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工程材料及热加工工艺基础
概况了大学工程材料及热加工工艺基础的重要内容，其中重点做好了标记，适合机械工程专业的同学作为参考。
编辑于2022-03-09 16:03:17- 机械工程
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工程材料及热加工工艺基础
1、材料的种类和性能
材料的种类
金属材料
黑色金属
铸铁
钢
有色金属
高分子材料
陶瓷材料
复合材料
材料的性能
力学性能
强度
塑性
硬度
冲击韧度
疲劳强度
物理、化学性能
物理性能
密度
熔点
导热性等
化学性能
耐腐蚀性
抗氧化性
化学稳定性
工艺性能
2、金属的晶体结构和结晶
金属的晶体结构
晶体与非晶体区别
熔点或凝固点和排列
晶体结构
晶格
晶胞
金属的特性
有良好的导热性
良好的导电性
良好的塑形变形能力
正电阻温度系数
三种晶格
体心立方晶格
α-Fe，较高的强度和韧性
面心立方晶格
γ-Fe，较高的塑性
密排六方晶格
Mg，Zn，较大的脆性
实际金属的晶体结构
单晶体与多晶体
实际金属晶体的缺陷
点缺陷
线缺陷
面缺陷
晶体缺陷对金属性能的影响
产生伪各向同性
提高了金属塑性变形的抗力，提高了金属的强度，但是点、线缺陷的存在将降低金属 的韧性
金属的结晶
结晶的概念
过冷度
金属晶体的基本过程
晶核的形成
晶核的长大
3、金属的塑形变形和再结晶
金属的塑性变形
单晶体金属的塑性变形
滑移：切应力，原子密度最大
多晶体的塑性变形
4、合金的相结构与二元合金相图
固态合金相的种类及特点
固溶体
置换固溶体
间隙固溶体
固体的溶解度及其影响元素
金属化合物
正常价化合物
电子化合物
间隙化合物
间隙相
具有复杂结构的间隙化合物
二元合金相图
建立
基本类型
匀晶相图（固液均无限互溶）
Cu-Ni, Cu-Au, Fe-Ni, Fe-Cr等
二元共晶相图（仅液态无限互溶，固态发生共晶转变）
其他相图
二元共析相图
二元包晶相图
形成稳定化合物的二元相图
二元合金相图的规律
1） 两个单相区只能交于一点，而不能交于一条线。
2） 两个单相区之间必定有一个由这两个单相组成的两相区。
3） 三相平衡共存时，必定是一条水平线，每条水平线必定和三个两相区相遇， 也一定与共存三相的三个单相区以一点接触。每条三相共存的水平线都代表 一个重要的恒温转变。
合金的性能与相图的关系
合金的力学性能、物理性能与相图的关系
合金的工艺性能与相图的关系
5、铁碳合金
Fe-Fe3C相图
Fe-Fe3C相图中的组元
铁素体（Ferrite）：碳溶于α-Fe形成的间隙固溶体，具有体心立方结构，常用F表示，在727℃时溶碳能力最大。在1394℃以上，碳溶于的δ-Fe形成的间隙固溶体称为高温铁素体，常用δ表示。
力学性能：接近纯铁，强度、硬度很低，塑性和韧性很好。含有较多铁素体的合金（低碳钢），易于进行冲压等塑性变形加工。
奥氏体（Austenite）：碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体，具有面心立方结构，常用A表示。在1148℃时溶碳能力最大。奥氏体存在于727℃以上
硬度低，塑性好，通常把钢加热到奥氏体状态进行锻造
渗碳体（Cemenite）：渗碳体是铁和碳形成的Fe3C金属化合物，渗碳体中碳质量分数ωC=6.69%
硬度高，脆性大，塑性极差。如果渗碳体过多，将导致材料强度和塑性等力学性能下降明显，甚至失去工业价值。一定量的渗碳体若呈细小而均匀地分布于基体上，可以提高材料的强度和硬度
莱氏体（Ledeburite）：共晶反应形成的奥氏体和渗碳体两相组成的机械混合物，平均碳质量分数为ωC=4.3%，用Ld表示。 莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体，数量多，质量分数达到47.8%，作为莱氏体的基体
由于含有较多的渗碳体，导致硬度高，脆性大，塑性很差。通常用于提高合金的耐磨性
珠光体（Pearlite）：共析反应所形成的铁素体和渗碳体两相组成的机械混合物，平均碳质量分数ωC=0.77%，常用符号P表示。常见的珠光体形态呈片层状，铁素体片（宽条）与渗碳体片（窄条）相互交替排列。珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体，质量分数为11.4%。
