《工程材料及成型》模块1 工程材料性能及选用

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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1工程材料性能及检测为了科学、合理地选用工程材料，首先需要充分了解各种工程材料的性能。工程材料的性能包括使用性能和工艺性能，如图1-1-1所示。使用性能是指工程材料在使用过程中表现出来的性能，如物理性能、化学性能、力学性能等；工艺性能是指工程材料在各种加工过程中所表现出来的性能，如铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能等。任务1工程材料的力学性能一般机械零件常以力学性能作为设计和选材的依据。工程材料的力学性能是指材料在外力作用下所表现出来的特性，常用的指标有刚度、塑性、硬度、韧性、弹性和疲劳强度等。1.拉伸曲线与应力-应变曲线材料在外力作用下，会产生尺寸和形状的变化，这种外力通常称为载荷，尺寸和形状的变化叫变形。载荷与变形的关系可通过拉伸试验的方法来确定。电子万能试验机（1）拉伸曲线图1-1-4所示为低碳钢的拉伸曲线，图中纵坐标表示载荷F，单位为N；横坐标表示变形量Δl，单位为mm。通过拉伸曲线可测定材料的强度和塑性。电子万能试验机（2）应力-应变曲线2.强度强度是指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力，能力越大，则强度越高。按外力作用的性质不同，分为屈服强度σs、抗拉强度σb、抗压强度σbc、抗剪强度τb等，常用的强度指标是屈服强度和抗拉强度。（1）屈服强度（2）抗拉强度3.刚度刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力，是材料或结构弹性变形难易程度的表征。在宏观弹性范围内，刚度是零件荷载与位移成正比的比例系数，即引起单位位移所需的力；其倒数称为柔度，即单位力引起的位移。刚度可分为静刚度和动刚度。4.塑性金属材料在外力作用下发生塑性变形而不破坏的能力称为塑性。常用的指标有断后伸长率和断面收缩率。5.硬度材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，通常材料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的硬度可通过硬度试验的方法测得。测定硬度的方法比较多，常用的硬度试验方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。6.韧性生产中许多零件是在冲击载荷作用下工作的，如内燃机的活塞连杆、锻锤锤头、冲床冲头、锻模、凿岩机零件等。由于外力的瞬时冲击作用所引起的变形和应力比静载荷大得多，因此在设计承受冲击载荷的零件和工具时，不仅要满足强度、塑性、硬度等性能要求，还要求材料必须有足够的韧性。（1）韧性指标冲击吸收能量K（2）多冲抗力7.疲劳强度许多机械零件（如轴、连杆、齿轮、弹簧等）是在交变应力（指应力大小和方向随时间作周期性变化）作用下工作的，零件工作时所承受的应力通常都低于材料的屈服强度。零件在这种交变载荷作用下经过长时间工作也会发生破坏，通常把这种破坏现象叫做金属的疲劳。由于疲劳断裂前无明显的塑性变形，断裂是突然发生的，危险性很大，常造成严重事故。据统计，大约80%的零件断裂是由疲劳造成的。任务2工程材料的其他性能如前所述，工程材料的性能除了力学性能外，还有物理性能、化学性能和工艺性能。1.物理性能工程材料在各种物理条件下表现出来的性能称为物理性能，包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。各种机械零件由于用途不同，对材料的物理性能要求也有所不同。（1）密度；（2）熔点；（3）导热性；（4）导电性；（5）热膨胀性2.化学性能化学性能主要指工程材料在室温或高温时抵抗各种介质的化学侵蚀能力，主要有耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性。（1）耐腐蚀性；（2）抗氧化性；（3）化学稳定性3.工艺性能工艺性能是指材料适应实际生产工艺要求的能力，亦称为“加工性能”，是指材料使用某种加工方法或过程以获得优质制品的可能性或难易程度，包括铸造性能、锻造性能、冲压性能、弯曲性能、切削性能、焊接性能、淬透性能等。工艺性能往往由多种因素（物理的、化学的、力学的）的综合作用决定。2026年6月22日请指正《工程材料及成型》课程导论模块一

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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滑的表面。（3）光学照明。打开灯源并使其照射到样品上，确保样品表面均匀照射。（4）调整目镜和物镜。调整目镜和物镜，使用合适的倍数，使图像清晰可见。（5）在样品上移动光斑。通过移动光斑来观察样品上的不同区域，可以使用物镜的刻度标记来控制移动距离。（6）拍照。用摄像机或相机记录所看到的图像，或者使用观察型金相显微镜将其所见投射至影像观察平台上。使用完毕，要把显微镜外表擦干净，并把镜筒旋下至低处。2026年6月22日请指正《工程材料及成型》课程导论模块一

