《機械工程材料》授課講義緒論一.本課程的性質設計與制造的各類工程技術人員，都必須對其經常使用的各類材料有一定的了在電子工業中銀、銅、鋁得到了廣泛的應用,是因為它們具有優良的導電性。在要求所使用的金屬材料具有良好的機械性能，而碳鋼和合金鋼具備上述性能要求，所以得到了廣泛應用。分子、原子或離子等)的具體組合狀態、結合方式和排列情況。材料的基礎。二.課程的主要內容鋼的組性能及機械零件的失效與選材分析部分：是本書的第12章，主要介紹材料的常用機械性能指標，和機械零件的失材與工藝分析。了盡及第一章金屬的結構和結晶一.金屬材料金屬材料是指金屬元素與金屬元素，或金屬元素與少量非金屬元素所構成的，具有一般金屬特性的材料，統稱為金屬材料。金(由兩個或兩個以上元素構成)。合金按其所含元素數目的不同，又可分為二組成固態物質的最基本的質點(如原子、分子或離子)在三維空間中，作有三.非晶體：鹽NaCl(離子鍵)，金剛石(共價鍵)都是非金屬晶體。四.金屬鍵去最外層子電子(過渡族元素也失去少數次外層電子)，成為正離子，而失去的與自由電子云之間的強烈靜電吸引力(庫倉引力)，這種結合方式稱為金屬鍵，五.金屬特征自由電子定向運動(在電場作用下)導電、(在熱場作用下)導熱。 體模型、晶格模型和結構的特征。這個能夠反映晶格結構的最基本的結構單元就稱為晶胞。見P3頁a.晶系：是晶體分類的一種方式，具有相同晶胞特征參數的晶體屬于同一復合晶胞除在八個頂角上有陣點外，還在其體心、面心(每個面的中心)，或底心(上下底面的中心)有陣點，所以這種晶胞的陣點數≥2。二.純金屬的三種典型晶體結構構(bcc)、面心立方結構(fcc)和密排六方結構(hcp)，見P5頁圖1.6。1.三種典型晶體結構的形貌圖1.6中(a)為體心立方結構，即在立方晶胞的八個頂角上各有一個原子，4)致密度：是單位晶胞中原子所占體積與晶胞體積之比，其表達式為三種典型晶體結構的重要參數小結間隙半徑284密排六方6三.金屬晶體中晶面和晶向的表示面。線。設在所求晶面上)所求晶面2)取晶面與三個坐標軸截距的倒數；得所求晶面的晶面面歸為同一個晶面族，用{hkl}表示。如(100)，(010)，(001)就屬于{100}晶 交晶系中(100)，(010)，(001)晶面就不屬于同一個晶面族{100}，因為其晶格1)建立坐標,將所求晶向的一端放在坐標原點上(或從坐標原點引一條平行2)求出所求晶向上任意結點的三個坐標值；3)將所得坐標值按比例化為最小整數，放入方括號內，即得所求晶向的晶在立方晶系中，當晶面指數與晶向指數相同時，即h=u,k=v,l=w時(hkl)⊥[uvw]，如(111)⊥[111]。但在對稱性較差的非立方晶系中，一般不存在這種由晶面指數和晶向指數的介紹，可以發現不同的晶面和晶向上，原子排列上的原子數)表示；晶向上原子排列的緊密程度，可用晶向的原子密度(單位長3.六方晶系晶面和晶向指數的確定向之間的關系。這樣可用(hkil)表示晶面指數，用[uvtw]表示晶向指數。由于P1)單晶體2)各向異性是單晶體沿各不同晶面或晶向具有不同性能的現象。體的屈服強度、導磁性、導電性等性能，也存在著明顯的各向異性。單晶體具有各向異性的主要原因是，其晶體中原子在三維空間是規則排列的，造成各晶面和各晶向上原子排列的緊密程度不同(即晶面的原子密度和晶向此在各晶核長成的晶粒交界處存在著晶界，所以多晶體由許多晶粒組成，見圖偽等向性(偽無向性)。晶體缺陷是晶體內部存在的一些原子排列不規則和不完整的微觀區域，按類之分)；置換原子(有大小之分)；復合空位。溫度升高，振幅增大)，即存在著能量起伏。當某一原子某一瞬間具有足夠大的能量時，它將擺脫周圍原子的約束，跳離其原平衡位置(即振動中心)，形成空二.線缺陷1)位錯的類型列或若干列原子，發生某種有規律的錯排現象。它的ABCD力。因此在位錯線周圍產生了嚴重ABCD部發生一個原子間距的相對位移，所產生的包含的位錯線總長度，單位為cm/cm3(1/cm2)。在退火態金屬中ρ≈三.面缺陷 (如都是體心立方)，只是晶格位向不同，因此晶界實際上是不同位向晶粒之間根據晶體中各晶粒之間的位向差θ不同，又可將晶界分為大角度晶界(θ>10°)和小角度晶界(θ<10°)兩類。2.亞晶界。亞晶界的兩種特殊形式為對稱傾側晶界和扭轉晶界。大。助。著兩個重要的宏觀1.過冷現象三.金屬結晶的微觀基本過程。四.金屬結晶的熱力學條件液、固態金屬的自由能與溫度液、固兩相處于動態平衡狀態，兩相可以長期共存。①當T=Tm時，G=G，液固G>GG>G一.形核1.均質形核均質形核是純凈的過冷液態金屬依靠自身原子的規則排列形成晶核的過程。2.異質形核右圖，因為異質形核是依附在現有固體表面形核(稱為形核基底或襯底)，所以長經研究發現固液界面的微觀結構主要有兩類。