1、延边大学工学院机械系延边大学工学院机械系机械基础教研室机械基础教研室 内容提要：内容提要： 上册有四篇上册有四篇: :金属材料导论、铸造、压力加工、焊接金属材料导论、铸造、压力加工、焊接- -热加工热加工 下册有一篇下册有一篇: :金属金属切削加工切削加工 冷加工。冷加工。教教 材：材：金属工艺学金属工艺学 上、下册（第上、下册（第5 5版）邓文英主编，高等版）邓文英主编，高等教育教育 出版社。出版社。参考书：参考书：材料科学基础材料科学基础赵品主编赵品主编 哈工大出版社哈工大出版社 19991999年。年。 金属学原理金属学原理刘国勋主编刘国勋主编 工业冶金出版社工业冶金出版社 198019
2、80年年 材料科学基础材料科学基础潘金生等潘金生等 清华大学出版社清华大学出版社 20002000年年 一、各章节要点及授课时数一、各章节要点及授课时数：总学时：总学时：4848，学分：，学分：3 3 绪论：本课程的性质、目的和任务以及基本要求。绪论：本课程的性质、目的和任务以及基本要求。（1 1学时）学时） 第一篇第一篇 金属材料导轮金属材料导轮（5 5学时）学时）1 1）金属材料的主要性能；）金属材料的主要性能；2 2）铁碳合金；）铁碳合金；3 3）钢的热处理）钢的热处理 第二篇第二篇 铸造（铸造（1010学时）学时）1 1）铸造工艺基础；）铸造工艺基础；2 2）常用合金铸件的生产；）常用
3、合金铸件的生产；3 3）砂型铸造）砂型铸造 第三篇第三篇 金属压力加工（金属压力加工（8 8学时）学时）1 1）金属的塑性变形）金属的塑性变形 2 2）锻造）锻造 3 3）板料冲压。）板料冲压。 第四篇第四篇 焊接（焊接（6 6学时）学时）1 1）电弧焊）电弧焊 2 2）其他常用焊接方法）其他常用焊接方法 3 3）常用材料焊接）常用材料焊接 4 4）焊接结构）焊接结构设计设计 第五篇第五篇 金属切削加工（金属切削加工（1818学时）学时）1 1）金属切削的基础知识）金属切削的基础知识 2 2）切削机床的基础知识）切削机床的基础知识 3 3）常用加工方）常用加工方法综述。法综述。 平时有计划地安
4、排课堂提问，课程中间进行一次测验。课程平时有计划地安排课堂提问，课程中间进行一次测验。课程结束后进行全面的复习和考试。结束后进行全面的复习和考试。期末考试成绩占期末考试成绩占70%,70%,平时成绩占平时成绩占30% 30% （作业、测验以及考勤（作业、测验以及考勤等）。等）。 考试方式：笔试闭卷。考试方式：笔试闭卷。 二、金属工艺学是机械类各专业必修的技术基础课：二、金属工艺学是机械类各专业必修的技术基础课： 从事机械类各专业，不仅掌握好基本从事机械类各专业，不仅掌握好基本知识，而且要通过技能知识，而且要通过技能训练培养实际生产能力。训练培养实际生产能力。 三、金属工艺学是实践性很强的技术基
5、础课：三、金属工艺学是实践性很强的技术基础课： 它有利于进行技能训练，有利于培养具有更高的实际能力和它有利于进行技能训练，有利于培养具有更高的实际能力和开拓精神。开拓精神。 一、金属工艺学是一门传授有关制造金属零件加工方法的综一、金属工艺学是一门传授有关制造金属零件加工方法的综合性技术基础课：合性技术基础课： 它主要传授它主要传授各种各种工艺方法工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互关系；应用和相互关系；金属零件的加工工艺过程金属零件的加工工艺过程和结构公益性和结构公益性；常用；常用金属材料性能对加工工艺的影响金属材料性能对加工工艺的影响；工艺方法的工艺
6、方法的综合比较综合比较。 四、课程四、课程目的和任务以及目的和任务以及基本要求基本要求: : 1 1、目的和任务、目的和任务 使学生使学生了解常用金属材料及其加工工艺的基础知识。了解常用金属材料及其加工工艺的基础知识。为学习为学习其它有关课程，并为以后从事机械设计和制造方面的工作，奠定其它有关课程，并为以后从事机械设计和制造方面的工作，奠定必要的金属工艺基础。必要的金属工艺基础。 2 2、基本要求、基本要求 本科程的基本要求应是：本科程的基本要求应是： 1 1）了解常用金属材料的一般性质和应用范围。）了解常用金属材料的一般性质和应用范围。 2 2）掌握各种主要加工方法的基础工艺知识，所用设备和
7、工）掌握各种主要加工方法的基础工艺知识，所用设备和工具的工作原理和大致结构。具的工作原理和大致结构。 3 3）具有选择机器零件的材料，毛坯和加工方法的初步能力）具有选择机器零件的材料，毛坯和加工方法的初步能力. . 4 4）了解零件结构工艺性的基本知识。）了解零件结构工艺性的基本知识。 5 5）本课程实践性很强，要把课堂教学与现场教学有机地结）本课程实践性很强，要把课堂教学与现场教学有机地结合起来。合起来。第一篇第一篇 金属材料导论金属材料导论1 1、金属材料的主要性能、金属材料的主要性能2 2、铁碳合金、铁碳合金3 3、钢的热处理、钢的热处理零件的生产工艺过程零件的生产工艺过程选材选材选毛坯
