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1、工程材料及其成形技术基础工程材料及其成形技术基础1 绪绪 论论n n1 1 1 1 本课程的性质本课程的性质本课程的性质本课程的性质 本课程是研究材料及其成形方法的技术基础课。它是机械类及近机类各专业必修的一门课程。n2 2 学习目的学习目的 (1)获得常用工程材料及各类成形方法和加工工艺知识，能合理地选材、正确地制定材料的加工程序。 (2)初步了解与本科程有关的新技术、新材料和新工艺，为学习其它相关课程及以后从事机械设计和加工制造方面的工作奠定必要的理论基础。2 绪绪 论论n n3 3 3 3 本课程的主要内容本课程的主要内容本课程的主要内容本课程的主要内容 (1)常用的工程材料及其成形方法
2、和加工工艺。 (2)各类成形方法对零件结构和材料的工艺性要求。n4 4 了解机械制造业总流程了解机械制造业总流程3 绪绪 论论n5 5 主要知识框架主要知识框架工程材料及工程材料及成形技术基础成形技术基础工程材料工程材料成形技术成形技术基础基础4n 6 6 参参 考考 书书n(1)(1)材料成形技术基础材料成形技术基础 何红媛主编，东南大学出版社。何红媛主编，东南大学出版社。n(2)(2)材料成型工艺基础材料成型工艺基础 沈其文主编，华中理工大学出版社。沈其文主编，华中理工大学出版社。n(3)(3)工程材料及应用工程材料及应用 周凤云主编，华中科技大学出版社。周凤云主编，华中科技大学出版社。n
3、(4)(4)材料成型技术基础材料成型技术基础 胡亚民主编，重庆大学出版社。胡亚民主编，重庆大学出版社。n(5)(5)热加工工艺基础热加工工艺基础 任福东主编，机械工业出版社。任福东主编，机械工业出版社。5复合材料复合材料非金属非金属材料材料金属材料金属材料机械机械工程材料工程材料工程材料工程材料： 用于机械、电子、建筑、 化工和航空航天 等领域的材料统称为工程材料。机械工程材料机械工程材料： 用来制造各种机电产品的材料统称为机械工程材料。概概 述述6概概 述述材料的材料的发展过程石斧石斧青铜鼎青铜鼎神神舟舟飞飞船船沧州铁狮子沧州铁狮子石器时代石器时代铜器时代铜器时代铁器时代铁器时代复合材料复合
4、材料7概概 述述工程材料的工程材料的发展过程40-5040-5040-5040-50年代年代年代年代: :材料的发展主要围绕着机械制造业，因此，主要发展以一般力学性能为主的金属材料金属材料50-6050-6050-6050-60年代年代年代年代: :压力容器向高强度方向发展更快，发展了高强度低合高强度低合金钢金钢60606060年代以后年代以后年代以后年代以后: : : :由于航空、空间机械和动力机的发展对材料提出了更苛刻的要求。如高温、高压、高的比强度和比模量高温、高压、高的比强度和比模量。 20202020世纪后期：世纪后期：世纪后期：世纪后期：新材料特别是非金属人工合成材料非金属人工合成
5、材料如陶瓷材料、高分子材料及复合材料快速发展。高功能化、超高性能化高功能化、超高性能化复合轻量化、智能化复合轻量化、智能化8第一章第一章 零件对材料的性能要求零件对材料的性能要求化学化学化学化学成分成分成分成分分类分类分类分类金属材料金属材料有机高分子材料有机高分子材料复合材料复合材料陶瓷材料陶瓷材料黑色金属黑色金属有色金属有色金属轻有色金属轻有色金属重有色金属重有色金属稀有金属稀有金属铸铁铸铁碳钢碳钢合金钢合金钢塑料塑料合成橡胶合成橡胶合成纤维合成纤维有机胶粘剂及涂料有机胶粘剂及涂料硅酸盐材料硅酸盐材料新型陶瓷新型陶瓷非金属基复合材料非金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料机机械械工工程
6、程材材料料9功能分类功能分类功能分类功能分类功能材料：用于制造实现其他功能的零件的材料功能材料：用于制造实现其他功能的零件的材料结构材料：用于制造实现运动和传递动力的零件结构材料：用于制造实现运动和传递动力的零件机械机械工程工程材料材料金属材料：具有良好的金属材料：具有良好的导电性导电性、导热性导热性、在具有、在具有较高的强度较高的强度的同时，具有的同时，具有良好的塑性成形性良好的塑性成形性、铸造性铸造性、切削切削加工加工和和电加工性电加工性等加工性能；通过等加工性能；通过热处理热处理及及表面表面改性改性可以大幅度可以大幅度(成倍）改变其性能；成倍）改变其性能；1.2 1.2 工程材料的特征工
7、程材料的特征10有机高分子材料：有机高分子材料：密度小、强度低（比强度高，高于钢铁）密度小、强度低（比强度高，高于钢铁）较高的弹性较高的弹性，良好的电绝缘性能良好的电绝缘性能，优良的优良的减摩减摩、耐磨和自润滑性能耐磨和自润滑性能，优良的耐腐蚀优良的耐腐蚀性能（超过不锈钢），优良的透光性和隔性能（超过不锈钢），优良的透光性和隔热、隔音性热、隔音性，加工性好，成本低加工性好，成本低，但是易，但是易老化老化。注：注：老化作用老化作用：高分子材料在加工、贮存和使用过程中，由：高分子材料在加工、贮存和使用过程中，由于受各种环境因素的作用而导致性能逐渐变坏，以致丧失使于受各种环境因素的作用而导致性能逐渐
8、变坏，以致丧失使用价值的现象。用价值的现象。【轮胎发生的龟裂、玻璃纤维（起毛）轮胎发生的龟裂、玻璃纤维（起毛）】11陶瓷材料：是无机非金属材料，是有一种或多种金属或非金属元素陶瓷材料：是无机非金属材料，是有一种或多种金属或非金属元素形成的具有强离子键或共价键的化合物。形成的具有强离子键或共价键的化合物。优点：熔点高、硬度高、化学稳定性高，弹性模量大，具有优点：熔点高、硬度高、化学稳定性高，弹性模量大，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘、热膨胀系数小；耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘、热膨胀系数小；缺点：但是抗压不抗拉，脆性大，不易加工成形；缺点：但是抗压不抗拉，脆性大，不易加工成形；复合材料：能充分
9、发挥其组成材料的各自长处，同时在一定程度上复合材料：能充分发挥其组成材料的各自长处，同时在一定程度上克服它们的弱点；克服它们的弱点；121.3 1.3 金属材料的主要性能金属材料的主要性能 机械零件在使用过程中，要受到机械零件在使用过程中，要受到力学负荷力学负荷力学负荷力学负荷诸如拉伸、压诸如拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切以及缩、弯曲、扭转、剪切以及热负荷热负荷诸如高温蠕变、热应力产诸如高温蠕变、热应力产生的热疲劳和生的热疲劳和环境介质的作用环境介质的作用诸如腐蚀、摩擦损失，并且还诸如腐蚀、摩擦损失，并且还要传递力和能。要传递力和能。 因此，作为构成机械零件的金属材料，应具备良好的力因此，作为构
10、成机械零件的金属材料，应具备良好的力学性能、物理性能、和化学性能以防止零件早期失效，同时学性能、物理性能、和化学性能以防止零件早期失效，同时还要有良好的工艺性能还要有良好的工艺性能 。131.3.1 1.3.1 金属的力学性能金属的力学性能 金属的力学性能：材料在外力作用下表现出来的特性，如弹性、塑性、强度、硬度和韧性等。 表征和判定金属力学性能所用的指标和依据称为金属力学性能的判据。高温蠕变高温蠕变疲劳强度疲劳强度低应力低应力脆断脆断弹性弹性强度强度韧性韧性硬度硬度刚度刚度塑性塑性金属金属力学性能力学性能141 1 弹性弹性： 即物体在外力作用下改即物体在外力作用下改变其形状和尺寸，当外变其
11、形状和尺寸，当外力卸除后物体又回复到力卸除后物体又回复到原始形状和尺寸的特性。原始形状和尺寸的特性。弹性的判据可通过弹性的判据可通过拉伸拉伸拉伸拉伸试验试验试验试验来测定。来测定。图图1 11 1 拉伸曲线及拉伸试样拉伸曲线及拉伸试样 拉伸试验拉伸试验:即静拉伸力对试样即静拉伸力对试样轴向拉伸轴向拉伸, ,测量力和相应的伸测量力和相应的伸长长, ,一般拉至断裂以测定其力一般拉至断裂以测定其力学性能的试验。学性能的试验。 15图12 低碳钢拉伸曲线 弹性极限：弹性极限：即金属材料不产生塑性变即金属材料不产生塑性变形时所能承受的最大应力。拉伸曲线形时所能承受的最大应力。拉伸曲线p p点对应的应力点
12、对应的应力pp为弹性极限：为弹性极限： p= Fp/So p= Fp/So 式中式中 p p 弹性极限（弹性极限（MPaMPa）；）； Fp Fp 试样产生完全弹性变形时的试样产生完全弹性变形时的最大外力（最大外力（N N）；）； So So 试样原始横截面积（试样原始横截面积（mmmm2 2）。）。16 2 2 刚度：刚度：即材料抵抗弹性变形的能力。即材料抵抗弹性变形的能力。 刚度的大小以弹性模量来衡量，弹性模量在拉伸刚度的大小以弹性模量来衡量，弹性模量在拉伸曲线上表现为曲线上表现为oeoe段的斜率，即：段的斜率，即： E=/E=/ 式中式中 E E弹性模量（弹性模量（MPaMPa）；）；
13、应力（应力（MPaMPa）；）； 应变。应变。173 3 强度：强度：即金属抵抗永久变形和断裂的能力。即金属抵抗永久变形和断裂的能力。 （1 1）屈服点）屈服点 屈服点：即试样在拉伸过程中力不断增加（保持恒定）仍屈服点：即试样在拉伸过程中力不断增加（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时的应力。在拉伸曲线上能继续伸长（变形）时的应力。在拉伸曲线上s s点对应的应点对应的应力为屈服点。力为屈服点。 s=Fs/S0s=Fs/S0 式中式中 ss屈服点（屈服点（ MPa MPa ）；）； FsFs试样开始产生屈服现象时的（试样开始产生屈服现象时的（N N）；）； S0S0试样原始横截面积（试样原始横截面积
14、（ mmmm2 2）。）。18(2) (2) 抗拉强度：即试样拉断前承受的最大标称拉应力。抗拉强度：即试样拉断前承受的最大标称拉应力。 如图如图1-21-2所示，拉伸曲线上所示，拉伸曲线上b b点对应的应力为抗拉强度。点对应的应力为抗拉强度。 b b=Fb/S0=Fb/S0 式中式中 b b抗拉强度（抗拉强度（MPaMPa）；）； FbFb试样断裂前所能承受的最大拉（试样断裂前所能承受的最大拉（N N）；）； S S0 0试样原始横截面积（试样原始横截面积（mmmm2 2 ）。）。194 4 塑性塑性 即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。 常用的塑性判据
15、是伸长率和断面收缩率。常用的塑性判据是伸长率和断面收缩率。20（1 1）伸长率）伸长率 即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。 =(L=(L1 1 - L - L0 0)/ L)/ L0 0 100%100% 式中式中 伸长率（伸长率（% %）；）； L L1 1试样拉断后标距（试样拉断后标距（mm)mm)； L L0 0 试样原始标距（试样原始标距（mm)mm)。21 （2 2） 断面收缩率：即试样拉断后，缩颈处横截面积的最大断面收缩率：即试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始的横截面积的百分比。缩减量与原始的横截面积的百分比。 =（S0-
16、S1S0-S1）/S0/S0100%100%式中式中 断面收缩率（断面收缩率（% %）；）； S1S1试样的原始截面积（试样的原始截面积（ mmmm2 2） S0S0试样拉断后缩颈处的最小横截面积（试样拉断后缩颈处的最小横截面积（mmmm2 2 ) )。225 5 硬度硬度 即材料抵抗局部变形的能力。即材料抵抗局部变形的能力。 硬度是材料抵抗塑性变形、压痕的能力，是衡量金属软硬度是材料抵抗塑性变形、压痕的能力，是衡量金属软硬的判据，也是表征力学性能的一项综合指标。硬的判据，也是表征力学性能的一项综合指标。23（1 1）布氏硬度试验）布氏硬度试验 动画演示24（2）洛氏硬度试验（动画演示) 即在
17、初始试验力及总试验力先后作用下，将压头压入试样表即在初始试验力及总试验力先后作用下，将压头压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量计算硬度的一种压痕硬度试验。增量计算硬度的一种压痕硬度试验。25n6 6 韧性韧性 即金属在断裂前吸收变形能量的能力。常采用夏比冲击试即金属在断裂前吸收变形能量的能力。常采用夏比冲击试验来测定材料的韧性。验来测定材料的韧性。 (h1-h2)/A 式中式中 冲击韧度（冲击韧度（J/cmJ/cm2 2） 试样的冲击吸收功（试样的冲击吸收功（J)J) 缺口底部横截面积缺口底部横截面积(mm(mm
18、2 2 ) ) 摆锤重量摆锤重量(Kg) (Kg) h h1 1摆锤举起高度摆锤举起高度(m)(m) h h2 2击断试样后升起高度击断试样后升起高度(m)(m)图图3 3 夏比冲击试验夏比冲击试验26 金属材料的物理、化学性能包金属材料的物理、化学性能包括密度、熔点、导电性、导括密度、熔点、导电性、导热性、磁性、热膨胀性、耐热性、磁性、热膨胀性、耐热性和耐蚀性、光学性能等。热性和耐蚀性、光学性能等。 机械零件的用途不同，对机械零件的用途不同，对材料的物理、化学性能要求材料的物理、化学性能要求也不同也不同 。光学光学性能性能耐腐蚀耐腐蚀导热性导热性磁性磁性耐热性耐热性热膨热膨胀性胀性导电性导电
19、性熔点熔点密度密度金属的金属的理化性能理化性能1.3.2 1.3.2 金属材料的物理、化学性能金属材料的物理、化学性能27n金属的工艺性能金属的工艺性能：即金属即金属材料对加工工艺的适应性材料对加工工艺的适应性。n 按加工方法不同，可按加工方法不同，可分为铸造性能、塑性成形分为铸造性能、塑性成形性、焊接性、切削加工性、性、焊接性、切削加工性、热处理工艺性等。热处理工艺性等。 金属的各种工艺性能将金属的各种工艺性能将在以后的有关章节中作详在以后的有关章节中作详细介绍。细介绍。铸造性铸造性塑性成形性塑性成形性焊接性焊接性金属的金属的工艺性能工艺性能1.3.3 1.3.3 金属材料的工艺性能金属材料
20、的工艺性能281.1.常用的力学性能判据各用什么符号表示？它们的物常用的力学性能判据各用什么符号表示？它们的物 理含义各是什么？理含义各是什么？2.2.测定下列材料或零件的硬度宜采用何种硬度指标？测定下列材料或零件的硬度宜采用何种硬度指标？ 热轧钢坯 青铜铸件 淬硬钢齿轮 薄铝板 灰铸铁思思 考考 题题3 329金属材料金属材料高分子材料高分子材料复合材料复合材料陶瓷材料陶瓷材料固体固体材料材料第二章 材料的内部结构、组织与性能本章主要讲解本章主要讲解金属材料金属材料的内部结构、组织与性能的内部结构、组织与性能2.1 2.1 固体材料的分类固体材料的分类302.2 2.2 金属的晶体结构与结晶
21、金属的晶体结构与结晶 按原子排列的特征，可将固体金按原子排列的特征，可将固体金属物质分为属物质分为 晶体晶体 和非晶体两大类。和非晶体两大类。n晶体：晶体： 物质内部的原子是按一定的次物质内部的原子是按一定的次序有规律排列的。如金刚石、石墨等，序有规律排列的。如金刚石、石墨等，固态金属固态金属一般属于晶体。一般属于晶体。n非晶体：非晶体内部的原子则是无规非晶体：非晶体内部的原子则是无规则排列的，如玻璃、松香和沥青等。则排列的，如玻璃、松香和沥青等。31晶体晶体的特点：具有固定熔点，各向异性（单晶）特的特点：具有固定熔点，各向异性（单晶）特 征；征；非晶体非晶体的特点：无固定熔点，其是在一个温度
22、范围的特点：无固定熔点，其是在一个温度范围内熔化，各方向上原子聚集密度大致相同，所以表现内熔化，各方向上原子聚集密度大致相同，所以表现各向同性；各向同性；晶体晶体与与非晶体非晶体在一定条件下互相转化。在一定条件下互相转化。322.2.1 2.2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构n晶格晶格：为了便于理解和描述晶体中原子排列的规律，可以近似地将晶体中为了便于理解和描述晶体中原子排列的规律，可以近似地将晶体中每一个原子看成是一个点，并将各点用假想的线连接起来，就得到一个空每一个原子看成是一个点，并将各点用假想的线连接起来，就得到一个空间骨架，简称晶格，如图间骨架，简称晶格，如图1-4(b)1-4(b