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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3金属材料的热处理金属材料的热处理是指将金属或合金工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，以不同速度在不同介质中冷却，通过改变金属材料表面或内部的显微组织结构来控制其性能的一种工艺。金属材料的热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。热处理工艺种类很多，根据加热、冷却方式及获得组织和性能的不同，钢的热处理可分为普通热处理（退火、正火、淬火和回火）、表面热处理（表面淬火和化学热处理等）及特殊热处理（形变热处理和磁场热处理）。任务1退火与正火退火和正火是生产中应用很广泛的预备热处理工艺，安排在铸造、锻造之后，切削加工之前，用以消除前一工序所带来的某些缺陷，为随后的工序作准备。例如，经铸造、锻造等热加工以后，工件中往往存在残余应力，硬度偏高或偏低，组织粗大，存在成分偏析等缺陷，这样的工件其力学性能低劣，不利于切削加工成形，淬火时也容易造成变形和开裂。经过适当的退火或正火处理可使工件的内应力消除，调整硬度以改善切削加工性能，组织细化，成分均匀，从而改善工件的力学性能并为随后的淬火做准备。对于一些受力不大、性能要求不高的机器零件，也可作最终热处理。1.钢的退火退火的种类很多，根据加热温度可分为两大类：一类是在临界温度（Ac1或Ac3）以上的退火，又称为相变重结晶退火，包括完全退火、不完全退火、球化退火和扩散退火等；另一类是在临界温度以下的退火，包括再结晶退火及去应力退火等。（1）完全退火完全退火又称重结晶退火，是把钢加热至Ac3以上20℃～30℃，保温一定时间后缓慢冷却（随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却），以获得接近平衡组织的热处理工艺。完全退火一般用于亚共析钢。低碳钢和过共析钢不宜采用完全退火。低碳钢完全退火后硬度偏低，不利于切削加工。过共析钢完全退火，加热温度在Accm以上，会有网状二次渗碳体沿奥氏体晶界析出，造成钢的脆化。（2）等温退火等温退火的加热温度与完全退火时基本相同，是将钢件加热到高于Ac3（或Ac1）的温度，保温适当时间后，较快地冷却到Ar1以下珠光体区的某一温度，并等温保持，使奥氏体等温转变成珠光体，然后缓慢冷却的热处理工艺。等温退火的目的与完全退火相同，能获得均匀的预期组织，对于奥氏体较稳定的合金钢，可大大缩短退火时间。（3）球化退火球化退火为使钢中碳化物球状化的热处理工艺，目的是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（退火前正火将网状渗碳体破碎），以降低硬度，改善切削加工性能，并为以后的淬火作组织准备。球化退火主要用于共析钢和过共析钢。（4）扩散退火为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线（固相线以下100℃～200℃）的温度，长时间保温（10h～15h），并进行缓慢冷却的热处理工艺，称为扩散退火或均匀化退火。其目的是为了消除晶内偏析，使成分均匀化。实质是使钢中各元素的原子在奥氏体中进行充分扩散。（5）再结晶退火再结晶退火是将经过冷变形加工的工件加热至再结晶温度以上（一般100℃～200℃），保温一定时间（一般为1h～3h）后冷却，使工件发生再结晶，从而消除加工硬化的工艺。（6）去应力退火为消除铸造、锻造、焊接和切削、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行的低温退火，称为去应力退火。去应力退火是将钢件加热至低于Ac1的某一温度（一般为500℃～650℃），保温后随炉冷却，这种处理可以消除约50%～80%的内应力，不引起组织变化。2.钢的正火钢材或钢件加热到Ac3（对于亚共析钢）和Accm（对于过共析钢）以上30℃～50℃，保温适当时间后，使之完全奥氏体化，然后在自由流动的空气中均匀冷却，以得到珠光体类型组织的热处理工艺称为正火。正火后组织以S（索氏体）为主。各种退火和正火的加热温度范围，如图1-3-1所示。正火工艺是比较简单经济的热处理方法，在生产中应用较广泛，其作用主要表现在以下几个方面。①消除网状二次渗碳体。②消除中碳钢热加工缺陷。③作为最终热处理。④改善切削加工性能。任务2淬火淬火工艺的实质是奥氏体化后进行马氏体转变（或下贝氏体转变）。淬火钢得到的组织主要是马氏体（或下贝氏体），此外，还有少量的残余奥氏体及未溶的第二相。1.淬火温度的确定淬火温度即钢的奥氏体化温度，是淬火的主要工艺参数之一。它的选择应以获得均匀细小的奥氏体组织为原则，以使淬火后获得细小的马氏体组织。为防止奥氏体晶粒粗化，其加热温度一般限制在临界点以上30℃～50℃范围。碳钢的淬火温度范围见图1-3-2。2.保温时间的确定为了使工件各部分均完成组织转变，需要在淬火加热温度保温一定的时间，通常将工件升温和保温所需的时间计算在一起，而统称为加热时间。影响加热时间的因素很多，如加热介质、钢的成分、炉温、工件的形状及尺寸、装炉方式及装炉量等。通常根据经验公式估算或通过实验确定。生产中往往要通过实验确定合理的加热及保温时间，以保证工件质量。3.淬火冷却介质的确定冷却是淬火的关键工序，关系到淬火质量的好坏；同时，冷却也是淬火工艺中最容易出现问题的一道工序。淬火是冷却非常快的过程，为了得到马氏体组织，淬火冷却速度必须大于临界冷却速度Vc。但是，在冷却速度快的情况下必然产生很大的淬火内应力，这往往会引起工件变形。理想的淬火冷却曲线，如图1-3-3所示。4.常用淬火方法由于淬火介质不能完全满足淬火质量的要求，所以应选择适当的淬火方法。同选用淬火介质一样，在保证在获得所要求的淬火组织和性能条件下，尽量减小淬火应力，减少工件变形和开裂倾向。