机械工程材料（第六版）全套课件 第1-9章 金属的力学性能 -工程材料的选用

第一章金属的力学性能 课程主题：金属材料的主要力学性能、测试方法与工程意义《机械工程材料(第2版)》教学级演示大纲

硬度

冲击韧性与疲劳强度

强度与塑性0101020304了解金属材料力学性能的基本概念及工程意义掌握强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度的含义熟悉常用测试方法及主要评价指标能结合零件服役工况初步进行性能分析与选材判断对应起来，避免只记名词、不理解工程背景。学习本章时应将“概念一试验一指标一应用”教学提示本章导学与知识框架重点与难点教学目标不同性能指标之间的联系与区别；实验结果的工程解释

第一章金属的力学性能学习逻辑各力学性能的定义、指标、试验方法与适用场景1.1

强度与塑性1.

2

硬度本章结构性能概念

试验方法

指标计算/工程意义典型应用

冲击韧性与疲劳强度02难点符号1

强

度

：

抵抗塑性变形和断裂的能力2

塑

性

：断裂前产生塑性变形的能力3

硬

度

：

抵抗局部塑性变形或划痕的能力4

冲

击

韧

性

：抵抗冲击载荷的能力5

疲

劳

强

度

：抵抗交变载荷长期作用的能力在机械制造中，选材一般以力学性能为主要依据力学性能指标是进行强度计算和工程设计的重要基础金属材料性能概述3.

本章关注的主要力学性能选材时应结合载荷类型、工作环境、制造工艺综合考虑。1.

为什么要学习力学性能2.金属材料性能的分类不同零件的服役条件不同，

对力学性能的主次要求也不同。铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削加工性能

第一章金属的力学性能4.工程联系力学性能、物理性能、化学性能哈尔滨理工大学

·机械类课程教学使用正确、合理使用金属材料，必须了解其性能工艺性能使用性能031.1强度与塑性—拉伸试验基础塑性变形：去除外力后不能恢复原状的变形，也称永久变形强度与塑性通常通过拉伸试验测定将试样装夹在拉伸试验机上缓慢加载直至拉断

第一章金属的力学性能拉伸试验步骤典型变形阶段基本概念强化与缩颈阶段：达到最大拉力后局部收缩，最终断裂强度：金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力屈服阶段：载荷变化不大而变形明显增加04弹性阶段：卸载后可恢复原状由试验结果求强度与塑性指标记录力一伸长量曲线制备标准拉伸试样课堂提示：

设社零件时通常不允许出现明显塑性变形，因此屈服强度比抗拉强度更常作为工作应力的参考依据。强度的主要指标与工程意义主要指标

常用表示式

工程意义

金属材料的强度通常用应力表示，常见指标包括弹性极限、屈服强度和抗拉强度。屈强比越小，超载时安全储备通常越大；过小则材料强度利用率下降抗拉强度：抗拉强度反映材料承受最大均匀塑性变形的能力屈强比：

材料开始产生明显塑性变形时的应力；无明显屈服现象时常用规定塑性延伸强度

Rpo.2

表示

第一章金属的力学性能材料保持完全弹性变形时所能承受的最大应力试样拉断前所能承受的最大应力屈服强度是设计和选材的重要依据抗拉强度：弹性极限：屈服强度：010203105

塑性指标与材料成形能力

简释：Z

值受试样尺寸影响较小，更能反映材料真实塑性A或

Z

越大，通常表明材料塑性越好塑性是指金属材料在断裂前产生最大塑性变形的能力，常用断后伸长率和断面收缩率表示。断面收缩率

安全储备指标特征工程意义塑性的含义成形主要指标记忆关键词缩颈A

值与试样尺寸有关，使用时应注意试样标准第一章金属的力学性能试样断裂处横截面积减小的百分比0602延伸0断后伸长率试样断裂后标距长度增加的百分比020101020301塑性好的材料适于轧制、锻造、冲压等塑性成形02零件超载时可通过塑性变形避免突然断裂，提高安全性03但塑性过高也不等于强度高，需综合评价延伸颈缩成形安全储备方法符号/压头特点典型应用布氏硬度HBW,硬质合金球压头压痕大，结果稳定，适于测平均硬度

退火钢、铸铁、有色金属等洛氏硬度

HRA/HRB/HRC,不同压头和试验力操作简便、速度快、压痕小成品件、热处理件、淬火钢等维氏硬度HV,金刚石四棱锥压头试验力范围宽，适于薄层与表面硬度薄片、镀层、化学热处理层等

教学提示：

硬度试验设备简单、速度快，在生产现场应用非常广泛，常可由硬度大致估计材料强度与耐磨性。1.2硬度及其常用测试方法定义

硬度是材料抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量金属软硬程度的重要指标。第一章金属的力学性能07洛氏硬度试验原理洛氏硬度试验原理洛氏硬度试验原理温度对冲击吸收能量的影响1.3冲击韧性——抵抗冲击载荷的能力冲击吸收能量常作为选材时的重要参考量，但一般不直接用于强度计算。冲击韧性是金属在断裂前吸收变形能量的能力它反映材料抵抗冲击载荷破坏的能力在某一温度区间内，材料可能出现韧脆转变韧脆转变温度越低，低温抗冲击性能越好将标准缺口试样放在支座上，摆锤冲断试样以试样吸收的冲击能量作为评价指标

哈尔滨理工大学

·机械类课程教学使用冲击吸收能量越大，材料韧性通常越好冲击性能与温度密切相关

第一章金属的力学性能常用试验教学要点概念工程提示常用摆锤式一次冲击试验法08冲击试样、摆锤式冲击试验原理示意图疲劳强度——交变载荷下的失效问题在交变载荷长期作用下，材料会因局部累积损伤而产生裂纹并最终断裂疲劳断裂前往往无明显塑性变形，危险性较大交变应力与断裂前循环次数之间的关系称为疲劳曲线

(S-N

曲线)在规定循环基数下不发生断裂的最大应力称为疲劳强度钢铁材料的疲劳曲线提高疲劳强度的常用措施2.

疲劳曲线与疲劳强度工程上常规定：钢铁材料循环基数约为107,有色金属常取108哈尔滨理工大学

·机械类课程教学使用应力集中、表面粗糙度大组织状态与热处理质量第一章金属的力学性能许多轴、齿轮、连杆、弹簧等零件在交变应力下工作091.

疲劳的概念3.影响因素气孔、夹杂、微裂纹、表面划痕优化结构，减小应力集中降低表面粗糙度表面淬火表面滚压喷丸处理性能常用指标试验方法工程关注点强度屈服强度、抗拉强度拉伸试验是否能承受工作载荷塑性断后伸长率A、断面收缩率Z拉伸试验是否易于成形、超载是否安全硬度HBW、HRC、HV等压痕硬度试验软硬程度、耐磨性、现场检测便利性冲击韧性冲击吸收能量摆锤冲击试验抵抗冲击破坏与低温脆化能力疲劳强度疲劳极限/疲劳强度疲劳试验抵抗交变载荷长期作用的能力

课堂思考

1)为什么硬度试验在生产现场应用最广?

2)为什么疲劳断裂往往更危险?

3)对承受冲击和低温工作的零件，应重点关注哪些性能?

