1、工程材料全册配套最完整工程材料全册配套最完整 精品课件精品课件 工程材料 一、教学内容 工程材料的分类及其性能 、材料结构与变 形 、材料强化方法 、常用工程材料 、 工程材料的选择 学习目的 人类文明是以所使用的材料作为标志的，材料 是现代物质文明的基础，研究、生产、使用新材 料的程度是衡量一个国家科技发展水平的标准之 一。 制造技术是实现人类理想、创造社会财富的重 要手段。人类的物质财富主要是由“制造”所创 造的。美国70%的财富是由制造业创造的。 作为工程技术人员，了解、掌握、应用工程材 料和制造技术是最基本的工程能力。 三、教学与学习方法 1.授课方法：讲课、讨论。 2. 学习方法：掌
2、握基本概念，认真听课、 自主完成作业。 3.成绩评定：平时成绩20%（作业、实验、 提问、考勤等），考试80%。不定期点名。 缺课3次以上平时成绩为0分。 四、教材及参考书 教材： 工程材料北航 参考书 机械工程材料基础高教出版社 张继世主 编 机械工程材料机械工业出版社 沈莲主编 版权所有, 1997 (c) Dale Carnegie 在这 一温区下部转变得到下贝氏体。下贝氏 体有较高的硬度和强度，塑性和韧性也 较好，而上贝氏体基本上无实用价值。 c.低温转变 奥氏体在240以下碳原子移动极为困难。 奥氏体只发生同素异构转变，由面心立 方的-铁，转变为体心立方的铁。原 奥氏体中所有的碳原子
3、都保留在体心立 方晶格内，形成过饱和的铁。这种碳 在铁中的过饱和固溶体叫马氏体。 残余奥氏体 共析钢奥氏体过冷到240(Ms)时，开始 转变为马氏体，随着温度下降，马氏体 逐渐增加，过冷奥氏体不断减少，直至- 50(Mf)时，过冷奥氏体才全部转变为 马氏体。所以，Ms与Mf之间的组织为马 氏体和残余奥氏体。 由于含碳量不同，马氏体有两种形态。 含碳量较高的马氏体组织呈针叶状，叫 针叶马氏体。含碳量较低的马氏体组织 为板条状，叫板条马氏体。 组织 含碳 量 % 机 械 性 能 HRC b (Mpa) ak J/cm2 (%) 低碳0.240451500602030 高碳1.26065500524
4、 (2)连续冷却 图3-9共析钢连续冷却转变曲线 0 200 400 600 800 A1 Ms a b c d e 秒) T a.为随炉冷却，冷却曲线与珠光体转变开 始线相交时，奥氏体开始向珠光体转变； 冷却曲线与转变终了线相交后转变完成。 由于转变是珠光体区进行的，所以得到 珠光体组织。 b.为在空气中冷却，由于冷速较快，转 变在索氏体区进行，所以转变产物为索 氏体。 c.为油冷，冷却曲线只与珠光体转变开始线相 交(在屈氏体转变区)，未与转变终了线相交。 所以只有一部分奥氏体发生了转变，转变产物 为屈氏体；而另一部分奥氏体则在冷却到Ms线 后转变为马氏体。最后得到的是马氏体和屈氏 体的混合
5、组织。即为油中冷却的产物。 d.为水冷，由于冷速快，冷却曲线未与珠光体 转变开始线相交，待冷到马氏体转变开始线以 下时，奥氏体转变为马氏体。 连续冷却曲线与等温C曲线的比较 连续冷却曲线位于等温C曲线右下方， P转变温度更低，时间更长； 共析钢及过共析钢的连续冷却曲线中 无B型转变，而多了一条P转变终止线； 亚共析钢在连续冷却时在一定温度范 围内过冷A会部分转变为B。 由于CCT曲线测定比较困难，许多钢至今 仍无，实际热处理中常参照C曲线来定性 估计连续冷却转变过程。 二二) 共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线与曲线与CCT曲线的比较曲线的比较 稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区 时间(s) 300 1
6、021031041010 800 -100 100 200 500 600 700 温度 () 0 400 A1 Ms Mf CCT曲线曲线 TTT曲线曲线 时间时间 温温 度度 TA A Ms Mf AM AP AB 时间时间 温温 度度 TA A Ms Mf AM AP AB AF AFe3C 亚共析钢过共析钢 亚、过共析钢的TTT曲线 2. 钢的淬透性钢的淬透性 (1)淬透性的概念淬透性的概念 钢的淬透性是指钢在淬火时能获得淬硬层深度 的能力，它是钢材本身固有的属性。 淬火时，工件截面上各处冷却速度是不同的。 其表面冷却速度最大，大于该钢的马氏体临界 冷却速度，淬火后获得马氏体组织。愈到
