机械工程材料

整体热处理——对工件整体进行穿透加热的热处理工艺。 常用的整体热处理方法有退火、正火、淬火和回火。根 据热处理在零件生产中的目的和工序位置的不同，热处 理又可分为预先热处理和最终热处理。
退火——将金属缓慢加热到某一温度，保温足够时间，以适宜 速度缓慢冷却（通常是缓慢冷却，有时是控制冷却）的一种 热处理工艺。目的：降低硬度，改善切削加工性；消除残余 应力，稳定尺寸，减少变形和裂纹倾向；细化晶粒，调整组 织，消除组织缺陷，为后续的热处理做组织准备。 正火——将钢件加热到Ac3或Accm(奥氏体化加热临界点）以上 30 ～50℃时，保温后在空气中冷却的热处理工艺。目的是细 化晶粒和碳化物分布均匀化。与退火工艺相似，生产中可用 正火代替退火，也可代替调质工艺作为中碳钢制造的轻载荷 零件的最终热处理。 淬火——将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保温一段时间， 使组织全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷 速快冷到Ms以下（或Ms附近等温冷却）进行马氏体（或贝氏 体）转变的工艺。目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体 转变，得到马氏体或贝氏体，然后配合不同温度的回火，大 幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度等，从而满足各 种机械零件和工具的不同使用性能要求。
物理性能（密度、熔点、导热性和导电性、热膨胀性、磁性等）
使用性能
化学性能（耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等）
力学性能（强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等） 材料性能
工艺性能（切削、可焊性、可锻性、铸造性能、热处理工艺性能等）
经济性能
金属材料的力学性能
• 强度 ——金属材料在静载荷作用下抵抗塑性变形或断 裂的能力。主要有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、 抗弯强度等。强度通常用应力来表示，单位横截面积 上的载荷称为应力。单位为MPa（N/mm2）。 • 塑性——金属材料在载荷的作用下产生塑性变形而不 断裂的能力。塑性的指标为断后伸长率和断面收缩率。 金属材料断后伸长率和断面收缩率越大，说明材料的 塑性越好。 • 硬度——金属材料局部抵抗硬物压入其表面的能力。 是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指 标。一般来说，硬度越高耐磨性越好。我们常用的硬 度测试方法有布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法、维 氏硬度试验法三种。
• 铁碳合金的分类、成分及平衡组织
铁碳合金类别 碳的质量分数 室温平衡组织
工业纯铁 亚共析钢
钢 共析钢 过共析钢 亚共晶白口铸铁 白口铸铁 共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁
0～0.0218% 0.0218%～0.77%
0.77% 0.77%～2.11% 2.11%～4.3% 4.3% 4.3%～6.69%
• 马氏体转变的特点：
① 马氏体转变过程中会产生很大的应力，马氏体转变过程 中不但有体积的变化，而且还有形状的变化，由此产生 在的应力。
② 马氏体转变属于非扩散性转变。在大的过冷度条件下， 马氏体转变速度极快，转变过程中没有原子的扩散过程， 奥氏体中碳全部被“冻结”在α-Fe中。 ③ 马氏体转变属于不完全性转变。即使冷却到Mf以下， 奥氏体也很难全部转变为马氏体，总有部分奥氏体被保 留下来，这部分奥氏体称为残余奥氏体。 ④ 马氏体转变具有可逆性。
150kgf）、三种压头（金刚石圆锥、直径1.5875mm球、直 径3.175mm球）组合而成九种标尺（A、B、C、D、E、F、 G、H、K)。我们常用的有A、B、C三种标尺。使用硬质合 金球压头的标尺，硬度符号后面加“W”。协议使用钢球 压头的标尺时，硬度符号后面加“S”。
常用洛氏硬度标尺的试验条件及应用范围
F F+P
P P+Fe3CⅡ P+Fe3CⅡ+Ld’ Ld’ Ld’+Fe3CⅠ