本章核心结论 力学性能是机械零件选材与设计的基础不同性能对应不同载荷形式与失效模式

选材时必须结合工作条件、工艺要求和成本综合分析本章总结与课堂思考建议课后结合教材习题与典型零件实例进行巩固。 第一章金属的力学性能哈尔滨理工大学

·机械类课程教学使用10010203金属的晶体结构与结晶本章围绕金属的晶体结构、结晶规律与铁碳合金相图展开。重点理解结构一组织一性能之间的内在联系。机械工程材料(教学演示大纲)第2章结合教材图示进行教学讲解。

铁碳合金相图本章导语本章结构01金属的晶体结构机械工程材料金属的结晶晶胞

晶格

结晶2.1

金属的晶体结构

多晶体结构

纯金属的实际晶体结构合金的晶体结构本节重在建立“原子排列一结构特征—性能变化”的认识链条。课堂讲解宜结合教材图2-1至图2-11逐步展开。掌握体心立方、面心立方、密排六方三种常见晶格类型。认识多晶体、晶界及晶体缺陷对性能的影响。02为后续学习金属结晶与铁碳合金相图建立结构基础。学习目标本节内容理解晶体、非晶体、晶格、晶胞等基本概念。知识框架与学习目标机械工程材料纯金属的晶体结构教学提示简单立方晶格与晶胞示意图②

非晶体：原子无规则堆积，无固定熔点，通常表现为各向同性；③

晶体结构：原子在晶体中规则排列的方式；

1.晶体与非晶体、晶格与晶胞本页重在区分“真实原子排列”与“抽象几何描述”两层含义。建议结合教材原图讲解长程有序、晶格、晶胞三者关系。晶体：原子按一定几何规律作长距离、周期性重复排列，称为长程有序；晶格：用结点和连线抽象表示原子规则排列的空间几何图形；晶胞的大小与形状通常由晶格常数a、b、c与夹角α、β、γ描述。

教学提示03晶格中的平面称晶面，结点组成的空间方向称晶向。核心概念知识延伸晶胞：构成晶格的最基本几何单元。基本概念建立机械工程材料晶格类型结构特征致密度工程认识体心立方(BCC)原子位于8顶角+体心68%强度较高面心立方(FCC)8顶角+6面心74%塑性较好密排六方(HCP)六方最密堆积74%结构各向性较明显

教学提示

晶格类型与晶格常数变化会引起金属体积及物理、化学、力学性能变化。2.常见晶格类型晶格常数

a=b=c;代表金属：α-Fe、Cr、W、Mo、V

原子排列致密；代表金属：γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag六方柱晶胞；代表金属：Mg

、Zn

、Be

、α-Ti04对比归纳机械工程材料体心立方

面心立方

密排六方

晶格类型

结构特征

致密度

工程认识晶界：相邻晶粒之间的界面。由于多晶体由许多位向不同的晶粒组成，其性能可近似看作各晶粒平均性能，因此宏观上常表现为各向同性。3.多晶体结构多晶体：由许多位向不同的小晶体组成，实际金属材料一般均为多晶体。显微镜下观察到的晶粒形态、大小与分布称为显微组织或金相组织。教学提示

本页应强调“单晶体各向异性”与“多晶体宏观各向同性”的区别。

钢铁晶粒一般较小，有色金属晶粒通常较大。05单晶体：晶体内部晶格位向完全一致，具有各向异性。核心内容晶粒尺寸越细小，通常强度、塑性和韧性越高。晶粒、晶界与各向同性工程认识晶粒：位向基本一致、外形不规则的小晶体。机械工程材料4.

纯金属的实际晶体结构置换原子：外来原子取代晶格结点上的原子。

空位：晶格中某些结点未被原子占有而形成的缺陷。晶体缺陷是实际金属性能区别于理想晶体的重要原因之一。间隙原子：原子不占据正常结点，而出现在晶格间隙中。影响与意义点缺陷类型点缺陷会使周围原子靠拢或撑开，造成晶格畸变。06晶体缺陷

晶格畸变

强化效应晶格畸变会使金属强度、硬度、电阻率增加，而塑性、韧性下降。关键词机械工程材料点缺陷点缺陷示意图最常见的是位错，其中刃型位错是较典型的一种。位错附近原子发生错排并形成晶格畸变，上方附近受压应力、下方附近受拉应力。4.纯金属的实际晶体结构位错的存在及其数量对金属力学性能影响很大，是塑性变形理论的重要基础。ρ

为位错密度，l

为位错线总长度，

V

为晶体体积经冷变形后位错密度显著增加，金属强度明显提高。07线缺陷是指在晶体中呈线状分布的一类缺陷。基本概念退火状态下位错密度低，强度较低。位错密度工程认识线缺陷

—

—

位错机械工程材料刃型位错示意图晶粒—亚晶粒一亚结构大角度晶界术语提示小角度晶界晶界：相邻晶粒位向不同，其交界处原子排列不规则，属于不同位向的过渡区。亚晶界：相邻亚晶粒之间的界面，通常由一系列刃型位错组成，位向差较小。4.纯金属的实际晶体结构面缺陷是指在晶体中呈面状分布的一类缺陷，常见的有晶界和亚晶界。面缺陷附近同样存在晶格畸变，会提高金属强度、硬度并降低韧性。面缺陷——晶界与亚晶界核心内容08机械工程材料亚晶界的结构晶界的过渡结构

教学提示

建立“组元一相一组织”三层认识框架。2.1.2合金的晶体结构合金：由两种或两种以上金属元素，或金属与非金属元素组成的、具有金属特性的新物质。相：在纯金属或合金中，化学成分、晶体结构和物理性能均相同，并与其他部分以界面分开的均匀组成部分。组织：用金相观察方法看到的各相晶粒的形态、数量、尺寸和分布方式。09合金系：由给定组元按不同比例配制出的一系列不同成分合金。合金的基本相固溶体金属化合物基本概念组元间相互作用形成、具有独特结构的新相基本概念与基本相组元：组成合金最基本、独立的物质。组元间相互溶解形成的新相机械工程材料

合金概念及组织

固溶强化溶质原子溶入晶格后引起晶格畸变，增大变形抗力，使强度和硬度提高，这一现象称为固溶强化。固溶体是指合金在固态下，组元间能相互溶解而形成的新相。与固溶体晶格类型相同的组元称为溶剂，其他组元称为溶质。按溶质原子在溶剂晶格中所占位置不同，可分为置换固溶体与间隙固溶体。2.1.2合金的晶体结构置换固溶体：溶质原子占据部分溶剂结点位置形成，如铜镍合金。间隙固溶体：溶质原子进入晶格间隙形成，多见于C、N、H、B等小原子。

固溶强化是提高合金力学性能的重要途径之一。两类固溶体固溶体与固溶强化固溶体10机械工程材料基本相晶体结构特点典型性能铁素体(F/α)体心立方(BCC)溶碳能力低，塑性好强度低、硬度低、韧性好奥氏体(A/γ)面心立方(FCC)溶碳能力高，塑性好强度较低、塑性韧性好渗碳体(Fe3C)金属化合物含碳量固定，硬而脆硬度高、塑性和韧性极差掌握三种基本相的结构与性能，是后续分析珠光体、莱氏体和铁碳相图的基础。教学提示铁碳合金中，铁与碳在固态下相互作用可形成固溶体和金属化合物。不同基本相的晶格类型、溶碳能力和力学性能差异明显，是理解钢铁组织与性能的基础。2.3.1铁碳合金的基本相图11-1

