机械工程材料学

绪 论

一.学习本课程的重要性：

同学们学的是摸具制造专业，这门课的全称叫《机械工程材料学》，首先要搞凄楚学习这门课的重要意义，使同学们真正意识到学这门课的必要性，在今后的学习过程中才有明确的目的，才能更好的掌握必要的知识，将来服务于社会。 在现代工业中，列如冶金矿山，机械制造，交通运输，化工，建筑，轻纺，电子仪表以及国防工业等，都是离不开材料极其加工工艺的。他们已成为现代工业和科学技术的基础，在国民经济发展中占有极其重要的地位。可以这样说，只有机械工程材料及其加工工艺的发展，才会促进工业的发展和科学技术的进步，才会加快国民经济建设的步伐。因而，研究工程材料及加工工艺是非常重要的。1

二．材料的发展：

历史学家根据材料的使用情况，将人类的生活时代划分为石器时代，青铜时代，铁器时代。而今，人类已跨入了工合成材料的新时代，即高分子材料，陶瓷才料，复合材料以及即将进入的纳米材料的时代。

目前我国的钢产量跃居首位。我国的原子弹，氢弹的研制成功，火箭，人造卫星的上天，都以材料的发展为坚实基础。

现在，人们把信息，新材料，能源和生物工程称为现代科学技术和现代文明的四大支柱，而在这四者中新材料是最重要的基础。历史证明每一次重大新技术的发明，往往都是依耐与新材料的发展。可见，材料科学在现代技术中的重要地位和作用。

三．工程材料的分类：

用于机械制造的各种材料叫机械工程材料。又分为金属材料，非金属材料和复合材料三大类。

1．金属材料是最重要的工程材料，它包括Fe和以Fe为基础的合金（俗称黑色金属），如钢，铸铁等。非铁金属材料（俗称有色金属），如Cu及Cu合金，AL及AL合金等。

钢铁材料应用最广，占整个材料的90%左右。

2. 非金属材料在机械制造中常用的有高分子材料 （塑料，橡胶）陶瓷材料等。近来来非金属材料迅速发展，不但能替代部分金属材料，而且已经成为一种重要的，独立的新型工程材料。

3.复合材料主要包括纤维增强复合材料 ，层状复合材料和颗粒复合材料三类。

复合材料以其无可比拟的优越性能，站在现代工程材料的前列。可以说，人工复合材料的使用，标志着人类社会发展进入一个崭新的时代。 四．课程的性质.内容和基本要求：

本课程定高职机械类专业的必修的技术基础课。其数学目的和任务是使学生获得常用机械工程材料的基础知识，为进一步学习其他相关课程和将来从事机械行业生产技术工作奠定必要的理论基础。

本课程的基本内容包括金属材料的性能，金属学基本知识，钢的热处理，常用金属材料，非金属材料以及复合材料。学完本课程后，应达到下列的基本要求：1.熟悉常用工程材料的成分，组成结构与性能之间的关系及变化规律。2.掌握常用工程材料的性能与应用，具有选用工程材料和改变材料性能方法的初步能

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力。

第一章 金属的力学性能

金属的力学性能是指金属材料抵抗各种载荷的能力。它是评定金属材料质量的主要依据。金属力学性能主要有强度、塑性、强度和疲劳强度等。 1-1. 强度与塑性 一. 强度：

强度——指金属抵抗变形和断裂的能力。强度大小常用应力（6）来表示。应力（6）——单位面积比承受的外力。（MPa） 1. 屈服强度（6s）

6s——外力不增加，式样继续伸长时的应力。6s=Fs/So MPa

Fs——式样S点处的外力。

So——试样原始横截面积。

工业上共用的部分金属材料，如高碳钢、铸铁等。在拉伸是没有明显的屈服现象，也不会产生缩颈，这就需要规定一个相当与屈服总的强度指标即条件屈服强度——60.2

即60.2=F0.2/So MPa

60.2——试样发生0.2%的变形量时比对应的应力。

屈服总是工程技术上极为主要的力学性能之一。因为工程中绝大部分结构件括零件在工作过程中出现塑性，变形，否则后果将不堪设想。

2. 抗拉强度（6b）

6b—式样在断裂前所承受的最大压力。6b=Fb/So MPa

有些脆性材料，在拉伸式验时60.2也难以侧出。因此，用脆性材料制作机器零件和工程构件时，常以6b作为选材和设计的依据。 二．塑性

塑性——式样产生永久变形而又不被破坏的能力。 1. 断后伸长率：（延伸率）

S=(L1-L0/L0)＊100% L1——式样拉断后的长度。L0—式样的原始长度。 长式样L0=10d——S10 短式样L0=5d——S5 一般S5＞S10，（S5=1.2~1.5 S10）所以在比较断后伸长率时，应采用同样尺寸规格的式样，数据才准确。

2. 断面收缩率；

= (So-S1)/ So＊100% So——式样原始横截面积。 S1——式样缩劲处截面积。

该值的大小与式样尺寸无关，因此所有数据比较准确。金属材料塑性的好坏，对立一件的加工和使用只有重要的实际意义。塑性好的材料不仅能顺利地进行锻压、轧制的成型工艺，而且在使用时万一超载，由于发生塑性变形，能防止突然断裂。所以大多数零件除要求只有较高的强度外，还必须一定的塑性配合，才能使构件安全、可靠。

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1-2 硬度

硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。通常，材料的硬度超高，耐

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磨性越好，故常将硬度值作为横量材料耐磨性的一种性能指标之一。还有，硬度与强度有一定的关联，可彼此参考。而且必需设备简单，操作方便，迅速，对零件损伤小，所以硬度校验在产品的设计、制造及维修中应用十分广泛。 一. 布氏硬度HB：

1. HB测试原理：用一定直径为D的淬火钢球/硬质合金球，以相应的式验

力F压入试样表面，经规的保荷质量后，去除外力F，测量试样表面的压痕直径D，然后根据HB计算HB值。但实际应用中，HB一般不用计算，而是用专用的测量放大镜量出D，根据直径的大小，在从硬度对照表中查出相应的HB值。

一般规定：HB<450时用淬火钢球压头——HBS HB450~650时选硬质合金压头——HBW

2. HB表示方法： HB有单位（MPa），但不写出单位。列如：150HBS、500 HBW 3. 适用范围：

HB的特点是测量的数据准确，但因压头直径大，材料表面压痕大，不宜测量太小和太高的试样及成品样。HB常用来测定原材料、半成品等的材料硬度。

二. 洛氏硬度HR

1. HR测试原理：

HR试验是以锥角为120°的金刚石圆锥体/直径为1.558毫米的淬火钢球为压头，压入试样表面。测量时，先加初载荷，然后加主载荷，保持载荷几秒钟，然后去除主载荷，在保持初载荷的情况下，根据试样残余压痕深度来衡量材料的硬度大小。

1、HR的表示方法：

例：50HRC——用C标尺测定的HR值为50。 70HRA——用A标尺测定的HR值为70。

2、适用范围：（见表2-1）

HR与HB比较：a.数值重复性差，所以一般在不同位置测三个点，取中间值。B. HB压头小，压痕，不破坏表面，操作方便，直接读数。C. 软、硬材料都可校验，也可校验很薄的金属材料，可直接在成品上校验。

1-3 冲击韧度

许多机械零件在工作中，往往要受到冲击载荷的作用，如内燃机车上的活塞销，锻锤的锤杆、冲床的冲头等在选择着类零件的材料时，单纯用静载荷作用下的指标来衡量是不安全的，必须要考虑材料抗冲击的能力。 冲击韧度——材料抵抗中冲击载荷破坏的能力。 一、大一次冲击：

1、实验原理：ak=Ak/F J/cm2 Ak—冲断试样所消耗的功（冲断功）。F—试样缺口处横截面面积。（cm2） 2、冲击试样

国家标准冲击式样有两种：U型缺口—aku V型缺口—akv 3、温度对冲击韧度的影响：

ak 的变化趋势是T°C下降而下降直到冷脆。材料的脆性转变温度越降低，表明材料的低温抗冲击性越好。在寒冷的地区供用的构件，车辆、桥梁、运输管道等在冬天易发生脆断现象，在选择金属材料时，应考虑工作的最低温度必须高

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于材料的脆性转变温度。 二、小能量多次冲击

实践表明：承受冲击载荷的机械零件，很少因一次大能量冲击作用下而破坏。他们是由于多次动能损伤的积累，导致裂纹的产生与扩展直到断裂。

小能量多次冲击条件下，其冲击抗力主要取决于（） 1）、小能量多次冲击的抗冲击能力，主要决定于材料的 2）较大能量较少次冲击抗冲击能力，主要取决于材料的 1-4、疲劳强度 一、疲劳现象：

许多机械零件是在循环交变应力作用下工作的。

循环交变应力——是指应力的大小、方向随时间发生周期性变化的应力。这种应力很小，（6?6s），但是零件在这种应力下，经过一定时间的工作后会发生突然断裂，这种现象——金属的疲劳。疲劳断裂与静载荷作用下的断裂不同。在疲劳断裂时不产生明显的塑性变形，断裂是突发的，因此，带有很大的危险性，常常造成严重的事故。据统计，机械零件的损坏，80%以上是因疲劳造成的。因此，研究疲劳现象对于正确使用材料，合理设计具有重要指导意义。 二、疲劳强度：（极限）

为了防止疲劳断裂，零件设计时不能以6b、6s为依据，必须制定疲劳抗力指标。而疲劳抗力指标是由疲劳实验测得的。

疲劳强度6-*——金属在循环应力作用下，能经受无限次应力循环而不断裂的最大应力值。即：循环次数N无穷大时此对应的最大应力值。

由疲劳曲线可显示：

金属承受的交变6愈大，则循环次数N愈小。对于钢铁零件：6〈6-*时，构件可经受无限次应力循环而不被破坏，而平台显示的循环次数是10的7次方，即N等于10等7次方时，所承受的压力被定为钢铁的e-1。

而对于有色金属材料，在疲劳曲线上不出现午台，则给出一个条件疲劳强度的概念，即：则指定有色金属的应力循环次数为N的八次方时，此对应的饿应力值为该材料的e-1。

许多实验结果表明：材料的的e-1随6b的增加而增加。一般材料的e-1 大的为6b的1/2。

三、提高疲劳强度的方法：

1、设计时，在结构上要减少零件的应力集中 ，改善零件的表面粗糙度，可减少缺口，增加疲劳强度。

2、采用表面处理：因为裂纹总是在表面出现，并且是在那应力的作用下，使裂纹扩展直到断裂。如：高频淬火，表面变形强化（喷丸、滚压）化学热处理（参C, 参N,C-N共参）这些表面强化手段，可在表面形成残余应力，可抵消表面拉应力，可增加疲劳强度。

结晶是在t1-t2温度范围内进行上午，最终形成一种固溶体的多晶体组织。 2）生成混合物：合金液体在恒温（t1-t1′）结晶，形成混合物组织，这种过程称为共晶转变。

3）生成固溶体+混合物：合金在t1-t2温度范围内结晶出固溶体，但没有完全结晶，剩余L在t2－t2′温度下发生共晶转变成混合物，最终成的组织是固容体+混合物。

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第二章 金属的晶体结构与结晶

2-1 纯金属的晶体结构 一、晶体结构的基本概念：

一切物质都是由原子组成的。人们把那些原子按一定的规律排列结合而成的物质称为晶体。所有的金属在固态时内部都是有规律的排列的，因而金属在固态时都是晶体。 1、晶格：

图1-1：金属的实际原子堆集状态。

图1-2：晶格—能够代表原子排列规律的空间格架。 2、晶包：

图1-3：晶胞—能够代表原子排列规律的最小几何单位。 二、典型的金属晶格类型 1、体心立方晶格

如图1-6：晶胞是立方体，ɑ=b=c, a=β=r=90°具体这种晶体的金属有cr、w、M0、a-Fe（912℃以下的纯Fe） 2、面心立方晶格

如图1-7：属于这种晶格类型有AL、Cu、Ni、r- Fe（1394℃∽9.2℃

通常具有面心立方晶格的金属性都比教好。 3、密排六方晶格

如图1-8；晶格是正六方柱体。属于这种晶格的金属有Mg、Be等。通常只有密排晶格的金属塑性较差，脆性大。 三、实际金属的内部结构

1、单晶体：一块晶体如果它内部的原子结构是完全整齐一致地排列起来的，就称为单晶体。

在单晶体中，由于不同方向原子排列顺序不同，因此不同方向上的性能也就不同——各向异性。

单晶体需要特殊方法专门制备，所以实际金属都是多晶体。 2、多晶体：有许多小单晶体组合而成的晶体称为多晶体。

图1-9晶体中的小单晶体——晶粒。晶粒之间的分界面—晶界。 从图中看出：每个晶体内部原子都是整齐排列的，单个晶粒具有各向异性的特点。但不同晶粒的晶格方位却不同，这就使得各个晶粒的性能彼此抵消/补充，因而多晶体的性能在各个方向上是一致的——各向同性（为等向性）。 2-2 合晶的晶体结构 一、基本概念

合金——是以一种金属元素为主，加入其他元素（金属、非金属）熔炼而成的金属材料。合金的eb、HB比纯金属有明显上升。列如：钢Fe-C合金，黄Cu、Cu-Zn合金。

化学成分——是指合金中所含元素的种类和比例。合金的化学成分对合金的性能好，可做重要的结构件（齿轮轴）T12钢、Wc=1.2%、HRc上升，耐磨性也就上升。可做的刀具（锉刀、锯片、则字刀）。

组织——是指金属中由原子构成的各种实体。 每种组织都有一定的形态（球体、法状、网状、针状等）。金属中的组织是很细密的，要用显微镜才能观察到，所以又叫显微组织。不同的组织具有不同的性能，所以金属的性能取决于它的组织。

影响金属组织的因素有两个：

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1）金属的成分。2）热处理工艺。金属的组织就是金属的性能。

根据上述的原理，我们可看出：在制造业机械零件的时候，选择一种具有合适成分的金属材料，再经过恰当的热处理，就能使零件获得所需的使用功能。 二、合金中组织的种类：

1、固溶体：以一种金属元素为主，溶入其它一种的元素而形成的固态合金组织。溶剂：金属元素。溶质：金属、非金属。 固溶体的特点：保持溶剂的晶格不变。 1）置换固溶体：

原子半径较大的金属原子，侵入溶剂的晶格结点上，取代溶剂原子。

2）间隙固溶体：

原子半径较小的（）非金属原子，侵入溶剂的晶格空隙中形成。固溶强化—固溶体由于溶体的侵入，使晶格畸变使6b、HB比纯金属高的原因。 固溶体不仅6b、HB较高，还具有良好的〥、和ac ，是一种宗合力学性能较好的组织，工程上常用的金属材料，它们的内部一般以固溶体为主。 2、金属化合物：

合金中的元素除了形成固溶体外，还可以形成金属化合物。列如：钢中的Fe3C、黄Cu中的CuZn、AL合金中的CuAL2。金属化合物特点：形成例外的、新的晶体结构（复杂晶格）。HB上升，脆性也就上升。化合物对力学性能的影响与化合物的形态有密切相关。

1）当化合物以及细小的颗粒状态均匀、弥散的分布时，可以升高合金的6b和HB，弥散强化/沉淀强化。在这种情况下，化合物的存在不会使合金的〥和ak明显下降。

2）当化合物以粗大的块状、条片状和网状分布时，合金的HB较高，但6b、〥和会明ak显上升。所以这三种分部状态应当避免 2-3、金属中的结晶

高温L，原子混乱，低温S，原子规则排列。金属由原子混乱的L—原子规则排列的S转变——结晶。 一、纯金属的结晶：

1、从；冷却曲线显示：纯金属都是在恒温下结晶的过冷现象：Т实总是Т理，过冷度Т=Т理-Т实。V冷越快，Т实越下降，Т越大。

2、结晶过程：金属的结晶胞含晶核形成与晶核张大两个阶段。成核长大同时进行。（不断成核，不断长大）

1）形核：

自发形核——由金属原子自身排列起来形成晶核。

非自发形核——金属原子依附与外表的微小颗粒而形成晶核。

2）晶核长大：最初形成的晶核外行是规则的多面体。多面体晶核的尖角处扇热最快，因此生长速度较快，逐渐形成了细长的晶轴，随后，又在先形成的晶轴上又形成小的晶轴，形成树枝状的晶体—枝晶，枝晶不断成长，直到与其他的枝晶相抵触。枝干同时也不断的长粗，直到最后所有枝干都被填满，结晶完成。一个晶核长成一个枝晶，最后长成一颗晶粒。

3、晶粒大小

在常温下，金属的晶越细，力学性能就越好。所以在生产中，人们常常设法使金属的晶粒细化。利用结晶规律来细化晶粒，就是一条有效的途径。

由于一个晶核是由一个晶核长成的，因此，晶核数目越多，则结晶后得到

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的晶粒就越细小。因此，引出形核体的概念。

形核体N——形成晶核的速度。（单位时间，单位体积内所形成的晶核数目）可见，结晶时细化晶粒的关键是在增大N。由图2-6所示：N与过冷度Т有密切关系。N随过冷度Т增大而急剧增大。但过冷度Т很大时，N反而又变小（虚线）。在一般生产条件下，是很难使过冷度Т达到很大的（不考虑粗、中、细）所以通常是过冷度Т增大，N就增大。