(1)粗糙界面的長大機制——連續垂直長大機制(2)光滑界面的長大機制——側向長大機制度梯度。dT(1)正溫度梯度(>0)(1)在正溫度梯度時按平面狀生長。(2)在負溫度梯度時按樹枝晶生長對于立方晶系各次晶軸間成垂直關系(沿<100生長)，如果枝晶在三維空間yzb二.細化晶粒的途徑三.細化晶粒的方法1.增大金屬的過冷度2.在金屬模外通循環水冷卻3.降低澆注溫度(提高形核率)近二三十年來，快速凝固(V>104K/S)技術的發展，人們已能得到尺寸為冷4.孕育(變質)處理。第二章二元合金的相結構與相圖而合金的組織是合金結晶后得到的，合金相圖就是反映合金結晶過程的重要資相指具有相同結構，相同成分和性能(也可以是連續變化的)室溫時只有一個相組成的合金稱為單相合金，由兩個相組成的合金稱為兩相合金。由多個相組成的合金稱為多相合金。組織指用肉眼或顯微鏡觀察到的材料內部形貌圖像，一般用肉眼觀察到的稱為宏觀組織，用顯微鏡放大后觀察到的組織稱為微觀組織。合金系由給定的若干組元按不同的比例配制成的一系列不同成分的合金，為一個合金系統，簡稱為合金系。如由A、B兩個組元配制成的稱為A-B二元系合金的有關知識。。它主是由原子半徑很小(<0.1nm)的非金屬元素氫、氧、氮、碳、硼與金屬元素(1)有限固溶體有限固溶體是溶質原子在溶劑晶格中的溶解量具有一定的限度，超過該限(2)無限固溶體大。3)按溶質原子在晶格中的分布狀態分加熱(3)有序化轉變：有序固溶體無序固溶體，在一恒溫下轉變，緩冷該臨界溫度稱為有序化轉變溫度。 升高，而塑性、為主體相(基體相)。當它溶入溶劑形成固溶體時會造成晶格畸變，一般大的溶質原子使點陣常數增總是使點陣常數增大，產生正畸變(其原子尺寸大于晶格間隙尺寸)，晶格畸變2)物理性能：隨溶質原子含量的增加，固溶體合金的電阻溫度系數減小，二.金屬間化合物3.金屬間化合物的一般特點1)正常價化合物B(穩定性)高低電子化合物根據其電子濃度(C=價電子數與原子數之比)的不同可分電子214C=電子13721721電子412電子1+1258電子5+8133電子==復 (y/y<0.59)時，形成的具有簡單結構的金屬化合物，如VC、TiC、WC非金單六方結構，非金屬原子有規則地占據晶格間隙。其化學成分可用簡單分子式M4X、M2X、MX、MX2表示(金屬與非金屬原子成一定比例)，但成分可在一硬度，但脆性較大，穩定性高，不易溶解和分解)，當其量和分布合理時，可有 (y/y>0.59)時，形成的具有復雜結構的金屬化合物。金屬與碳形成的間非金具有一定的成分范圍(可看作以間隙化合物為基的固溶體)，具有高的熔點和硬一.二元相圖表示方法1.相圖解，所以也稱它為合金狀態圖或平衡圖。我們知道純金屬的結晶過程，可以用熱分析法通過測定它的冷卻曲線來研究。它的結晶過程只需用一個坐標軸就能反映，如純銅的冷卻曲線如右圖：AB的合金系，2.表象點二.相圖的測定成分垂線上；折點的含義(放出結晶潛熱)，并講清繪制相圖的具體方法步驟和過程，以及各)。三.二元合金相圖的使用1.確定合金的狀態2.確定給定合金的相變溫度3.確定合金兩相平衡時的成分和相對量分點用KW點表示，用WW分點用KW點表示，用WWKW%=W%=LW=a100%=100%，此方法很像力學aWbaKLKWbaK一.相圖分析2.相圖分析ABAB線：tt線為液相線，是勻晶轉變的開始線La合金加熱到該線以上3)相區：aBAB(2)兩相區L+a一個，在液、固相線t與t之間。ABAB二.合金的結晶過程分析1.平衡結晶過程1)平衡結晶2)平衡結晶過程該結晶過程實際上是合金隨溫度的降低，建立起一系列的相平衡過程，如LS、LS、LS(實際上每個相平衡的溫度間隔很小)，當1122332122(1)是變溫結晶(在一個溫度范圍內進行，純金屬是恒溫結晶，在一定溫度(2)是選分結晶(先結晶出的固相含高熔點組元多，后結晶出的固相含低熔1)不平衡結晶2)不平衡結晶過程at擴散，使其成分變到a，因a先結晶含高熔點組元Ni比a多，這時合金固相12的平均成分介于a1和a2之間為a。當合金冷卻到t3時(已與固相線相交)，由于固相的平均成分(a')沒有達到原合金成分，所以結晶還沒有結束，只有冷3aa'連成的線稱為固溶體不平衡結晶時的平均成分線，它偏離于平衡結晶時的固4相線，并隨冷卻速度的增大，偏離的程度增大。個晶粒中先結晶的部分(晶粒中心)含高熔點組元Ni多，后結晶部分(晶粒邊Cu的現象稱為晶內偏析，嚴重的枝晶偏析會使合金的力學性能降低，主要是塑性和韌性以及耐蝕性三.合金凝固時的成分過冷現象EM、N點分別為a固溶體(錫在鉛中)和b固溶體(鉛在錫中)T的最大溶解度E2.線TENMF線：是錫在鉛中(a固溶體)的溶解度曲線，冷卻時a—出。IING線：是鉛在錫中(固溶體)的溶解度曲線，冷卻時—出aII3.相區ENBLFMENGFa相區。析1.