工程材料4-3(第4章第5节铸铁)
《机械工程材料(第4版)》课程大纲
“工程材料基础”课程教学大纲英文名称：Fundamentals of Engineering Materials课程编号：MATL300102（10位）学时：52 （理论学时：44 实验学时：8 上机学时：课外学时：（课外学时不计入总学时））学分：3适用对象：本科生先修课程：大学物理、材料力学使用教材及参考书：[1] 沈莲，范群成，王红洁.《机械工程材料》.北京：机械工业出版社，2007.[2] 席生岐等。
《工程材料基础实验指导书》.西安：西安交通大学出版社.2014[3] 朱张校等。
《工程材料》.北京：清华大学出版社.2009一、课程性质和目的（100字左右）性质：专业基础课目的：为机械、能动、航天、化工等学院本科生讲解材料的基础理论和工程应用，使学生了解材料的成分-组织-结构-性能的内在关系，培养学生根据零构件设计的性能指标选择合适材料，做到“知材、懂材”并能合理使用材料。
二、课程内容简介（200字左右）工程材料基础是面向机类、近机类及口腔医学专业开设的材料基础理论课程。
课程主要向学生讲授典型零件的失效方式及抗力指标、金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料、功能材料的基本知识，使学生掌握材料成分-工艺-组织-性能的内在关系，掌握工程材料实际应用的原则，培养学生“知理论、懂性能、会选材”的基本能力和素质。
课程实验主要包括金相试样制备和显微镜使用、铁碳合金组织的观察与分析、碳钢热处理与性能综合实验。
一、教学基本要求(1) 了解机械零构件的常见失效方式及其对性能指标的要求。
(2) 掌握碳钢、铸铁、合金钢、有色金属的成分、组织、热处理、性能特点及工程应用的基本知识。
(3) 掌握陶瓷材料、高分子材料、复合材料、功能材料的成分、组织、性能特点及常用材料的种类和用途。
(4) 学生具有根据零构件的服役条件、失效方式和性能要求选择材料及编写冷热加工工艺路线的基本能力。
(5) 了解新材料、新工艺的基本概况及发展趋势。
第五节 常用钢材及铸铁
离合器弹簧 拉力弹簧
5）滚动轴承钢：
如：GCr15
主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚 针）、内外套圈等，属专用结构钢。 碳质量分数一般为0.95%--1.10%，以保证其高硬 度、高耐磨性和高强度。铬为基本合金元素 ，铬含量 为0.40%--1.65%。高碳低铬。
杆、凸轮和轴类零件。
60、65、70 — 淬火+中温回火，制造弹簧。
75、 80、 85 — 耐磨件
3、碳素工具钢 碳素工具钢含碳量为0.65-1.35% ，可制造低速切削 的刀具和普通模具、量具。 常用牌号有T7、T8、T8Mn、T9、T10A、T11、 T12A、T13等。 数字表示平均碳的质量分数（千分数）。如， T8：表 示碳的平均含碳量为0.8%的碳素工具钢。 4、低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是在低碳钢的基础上加入少 量合金元素制得，其合金元素总量不超过5%，以 Mn为主要合金因素。这类钢一般在热轧或正火状态 下使用，不需再进行热处理。广泛用于建筑、石油、 化工、铁道、桥梁、造船等工业部门。
高炉
电弧炉
二、 化学成份对碳钢力学性能的影响
1 、碳质量分数对碳钢力学性能的影响： 2、硅和锰的影响： 有益元素。不但可以溶于F中，产生强化作用， 使钢的强度和硬度提高；而且Mn能消除硫对 钢的危害。 3、磷的影响： 有害元素，使钢产生冷脆性。 4、硫的影响： 有害元素，使钢产生热脆性。
三、 钢的分类、牌号及用途
（3）使钢具有某些特殊性能
铬、锰等合金元素的加入使钢具有了耐高温、耐热、 耐磨、不生锈等特殊性能。
（二）、合金钢的种类：
工程合金结构钢 ： 普通低合金结构钢
工程材料知识点
第一章材料的结构与组成1、填写出下表中三种典型金属的基本参数2、根据刚性模型，计算体心立方、面心立方及密排六方晶格的致密度。
体心立方：首先在一个晶胞中总共有8*1/8+1=2个原子，这个两个原子的体积为V1=2*4/ 3πr^3，而晶胞体积为V2=a^3。
根据晶胞中的原子分布可知，体心立方密排方向为[111]，从而可以得到4r=a*√3。
根据上述可以计算其致密度为η=V1/V2=π*√3/8=68%。
面心立方：一个胞共有8*1/8+6*1/2=4个原子，这个两个原子的体积为V1=4*4/3πr^3，而晶胞体积为V2=a^3。
面心立方密排方向为[110]，从而有4r=a*√2。
根据上述可以计算其致密度为η=V1/V2=π*√2/6=74%。
密排六方：4/3πr^6/a^3=（4/3πx（a/2）^6)/6x(√3a/4)xc=0.743、晶粒的大小对材料力学性能有哪些影响？用哪些方法可使液态金属结晶后获得细晶粒？晶粒度的大小对金属材料的力学性能有很大影响。
金属材料晶粒越小，其综合力学性能越好，即强度、硬度、塑性、韧性越高。
细化液态金属结晶晶粒的方法：增大过冷度、变质处理、振动或搅拌。
4、什么是过冷度？过冷度和冷却速度有什么关系？金属在实际结晶过程中，从液态必须冷却到理论结晶温度（T0）以下才开始结晶，这种现象称为过冷。
理论结晶温度T0和实际结晶温度T1之差△T，称为过冷度。
金属结晶时的过冷度并不是一个恒定值，而是与冷却速度有关，冷却速度越大，过冷度就越大，金属的实际结晶温度也就越低。
5、实际金属晶体存在哪些缺陷？对材料性能有何影响？晶体缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷三种缺陷。
其中点缺陷包括空位、间隙原子、置换原子。
线缺陷包括刃型位错、螺型位错。
面缺陷包括晶体的表面、晶界、亚晶界、相界。