23、)所示。所示。n晶胞晶胞：即晶格中最小的几何单元。即晶格中最小的几何单元。图图4 4 晶体结构示意图晶体结构示意图晶体结构晶体结构晶格晶格晶胞晶胞33常见的金属晶体结构有体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格、面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格和密密密密排六方晶格排六方晶格排六方晶格排六方晶格等三种类型。. .体心立方晶格体心立方晶格 体心立方的晶格是一个体心立方的晶格是一个立方体立方体，其中心和八个角上各有一，其中心和八个角上各有一个原子，如图个原子，如图1 15 5所示。所示。 属于这类晶格的金属有属于这类晶格的金属有-Fe-Fe、CrCr、W W、V V等。它们都
24、具有较好的塑性和较大的强度。等。它们都具有较好的塑性和较大的强度。图图5 5 体心立方球体模型及其晶格体心立方球体模型及其晶格342.2.面心立方晶格面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，其六个面中心和一个立方体，其六个面中心和八个角上各有一个原子，如图八个角上各有一个原子，如图1 15 5所示。属于这类晶格的金所示。属于这类晶格的金属有属有 -Fe -Fe 、CuCu、AlAl、NiNi等。等。n它们都具有较好的塑性。它们都具有较好的塑性。 图图1 16 6 面面心心立立方方球球体体模模型型及及其其晶晶胞胞35. .密排六方晶格密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞
25、是一个六密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，其上下底面的中心和十方柱体，其上下底面的中心和十二个角上各有一个原子，且在六二个角上各有一个原子，且在六方柱体的中间还有三个原子，如方柱体的中间还有三个原子，如图图1 17 7所示。属于这类晶格的金所示。属于这类晶格的金属有属有g g 、n n 、d d 、e e等。等。n 这类金属塑性较差。这类金属塑性较差。图图1 17 7 密密排排六六方方球球体体模模型型及及其其晶晶胞胞36 实际金属实际金属结构并不结构并不像晶体那像晶体那样规律和样规律和完整，存完整，存在在晶体缺晶体缺陷陷。空位、间隙原子和置换原子（点缺陷）空位、间隙原子和置换原子（点缺陷）:导
26、致金属的强度、电阻等增加，塑性下降，导致金属的强度、电阻等增加，塑性下降，是是固溶强化固溶强化的主要原因。的主要原因。错位（线缺陷）：高密度的线缺陷是导致错位（线缺陷）：高密度的线缺陷是导致加工硬化加工硬化的主要原因之一；的主要原因之一；无数的位错滑动无数的位错滑动导致晶体产生导致晶体产生宏观塑性变形宏观塑性变形。晶界（面缺陷）：晶界处的能量较高，稳定性差，熔晶界（面缺陷）：晶界处的能量较高，稳定性差，熔点低，易受腐蚀；在常温下晶界对位错的移动有阻碍点低，易受腐蚀；在常温下晶界对位错的移动有阻碍作用。晶粒越细（晶粒细化），晶界对塑性变形的抗作用。晶粒越细（晶粒细化），晶界对塑性变形的抗力越大，
27、同时晶粒的变形越均匀，致使力越大，同时晶粒的变形越均匀，致使强度、硬度越强度、硬度越高，塑性、韧性越好；在高温下的稳定性差，晶粒越高，塑性、韧性越好；在高温下的稳定性差，晶粒越细，高温性能就越差。细，高温性能就越差。实际实际金属金属结构结构372.2.2 2.2.2 金属的结晶过程金属的结晶过程、金属的结晶、金属的结晶n 即液态金属凝固时原子即液态金属凝固时原子占据占据晶格的规定位置形成晶体的晶格的规定位置形成晶体的过程。过程。 纯金属的结晶过程可通过热分析实验法得到的温度与时间纯金属的结晶过程可通过热分析实验法得到的温度与时间的关系曲线，即的关系曲线，即冷却曲线冷却曲线来表示，如图来表示，如
28、图1-81-8所示。所示。38图图1-8 1-8 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线T0 T0 理论结晶温度理论结晶温度TnTn实际结晶温度实际结晶温度TT过冷度过冷度T温度温度T0Tn时间时间392 2、过冷、过冷：即熔融金属冷却到平衡的凝固点以下而没有发生凝固即熔融金属冷却到平衡的凝固点以下而没有发生凝固, ,而是必须而是必须冷却至理论结晶温度以下的某个温度开始结晶的现象。冷却至理论结晶温度以下的某个温度开始结晶的现象。 过冷度过冷度: 理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度。理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度。 即：即： T=T0-TnT=T0-Tn式中式中 TT过冷度（过冷度
29、（）；）； T0 T0 金属的理论结晶温度（金属的理论结晶温度（）；）； Tn Tn 金属的实际结晶温度（金属的实际结晶温度（）。）。 每一种纯金属的理论结晶温度是恒定的。金属的过冷度每一种纯金属的理论结晶温度是恒定的。金属的过冷度不是恒定值，它与冷却速度有关。冷却速度越快，过冷度也不是恒定值，它与冷却速度有关。冷却速度越快，过冷度也越大。越大。40 3 3、金属的结晶过程、金属的结晶过程 动画演示金属的结晶过程包括形核和晶核长大两个阶段，并持续到液金属的结晶过程包括形核和晶核长大两个阶段，并持续到液相全部转变成固相为止。相全部转变成固相为止。金属的结晶过程动画演示了金属从形核、晶体长大直至结
30、晶金属的结晶过程动画演示了金属从形核、晶体长大直至结晶完毕整个过程。完毕整个过程。41（1 1）形核）形核：又称成核，是过冷金属液中生成晶核的过程，又称成核，是过冷金属液中生成晶核的过程，是结晶的初始阶段。形核包括均质形核和非均质形核两是结晶的初始阶段。形核包括均质形核和非均质形核两种方式。种方式。 1 1）均质形核）均质形核：又称自发形核，是熔融金属内仅因过冷而产又称自发形核，是熔融金属内仅因过冷而产生晶核的过程。在一定过冷度下，金属液中的一些原子生晶核的过程。在一定过冷度下，金属液中的一些原子自发聚集在一起，按晶体的固有规律排列起来形成晶核。自发聚集在一起，按晶体的固有规律排列起来形成晶核
31、。 2 2）非均质形核）非均质形核：又称非自发形核，是以熔融金属内原有的又称非自发形核，是以熔融金属内原有的或加入的异质点作为晶核或晶核衬底的形核过程。或加入的异质点作为晶核或晶核衬底的形核过程。形形核核42（2 2）晶核长大）晶核长大：即金属结晶时，即金属结晶时，晶粒晶粒长大成为晶体的过程。长大成为晶体的过程。结晶过程中，已经形成的晶核不断长大，同时液态金属结晶过程中，已经形成的晶核不断长大，同时液态金属中又会不断地产生新的晶核并不断长大，直至液态金属全部中又会不断地产生新的晶核并不断长大，直至液态金属全部消失、长大的晶体互相接触为止。消失、长大的晶体互相接触为止。 晶粒晶粒：多晶体材料内，
32、晶体学位向（即原子排列的位向）多晶体材料内，晶体学位向（即原子排列的位向）基本相同的小晶体称为晶粒。基本相同的小晶体称为晶粒。 晶界：相邻晶粒之间的界面称为晶界。晶界：相邻晶粒之间的界面称为晶界。434 4、晶粒度及其控制、晶粒度及其控制 晶粒度晶粒度：指多晶体内晶粒的大小，可用晶粒号、晶粒指多晶体内晶粒的大小，可用晶粒号、晶粒平均直径、单位面积或单位体积的晶粒数目来定量表征。平均直径、单位面积或单位体积的晶粒数目来定量表征。（1 1）晶粒度对金属力学性能的影响）晶粒度对金属力学性能的影响 通常，金属的晶粒越细，力学性能越好。晶粒细，晶通常，金属的晶粒越细，力学性能越好。晶粒细，晶界就多，晶粒
33、间犬牙交错，相互楔合，从而加强了金属内部界就多，晶粒间犬牙交错，相互楔合，从而加强了金属内部的结合力。的结合力。（2 2）细化晶粒的方法）细化晶粒的方法 生产中常采用加入形核剂、增大过冷度生产中常采用加入形核剂、增大过冷度 、动力学法等、动力学法等来细化晶粒，以改善金属材料性能。来细化晶粒，以改善金属材料性能。441)1)加入形核剂加入形核剂 加入金属液中能作为晶核，或虽未能成为晶核但能与液态加入金属液中能作为晶核，或虽未能成为晶核但能与液态金属中某些元金属中某些元 素相互作用产生晶核或有效形核质点的添加剂。素相互作用产生晶核或有效形核质点的添加剂。2 2）增大过冷度）增大过冷度 形核率和晶核
34、长大速度都随着过冷度的增大而增大，但形形核率和晶核长大速度都随着过冷度的增大而增大，但形核率的增长比长大速率的增加要快，过冷度核率的增长比长大速率的增加要快，过冷度TT越大，单位体越大，单位体积中晶核的数目越多，故能使晶粒细化。冷却速度越大，过积中晶核的数目越多，故能使晶粒细化。冷却速度越大，过冷度也就越大，故可通过增加冷却速度的方法来使晶粒细化。冷度也就越大，故可通过增加冷却速度的方法来使晶粒细化。45）动力学法）动力学法通过机械振动、电磁搅拌等方式使金属中产生对通过机械振动、电磁搅拌等方式使金属中产生对流，从而使生长中的晶核折断而增加晶核数目，细化流，从而使生长中的晶核折断而增加晶核数目，
35、细化晶粒。晶粒。）其它方法）其它方法 热处理、塑性变形等方法也能使金属细化。热处理、塑性变形等方法也能使金属细化。462.2.3 2.2.3 金属的同素异构转变金属的同素异构转变同素异构转变同素异构转变：金属在固态下随温度的变化改变其晶格类型金属在固态下随温度的变化改变其晶格类型的过程称为金属的同素异构转变。如纯铁的同素异构转变的过程称为金属的同素异构转变。如纯铁的同素异构转变。二次结晶二次结晶:金属的同素异构转变过程与液态金属的结晶过程很金属的同素异构转变过程与液态金属的结晶过程很相似，也有一定的转变温度和过冷度，同样包括晶核的形成相似，也有一定的转变温度和过冷度，同样包括晶核的形成和晶核的
36、长大两个过程，故常称为重结晶或二次结晶。和晶核的长大两个过程，故常称为重结晶或二次结晶。472.2.4 2.2.4 合金的晶体结构合金的晶体结构合金：合金：是两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素所组成的是两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素所组成的 金属材料。金属材料。组元：组元：组成合金的最基本的、独立的单元称为组元。按照组元的数组成合金的最基本的、独立的单元称为组元。按照组元的数 目，合金可以分为二元合金、三元合金。目，合金可以分为二元合金、三元合金。 合金的晶体结构比纯金属复杂，根据组成合金的组元相互之间作用合金的晶体结构比纯金属复杂，根据组成合金的组元相互之间作用方式不
37、同，可以形成固溶体、金属化合物和机械混合物三种结构。方式不同，可以形成固溶体、金属化合物和机械混合物三种结构。组元组元1 1组元组元2 2组元组元3 3合合金金481.1.固溶体固溶体 (1) (1)固容体的类型固容体的类型n间隙固溶体：当溶质原子很小时，只间隙固溶体：当溶质原子很小时，只能处于溶剂原子的间隙中，称为间隙能处于溶剂原子的间隙中，称为间隙固溶体。固溶体。 如图如图1-10a1-10a所示。如所示。如C C、H H、O O等等 原子易形成间隙固溶体。原子易形成间隙固溶体。n置换固溶体：当溶质和溶剂的原子直置换固溶体：当溶质和溶剂的原子直径较接近时，只能替代一部分溶剂原径较接近时，只
38、能替代一部分溶剂原子而占据溶剂晶格中的某些结点位置，子而占据溶剂晶格中的某些结点位置，称为置换固溶体。称为置换固溶体。 如图如图1-10b 1-10b 所示。如所示。如Fe-NiFe-Ni、Cu-Cu-NiNi等等。图图1-10a 1-10a 间隙固溶体间隙固溶体图图1-10b 1-10b 置换固溶体置换固溶体49(2)(2)固溶强化固溶强化n固溶强化：固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象。n如图1-10c、1-10d所示。1-10c 1-10c 间隙固溶体晶格畸变间隙固溶体晶格畸变1-10d 1-10d 置换固溶体晶格畸变置换固溶体晶格畸变502 2、金属化
39、合物、金属化合物：即由两组元的原子按一定的数量比相互化合即由两组元的原子按一定的数量比相互化合而形成的一种新的具有金属特性的物质。而形成的一种新的具有金属特性的物质。 金属化合物具有与各组元完全不同的复杂晶体结构，通金属化合物具有与各组元完全不同的复杂晶体结构，通常具有较高的熔点和硬度，且脆性较大。碳钢中的常具有较高的熔点和硬度，且脆性较大。碳钢中的FeFeC C、合金钢中的合金钢中的TiCTiC、WCWC、VCVC等均属于金属化合物。等均属于金属化合物。 FeFeC C的晶的晶格如图格如图1-11b1-11b所示。所示。图图1-11a 1-11a 石墨的晶格石墨的晶格图图1-11b 1-11
40、b 渗碳体的晶格渗碳体的晶格513 3、机械混合物：、机械混合物：即由纯金属、固溶体或化合物按一定的重即由纯金属、固溶体或化合物按一定的重量比组成的物质。量比组成的物质。 机械混物各组成物的原子仍然按自己原来的晶格形式结机械混物各组成物的原子仍然按自己原来的晶格形式结合成晶体，在显微镜下可明显区别出各组成物的晶粒。合成晶体，在显微镜下可明显区别出各组成物的晶粒。 机械混合物的机械混合物的力学性能力学性能力学性能力学性能通常介于各组成物之间，并取决于通常介于各组成物之间，并取决于各组成物的各组成物的含量含量、性能性能、分布分布和和形态形态。如碳钢中的珠光体就是。如碳钢中的珠光体就是由化合物由化合
41、物（渗碳体）（渗碳体）（渗碳体）（渗碳体）和固溶体和固溶体（铁素体）（铁素体）（铁素体）（铁素体）组成的机械混合物，组成的机械混合物，其力学性能介于二者之间。其力学性能介于二者之间。52思考题思考题1.1.何谓金属结晶？纯金属结晶有哪些基本规律？何谓金属结晶？纯金属结晶有哪些基本规律？2.2.生产中常用那些方法细化晶粒？各类方法使晶粒生产中常用那些方法细化晶粒？各类方法使晶粒 细化的机理是什么？细化的机理是什么？3.3.试分析纯铁的结晶过程，并指出金属的同素异构试分析纯铁的结晶过程，并指出金属的同素异构 转变与液态结晶的异同点。转变与液态结晶的异同点。53二元合金结晶图（自学）二元合金结晶图（
42、自学）n相图（状态图或平衡图）相图（状态图或平衡图）：用图解的方法表示不同温度、压力及成分用图解的方法表示不同温度、压力及成分下合金系中各相的平衡关系。下合金系中各相的平衡关系。 合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，可以看做平衡的结晶过合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，可以看做平衡的结晶过程。状态取决于程。状态取决于温度温度和和成分。成分。 1 1、二元相图的建立：合金的加入使其结晶温度变为一个范围。、二元相图的建立：合金的加入使其结晶温度变为一个范围。 2 2、二元均晶相图：凡二元系中的、二元均晶相图：凡二元系中的两组元两组元在在液态液态和和固态固态下均能下均能无限互无限互溶溶时，其所
43、构成的相图；时，其所构成的相图； 3 3、二元共晶相图：当两个组元液态能无限互溶，但、二元共晶相图：当两个组元液态能无限互溶，但固态固态只能只能有限互有限互溶溶并且发生共晶反应时，其所构成的相图；并且发生共晶反应时，其所构成的相图； 4 4、二元包晶相图：若两组元在液态时无限互溶，在固态时形成有限、二元包晶相图：若两组元在液态时无限互溶，在固态时形成有限固溶体而且发生包晶反应，其所构成的相图。固溶体而且发生包晶反应，其所构成的相图。3 3542.3 2.3 铁碳合金铁碳合金 n铁碳合金铁碳合金：以铁为基体，有以铁为基体，有不同碳含量的合金，称为铁不同碳含量的合金，称为铁碳合金。碳主要影响铁碳合
44、碳合金。碳主要影响铁碳合金性能的成分。（铁金性能的成分。（铁- -碳合碳合金的含碳量最高不超过金的含碳量最高不超过5%5%）；）； 铁碳合金是工业上应用铁碳合金是工业上应用最广泛的合金。最广泛的合金。552.3.1 2.3.1 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织（1）铁碳合金中，固态时可形铁碳合金中，固态时可形成成固溶体固溶体固溶体固溶体、化合物化合物化合物化合物、机械混机械混机械混机械混合物合物合物合物（2 2）铁碳合金的基本组织有）铁碳合金的基本组织有铁铁素体素体、奥氏体奥氏体、渗碳体渗碳体、珠珠光体光体和和莱氏体莱氏体。（3 3）纯铁纯铁：熔点：熔点15381538，有同，有同素异构转
