《工程材料及成型技术》讲稿

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工程材料及成形技术

绪论

授课题目：绪论 0.1．材料技术与成形工艺 0.2．本课程的专业地位 0.3．本课程的学习方法 课时安排 授课计划 1学时 第1次 教学目的，要求：

●了解 材料及材料技术的发展史，本课程的基本内容、基本框架和基本特点 ●掌握 本课程的学习方法 ★＃

教学内容（包括基本内容、重点、难点 、板书------字体加黑，下同）

一．材料技术与成形工艺

材料：制造物品的物质（原材料）。

[物质生产活动是人类生存和社会发展的基础，因此，材料和应用便成了人类社会发展和文明进程的重要标志。]

我国在材料工艺方面为人类文明作出过杰出贡献。

六千多年前创造了以制陶术为代表的仰韶文化；随后的陶瓷技术一直 领先世界。

商周时期创造了青铜冶炼技术为 代表的青铜文化。

春秋以来创造了铁器文化： 春秋中期（公元前475---770年）冶炼生铁 战国时期（公元前221---475年）生产可煅铸铁

西汉中期（公元前24---206年）出现炼钢技术，国外18世纪英国

人才发明。

公元299年生产徐美人刀（低碳钢，刃部渗碳，淬火）

1960’s，人们把材料、能源、信息并称现代技术和现代文明的三大支柱。 1970’s人们把新型材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的标志。

1． 工程材料分类

按材料的成分组成分类最为普遍：

A.金属材料 金属键结合，具有导电性，导热性，高塑性和金属光泽

B.高分子材料 共价键结合为主，碳—氢为主元素，分子量＞500

C.陶瓷材料 离子键结合为主，一种元素或多种元素与一种非金属元素的化合物。具有熔点

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高，硬度高，化学稳定性高

D. 复合材料 两种或两种以上不同材料的组合材料。

2． 成型工艺分类

??铸造、锻压成型工艺（热加工）??材料加工工艺??焊接、粉末冶金

?）?切削加工工艺（冷加工

二． 本课程在机类专业人才培养中的作用（为什么要学）

1．课程的内容层次

课程体系与材料科学为基础，以材料及成型工艺的选用为主线，内容结构上可分为材料与成型技术的基本原理，基本知识与工程应用三个层次。

基本原理主要明确三种关系：

① 材料的成分——组织、结构——使用性能的关系；

② 材料改性及强化工艺——成分——组织、结构——性能的关系 ③ 材料成型工艺——组织——性能的关系

基本知识包括五类问题：

① 各类工程材料的特点及应用； ② 材料改性工艺的特点及应用； ③ 各类成型工艺的特点及应用； ④ 零件失效分析及质量控制方法； ⑤ 新材料的发展与新工艺进展。

工程应用包括零件的材料及成型工艺选择方法和材料及改性成型分析。 2．课程的学习目的

以齿轮为例：一对齿轮在工作状态下

相互摩擦 --→ 磨损 --→ 高硬度 --→ 高碳钢 相互冲击 --→ 断裂 --→ 高韧性 --→ 低碳钢

渗碳 表层高碳，高硬度 心部低碳，高韧性 设计及失效分析→性能要求----→选材及改性。

①培养合理选择材料的初步能力； ②培养正确确定加工方法的能力。

三． 课程的特点与学习方法（怎么学）

特点：① 专业技术基础课。——不深入

② 实践性强。——联系实际，抓应用

③ 材料、加工工艺方法种类多。——抓特点，抓比较

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方法：① 记??笔记?记忆

② 抓主线 成分——组织，结构——使用性能 工艺——组织，结构——使用性能 即一个中心两条线 ③ 抓比较??共性用?个性——突出特点，优点、应

④ 及时复习，归纳，总结

第一章 工程材料的性能

授课题目：第一讲 工程材料的性能 1.1、材料的使用性能 1.2、材料的工艺性能 教学目的，要求： ●了解 材料的主要性能指标的涵义及物理意义

教学内容

课时安排 授课计划 1学时 第一次 1、1、材料的使用性能

材料的性能是材料的本质属性。涉及的知识领域比较宽，在工程方面，与材料改性、选材和应用密切相关的主要性能指标概括如下： 一．力学性能

1. 刚度：材料抵抗弹性变形的能力

2. 强度：材料在常温，静载下抵抗塑性变形或破坏的能力 3．塑性：材料受力时产生塑性变形而不断裂的能力?4．韧性：材料抵抗冲击力而不破坏的能力 ak=

?延伸率??断面收缩率?

AKG(H?h)2=(J∕cm) AOAO7 5．疲劳强度：材料在交变应力反复作用下（一般>10次）不致发生断裂的能力。 F .硬度：材料抵抗局部压入变形的能力

以上配以 图3、低碳钢应力——应变曲线 图4 、几种材料的疲劳曲线 图5、冲击试验简图 图6、硬度试验方法

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?相对密度??熔点??热膨胀性 二．物理性能?

?导热性?导电性???磁性

三．化学性能：

a.耐蚀性：材料抵抗各种介质侵蚀的能力

b.耐侯性：材料在阳光、空气、雨水等自然因素作用下不发生性质变化或破坏

的能力

c.高温抗氧化性：材料在高温下抵抗表面氧化的能力 1.2．工艺性能

1、 铸造性：材料能否用铸造方法制成优良性能铸件的难易程度 2、 可焊性：材料能否用一般焊接方法焊成优良接头的难易程度 3、 可锻性：材料能否用压力加工方法加工或成型的难易程度 4、 可切削性：材料是否易于进行各种切削加工的性能

第二章 工程材料的结构

授课题目：第一讲 工程材料的结构与性能 1.1、金属的晶体结构 1.2、合金的晶体结构 1.3、高聚物的结构 1.4、陶瓷的组织结构 课时安排 授课计划 4学时 第二次 教学目的，要求： ●熟悉 1、材料内部原子的结合方式（结合键）和排列方式（晶体结构）；

2、晶体缺陷及其对材料性能的影响。

教学内容：

2．1．金属的晶体结构

一、基本概念

?a.有一定熔点?1、 晶体：原子有规则排列的固体 特性?b.原子有规则排列

?c.各向异性?

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2、晶格 ：把晶体中原子抽象成点（阵点），用直接联接阵点构成的空间格子 3、晶胞：晶格中最基本的几何单元

三个概念结合 1.8 介绍 [吕. P6 .]

二、基本结构

1、体心立方 （Bcc ， Body Centre Cubic Lattice）

致密度 K=

晶胞中原子所占体积×100﹪=68﹪，

晶胞体积特性 ：多数金属高熔点，高硬度

2、 面心立方 （ Fcc Face Centre Cubic Lattice） K = 74 ％ 特性： 高塑性 ，无磁性。 3、 密排六方 （Cph , Close packed hexagonal） K = 74 ％ 特性 ： 低塑性（滑移系少）

介绍以上结构借助 图 1-9 ～ 11 [吕 P8—9 ]

三、晶体缺陷（＊）

晶体内部原子排列不规则的部位称为晶体缺陷，按其几何形态可分为：

1、 点缺陷 （空位和间隙原子）

造成晶格畸变， 引起晶体内部能量升高，使材料的强度、硬度、电阻率升高。

2、线缺陷（位错dislocation）

即错位，有刃型位错（见图）和螺型位错

位错密度 ?=

cm位错线总长度?2 单位：或 cm 3cm单位体积56?2一般金属 ?=10 ～ 10 cm

3、 面缺陷 （晶界和晶界）

,形变或淬火金属为10—10cm

1012?2

实际金属都是多晶体，原子沿晶体不同位向排列（见图）

相同位向排列的原子组成的空间称为晶粒，晶粒之间交界称为晶界。 晶粒内部存在的小尺寸、有位向差的小晶块称为亚晶粒，（晶粒中的小晶粒） 亚晶粒间的交界称为亚晶界。

以上三种晶体缺陷借助图1.介绍

4、 晶体缺陷对材料性能的影响，

当晶体缺陷密度极低时，材料强度高，

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当晶体缺陷密度极高时，材料强度也高， 图 1、材料强度δ与晶粒

缺陷密度的关系

因此，强化金属的途径有二：

a.减少晶体缺陷接近理想状态，如单晶，晶须

b.增加晶体缺陷，如淬火，冷加工非晶态。

2．2．合金的晶体结构

一、基本概念

1、合金：由两种或两种以上的元素（称为组元）组成的具有金属性质的物质称为合金。

两个组元组成的称二元合金。三个组元称三元合金。三个以上称多元合金。

2、 相（phase）：合金中具有相同理化性质和晶体结构，并与系统中有界面分开的部分称

为相。合金中只有一个相的称单相合金，两个相以上的称多相合金。 3、 组织（Microstructure）：在显微镜观察下，一个相或几个相的组成物称为组织。组

织中只有一个相称单相组织，两个相以上称多相组织。

二．基本相结构 1、 固溶体

定义：组元A.（溶剂），溶入其它组元（溶质B.C.…）仍然保持组元A晶体结

构的固体称为固溶体。

RB＜0.59溶质原子溶入溶剂晶格间隙 RARB b.臵换固溶体： ＜0.59 溶质原子取代溶剂原子的部分位臵

RA种类：a.间隙固溶体 ：

2、 金属间化合物

定义：当合金中溶质浓度含量超过固溶体溶解度时析出的新相称为化合物。

种类：a.正常价化合物 遵守化合价规律的化合物，如Mg2Sn, Mg2Si等 b.电子化合物 电子浓度＝

价电子数212121,＝，的化合物，

原子个数121314 如CuZn , Cu3Al，等。

c.间隙化合物 过渡族金属元素与原子半径较小的非金属形成的化合物，VC , W2C ,

Fe3C，等。

3、合金的性能

② 固溶体与固溶强化：随着溶质原子浓度增大，固溶体晶格畸度增大，从而导致固

溶体强度和硬度升高，塑韧性有所下降的现象。

固溶体在合金中的相对含量大，称为基体相，化合物相对量较少称为第二相。 ③ 化合物与第二相强化。

化合物的性能：结构复杂，原子结合力强，表现出高硬度，高脆性。

化合物作为第二相与固溶体组成多相合金材料，可提高材料的强度。

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利用第二相来提高材料的强度称为第二相强化。当第二相是弥散质点引起的强化称为弥散强化。

2．3． 高分子材料的结构

一、基本概念

1，单体 能组成高分子化合物的低分子化合物叫单体。单体是高分子的合成材料。例如：

聚乙烯是由低分子乙烯（CH2=CH2）单体组成。

2，链节 先看一个例，聚乙烯分子链的结构式为：

……—CH2—CH2——CH2——……

式中“—CH2—CH2——”是构成聚乙烯的基本单元，即由许多

“—CH2—CH2——”这样的基本单元重复连接而成的，结构单元称为链节。

3，聚合度 高分子所含链节的数目n，称为高分子的聚合度。由此，大分子链的分子量M=

链节的分子量m与聚合度n的乘积。 即M=m×n

4，高分子间的作用力： 分子链中原子间，链节间是共价键结合，强。

高分子链相互作用是分子键结合，弱。

二． 基本结合

1、大分子链的几何形态

①线型结构 整个分子是细长线条状，通常卷曲成不规则的线团，受拉时可伸展成直线。

特点：分子链间没有化学键，易移动，可溶可熔。

②支链型结构 在高分子主链上带有一些小支链，整个分子呈树枝状。

③体型结构 高分子链之间通过支链或化学键连接成网状结构。结构稳定，不溶不熔，

塑性低，脆性大

a.线型 b. 支链型 c. 体型

图1—18， 高聚物的结构示意图

2， 大分子链的构象及柔顺性

①单键的内旋转 分子键的主链在保持键长和 键角不变的情况下可以任意旋转的现象。

②大分子键的构象 由于单键内旋引起的原子

在空间占据不同位臵所构

成的分子链的各种形象。

③大分子链的柔顺性 由于大分子构象频繁变化 引起大分子不同卷曲程度

图1—19 C—C单键由旋转

3，高聚物的聚集态结构的特性。 示意图

主要指高分子材料内部大分子链之间的几何

排列方式和堆砌状态。根据大分子排列的有序程度可 分为晶态结构和无定形结构。

结晶使分子间作用力增大，因而使高聚 物的 密度、熔点、耐热性、强度、硬度等性能升高，而使 依赖分子链运动的有关性能，如弹性，塑韧性下降。

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高聚物晶区和非晶区示意图:

