BC第1章 工程材料

CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)緒論CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)鄭耀輝

沈陽航空航天大學國防重點實驗AD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)第一章工程材料

工程材料是人類社會賴以生存和發(fā)展重要物質(zhì)基礎(chǔ)工程材料的分類金屬材料、非金屬材料、復合材料現(xiàn)代機器以金屬材料為基礎(chǔ)使用性能滿足大多數(shù)要求工藝性好很少用純金屬，多用合金材料:性能決定了解金屬材料，有助于理解工藝方法的實質(zhì)合理選擇零件材料及其生產(chǎn)工藝材料的性能：以金屬材料的性能為例CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能使用性能：金屬材料在使用條件下所表現(xiàn)出來的性能。工藝性能：金屬材料從冶煉到成品的生產(chǎn)過程中，在各種加工條件下表現(xiàn)出來的性能。

CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能（1）物理性能使用性能

（2）化學性能（3）力學性能

（1）鑄造性（2）焊接性工藝性能（3）鍛壓性（4）切削加工性（5）熱處理性

CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能

（1）彈性（2）強度（3）塑性（4）硬度（5）韌性（6）疲勞強度力學性能一、靜力拉伸試驗CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能1.標準拉伸試樣a圓形l0/d0=10；l0/d0=5b板形2.應(yīng)力應(yīng)變的概念應(yīng)力σ：材料單位面積上承受的負荷σ=F/S應(yīng)變ε：材料單位長度上的伸長量ε=(l-l0)/l0CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能3.兩種基本變形(1)材料受外力作用時產(chǎn)生變形，當外力去除后恢復其原來形狀，這種隨外力消失而消失的變形，稱為彈性變形(2)材料在外力作用下產(chǎn)生永久的不可恢復的變形，稱為塑性變形4.低碳鋼拉伸各階段試樣的變化CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能二、力學性能1.彈性和剛度（1）彈性金屬材料受外力作用時產(chǎn)生變形。當外力去掉后能恢復其原來形狀的性能稱為彈性。彈性極限：σe

彈性變形階段CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能1.彈性和剛度（2）剛度材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比值E稱為彈性模量，單位為MPa。彈性模量E標志著材料抵抗彈性變形的能力，用以表示材料的剛度。剛度：E=σ/ε

彈性變形階段CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能2.強度

金屬材料抵抗外力引起的塑性變形和斷裂的能力

（1）屈服強度應(yīng)變增加而應(yīng)力不變的現(xiàn)象稱為屈服。屈服階段CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能金屬材料中只有低碳鋼和中碳鋼等少數(shù)金屬有屈服現(xiàn)象，大多數(shù)金屬沒用明顯的屈服點，因此對這些材料，規(guī)定已產(chǎn)生0.2%塑性變形的應(yīng)力稱為條件屈服強度σ0.2屈服強度—是塑性材料選材和評定的依據(jù)。屈服階段CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能（2）抗拉強度材料在斷裂前所承受的最大應(yīng)力值稱為抗拉強度或強度極限?？估瓘姸取谴嘈圆牧线x材的依據(jù)。（3）屈強比均勻塑性變形階段CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能3.塑性材料在外力作用下，產(chǎn)生永久塑性變形而不斷裂的能力，稱為塑性。工程上常用延伸率和斷面收縮率作為材料的塑性指標。

δ或ψ值愈大，材料的塑性愈好。兩者比較，用ψ表示塑性更接近材料的真實應(yīng)變。CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能注意：長試樣（）的伸長率寫成δ或δ10；短試樣（）的伸長率須寫成δ5。同一種材料δ5>δ，所以，對不同材料，δ值和δ5值不能直接比較。一般把δ>5%的材料稱為塑性材料，δ<5%的材料稱為脆性材料。鑄鐵是典型的脆性材料，而低碳鋼是黑色金屬中塑性最好的材料。?2007金工教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能4.硬度金屬表面抵抗其他硬物壓入的能力，衡量金屬軟硬程度，影響耐磨性、切削加工性。

常用的度量方法：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）維氏硬度（HV）CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能（1）布氏硬度布氏硬度是由瑞典的布利涅爾于1900年提出來的。

測量方法：如圖所示，用一定載荷P，將直徑為D的球體（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球），壓入被測材料的表面，保持一定時間后卸去載荷，測量被測試試表面上所形成的壓痕直徑d，由此計算壓痕的球缺面積F，其單位面積所受載荷稱為布氏硬度

FCAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能布氏硬度表示方法硬度值一般不標單位。當壓頭為淬火鋼球時，用HBS表示；當壓頭為硬質(zhì)合金時，用HBW表示。符號HBS或HBW之前寫出硬度值，符號后面用數(shù)字依次表示壓頭直徑、試驗力及試驗力保持時間（10～15s不標）等試驗條件。例如，150HBS10/1000/30。一般在零件圖或工藝文件上標注材料要求的布氏硬度時，不規(guī)定試驗條件，只需標出要求的硬度值范圍和硬度符號，如210～230HBS。CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能布氏硬度的優(yōu)缺點：

優(yōu)點：測定的數(shù)據(jù)準確、穩(wěn)定、數(shù)據(jù)重復性強，常用于測定退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度。

缺點：對不同材料需要更換壓頭和改變載荷，且壓痕較大，壓痕直徑的測量也較麻煩，易損壞成品的表面，故不宜在成品上進行試驗，也不適用于太薄、太硬的材料。（2）洛氏硬度

洛氏硬度是用壓頭壓痕深度作為洛氏硬度值的計量即，符號用HR表示?？梢灾苯訌穆迨嫌捕扔嫷谋肀P上讀出，它是一個相對值，人們規(guī)定每0.002mm壓痕深度為一個洛氏硬度單位。CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能計算公式為：CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能

壓頭類型：淬火鋼球壓頭多用于測定退火件、有色金屬等較軟材料的硬度，壓入深度較深；金剛石壓頭多用于測定淬火鋼等較硬材料的硬度，壓入深度較淺。

采用不同的壓頭與總試驗力，組合成幾種不同的洛氏硬度標尺。我國常用的是HRA、HRB、HRC三種，其中HRC應(yīng)用最廣。其試驗規(guī)范如圖。洛氏硬度無單位，須標明硬度標尺符號，在符號前面寫出硬度值，如58HRC、76HRA。

試驗規(guī)范及表示方法:

CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能洛氏硬度壓頭總載荷/N（kgf）測量范圍適用材料HRA120°金剛石圓錐體588.4（60）60～85硬質(zhì)合金材料、表面淬火鋼等HRBΦ1.588淬火鋼球980.7（100）25～100軟鋼、退火鋼、銅合金等HRC120°金剛石圓錐體1471.1（150）20～67淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能

洛氏硬度試驗的優(yōu)缺點

優(yōu)點:操作迅速、簡便，硬度值可從表盤上直接讀出；壓痕較小，可在工件表面試驗；可測量較薄工件的硬度，因而廣泛用于熱處理質(zhì)量的檢驗。

缺點:精確性較低，硬度值重復性差、分散度大，通常需要在材料的不同部位測試數(shù)次，取其平均值來代表材料的硬度。此外，用不同標尺測得的硬度值彼此之間沒有聯(lián)系，也不能直接進行比較。（3）維氏硬度維氏硬度也是以單位壓痕面積的力作為硬度值計量。試驗力較小，壓頭是錐面夾角為136°的金剛石正四棱錐體，見圖所示。維氏硬度用符號HV表示。CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能

維氏硬度試驗的優(yōu)缺點：

優(yōu)點是可測軟、硬金屬，特別是極薄零件和滲碳層、滲氮層的硬度，其測得的數(shù)值較準確，并且不存在布氏硬度試驗?zāi)欠N載荷與壓頭直徑比例關(guān)系的約束。此外，維氏硬度也不存在洛氏硬度那樣不同標尺的硬度無法統(tǒng)一的問題，而且比洛氏硬度能更好地測定薄件或薄層的硬度。

缺點是硬度值的測定較為麻煩，工作效率不如洛氏硬度，因此不太適合成批生產(chǎn)的常規(guī)檢驗。CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能5.沖擊韌性

外力的瞬時沖擊作用所引起的變形和應(yīng)力比靜載荷大得多，因此在設(shè)計承受沖擊載荷的零件和工具時，不僅要滿足強度、塑性、硬度等性能要求，還必須有足夠的韌性。

擺錘式一次沖擊實驗原理CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能

韌性是指金屬材料在斷裂前吸收變形能量的能力。

根據(jù)功能原理可知：擺錘沖斷試樣所消耗的功AK=mgH1-mgH2。AK稱為沖擊吸收功，用AK除以試樣缺口處的橫截面積Ｓ所得的商即為該材料的沖擊韌度，用符號αK表示，即：

CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能6.疲勞強度

受交變載荷作用的零件，在其所受應(yīng)力遠遠低于該材料的屈服強度時，會發(fā)生突然的斷裂。（1）交變應(yīng)力（周期性應(yīng)力）：應(yīng)力的大小、方向周期性變化。有對稱周期性應(yīng)力和非對稱周期性應(yīng)力。（2）疲勞：構(gòu)件在低于屈服強度的交變應(yīng)力作用下，經(jīng)過較長時間工作而發(fā)生突然斷裂，而無明顯的塑性變形的現(xiàn)象。CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能（3）疲勞曲線：反映承受的交變應(yīng)力與斷裂前的應(yīng)力周期次數(shù)間的關(guān)系曲線，如圖所示。圖1-12疲勞曲線（4）疲勞極限。由圖可見，應(yīng)力愈高，循環(huán)次數(shù)愈少，反之亦然。當應(yīng)力低到一定值時，循環(huán)次數(shù)無窮大，表示材料可經(jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)而不失效；此應(yīng)力即為疲勞強度（疲勞極限）。對稱彎曲疲勞極限用表示；對于鋼鐵材料為107，有色金屬材料為108。CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.1工程材料的主要性能（5）疲勞破壞的原因：材料的缺陷、應(yīng)力集中、表面劃痕

（6）防止或減少的方法：合理設(shè)計結(jié)構(gòu)防止應(yīng)力集中，減小表面粗糙度，采取表面硬化處理CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)小結(jié)疲勞強度σr沖擊韌度ak硬度HBHR塑性δψ強度σbσsσ0.2工程材料的力學性能彈性σeECAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2金屬、合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1.2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、基本概念1.晶體：其內(nèi)部原子在空間作有規(guī)則的排列，如食鹽、金剛石等；純金屬及合金均屬于晶體。2.非晶體：其內(nèi)部原子雜亂無章地不規(guī)則的堆積，如玻璃、瀝青等。晶體原子排列示意圖非晶體原子排列示意圖CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)3.晶體結(jié)構(gòu)：指晶體中原子排列的方式。4.晶格：把晶體內(nèi)的每一個原子看成一個小球，把這些小球用線條連接起來，形成一個空間格架，這種空間格架叫晶格。5.晶胞：晶格的最小幾何組成單元。CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)6.晶格常數(shù)：晶胞中各棱邊的長度，單位為

二、常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)

1.體心立方晶格

晶胞是一個立方體，立方體的八個頂角和立方體中心各有一個原子。Cr、Mo、W、V、-Fe

CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.面心立方晶格晶胞是一個立方體，立方體的八個頂角和六個面中心各有一個原子。Cu、Ni、Al、γ-FeCAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)3.密排六方晶格晶胞是一個正六棱柱體，在柱體的各個角和上下底面中央各有一個原子，在頂面和底面的中間還有三個原子。Mg、Zn、-Ti、CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)三、單晶體的各向異性單晶體：晶體內(nèi)部的晶格位向（即原子排列方向）完全一致的晶體稱為單晶體。

各向異性：CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)四、金屬實際的晶體結(jié)構(gòu)

1.多晶體結(jié)構(gòu)

由許多小晶體組成的晶體稱為多晶體，這些小晶體稱為晶粒。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。

雖然每個晶粒具有各向異性，但不同方向的金屬性能是很多位向不同晶粒的平均性能，故多晶體材料表現(xiàn)為各向同性。

CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.晶體缺陷

晶體中原子規(guī)律排列受到破壞的某些區(qū)域，稱為晶體缺陷。晶體缺陷按其幾何特征分為點缺陷線缺陷面缺陷CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)

點缺陷：空位、置換原子、間隙原子線缺陷：刃型位錯面缺陷：晶界CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.2金屬的結(jié)晶1.2.2金屬的結(jié)晶一、結(jié)晶的概念1.凝固：物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。2.結(jié)晶：凝固形成晶體的過程。二、結(jié)晶的條件1.冷卻曲線CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.2金屬的結(jié)晶2.過冷理論結(jié)晶溫度：t0實際結(jié)晶溫度：t1過冷度：Δt＝t0－t1。過冷是金屬結(jié)晶的必要條件。溫度℃時間T0T1ΔT過冷度純金屬的冷卻曲線CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.2金屬的結(jié)晶三、金屬的結(jié)晶過程1.形核：自發(fā)形核、非自發(fā)形核。2.晶核長大：以樹枝方式長大。