45、变；素异构转变；（4 4）碳碳：在铁碳合金中的存在：在铁碳合金中的存在形式有形式有固溶体、金属化合物、固溶体、金属化合物、石墨石墨。奥氏体奥氏体珠光体珠光体莱氏体莱氏体渗碳体渗碳体铁素体铁素体铁碳合金铁碳合金561.1.铁素体铁素体 铁素体铁素体 ：即即- Fe铁中溶入碳元素构成的固溶体，用铁中溶入碳元素构成的固溶体，用符号符号 F或或 表示。它仍保持溶剂表示。它仍保持溶剂- Fe的的的的体心立方体心立方晶格结构晶格结构。 由于由于- Fe内原子间的空隙比较小，故溶碳能力极内原子间的空隙比较小，故溶碳能力极小，在小，在727时溶碳能力达到最大，其碳的质量分数时溶碳能力达到最大，其碳的质量分数为
46、为0.02%。随着温度下降，溶碳量逐步减少，在室温。随着温度下降，溶碳量逐步减少，在室温时只能溶解微量。时只能溶解微量。 力学性能力学性能：强度、硬度低，塑性、韧性好。：强度、硬度低，塑性、韧性好。57 2.2.奥氏体奥氏体 奥氏体奥氏体：即：即( (- Fe- Fe) )中溶入碳元素构成的固溶体，中溶入碳元素构成的固溶体，用符号用符号 A A 或或 表示。它仍保持表示。它仍保持- Fe- Fe的晶体结构。的晶体结构。由于由于- Fe- Fe内原子间的空隙比内原子间的空隙比- Fe- Fe大，故溶碳能力大，故溶碳能力也较大，在也较大，在11481148时的碳的质量分数可达时的碳的质量分数可达2
47、.11%2.11%。 力学性能力学性能：具有一定的强度，塑性很好。易锻压：具有一定的强度，塑性很好。易锻压成形。成形。583. 3. 渗碳体渗碳体 渗碳体渗碳体 :化学式为化学式为FeFe3 3C C的金属化合物。渗的金属化合物。渗碳体中碳的质量分数为碳体中碳的质量分数为6.69%,6.69%,晶格结构晶格结构复杂。复杂。 渗碳体在钢和铸铁中，一般以片状、渗碳体在钢和铸铁中，一般以片状、网状或球状存在。它的形状和分布对钢网状或球状存在。它的形状和分布对钢的性能影响很大，是铁碳合金的重要强的性能影响很大，是铁碳合金的重要强化物。化物。力学性能力学性能：硬度很高：硬度很高 (HV=9501050)
48、(HV=9501050)；而脆性大，塑性极差，不能单独应用；而脆性大，塑性极差，不能单独应用；在铁碳合金中起强化作用在铁碳合金中起强化作用。 图图1-12 1-12 渗碳体晶格渗碳体晶格594.4.珠光体珠光体 ( (金相组织金相组织) ) ) )珠光体珠光体 : :铁素体薄层铁素体薄层( (片片) )与渗碳薄层与渗碳薄层( (片片) )交替重叠组成的交替重叠组成的共析组织共析组织, ,用符号用符号 P P 表示表示, ,其碳的质量分数为其碳的质量分数为0.770.77。珠。珠光体通常是由奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体形成的。光体通常是由奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体形成的。力学性能力学性能：
49、介于铁素体和渗碳体之间：介于铁素体和渗碳体之间, , 强度较高强度较高, ,塑性较差。塑性较差。605.5.5.5.莱氏体莱氏体莱氏体莱氏体 ( ( ( (金相组织金相组织金相组织金相组织) ) ) )莱氏体莱氏体 :即铸铁或高碳高合金钢中由奥氏体即铸铁或高碳高合金钢中由奥氏体( (或其转变产或其转变产物物) )与渗碳体组成的共晶组织，属于与渗碳体组成的共晶组织，属于机械混合物机械混合物，其碳的，其碳的质量分数为质量分数为4.3%4.3%。 莱氏体通常在高温下由奥氏体和渗碳体组成，莱氏体通常在高温下由奥氏体和渗碳体组成，727727以下以下由珠光体和渗碳体组成由珠光体和渗碳体组成, ,分别用符
50、号分别用符号LdLd和和L Ld d表示。表示。力学性能力学性能：与渗碳体相似，硬度很高，塑性极差。：与渗碳体相似，硬度很高，塑性极差。61622.3.2 2.3.2 2.3.2 2.3.2 铁碳相图铁碳相图铁碳相图铁碳相图铁碳相图：铁碳相图：是用纵坐标表示温度是用纵坐标表示温度, ,横坐标表示碳的量分数的横坐标表示碳的量分数的铁碳合金不同相的铁碳合金不同相的平衡图平衡图, ,如图如图1 -13 1 -13 所示。所示。用途用途： 铁碳相图是用实验方法作出的铁碳相图是用实验方法作出的, ,是研究钢和铸铁的是研究钢和铸铁的成分、温度与组织之间关系的重要工具，是选材和制定成分、温度与组织之间关系的
51、重要工具，是选材和制定钢铁材料铸造、锻造和热处等热加工工艺的基本依据。钢铁材料铸造、锻造和热处等热加工工艺的基本依据。63图图1-13 1-13 铁碳相图铁碳相图1.1.铁碳相图及其各成分组织示意图铁碳相图及其各成分组织示意图64符号符号温度温度含碳量含碳量%(重量重量)特性特性A15380 0纯铁的熔点纯铁的熔点C11484.34.3共晶反应点共晶反应点D12276.696.69渗碳体的熔点渗碳体的熔点E11482.112.11碳在碳在-Fe-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度F11486.696.69渗碳体渗碳体G9120 0-Fe-Fe与与-Fe-Fe同素异晶转变点同素异晶转变点K7276
52、.696.69渗碳体渗碳体N13940 0-Fe-Fe与与-Fe-Fe同素异晶转变点同素异晶转变点P7270.02180.0218碳在碳在-Fe-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度S7270.770.77共析反应点共析反应点Q6000.0080.008600600时碳在时碳在-Fe-Fe中的最大溶度中的最大溶度 表表1 11 1 相图中主要特性点的含义相图中主要特性点的含义652.2.2.2.铁碳合金的分类及室温组织铁碳合金的分类及室温组织铁碳合金的分类及室温组织铁碳合金的分类及室温组织（）工业纯铁（）工业纯铁 即即w(C) 0.0218%w(C) 0.0218%的铁碳的铁碳合金。合金。室温组织
53、室温组织： 为铁素体和极少量的三次为铁素体和极少量的三次渗碳体。渗碳体。钢钢白口铸铁白口铸铁工业纯铁工业纯铁铁碳合金铁碳合金（按质量分数）（按质量分数）66(2) (2) 钢钢n钢：即钢：即0.0218%w(C)2.11% 0.0218%w(C)2.11% 的铁碳合金。的铁碳合金。 按碳的质量分数不同，钢可分为按碳的质量分数不同，钢可分为共析钢、亚共析钢和过共析钢三共析钢、亚共析钢和过共析钢三类。类。过共析钢过共析钢亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢钢钢67 1)1)共析钢共析钢 即即W(C)=0.77%,W(C)=0.77%,室温组织为珠光体。室温组织为珠光体。 2)2)亚共析钢亚共析钢 即即W(
54、C)0.77%,W(C)0.77%,W(C)0.77%,室温组织为珠光体和二次渗碳室温组织为珠光体和二次渗碳体体。68(3)(3)白口铸铁白口铸铁 即即2.11%w (C)6.69%2.11%w (C)6.69%的铁的铁碳合金。碳合金。 按碳的质量分数不同，白按碳的质量分数不同，白口铸铁可分为共晶白口铸铁、口铸铁可分为共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁和过共晶白口亚共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁三类。铸铁三类。亚共晶亚共晶白口铸铁白口铸铁过共晶过共晶白口铸铁白口铸铁共晶共晶白口铸铁白口铸铁白口铸铁白口铸铁1 1）共晶白口铸铁）共晶白口铸铁 W (C)W (C)4.3%4.3%，室温组织为莱氏体（，室温
55、组织为莱氏体（d d）。）。692 2）亚共晶白口铸铁）亚共晶白口铸铁 W(C)4.3% W(C)4.3%W(C)4.3%，室温组织为莱氏体（，室温组织为莱氏体（d d）和一次渗）和一次渗碳体。碳体。703.3.典型铁碳合金的结晶过程典型铁碳合金的结晶过程(1)(1)共析钢结晶过程共析钢结晶过程 动画演示 L L+A L L+A A A P P（F+FeF+Fe3 3C C）71(2)(2)亚共析钢结晶过程亚共析钢结晶过程 动画演示 L L+A L L+A A A A+F A+F P+F P+F72(3)(3)(3)(3)过共析钢结晶过程过共析钢结晶过程过共析钢结晶过程过共析钢结晶过程 动画演
56、示动画演示 L L+A L L+A A A A+ Fe A+ Fe3 3C C P+FeP+Fe3 3C C73(4)(4)(4)(4)共晶白口铸铁结晶过程共晶白口铸铁结晶过程共晶白口铸铁结晶过程共晶白口铸铁结晶过程 动画演示动画演示L LL Ld d（A+FeA+Fe3 3C C） L Ld d（A+FeA+Fe3 3C+FeC+Fe3 3C C） L Ld d（P+ FeP+ Fe3 3C+FeC+Fe3 3C C）74(5)(5)(5)(5)亚共晶白口铸铁结晶过程亚共晶白口铸铁结晶过程亚共晶白口铸铁结晶过程亚共晶白口铸铁结晶过程 动画演示动画演示 L L+A L L+A L Ld d+A
57、 +A L Ld d+A+Fe+A+Fe3 3C C L Ld d+P+Fe+P+Fe3 3C C75(6)(6)(6)(6)过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 结晶过程结晶过程结晶过程结晶过程 动画演示动画演示 L L+ FeL L+ Fe3 3C C L Ld d+ Fe+ Fe3 3C C L Ld d+ Fe+ Fe3 3C C762.3.3 2.3.3 2.3.3 2.3.3 碳对铁碳合金组织和性能的影响碳对铁碳合金组织和性能的影响碳对铁碳合金组织和性能的影响碳对铁碳合金组织和性能的影响（1 1 1 1）当当w(c)0.9%w(c)0.9%w(c)0.9%时时，
58、随着碳含量的不断增加，钢的硬度，随着碳含量的不断增加，钢的硬度仍不断升高，但强度和塑性不断下降，这是由于网状渗仍不断升高，但强度和塑性不断下降，这是由于网状渗碳体明显形成并不断增多所致。碳体明显形成并不断增多所致。（3 3）在白口铸铁部分在白口铸铁部分，随着含碳量增加，硬度不断增加，随着含碳量增加，硬度不断增加，强度不断下降，而塑性则几乎为零。这是由于莱强度不断下降，而塑性则几乎为零。这是由于莱 氏体或一次渗碳体等脆硬组织不断增多所致。氏体或一次渗碳体等脆硬组织不断增多所致。77思考题思考题思考题思考题1.比较铁碳合金各种基本组织的晶体结构和力学性能。比较铁碳合金各种基本组织的晶体结构和力学性
59、能。2.碳钢与铸铁在成分与组织上有哪些区别？碳钢与铸铁在成分与组织上有哪些区别？3.试分析试分析W(C)分别为分别为0.2%、0.77%、1.3%的铁碳合的铁碳合 金自高温缓慢冷却至室温的组织转变过程。金自高温缓慢冷却至室温的组织转变过程。4 478第三章第三章 改变材料性能的主要途径改变材料性能的主要途径3.1.1 3.1.1 3.1.1 3.1.1 概述概述概述概述1 1）金属热处理）金属热处理： 采用适当的方式对金属材采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷料或工件进行加热、保温和冷却以获得预期的组织、结构与却以获得预期的组织、结构与性能的工艺。性能的工艺。 图图1-511-51
60、所示温度时间曲所示温度时间曲线描述了其基本过程。线描述了其基本过程。 图图1-51 1-51 热处理工艺曲线示意图热处理工艺曲线示意图3.1 3.1 3.1 3.1 金属的热处理金属的热处理金属的热处理金属的热处理792 2）金属热处理的目的：）金属热处理的目的：n不改变工件的形状，通过改变内部结构组织结构来改变性能；不改变工件的形状，通过改变内部结构组织结构来改变性能；n消除毛坯缺陷，改善工艺性能，以利于进行冷、热加工；消除毛坯缺陷，改善工艺性能，以利于进行冷、热加工；n充分发挥材料的潜力，显著提高其力学性能。充分发挥材料的潜力，显著提高其力学性能。3 3）应用：）应用：n机床工业中，有机床
61、工业中，有60607070的零件需要热处理；的零件需要热处理；n汽车、拖拉机工业中，有汽车、拖拉机工业中，有70708080的零件需要热处理；的零件需要热处理；n各类工具、模具几乎都要进行热处理。各类工具、模具几乎都要进行热处理。804 4 4 4）金属热处理的前提条件：）金属热处理的前提条件：）金属热处理的前提条件：）金属热处理的前提条件： 金属在固态下可相变、溶解度可变，或处于金属在固态下可相变、溶解度可变，或处于不稳定的结构状态（诸如：整体热处理、表面热不稳定的结构状态（诸如：整体热处理、表面热处理），或表面可渗入其它元素的材料（化学热处理），或表面可渗入其它元素的材料（化学热处理）。处
62、理）。81普通热处理普通热处理表面热处理表面热处理退火退火正火正火淬火淬火回火回火表面淬火表面淬火化学热处理化学热处理火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火感应加热表面淬火感应加热表面淬火渗碳渗碳渗氮渗氮碳氮共渗碳氮共渗渗金属渗金属( (铝、铬等铝、铬等) ) 常常用用的的热热处处理理方方法法5 5）分类）分类823.1.2 3.1.2 钢的普通热处理钢的普通热处理1.1.退火退火 1 1 1 1）工艺：）工艺：）工艺：）工艺：将钢加热到一定温度，保温一定时间，然后缓慢地将钢加热到一定温度，保温一定时间，然后缓慢地 冷却到室温冷却到室温 。 2 2 2 2）目的：）目的：）目的：）目的： 降低钢的硬
63、度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工；降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工； 细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后 的热处理作准备；的热处理作准备； 消除钢中的残余内应力，以防止变形和开裂。消除钢中的残余内应力，以防止变形和开裂。 83 完全退火完全退火 常用的退火方法常用的退火方法 球化退火球化退火 去应力退火去应力退火图图1-52 1-52 碳钢各种退火和正火工艺示意图碳钢各种退火和正火工艺示意图84 （1 1）完全退火）完全退火 n工艺工艺 ： 将钢加热到将钢加热到 AcAc3 3以上以上20204040，
64、保温一定时间，然后随，保温一定时间，然后随炉缓慢冷却，这种退火方法称为完全退火。炉缓慢冷却，这种退火方法称为完全退火。n目的：细化晶粒，降低硬度，消除内应力。目的：细化晶粒，降低硬度，消除内应力。n用途：主要用于亚共析钢和共析钢的锻件、铸件等。用途：主要用于亚共析钢和共析钢的锻件、铸件等。85（2 2）球化退火）球化退火 n工艺工艺： 将钢加热到将钢加热到 AcAc1 1以上以上20203030，保温一定时间，以不大于，保温一定时间，以不大于50/h50/h的冷却速度随炉冷却，获得球状碳化物的退火方法。的冷却速度随炉冷却，获得球状碳化物的退火方法。n目的目的： 使网状渗碳体球化，降低硬度，提高
65、韧性，并为淬火作准备。使网状渗碳体球化，降低硬度，提高韧性，并为淬火作准备。n用途：用途： 用于共析钢及过共析钢。如碳素工具钢、合金工具钢、轴承用于共析钢及过共析钢。如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。钢等。 86（3 3）去应力退火）去应力退火( (又称低温退火又称低温退火) )n工艺工艺：将钢加热到略低于将钢加热到略低于A A1 1的温度的温度(500(500650)650)，经保温，经保温 后缓慢冷却。后缓慢冷却。n特点特点：钢的组织不发生变化，只是消除内应力。钢的组织不发生变化，只是消除内应力。n用途：用于锻造、铸造、焊接及切削加工后的工件。用途：用于锻造、铸造、焊接及切削加工后的工件