2.4．陶瓷材料的结构

一、陶瓷的概念

陶瓷是由金属和非金属的无机化合物所构成的多晶多相固体材料，是无机非金属材料

的总称。

二、陶瓷的显微组织

可归纳为三种相，见图1-21。 （一）、晶相。

陶瓷的主要组成相。一般由某些固

溶体或化合物组成。从晶体结构上看， 主要有硅酸盐结构和氧化物结构两大

类，还有部分C、N、B的化合物，

见图1-22。 图1.21，陶瓷显微组织示意图 增大组织中的晶相比例 和细化晶粒可提高陶瓷强度和韧性。

图1.22， 硅酸盐结构示意图（部分） （二）玻璃相。

陶瓷在烧结过程不能排列成晶体状态的非晶态物质。 性能：熔点低，热稳定性差，力学性能低于晶相。 应控制在20％——40％范围内。 （三）、气相。

实际上是陶瓷中的气孔主要分布于玻璃相之中，约占5～10％。导致陶瓷的各种性能降低，但能

提高通气性，减少重量。

通过调整三个相的比例，可以控制陶瓷的质量和性能。 三、陶瓷的晶体结构（自学）

思考题：

1、何谓刃型位错？位错密度对材料的力学性能有何影响？

2、臵换原子与间隙原子的固溶强化效果哪个大些？为什么？

3、金属间化合物在结构和性能方面与固溶体有何不同？常见的金属间化合物有几种类型？它们对合金的性能有

何影响？

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第三讲 工程材料的强韧化 授课题目：第三讲工程材料的强韧化 3.1．金属的塑性变形（形变强化） 3.2．金属的结晶（细晶强化） 3.3．铁碳合金相图 3.4．钢的热处理（相变强化） 3.5．钢的合金化 3.6．高分子材料的增强与改性 课时安排 学时 教学目的，要求：

●掌握 1、金属材料的金属形变强化、细晶强化、相变强化的本质； 2、铁碳合金相图的分析与应用； 3、钢的热处理工艺的操作与应用 教学内容

3. 1 金属的塑性变形

一，塑性变形的本质

滑移 就是在切应力作用下，晶体中一部分沿一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对另一部分产生位移。

见 吕 P64. F.3.1. 图 3. 1. 单晶体滑移变形示意图

滑移的本质是位错的运动。

见 吕 P64 . F .3.2

图 位错运动引起滑移变形示意图

二．变形过程的组织和性能变化 1．组织变化

① 晶粒拉长

当变形量很大，晶粒沿变形方向拉长呈纤维状，这种组织成为纤维组织。

见 李 P 25. 图 2. 8.

图 3. 4. ；冷变形前后的晶粒形状示意图

② 亚结构增多

见 李 P 25 . F. 29.

图 3. 5 . 形变亚结构示意图

③ 产生织构

当塑性变形很大时，多数晶粒的晶格位向会趋于一致这种现象称为择优取向或称织构。

2． 加工硬化（形变强化）

金属随着变形量增多，表现出强度、硬度显著升高，塑性、韧性下降。这种现象称为加工硬化，

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亦称形变强化。是强化金属的重要途径。

形变强化的本质是位错在晶界的塞积。 3． 残余内应力

是指外力去除后仍残存于金属内部的应力，有三类： a.宏观内应力 金属各部位变形不均匀造成的。

b.微观内应力 晶体中各晶粒变形的不均一性造成的。 c.晶格内应力 变形引起晶格畸变造成的。

c 对金属的强化有利是可利用的内应力，而a .b .会造成金属零件的变形、开裂和降低耐蚀性，应采取热处理等措施消除。 三.加热对冷变形金属的影响

1．回复

原子近距离扩散，部分晶体缺陷消除，

内应力明显下降，力学性能变化不大。 见 李 P28 . F . 2. 15.

2 。再结晶

图 3 .6 . 冷变形金属在加热过程的组织性能变化

见 图 李 P 29. F . 2. 图 3 . 7. 再结晶过程示意图

组织性能变化：无变形晶粒通过形核和长大，取代了变形晶粒。位错密度下降，力学性能恢复

到变形前的状态 。

再结晶退火：冷变形金属通过重新加热使组织和性能恢复到变形前的状态的工艺。 再结晶温度：

T 再≈ 0.4 T熔 （K）

为了加速再结晶过程，再结晶退火冷却温度一般选择在T 再以上100—200℃。 1、 晶粒长大

就是在加热保温期间，晶粒通过晶界移动相互吞并长大的过程。 要严格控制再结晶退火的温度和时间以控制晶粒长大。

思考题

1． 碳钢在锻造温度范围内变形时，是否会有形变强化现象？为什么？ 2． 分析形变强化现象的利与弊，如何利用或消除形变强化？

3． 纤维组织是如何形成的？对材料的力学性能有何影响？应如何利用？

3．2．．纯金属的结晶

一、基本概念

1， 凝固、结晶、相变

2,冷却曲线

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温度 就是时间—温度曲线，反映合金在结晶和

相变过程的状态，可应用热分析法建立曲线。

3、过冷度（△T）

△T=T0-Tn Tn—实际结晶温度

冷却速度越大， To—理论结晶温度 o 时间

Tn越低，过冷 图 2，1 纯金属的冷却曲线 度越大。

二、结晶过程

图2，2 纯金属结晶程示意图

1，形核

当液态金属过冷到一定温度，一些尺寸较大的原子团开始变得稳定而成为结晶核心，称为晶核，其过程称为形核。

a.均质形核 液体中时聚时散的原子团自发形核 b.异质形核 依附于液体中高熔点杂质形核

2，长大

即液体中原子向晶核扩散，使晶核尺寸增大

的过程。

长大方式：通常为树枝状（见图2，3）

图2.3 树枝晶生长示意图

三、 晶粒大小及其控制 1．晶粒度的概念

一般金属结晶后，获得由大量晶粒所组成的多晶体，晶体的大小称为晶粒度。它常用单位截面积上的晶粒数或晶粒的平均直径来表示。 2．晶粒大小对金属力学性能的影响

可用 Hell-Patch方程说明这个关系

бs =б0＋K.d

?12

б0.K 均为常数， d为晶粒平均直径。

方程说明材料强度与晶粒直径成反比，晶粒越粗大，材料力学性能越低。因此，实际生产中

都力求细化晶粒。

3、控制晶粒大小的途径

① 控制过冷度

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当过冷度增大，形核率N增大很快，结晶核心增加很多。 结晶后晶粒就细。 ② 变质处理（孕育处理）

在液体金属中加入高熔点细颗粒（变质剂）作为异质形核的核心。

以细化晶粒、改善组织，如在铁水中加入Si-Fe,Mn-Fe作孕育剂可细化晶粒。 ③ 搅拌和振动。

把树枝晶搅断作为新晶核。

四． 合金的结晶 1．合金结晶的特点

（1） 结晶在一个温度区间而不是一个温度进行。如纯铁在1538℃结晶，而含碳0.6％的Fe-C

合金在1500℃开始结晶，1430℃才结束。

(2) 结晶过程有成分的变化。如含0.6％碳的Fe-C合金，先结晶的固相含碳量低，后结晶固

相含碳量高。

2.合金结晶的规律——相图。

相图：反映合金系中不同成分的合金在不同温度下的组织状态和相间平衡关系的图象，亦称状态图。它揭示了合金系的成分，组织与性能的关系。 (1)相图的建立

图2.5利用热分析法建立Cu-Ni合金相图

(2)匀晶相图分析

图2.6匀晶相图及含60％Ni的Cu-Ni合金的结晶过程

理解相图上坐标和曲线的意义。 分析结晶过程

a.在横坐标60处画垂线，确定垂线与曲线交叉点t1,t1

b.分析结晶过程，以交叉点为特征点。

t1以上，合金为L状态，

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t1～t3，合金为L＋?两相平衡，并发生L→?（结晶） t3以下，合金为固态，组织为?

思考题：

1． 金属结晶的基本规律是什么？晶核的成核率和长大速度受到哪些因素的影响？ 2． 为什么材料一般希望获得细晶粒？细化晶粒的方法有哪些？

3.3．铁碳合金的平衡态相图 一、Fe-Fe3C相图

1 . 纯铁的性能及同素异构转变

性能： 常温的熔点为1538℃，具有磁性。

力学性能： 抗拉强度 бb=180 – 230 MPa——低强度 延伸率 Ψ= 70 - 80％ ——高塑性

同素异构转变： 纯金属随温度变化，其晶体

结构发生变化的现象。

纯铁的同素异构转变如下： ?-Fe ?1394???r- Fe ????-Fe

912 (Bcc) (Fcc) (Bcc) 其冷却曲线如图 2 – 15

金属的同素异构转变为其相变强化（热处

理强化）提供可能。 图 2- 15 纯铁的冷却曲线 2. 铁碳合金的基本组织

纯金属： ?-Fe （Bcc） ??? r- Fe (Fcc)

912 ↓溶入C ↓溶入C

固溶体 ＋ 铁素体＋碳化物 奥化体＋碳化物 化合物 ↓ ↓ 混合物： 珠光体 莱氏体 ① 固溶体

a. 铁素体 （Ferrite, F） 碳在?-Fe中的固溶体，BCC结构， 形态呈白色多边形。 最大含碳量 0.0218％ (在727℃) 性能：固溶强化低， 硬度低（50-80HBS），塑性高（?=30-50％）

b. 奥氏体（Austenite ,A） 碳在r- Fe中的固溶体，FCC结构， 是存在于727℃以上的组织。

注意：最大溶解度在1148℃，其含碳量为 2.11％。

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当温度下降到727℃，其含碳量为0.77％。

所以，当温度从1148℃下降到727℃，奥氏体为了减少含碳量将不断析出 Fe3 CⅡ(含碳6.69％) 即发生A→Fe3 CⅡ

性能：高塑性 ， 是理想的锻造组织。

② 金属间化合物— 渗碳体 （Fe3 C,或Cementite, Cem）

成分：含6.69％碳

结构：碳在铁中的间隙化合物，复杂斜方结构。 性能：硬度高（800HBS），脆性大（?≈0），强度低（бb=30MPa） 根据形成条件不同，渗碳体有五种形式：

一次渗碳体（Fe3 CⅠ） 从液体中结晶，呈条状分布。 二次渗碳体（Fe3 CⅡ） 从奥氏体析出，呈网状分布。

三次渗碳体（Fe3 CⅢ）从铁素体中析出，沿铁素体晶界分布。 共晶渗碳体，从共晶转变形成，是莱氏体的基体组织（白色）。

共析渗碳体，从共析转变形成，呈片层与铁素体交替分布。 ③ 混合物

a.珠光体（Pearlite, P） 成分： 含0.77％碳 组织： 88％ F ＋ 12％ Fe3 C 混合物，片层状结构 性能： 硬度 180 – 220 HBS

