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1、機械制造基礎(chǔ),第一篇 金屬工藝學(xué),緒 論,金屬工藝學(xué)講述有關(guān)制造金屬零件的工藝方法的相關(guān)基礎(chǔ)知識（材料和熱處理）。 加工方法 鑄造 壓力加工 焊接 熱處理 切削加工,第一篇 金屬材料導(dǎo)論,內(nèi)容 金屬材料的主要性能 不同溫度下金屬材料的結(jié)構(gòu)及變化 金屬材料的種類 鐵碳合金 鋼的熱處理,第一章 金屬材料的主要性能,力學(xué)性能-重點（機械制造角度） 物理性能 化學(xué)性能 工藝性能 性能為什么要分為幾類？每一類都包括哪些具體指標(biāo)？具體指標(biāo)是重點,第一章 金屬材料的主要性能,金屬材料的力學(xué)性能：材料在力的作用下所表現(xiàn)出來的性能，也稱機械性能。 強度 塑性 硬度 韌性 疲勞強度,靜載荷下的力學(xué)性能,動載荷下的

2、力學(xué)性能,衡量金屬材料主要標(biāo)志,學(xué)習(xí)要求： 常用的力學(xué)（機械）性能指標(biāo)（名稱、符號、含義、單位） 學(xué)習(xí)方式： 結(jié)合對概念的理解去記憶。,強度和塑性,測定方法：拉伸試驗 原理 （1）試樣兩端緩慢施加軸向拉伸載荷。 （2）載荷不斷增加，試樣被逐步拉長，直到拉斷。 （3）記錄每一瞬間載荷F 和伸長量，并繪制出拉伸曲線。,強度和塑性,拉伸曲線特性 Oe階段彈性變形 es階段彈性塑性變形 s點屈服點，出現(xiàn)“屈服”現(xiàn)象 bk階段出現(xiàn)“縮頸” k點斷裂點,強度（名稱）,定義：金屬材料在力的作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。 判據(jù)：屈服強度、抗拉強度。（應(yīng)用場合） 屈服強度 拉伸試樣產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的應(yīng)力。 符

3、號、單位,無明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，以試樣產(chǎn)生0.2塑性變形時的應(yīng)力，作為該材料的屈服點，用 表示。,強度,判據(jù) 抗拉強度 金屬材料在拉斷前所能承受的最大應(yīng)力，以 表示。,機械零件或構(gòu)件，通常不允許發(fā)生塑性變形，以屈服點作為判據(jù)。脆性材料，斷裂前基本不發(fā)生塑性變形，以抗拉強度作為判據(jù)。,拉斷前最大載荷,試樣原始截面積,塑性,定義：金屬材料產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力，以伸長率 或收縮率 表示：,硬度,定義：金屬材料抵抗局部變形、壓痕的能力，稱為硬度。 它是金屬材料在靜載時所表現(xiàn)出的機械性能。 內(nèi)涵：硬度是衡量金屬軟硬的判據(jù)。 測定方法：在硬度計上測定。 布氏硬度法 洛氏硬度法 維氏硬度法,布氏

4、硬度（HB）,測試原理： （1）以直徑為D 的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，在載荷F的靜壓力下，壓入被測材料的表面； （2）停留若干秒后，卸去載荷； （3）測出壓痕直徑d，并根據(jù)d的數(shù)值查出HB值。,d,布氏硬度（HB）,優(yōu)點：硬度值較穩(wěn)定，測試數(shù)據(jù)重復(fù)性好，準(zhǔn)確度較洛氏硬度法高。 缺點：測量費時，且因壓痕較大，不適于成品檢驗，太薄太硬（450HB）的不適合。 名稱、符號、定義、方法、單位,洛氏硬度（HR）法,測試原理： （1）以頂角為120金剛石圓錐體（或1.588mm淬火球）為壓頭（根據(jù)材料不同情況），在規(guī)定的載荷下，垂直地壓入被測金屬表面； （2）卸載后依據(jù)壓入深度h，由刻度盤上的指針直接指示出

5、HR值。,優(yōu)點：測試簡單、迅速，壓痕小，可用于成品檢驗。 缺點：重復(fù)性較差，必須在不同部位測量數(shù)次。,韌性,定義：金屬材料斷裂前吸收的變形能量。 評價指標(biāo)：沖擊韌度 。 測定方法：采用擺錘式?jīng)_擊試驗機測定。,韌性,原理： （1）將帶缺口的標(biāo)準(zhǔn) 沖擊試樣放在試驗機上 （2）用擺錘將其一次沖斷 （3）以試樣缺口處單位截面積上所吸收的沖擊功表示沖擊韌度，即：,疲勞強度,疲勞斷裂：當(dāng)零件在疲勞載荷（周期性或非周期性動載荷）作用下發(fā)生斷裂時，其應(yīng)力往往大大低于該零件材料的強度極限，稱該斷裂為疲勞斷裂。 區(qū)別屈服、抗拉強度靜載荷,疲勞強度,疲勞曲線：金屬材料所承受的疲勞應(yīng)力與其斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。

6、 疲勞極限或疲勞強度：金屬材料在無數(shù)次循環(huán)載荷作用下不致引起斷裂的最大應(yīng)力。,當(dāng)應(yīng)力按正弦曲線對稱循環(huán)時，疲勞強度以符號 表示。,原因：金屬材料存在內(nèi)部缺陷或零件局部應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋。,思考： 1 疲勞曲線的水平部分說明什么？ 2 工業(yè)實際中，無數(shù)次循環(huán)載荷作用怎么體現(xiàn)？各種材料有相應(yīng)的循環(huán)次數(shù) 3 通常的鋼材是以多少次循環(huán)載荷來決定疲勞極限（疲勞強度）？,金屬材料的物理、化學(xué)及工藝性能,物理性能 密度、熔點、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和磁性等。 化學(xué)性能 主要是指在常溫或高溫時，抵抗各種介質(zhì)侵襲的能力，如耐酸性、耐堿性和抗氧化性等。,金屬材料的物理、化學(xué)及工藝性能,工藝性能 是金屬材料物理、化