7、中心 冷却速度愈小。在距表面某一深处的冷却速度 开始小于该钢的马氏体临界冷却速度，则淬火 后将有非马氏体组织出现，这时工件末被淬透。 (2)淬透性对力学性能的影响淬透性对力学性能的影响 淬透性好的钢，其 力学性能沿截面是 基本相同的；而淬 透性差的钢，其力 学性能沿截面是不 同的，愈靠近心部 的力学性能愈低， 特别是韧性值更为 明显。 (3)淬透性的测定与表示方法淬透性的测定与表示方法 淬透性的测定方法很多，按GB22563 规定，结构钢末端淬透性试验(端淬试验) 法是最常用的方法。用来测量淬透层的 厚度。 临界直径是一种直观衡量淬透性的方法。 临界直径是钢在某种淬火冷却介质中冷 却后，心都能
8、得到半马氏体组织（50%） 的最大直径，用Do表示。 顶端淬火法 临界淬透直径 油淬油淬 水淬水淬 牌号 Domm 牌号 Domm 淬水淬油淬水淬油 45 1316.559.5 35CrMo 36422028 60 1117612 60Si2Mn 55623246 T10 10158 50CrVA 55623240 65Mn 25301725 38CrMoAl 10080 20Cr 1219612 20CrMoTi 22351524 40Cr 30381928 30CrMnSi 40503240 35SiMn 40462534 40MnB 50552840 钢的淬透性的应用 钢的淬透性是机械设
9、计中选材时应予考虑的重要因钢的淬透性是机械设计中选材时应予考虑的重要因 素之一。素之一。 大截面零件、承受动载的重要零件、承受拉力大截面零件、承受动载的重要零件、承受拉力 和压力的许多重要零件（螺栓、拉杆、锻模、锤和压力的许多重要零件（螺栓、拉杆、锻模、锤 杆等），要求表面和心部力学性能一致，应选择杆等），要求表面和心部力学性能一致，应选择 淬透性高的材料；淬透性高的材料； 心部力学性能对使用寿命无明显影响的零件心部力学性能对使用寿命无明显影响的零件 （承受弯曲或扭转的轴类），可选用淬透性低的（承受弯曲或扭转的轴类），可选用淬透性低的 钢，获得钢，获得1/21/4淬硬层深度即可；淬硬层深度即可
10、； 焊接件、承受强力冲击和复杂应力的冷镦凸模焊接件、承受强力冲击和复杂应力的冷镦凸模 等，不能或不宜选择淬透性大的材料。等，不能或不宜选择淬透性大的材料。 3.1.3 3.1.3 热处理工艺热处理工艺 一般地说，热处理工艺的 基本过程包括加热、保温 和冷却三个阶段。由于热 处理时起作用的主要因素 是温度和时间，所以各种 热处理都可以用温度时 间曲线来表示，叫做热处 理工艺曲线， 临界温度 保温 淬火 回火 加热 冷却 温度 时间 图3-14 热处理工艺曲线示意图 牌号成分状态b (MPa)s(MPa)() 20 0.20C 0.45Mn 轧制 退火 488 393 331 297 36 36
11、40 0.40C 0.45Mn 轧制 退火 淬火+回火 621 517 800 414 352 593 25 30 20 60 0.60C 0.65Mn 轧制 退火 淬火+回火 814 628 1100 483 483 780 17 22 13 80 或 T8 0.80C 0.80Mn 轧制 退火 淬火十回火 967 614 1304 586 373 980 12 25 12 热处理的意义 1、退火Annealing 将钢件加热到临界温度（将钢件加热到临界温度（A1、A3、Acm） 以上（有时以下）保温一定时间，然后缓冷以上（有时以下）保温一定时间，然后缓冷 （炉冷、坑冷、灰冷）以得到平衡状态
12、的组织（炉冷、坑冷、灰冷）以得到平衡状态的组织 的热处理工艺称退火。的热处理工艺称退火。 A B E G H J N P S Q + + +Fe3C +Fe3C L+ L L+ 低温低温 扩散扩散 退退 火火 温温 度度 球化球化 完全完全 1、完全退火、完全退火 主要用于亚共析钢和合金钢的铸、锻、主要用于亚共析钢和合金钢的铸、锻、 及热轧型材。也可以用于焊件。及热轧型材。也可以用于焊件。 细化晶粒，消除应力和组织缺陷，细化晶粒，消除应力和组织缺陷，硬度，硬度， 塑性。塑性。 加热保温加热保温 Ac3+2030 冷却冷却 缓慢冷却（随炉或者埋在砂中或石灰缓慢冷却（随炉或者埋在砂中或石灰 中冷却