延伸率 10 ％ 综合力学性能高

抗拉强度 бb= 750 MPa

b.莱氏体 （Ledeburite, Le 或Ld）

成分： 含 4.3％ 碳 组织： 60％ Fe3 C ＋ 40％ P

性能： 高硬度 ，耐磨， 但脆性大。 3. Fe-Fe3 C 相图

图 2. 16. 标注组织的 Fe- Fe3 C 相图

分析相图中的特征点，曲线和水平线

二、铁碳合金的平衡结晶过程

图 2.17. 六种典型合金的结晶过程分析

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1.碳钢的结晶过程

① 共析钢（含碳量 0.77％ ）

图 2.18.共析钢的结晶过程 图 2.19. 共析钢的显微组织

关键点是在Ts( A1 )温度发生共析反应，即

??F0.0218 ＋Fe3 C A0.77?其室温显微组织 珠光体 （F ＋ Fe3的混合物）。

珠光体中铁素体 ( F ) 和 Fe3 C 的相对含量可以利用杠杆定律计算 杠杆定律：

根据相对量相等和含碳量相等可有

QF ＋ QFe3c= 1 相对量相等 QF×0.0218＋ QFe3c×6.69=0.77 含碳量相等

解方程组得：

QF= QF

e3cTs6.69?0.77= 88.7％

6.69?0.0218=

0.77?0.0218=11.3％ 图 2.19.杠杆定律示意图

6.69?0.0218即共析钢的显微组织为珠光体，其中铁素体（F）的相对量为88.7％， Fe3 C的为11.3％。

② 亚共析钢 （＜0.77％c ）

见 李 P47 F4.10

图 2.20. 亚共析钢的结晶过程示意图

其显微组织微铁素(F) ＋珠光体(P) ① 过共析钢 （0.77 ＜％C＜2.11 ）

与亚共析钢不同的是共析反应前先发生 A →Fe3 CⅡ 接着发生

共析转变，其显微组织为 Fe3 CⅡ ＋ P

见 吕 P49 F. 2.30. – 31.

图.2.21. 亚共析钢显微组织 图.2.22. 过共析钢显微组织

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2. 白口铸铁的结晶过程

1）共晶白口铸铁 （ 4.3 ％C）

图 2.23 .共晶白口铁的结晶过程示意图

这里的关键是Tc (1148℃ )发生共晶转变。

??( A 2.11 ＋ Fe3 C)--- L d ( 莱氏体) L4.3 ?最后室温组织为 Ld. 包括 P ＋ Fe3 C＋Fe3CⅡ

2)亚共晶白口铸铁 （ 2.11 ＜％c ＜ 4.3＝

见 李 P49 F4.17

图2-24. 亚共晶白口铸铁结晶过程示意图

Tc 室温组织为 P ＋ Ld＋Fe3CⅡ 3) 过共晶白口铸铁

室温组织为 Ld＋Fe3CⅠ

见 吕 P49. F. 2.-33. 见 吕 P50 F.2.34.

图 2.25 亚共晶白口铸铁显微组织 图 2.26. 过共晶白口铸铁显微组织

综上分析可知，铁碳合金在室温下比由 F ＋Fe3C两个相组成，随含碳量由零增加到 6.69％,F相对量由100％减少到零。Fe3C由0增加到100％。其组织变化顺序为： F→F ＋P→P→P＋Fe3CⅡ →P＋Fe3CⅡ ＋Ld → Ld → Ld ＋Fe3CⅠ→Fe3CⅠ (下面进一步讨论含碳量对铁碳合金的影响。)

三。含碳量对铁碳合金组织和性能的影响

2、 对组织的影响

见 吕 P50 F . 2. 35.

图 2.27 .铁碳合金中含碳量与相和组织组成物的关系

3、 对性能的影响

随着钢中含碳量的增加，强化相Fe3C的相对量增加，钢的硬度升高， 塑性，韧性下降。

强度在含碳量是 1.0％出现最大值。当钢中含碳量升高到1.0％以后，

组织中Fe3CⅡ呈网状分布，珠光体团的界面脆化，而表现出钢的强度迅速下降。 图2,28.含碳量对钢的力学性能的影响

白口铸铁中由于存在大量的莱氏体和Fe3C而表现出硬而脆的性能特点。 思考题：

1． 为什么铸造合金常选用共晶成分合金？为什么进行塑性加工的合金常选用单相固溶体成分的合金？ 2． 何谓铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体？它们的结构、组织形态、性能等各有何特点？ 3． 分析含而是分别为0.45%、1.0%、3%、4.7%的铁碳合金从流言蜚语缓冷至室温时的结晶过程， 4． 根据Fe-FeC相图，计算：

16

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（2） 室温下，含碳0.45%的钢中珠光体和铁素体各多少； （3） 室温下，含碳1.0%的钢中珠光体和二次渗碳体各占多少； （4） 铁碳合金中，二次渗碳体的最大百分含量。

5． 某工厂仓库积压了许多碳钢（退火状态），由于钢材混杂，不街道钢的化学成分，现找出其中一根，经金相分析后，

发现其组织为珠光体+铁素体，其中铁素体占80%，问此钢才的含碳量大约是多少？

3.4．钢的热处理

金属热处理是通过适当方式进行加热、

保温、冷却， 以改善材料内部结构和 见 吕 P75. F 4. 1. 改善性能的工艺方法。通常用热处理 工艺曲线表示。

热处理根据其目的要求和工艺方法可分为三大类：

普通热处理： 退火、正火、淬火、回火 图 4. 1. 热处理工艺曲线 表面热处理： 表面淬火和表面化学热处理 其它热处理： 形变热处理，超细化热处理 真空热处理等。

一、钢在加热时的相变

1．钢的临界转变温度

加热时完全转变成奥氏体的临界温度 钢 平衡状态 实际状态 亚共析钢 A3 Ac3 共析钢 A1 Ac1

过共析钢 Acm Accm 图2.37.碳钢在加热和冷却的

临界转变温度

2．奥氏体形成的过程

见 吕 P53 F 2.38. 图 2.29. 共析钢的奥氏体化过程示意图

3．影响奥氏体形成和晶粒长大的因素

1）加热温度和保温时间

提高加热温度和延长保温时间，有利于原子的扩散，能促进奥氏体形核和晶粒长大。 2）原始组织

加热前的原始组织越细，晶界越多，越有利于奥氏体形核，因而促进奥氏体形成和晶粒长大。 3) 合金元素

大多数合金元素在钢中阻碍Fe .C原子扩散，会减慢奥氏体形成和晶粒长大。

二．钢中过冷奥氏体的冷却转变 冷却方式

等温冷却 在A1以下指定温度完成转变

连续冷却 从高温连续冷却到室温。 见 吕 P55 F.2.41

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图. 2. 30. 奥氏体的两种冷却方式

1.

珠光体转变

发生在A1～550℃，过冷奥氏体转变成铁素体＋珠光体的片状混合物（即珠光体型组织）

转变温度 A1～650 ℃ 650℃～600℃ 600～550℃

转变产物 珠光体 索氏体（Sorbity, S） 托氏体（Troostity, T）

转变温度降低，F与Fe3C片间距?变小，强度增大。

бs=б0＋κ〃??12

2. 贝氏体转变

发生在550℃～Ms温度，Fe原子无法扩散，只有碳原子扩散 贝氏体（Bainite, B）： 过饱和铁素体（含碳＞0.02％）与碳化物组成的两相混合物。 根据转变温度不同有两种形态。

1）.上贝氏体 在550—350℃ 转变，形态为羽毛状，性能：韧性低。 2）.下贝氏体 在350℃—Ms转变，形态为竹叶状，

性能：强度和韧性高—强韧化组织。

见 吕 P60 F 2 、51

图 2. 30. 贝氏体显微组织

3. 马氏体相变

1） 定义

过冷奥氏体低于Ms(马氏体转变开始温度)发生的原子无扩散转变。

马氏体（Martensite, M） 碳在 ? －Fe 中的过程和固溶体，体心正方结构（见图 2.31）

2） 马氏体的形态和性能

① 低碳马氏体 含碳＜0.25％，其形态为板条状，也称板条状马氏体。

性能：由于马氏体中过饱和度小，仍保持较高的强度和韧性。

板条状马氏体也是一种强韧化组织。

（2） 高碳马氏体 含碳量＞1.0％，其形态为凸透镜片状，也称片状马氏体。

性能：由于高度过饱和，使其表现出高硬度，高脆性，低塑韧性。

介绍马氏体的显微组织

4. 过冷奥氏体的冷却转变曲线

三、 退火与正火

退火（Annealing）是将钢加热到预定温度，保温一定时间后缓慢冷却（通常随火冷却），获得接近平衡组织的热处理工艺。

正火（Normalizing）是将钢加热到Ac3或Accm＋30－50℃,保温一定时间后在空气中冷却的工艺。 1） 目的：

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先看齿轮加工的例子：

毛坯锻造——正火（退火）——机加工——热处理——精加工——…… ① 消除应力（来自锻造、铸造、焊接和其它加工的应力），以减少零件变形开裂倾向； ② 细化晶粒，消除组织缺陷为后续热处理作准备。

③ 调整硬度，改善切削加工性能（退火可降低硬度，正火可适当提高硬度）； 对正火还可以消除二次网状渗碳体，有利于后续的球化退火。

2）正火与退火的选择 ① 考虑切削性能

刀具的最佳切削范围为 180 — 220 HBS

表 不同含碳量 的钢在正火和退火后的硬度 含碳量 （％） 退火硬度（HBS） ＜0.25 0.25～0.65 0.65－0.8 工具钢（0.7－1.3） ＜150 150－180 156－228 180－220 228－280 187—217 230—340 正火硬度（ HBS） ＜156 可见 中低碳钢采用正火，高碳钢和工具钢采用退火有利于切削。

② 考虑使用性能

正火比退火硬度高，对没有后续热处理的一般零件宜采用正火。 ③ 考虑经济性

正火生产周期短，成本较低。

四、钢的淬火

有两个英语词表示淬火： Quenching 激冷 Hardening 硬化

淬火就是把钢加热— 保温— 快冷使零件硬化的热处理工艺。淬火后获得马氏体或 贝氏体组织。

1、 淬火加热温度的选择

1） 亚共析钢为 Ac3＋(30－50℃) 见 吕 P79 下 4.8

图 4. 5 碳钢的淬火加热温度范围

??M （硬化） 因为： 亚共析钢加热时为 A??若： ＜Ac3加热

快冷快冷??M ＋ F （软点 加热时为 A ＋ F ??2）.过共析钢为 Ac1 ＋ (30－50℃)

??M ＋ Fe3C 硬化 因为： 加热时为 A ＋Fe3C ?? 太高： 晶粒粗大，氧化脱碳，变形开裂，残余奥氏体增多。

2．淬火冷却介质的选择

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快冷20

选用原则：能获得M或B尽可能慢，以减少淬火应力。

吕 P 80. F. 4.9

图 4.6 理想淬火冷却曲线

常用介质有

1） 水 适用于碳钢， 300－200℃温区冷速过大 ，变形开裂倾向大。 2） 盐水 适用于低碳钢，10％的NaCl水溶液，可使 550— 650％温区

的冷速比水的提高一倍。

3） 油 常用10号机油，适用于合金钢，它粘度大，流动性差，散热慢， 不能用于碳钢冷却。 4） 碱浴（常用有80％KOH+20％NaOH,外加6％H2O，使用温度150-250℃ 5）盐浴（常用有55％KNO3+45％NaNO2,使用温度为150-500℃）

冷却介于水和油之间，主要用于分级淬火和等级淬火。

3．常用淬火方法 见吕P81.F.4.10

图4.7 常用淬火方法示意图

1）单介质淬火 操作方便，变形大

2）双介质淬火 水淬—油冷或油淬—空冷

3）分级淬火 加热零件先在Ms点附近得介质中冷却一段时间再取出空冷，能有效减

少变形，但冷却有限只适合小尺寸零件。

4）等温淬火 在贝氏体转变温区的介质中冷却，得到贝氏体组织。

4.钢的淬透性

淬透性（Hardenability）， 直译就是钢可淬火硬化的能力。或称钢淬火时获得马氏体的难易程度。它主要取决于钢中合金元素，合金元素的种类和含量越高，钢的淬透性越高。淬透性高的钢，在冷却能力比较弱的介质中也能获得马氏体。

淬硬性（Hardening capacity ），钢正常淬火后马氏体所能达到的最高硬度，它主要取决于马氏体中的含碳量。含碳量越高，钢的淬硬性越高。

五、 淬火钢的回火

回火 (Termping, 韧化)：淬火钢在A1温度以下 适当的温度加热、保温、冷却的工艺。 1．回火的目的 ！）消除应力，降低脆性，减少变形和开裂；

2） 稳定组织，使AR（Retained Austenite）分解转变； 3） 调整性能，通过不同回火工艺改善钢的强韧性。

2． 组织与性能变化 1） 组织变化

100－300℃ 200－300℃

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马氏体的分解 残余奥氏体的转变 M →?－碳化物＋? AR → B或M 回火马氏体 300－400℃ 400℃以上 渗碳体聚集长大 铁素体回复和再结晶（＞500℃） 组织：针状铁素体＋粒状Fe3C 碳化物的形成 ? －碳化物→Fe3C ? → 针状F 组织：针状铁素体＋细粒状Fe3C ↓ ↓

回火索氏体（＞500℃） 回火托氏体（350－500℃）

2 ）性能变化 见 吕 P86. F .4 . 15.

