第一篇 金属材料的基础知识

1、 四大工程材料：钢铁、铝及铝合金、四大工程材料：钢铁、铝及铝合金、 塑料、水泥塑料、水泥 力学性能力学性能 强度、塑性、强度、塑性、 硬度、硬度、 冲击韧性冲击韧性( (度度) )、疲劳强度、疲劳强度 物化性能物化性能密度、耐腐蚀性等密度、耐腐蚀性等 工艺性能工艺性能加工成形的难易程度加工成形的难易程度 力学性能 材料在外力作用下所表现出的特性。 作用在机件上的外力载荷FFF = F （MPa）外力外力 内力内力应力应力FF= F /SSFSF（1 1）弹性变形：）弹性变形： 材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种形状，这种随

2、外力消失而消失的变形随外力消失而消失的变形，称为，称为弹性变形弹性变形。FFF （2 2）塑性变形）塑性变形: : 材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称为塑性变形。称为塑性变形。FFF拉伸试验拉伸试验（GB6397-1986）L1 塑性变形阶段塑性变形阶段 (屈服屈服)（曲线）（曲线）:sb S 屈服点屈服点变形阶段的分析：变形阶段的分析： 弹性变形阶段弹性变形阶段(直线）直线）:oe e 弹性极限点弹性极限点缩颈缩颈 颈缩阶段颈缩阶段(断裂断裂) （曲线）（曲线） : bk b 极限载荷点极限载荷点 K 断裂点断裂点200d4PFPN/mm2

3、；MPa 应变应变：试样单位长度上的伸长量试样单位长度上的伸长量100LLLLL0001 应力与应变概念应力与应变概念 应力应力： 试样单位横截面上的拉力试样单位横截面上的拉力 应力与应变曲线应力与应变曲线 0.2名义屈服强度名义屈服强度 （名义屈服点）（名义屈服点）低碳钢拉伸试验图低碳钢拉伸试验图1.强度强度 单位：单位：MPa(N/mm2）b 抗拉强度抗拉强度 s 屈服强度屈服强度(屈服点）屈服点） 强度强度: : 材料在外力作用下，材料在外力作用下，抵抗抵抗塑性变形塑性变形和和断裂断裂的能力。的能力。（F）0.2% 屈服强度和抗拉强度屈服强度和抗拉强度 在工程上常用在工程上常用屈服强度屈

4、服强度和和抗拉强度抗拉强度来表示金属材料的强度来表示金属材料的强度指标。其计算公式为：指标。其计算公式为：屈服强度（屈服点）屈服强度（屈服点）拉伸试样产生拉伸试样产生屈服屈服时的应力时的应力 s=Fs /A0 ( MPa ) 抗拉强度抗拉强度拉伸试样在拉断前所承受的拉伸试样在拉断前所承受的最大应力最大应力 b = Fb/ A0 ( M Pa ) Fs试样产生试样产生屈服屈服时所承受的最大载荷时所承受的最大载荷,N Fb-试样在试样在拉断前拉断前所能承受所能承受 的最大载荷的最大载荷, N A0试样原始截面积试样原始截面积,mm 金属不能在超过其金属不能在超过其 s 、 b 的条件下工作。因此作

5、为强度的条件下工作。因此作为强度设计的依据设计的依据. ?灰铸铁和灰铸铁和20钢分别以何种强度为设计依据。钢分别以何种强度为设计依据。2. 塑性塑性100LLLLL0001应用中：应用中：10试样试样 L0=10d0 5 试样试样 L0=5d0 伸长率：伸长率：试样拉断后试样拉断后,其标距其标距的伸长与原始标距的百分比的伸长与原始标距的百分比. 塑性塑性: 材料在外力作用下，产生材料在外力作用下，产生永久变形永久变形而不而不引起破坏引起破坏的能力。的能力。断面收缩率断面收缩率: 试样拉断后试样拉断后, 缩颈处截面积缩颈处截面积的最大缩减量与原始横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比的百分比

6、 说明：说明：、值愈大，表明材料的塑性愈好。值愈大，表明材料的塑性愈好。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。式中式中 A0试样的原始截面积，试样的原始截面积，mm； A1试样拉断后试样拉断后,断口处横截面积，断口处横截面积，mm；缩颈缩颈 =（A0 A1）/A0100% 硬度硬度: :是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。 它是材料性能的一个综合的物理量，表示金属它是材料性能的一个综合的物理量，表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗材料在一个小的体积范围内抵抗塑性变形、压痕塑性变形、压痕划痕的能力。划痕的能力。