13、）到中冷却）到500以下，在空气中冷却。以下，在空气中冷却。 目的目的 细化晶粒，消除应力和组织缺陷，降低细化晶粒，消除应力和组织缺陷，降低 硬度，提高塑性，为机加工及后续热处理（淬硬度，提高塑性，为机加工及后续热处理（淬 火）作组织准备。火）作组织准备。 常用退火工艺 (1)完全退火 (2)球化退火(不完全退火) (3)等温退火 (4)去应力退火 (5)再结晶退火 (6)扩散退火 完全退火工艺完全退火工艺 完全退火的局限性完全退火的局限性 需要时间很长，特别对于某些需要时间很长，特别对于某些 A比较稳定的合金钢，需要十比较稳定的合金钢，需要十 几个小时甚至几天，为了几个小时甚至几天，为了生生
14、 产效率，产生了等温退火。产效率，产生了等温退火。 2、等温退火、等温退火 与完全退火工艺相同，所与完全退火工艺相同，所 不同的是钢件经过不同的是钢件经过A化后，化后， 以较快的速度冷却到某一以较快的速度冷却到某一T， 保温一定时间保温一定时间AP，然，然 后以较快的速度冷却到室后以较快的速度冷却到室 温。温。 等温退火工艺等温退火工艺 时间时间 温度温度 保温保温 Ac3+20 30 快冷快冷 空冷空冷 Tp AP 3、球化退火、球化退火 T = Ac1+ 2040，进行较，进行较 长时间的保温，使钢的长时间的保温，使钢的Fe3C （碳化物）趋于球化，然后（碳化物）趋于球化，然后 缓慢冷却到
15、缓慢冷却到600550再出再出 炉冷却。使炉冷却。使Fe3C网变成球，网变成球， 以降低硬度，改善切削加工以降低硬度，改善切削加工 性能，并为淬火作组织准备。性能，并为淬火作组织准备。 A B E G H J N P S Q + + +Fe3C +Fe3C L+ L L+ 低温低温 扩散扩散 退退 火火 温温 度度球化球化 完全完全 2、 钢的正火钢的正火 Normalizing Ac3、Accm+ 30 80， 保温后空冷。保温后空冷。 A B E G H J N P S Q + + +Fe3C +Fe3C L+ L L+ 应用范围 对普通结构件为最终热处理，以细对普通结构件为最终热处理，以
16、细 化组织，提高其强度和韧性；化组织，提高其强度和韧性； 使中、低碳结构钢组织正常化，改使中、低碳结构钢组织正常化，改 善切削加工性能；善切削加工性能； 为淬火作组织准备；为淬火作组织准备； 抑制或消除过共析钢的网状渗碳体，抑制或消除过共析钢的网状渗碳体， 为球化退火作组织准备。为球化退火作组织准备。 退火与正火的选择 改善切削加工性能改善切削加工性能 低碳钢：硬度低，粘刀，正火；低碳钢：硬度低，粘刀，正火； 高碳钢：硬度高，难切削，退火；高碳钢：硬度高，难切削，退火； 中碳钢：退火、正火。中碳钢：退火、正火。 经济性经济性 正火周期短，耗能少，操作简便，尽量正火周期短，耗能少，操作简便，尽量
17、 以正火代替退火。以正火代替退火。 3、淬火与回火 （1）淬火 n将钢加热至Ac3线 或Ac1线以上的某 一温度，保温一定 时间使之奥氏体化 后，迅速冷却，从 而获得马氏体组织 的工艺叫淬火。 A B E G H J N P S Q + + +Fe3C +Fe3C L+ L L+ （2）回火 n将淬火后的钢加热到Ac1以下的 某一温度，保温一定时间，然后 取出空冷或油冷的热处理工艺过 程称为回火。 w根据加热温度的不同，回火可 分为低温回火、中温回火和高温 回火。 a.低温回火 加热温度在150250之间，回火 组织为回火马氏体。这种回火主要 是为了降低钢中的残余应力和脆性， 而保持淬火后得到
18、的高硬度和耐磨 性。主要用于各种工具，滚珠轴承 及渗碳件等。硬度一般为HRC58 64。 b.中温回火 加热温度在350500之间, 回火 组织为回火屈氏体。中温回火后 钢的内应力大大降低，同时具有 较高的弹性极限的屈服极限，硬 度为HRC3545。主要用于弹簧 元件、锻模等。 c.高温回火 加热温度在500600之间，回火组织为回火 索氏体。淬火加高温回火又称为“调质处 理”。 它可以消除钢的内应力，获得较高的韧性，使 钢具有良好的综合性能。因此，调质被广泛 用于要求具有一定强度和较高塑性、韧性的 各类机械零件。 调质处理后的硬度一般为HRC2535。在硬度 相同的情况下调质钢的各项力学性能
19、明显高 于正火。 35钢力学性能与回火温度的关钢力学性能与回火温度的关 系系 4、表面热处理 （1）表面淬火 （2）渗碳 （3） 渗氮 （1）表面淬火 n表面淬火是将钢件 表面进行快速加热， 使其表面组织转变 为奥氏体，然后快 速冷却，表面层转 变为马氏体的一种 局部淬火的方法。 工件 冷却水 冷却水 感应线圈 淬火喷水套 进水 图3-17 感应加热淬火示意图 （2）渗碳 ( Carburize of steel ) 渗碳是向钢的表 面渗入碳原子， 使其表面达到高 碳钢的含碳量渗 碳主要有固体渗 碳和气体渗碳两 种方法，应用广 泛的是气体渗碳 法。 液体渗碳剂 废气 沙封 加热元件 耐热罐 工
