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第二章碳钢C相图第3节Fe-Fe3第5讲典型铁碳合金结晶过程分析2典型铁碳合金的结晶过程分析-4共晶白口铸铁w c ＝4.3%铁碳合金的结晶过程CD EFK124.30%共晶白口铸铁w c ＝4.3%铁碳合金的结晶过程CD EFK124.30%1交点：液相开始发生共晶转变1~2之间：共晶奥氏体中会出现二次渗碳体2交点：γ发生共析转变→P (珠光体)共晶渗碳体不发生变化2 以下：组织低温莱氏体（L′d ）L 4.31148∘C(γ2.11+Fe 3C)共晶转变生成莱氏体（Ld ）奥氏体为共晶奥氏体，渗碳体为共晶渗碳体w c＝4.3%的铁碳合金结晶过程示意图低温莱氏体金相照片（黑斑区为珠光体，白色为渗碳体）室温组织：（L′d ）室温相：α+ Fe 3Cw c ＝4.3%的铁碳合金的结晶过程通过杠杆定律计算室温下各组织含量通过杠杆定律计算室温下各相含量自学内容w α=6.69−4.36.69−0.0008×100%≈？w Fe 3C =1−w α≈？%100='d L w典型铁碳合金的结晶过程分析-5亚共晶白口铸铁w c ＝3%铁碳合金的结晶过程CD EFK1233.0%亚共晶白口铸铁w c ＝3%铁碳合金的结晶过程CD EFK1233.0%3以下2交点：存在两相L +γ2~3：奥氏体中会出现二次渗碳体3交点：γ发生共析转变→P (珠光体)二次渗碳体+ Ld 不发生变化3 以下：组织低温莱氏体（L′d + Fe 3C II + P ）L 4.31148∘C(γ2.11+Fe 3C)1交点：液相开始发生匀晶转变L →γ其中的室温组织：（L'd + P + Fe 3C Ⅱ）室温相：α+ Fe 3Cw c ＝3.0%的铁碳合金的结晶过程通过杠杆定律计算室温下各组织含量通过杠杆定律计算室温下各相含量自学内容w Fe 3C =1−w α≈？w α= 6.69−3.06.69−0.0008×100%≈?w L ′d=3.0−2.114.3−2.11×100%≈？w P = 4.3−3.04.3−2.11×6.69−2.116.69−0.77×100%≈？w Fe 3C II =1−w L ′d −w P ≈?结晶过程示意图亚共晶白口铸铁的金相照片亚共晶白口铸铁w c ＝3%铁碳合金3以下典型铁碳合金的结晶过程分析-6过共晶白口铸铁w c ＝5.3%铁碳合金的结晶过程CDEF K123典型铁碳合金的结晶过程分析-6过共晶白口铸铁w c ＝5.3%铁碳合金的结晶过程CDEF K1231~2：一次渗碳体形成的温度高，故其形貌为粗大的片状结构2交点：共晶转变3交点：γ发生共析转变3 以下：组织低温莱氏体（L′d + Fe 3C I ）1交点：液相开始发生匀晶转变L →Fe 3C I过共晶白口铸铁w c＝5.3%铁碳合金L'd＋Fe3CⅠ过共晶白口铸铁的室温组织典型铁碳合金的结晶过程分析-7工业纯铁w c <0.01%铁碳合金的结晶过程A GH J NP Q1234567工业纯铁w c <0.01%铁碳合金的结晶过程A GH J NP Q12345671~2：L 减少δ增加1以上：液相1交点：匀晶转变L →δ2点：单相δ （0.01%）2~3：单相δ （0.01%）3点开始：δ →γ3~4：δ减少γ增加4~5：单相γ（0.01%）5点开始：γ→α5~6：γ减少α增加6点，6~7：单相α （0.01%）7点：α析出Fe 3C ⅡI工业纯铁w c<0.01%铁碳合金室温下的相：F+Fe3C 室温组织: F + Fe3CⅢ工业纯铁室温组织金相照片。