7、是衡量金属是衡量金属软硬软硬的指标。直接影响的指标。直接影响金属材料的金属材料的耐磨性耐磨性。常用的有常用的有布氏硬度布氏硬度和和洛氏硬度洛氏硬度1. 布氏硬度布氏硬度HBS（以淬火钢球为压头）（以淬火钢球为压头） 用于测定用于测定软性材质软性材质（HBS450） 测试原理图测试原理图：HBS测定测定 2、洛氏硬度洛氏硬度HRC （ ）用于测定用于测定硬质硬质表面材料（表面材料（2070 HRC） 测试原理图：测试原理图：F硬质硬质（2070 HRC） ? 布氏硬度和洛氏硬度硬度各有什么优缺点布氏硬度和洛氏硬度硬度各有什么优缺点?下列零件用哪种硬度法测量下列零件用哪种硬度法测量 1. 硬质合金

8、刀头硬质合金刀头 2 锻件锻件 三、韧性三、韧性 金属在断裂前金属在断裂前吸收的变形能量的能力吸收的变形能量的能力韧性韧性。 其常用指标为其常用指标为-冲击韧度（冲击韧度（ak ） k 计算公式：计算公式： ak =Ak/S(J / cm) 用单位面积上的冲击功来表示用单位面积上的冲击功来表示 ak冲击冲击韧度韧度 Ak冲断试样所消耗的冲击功，冲断试样所消耗的冲击功，J; S试样缺口处的横截面积，试样缺口处的横截面积，cm。 冲击值一般作为选材的参考，不直接用于强度计算。冲击值一般作为选材的参考，不直接用于强度计算。 试验表明：在冲击能量不大的情况下，金属材料承受多次试验表明：在冲击能量不大的

9、情况下，金属材料承受多次重复冲击的能力，主要决定于强度，而不是要求过高的冲重复冲击的能力，主要决定于强度，而不是要求过高的冲击韧度击韧度。 ak 值值 对组织缺陷很敏感，因此对组织缺陷很敏感，因此，冲击试验在生产上用来冲击试验在生产上用来检验冶炼、热加工、热处理工艺质量的有效方法。检验冶炼、热加工、热处理工艺质量的有效方法。四、四、 疲劳强度疲劳强度 （-1 ） （-10.5b） 金属材料在金属材料在无数次重复或交变载荷无数次重复或交变载荷的作用下而不致的作用下而不致引起断裂的最大应力引起断裂的最大应力疲劳强度。疲劳强度。 在机械零件中有许多零件，如在机械零件中有许多零件，如连杆连杆、齿轮、齿

10、轮、弹簧弹簧、曲轴曲轴等，是在等，是在交变载荷交变载荷的作用下工作的。这种受交变应的作用下工作的。这种受交变应力的零件，发生断裂时的应力。远力的零件，发生断裂时的应力。远低于低于该材料的该材料的屈服强屈服强度度，这种破坏现象叫做，这种破坏现象叫做疲劳疲劳破坏。据统计，约有破坏。据统计，约有80%的的机件失效都可归咎于疲劳破坏。机件失效都可归咎于疲劳破坏。 金属材料所承受重复或交变载荷应力（金属材料所承受重复或交变载荷应力（ ）与其断裂）与其断裂前的应力循环次数（前的应力循环次数（N）有如图所示的疲劳曲线关系。有如图所示的疲劳曲线关系。疲劳曲线疲劳曲线 当应力降至某值后，当应力降至某值后， 疲疲

11、劳曲线成为水平，劳曲线成为水平，即表示该材料可能经受无即表示该材料可能经受无数次应力循环而仍不发生数次应力循环而仍不发生疲劳断裂，这个应力叫做疲劳断裂，这个应力叫做疲劳强度极限。疲劳强度极限。 用应力循环基数表示：用应力循环基数表示： 钢为钢为107 非铁合金为非铁合金为108 牌牌 号号力力 学学 性性 能能 应应 用用b/MPas%HBSHRCkQ235-A400 23526工程结构工程结构 45钢钢6101622955（淬（淬火）火）轴、杆轴、杆ZG310-57057031015 3铸钢件铸钢件ZAlSi2143450 活塞活塞 HT250250气缸体气缸体QT700-270042022

12、70曲轴曲轴1. 解释应力与应变的概念解释应力与应变的概念2. 说明说明S 、0.2 、b、1 、k、45-50HRC、300HBS的名称和含义的名称和含义3. 查阅有关资料列表统计如下材料的力学性查阅有关资料列表统计如下材料的力学性能指标值：能指标值：Q215-A; 35; T10; HT300;QT450-10; ZG340-640(ZG55）;ZCuSn10Pb1(10-1锡青铜锡青铜);ZAlSi7Mg(ZL101) 。 铁碳合金根据含碳量的不同可分为铁碳合金根据含碳量的不同可分为: 碳钢碳钢 ： C2.11%; 生铁：生铁： 2.11%C5%. （铸铁：（铸铁：2.8%C4.0%)图

