1 第一篇 机械工程材料 第一章 工程材料的历史、现状与发展 §1 工程材料的历史、现状和发展 材料：人类用以制作有用物件的物质 新材料：主要是指最近发展起来或正在发展之中的具有特殊功能和效用的材料 人类先后经历了:石器时代——铁器时代——钢铁时代（高分子时代 半导体时代 先进陶瓷时代 复合材料时代）,这说明以学一种类材料为主导的时代已经一不复返了材料的发展已进入丰富多采的时代，而以保护资源、环境和生态为目的的材料设计思想已形成新的潮流，即“生态环境材料” 材料分类：金属材料 无机非金属材料（陶瓷） 有机高分子材料 复合材料 一、金属材料 1、特点：由于其主要通过金属键结合而成，因此金属有比高分子材料高得多的模量，有比陶瓷高得多的韧性、可加工性、磁性和导电性 2、近年来金属材料的纵深发展： 1）高纯材料 2）高强度及超高强度金属材料 3）超易切削钢和超高易切削钢 2 4）硬质合金和金属陶瓷 5）高温合金与难熔合金 6）纤维增强金属基复合材料 7）共晶合金定向凝固材料 8）快速冷凝金属非晶及微晶材料 9）有序金属间化合物 10）超细纳米颗粒金属材料 11）形状记忆合金 12）贮氢合金 3、金属材料的发展趋势 二、无机非金属材料（陶瓷ceramic）的特点 陶瓷是泛指一切经高温处理而获得的无机非金属材料，除先进（特种）陶瓷外，还包括玻璃、搪瓷、水泥和耐火材料等。
从狭义上讲，用无机非金属化合物粉体，经高温烧结而成，以多晶聚积体为主的固态物均称为陶瓷，即先进的陶瓷 先进陶瓷的化学键是由共价键与离子键组成，具有优良的耐高温、耐磨、耐腐蚀的特点 三、复合材料的特点 复合材料，是指由不同材料组合而成，在新制成的材料中，原来各材料的特性得到了充分的应用，而且复合后可望获得单一材料得3 不到的新功能材料 近代复合材料包括： 1、软质复合材料，具有高强度、高质量的特点如 橡胶与纺织材料结合在一起，人造丝、尼龙、金属纤维 2、硬质复合材料， “玻璃钢”代表（又增强纤维与合成树脂制成的复合材料 §2 制造（工艺）技术发展的历史、现状和趋势 制造技术是围绕工程材料进行的 所谓制造技术（Manufacturing Technology）是制造业为国民经济建设和人民生活生产各种必需物质所使用的一切生产技术的总称，是将原材料和其它生产要素经济合理地转化为直接使用具有较高附加价值的成品/半成品和技术服务的技术群 一、制造技术的发展历史 1、18 世纪后半叶开始，蒸汽机与工具机的发明导致近代产业革命 1、 19 世纪进入电气化时代 2、 20 世纪初，受二战的影响，使以降低成本为中心的刚性、大批大量制造技术和科学管理方式得到空前发展。
3、 二战以后，制造技术开始向高质量生产和柔性化生产发展，并且形成了一批新型的先进制造单元技术，如NC、CNC、FMC、CAD/CAM，实现现代化管理，使生产模式由中、小批量生产，向小批量自动化生产转变 4 4、 从 80 年代以来，制造技术的发展由市场牵动造成，代替了以前的由技术推动造成的 5、 进入 90 年代以来，进入先进制造技术阶段 二、 造业及先进制造技术的发展趋势： 信息技术 设计技术 成型及改进制造技术向精密、精确、少能耗、无污染向发展 5 第二章 工程材料的基础知识 §1 工程材料的性能 表征材料在给定外界条件下的行为――材料的性能 1. 使用性能 物理、化学、力学性能 2. 工艺性能 铸造、锻、焊、切削等 重点掌握重点掌握 各种力学性能指标（强度, 塑性；冲击韧性；硬度 HB，HRC，HV；疲劳强度， 断裂韧性）的物理意义和单位 1.1 工程材料的力学性能 一、静载单向静拉伸应力――应变曲线 拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线 曲线分为四阶段： 1．阶段 I（oab）――弹性变形阶段 a: Pp ，b: Pe （不产生永久变形的最大抗力） oa 段：△L∝ P 直线阶段 ab 段：极微量塑性变形（0.001--0.005%） 6 2．