《机械制造技术 第3版》课件 第1-6章 机械制造概论 -材料的连接成形

绪论机械制造技术是一门讲述有关机械产品制造过程的综合性技术基础课程。本教材以近机械类、非机械类适用为主,兼顾了有关专业教学对机械知识的一般要求,内容包含机械工程材料基础及热处理、材料成形、切削加工工艺基础(含公差与配合)、特种加工、机械加工工艺规程设计等。学习要求：能对制造活动有总体的了解和把握,初步掌握金属切削过程的基本规律和机械加工的基本知识。能选择材料成形、机械加工方法。具有产品质量、公差与配合的基本知识。具有初步解决生产现场工艺问题、决策制造模式方面的能力。向制造强国迈进；勇攀高峰挑战不可能；创造无界—工程机械第1章机械制造概论

1.1机械制造及其生命周期

1.1.1机械、机械制造及机械制造业

1.1.2机械产品的生命周期

1.2机械产品的构成和产品使用的材料

1.2.1机械产品的构成

1.2.2机械产品使用的材料

1.3机械制造过程与生产组织

1.3.1机械制造过程

1.3.2零件加工方法

1.3.3生产类型

1.3.4生产方式、物流与经济性

第1章机械制造概论

机械制造是各种机械、机床、工具、仪器、仪表制造过程的总称。机械产品的生产通常围绕新产品的开发、制造、销售和服务三个阶段进行。机械制造也是人力资源开发自然资源的进程。在人类实施可持续发展战略的今天，力争以最少的资源消耗、最低限度的环境污染产生最大的社会、经济效益，这是制造业的根本宗旨。1.1机械制造及生命周期

1.1.1机械、机械制造及机械制造业机械：是指机器与机构的总称。一般指能够帮助人降低工作难度或省力并提高工作效率的工具或装置。机械制造：是指将机械方法用于制造过程，其一指用机械来加工零件/工件，其二指制造某种机械，如制造汽车、涡轮机等。综上所述，机械制造就是将制造资源通过系统转化为可供人们使用或利用的产品的过程，也是人类不断开发自然资源的过程。制造是一个永恒的主题，随着信息技术、医疗器械、微纳技术等发展而发展。

第1章机械制造概论

1.1机械制造及生命周期

1.1.1机械、机械制造及机械制造业机械制造业:指从事各种机械设备的行业。如机床/仪器/动力机械等机械制造技术：是各种机械制造过程所涉及的技术总称。包括材料成形、机械切削加工、机械装配技术和其他非常规加工技术等。其中，零件切削加工技术和机械装配技术是机械制造的主体，约占机械制造过程总工作量的60％以上，大多数机械产品的几何精度和工作精度需要依赖机械加工技术和机械装配技术去实现。随着制造工艺和技术的发展,工业产品生产的智能化、网络化、多元化，大大拓展了制造的内涵和范围，为展现更加客观和更加包容的制造，人们把机械制造技术简称为制造技术；20世纪80年代提出的现代制造技术或先进制造技术被应用于产品全生命周期的全过程。

面向“2035”的机械工程将以创新驱动发展为主题，以信息化和工业化深度融合为主线，以推动绿色、智能制造为主攻方向，以绿色、智能、超常、融合、服务为主要特征。

1.1.2机械产品的生命周期机械产品的生命周期包括：单生命周期和多生命周期机械产品单生命周期是指产品从设计、制造、装配、包装、运输、使用到报废为止所经历的全部时间。机械产品多生命周期则不仅包括本代产品生命周期的全部时间，而且还包括本代产品报废或停止使用后，产品或其有关零件在换代---下一代、……多代产品中的循环使用和循环利用的时间图1-1机械产品生命周期框架

第1章机械制造概论

第1章机械制造概论

机械产品生命周期设计的目标是产品对社会的贡献最大，而危害和成本最小。在制造领域，产品从自然中来到自然中去，是“从摇篮到坟墓”的整个生命周期各个阶段的总和

产品全生命周期包括产品的价值的设计方法，可生产性、可装配性、可测试性、可维修性、可运输行、可循环利用性和环境友好性。产品全生命周期设计的主要内容是可靠性、维修性、保障性、测试性和安全性。

产品报废后的回收处理是产品单生命周期的结束，又可能是多生命周期的开始。评价产品回收处理方案设计主要考察三方面:效益最大化、废弃部分尽可能少、重新利用的零部件尽可能多，即尽可能多的零部件进入下一代生命周期。

再制造是一个以产品全寿命周期设计和管理为指导，以优质、高效、节能、节材、环保为目标，以先进技术和产业化生产为手段，来修复或改造废旧产品并使之达到甚至超过原产品技术性能的技术措施或工程活动的总称。1.2机械产品的构成和产品使用的材料1.2.1机械产品的构成图1-2轿车的车身总成图(图注见表1-1)1.2.1机械产品的构成图1-3轿车发动机、驱动装置和车轮部分(图注见表1-1)轿车的车身总成图(图注见表1-2)1.2.1机械产品的构成1.2.2机械产品使用的材料（仍以上述汽车为例）

汽车使用的材料大多为金属材料。从现阶段汽车的质量构成比来看,黑色金属占75%～80%，有色金属占5%,非金属材料占10%～20%。

黑色金属材料有钢板、钢材和铸铁。钢板大多采用冲压成形，用于制造汽车的车身和大梁；钢材有圆钢和各种型钢,用圆钢作坯料,采用锻造、热处理、切削加工等方法来制造曲轴、齿轮、弹簧等零件；铸铁用于铸造气缸体、气管、差速器箱体等。黑色金属的强度较高、价格低廉，故使用较多。有色金属材料以铝合金应用最广,用作发动机的活塞、变速箱壳体、带轮等。铝合金由于质量轻、美观，今后将更多地用于制造汽车零件。

铜用于电气产品、散热器。铅、锡与铜构成的合金用作轴承合金。锌合金用作装饰品和车门手柄（表面电镀）。

非金属材料中采用工程塑料、橡胶、石棉、玻璃、纤维等。由于工程塑料具有密度小、成形性好、着色性好，不生锈等性能，用作薄板、手轮、电气零件、内外装饰品等。塑料性能的不断改善，FRP（纤维强化塑料）有可能被用作制造车身和发动机零件。1.2.2机械产品的材料（仍以上述汽车为例）1.3机械制造过程与生产组织

制造过程由一系列的制造活动组成，包括生产设计、技术准备、生产计划、毛坯制订、机械加工、热处理、装配、质量检验、储运等工艺过程。工艺过程又分为铸造、锻造、焊接、机械加工、热处理、装配等。制造过程的物料流、信息流、能量流以及设备与人构成了机械制造系统。

