏析

热处理工艺性能：淬透性、变形开裂倾向、过热敏感性等锻造性能：塑性、变形抗力焊接性能：工艺焊接性、使用焊接性

切削加工性能：动力消耗、表面粗糙度、刀具寿命、切屑形态1.3.3材料的工艺性能

金属材料的工艺性能是指金属材料在加工过程中对各种不同加工方法的适应能力，也就是采用某种加工方法制成成品件的难易程度。包括:1.零件选材的原则

1.3.4零件的选材

选材的动机

——

开发新产品、产品的改进和更新换代。选材原则——使用性能原则工艺性能原则经济学原则选材的资源、能源和环保原则

（1）应满足零件的使用性能要求——

首要原则零件失效的原因——

设计、材料、加工、安装和使用。零件工作条件常见的失效形式要求的主要力学性能应力类型载荷性质受载状态紧固螺栓拉、剪静载--过量变形断裂强度、塑性传动轴弯、扭循环、冲击轴颈摩擦、振动疲劳断裂、过量变形、轴颈磨损综合力学性能传动齿轮压、弯循环、冲击摩擦、振动齿折断、磨损、疲劳断裂、表面疲劳磨损表面高强度及疲劳强度、心部强度、韧性滚动轴承压循环摩擦过度磨损、点蚀、表面疲劳磨损抗压强度、疲劳极限弹簧扭、弯交变、冲击振动弹性失稳、疲劳破坏弹性极限、屈强比、疲劳强度冷作模具复杂应力交变、冲击强烈摩擦磨损、脆断硬度、足够的强度和韧性（2）应满足零件的工艺性能要求零件的加工工艺路线一般零件

——毛坯→正火或退火→切削加工轴、齿轮等——毛坯→预先热处理（正火、退火）→粗加工→最终热处理（淬火＋回火，时效，渗C等）→精加工（3）应充分考虑材料的经济性——

根本原则１)产品成本分析

基本材料的成本（价格、利用率）——

占总成本的30~70%

制造（加工）成本——

约占零件成本的30%加工成本=工具与设备费用+每件产品成本×生产批量（4）选材的资源、能源和环保原则

１)减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。

２)环境污染小废气排放少材料回收及降解

储量（106t）可用年数再生率(%)Fe1×10610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti14751——贯穿材料生产、使用、废弃的全过程重要金属的世界储量1）周密分析零件的工作特性和使用条件，找出主要损坏形式，提出主要力学指标，如表1-6所示。2)根据零件的工作条件，提出必要的设计制造技术条件。3）根据所提出的技术条件、要求，考虑工艺性、经济性因素，对材料进行预选择；材料的预选择通常还是凭借积累的经验，通过与相类似零件进行比较和已有的实践经验来进行选择，或者通过各种材料选用手册来选择。2.零件选材的步骤

4)对预选方案材料进行计算，以确定其是否能满足上述工作条件要求。5)二次（或最终）选择。选择方案可以是若干种方案。6)通过实验室试验、台架试验和工艺性能试验，最终确定合理的选材方案。7)在各种试验的基础上，接受生产考验，以检验选材合理与否。

图1-8零件的一般选材步骤1.汽车的构成1.4汽车材料及成形技术的现状及发展1.4.1汽车材料概述（1）发动机：内燃机（动力部分）（2）底盘：传动系、转向系、制动系（制动器、控制及传动装置）、行驶系（车轮、车架部分）（3）车身:货箱、车身结构件等（4）电气设备：电源、电子设备等。典型轿车构造图发动机底盘车身汽车结构组成

通常，一辆汽车由约3万个零部件组装而成。汽车上每个汽车零件的生产制造都涉及到材料问题。据统计，汽车上的零部件采用了4千余种不同的材料加工制造。从汽车的设计、选材、加工制造，到汽车的使用、维修和养护无一不涉及到材料。

2.汽车应用材料的组成现代汽车要满足:

安全、舒适、自重轻、污染排放低、能耗小、价格低等要求.材料是首要考虑方面。

以现代轿车用材为例，按照重量来换算，钢材占汽车自重的55%-60%，铸铁占5%-12%，有色金属占6%-10%，塑料占8%-12%，橡胶占4%，玻璃占3%，其他材料（油漆、各种液体等）占6%-12%。

汽车应用材料包括了制造汽车各种零部件用的汽车工程材料，以及汽车在使用过程中使用的燃料和工作液等汽车运行材料。

（1）汽车工程材料●金属材料（纯金属及合金）◆黑色金属（钢铁)钢板、结构钢、钢管、特殊用途钢、烧结合金、铸铁等，主要用于制造车架、车身、车轴、齿轮、曲轴、气缸体等。

◆有色金属(Cu、Al、Ti、Mg…)新型镁合金凸轮轴盖、制动器等零件，减轻重量、降低噪声

◆有机高分子材料（主要成分Ｃ、Ｈ）——

塑料、橡胶、合成纤维、胶粘剂和涂料等●非金属材料◆复合材料——玻璃纤维增强塑料等汽车保险杠、内饰件、高档车用安全玻璃、仪表面板等塑料。汽车座垫、安全带、内饰件等合成纤维。轮胎、防震橡胶、软管、密封带、传动带等橡胶材料。