7、學(xué)性能和力學(xué)性能在加工過程中的綜合反映，是指是否易于進行冷、熱加工的性能。 按工藝方法的不同，可分為鑄造性、可鍛性、焊接性和切削加工性等。,小結(jié),本章重點是金屬材料的力學(xué)性能 力學(xué)性能方面 各種性能（強度、塑性、硬度、韌性、疲勞強度）的名稱、定義、符號、單位 拉伸曲線、硬度測試方法、疲勞曲線,第二章 鐵碳合金,定義： 合金以一種金屬為基礎(chǔ)加入其它金屬或非金屬，經(jīng)過熔合而得到的具有金屬特性的材料，稱為合金。 鐵碳合金以鐵、碳為主要組成的合金。如鋼和鑄鐵都是以鐵為基礎(chǔ)的鐵碳合金，其中鐵的含量占95以上。,第二章 鐵碳合金,主要內(nèi)容： 純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變 鐵碳合金的基本組織 鐵碳合金狀態(tài)

8、圖 工業(yè)用鋼簡介 零件選材原則,第一節(jié) 純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變,對金屬結(jié)晶過程的了解（液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)） 金屬結(jié)晶過程所涉及的幾個基本概念 過冷、過冷度、自發(fā)晶核、非自發(fā)晶核、晶粒粗細（影響材料性能） 對純鐵晶體結(jié)構(gòu)的了解 同素異晶的概念,純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變,金屬結(jié)晶的基本概念 定義：金屬原子的聚集狀態(tài)由無規(guī)則的液態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則排列的固態(tài)晶體的過程，可用冷卻曲線來表達。 結(jié)晶溫度：每種金屬的固定熔點，即結(jié)晶溫度t0，通常稱理論結(jié)晶溫度（特殊條件）。,金屬結(jié)晶的基本概念,冷卻曲線：表示金屬冷卻到某一溫度時，冷卻時間增加而溫度不再下降，出現(xiàn)一個水平臺階， 其對應(yīng)溫度 為實際結(jié)晶

9、溫度。,金屬結(jié)晶的基本概念,過冷：實際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度（平衡結(jié)晶溫度）的現(xiàn)象。 過冷度：理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度之差。 為什么強調(diào)過冷和過冷度的概念？ 對金屬結(jié)晶過程和晶粒的大小有重要影響。,冷卻速度 實際結(jié)晶溫度 過冷度,金屬的結(jié)晶過程,金屬的結(jié)晶過程：晶核的形成晶核的長大 晶核的形成：液態(tài)金屬冷卻到一定溫度時，部分原子開始按一定規(guī)則排列，形成細小的晶胚，部分尺寸較大的晶胚形成繼續(xù)結(jié)晶的核心（晶核,晶核的成長,純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變,晶核的形成方式： 自發(fā)晶核：液態(tài)金屬原子自發(fā)形成的晶核。 非自發(fā)晶核：實際結(jié)晶過程中，金屬液體中的某些雜質(zhì)也能成為金屬結(jié)晶核心而形成晶核。如人

10、工加入非自發(fā)晶核物質(zhì)，稱人工晶核。 材料中形成的晶核數(shù)量越多（原子數(shù)量一定）則結(jié)晶后的晶粒越細小。,金屬的結(jié)晶過程,晶核的長大：晶核在冷卻過程中不斷集結(jié)液體中的原于而逐漸長大，同時新的晶核也不斷形成和長大，直至由晶核長大形成的晶粒彼此接近，液態(tài)金屬逐漸消失而完成結(jié)晶。,結(jié)晶過程示意圖,純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變,晶核長大的實質(zhì)：液體原子向固態(tài)晶核表面集結(jié)遷移，形成晶粒。,結(jié)晶過程示意圖,純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變,晶粒的大小及其控制 晶粒大好？小好？ 晶粒小、晶界多且方向各異、塑性變形阻力大、機械性能增高（強度、塑性、硬度、韌性、疲勞強度）,純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變,晶粒的大小取

11、決于： 晶核形成的多少 單位時間內(nèi)晶核的形成多，晶粒數(shù)量多，最終形成許多細小的晶粒。 晶核的成長速度 速度越快，晶粒越粗。 過冷度增加，形核率與成長率增加，但形核率遠大于成長率，晶粒細。,關(guān)注“過冷度”的原因是由于其與晶粒的大小相關(guān)，而晶粒大小又與材料的強度、硬度等機械性能相關(guān)。 晶粒越小，晶粒之間晶界的強度越高，材料的力學(xué)越高，所以晶粒越小越好。 哪些因素會影響晶粒的大小？,晶粒的大小及其控制,細化晶粒的方法 加快冷卻速度 冷卻速度愈大，過冷度越大，晶核形成速度大于晶核的成長速度，晶粒細小。 變質(zhì)處理 在液態(tài)金屬內(nèi)加入某種難熔雜質(zhì)，直接形成晶核，或使晶核加速形成，晶核數(shù)量增加，細化晶粒。 促