1.3.1机械制造过程图1-4生产系统的基本框图加工任务加工方法加工顺序物流要求信息系统机械制造系统原料或毛坯存储运输制造检验能量系能源加工任务加工方法加工顺序物流要求信息系统存储运输制造检验成品能量系统能源机械制造系统图1.3.1机械制造过程能源

制造过程的实质是一个资源（人力资

源、自然资源等）向零件或产品转变的过

程(见图1-6)。这个过程是不连续的（或称

具有离散性的），其系统状态因产品类型、

品种数量、交货期以及人员素质、设备状

况等综合因素变化而改变，故机械制造系

统是离散的动态系统。1.3.1机械制造过程1.3.1机械制造过程汽车的生产过程图1-7汽车的制造过程①---玻璃、镜、车门衬垫、计量仪表、刮水器、车灯、收音机、仪表板、格栅、油箱②---排气管、消声器、驱动轴、减振器、保险杠、轮胎、制动液管③---驾驶装置、蓄电池、散热器、工具、底板

④---活塞、连杆、轴承、风扇、传动带、油泵、配油器、油底壳、滤清器、发电机⑤---拨叉、轴承、密封圈⑥---车架横架、连杆、弹簧、稳定器⑦---轴承、油封、制动装置、联轴器1.3.2零件加工方法

(1)铸造

将熔化金属浇入铸型，待其冷却凝固后得到所需形状和尺寸的零件。用铸造方法可制造出复杂形状的工件，但尺寸不准确。

(2)锻造

将金属坯料用锤或压力机加压，使之变形，以获得所需形状和尺寸的锻件。常将金属加热到高温状态进行锻造。锻造后金属组织致密，强度提高，耐久性增加。(3)粉末冶金

将粉末压缩成所需形状，加热到低于熔点的高温状态，再将粉末烧结成固体的方法。(4)板金加工

将板料进行切割、弯曲、拉深成形的方法。(5)焊接

使板料实现永久连接的方法。使用焊接可将板料连接成各种各样的形状，应用非常广泛。(6)切削与磨削

用切削刀具或用砂轮在各种机床上进行加工。这种加工方法加工出来的零件表面粗糙度值小、尺寸精度高。(7)特种加工

用于对硬度高、难切削材料进行加工的特殊方法。如电火花加工、激光加工、电解加工、等离子弧加工等。

(8)热处理

将金属材料加热、保温后冷却，由于其加热温度与冷却速度不同，能赋予金属材料特殊的性能。机械制造中常利用淬火、退火、正火、回火来改善零件的力学性能。1.3.2零件加工方法1.3.3生产类型

生产类型是指企业生产专业化程度的分类。生产类型的划分可以按照产品的年产量（即产品的年生产纲领）划分。而零件的生产纲领N可由下式计算：

N=Qn(1+a)(1+b)

式中

Q——产品的年产量；

n——单台产品中该零件的使用量；

a——备品率，以百分数计；

b——废品率，以百分数计。1.3.3生产类型表1—2各种生产类型的特征与要求生产类型

零件年生产纲领/（件/年）重型零件中型零件

小型零件单件生产≤5≤20

≤100

小批生产>5～100

>20～200>100～500

中批生产>100～300

>200～500>500～5000大批生产

>300～1000>500～5000>5000～50000大量生产>1000>5000>50000

表1-3生产纲领与生产类型的关系1.3.3生产类型1.3.4生产方式、物流与经济性1.生产方式与经济性2.物流与经济性3.产品质量与经济性机械制造是一个在保证质量的前提下，追求最大社会、经济效益的有机体。

(1)影响产品质量的主要因素

1）各个时期技术进步的程度。

2）生产管理的组织形式和方式。

3）产品设计质量的优劣。

4）员工的综合工作能力和敬业精神。

5）加工设备精度、检验手段可靠程度和检验观念。

(2)产品的经济型涉及的主要因素

1）产品销售量与销售方式及产品投入生产批次大小。

2）产品设计的创新程度和设计方式、成本等。

3）组织产品生产使用机床、工具、员工的优化程度。

4）生产系统和经营思想与产品最佳效益的认知和贴合程度。《中国制造2025》提出了以创新驱动发展为主题，以信息化和工业化深度融合为主线，以推动智能制造为主攻方向。………第2章工程材料基础2.1材料的分类

2.2金属材料的主要性能

2.3材料的组织晶结构

2.4铁碳合金

2.5常用金属材料

2.6其他工程材料

2.7机械零件选材的一般原则

2.8材料技术的发展

2.1材料的分类金属材料钢铁合金非铁合金钢：碳素钢、合金钢、特殊性能钢等铸铁：白口铸铁、灰口铸铁、麻口铸铁、特殊性能铸铁等铜及其合金：纯铜、黄铜、青铜、白铜铝及其合金：纯铝、形变铝合金、铸铁铝合金其他：轴承合金、镁合金、钛合金、镍合金等

高分子材料纤维：天然纤维、合成纤维橡胶：通用橡胶、特种橡胶塑料：通用塑料、工程塑料、特种塑料、胶黏剂

无机非金属材料水泥玻璃耐火材料陶瓷：普通陶瓷、特种陶瓷工程材料复合材料树脂基金属基陶瓷基功能材料：力学功能材料、物理功能材料、化学功能材料、生物功能材料、智能功能材料、功能转换材料2.2金属材料的主要性能2.2.1金属材料的力学性能材料的力学性能是材料抵抗外力作用的能力，其性能指标有：

2.2.2材料的高温和低温性能2.2.3金属材料的物理、化学、工艺性能物理性能、化学性能、工艺性能

强度

塑性

硬度

冲击韧度

疲劳强度

断裂韧度2.2.1金属材料的力学性能

1.强度金属材料抵抗永久变形和断裂破坏的能力称为强度。测定强度的最基本的方法是拉伸试验。将试样装夹在材料试验机上，并对其两端缓慢地施加轴向静拉力p。随着拉力逐渐加大，试样沿轴向伸长⊿l，而径向缩小，直到把试样拉断。可分别以应力σ和应变ε来代替p和⊿l，消除试样尺寸对材料性质的影响。由此绘出的曲线称为应力－应变曲线。图2-2标准拉伸试样图2-3普通低碳钢应力-应变曲线2.2.1金属材料的力学性能

(1)弹性变形

指外力去掉后变形能全部消除，恢复原状的变形（oe段）。拉伸曲线为一条直线，完全符合胡克定律。σe为弹性极限。(2)刚度

指金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。在弹性范围内，应力σ与应变ε成正比，其比例常数称为弹性模量E。(3)塑性变形

当载荷超过e点时，试样开始永久变形。

2.2.1金属材料的力学性能

(4)屈服当金属材料呈现屈服现象时,在试验期间发生塑性变形而力不增加时的应力,称为屈服应力,通常用

s表示，

s点为屈服点,σs

称为屈服极限。

(5)