铁素体显微组织图11-2奥氏体显微组织图11-3渗碳体示意图主要基本相包括：铁素体、奥氏体、渗碳体。2

三种基本相概述

3

渗碳体图示1

核心内容11机械工程材料课堂结论

三种基本相中，铁素体最软，渗碳体最硬，奥氏体塑性最好。铁素体、奥氏体与渗碳体图12-1

铁素体显微组织图12-2奥氏体显微组织图12-3渗碳体形态示意渗碳体

(Fe3C)铁素体

(F/

a)奥氏体

(A/

y)常以片状、网状或颗粒状与其他相共存。是钢铁材料中的重要强化相。属于α-Fe中溶入少量碳形成的固溶体。晶格类型：体心立方。属于γ-Fe中溶入碳形成的固溶体。晶格类型：面心立方。性能：强度、硬度低，塑性和韧性好。性能：塑性、韧性好，适于热加工。性能：硬度极高，但非常脆。显微组织呈明亮多边形晶粒。铁与碳形成的金属化合物。溶碳能力明显高于铁素体。含碳量固定，结构稳定。高温下稳定存在。最大溶碳量很低。12·判断不同含碳量合金在不同温度下的相组成。分析冷却与加热过程中的组织转变规律。

为选材、铸造、锻造、焊接和热处理提供依据。相图作用铁碳合金相图表示在平衡条件下，铁碳合金的状态、成分与温度之间的关系。该相图又称

Fe-Fe3C相图，是研究钢和白口铸铁组织转变的重要工具。相图定义学习要求：

先整体认识相图的结构，再逐步理解特性点、特性线及典型合金的冷却过程。铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体重点组织含碳量(C,wt.%)横坐标温度(℃)纵坐标2.3.2铁碳合金相图可后续自行插入教材中的相图图片13特性线名称含义ACD液相线其上合金处于液态AECF固相线缓冷到此线全部结晶为固相ECF共晶线发生共晶转变，形成莱氏体PSK共析线发生共析转变，形成珠光体GSA3线奥氏体析出铁素体开始线SEAcm线奥氏体析出二次渗碳体开始线PQ固溶度线α-Fe中碳溶解度变化特性点温度/℃

含义A1538纯铁熔点C1148共晶点D1227渗碳体熔点E1148碳在奥氏体中的最大固溶度G912α-Fe→

γ-Fe转变点S727共析点P727碳在α-Fe中的最大固溶度附近特征点教学提示

特性点和特性线是分析组织转变过程的关键，考试与课堂提问中常作为重点。Fe-Fe3C相图中的特性点与特性线

主要特性点

主要特性线相图局部示意14组织特征与性能珠光体为层片状组织，由铁素体与渗碳体交替组成。组织较细密，强度、硬度高于铁素体，塑性低于铁素体。共析钢性能较均衡，具有一定强度和塑性。图15-2

珠光体显微组织共析转变：A→

P(F+Fe3C)①

高于液相线：全部为液相L。②

冷却结晶：液相逐渐转变为奥氏体A。③

到

727℃:奥氏体发生共析转变。④

转变产物：珠光体P(由铁素体+渗碳体组成)。共析钢的冷却过程与室温组织

共析钢定义冷却过程是分析铁碳相图最典型的钢种。室温组织为珠光体。含碳量约0.77%。15含碳量：

0.0218%～0.77%。冷却时先从奥氏体中析出铁素体，随后剩余奥氏体发生共析转变形成珠光体。随含碳量增加：珠光体增多，铁素体减少。

室温组织：铁素体+珠光体。亚共析钢过共析钢含碳量：0.77%～2.11%。冷却时先从奥氏体中析出二次渗碳体，随后剩余奥氏体发生共析转变形成珠光体。室温组织：珠光体+二次渗碳体。随含碳量增加：二次渗碳体增多，珠光体相对减少。钢种先析出相室温组织性能特点亚共析钢铁素体铁素体+珠光体塑性较好，强度适中过共析钢二次渗碳体珠光体+二次渗碳体硬度高，塑性较差随含碳量升高，钢的硬度总体增大，而塑性、韧性下降。亚共析钢与过共析钢16

钢种

先析出相

室温组织

性能特点组织中含有大量渗碳体，硬度高、脆性大，通常难以切削加工。白口铸铁的含碳量范围约为

2.11%～6.69%。白口铸铁的分类与组织

过共晶白口铸铁

17含碳量变化组织变化性能趋势低碳钢铁素体较多塑性好、强度较低中碳钢珠光体增多强度与塑性较均衡高碳钢渗碳体增多硬度高、塑性差

工程上常将钢的含碳量控制在约1.3%以下，以兼顾强度、塑性和加工性能。强度和硬度总体先升高；当碳含量过高时，因网状渗碳体出现，强度可能下降。

含碳量对铁碳合金组织与性能的影响钢中珠光体随含碳量增加而增多，至共析成分时全部为珠光体。当含碳量继续升高，二次渗碳体开始出现并沿晶界分布。图18-1含碳量对组织和力学性能的影响曲线随含碳量增加，铁素体减少，渗碳体增多。塑性和韧性随含碳量增加而持续下降。变化规律18含碳量对钢组织和力学性能的影响

·

Fe-Fe3C

相图反映的是平衡状态。·实际生产中的加热和冷却速度较快，组织转变可能偏离平衡相图。·其他合金元素也会改变实际相变行为。课堂建议：

将相图知识与后续热处理内容结合理解。·相图可用于确定浇注温度和分析

铸造性能。·共晶成分附近的铸铁熔点低、流动性好、铸造性能优良。·相图可为退火、正火、淬火、回火等工艺确定加热温度提供依据。·是理解热处理组织转变的基础工具铁碳相图的工程应用低碳钢适合要求塑性和韧性的零件；高碳钢适合耐磨工具。·

依据成分一组织一性能关系合理选用钢铁材料。

钢加热到奥氏体区后塑性改善，更适于锻造。·含碳量越高，焊接性通常越差。锻造与焊接使用注意4

热处理2

铸造选材19温度219

金属材料的内部结构决定其性能，晶体结构是理解金属性能的基础。

常见晶格类型包括体心立方、面心立方和密排六方。

实际晶体中存在点缺陷、线缺陷和面缺陷，它们会影响材料性能。金属结晶过程包括形核与长大，晶粒细化有利于提高综合力学性能。铁碳合金相图是分析钢和白口铸铁组织、性能及工艺的核心工具。建议：复习教材中的相图、典型组织图片与习题，形成“成分一组织—性能—工艺”的完整链条。共析钢、亚共析钢、过共析钢的室温组织分别是什么?为什么铁碳相图在热处理工艺设计中具有重要意义?为什么实际多晶体材料通常表现为各向同性?过冷度增大为什么有利于细化晶粒?本章总结与思考题亚共析钢、共析钢、过共析钢白口铸铁分类铁素体、奥氏体、渗碳体珠光体、莱氏体本章总结重点回顾课后思考题共晶转变与共析转变20

本章总结与思考3.1金属的塑性变形3.2

冷塑性变形对金属组织和性能的影响3.3

冷塑性变形后的金属在加热时组织和性能的变化3.4金属的热变形加工教学提示：本章是理解塑性加工、组织演变与性能变化关系的重要基础。第3章金属的塑性变形与再结晶理解滑移、孪生与位错运动等塑性变形基本机制掌握冷塑性变形对组织与性能的影响图3-0塑性加工与组织演变示意

