材料成形技術(shù)

材料成形技術(shù)第1頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五

材料是人類用來制作各種產(chǎn)品的物質(zhì)。機(jī)械工程中使用的材料常按化學(xué)組成分為金屬材料、高分子材料、陶瓷材料三大類。

目前在機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣的仍是金屬材料，因?yàn)榻饘俨牧蟻碓簇S富，而且具有優(yōu)良的力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能和工藝性能。金屬材料的特性有：強(qiáng)度較高、塑性較好、導(dǎo)電性高、導(dǎo)熱性好、有金屬光澤等。

第2頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五

高分子和陶瓷材料的某些力學(xué)性能不如金屬，但具有金屬材料不具備的某些特性，如耐腐蝕、電絕緣、隔音、減震、耐高溫、質(zhì)輕、來源豐富、價(jià)廉、成形加工容易等優(yōu)點(diǎn)，近年發(fā)展較快。

材料性能的決定因素：化學(xué)成分、內(nèi)部組織和狀態(tài)。其中“化學(xué)成分”是改變性能的基礎(chǔ)，“處理”是改變性能的手段，“組織”是性能變化的根據(jù)。

第3頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五

第1節(jié)金屬材料的結(jié)構(gòu)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。

1.1.1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，如圖1-1a所示。

4）晶格。把晶體內(nèi)的每一個(gè)原子看成一個(gè)小球，把這些小球用線條連接起來，形成一個(gè)空間格架，這種空間格架叫晶格，如圖1-1b

所示。5）晶胞。晶格的最小幾何組成單元，如圖1-1c所示。

第4頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五6）晶格常數(shù)。晶胞中各棱邊的長度，單位為

7）金屬中常見的晶體結(jié)構(gòu)

體心立方晶格：晶胞是一個(gè)正六方體，立方體的八個(gè)角上和立方體的中心各有一個(gè)原子，如圖1-2a。如鉻、鈉等。

純鐵在1538℃--1394℃或912℃以下，具有體心立方晶格結(jié)構(gòu)。圖1-2a體心立方晶格第5頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五

面心立方晶格：晶胞是一個(gè)正六方體，立方體的八個(gè)角上和立方體的六個(gè)面的中心各有一個(gè)原子，如圖1-2b。如鋁，銅等。純鐵在912℃—1394℃時(shí)，具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)。

密排六方晶格：晶胞是一個(gè)正六方柱體，在六方柱體的十二個(gè)角上和上、下底面的中心各有一個(gè)原子，在上、下底面之間還均勻分布著三個(gè)原子如圖1-2c。如鎂、鋅等。

圖1-2b面心立方晶格圖1-2c密排六方晶格第6頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五1.1.2合金的晶體結(jié)構(gòu)

1.固溶體

合金在固態(tài)下溶質(zhì)原子溶入溶劑，仍保持溶劑晶格。根據(jù)固溶體晶格中溶劑與溶質(zhì)原子的相互位置的不同，可分為置換固溶體（如黃銅）和間隙固溶體(如鐵素體和奧氏體)，如圖1-3和圖1-4所示。

合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素和非金屬元素，通過熔化或其它方法結(jié)合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。

組元是組成合金的最基本的、獨(dú)立的單元。組元可以是金屬、非金屬或化合物（如滲碳體）。合金的晶體結(jié)構(gòu)大致可歸納為3類，即固溶體、金屬化合物和機(jī)械混合物。第7頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五

固溶強(qiáng)化：當(dāng)溶質(zhì)原子溶解在溶劑晶體中時(shí)，溶劑的晶格將發(fā)生畸變，晶格常數(shù)發(fā)生變化，如圖1-5所示。原子尺寸相差大，化學(xué)性質(zhì)不同，都使畸變增大，結(jié)果合金的強(qiáng)度、硬度和電阻增高，塑性，韌性下降。溶入的溶質(zhì)原子越多，引起的晶格畸變也越大。這種由于溶質(zhì)原子的溶入，使基體金屬（溶劑）的強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象就叫固溶強(qiáng)化。

第8頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五

2.金屬化合物

組成合金的元素相互化合形成一種新的晶格組成的物質(zhì)。它的晶體結(jié)構(gòu)與性能，和原兩組元都不同，如滲碳體就是鐵和碳組成的晶格復(fù)雜的碳化物，一般具有高硬度和高脆性。3.機(jī)械混合物

由兩種或兩種以上的組元、固溶體或金屬化合物按一定重量比例組成的均勻物質(zhì)稱為機(jī)械混合物。混合物中各組成部分仍按自己原來的晶格形式結(jié)合成晶體，如鐵素體和滲碳體形成珠光體?；旌衔锏男阅苋Q于組成混合物的各部分的性能，及其數(shù)量、大小、分布和形態(tài)。

第9頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五1.1.3金屬的結(jié)晶1）結(jié)晶。指金屬的原子由近程有序狀態(tài)（液態(tài)）轉(zhuǎn)變成長程有序狀態(tài)（晶態(tài)）的過程。2）純金屬結(jié)晶的冷卻曲線。金屬液非常緩慢的冷卻時(shí)，記錄溫度隨時(shí)間而變化的曲線，如圖1-6所示。出現(xiàn)水平線段的原因是結(jié)晶時(shí)放出大量的結(jié)晶潛熱，補(bǔ)償了金屬向周圍散失的熱量。

3）過冷。在實(shí)際結(jié)晶過程中，金屬液只有冷卻到理論結(jié)晶溫度（熔點(diǎn)）以下的某個(gè)溫度時(shí)才結(jié)晶的現(xiàn)象。理論結(jié)晶溫度和實(shí)際結(jié)晶溫度之間的溫度差叫過冷度，它與冷卻速度有關(guān)，冷卻越快，過冷度越大，反之。圖1-6冷卻曲線第10頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五4）結(jié)晶過程。晶體形核和成長過程。如圖1-7所示，在液體金屬開始結(jié)晶時(shí)，在液體中某些區(qū)域形成一些有規(guī)則排列的原子團(tuán)，成為結(jié)晶的核心，即晶核（形核過程）。然后原子按一定規(guī)律向這些晶核聚集，而不斷長大，形成晶粒（成長過程）。在晶體長大的同時(shí)，新的晶核又繼續(xù)產(chǎn)生并長大。當(dāng)全部長大的晶體都互相接觸，液態(tài)金屬完全消失，結(jié)晶完成。由于各個(gè)晶粒成長時(shí)的方向不一，大小不等，在晶粒和晶粒之間形成界面，稱為晶界。

圖1-7結(jié)晶過程示意圖第11頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五5）單晶體。結(jié)晶后，每個(gè)晶核長成為一個(gè)晶體，稱為單晶體。

