机械制造基础材料解读.ppt
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第第 页页第第 页页 第第 页页第第 页页第一章第一章 工程材料工程材料 材料是现代文明的三大支柱（材料、能源和信息）之一,是发展国民经济特别是机械工业的重要物质基础;是生产活动的基本投入材料的利用标志着人类生活的进展，历史上有“石器时代 ”、“青铜器时代”和“铁器时代” 当前，材料总数有50万余种之多，而且新材料每年以5%左右的速度递增 材料的质量、品种和数量已成为衡量一个国家科技、经济水平和国防力量的重要标志之一11.1 1.1 概概 述述 第第 页页第第 页页以汽车工业为例：一辆轿车，需用800多种材料，动画1是轿动画1 轿车车身部分的材料2车车身部分所采用的材料 第第 页页第第 页页 工程材料按其化学组成可分为：金属材料、有机高分子材料和无机非金属材料 工程材料按其使用性能可分为：结构材料和功能材料两种 (1)结构材料主要强调强度、硬度、塑性、韧性等力学性能，用来制造机器零件和工程构件的材料。
(2)功能材料是指具有特殊的电、磁、光、热、声、力、化学性能和理化效应新材料用于对信息和能量的感受、计测、传导、显示、发射转换和变换的目的，是现代技术发展的物质基础工程材料的划分3 第第 页页第第 页页 人类早在6000年以前就掌握了金属冶炼公元前4000年，古埃及人便掌握了炼铜技术我国青铜冶炼始于公元前2000年（夏代早期）古埃及在5000年以前，就用含镍7.5%的陨石铁做成铁球我国春秋战国时期，已经大量使用铁器 铸铁的发展经历了5000年的漫长岁月，只是到了蒸汽机的发明以后，由于在铁轨、铸铁管制造中的大量应用，才走上工业生产的道路15世纪到18世纪，从高炉炼钢到电弧炉炼钢，奠定了近代钢铁工业的基础1.1.1 1.1.1 金属材料的发展金属材料的发展4 第第 页页第第 页页 19世纪后半叶，欧洲社会生产力和科学技术的进步，推动了钢铁工业的大步发展，扩大了钢铁生产规模，提高了产品质量 从1949年到2004年，全世界的钢产量由1.58亿吨增加到10.56亿吨而我国2004年钢产量达到2.725亿吨，居全球钢产量首位。
在钢铁材料发展的同时，有色金属也得到发展人类自1866年发明电解铝生产工艺以来，铝已成为用量仅次于钢铁的金属1910年纯钛的制取，满足了航空工业发展的需求钢铁材料的发展5 第第 页页第第 页页1.1.2 1.1.2 非金属材料及复合材料的发展非金属材料及复合材料的发展 非金属材料如陶瓷、橡胶等的发展历史也十分悠久进入到20世纪后，更是取得了重大的进展人工合成高分子材料从20世纪20年代至今,发展最快、产量之大、应用之广可与钢铁材料相比20世纪60年代到70年代，有机合成材料生产量每年以14%的速度增长，而金属材料年生产增长率仅4%1986年世界高分子材料年产量为9840万吨，其中5850万吨为塑料，合成橡胶为540万吨，合成纤维1140万吨20世纪90年代，塑料产量已逾亿吨2002年我国塑料产量达到2200万吨，出口；量达到1228万吨6 第第 页页第第 页页陶瓷材料近几十年的发展也十分引人注目 陶瓷材料在冶金、建筑、化工和尖端技术领域已成为耐高温、耐腐蚀的结构材料和多种功能材料的主要用材 随着航空、航天、电子、通信、机械、化工、能源等工业的发展，对材料的性能提出了越来越高的要求。
传统的单一材料已不能满足使用要求，复合材料的研究和应用引起了人们的重视玻璃纤维树脂复合材料、碳纤维树脂复合材料等已在航空航天工业和交通运输、石油化工等工业中广泛应用7 第第 页页第第 页页 随着社会的发展和科学技术的进步，新材料的研究、制备和加工应用层出不穷每一种重要的新材料的发现和应用，都把人类改造自然的能力提高到一个新的水平1.1.3 1.1.3 新材料的发展趋势新材料的发展趋势动画2 材料比强度的进展 工程材料目前正朝高比强度（单位密度的强度）、高比模量（单位密度的模量）、耐高温、耐腐蚀的方向发展动画2为材料比强度（强度与密度之比）随时间的进展，由图可知当代先进材料强度比早期材料增长50倍8 第第 页页第第 页页新材料主要在以下几方面获得发展：9 (1)先进复合材料由基体材料（高分子材料、金属或陶瓷）和增强材料（纤维、晶须、颗粒）复合而成的具有优异性能的新型材料 (2)光电子信息材料包括量子材料、生物光电子材料、非线性光电子材料等 (3)低维材料指超微粒子（零维）、纤维（一维）和薄膜（二维）材料，这是近年来发展最快的材料领域。
(4)新型金属材料如镍基高温合金、非晶态合金、微晶合金、Al-Li合金金属间化合物等 (5)纳米材料又称超微细材料，指至少在一维方向上受纳米尺度（0.1～100nm）调制的各种固体超细材料 第第 页页第第 页页1.2 1.2 金属材料简介金属材料简介1.2.11.2.1金属材料的种类金属材料的种类 传统金属材料是能源、通信、交通运输、建筑、家用电器等行业中最基本的构成物质 金属材料是工程材料中广泛应用的大类金属材料可分为黑色金属和有色金属两类除了黑色金属以外的其他金属材料统称为有色金属，如铜、铝及其合金、轴承合金、硬质合金等 常用的黑色金属材料分为碳钢和铸铁两大类10 第第 页页第第 页页1.碳 钢 碳钢按质量分可分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢、特级优质钢等 按化学成分分可分为： (1)低碳钢（wC≤0.25%） (2)中碳钢（wC＝0.25%～0.6%） (3)高碳钢（wC＞0.6%） (4)合金钢（低合金钢、中合金钢、高合金钢）等 按用途分可分为结构钢（工程结构钢、机器零件用钢等）、工具钢（制造刃具、模具、量具等）、特殊性能钢（如不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等）。
11 第第 页页第第 页页2.铸 铁 铸铁可分为一般工程应用铸铁和特殊性能铸铁 在一般工程应用铸铁中，碳主要以石墨存在按照石墨形貌的不同，这类铸铁又可分为灰口铸铁（碳以粗片状石墨形式出现）、可锻铸铁（碳以团絮状石墨形式出现）、球墨铸铁（碳以球状石墨形式出现）和蠕墨铸铁（碳以蠕虫状石墨形式出现） 特殊性能铸铁既有含石墨的和不含石墨的（白口铸铁铁碳合金中的碳以Fe3C形式出现）这类铸铁的合金元素含量较高（wMe>3%），可应用于高温、有腐蚀或磨料磨损的工况条件如耐磨铸铁代号KmTB、冷硬铸铁代号LT、耐热铸铁代号RT、耐蚀铸铁代号ST等12 第第 页页第第 页页 表1 常用的黑色金属材料 13名名称称分类分类/标准号标准号编编 号号 方方 法法用用 途途举举 例例说说 明明碳碳钢钢碳素结构钢GB/T700-1988Q235-A F屈服点为235MPa、质量为A级的沸腾钢 一般以型材供应的工程结构件，制造不太重要的机械零件及焊接件优质碳素结构钢GB/T699-1999 45表示平均wC=0.45%的优质碳素结构钢 用于制造曲轴、传动轴、齿轮、连杆等重要零件碳素工具钢GB/T1298-1986T8T8A表示平均wC=0.8%的碳素工具钢，A表示高级优质 制造需较高硬度、耐磨性、又能承受一定冲击的工具，如手锤、冲头等一般工程铸造碳钢GB/T5613-1995ZG200-400表示屈服强度为200MPa、抗拉强度为400MPa的碳素铸钢 适用于铸造成形的钢质零件，（ZG200-400为低碳铸钢，ZG310-570为中碳铸钢，ZG340-640为高碳铸钢） 第第 页页第第 页页续表14名名称称分类分类/标准号标准号编编 号号 方方 法法用用 途途举举 例例说说 明明合合金金钢钢合金结构钢GB/T699-199940Cr 表示平均wC为万分之40，主加元素为Cr。
40Cr为调质钢，用于承受弯曲、扭转、拉压、冲击等复杂应力的重要件，如传动轴、曲轴等高合金刃具钢GB/T9943-1988 W18Cr4V wC=0.70%～1.65%，wW=17.5%～18.5%，wCr=3.8%～4.4%，wV=1.00%～1.40%用于淬透性好、红硬性高，截面尺寸不大的刃具 灰灰铸铸铁铁灰口铸铁GB/T9439-1988HT200表示试样直径为30mm，平均抗拉强度200MPa的灰口铸铁承受较大载荷和较重要的零件，如汽缸、齿轮、底座、飞轮、床身等可锻铸铁GB/T9440-1988KTZ450-06平 均 抗 拉 强 度 不 小 于450MPa,伸长率不小于6 %的珠光体可锻铸铁 制造负荷较高的耐磨损零件，如曲轴、连杆、齿轮、凸轮轴等薄壁小铸件球墨铸铁GB/T1348-1988QT450-10表示抗拉强度大于450MPa, 伸长率10%的球墨铸铁承受冲击振动的零件如曲轴、蜗杆等 第第 页页第第 页页续表名名称称分分 类类编编 号号 方方 法法用用 途途举举 例例说说 明明灰灰铸铸铁铁蠕墨铸铁GB/T5612-1985RuT340表示平均抗拉强度大于450MPa的蠕墨铸铁 制造大截面复杂铸件，主要用来代替高强度灰口铸铁、合金铸铁特特殊殊性性能能铸铸铁铁抗磨铸铁GB/T8263-1999KmTBMn5W3中锰球墨铸铁，具有一定的强度和韧性，耐磨料磨损 可制造承受干摩擦及为磨料磨损条件下工作的零件，在矿山、冶金、电力、建材和机械制造等行业有广泛的应用耐热铸铁 GB/T9437-1988RQTSi4Mo 在铸铁中加入Si、Al、Cr等元素，使铸铁在高温下表面形成一层致密的氧化膜，保护内层不被继续氧化 可制造在高温工况下工作的零件 耐蚀铸铁 GB/T8491-1987STSi11Cu2CrR 合金元素的作用是提高铸铁基体组织的电位，使铸铁表面形成一层致密的保护膜 可制造在腐蚀工况下工作的零件,广泛用于化工等行业15 第第 页页第第 页页1.2.2 1.2.2 金属材料的性能金属材料的性能 固体材料主要性能力学性能物理性能化学性能工艺性能 力学性能即材料在外力作用下表现出来的性能，包括弹性、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、蠕变和磨损等。
外力即载荷，常见的各种载荷如动画3所示 16 第第 页页第第 页页动画3 常见的各种外载荷17 第第 页页第第 页页1. 强 度 18 强度指材料在达到允许的变形程度或断裂前单位面积上所能承受的最大应力即应力σ ，以低碳钢拉伸试验为例：σ= F / S0 (单位：N/m2 ) 式中:F——作用力（N）； S0——试样原始截面积（m2 ） 强度包括弹性极限、屈服点、抗拉强度、疲劳极限、蠕变极限等等 按外力作用的方式不同，强度可分为抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度等 工程上最常用的强度指屈服强度和抗拉强度 第第 页页第第 页页σ ：应力ε ：应变σP ：比例极限σe ：弹性极限σs ：屈服极限σb ：强度极限 E ：材料弹性模量 （E =σ/ ε）1 1）强度指标）强度指标 材料的强度、塑性指标可以通过实验测定动画4为低碳钢的应力应变图19动画4 低碳钢的应力应变图 第第 页页第第 页页 (1)弹性变形，即当产生变形的外力撤除后，变形随即消失。