(可插入塑性变形过程与组织演变的示意图)机械工程材料课程教学演示内容框架学习目标认识回复、再结晶与晶粒长大的基本规律机械工程材料课程教学演示了解热变形加工及其工程意义1金属塑性变形的基本概念实现零件成形制造，满足工程结构与功能要求；通过控制变形过程调控组织性能；研究塑性变形规律有助于改进工艺、提高产品质量和合理选材。塑性变形是材料在外力作用下产生的永久变形，卸载后不能完全恢复；教学提示：塑性变形强调材料在保持连续性的前提下发生永久变形。第3章《金属的塑性变形与再结晶》2是锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压等塑性加工的基础；既可获得所需形状和尺寸，又会引起组织与性能变化；优化工艺参数与材料选择，降低成本并提升质量。工程意义学习目标机械工程材料课程教学演示图3-1常见塑性加工方式示意教

学

提

示

：掌握滑移的基本概念、发生条件和重要意义，为后续学习多晶体塑性变形奠定基础。单晶体的塑性变形——滑移滑移通常沿原子排列最紧密的晶面和晶向进行理解滑移的定义、条件及其在金属塑性变形中的主导作用。

图3-2单晶体在切应力作用下的变形示意图正应力主要引起弹性伸长，切应力超过滑移抗力时引起滑移；滑移是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向发生相对滑动；机械工程材料课程教学演示3课堂要点单晶体塑性变形的基本方式为滑移和孪生；学习目标机械工程材料课程教学演示滑移是金属塑性变形的主要方式。图3-1

单晶体滑移示意图图3-3滑移面示意图图3-4刃型位错运动时原子的位移4核心认识位错易动性是金属易于发生塑性变形的重要原因。4滑移的微观机制——位错运动

当位错密度增大并相互作用时，会阻碍位错运动，从而使强度和硬度提高。

位错前进时只有少数原子发生小位移，因此所需切应力较小；实际滑移并不是整个滑移面上的原子整体刚性移动，而是通过位错沿滑移面的移动来实现；机械工程材料课程教学演示少量位错的存在使金属更容易发生塑性变形；学习要点机械工程材料课程教学演示图3-6孪生示意图5滑移与孪生比较对比项目滑移孪生位移特征原子沿滑移面、滑移方向整体位移一部分晶体相对另一部分发生剪切位移位向变化不发生位向变化发生位向变化(形成镜面对称)临界切应力较低通常高于滑移5孪生变形及其特点产生切变的部分称为孪晶，孪生面两侧的晶体形成镜面对称关系；孪生时晶体位向发生变化，而滑移时晶体位向不发生变化；孪生所需临界切应力通常高于滑移，因此往往在滑移不易进行时才显著发生。产生切变的部分称为孪晶，孪生面两侧的晶体形成镜面对称关系；孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向发生剪切变形；孪生所需临界切应力通常高于滑移，因此往往在滑移不易进行时才显著发生。孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一一定晶面和晶向发生剪切变形；孪生时晶体位向发生变化，而滑移时晶体位向不发生变化；机械工程材料课程教学演示机械工程材料课程教学演示关键要点回

定

义教

学

提示

：细晶粒通常有利于提高强度，并兼顾塑性与韧性。多晶体的塑性变形图3-7由两个晶粒组成的金属试样在拉伸时的变形示意(可插入晶粒变形、位错传递与晶界作用的示意图)晶界阻碍位错运动，使多晶体金属的滑移抗力通常大于单晶体；由于晶界存在以及各晶粒位向不同，各晶粒受力状态和变形先后并不相同；多晶体变形过程中既有晶内滑移，也有晶间相对滑移与晶粒转动；软位向晶粒先发生滑移，硬位向晶粒在受力与转动后也会参与变形；机械工程材料课程教学演示6主要内容晶粒越细小，晶界越多，强度一般越高。多晶体塑性变形的方式仍然是滑移和孪生；机械工程材料课程教学演示7冷塑性变形对组织与性能的影响教

学

提

示

：冷变形既可强化材料，也会降低塑性并增加后续加工难度。图3-8～图3-10冷变形影响相关示意图7机械工程材料课程教学演示冷塑性变形不仅改变金属外形，还会使晶粒形状、晶粒被拉长沿变形方向取向，性能趋于各向异性。晶粒在特定取向上优先生长，产生织构各向异性。位错密度显著增加，材料强度和硬度提高。变形不均匀导致内部自平衡应力，影响后续加工和使用。产生冷变形强化(加工硬化)机械工程材料课程教学演示位错密度和内部应力状态发生变化。形成纤维组织形成形变织构产生残余应力(择优取向)②③①概述O8教

学

提

示

：各向异性是指材料在不同方向上表现出不同的力学性能。

产生塑性变形时，随着金属外形被拉长或压扁，晶粒也会相应拉长或压扁； 当变形量较大时，晶粒会被拉长成细条状或

纤维状，形成纤维组织；形成纤维组织与各向异性

纵向(沿纤维组织方向)的强度和塑性通常机械工程材料课程教学演示形成纤维组织后，材料性能具有明显方向性；图3-8变形前后晶粒形状的变化示意图机械工程材料课程教学演示(可插入变形前后晶粒对比示意图)要点内容高于横向。9冷变形强化(加工硬化)

随着变形程度增加，强度和硬度提高，而塑性和韧性下降。可用于强化金属、提高耐磨性；但会降低后续塑性加工能力，必要时需安排中间退火。位错之间及位错与其他缺陷的相互作用会阻碍位错运动，使变形抗力增大；随变形量增加，位错堆积、亚晶界增多、位错密度增大；机械工程材料课程教学演示金属塑性变形时，晶粒外形和内部结构都会发生变化；9生产意义核心机制机械工程材料课程教学演示图3-9冷塑性变形对低碳钢性能的影响过渡提示：后续内容将进一步讨论回复、再结晶及退火过程对加工硬化和残余应力的消除作用。1010形变织构与残余应力板材冲压时可能导致变形不均匀，出现“制耳”现象；在某些场合也可被利用，如提高硅钢片的磁性能。变形量很大时，各晶粒位向会逐渐沿变形方向趋于一致，形成形变织构；①

形变织构(择优取向)合理利用表面残余压应力(如喷丸、表面滚压)可提高疲劳强度。残余应力可能降低强度、耐蚀性和尺寸稳定性，也可能引起变形；②

残余应力残余应力是指去除外力后残留在金属内部的应力；机械工程材料课程教学演示形变织构会使金属性能表现出明显各向异性；机械工程材料课程教学演示主要来源于材料内部变形不均匀；图3-10冲压件的制耳示意图3-11

冷变形金属在加热时组织和性能变化示意图教学提示：

回复阶段以消除残余应力和改善稳定性为主，但不能完全消除加工硬化。11残余应力显著降低，物理和化学性能基本恢复；显微组织尺寸变化不明显，位错密度未显著降低，力学性能变化较小。11回复阶段冷塑性变形后的金属在加热初期，原子仅能进行短距离扩散；空位向表面、晶界或位错处迁移，晶格畸变减轻；利用回复可进行低温去应力退火，在保留较高强度的同时降低残余应力；黄铜深冲件、冷拔钢丝弹簧等常采用去应力退火稳定尺寸和形状。机械工程材料课程教学演示的基本概念工程应用机械工程材料课程教学演示图3-13再结晶温度与冷变形度的关系图3-12再结晶示意图教学提示：