“缩颈”现象

当载荷继续增加到b点时，试样的局部截面积缩小。因为缩颈处截面积变小，所能承受的载荷也就下降，当到k点时试样被拉断。

(6)抗拉强度

金属在拉断前所能承受的最大拉应力称为抗拉强度Rm。

(7)屈强比σs/Rm的比值。屈强比越小，构件可靠性越高,但若太小则使材料强度的有效利用率太低,因此工程上在保证安全的前提下希望屈强比高些。

2.2.1金属材料的力学性能

2.塑性金属材料在外力作用下产生不可逆永久变形而不破坏的能力称为塑性，即断裂前金属发生塑性变形的能力。反映金属材料延性的性能指标通常有伸长率A和断面收缩率Z。

伸长率A=

×100%

Ｌ0

试样原始的标准长度；

Ｌu

试样受拉伸断裂后的长度。

断面收缩率Z=

×100%

S0——试样的原始截面积；

Su——试样拉断后的最小截面积。Ｌu－Ｌ0Ｌ0S0－SuS02.2.1金属材料的力学性能

断面收缩率Z与试样尺寸无关，它能比较可靠地反映金属的延性。一般伸长率A断面收缩率Z值越大，则材料延性越好，脆性越小。金属材料只有具备足够的延性才能承受各种变形加工，例如轧制、锻造、冲压、电阻焊、摩擦焊等。2.2.1金属材料的力学性能

3.硬度

硬度是指材料抵抗变形、特别是压痕或划痕形成的永久变形的能力。通常材料的硬度越高，磨损量越小，其耐磨性越高。常用的硬度指标有如下三种:

布氏硬度（HBW）

洛氏硬度

（HR）

维氏硬度（HV）2.2.1金属材料的力学性能(1)布氏硬度(HBW)布氏硬度是在布氏硬度计上进行测试的，其原理如图2-4所示。

定义：HBW=×0.102

A=D(D－√D2－d2)

式中F——施加的试验力（N）；

D——硬质合金球直径（mm）；

A——压痕面积（mm2）；

d——压痕的平面直径mm。

FA

兀22.2.1金属材料的力学性能图2-4布氏硬度试验原理图2.2.1金属材料的力学性能(2)洛氏硬度(HR)洛氏硬度的试验原理和布氏硬度一样，也是压痕实验法。但它不是测量压痕面积，而是测量压痕凹陷深度，以深度来表征材料的硬度，其原理如图2-5所示。洛氏硬度实验的压头有两种:一种是顶角为1200的金刚石圆锥体;另一种是直径为1.588mm的钢球，分别用来测淬火等较硬材料和退火钢、有色金属等较软材料。2.2.1金属材料的力学性能图2-5洛氏硬度试验原理图2.2.1金属材料的力学性能(3)维氏硬度(HV)试验原理基本上和布氏硬度相同(见图2-6)。试验时所加载荷小，压痕浅，对工件表面损伤小，所测硬度值比布氏硬度、洛氏硬度精确，而且比洛氏硬度更适于测定极薄试样的硬度。但维氏硬度试验的效率不如洛氏硬度的高，不宜用于成批生产的常规检验。各种硬度值之间的换算：

HBW≈HV≈10HRHBW≈6HS(肖氏硬度)2.2.1金属材料的力学性能2.2.1金属材料的力学性能图2-6维氏硬度试验原理图

4.冲击韧度金属材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力称为冲击韧度ak由于瞬时的外力冲击作用所引起的变形和应力，比静载荷时要大许多，要保证零件工作时的安全性，就必须考虑所用材料的冲击韧度。

ak=

式中ak——冲击韧度（J/㎡）；

K——折断试样所消耗的冲击功（J）；

A0——试样缺口处的原始截面积（㎡）。

KA02.2.1金属材料的力学性能5.疲劳强度零件长时间在交变载荷作用下工作时发生断裂,这种破坏现象称为疲劳破坏。疲劳破坏时不会产生明显的塑性变形,而是突然发生,危险性极大。金属材料在经受无数次重复或交变载荷作用而不发生疲劳破坏（断裂）的最大应力,称为疲劳极限（强度）。

2.2.1金属材料的力学性能图2-8疲劳曲线

6.断裂韧度

工程上一些用高强度钢和超高强度钢制造的零件，以及中、低强度钢制造的大型零件，在工作应力低于屈服应力的条件下，也会发生脆性断裂，称为低应力脆断。大量事实和实验研究表明，是实际金属材料中各种宏观缺陷，其作用相当于裂纹。因此，很有必要给出材料抵抗裂纹扩展的力学性能指标，即材料的断裂韧度，通常用KIC表示，它的物理意义就是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。它是材料本身的特性，只和材料的成分、组织结构有关。图2-9张开型裂纹的应力场

（详见教材）2.2.1金属材料的力学性能2.2.2材料的高温和低温性能1.高温性能

材料的高温强度是指材料在高温下抵抗外力载荷所引起的应力和断裂和能力，通常是用蠕变强度和持久强度来表示的。蠕变强度昰指材料在蠕变试验中在规定的恒定温度和时间内，引起规定应变的应力；2.低温性能

随着温度的下降，多数材料会出现脆性增加的现象，严重时甚至发生脆断。可通过材料的冲击吸收功与温度的变化关系来确定材料的韧、脆状态转化。当温度降到某一值时，冲击功Ak值会急剧减小，使材料呈脆性状态。材料由韧度状态转变为脆性状态的温度Tk称为冷脆转化温度。材料的Tk低，表明其低温韧度好。

2.2.3金属材料的物理.化学.工艺性能1.物理性能金属材料的物理性能有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和导磁性等。2.化学性能金属材料的化学性能是它在室温或高温时抵抗各种化学作用的能力,主要是指抵抗活泼介质的化学侵蚀能力,如耐酸性、耐蚀性、耐热性、抗氧化性等。3.工艺性能

