金属材料与热处理(最全).ppt

精品课程,金属材料与热处理,工程材料,金属材料,非金属材料,黑色金属材料：钢和铸铁,有色金属材料,高分子材料,铜及铜合金,滑动轴承合金,陶瓷材料,复合材料,铝及铝合金,工程材料的分类,当今社会科学技术突飞猛进，新材料层出不穷，但到目前为止，在机械工业中使用最多的材料仍然是金属材料，其主要原因是因为它具优良的使用性能和加工工艺性能。,金属材料的性能,使用性能,加工工艺性能,机械性能：强度、硬度、塑性、韧性等,铸造性能：流动性、收缩性等,锻造性能：压力加工成型性等,切削加工性能：车、铣、刨、磨的切削量，光洁度等,物理性能：导电、导热、电磁、膨胀等,化学性能：抗氧化性、耐腐蚀性等,焊接性能：熔焊性、焊缝强度、偏析等,热处理性能：淬透性、回火稳定性等,概述,1.在实际工业中，广泛使用的不是前述的单组元材料，而是由二组元及以上组元组成的多元系材料。多组元的加入，使材料的凝固过程和凝固产物趋于复杂，这为材料性能的多变性及其选择提供了可能。 2.二元系相图是研究二元体系在热力学平衡条件下，相与温度、成分之间关系的工具，它已在金属、陶瓷，以及高分子材料中得到广泛的应用. 3.在多元系中，二元系是最基本的，也是目前研究最充分的体系。,第3章 铁碳合金和铁碳相图,本章课程目的要求,通过讲授铁碳合金相图，使学生掌握：合金相图是表示在极缓慢冷却 (或加热)条件下，不同成分的铁碳合金在不同的温度下所具有的组织或状态的一种图形。从中可以了解碳钢和铸铁的成分(含碳量)，组织和性能之间的关系。它不仅是我们选择材料和判定有关热加工工艺的依据，而且是钢和铸铁热处理的理论基础。,铁碳合金和铁碳相图,3.1 铁碳合金中的组元和基本相 3.2 Fe-Fe3C相图 3.3 典型铁碳合金的平衡结晶过程及组织 3.4 铁碳合金的成分组织性能关系 3.5 铁碳相图在工业中的应用,工业纯铁：塑性较好，强度较低，具有铁磁性，在一般的机器制造中很少应用，常用的是铁碳合金 铁素体（F）：碳溶于 -Fe中的一种间隙固溶体，体心立方晶体结构，组织和性能与工业纯铁相同 奥氏体（A）：碳溶于 -Fe中的一种间隙固溶体，具有面心立方晶体结构，塑性好，变形抗力小，易于锻造成型,铁碳合金中的组元和基本相,渗碳体：铁和碳的金属化合物（即Fe3C）属于复杂结构的间隙化合物，硬而脆，强度很低，耐磨性好，是一个亚稳定的化合物，在一定温度下可分解为铁和石墨,珠光体（P）：铁素体和渗碳体的机械混合物，是两者呈层片相间的组织，即层片状组织特征，可以通过热处理得到另一种珠光体的组织形态,五个单相区：ABCD以上-液相区（L）；AHNA- 固溶体区（ ）；NJESGN-奥氏体区（A）；GPQ以上-铁素体区（F）；DFKL-渗碳体区（Fe-Fe3C） 七个两相区（两相邻的单相区之间）： L+,L+A,L+Fe3C,+A,F+A,A+Fe3C,F+Fe3C,Fe-Fe3C相图,恒温转变线,包晶反应： HJB水平线 LBH（1495） AJ 包晶反应仅可能在含碳量0.090.53的铁碳合金中，其结果生成生成奥氏体,共晶反应： ECF水平线 AeFe3C （1148） Lc 共晶反应可在含碳量2.116.69的铁碳合金中，形成奥氏体与渗碳体 的共晶混合物，称为莱氏体，C点为共晶点，含碳量为4.3,温度1148度,共析反应： PSK线 As FpFe3C（727） 所有含碳量超过0.0218的铁碳合金均能发生共析反应。其结果形成铁素体和渗碳体的共析和渗碳体的共析混合物，称为珠光体（P）。根据杠杆定律可以求出铁素体和渗碳体的相对重量为： F（）(6.69-0.77)6.69 10088 Fe3C（）18812,主要转变线,GS线不同含碳量的合金，有奥氏体开始析出铁素体（冷去时）或铁素体全部溶于奥氏体（加热时）的转变线，常用A3表示 ES线碳在奥氏体中的固溶体。常用A cm表示，含碳量大于0.77的铁碳合金，自1148冷至727从奥氏体析出渗碳体，称二次渗碳体 PQ线碳在铁素体中的固溶线，铁碳合金由727冷却至室温时，将从铁素体析出渗碳体，称为三次渗碳体,典型铁碳合金的平衡结晶过程及组织,1.纯铁(0.0218%C）,2.钢（0.0218%2.11%C）,亚共析钢（ 0.0218%0.77%C）,共析钢（0.77%C）,过共析钢（0.77%C 2.11%C ）,过共晶白口（4.3%6.69%C ）,共晶白口铁（4.3%C）,亚共晶白口铁（2.114.3%C）,3.白口铸铁（2.11%6.69%C）,3.3.1 共析钢,3.3.2 亚共析钢,3.3.3 过共析钢,3.3.4 共晶白口铁,3.3.5 亚共晶白口铁,3.3.6 过共晶白口铁,3.3.7 工业纯铁,F,工业纯铁,F+P,亚共析钢,P(片状),共析钢,P（粒状）,共析钢,P+Fe3C,过共析钢,亚共晶白口铁,P+Fe3C + Le,共晶白口铁,Le,过共晶白口铁,Le+Fe3CI,按组织分区的铁碳合金相图,铁碳合金的成分组织性能 关系,1. 亚共析钢的组织是由铁素体和珠光体组成，随含碳量的增加。其组织中珠光体的数量随之增加，因而强度、硬度也升高，塑性、韧性不断下降。 2. 