◆陶瓷材料（无机非金属材料）——金属和非金属氧化物。火花塞、各种传感器、替代金属材料作发动机和热交换器零部件，制造发动机部件或气体涡轮部件等。

车顶导流板、风挡窗框、发动机活塞、连杆等。

（2）汽车运行材料1.4.2国外汽车材料及成形技术的现状及发展汽车工业发展的方向:汽车轻量化和减少污染汽车材料总的发展趋势是：高强度钢、超高强度钢、铝合金、镁合金、塑料和复合材料的用量增加，铸铁和中、低强度钢比例下降。轻量化技术与汽车产品设计及制造的结合更为密切，车身结构材料趋向多材料设计方向。重视材料的回收。代用燃料、专用材料的开发和应用工作加强。

几种新兴材料简介1.铝合金材料抗拉强度高，密度小、比强度高，导热性好。铸造铝合金适用于壳体类铸件，如气缸体、缸盖、气室罩盖等。变形铝合金制造车身系统、热交换系统等。

铝合金气缸体铝合金轮毂2.镁合金magnesium●密度低、比强度和比刚度较高。镁铝钛铁密度1.742.74.57.8●镁、铝合金和复合材料——

汽车轻量化的材料——

减少油耗镁合金方向盘骨架镁合金汽车轮毂镁合金气缸盖

3.形状记忆合金应用:丰田汽车的散热器护栏活门。日产汽车冷却风扇离合器。4.复合材料●玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）——

比强度高、耐腐蚀。直升飞机的旋翼5.纳米材料●颗粒直径0.l～100纳米（原子、分子尺度）●具有卓越的性能和特殊功能，如：纳米级铜不导电；纳米冰柜可抑制细菌生长。6.其它材料●超导材料●贮氢材料●分离膜材料第2章钢铁材料本章导入

1.金属材料是现代汽车制造业应用最为广泛的材料。金属材料分为黑色金属（钢铁材料）和有色金属。汽车上各种结构零件，钢铁材料约占80%。2.汽车工程材料不断向轻量化发展，各种新的汽车工程材料相继被推出并应用于汽车工业之中。3.本章重点介绍钢铁材料的性能、结构、牌号。金属材料的基本知识钢铁材料钢（含碳量小于等于2.11%的铁碳合金）铸铁（含碳量大于2.11%的铁碳合金）根据含碳量的不同分为钢铁材料的生产方式炼钢炼铁钢材生产钢材种类型材：圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、槽钢、螺纹钢等板材：中厚钢板、薄钢板、钢带和硅钢片管材：无缝钢管和焊接钢管（又称有缝钢管）线材：直径为6～9mm的圆钢和直径在10mm以下的螺纹钢

金属材料在不同的使用场合下，所要求的力学性能、物理性能、化学性能以及工艺性能各不相同。虽然都是金属材料，不同成分和不同状态下的性能差异也非常大。造成金属材料性能差异的主要原因是由于金属材料内部结构的不同。金属材料的基本知识

按照物质原子在三维空间排列方式的不同，材料可分为晶体材料与非晶体材料两大类。2.1金属材料的基础知识

晶体

——

内部质点（原子、离子或分子）在三维空间呈有规则的、周期性的、重复排列的材料。如纯铝、纯铁、纯铜等。

非晶体

——

内部质点（原子、离子或分子）在三维空间呈无规则排列的材料，也称为“过冷液体”，如玻璃、沥青、松香、石蜡等。非晶体：蜂蜡、玻璃等。晶体:固态金属金刚石、NaCl、冰等。液体

纯金属是指仅由同一种金属元素组成的金属。

汽车中的各种导电体、传热器等大多由纯铜、纯铝等纯金属材料制成。纯金属是典型的晶体材料。2.1.1纯金属的晶体结构与结晶

1.纯金属的晶体结构与结晶

晶体中原子（离子或分子）的空间排列方式称为晶体结构。为了便于描述晶体结构，通常将每一个原子抽象为一个点，再把这些点用假想的直线连接起来，构成有一定规律、按一定几何规则排列的空间格架，称为晶格。原子（离子）的刚球模型原子中心位置●

晶体结构

晶胞：由晶格中取出的，能完整反映出晶格排列特征的最小几何单元称为晶胞。

晶胞的基本特征可以反映出晶体结构的特点。人们研究金属的晶格结构，一般都是取出晶胞来研究的。晶格常数：

晶胞的大小和形状可用晶胞的棱边长度a、b、c和三条棱边之间的夹角α、β、γ等六个参数来表示和度量。

各种金属元素的主要差别就在于晶格类型和晶格常数的不同。

1)体心立方晶格（BCC晶格）

特点是金属原子占据着立方体的八个顶角和中心。此类晶格金属有铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)和α-Fe(温度小于912℃纯铁)。这类金属有相当大的强度和较好的塑性。（1）常见金属材料的晶格类型

金属原子除占据立方体的八个顶角外，立方体的六个面的中心也各有一个金属原子。此类晶格金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)和γ-Fe等（温度在1394℃～912℃纯铁)。

