工程材料第五章
工程材料第五章 铁碳合金相图及应用
相图的应用 工具要用硬度高和耐磨性好的材料, 选碳含量高的钢（大于0.60％ C）。
相图的应用
白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加 工，不能锻造。 但耐磨性好，铸造性能好，用于耐磨、不 受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、 冷轧辊、犁铧、泵体、阀门等。
相图的应用——铸造工艺方面的应用
共晶白口铸铁的铸造性能最好, 凝固温度区间最小, 流 动性好, 分散缩孔少, 精密铸件选在共晶成分附近。
铸钢零件 碳含量0.15-0.6%之间, 这个范围内钢的结晶 温度区间较小, 铸造性能较好。
相图的应用——热锻、热轧工艺方面的 应用
钢在奥氏体状态时强度较低, 塑性较好, 锻造 或轧制选在单相奥氏体区进行。 一般始锻温度为1150℃～1250℃, 终锻温度为 750℃～850℃。
相图的应用——在热处理工艺方面的应用
第五章 铁碳合金相图及应用
铁碳合金：以铁和碳为基本元素的合金。 钢:0.0218～2.11%C，铸铁大于2.11%C。
低碳钢:<0.25％C；中碳钢:0.25％-0.60％C；高碳钢>0.60％C。 铁与碳可以形成间隙固溶体、化合物Fe3C、Fe2C、FeC等。 铁碳相图中的组元是Fe和Fe3C。
第二节 Fe-Fe3C相图分析
一、相图中的三条水平线和三个重要点 （1）包晶转变线HJB，J为包晶点。 1495℃ ，C%=0.09-0.53% L → L+δ → A
（2）共晶转变线ECF, C点为共晶点。
L→A（2.11%C）+Fe3C（6.69%C） 奥氏体与渗碳体的混和物, 称莱氏体。
第一节 铁碳合金基本相
一、 铁素体 δ相 高温铁素体：δ固溶体。 α相 铁素体：α-Fe中的固溶体， “F”表示。
工程材料 第五章 铁碳合金相图及应用
二、 在铸造工艺方面的应用
§5.4 铁碳相图的应用简介
根据Fe - Fe3C相图可以确定合金的浇注温度，浇注温度一
般在液相线以上50～100℃。 共晶合金铸造性能最好。
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§5.4 铁碳相图的应用简介
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合金的铸造性能与相图的关系
三、在热锻、热轧工艺方面的应用
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（一）工业纯铁结晶过程（wc = 0.01% )§5.2 铁碳合金相图分析
t (℃) 1
A
2
L
L+A
A G3
4
F A+F S
0.0218
P
0.77
5
Q
E
2.11
C
A+Fe3C 727℃
F+Fe3C
Fe
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wc(%)
简化的铁碳合金相图
F k Fe3C
纯铁
§5.2 铁碳合金相图分析
二、典型合金的平衡结晶过程§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
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§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
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300
1200
wc
对
退
1000
火
碳 200
800
钢
力
学
600
性
能 100
400
的
影
响
200
HB
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0b/MP
§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
第五章 铁碳合金相图及应用
§5.1 铁碳合金基本相及基本组织 §5.2 铁碳合金相图分析 §5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系 §5.4 铁碳相图的应用简介
《工程材料》第五章 铁碳合金相图
二.制定热加工工艺方面的应用
第六节 铁碳合金的生产及分类
钢铁的冶炼。 钢锭的组织、质量及缺陷。 碳素钢的分类、编号及用途。
一.钢铁的冶炼
铸铁锭
生产铸铁件
高炉 炼铁
炼钢生铁
转炉 平炉 电炉
生产钢件
平炉炼钢
转炉炼钢
亚共析钢 ( hypoeutectoid steel )
过共析钢 ( hypereutectoid steel )
共晶白口铁 ( eutectoid white iron )
亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron )
过共晶白口铁( hypereutectoid white iron )
4.3%C
6.69%C Fe3C
Fe - Fe3C 相图
二. Fe - Fe3C 相图的分析
五个重要的成份点: P、S、E、C、K。 四条重要的线: EF、ES、GS、FK。 三个重要转变: 包晶转变反应式、共晶
转变反应式、共析转变反应式。 二个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。
工程材料 机械制造基础 -Ⅰ
第五章 铁碳合金相图