(2)弹性模量E 指引起单位弹性变形所需要的应力工程上把弹性模量E称为材料的刚度，表示材料抵抗弹性变形的能力 弹性模量E主要取决于材料的化学成分，而合金化、热处理、冷热加工对它的影响很小弹性模量随温度的升高而逐渐降低 2 2）弹性和弹性模量）弹性和弹性模量 20 第第 页页第第 页页 大多数金属材料在拉伸时没有明显的屈服现象，按GB228-87要求，取规定非比例伸长与原标距长度比为0.2%时的应力，3）条件屈服强度）条件屈服强度21为F0.2，它与面积之比，记为σp0.2，作为屈服强度指标,称为条件屈服强度，也可用σσ0.2表示(见动画5)动画5 条件屈服强度 第第 页页第第 页页 载荷超过弹性极限后，若卸载，试样的变形不能全部消失，将保留一部分残余变形产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性塑性的大小用伸长率δ和断面收缩率ψ表示 2. 塑 性 金属材料因具有一定的塑性才能进行各种变形加工，并使零件在使用中偶然过载时，产生一定的塑性变形，而不致于突然断裂，提高零件使用的可靠性22ψ ψ 第第 页页第第 页页3. 硬 度 硬度是表征金属材料软硬程度的一种性能。
硬度试验方法：以压入法最为普遍，它是表示材料抵抗更硬物体压入其内的能力 常见的硬度表示方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种 (1)布氏硬度压痕单位面积上的试验力测量如视频1和动画6所示 布氏硬度表示方法示例： 120HBS10/1000/30； 450HBW5/1500 教学视频1 布氏硬度的测量( (点击画面启动视频点击画面启动视频) )23 第第 页页第第 页页动画7 洛氏硬度测量 (2)洛氏硬度以主试验力下产生的塑性变形压痕深度来度量压 头 常 用 金 刚 石 圆 锥 或 钢 球 ， 如 动 画 7， 视 频 2所 示 24动画6 布氏硬度测量 第第 页页第第 页页 68HRA； 84HRB； 60HRC HRA测定硬质合金、表面淬火层 HRB测定有色金属、退火钢、正火钢 HRC测定淬火钢、调质钢洛氏硬度表示方法示例： 教学视频2 洛氏硬度测量25 第第 页页第第 页页 动画8是维氏硬度测定方法的示意。
维氏硬度可采用统一的硬度指标，可以测量很软到很硬的材料的硬度，但测量麻烦 维氏硬度表示方法示例： 600HV30/20 (3)维氏硬度以压痕单位面积上的试验力来度量26动画8 维氏硬度测定 第第 页页第第 页页4. 冲击韧度 将带有缺口的标准冲击试样，安放在冲击试验机的支座上,把重量为G的摆锤从一定高度H 落下，将试样冲断，之后摆锤仍继续摆动升至高度h，设 ： Ak＝G（H－h）冲击韧度值：αk=Ak / S (J/cm2)式中S 为试样缺口处的截面积(cm2)27动画9 冲击试验 冲击韧度是评定材料抵抗大能量冲击载荷能力的指标，通常采用一次摆锤冲击弯曲试验进行测定，如动画9所示 第第 页页第第 页页5. 疲劳强度 许多机械零件如弹簧、轴、齿轮等，在工作时承受交变载荷，即交变应力低于屈服强度，但在若干次循环后还会发生断裂图1为轴的疲劳试验示意图1 轴的疲劳试验28 第第 页页第第 页页 实验证明，金属材料能承受的交变应力σ与断裂前应力循环次数 N 有如动画10所示的规律。
由图可知，当σ低于某一值时，曲线与横坐标平行，表示材料可经无限次循环而不断裂，这一应力称疲劳强度或疲劳极限 用σ－1表示光滑试样对称弯曲疲劳强度一般钢的循环次数为107，有色金属为108 疲劳强度（续）29动画10 疲劳强度曲线 第第 页页第第 页页 (1)应力水平低,往往远低于屈服极限σS (2)断裂前无明显形变 2 2））疲劳极限疲劳极限σr 对称弯曲循环疲劳极限用σ-1表示 (1)疲劳曲线(σ～N)有明显的水平线段，则水平线段对应的应力为σ-1 (2)疲劳曲线没有明显的水平线段，则在规定的疲劳寿命内不存在疲劳破坏所对应的最大应力1 1））疲劳破坏的主要特点疲劳破坏的主要特点30 第第 页页第第 页页6.断裂韧度 在生产实践中，一些大型、重型或高强度材料零件或构件的突然断裂事故，如大型铁桥、万吨轮船、飞机机翼突然断裂和高压容器爆炸等这种在材料所承受的应力低于许用应力的情况下，发生的无明显塑性变形的脆性断裂，称为低应力脆断 研究表明，低应力脆断总是由材料中宏观裂纹的扩展引起的。
这种裂纹可能是气孔、缩松、夹杂物等冶金缺陷，也可能是在加工和使用过程中形成，因而是难以避免的材料在外力作用下，其中裂纹长度达到某一临界尺寸时，会发生失稳扩展，导致构件断裂断裂韧度便是指材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗低应力脆断的能力31 第第 页页第第 页页 如动画11所示，材料中存在一条长度为2a的裂纹，在与裂纹方向垂直的外加拉应力σ的作用下，裂纹尖端附近的应力分布不再均匀，产生严重的应力集中，形成裂纹尖端应力集中场 动画11 低应力脆断示意图32 第第 页页第第 页页7. 高温下的力学性能 材料在高温下其力学性能与常温下是完全不同的 许多机械零件在高温下工作，所以在室温下测定的性能指标不能代表其在高温下的性能 一般来说，随着温度的升高，弹性模量E、屈服极限σS、硬度等值都将降低，而塑性将会增加，除此之外，还会发生蠕变现象 蠕变是指金属在高温长时间应力作用下，即使所加应力小于该温度下的屈服强度，也会逐渐产生明显的塑性变形直至断裂有机高分子材料，即使在室温下也会发生蠕变现象33 第第 页页第第 页页 在9.11恐怖事件中，美国纽约世界贸易中心大楼完全倒塌(见视频3)。
恐怖分子劫持的客机撞击大楼中上部，为何会造成整栋大楼完全倒塌？大楼为何会垂直塌落而不是倾倒？这里可能部分牵涉到材料在高温下的力学性能问题教学视频3 世界贸易中心大楼倒塌 纽约世贸大楼曾是世界第一高楼，它高411m，单个塔楼的重量约5×104t撞击大楼的波音757飞机起飞重量104t，波音767飞机起飞重量156t 它们的飞行速度大约是每小时1000km从速度比这小得多的汽车相撞事故，可以想象大型客机撞击大楼的冲击力有多么的巨大 世贸大楼倒塌34 第第 页页第第 页页教学视频4 倒塌原因分析 这次撞击大楼的波音757飞机大约可载35t燃油，波音767飞机可载51t燃油，由于是从美国东部飞往西部的远程航班，所以飞机上的油箱估计装满了燃油在起飞后这些飞机很快改变航线撞击纽约世界贸易中心大楼，机上燃油消耗很少，几乎将它的满满一油箱的优质航空煤油都撒到了大楼里，并燃起了熊熊大火 但据幸存者描述，飞机的撞击使大楼虽然晃动了近1m，但整幢大楼无论是内部还是外部并没有严重塌落，这是大量楼内工作人员得以逃生的关键（见视频4）35 第第 页页第第 页页 长时间猛烈的大火烧软了飞机所撞击的那几个楼层的钢材，数千吨到上万吨重的上部楼层自然就会落下来，像一个巨大的铁锤，砸向下面的楼层，对下面的楼层结构的冲击力远远大于其原先静止时重力，下面的楼层结构自然难以承受，于是一层层垂直地垮塌下来。
北京时间9月11日晚20点45分另一架撞击世贸大楼北部塔楼接近顶部的位置因其所载燃油较少，加上撞击位置较高，上层压力较小，所以直到北京时间9月11日晚22点28分，即大火燃烧了1小时43分后，世贸大楼北部塔楼才倒塌 北京时间9月11日晚21点03分撞击世贸大楼的南部塔楼因其所载燃油量大，加上撞击位置较低，上层压力很大，所以北京时间9月11日晚22点05分，大火燃烧了1小时02分后，南部塔楼反而率先倒塌撞击世贸大楼的受力分析36 第第 页页第第 页页1.3 1.3 晶体的结构晶体的结构1.3.11.3.1晶体与非晶体晶体与非晶体 固体可分为晶体和非晶体两类 晶体中原子按一定规则排列最普通的非晶体是玻璃，它的原子排列较不规则非晶体的结构比晶体结构更难确定 1.晶体的空间点阵和晶系 如果把所有具有相同环境的原子或原子群作为一个质点，则晶体结构可以抽象为这些质点在空间上的、周期性规则排列的空间点阵37 第第 页页第第 页页2.晶格、晶胞和晶格常数动画12 晶体中原子排列示意图 在空间点阵中取一单位体积（通常为平行六面体）作为点阵的最小组成单元，称为晶胞。
晶胞的大小和形状以晶胞的棱边长a、b、c 和棱边之间的夹角α、β、γ来表示(见动画12)38 第第 页页第第 页页 根据晶胞的三条棱边是否相等、三个夹角是否相等以及是否为直角，晶体学将所有晶体分为7个晶系，14种空间点阵称作布喇菲空间点阵，如图2所示 常见的三种晶格类型： 体心立方晶格； 面心立方晶格； 密排六方晶格3.常见的晶格类型39图2 布喇菲空间点阵 第第 页页第第 页页 （1）体心立方晶格结构(见动画13)40动画13 体心立方晶胞 第第 页页第第 页页 （2）面心立方晶格结构(见动画14) 41动画14 面心立方晶胞 第第 页页第第 页页 （3）密排六方晶格结构(见动画15)42动画15 密排六方晶胞 第第 页页第第 页页 1. 多晶体与亚结构 结晶方位完全一致的晶体称为“单晶体”，如图3所示单晶体在不同晶面和晶向的力学性能不同，这种现象称为“各向异性” 实际金属晶体内部包含了许多颗粒状的小晶体，每个小晶体内部晶格位向一致，而各小晶体之间晶格位向不同。
小晶体称为“晶粒”，晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”在晶界上原子排列是不规则的这种由多晶粒构成的晶体结构称为“多晶体”，如图4所示，多晶体呈现各向同性 1.3.2 1.3.2 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构 图3 单晶体图4 多晶体43 第第 页页第第 页页 由于结晶条件或加工等方面的影响，使原子的排列规则受到破坏，存在偏离理想结构的区域，称为晶格缺陷 晶格缺陷对金属的许多性能有极重要的影响，与晶体的凝固、固态相变、扩散等过程都有重大关系，特别是对塑性变形、强度和断裂等起着决定性的作用 晶格缺陷可分为三类： 点缺陷； 线缺陷； 面缺陷 2. 晶格缺陷44 第第 页页第第 页页1 1）点缺陷）点缺陷 点缺陷是指长、宽、高三个方向上尺寸都很小的缺陷，如“间隙原子”、“置换原子”和“空位”（见动画16）间隙原子是在晶格的间隙中存在多余原子；置换原子是指结点上的原子被异类原子所置换；晶格空位是在正常的晶格结点上出现空位45动画16 点缺陷示意图 第第 页页第第 页页 线缺陷是指在一个方向上尺寸较大，而在另外两个方向上尺寸很小的缺陷，呈线状分布，其具体形式是各种类型的位错，如动画17所示。