6）多晶體。由許多外形不規(guī)則、大小不等、排列位向不同的小顆粒晶體組成。在多晶體中，這些小顆粒晶體叫晶粒；晶粒與晶粒之間的界面叫晶界。晶粒的大小影響材料的力學(xué)、物理、化學(xué)性能，一般情況下，晶粒越細(xì)，強(qiáng)度和硬度越高，塑性和韌性越好。因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)小，晶界就多，晶界處的晶體排列極不規(guī)則，界面犬牙交錯(cuò)，互相咬合，因而加強(qiáng)了金屬之間的結(jié)合力。

第12頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五7）細(xì)晶細(xì)化。由于晶粒越細(xì)，金屬材料的力學(xué)性能越好，所以用細(xì)化晶粒的方法來提高金屬材料的力學(xué)性能。金屬凝固后的晶粒大小與凝固過程中形核的多少和晶核長大速度有關(guān)，晶核越多，長大速度越慢，晶粒越細(xì)。而過冷度越大，產(chǎn)生的晶核越多，晶核多，每個(gè)晶核長大受到制約，形成的晶粒就越細(xì)小。在工業(yè)生產(chǎn)中，細(xì)化晶粒的方法有多種。（1）加快冷卻速度，即增大過冷度，以提高自發(fā)晶核的形成率；（2）孕育處理，即向液態(tài)金屬中加入某些固態(tài)質(zhì)點(diǎn)（如稀土或鈦等金屬），以起到外來晶核的作用，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的；（3）金屬在結(jié)晶過程中進(jìn)行震動(dòng)或攪拌，以破碎樹枝狀晶體，從而增加晶核的數(shù)量；（4）對于固態(tài)下金屬，某些加工方法也可以細(xì)化晶粒，如鍛造加工，熱處理、拋丸處理等。第13頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五第2節(jié)鐵碳合金（體心立方晶格）（面心立方晶格）（體心立方晶格）1.2.1鐵碳合金的基本組織和性能1.鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變金屬在固態(tài)下發(fā)生的晶格結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變叫同素異晶（構(gòu)）轉(zhuǎn)變。金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變也是一種結(jié)晶過程，有一定的轉(zhuǎn)變溫度和過冷度；也有晶核的形成和長大兩個(gè)階段。故同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變又稱為重結(jié)晶。鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)缦滤?。?4頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五2.鐵素體（F）

碳溶于中的固溶體，它保持體心立方晶格結(jié)構(gòu)。其顯微組織如圖1-15，溶解度（0.008%～0.02%），故性質(zhì)接近純鐵，強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好。

3.奧氏體（A）

碳溶于中的固溶體，保持面心立方晶格結(jié)構(gòu)。其顯微組織如圖1-16，溶解度（0.77%～2.11%），其強(qiáng)度和硬度略高于鐵素體，塑性、韌性較好。

4.滲碳體（Fe3C）

鐵和碳組成的金屬化合物，復(fù)雜斜方晶體結(jié)構(gòu)。含碳量為6.69%，其硬度很高，塑性、韌性幾乎為零，脆性極大，在一定條件下分解為鐵和石墨。

第15頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五6.萊氏體Ld

萊氏體在7270C以上，由奧氏體與滲碳體組成的機(jī)械混合物，稱為高溫萊氏體Ld；在7270C以下，該組織轉(zhuǎn)變?yōu)橛芍楣怏w與滲碳體組成的機(jī)械混合物，稱為低溫萊氏體Ld’。其顯微組織如圖1-18，其力學(xué)性能與滲碳體相似，硬度較高，脆性較大。

5.珠光體P

珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物。其顯微組織如圖1-17，珠光體強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間。

第16頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五1.2.2鐵碳合金相圖

鐵碳合金相圖：表示在平衡狀態(tài)下鐵碳合金的化學(xué)成分、相、組織與溫度的關(guān)系圖。利用它可以研究鋼和鑄鐵的內(nèi)部組織及其變化規(guī)律，從而為更好的利用它們，并為制定熱處理、壓力加工等工藝規(guī)程打下基礎(chǔ)。在工程中一般研究的鐵碳合金狀態(tài)圖實(shí)際上都是鐵與滲碳體兩組元構(gòu)成的狀態(tài)圖，如圖1-19所示。

鋼：含碳量小于2.11%的鐵碳合金；

鑄鐵：含碳量大于2.11%的鐵碳合金。

第17頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五圖1-19鐵碳合金相圖LL+AAF+AFF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+Ld’A+Fe3CIIA+Fe3CII+LdLdLd’L+Fe3CILd+Fe3CILd’+Fe3CI第18頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五

相圖上的特性線和點(diǎn)如下：

2）AECF線（固相線）。當(dāng)合金冷卻到此線時(shí)，金屬液全部結(jié)晶為固相，在此線以下區(qū)域?yàn)楣滔唷?/p>

1）ACD線（液相線）。當(dāng)金屬液冷卻到此線時(shí)開始結(jié)晶，在此線以上區(qū)域?yàn)橐合唷?/p>

由于圖中左上角部分在實(shí)用中用處不大，故不予分析。3）A點(diǎn)。純鐵的熔點(diǎn)（15380C）。4）D點(diǎn)。滲碳體的熔點(diǎn)（12270C）。

5）C點(diǎn)。共晶點(diǎn)，溫度11480C，成分4.3%C。共晶：指合金在一定的條件(溫度、成分)下，由液體合金中同時(shí)結(jié)晶出兩種不同的晶體，而形成一種特殊的共晶體組織的轉(zhuǎn)變。即

第19頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五6）ECF線（共晶線）。含碳量在2.11%～6.69%的鐵碳合金，冷卻到此線時(shí)（1148度），將發(fā)生共晶反應(yīng)，同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的共晶混合物萊氏體。

7）ES線。是碳在中的溶解度曲線，E點(diǎn)表示在11480C時(shí)碳在中的最大溶解度為2.11%。隨著溫度降低，溶解度下降，即含碳量大于0.77%的奧氏體冷卻過程中都將從奧氏體中析出滲碳體（次生滲碳體），常稱為Acm線8）GS線。是冷卻過程不同含碳量的奧氏體中析出鐵素體的轉(zhuǎn)變線，常稱為A3線。第20頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五10）PSK線（共析線）。含碳量在0.02%～6.69%的鐵碳合金，冷卻到此線時(shí)（7270C），將發(fā)生共析反應(yīng)，從奧氏體中同時(shí)結(jié)晶出鐵素體和滲碳體的共析混合物珠光體。即A1線。

9）S點(diǎn)。共析點(diǎn)，溫度7270C，成分0.77%。共析轉(zhuǎn)變：指合金在一定條件下，由一種固相轉(zhuǎn)變成兩個(gè)固相的機(jī)械混合物的過程。即：