合金I(Sn%<19%)的結晶沿3F線變化，將多余的錫以的形式從a中析出，隨溫度的降低a的量減少，II的量增加，在室溫時得到的組織為a+，它的結晶過程示意圖見圖2.17。IIIIIIII組織)由大家自己分析。2.合金II(共晶合金)的結晶EMNMNMN97.519NG線變化，由于溶解度隨溫度的降低而降低，所以分別從a—出，從IIII組織組成物，如合金II的組織組成物為共晶體，是(a+)的機械混合物。針狀、螺旋狀等。3.合金III(亞共晶合金)的結晶(以Sn=50%為例)aMME61.919ME繼續冷卻a(a、a)沿MF線變析出(沿晶界或晶內析出)，沿初共III共NG線變析出a，室溫時的組織為a++(a+)，其結晶過程示意為圖2.19，IIII%=XG3100%，組織組成物為a++(a+)，它們的相對量也可以計算FG初II出來，由183℃時的計算知a=27.74%，(a+)%=72.26%，由于初生a冷卻初IIFIIFFGIIFG初IIFFMFGIIIIMFGIII的結晶過程。所不同的是當合金成分靠近M點時初生a相的量增加，共晶體(a+)的量減少；而合金成分靠近E點時，a的量減少，共晶體(a+)的量增加。初合金IV(過共晶合金)的結晶過程與亞共晶合金相似，也經過勻晶轉變，共晶轉變和析出二次相(二次結晶)，所不同的是初生相是，共晶轉變后從II+a+(a+)。II一.相圖分析cpDD點：也是(鉑在銀中)的最大溶解度點。CPDLa個兩相區L+a，的相對量不同，因此在包晶反應后合金I得到100%包晶產物，合金II為包+L，合金III為+。包剩包剩后，合金I的成分沿DF變化從|出個，室溫組織為+，合金II的包II包IIIIIIDF變化，從個，從個，室溫組織為+++，見圖2.21剩II包II剩II包II為這三個合金的結晶過程示意圖。0和2.21所示。合物，它可以是成分一定的，也可以是具有一定成分范圍的化合物，見圖2.22Mg2Si，由于成分是一定的所以在相圖中為一條垂線，在相圖分析時可把它 Si一.判斷合金的力學和物理性能圖中虛線)。二.判斷合金的鑄造性能散縮孔或縮松)合金致密度較低，由于共晶合金熔點低，流動性最好，結晶后產第三章鐵碳合金和鐵碳相圖一.純鐵：三.鐵素體(F或α)性3.組織特征：(4％硝酸酒精)白亮色3.組織特征：(4％硝酸酒精)白亮色二.鐵碳合金分類33一.相圖分析0.170.021830.02183*相組成物的計算：a.相組成物的概念:FeC3相間，如圖3.8)，Fe3C片薄，①GS線(A3線)一.共析鋼二.亞共析鋼先共析PF三.過共析鋼W=100%=Fe3CPò四.共晶白口鐵3Ⅲ3Ⅲ五.亞共晶白口鐵先W=W=1W=59.4%òEòEPFeCPLe'Fe3Cò六.過共晶白口鐵1)室溫組織類型、相組成和組織組成物相對量不同2)組織的形態與分布不同(尤其應注意Fe3CⅡ的分布)：二.Mn.N、H、ON——時效形成氮化物→脆化O——形成氧化物→非金屬夾雜O——加脫氧劑Si,Mn等第四章金屬及合金的塑性變形與再結晶一.金屬及合金變形的三個階段σ＞σb:不均勻塑性變形階段(斷裂階段)二.單晶體金屬的塑性變形1.單晶體的塑變主要是通過滑移實現的1.與單晶體塑變的異同在不同時性；需相互協調三.合金的塑性變形1)兩相性能相近2)第二相硬而脆除與相對量有關外，還與第二相形態及分布有關一.對組織結構的影響二.對內能的影響——產生殘余內應力1)一般有害：變形、開裂、應力腐蝕三.對性能的影響利：①強化手段；②提高塑性成形性(冷拉)；③提高安全性2.性能：力性變化不明顯(強硬度到高溫回復階段有所降低，但不大)二.再結晶)，內應力完全消除1.溫度3.再結晶退火晶粒度的控制1)熱溫度和保溫時間第五章鋼的熱處理：1.可改善鑄態組織，提高機械性能：焊合氣孔、疏松；碎化柱狀晶和粗大碳化物；細化晶粒制2.討論過冷奧氏體在不同溫度范圍內的轉變過程與轉變產物的組2.鋼的淬透性、淬硬性4.表面淬火和化學熱處理(滲碳、氮化等)。cc3.殘余滲碳體的溶解二.影響奧氏體形成速度的因素并不本質粗晶粒鋼；本質晶粒度為5~8級的鋼被認為晶粒長大傾向小，稱為本質細晶粒一般用鋁脫氧的鋼多為本質細晶粒鋼，而只用錳硅脫氧的鋼為本質粗晶粒零件一般都采用本質細晶粒鋼制造。2.影響奧氏體晶粒長大的因素化物的元素(如Al)、促進石墨化的元素(如Si、Ni、Co)、以及在結構上自由一.共析鋼過冷奧氏體等溫轉變曲線MSMf過冷奧氏體等溫轉變開始所經歷的時間稱為孕育期，它的長短標志著過冷在鼻尖以下，孕育期隨溫度降低而延長。二.過冷奧氏體轉變及其產物的組織形態與性能根據過冷奧氏體轉變溫度的不同，轉變產物可分為珠光體、貝氏體和馬氏Mf1.珠光體轉變和珠光體的紐織形態與性能就是說，一個珠光體團是由一個滲碳體晶粒和一個鐵素體晶粒相互穿插而形成珠光體為索氏體，其片間距約為80~150nm。