13、3-3 40钢的显微组织 400 图3-4 60钢的显微组织 400 组织：F+P 组织：P（黑色）+F（白色网状 金属（纯铁、铜、金属（纯铁、铜、 铝等）都是晶体铝等）都是晶体 晶体晶体原子按一定的次序作有规则原子按一定的次序作有规则的排列。如金刚石、石墨等。的排列。如金刚石、石墨等。 非晶体非晶体原子作不规则的排列。原子作不规则的排列。 如玻璃、沥青等。如玻璃、沥青等。 晶格晶格把每个原子看成一个点，把每个原子看成一个点， 此点代表原子的振动中心此点代表原子的振动中心,将这些点用将这些点用直线连接起来，形成的空间格子。直线连接起来，形成的空间格子。 晶胞晶胞晶格的最小单元。晶格的最小单元。

14、 晶胞晶胞一、 金属的结晶：金属的结晶： 金属由液态冷却变成固态，原子由金属由液态冷却变成固态，原子由不规则不规则排列排列有规则有规则的排列的排列 无序无序 有序有序 金属结晶过程示意图金属结晶过程示意图 金属结晶过程金属结晶过程 形核长大形核长大晶粒晶粒 金属和合金多为多晶体结构金属和合金多为多晶体结构 晶粒间的接触面（边界）称晶粒间的接触面（边界）称为晶界。为晶界。 细化晶粒的方法细化晶粒的方法 （1）快速冷却，增加晶核数；）快速冷却，增加晶核数； （2）添加高熔点弥散质点）添加高熔点弥散质点 （孕育或变质处理孕育或变质处理）（3）热处理和压力加工热处理和压力加工 晶粒粗细对力学性能影响很

15、晶粒粗细对力学性能影响很 大。一般规律：大。一般规律：晶粒愈细，晶粒愈细， 强度、硬度愈高，塑性、韧强度、硬度愈高，塑性、韧 性愈好。性愈好。 纯金属结晶的纯金属结晶的 冷却曲线规律冷却曲线规律 2）纯金属结晶在纯金属结晶在恒温下恒温下进行，结晶冷却曲线出现进行，结晶冷却曲线出现 水平线段水平线段 1）金属实际结晶温度金属实际结晶温度低于低于理论结晶温度；理论结理论结晶温度；理论结 晶温度晶温度T 0 与实际结晶温度与实际结晶温度Tm之差称为之差称为过冷度，过冷度， 即：即：T=T 0-Tm体心立方晶格体心立方晶格Fe面心立方晶格面心立方晶格Fe 1）体心立方晶格体心立方晶格 在立方体的在立方

16、体的8个顶角个顶角上各有一个原子，在立上各有一个原子，在立方体方体中心中心还有一个原子。还有一个原子。体心立方晶格体心立方晶格 2）面心立方晶格面心立方晶格 在立方体在立方体8个顶角个顶角上各有一个原子，在立方体上各有一个原子，在立方体 的的6个面个面的的中心中心还各有一个原子。还各有一个原子。面心立方晶格面心立方晶格 纯铁固态下纯铁固态下, 在不同温在不同温度范围内将呈现出不同的度范围内将呈现出不同的晶格形态，这种现象称为晶格形态，这种现象称为同素同素异晶转变。异晶转变。 Fe FeFe L （液体）（液体） 1538 （体心）（体心） 1394 （面心）（面心） 912 （体心）（体心）2

17、）用反应式表示用反应式表示1）用冷却曲线表示用冷却曲线表示 L合金：合金：以一种金属为基础，加入其它金属或非金以一种金属为基础，加入其它金属或非金 属，所形成的具有金属特性的物质。属，所形成的具有金属特性的物质。组元：组元：组成合金的基本元素。组成合金的基本元素。 铁碳合金铁碳合金(Fe-Fe3C)相相：在合金组织中：在合金组织中,凡是成分相同、晶体结构和凡是成分相同、晶体结构和物理性能相同的均匀组成部分。物理性能相同的均匀组成部分。例如：例如： 单一的液相；单一的液相； 单一的固相；单一的固相； 液相、固相两相共存；液相、固相两相共存；问题：问题： 水、油混装在一个瓶子里，是几个相？水、油混

18、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？将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？组织组织：通常借助于放大镜、显微镜人眼观察到的：通常借助于放大镜、显微镜人眼观察到的材料内部的微观（图像）统称组织材料内部的微观（图像）统称组织组织组织是材料是材料性能性能的的决定因素决定因素。合金的组织结构合金的组织结构机械混合物机械混合物固溶体固溶体金属化合物金属化合物溶质溶质原子溶入原子溶入溶剂溶剂晶格而仍保持晶格而仍保持溶剂溶剂晶格类型的金属晶体。晶格类型的金属晶体。据据溶质溶质原子在原子在溶剂溶剂晶格中所晶格中所占据位置占据位置的不同的不同固溶体固溶体固溶体的性能特点：固溶体的性能特点：具