《机械工程材料》机械工业出版社第3版目录第一章机械零件的失效分析第二章碳钢第三章钢的热处理第四章合金钢第五章铸铁第六章有色金属及其合金第七章高分子材料第八章陶瓷材料第九章复合材料第十章功能材料第十一章材料改性新技术第十二章零件的选材及工艺路线第十三章工程材料在典型机械和生物医学上的应用第一章 机械零件的失效分析第一节 零件在常温静载下的过量变形失效：零件若失去设计要求的效能变形：材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化弹性变形：能够恢复的变形塑性变形：不能恢复的变形一、工程材料在静拉伸时的应力-应变行为1.低碳钢的应力-应变行为变形过程：弹性变形、屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形2.其他类型材料的应力-应变行为纯金属脆性材料高弹性材料二、静载性能指标1.刚度和强度指标（1）刚度指零（构）件在受力时抵抗弹性变形的能力单向拉伸（或压缩）时：E=σ/ε= ，即EA=F/εAF /纯剪切时：G=τ/γ= ，即GA=F τ/γγτAF /弹性模量E （或切变模量G ）是表征材料刚度的性能指标（2）强度指材料抵抗变形或断裂的能力指标有：比例极限σp ，弹性极限σe ，屈服强度σs ，抗拉强度σb ，断裂强度σk2.弹性和塑性指标（1）弹性指材料弹性变形大小弹性能u ：应力-应变曲线下面弹性变形阶段部分所包围的面积u=σe εe=21E e 221σ（2）塑性指材料断裂前发生塑性变形的能力断后伸长率： %10000⨯-=L L L δ断面收缩率： %10000⨯-=A A A ψ越大，材料塑性越好ψδ、3.硬度指标表征材料软硬程度的一种性能布氏硬度HBW （硬质合金球为压头）洛氏硬度HRC （锥角为120°的金刚石圆锥体为压头）维氏硬度HV （锥角为136°的金刚石四棱锥体为压头）三、过量变形失效零件的最大弹性变形量△l 或θ（扭转角）必须小于许可的弹性变形量。
即△l ≤[△l]或θ≤[θ]材料的弹性模量E(或切变模量G)越高，零件的弹性变形量越小，刚度越好通常材料的熔点越高，弹性模量也越高弹性模量对温度很敏感，随温度升高而降低第二节 零件在静载荷冲击载荷下的断裂一、韧断和脆断的基本概念韧性断裂:断裂前发生明显宏观塑性变形脆性断裂：断裂前不发生塑性变形断裂过程均包含裂纹形成和扩展两个阶段二、冲击韧性及衡量指标A K 、a K冲击韧性：材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力冲击吸收功A K ，单位J冲击韧度a K =A K /F K ，单位J ·cm -2 。
第二章碳钢C相图第3节Fe-Fe3第3讲铁-渗碳体相图中的典型转变过程分析相图的方法成分线过所研究合金的成分点作一条垂直于横坐标的直线图中①-⑦就是七个成分线Fe-Fe 3C 相图局部放大图相图中的典型(非恒温)转变1 匀晶转变例1由液相直接结晶出单一固相的转变，属于非恒温转变L →δ: 由液相中直接结晶出δ相w c ：0～0.53%合金的成分线和AB 线相交1 匀晶转变例2w c：0.53~4.3%合金的成分线和BC线相交L →γ: 由液相中直接结晶出γ相1 匀晶转变例3w c：4.3~6.69%合金的成分线和CD线相交L →Fe3C: 由液相中直接结晶出Fe3C相渗碳体为粗大片状组织称为一次渗碳体Fe3C I相图中的典型(非恒温)转变2 同素异构转变（多形性转变）δ-铁素体相和奥氏体相之间发生同素异构转变NH（开始线）NJ （结束线）奥氏体相和α-铁素体相之间发生同素异构转变GS（开始线）GP（结束线）Fe-Fe 3C 相图局部放大图2 同素异构转变依次发生匀晶相变L →δw c ：<0.09%合金的成分同素异构转变δ→γ2 同素异构转变合金的成分w c：<0.0218%同素异构转变γ →αFe-Fe3C相图局部放大图相图中的典型(非恒温)转变3 析出转变从一个固相中析出另一个固相的转变随温度降低，碳在铁中的溶解度也会降低碳含量>溶解度? 析出渗碳体γ→Fe 3C : 由γ析出Fe 3C 相合金的成分线和ES 线相交此种渗碳体称为二次渗碳体Fe 3C II3 析出转变–例1α→Fe 3C : 由α析出Fe 3C 相合金的成分线和PQ 线相交此种渗碳体称为三次渗碳体Fe 3C II3 析出转变–例2Fe-Fe 3C 相图局部放大图析出温度:二次渗碳体>三次渗碳体二次渗碳体: 网络状形式析出在晶界表面，损害材料的强度、塑性和韧性三次渗碳体: 以形式出现，对材料性能影响不大细小的片状相图中的恒温转变恒温转变：指在恒定温度下进行的相转变过程包晶转变共晶转变共析转变恒温转变之一包晶转变包晶转变：由一定成分的液相和一定成分的固相生成另一个一定成分新固相地反应Fe-Fe3C相图局部放大图冷却时依次发生液相线AB以下时匀晶相变L→δw