图.4 . 12 40钢在不同回火温度的性能变化

随着回火温度升高，淬火钢的强度 、硬度下降，塑性升高，韧性呈升高趋势。 但中间出现两次下降（回火脆性） 第一类回火脆性

发生在300℃左右，是一种不可避免的脆性，亦称不可逆回火脆性。 第二类回火脆性

发生在570℃左右，但回火以后较快冷却可以避免。 吕 P87. F. 4 .16.

3）回火工艺 图 4 .13.淬火钢的韧性与回火温度的关系

回火名称 回火温度 回火后组织 性能特点及主要应用 低温回火 150－250℃ 回火马氏体 高硬度，高耐磨性。适用于工具、齿轮， 滚动轴承等。 中温回火 350－500℃ 回火托氏体 高的弹性极限，屈服极限和抗疲劳能力。 适用于弹性元件，部分模具。 高温回火 500－650℃ 回火索氏体 高的综合力学性能。适用于轴类，杆类 零件，以及齿轮的表面淬火前处理。 生产上将淬火加高温回火称为调质处理。

六、 钢的表面淬火

是将零件表层金属快速加热到奥氏体化温度，而心部没有相变，然后快速冷却，表层获

得马氏体，而心部仍保持原始组织，达到“外硬内韧”的工艺。 1． 感应加热淬火 1）基本原理

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见 李 P85 F. 5. 39— 5.40

图4.8 感应加热面淬火示意图 图4.9 45钢高频加热淬火层组织与性能

感应加热淬火层?（mm）与电流频率f（Hz）的关系：

?=（500－600）／f

2） 组织与性能

表层 淬火马氏体 高耐磨性

心部 原始组织 （回火索氏体或 F+P） 保持高韧性 整体性能 外硬内韧 3) 应用：齿轮和轴类零件 2. 火焰加热表面淬火

利用乙炔—氧等形成的高温火焰对零件表层快速加热随后立即喷水淬火冷却的工艺。

七 .钢的化学热处理

就是将工件臵于特定的化学介质或气氛中保温，使某些所需的元素扩散到工件表 层里去，以改变其化学成分的热处理工艺。 1． 化学热处理的基本过程 1）活性原子的产生

也就是化学介质的分解。只有由化学介质分解产生的活性原子才能渗入工件表层里。 如： 2CO → 2[ C ] ＋O2 2NH3 → 2[ N ]＋3H2

[ C ] 、[ N ] 是活性原子 吕 P87. F. 4 .16.

图. 4 .15 . 气体渗碳体示意图

2） 活性原子被吸收

就是活性原子渗入工件表层被工件吸收。 二. 活性原子向心部方向扩散

表层高溶度活性原子向内部扩散.形成渗层（固溶体或化合物）。

2．化学热处理的常用方法

1）渗碳 （Carburizing） ① 渗碳方法

把工件装入渗碳炉密闭通入渗碳剂（气体或液体有机物），加热至 900— 950℃保温，炉内发生化学反应，产生[ C ]，并被钢表面吸收形成渗层

成分：表面含碳量以 0.85— 1.05％为最佳。 厚度：主要取决于渗碳时间和温度。

组织：渗碳缓冷后得到：表层为珠光体 ＋ 渗碳体的过共析组织，

心部为珠光体 ＋ 铁素体

中间是过渡层 ② 渗碳后热处理

工件渗碳后，在空中预冷到 800— 860℃直接淬火，再进行 180— 200℃回火， 最终渗层组织：回火马氏体 ＋ 碳化物 ＋ AR ③ 应用：

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耐冲击和耐磨都要求很高的零件，如汽车变速齿轮，活塞销。 适合材料：低碳钢，低碳合金钢。 例：渗碳零件的工艺路线

锻造—正火—机加工—渗碳—淬火＋低温回火（＋喷丸）——精磨——…… 2. 氮化.（Nitriding）

气体氮化通入氨气加热分解出[ N ]渗入工件表层。 1）工艺：500 ——600℃加热，保温20——50小时。

2）特点：a. 渗层高硬度，耐磨，耐蚀，耐高温（工作温度可达

600——650℃）处理不变形。

b.渗层薄（仅0.3——0.5mm），不耐冲击，生产周期长

（最长达 80小时）。

3） 应用：精密机床、化工、食品机械的中碳合金钢（ 38CrMoAL,

35 CrMo)的轴、齿轮、阀门等。 氮化齿轮的加工路线：

锻造——完全退火——机加工——调质——精加工——氮化（最终热处理）——……

组织和性能： 表层 氮化物层 HRC 65——70 心部 回火索氏体 HRC 28——32

3.碳氮共渗 （ Nitrocarburizing）

根据温度不同可分为：高温 C—N共渗 （＞ 900℃，不常用）；

中温C—N共渗（ 800—900℃）；

低温C—N共渗（ 500—600℃，亦称软氮化）。

① 中温C—N共渗

工艺： 加热到 850—870℃，通过煤油分解[ C ]，氨气分解 [ N ]， 渗层 0.1 ～ 0.15mm／小时。

出炉可直接淬火，然后在 180—200℃回火。

b.渗层组织与性能 表层：回火马氏体 + C—N化合物，HRC 65—67

（渗层一般 0.4—0.6mm比渗碳薄） 心部：低碳马氏体，HRC 32—40

c.应用与工艺路线同渗碳。 ② 气体软氮化

利用尿素分解 [ C ] 和[ N ]

加热温度为 500—570℃，处理时间 1—3小时。

渗层为 0.01—0.02mm氮化物白层 + 0.1 ～0.4 mm扩散层。

应用：性能低于氮化，但生产周期短，常用于各种中、高碳钢零件，也可用于刀具、

模具等，以及铸铁件，如 气缸套等。

八．热处理新技术

1．形变热处理（Thermomechanical treatment, TMT）

是将材料（钢）塑性变形与热处理有机结合，同时发挥形变强化和相变强化综合作用的联合工艺总称，根据形变温度不同，常用的有高温和低温形变热处理。

见 李 P96. Fig 5.46.

图 4 . 16. 形变热处理工艺曲线

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2．超细化热处理

金属在加热（或冷却）相变，由于需要重新形核长大，一般都比原始组织晶粒细。超细化就

是把工件奥氏体化后淬火形成马氏体，又以较快速度加热 奥氏体化再淬火。如此反复加热冷却循环数次（一般 3—4 次）的工艺。

经过超细化的金属可非常显著提高力学性能。尤其可获得超塑性。 3．真空热处理

在环境压力低于正常大气压以下的减压空间中进行加热，保温（和冷却）的热处理工艺。 4． 离子氮化：

在真空炉内进行，工件接高压直流电源的负极，真空钟罩接正极。抽真空后充入氨气。氨

电离分解成 N、H和 e并在工件表面产生辉光放电。正离子轰击工件表面，使工件升

???温，并在钢件表面获得电子还原成[ N ]渗入零件表面形成氮化层。

特点：渗层性能优异，节约能源，渗氮气体少，无污染。缺点是设备贵，工艺成本高。

5． 激光热处理

是利用激光器发射出来的激光束迅速把工件表面加热到高温，达到局部表面强化的工艺。 特点：a.加热速度快，热量集中，可以利用周围金属散热实现自激冷却淬火。

b.激光束光斑尺寸小，定位精确，非常适合局部和窄位强化。 c.晶粒细，强化效果好。

6． 电子束热处理

利用电子枪发射的电子束轰击金属表面，将能量转换成热能加热零件表面的热处理工艺。

思考题

1． 简述加热温度和保温时间对钢的奥氏体晶粒尺寸及其冷却后的组织和性能的影响？ 2． 奥氏体的形成过程分哪几个阶段？影响奥氏体形成过程的因素有哪些？ 10. 过冷奥氏体的转变产物有哪几种类型？比较这几种转变类型的异同点。

3．钢材的退火、正火、淬火、回火的目的是什么？各种热处理加热温度范围和冷却方法如何选择？各应用在什么场合？热处理后形成的组织是什么？

4． 为什么要进行表面淬火？常用的表面淬火方法有哪些？各应用在什么场合？ 5． 淬透性与淬透层深度、淬硬性有哪些区别？影响淬透性因素有哪些？

6． 化学热处理的基本过程是什么？常用的化学热处理方法有哪些？各自的目的是什么？

第五节．钢的合金化

一、合金元素在钢中的分布

吕 P123 F. 6. 1.－6 . 2

图 6 . 1. 合金元素对钢的力学性能的影响

请看合金元素在钢中的分布形式：

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周期表 碳化物形成元素 26 Fe 非碳化物形成元素 Ti .V. W. Mo. Cr. Mn. 铁 3d4S Si. Al. Cu. Ni. Co. B 形成合金碳化物 形成合金铁素体

62二．合金元素在钢中的作用

1．改善钢的力学性能 强化原因：

??提高强度硬度

b.第二相强化（合金碳化物的作用）?a.固溶强化c.细化晶化（碳化物阻碍奥氏体晶粒长大）一提高强度和韧性。

2.提高钢的淬透性 Me 阻碍Fe. C 原子扩散，因此减慢与原子扩散有关的组织转变，C曲线右移，临界冷却速度减慢→钢的淬透性提高。

李 P105. F. 6 —5

图 6 . 2. 合金元素对碳钢C 曲线的影响

提高淬透性带来的好处：

① 增加淬硬层深度，改善钢的性能； ② 减慢淬火冷却速度，减少变形。（所以，合金钢用油冷，碳钢用水冷） * 大尺寸零件，形状复杂的零件应选用合金钢。 ∣ ∣ 能淬透 变形小 3． 提高钢的回火稳定性

例： 材料 淬火+200℃回火 升高到550℃回火

T12 钢 回火马氏体（＞HRC 60） 回火索氏体（＜HRC 40回火稳定性低 高速钢车刀 马氏体 回火马氏体（＞HRC60）回火稳定性高

回火稳定性：淬硬钢在温度升高时，仍能保持高硬度的能力。亦称抗回火软化能力。 回火稳定性高带来的好处：

工作温度升高，零件仍能保持高硬度，性能不下降。

*在温度较高环境工作的或摩擦热较大的零件应选用合金钢。

思考题

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第四讲 常用金属材料

授课题目：第四讲 常用金属材料 4．1．工业用钢概述 4.2．结构钢 4.3．工具钢 4.4．特殊性能钢4.5．铸铁 4.6．有色金属材料 4.7．滑动轴承材料 4.8．新型合金材料概述 课时安排 7学时 授课计划 教学目的，要求：

