1、1第二部分第二部分 工程材料工程材料2.0 基本要求基本要求熟悉常用熟悉常用金屬材料的性能、試驗方法及其金屬材料的性能、試驗方法及其選用。選用。熟悉熟悉鋼的熱處理原理鋼的熱處理原理。 掌握掌握常用金屬材料的熱處理方法及選用。常用金屬材料的熱處理方法及選用。了解了解常用工程塑料、特種陶瓷、復合材料常用工程塑料、特種陶瓷、復合材料的種類及應用的種類及應用22.1工程材料的分類和性能工程材料的分類和性能2.1.1 2.1.1 工程材料的分類（工程材料的分類（P32P32）按功能和用途分：按功能和用途分： 結構材料、功能材料結構材料、功能材料按組成特點分：按組成特點分： 金屬材料、陶瓷材料、高分子材料

2、、復金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、復合材料合材料32.1.2工程材料的性能工程材料的性能 工程材料的性能主要包括工藝性能和工程材料的性能主要包括工藝性能和使用性能。使用性能。工藝性能工藝性能是指材料使用某種工藝方法進行是指材料使用某種工藝方法進行加工的難易程度（相對性）。加工的難易程度（相對性）。 使用性能使用性能是指材料在正常工作條件下所表是指材料在正常工作條件下所表現出來的現出來的力學性能力學性能、物理性能物理性能和和化學性能化學性能。42.1.2.1 力學性能力學性能 材料的力學性能是指材料在不同環境材料的力學性能是指材料在不同環境（溫度、介質）下，承受各種外加載荷（溫度、介質）下，承

3、受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、沖擊、交變（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、沖擊、交變應力等）時所表現出的力學特征。簡單地應力等）時所表現出的力學特征。簡單地說，說，力學性能是指材料在外力作用下表現力學性能是指材料在外力作用下表現出來的性能出來的性能。主要力學性能指標：。主要力學性能指標：硬度、硬度、強度、塑性、韌性、耐磨性強度、塑性、韌性、耐磨性和和缺口敏感性缺口敏感性等。等。 材料力學性能主要取決于材料的材料力學性能主要取決于材料的和和。51. 硬度硬度 硬度硬度( hardness ):是指材料抵抗其他是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力。硬物體壓入其表面的能力。 常用測量硬度的方法：

4、常用測量硬度的方法：布氏硬度布氏硬度HB 洛氏硬度洛氏硬度HR 維氏硬度維氏硬度HV肖肖氏硬度氏硬度HS努氏硬度努氏硬度HK里氏硬度里氏硬度HL6(1)布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )布氏硬度計布氏硬度計 測量壓痕球形面積測量壓痕球形面積7適用范圍適用范圍:v 450HBS;v 650HBW;AFHB102. 0特別適用于測定灰鑄鐵、特別適用于測定灰鑄鐵、軸承合金等具有粗大晶軸承合金等具有粗大晶?；蚪M成相的金屬材料粒或組成相的金屬材料的硬度及鋼件退火、正的硬度及鋼件退火、正火和調質厚的硬度。不火和調質厚的硬度。不宜在產品上進行試驗宜在產品上進行試驗8 符號符號H

5、BS或或HBW之前的數字表示硬度之前的數字表示硬度值，符號后面的數字按順序分別表示球體值，符號后面的數字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。直徑、載荷及載荷保持時間。如如: :120HBS10/1000/30表示直徑為表示直徑為10mm的的鋼球在鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保載荷作用下保持持30s測得的布氏硬度值為測得的布氏硬度值為120。9(2)洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計洛氏硬度計10HRCHBS壓頭：壓頭：圓錐角圓錐角1200的金剛的金剛石圓錐體石圓錐體小淬火滾球小淬火

6、滾球測量壓痕深度測量壓痕深度廣泛用于熱處理質廣泛用于熱處理質量檢驗，常用于檢量檢驗，常用于檢查淬火后的硬度。查淬火后的硬度。操作迅速簡單，可在工件上直接試驗，操作迅速簡單，可在工件上直接試驗，但檢測結果離散度較大但檢測結果離散度較大10(3)維氏硬度維氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness )適用范圍適用范圍: 測量薄板測量薄板類類 ; HVHBS ;21891. 0102. 0dFAFHV測量壓痕對角線比較長度測量壓痕對角線比較長度壓頭：壓頭：兩對面夾角兩對面夾角1360的的金剛石四棱錐體金剛石四棱錐體特點：試驗特點：試驗力任意選取，力任意選取，壓痕測量精壓

7、痕測量精度高，硬度度高，硬度值準確，但值準確，但需查表或計需查表或計算效率低。算效率低。11(4)肖氏硬度肖氏硬度 HS 是一種是一種動載荷動載荷試驗法，較為方便，可在現試驗法，較為方便，可在現場測量大型工件的硬度，缺點是精度較低。場測量大型工件的硬度，缺點是精度較低。(5)努氏硬度努氏硬度 HK 是一種是一種顯微硬度顯微硬度試驗法，對表面淬火硬度試驗法，對表面淬火硬度或鍍層、滲層等薄層區域硬度測定以及截面上或鍍層、滲層等薄層區域硬度測定以及截面上的硬度分布的測定較為方便。的硬度分布的測定較為方便。(6)里氏硬度里氏硬度 HL 是一種新型的反彈式硬度測量方法，便于是一種新型的反彈式硬度測量方法

8、，便于攜帶，攜帶，常用于測量大型鑄鍛件、永久組裝部件常用于測量大型鑄鍛件、永久組裝部件等，精度較高，可等，精度較高，可自動轉換自動轉換成洛氏硬度、布氏成洛氏硬度、布氏硬度、維氏硬度、肖氏硬度，并可直接打印結硬度、維氏硬度、肖氏硬度，并可直接打印結果。果。122.2.強度指標強度指標 (1)拉伸試樣拉伸試樣GB6397-86規定規定金屬拉伸試樣金屬拉伸試樣有：有：圓形、矩形、異型及全截面圓形、矩形、異型及全截面常用標準圓截面試樣。常用標準圓截面試樣。長試樣：長試樣：L0=10d0;短試樣：短試樣：L0=5d0拉伸試樣拉伸試樣13拉伸試樣的頸縮現象拉伸試樣的頸縮現象拉伸試驗拉伸試驗機機14l Fl