较简单的一种是“刃型位错”，好像沿着某个晶面插入一列原子但又未插到底，如同刀刃切入一样多出的一列原子位于晶体的上部称为“正刃型位错”，用符号“┴”表示；位于晶体的下部称为“负刃型位错”， 用符号“┬”表示2 2））线缺陷线缺陷动画17 刃型位错结构示意图 46 第第 页页第第 页页 面缺陷主要指金属中的晶界和亚晶界(见图5) (1)晶界：指晶粒之间形成的交界面 (2)亚晶界：指亚晶粒之间形成的交界面亚晶粒是由被称为镶嵌块的小晶粒组成的3 3）面缺陷）面缺陷 晶界、亚晶界是晶体缺陷中的面缺陷所有这些缺陷，都将导致周围的晶格发生明显的畸变，从而对金属的力学性能、化学性能产生显著的影响47图5 面缺陷 第第 页页第第 页页 (1)存在短程有序现象，即液体中微小体积范围内存在着紧密接触规则排列的原子团，瞬间又变成另外的原子团 (2)存在结构起伏现象，即液态金属中的原子集团此起彼伏地不断产生与消失的现象此现象也称为相起伏 (3)存在成分起伏现象，即固溶体合金的液体中微小体积范围内偏离液相平均成分现象 (4)在一定条件下形成长程有序，即晶体中大范围原子有序稳定排列。
1.4 1.4 金属的结晶金属的结晶1.4.1 1.4.1 结晶的概念结晶的概念 1. 液体的金属结构特点48 第第 页页第第 页页2.纯金属结晶时的冷却曲线 曲线2表示实际的结晶过程在实际结晶时，实际结晶温度Tn总是低于理论结晶温度Tm ，理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度即Tm－Tn＝△T 金属结晶的过冷度与冷却速度有关，冷却速度越快，过冷度就越大 动画18 纯金属结晶时的冷却曲线 49 金属在结晶过程中（见动画18）将液态金属放在炉中缓慢冷却，得到冷却曲线 1由于结晶时放出潜热，结晶在恒温下进行在无限缓慢冷却条件下的平衡结晶温度Tm称为理论结晶温度 第第 页页第第 页页 金属熔液在凝固后一般都以晶质状态存在，即内部原子由不规则的排列转变到规则排列，形成晶体，（见动画19，视频5）金属的结晶过程是不断形成晶核和晶核不断长大的过程，即由晶核的产生和长大两个基本过程组成的1.4.2 1.4.2 金属结晶过程金属结晶过程教学视频5 金属的结晶50动画19 金属的结晶 第第 页页第第 页页 金属结晶后的晶粒愈细小，晶界的面积就愈大。
晶界面积愈大，晶体缺陷就愈多，则对金属的力学性能影响愈大一般情况下，细晶粒组织的强度、硬度、塑性和韧性都比粗晶粒组织好 获得细晶粒的方法通常有: 增加过冷度； 变质处理； 附加振动1.4.3 1.4.3 铸态晶粒的大小铸态晶粒的大小 51 第第 页页第第 页页1. 过冷度对晶粒大小的影响 晶粒大小是成核速率N（成核 数 目 /cm3·s） 和 生 长 速 率G（cm3/s）的函数成核速率愈大，生长速率愈小，则晶粒愈细随着过冷度的增加，晶核的形成速率增加，同时晶核的长大速度也增加但是，成核速率N大大高于生长速率G，因此增加过冷度能获得细晶粒组织动画20为N、G与△T 的关系 动画20 N、G与△T 的关系 52 第第 页页第第 页页2. 变质处理细化晶粒 晶核形成方式可分成匀质形核和异质形核两种匀质形核是由熔液自发形成新晶核的过程，亦称自发形核而实际金属并不很纯，凝固时晶核往往首先依附在未熔质点的表面而形成，这种形核方式称为异质形核利用异质形核可使晶核大量增加，从而使晶粒细化 变质处理就是利用异质形核的原理，在浇注前在金属液中加入某些高熔点的物质作为结晶核心，以获得细晶粒组织，也称孕育处理。
加入的物质称为变质剂，也称孕育剂 53 第第 页页第第 页页3. 附加振动细化晶粒58 生产中还常以机械振动、超声波振动、电磁振动等方法，使熔融金属在铸型中产生运动，从而使晶体在长大过程中不断被破碎，最终获得细晶粒组织 用细化晶粒强化金属的方法称为细晶强化，它是强化金属材料的基本途径之一54 第第 页页第第 页页1.4.4 1.4.4 金属的同素异构金属的同素异构 某些金属在不同温度和压力下呈不同的晶体结构同一种固态的纯金属（或其他单相物质），在加热或冷却时发生由一种稳定状态转变成另一种不同的晶体结构稳定状态，这种转变，称为同素异构转变（见动画21）此时除体积变化和热效应外还会发生其他性质改变Fe、Co、Sn、Mn等元素都具有同素异构特性动画21 纯铁的同素异构转变 55 第第 页页第第 页页 铁在结晶后继续冷却至室温的过程中，将发生两次晶格转变，其转变过程如动画21所示铁在1394℃以上时具有体心立方晶格，称为δ-Fe；冷却至1394～912℃之间，转变为面心立方晶格称为γ-Fe；继续冷却至912℃以下，又转变为体心立方晶格，称为α-Fe。
2.金属的同素异构转变 金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程类似转变时遵循结晶的一般规律，如具有一定的转变温度转变过程包括形核、长大两个阶段等因此，同素异构转变也可以看作是一种结晶，有时也称为重结晶通过同素异构转变可以使晶粒得到细化1.纯铁的同素异构转变过程56 第第 页页第第 页页 由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素组成的具有金属性质的物质，称为合金组成合金的元素叫做组元由两种组元组成的合金，称为二元合金 在物质中，凡是成分相同，结构相同，并与其他部分以界面分开的均匀组成部分，称为相合金结晶后可以是一种相，也可以是由若干种相所组成 一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体称为组织相的相对数量、形状、尺寸和分布的不同，形成了不同的组织，不同的组织使合金具有不同的力学性能 固态合金中的相，按其晶格结构的基本属性来分，可以分为固溶体和化合物两类1.5 1.5 二元合金的晶体结构二元合金的晶体结构57 第第 页页第第 页页 溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金相称为固溶体固溶体的点阵结构仍保持溶剂金属的结构，只引起晶格参数的改变。
当两组元在固态无限溶解时，所形成的固溶体称为连续固溶体或无限固溶体；当两组元在固态部分溶解时，所形成的固溶体称为有限固溶体或端际固溶体 按照溶质原子在固溶体中所处的位置，固溶体又可分为间隙固溶体和置换固溶体间隙固溶体中的溶质元素多半是原子半径较小的非金属元素；对于溶质和溶剂原子大小比较接近的元素，只能形成置换固溶体1.5.1 1.5.1 固溶体固溶体58 第第 页页第第 页页 间隙固溶体是由一些原子半径小于1Å 的非金属元素，如:H、O、C、B、N，溶入过渡族金属而形成，且只有当溶质原子直径与溶剂原子直径的比值小于0.59时，才能形成间隙固溶体溶剂晶格的间隙是有限的，因此间隙固溶体只能是有限固溶体（见动画22） 1.间隙固溶体 溶入单位固溶体中溶质原子的量，称为固溶体的浓度在一定条件下，溶质原子在固溶体中的极限浓度，称为溶质原子在固溶体的溶解度间隙固溶体的溶解度与溶质原子半径及溶剂的晶格类型有关溶质原子半径愈小，溶解度愈大，溶剂晶格类型不同，具有的间隙大小不同，溶解度也不同59动画22 间隙固溶体 第第 页页第第 页页 对于溶质和溶剂原子大小比较接近的元素，只能形成置换固溶体（见动画23）。
2.置换固溶体 置换固溶体中，溶质原子在溶剂晶格中的分布是任意的、无规律的如果溶质原子在溶剂晶格中的溶解度有一定限度，则称有限互溶，形成有限置换固溶体；如果合金组元可以以任何比例相互溶解，如Cu-Ni 合金，这叫无限互溶，形成无限置换固溶体 溶质原子与溶剂原子的原子半径相差愈小，则溶解度愈大若溶剂元素与溶质元素在元素周期表中位置靠近，则晶格类型相同，往往可以按任意比例配制，形成无限固溶体60动画23 置换固溶体 第第 页页第第 页页 溶质原子溶入溶剂晶格,将使晶格发生畸变,从而使合金的强度、硬度上升（见动画24）这种由于形成固溶体而引起强度提高的现象称为固溶强化固溶强化是强化合金的基本途径之一如果溶质浓度适当，固溶体亦具有良好的塑性和韧性1.5.2.1.5.2.固溶体的性能固溶体的性能动画24 晶格畸变61 第第 页页第第 页页 铁碳合金是以铁和碳为基本组元的合金一般将碳的质量分数为0.0218%～2.11%的铁碳合金称为碳钢，碳的质量分数大于2.11%的称为铸铁1.6 1.6 铁碳合金铁碳合金1.6.1 1.6.1 铁碳合金基本组织铁碳合金基本组织 1．铁素体 铁素体是碳在α-Fe中的固溶体，用符号“F”表示。
其组织结构与组织形态如图6所示62图6 铁素体 第第 页页第第 页页 (1)在727℃有最大溶解度， wC =0.0218% (2)强度和硬度低，韧性塑性好力学性能如表2所示1 1）铁素体的特点）铁素体的特点 2 2）纯铁（＜）纯铁（＜0.02%0.02%）的力学性能）的力学性能( (如表如表3 3所示所示) )以上性能与晶粒大小、杂质含量有关63σb 180~280MN/m2ψ70%～80%σ0.2100～170MN/m2δ30%～50%硬度50～80HBSak1.8~2.5MJ/m2σb250MN/m2ψ85%σ0.2120MN/m2δ50%硬度80HBSak2.0MJ/m2表2 铁素体的力学性能表3 纯铁的力学性能 第第 页页第第 页页 奥氏体是碳在γ-Fe中的固溶体，用符号“A”表示高温奥氏体的显微组织如图7所示奥氏体的特点： (1)在1148℃时有最大溶解度wC= 2.11%，727℃时wC=0.77% (2)其力学性能与碳含量及晶粒大小有关，一般硬度约在170～220 HBS ，δ=40 % ～50%。
