第1章 機械工程材料

1、第一章 機械工程材料 1.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 1.1.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1.晶體的基本概念:固態(tài)物質(zhì)按其原子排列的特征，可分為晶體和非晶體兩種。非晶體的原子在空間呈短程有序排列，晶體的原子是長程有規(guī)則地、按一定幾何形狀排列的. 1.1.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)(續(xù)) 2. 2. 常見的金屬晶格類型常見的金屬晶格類型 :體心立方晶格,面心立方晶格,密排六方晶格.3. 3. 金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)單晶體、多晶體、晶粒與 晶界的概念。112 金屬的結(jié)晶 1. 1. 冷卻曲線冷卻曲線 2. 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 純鐵的冷卻曲線 FeFeFeCC 009121

2、394同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變實質(zhì)上也是一種結(jié)晶過程，同樣遵循結(jié)晶的基本規(guī)律，因而稱為二次結(jié)晶。 1.1.3晶體缺陷 點缺陷 線缺陷 面缺陷 每一種晶體缺陷，都會使缺陷處的晶格產(chǎn)生畸變。晶格畸變使晶體塑性變形抗力增大，導(dǎo)致金屬材料強度和硬度提高。 1.2 鐵碳合金平衡圖 1.2.1合金的相結(jié)構(gòu) 1. 1. 合金的基本概念合金的基本概念 ：合金是由兩種或兩種以上的金屬元素（或金屬與非金屬元素）組成的具有金屬特性的物質(zhì)。組成合金的最基本的、獨立的物質(zhì)稱為組元組元。由兩個組元組成的合金稱為二元合金。由若干給定組元可以配制成一系列成分不同的合金，構(gòu)成一個合金系。在金屬或合金中，凡是成分相同、結(jié)構(gòu)相同，具有相同的物

3、理和化學性能，并與該系統(tǒng)其它部分有界面分開的物質(zhì)部分，稱為相。 2 2 合金的相結(jié)構(gòu)：固溶體合金的相結(jié)構(gòu)：固溶體 ，金屬，金屬化合物化合物 1.2.2合金的組織 將金屬或合金制成金相試樣，借助于金相顯微鏡，看到的試樣內(nèi)部各組成相晶粒的大小、方向、形狀、排列狀況等的構(gòu)造情況，稱為顯微組織，通常簡稱為組織。 組織是決定金屬材料性能的主要因素。 1.2.3鐵碳合金的基本組織 1. 1. 鐵素體鐵素體 ： 鐵素體是碳溶于-Fe所形成的間隙固溶體，用符號F表示 2. 2. 奧氏體：奧氏體：奧氏體是碳溶于-Fe所形成的間隙固溶體用符號A表示 3. 3. 滲碳體：滲碳體：滲碳體是鐵和碳所形成的具有復(fù)雜晶體結(jié)

4、構(gòu)的金屬化合物，用其分子式Fe3C表示。4. 4. 珠光體：珠光體：珠光體是由鐵素體和滲碳體組成的機械混合物，用符號P表示。 5. 5. 萊氏體：萊氏體：萊氏體是奧氏體和滲碳體組成的機械混合物，用符號Ld表示。 1.2.4 Fe- Fe3C平衡圖 鐵碳合金平衡圖是表示在極其緩慢的加熱或冷卻條件下，不同成分的鐵碳合金，在不同的溫度下所具有的狀態(tài)或組織的圖形，因此也稱為狀態(tài)圖。 1. Fe- Fe3C1. Fe- Fe3C平衡圖的分析平衡圖的分析 1）ACD線液相線 2）AECF線固相線 3）ECF線共晶線 4）GS線A3線 5）ES線Acm線6) PSK線共析線，又稱A1線。 1.2.4 Fe-

5、 Fe3C平衡圖（續(xù)）2. 2. 鐵碳合金的分類鐵碳合金的分類 （1） 工業(yè)純鐵：工業(yè)純鐵成分小于P點成分。 （2） 鋼。鋼的成分在P點和E點之間。鋼分為低碳鋼（wc0.25%）、中碳鋼（wc在0.25%0.6%）和高碳鋼（wc0.6%）。（3） 白口鐵。白口鐵的成分大于E點成分。 3.3.鋼的結(jié)晶過程和組織轉(zhuǎn)變鋼的結(jié)晶過程和組織轉(zhuǎn)變 （1）鋼的結(jié)晶過程。 （2）鋼的組織轉(zhuǎn)變：1) 共析鋼的組織轉(zhuǎn)變。 2) 亞共析鋼的組織轉(zhuǎn)變。 3）過共析鋼的組織轉(zhuǎn)變。 1.2.5 鋼的成分、組織、性能之間的關(guān)系 鋼的成分、組織、性能之間有著密切的關(guān)系。隨著碳的質(zhì)量分數(shù)的增加，亞共析鋼中珠光體增多，鐵素體減少

6、，因而鋼的強度、硬度上升，塑性、韌性相應(yīng)下降。共析鋼全部由珠光體組成，故強度、硬度比亞共析鋼高，塑性、韌性則較低。過共析鋼隨著碳的質(zhì)量分數(shù)的增加，珠光體減少，二次滲碳體增多，因而硬度升高，塑性、韌性下降；少量的二次滲碳體能使強度繼續(xù)升高，而網(wǎng)狀滲碳體由于削弱了晶粒間的結(jié)合力，使強度迅速下降。 1.3 碳素鋼 碳素鋼簡稱碳鋼，是指wc2.11%并含少量硅、錳、磷、硫等雜質(zhì)元素的鐵碳合金。 1.3.1雜質(zhì)元素的影響 (1)硅、錳的影響 ，(2)磷的影響 ，(3)硫的影響 1.3.2 碳素鋼的分類 (1)按用途分類：1)碳素結(jié)構(gòu)鋼。主要用于制造工程結(jié)構(gòu)件和機械零件，一般wc在0.250.6%之間。2