强度、硬度、塑性和韧性介于铁素体和渗碳体之间。片层间距越小，强度和硬度越高。一般具有较高的硬度、强度和良好的塑性、韧性。
相图中的点、线、区
1148℃-共晶线-ECF-C：共晶点 4.3%
E：2.11%，碳在γ铁中的最大溶解度
A：1538℃-纯铁熔点；D：1227℃-渗碳体熔点，6.69%
G：912℃-γ铁到α铁
727℃-共析线-PSK-S：0.77%，共析点
铁碳合金的分类和室温平衡组织
工业纯铁（<0.0218% C），铁素体晶粒，工业很少用
碳钢（0.0218%~2.11%C），高温组织为单相A，易于变形
亚共析钢（0.0218%~0.77%C；室温平衡组织为F+P
白色块状F和黑色块状P
共析钢（0.77%C）；室温平衡组织为P
片层状
过共析钢（0.77%~2.11%C）；室温平衡组织为P+Fe3CⅡ
Fe3CⅡ呈白色网状
白口铸铁（2.11%~6.69%C），铸造性能好，硬而脆
亚共晶白口铸铁（2.11%~4.3%C）
共晶白口铸铁（4.3%C）
过共晶白口铸铁（4.3—6.69%C）
碳含量对铁碳合金平衡组织及其性能的影响
碳含量对平衡组织的影响：渗碳体分布情况
对力学性能的影响
渗碳体含量越多，分布越均匀，材料的硬度和强度越高，塑性和韧性越低；但当渗碳体分布在晶界或作为基体存在时，则材料的塑性和韧性大为下降，且强度也随之降低。
工艺性能影响
切削
低碳性能差
高碳性能也差，易磨损
中碳钢切削性能好
白口中有莱氏体，很难加工
可锻性
单项奥氏体良好
白口铸铁以渗碳体为基体，不适合
铸造性能
白口铸铁流动性好，易于铸造
碳钢易氧化且流动性差，不适合
焊接性能
随着碳增加，塑性和韧性下降明显，使焊接性能下降
碳素钢
常存杂志元素影响
硅Si：有益元素，融入铁素体，通过固溶强化，提高钢的强度、硬度，而塑性和韧性有所降低
锰Mn：有益元素，融入铁素体，通过固溶强化，提高钢的硬度、强度。能起断屑作用，改善切削加工性。
磷P：有害元素，使钢的强度、硬度提高，但使塑性、韧性降低。产生冷脆，导致焊接性能变坏
硫S：有害元素，热脆
分类
碳含量
低碳钢
中碳钢
高碳钢
质量
普通碳素钢
优质碳素钢
高级优质碳素钢
特级优质碳素钢
P和S的含量区别
编号和用途
普通：屈服点+屈服强度+质量等级+脱氧方法，如Q235b等
优质：两位数字加特性符号，如45Mn用于齿轮等
碳素工具钢：T+阿拉伯数字（碳含量，‰），高级优质后加A，如T10用于车刀、手工锯等
一般工程铸造碳素钢
8、铸铁
常用分类
基体：F、F+P、P 三种。
一、灰铸铁
灰铸铁：含碳量2.5-3.6%，牌号HT+数字
铸造性能优良，抗压强度大于抗拉强度，减磨性、减振性和切削加工性能优于碳钢
二、球墨铸铁
牌号：QT+数字
强度、韧性、塑性高，屈服强度也很高，加工性能几乎可以和灰铸铁媲美
三、蠕墨铸铁
四、可锻铸铁
7、合金钢
分类
合金结构钢
合金工具钢
特殊钢
合金元素存在形式
非碳化物形成元素：Ni、Si、Al、Cu、N、B、Co
碳化物形成元素：Mn、Cr、Ti等
作用
合金元素含量越多，铁素体晶体畸变越严重，其硬度、强度越高。而韧性、塑性则有所降低。
碳化物形成元素溶入渗碳体中取代部分铁元素形成合金渗碳体，其硬度有明显增加，因而提高钢的耐磨性。
合金元素与碳化物形成的特殊化合物，它们的结构简单、熔点高、硬度高、稳定性高，当以细小的质点分布在固溶体基体上时，可以起到弥散强化作用。
6、钢的热处理
钢在加热时的转变
奥氏体的形成：加热到Ac1以上时，珠光体转变为奥氏体
影响形成速度的因素
加热温度和速度
原始组织
化学成分
钢在冷却时的转变
方式：等温冷却；连续冷却
过冷奥氏体的转变产物和性能
等温转变曲线（TTT）
共析钢在550℃左端，过冷奥氏体最不稳定
珠光体类型组织：片层间距随温度降低而减小，珠光体的硬度、强度、塑性升高
马氏体类型及组织：碳在α-Fe中的过饱和间隙固溶体，M表示
基本形态：板条状马氏体，即低碳马氏体；片状马氏体，即高碳马氏体
力学性能：高硬度、高强度
贝氏体：过饱和铁素体和渗碳体组成的两相混合物，B表示
根据行程温度和形态特点分为上贝氏体和下贝氏体
上贝氏体塑性、韧性较差；下贝氏体有良好的综合力学性能
影响C曲线因素
含碳量
合金元素
奥氏体状态
钢的退火和正火
退火：炉内缓冷 正火：空冷