c：0.17%J点合金的成分B液相线AB→HBδ相的成分→沿固相线AH变化液相成分→沿液相线AB变化恒温转变之一包晶转变包晶转变：由一定成分的液相和一定成分的固相生成另一个一定成分新固相地反应Fe-Fe 3C 相图局部放大图BH 点包晶转变温度1495℃δ0.09+L 0.531495∘Cγ0.17B 点J 点J 点（0.17，1495）称为包晶点发生包晶转变时，δ相和液相对比例δ相/液相= JB/HJ发生包晶转变的成分范围0.09<w C%<0.17δ相和液相的相对量大于JB/HJ→液相消耗完，→剩余的δ相→γ＋δ0.17<w C%<0.53δ相和液相的相对量小于JB/HJ→δ相消耗完，→剩余的液相→γ＋L合金成分位于HJB以内（0.09~0.53）在包晶转变温度下都会发生包晶转变恒温转变之二共晶转变共晶转变：由一定成分的液相在恒定温度下同时转变成两个一定成分的固相的转变L4.31148∘C(γ2.11+Fe3C)C点E点F点ECF线称为共晶转变线C点称为共晶点(4.3, 1148)共晶产物是两相混合物，称为共晶体E 点成份共晶产物:A与渗碳体的机械混合物，称莱氏体Ledeburite(Ld)发生共晶转变的成分范围（2.11 <w C%<4.3）由液相冷却时，首先结晶出γ相，由液相直接结晶出的γ，称为初生相或者一次相共晶温度（1148℃）时，初生γ 的成分达到E点，剩余液相成分达到C点剩余液相→发生共晶转变→Ld相所有产物→初生γ 相+Ld相发生共晶转变的成分范围（4.3<w C%<6.69）由液相冷却时，首先结晶出一次渗碳体共晶温度（1148℃）时，剩余液相成分达到C点→发生共晶转变→Ld相所有产物→一次渗碳体+Ld相恒温转变之三共析转变共析转变：指在恒温下由一个固定成分的固相同时生成两个固定成分的新固相的转变γ0.77727∘C(α0.0218+Fe3C)S点P点K点共析产物为铁素体与渗碳体的机械混合物，称珠光体Pearlite用P表示第三章钢的热处理发生共析转变的成分范围（0.0218 < w C%<6.69）室温平衡组织中都有珠光体。
第三章 钢的氮化钢的氮化是仅次于渗碳的重要的化学热处理之一。
本章首先介绍涉及钢的氮化的有关基本知识，然后讨论氮化热力学和动力学问题，为制定合金钢的强化氮化工艺打好基础。
此外，本章还对诸如辉光粒子氮化合氮化钢件的质量检验等作了介绍。
§3-1. 氮化基本知识本节介绍了Fe-N 二元系相图，进而讨论了纯铁和碳钢的氮化层组织与性能，说明了纯铁和碳钢不能进行强化氮化的原因后，研究了合金钢的氮化层的强化机理。
一. Fe-N 状态图。
铁氮状态图示研究氮化层组织、相结构及氮浓度沿渗氮层分布的重要依据。
图3-1为铁氮系状态图。
从该图上可知：铁与氮可以形成五种相。
分别介绍如下：1. a 相。
为氮在a -Fe 中的间隙固溶体，具有体心立方晶格。
在590˚C 时氮在其中的最大固溶度约为0.1%，室温下仅含氮0.0004%。
其晶格常数受含氮量的影响在2.8664-2.877Ǻ范围内。
含氮的亦称含氮铁素体，它具有逆磁性。
1. γ相。
是具有面心立方晶格的间隙式含氮固溶体，也称含氮奥氏体。
氮原子无序地分布于八面体间隙内。
γ相在共析温度以上存在，共析点含氮量为2.35%。
在650˚C 时氮的最大固溶度为2.8%。
在温度为590˚C 时，γ相发生共析转变：5902.35%0.11% 5.6%'oC γγ−−−→∂+←−−− 当过冷度大时，γ相会发生马氏体转变，得到含氮马氏体，称为a'相。
a'相回火后得到亚稳定的a''相（相当于氮化物Fe 16N 2)，随后才转变成稳定结构的氮化物Fe 4N （即γ'相）。
3. γ'相。
它是一种以氮化物Fe 4N 为基的固溶体。
在590˚C 时含氮量为5.3-5.75%。
γ'相仅存在于5650±˚C 以下，高于此温度后即发生分解而成为ε相。
4.ε相。
它是以氮化物Fe 2-3N 为基的固溶体，存在于含氮4.55-11.0%的很宽的成分范围。