●掌握 1、钢的分类及牌号表示，各类钢的性能特点，热处理特点及应用；

2、铸铁的分类，牌号表示，各类铸铁的生产，组织和性能特点及其应用；

●熟悉 滑动轴承材料的性能特点及其应用 ●了解 有色金属材料的性能及其应用 教学内容

4. 1. 工业用钢概述

钢可分为碳钢（含碳量＜ 2.11％ Fe －C合金）和合金钢（Fe －C合金+合金元素熔炼而成的钢）。

一、钢中杂质

合金元素（Metal elements , Me）: 为改善性能而有目的加入的化学元素。

杂质：不是人为加入和期望的而存在于钢铁的中元素或化合物。钢中常见的杂质有锰、硅（有益杂质），硫、磷（有害杂质）等。

1. 硫的影响：

S以FeS的形式存在于钢中，FeS与Fe形成（ Fe+FeS）共晶，其熔点仅985℃，在锻造过程（加热温度在1050－1200℃），（ Fe+FeS）共晶熔化而产生热裂（称为热脆性），因此，钢中含硫量均＜0.05％。

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2. 磷的影响：

磷在钢中能溶于铁素体，产生很强的固溶强化效果而使塑韧性急剧降低，在冷塑性变形（如板冲压）产生脆裂（称为冷脆性）。因此，钢中含磷量均＜0.045％。

二、钢的分类及牌号表示

1.分类： 见教材

2.牌号表示：

①结构钢

a. 碳钢 以“钢中平均含碳量的万倍”编号 例： 0.40％C的钢， 牌号为 40钢

b.合金结构钢 “钢中平均含碳量的万倍 + Me符号及含量的百倍 + ……” Me含量的标注： ＜ 1.5％ 不标出， 1.5～2.4％标2，… 例： 40 Cr 60 Si2Mn ② 工具钢和不锈钢。

a、碳素工具钢。 T+钢中平均含碳量的千倍（高级优质+A） 例：T12 表示平均含碳量为1.2％的碳工钢。 T12A——高级优质钢。 b、合金工具钢和不锈钢。

钢中平均含碳量的千倍+Me符号及含量的百倍+……。 其中， 钢中含碳量＞1.0％不标，

高速钢（＞10％Me的高合金钢且Cr：4％）不标。

例：9SiCr CrWMn. W18Cr4V（高速钢，4％Cr） 4Cr13（不锈钢，含Cr量≥13％）。 ﹡钢号前有两个位数为结构钢，如40Cr，

一个位数和没有数的 ＜13％Cr是工具钢，如9SiCr,CrWMn,W18CrV. ≥13％Cr是不锈钢，如2Cr13,1Cr18Ni9。

4.2．结构钢

一、工程结构钢

1、性能特点：

① 主要用于静载——强度低

② 便于成型——塑性高，C和Me含量越低，塑性越高

③ 便于施焊——焊接性好，C和Me含量越高低，可焊性越高。 2、成分特点：

低碳，低合金含量。 ①普通结构钢

牌号： Q+钢的屈服极限（MPa）+质量等级（A,……D）

????Q275 （共五种） Q195?逢20进一号②低合金结构钢

低合金结构钢＝普通结构钢(Q235)+Me（＜3.0％﹚ 常用 Me有：Si、Mn、V、Ti、Cu。

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Me作用：强化铁素体；细化晶粒；增加碳化物相对量。 因此，强度比Q235高40％至一倍。 3、主要应用

框架结构，建筑结构，压力容器等

使用状态：不热处理或正火，或去应力退火，对特殊要求的零件可进行淬火。

二、优质结构钢：

1、渗碳钢

① 性能特点 （以齿轮为例）

a.高硬度，高耐磨性??通过渗碳——淬火实现

b.高接触疲劳强度?c.高冲击韧性 d.高淬透性

﹡表层高硬度，高耐磨性。 心部 高韧性

② 成分特点

低碳，0.15～0.20％C——保证零件心部高韧性。

Cr、Mo、W、V、Ti——形成合金碳化物，保证渗碳过程细化晶粒 Cr、Mn、Ni、B——提高淬透性。

常用钢：20（一般要求），20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、20MnVB等 ⅰ.0.20％C，低碳，保证高韧性 例：20CrMnTi： ⅱ.Cr、Ti——细化晶粒 ⅲ.Cr、Mn——提高淬透性。

③ 应用：齿轮、凸轮、活塞销等。

渗碳零件的工艺流程：

毛坯锻造——正火——机加工——渗碳——淬火+低温回火——精加工——……

2、调质钢

① 性能特点（以轴为例）

a 高强度——以抵抗扭转和弯曲变形 b高韧性——以抵抗振动和冲击

﹡要求具有高的综合力学性能

② 成分特点

中碳：0.25～0.5％C

Si、Mn、Cr、Ni、B——提高淬透性 Cr、V——细化晶粒

Mo、W——消除回火脆性。

常用钢。一般要求 40，45，40Cr。

较高要求：35CrMo 42CrMo 40CrNi 40CrNiMo 无Cr,Ni代用钢: 40MnB 40MnVB 42Mn2V。

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③热处理特点： 调质。 组织：回火索氏体。HRC25-32。 调质钢加工工艺流程：

a、轴杆类零件：如连杆，曲轴，连杆，螺栓等 锻造——调质——机加工——检验

锻造——正火——机加工——调质——精加工——检验 组织：回火索氏体（HRC25-32）

b、锻造——正火——机加工——调质——精加工——表面淬火+低温回火——检验 组织：表层：回火马氏体（HRC54-58） 心部：回火索氏体（HRC25-32）

3、弹簧钢

① 性能特点

高弹性极限（?e），高疲劳极限（?-1）

② 成分特点：

中高碳0.5——0.7％（合金钢），0.6——0.9％（碳钢） Si——强化铁素体，提高?e和?-1 Si、Mn——提高淬透性

Cr、Mo、W——提高高温强度（高温弹簧所必须）

常用钢：65，75，65Mn, 55Si2Mn, 60Si2Mn. 高温弹簧钢 50CrMo, 50CrV ③热处理特点：

淬火+中温回火。 组织：回火托氏体（HRC40-50）

④应用：弹性元件，要求高韧性，高耐磨性的零件、工具，如铲刀，刀剪等。

例：汽车板簧 950－980℃ Ac3+60－80℃ 下料 —— 400－520℃ 油

卷簧 —— 淬火 + 中温回火

组织：回火托氏体。 硬度HRC40-50。

④ 滚动轴承钢

① 成分和性能特点：

高硬度，高耐磨性——高碳0.95—1.10％C 高耐磨性——0.4—1.65％Cr

高接触疲劳强度——严格控制有害元素和非金属夹杂物。 ② 常用牌号：GCr15 (G+含Cr量的千倍) （用量占90％以上） GCr15SiMn (Si、Mn提高淬透性，用于大型轴承)

29

30

③ 应用：滚动轴承、刀具、模具、量具。

工艺路线

锻造——球化退火——机加工——淬火+低温回火——精加工——……

组织：球状珠光体 回火马氏体+碳化物 180—220HBS HRC60—64

⑤ 易切削钢

切削性能高的特征：切削抗力小，排屑（断屑）容易，刀具寿命长，工件表面粗糙度

低。

牌号表示：Y+平均含碳的万倍。 如Y20 Y40Mn

成分特点：含硫量高，0.1—0.3％S ， 形成MnS——润滑刀具，易断屑 应用：切削量大的工件，如标准件 如，南汽用Y53Ca制造连杆。

4.3．工具钢

一、工具钢的特点（除热作模具钢外）

1、性能特点

① 高硬度，高耐磨性。 ＞HRC60

碳化物越多，越细，分布越均匀，硬度、耐磨性越高。 因此，工具钢均高碳， 0.7—1.3％C

碳化物形成元素，Cr、Mo、W、V等。 ② 高热硬性

热硬性：工具钢适当热处理后，在达到红热温度时仍能保持高硬度的特性。 如Mo、W、V、Co可提高钢的热硬性。 ③ 一定强韧性：细化晶粒

④ 高的淬透性：如Cr、Mn、Si。 i. 成分特点：

三高：含碳量高（＞0.7％C，热作模具钢0.3—0.6％C除外） 合金元素含量高。

纯度高。 S、P均＜0.03—0.02％。 均属高级优质钢。 ii. 锻造及热处理特点

工具生产工艺流程；锻造——球化退火——机加工——淬火+低温回火——精加工—

—……

①锻造

目的：成型，细化碳化细（打碎） 要求：低合金工具钢：锻造比（Y）≥4 高合金工具钢：Y≥6。

﹡锻造比：镦粗Y=

锻后截面积锻前截面积 拔长Y=

锻前截面积锻后截面积② 球化退火

目的：消除应力，降低硬度，改善切削加工性能，并为淬火作好组织准备。 工艺：Ac1+20～30℃保温——A1﹣20～30℃等温转度。

30

31

组织；球状珠光体。 硬度200—250HBS。 ③ 淬火+回火

a、 淬火+中温（或高温回火）：组织为回火托氏体（或回火索氏体），具有良好的综合

力学性能。适用于热锻模具钢5CrNiMo 5CrMnMo 和3Cr2wW8V 等。 b、 淬火+低温回火（回火温度一般在510—550℃，有二次硬化现象）：组织为回火马氏

体+碳化物+AR，具有高硬度 ，高耐磨性，尤其有高的 热硬性。常用于高速钢，高铬模具钢和热作模具钢（3Cr2W8V）制造刀具、大型冷作模具、压铸模具等。

二． 常用工具钢

a)

b) c) d) e)

碳素工具钢：T7——T13。用于工作温度＜250℃的工具

低合金工具钢：9SiCr, 9Mn2V, CrWMn 用于工作温度＜350℃的工具 高速钢：W18Cr4V W6Mo5Cr4V2等 用于工作温度＜550℃的工具 冷作模具钢：Cr12 Cr12MoV 等 用于制造大型模具。 热作模具钢：5CrNiMo 5CrMnMo 用于制造热锻模 3Cr2W8V 用于制造压铸模具

4.4．特殊性能钢

就是具有特殊的理，化性能的钢。 一、不锈钢

1、金属腐蚀的概念。

金属腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。

见吕P30. F1.35—1.36。

图6.4 金属腐蚀示意图

F:电极电位低——阳极??组成微电池

Fe3C：电极电位高——阴极? 实验得出：两电池电位差越大，微电池数目越多，金属腐蚀速度越快。 2、金属抗腐蚀的途径

① 获得单相组织——降低碳含量，减少形成碳化物，尽量消除微电池。 ② 提高阳极的电极电位，缩小两电极电位差。加入13％Cr阳极的电极电位可由-0.56V

提高到0.12V。

因此，不锈钢含铬量均≥13％。

③ 形成致密保护性氧化膜，如Al2O3 Cr2O3

3、常用不锈钢

① 马氏体型（Cr13型）不锈钢

1 Cr13. 2 Cr13. 代替结构钢。 热处理：1050℃油淬 + 600～780℃回火 组织：回火索氏体。

3Cr13. 4Cr13. 代替工具钢， 热处理：1050℃油淬 + 200－300℃回火。 组织：回火马氏体 HRC 50左右。 应用：工具，弹簧，轴承，医疗器械。 ②奥氏体不锈钢 （18—8型）

31

32

Cr—Ni不锈钢。

18％Cr—钝化 9％Ni—扩大奥氏体区 空冷室温组织：单相奥氏体

a.常用钢 OCr18Ni9 1Cr18Ni9 OCr18Ni9Ti ?加Ti抑制（Fe,Cr）4 C的析出?

b.热处理： 固溶热处理

就是将合金加热到高温单相区保温，使第二相充分溶解到固溶体，随之以能防止固溶体分解的快速冷却，得到单相过饱和固溶体的工艺。

固溶处理： 1050—1150℃水冷，抑制碳化物析出。

消除应力回火：冷加工后 300—350℃回火，减小应力腐蚀倾向。

二、耐热钢

1.金属在高温服役的性能 ①严重氧化——烧损

钢在高于570℃ 形成FeO .致密度低。

——添加Si. Cr. Al. 形成致密的SiO2. Cr2O3. Al2O3 保护性氧化膜。

②降低强度与蠕变

温度升高，金属内部原子扩散能力增强，结合力下降，表现出强度下降，

蠕变 （Creep.）：

工作应力一定时工件形状缓慢地发生变化（伸长或变形）的现象。 原因：高温下金属的屈服应力 ＞工作应力

——添加Cr. Mo. W. V. 形成碳化物，提高高温强度。

2.热强钢：

①珠光体型热强钢（工作温度 ＜ 500℃＝

12CrMo. 12Cr1MoV. 正火、用于管道、容器等。

35CrMo. 25Cr2MoV. 调质用于紧固件、轴类、叶轮等。 ②马氏体型热强钢（工作温度 ≤ 600℃） Cr13 型基础上调整，添加 Mo. V. Si.

