一、工程材料的基本知识

A
912℃
Le
G Q
S
FP
P
4.3
Fe3 C K
6.67
0.02 0.77 2.06
C%
第二节 铁碳合金状态图
C—共晶点，1147℃ 4.3%C 共晶点—发生共晶反应的点。 共晶反应 — 在一定的温度下，由一定成分的液体同时结 晶出一定成分的两个固相的反应。 共晶反应的产物——共晶体——机械混合物
第二节 铁碳合金状态图 3 过共析钢（T10)
1点以上 1~2 2~3 3~4 4点 4点以下 L L+A A A+Fe3CII A→P P+Fe3CII
A A A
A
A
F A
F A
室温组织：P+Fe3C（网状）
过共析钢的结晶过程
第二节 铁碳合金状态图 4 亚共晶铸铁
第二节 铁碳合金状态图
1点以上 1~2 2点 2~3 3点
1147℃ L（4.3%C） A（2.06%C ）+ Fe3C （6.67%C ）
Le G — 纯铁的同素异晶转变点。 912℃ P —C在α-Fe中的最大溶解度点。727℃ 0.02%C
第二节 铁碳合金状态图
S —共析点。 727℃ 0.77%℃
共析反应—在一定的温度下，由一定成分的固相 同时结晶出不同成分的另外两个固相的反应。
低碳钢： σb≈3.6HB
高碳钢： σb≈3.4HB 调质合金钢： σb≈3.25HB
5．冲击韧性(Ak)
材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。 AK = G（H1 – H2）（J） ak = AK /S （J/m2）
H1
H2
在冲击载荷下工作的零件，往往是受 小能量多次重复冲击而破坏的。
第一节 材料的力学性能
D
A
912℃ 3 3 F+A
L+ Fe3CⅠ
2
E
Fe3CⅡ
2
F
Le
2
G
F P
Q
0.02
S 3 727℃ 3
4 4
Fe3C+Le
3
Fe3C
K
P
0.77
P+Fe3C+Le’
F+P P+Fe3C
2.06
Le’
Fe3C+Le’
6.67
4.3
C%
2 Fe 2 2 Le’ 33 4 11 2 4 CP+F 1L+ 23 3 ① ④ ③ 1 2 3C+Le’ ② L L+ Le A C F Fe A A A A+ L+ P ⑥L ⑤ L L+ Fe C+ Le Fe3 L L+A 3 A+ Le 3 A+Le C P+Fe3C+Le’ 3 +Fe3P+Fe 3C
L A+L 共晶反应
A+Fe3CII+Le 共析反应
3点以下Biblioteka BaiduP+Fe3CII+Le’ 注明： Fe3CII—二次渗碳体 Le —高温莱氏体
Le’—低温莱氏体
室温组织 P+Fe3CII+Le’
第二节 铁碳合金状态图
温度℃ A
1538 ℃ 1 2 2
②
①③
1
⑤
1
L+ A
2
L
⑥
1 1
1 1147℃
④
C
σs /
学
性
HBS
能
HRC αk/ J/Cm2
δ%
应 用
MPa 235 26 16 15 229
Q235-A 45钢 ZG310570
工程结构 55 （淬火） 3 轴、杆 铸钢件
ZAlSi2
HT250 QT700-2
143
250 700 420
4
50
活塞
气缸体 曲轴
2
270
三、力学性能与失效形式的 关系
共析反应的产物 — 共析体— 机械混合物
727℃ A（0.77%C） F（0.002%C ）+ Fe3C（6.67%C ） P
第二节 铁碳合金状态图
2. 状态图上线的意义
ACD线—液相线 AC—析出A CD—析出 Fe3C AECF线—固相线 AE—A析出终了线
912℃
温度℃
1538 ℃
A
E 1147℃
第一节 材料的力学性能
（2）抗拉强度（σb ）
F s 0.2 F S0 抗拉强度是材料在拉断前 F0.2 b s 承受最大载荷时的应力。 σb =Fb/S0 （MPa） 它表征了材料在拉伸条件下 所能承受的最大应力。
b
e
k
0.2%
l
l0

l
抗拉强度 — 是脆性材料选材的依据。
第一节 材料的力学性能
L+A
2
A+ Le
2
A+Le +Fe3C
3
3
P+Fe3C+Le’
L+ Fe3C
Fe3C+ Le
Fe3C+Le’
第二节 铁碳合金状态图
b


HB
HB
b


0.9~1.0 C%
六．状态图的作用
1．选择材料 2．确定各种工艺参数
作用在机件上的外力——载荷 F F F’ 静载荷 动载荷
F
F = F’
F' F S S
σ= F’ /S
（MPa）
外力 —— 内力——应力
1.两种基本变形
（1）弹性变形：
材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来 形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。
F F F
（2）塑性变形:
GP线 — F析出终了线。 PQ线 — 碳在α-Fe中的溶解度曲线。 PSK线 — 共析线 727℃ （1） 单相区：L、F、A、Fe3C （2） 两相区：L+A、L+ Fe3C、A+F、F+ Fe3C （3） 三相区：L+A+ Fe3C、A+F+ Fe3C
第二节 铁碳合金状态图
四 铁碳合金状态图分析
1．强度：
材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。
（1） 屈服强度（σS）
指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。
σS =Fs/S0 （MPa） 当 σe<σ<σs 时，只产生微量的塑性变形。当 σ>σs 时， 材料将产生明显的塑性变形。 条件屈服强度: σ0.2=F
0.2/S0
（MPa）
屈服强度 — 是塑性材料选材和评定的依据。
6．疲劳强度(σ-1)
材料在无数次重复或交变载荷作用下不引起破坏的最大应力。
据统计，约80%的机件失效 为疲劳破坏。