2)面心立方晶格（FCC晶格）

密排六方晶格的晶胞呈正六棱柱体，柱体的12个顶角及上下表面中心各有1个原子，晶体内部还有按等边三角形分布的3个原子。此类晶格金属有铍(Be)、镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)等。3)密排六方晶格（HCP晶格）

在理想状态下，金属的晶体结构是原子排列的位向或方式完全一致的晶格，这种晶体称为单晶体。

单晶体需要通过特殊的方法才能获得，例如生产半导体元件的单晶硅、单晶锗等。

单晶体在不同方向上具有不同性能的现象称为各向异性。（2）金属的实际晶体结构多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。晶粒：多晶体是由许多微小的单晶体构成的，这单晶体称为晶粒。工程上采用的金属材料绝大多数是多晶体。晶界：晶粒与晶粒之间的交界区称为晶界。晶粒晶界由于晶界上原子的排列是不同位向的晶粒的过渡状态，因而晶界上原子排列较不规则。试验证明，每一个晶粒内的晶格位向也并非完全一致，但这些位向相差很小，形成亚晶界。在实际金属结晶过程中，由于原子的热振动、杂质原子的掺入以及其他外界因素的影响，原子排列不可避免的或多或少存在着偏离规则排列的区域，这就是晶体缺陷。

1）点缺陷：空位、间隙原子、异类原子2）线缺陷：位错3）面缺陷：晶界与亚晶界晶体缺陷类型：

晶体中的原子总是在某一位置上作热振动。温度升高时，动能特别高的原子就要脱离周围原子的束缚，可能进入别的晶格间隙处成为“间隙原子”或跑到金属表面上去。而原来的位置成为没有原子的“空位”。

空位和间隙原子的出现，使它们失去平衡而造成晶格畸变(歪扭)。

点缺陷将会使金属材料产生物理、化学和力学性能上的变化，如使材料的密度发生变化，电阻率增大，强度、硬度提高等。1)点缺陷

线缺陷主要指由晶体中原子平面间的相互错动（位错）而引起的晶体缺陷，其具体形式是各种类型的位错。晶体中有一列或若干列原子发生有规则的错排现象，这就是位错。刃型位错是最常见的一种。位错造成的晶格的线状畸变，极大地影响着金属材料的力学性能，对于金属材料的塑性变形、强度、疲劳、腐蚀等性能均有重要的影响。2)线缺陷

面缺陷是指晶体中有一维空间方向上尺寸很小，另外两维方向上尺寸较大的缺陷。这类缺陷主要是指晶界和亚晶界。

晶界和亚晶界处区域内的原子排列不整齐，偏离其平衡位置，产生晶格畸变。

面缺陷对金属的塑性变形起着阻碍的作用，强度、硬度较晶内高。因此金属内部的晶粒越细小，晶界就越多，强度和硬度就越高。3）面缺陷（3）晶体的特征1）晶体具有固定的熔点和凝点2）晶体具有各向异性

由于实际金属是由多个位向各异的晶粒所组成的多晶体，尽管每个晶粒本身具有各向异性特性，但是由于各个晶粒的位向都是散乱无序分布的，对于整个多晶体来说，晶粒间的性能在各个方向上相互影响，再加上晶界的作用，则各向异性表现不明显，这种现象称为多晶体的伪各向同性。

（1）纯金属的结晶过程

2.纯金属的结晶

纯金属的结晶过程基本是在恒定的温度下进行的，其结晶过程的冷却曲线如图所示。

T0为纯金属的凝（熔）点，又称为理论结晶温度。当液态金属缓慢冷却到T0时，纯金属开始发生结晶。在实际生产中，液态金属的冷却速度相对较快，其实际开始结晶的温度Tn略低于T0。液态金属在冷却到理论结晶温度T0以下还未结晶的现象，称为过冷现象。理论结晶温度T0与开始结晶温度Tn之差叫做过冷度，用△T表示，即△T=Tn–T0，过冷度△T与冷却速度是密切相关的，冷却速度越大，△T越大，冷却速度越小，△T越小。

液态金属的结晶过程分为两个阶段，即晶核形成与核长大的过程。当液态金属结晶时，首先在液体中形成一些极微小的晶体（称为晶核），然后再以它们为核心不断以树枝状方式长大。在这些晶核长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，直至液体金属消失，全部凝固为固态金属。汽车材料第一章

金属结晶时，由于表面和中心的结晶条件不同，铸件的结构是不均匀的。从铸锭的剖面来看，明显地分为三个各具特征的晶区：表面细晶粒区、中间的柱状晶粒区和中心粗大等轴晶粒区。