9、 bl ul Fbbk Fss o g fe Fep Fp拉伸曲線拉伸曲線 op段：比例彈性變形階段；段：比例彈性變形階段； pe段：非比例彈性變形階段；段：非比例彈性變形階段； 平臺或鋸齒（平臺或鋸齒（s段段）：屈服階）：屈服階段；段； sb段：均勻塑性變形階段，是段：均勻塑性變形階段，是強化階段。強化階段。 b點點：形成了：形成了“縮頸縮頸”。 bk段：非均勻變形階段，承載段：非均勻變形階段，承載下降，到下降，到k點斷裂。點斷裂。 斷裂總伸長為斷裂總伸長為Of，其中塑形變其中塑形變形形Og(試樣斷后測得的伸長試樣斷后測得的伸長)，彈性伸長彈性伸長gf。 15彈性極限彈性極限: Fe 彈性極

10、限載荷彈性極限載荷( N ) e = ( M pa ) S0 試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積( mm2) Fs s = ( M Pa ) S0試樣屈服時的載荷試樣屈服時的載荷( N )試樣試樣原始橫截面積原始橫截面積( mm2)屈服強度屈服強度: 產生明顯塑性變形的最低應力值產生明顯塑性變形的最低應力值.16 屈服強度屈服強度( 塑性變形量為塑性變形量為0.2%，微量塑性變形，微量塑性變形) F0.2 0.2 = ( M Pa ) S 0 試樣原始橫截面試樣原始橫截面( mm2)試樣試樣產生產生0.2%殘余塑性變殘余塑性變 形時的載荷形時的載荷(N)0.2：試樣產生殘余塑性變形：試樣產生殘余

11、塑性變形0.2%時的應力時的應力試樣產生試樣產生0.2%殘余塑性變形殘余塑性變形 屈服點屈服點 s 、屈服強度、屈服強度0.2是零件設計的主要依據；是零件設計的主要依據；也是評定金屬強度的重要指標之一。也是評定金屬強度的重要指標之一。17抗拉強度：抗拉強度：試樣在斷裂前所能承受的最大應力。試樣在斷裂前所能承受的最大應力。 F b 試樣斷裂前的最大載荷試樣斷裂前的最大載荷(N) b = ( M Pa ) S 0 試樣原始試樣原始橫截面積橫截面積( mm2) 它表示材料抵抗斷裂的能力。它表示材料抵抗斷裂的能力。 是零件設計的重要依據；也是評定金是零件設計的重要依據；也是評定金屬強度的重要指標之一。

12、屬強度的重要指標之一。183.塑性塑性: 是指材料在載荷作用下產生塑性變形而不被是指材料在載荷作用下產生塑性變形而不被破壞的能力。破壞的能力。 (1)斷面收縮率斷面收縮率: 是指試樣拉斷處橫截面積的收縮是指試樣拉斷處橫截面積的收縮量量S與原始橫截面積與原始橫截面積S0之比。之比。 S0 - S 1 = - 100% S0(2)伸長率伸長率:是指試樣拉斷后的標距伸長量是指試樣拉斷后的標距伸長量 L 與原與原始標距始標距L 0之比。之比。 l 1 - l0 = - 100% l019 l=l=l lu ub b = l/ll/l0 0= =l lu u/l/l0 0 + + l lb b/l/l0

13、 0 10% 屬塑性材料屬塑性材料ubbseE塑性指標不直接用于計算，但任何零件都需要一定塑性。塑性指標不直接用于計算，但任何零件都需要一定塑性。防止過載斷裂；防止過載斷裂；塑性變形可以緩解應力集中、削減應力峰值。塑性變形可以緩解應力集中、削減應力峰值。204.沖擊韌性沖擊韌性( notch toughness ):材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。21沖擊試驗機沖擊試驗機沖擊試樣和沖擊試驗示意圖沖擊試樣和沖擊試驗示意圖22試樣沖斷時所消耗的沖擊功試樣沖斷時所消耗的沖擊功A k為為: A k = m g H m g h (J) 沖擊韌性值沖擊韌性值a k

14、就是試樣缺口處單位就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。截面積上所消耗的沖擊功。 AK a k = (J/cm) S0235.疲勞強度疲勞強度( fatigue strength ): 表示材料經無數次交變載荷作用而不致引表示材料經無數次交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應力值。起斷裂的最大應力值。24鋼材的循環次數一般取鋼材的循環次數一般取 N = 107有色金屬的循環次數一般取有色金屬的循環次數一般取 N = 108鋼材的疲勞強度與抗拉強度之間的關系鋼材的疲勞強度與抗拉強度之間的關系: -1 = (0.45 (0.450.55)0.55) b256.剛度：將材料抵抗剛度：將材料抵抗彈性變

15、形彈性變形的能力稱為剛度。的能力稱為剛度。彈性模量：彈性下應力與應變的比值彈性模量：彈性下應力與應變的比值,表示材料表示材料抵抗彈性變形的能力。即：抵抗彈性變形的能力。即： E= / 材料的材料的E越大，剛度越大；越大，剛度越大； E對組織不敏感；對組織不敏感；零件的剛度主要決定于零件的剛度主要決定于E，也與形狀、截面等有，也與形狀、截面等有關，一般用關，一般用AE表示。表示。262.1.2.2物理性能：物理性能：密度、熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性、密度、熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性、磁性等；磁性等；2.1.2.32.1.2.3化學性能：化學性能：耐腐蝕性、抗氧化性、化學穩定性等；耐腐蝕性

16、、抗氧化性、化學穩定性等；2.1.2.42.1.2.4工藝性能：工藝性能：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性、熱處理工藝性等。性、熱處理工藝性等。 27例例1.1.（25. 200725. 2007單選單選2分）精度較高，便于攜帶，分）精度較高，便于攜帶，常用于測量大型鑄鍛件和永久組裝件的硬度計常用于測量大型鑄鍛件和永久組裝件的硬度計A）洛氏硬度計）洛氏硬度計 B）布氏硬度計）布氏硬度計 C）維氏硬度計）維氏硬度計 D）里氏硬度計里氏硬度計例例2.2.（8. 20068. 2006單選單選1 1）測定灰鑄鐵、軸承合金等）測定灰鑄鐵、軸承合金等具有粗大