第21頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五1.2.3鐵碳合金的組織轉(zhuǎn)變

工業(yè)純鐵含碳量小于0.0218%的鐵碳合金，鋼含碳量在0.0218%～2.11%的鐵碳合金，

共析鋼

含碳量等于0.77%，

亞共析鋼

含碳量小于0.77%，

過共析鋼

含碳量位于0.77%～2.11%，白口鑄鐵

含碳量在2.11%～6.69%的鐵碳合金

共晶白口鑄鐵

含碳量等于4.3%，

亞共晶白口鑄鐵

含碳量位于2.11%~4.3%

過共晶白口鑄鐵

含碳量位于4.3%～6.69%第22頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五1.鋼的結(jié)晶過程

為方便起見，按照鐵碳合金的分類，把相圖分為鋼和白口鐵兩部分；如圖1-20為經(jīng)過簡化的鋼的鐵碳合金相圖。下面分析其結(jié)晶過程：1）共析鋼（如圖I號合金）的結(jié)晶過程

其室溫組織為珠光體，為層片狀組織，具有較高的強(qiáng)度=800MPa，硬度HBS=230,塑性較低=12%。圖1-20鋼的鐵碳合金相圖0.772.11C%第23頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五2）亞共析鋼（如圖II號合金）的結(jié)晶過程

其室溫組織為鐵素體加珠光體，其顯微組織如圖1-21a；其性能介于鐵素體和珠光體之間；隨含碳量升高，珠光體量增多，故強(qiáng)度硬度增加，塑性韌性下降。3）過共析鋼（如圖III號合金）的結(jié)晶過程其室溫組織為滲碳體加珠光體，其顯微組織如圖1-21b；隨含碳量升高，滲碳體量增多，故硬度增加，韌性下降。圖1-20鋼的鐵碳合金相圖0.772.11C%第24頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五

鑄鐵根據(jù)含碳量的不同可分為共晶白口鑄鐵（4.3%C）、亞共晶白口鑄鐵（<4.3%C）、過共晶白口鑄鐵（>4.3%C）；其簡化的鐵碳合金相圖如圖1-22所示，下面分別分析其結(jié)晶過程。2.白口鑄鐵的結(jié)晶過程圖1-22生鐵的鐵碳合金相圖2.114.36.690C1）共晶白口鑄鐵（如圖V）的結(jié)晶過程其室溫組織為萊氏體。第25頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五

其室溫組織為珠光體加萊氏體。顯微組織如圖1-23a。圖1-22生鐵的鐵碳合金相圖2.114.36.690C2）亞共晶白口鑄鐵（如圖IV）的結(jié)晶過程3）過共晶白口鑄鐵（如圖IIV）的結(jié)晶過程

其室溫組織為滲碳體加萊氏體。顯微組織如圖1-23b。第26頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五1.2.4鐵碳合金相圖的應(yīng)用

1）在鑄造中的應(yīng)用。根據(jù)相圖可以知道各種成分的鋼和鑄鐵的結(jié)晶溫度，可確定合金的澆注溫度，知道合金的凝固溫度范圍，判斷流動(dòng)性以及縮孔、縮松的傾向。共晶成分的合金，結(jié)晶溫度較低，偏析較小，流動(dòng)性好，因而鑄造合金的成分常選用接近共晶成分。

2）在鍛造中的應(yīng)用。鋼中有奧氏體組織時(shí)，塑性好，變形是抗力低，便于塑性變形，故常選擇單相奧氏體區(qū)域的適當(dāng)溫度范圍。

3）在熱處理中的應(yīng)用。相圖反映了不同成分的合金在緩慢加熱或冷卻時(shí)，所發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變溫度，是制訂熱處理工藝的依據(jù)。第27頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五思考題：1.何謂奧氏體、鐵素體、滲碳體、珠光體、萊氏體，它們的性能如何？2.試簡述鐵碳合金狀態(tài)圖中C點(diǎn)、S點(diǎn)、ECF線、PSK線、ES線和GS線的物理含義。3.試分析含碳0.4%C、0.77%C、1.0%C、3.0%C、4.3%C和5.0%C的合金在極緩慢冷卻時(shí)組織的轉(zhuǎn)變過程，并指出其室溫組織。

第28頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五第3節(jié)常用工程材料1.3.1常用工程材料的分類

工程材料金屬材料碳素鋼合金鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼特殊性能鋼鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵有色金屬：銅合金、鋁合金等非金屬材料高分子材料：塑料、橡膠、復(fù)合材料等陶瓷材料：普通瓷、氧化鋁陶瓷、氧化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷鋼第29頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五1.3.2.1碳素鋼分類和牌號1）按鋼的含碳量分類：

低碳鋼中碳鋼高碳鋼2）按鋼的質(zhì)量分類：有害雜質(zhì)硫、磷的含量普通碳素鋼優(yōu)質(zhì)碳素鋼高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼1.3.2常用金屬材料1.分類第30頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五3）按用途分為：

碳素結(jié)構(gòu)鋼：

制造各種機(jī)器零件及工程構(gòu)件，大都是低碳鋼、中碳鋼，屬普通碳素鋼或優(yōu)質(zhì)碳素鋼。

碳素工具鋼：

制造各種刃具、量具和模具等，大都是高碳鋼，屬優(yōu)質(zhì)鋼或高級優(yōu)質(zhì)鋼。4）按冶煉時(shí)脫氧程度的不同分類沸騰鋼：不脫氧的鋼；鎮(zhèn)靜鋼：完全脫氧鋼；半鎮(zhèn)靜鋼：半脫氧鋼。

5）按金相組織分亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼。第31頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五2.普通碳素結(jié)構(gòu)鋼含碳量在0.06%～0.38%之間，硫、磷含量較高，在供應(yīng)狀態(tài)下使用，不需熱處理。常用于一般工程結(jié)構(gòu)及普通零件。其牌號（表示方法）由代表屈服點(diǎn)的字母Q、屈服點(diǎn)的數(shù)值、質(zhì)量等級符號(A、B、C、D)和脫氧方法符號(F、b、Z、TZ)組成。如Q235--A·F，表示其屈服點(diǎn)為235MPa，質(zhì)量等級為A級，沸騰鋼。3.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼按化學(xué)成分和力學(xué)性能供應(yīng)，雜質(zhì)含量少，表面質(zhì)量、組織結(jié)構(gòu)的均勻性較好，需經(jīng)熱處理，用于重要的零件。其牌號采用兩位數(shù)字來表示，表示該鋼號的平均含碳量的萬分之幾。根據(jù)含錳量不同分為普通含錳量（0.25%～0.8%）和較高含錳量（0.75%～1.2%）兩種，后者加“Mn”，如20鋼為含碳0.2%，65Mn為含碳0.65%，較高含錳量。第32頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五1.3.2.2合金鋼分類和牌號

