《工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)》（第3版）全套教學(xué)課件

緒論緒論第1章工程材料的主要性能第2章合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第3章2元合金相圖及應(yīng)用第4章鋼的熱處理第5章鋼鐵材料第6章非鐵金屬第7章非金屬材料第8章工程材料的選擇第9章鑄造第10章鍛壓第11章焊接全套可編輯PPT課件163材料成型工藝是一門有關(guān)機(jī)械零件制造方法及其用材的綜合性技術(shù)基礎(chǔ)課。

1、內(nèi)容（1）系統(tǒng)介紹機(jī)械工程材料的性能、應(yīng)用及改進(jìn)材料性能的工藝方法；（2）各種成形工藝方法及其在機(jī)械制造中的應(yīng)用和相互聯(lián)系；（3）機(jī)械零件的加工工藝過程。1、內(nèi)容

2、生產(chǎn)方法熱加工---鑄造

熔煉金屬，制造鑄型，并將熔融金屬澆入鑄型，凝固后獲得一定形狀和性能鑄件的成形方法，稱為鑄造。

2、生產(chǎn)方法熱加工---鍛壓（鍛造、沖壓）

鍛壓是對(duì)坯料施加外力，使其產(chǎn)生塑性變形、改變尺寸、形狀及改善性能，用以制造機(jī)械零件、工件或毛坯的成形加工方法。它是鍛造與沖壓的總稱，屬于壓力加工的范疇。

2、生產(chǎn)方法熱加工---焊接

通過加熱或加壓，或兩者并用，在用或不用填充材料的條件下借助于原子間或分子間的聯(lián)系與質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散作用形成一個(gè)整體的過程。汽車一廠車身車間POLO底盤焊接

2、生產(chǎn)方法

3、歷史發(fā)展

材料是現(xiàn)代文明的三大支柱之一，也是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)和機(jī)械工業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。材料作為生產(chǎn)活動(dòng)的基本投入之一，對(duì)生產(chǎn)力的發(fā)展有深遠(yuǎn)的影響。歷史上曾把當(dāng)時(shí)使用的材料，當(dāng)作歷史發(fā)展的里程碑，如“石器時(shí)代”、“青銅器時(shí)代”、“鐵器時(shí)代”等。我國是世界上最早發(fā)現(xiàn)和使用金屬的國家之一。周朝是青銅器的極盛時(shí)期，到春秋戰(zhàn)國時(shí)代，已普遍應(yīng)用鐵器。直到19世紀(jì)中葉，大規(guī)模煉鋼工業(yè)興起，鋼鐵才成為最主要的工程材料?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了材料工業(yè)的發(fā)展，使新材料不斷涌現(xiàn)。石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)了合成材料的興起和應(yīng)用；20世紀(jì)80年代特種陶瓷材料又有很大進(jìn)展，工程材料隨之?dāng)U展為包括金屬材料、有機(jī)高分子材料（聚合物）和無機(jī)非金屬材料三大系列的全材料范圍。

3.1概述

3、歷史發(fā)展

人類早在6000年以前就發(fā)明了金屬冶煉，公元前4000年，古埃及人便掌握了煉銅技術(shù)。我國青銅冶煉始于公元前2000年（夏代早期）。古埃及在5000年以前，就用含鎳7.5％的隕石鐵做成鐵球。我國春秋戰(zhàn)國時(shí)期，已經(jīng)大量使用鐵器。鑄鐵的發(fā)展經(jīng)歷了5000年的漫長歲月，只是到了瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)以后，由于在鐵軌、鑄鐵管制造中的大量應(yīng)用，才走上工業(yè)生產(chǎn)的道路。15世紀(jì)－18世紀(jì)，從高爐煉鋼到電弧爐煉鋼，奠定了近代鋼鐵工業(yè)的基礎(chǔ)。19世紀(jì)后半葉，歐洲社會(huì)生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了鋼鐵工業(yè)的大步發(fā)展，擴(kuò)大了鋼鐵生產(chǎn)規(guī)模，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。從20世紀(jì)50年代到2006年，全世界的鋼產(chǎn)量由2.1億噸增加到12.39億噸。而我國2006年鋼產(chǎn)量達(dá)到4.19億噸，超過20世紀(jì)50年代全球鋼產(chǎn)量一倍，躍居全球鋼產(chǎn)量首位。在黑色金屬發(fā)展的同時(shí)，非鐵金屬也得到發(fā)展。人類自1866年發(fā)明電解鋁以來，鋁已成為用量僅次于鋼鐵的金屬。1910年純鈦的制取，滿足了航空工業(yè)發(fā)展的需求。3.1.1金屬材料的發(fā)展

3、歷史發(fā)展

非金屬材料如陶瓷、橡膠等的發(fā)展歷史也十分悠久。進(jìn)入到20世紀(jì)后，更是取得了重大的進(jìn)展。人工合成高分子材料從20世紀(jì)20年代至今發(fā)展最快，其產(chǎn)量之大、應(yīng)用之廣可與鋼鐵材料相比。20世紀(jì)60年代到70年代，有機(jī)合成材料每年以14％的速度增長，而金屬材料年增長率僅為4％。1970年世界高分子材料為4000萬噸，其中3000萬噸為塑料；橡膠為5000萬噸，這已超過天然橡膠的產(chǎn)量；合成纖維400萬噸。20世紀(jì)90年代，塑料產(chǎn)量已逾億噸，按體積計(jì)，已超過鋼鐵產(chǎn)量。2005年我國塑料產(chǎn)量達(dá)到2198.55萬噸。3.1.2非金屬材料及復(fù)合材料的發(fā)展

3、歷史發(fā)展

陶瓷材料近幾十年的發(fā)展也十分引人注目。陶瓷材料在冶金、建筑、化工和尖端技術(shù)領(lǐng)域已成為耐高溫、耐腐蝕和各種功能材料的主要用材。航空、航天、電子、通信、機(jī)械、化工、能源等工業(yè)的發(fā)展對(duì)材料的性能提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的單一材料已不能滿足使用要求，復(fù)合材料的研究和應(yīng)用引起了人們的重視。玻璃纖維樹脂復(fù)合材料、碳纖維樹脂復(fù)合材料等已在航空航天工業(yè)和交通運(yùn)輸、石油化工等工業(yè)中廣泛應(yīng)用。

3、歷史發(fā)展隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新材料的研究、制備和加工應(yīng)用層出不窮。每一種重要的新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，都把人類支配自然的能力提高到一個(gè)新的水平。工程材料目前正朝高比強(qiáng)度（單位密度的強(qiáng)度）、高比模量（單位密度的模量）、耐高溫、耐腐蝕的方向發(fā)展。圖1-1為材料比強(qiáng)度隨時(shí)間的進(jìn)展的示意圖，該圖表明今日先進(jìn)材料強(qiáng)度比早期材料增長50倍。材料比強(qiáng)度隨時(shí)間的進(jìn)展3.1.3新材料的發(fā)展趨勢(shì)

3、歷史發(fā)展

永樂大鐘高6.75m、直徑3.3m、重量46.5t的銅鐘，是明朝永樂年間（約1420年）鑄造的，在世界大鐘之林中鑄造年代最久遠(yuǎn)。鐘身內(nèi)外鑄滿了佛經(jīng)，經(jīng)文清晰，排列巧妙，總字?jǐn)?shù)達(dá)230184個(gè)，是世界上鑄字最多的大鐘。撞擊一下，鐘聲悠揚(yáng)悅耳，可傳40～50km。

3、歷史發(fā)展

永樂大鐘局部，上面載明大鐘鑄造的時(shí)間。

3、歷史發(fā)展

3、歷史發(fā)展

1996年我國鋼產(chǎn)量超過一億噸，變成世界第一產(chǎn)鋼大國。這是為紀(jì)念鋼產(chǎn)量突破一億噸而發(fā)行的郵票。

3、歷史發(fā)展

最大直徑18738毫米，高3639毫米，凈重達(dá)1780噸，是目前世界上最大水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。（2005.02.04吊裝就位）葛洲壩水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子

3、歷史發(fā)展

九龍大鼎（廣東肇慶市）高6.68米,寬5.58米,重量16噸，整座由青銅澆鑄而成。

3、歷史發(fā)展

3、歷史發(fā)展越王勾踐劍越王者旨於賜劍越王州句復(fù)合劍越王不壽劍出土于河南安陽侯家莊武官村。此鼎形制雄偉，重達(dá)832.84公斤,高達(dá)133厘米,是迄今為止出土的最大最重的青銅器。司母戊大方鼎

