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工程材料
工程材料及其成形技术基础课程复习资料，从论述、固体材料性能、金属结构、金属晶体、二元合金、铁碳合金、碳钢、铸铁、组织转变、钢中的合金元素等多个方面作了介绍。
编辑于2022-08-02 10:18:15- 工程材料
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- 大纲
工程材料
论述
材料发现方向
精密，优质，快速，复合，绿色，信息化
材料成形种类
受迫成形，去除成形，堆积成形
固体材料性能
强度 Re
在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力
抗拉强度 Rm 试样保持最大均匀塑性变形的极限应力
屈服强度 Re 发生塑形形变而力不增加时的应力
条件屈服强度 Rp0.2 =F0.2/So 现象的材料，试样发生标注长度0.2％的残余塑形量时所对应的应力值
疲劳强度σD
材料在无限多次交变载荷作用而不会破坏的最大应力
钢为10的7次方，有色金属为10的8次方
抗拉强度Rm 试样保持最大均匀塑性变形的极限应力，材料被拉断前的最大承载能力 屈强比 Re与Rm的比值.一般在0.65~0.75之间。屈强比越小，工件结构可靠性越高。 屈强比越大，材料利用率越大，可靠性降低
弹性
弹性极限σe 材料不产生永久变形时所能承受的最大应力
弹性模量E
弹性范围内应力与变形的比值
E=R/e 表示材料对弹性变形的抵抗力
塑性
产生弹性形变而不断裂的性能, A Z 越大材料塑性越好 ，短试样比长试样A大20％左右
延伸率A =(l－l)/l ×100％ 金属材料有一定的塑性才能进行加工
断面收缩率Z =(S－S)/S ×100％ 发生偶然过载 塑性变形而不断裂 塑形好，可靠性好
韧性
冲击韧性ak =G(H＋h)/S 评定材料抵抗大量冲击载荷能力的指标
断裂韧性K1 =σ√πa 反应材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力
硬度
金属材料表面抵抗其他硬物体压入的能力 HBW≈10HRC≈HV
布氏硬度HBW
硬质合金球压入测量表面压痕面积，损害较大 用于 ： 毛坯，半成品，较硬的材料 数值准确 不宜测太硬，太小，太薄和表面不允许有较大压痕的试样
洛氏硬度HRC
HRA 测定硬质合金，表面淬火钢，渗碳钢
HRB 测定铁非金属，退火钢，正火钢
HRC 测定淬火钢，调质钢
金刚石圆锥或淬火钢球压入，测定方法简单快捷，可测软硬材料，用于薄件
维氏硬度HV
锥面夹角130º金刚石四棱锥压入， 用于：极软到极硬的材料 8~1000HV 压痕浅，适用于测极薄件，但测量麻烦
金属结构
概念
晶体：原子在空间呈规则排列的固体物质 晶体有固定的熔点 金属键的特点：没有饱和性和方向性 晶格：金属内部原子排列的抽象的空间 晶格常数A 1A=10的负8次方 晶面：晶格中各方位的原子面 晶胞：构成晶格的最基本的几何单位 晶向：晶体中，任意两个原子之间的连线称为晶列 其所指的方向为晶向 致密度：晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比 单晶面：结晶方向完全一致的晶体 各项异性：单晶体在不同晶面和晶向的力学性能不同的现象 晶界：晶粒与晶粒之间的界面 小晶体称为晶粒 显微组织：在显微镜下观察到各种晶粒的形态，大小和分布情况 亚晶粒：同一颗粒内还存在许多尺寸更小，位向差也很小的小晶块 亚晶界：亚晶粒的边界
体心立方晶格
有比较好的塑性和较大的强度
α－Fe,Cr,Mo,V,W 原子数2 致密度0.74
面心立方晶体格
塑形好 γ－Fe,Al,Gu,Ag,Ni,Au 原子数4 致密度0.74
密排六方晶格
Mg,Zn,Be,Cd 原子数6 致密度0.68
晶格缺陷
点缺陷 间隙原子，置换原子，空位 三个方向上尺寸都很小的缺陷
线缺陷 位错 一个方向上尺寸大，另外两方向上尺寸小的缺陷
面缺陷 晶界，亚晶界 两个方向上尺寸较大，一个方向上尺寸小的缺陷
金属晶体
概念
结晶：原子从一种聚集状态转变成另一种规则排列的过程 相变：固态金属转变为固态金属 结晶：液态金属转变为固态金属 理论结晶温度：温度Tm为纯金属的晶体与液体平衡共存的温度 晶核：原子小集团成为有规则排列的小晶体 结晶的过程：形成晶核和晶核长大两个阶段 金属的结晶一般在过冷的条件下进行 金属的结晶温度可以用热分析法测定 纯金属的结晶在恒温下进行，结晶放出潜热补偿了冷却散失的热量 过冷：实际结晶温度Tn低于理论结晶温度Tm的现象 晶枝：结晶过程中，形态如同树枝 晶粒大小，与晶粒数目和大小速度有关 形核率：N 单位时间，单位体积内形成晶核数 长大速度G：单位时间内晶核长大的平均线速度 形核率越高，晶核长大速度越大，晶粒越细，力学性能越好
细化晶粒的方法
增加过冷度
变质处理 ：向液态金属中加入一些熔点高，难溶解的金属或化合物或合金，其晶体结构与液态金属相似形核率提高，获得均匀细小均匀的晶粒