工艺性能主要有铸造性、可锻性、可焊性、可加工性和热处理性等。2.3材料的组织结构2.3.1金属的晶体结构2.3.2

实际晶体结构

2.3.3

金属结晶过程与同素异构转变

2.3.4

合金的相与相结构

2.3.1金属的晶体结构固态物质按其原子排列的状态分为两大类：

晶体和非晶体

晶体的点阵和晶胞常见的金属晶体结构有：

(1)体心立方晶体结构

(2)面心立方晶体结构

(3)密排六方晶体结构

晶体：原子按一定几何规律呈长程有序、周期性重复排列，有固定熔点，具有各向异性。绝大多数物质都是晶体，如金刚石、石墨及一切固态的金属和合金。

晶体之所以按规则的原子排列，主要是因为各个原子之间的相互吸应力与排斥力相平衡的结果。

2.3.1金属的晶体结构原子排列模型

2.3.1金属的晶体结构

非晶体:原子呈无规则排列或短程有序排列,

无固定熔点，表现为各向同性。

只有少数物质属于非晶体,如松香、普通玻璃、沥青、石蜡和赛璐珞等。

2.3.1金属的晶体结构

非晶体原子排列示意图二氧化硅晶体晶体排列与非晶体排列的比较2.3.1金属的晶体结构

晶体点阵和晶胞：把每个原子看成一个点，把这些点用直线连接起来，构成三维的空间构架，称为晶体点阵。

结点：晶格中直线的交点。

晶面：各种不同方位的原子平面。

晶胞：晶体点阵的最小单元。a）b）c）图2-10简单立方晶体结构、晶胞示意图a）晶体中原子排列的示意图b）晶体点阵c）晶胞及晶格参数2.3.1金属的晶体结构

(1)体心立方晶体结构a=b=c;α=β=γ=90°

晶胞的八个角上各有一个原子，体心处还有一个原子。每个立方体晶胞中仅含有1/8x8+1=2个原子。如铬、钼、钨等，这类金属一般都具有较高的强度、硬度和熔点以及一定的冷脆性，在通常情下，具有一般的塑性和韧性。

a)b)c)图2-11体心立方晶体结构示意图

2.3.1金属的晶体结构

(2)面心立方体晶格

在晶胞的八个角上各有一个原子,立方体六个面的面心各有一个原子。每个立方体晶胞中实际含有1/8x8+1/2x6=4个原子。

如金、银、铜、铝等,这类金属具有良好的塑性和韧性,特别是没有低温脆性,是工业上良好的低温合金材料的基础。

a）b）c）

图2-12面心立方晶胞示意图

2.3.1金属的晶体结构

(3)密排六方晶体结构

a＝b≠c;α＝β=90;γ＝120°

在六棱柱晶胞的12个角上各有一个原子，上下底面中心各有一个原子，晶胞内部还有三个原子。密排六方晶胞实际上只有1/6×12+1/2x2+3=6个原子。常见的有铍、镁、锌、镉等，这类金属不仅强度较低且塑性、韧性也较差，故很少用作重要的结构材料。a）b）c）

图2-13密排六方晶体结构示意图

2.3.1金属的晶体结构2.3.2实际晶体结构1.单晶体与多晶体单晶体：晶体内部的结构位向完全一致的一块晶块。

多晶体：内部由多个晶粒组成的一块晶体。亚晶粒：把这些在晶体位向上彼此有微小差别的晶内小区域称为亚晶粒，与之对应的亚晶粒交界处的界面称为亚晶界。

图2-14金属的多晶体结构2.3.2实际晶体结构2.实际金属晶体的缺陷点缺陷：常见的点缺陷有三种，即空位、间隙原子和置换原子，如图2-15所示。

线缺陷：几何特征是缺陷在两个方向上尺寸很小，在另一维方向上尺寸相对较大。属于这类缺陷的主要是位错，如图2-16所示。面缺陷：面缺陷的特征为晶体空间点阵两个方向上尺寸很大，而第三方向尺寸很小。由晶界处原子排列不规则、晶体畸变状态、杂质原子聚集等引起。晶体缺陷对金属性能的影响：阻碍金属变形，提高了金属塑性变形的抗力，提高了金属的强度，点、线缺陷将降低金属的韧度；位错程度越严重，金属的强度越大，提高位错程度是提高金属强度常用手段；细化晶粒使单位体积中晶界面积的增加，可提高金属的强度。

2.3.3金属结晶过程与同素异构转变1.金属结晶的过程

金属结晶过程示意图

晶体长大过程示意图

2.金属的同素异构转变

2.3.3金属结晶过程与同素异构转变1.金属结晶的过程

晶体由液态转变为固态的凝固过程通常称为结晶过程。其本质是原子由不规则排列的液体逐步过渡到原子作规则排列的晶体状态的过程。金属晶体固定的熔点,称为理论结晶温度T0。实际中金属冷却速度较大，将在T0下某个温度T1才开始结晶,T1就是实际结晶温度。ΔT称为过冷度,结晶过程实质上是晶核不断形成、不断长大的过程。图2-17a）

纯金属结晶时的冷却曲线图2-18金属结晶过程示意图晶核的形成→晶核的长大→形成原子集团→自发结晶

2.3.3金属结晶过程与同素异构转变晶体长大过程示意图晶核长大→形成晶体的棱边和顶角→形成晶轴→树枝状结晶

2.3.3金属结晶过程与同素异构转变图2-192.金属的同素异构转变

同素异构转变：固态金属由一种晶格转变为另一种晶格的变化过程。金属的同素异构转变过程实质上也是一个结晶的过程，一般称为二次结晶或重结晶。但由于它是一种固态转变，因此具有以下特点：

1)新晶核是在旧晶体的晶界上或某些特定的晶界上生成的。

2)转变时的过冷度要达到很大的数值，转变所需的时间也较长。

3)固态转变还将引起体积的变化。

2.3.3金属结晶过程与同素异构转变金属的同素异构转变-Fe-Fe-Fe1394℃

912℃

2.3.3金属结晶过程与同素异构转变纯铁的冷却曲线

图2-20

2.3.4合金的相与相结构

1)合金:由两种或两种以上金属元素或金属元素与非金属元素，通过熔炼、烧结或其他方法结合成具有金属特性的物质。通过配制各种不同成分的合金可显著改变金属的结构、组织和性能。

2)组元:

简称元，组成合金最基本的、独立的物质。

3)相:在金属和合金的晶体组织中，凡是化学成分、晶体结构类型和性能相同，并以界面互相分开的均匀组成部分即为相。

2.3.4合金的相与相结构

固态合金中的基本相为：

1.固溶体

(1)置换固溶体（见图2-21a）

(2)间隙固溶体（见图2-21b）

固溶体的点阵畸变

2.金属化合物1.固溶体

当合金由液态结晶为固态时，合金组元间仍能互相溶解而形成单一均匀、并能保持某一组元晶体结构的合金固相，称为固溶体。如碳的原子能够溶解到铁的晶体结构里，这时铁是溶剂，碳是溶质。