它们对力学性能的影响：使得金属塑性、硬度以及抗拉压力显著降低等等。
第二章材料的力学行为1、说明下列力学性能指标的名称、单位及其含义。
机械工程材料-4章 钢铁材料
③对回火转变的影响
合金元素提高淬火钢的回火稳 定性。合金元素能使铁原子和碳原 子扩散速度减慢，淬火钢回火时马 氏体分解减慢，析出的碳化物难于 聚集长大，保持一种较细小、分散 的状态。 因此淬火回火后合金钢的硬度 和强度高，这有利于提高结构钢的 强度、韧性和工具钢的红硬性。 合金元素使钢产生二次硬化现 象。高合金钢在500～600℃度范围 回火时，其硬度并不降低，反而升 高，这种现象称为二次硬化。
2.工业用钢的编号方法
①普通碳素结构钢
1）碳素钢
质量等级符号含义 A：只保证力学性能 ，要求最低 B：只保证化学成分； C：保证力学性能、化学成分； D：保证力学性能、化学成分、金相组织。
Q 235–A F Q XXX–X X
脱氧方法符号：F、B、Z、TZ 质量等级符号：A、B、C、D 钢的屈服强度数值（MPa）
②合金工具钢
一位数字 + 元素符号 + 数字
合金元素含量，单位1% 合金元素符号 平均含碳量，单位：0.1%；Wc＞1% 时不标出
注： 当合金元素含量小于1.5％时，只标明元素符号，不标含 量；当含量在1.5%～2.5% 时标2，在2.5%～3.5% 时标3…… 当Wc≥1%时，不标出含碳量，避免与合金结构钢混淆。 高速钢（W18Cr4V，Wc=0.7%-0.8% ）例外。 例：9SiCr表示Wc=0.9％，Si、Cr的含量都小于1.5％。
合金元素溶入铁素体对合金性能的影响
2 与铁的相互作用
铁素体形成元素：即缩小奥 氏体相区的元素，包括Cr、Mo、 W、Ti、Si、Al、B等。如欲得到 室温铁素体钢，需向钢中加入铁素 体形成元素。
奥氏体形成元素：即扩大奥 氏体相区的元素，包括Ni、Mn、 Co、Cu、Zn、N等。如欲得到室 温奥氏体钢时，需向钢中加入奥 氏体形成元素。
第1章 安装工程常用材料
非金属管材 （2）陶瓷管
管（PE管）、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）、交联聚乙烯管（PEX管）、聚丙烯管（PP）、聚丁烯
（PB）管、工程塑料（ABS）管、耐酸酚醛塑料管
第二节 管材、管子附件及常用材料
（1）铝塑复合管 （3）钢骨架聚乙烯（PE）管： （4）涂塑钢管： （5）玻璃钢管（FRP管）： （6）硬聚氯乙烯/玻璃钢（UPVC/FRP） 复合管： （7）其他：
2.2 金属管材--钢管-有缝钢管
• JDG管(套接紧定式镀锌钢导管、电气安装用钢性 金属平导管)是一种电气线路最新型保护用导管。 连接套管及其金属附件采用螺钉紧定连接技术 组成的电线管路，无需做跨接地，焊接和套丝， 外观为银白色或黄色。施工中多局部多用于综 合布线、消防布线等施工。
2.2 金属管材--钢管-有缝钢管
40以下用KBG，40以上用焊接钢 管，防爆区域、埋入地下的管道 全部采用镀锌钢管
2.2 金属管材--钢管-有缝钢管
• KBG管又称国标扣压式导线管，KBG系列钢导管 采用优质薄壁板材加工而成，双面冷镀锌全方位 360°保护。管与管件连接不需再跨接地线，是 针对吊顶，明装等电气线路安装工程而研制。管 材的施工无需焊接设备，使施工现场无明火，， 确保了现场的安全施工。
复合材料管材 （2）钢塑复合管：
第一节 钢管及其附件的通用标准 1.公称直径 2.公称压力、试验压力和工作压力
3.管螺纹标准
1.公称直径 1.公称直径 公称通径； 无规共聚聚丙烯管（PP（1）定义：为了设计、制造、安装和检修方便规定的各种管道的通 R）：冷热水供应系统 用口径；如钢筋混凝土管、铸铁管、镀锌钢管等采用DN表示 无缝钢管的管子的外径用字母D来表示，其后附加外直径的尺寸和壁 厚，例如外径为306的无缝钢管，壁厚为30MM，用D306*30 塑料管也用外径表示，如De63
工程材料第四章习题答案
工程材料作业（4）答案1.解释下列现象:(1) 在相同含碳量下，除了含Ni和Mn的合金钢外，大多数合金钢的热处理加热温度都比碳钢高。
奥氏体形成分为形核、长大、残余渗碳体溶解，奥氏体均匀化4阶段。
多数合金元素减缓A形成，Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素与碳亲和力大，形成的合金元素的碳化物稳定、难溶解，会显著减慢碳及合金元素的扩散速度。
但为了充分发挥合金元素的作用，又必须使其更多的溶入奥氏体中，合金钢往往需要比含碳量相同的碳钢加热到更高的温度，保温更长时间。
Co、Ni等部分非碳化物形成元素，因增大碳的扩散速度，使奥氏体的形成速度加快。
而Al、Si、Mn等合金元素对奥氏体形成速度的影响不大。
阻碍晶粒长大，合金钢需要更高的加热温度，更长的保温时间，才能保证奥氏体均匀化。
（加热温度升高了，但一般不会引起晶粒粗大：大多数合金元素都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。
碳化物形成元素的作用最明显，因其形成的碳化物高温下稳定性高，很难完全溶入奥氏体，未溶的细小碳化物颗粒，分布在奥氏体晶界上，有效的阻止晶粒长大，起到细化晶粒的作用。
所以，合金钢虽然热处理加热温度高，但一般不用担心晶粒粗大。
强烈阻碍晶粒长大的元素：V、Ti、Nb、Zr；中等阻碍的：W、Mo、Cr；影响不大的：Si、Ni、Cu；促进晶粒长大的：Mn、P、B）(2) 在相同含碳量下，含碳化物形成元素的合金钢比碳钢具有较高的回火稳定性。
回火过程一般分为：马氏体分解、残余奥氏体转变、碳化物类型转变和碳化物长大。