可以消除铸件、锻件、焊接件的内应力以及组织成分的不均匀性。对一些受力不大，性能要求不高的零件，还可作为最终热处理工序。
退火
完全退火-Ac3以上20-30℃：降低钢件的硬度，改善其切削加工性能。不适用于低碳钢和过共析钢。
等温退火-高于Ac1或Ac3：缩短周期
球化退火-Ac1以上20-30℃（渗碳体球状化）：用于共析钢、过共析钢和各种高碳合金工具钢，降低硬度，改善切削加工性能
去应力退火-一般为500-650℃：用来消除铸件、锻件、焊接件的内应力
正火
工艺简单、经济
改善低碳钢的切削加工性能
消除过共析钢严重的网状二次渗碳体，为球化退火做准备
提高普通零件的力学性能
作为最终热处理
加热到Ac3（对于亚共析钢）和Accm（对于过共析钢）以上30-50℃，保温奥氏体化，获得索氏体
钢的淬火和回火
钢的淬火：将钢加热保温奥氏体化后，以大于kv速度冷却得到马氏体
目的：得到马氏体组织，可显著提高钢的硬度、强度。
冷却介质：水和油
温度选择：根据F3eFeC相图确定，为防止奥氏体晶粒粗大，只允许超过临界温度30~50 度
种类及应用
单液淬火：把加热工件放到冷却介质中连续冷却到室温；只适用于形状简单的碳钢和合金钢工件
双液淬火：分级淬火：只适用于尺寸小，形状复杂的钢件。
等温淬火：稍高于Ms温度；适用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，如模具、刀具、齿轮等
钢的淬透性与淬硬性
钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体而不形成其他组织的能力。大小在一定条件下淬硬层深度表示。
影响淬透性的决定性因素是临界冷却速度。临界冷却速度越小，钢的淬透性越大。
钢的淬硬性是指钢淬火后获得马氏体组织的最高硬度。淬硬性的高低主要取决于钢的碳量。含碳量越高，淬硬性越高。
淬火钢的回火：是将淬火后的钢加热到临界温度A1c以下某一温度，保温一定时间然后冷却到室温的一种热处理工艺。
目的：1） 消除脆性，降低内应力。 2） 调整钢的力学性能。 3） 稳定组织和尺寸。
组织变化
1、 碳化物的析出 回火马氏体；回火托氏体；球化组织。
2、 残余奥氏体分解 淬火钢中残余奥氏体分解，产为时回火马氏体或下贝氏体。
3、 铁素体的回复与再结晶
力学性能的变化
1、硬度变化：随回火温度的升高而降低。
2、强度与塑性的变化：碳钢随回火温度的升高，强度不断下降，塑性不断升高。
3、钢的回火脆性：钢的冲击韧度总体来说随回火温度升高而升高，但是在 250~~400 度和 500~~650 度出现明显下降。这种随回火温度升高而冲击韧度下降的现象称为回火脆性。
种类及应用
1、低温回火 所得组织为回火马氏体（高硬度和耐磨性，内应力降低，韧性提高）。主要目的是降低淬火内应力和脆性，保持较高硬度。适用于高碳工具钢、模具、滚动轴承等
2、中温回火 所得组织为回火托氏体（弹性极限和屈服极限高，具有一定的韧性）。主要目的是获得高的弹性极限同时具有一定韧性，硬度一 般为 35~50HRC。 处理各种弹簧
3、 高温回火 所得组织为回火索氏体（良好的韧性和塑性，较高的强度，良好的综合力学性能）。主要目的是获得强度、塑性、韧性都较好的综合力学性能。通常将淬火与高温回火相结合的热处理工艺，称为调质处理。处理重要结构的零件：轴类、齿轮、连杆等。
钢的表面淬火
快速加热至淬火温度，便立即淬火冷却，从而得到表层马氏体，心部调质组织、正火组织等
主要方法
感应表面加热：交变电磁场-感生电流，用于中碳钢和中碳低合金钢，如45铜钢、40Cr等生产的齿轮、轴类零件的表面硬化，提高耐磨性
火焰加热表面淬火
激光加热表面淬火
电接触加热表面淬火
钢的化学热处理
渗碳
目的：通过向钢件表面渗入碳原子，从而使表层具有高的碳含量，并经热处理后使表层具有高硬度、耐磨性，而心部仍保持一定强度及较高的塑性、韧性。
方法：气体渗碳（常用）、固体渗碳、液体渗碳
适用于低碳钢和低碳合金钢
氮化
目的：向钢的表面渗入氮原子，形成坚硬化合物层，从而获得高的表面硬度、耐磨性、高疲劳强度及耐腐蚀性
方法：气体氮化（常用）
适用于精度要求很高的零件，如精密齿轮、磨床主轴、精密机床丝杆等
特点：之后无需淬火、工件变形小、不耐酸腐蚀但抗腐蚀性好、最后一道处理工序

性能
刚度：抵抗受力（弹性）变形
强度：抵抗破坏（永久变形，断裂）
脆性：外力作用小变形即破坏
硬度：顾名思义
塑性：承受多大力永久变形
韧性：抗冲击破坏