20、件 风扇 图3-18 气体渗碳示意图 气体渗碳剂 裂化混合气体（天然气或煤气 CH4+C3H8）； 有机液体高温下分解产生的混合气 体（CO、CH4、C2H4 ） 工件渗碳后，通常还要进行淬火+低温回火处 理，组织为 表面： 高碳回火M+粒状渗碳体或碳化物+少量A 心部：随材料而异 普通低碳钢为：F+P 低碳合金钢为：回火低碳M+F 渗碳层深度：0.33mm 20钢渗碳缓冷组织 ( 化染 ) 580 表层珠光体 + 网状渗碳体; 中层珠光体; 内层铁素体 + 珠光体 Structure of low carbon steel as slow cooling after being carbur
21、ized （3） 渗氮( Nitridation of steel ) 渗氮是将氮原子渗入钢 件表面，形成以氮化物 为主的渗氮层，以提高 渗层的硬度、耐磨性、 抗蚀性、疲劳强度等多 种性能。渗氮种类很多， 有气体渗氮法、盐浴氮 化法、软氮化、离子氮 化等。 38 CrMoAl 气体渗氮层组织 ( 化染 ) 650 黄色区 : ( Fe2-3N ) + ( Fe4N ) ; 红色区 : ( Fe4N ) ; 蓝绿色区:含氮索氏体 + 脉状氮化物; 绿黄色区:索氏体基体。 3.1.43.1.4热处理工序安排热处理工序安排 1、预先热处理 2、最终热处理 1、预先热处理 作用主要是消除内应力，细化晶
22、粒，改 善组织，改善切削加工性能，并为最终 热处理作组织准备。 预先热处理包括退火、正火、调质等。 其工序位置一般在毛坯生产(铸、锻、焊) 之后，或机械粗加工之后，精加工之前。 2、最终热处理 最终热处理是决定零件最终组织和性能 的热处理。包括各种淬火、回火及化学 热处理等。最终热处理后的零件一般硬 度较高，除磨削外，不宜进行其它切削 加工，所以一般安排在半精加工之后， 磨削加工之前。 连杆螺栓 热处理技术条件：回火索 氏体，不允许有块状铁素 体。调质263322HBS 工艺路线 锻造锻造退火或正火退火或正火粗加粗加 工工调质调质精加工精加工 硬度42HRC 锻造正火粗、半 精加工淬火、回火精
23、磨 尾锥套 3.1.53.1.5淬火变形及零件结构工艺性淬火变形及零件结构工艺性 由于淬火时的温度变化剧烈，工件各部冷速不 同，淬火后工件不可避免地会产生变形。工件 内部也会有残余内应力。特别是当淬火零件结 构不对称，壁厚不均匀或操作不当时，工件会 产生很大的内应力、变形甚至开裂。 较小的变形影响不大，精度要求高的零件可用 后续加工解决。较大的变形需先矫正，然后再 进行后续加工。 残余内应力会在后续加工或以后的使用过 程中释放出来，引起工件变形甚至开裂。 可通过淬火后的回火或时效消除应力。在 设计零件时，也应考虑到零件结构对淬火 应力的影响。 在设计零件时，也应考虑 到零件结构对淬火应力的 影
24、响。在满足使用要求的 前提下，零件的结构形状 应尽量对称(a)，壁厚均匀， 必要时可增加工艺孔或采 用组合结构(b)、(c)。避免 出现尖角、盲孔(d)。在截 面变化时应有过渡。孔与 边缘和尖角的距离不能太 近(e)。对某些易变形的零 件，还可在淬火前留筋， 淬火后切除(f)。 图3-23为 淬火零件的结构比较。 3.2 金属的表面处理金属的表面处理 3.2.13.2.1表面防护表面防护 n为防止金属腐蚀而采用各种方法叫金属表面 防护。常用的金属表面防护方法有表面涂层 和表面转化膜工艺。 3.2.2 3.2.2 金属的表面改性金属的表面改性 n金属的表面改性也称表面优化，就是借助于 离子束、激
25、光、等离子体等新技术手段，改 变材料表面及近表面的组分、结构与性质， 3.2.13.2.1表面防护表面防护 表面涂层： n电镀、电泳涂装、静电喷漆、 表面转化膜工艺： n钢的氧化、钢的磷化、铝合金阳极化 （1）电镀 n金属涂层是与被保护金属不同的 材料，其作用是把介质与金属隔 开，达到防腐的目的。形成金属 涂层的工艺主要有电镀、化学镀、 喷镀、热镀等。其中电镀是目前 我国应用最广的一种价廉而有效 的防护方法。 阴极：主反应阴极：主反应 Zn2+2e-Zn副反应副反应 2H+2e-H2 阳极：主反应阳极：主反应 Zn-Zn2+2e 副反应副反应 4OH- 2H2O+O2+4e 图3-20镀锌过程