过共析钢的组织是由珠光体和网状二次渗碳体组成，随着钢中含碳量的增加，其组织中珠光体的数量不断减少，而网状二次渗碳体的数量相对增加，因因强度、硬度上升，而塑性、韧性值不断下降。但是，当钢中 Wc0.9时，二次渗碳体将沿晶界形成完整的网状形态，此时虽然硬度继续增高，但因网状二次渗碳体割裂基体，故使钢的强度呈迅速下降趋势。至于塑性和韧性，则随着含碳量的增加而不断降低,含碳量对力学性能的影响,3.5 铁碳相图在工业中的应用,1、在选材方面的应用 ：根据零件的不同性能要求来合理地选择材料。 2、在铸造生产上的应用：参照铁碳相图可以确定钢铁的浇注温度，通常浇注温度在液相线以上 5060。纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好。 3、在锻压生产上的应用：锻扎温度控制在单相奥氏体区。 4、在热处理生产上的应用：热处理工艺的加热温度依据铁碳相图确定。,第4章 金属及合金的塑性变形与再结晶,4.1 金属及合金的塑性变形 4.2 塑性变形对金属组织和性能的影响 4.3 金属与合金的回复与再结晶 4.4 金属的热加工,金属及合金的塑性变形与再结晶,金属与合金的塑性变形,金属及合金变形的三个阶段,三个阶段： e: 弹性变形阶段 sb: （均匀）塑性 变形阶段 b: 不均匀塑性变形阶段 （断裂阶段）,力学性能指标： e弹性极限 s 屈服极限 b强度极限,断裂方式: 根据塑变阶段长短分：脆性断裂，韧性断裂 根据断裂路径分： 沿晶断裂，穿晶断裂,单晶体金属的塑性变形,1）单晶体的塑变主要是通过滑移实现的,（1）滑移的概念 切应力作用下原子面之间相对错动一个原子间距,（2）滑移线和滑移带 滑移留下的痕迹 （3）滑移系 滑移面数与滑移方向数的乘积： 晶体滑移总是沿原子最密集排列的晶面和晶向进行。 不同的晶体结构中最密集排列的晶面和晶向是不同的: BCC：是（110） 滑移系数 6212 FCC: 是（111） 4312 HCP：是（0001） 133 滑移系数目越多，晶体越容易变形 同滑移系数目，则滑移方向越多越容易变形,(4)临界分切应力 外力在滑移面上分切应力足够大时方能滑移 =Fcos/(A/cos) =(F/A)coscos =coscos 仅当临才能产生滑移 （5）滑移时的晶体转动,（6）滑移是由位错运动造成的,孪生,在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变，产生塑性变形。,黄铜中的孪晶,多晶体的塑性变形,1）与单晶体塑变的异同 同：都主要依靠滑移 异：存在不同时性；需相互协调 2）塑变过程： 软取向的晶粒先滑移晶界处位错塞积产生应力集中相邻晶粒滑移 滑移系数目多越有利塑变 3）晶粒细化：强度，且塑韧性,晶界原子排列较不规则，阻碍位错运动，使形抗力增大。 晶粒小 晶界多 变形抗力大 强度，硬度（细晶强化） 晶粒小 变形分散，应力集中小 塑性，韧性 晶粒大小与屈服强度的关系： s=i+kyd(-1/2) _霍尔配奇公式,合金的塑性变形,1）单相固溶体合金：与纯金属相近，有固溶强化,2）两相合金： (i)两相性能相近时:变形与多晶相似 (ii)第二相硬而脆：除与相对量有关外，还与 第二相形态及分布有关 网状；层片状；颗粒状,合金的塑性变形,1.单相固溶体的塑性变形：溶质原子的溶入导致晶格畸变，从而产生固容强化 2.两相合金的塑性变形： 1）脆性相在塑性相界面上分布导致合金强度、塑性下降；（网状二次渗碳体） 2）脆性相以片层状在塑性相基体上分布导致合金强化（珠光体）； 3）脆性相以颗粒状在塑性相基体上弥散分布导致合金强化。,4.2 塑性变形对金属组织和性能的影响,对组织结构的影响,1）组织： 晶粒变形，如图所示 （ 可能产生各向异性）,2）亚结构：位错密度增加，形成位错胞 （加工硬化）, 可能会产生变形织构（ 各向异性）,对内能的影响产生残余内应力,1）残余内应力的含义： 2）残余内应力的形式：宏观内应力；微观内应力；晶格畸变能 3）残余内应力对性能影响： 一般有害：变形、开裂、应力腐蚀 有利方面：畸变能强度 表面残留压应力接触疲劳寿命,对性能的影响,1）加工硬化： 利： 强化手段； 提高塑性成形性（冷拉）； 提高安全性 弊：使进一步加工难 （阻力大，开裂） 2）各向异性：有利有弊 3）物理、化学性能：电阻增加，耐蚀性下降,金属与合金的回复与再结晶,变形金属加热时的组织转变,回复,1）特征：温度低，光学显微组织未变化，亚结构发生 了变化（位错、点缺 陷密度降低，甚至出现亚晶界，三 个阶段） 2）性能：力性变化不明显（强硬度到高温回复阶段有所 降低，但不大） 内应力部分消除 导电率升高,再结晶,1）特征：温度较回复更高（纯金属：TR0.4Tm），重新形核长大，无畸变的新晶粒完全取代旧晶粒 2）性能：强硬度显著降低，塑韧性显著提高（变形 前水平），内应力完全消除。 3）结晶驱动力：塑性变形贮存的能量 4）再结晶温度： 取决于材料、合金成分、变形度、 加热速度等,预变形度的影响,晶粒长大,机制：界面能降低是驱动力 类型：均匀长大 异常长大（二次再结晶） 性能：强硬度进一步降低，塑韧性提高，但若严重粗化则降低 控制：通过变形度、温度、时间的控制，防止过分长大,回复退火与再结晶退火,1）温度 2）目的 3）再结晶退火晶粒度的控制 加热温度和保温时间 冷变形度。 