合金元素在回火过程中，推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变（即在较高温度才出现分解和转变），提高铁素体的再结晶温度，使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度。
因此，提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。
使得合金钢在相同温度下回火时，比同样质量分数的碳钢具有更高的硬度和强度（对工具钢，耐热钢更重要），或在保证相同强度的条件下，可在更高的温度下回火，而韧性更好（对结构钢更重要。
第四章 铸件结构与工艺设计
铸件结构设计 砂型铸造工艺设计 铸造工艺设计实例
第一节 铸件结构设计
铸件结构不仅会直接影响到铸件的力学性 能、尺寸精度、重量要求和其它使用性能， 同时，对铸造生产过程也有很大影响。 所谓铸造工艺性良好的铸件结构，应该是 铸件的使用性能容易保证，生产过程及所 使用的工艺装备简单，生产成本低。 铸件结构要素与铸造合金的种类、铸件的 大小、铸造方法及生产条件密切相关。
（压铸）便于取出铸件的设计
熔模铸件平面上的工艺孔和工艺肋
2.铸件的组合设计 2.铸件的组合设计
因工艺的局限而无法整铸的结构，应采用组合设计。
铸钢底座的铸焊
组合床身铸件
a)砂型铸件改为b)组合压铸件 a)砂型铸件改为b)组合压铸件
第二节 砂型铸造工艺设计
1) 2) 3) 4)
砂型铸造工艺具体设计内容包括： 选择铸件的浇注位置和分型面； 确定工艺参数(机械加工余量、起模斜度、铸造圆 角、收缩量等)； 确定型芯的数量、芯头形状及尺寸； 确定浇冒口、冷铁等的形状、尺寸及在铸型中的 布置等。 然后将工艺设计的内容(工艺方案)用工艺符号或文 字在零件图上表示出来，即构成了铸造工艺图。
冒口 上 中 上 下
中 下 放收缩率1% 放收缩率1% 余量：上面>侧面> 余量：上面>侧面>下面 单件小批 手工三箱造型 大批量
外 型 芯 块
两箱机器造型
第三节 铸造工艺设计实例
例1：支架零件铸造工艺设计
材料为HT200，单件、小批量生产工作时承受中等 静载荷，试进行铸造工艺设计。
1.零件结构分析： 零件结构分析： 零件结构分析 筒壁过厚，转角处未采用圆角。修改后的结 构如图b）所示。 选择铸造方法及造型方法： 2.选择铸造方法及造型方法： 3.选择浇注位置和分型面
材料力学第4章第5章
100
q 2 kN m
200
4m
100
qL2 8
竖放
max
M max WZ
M max WZ
qL2 82 bh 6
6MPa
横放
max
qL2 8 2 12MPa hb 6
例5-3：图示T形截面简支梁在中点承受集中力F＝ 32kN，梁的长度L＝2m。T形截面的形心坐标yc＝ 96.4mm，横截面对于z轴的惯性矩Iz＝1.02×108mm4。 y 求弯矩最大截面上的最大拉应力和最大压应力。
B
F
Fa
纯弯曲：梁受力弯曲 后，如其横截面上只有弯 矩而无剪力，这种弯曲称 为纯弯曲。
F
AC段： 剪力弯曲 CB段： 纯弯曲 pure bending
实验现象：
F F
1、变形前互相平行的纵向
m n
m
n
直线、变形后变成弧线，且 凹边纤维缩短、凸边纤维伸 长。 2、变形前垂直于纵向线的 横向线,变形后仍为直线，且 仍与弯曲了的纵向线正交， 但两条横向线间相对转动了 一个角度。
d
y
M
M
中性轴
m
n o
dA
z
y
d
o
y
dx
m
dx
n
z
y
1）几何方程
2）物理方程
3）静力平衡方程
中性轴 z 是形心轴
纯弯曲梁横截面正应力公式 1）几何方程 2）物理方程 2）静力平衡方程 对应力公式的讨论
抗弯截面系数
M
M
中性轴
MZ:横截面上的弯矩
m
n o
dA
z
工程材料知识点总结
工程材料复习总结第一部分项目一：工程材料1．金属材料一般是指具有金属特性的物质。
2．金属材料通常分为钢铁材料、非铁金属材料、粉末冶金材料。
3．钢铁材料是指以铁、碳为主要元素组成的铁碳合金，分为工业用钢、工程铸铁。
4．非合金钢（碳素钢），通常分为碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、铸钢。
5．工业用钢是指碳的质量分数在%11.2以下并含有其他元素的铁碳合金；工程铸铁是指碳的质量分数在%.2以上并含有其他元素的铁碳合金。
116．钢材生产过程：轧制→锻造→拉拔→挤压7．钢材分类：板材、型材和管材。
项目二：工程材料性能1．力学性能：材料在力的作用下表现出来的特性。
2．力学指标：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度。
实验：拉伸试验、硬度试验、冲击试验、疲劳试验。
3．变形：材料受到外力作用时，机器零件和部件在宏观上将表现出形状和尺寸的变化。
4.⎩⎨⎧变形外力之后被保留下来的产生不能自行恢复卸除外力继续加大，材料将塑性变形，变形随之消失外力不大时，去除外力弹性变形变形5. 荷载（负荷、负载）：材料所受的力。
⎪⎩⎪⎨⎧化向随时间发生周期性变大小、方向或大小和方变动载荷突然增加的载荷冲击载荷载荷大小不变或变动很慢的静载荷分类6．强度：材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。
7．变形的五种基本形式：拉伸与压缩、剪切与挤压、扭转、弯曲。
8．力—伸长曲线()1Oe 弹性变形阶段：发生弹性变形()2eeL 微量塑性变形阶段：弹性变形（大部分）+塑性变形（小部分）()3'eLeL 屈服阶段：屈服现象（水平线段或锯齿形线段）()4M eL '均匀变形阶段：材料发生大量塑性变形()5mz 缩颈阶段：缩颈现象，在z 点发生断裂图2-1 力—伸长曲线9．强度指标强度指标是判定材料强度大小的量化数据，通常用应力表示。
应力是指试验过程中的力除以试样原始横截面积的商，即试样单位横截面积上所受到的力，用符号R 表示，单位为MPa （兆帕）。