阶段 II（bcd）段――屈服变形 c: 屈服点 Ps 3．阶段 III（dB）段――均匀塑性变形阶段 B: Pb 材料所能承受的最大载荷 4．阶段 IV(BK) 段――局部集中塑性变形：颈缩 铸铁、陶瓷：只有第 I 阶段 中、高碳钢：没有第 II 阶段 二、材料的强度――材料所能承受的极限应力. σ=P/Ao 表示材料抵抗变形和断裂的能力 单位: MPa(MN/mm2) 1．抗拉强度 σb=Pb/Ao 7 材料被拉断前所承受的最大应力值（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。
2．屈服强度 σs和条件屈服强度 σ0.02 a: σs=Ps/Ao （σs代表材料开始明显塑性变形的抗力,是设计和选材的主要依据之一 b: σ0.02条件屈服强度 （中高碳钢、无屈服点，国家标准，以产生一定的微量塑性变形的抗力的极限 应力值来表示 脆性材料：σb=σs 灰口铸铁 3．疲劳强度 σ-1 （80%的断裂由疲劳造成） 疲劳：承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往在 远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂 疲劳极限：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值 条件疲劳极限：经受 107应力循环而不致断裂的最大应力值 陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高，纤维增强复合材 料也有较好的抗疲劳性能 影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余 应力等 三、塑性： 1．延伸率 Lk:试样拉断后最终标距长度 延伸率与试样尺寸有关， 5 , 10 (Lo=5do, 10do) 2．断面收缩率 8 =△F/Fo=(Fo-Fk)/Fo x 100% 越大，塑性愈好；KIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。
KI＝KIC时，裂纹处于临界状态 KITm 时，Fs>FL, 液相稳定 b 当温度 TA (Fcc, 0.77) 2．共析钢奥氏体化过程 33 a. 形核 （优先在相界（F，Fe3C） b. 长大 c. 渗碳体完全溶解 d. 碳的均匀化 二、亚（过）析钢的奥氏体化 三、影响奥氏体化的因素 1．加热温度 T↑→A 化↑ (D↑→浓度梯度大) 2．加热速度 V↑→转变开始温度↑，转变时间↓ 3．含碳量 C%↑→界面多→核心多→转变快 4．合金元素 a. Cr、M0、W、V、Nb、Ti 强碳化物形成元素，↓奥氏体形成速度 b. C0、Ni 非碳化物形成元素，↑奥氏形成速度 c. Al、Si、Mn影响不太 5．原始组织 片状，片间距小→相界面多→碳弥散度大→碳原子扩散距离短→奥氏体形核长 大快 >粒状 34 四、奥氏体晶粒大小及控制 1．晶粒度: 表征晶体内晶粒大小的量度，通常用长度，面积，体积或晶粒度级 别表示 2．起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度 本质晶粒度：钢奥氏体晶粒长大的倾向 奥氏体晶粒随温度的升高而且迅速长大的倾向→本质粗晶钢 奥氏体晶粒随温度升高到某一温度时，才迅速长大→本质细晶钢 3．奥氏体晶粒度的控制 a. 加热工艺 加热温度，保温时间 b. 钢的成分——合金化 A 中 C%↑→晶粒长大↑ MxC%↑→是粒长大↓ 1)碳化物形成元素 细化晶粒 2）Al→本质细晶钢 3）Mn 、P 促进长大 35 4．2 钢在冷却过程中的组织转变 等温处理 连续处理 一、过冷奥氏体的等温转变 1．共析钢过冷 A 等温转变曲线。