12、使結(jié)晶時液態(tài)金屬流動 電磁攪拌、機械振動和離心澆注等，液態(tài)金屬流動加快，晶核形成率提高，生長的晶體破壞，晶粒細化。,用細化晶粒強化金屬的方法，稱為細晶強化,思考： 1 晶粒大小對材料性能有何影響？晶粒大好還是晶粒小好？ 2 在結(jié)晶過程中哪些因素能帶來小晶粒？ 3這些因素與過冷度有何關(guān)系？,純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變,純鐵的晶體結(jié)構(gòu) 晶體與非晶體 晶體是由原子按一定規(guī)則排列，如金屬及其合金及大多數(shù)礦物。 非晶體的原子排列較不規(guī)則， 如玻璃。,純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變,晶格、晶胞和晶格常數(shù) 晶格：假設(shè)將原子抽象為一個結(jié)點，用假想的直線連接結(jié)點，形成空間格架。 晶胞：把晶格中具有空間排列特

13、征的最小幾何單元,純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變,晶格常數(shù)：晶胞三個棱邊的長度稱為晶格常數(shù)，用a、b、c表示，棱邊之間的夾角用 來表示。,常見金屬的晶格類型,體心立方立方體8個頂角和立方體中心各有1個原子，晶胞實有原子數(shù)為2個，致密度68。 面心立方8個頂角和6個面的中心都各有1個原子，晶胞實有原子數(shù)為4個，致密度74 有什么意義？同樣材料有不同結(jié)構(gòu)，密度不同，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化時有體積變化。,純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變,純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變 定義：隨著溫度的改變，固態(tài)金屬晶格由一種轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的變化。 晶體結(jié)構(gòu)改變 結(jié)晶過程溫度不變,純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變,純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變,純鐵冷卻曲線（三個平臺

14、） 1538 ，純鐵由液態(tài)到固態(tài)的結(jié)晶階段，體心立方晶格， 鐵 1394 ，晶格轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蛄⒎骄Ц瘢?鐵 912 ，晶格再次轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格， 鐵,純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變,鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變-固態(tài)下原子重新排列的過程（重結(jié)晶）,實質(zhì)：遵循晶核形成和長大的結(jié)晶過程，為了區(qū)別由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的初次結(jié)晶，將同素異晶轉(zhuǎn)變稱作二次結(jié)晶或重結(jié)晶（固態(tài)下的轉(zhuǎn)變）。 實驗中發(fā)現(xiàn)溫度變化過程中，體積發(fā)生改變，進而研究內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變。,鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變-固態(tài)下原子重新排列的過程,與結(jié)晶（液態(tài)下進行）的區(qū)別： 同素異晶轉(zhuǎn)變時，其新相的晶核在特定的晶面上形成。 固態(tài)轉(zhuǎn)變比結(jié)晶轉(zhuǎn)變具有較大的過冷傾

15、向。后者低于20度，前者達幾百度。 同素異晶轉(zhuǎn)變易于造成較大的內(nèi)應(yīng)力（晶體結(jié)構(gòu)不同，引起密度變化，引起體積變化）。,小結(jié) 過冷的概念及對材料性能的影響 結(jié)晶過程 晶粒的概念及其大小對材料性能的影響 細化晶粒的方法 鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的概念及其特點,鐵碳合金的基本組織,概念較多 基本脈絡(luò)： 鐵碳合金的組織分為三類：固溶體、金屬化合物、機械混合物 每一類又分為若干的“體”,鐵碳合金的基本組織,合金的基本概念 合金兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬與非金屬元素熔合在一起，構(gòu)成具有金屬特性的物質(zhì)，稱為合金。 如鐵和碳組成的鐵碳合金有碳素鋼、鑄鐵等；銅和鋅組成的合金有黃銅等。,鐵碳合金的基本組織,合金的基本

16、概念 組元組成合金的最簡單、最基本、能獨立存在的物質(zhì)稱作組元。合金中的穩(wěn)定化合物（如Fe3C）也可稱作組元。 相在合金中，凡化學(xué)成分和晶格構(gòu)造相同、并與其它部分有界面分開的均勻組成部分。,鐵碳合金的基本組織合金的基本概念,同種金屬的同素異構(gòu)體之間屬同一種相嗎？ 合金中由成分、結(jié)構(gòu)相同的同一種晶粒組成的多晶體組織，雖然晶粒間有界面，仍為同一種相。（區(qū)分界面的概念，多晶體有許多晶粒，每個晶粒的化學(xué)成分、內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)相同）,鐵碳合金的基本組織,合金的基本概念 組織用肉眼或用放大鏡、顯微鏡能觀察分辯的材料內(nèi)部微觀形貌圖象。 組織可分為三大類： 固溶體 金屬化合物 機械混合物,鐵碳合金的基本組織,鐵碳合

17、金的組織 固溶體：溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格而保持溶劑晶格類型的金屬晶體。（借用液體概念） 金屬化合物：各組元按一定的整數(shù)比結(jié)合而成、并具有金屬性質(zhì)的均勻物質(zhì)，屬于單相組織。(原子數(shù)量有一定比例關(guān)系) 機械混合物：由結(jié)晶過程所形成的兩相混合組織，可以是純金屬、固溶體或化合物各自的混合，也可以是它們之間的混合。,固溶體（單相組織）,種類：根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)位置的不同，分為置換固溶體和間隙固溶體。,固溶體（單相組織）,置換固溶體：當(dāng)溶質(zhì)原子代替了一部分溶劑原子、占據(jù)溶劑晶格的某些結(jié)點位置時。 間隙固溶體：當(dāng)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中不是占據(jù)結(jié)點位置，而是嵌入各結(jié)點之間的空隙時，所形成的固溶體。,固

18、溶體,固溶強化：由于形成固溶體而引起強度提高的現(xiàn)象。 固溶強化實質(zhì)：溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格，使晶格發(fā)生畸變提高合金的強度、硬度。,思考： 工業(yè)上通過工件表面的滲碳、滲氮等強化表面的強度、硬度，其原理是什么？,固溶體（學(xué)習(xí)兩類）,鐵素體 定義：溶解于 中形成 的固溶體，呈體心立方晶格 通常以符號 F 表示。 特點：溶碳能力極小，固溶強化作用甚微。其強度、硬度低，塑性、韌性好。,晶格示意圖,固溶體,奧氏體 定義：碳溶入 中 形成的固溶體為奧氏體， 呈面心立方晶格（A） 特點：溶碳能力較鐵素體高，但還不能很有效提升強度和硬度。一般來說，其強度、硬度不高；但塑性優(yōu)良（熱變形加工）。,晶格示意圖,金屬化合