再结晶是消除冷变形强化、恢复塑性的重要途径。12T

再≈(0.35～0.40)T

(热力学温度)最低再结晶温度(纯金属)常近似为继续升高温度后，变形晶粒内开始形成新的无畸变等轴晶粒并长大；再结晶使被拉长、压扁和破碎的晶粒转变为均匀细小的等轴晶；12再结晶再结晶后强度、硬度明显下降，塑性、韧性显著提高；机械工程材料课程教学演示定义与特点再结晶不改变晶格类型，因此不是相变过程。机械工程材料课程教学演示13再结晶温度及其影响因素生产中退火温度通常选在最低再结晶温度以上适当范围，以缩短周期并保证塑性恢复。金属纯度越高，再结晶温度越低；少量杂质和合金元素会提高再结晶温度；加热速度提高会使实际再结晶温度升高；延长保温时间则有利于在较低温度下完成再结晶。教学提示：预先变形度、纯度和加热制度，是控制再结晶行为的三大关键因素。机械工程材料课程教学演示预先变形度越大，冷变形储能越高，再结晶开始温度越低；当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值；主要规律胆工程认识再结晶退火常作为冷加工中的中间退火工序；图3-13再结晶温度与变形度关系曲线机械工程材料课程教学演示1314再结晶后晶粒大小与晶粒长大加热温度越高、保温时间越长，晶粒越容易长大；当变形度处于临界变形度附近时，再结晶后易得到粗大而不均匀的晶粒，生产中应尽量避开。称为二次再结晶。

图3-15

晶粒长大示意图再结晶退火后晶粒大小主要受加热温度、保温时间及退火前变形度影响；再结晶完成后，若继续升温或长时间保温，晶界继续迁移，晶粒逐渐粗化；教

学

提

示

：细小均匀的再结晶晶粒有利于获得较好的综合力学性能。若原始变形不均匀，可能发生局部晶粒异常长大，机械工程材料课程教学演示晶粒长大图3-14再结晶退火时晶粒大小与变形度的关系影响因素机械工程材料课程教学演示14热变形(热加工)冷变形(冷加工)划分依据再结晶温度以上再结晶温度以下变形抗力较小较大组织状态变形强化被回复与再结晶抵消只发生加工硬化表面质量易氧化，尺寸精度较低精度高，表面质量好工艺特点变形量大，连续加工能力强变形量受限，常需中间退火典型工艺热锻、热轧冷轧、冷拔、冷冲压教学提示：

热加工与冷加工的划分标准是再结晶温度，而不是绝对温度高低。15热变形与冷变形机械工程材料课程教学演示15机械工程材料课程教学演示图3-16热加工与冷加工示意图16热变形加工对组织和性能的影响坯料质量的重要手段。

图3-15钢锭在热轧过程中的组织变化热变形可压合铸态金属中的缩松、气孔和微裂纹，提高致密度与力学性能；热变形可碎化铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，使晶粒细化；在热轧、热锻过程中，夹杂物沿变形方向分布，形成具有方向性的锻造流线；教学提示：

热加工既改善内部缺陷，又为后续成形和热处理提供良好组织基础。表3-

2

铸态与锻态性能比较(占位)机械工程材料课程教学演示16热加工后的组织和性能通常优于铸态组织，是改善主要影响可后期插入碳钢铸态与锻态力学性能对比表机械工程材料课程教学演示图3-16不同方法制成的齿轮流线分布示意图教学提示：

合理利用流线，是锻件设计和工艺制定中的重要原则。

17经再结晶后晶粒形状可改变，但夹杂形态与分布仍沿变形方向保留，形成锻造流线(纤维组织、流纹);

流线使材料性能产生方向性：平行流线方向塑性和韧性较高，垂直流线方向较低，强度差异相对较小；17锻造流线及其方向性锻造流线不能靠热处理消除，只能通过再次塑性变形改变其形状和方向。热变形时，塑性夹杂沿主要伸长方向被拉长，脆性夹杂呈碎粒状或链状分布；流线分布应尽量与零件外形轮廊相符合，避免被切断。机械工程材料课程教学演示零件最大正应力方向宜与流线方向平行；最大切应力方向宜与流线方向垂直；锻造流线机械工程材料课程教学演示设计原则1818流线与典型零件设计若采用局部镦粗后再机加工或模锻成形，可使流线沿齿形合理分布，轮齿强度和使用寿命提高；采用锻造成形可使曲轴流线与外轮廓相符，

最大拉应力方向与流线方向更协调，不易断裂。曲轴若由型材直接切削制成，轴肩等危险部位易因流线被切断而开裂；齿轮若由棒料直接切削而成，流线被切断，齿根受力方向与流线不协调，寿命较低；教学提示：零件受力状态与流线方向相匹配，是提高疲劳寿命的重要途径。典型实例分析机械工程材料课程教学演示机械工程材料课程教学演示图3-17曲轴流线分布示意图图3-16齿轮流线分布示意图教学提示：热加工重在改善组织和提高成形能力，冷加工重在精度、表面质量和强化效果。1919热加工与冷加工的综合比较

设备与能耗

组织性能

工艺配合

应用对象:热加工适合大型坯料和大变形场景，冷加工适合板材、线材、薄壁件和小型精密件。①

成形能力②

表面与尺寸:冷加工过程中常需中间退火；

热加工后常配合正火、退火等热处理热轧/热锻工艺示意(占位)

冷轧/冷拔/冲压工艺示意(占位):热加工有利于改善铸态缺陷，冷加工有利于提高强度硬度机械工程材料课程教学演示综合比较机械工程材料课程教学演示:热加工变形抗力较低，冷加工需较大设备能力:冷加工精度和表面质量更好:热加工大，冷加工相对有限

多晶体塑性变形受晶界和晶粒位向影响，细晶粒

一般具有更高强度；

冷塑性变形会引起纤维组织、加工硬化、形变织构和残余应力；

冷变形金属加热后依次经历回复、再结晶和晶粒

长大等过程； 热变形加工可细化组织、改善铸态缺陷并形成流线，应在零件设计中合理利用。图3-17流线与组织演变综合示意图教学提示：

本章核心是“变形一组织一性能”之间的内在联系。20本章小结与思考①

单晶体塑性变形的基本方式是滑移和孪生，滑移主要通过位错运动实现；

冷变形强化的利与弊分别是什么?再结晶与相变有何本质区别?本章小结机械工程材料课程教学演示为什么位错易动性使金属更容易发生塑性变形?机械工程材料课程教学演示思考题设计锻件时为什么要重视流线方向?204.1

钢在加热与冷却时的组织转变4.2

钢的退火与正火4.3

钢的淬火与回火4.4

钢的表面热处理与化学热处理(后续)本章建议按“组织转变规律

→

工艺方法→

工程应用”主线理解。教学提示第4章钢的热处理理解钢在加热与冷却时的组织转变规律；掌握退火、正火、淬火、回火等基本工艺；认识淬透性及其工程意义。热处理定义：

通过加热、保温、冷却改变钢的组织与性能，是机械制造中最重要的强化与

预处理手段之

一。奥氏体如何形成?过冷奥氏体会转变成哪些组织?不同热处理工艺各适用于

哪些零件?奥氏体转变；C曲线与连续冷却；马氏体、贝氏体、珠光体组织；淬火与回火工艺选择。机械工程材料课程教学演示大纲本章内容结构1/30本章导学图4-

1热处理工艺曲线/章节示意图机械工程材料(第2版)学习重点与难点：(后续补图)学习目标：核心问题：图4-12片状珠光体形成示意图(后续补图)图4-14托氏体显微组织(后续补图)图4-13索氏体显微组织(后续补图)小结提示：组织越细，通常综合性能越优。4.1