8、选毛坯 应根据零件的性能要求、受载情况、服役条应根据零件的性能要求、受载情况、服役条 件、工作环境件、工作环境等选择等选择零件的生产工艺过程零件的生产工艺过程。步骤如下：。步骤如下： 选材：选材： 由于金属材料种类繁多，性能不一，而且材料的发展日新月由于金属材料种类繁多，性能不一，而且材料的发展日新月异，而零件的性能要求、服役条件各不相同，材料的资源、价格异，而零件的性能要求、服役条件各不相同，材料的资源、价格不同，不同，所以应综合考虑多方面的因素所以应综合考虑多方面的因素。毛坯选择毛坯选择轴轴有液态成形毛坯有液态成形毛坯塑性成形毛坯塑性成形毛坯连接成形毛坯连接成形毛坯粉末冶金成形粉末冶金成形
9、型材等毛坯型材等毛坯机械加工方法机械加工方法传统的有传统的有现代的有现代的有车削、刨车削、刨 削、铣削削、铣削 拉削、镗拉削、镗削、磨削等。削、磨削等。数控加工、电火花加工、激数控加工、电火花加工、激光加工等特种加工方法。光加工等特种加工方法。 可见，可见，一个具体零件的加工一个具体零件的加工可用多种不可用多种不同的加工方法，而每一种加工方法所能达到同的加工方法，而每一种加工方法所能达到的加工精度、加工质量、加工范围、加工效的加工精度、加工质量、加工范围、加工效率是不同的。率是不同的。选择时应考虑具体要求选择时应考虑具体要求。 最终热处理：使材料的性能达到要求。最终热处理：使材料的性能达到要求
10、。选材选材选毛坯选毛坯预先热处理预先热处理机械加工机械加工最终热处理最终热处理检验检验 预先热处理：预先热处理： 为使切削加工能顺利进行，可通过预先热处理调整硬度，为为使切削加工能顺利进行，可通过预先热处理调整硬度，为切削加工做好组织准备。切削加工做好组织准备。 材料技术、信息技术以及能源称为现代技术的三大支柱。材料技术、信息技术以及能源称为现代技术的三大支柱。可知，材料技术在现代化建设中可知，材料技术在现代化建设中占很重要的地位。占很重要的地位。 复合材料复合材料工程材料工程材料金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料 金属材料是现代制造机械中最主要材料：占金属材料是现代制造机械
11、中最主要材料：占80%-90%80%-90%。 金属材料：金属材料： 具有制造机器所需要的具有制造机器所需要的物理、化学和力学性能物理、化学和力学性能；并且可用较并且可用较简便的工艺方法加工成适用的机械零件，亦即具有所需的简便的工艺方法加工成适用的机械零件，亦即具有所需的工艺性工艺性能能。所以在现代制造机械中获得广泛应用。所以在现代制造机械中获得广泛应用。 机械制造中所用的金属材料：机械制造中所用的金属材料： 以合金为主，很少适用纯金属，原因是合金比纯金属更好的以合金为主，很少适用纯金属，原因是合金比纯金属更好的力学性能和工艺性能，且价格低廉。力学性能和工艺性能，且价格低廉。 合金合金：是一种
12、金属为基础，加入其它金属或非金属，经过熔是一种金属为基础，加入其它金属或非金属，经过熔炼或烧结制成的具有金属特性的材料。炼或烧结制成的具有金属特性的材料。最常用合金是以铁为基础最常用合金是以铁为基础的铁碳合金的铁碳合金 - - 碳素钢、合金钢、灰铸铁等；还有黄铜、青铜等。碳素钢、合金钢、灰铸铁等；还有黄铜、青铜等。 要求：用来制造机械设备的金属材料，应具有优良的力学要求：用来制造机械设备的金属材料，应具有优良的力学性能和工艺性能、较好的化学稳定性和所需的物理性能。性能和工艺性能、较好的化学稳定性和所需的物理性能。 本篇主要介绍金属材料的基础知识，为学习本课程中铸造本篇主要介绍金属材料的基础知识
13、，为学习本课程中铸造、压力加工和焊接等热加工工艺奠定必要的基础。、压力加工和焊接等热加工工艺奠定必要的基础。 一、强度与塑性一、强度与塑性 是通过是通过拉伸试验拉伸试验侧出来的。可得：应侧出来的。可得：应力力 - - 应变曲线。应变曲线。第一章第一章 金属材料的主要性能金属材料的主要性能主要内容：主要内容：1.1.强度指标；强度指标；2.2.塑性指标；塑性指标；3.3.硬度；硬度；4.4.冲击韧性冲击韧性；5.5.疲劳强度。疲劳强度。 重点：金属主要力学性能指标强度、塑性、硬度、韧性和疲重点：金属主要力学性能指标强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度的概念。难点：疲劳强度。劳强度的概念。难点：疲劳强