2.3.4合金的相与相结构

(1)置换固溶体置换固溶体是指溶剂晶体结构结点上的部分原子被溶质原子所置换形成的固溶体（当溶剂和溶质原子直径相近时易形成）。

2.3.4合金的相与相结构

(2)间隙固溶体

是溶质原子溶入晶体结构的间隙中，而不是占据晶体结构结点的位置。当溶质原子直径与溶剂原子直径之比小于0.59时才能形成。

2.3.4合金的相与相结构溶剂原子溶质原子a）置换式固溶体溶剂原子溶质原子b）间隙式固溶体图2-21固溶体的两种类型

2.3.4合金的相与相结构a）b)置换固溶体与间隙固溶体的比较：（1）晶格畸变（2）有限固溶与无限固溶（3）固溶强化（4）形成条件不同

2.3.4合金的相与相结构

图2-18固溶体的点阵畸变

a)形成置换固溶体时的点阵畸变b)形成间隙固溶体时的点阵畸变

点阵畸变:由于溶质原子和溶剂原子的尺寸不同,溶质原子的溶入会造成点阵畸变。固溶强化:溶质含量越大,点阵畸变越大,使晶面间相对滑移阻力增加,因而固溶体强度、硬度比溶剂有所提高,塑性和韧性稍有下降。

2.3.4合金的相与相结构a)b)2.金属化合物

在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解能力时,由于各组元之间的相互作用将形成金属化合物。金属化合物的晶格结构不同于任一组元，是金属组元相互作用形成的新相，并具有明显的金属特征。金属化合物的性能：熔点高、硬度高、脆性较大,适于做合金的强化相。当它们与固溶体适当配合时,能提高材料的强度、硬度、耐磨性、高温硬性以及工艺性能。

2.3.4合金的相与相结构1.陶瓷材料结构特点陶瓷材料的键合类型：主要为离子键和共价键。如Al203、MgO为离子键，金刚石、SiC为共价键。但陶瓷材料通常不是单一的键合类型，而是两种或两种以上的混合键。例如MgO晶体，离子键占84％，共价键占16％，混合键是陶瓷晶体的特点之一。由于具有键能高的结合键，陶瓷材料通常有熔点高、硬度高、耐腐蚀、塑性差等特性。例如金刚石是共价键，其熔点高达3750℃。陶瓷材料的组织：1）晶体相

晶体相是一些化合物或以化合物为基的固溶体，是决定陶瓷材料物理、化学和力学性能的主要组成物。主要晶体相有氧化物和硅酸盐。陶瓷材料是多晶体，同金属一样，有晶粒和晶界。陶瓷在常温几乎没有塑性。2）玻璃相

在烧结过程中，原子迁移困难，不能排列成长程有序(晶体)状态，形成的过冷液体到玻璃化转变温度时，则凝固为非晶态的玻璃相。玻璃相的熔点低、热稳定性差，使陶瓷在高温下容易产生蠕变，从而降低高温下的强度。3）气相

气相是指陶瓷组织中的气孔。气孔可以是封闭型、开放型，气孔会造成应力集中、降低强度、降低抗电击穿能力，同时对光线有散射作用。

2.3.5非金属材料的结构2.高分子材料的结构特点包括塑料、橡胶、合成纤维、油漆和胶黏剂五种。大分子链的形态：按大分子链几何形状可分为线型结构、体型结构。（1）线型结构加工成形时，分子链时而卷曲收缩，时而伸长，有良好的延性和弹性。加热可软化或熔化，冷却后变硬，并可反复进行，易于加工成形。（2）

体型结构具有耐热性、尺寸稳定性和机械强度，但弹性、塑性低，脆性大，不能塑性加工，是热固性塑料(如酚醛塑料、环氧塑料等)和硫化橡胶等。大分子的聚集态结构一般容易聚集为液态或固态而无气态。按大分子几何排列是否有序，分为无定型和结晶型两种，结晶型的分子排列规整有序，无定型分子排列杂乱不规则。晶态与非晶态影响高聚物的性能，结晶使高聚物的密度、强度、硬度、刚度、熔点、耐热性、耐化学性、抗液体及气体透过性能有所提高；而依赖分子链运动的有关性能，如弹性、塑性和韧度较低。高聚物在不同的温度下呈现出不同的物理状态。高分子材料的老化高分子材料在热、光、化学、生物和辐射等作用下会产生老化现象，使其结构和性能发生变化，如硬化、脆化、发软、发黏等。老化是大分子链的结构通过交联或降解发生变化。如橡胶会变硬、变脆无弹性。

2.3.5非金属材料的结构3.非金属材料的同素异构和同质异化无机非金属的同素异构一些无机非金属多晶材料中，也存在着同素异构转变，有时也称为同质多晶转变，一个典型的例子就是石英。石英随着温度的变化而出现同质多晶转变，石英的同质多晶转变也是形核和长大的过程，通过硅氧四面体的重新排列和组合形成各种晶体结构，从而改变石英的性质。有机物质的同分异构把化学成分相同，而组成原子排列成不同的分子结构的现象称为同分异构。同分异构在有机物质中经常出现。在有机低分子物质中，丙醇和异丙醇、甲醚和乙醇就是同分异构体，它们的化学成分相同，但分子结构不同。在高聚物中，同分异构也是普遍存在的。许多共聚物，其单体相同，而单体在大分子链中排列方式不同。一些均聚物也有同分异构，如聚丙烯。同分异构对高分子材料的性能影响很大，例如聚丙烯的甲基在主链中排列规整性高，结晶度亦高，强度也高。而无规聚丙烯强度低，基本无实用价值。

2.3.5非金属材料的结构

2.4铁碳合金

铁和碳组成的合金称为铁碳合金。2.4.1二元合金相图2.4.2铁碳合金相图2.4.3

钢中的杂质元素及合金元素2.4.1二元合金相图

合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态与温度和成分之间的关系（也称为状态图或平衡图）。常见的二元合金相图有：

匀晶相图

共晶相图

共析相图

形成稳定化合物的二元相图

二元包晶相图

1.匀晶相图

两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶的合金系称为匀晶系，它们的相图为匀晶相图。特点:液态、固态均无限互溶。举例:

Cu--Ni、Cu--Au、Au--Ag、Fe--Cr等。2.4.1二元合金相图2.4.1二元合金相图图2-23二元合金Cu--Ni匀晶相图

2.共晶相图

两组元在液态无限互溶，而在固态下仅有限溶解并发生共晶反应的合金系形成共晶相图（如图2-24）。

相图分析：点、线、区结晶过程：共晶合金、亚共晶合金、过共晶合金、小于亚共晶成分合金(IV)共晶温度Le

（αe+βe）1148℃2.4.1二元合金相图图2-24二元合金Pb--Sn共晶相图2.4.1二元合金相图相图分析：点、线、区

点：线：区：Pb--Sn相图2.4.1二元合金相图结晶过程：共晶合金

冷却曲线组织转变Pb-Sn相图合金Ⅰ的冷却曲线和结晶过程2.4.1二元合金相图结晶过程：亚共晶合金

冷却曲线组织转变Pn-Sn相图合金Ⅱ的冷却曲线和结晶过程2.4.1二元合金相图结晶过程：过共晶合金

冷却曲线组织转变Pn--Sn相图2.4.1二元合金相图结晶过程：小于亚共晶成分合金(IV)