7、)碳素工具鋼。主要用來制造各種工具，一般wc0.6%。(2)按質(zhì)量分類：1)普通碳素鋼：wP 0.05% ，wS0.045%，2)優(yōu)質(zhì)碳素鋼：wP 0.035% ，wS0.035%；3)高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼：wP 0.030% ，wS0.030%(3)按鋼水脫氧程度又可分為：鎮(zhèn)靜鋼，脫氧較完全，成分和性能較均勻，組織致密，應(yīng)用廣泛；沸騰鋼，脫氧不完全，成分不均勻，但成本較低；半鎮(zhèn)靜鋼，脫氧程度介于以上兩種鋼之間。 1.3.3 碳素鋼的牌號、性能和用途 1. 1. 碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼 ：碳素結(jié)構(gòu)鋼中所含有害雜質(zhì)硫、磷及非金屬夾雜物較多，力學性能不高。碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表屈服點的字母Q、屈服點強度值

8、、質(zhì)量等級符號和脫氧方法符號四部分依次組成。沸騰鋼用F表示；半鎮(zhèn)靜鋼用b表示；鎮(zhèn)靜鋼用Z表示，但在牌號中省略不標。如牌號Q235-AF表示屈服點s235MPa ，質(zhì)量等級為A的碳素結(jié)構(gòu)沸騰鋼。表1-2列出了碳素結(jié)構(gòu)鋼的性能和應(yīng)用。 2. 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中所含有害雜質(zhì)元素較少,力學性能較好,故廣泛用于制造較重要的機械零件。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼又包括普通錳的質(zhì)量分數(shù)鋼(wMn0.8%)和較高錳的質(zhì)量分數(shù)鋼（wMn0.71.2%）兩組。普通錳的質(zhì)量分數(shù)鋼的牌號用兩位數(shù)字表示，數(shù)字代表鋼中平均碳的質(zhì)量分數(shù)的萬分數(shù)；沸騰鋼需在數(shù)字后加字母F，鎮(zhèn)靜鋼不標注。較高錳的質(zhì)量分數(shù)鋼的牌

9、號用兩位數(shù)字后加錳元素符號表示。 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼一般都要經(jīng)過熱處理以提高其機械性能。常用鋼號、化學成分及正火后的力學性能見表1-3。如：08F，20，45，65Mn。1.3.3 碳素鋼的牌號、性能和用途（續(xù)）3. 碳素工具鋼：碳素工具鋼：碳素工具鋼都是高碳鋼，具有高的硬度、耐磨性，主要用來制造刀具、模具、量具。按質(zhì)量分，碳素工具鋼有優(yōu)質(zhì)和高級優(yōu)質(zhì)兩種。優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼的牌號用字母T和數(shù)字表示，數(shù)字表示平均碳的質(zhì)量的千分數(shù)。高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼的牌號則在上述鋼號后加字母A。常用碳素工具鋼的牌號、成分、性能和用途見表1-4所示。如T8，T12。4. 碳素鑄鋼碳素鑄鋼 有些機械零件，例如水壓機橫梁、軋鋼

10、機機架、重載大齒輪等，因形狀復(fù)雜，難以用鍛壓方法成型，又因力學性能要求較高，鑄鐵無法滿足，故采用鑄鋼件。碳素鑄鋼的牌號用字母ZG和兩組數(shù)字表示，第一組數(shù)字表示鋼的最低屈服強度，第二組數(shù)字表示最低抗拉強度。常用碳素鑄鋼的牌號、碳的質(zhì)量分數(shù)、力學性能和應(yīng)用見表1-5。如：ZG200-400，ZG340-640 14 鋼的熱處理 鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下進行加熱、保溫和冷卻，以改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的一種工藝方法。在機械制造中，多數(shù)零件都需進行熱處理，以改變金屬材料的性能，滿足零件的加工和使用要求。 1.4.1 鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變 在極其緩慢的加熱條件下，鋼的組織轉(zhuǎn)變按Fe-Fe3

11、C平衡圖進行，即共析鋼、亞共析鋼、過共析鋼分別加熱到臨界溫度A1、A3、Acm就能獲得單相奧氏體。但在實際生產(chǎn)中加熱速度比較快，相變的臨界溫度要高些，分別用Ac1、Ac3、Accm表示。因此，在實際加熱條件下，共析鋼要加熱到Ac1以上溫度才全部轉(zhuǎn)變成奧氏體；亞共析鋼加熱到Ac1以上，組織為鐵素體和珠光體，加熱到Ac3以上，組織為奧氏體；過共析鋼加熱到Ac1以上，為奧氏體和二次滲碳體，加熱到Accm以上，為奧氏體。 1. 1. 奧氏體的形成：奧氏體的形成：珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變是通過生核、長大的過程來完成的。2. 2. 奧氏體晶粒的長大奧氏體晶粒的長大 ：由于在鐵素體和滲碳體的交界面上產(chǎn)生的奧氏體

12、晶核很多，由珠光體開始轉(zhuǎn)變成的奧氏體晶?？偸潜容^細小的。但是，隨著加熱溫度的升高和保溫時間的延長，奧氏體晶粒會逐漸長大。 奧氏體晶粒的大小直接影響鋼冷卻后的組織和性能。一般來說，奧氏體晶粒越粗，冷卻后鋼的組織就越粗，鋼的力學性能就越差。因此，在實際生產(chǎn)時，必須控制好加熱溫度和保溫時間。 1.4.2 鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變 加熱得到的奧氏體，在冷卻過程中會發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。在實際生產(chǎn)中冷卻速度比較快，奧氏體要在A1以下的溫度才發(fā)生轉(zhuǎn)變。A1以下暫時存在的奧氏體是不穩(wěn)定相，稱為過冷奧氏體。過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變方式有等溫轉(zhuǎn)變和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變兩種。 1.4.2 鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變（續(xù)）1. 1. 過冷奧氏體的等