66、。872.2.正火正火n工艺：将钢加热到工艺：将钢加热到AcAc3 3或或AccmAccm以以上上30305050，保温一定时间后在，保温一定时间后在空气中冷却。空气中冷却。n目的：目的： （1) 1) 细化晶粒细化晶粒( (比退火更细）；比退火更细）；（2 2）消除网状碳化物，为以后的）消除网状碳化物，为以后的 热处理作准备；热处理作准备；（3 3）提高低、中碳钢的硬度，改）提高低、中碳钢的硬度，改 善切削加工性，消除应力。善切削加工性，消除应力。 1-1-正火正火 2-2-退火退火 3-3-球化退火球化退火图图1-53 1-53 退火和正火钢的硬度值范围比较退火和正火钢的硬度值范围比较88
67、3.3.淬火淬火n工艺工艺：将钢加热到临界温度将钢加热到临界温度( Ac( Ac3 3或或AcAc1 1) )以上的适当温度以适以上的适当温度以适当方式冷却，以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。当方式冷却，以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。 图图1-54 1-54 碳钢的淬火加热温度范围碳钢的淬火加热温度范围图图1 15 55 5 淬淬火火89n目的：目的： 1 1）获得马氏体组织，提高钢的硬度和耐磨性；）获得马氏体组织，提高钢的硬度和耐磨性； 2 2）与回火配合，获得不同强韧性的组织。）与回火配合，获得不同强韧性的组织。 n淬火介质：是控制钢件冷却速度，保证淬火质量的重要媒淬火介质：是
68、控制钢件冷却速度，保证淬火质量的重要媒介物质。介物质。 水：价廉易得，冷却速度在水：价廉易得，冷却速度在650550650550很快。很快。 油：在油：在300200300200时，冷却很慢，应力小。时，冷却很慢，应力小。 904.4.回火回火（1 1）工艺：）工艺： 将淬火后的钢加热到将淬火后的钢加热到 AcAc1 1以下的某一温度，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。保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。 （2 2）目的：）目的： 1 1）消除或减小淬火应力，）消除或减小淬火应力， 2 2）稳定工件尺寸，防止变形与开裂，）稳定工件尺寸，防止变形与开裂， 3 3）
69、调整淬火件的性能。）调整淬火件的性能。91低温回火低温回火中温回火中温回火高温回火高温回火（3 3）回火种类回火种类1 1）低温回火）低温回火温度：温度：150250150250，目的：降低应力、脆性，提高塑性、韧性。目的：降低应力、脆性，提高塑性、韧性。组织：组织：M M回回+A+A残残（少量）。（少量）。性能：基本保持性能：基本保持M M的高硬度（的高硬度（585862HRC62HRC）和耐磨性，内应力和）和耐磨性，内应力和 脆性有所降低。脆性有所降低。应用：各种工具、滚动轴承、渗碳件和表面淬火件等。应用：各种工具、滚动轴承、渗碳件和表面淬火件等。 922 2）中温回火中温回火中温回火中温
70、回火温度：温度：250500250500。目的：提高钢弹性极限，屈服强度及韧性。目的：提高钢弹性极限，屈服强度及韧性。组织：回火屈氏体，组织：回火屈氏体， T T回回性能：具有较高的弹性极限和屈服点，一定的韧性和性能：具有较高的弹性极限和屈服点，一定的韧性和硬度（硬度（353545HRC45HRC）。）。应用：各种弹簧和模具等。应用：各种弹簧和模具等。 933 3）高温回火高温回火高温回火高温回火 温度：温度：500650500650目的：提高材料综合力学性能。目的：提高材料综合力学性能。组织：组织：回火索氏体回火索氏体回火索氏体回火索氏体 S S S S回回回回。性能：具有强度、硬度、塑性和
71、韧性都较好的综合力学性能，性能：具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能， 硬度可达硬度可达252535HRC35HRC。 应用：各种重要结构零件，如各种轴、齿轮、连杆等。应用：各种重要结构零件，如各种轴、齿轮、连杆等。 “调质调质”= =淬火淬火+ +高温回火。复合热处理。高温回火。复合热处理。 组织：组织： S S S S回回回回，渗碳体呈粒状。，渗碳体呈粒状。943.1.3 3.1.3 钢的表面热处理与化学热处理钢的表面热处理与化学热处理 机械设备中，有许多零件应具有高的硬度和耐磨性，而心机械设备中，有许多零件应具有高的硬度和耐磨性，而心部应具有足够的塑性和韧性。故应进行表面热处理
72、。部应具有足够的塑性和韧性。故应进行表面热处理。( (如齿轮、如齿轮、活塞销、曲轴等活塞销、曲轴等) )。 常用的表面热处理方法常用的表面热处理方法: :1.1.1.1.表面淬火表面淬火表面淬火表面淬火 工艺：把钢的表面迅速加热到淬火温度，然后快速冷却，工艺：把钢的表面迅速加热到淬火温度，然后快速冷却，使钢表面至一定深度转变为马氏体组织，而心部组织不变。使钢表面至一定深度转变为马氏体组织，而心部组织不变。 分类分类: : 火焰淬火、感应淬火火焰淬火、感应淬火 、激光淬火、接触电阻淬火、激光淬火、接触电阻淬火、电子束淬火等。电子束淬火等。 95图图1-561-56感应加热示意图感应加热示意图图图
73、1-571-57火焰淬火示意图火焰淬火示意图1-1-工工件件 2-2-烧烧嘴嘴 3-3-喷喷水水管管 4-4-移动方向移动方向 5-5-淬硬层淬硬层962.2.2.2.钢的化学热处理钢的化学热处理钢的化学热处理钢的化学热处理 （1 1）化学热处理：）化学热处理： 将工件放在适当的活性介质中加热，使某些元素渗入将工件放在适当的活性介质中加热，使某些元素渗入工件表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理。工件表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理。（2 2）特点）特点：不仅改变表层组织，同时也改变其化学成分。不仅改变表层组织，同时也改变其化学成分。（3 3）基本过程：）基本过程： 1 1）化学
74、介质的分解；）化学介质的分解； 2 2）活性原子被吸收和溶解；）活性原子被吸收和溶解； 3 3）形成扩散层。）形成扩散层。（4 4）化学热处理方法：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等。）化学热处理方法：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等。 97 图图1-581-58离子渗氮装置示意图离子渗氮装置示意图1-1-密封橡皮棒密封橡皮棒 2-2-阴极阴极 3-3-工件工件 4-4-观察孔观察孔 5-5-真空室外壳真空室外壳 6-6-阳极阳极图图1-59 1-59 气体渗碳法示意图气体渗碳法示意图98思考题思考题思考题思考题1.1.比较钢的各类普通热处理工艺的加热温度比较钢的各类普通热处理工艺的加热温度范围、冷
75、却方式和目的。范围、冷却方式和目的。2.2.轴、弹簧、锯条和扳手各需进行何种热处轴、弹簧、锯条和扳手各需进行何种热处理？为什么？理？为什么？993.2 3.2 3.2 3.2 金属的合金化改性金属的合金化改性金属的合金化改性金属的合金化改性3.2.1 3.2.1 合金元素的存在形式合金元素的存在形式n固溶体：将合金元素溶于钢中的铁素体、奥氏体和马氏体固溶体：将合金元素溶于钢中的铁素体、奥氏体和马氏体 中，形成合金铁素体、合金奥氏体和合金马氏体。中，形成合金铁素体、合金奥氏体和合金马氏体。 起固溶强化的作用。起固溶强化的作用。n化合物：合金元素与钢中的碳、其它合金元素以及常存杂质化合物：合金元素
76、与钢中的碳、其它合金元素以及常存杂质 元素之间形成碳化物、金属间化合物和非金属夹杂元素之间形成碳化物、金属间化合物和非金属夹杂 物。物。n游离态：有些元素难溶于铁、也不易生成化合物，以游离状游离态：有些元素难溶于铁、也不易生成化合物，以游离状 态存在；如碳在钢中可以自由状态（石墨）存在。态存在；如碳在钢中可以自由状态（石墨）存在。1003.2.2 3.2.2 合金元素的作用合金元素的作用 1 1）形成固溶体，产生固溶强化；）形成固溶体，产生固溶强化； 2 2）形成金属化合物，产生弥散强化或第二相强化；）形成金属化合物，产生弥散强化或第二相强化； 3 3）溶入奥氏体，提高钢的淬透性；）溶入奥氏体
77、，提高钢的淬透性； 4 4）提高钢的热稳定性，增强钢在高温下的强度、硬度）提高钢的热稳定性，增强钢在高温下的强度、硬度 和耐磨性；和耐磨性； 5 5）细化晶粒，产生细晶强韧化；）细化晶粒，产生细晶强韧化； 6 6）形成钝化保护膜；）形成钝化保护膜； 7 7）对奥氏体和铁素体存在范围的影响；）对奥氏体和铁素体存在范围的影响； 8 8）其他作用。）其他作用。1013.3 3.3 3.3 3.3 金属的形变强化金属的形变强化金属的形变强化金属的形变强化 3.3.1 3.3.1 3.3.1 3.3.1 冷塑性变形对金属组织与性能的影响冷塑性变形对金属组织与性能的影响冷塑性变形对金属组织与性能的影响冷塑
78、性变形对金属组织与性能的影响 1 1 1 1）单晶体的塑性变形）单晶体的塑性变形）单晶体的塑性变形）单晶体的塑性变形单晶体塑性变形的基本形式有滑移和孪生，其中滑移是单晶体塑性变形的基本形式有滑移和孪生，其中滑移是单晶体塑性变形的基本形式有滑移和孪生，其中滑移是单晶体塑性变形的基本形式有滑移和孪生，其中滑移是主要的变形方式；实际晶体的滑移是通过滑移面上位错主要的变形方式；实际晶体的滑移是通过滑移面上位错主要的变形方式；实际晶体的滑移是通过滑移面上位错主要的变形方式；实际晶体的滑移是通过滑移面上位错的运动来实现，无数位错的滑移形成了晶体的宏观塑性的运动来实现，无数位错的滑移形成了晶体的宏观塑性的运
79、动来实现，无数位错的滑移形成了晶体的宏观塑性的运动来实现，无数位错的滑移形成了晶体的宏观塑性变形。变形。变形。变形。 2) 2) 2) 2) 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形n n 晶界和晶粒方位的影响；晶界和晶粒方位的影响；晶界和晶粒方位的影响；晶界和晶粒方位的影响；n n 多晶体塑性变形的特点。多晶体塑性变形的特点。多晶体塑性变形的特点。多晶体塑性变形的特点。1023 3 3 3） 冷塑性变形对金属组织结构的变化冷塑性变形对金属组织结构的变化冷塑性变形对金属组织结构的变化冷塑性变形对金属组织结构的变化n n形成纤维组织；形成纤维组织；形成纤维组织；形成纤维组
80、织；n n亚结构细化；亚结构细化；亚结构细化；亚结构细化；n n出现择优取向。出现择优取向。出现择优取向。出现择优取向。4 4 4 4） 冷塑性变形对金属性能的变化冷塑性变形对金属性能的变化冷塑性变形对金属性能的变化冷塑性变形对金属性能的变化n n加工硬化；加工硬化；加工硬化；加工硬化；n n产生残余应力；产生残余应力；产生残余应力；产生残余应力；n n各向异性；各向异性；各向异性；各向异性；n n其它性能变化；其它性能变化；其它性能变化；其它性能变化；1035 5 5 5） 冷塑性变形金属在加热时组织与性能的变化冷塑性变形金属在加热时组织与性能的变化冷塑性变形金属在加热时组织与性能的变化冷塑
81、性变形金属在加热时组织与性能的变化u冷变形后的金属在加热过程中，随着温度的升高或加热冷变形后的金属在加热过程中，随着温度的升高或加热 时间的延长，其组织和性能一般要经历时间的延长，其组织和性能一般要经历 回复回复回复回复 、再结晶、再结晶、再结晶、再结晶、 晶粒长大晶粒长大晶粒长大晶粒长大 3 3 3 3个阶段；个阶段；个阶段；个阶段；u影响再结晶后晶粒度的主要因素：影响再结晶后晶粒度的主要因素：n 加热温度和保温时间；加热温度和保温时间；n 变形程度。变形程度。1043.3.2 3.3.2 3.3.2 3.3.2 金属热变形、热塑性变形对金属组织和性能的影响金属热变形、热塑性变形对金属组织和
82、性能的影响金属热变形、热塑性变形对金属组织和性能的影响金属热变形、热塑性变形对金属组织和性能的影响1 1 1 1） 金属的热变形和冷变形金属的热变形和冷变形金属的热变形和冷变形金属的热变形和冷变形2 2 2 2） 热塑性变形对金属组织和性能的影响热塑性变形对金属组织和性能的影响热塑性变形对金属组织和性能的影响热塑性变形对金属组织和性能的影响n n改善铸态组织；改善铸态组织；改善铸态组织；改善铸态组织；n n形成热变形纤维组织（流线）；形成热变形纤维组织（流线）；形成热变形纤维组织（流线）；形成热变形纤维组织（流线）；n n形成带状组织。形成带状组织。形成带状组织。形成带状组织。1053.3 3
83、.3 3.3 3.3 有机高分子材料和陶瓷材料的改性简介有机高分子材料和陶瓷材料的改性简介有机高分子材料和陶瓷材料的改性简介有机高分子材料和陶瓷材料的改性简介化学改性化学改性嵌段共聚改性嵌段共聚改性填充增强改性填充增强改性共混改性共混改性接枝共聚改性接枝共聚改性辐射交联改性辐射交联改性1 1）高分子材料的改性高分子材料的改性物理改性物理改性2 2）陶瓷材料的改性陶瓷材料的改性（自学）（自学）106高能束高能束电化电化学镀学镀气相气相沉积沉积热喷涂热喷涂化学转化学转化膜化膜表面形表面形变强化变强化材料表面材料表面改性技术改性技术3.4 3.4 3.4 3.4 材料的表面改性技术简介材料的表面改性
84、技术简介材料的表面改性技术简介材料的表面改性技术简介8 8107第四章第四章 常用金属材料常用金属材料铸铁铸铁粉末粉末冶金材料冶金材料铝铝及其合金及其合金铜铜及其合金及其合金钢钢金属材料金属材料 常用的金属材料包括常用的金属材料包括钢、铸铁、铜及其合金、铝及其合金、钢、铸铁、铜及其合金、铝及其合金、粉末冶金材料粉末冶金材料等，其中以钢和铸铁应用最为广泛。等，其中以钢和铸铁应用最为广泛。图图1-141-14 芜湖长江大桥芜湖长江大桥1084.1 4.1 钢钢1.1.化学成分对钢的力学性能的影响化学成分对钢的力学性能的影响（1 1）杂质元素的影响：）杂质元素的影响： 1)1) 锰、硅的影响锰、硅的
85、影响: : 有益元素有益元素有益元素有益元素.Mn.Mn和和SiSi在钢中大部分溶于铁素体在钢中大部分溶于铁素体, , 起强化作用。起强化作用。MnMn能减轻能减轻S S的有害作用。的有害作用。FeSFeSMnMnMnSMnSFeFe 2) 2) 硫的影响硫的影响: :有害元素有害元素有害元素有害元素, Fe, FeS SFeSFeS，FeSFeS与与FeFe易形成低熔点易形成低熔点 的共晶体，可使钢引起热脆性。的共晶体，可使钢引起热脆性。 3)3) 磷的影响磷的影响: :有害元素有害元素有害元素有害元素，P P在钢中可溶于铁素体，使钢强度、在钢中可溶于铁素体，使钢强度、 硬度增加，塑性、韧性
86、减小，易使钢产生冷脆现象。但硬度增加，塑性、韧性减小，易使钢产生冷脆现象。但P P与与CuCu 同时存在，可提高钢的耐蚀性和耐磨性。同时存在，可提高钢的耐蚀性和耐磨性。109 (2)(2)合金元素的影响合金元素的影响 n合金元素合金元素：是为改善钢的某些性能而在钢中特意加入的元素：是为改善钢的某些性能而在钢中特意加入的元素, ,对对钢的力学性能有很大影响。钢的力学性能有很大影响。1) 1) 对钢的强度的影响对钢的强度的影响: : C C C C、SiSiSiSi、MnMnMnMn产生固溶强化，使钢的强度提高；产生固溶强化，使钢的强度提高； C C C C、N N N N、CrCrCrCr、Al
87、AlAlAl形成碳化物或氮化物，使钢的强度和硬度提高；形成碳化物或氮化物，使钢的强度和硬度提高； NbNbNbNb、V V V V、AlAlAlAl、TiTiTiTi可细化晶粒，提高钢的强度。可细化晶粒，提高钢的强度。2 2）对钢的韧性的影响）对钢的韧性的影响: : NbNbNbNb、V V V V等元素可细化晶粒等元素可细化晶粒, ,从而也显著提高钢的韧性；从而也显著提高钢的韧性； C C C C、SiSiSiSi、MnMnMnMn一般使钢的韧性降低。一般使钢的韧性降低。110 2. 2. 钢的分类钢的分类 (1)(1)(1)(1)按化学成分分类按化学成分分类按化学成分分类按化学成分分类:
