1.金属材料导论
1.5 铁碳合金
1.1 金属材料的主要性能
1.2 金属及合金的晶体结构
1.3 合金的结构
1.4 二元合金状态图
零件的生产工艺过程
选材 选毛坯 预先热处理 机械加工
最终热处理检验
应根据零件的性能要求、受载情况、服役条 件、
工作环境等：
其中选材,金属材料种类繁多，性能不一，而且材料的发展日
新月异，而零件的性能要求、服役条件各不相同，再加上材料的
资源、价格等多方面考虑。
毛坯选择
机械加工方法
轴
车削
传统的有
现代的有
有液态成形毛坯
塑性成形毛坯
连接成形毛坯
粉末冶金成形
型材等毛坯
车削、刨 削、铣削
拉削、镗削、磨削等
数控加工、电火花
加工、激光加工等
特种加工方法
一个具体零件的加工往往可用多种不同的加工方
法，而每种加工方法所能达到的加工精度、加工质量
、加工范围、加工效率是不同的。
预先热处理, 为使切削加工能顺利进行，
可通过预先热处理调整硬度，为切削加工做好
组织准备。
最终热处理,使材料的性能达到要求。
第 1章 金属材料导论
材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。
复合材料
工程材料
金属材料
陶瓷材料
高分子材料
1.1 金属材料的主要性能
本节重点,金属材料的力学性能
主要内容,金属材料的力学性能,包括材料的强
度,硬度、塑性、冲击韧性、疲劳
强度等。
本节难点,各性能指标的物理意义和测定方法
1.1.1 金属材料的力学性能
在低碳钢拉伸曲线中，把 F-Δl
坐标换成 ζ-ε（应力 — 应变）就可
以直接在图上读出力学性能指标，
并且不需要做成标准试样。
强度 材料在外力作用，抵抗塑性变形和断裂的
能力。工程上常用的金属材料的强度指标
有 屈服强度 (ζs)和 抗拉强度 (ζb)等；
塑性 材料在外力作用下产生永久变形而不破
坏的性能。表示材料的塑性指标是,伸
长率 δ和 断面收缩率 Ψ；对于塑性差的
材料，用 ζ0.2来代替 ζs；
1）使材料具有良好的成形性；
2）受到外力变形时，有强化作用。
硬度 材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。最
常用的硬度指标有,布氏硬度（ HB)和
洛氏硬度 (HRA-C)。布氏硬度和洛氏硬
度试验原理和使用范围均不相同；
零件发生疲劳破坏是没有预兆而 突然断裂,此
时发生疲劳破坏的应力远远小于抗拉强度，甚至比
屈服强度还小，非常危险。
小结：金属材料的力学性能是在外力作用下表
现出的力学性能，在实际生产中应用相当广泛。
1.1.2 金属材料的物理、化学性能（略）
冲击韧度 金属材料抵抗冲击载荷的作用而不破坏的
能力。常用的指标有 冲击韧度 (Ak)。
疲劳强度 金属材料抵抗交变载荷的作用而不 破坏
的能力。常用的指标有 疲劳强度 (ζ-1) 。
思 考 题
1 将钟表发条拉成一直线，问这是弹
性变形还是塑性变形？怎样判断它的
变形性质？
2 疲劳破坏有什么危害？在什么情
况下发生疲劳破坏，产生原因是什
么？如何提高零件的疲劳强度？
1.2 金属及合金的晶体结构
2,金属的结晶：原子由无序状态向
有序状态转变的过程。有晶体形成。
本节重点,金属结晶的概念、结晶过程
本节难点,合金的结构
1,三种常见的金属的晶格
类型：
体心立方
面心立方
密排六方
基本概念
凝固,一般非晶体由液态向固态转变的过程 。
结晶,由液态金属转变为固态晶体的过程。
晶体,原子排列时有序的，原子在三维空间做规则
的、周期性的、重复排列。有一定的熔点和
凝固点，性能趋向各向异性。
非晶体, 原子排列杂乱无章呈无序状态，没 有一
定的熔点和凝固点，性能趋向 各向同性。
晶体中的原子排列
金 属 的 结 晶
纯金属的冷却曲线（理想状态）
oC
T o
L
a b
S
0
a,结晶开始点
b：结晶终了点
?