(3)形变能力好，形变抗力小2．奥氏体64图7 奥氏体 第第 页页第第 页页 渗碳体是铁和碳的化合物，碳含量为6.67%，用“Fe3C”或“Cem”(Cementite)表示 渗碳体的特点：3．渗碳体65•硬度近800HBW•塑性几乎为零•一般认为其熔点1600℃ （有资料介绍其计算值为1227℃） 第第 页页第第 页页 1. 1. 相图分析相图分析 铁碳合金相图是研究钢铁材料的成分、相和组织的变化规律以及与性能之间关系的重要工具 铁碳合金相图如动画25所示1.6.2 1.6.2 铁碳合金相图铁碳合金相图66动画25 铁碳合金相图 第第 页页第第 页页1 1）相区区域）相区区域67动画26 铁碳合金相区分析 第第 页页第第 页页2 2））各特性线各特性线68动画27 铁碳合金相图特性线 第第 页页第第 页页3 3）主要特性点）主要特性点69特特性性点点温温度度℃℃w wC C××100100含含 义义特特性性线线含含 义义ACDEFGKPSQ15381148～～12271148114891272772772760004.36.692.116.6906.690.02180.770.0057纯铁的熔点纯铁的熔点共晶点共晶点渗碳体的熔点渗碳体的熔点碳在奥氏体中的最大溶解度碳在奥氏体中的最大溶解度渗碳体的成分渗碳体的成分α-Feγ-Fe转变点转变点渗碳体的成分渗碳体的成分碳在铁素体中最大溶解度碳在铁素体中最大溶解度共析点共析点碳在铁素体中的溶解度碳在铁素体中的溶解度 ACCDAEGSGPESPQECFPSK液相线，液态合金开始结晶出奥氏体液相线，液态合金开始结晶出奥氏体液相脱溶线，液相开始脱溶出液相脱溶线，液相开始脱溶出Fe3CⅠ固相线，即奥氏体结晶终了线固相线，即奥氏体结晶终了线奥氏体转变为铁素体开始线，即奥氏体转变为铁素体开始线，即A3 3线线奥氏体转变为铁素体终了线奥氏体转变为铁素体终了线脱溶线，奥氏体脱溶出脱溶线，奥氏体脱溶出Fe3 3CⅡ，，(Acmcm线线)脱溶线，铁素体开始脱溶出脱溶线，铁素体开始脱溶出Fe3 3CⅢ共晶转变线，共晶转变线，L LC γE＋＋Fe3C共析转变线，共析转变线，γS αP＋＋Fe3C，即，即A1线线( (注注: :本表是指冷却过程中相变的含义本表是指冷却过程中相变的含义) )表4 铁碳合金的特性点 第第 页页第第 页页2.典型铁碳合金平衡结晶过程分析 铁碳合金相图上的各种合金，一般分为三类： (1)工业纯铁（w C ＜0.02% ），室温组织为α固溶体。
(2)钢（w C = 0.02 %～2.11 % ）,根据室温组织不同，分为：70•亚共析钢（ wC ＜0.77 % ），（见动画29）；•共析钢 （ wC ≈0.77 % ），（见动画28）；•过共析钢（ wC ＞0.77 % ），（见动画30） 3)白口铸铁(w C= 2.11 %～6.67 %)，根据室温的不同，分为：•亚共晶白口铸铁（ wC <4.3 % ），（见动画32）；•共晶白口铸铁 （ wC ≈0.43） ，（见动画31）；•过共晶白口铸铁（ wC ＞4.3 %） ，（见动画33） 第第 页页第第 页页1 1）共析钢结晶过程）共析钢结晶过程71动画28 共析钢结晶过程 第第 页页第第 页页2 2）亚共析钢结晶过程）亚共析钢结晶过程动画29 亚共析钢结晶过程72 第第 页页第第 页页3 3）过共析钢结晶过程）过共析钢结晶过程动画30 过共析钢结晶过程73 第第 页页第第 页页4 4）共晶白口铸铁结晶过程）共晶白口铸铁结晶过程118动画31 共晶白口铸铁结晶过程74 第第 页页第第 页页5 5）亚共晶白口铸铁结晶过程）亚共晶白口铸铁结晶过程动画32 亚共晶白口铸铁结晶过程75 第第 页页第第 页页6 6）过共晶白口铸铁结晶过程）过共晶白口铸铁结晶过程动画33 过共晶白口铸铁结晶过程76 第第 页页第第 页页 随着合金中碳的质量分数的增加，在合金的室温组织中不仅渗碳体的数量增加，其形态、分布也有变化，因此合金的力学性能也相应变化（见图8）。
1.6.3 1.6.3 铁碳合金室温组织性能随成分的变化规律铁碳合金室温组织性能随成分的变化规律77图8 铁碳合金室温组织性能变化规律 第第 页页第第 页页 钢的热处理是将钢在固态下施以不同的加热、保温和冷却，从而获得所需的组织结构和性能的工艺过程热处理应伴随固态相变或扩散1.7 1.7 钢的热处理钢的热处理1.7.1 1.7.1 概述概述 在机床工业中，有60%～70%的工件需要热处理汽车、拖拉机工业中，有70%～80%的工件要进行热处理;而滚动轴承和工模具则几乎100%需要进行热处理 教学视频6 热处理概述78 第第 页页第第 页页 在图9的Fe-Fe3C相图中，A1、A3和Accm是碳钢在极其缓慢地加热或冷却时的转变温度，是平衡临界点在实际生产中，不可能极其缓慢地加热和冷却，因此不可能在平衡临界点进行组织转变如图9所示，实际加热时各临界点分别用Ac1、 Ac3和Accm线表示，而实际冷却时临界点位置分别用Ar1、Ar3和Arcm线表示 (1)过热:加热时高于合金相图临界温度才发生相变的现象 (2)过冷:冷却时低于合金相图临界温度才发生相变的现象。
1.7.2 1.7.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变79图9 Fe-Fe3C相图 第第 页页第第 页页 钢加热时奥氏体的形成也是通过形核及长大过程来实现的 现以共析钢为例说明奥氏体形成的三个步骤（见动画34）： (1)奥氏体晶核的形成和长大 (2)残余渗碳体的溶解 (3)奥氏体成分均匀化 亚共析钢与过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同1.1.奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程80动画34 共析钢奥氏体形成过程 第第 页页第第 页页 奥氏体晶粒形成后，继续加热或恒温保持，它们将聚集长大，即由小晶粒合并为较粗大的晶粒由热力学原理可知，这是一种必然发生的过程，因为晶粒合并将使晶界总面积减少，从而使总晶界能降低 (1)奥氏体转变刚完成时的细小晶粒称为起始晶粒度 (2)在给定温度下的奥氏体晶粒度称为实际晶粒度 (3)奥氏体晶粒长大是一个自发过程 (4)奥氏体晶粒越大，冷却后的晶粒也越大，力学性能则越低 (5)钢的成分不同，奥氏体晶粒的长大倾向也不同，这种倾向称为本质晶粒度。
2. 奥氏体晶粒的长大81 第第 页页第第 页页本质粗晶粒度：奥氏体随温度的升高迅速长大的钢如用锰硅脱氧的钢、沸腾钢等本质细晶粒度：奥氏体晶粒长大倾向小，加热到较高温度时晶粒才显著长大的钢，如用铝脱氧的钢、镇静钢等•本质粗晶粒度和本质细晶粒度之分，如图10所示82图10 本质粗晶粒度钢和本质细晶粒度钢比较 第第 页页第第 页页5～8级的钢为本质细晶粒度的钢1～4级的钢为本质粗晶粒度钢本质晶粒度钢划分83•1～4级为本质粗晶粒度钢,5～8级为本质细晶粒度的钢(见图11)图11 钢的晶粒度等级 第第 页页第第 页页 加热钢使其奥氏体化只是热处理的第一步，而冷却过程则是热处理的关键一步在热处理生产中，奥氏体冷却时发生转变的温度通常都低于临界点，即有一定的过冷度为了了解奥氏体在冷却过程中的相变规律，通常采用两种方法：其一是把钢加热奥氏体化后，快速冷却到A1以下，在不同过冷度下等温，测定奥氏体的转变过程，绘出奥氏体等温转变曲线；另一种是在不同冷却速度（如炉冷、空气冷、油冷、水冷）的连续冷却过程中测定奥氏体的转变过程，绘出奥氏体连续冷却转变曲线。
这两种曲线能正确说明奥氏体的冷却条件与组织转变间的相互关系，是热处理的理论基础 1.7.3 1.7.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变84 第第 页页第第 页页1.过冷奥氏体等温转变动力学及TTT曲线 转变动力学所研究的是转变量与转变温度和时间的关系，以及影响这种关系的因素如将奥氏体化后的共析钢急冷至A1以下的某一温度，并在该温度下保持，设法测定过冷奥氏体转变量与时间的关系，即可绘出等温转变动力学曲线在若干不同温度下测得若干动力学曲线，分别截取转变开始和转变终了（或终止）所需的时间，即可绘出这种钢的等温转变图，简称TTT曲 线 （ Time， Temperature， Trans- formation ），亦称“C曲线”，如动画35的下半部分所示 85动画35 TTT曲线 第第 页页第第 页页 在动画35中A1以上是奥氏体稳定区域A1以下转变开始线（图中as′、bs′、cs′的连线，称奥氏体转变开始线）以左的区域奥氏体处于不稳定状态，经过一段时间孕育期（以转变开始线与纵坐标轴之间的距离来表示）后，它将发生转变，转变完毕形成的线段（图中af′、bf′a、cf′的连线）称奥氏体转变终了线。
这种在孕育期暂时存在的、处于不稳定状态的奥氏体，称为过冷奥氏体过冷奥氏体在不同温度下等温转变所需的孕育期是不同的随转变温度降低,孕育期先逐渐缩短，然后又逐渐变长，在550℃左右孕育期最短，过冷奥氏体最不稳定，它的转变速度最快，这里称为C曲线的“鼻尖”A1以下，转变终止线以右的区域为转变产物区，在转变开始线和转变终止线之间为过冷奥氏体和转变产物共存区图中水平线Ms为马氏体转变开始温度线，Mf为马氏体转变终止温度TTT曲线图详解86 第第 页页第第 页页按温度的高低和组织形态分87动画35：TTT曲线 按照温度的高低和组织形态，过冷奥氏体的转变如动画35所示,可以分为三种：550℃以上为珠光体转变，Ms线以下为马氏体转变，550℃到Ms点之间为贝氏体转变 第第 页页第第 页页1 1）珠光体转变）珠光体转变 (1)珠光体的组织形态及性能（见图12）过冷奥氏体在A1至550℃将转变为珠光体类型组织 根据片层的厚薄不同，这类组织又可分细为：珠光体：形成温度为A1 ～650℃,片层较厚,用符号“P”表示索氏体：形成温度为650～600℃,片层较薄,用符号“S”表示。
托氏体：形成温度为600～550℃,片层极薄,用符号“T”表示2.过冷奥氏体转变产物特点、 形成条件及力学性能88图12 珠光体 第第 页页第第 页页 (2)珠光体组织的性能动画36为共析钢珠光体的片间距与力学性能间的关系： 89动画36 力学性能与转变温度之间的关系 珠光体、索氏体和托氏体三者之间只有形态上的粗细之分，无本质之区别 过冷奥氏体转变温度降低，则珠光体片间距减小,力学性能提高 (3)珠光体转变过程奥氏体转变为珠光体的过程也是形核和长大的过程 第第 页页第第 页页 (1)(1)贝氏体的组织形态和特性贝氏体的组织形态和特性过冷奥氏体在550℃～Ms将转变为贝氏体组织，贝氏体用符号“B”表示贝氏体可分为上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）2 2））贝氏体转变贝氏体转变贝氏体转变贝氏体转变上贝氏体：形成温度为550～350℃A特征：呈羽毛状B性能：上贝氏体的力学性能差，无实用价值下贝氏体：形成温度为350℃～MsA特征：呈黑针状B性能：下贝氏体具有优良的力学性能, 生产上常用90 第第 页页第第 页页 ① 上贝氏体转变过程（过冷到550～350℃）。