合金的成份决定合金的组织；合金的组织决定合金的性 能。充分认识铁碳合金的成份、室温和性能之间的变化 规律，是正确选择钢铁材料的基础。例如：要求塑性、 韧性好的各种型材，通常选用碳的质量分数较低的钢， 要求强度和韧性好的零件，通常选用碳的质量分数为
表面洛氏硬度——两种压头（金刚石圆锥、直径 1.5875mm球）、三种试验力 （15kgf、 30kgf 、45kgf）组 合而成六种标尺。适用于薄壁件的硬度测量。
洛氏硬度的特点及应用： 优点：洛氏硬度试验的压痕小，宜测量薄件、半成品、成 品件的硬度，操作简单，可直接读出硬度值，选用不同的 标尺，可测量所有材料的硬度，测量范围大。 缺点：洛氏硬度试验的压痕小，硬度代表性不好，组织不 均匀时测量值波动较大，需在材料的不同部位测量三次以 上并取平均值；由于所用标尺不同，其硬度值之间不能比 较。 应用：可用于测定硬质合金、表面淬火层、渗碳层、调质 钢等硬度较高的场合，洛氏硬度压痕几乎不损坏工件表面， 在实际检验中应用最多。 维氏硬度试验原理——将顶部两相对面具有规定角度的 正四棱锥体金刚石压头用一定的试验力压入试样表面， 保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕对角 线长度，以压痕单位面积上承受的平均压力大小表示材 料的硬度。（与布氏硬度有相似之处）
• 韧性——材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能 力或材料抵抗裂纹扩展的能力。韧性是材料强度和塑性的 综合表现。常用韧性指标包括冲击韧度和断裂韧度。实践 证明，冲击韧性对材料的缺陷很敏感，白点、夹杂以及过 热等缺陷都会降低材料的冲击韧性。断裂韧度与材料本身 的成分、成型工艺有关，与裂纹的形状、尺寸及外应力的 大小无关。 • 疲劳强度——材料在“无数”次重复交变载荷的作用下而 不破坏的最大应力。疲劳强度除与材料本质有关外，还与 内部组织、零件表面状况、工作温度、腐蚀介质有关。 提高疲劳强度的措施：a、改善材料的内部组织，细化晶粒， 减少缺陷；b、降低零件构件的表面粗糙度；c、零件构件的 表面尽量避免出现尖角、缺口和截面突变的结构；d、采取表 面强化措施，如化学热处理、表面淬火、表面涂层、喷丸等， 形成表面的压应力，以减少表面拉应力造成裂纹的可能性。
渗碳体硬度极高（800HBW）,塑性和韧性极低，脆 性大，是一种硬而脆的相。在铁碳合金中，渗碳体常以 片状、网状、粒状等形态与其他相共存。渗碳体主要作 为强化相存在于钢铁中，它的数量、形态（片状、网状、 粒状等）、大小和分布对钢铁材料的性能有重要影响。 渗碳体是一种亚稳定相，在一定条件下可以分解出石墨。 • 珠光体——奥氏体发生共析转变形成的铁素体与渗碳 体的共析体。用符号“P”表示。 • 莱氏体——液态的铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏 体与渗碳体的共晶体，也称为高温莱氏体，用符号 “Ld”表示，当温度低于727℃时，莱氏体中奥氏体 转变成珠光体，此时的莱氏体由珠光体和渗碳体组成， 这种莱氏体称为低温莱氏体，用符号“Ld’”表示。莱 氏体是白口铁的主要组织。
缺点：效率低，试验技术要求较高，试样表面粗糙度要 求较高，通常只用来测试小型精密零件的硬度、表面硬 化层的硬度和有效硬化层深度以及镀层的表面硬度、薄 片材料和细线材的硬度、刀刃附近的硬度等。 硬度试验是材料试验中最简单的一种，硬度与其他力 学性能有一定的关系，可根据硬度估计出零件和材料的 其他力学性能。
0.25%～0.55%的钢，要求高强度、高硬度和高耐磨 的工具，通常选用碳的质量分数大于0.7%的钢。
钢的热处理
• 钢的热处理——钢在固态范围内通过加热、保温和冷却， 以获得所需要的组织和性能的工艺。加热温度是热处理 工艺的重要参数，其选择依据就是铁碳平衡相图。分为 整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。热处理 之所以能够改变材料的性能就是在热处理过程中材料的 内部组织结构发生了改变。 • 钢在加热时的组织奥氏体化转变，保温使得组织均匀化， 然后冷却，不同的冷却温度、冷却速度得到不同的组织。 等温冷却时发生珠光体型转变和贝氏体型转变。连续冷 却时发生珠光体转变和马氏体转变。 • 珠光体型产物有珠光体P（转变温度Ar1～650 ℃时产生片 层间距较大的珠光体）、索氏体S（转变温度650～600 ℃ 时产生片层间距较小的珠光体）和托氏体T （转变温度 600～550℃时产生片层间距极小的珠光体） 。