冷却曲线组织转变Pn--Sn相图合金Ⅳ的冷却曲线和结晶过程2.4.1二元合金相图

3.共析相图

由一种固相在恒温（共析温度）下同时转变成两种新的固相称为共析反应。其反应的二元合金相图为共析相图。图2-25共析反应的二元合金相图共析温度

γe

（αe+βe）727℃2.4.1二元合金相图4.形成稳定化合物的二元相图

在熔化前既不分解，也不产生任何化合反应的化合物称为稳定化合物。2.4.1二元合金相图图2-26含稳定化合物的相图5.二元包晶相图两组元在液态下无限互溶，在固态下生成有限固溶体并发生包晶转变的相图。图2-27二元包晶相图2.4.1二元合金相图2.4.2铁碳合金相图1.铁碳合金的基本组织(1)液相(L):高温下铁和碳的溶液。(2)δ相(高温铁素体):只存在于1394～1538℃。(3)铁素体相(F):力学性能与纯铁相近是钢铁材料在室温时的重要相,常作为基本相存在。(4)奥氏体相(A)：无磁性，塑性、韧性良好,只在高温状态下存在。(5)渗碳体相：铁与碳形成的稳定化合物Fe3C,硬而脆，强度极低,在高温长期保温条件下可分解成铁和石墨。2.铁碳合金状态图2.4.2铁碳合金相图图2-28铁碳合金相图(Fe-Fe3c)表2－5Fe－Fe3C状态图中主要点的坐标及含义点的代号t/℃ωc(％)说明ABCDEGHJNPSQ15381495114812271148912149514951394727727室温00.534.306.692.1100.090.1700.020.770.0008纯铁熔点包晶反映时液态合金的碳质量分数共晶点，LC←→Ae＋Fe3C＝Ld渗碳体熔点（计算值）碳在γ－Fe中的最大溶解度α-Fe←→γ-Fe同素异构转变点（A3）碳在δ－Fe中的最大溶解度包晶点，LB＋δH←→AJγ-Fe←→δ-Fe同素异构转变点（A4）碳在α-Fe中的最大溶解度共析点，As←→Fp＋Fe3C＝P(A1)室温下，碳在α-Fe中的溶解度

(1)ABCD线为液相线。温度高于此线时铁碳合金均是液相。

(2)AHJECF线为固相线。温度降到此线下铁碳合金全部结晶为固体

(3)HJB线为包晶线。温度达到1495℃时，,碳的质量分数ωc=0.09%～0.53%的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生包晶反映。

LB+δH

1495℃

AJ(4)ECF线为共晶线。温度达到1148℃时碳的质量分数ωc=2.11%～6.69%的铁碳合金均会发生共晶反映。

Lc1148℃(Ae+Fe3C)

2.4.2铁碳合金相图

（5）PSK线为共析线，代号为A1。温度达到727℃时碳的质量分数ωc=0.0218%～6.69%的铁碳合金均会发生共析反应。

727℃As(Fp+Fe3C)

（6）GS线是相变线，代号为A3。

（7）ES线为固溶线，代号为Acm。温度降到此线时奥氏体A中多余的碳以渗碳体Fe3CⅡ的形式析出。

（8）PQ线也是固溶线。温度降到此线铁素体F中多余的碳以Fe3CⅢ的形式析出。

2.4.2铁碳合金相图

3.碳含量对铁碳合金组织与性能的影响(1)碳含量对合金平衡组织的影响(2)碳含量对铁碳合金力学性能的影响

随着含碳量的不断增加，合金中铁素体量(F)逐渐减少，渗碳体(Fe3C)逐渐增多；硬度随含碳量的增加而提高，塑性和韧度随含碳量的增加而降低，强度随含碳量的增加而逐渐升高。当含碳量﹥0.77％时，强度的增加趋势减缓，含碳量为1.0％时强度达到峰值，继续上升则强度下降，因此，生产中常用钢的含碳量一般﹤1.4％。

2.4.2铁碳合金相图

3.碳含量对铁碳合金组织与性能的影响(3)碳含量对工艺性能的影响1）切削性能

中碳钢的切削性能较好，碳含量过低粘刀不易断屑，碳含量过高硬度亦高、刀具易磨损，一般材料170-250HB时切削性能较好。2）可锻性能

低碳量可锻性良好，随着含碳量增加，可锻性逐渐变差。一般宜选择在奥氏体相区锻造。3）铸造性能

共晶成份附近合金的结晶温度低，流动性好，铸造性能最好。越远离共晶成份，铸造性能也逐步变差。4）焊接性能钢的塑性越好，焊接性能也越好。5）热处理性能含碳量对钢的热处理性能影响显著，钢的含碳量不同，其热处理工艺的加热温度、冷却速度有很大不同。

详见本书第3章。

2.4.2铁碳合金相图

2.4.3钢中的杂质元素及合金元素1.杂质元素对性能的影响(1)硅的影响在钢中硅是有益元素，能使钢的强度、硬度、弹性均有提高，但塑性、韧性降低。它的含量超过0.4％时作为合金元素。(2)锰的影响在钢中锰也是有益元素，能提高钢材的强度和硬度。它的质量分数超过0.8％时作为合金元素。(3)硫的影响在钢中硫是有害的杂质元素。在固态下，硫不溶于铁，而以FeS的形式存在于钢中。FeS能与铁形成低熔点的共晶体，存在于晶界上。当钢在一定温度下进行加工时，低熔点共晶体已成液态，受力后使晶粒分离，导致钢沿晶界开裂，这种现象称为钢的热脆性。(4)磷的影响

在钢中磷也是一种有害元素。在室温下能使钢的塑性和韧性急剧降低。磷还使钢的脆性转化温度升高，这种脆化现象在低温时更为严重，称为冷脆性。(5)氧、氢、氮的影响它们在钢中都是有害杂质元素。当钢中的氧化物较多时，钢的力学性能明显降低,特别是严重降低钢的疲劳强度。当钢中含有少量氢时,会使钢的脆性显著增加，称为“氢脆”。当钢中含有氮时，氮与铁素体作用的结果会发生“蓝脆”现象。

2.4.3钢中的杂质元素及合金元素2.合金元素在钢中的作用(1)合金元素对钢中基本相的影响铁碳合金基本组元是铁和碳，基本相是铁素体和渗碳体。大多数合金元素特别是非碳化物形成的元素，基本上都可以溶于铁素体中形成合金铁素体。硅和锰对钢的强化作用很大。加入钢中的碳化物形成元素，可溶于渗碳体形成合金渗碳体，也可和碳直接结合形成特殊合金碳化物。这些合金碳化物的熔点、硬度和稳定性很高。

