1、模块一常用工程材料及选用模块一常用工程材料及选用任务任务1-1认识金属材料的性能认识金属材料的性能任务任务1-2了解金属材料的知识了解金属材料的知识任务任务1-3探析钢的热处理工艺探析钢的热处理工艺任务任务1-4识别常用的工程材料识别常用的工程材料任务任务1-5掌握典型零件的选材掌握典型零件的选材任务任务1-6拓展知识拓展知识:钢铁冶炼及质量检验钢铁冶炼及质量检验任务任务1-7案例教学案例教学:归纳工程材料的应用归纳工程材料的应用任务任务1-1认识金属材料的性能认识金属材料的性能认识金属材料及性能要求认识金属材料及性能要求工程材料通常可分为金属材料、非金属材料和复合材料三大工程材料通常可分为金
2、属材料、非金属材料和复合材料三大类。类。金属材料的性能包括使用性能和工艺性能两大类。使用性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能两大类。使用性能包括力学性能、物理性能和化学性能等包括力学性能、物理性能和化学性能等;工艺性能是指铸造性、工艺性能是指铸造性、锻造性、焊接性、热处理性能和切削加工性等。锻造性、焊接性、热处理性能和切削加工性等。在设计机器零件时，必须首先熟悉金属材料的各种性能，才在设计机器零件时，必须首先熟悉金属材料的各种性能，才能根据零件的技术要求，合理地选用所需的金属材料。能根据零件的技术要求，合理地选用所需的金属材料。下一页返回任务任务1-1认识金属材料的性能认识金属材料的性能金
3、属材料的使用性能金属材料的使用性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能力学性能是指金属在外力作用下所显示的，与弹性和非弹性反应力学性能是指金属在外力作用下所显示的，与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲相关或涉及应力应变关系的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。用于表征和判定金属力学性能所用的指标击韧度和疲劳强度等。用于表征和判定金属力学性能所用的指标和依据，称为金属力学性能判据。判据的高低表征了金属抵抗各和依据，称为金属力学性能判据。判据的高低表征了金属抵抗各种损伤作用能力的大小，也是金属制件设计时选材和进行强度计种损伤作用能力的大小，也是
4、金属制件设计时选材和进行强度计算的主要依据。算的主要依据。强度强度强度是指金属抵抗永久变形强度是指金属抵抗永久变形(塑性变形塑性变形)和断裂的能力。工程上常和断裂的能力。工程上常用屈服点、抗拉强度作为强度判据。测定金属强度判据的常用方用屈服点、抗拉强度作为强度判据。测定金属强度判据的常用方法是拉伸试验。法是拉伸试验。下一页上一页返回任务任务1-1认识金属材料的性能认识金属材料的性能试验前，将被测金属材料制成标准拉伸试样试验前，将被测金属材料制成标准拉伸试样(GB/T 6397 1986)。比较常用的试样截面为圆形，称为圆形拉伸试样，如。比较常用的试样截面为圆形，称为圆形拉伸试样，如图图1-2所
5、示。所示。试验时，将拉伸试样夹在拉伸试验机上，缓慢增大拉伸力。随拉试验时，将拉伸试样夹在拉伸试验机上，缓慢增大拉伸力。随拉伸力不断增加，试样伸长量也不断增加，直至试样被拉断。在整伸力不断增加，试样伸长量也不断增加，直至试样被拉断。在整个拉伸过程中，试验机的自动记录装置可将拉伸力与变形个拉伸过程中，试验机的自动记录装置可将拉伸力与变形(伸长伸长)量描绘在坐标图上，即得到拉伸力和伸长量的关系曲线，称为力量描绘在坐标图上，即得到拉伸力和伸长量的关系曲线，称为力伸长曲线伸长曲线(或拉伸曲线或拉伸曲线)，如，如图图1-3所示。所示。金属材料拉伸时的强度用应力来度量。受外力作用后，导致物体金属材料拉伸时的
6、强度用应力来度量。受外力作用后，导致物体内部之间的相互作用力，称为内力，单位面积上的内力称为应力，内部之间的相互作用力，称为内力，单位面积上的内力称为应力，用符号用符号表示。强度的主要判据有弹性极限、屈服点表示。强度的主要判据有弹性极限、屈服点(或屈服强或屈服强度度)和抗拉强度。和抗拉强度。下一页上一页返回任务任务1-1认识金属材料的性能认识金属材料的性能弹性极限弹性极限弹性极限是指试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉应力，弹性极限是指试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉应力，用符号用符号e表示，单位为表示，单位为Mpa Fe试样产生完全弹性变形时的最大拉伸力试样产生完全弹性变形时的最大拉