上贝氏体转变过程 形成铁素体晶核形成铁素体晶核→片状铁素体平行生长片状铁素体平行生长→析出渗碳体短棒析出渗碳体短棒→上贝氏体上贝氏体 ②下贝氏体转变过程（过冷到350～Ms时） 形成铁素体晶核形成铁素体晶核→→铁素体长成针状铁素体长成针状→→铁素体内析出片状碳化物铁素体内析出片状碳化物→→下贝氏体下贝氏体 ③由于贝氏体形成时只有碳原子发生扩散，而铁原子不扩散，因此贝氏体转变属于半扩散型转变2)贝氏体转变过程，如动画37所示91动画37 贝氏体形成 第第 页页第第 页页的固溶体，用符号“M”表示 马氏体的形态特点：其组织形态分为板条状和针状两大类： 板条马氏体：显微组织如图13所示形态呈细长的扁棒状，显微组织为细条状 马氏体板条内的亚结构是高密度的位错，因而又称为位错马氏体 针状马氏体：显微组织如图14所示形态呈双凸透镜的片状，显微组织为针状其亚结构主要是孪晶，因此又称为孪晶马氏体3)马氏体转变92图13 板条马氏体图14 针状马氏体即碳在α-Fe中过饱和 第第 页页第第 页页 马氏体的硬度、韧性与碳含量的关系如动画38所示。
碳含量：如碳含量增加，其硬度就增加所以马氏体是钢的主要强化手段之一 塑性和韧性：主要取决于亚结构形式和碳在马氏体中的过饱和度 马氏体的性能： 93动画38 碳含量对马氏体性能的影响 马氏体的形态取决于碳含量当wC＜0.2%时，为板条M；当wC ＞1.0%时，为针状M；当wC ＝0.2 %～１.0%时，为板条和针状的混合组织 第第 页页第第 页页马氏点概念及马氏体转变归纳（见39）：94动画39 碳含量对马氏体转变温度的影响高速长大;马氏体转变的不完全性;存在残余奥氏体用“A残”表示;Ms 、Mf取决于奥氏体的碳含量 上马氏体点：发生马氏体转变的开始温度称为上马氏体点，用“Ms”表示 下马氏体点：马氏体转变的终了温度称为下马氏体点， 用“Mf”表示 因此马氏体转变可归纳为： 第第 页页第第 页页 钢的热处理是指将钢在固态下施以不同的加热、保温、冷却，以求获得所需性能的一种工艺 钢的热处理工艺的作用： (1)能消除上一工艺过程所产生的缺陷 (2)能为下一工艺过程创造条件 (3)能充分发挥钢材潜力，提高工件性能，提高产品质量，延长工件使用寿命。
任何一种热处理都是由加热、保温和冷却三个阶段组成（如动画40）热处理通常有退火、正火、淬火、回火、表面淬火和化学热处理等几种主要方法1.7.4 1.7.4 常用的钢的热处理常用的钢的热处理 1.钢的热处理工艺95动画40 热处理工艺曲线 第第 页页第第 页页 退火和正火是生产中应用很广泛的预备热处理工艺，主要用于改善材料的切削加工性能对于一些受力不大、性能要求不高的机器零件，也可以做为最终热处理其目的是: 2.钢的退火与正火1 1）退火与正火的目的）退火与正火的目的96调整硬度以便进行切削加工；消除残余应力；细化晶粒，改善组织；为最终热处理做好组织上的准备 第第 页页第第 页页退火：将钢加热、保温，然后缓慢冷却的热处理工艺 退火工艺：包括完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火 、再结晶退火和均匀化退火等（见动画41,视频7,图15） (1)完全退火加热到Ac3以上30～50℃，保温后随炉冷到600℃以下，再出炉空气冷却目的是细化晶粒，消除内应力，降低硬度以便于切削加工97动画41 各种退火工艺示意(1)2 2））退火退火 第第 页页第第 页页(2)等温退火。
亚共析钢加热到Ac3以上，共析钢加热到Ac1以上20～30℃，保温后快速冷却到稍低于Ar1的温度后进行等温处理,使A转变为P,再在空气中冷却目的与完全退火相同，但时间可缩短一半，适用于大批生产 (3)球化退火将过共析钢加热到Ac1以上20～30℃，保温后随炉冷到700℃左右，再出炉空气冷却使渗碳体球化，降低硬度，改善切削加工性 (4)去应力退火将钢加热到500～650℃,保温后随炉冷却目的是消除残余应力,提高工件的尺寸稳定性动画41 各种退火工艺示意(2)98 第第 页页第第 页页(5)再结晶退火 在再结晶温度以上的退火，不发生同素异构转变目的是消除加工硬化，细化晶粒 (6)均匀化退火将工件加热到1100℃左右，保温10～15h，随炉缓冷到350℃，再出炉空冷高温下长期保温的目的是使原子充分扩散，消除晶内偏析动画41：各种退火工艺示意(3)99 第第 页页第第 页页教学视频7 钢的退火100 第第 页页第第 页页 正火是将钢加热到 Ac3或Accm以上30～50℃，保温后空气中冷却的热处理工艺。
正火具有以下几方面的应用： (1)碳含量C≤0.25%的钢经正火后能提高硬度，改善切削加工性能3 3）正火）正火图15 退火后组织图16 正火后组织101 (2)消除过共析钢中的二次渗碳体 (3)作为普通结构零件的最终热处理正火的冷却速度稍快于退火，由TTT曲线可知，二者的组织是不一样的正火后的组织比退火细，如图15，16所示 第第 页页第第 页页教学视频8 钢的正火102 第第 页页第第 页页3. 钢的淬火 亚共析钢：淬火温度为Ac3以上30～50℃，组织为马氏体 共析钢和过共析钢：淬火温度为Ac1以上30～50℃，组织为细马氏体加颗粒状渗碳体和少量残余奥氏体 合金钢：一般淬火温度为临界点以上50～100℃提高淬火温度有利于合金元素在奥氏体中充分溶解和均匀103动画42 碳钢淬火加热温度范围 淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于临界冷却速度Vk的速度冷却的热处理工艺淬火目的是为了获得马氏体，提高钢的力学性能（见图42 ,视频9） 1 1）淬火温度）淬火温度 选择淬火温度的原则是获得均匀细小的奥氏体。
一般淬火温度在临界点以上 第第 页页第第 页页教学视频9 钢的淬火104 第第 页页第第 页页 (3)最常用的淬火介质是水和油水是经济且冷却能力较强的淬火介质油主要用于合金钢或小尺寸碳钢工件的淬火 (4)熔融状态的盐也常用作淬火介质，称作盐浴它只适用于形状复杂和变形要求严格的小件的分级淬火和等温淬火 (1)为了保证得到马氏体组织，淬火速度必须大于临界冷却速度Vk，但往往会引起工件变形和开裂 (2)要想既得到马氏体又避免变形和开裂，理想的淬火冷却曲线如动画43所示2 2）淬火介质）淬火介质105动画43 理想淬火曲线 第第 页页第第 页页3 3）淬火方法）淬火方法 常用淬火方法有单液淬火法、双液淬火法、分级淬火法、等温淬火法等(如视频10,动画44) (1)单液淬火法将加热的工件放入一种淬火介质中连续冷却至室温的操作方法，如水淬、油淬等 (2)双液淬火法将加热的工件放入一种冷却能力较强的介质中冷却，然后转入另一种冷却能力较弱的介质冷却的淬火方法如水淬油冷或油淬空冷 双液淬火主要用于形状复杂的高碳钢工件及大型合金钢工件。
106 第第 页页第第 页页教学视频10 油淬107 第第 页页第第 页页 (3)分级淬火法将加热的工件在Ms点附近的盐浴或碱浴中淬火，然后取出缓冷的淬火方法其特点是显著减少淬火变形与开裂，是用于截面尺寸较小淬透性较高的钢件 (4)等温淬火将加热工件在稍高于Ms点附近温度的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间而获得下贝氏体组织的淬火方法其特点是工件具有良好的综合力学性能，一般不必回火多用于形状复杂和要求较高的小件108动画44 淬火冷却方法淬火冷却方法 第第 页页第第 页页(5) 冷处理(见视频11)教学视频11 冷处理109 第第 页页第第 页页 (1)淬透性指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力一般规定由工件表面到半马氏体区的深度作为淬硬层深度 (2)淬透性对钢力学性能的影响钢的淬透性直接影响其热处理后的力学性能（见动画45） 淬透性高的钢：力学性能沿截面均匀分布 淬透性低的钢：截面心部的力学性能低4 4）钢的淬透性）钢的淬透性110动画45 钢的淬透性 第第 页页第第 页页 测定钢的淬透性最常用的方法是末端淬火法。
将φ25×100mm的标准试样经奥氏体化后，对末端进行喷水冷却，如动画46所示 按规定方法测定硬度值，作出淬透性曲线 利用钢的半马氏体区硬度与钢的碳含量关系图和淬透性曲线图可找出其淬透性的大小动画46 淬透性测定111 第第 页页第第 页页 淬透性的值可用 表示其中J表示末端淬透性，d表示至水冷端的距离，HRC为该处测得的硬度值 钢的淬透性还可用钢在某种冷却介质中完全淬透的最大直径，即临界直径D0表示 对于截面尺寸较大和形状较复杂的重要零件以及要求力学性能均匀的零件，应选用高淬透性的钢制造 对于承受弯曲和扭转的轴类、齿轮类零件，可选用低淬透性的钢制造 在设计和制造零件时，必须考虑钢的热处理尺寸效应4)淬透性的应用112 对具体零件要作具体的分析主要考虑以下几个方面： 第第 页页第第 页页 2 2）回火过程中的性能变化）回火过程中的性能变化 总的规律：随回火温度升高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性上升。
4. 钢的回火1 1）回火的目的）回火的目的113(1)降低脆性，减少或消除内应力2)获得工艺所要求的力学性能3)稳定工件尺寸4)对某些高淬透性的合金钢，可降低硬度，以利加工 回火温度： (1)200℃以下,钢的硬度不降低,对高碳钢,甚至略有升高 (2)200～300℃，高碳钢的硬度再次升高，中、低碳钢硬度缓慢降低 (3)回火温度300℃以上，钢的硬度呈直线下降 第第 页页第第 页页 注意：回火托氏体、回火索氏体和球状珠光体与过冷奥氏体直接分解得到的托氏体、索氏体和珠光体的力学性能有显著区别 (1)低温回火（150～250℃）低温回火的组织为回火马氏体，能降低内应力和脆性，并保持高硬度和耐磨性用于工具、模具、轴承、渗碳件及经表面淬火的工件 (2)中温回火（350～500℃）中温回火的组织为回火托氏体，具有较高弹性和一定韧性，主要用于弹簧的处理 (3)高温回火（500～650℃）高温回火组织为回火索氏体，具有良好的综合力学性能习惯上将淬火加高温回火相结合的热处理称作调质处理，简称“调质”。
调质广泛用于处理重要的结构零件，如轴、齿轮等3 3）回火的种类）回火的种类114 第第 页页第第 页页教学视频12 钢的回火115钢的回火如视频12所示 第第 页页第第 页页 淬火钢出现冲击韧度显著下降的现象称为“回火脆性”，如动画47所示 (1)低温回火脆性在250～350℃回火时出现的脆性称为低温回火脆性一般不在此温度范围内进行回火 (2) 高温回火脆性在500 ～650℃回火时出现的脆性称为高温回火脆性主要发生在含 Cr、Ni、Mn 等合金元素的钢中4 4）回火脆性）回火脆性116动画47 回火脆性 第第 页页第第 页页 (1)硬度不足是由淬火加热温度低、表面脱碳、冷速不够、钢材淬透性低等原因造成的可采用相应措施加以防治 (2)硬度不均匀是由原始组织粗大且不均匀、冷却不均匀等原因造成的可通过正火后重新淬火来消除 (3)过热和过烧过热组织可通过重新淬火来消除；工件一旦过烧则只能报废 5 5）淬火回火的工艺缺陷）淬火回火的工艺缺陷117 (3)快冷可防止高温脆性。