3、歷史發(fā)展

香港天壇大佛高34米，重250噸，由200塊青銅鑄件砌成。耗資2000萬港元。

3、歷史發(fā)展

無錫靈山大佛1、靈山大佛通高88米，佛體79米，蓮花瓣9米。2、靈山大佛佛體（不含蓮花瓣）由1560塊6-8毫米厚的銅壁板構(gòu)成，焊縫長達(dá)30余公里。3、靈山大佛鑄銅約700噸，銅板面積達(dá)九千多平方米，約一個(gè)半足球場大小。4、由于高科技的運(yùn)用，靈山大佛能抵御14級(jí)臺(tái)風(fēng)和8級(jí)地震的侵襲。

3、歷史發(fā)展鋼鐵工業(yè)

3、歷史發(fā)展金屬工藝學(xué)發(fā)展錄像

3、歷史發(fā)展

（1）用機(jī)器代替手工，從作坊形成工廠（2）從單件生產(chǎn)方式發(fā)展到大量生產(chǎn)方式（3）柔性化、集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的現(xiàn)代制造技術(shù)4、制造技術(shù)的發(fā)展階段

（1）生產(chǎn)規(guī)模：少品種大批量——>單件小批量——>多品種變批量（2）生產(chǎn)方式：勞動(dòng)密集型——>設(shè)備密集型——>信息密集型——>知識(shí)密集型（3）制造設(shè)備的發(fā)展過程：手工——>機(jī)械化——>單機(jī)自動(dòng)化——>剛性自動(dòng)線——>柔性自動(dòng)線——>智能自動(dòng)化5、現(xiàn)代制造技術(shù)的形成和發(fā)展特點(diǎn)汽車一廠車身車間POLO底盤焊接

5、現(xiàn)代制造技術(shù)的形成和發(fā)展特點(diǎn)

（1）了解工程材料的種類、性能及其改性方法，初步掌握其應(yīng)用范圍和選擇原則。（2）掌握主要毛坯成形方法的基本原理和工藝特點(diǎn)，具有選擇毛坯及工藝分析的初步能力。（3）掌握機(jī)械制造生產(chǎn)過程、生產(chǎn)類型及其特點(diǎn)；掌握各種主要加工方法的實(shí)質(zhì)、工藝特點(diǎn)、基本原理和設(shè)備；了解零件的加工工藝過程，并具有選擇零件加工方法的能力，能制定簡單的制造工藝規(guī)程。（4）了解零件的結(jié)構(gòu)工藝性。（5）了解有關(guān)的新工藝、新技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)。6、基本要求第一章金屬的力學(xué)性能強(qiáng)度硬度

沖擊韌性

疲勞極限

第二節(jié)

第三節(jié)第四節(jié)

第一節(jié)第一章金屬的力學(xué)性能第五節(jié)金屬材料的物理、化學(xué)和工藝性能

材料的性能使用性能：工藝性能：力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能強(qiáng)塑剛硬韌度性度度性鑄造性能壓力加工性能焊接性能切削加工性能熱處理性能金屬材料在不同環(huán)境下，承受各種外加載荷時(shí)所表現(xiàn)出的力學(xué)特征。第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能

一強(qiáng)度的概念二塑性一、強(qiáng)度指金屬在靜載荷作用下，抵抗塑性變形或斷裂的能力。定義應(yīng)用強(qiáng)度是機(jī)械零件（或工程構(gòu)件）在設(shè)計(jì)、加工、使用過程中的主要性能指標(biāo)，特別是選材和設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能

強(qiáng)度的測定——拉伸實(shí)驗(yàn)1.拉伸試樣（GB6397-86）2.力—伸長曲線（以低碳鋼試樣為例）3.脆性材料的拉伸曲線第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能

長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d01.拉伸試樣（GB6397-86）第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能

2.力——伸長曲線彈性變形階段屈服階段頸縮現(xiàn)象拉伸試驗(yàn)中得出的拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線。強(qiáng)化階段第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能

拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象3.脆性材料的拉伸曲線

（與低碳鋼試樣相對(duì)比）脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。FΔL0

第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能

FsA0σs=應(yīng)用：σs和σ0.2常作為零件選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。脆性材料的屈服點(diǎn)F0.2A0σ0.2=計(jì)算公式

ΔLF0F0.20.2%L0（一）、屈服強(qiáng)度第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能

（二）抗拉強(qiáng)度

σb=FbA0應(yīng)用：脆性材料制作機(jī)械零件和工程構(gòu)件時(shí)的選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。計(jì)算公式第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能

拉伸試驗(yàn)錄像二、塑性金屬材料斷裂前發(fā)生永久變形的能力。斷面收縮率：伸長率：試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比。試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能

l1-l0l0×100%δ=l1——試樣拉斷后的標(biāo)距,mm;l0——試樣的原始標(biāo)距,mm。（一）伸長率（δ）第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能

（二）斷面收縮率（Ψ）

S0-S1S0Ψ=×100%S0——試樣原始橫截面積,mm2；S1——頸縮處的橫截面積,mm2

。第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能

結(jié)論：Ψ更能反映材料塑性的好壞，ψ和δ越大，材料塑性就越好！δ<2-5% 屬脆性材科δ≈5-10% 屬韌性材料δ>10% 屬塑性材料同一材料δ5＞δ10任何零件都需要一定塑性，防止過載斷裂；塑性變形可以緩解應(yīng)力集中、削減應(yīng)力峰值。第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能

第二節(jié)硬度一、布氏硬度二、洛氏硬度1.原理2.應(yīng)用3.優(yōu)缺點(diǎn)

1.原理2.應(yīng)用3.優(yōu)缺點(diǎn)4.實(shí)驗(yàn)（錄像）4.實(shí)驗(yàn)（錄像）三、維氏硬度2.應(yīng)用3.優(yōu)缺點(diǎn)1.原理4.實(shí)驗(yàn)（錄像）一、布氏硬度

布氏硬度試驗(yàn)是指用一定直徑的球體（鋼球或硬質(zhì)合金球）以相應(yīng)的試驗(yàn)力壓入式樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，用測量的表面壓痕直徑計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn)。圖1-4布氏硬度測試原理第二節(jié)硬度1.原理布氏硬度=PA凹=2FπD[D-（D2-d2）?]第二節(jié)硬度表示方法：在符號(hào)HBS或HBW之前寫出硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別寫出壓頭直徑、載荷及載荷保持時(shí)間及載荷保持時(shí)間（10-15s不標(biāo)注）。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的淬火鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。第二節(jié)硬度測量比較軟的材料。測量范圍HBS<450、HBW<650的金屬材料。3.優(yōu)缺點(diǎn)2.應(yīng)用壓痕大，測量準(zhǔn)確，但不能測量成品件。第二節(jié)硬度1.原理二、洛氏硬度加初載荷加主載荷卸除主載荷讀硬度值圖1-5洛式硬度測試原理第二節(jié)硬度

壓痕深度h越大，則硬度值越小，為了符合習(xí)慣上的數(shù)值越大、硬度越高的思維，采用一個(gè)常數(shù)C（K)減去壓痕深度h后的數(shù)值表示洛氏硬度。GB規(guī)定：壓頭每壓入0.002mm的深度為一個(gè)硬度單位，所以：

HR=C-h/0.002無單位（金剛石作壓頭：C=100；直徑1.588的淬火鋼球作壓頭：C=130。）為了適應(yīng)不同材料的硬度測試，采用不同的壓頭與載荷組合成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)尺，每一種標(biāo)尺用一個(gè)字母在洛氏硬度符號(hào)后注明，如HRA、HRB、HRC等第二節(jié)硬度（2）表示方法：在符號(hào)前（有些資料寫在后面）直接寫出硬度值如：56HRC、80HRA、60HRB。（3）應(yīng)用：鋼的熱處理質(zhì)量檢查，主要用于測硬度高的材料。洛氏硬度壓頭總載荷測量范圍適用材料HRA120℃金剛石圓錐體588.460～85硬質(zhì)合金材料、表面淬火鋼等HRBφ1.588mm淬火鋼球980.725～100軟鋼、退火鋼、銅合金等HRC120°金剛石圓錐體1471.120～67淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等表1-1常用洛氏硬度的級(jí)別及其應(yīng)用范圍第二節(jié)硬度（4）特點(diǎn)：①操作迅速方便；②應(yīng)用較廣：硬度值測量范圍較大，能測材料的表面硬度、薄壁件；③工件表面損傷?。簤汉坌?；④組織粗大且不均勻的材料，測試結(jié)果不準(zhǔn)確：壓痕小，數(shù)值重復(fù)性差，措施：至少測3個(gè)點(diǎn)，求平均值。（5）當(dāng)材料HBS＞220時(shí)有：HBS≈10HRC第二節(jié)硬度三、維氏硬度HV維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕第二節(jié)硬度（1）測量原理：