第五章 铁碳合金相图 ( Iron – Carbon Phase Diagram )
Fe – C 相图的基础知识。 形成Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的结
构与性能。 Fe - Fe3C 相图的建立与分析。 碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的
共晶白口铁组织金相图
6.亚共晶白口铁 ( Wc = 3.0% )
亚共晶白口铁组织金相图
7.过共晶白口铁 ( Wc = 5.0% )
工程材料作业第五、六章
第五章金属材料的主要性能1 金属材料的力学性能指的是什么性能？常用的力学性能包括哪些方面的内容？答：金属的力学性能是指在力的作用下，材料所表现出来的一系列力学性能指标，反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力。
主要包括：强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳等。
2 衡量金属材料强度、塑性及韧性常用哪些性能指标？各用什么符号和单位表示？答：衡量金属材料的强度指标为：比例极限σp、弹性极限σe、弹性模量E、屈服强度σs、抗拉强度σb、屈强比σs/σb。
衡量金属材料的塑性指标为：延伸率δ、断面收缩率ψ。
衡量金属材料的韧性指标为：冲击韧性指标：冲击吸收功Ak；断裂韧性指标：断裂韧度。
3、硬度是否为金属材料独立的性能指标？它反映金属材料的什么性能？有5种材料其硬度分别为449HV、80HRB 、291HBS 、77HRA 、62 HRC，试比较五种材料硬度高低。
答：硬度不是金属材料的独立性能（它与金属抗拉强度成正比），是反映材料软硬程度的指标，表征材料表面抵抗外物压入时所引起局部塑性变形的能力。
80HRB<291HBS<449HV<77HRA <62HRC。
4、为什么说金属材料的力学性能是个可变化的性能指标？答：（1）温度的改变会影响金属的塑性，而塑性与韧性和强度、硬度有关，则改变温度会导致力学性能改变；（2）不同的承载情况会改变材料的力学性能，如很小的交变载荷也可使钢丝折断；不同的加工工艺也会改变材料的力学性能（为了使材料有不同的性能来满足我们的需要，就用了回火、淬火、正火等加工工艺）。
5、金属材料的焊接性能包括哪些内容？常用什么指标估算金属材料的焊接性能？答：金属的焊接性能：①接合性能：金属材料在一定焊接工艺条件下，形成焊接缺陷的敏感性。
②使用性能：某金属材料在一定的焊接工艺条件下其焊接接头对使用要求的适应性，也就是焊接接头承受载荷的能力。
金属的焊接性能指标：碳当量、冷裂纹敏感系数。
清华大学工程材料第五版第五章
5.1 普通陶瓷
5.1.1 普通日用陶瓷
一、普通日用陶瓷的用途和特点
用粘土、石灰石、长石、石英等天然硅 酸盐类矿物制成。制造日用器皿和瓷器。
一般具有良好的光泽度、透明度，热稳 定性和机械强度较高。
日用器皿
艺术陶瓷
二、常用普通日用陶瓷
（1）长石质瓷 国内外常用的日用瓷，作 一般工业瓷制品。
（2）绢云母质瓷 我国的传统日用瓷。 （3）骨质瓷 主要作高级日用瓷制品。 （4）滑石质瓷 综合性能好的新型高质瓷。 （5）高石英质日用瓷 我国研制成功，石 英含量 ≥40%，瓷质细腻、色调柔和、透光 度好、机械强度和热稳定性好。
氧化铝陶瓷应用实例：
氧化铝陶瓷密封环
氧化铝陶瓷喷咀
二、氧化铍陶瓷
●导热性极好，很高的热稳定性，抗热冲 击性较高；
●消散高能辐射的能力强、热中子阻尼系 数大。
●强度低。
应用 氧化铍陶瓷制造坩埚，作真空陶瓷和 原子反应堆陶瓷，气体激光管、晶体管散热 片和集成电路的基片和外壳等。
三、氧化锆陶瓷
●熔点在2700 ℃以上，耐2300 ℃高温， 推荐使用温度2000 ℃～2200 ℃；
绝缘瓷瓶
改善工业陶瓷性能的方法： 加入MgO、ZnO、BaO、Cr2O3等或增加莫 来石晶体相，提高机械强度和耐碱抗力；
加入Al2O3、ZrO2等提高强度和热稳定性； 加入滑石或镁砂降低热膨胀系数；
加入SiC提高导热性和强度。
5.2 特种陶瓷
☆ 老师提示：重点内容
特种陶瓷也叫现代陶瓷、精细陶瓷。 特种陶瓷包括特种结构陶瓷和功能陶瓷两 大类，如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、 高温陶瓷等。 按陶瓷的主要组成分： 氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、 氮化物陶瓷、碳化物陶瓷。
工程材料第五章作业答案
1.画出Fe-Fe3C相图，指出图中S、E、GS、SE、PQ、PSK和ECF 各点线的含义，并标注各区域的相组成物或组织组成物。
略2.何谓铁素体（F）、奥氏体（A）、渗碳体（Fe3C）、珠光体（P）？铁素体（F）：C在α-Fe中的间隙固溶体，具有体心立方晶格。
奥氏体（A）：C在γ-Fe中的间隙固溶体，具有面心立方晶格。
渗碳体（Fe3C）：C与Fe的化合物。
珠光体（P）：铁素体与渗碳体的机械混合物。
3.在Fe-Fe3C相图上，指出碳在α-Fe和γ-Fe中的溶解度曲线，并指出它们的溶碳范围。
α-Fe：0～0.0218%γ-Fe：0～2.11%4.分别画出含碳为0.45%、0.77%、和1.0%的铁碳合金的结晶过程和室温组织。
w C=0.45%，亚共析钢w C=0.77%，共析钢：w C=1.0%，过共析钢：5.计算下列问题（1）0.6%C钢中的珠光体和铁素体各占多少？（2）1.2%C钢中的珠光体和渗碳体（二次）各占多少？6.某钢试样在显微镜下观察，发现珠光体占40%，铁素体占60%，试问这是什么成分的钢？首先由题设可知，该钢为亚共析钢。