7、伸力(N); A0试样原始横截面积试样原始横截面积(mm2)屈服点屈服点屈服点是指试样在试验中力保持恒定仍能继续伸长屈服点是指试样在试验中力保持恒定仍能继续伸长(变形变形)时的应时的应力力下一页上一页返回任务任务1-1认识金属材料的性能认识金属材料的性能 Fs产生屈服时的拉伸力产生屈服时的拉伸力(N); A0试样原始横截面积试样原始横截面积(mm2 )。零件工作时，一般不允许产生塑性变形。因此，屈服点是设计和零件工作时，一般不允许产生塑性变形。因此，屈服点是设计和选材时的主要参数。选材时的主要参数。抗拉强度抗拉强度抗拉强度是指试样被拉断前所能承受的最大拉应力抗拉强度是指试样被拉断前所能承受的最
8、大拉应力 Fb试样拉断时的最大拉伸力试样拉断时的最大拉伸力(N)b表征了材料对最大均匀塑性变形或断裂的抵抗能力。表征了材料对最大均匀塑性变形或断裂的抵抗能力。下一页上一页返回任务任务1-1认识金属材料的性能认识金属材料的性能塑性塑性塑性是指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力，其主要判据为塑性是指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力，其主要判据为断后伸长率和断面收缩率。它们也是通过拉伸试验测得的。断后伸长率和断面收缩率。它们也是通过拉伸试验测得的。断后伸长率断后伸长率断后伸长率是指试样拉断后标距伸长与原始标距的百分比断后伸长率是指试样拉断后标距伸长与原始标距的百分比 l1试样拉断后的长度试样拉断后
9、的长度(mm) ; l0试样的原始标距长度试样的原始标距长度(mm) 下一页上一页返回任务任务1-1认识金属材料的性能认识金属材料的性能断面收缩率断面收缩率断面收缩率是指试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原断面收缩率是指试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比始横截面积的百分比 A1 试样拉断后缩颈处的最小横截面积试样拉断后缩颈处的最小横截面积(mm2) A0 试样最初最小横堆面积试样最初最小横堆面积(mm2)硬度硬度硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是衡量材料软硬程度的判据。力。硬
10、度是衡量材料软硬程度的判据。下一页上一页返回任务任务1-1认识金属材料的性能认识金属材料的性能硬度试验的方法较多，最常用的是布氏硬度试验法、洛氏硬度试硬度试验的方法较多，最常用的是布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法和维氏硬度试验法。这里主要介绍布氏硬度试验法和洛氏硬验法和维氏硬度试验法。这里主要介绍布氏硬度试验法和洛氏硬度试验法的有关知识。度试验法的有关知识。布氏硬度试验原理如布氏硬度试验原理如图图1-4所示，用直径为所示，用直径为D的硬质合金的硬质合金(或淬或淬火钢火钢)球作压头，以相应试验力球作压头，以相应试验力F压入试件表面，经规定的保持压入试件表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，得到一直
11、径为时间后，卸除试验力，得到一直径为d的压痕。用试验力除以压的压痕。用试验力除以压痕表面积，所得值即为布氏硬度值，用符号痕表面积，所得值即为布氏硬度值，用符号HBW(或或HBS)表示。表示。由于各种材料软硬程度不同，工件薄厚、大小不同，因此在布氏由于各种材料软硬程度不同，工件薄厚、大小不同，因此在布氏硬度试验时，应选用不同的试验力、不同直径的压头和试验力保硬度试验时，应选用不同的试验力、不同直径的压头和试验力保持时间。通常采用的压头为持时间。通常采用的压头为10mm的硬质合金球，试验力保持的硬质合金球，试验力保持时间为时间为:钢铁材料钢铁材料1015s;非铁金属非铁金属30s下一页上一页返回任
12、务任务1-1认识金属材料的性能认识金属材料的性能洛氏硬度试验是采用顶角为洛氏硬度试验是采用顶角为120 的金刚石圆锥或直径为的金刚石圆锥或直径为1. 588mm的淬火钢球作压头，在初始试验力及总试验力先后作的淬火钢球作压头，在初始试验力及总试验力先后作用下，将压头压入试样表面，应按规定的保持时间后卸除主试验用下，将压头压入试样表面，应按规定的保持时间后卸除主试验力，用测量的残余压痕深度增量计算硬度的一种压痕硬度试验方力，用测量的残余压痕深度增量计算硬度的一种压痕硬度试验方法。如法。如图图1-5所示所示洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示，即表示，即为使同一硬度计能测试不同硬度范围的试件，可采用