附加振动 机械振动，超声波振动，电磁振动
固态金属可以用热处理或压力加工的方法细化晶粒
金属的同素异构性
同素异构性：一种金属具有两种或两种以上的晶体结构 同素异构转变：高温状态下的晶体，在冷却过程中晶格结构发生改变的现象 相变应力：晶格结构的改变，致密度的改变和晶体体积的改变，使金属材料内部产生应力 同素异构转变具有较大的过冷度 纯铁的冷却 体心σ－Fe→面心γ－Fe→体心α－Fe
金属铸锭组织
铸态晶：液态金属结晶后形成的晶体 铸锭结晶属于：大体积结晶，过冷度小，截面存在明显的温度梯度 结晶由表层至中心
三大晶区：细晶粒层，柱状晶粒层，等轴晶粒层
二元合金
概念
合金：由两种或两种以上的金属或金属或非金属组成的具有金属性质的物质 组元：组成合金的最基本，最独立的物质 二元化合物：由两种组元组成的合金 相：合金中的成分相同，结构相同，并与其他部分以界面分开的均匀组织部分 固态合金中的相分为：固溶体和金属化合物 固溶体：合金在固态下，组元间互相溶解而形成的均匀相 分为：间隙固溶体和置换固溶体 溶剂：晶格与固溶体相同的组元 溶质：其他组元
固溶体
间隙固溶体：溶质原子溶入溶剂晶格各结点的间隙形成的固溶体 有限固溶体，效果好，原子晶格畸变大。溶质原子半径越小，溶解度越大
置换固溶体：溶剂原子溶入溶剂晶格，并占据溶剂原子的某些晶格结点位置形成的固溶体 Gu－Ni合金无限互溶。满足条件：晶格类型相似，原子半径相近，电负性相近
固溶强化：当溶质原子溶入溶剂中晶格，使溶剂晶格发生畸变，导致固溶体强度，硬度提高，塑性，韧性略微下降 如果溶质浓度适当，固溶体具有良好塑性韧性 综合性能好。溶质晶格畸变使电阻增大。单项固溶体合金耐腐蚀好
金属化合物
金属化合物：指合金中的两个元素，按一定的原子数量之比相互化合，而形成的具有与这两元素完全不同类型晶格 合金渗碳体：Fe3C中Fe原子可以部分被其他金属原子置换，形成的渗碳体为基体的固溶体 弥散强化：金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上，使合金强度，硬度，耐热性和耐磨性明显提高
二元合金相图
合金存在的状态由合金的成分，温度和压力三个要素确定 二元合金相图：由两组元组成的合金系构成的相图 纯金属的结晶过程是在恒温下进行的 温度高的相变点表示开始结晶温度称上相变点，低的下相变点
相律
平衡状态：当外界条件不变时，体系的状态不随时间的改变，体系内各相的成分，结构和相对量等均不发生改变
自由度：平衡体系的独立可变因素数目（温度，压力，相的成分等）
相率用来表达在平衡条件下，独立组元，相数和自由度三者之间的关系 表达式 F=C－P＋1
二元均晶相图
二组元在液态和固态均能无限互溶构成的相图 如Gu－Ni,Gu－Au,Au－Ag,Fe－Cr,W－Mo,Bi－Sb
液相线：合金开始结晶点的连线 a 固相线：合金结晶终点的连线 L 二相区：固溶共存 L＋a
杠杆定律只适用于两平衡区中的两平衡相的相对含量计算
非平衡下结晶过程分析
固溶体合金在结晶过程中，只有在极其缓慢冷却条件下，原子才可能进行充分的扩散
实际铸造条件下，冷却较快，不能保持平衡，原子扩散不均匀 熔点高的固溶体先结晶，熔点低的后结晶 枝晶偏析
枝晶偏析
冷却速度越大 偏析程度越大，相图结晶范围越大，偏析成分范围越大
解决方法：将铸件加热到低于固相线100~200ºC的温度进行较长时间保温，使偏析元素充分扩散。扩散退火
二元共晶相图
两组元在液态下无限固溶，在固态下有限溶解，结晶时发生共晶转变，形成的两相机械混合物相图
共晶转变：一定的成分的液相，在一定温度下同时结晶出成分不同的两种固体的转变
比重偏析：因比重不同而造成化学成分不均匀的现象 不能通过热处理消除，只能采取控制合金成分，浇注时进行搅拌，增加冷却速度来消除
二元共析相图
共析转变：从一个固相中同时析出成分和晶体结构完全不同的两种新的固相的转变过程
共析转变是在固态下进行的，转变温度较低，原子扩散困难，因而冷却度较大。 与共晶体相比，共析体的组织较细小且均匀
相图与性能关系
. 当合金形成单相固溶体时，合金的性能与组元的性质及溶质原子的溶入量有关 . 一定量的溶质溶剂来说，溶质溶入越多，合金强度越高，硬度越高，电阻率越大，电阻温度系数越小 . 单相固溶体合金具有较好的综合力学性能。固溶强化使合金提升性能是有限的
. 共晶和共析转变都能形成两相混合物 . 结晶温度越低，流动性越好。 . 共晶成分附近的合金，结晶时易形成集中缩孔，铸件的致密性好
铁碳合金
基本组织
铁素体F 体心立方晶格 α－Fe 固溶体 0.0218％ 塑形韧性好
奥氏体A 面心立方晶格 γ－Fe 固溶体 2.11％ 质软，塑性好
渗碳体Fe3C 复杂斜方结构 间隙化合物 6.69％塑性韧性几乎为零，脆，硬
珠光体P 碳含量0.77％ 共析反应 铁素体和渗碳体的机械混合物
莱氏体Ld 碳含量4.3％共晶转变 奥氏体和渗碳体的机械混合物 硬度很好，塑性很差
铁碳合金相图 合金成分，温度，组织关系
铁碳合金成分与性能的关系