• 贝氏体型转变的产物是贝氏体B，贝氏体是由铁素体及其 内部分布的弥散的碳化物组成的亚稳定组织，分为上贝 氏体B上（转变温度550～350℃和下贝氏体B下（ 350 ℃ ～ Ms) 。上贝氏体韧性差，在生产中应用较少；下贝氏体强 度、硬度高，韧性好，具有良好的综合力学性能,在生产 中等温淬火工艺获得下贝氏体B下。 • 马氏体转变：过冷奥氏体快速冷却在Ms ～ Mf温度区间 转变为马氏体。马氏体转变是钢淬火工艺的主要组织转 变过程。只有在快速连续冷却和大的过冷度条件下，才 能实现马氏体转变。马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶 体，具有体心立方晶格，它硬度高、脆性大，其硬度与 含碳量有关，含碳量越高，硬度越高。马氏体有板条状 和针叶状两种形态。Wc<0.25%时，形成板条状马氏体 （低碳马氏体），Wc>1.0%时，形成针叶状马氏体（高碳 马氏体）。
布氏硬度的特点及应用： 优点：压头直径大，压痕面积大，硬度代表性好，能反 映较大范围内金属各组成相综合影响的平均值，适宜测 定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料。 缺点：压痕较大，不适宜测量薄件、成品件，不能测定 硬度较高的材料，布氏硬度试验范围上限为650HBW。 应用：主要用于测定灰铸铁、有色金属、退为钢、正火 钢及部分调质钢材料的硬度。 洛氏硬度试验原理——试验时，将压头（金刚石圆锥、 硬质合金球），分两个步骤压入试样表面，经规定保 持时间后卸除主试验力，测量在初试验力下残余压痕 的深度。在实际测量材料的洛氏硬度时则从硬度计上 直接读数。 洛氏硬度没有单位，是一个无量纲的力学性能指标。 洛氏硬度试验采用三种试验力（60kgf、100kgf、
布氏硬度试验原理——使用硬质合金球压头，以规定 的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验 力，测量表面压痕直径，以金属表面压痕单位面积上 所承受载荷的大小来确定被测金属材料的硬度。 GB/T231.1-2009金属材料布氏硬度试验方法明确规定 只允许使用硬质合金球压头，布氏硬度 符号为HBW。不 应与以前的符号HB和用钢球头时使用的符号HBS相混淆。 布氏硬度单位为N/mm2，习惯上不写单位。
维氏硬度的特点及其应用：
优点：硬度值与试验力的大小无关，只要是硬度均匀的 材料，可以任意选择试验力，其硬度值不变，使维氏硬 度在一个很宽广的硬度范围内具有一个统一的标尺。目 前工业上所用到的几乎全部金属材料，维氏硬度试验都 可以测量，从很软的材料（几个维氏硬度单位）到很硬 的材料（3000个维氏硬度单位）。维氏硬度试验的试验 力可以很小，压痕非常小，特别适合测试薄小材料。
• 铁碳合金基本相 铁素体——碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体，用符号“F” 表示。铁素体保持α-Fe的体心立方晶格类型。铁素体的 强度、硬度较低，塑性、韧性较好。是工业纯铁的主要 组织。 奥氏体——碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体，用符号“A” 表示。奥氏体保持γ-Fe的面心立方晶格类型。奥氏体具 有一定的强度和硬度，塑性、韧性较好。奥氏体属于高 温组织，具有良好的塑性和小的变形抗力，是锻造加工 的理想组织。 渗碳体——铁碳合金按亚稳定平衡系统凝固和冷却转变 时析出的Fe3C型碳化物，是一种具有复杂晶格的间隙化 合物，其符号用化学分子式“Fe3C”表示，也可用符号 “Cm”。从液相中析出的称为一次渗碳体（ Fe3CⅠ）， 从奥氏体中析出的称为二次渗碳体（ Fe3CⅡ），从铁素 体中析出的称为三次渗碳体（ Fe3CⅢ）。
铁碳合金相图
• 纯铁的同素异晶转变
金属在固态下，随着温度的变化由一种晶格转变为 另一种晶格的过程，称为同素异晶转变。同素异晶转变 是分析铁碳合金组织转变的基础，也是钢铁材料能够进 行热处理的根本原因。
• 铁碳合金相图——在平衡（极其缓慢的加热或冷却） Leabharlann Baidu件下，反映铁碳合金的成分、温度、组织之间关系 的图形，
机械工程材料
技术中心 2017年7月
工程材料的分类
钢铁材料（黑色金属：铁、锰、铬） 金属材料 非铁金属（其余为有色金属） 按属性分 高分子材料（橡胶、塑料等） 非金属材料 无机非金属材料（S、P） 复合材料（金属陶瓷复合材料）
工程材料的性能
材料的性能是机械制造过程中正确选用零件 材料的重要依据。