（1）单液淬火（2）双液淬火（3）分级淬火（4）等温淬火（5）局部淬火法5.钢的淬透性淬透性是钢的重要热处理工艺性能，也是选材和制定热处理工艺的重要依据之一。淬火时往往遇到两种情况：一种是从工件表面到中心都获得马氏体组织，称之为“淬透了”；另一种是工件表面获得马氏体组织，而心部是非马氏体组织，称之为“未淬透”。（如图1-3-6）。任务3回火将淬火后的钢加热到Ac1线以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。淬火钢一般不直接使用，必须进行回火，主要有以下原因：一是经淬火后得到的马氏体性能很脆，存在组织应力，容易产生变形和开裂，可利用回火降低脆性，消除或减少内应力；二是淬火后得到的组织是淬火马氏体和少量的残余奥氏体，它们都是不稳定的组织，在工作中会发生分解，导致零件尺寸的变化。在随后的回火过程中，不稳定的淬火马氏体和残余奥氏体会转变为较稳定的铁素体和渗碳体或碳化物的两相混合物，从而保证了工件在使用过程中形状和尺寸的稳定性。1.淬火钢的回火转变淬火钢的回火组织转变主要发生在加热阶段，随回火温度的升高，淬火钢组织变化大致分为以下四个阶段。（1）马氏体中碳的偏聚（2）马氏体的分解（3）残余奥氏体的转变（4）碳化物类型的变化（5）渗碳体聚集长大和α相回复、再结晶2.回火种类淬火钢回火后的组织和性能决定于回火温度。按回火温度范围的不同，可将钢的回火分为3类。（1）低温回火；（2）中温回火；（3）高温回火3.淬火钢回火时力学性能的变化淬火钢回火时，总的变化趋势是随着回火温度的升高，碳钢的硬度、强度降低；塑性提高，但回火温度太高，塑性会有所下降；冲击韧度随着回火温度升高而增大，但在250℃～400℃和450℃～650℃温度区间回火，可能出现冲击韧度显著降低的现象，称钢的回火脆性。（1）第一类回火脆性（2）第二类回火脆性任务4表面淬火表面淬火是钢表面强化的方法之一，具有工艺简单、变形小、生产率高等优点。表面淬火是通过快速加热，在零件表面很快奥氏体化而内部还没有达到临界温度时迅速冷却，使零件表面获得马氏体组织而心部仍保持塑性韧性较好的原始组织的局部淬火方法，它不改变工件表面的化学成分。表面淬火后一般需要进行低温回火，以便降低淬火应力和提高韧性。根据加热方法不同，可分为感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火等，其中以前两种方法应用最广。1.感应加热表面淬火感应加热表面淬火是利用在交变电磁场中工件表面产生的感应电流将工件表面快速加热，并淬火冷却的一种热处理工艺。（1）感应加热的基本原理感应淬火法的原理如图1-3-8a所示，涡流在工件截面上的分布如图1-3-8b所示。（2）感应加热表面淬火的特点与普通加热淬火相比，感应加热表面淬火有以下特点。1）高频感应加热时，加热时间短、速度快，形成的晶核较多，且不易长大。因此表面淬火后表面得到细小的隐晶马氏体。工件表面不易氧化和脱碳，耐磨性好，而且工件变形也小。2）淬火后可在表层获得极细马氏体或隐针马氏体，使工件表层硬度较普通淬火的硬度高出2～3HRC，且具有较低的脆性。能部分抵消在变动载荷作用下产生的拉应力，从而提高了疲劳极限。3）加热温度和淬硬层厚度容易控制，便于实现机械化和自动化。但感应加热设备较贵，维修、调整比较困难。形状复杂零件的感应器不易制造，且不适用于单件生产。（3）感应加热的频率感应加热深度主要取决于电流频率，频率越高，加热深度就越浅，为了获得不同的加热深度可选择不同的电流频率，目前工业上常采用的电流频率有以下三种。1）高频感应加热。常用频率为200kHz～300kHz，淬硬层深度为0.5mm～2mm，适用于中小模数齿轮及中小尺寸的轴类零件等。2）中频感应加热。常用频率为2500Hz～8000Hz，淬硬层深度为2mm～10mm，适用于直径较大的轴类和大中型模数的齿轮。3）工频感应加热。电流频率为50Hz，淬硬层深度10mm～20mm，适用于大直径零件，如轧辊、火车车轮等的表面淬火。2.其他表（1）火焰加热表面淬火面加热淬火方法;（2）激光加热表面淬火;（3）电接触加热表面淬火任务5化学热处理化学热处理是利用化学反应、有时兼用物理方法改变钢件表层化学成分及组织结构，以便得到比均质材料更好的技术经济效益的金属热处理工艺。化学热处理后，再配合常规热处理，可使同一工件的表面与心部获得不同的组织和性能。1.钢的渗碳2.钢的渗氮渗氮也称氮化，是在一定温度下（一般在Ac1温度以下）将活性氮原子渗人工件表面，以形成富氮硬化层的化学热处理工艺。其目的在于更大地提高钢件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度和抗蚀性。3.钢的碳、氮共渗碳氮共渗就是同时向零件表面渗入碳和氮的化学热处理工艺，最早碳氮共渗是在含氰根的盐浴中进行，故也称氰化。碳氮共渗是以渗碳为主的化学热处理工艺。4.其他化学热处理金属表面渗入不同元素后，根据元素在金属中的作用，可获得不同的性能。因此，除了渗碳、渗氮，还可渗硼。渗硼是用活性硼原子渗入钢件表面，在钢表面形成几百微米厚以上的Fe2B或FeB化合物层，优点是硬度较氮化的还要高（一般为1300HV以上，有的高达1800HV），抗磨损能力很高，又具有良好的耐热性、热硬性和耐蚀性；缺点是脆，尤其FeB层最易剥落，因而希望渗硼层由脆性小的Fe2B组成。任务6热处理工序位置的安排热处理工序在工艺路线中的位置，主要取决于工件的材料及热处理的目的和种类。1.预先热处理的工序位置预先热处理包括退火、正火、调质等。（1）退火、正火零件的加工路线毛坯生产（铸、锻、焊、冲压等）→退火或正火→机械加工。（2）调质零件的加工路线下料→锻造→正火（或退火）→机械粗加工→调质→机械精加工。