冷却到一定温度，保温，测量 A过冷转变开始和终了时间 A1 以上：A 稳定 A1 以下：A 不稳定，过冷 C 曲线有一最小孕育期： 1：T↓，A——P 的驱动力 F 提高 2：T↓——D↓ 2．共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和特征 （1）高温转变区 36 A1——鼻子温度（5500C） A过冷——P（S，T）索氏体，屈氏体 P 的形成取决于生核，长大速率T↓，生核，长大↑ T↓→6000C，D↓，长大慢→层间距薄，短 扩散型相变，综合性能好，HB 较低，韧性好T↓——HB↑，强度↑ （2）中温区转变，贝氏体转变 550℃~230℃ （MS） A过冷→B，碳化物分布在含过饱和碳的 F 基体上的两相机械混合物 550℃~350℃：上贝氏体半扩散型（Fe 不扩散），羽毛状碳化物在 F 间，韧性 差 350℃~MS：下贝氏体 C 原子有一定的扩散能力，针状碳化物在 F 内，韧性高， 综合机械性能好 （3）低温区转变——马氏体转变，MS→Mf之间一个温度范围内连续冷却完成的，离于非扩散型转变 a. A过冷→M+A'残余 b. 转变产物：马氏体 M，碳在 α-Fe 中的过饱和固溶体。
C%1.0%，针状，马氏体 c. 实质：T低——C 无法扩散→非扩散性晶格切变→过饱和 C 的铁素体 d. M 转变的特征，①无扩散性 ②瞬时性 ③存在Ms,Mf ④不完全性 ⑤体积膨胀 37 3．共析钢等温转变组织——性能的关系 （1）珠光体型 转变温度降低，片间距小，细晶强化→强度、硬度、塑性、韧性提高 （2）贝氏体 B 上：强度、韧性差 B 下：硬度高，韧性好，具有优良的综合机械性能 （3）马氏体 硬度高,C%↑→HRC↑ 针状马氏体，硬而脆，塑、韧性差 板条状，强度高，塑性，韧性好 4．亚（过）共析钢的等温冷却转变曲线 二、影响 C 曲线的因素 C 曲线反映奥氏体的稳定性及分解转变特性，这些取决于奥氏体的化学成分和 加热时的状态C 曲线的形状位置，不仅对过冷奥氏体等温转变速度和转变产 物的性能具有重要意义，而且对钢的热处理工艺也有指导性作用 （一）成分 1．含碳量 A 中 C%↑→C 曲线右移. 对亚共析钢，钢中 C%↑，A 中 C%↑→C 曲线右移 对过共析钢，一般在 AC1以上 A 化，钢中 C%↑，未溶 Fe3C↑→有利于形核→C 曲线左移 共析钢，C 曲线最靠右边，稳定性最高。
38 2．合金元素，（C0%↑→左移） 除 C0以外，所有合金元素溶入 A 中，增大过冷 A 稳定性——右移 非碳化物形成元素，Si,Ni, Cu, 不改变 C 曲线形状 强碳化物形成元素，Cr,Mo,W,V, Nb, Ti, 改变 C 曲线形状 除 C0,Al 外，均使 Ms,Mf 下降，残余 A↑ （二）A 化条件的影响 加热温度和时间： A 化温度↑，时间↑（成分均匀，晶粒大，未溶碳化物少，形核率降低）→A 稳 定性↑，C 曲线右移 三、过冷奥氏体的连续冷却转变 1．过冷奥氏体的连续冷却转变图 PS：A→P 开始线 Pf：A→P 终止线 K：珠光体型转变终止线 Vk：上临界冷却速度（马氏体临界冷却 速度）→M 最小冷速 Vk’：下临界冷速→完全 P 最大冷速 2．连续冷却转变曲线和等温转变曲线的比较 （1）CCT 位于 TTT 曲线右下方 A→P 转 变温度低一些，t 长一些 （2）CCT 无 A→B 转变 CCT 测定困难，常用 TTT 曲线定性分析 39 3．C 曲线的应用 （1）根据工件要求，确定热处理工艺 （2）确定工件淬火时的临界冷速 （3）可以指导连续冷却操作 V1:炉冷（退火） P V2: 空冷，S，T V3：空冷，S，T V4：油冷，T+M+A' V5 ：M+A' （4）选择钢材的依据 （5）C 曲线对选择淬火介质与淬火方法有指导。
4．3 钢的退火与正火工艺 一、退火。