在更低的溫度下形成的片間距為30~80nm的極細片狀珠光體被稱為托氏體。用電子顯微鏡觀察時，不論是索氏體還是托氏體，都是層片狀組織，只是片間距不同而已。如圖5.10所示。因而馬氏體的化學成分與母相奧氏體完全相同。如共析鋼的奧氏體碳濃度為0.8％，它轉變成的馬氏體的碳濃度也為0.8％。M點低于室溫的情鋼中馬氏體的形態主要有兩種，即板條狀馬氏體和針片狀馬氏體。馬氏體條狀(見圖5.16)；含碳量高于1.0％時，馬氏體基本為針片狀(見圖5.17)；含條之間以小角度晶界分開，束與束之間具有較大的位向差。在板條狀馬氏體內，轉變溫度不同，所形成的貝氏體的形態和性能也不同。鋼中貝氏體形態主Ms轉變為下貝氏體。布著細片狀碳化物，它們與鐵素體的長軸方向約成55°~60°角，如圖5.20b三.影響過冷奧氏體等溫轉變的因素C素都會影與奧氏體化條件。1.含碳量的影響2.合金元素的影響隨著奧氏體化溫度的升高和保溫時間的延長，奧氏體的成分更加均勻化，4.過冷奧氏體連續冷卻轉變曲線不夠準確，還必須建立過冷奧氏體連續冷卻轉變曲線(又稱CCT圖)。會發生貝氏體轉變。2)過冷奧氏體連續冷卻轉變的產物不可能是單一、均勻的組織。過冷度c退火和正火是應用最為廣泛的熱處理工藝。在機械零件和工、模具的制造加工及最終熱處理(淬火)作好組織、性能準備。一些對性能要求不高的機械零一.退火目的及工藝退火是鋼加熱到適當的溫度，經過一定時間保溫后緩慢冷卻，以達到改善的不均勻性，細化晶粒，降低硬度，消除內應力，以及為淬火作好組織準備。1.完全退火低碳鋼和過共析鋼不宜采用完全退火。低碳鋼完全退火后硬度偏低，不利完全退火所需時間很長，特別是對于某些奧氏體比較穩定的合金鋼，往往需要幾十小時，為了縮短退火時間，可采用等溫退火。3.球化退火球化退火是使鋼中滲碳體球化，獲得球狀(或粒狀)珠光體的一種熱處理球化退火是將鋼件加熱到Ac1以上20~30℃，充分保溫使未溶二次滲碳體近年來，球化退火工藝應用于亞共析鋼也取得較好的效果，只要工藝控制4.擴散退火散退火生產周期長、消耗能量大、生產成本高，所以一般不輕易采用。5.去應力退火一.淬火加熱溫度加熱溫度一般限制在臨界點以上30~50℃范圍。碳鋼淬火加熱溫度范圍如圖亞共析鋼淬火加熱溫度為Ac3＋(30~50℃)。這樣可獲得均勻細小的馬氏不足，甚至出現“軟點”現象。溫度為Ac1＋(30~50℃)。淬火后，共析鋼組織二.淬火冷卻介質體組織，淬火冷卻速度就必須大于臨界冷卻速度(Vc)而快冷總是不可避免地程都介質是水、鹽水和油。水是既經濟又有很強冷卻能力的淬火冷卻介質。其不足之處是在650~符合理想淬火冷卻介質的要求。鹽水的淬火冷卻能力比清水更強，尤其在650~三.淬火冷卻方法1.單液淬火單液淬火是將奧氏體化后的鋼件淬入一種介質中連續冷卻獲得馬氏體組織2.雙液淬火雙液淬火是先將奧氏體化后的鋼件淬入冷卻能力較強的介質中冷至接近MS或3.分級淬火分級淬火是將奧氏體化后的鋼件淬入稍高于MS點溫度的鹽浴中，保持到工件內外溫度接近后取出，使其在緩慢冷卻條件下發生馬氏體轉變(如圖5.30曲4.等溫淬火等溫淬火是將奧氏體化后的鋼件淬入高于MS點溫度的鹽浴中，等溫保持，一.淬火鋼在回火時的轉變與回火組織1.淬火鋼在回火時的轉變2)殘余奧氏體轉變3)碳化物的轉變4)滲碳體聚集長大和α相再結晶為復雜，但根據回火溫度范圍的不同，大致可將碳鋼的主要回火組織分為三類。它托氏體是由大量彌散分布的細粒狀滲碳體和針片狀鐵素體組成，在光學顯微鏡滲碳體和多邊形鐵素體組成，在光學顯微鏡下，滲碳體顆粒能清楚分辨，如圖稍有提高。在200~250℃回火時，由于殘余奧氏體轉變為下貝氏體或回火馬氏被消除，鋼的屈服強度和抗拉強度都得到提高。在300~400℃溫度范圍內回火時，鋼的彈性極限達到淬火鋼經回火獲得的托氏體和索氏體組織與過冷奧氏體直接分解所得到的1.低溫回火回火溫度范圍一般為150~250℃，得到回火馬氏體組織。淬火鋼經低溫回火后仍保持高硬度(HRC58-64)和高耐磨性。其主要目的是為了降低淬火應力各種高碳鋼工、模具及耐磨零件通常采用低溫回火。回火溫度范圍通常為350~500℃，得到回火托氏體組織。淬火鋼經中溫回火后，硬度為HRC35~45，具有較高的彈性極限和屈服極限，并有一定的塑性C淬火鋼回火時，其沖擊韌性并非隨著回火溫度的升高而單調地提高，在現象稱為鋼1.低溫回火脆性也叫速定熱處理工藝的重要依據。一.淬透性的概念透層越深，表明鋼的淬透性越好。三.淬透性曲線的應用二.淬透性的測定及表示方法測定鋼的淬透性的最常用的方法是末端淬火法(筒稱端淬法)，其有關細則將端淬后的試樣沿著軸線方向相對兩側面各磨去0.2~0.5mm，獲得兩個相35的距離，HRC為在該處測得的硬度值。例如J表示距水冷端12mm處的硬度1.根據淬透性曲線可以比較不同鋼種的淬透性大小先在半馬氏體區硬度與鋼的含碳量的關系曲線(圖5.38c)上找出不同鋼種2.