2.最终热处理的工序位置（1）一般情况下的安排最终热处理包括各种淬火、回火及化学热处理等。1）淬火的工序位置整体淬火件的加工路线一般为：下料→锻造→退火（正火）→机械粗加工、半精加工→淬火、回火（低、中温）→磨削。感应加热表面淬火件的加工路线一般为：下料→锻造→正火（退火）→机械粗加工→调质→机械半精加工→感应加热表面淬火、低温回火→磨削。2）渗碳的工序位置渗碳件的加工路线一般为：下料→锻造→正火→机械粗加工→半精加工→局部渗碳时，不渗碳部位镀铜（或留防渗余量）→渗碳→淬火、低温回火→磨削。3）渗氮的工序位置渗氮零件（38CrMoAlA钢）的加工路线一般为：下料→锻造→退火→机械粗加工→调质→机械精加工→去应力退火（常称为高温回火）→粗磨→渗氮→精磨或研磨。（2）其他情况时的安排工序位置的安排应根据具体情况灵活运用。1）在上述加工路线中，如采用型材毛坯，则锻造及其后面的退火、正火工序便可省略。2）对某些精密零件，为消除机械加工造成的残余应力，应与渗氮零件一样，在粗加工后可穿插去应力退火或稳定化处理。对于需要精磨的精密零件，在最终热处理及粗磨后，一般安排稳定化处理，以消除磨削应力，稳定尺寸。3）适当调整工序次序，以减少零件变形与开裂。2026年6月22日请指正《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

|等材制造模块三

|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4金属材料及其选用金属材料是指具有光泽（即对可见光强烈反射）而不透明、具有延展性及导热导电性的材料，金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属。黑色金属又称钢铁材料，包括杂质总含量<0.2%及含碳量不超过0.0218%的工业纯铁、含碳0.0218%~2.11%的钢、含碳大于2.11%的铸铁。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等，有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。任务1铸铁的分类及其选用铸铁是含碳量大于2.11%，一般为2.5%～5.0%且含较多的Si、Mn、S、P等元素的多元铁碳合金。它与钢相比，虽然抗拉强度、塑性、韧性较低，但具有优良的铸造性能、切削加工性、减震性、耐磨性等，生产成本也较低，因此在工业上得到了广泛的应用。1.铸铁的石墨化及分类（1）铁-碳双重相图（2）铸铁石墨化的三个阶段按照Fe-G相图，可将铸铁的石墨化过程分为三个阶段。1）第一阶段石墨化。包括铸铁液相冷至C′D′线时，结晶出的一次石墨（对于过共晶成分合金而言）和在1154℃（E′C′F′线）通过共晶反应形成的共晶石墨。2）第二阶段石墨化。在1154℃～738℃温度范围内奥氏体沿E′S′线析出二次石墨。3）第三阶段石墨化。在738℃（P′S′K′线）通过共析转变析出共析石墨。（3）影响石墨化的主要因素铸铁的组织取决于石墨化过程进行的程度，而影响石墨化的主要因素是铸铁的化学成分和冷却速度。1）化学成分。2）冷却速度。（4）铸铁的分类根据碳在铸铁中的存在形式不同，可以将铸铁分为以下几种类型。1）白口铸铁。2）灰口铸铁。3）麻口铸铁。（5）生铁、熟铁的区别生铁、熟铁的主要区别在于含碳量上。1）生铁生铁是一种含碳量大于2.11%的铁碳合金。生铁主要作为‌炼钢原料‌和‌铸造机械零件‌，生活中也常用于制作‌铁锅、暖气片‌等器具。‌‌2）熟铁熟铁又名纯铁，是含碳量低于0.04%的铁碳合金，含铁约99.9%，杂质含量约0.1%。熟铁主要用来做‌铁锅、机械零件和建筑材料‌，它质地软、韧性好，适合锻打和焊接，是生活中很常见的金属材料。‌‌‌2.灰铸铁普通灰铸铁生产工艺简单、铸造性能优良，在生产中应用最为广泛，约占铸铁总量的80%。（1）灰铸铁的成分、组织和性能一般灰铸铁的化学成分范围为：wC=2.5%～3.6%，wSi=1.0%～2.2%，wMn=0.5%～1.3%，wS＜0.15%，wP＜0.3%。其组织有三种。1）铁素体灰铸铁，是在铁素体基体上分布片状石墨，如图1-4-4a所示。2）珠光体+体素体灰铸铁，是在珠光体+铁素体基体上分布片状石墨的灰铸铁，如图1-4-4b所示。3）珠光体灰铸铁，是在珠光体基体上分布片状石墨，如图1-4-4c所示。（2）灰铸铁的牌号及用途根据《灰铸铁件》（GB/T9439—2023），灰铸铁的牌号由“HT+数字”组成，其中“HT”是“灰铁”二字汉语拼音字首，数字表示φ30mm单铸试棒的最小抗拉强度值，将灰铸铁分为HT100、HT150、HT200、HT225、HT250、HT275、HT300和HT350等8个牌号。（3）灰铸铁的孕育处理浇注时向铁液中加入少量孕育剂（如硅铁、硅钙合金等），以得到细小、均匀分布的片状石墨和细小的珠光体组织的方法，称为孕育处理。（4）灰铸铁的热处理由于热处理仅能改变灰铸铁的基体组织，改变不了石墨形态，因此，用热处理来提高灰铸铁的力学性能的效果不大。灰铸铁的热处理常用于消除铸件的内应力和稳定尺寸，消除铸件的白口组织和提高铸件表面的硬度及耐磨性。3.球墨铸铁球墨铸铁是20世纪50年代发展起来的优良的铸铁材料，是通过在浇注时向铁水中加入一定量的球化剂（稀土镁合金等）进行球化处理而得到的，球化剂可使石墨呈球状结晶。为防止铁液球化处理后出现白口，必须进行孕育处理，使石墨球数量增加，球径减小，形状圆整，分布均匀，显著改善了其力学性能。（1）球墨铸铁的成分、组织和性能1）成分特点。2）组织特点。3）性能特点。（2）球墨铸铁的牌号及用途根据《球墨铸铁件》（GB/T1348-2019），球墨铸铁的牌号由“QT+数字—数字”组成。