珠光体类组织的形成与性能片层间距越小，相界面越多，强度和硬度越高；同时细薄渗碳体更易协调变形，塑性和韧性也可有所提高。随过冷度增大，片层间距减小，珠光体逐渐细化，依次可得到珠光体、索氏体、托氏体。珠光体片层较粗；索氏体更细；托氏体极细，常需更高放大倍数观察。奥氏体在较2高等温温度下发生扩散型相变，最终形成铁素体与渗碳体片层相间的珠光体。8/30珠光体、索氏体、托氏体知识要点机械工程材料(第2版)组织细化规律：显微识别要点：珠光体转变：性能变化：②③④①图4-6加热速度对奥氏体形成的影响(后续补图)图4-5共析钢奥氏体形成过程示意图(后续补图)保温不仅为了“热透”,更为了获得成分均匀的奥氏体。教学结论4.1

奥氏体的形成过程随着铁、碳原子扩散，相邻铁素体晶格改组为奥氏体晶格，奥氏体不断长大。残余渗碳体完全溶解后，奥氏体中碳浓度仍不均匀；当铁素体基本消失后，仍有部分渗碳体未溶解；加热温度越高、加热速度越快，形成速度越快；原始组织越细，相界面越多，奥氏体形成越快。1

奥氏体晶核的形成和长大：奥氏体优先在铁素体与渗碳体相界面处形核；3

奥氏体成分均匀化：继续保温后，残余渗碳体逐渐溶入奥氏体。4/304

影响奥氏体形成的因素：继续保温依靠碳扩散使成分均匀。形成阶段与影响因素2

残余渗碳体溶解：机

械

工

程

材

料

(

第

2

版

)图4-15上贝氏体组织示意/显微组织

(后续补图)图4-16下贝氏体组织示意图

(后续补图)图4-17下贝氏体(后续补图)显微组织上贝氏体实用价值较低；下贝氏体是重要强化组织。小结4.1

贝氏体转变及其组织性能下贝氏体——形成温度较低，常呈针片状或竹叶状，碳化物细小弥散，综合力学性能优良。上贝氏体——形成温度较高，常呈羽毛状，脆性较大；过冷奥氏体在珠光体区与马氏体区之间的温度范围内转变，可形成贝氏体。下贝氏体具有较高强度、硬度和较好的

塑韧性配合，常通过贝氏体等温淬火获得。贝氏体转变属于半扩散型相变，碳原子可扩散而铁原子基本不扩散。9/30上贝氏体与下贝氏体机械工程材料(第2版)贝氏体转变温区组织分类工程认识相变特点1图4-4

加热与冷却时相变点偏移示意(后续补图)图4-3钢的相变点在Fe-Fe3C相图上的位置(后续补图)4.1

钢在加热与冷却时的组织转变不要把平衡相图与实际冷却转变规律简单等同。课堂提醒：Fe-Fe3C相图中的Ac1

、Ac3

、Acm

表示平衡条件下的相变点；实际生产中加热和冷却并非极其缓慢，因此实际相变温度会偏离平衡相变点。加热时用Ac1

、Ac3

、Acm

的实际加热点

(Ac1/Ac3/Acm)表示；冷却时用

Ar1

、Ar3

、Arcm表示实际冷却相变点。将钢加热到Ac1

或

Ac3

以上以获得全部或部分奥氏体组织的操作称为奥氏体化，是后续热处理的组织基础。平衡相图说明最终可能组织；而热处理

工艺分析必须同时考虑时间与冷却速度。相变点、奥氏体化与实际转变温度3/30目本节导学机

械

工

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材

料(

第

2

版

)实际相变点表示：奥氏体化概念：教学要点：基本认识：

图4-20

奥氏体含碳量对Ms、M及残余奥氏体量的影响(后续补图)图4-19片状马氏体与板条马氏体示意图(后续补图)4.1

连续冷却转变与马氏体本页为后续“退火一正火一淬火一回火”工艺分析的组织基础。高碳钢常形成片状马氏体，低碳钢常形成

板条马氏体；Ms、M受含碳量影响，

含碳量越高，

Ms、M越低，残余奥氏体

越多；为减少残余奥氏体，可采用冷处理。U

生产中奥氏体大多在连续冷却过程中转变；连续冷却转变曲线

(CCT曲线)用于分析

不同冷速下的组织演变。马氏体是过冷奥氏体在快速冷却条件下发生无扩散型转变所形成的碳在α-Fe

中的过饱和固溶体；硬度、强度高，但塑性韧性受碳含量影响显著。上临界冷却速度是获得全部马氏体组织的最小冷却速度；不同冷速可得到珠光体、托氏体、贝氏体、马氏体及其复相组织。CCT

曲线、马氏体及残余奥氏体10/30机械工程材料(第2版)图4-18共析钢连续冷却转变曲线组织形态与残余奥氏体：马氏体定义与特点：连续冷却转变曲线：临界冷却速度：(后续补图)理解热处理时，先看“目的”,再看“工艺路径”,最后看

“组织与性能结果”。教学提示第4章

钢的热处理①整体热处理——对工件整体穿透加热，常用退火、正火、淬火、回火；②表面热处理

—

—

仅处理表层，常用

感应淬火、火焰淬火；采用适当方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却，以获得预期组织结构与性能的工艺方法。·

提高使用性能；·

改善工艺性能；●为后续加工或服役创造良好组织状态。

机械工程材料(第2版)加热—保温—冷却，通常用热处理工艺曲线表示。4.1热处理基本概念与分类化学热处理——改变表层化学成分与组织，常用渗碳、渗氮、碳氮共渗。热处理的定义、目的与基本类型2/30目本节导学图4-2热处理分类示意图(后续补图)图4-1热处理工艺曲线(后续补图)共同工艺阶段热处理作用热处理定义三类热处理温度个、时间个→

晶粒长大；细化晶粒常依靠快热短保温。记忆点图4-8合金元素对晶粒长大影响示意(后续补图)图4-7奥氏体晶粒长大倾向示意图(后续补图)4.1奥氏体晶粒长大及其影响因素有些钢随温度升高晶粒迅速长大，称本质粗晶粒钢；有些钢晶粒不易长大，超过一定温度后才突然长大，称本质细晶粒钢。工程中通常优先选用本质细晶粒钢。指钢加热到临界点以上某一温度并保温后所得奥氏体晶粒大小，直接影响冷却后钢的组织与性能。细晶粒通常有利于提高强韧性、减小热处理后组织粗化倾向。多数合金元素可阻碍晶粒长大，

Cr、Mo

、W

、V等作用明显，

Mn

、P则可能促进长大。晶粒度、粗细晶粒钢与工艺控制A5/30本质粗晶粒钢与本质细昌粒钢：机

械

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版

)加热温度越高、保温时间越长，晶粒越粗大；快速高温短时加热有利于细化晶粒；奥氏体晶粒度：工程意义：D影响因素：CB图4-10共析钢过冷奥氏体等温转变曲线(C曲线)(后续补图)4.1

过冷奥氏体等温转变曲线过冷奥氏体等温转变曲线是表示温度一时间一转变量三者关系的曲线，因形状类似字母C,

又称

C曲线或

TTT曲线。左侧为转变开始线，右侧为转变终止线；上方为奥氏体稳定区；两曲线之间为共存区；终止线右侧为转变产物区。读图时要同时看“温度位置、时间位置、与曲线交点”,不能只看一个因素。C