（2）金属铸锭的结构

（3）结晶晶粒大小及控制

金属结晶后，一般是晶粒愈细，强度、硬度愈高，塑性、韧性也愈好。铸造生产中为了得到细晶粒的铸件，常采取控制过冷度、变质处理、振动处理等几种方法。

工程上，晶粒的大小通常用晶粒度来表示。结晶时每个晶粒都是由一个晶核长大而成，其晶粒度取决于形核率N和长大速度G的相对大小

。2.1.2合金的晶体结构及结晶

基本概念合金由两种或两种以上的金属或金属与非金属，经熔炼、烧结或其他方法结合成具有金属特性的物质。如黄铜是由铜和锌组成。组元

简称元，是指组成合金的最基本独立物质。组元通常是纯元素或者稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可分为二元合金、三元合金或多元合金等。合金系是指由两个或两个以上组元按照不同比例配制成一系列不同成分的合金。相是指合金中具有同一的聚集状态、同一的结构和性质的均匀组成部分。按照相的形态划分，分为液相和固相。固态合金中的相结构，分为固溶体和金属化合物。组织是指用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征的部分。组织反映材料的相组成、相形态、大小和分布状况，它是决定材料最终性能的关键。

合金之所以比纯金属性能优越主要是由于合金的内部结构不同于纯金属。合金的内部结构比较复杂，但根据各元素在结晶时相互作用的不同可以把它们归纳为三种：1.合金的晶体结构

（1）固溶体（2）金属化合物（3）机械混合物

固溶体就是在固态下两种或两种以上的物质互相溶解构成的单一均匀的物质。例如，铜镍合金就是以铜(溶剂)和镍(溶质)形成的固溶体，固溶体具有与溶剂金属同样的晶体结构。

固溶体是指组成合金的组元在固态下相互溶解，形成均匀一致且晶体结构与组元之一相同的固态合金。

组成固溶体的组元分为溶剂与溶质两种。通常把形成固溶体后其晶格类型依旧保持不变的组元称为溶剂，而溶入溶剂中、其晶格消失的组元称为溶质。

（1）固溶体

根据固溶体晶格中溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，分为置换固溶体和间隙固溶体两种。如下图所示。

固溶体置换固溶体间隙固溶体ZXY间隙原子间隙固溶体置换固溶体置换原子YXZ晶格畸变小原子置换引起的晶格畸变间隙原子引起的晶格畸变固溶强化

这种通过加入溶质元素形成固溶体，使合金强度和硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强化是提高合金机械性能的重要途径之一。正常晶格晶格畸变（2）金属化合物

金属化合物是指由合金组元之间相互化合而成的、其晶格类型和特性完全不同于原来任一组元的固态物质，也称为中间相。

其晶体结构不同于组成元素的晶体结构，而且其晶格一般都比较复杂。其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大。例如铁碳合金中的Fe3C。

金属化合物是许多合金的重要组成相，可提高其合金的强度、硬度、耐磨性，而降低塑性和韧性。所以常用金属化合物来强化合金，这种强化方式称为第二相强化或弥散强化，是金属材料的重要强化方法之一。（3）机械混合物及组织

当组成合金的各组元在固态下既互不溶解，又不形成化合物，而是按一定的重量比例以混合方式存在着，就形成各组元晶体的机械混合物。组成机械混合物的物质可能是纯组元、固溶体或者是化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。

由两种以上组元、固溶体或金属化合物机械混合在一起形成的多相组织称机械混合物。

绝大多数工业用合金都是混合物，它们的性能决定于组成混合物各部分的性能，以及它们的形态、大小和分布。

表示平衡条件下给定合金系中的合金的成份、温度与其相和组织状态之间关系的坐标图形，称为合金相图。

相图（状态图）是以温度为纵坐标，以成份为横坐标，表明不同成份合金的结晶过程的简明图形。2.合金的结晶

1．匀晶相图2．共晶相图

3．共析相图

碳钢和铸铁是现代汽车工业极为重要的金属材料，实际上，它们都属于以铁和碳两个组元组成的合金，称为铁碳合金。反映平衡条件下铁碳合金的组织随含碳量和温度变化的一般规律的相图称为铁碳相图（或铁碳状态图、Fe-Fe3C相图）。2.1.3铁碳合金相图

纯铁纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料。由于有高的磁导率，可作为电工材料用于各种铁芯。同素异构转变：金属在温度（压力）改变时发生晶体结构变化的现象。1．铁碳合金的组成-Feγ-Feα-Fe液相体心立方体心立方温度\℃时间/s室温面心立方铁与碳形成具有复杂晶格的稳定间隙化合物Fe3C硬度很高脆性大，塑性和韧性极低

碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体----铁素体强度、硬度低塑性、韧性好

碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体----奥氏体有一定的强度和硬度，塑性也很好

铁素体和渗碳体组成的机械混合物----珠光体综合力学性能较好

以渗碳体为基体上分布着奥氏体----莱氏体硬度很高，塑性很差2．铁碳相图(Fe-Fe3C相图)中的

特性点和特性线(1)Fe-Fe3

C相图的组元

●Fe——α–Fe和γ-Fe 强度、硬度低，韧性、塑性好。

●Fe3

C——熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。(2)Fe-Fe3

C相图的相

●莱氏体相Ld（Fe3

C+A）

●液相L

●奥氏体相（A，γ）

●铁素体相（F，α）

●珠光体相P（Fe3C+F

）

●石墨相（G）基本组织符号温度（℃）含碳量（%）说明A15380纯铁的熔点C11484.30共晶点D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69渗碳体的成分点G9120Α-Fe与γ-Fe同素异构转变点K7276.69Fe3C的成分点P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点Q600（室温）0.0057（0.0008）600℃（或室温）时碳在α-Fe中的溶解度(3)相图中重要的点和线(3)相图中重要的点和线液相线ACD固相线AECF共晶转变线ECF，共晶点C共析线PSK，共析点SA0.77(F0.02+Fe3C)珠光体,PES线：C在A中的固溶线PQ线：C在F中的固溶线L4.3(A2.11+Fe3C)高温莱氏体,Le或Ld