随着钢中碳含量增加，塑性下降，硬度增加 含碳量小于0.9％含碳量增加，强度增加 含碳量大于0.9％含碳量增加，强度降低。渗碳体以网状分布于晶界或以粗大片状存在，使强度下降。
渗碳体是强化相。渗碳体量越多，越细小，分布越均匀，材料的强度就越高
亚共析钢：碳含量越多，珠光体越多，钢的强度呈直线上升，塑性下降 过共析钢：碳含量越多，二次渗碳体发展成网网状。碳含量越多1.2％是，钢硬，脆，强度下降 白口铸铁：由于出现渗碳体为基体的莱氏体，性能硬脆，难以切削加工
碳钢
碳的质量分数小于2.11％的铁碳合金
锰，脱氧，降低脆性，消除s危害 硅，脱氧，强化铁素体，提高强度，硬物但塑性，韧性下降 硫，生成熔点低的共晶体，性成热脆 磷，溶入铁素体，提高强度，硬度，到形成冷脆
钢的分类
按照质量
低碳钢 ≤0.25％ 强度低，塑性焊接性好
中碳钢 =0.25％~0.6％强度较高，但塑性焊接性较差
高碳钢 ＞0.6％ 塑性焊接性很差，强度，硬度很高
按质量
普通钢 含S,P较高，质量一般
优质钢 含S,P很少，质量较好
高级优质钢 含S,P很少，质量好
按用途
结构钢 工程构件，机械零件
工具钢 ＞0.65％ 制造各种刀具和模具，量具
按脱氧程度
沸腾钢F 分布许多小泡，偏析严重
镇定钢Z 气泡，疏松少，质量较高
半镇定钢b 质量结余两者之间
铸铁
概念
铸铁：可分为一般工程铸铁和特殊性能铸铁。工程应用铸铁，碳主要以石墨形态存在。 铸铁特点：成本低，铸造性能好，体积收缩不明显，其力学性能可加工性耐磨性耐腐蚀性导热率减振性之间配合好 球墨铸铁性能最好。铸铁用于基座和箱体之类的零件，具有减振性和抗压强度高
碳在合金中存在的形态：化合态渗碳体，和游离态石墨 渗碳体可分解铁和碳，是一种亚稳定状态。石墨才是一种稳定的相 石墨化：铸铁中析出碳原子形成石墨的过程
灰铸铁基体
低温石墨化充分进行，具有铁素体基体，称铁素体灰铸铁
低温石墨化没有进行，获得珠光体基体，称珠光体灰铸铁
低温石墨化没有充分进行，获得铁素体珠光体，铁素体－珠光体灰铸铁
影响石墨化的因素
影响主要是：化学成分，和冷却速度
化学成分是石墨化过程本质因素 S能强烈阻止石墨化，降低铸造性。P增加铸铁硬度和脆性
铸铁冷却越慢，对石墨化越有利，冷却越快，抑制石墨化过程
组织转变
概念
钢的热处理：将固态钢采用适当的方式加热，保温，冷却，获得所需组织结构与性能的工艺 热处理特点：改变零件或毛坯的内部组织，不改变其外形和尺寸 目的：消除毛坯中（铸件，锻件）的某些缺陷，改善毛坯的切削性能，改善力学性能，使用寿命，减小零件尺寸，减轻重量 热处理分为：普通热处理（退火，正火，淬火，回火）表面热处理（表面淬火，渗碳，渗氮，碳氮共渗)特热处理 （变形热处理） 热处条件：有固态相变，经冷加工使组织处于热力学不稳定状态，表面能被活性介质的原子渗入从而改变表面的化学成分。 平衡临界点：碳钢在极缓慢地加热或冷却的相变温度线
奥氏体的形成
奥氏体化：碳钢加热到A1以上是，便发生珠光体向奥氏体的转变 奥氏体化是钢组织转变的基本条件 珠光体向奥氏体转变过程必须进行晶格转变和铁，碳原子的扩散
奥氏体晶格的形成和长大 首先铁素体在渗碳体的相界面上形成。 奥氏体晶核逐渐长大。长大依靠铁，碳原子的扩散。
残余渗碳体的溶解 随着温度时间延长或继续升温，渗碳体溶解，直至全部溶入奥氏体中
奥氏体成分的均匀化 继续保温碳原子扩散才能获得均匀对奥氏体 只有当加热到Ac3以上或Acm，并保温足够时间，先共析相向奥氏体转变溶解，才能获得均匀单相奥氏体
奥氏体的形成速度
孕育期：共析钢加热到Ac1以上某一温度，奥氏体并不是立即出现，而需要保温一定时间才开始出现 随着温度升高，原子扩散速度加快，孕育缩短
奥氏体形成所需时间较短，残余渗碳体溶解所需时间较长，奥氏体均匀化时间更长
加热温度越高，原始组织越小，奥氏体形成速度越快
奥氏体晶粒大小及其影响因素
奥氏体长大是大晶粒吞并小晶粒的过程，其结果晶界面积减少，表面能下降。是一个自发的过程
奥氏体晶粒度 表示晶粒的大小 n=2的N－1次方
n表示放大100倍，每平方英寸中的平均晶粒数
起始晶粒度：奥氏体转变刚结束，其晶粒边界刚刚互相接触时的奥氏体颗粒大小 十分细小均匀，取决于形核率和长大速度
实际晶粒度：钢在某具体热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒度。 比起始晶粒度大，直接影响热处理后组织性能
本质晶粒度：钢加热到930±10ºc，保温3到8h小时，冷却后放大100显微镜下测定晶粒的大小 晶粒度1~4级，本质粗晶粒钢，在930度以上，奥氏体迅速长大 晶粒度5~8级，本质细晶粒钢，在930以上晶粒缓慢长大
加热过程中晶粒长大是一种自发的过程。
影响奥氏体晶粒度因素
加热温度和保温时间 温度越高，晶粒长大越明显。温度影响最显著 保温时间越长，晶粒不断长大。到一定时间，不再明显
加热速度 快速加热短时间保温方法细化晶粒
含碳量
合金元素含量
钢在非平衡冷却时的转变
冷却过程是钢热处理的关键一步 过冷奥氏体：奥氏体化的钢快速冷却到Ar1以下，暂时存在，处于不稳定的状态的奥氏体 冷却方式：连续冷却，置于介质中 等温冷却，快速冷却到Ar1以下，保温，使过冷奥氏体转变后冷却到室温