其中“QT”是“球铁”二字汉语拼音字首，其后的第一组数字表示最低抗拉强度（MPa），第二组数字表示最小拉断后伸长率（%）。球墨铸铁通常用来制造受力较复杂、负荷较大和耐磨的重要铸件。（3）球墨铸铁的热处理因球状石墨对基体的割裂作用小，所以球墨铸铁的力学性能主要取决于基体组织，因此，通过热处理可显著改善球墨铸铁的力学性能。1）退火。2）正火。3）等温淬火。4）调质处理。4.可锻铸铁可锻铸铁是由一定化学成分的白口铸铁坯件经退火得到的具有团絮状石墨的铸铁。它的生产过程分两步：先浇注成白口铸铁，然后通过高温石墨化退火（也叫可锻化退火），使渗碳体分解得到团絮状石墨。（1）可锻铸铁的成分、组织和性能1）成分特点。2）组织特点。3）性能特点。（2）可锻铸铁的牌号及用途根据《可锻铸铁件》（GB/T9440—2010），常用两种可锻铸铁的牌号由“KTH+数字—数字”或“KTZ+数字—数字”组成。“KTH”、“KTZ”分别代表“黑心可锻铸铁”和“珠光体可锻铸铁”，符号后的第一组数字表示最低抗拉强度（MPa），第二组数字表示最小断后伸长率。可锻铸铁主要用来制作一些形状复杂而在工作中承受冲击振动的薄壁小型铸件。5.蠕墨铸铁蠕墨铸铁是在一定成分的铁液中加入适量的蠕化剂和孕育剂所获得的石墨形似蠕虫状的铸铁。生产方法与程序和球墨铸铁基本相同（只是加入的添加剂不同）。（1）蠕墨铸铁的成分、组织及性能（2）蠕墨铸铁的牌号及用途根据《蠕墨铸铁件》（GB/T26655-2022），蠕墨铸铁的牌号由“RuT+数字”组成，其中“RuT”表示是蠕墨铸铁，数字表示最小抗拉强度值（MPa）。各种牌号间的主要区别在于基体组织的不同。任务2钢的分类及其选用钢是对含碳量质量百分比介于0.02%至2.11%之间的铁碳合金的统称，通常将其与铁合称为钢铁。1.钢的分类钢的分类方法很多，从不同的角度可以将钢分成不同的种类。按化学成分可分为碳素钢和合金钢；按用途可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢；按质量可分为普通钢、优质钢和高级优质钢；按脱氧程度可分为镇静钢和沸腾钢。（1）按化学成分分类按照《钢分类第1部分按化学成分分类》（GB/T13304.1-2008），将钢分为非合金钢、低合金钢、合金钢三类。按照通常习惯，将钢分为碳素钢和合金钢。（3）按用途分类1）结构钢：工程结构用钢（碳素结构钢、低合金高强度结构钢）和机器零件用钢（渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等）。2）工具钢：根据用途不同，可分为刃具钢、模具钢和量具钢。3）特殊性能钢：如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。2.碳素钢碳素钢简称碳钢，是指ωC＜2.11%并含少量硅、锰、磷、硫等杂质元素的铁碳合金，碳钢广泛用于建筑、交通运输及机械制造工业中。（1）杂质元素的影响1）硅、锰的影响：都能溶于铁素体中，产生固溶强化作用。硅和锰在钢中都是有益元素。2）硫的影响：硫在钢中是有害元素。3）磷的影响：磷在钢中也是有害元素。硫和磷是钢中的有害元素，必须严格控制它们在钢中的含量。（2）碳钢的分类1）按用途分类：①碳素结构钢。主要用于制造工程结构件和机械零件，一般ωC在0.25～0.6%之间；②碳素工具钢。主要用来制造各种工具，一般ωC＞0.6%。2）按质量分类：①普通碳素钢：ωP≤0.05%，ωS≤0.045%；②优质碳素钢：ωP≤0.035%，ωS≤0.035%；③高级优质碳素钢：ωP≤0.030%，ωS≤0.030%。3）按钢水脱氧程度又可分为：①镇静钢，脱氧较完全，成分和性能较均匀，组织致密，应用广泛；②沸腾钢，脱氧不完全，成分不均匀，但成本较低；③半镇静钢，脱氧程度介于以上两种钢之间。（3）碳素钢的牌号、性能和用途1）碳素结构钢碳素结构钢中所含有害杂质硫、磷及非金属夹杂物较多，力学性能不高。2）优质碳素结构钢优质碳素结构钢中所含有害杂质元素较少，力学性能较好，故广泛用于制造较重要的机械零件。优质碳素结构钢又包括普通锰的质量分数钢（ωMn＜0.8%）和较高锰的质量分数钢（ωMn＝0.7～1.2%）两组。3）碳素工具钢碳素工具钢都是高碳钢，具有高的硬度、耐磨性，主要用来制造刀具、模具、量具。按质量分，碳素工具钢有优质和高级优质两种。4）碳素铸钢有些机械零件，例如水压机横梁、轧钢机机架、重载大齿轮等，因形状复杂，难以用锻压方法成型，又因力学性能要求较高，铸铁无法满足，故采用铸钢件。3.合金钢碳素钢虽然在工业上得到了广泛的应用，但还存在着淬透性低、强度低（特别是高温强度低），回火抗力差，不具有特殊的物理、化学性能等缺点。（1）合金元素在钢中的作用在一般的合金化理论中，按与碳相互作用形成碳化物趋势的大小，可将合金元素分为碳化物形成元素与非碳化物形成元素两大类。常用的合金元素有以下几种：非碳化物形成元素（Ni、Si、Al、Co、Cu、N、B）；碳化物形成元素（Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr）。（2）合金钢分类和牌号生产中使用的钢材品种繁多，为了便于生产、管理、选用和研究，有必要对钢加以分类和编号。1）合金钢的分类按照合金钢的主要用途、合金元素的质量分数和金相组织的不同，合金钢分为不同的类型。①按照合金钢的主要用途分类a.合金结构钢；b.合金工具钢；c.特殊性能钢②按照合金元素的质量分数分类a.低合金钢；b.中合金钢；c.高合金钢③按照金相组织来分类钢的金相组织随处理方法不同而异。