在钢中加入Ｗ（约1%）、Ｍo（约0.5%）等合金元素可有效抑制这类脆性的产生 第第 页页第第 页页 1 1）概述）概述 利用快速加热将表面层奥氏体化后进行淬火，而心部仍保持原来塑性、韧性较好的退火、正火或调质状态的组织，以强化零件表面 (1)表面淬火用材料碳含量为0.4%～0.5%的中碳钢及铸铁 (2)预备热处理预备热处理为表面淬火作准备，以获得最终的心部组织方法有调质和正火等 (3)表面淬火后的组织表层组织为回火马氏体，心部组织为回火索氏体（调质）或铁素体加索氏体（正火）661185. 钢的表面淬火 第第 页页第第 页页 (1)感应加热的基本原理感应加热表面淬火的装置如图17，视频13所示其特点： 交变磁场使工件内部感生出巨大的涡流 感应电流在工件表层密度最大，而心部密度为零，这种现象称为集肤效应 电流透入的深度与感应电流的频率有关 电流频率越高，感应电流透入深度越浅 (2)感应加热的分类高频感应加热：电流频率范围250～300kHz；淬硬层深度为0.25～1.5mm；适用于中小模数的齿轮及中小尺寸的轴类零件。
2 2）感应加热表面淬火）感应加热表面淬火67119图17 感应加热表面淬火的装置 第第 页页第第 页页 中频感应加热：电流频率范围2500～800kHz，淬硬层深度2～6mm，适用于较大尺寸的轴和大中模数齿轮 工频感应加热：电流频率50Hz,淬硬层深度大于15mm,适用于较大直径零件的穿透加热及大直径零件如轧辊、火车轮的表面淬火 (3)感应加热表面淬火后的回火一般只进行低温回火，回火温度一般不高于200℃ (4)感应加热表面淬火的特点主要表现在以下几个方面： 68120加热温度高感应加热表面淬火后工件表层硬度高，脆性较低工件表面质量好生产效率高中频、工频感应加热 第第 页页第第 页页 教学视频13 感应加热表面淬火121 第第 页页第第 页页 火焰加热淬火的淬硬层深度一般为2～6mm （见视频14） (1)特点设备简单、成本低、灵活性大，但淬火质量较难控制 (2)应用主要用于小批量生产零件及大型零件的表面淬火3 3）火焰加热表面淬火）火焰加热表面淬火教学视频14 火焰表面淬火122 第第 页页第第 页页4 4）电接触加热表面淬火）电接触加热表面淬火 5 5）激光加热表面淬火）激光加热表面淬火 激光加热表面淬火是以高能量激光束扫描工件表面，使工件表面快速加热到钢的临界点以上，利用工件基体的热传导实现自冷淬火，实现表面相变硬化。
最佳的原始组织是调质组织，淬火后零件变形极小，表面质量很高，特别适用于拐角、沟槽、盲孔底部及深孔内壁的热处理，而这些部位是其他表面淬火方法极难做到的123动画48 电接触加热表面淬火电接触和激光表面淬火 其特点是工件变形小，工艺简单，不需回火，但硬化层薄、形状复杂的工件不宜采用(见动画48) 第第 页页第第 页页 化学热处理是使某些元素渗入工件表层，以改变其表面层化学成分而获得所需性能的热处理工艺化学热处理可分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铬、渗铝等 化学热处理由三个基本过程组成： (1)由介质分解出渗入元素的活性原子，如：6.钢的化学热处理124 CH4→2H2+[C] 2NH3→3H2+2[N] (2)零件表面吸收活性原子，进入晶格内形成固溶体或化合物 (3)在一定温度下由表面向内部扩散 第第 页页第第 页页 渗碳就是将低碳钢放入高碳介质中加热、保温，以获得高碳表层的化学热处理工艺渗碳用于低碳钢和合金钢，碳含量一般为0.1 %～0.25% (1)渗碳方法。
气体渗碳法：如图18，视频15所示此法是将工件置于高温（900～950℃）的渗碳气氛中进行渗碳的1 1）钢的渗碳）钢的渗碳125教学视频15 渗碳图18 气体渗碳法 第第 页页第第 页页 渗碳气氛有两种供给方式，一是将富碳气体直接通入炉内；二是将已分解的有机物液体滴入炉内 气体渗碳法优点是生产率高，质量好，但渗碳层深度不易控制② 固体渗碳法：126图19 固体渗碳法 固体渗碳法：此法是将工件埋在固体渗碳剂中，装箱密封，加热到渗碳温度保温以使工件表层增碳的工艺(见图19) 固体渗碳法特点是生产率低，设备简单，成本低，目前一些小厂仍广泛使用 固体渗碳剂一般由主渗剂（木炭粒）和催渗剂组成 第第 页页第第 页页真空渗碳和渗碳后热处理真空渗碳和渗碳后热处理 真空渗碳：将零件放入特制的真空渗碳炉中，先抽尽空气，然后升温至渗碳温度，再通入一定量的渗碳气体进行渗碳的一种热处理工艺 (2)渗碳层的成分和厚度工件渗碳后表面含碳量可达过共析钢的成分，由表向里碳浓度逐渐降低机器零件渗碳层厚度通常为0.3～1.6mm。
(3)渗碳后的热处理渗碳后的热处理方法有三种： 直接淬火法：零件渗碳出炉后冷至约830℃，直接放入冷却介质中淬火，然后进行低温回火 一次淬火法：渗碳零件出炉缓冷后，再加热到淬火温度进行淬火和回火 两次淬火法：将工件渗碳后缓冷再进行两次淬火127 第第 页页第第 页页 氮化也称渗氮,是指向工件渗入氮原子,以形成高氮硬化层的化学热处理工艺（见视频16） (1)氮化工艺 气体氮化:在专门设备中通氮气并加热至560～570℃ 氮化时间约20～50h，氮化层深度一般0.1～0.6mm2 2）钢的氮化）钢的氮化128教学视频16 氮化 第第 页页第第 页页 离子渗氮:在低真空度容器内，稀薄的氨气在高电压作用下，使电离后的氨离子高速冲击工件，使其渗入工件表面 离子氮化如视频17所示，其优点是氮化时间短，变形小教学视频17 离子氮化129离子氮化 第第 页页第第 页页 氮化用钢通常是含有Al、Cr、Mo、Ti、V等合金钢应用最广泛的是38CrMoAl 选择氮化层厚度不超过0.6～0.7mm。
工件在氮化前进行调质处理，氮化后不进行热处理 (3)氮化特点及应用 氮化后工件表面硬度高、耐磨性高和热硬性高 氮化后工件的疲劳强度显著提高 氮化工件变形小，耐腐蚀能力高 氮化工艺复杂，成本高 目前氮化工艺主要用于耐磨性和精度均要求很高的零件2)氮化用钢及氮化处理技术条件130 第第 页页第第 页页 碳氮共渗是使工件表面同时渗入碳和氮的化学热处理工艺，也称作氰化常用的碳氮共渗方法有： (1)低温气体碳氮共渗共渗介质有尿素、甲酰氨和三乙醇氨等，处理温度不超过570℃，处理时间1～3h，硬度可达50～67HRC现普遍用于模具、刃具、量具及耐磨零件的处理 (2)中温气体碳氮共渗滴入煤油通入氨气并加热温度830 ～850℃保温3～4h时，氰化层厚度可达0.5～0.6mm 目前主要用于形状复杂、要求变形小、受力不大的小型零件的处理1313 3）钢的碳氮共渗）钢的碳氮共渗 第第 页页第第 页页 除了渗碳、渗氮外，还能渗金属，如渗铬、渗铝（见视频18）等。
7. 渗金属教学视频18 渗铝132 第第 页页第第 页页 保护气氛热处理是采用无氧化加热，或采用控制气氛来防止热处理过程中的氧化和脱碳的一种工艺（见视频19） 在真空中加热工件进行各项热处理称为真空热处理真空热处理也是防止热处理过程中的氧化和脱碳的一种工艺8.保护气氛热处理教学视频19 保护气氛热处理133 第第 页页第第 页页1.8 1.8 塑料塑料1.8.1 1.8.1 塑料的组成塑料的组成 塑料是以合成树脂为主要成分，加入适量的添加剂组成的合成树脂是由低分子化合物经聚合反应所获得的高分子化合物，如聚乙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂等，树脂受热可软化，起黏结作用，塑料的性能主要取决于树脂绝大多数塑料是以所用的树脂名称来命名的 加入添加剂的目的是弥补塑料的某些性能的不足添加剂有填料、增强材料、增塑剂、固化剂、润滑剂、着色剂、稳定剂、阻燃剂等134 第第 页页第第 页页1.8.2 1.8.2 塑料的分类和性能塑料的分类和性能 塑料按使用性能可分为通用塑料、工程塑料和耐热塑料三类 通用塑料的价格低、产量高，约占塑料总产量的四分之三以上。
如聚乙烯、聚氯乙烯等 工程塑料是作为制造工程结构件的塑料，其强度大、刚度高、韧性好如聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸脂等通用塑料改性后，也可作为工程塑料使用 耐热塑料工作温度高于150～200℃生产成本高典型的耐热塑料有聚四氟乙烯、有机硅树脂、芳香尼龙、环氧树脂等 按塑料受热后的性能，可分为热塑性塑料和热固性塑料热塑性塑料加热时可熔融，并可多次反复加热使用热固性塑料经一次成形后，受热不变形，不软化，不能回用，只能塑压一次135 第第 页页第第 页页1.9 1.9 现代结构材料现代结构材料 工程材料按其属性区分，可分为金属材料、无机非金属材料、高分子聚合物材料以及由上述材料组合成的复合材料现代材料目前正朝高比强度（单位密度的强度高）、高比模量（单位密度的弹性模量高）、高耐温、耐腐蚀的方向进展 将工程材料按使用性能划分，各类属性的材料均可分为结构材料和功能材料两大类 结构材料是利用材料的力学性能，所制备的各类器件或构件是为了承受各种形式的载荷，起支撑作用。
因此其高比强度、高比模量的要求日益重要136 第第 页页第第 页页1.9.1 1.9.1 铝合金铝合金 铝合金是使用了100多年的传统材料，目前世界原铝产量达1900万吨其中50%用来制取加工材与深加工产品目前我国的铝合金品种，只有美国的一半，规格不足美国的1/420世纪70年代以来，铝合金方面的发展有以下几方面： 1.Al-Li系合金 锂是最轻的金属元素铝合金中添加百分之几的锂后，可获得时效强化（即铝合金的热处理强化）效果，比重可降低10%，比模量可提高10%但锂的熔点很低，故铝锂合金冶炼很困难波音747的外壳采用铝锂合金，就能减去一定的质量由于飞机每节省1kg的质量，其经济效益是按几何级数递增的，因此铝锂合金是大有作为的137 第第 页页第第 页页 2.超塑铝合金 超塑成形因变形可达百分之几百，复杂的构件可一次成形飞机机身隔框、电气外壳等如采用铝合金超塑成形可降低生产成本 3.粉末冶金铝合金 采用快速凝固制粉或机械合金化制粉技术，可获得晶粒细化、成分均匀的过饱和微合金粉它比熔铸法合金成分更均匀。
4.铝合金功能膜 铝合金功能膜是利用氧化膜内孔洞，充填别的材料以获得所要求功能是近年来的研究热点，应用推广较快1.9.2 1.9.2 钛合金钛合金 钛合金是近来快速发展的材料钛及钛合金密度小(4.5g/cm3），强度大大高于钢,比强度和比模量性能突出钛的耐腐蚀性能优异，是目前耐海水腐蚀的最好的材料138 第第 页页第第 页页 钛是制造工作温度500℃以下构件，如火箭低温液氮燃料箱、导弹燃料罐、核潜艇船壳、化工厂反应釜等的重要材料 但是钛合金高温强度差，不宜在高温中使用尽管钛的熔点为1700℃左右，比镍等金属材料高好几百度，但其使用温度较低，最高的工作温度只有600℃如当前使用的飞机涡轮叶片材料是镍铝高温合金若能采用耐高温钛合金，材料的比强度、耐蚀性和寿命将大大提高为解决钛合金的高温强度，正积极研究采用中间化物即金属和金属之间的化合物作为高温材料中间化物熔点较高、结合力强，特别是钛铝，密度又小，作为航空的高温材料有较大的优越性和发展前途目前研制的有序化中间化合物使钛合金使用温度达到600℃以上、Ti3Al达到750℃、TiAl达到800℃左右，有望提高到900℃以上。