一般：变形度畸变能细化 不能太大或太小,金属的热加工,热加工的概念 1）定义： 再结晶温度是冷热加工的分界点 热加工是指再结晶温度以上进行的变形过程 注意冷热的概念：W:1000, Sn:20 2）现象：同时存在硬化和软化现象动态硬化、动态软化,热加工因再结晶而及时消除了加工硬化. 3）应用,热加工对金属组织和性能的影响,1）可改善铸态组织，提高机械性能：焊合气孔、疏松；碎化柱状晶和粗大 碳化物；细化晶粒 2）可能会出现纤维组织：夹杂物、第二相、偏析沿变形方向被拉长及分布，利弊。 3）可能会出现带状组织,热加工金属晶粒组织控制,1）温度范围：始锻：固相线以下100-200 终锻：0.6Tm以上 2）变形量 3）锻后冷却,第5章 钢的热处理,热处理的概念 5.1 钢在加热时的转变 5.2 钢在冷却时的转变 5.3 钢的普通热处理 5.4 钢的表面热处理 5.5 钢的化学热处理,钢的热处理,把固态金属材料在一定介质中的加热、保温和冷却，以改变其组织和性能的一种工艺。,5.1 钢在加热时的转变,临界温度 平衡时：A1、 A3、Acm 加热时：Ac1、 Ac3、Accm 冷却时：Ar1、Ar3、Arcm,1奥氏体的形成 Fe，C原子扩散和晶格改变的过程。,共析钢加热到Ac1 以上时， P A 共析钢A化过程 形核 、长大、 Fe3 C 完全溶解、C 的均匀化。,亚（过）析钢的A化 P A ，首先是先共析 F 或 Fe3C 溶解。,影响A转变速度的因素,加热温度和速度 转变快 C%或 Fe3 C片间距 界面多，形核多 转变快 合金元素 A化速度或,A 晶粒度：起始晶粒度 实际晶粒度 本质晶粒度 加热温度，保温时间 晶粒尺寸 合金碳化物，C% 晶粒尺寸,5.2 钢在冷却时的转变：,1过冷A的等温转变 2过冷A的连续冷却转变,1. 过冷A的等温转变,过冷A : T A1时，A不稳定。 A等温转变曲线 (TTT 或 C 曲线),共析钢的C 曲线,高温转变，A1 550 过冷A P 型组织 中温转变，550 MS 过冷A 贝氏体 ( B ) 低温转变，MS Mf 过冷A 马氏体 ( M ),高温P转变过程 晶格改变和Fe，C原子扩散。,P 型组织 F + 层片状 Fe3C,珠光体 P 索氏体 S 屈氏体 T,层片间距：P S T,珠光体 P ，3800,索氏体 S 8000,屈氏体 T 8000,中温转变（550 MS） C原子扩散， Fe原子不扩散,过冷A 贝氏体 B（碳化物 + 含过饱和C的F ）：上B，550 350产物 羽毛状，小片状Fe3C分布在F间。上B 强度和韧性差,下B， 350 MS 产物：下B 韧性高，综合机械性能好。,F 针内定向分布着细小Fe2.4C颗粒 电子显微照片 12000,T8钢，下B，黑色针状 光学显微照片 400,马氏体（M）转变特点,1) 无扩散 Fe 和 C 原子都不进行扩散， M是体心正方的C过饱和的F，固溶强化显著。,2) 瞬时性 M 的形成速度很快， 温度则 转变量,3) 不彻底 M 转变总要残留少量 A， A中的C% 则 MS、Mf ，残余A含量,4) M形成时体积， 造成很大内应力。,M 的形态,C% 0.25 % 时，为板条M（低碳M）。,板条M, 平行的细板条束组成,针状M（凸透镜状）,C% 1.0 % 时，为针状M 。,C% = 0.251.0 % 时，为混合M 。,M 的性能,C % M 硬度 针状M 硬度高，塑韧性差。 板条M 强度高，塑韧性较好。,亚（过）共析钢过冷A的等温转变,与共析钢相比，C曲线左移， 多一条过冷AF （Fe3C）的转变开始线，且Ms、Mf 线上（下）移。,2. 过冷A的连续冷却转变,连续冷却 转变(CCT)曲线,Ps AP 开始线 Pf AP 终止线 KK P型转变终止线 Vk 上临界冷却速度 Vk 下临界冷却速度 MS A M 开始温度 Mf A M 终止温度,连续冷却 转变产物,CCT 和 TTT曲线的比较 CCT 位于 TTT曲线 右下方 CCT中没有 AB 转变,炉冷 P (V ) 空冷 S (V Vk) 油冷 T+M+A (Vk Vk) 水冷 M+A (VVk),亚共析钢 连续冷却转变,炉冷 F + P 空冷 F + S 油冷 T + M 水冷 M,过共析钢 连续冷却转变,炉冷 P + Fe3C 空冷 S + Fe3C 油冷 T + M + A 水冷 M + A,转变温度 对共析钢 硬度 和 韧性 的影响,按转变温度的高低， 转变产物分别是： P、S、T，上B、下B、M， 其硬度依次增加。