金 属 的 结 晶
纯金属的冷却曲线（实际）
oC
L
T0
T1
S
0 ?
T0：理论结晶温度
T1：实际结晶温度
Δ T=T0--T1（过冷度）
金 属 的 结 晶
合金的冷却曲线
oC
a
b
L
s
L+s
0 ?
a：结晶开始点
b,结晶终了点
合金的结晶是在一个
温度范围内完成。
金 属 的 结 晶
结晶的必要条件 ----过冷度
金属的结晶过程：
原子团 形核 晶核长大
小晶粒 晶粒（外形不规则的
小晶体）
形核,自身晶核、外来晶核
晶核长大方式,树枝状方 式
晶界 — 晶粒间的分界面；
单晶体 — 结晶方位完全一致的的晶体
多晶体 — 由多晶粒组成的晶体结构
?细化晶粒的方法
?增加冷却速度，增大过冷度；
?增加外来晶核 ;
?采用机械、超声波振动、电磁搅拌等；
?晶粒粗细对材料力学性能的影响
晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也越好。
金属的同素异构转变
1538co 1394oc 912oc 室温
δ-Fe γ -Fe α- Fe
体心立方 面心立方 体心立方
金属的同素异构转变的慨念
金属在固态下，随着温度的改变其
晶体结构发生变化的现象。
金属的同素异构转变的意义
可以用热处理的方法即可通过加
热、保温、冷却来改变材料的组织，
从而达到改善材料性 能的目的。
1.3 合 金 的 结 构
?概念
?合金、组元、相；
?固溶体：置换固溶体、间隙固溶体；
?金属化合物；
?固溶强化的概念。
本节要点,研究金属材料的加工工艺，必须了解金
属及合金的晶体结构和结晶。
1.3.1 合金的结构 —— 概念
合金,由 两种或两种以上 的元素通过 熔炼 后
所获得的新的物质仍然具有 金属特性 。
组元,组成合金的基本元素。
相,凡是成分相同、结构相同并与其他部
分有界面分开的均匀组成部分。
例如：单一的液
单一的固相；
液相、固相两相共存；
问题,水、油混装在一个瓶子里，是几个相？
将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？
1.3.2 合金的结构 —— 固溶体
固溶体,由两种组元相互溶解后所组成的新的物
质仍然保持其中某一组元的晶体结构。
置换固溶体,A组元的原子取代了 B组元的原子。
当 A,B两个组元的原子直径相差不大时，两个
组元可以以任何比例溶解，形成无限固溶体，反之则
为有限固溶体。
间隙固溶体,A组元溶入 B组元的的间隙中。只能
形成有限固溶体。
例如,C溶入 α-Fe或 γ-Fe 所形成的铁素体、奥氏体
。
置换固溶体和间隙固溶体的区别
1.3.4 合金的结构 —— 固溶强化
A,B两组元相互溶解后所形成的新的物质
既不是 A组元的结构，也不是 B组元的结构，而
是自身的一种独立的结构。
例如,Fe和 C所形成的化合物 Fe3C，就是一
种典型的金属化合物。
1.3.3 合金的结构 —— 金属化合物
随着溶质原子的增加，所形成的固溶 体 的
强度、硬度升高的现象。
例如：纯铁与钢的用途
1.4 二元合金状态图
把各合金的结晶开始温度点连接起来，即为液相线；把结晶终了
温度点连接起来，即为固相线。这样就构成了 Pb-Sb二元合金相图。
思 考 题
1 在纯金属的冷却曲线上为什
么会出现一水平台阶？
2 为什么晶粒越细小其力学性
能越好？
3 如果结晶时晶核不多而生
长速度快，则结晶后的晶粒是
粗还是细？
1.5 铁碳合金
本节重点,铁碳合金状态图在铸造、
压力加工、焊接中的应用；
本节难点,铁碳合金状态图的理解；
铁碳合金由于其资源广泛、冶炼方便、价
格低廉、性 能优越，在工业生产中广泛使用。
1.5.1 铁碳合金的基本组织