14、度。 第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 力学性能（机械性能）：金属材料在力的作用下，所表现出力学性能（机械性能）：金属材料在力的作用下，所表现出来的性能。对金属材料的使用性能和工艺性能有非常重要影响。来的性能。对金属材料的使用性能和工艺性能有非常重要影响。 主要力学性能有：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。主要力学性能有：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。 屈服强度：指拉伸试样产生屈屈服强度：指拉伸试样产生屈服现象时的应力服现象时的应力 抗拉强度：指金属材料在拉断抗拉强度：指金属材料在拉断前所能承受的最大应力前所能承受的最大应力)(MPaAFoss )(MPaAFobb
15、伸伸 长长 率：率：=(l=(l1 1l l0 0)/l)/l0 0 100% 100% 或断面收缩率或断面收缩率: =(A: =(A0 0A A1 1)/ A)/ A0 0 100%100%。 和和值值，材料的塑性越好，材料的塑性越好 - - 轧制、锻造、冲压等性能轧制、锻造、冲压等性能好。好。 1 1、强度：、强度： 金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形的能力。常用屈服强金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形的能力。常用屈服强度和抗拉强度来判断。度和抗拉强度来判断。 2 2、塑性：、塑性： 指金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力，通常以伸长率指金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力，通常以伸长率来
16、表示。来表示。 二、硬度：二、硬度： 金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕的能力，称金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕的能力，称为硬度。为硬度。 硬度是衡量金属软硬的判据。硬度是直接影响到材料的耐硬度是衡量金属软硬的判据。硬度是直接影响到材料的耐磨性及切削加工性。磨性及切削加工性。 硬度计上测量方法不同：硬度计上测量方法不同： 布氏硬度布氏硬度（HB):HB):淬火钢球或硬质合金球为压头。淬火钢球或硬质合金球为压头。- - 测直径。测直径。 洛氏硬度洛氏硬度（HR):HR):顶角为顶角为120120金刚石圆锥体为压头。金刚石圆锥体为压头。- -测深度。测深度。 三、韧性：金属材料
17、断裂前吸收的变形能量称为韧性。常用三、韧性：金属材料断裂前吸收的变形能量称为韧性。常用指标为指标为冲击韧度冲击韧度。 四、疲劳强度：金属材料在无数次循环载荷作用下不致引起四、疲劳强度：金属材料在无数次循环载荷作用下不致引起断裂的最大应力。断裂的最大应力。 一、物理性能：一、物理性能： 金属材料的物理性能主要有密度、熔点、热膨胀系数、导热金属材料的物理性能主要有密度、熔点、热膨胀系数、导热性、导电性和磁性等。性、导电性和磁性等。- - 对加工工艺也有一定的影响。对加工工艺也有一定的影响。 二、化学性能：二、化学性能： 金属材料的化学性能主要是指在常温或高温时，抵抗各种介金属材料的化学性能主要是指
18、在常温或高温时，抵抗各种介质侵蚀的能力，入耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。质侵蚀的能力，入耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。 三、工艺性能：三、工艺性能： 工艺性能实质金属材料物理、化学性能和力学性能在加工过工艺性能实质金属材料物理、化学性能和力学性能在加工过程中的综合反映，是指是否易于进行冷、热加工的性能。程中的综合反映，是指是否易于进行冷、热加工的性能。 所以在设计零件和选择工艺方法时，都要考虑金属材料的工所以在设计零件和选择工艺方法时，都要考虑金属材料的工艺性能。艺性能。第二章铁碳合金第二章铁碳合金 钢和铸铁是以铁、碳为主组成的合金钢和铸铁是以铁、碳为主组成的合金（铁碳合金）（铁碳合金）。其中铁。
19、其中铁的含量大于的含量大于95%95%，是最基本的组元。，是最基本的组元。 是制造机器设备的主要的是制造机器设备的主要的金属材料。金属材料。主要内容：主要内容：1.1.纯金属的结晶过程；纯金属的结晶过程；2.2.同素异晶转变；同素异晶转变；3.3.铁碳铁碳合金状态图。合金状态图。 重点：铁碳合金状态图。难点：铁碳合金的凝固过程分析。重点：铁碳合金状态图。难点：铁碳合金的凝固过程分析。第一节纯铁的晶体结构及其同素异晶转变第一节纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 基本概念：基本概念：凝固：一般非晶体由液态向固态转变的过程。凝固：一般非晶体由液态向固态转变的过程。结晶：由液态金属转变为固态晶体的过程。结
