上海大學機自學院“機械制造基礎”---自學助考SHANGHAIUNIVERSITY姚勤上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY課程簡介組裝，部裝，總裝車，銑，刨，磨，鉆，鏜等市場調(diào)查，購買原材料裝配調(diào)試切削加工毛坯成形生產(chǎn)準備機械制造：將原材料制成零件的毛坯，將毛坯加工成零件，再將零件裝配成機器的整個過程。2、本課程的內(nèi)容

機電類專業(yè)的主干專業(yè)基礎課一、本課程的性質(zhì)和內(nèi)容1、本課程的性質(zhì):

鑄造，鍛造，焊接，沖壓等上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY二、本課程的目標(考試要求)1、了解常用金屬的一般性質(zhì)、適用范圍和選用原則2、初步掌握各種主要加工方法的實質(zhì)、工藝特點和基本原理；并具有選擇毛坯、零件加工方法的基本知識3、了解各種主要加工方法的設備和工具的工作原理、大致結構和范圍4、初步掌握零件的結構工藝性和常用金屬的工藝性5、掌握工程材料及熱處理工藝6、了解現(xiàn)代制造技術的典型工藝、方法及其原理第一章工程材料上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY1.1金屬材料簡介1.1.1金屬材料的性能一、物理性能：二、化學性能：材料抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力。

如：抗氧化性、耐腐蝕性（耐油、耐酸、耐堿）

三、力學性能：材料抵抗外力作用的能力。四、工藝性能：材料加工的難易程度。

密度、熔點、導電性、導熱性1.強度SHANGHAIUNIVERSITY

彈性極限

e

---發(fā)生最大彈性變形時的應力。

屈服強度

s

---開始出現(xiàn)明顯塑性變形時的應力。

條件屈服強度

0.2

---產(chǎn)生0.2%塑性變形時的應力。

抗拉強度

b

---拉斷前所承受的最大應力。應力---單位面積上所承受的內(nèi)力，以

表示。（MPa）應變---單位尺寸上的變形量，以

表示。（%）彈性變形---受力后立即發(fā)生，并隨力的消失而消失的變形。塑性變形---應力超過一定數(shù)值后才發(fā)生的并將永久保留的變形。在外力作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力?！锶?、力學性能上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY

拉伸試驗l0lS

0S拉伸前拉斷后b

縮頸點se

e

s

b

e

---最大彈性變形時的應力

s

---開始塑性變形時的應力

b

---拉斷前所承受的最大應力應力

（MPa）應變（%）

剛度---

材料抵抗彈性變形的能力。用彈性模量E（彈性范圍內(nèi)，應力與應變的比例）表示（E=tg

），E越大剛性越好。

拉伸試樣拉伸曲線屈服點k

拉斷點上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY

對那些沒有明顯屈服現(xiàn)象的材料，一般規(guī)定以試樣產(chǎn)生0.2%殘余伸長率時的應力作為其屈服強度，稱為條件屈服強度

0.2應變（%）應力（MPa）0.2%

0.2上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY2.塑性

延伸率

---

試樣斷裂前后的長度變化率。

斷面收縮率

---試樣斷裂前后的面積變化率。在外力作用下，材料產(chǎn)生塑性變形而不發(fā)生斷裂的能力。l–l0l0

=×100%=

S0–S

×100%S0上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY4321例題：圖示1-4為四種不同材料的應力-應變曲線，請比較這四種材料的抗拉強度、屈服強度、剛度和塑性。應力

應變

12上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY4321應力

應變

0.2

0.2

s3

s20.2

b1

b2

b3

b4

抗拉強度：2

1

3

4（根據(jù)拉斷前的最大應力）

屈服強度：1

3

2

4（根據(jù)屈服點或條件屈服點）上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY4321應力

應變

1

4

2

3

塑性：3

2

4

1（根據(jù)斷裂時的應變

）

剛度：1

3

2

4（根據(jù)彈性模量E）

直線斜率

總=

彈+

塑=

塑δ

所以像這樣畫垂直線比較塑性是錯誤的上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY4321應力

應變

塑性：3

2

4

1（根據(jù)試樣的延伸率δ）剛度：1

3

2

4（根據(jù)彈性模量E）

直線斜率

總=

彈+

塑=

塑δδ1

δ2δ3δ4上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY3.硬度

布氏硬度：

用淬火鋼球或硬質(zhì)合金球作壓頭，以壓痕直徑來衡量材料硬度。

壓痕大，不適宜測薄片或成品，主要用于測較軟的原材料、半成品的硬度，如有色合金、軟鋼、鑄鐵等。

注意：壓頭為鋼球時表示成數(shù)字+HBS，如450HBS，

用硬質(zhì)合金球時表示為數(shù)字+HBW，如650HBW

洛氏硬度：

用金剛石圓錐或淬火鋼球作壓頭，以壓痕深度來衡量材料的硬度

。FF材料抵抗更硬物體壓入的能力。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY

由壓頭和載荷的不同，洛氏硬度分成HRA、HRB、HRC三種，以HRC應用最廣。

洛氏硬度壓痕小，不損傷工件，常用于測硬材料、薄試樣及成品零件。標尺壓頭類型總載荷(N)應用范圍HRA120o金剛石圓錐體588.4硬質(zhì)合金、表面淬火層、滲碳鋼HRB