根据以上原理，在生产中常采用以下几种方法细化晶粒： 1）增加过冷度Т：

加快金属结晶的V冷，使T实下降，过冷度Т上升，从而增大N。 2）变质处理

在金属液体中加入芒种高熔点的固态物质微粒，促进非自发形核，增大N。 3）、振动、搅拌处理：（核晶很脆）

在金属结晶时采用机械振动、超声波振动、电磁搅拌使结晶初步形成的枝晶破粹，也起到增加N的作用。 二、合金的结晶

纯金属都是在恒温下结晶的。合金的结晶过程要复杂一些。 由图2-7所示： 1）生成单一固溶体

第三章 金属的塑性变形与再结晶 3-1 金属的塑性变形

金属受到载荷的作用时会发生变形。当载荷较小时，金属发生弹性变形。弹性变形的特点是变形量与载荷的大小呈正比。当载荷消失时，变形随之消失，恢复原状。当载荷较大时，金属同时发生弹性变形，此时如果载荷消失，弹性变形随之消失，但塑性变形却保留下来。 一、实际金属的塑性变形：

金属的塑性变形是零件成型的重要手段。列如：各种金属型材`（丝、板、棒、管）汽车外壳、铝锅、齿轮毛胚等都是经过塑性变形制成的。

生产中的实际金属都是多晶体。而晶粒的大小，即晶界的多少，直接影响塑性变形。

1、晶粒越细小，晶界越多。而晶界是最严重的晶粒核变区，所以晶界越多，晶格畸变越严重，6b越小。

2、同时由于晶粒越细小，许多颗晶粒同时发生塑性变形。使塑性变形的机会多，变形均匀，充分，所以〥、ak也上升。由此可见：细小晶粒在塑性变形使表示出的性能是6b上升。〥、ak上升——宗合力学性能好。 二、塑性变形对金属性能的影响。 1、塑性变形对金属组织的影响

当塑性变形使金属的外形发生改变时，内部组织也发生变化。晶粒沿变形方向被拉长/拉扁，原来存在与晶界上的杂质也沿变形方向分布，形成纤维组织。同时，性能上也产生了方向性。在平行于纤维方向上，6b和〥都比较高时，在垂直方向上则比较低。

2、塑料变形对金属性能的影响：

金属发生塑性变形时，a变形度的增加，金属的6b和HB逐渐升高，〥和ak则逐渐降低，这种现象——加工绿化。（形变强化，冷作硬化）。 1）、加工硬化可以升高金属材料的6b，是强化金属材料的一种重要方法。

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特别是对那些不能用热处理强化的金属材料（如，纯金属黄Cu等），加工硬化是有效的强化方法。而对于那些可以进行热处理强化的金属材料，加工硬化同样是有作用的。把加工硬化与热处理相结合，可以是一种材料达到非常高的6b。列如：有一种经热处理和加工硬化制成的钢丝，6b可达到3000MPa，是目前生产上所用材料中可能得到的最高6b。 2）、加工硬化又是变形加工可以实现的重要条件之一。列如，金属丝一般都是以拉拔的方法来制成的。金属丝被拉过模孔时发生的塑性变形，直径变细，同时由于加工硬化使它的6b升高已变形的部分才能拉着未变形的部分顺利地通过模孔，源源不断的生产出所需直径的金属丝。如果没有加工硬化效应，变细的部分将和容易拉断，生产将不能正常进行。 3）、加工硬化还可以提高金属材料使用的安全性。用金属材料制成的受力结构件，在非正常情况下受到过大载荷的作用时，可能发生塑性变形，并出现加工硬化。这种材料的6b升高了，就可以使塑性变形自动停止，防止裂断，从而增大了金属结构工件上的安全性。但任何事物都是一分为二的，加工硬化也会个生产带来负面效应。

A、由于加工硬化，金属的6b升高，使得继续变形的阻力升高。由于材料的〥大大降低，如果在勉强变形，将使金属发生断裂。为了克服加工硬化给变形带来的困难，可将变形达到一定程度的金属半成品工件进行热处理，消除加工硬化，以利于进一步变形加工，但这样势必会延长生产周期，增加生产成本。

列如：生产细金属丝，要经过几道拉拔工序，每道工序只能使金属丝的直径缩小到一定的程度，然后经过热处理加工硬化后，在进行下一道拉拔工序。

B、塑性变形后，还会在金属内部引起残余内应力。内应力的存在使得金属工件的外行尺寸和性能处于不稳定的状态。（热处理可消除）

C、塑性变形还会使物理性能和化学性能发生变化。列如：使金属的电阻升高，抗腐蚀性降低等。

3-2、塑性变形金属在加热时的组织和性能变化。

经过塑性变形的金属会形成纤维组织，出现加工硬化现象，其物理性能和化学性能也发生变化，还存在内应力。总的来说，处于一种不稳定的状态转变的趋向。但在常温下，由于温度较低，转变条件不充分，所以能长时间的保持这种稳定状态。但如果对变形过后的金属进行加热，就会使金属的组织和性能发生一系列的变化，最终达到稳定的状态。图2-28描述了塑性变形金属被加热时，加热温度与金属组织和性能变化的关系。这个变化过程可分为三个阶段，即：回复，再结晶和晶粒长大。 一、回复

在这一阶段，加热温度不高，金属组织没有变化，仍然保持塑性变形时的纤维组织，加工硬化效应也保持下来，但内应力显著下降了。在生产中，有些在常温下经塑性变形制造的成品零件，为了使其保持加工硬化带来的6b上升，而又基本消除了有害的内应力，可将零件在回复的温度范围内加热保温，达到上述的目的。这种热处理工艺—去应力退火。

列如：用冷拉钢丝浇制的弹簧，浇成后在250∽300℃去应力退火，使得弹簧既有较高的6b和HB，外形尺寸又很稳定。 二、再结晶

经过塑性变形的金属，被加热到较高温度时，将生成颗粒状的晶粒，逐渐取代变形的纤维组织，这个过程——再结晶.

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再结晶的进行，金属的6b、HB逐渐降低，〥逐渐升高。经过在结晶后，，先前的加工硬化也就消失了，同时内应力也就彻底消除了。金属的在结晶温度（T再），不是恒温，而是一个温度范围。T再与金属的熔点（T熔）存在一定关系： T再=（0.35∽0.4）T熔K（式中温度按绝对温度计）

上表表明：金属的T熔越高，T再就越高。应当注意，应用上式时，必须采用绝对温标（K）。

根据在结晶的原理，在生产中的常常把经过冷却变形加工的金属半成品加热到T再以上保温，使之发生再结晶，消除加工硬化，以利于继续变形加工，这种热处理工艺称为——再结晶退火。在结晶退火总是穿插在两道变形工序之间进行的，因此又称为——中间退火。 三、晶粒长大

在结晶完成之后，如果继续升高温度，晶粒会长大。这种给金属的性能带来不利的影响。因此，在对冷变形的金属进行在结晶退火的时候，应当控制好温度。

应当强调指示：回复、在结晶只会发生于经过塑性变形的金属，如果金属没有发生塑性变形，即便是加热也不可能发生上述变化。 3-3 金属的热加工 一、冷加工与热加工

金属的塑性变形分为冷变形与热变形。

在T再以上进行的塑性变形——热变形（热加工） 在T再以下进行的塑性变形——冷变形（冷加工）

大多数金属的T再都高于常温，对他们而言，在常温下塑性变形属于冷变形。但是Pｂ、Sｎ等金属的T再低于常温，因此，他们在常温下的变形是热变形。

1、在冷变形的时候，金属要发生的加工硬化，使变形越来越困难。

2、在热变形的时候，金属即要发生加工硬化，同时又要发生再结晶软化，及时的抵消加工硬化。所以，使金属在热变形时能保持低6ｂ、高〥的状态，时塑性变形的加工可以顺利地进行。在锻造中，可预先把金属加热到一定的温度再锻打，就是利用了热变形的原理。

二、热加工对金属组织和性能的影响

热加工——热扎、锻造。 热加工能够改善锻造组织。锻造组织——金属扎制到结晶后得到的组织。

1、锻造组织中常常出现着分散缩孔（疏松）、气孔、粗大晶傈的化合物等缺陷与不良组织。在热加工时可以被消除/改善，从而使力学性能提高。一些重要的机械零件通常采用热加工的方法来生产。列如：飞机的机翼大梁、起落架筒，汽车的传动齿轮和转向机构零件，都是用锻造方法来生产的。

2、在本章第一节中曾提到，金属在发生塑性变形时，随着外形的变化，金属的内部的晶粒和变质也沿着变形方向发生变形，形成纤维组织。在热变形时，变形的金属晶粒会发生在结晶、重新形成颗粒状的晶粒。但非金属的杂物仍然保持纤维状态。这些纤维流浅组织仍然使金属的力学性能出现方向性，在顺纤维的方向上力学性能较好。这种现象在生产中应该重视。

列如：在锻造生产中，1）、应当使锻件内部的纤维组织沿着锻件的轮廊来进行连续分布。2）、还应该使零件的最大受力方向与纤维流线的方向一致，这样才能使锻件的力学性能达到较高的水平。

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这是一个螺栓中纤维组织的两种分布形态。 （）、图的螺栓是锻造而成的，纤维分布合理，性能好。

（）图螺栓是棒料切削加工而成的，一部分纤维被切断，性能就要差一些。 第四章 铁碳合金 4-1、基本概念

一、纯铁的同素异构转变

大多数金属 在固态下只有一种晶体结构。但有些金属（Fe、Sn、Ti）在固态下，当温度发生变化时，会有一种晶格类型转变为其它一种晶格类型——同素异晶转变。纯Fe的同素异晶转变具有很重要的实际意义：钢铁材料之所以能通过热处理显著地改变性能，就是与Fe的同素异晶转变有密切的关系。 二、Fe—C合金的组织 1、铁素体（F）

F是C溶入ａ—Fe形成的固溶体，在显微镜下，F的形态是白亮的，外形不规则的多边形颗粒。F是Fe—C合金中6b，HB更低的组织，在其￡很高。

组 织 F A Fe3C P M

HBS 80-100 170-220 800 160-280 320-660

6b（MPa）

250 400 30 800-850 1000-2500

￡（%） 50 40-60 0 20-25 1-15

Fe—C合金中的几种组织的性能

2、奥氏体（A）

A是C溶于ａ—Fe形成的固溶体。A是一种高温组织，一般只能在727℃以上才能稳定地存在，当温度下降到727℃时，A会变成其它组织。

A的显微形态与F很相似只是有干直的晶界。A的6b和HB也不高，〥很好。 3、渗透体（Fe3C）

Fe3C的形态有几种：白亮的颗粒状、条片状、网状，有时还可以与F、A组成的混合物。

Fe3C的HB极高，δ极低，是一种硬而脆的组织。

Fe3C的形态和数量对Fe—C合金的性能有很大影响，所以一般要控制Wｃ，从而控制Fe3C的数量，否则Fe—C合金将很脆，没有实用价值。 4、株光体（P）

P是F+Fe3C的层片状混合物，形如指纹。P的HB和δ介于F与Fe3C之间，δb却比二者都要高。

根据P层片的粗细，P可分为粗、中、细三种，分别称为P、S、T，统称为P型组织。层片越细，δb和HB越高。 5、氏体（Ld）

1）在727℃以上，Ld是F+Fe3C的混合物——Ld。Ld包含了大量的Fe3C，所以其HB很高，δ、ak很低。当Fe—C合金中出现Ld时，就变得又硬又脆了。

2）在常温下，Ld是P+Fe3C的混合物——Ld（变态）。 4-2、铁碳合金相图

Fe—C合金状态图表达了不同成分的Fe—C合金组织变化规律，只有很重要的应用价值。

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一、Fe-Fe3C合金的状态图

由于工程上应用的Fe—C合金的Wc都大于5%，所以通常只研究Fe—C合金的状态图的局部，即Wc小于6.69%的部分。如图4-3所表示的Fe-Fe3C状态图。

Fe-Fe3C合金状态图是在V冷极其缓慢的条件下则定的，这样的条件称为平衡条件。因此，又叫Fe-Fe3C合金平衡状态图。 二、Fe-Fe3C合金的状态图的基本应用方法 1、判断Fe—C合金的组织状态，只要知道其Fe—C合金的Wc以及此处的温度，就可以在Fe-Fe3C状态图上查出该合金的组织状态。

列如：Wc=0.4%的合金，20℃、600℃、750℃、1000℃、1500℃

组织状态，可在图上通过0.4%作一条垂线，在通过指定的温度作水平线，两条线相交点1∽2点。根据交点所在的区域就能得知该合金的组织状态。 2、分析Fe—C合金的组织变化过程

借助Fe-Fe3C状态图，可以对组织变化过程进行分析。首先根据Fe—C合金的Wc在状态图中作垂线，代表所要分析的合金。垂线与状态图中线条的交点就是合金的组织发生变化的温度，称为临界点。然后根据温度的变化（升/降）进行分析。

1）分析Wc=0.77t—C合金冷却时的组织变化

Fe—C合金中A到P的过程——共析转变。Wc=0.77%——共析成分，所以合金是共析钢，727℃——共析温度，S点——共析点，P——共析组织。 2）分析Wc=0.60%的Fe—C合金冷却的组织变化

Wc=0.0218∽0.77%之间的Fe—C合金——亚共析钢，所有亚共析钢的组织转变过程是一样的，最后的组织也是一样的，最后的组织也是一样的，即F+P。但是，由于Wc不同，组织中F与P的比列也不同。Wc高，F少+P多，Wc少，则F多+P少。 3）、分析Wc=1.2%的合金冷却时的组织变化

Wc=0.77∽2.11%之间的合金组织转变都一样的，最后的组织也是一样的，即：P+Fe3C2，只是由于Wc不同，组织中P与Fe3C2比例也不同。Wc靠近共析点，P多+Fe3C网封闭、完整、厚大，性能变脆。 4-3、Fe—C合金的Wc与组织、性能的关系 一、Fe—C合金的分类与组织

Fe—C合金按平衡组织的分类

工业纯Fe：δb、HB都很低，一般不用来制造机械零件，主要作为一种软兹材料用于电器元件制造。

钢：在常温条件下三者的平衡组织有所不同，但共同点是都有P组织，而且从Fe-Fe3C状态图2可以看出，所有的钢只要加热到足够高的温度，都可以得到单一的A组织。

白口铸铁：亚、共、过三者在组织上的共同点是都具有Ldˊ。Ldˊ是一种硬脆的组织，所以白口铸铁HB很高，难以切削加工。δ很低，不能进行变形加工。，而且很容易发生脆性断裂。因此，白口铸铁很少直接用来制造机械零件，主要用作炼钢的材料。

二、Wc对钢的组织和性能的影响 1、亚共析钢：组织——F+P

Wc升高，P相对量就升高，F逐渐降低。由于P的δb、HB比F高，δ、ak比F低，所以Wc升高，亚共析钢的δb、HB升高，δ、ak降低。

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2、共析钢：组织全部是P，具有较高的δb和HB。 3、过共析钢

组织——P+ Fe3C2，Fe3C的HB极高，它的出现使钢的HB继续升高。但当Wc达到0.9%左右时，Fe3C沿着原A晶界形成连续、封闭的网状Fe3C阻碍了晶粒之间的结合，致使钢的δb达到一个高点后Wc继续升高而下降，其δ和ak也是Wc升高而下降的。由于Wc升高使钢逐渐变脆，所以绝大多数钢的Wc都是在1.4%以下，Wc过高的钢因为脆性太大而失去使用价值。 4-4 Fe-Fe3C相图的应用

Fe-Fe3C状态图对实际生产有指导意义，它为合理选用钢铁材料提供了理论依据。

一、在选择钢铁材料方面的应用

通过对状态图的分析，我们掌握了Wc、组织、性能三者之间的关系。因此我们可以根据工件的使用性能要求合理选用钢铁材料。 1、一般建筑结构（如钢筋、支架）、日用五金制品（如钉子、钢丝）、电器零件（如冰箱外壳、电风扇叶片）等，由于这些产品对δb要求不高，但要求钢材有交好的δ，以便加工成型，所以常选用Wc<0.3%的低C钢。 2、一般机械零件如齿轮、轴等，要求材料有良好的综合性能，通常选用Wc=0.3∽0.5%范围的中碳钢。