曲线(TTT

曲线)的组成与判读7/30C曲线区域判读示意(后续补图)Ms

为马氏体开始温度，

Mf

为马氏体终了温度；从等温开始到转变开始之间的时间称为孕育期；机

械

工

程

材

料

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第

2

版

)在鼻尖处孕育期最短，过冷奥氏体最不稳定。淬火到室温后仍可能残留奥氏体。冷却分析的关键区域。教学要点：鼻尖位置对应临界课堂提醒曲线组成：Ms与

Mf:孕育期：图4-

112图4

-

9

等温冷却曲线与连续冷却曲线(后续补图)表4

-

1

不同冷却方式下的组织与性能比较(后续补表)4.1

过冷奥氏体与冷却方式教学提示

冷却速度决定组织类型，是热处理分析的主线之一。①等温冷却转变——迅速冷到某一温度保温，研究过冷奥氏体在恒温下的转变；②连续冷却转变——按一定冷速连续降温，研究实际热处理中的组织演变。理解冷却路径，是连接“工艺参数”与“最终组织”的关键。过冷到共析温度以下才开始转变；在共析温度以下暂时存在的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体。同一种钢在炉冷、空冷、油冷、水冷等条件下，可得到不同组织和力学性能。

机械工程材料(第2版)②

不同冷却方式得到不同组织等温冷却与连续冷却的基本概念6/30①

过冷奥氏体定义本章要点奥氏体化后的钢采用较快冷却时，奥氏体常被两种研究方式学习意义图4-21完全退火工艺曲线(后续补图)图4-22完全退火前后组织对比(后续补图)教学提示：退火的核心是“缓冷”,目标是接近平衡组织。4.2钢的退火适用于亚共析钢，加热到A

c3以上30~50℃,保温后炉冷，获得均匀细珠光体。完全退火常用于铸件、锻件及焊接件预处理。将钢加热到适当温度，保温后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织。降低硬度、改善塑性、细化组织、消除内应力、改善切削加工性。退火的目的、基本工艺与完全退火

机

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版

)11/30眼本节导学退火目的工程说明退火定义完全退火选用退火工艺时，应根据钢种、原始组织和后续加工要求综合确定。4.2其他常用退火工艺等温退火、球化退火、去应力退火与扩散退火加热奥氏体化后较快冷至珠光体转变温区保温，再空冷；组织均匀，周期较短。主要用于共析钢和过共析钢，使片状渗碳体球化，便于切削并改善后续淬火组织。高温长时间保温，减少成分偏析，但能耗高、晶粒易粗化。在较低温度保温后缓冷，主要消除铸造、焊接、冷变形引起的残余应力。

机械工程材料(第2版)12/30目本节导学表4-2

常用退火工艺特点比较(后续补表)图4-23球化退火组织示意(后续补图)图4-24

去应力退火示意图(后续补图)去应力退火等温退火球化退火扩散退火D图4-25正火工艺曲线(后续补图)图4-26正火前后组织对比(后续补图)课堂提示正火冷却比退火快，

因此组织更细、强度

更高。4.2钢的正火细化晶粒、改善组织不均、消除网状渗碳体、为淬火作组织准备。冷速较快，获得更细的珠光体组织，强度和硬度高于退火，塑性略低。将钢加热到Ac3或Acm以上30~50℃,保温后在空气中冷却。中低碳结构钢、铸件、锻件和焊件常采用正火作为预备热处理。

机

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版

)正火工艺、

组织特征与应用13/30知识要点①

正火定义与退火比较工程应用主要作用图4-27

退火与正火组织性能对比示意(后续补图)表4-3

退火与正火工艺比较(后续补表)一般为Ac3

以上30～50℃。在空气中冷却。细化的珠光体+铁素体或细珠光体组织。硬度、强度和韧性均较高，组织均匀，综合力学性能优于退火。细化晶粒，改善力学性能，消除铸造、锻造或焊接后的粗大组织。选择原则：当要求降低硬度、改善切削加工性时多用退火；当要求细化晶粒、提高综合性能时多用正火。4.2退火与正火的比较及选用正火加热温度范围：冷却方式：获得组织：性

能

：典型用途：工艺差异、组织性能与工程选择14/30获得组织：接近平衡的粗大组织，如珠光体+铁素体。性

能：硬度低，塑性、韧性高，内应力小，典型用途：

消除内应力，降低硬度，改善切削加工性，加热温度范围：

一般为Ac1以下30～50℃或更高。机

械

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第

2

版

)退火冷却方式：

随炉缓冷。为后续加工或成形做准备。切削加工性好。图4-28淬火工艺曲线(后续补图)图4-30淬火组织示意图(后续补图)图4-29常用淬火介质冷却能力比较(后续补图)教学提示：淬火的关键矛盾是“淬硬能力”与“变形开裂倾向”之间的平衡。将钢加热奥氏体化后，以大于临界冷却速度的速度冷却，获得马氏体或以马氏体为主的组织；4.3钢的淬火淬火加热温度通常为Ac3或Ac1

以上适当温度，保温应保证奥氏体化而不过热；水、盐水、油、空气等，冷却能力和变形开裂倾向不同。淬火原理、加热条件与冷却介质

机械工程材料(第2版)15/30知识要点显著提高硬度、强度和耐磨性；加热条件淬火目的冷却介质淬火定义工程上常通过改进冷却路径来兼顾淬硬效果与变形控制。4.3常用淬火方法先在冷却能力大的介质中快冷，再转入较缓介质中冷却，

可减小应力。单液淬火、双液淬火、分级淬火与等温淬火在贝氏体转变温区保温，获得贝氏体组织，

综合力学性能较好。在Ms以上盐浴中短暂停留后空冷，降低变形和开裂倾向。

机械工程材料(第2版)16/30工艺简单，应用广，但应力较大。知识要点图4-33

分级淬火示意(后续补图)图4-31单液淬火示意(后续补图)图4-32

双液淬火示意(后续补图)图4-34

等温淬火示意(后续补图)单液淬火——双液淬火

分级淬火——等温淬火—表4-4

合金元素对淬透性的影响(后续补表)4.3钢的淬透性化学成分、奥氏体晶粒大小、原始组织和合金元素；其中Mn、Cr、Ni、Mo、B等通常提高淬透性。淬透性≠硬度；前者反映淬硬深度能力，后者反映表面抗变形能力。关系到大截面零件能否淬透以及芯部性能。钢在规定条件下淬火时获得马氏体层深度的能力。

机械工程材料(第2版)概念、影响因素与端淬试验17/30知识要点图4-35

钢的淬透性示意图(后续补图)常用末端淬火试验(端淬试验)评价。端淬试验装置示意(后续补图)淬透性定义：工程意义：影响因素：记忆提示评价方法：图4-36图4-37

回火工艺曲线(后续补图)图4-39

回火温度对硬度影响曲线(后续补图)图4-38

低中高温回火组织示意(后续补图)课堂提示：回火不是降低性能，而是使淬火后组织达到更稳定、更可用的状态。4.3钢的回火将淬火钢加热到

Ac1以下某一温度，保温后冷却，以获得稳定组织并消除淬火应力。150~250℃,主要得到回火马氏体，保持高硬度和耐磨性。500～650℃,得到回火索氏体，强韧性配合好。350~500℃,得到回火托氏体，兼有较高弹性与强度。回火目的、分类与组织性能变化

机

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版

)18/30知识要点高温回火回火定义中温回火低温回火图4-42

回火索氏体组织(后续补图)图4-41回火托氏体组织(后续补图)调质处理=淬火+高温回火，是机械制造中最常见的强化与韧化工艺之一。回火索氏体——高温回火所得，综合力学性能最好，

