第九章 零件的材料选择

2.奥氏体
碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体， 用符号“F”(或“α”)表示。由于体心立方晶格的 α-Fe的晶格间隙很小，所以碳在α-Fe中的溶解度 很低，在727℃时的最大溶碳量为0.0218%，随 着温度的降低，溶碳量逐渐下降，在室温时仅 为0.0008%。所以铁素体的性能接近于α-Fe，具 有良好的塑性和韧性，而强度、硬度都较低。
第一节
金属的晶体结构和铁的同素异构转变
一、金属的晶体结构
从中学所学的化学课程中，我们已经知道，固 态物质可分为晶体和非晶体。而固态金属基本 上都是晶体物质，并且绝大多数金属的晶体结 构都属于体心立方晶格(如α-Fe、Cr、Mo、W、 V等)、面心立方晶格(如γ-Fe、Cu、Al、Ni等)和 密排六方晶格(如Mg、Zn、Be等)。
不同成分的合金称为合金系统，简称合金系。
二、合金相图的基本概念
1.相
(1) 固溶体 合金在结晶成固态时，组元间会相互溶解，形成在某一组元(称为溶剂) 的晶格中包含有其他组元(称为溶质)的新相，这种新相称为固溶体。 (2) 金属化合物 溶质在固溶体中的溶解度一般是有限的，当溶质的含量超过此溶解
度后将产生新相。
织，它的强度低、塑性好，便于塑性变形加工。因此钢材轧制或锻造的
温度范围都选择在相图上单一奥氏体组织范围内。在热处理方面，热处 理与铁碳相图有着更为直接的关系，各种不同的热处理方法的加热 温度 都是依照相图来选定的，详见本章第三节。
第三节
钢的热处理
一、热处理的基本概念
将固态金属或合金，采用适当的方式进行加 热、保温和冷却以获得预期的组织结构与性 能的工艺称为热处理。其中钢的热处理是钢 材最有效的强化手段，可以显著提高钢的力 学性 能和改善钢的工艺性能。因而机械工程
2.相平衡(平衡)
相平衡是指在合金中参与结晶或相变过程的各相之间的相对重量和相对浓度
不再改变时的状态。这种状态是在系统的温度变化极其缓慢时，晶格中的原
子有充分的时间进行扩散的条件下得到的。
3.组织 用金相观察方法看到的，由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相 构成的总体称为组织。其中用肉眼或借助于放大镜观察到的组织称为宏观组 织(低倍组织)；而借助光学或电子显微镜所观察到的组织称为显微组织。通 常所说的组织，一般均指显微组织。 4.相图 相图是表达合金的温度、成分和相(或组织状态)之间平衡关系的图形，又称 状态图或平衡图。即它是表明合金系中不同成分的合金在不同温度下，由哪
些相(或组织)组成以及这些相(或组织)之间平衡关系的图形。
三、铁碳合金相图
(一) 铁碳合金的基本相 (二) 铁碳合金相图 (三) 铁碳合金按碳的质量分数和组织分类 (四) 珠光体和莱氏体介绍 (五) 典型铁碳合金的结晶过程
(六) 铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系
(七) 铁碳相图的应用
(一) 铁碳合金的基本相
6) GP线——从奥氏体中析出铁素体
的终止线。 7) PQ线——碳在α-Fe中的溶解度曲 线，称为铁素体的固溶线。
图9-2 Fe-F C相图
(三) 铁碳合金按碳的质量分数和组织分类
在铁碳合金中，碳的质量分数为0.0218%～2.11%称 为钢。其中碳的质量分数为0.77%的钢称为共析钢，其 室温组织为珠光体P；碳的质量分数为0.0218%～0.77% 的钢称为亚共析钢，室温组织为F+P；碳的质量分数为 0.77%～2.11%的钢称为过共析钢，其室温组织为P+Fe3 C。碳的质量分数为2.11%～6.69%时称为白口铸铁(断 口呈银白色而得名)，其中碳的质量分数为4.3%时称为 共晶白口铸铁，其室温组织为低温莱氏体L′ d。碳的 质量分数为2.11%～4.3%时称为亚共晶白口铸铁，其室 温组织为P+Fe3C+L′d；碳的质量分数为4.3%～6.69%时 称为过共晶白口铸铁，其室温组织为L′d+Fe3C。
(二) 铁碳合金相图
1) ACD线(AC线+CD线)——液相线。
2) AECF线(AE线+ECF线)——固相线。