利用淬透性曲線可以確定鋼棒的臨界淬火直徑3.利用淬透性曲線可推導圓鋼淬火后橫我面上的硬度分布“1/2半徑”和“中心”曲線的交點，并由此找到它們相應的距試樣末端的距離4.淬透性與機械設計一.感應加熱表面淬火1.感應加熱的基本原理2.感應加熱表面淬火的種類工件表層的深度δ(mm)與電流頻率f(Hz)之間有如下關系：20f800f 2)中頻感應加熱表面淬火：電流頻率為500~10000Hz，最常用頻率為2500~8000Hz。可獲淬硬層深度為3~5mm。主要用于要求淬硬層較深的較大尺寸的軸類零件及大中模數齒輪的表面淬火。m。感應加熱表面淬火通常采用噴射介質冷卻。工件經表面淬火后，一般應在180~200℃進行回火，以降低殘余應力和脆性。3.感應加熱表面淬火的特點1)由于感應加熱速度極快，鋼的奧氏體化溫度明顯升高，奧氏體化時間顯著縮短，即奧氏體化是短時間內在一個很寬的溫度范圍內完成的。氏體，硬度比普通淬火的高HRC2-3，韌性也明和脫碳；同時由于芯5)感應加熱表面淬火的生產效率高，便于實際機械化和自動化；但因設備一.化學熱處理的基本過程理過程是一個比較復雜的過程。一般將它看成由滲劑的分解、工件表程組成。1.滲劑的分解例ˉ2.工件表面的吸收剛分解出的活性原子(或離子)碰到工件時，首先被工件表面所吸附；而后使被滲元素的原子由高濃度表面向內部的定向遷移，從面形成一定深度的擴散二.鋼的滲碳將低碳鋼放人滲碳介質中，在900~950℃加熱保溫，使活性碳原子滲入鋼1.滲碳方法1)氣體滲碳氣體滲碳是零件在含有氣體滲碳介質的密封高溫爐罐中進行滲碳處理的工密封后送入加熱爐內，進行加熱滲碳。滲碳溫度一般也為900~950℃。2.滲碳層成分、組織和厚度層組織為珠光體過渡層一半處的厚度為滲~1)直接淬火度直接進行淬火。這種方法一般適用于氣體或液固體滲碳時較難采用。2)一次淬火三.鋼的氮化四.鋼的氰化氮共滲。中溫氣體氰化是將鋼件放人密封爐罐內加熱到820~860℃，并向爐內滴人核的長犬、正火與退火的目的近似。與退火相比，相同成分的鋼正火后機械性能較高；而亞共折鋼淬火加熱溫度為AC3＋(30~50)℃，共折鋼和過共折鋼的淬火加熱溫皮為AC1＋(30~50)℃。最常用的淬火方法為單液淬火、雙液淬火、分級、5.2為什么當鐵素體完全轉變為奧氏體后仍然有一部分碳化物沒有溶解？第六章合金鋼5.4奧氏體在什么條件下轉變為片狀珠光體，在什么條件下轉變為粒狀珠光5.5為什么珠光體轉變溫度越低，珠光體的片間距越小？么含碳量高于0.6％的碳鋼仍被廣泛采用？5.7簡述鋼中板條狀馬氏體和針片狀馬氏體的形狀特征、亞結構以及機械性能5.8簡述貝氏體組織的分類、形貌特征及其形成條件。5.9試比較貝氏體轉變與珠光體轉變和馬氏體轉變的異同點。5.10試從合金元素對鋼的TTT圖的影響討論合金元素對熱處理工藝的影響。5.17為什么鋼經高頻感應加熱表面淬火后，其表面硬度一般要比普通淬火的碳素鋼品種齊全，冶煉、加工成型比較簡單，價格低廉。經過一定的熱處本章介紹了合金鋼的特點及其發展、合金鋼的分類和編號方法；揭示了合一.合金鋼的分類2)合金工具鋼3)特殊性能用鋼2.按合金元素的含量分類3.按平衡狀態或退火組織分類可以分為:亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼和萊氏體鋼。二.合金鋼的牌號表示方法1.合金結構鋼的牌號表示方法據國家規范的規定，合金結構鋼的牌號用“兩位數字+元素符號十數字”me末G2.合金工具鋼的牌號表示方法與合金結構鋼的牌號表示方法相比，合金工具鋼中合金元素的表示方法未如在鋼中存在的形式：1.一部分合金元素可溶于鐵素體中形成合金鐵素體2.一部分合金元素則會溶于滲碳體中形成合金滲碳體3.與碳相互作用形成碳化物一般將合金元素分為非碳化物形成元素和碳化物形成元素兩類：二.合金元素對鐵索體的影響3硬度。三.合金元素對滲碳體和特殊碳化物的影響C當鋼中同時存在幾個碳化物形成元素時，會根據其與碳親和力的強弱不同，依次形成不同的碳化物。如鋼中含Ti、W、Mo及較高的碳量時，首先形成TiC，五.合金元素對鋼在加熱和冷卻時轉變的影響1.合金元素對鋼在加熱轉變時的影響1)對奧氏體化的影響影響以及它們與碳在奧氏體中的擴散能力直接控制了奧氏體的形成過程。響體晶粒長大，所以對錳鋼熱處理時，要嚴格控制加熱溫度和保溫時間2.含金元素對過冷奧氏體轉變的影響C區域。一.普通低合金結構鋼1.用途：普通低合金結構鋼(簡稱普低鋼)是在低碳碳素結構鋼的基礎上加入少量合金元素(總Wme<3％)得到的鋼。這類鋼比相同碳質量分數碳素鋼的強度約高織中珠光體的量并使之細化3)加入硅也是提高強度—固溶強化4)加入鈮、釩鈦等強碳化物形成元素，起到第二相彌散強化和阻礙奧氏體晶粒長大的作用5)加入銅、磷等元素則是為了提高鋼的抗腐蝕能力.b三.