純金屬的冷卻曲線及結(jié)晶過程

純金屬的結(jié)晶過程

CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.2金屬的結(jié)晶三、金屬晶粒大小及細化方法

結(jié)晶后，得到多晶體金屬。一般，晶粒越細小，強度、硬度越高，塑性、韌性也越好。1.影響因素：形核率N、長大速度（率）G

CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.2金屬的結(jié)晶2．細化晶粒的方法（1）變質(zhì)處理（2）增大過冷度（3）附加振動（4）熱處理（5）壓力加工再結(jié)晶CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.2金屬的結(jié)晶四、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

在固態(tài)下，隨溫度的變化，其晶格類型會發(fā)生轉(zhuǎn)變，這種現(xiàn)象稱為金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：L1538℃1394℃912℃溫度℃時間1538℃1394℃912℃體心面心體心CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.3合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1.2.3合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶一、合金的基本概念1.合金：就是由兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。2.組元：組成合金獨立的、最基本的物質(zhì)稱為組元，簡稱元合金的組元通常是純元素，也可以是穩(wěn)定化合物。3.合金系：由二個或二個以上的組元按不同比例配制的一系列不同成分的合金，稱為一個合金系，簡稱系。

CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.3合金的結(jié)晶結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

4.相：合金中凡是結(jié)構(gòu)、成分和性能相同（晶格相同）并且與其它部分有界面分開的均勻組成部分稱為相。5.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。它直接決定合金的性能。

CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.3合金的結(jié)晶結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

光鏡下形貌電鏡下形貌CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.3合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶二、合金的結(jié)構(gòu)

根據(jù)合金中各組元之間的相互作用不同，可分為

1）固溶體

2）金屬化合物

3）機械混合物

(1)置換固溶體

(2)間隙固溶體

CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.3合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1.固溶體

溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格而仍保持溶劑晶格類型的金屬晶體。據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)位置的不同固溶體置換固溶體間隙固溶體固溶強化：溶質(zhì)原子使固溶體的強度和硬度升高的現(xiàn)象CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.3合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

空位同類原子的間隙原子異類原子的間隙原子異類原子的置換原子CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.3合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

固溶體的性能特點：具有良好的塑性和韌性，強度、硬度較低。如鐵素體、奧氏體F：σb=250MPaδ=45—50%HB=80CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.3合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

2.金屬化合物

合金各組成元素之間相互作用而生成的一種新的具有金屬特性的物質(zhì)。

金屬化合物各元素之間呈整數(shù)比關(guān)系。如：Fe3C、WC、TiC等金屬化合物的性能特點：脆性大、硬度高；強度低；塑性、韌性差；高的熔點。Fe3C：HB=800；σb=30MPa；δ≈0%CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.3合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

3.機械混合物合金的組成在固態(tài)下既不互相溶解又不形成化合物，而是按一定的重量比混合而成的新物質(zhì)。

機械混合物既可以是純金屬、固溶體或金屬化合物各自的混合物，也可以是它們之間的混合物。性能特點：性能介于各組成物的性能之間。一般具有良好的綜合力學性能。CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.2.3合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶三、合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶與純金屬相似，都遵循形核與核長大的規(guī)律。CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)小結(jié)CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3鐵碳合金相圖1.3.1鐵碳合金的基本組織

鐵素體是碳溶于α-Fe中所形成的間隙固溶體，體心立方晶格。碳在α-Fe中的溶解度很小，727℃時0.0218%；室溫時為0.0008%,幾乎為零。其強度和硬度很低，塑性、韌性好。顯微組織是明亮的多邊形晶粒。

1.鐵素體（F或α）

CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3鐵碳合金相圖2.奧氏體（A或γ）

奧氏體是碳溶于γ-Fe中所形成的間隙固溶體，面心立方晶格。碳在γ-Fe中的溶碳量較高，1148℃時2.11%；727℃時為0.77%。其強度和硬度比鐵素體高，塑性、韌性也好。其晶粒呈多邊形，晶界較鐵素體平直。滲碳體是鐵與碳形成的金屬化合物，碳含量是6.69％，具有復雜的晶體結(jié)構(gòu)。其硬度很高，塑性和韌性很差，δ、Ak接近于零，脆性很大。3.滲碳體（Fe3C）

CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.1鐵碳合金的基本組織4.珠光體（P）

珠光體是由鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。是奧氏體冷卻時，在727℃恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。顯微組織是鐵素體與滲碳體片層狀交替排列。性能介于鐵素體和滲碳體之間，強度較高，硬度適中，有一定的塑性。CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.1鐵碳合金的基本組織5.萊氏體（Ld或Ld'）

高溫萊氏體Ld

：是由奧氏體和滲碳體組成的機械混合物。是在1148℃恒溫下發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，平均碳含量4.3%。

低溫萊氏體Ld'

：是由珠光體和滲碳體組成的機械混合物。CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.2相圖的建立一、相圖的概念

表示合金系的成分、溫度、組織、狀態(tài)之間關(guān)系的圖表，狀態(tài)圖、平衡圖。二、相圖的作用相圖是研究合金的成分、溫度、組織、狀態(tài)之間變化規(guī)律的工具。

CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.2相圖的建立三、Cu-Ni合金二元相圖用熱分析法測定Cu-Ni合金相圖四、鐵碳合相圖的建立CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.2相圖的建立CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.3鐵碳合金相圖的分析目前應(yīng)用的鐵碳合金狀態(tài)圖是含碳量為0～6.69%的鐵碳合金部分（即Fe－Fe3C部分），因為含碳量大于6.69％的鐵碳合金在工業(yè)上無使用價值。右圖為簡化后的Fe－Fe3C狀態(tài)圖。

1.3.3鐵碳合金相圖的分析ASF+Fe3CQGKD4.32.110.770.0218WC%1148℃1538℃727℃PLAF溫度℃912℃CFe3C6.69FAL+Fe3CL+F+AA+

Fe3CE1227℃CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.3鐵碳合金相圖的分析一、特性點的意義

A—純鐵的熔點。D—Fe3C的熔點。

E—C在γ-Fe中的最大溶解度點。1148℃2.11%C鋼和鑄鐵的分界點。CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.3鐵碳合金相圖的分析C—共晶點，1148℃4.3%C查看鐵碳合金相圖

共晶點—發(fā)生共晶反應(yīng)的點。

共晶反應(yīng)—在一定的溫度下，由一定成分的液體同時結(jié)晶出一定成分的兩個固相的反應(yīng)。

共晶反應(yīng)的產(chǎn)物——共晶體——機械混合物

L（4.3%C）A（2.11%C）+Fe3C（6.69%C）1148℃LeG—純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變點。

912℃

P—C在α-Fe中的最大溶解度點。727℃0.0218%C

CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.3鐵碳合金相圖的分析

S—共析點。727℃0.77%C查看鐵碳合金相圖

共析點—發(fā)生共析反應(yīng)的點。

共析反應(yīng)—在一定的溫度下，由一定成分的固相同時結(jié)晶出一定成分的另外兩個固相的反應(yīng)。

共析反應(yīng)的產(chǎn)物—共析體—機械混合物A（0.77%C）F（0.0218%C）+Fe3C（6.69%C）727℃PCAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.3鐵碳合金相圖的分析二、特性線的意義CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.3鐵碳合金相圖的分析AESPQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃Le727℃PLAF溫度℃912℃CFe3C6.69FAL+Fe3CL+Fe3CⅡF+AA+A+LeLe+

Fe3C2.AECF線—固相線

1.ACD線—液相線AE—A析出終了線ECF—共晶線

1148℃AC—析出ACD—析出Fe3CCAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.3鐵碳合金相圖的分析ES線—C在γ-Fe中的溶解度曲線。析出二次Fe3CⅡ

Acm線（Fe3Ccementite）

GS線—A析出F的開始線A—FA3線GP線—F析出終了線。PSK線—共析線727℃A1線PQ線—碳在α-Fe中的溶解度曲線。CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.3鐵碳合金相圖的分析三、相區(qū)1）單相區(qū)有F、A、L和Fe3C四個單相區(qū)2）兩相區(qū)五個兩相區(qū)：L＋A兩相區(qū)、L+Fe3C兩相區(qū)、A+Fe3C兩相區(qū)、A＋F兩相區(qū)、F+Fe3C兩相區(qū)3）三相區(qū)ECF共晶線是液相、奧氏體、滲碳體的三相共存線（L、A、Fe3C）PSK共析線是奧氏體、鐵素體、滲碳體的三相共存線（A、F、Fe3C）鐵碳合金相圖分析CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.3鐵碳合金相圖的分析四、鐵碳合金的分類