26、示意图 H ZnFe H+Zn2+ ZnSO4 阳极 (Zn) 阴极 (Fe) （2）电泳涂装 电泳涂装是一种水溶性漆液施工方法。 其原理是在外加电场的影响下，漆液 中的带电胶体粒子在水溶性分散介质 中作定向移动，沉积到作为阳极工件 的表面上，形成涂层。水溶性漆用树 脂，有环氧酯、丙烯酸、聚氨酯、酚 醛和醇酸等水溶性漆品种。 （3）静电喷漆 此法是使已雾化的油漆微粒在直 流高压电场中带电，而在静电场 的作用下，带电油漆微粒迅速地 向异极性的工件表面结集成膜。 2、转化膜 转化膜是用化学和电化学的方法使 金属表面层发生反应，形成有自身 参与的氧化物或金属盐类防护膜层 也可起到防护作用。 最常见的
27、工艺有黑色金属的氧化、 磷化和铝合金的阳极化。 （1）钢的氧化处理 钢在加热的硝酸钠、氢氧化钠水溶液中氧化处 理。 钢氧化处理后零件表面上能生成保护性磁性氧 化铁（Fe3O4）和氧化亚铁 膜。膜的颜色一般 呈黑色和蓝黑色。又称发兰或发黑。膜层的厚 度约为0.61.5 微米，因此氧化处理不影响零 件的精度。发兰后的零件再进行浸油和其他填 充处理，能进一步提高膜层的耐蚀性和润滑能 力。 钢的氧化处理一般采用碱性氧化法。在 一定温度的条件下，在含有氧化剂（硝 酸钠或亚硝酸钠）的氢氧化钠溶液中进 行。氧化剂与氢氧化钠与金属铁作用， 生成亚铁酸钠（Na2FeO2)和铁酸钠 （Na2Fe2O4)，再互相反
28、应，生成磁性氧 化铁。 （2）钢的磷化处理 钢铁零件在含有锰、铁、锌的磷酸盐溶液中， 进行化学处理，使其表面生成一层难溶于水的 磷酸盐保护膜的方法，叫做磷化处理。 磷化膜的外观由于基体材料及磷化工艺的不同 可由暗灰到黑灰色。磷化膜的主要成分由磷酸 盐Me3(PO4)2或磷酸氢盐（MeHPO4)的晶体组成。 用于涂漆前打底，提高漆膜层的附着力与防腐 蚀能力。 （3） 阳极化 所谓阳极化是指用电化学的方法在铝及 铝合金表面获得一层氧化膜的方法，由 于在处理时零件为阳极，所以称为阳极 氧化处理（阳极化）。 氧化膜的性质： a多孔：b硬度高 c化学稳定性好 d绝缘性好：e结合能力好：f耐高 温： 几乎
29、所有的铝合金零件都能氧化。如机 械加工、钣金、部分铸造和焊接等铝制 零件。因此在航空工业、电气工业、各 种机械制造业、日用品工业获得了广泛 的应用。 3.2.2 3.2.2 金属的表面改性金属的表面改性 金属的表面改性也称表面优化，就 是借助于离子束、激光、等离子体 等新技术手段，改变材料表面及近 表面的组分、结构与性质，从而获 得传统的冶金和表面处理技术无法 得到的新薄层材料，或者使传统材 料具有更好的性能。 n1. 物理气相沉积（PVD) w（1）蒸发镀膜 w（2）溅射 w（3）离子镀 n2. 化学气相沉积（CVD) （1）蒸发镀膜 蒸发镀膜通常是在真 空中进行，例如图3- 21所示的真空
30、蒸镀。 将零件和涂层材料同 时放在钟罩形的真空 室内，涂层材料受热 蒸发，蒸发出的分子 或原子在自由行程内 与受镀零件表面相遇， 不断凝结成膜。 图3-21 电阻加热真空蒸镀 真空泵 蒸发源 基体 蒸发料 加热灯丝 （2）溅射沉射 在真空度不太高的环境 中，在强电场的作用下， 充入的氩气产生辉光放 电，并部分电离，在阴 极负高压的吸引下， Ar+离子被加速，以极 高的速度轰击材料靶， 溅射出来的原子或分子 以足够高的速度飞向周 围的基体（被镀零件） 上，形成镀覆层。 Ar 靶 基体 溅射原子 图3-22 阴极溅射镀示意图 1) 具有严格的晶格 生长方向，可制造 单晶结构层； (2) 膜层致密，
31、均 匀，结合力更高； 金属，合金，陶瓷，硼化物陶瓷，碳化 物陶瓷，氟化物陶瓷 ，氮化物陶瓷 ，氧 化物陶瓷靶材，硒化物陶瓷 ，硅化物陶 瓷 ，硫化物陶瓷 ，碲化物陶瓷 （3）离子镀 离子镀的原理见 图3-23。阳极为 镀覆材料，阴极 为被镀基体零件。 1 5kv 基体 金属离子 Ar 电子 蒸发源 真空泵 Ar+ 阴极暗区 图3-23 离子镀原理示意图 + + + + + + + + 在合适的电压下（一般为35 千伏），基体和蒸发源之间产 生辉光放电，一部分电离生成 的氩正离子受负高压基体的吸 引轰击基体。当清洗完毕后再 使蒸发源中的涂覆料蒸发，蒸 发出的粒子进入辉光放电区， 其中一部分电离为