用錐面夾角為136°的金剛石正四棱錐體為壓頭，按選定的試驗(yàn)載荷P（常用5~10kgf）將壓頭壓入，并保持一定時(shí)間，卸載后測量壓痕對(duì)角線長度d，計(jì)算壓痕單位面積F承受的壓力大小。

HV=P/F=1.8544P/d2

（kgf/mm2)（GB4340-1984）

（2）表示方法：

在HV之前寫出硬度值，后面依次用相應(yīng)數(shù)字注明試驗(yàn)力和保持時(shí)間。例如：

600HV30/20—表示采用294.2N（30kg）的試驗(yàn)力，保持時(shí)間20S時(shí)得到的硬度值為600。

（3）應(yīng)用：適用于軟硬金屬，尤其適用于極?。?.3-0.5mm）零件和滲碳、滲氮工件的硬度測定。

第二節(jié)硬度（4）特點(diǎn)：有連續(xù)一致的標(biāo)尺，負(fù)荷可任選，可直接比較；負(fù)荷小，壓痕小，壓痕輪廓清晰，測量準(zhǔn)確；操作麻煩。第二節(jié)硬度第三節(jié)沖擊韌性材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。(a)試樣安裝(b)沖擊試驗(yàn)機(jī)圖1.7沖擊韌度試驗(yàn)原理1、7—支座2、3—試樣4—刻度盤5—指針6—擺錘試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功Ak為:

Ak=mgH–mgh(J)

沖擊韌性值ak

就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。

AKak=(J/cm2)F第三節(jié)沖擊韌性韌脆轉(zhuǎn)變（溫度）：

材料的沖擊韌度一般隨溫度的下降而降低，當(dāng)降低到某溫度范圍時(shí)，材料的沖擊韌度明顯降低，呈現(xiàn)脆性，這種現(xiàn)象叫韌脆轉(zhuǎn)變，此溫度范圍叫韌脆轉(zhuǎn)變溫度。普通碳鋼-30℃--20℃。第三節(jié)沖擊韌性第四節(jié)疲勞強(qiáng)度危險(xiǎn)！機(jī)械中的許多零件，如軸、齒輪、螺栓、連桿、彈簧等，是在方向或大小反復(fù)變化的變載荷作用下工作的，它們工作時(shí)所承受的應(yīng)力即使遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限或屈服極限，但經(jīng)過較長時(shí)間的工作，亦會(huì)發(fā)生斷裂。材料或零件在交變應(yīng)力的重復(fù)作用下，在遠(yuǎn)小于屈服極限的應(yīng)力下，而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞斷裂(或疲勞破壞)。疲勞斷裂具有很大的危險(xiǎn)性，常常造成嚴(yán)重的事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)；損壞的機(jī)器零部件中，約有80％都是由于金屬疲勞而造成的。

一、疲勞斷裂第四節(jié)疲勞強(qiáng)度

金屬材料經(jīng)受無數(shù)次重復(fù)交變應(yīng)力作用不致引起斷裂的最大應(yīng)力叫做疲勞強(qiáng)度或疲勞極限，用σ-1（σD）表示，通常用表示材料在對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力作用下的彎曲疲勞極限。即材料承受的應(yīng)力低于疲勞強(qiáng)度時(shí)，則可能經(jīng)受無限次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂。因?qū)嶋H上不可能進(jìn)行無數(shù)次試驗(yàn)，故各種金屬應(yīng)有一定的應(yīng)力循環(huán)基數(shù)(以N表示)，鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取N=107；有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取N=108；鋼材的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系。

σ-1=(0.45～0.55)σb第四節(jié)疲勞強(qiáng)度二、疲勞強(qiáng)度一般認(rèn)為是由于材料的質(zhì)量、零件表面缺陷或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)纫蛩?，在零件或試樣的局部區(qū)域形成應(yīng)力集中，而導(dǎo)致微裂紋(疲勞裂紋核心)的產(chǎn)生。疲勞裂紋產(chǎn)生后，隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)展，零件的有效截面積逐漸減小，致使零件不能承受所加載荷而突然破壞。三、產(chǎn)生疲勞破壞的原因第四節(jié)疲勞強(qiáng)度1、設(shè)計(jì)方面

盡量使用零件避免交角、缺口和截面突變，以避免應(yīng)力集中及其所引起的疲勞裂紋。2、材料方面

通常應(yīng)使晶粒細(xì)化，減少材料內(nèi)部存在的夾雜物和由于熱加工不當(dāng)引起的缺陷。如疏松、氣孔和表面氧化等。3、機(jī)械加工方面

要降低零件表面粗糙度值。4、零件表面強(qiáng)化方面

可采用化學(xué)熱處理、表面淬火、噴丸處理和表面涂層等，使零件表面造成壓應(yīng)力，以抵消或降低表面拉應(yīng)力引起疲勞裂紋的可能性。

四、提高零件疲勞強(qiáng)度的措施第四節(jié)疲勞強(qiáng)度1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂第四節(jié)疲勞強(qiáng)度第五節(jié)金屬材料的物理、化學(xué)和工藝性能

一、物理性能（一）密度（二）熔點(diǎn)（三）熱膨脹性（四）導(dǎo)熱性（五）導(dǎo)電性（六）磁性二、化學(xué)性能耐酸性、耐堿性、抗氧化性等。三、工藝性能

鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能、切削加工性能等。

第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)容:

金屬的晶體結(jié)構(gòu)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)目的:

掌握晶體結(jié)構(gòu)及其對(duì)材料的物理化學(xué)性能、力學(xué)性能及工藝性能的影響，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)做好理論知識(shí)的準(zhǔn)備一、理想晶體結(jié)構(gòu)

（一）晶體結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)固態(tài)物質(zhì)按其原子（或分子）聚集狀態(tài)可分為晶體和非晶體兩大類。純鐵純銅純鋁晶體玻璃瀝青松香非晶體第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)1、晶格

抽象的、用于描述原子在晶體中排列形式的幾何空間格架，簡稱晶格。2、晶胞

只從晶格中，選取一個(gè)能夠完全反映晶格特征的、最小的幾何單元來分析晶體中原子排列的規(guī)律，這個(gè)最小的幾何單元稱為晶胞晶格、晶胞、晶格常數(shù)第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

3、晶格常數(shù)以棱邊長度和棱面夾角來表示晶胞的形狀和大小。第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)（二）、常見金屬的晶體晶格

由于金屬鍵結(jié)合力較強(qiáng)，是金屬原子總趨于緊密排列的傾向，故大多數(shù)金屬屬于以下三種晶格類型。1、體心立方晶格(bbc)

第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶胞原子數(shù)2原子半徑：晶胞體積為a3，晶胞內(nèi)含有2個(gè)原子所以它的致密度是：已知：體心立方結(jié)構(gòu)的原子半徑第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)原子個(gè)數(shù)：2致密度：0.68屬于該類晶格的常見金屬有α-Fe(<912oC)、δ-Fe(>1400oC)、Cr、W、Mo、V等晶格常數(shù)：a(a=b=c)原子半徑：第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)2、面心立方晶格（fcc）

第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶胞原子數(shù)4原子半徑：致密度：0.74第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

3、密排六方晶格第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)a21r=：原子半徑原子個(gè)數(shù)：6致密度：0.74常見金屬：Mg、Zn、Be、Cd等晶格常數(shù)：底面邊長a和高c，c/a=1.633密排六方晶格第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)三種典型的金屬晶格類型體心立方晶格鉻、鎢、鉬、釩等面心立方晶格鋁、銅、鉛、金等密排立方晶格鎂、鋅、鈹、鎘、α鈦等第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)