88、: : : 根据各种合金元素规定含量界限值根据各种合金元素规定含量界限值, ,将钢分为将钢分为1 1）非合金钢（碳素钢）非合金钢（碳素钢）; ; 普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢。含碳量普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢。含碳量小于小于0.25%0.25%为低碳钢，为低碳钢，0.250.250.6%0.6%为中碳钢，大于为中碳钢，大于0.6%0.6%为高碳为高碳钢钢; ;2 2）低合金高强度结构钢）低合金高强度结构钢; ;3 3）合金钢。）合金钢。 钢的分类钢的分类化学成分化学成分质量等级质量等级主要性能主要性能使用特性使用特性111表表1-2 1-2 部分合金元素规定质量分
89、数界限值部分合金元素规定质量分数界限值 (%)(%)合金元素合金元素非合金钢非合金钢低合金钢低合金钢合金钢合金钢CrCr0.300.300.300.500.300.50 0.500.50MnMn1.001.001.001.401.001.401.401.40MoMo0.050.050.050.100.050.100.100.10NiNi0.300.300.300.500.300.500.500.50SiSi0.500.500.500.900.500.900.900.90112(2)(2)按主要质量等级分类按主要质量等级分类1) 1) 1) 1) 普通质量钢普通质量钢普通质量钢普通质量钢 ：即对
90、生产过程中控制质量无特殊规定的、即对生产过程中控制质量无特殊规定的、一般用途的非合金钢和低合金钢。一般用途的非合金钢和低合金钢。S S、P P含量均小于含量均小于0.045%0.045%。2) 2) 2) 2) 优质钢优质钢优质钢优质钢: : : :即在生产过程中需要按规定控制质量的钢即在生产过程中需要按规定控制质量的钢, ,并达并达到比普通质量钢较高的质量要求。到比普通质量钢较高的质量要求。S S、P P含量均小于含量均小于0.040%0.040%。3 3 3 3）特殊质量钢：）特殊质量钢：）特殊质量钢：）特殊质量钢：即在生产过程中需要严格控制质量和性能的即在生产过程中需要严格控制质量和性能
91、的钢钢, ,特别是要求严格控制硫、磷等含量和提高纯洁度等。特别是要求严格控制硫、磷等含量和提高纯洁度等。S S、P P含量均小于含量均小于0.020%0.020%。 按质量等级按质量等级普通质量钢普通质量钢优质钢优质钢特殊质量钢特殊质量钢113(3) (3) 按使用特性分类按使用特性分类工程工程结构用钢结构用钢耐热钢耐热钢不锈不锈耐蚀钢耐蚀钢机械机械结构用钢结构用钢工具钢工具钢使用使用特性特性114 (1)(1)非合金钢非合金钢1)1)碳素结构钢碳素结构钢 牌号牌号： 例如例如 Q235FQ235F “Q Q” 表示屈服点表示屈服点; ; “235235”表示屈服点值为表示屈服点值为235MP
92、a;235MPa; “F F” 表示脱氧方法（沸腾钢）。表示脱氧方法（沸腾钢）。 用途用途 ： 碳素结构钢碳素结构钢w(C)w(C)为为0.06%0.38%0.06%0.38%。 主要用来制造一般工程结构和普通机床零件，通常主要用来制造一般工程结构和普通机床零件，通常轧制成各种型材、板材和线材等。轧制成各种型材、板材和线材等。3.3.3.3.钢的牌号和应用钢的牌号和应用钢的牌号和应用钢的牌号和应用115牌号牌号质量质量等级等级化学成分化学成分( (质量分数质量分数,%),%)力学性能力学性能C CMnMnSiSiS SP Pss/MPa/MPabb/MPa/MPa(%)(%)不大于不大于Q19
93、5Q1950.060.0.060.12120.250.250.500.500.030.030.0500.0500.00.045451951953154315430303333Q215Q215A A0.090.0.090.15150.250.250.550.550.300.300.0500.0500.00.045452152153354335450503131Q255Q255A A0.180.0.180.28280.400.400.700.700.300.300.0500.0500.00.045452552554105410550502424Q275Q2750.280.0.280.38380.5
94、00.500.800.800.350.350.0500.0500.00.045452752754906490630302020表表1-3 1-3 碳素结构钢部分牌号、成分与力学性能碳素结构钢部分牌号、成分与力学性能1162)2)优质碳素结构钢优质碳素结构钢 牌号：牌号： 是用二位数字表示，这两位数字表示钢中的平是用二位数字表示，这两位数字表示钢中的平 均碳的质量分数（万分数）。均碳的质量分数（万分数）。 例如例如 45钢钢 表示平均表示平均w(C)为为0.45%的优质碳素结构钢。的优质碳素结构钢。 若为沸腾钢，则在牌号后加若为沸腾钢，则在牌号后加“F”符号，如符号，如08F。 若含锰量较高，则
95、在数字后加若含锰量较高，则在数字后加“Mn”符号。符号。用途：用途： 主要用来制造比较重要的机械零件，如轴、连杆、弹主要用来制造比较重要的机械零件，如轴、连杆、弹簧等。簧等。 20钢金相组织示意图钢金相组织示意图117牌牌号号化学成分化学成分（质量分数，（质量分数，% %）力学性能（不小于）力学性能（不小于）应用举例应用举例C CSiSiMnMns s/ /MPaMPab b/ /MPaMPa(%)(%)(%)(%)HBSHBS( (热热轧）轧）08F0.050.110.030.250.502951753560131要求冷成形性和焊接要求冷成形性和焊接性良好的零件，如冲性良好的零件，如冲压件、
96、焊接件等。压件、焊接件等。200.170.230.170.370.350.654102452555156同上，且用于要求内同上，且用于要求内韧外硬的渗碳件。韧外硬的渗碳件。600.570.650.170.370.500.806754001535255经淬火和中温回火具经淬火和中温回火具有较高弹性的各类弹有较高弹性的各类弹簧等。簧等。表表1-4 1-4 优质碳素钢部分牌号、成份、力学性能及应用举例优质碳素钢部分牌号、成份、力学性能及应用举例1183 3）碳素工具钢）碳素工具钢 牌号：是用规定符号牌号：是用规定符号T T（碳字的（碳字的汉语拼音字首）和数字表示。汉语拼音字首）和数字表示。 例如例如
97、 T10AT10A “1010”表示平均表示平均w(C)w(C)为为1.0%1.0%， “A A”表示高级优质。表示高级优质。用途用途: : 用于制造不受冲击、高硬用于制造不受冲击、高硬度、耐磨的工具，如锉刀、手锯度、耐磨的工具，如锉刀、手锯条、拉丝模等。条、拉丝模等。 T12T12钢的金相组织钢的金相组织图图1-15丝锥丝锥119牌号牌号化学成分（质量分数，化学成分（质量分数，% %）试样淬火试样淬火HRCHRC（不（不小于）小于）应用举例应用举例C CSiSiMnMnT8T80.750.750.840.840.30.35 50.400.40（780780800800，水淬）水淬）6262承
98、受冲击，要求较高承受冲击，要求较高硬度的工具。如压缩硬度的工具。如压缩空气工具等。空气工具等。T9AT9A0.850.850.940.940.400.40（760760780,780,水淬）水淬）6262韧性中等，硬度高的韧性中等，硬度高的工具。如冲头、木工工具。如冲头、木工工具，凿岩工具。工具，凿岩工具。T10T100.950.951.041.04不受剧烈冲击、高硬不受剧烈冲击、高硬度、耐磨的工具。如度、耐磨的工具。如冲头、手锯条等。冲头、手锯条等。T12AT12A1.151.151.241.24不受冲击、要求高硬不受冲击、要求高硬度、高耐磨的工具。度、高耐磨的工具。如锉刀、量具等。如锉刀、
99、量具等。表表1-51-5 碳素工具钢部分牌号、成份、硬度和应用碳素工具钢部分牌号、成份、硬度和应用120(2)(2)低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢牌号：例如牌号：例如 Q390AQ390A “Q Q”表示屈服点，表示屈服点， “390390”表示屈服点值为表示屈服点值为390MPa390MPa， “A A”表示质量等级为表示质量等级为A A 级。级。用途：用途： 低合金高强度高强度结构钢一般不用热处理，低合金高强度高强度结构钢一般不用热处理， 综合力学性能良好，综合力学性能良好，用于桥梁、船舶、车辆、高压容器、管道、建筑物等。用于桥梁、船舶、车辆、高压容器、管道、建筑物等。121(3)
100、(3) 合金钢合金钢1 1）合金结构钢）合金结构钢 牌号：牌号： 例如例如 60Si2Mn,60Si2Mn, “6060”表示平均表示平均w(C)=0.6%w(C)=0.6%， “ Si2 Si2 ”表示平均表示平均w(Si)=2%w(Si)=2%， “ Mn Mn ”表示平均表示平均w(Mn)1.5%w(Mn)1.5%。 用途：合金结构钢的力学性能优于优质碳素结构钢，用途：合金结构钢的力学性能优于优质碳素结构钢， 常用来制造重要的零件，如齿轮、轴类、弹簧等。常用来制造重要的零件，如齿轮、轴类、弹簧等。 例：渗碳钢，例：渗碳钢，20CrMnTi20CrMnTi； 调质钢，调质钢，40CrMn4
101、0CrMn； 弹簧钢，弹簧钢，60Si2Mn60Si2Mn。1222 2）合金工具钢）合金工具钢牌号牌号牌号牌号：例例1 1：低合金工具钢低合金工具钢: : 9SiCr9SiCr9SiCr9SiCr “9 9” 表示平均表示平均w(C)=0.9%w(C)=0.9%， “SiSi”表示平均表示平均w (Si) 1.5% w (Si) 1.5% ， “CrCr”表示平均表示平均 w(Cr)1.5%w(Cr)1.5%。用途用途用途用途：合金工具钢的力学性能优于碳：合金工具钢的力学性能优于碳素工具钢，广泛用于制造各种刃具、素工具钢，广泛用于制造各种刃具、量具、模具等。如钻头、绞刀、量块量具、模具等。如
102、钻头、绞刀、量块和冲模等。和冲模等。图图1-161-16 硬质合金冲模硬质合金冲模123例例2 2：高合金工具钢：高合金工具钢高速钢：高速钢：W18Cr4VW18Cr4V平均平均w(C)w(C)为为0.70.70.8%;0.8%;“W18W18”表示平均表示平均 w(W)=18%;w(W)=18%;“Cr4Cr4”表示平均表示平均w(Cr)=4%;w(Cr)=4%;“V V”表示平均表示平均w(V) w(V) 1.5%;1.5%;用于制作车刀、刨刀、钻头、铣刀等。用于制作车刀、刨刀、钻头、铣刀等。124(4)(4)铸钢铸钢 即在凝固过程中即在凝固过程中不经历共晶转变不经历共晶转变不经历共晶转变
103、不经历共晶转变的用于生产铸件的铁基合金。的用于生产铸件的铁基合金。性能特点：性能特点：性能特点：性能特点：铸钢的综合性能和焊接性能均优于铸铁，铸钢的综合性能和焊接性能均优于铸铁，用途：用途：用途：用途：主要用于制造承受主要用于制造承受重载荷及冲击载荷重载荷及冲击载荷重载荷及冲击载荷重载荷及冲击载荷的构件。的构件。如锻锤机架、齿轮、轧辊等。在如锻锤机架、齿轮、轧辊等。在各类铸造合金中，铸钢的应用仅各类铸造合金中，铸钢的应用仅次于铸铁。次于铸铁。主要主要分为分为分为分为：铸造碳钢和铸造合金钢。：铸造碳钢和铸造合金钢。图图1-171-17 铸钢件铸钢件125 1) 1)铸造碳钢铸造碳钢牌号：例如牌号
104、：例如 ZG230ZG230450450 450 450b b450MPa450MPa； 230230s s（0.20.2）230MPa230MPa； ZG ZG “铸钢铸钢”汉语拼音首字母。汉语拼音首字母。性能特点：性能特点： 有一定的强度和较好的塑性、韧有一定的强度和较好的塑性、韧性，焊接性能良好，切削加工性尚好。性，焊接性能良好，切削加工性尚好。用途：用途： 作砧座、轴承盖、齿轮等。作砧座、轴承盖、齿轮等。图图1-181-18 各种铸钢件各种铸钢件126牌号牌号化学成分（质量分数，化学成分（质量分数，% %）力学性能（最小值）力学性能（最小值）主要特点及应用主要特点及应用C CSiSiM
105、nMns s(0.20.2) )/MPa/MPab b/MPa/MPa(%)(%)ZG200ZG2004004000.200.200.500.500.800.802002004004002525塑性、韧性较好，强度、硬度较塑性、韧性较好，强度、硬度较低，焊接性良好，但铸造性能差，低，焊接性良好，但铸造性能差，用于受力不大，韧性要求较高的用于受力不大，韧性要求较高的零件。如机座、机架等。零件。如机座、机架等。ZG340ZG3406406400.600.600.600.600.900.903403406406401010强度、硬度较高，塑性、韧性较强度、硬度较高，塑性、韧性较差，焊接性和铸造性能均
106、差，用差，焊接性和铸造性能均差，用于受力较大的耐磨零件。如齿轮、于受力较大的耐磨零件。如齿轮、棘轮、车轮等。棘轮、车轮等。表表表表1-6 1-6 1-6 1-6 铸造碳钢部分牌号、成份、力学性能和应用铸造碳钢部分牌号、成份、力学性能和应用铸造碳钢部分牌号、成份、力学性能和应用铸造碳钢部分牌号、成份、力学性能和应用1272)2)铸造合金钢铸造合金钢 即为改善性能而添加的合金元素含量即为改善性能而添加的合金元素含量超过超过铸造碳钢范围的铸铸造碳钢范围的铸钢。钢。 牌号：牌号： 例如例如 ZG30MnSi1ZG30MnSi1 30 30 W W（C C）为）为0.3%0.3%左右。左右。 SiSi
107、W W（Si Si ）为）为0.91.4%0.91.4% Mn Mn W W（MnMn）为）为0.91.4%0.91.4%主要特点：耐磨性高。主要特点：耐磨性高。用途：用于受力较大的耐磨零件，用途：用于受力较大的耐磨零件， 如链轮、齿轮、承力支架等。如链轮、齿轮、承力支架等。1284.2 4.2 铸铸 铁铁n铸铁铸铁：在凝固过程中经历在凝固过程中经历共晶转变，用于生产铸件的共晶转变，用于生产铸件的铁基合金的总称。铁基合金的总称。性能特点：性能特点： 良好的铸造性能、切削良好的铸造性能、切削加工性能、耐磨性和减震加工性能、耐磨性和减震性，且熔炼工艺与设备比性，且熔炼工艺与设备比较简单，成本低廉。
108、较简单，成本低廉。用途：铸铁件占铸件总产量用途：铸铁件占铸件总产量的的80%80%左右。如机床床身、箱左右。如机床床身、箱体等。体等。w(Si)1.0%w(Si)1.0%3.0%3.0%w(Mn)0.5%w(Mn)0.5%1.3%1.3%w(P)0.3%w(S)0.15%w(C) 2.5%w(C) 2.5%4.0%4.0%铸铁的铸铁的化学成分化学成分1291.1.1.1.铁碳合金双重相图铁碳合金双重相图铁碳合金双重相图铁碳合金双重相图 铸铁中，碳的存在形式铸铁中，碳的存在形式有渗碳体（有渗碳体（FeFe3 3C C）和游离状态）和游离状态的石墨（的石墨（G G）两种。）两种。 铁碳合金实际上存
109、在两铁碳合金实际上存在两种相图：种相图： （1 1）FeFeFeFe3 3C C相图相图; ; （2 2）FeFeG G相图。相图。图图1-19 1-19 铁碳双重相图铁碳双重相图 1302.2.2.2.铸铁的石墨化过程铸铁的石墨化过程铸铁的石墨化过程铸铁的石墨化过程( ( ( (三个过程三个过程三个过程三个过程) ) ) ) 第一阶段：高温石墨化阶段，第一阶段：高温石墨化阶段， “一次结晶析出石墨一次结晶析出石墨G G”11541154：L L4.26 4.26 A A2.082.08+G+G( (共晶共晶) )第二阶段：中间石墨化阶段，第二阶段：中间石墨化阶段， “二次结晶析出二次结晶析出
110、G G”1154-7381154-738：A GA G第三阶段：低温石墨化阶段，第三阶段：低温石墨化阶段， “共析反应析出共析反应析出G G”738738：A A0.680.68 F+G F+G( (共析共析) )131n 铸铁的组织：铸铁的组织： 铸铁按石墨化程度的不同铸铁按石墨化程度的不同可获得三种不同基体的组织：可获得三种不同基体的组织：（1 1）珠光体）珠光体+ +石墨，石墨，（2 2）珠光体）珠光体+ +铁素体铁素体+ +石墨，石墨，（3 3）铁素体）铁素体+ +石墨。石墨。铁素体铁素体+石墨石墨铁素体铁素体+珠光体珠光体+石墨石墨珠光体珠光体+石墨石墨铸铁组织铸铁组织1323.3.