1.588mm淬火鋼球980.7有色金屬、退火鋼、正火鋼HRC120o金剛石圓錐體235.4淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼三種洛氏硬度的試驗規(guī)范和應用范圍上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY

維氏硬度：用136度金剛石四棱錐作壓頭。（用HV標記）維氏硬度法載荷小、壓痕淺，可測量各種軟硬程度的材料，但測量過程較麻煩。主要用于測極薄的表面硬化層、金屬鍍層及薄片金屬的硬度。

另外，強度和硬度都能反映材料抵抗塑性變形的能力，兩者之間有一定的關系，可近似換算：低碳鋼軋材或鍛件：b0.36HB；灰鑄鐵件：b0.1HB；高碳鋼軋材或鍛件：b0.34HB；鑄鋁件：b0.26HB；

調(diào)質(zhì)合金鋼：b0.325HB特別提醒：不同硬度試驗法所獲得的硬度值是不能直接進行比較的，必須通過換算成同一硬度指標后才能比較。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY4.沖擊韌度通常采用一次擺錘沖擊彎曲試驗進行測定，用擺錘沖擊缺口試樣時單位截面所消耗的沖擊功

k

表示沖擊韌度。

材料抵抗一次或數(shù)次大能量沖擊的能力。

k

=G（H-h）S其中：G---擺錘質(zhì)量,KgS---試樣缺口處原始截面積,cm2擺錘缺口試樣SHANGHAIUNIVERSITY!!!

材料的沖擊韌度主要取決于塑性，并與溫度密切相關。

二次世界大戰(zhàn)中，美國建造了約5000艘全焊接“自由輪”，然而在1942年~1946年之間有1000艘船舶發(fā)生破斷，1946年~1956年之間有200艘發(fā)生嚴重折斷。1943年1月美國的一艘T-2y油船停泊在裝貨碼頭時斷裂成兩半截，當時計算的甲板應力水平僅為7Kg·f/mm2，遠遠低于船板鋼的強度極限。為什么會斷裂呢？原因是發(fā)生冷脆

通過在不同溫度下對材料進行沖擊試驗，結果表明:材料的沖擊韌度值隨溫度的降低而減小，當溫度降低到某一溫度范圍時，沖擊韌度急劇下降，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。上海大學機自學院1.1.2金屬材料的種類上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY金屬材料分為黑色金屬和有色金屬兩類

黑色金屬：主要指鋼和鑄鐵。一、鋼的種類

（1）按化學成份：碳鋼合金鋼并且按碳量高低劃分為：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼按合金量高低劃分為：低合金鋼、中合金鋼、高合金鋼（鐵、碳及少量殘存的雜質(zhì)）★（鐵、碳及添加的合金元素）低碳

中碳

高碳0.250.6碳量（%）低碳

中碳

高碳

510合金量（%）低合金

中合金

高合金上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY（2）按質(zhì)量劃分（4個級別）：普通、優(yōu)質(zhì)、

高級優(yōu)質(zhì)、特級優(yōu)質(zhì)（3）按用途劃分（3種）：結構鋼、工具鋼、

特殊性能鋼二、常用鋼材的牌號

1.（普通）碳素結構鋼：

Q235-AF

牌號意義：屈服強度為235MPa,質(zhì)量為A級，沸騰鋼

碳素結構鋼主要用于一般的工程結構（鋼窗、鋼筋等）和不太重要的機械零件及焊接件。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY

2.優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼：

45

數(shù)字代表碳量（

c）的萬分之幾

優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼主要用于制造重要的機械零件。如08、08F、10、10F的冷軋薄板可制造儀表儀器的外殼和汽車、拖拉機的沖壓件；15、20、25常制造尺寸小、負荷輕、表面耐磨、心部軟韌的零件;而40、45主要制造重要的受力和傳遞運動的零件;55、60、65用于制作負荷不大、尺寸較小的彈簧。*專門用途應標出，如20g代表鍋爐用鋼*含錳較高也應注明,如50Mn上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY

3.碳素工具鋼（優(yōu)質(zhì)、高級優(yōu)質(zhì)）：

T8

T8A

碳素工具鋼的紅硬性差，只能用于制造手工用的低速運動的刀具、量具、模具等。如T7、T8（T7A、T8A）用于制造受震動和沖擊、要求高韌性的工具（鑿子、錘子、沖頭）；T10、T12（T10A、T12A）用于制造不受震動但要求極高硬度的工具（銼刀、鋸條、絲錐）。數(shù)字代表碳量（

c）的千分之幾工具高級優(yōu)質(zhì)上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY

4.鑄造碳鋼（鑄鋼）：ZG200-400

s

b

用于制造形狀特別復雜且受力較大，須鑄造成形的鋼質(zhì)零件。

低碳鑄鋼具有良好的導磁性，常用于鑄造電磁吸盤和電機殼體等；中碳鑄鋼的綜合機械性能好，廣泛用于鑄造重要的復雜機器零件，如軋鋼機機架、機車機架、重型齒輪、減速機殼體等；高碳鑄鋼因韌性較差，很少應用。要求特別高的零件或工具可采用合金鑄鋼，如ZGMn13等。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY三、鑄鐵的種類、性能及牌號1、白口鑄鐵→碳全部以滲碳體形式存在的鑄鐵。因斷口呈銀白色而得名。性能硬而脆。