20、晶：由液态金属转变为固态晶体的过程。固态物质按其原子（或分子）聚集状态分：晶体和非晶体固态物质按其原子（或分子）聚集状态分：晶体和非晶体晶体：在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期晶体：在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列性地排列 。晶体的特点：晶体的特点：1 1）原子）原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列；在三维空间呈有规则的周期性重复排列；非晶体非晶体: :非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）（如松香、玻璃、沥青） 非非晶体的特点：晶体的特点：1 1）原子在三维空间呈不规则的排列；）原
21、子在三维空间呈不规则的排列；2 2）没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终）没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终 变为变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青等。有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青等。3 3）各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。）各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。2 2）具有一定的熔点，如铁的熔点为）具有一定的熔点，如铁的熔点为15381538，铜的熔点为，铜的熔点为10831083；3 3）晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有各）晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有各向异性；向异性；4 4）在一定条件下
22、有规则的几何外形。）在一定条件下有规则的几何外形。晶体不同方向上性能不同的性质叫做晶体的各向异性。晶体不同方向上性能不同的性质叫做晶体的各向异性。 一、金属的结晶一、金属的结晶 金属在固态下一般都是晶体，即原子在空间呈规律性排列；金属在固态下一般都是晶体，即原子在空间呈规律性排列；而在液态下，排列并不规则。而在液态下，排列并不规则。 晶体中的原子排列：晶体中的原子排列： 晶体中原子排列：晶体中原子晶体中原子排列：晶体中原子( (离子或分子离子或分子) )规则排列的方式规则排列的方式称为晶体结构。称为晶体结构。 晶格：通过金属原子晶格：通过金属原子( (离子离子) )的中心划出许多空间直线，这些
23、的中心划出许多空间直线，这些直线将形成空间格架。直线将形成空间格架。 因此，金属的结晶就是金属液体转变为晶体的过程，亦即金因此，金属的结晶就是金属液体转变为晶体的过程，亦即金属原子由无序到有序的排列的过程。属原子由无序到有序的排列的过程。 晶胞：能反映该晶胞：能反映该晶格特征的最小组成晶格特征的最小组成单元。单元。 纯金属的结晶是在一定的温纯金属的结晶是在一定的温度下进行的，它的结晶过程可用度下进行的，它的结晶过程可用冷冷却曲线（温度却曲线（温度- -时间）时间）来表示。来表示。 冷却曲线是冷却曲线是用热分析法测定出用热分析法测定出来的。来的。a-ba-b线段：结晶时放出的线段：结晶时放出的结
24、结晶潜热晶潜热使温度不再下降保持水平。使温度不再下降保持水平。 纯金属的冷却曲线（理想）纯金属的冷却曲线（理想） 纯金属的冷却曲线（纯金属的冷却曲线（实际实际） 过冷度过冷度(T(T0 0-T-T1 1) )：是结晶的：是结晶的必要条件。必要条件。 合金的冷却曲线合金的冷却曲线- - 动画动画( (区别区别) ) 金属的结晶过程：金属的结晶过程： 原子团原子团 形核形核 晶核长大晶核长大 小晶粒小晶粒 外形不规则的小晶外形不规则的小晶体体 - - 动画演示动画演示。 形核形核：自身晶核、外来晶核：自身晶核、外来晶核 晶核长大方式：树枝状方式。晶核长大方式：树枝状方式。 单晶体单晶体结晶方位完全