滲碳鋼1.工作條件和性能要求般的低碳鋼即使經滲碳處理也難以滿足這樣的工作條件.為此在低碳鋼的基礎上較重要的機械零件在復雜工作條件下的正常運行。2.化學成分火。滲碳層的組織是回火馬氏體+合金碳化物+殘余奧氏體，硬度可達到(60~1)低淬透性合金滲碳鋼m分數(wMe≤4％)較高，淬透性較好，油淬臨界直徑約為(25~60)mm，滲碳淬火制作承受中等動載荷的耐磨件，如汽車變速齒輪、≤7．5％)，在鉻、鎳等多種合金元素共同作用下，淬透性很高，油淬臨界直徑鍛造--正火一加工齒形一非滲碳部位鍍銅保護+滲碳+預冷直接淬火+低溫回CC高硬度和高耐磨性，心部具有良好配合的四.調質鋼1.工作條件和性能要求2.化學成分調質鋼一般是中碳鋼，鋼中碳的質量分數在(o．30％~o．50％)C之間，碳到馬氏體組織。處理。合金調質鋼可按其淬透性的高低分為三類，詳見表6．4。1)低淬透性合金調質鋼金調質鋼m多為鉻鎳鉬鋼、鉻錳鉬鋼、鉻鎳鎢鋼，有40CrNiMoA、40CrMnMo、徑大于60~100mm。鉻和鎳的適當配合，使此類鋼的力學性能更加優異。主要五.彈簧鋼、鐘表發條等的鋼稱為彈簧鋼。1.工作條件和性能要求彈簧是廣泛應用于交通、機械、國防、儀表等行業及日常生活中的重要零它們的熱處理工藝也不相同。1)熱成型彈簧的熱處理中溫回火，獲得具有良好彈性極限和疲勞強度的回火托氏體，硬度為(40~力，提高疲勞強度，延長使用壽命。熱軋彈簧鋼采用熱成形制造板簧的工藝路線如下:噴丸一裝配2)冷成型彈簧的熱處理①鉛浴處理冷拉鋼絲先將鋼絲連續拉拔三次，使總變形量達到50％左00C退火消除應力即可。行去應力回火處理，不再經過淬火回火處理了。主要有兩大類：碳化物形成元素鉻、釩、鎢、鉬的加人，能細化晶粒，提高淬透性，提高簧。常用彈簧鋼的牌號、成分、熱處理、性能及用途如表6.5所示。六.滾動軸承鋼用來制作各種滾動軸承零件如軸承內外套圈，滾動體(滾珠、滾柱、滾針等)1.工作條件和性能要求硬度和耐磨性，良好的韌性、彈性極限和接觸疲勞強度，在大氣及潤滑介質下有良好的耐蝕性和尺寸穩定性。2.化學成分分布，導致鋼的硬度、疲勞強度和尺寸穩定性等降低。對大型軸承(如鋼珠直徑超過30~50mm的滾動軸承)而言，還可以加入硅、錳、釩，進一步提高淬、強耐磨性和回火穩定性。滾動軸承鋼的接觸疲勞強度等對雜質和非金屬夾雜物的含量和分布比較敏氧化物、硫化物、硅酸鹽等非金屬夾雜物含量和分布控制在規定的級別之內。3.熱處理特點滾動軸承鋼的最終熱處理一般是淬火+低溫回火，淬火加熱溫度嚴格控制在火后于一60~一80℃進行冷處理，消除應力和減少殘余奧氏體的量，然后再進行回火和磨削加工，為進一步穩定尺寸，最后采用低溫時效處理1,20~130℃保4.常用滾動軸承鋼1)鉻軸承鋼合3)無鉻軸承鋼好，但是脫碳敏感性較大且耐蝕性較差。4)滲碳軸承鋼2)高耐磨性磨性取決于鋼的硬度、韌性和鋼中碳化物的種類、數量、尺寸、分布等。紅硬性的高低與鋼的回火穩定性和合金碳化物彌散沉淀有關。。2.低合金刃具鋼1)化學成分低合金刃具鋼的預先熱處理是球化退火，目的是改善鍛造組織和切削加性組織為回火馬氏體+碳化物+少量殘余奧氏體，具有較高的硬度和耐磨性。體，硬度在(19~24)HBS之間，適宜切削加工。e1)化學成分會增加殘余奧氏體量，過低淬透性則達不到要求。(1)球化退火(2)淬火十回火，高速鋼要進行多次回火：W18Cr4V鋼硬度高速鋼淬火后要在560℃回火三次是因為一次回火不能完全消除殘余奧氏二.模具鋼1)工作條件和性能要求具有較高的淬透性，高精度模具則要求熱處理變形小。2)化學成分為保證獲得高硬度和高耐磨性，冷作模具鋼碳的質量分數較高，大多超過3)熱處理特點現以Crl2MoV冷作模具專用鋼制造沖孔落料模為例來分析熱處理工藝方法及制Crl2MoV鋼的組織與性能與高速鋼相類似，合金元素含量較高，鍛后空冷V大量的殘余奧氏體，硬度僅為(42~50)HRC，但是隨后在510~520'C生“二次硬化”現象，硬度回升到(60~62)HRC，紅硬性也較好，但是淬火加熱。們耐磨性較好，淬火變形不太大。對于形狀復雜、尺寸和負荷較大的模具多用1)工作條件和性能要求2)化學成分熱處理工藝方法及制定生產工藝路線。4)常用熱作模具鋼型熱鍛模(有效厚度大于100mm)多選用5CrNiMo鋼，它的淬火加熱溫度比5CrMnMo鋼高10C左右，淬透性和紅硬性優于5CrMnMo鋼。接觸，對熱強性和紅硬性三.量具鋼2.化學成分藝路線的安排。的規范量塊，硬度值要求達到(62~65)HRC，淬火鍛造一球化退火一機加工一淬火一冷處理一回火一粗磨一低溫人工時效一CrWMn鍛造應力，得到粒狀珠光體和合金滲碳體組織，提高了切削加工性，為最終熱處理作組織上準備。