17、晶?；蚪M成相的金屬材料的硬度及鋼具有粗大晶?；蚪M成相的金屬材料的硬度及鋼件退火、正火及調質后的硬度常采用件退火、正火及調質后的硬度常采用A）洛氏硬度試驗）洛氏硬度試驗 B）布氏硬度試驗布氏硬度試驗 C）維氏硬）維氏硬度試驗度試驗 D）努氏硬度試驗）努氏硬度試驗例例3.(24. 20053.(24. 2005單選單選2 2）廣泛用于鋼件淬火后的硬）廣泛用于鋼件淬火后的硬度檢測儀器是：度檢測儀器是：A）洛氏硬度計洛氏硬度計 B）布氏硬度）布氏硬度計計 C）維氏硬度計）維氏硬度計 D）肖氏硬度計）肖氏硬度計28例例4 4 （12. 201112. 2011單選單選1分）常用于檢測零件較薄分）常用于檢

18、測零件較薄硬化層（如硬化層（如0.1mm0.1mm厚）硬度的儀器是：厚）硬度的儀器是：A）布氏）布氏硬度計硬度計 B）洛氏硬度計）洛氏硬度計C）肖氏硬度計）肖氏硬度計 D）維維氏硬度計氏硬度計例例5.5.（7. 20067. 2006單選單選1分）材料在無數次交變應力分）材料在無數次交變應力作用下而不致引起斷裂的最大應力稱為作用下而不致引起斷裂的最大應力稱為A）斷裂強度）斷裂強度 B）疲勞強度）疲勞強度 C）抗拉強度）抗拉強度 D）屈）屈服強度服強度29例例6.6.（52. 200452. 2004簡答簡答5 5分）金屬材料力學性能的分）金屬材料力學性能的主要指標有哪些（至少列舉主要指標有哪些

19、（至少列舉5 5項）？用符號表示項）？用符號表示常規力學性能的五項指標。常規力學性能的五項指標。答：硬度、強度、塑性、韌性、剛度、耐磨性、答：硬度、強度、塑性、韌性、剛度、耐磨性、缺口敏感性等。超常規力學性能的五項指標：缺口敏感性等。超常規力學性能的五項指標： b 、e 、 、 a k 302.2 2.2 金屬材料及其熱處理金屬材料及其熱處理 2.2.0 考核知識點考核知識點（1）熟悉晶體的）熟悉晶體的兩兩大特性，金屬最常見的大特性，金屬最常見的三三種晶體結構類型，實際金屬材料中的種晶體結構類型，實際金屬材料中的晶體晶體缺陷缺陷，常用的，常用的三種細化三種細化晶粒方法，純金屬晶粒方法，純金屬在

20、固體下的在固體下的兩種轉變兩種轉變，合金相結構的，合金相結構的三種三種類型類型；（2）熟悉鐵碳合金相圖中固態下的）熟悉鐵碳合金相圖中固態下的幾種基本幾種基本組織組織，各主要點，各主要點溫度溫度、碳的、碳的質量分數質量分數及意及意義，典型鐵碳合金結晶過程分析，碳對鐵義，典型鐵碳合金結晶過程分析，碳對鐵碳平衡組織和性能的影響、相圖的應用；碳平衡組織和性能的影響、相圖的應用；31（3）熟悉金屬材料常見的）熟悉金屬材料常見的化學分析化學分析方法，方法，金金相分析相分析方法，方法，無損探傷方法無損探傷方法及適用范圍；及適用范圍；（4）熟悉鋼的熱處理原理（鐵碳合金平衡圖、）熟悉鋼的熱處理原理（鐵碳合金平衡

21、圖、鋼在加熱、冷卻、回火時的轉變）鋼在加熱、冷卻、回火時的轉變）（5）熟悉典型零件（軸類、彈簧、齒輪類、）熟悉典型零件（軸類、彈簧、齒輪類、滾動軸承類、模具類、工具類、鑄鐵件類、滾動軸承類、模具類、工具類、鑄鐵件類、有色金屬類等）的熱處理應用。有色金屬類等）的熱處理應用。（6）熟悉金屬材料的選擇和使用原則。）熟悉金屬材料的選擇和使用原則。32（7 7）掌握鋼的常規熱處理（退火、正火、淬）掌握鋼的常規熱處理（退火、正火、淬火、回火、時效等）、表面淬火（火焰淬火、回火、時效等）、表面淬火（火焰淬火、感應加熱淬火）、化學熱處理（滲碳、火、感應加熱淬火）、化學熱處理（滲碳、滲氮、碳氮共滲等）、鑄鐵（灰

22、鑄鐵、可滲氮、碳氮共滲等）、鑄鐵（灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、合金鑄鐵鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、合金鑄鐵等）熱處理、有色金屬（鋁合金、銅合金等）熱處理、有色金屬（鋁合金、銅合金等）熱處理方法的選用。等）熱處理方法的選用。（8 8）了解熱處理設備（燃燒爐、電阻爐、真）了解熱處理設備（燃燒爐、電阻爐、真空爐、感應加熱電源及淬火機床）?？諣t、感應加熱電源及淬火機床）。332.2.1金屬的晶體結構金屬的晶體結構2.2.1.1晶體的特性：晶體的特性：熔點和各項異性熔點和各項異性 固態物質按其原子（或分子）聚集狀態可分為晶體固態物質按其原子（或分子）聚集狀態可分為晶體和非晶體兩大類。在晶體中，

23、原子（或分子）按一定的和非晶體兩大類。在晶體中，原子（或分子）按一定的幾何幾何規律規律作周期性地排列作周期性地排列 。非晶體中原子（或分子）非晶體中原子（或分子）則是則是無規則無規則的堆積在一起。（如松香、玻璃、瀝青）的堆積在一起。（如松香、玻璃、瀝青） 2.2.2.2金屬的晶體結構金屬的晶體結構 由于金屬鍵結合力較強，由于金屬鍵結合力較強，是金屬原子總趨于緊密排列的是金屬原子總趨于緊密排列的傾向，故大多數金屬屬于以下傾向，故大多數金屬屬于以下三種三種晶格類型晶格類型。 34 1 1、體心立方晶格、體心立方晶格 2 2、面心立方晶格、面心立方晶格 81812（個）。（個）。8186124（個）