,钢的普通热处理,1退火 2正火 3淬火 4回火,1退火,加热、保温后，缓冷(炉冷) 近平衡组织 P（ + F 或 Fe3CII ）,完全退火（亚共析钢） 加热温度 Ac3 + 2030 缓冷 F + P 目的： 细化晶粒，均匀化组织 降低硬度 切削性 等温退火： 等温转变F + P，再缓冷 球化退火（过共析钢） 在Ac+ 2030等温， 使Fe3C球化，再缓冷 球状P（F +球状Cm） 目的： 硬度,切削性,韧性,扩散退火 加热至略低于固相线 目的：使成分、组织均匀 再结晶退火： 加热温度 TR + 3050 目的：消除加工硬化 去应力退火 加热温度 Ac1 ， 一般为 500650 目的： 消除冷热加工后的内应力,正火,应用： 1) 钢的最终热处理 细化晶粒，组织均匀化，增加亚共析钢中P(S)% 强度、韧性、硬度 2) 预先热处理 淬火、球化退火前改善组织。 3) 增加低碳钢的硬度，以改善切削加工性能。,加热温度 Ac3 ( Accm ) + 3050， 空冷 S （ + F 或 Fe3CII ）,3淬火（蘸火）,加热到Ac3、Ac1以上，保温，快速冷却 M 。,淬火温度 1) 亚共析钢 Ac3 + 3050 2) 过共析钢 Ac1 + 3050 ， M + Fe3CII + A ，硬度大。 A中C% M 脆性 ，残余A% 淬火温度低 M细小，淬火应力小。,冷却介质,冷却速度： 盐水 水 盐浴 油,淬火方法 单介质淬火：水、油冷 双介质淬火：水冷 + 油冷 分级淬火： Ms盐浴中均温空冷 等温淬火（ 在盐、碱浴中） 下B,钢的淬透性,淬火时得到M的能力，取决于临界冷却速度VK 。,淬透性的应用 按负载，选择不同淬透性的材料。,淬硬性：淬火后获得的最高硬度，C%淬硬性 影响淬透性的因素 除Co外，合金使VK , 淬透性,(a)完全淬透 (b)淬透较大厚度 (c)淬透较小厚度 淬透性不同的钢调质后机械性能的比较,4回火,淬火后，加热到Ac1以下，保温，冷却。 目的：消除淬火应力，调整性能。,低温回火（150250） 回火M ( 过饱和F +薄片状Fe2.4C ) + A 淬火应力 ，韧性 ，保持淬火后的高硬度。 用于高C工具钢等。 中温回火（350500） 回火T (F +细粒状Cm ) 弹性极限和屈服强度，韧性和硬度中等。 用于弹簧等。 高温回火（500650） 回火S (等轴状F +粒状Cm ) 综合机械性能最好, 即强度、塑性和韧性都较好。 用于重要零件。 调质处理 淬火 + 高温回火,回火产物的组织形态比较,回火M 400,回火T 7500,回火S 7500,M 低倍,T 1000,S 1000,回火时性能的变化,回火温度 硬度、强度 ， 塑性,钢的表面热处理表面淬火,不改变心部组织，利用快速加热将表层A化后进行淬火。 目的 ： 提高表面硬度，保持心部良好的塑韧性。,感应加热表面淬火 交变磁场 感应表面电流 表面加热,特点 1) 加热速度快，晶粒度小，硬度，脆性 2) 表层残余压应力 提高疲劳强度 3) 不易氧化、脱碳、变形小。 4) 加热温度和淬硬层厚度容易控制。,火焰加热表面淬火（乙炔氧等火焰） 设备简单，但生产率低。,钢的化学热处理,将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组织和性能。 分类 渗 C、N化、C N共渗、渗硼、渗铬、渗Al等。,钢的渗 C 气体、固体渗 C,低C钢在高C介质中加热到900950、保温 高碳表层（约1.0%） 目的：表面硬度，耐磨性 ，心部保持一定的强度和塑韧性。,渗碳后的的热处理,淬火 直接淬火 晶粒粗大，残余A多，耐磨性低，变形大。 一次淬火 加热温度Ac3以上（心部性能 ）或 Ac1以上（表面性能 ） 二次淬火 Ac3以上（心部性能 ）+ Ac1以上（表面性能 ）,低温回火, 150200， 消除淬火应力，提高韧性。,钢的氮化,工件表面渗入N原子，以提高硬度、耐磨性，疲劳强度和耐蚀性。 氮化温度低(500600)，时间长（2050h），渗层薄。 氮化前调质处理、氮化后无须淬火。,小结,重点要求 1. A等温冷却曲线，转变温度与转变产物的组织形态 、性能间的关系。 2. A连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对组织和性能的影响。 3. 四种常规热处理的目的、工艺特点及应用。 一般要求 1. A晶粒长大的影响因素及控制方法。 2. 非共析钢C曲线的特点；淬透性的概念。 3. 钢的表面淬火；化学热处理。,“ 钢的热处理 ” 练习题,1. 共析钢加热到相变点以上，用图1 的冷却曲线冷却，各应得到什么组织？各属于何种热处理方法？ （工程材料习题与辅导，P14，第26题 ） 2. T12钢加热到Ac1以上，用图2 的各种方法冷却，分析其所得到的组织。 （旧版工程材料习题与辅导，P 23 ，第22题 ） 3. 残余奥氏体对钢淬火后的性能有何影响？用什么方法可以减少残余奥氏体的数量？ 思考题 1. 淬硬性和淬透性有什么不同？决定淬硬性和淬透性的因素是什么？ 2. 淬火内应力是怎样产生的？它与哪些因素有关？,“ 钢的热处理 ” 练习题,第6章 合金钢,6.1 概述 6.2 合金钢的分类和编号 6.3 合金元素在钢中的作用 6.4 合金结构钢 6.5 合金工具钢,合金钢,碳素钢品种齐全，冶炼、加工成型比较简单，价格低廉。经过一定的热处理后，其力学性能得到不同程度的改善和提高，可满足工农业生产中许多场合的需求。但是碳素钢的淬透性比较差，强度、屈强比、高温强度、耐磨性、耐腐蚀性、导电性和磁性等也都比较低，它的应用受到了限制。