19、有良好的塑性和韧性，具有良好的塑性和韧性，强度、硬度较低。强度、硬度较低。置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体溶剂原子溶质原子溶剂原子溶质原子二、金属化合物二、金属化合物 合金各组成元素之间相互作用而生成的一种合金各组成元素之间相互作用而生成的一种新的新的具有具有金属特性金属特性的物质。的物质。金属化合物各元素之间呈金属化合物各元素之间呈整数比整数比关系。关系。如：如： FeFe3 3C C、WCWC、TiC TiC 等等金属化合物的性能特点：金属化合物的性能特点：脆性大、硬度高；强度低；塑性、韧性差；高的熔点。脆性大、硬度高；强度低；塑性、韧性差；高的熔点。 合金的组成在固态下既不互相溶

20、解又不形成化合物，合金的组成在固态下既不互相溶解又不形成化合物，而是按一定的而是按一定的重量比混合而成的新物质重量比混合而成的新物质。 机械混合物既可以是纯金属、固溶体或金属化合物机械混合物既可以是纯金属、固溶体或金属化合物各自的混合，也可以是它们之间的混合。各自的混合，也可以是它们之间的混合。性能特点：性能特点：性能介于各组成物的性能之间。性能介于各组成物的性能之间。如珠光体和莱氏体如珠光体和莱氏体 部分部分碳碳溶于铁的晶格间隙，溶于铁的晶格间隙，铁铁的的晶格晶格类型类型不变不变。 奥氏体（奥氏体（A） 碳（碳（C）溶入）溶入-Fe中所形中所形成的固溶体成的固溶体 铁素体（铁素体（F） 碳（

21、碳（C）溶入）溶入-Fe中所形中所形成的固溶体成的固溶体 1）固溶体固溶体铁素体（铁素体（F） 体心立方晶格体心立方晶格 600 0.006%C 727 0.0218%C 力学性能：力学性能：b 250MPa； = 45%50%； HBS = 80。奥氏体（奥氏体（A）面心立方晶格面心立方晶格 1148 2.11%C 727 0.77% 力学性能：力学性能： b 250 350MPa； = 40%45%。 HBS= 160200；铁素体组织铁素体组织奥氏体不锈钢组织奥氏体不锈钢组织 渗碳体渗碳体 （Fe3C） C3FeCFe3（石墨）（石墨） 铸铁生产中铸铁生产中 性能性能 800 HBW （

22、用硬质合金头测定）（用硬质合金头测定） 硬而脆，但塑性、韧性近于零。硬而脆，但塑性、韧性近于零。2）金属化合物金属化合物各组元按一定各组元按一定整数比整数比结合而成，并结合而成，并 具有具有金属性质金属性质的均匀物质，属于的均匀物质，属于单相单相组织。组织。过共晶白口铸铁中过共晶白口铸铁中铁的一次渗碳体铁的一次渗碳体过共析钢退火组织中过共析钢退火组织中 的二次渗碳体的二次渗碳体3）机械混合物机械混合物结晶过程所形成的两相混合组织结晶过程所形成的两相混合组织 白色白色F基体中嵌入黑片状基体中嵌入黑片状Fe 3C 良好的力学性能：良好的力学性能： b 750MPa ； HBS=180 =20 %2

23、5% ； k = 30-40（J/c） 成分：成分：C 0.77 %珠光体珠光体 P （F+Fe3C）莱氏体（莱氏体（Ld ） 由绿条状或粒状由绿条状或粒状P和黄色和黄色Fe3C 基体组成基体组成727以上为高温以上为高温Ld （A+ Fe3C）727以下为低温以下为低温Ld （P+ Fe3C） 力学性能与力学性能与 Fe3C 相似，硬而脆相似，硬而脆C=4.3%C 珠光体珠光体 莱氏体莱氏体 第四节第四节 、铁碳合金状态图、铁碳合金状态图 铁碳合金状态图是用铁碳合金状态图是用实验方法实验方法作出的作出的温温度度成分成分坐标图坐标图图中横坐标仅标出了含碳图中横坐标仅标出了含碳量小于量小于6.6

24、9%的合金部分，因为含碳量大于的合金部分，因为含碳量大于6.69%的铁碳合金，在工业上没有实用意义。的铁碳合金，在工业上没有实用意义。当含碳量为当含碳量为6.69%时，铁和碳形成的时，铁和碳形成的Fe3C，可以看作是合金的一个组元，因此，这个状可以看作是合金的一个组元，因此，这个状态图实际上是态图实际上是Fe-Fe3C的状态图。它是研究的状态图。它是研究钢和铁钢和铁的的成分、温度和组织结构成分、温度和组织结构之间关系的之间关系的重要工具重要工具。铁碳合金状态图铁碳合金状态图显示各种不同碳量的铁碳合金在不同温度显示各种不同碳量的铁碳合金在不同温度 下组织形态的热分析图形下组织形态的热分析图形1）