111、3.3.影响铸铁石墨化的因素影响铸铁石墨化的因素影响铸铁石墨化的因素影响铸铁石墨化的因素影响铸铁石墨化的因素主要有化学成分和冷却速度。影响铸铁石墨化的因素主要有化学成分和冷却速度。（1 1）化学成分）化学成分 碳和硅碳和硅 分别是形成石墨和强烈促进石墨化的元素分别是形成石墨和强烈促进石墨化的元素, ,铸铁中铸铁中 碳、硅含量越高，石墨越容易析出碳、硅含量越高，石墨越容易析出; ; 硫硫 强烈阻碍石墨化，且容易增加铸铁的热裂倾向强烈阻碍石墨化，且容易增加铸铁的热裂倾向; ; 锰锰 虽然阻碍石墨化，但锰与硫能形成硫化锰，有利于减弱虽然阻碍石墨化，但锰与硫能形成硫化锰，有利于减弱 硫的不利影响，而且
112、还能促进珠光体形成硫的不利影响，而且还能促进珠光体形成, ,强化基体强化基体, ,故故 铸铁中必须含一定量的锰。铸铁中必须含一定量的锰。 磷磷 是微弱促进石墨化的元素，但会增加铸铁的冷脆性。是微弱促进石墨化的元素，但会增加铸铁的冷脆性。133（2)2)2)2)冷却速度冷却速度冷却速度冷却速度1 1）慢冷：利于石墨析出并长大，形成灰口，）慢冷：利于石墨析出并长大，形成灰口，2 2）快冷：石墨来不及析出，）快冷：石墨来不及析出， 碳以碳以FeFe3 3C C存在，形成白口。存在，形成白口。 注：注： 要获得所需的组织和性能的铸件，应根据铸件的壁厚，要获得所需的组织和性能的铸件，应根据铸件的壁厚，控
113、制铸件中碳和硅的含量，配合以适当的含锰量，并严格控制控制铸件中碳和硅的含量，配合以适当的含锰量，并严格控制硫、磷的含量。硫、磷的含量。134（3 3 3 3）变质处理（孕育处理）变质处理（孕育处理）变质处理（孕育处理）变质处理（孕育处理）n变质处理：在浇注前向铁水中加入变质剂（孕育剂），变质处理：在浇注前向铁水中加入变质剂（孕育剂），如如SiSiFeFe、SiSiCaCa合金，以增加石墨的结晶核心，促合金，以增加石墨的结晶核心，促进石墨化，使石墨片细小、均匀，获得高强度铸铁。进石墨化，使石墨片细小、均匀，获得高强度铸铁。n变质铸铁（孕育铸铁）变质铸铁（孕育铸铁） 即经过变质处理后所获得的高强度
114、铸铁。即经过变质处理后所获得的高强度铸铁。 性能特点：强度较高，塑性、韧性得到改善。性能特点：强度较高，塑性、韧性得到改善。1354.4.4.4.铸铁的分类、牌号及应用铸铁的分类、牌号及应用铸铁的分类、牌号及应用铸铁的分类、牌号及应用 按碳的存在形式和石墨形态的不同，可以将铸铁分为按碳的存在形式和石墨形态的不同，可以将铸铁分为白口铸铁、麻口铸铁、灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕白口铸铁、麻口铸铁、灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁等类型。墨铸铁等类型。 铸铁铸铁按石墨形态按石墨形态按碳的存在形式按碳的存在形式白口铸铁白口铸铁 麻口铸铁麻口铸铁 灰铸铁灰铸铁球墨铸铁球墨铸铁 可锻铸铁可锻铸铁 蠕
115、墨铸铁蠕墨铸铁136铸铁中常见的石墨形态（铸铁中常见的石墨形态（铸铁中常见的石墨形态（铸铁中常见的石墨形态（示意图示意图示意图示意图）铸铁中常见的石墨形态铸铁中常见的石墨形态（1 1）片状片状（2 2）球状）球状（3 3）团絮状）团絮状（4 4）蠕虫状）蠕虫状137 (1)(1)白口铸铁白口铸铁 白口铸铁白口铸铁：碳以游离碳化物的碳以游离碳化物的形式析出的铸铁，断口呈白色。形式析出的铸铁，断口呈白色。 白口铸铁硬而脆，难以加白口铸铁硬而脆，难以加工，很少用来制造零件，有时工，很少用来制造零件，有时利用其硬而耐磨的特点制造某利用其硬而耐磨的特点制造某些耐磨零件，如球磨机的衬板、些耐磨零件，如球磨
116、机的衬板、磨球等。磨球等。（2 2）麻口铸铁）麻口铸铁 麻口铸铁麻口铸铁：碳部分以游离碳化碳部分以游离碳化物形式析出，部分以石墨形式物形式析出，部分以石墨形式析出的铸铁，断口呈灰白色相析出的铸铁，断口呈灰白色相间。间。图图1-21 1-21 灰口铸铁灰口铸铁图图1-20 1-20 白口铸铁白口铸铁138（3 3 3 3）灰铸铁）灰铸铁）灰铸铁）灰铸铁 灰铸铁：灰铸铁：灰铸铁：灰铸铁：又称片墨铸铁，碳主要以又称片墨铸铁，碳主要以片状石墨片状石墨片状石墨片状石墨形成或析出的形成或析出的铸铁。铸铁。 1) 1)灰铸铁的性能灰铸铁的性能 力学性能力学性能较差（相比碳钢）。较差（相比碳钢）。 工艺性能工
117、艺性能 铸造性能良好，切削加工性能良好，不能进行锻造，铸造性能良好，切削加工性能良好，不能进行锻造， 焊接性和热处理性能也差。焊接性和热处理性能也差。 其它使用性能其它使用性能 耐磨性好，减震性好，缺口敏感性小。耐磨性好，减震性好，缺口敏感性小。1392)2)2)2)灰铸铁的牌号及应用灰铸铁的牌号及应用灰铸铁的牌号及应用灰铸铁的牌号及应用 牌号：例如牌号：例如 HT200HT200 “200200”： 抗拉强度抗拉强度b b200MPa200MPa， “HTHT”： 灰铁的汉语拼音首字母。灰铁的汉语拼音首字母。应用：应用： 用于制造机座、支架、用于制造机座、支架、 缝纫机零件、车床床身等。缝纫
118、机零件、车床床身等。 图图1-22 1-22 灰铸铁件灰铸铁件140类类别别牌号牌号铸件壁厚铸件壁厚/cm/cm基体基体组织组织最小抗拉强度最小抗拉强度b b/MPa/MPaHBSHBS应用举例应用举例普普通通灰灰铸铸铁铁HT100HT1002.5102.510102010202030203030503050F F13013010010090908080110167110167931409314087131871318212282122 负荷很小的不重负荷很小的不重要零件。如重锤、要零件。如重锤、防护罩、盖板等防护罩、盖板等普普通通灰灰铸铸铁铁HT150HT1502.5102.51010201
119、0202030203030503050F+PF+P175175145145130130120120136205136205119179119179110167110167105157105157 承受中等负荷件。承受中等负荷件。如机座、支架、箱如机座、支架、箱体、轴承座、缝纫体、轴承座、缝纫机零件等机零件等表表表表1-7 1-7 1-7 1-7 灰铸铁部分牌号、力学性能和应用灰铸铁部分牌号、力学性能和应用灰铸铁部分牌号、力学性能和应用灰铸铁部分牌号、力学性能和应用141类别类别牌号牌号铸件壁铸件壁厚厚/cm/cm基体基体组织组织最小抗拉强度最小抗拉强度b/MPab/MPaHBSHBS应用举例应
120、用举例孕育孕育铸铁铸铁HT250HT250410410102010202030203030503050P P270270240240220220200200174262174262164247164247157236157236150225150225 负荷较大的负荷较大的铸件，尤其是厚壁铸件，尤其是厚壁件。如机体、阀体件。如机体、阀体液压缸等。液压缸等。HT300HT300102010202030203030503050290290250250230230182272182272168251168251161241161241 载荷较大的载荷较大的重要铸件，尤其是重要铸件，尤其是厚壁件。如齿
121、轮、厚壁件。如齿轮、凸轮、重型机床床凸轮、重型机床床身、液压件等身、液压件等续上表：续上表：1423 3）孕育铸铁）孕育铸铁n孕育铸铁孕育铸铁：铁液经孕育处理后获铁液经孕育处理后获得的亚共晶灰铸铁。得的亚共晶灰铸铁。 性能特点：孕育铸铁性能对性能特点：孕育铸铁性能对壁厚的敏感性很小，组织和性能壁厚的敏感性很小，组织和性能的均匀性很好，的均匀性很好， 应用：适用于制造载荷较大、应用：适用于制造载荷较大、耐磨性减震性要求较高的重要铸耐磨性减震性要求较高的重要铸件，特别是厚大铸件。如机床床件，特别是厚大铸件。如机床床身、发动机气缸体等。身、发动机气缸体等。图图1-23 1-23 孕育剂孕育剂143（
122、）球墨铸铁（）球墨铸铁（）球墨铸铁（）球墨铸铁1) 1) 球墨铸铁球墨铸铁：铁液经过球化处理铁液经过球化处理和孕育处理，使石墨大部分或和孕育处理，使石墨大部分或全部呈球状的铸铁。全部呈球状的铸铁。2) 2) 化学成分、组织、性能：化学成分、组织、性能： 化学成分特点：化学成分特点： 高碳、硅，低锰、磷、硫。高碳、硅，低锰、磷、硫。图图1-24 1-24 球墨铸铁球墨铸铁144组织：组织：F FG G球球; ; F FP PG G球球; ; P PG G球。球。性能：强度较高，塑性、韧性较好（比灰铁），同时具有性能：强度较高，塑性、韧性较好（比灰铁），同时具有 灰铁的优良性能。灰铁的优良性能。3
123、 3）球墨铸铁的牌号和应用）球墨铸铁的牌号和应用牌号牌号：例如例如 QT600QT6003 3 “QTQT” 球铁的汉语拼音首字母，球铁的汉语拼音首字母， “600600” 抗拉强度抗拉强度b b300Mpa300Mpa， “3 3” 伸长率伸长率3%3%。应用：用于制造汽车曲轴、连杆、蜗轮、齿轮等零件。应用：用于制造汽车曲轴、连杆、蜗轮、齿轮等零件。145牌号牌号基体基体机械性能机械性能应用用举例例 b b MPaMPa 0.20.2 MPaMPa 5 5 % %a ak k kJmkJm2 2HBSHBSQT400-18QT400-18F F400400250250181860060013
124、0130180180 汽汽车、拖、拖拉机后拉机后桥壳壳QT500-7QT500-7F+PF+P5005003503507 7170170230230 齿轮QT1200-1QT1200-1B B下下120012008408401 13003003838HRCHRC汽汽车、拖、拖拉机拉机传动齿轮表表1-8 1-8 球墨铸铁部分牌号、力学性能和应用球墨铸铁部分牌号、力学性能和应用1464 4 4 4）常用的球墨铸铁）常用的球墨铸铁）常用的球墨铸铁）常用的球墨铸铁 目前应用最为广泛的是珠光目前应用最为广泛的是珠光体球墨铸铁和铁素体球墨铸铁。体球墨铸铁和铁素体球墨铸铁。（1 1）珠光体球墨铸铁）珠光体球
125、墨铸铁 指基体主要为珠光体的球墨指基体主要为珠光体的球墨铸铁，强度、硬度高铸铁，强度、硬度高, ,耐磨性好。耐磨性好。（2 2）铁素体球墨铸铁）铁素体球墨铸铁 指基体主要为铁素体的球墨指基体主要为铁素体的球墨 铸铁，抗拉强度比珠光体球铸铁铸铁，抗拉强度比珠光体球铸铁低，但塑性、韧性较高，力学性低，但塑性、韧性较高，力学性能优于可锻铸铁。能优于可锻铸铁。图图1 1- -2 25 5珠珠光光体体球球墨墨铸铸铁铁图图1-26铁铁素素体体球球墨墨铸铸铁铁图图1-27混混合合基基体体球球墨墨铸铸铁铁147（5 5） 可锻铸铁可锻铸铁可锻铸铁：又称马铁或玛钢。是可锻铸铁：又称马铁或玛钢。是白口铸铁通过石墨
126、化退火处理，白口铸铁通过石墨化退火处理，改变其金相组织或成分而获得的改变其金相组织或成分而获得的有较高韧性的铸铁。有较高韧性的铸铁。 可锻铸铁中的碳主要以团絮可锻铸铁中的碳主要以团絮状石墨存在。状石墨存在。图图图图1-28 1-28 1-28 1-28 可锻铸铁可锻铸铁可锻铸铁可锻铸铁1481 1）化学成分：）化学成分： W(C)W(C)：2.42.42.8%2.8%，W(Si)W(Si)：1.21.22.0%2.0%， W(Mn)W(Mn)：0.40.41.2%1.2%，W(S) 0.1%W(S) 0.1%， W(P) 0.2%W(P) 0.2%。2 2）性能特点：）性能特点： 灰铸铁相比不
127、仅有较高的强度，而且有较高的塑性和灰铸铁相比不仅有较高的强度，而且有较高的塑性和韧性。可锻铸铁因此得名，实际上它仍然是不可锻造的。韧性。可锻铸铁因此得名，实际上它仍然是不可锻造的。3 3）可锻铸铁的生产）可锻铸铁的生产: : 先浇注成白口铸件，再经石墨化退火先浇注成白口铸件，再经石墨化退火获得。获得。1494 4）牌号及应用）牌号及应用 黑心可锻铸铁黑心可锻铸铁牌号：例牌号：例 KTH350KTH35010 10 组织：组织：F+GF+G团絮团絮性能：塑性、韧性较好，强度不高；性能：塑性、韧性较好，强度不高；应用：用于受冲击、振动及扭转负荷的零件。如曲轴、连杆、应用：用于受冲击、振动及扭转负荷
128、的零件。如曲轴、连杆、 齿轮、传动链条等。齿轮、传动链条等。 珠光体可锻铸铁珠光体可锻铸铁牌号：例牌号：例 KTZ650KTZ65002 02 组织：组织：P+GP+G团絮团絮性能：强度、硬度高，塑性、韧性比黑心可锻铸铁差；性能：强度、硬度高，塑性、韧性比黑心可锻铸铁差；应用：制作曲轴、连杆、齿轮、传动链条等应用：制作曲轴、连杆、齿轮、传动链条等。 150分分类牌牌 号号试棒棒直径直径mmmm抗拉抗拉强强度度 b b MPaMPa延伸率延伸率 % %硬度硬度 HBHB应用用举例例铁素素体体基体基体KT300-06KT300-0616163003006 6150150承受冲承受冲击、振、振动及及
129、扭扭转负荷的零件，荷的零件，如汽如汽车的后的后桥壳、壳、管件等。管件等。KT370-12KT370-1216163703701212珠珠光体光体基体基体KT450-06KT450-0616164504506 6150200150200负荷荷较高和耐磨高和耐磨损零件，如曲零件，如曲轴、连杆、杆、齿轮等。等。 KTZ700-02KTZ700-0216167007002 2240290240290 表表1-9 1-9 可锻铸铁部分牌号、力学性能及应用可锻铸铁部分牌号、力学性能及应用151（6 6） 蠕墨铸铁蠕墨铸铁 1） 蠕墨铸铁：金相组织中石墨形态主要为蠕虫状石墨的铸铁，它是向一定成分的铁液中加入
130、适量的蠕化剂（如镁钛合金等）和孕育剂而获得的。 2）性能特点： 强度比灰铸铁高； 有一定的韧性和较高的耐磨性； 壁厚敏感性比灰铁小得多； 减震性比球铁高，低于灰铁； 工艺性良好，铸造性能接近灰 铁，切削加工性能接近球铁。图图1-29 1-29 蠕墨铸铁蠕墨铸铁 1525 5）蠕墨铸铁的生产与球墨铸铁基本相同。）蠕墨铸铁的生产与球墨铸铁基本相同。铁液成分：高碳、硅，低锰、磷、硫；铁液成分：高碳、硅，低锰、磷、硫；蠕化处理：蠕化处理： 蠕化剂蠕化剂: :国外，镁合金；国外，镁合金； 国内，稀土镁钛，稀土镁钙合金等。国内，稀土镁钛，稀土镁钙合金等。 采用冲入法；采用冲入法； 加入量：为铁液质量的加入
131、量：为铁液质量的1 12 2。孕育处理：加孕育剂。孕育处理：加孕育剂。 注：蠕虫状石墨是一种过渡形式，生产中需严格控制蠕注：蠕虫状石墨是一种过渡形式，生产中需严格控制蠕化剂。化剂。153（7 7）合金铸铁）合金铸铁n合金铸铁合金铸铁：常规元素硅、锰高于常规元素硅、锰高于普通铸铁规定含量或含有其它合普通铸铁规定含量或含有其它合金元素，具有较高力学性能或某金元素，具有较高力学性能或某些特殊性能的铸铁。些特殊性能的铸铁。性能特点：具有更高的力学性能，性能特点：具有更高的力学性能，还具有某些特殊性能，如耐热、还具有某些特殊性能，如耐热、耐磨、耐蚀等。耐磨、耐蚀等。应用：例如在孕育铸铁中加入质量应用：例