13、不同的压头为使同一硬度计能测试不同硬度范围的试件，可采用不同的压头和试验力。根据压头和试验力不同，洛氏硬度有不同的标尺，常和试验力。根据压头和试验力不同，洛氏硬度有不同的标尺，常用的有用的有HRA、HRB和和HRC三种，其中三种，其中HRC应用最广。洛氏硬应用最广。洛氏硬度的表示方法为度的表示方法为:在符号前面写硬度值，如在符号前面写硬度值，如62HRC, 80HRA等。等。洛氏硬度的试验条件和应用范围见洛氏硬度的试验条件和应用范围见表表1-1下一页上一页返回任务任务1-1认识金属材料的性能认识金属材料的性能洛氏硬度与布氏硬度洛氏硬度与布氏硬度(220HBS时时)有以下近似关系有以下近似关系:
14、1 HRC 10 HBS冲击韧度冲击韧度冲击韧度是在冲击载荷作用下，金属材料抵抗破坏的能力。常用冲击韧度是在冲击载荷作用下，金属材料抵抗破坏的能力。常用试样破坏时所消耗的功来表示。试样破坏时所消耗的功来表示。冲击韧度的测定方法冲击韧度的测定方法(图图1-6)是是:将待测材料制成标准缺口试样将待测材料制成标准缺口试样图图(图图1-6(a)。把试样放入试验机支座。把试样放入试验机支座C处，使一定重量处，使一定重量G的的摆锤自高度摆锤自高度h1自由落下，冲断试样后摆锤升到高度自由落下，冲断试样后摆锤升到高度h2，则冲断，则冲断试样所消耗的冲击功试样所消耗的冲击功Wk=G (h1 h2)。这可在冲击试
15、验机的。这可在冲击试验机的刻度盘上指示出来。刻度盘上指示出来。下一页上一页返回任务任务1-1认识金属材料的性能认识金属材料的性能冲击韧度的大小用冲击韧度的大小用k表示表示疲劳强度疲劳强度疲劳强度是在规律性变化应力的长期作用下，材料抵抗破坏的能疲劳强度是在规律性变化应力的长期作用下，材料抵抗破坏的能力。显然，材料的疲劳强度的大小与应力的变化次数有关。力。显然，材料的疲劳强度的大小与应力的变化次数有关。下一页上一页返回任务任务1-1认识金属材料的性能认识金属材料的性能金属材料的物理和化学性能金属材料的物理和化学性能物理性能物理性能金属材料的物理性能主要有密度、熔点，热膨胀性、导热性和导金属材料的物
16、理性能主要有密度、熔点，热膨胀性、导热性和导电性等。电性等。化学性能化学性能化学性能是金属材料在常温或高温时抵抗各种化学作用的能力，化学性能是金属材料在常温或高温时抵抗各种化学作用的能力，如耐酸性、耐碱性和抗氧化性。如耐酸性、耐碱性和抗氧化性。下一页上一页返回任务任务1-1认识金属材料的性能认识金属材料的性能金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能是指金属材料所具有的能够适应各种加工工金属材料的工艺性能是指金属材料所具有的能够适应各种加工工艺要求的能力。工艺性能实质上是力学、物理、化学性能的综合艺要求的能力。工艺性能实质上是力学、物理、化学性能的综合表现。金属材料常用铸造、压力加
17、工、焊接和切削加工等方法制表现。金属材料常用铸造、压力加工、焊接和切削加工等方法制造成零件。各种加工方法对材料提出了不同的要求。造成零件。各种加工方法对材料提出了不同的要求。铸造性能铸造性能铸造性能指浇注铸件时，金属材料易于成形并获得优质铸件的性铸造性能指浇注铸件时，金属材料易于成形并获得优质铸件的性能。流动性、收缩率、偏析倾向是表示铸造性能好坏的指标。能。流动性、收缩率、偏析倾向是表示铸造性能好坏的指标。锻造性能锻造性能锻造性能一般用材料的可锻性来衡量。金属材料的可锻性是指材锻造性能一般用材料的可锻性来衡量。金属材料的可锻性是指材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。料在压力加工时，
18、能改变形状而不产生裂纹的性能。下一页上一页返回任务任务1-1认识金属材料的性能认识金属材料的性能焊接性能焊接性能焊接性能一般用材料的可焊性来衡量。金属材料的可焊性是指材焊接性能一般用材料的可焊性来衡量。金属材料的可焊性是指材料在通常的焊接方法和焊接工艺条件下，能否获得质量良好焊缝料在通常的焊接方法和焊接工艺条件下，能否获得质量良好焊缝的性能。的性能。加工性能加工性能切削加工性能指对工件材料进行切削加工的难易程度。金属材料切削加工性能指对工件材料进行切削加工的难易程度。金属材料的切削加工性，不仅与材料本身的化学成分、金相组织有关，还的切削加工性，不仅与材料本身的化学成分、金相组织有关，还与刀具的