设碳含量为x：求出x=0.32，即该钢为0.32%C的亚共析钢。
7.写出下列牌号钢材所属种类，含碳量和主要用途：45、50、T8、T12A。
45：平均碳含量为0.45%的优质碳素结构钢。
50：平均碳含量为0.50%的优质碳素结构钢。
优质碳素结构钢中有害杂质及非金属夹杂物含量较少，化学成分控制比较严格，塑韧性较好，多用于制造较重要零件。
T8：平均碳含量为0.8%的碳素工具钢。
T12A：平均碳含量为1.2%的高级碳素工具钢。
碳素工具钢含碳量较高，适用于制作工具。
8.解释下列名词α-Fe、α相与铁素体、γ-Fe、γ相与奥氏体α-Fe：具有体心立方晶格的Fe。
α相与铁素体：C在α-Fe中的间隙固溶体，具有体心立方晶格γ-Fe：具有面心立方晶格的Fe。
γ相与奥氏体：C在γ-Fe中的间隙固溶体，具有面心立方晶格。
工程材料力学第五章材料在拉压时的力学性能
注意： 1. 低碳钢的s，b都还是以相应的抗力除以试样横截 面的原面积所得，实际上此时试样直径已显著缩小，因而 它们是名义应力。 2. 低碳钢的强度极限b是试样拉伸时最大的名义应力，
并非断裂时的应力。
3. 超过屈服阶段后的应变还是以试样工作段的伸长量 除以试样的原长而得， 因而是名义应变(工程应变)。
21
§5-3 其他塑形材料在拉伸时的力学性质
22
由－曲 锰钢 √ × √ ×
5%
强铝 √ × √ √
5%
退火球墨 铸铁 √ × √ √
5%
23
伸长率
p0.2(规定非比例伸长应力，屈服强度)
用于无屈服阶段的塑性材料
24
铸铁拉伸时的应力应变曲线 割线弹性模量 用于基本上无线弹性阶段
卸载及再加载规律
若在强化阶段卸载，则卸载过 程中F－Δl关系为直线。可见在强
化阶段中，Δl=Δle+Δlp。
卸载后立即再加载时，F－Δl 关系起初基本上仍为直线(cb)，直 至当初卸载的荷载——冷作硬化现 象。试样重新受拉时其断裂前所能
产生的塑性变形则减小。
13
(4) 阶段Ⅳ——局部变形阶段 试样上出现局部收缩—— 颈缩，并导致断裂。
2
胡克定律计算变形：
Fl FN l l EA EA
E
（ ≤ p
）
其中的弹性模量 E 及比例极限 P 怎么确定？
常数
其中泊松比
怎么确定？
3
实验条件
一、实验试样
拉伸试样
圆截面试样：l = 10d 或 l = 5d(工作段长度称为标距)。
矩形截面试样： l 11.3 A 或 l 5.65 A 。
05--《工程材料》第五章
结晶过程: ①匀晶转变：合金在1-2点间按匀晶转变结晶出δ固溶体. ②包晶转变：到2点，δ含0.09%的C，液体含0.53%的C， 在恒温下发生包晶转变,δ0.09+L0.53→A0.17。 有液相剩余。 ③匀晶转变：在2-3点间液相继续转变为A0.53。所有A的 成分均沿JE线变化冷到3点，合金全部由含 碳0.40%的奥氏体所组成。 ④析出F：到4点时，开始析出F，4-5点A成分沿GS线变化, A含碳量升高，铁素体成分沿GP线变化。 ⑤共析转变：到5点时，奥氏体的成分达到S点成分(含碳 0.77%)便发生共析转变 ⑥析出Fe3CⅢ：温度下降，铁素体的溶碳量沿PQ线变化， 析出Fe3CⅢ，Fe3CⅢ量很少，可忽略。
3.S：一般认为S在钢中是一种有害的元素。 ①硫不溶于铁，而生成FeS，FeS与Fe形成共晶体 （熔点为989℃），分布于奥氏体晶界。当钢材 在1000℃-1200℃压力加工时，共晶已经熔化, 并使晶粒脱开，钢材将变得极脆，这种脆性现 象称为热脆。 ②在钢中增加含锰量，可消除S 的有害作用，Mn 能与S形成熔点为1620℃的MnS,而且MnS在高温 时具有塑性，这样避免了热脆现象。 来源：生铁中带来的而在炼钢时又未能除尽的元素。 含量：硫必须严格控制，普通钢含S量应≤0.055%， 优质钢含硫量应≤0.040%，高级优质钢含硫量 应≤0.030%。
三、铁碳合金的成分与性能的关系 (一)铁碳合金的相组成物、组织组成物的相对量
(二)含碳量对铁碳合金机械性能的影响
第三节
碳
钢
一、常存杂质元素对碳钢性能的影响 常存的杂质元素:Si、Mn、S、P、O、N、H 1.Mn：一般认为Mn在钢中是一种有益的元素。 ①Mn大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，并使 铁素体强化； ②另一部分Mn溶于Fe3C中，形成合金渗碳体，这都 使钢的强度提高，Mn与S化合成MnS，成熔点为 1620℃，能减轻S的有害作用。 ③Mn含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时， 它对钢的性能影响并不明显。 来源：钢中的Mn来自炼钢生铁及脱氧剂锰铁。 含量：在碳钢中含锰量通常＜0.80%；在含锰合金钢中, 含锰量一般控制在1.0-1.2%范围内。
土木工程材料(第5章 气硬性胶凝材料)
灰砂砖和硅酸盐制品
石灰与天然砂或硅铝质工业废料混合均匀，
加水搅拌, 经压振或压制，形成硅酸盐制品。 为使其获早期强度，往往采用高温高压养护 或蒸压，使石灰与硅铝质材料反应速度显著 加快，使制品产生较高的早期强度。如灰砂
第一节 建筑石膏
建筑石膏及其制品具有轻质，高强，隔热，吸声， 美观及易于加工等优点，因此用途广泛，是一种有 发展前途的新型建筑材料之一。 自然界中存在有天然的无水石膏CaSO4和二水石膏 CaSO4〃2H2O。 在建筑工程中所使用的石膏是由天然二水石膏经过 加工而成的半水石膏CaSO4〃1/2H2O，又成熟石膏。 天然二水石膏在加工时随温度和压力等条件的不同， 会得到结构和性能不同的产物。 高强度石膏硬化后，密实度大，强度高，可用语建 筑抹灰或者 制成石膏制品，但成本高，建筑石膏生 产方便，成本低，可在建筑工程中广泛大量使用。