（一）單晶體和多晶體單晶體：其內(nèi)部晶格方位完全一致的晶體。多晶體：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)晶粒：實(shí)際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體組成.第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)單晶體的各向異性同一晶體的不同晶面和晶向上的性能不同鐵的單晶體及其各方向上彈性模量（E）示意圖第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、實(shí)際金屬的晶體缺陷

晶體內(nèi)部的某些局部區(qū)域，原子的規(guī)則排列受到干擾而破壞，不象理想晶體那樣規(guī)則和完整。把這些區(qū)域稱為晶體缺陷。這些缺陷的存在，對(duì)金屬的性能（物理性能、化學(xué)性能、機(jī)械性能）將產(chǎn)生顯著影響，如鋼的耐腐蝕性，實(shí)際金屬的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于通過原子間的作用力計(jì)算所得數(shù)值。根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，可將其分為以下三類：點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

1、點(diǎn)缺陷——空位和間隙原子

在實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，晶格的某些結(jié)點(diǎn)，往往未被原子所占據(jù)，這種空著的位置稱為空位。同時(shí)又可能在個(gè)別空隙處出現(xiàn)多余的原子，這種不占有正常的晶格位置，而處在晶格空隙之間的原子稱為間隙原子。空位間隙原子置換原子第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

由于空位和間隙原子的存在，使晶體發(fā)生了晶格畸變，晶體性能發(fā)生改變，如強(qiáng)度、硬度和電阻增加。晶體中的空位和間隙原子處于不斷地運(yùn)動(dòng)和變化之中，在一定溫度下，晶體內(nèi)存在一定平衡濃度的空位和間隙原子，空位和間隙原子的運(yùn)動(dòng)，是金屬中原子擴(kuò)散的主要方式，對(duì)金屬材料的熱處理過程極為重要。第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)2、線缺陷——位錯(cuò)

線缺陷是指在一個(gè)方向上尺寸較大，而在另外兩個(gè)方向上尺寸很小的缺陷，呈線狀分布，其具體形式是各種類型的位錯(cuò)。較簡單的一種是“刃型位錯(cuò)”.第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)刃位錯(cuò)的形成刃位錯(cuò)滑移_立體圖第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)3、面缺陷——晶界和亞晶界

實(shí)際金屬材料是多晶體材料，則在晶體內(nèi)部存在著大量的晶界和亞晶界。晶界和亞晶界實(shí)際上是一個(gè)原子排列不規(guī)則的區(qū)域，該處晶體的晶格處于畸變狀態(tài)，能量高于晶粒內(nèi)部，在常溫下強(qiáng)度和硬度較高，在高溫下則較低，晶界容易被腐蝕等。第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)凝固與結(jié)晶的概念結(jié)晶的現(xiàn)象與規(guī)律同素異晶(構(gòu))轉(zhuǎn)變第二節(jié)金屬的結(jié)晶過程和同素異晶轉(zhuǎn)變一、金屬的結(jié)晶過程凝固物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。結(jié)晶晶體物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。

物質(zhì)中的原子由近程有序排列向遠(yuǎn)程有序排列的過程。第二節(jié)金屬的結(jié)晶過程和同素異晶轉(zhuǎn)變To

（一）結(jié)晶的條件

純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線溫度理論冷卻曲線實(shí)際冷卻曲線T1結(jié)晶平臺(tái)第二節(jié)金屬的結(jié)晶過程和同素異晶轉(zhuǎn)變時(shí)間過冷現(xiàn)象

金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度T1低于理論結(jié)晶溫度T0的現(xiàn)象。過冷度

金屬實(shí)際結(jié)晶溫度與理論結(jié)晶溫度之差稱為過冷.過冷是結(jié)晶的必要條件。第二節(jié)金屬的結(jié)晶過程和同素異晶轉(zhuǎn)變近程有序結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)起伏結(jié)晶遠(yuǎn)程有序結(jié)構(gòu)第二節(jié)金屬的結(jié)晶過程和同素異晶轉(zhuǎn)變（二）結(jié)晶的過程1.晶核的形成2.晶核的長大第二節(jié)金屬的結(jié)晶過程和同素異晶轉(zhuǎn)變第二節(jié)金屬的結(jié)晶過程和同素異晶轉(zhuǎn)變1.晶核的形成當(dāng)液體金屬冷到實(shí)際結(jié)晶溫度后，液體中存在著許多類似于晶體的小集團(tuán)，這些小集團(tuán)中的一部分就成為穩(wěn)定的結(jié)晶核心，稱為晶核。形核有自發(fā)形核和非自發(fā)形核兩種方式。自發(fā)形核是在一定條件下，從液態(tài)金屬中直接產(chǎn)生，原子呈規(guī)則排列的結(jié)晶核心；非自發(fā)形核是液態(tài)金屬依附在一些未溶顆粒表面所形成的晶核，非自發(fā)形核所需能量較少，它比自發(fā)形核容易得多。

第二節(jié)金屬的結(jié)晶過程和同素異晶轉(zhuǎn)變2.晶核的長大霧凇第二節(jié)金屬的結(jié)晶過程和同素異晶轉(zhuǎn)變晶核的長大方式—樹枝狀第二節(jié)金屬的結(jié)晶過程和同素異晶轉(zhuǎn)變金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶第二節(jié)金屬的結(jié)晶過程和同素異晶轉(zhuǎn)變影響晶核的形核率和晶體長大率的因素過冷度的影響未熔雜質(zhì)的影響第二節(jié)金屬的結(jié)晶過程和同素異晶轉(zhuǎn)變過冷度的影響過冷度：ΔT大，形核率N和長大速度G都大，且N的增加比G增加得快，提高了N與G的比值，晶粒變細(xì)。當(dāng)過冷度很大時(shí)，金屬不再通過結(jié)晶方式凝固，而是形成了非晶態(tài)的金屬——激冷凝固工藝第二節(jié)金屬的結(jié)晶過程和同素異晶轉(zhuǎn)變（三）晶粒大小與控制措施1.增加過冷度V冷△TN晶粒細(xì)小2.變質(zhì)處理工業(yè)生產(chǎn)中，常向液體金屬中加入難熔雜質(zhì)來細(xì)化晶粒，這種方法叫做變質(zhì)處理，如在鋁中加入微量的鈦；鑄鐵中加入硅、鈣等。3.振動(dòng)處理第二節(jié)金屬的結(jié)晶過程和同素異晶轉(zhuǎn)變純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:1394°C912°Cbccfccbcc

δ-Feγ-Feα-Fe第二節(jié)金屬的結(jié)晶過程和同素異晶轉(zhuǎn)變二、金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變純鐵的冷卻曲線第二節(jié)金屬的結(jié)晶過程和同素異晶轉(zhuǎn)變-Fe、-Fe為體心立方結(jié)構(gòu)(BCC)，-Fe為面心立方結(jié)構(gòu)(FCC)。都是鐵的同素異構(gòu)體。-Fe-Fe第二節(jié)金屬的結(jié)晶過程和同素異晶轉(zhuǎn)變

一、基本概念（一）合金

合金是指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)。例如碳鋼就是鐵和碳組成的合金（二）組元

組成合金的基本的物質(zhì)稱為組元。（三）合金系給定組元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，構(gòu)成一個(gè)合金系。如：Cu-Ni,Fe-Fe3C,Cu-Zn等。

組元1組元2組元3合金第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)名稱A金屬B金屬晶格類型bccbcc熔點(diǎn)高低合金1100%0%合金290%10%合金380%20%……..……..…….合金920%80%合金1010%90%合金110%100%第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)（四）相

相是指在金屬組織中化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和物理性能相同的組分。（五）組織組織泛指用金相觀察方法看到的由形態(tài)、尺寸不同和分布方式不同的一種或多種相構(gòu)成的總體。液態(tài)物質(zhì)稱為液相;固態(tài)物質(zhì)稱為固相第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)不同含碳量的顯微組織第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)二、固態(tài)合金相結(jié)構(gòu)

由于組元間相互作用不同，固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)可分為固溶體和金屬化合物兩大類。（一）固溶體合金在固態(tài)下，組元間能夠互相溶解而形成的均勻相稱為固溶體。1.間隙固溶體2.置換固溶體

第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)

不管溶質(zhì)原子處于溶劑原子的間隙中或者代替了溶劑原子都會(huì)使固溶體的晶格發(fā)生畸變，使塑性變形抗力增大，結(jié)果使金屬材料的強(qiáng)度、硬度增高。這種通過溶入溶質(zhì)元素形成固溶體，使金屬材料的強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象，稱為固溶強(qiáng)化。第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)