3) GS线(又名A3线)——从奥氏体A中 析出铁素体F的开始线。 4) ES线(又名Acm线)——是碳在γ-Fe 中的溶解度曲线，称为奥氏体的固 溶线。 5) PSK线(又名A1线)——共析反应线。
(四) 珠光体和莱氏体介绍
1.珠光体
珠光体(P)由于具有珍珠般的光泽而得名，碳的质量分数为0.77%，它是奥氏体从高温 缓慢冷却至727℃以下时，发生共析反应所形成的铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠 组成的共析组织。其力学性能也大体上是铁素体和渗碳体的平均值，故珠光体的强度 较高，硬度适中，又有一定的韧性。
3.渗碳体
渗碳体是铁和碳的金属化合物，它的分子式为F e3C(也可用“Cm”表示)，其碳的质量分数(旧称 含碳量)为6.69%，用符号“ωC”表示。渗碳体的 熔点为1227℃，具有很高的硬度(800HBW)，但 塑性很差(δ≈0)，是一种硬而脆的组织。在钢中 渗碳体以不同形态和大小的晶体出现于组织中， 对钢的力学性能影响很大。
图9-4 碳的质量分数对钢力学性能的影响
(七) 铁碳相图的应用
1) 铁碳相图所表明的铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系是选择钢 铁材料的依 2) 铁碳相图是制订铸、锻、热处理工艺的依据。
在铸造方面，根据相图中的液相线可以找出不同成分的铁碳合金的 熔点，从而确定合适 的熔化、浇注温度。此外从相图中还可以看出，接 近共晶成分的合金不仅熔点低，而且凝固 温度区间小，能较长时间处于 流动性好的液态，故具有良好的铸造性能，适宜用于铸造。图9-4 碳的 质量分数对 钢力学性能的 影响在锻造方面，钢经加热后获得奥氏体组
2.莱氏体
莱氏体是碳的质量分数为4.3%的液态，在1148℃时发生共晶反应所形成的奥氏体和 渗碳体所组成的共晶组织，用“Ld”表示。
(五) 典型铁碳合金的结晶过程
图9-3所示为共析钢的结晶过程 示意图，在点1以上温度，合金 为液相L;当合金冷却至1～2区 间时，从液相中结晶出奥氏 体， 此时为L+A双相;到点2时结晶完 毕，所以2～3区间为单相 奥氏 体A;当温度降到727℃的点3时， 奥氏体发生共析反应，到 点3′ 反应结束。因此，在33′的反应 期间，其组织为A+P;到达3′时 全部成为反应产物P;当温度从 点3′继续降到室温时的点4过程 中，珠光体中铁素体的溶碳量 沿PQ线变化，相应从 0.0218% 降到0.0008%，并析出渗碳体。 由于析出渗碳体的量非常少， 且与原珠 光体中的渗碳体混合 在一起，难以分辨，完全可以 忽略不计，因此可认为3′4区间 的组织 均为P。
较组成合金的纯金属 更好的力学性能外，还可以改变组成元素之间的成分比例，以
获得一系列性能各不相同的合 金，例如改变铁、碳的成分比例，可以得到各种不同 牌号和不同性能的碳素钢。同时一般还 可以通过热处理来改善其力学性能和工艺性 能。此外，某些合金还具有耐热、耐蚀、不易生 锈等一些特殊的物理和化学性能， 从而可以满足工程中各种不同的使用要求。 组成合金的独立的、最基本的单元称为 组元。组元可以是金属、非金属元素和稳定化合 物。根据合金中的组元数相应有二 元合金、三元合金和多元合金。 由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列
图9-1 铁的同素异构转变
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第二节
铁碳合金及其相图
一、合金的基本概念
纯金属的强度、硬度一般都很低，不能满足工程需要，而且冶炼困难，价格较贵（纯 度越高，价格越贵），因此在工程上的应用受到限制。实际工程中广泛使用的是合金。 合金 是一种金属元素与其他金属元素或非金属元素相互熔合而成的具有金属特性的 物质。例如碳 素钢就是由铁和碳组成的（二元）合金，简称铁碳合金。合金除具有
第九章 零件的材料选择
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 第九节 金属的晶体结构和铁的同素异构转变 铁碳合金及其相图 钢的热处理 工业用钢 铸 铁 有色金属及其合金 工程塑料 复合材料 零件的材料选择
第九章 零件的材料选择