三 建筑石膏的技术性质
建筑石膏的技术要求有强度、细度和凝结时 间。并按强度和细度分为优等品、一等品和 合格品。具体技术要求见GB9776-1988。
（1）凝结硬化速度快 建筑石膏的浆体，凝结硬化速度很快。 一般石膏的初凝时间仅为10min左右，终凝 时间不超过30min，这对于普通工程施工操 作十分方便。有时需要操作时间较长，可加 入适量的缓凝剂，如硼砂、动物胶、亚硫酸 盐酒精废液等。
途，分为砌筑砂浆和抹面砂浆。
石灰土（灰土）和三合土
石灰与粘土或硅铝质工业废料混合使用，制成
石灰土或石灰与工业废料的混合料，加适量的 水充分拌合后，经碾压或夯实，在潮湿环境中 使石灰与粘土或硅铝质工业废料表面的活性氧 化硅或氧化铝反应，生成具有水硬性的水化硅
土木工程材料第5章_砂浆
砂浆强度等级
水泥用量（kg）
M2.5、M5
M7.5、M10 M15 M20
200～230
220～280 280～340 340～400 1m3干砂的堆积 密度值 270～330
表中水泥采用32.5级，当大于32.5级时，水泥用量宜取下限。
三.试配与调整
按计算配合比，采用工程实际使用材料进行试拌，测 定其拌合物的稠度和分层度，若不能满足要求，则应调整 用水量或掺加料，直到符合要求为止。然后，确定试配时 的砂浆基准配合比。试配时至少应采用三个不同的配合比， 其中一个为基准配合比，另外两个配合比的水泥用量按基 准配合比分别增加及减少１０％，在保证稠度、分层度合 格的条件下，可将用水量或掺加料用量作相应调整。 对三个不同的配合比，经调整后，应按有关标准的规定成 型试件，测定砂浆强度等级，并选定符合强度要求的且水 泥用量较少的砂浆配合比。
二.水泥砂浆配合比设计
由于水泥砂浆按配合比设计规程计算时，普遍出现水泥 用量偏少现象。这主要是因为水泥强度太高（即使是32.5级 的水泥）和砂浆强度太低的缘故。为此规程规定，水泥砂浆 配合比用料可参照美国ASTM和英国BS标准直接查表选用， 见下表。
每立方米砂浆各材料用量 砂用量（kg） 用水量（kg）
用于砖墙的底层抹灰，多用石灰砂浆； 有防水、防潮要求时用水泥砂浆； 用于混凝土基层的底层抹灰，多用水泥混合砂浆； 中层多用水泥混合砂浆或石灰砂浆；面层抹灰多用 水泥混合砂浆、麻刀灰或纸筋灰。 注意：水泥砂浆不得涂抹在石灰砂浆层上。
抹面砂浆
第三节 装饰砂浆
装饰砂浆是指用作建筑物饰面的砂浆。它是在抹 面的同时，经各种加工处理而获得特殊的饰面形式， 以满足审美需要的一种表面装饰。 装饰砂浆饰面可分为两类，即灰浆类饰面和石碴 类饰面。 灰浆类饰面是通过水泥砂浆的着色或水泥砂浆表 面形态的艺术加工，获得一定色彩、线条、纹理质感 的表面装饰。 石碴类饰面是在水泥砂浆中掺入各种彩色石碴作 骨料，配制成水泥石碴浆抹于墙体基层表面，然后用 水洗、斧剁、水磨等手段除去表面水泥浆皮，呈现出 石碴颜色及其质感的饰面。 装饰砂浆所用胶凝材料与普通抹面砂浆基本相同， 只是灰浆类饰面更多地采用白水泥和彩色水泥。
工程材料力学性能第五章 金属的疲劳
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
金属疲劳现象及特点 疲劳曲线及基本疲劳力学性能 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 疲劳过程及机理 影响疲劳强度的因素 低周疲劳
第一节 金属疲劳现象及特点
一、变动载荷和循环应力 1、变动载荷和变动应力 变动载荷：载荷大小、甚至方向均随时间变化的载荷。 变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值。分规则周 期变动应力和无规则随机变动应力两种。 2、循环应力 规则周期性变化的应力称循环应力，表征应力循环特征的几个 参量： 最大应力 σmax 最小应力 σmin 平均应力 σm=（σmax+σmin）/2 应力幅 σa=（σmax－σmin）/2
三、疲劳宏观断口特征
典型的疲劳断口按照断裂过程可分为三个 区域，疲劳源、疲劳区和瞬断区。
1、疲劳源
疲劳源（或称疲劳核心），疲劳裂纹萌生的策源地，一 般总是产生在构件表面层的局部应力集中处，但如果构件 内部存在冶金缺陷或内裂纹，也可在构件内部或皮下产生 疲劳源。 疲劳源区光亮度最大，在断口上常能看到一个明显的亮斑。 疲劳源有时不止一个，尤其在低周疲劳下，其应力幅值较 大，断口上常有几个不同位臵的疲劳源。可以根据源区的 光亮度、相邻疲劳区的大小，贝纹线的密度去确定各个疲 劳源的产生顺序。 源区光亮度↑；相邻疲劳区越大；贝纹线越多越密者→疲 劳源越先产生。
如认为疲劳裂纹扩展的每一微小过程类似 是裂纹体小区域的断裂过程，ΔK就是裂纹 尖端控制疲劳裂纹扩展的复合力学参量。
3、da/dN--Δk （ lgda/dN-- lgΔk）曲线 将a-N曲线可转化为由Δk控制 的疲劳裂纹扩展速率曲线： da/dN -Δk 或 lgda/dNlgΔk 由曲线可知，可分为三个区： I区：疲劳裂纹初始扩展阶段 da/dN很小。 随Δk↑→da/dN快速提高，但 Δk变化范围很小， da/dN提 高有限，所占扩展寿命不长。
机械工程材料 第五章 钢的热处理.答案
30s
650 550
2s
40s
2s 5s
10s
2、C 曲线的分析 ⑴ 转变开始线与纵
坐标之间的距离为
孕育期。
孕育期越小，过冷
奥氏体稳定性越小.