常作为“调质处理”后的典型组织，常用于轴、连杆、齿轮等。4.3回火后组织及性能回火托氏体——中温回火所得，强度与弹性较高，

常用于弹簧；常用于刀具和量具；图4-40

回火马氏体组织(后续补图)A

回火马氏体——低温回火所得，回火马氏体、回火托氏体与回火索氏体

机械工程材料(第2版)19/30硬度高、耐磨性好，C表4

-

5

淬火与回火典型工艺组合(后续补表)图4-44

典型机械零件热处理应用(后续补图)图4-43

调质处理性能变化示意(后续补图)阶段小结：4.2—4.3围绕“退火一正火一淬火一回火”构建钢热处理的核心工艺体系。4.3淬火与回火工艺选用典型应用——工具零件重视硬度与耐磨性，弹簧重视弹性，轴类齿轮多采用调质处理。工艺组合选择应综合考虑钢种、

零件尺寸、受力状态和服役要求；回火用于消除应力、稳定组织、改善韧性；性能目标、典型组合与工程应用

机械工程材料(第2版)20/30淬火用于获得高硬度、高强度组织基础；①②知识要点③图4-21完全退火工艺曲线(后续补图)图4-22完全退火前后组织对比(后续补图)教学提示：退火的核心是“缓冷”,目标是接近平衡组织。4.2钢的退火适用于亚共析钢，加热到A

c3以上30~50℃,保温后炉冷，获得均匀细珠光体。完全退火常用于铸件、锻件及焊接件预处理。将钢加热到适当温度，保温后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织。降低硬度、改善塑性、细化组织、消除内应力、改善切削加工性。退火的目的、基本工艺与完全退火

机

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)11/30眼本节导学退火目的工程说明退火定义完全退火选用退火工艺时，应根据钢种、原始组织和后续加工要求综合确定。4.2其他常用退火工艺等温退火、球化退火、去应力退火与扩散退火加热奥氏体化后较快冷至珠光体转变温区保温，再空冷；组织均匀，周期较短。主要用于共析钢和过共析钢，使片状渗碳体球化，便于切削并改善后续淬火组织。高温长时间保温，减少成分偏析，但能耗高、晶粒易粗化。在较低温度保温后缓冷，主要消除铸造、焊接、冷变形引起的残余应力。

机械工程材料(第2版)12/30目本节导学表4-2

常用退火工艺特点比较(后续补表)图4-23球化退火组织示意(后续补图)图4-24

去应力退火示意图(后续补图)去应力退火等温退火球化退火扩散退火D图4-25正火工艺曲线(后续补图)图4-26正火前后组织对比(后续补图)课堂提示正火冷却比退火快，

因此组织更细、强度

更高。4.2钢的正火细化晶粒、改善组织不均、消除网状渗碳体、为淬火作组织准备。冷速较快，获得更细的珠光体组织，强度和硬度高于退火，塑性略低。将钢加热到Ac3或Acm以上30~50℃,保温后在空气中冷却。中低碳结构钢、铸件、锻件和焊件常采用正火作为预备热处理。

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)正火工艺、

组织特征与应用13/30知识要点①

正火定义与退火比较工程应用主要作用图4-27

退火与正火组织性能对比示意(后续补图)表4-3

退火与正火工艺比较(后续补表)一般为Ac3

以上30～50℃。在空气中冷却。细化的珠光体+铁素体或细珠光体组织。硬度、强度和韧性均较高，组织均匀，综合力学性能优于退火。细化晶粒，改善力学性能，消除铸造、锻造或焊接后的粗大组织。选择原则：当要求降低硬度、改善切削加工性时多用退火；当要求细化晶粒、提高综合性能时多用正火。4.2退火与正火的比较及选用正火加热温度范围：冷却方式：获得组织：性

能

：典型用途：工艺差异、组织性能与工程选择14/30获得组织：接近平衡的粗大组织，如珠光体+铁素体。性

能：硬度低，塑性、韧性高，内应力小，典型用途：

消除内应力，降低硬度，改善切削加工性，加热温度范围：

一般为Ac1以下30～50℃或更高。机

械

工

程

材

料(

第

2

版

)退火冷却方式：

随炉缓冷。为后续加工或成形做准备。切削加工性好。图4-28淬火工艺曲线(后续补图)图4-30淬火组织示意图(后续补图)图4-29常用淬火介质冷却能力比较(后续补图)教学提示：淬火的关键矛盾是“淬硬能力”与“变形开裂倾向”之间的平衡。将钢加热奥氏体化后，以大于临界冷却速度的速度冷却，获得马氏体或以马氏体为主的组织；4.3钢的淬火淬火加热温度通常为Ac3或Ac1

以上适当温度，保温应保证奥氏体化而不过热；水、盐水、油、空气等，冷却能力和变形开裂倾向不同。淬火原理、加热条件与冷却介质

机械工程材料(第2版)15/30知识要点显著提高硬度、强度和耐磨性；加热条件淬火目的冷却介质淬火定义工程上常通过改进冷却路径来兼顾淬硬效果与变形控制。4.3常用淬火方法先在冷却能力大的介质中快冷，再转入较缓介质中冷却，

可减小应力。单液淬火、双液淬火、分级淬火与等温淬火在贝氏体转变温区保温，获得贝氏体组织，

综合力学性能较好。在Ms以上盐浴中短暂停留后空冷，降低变形和开裂倾向。

机械工程材料(第2版)16/30工艺简单，应用广，但应力较大。知识要点图4-33

分级淬火示意(后续补图)图4-31单液淬火示意(后续补图)图4-32

双液淬火示意(后续补图)图4-34

等温淬火示意(后续补图)单液淬火——双液淬火

分级淬火——等温淬火—表4-4

合金元素对淬透性的影响(后续补表)4.3钢的淬透性化学成分、奥氏体晶粒大小、原始组织和合金元素；其中Mn、Cr、Ni、Mo、B等通常提高淬透性。淬透性≠硬度；前者反映淬硬深度能力，后者反映表面抗变形能力。关系到大截面零件能否淬透以及芯部性能。钢在规定条件下淬火时获得马氏体层深度的能力。

机械工程材料(第2版)概念、影响因素与端淬试验17/30知识要点图4-35

钢的淬透性示意图(后续补图)常用末端淬火试验(端淬试验)评价。端淬试验装置示意(后续补图)淬透性定义：工程意义：影响因素：记忆提示评价方法：图4-36图4-37

回火工艺曲线(后续补图)图4-39

回火温度对硬度影响曲线(后续补图)图4-38

低中高温回火组织示意(后续补图)课堂提示：回火不是降低性能，而是使淬火后组织达到更稳定、更可用的状态。4.3钢的回火将淬火钢加热到

Ac1以下某一温度，保温后冷却，以获得稳定组织并消除淬火应力。150~250℃,主要得到回火马氏体，保持高硬度和耐磨性。500～650℃,得到回火索氏体，强韧性配合好。350~500℃,得到回火托氏体，兼有较高弹性与强度。回火目的、分类与组织性能变化

机

械

工

程

材

料(

第

2

版

)18/30知识要点高温回火回火定义中温回火低温回火图4-42

回火索氏体组织(后续补图)图4-41回火托氏体组织(后续补图)调质处理=淬火+高温回火，是机械制造中最常见的强化与韧化工艺之一。回火索氏体——高温回火所得，综合力学性能最好，

常作为“调质处理”后的典型组织，常用于轴、连杆、齿轮等。4.3回火后组织及性能回火托氏体——中温回火所得，强度与弹性较高，

常用于弹簧；常用于刀具和量具；图4-40

回火马氏体组织(后续补图)A

回火马氏体——低温回火所得，回火马氏体、回火托氏体与回火索氏体

机械工程材料(第2版)19/30硬度高、耐磨性好，C表4

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