工程材料与机械制造基础习题答案
《工程材料及机械制造基础》习题参考答案第一章材料的种类与性能（P7）１、金属材料的使用性能包括哪些？力学性能、物理性能、化学性能等。
２、什么是金属的力学性能？它包括那些主要力学指标？金属材料的力学性能：金属材料在外力作用下所表现出来的与弹性和非弹性反应相关或涉及力与应变关系的性能。
主要包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等。
第二章材料的组织结构（P26）1、简述金属三种典型结构的特点。
体心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的中心和每个顶角各有一个原子。
每个体心立方晶格的原子数为：2个。
塑性较好。
面心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的8个顶角和6个面的中心各有一个原子。
每个面心立方晶格的原子数为：4个。
塑性优于体心立方晶格的金属。
密排六方晶格：晶格属于六方棱柱体，在六棱柱晶胞的12个项角上各有一个原子，两个端面的中心各有一个原子，晶胞内部有三个原子。
每个密排六方晶胞原子数为：6个，较脆2、金属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？存在点缺陷、线缺陷和面缺陷。
使金属抵抗塑性变形的能力提高，从而使金属强度、硬度提高，但防腐蚀能力下降。
3、合金元素在金属中存在的形式有哪几种？各具备什么特性？存在的形式有固溶体和金属化合物两种。
合金固溶在金属中引起固溶强化，使合金强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
金属化合物提高合金的强度和硬度。
4、什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？固溶强化：因溶质原子的溶入引起合金强度、硬度升高的现象。
原因：固溶体中溶质原子的溶入引起晶格畸变，使晶体处于高能状态。
３、金属结晶的基本规律是什么？金属结晶由形核和长大两部分组成，并存在过冷度。
４、如果其他条件相同，试比较在下列铸造条件下，铸件晶粒的大小。
（1）金属型浇注与砂型浇注。
金属型浇注晶粒小。
（2）铸成薄件与铸成厚件。
铸成薄件晶粒小。
（3）浇注时采用振动与不采用振动。
采用振动晶粒小。
10、过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶过程有何影响？对铸件晶粒大小有何影响？冷却速度越快过冷度越大，使晶核生长速度大于晶粒长大速度，铸件晶粒得到细化。
机械工程材料与热加工工艺试题与答案
一、名词解释：１、固溶强化：固溶体溶入溶质后强度、硬度提高，塑性韧性下降现象。
２、加工硬化：金属塑性变形后，强度硬度提高的现象。
２、合金强化：在钢液中有选择地加入合金元素，提高材料强度和硬度４、热处理：钢在固态下通过加热、保温、冷却改变钢的组织结构从而获得所需性能的一种工艺。
５、细晶强化：晶粒尺寸通过细化处理，使得金属强度提高的方法。
二、选择适宜材料并说明常用的热处理方法三、（20分）车床主轴要求轴颈部位硬度为HRC54—58，其余地方为HRC20—25，其加工路线为：下料锻造正火机加工调质机加工（精）轴颈表面淬火低温回火磨加工指出：1、主轴应用的材料：45钢2、正火的目的和大致热处理工艺细化晶粒，消除应力；加热到Ac3＋50℃保温一段时间空冷3、调质目的和大致热处理工艺强度硬度塑性韧性达到良好配合淬火＋高温回火4、表面淬火目的提高轴颈表面硬度5．低温回火目的和轴颈表面和心部组织。
去除表面淬火热应力，表面M＋A’心部S回四、选择填空（20分）１．合金元素对奥氏体晶粒长大的影响是（d）（a）均强烈阻止奥氏体晶粒长大（b）均强烈促进奥氏体晶粒长大（c）无影响（d）上述说法都不全面２．适合制造渗碳零件的钢有（c）。
（a）16Mn、15、20Cr、1Cr13、12Cr2Ni4A （b）45、40Cr、65Mn、T12（c）15、20Cr、18Cr2Ni4WA、20CrMnTi３．要制造直径16mm的螺栓，要求整个截面上具有良好的综合机械性能，应选用（c ）（a）45钢经正火处理（b）60Si2Mn经淬火和中温回火（c）40Cr钢经调质处理4．制造手用锯条应当选用（a ）（a）T12钢经淬火和低温回火（b）Cr12Mo钢经淬火和低温回火（c）65钢淬火后中温回火5．高速钢的红硬性取决于（b ）（a）马氏体的多少（b）淬火加热时溶入奥氏体中的合金元素的量（c）钢中的碳含量6．汽车、拖拉机的齿轮要求表面高耐磨性，中心有良好的强韧性，应选用（c ）（a）60钢渗碳淬火后低温回火（b）40Cr淬火后高温回火（c）20CrMnTi渗碳淬火后低温回火7．65、65Mn、50CrV等属于哪类钢，其热处理特点是（c ）（a）工具钢，淬火+低温回火（b）轴承钢，渗碳+淬火+低温回火（c）弹簧钢，淬火+中温回火8. 二次硬化属于（d）（a）固溶强化（b）细晶强化（c）位错强化（d）第二相强化9. 1Cr18Ni9Ti奥氏体型不锈钢，进行固溶处理的目的是（b）（a）获得单一的马氏体组织，提高硬度和耐磨性（b）获得单一的奥氏体组织，提高抗腐蚀性，防止晶间腐蚀（c）降低硬度，便于切削加工１０.推土机铲和坦克履带板受到严重的磨损及强烈冲击，应选择用（b ）（a）20Cr渗碳淬火后低温回火（b）ZGMn13—3经水韧处理（c）W18Cr4V淬火后低温回火五、填空题(20分)1、马氏体是碳在a-相中的过饱和固溶体，其形态主要有板条马氏体、片状马氏体。
第四章 特种性能铸铁 Microsoft PowerPoint 演示文稿
2.影响耐磨性的主要因素 （1）外部条件：载荷、速度、温度、磨料的性质。