孕育期最小处称C
曲线的“鼻尖”。
碳钢鼻尖处的温度
为550℃。
在鼻尖以上, 温度较 高，相变驱动力小.
在鼻尖以下，温度
较低，扩散困难。
从而使奥氏体稳定
为板条与针状的混合
组织。
0.2%C 0.45%C 1..2%C
3、马氏体的性能 高硬度是马氏体性 能的主要特点。 马氏体的硬度主要 取决于其含碳量。 含碳量增加，其硬
C%
马氏体硬度、韧性与含碳量的关系
度增加。
当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。
合金元素对马氏体硬度的影响不大。
℃
温 度 ，
共析钢奥氏体化曲线（875℃退火）
体成分趋于均匀。
共析钢奥氏体化过程
亚共析钢和过共析钢的奥 氏体化过程与共析钢基本
相同。但由于先共析 或
二次Fe3C的存在，要获得
全部奥氏体组织，必须相
应加热到Ac3或Accm以上.
二、奥氏体晶粒长大及其影响因素
1、奥氏体晶粒长大 奥氏体化刚结束时的 晶粒度称起始晶粒度, 此时晶粒细小均匀。
(a)940淬火+220回火（板条M回+A‘少）(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火（板条M+条状F+A’少） (e)940淬火+780淬火+220回火（板条M回+条状F+A‘少）(f)780淬火+220回火（板条M回+块状F）
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。
材料工程基础-第五章 金属的塑性加工
已知铅的熔点为327℃，钨的熔点为3380℃。问：铅在 20℃、钨在1000℃时变形各属哪种变形？为什么？
T 钨再＝ 0.4 T熔 ＝ 0.4（3380+273） ＝1461 K ＝ 1188℃>1000℃
T 钨回 ＝（0.25～0.3）T熔 ＝ （913～1096）K ＝（640～823） ℃ < 1000℃
• 轧制的目的？ 成形 改质、提高性能
• 轧制得到广泛应用，大部分金属以轧态使用。 钢材 90% 铝及合金 35~45% 铜及合金 60~70%
以简单理想轧制过程为例，阐述轧制过程 的基本概念。
简单理想轧制过程：两轧辊均被驱动，直径 相等，转速相同，轧件的机械性质及运动 均匀，无外加推力或拉力作用，靠轧辊力 实现轧制的过程。
大，使金属力学性能下降。
3、冷变形、热变形和温变 形
（1） 冷变形及其影响
金属在再结晶温度以下的变形称为冷变形，具
有加工硬化组织。
冷变形特点：冷变形可以使工件获得较高的精
度和表面质量。冷变形也是强化金属的一种重要手
段。但变形抗力大。
（2） 热变形及其影响
变形温度在再结晶温度以上时，变形产生的加工硬化被随 即发生的再结晶所抵消，变形后金属具有再结晶的等轴晶粒组 织，而无任何加工硬化痕迹，这种变形称为热变形。
2. 多晶体的塑性变形
多晶体塑性变形的实质：
晶粒内部发生滑移；同时晶粒之间发生滑移和转动。
晶内变形 滑移 滑动
晶间变形 转动
二、塑性变形后金属的组织和性能
1、加工硬化
金属在室温下进行塑性变形时，随着变形程度的增加， 强度和硬度不断提高，塑性和冲击韧性不断降低，这种现象 称为加工硬化。 加工硬化的金属内部组织变化特点。 （1）各晶粒沿变形最大的方向伸长， （2）位错密度增加，晶格严重扭曲，产生内应力； （3）滑移面和晶粒间产生碎晶。
工程材料学5第五章 铸铁
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（a）铁素体基灰口铁;（b）铁素体、珠光体基灰口铁;（c）珠光体基灰口铁
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5.4 影响石墨化因素
（1）化学成分 普通铸铁中合金元素主要为C、Si、Mn、P、S 等。其中C、Si、P是促进石墨化元素，而Mn、 S为阻止石墨化元素。
a. 碳的影响
强烈促进石墨化，并对石墨形状、大小有显著影响。
铸铁成分 铸铁壁厚 对铸铁组 织的影响
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5.5 铸铁热处理
铸铁生产除适当地选择优学成分以得到～定的组织外，热处理也是 进一步调整和改进基体组织以提高铸铁性能的一种重要途径。 铸铁的热处理和钢的热处埋有相同之处 ，也有不同之处。铸铁的热 处理一般不能改善原始组织中石墨的形态和分布状况。
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第五章 铸铁
铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素 的多元铁基合金。 普通铸铁成分:C 2.4~4.0％， Si 0.6~3.0%，Mn 0.2~1.2，S 0.08~0.15％， P 0.1~1.2%。
成分特点： C、Si含量高；S、P等杂质较多；
（普通碳素钢 Si ≤0.35%，Mn 0.25~0.80%，S≤0.055%，P≤0.045％）
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5.2 铸铁石墨化过程