13、溫轉(zhuǎn)變過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 （1） 過冷奧氏體的高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：過冷奧氏體在A1550范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷剞D(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體。在A1650范圍內(nèi)等溫轉(zhuǎn)變得到粗片狀珠光體，硬度約20HRC。在650600范圍內(nèi)等溫轉(zhuǎn)變得到細片狀珠光體，稱為索氏體，用符號S表示，硬度約30HRC。在600550范圍內(nèi)等溫轉(zhuǎn)變得到極細片狀珠光體，稱為托氏體，用符號T表示，硬度約40HRC。 （2） 過冷奧氏體的中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。過冷奧氏體在550MS范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)變?yōu)橹袦剞D(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為貝氏體。貝氏體由鐵素體和非片層狀碳化物組成。 1.4.2 鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變（續(xù)）1. 1. 過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變（

14、2） 過冷奧氏體的中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。在550350范圍內(nèi)得到的是上貝氏體，用符號B上表示，其顯微組織為羽毛狀，如圖1-20a所示。上貝氏體的硬度約45HRC，強度和韌性都不高，生產(chǎn)上很少使用。在350MS范圍內(nèi)得到的是下貝氏體，用符號B下表示，其顯微組織為針狀，如圖1-20b所示。下貝氏體的硬度約55HRC，有較高的強度和韌性，生產(chǎn)上應(yīng)用較多。 1.4.2 鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變（續(xù)）2. 2. 過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 （1）連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。 v1相當于緩慢冷卻，組織為珠光體 。v2相當于空氣中冷卻，組織為索氏體 。v3相當于在油中冷卻，冷至室溫后得到的是托氏體與馬氏體的

15、混合組織，硬度為50HRC。v4、v5相當于在水中冷卻，組織為馬氏體， vk與C曲線相切，臨界冷卻速度。 （2）馬氏體轉(zhuǎn)變。當冷卻速度大于vk時，奧氏體很快被過冷到MS以下。 -Fe便轉(zhuǎn)變成-Fe，但由于轉(zhuǎn)變溫度低，碳原子已失去擴散能力，原來溶解在奧氏體中的碳便全部保留在-Fe中，形成碳在-Fe中的過飽和固溶體，稱為馬氏體，用符號M表示。 馬氏體的組織形態(tài)主要有板條狀和片狀（針狀）兩種。 馬氏體只有在MSMf范圍內(nèi)的連續(xù)冷卻過程中才能不斷形成，冷卻停止，轉(zhuǎn)變便終止。 1.4.3 鋼的退火與正火 1. 1. 退火：退火：將鋼加熱到適當?shù)臏囟?，保持一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝，稱為退火。常用

16、的退火方法有完全退火、球化退火、去應(yīng)力退火。 （1）完全退火。完全退火是將工件完全奧氏體化，保溫后緩慢冷卻，獲得接近平衡狀態(tài)組織的退火工藝。完全退火的目的是細化晶粒，提高鋼件的力學性能；消除內(nèi)應(yīng)力，防止鋼件變形；改善某些鋼的切削加工性能。 （2）球化退火。 球化退火是使鋼中碳化物球狀化的退火工藝。球化退火主要用于共析鋼和過共析鋼。其加熱溫度為Ac1 +（2030），保溫后緩慢冷卻，獲得球狀珠光體組織。 （3）去應(yīng)力退火。為了消除鑄造件、鍛壓件和焊接件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力而進行的退火工藝，稱為去應(yīng)力退火。去應(yīng)力退火通常將工件加熱到500650，保溫足夠時間后隨爐緩冷至200300，出爐空冷。由于加熱

17、溫度低于A1，鋼的組織不發(fā)生改變。2. 2. 正火：正火：將鋼加熱到Ac3或Accm以上4060，達到完全奧氏體化，然后在空氣中冷卻的工藝，稱為正火。正火的目的是細化晶粒、調(diào)整硬度、消除網(wǎng)狀滲碳體，為淬火、球化退火等作好組織準備。通過正火細化晶粒，鋼的韌性可顯著改善。對于低碳鋼，可提高硬度以改善切削加工性。 1.4.4 鋼的淬火與回火 1. 1. 淬火淬火 ：將鋼加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度，保持一定時間，然后以適當速度冷卻，獲得高硬度馬氏體或貝氏體組織的熱處理工藝，稱為淬火。 目的：提高各類零件或工具的力學性能，改善某些特殊鋼的性能。 （1）淬火加熱溫度。亞共析鋼的淬火加熱溫度一般為Ac

18、3+（3050）。如果加熱到Ac1Ac3之間，會降低淬火鋼的硬度。共析鋼和過共析鋼的淬火加熱溫度一般為Ac1+（3050）。若加熱溫度超過Accm，淬火后會獲得粗大的馬氏體，增加鋼的脆性，并且由于滲碳體的消失，使鋼的硬度及耐磨性降低。 （2）淬火冷卻。為了保證奧氏體能全部過冷到MS以下，淬火冷卻速度應(yīng)大于vk。 常用的淬火介質(zhì)是水和油。常用的淬火方法有單液淬火、雙介質(zhì)淬火、馬氏體分級淬火、貝氏體等溫淬火等， （3）鋼的淬透性。鋼的淬透性是指鋼在淬火時能夠獲得淬硬層深度的能力，也就是獲得馬氏體的能力。主要取決于鋼的臨界冷卻速度vk。 1.4.4 鋼的淬火與回火（續(xù)）2. 回火：鋼件淬硬后，再加熱