19、物,定義：各組元按一定的整數(shù)比結(jié)合而成、并具有金屬性質(zhì)的均勻物質(zhì)，屬于單相組織。 特點：具有復(fù)雜的晶格，熔點高，硬而脆。,金屬化合物（只學(xué)習(xí)一類）,滲碳體 特點：硬度極高，而塑性、韌性極低。伸長率和沖擊韌度接近于零。 滲碳體在一定條件下可發(fā)生分解，形成石墨。其反應(yīng)式為：,鐵碳合金的基本組織,比較固溶體和金屬化合物的特點，其機械性能差異很大，占據(jù)兩極端（極軟、極硬）。 那么第三類，機械混合物又有著怎樣的特點呢？,機械混合物（學(xué)習(xí)兩類）,定義：由結(jié)晶過程所形成的兩相混合組織，可以是純金屬、固溶體或化合物各自的混合，也可以是它們之間的混合。（混合比例不同） 特點：性能介于各組成相之間，它不僅取決于各

20、相的性能和比例，還與各相的形狀、大小和分布有關(guān)。,機械混合物（學(xué)習(xí)兩類）,珠光體 定義：鐵素體和滲碳體組成的機械混合物，用符號P或（FFe3C）表示。 特點：抗拉強度高、硬度較高，且仍有一定的塑性和韌性。在顯微鏡下呈片狀。 FFe3C混合后形成了中和的性能。,35鋼的顯微組織中，黑色部分即為固溶體與Fe3C組成的機械混合物，珠光體（P）組織。 將黑色部分放大，其中白色基體是Fe與C形成的固溶體鐵素體（F）， 黑色條紋為滲碳體（Fe3C）,機械混合物,萊氏體Ld 定義：奧氏體（高溫存在）和滲碳體組成的機械混合物稱高溫萊氏體，用符號或（A+ Fe3C ）表示。 特點：性能與滲碳體相近，即極為硬脆。

21、,機械混合物,低溫萊式體 Ld 高溫萊氏體冷卻到727C以下時，其中 A 將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w（ P FFe3C ） 和（原有）滲碳體機械混合物（PFe3C ）。 特點：性能與滲碳體相近，即極為硬脆。,思考： 1 鐵碳合金的三類組織：固溶體、金屬化合物、機械混合物有硬有軟，“誰”硬“誰”軟？ 2 鐵碳合金的組織有哪些？性能如何？之間有何聯(lián)系？ 3 機械混合物中的“體”分別是“誰”和“誰”的混合？,小結(jié) 合金的基本概念（合金、相、組元、組織） 合金組織的基本類型（固溶體、化合物、機械混合物） 固溶強化概念與作用 鐵碳合金的基本組織（名稱、類型、特點）,第三節(jié) 鐵碳合金狀態(tài)圖,狀態(tài)圖表示不同成分和溫度時

22、的組織狀態(tài)關(guān)系的圖形。 根據(jù)前面所學(xué)鐵碳合金的基本組織類型和特點，根據(jù)此圖可以知道在什么溫度和成分條件下，可以獲得什么樣的組織和性能的材料。 坐標(biāo)含義：溫度、成分。,狀態(tài)圖不同成分的鐵碳合金在緩慢加熱、冷卻條件下，不同溫度時的組織狀態(tài)。,鐵碳合金狀態(tài)圖的分析重點：,4個基本相： 液相（L） 奧氏體相（A） 鐵素體相（F） 滲碳體相（Fe3C）,L,A,F,Fe3C,鐵碳合金狀態(tài)圖6條特性線的分析 ACD線：即液態(tài)線，當(dāng)鐵碳合金冷卻到此線開始結(jié)晶，在此線以上是液相區(qū)。 AECF線：即固態(tài)線，當(dāng)鐵碳合金冷卻到此線將全部結(jié)晶為固態(tài)，在此線以下是固相區(qū)。,ES線：A cm線，是碳在奧氏體中的溶解度曲線

23、。隨著溫度的下降，碳在奧氏體中的溶解度減小，將由奧氏體中析出滲碳體。 GS線：A 3線，是從奧氏體中析出鐵素體的開始線。,PSK線：也叫共析線，鐵碳合金冷卻到此線時，在恒溫(727 C)下，珠光體P析出，稱為共折反應(yīng)。,A,F,727 C,ECF線：鐵碳合金冷卻到此線時，在恒溫(1147C)下，將從液體中結(jié)晶出萊氏體Ld，稱共晶反應(yīng)。,學(xué)習(xí)重點：,鐵碳合金的分類（根據(jù)含碳量不同） 要求：記住具體的分界點處的含碳量 掌握鐵碳合金相圖分界點的含義。 不同成分，組織、性能不同。,鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金的分類（按含碳量不同）,鋼：含碳量小于2.11的鐵碳合金 亞共析鋼0.77,鑄鐵：含碳量2.116.