32、正离子，受 负高压作用沉积在基体上。 2. 化学气相沉积（CVD) 化学气相沉积是近一二十年发展起来的 薄膜沉积新技术。这种技术是利用气态 物质在一固体材料表面上进行化学反应， 生成固态沉积物的过程。化学气相沉积 可以在中等温度下利用高气压反应剂气 体源，来沉积高熔点的相。如TiB2的熔 点为3225，可以由TiCI4,BCI3和H2在 于900下以化学气相沉积获得。 2 WF6+1/6 C6H6 +11 1/2 H2 W2C+12 HF 真 空 泵 CVD反应器 流量计 气体混合器 H2C6 H6WF6Ar 图3-24 化学气相沉积炭化钨装置示意图 工件 沉积的固态膜层主要有装饰功能薄膜、物
33、理功 能薄膜（如光学膜、微电子膜、光电子膜和信 息存储膜等）、机械功能薄膜（如高强度高硬 度膜、自润滑膜、耐磨损和耐腐蚀膜等）以及 特殊功能薄膜（如高温下耐磨损和透光的金刚 石膜）等。被沉积工件材料可以是金属、硬质 合金、陶瓷、聚合物和玻璃等。涂覆的薄膜主 要有金属膜、合金膜、氧化物膜、氮化物膜和 碳化物膜等 4.3.2变形铝合金 变形铝合金通常经不同的变形加工方 式生产成各种半成品提供使用，如板、 棒、管、线、型材及锻件等。 变形铝合金的编号方法 凡是化学成分与变形铝合金国际牌号注 册协议组织命名的合金相同的所有合金， 其牌号直接采用国际四位数字四位数字体系牌号。 未与国际四位数字体系牌号的
34、变形铝合 金接轨的，采用四位字符四位字符牌号）。 四位字符四位字符 牌号的第一、第三、第四位 为阿拉伯数字，第二位为英文大写字母。 第一位数字表示铝合金组别， 变形铝合金按照合金系列分为 2XXXAl-Cu系， 3XXXAl-Mn系， 4XXXAl Si系， 5XXXAl Mg系 6XXXAlMg-Si系， 7XXXAl Zn系， 8XXXAl-其他元素， 9XXX备用系。 变形铝合金编号 Al -Mn Al-Mg Al-Cu- Mg Al-Cu- Mg-Zn Al-Mg -SiCu Al-Cu-Mg-Fe- Ni 变 形 铝 合 金 不 可 热 处 理 强 化 防锈铝 3A21 (LF21)
35、 5A05 (LF10) 可 热 处 理强化 硬铝2A11 (LY11) 2A12 (LY12) 超硬铝7A04 (LC4) 7A09 (LC9) 锻铝 2A14 (LD10) 2A50 (LD5) 2B70 (LD7-1) 2A80 (LD8) 1. 防锈铝合金 防锈铝其特点是 抗蚀好、易于加 工成形和焊接。 但不能热处理强 化，强度较低。 适于制作要求抗 腐蚀及受力不大 的零部件，如油 管、油箱等。这 类合金主要是Al- Mn系和Al-Mg系。 2. 硬铝合金 硬铝是目前航空工业中应用最广泛的 一类变形铝合金。其特点是具有强烈 的时效硬化能力。强度高,抗蚀性和焊 接性能较差。用以制造飞行器
36、各种承 力构件，如蒙皮、壁板、桨叶、活塞 及火箭上的液体燃料箱等。硬铝主要 为A1-Cu-Mg和A1-Cu-Mn系。 3. 超硬铝合金 超硬铝是在硬铝的基础上再加锌 而成，强度高于硬铝，故称超硬 铝合金，应用于飞机结构件，如 翼梁、螺旋桨叶、起落架等。 4. 锻造铝合金 锻铝具有良好的热塑性、焊 接、抗蚀、冷加工等性能。 以Al-Mg-Si系为主。 Extruder 4.3.3铸造铝合金 铸造铝合金的优点是比重小，比强度较高， 并有良好的抗蚀性和铸造工艺性。 铸造铝合金编号 铸造 铝合 金 活塞(裙部为铝硅合金) 汽缸头 4.3.4铝合金的热处理 铝合金通常采用的热处理操作主要 有退火、淬火和
37、时效。 1. 退火 不论变形铝合金或铸造铝合金都可 以进行退火。变形铝合金的退火主 要有再结晶退火、消除应力退火和 完全退火。 2. 淬火和时效 淬火和时效是铝合金的强化热处理。铝 合金淬火的目的是为了将高温下的固溶 体固定到室温，得到均匀的过饱和固溶 体。铝合金的淬火加热温度一般应高于 其饱和溶解度曲线，而低于其熔化温度。 铝合金淬火后的性能与钢淬火后得到的 马氏体组织大不相同。其塑性显著增加， 而强度和硬度提高不多，需经时效处理, 才能提高强度、硬度。 时效就是淬火后的铝合金在室温停留或 加热保温后其强度、硬度提高的现象。 在室温下进行的时效成为自然时效。在 加热情况下进行的时效称为人工时