25、一致的晶体结晶方位完全一致的晶体 多晶体多晶体由多晶粒组成的晶体结构由多晶粒组成的晶体结构 液态液态金属的金属的结晶过程结晶过程：是遵循：是遵循 “晶核不断形成和长大晶核不断形成和长大”这个结晶规这个结晶规律进行的。形成晶体并长大。律进行的。形成晶体并长大。 可知，固态金属通常是由多晶体构成的，每个长成的晶体可知，固态金属通常是由多晶体构成的，每个长成的晶体称称晶粒晶粒，晶粒之间的接触面称，晶粒之间的接触面称晶界晶界。 金属晶粒粗细对其力学性能金属晶粒粗细对其力学性能影响很大。一般，同一成分金属，影响很大。一般，同一成分金属，晶粒愈细，其强度、硬度愈高，塑晶粒愈细，其强度、硬度愈高，塑性和韧性
26、愈好。性和韧性愈好。 由体心由体心 面心，成为面心，成为 -Fe-Fe。 由面心由面心 体心，成为体心，成为 -Fe-Fe。 二、纯铁的晶体结构二、纯铁的晶体结构 晶体中的原子排列具有周期性规律，因此，可从晶格中取出晶体中的原子排列具有周期性规律，因此，可从晶格中取出一个最基本的几何单元，这个单元称作晶胞。一个最基本的几何单元，这个单元称作晶胞。可反映晶格特征可反映晶格特征 细化晶粒的方法：细化晶粒的方法： 1 1）增加冷却速度，增大过冷度；）增加冷却速度，增大过冷度； 动画演示动画演示 2 2）增加外来晶核；）增加外来晶核； 3 3）机械、超声波振动、电磁搅拌。）机械、超声波振动、电磁搅拌。
27、 纯铁晶格的晶胞分：纯铁晶格的晶胞分： 体心立方晶胞体心立方晶胞 - -原子在体心原子在体心 面心立方晶胞面心立方晶胞 - -原子在面心，可转换原子在面心，可转换 三、纯铁的同素异晶转变三、纯铁的同素异晶转变 金属的同素异晶转变的慨念：金属的同素异晶转变的慨念： 金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象 金属的同素异金属的同素异晶晶转变的意义：转变的意义： 可以用热处理的方法得到。即可通过加热、保温、冷却来改可以用热处理的方法得到。即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性能的目的。变材料的组织，从而达到改善材料
28、性能的目的。 同素异晶转变过程：是在固态下原子重新排列的过程。这同素异晶转变过程：是在固态下原子重新排列的过程。这时，金属时，金属体积变化。体积变化。动画演示动画演示 第二节第二节 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织 合金的结构合金的结构概念概念合金：由两种或两种以上的元素通过熔炼后合金：由两种或两种以上的元素通过熔炼后 所获得的新的所获得的新的物质仍然具有金属特性。物质仍然具有金属特性。组元：组成合金的基本元素。组元：组成合金的基本元素。相：凡是成分相同、结构相同并与其他部分有界面分开的均相：凡是成分相同、结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。匀组成部分。例如：单一的液；单一的固相
29、；例如：单一的液；单一的固相； 液相、固相两相共存。液相、固相两相共存。 铁碳合金组织随其成分、温度和冷却速度变化而变化。按铁碳合金组织随其成分、温度和冷却速度变化而变化。按照铁和碳相互作用形式不同，照铁和碳相互作用形式不同， 铁碳合金的组织可分为：铁碳合金的组织可分为：1 1、固溶体、固溶体 2 2、金属化合物、金属化合物 3 3、机械、机械混合物。混合物。 一、固溶体一、固溶体 溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体，称溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体，称作固溶体。作固溶体。在铁碳合金中在铁碳合金中, , 铁是溶剂，碳是溶质。铁是溶剂，碳是溶质。 1. 1.铁
30、素体：铁素体：F - F - 纯铁为纯铁为912912开始开始 碳溶解于碳溶解于-Fe-Fe中形成的固溶体，呈体心立方晶格。显微镜下中形成的固溶体，呈体心立方晶格。显微镜下为明亮的多变形晶粒。为明亮的多变形晶粒。 2.2.奥氏体：奥氏体：A - A - 纯铁为纯铁为13941394开始开始 碳溶入碳溶入-Fe-Fe中形成的固溶体，呈面心立方晶格。显微镜中形成的固溶体，呈面心立方晶格。显微镜下也下也呈多变形晶粒。呈多变形晶粒。 按溶质原子在溶剂晶格中的位置分：按溶质原子在溶剂晶格中的位置分： 置换置换固溶体固溶体- - 溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子；溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原