相图中的三个重要点相图中的五个单相(区)相图中的三条水平线相图中的四条垂直线

J为包晶点:

1495℃时,B点成分的L与H点成分的δ发生包晶反应,生成J点成分的γ。C点为共晶点

1148℃时,C点成分的L发生共晶反应,生成E点成分的γ和Fe3C（莱氏体）。S点为共析点

727℃时,S点成分的γ发生共析反应,生成P点成分的α和Fe3C（P）。3.2Fe-Fe3C相图过共析钢共析钢共晶白口铁亚共晶白口铁过共晶白口铁碳素钢白口铸铁亚共析钢工业纯铁Fe-C合金分类工业纯铁——C%≤0.0218%铁素体F钢——0.0218%＜C%≤2.11%

亚共析钢＜0.77%

共析钢＝0.77%

过共析钢＞0.77%白口铸铁——2.11%＜C%≤6.69%

亚共晶白口铁＜4.3%共晶白口铁＝4.3%过共晶白口铁＞4.3%3．铁碳合金的分类及室温平衡组织铁素体+珠光体F+P珠光体P珠光体+二次渗碳体P+Fe3CⅡ珠光体+二次渗碳体+莱氏体

莱氏体Ld’莱氏体+一次渗碳体Ld’+Fe3CⅠ亚共析钢用途实例45钢碳含量0.45％60钢碳含量0.60％共析钢的应用举例T8钢碳含量0.80％过共析钢应用举例T12钢碳含量1.2％类型亚共析钢共析钢过共析钢钢号204560T8T10T12碳质量分数／％0.200.450.600.801.001.20几种常见碳钢标注组织组成物的相图4.碳含量对铁碳合金组织及性能的影响含碳量与相的相对量关系：C%↑→F%↓，Fe3C%↑含碳量与组织关系：

图（a）和（b）含碳量与性能关系：HB：取决于相及相对量强度：C%=0.9%时最大塑性、韧性：随C%↑而↓5．铁碳相图的应用钢铁选材：相图性能用途局限性：

相图反映的是平衡状态，与实际情况有较大差异。

铸件选材和确定浇注温度确定锻造温度(

在

A

区）制定热处理工艺小结:1.晶体结构的基本概念：晶体，晶格，晶胞，三种常见的金属晶格。单晶体，晶粒，多晶体。固溶体、化合物的晶体结构及性能特点。固溶强化及其实际应用。3.相和组织的概念。4.铁碳合金成分、组织与性能之间的关系。本节重点要求第2章钢铁材料

1.钢的普通热处理

2.金属材料的表面技术

3.热处理新技术简介2.2钢的热处理

热处理的概念：

将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，改变材料整体或表面的组织，从而获得所需性能的工艺。

1.热处理原理

2.1.1钢的普通热处理图2-17

钢的热处理基本工艺曲线钢在加热时的转变临界温度平衡时：A1、

A3、Acm加热时：Ac1、Ac3、Accm

冷却时：Ar1、Ar3、Arcm奥氏体的形成

——Fe，C原子扩散和晶格改变的过程。共析钢加热到Ac1以上时，P→A共析钢A化过程——形核、长大、Fe3C完全溶解、A

的均匀化。亚（过）析钢的A化——

P→A后，先共析F或Fe3CⅡ溶解。影响晶粒大小的因素：加热温度、保温时间、化学成分。

细晶化控制：

a、采用Al作最终脫氧，加入Ti、V、Nb。b、加热速度、保温时间控制。M的性能：C%↑→M硬度↑针状M

硬度高，塑韧性差。板条M

强度高，塑韧性较好。2.热处理工艺（1）退火（2）正火（3）淬火（4）回火

（1）退火目的：1）降低硬度以利于切削加工；

2）提高塑性以利于塑性加工成型；

3）细化晶粒以提高力学性能；

4）消除应力以防工件变形或开裂。退火一般作为改善工艺性能的预备热处理。

加热、保温后，缓冷(炉冷)→近平衡组织P（+F或Fe3CII

）1．退火完全退火（亚共析钢）

加热温度Ac3

+

20～30℃

缓冷→F

+P

目的：

细化晶粒，均匀化组织

降低硬度→切削性↑

等温退火：等温转变→F

+P，再缓冷球化退火（过共析钢）

在Ac１+

20～30℃等温，使Fe3CⅡ球化，再缓冷→球状P（F

+球状Cm）目的：硬度↓,切削性↑,韧性↑扩散退火

加热至略低于固相线

目的：使成分、组织均匀

再结晶退火：

加热温度

TR

+

30～50℃目的：消除加工硬化去应力退火

加热温度＜

Ac1，

一般为

500～650℃目的：消除冷热加工后的内应力

（２）正火加热温度

Ac3(Accm)