3、弹簧要求较高的δe和δs，一般选用Wc=0.5∽0.8%的钢。

4、刀具和工具要求较高的HRC和耐磨性，一般选用Wc>0.7%高碳钢。

5、白口铸铁HB高，脆性大，不能锻造，难以切削加工，一般不用来制造机械零件。但它的制造性能很好，可以用铸造的方法用来产生一些对耐磨性要求很高的产品，如冷扎。

二、应用Fe-Fe3C状态图需要注意的问题

1、Fe-Fe3C状态图是在平衡的条件下制定的，只有在温度变化缓慢的条件下，才可以用来分析Fe-C合金的组织变化（如随炉冷却）

2、严格的讲，Fe-Fe3C状态图只适用于仅含有Fe和C两种元素的合金。但实际生产中应用的钢铁材料常含有一些其它元素（如合金钢）。当其它元素含量较高时，合金的组织和转变温度将发生很大的变化。此时，就不能完全按照Fe-Fe3C状态进行分析，但此图仍有一定的参考价值。 3-5 碳钢（非合金钢）

碳钢——Wc<2.11%的Fe-C合金。

碳钢具有价格低、工艺性能好，力学性能一般能满足使用性能的优点，所以是工业生产中用量较大的金属材料，约总80%。实际生产中使用的碳钢除含有C元素之外，还含有少量的Si、Mn、S、P等。 一、碳钢中的杂质元素及其影响 1、有益元素Si和Mn

Si和Mn是在炼铁时作为脱氧剂加入钢中的，Si和Mn都能溶入F，有固溶强化作用，可升高钢的δb。 第五章 钢的热处理

热处理——是采用适当的方式对固态金属进行加热，保温和冷却以获得所需要的组织和性能的工艺。

钢的热处理在机械零件的制造过程中占有重要的地位，起着重要的作用。从热处理工艺曲线看出，它包含三个工艺参数：加热、保温和冷却，改变其中参

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数，就可以获得不同的效果。

一个机械零件的质量好坏体现在两个方面

1、零件尺寸、形状的准确性。——主要与机械加工有关。 2、使用性能的优势。——主要靠热处理来保证。

一、热处理在机械零件的制造过程中所能起的作用，可以概括为以下三个方面： 1、预备热处理作用

在制造过程的前期，通过热处理改善材料或毛坯的工艺性能，使之易于加工成型。

2、最终热处理作用

在制造过程后期，这时零件已经或接近于成型，通过热处理赋予零件良好的使用性能。

3、消除内应力作用

有些热处理工艺可消除零件的内应力，稳定零件的组织和性能，稳定零件的形状和尺寸。（列如：有冷拉钢丝冷烧成型的弹簧的去应力退火；铸件退火等，就是起上述用途的。 二、热处理的分类

1、普通热处理：退火、正火、淬火、回火。

2、表面热处理：表面淬火、化学热处理（渗C、渗N等）

普通热处理是常用的热处理方法，它可以改变零件从表面到心部的组织和性能。表面热处理只改变零件的表层组织和性能。 5-1 钢在加热时的组织转变

在钢的淬火、正火和其它某些热处理中，首先要把钢加热到A状态，这个过程——钢的A化。

从图中可以表示：

1）PSK线（727℃）是假如时钢中出现A的最低温度-A1线。 2）GS是亚析钢完全A化的温度线——A3线。

3）ES线是过共析钢完全A化的温度线——Acm线。 一、共析钢的A化

从Fe-Fe3C状态图可以看出，共析钢在常温下的组织是P，加热到A1线以上将全部变成A。P到A 的转变过程包括四个阶段：A形核——A长大——剩余Fe3C溶解——A均匀化。 二、亚共析钢的A化

亚共析钢在A1以下的组织是P+A，加热到A3以上，共亚析钢才完全A化。 三、共亚析钢的A化

过共亚析钢在A1以下的组织是P+Fe3C2（网状）。加热到A1以上得到A+ Fe3C2，加热到Acm以上才能完全A。应当提示：在实际热处理中淬火和退火时。对共析钢加热一般只加热到A1线以上，不宜完全A化。 四、A晶粒长大

钢经过加热实现A化以后，如果继续升高温度，A晶粒会发生长大。粗大的A晶粒在冷却时，无论V冷快或慢，都将转变成粗大的组织，这将给钢的力学性能带来不利的影响。

5-2、钢在冷却时的组织转变

一个完整的热处理工艺过程包括加热、保温、冷却三个阶段。钢经过加热、保温实现A化以后，还要进行冷却。在不同的冷却条件下，A将转变成不同的组

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织，获得的性能将会有明显的差异。

根据Fe-Fe3C状态图我们知道，钢只有加热到A1线以上才能出现稳定的A组织，这时如果缓慢地冷却，A将向Fe-Fe3C状图所示的那样，在A1温度发生共析转变，A到P，但是在实际的热处理冷却中，V冷常常是比较快的，这时A的冷却转变就不能用Fe-Fe3C状态图解决了。在V冷较快的情况下，A冷却到A1以下还能暂时存在，但它是不稳定，总是趋向于转变为其它的某种组织。所以被冷却到A1以下，尚未转变而暂时存在的A——过冷A。

共析钢为例：

在热处理生产中，A化的钢可以用两种方式来冷却。 1、等温冷却：

是将钢快速冷却到A1以下的某一温度，在该温度保持恒温，经过一段时间，让过冷A转变成其它组织后再冷却到室温。 2、连续冷却：

是钢以一定的V冷（随炉冷却、在空气中冷却、在油或水中冷却）连续冷却到室温，过冷A在冷却过程中发生转变。 一、A的等温转变

1、过冷A等温转变图：分析A化的钢在等温冷却时转变成什么组织，需要利用过冷A等温转变图。用共析钢制成若干个小式样，并加热到A1以上使之A化。然后取出分别在不同的温度下等温，它们的过冷A开始转变点和转变终点三点各不相同，可等到无数个开始转变点和转变终点 ，然后把意义相同的点连接成线，就等到两条“C”字行曲线，所以此图又叫——C曲线。

2、对共析钢C——曲线的初步分析

图上方的虚线是A1线，在A1以上A是稳定的，在A1以下是不稳定的——过冷A。

图中左边的曲线——转变开始线，右边的曲线——转变终点线。 在开始以左，钢的组织是过冷A。

在两条线之间，钢的组织正处于转变过程中，过冷A与转变产物同时存在。 人们把A——曲线突出的部分形象地称为“鼻子”。

孕育期——开始转变线与纵坐标之间的距离（时间）叫孕育期。

在鼻部孕育期最短，表明这时过冷A最不稳定，极易发生转变。 图的下方有两条水平线：Ms——代表过冷A到M转变的开始温度。 Mf——代表过冷A到M转变的终点温度。 3、共析钢等温冷却转变的组织 1）高温转变（P型转变）

温度：A1（727℃）∽550℃

组织：Fe+Fe3C到P（片状）在此温度范围内，等温度越低，产物的层片越细，δb和HB越高。依次为粗片状P，较细片状S，极细片状T。 2）中温转变（B型转变）

温度：550℃∽Mｓ（230℃） 组织：贝氏体（B）组织。

550℃∽350℃——羽毛状的B上（见图5-10）

B上HB比P型组织的高，但δ、aｋ较低，在

生产中应防止出现。

350ｋ∽Mｓ——黑色针状的B下（见图5-11）

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B下的δb、HB较高，而且ak也是比较好，所以在生

产中有时需要专门等温冷却获得B下组织，使钢件强化。

二、低温转变（M型转变）

M—C在а—Fｅ中的过饱和固熔体。M分高C—M和低C—M两种

1）高C—M：成白色针状或竹叶状，故又称针状M。它具有很高的HB，但δ和ak较低。

2）低C—M：其直线是一束平直的细条，故又称板条M。它的HB比较高，但

δb很高，ak好——综合力学性能很高。

总而言之，在生产中人们往往通过热处理获得M组织，可以显著 地强化钢。将A化的钢以大于或等于淬火临界冷却速度Vk，过 冷A将转变到M。Vk——使过冷A全部转化为M的最小V冷。 右图表明：

钢在获得M组织的情况下，其δb和HRC与Wc的关系。

Wc的升高，高C—M数量也升高，由此δb和HRC升高。当 Wc达到0.6%以上，δb和HRC升高就不明显了。

M转变有以下特点

1）M转变量与温度有关，与时间没有关系。当快冷到Ms以下时，M转变开始，а温度继续下降，M量逐渐增多。但如果停止在Ms以下某个温度等温，M量不会随着等温时间的延长而增多，只有降温才能使M转变不断进行，温度下降到Mf，M转变才结束。

2）M转变时钢的体积会膨胀。

M的密度小于A，因此，A到M转变过程中，钢的体积会膨胀，这样引起钢件的尺寸变化。

3）M转变具有不完全性，Aˊ总有。

残余A——钢在M转变后残余的 A称为残余A，记作（Aˊ）。 过冷A中Wc越高，发生M转变后Aˊ越多（如图）

A、Aˊ的存在。不利于提高钢的δb和HRC，使钢件的耐磨性降低。

B、钢件中的Aˊ不稳定，а时间的延长会转变成其它组织，从而引起钢件尺寸发生变化。

对于一般的中、低C钢件，可以省略Aˊ的影响。但是对于某些要求耐磨性很高的高C合金钢精密量尺、轴承来说，要采用深冷处理尽可能地减少Aˊ量。

4）M转变时会发生很大的内应力

由于M转变是在快速冷却中进行的，因此会在钢件中造成巨大的内应力，导致钢件变形、开裂。

三、亚共析钢和过亚共析钢的C—曲线：

亚共析钢的C—曲线上多了一条多F析曲线，如图5-6（a）所示。 列如：亚共析钢在700℃等温冷却，将得到F+P

共亚共析钢的C—曲线上多了一条Fe3C2析曲线，如图5-6所示。在700℃等温，得P+ Fe3C2。

5—3钢的热处理工艺

根据钢的组织转变规律，人们对钢件采用不同的方式对钢制零件进

行即冷却曲线必须躲过C-曲线的“鼻子”。

V冷 ≥ VK。热处理，使钢件中的组织按照人们的意志发生转

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变，从而获得预期性能来满足各种需要。

一、 退火：是将钢件加热到适当温度，保温后缓慢冷却的热处理工艺（随炉冷

却）。

1、 退火目的：

①、↓钢件的HB，以利于切削加工； 改善钢件的δ，以利于变形加工。

②、消除钢件中的内应力，防止变形和开裂。

③、细化晶粒，改善组织，并为最终热处理做好组织准备。 2、 退火的分类及应用：（常用种类） ①、完全退火： （图a）（图b） 完全退火是将钢完全A化以后， 随炉冷却，获得接近与平衡组织

的退火工艺。（P+F）. 完全退 火主要适用于亚共析＿＿＿＿＿ 钢的铸件、锻件和焊接件。

其作用是使+在铸、锻、焊、热轧

等热加工过程中产生的粗大晶粒细化，消除某些不良组织和内应力，↓钢6b、HB，以便切削加工。

＿＿＿↑δ，以便进行冷变形加工。 完全退火是一种很费时的工艺。 完全退火不适合于过共析钢，这 是因为会在钢中形成网状Fe3C2 使6b和ak大为↓。

②、球化退火：（图a）（图b）

球化退火主要用于过共析钢和共

析钢。球化退火后得到的组织是 球化组织，＿＿＿F基体上均匀 地分布着粒状Fe3C的组织。

共析钢和过共析钢都是高C钢，当其具有片状P或网状Fe3C的时候，HB较↑而δ较↓，不利于切削加工和冷变形加工。

球化退火的作用是：使HB↓，δ↑，改善切削加工和冷变形的工艺

性能。

还有一个作用是为淬火作好组织准备。 当过共析钢Wc极↑，网状Fe3C2严重，需要先正火消除网 状，再进行球化退火，才能取得好的球化效果。 网状—→片状—→球状。 ③、去应力退火：（图a）

在铸件、锻件、焊件中存在着内应力。内应力如果不消除会使上述钢

件在切削加工过程中或使用过程中出现变形和开裂。去应力退火的作用就是消除上述产品的内应力。

由图（a）可知：去应力退火是将钢件加热到A1以下某一温度（500～

650），保温后随炉冷却。

在去应力退火过程中，钢件的组织不发生变化，内

应力主要是在保温和缓冷过程中消除的。

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在第四章提到过一种用于冷变形钢件的去应力退火工艺，

其作用是消除冷变形产生的内应力，同时又保持加工硬化 带来的高6b。这种去应力退火的温度为250～300℃。例如： 用冷拉钢丝冷浇成型的弹簧就要进行这种热处理。 ④、再结晶退火：

在第四章已提到过，以T再以上发生、目的：消除加工硬化，恢复δ，

继续变形。

二、 正火：（图a）.

正火工艺——是将钢件加热到A3或Acm

以上，保温后空气冷却。

正火的作用（目的）与退火很相似， 例如：可以细化铸件、锻件中的晶粒，

改善某些不良组织等。

与退火相比：正火的速度比退火快， 正火的6b、HB要高一些，

δ则要低一些。

正火操作简便，然需时间短，成本较 ↓，因而应用比较广泛。

正火可以用于不同的钢件，目的也有 些不同。

①、 改善低C钢的切削加工性：

低C钢在完全退火以后，组织中F

较多，δ很↑，在进行切削加工时容易出现“粘力”现象，加工出的零件表面粗糙。采用正火可使F+P→F+S，从而↓δ，↑HB，防止“粘力”。所以低C钢件一般是以正火作为切削加工之前的预备热处理。 应当说明：如果是为了改善低C钢件的冷变形性能（塑性），则应采

用完全退火法。（越正越硬，越退月软）。

②、 消除过共析钢的网状Fe3C,为球化退火做准备：

当过共析钢件中存在严重网状Fe3C2的时候，直接进行球化退火，效果退火，效果是不理想的。这时应当先正火，由于V冷较快，Fe3C来不及呈网状析出，形成片状，然后再球化退火，就可以使Fe3C充分球化，得到较为理想的球化体组织。

③、 用于某些C钢件，代替完全退火：

中C钢 常可以采用完全退火作为切削加工之前的预备热处理。但是，如果采用正火代替完全退火，可以缩短生产周期，↓生产成本。虽然正火后这些钢的HB比完全退火的高，但也不会给切削加工带来困难。（例如45#钢、40Cr的正火）。

④、 用于某些中C钢制造的零件，为了获得良好的综合力学性能，通常来

用调质（淬火+高回） 作为最终热处理。

如果中C钢件的性能要求不是很高，就可以用正火代替调质，这样可以简化热处理工艺，↓生产成本。

三、 淬火：

淬火工艺——钢件加热到A3或

A1以上，保温后

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快速冷却，获得 M（或BF）的热处 理工艺。

1、淬火目的：

是↑钢件的6B和HB。

淬火是使钢件强化的重要而有效的工艺方法。但是淬火必须与适当的回

火工艺相配合，才能使钢件获得理想的力学性能。 2、淬火加热温度的选择：

有图中淬火温度带可看出：

亚共析钢：淬火加热到A3以上，此时组织全部是细小的A晶粒，淬火后

得到细小M组织。

①、 若加热A1～A3之间，组织是F+A，淬火后得到F+M，

F的存在会大大↓淬火强化效果。

②、 若加热温度A3太多，将使A晶粒粗大，淬火后得到

粗大的M，钢件的性能也不好。

共析钢：淬火加热在A1以上，此时A细小→细小M+A’.