31、子； 间隙间隙固溶体固溶体- - 溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。 碳溶入不同晶胞分：铁素体和奥氏体。碳溶入不同晶胞分：铁素体和奥氏体。 二、化合物二、化合物 金属化合物是各组元按一定整数比结合而成金属化合物是各组元按一定整数比结合而成、并具有金属性质的均匀物质，属于单向组织。、并具有金属性质的均匀物质，属于单向组织。 铁碳合金中的渗碳体（铁碳合金中的渗碳体（F Fe3e3C)C)：属金属化合：属金属化合物。由物。由FeFe和和C C所形成的。所形成的。特点：硬度极高、塑性特点：硬度极高、塑性、韧性极低、伸长率和冲击韧度近于零。、韧性极低、伸长率和冲击韧度近于零
32、。 三、机械混合物三、机械混合物 是由结晶过程所形成的两相混合组织。机械混合物各相均保是由结晶过程所形成的两相混合组织。机械混合物各相均保持其原有的晶格，因此机械混合物的性能介于各组成相之间。持其原有的晶格，因此机械混合物的性能介于各组成相之间。 铁碳合金中机械混合物有珠光体和莱氏体。铁碳合金中机械混合物有珠光体和莱氏体。 1 1、珠光体、珠光体 : P: P 铁素体和渗碳体组成铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号的机械混合物，用符号 P P或或(F+F(F+Fe3e3C C）- - 呈层片状。呈层片状。 2 2、莱氏体：、莱氏体：L Ld d 奥氏体和渗碳体组成奥氏体和渗碳体组成的机械混合
33、物，分高温和的机械混合物，分高温和低温。用低温。用L Ld d或（或（A+FA+Fe3e3C C）。）。 第三节第三节 铁碳合金状态图铁碳合金状态图 铁碳合金状态图：铁碳合金状态图：表示不同含碳量的铁碳合金在不同温度表示不同含碳量的铁碳合金在不同温度下结晶过程的曲线图。下结晶过程的曲线图。 FeFe3 3C C 的含碳量的含碳量6.69%6.69%，因此，状态图实际上是，因此，状态图实际上是Fe-FeFe-Fe3 3C C 的的状态图。状态图。 一、铁碳合金状态图的建立一、铁碳合金状态图的建立 1 1）配制不同成分的铁碳合）配制不同成分的铁碳合金金( (表表1-2)1-2)。 加热溶化加热溶化
34、缓慢冷却时用热缓慢冷却时用热分析法测定各合金的冷却曲线。分析法测定各合金的冷却曲线。 2 2）在冷却曲线上找出临界）在冷却曲线上找出临界点。点。 3 3）连接意义相同的临界点）连接意义相同的临界点 二、铁碳合金状态图的分析二、铁碳合金状态图的分析 - 有四个基本相有四个基本相 液相液相(L)(L)、奥氏体相、奥氏体相(A)(A)、铁素体相、铁素体相(F)(F)和渗碳体相和渗碳体相(Fe(Fe3 3C)C)。 1 1、状态图中特性点：有特定意义的点。、状态图中特性点：有特定意义的点。A A 点（点（15381538）- -纯铁的熔点，纯铁的熔点，0wc%0wc%C C 点（点（11481148）
35、- - 共共晶点，晶点，4.3wc% 4.3wc% D D 点（点（12271227）- -渗碳渗碳体的熔点体的熔点，6.69wc% 6.69wc% E E 点（点（11481148）- -碳在碳在奥氏体中的最大溶解奥氏体中的最大溶解度度，2.11wc% 2.11wc% P P 点（点（727727）- -碳在铁素体中的最大溶解度碳在铁素体中的最大溶解度，0.02wc% 0.02wc% S S 点（点（727727）- -共析点共析点，0.77wc%0.77wc%Q Q 点（室温）点（室温）- -碳在铁素体中的溶解度碳在铁素体中的溶解度，0.0008wc%0.0008wc%G G 点点(912
36、)-Te -Te(912)-Te -Te同同素异晶转变点素异晶转变点，0wc% 0wc% ACDACD线线 液相线。此线以上是液相区，液相线。此线以上是液相区， 又是结晶开始线又是结晶开始线 AECFAECF线线 固相线。合金冷却固相线。合金冷却到此线，将全部结晶成固态到此线，将全部结晶成固态 2 2、状态图中特性线：组织转变的界限。、状态图中特性线：组织转变的界限。 ECFECF线线 共晶线。含碳量共晶线。含碳量2.11%-6.69%2.11%-6.69%的金属过此线发生共晶反应的金属过此线发生共晶反应GSGS线线 奥氏体在冷却过程中奥氏体在冷却过程中析出铁素体的开始线析出铁素体的开始线 E
37、SES线线 碳在奥氏体中的溶解度曲线碳在奥氏体中的溶解度曲线 PSKPSK线线 共析线。过此线发生共析反映析出珠光体共析线。过此线发生共析反映析出珠光体PQPQ线线 碳在铁素体中的溶解度曲线碳在铁素体中的溶解度曲线铁碳合金铁碳合金工业纯铁：含碳量小于工业纯铁：含碳量小于0.02%0.02%的铁碳合金。的铁碳合金。钢：含碳量为钢：含碳量为0.02%2.11%0.02%2.11%的铁碳合金。的铁碳合金。铸铁：含碳量为铸铁：含碳量为2.11%6.69%2.11%6.69%的铁碳合金。的铁碳合金。 铁碳合金分类：铁碳合金分类： 根据含碳量的不同，可将铁碳合金分为根据含碳量的不同，可将铁碳合金分为纯铁、