按照牌号状态或退火组织可分为亚共析钢、共析钢、过共析钢和莱氏体钢；按正火组织可分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢及奥氏体钢。2）合金钢的编号为了管理和使用的方便，每一种合金钢都应该有一个简明的编号。世界各国钢的编号方法各不相同。钢编号的原则是根据编号可以大致看出该钢的成分和用途。我国合金钢牌号的命名原则是由钢中碳的质量分数（wC）、合金元素的种类和质量分数（wMe）的组合来表示。产品名称、用途、冶炼和浇注方法等用汉语拼音字母表示，具体的编号方法如下。①合金结构钢的编号合金结构钢编号的方法与优质碳素结构钢是相同的，都是以“两位数字+元素符号+数字+…”的方法表示。牌号首部用数字表示碳的质量分数，规定结构钢碳的质量分数以万分之几为单位；用元素的化学符号表明钢中主要合金元素，质量分数由其后面的数字标明，一般以百分之几表示。②合金工具钢的编号合金工具钢的牌号以“一位数字(或没有数字)＋元素＋数字＋…”表示。编号方法与合金结构钢大体相同，区别在于含碳量的表示方法，钢号前表示其平均含碳量的是一位数字，为其千分数，如果平均含碳量＜1.0%时，则在钢号前以千分之几表示它的平均含碳量；当含碳量≥1.0%时，则不予标出。如合金工具钢5CrMnMo，平均碳质量分数为0.5%，主要合金元素Cr、Mn、Mo的质量分数均在1.5%以下③特殊性能钢的编号特殊性能钢的牌号的表示方法与合金工具钢的表示方法基本相同，如不锈钢9Cr18表示钢中碳的平均质量分数为0.90%，铬的平均质量分数为18%。但也有少数例外，不锈钢、耐热钢在碳质量分数较低时，表示方法有所不同，若碳的平均质量分数小于0.03%及0.08%时，则在钢号前分别冠以“00”及“0”的数字来表示其平均质量分数，如0Cr18Ni9，00Cr17Ni14Mo2。④专用钢的编号专用钢是指某些用于专门用途的钢种。它是以其用途名称的汉语拼音第一个字母来表明此种钢的类型，以数字表明其碳质量分数；合金元素后的数字标明该元素的大致含量。（3）合金结构钢在碳素结构钢的基础上添加一些合金元素就形成了合金结构钢。合金结构钢具有较高的淬透性，较高的强度和韧性，用于制造重要工程结构和机器零件时具有优良的综合力学性能，从而保证零部件安全的使用。主要有低合金高强度结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和滚珠轴承钢。1）低合金结构钢低合金结构钢是在低碳碳素结构钢的基础上加入少量合金元素（总wMe<3%）而得到的钢。2）合金渗碳钢许多机械零件如汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件等工作条件比较复杂，这类零件在工作中承受强烈的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷，要求“内韧外硬”的性能，从而产生了合金渗碳钢。3）合金调质钢合金调质钢是指调质处理后使用的合金结构钢，广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其他机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。4）合金弹簧钢弹簧是广泛应用于交通、机械、国防、仪表等行业及日常生活中的重要零件，用来制造各种弹性零件如板簧、螺旋弹簧、钟表发条等的钢称为弹簧钢。5）滚动轴承钢用来制作各种滚动轴承零件如轴承内外套圈，滚动体（滚珠、滚柱、滚针等）的专用钢称为滚动轴承钢。（4）合金工具钢主要用于制造各种加工和测量工具的钢称工具钢。按其加工用途分为刃具、量具和模具用钢，按成分不同也可分为碳素工具钢和合金工具钢。在碳素工具钢的基础上加入一定种类和数量的合金元素，用来制造各种刃具、模具、量具等用钢就称为合金工具钢。与碳素工具钢相比，合金工具钢的硬度和耐磨性更高，而且还具有更好的淬透性、红硬性和回火稳定性。因此常被用来制作截面尺寸较大、几何形状较复杂、性能要求更高的工具。合金工具钢按用途可分为合金刃具钢、合金模具钢和合金量具钢。（5）特殊性能钢特殊性能钢是指具有特殊物理化学性能并可在特殊环境下工作的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢及低温用钢等。任务3铜与铜合金的分类及其选用除黑色金属以外的所有金属称为有色金属。与黑色金属相比，有色金属有许多优良的特性，例如铝、镁、钛等金属及其合金具有密度小，比强度（强度/密度）高的特点，在航空航天、汽车、船舶和军事领域中应用十分广泛；银、铜、金、铝等金属及其合金具有优良的导电性和导热性，是电器仪表和通信领域不可缺少的材料；钨、钼、钽、铌等金属及其合金熔点高，是制造耐高温零件及电真空元件的理想材料；钛及其合金是理想的耐蚀材料等。1.工业纯铜工业纯铜呈玫瑰红色，但容易和氧化合，表面形成氧化铜薄膜后，外观呈紫红色，故又称紫铜，也称红铜。纯铜具有面心立方晶格，无同素异晶转变。密度为8.9g/cm3，熔点为1083℃。导电性和导热性良好，导电性仅次于银居第二位，并具有抗磁性。工业纯铜中常含有微量的杂质元素，会降低纯铜的导电性，使铜出现“热脆”性和“冷脆”性。紫铜的用途比纯铁广泛得多，每年有50%的铜被电解提纯为纯铜，主要用于制作发电机、母线、电缆、开关装置、变压器等导电器材和热交换器、管道、太阳能加热装置的平板集热器等导热器材。2.黄铜黄铜是以Zn为主加元素的铜合金，黄铜按成分分为普通黄铜和特殊黄铜；按加工方式分为加工黄铜和铸造黄铜。（1）普通黄铜（铜锌二元合金）1）普通黄铜的代号及牌号普通黄铜中的加工黄铜，其代号由“H+数字”组成，其中“H”是“黄”字汉语拼音字首，数字是以名义百分数表示的Cu的质量分数。如H62表示Cu的平均质量分数为62%，其余为Zn的普通黄铜。