24、69的鐵碳合金 亞共晶鐵含碳量4.3（主要分界點要記?。?鐵碳合金相圖應(yīng)用,材料組織及性能的分析,含碳量與鐵碳合金組織及性能的關(guān)系,鐵碳合金室溫組織由F和Fe3C兩相組成，含碳量不同，組織中兩相的相對數(shù)量、分布及形態(tài)不同，所以不同成分的鐵碳合金具有不同的性能。 1. 鐵碳合金含碳量與組織的關(guān)系 在鐵碳合金中，碳主要以滲碳體的形式存在。 含碳量增加，滲碳體相對量隨之增加。滲碳體類型、形態(tài)和分布不同，從而組成了不同的組織。,室溫鐵 碳合金 含碳量 與相和 組織的 關(guān)系,1. 鐵碳合金含碳量與組織的關(guān)系,2. 鐵碳合金含碳量與力學(xué)性能的關(guān)系,隨含碳量增加，鋼的強度和硬度增加，塑性韌性下降。但當(dāng)c =

25、 0.9%時，由于網(wǎng)狀滲碳體的出現(xiàn)使鋼的強度開始降低。,鐵碳合金相圖的應(yīng)用,1. 選材,根據(jù)機械零件性能要求，選擇合適的材料。,要求塑性好、韌性高的材料，可選用低碳鋼； 例：沖壓件通常使用含碳量小于0.25%的鋼板。,要求強度、硬度、塑性都好的材料，選用中碳鋼； 例：重要的軸類零件通常使用含碳0.4%左右的鋼。,要求硬度高、耐磨性好的材料可選用高碳鋼； 例：各種工具、刃具、模具常采用共析或過共析鋼。,2.鑄造,由FeFe3C相圖可知，共晶成分的鐵碳合金的熔 點最低，結(jié)晶溫度范圍最小，因此， 具有良好的 鑄造性能。,在實際鑄造生產(chǎn)中，常選用接近共晶成分的鑄鐵來生產(chǎn)鑄件。,3. 壓力加工,鋼材的鍛

26、壓、軋制均選擇在奧氏體區(qū)范圍進行。 一般始鍛（軋）溫度控制在固相線以下100 200。,白口鑄鐵因含有大量的共晶滲碳體硬而脆，且無 法得到單一的A組織，不能鍛壓成型。,4.焊接,低碳鋼具有良好的焊接性能 ，高碳鋼和鑄鐵會在焊接中形成脆硬的組織而出現(xiàn)裂紋。,通常用于焊接的鋼材是低碳鋼。,5.熱處理,利用FeFe3C相圖制定熱處理工藝中退火、正火、淬火溫度 。,小結(jié),鐵碳合金相圖的概念和分析 鐵碳合金的分類 鐵碳合金含碳量與組織關(guān)系 含碳量對材料組織和性能的影響 鐵碳合金相圖的應(yīng)用,第四節(jié) 工業(yè)用鋼簡介,學(xué)習(xí)要求： 鋼的基本分類 碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號的含義 對鋼中的有害元素及有益元素的了解,第四節(jié) 工業(yè)

27、用鋼簡介,工業(yè)用鋼簡介,碳鋼 含碳量小于2.11的鐵碳合金，實際中含碳量都小于1.5。 合金鋼 含有合金元素的鋼。常用元素有錳、硅、鉻、鎳、鉬、鈦等。（含碳嗎？）,工業(yè)用鋼簡介,碳鋼中的常存雜質(zhì)元素及其作用 硅和錳 有益元素。益于脫氧和合金化，人為加入，含量低，影響小。 硫和磷 有害元素。使材料脆化。通常以硫、磷含量來劃分鋼的質(zhì)量等級。 氧、氫和氮 有害元素，使鋼的塑性、韌性和疲勞強度急劇降低，嚴重時會造成裂紋、脆斷。（滲氮降低塑性，表面一層高的硬度）,思考： 1哪些元素有益，哪些元素有害？ 2有害元素影響材料何種性能？,工業(yè)用鋼簡介,碳鋼 碳鋼的分類、牌號和用途 按質(zhì)量分類（主要按元素硫和磷

28、含量） 普通鋼S=0.050，P=0.045% 優(yōu)質(zhì)鋼S=0.035，P=0.035% 高級優(yōu)質(zhì)鋼S （P） =0.030,碳鋼的分類、牌號和用途 按含碳量（形成性能與含碳量關(guān)系的概念） 低碳鋼0.080.25，塑性好，沖壓、焊接和滲碳工件； 中碳鋼0.250.60，強度、韌度較高，熱處理后性能良好，各種重要結(jié)構(gòu)零件。 高碳鋼0.601.5，硬度較高，工具、模具和量具工件。（超過1.5%，脆，無使用價值）,碳鋼 碳鋼的分類、牌號和用途 按用途 碳素結(jié)構(gòu)鋼，建筑、化工等工程結(jié)構(gòu)和各種機械零件； 碳素工具鋼，刀具、量具和模具等； 專用鋼，如壓力容器鋼等。,按鋼液脫氧程度（氧為有害元素） 沸騰鋼（F

29、）脫氧不完全，組織不致密，成分不均勻，性能較差； 鎮(zhèn)靜鋼（Z）脫氧完全，組織致密，成分均勻，性能較好； 半鎮(zhèn)靜鋼（b）介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間,工業(yè)用鋼簡介,碳鋼 碳鋼的分類、牌號和用途 碳素結(jié)構(gòu)鋼，Q屈服強度， 如Q235,碳鋼碳鋼的分類、牌號和用途,優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，兩位數(shù)字（平均含碳量的萬分數(shù)），如08； 低碳鋼如08等，塑性好，焊接性好，強度、硬度低，焊接結(jié)構(gòu)件和容器等。 碳含量0.150.25的滲碳鋼，承受沖擊載荷、表面要求耐磨而強度要求不太高的零件，如活塞銷等。滲碳后需淬火、回火處理。,碳鋼碳鋼的分類、牌號和用途,優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，兩位數(shù)字（平均含碳量的萬分數(shù)），如08； 中碳鋼0.30