过共析钢:加热温度也在A1以上，此时的组织为A+细小的粒状Fe3C,淬

火后得到细小的M+粒状Fe3C+A’，钢件有很↑的HB和耐磨性。 ①、 若加热到Acm以上，Fe3C将全部熔入A，组织全部是

粗大A晶粒，淬火后得到粗大的M+A’↑，对钢件HB、6b产生不利影响，ak也比较↓。

②、 若加热温度A1，钢就得不到A组织，淬火后也得不到

M，达不到淬火的目的。

3、 保温时间的确定：

保温时间的长短与钢的化学成分、钢件的形状和尺寸等条件有关系。 ①、 钢的Wc越↑，W合越↑，导热性越差，保温时间越长。 ②、 零件的厚度或直径越大，保温时间也越厂。 4、 淬火冷却：

① 、理想的淬火V冷：

淬火的V冷必须>Vk，才能保证 冷到MS以下全部→M。

但是V冷并不是越快越好，因为

太快会在钢中产生很大的内应 力，造成钢件变形、开裂。所以

理想的淬火V冷是在保证M转边的前提下尽可能慢一些，如图所示，V冷既能躲过C-曲线“鼻子”，又能缓慢冷却到M组织。 ②、 淬火冷却介质：

淬火冷却V冷快慢取决于此采用的冷却介质。

常用的冷却介质有水、油、盐水等。他们的V冷加以比较：V盐水>V水>V油

通常碳钢用水、合成钢用油冷却。

③、 淬火冷却方法：

a/、单液淬火：

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冷却介质——水或油， 优点：操作简便， 应用最普遍。 b/、双液淬火：

又称水淬油冷。

先在水中躲过“鼻子”， 然后放入油中，使工件

在较慢的V冷下发生M转变，从而减少内应力，减小变形、开裂的倾向。

缺点：不容易掌握由水向油中转移的时机。 c/、M分级淬火：

将A化的钢件放入温度稍高于MS的介质中保温，使钢件各部

分温度一致后，再空冷到MS以下生成M。这种方法可以显著地↓淬火内应力，有效地防止变形和开裂，但成本比较↑。 d/、B等温淬火：

将钢件放入B下的温度介质中，等温足够长的时间，使过冷

A全部→B下。

优点及用途类似于M分级淬火法。

5、 深冷处理：

很多钢的M终点M+都低于室温，而通常淬火只淬到室温。所以，过冷A不能全部→M，A’总有。

冷处理就是把淬火钢件放在更低的温度下深入冷却（-70℃），尽量靠近M5，尽可能减少A’。

冷处理主要用于高C合金钢制造的，耐磨性和精度要求很高的零件，如紧密的滚动轴承、量具等。

5—4 、钢的淬透性：

①、淬透性的概念：

淬透性——是指钢在淬火时能够M的能力，也就是钢被淬透的难易性。 零件都有一定的厚度，在淬火时心部的V冷＜表面的V冷， 那么表面可淬成M组织，而心部就不一定。 生产中的规定：钢件淬火后，如果心部的M量达到50%以上，就称为“淬

透了”，反之则称为“未淬透”。

淬透层：表面100%M→心部50%M以上。（又叫淬硬层）. 淬透层越大，淬透性越大。 由图（a）（b）可知： （a）、淬透的零件表面和

心部的强度、硬度、 ak是均匀一致的， 都达到较高的水平。

（b）、未淬透的钢件心部的强度和硬度比较↓，特别是ak极↓。 一、影响淬透性的因素：

1、Wc的影响：

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W合金 的影响：

几乎所有的合金元素都能↑钢的淬透性。 特别是含有Cr、Ni元素的钢。

所以，碳钢——水淬. 合金钢——油淬

四、 回火：

回火——是指淬火后的钢件加热到A1以下某一温度，保温后空冷到室温

的热处理工艺。

1、 回火的作用（目的）：

①、 改善淬火钢件的δ和ak，调整力学性能，以满足使用性能。 ②、 降低或消除淬火钢件的内应力，以防止变形和开裂。

③、 促使M和A’转变成其他稳定组织,从而使钢件的性能、尺寸和形

状在使用过程中不在发生变化。

2、 淬火钢在回火时的组织转变：

淬火M和A’都是不稳定的组织，它们有向稳定组织转变的倾向。 ①、 回火M组织：

100～300℃回火，回火温度↑，淬火M→回火M。

200～300℃回火，A’→回火M。 ②、 回火T组织：

300～500℃回火，得到回火T组织：F基体+极细的粒状Fe5C。 ③、 回火S组织：

500～650℃回火，得到回火S：F基体+较细的粒状Fe3C。 3、 淬火钢在回火时的性能变化：

由图5-35（a）（b）可看出：

HRC、6b的变化：回火温度↑，HRC↓，6b↓。 δ的变化：回火温度↑，δ↑。 ak的变化趋势大体上与δ的变 化一样，回火温度↑，ak↑。 但在某一温度回火时，ak值明 显偏低—回火脆性。（如图）.

第一类回火脆性：300℃左右出现， 防止办法是躲开 300℃回火。

第二类回火脆性：600℃左右出现，可采用回火后快冷（油） 的方法防止二类回火脆性出现。

应当指出：回火M、回火T、回火S，与过冷A直接转变得到的淬火M，

正火T和S是不相同的组织形态，性能也不相同。

例如：回火S—颗粒状

HRC相当，但回火S、6s、δ和ak更高一

些

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1、

正火S—片状

4、 回火工艺及其应用：

①、 低温回火（150～250℃）：

组织：回火M。

作用：保持钢件淬火后的↑HRC、↑耐磨性和↑6b，使δ、ak得

到一定程度改善，并↓内应力。

应用：主要用于高C钢制造的刃具、量具、冷作模具以及渗C零件

和表面淬火零件。

②、 中温回火（350～500℃）：

组织：回火T

作用：能获得较↑6e、6s和一定的ak。

应用：主要用于各种弹簧和要求较↑6e的零件（弹簧夹头）。

③、 高温回火（500～650℃）：

淬火+高温回火——调质。 组织：回火S.

作用：能获得较↑6b6e和ak—综合力学性能良好。 应用：主要用于受力状况比较复杂的中C钢结构零件。 例如：连杆、轴、齿轮、螺栓等。

5—3钢的热处理工艺

根据钢的组织转变规律，人们对钢件采用不同的方式对钢制零件进

行即冷却曲线必须躲过C-曲线的“鼻子”。

V冷 ≥ VK。热处理，使钢件中的组织按照人们的意志发生转变，从而获得预期性能来满足各种需要。

五、 退火：是将钢件加热到适当温度，保温后缓慢冷却的热处理工艺（随炉冷

却）。

6、 退火目的：

①、↓钢件的HB，以利于切削加工； 改善钢件的δ，以利于变形加工。

②、消除钢件中的内应力，防止变形和开裂。

③、细化晶粒，改善组织，并为最终热处理做好组织准备。 7、 退火的分类及应用：（常用种类） ①、完全退火： （图a）（图b） 完全退火是将钢完全A化以后， 随炉冷却，获得接近与平衡组织

的退火工艺。（P+F）. 完全退 火主要适用于亚共析＿＿＿＿＿ 钢的铸件、锻件和焊接件。

其作用是使+在铸、锻、焊、热轧

等热加工过程中产生的粗大晶粒细化，消除某些不良组织和内应力，↓钢6b、HB，以便切削加工。

＿＿＿↑δ，以便进行冷变形加工。 完全退火是一种很费时的工艺。 完全退火不适合于过共析钢，这 是因为会在钢中形成网状Fe3C2

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使6b和ak大为↓。

②、球化退火：（图a）（图b）

球化退火主要用于过共析钢和共

析钢。球化退火后得到的组织是 球化组织，＿＿＿F基体上均匀 地分布着粒状Fe3C的组织。

共析钢和过共析钢都是高C钢，当其具有片状P或网状Fe3C的时候，HB较↑而δ较↓，不利于切削加工和冷变形加工。

球化退火的作用是：使HB↓，δ↑，改善切削加工和冷变形的工艺

性能。

还有一个作用是为淬火作好组织准备。 当过共析钢Wc极↑，网状Fe3C2严重，需要先正火消除网 状，再进行球化退火，才能取得好的球化效果。 网状—→片状—→球状。 ③、去应力退火：（图a）

在铸件、锻件、焊件中存在着内应力。内应力如果不消除会使上述钢

件在切削加工过程中或使用过程中出现变形和开裂。去应力退火的作用就是消除上述产品的内应力。

由图（a）可知：去应力退火是将钢件加热到A1以下某一温度（500～

650），保温后随炉冷却。

在去应力退火过程中，钢件的组织不发生变化，内

应力主要是在保温和缓冷过程中消除的。

在第四章提到过一种用于冷变形钢件的去应力退火工艺，

其作用是消除冷变形产生的内应力，同时又保持加工硬化 带来的高6b。这种去应力退火的温度为250～300℃。例如： 用冷拉钢丝冷浇成型的弹簧就要进行这种热处理。 ④、再结晶退火：

在第四章已提到过，以T再以上发生、目的：消除加工硬化，恢复δ，

继续变形。

六、 正火：（图a）.

正火工艺——是将钢件加热到A3或Acm

以上，保温后空气冷却。

正火的作用（目的）与退火很相似， 例如：可以细化铸件、锻件中的晶粒，

改善某些不良组织等。

与退火相比：正火的速度比退火快， 正火的6b、HB要高一些，

δ则要低一些。

正火操作简便，然需时间短，成本较 ↓，因而应用比较广泛。

正火可以用于不同的钢件，目的也有 些不同。

⑤、 改善低C钢的切削加工性：

低C钢在完全退火以后，组织中F

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较多，δ很↑，在进行切削加工时容易出现“粘力”现象，加工出的零件表面粗糙。采用正火可使F+P→F+S，从而↓δ，↑HB，防止“粘力”。所以低C钢件一般是以正火作为切削加工之前的预备热处理。 应当说明：如果是为了改善低C钢件的冷变形性能（塑性），则应采

用完全退火法。（越正越硬，越退月软）。

⑥、 消除过共析钢的网状Fe3C,为球化退火做准备：

当过共析钢件中存在严重网状Fe3C2的时候，直接进行球化退火，效果退火，效果是不理想的。这时应当先正火，由于V冷较快，Fe3C来不及呈网状析出，形成片状，然后再球化退火，就可以使Fe3C充分球化，得到较为理想的球化体组织。

⑦、 用于某些C钢件，代替完全退火：

中C钢 常可以采用完全退火作为切削加工之前的预备热处理。但是，如果采用正火代替完全退火，可以缩短生产周期，↓生产成本。虽然正火后这些钢的HB比完全退火的高，但也不会给切削加工带来困难。（例如45#钢、40Cr的正火）。

⑧、 用于某些中C钢制造的零件，为了获得良好的综合力学性能，通常来

用调质（淬火+高回） 作为最终热处理。

如果中C钢件的性能要求不是很高，就可以用正火代替调质，这样可以简化热处理工艺，↓生产成本。

七、 淬火：

淬火工艺——钢件加热到A3或

A1以上，保温后 快速冷却，获得 M（或BF）的热处 理工艺。

1、淬火目的：

是↑钢件的6B和HB。

淬火是使钢件强化的重要而有效的工艺方法。但是淬火必须与适当的回

火工艺相配合，才能使钢件获得理想的力学性能。 2、淬火加热温度的选择：

有图中淬火温度带可看出：

亚共析钢：淬火加热到A3以上，此时组织全部是细小的A晶粒，淬火后

得到细小M组织。

③、 若加热A1～A3之间，组织是F+A，淬火后得到F+M，

F的存在会大大↓淬火强化效果。

④、 若加热温度A3太多，将使A晶粒粗大，淬火后得到

粗大的M，钢件的性能也不好。

共析钢：淬火加热在A1以上，此时A细小→细小M+A’.

过共析钢:加热温度也在A1以上，此时的组织为A+细小的粒状Fe3C,淬

火后得到细小的M+粒状Fe3C+A’，钢件有很↑的HB和耐磨性。 ③、 若加热到Acm以上，Fe3C将全部熔入A，组织全部是

粗大A晶粒，淬火后得到粗大的M+A’↑，对钢件HB、6b产生不利影响，ak也比较↓。

④、 若加热温度A1，钢就得不到A组织，淬火后也得不到

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M，达不到淬火的目的。

8、 保温时间的确定：

保温时间的长短与钢的化学成分、钢件的形状和尺寸等条件有关系。 ④、 钢的Wc越↑，W合越↑，导热性越差，保温时间越长。 ⑤、 零件的厚度或直径越大，保温时间也越厂。 9、 淬火冷却：

① 、理想的淬火V冷：

淬火的V冷必须>Vk，才能保证 冷到MS以下全部→M。

但是V冷并不是越快越好，因为

太快会在钢中产生很大的内应 力，造成钢件变形、开裂。所以

理想的淬火V冷是在保证M转边的前提下尽可能慢一些，如图所示，V冷既能躲过C-曲线“鼻子”，又能缓慢冷却到M组织。 ②、 淬火冷却介质：

淬火冷却V冷快慢取决于此采用的冷却介质。

常用的冷却介质有水、油、盐水等。他们的V冷加以比较：V盐水>V水>V油

通常碳钢用水、合成钢用油冷却。

⑥、 淬火冷却方法：

a/、单液淬火：

冷却介质——水或油， 优点：操作简便， 应用最普遍。 b/、双液淬火：

又称水淬油冷。

先在水中躲过“鼻子”， 然后放入油中，使工件

在较慢的V冷下发生M转变，从而减少内应力，减小变形、开裂的倾向。

缺点：不容易掌握由水向油中转移的时机。 c/、M分级淬火：

将A化的钢件放入温度稍高于MS的介质中保温，使钢件各部

分温度一致后，再空冷到MS以下生成M。这种方法可以显著地↓淬火内应力，有效地防止变形和开裂，但成本比较↑。 d/、B等温淬火：

将钢件放入B下的温度介质中，等温足够长的时间，使过冷

A全部→B下。

优点及用途类似于M分级淬火法。

10、 深冷处理：

很多钢的M终点M+都低于室温，而通常淬火只淬到室温。所以，过冷A不能全部→M，A’总有。

冷处理就是把淬火钢件放在更低的温度下深入冷却（-70℃），尽量靠

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近M5，尽可能减少A’。

冷处理主要用于高C合金钢制造的，耐磨性和精度要求很高的零件，如紧密的滚动轴承、量具等。

八、 回火：

回火——是指淬火后的钢件加热到A1以下某一温度，保温后空冷到室温

的热处理工艺。

1、 回火的作用（目的）：

①、 改善淬火钢件的δ和ak，调整力学性能，以满足使用性能。 ②、 降低或消除淬火钢件的内应力，以防止变形和开裂。

③、 促使M和A’转变成其他稳定组织,从而使钢件的性能、尺寸和形

状在使用过程中不在发生变化。

2、 淬火钢在回火时的组织转变：

淬火M和A’都是不稳定的组织，它们有向稳定组织转变的倾向。 ①、 回火M组织：

100～300℃回火，回火温度↑，淬火M→回火M。

200～300℃回火，A’→回火M。 ②、 回火T组织：

300～500℃回火，得到回火T组织：F基体+极细的粒状Fe5C。 ③、 回火S组织：

500～650℃回火，得到回火S：F基体+较细的粒状Fe3C。 3、 淬火钢在回火时的性能变化：

由图5-35（a）（b）可看出：

HRC、6b的变化：回火温度↑，HRC↓，6b↓。 δ的变化：回火温度↑，δ↑。 ak的变化趋势大体上与δ的变 化一样，回火温度↑，ak↑。 但在某一温度回火时，ak值明 显偏低—回火脆性。（如图）.

第一类回火脆性：300℃左右出现， 防止办法是躲开 300℃回火。

第二类回火脆性：600℃左右出现，可采用回火后快冷（油） 的方法防止二类回火脆性出现。

应当指出：回火M、回火T、回火S，与过冷A直接转变得到的淬火M，

正火T和S是不相同的组织形态，性能也不相同。

例如：回火S—颗粒状

HRC相当，但回火S、6s、δ和ak更高一

些

正火S—片状

4、 回火工艺及其应用：

①、 低温回火（150～250℃）：

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组织：回火M。

作用：保持钢件淬火后的↑HRC、↑耐磨性和↑6b，使δ、ak得

到一定程度改善，并↓内应力。

应用：主要用于高C钢制造的刃具、量具、冷作模具以及渗C零件

和表面淬火零件。

②、 中温回火（350～500℃）：

组织：回火T

作用：能获得较↑6e、6s和一定的ak。

应用：主要用于各种弹簧和要求较↑6e的零件（弹簧夹头）。

③、 高温回火（500～650℃）：

淬火+高温回火——调质。 组织：回火S.