固溶強(qiáng)化是提高金屬材料力學(xué)性能的重要途徑之一。實(shí)踐表明，適當(dāng)控制固溶體中的溶質(zhì)含量，可以在顯著提高金屬材料的強(qiáng)度、硬度的同時(shí)，仍能保持良好的塑性和韌性。因此，對(duì)綜合力學(xué)性能要求較高的結(jié)構(gòu)材料，都是以固溶體為基體的合金。

（二）金屬化合物金屬化合物的晶格類型與形成化合物各組元的晶格類型完全不同，一般可用化學(xué)分子式表示。鋼中滲碳體（Fe3C）是由鐵原子和碳原子所組成的金屬化合物，它具有復(fù)雜的晶格形式。第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)金屬化合物的性能不同于任一組元，其溶點(diǎn)一般較高、硬而脆。當(dāng)它呈細(xì)小顆粒均勻分布在固溶體基體上時(shí)，將使合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱為彌散強(qiáng)化。金屬化合物在合金中常作為強(qiáng)化相存在，它是許多合金鋼、有色金屬和硬質(zhì)合金的重要組成相。（三）金屬混合物絕大多數(shù)合金的組織都是固溶體與少量金屬化合物組成的混合物，其性質(zhì)取決于固溶體與金屬化合物的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布狀況。第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)總結(jié)1、金屬的晶格有體心立方結(jié)構(gòu)、面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)，由于致密度的不同，從一種晶格到另一種的變化會(huì)引起體積的變化。2、合金的相結(jié)構(gòu)有固溶體和化合物。彌散強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化可以提高金屬材料的力學(xué)性能，所以，合金化是提高金屬性能的方法之一。3、實(shí)際金屬是由很多晶粒組成，金屬內(nèi)部存在著點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)、晶界和亞晶界。點(diǎn)缺陷對(duì)金屬材料的熱處理過程極為重要。位錯(cuò)的存在以及位錯(cuò)密度的變化，對(duì)金屬的性能如強(qiáng)度、塑性、疲勞等都起著重要影響。金屬冷變形加工后的加工硬化，就是由于位錯(cuò)密度的增加所致。點(diǎn)缺陷、晶界和亞晶界也與材料的力學(xué)性能有關(guān)。

第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)第三章二元合金相圖的建立一、基本概念

1、組元：組成合金最基本的，能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)。組元一般是元素，也可以是穩(wěn)定的化合物，如Fe3C。

2、合金系由兩個(gè)或兩個(gè)以上組元按不同比例配制而成的一系列不同成分的合金。如：Cu-Ni,Fe-Fe3C,Cu-Zn等。

第一節(jié)相圖的建立3、相圖：合金系的溫度-成分圖，表示合金系中各個(gè)合金的結(jié)晶過程的平衡圖（或狀態(tài)圖）。相圖中的線條（相線）表示相轉(zhuǎn)變溫度和平衡相的成分。

被相線所劃分的區(qū)域稱為相區(qū)。4、相變：一種相轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌嗟倪^程。5、相平衡：系統(tǒng)中同時(shí)共存的各相在長時(shí)間內(nèi)不互相轉(zhuǎn)化——?jiǎng)討B(tài)平衡。

第一節(jié)相圖的建立二、二元合金相圖的建立方法臨界點(diǎn)：合金從一種相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相態(tài)的起始溫度。

物理意義相同的臨界點(diǎn)連接起來就構(gòu)成相線，所以相圖的建立就是測定不同成分合金的臨界點(diǎn)。臨界點(diǎn)的測定是通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的，第一節(jié)相圖的建立幾乎所有的相圖都是通過實(shí)驗(yàn)得到的，最常用的是熱分析法。第一節(jié)相圖的建立1、配制不同成分的合金（選擇合金系中有代表性的成分）2、分別測出美中合金的冷卻曲線，得到相變臨界點(diǎn)3、將臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)地繪在成分-溫度圖上.4、將同類臨界點(diǎn)連接起來，即可繪出該合金系的相圖。注意：利用熱分析法測定相圖時(shí)，冷卻速度應(yīng)非常緩慢（平衡結(jié)晶）

第一節(jié)相圖的建立

當(dāng)兩組元在液相和固相均無限互溶時(shí)，構(gòu)成的合金系相圖為二元?jiǎng)蚓鄨D。屬于此類的合金系有：Cu-Ni,Cu-Au,Au-Ag,Fe-Ni,W-Mo,Bi-Sb

等。

一、相圖分析第二節(jié)二元?jiǎng)蚓鄨D二元?jiǎng)蚓Ш辖鸾Y(jié)晶過程分析液相區(qū)一定成分的合金液-固兩相區(qū)固相區(qū)二、合金的結(jié)晶過程第二節(jié)二元?jiǎng)蚓鄨D

勻晶相圖

補(bǔ)充：杠桿定律處于兩相區(qū)的合金，不僅由相圖可知道兩平衡相的成分，還可用杠桿定律求出兩平衡相的相對(duì)重量?，F(xiàn)以Cu-Ni合金為例推導(dǎo)杠桿定律：①確定兩平衡相的成分：第二節(jié)二元?jiǎng)蚓鄨D則QL

+Q

=1

QL

x1+Q

x2=x

解方程組得式中的x2-x、x2-x1、x-x1即為相圖中線段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的長度。②確定兩平衡相的相對(duì)重量設(shè)合金的重量為1，液相重量為QL，固相重量為Q

。第二節(jié)二元?jiǎng)蚓鄨D因此兩相的相對(duì)重量百分比為：兩相的重量比為：abaoxxxxQabobxxxxQL====211212a21L12LxxQxxQ)aoob(xxxxQQ×=×==aa或第二節(jié)二元?jiǎng)蚓鄨D上式與力學(xué)中的杠桿定律完全相似，因此稱之為杠桿定律。即合金在某溫度下兩平衡相的重量比等于該溫度下與各自相區(qū)距離較遠(yuǎn)的成分線段之比。在杠桿定律中，杠桿的支點(diǎn)是合金的成分，杠桿的端點(diǎn)是所求的兩平衡相（或兩組織組成物）的成分。杠桿定律只適用于兩相區(qū)。例（如圖）第二節(jié)二元?jiǎng)蚓鄨D第二節(jié)二元?jiǎng)蚓鄨D三、固溶體合金中的偏析

合金相圖中，合金的凝固過程是在無限緩慢的冷卻條件下進(jìn)行的，但實(shí)際上合金不可能無限緩慢冷卻，一般冷卻速度較快，由于原子來不及充分?jǐn)U散，會(huì)出現(xiàn)先結(jié)晶出來的合金含Ni量高的現(xiàn)象，對(duì)于一個(gè)晶粒，心部含Ni量高，表層含Ni量低。第二節(jié)二元?jiǎng)蚓鄨D固溶體的非平衡結(jié)晶Cu-Ni合金枝晶偏析示意圖

48枝晶偏析程度取決于以下因素：（1）冷卻速度愈大，擴(kuò)散進(jìn)行愈不充分，偏析程度愈大。（2）相圖的結(jié)晶范圍愈大，偏析成分的范圍愈大。枝晶偏析使合金的力學(xué)性能、工藝性能降低。消除或改善方法：將鑄件加熱到低于固相線100～200℃的溫度，進(jìn)行較長時(shí)間的保溫，使偏析元素進(jìn)行充分的擴(kuò)散，以達(dá)到使成分均勻的目的。稱為擴(kuò)散退火

平衡組織枝晶偏析組織Cu-Ni合金的平衡組織與枝晶偏析組織第二節(jié)二元?jiǎng)蚓鄨D

當(dāng)合金的二組元在液態(tài)時(shí)無限互溶，在固態(tài)時(shí)有限互溶，且發(fā)生共晶反應(yīng)，此合金系的相圖為二元共晶相圖。屬于此類相圖的合金系有：Pb-Sn,Al-Si,Al-Sn,Zn-Sn等。