珠光体转变 F＋Fe3C 扩散性（碳，铁原子都扩散）
面心立方晶格→体心立方晶格。珠光体中层片间距离越小，相界越多，塑性变形抵抗力越大，强度越高。 渗碳体变薄，与奥氏体一起变形不脆断，塑性韧性提高 冷拔钢丝要求具有索氏体才容易变形不至于拉拔断裂
珠光体 P A1－650ºC
索氏体 S 650~600ºC
托氏体 T 600~550ºC
贝氏体转变 Fe过饱和＋FeC 半扩散（铁原子不扩散）
上贝氏体 B上 550~350ºC 羽毛状 分布不均匀，易脆性断裂，工业上不应用
下贝氏体 B下 350~230ºC 针状 具有较高强度，硬度，塑性和韧性 具有良好的力学性能，常用等温淬火获得下贝氏体
马氏体转变 α－Fe 非扩散型
片状马氏体 M 板状马氏体M 又称错位马氏体，也称孪晶马氏体
马氏体形成特征：马氏体变温形成，与保温时间无关 马氏体形成速度极快，10的负7次方秒 马氏体转变不完全性，任存在≥0.5％的残余奥氏体 马氏体硬度与含碳量有关，含碳量越高，晶格畸变越大，强度硬度增加 马氏体塑性韧性随含碳量增高而急剧降低
高碳片状马氏体，晶格畸变大，淬火应力大，存在许多显微裂纹，紫微孪晶破坏移滑系，脆性大，塑性韧性差， 硬度高脆性大
低碳板状马氏体：淬火应力小，塑性韧性较高，韧性很好。断裂韧性较高，韧脆转变温度高。使用广泛
影响TTT曲线的因素
含碳量 奥氏体含碳量增加，过冷奥氏体等温转变孕育期增长，C曲线向右移 含碳量＜0.77％时，含碳量增加，c曲线右移 含碳量＞0.77％时，含碳量增加，c曲线左移 Ms随奥氏体碳浓度升高而降低，Ms也降低 随含碳量增加，亚共析钢先析相开始线向右下移，过共析钢的先析相开始线则向左下移
合金元素 除Co外，都能增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移
加热温度和保温时间 加热时间越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大，成分越均匀。奥氏体形核率降低，稳定性增加，c曲线右移
钢的常用热处理工艺
退火
完全退火 用于：亚析钢碳钢，合金铸件，锻件 目的：细化晶粒，消除应力，降低硬度，便于切削加工 组织： 铁素体＋珠光体 Ac1↑（30~50ºc） 随炉冷后空冷
等温退火 用于：奥氏体比较稳定的合金钢 目的：和完全退火相同，但所需时间减半 组织：珠光体
球化退火 用于：共析钢，或过共析钢，合金工具钢 目的：使片状渗碳和二次渗碳体球化，降低硬度，改善切削加工性，均匀组织，改善工艺性，为淬火做准备 组织：球状珠光体
扩散退火（均匀退火） 用于：高质量的，优质合金钢的铸件和成分偏析的合金铸件 目的：高温长时间保温，原子充分扩散，消除晶内偏析，使组织均匀化 成分：粗大的珠光体，渗碳体，铁素体
去应力退火 用于：铸件，锻件，焊件，冷冲压件，机加工工件 目的：消除残余应力，提高工件尺寸稳定性，防止变形和开裂 组织：不发生组织改变
正火
正火 用于：碳素钢，中低合金钢 目的：对于低碳钢，低合金钢：细化晶粒，提高硬度，改善切削加工性能 对于过共析钢， 消除二次网状渗碳体，有利于球化退火进行
组织：亚共析钢 Fe＋S 共析钢 S 过共析钢 S＋二次渗碳体
淬火
淬火 目的：提高钢硬度和耐磨性 组织：马氏体或下贝氏体
淬火加热温度
亚共析钢 Ac3＋（30~50ºc） 组织：均匀细小马氏体 温度过低 硬度不足。温度过高，奥氏体晶粒粗大，马氏体粗大，导致淬火钢韧性降低
过共析钢 Ac1＋（30~50ºc） 组织：隐晶马氏体和均匀分布细小的渗碳体。淬火前进行球化退火，粒状珠光体 组织强度高，硬度高，耐磨性好，韧性较好 温度过高，奥氏体完全淬火，有害。：硬度耐磨性降低，脆性增大，淬火应力大，脱氧脱碳严重，易淬火形变开裂
淬火加热时间 升温和保温
过热：温度过高或时间过长，造成奥氏体粗大。 工件强度，韧性下降，易脆断，易产生淬火裂纹。 矫正：退火或正火（进行一次细化晶粒的退火正火，按工艺进行淬火）
过烧：温度过高，奥氏体晶界发生氧化或出现局部溶解 无法补救，报废
氧化和脱碳缺陷：加热时，工件和热介质之间相互作用 （工件表面硬度，耐磨性，疲劳强度降低）工件尺寸减小，粗糙度升高，影响冷却速度，表面含碳量降低
淬火介质：淬火冷却速度必须大于临界冷却速度 冷却既要保证工件获得马氏体组织，又要减少变形，防止裂纹开裂 介质：水，硝盐，油（矿物油）
方法
单液淬火：操作简单，易开裂 形状简单工件
双液淬火：防止低温马氏体转变发生裂纹 复杂工件
分级淬火：大大减少了热应力，变形，开裂 刀具，量具
等温淬火：盐浴，下贝氏体，后取出空冷 形状复杂，尺寸要求精准，强度，韧性高的工具，模具，弹簧
局部退火：对工件局部要求硬化的部位进行加热淬火
冷处理：（－70~80ºc）后低温回火消除应力 提高硬度，耐磨性，稳定尺寸。用于高精度工件
淬透性
概念
淬透性：钢淬火获得马氏体的能力。用淬透层深度表示 淬透层深度规定为表面至半马氏体的深度。半马氏体区 50％马氏体和50％分解产物组成 淬透性主要取决于临界冷却温度。临界冷却温度↓，过冷奥氏体越稳定，淬透性↑。 除Co外大多数合金都能显著提高淬透性 淬硬性：淬火后形成马氏体组织达到的硬度。主要取决于含碳量