19、至Ac1點以下某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝，稱為回火。淬火鋼回火的目的是降低或消除淬火內(nèi)應(yīng)力，提高尺寸穩(wěn)定性，獲得所需的使用性能。 （1）淬火鋼在回火時組織性能的變化。 （2）回火的種類及應(yīng)用 1）低溫回火（回火溫度250。低溫回火所得組織為回火馬氏體。回火馬氏體是由過飽和度較低的馬氏體及其析出的碳化物組成。 2）中溫回火（回火溫度250500）。中溫回火得到的組織為回火托氏體。回火托氏體是鐵素體和細粒狀滲碳體的混合物，硬度為3550HRC。 3）高溫回火（回火溫度500600）。高溫回火得到回火索氏體組織?；鼗鹚魇象w是鐵素體和粒狀滲碳體的混合物，硬度一般為2035HRC

20、，具有良好的綜合力學性能。 1.4.5 鋼的表面淬火和化學熱處理 1. 表面淬火：表面淬火：表面淬火是僅對工件表面層進行淬火的熱處理工藝。 （1）感應(yīng)加熱表面淬火。生產(chǎn)上常用頻率為100500kHz的高頻電流來加熱工件，稱為高頻淬火。 （2）火焰加熱表面淬火?；鹧婕訜岜砻娲慊鹗抢醚?乙炔（或其它可燃氣）火焰，對零件表面進行加熱，然后淬火冷卻的工藝。2. 2. 化學熱處理化學熱處理 ：將金屬或合金工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入其表面層，以改變表面層的化學成分、組織和性能的熱處理工藝，稱為化學熱處理?；瘜W熱處理的過程，一般由分解、吸收、擴散三部分組成。常用的化學熱處理有滲

21、碳和滲氮等。 （1）滲碳。為了增加零件表面層的碳的質(zhì)量分數(shù)和形成一定的碳濃度梯度，將零件在滲碳介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入其表層的化學熱處理工藝，稱為滲碳。然后通過滲碳，把零件表面層的碳的質(zhì)量分數(shù)提高到0.85%1.05%，再進行淬火和低溫回火，使鋼表面層具有高的硬度和耐磨性。 2）滲氮。在一定溫度下（一般在Ac1以下溫度）使活性氮原子滲入工件表面層的化學熱處理工藝，稱為滲氮。常用的滲氮方法為氣體氮化。 15 合金鋼 為了提高鋼的性能，在鋼中加入一定量的合金元素，這就是合金鋼。合金元素則是在冶煉時為了改善鋼的性能或使之具有某些特殊性能而有意加入的元素。常見的合金元素有硅(wsi0.5)、錳（

22、wMn0.8）、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、鋁、硼和稀土（RE）等1.5.1元素在鋼中的作用元素在鋼中的作用 1.形成合金鐵素體：大多數(shù)合金元素都能溶入鐵素體，形成含合金元素的鐵素體。 2. 形成合金碳化物：有些合金元素能與碳形成合金碳化物。它們與碳的親和力有強弱之分，從強到弱依次排列為鈦、鈮、釩、鎢、鉬、鉻、錳、鐵。 3. 提高共析溫度并使S、E點左移：鋼中加入的合金元素除錳、鎳外，均使S點上升。這就意味著大多數(shù)合金鋼的熱處理溫度要比相同碳的質(zhì)量分數(shù)的碳鋼高一些。合金元素均能使鋼中的S、E點成分左移，所以，共析鋼中的碳的質(zhì)量分數(shù)就不是0.77%，而是小于0.77%，而出現(xiàn)共晶組織的最低碳的質(zhì)量分

23、數(shù)也不再是2.11%，而是小于2.11%了。 4. 細化晶粒：大多數(shù)合金元素（錳除外）在加熱時能細化奧氏體晶粒，尤其是釩、鈮、鈦等強碳化物的形成元素，能使鋼在較高的溫度下仍保持細小的晶粒。 5. 提高淬透性：除鈷以外的大多數(shù)合金元素溶入奧氏體后，能使鋼的C曲線右移，vK減小，從而提高鋼的淬透性。 6. 提高耐回火性：淬火鋼在回火時抵抗軟化的能力稱為耐回火性。在相同的溫度下回火，硬度下降較低的鋼，耐回火性就好。合金元素可阻礙馬氏體的分解，阻礙碳化物的聚集長大，提高鋼的耐回火性 1.5.2 合金鋼的分類和牌號表示方法 1. 1. 合金鋼的分類合金鋼的分類 ：(1)按用途分類 ：1）合金結(jié)構(gòu)鋼。主要

24、用于制造重要的機械零件和工程結(jié)構(gòu)件。2）合金工具鋼。主要用于重要的刀具量具和模具等。3） 特殊鋼。用于有特殊性能要求的零件。 (2) 按合金元素總的質(zhì)量分數(shù)分類1）低合金鋼。合金元素總的質(zhì)量分數(shù)小于5。2）中合金鋼。合金元素總的質(zhì)量分數(shù)為510%。3）高合金鋼。合金元素總的質(zhì)量分數(shù)大于10。 2. 2. 合金鋼的牌號表示方法合金鋼的牌號表示方法 ：我國合金鋼牌號用數(shù)字加化學元素符號加數(shù)字的方式表示。合金元素用化學元素符號表示。元素符號后面的數(shù)字表示該元素平均質(zhì)量的百分數(shù)，當該元素的平均質(zhì)量分數(shù)小于1.5時，一般不標數(shù)字。元素符號前面的數(shù)字表示鋼中碳的平均質(zhì)量分數(shù)。合金結(jié)構(gòu)鋼用兩位數(shù)字表示碳的平

25、均質(zhì)量的萬分數(shù)。對于合金工具鋼，當碳的平均質(zhì)量分數(shù)小于1時，用一位數(shù)字表示碳的平均質(zhì)量的千分數(shù)；當碳的平均質(zhì)量分數(shù)大于或等于1時，則不標數(shù)字。特殊鋼碳的平均質(zhì)量分數(shù)的表示方法與合金工具鋼基本相同。 1.5.3 合金結(jié)構(gòu)鋼 1. 1. 低合金結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼 ：低合金結(jié)構(gòu)鋼用來制造較重要的工程結(jié)構(gòu)。這類鋼碳的質(zhì)量分數(shù)不大于0.20%，以保證其良好的塑性、韌性和焊接性能。 2. 2. 合金滲碳鋼合金滲碳鋼 ：合金滲碳鋼用來制造截面尺寸大且受較強烈的沖擊力和磨損的條件下工作的滲碳零件，其碳的質(zhì)量分數(shù)一般在0.10.25%之間，以保證零件心部的韌性。 20Cr、20CrMnTi鋼是常用的合金滲碳鋼。