（2）内部条件：组织和性能。高的硬度，一定的韧 性。 二.普通白口铁 1.应用 犁铧、面粉机磨辊、球磨机磨段、抛丸机铁丸 2.化学成分 （1）高C；2.2-3.6% （2）低Si；﹤1% （3）Mn稍高；﹤1% （4）合金元素↓。
二.基体组织对铸铁减摩性的影响 珠光体是最理想的基体，铁素体较差。 三.常用的减摩铸铁 1.含磷铸铁 （1）含磷铸铁——一般指含磷量高于0.3%的灰铸铁 a.P在铸铁基体中的固溶度很低，凝固过程中在最后凝 固的晶界处往往出现二元磷共晶（F+Fe3P）或三元磷 共晶（F+Fe3C+Fe3P）。一般P﹥0.15%就会出现磷共 晶。 b.磷共晶硬度较高：600～800HV，以断续状分布在基 体金属中，不易剥落，对提高铸铁的耐磨性有利。
第五节 耐腐蚀铸铁
腐蚀
氧化腐蚀 电化学腐蚀
4.蠕虫状石墨的形成过程
a.设计冒口； b.减少铸件收缩时的受阻； c.缓冷； d.用电炉熔炼； e.低温浇注。 （4）铸态组织 M+A+P+M7C3 （5）热处理 a.退火 目的：降低硬度，便于加工。
b.淬火 目的：消除A、P，获得M。 （6）应用 马氏体→水泥行业 高铬铸铁基体 珠光体→冲击较大场合 奥氏体→湿磨工况
高磷铸铁P基+片状石墨+磷共晶 100
高磷铸铁P基+片状石墨+磷共晶 100
高磷铸铁P基+片状石墨+磷共晶 100
（2）铸造性能 a.P↑，液相线↓，共晶温度↓→流动性↑； b.P﹥0.4%，缩松倾向↑； c.P↑，铸铁导热性↓磷共晶与基体热膨胀系数不同， 应力↑。 （3）应用：机床导轨，拖拉机和柴油机缸套，刹车 闸瓦等 2.钒钛铸铁 V=0.3～0.5%，Ti=0.15～0.35%。V、Ti与碳和氮有很 强的亲和力，易形成高硬度的碳化物和氮化物质点， 显微硬度可达960～1840HV，弥散分布在基体中，使 铸铁的耐磨性大大提高。
工程材料复习题
答：
Q235A是A级碳素结构钢，碳的质量分数是
0.14%～
0.22%，可轧制成钢板。
15、45、65均为优质碳素结构钢，碳的质量分数分别是
0.12%～
0.18%、
0.42%～
0.50%、
0.62%～
0.70%，可用于制造各种机器零件，如轴、销、套筒等。
答：
碳的质量分数为
4.3%；液体的质量约为
8.1Kg。
4.比较退火状态下的45钢、T8钢、T12钢的硬度、强度和塑性的高低，简述原因。
答：45钢为亚共析钢，退火后组织为F+P；T8钢为共析钢，退火后组织为P；T12钢为过共析钢，退火后组织为F+渗碳体。而F强度低、硬度低、塑性好；渗碳体硬而脆；P强度较高，塑性、韧性和硬度介于F和渗碳体之间。因而
4.试分析合金元素Cr在40Cr、GCr
15、CrWMn、1Cr
13、1Cr18Ni9Ti、4Cr9Si2等钢中的作用。
答：40Cr、GCr15：提高淬透性。CrWMn：
提高耐磨性。1Cr
13、1Cr18Ni9Ti、4Cr9Si2：提高耐蚀性。
5.试述石墨形态对铸铁性能的影响。
答：
因石墨的存在，造成脆性切削，铸铁的切削加工性能优异；铸造性能良好，铸件凝固时形成石墨产生的膨胀减少了铸件体积的收缩，降低了铸件中的内应力；石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油，使铸件有很好的耐磨性能；石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的抗振性能；大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。
答：
增大金属的过冷度、变质处理、振动、电磁搅拌。
2.如果其它条件相同，试比较在下列铸造条件下铸造晶粒的大小：
第四章 5-7节课件
力光滑管的范围愈小。对于4×103<Re<105的这段范围，布拉修
斯归纳的计算公式为
0.3164 f 2 (Re) Re 0.25
当Re>105时，可采用卡门—普朗特公式
（4-6-5）
1
2 lg(Re ) 0.8
（4-6-1）
当105<Re<3×106时，也可采用尼古拉兹归纳的计算公式
相对粗糙度 d ： 绝对粗糙度与管内径的比值。
层流流动时：
流速较慢，与管壁无碰撞，阻力与 d 无关，
只与Re有关。湍流流动源自：水力光滑管完全湍流粗糙管
只与Re有关，与 d无关。 只与 d有关，与Re无关。
§4.6 工业管道紊流阻力系数的计算
ks
1.当量糙粒高度
实际管道的粗糙是不规则的，须通过实际管道与人工粗糙管道 试验结果之比较，把和实际管道断面形状、大小相同，紊流粗糙 区 值相等的人工粗糙管道的砂粒高度 定义为实际管道的当量 粗糙度。常用管道的当量粗糙度可查表找到。实际圆管 与 Re和 / r0 的关系可查莫迪图，其中过渡区曲线形状与人工粗糙管有 差别，这是因为当量粗糙度只是指粗糙区的 相当。 工业管道的当量糙粒高度是按照沿程损失的效果来确定的，它 一定程度上反映了粗糙中各种因素对沿程损失的综合影响。
壁的粗糙度则是自然的非均匀的和高低不平的。因此，要把尼 古拉兹曲线应用于工业管道，就必须作适当的修正。在工业管 道上应用比较广泛的是下面将要介绍的莫迪曲线图。
沿程阻力系数的变化规律：
64 •层流区(Re≤ 2000)(I)： f (Re) Re
•层、紊流过渡(Ⅱ)(2000<Re<4000)： •紊流光滑区（Ⅲ） Re≥4000 ： •紊流过渡区（Ⅳ）：
工程材料第5章
工程材料第5章：钢铁材料引言钢铁是人类社会发展史上的重要材料之一，早在古代，人们就开始使用铁器了。
随着科技的发展，钢铁材料的生产和应用不断创新，已经成为现代工业领域中不可或缺的材料之一。
本章主要介绍钢铁的基础知识、分类、合金元素及其制备方法、表面处理和防腐保护。
钢铁基础知识钢铁是由铁与碳混合而成的合金，碳与铁的相互作用是决定钢铁特性的重要因素。