24、（個）35 3 3、密排六方晶格、密排六方晶格 晶體缺陷晶體缺陷 晶體內部的某些局部區域，原子的規則排晶體內部的某些局部區域，原子的規則排列受到干擾而破壞，不象理想晶體那樣規則列受到干擾而破壞，不象理想晶體那樣規則和完整。把這些區域稱為和完整。把這些區域稱為晶體缺陷晶體缺陷。121621236（個）（個）36 這些缺陷的存在，對金屬的性能（物理性這些缺陷的存在，對金屬的性能（物理性能、化學性能、機械性能）將產生顯著影能、化學性能、機械性能）將產生顯著影響，如鋼的耐腐蝕性，實際金屬的屈服強響，如鋼的耐腐蝕性，實際金屬的屈服強度遠遠低于通過原子間的作用力計算所得度遠遠低于通過原子間的作用力計算所得

25、數值。數值。 根據晶體缺陷的根據晶體缺陷的幾何形態特征幾何形態特征，可將，可將其分為以下三類：其分為以下三類： 點缺陷點缺陷 線缺陷線缺陷 面缺陷面缺陷 37 點缺陷點缺陷空位和間隙原子和置換原子空位和間隙原子和置換原子38線缺陷線缺陷位錯位錯 晶體中，某處有一列或若干列原子發生有規律晶體中，某處有一列或若干列原子發生有規律的錯排現象，稱為的錯排現象，稱為位錯位錯。其特征是在一個方向上的。其特征是在一個方向上的尺寸很長，而另兩個方向的尺寸很短。最常見最基尺寸很長，而另兩個方向的尺寸很短。最常見最基本的位錯是本的位錯是刃型位錯刃型位錯和和螺型位錯螺型位錯 位錯的存在以及位錯的存在以及位錯密度位錯

26、密度的變化，對金屬的的變化，對金屬的性能如強度、塑性、疲勞等都起著重要影響。如金性能如強度、塑性、疲勞等都起著重要影響。如金屬材料的塑性變形與位錯的移動有關。冷變形加工屬材料的塑性變形與位錯的移動有關。冷變形加工后金屬出現了強度提高的現象（后金屬出現了強度提高的現象（加工硬化加工硬化），就是），就是由于位錯密度的增加所致。由于位錯密度的增加所致。39面缺陷面缺陷晶界和亞晶界晶界和亞晶界 實際金屬材料是多晶體材料，則在晶體內部存在實際金屬材料是多晶體材料，則在晶體內部存在著大量的著大量的晶界晶界和和亞晶界亞晶界。晶界和亞晶界實際上是一個。晶界和亞晶界實際上是一個原子排列不規則的區域原子排列不規則

27、的區域，該處晶體的晶格處于畸變狀，該處晶體的晶格處于畸變狀態，能量高于晶粒內部，在常溫下強度和硬度較高，態，能量高于晶粒內部，在常溫下強度和硬度較高，在高溫下則較低，晶界容易被腐蝕等。在高溫下則較低，晶界容易被腐蝕等。 晶界的過渡結構示意圖 亞晶界結構示意圖 402.2.2.3金屬的結晶金屬的結晶 結晶：晶體物質由液態轉變成固態的過程。結晶：晶體物質由液態轉變成固態的過程。凝固：非晶體由液態轉變成固態的過程。凝固：非晶體由液態轉變成固態的過程。 結晶的一般過程：結晶的一般過程：To時間溫度理論冷卻曲線理論冷卻曲線實際冷卻曲線實際冷卻曲線T1結晶平臺結晶平臺(是由結晶潛熱導致是由結晶潛熱導致):

28、平衡結晶溫度平衡結晶溫度41 過冷現象過冷現象 過冷度過冷度 T = T0 T1 過冷是結晶的必要條件。過冷是結晶的必要條件。 結晶的一般規律結晶的一般規律 形核形核 長大長大42形核、長大形核、長大43實際金屬的多晶粒結構實際金屬的多晶粒結構44晶粒的粗細對金屬力學性能影響頗大。晶晶粒的粗細對金屬力學性能影響頗大。晶粒愈細，其強度、韌性和塑性也愈好。粒愈細，其強度、韌性和塑性也愈好。細化晶粒的三種途徑：細化晶粒的三種途徑：v1）提高冷卻速度自發形核）提高冷卻速度自發形核V V冷冷T TN N晶粒細小晶粒細小v2）變質處理非自發形）變質處理非自發形核核v3）機械振動、超聲波振動、電磁攪拌等。）

29、機械振動、超聲波振動、電磁攪拌等。452.2.2.4金屬在固態下的轉變金屬在固態下的轉變 純金屬在固態下的轉變有兩種：純金屬在固態下的轉變有兩種：同素異晶轉變同素異晶轉變磁性轉變（純鐵磁性轉變溫度磁性轉變（純鐵磁性轉變溫度768度）度） 純鐵的純鐵的同素異晶轉變同素異晶轉變反應式反應式:1394 C912 Cbccfccbcc - Fe - Fe - Fe46 純鐵的冷卻曲線純鐵的冷卻曲線1394153410006008001200溫度時間16001500500700900110013001400912 - Fe - Fe - Fe472.2.2.5合金的相結構合金的相結構 由于組元間相互作用

30、不同，固態合金的相由于組元間相互作用不同，固態合金的相結構可分為結構可分為固溶體固溶體和和金屬化合物金屬化合物兩大類。兩大類。 1 1、固溶體、固溶體 合金在固態下，組元間能夠互相溶解而形合金在固態下，組元間能夠互相溶解而形成的均勻相稱為成的均勻相稱為固溶體固溶體。 48 不管溶質原子處于溶劑原子的間隙中或者不管溶質原子處于溶劑原子的間隙中或者代替了溶劑原子都會使固溶體的晶格發生畸變，代替了溶劑原子都會使固溶體的晶格發生畸變，使塑性變形抗力增大，結果使金屬材料的強度、使塑性變形抗力增大，結果使金屬材料的強度、硬度增高。這種通過溶入溶質元素形成固溶體，硬度增高。這種通過溶入溶質元素形成固溶體，使