CAD/CAM教研室1.3.3鐵碳合金相圖的分析五、典型鐵碳合金的結(jié)晶過程分析

ESQGKD4.32.110.770.0218C%1148℃1538℃727℃PLAF溫度℃912℃CFe3C6.69APLeFAL+Fe3CⅠL+Fe3CⅡF+A①②③④⑤⑥11111122222333344F+PP+Fe3C3Le’P+Fe3C+Le’2Fe3C+Le’Fe3C+LeCAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.3鐵碳合金相圖的分析1.共析鋼的結(jié)晶過程①典型鐵碳合金結(jié)晶過程分析1點溫度以上，合金處于液態(tài)；緩冷到1點溫度時，開始從液相結(jié)晶出奧氏體，溫度繼續(xù)下降，奧氏體量逐漸增加；直至2點溫度結(jié)晶終止，液相全部結(jié)晶為奧氏體；2點至3點間為單一奧氏體的冷卻；當溫度降到S點時，奧氏體在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w；S點以下，珠光體冷卻至室溫。231LAAL+PCAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.3鐵碳合金相圖的分析CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.3鐵碳合金相圖的分析1.3.3鐵碳合金相圖的分析2.亞共析鋼的結(jié)晶過程查看相圖亞共析鋼在3點以前的結(jié)晶過程與共析鋼類似；當緩冷到3點時，從均勻的奧氏體中開始析出鐵素體；溫度繼續(xù)下降，鐵素體量逐漸增加，奧氏體量逐漸減少，尚未轉(zhuǎn)變的奧氏體的碳含量沿GS線逐漸增加；當緩冷到4點(727℃)時，剩余的奧氏體的Wc=0.77%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變而形成珠光體；共析轉(zhuǎn)變結(jié)束后，合金組織由鐵素體加珠光體組成，冷卻到4點以下，組織不再產(chǎn)生改變。所有亞共析鋼的室溫平衡組織均為鐵素體+珠光體，隨著碳含量的增加，鐵素體量減少，珠光體量增加。1LAAL+A+P+F432FCAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.3鐵碳合金相圖的分析典型鐵碳合金結(jié)晶過程分析CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.3鐵碳合金相圖的分析1.3.3鐵碳合金相圖的分析3.過共析鋼的結(jié)晶過程查看相圖過共析鋼在3點以前與共析鋼類似；當緩冷到3點溫度時，奧氏體的溶碳量隨著溫度的下降而逐漸降低，并沿著奧氏體晶界析出二次滲碳體；隨著溫度繼續(xù)下降，二次滲碳體不斷析出，而剩余奧氏體的碳含量沿ES線逐漸減少；溫度降到4點(727℃)時；剩余奧氏體恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變而形成珠光體；共析轉(zhuǎn)變結(jié)束后，合金組織為珠光體+網(wǎng)狀二次滲碳體，直至室溫。隨著含碳量的增加，組織中珠光體的數(shù)量減少，網(wǎng)狀二次滲碳體的數(shù)量增加，并變得更粗大。41LL+A+P+Fe3CⅡ23AAFe3CⅡCAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.3鐵碳合金相圖的分析典型鐵碳合金結(jié)晶過程分析CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.3鐵碳合金相圖的分析CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.3鐵碳合金相圖的分析1L2LeLe’31L2L+Fe3CFe3C+Fe3C+Le’Le4.生鐵的結(jié)晶過程

共晶生鐵:亞共晶生鐵:過共晶生鐵:1LA+L+LeP+Fe3C+Le’A+Le+32AFe3CCAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.3鐵碳合金相圖的分析六、鐵碳合金的成分、組織與性能的關(guān)系1.組織物的相對量

FF+PPP+Fe3CP+Fe3C+Le’Le’Le’+Fe3CC%00.772.114.36.690.0218FPLe’Fe3CⅠFe3CⅡCAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.3鐵碳合金相圖的分析2.含碳量與力學性能間的關(guān)系