2.4.3钢中的杂质元素及合金元素(2)合金元素对铁碳合金图的影响Fe－Fe3C状态图形状发生变化：奥氏体区(γ区)的扩大(锰、镍)或缩小(铬、钨、钼、硅)。E点和S点的左移：能扩大γ区的合金元素均使之向左下方移动；能缩小γ区的合金元素均使之向左上方移动。(3)合金元素对钢热处理的影响大多数合金元素(除镍、钴)都会减缓奥氏体化过程。大多数合金元素(除锰)都会阻碍奥氏体晶粒长大。大多数合金元素(除钴)均使等温转变图右移。锰、硅、镍等合金元素不会改变等温转变图形状。铬、钼、钨、钒等合金元素还能改变等温转变图形状，使高温珠光体转变区和中温贝氏体转变区明显分开。

2.4.3钢中的杂质元素及合金元素

2.5常用金属材料2.5.1钢铁材料

1.碳素钢2.合金钢

3.铸铁2.5.2非铁金属及其合金1.铝及合金

2.铜及合金

3.钛及钛合金

4.轴承合金

2.5.1钢铁材料1.碳素钢

钢是生产中极为重要的材料,用途非常广泛。按化学成分分为:碳素钢和合金钢(见表)。按质量等级分为:普通钢、优质钢和高级钢。按用途分为:结构钢、工具钢和特殊性能钢。种类碳素钢合金钢WP(﹪)WS(﹪)WP(﹪)WS(﹪)普通钢≤0.045≤0.050≤0.045≤0.045优质钢≤0.035≤0.035≤0.030≤0.030高级钢≤0.030≤0.020≤0.020≤0.020特级优质钢≤0.025≤0.015≤0.020≤0.0102.5.1钢铁材料(1)碳素钢1)碳素钢的分类①按钢中碳的质量分数分类②按钢的质量分类a.普通碳素钢：WS≤0.050%;WP≤0.045%。b.优质碳素钢:WS≤0.035%;WP≤0.035%。c.高级优质碳素钢：WS≤0.020%;WP≤0.030%。③按用途分类a.碳素结构钢:用于制造各种工程构件和零件。b.碳素工具钢:用于制造各种刀具、量具和模具。2)碳素钢的编号和用途2.5.1钢铁材料图2-33含碳量(质量分数)对钢的力学性能的影响①按钢中碳的质量分数分类低碳钢：wc<0.25%b.中碳钢：wc=0.25%～0.6%c.高碳钢：wc>0.6%2.5.1钢铁材料2)碳素钢的编号和用途。①普通碳素结构钢。占钢总产量的70%左右,大多用做工程结构钢,少部分用于要求不高的机械结构。②优质碳素结构钢,含wS,

wP较少(≤0.035%),保证钢的化学成分和力学性能,常用于制造重要的零件。可分为正常含锰量钢和较高含锰量钢。③碳素工具钢，热硬性较差，故只适宜制造一些小型、形状简单且转速不高的工具。2.5.1钢铁材料

2.5.1钢铁材料表2-6碳素钢的编号方法1）合金结构钢。合金结构钢的牌号用两位数字+元素符号+数字表示。合金调质钢。具有较高的强度和良好的塑性及韧性。常用的材料有40Cr、35CrMo、40CrNiMoA等。表面硬质钢。有较高的强度和良好的塑性及韧性,而且表面硬度高，耐磨性好。合金渗碳钢：wc<0.15%~0.25%。合金渗氮钢：wc=0.3%~0.5%。合金弹簧钢：wc=0.5%~0.85%。

2）合金工具钢和特殊性能钢合金工具钢。要求具有高的硬度和耐磨性以及足够的强度和韧性，主要用于制造刀具、模具、量具等工具。

2.5.1钢铁材料2合金钢

合金工具钢按合金元素的质量分数可分为：

低合金工具钢：碳的质量分数高，通常为0.9%~1.5%。高合金工具钢

a.高速钢：碳的质量分数为0.7%~1.5%,钢中含有较高的W、Cr、Mo、V等合金元素，总的质量分数超过10%。

b.高铬模具钢：常用钢种有Cr12和Cr12MoV。特殊性能钢。指不锈钢、耐热钢、耐磨钢等具有特殊的物理和化学性能的钢。

不锈钢：具有抵抗大气或弱腐蚀介质侵蚀作用能力的钢。耐热钢：在高温下具有较高的抗氧化性和强度的钢。

耐磨钢：指在冲击载荷作用下发生冲击硬化的高锰钢。

2.5.1钢铁材料

2.5.1钢铁材料

3.铸铁

铸铁是Wc＞

2.11%的铁碳合金,它大量用于制造机械设备。与钢相比,铸铁的抗拉强度、塑性和韧性都比较差,不能进行压力加工。(1)白口铸铁Wc=2.11%～6.67％,断口呈银白色,分为：

1)

亚共晶白口铸铁(Wc=2.11%~4.3%)。

2)共晶白口铸铁(Wc≈4.3％)。

3)过共晶白口铸铁(Wc＞4.3％)。(2)灰口铸铁(2.11～6.67％C)断口呈暗灰色,可分为：

灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。

1)灰铸铁。灰铸铁中的石墨成棉絮状,按基体的不同可分为：珠光体灰铸铁:在珠光体基体上分布着细小的石墨。珠光体-铁素体灰铸铁:在珠光体与铁素体基体上分布着较粗的石墨片。铁素体灰铸铁:在铁素体基体上分布着粗大的石墨片。

2.5.1钢铁材料(a)F+G片(b)F+P+G片(c)P+G片

2.5.1钢铁材料

2)可锻铸铁。用碳、硅的质量分数较低的铁液浇注成白口铸铁件，再经过长时间的高温退火，使渗碳体分解成团絮状的石墨而制成。

2.5.1钢铁材料可锻铸铁3)球墨铸铁。在浇注前向铁液中加入适量的球化剂和孕育剂,使碳呈球状析出,所获得的铸铁为球墨铸铁。球墨铸铁

2.5.1钢铁材料

4)蠕墨铸铁。这是一种新型高强度铸铁,石墨形状短厚，端部呈蠕虫状。蠕墨铸铁

2.5.1钢铁材料2.5.1钢铁材料（3）合金铸铁合金铸铁分为：

1)耐磨铸铁耐磨灰铸铁(HTM)。主要用于机床导轨、汽车发动机气缸套、活塞环等耐磨零件。冷硬铸铁(HTL)。主要用于制造轧辊、凸轮轴等零件。

2)耐热铸铁(HTR)。主要用于制造炉底、换热器、坩埚和热处理炉内的运输链条等零件。

3)耐蚀铸铁(HTS)。主要用于制造在腐蚀介质中工作的零件，如化工设备的管道、阀门、泵体、反应斧和盛储器等。2.5.2非铁金属及其合金在工业生产中通常把钢和铸铁称为黑色金属,而把钢铁以外的金属材料统称为非铁或有色金属。