30、0.55，珠光體含量增多，強度和韌度較好，熱處理后性能好，廣泛用作重要機械零件，如齒輪等。 高碳鋼0.600.70，彈簧、彈性墊圈等彈性零件。,碳鋼的分類、牌號和用途,碳素工具鋼 T數(shù)字（含碳量千分數(shù)）如T8 含碳量高達0.71.35，共析或過共析鋼，淬火后高硬度和耐磨性，常用作鍛工、木工、鉗工工具和小型模具。,碳鋼的分類、牌號和用途,鑄鋼 ZG（含碳量萬分數(shù)數(shù)字）屈服強度抗拉強度，如ZG200400，含碳量高達0.150.6 。 應(yīng)用：形狀較復(fù)雜而難于鍛壓成形，但對強度、韌度要求又較高的工件，如壓力機械機座等。,合金鋼（加入合金元素，改進鋼組織、性能）,合金元素在鋼中的作用 強化 溶入鐵素體

31、，形成固溶強化； 生成合金碳化物，形成強化相； 細化晶粒，形成細晶強化，提高合金鋼強度、硬度等。,鋼鐵材料及其在汽車上的應(yīng)用,碳素結(jié)構(gòu)鋼,特點：較高的強度，良好的塑性和韌性，優(yōu)良的工藝性能（焊接性、冷變形成形性）。 應(yīng)用：通常用于橋梁建筑等工程構(gòu)件及機械零件。在汽車零部件中的有螺釘、螺母圈、車廂板件、發(fā)電機支架等。,優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,10、10F：制造機械零件。 20、15F：拉桿、軸套、螺釘、起重鉤等；不重要的軸、齒輪、鏈輪等 35：如轉(zhuǎn)軸、曲軸、軸銷、拉桿、連桿、橫梁、輪圈、墊圈、螺釘、螺母、飛輪等 40：軸、曲柄銷、傳動軸、活塞桿、連桿等 45：齒輪、軸等零件,優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,55：齒輪、

32、連桿、扁彈簧及軋輥等 65：制造氣門彈簧、彈簧圈、軸、軋輥、各種墊圈、凸輪及鋼絲繩等 70：用于制造彈簧,碳素工具鋼幾種常用碳素工具鋼性能及用途,T7：扁鏟、手鉗、大錘、改錐 T8：沖頭 T10、T10A：鑿巖工具 T11、T11A：車刀、刨刀、沖頭、絲錐、鉆頭、手鋸條 T12、T12A：銼刀、刮刀、量具 T13、T13A：刮刀、剃刀,鑄造碳素鋼幾種常用鑄鋼的性能和用途,ZG200400：機座、變速器殼體等 ZG230450：外殼、軸承座、底板、箱體等 ZG270500：軸承座、連桿、箱體、曲軸、缸體、飛輪等,合金鋼（加入合金元素，改進鋼組織、性能）,合金元素在鋼中的作用 穩(wěn)定組織、細化晶粒

33、合金元素溶入鐵素體或奧氏體，提高其穩(wěn)定性；抑制奧氏體晶粒長大。 提高淬透性 可在較低的冷卻速度下獲得馬氏體，提高淬透性。,合金結(jié)構(gòu)鋼 數(shù)字（碳含量萬分數(shù)）元素符號（合金元素）數(shù)字（元素含量百分數(shù)，小于1.5不標(biāo)），如60Si2Mn。 合金工具鋼 數(shù)字（碳含量千分數(shù)，大于1不標(biāo)） 元素符號數(shù)字（合金含量百分數(shù)，小于1.5不標(biāo)），如9Mn2V。 特殊性能鋼（不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼），數(shù)字（碳含量千分數(shù)，大于1不標(biāo)） 元素符號數(shù)字（合金含量百分數(shù)，小于1.5不標(biāo)），如1Cr13等。,合金鋼的分類、牌號,低合金結(jié)構(gòu)鋼 低碳鋼加合金元素，強度提高1030，塑性韌性足夠，不用熱處理。如09MnV、16Mn

34、等，廣泛用于石油、化工、建筑等。 較高合金結(jié)構(gòu)鋼，主要用于重要的機械零件、承受沖擊載荷和摩擦磨損、彈性件、軸承等。,合金鋼合金鋼的用途,合金鋼合金鋼的用途,特殊性能鋼（不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼），數(shù)字（碳含量千分數(shù)，大于1不標(biāo)） 元素符號數(shù)字（合金含量百分數(shù)，小于1.5不標(biāo)），如1Cr13等。 不銹鋼（耐酸、堿、鹽、活性氣體等腐蝕，化工設(shè)備） 耐熱鋼（高溫時抗氧化、熱強性，化工設(shè)備廣泛使用）,第五節(jié) 零件選材的一般原則,應(yīng)能滿足零件的工作要求 應(yīng)能滿足工藝性能要求 必須重視材料的經(jīng)濟性,小結(jié) 工業(yè)用鋼的分類 鋼中雜質(zhì)元素的作用 合金元素在鋼中的作用 各類鋼的名稱、牌號、特點、應(yīng)用,第三章鋼的熱處

35、理,學(xué)習(xí)要求： 熱處理的實質(zhì)（三段）與目的（改變性能） 幾種典型的熱處理的定義及作用 回火的三種類型的各自效果,第三章鋼的熱處理,定義：將鋼在固態(tài)下通過不同的加熱、保溫和冷卻，以改變其內(nèi)部組織，從而獲得所需性能的一種工藝方法。,加熱溫度？ 保溫作用？ 冷卻方式？,鋼的熱處理常用方法,普通熱處理,表面熱處理,碳氮共滲,滲氮,滲碳,化學(xué)熱處理,表面淬火,回火,淬火,正火,退火,熱處理,鋼的熱處理,熱處理時各臨界點位置 鐵碳合金狀態(tài)圖中的各臨界點是理論值（極其緩慢的冷卻或加熱下測定）。,鋼的熱處理,實際中，鋼的加熱和冷卻在一定的速度下進行，有過冷或過熱現(xiàn)象。實際臨界點加注小寫字母“c”或“r”。,鋼