淬透性测定
末端淬火法（端淬法）
临界淬透直径越大，淬透性越好
应用
淬透性高的钢：用在尺寸大，形状复杂重要零件。承受拉伸压缩应力或交变应力，冲击负荷。 淬透性低的钢：承受交变应力，扭转应力，冲击负荷，局部磨损，的轴类零件 受交变应力和振动弹簧，用淬透性高的。 焊件不宜用淬透性高的，易变形开裂
回火
回火：钢淬火钢重新加热到A1以下某温度，保温，冷却 目的：稳定组织，消除淬火应力，提高钢的塑性和韧性，获得强度，硬度，塑性，韧性适当配合，满足不同用要求 稳定性处理：为了保持淬火后的好硬度及其尺寸稳定性，采用100~300ºc加热，保温10~15h。低温长时间保温工艺
低温回火（150~250ºc） 回火马氏体 目的：高硬度，高耐磨性，降低淬火应力和脆性 用于：各种高碳钢，刃具，量具，冷冲模具，轴承，渗碳件
中温回火（350~500ºc） 回火托氏体 目的高屈强比，好的弹性极限，高韧性 用于：弹簧，锻模
高温回火（500~650ºc） 回火索氏体 调质 综合性能好 用于：处理传递运动和力的重要零件，如传动轴，齿轮，传动连杆
钢的变形热处理
形变热处理：把塑性变形和热处理工艺紧密结合。
钢同时产生形变强化和相强化。 提高钢的综合性能，简化生产流程，节省能源。
分为：中温形变热处理：保持一定塑性，大幅度提高强度耐磨性 高温形变热处理：大大改善塑性，韧性，减少脆性。强化程度不如低温
钢的表面淬火
表面淬火：对工件表层进行淬火的工艺。必须进行低温回火，减少淬火应力，降低脆性 目的：有限提高工件表层硬度和耐磨性，达到外硬内韧的效果。可造成表面压力状态，提高疲劳强度，延长寿命
感应加热表面淬火。感应电流在工件内自成回路，称涡流 可瞬间加热到800~1000ºc 特点：加热速度极快，奥氏体晶粒均匀，脆性低，表面不易氧化，耐磨性好，变形小，生产效率高，可大批量机 械化自动生产
火焰加热表面淬火：设备简单，成本低，灵活性大 加热温度不易控制，工件表面易过热，质量不稳定
激光加热表面淬火：加热速度极快，变形极小质量好 适用于拐角，沟槽，盲孔底部及其深孔内壁
化学热处理
化学热处理：将工件置入含有活性原子的特定介质中加热保温，使元素渗入工件表面，改变表面化学成分和组织 目的：获得高硬度，耐磨性，和疲劳强度。提高工件表面耐腐蚀性和高抗氧化物性 基本过程：分解：介质渗入活性原子 吸收：表面吸收活性原子（由钢的表面进入铁的晶格形成熔体，钢中某种元素形成化合物） 扩散：被吸收的原子，往里迁移，形成一定厚度的扩散层
工艺方法
C 渗碳 提高表面硬度耐磨性，疲劳强度，渗碳温度较高，工件畸变较大 用于低碳钢，低合金钢，热作模具钢制成的齿轮，轴，活塞，销，链条
N 渗氮 提高表面硬度，耐磨性，疲劳强度，抗腐蚀性，抗回火软化能力，渗碳温度较低，工件畸变较小 用于低合金钢，含低合金钢，热作模具钢，不锈钢制成的齿轮，轴，活塞，镗杆，量具
C,N 碳氮共渗 提高表面硬度，耐磨性，疲劳强度，抗蚀性，抗回火软化能力，工件畸变较小 ，渗层脆性大 用于低碳钢，低合金钢，热作模具钢制成的齿轮，轴，活塞，销，链条
N,C 氮碳共渗 提高表面硬度，耐磨性，疲劳强度，抗蚀性，抗回火软化能力，工件畸变较小 ，渗层脆性大 用于低碳钢，低合金钢，热作模具钢制成的齿轮，轴，活塞，销，链条
钢中的合金元素
作用：为改善和提高钢的力学性能和钢获得某些特殊的物理，化学性能
分布
分布状态：a与铁形成固溶体，不形成碳化物 b部分溶于铁素体，另部分形成碳化物 c与氧硫形成简单的或复合非金属夹杂物 d一些元素彼此间作用形成金属间化合物 e游离状态（如铜，铅）
合金元素对钢影响：（1）非碳化合物元素，（Ni,Co,Cu,Si,Al,N,B）起固溶强化作用 （2）中碳化合物元素 （Mn.Cr,Mo,W）形成合金渗碳体 （3）强碳化合物元素 （Ti,Zr,Nb,V）合金碳化物，熔点，耐磨性更高，且更稳定
合金元素对热处理的影响
合金元素对钢加热转变影响：除镍，钴以外，大多数合金元素特别是强碳化合物元素，使碳扩散速度降低，奥氏体形成减缓因此奥氏体加热温度提高，保温时间延长 合金元素对钢冷却转变的影响：除Co外，大多数元素溶入奥氏体，不同程度阻碍铁，碳原子扩散，减缓奥氏体分解能力，提高稳定性c曲线右移
合金元素对回火转变影响： 1.提高淬火钢的回火稳定性（回火稳定性：淬火钢在回火时，抵抗强度，硬度下降的能力 2.表生二次硬化（二次硬化：淬火合金钢在500~600ºc温度范围回火时，硬度升高的现象） 3.产生回火脆性.(淬火合金钢在某一温度范围内回火时，出现冲击韧性急剧下降的现象
合金钢
合金钢：在Fe－C合金中加入其他金属元素或非金属元素构成的钢 目的：改善碳钢的组织和性能 合金元素：加入的元素 合金元素的加入使碳钢的淬透性，强度，硬度，耐热性，耐蚀性等很大程度提高
牌号
碳钢
合金钢
铸铁
子主题
有色金属
子主题
铸造成形
概念