26、 3. 3. 合金調(diào)質(zhì)鋼合金調(diào)質(zhì)鋼 ：合金調(diào)質(zhì)鋼常用于制造要求綜合力學性能良好的各種零件。合金調(diào)質(zhì)鋼碳的質(zhì)量分數(shù)一般在0.25%0.5之間，以保證其具有足夠的強度和韌性。主加合金元素為鉻、鎳、硅、錳、硼，以提高淬透性和耐回火性，并起固溶強化作用。如40Cr、40MnVB鋼是常用的合金調(diào)質(zhì)鋼，其淬透性與力學性能比45鋼高。4. 4. 合金彈簧鋼合金彈簧鋼 ：合金彈簧鋼常用來制造尺寸較大、性能要求較高的彈性零件。它的碳的質(zhì)量分數(shù)一般為0.50.7，以保證高的強度和彈性極限；常加的合金元素是硅、錳 。如60Si2Mn鋼是常用的合金彈簧鋼 。5. 5. 滾動軸承鋼滾動軸承鋼 ：滾動軸承鋼碳的質(zhì)量分數(shù)為

27、0.95%1.15%，以保證高的硬度和耐磨性。其主加元素是鉻，質(zhì)量分數(shù)在0.41.65之間，作用是提高鋼的淬透性，并形成細小而均勻分布的碳化物，提高鋼的耐磨性和抗疲勞性。如GCrl5鋼是最常用的滾動軸承鋼。1.5.4 合金工具鋼 1. 1. 合金刃具鋼合金刃具鋼 ：刃具如車刀、銑刀、鉆頭、絲錐、板牙等，在工作中應(yīng)具備高的硬度和耐磨性以及一定的強度和韌性。常用的刃具鋼有碳素工具鋼、低合金工具鋼和高速工具鋼。 (1)低合金工具鋼。低合金工具鋼碳的質(zhì)量分數(shù)在0.75%1.50之間，以保證鋼的高硬度并形成足夠的合金碳化物。常用的低合金工具鋼有9SiCr鋼和CrWMn鋼。 (2)高速鋼。常用高速鋼碳的質(zhì)

28、量分數(shù)為0.70.9，并含有大量的鉻、鉬、鎢、釩等元素。鉻的作用是提高淬透性，鉬、鎢、釩則提高熱硬性以及細化晶粒。高速鋼的主要優(yōu)點是熱硬性高，在600時仍保持高的硬度和耐磨性。另外，高速鋼還具有很高的淬透性，空冷即能淬硬。常用的高速鋼有W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2。 2. 2. 合金模具鋼：合金模具鋼：模具鋼可分為冷作模具鋼和熱作模具鋼兩類。 (1) 冷作模具鋼。冷作模具是在冷態(tài)下使金屬材料產(chǎn)生塑性變形的模具，如落料模、彎曲模、冷鐓模等，這類模具要求有高的硬度和耐磨性，較高的強度和一定的韌性。常用的冷作模具鋼有碳素工具鋼、低合金工具鋼和高碳高鉻工具鋼。高碳高鉻工具鋼常用牌號有Cr12和

29、Cr12MoV。Cr12鋼碳的質(zhì)量分數(shù)高達2.02.3，耐磨性很高。Cr12MoV鋼碳的質(zhì)量分數(shù)為1.41.7 。(2) 熱作模具鋼。熱作模具是使金屬在高溫下成形的模具，如熱鍛模、熱擠模、壓鑄模等。這類模具是在反復(fù)受熱和冷卻下工作的，應(yīng)具備良好的高溫力學性能，即在高溫下能保持高的強度、韌性和足夠的耐磨性。如5CrMnMo 3. 3. 合金量具鋼合金量具鋼 ：尺寸小、精度不高、形狀簡單的量具常用碳素工具鋼制造。精度高、形狀復(fù)雜、要求淬火變形小的量具，常用低合金工具鋼和滾動軸承鋼制造。 1.5.5 特殊鋼 特殊鋼是具有特殊的物理、化學和力學性能的鋼，如不銹鋼、耐磨鋼等 。1. 1. 不銹鋼不銹鋼

30、：在腐蝕介質(zhì)中具有較高抗腐蝕能力的鋼，稱為不銹鋼。常用的不銹鋼有鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼。 (1) 鉻不銹鋼。常用的鉻不銹鋼有1Cr13、2Cr13、3Cr13、7Cr17。鉻在鋼中的作用是提高耐腐蝕性，碳的作用是提高強度、硬度，但會降低耐蝕性。 (2) 鉻鎳不銹鋼。常見的鉻鎳不銹鋼有：1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti。由于加入鎳，鋼經(jīng)固溶處理后具有單相奧氏體組織，因而耐蝕性更好。這類鋼還具有良好的塑性、韌性和焊接性能。 2. 2. 耐磨鋼耐磨鋼 ：耐磨鋼用來制造在強烈沖擊和嚴重磨損條件下工作的零件，如拖拉機履帶、鐵路道叉、挖掘機的鏟齒等。典型的耐磨鋼是ZGMn13。其wc =0.91.5，