31、金屬材料的強度、硬度升高的現象，稱為使金屬材料的強度、硬度升高的現象，稱為固固溶強化溶強化。 固溶體中的晶格畸變示意圖 a)間隙固溶體 b)置換固溶體 492 2、金屬化合物、金屬化合物 金屬化合物的晶格類型與形成化合物各組元的金屬化合物的晶格類型與形成化合物各組元的晶格類型完全不同，一般可用化學分子式表示。鋼晶格類型完全不同，一般可用化學分子式表示。鋼中滲碳體（中滲碳體（FeFe3 3C C）是由鐵原子和碳原子所組成的金）是由鐵原子和碳原子所組成的金屬化合物，它具有屬化合物，它具有復雜的晶格形式復雜的晶格形式。 金屬化合物的性能不同于任一組元，其金屬化合物的性能不同于任一組元，其溶點一溶點一

32、般較高、硬而脆般較高、硬而脆。當它呈細小顆粒均勻分布在固溶。當它呈細小顆粒均勻分布在固溶體基體上時，將使合金的強度、硬度和耐磨性明顯體基體上時，將使合金的強度、硬度和耐磨性明顯提高，這一現象稱為提高，這一現象稱為彌散強化彌散強化。50金屬化合物在合金中常作為金屬化合物在合金中常作為強化相強化相存在，它是許多存在，它是許多合金鋼、有色金屬和硬質合金的重要組成相。合金鋼、有色金屬和硬質合金的重要組成相。3 3、金屬、金屬混合物混合物 絕大多數合金的組織都是固溶體與少量金屬絕大多數合金的組織都是固溶體與少量金屬化合物組成的化合物組成的金屬金屬混合物混合物，其性質取決于固溶體與，其性質取決于固溶體與金

33、屬化合物的數量、大小、形態和分布狀況。金屬化合物的數量、大小、形態和分布狀況。 51鐵碳鐵碳合金固態下的幾種合金固態下的幾種基本組織：基本組織：1.鐵素體鐵素體 ( F ) ：碳溶于：碳溶于Fe中的間中的間隙固溶體。隙固溶體。 2.2.2鐵碳鐵碳合金相圖合金相圖522.奧氏體奧氏體 ( A )碳溶于碳溶于-Fe中形成的間隙固溶體。中形成的間隙固溶體。53 奧氏體組織金相圖奧氏體組織金相圖543. 滲碳體滲碳體 ( ( Fe3C ) 鐵與碳形成鐵與碳形成的金屬化合物。的金屬化合物。 55滲碳體組織金相圖滲碳體組織金相圖564.珠光體珠光體 ( P )鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。鐵素體和滲碳體

34、組成的機械混合物。575.萊氏體萊氏體 ( Ld )奧氏體和滲碳體組成的機械混合物。奧氏體和滲碳體組成的機械混合物。58 Fe - Fe3C 相圖相圖59 Fe - Fe3C 相圖相圖ACDEFGSPQ1148727LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C TLdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FP0.77%CLdK( P+Fe3C )P+Ld+Fe3CLd+Fe3CP+FP+Fe3C( F+ Fe3C )A+ Fe3CL+ Fe3C( A+Fe3C )60鐵碳鐵碳合金相圖各主要線的意義：合金相圖各主要線的意義：ABCDABCD為為液相線液相線，AHJE

35、CFAHJECF為為固相線固相線。三條水平線三條水平線： 1.HJB包晶轉變線包晶轉變線:LB + H AJ14953.PSK共析轉變線共析轉變線:AS ( FP + Fe3C ) P 7272.ECF共晶轉變線共晶轉變線:LC ( AE + Fe3C ) Ld 114861包晶反應：包晶反應：在一定溫度下，由一固定成份在一定溫度下，由一固定成份的液相與一個固定成份的固相作用，合的液相與一個固定成份的固相作用，合成另一個成份固定的固相反應。成另一個成份固定的固相反應。 液固固液固固共晶反應：共晶反應：由某一成份的液相在一定溫度由某一成份的液相在一定溫度下同時結晶出兩種不同成份的固相反應。下同時

36、結晶出兩種不同成份的固相反應。 液固固液固固共析反應：共析反應：在一定溫度下，一固定成份的在一定溫度下，一固定成份的固相同時分解成兩種成份與結構均不相固相同時分解成兩種成份與結構均不相同的固相反應。同的固相反應。 固固固固固固 62四條重要的線四條重要的線: GS是冷卻過程中由是冷卻過程中由相析出相析出 相的開始線相的開始線ES是是C在在 Fe中的溶解度曲線中的溶解度曲線PQ是是C在在 Fe中的溶解度曲線中的溶解度曲線HN是是C在在 Fe中的溶解度曲線中的溶解度曲線 。重要的成份點重要的成份點:如下表如下表63點符合溫度t/0C含碳量wc含義A15380純鐵熔點純鐵熔點C11484.3共晶點共

37、晶點D12276.69滲碳體熔點滲碳體熔點E11482.11碳在奧氏體中的最大溶解度碳在奧氏體中的最大溶解度G9120 Fe Fe同素異晶同素異晶轉變點轉變點P7270.02碳在鐵素體中的最大溶解度碳在鐵素體中的最大溶解度S7270.77共析點共析點Q室溫0.0008碳在鐵素體中的溶解度碳在鐵素體中的溶解度64五個單相區：五個單相區：ABCD以上液相以上液相L區區AHNA 相區相區NJESGN 相區相區GPQ以左以左 相區相區DFKFe3C相區相區七個兩相區：七個兩相區：分別存在于相鄰兩個單相區之間：分別存在于相鄰兩個單相區之間：L 、LA、L Fe3C、 A、AF、A Fe3C 、F Fe3