作用：能获得较↑6b6e和ak—综合力学性能良好。 应用：主要用于受力状况比较复杂的中C钢结构零件。 例如：连杆、轴、齿轮、螺栓等。

5—4 、钢的淬透性：

①、淬透性的概念：

淬透性——是指钢在淬火时能够M的能力，也就是钢被淬透的难易性。 零件都有一定的厚度，在淬火时心部的V冷＜表面的V冷， 那么表面可淬成M组织，而心部就不一定。 生产中的规定：钢件淬火后，如果心部的M量达到50%以上，就称为“淬

透了”，反之则称为“未淬透”。

淬透层：表面100%M→心部50%M以上。（又叫淬硬层）. 淬透层越大，淬透性越大。 由图（a）（b）可知： （a）、淬透的零件表面和

心部的强度、硬度、 ak是均匀一致的， 都达到较高的水平。

（b）、未淬透的钢件心部的强度和硬度比较↓，特别是ak极↓。 一、影响淬透性的因素：

1、Wc的影响： 曲线图 2、 W合金 的影响：

几乎所有的合金元素都能↑钢的淬透性。 特别是含有Cr、Ni元素的钢。

所以，碳钢——水淬. 合金钢——油淬

二、淬火性的实际应用:

1、受力大的重要机构件(如飞机零部件、汽车受力件)应选淬透性高的钢。而受力较小、不重要的钢件（如自行车架、汽车外壳等）不需要淬火，因此可选用淬透性↓钢。

2、受拉伸剪切的零件，表面和心部所受的载荷是一样的，应选用淬透性高的钢。（如连杆、螺栓等）而受弯曲、扭转应力的零件，心部载荷小于表面载荷，可选用淬透性较↓钢。（如轴类） 3 、受磨损的零件（如冷冲模），主要和表面有较高的HRC和较高的耐磨性。

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对心部没有很高的要求，就不必选用淬透性很↑钢。

4、形状复杂的钢件淬火时易变形，还有高精度零件要求严格控制淬火变形，可选用淬透性↑合金钢制造，以便采用油淬，缓慢淬火可减少内应力，防止变形、开裂，保证尺寸精度。

5、淬透性↑钢在焊接时，焊缝容易出现裂纹，焊接件应尽可能选用淬透性↓钢。

三、淬透性与淬硬性的区别：

淬透性——钢在淬火时获得M组织的难易性。（前已讲述） 淬硬性——钢淬成M组织后，所能达到的最高HB. 钢的淬硬性取决于Wc，Wc越↑淬火性越↑ 由表看出：

T10的Wc越↑淬硬性越↑。30CrMnSi合金元素多，故淬透性增高。 两种钢的淬透性与淬硬性比较

钢号 Wc(%) HRC Dc(mm) T10 1.0 ≥62 10～15 30CrMnSi 0.3 47～55 40～50 5-5 钢的表面热处理工艺

在动载荷及摩擦条件下工作的零件（如齿轮、轴类），要求表面具有↑的HB和耐磨性，心部有良好的综合力学性能（即有足够的σb和aｋ）。在这种情况下，普通热处理就不能使零件达到性能的要求了。

表面热处理不仅能↑钢件表面的HRC和耐磨性，还能↑钢的σ-1。因为零件的疲劳裂纹往往都出现在表面，表面得到强化以后，可防止裂纹的产生，就能延长零件的疲劳寿命。 一，表面淬火：

表面淬火的基本原理是对钢件进行快速加热，表层迅速实现A化，此时热量尚未传到心部，心部组织没有变化，随即快速冷却，使钢件表面获得M组织，从而达到强化表面的目的。

1，【】应加热表面淬火： （1），【】应加热表面淬火的原理：

集肤效应——工件放入铜制的【】应线圈内，并接通一定频率的交流电，在工件表面产生相冈频率的【】应电流。工件的表层电流密度最大，温度最高，表层快速进入A状态被淬火，表层被淬硬。

（2）【】应加热表面淬火的特点：

速度快，时间短，A晶粒细小，淬火后M组织也细小，硬度比普通淬火高2-3HRC；生产效率↑,易实现机械化和自动化,适合成批生产。但【】应加热设备昂贵，不适宜单件生产。

2，火焰加热表面淬火：

是利用氧气和乙炔混合燃烧的火焰对工件表面进行加热，随即冷却淬火的工艺。火焰表面淬火的设备简单，主要适用于单件和小批量生产，大零件的表面淬火，缺点是淬火质量不稳定，生产效率↓。

3，表面淬火适用的钢种及配套热处理工艺：

用钢：中C（Wc=0.35-0.5%）的碳钢及合金钢零件。 配套热处理：调质+高频淬火+低温回火

调质：使零件整体获得回火S组织，具有良好的综合力学

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性能。

高频淬火：零件表面获得M组织，具有↑HRC（〉50HRC）和↑耐磨性，而且零件的σ-1也得到↑。

低温回火：为了↓淬硬层的脆性，所以要低温回火。 二，化学热处理：

1，概念：是在高温下向钢件表层渗入某些元素的原子，改变表层的化学成分，

从而改变表层的组织和性能的热处理的工艺。 2，过程：分解—吸收—扩散（活性原子）。

（1） 钢件置于一定的化学介质中加热，由化学介质分解出某些活性原子。 （2） 在保温中被钢件表面吸收，（〈保温时） （3） ◆的延长，向工件内部渗入（扩散）。

3，渗碳：是将钢件置于渗碳剂中加热保温，使(C)渗入钢件表面，从而↑钢件

表层Wc的热处理工艺——渗C

（1） 气体渗C：是将钢件置于密封的加热炉中，通入渗C气氛（如煤气、

天然气、煤气等），并将炉温升到900——950度。渗C剂在高温分解出活性C原子(C)，被钢件表面吸收，并向内部扩散，形成一定深度的渗碳层。气体渗C的生产率↑，过程易于控制，渗C层质量好，但设备投资较大，适宜成批生产而不适宜单件生产。

（2） 固体渗C：固体渗C层将钢件置于四周添满固体渗C剂的密封箱中，

然后放入炉内加热到900——950度保温，从而获得渗C层。固体渗C剂通常是颗粒状木炭和碳酸盐（BaCO3或Na2CO3）的混合物。其中木炭提供(C)，而碳酸盐起催化作用。

固体渗C法所用设备简单，成本↓，但生产效率↓，主要用于单件或小批量生产。

（3） 渗C用钢及渗C后的组织：

用钢：适用于Wc小于等于0.25%的碳钢及合金钢。

从表层→心部Wc逐渐↓，心部为原始Wc，所以渗C后缓冷到室温的组织是：

表层：过共析钢→共析钢→亚共析钢→心部（原始）→P+Fe3G2网→P→F少+P多→F多+P少。

（4） 渗C后的热处理及最终组织和性能：

通过上面的分析可得：

钢件渗C后虽然表层的Wc显著↑，但缓冷到室温表层的组织主要是P，还有网状Fe3C,心部组织是大量F和少量P，表面的HRC和心部的σb并不高，因此，钢件渗C后必须淬火+低温回火，才能有效地挖掘出性能潜力。

所以配套热处理为：渗C+淬火+低温回火。

a/、直接淬火法 ：（欲冷淬火法）

将渗C件以渗C温度920 ℃左右预冷到800 ∽860℃进行淬火 。特

点是操作简单，不需重新加热淬火，生产↑成本↓。零件的组织粗大，aｋ差，一般不采用此法。

b/、重新加热淬火法

此法是渗水缓冷后，在加热到适当温度，然后淬火。

此法的特点是：零件的组织较细小，性能较好，但工艺周期要长

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一些，成本也较高。

组织：淬火C+淬火+加上低温回火后。表面：高C的回火M+颗 粒状K，有高硬度和高耐磨性。心部：低C的回火M（板条），有较高的σb和аk。

2、渗N（N化）

渗N—是向钢件表层渗入活性，从而强化工件表面。过程：与渗C一样，也是分解、吸收、扩散三步完成。 1）、最常用的渗N方法——气体渗N：

是将钢件放入通用氨气（NH3）的渗N炉中，加热到500∽600℃，NH3↑ 发生分解（480℃分解），［N］渗入钢件表面形成渗C层。

此法由于温度较低，所以生产周期长，一般需要30∽60小时。 2）、渗N用钢及配套热处理：

用钢：含Cr、Mo、AL的中C合金钢，所以Cr、Mo、AL与N的亲合力↑，可形成↑HRC的CrN、MoN、ALN，↑钢件表层的HRC和耐磨性。典型的N化钢-38CNMoAL钢。配套热处理：调质+N化。 3）、渗N层的组织和性能：

表面由大量N化物组成，相当于70HBC，具有很高的耐磨性。心部调好后，回火S具有良好的综合力学性能。

缺点：N化层脆性很高，受冲击易剥落。时间很长，成本也很高。 6-1 钢的分类 一、碳钢的分类

1、按钢的Wc分类 低C钢 Wc<0.25%

中C钢 Wc=0.25∽0.6% 高C钢 Wc>0.6% 2、按钢的质量分类

1）普通钢：此钢S、P含量相对偏多，作为建筑工程用结构钢，一般不规定热处理。

2）优质钢：指在生产过程中需要控制S、P含量在一定范围内，并要控制精密度，性能优于普通钢。

3）高级优质钢：严格控制S、P含量，比优质钢更纯洁、力学性能更好。 3、按钢的用途分类

1）碳素结构钢：主要用来制造各种机械零件和工程结构件。Wc一般都<0.7%。机械零件：齿轮、轴、连杆、螺母、弹簧等。工程材料结构件：建筑、船舶、桥梁等方面。 2）碳素工具钢：用于制造各种工具（刀具、模具、量具）。Wc一般都>0.7%。 二、普通碳素结构钢

牌号由代表屈服点的字母+屈服总指数值+质量等级符号+脱氧方法构成。 四、优质碳素结构钢

钢号用两位数字表示，代表该钢的平均C的质量分数的万分数， 列如45钢：45/10000=0.45%C 20钢：20/10000=0.2%C

如果含有较高的Mn，在钢号后标出Mn元素的符号，列如：60Mn，65Mn。优质碳素结构钢在机械制造方面应用最为广泛，一般都要经过热处理以提高力学

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性能后再使用。

08、10、10F钢——又叫冷冲压钢。

此类钢Wc↓、δ、ak好、σｂ↓，具有优良繁荣冷成型性能和焊接性能，常冷扎成薄板，用于制作冷冲压件和焊接件，如汽车身、仪表外壳等。

15、20、25钢：

由于Wc↓、σｂ↓、δ、ak↑，也有较好的冷冲压性和焊接性能，可用于冷冲压件和焊接件。这类钢又叫渗C钢，经化学热处理（渗C）后，可达到表硬心韧，用于制作表面要求耐磨，心部σｂ要求不高的零件，如齿轮、凸轮等。

30、35、40、45、55钢：此类钢又叫调质钢（淬火+高温回火），经过调质处理后具有良好的综合力学性能。主要用于制作要求σｂ、δ、ak都较高的机件，如曲轴、连杆、车床主轴、车床齿轮。特别是45钢应用极广泛。

60、60Mn、65、65 Mn、70、75、80、85钢：

这类钢属于弹簧钢，经过淬火+中温回火具有高σｅ，主要用于制造尺寸较小，负载不大的弹簧。 四、碳素工具钢

牌号以“T”开头，其后的数字表示C的质量分数的千分数。列如：T8——8/1000=0.8%C

T12——12/1000=1.2%C

此类钢必须经过淬火+低温回火才能使用。碳素工具钢aWc↑其HRC和耐磨性↑，而ak↓，其应用场合也分别不同。 五、铸钢

有些大型机械零件，如水压机横梁、扎钢机架、重载荷大齿轮很难用锻压方法成型，如果用铸造成型，力学性能又达不到要求，这时碳钢用铸造方法可获的铸钢件。铸钢广泛用于铸造重型的机械零件，如扎钢机立架、水压机横梁、锻锤、钻等。

铸造牌号：ZG200-400——σｂ=400MPa 6-2、合金结构钢

根据其用途、合金结构 钢可分为工程结构钢及机械结构钢两类。用于制造工程构件的钢——低合金结构钢。

机械结构钢则包括用于制造各类机械零件的——渗C钢，调质钢、弹簧钢和轴承钢。

一、合金结构钢的编号：

原则是采用：两位数字+元素符号+数字。

列如：60Si2Mn、40CrNiMoA。 二、低合金结构钢

低合金结构钢的σb显著高于普通碳素结构钢，因而常常被称为——低合金高σb钢。Wc<0.2%、W合金<0.3%，所以除了高的σb还有良好的δ和αｋ。 三、合金渗C钢

渗C钢广泛应用于制造汽车、机车等动力机械的传动齿轮、凸轮轴、活塞销等各类要求表面高HBR、高耐磨、而心部具有良好的强韧性的机械零件。 1、渗C钢的化学成分及热处理工艺（见表6-3） 2、渗C钢的工艺流程：

各种渗C钢的热处理工艺流程基本相同，即：下料——锻造——预备热处理——机加工——渗C——淬火+低回火——精加工（磨制）。

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渗C钢的预备热处理一般用正火，以消除锻造过程所产生的内应力，同时可改善钢的切削加工性能，便于切削加工，为了保正渗C件表层具有高HRC、高耐磨性、渗C后都要进行淬火+低温回火，最终的组织为：表层高C回火M+合金K、心部为低C回火M。

列1：20Cr钢制造汽车齿轮的工艺流程。

列2：18Cr2Ｎi4WＡ钢制造航空齿轮的工艺流程。 四、合金调质钢：

调质钢常用于制造各类零件，如机床主轴、汽车后桥半轴、连杆螺栓及 气轮机主轴、内燃机曲轴等。这些零件的工作条件复杂，因此，要求具有良好的力学性能。

1、化学成分特点

WC：0.3～0.5%之间，并加入一定的合金元素，见表6-4。 2、热处理特点：

各种调质钢的工艺过程大致相同，即：下料——锻造——预备热处理——粗加工——调质——半精加工——表面淬火+低温回火（N化）——精加工。

预备热处理：消除锻造过程中产生的应力以及不正常组织，高钢的切削加工性能。通常采用退火。

最终热处理：通常进行调质。而某些调质零件（如轴颈、齿轮轮廊）表面要求高HRC及高耐磨性，此类零件经调质后，还需进行局部的表面淬火+回火。 3、合金调质钢的应用

1）用40CrＮiＭｏＡ钢制造飞机螺栓。 2）40Cr钢制造机床齿轮。 五、合金弹簧钢

弹簧钢主要用于制造各类弹性元件，如汽车、拖拉机、坦克、机车车辆及飞机上的减震弹簧、钟表的发条等。

弹簧主要是利用其弹性变形时储存的能量缓和机械设备的振动和冲击作用。

1、化学成分特点

1）碳素弹簧钢：Wｃ=0.5～0.85%，所以淬透性差，σｂ只能用来制造截面尺寸较小，受力较小的弹簧。

2）合金弹簧钢：加入Ｓi、Ｍｎ、Cｒ、Ｖ等合金元素，可提高弹簧的淬透性，细化晶粒，提高σｅ及σｓ。 2、弹簧钢的类别及热处理 1）热成型弹簧的热处理

该方法适合于大型弹簧的成型，热成型后进行淬火+中温回火，该回火T组织，高σｅ和σｓ。

如：汽车板弹簧、火车缓冲弹簧等多用60Ｓi2Ｍｎ来制造。其加工工艺过程：下料——加热——热卷成型——淬火+中温回火——实验+验收。 2）冷成型弹簧的热处理：

该方法适宜加工小弹簧（中＜6ｍｍ），利用加工硬化保证σｅ和σｓ，成型后只需在200～300℃进行去应力退火，以消除成型时产生的内应力，稳定尺寸。但是 对于冷压合金弹簧钢。为了充分发挥合金元素的作用。冷成型后仍需淬火+中回，利用的是加工硬化+热处理强化。 3、弹簧钢的表面硬化——喷丸处理

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弹簧的表面质量对弹簧的使用寿命影响很大。

喷丸处理——是将直径很小的（0.3～0.5ｍｍ）的铁丸或玻璃株高速喷射在弹簧表面，是表面产生塑性变形而造成残余应力，从而提高弹簧的σ-1，从而提高弹簧的疲劳寿命。列如：采用60Ｓi2Ｍｎ钢制造的汽车板簧，经喷丸处理后，寿命可提高5～6倍。 六、滚动轴承钢

主要用于滚动轴承的滚动体（株、针、柱）和内圈，外圈。在量具、摸具、低合金的刀具等方面也被广泛应用。 1、性能要求及化学成分：

要求具有高的HRC，高耐磨性和高的σ-1。高的淬硬性和高的淬透性。Ｗｃ=0.95～1.10%与主要元素是Cｒ元素保证了高HRC，高耐磨性、高淬透性。Wsi和Wmn——进一步提高淬透性。 2、热处理特点及工艺流程

锻造——球化退火——机加工——淬火+低温回火——精加工——成晶球化退火：1）降低HRC，便于切削加工

2）为最终热处理做组织准备。

淬火+低温回火：极细的回火M+细小颗粒状合金K。HRC 达到61～66HRC。 对于精密轴承，为保证尺寸稳定性，应在淬火后进行一次-70℃的冷处理，切底消除A＇，并在精磨后再进行时效（120℃左右，5～10ｈ），以便消除应力，稳定尺寸。

6-3 合金工具钢

一、合金工具钢的编号

Ｗｃ≧1.0%时不标出，若Ｗｃ≦1.0%时，用一位数表示。W合金的表示方法与合金结构钢一样，＜1.5%不标出（≥1.5%时，以整数标出。） 二、合金刀具钢

1、工作条件及性能要求

刀具钢主要用于制造车刀、铣刀、铰刀、钻头、丝锥、板牙等各种刀具。 1）提高HRC和提高耐磨性：其硬度值一般都在60HRC以上。 2）提高硬性（红硬性）：是指钢受热升温时，能保持高HRC的一种特性。特别是高速切削刀具钢必须具有高红硬性，才能保证高速切削时的高HRC。

3）足够的δ和αk：刀具在切削过程中常受弯曲、扭转、冲击、振动等复杂载荷作用，如果δ和αk较低，将导致崩刀及断裂。

4）良好的淬透性：使刀具经过热处理后，整体具有均匀一致的力学性能，可延长刀具寿命。 2、低合金刀具钢

可制作低速切削刀具，如板牙、丝锥、铰刀、搓丝板和拉刀等。预备热处理：球化退火

最终热处理：淬火+低温回火

组织：回火M+粒状合金K，HRC≧62HRC 工作温度：＜300℃，一般认为无红硬性。

三、合金模具钢：

1、冷作模具钢：

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是金属或非金属材料在常温状态下成型的模具。主要的种类：冲裁、成型、冷压、冷墩、挤压、冷拔模等。冷作模具钢经适当热处理后 常用钢种：

