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1、机械工程基础第一篇 工程材料与热处理基础第一章 金属材料的种类与性能1 概述 金属材料包括：黑色金属有色金属 钢： 碳钢、合金钢、特殊性能钢。 铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁。 铜及其合金 铝及其合金 其他：轴承合金、硬质合金2 金属材料的力学性能使用性能物理性能化学性能力学（机械）性能力学（机械）性能 静载特性： 强度 塑性 硬度 测试方法： 拉伸试验 硬度试验 动载特性：冲击韧性 疲劳强度 测试方法：冲击试验 疲劳试验强度：在外力作用下材料抵抗变形和破坏的能力。硬度：在外力作用下材料抵抗更硬物压入的能力。塑性：在外力作用下材料产生永久变形而不会破坏的能力。冲击韧性：材料抵抗冲击力的能力。
2、疲劳强度：材料在多次交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力。3 金属的结晶和组织金属在固态下都是晶体，金属的机械性能与其组织结构有关。常见晶胞类型体心立方晶胞面心立方晶胞金属结晶过程晶核形成晶核长大纯铁的冷却曲线铁碳合金中铁和碳的结合方式碳溶入铁中形成固溶体碳和铁形成化合物固溶体和化合物形成机械混合物第二章 铁碳合金1 概述 2 铁碳合金（一）铁碳合金的基本组织铁素体（F）- 碳溶于体心立方晶格Fe中形成的固溶体碳最大溶解度0.0218%（727）20时碳最大溶解度为0.0008%性能：较好的塑性和韧性，强度和硬度较低。奥氏体（A）：碳溶于面心立方晶格Fe中形成的固溶体碳最大溶解度2.11%（
3、1148）； 727时碳最大溶解度为0.77%性能：质软、塑性好，无磁性，变形抗力较低。渗碳体（Fe3C）：铁与碳的化合物含碳量6.69%；熔点1227性能：硬度高，强度很低，塑性、韧性几乎为零。 珠光体（P）：铁素体与渗碳体的机械混合物含碳量0.77%共析反应式 (F+Fe3C)性能：=600800Mpa(纯铁=180280Mpa)2025 (纯铁3050) HBS170230（纯铁HBS5080）莱氏体（, ）： 奥氏体（珠光体）与渗碳体的机械混合物 含碳量4.3%；共晶反应式 (A+Fe3C)性能：硬度高，塑性、韧性差。 （二） 铁碳合金状态图一、 简化的铁碳合金状态图及特性点AW1EW
4、2CW3GW5SW6PW7DW4W1特性点 含碳量 含义 A1538 0 纯铁的熔点W2 E 1148 2.11碳在奥氏体中的最大溶解度 W3 C 1148 4.3 共晶点W4 D 1227 6.69渗碳体的熔点 W5 G 912 0 同素异构转变点W6 S 727 0.77 共析点 W7 P 727 0.0218 碳在铁素体中的最大溶解度 二、简化的铁碳合金状态图及特性线DW1W3W2W4W5W6AECGSPW1特性线 ACD 含义 液相线（液态合金开始结晶出奥氏体或渗碳体）W2特性线 AE 含义 固相线（奥氏体结晶终了线）W3特性线 ECF 含义 固相线（共晶线，Lc AFe3C）W4特性
5、线 ES 含义 碳在奥氏体中溶解度线W5特性线 GS 含义 奥氏体转变为铁素体的开始线W6特性线 PSK 含义 共析线，A FFe3C三 、典型合金的结晶过程AECGSP JJ9 JJ10 JJ11 JJ12 JJ13 JJ14 JJ15四、 铁碳合金分类DAECGSP亚共析钢ZTT11过共析钢ZTT12共析钢ZTT2亚共晶白口铁ZTT13过共晶白口铁ZTT14共晶白口铁ZTT6工业纯铁ZTT33 碳钢一、 钢中常存杂质对钢性能的影响常见杂质：Si 强化铁素体 Mn 强化铁素体、脱硫（MnS） P 冷脆性（使铁素体脆性增加） S 热脆性（L FeFeS）、室温脆性增加（FeS）二、 钢的分类1
6、、按冶炼方法分：平炉钢、转炉钢、电炉钢三类2、 按脱氧方法分：沸腾钢（F）、镇静钢（Z）、半镇静钢（B）等3、 按质量分（依P、S多少分）： 普通钢S 0.05% P0.045%优质钢S 0.035% P0.035% 高级优质钢 S 0.020% P0.03%特级优质钢S 0.015% P0.025%4、 按用途分 结构钢：工程结构钢（如桥梁、船舶、建筑件等） 机械零件用钢（如齿轮、轴、螺母、弹簧、滚动轴承等） 工具钢：主要用于制造工具，如刃具、模具、量具等 特殊性能钢：主要有不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等5 按化学成分分 碳素钢：低碳钢 C 0.6% 合金钢：低合金钢 合金元素总量 10%三