38、C652.2.2.1典型鐵碳典型鐵碳合金相圖過程分析合金相圖過程分析 ( ingot iron ) 共析鋼共析鋼 ( eutectoid steel ) 亞共析鋼亞共析鋼 ( hypoeutectoid steel ) 過共析鋼過共析鋼 ( hypereutectoid steel ) 共晶白口鐵共晶白口鐵 ( eutectoid white iron ) 亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵( hypoeutectoid white iron ) 過共晶白口鐵過共晶白口鐵( hypereutectoid white iron )鋼鋼生鐵生鐵工業純鐵工業純鐵6667681.工業純鐵工業純鐵 ( Wc 定義

39、定義:馬氏體是一種碳在馬氏體是一種碳在 Fe中的中的 過飽和固溶體。過飽和固溶體。2轉變特點轉變特點:在一個溫度范圍內連續冷卻完成在一個溫度范圍內連續冷卻完成;轉變速度極快轉變速度極快,即瞬間形核與長大即瞬間形核與長大;無擴散轉變無擴散轉變( Fe、C原子均不擴散原子均不擴散 ), M與原與原A的成分相同的成分相同,造成晶格畸變。造成晶格畸變。轉變不完全性轉變不完全性, QM = f ( T )1063馬氏體的晶體結構馬氏體的晶體結構: 由于碳的過飽和作由于碳的過飽和作 用用,使使 Fe晶格由晶格由體心立方變成體心正體心立方變成體心正方晶格。方晶格。1074馬氏體的組織形態馬氏體的組織形態:板

40、條狀板條狀 - 低碳馬氏體低碳馬氏體(0.2%C ); 3050HRC ; = 917%。1084馬氏體的組織形態馬氏體的組織形態:針、片狀針、片狀 - 高碳馬氏體高碳馬氏體(1%C); 66HRC左右左右 ; 1%。1095馬氏體的性能馬氏體的性能:主要取決于馬氏體中的碳濃度。主要取決于馬氏體中的碳濃度。馬氏體的碳濃度 Wc 100507040602030100.10.30.20.400.5 0.6 0.7 0.80.9 1.0硬度 ( HRC ) 2000抗拉強度b ( Mpa ) 1800 1400 1000 600 200110 亞共析鋼的亞共析鋼的TTT曲線曲線 FAP + FS +

41、 FTBM + A殘殘A3時間時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度溫度()0400A1MsMf111 過共析鋼的過共析鋼的TTT曲線曲線P + Fe3CS + Fe3CTBM + A殘殘 Fe3CAACM時間時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度溫度()0400A1MsMf112影響影響 TTT 曲線形狀位置的因素曲線形狀位置的因素1奧氏體中含碳量的影響奧氏體中含碳量的影響:過共過共析鋼析鋼共析共析 鋼鋼亞共亞共析鋼析鋼時間溫度A11132奧氏體中含合金元素的影響奧氏體中含合金元素的影響:

42、除除Co、Al (2.5% ) 外外,所有合金元所有合金元 素溶入奧氏體中素溶入奧氏體中,會引起會引起: 向右移向右移向下移向下移MsA1A1Ms含含Cr合金鋼合金鋼1143加熱溫度和保溫時間的影響加熱溫度和保溫時間的影響: 加熱溫度越高加熱溫度越高, 保溫時間越長保溫時間越長, 碳化物溶解充分碳化物溶解充分, 奧氏體成分均勻奧氏體成分均勻, 提高了過冷奧氏體的穩定性提高了過冷奧氏體的穩定性, 從而從而 使使 TTT曲線向右移。曲線向右移。3)過冷奧氏體的過冷奧氏體的連續冷卻連續冷卻轉變轉變115Vk共析碳鋼共析碳鋼 CCT 曲線建立過程示意圖曲線建立過程示意圖時間( lg )溫度A1PfPs

43、A+PKMsMf水冷水冷油冷油冷Vk1爐冷爐冷空冷空冷116共析碳鋼共析碳鋼 TTT 曲線與曲線與CCT曲線的比較曲線的比較穩定的奧氏體區穩定的奧氏體區時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度()0400A1MsMfCCT曲線曲線TTT曲線曲線117穩定的奧氏體區穩定的奧氏體區時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度()0400A1MsMf在連續冷卻過程中在連續冷卻過程中 TTT 曲線的應用曲線的應用V1V2VkV3V4V1 = 5.5/s :爐冷爐冷 ; PV2 = 20/s :空冷空冷 ;

44、SV3 = 33/s :油冷油冷;T+M+A殘殘V4 138/s :水冷水冷 ; M+A殘殘V41184.鋼的整體熱處理鋼的整體熱處理毛坯生產毛坯生產 預備熱處理預備熱處理 機械加機械加工工 最終熱處理最終熱處理 機械精加工機械精加工預備熱處理預備熱處理 : 退火退火 ; 正火正火最終熱處理最終熱處理 : 淬火淬火 ; 回火回火一般零件生產的工藝路線一般零件生產的工藝路線:119（1）鋼的退火）鋼的退火1)定義定義: 把零件加溫到適當溫度把零件加溫到適當溫度,保溫一段時保溫一段時間間,然后然后緩慢冷卻緩慢冷卻（隨爐冷卻）隨爐冷卻）。 2)目的目的: 消除應力消除應力;降低硬度，以改變切削性能降

45、低硬度，以改變切削性能;細化晶粒，均勻成分，為最終熱處理作好組細化晶粒，均勻成分，為最終熱處理作好組織準備?？棞蕚洹?1203) 種類種類退火退火重結晶重結晶退退 火火低溫低溫退火退火完全退火完全退火擴散退火擴散退火球化退火球化退火再結晶退火再結晶退火去應力退火去應力退火普通退火普通退火等溫退火等溫退火普通球化普通球化 退退 火火等溫球化等溫球化 退退 火火不完全退火不完全退火等溫退火等溫退火1214) 工藝參數工藝參數(P46-47):溫溫 度度 ( C )名名 稱稱Ac3 + 3050完全退火完全退火AC1AC3（Acm）不完全退火不完全退火Ac3 或或 AC1以上以上等溫退火等溫退火Ac