其工藝為780~800℃加熱，在Ar1以下690~710℃長時間等溫，硬度為(217~255)HBS。4.常用量具鋼一.不銹鋼1.金屬腐蝕的基本概念金屬的腐蝕常可分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩類。電化學腐蝕是金屬在電解質溶液中產生了原電池，腐蝕過程中有微電流產材料腐蝕破壞的主要形式是電化學腐蝕，在實際生產中常采用以下措施加以防1)形成鈍化膜保護金屬在鋼中添加某些合金元素，鋼受腐蝕時能立即在表面形成一層致密的鈍化單相鐵素體鋼。索氏體組織。到回火馬氏體組織，硬度可2.鐵素體不銹鋼室溫具有單相奧氏體組織，鉻和鎳的共同使用比僅含鉻的不銹鋼有更高的耐蝕奧氏體不銹鋼組織為奧氏體+碳化物，碳化物的存在會導致2)穩定化處理三.耐熱鋼鋼。1.金屬耐熱性的基本概念金屬材料的耐熱性包含高溫抗氧化性和高溫強度兩方面。燒廢氣等氧化性氣氛中，金屬與氧接觸發生化學反應即氧化腐蝕，腐蝕產物(氧化膜)附著在金屬的表面。隨著氧化的進行，氧化膜厚度繼續增加，金屬氧化到化速度越快。工作應力超過該溫度下的彈性極限時，隨時間的延長金屬發生緩慢變形的現象。變的抗力越大，其高溫強度也越高。金屬材料發生斷裂破壞時的應力值，用---表示，如某金屬材料在500℃下經過可分為抗氧化鋼和熱強鋼兩類。1)抗氧化鋼2)熱強鋼(1)珠光體鋼珠光體熱強鋼的化學成分特點是碳的質量分數較低，合金元素總量也小于V奧氏體熱強鋼含較高的鉻和鎳，總量超過10%，常用鋼有1Crl8Ni9Ti、4Crl4Nil4W2Mo等。一般經高溫固溶處理或固溶時效處理，穩定組織或析出第氏體熱強鋼，工作溫度可高達750~800℃。常被用作內燃機排氣閥、燃汽輪輪三.耐磨鋼高錳鋼碳的質量分數在(0．09％~1．5％)C之間，錳的質量分數為(11％一14％)Mn，鋼號表示為Mnl3。由于它的機械加工性能很差，常常是在鑄態下使第七章鑄鐵對鑄鐵素一.鑄鐵的特點及分類1.特點1)成分2)組織3)性能鑄鐵的缺點是由于石墨的存在，使它的強度、塑性及韌性較差，不能鍛造，球墨鑄鐵來代替合金鋼。2.分類根據石墨形態，灰口鑄鐵可以分為：二.鑄鐵的石墨化結構起伏(L、A和Fe3C的成分更接近)的原因，也可析出滲碳體。2.鑄鐵石墨化過程1)第一階段：從L相中析出的一次石墨(G)和共晶轉變形成的共晶G，Ⅰ2)第二階段：在共晶溫度至共析溫度之間析出的二次石墨(GⅡ)和共析G3.影響鑄鐵石墨化因素1)化學成分C和Si是鑄鐵中主要的強烈促進石墨化元素，為綜合考慮它們的影響，引2)冷卻速度第二階段石墨化難以充分進行。三.石墨與基體對鑄鐵性能的影響1)數量：G破壞基體連續性，減小承載面積，是應力集中和裂紋源，故G2.基體一.灰口鑄鐵1.灰口鑄鐵的牌號、成分與組織2.灰口鑄鐵的性能與應用G存在，灰口鑄鐵的抗拉強度、塑性及韌性低，但其鐵水4.灰口鑄鐵的熱處理為消除內應力引起的變形或開裂，將鑄件緩慢加熱(60~100℃/h)至2)高溫石墨化退火4)表面淬火二.可鍛鑄鐵度灰口鑄鐵，分為黑心可鍛鑄鐵(F基)、珠光體可鍛鑄鐵(P基)及白心可鍛鑄鐵(表層氧化脫碳，少用)。可鍛鑄鐵的強度、韌性，特別是塑性高于普通灰1.可鍛鑄鐵的牌號、成分與組織位數字(最低σb)+二位數字(最低δ)。化2.可鍛鑄鐵的石墨化退火Ⅱ3.可鍛鑄鐵的性能與應用三.球墨鑄鐵1.球墨鑄鐵的牌號、成分與組織(最低δ)，表7-3。2.球墨鑄鐵的球化處理與孕育處理3.球墨鑄鐵的性能與應用4.球墨鑄鐵的熱處理球鐵的機械性能除與G有關外，主要取決于基體。通過熱處理可以改變基理具有如下特點：(1)G參與了相變過程；(2)共晶(析)溫度高于碳鋼，奧氏1)退火目的是消除自由滲碳體(高溫退火)或共析滲碳體(低溫退火)，得到F球(2)低溫正火(不完全A化正火)：將鑄件加熱至共析溫度區間Asc1~Afc1 3)調質將鑄件加熱至Afc1+30~50℃(860~900℃)保溫2~4h，然后油淬，再經目的是提高綜合機械性能。4)等溫淬火四.特殊性能鑄鐵的合金鑄鐵。1.耐磨鑄鐵1)無潤滑條件下使用的耐磨鑄鐵(抗磨鑄鐵)(2)有潤滑條件下使用的耐磨鑄鐵(減摩鑄鐵)2.耐熱鑄鐵在反復加熱和冷卻時產生的不可逆體積長大現象，原因有氧化性氣體沿G片界耐熱合金鑄鐵見表7-5，主要類型有硅系耐熱鑄鐵，如RT(熱鐵)Si5.53.耐蝕鑄鐵第八章有色金屬及其合金一.工業純鋁二.鋁合金1.鋁合金的性能及分類2.鋁合金的熱處理段時間，隨著時間的延長，強度、硬度升高，這種熱處理工藝稱為時效處理(前影響時效強化的因素有(1)固溶體濃度，濃度越大，強化效果越大；(2)合金中，Me=8~14%。分為可熱處理強化鋁合金(硬鋁、超硬鋁及鍛鋁)和不能熱處理強化鋁合金(防銹鋁)，分別表示為LY、LC、LD和LF，其后為順序2)硬鋁合金(杜拉鋁)23)超硬鋁合金典型的是Al-Zn-Mg-Cu系合金，特點是時效后強度、硬度更高，熱加工性能好，但塑性及耐蝕性差，采用包鋁。