《机械基础》PPT课件.ppt

山 东 胜 利 职 业 学 院 机 械 基 础 张立勇,第一章 金属材料基本知识 1.1 金属材料的性能,材料的性能： 使用性能：机械性能、物理性能、化学性能。 工艺性能：切削加工性能、铸造性能、焊接性能、锻造性能、热处理性能. 机械性能: 如强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度 物理性能: 如密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性 化学性能: 如抗腐蚀性、抗氧化性 实践证明，大部分的机械零件在使用过程中，用于传递动力和运动，因此在设计、制造和选材时，以机械性能为主要依据。,使用性能：材料在使用过程中表现出的性能。,工艺性能：材料在制造产品的过程中表现出性能。,一、强度：材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。 由于材料承受外力形式不同，又分为抗拉、抗压、抗扭、抗弯、抗剪等几种强度. 抗拉强度是由拉伸试验测定的。金属材料通过拉伸实验即可求得材料的比例极限（p）屈服强度（s）、和抗拉强度（b）。,1、弹性极限(比例极限)：材料不产生塑性变形时所能承受的的最大应力。 2、屈服强度s：材料开始产生明显塑性变形时的最小应力。 3、抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。 4、条件屈服强度0.2：高碳钢等无屈服点，国家标准规定以残余变形量为0.2%时的应力值作为它的条件屈服强度，以0.2来表示. 注:脆性材料没有屈服现象.,拉伸实验:,1.拉伸试样,2.拉伸曲线：,低碳钢拉伸曲线,脆性材料拉伸曲线,二、塑性：材料产生塑性变形而不破坏的能力。用延伸率和断面收缩率来表示: 1、延伸率:,2、断面收缩率 ：,拉伸试样的颈缩现象,、值越大，表示材料的塑性越好。良好的塑性是压力加工及焊接等工艺所需的重要条件，也是机械零件在使用过程中安全可靠的保证。,三、硬度:抵抗更硬物体压入其表面产生局部塑性变形或破坏的能力, 是衡量金属材料软硬程度的指标. 硬度的表示方法-布氏硬度HB; 洛氏硬度;维氏硬度. 硬度的测定方法-压入法: 一定形状的压头，一定的静载荷，压入工件表面，根据压痕的深度或直径确定工件的硬度值。,1.布氏硬度HB:是用一定直径D的淬火钢球或硬质合金球，在规定的试验力F的作用下，压入试件表面，并保持一定时间(10-15s)，卸除力F，测量压痕直径d，以压痕单位面积上的压力表示材料的布氏硬度值. 在实际使用中，布氏硬度值并不计算，也不用标注单位，只需测出压痕直径d，即可从布氏硬度表上查得。,压头为淬火钢球时，用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。 压头为硬质合金时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在450650的材料。,(1).标注：符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。 如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的淬火钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。再如: 500HBW5/750表示直径为5mm的硬质合金钢球在750kgf（9.807kN）载荷作用下保持(10-15)s测得的布氏硬度值为500。 注: (10-15)s不标注. (2).特点：优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。 适于测量退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。 (3).材料的b与HB之间的经验关系： 对于低碳钢: b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：b(MPa)3.4HB 对于铸铁： b(MPa)1HB或0.6(HB-40),2洛氏硬度:洛氏硬度试验是用顶角120的金刚石圆锥体或直径1.588的淬火钢球作压头，加上一定载荷，使压头压入工件表面，然后根据压痕的深度确定其硬度值。硬度值可直接从试验机表盘上读出,不需计算,也不用标出单位.,(1)常用标尺有：B、C、A三种,即 HRA;HRB;HRC. HRA： 硬、薄试件.如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。 HRB ：轻金属、未淬火钢.有色金属和退火、正火钢等。 HRC ：较硬，淬硬钢制品.如调质钢、淬火钢等。 (2)标注方法:如60HRC表示C标尺测定的洛氏硬度值为60. (3)特点:优点：操作简便，压痕小，适用范围广。 缺点：测量结果分散度大。,四、冲击韧性: 是指金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。 用冲击韧度来衡量.指标为冲击韧度值Ak. 冲击韧度:是冲断式样时在缺口处单位面积所消耗的功. Ak可直接从试验机刻度 盘上读出.,Ak值低的材料叫脆性材料 AK值高的材料叫韧性材料 应用: 1、评定材料的低温变脆倾向 2、反映原材料的冶金质量和热加工产品的质量及材料对于缺口的敏感性.,五、疲劳强度(疲劳极限):材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。