1）载荷较轻，形状简单，尺寸较小的冷作模具，可选用碳素工具钢T8A、T10A、T12A制造。 2）载荷较轻，但形状复杂或尺寸较大的冷作模具，可选用低合金刃具钢，如9sicr制造。

3）重载荷，要求耐磨性高、淬透性好、变形量小的形状复杂的冷作模具，选用专用冷模具钢cr12型钢制造

Cr12型钢：预备热处理——球化退火 最终热处理——淬火+低回。

2、热作模具钢：

一类：热变形模具——

另一类：压铸模——是在变压下将液态金属压入其中而获得铸件。

共 ： 模具与变温金属周期性的接触，反复受热和冷却，并受磨损和冲击作用。

因此，热作模具钢的性能要求：

1 良好的变温力学性能，即在变温下保持 和足够的耐磨性。 2 导热性能好，能恢复模具型腔的热量尽快散失。 3 耐热疲劳性好

4 淬透性好（尤其是大型模具） 热变形模具钢：（热锻模）

5crNiMo：由于cr、Ni、Mo的作用，淬透性好，能在500摄氏度保持 ，适用于制作大型锻模。

5cr2w8v：由于合金元素与变速钢相似，只使含量偏低 所以热处理也相似，HRC有 四、 合金量具钢：

1、量具钢性能要求:

1) HRC大，耐磨性高、尺寸稳定性好。 2、量具钢的热处理特点： 预备热处理——球化退火

最终热处理——淬火+低温回火+冷处理+时效。 3、常用量具钢：

一般的量规和量块——T10A、T12A。

经淬火+低温回火——回火马氏体+粒状Fe3C。 变精度的量规和量块——CrMn。

淬火+低回+冷处理+时效——回火马氏体+粒状合金K 4、工艺流程举例：

例 1：用Gcr15制造量块。

例2 ：用T10A钢制造普通塞规塞头 6-4不锈钢

不锈钢——是指用来抵抗大气腐蚀或能抵抗酸、碱盐等化学介质的钢。 一、 化学腐蚀的概念：

一类：化学腐蚀——干在高温下的氧化性是典型的化学腐蚀。

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二类：电化学腐蚀——金属与电解质溶液接触而引起的腐蚀属于电化学腐蚀。

在化学腐蚀过程中，金属将直接也腐蚀介质发生化学反应，化学反应的结果将使金属逐渐被破坏。

钢件的腐蚀，主要是——电化学腐蚀。 二、 化学反应的原理：

电极电位底的——失去电子——被腐蚀

可见腐蚀是相对的 电极电位高的——得到电子——受保护 例1、 的电位不底，不断的失去电子被腐蚀，的电位高，不断的获得

电子，受保护。

例2、 P→F+Fe3C

由于电极的电位相对教高，所以被腐蚀呈现黑色，是白色的，就可以看见片状组织了。

例3、 当相F，当相A组织，晶界的电位永远低于晶粒内部。所以晶

界变成黑色线条，就可见一颗晶粒。

三、 抵抗腐蚀的途径：

1、 金属的电极电位由图可知加入12%以上的Cr元素，基本的电极突升，所

以不锈钢的wcr一般在12%以上。

2、 尽量获得单相组织，减小电极电位差的倾向。 Cr:缩小A区，Wcr较高时获得单相F, Ni:扩大A区，Wcr较高时获得单相F,

3、 表面钝化：Cr—CN2O3 Al——Al2o3 Si——SiO2使金属表面形成致

密的氧化幕保护层，起隔离作用。 四、 不锈钢的种类：

1、 M不锈钢：(CrB)常用的有CrB、2CrB、3CrB、4 CrB。其中Wc分别为

0.1%、0.2%、0.3%、0.4%，Wc=13%

CrB、2CrB：具有厉害的力学性能。可以进行深冲，弯曲，圈边及焊接成型，但切削加工性能较差。主要用于制造不锈钢的构件（如气轮机的叶片）

3CrB、4 CrB ：由于较高，其均不前两者高，但变形及焊接性能较差。主要用于制造要求高的弹簧和要求高的医疗工具、餐具及轴承等。

CrB型不锈钢在大气、海水中有较高的抵抗腐蚀的能力，但在酸、碱盐的强腐蚀介质中不行。 2、 型不锈钢：（18-8型）见表6-14。

Wcr:18%

WNr:8% 所以叫18-8钢

Wc:0.1%左右，不型低，目的是保证基本，增加抵抗腐蚀性。

① 优点：a:具有很高的抵抗腐蚀性，不仅能抵抗地区、海水的腐蚀，而

且可抵抗酸、碱、盐的强腐蚀。b:具有一定的耐热性。抵抗氧化的温度可达到850℃，——耐热型不锈钢。

c:压力加工性良好。组织为A组织，δb、HRC较小，ξ很大，（面心立方），冷热成型都可。

②缺点：a:切削加工性能差。由于W合金高，造成导热性下降，并且容易加工硬化，导致刀具受热，车销连续不断，减小刀具的寿命，表质量

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差。

b:不能热处理化。唯一强化方法——加工硬化。

c:容易出现晶间腐蚀。有晶界析出Cr23C6，晶界处Wcr——晶间腐蚀。加Ti和Nb可防止晶间腐蚀。故有Cr18Ni9Ti、Cr18Ni9Nb ② A不锈钢的应用范围：

这类钢多用于既承受水腐蚀又受高温的航空零件。如：超音速飞机的蒙皮，隔热板。喷气飞机的发动机的燃气导管，尾喷管。此外，在石油化工，食品加工，电仪表，原子能工业，建筑部门等都有应用。

第七章铸铁

WC>2.11%的FE合金----------铸铁

成分上：与钢的主要区别是C、Si含量较高，杂质S、P较多

组织上：铸铁组织由金属基体+G。铸铁的性能主要取决于G数量、形状、大小及分布特点

性能上：力学性能不如钢，但具有优良的铸造性能，切削加工性，减磨性及减震性，而且铸造生产工艺简单，成本低，因此在工业生产中广泛应用。其应用的比重约占机器总重量的45~90% 一、 铸铁的石墨化

铸铁中石墨的形成过程------石墨化

在Fe—C合金中，C以两种形式存在：Fe3C和G。究竟以那种形式存在，取决于铁液的化学成分和V冷。

1.化学成分：C、Si含量越高，越易形成G 2.V冷：V冷越慢，越易形成G。

二.铸铁的分类：按照G在铸铁中的形态分类： 1.普通灰铸铁：片状G 2.球墨铸铁：G呈球状 3.可锻铸铁：团絮状G 4.蠕墨铸铁：蠕虫状G

7-1普通灰铸铁：在铸铁的总产量中，灰铸铁约占80%以上，它常用来制造各种机器的底座、机架、工作台、齿轮箱体等 1.灰铸铁的组织和性能：

F+片状G P+片状G （F+P）+片状G δb低HB低ξ高 δb高HB高ξ低 介于两者之间

力学性能：片状G割裂基体、破坏基体的连续性，并容易引起应力集中，所以灰铸铁的δB、ξ、αK都比钢低，但在压应力作用下，G片的影响不大，Δbc与钢相当。

二.灰铸铁的牌号及应用：见表7-9

三.HT的热处理：HT热处理不能改变G，所以热处理一般只用于消除铸件内应力，稳定尺寸、消除白口组织和高工件表面HRC、耐磨性。

（1.低温退火-----去应力退火：对于大型、复杂和壁厚不均匀的铸件，由于各部位V冷不同，导致组织转变不一致，产生铸造内应力，从而使铸件变形、开裂，尺寸精度也不易保证。所以，铸造后，在切削加工前要进行去应力退火。

（2.高温退火：铸件冷却时，表面及薄壁处V冷快，出现白口组织，使铸件硬而脆，造成切削加工困难和使用时易剥落。经高温退火，可使FE3C变成G，改善性能。

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（3.为了提高铸件的表面HRC和耐磨性，如机床导轨面和内燃机汽缸套内壁可进行表面淬火，寿命可提高约1.5倍，方法多采用高频表面淬火法。 7-2球墨铸铁 ：

球墨铸铁是一种高δB铸铁，它是在浇注前向FE液中加适量的球化剂和孕育剂，获得具有球状G的铸铁。由于G是球状，对基体的割裂 作用和应力集中最小，使基体的δB得到充分发挥，因此，球墨铸铁是具有最高力学性能的铸铁。 一. 球墨铸铁的组织和性能：

组织：与HT基本一样，只是G球状。

力学性能：主要取决于G的形态、分布。G球状越细小，分布越均匀，力学性能越好。A.球墨铸铁的力学性能>HT，可与碳钢相当。

B. δ-1接近一般中碳钢。 C.屈服强度比δ0.2/δb几乎是钢的一倍，强度利用得到充分发挥。

工艺性能：保留了HT的优良性能 牌号和用途：见表7-3 7-3.可锻铸铁：

一.可锻铸铁的生产、组织、性能：

生产：由白口铸铁G化退火获得的具有团絮状G的铸铁，因其δ优于HT而得名，实际并不可锻造。

组织：F+团絮状G-------------黑色可锻铸铁 P+团絮状G-------------P可锻铸铁

性能：黑心可锻铸铁δ和αk较好，δb一般，HB较小。

P可锻铸铁有较高δb、HB和耐磨性。可锻铸铁的团絮状G对基体的割裂小，应力集中也小，所以δb、ξ和αk比HT高 二.可锻铸铁的牌号和用途： 见表7-2

常用作重要轴承。如：汽车、发动机、压气机等机的高速轴承。 他的缺点是：δ低，价格贵。

6196基轴承合金：它是以P6-Sb为基础，加入Sn、Cu等元素组成的合金。其δ、HB、aK均比Sn基合金低，而且摩擦系数较大，但是价格便宜。

这种合金常用来制造承受中低载荷的中速轴承。如：汽车、拖拉机曲轴轴承几电动机轴承。

Sn基、Pb基牌号：Zch+主元素+辅助元素+主、辅元素含量。 例如：Zchsnsb11-S-Wcu=6% 2、Cu基与Al基轴承合金： （1）Cu基轴承合金：

Cu基周朝合金有铅青铜合金，锌青铜合金，铝青铜合金以及Sb青铜。Sb青铜有较高的δ和ak，有良好的耐摩性，导热性好，摩擦系数小，适于250度以下长期工作。因此多用于制造高速、高压条件下的轴承，如航空发电机，高速柴油机轴承等。

（2）铝基轴承合金：

这类合金的δ大，耐摩擦性好，承载能力大。也是一种新型的减摩材料。

由于生产成本低廉、工艺简单，目前已经在汽车、拖拉机、内燃机轴承生产上推

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广使用。

8-4镁及其镁合金 一、纯镁：

密排六方晶格，熔点为650度，密度为1.74g/cm3 （相当于Al的2/3）是最轻的金属。

Mg的电极电位很低，因为抗腐蚀性很差。镁 的力学性能差，尤其是δ比铝底的多。（晶格造成） 二、镁合金：

镁的合金中主要加入Al、Zn、Mn，通过热处理淬火处理，可使镁合金强化。 1、镁合金的性能特点： ① 比强度大：镁合金的比铝合金的小，但由于密度小，所以比强度却不铝合金大，如果以镁合金代替铝合金，则可以减轻飞机、发电机、仪器仪表的重量。 ② 减震性能好：

由于E小（E=δ/ξ）当受力时，弹性变形很大，所以能承受较大的冲击或震动载荷。（如飞机的轮毂） ③ 切削加工性好：

由密集的六方晶格决定了Mg合金具有优良的切削加工性，切削易短，散热条件好，可采用高速切削。 ④ 抗腐蚀性差：Mg合金件使用时，要采取保护措施，如氧化处理，涂漆保护等。 ⑤ 热处理性能差：主要是时间长，氧化倾向大。所以合金在热处理时要加已保护。

2、Mg合金分类及牌号：

根据加工的方法分为：变形Mg合金MB和铸造Mg合金两大类。 3、变形Mg合金（MB）：可以锻造成型的Mg合金----变形Mg合金。航空工业上较多的是MB15，这是一种δ变形的Mg合金。MB15热处理简单，经过热挤压的型材及其锻件不经过淬火，只进行人工时效即可强化。这是因为经过热加工变形后，在空气中冷却，已经相当于淬火，因此不必在淬火。在常用的变形材料中，MB15具有最好的δb和δs，常用来制造在室温下承受较大负荷的零件。

4、铸造Mg合金（ZM）：适宜铸造成型的Mg合金（铸造Mg合金）ZM1、ZM2、ZM5属于δ大的Mg合金具有较大的常温δb和良好的铸造性能，但耐热性差，各种温度小于150度。ZM3：属于耐热铸造Mg合金。其常温δ较小，但耐热性教强，可以在200—250度长期工作。航空工业上应用较多的是ZM5，可以通过淬火加人工使效来强化。ZM5广泛用于飞机、发动机、仪表等承受较高负荷的结构或壳体。 8-5Ti及Ti的合金：

一、纯Ti：在我国锑资源十分丰富，所以锑是一种很有发展前途的金属材料。锑的熔点1667℃，比Fe的熔点还要高。密度为4.5g/cm3,只相当于Fe的一半。Ti具有优良的抗腐蚀性能，（表面形成钝化膜）

具有同素异构转变：β-Ti α-Ti。工业纯和一般的纯金属不同，他具有相当高的，因此可以直接用于航空产品、常用来制造350以下工作的飞机构件，如超 音

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速飞机的蒙皮，构架等。 二、Ti合金：

1、Ti合金的分类、牌号：第一类合金，记作TA，与工业纯的符号相同，只是后面的序号不同。（例如：工业纯Ti---TA1,TA2,TA3） 2、黑内的主要性能：

①比强度大：Ti合金的δ↑，和调质刚相近，但Ti合金的γ仅相当钢的1/2，因此Ti合金具有比各种合金都高的比强度，着正是Ti合金使用于航空材料的主要原因。

②热δb↑：由于熔点，使T也↑，因此Ti合金具有较高的热强度。目前，合金可在500以下长期工作，并且向800的温度发展。它的耐热性能可以和一般的耐热钢相比。

③抗腐蚀性能高：由于表面能形成保护性能很好的钝花莫，所以具有优良的抗腐蚀性。其抗腐蚀性能大于不锈钢。

④切削加工性能差：由于Ti的导热性差，摩擦系数大，造成切削加工时容易升温，也容易粘刀。因此，↓Ti合金的切削加工速度，缩短了刀具生命，影响了表面光洁度。

⑤热加工工艺性差：原因是加热到600以上时，Ti合金极易吸收H、N、O等气体而使性能变脆。因此，对铸造、锻造、焊接、热处理都带来了一定的困难。故热加工只能在真空或保护气氛中进行。

⑥冷加工性差：Ti合金δs/δb，E小，冷加工时回弹较大，因此冷加工性差。一般采用热加工成型。

⑦HB较小，抗摩擦性差：因此，不适宜用来制造承受磨损的零件。 3、Ti合金的热处理：

①淬活+时效：可以显住Ti↑的δs、δb

②退活：可↑δ、ak，消除引力，稳定组织。

5、常用Ti合金：①α-Ti合金：此类合金不能热处理强化，只能进行退火处理，因此室温δ不高。但这类合金组织稳定，耐热性比较高。由于室温下为密排六方晶格，压力加工性差，所以一般采用热压加工成型。②β-Ti合金：这类合金可以淬火+时效进行强化，因此，室温较高但由于组织不稳定，耐热性不高。掌握类合金室温都是体心立方晶格，所以加压加工性能好。此类合金冶炼较复杂，稳定性又差，故应用较少。

③（α+β）-Ti合金：这类合金兼有α型及β型两类Ti合金的优点。室温δb和高温δb都比较高，而且δ也比较好。异常这类合金的应用最广泛。 8-6粉末冶金：

不需要经过熔炼和铸造，而直接用金属粉末或金属与非金属粉末作为原料，通过配料→压制成型→烧结→后处理工业过程而造成的材料→料粉末冶金材料。这种工艺过程→粉末冶金法。

一、 粉末冶金工艺：（简述）

1、 粉料的配制：粉料的制备过程是在金属粉末中加入石墨，合金元素、

润滑剂和增塑剂、按一定比例混合均匀，以便压制成型。

2、 压制成型：将准备好的粉末放在模具中， 500-60Mpa的压力压制成

型。

3、 烧结：压制成型的粉末冶金制品颗粒间的结合力较小，δb较小，需

要在保护气氛或真空中进行高温烧结。最后得到具有孔歇度的制件。

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4、 后处理：

经过烧结的防摸冶金制件可以直接使用。当对于尺寸精度、表面粗糙度、硬度、耐磨性要求较高的制件还需要进行后处理。例如：进行精压，滚压，表面粹火提高制件的力学性能。进行侵油以达到润滑的目的。因此可见：粉末冶金法不但可以制成具有某些特性的制品，而且还能节约材料，节约加工工时和减少机械加工设备的成本，因此粉末冶金法发展很快。 二．粉末冶金法的应用 1.机械零件：