第三章金属材料及热处理金属材料是现代机械工业使用最广泛的材料，品类繁多，性能各不相同，合理选用金属材料和正确运用热处理方法，可以充分发挥金属材料的机械性能，提高产品的质量。
金属可以分为黑色金属和有色金属，黑色金属主要是指钢和铸铁，以铁和碳为基本组成元素形成铁碳合金，即碳素钢。
在铁碳合金中加入一定量的合金元素，如铬、锰、镍、钴等成为合金钢。
有色金属是指非铁金属及其合金，如铝、铜、铅、锌等金属及其合金。
一、碳素钢的分类、编号和用途碳素钢简称碳钢，是含碳量小于 2．11％的铁碳合金，具有较好的机械性能、良好的锻压性能、焊接性能和切削加]：性能，价格比合金钢低，在机械工业中得到广泛使用。
(一)碳素钢的分类1．按钢的含碳量分类低碳钢——含碳量≤0．25％；中碳钢——含碳量：0．30％-0．55％；高碳钢——含碳量≥0．60％。
2．按钢的质量分类普通碳素钢：硫、磷含量分别≤O．055％和 O．045％优质碳素钢：硫、磷含量均≤0．040％；高级优质碳素钢：S、P含量 0．030％-0．035％。
3．按钢的用途分类碳素结构钢：主要用于制造各种工程构件和机器件，这类钢一般属于低碳钢和中碳钢。
碳素工具钢：主要用于制造各种刀具、量具、模具，这类钢含碳量较高，一般属于高碳钢。
(二)碳素钢牌号和用途1．普通碳素结构钢甲类钢：这类钢出厂时按保证机械性能供应，除硫、磷外不保征化学成分。
甲类钢的牌号以“甲”或“A”字加上阿拉伯序数表示，共 1-7级，即甲 l、甲 2、…、甲 7(或 A1、A2、…、A7)，数字越大，强度越高，塑性越差，主要用来制造钢板、角钢、圆钢和工字钢等。
乙类钢：这类钢出厂时按化学成分供应，不保证机械性能。
乙类钢的牌号用“乙”或“旷加上阿拉伯数字表示，也分为 1-7级，即乙 1、乙 1、…、乙 7(或 Dl、u2、…、B7)，数字越大，含碳量越高，主要用于制造不重要的零件，一般须经热处理。
2．优质碳素结构钢优质碳素结构钢既要保证钢的化学成分，还要保证机械性能其机械性能，用于制造比较重要的零什。
第三章钢的热处理一、填空（将正确答案填在横线上）1．合金是一种___________与___________或___________通过熔炼或其他方法结合而成的具有___________的物质。
2．钢铁材料就是以___________和___________为主要元素组成的合金，通称为铁碳合金。
3．铁碳合金的基本组织有五种，它们分别是___________、___________、___________、___________和___________。
4．铁碳合金的基本相是___________、___________和___________。
5．奥氏体强度、硬度虽不高，但具有良好的___________，尤其具有良好的___________性能。
6．渗碳体的性能特点是___________高、___________高，___________几乎为零，___________极大。
7．铁碳合金相图是表示在缓慢冷却或加热条件下，不同___________的铁碳合金的___________或___________随___________变化的图形。
8．分别填写下列铁碳合金组织的符号：奥氏体___________，铁素体___________，渗碳体___________，珠光体___________，高温莱氏体___________，低温莱氏体___________。
9．含碳量___________的铁碳合金称为钢。
根据室温组织不同，钢又分为三类：___________钢，其室温组织为___________和___________；___________钢，其室温组织为___________；___________钢，其室温组织为___________和___________。
10．共析钢冷却到S点时，会发生共析转变，从奥氏体中同时析出___________和___________的混合物，称为___________。
11．莱氏体是___________和___________的混合物。
当温度低于727℃时，莱氏体中的___________转变为___________，所以室温下的莱氏体是由___________和___________组成，又称为___________。
