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1、第二章机械工程材料教学目的：了解金属的机械性能、金属和合金的晶体结构、铁碳合金相图、铸铁、有色金属及合金；理解钢的分类牌号和用途；掌握钢的热处理。重点：钢的热处理、钢的分类、牌号和用途难 点：钢的热处理机理；铁碳合金相图。参考教材：机械基础刘泽深等主编中国建工出版社2000机械设计基础杨可桢主编高等教育出版社2003机械设计濮良贵主编高等教育出版社2004机械工程材料：1. 非金属材料：有机材料（塑料、橡胶、皮革、木材等）；无机材料（水泥、 玻璃、陶瓷、石棉）；2. 金属材料：有色金属材料（铜铝及其合金）；黑色金属材料（铁和碳的合 金，钢、生铁）。金属的性能：1. 使用性能：机械性能（力学）；
2、物理性能（膨胀系数、熔点、导热、导电、 磁性等）；化学性能（耐热、耐蚀；2. 工艺性能：加工性能，如铸造、锻造、焊接、热处理、切削加工等。 选材依据：机械性能。1金属的机械性能由以下几金属的机械性能是指金属在外力的作用下抵抗变形和断裂的能力， 个指标:一. 强度：材料在常温静载下抵抗塑变或断裂的能力。拉伸强度是主要指标。1屈服强度b s2抗拉强度b b二. 塑性：金属材料在外载作用下产生塑变而不破坏的能力。1延伸率32断面收缩率”三. 硬度：金属材料抵抗硬物侵入的能力。1布氏硬度HB2洛氏硬度HR四. 冲击韧性a k：在冲击载荷的作用下抵抗断裂的能力。五. 疲劳强度：在交变载荷作用下抵抗破坏的
3、能力。2金属和合金的晶体结构金属和自然界大多数物质一样是晶体。一. 金属的晶体结构与结晶过程1. 晶体的特点：有熔点；原子排列有序。P14图2 7简单立方晶格的描述晶格、晶面、晶胞2. 纯金属的晶体结构：体心立方晶格；面心立方晶格。P14图2 8常见金属晶格类型3. 金属的结晶过程结晶 平衡结晶温度 实际结晶温度 过冷 过冷度金属结晶温度的测量：热平衡法P15图210纯金属结晶过程示意图规律：晶核的产生和长大。二. 纯铁的同素异晶转变P15图211纯铁的冷却曲线a Fe：体心丫 e：面心S Fe：体心三. 合金的晶体结构1. 合金的概念合金：由两种或两种以上的金属元素或非金属元素组成的具有金属
4、特性 的物质。2. 合金的晶体结构固溶体：两种或两种以上的元素在固态下相互溶解所组成的均匀固体，有间隙固溶体和置换固溶体；（P16图212、13固溶体及固溶强化）化合物：有一定的化学成分，晶格类型和性能完全不同于组成它的任一组元。机械混合物：由两种或两种以上的固溶体或是由固溶体和金属化合物所组成。3铁碳合金相图一. 铁碳合金相图的定义将铁碳合金极其缓慢的加热或冷却得到的铁碳合金的成分、组织、性能 之间的关系。二. 铁碳合金的基本组织1. 铁素体F :碳溶在a Fe中形成的间隙固溶体；2. 奥式体A :碳溶在丫 Fe中形成的间隙固溶体；3. 渗碳体FaC :铁和碳的化合物；4. 珠光体P: F+
5、 P组成的机械混合物；5. 莱氏体L : A + F3C的机械混合物，低于 727度后，变为P和F3C的机 械混合物。（P19图2 15、16铁碳合金相图）4碳钢.碳及杂质的影响1. 碳的影响（图2 17碳钢成分组织与性能的关系）2. 杂质的影响Mn：与S形成MnS，消除S的有害作用；Si :溶于F中，提高钢的强度；S:与铁以FeS形式存在A的晶界处，10001200度锻压加工时导致“热 脆”；P：溶于F中，室温下塑性、韧性急剧下降，使钢“冷脆” 。二.碳钢的分类、牌号和用途 按质量分:1. 碳素结构钢，表2 32. 优质碳素结构钢表2 43.工具钢表2 55钢的热处理一. 热处理的概念将钢在
6、固态下加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得所需性能的一 种工艺方法。图 2 18二. 钢的热处理机理1钢在加热时的转变图a. 转变温度，图2 19b. A的形成，图2 20c. A晶粒大小2. A冷却时的转变a. 等温转变，图 2 22b. 连续转变图2 24三. 钢的热处理方法1. 钢的退火：将钢加热到适当温度，保温一段时间，然后缓慢冷却（随炉冷却）， 以接近相图中的组织的热处理工艺称为退火。目的：降低钢的硬度，便于切削加工；消除内应力，防止钢件的变形与开裂；改善组织，细化晶粒；为淬火作好组织准备。方法：完全退火；球化退火；去应力退火。2. 钢的正火：将钢加热到Ac3或Accm以上305