（80%的断裂由疲劳造成）,1、疲劳现象：承受交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小 于屈服极限的应力下,经过多次应力循环发生断裂。 疲劳断裂过程：裂纹萌生 2、疲劳曲线与疲劳极限。,裂纹扩展,突然断裂,3、提高疲劳强度的措施： (1)避免尖角、缺口和截面变化; (2)降低零件表面粗糙度; (3)采用各种表面强化措施.,思考题: 1.金属材料的性能一般分几类? 各包括哪些性能? 2.常用机械性能指标有几种?他们如何定义? 有何特点?有何区别?,第二节 金属的晶体结构和结晶,不同牌号的钢材，具有不同的机械性能，例如45钢的强度、硬度值比20钢高，但韧性、塑性值不如20钢。即使同一牌号的钢材，在不同状态下机械性能也不同,如一块含碳量为0.8%的T8钢，从钢厂出厂时硬度约为20HRC，而加工成工具并进行热处理后，其硬度可达60HRC以上。这是由于钢材内部具有不同的组织结构或在热处理过程中使内部结构发生了转变。 一、金属的晶体结构 自然界中的固态物质，根据其原子排列特征，可分为两大类: 晶体:原子有序地按一定形式和规则排列的物质称为晶体.如金刚石、石墨、金属及合金等。 非晶体:原子是杂乱无序排列的物质称为非晶体.如普通玻璃、松香等。 注:在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。,晶格：用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架。 晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元.,金属中常见的晶格: 1.体心立方晶格:它的晶胞是一个 立方体，在立方体的八个顶角和立方 体的中心，各排列一个原子. 常见金属： -Fe、Cr、 W、 Mo、V、Nb等.,2.面心立方晶格:它的晶胞也是一个立方体，在立方体八个顶角和六个面的中心各排列一个原子. 常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb等,3.密排六方晶格:它的晶胞是一个六方柱体，在柱体的每个顶角上，以及上、下底面的中心各排列一个原子，在晶胞中间还排列有三个原子. 常见金属：Mg、Zn、Be等.,二、金属的结晶过程 金属由液体转变成为晶体的过程称为结晶。,1.冷却曲线:金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。 (1)结晶阶段: a、b二点之间. (2)理论结晶温度T0:。水平线段.(曲线结晶时放出结晶潜热引起的。) (3)过冷:金属的实际结晶温度（T1）总是要低于理论结晶温度（T0），这种现象称为过冷. (4)过冷度:理论结晶温度与实际结晶温度之差（T0T1）称为过冷度，用T表示. 注:过冷度不是一个恒定值，它与冷却速度有关。冷却速度愈大，过冷度也愈大，则金属的实际结晶温度也愈低。 实际金属总是在过冷情况下进行结晶,所以过冷是金属结晶的一个必要条件.,图1-5 金属的冷却曲线,2.金属结晶的基本过程：结晶过程由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成。 (1)晶核:液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶核。在T0以下，经一段时间后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。 晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。,(2)晶粒:构成晶体的外形不规则的小晶体。而晶粒是由一个晶核成长形成的。 (3)单晶体:如果金属冷却结晶后的金属晶体只是由一个晶粒组成称为单晶体。 (4)多晶体:普通的金属都是由许多晶粒组成的。 (5)晶界:晶粒与晶粒之间的分界面叫做晶界。,3.晶体中的缺陷:原子排列的不规则性的部分。 理想晶体:晶体中原子完全为规则排列.否则,为实际晶体. (1)点缺陷空位和间隙原子 空位:晶格结点处无原子 间隙原子:原子占据晶格间隙 注:点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。 从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。,空位,间隙原子,(2)线缺陷(位错)：有一列或若干列原子发生了有规律地错排现象。有刃型位错和螺型位错两种类型。 刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错. 位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此提高位错密度是强化金属的主要途径。,(3)面缺陷:一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。分为晶界、亚晶界等。 晶界:是不同位向晶粒的过度部位. 亚晶界:亚晶粒之间的交界面,也可看作位错壁。 晶粒越细小，金属的强度硬度越高。,4.细化晶粒的方法 晶粒的粗细对金属的机械性能影响很大，一般地说，细晶粒金属的强度高，塑性、韧性好。这是因为晶粒愈细，晶界越多，杂质越分散，它们对机械性能的危害也就越小，再者晶粒越细，晶粒数目就越多，晶粒与晶粒之间犬牙相错的机会愈多，彼此互相紧固，增加了强度，提高了韧性。所以生产中，控制晶粒的粗细就成为改善金属性能的主要措施之一。 （1）提高过冷度:当过冷度增大时， 生核率可大大增加，而长大速度增加较少， 因而使晶粒细化。