1.分類合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼特殊性能鋼建筑及工程用鋼或構(gòu)件用鋼機(jī)器制造用鋼滲碳鋼調(diào)質(zhì)鋼彈簧鋼滾動(dòng)軸承鋼刃具鋼模具鋼量具鋼不銹鋼耐熱鋼耐磨鋼磁鋼1）按用途分:第33頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五2）按合金元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分：3）按所含合金元素種類分為：鉻鋼、錳鋼、鎳鋼、鉻錳鋼、硅錳鋼等。4）按金相組織分為：珠光體鋼、馬氏體鋼、貝氏體鋼、奧氏體鋼。

低合金鋼（合金元素總含量<5%）中合金鋼（合金元素總含量5%-10%）高合金鋼（合金元素總含量>10%）第34頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五2.合金結(jié)構(gòu)鋼1）低合金結(jié)構(gòu)鋼。Q+×××+質(zhì)量等級符號，如Q345C；Q表示屈服點(diǎn)的“屈”，345表示屈服點(diǎn)數(shù)值，C表示質(zhì)量等級，有A、B、C、D、E五個(gè)等級。

2）合金結(jié)構(gòu)鋼。數(shù)字+化學(xué)元素符號+數(shù)字，前面數(shù)字表示鋼的平均含碳量，以萬分之幾表示，后面數(shù)字表示該合金元素的平均含量，以百分之幾表示，但低于1.5%時(shí)不標(biāo)。若為高級優(yōu)質(zhì)鋼在最后加“A”字，如60Si2Mn，滾動(dòng)軸承鋼，GCr15SiMn。第35頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五4.特殊性能鋼特殊性能鋼牌號為數(shù)字+化學(xué)元素符號+數(shù)字。前面數(shù)字表示鋼的平均含碳量，以千分之幾表示，但當(dāng)平均含碳量小于等于0.03%時(shí)標(biāo)為00，小于等于0.08%時(shí)標(biāo)為0，如2Cr13。

3.合金工具鋼合金工具鋼牌號為數(shù)字+化學(xué)元素符號+數(shù)字。前面數(shù)字表示鋼的平均含碳量，以千分之幾表示，但高于1.0%時(shí)不標(biāo)，高速鋼例外，其低于1.0%時(shí)也不標(biāo)，其余同合金結(jié)構(gòu)鋼，如5CrMnMo。

第36頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五1.鑄鐵鑄鐵含碳量大于2.11%的鐵碳合金，一般含碳量2.5%～4.0%，含有較多的硅、錳、硫、磷等雜質(zhì)。

根據(jù)碳在鑄鐵中的存在形態(tài)可分為：

1）白口鑄鐵。即生鐵,碳除少量溶于鐵素體外，絕大部分以滲碳體形式存在，其斷口呈銀白色。特點(diǎn)是硬和脆，難以加工，但耐磨。一般不直接用來制造機(jī)器零件，常用作煉鋼原料或制造可鍛鑄鐵件。

2）灰鑄鐵。碳主要以自由狀態(tài)的片狀石墨形態(tài)存在，如圖1-24，斷口為暗灰色。強(qiáng)度低，塑性差，但易切削，減摩消振性好，且鑄造性能好，應(yīng)用最廣泛。

圖1-24片狀石墨1.3.2.3鑄鐵和鑄鋼

第37頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五3）可鍛鑄鐵。碳主要以團(tuán)絮狀石墨形態(tài)存在，如圖1-25，因而有較高的塑性和韌性。用于受沖擊和振動(dòng)的薄壁小件?？慑戣T鐵由白口鑄鐵經(jīng)高溫退火處理獲得。

圖1-25團(tuán)絮狀石墨4）球墨鑄鐵。鐵液在澆注前經(jīng)球化處理，碳大部分或全部以自由狀態(tài)的球狀石墨存在，如圖1-26，有時(shí)出現(xiàn)少量團(tuán)絮狀。強(qiáng)度、塑性均高于可鍛鑄鐵，抗拉強(qiáng)度甚至高于碳鋼。

圖1-26球狀石墨第38頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五2.鑄鋼1）鑄鋼件。將鋼液直接鑄成零件毛坯，以后不再進(jìn)行鍛造的鋼件。常用于要求較高而復(fù)雜的零件。

2）含碳量。鑄造碳鋼的含碳量在0.20%～0.60%之間，含碳量太高則塑性差，易冷裂，硫、磷含量在0.040%以下。

3）牌號?！癦G+兩組數(shù)字”表示，數(shù)字分別表示最低屈服點(diǎn)和最低抗拉強(qiáng)度的值。如ZG200-400

。第39頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五1.3.3非金屬材料

通常認(rèn)為除金屬材料以外的材料都是非金屬材料，主要有高分子材料、陶瓷材料。1.塑料塑料以有機(jī)合成樹脂為主，加入適量的添加劑，在一定溫度和壓力作用下加工成形的玻璃態(tài)高分子材料。

塑料的組成：合成樹脂和某些添加劑。

第40頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五

樹脂：它是低分子化合物經(jīng)聚合反應(yīng)形成的高分子化合物，是塑料的主要成分。其種類、性質(zhì)、含量等對塑料的性能起決定作用。塑料多以樹脂來命名。

添加劑：是在塑料中，有目的加入的某些固態(tài)物質(zhì)，以彌補(bǔ)樹脂自身性能的不足。

1）填料，為增加塑料的強(qiáng)度而加入的，如木粉、高嶺土、石墨等。

2）增塑劑，使大分子鏈的距離拉開，降低分子間的作用力，增加柔順性，如甲酸酯類化合物。

3）固化劑，在高聚物中生成橫跨鏈，使分子交聯(lián)，樹脂由線型結(jié)構(gòu)變成體型結(jié)構(gòu)，如乙二胺。

4）穩(wěn)定劑，又稱防老化劑，一般加入量在千分之幾，防止過早老化的作用，如硬脂酸鈣。第41頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五5）其它，按性能要求加入一定量的潤滑劑、染料、發(fā)泡劑、阻燃劑等。

塑料的分類：

1）按熱性能分為熱塑性塑料和熱固性塑料。

熱塑性塑料：加熱軟化，可熔成粘稠狀的液體，冷卻時(shí)硬化成所需的形狀。再加熱時(shí)又重新軟化。如聚氯乙烯，聚酰胺等。

熱固性塑料：樹脂受熱先軟化，繼續(xù)加熱又硬固化，大分子由線型結(jié)構(gòu)變成體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，固化后加熱則不再軟化。如酚醛塑料。