钛合金（续）139 第第 页页第第 页页1.9.3 1.9.3 镍及镍合金镍及镍合金 镍是重要的战略性资源镍基高温合金用以制造喷气发动机蜗轮盘及叶片，其使用温度可接近0.75T熔；镍铜系耐蚀合金可制造高压充油电缆、油槽、医疗器材；镍锰系是电真空材料；镍中添加硅、钨或锆和钙或钡可做阴极材料等等我国金川镍矿的开发，为镍生产提供了重要的基地140 第第 页页第第 页页1.9.4 1.9.4 镁及镁合金镁及镁合金 镁在地壳中含量为2.77% ，仅次于铝和铁，目前年产量约40万吨其主要优点是密度小，比强度、比刚度高，抗振能力强，可承受较大的冲击载荷，同时，切削加工和抛光性能好，因而是航空航天、仪器仪表、交通运输等工业部门的重要结构材料 但是，镁的化学性质活泼，抗腐蚀性能差，熔炼技术复杂，冷变形困难，缺口敏感性大，因而阻碍了其应用目前以铸造镁合金的应用为主但近年来研究出的Mg-Li合金，其密度为1.3～1.65g/cm3,有超合金之称且强度高，塑性和韧度好，易焊接，缺口敏感性小，是很有发展前途的变形镁合金141 第第 页页第第 页页1.9.5 1.9.5 难熔金属难熔金属 难熔金属主要有钨、钼、钽、铌、钒、铼，前四种有重要的工业价值，钨的50%是用于生产硬质合金（做WC粉），穿甲弹芯等，世界用钨量约1000吨/年，我国生产约30吨/年。
我国钼储量居世界第二位钼合金顶头可用于不锈钢穿管机上，钼板、钼丝主要用于电子工业做微波管热电子阴极、真空炉中辐照屏等钼是高速工具钢、高温合金中的重要组元142 第第 页页第第 页页1.9.6 1.9.6 先进陶瓷先进陶瓷 陶瓷有很多的优点：密度低，比重只有钢的三分之一，弹性模量高，缺口敏感性小，耐高温(目前达到1400℃)，膨胀系数低，硬度较高，摩擦系数较低，热稳定性和化学稳定性好，电性能好，属耐高温耐腐蚀绝缘材料但是，陶瓷的缺点也比较明显：如韧性低，较脆，难加工 先进陶瓷是相对于用天然无机物烧结的传统陶瓷而言，以精制的高纯人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制的制备工艺烧结而成的陶瓷，其性能远远胜过以往的传统陶瓷先进陶瓷又称为精细陶瓷或新型陶瓷 143 第第 页页第第 页页1.先进陶瓷的主要特性有 (1)绝缘性、半导性、导电性、超导性、压电性、磁性等 (2)耐热性、绝缘、高硬度、耐磨性、抗氧化、高温强度高等优异力学性能 (3)生物适应性、催化等生物、化学功能 (4)独特的光学功能及光、电、声、热、磁、弹性之间相互转换、耦合的功能。
陶瓷材料大致可分为结构陶瓷、功能陶瓷和生物陶瓷三类144 第第 页页第第 页页 结构陶瓷也称高温陶瓷或工程陶瓷,具有在高温下强度和硬度高，蠕变小、抗氧化、耐磨损、耐烧蚀等特性结构陶瓷大致可分为两大类：1500℃以上高温下短时间使用（几秒到几十分钟）和1200℃以上的高温下长期使用（几百到数千小时）的陶瓷前者用于卫星的端头帽、喷管喉衬、航天器中大热流部件等后者主要用于各种新型热机中的耐热部件，或其他领域的高温结构件、耐腐蚀部件、切削刀具等 功能陶瓷是具有机、电、声、热、磁、弹性等功能的材料，是现代信息技术、自动化技术应用的基础材料在耐热性、化学稳定性等方面优于金属和有机高分子材料又称为电子陶瓷 生物陶瓷始于20世纪60年代与金属材料，有机高分子材料相比，它具有与生物机体有较好的相容性和生物活性、耐腐蚀性、耐磨损性等性能先进陶瓷的主要特性14５５ 第第 页页第第 页页 2.目前陶瓷的发展 (1)多相复合陶瓷包括纤维（或晶须）补强的陶瓷基复合材料，异相颗粒弥散的复相陶瓷；两种或两种以上主晶相组合的多相复合陶瓷及梯度功能复合材料。
(2)纳米陶瓷先进陶瓷从目前的微米级（从粉体到显微结构）向纳米级尺度发展，由于制备科学上的进展以及工艺上的可行性，已成为其发展趋势之一 (3)陶瓷材料按的用性能设计已逐步摆脱以往的经验式的研究，而步入按使用性能对陶瓷材料进行设计阶段陶瓷的发展14６６ 第第 页页第第 页页1.9.7 1.9.7 复合材料复合材料 复合材料是由两种或两种以上材料，即基体材料和增强材料复合而成的一类多相材料复合材料保留了组成材料各自的优点，获得单一材料无法具备的综合性能 复合材料区别于单一材料的显著特征是材料性能的可设计性，即可以根据工程结构的载荷分布、环境条件和使用要求，选择相应的基体、增强材料和它们各自所占的比例，以及选用不同的复合工艺，设计各种排列方向、层数以满足构件的强度、刚度、耐蚀、耐热等要求，为结构的最佳化设计提供广阔的前景 复合材料的另一特征是材料与结构一次成形，即在形成复合材料的同时也就得到了结构件这一特点使构件的整体化程度提高；同时由于减少甚至取消了接头，避免或减少了铆、焊等工艺，从而减轻了构件质量，改善并提高了构件的耐疲劳性和稳定性等14７７ 第第 页页第第 页页 复合材料已成为当前结构材料发展的一个重要趋势。
用玻璃纤维增强树脂基，称为第一代复合材料；碳纤维增强树脂基为第二代复合材料；金属基、陶瓷基及碳基等复合材料则是目前正在发展的第三代复合材料 复合材料的种类繁多，按基体分，有金属基和非金属基两类金属基主要有铝、镁、钛、铜等和它们的合金；非金属基主要有合成树脂、碳、石墨、橡胶、陶瓷和水泥等按使用性能分，有结构复合材料和功能复合材料 随着高技术对材料耐热等性能的苛刻要求，高性能树脂基复合材料主要向耐热、耐溶剂等方向发展复合材料（续）复合材料（续）14８８ 第第 页页第第 页页1．纤维增强材料 纤维增强材料包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、晶须（丝状单晶，直径很细，强度很高）、颗粒等 碳纤维复合材料又称高性能复合材料，是指具有比通用复合材料性能更高的材料其特点是比强度、比模量高，密度低例如碳纤维增强环氧树脂，广泛应用于航天、航空、军工、原子能、体育用品、娱乐用品和医疗用品在航空工业中，碳纤维、硼纤维等高性能复合材料的使用，已成为衡量飞机先进程度主要标志之一 在赛车、赛艇、钓鱼杆等民用产品中，高性能复合材料具有独特的优点用碳纤维与聚甲醛复合制成的齿轮，其疲劳强度远远胜于聚甲醛齿轮；用碳纤维增强聚苯硫醚制成的机械零部件如阀门，可在200℃的多种强酸强碱中使用。
14９９ 第第 页页第第 页页2．基体材料 基体材料中，树脂基使用最为广泛树脂基（又称聚合物基）复合材料以树脂为粘结材料，纤维为增强材料其比强度、比模量大，耐疲劳、耐腐蚀、耐烧蚀，吸振性好、电绝缘好树脂基复合材料包括玻璃纤维增强热固性塑料、玻璃纤维增强热塑性塑料、石棉纤维增强塑料、芳纶纤维增强塑料、混杂纤维增强塑料等热固性树脂中以不饱和聚酯用量最大，热塑性树脂几乎都可用纤维增强其中玻璃纤维增强塑料应用最广、用量最大，广泛应用于机电、汽车、建筑、化工、轻工、造船、运输、冶炼、石油等行业 碳-碳复合材料是指用碳纤维或石墨纤维或它们的织物作为碳基体骨架,埋入碳基质中增强基质所制成的复合材料碳-碳复合材料的成分全部是碳元素,wc常占90%以上，有的可达98%～99% 15００ 第第 页页第第 页页 碳-碳复合材料随所用碳基体骨架用的碳纤维的性质、骨架的类型和结构,碳基所用原料及制造工艺,碳的质量结构,碳-碳复合材料制作工艺中各种物理、化学、界面等变化等会使性能有很大的差别 碳-碳复合材料可制成碳度高、模量好的复合材料碳-碳复合材料具有较高的化学稳定性和耐高温性，在1300℃以上，许多高温金属和无机耐高温材料都失去强度，唯独碳-碳复合材料的强度还稍有升高。
此外碳-碳复合材料还具有极好的生物相容性，已在人工关节、人工心脏瓣膜等领域得到了应用其缺点是垂直于增强方向的强度低 金属基复合材料是以金属、合金或金属间化合物为基体，含有增强成分的复合材料，与树脂基复合材料相比，金属基复合材料有较高的力学性能和高温强度，不吸湿，导电、导热，无高分子复合材料常见的老化现象碳-碳复合材料和金属基复合材料151 第第 页页第第 页页1.10 1.10 功能材料功能材料 功能材料是指具有特殊的电、磁、光、热、声、力、化学性能和理化效应的各种新材料，用以对信息和能量的检测、计量、传输、屏蔽、绝缘、吸收、控制、记忆、存储、显示、转化和变换的目的功能材料是现代高新技术发展的物质基础 按材料性能的功能特点，功能材料可分为力功能材料、声功能材料、热功能材料、光功能材料、电功能材料、磁功能材料、化学功能材料、核功能材料、生物医学功能材料等152 第第 页页第第 页页1.10.11.10.1传感器用敏感材料传感器用敏感材料 传感器通常由敏感元件和转换元件所组成敏感材料按物理、化学和结构特性可分为半导体、陶瓷、有机聚合物、金属和复合材料等；按功能可分为力敏材料、热敏材料、气敏材料、湿敏材料、声敏材料、磁敏材料、电化学材料、电压敏材料、生物敏感材料等。
1.10.2 1.10.2 电功能材料电功能材料 电功能材料是指主要利用材料的电学性能和各种电效应的材料包括导电材料、超导电材料、电阻材料、电接点材料、电绝缘材料、电容器材料、电压材料、热释电材料和光导电材料等电功能材料广泛用于电气工程、电子工程和仪器仪表等领域153 第第 页页第第 页页 磁功能材料主要利用材料的磁性，实现对能量和信息的转换、传递、调制、存储、检测等功能按化学成分通常分为金属磁性材料（包括金属间化合物）和铁氧体（氧化物磁性材料）两大类在工程技术中，常常按材料的磁性能、功能和用途将磁功能材料大致分类为软磁材料（变压器磁芯、电感磁芯和磁头磁芯等），磁记录材料、磁记忆材料、热磁效应、磁致伸缩、磁光效应、永磁材料等它们广泛用于机械、电力、电子、电信、仪器、仪表等领域1.10.4 1.10.4 新能源材料新能源材料 新能源材料是指在开发、利用新能源（如太阳能、地热能、潮汐能、原子能等）和提高传统能源利用率的技术中起关键作用的材料包括能量转换材料、储能材料、能量输运材料等1.10.3 1.10.3 磁功能材料磁功能材料154 第第 页页第第 页页1.10.5 1.10.5 光学功能材料光学功能材料 光学功能材料的发展与信息技术密切结合。