31、wMn=1114%。這種鋼經(jīng)水韌處理（淬火）后為單相奧氏體，硬度不高，塑性、韌性良好；當受到劇烈沖擊和摩擦時，表面層因產(chǎn)生塑性變形而迅速強化，得到高的硬度（大于50HRC）和耐磨性，而心部仍保持奧氏體狀態(tài)，能承受沖擊；當舊的表面磨損后，露出的新表面又可繼續(xù)得到強化。 1.6 鑄鐵 鑄鐵是wc 2.11并含有較多硅、錳、磷、硫等元素的鐵碳合金。鑄鐵可分為白口鑄鐵、灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵等幾種。 1.6.1 鑄鐵的石墨化鑄鐵的石墨化 鑄鐵中的碳原子析出并形成石墨的過程稱為鑄鐵的石墨化。鑄鐵中的石墨可由液體或奧氏體中析出，也可由滲碳體分解得到。1.1.化學成分的影響：化學成分的影響：碳和硅是強烈

32、促進石墨化的元素，碳和硅的質(zhì)量分數(shù)越高，石墨化越易進行。磷對石墨化稍有促進作用。硫是強烈阻礙石墨化的元素，還會降低鐵水的流動性，應(yīng)限制其質(zhì)量分數(shù)。錳雖阻礙石墨化，但能減輕硫的有害作用，可在鑄鐵中保持一定的質(zhì)量分數(shù)。2. 2. 冷卻速度的影響：冷卻速度的影響：鑄件的冷卻速度對其石墨化的影響也很大。冷卻速度越慢，原子擴散時間越充分，越有利于石墨化的進行。鑄件的冷卻速度與澆注速度、鑄件壁厚和鑄型材料的導(dǎo)熱性等因素有關(guān) 1.6.2 灰鑄鐵灰鑄鐵 碳大部或全部以片狀石墨形式出現(xiàn)的鑄鐵，因斷口呈灰色，稱為灰鑄鐵。 1. 1. 組織特點：灰鑄鐵的組織由金屬基體和片狀石墨組成。組織特點：灰鑄鐵的組織由金屬基體

33、和片狀石墨組成。2. 2. 性能特點：性能特點：灰鑄鐵的抗拉強度低，塑性、韌性很差。石墨的存在，也使灰鑄鐵獲得良好的耐磨性、抗震性、切削加工性和鑄造性能。3. 3. 常用熱處理常用熱處理 ：灰鑄鐵的常用熱處理是消除內(nèi)應(yīng)力退火。鑄件在冷卻過程中會產(chǎn)生鑄造內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致鑄件在加工和使用過程中產(chǎn)生變形。因此，有些形狀復(fù)雜的鑄件需進行消除內(nèi)應(yīng)力退火。退火工藝為：加熱溫度500550，保溫后緩冷至200出爐。這種退火又稱為人工時效。對于一些不急用的鑄鐵件，可在露天放置數(shù)月乃至更長時間，使內(nèi)應(yīng)力隨氣溫的反復(fù)變化而逐漸消除，稱為自然時效。 4. 4. 牌號：牌號：灰鑄鐵的牌號用字母HT加表示最低抗拉強度值的數(shù)

34、字表示?；诣T鐵的牌號、性能及主要用途見表1-6。如：HT100，HT200 1.6.3 球墨鑄鐵球墨鑄鐵 經(jīng)球化處理而使石墨大部分或全部呈球狀的鑄鐵，稱為球墨鑄鐵。 1. 1. 組織特點組織特點 ：球墨鑄鐵的組織由金屬基體和球狀石墨組成。球墨鑄鐵常見的金屬基體有鐵素體、鐵素體加珠光體、珠光體三種 。2. 2. 性能特點性能特點 ：球墨鑄鐵有較高的抗拉強度和疲勞極限，塑性、韌性也比灰鑄鐵高得多。此外，球墨鑄鐵的鑄造性能、耐磨性、消震性、切削加工性仍比鋼好。 3 . 3 . 常用熱處理常用熱處理 ：球墨鑄鐵常用的熱處理有退火、正火、調(diào)質(zhì)、等溫淬火。 4. 4. 牌號牌號 ：球墨鑄鐵的牌號用字母QT

35、和兩組數(shù)字組成，第一組數(shù)字表示最低抗拉強度，第二組數(shù)字表示最低斷后伸長率。球墨鑄鐵的牌號和力學性能見表1-7。 1.6.4 可鍛鑄鐵簡介可鍛鑄鐵簡介 可鍛鑄鐵通常是指將白口鑄鐵通過石墨化退火，獲得團絮狀石墨而具有較高韌性的鑄鐵。 可鍛鑄鐵的組織由鐵素體或珠光體基體和團絮狀石墨組成。 鐵素體可鍛鑄鐵又稱黑心可鍛鑄鐵，其牌號用字母KTH和兩組數(shù)字表示；珠光體可鍛鑄鐵的牌號用字母KTZ和兩組數(shù)字表示，第一組數(shù)字表示最低抗拉強度，第二組數(shù)字表示最低斷后伸長率。例如，KTH30006代表b300MPa、6的黑心可鍛鑄鐵。 1.7 有色金屬 鋼鐵材料通常稱為黑色金屬。黑色金屬以外的各種純金屬及合金，稱為有

36、色金屬。 1.7.1 鋁及鋁合金鋁及鋁合金 1. 1. 純鋁純鋁 ：純鋁的熔點為657，密度為2.72g/cm3，面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。純鋁有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性，在大氣中有良好的耐蝕性。 工業(yè)純鋁的代號為L1、L2、L6，數(shù)字表示編號，編號越大，純度越低。 2. 2. 鋁合金的分類鋁合金的分類 ：(1) 常用形變鋁合金 ：1）防銹鋁合金-防銹鋁合金主要指Al-Mg（Mn）合金，代號用字母LF加順序號表示。2）硬鋁合金。硬鋁合金主要指Al-Cu-Mg合金。代號用字母LY加順序號表示。 3）超硬鋁合金。超硬鋁合金是在硬鋁的基礎(chǔ)上加入鋅后形成的Al-Cu-Mg-Zn合金。代號用字母LC加順序