2）Zn的质量分数的影响普通黄铜是铜锌二元合金，Zn的质量分数对黄铜的组织和性能的影响。（2）特殊黄铜特殊黄铜是在铜锌的基础上加入Pb、Al、Sn、Mn、Si等元素后形成的铜合金，并相应称之为铅黄铜、铝黄铜、锡黄铜等。它们具有比普通黄铜更高的强度、硬度、耐蚀性和良好的铸造性能。1）特殊黄铜的牌号加工特殊黄铜代号由“H+合金元素符号（Zn除外）+数字—数字”组成。其中“H”是“黄”字汉语拼音字首，第一组数字是以名义百分数表示的Cu的质量分数，第二组数字是以名义百分数表示的主添加合金元素的质量分数，有时还有第三组数字，用以表示其他元素的质量分数。如HSn62-1表示wCu≈62%，wSn≈1%，其余为Zn的加工锡黄铜。2）合金元素的影响Pb可改善切削加工性和耐磨性；Si可改善铸造性能，提高强度和耐蚀性；Al可提高强度、硬度和耐蚀性；Sn、Al、Si、Mn可提高耐蚀性，减少应力腐蚀破裂的倾向。3.青铜（1）青铜的分类和牌号除黄铜和白铜（以镍为主要添加元素的铜基合金，呈银白色）以外的其他铜合金称为青铜。常见的如锡青铜、铝青铜、铍青铜等。按生产方式，可分为加工青铜和铸造青铜。（2）锡青铜锡青铜的铸造收缩率很小，适于铸造外型及尺寸要求严格的铸件，但其流动性差，易于形成分散缩孔，不宜用作要求致密度较高的铸件。锡青铜对大气、海水与无机盐溶液有极高的抗蚀性，但对氨水、盐酸与硫酸的抗蚀性却不够理想。磷及含铝的锡青铜具有良好的耐磨性，适于用作蜗轮、齿轮、轴承和轴套材料。（3）铝青铜铝青铜具有可与钢相比的强度，它有着高的冲击韧度与疲劳强度、耐蚀、耐磨、受冲击时不产生火花等优点。任务4铝与铝合金的分类及其选用铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素。有很多人认为，铝是比较软的金属，只能用于生活用具中，不能制造重要的机械零件。但事实并非如此，铝合金具有高的比强度（强度与密度之比），即质量轻、强度高，被誉为“会飞的金属”，广泛应用于飞机、船舶、运输车辆、导弹、火箭、人造地球卫星等陆海空运载工具制造领域。1.工业纯铝工业上使用的纯铝呈银白色，具有面心立方晶格，无同素异构转变。熔点660℃，密度为2.7g/cm3，除Mg和Be外，Al是工程金属中最轻的。纯铝的导电性、导热性好，仅次于金（Au）、铜（Cu）和银（Ag）。纯铝因强度低，一般不作结构材料使用。适宜制作电线、电缆及对强度要求不高的用品和器皿。工业纯铝通常含有Fe、Si、Cu、Zn等杂质，是由于冶炼原料铁钒土带入的。杂质含量越多，其导电性、导热性、耐蚀性及塑性越差。纯铝按纯度可分为3种类型。（1）工业纯铝。纯度为98.0%～99.0%，牌号有L1、L2、L3、L4、L5、L6和L7。铝材用汉语拼音第一个字母“L”表示，数字越大，纯度越低。（2）工业高纯铝。纯度为98.85%～99.9%。牌号有L0和L00等，用于制造铝箔、包铝及冶炼铝合金的原料。（3）高纯铝。纯度为99.93%～99.99%，牌号有L01、L02、L03、L04等。数字越大，纯度越高，主要用于特殊化学机械、电容器片和科学研究等。2.铝合金向铝中加入适量的Si、Cu、Mg、Mn等合金元素，进行固溶强化和第二相强化而得到铝合金，其强度比纯铝高几倍，并保持纯铝的特性。（1）铝合金的分类二元铝合金一般形成固态下局部互溶的共晶相图，如图1-4-14。根据铝合金的成分和工艺特点，可把铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。1）变形铝合金。2）铸造铝合金。（2）铝合金的强化方法铝合金可以通过冷加工和热处理的方法进行强化，铝合金的种类不同，强化方法也不一样。1）不可热处理强化的形变铝合金。2）可热处理强化的形变铝合金。3.常用铝合金铝合金由于比强度高，用它代替某些钢铁材料，可减轻机械产品的质量，因此，铝合金在机械、电子、化工、仪表、航空航天等部门得到了广泛的应用。铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。（1）变形铝合金；（2）铸造铝合金任务5钛与钛合金的分类及其选用钛与钛合金是20世纪50年代出现的一种新型结构材料，具有质量轻、强度高、耐高温和抗腐蚀等其他金属所不具备的优异特点，是制造火箭、人造卫星、航天飞机和宇宙飞船等航天器件的理想材料，所以有“太空金属”之称。1.纯钛纯钛为银白色金属，密度为4.5lg/cm3，熔点为1677℃，热膨胀系数小、导热低、比强度高于铝合金及高合金钢。钛的塑性好、纯化能力强、稳定、抗氧化能力强。钛因熔点高被列为耐高温金属，同时可在低温下保持良好的韧性及塑性，是低温容器的理想材料。2.钛合金在工业纯钛中加入适量其它合金元素便形成了具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点的钛合金。按组织状态不同，可将钛合金分为α型钛合金、β型钛合金、α+β型钛合金。（1）α型钛合金α型钛合金的主要合金化元素有铝和锡。此类合金的α型钛向β型钛转变的温度较高，在室温或较高温度时均为单相α固溶体组织，在高温下强度最高，其组织稳定、焊接性良好、切削加工性好，对于高温和低温环境都有良好的耐腐蚀性，因此非常适合用于航空航天、海洋工程、生命医学等领域。（2）β型钛合金β型钛合金中主要加入铜、铬、钼、钒和铁等促使β相稳定的元素。β型钛合金可以通过淬火或时效进一步强化。这类合金具有良好的塑性，在540℃以下具有较高的强度，但其生产工艺复杂，合金密度大，故在生产中用途不多。（3）α+β型钛合金α+β型钛合金除含有铬、钼、钒等β相稳定元素外，还含有锡、铝等α相稳定元素，室温下为α+β两相组织，其强度、耐热性和塑性都比较好，并可以热处理强化，应用范围较广，如用于制造航天器、钛合金自行车、钛合金镜框、钛合金无缝管等。