主要功能有光的发射和传输、光信息转换、存储、显示、计算和光的吸收 光学晶体已成为光信息转换、存储及光计算领域的重要功能材料光传递的信息容量是同轴电缆的10万倍一束激光可传输100亿路或1000万套电视节目光导纤维已达到传光2000km后功率损耗只有4.2dB的水平 光导到现在已发展了几代了，中国的光导目前是第三代，其衰减理论值是0.16，光导材料是高纯度石英玻璃+磷或锗的掺杂物，其中继距离是几百公里 光记录材料具有容量大、密度高、存取快速、可存储数字和图象信息，在计算机领域发展迅速显示显象材料以可见方式显示信息光吸收材料最重要的应用是隐身材料，雷达吸波材料用于减少雷达对飞行器等的可探测性达到隐身目的红外隐身、可见光隐身、声隐身等材料均在发展155 第第 页页第第 页页1.10.6 1.10.6 热功能材料热功能材料 热功能材料具有独特热物理性能和热效应的材料，用于制作发热、致冷、感温元件，或作为蓄热、传热、绝热介质当材料同时兼有优良的热传导、电导和适当的热膨胀特性和强度性能时，又可用来制作集成电路、电子元器件的基板、引线框架、谐振腔等。
1.10.7 1.10.7 力学、声学功能材料力学、声学功能材料 力学、声学功能材料是指主要利用物质的弹性、超弹性、内耗性、形状记忆效应、磁致伸缩效应、电致伸缩效应等，制作弹性元件、发声发振元件、形状记忆元件、智能元件、减振和吸声装置等材料力学、声学功能材料包括弹性合金、减振合金、吸声材料、乐器材料、电声材料、超声材料和形状记忆材料等这种材料广泛应用于仪器仪表、机械制造、声学工程等各领域156 第第 页页第第 页页1.11 1.11 纳米材料纳米材料 纳米材料具有奇特的性能和广阔的应用前景，被誉为跨世纪的新材料纳米材料其粒子直径范围在1～100nm之间,即指至少在一维方向上受纳米尺度（0.1～100nm）调制的各种固体超细材料纳米技术是一门研究电子、原子和分子运动规律、特性的高新技术 纳米材料按结构可分为四类：一是具有原子蔟和原子束结构的称为零维纳米材料；二是具有纤维结构的一维纳米材料；三是具有层状结构的二维纳米材料；四是晶粒尺寸至少一个方向在几个纳米范围内的称为三维纳米材料 按化学组份可分为纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料等。
按材料物性可分为纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等 157 第第 页页第第 页页1.11.1 1.11.1 纳米材料的发展纳米材料的发展 自20世纪80年代纳米材料概念形成后，世界各国先后对这种新型材料给予极大的关注20世纪90年代初，在世界范围内出现了一门全新的科学技术，即纳米技术它包括纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学和纳米机械学等它的目的是利用越来越小的精细技术生产出所需要的产品研究发现，随着物质的超微化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏观物体所不具有的表面效应 超微粒材料具有优异的电、磁、光、力学和化学等宏观特性，从而使其在电子、冶金、宇航、化工、生物和医学领域展现出广阔的应用前景158 第第 页页第第 页页1.11.21.11.2纳米材料的应用及前景纳米材料的应用及前景 1．在信息科学上的应用 纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，纳米电子学将成为21世纪信息时代的核心。
例如可以从阅读硬盘上读取信息的纳米级磁读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米级存储器芯片又如国外的研究人员已经着手研制体积只有针头大小的计算机159 第第 页页第第 页页2．在生物工程上的应用 虽然分子计算机目前只是处于理想阶段，但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，并且，其奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用，它将使单位体积物质的储存和信息处理能力提高上百万倍 美国伊利诺伊大学的科学家通过简便易行的方法，制成带状纳米级细管这种细管可以用来向人体内释放药物据美国《科学》杂志报道，这种纳米管由附在带电油脂膜上的肌动蛋白构成由于这种细管类似细菌的细胞壁，因此研究人员又将它称为“人造细菌” 160 第第 页页第第 页页3. 在化工领域的应用 将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中，可以有效地遮蔽紫外线将金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中，可以大大降低静电作用利用纳米微粒构成的海绵体状的轻烧结体，可用于气体同位素、混合稀有气体及有机化合物等的分离和浓缩。
纳米微粒还可用作导电涂料，用作印刷油墨，制作固体润滑剂等 161 第第 页页第第 页页4. 在医药学领域的应用 数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织未来的纳米机器人，可进入人体并摧毁各个癌细胞又不损害健康细胞德国一家医院的研究人员将一些极其细小的氧化铁纳米颗粒，注入患者的肿瘤里，然后将患者置于可变的磁场中，使患者肿瘤里的氧化铁纳米颗粒升温到45～47℃，这温度足以烧毁肿瘤细胞，而周围健康组织不会受到伤害在人工器官移植领域，只要在人工器官外面涂上纳米粒子，就可预防人工器官移植的排异反应使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和ＤＮＡ诊断出各种疾病 162 第第 页页第第 页页 5. 在材料学领域的应用 纳米陶瓷材料除保持传统性能外，还具有高韧性和延展性，TiO2陶瓷晶体材料能被弯曲，其塑性变形可达100%，且弯曲变形时其表面裂纹不会扩大许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题，则它将具有高硬度、低温超塑性、和像金属一样的柔韧性及可加工性 将纳米大小的抗辐射物质掺入到纤维中，可制成防紫外线、电磁波辐射的“纳米服装” 。
纳米材料溶于纤维，不仅能吸收阻隔95％以上的紫外线和电磁波，而且具有无毒、无刺激，不受洗涤、着色和磨损影响和保护人体皮肤免受辐射伤害163 第第 页页第第 页页6．在航天领域的应用 美国于1995年提出了纳米卫星的概念这种卫星比麻雀略大，重量不足10kg，各种部件全部用纳米材料制造，采用最先进的微机电一体化集成技术整合，具有可重组性和再生性，成本低，质量好，可靠性强一枚小型火箭一次就可以发射数百颗纳米卫星若在太阳同步轨道上等间隔地布置648颗功能不同的纳米卫星，就可以保证在任何时刻对地球上任何一点进行连续监视，即使少数卫星失灵，整个卫星网络的工作也不会受影响164 第第 页页第第 页页7．在制造与加工领域的应用 纽约大学实验室最近研制出了一个纳米级机器人，机器人有两个用DNA制做的手臂，能在固定的位置间旋转研究人员认为，这一成果预示著，科学家有朝一日能够研制出在纳米级工厂里制造分子的纳米机器人这些纳米机器有微小的“手指”可以精巧地处理各种分子；有微小的“电脑”来指挥“手指”如何操作手指”可能由碳纳米管制造，它的强度是钢的100倍，细度是头发丝的五万分之一。
电脑”可能由碳纳米管制造，这些碳纳米管既能做晶体管又能做连接它们的导线电脑”也可能由DNA制造，用适当的软件和足够的灵巧性进行武装的纳米机器人可以构建任何物质165 第第 页页第第 页页8．在军事上的应用 “苍蝇飞机” 这是一种如同苍蝇般大小的袖珍飞行器，可携带各种探测设备，具有信息处理、导航和通信能力其主要功能是秘密部署到敌方信息系统和武器系统的内部或附近，监视敌方情况这些纳米飞机可以悬停、飞行，敌方雷达根本发现不了它们据说它还适应全天候作战，可以从数百千米外将其获得的信息传回己方导弹发射基地，直接引导导弹攻击目标 “蚊子导弹” 由于纳米器件比半导体器件工作速度快得多，可以大大提高武器控制系统的信息传输、存储和处理能力，可以制造出全新原理的智能化微型导航系统，使制导武器的隐蔽性、机动性和生存能力发生质的变化166 第第 页页第第 页页 利用纳米技术制造的形如蚊子的微型导弹，可以起到神奇的战斗效能纳米导弹直接受电波遥控，可以神不知鬼不觉地潜入目标内部，其威力足以炸毁敌方火炮、坦克、飞机、指挥部和弹药库 “蚂蚁士兵” 这是一种通过声波控制的微型机器人。
这些机器人比蚂蚁还要小，但具有惊人的破坏力它们可以通过各种途径钻进敌方武器装备中，长期潜伏下来一旦启用，这些“纳米士兵”就会各显神通：有的专门破坏敌方电子设备，使其短路、毁坏；有的充当爆破手，用特种炸药引爆目标；有的施放各种化学制剂，使敌方金属变脆、油料凝结或使敌方人员神经麻痹、失去战斗力纳米材料在军事上应用167 第第 页页第第 页页9．在环境科学上的应用 环境科学领域将出现功能独特的纳米膜这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对这些制剂进行过滤，从而消除污染 德国科学家正在设计用纳米材料制作一个高温燃烧器，通过电化学反应过程，不经燃烧就把天然气转化为电能燃料的利用率要比一般电厂的效率提高20% ～ 30%，而且大大减少了二氧化碳的排气量此外，还发现纳米微粒的紫外吸收特性用拌入纳米微粒的水泥、混凝土建成的楼房，可以吸收降解汽车尾气，城市的钢筋水泥从此能像森林一样“深呼吸”168 第第 页页第第 页页10．其他应用 除以上应用之外纳米材料还有很多其他应用，如纳米银粉，镍粉轻烧结体作为化学电池，燃烧电池和光化学电池中的电极，可以增大与液体或气体之间的接触面积，增加电池效率，有利于电池的小型化。
纳米在保健领域的应用目前主要是：纳米元素硒作为保健食品添加剂纳米技术在化纤方面的应用目前主要集中在抗菌、远红外反射保暖及保健、抗紫外、阻燃、不沾污免洗、光敏等功能纤维方面应用纳米技术与纳米材料的无菌餐具、无菌扑克牌、无菌纱布等产品也已面世169 第第 页页第第 页页本辑结束本辑结束谢谢您使用多媒体教材谢谢您使用多媒体教材 第第 页页第第 页页参加编制的人员：参加编制的人员：技术顾问：刘立元技术顾问：刘立元169张 萍、姚 勤、陆建刚、朱华柄、朱 民、李 宏、刘占兵、周 峰、皱鸿儒、鞠俊亭、钟高建、杨飞云、王志清、李 伟、朱慧英、黄慰卿、张金荣、王琴珍、朱辉石、陆新惠、姚明珍、张汉芳、陆小生、冯 磊等 第第 页页第第 页页人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。
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