37、號表示。 4）鍛鋁合金。鍛鋁大多是Al-Cu-Mg-Si合金，經(jīng)固溶處理加人工時效，強度與硬鋁相當。代號用字母LD加順序號表示。 (2) 鑄造鋁合金。鑄造鋁合金可分為Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系四種。鑄造鋁合金的牌號用字母Z加鋁的元素符號加主要合金元素的化學符號加數(shù)字表示。合金元素符號后的數(shù)字表示該元素質(zhì)量的平均百分數(shù)。例如，ZAlSi9Mg表示硅的平均質(zhì)量分數(shù)為9%, 鎂的平均質(zhì)量分數(shù)小于1的鑄造鋁合金。1）鋁硅鑄造合金。 ZA1Sil2是典型的鋁硅合金，稱為簡單硅鋁明。 2）其它鑄造鋁合金。鋁銅合金有較高的耐熱性。其常用牌號為ZAICu5Mn， 鋁鎂合金有良好的耐

38、蝕性。其常用牌號為ZAlMg10， 鉛鋅合金鑄造性能好，強度高。其常用牌號為ZAIZn11Si7。 1.7.2 銅及銅合金銅及銅合金 1. 1. 純銅：純銅：純銅熔點為1083，密度為8.96g/cm3，面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。純銅有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，在大氣和淡水中有良好的耐蝕性。工業(yè)純銅的代號為T1、T2、T3、T4，數(shù)字代表序號，序號越大，純度越低。2 . 黃銅： 黃銅是以鋅作為主要合金元素的銅合金。按化學成分，黃銅可分為普通黃銅和特殊黃銅兩類。 (1) 普通黃銅。銅鋅二元合金稱為普通黃銅。當wZn32時，黃銅的組織為單相固溶體，稱為單相黃銅，合金的強度、塑性均隨含鋅量的增加而升高

39、；當wZn32時，組織中出現(xiàn)相，稱為雙相黃銅，硬脆的相使強度繼續(xù)升高，塑性迅速下降；當wZn45%后，組織全由相組成，強度、塑性急劇下降，脆性很大，已無實用價值。加工黃銅的代號用字母H加數(shù)字表示，數(shù)字表示平均含銅質(zhì)量的百分數(shù)。如H70。黃銅也能鑄造成形，ZCuZn38是典型的鑄造黃銅。(2) 特殊黃銅。如加入鉛，能改善切削加工性；加入錳、硅、鋁，能提高強度和耐蝕性。3. 3. 青銅青銅 ：青銅是指黃銅、白銅以外的銅合金。銅錫合金稱為錫青銅，其它青銅稱為特殊青銅。壓力加工青銅的代號用字母Q加主加元素符號加數(shù)字表示。數(shù)字依次表示主加元素和其它合金元素平均含量的質(zhì)量百分數(shù)。例如QSn4-3表示wSn

40、=4、wZn=3的壓力加工錫青銅。 (1) 錫青銅。錫青銅是以錫為主加元素的銅合金。 (2)特殊青銅 ：1）鈹青銅。鈹青銅是以鈹為主加元素的銅合金。 2）鋁青銅。鋁青銅是以鋁為主加元素的銅合金。常用代號有QA19-4、ZCuAl10Fe3等 1.8 硬質(zhì)合金和超硬刀具材料 1.8.1 硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金 硬質(zhì)合金是用一種或幾種難熔的金屬碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）與金屬粘結(jié)劑（Co、Ni、Mo等）在高壓下成型并在高溫下燒結(jié)而成的粉未冶金材料。 1. 1. 性能特點性能特點 ：硬質(zhì)合金具有很高的硬度、耐磨性和熱硬性。硬度可達8693HRA（相當于68HRC以上），熱硬性可達80010

41、00。用硬質(zhì)合金制成的刀具，切削速度比高速鋼高47倍，刀具壽命可提高幾倍到幾十倍。硬質(zhì)合金的缺點是抗彎強度低，韌性、抗振動和抗沖擊性能差。 2. 2. 硬質(zhì)合金的分類和牌號及應(yīng)用硬質(zhì)合金的分類和牌號及應(yīng)用 ： (1)長切削加工用硬質(zhì)合金 是以TiC、WC為基，以Co（Ni+Mo，Ni+Co）作為粘結(jié)劑的合金。其國家標準類別號用字母P加兩位數(shù)字表示，如P10、P20等。這類硬質(zhì)合金刀具適用于加工鋼、鑄鋼及可鍛鑄鐵等材料。 (2)長切削或短切削加工用硬質(zhì)合金 是以WC為基，以Co作為粘結(jié)劑添加少量的TiC（TaC，NbC）的合金。其國家標準類別號用字母M加兩位數(shù)字表示，如M10、M20等 。這類硬

42、質(zhì)合金刀具適用于加工鋼、鑄鋼、錳鋼、灰口鑄鐵、有色金屬及合金等。 (3)短切削加工用硬質(zhì)合金 是以WC為基，以Co作為粘結(jié)劑，或添加少量的TaC，NbC的合金。其國家標準類別號用字母K加兩位數(shù)字表示，如K01、K30等 。適用于加工鑄鐵、淬火鋼、有色金屬、塑料、玻璃、陶瓷等。詳見教材。1.8.2 超硬刀具材料 1. 1. 金剛石：金剛石：金剛石有極高的硬度，是自然界中最硬的材料，其顯微硬度可達10000HV，因而有極高的耐磨性。金剛石刃具能長期保持刃口的鋒利，切下很薄的切屑，這對于精密加工有重要的意義。金剛石的缺點是脆性極大，且在高溫下與鐵有很大的親和力，不能用于切削含鐵金屬。金剛石有天然和人