36、的熱處理,鋼在熱處理中的組織轉(zhuǎn)變 加熱時的轉(zhuǎn)變奧氏體（A）的形成； 冷卻時的轉(zhuǎn)變（等溫冷卻）奧氏體（A）的分解； 冷卻時的轉(zhuǎn)變（連續(xù)冷卻）奧氏體（A）轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體（M）； 淬火鋼在回火時的轉(zhuǎn)變。,鋼的熱處理原理,鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變（一般性了解） 奧氏體的形成（再結(jié)晶） 機理：共析鋼加熱到Ac1或Ac1以上，珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變。,鋼的熱處理原理,奧氏體的形成階段： 奧氏體晶核的形成鐵素體相與滲碳體相的交界面上。 奧氏體晶粒的長大晶核附近的鐵素體逐漸向奧氏體轉(zhuǎn)變，滲碳體也同時向奧氏體中溶解，奧氏體長大。,奧氏體的形成階段： 剩余滲碳體的溶解滲碳體溶解較慢，鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體后，奧氏體晶粒內(nèi)有

37、少量未溶滲碳體，并最終溶入奧氏體。 奧氏體的均勻化由鐵素體轉(zhuǎn)變的部分含碳量較低，原滲碳體含碳量較高，奧氏體中碳原子由高碳向低碳擴散，逐漸均勻。,鋼的熱處理原理奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線,鋼的熱處理原理,鋼在連續(xù)冷卻時的組織轉(zhuǎn)變 較等溫曲線沒有貝氏體組織,退火 正火 淬火,鋼的熱處理原理,鋼在連續(xù)冷卻時的組織轉(zhuǎn)變（以共析鋼為例）過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 爐冷轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w 空冷轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w（細小珠光體） 油冷轉(zhuǎn)變?yōu)榍象w（更細小珠光體）和馬氏體 Vk臨界冷卻速度，= Vk（如水冷）抑制珠光體，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。,小結(jié) 熱處理工藝過程 熱處理目的、原理和實質(zhì) 熱處理工藝過程的組織轉(zhuǎn)變,退火和正火,退火 定義

38、：將鋼加熱、保溫，然后隨爐冷卻或埋入灰中使其緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。,退火和正火,退火 目的：降低硬度、消除殘余應(yīng)力、細化晶粒、預(yù)備熱處理。 工藝方法 完全退火 球化退火 低溫退火,退火和正火,完全退火 方法：將亞共析鋼加熱到Ac3以上3050，保溫后緩慢冷卻。 原理：加熱到Ac3以上，呈完全奧氏體狀態(tài)。經(jīng)過緩慢冷卻時，重結(jié)晶獲得細小晶粒，并清除內(nèi)應(yīng)力。,退火和正火,完全退火 熱處理后組織：得到平衡組織鐵素體奧氏體。 應(yīng)用場合：用于亞共析鋼和合金鋼的鑄、鍛件，目的是細化品粒，消除應(yīng)力，軟化鋼。 缺點：費時、效率低，常被正火替代。,退火和正火,球化退火 方法：將過共析鋼加熱到A

39、c1以上 2030 ，保溫后隨爐冷卻到700左右，再出爐空氣冷卻。 原理：鋼加熱到Ac1以上時，初始形成的奧氏體及其晶界上存有少量未熔滲碳體。在冷卻中，滲碳體呈球狀析出，分布在鐵素體基體上，稱為球化體。,退火和正火,球化退火 熱處理后組織： 在鐵素體基體上均勻分布球狀滲碳體組織。 應(yīng)用場合： 用于共析和過共析成分的碳鋼和合金鋼，消除粗片珠光體，球狀滲碳體形成，能降低硬度，改善切削加工性能。,退火和正火,低溫退火（去應(yīng)力退火） 方法：將鋼加熱到Ac1以下，保溫后緩冷。 熱處理后組織：由于加熱溫度低于臨界溫度，鋼未發(fā)生組織變化，目的是消除內(nèi)應(yīng)力。,退火和正火,低溫退火（去應(yīng)力退火）應(yīng)用場合： 當(dāng)退

40、火用于消除工件內(nèi)應(yīng)力時，稱去應(yīng)力退火。用于部分鑄件、鍛件及焊件和去除粗加工所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。 當(dāng)退火用于消除冷變形所產(chǎn)生的加工硬化時，稱再結(jié)晶退火。可以獲得均勻細小的等軸晶粒，從而降低硬度，恢復(fù)塑性，以便繼續(xù)冷變形。,退火和正火,正火 定義：將鋼加熱到Ac3以上3050 或Acm 以上3050 ，保溫后在空氣中冷卻的熱處理工藝。 原理：將鋼加熱到奧氏體區(qū)，使鋼進行重結(jié)晶（細化晶粒），從而解決鑄鋼件、鍛件的粗大晶粒和組織不均問題。正火比退火的冷卻速度稍快，所形成的（FeFe3C）機械混合物比退火得到的珠光體片層更薄，稱為萊式體。,退火和正火,正火 熱處理后組織：可細化普通結(jié)構(gòu)鋼晶粒；使共析鋼獲得萊