+30～50℃，空冷→S常作最终热处理应用：1)钢的最终热处理细化晶粒，组织均匀化，增加亚共析钢中P(S)%→强度、韧性、硬度↑2)预备热处理——淬火、球化退火前改善组织。3)增加低碳钢的硬度，以改善切削加工性能。（3）淬火（蘸火）加热到Ac3、Ac1以上，保温，快速冷却→M。淬火温度1)亚共析钢Ac3+30～50℃2)过共析钢Ac1+30～50℃，→M+Fe3CII+A'，硬度大。

A中C%↓→M脆性↓，残余A%↓淬火温度低→M细小，淬火应力小。目的：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。冷却介质

冷却速度：盐水＞水＞盐浴＞油淬火方法：单介质淬火：水、油冷双介质淬火：水冷+油冷分级淬火：＞Ms盐浴中均温＋空冷等温淬火（在盐、碱浴中）→下B钢的淬透性和淬硬性

淬透性：淬火时得到M的能力，取决于临界冷却速度VK。

淬硬性：淬火后获得的最高硬度，C%↑→淬硬性↑影响淬透性的因素：除Co外，合金使VK↓,淬透性↑。(a)完全淬透(b)淬透较大厚度(c)淬透较小厚度

淬透性不同的钢调质后机械性能的比较

回火工艺是将淬火后的钢加热到A1线以下某一温度，保温一定时间后出炉空冷到室温的一种热处理工艺。回火是淬火的后续工序。

目的:是为了减少或消除淬火应力，防止工件变形与开裂，稳定工件尺寸及获得必需的力学性能。

（4）回火低温回火（150～250℃）→回火M(过饱和F+薄片状Fe2.4C)+A'淬火应力↓，韧性↑，保持淬火后的高硬度。用于高碳工具钢等。中温回火（350～500℃）→回火T(F+细粒状Cm)

弹性极限和屈服强度↑，韧性和硬度中等。用于弹簧等。高温回火（500～650℃）→回火S(等轴状F+粒状Cm)

综合机械性能最好,即强度、塑性和韧性都较好。用于重要零件。调质处理——淬火+高温回火常见回火工艺

回火脆性：钢在回火时会产生回火脆性现象。淬火钢在250～350℃和450～600℃两个温度范围内回火时，其冲击韧度明显下降。

前者称为低温回火脆性或第一类回火脆性，是由于马氏体中析出薄片状的ε碳化物引起的，属于不可逆脆性。

后者为高温回火脆性或第二类回火脆性，多见于合金钢，主要是由于某些杂质元素及合金元素在晶界上严重偏聚引起的，为可逆脆性，可以通过重新加热或在钢中将加入适量的W、Mo来有效的防止这种脆性。1.表面热处理

不改变心部组织，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火。目的：提高表面硬度，保持心部良好的塑韧性。(1)表面淬火1）感应加热表面淬火交变磁场→感应表面电流→表面加热特点：1)加热速度快，晶粒度小，硬度↑，脆性↓。2)表层残余压应力→提高疲劳强度。3)不易氧化、脱碳、变形小。4)加热温度和淬硬层厚度容易控制。2.2.2金属材料的表面技术

2）火焰加热表面淬火

（乙炔－氧等火焰）特点:设备简单，但生产率低。应用：大型工件。原理：（2）钢的化学热处理

将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组织和性能。分类——渗C、N化、CN共渗、渗硼、渗铬、渗Al等。渗碳1）钢的渗C——

气体、固体渗C

低C钢在高C介质中加热到900～950℃、保温→高碳表层（约1.0%）。目的：表面硬度，耐磨性↑，心部保持一定的强度和塑韧性。渗碳后的的热处理

淬火直接淬火——晶粒粗大，残余A多，耐磨性低，变形大。一次淬火——加热温度Ac3以上（心部性能↑）或Ac1以上（表面性能↑）二次淬火——

Ac3以上（心部性能↑）+Ac1以上（表面性能↑）低温回火,150～200℃，消除淬火应力，提高韧性。2）渗氮

工件表面渗入N原子，以提高硬度、耐磨性，疲劳强度和耐蚀性。氮化温度低(500～600℃)，时间长（20～50h），渗层薄。氮化前调质处理、氮化后无须淬火。2.热喷涂技术

原理：指以某种热源，将粉末或线状材料加热到熔化或熔融状态后，用高压高速气流将其雾化成细小的颗粒喷射到零件表面上，形成一层覆盖层的过程。

常用的热喷涂主要方法如下：1)火焰喷涂2)电弧喷涂3)等离子喷涂(气体导电或放电所产生的等离子电弧作为高温热源)图2-22氧乙炔焰粉末喷涂原理图1—气体出口2—进料口3—气体通道4—喷涂层5—工件6—喷嘴7—氧气、乙炔入口3.汽车主要零件的热处理规范（1）汽车变速器变速齿轮热处理