43、造之分。天然金剛石價格昂貴，用得較少。人造金剛石是由石墨在高溫、高壓及金屬觸媒的作用下轉(zhuǎn)化而成，主要用作磨料。 2. 2. 立方氮化硼（立方氮化硼（CBNCBN） ：立方氮化硼是在高溫高壓下由六方晶體的氮化硼（又稱白石墨）轉(zhuǎn)化而成。其硬度（顯微硬度為80009000HV）和耐磨性僅次于金剛石，耐熱性高達14001500，且不與鐵族金屬發(fā)生反應(yīng)。立方氮化硼可用作砂輪材料，或制成以硬質(zhì)合金為基體的復(fù)合刀片，用來精加工淬硬鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金、硬質(zhì)合金及其它難加工材料。 1.9 非金屬材料 1.9.1 高分子材料高分子材料 高分子材料是以高分子化合物為主要組成物的材料。 1. 1. 塑料塑料 :塑

44、料是高分子合成材料，以合成樹脂為基礎(chǔ)，加入添加劑制成。合成樹脂合成樹脂是塑料的主要組成部分，決定塑料的基本特性。添加劑添加劑主要包括填料、增塑劑、固化劑和穩(wěn)定劑等，以提高塑料的強度、可塑性和防止過早老化等。 塑料的特性塑料的特性 :密度小,耐腐蝕 ,絕緣性能良好 ,良好的減摩性和耐磨性。塑料的缺點是強度和剛度低；耐熱性差，大多數(shù)塑料只能在100以下使用；易老化等。 塑料的分類塑料的分類:塑料按應(yīng)用范圍可分為通用塑料和工程塑料兩類。塑料按加熱和冷卻后的表現(xiàn)可分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩類。 常用工程塑料有尼龍（聚酰胺PA）、ABS塑料（聚苯丁二烯丙烯腈共聚物）、聚甲基丙烯酸甲酯（有機玻璃PMMA

45、）、聚四氟乙烯（FTFE或F-4）等。 1.9.1 高分子材料高分子材料( (續(xù)續(xù)) )橡膠橡膠橡膠是一種具有高彈性的高分子材料。橡膠的組成橡膠的組成:生膠和配合劑。生膠是未加配合劑的天然膠或合成膠，是橡膠的主要成分。配合劑主要有硫化劑、填充劑、軟化劑、防老化劑等。其作用是增加橡膠的強度、塑性和耐磨性，防止橡膠老化，降低生產(chǎn)成本。 橡膠的性能橡膠的性能 :高彈性,較高的強度，良好的耐磨性、隔音性、絕緣性、阻尼特性及儲能能力等。因而橡膠廣泛用于彈性材料、密封材料、減震材料、防震材料和傳動材料，起著其他材料所無法替代的作用。 橡膠的分類橡膠的分類:按生膠來源，橡膠可分為天然橡膠和合成橡膠。按應(yīng)用范

46、圍，橡膠可分為通用橡膠和特種橡膠。通用橡膠用來制造通用的橡膠制品，特種橡膠用來制造有特殊要求的橡膠制品。通用橡膠有天然橡膠NR、丁苯橡膠SBR、順苯橡膠BR、氯丁橡膠CR、丁腈橡膠NBR，特種橡膠有聚氨酯橡膠UR、硅橡膠、氟橡膠FPR等 1.9.2 陶瓷陶瓷 陶瓷是將原料經(jīng)過坯料制備、成型、高溫燒結(jié)等工序制得的無機非金屬材料。陶瓷由于具有許多優(yōu)良的性能而應(yīng)用廣泛，與金屬、高分子材料一起，被稱為三大支柱材料。 陶瓷的性能陶瓷的性能: : (1)剛度大，硬度和抗壓強度高，韌性差。（2）良好的抗氧化性和耐酸、堿、鹽的能力。（3）熔點高，導(dǎo)熱性小，有高的熱硬性，優(yōu)良的隔熱性能。（4）大多數(shù)陶瓷有高的絕

47、緣性能。 陶瓷的分類陶瓷的分類: :陶瓷材料可分為普通陶瓷、工程陶瓷和金屬陶瓷三大類。普通陶瓷。是以粘土、長石、石英等天然硅酸鹽礦物為原料制成的陶瓷。又稱為傳統(tǒng)陶瓷。工程陶瓷。是采用高純度的人工合成原料(如氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物等)制成的具有各種獨特的物理、化學或力學性能的陶瓷，又稱現(xiàn)代陶瓷。金屬陶瓷。是由金屬和陶瓷組成的非均質(zhì)復(fù)合材料。 1.9.3 復(fù)合材料 由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料經(jīng)人工組合成的多相材料，稱為復(fù)合材料。復(fù)合材料由基體相和增強相組成?；w相起粘結(jié)作用，增強相起強化基體作用。 復(fù)合材料的性能特點復(fù)合材料的性能特點 :比強度和比模量大。比強度（強度密度）大，

48、可減小零件自重；比模量（彈性模量密度）大，可提高零件剛度?？蛊谛院?。碳纖維增強復(fù)合材料的疲勞極限可達其抗拉強度的7080%此外，復(fù)合材料還有良好的減振性、減摩性和耐磨性。 常用復(fù)合材料常用復(fù)合材料 :（1） 玻璃纖維增強復(fù)合材料。這類材料是以合成樹脂為基體相、玻璃纖維為增強相制成的，稱為玻璃鋼。 （2）碳纖維增強復(fù)合材料。這類材料通常是以碳纖維與環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚四氟乙烯樹脂等所組成， 1.10 功能材料及理想材料 1.10.1 功能材料 功能材料功能材料是指具有特殊的電、磁、光、熱、聲、力、化學性能和理化效應(yīng)的各種新材料，用以對信息和能量的感受、計測、傳導(dǎo)、輸運、屏蔽、絕緣、吸收、控制、記憶、存儲、顯示、發(fā)射、轉(zhuǎn)化和變換的目的。按材料的功能特點，按材料的功能特點，功能材料可分為力功能材料、聲功能材料、熱功能材料、光功能材料、電功能材料、磁功能材料、化學功能材料、核功能材料、生物醫(yī)學功能材料