任务6稀土的分类及其选用稀土（RareEarth）是元素周期表中的镧系元素和钪、钇共十七种金属元素的总称。自然界中有250种稀土矿。最早发现稀土的是芬兰化学家加多林（JohnGadolin）。1794年，他从一块形似沥青的重质矿石中分离出第一种稀土元素“钇”（钇土，即Y2O3）。稀土是从18世纪末开始陆续发现，当时人们常把不溶于水的固体氧化物称为土，例如将氧化铝称为“陶土”，氧化钙称为“碱土”等。稀土一般是以氧化物状态分离出来的，当时比较稀少，因而得名为稀土。中国、俄罗斯、美国、澳大利亚等国稀土资源储量位居世界前列。稀土主要应用于石油、化工、冶金、纺织、陶瓷玻璃、永磁材料等领域，被誉为“工业味精”“工业维生素”和“新材料之母”，是珍贵的战略金属资源。1.稀土的分类稀土元素可以分为轻稀土、重稀土两大类，主要是以稀土氧化物的形式存在。（1）轻稀土轻稀土又称铈组，包括镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕和钆等八种稀土。（2）重稀土重稀土又称钇组，包括铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪和钇等九种稀土。称铈组或钇组，是因为矿物经分离得到的稀土混合物中，常以铈或钇占优势而得名。2.稀土的运用稀土的运用广泛，其产业链一般包括上下游5个环节：开采选矿→冶炼分离→材料制备→终端应用→循环回收。目前，我国是全球唯一具备稀土全产业链各类产品生产能力的国家，美西方稀土产业链的整体规模远低于我国，且其产业链均不完整并存在明显短板。（1）军事方面稀土有工业“黄金”之称，由于其具有优良的光电磁等物理特性，能与其他材料组成性能各异、品种繁多的新型材料，其最显著的功能就是大幅度提高其他产品的质量和性能。（2）冶金工业稀土金属或氟化物、硅化物加入钢中，能起到精炼、脱硫、中和低熔点有害杂质的作用，并可以改善钢的加工性能；稀土硅铁合金、稀土硅镁合金作为球化剂生产稀土球墨铸铁，由于这种球墨铸铁特别适用于生产有特殊要求的复杂球铁件，被广泛用于汽车、拖拉机、柴油机等机械制造业；稀土金属添加至镁、铝、铜、锌、镍等有色合金中，可以改善合金的物理化学性能，并提高合金室温及高温机械性能。（3）石油化工用稀土制成的分子筛催化剂，具有活性高、选择性好、抗重金属中毒能力强的优点，因而取代了硅酸铝催化剂用于石油催化裂化过程；在合成氨生产过程中，用少量的硝酸稀土为助催化剂，其处理气量比镍铝催化剂大1.5倍；在合成顺丁橡胶和异戊橡胶过程中，采用环烷酸稀土-三异丁基铝型催化剂，所获得的产品性能优良，具有设备挂胶少，运转稳定，后处理工序短等优点；复合稀土氧化物还可以用作内燃机尾气净化催化剂，环烷酸铈还可用作油漆催干剂等。（4）玻璃陶瓷稀土氧化物或经过加工处理的稀土精矿，可作为抛光粉广泛用于光学玻璃、眼镜片、显像管、示波管、平板玻璃、塑料及金属餐具的抛光；在熔制玻璃过程中，可利用二氧化铈对铁有很强的氧化作用，降低玻璃中的铁含量，以达到脱除玻璃中绿色的目的；添加稀土氧化物可以制得不同用途的光学玻璃和特种玻璃，其中包括能通过红外线、吸收紫外线的玻璃、耐酸及耐热的玻璃、防X-射线的玻璃等；在陶釉和瓷釉中添加稀土，可以减轻釉的碎裂性，并能使制品呈现不同的颜色和光泽，被广泛用于陶瓷工业。（5）农业方面研究表明，稀土元素可以提高植物的叶绿素含量，增强光合作用，促进根系发育，增加根系对养分吸收。稀土还能促进种子萌发，提高种子发芽率，促进幼苗生长。除了以上主要作用外，还具有使某些作物增强抗病、抗寒、抗旱的能力。大量的研究还表明，使用适当浓度稀土元素能促进植物对养分的吸收、转化和利用。2026年6月22日请指正《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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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5非金属材料及其选用非金属材料是除金属材料以外几乎所有的材料，主要有各类高分子材料（塑料、橡胶、合成纤维、部分胶粘剂等）、陶瓷材料（各种陶器、瓷器、耐火材料、玻璃、水泥及近代无机非金属材料等）和各种复合材料等。高分子材料、陶瓷、复合材料等非金属材料的发展，推动了科学和技术的快速迭代。任务1塑料的分类及其选用高分子材料也称为聚合物材料，是以高分子化合物为基体，再配有其他添加剂（助剂）所构成的材料。高分子材料按来源分为天然高分子材料和合成高分子材料：天然高分子材料是存在于动物、植物及生物体内的高分子物质，可分为天然纤维、天然树脂、天然橡胶、动物胶等；合成高分子材料主要是指塑料、合成橡胶和合成纤维三大合成材料，此外还包括胶黏剂、涂料以及各种功能性高分子材料。1.塑料的组成工程上所用的塑料，其成分都是以各种各样的合成树脂为基础，再加入其他添加剂制成的。（1）合成树脂；（2）添加剂2.塑料的分类塑料的品种繁多，分类方法也很多，在工业上常用的分类方法有以下两种：（1）按树脂在加热和冷却时所表现的性质分类按树脂在加热和冷却时所表现的性质，塑料分为热塑性塑料和热固性塑料两种。1）热塑性塑料。2）热固性塑料。（2）按使用范围分类通常分为工程塑料、通用塑料和特种塑料。1）工程塑料。2）通用塑料。3）特种塑料。3.塑料的成形方法塑料的成形是指将原材料制成具有一定形状和尺寸的塑料制品的工艺过程。塑料的成形方法较多，但工艺较简单。热塑性树脂加热可软化变形，经加压后即可成形。热固性树脂在加热成形时进行聚合反应，形成体形高分子结构而变硬。