12．含碳量大于___________的铁碳合金称为白口铸铁。
根据室温组织不同，分为___________白口铸铁、___________白口铸铁和___________白口铸铁。
13．钢的热处理是将固态的金属或合金采用适当的方式进行___________、___________和___________，以获得所需要的___________与___________的工艺方法。
14．钢在实际加热的条件下，其转变温度要___________平衡状态下的临界点，冷却时要___________平衡状态下的临界点。
15．常用的退火方法有___________、___________和___________。
16．球化退火是将钢加热到___________以上20～30℃，保温一定时间，以___________的速度随炉冷却，以得到___________组织的工艺方法。
17．去应力退火主要用于消除锻造、铸造等加工中产生的___________，防止零件在使用过程中___________。
18．从切削加工考虑，低碳钢选用___________较为合适，高碳钢则选用___________。
19．工厂里常用的淬火有___________、___________、___________和___________等。
20．亚共析钢的淬火加热温度为___________以上30～50℃，加热后得到___________组织，快速冷却后得到___________组织；过共析钢的淬火加热温度为___________以上30~50℃，加热后得到___________组织，快速冷却后得到___________组织。
21．常用的淬火冷却介质有___________、___________、___________和___________等。
22．常见的淬火缺陷有___________、___________、___________和___________等。
23．淬透性是指淬火冷却时获得___________的能力，主要取决于钢的___________；淬硬性指的是淬火后能达到的___________，主要取决于钢的___________。
24．淬火时理想的冷却方式是工件在___________快速冷却，在___________缓慢冷却。
25．淬火钢回火时，___________决定钢的组织和性能。
回火方法通常分为___________、___________和___________三类，回火后得到的组织分别是___________、___________和___________。
26．淬火钢回火时，随着回火加热温度的升高，钢的___________、___________降低，而___________、___________提高。
27．生产中把___________后再进行___________的热处理工艺称为调质处理。
28．要求表面具有高的___________而心部需要足够的___________的零件应进行表面热处理。
29．表面淬火是一种仅对___________进行淬火的热处理工艺，一般适用于___________钢和___________钢的淬火，常用的方法有___________表面淬火和___________表面淬火两种。
30．感应加热表面淬火法，按电流频率不同可分为___________、___________和___________三种。
二、判断（正确打√，错误打×）( )1．铁素体的强度、硬度高，塑性、韧性低。
( )2．碳在奥氏体中的溶解度随温度的升高而减小。
( )3．莱氏体的性能接近于渗碳体，硬度很高，塑性、韧性极差。
( )4．亚共晶白口铸铁的室温组织是低温莱氏体加一次渗碳体。
( )5．含碳量为0.15%和0.35%的钢属于亚共析钢，在室温下的组织均由珠光体和铁素体组成，所以它们的力学性能相同。
( )6．珠光体具有较好的综合力学性能。
( )7．从奥氏体中析出的渗碳体称为一次渗碳体。
( )8．珠光体的平均含碳量为0.77%。
( )9．实际冷却时的临界点总是高于相图上的临界点。