?铁素体,碳溶解在 α— Fe中 的间隙固溶 ( F）。塑性
（ δ=45-50%）、韧性好，强度、硬度低。
?奥氏体,碳溶解在 γ — Fe中 的间隙固溶体（ A）。塑
性好。
?渗碳体,铁与碳形成的金属化合物（ Fe3C）。硬度很
高（ HBW=800），塑性、韧性几乎为零。
?珠光体,是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体
与渗碳体的共析体（ P）。
?莱氏体,是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏
体与渗碳体的共晶体（ Ld）。硬度高，塑性
差。
两种反应：
1148 ℃
1、共晶反应
一定成分的 液相 在一定的温度下同时 结晶 出两种成
分和结构均 不相同 的固相的反应。
L 4.3%c A2.11%c+Fe3C6.69%c
共晶反应的产物即莱氏体
Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c)
2,共析反应
一定成分的 固相 在一定的温度下同时 析出 两种成分和
结构均 不相同 的 新的 固相 的反应。
A2.11%c
727 ℃
F0.02%c+Fe3C6.69%c
共析反应的产物即珠光体 P＝ F0.02%c+Fe3C6.69%c
1.5.2 铁碳合金状态图分析
渗碳体的熔点
共晶点
共析线
共析点
纯铁的熔点
共晶线
ACD线 — 液相线
AECF线 — 固相线碳在奥氏体中的最大溶解度
A3线 Acm
铁碳合金相图中主要特性点的含义
特性点的
符号
温度 t/ ℃ 含碳量
wc%
含义
A
C
D
E
G
P
S
Q
1538
1148
1227
1148
912
727
727
室温
0
4.3
6.69
2.11
0
0.02
0.77
0.0008
纯铁的熔点
共晶点
渗碳体的熔点
碳在奥氏体中的最大溶解度
α -Te γ -Te同素异晶转变点
碳在铁素体中的最大溶解度
共析点
碳在铁素体中的溶解度
相图中主要线的含义
? ACD线 — 液相线 是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。
? AECF线 — 固相线 各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终
止线。
? ECF水平线 — 共晶线 含碳量为 4.3%的液态合金冷却到此线时，在
1148 ℃ 由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反
应称为共晶反应。
? PSK水平线 — 共析线 （ A1线） 含碳量为 0.77%的奥氏体冷却到此
线时，在 727 ℃ 同时 析出 铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称
为共析反应。
? GS线 — （ A3线） 是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。
? ES线 — 称 Acm线 是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时
由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。
典型合金结晶过程分析
铁碳
合金
含碳量为 2.11%— 6.69%的铁碳合金。
共晶生铁,含碳量为 4.3%;
亚共晶生铁,含碳量在 2.11%— 4.3%之间；
过共晶生铁,含碳量在 4.3%— 6.69%之间；
含碳量小于 0.02%的铁碳合金。工业纯铁