1）材料：20CrMnTi（低碳合金钢）

2）热处理技术要求：

a.渗碳层表面碳的质量分数为0.8%--1.05%；

b.渗碳层深度：0.8--1.3mm；

c.淬火、回火后齿面硬度为58--62HRC，心部硬度33--48HRC。

3）齿轮的加工工艺路线：

备料→锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火+低温回火→喷丸→校正花键孔→磨齿。

4）热处理工艺说明a）正火消除毛坯的锻造应力，降低硬度以改善切削加工性。同时也均匀组织，细化晶粒，为以后的热处理作组织上的准备。

采用高温正火，加热温度950--970°C。金相组织是均匀分布的细片珠光体和铁素体。

b）渗碳为保证齿轮表面的含碳量及渗碳层深度的要求，渗碳在机械加工之后进行，采用气体渗碳。

c）淬火及低温回火渗碳后要获得所要求的硬度，必须进行淬火及低温回火。低温回火后表面硬度可达58--62HRC。钢中Cr、Mn等元素可提高淬透性，心部硬度可达33--48HRC。低温回火的作用主要是消除淬火时产生的内应力及减少脆性。

（2）汽车后桥半轴热处理

1）材料：40MnB（或40Cr）2）热处理技术要求：

法兰盘外圆硬度为29--34HRC；杆部和花键硬度为37--44HRC；金相组织为回火索氏体和回火屈氏体。3）半轴加工工艺路线：

下料→锻造→正火（预先热处理）→机械加工→调质（最终热处理）→喷丸、校直、探伤→装配。4）热处理工艺说明

a）正火消除组织不均匀（带状组织）、晶粒粗大和锻造应力及改善切削加工性。其工艺是：加热温度为900--950°C，保温后空冷。获得均匀的珠光体组织，正火后硬度为HBS197~207，宜于切削加工。

b）调质

淬火工艺是：淬火温度为860±10℃，保温80min，在40--55°C热水中冷却。

调质后再经喷丸处理，使半轴表面由于局部塑性变形而增加了压应力，提高半轴疲劳寿命。（3）汽车活塞销热处理

1）材料：15Cr2）热处理技术要求：

活塞销外表面渗碳层深度为0.5--0.9mm，淬火后渗碳层的显微组织应为细密的马氏体组织，不容许针状的或连续网状的自由渗碳体存在；心部组织为低碳马氏体及铁素体。外表面硬度58--63HRC；内表面不渗碳，其硬度不大于38HRC。3）活塞销加工工艺路线：

下料→粗磨外圆→渗碳→钻孔→淬火+低温回火→磨端面及外圆、抛光外圆→装配。4）热处理工艺说明

a）渗碳工序安排在粗磨之后、钻孔之前，一方面可以防止渗碳层在切削加工时过多地被磨掉而需要增加渗碳层深度，另一方面可保证内表面不渗碳。

b）采用气体渗碳，渗碳温度为940°C，保温3.5h，降温至890°C出炉空冷。c）15Cr钢是本质粗晶粒钢，为了细化表面层组织，选用一次淬火。淬火温度应选在Ac1--Ac3之间，即840°C加热，为了保证淬火后心部硬度不大于38HRC，选择在油中冷却。

d）回火：淬火后在200°C进行低温回火，以消除淬火应力。回火后进行喷丸处理，去掉零件表面油污、氧化皮，同时在表面产生压应力，提高疲劳强度。形变热处理是将塑性变形和热处理结合，以提高工件力学性能的一种复合工艺。工件经形变热处理后，可以获得形变强化和相变强化的综合效果，既可提高钢的强度，改善其塑性和韧性，还具有节能效果，因而在生产中得到了广泛的应用。2.2.3热处理新技术简介1．真空热处理2．形变热处理

在低于一个大气压的环境中加热的热处理工艺称为真空热处理。真空加热就是在稀薄空气中加热，空气中氧的分压很低，钢件表面氧化很轻，可以避免氧化和脱碳，达到光亮处理目的。3.激光热处理

激光热处理是以激光作为能源，以极快的速度加热工件的自冷淬火，其热处理质量高，表面光洁，变形极小，且无工业污染，易实现自动化。激光淬火适用于各种复杂工件的表面淬火，还可以进行工件局部表面的合金化处理等。4.电子束淬火

电子束淬火是以电子束作为热源，以极快的速度加热工件的自冷淬火。电子束的能量远高于激光，而且其能量利用率也高于激光热处理。电子束淬火质量高，淬火过程中工件的基体性能几乎不受影响。5.电刷镀

电刷镀又称涂镀、刷镀。是近十几年发展起来的零件修复工艺。它是利用电化学原理，在金属工件表面局部有选择地快速沉积金属镀层，达到恢复零件尺寸和改变零件表面性能的目的。特点：低温下进行，基体金属的性能几乎不受影响；镀层均匀、致密，力学、化学性能好；设备简单，成本低。