,（2）变质处理又称孕育处理:有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫质剂（或称孕育剂). （3）振动，搅拌等:对正在结晶的金属进行振动(机械振动、超声波振动、电磁振动)或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。,4.金属的同素异晶转变:金属在固态下，随着温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格，称为同素异晶转变（亦称同素异构转变） 。 自然界中大多数金属，结晶后晶格类型保持不变，只有少数金属（如铁、锡、钛、锰等）结晶后，在不同温度下有不同的晶格类型。,由图可知，液态纯铁在1538进行结晶，得到具有体心立方晶格的-Fe，继续冷却到1394，发生同素异晶转变，转变为面心立方晶格的-Fe，继续冷却到912时，又发生同素异晶转变，转变为体心立方晶格的-Fe，如再继续冷却时，晶格类型不再发生变化.,固态同素异晶转变与液体金属结晶的异同： 相同点：遵循结晶的一般规律，有过冷现象，有结晶潜热. 不同点：固态下结晶，晶核是在原来晶粒的晶界上形成的.需要较大的过冷度，伴随体积改变,引起组织应力,造成零件变形甚至裂纹 .770是磁性转变温度（居里点）. 重结晶:实际上同素异晶转变是原子重新排列的过程，是一种结晶过程。 由于铁能够发生同素异晶转变，所以生产中才有可能对钢铁进行热处理，以改变其组织和性能。,三、合金的相结构 合金: 是指两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素熔合在一起，所得到的具有金属特性的物质。 组元: 组成合金最基本的、独立的物质称为组元.组元可以是元素或化合物( 例如钢是由铁和碳两种元素组成的合金，铁和碳就是组元.有二元合金、三元合金、多元合金). 相: 在合金体系中，具有相同的物理和化学性能，并与该体系中其它部分有明显界面的部分称为相。 (在结晶过程中，固态和液态为两个不同的相 ) 合金系：组元按不同比例配制出一系列成分不同的合金。 显微组织：是指在显微镜下观察到的具有某种形貌特征的部分。 固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。,1.固溶体:合金在固态下，一种组元溶解到另一种组元中形成一种均匀的固相称为固溶体. 溶剂：保留晶格形式的组元. 溶质: 晶格类型消失的组元. 根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同。固溶体可分为二类：间隙固溶体和置换固溶体。,（1）间隙固溶体:只有溶质原子直径很小。溶剂原子间的间隙较大的条件下，才能形成间隙固溶体。如C、N、B等非金属元素，溶入铁中，形成的固溶体即属于这种类型。间隙固溶体所溶解的溶质数量是有限的。 置换固溶体：两种组元的原子直径相差不大，在形成固溶体时，溶剂晶格上的部分原子，被溶质原子所置换。,固溶强化：无论是间隙固溶体还是置换固溶体，都因溶质原子的加入，使溶剂晶格发生歪扭和畸变，使合金的变形抗力增加，从而提高了合金的强度和硬度。这种因形成固溶体而使合金的强度和硬度提高的现象称为固溶强化. 在实际生产中，广泛利用固溶强化提高金属材料的机械性能.,2.金属化合物：合金两组元相互作用而形成的具有金属特性的固相。 金属化合物特点： （1）晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同。 （2）可用分子式表示其组成。 （3）具有高的熔点和硬度，脆性大。 例如铁和碳组成的渗碳体就是一种金属化合物。金属化合物也是合金的重要组成相。,3、机械混合物： 纯金属、固溶体、金属化合物都是组成合金的基本相。机械混合物就是两种以上的相混合而成的。机械混合物中各相仍保持各自的晶格类型和性能，因而机械混合物的性能取决于各相的性能、数量、形态、大小和分布情况。,思考题： 1.什么叫过冷度？液态金属发生结晶的必要条件是什么？ 怎样获得细晶粒？ 2.什么是晶体、晶胞、晶粒、晶界、固溶体、化合物、 机械混合物、固溶强化？,第三节 铁碳合金状态图 铁碳合金相图(状态图):是研究铁碳合金最基本工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础，是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺的依据. 一、铁碳合金的基本相 铁碳合金在液态时铁和碳可以无限互溶;在固态时,碳可以溶解在铁中形成固溶体,也可与铁形成化合物,或者形成固溶体与化合物组成的机械混合物. 1. 铁素体：碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体，称为铁素体。用F表示.都是体心立方的间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低，在727时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。,铁素体,铁素体,由于体心立方晶格原子间的空隙较小.铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。塑性和韧性较好，强度和硬度较低。,2、奥氏体:碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。用A或表示。 是面心立方晶格的间隙固溶体,间隙较大,溶碳能力比铁素体强. 