38、效。 4.3.5纯钛和钛合金 纯钛熔点1667,比重4.5g/cm3,室 温下为密排六方结构, 882.5以上 为体心立方结构。 钛合金按其组织可分成型(TA)、型 (TB)、+型(TC)。 波音飞机钛合金锻件 钛合金的特点 a. 比强度高：钛合金的抗拉强度可达1500MPa，比 重只有钢的一半。 b. 热强度高：钛合金可在550以下工作，可望提 高到600。 c. 低温性能好：钛合金低温韧性很好，在-253时 仍具有良好的韧性。 d. 抗蚀性好：钛在大气、水、海水、硝酸、稀硫酸 等腐蚀介质中的抗蚀性优于不锈钢。例如，某冷凝 管在海水中试验16年之后，未出现腐蚀现象。 钛合金的主要缺点是工艺性
39、差 ,价格昂贵. 钛合金应用 现有航空航天用钛合金中，应用最广泛的是 多用途的+型Ti-6A1-4V合金。用于制造发 动机压气机盘、叶片，蒙皮等。液体燃料火 箭的储氢罐也是钛合金制造的，其工作温度 为-253。 许多民用领域如氯碱化工业及海水用泵、阀、 管道、换热器、冷凝器等，也广泛采用钛合 金，并取得了良好的经济效益。 4.3.6镁合金 镁合金在常用工程金属材料中密度 最小，为1.8g/mm3，约为铝合金的 2/3，钛合金的1/3，钢的1/4。 镁合金分为变形镁合金(MB)和铸造 镁合金(ZM)二大类 镁合金特点和应用 镁合金有较大承受冲击载荷的能力，可 制造受猛烈碰撞的零件。例如飞机的轮
40、毂。美国近年为陆军生产的一种“瘪气 下行驶”的车轮。这种轮子的轮胎和轮 毂之间装有12.2kg重的镁合金压铸环形 件，万一轮胎被弹片扎破漏气，装这种 轮子的军车可在48km/h速度下行驶而不 使车辆受损。 铜及铜合金的基本特性 1. 优异的物理化学性能 2. 良好的加工性能 3. 某些特殊机械性能 4. 色泽美观 4.3.7铜及铜合金铜及铜合金 牌号牌号代号代号 含铜量含铜量 （% %） 主要用途主要用途 1 1号铜号铜T1T199.9599.95导电材料、配制高纯度合金导电材料、配制高纯度合金 2 2号铜号铜T2T299.9099.90电线、电缆等电力传输材料电线、电缆等电力传输材料 3 3
41、号铜号铜T3T399.7099.70电机、电工器材、电器开关、垫电机、电工器材、电器开关、垫 圈、铆钉、油管等圈、铆钉、油管等 4 4号铜号铜T4T499.5099.50 纯铜的牌号及主要用途 1 1 纯铜（紫铜）纯铜（紫铜） 纯铜的牌号及主要用途 1 纯铜（紫铜） 1. 铜的合金化 2.铜合金的分类 按成形方法 变形铜合金 铸造铜合金 黄铜Cu Zn 白铜Cu Ni 青铜除黄铜和白铜外的所有铜合金。 按化学成分 2 2 铜的合金化及分类铜的合金化及分类 （1）成分及牌号 普通黄铜Cu-Zn合金 特殊黄铜Cu-Zn+Al、Mn、Si等其它元素 普通黄铜：H+含铜量的百分数，如H68、H62 特
42、殊黄铜：H+辅加元素符号+铜含量+辅加元 素含量，如HMn58-2 3 3 常用铜合金常用铜合金 1.黄铜 （2）常见黄铜的性能特点及应用 类类 别别 牌号牌号 b b/MPa/MPa 用途举例用途举例 退火退火硬化硬化 普普 通通 黄黄 铜铜 H96H96250250400400散热器、冷凝器管道散热器、冷凝器管道 H68H68300300400400弹壳、冷凝器管道弹壳、冷凝器管道 H62H62300300420420散热器、弹簧、铆钉垫圈丝网散热器、弹簧、铆钉垫圈丝网 特特 殊殊 黄黄 铜铜 HSn62-1HSn62-1400400船舶零件船舶零件 HPb74-3HPb74-330030
43、0600600钟表零件、汽车零件钟表零件、汽车零件 HMn58-2HMn58-2390390600600海轮零件、电讯器材海轮零件、电讯器材 （1）成分及牌号 青铜原指铜锡合金，现指除黄铜、白铜以外的所 有铜合金。常见的青铜有锡青铜、铝青铜、铍青铜、 铅青铜、硅青铜等，其中，工业用量最大的为锡青铜 和铝青铜，强度最高的为铍青铜。 3. 青铜 4.4塑料和橡胶 塑料和橡胶是以高分子聚合物为基础添 加各种助剂而成的混合物体系，在常温 下有固定的形状和强度，在高温下具有 可塑性的高分子材料。 塑料和橡胶的区别是塑料在常温下处于 玻璃态，强度较高；橡胶在常温下处于 高弹态，弹性较大。 塑料 根据塑料的
44、用途，可以分为通用塑料、工程塑 料和特种塑料三大类。 大多数塑料都能在加热时反复地塑化，称之为 热塑性塑料。另外有一些塑料，它们只能在第 一次加工时塑化，做成固定的形状。以后再把 它加热，形状不再发生变化，这类塑料称为热 固性塑料。热固性塑料由于其内部高分子的交 联结构使本身的机械强度和耐热性都较热塑性 塑料好。 4.4.1高聚物的力学性能 高聚物的模量和强度 与金属材料相比，高聚物的模量和强度要低得 多，其最大可能的断裂伸长率又比金属高得多。 高聚物的弹性模量范围为735GPa，金属材料 的模量范围为48410GPa；高聚物的最大强 度为240MPa，而金属材料中某些合金的强度 可达3000