1
n0
— 循环基数
钢： n0
107
8
有色金属：n0 10
n0
n
第一节 材料的力学性能
7、几种常用金属材料的力学性能
牌 号 力
σb/ MPa 400 610 570 310
2. 塑性
材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。
lk l0 100% 伸长率： l0
常用 δ 和 ψ 作为衡量塑性的指标。 P
F0
P
l0
L
s s 0 k 断面收缩率: 100% s0
良好的塑性是金属材料进行 塑性加工的必要条件。
F1
l1
第一节 材料的力学性能
第二节 铁碳合金状态图
五、铁碳合金的结晶过程及组织转变
1．钢 共析钢: L
1 1 1
L+ A L+A L+ A Le
2
2 2 2
A A
3 3 3
P A+F
4
亚共析钢: L
过共析钢: L 2．生铁 共晶生铁: L 亚共晶生铁: L 过共晶生铁: L
P+F
4
A Le’
A+ Fe3C
P+Fe3C
1 1 1
【考核要求】
1.了解材料的力学性能和各状态的组织结构。 2.掌握金属的强度、硬度、韧性，并能够判断出金属的机械性能的优劣。 3．掌握铁碳合金相图。
材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。
黑色金属 金属 材料
·
工程 材料
非金 · 属材 料
有色金属 陶瓷材料
·
高分子材料 金属复合材料
复合 材料
·
非金属复合材料·
1 亚共析钢的结晶过程
1点以上 1～2 2～3 3～4 4~5 5点 5点以下 L L＋δ A+L A A+F A→P P+F
室温组织：F+P
亚共析钢的结晶过程
第二节 铁碳合金状态图 2 共析钢（T8钢）
1点以上 L 1～2 L＋A 2～3 A 3点 A→P 3点以下 P
室温组织: P
共析钢的结晶过程
4．硬度
是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。
(1)布氏硬度（HB）：
F
压入载荷（N） HB 压痕的表面积（ m m）
D D
d
第一节 材料的力学性能
F F F
120
0
布氏硬度适用HB<450
(2)洛氏硬度（HRC）
h
洛氏硬度一般用于HB>450
HRC:HB=1：10
第一节 材料的力学性能
硬度σb 与强度HB的关系
第一章、工程材料的基本知识·
【主要内容】 1．金属材料的力学性能
(1)强度(屈服强度、抗拉强度、塑性) (2)硬度 (3)冲击韧性 (4)疲劳强度和蠕变强度
2．铁碳合金相圈
(1)铁碳合金的基本组织 (2)含碳量对铁碳含金组织与性能的影响 (3)合金相图的应用
【考核内容】
1.金属材料的力学性能 2.铁碳合金相图
材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称 为塑性变形。
F F F
第一节 材料的力学性能
F Fb 拉伸实验
b
F
l0
d0
dk
F
F0 Fs S
s e
k
Fe
L
o 缩颈 拉伸曲线 K — 断裂点 b — 极限载荷点
l
lk
e — 弹性极限点
S — 屈服点
l0

l
应力—应变曲线
第一节 材料的力学性能
L
L+A
C
D
A
G
FP
Q
F+A S
L+ Fe3C F A+Le Le + Fe C 3 Fe3CⅡ Le A+ Fe3 727℃ K C
4.3 6.67
P
ECF—共晶线 1147℃
0.02 0.77 2.06
C%
第二节 铁碳合金状态图 ES线 — C在γ-Fe中的溶解度曲线。析出二次Fe3CⅡ
GS线 — 溶解度曲线 A—F
力学性能 b 强度 s 塑性 刚度 断裂 塑性变形 过量弹变 磨损 失效形式
硬度
韧性 疲劳强度
第二节 铁碳合金状态图
一、什么是状态图
状态图—— 表示合金系的 成分、温度、组织、状态之 间关系的图表。
温度℃
1538 ℃
1538 ℃ 体心 1394 ℃
1394 ℃
二、状态图的作用
912 ℃
面心
912 ℃ 体心
1.1 金属材料
材料是人类用于制造物品、器件、构 件、机器或其他产品的物质。 材料的主要性能是指:
（1）力学性能 强度、塑性、硬度
1.使用性能
（2）物理性能 密度、熔点、导电性 （3）化学性能 耐酸碱性、抗氧化性。
2.工艺性能 ——加工成形的性能
第一节 材料的力学性能
一、外力作用下材料的变形
力学性能 —— 材料在外力作用下所表现出的特性。
是研究合金的成分、温度、 组织、状态之间变化规律的 工具。
时间
（成分）
第二节 铁碳合金状态图
三、铁碳合金状态图
温度℃
1. 状态图上点的意义
A—纯铁的熔点。 D—Fe3C的熔点。
1538 ℃
A
E 1147℃
727℃
L
C
D F
E—C在γ-Fe中的最 大溶解度点。 1147℃ 2.06%C 钢和铁的分界点。