主要用作煉鋼或生產(chǎn)其它種類鑄鐵的原料。

2、灰口鑄鐵→碳主要以片狀石墨的形式存在。因斷口呈暗灰色而得名。力學性能比較低但鑄造性能極佳，并具有較好的減震性。

用于制造機床床身、底座、減速器箱體、泵體、閥體、氣缸體等。（鑄后需進行去應力退火）例：HT150代表b不低于150MPa的灰口鑄鐵上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY3、可鍛鑄鐵→碳主要以團絮狀石墨的形式存在。

是由白口鑄鐵經(jīng)長時間的高溫石墨化退火而形成的，力學性能較好，特別是韌性較高，并具有一定的耐腐蝕性。

常用于制造棘輪、鏈條、制動器等承受沖擊振動的薄壁小零件及彎頭、三通等管道件和閥門等。例：KTZ550-04代表b不低于550MPa，不低于4%的珠光體基的可鍛鑄鐵

b

b上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY4、球墨鑄鐵→碳主要以球狀石墨的形式存在。是在澆注前向鐵水中加入孕育劑和球化劑而形成的，強度高，是以鐵代鋼的重要材料。

用于制造載荷大、形狀復雜的零件，如曲軸、汽車齒輪等。（鑄后退火、正火、調(diào)質(zhì)等）例：QT600-3代表b不低于600MPa，不低于3%的球墨鑄鐵

b

上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY5、蠕墨鑄鐵→碳主要以蠕蟲狀石墨的形式存在。比灰口鑄鐵強度高，比球墨鑄鐵鑄造性、耐熱性、抗疲勞性好。（鑄后正火、退火）例：RuT380代表b不低于380MPa的蠕墨鑄鐵6、合金鑄鐵→在鐵水中添加某些合金元素，可得到某種特殊性能，如加硅、鋁、鉻能提高耐熱性，加硅、鋁、鉻、銅、鎳能提高耐腐蝕性。*耐磨鑄鐵*耐熱鑄鐵

*耐蝕鑄鐵上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY1.2晶體的結構

固態(tài)物質(zhì)按原子聚集狀態(tài)分為晶體和非晶體。

晶體---原子在三維空間呈有規(guī)則的周期性重復排列。

非晶體---原子呈現(xiàn)無規(guī)律、無次序的堆積。

絕大多數(shù)的固態(tài)金屬和合金都是晶體。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY

晶格---將晶體中的每一個原子假設成一個幾何點，忽略其尺寸和重量，再用假想線把這些點連接起來，所得到的一個表示金屬內(nèi)部原子排列規(guī)律的抽象的空間格子。一、晶格、晶胞和晶格常數(shù)

晶胞---反映晶格特征的最小幾何單元。

晶格常數(shù)---反映晶胞大小、形狀的參數(shù)。

如棱邊長度a、b

、c(以

A

為單位，1

A

=10-10米)和棱間夾角α、β、γ

等。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY

（a）原子排列模型（b）晶格（c）晶胞

。。二、純金屬的晶體結構（晶格類型）對純金屬而言，常見的晶體結構有三種，分別是：上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY①

體心立方晶格---晶胞形狀為立方體，8個頂點及體心各有1個原子(1個晶胞2個原子)，晶格常數(shù)

=

b

=

,

=

==90°。屬于此類晶格的金屬有鉻、鉬、釩、

鎢、α-鐵等。具有相當高的強度和塑性。αβγca上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY②

面心立方晶格

---晶胞形狀為立方體，8個頂點及6

個表面的中心各有1個原子(1個晶胞4個原子)，晶格常數(shù)

=

b

=

,

=

==90°。屬于此類晶格的金屬有金、銀、銅、鋁、鎳、-鐵等。具有較好的塑性而且低溫下不會發(fā)生冷脆。βγcaγα上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY③

密排六方晶格

---晶胞形狀是一個六方柱體。柱體的12個頂點及上、下底面中心各有1個原子，柱體中心還有3個原子(1個晶胞6個原子)。屬于這類晶格的金屬有鎂、鋅、鈹、鎘等。塑性一般較差。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY

理想晶體是單晶體結晶結構和位向完全一致的晶體。

單晶體一般性能呈現(xiàn)各向異性，須用特殊手段制取。

實際金屬是多晶體由許多結構相同但位向不同的小晶體所構成的晶體。

多晶體一般呈現(xiàn)各向同性(又稱為偽各向同性，即各晶粒因位向不同而將各向異性抵消，使各向性能趨于相同)晶粒晶界三、實際金屬的晶體結構上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY

實際金屬有晶格缺陷原子排列規(guī)則受到破壞，出現(xiàn)與理想結構的偏差

點缺陷：間隙原子、置換原子、晶格空位

晶格缺陷分為點缺陷、線缺陷、面缺陷所有的晶格缺陷都將導致其周圍的晶格發(fā)生畸變，從而引起金屬的力學性能、化學性能等發(fā)生顯著的變化。一般而言，晶格缺陷越多，強度、硬度越高。

上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY

線缺陷：位錯（一列或多列原子發(fā)生錯排）

面缺陷：晶界或亞晶界上的晶格畸變晶界亞晶界晶粒與晶粒之間的交界面在同一晶粒內(nèi)，略有位向差的小晶塊之間的邊界1.3金屬的結晶上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY一、有關結晶的幾個概念二、金屬的結晶過程三、結晶后的晶粒大小四、金屬的同素異構轉(zhuǎn)變上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY一、有關結晶的幾個概念1.結晶----液態(tài)金屬凝固成為原子有規(guī)則排列的晶體的過程。2.冷卻曲線----液態(tài)金屬從高溫冷卻至室溫的過程中測得的溫度--時間變化曲線。

溫度

無限緩慢冷卻時

溫度

實際冷卻時

T0

T

時間

時間3.理論結晶溫度T0---在無限緩慢冷卻條件下的平衡結晶溫度。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY4.過冷現(xiàn)象及過冷度

過冷現(xiàn)象---實際冷卻條件下，實際結晶溫度總是低于理論（平衡）結晶溫度的現(xiàn)象。

過冷度---理論結晶溫度與實際結晶溫度的差值。

過冷度與冷卻速度的關系：

冷卻速度越快，過冷度

T越大。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY二、金屬的結晶過程結晶=晶核形成+晶核長大

通常情況下，晶核形成后的晶核長大方式是呈樹枝狀的長大，即首先沿散熱條件最好的晶核棱角處快速生長形成主干（一次晶軸），同時又不斷地生出新的分枝，直至液體全部消耗殆盡。一般結晶完畢后，這種樹枝晶形態(tài)并不顯露，但在鑄錠組織中較為明顯。SHANGHAIUNIVERSITY上海大學機自學院

根據(jù)結晶過程分析，若形核速度快于生長速度，則結晶后的晶體晶粒細密，力學性能較好；而若形核少、生長快，則易得到粗大的晶粒，造成力學性能的下降。三、結晶后的晶粒大小

金屬結晶后的晶粒愈細，晶界面積就愈大,意味著晶體缺陷就愈多，則對金屬力學性能的影響愈大。一般情況下，細晶粒組織的強度、硬度、塑性和韌性都比粗晶粒組織好。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY★

細化晶粒的方法：1.增大冷卻速度以提高過冷度，可細化晶粒。

如鑄造時用金屬型代替砂型，加快冷卻。2.通過變質(zhì)處理（孕育處理）增加晶核數(shù)，可細化晶粒。

勻質(zhì)晶核（自發(fā)晶核）

異質(zhì)晶核（人工晶核）

3.結晶時外加振動（機械、超聲波、電磁）破碎大晶粒，獲得細晶組織。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY四、金屬的同素異構轉(zhuǎn)變

固態(tài)物質(zhì)隨溫度不同而改變其原子排列方式，得到不同晶體結構的現(xiàn)象稱為同素異構轉(zhuǎn)變，又稱為重結晶。

純鐵的同素異構轉(zhuǎn)變過程：

912℃

1394℃

-Fe

-Fe

-Fe

(體心立方）

（面心立方）（體心立方）

具有同素異構轉(zhuǎn)變特性的金屬（如Fe、Co、Sn、Mn等）可以通過熱處理來改變組織和性能。液態(tài)鐵1538℃結晶重結晶重結晶

-Fe-Fe

-Fe1538℃1394℃

912℃

1.5二元合金的晶體結構上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY一、有關合金的幾個概念二、合金的晶體結構三、二元合金相圖上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY一、有關合金的幾個概念

合金---由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。

元---組成合金的元素或穩(wěn)定化合物叫組元，簡稱元。

相---成分相同、結構相同，并與其它部分以界面分開的均勻物質(zhì)部分。

組織---由一個或多個相按一定方式相互結合所構成的，具有相同形貌特征的整體。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY固態(tài)合金的晶格結構按相屬性分為固溶體和化合物兩類。按組織屬性分為固溶體、化合物和機械混合物三類。二、合金的晶體結構1.固溶體---(少數(shù))溶質(zhì)原子溶入(多數(shù))溶劑原子的晶體結構中所形成的合金相。

固溶體仍將保持溶劑金屬的晶體結構，但晶格參數(shù)發(fā)生改變。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY

①間隙固溶體：

★固溶強化---固溶體形成時，因溶質(zhì)原子鉆入溶劑原子的間隙或置換溶劑原子而引起晶格畸變，造成合金強度、硬度提高的現(xiàn)象。溶劑原子直徑溶質(zhì)原子直徑<0.59

時形成。溶質(zhì)和溶劑原子大小接近時形成。

②置換固溶體：間隙固溶體一定是有限固溶體。置換固溶體可以是有限互溶體或無限互溶體。溫度越高，溶解度越大。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY2.金屬化合物---兩組元都放棄自身的原子排列方式而形成的一種具有全新晶體結構的新物質(zhì)?；衔镆话憔哂袕碗s的晶格，熔點高，硬而脆。3.機械混合物---由固溶體和金屬化合物均勻混合而成的物質(zhì)。

機械混合物可以將固溶體的柔軟和化合物的硬脆進行不同程度的中和，從而滿足不同的性能要求。所以，工業(yè)中使用的合金都希望有相當比例的機械混合物存在。

★第二相強化（彌散強化）---化合物彌散均勻地分布在固溶體上，使合金強度硬度提高，塑性韌性下降的現(xiàn)象。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY三、二元合金相圖

二元合金---由兩種組元組成的合金。

二元合金相圖（二元合金狀態(tài)圖）

---表達平衡條件（極其緩慢的冷卻）下，

合金系中溫度、成分和相組織之間關系的圖形。

二元合金相圖的主要類型

分為共晶相圖、共析相圖、包晶相圖等上海大學機自學院①共晶相圖：兩組元在液態(tài)無限互溶，固態(tài)時有限溶解，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的合金相圖。

共晶轉(zhuǎn)變---一個液相同時結晶出兩個固相的過程。★共晶轉(zhuǎn)變式：Lc

d+

e共晶體（+）BL

Acde亞共晶合金共晶合金過共晶合金上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY②共析相圖：兩組元在固態(tài)時發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。

共析轉(zhuǎn)變---一個固相同時析出兩個新固相的過程。★共析轉(zhuǎn)變式：

c

d+

e*共析反應是在固態(tài)下進行的，原子擴散較困難，易達到較大的過冷度，形核率高，故共析組織要比共晶組織細得多。

AB

cde共析體（+）亞共析合金共析合金過共析合金上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY③

包晶相圖：兩組元在液態(tài)無限互溶，固態(tài)時有

限溶解，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變。

包晶轉(zhuǎn)變---一個液相與一個固相形成另一個固相的過程。J

★包晶轉(zhuǎn)變式：

LB

+

H

JL

BH

1.6鐵碳合金SHANGHAIUNIVERSITY一、鐵碳合金的基本組織（1）鐵素體F----碳溶于

-Fe中形成的固溶體。

*F中碳的最大溶解度為0.0218%，F(xiàn)塑性、韌性好（2）

奧氏體A----碳溶于

-Fe中形成的固溶體。

*A中碳的最大溶解度為2.11%，A硬度低、塑性好

（3）

滲碳體Fe3C----Fe與C形成的間隙化合物。

*

Fe3C的

c=6.69%，F(xiàn)e3C性能硬而脆

*

從L中析出的稱為Fe3CI；從A中析出的稱為Fe3CII；從F中析出的稱為Fe3CIIISHANGHAIUNIVERSITY（4）珠光體P----由

c=0.77%的A共析生成的F與

Fe3C的機械混合物。

*

P中F與Fe3C一般呈片狀分布，經(jīng)特殊處理后可得到球狀P。

P的強度、硬度較好，塑性一般。（5）萊氏體高溫萊氏體Ld----由

c=4.3%的液體共晶生成的A和Fe3C的機械混合物。低溫萊氏體Ld’----c=4.3%的Ld冷到室溫后形成的P和Fe3C的機械混合物。Fe3CF片狀P球狀PSHANGHAIUNIVERSITYLAPLdLd’Fe3CL+A

F+AF+PA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ

+

LdLd+Fe3CⅠP+Fe3CⅡ

+

Ld’Ld’+Fe3CⅠL+Fe3CⅠFF+Fe3CⅢ1148

℃727

℃0.02180.772.114.36.69★二、鐵碳合金狀態(tài)圖（Fe-Fe3C相圖）Fe3CFeSHANGHAIUNIVERSITY根據(jù)含碳量和組織的不同，鐵碳合金分為三類：●工業(yè)純鐵：平衡組織為鐵素體及少量三次滲碳體●鋼●白口鑄鐵亞共析鋼：室溫平衡組織為鐵素體+珠光體共析鋼：室溫平衡組織為珠光體過共析鋼：室溫組織為珠光體+二次滲碳體亞共晶白口鑄鐵：P+Fe3CⅡ+Ld’共晶白口鑄鐵:Ld’過共晶白口鑄鐵:Ld’+Fe3CⅠ工業(yè)純鐵鋼白口鑄鐵6.692.110.02180上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY

Fe-Fe3C相圖的學習要求①相圖的形態(tài)會默畫②特征點線數(shù)據(jù)要記牢

成分:0.0218%、

0.77%、2.11%、4.3%、6.69%

F的最大碳量共析成分

鋼鐵分界

共晶成分

Fe3C的碳量溫度：727℃、1148℃

共析溫度

共晶溫度③區(qū)域組織會分析（僅記單相區(qū)）④會分析6種合金冷卻曲線和組織轉(zhuǎn)變過程亞共析、共析、過共析、亞共晶、共晶、過共晶★上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY★亞共析鋼的平衡冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變過程★亞共析鋼室溫平衡組織金相照片F(xiàn)P上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITYa)共析鋼的★共析鋼的平衡冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變過程★共析鋼室溫平衡組織金相照片P上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY★過共析鋼的平衡冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變過程★過共析鋼室溫平衡組織金相照片PFe3CⅡ（網(wǎng)狀）上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITYa)32112233’’1以上1--22--33以下★亞共晶白口鑄鐵的平衡冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變過程LFe1

2

34

5

66.69溫度(℃)LAALd★亞共晶白口鑄鐵室溫平衡組織金相照片’LdP時間溫度PLd’

c(%)（魚骨狀）上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY★共晶白口鑄鐵的平衡冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變過程★共晶白口鑄鐵室溫平衡組織金相照片21’LdLd1以上L1--2Ld’122’上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY312★過共晶白口鑄鐵的平衡冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變過程★過共晶白口鑄鐵室溫平衡組織金相照片’LdFe3CⅠL1以上2133’1--2LdFe3CⅠ2’2--3LFe3CⅠ3以下Ld’Fe3CⅠ上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY⑤會寫2種轉(zhuǎn)變式

共晶轉(zhuǎn)變式：L4.3

2.11+Fe3C

共析轉(zhuǎn)變式：

0.77

0.0218+Fe3C⑥能理解碳量對鐵碳合金組織和性能的影響

c<1%時，隨碳量的增加，強度、硬度；塑性、韌性

c>1%時，隨碳量的增加，硬度；強度、塑性、韌性上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY

對亞共析和共析鋼來說，基體是F，

Fe3C是作為強化相出現(xiàn)在P中的。且隨C↑，P↑，故材料強度、硬度就越高，塑性和韌性則有所下降。

而對過共析鋼，分布在晶界上并連成網(wǎng)狀的Fe3CⅡ使整個材料脆性增加，造成強度、塑性、韌性的下降。

對白口鑄鐵來說，硬而脆的Fe3C作為基體出現(xiàn)，從而使整個材料的性能特別硬脆，難以切削加工，因此實際生產(chǎn)中很少應用此類材料。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY書上14頁圖1-17上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY1.7鋼的熱處理將鋼在固態(tài)下進行不同方式的加熱、保溫和冷卻，從而改變其內(nèi)部組織，獲得所需性能的工藝過程稱為鋼的熱處理。純粹利用鋼材的原始性能來滿足對零件日益趨高的使用要求常常是不經(jīng)濟的，有時甚至是不可能的。對同一種材料施以不同的熱處理工藝獲得截然不同的性能，可滿足加工和使用要求。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY

因此熱處理的應用日益廣泛，幾乎80%的機械零件都要熱處理，至于工具（刀具、量具、模具）和軸承則100%都要進行熱處理,以延長零件的使用壽命。

一、熱處理的基本概念

1.目的→改善組織和性能2.機理→固態(tài)相變（純金屬的同素異構轉(zhuǎn)變、合金的晶體結構改變）及原子擴散？鋼燒紅后放入水中急冷會變硬，紫銅卻不會上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY4.分類3.工藝過程→加熱+保溫+冷卻加熱保溫冷卻普通熱處理（整體熱處理）表面熱處理化學熱處理形變熱處理上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY5.過熱和過冷●過熱---加熱時高于平衡轉(zhuǎn)變溫度才發(fā)生相變●過冷---冷卻時低于平衡轉(zhuǎn)變溫度才發(fā)生相變*加熱轉(zhuǎn)變溫度：

Ac1、Ac3、AccmAc1Ac3Accm*平衡轉(zhuǎn)變溫度：

A1、A3、Acm

AcmA3A1*冷卻轉(zhuǎn)變溫度：

Ar1、Ar3、Arcm

Ar3Ar1Arcm上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY二、鋼加熱時的組織轉(zhuǎn)變（屬于平衡轉(zhuǎn)變）奧氏體化+奧氏體長大1.奧氏體的形成過程（=形核+長大）上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY*完全A化（加熱至Ac3或

Accm

以上溫度）

F、P、Fe3C

A*部分A化（僅加熱至Ac1以上溫度）

PA部分A化部分A化完全A化Ac3線Accm線Ac1線根據(jù)加熱溫度的不同，奧氏體化可分為：

2.奧氏體的長大過程

奧氏體形成后，如果繼續(xù)加熱或保溫，在伴隨殘余滲碳體溶解和奧氏體均勻化的同時，奧氏體晶粒將開始長大。奧氏體晶粒的長大是大晶粒吞并小晶粒的過程，其結果是使晶界面積減小，從而降低了表面能，因此它是一個自發(fā)的過程。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY

熱處理生產(chǎn)中應嚴格控制加熱溫度，不能過熱。常采用快速加熱和短時間保溫的方法來細化晶粒。因為適當提高加熱速度有利于增大過熱度，使A晶粒細化，則冷卻后的組織也越細，材料的強度、塑性、韌性越好；適當?shù)谋貢r間有利于A均勻化，但保溫時間過長將使晶粒過份長大，形成粗晶。

3.影響奧氏體晶粒度的因素熱處理時的加熱溫度、加熱速度、保溫時間以及鋼中的碳元素、合金元素的含量都會影響A的長大程度，從而影響實際晶粒度。

加熱溫度越高、加熱速度越慢、保溫時間越長，實際晶粒度越粗。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY三、鋼冷卻時的組織轉(zhuǎn)變（屬于非平衡轉(zhuǎn)變）過冷奧氏體珠光體貝氏體馬氏體●過冷奧氏體---在A1溫度以下，未發(fā)生轉(zhuǎn)變的、處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體?！褙愂象w---含碳略微過飽和的鐵素體與彌散分布的微細滲碳體的混合物，代號B。●馬氏體---碳在

-Fe中的過飽和固溶體，代號M。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY1、鋼的等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線（TTT曲線或C曲線）550℃600℃650℃MsMf轉(zhuǎn)變開始線轉(zhuǎn)變終了線-100℃PST珠光體轉(zhuǎn)變B貝氏體轉(zhuǎn)變馬氏體轉(zhuǎn)變溫度時間A共析鋼的TTT

曲線上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY1）過冷奧氏體在A1~550℃之間發(fā)生的轉(zhuǎn)變★珠光體轉(zhuǎn)變2）滲碳體呈片狀分布在鐵素體基體上3）轉(zhuǎn)變溫度越低，層片間距越小4）按層片間距從大到小，劃分為：

●珠光體P

●索氏體S（細珠光體）

●托氏體T（極細珠光體，亦稱屈氏體）5）層片間距越?。磸腜→S→T），材料的強度、硬度、塑性、韌性越高。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY2）過冷奧氏體在550℃~Ms之間發(fā)生的轉(zhuǎn)變★貝氏體轉(zhuǎn)變1）貝氏體B----含碳略微過飽和的鐵素體與彌散分布的微細滲碳體的混合物。3）根據(jù)轉(zhuǎn)變溫度的不同，B分為上B和下B。

●上貝氏體（在550℃~350℃的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物），其形態(tài)為羽毛狀，即鐵素體呈板條束狀，滲碳體彌散分布于板條的邊界上，強度低、脆性大，無實用價值?！裣仑愂象w（在350℃~Ms

的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物），其形態(tài)為針葉狀，即鐵素體呈針葉片狀，滲碳體彌散分布于葉片內(nèi)，強度、硬度較高，韌性也好，實用價值大。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY2）馬氏體轉(zhuǎn)變是過冷奧氏體急冷至Ms~Mf間發(fā)生的轉(zhuǎn)變，即M只能是淬火處理的產(chǎn)物。★馬氏體轉(zhuǎn)變1）馬氏體M---碳在

-Fe中的過飽和固溶體3）共析鋼的Mf在-50℃左右，所以一般在室溫環(huán)境下的

M轉(zhuǎn)變不徹底，仍有少量A會殘存下來，稱為殘余A。且Ms和~Mf隨含碳量的增加而降低，故殘余A的量也就隨含碳量的增加而增多。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY4）根據(jù)含碳量不同，M分為板條M和片狀M。

●板條M：即低碳M，碳的過飽和度較小，晶格的畸變不大，故硬度不很高，塑性、韌性較好。●片狀M：即高碳M，碳的過飽和度大，晶格畸變大，硬度很高；但內(nèi)應力大，易造成顯微裂紋，塑性、韌性極差。

＊高碳鋼極易淬硬，機械設備中需要高硬度、高耐磨的零件都選用高碳鋼。但淬火后脆性大，易開裂，必須再回火才能投入使用。

＊低碳鋼是淬不硬的鋼，機械設備中需要高硬度、高耐磨的零件不會選用低碳鋼。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITYA→FA→PA→Fe3CA→P亞共析鋼C曲線共析鋼C曲線過共析鋼C曲線亞共析鋼、過共析鋼的TTT曲線與共析鋼的基本相似，但兩者在奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變之前都有先析相（鐵素體或二次滲碳體）出現(xiàn)，且曲線中鼻尖及Ms、Mf

的位置不同。亞共析鋼：碳量增加C曲線右移過共析鋼：碳量增加C曲線左移所有的鋼，碳量增加，Ms、Mf下降上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY2、鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT曲線）

在熱處理生產(chǎn)中，奧氏體的轉(zhuǎn)變大多是在連續(xù)冷卻條件下進行的，所以CCT曲線對制定熱處理工藝更加具有重要的指導意義。當采用不同的冷卻速度V1、V2、V3和V4連續(xù)冷卻時，可從圖中分析出所獲得的組織和性能。共析鋼的CCT