25、两条水平线）两条水平线 ECF（1148） PSK（727） AF2）4个基本相个基本相 液相液相(L)； 奥氏体奥氏体(A)； 铁素体铁素体(F)； 渗碳体相渗碳体相( Fe 3C)。1）共晶线）共晶线ECF （C点点共晶点）共晶点）（）（CFeALe C3 . 4L3 说明：含说明：含2.11%6.69%C的的 Fe C合金合金(生铁生铁)都将在都将在1148时发生时发生莱氏体莱氏体转变，转变，即共晶转变。即共晶转变。1148AFPLeLe表示共晶反应表示共晶反应：2）共析线共析线PSK （S点共析点点共析点）（）（CFeFP C77. 0A3说明：各种成分的说明：各种成分的 Fe C合金

26、合金(钢钢)都将在都将在727时发生时发生珠光体珠光体转变，即转变，即共析转变共析转变。在热处理中，。在热处理中，该线温度常以该线温度常以A1表示，表示， (加热时用加热时用Ac1; 冷却时用冷却时用Ar1 )727AFP表示共析反应：表示共析反应：3）两条固溶线）两条固溶线GS、ESAF ES 奥氏体冷却过程中奥氏体冷却过程中析出析出 Fe3C的起始线，的起始线，该温度常以该温度常以 Acm表示。表示。（加热：（加热：Accm 冷却：冷却：Arcm） GS 奥氏体冷却过程中奥氏体冷却过程中析出析出铁素体铁素体的起始线，该温度的起始线，该温度常以常以 A3表示。表示。（加热：（加热：Ac3）冷

27、却：冷却：Ar3） 铁碳合金住状态图中主要线的含义铁碳合金住状态图中主要线的含义 ACD线线液相线，液相线，液体合金冷却到此线时开始结晶。液体合金冷却到此线时开始结晶。 在此在此线线以上以上的区域是的区域是液相区液相区。 析出析出 以以E点点（2.11% C）为界，为界，分为分为钢钢和和生铁生铁两类。生铁两类。生铁结晶时有结晶时有莱氏体莱氏体转变，组转变，组织中有织中有莱氏体。莱氏体。AFP 钢以钢以S点（点（0.77%C）为界，为界， 分为：分为： 亚共析钢亚共析钢 C 0.77%； 共析钢共析钢 C0.77%； 过共析钢过共析钢 C0.77%。 生铁以生铁以C点（点（4.3%C）为界，为界

28、，分为：分为： 亚共晶生铁亚共晶生铁 2.11%C4.3%； 共晶生铁共晶生铁 C4.3% ； 过共晶生铁过共晶生铁 C4.3%6.69。 铸铁：一般是指用来制造铸铁：一般是指用来制造 铸件的生铁，铸件的生铁，为亚共晶生为亚共晶生 铁。铁。C2.8 % 4.0 % 。AFP1、分析自液态冷却至室温时、分析自液态冷却至室温时 合金的组织转变过程及室合金的组织转变过程及室 温组织温组织 室温组织室温组织: PFAFAA+AA1）共析钢（）共析钢（T8钢）钢） 1点以上点以上 L 12 LA 23 A 3点点 AP 3点以下点以下 PA共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程 2）亚共析钢）亚共析钢(45钢

29、）钢）亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程FFAAAAAAAAFFFA 1点以上点以上 L (12 L) 1（2）3 A+L 34 A 45 A+F 5点点 AP 5点以下点以下 P+F3）过共析钢（）过共析钢（T10) P+Fe3C（网状）（网状）AAAAAAFAF 1点以上点以上 L 12 L+A 23 A 34 A+Fe3CII 4点点 AP 4点以下点以下 P+Fe3CII4）亚共晶白口生铁）亚共晶白口生铁AAAAAAAALeLeLe1点以上点以上 L 12 A+L 2点点 共晶反应共晶反应 23 A+Fe3CII+Ld 3点点 共析反应共析反应 3点以下点以下 P+Fe3CII+Ld

30、 注明：注明： Fe3CII二次渗碳体二次渗碳体 Ld 高温莱氏体高温莱氏体 Ld低温莱氏体低温莱氏体 钢和白口铸铁结晶过程分析钢和白口铸铁结晶过程分析 典型铁碳合金在相图中的位置典型铁碳合金在相图中的位置231LAAL+P1LAAL+A+P+F432F41LL+A+P+Fe3C23AAFe3C1L2LeLe1LA+L+LeP+Fe3C+LeA+Le +32AFe3C31L2L+ Fe3CFe3C+Fe3C+LeLe1 1钢钢2生铁生铁 共析钢共析钢: 亚共析钢亚共析钢: : 过共析钢过共析钢: : 共晶生铁共晶生铁: 亚共晶生铁亚共晶生铁: 过共晶生铁过共晶生铁: : 1.说明晶粒粗细对力学