4Cr9Si2 . 4Cr10Si2Mo. (热处理： 980—1080℃淬火 + 650—700℃回火)

应用：发动机气阀，气门弹簧——有气阀钢之称。

三.耐磨钢：

1.高锰钢

成分：11—14％Mn(Mn—扩大奥氏体区，降低Ms点)，

0.9—1.3％C，（Mn∕c= 10—12） 常用ZGMn13.

铸造组织： ?+ ?+（Fe，Mn）3C

热处理： 1000—1100℃ （单相 ?区）加热水淬 组织：?. 硬度约 200HBS，称水韧处理 耐磨机理： ?（奥氏体）受冲击变形，强烈压缩??加工硬化 表层硬度 520—600HBS

???M 硬度 HRC 54—60

32

33

应用： 高应力受冲击的零件，如拖拉机履带板。 2.低合金结构钢

常用钢： 55 SiMnRe . 60 SiMnRe . (Re: Rare － earth ) 热处理： 820℃油淬 + 200—250℃ 回火， HRC 50— 60 应用： 斗齿 ，铲刀 ，犁铧等。

4 . 5. 铸铁 （Cast Iron）

白口铸铁 断口呈银白色 铸铁 灰口铸铁 断口呈灰色

麻口铸铁 断口为匀白色底 + 麻点

一. 铸铁的特点

1.成分特点

铸铁的含碳量 ＞ 2.11 ％， S.P 含量较高。

同样有普通铸铁和合金铸铁之分。 2.组织特点

白口铸铁 以莱氏体为基体

?F???灰口铸铁 钢的基体?F?P? + G （Graphite）

?P???3.性能特点

灰口铸铁： 钢的基体组织 + G

G （石墨）的性能： ?b=15—20MPa. 硬度 3—5 HBS， ?=0

可见 灰口铸铁 = 钢 + 孔洞

①基本力学性能： 强度、塑性低（取决于石墨的形状，尺寸、数量、分布），石墨形状越尖，尺

寸越大，数量越多，铸铁的力学性能越低。

见 吕 P134 图 6.10 图 6—4 一些铸铁的显微组织

②石墨带来的优良性能

优良的铸造性 熔点低，流动性好，G 补缩。 良好的耐磨性 G 润滑，储油。 良好的消震性 G 吸收振动波。 优良的切削性 G 润滑刀具，断屑。 低的切口敏感性

二.铸铁的石墨化

从液体中结晶或从奥氏体中析出或由Fe3C分解出石墨的过程称为石墨化。

见 吕 P141. 图 6.9.

图. 6—5. Fe—C 合金双重状态图

33

34

L → G 称第一阶段石墨 A → GⅡ 称中间阶段石墨化

F?G?充分进行，组织为?P?GA → F + G 称为第二阶段石墨化?没有进行，组织为

?部分进行，组织为F?P?G?三． 灰口铸铁的分类及牌号表示

吕 P142 . 表 6. 13. 表 6. 1 . 灰口铸铁的分类及牌号表示方法

例： HT 100 ～ HT350 灰铸铁6 个牌号逢50 进一号。

QT 400—18 . QT 900—2. 可见球铁的强度，塑性高。 KTH 350—10. KTZ 450—06. RuT 420. RuT 200.

四.灰口铸铁的热处理

1.特点： a.热处理不改变G 形态及分布

b.铸铁有一定的合金元素含量，加热和冷却速度要较慢。

2.热处理方法

a. 非铸铁的热处理对改善力学性能不明显，只进行去应力退火，软化退火和表面淬火（如

机床导轨表面淬火以提高耐磨性）

b. 球铁中由于石墨对基体的割裂作用小，凡用于钢的热处理方法，基本上可以在球铁中应用，建议自学。

五 .合金铸铁

可分为耐磨铸铁，耐热铸铁和耐蚀铸铁，其理论基础与特殊性能钢相似，建议自学。

4 . 6 . 有色金属材料 （Non－ferrous alloys） 一. 铝及其合金

1 . 工业纯铝

相对密度为 2 .7 属轻金属，熔点为 660℃，高塑性、耐腐蚀。

工业纯铝 铸造纯铝、如、ZAl99.5.(表示WA1?99.5）形变纯铝、如、1A30（表示WA1?99.5)

2 时效强化

就是将经过固溶热处理的合金，在常温放臵（自然时效）或在较高温度保温（人

工时效），使过饱和固溶体中形成溶质富集区或析出弥散微粒以达到沉淀硬化目的的工艺。 例如： Al－4％Cu合金

见 吕 P93 . F. 4. 24.

图 4 . 14. Al－Cu 合金的时效曲线

3 形变铝合金

①牌号：按 GB∕T 16474－1996规定 有“2A××～8A××”

34

35

第一位数字“2 ～ 8 ”依次表示主加元素位Cu. Mn .Si. Mg+Si. Zn. 其它元素。 第三、四位数字表示同一组中不同合金的序号。 例：3A21（原代号LF21）。表示以Mn为主加元素的形变铝合金（防锈铝合金） ②形变铝合金的种类

a、 防锈铝合金，典型牌号3A21（LF21），不可热处理强化，用于耐蚀零件箱壳体，装饰材料。 b、 硬铝合金，典型牌号2A12（LY12），用于铆钉，模锻零件，耐蚀性差 c、 超硬铝合金，典型牌号7A04（LC4），用于受力较大的结构件。 d、 锻铝合金，典型牌号2A10（LD10），用于形状复杂，载荷较大的锻件。 后三类合金可进行热处理强化（固溶处理+时效强化）。

4、铸造铝合金

① 代号表示：ZL+3个数字。

第一位数表示合金系别，1为Al—Si，2为Al—Cu，3为Al—Mg，4为Al—Zn，最后两位表示同系中不同合金顺序号。 例：ZL101

牌号表示：ZAl+合金元素符号及含量的百倍。 例：ZAlMg10

② 铸造铝硅合金（硅铝明）

共晶成分 11.7％Si

a、 简单硅铝明ZAlSi12(ZL102)

含硅量11—13％，铸造性能好 应用：制造

形状复杂的低强度铸件。 b、 特殊硅铝明。 特殊硅铝明

ZL105（ZAlSi5Cu1Mg)?Cu,Mg?提高力学性能，如=简单硅铝明+?

ZL109(ZAlSi2CuMgNi)?Ni,Re?提高高温强度，如变质处理：2—3％变质剂（

21NaF + NaCl） 33以细化晶粒提高强度。

c、热处理：固溶处理 + 时效强化。

应用：发动机缸体，缸盖，活塞，汽缸头，曲轴箱等 ③其他铸造铝合金（建议自学）

二、铜及其合金

1、工业纯铜

相对密度8.9，熔点为1083℃，高导电性、导热性和耐蚀性，无同素异够构转变，因而不能

热处理强化。

35

36

?Zn?黄铜??Ni?白铜??Sn?锡青铜铜合金 = 纯铜（紫铜） +Me ?

Pb?铅青铜???Al?铝青铜??无锡青铜（特殊青铜）???????2、 黄铜

①牌号： 普通黄铜： H + 含Cu量 如 H 70

特殊黄铜 H + 其它Me符号 + 含Cu量 —其它Me的含量 如： HPb59－1 .（约59％Cu、 1％Pb、40％Zn） 铸造铜合金 ZCu + 主加元素及含量 + ……

如： ZCuZn 16 Si 4 (约 16％Zn、4％Si、80％Cu) ②普通黄铜

见 吕 P15 1 . 图 6 .15

图 6 . 6 . 含Zn量对黄铜力学性能的影响

组织：含 ＜ 32％Zn 为?单相组织

＞32％Zn，开始出现?,相，为? +?,两相组织。

性能：塑性好，铸锻性能优良、耐磨、耐蚀。 应用：装饰材料，管、板、散热器、冷凝器等。

③ 特殊黄铜

?Fe?提高高温强度??Al.Si?提高耐蚀性特殊黄铜= 普通黄铜 +Me?

Pb?提高耐磨性?????3、 青铜

①牌号 Q + 主加元素符号及含量－辅加元素含量 －……

例： QSn 4 －3 ( 4％Sn , 3％Zn ,余量铜 )

ZQSn 10 ( Z表示铸造合金， 10％Sn ，余量铜

吕 P152 F. 6 .18.

图6.7 含锡量与锡青铜力学力学的关系

②锡青铜

组织： ＜ 6 ％Sn 单相 ?

＞ 6 ％Sn ?+ ? （?为电子化合物，硬脆）

36

37

常用合金：3－14％Sn ???6%Sn:热压力加工?10?14%Sn:铸造

性能：抗蚀性比黄铜高

铸造性：流动性差，但收缩率小

应用：阀门，水暖配件，耐磨零件，如齿轮，轴承。 ③铍青铜

含1.6—2.3％Be。如QBe2，QBe1.7。

性能：弹性极限、耐磨性、耐蚀性、导热性高。 应用：精密仪器、仪表的弹性元件。

5.7滑动轴承合金

一、对轴承材料的要求

硬度适中

摩擦系数小 李P159 F.8—12 膨胀系数小 能储藏润滑油

二、常用轴承合金 图6.8 轴承合金组织示意图

1、巴氏合金（Babbite Al loys）

①锡基： Sn—Sb—Cu合金。常用ZChSnSb11—6。 (6％Cu)

组织： Sn—Sb固溶体+SnSb化合物和Cu6Sn5化合物

（软基体） （硬质点）

性能：耐蚀性，导热性，减磨性高，但疲劳强度较低。 应用：大型重要轴承

②铅基：Pb—Sn—Sb—Cu合金。常用ZChPbSb16-16-2 (16％Sn，2％Cu)

ZChPbSb15-5-3 (5％Sn，3％Cu) 组织：Pb—Sb固溶体+(SnSb和Cu2Sn)化合物

性能：均低于锡基合金。 应用：车辆发动机轴承 2、铜基合金

常用：Cu—Pb合金(ZQPb30)。Cu和Pb不互溶，结晶成铜粒+铅基底

Cu—Sn合金(ZCuSn10p1) 组织中?为软基体，?为硬质点。 性能：导热性高，耐磨，疲劳强度较高。 应用：高转速，大负荷轴承。 3、铝基合金

A1—Sn合金。(18—22％Sn) 称高锡铝合金。

A1、Sn不互溶，结晶A1粒（硬）+Sn底（软）。 性能：膨胀系数大。 设计制造必须加大轴间隙。 4、 其它轴承。

有锌基轴承，粉末冶金轴承和塑料轴承。

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思考题：

1． 合金钢与碳钢相比，具有哪些特点？

2． 指出下列合金钢的类别、用途、碳和合金元素的主要作用以及热处理特点： （1）40CrNiMo；（2）60Si2Mn；（3）9SiCr；（4）Cr12MoV；（5）0Cr18Ni9。