第三節(jié)二元共晶相圖一、相圖分析合金系有兩種有限固溶體：以Pb為溶劑，以Sn為溶質(zhì)的α固溶體；以Sn為溶劑，以Pb為溶質(zhì)的β固溶體。ECD水平線---共晶反應(yīng)線：發(fā)生恒溫反應(yīng)LC←→αE+βF第三節(jié)二元共晶相圖點(diǎn)：線：區(qū)：ECD水平線---共晶反應(yīng)線：發(fā)生恒溫反應(yīng)LC←→αE+βF第三節(jié)二元共晶相圖相圖分析：點(diǎn)、線、區(qū)注意：在共晶線ECF上屬于三相平衡區(qū)該合金系有兩類合金：固溶體合金共晶型合金E點(diǎn)以左，F(xiàn)點(diǎn)以右的合金屬于固溶體型合金；EF之間的合金為共晶型合金，其中，C點(diǎn)以左為亞共晶合金，C點(diǎn)以右為過共晶合金，C點(diǎn)合金為共晶合金。二、典型合金的結(jié)晶過程分析第三節(jié)二元共晶相圖共晶相圖：共晶、亞共晶、過共晶、固溶體合金第三節(jié)二元共晶相圖結(jié)晶過程：共晶合金冷卻曲線組織轉(zhuǎn)變第三節(jié)二元共晶相圖結(jié)晶過程：亞共晶合金冷卻曲線組織轉(zhuǎn)變第三節(jié)二元共晶相圖結(jié)晶過程：過共晶合金冷卻曲線組織轉(zhuǎn)變思考題！第三節(jié)二元共晶相圖固溶體合金

冷卻曲線組織轉(zhuǎn)變第三節(jié)二元共晶相圖Pb-Sn亞共晶合金Pb-Sn過共晶合金Pb-Sn合金中的顯微組織(100×)顯微組織(100×)比重偏析(100×)第三節(jié)二元共晶相圖一、二元共析反應(yīng)：

從某種均勻一致的固相中同時(shí)析出兩種化學(xué)成分和晶格結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的轉(zhuǎn)變過程。

C

D＋E第四節(jié)其他相圖共析反應(yīng)從形式上與共晶反應(yīng)十分相似，只是共析反應(yīng)的反應(yīng)物是固相，而共晶反應(yīng)物是液相而已。由于共析反應(yīng)是在固態(tài)合金中進(jìn)行的，轉(zhuǎn)變溫度較低，原子擴(kuò)散困難，因而容易達(dá)到較大的過冷度，所以同共晶體相比共析組織更細(xì)致、更均勻。第四節(jié)其他相圖溫度

C

D＋ES1

S2+S3第四節(jié)其他相圖二、形成穩(wěn)定化合物的二元合金相圖所謂穩(wěn)定化合物是指具有一定的熔點(diǎn)，在熔點(diǎn)溫度以下能夠保持自己固有結(jié)構(gòu)而不發(fā)生分解的化合物，如：Mg2Si含穩(wěn)定化合物的相圖

第四節(jié)其他相圖Mg-Si

合金相圖MgMg2SiSiLMg+Mg2SiMg2Si+SiL+MgL+Mg2SiL+Mg2SiL+Si1087℃溫度638.8℃946.7℃1414℃第四節(jié)其他相圖一、相圖與合金物理、力學(xué)性能之間的關(guān)系第五節(jié)相圖與性能的關(guān)系⑴相圖與合金力學(xué)性能、物理性能的關(guān)系①兩相機(jī)械混合物的合金:性能與合金成分呈直線關(guān)系，是兩相性能的算術(shù)平均值，如：

混=

?Q

+

β?Qβ

HB混=HB

?Q

+HBβ?Qβ(Q

、Qβ為兩相相對(duì)重量)第五節(jié)相圖與性能的關(guān)系②單相固溶體的合金：性能隨成分呈曲線變化，隨溶質(zhì)含量增加，σ、HB增加，塑性下降。③形成穩(wěn)定化合物的合金：性能-成分曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。第五節(jié)相圖與性能的關(guān)系二、合金的工藝性能與相圖之間的關(guān)系①固溶體合金液固相線間距越大、偏析傾向大,樹枝晶發(fā)達(dá),流動(dòng)性降低,補(bǔ)縮能力下降,分散縮孔增加.

②共晶合金結(jié)晶溫度低，流動(dòng)性好，縮孔集中，偏析小，

鑄造性能好。第五節(jié)相圖與性能的關(guān)系§1鐵碳合金的基本知識(shí)§2鐵碳合金相圖分析§3鐵碳合金的成分、組織和性能的關(guān)系§4鐵碳合金相圖的應(yīng)用第六節(jié)鐵碳合金相圖純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬的多晶型性（同素異構(gòu)現(xiàn)象）多晶型性轉(zhuǎn)變（同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變）純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?chǔ)?Fe

γ-Fe

α-Fe純鐵的成分及性能純鐵（工業(yè)純鐵）：含雜質(zhì)0.10%～0.20%性能：σb=180～230MPa

σ0.2=100～170MPa

δ=30%～50%

ψ=70%～80%

Ak=128～160J

HBS=50～801394℃912℃第六節(jié)鐵碳合金相圖一、鐵素體（F或α）定義：碳溶于α-Fe中所形成的間隙固溶體晶格結(jié)構(gòu)：bcc最大溶解度：0.02%（727℃）性能：σb=180～280MPa

σ0.2=100～170MPa

HBS=50～80

δ=30%～50%

ψ=70%～80%

ak=160～200J/cm2

第六節(jié)鐵碳合金相圖二、奧氏體（A或γ）定義：碳溶于γ-Fe中所形成的間隙固溶體（高溫組織）晶格結(jié)構(gòu)：fcc最大溶解度：2.11%（1148℃）性能：σb≈400MPa

HBS=170～220

δ=40%～50%高塑性、無磁

奧氏體第六節(jié)鐵碳合金相圖

三、滲碳體（Fe3C）定義：Fe與C所形成的金屬化合物晶格結(jié)構(gòu)：復(fù)雜正交性能：σb≈30MPa

HBS=800

δ≈0

ψ≈0

硬而脆（耐磨性好）

Fe3C

3Fe+C（石墨）合金滲碳體：（Fe、Me）3C Fe3（C、N）或Fe3（C、B）

石墨碳晶格結(jié)構(gòu)：簡單六方性能:加工性能機(jī)械性能高溫第六節(jié)鐵碳合金相圖鋼中的滲碳體鑄鐵中的石墨第六節(jié)鐵碳合金相圖灰鑄鐵(珠光體+片狀石墨)球墨鑄鐵（鑄態(tài)）珠光體+鐵素體+球狀石墨400X第六節(jié)鐵碳合金相圖可鍛鑄鐵400X（鐵素體+團(tuán)絮狀石墨）蠕墨鑄鐵(鐵素體+蠕蟲狀石墨)400X第六節(jié)鐵碳合金相圖四、珠光體（P）定義：F與Fe3C所形成的機(jī)械混合物（平均含碳量：0.77%）性能：σb≈750MPa

HBS=180

δ≈20%～25%

ak=30～40J/cm2綜合性能

第六節(jié)鐵碳合金相圖五、萊氏體（Ld、或Le、）定義：A與Fe3C所形成的機(jī)械混合物（平均含碳量：4.3%）性能：硬而脆第六節(jié)鐵碳合金相圖一、Fe-Fe3C相圖簡化相圖第六節(jié)鐵碳合金相圖簡化相圖第六節(jié)鐵碳合金相圖簡化的Fe-Fe3C相圖ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3C

T/℃(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+Fe3CⅡ(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡ

Ld′Ld′

+Fe3CⅠP+Ld′

+Fe3CⅡK共晶相圖共析相圖勻晶相圖(P+Fe3C)1538℃912℃1227℃Fe-Fe3C相圖分析點(diǎn)：A、G、Q、D)；

E、P；C、S線：ACD、AECF；

ECF、PSK；

ES、PQ；

AE、GS；區(qū)：單相區(qū)

兩相區(qū)

三相區(qū)簡化相圖第六節(jié)鐵碳合金相圖②共析轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:AS

(FP

+Fe3C)

727℃①共晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:LC

(AE

+Fe3C)

1148℃ PLd特性點(diǎn)的符號(hào)溫度t/℃含碳量wc%含義ACDEGPSQ

1538114812271148912727727

室溫04.36.692.1100.020.770.0008純鐵的熔點(diǎn)共晶點(diǎn)滲碳體的熔點(diǎn)碳在奧氏體中的最大溶解度α-Teγ-Te同素異晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)碳在鐵素體中的最大溶解度共析點(diǎn)碳在鐵素體中的溶解度第六節(jié)鐵碳合金相圖二、典型合金的結(jié)晶過程鐵碳合金含碳量為2.11%—6.69%的鐵碳合金。共晶生鐵：