因此，为了提高钢的某些性能，满足现代工业和科学技术迅猛发展的需要，人们在碳素钢的基础上，有目的地加人了锰、硅、镍、钒、钨、钼、铬、钛、硼、铝、铜、氮和稀土等合金元素，形成了合金钢。合金元素的加入，不但会对钢中的基本相、FeFe，C相图和钢的热处理相变过程产生较大的影响，同时还改变了钢的组织结构和性能，合金元素在钢中的作用是一个非常复杂的物理、化学过程。,6.2 合金钢的分类和编号,6.2.1 合金钢的分类,6.2.1.1按合金钢的用途分类 (1)合金结构钢 主要用于制造重要的机械零部件和工程结构件的钢。包括普通低合金钢、易切削钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。 (2)合金工具钢 主要用于制造重要工具的钢，包括刃具钢、模具钢、量具钢等。 (3)特殊性能钢 主要用于制造有特殊物理、化学、力学性能要求的钢，包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。,6.2.1.2 按合金元素的含量分类,碳钢： (1)低碳钢: 0.25c (2)中碳钢: 0.25-0.6c (3)高碳钢: 0.6c 合金钢： (1)低合金钢：钢中合金元素总的质量分数WMe5。 (2)中合金钢：钢中合金元素总的质量分数Wme：510。 (3)高合金钢：钢中合金元素总的质量分数WMe10。,6.2.1.3 按平衡状态或退火组织分类,可以分为: 亚共析钢 共析钢 过共析钢和莱氏体钢,6.2.2 合金钢的牌号表示方法,6.2.2.1 合金结构钢的牌号表示方法,根据国家标准的规定，合金结构钢的牌号用“两位数字+元素符号十数字”表示。元素符号前两位数字表示钢的平均碳质量分数wC，以万分之一为单位计。元素符号用合金元素的符号表示，其后面的数字表示该合金元素的质量分数，以百分之一为单位计。当wMe1.5时，只标明元素名称，不标明质量分数；当wMe(1.52.4)，(2.53.4)，时，则在元素符号后相应地标上2、3、4。如15MnV，表示碳的平均质量分数为0.15C，锰、钒的平均质量分数均小于1.5的合金结构钢。若为高级优质钢，则在钢的牌号末尾加上“A”，如18Cr2Ni4WA。,对属于合金结构钢的滚动轴承钢，则采用另外的方法来表示 其牌号。滚动轴承钢牌号的首位用“滚”或滚字的汉语拼音字 首“G”来表示其用途，后面紧跟的是滚动轴承的常用元素 “Cr”，其后数字则表示铬的质分数，以千分之一为单位计。 如GCrl5，表示钢中铬的平均质量分数为15。易切削钢牌号 的表示方法与相似，用“易”或“易”字的汉语拼音宇首“Y”开头 ，后面和合金结构钢牌号表示方法无异，如(易40锰或40Mn) ，表示wC0.40，wMn15的易切削钢。,6.2.2.2 合金工具钢的牌号表示方法,与合金结构钢的牌号表示方法相比，合金工具钢中合金元素的表示方法未变，如CrWMn表示合金元素平均质量分数wCr、wW、wMn均小于1.5，合金工具钢的碳含量表示方法则有所不同，当C%1.0，不标出碳质量分数，如CrWMn钢。当wC1.0时，用一位数字在最前面表示碳质量分数，以千分之一为单位计，其后紧随合金元素，如9SiCr表示碳质量分数平均为0.9C，wSi、wCr皆小于1.5。高速工具钢的碳的平均质量分数无论是多少，都不标出。如W18Cr4V钢碳的平均质量分数在(0.7一0.8)C之间。,6.2.2.3 特殊性能钢的牌号表示方法,特殊性能钢牌号的表示方法与合金工具钢基本相同，如9Crl8钢表示钢中碳的平均质量分数为0.9C，铬的平均质量分数为18Cr。但是不锈钢、耐热钢在碳质量分数很低时，表示方法有所不同，当碳平均质量分数C0.03或C0.08时，分别在第一个合金元素符号前冠“00”或“0”表示其碳平均质量分数，如00Crl7Nil4M02、0Crl8Ni9钢等。 由于耐磨钢零件经常是铸造成型后就使用，其牌号最前面是“ZG”，表示铸钢，紧随其后是元素符号，然后是该元素的平均质量分数，以百分之一计，横杠后数字表示序号。如ZGMnl31表示铸造高锰钢，含锰平均为13Mn，序号为1。,6.3 合金元素在钢中的作用,6.3.1 合金元素在钢中存在的形式 （1）一部分合金元素可溶于铁素体中形成合金铁素体 （2）一部分合金元素则会溶于渗碳体中形成合金渗碳体 （3）与碳相互作用形成碳化物 一般将合金元素分为非碳化物形成元素和碳化物形成元素两类： 碳化物形成元素有（按强弱次序排列）：钛、锆、铌、钒、钨、 钼、铬、锰、铁。 非碳化物形成元素有：镍、硅、铝、钴等， （4）以游离形式存在（Cu、Pb等）,6.3.1.1 合金元素对铁素体的影响,由于合金元素与铁在原子尺寸和晶格类型等方面存在 着一定的差异，所以当合金元素溶人时，会使铁素体 的晶格发生不同程度的畸变，使其塑性变形抗力明显 增加，强度和硬度提高。合金元素与铁的原子尺寸和 晶格类型相差愈大，引起的晶格畸变愈大，产生的固 溶强化效应愈大。此外，合金元素常常分布在位错附 近，降低了位错的可动性，增大了位错的滑移抗力， 也提高了强度和硬度。