2）按應(yīng)用范圍分：通用塑料、工程塑料、特種塑料。

第42頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五2.橡膠橡膠是指在很寬的溫度范圍（-50～1500C），均處于高彈態(tài)，在很小的力作用下可發(fā)生很大的彈性變形，外力去除后能瞬間恢復(fù)原來的狀態(tài)的經(jīng)過硫化，并加入了配合劑的高分子材料。

橡膠的組成：生產(chǎn)中把未經(jīng)硫化的天然膠與合成膠稱為生膠，硫化后的膠稱為橡膠。為提高橡膠制品的性能，常添加各種配合劑。

第43頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五

1）硫化劑。使生膠分子相互交聯(lián)成為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，天然橡膠中常加硫磺，合成橡膠則還要加入過氧化物及金屬氧化物。

2）促進(jìn)劑。常選用有機(jī)化合物，以縮短硫化時(shí)間，降低硫化溫度。

3）軟化劑。常選用硬脂酸，精制蠟、凡士林等，增加橡膠的塑性，改善粘附力，降低硬度和提高耐寒性。

4）補(bǔ)強(qiáng)劑。常選用碳黑、白碳黑，以提高強(qiáng)度，硬度，增強(qiáng)耐磨性。

橡膠的分類：按來源分為天然橡膠和合成橡膠兩大類。

常用橡膠有：天然橡膠、丁苯橡膠、順丁橡膠。特種橡膠有：聚胺脂橡膠、硅橡膠等。

第44頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五3.陶瓷

陶瓷是陶器和瓷器的總稱，發(fā)展到近代泛指全部硅酸鹽材料，而現(xiàn)代則擴(kuò)展到所有無機(jī)非金屬材料。它與金屬材料，高分子材料構(gòu)成三大固體材料。

陶瓷是由金屬元素和非金屬元素的化合物構(gòu)成的多晶材料，其顯微組織是由晶相、玻璃相、氣相組成的。

陶瓷生產(chǎn)工藝特點(diǎn)：先成形，后燒結(jié)。如傳統(tǒng)陶瓷選用天然原料，粘土，高嶺土等，經(jīng)粉碎，成形，干燥，燒結(jié)而成。

第45頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五

常用工業(yè)陶瓷的分類：

1）普通陶瓷。粘土類陶瓷，以高嶺土、長石、石英為原料制成，產(chǎn)量大，應(yīng)用廣，如日用陶瓷、瓷器，建筑業(yè)等。2）氧化鋁陶瓷。以Al2O3位主要成分的陶瓷，也稱高鋁陶瓷。其熔點(diǎn)高，耐高溫，并有較高的強(qiáng)度、硬度及耐磨性，但脆性大。用于制造耐高溫材料、刀具材料和電絕緣材料。

第46頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五3）碳化硅陶瓷。以碳化硅為主要成分的陶瓷。具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，良好的熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐蝕性及抗蠕變性。主要用于制造熱電偶套管、爐管、火箭噴嘴、高溫軸承、熱交換器、砂輪、磨料等。4）氮化硅陶瓷。以氮化硅為主要成分的陶瓷。穩(wěn)定性極強(qiáng)，除氫氟酸外，能耐各種酸、堿的腐蝕，具有良好的耐磨性，摩擦系數(shù)和熱膨脹系數(shù)小，具有自潤滑性。用于制造耐磨、耐腐蝕、耐高溫、絕緣及切削刀具等。第47頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五第4節(jié)鋼的熱處理

熱處理：將固態(tài)金屬或合金在一定介質(zhì)中加熱、保溫和冷卻，以改變其整體或表面組織，從而獲得所需性能的工藝方法。

熱處理的三個(gè)階段：加熱、保溫、冷卻。如圖1-29所示是最基本的熱處理工藝曲線。溫度加熱保溫冷卻時(shí)間圖1-29熱處理工藝曲線第48頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五1.加熱和冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度

要使鋼的組織發(fā)生變化，必須加熱到相變溫度以上，相變溫度可由相圖來確定。但在實(shí)際加熱和冷卻時(shí)，合金有過冷和過熱現(xiàn)象，如圖1-30所示，加熱時(shí)實(shí)際相變溫度偏高，冷卻時(shí)偏低。加熱和冷卻速度越快，偏離越嚴(yán)重。常用、、表時(shí)加熱時(shí)偏離的相變溫度。用、、表示冷卻時(shí)偏離的相變溫度。

圖1-30加熱（冷卻）時(shí)相變溫度1.4.1熱處理過程中的組織轉(zhuǎn)變CFe-Fe3第49頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五2.鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

奧氏體化：為使熱處理獲得所需的性能，將鋼加熱到臨界溫度以上，使室溫組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻膴W氏體的過程。

奧氏體的形成：

以共析鋼為例，共析鋼的組織室溫時(shí)為珠光體（F+Fe3C），當(dāng)加熱到以上時(shí)，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。其過程如下：2）奧氏體晶核長大。通過原子擴(kuò)散，使?jié)B碳體不斷溶解和鐵素體晶格由體心立方晶格改組為面心立方晶格。

1）奧氏體晶核形成。首先在鐵素體和滲碳體的晶界上出現(xiàn)奧氏體晶核，因?yàn)橄嘟缑娴脑优帕形蓙y，晶體缺陷較多，易于形核。

第50頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五3）殘余滲碳體的溶解。鐵素體先消失，滲碳體繼續(xù)向奧氏體溶解完；

4）奧氏體均勻化。殘余滲碳體溶解完后，碳的濃度并不均勻，在原來滲碳體的地方碳含量高，鐵素體處低，保溫一定時(shí)間，碳原子擴(kuò)散，得到均勻的奧氏體組織。

亞共析鋼和過共析鋼，加熱到時(shí)，只有珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，隨著加熱溫度升高，鐵素體和二次滲碳體才不斷向奧氏體轉(zhuǎn)變，到加熱溫度超過或時(shí)，才全部轉(zhuǎn)變成奧氏體。珠光體組織比較細(xì)密，形成奧氏體的晶核較多，因而珠光體剛轉(zhuǎn)變成奧氏體時(shí)，其晶粒比較細(xì)小。但若升高溫度或保溫時(shí)間過長，晶粒將長大。

第51頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五3.鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

熱處理工藝中常用的冷卻方式：連續(xù)冷卻、等溫冷卻。

鋼經(jīng)奧氏體化后，冷卻條件不同，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織結(jié)構(gòu)、性能均不同。

1）連續(xù)冷卻。將已奧氏體化的鋼以某種速度連續(xù)冷卻，使其在臨界點(diǎn)以下變溫連續(xù)轉(zhuǎn)變。

2）等溫冷卻。將已奧氏體化的鋼迅速冷卻到相變點(diǎn)以下的某個(gè)溫度，進(jìn)行保溫，使過冷奧氏體在該溫度下恒溫轉(zhuǎn)變。

注：過冷奧氏體。冷卻至A1以下尚未轉(zhuǎn)變的奧氏體，是暫時(shí)存在的，處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體。