1148时最大为2.11%,727时最大为0.77%,由于-Fe比-Fe溶碳量多，所以奥氏体的强度和硬度较铁素体高。奥氏体仍是单一的固溶体,塑性好，变形抗力较低， 因此,钢材进行压力加工时,都要加热至奥氏体区域。 硬度：170220HBS.,奥氏体,奥氏体,3、渗碳体：当碳的含量超过碳在铁中的溶解度时，多余的碳就会和铁以一定的比例化合，形成Fe3C，称为渗碳体 . 含碳6.69%，具有复杂的晶格 .硬度高,塑性几乎为零,脆性很大，硬度:800HBW 。Fe3C在一定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C（石墨），该反应对铸铁有重要意义。 由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。,4、珠光体：铁素体与渗碳体组成的机械混合物，称为珠光体，用P表示。 珠光体是奥氏体在727的恒温下同时析出渗碳体和铁素体后所形成的机械混合物。珠光体的含碳量为0.77%，由于它是硬的渗碳体和软的铁素体相间组成的机械混合物，所以机械性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。,5、莱氏体：奥氏体与渗碳体组成的机械混合物，称为莱氏体，用Ld表示. 莱氏体是含碳量为4.3%的铁碳合金，在1148时，从液体中同时结晶出奥氏体和渗碳体后形成的混合物。由于奥氏体在727时转变为珠光体，所以在室温时，莱氏体由珠光体和渗碳体组成。为区别起见，将727以上的莱氏体称为高温莱氏体(A+ Fe3C) ；在727以下的莱氏体，称为低温莱氏体(P(F+ Fe3C)+ Fe3C) 。莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度很高（HBW700），塑性很差。,莱氏体,珠光体,二、铁碳合金状态图:铁碳合金状态图是表示钢铁材料的成分、温度与组织之间的关系及其变化规律的图形。它是研究钢铁材料的重要理论基础，是制定热加工及热处理工艺的重要依据。含碳量高的铁碳合金强度低，脆性很大，加工困难，没有实用价值，因此现在的铁碳合金状态图。只研究Fe-Fe3C部分，实际上是Fe-Fe3C状态图.图中纵坐标轴表示温度，横坐标轴表示含碳量的质量百分数，由左向右表明含碳量由0增加到6.69%。,1、Fe-Fe3C状态图的主要点、线：,ACD液相线 AECF固相线 ECF共晶线.共晶反应：一定成分的液体，在一定温度下，同时结晶出奥氏体和渗碳体的反应。共晶产物是A与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体，用Ld表示。P+ Fe3C的机械混合物，称作变态莱氏体，用 Ld 表示，以Fe3C为基，性能硬而脆。560HBW. PSK共析线.共析反应：一定成分的奥氏体，在727温度下，同时析出铁素体和渗碳体的反应。共析转变的产物是F与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。其组织特点是两相呈片层相间分布，性能介于两相之间。 PSK线又称A1线.抗拉强度：750900MPa, 180280HBS,伸长率：2025%. GS冷却时，从奥氏体中析出铁素体的开始线,又称A3 线。 ES 碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称Ac m线。析出网状二次渗碳体（Fe3C） PQ碳在-Fe中的最大溶解度曲线。析出三次渗碳体（Fe3C）,2、铁碳合金典型成分结晶过程分析： 铁碳合金状态图上的各种成分合金（除工业纯铁外），按其含碳量和组织不同，分为两大类，即：,工业纯铁（C%0.0218%）,L-L+A-A-A+F-F+Fe3CIII,相组成物：F+Fe3C C%0.0008% ; F C%0.0008%,组织组成物：F和Fe3CIII,Fe3C以不连续网状或片状分布于晶界。随含碳量增加，Fe3C量不断增加，合金的室温下组织为F+ Fe3C。 室温下Fe3C的最大量为: Fe3C,(1)共析钢 C%=0.77% L-L+A-A-A+P-P 相组分：F和Fe3C 组织组分:P,(2)亚共析钢,亚共析钢的室温组织：P+F，随着含碳量的增加，珠光体的量逐渐增加，铁素体的量逐渐减少.,(3)过共析钢,L-L+A-A-A+Fe3CII-P+Fe3CII,相组成物：F，Fe3C 组织组成物：P，Fe3CII,含1.4%C钢的组织,(4)共晶白口铁 白口生铁中的共晶（C=4.3%）、亚共晶（C4.3%）,L-Ld (A+Fe3C共晶)-Ld(A+Fe3C共晶+Fe3CII)-Ld(P+Fe3CII+Fe3C),室温下的相组成物：F，Fe3C. 室温下的组织组成物：Ld,共晶白口铁金相,(5)亚共晶白口铸铁 2.11%C%4.3% 组织组成物：P+Ld+Fe3CII 相组成物：F+Fe3C,亚共晶白口铁金相,(6)过共晶白口铸铁 组织组成物：Ld+Fe3C;相组成物 ：F+Fe3C,过共晶白口铁金相,小结： 标注组织的铁碳相图,3、铁碳合金中含碳量、组织、性能之间的关系： (1)含碳量对钢的力学性能的影响： 随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。当含碳量0.9%，随着含碳量的升高，强度下降, 但硬度仍上升，塑性、韧性继续下降。含碳量对铸铁的力学性能的影响：硬而脆，没有使用价值。 (2)含碳量对室温平衡组织的影响: 随含碳量增加，组织中Fe3C不仅数量增加，而且形态也在变化，由分布在F 基体内(片状Fe3C)变为分布在A晶界上(网状Fe3C)，最后形成莱氏体时，Fe3C已作为基体出现。 (3)含碳量对工艺性能的影响 1)切削性能：经切削加工成工件的难易程度。中碳钢比较合适。 2)可锻性能：金属压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。低碳钢比高碳钢好。 3)铸造性能：共晶成分附近的合金铸造性能好。 4)焊接性能：低碳钢好于高碳钢。 5)热处理性能：下章介绍。,第四节 钢的热处理概述 热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。,热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。 在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。 在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。 至于模具、滚动轴承则要100%经过热处理。 总之，重要的零件都要经过适当的热处理才能使用.,热处理特点：热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。 热处理适用范围：只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。,分类：根据加热和冷却的方法：,一、钢在加热和冷却时的组织转变 1、钢在加热时的组织转变： 加热是热处理的第一道工序。 目的是获得均匀的奥氏体组织。 钢的临界温度（相变点）铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示。 由于实际加热或冷却时存在过冷或过热现象，因此，将钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示，冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示.,钢的奥氏体化:加热到相变点以上,获得奥氏体组织的过程. （1）钢的奥氏体化 奥氏体的形成的基本过程（现以共析钢为例说明）： 1）.奥氏体晶核形成和长大：首先在F与Fe3C相界形核。A 晶核通过铁、碳原子的扩散，F的晶格改组和Fe3C的溶解。 2）.残余Fe3C溶解：铁素体在成分、结构上比Fe3C更接近于奥氏体，因而先于Fe3C消失，而残余Fe3C则随保温时间延长不断溶解直至消失。 3）奥氏体的均匀化。Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。 保温的目的：工件热透、奥氏体成分的均匀化。,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F 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。,(2)奥氏体晶粒大小及控制 1)奥氏体晶粒度:将钢加热到相变点以上某一温度并保温给定时 间所得的奥氏体化晶粒的大小。,2)奥氏体晶粒长大 起始晶粒度：奥氏体化刚结束时的晶粒度. 实际晶粒度：在给定温度下奥氏体的晶粒度。 本质晶粒度：加热时奥氏体晶粒的长大倾向。 通常将钢加热到94010奥氏体化后，设法把奥氏体晶粒保留到室温来判断。 前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。 3)奥氏体晶粒度的控制 A.加热温度和保温时间： 加热温度高、保温时间长，A晶粒粗大。 B.加热速度： 加热速度越快，过热度越大，形核率越高， 晶粒越细。快速加热，短时保温（高频感应淬火）.,C.合金元素： 阻碍奥氏体晶粒长大的元素：Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等，多为碳化物和氮化物形成元素。 促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。 D.原始组织：平衡状态的组织有利于获得细晶粒。 奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一,2.钢在冷却时的组织转变 处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是 非稳定组织，迟早要发生转变。 过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变两种,随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。 以共析钢为例说明： (1)珠光体转变 1）珠光体的组织形态及性能 过冷奥氏体在A1到550间将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物，根据片层厚薄不同，又细分为珠光体、索氏体和托氏体.,2) 珠光体： 形成温度为A1-680，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示。,3)索氏体 形成温度为680-600，片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S 表示。,4)屈氏体 形成温度为600-550，片层极薄，电镜下可辨，用符号T 表示。,珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善,(2)贝氏体转变（550- Ms) 贝氏体：含碳过饱和的铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 过冷奥氏体在550- 230 (Ms)间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号B表示。 