6.气相沉积技术

气相沉积是利用气相中发生的物理、化学过程，改变零件表面成分，在表面形成具有特殊性能的金属或化合物涂层。可将气相沉积技术分为化学气相沉积和物理气相沉积两大类。

化学气相沉积技术是指利用气态物质，在一定温度下在固体表面上进行化学反应，并生成固态沉积膜的工艺过程。（1）化学气相沉积（CVD）

常用化学气相沉积涂层材料为碳化物、氮化物、氧化物，如TiC、TiN、Al2O3等。涂层具有很高的硬度2000～4000HV，较低的摩擦系数、优异的耐磨性、良好的抗粘着能力和优越的耐蚀性。应用对象一般是硬质合金刀具、高碳高铬冷作钢、热作模具钢等。

物理气相沉积是通过真空蒸发，电离或溅射等过程，产生金属粒子，并与反应气体形成化合物涂层沉积在工件表面，从而强化工件表面。物理气相沉积方法有真空镀、真空溅射和离子镀等，目前应用较广的是离子镀。

（2）物理气相沉积(PVD)

物理气相沉积主要特点是涂覆材料选择余地大，钢铁材料、非铁金属材料、陶瓷等均可；沉积温度低于600℃，沉积速度较快，涂层纯度高、密合性好，可以得到与加工表面同等精度的表面，可不必再加工涂层；无公害。

可应用于材料的表面装饰和硬化工件表面等。用于表面装饰方面的物理气相沉积可以获得表面光泽度极好的镀层。

对汽车玻璃采用适当的物理气相沉积处理，便可得到不同颜色的表面。例如：Al--仿银色，Al2O3--无色透明，VC--灰色，NbC--亮褐色，TaC--金褐色，TiN--金黄色，WN--褐色，Al2O3+Cr--红色。

用于硬化工件表面的TiC、TiN涂层，对刃具、模具使用寿命的提高收到良好的效果。例如，TiC可在硬质合金的基体上沉积，涂层硬度高达3200—3400HV，耐磨性好，摩擦系数为0.08—0.10；TiN涂层的硬度可达2500HV，但抗氧化性、抗耐磨性、抗热咬合性都好于TiC，适用于钢质和硬质合金基体。金属表面装饰处理涂装工艺

大多数汽车工业产品所获得的五彩缤纷的色彩主要是采用涂装工艺来实现的，经过涂饰的表面效果好，涂膜有一定的光泽、组织细密、覆盖力强，视觉质感和触觉质感好，能给人以体现工艺美的人为质感效果。1)保护作用可减轻产品表面受摩擦和冲击的程度，起一定的机械防护作用，这对延长使用寿命具有很重要的意义。同时起到了防腐蚀的保护作用。2)装饰作用可使表面粗糙的设备既具有漂亮美观的花纹，又便于擦洗、保持清洁卫生，工业使用的各种不同设备也常利用涂料的颜色作为标志。涂料主要起保护、装饰和特殊作用。3)特殊作用防毒气材料、吸收雷达波涂料、导电涂料、夜光涂料、伪装涂料、阻尼涂料等能提供多种不同的特殊功能，来改善材料表面的力学、物理、化学和微生物等方面的性能。

金属材料是现代机械制造应用的最主要材料，种类很多，应用广泛，分为钢铁材料（如碳素钢、合金钢、铸铁）及有色金属及其合金等。2.3钢的分类及应用金属材料的分类金属钢铁铸铁——钢白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁非合金钢——（碳钢）碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、铸钢合金钢合金结构钢低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、滚动轴承钢、合金弹簧钢、超高强度钢合金工具钢量具刃具钢合金模具钢高速钢冷作模具钢热作模具钢特殊性能钢——不锈钢、易切削钢、耐热钢、耐磨钢非铁金属——铜、铝、钛、锌、…，轴承合金，硬质合金2.3.1碳素钢1.常见杂质元素对碳素钢性能的影响

成分——w(C)≤2.11%

Mn→脱氧,固溶强化，提高强度和硬度。w(Mn)=0.25%~0.8%

Si→脱氧,固溶强化，提高强度和硬度。

镇静钢w(Si)=0.1%~0.4%

沸腾钢w(Si)=0.03%~0.07%S→热脆(有害)P→冷脆(有害)

钢中元素的作用基本元素：Fe、C合金元素：为改善钢的性能而有意加入杂质元素：无法去除的有害元素残留元素：为去除杂质元素而加入的元素非合金钢中的常存元素

冷脆性——有害矿石中P

热脆性——有害矿石中S

溶入F→

固溶强化——有益炼钢时残留Mn

溶入F→

固溶强化——有益炼钢时残留Si作用来源

（1）按碳质量分数分

低碳钢w(C)≤0.25%中碳钢0.25%＜w(C)≤0.60%高碳钢w(C)＞0.60%

（2）按品质分（S、P含量）——普通碳素钢；优质碳素钢；高级优质碳素钢，特级优质碳素钢。

（3）按用途分——碳素结构钢、碳素工具钢。２.碳素钢的分类

3.碳素钢的牌号、性能和用途（1）普通碳素结构钢（2）优质碳素结构钢（3）碳素工具钢（4）铸钢（1）普通碳素结构钢

牌号——如Q215