3．今有一种φ10mm的杆类零件，受中等交变拉压栽何作用要求零件沿截面性能均匀一致，供选材料有：16Mn、45钢、40Cr、T12。要求：①选择合适的材料；②编制简明工艺路线；③说明各热处理工序的主要作用；④指出最终组织。 4．有一块凹模，材料为Cr12MoV钢。因材料库下料时搞错了，下成T12A。试分析：①如果按Cr12MoV钢进行预备热处理和最终热处理，凹模会产生哪些缺陷？②如果预备热处理按Cr12MoV进行，而最终热处理的淬火按T12A钢进行，又会产生哪些缺陷？

5．与Cr13型不锈钢比较，奥氏体型不锈钢有何特性？18-8型奥氏体不锈钢中各元素起什么作用为了提高其抗蚀性能可采取什么工艺方法？

6．白中铸铁、灰口铸铁和钢，这三者的成分、组织和性能有何主要区别？

从综合力学性能和工艺性能来考虑，安排球墨铸铁、可锻铸铁、灰铸铁的优劣顺序，并说明原因。

7. 何谓硅铝明？它属于哪一类铝合金？为什么硅铝明具有良好的铸造性能？在变质处理前后其组织及性能有何变化？这类铝合金主要用在何处？

8. 轴瓦材料必须具有什么特性？对轴承合金的组织有什么要求？何谓“巴比特合金”或“巴氏合金”？ 巴氏合金有哪几类？举例说明常用巴氏合金的成分、组织、性能及用途。

第五章 其它工程材料

授课题目：第五讲 其它工程材料 5.1．粉末冶金材料 5.2．高分子材料 5.3．陶瓷材料 6.4．复合材料 课时安排 2学时 授课计划 教学目的，要求： ●熟悉 合理选择非金属材料的初步能力 ●了解 1。粉末冶金材料的特性及其应用

2．工程塑料、合成橡胶、陶瓷材料的特性及应用

5. 1. 粉末冶金材料

一 .概述

1．粉末冶金工艺过程：

粉末制备—— 压制成型—— 烧结—— 后加工（切削加工、压力加工、浸渍、熔渗……）

李 P162 . F 8—15.

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39

图 . 6 . 9 . 粉末冶金工艺流程示意图

2 . 粉末冶金的特点

① 对原材料及制品的适应性强。

② 高效节能 集材料生产—— 加工技术—— 零件制造于一体 ③ 材料利用率高 可实现少无切削

二.常用粉末冶金材料

1 .轴承材料

制成多孔材料（孔隙占体积的10—20%）再浸渍润华油而成，故称多孔含油轴承。

(1)铜基合金： 锡青铜（CuSn6Zn6Pb3）粉末加 0.5～ 2%石墨粉。

轴承组织： ?（Cu—Sn固溶体） +石墨 + Pb +孔隙

(2)铁基合金： Fe—G ( 0.5～ 3%)粉末 ∕ Fe— G（ 1～ 2%）—S（ 0.5～ 1%） 轴承组织：铁素体 + 渗碳体 +石墨 + 硫化物 +孔隙

应用：适用于中速，轻载荷轴承，如 纺织机械，家用电器等。

2.摩擦材料

用于制造离合器，制动器的摩擦片，刹车片。

要求： a. 摩擦系数大 b. 耐热、耐磨 c.抗咬合、减摩 d. 强度高 材料： 铜基 ∕铁基 粉末 + 石棉 + SiO2 + G + Pb + MoS2 性能及应用：

铜基：导热性好，抗蚀，瞬间工作温度 500－800℃，用于车辆机床离合器。 铁基： 高强度，摩擦系数大，瞬间可达 900－1000℃，用于高负荷高速离合器。 3.工具材料（硬质合金）

成分： WC / TiC (高硬度难熔碳化物) + Co / Ni (粘结剂)

硬度： HRC 70— 80，工作温度可达 1000℃， 切削速度比HSS 高十多倍。

① 钨钴类（WC—Co）

有YG 3 YG 6，… （数字为Co 的百分含量） 含 Co 量越高，合金的韧性越高，耐磨性越低。 ② 钨钴钛类（ WC—TiC—Co）

有 YT5 ， YT15 ， YT30 ， （数字为TiC的百分含量） 含TiC 量越高，硬度和耐磨性越高，强韧性越低。 ③ 应用：

a. 刀具： YG类——粗加工（韧性低材料）及加工脆性材料，高硬度材料。

YT类——精加工（韧性较高材料）及加工长切削屑金属，如 低碳钢，有色金属，

不锈钢，高锰钢（因刀具表面形成氧化钛薄层，不易粘刀。）

b.各种形状简单，尺寸小，要求热硬性、耐磨性高的模具、量具。 ④钢结硬质合金

成分： WC ， TiC + HSS ／ Cr — Mo 钢。 合金钢基体 可热处理， 钢粉末比例越大，韧性越高。 应用： 形状复杂的刀具，高温模具等。

5.2． 高分子材料

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一、高分子材料的性能

1、强度低、比强度高 2、粘弹性

高聚物在非力作用下，同时发生高弹性变形和粘性流动， 其变形与时间有关的现象称为粘弹性。 ①蠕变 ②应力松弛

③内耗 变形速度跟不上应力变化速度，出现应变滞后机械能转化为热能的现象称为内耗 3、耐磨减摩 4、物理性能；

绝缘、隔热、导热系数仅为金属的 吸音、隔音、消震。 低耐热性，高热膨胀性。 5、化学性能：耐腐蚀。

二、工程塑料

1、塑料的组成

树脂：>40-90% 主体、命名的依据 填料：改善性能，降低成本， 占5—50% 如石棉—耐热、 石墨—耐摩 增塑剂、增加树脂塑性和柔韧性。

例、聚氯乙烯可制成硬管。软人革，泡沫塑料。就是其增塑剂不用。 其它：固化剂、稳定性、着色剂、阻燃剂、防老化剂。 2、塑料的分类： ①按照性质可分为

A热塑性塑料：常温下是固体、受热熔融、可反复重塑 如聚乙烯、聚丙烯、尼龙…… B热固性塑料：固化剂成型，不熔，不溶 如环氧塑料，酚醛塑料等。 ②按功能可分为通用塑料和工程塑料

3、常用塑料

聚乙烯??常日用,管道,包装材料,绝缘材料聚氯乙烯?

??尼龙6,尼龙1010?机械零件,如齿轮,阀门,叶片,箱壳体等聚甲醛(pom),聚矾(pst),聚碳酸酯(pc)??

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ABS塑料

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环氧塑料??热固性,耐热,耐蚀,绝缘性好,电气,电工元件酚醛塑料?聚四氧乙烯(F?4)??耐摩耐磨材料如滑动轴承,垫圈??????尼龙66,MC尼龙?

5.3． 陶瓷材料 一、性能特点：

1、力学性能

结合力强，弹性模数E大，硬度高，强度低，脆性大提高强度： ① 细，密，匀，纯；

② 表面强化，如电镀，喷涂 ③复合强化 2、理化性能：

熔点高，高温强度高，如SiC可耐1300℃。 耐蚀 绝缘

二、工程结构陶瓷

（一）传统陶瓷

成分：石英（SiO2） 耐熔的骨架成分 粘土 提供可塑性，保证成型 长石 助溶剂 （二）特种陶瓷 1、氧化铝陶瓷

以Al2O3为主晶相，Al2O3含量越高，性能越高 强度（=250Mpa）、硬度高，耐热性、耐蚀性好

应用：发动机的耐热零件，如火花塞、工模具等耐磨件… 2、氧化硅陶瓷

以Si3N4为主晶相， “象钢一样强、象金刚石一样硬、象铝一样轻”热压烧结：Si3N4粉为原料+添加剂 高温、高压下烧结成型加工比较困难， 用于制造形状简单的耐磨、耐热零件和刀具

反应烧结：Si粉或Si+ Si3N4粉压制成型后渗氮处理，直到全部形成氮化硅。

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易于加工，性能优异，用于制造形状复杂且尺寸精度高的耐热、耐蚀、耐磨制品。

Si3N4+秒量Al2O3——Sialon陶瓷，据称是强度最高的陶瓷。 3、碳化硅陶瓷

以SiC为主晶相。也可分为热压烧结和反应烧结两类。 特点：高温强度高，可耐1600-1700℃。 应用：高温结构制品。 4、氮化硼陶瓷

以BN为主晶相，钻结构（石墨结构）俗白石墨

耐热性、导热性、绝缘性、耐蚀性高、硬度稍低，可切剥加工。 应用：高温绝缘制品，散热材料。 （三）金属陶瓷

见第五讲 5.1。粉末冶金材料

5.4．复合材料

复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料，通过不同的工艺方法人工合成的多相材料。

一、复合材料的分类

?金属?金属复合材料?按成分分?金属?非金属?非金属?非金属?二、复合材料的组成

1、增强材料

强度较高的材料 ①纤维增强材料

?纤维增强复合材料??颗粒增强复合材料按增强体的形状??叠层增强复合材料?骨架增强复合材料? 玻璃纤维：SiO2为主要原料熔融拉丝制成的纤维。

碳 纤 维： 密度1.7—2g/cm3 比钢大四倍，比强度比钢大16培。 硼 纤 维：

芳伦纤维：芳香族聚酰胺类纤维。 晶 须：金属晶须、陶瓷晶须。

②颗粒增强材料：陶瓷Al2O3、SiC、Si3N4、WC、TiC。 特殊性能填料：石墨、碳墨、MoS2（耐磨、润滑）

银粉、铜粉（导电） Fe2O3磁粉（导磁） 2、基体材料（强度较低材料）

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有色金属、树脂、陶瓷

三、增强复合原则

1、增强体与基体，应避免降低强度的化学反应； 2、增强体与基体的热膨胀系数应基本匹配， Xf＞dm （f—fiber，纤维； m—matrix，基体） 3、增强体与基体的弹性模数应 Ef＞Em 4、纤维排列方向应与构体受力方向一致。

四、复合材料的应用

1、玻璃钢

2、纤维增强金属：铝合金+硼纤维；钛合金+碳纤维/硼纤维 3、弥散强化合金：Al2O3等氧化物颗粒+Al，Cu，Ti，Ni等 4、金属陶瓷

5、纤维增强橡胶 如胶管、轮胎、皮带 6、塑料—金属多层复合材料

第六讲 铸造

授课题目：第六讲 铸造 6.1、砂型铸造 6.2、特种铸造 6.3、金属的铸造性能 6.4、铸件结构工艺性 课时安排 4学时 授课计划 43

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教学目的，要求：

●熟悉 各种铸造方法的工艺特点及其应用；

常用铸造合金的工艺特点及应用；

● 掌握 1。铸造工艺的制定

2． 铸件结构工艺性；

教学内容

概述：

1 . 定义：铸造是把液态金属浇到与铸件形状尺寸相适应的铸型内凝固获得铸件的工艺方法。 2 . 特点：

① 适应性广。 材料：黑色 ∕ 有色金属，非金属，是脆性材料的唯一成型方法；

形状、重量（几克到几百吨），尺寸（ 0.3 mm以上）不限； 可生产形状复杂，尤其是内腔形状复杂的毛坯和零件。

② 经济效益高——少无切削，原料来源广，废料可重熔，设备投资少。 ③ 缺点：铸造组织疏松，宏观缺陷多，力学性能低。

3． 应用：形状复杂，但性能要求相对较低的零件，尤其是箱壳体零件。

6.2．铸造工艺基础（金属的铸造性能）

金属的铸造性能包括流动性，收缩性，吸气性。

一、液态金属的流动性

1．定义：金属流动性是金属液的流动能力或流动距离的长短。 2.意义：充填型腔的能力

流动性不好，铸件易产生??浇不足，冷隔杂?气孔、缩孔、疏松、夹吕P177.F.7.28 图 .7 . 8 .螺旋形试样

3. 影响流动性的因素

① 金属本身

流动性与金属的熔点和结晶温差（开始结晶温度与结束结晶温度之差）有关。 熔点越低，结晶温差越小，流动性越好。

吕 P177 F. 7 . 29— 7 . 30. 图 7 .9. 不同结晶特征合金的流动性

② 工艺条件

性越好，但收缩大，吸气多。?浇注温度：越高，流动?性越好，a. 浇注条件?浇注压力：越大，流动

?（压力铸造铸件质量高）。? 44

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，流动性越差。?造型材料：导热性越好?力越大，流动性越差。?型腔形状：越复杂，阻b. 铸型条件?