,两图反映了合金元素对铁素体硬度和冲击韧性的影响,6.3.1.2 合金元素对渗碳体和特殊碳化物的影响,合金元素是溶人渗碳体，还是形成特殊碳化物，是由它们与碳亲和 能力的强弱程度所决定的。 （1）强碳化物形成元素钛、锆、铌、钒等，倾向于形成特殊碳化 物。 （2）中强碳化物形成元素钨、钼、铬等，可形成渗碳体类型碳化 物，又可形成特殊碳化物。 （3）弱碳化物形成元素锰，一般形成合金渗碳体,6.3.2 合金元素对FeFe3C相图的影晌,6.3.2.1 合金元素对r相区的影响,合金元素对r相区的影响 (a)扩大r相区；(b)缩小r相区,扩大r相区元素(能使r相区扩大):镍、锰、钴、碳、氮、铜 等,使A3，点下降，A4点上升。 缩小r相区元素(能使r相区缩小):铬、钒、钼、钨、钛、铝、硅、硼、铌、锆等,使A3点上升，A4点下降。,6.3.2.2 合金元素对S点和E点的影响,扩大r区元素锰、镍等会使S点和E点向左下方移动； 缩r区元素铬、硅等会使S点和E点向左上方移动，,6.3.3 合金元素对钢在加热和冷却时转变的影响,6.3.3.1 合金元素对钢在加热转变时的影响 (1)对奥氏体化的影响 强碳化物形成元素钛、铌、锆延缓奥氏体化过程。 非碳化物形成元素镍、钴等促进奥氏体转变。 (2)对奥氏体晶粒尺寸的影响 除锰以外的大多数合金元素都有阻碍奥氏体晶粒长大的趋势 强碳化物形成元素钛、锆、铌、钒的作用尤为明显 非碳化物形成元素硅、镍、铜等对奥氏体晶粒长大影响不大,6.3.3.2 含金元素对过冷奥氏体转变的影响,（1）对“C”曲线的影响： 除钴以外的大多数合金元素都不同程度地使C曲线右移，增大过冷 奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性（只有当合金元素完全溶人奥 氏体中才会产生以上的作用）。 （2）对Ms点的影响： 除钴、铝以外，大多数合金元素溶人奥氏体中会降低钢的Ms点， 增加了钢中的残余奥氏体的数量,6.4 合金结构钢,6.4.1 普通低合金结构钢 6.4.2 易切削钢 6.4.3 渗碳钢 6.4.4 调质钢 6.4.5 弹簧钢 6.4.6 滚动轴承钢,6.4.1 普通低合金结构钢,普通低合金结构钢(简称普低钢) : 在低碳碳素结构钢的基 础上加入少量合金元素(总wMe3)得到的钢。,化学成分：普低钢中碳的平均质量分数一般不大于0.2C 主加合金元素为Mn,热处理特点：普低钢通常是在热轧或正火状态下使用，一般 不再进行热处理。,6.4.2 易切削钢,为了提高钢的切削加工性能，常常在钢中加入一种或数种合金元素，形成了易切削钢，常用的合金元素有硫、铅、钙、磷等。,6.4.3 渗碳钢,用来制造渗碳零件的钢称为渗碳钢,化学成分 ：C:0.100.25 加入合金元素Ni、Cr、Mn、B、Ti、V等 .典型钢号：20Cr、20CrMnTi、20CrNiW,热处理特点: 预先热处理一般采用正火工艺，渗碳后热处理一般是 淬火+低温回火，或是渗碳后直接淬火。 性能要求：内软外硬 应用：齿轮、模具、轴类 工艺流程：下料锻造正火粗加工淬火+低温回火精加工,6.4.4 调质钢,调质钢: 经调质处理后使用的钢称为调质钢，根据是否含合金元素分为碳素调质钢和合金调质钢。,化学成分 ： 调质钢一般是中碳钢，钢中碳的质量分数在(0.300.50)C之间。合金调质钢的主加元素是Cr、Ni、Si、Mn、B、V、Ti、Nb.典型钢号：40Cr、35CrMo、30CrMnSi 热处理特点: 预先热处理采用退火或正火工艺 ，最终热处理是淬火十高温回火 性能特点：整体综合机械性能好 应用：轴、螺栓、传动件等 工艺流程：下料锻造完全退火粗加工调质处理精加工,6.4.5 弹簧钢,弹簧钢: 用来制造各种弹性零件如板簧、螺旋弹簧、钟表发条等的钢称为弹簧钢。 化学成分：弹簧钢的碳质量分数在(0.40 0.70)C之间，合金弹簧钢中的主加合金元素是Si、Mn、Cr。典型钢号：60Si2Mn、65Mn、 热处理特点: 热处理是淬火十中温回火 性能特点：弹性好 应用：弹性元件 工艺流程：下料成型热处理成品,6.4.6 滚动轴承钢,滚动轴承钢 用来制作各种滚动轴承零件如轴承内外套圈，滚动体(滚珠、滚柱、滚针等)的专用钢称为滚动轴承钢。 化学成分 ：滚动轴承钢碳的质量分数较高，一般在(0.95 1.10)C之间 。铬是滚动轴承钢的基本合金元素，其质量分数为(0.41.05)Cr。典型钢号：GCr15、GCr9 热处理特点 ：滚动轴承的预先热处理采用球化退火，最终热处理一般是淬火+低温回火。 性能特点：高硬度、高耐磨性能 应用：滚动轴承、工模具等 工艺流程：下料锻造球化退火粗加工最终热处理精加工冷处理,6.5 合金工具钢,在碳素工具钢基础上加人一定种类和数量的合金元素，用来制 造各种刃具、模具、量具等用钢就称为合金工具钢。与碳素工具钢相比，合金工具钢的硬度和耐磨性更高，而且还具有更好的淬透性、红硬性和回火稳定性。因此常被用来制作截面尺寸较大、几何形状较复杂、性能要求更高的工具。,分类： 刃具钢 模具钢 量具钢,6.5.1 刃具钢,用来制造车刀、铣刀、锉刀、丝锥、钻头、板牙等刃具的钢统称为刃具钢。