铸造：液态金属成形的方法。 过程：熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属在压力，重力，离心力，电磁力等外力场的作用下充满铸型，凝固后获得一定形状与性能铸件。 是生产金属和毛坯的主要方式之一 特点：生产成本低，工艺灵活性大，几乎不受零件尺寸大小及形状的限制。工艺影响因素大，质量不稳定
按充型条件分类
重力铸造，压力铸造，离心力铸造
按铸型分类
沙型铸造，金属型铸造，熔模铸造，壳型铸造，陶瓷型铸造，消失模铸造，磁型铸造
传统上，除砂型铸造其他的都是特种铸造
铸造成形理论基础
充型能力：液态金属充满铸型，获得尺寸精确，轮廓清晰的铸件取决于充型能力 充型能力首先取决于液态流动性。 缺陷：烧不足，冷隔（温度过低）。解决方法：高温回炉，低温浇注 缩松，气孔，氧化，晶粒粗大（温度过高）
影响因素
合金的流动性。结晶范围↓流动性↑ 浇注温度 充型压力 铸型中的气体 铸型的传热系数 铸型温度 浇注系统的结构 铸件的折算厚度 铸件复杂程度
金属凝固
逐层凝固方式 体积凝固方式（糊状凝固方式） 中间凝固方式
铸件温度梯度取决于
合金性质：合金凝固温度↓，导热↑，结晶潜热↑内部温度均匀化 ↑，冷激变作用↓，温度梯度↓ 铸型的蓄热能力：蓄能力↑，激变能力↑，温度梯度↑ 浇注温度：浇注温度↑，铸件用热量↑，温度梯度↓
合金的收缩
液态收缩
固液收缩：也称体积收缩，是缩孔和缩松的基本原因
固体收缩：也称，尺寸收缩或线收缩。线收缩对铸件形状尺寸精度影响很大 是铸造应力，变形，裂纹等缺陷产生的基本原因
合金的收缩：凝固冷却时，体积尺寸减小的现象。 铸钢收缩率最大，灰铸铁收缩率最小。
影响收缩的因素： 1，化学成分的影响:铸钢随碳含量增加，收缩率增大。灰铸铁，随碳含量和硅含量增加，石墨增加，收缩率↓ 2，浇注温度的影响：浇注度温度升高，合金液态收缩率增加，合金总收缩率增加。 3，铸件结构与铸型条件的影响：铸件在铸型中受阻收缩，而不是自由收缩。阻力来自铸型和型心。
缩孔及缩松：铸件凝固结束后常常在某些部位出现孔洞大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。 使铸件力学性能，气密性，物理性大大降低，以致成为废品。是其有害的铸造缺陷之一。 合金液态收缩和固态收缩，收缩的容积越大，越易形成缩孔。合金浇注温度越高，液态收缩也越大。易形成缩孔。 结晶间隔大的合金，易产生缩松。纯金属或共晶成分的合金，易形成集中缩孔。
铸造应力及变形
铸件凝固后继续冷却，若收缩受阻，则在铸件内会产生铸造应力。
热应力：分为压力应力，拉力应力 热应力使铸件的壁厚或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。壁厚差别越大，合金线收缩越高，性模量越大，热应力↑
收缩应力：铸件在受固态收缩时，因受铸型，型心，浇冒口箱档等外力阻碍而产生的应力 在某一瞬间收缩应力和热应力同时作用超过了铸件的强度极限，铸件将产生裂纹。
铸件变形
缩孔，缩松， 应力和变形
建立良好的补缩条件，尽可能使缩松转变为缩孔，并使缩孔中出现在铸件最后凝固的地方。 铸件最后凝固的地方安置一定尺寸的冒口。使缩孔集中于冒口或把浇口开在最后凝固的地方，可获得完整铸件
是缩松转变为缩孔的方法：1，尽量选择凝固区较窄的合金，使合金倾向于逐层凝固。 2，对一些凝固区较宽的合金可采用增大凝固温度梯度的方法，使合金尽可能趋向于逐层凝固。
防止缩孔的方法：采用定向凝固原则。
定向凝固原则：采用各种措施保证铸件结构上下部分，按远离冒口的部分最先凝固，然后朝冒口的方向凝固，最后才是冒口本身凝固的次序进行。 优点：冒口补缩作用好，可防止缩孔和缩松，铸件致密。 对于凝固收缩大，结晶温度范围较小的合金，可采用定向凝固原则。 缺点：由于铸件各部分有温差，在凝固期间容易产生热力，凝固后容易产生应力和变形。 定向凝固原则需要交冒口和补贴，工艺，出品效率极低且切割冒口费工。
防止应力和变形的方法。 铸造热应力：是由铸件的壁厚有大小，冷却有先后，这是铸件收缩不一致形成的。
同时凝固原则：采用工艺措施保证铸件结构上各部分之间没有温差或温差尽量少使住铸件部分同时凝固，消除铸件的热应力。 优点：凝固期间不容易产生热裂，凝固后也不易引起应力，变形。由于不用冒口或冒口很小而节省金属，简化工艺，减少工作量。 缺点：铸件中心区往往有缩松，铸件不致密。
同时凝固原则使用情况 1，碳含量高的灰铸铁。 2，结晶范围大，容易产生缩松的合金，对气密性要求不高。 3，壁厚均匀的铸件，尤其是均匀薄壁铸件 4，球墨铸铁利用石墨化膨胀力实现自身补缩时 5，合金性质宜采用定向原则铸件，热裂，变形成为主要矛盾时。
两种凝固原则应采用的工艺措施：正确布置浇注系统的引入位置，确定合理的浇注工艺，采用冒口，采用补贴，采用具有不同蓄热系数的造型材料或冷铁。
沙型铸造工艺分析
浇注位置和分型面的确定
浇铸位置选取原则（浇注位置是指浇注时铸件在铸形中所处的位置。） a,铸件的重要加工面或主要工作面要朝下或位于侧面。 b.中间的大平面应尽可能朝下或采用倾斜浇注。 c,尽量将铸件大面的薄壁部分放在铸型的下部或垂直倾斜。防止薄壁部分产生浇不足或冷隔。 d,热节处应位于分型面附近的上部或侧面。 e,便于型芯的固定和排气，能减少型芯的数量。