，流动性越差。?壁厚度：越薄散热越快??注意最小允许壁厚。4．

提高流动性的措施：

① 选择结晶温区小，熔点低的合金（纯金属或共晶合金）。 ② 提高浇注压力，适当提高浇注温度。

③ 改进铸件结构设计，力求型腔形状简单、平直。

二．合金的收缩

定义：合金从液态冷却到室温体积减小的现象。

收缩过程：

液态收缩———— 凝固收缩———— 固态收缩

↓ ↓ ↓ 金属液体积减小 缩孔、疏松 内应力、变形、裂纹

型腔内液面下降 1 . 缩孔与疏松

① 形成原因

见 吕 P179. F . 7 . 32 .

图 7 . 10 . 缩孔的形成过程示意图

图 P180 Fig 7 . 33.

图7.11宏观疏松

②影响因素

a. 金属本性：

灰铸铁收缩最小（因石墨补缩）

铸钢最大（结晶温度高） b. 工艺条件：

浇注温度越高收缩量越大，（一般每高100℃，增加1.6 %收缩） ＊ 保证流动性，尽量降低浇注温度。 c. 结构条件：

浇注系统要有利于补缩，铸件壁厚要均匀。

③ 防止措施：

a. 设冒口进行补缩

冒口的作用：补缩、浮渣（集渣）、排气。 b. 控制凝固顺序

设计铸件注意壁厚变化，实现厚实部分补缩薄壁部分，保证逐层凝固，补缩通道畅通。

吕 P 180. F .7 . 3 4.—35

图 7 . 11. 顺序凝固 图 7 . 12 . 冷铁的应用

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c. 合理设计铸件结构 2.铸造应力

铸件固态收缩受阻产生的内应力，包括热应力（铸件各部位冷却不同时，以致收缩不同时产生的应力）和机械应力（铸件收缩受型芯和铸型阻碍而产生的应力）。

①热应力

材料的变形过程：弹性变形—— 塑性变形—— 断裂

吕 P181. F. 7. 37.

图7 .1 3. 框形铸件热应力形成过程

结论：铸件的壁薄部分（或外层）冷却快残留压应力（－） 铸件的壁厚部分（或内层）冷却慢残留拉应力（+）

②机械应力

吕 P182. F. 7 40 . 图 7 .14 机械应力

③铸造应力对铸件质量的影响

当应力大于材料的бs——出现变形；大于材料的бb—— 产生裂纹。 a .变形

先看两条不同长度弹簧的变形。

结论：厚处散热慢，受拉应力呈凹变形。 薄处散热快，受压应力呈凸变形。 b.裂变

热裂：特征：裂纹有氧化物

原因：合金强度低（如白口铸铁） 合金收缩大（如铸钢） 机械阻力大

结构不合理、应力集中大

冷裂：特征：裂纹表面光滑，有光泽或微氧化 原因：拉应力大 收缩受阻 ④消除和减轻应力的措施

a.力求同时凝固 吕P182.F.7.39

图. 7.15. 同时凝固示意图

工艺要点：热节放冷铁，浇口开花在薄处

缺点：铸件中心区易疏松

主要应用：收缩小的灰铸铁结晶温度范围大的不易实现冒口补缩的合金。

b.改善铸件结构——力求对称，壁厚均匀，避免热带。 c.及时落砂，清理。

d.去应力退火， 清理后 550—600℃加热保温3——6小时。

三、基于合金铸造性能的铸件结构设计

总要求：避免铸造缺陷（疏松、缩孔、变形开裂、夹渣、气孔等）

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?a.太薄——浇不足，冷隔?松?b.太厚——晶粒粗大，缩孔、疏??c.太大面积的水平面——不易充满避免?

?d.尖角，十字交叉——热节和应力集中?e.阻碍收缩——裂纹???f.突然过渡——应力集中

内壁厚＜外壁厚

a.符合顺序凝固设计 倒锥状壁厚

注意

b.应用加强筋结构，对称结构——减少变形.

6.2．砂型铸造 一、造型方法 1 . 手工造型 2 . 机器造型

指用机械设备实现紧砂和起模的造型方法。

按紧砂方法可分为：压实、震实、抛砂紧实、射砂紧实造型等。 按起模方法可分为：顶箱、漏箱、翻箱造型等。 *a. 机器造型只能是两箱造型； b. 不用或少用活块造型。

几种常用的机器造型方法见讲义。 二、砂型铸造工艺

在形成铸造工艺方案之前必须考虑的问题，并在铸造工艺图上表示。 1．选择浇注位臵

浇注位臵： 浇注时铸件在铸型内所处的位臵。 有平放、倒放、侧力等。 选择总则： 保证铸件的质量。 ① 重要表面向下原则

a.铸件重要加工面应放在型腔底面或侧面。 上面： 浮渣、气孔、缩孔。

下面：冷却快，凝固快，晶粒细，组织致密。

b.铸件的大平面应朝下——避免夹渣，夹砂，气孔等缺陷。 ② 上厚下薄原则

-------薄壁部分应在底面或下部——提高压力避免浇不足。 ------厚大部分应放在顶部——便于收缩，以免缩孔。

2．选择分型面

分型面：上、下或左、右砂箱间的接触表面。 总则：在保证铸件质量前提下，便于造型操作。

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①保证精度原则。

力求铸件的大部分加工面（尤其重要加工面）与加工基准面放在同一砂型，避免错箱。 ②便于起模和简化造型原则。

------力求减少分型面，尤其是力求整模造型。 ------减少型芯和活块的数目。 ------避免挖砂造型和假箱造型。 ③便于下芯，分型及检查型腔尺寸的原则。

吕P165，F7.9—7.12

图7.1 分箱面的选择方案。

3、确定工艺参数。 ①铸造收缩率。

铸件尺寸＜模样尺寸 ——收缩

线收缩率=

L模?L铸件×100%。

L铸件影响因素，a：铸件大小， 壁厚：越大——收缩越大 b：材料收缩：铸钢＞有色金属＞灰铸铁 ②加工余量

机械加工面都要留加工余量。应考虑下列因素：

a.加工面越大，加工质量越高，加工余量要越大。 在铸型朝上面，加工余量要更大。（因为缺陷多） b.材料不同，加工余量不同：铸钢＞铸铁＞有色金属

c.孔：最小孔径： 单件小批生产 铸铁＞30㎜，铸钢＞50㎜

大批生产 铸铁?≥15㎜ 。

③拔模斜度

在垂直于分型面的模壁应考虑拔模斜度：

木模为1—3°，塑料和金属模为0.5—1°。 ④铸造圆角

4、砂型铸造工艺分析。

以拖拉机轮毂为例。 图6.2.拖拉机轮毂

三、铸造工艺对铸件结构的要求

总要求：便于造型，安放型芯，检查内腔和落砂清理。

?避免侧凹——侧凹处需另加外型芯?为平面?避免外圆角——外圆角不能保证分型外型结构?

?减少凸台和筋条??减少分型面6．3．特种铸造

特种铸造的特点及适用范围由同学参考教材自行比较总结。这里只简要介绍几种方法的原理和

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工艺过程。 一、熔模铸造

吕P168.F.7.15 图6.3.熔模铸造工艺过程

二、金属型铸造

图6.4.金属型的结构。

三、压力铸造

在高速高压下所熔融金属液压入金属型并在压力下凝固获得铸件的方法。

吕P170.Fig1.17

图6.5.热压室压铸机工作原

四、低压铸造

在较低压力（0.02—0.06Mpa将……

吕P172.F.7.21

图6.6.低压铸造工作原理图

五、离心铸造

吕P173.F.7.22

图6.7。离心铸造工作原理图

6.4。铸造合金的生产（自学）

思考题：

1．何谓铸件的浇注位臵？它是否就是指铸件上的内浇道位臵？铸件的浇注位臵对铸件的质量有什么

影响？应按何原则来选择？

2． 试述分型面与分模面的概念？分模造型时，其分型面是否就是其分模面？从保证质量与简化操作

两方面考虑，考虑分型面的主要原则有哪些？

3． 什么是液态合金的充型能力？它与合金的流动性有何关系？试述提高液态金属充型能力的方法。 4． 何谓合金的收缩？其影响因素有那些？铸造内应力、变形和裂纹是怎样形成的？怎样防. 5． 缩空与缩松对铸件质量有何影响？为何缩空比缩松较容易防止？

6． 什么是顺序凝固原则？什么是同时凝固原则？各需采用什么措施来实现？上述良种凝固原则各适

用于哪些场合？

7． 铸件结构和铸件工艺关系如何？铸造工艺对铸件结构的要求有哪些？ 8． 在设计铸件外形结构应考虑哪些问题？为什么？ 9． 在设计铸件内腔时应考虑哪些问题？为什么？

10. 为什么要规定铸件的最小壁厚？不同铸造合金要求一样吗？为什么？

11. 何谓孕育铸铁？与普通灰口铸铁有何区别？它是怎么产生的？其适用范围如何？ 12. 何谓球墨铸铁？为什么球墨铸铁是“以铁代钢”的好材料？适用于哪些铸件？ 13. 铸钢与铸铁相比有何特征？分析钢的铸造性能，并说明其铸造工艺特点。

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第七章 锻 压

授课题目：第七讲锻 压 7.0、概述 7.1、金属的锻造性能（自学） 7.2、自由锻 7.3、横锻 7.4、板料冲压 教学目的，要求：

●熟悉 各种锻压方法的原理、特点及适用范围（应用）； ●掌握 常用锻压方法的工艺规程及结构工艺性； 常用锻压方法的选择原则及方法。 教学内容

概 述

1.定义： 在外力作用下通过产生塑变生产所需形状和尺寸的零件或毛坯 的工艺方法。

自由锻 锻造

模锻 挤压 锻压 拉拔 轧锻 板料冲压

2. 特点

① 锻钢件力学性能优于铸钢件。 因为： a. 锻件晶粒细，铸件晶粒大；

b. 锻件在压力作用下，焊合孔洞组织致密； 铸件有铸造缺陷，易产生应力集中； c. 压力加工可产生形变强化和纤维组织。 ② 工艺性能：

铸造 —— 液态成型，易生产形状复杂零件；

专用设备，设备吨位大； 锻压 —— 固态成型，塑性变形难

零件形状简单，尺寸精度差。 ③ 适用材料： 纯金属 高塑性合金 单相固溶体合金 化合物极少的合金。

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课时安排 3学时 授课计划

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