1.铝及铝合金：应用于航空、航天、电力工业及日常用品。

2.铜及铜合金：用于制造电线、电缆、导热零件及配制各种合金。

3.钛及钛合金：高耐蚀性材料,用于航空、化工、造船及医疗等行业。按退火组织分为α型(TA)、β型(TB)、α+β（TC）

4.轴承合金：工作平稳无噪声，广泛用于机床、轧机和发动机。

2.6.1.1塑料

1.塑料的概念、分类及特性

2.塑料的成型方法和机械加工

注射成形挤压成形；机械加工性能较好，导热性和耐热性差，有弹性，加工时应适当调整刀具角度、冷却方式及切屑用量。2.6.1.2橡胶有高弹性的有机高分子材料，具有优良的伸缩性和可贵的积储能量的能力，常用作密封件、减振、防振件。2.6.2陶瓷1500HV耐磨性好，冲击韧度和断裂韧度很低。2.6.3复合材料有两种或两种以上不同性质的材料通过人工合成的固体材料。2.6.4粉末冶金以金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物为原料通过成形和烧结所制成具有金属性质的材料的方法。

2.6其他工程材料树脂为主要原料,加入某些添加剂,能塑性成形按热性能:热塑性和热固性塑料按用途:通用和工程塑料

2.7机械零件选材的一般原则2.7.1选材的一般原则（见表2-20）2.7.2零件选材举例

1.齿轮（1）齿轮的工作条件和失效形式（2）齿轮材料的性能要求（3）齿轮材料的选用

2.轴（1）轴的工作条件和失效形式（2）轴材料的性能要求及选用

2.7机械零件选材的一般原则表2-20一些零件（工具）的工作条件、失效形式及要求的力学性能指标本节仅介绍目前工程材料产业发展的主要六大领域：

1）特种金属功能材料，即具有独特的声、光、电、热、磁等性能的金属材料。2）高端金属结构材料，即比传统金属结构材料具有更高的强度、韧性和耐高温、耐腐蚀等性能的金属材料。3）先进高分子材料，即具有相对独特物理化学性能，适宜在特殊领域或特定环境下应用的人工合成高分子新材料。4）新型无机非金属材料，即在传统无机非金属材料基础上新出现的具有耐磨、耐腐蚀，光、电等特殊性能的材料。5）高性能复合材料，即由两种或两种以上异质、异型、异性材料（一种为基体，其他作为增强体）复合而成的具有特殊功能和结构的新型材料。6）前沿新材料，即当前以基础研究为主，未来市场前景广阔，代表新材料科技发展方向，具有重要引领作用的材料。

本书在“材料技术的发展”二维码中对有关新材料进行了概述

2.8材料技术的发展第3章热处理与表面工程技术3.1钢的热处理

3.1.1钢的热处理原理

3.1.2热处理方法及应用3.2非金属材料的热处理

3.3表面工程技术

3.3.1概述

3.3.2热喷涂技术

3.3.3气相沉积技术

3.3.4高能束表面改性3.1钢的热处理

钢的热处理是把固态下的钢，通过加热、保温和冷却，使其组织、结构发生变化，以获得所需性能的工艺方法。热处理可以是中间工序，也可以是最终工序。普通热处理表面热处理特殊热处理退火、正火、淬火、回火时效、冷处理等表面淬火化学热处理火焰加热感应加热激光热处理等渗碳渗氮碳氮共渗形变热处理真空热处理其他热处理3.1.1钢的热处理原理

热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却,以改变钢的组织结构，获得所需性能的一种工艺。1.钢在加热时的组织转变（1）奥氏体的形成（2）奥氏体晶粒的长大及其影响因素

2.钢在冷却时的组织转变3.1.1钢的热处理原理1.钢在加热时的组织转变(见图3-3)

加热是热处理的第一道工序，大多数热处理工艺都要把钢加热到临界温度之上，使钢在室温下的组织全部或部分转化为奥氏体，即奥氏体化。1.

钢在加热时的组织转变

图3-3加热和冷却时相图上各临近点的位置3.1.1钢的热处理原理1.钢在加热时的组织转变（1）奥氏体的形成奥氏体化的过程是通过形核与长大的机制来完成的。形核与长大的过程是依靠铁原子和碳原子的扩散来实现的，属于扩散型相变（如图3-4）。

3.1.1钢的热处理原理

3.1.1钢的热处理原理奥氏体晶核形成后，一方面不断合并其相邻的铁素体,另一方面渗碳体又不断溶解于奥氏体中,使奥氏体的相界面不断向渗碳体和铁素体中推移,使奥氏体晶粒逐渐长大。同时,新的奥氏体晶核形成并长大，直到铁素体首先消失,此时珠光体已不复存在。

图3-4共析钢的奥氏体形成过程示意图a)A形核b)A长大c)A残余Fe3C溶液d)A均匀化(2)奥氏体晶粒的长大及其影响因素

一般晶粒越细，钢的塑性和韧性也越好。因此，钢在加热时对其性能影响最大的组织因素就是奥氏体晶粒的粗细。

3.1.1钢的热处理原理1）奥氏体晶粒度

晶粒度：表示晶粒大小的尺度。钢进行加热时，当珠光体刚刚全部转变为奥氏体时，在一般情况下，奥氏体晶粒是比较细小而均匀的，此时的晶粒大小称为奥氏体的起始晶粒度。

在某一具体的加热条件下所得到的奥氏体晶粒大小称为实际晶粒度。用以表明奥氏体晶粒长大倾向的晶粒度称为本质晶粒度。

3.1.1钢的热处理原理

通常采用标准试验方法，即将钢加热到（930±10）℃，保温3～8h后测定奥氏体晶粒大小，如晶粒大小级别在1～4级，称为本质粗晶粒钢；如晶粒大小在5～8级，则称为本质细晶粒钢。

3.1.1钢的热处理原理晶粒度的测定方法：(930±10)℃保温3~8h(100×)本质粗本质细标准的晶粒度等级示意图

3.1.1钢的热处理原理晶粒度的控制Al脱氧(本质细)Si/Mn脱氧(本质粗)

3.1.1钢的热处理原理图3-5奥氏体晶粒度随加热温度的变化2）奥氏体晶粒长大及影响因素加热温度。加热温度越高,晶粒长大速度越快,奥氏体晶粒也越粗大,热处理时必须规定合适的加热温度范围。保温时间。随保温时间的延长,晶粒不断长大,但随保温时间的延长,晶粒长大速度越来越慢,且不会无限制地长大下去。

3.1.1钢的热处理原理加热速度。加热速度越快，奥氏体化的实际温度越高，奥氏体的形核率大于长大速度，获得细小的起始晶粒。生产中常用快速加热和短时保温的方法来细化晶粒。冶炼