( )10．钢在实际加热条件下的临界点分别用A cl、A c3、A ccm表示。
( )11．完全退火主要用于过共析钢和合金钢的锻件、铸件等。
( )12．完全退火不适用于高碳钢。
( )13．球化退火适用于共析钢及过共析钢。
( )14．在去应力退火过程中，钢的组织不发生变化。
( )15．正火的冷却速度比退火快，故两者的目的完全不同。
( )16．从使用性能考虑，零件性能要求不高时采用正火作为最终热处理。
( )17．为了降低成本，预备热处理通常选用正火。
( )18．由于正火较退火冷却速度快，获得的组织较细，因此同一种钢，正火要比退火的强度和硬度高。
( )19．油一般作为形状复杂的中小型合金钢零件的淬火介质。
( )20．分级淬火只适用于截面不大、形状复杂的碳钢工件。
( )21．同类钢在相同加热条件下，水淬比油淬的淬透性好。
( )22．钢经淬火后处于硬、脆状态。
( )23．钢中合金元素越多，则淬火后钢的硬度就越高。
( )24．淬透性好的钢，淬火后硬度一定很高。
( )25．淬火后的钢，回火温度越高，回火后的强度和硬度也越高。
( )26．重要的、受力复杂的结构零件一般均采用调质处理。
( )27．火焰加热表面淬火主要适用于单件或小批量生产的大型零件。
( )28．感应加热表面淬火，淬硬层深度取决于电流频率；频率越低，淬硬层越浅；频率越高，淬硬层越深。
三、选择（把正确答案填入括号内）1．金属发生结构改变的温度称为( )。
A．凝固点B．临界点C．熔化点2．渗碳体的含碳量为( )%。
A．0.77 B．2.11 C．6.693．莱氏体的含碳量为( )%。
A．2.11 B．4.3 C．6.694．共析钢的含碳量为( )%。
A．0.77 B．2.11 C．6.695．共晶白口铸铁的含碳量为( )%。
A．2.11 B．4.3 C．6.696．铁碳合金共析转变的温度是( )℃。
A．727 B．1148 C．12277．铁碳合金共晶转变的温度是( )℃。
A．727 B．1148 C．12278．含碳量为1.5%的铁碳合金，在室温下的组织为( )。
A．珠光体B．珠光体加铁素体C．珠光体加二次渗碳体9．铁碳合金相图上的ES线，其代号用( )表示，PSK线用代号( )表示，GS线用代号( )表示。
A．A1 B．A3 C．Acm10．铁碳合金相图上的共晶线是( )。
A．ECF B．ACD C．PSK11．将含碳量为1.2%的铁碳合金加热到600℃时，其组织为( )，加热到800℃时其组织为( )，加热到1100℃时其组织为( )。
A．奥氏体B．珠光体加渗碳体C．奥氏体加渗碳体12．过共析钢冷却到ES线时要从奥氏体中析出( )。
A．铁素体B．渗碳体C．珠光体13．确定碳钢淬火加热温度的主要依据是( )。
A．C曲线B．Fe- Fe3C相图C．钢的Ms线14．下列冷却介质按冷却能力由大到小的次序排列为：( )>( )>( )。
A．20℃自来水B．20℃的10%食盐水溶液C．矿物油15．一般来说，碳素钢淬火应选择( )作冷却介质，合金钢应选择( )作冷却介质。
A．矿物油B．20℃自来水C．20℃的10%食盐水溶液16．钢在加热时，判断过烧现象的依据是( )。
A．表面氧化B．出现局部熔化现象C．晶粒粗大17．钢在理想的淬火条件下进行淬火所能达到的最高硬度称为( )。
A．淬硬性B．淬透性C．耐磨性18．调质处理后的组织是( )。
A．回火马氏体B．回火索氏体C．回火托氏体19．为改善20钢的切削加工性能，通常采用( )；为改善Tl0钢的切削加工性能，通常采用( )处理。
A．完全退火B．球化退火C．正火20．用65Mn钢做弹簧，淬火后应进行( )；为改善Tl0钢做锯片，淬火后应进行( )。
A．高温回火B．中温回火C．低温回火21．用45钢制造的齿轮，要求齿轮表面硬度高而心部具有良好的韧性，应采用( )热处理。
A．淬火+低温回火B．淬火+高温回火C．表面淬火+低温回火22．弹性类零件淬火后应采用( )热处理。
A．低温回火B．中温回火C．高温回火23．现有45钢制造的汽车轮毂螺栓，其淬火加热温度应选择( )。
A．750℃B．840℃C．10000C四、解答题1．绘出简化后的Fe-Fe3C相图。