31、性能的影响说明晶粒粗细对力学性能的影响 2.何谓铁的同素异晶转变，并用反应式和何谓铁的同素异晶转变，并用反应式和冷却结晶曲线分别描述冷却结晶曲线分别描述 3.说明说明 F、A、 Fe 3C、P的名称、含碳量、的名称、含碳量、晶体类型及力学性能特征晶体类型及力学性能特征 4.依依Fe -C状态图分析缓慢冷却条件下状态图分析缓慢冷却条件下45钢和钢和T10钢的结晶过程与室温组织钢的结晶过程与室温组织。1、概述、概述 应用应用:机床制造中，热处理零件占机床制造中，热处理零件占 60%70%， 汽车制造中，热处理零件占汽车制造中，热处理零件占70%80%。 刀具、模具和滚动轴承约占刀具、模具和滚动轴承

32、约占100%。方法方法: 通过对钢件重新通过对钢件重新加热，保温加热，保温并并在在不同条件下不同条件下的的冷却冷却获得所需组织和获得所需组织和性能。性能。普通热处理普通热处理: 退火、正火、淬火、回火；退火、正火、淬火、回火；表面热处理表面热处理: 表面淬火、化学热处理表面淬火、化学热处理意义意义: 将钢件在将钢件在固态下固态下使之改善使之改善内部组织内部组织和提高其力学和提高其力学性能，但不允许性能，但不允许改变形状和尺寸改变形状和尺寸。 热处理工艺的包括热处理工艺的包括加热、加热、保温、和冷却保温、和冷却三个基本阶段三个基本阶段 由于各种热处理时起作用由于各种热处理时起作用的主要因素是的主

33、要因素是温度温度和和时间，时间，所以各种热处理都用所以各种热处理都用温度温度时间时间坐标图的曲线来表示坐标图的曲线来表示热处理工艺曲线。热处理工艺曲线。临界温度临界温度 保温保温冷冷却却加加热热时间时间温温度度 2. 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变 为了在热处理后获得所需的性能，大多数工艺为了在热处理后获得所需的性能，大多数工艺（淬火、正火、退火）都要将钢加热到（淬火、正火、退火）都要将钢加热到临界温度临界温度以以上，获得上，获得全部或部分奥氏体组织全部或部分奥氏体组织，并使其，并使其成分均匀成分均匀化化，即进行，即进行奥氏体化奥氏体化组织转变组织转变,再以不同的再以不同的冷冷却方式

34、却方式或速度转变成或速度转变成所需要的组织所需要的组织,已获得已获得预期的预期的性能。性能。 分析钢从室温加热转变至奥氏体状态分析钢从室温加热转变至奥氏体状态(俗称奥氏体化俗称奥氏体化) 的组织变化的组织变化AFPLeLe共共 析析 钢钢 PA 亚共析钢亚共析钢 F+PFAA过共析钢过共析钢 PFe3CIIA Fe3CII 转变温度转变温度C%在加热（冷却）时在加热（冷却）时FeFe3C状态图中各临界点的状态图中各临界点的位置位置 根据相图，共析钢根据相图，共析钢加热加热PSK线线（A1）以上时，完以上时，完全转变为奥氏体；而全转变为奥氏体；而亚共亚共析钢和过共析钢析钢和过共析钢必须加热必须加

35、热到到GS线线（A3）和和ES线线（Acm)以上才能全部获得以上才能全部获得奥氏体。奥氏体。 铁碳合金状态图中的组铁碳合金状态图中的组织转变的临界温度织转变的临界温度是是A1、A3、Acm 。实际加热时临实际加热时临界温度的位置用界温度的位置用Ac1、Ac3、Accm表示；实际冷却时的表示；实际冷却时的位置位置A r1、 Ar3 、Arcm 表示。表示。 奥氏体的形成奥氏体的形成共析钢中奥氏体形成过程示意图共析钢中奥氏体形成过程示意图 奥氏体的形成分四个步骤：奥氏体的形成分四个步骤： 奥氏体晶核的形成；奥氏体晶核的形成； 奥氏体晶核的长大；奥氏体晶核的长大； 剩余渗碳体的溶解；剩余渗碳体的溶解