分型面的选取原则 a,分型面应设在铸件的最大截面处。 b,应使铸件有最少的分型面，并尽量做到只有一个分型面。 c,应使型芯和活块数量尽量减少。 d,使铸件全部或大部分放在同一沙箱。 e,尽量使加工基准面与大部分加工面在同一沙箱。 f,尽量使型腔及主要型芯位于下型。 g,应尽量使用平直分型面 h,应尽量使铸型总高度为最低。
分类
手工造型和机器造型。
手工铸造的方法特点。1操作灵活可按铸件尺寸，形状，批量与现场生产条件，灵活选用具体主导方法。2.工艺适应性强。3，生产准备周期短。4.生产效率低。5，质量稳定性差。精度，表面质量差。6，对工人技术要求高，劳动强度大。 主要用于单件小批量生产。
气动微振压实造型。 特点：1，紧实效果好，2，工作适应性强，3，生产效率高，4，对机器地基要求较低。 高压造型，真空密封造型，气流冲击造型，消失膜造型，冷冻造型
锻压成型
概述
锻压：是对胚料施加外力利用金属塑性变形，改变坯料的尺寸和形状，改善内部组织和力学性能，获得所需毛坯或零件成型的加工方法。 锻造和冲压成型的总称 特点：1，工件组致密，力学性能好，2，除自由锻以外，其余锻压加工生产效率高，3，节约金属材料。
金属的塑性变形
晶体只有在切应力的作用下才会发生塑性变形。 单晶体的塑性变形主要通过滑移和孪生进行。 孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分原子相对于另一部分原子某个镜面移动，使未转动的部分与转动部分排列呈镜像对称。 密排六方晶格。容易产生孪生变形。 面心立方晶格。一般不发生孪声变形体。 体心立方晶格。低温或室温受冲击载荷作用下，发生孪生变形 金属晶粒越细，晶界越多，其强度越高，塑性韧性越好
冷塑变形对金属性能的影响
加工硬化：金属材料经冷塑变形后随变形度增加其强度，硬度提高塑性和韧性下降的现象。 加工硬化，强化金属，提高金属强度，硬度及耐磨性。 纯金属，某些铜合金，镍铬不锈钢等难以热处理强化的材料，金属加工硬化是唯一有效的强化方法。 加工硬化：冷轧，冷拔，冷挤压 不利：由于产生加工硬化，金属的塑性降低，进一步冷塑变形困难，用中间热处理消除加工硬化现象。
冷塑加工变形对金属组织影响 冷加工纤维组织：晶粒由等轴晶粒变成加工方向拉长的晶粒。变形度增加，经历被显著拉长成纤维状的组织
产生残余应力 残余应力：金属材料在塑性变形过程中，由于内部变形不均匀，导致变形后仍存残金属材料内部应力 残余应力通过滚压和喷丸处理金属表面的残余应力，从而提高疲劳极限。 残余应力是导致金属产生腐蚀以及变形开裂的重要原因。
冷变形金属的回复和再结晶
组织结构及性能恢复到原始状态，消除残余力。必须进行相应的热处理。分为回复再结晶，晶粒长大三个阶段。
回复：加热温度较低，冷变形组织纤维没有明显变化，力学性能变化不大，但残余应力降低。 降低或消除冷变形金属的残余应力，保持加工硬化性能
再结晶：金属重新加热到再结晶温度。被拉长的纤维状经历又变成等轴状晶体同时加工硬化和残余力完全消除。 再结晶处理也称结晶退火
加工材料的热塑性变形：金属在再结晶温度以下进行塑性变形，称冷加工，冷加工产生加工硬化， 金属在结晶温度以上进行塑性变形，称为热加工， 热变形加工硬化会被再结晶消除 。热变形加工，可使金属中的气孔和疏松焊合可改善夹杂物化碳化物的形态，大小分布，提高钢的强度，塑性以及冲击韧性。
金属及合金的锻造性
锻造性：指材料在锻压加工时的难易程度 塑性好，变形抵抗力小，则锻造性好 取决于材料本质及其变形条件
材料本质 1化学成分：纯金属，合金元素越少，锻造性能好 2组织结构：晶粒越细，组织均匀。单相固溶体比多相固熔体好
变形温度：温度提高，锻造性能好 变形速度：单位时间内金属变形量 变形方式：拔长，镦粗，挤压
锻压
利用冲击力或静压力使加热后在断压设备上下砧之间或模膛内产生塑性变形，以获得所需尺寸，形状，质量的锻件
自由锻：利用冲击力或静压力使经过加热的金属在锻压设备上下砧间向四周自由流动，产生塑性变形，获得所需锻件的加工方法。 分类：手工锻造，机器锻造 用于：主要用于单件小批量锻件的生产，以及大型锻件的生产。 设备分为，锻锤，液压机 工序：基本工序：镦粗，拔长，冲孔，扩孔，弯曲扭转，错位，切割 辅助工序：压钳口，钢锭，倒切肩 精整工序：锻件鼓形，去除锻件毛刺，平整端面
模锻：用于中，小锻件的成批及大量生产
胎膜锻：中小型锻件的小批量生产。常用于没有锻膜设备的中小型工厂。
板料冲压
是利用冲模在压力机上对材料施加压力，使材料产生分离或变形，从而获得一定形状，尺寸，性能的加工方法。 冷冲压：在室温下进行。 热冲压：板料厚度超过8~10mm。
焊接
概述
焊接成型：利用加热或者同时加热加压的方法，使分离的金属零件形成原子键结合从形成新的技术结构。 距离的困难。被焊接表面污染和氧化困难。
液相焊接 熔化焊是典型的液相焊接 用热源加热待焊接部位，其发生熔化而实现原子间结合 熔化焊：利用局部加热的手段，将工件的焊接处加热到熔化状态形成熔池，然后冷却结晶形成焊缝的方法。