• 工程上所使用的材料统称为工程材料。它不仅是机械工 程和各种工程的物质基础， 又在很大程度上决定了工 程的质量和成本。因此，材料、能源、信息被人们公认 为现代技术 的三大支柱。历史学家常把人类的发展史 分为石器（旧、新）时代、陶器时代、青铜器时 代、 铁器时代，而21世纪又将是合成材料的新时代。由此可 见，材料在人类发展史上的重 要作用。 通过前面各章 的学习，已经知道:①在零件图的标题栏中，都有一个 材料栏目，填写为 该零件所选用的材料;②在拉、压、 弯、扭等各种基本变形条件下的强度计算时，都需要给 出所用材料及其相应的许用应力［σ］（或［τ］），才 能进行计算。而材料的许用应力不仅 取决于材料本身， 还与它的热处理直接相关。所以机器零件一定要选择合 适的材料和相应的 热处理。
图9-3 共析钢的结晶过程示意图
(六) 铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系
从铁碳相图可知，铁碳合金随着碳 的质 量分数的增加，其室温组织按 下列顺序变 化:F→F+P→P→P+Cm →P+Cm +Ld′→Ld′→Ld′+Cm。不难看到 这些组织都是由铁素体和渗碳体两 相所组成的，而且碳的质量分数越 高，铁素体的量越少而渗碳体的量 越多，因而随着碳的质量分数的增 加，钢的强度、硬度相应增加，而 塑性、韧性则下降，见图9-4。图中 碳的质量分数大于0.9%时，钢的强 度有所下降，这是由于钢中出现了 影响强度的网状渗碳体的缘故。
1.铁素体 2.奥氏体 3.渗碳体
1.铁素体
碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体， 用符号“F”(或“α”)表示。由于体心立方晶格的 α-Fe的晶格间隙很小，所以碳在α-Fe中的溶解度 很低，在727℃时的最大溶碳量为0.0218%，随 着温度的降低，溶碳量逐渐下降，在室温时仅 为0.0008%。所以铁素体的性能接近于α-Fe，具 有良好的塑性和韧性，而强度、硬度都较低。
热处理的工艺过程一般可以用热处理工艺曲
线（温度、时间关系曲线）来表达，见图9-5。
二、金属(钢)热处理工艺分类及代号
1)基础分类和代号。 2)附加分类和代号。 3)热处理工艺代号。
三、钢在加热时的转变
在钢的热处理工艺中，首先要进行加热并保温，以获得全部（或部分） 奥氏体组织，称为钢的奥氏体化。虽然奥氏体是高温状态的组织，但它 的成分、晶粒大小及其均匀化程度将直接影响钢冷却后的组织和性能。 下面就以共析钢为例来说明在加热、保温时，其组织转 变过程。共析钢 加热到Ac1 线以上时，钢中的珠光体将向奥氏体转变，并经历生核、长大、 残留渗碳体的溶解和奥氏体均匀化四个阶段，见图9-6。
二、铁的同素异构转变
多数金属在固态下只有一种晶格类 型。但Fe、Ti、Co、Mn、Sn等金属并 不只有一种晶 体结构，而是随着外 界条件（如温度、压力）的变化而有 不同类型的晶体结构。即在固态 下 会发生晶格类型的转变，这种转变称 为同素异构转变。其中铁的同素异构 转变尤为重要， 它是钢能够进行热 处理改变其组织与结构，从而可改善 其力学性能和工艺性能的根本原因。 206 图9-1 铁的同 素异构转变 它 也是钢铁材料性能多种多样、用途广 泛的 主要原因之一。图9-1所示为纯 铁的冷却曲 线及其晶体结构的转变， 即同素异构转变。
中的大多数零件都要进行热处理，如滚动轴
承和各种 工具几乎百分之百的要进行热处理。 下面是采用45钢制造机床齿轮的典型工艺路 线: 下料→锻造→正火（或退火）→齿坯加工 →淬火→高温回火→切齿→高频表面淬火→ 低温回火→磨削。全部10道工序中就有5道工 序是热处理，热处理的地位由此可见一斑。
图9-5 热处理工艺曲线
图9-6 共析钢中奥氏体的形成过程示意图 a)奥氏体生核 b)奥氏体长大 c)残留渗碳体溶解 d)奥氏体均匀化
四、钢在冷却时的转变
• 相同的钢，在同样的加热和保温条件下， 获得奥氏体组织后，如在不同的冷却方式 和冷 却速度下冷却将获得不同的组织，从 而在性能上也会有明显的差别。也就是说， 人们可以采 用不同的冷却条件，以期获得 所需要的性能。可见，钢的冷却过程在热 处理工艺中也是至关 重要的。下面以共析 钢为例来说明冷却方式对钢的组织和性能 的影响。