強度：當Wc<0.9％時，隨著Wc增加，不斷提高；當Wc>0.9％時，由于滲碳體在晶界呈網(wǎng)狀分布，使鋼的強度下降。硬度：隨Wc的增加而提高。

塑性：隨Wc的增加而迅速降低。

沖擊韌性：隨Wc的增加而迅速降低。

0.9~1.0HBC%HBCAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)1.3.4鐵碳相圖的應(yīng)用1、選用材料：由鐵碳相圖可知，合金中隨著含碳量的不同，其組織各不相同，從而導致其力學性能不同。因此，我們就可以根據(jù)機器零件所要求的性能來選擇不同含碳量的材料。2、叛斷切削加性能：低碳鋼中鐵素體較多，塑性好，加工性不好；中碳鋼中鐵素體含量比例適當，鋼的硬度適當，易于加工。3、制定熱加工工藝：在鑄造工藝方面，根據(jù)相圖可以確定合適的熔化溫度和澆注溫度，含碳量為4.3%的鑄鐵鑄造性最好；在鍛造工藝方面，可以選擇鋼材的軋制和鍛造的溫度范圍應(yīng)在奧氏體區(qū)。4、應(yīng)用于熱處理生產(chǎn)：由相圖可知合金在固態(tài)加熱和冷卻過程中均有組織的變化，可以進行熱處理。并且可以正確選擇加熱溫度。CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)鐵碳合金相圖（全圖4）ACD－液相線CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)鐵碳合金相圖（全圖5）AECF：固相線ECF－共晶線CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)鐵碳合金相圖（全圖6）GS（A3）：奧氏體中開始析出鐵素體CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)鐵碳合金相圖（全圖7）ES（Acm）：奧氏體中析出二次滲碳體（II）CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)鐵碳合金相圖（全圖8）PSK（A1）：共析線CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)鐵碳合金相圖（全圖9）PQ：鐵素體中析出三次滲碳體（III）CAD/CAM教研室機械制造基礎(chǔ)鐵碳合金相圖：隨手畫1148－7274.3－2.11－0.77912－1538－1227

兩個Y字當中立0.774.32.119121538727114812271.4.1鋼的分類與編號鋼碳素鋼合金鋼1、按含碳量分低碳鋼0.0218%<C<0.25%中碳鋼0.25%<C<0.6%高碳鋼0.6%<C<2.11%2、按質(zhì)量和用途分碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼易切削結(jié)構(gòu)鋼鑄鋼一、鋼的分類1.4工程材料的種類、特點及應(yīng)用二、 鋼的牌號及其應(yīng)用1、碳素結(jié)構(gòu)鋼：牌號：Q+屈服點數(shù)值。例如：Q195，Q275等。用途：薄板，鐵絲，釘，小軸，螺栓等。2、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：牌號：用兩位數(shù)字表示，該數(shù)字表示鋼中平均含碳量的萬倍。例如：08F，20，45，60等。用途：用作各種較重要的機器零件如：齒輪、主軸等。1.4工程材料的種類、特點及應(yīng)用3、碳素工具鋼牌號：用“T”加數(shù)字表示，該數(shù)字表示鋼中平均含碳量的千倍。如：T8，T9等。

T8：表示碳的平均含碳量為0.8%的碳素工具鋼。用途：用來制作各種刀具、量具和模具。4、易切削用鋼：主要用在自動機床上加工大批量的零件，如螺釘，螺母等。其牌號如：Y20,表示易切削結(jié)構(gòu)鋼，其平均含碳量為0.2%。

5、鑄鋼：用于澆注成鑄件的鋼。其強度高于各類鑄鐵，同時具有良好的塑性和韌性，適于制造形狀復雜、強度和韌性要求高的零件，如火車輪、大齒輪等。其牌號如：ZG230-450。1.4工程材料的種類、特點及應(yīng)用1.4.2合金鋼

1、合金元素對鋼性能的影響引言（1）提高了鋼的力學性能（2）提高了鋼的淬透性（3）使鋼具有某些特殊性能

鈦、釩等合金元素的加入提高了鋼的強度和硬度，細化了晶粒，也提高了塑性與韌性。鉻、硅、鎳、錳、硼等合金元素的加入提高鋼的淬透性。

鉻、錳等合金元素的加入使鋼具有了耐高溫、耐熱、耐磨、不生銹等特殊性能。1.4工程材料的種類、特點及應(yīng)用2、合金鋼的分類與牌號合金鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼特殊性能鋼：機器合金結(jié)構(gòu)鋼