132、如在孕育铸铁中加入质量分数为分数为0.4%0.6%0.4%0.6%的磷或同时加的磷或同时加入少量的铜、钛等元素，就可以入少量的铜、钛等元素，就可以得到高磷耐磨铸铁，可用来制造得到高磷耐磨铸铁，可用来制造轴承、活塞环、机床导轨等零件。轴承、活塞环、机床导轨等零件。 图图1-30 1-30 耐热合金铸铁模具耐热合金铸铁模具154 4.3 4.3 非铁金属材料非铁金属材料 钢铁材料以外的金属材料，钢铁材料以外的金属材料，统称为非铁金属材料。如铜、铝、统称为非铁金属材料。如铜、铝、铅等及其合金。铅等及其合金。 性能特点性能特点：密度小、色泽鲜密度小、色泽鲜艳、导电、耐热、耐蚀或良好的艳、导电、耐热、耐
133、蚀或良好的加工性能等。加工性能等。 因而成为现代工业中不可缺因而成为现代工业中不可缺少的材料。少的材料。 图图1-31 1-31 中国古代铜的冶炼中国古代铜的冶炼155. . . .铜及其合金铜及其合金铜及其合金铜及其合金（）阴极铜（）阴极铜又称纯铜，外观呈紫色，熔点为1083，具有良好的导电性，导热性、耐蚀性及塑性。（）铜合金）铜合金 即以铜为基的合金。按化学成分不同可分为黄铜、青铜及白铜三类。青铜青铜白铜白铜黄铜黄铜铜合金铜合金156）黄铜）黄铜 u-Znu-Zn合金或以合金或以ZnZn为主要合金元素的为主要合金元素的铜合金称为黄铜。按化学成分的不同，铜合金称为黄铜。按化学成分的不同， 黄
134、铜可分为普通黄铜和特殊黄铜两类。黄铜可分为普通黄铜和特殊黄铜两类。普通黄铜普通黄铜 铜锌二元合金，其中多数通过压力加铜锌二元合金，其中多数通过压力加工制成型材，成为普通变形黄铜。当平均工制成型材，成为普通变形黄铜。当平均w(Zn)w(Zn)32%32%时，塑性最好，强度最高，是时，塑性最好，强度最高，是工业上应用较多的铜合金。普通铸造黄铜工业上应用较多的铜合金。普通铸造黄铜不但具有优良的力学性能和铸造性能，而不但具有优良的力学性能和铸造性能，而且切削加工性能好，也可以焊接。且切削加工性能好，也可以焊接。图图1-32 1-32 黄铜黄铜157特殊黄铜特殊黄铜 在普通黄铜中加入其它元素所组成的多元
135、合金称在普通黄铜中加入其它元素所组成的多元合金称为特殊黄铜。常加入的元素有铅、锡、硅、铝、铁等，为特殊黄铜。常加入的元素有铅、锡、硅、铝、铁等，相应地称这些特殊黄铜为铅黄铜、锡黄铜等等。相应地称这些特殊黄铜为铅黄铜、锡黄铜等等。 合金元素加入黄铜后，主要是提高黄铜的特殊性合金元素加入黄铜后，主要是提高黄铜的特殊性能和改善其工艺性能。如加入能和改善其工艺性能。如加入SnSn、AlAl、MnMn、SiSi可提高耐可提高耐蚀性及减少黄铜的应力腐蚀开裂的倾向蚀性及减少黄铜的应力腐蚀开裂的倾向; ;加加SiSi可改善铸可改善铸造性能；加造性能；加PbPb则改善切削加工性能。则改善切削加工性能。1582)
136、 2) 青铜青铜 青铜原指青铜原指Cu-SnCu-Sn合金，是合金，是人类应用最早的一种合金，但人类应用最早的一种合金，但工业上习惯称含有工业上习惯称含有AlAl、SiSi、PbPb、MnMn、BeBe等的铜基合金为青铜。等的铜基合金为青铜。青铜包括有锡青铜、铝青铜、青铜包括有锡青铜、铝青铜、铍青铜等。铍青铜等。 图图1 133 33 青铜工艺品青铜工艺品1593 3 3 3）白铜）白铜）白铜）白铜 白铜白铜: :以镍为主加合金以镍为主加合金元素的铜合金。主要有普元素的铜合金。主要有普通白铜、铝白铜和锰白铜通白铜、铝白铜和锰白铜等。等。 白铜耐蚀性好、电阻白铜耐蚀性好、电阻率高，多用来制造船舶
137、仪率高，多用来制造船舶仪器零件、化工机械零件和器零件、化工机械零件和医疗器械。医疗器械。图图1-34 1-34 白铜管白铜管1602.2.铝及铝合金铝及铝合金 铝是地壳中储量最铝是地壳中储量最 丰富的元素之一，约占丰富的元素之一，约占 全部金属的三分之一。全部金属的三分之一。特点：铝的比重轻，是铜特点：铝的比重轻，是铜 的的1/31/3倍，属于轻金倍，属于轻金 属。熔点是属。熔点是660660。 铝的导电性和导热性铝的导电性和导热性 都很好，仅次于银和都很好，仅次于银和 铜。因此，铝被广泛铜。因此，铝被广泛 用于制造导电材料和用于制造导电材料和 热传导器件。热传导器件。 图图1-35 1-35
138、 铝为基的二元合金的共晶相图铝为基的二元合金的共晶相图 161(1)(1)纯铝纯铝 特点：质量轻、溶点低。具有良特点：质量轻、溶点低。具有良好的塑性、耐蚀性、导热性和导电性，好的塑性、耐蚀性、导热性和导电性，且价格相对低廉。但其强度和硬度均且价格相对低廉。但其强度和硬度均低，因此用于制造电线、电缆、耐蚀低，因此用于制造电线、电缆、耐蚀器具和生活用以及配制各种铝合金。器具和生活用以及配制各种铝合金。（2 2）铝合金）铝合金 以铝为基的合金，强度高于纯铝，以铝为基的合金，强度高于纯铝，用于制造承受载荷的结构零件。用于制造承受载荷的结构零件。 主加元素：如铜、锰、硅、镁、主加元素：如铜、锰、硅、镁、
139、锌等。一般起强化作用。锌等。一般起强化作用。 附加元素：如铬、铁、锆等。用于细化附加元素：如铬、铁、锆等。用于细化铝合金晶粒和改善热处理性能。铝合金晶粒和改善热处理性能。图图1-36 1-36 铝合金扳状抛物面天线铝合金扳状抛物面天线162 根据铝合金的成分和工艺特点，可根据铝合金的成分和工艺特点，可以将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合以将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两类。金两类。1 1）变形铝合金）变形铝合金 加热时能形成单相固溶体组织，塑加热时能形成单相固溶体组织，塑性较好，宜于进行压力加工的铝合金。性较好，宜于进行压力加工的铝合金。2 2）铸造铝合金）铸造铝合金 以铝为基的铸造合金，其
140、力学性能以铝为基的铸造合金，其力学性能不如变形铝合金，但铸造性能好，适于不如变形铝合金，但铸造性能好，适于制造形状复杂的铸件。制造形状复杂的铸件。 图图1-371-37工业铝合金型材工业铝合金型材工业铝合金型材工业铝合金型材图图1-381-38铸造铝合金金相组织铸造铝合金金相组织1634.4 4.4 4.4 4.4 粉末冶金材料粉末冶金材料粉末冶金材料粉末冶金材料n粉末冶金材料粉末冶金材料： 用粉末冶金方法制造的用粉末冶金方法制造的材料，即制取金属粉末并通材料，即制取金属粉末并通过成形和烧结由金属粉末与过成形和烧结由金属粉末与（或不与）非金属粉末添加（或不与）非金属粉末添加剂的混合物制成的材料
141、。剂的混合物制成的材料。 图图1 1- -3 39 9 粉粉末末冶冶金金制制品品1641.1.粉末冶金材料的应用粉末冶金材料的应用 粉末冶金材料的应用十分广泛。粉末冶金材料的应用十分广泛。1 1）机械制造中常用作：减磨材料、结构材料、过滤材料、摩）机械制造中常用作：减磨材料、结构材料、过滤材料、摩 擦材料和硬质合金。擦材料和硬质合金。2 2）还可以制造难溶金属材料、特殊电磁性能材料、多孔金属）还可以制造难溶金属材料、特殊电磁性能材料、多孔金属过滤材料等。过滤材料等。3 3）特别是金属的熔点和密度相差悬殊、在液态下互不相溶的）特别是金属的熔点和密度相差悬殊、在液态下互不相溶的合金，往往只能用粉末
142、冶金的方法制取。合金，往往只能用粉末冶金的方法制取。 由于压模与金属粉末成本较高，一般只适用于中、小由于压模与金属粉末成本较高，一般只适用于中、小型制品的成批、大量生产。型制品的成批、大量生产。1652.2.常用的粉末冶金材料常用的粉末冶金材料（1 1）硬质合金）硬质合金 硬质合金采用高硬度、难溶的金硬质合金采用高硬度、难溶的金属碳化物（属碳化物（WCWC、TiCTiC等）粉末为硬质点，等）粉末为硬质点，加入加入CoCo、MoMo或或NiNi作为粘结剂，经过混合、作为粘结剂，经过混合、压制和烧结而成。压制和烧结而成。特点：硬度高、耐磨性好、耐热性好，较特点：硬度高、耐磨性好、耐热性好，较 高的
143、抗弯强度与刚度，良好的耐蚀性与高的抗弯强度与刚度，良好的耐蚀性与抗氧化性，但韧性较低。抗氧化性，但韧性较低。应用：用来制造刃具和以及某些冷作模具、应用：用来制造刃具和以及某些冷作模具、量具和量具和 不受冲击和振动的高耐磨零件不受冲击和振动的高耐磨零件（如磨床顶尖等）。（如磨床顶尖等）。166粉末合金粉末合金硬质合金硬质合金烧结减摩材料烧结减摩材料烧结摩擦材料烧结摩擦材料烧结钢烧结钢167（2 2）烧结减摩材料和烧结摩擦材料）烧结减摩材料和烧结摩擦材料 烧结减摩材料是工作时要求减少摩擦的材料，以多孔轴承烧结减摩材料是工作时要求减少摩擦的材料，以多孔轴承材料最为常用。这种用铁与石墨或者青铜与石墨等
144、粉末烧结材材料最为常用。这种用铁与石墨或者青铜与石墨等粉末烧结材料制成的轴承，具有多孔性，在毛细作用下料制成的轴承，具有多孔性，在毛细作用下 ，可以吸附大量油，可以吸附大量油，以供工作时润滑，所以又称含油轴承。以供工作时润滑，所以又称含油轴承。 烧结摩擦材料通常是用铁、铜等金属材料作为基体，并烧结摩擦材料通常是用铁、铜等金属材料作为基体，并 加加入石棉、入石棉、AlAl2 2O O3 3等摩擦组元以及石墨或等摩擦组元以及石墨或MoSMoS2 2等润滑剂的粉末加压等润滑剂的粉末加压烧结或烧结后压制而成。广泛用来制造机器上的制动带和离合烧结或烧结后压制而成。广泛用来制造机器上的制动带和离合器片等。
145、器片等。（3 3）烧结钢）烧结钢 以碳钢或合金钢粉末为主并用冶金法制成的材料，可用于以碳钢或合金钢粉末为主并用冶金法制成的材料，可用于制造电钻齿轮和液压泵齿轮等。制造电钻齿轮和液压泵齿轮等。168思考题思考题1.1.钢中杂质元素和合金元素对钢的力学性能有哪些影响？钢中杂质元素和合金元素对钢的力学性能有哪些影响？2.2.指出下列钢铁材料牌号的含义及主要用途：指出下列钢铁材料牌号的含义及主要用途： Q235A 08F T8A Q345 ZG270-500 Q235A 08F T8A Q345 ZG270-500 HT250 20Cr Cr12 5CrMnMo QT400-15HT250 20Cr
146、Cr12 5CrMnMo QT400-153.3.影响铸铁石墨化的因素有哪些？各是如何影响的？影响铸铁石墨化的因素有哪些？各是如何影响的？4.4.各类铝合金在性能特点及应用上有哪些不同？各类铝合金在性能特点及应用上有哪些不同？8 8169第五章第五章 非金属材料及新型工程材料非金属材料及新型工程材料 5.1 5.1 5.1 5.1 高分子材料高分子材料高分子材料高分子材料n高分子材料高分子材料: 相对分子量很大的有机化合物，远比普通的有机相对分子量很大的有机化合物，远比普通的有机物或无机物等低分子化合物的相对分子量大的多。物或无机物等低分子化合物的相对分子量大的多。 高分子材料可分为天然的和人
147、工合成的两大类。合成方法常高分子材料可分为天然的和人工合成的两大类。合成方法常见的有两种，即加成聚合和缩合聚合。见的有两种，即加成聚合和缩合聚合。图图1-40 PEEVA1-40 PEEVA高分子风管系统高分子风管系统1701.1.塑料塑料 即以高聚物为主要成分，并在加即以高聚物为主要成分，并在加工为成品的某阶段可流动成形的材料。工为成品的某阶段可流动成形的材料。 塑料的分类：塑料的品种很多，塑料的分类：塑料的品种很多，可按用途和受热时的性能进行分类。可按用途和受热时的性能进行分类。（1 1）按用途分类）按用途分类： 1 1）通用材料通用材料：即力学性能和使用温度较低的塑料。即力学性能和使用温
148、度较低的塑料。 2 2）工程材料工程材料：即力学性能和使用温度较高的塑料。即力学性能和使用温度较高的塑料。 机械工程材料中常见的高分子材料有机械工程材料中常见的高分子材料有塑料塑料塑料塑料、橡胶橡胶橡胶橡胶、合成纤维合成纤维合成纤维合成纤维、涂料涂料涂料涂料和和胶粘剂胶粘剂胶粘剂胶粘剂等。等。 胶粘剂胶粘剂涂料涂料合成纤维合成纤维橡胶橡胶塑料塑料高分子高分子材料材料171（2 2）按受热时的性能分类：）按受热时的性能分类： 1 1）热塑性材料：）热塑性材料： 即具有热塑性的材料，在塑料整个特征温度范围内，即具有热塑性的材料，在塑料整个特征温度范围内，能反复加热软化和反复加热硬化，且在软化状态通
149、过流能反复加热软化和反复加热硬化，且在软化状态通过流动能反复模塑为制品。动能反复模塑为制品。 2 2）热固性塑料：）热固性塑料： 即具有热固性的塑料，加热或通过其他方法，能变即具有热固性的塑料，加热或通过其他方法，能变成基本不溶、不熔的产物。成基本不溶、不熔的产物。172（3 3）工程塑料的性能特点和应用）工程塑料的性能特点和应用： 与金属材料相比，工程塑料与金属材料相比，工程塑料密度小，比强度高，耐磨性、减密度小，比强度高，耐磨性、减振性较好，且易于成形；但强度、振性较好，且易于成形；但强度、硬度较低，导热性、耐热性较差，硬度较低，导热性、耐热性较差，且易老化。可用于替代金属制造且易老化。可
150、用于替代金属制造工程构件和机械零件。工程构件和机械零件。图图1-41 1-41 工程塑料轴承工程塑料轴承 1732.2.橡胶橡胶 橡胶是可改性或已被改性为某种状态的弹性体。橡胶是可改性或已被改性为某种状态的弹性体。(1)(1)橡胶的分类：橡胶的分类： 按原料来源，橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶两大类。按原料来源，橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶两大类。1)1)天然橡胶：即从植物巴西三叶胶树中提取的高弹性物质。天然橡胶：即从植物巴西三叶胶树中提取的高弹性物质。 2)2)合成橡胶：即有一种或多种单体聚合生成的橡胶。合成橡胶：即有一种或多种单体聚合生成的橡胶。 按性能和用途的不同，合成橡胶可分为通用合成橡
151、胶和特按性能和用途的不同，合成橡胶可分为通用合成橡胶和特种合成橡胶两大类。种合成橡胶两大类。 通用合成橡胶：即性能与天然橡胶相同或相近，能广泛用通用合成橡胶：即性能与天然橡胶相同或相近，能广泛用于轮胎和大多数橡胶制品的合成橡胶。于轮胎和大多数橡胶制品的合成橡胶。 特种合成橡胶：即大多数性能较差，但具有某些特殊性特种合成橡胶：即大多数性能较差，但具有某些特殊性能的合成橡胶。能的合成橡胶。174 天然橡胶是应用最早和最广泛的橡胶品种，但数量和性天然橡胶是应用最早和最广泛的橡胶品种，但数量和性能上都难以满足工业发展的要求。能上都难以满足工业发展的要求。 合成橡胶的出现弥补了天然橡胶的不足。合成橡胶的
152、出现弥补了天然橡胶的不足。图图1-42 1-42 天然橡胶的生产天然橡胶的生产1755.2 5.2 5.2 5.2 工业陶瓷材料工业陶瓷材料工业陶瓷材料工业陶瓷材料 工业陶瓷工业陶瓷 除日用陶瓷、艺术装饰除日用陶瓷、艺术装饰陶瓷及建筑卫生陶瓷以外，能使用于陶瓷及建筑卫生陶瓷以外，能使用于工业等部门的陶瓷材料之总称。工业等部门的陶瓷材料之总称。 传统陶瓷传统陶瓷 是由粘土、长石和石英是由粘土、长石和石英等天然原料，经粉碎、制坯和烧结等等天然原料，经粉碎、制坯和烧结等传统工艺获得的制品。传统工艺获得的制品。 精细陶瓷又称特种陶瓷，指经过精细陶瓷又称特种陶瓷，指经过精确控制化学组成、显微结构、形状精
