《工程材料及成型》模块1 工程材料性能及选用-项目2 铁碳合金相图分析

《工程材料及成型》课程导论模块一

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工程材料性能及选用模块二

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|减材制造模块四

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增材制造课程目录CONTENTS《工程材料及成型》课程2026年6月22日主讲教师：贾颖莲模块一工程材料性能及选用1【学习导览】目

录CONTENTS2项目1工程材料性能及检测3项目2铁碳合金相图分析4项目3金属材料的热处理项目5非金属材料及其选用5项目4金属材料及其选用67目

录CONTENTS8项目6机械零件的失效分析9项目7材料及成型工艺选择10【延伸学习】【课后习题】11【内容小结】【学习导览】工程材料堪称经济社会前行的根基，犹如装备制造业的“养分”。装备制造业作为我国经济高质量发展的关键支撑，是推进中国式现代化和制造强国建设的坚实力量。1.工程材料概述工程材料是指用于机械工程、土木工程或其他工程项目中的材料，通常是具有一定强度、硬度、刚度、塑性或其他性能与功能的材料。2.工程材料的发展随着装备制造业的升级换代和结构调整，工程材料今后的发展趋势是传统材料不断扩大品种规模、不断提高质量并降低成本，新材料特别是人工合成材料等将得到快速发展，从而形成传统材料与新材料竞相发展的格局。本模块的教学目标和主要内容目标了解工程材料的力学性能以及其他性能；掌握金属材料的性能与其化学成分、显微组织及加工工艺之间的变化规律；掌握金相试样的制备流程与金相显微镜的基本操作；熟悉金属材料的热处理工艺及其应用领域；掌握毛坯选用方法；能根据零件用途选择合适的材料及成型工艺。内容工程材料的性能及检测；铁碳合金相图分析；金属材料的热处理；金属材料及其选用；非金属材料及其选用；机械零件的失效分析；材料及成型工艺选择。项目2铁碳合金相图分析工程材料的各种性能（力学性能、物理性能、化学性能等）取决于两大因素：一是其组成原子或分子的结构及本性，二是这些原子或分子在空间的结合和排列方式。几乎所有的金属、大部分陶瓷以及一些聚合物在其凝固时都要发生结晶。结晶过程中形成的组织不仅影响其铸态性能，也影响材料后续的工艺性能和力学性能。铁碳合金相图对生产实践具有重要意义，除了在材料选用时参考外，还可作为制定铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的重要依据。为了进行金相分析，获得样品的显微结构信息，就需要进行金相试样制备。任务1金属的结晶1.晶体基础根据原子在物质内部排列的特征，固态物质可分为晶体与非晶体两类。晶体（crystal）是由大量微观物质单位（原子、离子、分子等）按一定规则有序排列的结构，因此可以从结构单位的大小来研究判断排列规则和晶体形态。晶体中原子排列情况如图1-2-1（a）所示。2.常见的金属晶体结构金属的晶格类型有很多，纯金属常见的晶体结构主要为体心立方、面心立方及密排六方三种类型。（1）体心立方晶格体心立方晶格的晶胞如图1-2-2所示。其晶胞是一个正立方体，晶胞的三个棱边长度a=b=c，晶胞棱边夹角α=β=γ=90°，其晶格常数通常只用一个晶格常数a表示即可。（2）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞如图1-2-3所示。其晶胞也是一个正立方体，晶胞的三个棱边长度a=b=c，晶胞棱边夹角α=β=γ=90°，其晶格常数也只用一个晶格常数a表示。3.金属的实际晶体结构结晶方位完全一致的晶体称为单晶体，如单晶Si半导体。单晶体具有各向异性的特征，即在晶体的各个晶向上具有不同的物理、化学和力学性能。4.金属的结晶（1）金属结晶的基本概念金属自液态经冷却转变为固态的过程是原子从排列不规则的液态转变为排列规则的晶态的过程，此过程称为金属的结晶过程。研究金属结晶过程的基本规律，对改善金属材料的组织和性能，都具有重要的意义。（2）纯金属的冷却曲线和过冷现象如图1-2-7（a）所示的纯金属冷却曲线。（3）纯金属的结晶过程5.晶体缺陷实际晶体中偏离理想结构的区域称为晶体缺陷。根据几何形状特征，可将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。在金属中偏离规则排列位置的原子数目很少，至多占原子总数的千分之一，所以实际金属材料的结构还是接近完整的。但是尽管数量少，这些晶体缺陷却对金属的塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，并且还在金属的固态相变、扩散等过程中起重要作用。因此，晶体缺陷的分析研究具有重要理论和实际意义。（1）点缺陷（2）线缺陷（3）面缺陷6.合金的相结构（1）基本概念1）合金由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质称为“合金”。