3、若共析石墨化受 到抑制，则得到的 组织是珠光体基体 加片状石墨。
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5.2 铸铁石墨化过程
4、如果冷速过快， 两阶段石墨化均被 抑制，则得到白口 铁。
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5.3 铸铁组织
铁素体 珠光体和铁素体 珠光体
+ 石墨
钢基体上加石墨的组织。
珠光体 + 渗碳体
《材料工程基础》课件——第五章 金属的塑性加工(第5、6、7节)
3.5.4 拉拔工具
拉拔工具主要包括拉拔模和芯头。此二者的结构、 形状尺寸、表面质量与材质对制品的质量、产量、 成本等具有重要影响。
拉拔模
拉拔模
旋转模
辊式模 普通模（应用最多 ）
弧线模：只用于细线的拉拔
锥形模：管、棒、型材和较粗的 线材拉拔
图 普通拉拔模的基本结构 （a）锥形模 （b）弧线模
空拉时壁厚增加或减少，主要取决于两个因素：
①圆周方向压应力：促使金属沿径向流动，导致管材壁厚增 加
②轴向拉应力：促使金属产生轴向延伸，并导致壁厚减薄。
这两个因素作用的强弱取决于各种变形条件。
③固定短芯头拉拔变形
变形分三部分：
AB C D
AB段：空拉区，主要是减径 变形，壁厚一般有所增加， 又称减径区。应力应变特点 与空拉时一样。 BC段：减壁区，此阶段外径 减小，内径不变，壁厚减薄。 应力应变特点与棒材拉拔时 一样。 CD段：定径区，为弹性变形 区。
②空拉时的应力与变形
应力状态：与圆棒拉拔时类似，即：周向、径向为
压，轴向为拉，但 ，且有
。
径向压应力的数值由管材外表面至内表面逐渐减小， 在内表面上为零。
周向应力由外表面向内逐渐增大。
轴向应力由变形区入口为零逐渐增加，在变形区出
口(模孔出口)处达到最大。
变形
按目的不同有： 减径空拉：目的是减径，主要用于中间道次，一般 认为拉拔后壁厚不变； 整径空拉：目的是精确控制制品的尺寸，减径量不 大（0.5～1），一般在最后道次进行； 定型空拉：目的是控制形状，主要用于异型管材拉 拔，即用于圆截面向异型截面过渡拉拔。
拉拔加工的特点
①拉拔制品的尺寸精度高，表面粗糙度低 ②工具与设备简单，维护方便，一机多用 ③适用于连续高速生产断面尺寸小的长尺产品（Al、
工程材料力学性能知识点总结
第五章，金属疲劳
1,变动载荷是引起疲劳破坏的外力，它是指载荷大小，甚至方向随时间变化的载荷。
2，按照断裂寿命和应力高低不同，可分为高周疲劳，低周疲劳，这是最基本的分类方法。
3，典型疲劳断口具有三种形貌不同的区域，疲劳源，疲劳区，瞬断区。
4，疲劳极限是材料抵抗无限次应力循环也不疲劳断裂的强度指标。
5，金属材料抵抗疲劳过载损伤的能力用过载损伤界或过载损伤区表示。
1，观察并记录疲劳长度a随N循环扩展增长的情况，便可作出疲劳裂纹扩展曲线。
2，疲劳裂纹不扩展的临界值称为疲劳裂纹扩展门槛值。
3，。
工程材料与热处理第5章作业题参考答案
1.奥氏体晶粒大小与哪些因素有关？为什么说奥氏体晶粒大小直接影响冷却后钢的组织和性能？奥氏体晶粒大小是影响使用性能的重要指标，主要有以下因素影响奥氏体晶粒大小。
〔1〕加热温度和保温时间。
加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。
〔2〕加热速度。
加热速度越快，过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高，形核率和长大速度的比值增大，那么奥氏体的起始晶粒越细小，但快速加热时，保温时间不能过长，否那么晶粒反而更加粗大。
〔3〕钢的化学成分。
在一定含碳量范围内，随着奥氏体中含碳量的增加，碳在奥氏体中的扩散速度及铁的自扩散速度增大，晶粒长大倾向增加，但当含碳量超过一定限度后，碳能以未溶碳化物的形式存在，阻碍奥氏体晶粒长大，使奥氏体晶粒长大倾向减小。
〔4〕钢的原始组织。
钢的原始组织越细，碳化物弥散速度越大，奥氏体的起始晶粒越细小，一样的加热条件下奥氏体晶粒越细小。
传统多晶金属材料的强度与晶粒尺寸的关系符合Hall-Petch关系，即σs=σ0+kd-1/2，其中σ0和k是细晶强化常数，σs是屈服强度，d是平均晶粒直径。
显然，晶粒尺寸与强度成反比关系，晶粒越细小，强度越高。
然而常温下金属材料的晶粒是和奥氏体晶粒度相关的，通俗地说常温下的晶粒度遗传了奥氏体晶粒度。
所以奥氏体晶粒度大小对钢冷却后的组织和性能有很大影响。
奥氏体晶粒度越细小，冷却后的组织转变产物的也越细小，其强度也越高，此外塑性，韧性也较好。
2．过冷奥氏体在不同的温度等温转变时，可得到哪些转变产物？试列表比较它们的组织和性能。
3.共析钢过冷奥氏体在不同温度的等温过程中，为什么550℃的孕育期最短，转变速度最快？因为过冷奥氏体的稳定性同时由两个因素控制：一个是旧与新相之间的自由能差ΔG；另一个是原子的扩散系数D。
等温温度越低，过冷度越大，自由能差ΔG也越大，那么加快过冷奥氏体的转变速度；但原子扩散系数却随等温温度降低而减小，从而减慢过冷奥氏体的转变速度。
高温时，自由能差ΔG起主导作用；低温时，原子扩散系数起主导作用。