153、确控制化学组成、显微结构、形状及制备工艺获得的具有高性能特性、及制备工艺获得的具有高性能特性、能够用于各种高技术领域的陶瓷材料。能够用于各种高技术领域的陶瓷材料。 按化学成分的不同，常用按化学成分的不同，常用 的陶瓷的陶瓷材料分为材料分为氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷碳氮化硅陶瓷碳氮化硅陶瓷碳氮化硅陶瓷碳和和碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷等。等。图图1-43 1-43 传统陶瓷传统陶瓷176 1 1.氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 主要成分为主要成分为ALAL2 2O O3 3的陶瓷材料，硬度高的陶瓷材料，硬度高（9993HRA9993HRA）、耐高温，且有良好的绝缘性、
154、）、耐高温，且有良好的绝缘性、化学稳定性和耐蚀性。化学稳定性和耐蚀性。 2 2.氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 主要化学成分是主要化学成分是SiSi3 3N N4 4的陶瓷材料，除了具的陶瓷材料，除了具有陶瓷的共同特点外，线膨胀系数比其他陶瓷有陶瓷的共同特点外，线膨胀系数比其他陶瓷材料小，同时还有良好的自润滑性，抗振性、材料小，同时还有良好的自润滑性，抗振性、绝缘性、耐蚀性和化学稳定性。绝缘性、耐蚀性和化学稳定性。 3.3.碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷 主要成分为主要成分为SiCSiC的陶瓷材料，具有良好的耐的陶瓷材料，具有良好的耐磨性、耐蚀性、热稳定性和优异的高温强度。磨性、耐蚀性、热稳定性和优异的高温强度。
155、图图1-44 1-44 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷图图-45 -45 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷图图1-461-46碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷1775.2 5.2 5.2 5.2 复合材料复合材料复合材料复合材料 复合材料复合材料：由两种或两种由两种或两种以上性质不同的材料复合而成以上性质不同的材料复合而成的多相材料。的多相材料。 通常是其中某一组成物为通常是其中某一组成物为基体，而另一组成物为增强体，基体，而另一组成物为增强体，用以提高强度和韧性等。用以提高强度和韧性等。 复合后的材料既保持了各复合后的材料既保持了各组成物的特点，又可使各组成组成物的特点，又可使各组成物之间取长补短，互相协调，物之间取长补短，
156、互相协调，获得优良的综合性能。获得优良的综合性能。图图图图1 1 1 147 47 47 47 复合材料轴瓦复合材料轴瓦复合材料轴瓦复合材料轴瓦178 复合材料的分类复合材料的分类: 复合材料复合材料按用途按用途按基体类型按基体类型按增强材料的按增强材料的种类和形状种类和形状结构复合材料结构复合材料功能复合材料功能复合材料金属基复合材料金属基复合材料非金属基复合材料非金属基复合材料纤维增强复合材料纤维增强复合材料颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料1791.1.1.1.纤维增强复合材料纤维增强复合材料纤维增强复合材料纤维增强复合材料 以树脂、橡胶、陶瓷或金属为以树脂、橡胶、陶瓷或金属为基体相，以无
157、机纤维（如玻璃纤维、基体相，以无机纤维（如玻璃纤维、碳纤维、硼纤维或碳化硅纤维）或碳纤维、硼纤维或碳化硅纤维）或有机纤维（聚酯纤维、尼龙纤维或有机纤维（聚酯纤维、尼龙纤维或芳纶纤维）为增强相复合而成的材芳纶纤维）为增强相复合而成的材料。料。性能特点：高强度、高刚性和密度小、性能特点：高强度、高刚性和密度小、易加工。易加工。应用：应用最为广泛，如制造轴瓦、齿应用：应用最为广泛，如制造轴瓦、齿轮和车、船的壳体等。轮和车、船的壳体等。图图1 14848纤维增强复合材料纤维增强复合材料1802.2.2.2.颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料 以一种或多种颗粒为增强相均匀分
158、以一种或多种颗粒为增强相均匀分布在基体材料内所组成的材料。陶瓷颗布在基体材料内所组成的材料。陶瓷颗粒增强金属基复合材料又称金属陶瓷。粒增强金属基复合材料又称金属陶瓷。增强相主要为增强相主要为 氧化物（氧化物（AlAl2 2O O3 3,MgO,BeO,MgO,BeO等）和等）和 碳化物（碳化物（TiC,SiC,WCTiC,SiC,WC等），等），金属基体为金属基体为TiTi、CrCr、NiNi、MoMo、FeFe等。等。性能及应用：性能及应用： 金属陶瓷具有高硬度、金属陶瓷具有高硬度、高强度、耐磨、耐热、耐腐蚀以及膨胀高强度、耐磨、耐热、耐腐蚀以及膨胀系数小等特点。用来制造高速切削刀具、系数小
159、等特点。用来制造高速切削刀具、重载轴承及火焰喷管的喷嘴等。重载轴承及火焰喷管的喷嘴等。图图1 149 49 金属陶瓷滚刀金属陶瓷滚刀181 复合材料是一个新兴的材料科学领域，在航空航天，火箭复合材料是一个新兴的材料科学领域，在航空航天，火箭导弹、车辆、化工装置、建筑结构以及体育、医疗器械等领域导弹、车辆、化工装置、建筑结构以及体育、医疗器械等领域正获得越来越广泛的应用。特别是用于制造某些有特殊要求，正获得越来越广泛的应用。特别是用于制造某些有特殊要求，单一材料无法替代的制品。单一材料无法替代的制品。 据预测，据预测，2121世纪末复合材料可能会占到人们使用的结构材世纪末复合材料可能会占到人们使
160、用的结构材料的料的70%80%70%80%。图图1 15 50 0 弹弹道道导导弹弹1825.3 5.3 5.3 5.3 工程材料的发展趋势工程材料的发展趋势工程材料的发展趋势工程材料的发展趋势 据预测，据预测，2121世纪初期，金世纪初期，金属材料在工程材料中仍将占主属材料在工程材料中仍将占主导地位，其中钢铁仍是产量最导地位，其中钢铁仍是产量最大、覆盖面最广的工程材料，大、覆盖面最广的工程材料，但非金属材料和复合材料的发但非金属材料和复合材料的发展会更加迅速。展会更加迅速。 今后材料发展的总趋势是：今后材料发展的总趋势是：以高性能和可持续发展为目标以高性能和可持续发展为目标的传统材料的改造及
161、以高度集的传统材料的改造及以高度集成化、微细化和复合化为特征成化、微细化和复合化为特征的新一代材料的开发的新一代材料的开发。图图1-60 1-60 航天飞机航天飞机1831.1.1.1.生产工艺的完善和开发生产工艺的完善和开发生产工艺的完善和开发生产工艺的完善和开发 完善传统的冶金工艺和开发新工艺，是钢铁工业技术进完善传统的冶金工艺和开发新工艺，是钢铁工业技术进步的两大趋向，其中包括洁净钢冶炼、转炉少渣炼钢、非高步的两大趋向，其中包括洁净钢冶炼、转炉少渣炼钢、非高炉炼铁（如直接还原和熔炼还原）和带钢铸造等。各类精炼炉炼铁（如直接还原和熔炼还原）和带钢铸造等。各类精炼钢、纯净钢、预硬化钢材、涂层
162、钢板、复合钢板等将广泛应钢、纯净钢、预硬化钢材、涂层钢板、复合钢板等将广泛应用，性能更规范，质量更稳定。用，性能更规范，质量更稳定。 钢铁生产正从粗放型向集约型转变，全面提高技术素钢铁生产正从粗放型向集约型转变，全面提高技术素 质，实现优质高效节能降耗和环境保护，以保证可持续发展。质，实现优质高效节能降耗和环境保护，以保证可持续发展。将进一步开发钢材品种，并大力提高钢铁产品的质量和性能。将进一步开发钢材品种，并大力提高钢铁产品的质量和性能。如严格控制杂质元素含量和化学成分，力求显微组织均匀和如严格控制杂质元素含量和化学成分，力求显微组织均匀和力学性能稳定等。力学性能稳定等。1842.2.2.2
163、.新材料的研制与开发新材料的研制与开发新材料的研制与开发新材料的研制与开发1 1）高效金属材料）高效金属材料 为了实现工业可持续发展，必须大为了实现工业可持续发展，必须大幅度地提高材料的使用效能，因而高幅度地提高材料的使用效能，因而高效材料应运而生。如高效钢不仅强度效材料应运而生。如高效钢不仅强度比现在的钢铁提高一倍，而且耐磨、比现在的钢铁提高一倍，而且耐磨、耐蚀等性能也将大幅度改善。耐蚀等性能也将大幅度改善。 2 2）金属间化合物）金属间化合物 金属间化合物具有高温强度高、抗金属间化合物具有高温强度高、抗氧化性能好、密度低等优点，因而最氧化性能好、密度低等优点，因而最先用于航空航天领域。现除
164、了先用于航空航天领域。现除了Ni-AlNi-Al系、系、Fe-AlFe-Al系等金属间化合物早已用于一般系等金属间化合物早已用于一般机械制造外，机械制造外，Ti-AlTi-Al基合金用作汽车排基合金用作汽车排气阀材料也已受到重视。气阀材料也已受到重视。图图1-611-61金属间化合物制品金属间化合物制品（1 1）先进的金属材料）先进的金属材料1853)3)快速冷凝金属材料快速冷凝金属材料 由于快速冷凝比常规冷凝速由于快速冷凝比常规冷凝速度快得多，可获得一系列非平度快得多，可获得一系列非平衡态的非晶、微晶金属合金。衡态的非晶、微晶金属合金。如类似玻璃的某些结构特征的如类似玻璃的某些结构特征的金属
165、玻璃，具有超耐蚀和高强金属玻璃，具有超耐蚀和高强韧等特性，可用于制作变压器韧等特性，可用于制作变压器铁心等。铁心等。4 4）超细颗粒纳米金属材料）超细颗粒纳米金属材料 超细颗粒泛指直径小于超细颗粒泛指直径小于100nm100nm的颗粒，一般由几千的颗粒，一般由几千 个原子组成。在电子、化工、个原子组成。在电子、化工、 原子能、航空航天和生物医药原子能、航空航天和生物医药 等方面有着广泛的用途。等方面有着广泛的用途。图图1-62 1-62 激冷铸铁金相组织激冷铸铁金相组织186（2 2）先进的高分子材料）先进的高分子材料1 1）高性能工程塑料）高性能工程塑料 通过改革单一聚合物的通过改革单一聚合
166、物的聚合态或将不同聚合物共混，聚合态或将不同聚合物共混，可使是产量大、价格低、性可使是产量大、价格低、性能一般的通用塑料（如聚乙能一般的通用塑料（如聚乙烯和聚丙烯等）变为高强度、烯和聚丙烯等）变为高强度、超高韧性的工程塑料。超高韧性的工程塑料。2 2）功能高分子材料）功能高分子材料 具有导电、光敏或磁性等具有导电、光敏或磁性等功能的高分子材料和医用高功能的高分子材料和医用高分子材料、仿生高分子材料、分子材料、仿生高分子材料、环境友好高分子材料、信息环境友好高分子材料、信息功能高分子材料以及高分子功能高分子材料以及高分子材料的再生利用技术等，可材料的再生利用技术等，可望在未来取得较大的进展。望在
167、未来取得较大的进展。图图1-631-63高性能工程塑料高性能工程塑料187（3 3 3 3） 先进的陶瓷材料先进的陶瓷材料先进的陶瓷材料先进的陶瓷材料 1 1）结构陶瓷）结构陶瓷 性能更优异的性能更优异的TiTi3 3SiCSiC2 2、TiTi2 2AlNAlN等陶瓷材料正在得到开等陶瓷材料正在得到开发。多相复合材料有利于陶瓷发。多相复合材料有利于陶瓷的强化和增韧，如纤维或晶须的强化和增韧，如纤维或晶须增强的陶瓷基复合材料、异相增强的陶瓷基复合材料、异相颗粒弥散分布的复合陶瓷等。颗粒弥散分布的复合陶瓷等。精细陶瓷所用的粉料正从微米精细陶瓷所用的粉料正从微米级向纳米级发展，性能更好。级向纳米级
168、发展，性能更好。 如纳米级氧化锆粉料的烧如纳米级氧化锆粉料的烧结温度可降低结温度可降低400400，制品密，制品密度可达到理论密度的度可达到理论密度的98%98%，且，且具有具有400%400%的塑性伸长率。的塑性伸长率。图图1-64 1-64 结构陶瓷结构陶瓷1882 2）功能陶瓷）功能陶瓷 功能陶瓷正向可靠性、多功能陶瓷正向可靠性、多功能、微型化、智能化、集成功能、微型化、智能化、集成化的方向发展。化的方向发展。 如低损耗、低温度特性、如低损耗、低温度特性、大容量、超薄型的多层电容器大容量、超薄型的多层电容器材料与制备技术。用于微型机材料与制备技术。用于微型机械的高性能压电陶瓷和驱动陶械的
169、高性能压电陶瓷和驱动陶瓷，以及气敏陶瓷材料和环保瓷，以及气敏陶瓷材料和环保用陶瓷等用陶瓷等。特别是近年来出现。特别是近年来出现的用于催化反应工程的无机分的用于催化反应工程的无机分离催化膜陶瓷，具有广泛的应离催化膜陶瓷，具有广泛的应用前景。用前景。图图1-651-65陶瓷驱动器件（功能陶瓷）陶瓷驱动器件（功能陶瓷）189（4 4）先进的复合材料）先进的复合材料1 1）有机）有机- -无机复合材料无机复合材料 通过精细控制无机超微粒通过精细控制无机超微粒子在高聚物中的分散与复合，子在高聚物中的分散与复合，可仅以很少的无机粒子含量，可仅以很少的无机粒子含量，就能在一个相当大的范围内有就能在一个相当大
170、的范围内有效地改变复合材料的综合性能。效地改变复合材料的综合性能。如增强、增韧和抗老化等，且如增强、增韧和抗老化等，且不影响材料的加工性能。该技不影响材料的加工性能。该技术可望替代目前品种极多的高术可望替代目前品种极多的高分子材料，同时也为提高材料分子材料，同时也为提高材料的循环利用率创造了良好的条的循环利用率创造了良好的条件。件。图图1-661-66玻璃钢复合材料玻璃钢复合材料1902 2）纳米复合材料）纳米复合材料 即由两种及两种以上的即由两种及两种以上的固相至少一个方向上以纳米固相至少一个方向上以纳米级尺寸复合而成的材料。级尺寸复合而成的材料。 人工合成的有机人工合成的有机- -无机纳无
171、机纳米复合材料，既具有无机物米复合材料，既具有无机物优良的刚度、强度和热稳定优良的刚度、强度和热稳定性，又具有聚合物的加工性性，又具有聚合物的加工性能和介电性能，可望在各种能和介电性能，可望在各种新技术领域获得广泛应用，新技术领域获得广泛应用，且是探索高性能复合材料的且是探索高性能复合材料的一条重要途径。一条重要途径。图图1-67 1-67 AlAl2 2O O3 3-ZrO-ZrO2 2(3Y)-SiC (3Y)-SiC 纳米复合材料组织纳米复合材料组织191思思思思 考考考考 题题题题1.1.比较热塑性塑料和热固性塑料的性能特点及应用。比较热塑性塑料和热固性塑料的性能特点及应用。2.2.天然橡胶和合成橡胶的性能特点及应用有何区别？天然橡胶和合成橡胶的性能特点及应用有何区别？3.3.常用的粉末冶金材料有哪些？各有何性能特点及应用？常用的粉末冶金材料有哪些？各有何性能特点及应用？4.4.按化学成分不同，常用的陶瓷材料有哪几种？它们在性能上有按化学成分不同，常用的陶瓷材料有哪几种？它们在性能上有何特点？何特点？5.5.复合材料有何特点？为什么纤维增强复合材料应用最广泛复合材料有何特点？为什么纤维增强复合材料应用最广泛? ?6.6.工程材料的发展趋势如何？工程材料的发展趋势如何？192