曲線V4V3V2V1V臨V臨---獲得M的臨界冷卻溫度上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY3、

TTT曲線與CCT曲線的差別及應用價值●差別：所有碳鋼的TTT曲線上都有B轉(zhuǎn)變區(qū)，而對CCT曲線而言，只有亞共析鋼有B轉(zhuǎn)變區(qū)，共析鋼和過共析鋼均無B轉(zhuǎn)變區(qū)。

換句話說，當采用等溫冷卻方式進行熱處理時，只要溫度適當，任何碳鋼都可獲得韌性較好的B；而當采用連續(xù)冷卻方式時，只有亞共析鋼能獲得B，且不是單一相的B，是與F、P（或S、T）等許多組織混雜在一起的B。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY●應用價值：熱處理生產(chǎn)中，我們根據(jù)TTT曲線可準確分析出各種鋼材在不同溫度下的等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，從而推斷出材料熱處理后的性能變化。同樣，也可根據(jù)CCT曲線準確分析不同速度的連續(xù)冷卻方式下材料的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物和性能。

反過來，也可以根據(jù)所需要的材料性能來確定等溫轉(zhuǎn)變的溫度或連續(xù)冷卻的方式。同時，由于同一鋼種的TTT曲線與CCT曲線并沒有本質(zhì)的差別，因此，在缺少CCT曲線的情況下，往往就依據(jù)TTT曲線粗略地估計連續(xù)冷卻時的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物與性能。四、常用的熱處理工藝1、退火（加熱→保溫→隨爐緩冷）●完全退火種類

適用對象加熱溫度目的中高碳的亞共析鋼和共析鋼AC3以上20~30℃軟化材料有利切削消除應力●球化退火過共析鋼AC1以上20~30℃●去應力退火鑄、鍛、焊件500~650℃消除殘余內(nèi)應力●再結晶退火發(fā)生冷變形硬化的鋼件650~700℃恢復材料塑性實現(xiàn)平衡相變●等溫退火獲球狀P有利切削淬火前準備奧氏體穩(wěn)定的合金鋼AC1或AC3以上30~50℃上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY注意：除等溫退火外的幾種退火均采用連續(xù)冷卻（隨爐冷卻）方式，占用爐子時間長；而等溫退火是將奧氏體化后的鋼快冷至珠光體形成溫度區(qū)等溫保溫，待完成珠光體轉(zhuǎn)變后，即出爐空冷至室溫。所以同樣能達到軟化材料、消除應力等目的，但時間可縮短一半，經(jīng)濟性好，且組織也較均勻。

等溫退火完全退火上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY2、正火（加熱→保溫→空氣中冷卻）●加熱溫度亞共析鋼：Ac3

以上30~50℃共析、過共析鋼：Accm

以上30~50℃●組織轉(zhuǎn)變：加熱時完全A化，冷卻時S或T轉(zhuǎn)變●目的：①改善切削加工性能（低碳鋼增硬度、防粘刀，中高碳鋼降硬度，使切削省力，刀具磨損?。诩毣T、鍛、焊件的粗晶組織，改善性能③消除網(wǎng)狀的二次滲碳體

退火和正火通常作為零件加工前的預備熱處理，對一些不太重要的零件可用正火作為最終熱處理上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY

各種退火和正火的加熱溫度見下圖：AccmAc3Ac1球化退火再結晶退火去應力退火650500700正火完全退火上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY

各種退火和正火的工藝曲線見下圖：正火Ac3Ac1完全退火球化退火去應力退火再結晶退火時間溫度等溫退火珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY3、淬火（加熱→保溫→急冷）●加熱溫度亞共析鋼：Ac3

以上30~50℃共析、過共析鋼：Ac1

以上30~50℃●目的：提高材料硬度和耐磨性（獲得M）●淬火介質(zhì)：

最常用的淬火介質(zhì)是水和油。B

或M轉(zhuǎn)變*水或鹽水溶液是經(jīng)濟且冷卻能力較強的淬火介質(zhì)。*淬火用油主要是機油、變壓器油、柴油等礦物油。*熔融狀態(tài)的鹽也常用作淬火介質(zhì)，稱作鹽浴。*近年來出現(xiàn)聚乙烯醇水溶液、三乙醇銨水溶液、高濃度硝鹽水溶液等淬火介質(zhì)。上海大學機自學院SHANGHAIUNIVERSITY●淬火方式：①單液淬火→加熱A化后的鋼件放入水或油中連續(xù)冷卻至室溫的方法。

（水淬應力大，工件易變形、開裂；油淬冷卻速度慢，碳鋼油淬無法全部獲得M）②雙液淬火→加熱A化后的鋼件先放入水中冷卻至接近

Ms后再放入油中冷卻至室溫。（在油中緩慢實現(xiàn)M轉(zhuǎn)變，淬火應力小，可防止工件變形和開裂。但水中停留的時間較難把握。用于形狀復雜件防開裂）③分級淬火→