含碳量為4.3%;亞共晶生鐵：含碳量在2.11%—4.3%之間；過共晶生鐵：含碳量在4.3%—6.69%之間；工業(yè)純鐵鋼生鐵含碳量為0.02%—2.11%的鐵碳合金。根據(jù)金相組織的不同，可分為三種。共析鋼：含碳量為0.77%;亞共析鋼：含碳量在0.02%—0.77%之間；過共析鋼：含碳量在0.77%—2.11%之間；第六節(jié)鐵碳合金相圖Fe—Fe3C合金平衡相圖第六節(jié)鐵碳合金相圖共析鋼的結(jié)晶過程顯微組織第六節(jié)鐵碳合金相圖亞共析鋼的結(jié)晶過程：顯微組織第六節(jié)鐵碳合金相圖20鋼100X.45鋼100X第六節(jié)鐵碳合金相圖過共析鋼的結(jié)晶過程：顯微組織第六節(jié)鐵碳合金相圖過共析鋼的顯微組織：第六節(jié)鐵碳合金相圖共晶白口鐵的結(jié)晶過程：顯微組織第六節(jié)鐵碳合金相圖第六節(jié)鐵碳合金相圖亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程：第六節(jié)鐵碳合金相圖第六節(jié)鐵碳合金相圖過共晶白口鐵的結(jié)晶過程：第六節(jié)鐵碳合金相圖第六節(jié)鐵碳合金相圖FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+

L+

F

ALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdLdLd+Fe3CⅠLd’+Fe3CⅠLd’P+Fe3CⅡ+Ld’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢC%溫度第六節(jié)鐵碳合金相圖三、鐵碳合金的成分與性能的關(guān)系⒈含碳量對(duì)室溫平衡組織的影響含碳量與緩冷后相及組織組成物之間的定量關(guān)系為：

第六節(jié)鐵碳合金相圖⒉含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響亞共析鋼隨含碳量增加，P量增加，鋼的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降。0.77%C時(shí)，組織為100%P,鋼的性能即P的性能。＞0.9%C，F(xiàn)e3CⅡ?yàn)榫Ы邕B續(xù)網(wǎng)狀，強(qiáng)度下降,但硬度仍上升。＞2.11%C，組織中有以Fe3C為基的Ld’,合金太脆.第六節(jié)鐵碳合金相圖⒊含碳量對(duì)工藝性能的影響①切削性能:

中碳鋼合適②可鍛性能:

低碳鋼好③焊接性能:

低碳鋼好④鑄造性能:

共晶合金好⑤熱處理性能:

第六章介紹焊縫組織第六節(jié)鐵碳合金相圖二、Fe-Fe3C相圖在工業(yè)中的應(yīng)用1、在選材方面的應(yīng)用1）橋梁、船舶、車輛及各種建筑材料，需要塑性、韌性好的材料，可選用低碳鋼（ωc=0.1%-0.25%）；2）對(duì)工作中承受沖擊載荷和要求較高強(qiáng)度的各種機(jī)械零件，希望強(qiáng)度和韌性都比較好，可選用中碳鋼（ωc=0.25%-0.65%）；第六節(jié)鐵碳合金相圖3）制造各種切削工具、模具及量具時(shí)，需要高的硬度、而耐磨性，可選用高碳鋼（ωc=0.77%-1.44%）。對(duì)于形狀復(fù)雜的箱體、機(jī)器底座等，可選用熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好的鑄鐵材料。第六節(jié)鐵碳合金相圖2、在鑄造生產(chǎn)上的應(yīng)用由Fe-Fe3C相圖可見，共晶成分的鐵碳合金熔點(diǎn)低，結(jié)晶溫度范圍最小，具有良好的鑄造性能。因此，在鑄造生產(chǎn)中，經(jīng)常選用接近共晶成分的鑄鐵。

鐵碳相圖與鑄鍛工藝間的關(guān)系第六節(jié)鐵碳合金相圖3、在鍛壓生產(chǎn)上的應(yīng)用

★鋼在室溫時(shí)組織為兩相混合物，塑性較差，變形困難?！飱W氏體的強(qiáng)度較低，塑性較好，便于塑性變形?！锛訜釡囟炔灰诉^高?！锔鞣N碳鋼較合適的鍛軋加熱溫度范圍是：始鍛軋溫度為固相線以下100-200℃(1150-1250℃)；終鍛軋溫度為750-850℃。對(duì)過共析鋼，則選擇在PSK線以上某一溫度。第六節(jié)鐵碳合金相圖焊接時(shí)，從焊縫到母材各區(qū)域的溫度是不同的，由Fe-Fe3C相圖可知，溫度不同，冷卻后的組織性能就不同，需要在焊接后采用熱處理方法加以改善。4、在熱處理方面的應(yīng)用鐵碳合金在固態(tài)加熱或冷卻過程中均有相的變化，所以鋼和鑄鐵可以進(jìn)行有相變的退火、正火、淬火和回火等熱處理。此外，奧氏體有溶解碳和其它合金元素的能力，而且溶解度隨溫度的提高而增加，這就是鋼可以進(jìn)行滲碳和其它化學(xué)熱處理的緣故。第六節(jié)鐵碳合金相圖第六節(jié)鐵碳合金相圖第四章鋼的熱處理一是合金化，這是下幾章研究的內(nèi)容；改善鋼的性能二是熱處理，這是本章要研究的內(nèi)容。

一、基本概念熱處理：是指將鋼在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻，以改變鋼的組織結(jié)構(gòu)，獲得所需要性能的一種工藝.

為簡明表示熱處理的基本工藝過程，通常用溫度—時(shí)間坐標(biāo)繪出熱處理工藝曲線。

第一節(jié)鋼的熱處理原理在機(jī)床制造中約60-70%的零件要經(jīng)過熱處理。在汽車、拖拉機(jī)制造業(yè)中需熱處理的零件達(dá)70-80%。熱處理是一種重要的加工工藝，在制造業(yè)被廣泛應(yīng)用。.

模具、滾動(dòng)軸承100%需經(jīng)過熱處理?？傊?，重要零件都需適當(dāng)熱處理后才能使用。

第一節(jié)鋼的熱處理原理第一節(jié)鋼的熱處理原理熱處理特點(diǎn):熱處理區(qū)別于其他加工工藝如鑄造、壓力加工等的特點(diǎn)是只通過改變工件的組織來改變性能，而不改變其形狀。

熱處理適用范圍:只適用于固態(tài)下發(fā)生相變的材料，不發(fā)生固態(tài)相變的材料不能用熱處理強(qiáng)化。

第一節(jié)鋼的熱處理原理熱處理分類

熱處理原理：描述熱處理時(shí)鋼中組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律稱熱處理原理。熱處理工藝：根據(jù)熱處理原理制定的溫度、時(shí)間、介質(zhì)等參數(shù)稱熱處理工藝。(a)940淬火+220回火（板條M回+A‘少）(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火（板條M+條狀F+A’少）(e)940淬火+780淬火+220回火（板條M回+條狀F+A‘少）(f)780淬火+220回火（板條M回+塊狀F）

20CrMnTi鋼不同熱處理工藝的顯微組織第一節(jié)鋼的熱處理原理熱處理的分類：普通熱處理熱處理表熱處理退火;正火;淬火;回火;表面淬火

化學(xué)熱處理感應(yīng)加熱淬火火焰加熱淬火滲碳;滲氮;碳氮共滲;新技術(shù)：可控氣氛熱處理、真空……、形變……、電解熱……、離子化……、激光……、電子束表面……、硫碳氮-稀土共滲等。第一節(jié)鋼的熱處理原理鋼坯加熱第一節(jié)鋼的熱處理原理在實(shí)際生產(chǎn)中，由于加熱和冷卻不是很緩慢，因此實(shí)際發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的溫度與相圖的A1、A3、Acm

有一定的偏離。通常加熱用Ac1、Ac3、Accm

表示，冷卻用Ar1、Ar3、Arcm表示。鋼的臨界溫度

鋼在加熱、冷卻時(shí)的臨界溫度

第一節(jié)鋼的熱處理原理亞共析鋼:Ac3+(20-40℃)共析鋼:Ac1+(20-40℃)過共析鋼:Accm+(20-40℃)鋼在加熱、冷卻時(shí)的臨界溫度