36、； 奥氏体成分的均匀化。奥氏体成分的均匀化。 ? 亚共析钢亚共析钢A化过程化过程? 过共析钢过共析钢A化过程化过程 加热温度和保温时间，加热温度和保温时间，温度越高，时间越温度越高，时间越长，长，A晶粒越粗大晶粒越粗大 碳含量：碳含量：C%越大，越大，A晶粒越粗大晶粒越粗大 合金含量：除合金含量：除Mn、P外大多数合金能阻碍外大多数合金能阻碍A晶粒长大晶粒长大 一一般采用般采用快速快速高温加热的高温加热的短时保温短时保温以获得以获得细小细小A晶粒。晶粒。3. 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变 室温时钢的力学性能，不仅与加热、保温后所获得的室温时钢的力学性能，不仅与加热、保温后所获得的奥

37、奥氏体晶粒大小氏体晶粒大小等有关，而且决定于奥氏体经冷却转变后所等有关，而且决定于奥氏体经冷却转变后所获得的获得的组织组织，而而冷却方式冷却方式和和冷却速度冷却速度对奥氏体的组织转变对奥氏体的组织转变有直接的关系。有直接的关系。 冷却方式通常有两种：冷却方式通常有两种： 连续冷却连续冷却使加热到奥氏体的钢，在温度连续下降使加热到奥氏体的钢，在温度连续下降的过程中发生组织转变的过程中发生组织转变 。如在热处理生产上经常使用的，。如在热处理生产上经常使用的，在在水中、油中或空气中水中、油中或空气中冷却等都是连续冷却方式。冷却等都是连续冷却方式。 等温冷却等温冷却使加热到奥氏体的钢，先以较快的冷却使

38、加热到奥氏体的钢，先以较快的冷却速度冷到速度冷到A1线以下线以下的一定的温度，这时奥氏体尚未转变，的一定的温度，这时奥氏体尚未转变，但成为过冷奥氏体。但成为过冷奥氏体。然后进行保温然后进行保温，使奥氏体使奥氏体等温等温下发下发生生转变。转变。转变完成后再冷却到室温。如转变完成后再冷却到室温。如等温退火等温退火属于等属于等温冷却方式。温冷却方式。等温转变等温转变：是指进行一系是指进行一系列不同过冷度的列不同过冷度的等温冷却等温冷却实验实验，可以测出，可以测出过冷奥氏过冷奥氏体体保温过程中保温过程中开始转变时开始转变时间间和和转变终了时间转变终了时间,标注在标注在温度温度时间时间坐标系中，然坐标系

39、中，然后将开始转变时间和转变后将开始转变时间和转变终了时间分别连接起来，终了时间分别连接起来，这种曲线类似英文字母这种曲线类似英文字母“C”又称又称“C”曲线。曲线。 共析钢奥氏体的等温转变曲线共析钢奥氏体的等温转变曲线共析钢奥氏体等温转变曲线共析钢奥氏体等温转变曲线 共析钢奥氏体等温转变曲线共析钢奥氏体等温转变曲线珠光体转变区珠光体转变区高温转变产物（高温转变产物（F+Fe3C）在在Ar1550之间等温转变成片层之间等温转变成片层状状珠光体产物。珠光体产物。珠光体（珠光体（P)） Ar1650 粗片层粗片层索氏体（索氏体（S) 650600 细片细片托氏体（托氏体（T）600550 极细片极

40、细片 都是由都是由铁素体和渗碳体铁素体和渗碳体的片层所的片层所组成的机械混合物。组成的机械混合物。 贝氏体转变区贝氏体转变区 中温中温转变产物（转变产物（B） 在在550 230（MS）之间）之间的等温转变产物为贝氏体。的等温转变产物为贝氏体。 550 350 上贝氏体上贝氏体 350 230 下贝氏体下贝氏体由由含碳过量的铁素体和微小含碳过量的铁素体和微小的渗碳体的渗碳体混合而成。比珠光混合而成。比珠光体的硬度更高。体的硬度更高。 低温转变产物（低温转变产物（M） 共析钢奥氏体过冷到共析钢奥氏体过冷到230 （MS） 以下转变以下转变产物为马氏体。产物为马氏体。 它实质上它实质上C在在 -F

41、e中的中的过饱和过饱和固溶体。固溶体。 4、钢的退火和正火、钢的退火和正火 1）退火）退火 将钢件加热，保温至将钢件加热，保温至奥氏体化后奥氏体化后随炉或埋入随炉或埋入石灰中石灰中使其冷却使其冷却(缓慢缓慢) 的热处理工艺。的热处理工艺。目的目的 细化晶粒，提高塑性和韧性；细化晶粒，提高塑性和韧性；降低表层硬度，利于切削加工；降低表层硬度，利于切削加工；消除内应力。消除内应力。主要应用于主要应用于铸钢件、锻件、焊件铸钢件、锻件、焊件等多种毛坯等多种毛坯加工前的加工前的预备热处理。预备热处理。应用应用 退火按其钢种的应用不同，分为退火按其钢种的应用不同，分为完全退火、球化退火完全退火、球化退火和