根据其化学成分和性质，钢铁可分为低碳钢、中碳钢、高碳钢和合金钢等多种类型。
除碳外，钢铁中常见的合金元素还有锰、铬、镍、钼、钴、硅等。
这些元素的加入可以改善钢铁的特性，例如增强硬度、延展性、耐蚀性等。
钢铁分类根据碳含量、成分和性能，钢铁可分为以下几类：1.低碳钢：碳含量不超过0.25%，具有良好的焊接性、塑性和韧性，通常用于制造汽车、建筑、家具等产品。
2.中碳钢：碳含量在0.25%-0.60%之间，硬度较高，适用于制造车轴、弹簧等产品。
3.高碳钢：碳含量在0.60%-1.5%之间，硬度特别高，但韧性和塑性较差，通常用于制造锯条、钻头、刀片等工具。
4.合金钢：在钢铁中添加一定的合金元素，具有较好的耐磨性、耐腐蚀性及高温性能，广泛用于航空、航天、机床等领域。
合金元素及其制备方法钢铁中常见的合金元素有锰、铬、镍、钼、钴、硅等。
这些元素的加入可以改变钢铁的化学成分和微观结构，从而提高钢铁的性能。
合金元素的制备方法取决于元素的化学性质、物理性质和工业生产需求。
例如，锰可采用矿物热还原法、电解法和化学还原法等多种方法制备；铬可采用硅铬还原法、电解法和铝热还原法等多种方法制备。
表面处理和防腐保护表面处理和防腐保护是钢铁材料应用中非常重要的环节。
在工程应用中，钢铁材料存在着许多易腐蚀、受潮、老化等问题，表面处理和防护是有效防止这些问题的方法。
常见的表面处理方法包括亚光处理、沙化处理、喷砂处理等。
防腐保护方法包括物理防护、化学防护、电化学防护等。
钢铁材料作为工程领域中广泛应用的材料，其基础知识、分类、合金元素及其制备方法、表面处理和防腐保护具有重要的理论意义和实践应用价值。
工程材料第四章二元相图及应用
912C
+
(0.0218)
+ Fe3CII
(0.77)
+ Fe3CII+Ld
727C
Ld
Fe3CI+Ld
+P P P+ Fe3CII
P+ Fe3CII+Ld′
Ld′
Fe3CI+Ld′
Fe3C
＋Fe3CIII
按组织组成物标注的Fe-Fe3C相图
L+Fe3C
+ ⑦过共晶白口铸铁（72C7%C＝4.3～6.69
(0.0218) (0.77)
%）
⑥亚共晶白口铸铁（C%＝2.11～4.3 %）
+Fe3C
Fe3C
§4.3 铁碳合金相图
F Fe3CⅢ
工业纯铁（wc=0~0.0218%）的室温组织 F＋Fe3CⅢ
§4.3 铁碳合金相图
F P
Fe3C
共析反应：
727C
0.77 0.0218＋
Fe3C
珠光体（pearlite），符号：P
§4.3 铁碳合金相图
3、三条固态转变线 ①GS线：
加热
冷却
转变温度线，又标记为A3线
②ES线：碳在奥氏体（ ）中的固溶度曲线，又标记为Acm线
加热
冷却Fe3CⅡ ③PQ线：碳在铁素体（）中的固溶度曲线
加热
冷却Fe3CⅢ
工程材料
Engineering Materials
第四章 二元相图及应用
第四章 二元相图及应用
重要概念
相图 描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的一种图解。 状态 指系统中的各相的凝聚状态、相的类型等。 相变 合金中的相从一种类型转变为另一种类型的过程。
机械工程材料第四章铁碳合金相图
第四章铁碳合金相图教学目的及其要求通过本章学习，使学生们掌握铁碳合金的基本知识，学懂铁碳相图的特征点、线及其意义，了解铁碳相图的应用。
主要内容1．铁碳合金的相组成2．铁碳合金相图及其应用3．碳钢的分类、编号及应用学时安排讲课4学时教学重点1．铁碳合金相图及应用2．典型合金的结晶过程分析教学难点铁碳合金相图的分析和应用。
教学过程第一节纯铁、铁碳合金中的相一、铁碳合金的组元铁：熔点1538℃，塑性好，强度硬度极低，在结晶过程中存在着同素异晶转变。
不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体。
由于纯铁具有同素异构转变，在生产上可以通过热处理对钢和铸铁改变其组织和性能。
碳：在Fe－Fe3C相图中，碳有两种存在形式：一是以化合物Fe3C形式存在；二是以间隙固溶体形式存在。
二、铁碳合金中的基本相相：指系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并以界面隔开的均匀组成部分。
铁碳合金系统中，铁和碳相互作用形成的相有两种：固溶体和金属化合物。
固溶体是铁素体和奥氏体；金属化合物是渗碳体。
这也是碳在合金中的两种存在形式。
1．铁素体碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用α或者F表示，为体心立方晶格结构。
塑性好，强度硬度低。
2．奥氏体碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用γ或者A表示，为面心立方晶格结构。
塑性好，强度硬度略高于铁素体，无磁性。
3．渗碳体Fe3C：晶体结构复杂，含碳量6.69％，熔点高，硬而脆，几乎没有塑性。
渗碳体对合金性能的影响：（1）渗碳体的存在能提高合金的硬度、耐磨性，使合金的塑性和韧性降低。
（2）对强度的影响与渗碳体的形态和分布有关：以层片状或粒状均匀分布在组织中，能提高合金的强度；以连续网状、粗大的片状或作为基体出现时，急剧降低合金的强度、塑性韧性。
二、两相机械混合物珠光体：铁素体与渗碳体的两相混合物，强度、硬度及塑性适中。
莱氏体：奥氏体与渗碳体的混合物；室温下为珠光体与渗碳体的混合物，又硬又脆。
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碳、硅含量过高, 硅含量过高, 会使石墨数量多
C
麻口 铸 铁
且粗大， 且粗大，基体内
白口铸铁 灰口铸铁
铁素体量增多， 铁素体量增多， 降低铸件的性能. 降低铸件的性能.