19、几何形状等有关。与刀具的几何形状等有关。上一页返回任务任务1-2了解金属材料的知识了解金属材料的知识了解金属材料的化学成分与组织结构了解金属材料的化学成分与组织结构金属材料的性能不仅决定于它们的化学成分，而且还决定于它们金属材料的性能不仅决定于它们的化学成分，而且还决定于它们的内部组织结构。例如，含碳量不同的钢，强度、硬度、塑性各的内部组织结构。例如，含碳量不同的钢，强度、硬度、塑性各异。即使化学成分相同，组织结构不同时其性能也会有很大的差异。即使化学成分相同，组织结构不同时其性能也会有很大的差别。别。下一页返回任务任务1-2了解金属材料的知识了解金属材料的知识金属及合金的结晶金属及合金的结晶
20、金属的晶体结构金属的晶体结构固体物质中原子排列有两种情况固体物质中原子排列有两种情况:一是原子呈周期性有规则的排一是原子呈周期性有规则的排列，这种物质称为晶体。二是原子呈不规则的排列，这种物质称列，这种物质称为晶体。二是原子呈不规则的排列，这种物质称为非晶体。固态金属及合金一般都是晶体，而且大都属于多晶体，为非晶体。固态金属及合金一般都是晶体，而且大都属于多晶体，它是由许多方位各不相同的单晶体块组成的，如它是由许多方位各不相同的单晶体块组成的，如图图1-7所示。每所示。每个单晶体的外形为不规则的颗粒状，通常把它称为个单晶体的外形为不规则的颗粒状，通常把它称为“晶粒晶粒”。晶。晶粒之间的分界面叫
21、晶界。单晶体具有各向异性的特征，多晶体的粒之间的分界面叫晶界。单晶体具有各向异性的特征，多晶体的性能是各不同方位单晶块的统计平均性能，因而显示出各向同性。性能是各不同方位单晶块的统计平均性能，因而显示出各向同性。下一页上一页返回任务任务1-2了解金属材料的知识了解金属材料的知识金属的结晶过程金属的结晶过程液态金属冷却到凝固温度时，原子由无序状态变为按一定的几何液态金属冷却到凝固温度时，原子由无序状态变为按一定的几何形状作有序排列。金属由液态转变为固态而形成晶体的整个过程，形状作有序排列。金属由液态转变为固态而形成晶体的整个过程，称为结晶。称为结晶。金属的冷却曲线与过渡金属的冷却曲线与过渡纯金属
22、的结晶是在一定温度下进行的，这个温度称为结晶温度。纯金属的结晶是在一定温度下进行的，这个温度称为结晶温度。每种金属都有一定的理论结晶温度，常用每种金属都有一定的理论结晶温度，常用T0表示。金属的结晶过表示。金属的结晶过程可用冷却曲线程可用冷却曲线(图图1-8)表示。表示。过冷是金属结晶的必要条件，但结晶时的过冷度不是一个恒定值，过冷是金属结晶的必要条件，但结晶时的过冷度不是一个恒定值，它与过冷速度有关，冷却速度越大，结晶时的过冷度也越大，一它与过冷速度有关，冷却速度越大，结晶时的过冷度也越大，一般工业金属的过冷度都不超过般工业金属的过冷度都不超过10 30 下一页上一页返回任务任务1-2了解金
23、属材料的知识了解金属材料的知识结晶过程结晶过程大量的实验证明，金属结晶是由三个密切联系的基本过程实现的，大量的实验证明，金属结晶是由三个密切联系的基本过程实现的，即孕育即孕育:在金属液体内形成与固体结构相同的小晶胚在金属液体内形成与固体结构相同的小晶胚;生核生核:在过冷金属液体中一定尺寸的晶胚成为结晶的核心一晶核在过冷金属液体中一定尺寸的晶胚成为结晶的核心一晶核(有规有规则排列的原子集团则排列的原子集团);长大长大:每一晶核吸收其周围的原子呈有规每一晶核吸收其周围的原子呈有规则排列而逐步长大为一小晶体，直至全部晶体扩大到相互接触，则排列而逐步长大为一小晶体，直至全部晶体扩大到相互接触，液体金属
24、完全消失，结晶即告完成，最后形成许多大小不一、外液体金属完全消失，结晶即告完成，最后形成许多大小不一、外形不规则的晶体。形不规则的晶体。图图1-9为结晶示意图。但要注意，结晶的三个为结晶示意图。但要注意，结晶的三个基本过程是同时进行的，主要是晶核不断生成和不断长大的过程。基本过程是同时进行的，主要是晶核不断生成和不断长大的过程。下一页上一页返回任务任务1-2了解金属材料的知识了解金属材料的知识影响晶粒大小的因素影响晶粒大小的因素凡是能促进晶核生成和抑制晶粒长大的因素，都能细化晶粒。过凡是能促进晶核生成和抑制晶粒长大的因素，都能细化晶粒。过冷度和难熔杂质是影响晶粒大小的两个主要因素。提高冷却速度
25、，冷度和难熔杂质是影响晶粒大小的两个主要因素。提高冷却速度，增大过冷度，可使晶粒变细。难熔杂质对细化晶粒的作用增大过冷度，可使晶粒变细。难熔杂质对细化晶粒的作用i一分一分明显。因此，在生产实践中，常用向液态金属加入难熔固态物质明显。因此，在生产实践中，常用向液态金属加入难熔固态物质的方法，增加晶核数目，细化晶粒。难熔的固态物质称为的方法，增加晶核数目，细化晶粒。难熔的固态物质称为“孕育孕育剂剂”，这种处理方法称为，这种处理方法称为“孕育处理孕育处理”或或“变质处理变质处理”。晶粒大小与力学性能的关系晶粒大小与力学性能的关系晶粒大小对金属材料的力学性能有很大影响。晶粒细小，则强度、晶粒大小对金属