45、MPa；高弹态高聚物的断裂伸长率可 达到1000，而金属塑性变形中最大的断裂伸 长率不超过100。 粘弹性 理想的弹性固体材料受力时产生的弹性 变形与时间无关。即变形与外力是同步 的。而塑料受力时产生的弹性变形流变 是随时间而发展的。 表现为：蠕变和应力松驰 蠕变 是在恒定应力作用下变形随时间而增加 的现象。例如架空的聚氯乙烯电线套管 的缓慢变弯 应力松驰 是高聚物产生一定形变后，在保持变形 量不变条件下，应力随时间发展而逐渐 衰减的现象。例如，连接管道的法兰盘 的密封垫片(硬橡胶制品)经一定时间后， 由于应力松驰而产生泄漏。对线型分子 链经足够长时间后，应力可降为零。 力学损耗 轮胎在高速行
46、使相当长时间后，立即检轮胎在高速行使相当长时间后，立即检 查内层温度，为什么达到烫手的程度？查内层温度，为什么达到烫手的程度？ 高聚物受到交变力作用时会产生滞后现高聚物受到交变力作用时会产生滞后现 象，上一次受到外力后发生形变在外力象，上一次受到外力后发生形变在外力 去除后还来不及恢复，下一次应力又施去除后还来不及恢复，下一次应力又施 加了，以致总有部分弹性储能没有释放加了，以致总有部分弹性储能没有释放 出来。这样不断循环，那些未释放的弹出来。这样不断循环，那些未释放的弹 性储能都被消耗在体系的自摩擦上，并性储能都被消耗在体系的自摩擦上，并 转化成热量放出。转化成热量放出。 这种由于力学滞后而
47、这种由于力学滞后而 使机械功转换成热的使机械功转换成热的 现象，称为现象，称为力学损耗力学损耗 或内耗或内耗。 以应力应变关系作以应力应变关系作 图时，所得的曲线在图时，所得的曲线在 施加几次交变应力后施加几次交变应力后 就封闭成环，称为滞就封闭成环，称为滞 后环或滞后圈，此圈后环或滞后圈，此圈 越大，力学损耗越大越大，力学损耗越大 回缩曲线回缩曲线 拉伸曲线拉伸曲线 e s 高聚物的屈服 1.高聚物屈服点的特征高聚物屈服点的特征 大多数高聚物有屈服现象，最明显的屈服现大多数高聚物有屈服现象，最明显的屈服现 象是拉伸中出现的象是拉伸中出现的细颈现象细颈现象。它是独特的力。它是独特的力 学行为。
48、并不是所有的高聚物材料都表现出学行为。并不是所有的高聚物材料都表现出 屈服过程，这是由于温度和时间对高聚物的屈服过程，这是由于温度和时间对高聚物的 性能的影响往往掩盖了屈服行为的普遍性，性能的影响往往掩盖了屈服行为的普遍性， 有的高聚物出现细颈和冷拉，而有的高聚物有的高聚物出现细颈和冷拉，而有的高聚物 脆性易断。脆性易断。 (1)屈服应变大屈服应变大：高聚物的屈服应变比：高聚物的屈服应变比 金属大得多，金属金属大得多，金属0.01左右，高聚物左右，高聚物 0.2左右（例如左右（例如PMMA的切变屈服为的切变屈服为 0.25，压缩屈服为，压缩屈服为0.13） (2)屈服过程有应变软化现象屈服过程
49、有应变软化现象：许多高：许多高 聚物在过屈服点后均有一个应力不太聚物在过屈服点后均有一个应力不太 大的下降，叫应变软化，这时应变增大的下降，叫应变软化，这时应变增 大，应力反而下降。大，应力反而下降。 (3)屈服应力依赖应变速率屈服应力依赖应变速率：应变速率增：应变速率增 大，屈服应力增大。大，屈服应力增大。 应变速率对应变速率对PMMA真应力应变曲线的影响真应力应变曲线的影响 应应 变变 速速 率率 增增 大大 1 2 3 4 10.2吋分吋分 真应变真应变 41.28吋吋/分分 31.13吋吋/分分 20.8吋吋/分分 真应力真应力 (4)屈服应力依赖于温度：屈服应力依赖于温度：温度升高，
50、屈服应力温度升高，屈服应力 下降。在温度达到下降。在温度达到 时，屈服应力等于时，屈服应力等于0 g T 温度对醋酸纤维素应力应变曲线的影响温度对醋酸纤维素应力应变曲线的影响 应力应力 应变应变 80 65 50 2 5 0 25 高聚物的冲击韧性 各类高聚物的冲击韧性相差很大。未改性的聚 苯乙烯，有机玻璃等脆性高聚物的冲击韧性大 都小于0. 25J/cm2，聚碳酸酯等韧性高聚物的 值大于0.8J/cm2。 提高冲击韧性有两条途径。一是将高聚物和增 强纤维复合，提高强度。二是将塑料和橡胶共 混，增加断裂伸展率。两种方法都可以使材料 在受冲击载荷时吸收更多的能量。经过改性的 高聚物其冲击韧性可达