Si
• 碳、硅量控制范围：2.5~4.0%C，1.0~3.0%Si。 硅量控制范围： ， 。 • Al、Cu、Ni、Co等元素对石墨化有促进作用。 Al、Cu、Ni、Co等元素对石墨化有促进作用 等元素对石墨化有促进作用。 • S、Mn、Cr、W、Mo、V等元素阻碍石墨化。 Mn、Cr、 Mo、 等元素阻碍石墨化。 阻碍石墨化 虽然可促进石墨化, 磷虽然可促进石墨化, 但其含量高时易在晶 界上形成硬而脆的磷 共晶， 共晶，降低铸铁的强 度，只有耐磨铸铁中 磷含量偏高 (达0.3%
球墨铸铁可进行各种热处理,如退火、正火、淬火加 球墨铸铁可进行各种热处理, 等温淬火等 回火、等温淬火等。
球墨铸铁的牌号、 (2) 球墨铸铁的牌号、组织和性能 QT400-15、QT600QT800QT400-15、QT600-3、QT800-2 球墨铸铁牌号用“QT”标明 标明， 球墨铸铁牌号用“QT 标明，其后两组 数值表示最低抗拉强度极限和延伸率。 数值表示最低抗拉强度极限和延伸率。 不同基体的球墨铸铁，性能差别很大。 不同基体的球墨铸铁，性能差别很大。 珠光体球墨铸铁的抗拉强度比铁素体基 体高50%以上。 体高50%以上。 50%以上 铁素体球墨铸铁的延伸率为珠光体基的 3-5倍 。
麻口铸铁 部分进行 部分进行
不进行
Le’ 灰口铸铁 充分进行 充分进行 充分进行 无Le 部分进行 有G 不进行
F+G F+P+G P+G
2.灰口铸铁的组织特征和分类 2.灰口铸铁的组织特征和分类 铸铁组织由基体和石墨组成。 铸铁组织由基体和石墨组成。 基体：铁素体、 基体：铁素体、珠光体或铁素体加珠光体 石墨：片状、球状、蠕虫状、 石墨：片状、球状、蠕虫状、团絮状
灰铸铁的显微组织
F+G片
F+P+G片
P+G片
（3）灰铸铁的热处理及应用 热处理不能改变石墨的形态和分布， 热处理不能改变石墨的形态和分布，对提 高灰铸铁整体机械性能作用不大。 高灰铸铁整体机械性能作用不大。 ① 消除内应力退火 形状复杂和尺寸稳定性要求较高的铸件 消除铸件白口、 ② 消除铸件白口、降低硬度的退火 机床床身、柴油机汽缸） （机床床身、柴油机汽缸），为了防止变形和 灰铸铁件表层和薄壁处产生白口组织难以 ③ 表面淬火 开裂，须进行500 ℃～ 开裂，须进行500 ℃～550℃～900 ℃保温2～。 切削加工，需要退火(850 ℃需要提高硬度和耐 ℃保温 保温2 切削加工，需要退火(850 ℃～ 机床导轨、缸体内壁等，消除内应力退火 机床导轨、缸体内壁等℃消除内应力退火 ，消除内应力退火。 h)，使渗碳体分解成石墨，降低硬度。 5 h) 使渗碳体分解成石墨，降低硬度。 磨性，进行表面淬火。淬火后表面硬度可达50 磨性，进行表面淬火。淬火后表面硬度可达50 HRC～ HRC。 HRC～55 HRC。
ENGINEERING MATERIALS
工程材料及应用
多媒体教案
五邑大学机电工程学院
第四章
第五节 铸铁
• 铸铁是含碳量大于2.11%并含 铸铁是含碳量大于2.11%并含 大于2.11% 有较多硅、 有较多硅、锰、硫、磷等元素 的多元铁基合金。 的多元铁基合金。 • 铸铁具有许多优良的性能及生 产简便、成本低廉等优点， 产简便、成本低廉等优点，因 而是应用最广泛的材料之一。 而是应用最广泛的材料之一。
F+G
P+G
F+P+G
灰口铸铁的分类
灰口铸铁 灰铸铁、 灰铸铁、孕育铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁 可锻铸铁
石墨形态 片状、 片状、细片状 球状 蠕虫状 团絮状
四、各类铸铁的特点及应用 1. 灰铸铁 价格便宜、应用最广。 价格便宜、应用最广。 （1）灰铸铁的牌号 HT150、HT250、 HT150、HT250、HT400 “HT 表示“灰铁”，数字表示最低抗拉 HT”表示 HT 表示“灰铁” 强度。灰铸铁有铁素体、 强度。灰铸铁有铁素体、珠光体和铁素体加 珠光体三种基体。 珠光体三种基体。 灰铸铁中的碳、 灰铸铁中的碳、硅质量分数一般控制在 以下范围：2.5%～4.0%C; 1.0%～2.0%Si。 以下范围：2.5%～ 1.0%～2.0%Si。
铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响
生产中，调整碳、硅含量， 老师提示 生产中，调整碳、硅含量，是 控制铸铁组织和性能的基本措施。 控制铸铁组织和性能的基本措施。
三、铸铁分类
第1阶段 石墨化 白口铸铁 不进行 第2阶段 石墨化 不进行 第3阶段 组织 石墨化 特征 不进行 组织
有Le’ Le +P+Fe3CⅡ Le Le’+P+Fe Le’ Le 无G Le’+Fe3CⅠ Le +Fe 有Le’ Le 有G Le’+P+G Le +P+G
硅铁
硅钙
孕育处理前
孕育处理后