26、材料的力学性能有很大影响。晶粒细小，则强度、硬度较高，塑性、韧性较好。晶粒粗大，则力学性能明显下降。硬度较高，塑性、韧性较好。晶粒粗大，则力学性能明显下降。下一页上一页返回任务任务1-2了解金属材料的知识了解金属材料的知识金属的同素异构转变金属的同素异构转变为便于分析比较各种晶体内部原子的排列规则，通常将每个原子为便于分析比较各种晶体内部原子的排列规则，通常将每个原子视为一个几何质点，并用一些假想的几何线条将各质点连接起来，视为一个几何质点，并用一些假想的几何线条将各质点连接起来，形成一个空间几何格架称为晶格。形成一个空间几何格架称为晶格。多数金属结晶后的晶格类型都保持不变，但有些金属多数金属
27、结晶后的晶格类型都保持不变，但有些金属(如铁、锰如铁、锰等等)在固态下晶格结构会随温度的变化而发生改变。金属在固态在固态下晶格结构会随温度的变化而发生改变。金属在固态下发生晶格变化的过程，称为金属的同素异构转变。下发生晶格变化的过程，称为金属的同素异构转变。金属的同素异构转变是原子重新排列的过程，实际上是一个重新金属的同素异构转变是原子重新排列的过程，实际上是一个重新结晶的过程，亦应遵守前述结晶的一般规律。结晶的过程，亦应遵守前述结晶的一般规律。下一页上一页返回任务任务1-2了解金属材料的知识了解金属材料的知识合金的结构合金的结构组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，简称元。组元通常组成合金
28、的最基本的、独立的物质称为组元，简称元。组元通常是元素，也可以是稳定的化合物。由两个组元组成的合金，称为是元素，也可以是稳定的化合物。由两个组元组成的合金，称为二元合金二元合金;由三个组元组成的合金，称为三元合金，等等。由三个组元组成的合金，称为三元合金，等等。合金的结构比纯金属复杂。在固态时合金的结构一般可分为以下合金的结构比纯金属复杂。在固态时合金的结构一般可分为以下三类三类:固溶体固溶体合金各组元在固态时具有互相溶解的能力，形成与某组元晶格类合金各组元在固态时具有互相溶解的能力，形成与某组元晶格类型相同的合金，称为固溶体。型相同的合金，称为固溶体。下一页上一页返回任务任务1-2了解金属材
29、料的知识了解金属材料的知识金属化合物金属化合物金属化合物是合金的组元间相互作用而形成的具有明显金属特性金属化合物是合金的组元间相互作用而形成的具有明显金属特性的化合物。其晶格类型和性能完全不同于任一组元，而且组成可的化合物。其晶格类型和性能完全不同于任一组元，而且组成可用分子式表示。用分子式表示。金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高、硬而脆。它能提金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高、硬而脆。它能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性。高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性。机械混合物机械混合物组成合金的各组元，在固态下既不溶解，也不形成化合物，而以组成合金的各组元，在固态下既不
30、溶解，也不形成化合物，而以混合形式组合在一起的物质，称为机械混合物。其各相仍保持原混合形式组合在一起的物质，称为机械混合物。其各相仍保持原来的晶格结构和性能。所以，机械混合物的性能取决于各相的性来的晶格结构和性能。所以，机械混合物的性能取决于各相的性能、相对数量、形状、大小及分布情况。能、相对数量、形状、大小及分布情况。下一页上一页返回任务任务1-2了解金属材料的知识了解金属材料的知识铁碳合金铁碳合金铁碳合金的墓本组织铁碳合金的墓本组织在铁碳合金中，铁和碳的结合方式为在铁碳合金中，铁和碳的结合方式为:在液态时，铁和碳可以无在液态时，铁和碳可以无限互溶限互溶;在固态时，碳可溶解在铁中形成固溶体，
31、或与铁形成化在固态时，碳可溶解在铁中形成固溶体，或与铁形成化合物合物(Fe3C, Fe2C等等);此外，还可以形成由固溶体和化合物组此外，还可以形成由固溶体和化合物组成的混合物。固态下出现的基本组织如下成的混合物。固态下出现的基本组织如下:铁素体铁素体(以符号以符号F表示表示)奥氏体奥氏体(以符号以符号A表示表示)渗碳体渗碳体(Fe3C)珠光体珠光体(以符号以符号P表示表示)莱氏体莱氏体(以符号以符号Ld和和L d表示表示)下一页上一页返回任务任务1-2了解金属材料的知识了解金属材料的知识铁碳合金相图铁碳合金相图(Fe-Fe3C相图相图)铁碳合金相图是表示铁碳合金的成分、温度与组织之间的关系的