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第五章其他金属材料单选题（本大题共32小题）1. 欲要提高18－8型铬镍不锈钢的强度，主要是通过（C）。
A.时效强化方法B.固溶强化方法C.冷加工硬化方法D.马氏体强化方法2. 淬火加时效处理是（A）合金强化的主要途经。
A.形变铝合金 B.铸造铝合金 C.黄铜 D.青铜3. 以下黄铜又称商业黄铜的是（B） A.H90 B.H62 C.H68 D.H804. 常用的灰口铸铁的组织就是（C）分布在钢的基体上。
A.球状的石墨B.团絮状的石墨C.片状的石墨D.蠕虫状石墨5. 高速钢淬火后通常要在560℃的温度下回火三次，回火后的组织为（C）。
A.回火索氏体+少量残余奥氏体+碳化物；B.回火屈氏体+少量残余奥氏体+碳化物；C.回火马氏体+少量残余奥氏体+碳化物。
D.淬火马氏体+少量残余奥氏体+碳化物6. Cr12MoV钢根据对红硬性要求的不同有两套淬火回火工艺方案，两套淬火回火的温度分别是（ A ）A.960～1050℃淬火+250～270℃回火、1100～1150℃淬火+510～520℃回火B.960～1050℃淬火+250～270℃回火、1100～1150℃淬火+250～270℃回火C.960～1050℃淬火+510～520℃回火、1100～1150℃淬火+250～270℃回火D.960～1050℃淬火+510～520℃回火、1100～1150℃淬火+510～520℃回火7. 石墨呈团絮状分布在钢的基体上是（ B ）的组织特征 A.球墨铸铁 B.可锻铸铁 C.蠕墨铸铁 D.灰口铸铁8. 下列材料中，红硬性最高的是（ A ） A.YG8 B.W18Cr4V C.T10 D.459. 1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13 是马氏体型不锈钢，其性能有（ C ）的变化规律。
A.硬度和耐蚀性依次增高B.硬度依次降低，耐蚀性依次增高C.硬度依次增高，耐蚀性依次降低D.硬度和耐蚀性依次降低10. 高速钢W18Cr4V制作刀具的最终热处理是（ C ）A.1280±10℃淬火+180℃回火B.Ac1以上30～50℃淬火+180℃回火C.1280±10℃淬火+560℃回火D.Ac1以上30～50℃淬火+560℃回火11. ZL102是铸造铝合金，其铸造组织中有粗大针状的Si晶体，强度低，浇注前应向液态合金中加入（ B）A.球化剂进行球化处理B.复合钠盐进行变质处理C.硅铁合金进行孕育处理D.稀土镁进行调质处理12. 以下黄铜又称弹壳黄铜的是（C ） A.H62 B.H80 C.H68 D.H9013. 淬火后的铝合金其强度、硬度随时间延长而增加的现象叫（C ）A.加工硬化B.固溶强化C.时效硬化D.弥散强化14. 常用的蠕墨铸铁的组织就是（ D）分布在钢的基体上A.球状的石墨B.团絮状的石墨C.片状的石墨D.蠕虫状的石墨15. 常用的球墨铸铁的组织就是（A ）分布在钢的基体上A.球状的石墨B.团絮状的石墨C.片状的石墨D.蠕虫状的石墨16. 可锻铸铁中石墨的形态为（ B） A.片状 B.团絮状 C.蠕虫状 D.球状17. 石墨呈片状分布在钢的基体上是（A ）的组织特征。
A.灰口铸铁B.蠕墨铸铁C.可锻铸铁D.球墨铸铁18. 常用于制造热锻模的钢为（ A） A.5CrMnMo B.C12MoV C.9SiCr D.T1219. 常用于制造冷作模具的钢为（B ） A.5CrMnMo B.C12MoV C.5CrNiMo D.YG820. T10 钢的碳的质量分数为（ B） A.0.1 % B.1.0 % C. 10 % D.0.01 %21. 高速钢的红硬性取决于（B ）A.马氏体的多少B.淬火加热时溶于奥氏体中的合金元素的量C.钢中的碳含量D.钢中合金元素含量22. 下列材料中，红硬性最高的是（ C） A.9SiCr B.W18Cr4V C.YG8 D.20CrMnTi23. 下列材料中，红硬性最高的是（B ） A.T8 B.YG15 C.W18Cr4V D.20CrMnTi24. 采用复合钠盐进行变质处理是（D ）合金强化的主要途经 A.形变铝合金 B.青铜 C.黄铜 D.铸造铝硅合金25. 铝合金的时效强化效果与（ B）有关A.时效温度B.时效温度和时效时间C. 时效时间D.冷却方式26. 0Cr18Ni9Ti钢中Ti元素的主要作用是（ C）A.强化奥氏体B.提高淬透性C.防止晶间腐蚀D.细化晶粒27. 高锰耐磨钢适合制作（B ）的耐磨件A.高温下使用B.常温并有很大压力条件下使用C.精度高需切削加工D.高温并有很大压力条件下使用28. （ C ），铸铁的石墨化倾向越大。
A. C、Si含量越低，冷速越慢B.C、Si含量越低，冷速越快C.C、Si含量越高，冷速越慢D.C、Si含量越高，冷速越快29. 粗加工前，为改善9SiCr钢切削加工性，应进行（ B ）A.正火B.球化退火C..完全退火D.扩散退火30. 铝合金的固溶--时效强化的效果与（ B ）A..时效温度无关B.时效温度和时效时间都有关C.只与时效温度有关D. 时效时间无关31. 球墨铸铁中石墨的形态为（），可制造（） ( D )A.球状，曲轴、连杆B.蠕虫状，热交换器C.片状，床身、导轨D.团絮状，管接头、阀门32. 可锻铸铁中石墨的形态为（），可制造（）。