例如，黄铜是铜和锌组成的合金，碳钢和铸铁是铁和碳组成的合金。2）组元组成合金的最基本、独立的物质称为“组元”。组元可以是纯元素，也可以是稳定的化合物。金属材料的组元多为纯元素，陶瓷材料的组元多为化合物。3）合金系由给定组元可按不同比例配制出一系列不同成分的合金，这一系列合金就构成一个合金系统，简称“合金系”。两组元组成的为二元系，三组元组成的为三元系等。4）相材料中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并与其他部分有界面分开的均匀组成部分称为“相”。5）组织通常人眼看到或借助于显微镜观察到的材料内部的微观形貌（图像）称为“组织”。（2）固态合金的相结构合金在熔点以上，通常各组元相互溶解成为均匀的熔液，称为“液相”。当合金熔液凝固后，由于各组元之间的相互作用不同，可能出现两种基本相，即固溶体和金属化合物。1）固溶体2）金属化合物任务2铁碳合金相图及应用1.铁碳合金的基本组织铁碳合金在液态时铁和碳可以无限互溶；在固态时根据含碳量的不同，碳可以溶解在铁中形成固溶体，也可以与铁形成化合物，或者形成固溶体与化合物组成的机械混合物。因此，铁碳合金在固态下出现以下几种基本组织。（1）铁素体（Ferrite）图1-2-13是铁素体的显微组织，与纯铁相同，呈明亮的多边形晶粒组织。（2）奥氏体（Austenite）（3）渗碳体（Cementite）（4）珠光体（Pearlite）（5）莱氏体（Ledeburite）2.铁碳合金相图相图是表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的一种图解。铁碳合金相图是表示在极其缓慢的加热或冷却条件下，不同成分的铁碳合金在不同的温度下所具有的状态或组织的图形，因此也称为铁碳平衡图或状态图。它对于钢铁材料的选用、钢铁材料热处理及热加工工艺的制定都有重要的指导意义。铁碳合金相图是研究铁碳合金的基础。由于wC＞6.69%的铁碳合金脆性极大，没有使用价值。另外，渗碳体中wC＝6.69%对应的正好全部是Fe3C，是个稳定的金属化合物，可以作为一个组元。因此，研究的铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，如图1-2-14所示。亚共晶任务3金相试样制备金相（metallographic）指金属或合金的化学成分以及各种成分在合金内部的物理状态和化学状态，其中“金”指金属或者合金，“相”指外观、相貌。金属材料的内部结构只有在显微镜下才能观察到，此时看到的内部组织结构称为显微组织或金相组织。金相组织是反映金属金相的具体形态，如马氏体、奥氏体、铁素体、珠光体等。广义的金相组织是指两种或两种以上的物质在微观状态下的混合状态以及相互作用状况。1.试样的选取选择合适的、有代表性的试样是进行金相显微分析极其重要的一步，包括选择取样部位及检验面、确定截取方法和试样尺寸等，一般可根据《金属显微组织检验方法》（GB/T13298-2015）的规定选取试样。（1）取样部位及检验面的选择（2）试样的截取方法（3）试样尺寸和形状金相试样的大小和形状以便于握持、易于磨制为准，通常采用直径ф15～20mm、高15～20mm的圆柱体或边长15～20mm的立方体。2.试样的镶嵌根据实际需要，可选用机械镶嵌法或树脂镶嵌法镶嵌。（1）机械镶嵌法将试样用螺栓、螺钉固定在合适的夹具内（如图1-2-18）。（2）树脂镶嵌法根据树脂的固化方式和镶嵌温度不同，树脂镶嵌法分为热镶嵌和冷镶嵌两种。对于不同特征的样品，采用合适的镶嵌方式和对应的树脂。3.试样的磨光试样的磨光分粗磨和细磨两步。试样取下后，首先进行粗磨。如是钢铁材料试样可先用砂轮粗磨平，如是很软的材料（如铝、铜等有色金属）可用锉刀锉平。试样磨光使用的预磨机如图1-2-20所示。4.试样的抛光抛光的目的是为了去除金相磨面上因细磨而留下的磨痕，使之成为光滑、无痕的镜面。金相试样的抛光可分为机械抛光、电解抛光、化学抛光三类，其中机械抛光简便易行，应用较广。（1）机械抛光（2）电解抛光（3）化学抛光5.组织的显示（浸蚀）经抛光后的试样若直接放在金相显微镜（图1-2-22）下观察，只能看到一片亮光，除某些非金属夹杂物（如MnS及石墨等）外，无法辨别出各种组成物及其形态特征，必须使用浸蚀剂对试样表面进行“浸蚀”，才能清楚地看到显微组织的真实情况。钢铁材料最常用的浸蚀剂为3%~4%硝酸酒精溶液或4%苦味酸酒精溶液任务4金相显微镜操作１.金相显微镜的主要构造金相显微镜的构造如图1-2-23所示，主要包括机械部分、照明部分和光学部分。2.金相显微镜的操作步骤在操作金相显微镜时要注意安全，注意不要碰到光源和热源。在观察样品之前，需要仔细检查和缺陷区域，以确保这些区域不会极端地受到照明的影响。样品移动过程中需要注意不要过度地扰动样品，以保持样品表面的光滑度。观察过程中不要触碰样品，以免留下指纹或划痕，影响观察效果。对于初学者，建议选择低倍和中倍的物镜，以获得更清晰的样品结构和组织图像。金相显微镜的操作有以下步骤。（1）准备工具和样品。准备好金相显微镜和需要观察的金属样品。（2）样品制备。对于新的金属样品，需要按金相试样制备的步骤将其制成光