7、0 C,保温一段时间后在空气 中冷却的热处理工艺称为正火。目的：同退火，但组织教细，硬度和强度有所提高，消除内应力不如退火，生产周期短，冷却时不占用设备。3. 钢的淬火：将钢加热到Ac3或Aci以上3050C,保温一段时间，然后以大 于临界冷却速度的速度冷却，从而获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。目的：提高钢的硬度。淬火温度：亚共析钢淬火加热温度， Ac3以上3050 C；过共析钢淬火加热温 度为 Ac1以上3050C。淬火冷却介质： 水，510 %的盐水冷却能力较强；油，机油、变压器油等。淬火方法：单液淬火、双液淬火。4. 钢的回火：将淬火后的钢件，重新加热到Ai以下某一温度，保温一定时间
8、， 然后冷却至室温的热处理工艺称为回火。目的：减少或消除淬火内应力；使钢件的强度、硬度和塑性、韧性适当配合，获得需要的机械性能；稳定钢件的尺寸和形状。种类：低温回火，回火马氏体；中温回火，回火屈氏体；弹性极限高。高温回火，回火索氏体。淬火加高温回火生产上称为调质处理。5. 钢的表面淬火：将零件表面以极快的速度加热到临界温度以上，而心部受热 较少还来不及达到临界温度，立即快速冷却，使表层获得马氏体，心部仍保持淬火前的组织。目的：提高零件表层的硬度和耐摩性。方法：感应加热，p31图225;火焰加热。6. 钢的化学热处理：将钢件放入某种介质中， 加热到一定温度，保温一段时间， 使介质通过化学反应，分
9、解出某一种或几种元素的活性原子渗入零件表层，改变零件表层的化学成分和组织，从而使零件获得所需工作性能的热处理方法。种类：钢的渗碳，钢的渗氮，钢的氰化。6合金钢一. 合金钢的概念在钢中特意加入一种或几种合金元素，以改善钢的性能所得到的钢称为合金钢。二. 合金元素的作用1提高钢的机械性能2改善钢的热处理性能3使钢获得特殊性能三. 合金钢的分类、编号和用途合金钢按用途分为：1. 合金结构钢：普通低合金钢；渗碳钢；调质钢；弹簧钢；滚动轴承钢。2. 合金工具钢3. 特殊性能钢：不锈钢，耐热钢。铸铁一.铸铁的一般概念1. 铸铁的定义：含碳量大于2.11%的铁碳合金，并含有硅锰和少量磷和硫。2. 特点：有良
10、好的铸造性、耐磨性、切削加工性且价格低廉；塑性、韧性差， 强度低。3扮类石墨化的概念：C以石墨形式析出的现象。按碳在铸铁中的状态分为：白口铸铁：C少量溶于F,多数以Fe3C形式存在，断口白亮硬而无法加工, 炼钢原料。灰口铸铁：C大部或全部以自由状态的片状石墨析出。可锻铸铁：白口铸铁经长时间石墨化退火，C大部或全部以团絮状存在。球墨铸铁：C大部或全部以自由状态的球状石墨存在。4. 影响石墨化的因素：化学成分和冷却速度。P36图226二.常用铸铁1. 灰口铸铁特点：强度（抗拉、疲劳）、塑性都比钢低，韧性差；铸造性能好，流动性好， 收缩率小，耐磨性好，切削加工性好，减震性好，缺口敏感性低。种类：铁素
11、体灰口铸铁、珠光体灰口铸铁、铁素体和珠光体灰口铸铁。2. 可锻铸铁特点：强度比灰口铸铁高，铸造性能比钢好；对原材料要求严，生产周期长， 成本高。种类：黑心可锻铸铁，白心可锻铸铁。3球墨铸铁球化处理：铁水出炉时加入少量球化剂和墨化剂，使石墨呈球状析出。特点：屈服强度高，同时具有灰口铸铁的优点，疲劳强度比灰口铸铁高，耐 磨性比灰口铸铁好，优于表面淬火钢，经济上比钢便宜，热处理工艺性比灰口铸铁高，冲击韧性比灰高比钢差；收缩率大，对原铁水成分要求严格，减震能 力不如灰。8有色金属及其合金.铝和铝合金1纯铝比重小，导电导热好，塑性好，耐腐蚀，强度低。2铝合金：形变铝合金和铸造铝合金p39图230。.铜和铜合金1.纯铜导电导热比铝好，塑性好，耐蚀，强度低，价格高。2.铜合金a潢铜.黄铜：铜和锌的合金。性能：强度高，塑性好，耐蚀性好，加工性能好，价低。.特殊黄铜：在黄铜中加入其他元素。例如：Ai、Mn提高机械性能；在此基础上再加入S提高耐蚀性；Si、Pb共存提高耐磨性。b.青铜：除黄铜以外的铜合金。.锡青铜强度好，硬度高，机械性能随含锡量变化。.无锡青铜铜合金中加入 A|、Mn、Be、Si、Pb等元素，改善合金的机械性能、耐腐蚀性、 耐磨性及热强度。