第52頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五

下面以共析鋼為例，分析奧氏體在不同溫度下冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變。

奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖：將不同等溫轉(zhuǎn)變過程中奧氏體轉(zhuǎn)變開始和終結(jié)時(shí)間，標(biāo)注在溫度時(shí)間坐標(biāo)系中，分別連接開始轉(zhuǎn)變點(diǎn)和終結(jié)點(diǎn)，所得的圖即為等溫轉(zhuǎn)變圖，共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖如圖1-31所示。A1為奧氏體轉(zhuǎn)變的臨界溫度，此線以上為奧氏體穩(wěn)定區(qū)，左邊的一條C曲線為過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變開始線，其左方為過冷奧氏體區(qū)，右邊的一條C曲線為過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變終結(jié)線，其右方為轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)，中間為轉(zhuǎn)變區(qū)，下方的兩條水平線分別為馬氏體圖1-31共析鋼等溫轉(zhuǎn)變圖第53頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五

依據(jù)等溫轉(zhuǎn)變圖，奧氏體的轉(zhuǎn)變過程如下：轉(zhuǎn)變開始線（Ms=2300C)和終結(jié)線（Mf=-500C)。由圖可知，過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的孕育期不同，以轉(zhuǎn)變開始線與縱坐標(biāo)的距離來表示，孕育期越長，過冷奧氏越穩(wěn)定，C曲線鼻尖部位（約5500C）,轉(zhuǎn)變最快。圖3-3共析鋼等溫轉(zhuǎn)變圖1）高溫轉(zhuǎn)變（珠光體轉(zhuǎn)變）。在A1線至5500C，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體與滲碳體片層相間的珠光體型組織。其中在A1～6500C為粗片狀珠光體，硬度在17～23HRC。6500C～6000C為較細(xì)片狀珠光體，亦稱索氏體，硬度在23-32HRC。6000C～5500C為極細(xì)片狀珠光體，第54頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五亦稱托氏體，硬度在33～40HRC。層片越細(xì)，強(qiáng)度、硬度越高、塑性韌性越好。2）中溫轉(zhuǎn)變（貝氏體轉(zhuǎn)變）。在5500C～Ms溫度范圍內(nèi)，得到過量碳濃度的鐵素體和微小的滲碳體混合物。在5500C～3500C，得到羽毛狀的上貝氏體，硬度較高40～45HRC，強(qiáng)度較低、塑性韌性較差。在3500C～Ms，得到黑色針狀的下貝氏體，硬度高45～55HRC，強(qiáng)度較高、塑性韌性較好。

圖1-31共析鋼等溫轉(zhuǎn)變圖第55頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五

馬氏體可分為片狀馬氏體和板條狀馬氏體，含碳量C>1.0%的為片狀，其硬度高，脆性大。含碳量C<0.2%的為板條狀馬氏體，其強(qiáng)度、韌性較好。含碳量0.2%<C<1.0%的為片狀馬氏體和板條狀馬氏體的復(fù)合組織。圖1-31共析鋼等溫轉(zhuǎn)變圖3）低溫轉(zhuǎn)變（馬氏體轉(zhuǎn)變）。在Ms以下，得到碳在中的過飽和固溶體，即馬氏體。馬氏體轉(zhuǎn)變速度極快，瞬間完成。馬氏體量隨溫度下降而增加，但總有一部分奧氏體殘留下來，稱為殘余奧氏體，它將降低鋼的硬度，影響零件形狀、尺寸的穩(wěn)定性。第56頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五1.4.2鋼的熱處理工藝

鋼的熱處理可分為普通熱處理（如退火、正火、淬火、回火等）和表面熱處理。

1.退火退火是將組織偏離平衡狀態(tài)的金屬或合金加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻得到接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。

退火的目的：

1）降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷變形加工；

2）消除鋼中的殘余內(nèi)應(yīng)力，以防工件變形和開裂；

3）改善組織，細(xì)化晶粒，改變鋼的性能或?yàn)橐院鬅崽幚碜鰷?zhǔn)備。

第57頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五

退火的分類：各種退火、正火加熱溫度及工藝曲線如圖1-32所示。圖1-32退火正火工藝規(guī)范示意圖1）完全退火。加熱到Ac3以上20～300C，保溫，緩冷至6000C以下，再空冷，得到接近平衡狀態(tài)組織。主要用于亞共析鋼和共析鋼的鍛件、軋件、鑄件，使晶粒細(xì)化，組織均勻和消除殘余應(yīng)力，提高鋼件的性能。過共析鋼不宜完全退火，因析出網(wǎng)狀滲碳體，降低鋼的力學(xué)性能。

2）球化退火。使鋼中的碳化物呈球狀而進(jìn)行的退火。將工件加熱到Ac1以上20～300C，保溫，然后緩慢冷卻。主要用于過共析鋼，使鋼中二次滲碳第58頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五體和珠光體中的片狀滲碳體球狀化，以降低硬度提高韌性，改善切削加工性能。圖1-32退火正火工藝規(guī)范示意圖3)去應(yīng)力退火。為消除形變加工、鍛造、焊接等以及鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力而進(jìn)行的退火。鑄鋼件的溫度為600～6500C，鑄鐵件為500～550，保溫后在爐內(nèi)緩慢冷卻。組織不發(fā)生變化，只消除內(nèi)應(yīng)力，減少變形，穩(wěn)定尺寸。

4）擴(kuò)散退火(均勻化退火)。將鋼加熱到略低于固相線溫度，長時(shí)間保溫，隨爐冷卻，使化學(xué)成分和組織均勻化。主要用于質(zhì)量要求高的合金鋼鑄錠、鑄件或鍛件。

第59頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五2.正火正火是將工件加熱到Ac3（亞共析鋼）或Accm（過共析鋼）以上30～500C，保溫適當(dāng)時(shí)間，在自由流通的空氣中冷卻，得到珠光體類組織的熱處理工藝。

正火主要應(yīng)用于：1）對不太重要的零件，可細(xì)化晶粒，組織均勻，提高機(jī)械性能，作為最終熱處理；

2）對低碳鋼或低碳合金鋼，可提高硬度，改善切削加工性；

3）對于過共析鋼或工具鋼，可減少二次滲碳體，并使其不呈連續(xù)網(wǎng)狀碳化物，便于球化退火。

第60頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五3.淬火淬火是將鋼加熱到相變溫度以上，保溫一定時(shí)間，然后快速冷卻以獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。淬火可提高工件的硬度和耐磨性，一般淬火后的工件再配合適當(dāng)溫度的回火，可獲得較好的綜合力學(xué)性能，如刀具、模具、軸和齒輪。淬火質(zhì)量取決于加熱溫度和冷卻方式。