38、钢和铸铁。纯铁、钢和铸铁。 钢：根据含碳量及组织组成物，可分为三种。钢：根据含碳量及组织组成物，可分为三种。 共共 析析 钢：钢：S S 点，点，0.770.77c c， P100%P100%； 亚共析钢：亚共析钢：S S点左，点左，0.02180.02180.770.77c c， F+PF+P； 过共析钢：过共析钢：S S点右，点右，0.770.772.112.11c, P+Fec, P+Fe3 3C CIIII； 铸铁：根据按成分及组织组成物，可分为三种。铸铁：根据按成分及组织组成物，可分为三种。 共共 晶晶 铸铁：铸铁：C C 点，点，4.34.3c c， LLd d 亚共晶铸铁：亚共晶
39、铸铁：C C点左，点左，2.11%4.32.11%4.3c c， P+LP+Ld d+Fe+Fe3 3C CIIII 过共晶铸铁：过共晶铸铁：C C点右，点右，4.3%6.69 4.3%6.69 c c，LLd d+Fe+Fe3 3C CI I 共共 析析 钢：钢：动画演示动画演示显微组织图显微组织图 亚共析钢：亚共析钢：动画演示动画演示显微组织图显微组织图 过共析钢：过共析钢：动画演示动画演示显微组织图显微组织图 三、钢和铸铁在结晶过程中的组织转变三、钢和铸铁在结晶过程中的组织转变 共析钢、亚共析钢和过共析钢的结晶过程分析共析钢、亚共析钢和过共析钢的结晶过程分析 - - 铁碳铁碳合金的典型合
40、金。合金的典型合金。 共晶、亚共晶和过共晶铸铁结晶过程分析共晶、亚共晶和过共晶铸铁结晶过程分析 共共 晶晶 铸铁：铸铁：动画演示动画演示显微组织图显微组织图 亚共晶铸铁：亚共晶铸铁：动画演示动画演示显微组织图显微组织图 过共晶铸铁：过共晶铸铁：动画演示动画演示显微组织图显微组织图 第四节第四节 工业用钢简介工业用钢简介 钢是含碳量小于钢是含碳量小于2.11% 2.11% 的铁碳合金。它主要由生铁冶炼而成的铁碳合金。它主要由生铁冶炼而成，是机械制造中应用最广的金属材料。，是机械制造中应用最广的金属材料。 钢分类：按化学成分分为碳素钢和合金钢两种钢分类：按化学成分分为碳素钢和合金钢两种 碳素钢：含
41、碳量在碳素钢：含碳量在1.5%1.5%以下，并含有硅、锰、磷、硫等杂质以下，并含有硅、锰、磷、硫等杂质 合金钢：为改善钢的某些性能，加入一种或几种合金元素所合金钢：为改善钢的某些性能，加入一种或几种合金元素所炼成的钢。炼成的钢。 含碳量对铁碳合金组织和含碳量对铁碳合金组织和力学性能的影响力学性能的影响 1 1、对平衡组织的影响：、对平衡组织的影响：由状由状态图可知，铁碳合金在室温的组织态图可知，铁碳合金在室温的组织都是由都是由F F和和F Fe3e3C C两相组成，两相组成，随随C C FF不断不断而而F Fe3e3C C逐渐逐渐。 2 2、对力学性能的影响：、对力学性能的影响：随着随着钢中含
42、碳量增加，钢的强度、硬度钢中含碳量增加，钢的强度、硬度升高，而塑性和韧性下降。升高，而塑性和韧性下降。钢钢碳素钢碳素钢（1.5%C1.5%C）碳素结构钢碳素结构钢 （0.38%C)0.38%C)优质碳素结构钢优质碳素结构钢 ( 0.2-0.7%C( 0.2-0.7%C用途广）用途广）碳素工具钢碳素工具钢 （T8T8等）等）合金钢合金钢合金结构钢合金结构钢合金工具钢合金工具钢特殊性能钢特殊性能钢 钢类别树状图：钢类别树状图：刃具钢刃具钢模具钢模具钢 9Cr29Cr2、CrWMnCrWMn量具钢量具钢不锈钢不锈钢耐热钢耐热钢 2Cr132Cr13、1Cr18Ni91Cr18Ni9耐磨钢耐磨钢其它其
43、它低合金结构钢低合金结构钢渗碳钢渗碳钢调质钢调质钢 16Mn16Mn、20Cr20Cr弹簧钢弹簧钢轴承钢轴承钢第三章钢的热处理第三章钢的热处理 热处理与其他加工方法不同，他只改变金属材料的组织和热处理与其他加工方法不同，他只改变金属材料的组织和性能，而不以改变其形状和尺寸为目的的。性能，而不以改变其形状和尺寸为目的的。 第一节第一节 概述概述 热处理的热处理的作用和地位作用和地位。 热处理：就是将钢在固态下，通过加热、保温和冷却，以改热处理：就是将钢在固态下，通过加热、保温和冷却，以改变钢的组织，从而获得所需性能的工艺方法。变钢的组织，从而获得所需性能的工艺方法。 热处理的热处理的加热和冷却设