46、1 + 3050球化退火球化退火Ac3 、ACCm+ 150250擴散退火擴散退火AC1以下以下再結晶退火再結晶退火去應力退火去應力退火500600122123(2)鋼的正火鋼的正火1)定義定義: 把零件加溫到臨界溫度把零件加溫到臨界溫度(Ac3或或Acm)以以上上 3050,保溫一段時間保溫一段時間,然后然后在空氣中冷卻在空氣中冷卻。把零件加熱到把零件加熱到 Ac3線以上線以上1001500C的正火稱的正火稱為高溫正火。為高溫正火。2)目的目的: 消除應力消除應力;調整硬度調整硬度;細化晶粒，均勻成分，為最終熱處理細化晶粒，均勻成分，為最終熱處理作好組織準備。作好組織準備。常用于常用于消除過

47、析鋼中網狀滲碳體消除過析鋼中網狀滲碳體 1243) 工藝參數工藝參數:溫溫 度度 ( C )名名 稱稱Ac3 + 3050亞共析鋼亞共析鋼Ac1 + 3050共析鋼共析鋼Accm + 3050過共析鋼過共析鋼1251264)4)熱處理后的組織熱處理后的組織: :S (Wc=0.61.4%) S+F (Wc0.6%)5) 應用范圍應用范圍: 1.預備熱處理預備熱處理:調整低、中碳鋼的硬調整低、中碳鋼的硬 度度;消除過共析鋼中的消除過共析鋼中的Fe3C（網狀）。（網狀）。 2.最終熱處理最終熱處理:用于力學性能要求不用于力學性能要求不 高的普通零件。高的普通零件。127（3）鋼的淬火）鋼的淬火1)

48、定義定義: 把零件加溫到臨界溫度以上把零件加溫到臨界溫度以上 30 50,保溫一段時間保溫一段時間,然然 后后快速冷卻快速冷卻 ( 水冷水冷 )。 2)目的目的: 為了獲得馬氏體組織為了獲得馬氏體組織,提高鋼提高鋼 的硬度和耐磨性。的硬度和耐磨性。 1283) 工藝參數工藝參數:溫溫 度度 ( C )名名 稱稱Ac3 + 3050亞共析鋼亞共析鋼Ac1 + 3050共析鋼共析鋼Ac1 + 3050過共析鋼過共析鋼1293)工藝參數工藝參數:1304)熱處理后的組織熱處理后的組織 : M+Fe3C+A殘殘 Ac1+3050過共析鋼過共析鋼 M + A殘殘 Ac1+3050 共析鋼共析鋼 M +

49、A殘殘 Ac3+3050亞共析鋼亞共析鋼Wc0.5% M Ac3+3050亞共析鋼亞共析鋼Wc0.5% 最終組織最終組織淬火溫度淬火溫度() 鋼種鋼種1316) 淬火冷卻介質淬火冷卻介質1理想淬火冷卻介質理想淬火冷卻介質時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度()0400A1MsMf1322常用的淬火冷卻介質常用的淬火冷卻介質 名名 稱稱 最大冷卻速度時最大冷卻速度時平均冷卻速度平均冷卻速度/(s-1)所在溫所在溫度度/ 冷卻速度冷卻速度 /( s-1)650550 300200 20靜止水靜止水34077513545040靜止水靜止水2855

50、4511041060靜止水靜止水2202758018510%NaCl 溶液溶液58020001900100010%NaOH 溶液溶液560283027507752010號機油號機油43023060658010號機油號機油4302307055203號錠子油號錠子油500120100501337) 常用的淬火方法常用的淬火方法單液淬火單液淬火雙液淬火雙液淬火分級淬火分級淬火等溫淬火等溫淬火時間時間溫度MsA11348) 鋼的淬硬性鋼的淬硬性 ( Hardening of steel )1定義定義:是指鋼在淬火后所能達到的最是指鋼在淬火后所能達到的最 高硬度。高硬度。2影響鋼的淬硬性的因素影響鋼的淬

51、硬性的因素:主要取決于主要取決于 馬氏體的含碳量馬氏體的含碳量。1359) 鋼的淬透性鋼的淬透性 ( Hardenability of steel )1定義定義:是指鋼在淬火時所能得到的是指鋼在淬火時所能得到的淬淬 硬層硬層 (馬氏體組織占馬氏體組織占50%處處) 的的 深度。深度。2影響鋼的淬透性的因素影響鋼的淬透性的因素:主要是主要是臨界臨界 淬火冷卻速度淬火冷卻速度VK 的大小的大小, VK 越越 大大,鋼的淬透性越小。鋼的淬透性越小。136工件淬硬層與冷卻速度的關系工件淬硬層與冷卻速度的關系1373淬硬性與淬透性之間的關系淬硬性與淬透性之間的關系:淬透性淬透性淬硬性淬硬性鋼鋼 種種小小

52、低低碳素結構鋼碳素結構鋼 ( 20 )小小高高碳素工具鋼碳素工具鋼( T10A )大大低低低碳合金結構鋼低碳合金結構鋼( 18Cr2Ni4WA )大大高高高碳高合金工具鋼高碳高合金工具鋼( Cr12MoV )1384淬透性的大小對鋼的熱處理后的力學性能的影淬透性的大小對鋼的熱處理后的力學性能的影響響未淬透鋼未淬透鋼淬透鋼淬透鋼139(4) 鋼的回火鋼的回火1)定義定義: 把淬火后的零件重新加溫到把淬火后的零件重新加溫到 Ac1線線以下某個溫度以下某個溫度,保溫一段時間保溫一段時間,然后冷卻（一然后冷卻（一般空冷，也水冷或油冷）到室溫。般空冷，也水冷或油冷）到室溫。2)目的目的: 消除淬火應力消

53、除淬火應力,降低脆性降低脆性;穩定工件尺寸穩定工件尺寸;調整淬火零件的力學性能。調整淬火零件的力學性能。 140耐磨件耐磨件M回回=0.3%C+150250低溫回火低溫回火彈簧等彈簧等T回回=F針針+Fe3C粒粒350500中溫回火中溫回火調質件調質件S回回=F多多+Fe3C球球500650高溫回火高溫回火高合金鋼高合金鋼P回回=F多多+Fe3C粒粒650A1高溫軟化高溫軟化3) 工藝參數工藝參數淬火淬火 + 高溫回火高溫回火 = 調質處理調質處理用途用途組組 織織溫度溫度()名名 稱稱淬火淬火 + 高溫回火高溫回火 = 調質處理調質處理1413.鋼的表面淬火鋼的表面淬火1) 定義定義:是一種