1）淬火加熱溫度。根據(jù)鋼材的化學(xué)成分決定，亞共析鋼在Ac3以上30～500C，此時(shí)鋼的組織為細(xì)顆粒的奧氏體，淬火后獲得細(xì)小的馬氏體。若溫度低于Ac3，將出現(xiàn)自由鐵素體。若溫度過高，得到粗大的馬氏體，性能變壞。共析鋼和過共析鋼加熱溫度在Ac1以上30～500C，得到細(xì)小的馬氏體和小顆粒的滲碳體組織。

第61頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五2）淬火冷卻方法。冷卻介質(zhì)對淬火效果有很大影響，常用的有水、油和鹽、堿的水溶液。水用于形狀簡單、截面較大的碳素鋼工件。油用于合金鋼和復(fù)雜的碳素鋼。常用淬火方法如圖1-33所示。1表示單液淬火，2表示雙液淬火，3表示分級淬火，4表示等溫淬火。3）淬透性和淬硬性。

圖1-33常用淬火方法示意圖

淬透性：鋼在淬火后，獲得淬透層（淬硬層）深度的能力。

淬硬性：鋼淬火時(shí)能達(dá)到的最高硬度。

第62頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五4.回火回火是為了消除淬火引起的殘余應(yīng)力及獲得要求的組織和性能，將淬火后的工件加熱到Ac1以下某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。

回火目的：淬火后得到性能很脆的馬氏體組織，而且淬火馬氏體是不穩(wěn)定的組織，它有變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)的趨勢，而使零件尺寸變化，并存在內(nèi)應(yīng)力，零件容易變形和開裂。為此利用回火來達(dá)到以下目的：1）減少和消除淬火應(yīng)力；

2）穩(wěn)定工件尺寸，防止變形和開裂；3）獲得工件所需的組織和性能；即獲得要求的強(qiáng)度、硬度和韌性。

第63頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五

回火的種類及應(yīng)用：

1）低溫回火。加熱溫度為150～2500C，得到碳的過飽和程度稍小的固溶體—回火馬氏體，硬度較高，在HRC58～64之間，高耐磨性?？上欢ǖ臍堄鄳?yīng)力，韌性有所改善。用于各類高碳鋼的工具、模具、量具。2）中溫回火。加熱溫度為350～5000C，得到極細(xì)顆粒狀滲碳體和鐵素體的混合物—回托氏體，有極高的彈性極限和屈服強(qiáng)度，也有較好的韌性。硬度在HRC35～45；用于各種彈簧、彈簧夾頭及鍛模。

3）高溫回火。加熱溫度為500～6500C，得到細(xì)而均勻的顆粒狀滲碳體和鐵素體的混合物---回火索氏體，有較高的強(qiáng)度和硬度，又有較好的韌性和塑性。工廠一般把淬火和高溫回火叫調(diào)質(zhì)處理。用于重要的零件如軸、齒輪、連桿和螺栓。

第64頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五5.表面熱處理表面熱處理是使工作表面具有高的硬度和耐磨性，心部有足夠的韌性和塑性的熱處理。常用的有表面淬火及化學(xué)熱處理。2）表面淬火。對工件表層迅速加熱至淬火溫度，而心部溫度仍保持在臨界溫度以下，然后快速冷卻，使鋼的表面至一定深度的組織為馬氏體，心部仍為原始組織的熱處理工藝。

1）化學(xué)熱處理。將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入它的表面，改變其表面的化學(xué)成分、組織和性能的熱處理。使表面具有耐磨、耐腐蝕、耐熱等性能。分為滲碳、滲氮、碳氮共滲（氰化）、滲硼、滲鉻等金屬、多元共滲等。

第65頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五1）火焰加熱表面淬火。使用氧-乙炔火焰噴向工件表面，立即噴水冷卻的淬火方法。如圖1-34所示。2）感應(yīng)加熱表面淬火。利用感應(yīng)電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)萊加熱工件表面，噴水冷卻的方法。如圖1-35所示。

圖1-34火焰加熱表面淬火示意圖圖1-35感應(yīng)加熱表面淬火示意圖第66頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五

為了合理地使用和加工金屬材料，必須了解其使用性能和工藝性能。

第5節(jié)工程材料的性能

使用性能：指各個(gè)零件或構(gòu)件在正常工作時(shí)金屬材料應(yīng)具備的性能，它決定了金屬材料的應(yīng)用范圍、使用的可靠性和壽命。包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能。

工藝性能：指金屬材料在冷、熱加工過程中應(yīng)具備的性能，它決定了金屬材料的加工方法。包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能。1.5.1金屬材料的性能第67頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五

金屬材料的剛度、強(qiáng)度、彈性、塑性是通過拉伸實(shí)驗(yàn)來測定的，標(biāo)準(zhǔn)試樣如圖1-8所示，把試樣安裝在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，并對試樣施加一個(gè)緩慢增加的軸向拉力，試樣產(chǎn)生變形，直至斷裂。

力學(xué)性能（機(jī)械性能）：指金屬材料具有的抵抗一定外力作用而不被破壞的性能。金屬材料的力學(xué)性能主要有：剛度、強(qiáng)度、彈性、塑性、硬度、沖擊韌度、斷裂韌度和疲勞強(qiáng)度等。

1.5.1.1金屬材料的力學(xué)性能圖1-8圓形拉伸試樣第68頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五

拉伸曲線：以低碳鋼為例，其拉伸曲線如圖1-9所示，負(fù)荷為縱坐標(biāo)，絕對伸長量為橫坐標(biāo)。圖1-9低碳鋼拉伸曲線1.強(qiáng)度

拉伸曲線oe段是直線，金屬材料處在彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比例關(guān)系，服從虎克定律，其比值稱彈性模量，是衡量材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)。

1）彈性極限。金屬材料產(chǎn)生完全彈性變形時(shí)所能承受的最大應(yīng)力值，單位MPa

。即試樣發(fā)生完全彈性變形的最大載荷（N）；試樣的原始橫截面積（mm2）。式中第69頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五2）抗拉強(qiáng)度。當(dāng)負(fù)荷繼續(xù)增加超過s點(diǎn)后，變形量隨著負(fù)荷的增加而急劇增加，當(dāng)負(fù)荷超過b點(diǎn)，變形集中在試樣的某一部位上，試樣在該部位出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，拉伸變形集中在縮頸處。繼續(xù)施加負(fù)荷，試樣在k點(diǎn)斷裂。材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力，即為抗拉強(qiáng)度（強(qiáng)度極限），它也是試樣能夠保持均勻塑性變形的最大應(yīng)力。