32、铁碳合金相图是表示铁碳合金的成分、温度与组织之间的关系的图形。它是人们长期生产实践和科学实验中不断总结与完善起来图形。它是人们长期生产实践和科学实验中不断总结与完善起来的，也是学习金属材料、热处理和热加工的，也是学习金属材料、热处理和热加工(铸造、锻压、焊接铸造、锻压、焊接)的的重要理论基础。重要理论基础。图图1-11所示为简化后的所示为简化后的Fe-Fe3C相图。相图。Fe-Fe3C相图中特性点的意义、温度及含碳量见相图中特性点的意义、温度及含碳量见表表1-2 ACD线为液相线。各种成分的合金处在此线以上的温度均是液线为液相线。各种成分的合金处在此线以上的温度均是液态，冷却到此线时开始结晶。
33、态，冷却到此线时开始结晶。AECF为固相线。合金冷却到此线全部结晶为固态，此线以下为为固相线。合金冷却到此线全部结晶为固态，此线以下为固态区。固态区。下一页上一页返回任务任务1-2了解金属材料的知识了解金属材料的知识ES线为碳在奥氏体中的溶解度曲线线为碳在奥氏体中的溶解度曲线GS线又称线又称A3线，它是合金冷却时奥氏体向铁素体转变的开始线。线，它是合金冷却时奥氏体向铁素体转变的开始线。PSK线为共析转变线，又称线为共析转变线，又称A1线，相应的温度为线，相应的温度为727 由相图可知由相图可知:铁碳合金在凝固后，当温度变化时仍有组织结构的铁碳合金在凝固后，当温度变化时仍有组织结构的变化。变化。
34、铁碳合金的分类及其室温组织铁碳合金的分类及其室温组织根据含碳量的多少，铁碳合金可分为工业纯铁、钢和白口铸铁三根据含碳量的多少，铁碳合金可分为工业纯铁、钢和白口铸铁三类。类。下一页上一页返回任务任务1-2了解金属材料的知识了解金属材料的知识工业纯铁工业纯铁含碳量小于含碳量小于0.021 8%的铁碳合金。其室温组织是铁素体。的铁碳合金。其室温组织是铁素体。钢钢含碳量在含碳量在0.218%-2.11%之间的铁碳合金。根据其碳含量及之间的铁碳合金。根据其碳含量及室温组织的不同，又可分为室温组织的不同，又可分为:亚共析钢亚共析钢(含碳量小于含碳量小于0.77%),室温组织是铁素体和珠光体。室温组织是铁素
35、体和珠光体。共析钢共析钢(含碳量为含碳量为0.77%),室温组织是珠光体。室温组织是珠光体。过共析钢过共析钢(含碳量大于含碳量大于0.77%)。室温组织是珠光体和二次渗碳。室温组织是珠光体和二次渗碳体。体。下一页上一页返回任务任务1-2了解金属材料的知识了解金属材料的知识白口铸铁白口铸铁含碳量为含碳量为2. 11%-6. 69%的铁碳合金。根据其碳含量及室温的铁碳合金。根据其碳含量及室温组织的不同又可分为组织的不同又可分为:亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁(含碳量小于含碳量小于4.3%)室温组织是珠光体、二次渗室温组织是珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体。碳体和低温莱氏体。共晶白口铸铁共晶白口铸铁(含
36、碳量为含碳量为4.3%)，室温组织是低温莱氏体。，室温组织是低温莱氏体。过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁(含碳量大于含碳量大于4.3%)，室温组织是一次渗碳体和，室温组织是一次渗碳体和低温莱氏体。低温莱氏体。下一页上一页返回任务任务1-2了解金属材料的知识了解金属材料的知识含碳量及杂质对铁碳合金性能的影响含碳量及杂质对铁碳合金性能的影响含碳量对钢的力学性能的影响含碳量对钢的力学性能的影响碳是决定铁碳合金性能的主要元素，它主要是以渗碳体的状态存碳是决定铁碳合金性能的主要元素，它主要是以渗碳体的状态存在于钢中。含碳量和渗碳体的形状、大小、分布情况和数量不同，在于钢中。含碳量和渗碳体的形状、大小、分布情
37、况和数量不同，钢的组织就不同，性能就会有很大的差异钢的组织就不同，性能就会有很大的差异(图图1-12)杂质对铁碳合金力学性能的影响杂质对铁碳合金力学性能的影响铁碳合金除含碳外，一般还含有锰、硅、磷、硫等元素。硅、锰铁碳合金除含碳外，一般还含有锰、硅、磷、硫等元素。硅、锰是有益的元素，可改善铁碳合金的质量，提高其强度和硬度。是有益的元素，可改善铁碳合金的质量，提高其强度和硬度。下一页上一页返回任务任务1-2了解金属材料的知识了解金属材料的知识Fe-Fe3C相图的应用相图的应用在选材上的应用在选材上的应用Fe-Fe3C相图，总结了铁碳合金的组织、性能与成分之间的变相图，总结了铁碳合金的组织、性能与