用粉末冶金法制造的机械零件的使用的材料绝大多数属于FE基的。

FE基结构材料及碳钢或合金钢粉末为主要材料的粉末冶金材料，用这类材料制造的结构零件具有制品精度较高，表面粗糙度小，不需或只需少量切削加工，节省材料，高生产效率等特点。制品还可通过热处理方法强化和高耐磨性。粉末冶金FE基结构材料广泛用于制作各种机械中心的零件，如：机床上的垫圈、法兰盘、偏心轮、汽车制造中心的油泵、齿轮、以及拖拉机上的传动齿轮、活塞环等。 2．摩擦材料：

粉末冶金由于多孔性，可以长火保持较粗糙的表面，耐磨性高，散热性好，用来代替石棉制品制作离合器中的摩擦片和制动器中的刹车片，不但经济耐用，而且减少了石棉粉尘污染，取得了较好的经济效益和社会效益。 3．含油轴承合金：

含油轴承合金有FE基和CU基两大类。

Fe基：承载能力大，HB高，多用于承受压力大，腐蚀性大的场合。

Cu基：导热性好，耐腐蚀性好，摩擦系数小，适于工作压力较小的精密器械。 与巴氏轴承合金（Sn基）比较：

由于粉末冶金含油轴承，具有多孔性，孔隙中储存有大量的润滑油（含油17~25%），不但结构简单，使用方便，而且减磨性明显高于Sn基轴承合金。 4．硬制合金：

硬质合金是以一种或几种碳化物，如Wc、Tic等的粉末为主要成分，并加入起粘结作用的金属Co粉末，经粉末冶金法而制得的，又叫金属陶瓷硬质合金。主要用来制造高速切削刀具和切削硬而韧材料的刀具，以及制造某些汽做模具、量具及不受冲击、震动的高耐磨性零件。 ⑴硬质合金的性能特点：

①具有很高的HRC，常温下硬度可达86~93HRA（相当于69~81HRC），高红硬性（可达900~1000℃），优良的耐磨性能，硬质合金刀具的切削速度比高速钢高5~8倍，刀具寿命高5~80倍，可切削硬度高达55HRC左右。 ②具有高的抗压强度（δbc）：

δbc最高可达6000MPA，但抗弯强度δbb较小。 ③良好的耐蚀性（抗大气、酸、碱）和抗氧化性。 ④线膨胀系数小：

由于硬质合金HRA很高，故不能用一般的切削方法加工，因此一般都是利用粉末冶金法将其制成一定形状的刀片，通过钎焊、粘结或机械连接法装卡在钢制的刀杆上使用。

⑵硬质合金的分类：

①W-Co类硬质合金：W-Co 牌号：yG

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② W-Co-Ti类：Wc-Tic+Co 牌号：yT

通用硬质合金（万能硬质合金）： Wc+Tic+Tac(Nac)+Co 牌号：YW ③ 硬质合金的用途：

根据“GB”规定，切削加工用硬质合金可分为三个主要类别，分别以字母P、M、K表示。

YT-P：适用于加工长切削的黑色金属

TW-M：适用于加工长切削或短切削的黑色金属和有色金属。 YG-K：适用于加工短切削的黑色金属、有色金属及非金属材料。 每一类别代号后加一数字组成：（见表15-5）

如：P10、P20、P30、M10、M20、M30、K10、K20、K30（每一类别中，数字愈大，耐磨性愈小，而AK愈高。

Ⅰ。用做刀具材料：硬质合金做刀具材料的用量最大，如车刀，铣刀，刨刀，钻头等。

其中YG类适于加工短切削的黑金属、有色金属及非金属材料。如铸铁、铸造黄铜、胶木等。 YT：适于加工长切屑的黑色金属，如各种钢。由于WCO高的硬质合金AK好些，故适于粗加工，Wco低的适于精加工。

通用硬质合金即可用来切削短切屑的材料，又可切削长切屑的材料。（黑色、有色）对于某些难切削的材料（如不锈钢），通用硬质合金的使用寿命比其他合金长许多。

有色金属具有钢铁不具备的独特性能，如质轻、бb高、耐腐蚀、导电性好等，在现代工业和人民生活中广泛应用。有色金属Al、Mg、Ti等矿藏丰富，其中Al矿比Fe矿贮量还高。但大多数有色金属冶炼困难，产量低，其成本高于钢铁。 铝及铝合金

§8—1铝及铝合金

一、纯铝

铝～面心立方晶格，无同素异晶转变，T熔=660℃。与钢铁相比，铝具有许多突出优点：

其一，密度较小（2.7g/cm3相当于铁的1/3）；

其二，铝具有良好的导电性（仅次于Au、Ag、Cu）及导热性； 其三，铝在大气中具有良好的抗蚀性（表面易形成Al2O3薄膜，起保护作用）。铝的δ较高，可以承受各种冷、热压力加工，但其бb很低（бb=80～100MPa）。 二、铝合金

为了提高纯铝的бb，将铝与合金元素进行合金化，即得到铝合金。 1、合金化

常加入铝中的合金元素有Cu、Mg、Zn、Mn、Si。它们对铝的强化作用，主要是通过固溶强化和时效强化作用来实现的。 2、铝合金的分类

按其加工方法可分为～变形铝合金、铸造铝合金两大类。

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D点以左的合金加热时，能形成单相α固溶体，因而其бb较高，适于压力加工～变形铝合金。

D点以右的合金具有共晶组织，难以进行压力加工，但其铸造性好，适于铸造～铸造铝合金。

变形铝合金又可分为热处理不能强化和热处理能强化两大类。

从图中看出：①F点以左的合金，当温度变化时，没有溶解度的变化，属于不能热处理强化的铝合金。

②FD之间的合金，由于温度变化时有溶解度的变化，因而可以用热处理的方法进行强化，属于热处理可以强化的铝合金。

热处理不能强化～防锈铝（LF）

变形铝合金 硬铝（LY）

铝合金 热处理可以强化 超硬铝（LC） 铸造铝合金（ZL） 锻铝（LD） 3、铝合金的热处理 ①固溶+时效

a、固溶处理（淬火）

目的：是为了获得过饱和的、不稳定的固溶体，为后面的时效做好组织准备。WCu=4％的铝合金，加热到单相α区保温，使CuAl2（θ）金属化合物全部溶人α中，然后快速冷却（水冷），使θ来不及析出，从而获得过饱和的、不稳定的α固溶体。

由于α固溶体是置换固溶体，晶格畸变不大，所以α固溶体强化效果不大，бb比退火性能略有提高，δ比退火高。 b、时效

淬火后的铝合金，在室温停留或加热保温，бb、HB增大的现象～铝合金的时效。

自然时效～在室温自发强化的过程。 人工时效～加热后强化的过程。

铝合金时效的四个过程：GPⅠ→GPⅡ→θ`→θ。（GP区～Cu原子富集区） GPⅠ区特点：与母相完全共格（边界上的原子同时属于基体和区共有）。 GPⅡ区特点：仍与母相完全共格，并且范围更大，晶格畸变更严重，其强化效果也更大。

θ`特点：只与母相局部共格，畸变减小，使合金的бb、HB开始减小。 θ特点：共格消失，完全脱离母相，故晶格畸变消失，合金显著软化（过时效）

以上四个阶段并不是截然分开的，往往是前一阶段还没结束，后一阶段就已经开始了。所以，时效时看以哪个阶段为主。

自然时效：由于温度较低，充其量只能发生GP区强化的效果，所以有很高的强化效果。

孕育期～自然时效开始阶段（约两小时左右），бb、HB基本不变，这段时间叫孕育期。

孕育期作用：合金在孕育期内，бb不变，很好，易于进行各种冷塑性变形，如校直、弯曲、拉深、卷边、铆接等。当超过孕育期后，бb、HB急剧增大。约4～5天后，бb可达最大值。

人工时效：可看出，时效温度越高，强化速度越快，可能达到的最高值бb

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也越小。 ②退火

a、完全退火（再结晶退火）：目的是为了获得最大的成型性（良好的δ），以便随后进行变形量较大的成型工序，它主要应用于形状复杂的钣金件。

b、去应力退火：为保持加工硬化的高бb，消除内应力，主要用于不能热处理强化的铝合金（LF）。 ③回归

经自然时效的铝合金，在200～270℃短时间停留（几分钟），就可软化，即获得新淬火状态下的性能（如图）。这种因短时间加热而恢复到新淬火状态的现象～回归（或回归处理）。

经自然时效强化的铝合金工件，如在使用过程中发生变形，可在修复时先进行回归处理，使其恢复到新淬火状态的性能（低бb、低δ），以减少因бb过高而带来的加工变形的困难。当修复工作完成后，合金也会由自然时效而再度强化。回归的次数不宜过多，否则会降低合金的бb和抗蚀性。只有经自然时效的合金，才能进行回归处理。人工时效后的铝合金，不能进行回归处理。 4、变形铝合金 ①防锈铝（LF）

LF的бb高于纯铝，并有良好的耐腐蚀性，塑性和焊接性，但切削加工性能差。这类合金不能热处理强化，唯一强化方法～加工硬化。LF主要用于制造容器、管道、防锈蒙皮及需要拉深、弯曲的零件和制品（成型过程中可穿插再结晶退回，也要去应力退火）。在航空方面可制作飞机油箱等等。 ②硬铝（LY）

这类合金可通过热处理：淬火+自然时效来获得较高的бb和HB，这类合金在自然时效的初期都出现孕育期，在孕育期内，可进行简单的加工变形或校正。 LY11孕育期略长（约2小时）； LY12孕育期稍短（约0.5小时）。

硬铝在航空工业获得广泛应用，如飞机构架、螺旋桨、叶片等，但抗蚀性比较LF差。

③超硬铝（LC）

这类合金经淬火+人工时效后，只有很高的бb和HB。同时切削加工性好良好，但耐蚀性、焊接性较差。常用做飞机上的主要受力部件，如飞机大梁、桥架、加强框、起落架等。 ④锻造铝合金（LD）

LD性能与LY接近，但耐蚀性和热塑性好，适于锻造。通过淬火+人工时效来强化。主要用于制造外形复杂的锻件和模锻件。 5、铸造铝合金（ZL）

ZL力学性能虽然不如变形铝合金，但其铸造性能好，适于铸造形状复杂的铸件。ZL种类很多，现代工业上广泛应用的ZL为Al—Si系铸造铝合金，通常称之为

①Al—Si合金（ZL102）

因其接近共晶成分，所以具有优良的铸造性能。但Si在Al中的溶解度很小，所以不能用热处理的方法进行强化。适合于制造形状复杂、载荷较小和抗蚀性较好的工件（如仪表、水泵壳体等）。 ②其它铸造铝合金

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Al—Cu合金：有较好的高温бb，但铸造性能和抗蚀性差，且密度大。主要用于制造要求高бb、高耐热的零件。

Al—Mg合金：具有较高бb和良好耐蚀性、密度小、铸造性能差，多用于制造在腐蚀介质下工作的零件。

Al—Zn合金：бb较高，热稳定性和铸造性能较好，但密度较大，耐蚀性很差。用于制造形状较复杂的零件。

此类合金可在450℃下长期工作。可退火，也可淬火+时效。主要应用于飞机压气机盘和叶片、舰艇耐压壳体等。最典型的是TC4，这是一种声名卓著的Ti合金，全世界的TC4产量，约占Ti合金总产量的60％，TC4具有良好的综合力学性能，组织稳定性也比较高，在喷气式发动机和飞机结构上，应用非常广泛，被誉为当代的“骏马合金”。

§8—2铜及铜合金

一、纯铜（紫铜）

T熔=1083℃、γ=8.9g/cm3。面心立方晶格，бb便于进行冷、热锻压加工，用来制作油管、铆钉、热圈和各种型材。抗腐蚀性能比较好，由电极电位比较高造成。纯铜的最大特点：具有很高的导电、导热性，所以在电器工业和动力机械中得到广泛的应用。如用来制造导线、散热器、冷凝器、热交换器等。 二、铜合金 1、黄铜

①普通黄铜（Cu—Zn合金）：其中WZn对其力学性能有显著的影响。由图可看出

a、当WZn＜39％时，δ高、бb也较高，此时的黄铜适合于冷、热压力加工。 b、当WC＞39％时，δ低、бb高，此时的黄铜只适合于热压力加工或铸造成型。

c、当WC＞45％时，бb和δ急剧降低，此时的合金已无实用价值。 牌号：“H”为首，后跟数字表示铜的含量。 例如：H90～WCu=90％、WZn=10％； 铸造类牌号：Z+Cu+Zn?? 例如：ZCuZn38～WZn=38％。

②特殊黄铜：在Cu—Zn合金基础上再加入合金元素～特殊黄铜。常加入的元素有：Pb、Sn、Al、Mn、Si、Fe、Ni等。

压力加工类～加入元素较少，以保证较高的δ。

铸造类～加入元素较多，以提高бb和提高铸造性能。 牌号：H+主加元素+ WCu+主加元素含量

例如：HPb59—1～WCu=59％、WPb=1％、余量为WZn=40％。 铸造类与普通铸造黄铜相似，见表8-3。 ③黄铜的热处理

a、去应力退火；b、再结晶退火。 2、青铜

分为普通青铜～Sn青Cu和特殊青铜～无Sn青Cu（Al青Cu、Be青Cu）两大类。 牌号：压力加工类～“Q”+主加元素及含量+其它元素的含量；例如：QSn4-3～WZn=4％、其它3％。铸造类～与铸造黄铜相似，见表8-4。

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①Sn青Cu

它是人类历史上应用最早的铜合金，它的力学性能发生变化，当WSn＜10％时，δ高、бb高，适合于冷、热压力加工。当WSn＞10％时，适合于铸造成型。工业上用的Sn青Cu的WSn=3～14％之间。

压力加工Sn青Cu：耐磨性和抗蚀性好，而且具有较高бe，用于制造弹簧片、电极、齿轮、轴承等。

铸造类Sn青Cu：强度бb高，耐磨性高。但铸造性能差，流动性低、疏松，所以不适合铸造要求致密度和密封性较高的铸件，常铸造齿轮、涡轮、泵壳等。 ②特殊青铜

属无Sn青Cu，比Sn青Cu具有更高的力学性能和耐磨、耐蚀性。

a、Al青Cu：具有可与钢相比的бb、高αk、高б-1、耐磨、耐蚀。当铸造时，由于它的流动性较好，因此可得到致密的铸件。常用来制造齿轮、涡轮、轴套、摩擦片等。

b、Be青Cu：经热处理强化后，具有很高的бb和HB，远远超过其它所有的铜合金，所以又叫高бb—Cu合金。同时它的бe、б-1、耐磨性、抗蚀性都很高。只是由于价格昂贵、限制了它的使用，Be青Cu在工业上用来制造精密仪器、仪表中重要的弹性元件、耐磨、耐蚀零件和其它重要的零件。如仪表齿轮、弹簧、航海罗盘等等。

§8—3滑动轴承合金

滑动轴承与滚动轴承比较，有承压面积大，工作平稳、噪声小、制造、维修、拆装方便等优点，广泛应用于发动机、机床等动力设备和传动装置。滑动轴承由轴承体和轴瓦组成。

轴瓦的内侧浇注或轧制着一层高耐磨合金，这层合金就称为～滑动轴承合金。 一、对轴承合金的性能要求： 1、具有良好的减磨性

包括三个方面：①摩擦系数低；②抗性能差；③磨合性好（短时配合）。 2、足够的бb和HB，特别是抗压强度（бbc）。

3、有足够的αk和δ，便于加工和抵抗冲击、震动。 4、有良好的耐蚀性。 二、轴承合金的组织

1、软基体上分布着硬质点

在工作中软基体软基体很快磨损凹下，可储存润滑油、使轴与轴瓦之间形成连续油膜。硬质点突出于表面以承受载荷、抵抗磨损。属于这类组织的有Sn基和Pb基轴承合金。

2、硬基体上分布着软质点

基体上分布着软的质点，具有很低的摩擦系数，但磨合性较差。这类组织的轴承合金有Cu基和Al基轴承合金。 三、常用的轴承合金（见表8-10）

1、Sn基与Pb基轴承合金（巴氏合金）

a、Sn基轴承合金：它是以Sn为基础，加入Sb、Cu等元素组成的合金，这种合金摩擦系数小、δ导热性好，是优良的减磨材料。 ⑤用作模具材料

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硬质合金作模具主要是指冷作模具，如冷拉模、冷冲模、冷挤压模、和冷模等。其中“YG”类适用于拉深模。“YG6”适用于小拉深模。“YG15”适用于大拉深模和冲压模具。 ⑥用作量具及耐磨零件