7、、 碳钢的编号方法与用途1、碳素结构钢（工程结构、桥梁、船舶、建筑件等）举例： Q 235 A F 脱氧方式质量ABCD屈服强度235MPa 屈举例：Q1952、 优质碳素结构钢（机器零件：齿轮、轴、弹簧、螺母等）举例：45含碳的万分值0.45% C举例：08、60、 203、碳素工具钢(手用工具或低速刀具：锤、锯条、剪刀、锉刀等)举例：T 8 A含碳的千分值0.8% C碳素工具钢高级优质钢举例：T8 T124 铸钢 （铸造用钢 含碳0.06%）举例： ZG 200400 铸钢 屈服强度（200MPa） 抗拉强度（400MPa）4 铸铁工业用铸铁的成分范围： C 2.5% 4.0%Si 1.0
8、% 3.5%Mn 0.5% 1.5% P 0.2% S 0.15% 余下为Fe工业用铸铁的组织：F FP 各种形态的石墨 P一、 灰铸铁石墨形态：片状特点：力学性能差，消震性好，耐磨性好，切削加工性好，铸造性能好，价格便宜。举例： HT 100 灰铸铁 最低抗拉强度（MPa）牌号用途HT100低压零件：如轴承盖、手轮、支架等。HT200机床床身、低压气缸、低速轴瓦等。HT350孕育铸铁气缸、飞轮、齿轮等重要零件。二、球墨铸铁石墨形态：球状特点：基体利用率高达7090，抗拉强度、塑性、韧性高。可代替钢在静载荷或冲击不大的条件下工作的凸轮、曲轴等。 牌号 QT 40018最小延伸率最低抗拉强度MP
9、a球墨铸铁 牌号用途QT40018泵、阀体、受压容器、受冲击零件等。QT50017机器底座、齿轮、支架等。QT8002曲轴、凸轮、齿轮等高强度零件。三、可锻铸铁石墨形态：团絮状特点：力学性能比灰铸铁好。适宜作薄壁、形状复杂的小型铸件，工艺复杂，不能锻造。 牌号 KT H 40018最低抗拉强度MPa基体组织H：F体Z：P体B：F+P体最小延伸率可锻铸铁 牌号用途KTH3006管道的三通、弯头、接头等。KTH37012农机的犁刀、犁柱，汽车、拖拉机前后轮壳等。KTZ6502曲轴、凸轮轴、连杆等零件。第三章 钢的热处理 31 概述 将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组
10、织结构与性能的工艺。碳钢热处理方法示意图 加热和冷却时铁碳合金状态图中各临界点的位置一般机器零件的加工工艺路线：毛坯加工(铸造、锻造、焊接)预先热处理机械加工最终热处理(机械加工)32钢的整体热处理方法一、 钢的退火和正火退火和正火工艺曲线示意图各种退火和正火的加热温度范围退火：将金属或合金加热到适当的温度，保持一定时间，然后缓慢 冷却的热处理工艺。常用的退火有：完全退火、球化退火、 去应力退火和再结晶退火。 退火目的：细化晶粒和组织，消除内应力，降低硬度便于机械加工（完全退火用于亚共析钢中的高碳钢，球化退火用于过共析钢），为下一道淬火工序作好准备。网状及球化金相 正火：将金属或合金加热到A体
11、化临界温度3050，保温适当的时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺。正火目的：细化晶粒，消除内应力，获得适当的硬度改善切削加工性能（低碳钢），为下一道淬火工序作好准备。二、钢的淬火 将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保温一定时间，然后较快冷却，获得碳在Fe中过饱和的固溶体即马氏体的热处理工艺。三、 钢的回火 将淬硬钢再加热到Ac1线以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。碳钢的淬火加热温度范围淬火目的：提高钢件的硬度和耐磨性。淬火介质：水、油。回火热处理工艺曲线回火目的：减少或消除内应力，防止工件变形或开裂。调整硬度，获得所需 的机械性能，稳定工件尺寸。回火种类： u低温回火 低于250回火 保持淬火钢高硬度、高耐磨性，降低淬火内应力，消除不稳定因素。用于高碳的刃具、量具和冷冲模（T7