( D )A.球状，曲轴、连杆B.蠕虫状，热交换器C.片状，床身、导轨D.团絮状，管接头、阀门判断题（本大题共29小题）1. W18Cr4V钢在560℃回火后获得的组织为回火索氏体错误2. 在1100℃温度下，40钢和含碳量为4.0%的白口铸铁都能锻造错误3. C、Si含量越高，冷速越慢，铸铁的石墨化倾向就越大正确4. T10钢的碳的质量分数为1.0％。
正确5. 可以通过球化退火使普通灰口铸铁变成球墨铸铁。
错误6. 高锰钢加热到1000-1100℃,淬火后可获得单相马氏体组织。
错误7. 1Cr18Ni9钢是一种奥氏体不锈钢。
正确8. 5CrNiMo钢是合金结构钢。
错误9. T8钢的淬硬性和淬透性都比20MnVB钢低错误10. 奥氏体型不锈钢可采用加工硬化提高强度正确11. 高速钢既具有良好的淬透性，也具有良好的红硬性正确12. 奥氏体型不锈钢的热处理是淬火后获得奥氏体，然后低温回火获得回火马氏体处理错误13. 可锻铸铁在高温时可以进行锻造加工错误14. 高速钢需反复锻造是因为硬度高不易成形错误15. 18-4-1高速钢采用很高温度淬火，目的是使碳化物尽可能多地溶入A中，从而提高钢的红硬性正确16. T12钢900℃淬火时比780℃淬火时残余奥氏体多正确17. 灰口铸铁是不可以锻造的正确18. 可锻铸铁是可以锻造的错误19. 1Cr13、2Cr13、Cr12钢都是不锈钢错误20. 0Cr18Ni9Ti的含碳量小于0.08% 正确21. 高锰耐磨钢适合制作精度高且在高温下使用的耐磨件错误22. 1Cr13钢是奥氏体不锈钢。
错误22. W18Cr4V钢是不锈钢。
错误24. 形变铝合金牌号中，字首用“LY”表示硬铝合金。
正确25. 铜合金牌号中，字首“H”表示青铜。
错误26. 形变铝合金牌号中，字首“LD”表示超硬铝合金。
错误27. 形变铝合金牌号中，字首“LD”表示锻铝合金。
正确28. 铜合金牌号中，字首“Q”表示青铜。
正确29. 普通黄铜是铜和锌组成的二元合金。
正确填空题（本大题共9小题）1.高速工具钢经高温淬火加多次回火后，具有很高的（硬度和耐磨性）和较好的（红硬性）。
2.不锈钢按其金相显微组织不同，常用的有以下三类：（马氏体型不锈钢），（铁素体型不锈钢），奥氏体型不锈钢。
3.铸铁中常见的石墨形态有（片状）、（球状）、（蠕虫状）和团絮状。
影响石墨化的主要因素有（化学成分）和（冷却速度）4.高速钢W18Cr4V的含碳量为（0.7%-0.8% ），淬火加热温度一般取（1280±10℃），回火温度一般取（560℃），通常回火（三）次。
5.高锰钢的性能特点是：既具有高的（耐磨性），又具有高的（韧度）。
6.灰口铸铁根据石墨形态划分，有普通灰口铸铁，（球墨铸铁）、（可锻铸铁）和蠕墨铸铁四种；其石墨形态分别为（片状）、（球状）、（团絮状）、（蠕虫状）。
7.常用的硬质合金刀片有（钨钴类）和钨钴钛类两种。
8.白口铁与常用的灰口铁区别在于组织中碳的存在形式不同，前者是以（石墨）形式存在，后者是以（渗碳体）的形式存在。
9.冲孔落料模用Cr12MoV制造，其中碳的含量是（＞1%），锻造之后切削加工之前进行的预先热处理是（球化退火），最终热处理是（淬火和低温回火）。
简答题（本大题共8小题）1.试述下列零件进行时效处理的作用： a.形状复杂的大型铸件在500～600℃进行时效处理；b.铝合金件淬火后于140℃进行时效处理；c.GCr15钢制造的高精度丝杠于150℃进行时效处理。
【答案】：a：消除应力 b：时效硬化，提高强度 c:稳定化处理，提高尺寸的稳定性2.简述固溶强化、弥散硬化、时效硬化产生的原因及它们之间的区别。
【答案】：固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。
弥散强化：合金中以固溶体为主再有适量的金属间化合物弥散分布，会提高合金的强度、硬度及耐磨性，这种强化方式为弥散强化。
时效硬化：固溶处理后的金属强度和硬度随时效时间延长而显著升高的现象。
区别：尽管三者都是利用合金的组成相来强化合金，但固溶强化是通过产生晶格畸变，使位错运动阻力增大来强化合金；弥散强化是利用金属化合物本身的高强度和硬度来强化合金；时效硬化是通过时效过程中产生很多细小的过渡相，在这些过渡相周围产生很大的应力场，使合金中位错运动阻力增大来强化合金；三者相比，通过固溶强化得到的强度、硬度最低，但塑性、韧性最好，弥散强化得到的强度、硬度最高，但塑韧性最差，时效硬化介于两者之间。
3.1、W18Cr4V的Ac1约为820℃，若以一般工具钢Ac1+（30—50）℃的常规方法来确定其淬火加热温度，最终热处理后能否达到高速切削刀具所要求的性能？为什么？其实际淬火温度是多少？【答案】：若以一般工具钢Ac1+30-50℃常规方法来确定W18Cr4V钢淬火加热温度，在最终热处理后不能达到高速切削刃具所要求的性能。
因为若按常规方法来确定淬火加热温度，则合金碳化物不易溶解，不能满足在高速切削时刀具应保持红硬性、高耐磨性的要求。
为使奥氏体得到足够的合金化，必须加热到远远大于Ac1的温度，既1280℃左右。
18Cr4V钢刀具在正常淬火后都要进行560℃三次回火，这是为消除残余奥氏体。
4.生产球墨铸铁时加入球化剂和孕育剂的目的分别是什么？【答案】：加入球化剂目的：使石墨呈球状析出。