試樣被拉斷前所承受的最大載荷（N）；試樣的原始橫截面積（mm2）。式中第70頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五3）屈服點(diǎn)

。開始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力稱為屈服點(diǎn)，其含義指在外力作用下開始產(chǎn)生明顯塑性變形的最小應(yīng)力，也即材料抵抗微量塑性變形的能力。

條件屈服極限：有些塑性較低的材料沒有明顯的屈服點(diǎn)，難于確定產(chǎn)生塑性變形的最小應(yīng)力。故規(guī)定當(dāng)試樣產(chǎn)生0.2%的塑性變形時(shí)所對應(yīng)的應(yīng)力作為材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形時(shí)的屈服強(qiáng)度，稱為條件屈服極限。

零件設(shè)計(jì)時(shí)對塑性材料采用屈服強(qiáng)度；脆性材料采用抗拉強(qiáng)度。

試樣發(fā)生屈服時(shí)的載荷（N）；試樣的原始橫截面積（mm2）。式中第71頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五2.塑性塑性指金屬材料在靜載荷作用時(shí)，在斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力，反映材料塑性的力學(xué)性能指標(biāo)有延伸率和斷面收縮率。1）延伸率。指試樣拉斷后其標(biāo)距長度的相對伸長值。即

2）斷面收縮率。指試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大相對收縮值。

試樣斷裂后的標(biāo)距長度；試樣的原始標(biāo)距長度；式中試樣斷裂出的最小橫截面積；試樣的原始橫截面積；式中第72頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五3.硬度硬度指金屬材料抵抗外物壓入其表面的能力，也是衡量金屬材料軟硬程度的一種力學(xué)性能指標(biāo)。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。

1）布氏硬度HBS(HBW)。布氏硬度是在布氏硬度計(jì)上進(jìn)行測量的，用一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^，以相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)力壓入試樣表面，保持規(guī)定的時(shí)間后，卸除實(shí)驗(yàn)力，在試樣表面形成壓痕，以壓痕球形表面所承受的平均負(fù)荷作為布氏硬度值，如圖1-10示。

圖1-10布氏硬度實(shí)驗(yàn)原理圖實(shí)驗(yàn)力（kgf）；球體直徑（mm）；壓痕平均直徑（mm）。式中第73頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五

在做布氏試驗(yàn)時(shí)，只需測量出d值即可從有關(guān)表格上查出相應(yīng)的布氏硬度值。壓頭為鋼球時(shí)，為HBS，適用于布氏硬度450以下的材料；壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，為HBW，適用于布氏硬度650以下的材料。優(yōu)點(diǎn)：測量結(jié)果準(zhǔn)確，缺點(diǎn)：壓痕大，不適合成品檢驗(yàn)。

2）洛氏硬度。洛氏硬度是用壓頭壓入的壓痕深度作為測量硬度值的依據(jù),如圖1-11所示?？梢灾苯訌穆迨嫌捕扔?jì)的表盤上讀出，它是一個(gè)相對值，人們規(guī)定每0.002mm壓痕深度為一個(gè)洛氏硬度單位。洛氏硬度用HRA、HRB和HRC來表示。HRC采用頂角為120°的金剛石圓錐體為壓頭，施加150kgf的外力，主要用于淬火鋼等較硬材料的測定，常用硬度值為20-67HRC；HRA采用外加載荷為60kgf，用于測量高硬度薄層，常用硬度值為70-85HRA；HRB采用直徑1.588mm的鋼球，100kgf的外加載荷，用于硬度較低的材料，常用硬度值為25-100HRB。優(yōu)點(diǎn)：測量迅速簡便，壓痕小，可在成品零件上檢測。第74頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五3）維氏硬度HV。測試的基本原理與布氏硬度相同，但壓頭采用錐面夾角136°的金剛石正四棱錐體，維氏硬度試驗(yàn)所用載荷小，壓痕深度淺，適用于測量零件薄的表面硬化層的硬度。試驗(yàn)載荷可任意選擇，故可測硬度范圍寬，工作效率較低。4.疲勞強(qiáng)度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(qiáng)度的交變應(yīng)力作用下，經(jīng)過較長時(shí)間工作而發(fā)生突然斷裂，而無明顯的塑性變形的現(xiàn)象。第75頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五3）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1-12所示。圖1-12疲勞曲線4）疲勞極限。由圖1-12可見，應(yīng)力愈高，循環(huán)次數(shù)愈少，反之亦然。當(dāng)應(yīng)力低到一定值時(shí)，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(qiáng)度（疲勞極限）。對稱彎曲疲勞極限用表示；無限次當(dāng)然不是數(shù)學(xué)上的無窮大，只是一個(gè)很大的數(shù)而已，對于鋼鐵材料為107，有色金屬材料為108

。第76頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五5.沖擊韌度

指金屬材料抵抗沖擊負(fù)荷的能力，可用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)來測定金屬材料的沖擊值。如圖1-13，1-14所示。沖擊韌度值可用下式計(jì)算。沖擊韌度（J/cm2）

；沖擊吸收功（J）；擺錘重量（N）；擺錘抬升高度（m）；擺錘沖擊后的高度（m）；試樣缺口底部處橫截面積（cm2）。式中第77頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五

物理性能指不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)就能表現(xiàn)出來的性能，如密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性和磁性等。

1.5.1.2金屬材料的物理和化學(xué)性能

化學(xué)性能是材料在化學(xué)介質(zhì)的作用下所表現(xiàn)出來的性能。如材料的耐腐蝕性能、抗氧化性能和化學(xué)穩(wěn)定性能等。

1.5.1.3金屬材料的工藝性能

金屬材料的工藝性能指金屬材料適應(yīng)加工工藝要求的能力。按工藝方法的不同，可分為鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能。第78頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五1）鑄造性能。指利用金屬的可熔性將其熔化后，注入鑄型制成鑄件的難易程度，包括金屬液體的流動(dòng)性和收縮性。

2）鍛造性能。指金屬材料在鍛造過程中承受壓力加工而具有的塑性變形能力。

3）焊接性。指材料被焊接的難易性質(zhì)。

4）切削加工性。表示對材料進(jìn)行切削的難易程度，可用切削抗力的大小、加工表面質(zhì)量、排屑的難易程度和切削刀具的壽命來衡量。

5）熱處理工藝性。指標(biāo)有淬硬性、淬透性、淬火變形與淬裂、表面氧化與脫碳、過熱與過燒、回火穩(wěn)定性與脆性。

第79頁，共98頁，2023年，2月20日，星期五

非金屬材料的基本性能包括物理性能、力學(xué)性能、與水有關(guān)