,低合金刃具钢 ：低合金刃具钢碳的平均质量分数大都在(0.75-1.5)C之间，合金元素：Cr、Si、Mn、W 。典型钢号：9SiCr、9Mn2V、CrWMn 热处理特点 ：预先热处理采用球化退火，最终热处理一般是淬火+低温回火。 性能特点：高硬度高锋利度、高耐磨性能 应用：制造车刀、铣刀、锉刀、丝锥、钻头、板牙等刃具 工艺流程：下料锻造球化退火粗加工最终热处理精加工,高合金工具钢 （高速钢）,高速钢的碳含量较高，一般为(0.70-1.50)C。合金含量超过15%。典型钢号：W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2 热处理特点 ：高速钢淬火后要在560回火三次。淬火温度接近熔点 性能特点：高硬度高红硬性、高耐磨性能 应用：制造车刀、铣刀、拉刀等刃具 工艺流程：下料锻造球化退火粗加工最终热处理精加工,6.5.2 模具钢,用作冷冲压模、热锻压模、挤压模、压铸模等模具的钢称为模具钢。 分为冷作模具钢和热作模具钢两大类。,低合金冷作模具钢,低合金工具钢 ：低合金工具钢碳的平均质量分数大都在(0.75-1.5)C之间，合金元素：Cr、Si、Mn、W 。典型钢号：9SiCr、9Mn2V、CrWMn、GCr15 热处理特点 ：预先热处理采用球化退火，最终热处理一般是淬火+低温回火。 性能特点：高硬度、高耐磨性能 应用：制造形状简单，承载小的冷作模具 工艺流程：下料锻造球化退火粗加工最终热处理精加工,高合金冷作模具钢,高合金工具钢 ：高合金工具钢碳的平均质量分数大都在(0.75-1.5)C之间，合金元素：Cr、V、Mo 。典型钢号：Cr12、Cr12MoV 热处理特点 ：预先热处理采用球化退火，最终热处理一般是淬火+低温回火。 性能特点：高硬度、高耐磨性能 应用：制造形状复杂，承载大的冷作模具 工艺流程：下料锻造球化退火粗加工最终热处理精加工,低合金热作模具钢,低合金热作模具 ：平均质量分数大都在(0.4-0.5)C之间，合金元素：Cr、Ni、Mn、Mo 。典型钢号：5CrNiMo、5CrMnMo 热处理特点 ：预先热处理采用退火，最终热处理一般是淬火+高温回火。 性能特点：高强度、高热疲劳性能 应用：制造热锻模具 工艺流程：下料锻造退火粗加工最终热处理精加工,6.5.3 量具钢,用于制造卡尺、千分尺、样板、塞规、块规、螺旋测微仪等各种测量工具的钢被称为量具钢。,6.6 特殊性能钢,6.6.1不锈钢 不锈钢是指某些在大气和一般介质中具有较高化学稳定性的钢 马氏体不锈钢 （通过热处理可以调整其力学性能的不锈钢） 铁素体不锈钢（这类钢从室温加热到高温，始终都是单相铁素体组织） 奥氏体不锈钢（这类钢有较高质量分数的镍，扩大了奥氏体区域 ，室温下能够保持单相奥氏体组织）,不锈钢、耐热钢、耐磨钢等具有特殊物理、化学性能的钢被统称为特殊性能钢。,6.6.2 耐热钢,耐热钢是指具有良好的高温抗氧化性和高温强度的钢。,6.6.3 耐磨钢,耐磨钢主要是指在强烈冲击载荷作用下发生硬化的高锰钢。,第7章 铸 铁,7.1 概 述 7.2 常用铸铁,铸 铁,7.1 概 述,7.1.1 铸铁的特点及分类 1.特点 (1)成分：C2.11%wt的铁碳合金称为铸铁，特点是含有较高的 C和Si，同时也含有一定的Mn、P、S等杂质元素。 常用铸铁的成分为：2.54.0%C，1.03.0%Si0.51.4%Mn，0.010.50%P，0.020.20%S。为提高铸铁性能，常加入合金元素Cr、Mo、V、Cu、Al等形成合金铸铁。,（2）组织：铸铁中C、Si含量较高，C大部分、甚至全部以游离状态石墨（G）形式存在。,（3）性能：铸铁的缺点是由于石墨的存在，使它的强度、塑性及韧性较差，不能锻造，优点是其接近共晶成分，具有良好的铸造性；由于游离态 石墨存在，使铸铁具有高的减摩性、切削加工性和低的缺口敏感性。目前，许多重要的机械零件能够用球墨铸铁来代替合金钢。,2.分类 根据C的存在形式，可以将铸铁分为： （1）白口铸铁：C全部以渗碳体形式存在，如共晶铸铁组织为Ld，断口白亮，硬而脆，很少应用； （2）灰口铸铁：C大部分或全部以石墨形式存在，如共晶铸铁组织为F+G、F+P+G、P+G，断口暗灰，广泛应用； （3）麻口铸铁：C大部分以渗碳体形式存在，少部分以石墨形式存在，如共晶铸铁组为Ld+P+G，断口灰白相间，硬而脆，很少应用。,根据石墨形态，灰口铸铁可以分为： （1）普通灰口铸铁：G呈片状； （2）孕育铸铁：G呈细片状； （3）可锻铸铁：G呈团絮状； （4）蠕墨铸铁：G呈蠕虫状； （5）球墨铸铁：G呈球状。 根据金属基体组织不同，灰口铸铁又可分为：F、F+P及P灰口铸铁。,7.1.2 铸铁的石墨化 1. Fe-G相图 下图为Fe-C双重相图,G为六方晶格如右图。基面上原子以共价键结合，基面之间原子以范氏键结合，因此铸铁的强度、硬度、塑性及韧性极低。 从热力学讲，G为稳定态，而Fe3C为亚稳态。在冷却速度非常缓慢或加入石墨化元素，可促使碳按石墨转变。但是，当冷却速度较快时，由于成分起伏及结构起伏（L、A和Fe3C的成分更接近）的原因，也可析出渗碳体。,2. 铸铁石墨化过程 铸铁中G的形成过程称为石墨化过程，大致分为两个阶段。 （1）第一阶段：从L相中析出的一次石墨（G）和共晶转变形成的共晶G，以及Fe3C和共晶Fe3C分解出的G； （2）第二阶段：在共晶温度至共析温度之间析出的二次石墨（G）和共析G以及Fe3C和共析Fe3C分解出的G。 高温时，石墨化过程进行比较完全；低温时，若冷却速度较 快，石墨化过程将部分或全部被抑制。因此，灰口铸铁在室 温下将可能得到P+G、F+P+G、F+G等组织。,3. 影响铸铁石墨化因素 主要化学成分、冷却速度及铁水处理等因素。 （1）化学成分 合金元素可以分为促进石墨化元素和阻碍石墨化元素，顺序为 ：Al、C、Si、Ti、Ni、P、Co、Zr、Nb、W、Mn、S、Cr、V、 Fe、Mg、Ce、B等。其中，Nb为中性元素，向左促进程度加强， 向右阻碍程度加强。C和Si是铸铁中主要的强烈促进石墨化元素 ，为综合考虑它们的影响，引入碳当量CE = C% + 1/3Si%，一 般CE4%，接近共晶点。S是强烈阻碍石墨化元素，降低铸铁的 铸造和力学性能，控制其含量。,（2）冷却速度 冷速越快，不利于铸铁的 石墨化，这主要取决于浇注 温度、铸型材料的导热能力 及铸件壁厚等因素。冷速过 快，第二阶段石墨化难以充 分进行。 右图给出C、Si总量 和冷却速度对铸铁组织的影 响，称为Greiner组织图， 分析之。,7.1.3石墨与基体对铸铁性能的影响 1.G的数量、大小、形状及分布 （1）数量：G破坏基体连续性，减小承载面积，是应力集中和裂纹源，故G越多，抗拉强度、塑性及韧性越低； （2）大小：越粗，局部承载面积越小，越细，应力集中越大，均使性能下降，故有适合尺寸（长度0.030.25mm）； （3）分布：越均匀，性能越好； （4）由片状至球状，强度、塑性及韧性均提高。 2.基体 F基体塑性和韧性好，P基体强度、硬度及耐磨性高。 3. G对其他性能的影响（如前）。,7.2 常用铸铁,7.2.1灰口铸铁 灰口铸铁中的G呈片状分布，分为普通灰口铸铁和孕育铸铁。,1.灰口铸铁的牌号、成分与组织 （1）牌号：新标准GB5612-85，HT（灰铁）+三位数字（最低b），表7-1。其中，HT100为F基，HT150为F+P基，HT200250为P基，HT250350为孕育铸铁。 （2）成分：2.53.6%C，1.12.5%Si，0.61.2%Mn及少量S和P。 （3）组织：G呈片状，按基体分为F、F+P及P灰口铸铁，分别适用于低、中、较高负荷，如下图。,2.灰口铸铁的性能与应用 由于粗大片状的G存在，灰口铸铁的抗拉强度、塑性及韧性低，但其铁水流动性好、凝固收缩小、缺口敏感性小、抗压强度高、切削加工性好，并且具有减摩及消震作用。,3.灰口铸铁的孕育处理 加入0.30.8%硅铁，经孕育剂处理的孕育铸铁具有更高的性能，用于制造承受高载荷的另构件。,4.灰口铸铁的热处理 只能改变基体，而不能改变G的形态和分布，强化效果不如钢和球墨铸铁。 （1）消除内应力退火（人工时效） 为消除内应力引起的变形或开裂，将铸件缓慢加热（60100/h）至500550保温一点时间（每10mm保温2h），然后随炉缓冷（2040/h）至150200出炉空冷。 （2）高温石墨化退火 为消除表面或薄壁处的白口组织，降低硬度，改善切削加工性，将铸件加热至850950保温14h（A+G），使部分渗碳体分解为G，然后随炉缓冷至400500以下出炉空冷。高温退火得到F或F+P基灰口铸铁。,（3）正火 为消除白口和提高强度、硬度及耐磨性，将铸件加热至850950，保温13h，然后出炉空冷，最后得到P基灰口铸铁。 （4）表面淬火 为提高表面强度、硬度、耐磨性及疲劳强度，通过表面淬火使铸件表层得到细M和石墨的硬化层。一般选用孕育铸铁，基体最好为P组织。,7.2.2可锻铸铁 由一定成分的白口铸铁经石墨化退火使渗碳体分解为团絮状G的一种高强度灰口铸铁，分为黑心可锻铸铁（F基）、珠光体可锻铸铁（P基）及白心可锻铸铁（表层氧化脱碳，少用）。可锻铸铁的强度、韧性，特别是塑性高于普通灰口铸铁，实际不能锻造。,1.可锻铸铁的牌号、成分与组织 （1）牌号： 按GB978-67，KT（可铁）+ H、Z、B（黑心、珠光体、白心）+ 三位数字（最低b）+ 二位数字（最低）。 （2）成分： 可锻铸铁由两个矛盾的工艺组成，即先得到白口铁，再经石墨化退火得到可锻铸铁。因此，要适当降低石墨化元素C、Si和增加阻碍石墨化元素Mn、Cr，化学成分为：2.42.8%C，0.81.4%Si，0.30.6%Mn（珠光体可锻铸铁1.01.2%）。,（3）组织：基体为F和P，G为团絮状，如下图,2.可锻铸铁的石墨化退火 （1）黑心可锻铸铁： 将白口铁加热至9501000，保温约15h，共晶Fe3CA+团絮状G。从高温冷却至720750，AG，在这个温度区间以35/h速度通过共析温区，AF+团絮状G；也可在略低于共析温度保温1520h，共析Fe3CF+团絮状G，最后得到F可锻铸铁。,（2）P可锻铸铁：加热后冷却至800860，AG，然后出炉空冷使共析Fe3C不分解，最后得到P可锻铸铁，如下图,3.可锻铸铁的性能与应用 F可锻铸铁塑性及韧性较好，P可锻铸铁强度、硬度及耐磨性较