41、氏體組織；對過共析鋼，可以消除二次滲碳體網(wǎng)。 應(yīng)用場合： 取代部分完全退火。 用于普通結(jié)構(gòu)件的最終熱處理。 用于過共析鋼，以減少或消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火準(zhǔn)備。,思考： 退火與正火在冷卻方式上的區(qū)別是什么？ 三種退火方式適用于不同的目的，從對材料性能的影響方面有什么共同效應(yīng)？ 正火使鋼重結(jié)晶，細化晶粒，降低硬度，調(diào)整材料的塑性韌性。 退火降低硬度，增加塑性韌性。,淬火和回火,淬火 定義：將鋼加熱到Ac3以上3050 ，保溫后在淬火介質(zhì)中快速冷卻以獲得馬氏體（碳在F中過飽和固溶體，使鐵素體晶格發(fā)生嚴重的畸變，提高強度，耐磨性提升）組織的熱處理工藝。,淬火和回火,淬火 原理：共析鋼加熱到Ac

42、1以上，全部轉(zhuǎn)化為奧氏體?？焖倮鋮s時，奧氏體發(fā)生-Fe向-Fe的同素異晶轉(zhuǎn)變，而-Fe中的過飽和碳原子在低溫下卻難以從晶格內(nèi)擴散出去，形成碳在-Fe中的嚴重過飽和固熔體，稱馬氏體（M）。M不穩(wěn)定組織，具有重新轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定組織的趨勢。,淬火和回火,淬火 熱處理后組織：亞共析鋼為細小馬氏體組織；過共析鋼為馬氏體和顆粒狀二次滲碳體組織。 應(yīng)用場合：提高鋼件的硬度和耐磨性，是強化鋼材最重要的熱處理方法。,淬火,降低淬火內(nèi)應(yīng)力措施（馬氏體比容比奧氏體大） 淬火溫度：溫度不足，未完全形成奧氏體，轉(zhuǎn)化馬氏體后，殘余鐵素體，硬度不足；溫度過高，奧氏體晶粒大，馬氏體晶粒也大，鋼的脆性增加，易產(chǎn)生裂紋、變形。,淬火

43、,淬火介質(zhì)：水，冷卻能力強，易獲得馬氏體，但內(nèi)應(yīng)力大，易產(chǎn)生裂紋、變形；油，冷卻能力較低，不易裂紋、變形，但馬氏體轉(zhuǎn)變不充分。碳鋼，水冷；合金鋼，油冷。,淬火,淬火方法： 單介質(zhì)淬火，一種冷卻介質(zhì)中冷卻至相變結(jié)束，操作簡便，易實現(xiàn)機械化和自動化，但淬火應(yīng)力較大，變形開裂傾向大； 雙介質(zhì)淬火，先入冷卻力強的介質(zhì)中，快冷至稍高于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度時，立即轉(zhuǎn)入冷卻力較弱的另一介質(zhì)中，在較低冷速下進行馬氏體轉(zhuǎn)變，難以控制轉(zhuǎn)換介質(zhì)的溫度或時間；,淬火,淬火方法： 單介質(zhì)淬火 雙介質(zhì)淬火 分級淬火，先放入接近馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的熔鹽或熔堿中，保溫后再在空氣中冷卻。具有雙級淬火的優(yōu)點，又易于控制和操作，應(yīng)力和變形也

44、較小，但受熔鹽冷卻能力的限制，工件尺寸不能太大。,淬火和回火,回火 定義：將淬火鋼加熱到Ac1以下某溫度，保溫后冷卻的熱處理工藝。淬火的后續(xù)工序。 原理：淬火所形成的馬氏體是在快速冷卻條件下強制形成的不穩(wěn)定組織，具有重新轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定組織的自發(fā)趨勢。回火時，重新加熱，原子活動能力加強，隨溫度升高，馬氏體中過飽和的碳以碳化物形式析出。,淬火和回火,回火 應(yīng)用場合： 低溫回火（150250），各種工模具及滲碳或表面淬火的工件。 中溫回火（350500），各種彈簧等。 高溫回火（500650），“調(diào)質(zhì)處理”，各種工模具及滲碳或表面淬火的工件。,思考： 1材料淬火后為什么會有內(nèi)應(yīng)力？（從奧氏體變?yōu)轳R氏體，

45、材料體積有變化） 2淬火后為什么都需要回火？（M不穩(wěn)定，用回火獲得穩(wěn)定組織，低溫回馬式體硬度高、中溫回曲式體韌性好、高溫回索式體綜合性能） 3不同的回火各自的用途是什么？硬度、強度，塑性、韌性的要求。,表面淬火,表面淬火 定義：將鋼件的表面層淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火狀態(tài)的一種局部淬火方法。 原理：通過快速加熱，使鋼件表面層很快達到淬火溫度，在熱量來不及傳到工件心部就立即冷卻，實現(xiàn)局部淬火。,表面淬火,表面淬火 應(yīng)用場合： 表面耐磨，不易產(chǎn)生疲勞破壞，而心部承受沖擊載荷，要求有足夠的塑性和韌性的工件。 熱處理后組織：表層獲得硬而耐磨的馬氏體組織，心部保持原來塑性、韌性較好的遲火、正火

46、或調(diào)質(zhì)狀態(tài)的組織。,化學(xué)熱處理,定義：將工件置于一定的化學(xué)介質(zhì)中加熱和保溫（目的區(qū)別于熱處理），使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表層，以改變工件表層的化學(xué)成分和組織，從而獲得所需的力學(xué)性能和理化性能。 主要種類： 滲碳 滲氮,化學(xué)熱處理,滲碳：向鋼表層滲入碳原子。即把工件放入滲碳氣氛中在900950加熱、保溫，使鋼件表面層增碳的過程。 目的是使工件在熱處理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定強度和較高的韌性。 滲氮：向鋼表層滲入氮原子。其目的是提高工件表面硬度和耐磨性，以及提高疲勞強度和耐腐蝕性。,思考： 1化學(xué)熱處理有冷卻過程嗎？ 2化學(xué)熱處理與固溶強化有何關(guān)系？固溶強化原理在工業(yè)生產(chǎn)中的實際應(yīng)用。,