54、不改變鋼表層化學成是一種不改變鋼表層化學成 分分,但改變表層組織的但改變表層組織的局部熱局部熱 處理工藝處理工藝。2) 工藝特征工藝特征:通過快速加熱使鋼的表通過快速加熱使鋼的表 層奧氏體化層奧氏體化,然后急冷然后急冷,使表層使表層 形成馬氏體組織形成馬氏體組織,而心部仍保而心部仍保 持不變。持不變。 1423)表面淬火用鋼表面淬火用鋼: 選用選用中碳或中碳低合金鋼中碳或中碳低合金鋼。40、45、40Cr、40MnB等。等。4)表面淬火加工的方法表面淬火加工的方法: 感應加熱感應加熱( 高、中、工頻高、中、工頻 )、火火 焰加熱焰加熱、電接觸加熱法等。、電接觸加熱法等。1431感應加熱表面淬火

55、感應加熱表面淬火1)感應加熱的基本原理感應加熱的基本原理:* 感應電流感應電流 - 渦流渦流* 集膚效應集膚效應*淬火層深度淬火層深度()與電流頻率與電流頻率( f )的關系的關系: = 500 / f （mm）高頻感應加熱（高頻感應加熱（1001000kHz）：）：0.2-2mm中頻感應加熱（中頻感應加熱（0.510kHz）:2-8mm工頻感應加熱（工頻感應加熱（50Hz）:10-15mm144感應加熱表面淬火示意圖感應加熱表面淬火示意圖集膚效應示意圖集膚效應示意圖1452)工藝要求工藝要求: * 表面淬火前表面淬火前,必須對零件進行必須對零件進行正火正火 或或調質處理調質處理,以保證零件有

56、良好的以保證零件有良好的 基體?；w。 * 表面淬火后表面淬火后,必須對零件進行必須對零件進行低溫低溫 回火回火處理處理,以降低淬火應力和脆性。以降低淬火應力和脆性。3)生產特點生產特點: 淬火件的質量好淬火件的質量好; 工件變工件變 形小形小;不易氧化及脫碳不易氧化及脫碳;淬火層容易淬火層容易 控制控制;生產率高。設備投資大生產率高。設備投資大,不適不適 于復雜形狀零件和小批量生產。于復雜形狀零件和小批量生產。1462火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火1)火焰加熱表面淬火的基本方法火焰加熱表面淬火的基本方法1472)火焰加熱表面淬火的特點火焰加熱表面淬火的特點:*設備簡單設備簡單, 操作方便操

57、作方便, 成本低。成本低。*淬火質量不穩定。淬火質量不穩定。*適于單件、小批量及大型零件的生產。適于單件、小批量及大型零件的生產。148時效處理目的：進一步消除內應力，穩定工件尺寸。方法：高溫時效、低溫時效，自然時效1494.化學熱處理化學熱處理 ( Chemical Heat Treatment )1)定義定義:將零件置于一定的化學介質將零件置于一定的化學介質 中中 , 通過加熱、保溫通過加熱、保溫,使介質使介質 中一種或幾種元素原子滲入中一種或幾種元素原子滲入 工件表層工件表層,以改變鋼表層的化以改變鋼表層的化 學成分和組織的熱處理工藝。學成分和組織的熱處理工藝。 1502) 化學熱處理的

58、基本過程化學熱處理的基本過程:2吸收吸收: 活性原子被零件表面吸收和溶活性原子被零件表面吸收和溶 解。解。3擴散擴散: 活性原子由零件表面向內部擴活性原子由零件表面向內部擴 散散, 形成一定的擴散層。形成一定的擴散層。1分解分解: 化學介質在高溫下釋放出待滲化學介質在高溫下釋放出待滲 的活性原子。的活性原子。 2CO CO2 +C1513) 化學熱處理進行的條件化學熱處理進行的條件:1 滲入元素的滲入元素的原子必須是活性原子原子必須是活性原子, 而而 且且具有較大的擴散能力具有較大的擴散能力。2零件本身零件本身具有吸收滲入原子的能力具有吸收滲入原子的能力, 即對滲入原子有一定的即對滲入原子有一

59、定的溶解度溶解度或能或能 與之與之化合化合, 形成形成化合物化合物。4) 化學熱處理的種類化學熱處理的種類: 滲碳滲碳; 滲氮滲氮; 碳氮碳氮 共滲共滲; 滲硼滲硼; 滲鋁滲鋁; 滲硫滲硫; 滲硅滲硅; 滲鉻等。滲鉻等。1521.鋼的滲碳鋼的滲碳 ( Carburize of steel )1)定義定義: 向鋼的表面滲入碳原子的過程。向鋼的表面滲入碳原子的過程。2)目的目的: 獲得具有表硬耐磨里韌性能的零件。獲得具有表硬耐磨里韌性能的零件。3)用鋼用鋼:低碳鋼低碳鋼和和低碳合金鋼。低碳合金鋼。如如20、20Cr4)方法方法: 固體、固體、氣體氣體(常見常見)、液體滲碳、液體滲碳。5)設備設備:

60、 井式滲碳爐、可控氣氛爐、真空爐井式滲碳爐、可控氣氛爐、真空爐。 18CrMnMo、12Cr2Ni4A、20CrMnMo1536)工藝工藝: 加熱溫度為加熱溫度為900950; 滲碳時間一般為滲碳時間一般為39小時小時;7)滲碳后的組織滲碳后的組織: 1%CP+Fe3C0.2%C F + P少少表面表面中心中心零零 件件PP+F1548) 滲碳后的熱處理工藝滲碳后的熱處理工藝時間溫度930850方案方案1方案方案2滲滲 碳碳淬火淬火加熱加熱1559) 熱處理后的組織熱處理后的組織低碳低碳M回回+FM回回+Cm+A殘殘低碳低碳合金鋼合金鋼F+PM回回+Fe3C+A殘殘低碳鋼低碳鋼心部組織心部組織