Al-Zn-Mg形成穩定性更高的強化相η (MgZn2)和T(Al2Mg3Zn3)，其次還有γ(MgZn5)和β(Mg2Al3)。Zn、Mg4)鍛鋁合金典型為Al-Mg-Si-Cu系合金，特點為熱塑性及耐蝕性高。Al-Mg-Si形成4.鑄造鋁合金械性能及耐蝕性外，還要有優良的鑄造性能。1)鋁硅系鑄造鋁合金(鋁硅明) (2)含Mg的特殊鋁硅合金(特殊鋁硅明)：在Al-Si合金中加入Mg，形成Mg2Si。常用的有ZL101、ZL104，經過變質處理加人工時效，組織為細小亞共晶+MgSi，使強度提高。(3)含Cu的特殊鋁硅合金(特殊鋁硅明)：加入Cu形成θ(CuAl2)。常用好，耐蝕性增加，但強度降低(共晶點33.2%Cu，見圖8-2)，因此3)鋁鎂系鑄造鋁合金l4)鋁鋅系鑄造鋁合金特點是強度較高，有良好的鑄造、切削加工性能。缺點是耐蝕性差。常用一.純銅(紫銅)是：(1)優良的導電、導熱及耐蝕性(不耐硝酸和硫酸)；(2)高的塑性及可焊2.純銅的牌號及用途二.銅的合金化和銅合金的分類及編號1.銅的合金化性大為降低，合金化是有效途徑。2.銅合金的分類及編號1)黃銅黃銅和在Cu-Zn基礎上加入其他合金元素形成的特殊(復雜)黃銅，各種黃銅鑄造黃銅牌號：ZCuZn+鋅(第一合金元素)質量分數+第二合金元素+第二2)青銅的銅合金稱為青銅，如錫青銅、鋁青銅、鈹青銅等，各種青銅牌號見表8-7。以Ni為主加元素的銅合金稱為白銅，分為普通(簡單)白銅和特殊(復雜)三.黃銅1.普通黃銅1)α(單相、冷加工)黃銅：100~62.4%Cu，良好的冷、熱加工性，常用2.特殊黃銅3.鑄造黃銅4.黃銅的脫鋅和季裂的腐蝕破壞形式。1)脫鋅：在酸性和鹽類溶液中，表面層的鋅由于電極電位低而遭受電化學開裂，采用260~300℃去應力退火可以消除。四.青銅典型的是錫青銅，現將除黃銅和白銅以外的銅合金都稱為青銅。1.錫青銅2.鋁青銅3.鈹青銅4.硅青銅i3一.滑動軸承的工作條件及性能要求1)耐磨性高，具有較小的摩擦系數(減摩)；高；二.滑動軸承合金的分類與編號ZCh主加元素含量+輔加元素+1.錫基軸承合金(錫基巴氏合金)常用牌號ZSnSb11Cu6，室溫組織為α+β′+Cu3Sn，如圖8-18。黑色基體2.鉛基軸承合金(鉛基巴氏合金)β(硬質點)+(α+β)共晶(軟基體)。為避免β輕引起比重偏析，加入Cu3.銅基軸承合金4.鋁基軸承合金體上分布硬質點的合金。室溫組織為α(Al)軟基體+β(AlSb)硬質點。MgnSnSnSn呈網狀分布于α晶界上。經和鋼的鋁基上均勻分布軟的粒狀Sn質點。3)Al-G軸承合金(略)第九章高分子材料高聚物是由一種或幾種簡單低分子化合物經聚合而組成的分子量很大的化場合中。塑料添加劑(即助劑)是指那些為改善塑料的使用性能和成型加工特性而分布于樹脂中，但對樹脂的分子結構無明顯影響的物質，包括增塑劑、穩定劑(防根據樹脂受熱行為的不同，可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。1.熱塑性塑料1.相對密度小、質輕質輕是塑料最大特性之一，一般塑料的相對密度為0.9~2.3具有很好的比強4.耐腐蝕性能好對酸、堿、大氣腐蝕等化學介質具有良好的抵抗能力。5.具有消音吸震性用它制作傳動零件可減少噪音，改善環境。2.沖擊韌性低3.蠕變溫度低塑料在室溫下受到載荷作用后即有顯著的蛹變現象產生冷流性至發生蠕變4.耐熱性低、線膨脹系數大載荷大5.有老化現象聚乙烯由單體乙烯聚合而成，一般可分為低密度聚乙烯(LDPE)和高密度聚乙烯(HDPE)兩種。前者分子量、密度及結晶較低、質地柔軟，且耐沖擊，常用于制造塑料薄膜、軟管等。后者分子量、密度及結晶均較高，比較剛硬、耐磨、。PVC度、剛度及硬聚丙烯是以丙烯為單體聚合制得的高聚物。PP的相對密度小(塑料中最輕ABS塑料是丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)三種單體的三元共聚物，三得、綜合性能良好、價格便宜、用途廣泛的“堅韌、質硬、剛性”材料。ABSPACONH初用2m用。9.酚醛塑料(PF)環氧塑料(EP)使用，具有突出的尺寸穩定性等。用環氧樹脂浸漬纖維后，于150℃和130~一.橡膠的組成膠是以生膠為原料，加入適量的配合劑以后所組成的高分子彈性體。二.橡膠的主要性能特點2.機械強度度所需要的應力值)。3.耐磨性耐磨性即橡膠抵抗磨損的能力。通常橡膠強度愈高，耐磨性越好。1.天然橡膠(NR)成2.通用合成橡膠第十章陶瓷材料耐燃燒性(近火分解出HCll氣體，能阻止燃燒)、耐溶劑性、耐老化性等均優于3.特種合成橡膠等)制成1.力學性能陶瓷有很高的彈性模量，一般高于金屬2~4個數量級。陶瓷的硬