孕育处理目的： 孕育处理目的：铁水中生成大量均匀分布的非自 发核心，获得细小均匀的石墨片， 发核心，获得细小均匀的石墨片，细化基体组织 提高铸铁强度； ，提高铸铁强度；避免铸件边缘及薄断面处出现 白口组织，提高断面组织的均匀性。 白口组织，提高断面组织的均匀性。 孕育铸铁具有较高的强度和硬度。 孕育铸铁具有较高的强度和硬度。
铸铁的石墨化过程： 铸铁的石墨化过程： ●第一阶段石墨化 形成一次石墨和共晶石墨。 形成一次石墨和共晶石墨。
线以上发生， （在E’C’F’线以上发生，结晶 线以上发生 从液相中析出） 时从液相中析出） LC ' ●第二阶段石墨化 → G(一次） LC ' 奥氏体析出二次石墨。 → AE '+ G(共晶） 奥氏体析出二次石墨。 共晶） 在1154℃~738℃范围内奥氏体从 ℃ ℃范围内奥氏体从E’S ’线析出 线析出
灰铸铁的应用 灰铸铁铸造性能优良、价格便宜， 灰铸铁铸造性能优良、价格便宜，但强度 较低、韧性差。制造机床床身、床头箱、阀体、 较低、韧性差。制造机床床身、床头箱、阀体、 叶轮、飞轮等。 叶轮、飞轮等。
箱体
启动阀
叶轮
发动机飞轮
• 常对灰铸铁进行孕育处理，以细化片 常对灰铸铁进行孕育处理， 状石墨。 状石墨。 • 常用的孕育剂有硅铁和硅钙合金。 常用的孕育剂有硅铁和硅钙合金。 孕育铸铁。 • 经孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁。 经孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁
铸铁中的磷共晶
以上) 以上)。
• ⑵ 冷却速度的影响
• 铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，结晶将按Fe 铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，结晶将按Fe G相图进行，因而促进石墨化。 相图进行，因而促进石墨化。
WC + Wsi (%)
快冷时由 于过冷度 大，结晶 Fe将按 FeFe3C相图 进行, 进行, 不 利于石墨 化。
Fe3C
石墨的晶体结构
石墨的作用： 石墨的作用： 石墨提高铸铁的切削加工性能。 （1）石墨提高铸铁的切削加工性能。 铸件凝固时石墨膨胀， （2）铸件凝固时石墨膨胀，减少铸件体 积收缩，降低内应力。铸铁铸造性能良好。 积收缩，降低内应力。铸铁铸造性能良好。 石墨有良好的润滑作用， （3）石墨有良好的润滑作用，并能储存 润滑油，使铸件有很好的耐磨性能。 润滑油，使铸件有很好的耐磨性能。 石墨对振动的传递起削弱作用， （4）石墨对振动的传递起削弱作用，使 铸铁有很好的抗振性能。 铸铁有很好的抗振性能。 石墨强度、韧性极低， （5）石墨强度、韧性极低，相当于裂 纹或空洞。石墨越多，越大， 纹或空洞。石墨越多，越大，对基体的割 裂作用越严重，铸铁抗拉强度越低。 裂作用越严重，铸铁抗拉强度越低。
F+G球
F+P+ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ球
P+G球
(1) 球墨铸铁的成分和球化处理 成分：要求比较严格。3.8%～ 成分：要求比较严格。3.8%～4.0%C, 2.0% 0.6%～ <0.1%P。 ～2.8%Si, 0.6%～0.8%Mn, <0.04%S, <0.1%P。 球化处理： 球化处理：在铁水中加入一定量的球化剂 和孕育剂，获得细小、均匀分布的球状石墨。 和孕育剂，获得细小、均匀分布的球状石墨。 使用稀土镁球化剂。 使用稀土镁球化剂。 镁强烈阻碍石墨化。为了避免白口， 镁强烈阻碍石墨化。为了避免白口，并使 石墨球细小、均匀分布、 石墨球细小、均匀分布、在球化处理同时还进 行孕育处理。 行孕育处理。 常用的孕育剂为硅铁和硅钙合金等。 常用的孕育剂为硅铁和硅钙合金等。
铁碳合金双重相图 在不同条件下， 在不同条件下，铁碳合金可以有亚稳定平 衡的Fe Fe相图和稳定平衡的Fe 相图。 Fe衡的Fe-Fe3C相图和稳定平衡的Fe-G相图。 冷却速度稍快 时铁碳合金按亚稳 定平衡Fe Fe定平衡Fe-Fe3C相 图结晶。 图结晶。 Si较多 较多、 含Si较多、冷 却速度很慢时铁碳 合金按稳定平衡 Fe- 相图结晶。 Fe-G相图结晶。
● A E '→ G (二次） 第三阶段石墨化 形成共析石墨和F中析出三次石墨。 形成共析石墨和F中析出三次石墨。
在P’S’K’线以下包括冷却时共析石墨的析出和加热时共 线以下包括冷却时共析石墨的析出和加热时共 析渗碳体的分解
AE '→FP '+ G(共析） 共析）
F → G (三次）
• 3、影响石墨化的因素 • ⑴ 化学成分的影响 • 碳和硅是强烈促进石墨化的元素。 是强烈促进石墨化的元素。 • 碳、硅含量过低，易出现白口组织，力学性能和铸造 硅含量过低，易出现白口组织， 性能变差。 性能变差。
球墨铸铁的显微组织