第一節(jié)鋼的熱處理原理二、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

（一）鋼的奧氏體化第一步奧氏體晶核的形成第二步奧氏體晶核的長大第三步殘余滲碳體溶解第四步奧氏體均勻化第一節(jié)鋼的熱處理原理奧氏體的形成Fe3C未溶Fe3CA殘余Fe3CAAAA

形核A

長大殘余Fe3C溶解A均勻化亞（過）共析鋼的A化過程與此類似，不同在于：亞（過）共析鋼加熱到Ac1以上時(shí)，還存在一部分未溶解的F（Fe3CⅡ），到Ac3（Accm）以上才可獲得單一A。（不在敖述）（二）奧氏體晶粒的長大及其控制

1.加熱溫度和加熱速度的影響2.化學(xué)成分的影響3.原始組織的影響提高加熱T，將加速A的形成。隨著加熱速度的增加,奧氏體形成溫度升高（Ac1越高），形成所需的時(shí)間縮短。

隨著鋼中含碳量增加，鐵素體和滲碳體相界面總量增多，有利于奧氏體的形成。

由于奧氏體的晶核是在鐵素體和滲碳體的相界面上形成,所以原始組織越細(xì)，相界面越多，形成奧氏體晶核的“基地”越多，奧氏體轉(zhuǎn)變就越快。第一節(jié)鋼的熱處理原理選學(xué)內(nèi)容1、晶粒大小的表示方法金屬組織中晶粒的大小通常用晶粒度級(jí)別指數(shù)來表示晶粒度的測定方法：比較法、面積法、截點(diǎn)法；晶粒度級(jí)別指數(shù)、晶粒度的數(shù)值表示方法：單位體積晶粒數(shù)、晶粒公稱直徑等8種GB6394-86《金屬平均晶粒度測定法》第一節(jié)鋼的熱處理原理本質(zhì)細(xì)本質(zhì)粗標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級(jí)示意圖

第一節(jié)鋼的熱處理原理2、奧氏體晶粒度的概念:起始晶粒度：實(shí)際晶粒度：本質(zhì)晶粒度：珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變剛剛完成時(shí)奧氏體晶粒的大小。一般比較細(xì)小而均勻熱處理后所獲得的奧氏體晶粒的大小。一般比起始晶粒度大某種鋼在規(guī)定的加熱條件下，奧氏體晶粒長大的傾向，不是晶粒大小的實(shí)際度量。第一節(jié)鋼的熱處理原理工業(yè)生產(chǎn)中，一般沸騰鋼為本質(zhì)粗晶粒鋼，鎮(zhèn)靜鋼為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。需要進(jìn)行熱處理的零件多采用本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，因?yàn)橐话銦崽幚砉に嚨募訜釡囟榷荚?50℃以下，因此奧氏體晶粒不易長大，可避免過熱現(xiàn)象。第一節(jié)鋼的熱處理原理奧氏體晶粒的控制⑴加熱溫度和保溫時(shí)間:

加熱溫度高、保溫時(shí)間長,

晶粒粗大.⑵加熱速度:

加熱速度越快,過熱度越大,形核率越高,晶粒越細(xì).⑶合金元素：阻礙奧氏體晶粒長大的元素:

Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。析出顆粒對(duì)黃銅晶界的釘扎Nb/%奧氏體晶粒尺寸/μmNb、Ti對(duì)奧氏體晶粒的影響第一節(jié)鋼的熱處理原理促進(jìn)奧氏體晶粒長大的元素：Mn、P、C、N。⑷原始組織:

平衡狀態(tài)的組織有利于獲得細(xì)晶粒。奧氏體晶粒粗大，冷卻后的組織也粗大，降低鋼的常溫力學(xué)性能，尤其是塑性。因此加熱得到細(xì)而均勻的奧氏體晶粒是熱處理的關(guān)鍵問題之一。箱式可控氣氛多用爐真空熱處理爐第一節(jié)鋼的熱處理原理三、鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

過冷奧氏體——暫時(shí)保留在A1以下的奧氏體。

連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變——使加熱到奧氏體化的鋼連續(xù)降溫進(jìn)行組織轉(zhuǎn)變

等溫冷卻轉(zhuǎn)變——使加熱到奧氏體化的鋼以較快的冷卻速度冷到A1以下某溫度保溫，在等溫下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。第一節(jié)鋼的熱處理原理（一）過冷奧氏體的等溫冷卻轉(zhuǎn)變１．過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線分析

----TTT曲線(C曲線)T---timeT---temperatureT---transformation第一節(jié)鋼的熱處理原理共析碳鋼C曲線建立過程示意圖時(shí)間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1第一節(jié)鋼的熱處理原理共析碳鋼C曲線的分析穩(wěn)定的奧氏體區(qū)過冷奧氏體區(qū)A向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變開始線A向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變終止線

A+產(chǎn)物區(qū)產(chǎn)物區(qū)A1～550℃;高溫轉(zhuǎn)變區(qū);擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變;P轉(zhuǎn)變區(qū)。550～230℃;中溫轉(zhuǎn)變區(qū);半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變;貝氏體(B)轉(zhuǎn)變區(qū);230～-50℃;低溫轉(zhuǎn)變區(qū);非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變;馬氏體(M)轉(zhuǎn)變區(qū)。時(shí)間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf第一節(jié)鋼的熱處理原理２．過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織及其性能（１）珠光體轉(zhuǎn)變—高溫轉(zhuǎn)變（A1～550℃）表共析碳鋼三種珠光體型組織組織名稱符號(hào)轉(zhuǎn)變溫度/℃相組成轉(zhuǎn)變類型特征HRCσb/MPa珠光體型珠光體PA1～650F+Fe3C擴(kuò)散型（鐵原子和碳原子都擴(kuò)散）片層間距＝0.6～0.8μm，500×分清10～201000索氏體S650～600片層間距＝0.25～0.4μm，1000×分清，細(xì)珠光體25～301200托氏體T600～550片層間距＝0.1～0.2μm，2000×分清，極細(xì)珠光體30～401400第一節(jié)鋼的熱處理原理珠光體形貌形成溫度為A1～650℃，片層較厚，500倍光鏡下可辨，用符號(hào)P表示.光鏡下形貌電鏡下形貌三維珠光體如同放在水中的包心菜第一節(jié)鋼的熱處理原理索氏體形貌形成溫度為650-600℃,片層較薄，800-1000倍光鏡下可辨，用符號(hào)S表示。電鏡形貌光鏡形貌第一節(jié)鋼的熱處理原理托氏體形貌形成溫度為600-550℃，片層極薄，電鏡下可辨，用符號(hào)T

表示。電鏡形貌光鏡形貌第一節(jié)鋼的熱處理原理珠光體轉(zhuǎn)變也是形核和長大的過程。滲碳體晶核首先在奧氏體晶界上形成，在長大過程中，其兩側(cè)奧氏體的含碳量下降，促進(jìn)了鐵素體形核，兩者相間形核并長大，形成一個(gè)珠光體團(tuán).珠光體轉(zhuǎn)變是擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。第一節(jié)鋼的熱處理原理（２）貝氏體型(B)轉(zhuǎn)變(550～230℃):550～350℃:B上;40～45HRC;脆性大，幾乎無價(jià)值。B上

=過飽和碳

α-Fe條狀+Fe3C細(xì)條狀過飽和碳α-Fe條狀羽毛狀第一節(jié)鋼的熱處理原理在光鏡下呈羽毛狀.在電鏡下為不連續(xù)棒狀的滲碳體分布于自奧氏體晶界向晶內(nèi)平行生長的鐵素體條之間。光鏡下電鏡下上貝氏體形貌第一節(jié)鋼的熱處理原理（２）貝氏體型(B)轉(zhuǎn)變(550～230℃):350～230℃:B下;45～55HRC;良好綜合力學(xué)性能，生產(chǎn)中常等溫淬火獲得。B下

=過飽和碳

α-Fe針葉狀+Fe3C細(xì)片狀過飽和碳

α-Fe針葉狀Fe3C細(xì)片狀針葉狀第一節(jié)鋼的熱處理原理下貝氏體形貌在光鏡下呈竹葉狀。在電