根据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体(B上)和下贝氏体（B下）。,A.上贝氏体:形成温度为550-350。在光镜下呈羽毛状。在电镜下为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。,B.下贝氏体:形成温度为350- 230(Ms)。 在光镜下呈竹叶状。在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向呈55-60角。,上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。 下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，生产中常用的等温淬火获得。,(3)马氏体转变 当奥氏体过冷到Ms 以下将转变为马氏体类型组织。 马氏体转变是强化钢的重要途径之一。 1)马氏体的晶体结构 碳在-Fe中的过饱和固溶体称马氏体。用符号M 表示。 马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。 2)马氏体的组织形态 马氏体的形态分板条和针状两类。 A.板条马氏体 立体形态为细长的扁棒状 在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织。,B.针状马氏体 立体形态为双凸透镜形的片状。显微组织为针状。,3)马氏体的形态主要取决于其含碳量 C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体。 C%大于1.0%时则几乎全部是针状马氏体。 C%在0.21.0%之间为板条与针状的混合组织。 4)马氏体的性能 A.马氏体的硬度与强度：马氏体的硬度主要取决于其含碳量。 含碳量增加，其硬度增加。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。 B.马氏体的塑性和韧性 针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性。 C.马氏体的比容 单位质量的体积。马氏体的比容最大，转变时体积发生膨胀，产生内应力。,二.钢的热处理工艺 机械零件的一般加工工艺为：毛坯（铸、锻）预备热处理机加工最终热处理。 预备热处理：消除前道工序的某些缺陷，为随后的切削加工和最终热处理作好准备的热处理。 最终热处理：满足工件使用性能的热处理。 退火与正火工艺主要用于预备热处理，只有当工件性能要求不高时才作为最终热处理。 1、退火工艺 退火的种类很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火、去应力退火、再结晶退火。 1)完全退火 主要用于亚共析成分的碳钢和合金钢。 加热温度：Ac3+30 50 。 组织：F+P 目的：细化晶粒、消除内应力、降低硬度，为随后的切削加工和淬火作好准备。,2)等温退火 亚共析钢加热温度 Ac3+3050,共析、过共析钢加热温度Ac1+3050 保温后快冷到略低于Ar1的温度停留，待相变完成后出炉空冷。等温退火可缩短工件在炉内停留时间。 3)球化退火 球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。 主要用于共析和过共析成分的碳钢和合金钢。 加热温度 Ac1+ 30-50 目的：降低硬度，改善切削加工性，为淬火作好准备。 4)均匀化退火 用途：合金钢铸锭和铸件 加热温度：AC3+150200（10001200） 目的：消除枝晶偏析，使成分均匀化。完全退火或正火消除过热缺陷。 5)去应力退火 将工件缓慢加热到Ac1一下100200，保温一定时间，然后随炉缓慢冷却的热处理工艺。 无组织转变，消除残余内应力。,2.正火:正火是将钢加热到Ac3或Accm以上30 50，保温后空冷的工艺。 正火比退火冷却速度大。 正火后的组织： 0.6%C时组织 F+S 0.6%C时组织 S 正火的目的: 作为普通结构零件的最终热处理。 改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性能： 160230HBS (3)消除过共析钢中网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。 （4）特定情况代替淬火、回火。 （5)作为中碳结构钢较重要零件的预备热处理。,正火温度,3.钢的淬火:淬火是将钢加热到AC3或AC1以上，保温后以大于Vc速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。 淬火是应用最广的热处理工艺之一。 淬火的目的： 获得马氏体组织，为回火作准备 淬火介质:常用淬火介质是水和油。 水的冷却能力强，但低温却能力太大，只用于形状简单的碳钢件。 油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太小，用于合金钢和小尺寸的碳钢件。 熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之间，用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。,真空淬火炉,4.钢的回