：工程合金結(jié)構(gòu)鋼

：普通低合金結(jié)構(gòu)鋼

不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼合金刃具鋼：

合金彈簧鋼、合金滲碳鋼合金調(diào)質(zhì)鋼、合金軸承鋼合金模具鋼

：

合金量具鋼：

低合金刃具鋼、高合金刃具鋼、高速鋼冷作模具鋼、熱作模具鋼

沒有專用鋼種.1.4工程材料的種類、特點及應(yīng)用3、合金鋼的牌號(1)合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(2)合金工具鋼的牌號兩位數(shù)字+合金元素符號+數(shù)字前兩位數(shù)字表示平均含碳量的萬倍，后面數(shù)字表示合金元素的百倍。如60Si2Mn,40Cr等。其牌號表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼類似，但其平均Wc>1%時不標出；當Wc<1%前面數(shù)字表示含碳量的千倍。如：9SiCr,Cr12,5CrMnMo等。

但高速鋼不標含碳量，只寫出合金元素符號及其含量。如:W18Cr4V,W6Mo5Cr4V21.4工程材料的種類、特點及應(yīng)用一、合金結(jié)構(gòu)鋼1、普通低合金結(jié)構(gòu)鋼

低碳，合金含量小于3%。主加元素為Mn其強化了鐵素體，提高了強度；V，Ti等元素使晶粒細化，使韌性提高。在建筑、橋梁、車輛、船舶中應(yīng)用廣泛。以16Mn為最廣。船舶橋梁1.4工程材料的種類、特點及應(yīng)用2、合金滲碳鋼

含碳量為0.1%--0.2%,以保障心部具有足夠的韌性，合金含量小于3%。主加元素為Cr、Mn、鈦、釩，提高了淬透性，使晶粒細化，耐磨性提高。

主要用于表面要求硬而耐磨，心部具有足夠強度和韌性的零件，如：汽車變速箱的齒輪等。以20Cr、20CrTiMn為最廣。變速齒輪撥叉1.4工程材料的種類、特點及應(yīng)用3、合金調(diào)質(zhì)鋼

含碳量為0.25%--0.5%,主加元素為Cr、Mn、Si、Ni等以提高淬透性和強化鐵素體.調(diào)質(zhì)鋼具有良好的綜合力學性能。

合金調(diào)質(zhì)鋼廣泛用于制造汽車、拖拉機、機床和其它機器上的各種重要零件，如齒輪、軸類件、連桿等。

曲軸

連桿

1.4工程材料的種類、特點及應(yīng)用4、合金彈簧鋼它具有高的彈性、疲勞強度及沖動韌度。含碳量為0.5%--0.7%,主加元素為Cr、Mn、Si等以提高淬透性和彈性極限。

合金彈簧鋼是一種專用結(jié)構(gòu)鋼，主要用于制造各種彈簧和彈性元件。

拉力彈簧

離合器彈簧

1.4工程材料的種類、特點及應(yīng)用5、滾動軸承鋼

主要用來制造滾動軸承的滾動體（滾珠、滾柱、滾針）、內(nèi)外套圈等，屬專用結(jié)構(gòu)鋼。

碳質(zhì)量分數(shù)一般為0.95%--1.10%，以保證其高硬度、高耐磨性和高強度。鉻為基本合金元素，鉻含量為0.40%--1.65%。高碳低鉻。如：GCr15(滾珠軸承鋼)

1.4工程材料的種類、特點及應(yīng)用二、合金工具鋼

合金工具鋼是制造刃具、量具和模具的鋼種。不僅有更高的硬度和耐磨性,還具有更高的紅硬性。1、合金刃具鋼

用途：主要用于制造各種金屬切削刀具，如車刀、銑刀、鉆頭等。

性能：（1）高硬度，60HRC以上；（2）高的耐磨性；（3）高熱硬性；（4）足夠的塑性和韌性。銑刀英制模板刀1.4工程材料的種類、特點及應(yīng)用合金工具鋼的種類及牌號

(1)低合金刃具鋼(2)高速鋼

最高工作溫度不超過300℃。

①高碳：碳質(zhì)量分數(shù)為0.9%--1.1%，以保證高硬度和高耐磨性。

②Cr、Mn、Si主要是提高鋼的淬透性，Si還能提高鋼的回火穩(wěn)定性；

W、V能提高硬度和耐磨性，并防止加熱時過熱，保持細小的晶粒。

高速鋼是高合金刃具鋼，具有很高的熱硬性，高速切削中刃部溫度達600℃時，其硬度無明顯下降。

①高碳：碳質(zhì)量分數(shù)在0.70%以上，最高可達1.5%左右，

②加入Cr、W、Mo、V等合金元素：