固相焊接 压力焊 压力焊：在焊接过程中对工件加压加热或不加热完成焊接的方法。
固-液焊接 钎焊 焊件和带焊表面不直接接触 利用熔点比母材低的填充金属熔化后填充接头间隙，并与固态的母材相互扩散，实现焊接。
焊接热源的特征：热量高度集中，可快速实现焊接。得到致密而强韧的焊缝。控制热影响区的尺寸
热源：电弧热，化学热，电阻热，高频热源，摩擦热，电子束，激光束
焊接的优点。 1.焊接头的力学性能和使用性能良好。 2.与铆接相比，焊接工艺制造金属质量轻，节约材料制造周期短，成本低。 存在问题： 焊接接头组织性能与母材相比会发生变化，容易产生焊接裂纹等缺陷，产生残余力会影响焊接质量。
减少焊接应力的措施： 1，将焊接件加热到350~400度进行焊接。 2，锤击焊缝 3，结构设计要避免焊缝密集交叉，焊缝截面和长度要尽可能小，减少焊接应力。 4.去应力退火。
产生焊接应力的原因：温度分布不均，形成温度梯度，冷却速度不一样。
焊接变形矫正：机械矫正，火焰加工矫正
影响焊接性的主要原因，含碳量。 低碳钢含碳量低，塑性好韧好，一般没有淬火倾向，热影响区小产生裂纹倾向小。
焊接变形的控制 合理结构及接头设计，合理的焊接工艺设计。刚性固定法限制生产的焊接变形，注意焊接应力，合理焊接顺序。
熔化焊接
熔化焊接的方法：电弧焊，气焊，电渣焊，激光焊，电子束焊。 电弧焊：设备简单，使用方便，使用广泛。主要包括焊条电弧焊弧焊，埋弧自动焊。二氧化碳气体保护焊，氩弧焊
焊条电弧焊 电弧是一种气体导电现象。 包括：母材，渣壳，焊缝，液态熔渣，保护气体，药皮，焊芯，熔滴，电弧，熔池。 电弧的构造：电源，焊条，阴极区，弧柱，阳极区，工件
药皮作用：稳定电弧燃烧，对熔池进行机械保护，去除熔池中金属杂质，添加有益元素。 焊芯作用：作为电弧传导电流，产生电弧，填充金属。
酸性焊条：氧化性强焊缝韧性低，氢含量高抗氧化性差，良好工艺性，适应性强，成本低。 碱性焊条：焊接抗裂性好，焊缝中的冲击韧性高，焊接工艺差。较好的脱氧，脱硫去氢去磷作用。
焊接的主要作用力：磁收缩力，焊条指向工件向下推力。等离子流力，高温电离气体高速流动时产生的力。斑点力，又称极点力或极点压力，是电弧施加电极上的作用力。
焊件与焊机的正极相连，焊条与负极相连，称为正接法，或正极性。反之则反接法。 正接法：焊接厚板需要较高温度。 反接法：焊接薄板，避免烧穿工件
熔滴过渡：在电弧热的作用下，焊条加热融化形成熔滴，并在各种力的作用下脱离焊条进入熔池。 关系到焊接的稳定性，成缝成型，飞溅大小，最终影响焊接质量，生产率。
电弧的静特性：在电极材料，气体，介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧焊接电流与电弧电压变化的关系
焊缝的空间位置：平焊，横焊，立焊，仰焊。 平焊方便操作，焊接质量好
埋弧焊自动焊
热影响区窄 焊丝，焊剂 用批量焊接正直焊缝 电流大，熔深大，生产效率高，对焊接熔池保护好，焊接质量高
气体保护焊
二氧化碳气体保护焊生产率高，成本低。
氩弧焊
焊接有色金属，不锈钢
电渣焊
很厚的工件，生产效率高。立焊。组织均匀金属液纯净，便于调整焊接的化学成分
焊接接头组织转变
分为焊缝金属区，焊合区，热影响区。 过热区（性能差，易产生裂纹，（正火区）相变重结晶区，不完全重结晶区 正火区机械性能好
焊接变形的基本形式。
收缩变形，角变形，弯曲变形，波浪变形，扭曲变形
焊接接头的形式：对接，搭接，角接，T型接头。焊接厚度较大，无法焊透，需要开坡口。
零件毛坯的选择
毛坯选择的原则
工艺性原则 适应性原则 生产条件兼顾原则 经济性原则 可持续发展原则
材料失效
材料在加工和使用过程中应改变失去原有的功能 形式：过量的塑性变形失效，断裂失效，表面磨损失效
常用毛坯成型方法有锻造，铸造，粉末冶金，焊接，非金属材料成型和快速成型
轴杆类零件
对于光轴，直径变化较小的轴和力学性能要求不高的轴：一般采用轧制原钢作为毛坯进行机械加工
对于锻造轴：受力较小时，采用中碳钢制造。 承受较大力：时采用中碳合金钢制造，并调制处理。 受较大冲击时用渗碳钢制造且渗氮处理或采用渗碳钢制造并渗碳，淬火处理
对于一些大型零件特殊性能的要求轴，杆零件毛坯：采用锻造+焊接或锻造+焊接
齿轮零件
低速轻载齿轮常用45，50Mn2，40Cr个中碳钢结构，经正火或调制提高综合力学性能
高速，重载齿轮采用20CrMnTi,20CrMo等合金结构钢制成，且齿部部经渗碳，淬火处理可，也采用38CrMoAl等渗氮钢制造其齿轮渗氮处理，从而获得良好的内韧外硬性能
大批量生产齿轮可采用热轧或精密膜锻的方法生产毛坯，提高力学性能 单件或小批量生产形状简单的小齿轮可用圆桶为毛胚 大齿轮锻造比较困难，用铸钢或球墨铸铁
带轮，飞轮，手轮
这的受力不大，仅承受压力，可用灰铸铁，球墨铸铁等材料，也可采用Q235，Q215等低碳钢焊接
法兰.垫圈
分别采用铸铁件，锻键或冲压键为毛坯
模件
模件要求高强度，耐磨性，低温回火。常用锻造
加工流程
变速箱齿轮：锻造→正火→机加工→渗碳→淬火→低温回火→精加工
下料→锻造→正火→机械粗加工→调质（渗碳+淬火）+高频感应淬火，低温回火，精磨