钢
生铁
含碳量为 0.02%— 2.11%的铁碳合金。根
据金相 组织的不同，可分为三种。
共析钢,含碳量为 0.77%;
亚共析钢,含碳量在 0.02%— 0.77%之间；
过共析钢,含碳量在 0.77%— 2.11%之间；
1.5.3 铁碳合金状态图分析
L
L+A
A
A+Fe3CⅡ
F+A
A+Fe3CⅡ +Ld
P+Fe3CⅡ+L'dP+Fe3CⅡPP+F
Ld
L'd
L+Fe3C
Ld+Fe3C
L'd+Fe3C
L'd＝ P+Fe3CⅡ +Fe3C
转变
A— 奥氏体 P— 珠光体
F— 铁素体
共析钢和亚共析钢的结晶过程分析
过共析钢结晶过程分析
共晶生铁结晶过程分析
L’d— 变态莱氏体
亚共晶、过共晶生铁结晶过程分析
钢
碳素钢
碳素结构钢（ 0.38%C)
优质碳素结构钢 (0.2-0.7%C用途广 )
碳素工具钢 (T8等 )
合金钢
合金结构钢
合金工具钢
特殊性能钢
不锈钢
耐热钢
耐磨钢
其它
量具钢
模具钢
刃具钢
轴承钢
弹簧钢
调质钢
渗碳钢
低合金结构钢（ <1.5%C)
16Mn,20Cr
9Cr2,CrWMn
2Cr13,1Cr18Ni9
1.6 工业用钢分类及选材
热处理
普通热处理
表面热处理
退火
正火
淬火
回火
表面淬火
化学热处理
渗碳
渗氮
碳氮共渗
加热
保温
冷却
临界温度
热处理工艺曲线 T
℃
其它热处理
形变
真空
激光
1,7 钢的热处理
1.7.1 退火和正火
退火：
将钢加热、保温，然后随炉冷
却或埋入灰中缓慢冷却。
目的：
?降低硬度，便于机加工。
?细化晶粒，提高塑性和韧性。
?消除应力。
应用,铸件、锻件、焊接及其它
毛坯的热处理。
1、完全退火,将亚共析钢加热到 Ac3线以上 30— 50℃,保温后缓慢冷却,
2、球化退火, 将过共析钢加热到 Ac1线以上 20— 30℃,保温后缓慢冷却,
3、低温退火, 将钢加热到 Ac1线以下，保温后缓慢冷却,
再结晶退火,消除冲压件冷变形所产生的加工硬化（再结晶温度以上 150—
250℃ ），降低硬度，恢复塑性。
应用,（ 1）取代部分完全退火；
（ 2）用于普通结构件的最终热处理；
（ 3）用于过 共析钢，减少或消除网状二次渗碳体，为球化
处理作准备。
正火 将钢加热到 Ac3 线以上 30— 50 ℃ （亚共析钢）或 Accm以上
30—— 50 ℃ （过共析钢），保温后在空气中冷却。得到的是细珠光
体组织（索氏体）。
1.7.2 淬火和回火
将钢加热到 Ac3或 Ac1 线以上 30— 50 ℃,保温后
在淬火介质中快速冷却（ γ— Fe向 a— Fe同素异晶转变
），以获得马 氏体（ M)组织（碳在 a— Fe中的严重过
饱和固溶体）。
马 氏体形成过程中将伴随着体积膨胀，造成淬火
内应力，应采取以下措施：
（ 1）严格控制淬火加热温度
温度低，硬度低；温度高，晶粒粗大，应力大，易
产生裂纹。
（ 2）合理选择淬火介质 淬透性好，选油淬。
（ 3）正确选择淬火方法 采用水油双介质淬火法。
回火 将钢重新加热到 Ac1 线以上某温度，保
温后冷却的热处理工艺。
目的：主要是消除淬火内应力，降低钢的脆性，防
止产生裂纹。
回火三种形式：
（ 1）低温回火（ 150— 250℃ ），目的是 降低淬火
钢的内应力和脆性，并保持高硬度（ 56— 64HRC)和耐
磨性。如模具、刃具等。
（ 2）中温回火（ 350— 500℃ ），目的是使钢获得
高弹性,并保持较高硬度（ 35— 50HRC)和一定的韧性
。如弹簧、锻模等。
（ 3）高温回火 — 调质处理（ 500— 650℃ ），硬度
20— 35HRC，强度及韧性等综合性能较好。如连杆、
曲轴、齿轮等。