44、备加热和冷却设备。 热处理特点：热处理特点：可提高零件的强度、硬度、韧性、弹性可提高零件的强度、硬度、韧性、弹性，同同时，还可以改善毛坯或原材料的切削性能，使之易于加工。时，还可以改善毛坯或原材料的切削性能，使之易于加工。可见可见，改善性能、保证产品质量、延长寿命等，改善性能、保证产品质量、延长寿命等 不可缺少的工艺方法。不可缺少的工艺方法。 可知，铁碳合金状态图是确定热处理工艺的重要依据。可知，铁碳合金状态图是确定热处理工艺的重要依据。 热处理工艺曲线：热处理工艺曲线：温度和时间为主要因温度和时间为主要因素。冷却方式有两种。素。冷却方式有两种。 动画演示动画演示 例：热处理原理例：热处理原理
45、 - - 钢加热到相变点以钢加热到相变点以上上- -共析钢共析钢(0.77(0.77) )奥氏体化过程。奥氏体化过程。动画演示动画演示 热处理依据：是热处理依据：是A A1 1, A, A3 3, A, Acmcm, ,三条临界温度点连线。因为钢三条临界温度点连线。因为钢加热在这三条线以上，有相变发生即奥氏体化。加热在这三条线以上，有相变发生即奥氏体化。 由铁碳合金状态图，可得碳钢在加热和冷却时的不同临界由铁碳合金状态图，可得碳钢在加热和冷却时的不同临界温度。温度。 加热和冷却速度对临界点加热和冷却速度对临界点A A1 1, A, A3 3, A, Acmcm, ,的影响：的影响： 钢加热时相
46、变温度偏高，钢加热时相变温度偏高，临界温度标为临界温度标为A Ac1c1 A Ac3c3, A, Accmccm，冷却时冷却时偏低，偏低，临界温度标为临界温度标为A Ar1r1 A Ar3r3, A, Arcmrcm。 动画演示动画演示。热处理热处理普通热处理普通热处理表面热处理表面热处理 退火退火正火正火淬火淬火回火回火表面淬火表面淬火化学热处理化学热处理渗碳渗碳渗氮渗氮碳氮共渗碳氮共渗其它热处理其它热处理形变形变真空真空激光激光 常用热处理方法：常用热处理方法： 第二节第二节 退伙和正火退伙和正火 一、退火：一、退火： 将钢加热、保温，然后随炉冷却或埋入灰中使其缓慢冷却将钢加热、保温，然后
47、随炉冷却或埋入灰中使其缓慢冷却, ,以获得接近平衡组织的热处理工艺。以获得接近平衡组织的热处理工艺。 目的：目的：降低硬度，以利于切削加工或其他种类加工；降低硬度，以利于切削加工或其他种类加工； 细化晶粒，提高钢的塑性和韧性；细化晶粒，提高钢的塑性和韧性； 消除内应力，并为淬火工序做准备。消除内应力，并为淬火工序做准备。 应用：应用： 铸件、锻件、焊接及其它铸件、锻件、焊接及其它毛坯的热处理。毛坯的热处理。 钢的退火分为：钢的退火分为： 1 1、完全退火：将亚共析钢加热到、完全退火：将亚共析钢加热到A Ac3c3线以上线以上30503050，保，保温后缓慢冷却。温后缓慢冷却。主要用于主要用于c
48、 c0.25%0.25%的亚共析钢。的亚共析钢。 2 2、球化退火：将过共析钢加热到、球化退火：将过共析钢加热到A Ac1c1线以上线以上20302030，保，保温后缓慢冷却。温后缓慢冷却。应用于共析和过共析钢应用于共析和过共析钢 动画演示动画演示。 3 3、低温退火：将钢加热到低温退火：将钢加热到A AC1C1以下，保温后缓冷，以消除以下，保温后缓冷，以消除应力。应力。低温退火分为：低温退火分为：1 1）去应力退火，）去应力退火，2 2）再结晶退火。）再结晶退火。 去应力退火：是将钢件加热至低于去应力退火：是将钢件加热至低于A Ac3c3的某一温度（一般为的某一温度（一般为500500650
49、650），保温，然后随炉冷却，不引起组织变化。），保温，然后随炉冷却，不引起组织变化。 再结晶退火：消除冲压件冷变形所产生的加工硬化（再结再结晶退火：消除冲压件冷变形所产生的加工硬化（再结晶温度以上晶温度以上150250150250），降低硬度，恢复塑性。），降低硬度，恢复塑性。 碳钢各种退火和正火工艺规范碳钢各种退火和正火工艺规范示意图示意图。 二、正火：二、正火： 将钢加热到将钢加热到A AC3C3以上以上30305050（亚共析钢）或（亚共析钢）或A A CcmCcm以上以上30305050，保温后在空气中冷却，得到比退火更细的珠光体组织的热，保温后在空气中冷却，得到比退火更细的珠光体组
50、织的热处理工艺。处理工艺。 应用：应用： 取代部分完全退火。取代部分完全退火。 用于普通结构钢的最终热处理。用于普通结构钢的最终热处理。 用于过共析钢，以减少或消除网状二次渗碳体，为球化退用于过共析钢，以减少或消除网状二次渗碳体，为球化退火作准备。火作准备。 目的：目的：和退火基本相似，但正火得到的珠光体更细，成为索和退火基本相似，但正火得到的珠光体更细，成为索氏体（或细珠光体）。氏体（或细珠光体）。 碳钢各种碳钢各种退火和正火工艺退火和正火工艺规范规范示意图示意图。 第三节第三节 淬火和回火淬火和回火 淬火和回火：是强化钢的最常用的手段。可使钢获得所需淬火和回火：是强化钢的最常用的手段。可使