38、成分之间的变化规律，故可以根据零件的工作条件来选择材料。化规律，故可以根据零件的工作条件来选择材料。在制定热加工工艺方面的应用在制定热加工工艺方面的应用Fe-Fe3C相图总结了不同成分合金在缓慢加热和冷却时的组织相图总结了不同成分合金在缓慢加热和冷却时的组织转变规律，为制定热加工工艺提供了依据。转变规律，为制定热加工工艺提供了依据。图图1-13为铁碳相图为铁碳相图与铸、锻工艺的关系。与铸、锻工艺的关系。在热处理工艺方面的应用在热处理工艺方面的应用根据根据Fe-Fe3C相图可知，铁碳合金在固态加热或冷却过程中均相图可知，铁碳合金在固态加热或冷却过程中均有相的变化，所以钢和铸铁可进行有相变的退火、
39、正火、淬火和有相的变化，所以钢和铸铁可进行有相变的退火、正火、淬火和回火等热处理。回火等热处理。上一页返回任务任务1-3探析钢的热处理工艺探析钢的热处理工艺钢锯条的热处理现象及工艺说明钢锯条的热处理现象及工艺说明选用手用钢锯条为对象，进行整体加热后，一半淬入水中冷却，选用手用钢锯条为对象，进行整体加热后，一半淬入水中冷却，另一半留在空气中冷却。然后对钢锯条进行弯曲试验，发生不同另一半留在空气中冷却。然后对钢锯条进行弯曲试验，发生不同的现象的现象:浸入水中的部分一折即断，在空气中冷却的部分弯曲浸入水中的部分一折即断，在空气中冷却的部分弯曲90以上都不发生断裂。以上都不发生断裂。由此证实由此证实:
40、同样的材料经不同的热处理后，力学性能发生显著改同样的材料经不同的热处理后，力学性能发生显著改变，即热处理能够改变材料或零件的力学性能。变，即热处理能够改变材料或零件的力学性能。钢的热处理是工业生产中最常用、最方便而且非常经济、有效的钢的热处理是工业生产中最常用、最方便而且非常经济、有效的改变性能方法。它是采用适当的方式对钢材或工件进行加热、保改变性能方法。它是采用适当的方式对钢材或工件进行加热、保温和冷却，以获得预期的组织结构与性能的工艺，如热处理工艺温和冷却，以获得预期的组织结构与性能的工艺，如热处理工艺曲线图曲线图(图图1-14)。其特点是。其特点是:只改变内部组织结构，不改变表面只改变内
41、部组织结构，不改变表面形状与尺寸。形状与尺寸。下一页返回任务任务1-3探析钢的热处理工艺探析钢的热处理工艺钢的热处理原理钢的热处理原理钢加热时的组织转变钢加热时的组织转变加热是热处理的第一道工序。对钢加热的目的一般是使钢奥氏体加热是热处理的第一道工序。对钢加热的目的一般是使钢奥氏体化。化。珠光体全部转变成奥氏体的初期晶粒细小，但加热温度过高或保珠光体全部转变成奥氏体的初期晶粒细小，但加热温度过高或保温时间过奥氏体晶粒会长大，影响材料的力学性能。所以，热处温时间过奥氏体晶粒会长大，影响材料的力学性能。所以，热处理时加热温度不可太保温时间不能太长，以便冷却后获得细晶粒理时加热温度不可太保温时间不能
42、太长，以便冷却后获得细晶粒组织。组织。下一页上一页返回任务任务1-3探析钢的热处理工艺探析钢的热处理工艺钢冷却时的组织转变钢冷却时的组织转变热处理后钢的力学性能，不仅与钢的加热、保温有关，更重要的热处理后钢的力学性能，不仅与钢的加热、保温有关，更重要的是与奥氏体冷却转变后所获得的组织有关。冷却过程是热处理的是与奥氏体冷却转变后所获得的组织有关。冷却过程是热处理的关键环节。关键环节。钢在奥氏体化后的冷却方式有两种钢在奥氏体化后的冷却方式有两种:连续冷却，它是将加热至奥氏体化的钢以一定的冷却速度连续冷连续冷却，它是将加热至奥氏体化的钢以一定的冷却速度连续冷却到室温，使奥氏体在一个温度范围内连续转变
43、。却到室温，使奥氏体在一个温度范围内连续转变。等温冷却，它是将奥氏体化的钢快速冷却到等温冷却，它是将奥氏体化的钢快速冷却到A;以下某一温度进以下某一温度进行保温，使奥氏体在该温度下完成转变，然后冷却到室温行保温，使奥氏体在该温度下完成转变，然后冷却到室温下一页上一页返回任务任务1-3探析钢的热处理工艺探析钢的热处理工艺奥氏体的等温转变奥氏体的等温转变奥氏体的等温转变曲线奥氏体的等温转变曲线图图1-15所示是由实验获得的共析钢奥氏体等温转变曲线图，图所示是由实验获得的共析钢奥氏体等温转变曲线图，图中粗实线分别为等温冷却曲线和中粗实线分别为等温冷却曲线和C曲线，细实线为连续冷却曲线，曲线，细实线为