量具～千分尺、块规、塞规等。各种专用量具的易磨损表面镶以硬质合金，既可延长使用寿命，又可使测量更加精确。常用的有“YG6”。 ⑦用作耐磨零件方面

精轧、车床顶尖、精密磨床的精密轴承、无芯磨床的导杆、导板等，常用的是“YG”类合金。

第九章 工程非金属材料

工程材料分为金属材料和非金属材料两大类。非金属材料一般包括高分子合成材料（塑料和橡胶）、陶瓷材料、复合材料三大类。非金属材料具有金属材料比不及的某些性能，如：绝缘性、高弹性、耐高温、抗腐蚀、脆性大、质轻等。在现代工业生产中逐渐取代某些金属，说明越来越广泛应用。

§9—1高分子聚合物概述

一、基本概念

1、高分子聚合物：

工程上用的高分子材料主要是指各种合成有机高分子化合物。高分子化合物是指～分子量很大的化合物（75000）。通常，高分子化合物具有较高的бb、δ、бe等。

2、高分子聚合物的组成：

高分子化合物是由一种或几种低分子一个个连接起来组成的，这类低分子～称为单体。例如：聚乙烯～是由无数个低分子的乙烯（C2H4）单体组成的。 二、高分子聚合物的合成方法

高分子化合物的合成就是把低分子化合物（单体）聚合起来形成高分子化合物的过程。 1、加聚反应：

它是由一种或几种单体化合成高聚物的反应。生成的高聚物具有和单体相同的原子组成，只是把低分子变成了高分子。目前各国产量较大的高聚物（聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚四氯乙烯等）都是加聚反应的产品。

所以，加聚反应是当前高分子合成工业的基础，大约有80％的高分子材料是利用加聚反应生成的。 2、缩聚反应：

反应能生成的高聚物的原子组成与单体不同，反应中有低分子物质析出（如水、氨等）。

缩聚反应能生成的高聚物有聚酰胺（尼龙）、酚醛树脂、环氧树脂等。 三、高分子聚合物的结构

按照大分子链的几何形状，可分为线型和体型两种结构。 1．线型结构

a、若化合物的结构是由许多链节链成一个长链。这种由细而长的结构如果没有外力拉直是不可能成为直线状的。通常呈不规则的卷曲状态。 b、还有一些高分子化合物的在分子链还一些小支链。

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具有线型结构的高分子化合物，它具有高的бe和塑性，在适当的溶剂中可溶胀或溶解，温度升高时则软化，熔化。 2．体型（网型）结构

如果分子链和分子链之间有许多链节相互交联，成为立体结构～体型结构。体型分子的形成是按三维空间进行的，像一张不规则的网，因此也称网型结构。具有体型结构的高分子化合物，主要特点是脆性大，无弹性，不溶于任何溶剂。 四、高分子聚合物的分类

主要是按用途和性能进行分类，可分为三大类，塑料、橡胶、合成纤维。

§9—2塑料

一、概念

塑料是心合成树脂为基，加入各种添加剂制成的。是目前产量最大，应用最广泛的一种高分子材料。

树脂～人工合成的各种高聚物。

添加剂～填料、增加剂、固化物、稳定剂、润滑济等。 二、塑料的分类

1、按塑料在加热和冷却时所表现的性能分

①热塑性塑料：其分子结构主要是线型结构，这种塑料加热软化、熔化，冷却固化，可反复多次重塑（废品、碎屑）。这种塑料成型工艺简便，生产单个，可直接注射，挤压，吹塑成型，并具有一定的力学性能。但耐热性较差，最高使用温度＜120℃左右。 见表9—1

②热固性塑料：其分子结构为体型，特点是加热软化，冷却固化，不能重复进行，成型机会只有一次。这种塑料受压不易变形，耐热性比较高。性能较脆，机械бb不变，成型工艺复杂，生产率低。主要有酚醛塑料，环氧塑料等。 2、按应用范围分类

①通用塑料：主要用于制作生活用品，包装材料和一般零件。 ②工程塑料：力学性能比通用塑料好。通常是指热塑性塑料。（如聚酰胺尼龙、ABS等）

③耐高温塑料：有较高的耐热性（工作温度＞100℃）。但价格较高，产量较小，应用范围不广。例如：聚四氧乙烯等。 三、塑料的特性

1、质轻：塑料的密度一般在0.9～2.2g/cm3左右，只有钢铁的1/8～1/4，只有Al的1/2左右,这对于要求减轻自重的车辆、船舶、飞机、火箭、宇宙航天等有重要的意义。

2、比强度高：塑料的бb虽不如金属高，但由于γ小，其бb/γ高，在适当的增加壁厚的情况下，完全可以做结构件。 3、化学稳定性好：塑料都有良好的抗腐蚀性能，特别是聚四氧乙烯更为突出。因此，塑料广泛应用于在腐蚀条件下工作的零件和化工设备。

4、优异的电绝缘性：塑料的绝缘性可与陶瓷、橡胶相当。是电机、电和无线电、电子工业中不可缺少的绝缘材料。如用于制作开关、插头、接线板和电视机外壳等。

5、减磨、耐磨性好：塑料的HB比金属低，但减磨、耐磨性能却大大优于金

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属。因为塑料的摩擦系数都很小，因此塑料可制作轴承、凸轮、齿轮、活塞环和密封圈等，以及在少油、无油润滑的条件下工作的零件。

6、易成型加工：所有塑料的成型加工都比较容易，且方法简单，生产率高。 7、热性能低：塑料的耐热性能不高，大多数塑料只能在100℃以下工作。并且导热性差，仅为金属的1/5000。热膨胀系数很大，为金属的3～10倍，还有易老化等。

四、塑料的成型

1、挤压成型：是热塑性塑料最主要的成型方法，也是所有成型方法中产量最大的一种。挤压法适宜于生产连续的型材，如板才材、薄膜等。

2、注射成型：主要用于热塑性塑料的成型。一个模塑周期只有几秒钟，生产效率高，适用

于大批量生产。它只有自动化程度高，制品尺寸精确等特点。可塑制形状复杂和带多层镶嵌件的塑料制品，如：电视机外壳、塑料泵体等。

3、吹塑成型：只适用于热塑性塑料的成型。广泛用于制作瓶、罐、筒和其它薄壁空心塑料制品。 4、压制成型：

①模压法：将塑料粉末在模具中压制成型。

②层压法：将薄片材料（纸张、棉布等）浸以树脂，一张叠放。然后加热、

加压、树脂

固化、互相粘结成塑料层压板。

5、浇铸成型：适用于热塑性和热固性塑料。此法生产效率不高，但设备简单，主要适用于生产尺寸较大的成型件。 五、塑料制品的加工

塑料和金属材料一样，也可在机床上进行车、铣、刨、磨等。塑料的导热性差，弹性大、加工时容易引起工件变形、开裂。所以，切削时要充分冷却、工件不宜夹持过紧。为了获得较细的表面粗糙度、切削速度等。 六、

1、工程塑料：（见表9—1）

2、合成橡胶：用石油、天然气、煤为原料，通过有机合成方法制成单件，经过聚合反应，制成类似天然橡胶的高分子材料称为—合成橡胶。合成橡胶分为：通用橡胶与特种橡胶两类。（见表9—3）

§9—3陶瓷

一、陶瓷的分类

陶瓷是一种无机非金属固体材料，机械工程中它主要作为结构材料和工具材料。

1、普通陶瓷（传统陶瓷）：是以天然的原料（粘土、长石、石英等）经过原料加工→成型

→高温烧结而形成的无机固体材料。例如：日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷和多孔陶瓷（隔热保温用）等。 2、特种陶瓷（近代陶瓷）：采用纯度较高的人工合成原料（如氧化铝、碳化硅、氮化硅等），并采用普通陶瓷的成型、高温烧结工艺而制成的新陶瓷品种。这种陶瓷具有各种独特的力学、物理或化学性能，可满足各种工程结构的特殊需要。例如：电容陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷、电光陶瓷和高温陶瓷等。

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二、陶瓷的结构：

1、晶体相：它是陶瓷的主要组成部分，决定陶瓷的主要性能。组成陶瓷晶体相的通常有氧化物和氮化物等。陶瓷一般也是多晶体，细化晶粒可改善陶瓷的性能。 2、玻璃相：它是陶瓷烧结时而形成的晶态物质，T熔较低，结构疏松，使陶瓷的耐热性和电绝缘性降低。因此，常将含量控制在20％～40％以内。它的主要作用是粘结分散的晶体，抑制晶粒长大。

3、气相：它是陶瓷中的气孔，占陶瓷体积5％～10％，分布在玻璃相、晶界、晶粒内部，使组织致密度降低，降低бb和降低抗电击穿能力，使陶瓷脆性增大。因此，应严格控制气孔的大小、数量，并使其分布均匀。 三、陶瓷的性能： 1、力学性能：

①бb：由于陶瓷内部有大量的气孔，所以其бb低。但在受压时，气孔不会导致裂纹扩展，故бbc高。

②硬度：在各种材料中陶瓷硬度最高，其硬度一般都在1500HV以上，而淬火钢为500～800HV，高聚物一般＜20HV。

③E：陶瓷的E值极高，是所有工程材料中最高的。使弹性变形离低，陶瓷受力后有极小的弹性变形。

④δ：陶瓷在室温下几乎没有δ，其破坏形式完全是脆性断裂。这是陶瓷材料最主要的缺点。

因为陶瓷质脆，所以其很小，而脆性很大。

⑤αk：因为陶瓷质脆，所以其αk很小，而脆性很大。 2、热性能：陶瓷的T熔一般比金属高（2000℃以上），而且具有优于金属的高温бb。在1000℃以上，多数金属已丧失бb，但陶瓷却仍然能保持一定的бb，并且在＞1000℃的高温下，也不会被氧化。因此，陶瓷是工程上常用的耐高温材料。陶瓷的热膨胀系数和导热系数都低于金属。急冷急热～陶瓷的抗热振性能比较差，当温度急剧变化时，易产生开裂。

3、电性能：大多数陶瓷都具有较好的绝缘性能，是传统的绝缘材料，如电瓷。有的陶瓷具有各种特殊性电能，如：压电陶瓷、磁性陶瓷等。

4、光性能：新发展的透明陶瓷已应用于灯管、透明窥窗片及光学仪四方面。 5、化学性能：陶瓷的组织结构非常稳定，不与介质中的氧发生作用，在室温、高温（＞1000℃）都不会发生氧化。对酸、碱、盐有很强的抵抗能力。 四、常用的陶瓷材料

1、普通陶瓷：这类陶瓷种类多，产量大、成本低、应用广。但耐高温性能比其它陶瓷低，一般只能承受1200℃高温。工业上用的比较多的是电绝缘陶瓷和耐酸、碱要求不高的化工陶瓷。

2、特种陶瓷：特种陶瓷继承了普通陶瓷的优点，（耐高温、耐腐蚀、HV高、耐磨、电绝缘性好、бbc高等）而且具有某些优异的物理性能和力学性能。 例如：①氧化铝（Al2O3）陶瓷：可耐1700℃高温，能制成耐高温的坩埚。 ②碳化硅（SiC）陶瓷：能耐1500℃的高温。在高温下有相当高的бb，耐磨性和耐腐蚀性。用来制造汽飞机发动机的零件，能大幅度的提高发动机的性能。 ③氮化硅（Si3N4）陶瓷：有接近金刚石的HV，是比硬质合金更优良的刀具材料。 3、还有一类～金属陶瓷：它是金属与陶瓷组成的复合材料。具有高的бb、高的αk、耐高温、耐蚀的特点。金属陶瓷作为工具材料和耐高温、耐蚀材料，广泛应用于机床刀具、航空涡轮喷气发动机、汽车发动机等。

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§9—4复合材料

一、概述

随着现代科学技术的发展，单一材料已无法满足工业生产的全面需要。因此，人工复合材料以其无比的优越性得到迅猛发展。

复合材料～是由两种或两种以上性质不同的材料经人工合成的新的固体材料。其中一种作为基体，是连续分布，起粘和作用。另一种为增强材料，虽分散状态，可提高бb和αk。

复合材料可以改善或克服单一材料的弱点，充分发挥其优点，并能得到单一材料不具备的性能和功能。

例1：混凝土性脆，但有较高的бbc（抗压），钢筋强韧又有较高的бb。为使性能上取长补短，人工制成了钢筋混凝土（预制板）复合材料。

例2：玻璃和树脂的бb、αk都不高，但它们组成的复合和材料（玻璃钢）却有很高的бb和αk，而且重量轻。 二、复合材料的分类： 1、按基体类型分类：

①金属基：例如纤维增强金属（Al、Mg、Ti、Ni、Sn）； ②非金属基体：例如纤维增强塑料，橡胶、轮胎等。 2、按增强材料的形态分类：

①纤维增强复合材料；②颗粒增强复合材料；③层叠增强复合材料。 三、复合材料的性能

复合材料的出现是现代材料技术的一个突破。有科学家预计，21世纪将是复合材料的时代。

1、比强度和比模量高（бb/γ高、E/γ高）

纤维增强复合材料的бb/γ、E/γ是各类固体材料中最高的。例如：碳纤维和环氧树脂组成的复合材料其бb/γ是钢的8倍，E/γ比钢大3倍。因此，复合材料特别适宜制作要求重量轻而бb高、钢度（E）高的高速运转零件。因此复合材料早在70年代已应用在飞机的重要构件方面。 2、抗疲劳性好（б-1高）

特别是纤维增强的复合材料尤为突出。纤维对裂纹的扩展有很大的阻力，使构件的抗疲劳性大大增加，寿命也可延长。所以，复合材料的б-1一般都比金属材料高。例如：碳纤维+聚酯树脂复合材料的б-1是其бb的70％～80％，而大多数金属的б-1只有其бb的1/2。 3、高温性能好

一般铝合金在400～500℃时，其E值将大幅度降低，并接近于零，бb也显著降低。但用C纤维+Al或B纤维+Al增强的复合材料，在上述温度时，其E和бb基本不变。如果用W纤维+Co（或Ni）增强，可把使用温度提高到1000℃以上。

此外，因复合材料高温бb好，耐疲劳性能好，所以热稳定性也好。 4、减振性能好

由于复合材料的E/γ高，故具有高的自振频率。构件在承受载荷时可以吸振，使振动很快衰减，所以减振性能好。 5、断裂安全性高

纤维增强复合材料纤维密度大，每平方厘米截面上有上万根细纤维，当工件

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一旦过载会使其部分纤维断裂，但载荷会很快分配到其它未断的纤维上，使整个构件在短期内不会失去承载能力，发生突然断裂，所以工件安全性高。 四、常用复合材料 1、纤维增强复合材料

①玻璃纤维增强复合材料（玻璃钢）

玻璃纤维加热塑性树脂～热塑性玻璃钢，бb、бbb、бbc、E、抗蠕变性均高，αk也比较高。

玻璃纤维加热固性树脂～热固性玻璃钢，бb、бbb、бbc、αk都比较高，脆性小（成型困难）。

②C碳纤维增强复合材料

C碳纤维+树脂（环氧树脂、酚醛树脂），бb/γ、E/γ高、热膨胀系数小，摩擦磨损小、自润滑性好。在航空、宇航、原子能等工业中用于压出机叶片，发动机壳体、轴瓦等。

③B纤维增强复合材料

B纤维+环氧树脂，бb/γ高，用于飞机、火箭结构件、可减轻重量25～40％。 2、层叠增强复合材料

层叠增强复合材料是由两层或两层以上不同材料复合而成。可使бb、E、耐磨性、耐蚀性、绝热、隔声、减轻自重等性能分别得到改善。 ①双层金属复合材料

这种材料是将性能不同的两种金属用胶合等方法复合在一起，以满足某种性能要求的材料。例如：我国生产的不锈钢——碳素钢复合钢板，合金钢——碳钢复合钢板等。就是典型的层叠复合材料。 ②塑料～金属多层复合材料

例如：有一种自润滑的三层复合材料，以钢为基体+多孔性青铜为中间层加塑料为表面层，这种材料的物理、力学性能主要取决于基体，而摩擦、磨损性能主要取决于塑料多孔性青铜是使三层之间牢固地结合。这种复合材料比单一的塑料承载能力高20倍，导热系数高50倍，热膨胀系数小到75％，从而改善了尺寸稳定性。可用作高载荷、高温和无润滑条件的各种轴承。目前已用于汽车、矿山机械、化工机械等部门。 ③双层结构复合材料

它是由两层薄而强的面板（或称蒙皮），中间夹着一层轻而弱的芯子组成。 面板：由бb高、бbc高、E高的材料组成（如金属、玻璃钢等）。 芯子：常用塑料、木屑、石棉等构成。

面板与芯子可用胶粘剂胶接。双层结构的特点是：γ小，减轻了构件自重；有较高的钢度和抗压稳定性，可以得到绝热、隔声、绝缘等必需的性能。双层结构复合材料已用于飞机上的天线罩隔板、机翼以及火车车厢等方面。 3、颗粒增强复合材料

颗粒增强复合材料是由一种或多种材料的颗粒均匀分散在基体材料内组成的复合材料。例如：经弥散强化的金属材料就是一种颗粒复合材料。颗粒复合材料的增强原理是利用增强颗粒高度弥散地分布在基体中，阻止基体塑性变形，达到高бb的效果。

第十章 选材

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