44、连续冷却曲线，虚线为温度线。虚线为温度线。A1线以上的区域是奥氏体稳定区，线以上的区域是奥氏体稳定区，aa线左面是线左面是过冷奥氏体区。过冷奥氏体区。aa线是奥氏体开始转变线，线是奥氏体开始转变线，bb线是转变终了线，线是转变终了线，两曲线之间是奥氏体的转变区。两曲线之间是奥氏体的转变区。bb线右面为奥氏体转变的产物线右面为奥氏体转变的产物区。由于奥氏体等温转变曲线的形状像字母区。由于奥氏体等温转变曲线的形状像字母”;，故称，故称C曲线。曲线。下一页上一页返回任务任务1-3探析钢的热处理工艺探析钢的热处理工艺奥氏体等温转变的产物奥氏体等温转变的产物按转变温度可分为高温、中温、低温三种转变，在按
45、转变温度可分为高温、中温、低温三种转变，在C曲线图上可曲线图上可划出三个转变的温度区间划出三个转变的温度区间:高温转变。奥氏体过冷到高温转变。奥氏体过冷到727 550 ,等温转变为层片状铁素体和渗碳体所组成的机械混合等温转变为层片状铁素体和渗碳体所组成的机械混合物，即珠光体物，即珠光体(P)，称为珠光体型的转变。过冷度越大，层片状，称为珠光体型的转变。过冷度越大，层片状越薄，硬度也越高。中温转变。奥氏体过冷到越薄，硬度也越高。中温转变。奥氏体过冷到550-230之间，等温转变为含过量碳的铁素体和微小渗碳体的机械之间，等温转变为含过量碳的铁素体和微小渗碳体的机械混合物，称为贝氏体混合物，称为贝
46、氏体(用用B表示表示)。贝氏体比珠光体硬度高。低。贝氏体比珠光体硬度高。低温转变。奥氏体过冷到温转变。奥氏体过冷到230 以下时，由于温度过低，奥氏体以下时，由于温度过低，奥氏体来不及分解，渗碳体也来不及析出，只发生晶格的改变来不及分解，渗碳体也来不及析出，只发生晶格的改变(-Fe变变为为-Fe)下一页上一页返回任务任务1-3探析钢的热处理工艺探析钢的热处理工艺奥氏体等温转变曲线的应用奥氏体等温转变曲线的应用在生产实践中，钢热处理的冷却方式多数为连续冷却。奥氏体的在生产实践中，钢热处理的冷却方式多数为连续冷却。奥氏体的转变是在一个温度区间内进行的。将某一冷却速度的冷却曲线画转变是在一个温度区间
47、内进行的。将某一冷却速度的冷却曲线画在在C曲线图上曲线图上,根据两曲线相交位置，可以大致确定钢在连续冷却根据两曲线相交位置，可以大致确定钢在连续冷却时获得的组织及性能。时获得的组织及性能。下一页上一页返回任务任务1-3探析钢的热处理工艺探析钢的热处理工艺钢的热处理分类钢的热处理分类按照加热、冷却的特点和材料成分、组织的变化情况，钢的热处按照加热、冷却的特点和材料成分、组织的变化情况，钢的热处理分为普通热处理和表面热处理两大类。普通热处理工艺可分为理分为普通热处理和表面热处理两大类。普通热处理工艺可分为预备热处理的退火与正火，和最终热处理的淬火与回火。表面热预备热处理的退火与正火，和最终热处理的
48、淬火与回火。表面热处理常用的为表面淬火和化学热处理。处理常用的为表面淬火和化学热处理。退火与正火退火与正火退火与正火是常见的预备热处理，安排在铸造或锻造之后，用来退火与正火是常见的预备热处理，安排在铸造或锻造之后，用来消除坯料、半成品的某些缺陷，为后续的冷加工和最终热处理作消除坯料、半成品的某些缺陷，为后续的冷加工和最终热处理作组织准备。组织准备。下一页上一页返回任务任务1-3探析钢的热处理工艺探析钢的热处理工艺退火退火将钢加热到将钢加热到A3(亚共析钢亚共析钢)或或A1(过共析钢过共析钢)以上某一温度范围，以上某一温度范围，保温一定时间，然后缓慢冷却保温一定时间，然后缓慢冷却(一般是随炉冷却
49、一般是随炉冷却)的热处理过程，的热处理过程，称为退火。称为退火。正火正火将钢加热至将钢加热至A3或或A1cm以上某一温度范围，经保温使之完全奥以上某一温度范围，经保温使之完全奥氏体化，然后在空气中冷却的热处理工艺称为正火。氏体化，然后在空气中冷却的热处理工艺称为正火。下一页上一页返回任务任务1-3探析钢的热处理工艺探析钢的热处理工艺淬火与回火淬火与回火钢的淬火与回火是紧密相连的两个工艺过程，只有相互配合才能钢的淬火与回火是紧密相连的两个工艺过程，只有相互配合才能收到良好的热处理效果。一般来说，淬火与回火常作为最终热处收到良好的热处理效果。一般来说，淬火与回火常作为最终热处理。理。淬火淬火淬火是
50、将钢加热至淬火是将钢加热至A:或或A;以上某一温度范围，保温，然后在水、以上某一温度范围，保温，然后在水、盐水或油中急剧冷却的热处理工艺。盐水或油中急剧冷却的热处理工艺。淬火的目的一般是为了获得马氏体组织，以提高钢的力学性能。淬火的目的一般是为了获得马氏体组织，以提高钢的力学性能。钢在淬火时获得淬硬层深度的能力称为淬透性。淬硬层越深，淬钢在淬火时获得淬硬层深度的能力称为淬透性。淬硬层越深，淬透性越好。淬透性对钢的力学性能影响很大，所以机械设计选材透性越好。淬透性对钢的力学性能影响很大，所以机械设计选材时，应考虑材料的淬透性。时，应考虑材料的淬透性。下一页上一页返回任务任务1-3探析钢的热处理工