42、和低温退火低温退火三种不同工艺三种不同工艺 完全退火完全退火加热温度：加热温度：Ac3+3050， 完全奥氏体化；完全奥氏体化；冷却：炉冷至冷却：炉冷至500后开炉空冷后开炉空冷 缓慢缓慢冷却。冷却。应用：应用：亚共析钢亚共析钢的铸钢件、锻的铸钢件、锻、焊件焊件。 球化退火球化退火粒状）弥散）网状）(333CFePCFeACFeP应用：应用：过共析钢过共析钢（刀具、刃具）（刀具、刃具）作用：降低硬度，利于切削加工，并为进一步淬火作用：降低硬度，利于切削加工，并为进一步淬火 做准备。做准备。组织变化特征：组织变化特征：加热温度：加热温度：Ac1 +2030；冷却：随炉冷却：随炉缓慢缓慢冷却；冷却

43、；低温退火低温退火(去应力退火去应力退火)加热温度：加热温度：500650以下以下( Ac1)冷却：保温后随炉缓慢冷却；冷却：保温后随炉缓慢冷却；作用：消除热应力。对冷拔、作用：消除热应力。对冷拔、 冷拉、冲压件则消除冷拉、冲压件则消除加工硬化加工硬化，以利于进一步变形以利于进一步变形。退火分类退火分类加热温度加热温度冷却方式冷却方式主要目的主要目的适用范围适用范围缓冷至缓冷至500C空冷空冷缓慢冷却缓慢冷却完全退火完全退火球化退火球化退火等温退火等温退火去去应力退火应力退火Ac3线以上线以上30-50CAc1线以上线以上20-0CAc3线以上线以上30-50CAc1线以下线以下500-650

44、C快冷至快冷至A1线线下保温下保温缓慢冷却缓慢冷却消除粗晶和消除粗晶和不均匀组织不均匀组织将网状将网状Fe3CII变变为球状为球状Fe3CII获得均匀组织获得均匀组织消除残余应力消除残余应力亚亚共析钢共析钢过过共析钢共析钢合金钢合金钢铸、锻、焊铸、锻、焊件件 正火是将钢加热到正火是将钢加热到Ac3(亚共析钢）或亚共析钢）或Accm（过共析钢）过共析钢）以上以上3050C，保温保温后从炉内取出，后从炉内取出，空冷空冷的热处理方工艺。的热处理方工艺。 正火主要应用在以下方面：正火主要应用在以下方面： 用于普通结构件最终热处理用于普通结构件最终热处理； 取代部分取代部分完全退火完全退火(低碳钢低碳钢

45、) 用于用于过共析钢。过共析钢。可抑制和消除可抑制和消除网状二网状二次渗碳体次渗碳体的形成的形成 完全奥氏体化，加热，保温过程和目的同完全奥氏体化，加热，保温过程和目的同退火，退火，只是放到空气中冷却，只是放到空气中冷却，比退火冷却比退火冷却稍快，珠光体中的稍快，珠光体中的 Fe 3C片层薄，片层薄，性能与性能与退火相近。退火相近。 温温 度度 时时 间间 几种退火和正火的工艺曲线几种退火和正火的工艺曲线3）淬火）淬火加热温度：加热温度： 亚共析钢：亚共析钢： t = Ac3 + 3050 过共析钢：过共析钢： t = Ac1 + 3050冷却条件：冷却条件：速冷（油或水中，水中冷却更快速冷（

46、油或水中，水中冷却更快) 组织变化特征组织变化特征 1）晶格转变：）晶格转变：-Fe(面心）面心）-Fe（体心）（体心） 2）速冷下，）速冷下，原原A中的中的过饱和过饱和碳难以向外扩散，碳难以向外扩散， 形成了形成了碳在碳在-Fe中的过饱中的过饱和固溶体。这类固和固溶体。这类固 溶体即溶体即 称称马氏体马氏体。以符号。以符号“M”表示。表示。 “M”的特性的特性1）因碳严重过饱和，晶格畸）因碳严重过饱和，晶格畸变，大大增加了变形抗力，变，大大增加了变形抗力，故马氏体通常具有很高的故马氏体通常具有很高的硬硬度和耐磨性度和耐磨性，但突显脆性，但突显脆性，易开裂。易开裂。2）M相变伴随有体积膨胀，相

47、变伴随有体积膨胀，出现淬火内应力，产生出现淬火内应力，产生淬火淬火变形。变形。工艺上采取措施工艺上采取措施 1）严格控制淬火温度）严格控制淬火温度 2）合理选择淬火介质）合理选择淬火介质 3）正确选择淬火方法）正确选择淬火方法4）回火）回火 淬火钢因突显脆性，一般都要重新加热才能使淬火钢因突显脆性，一般都要重新加热才能使用，其淬火后重新加热用，其淬火后重新加热（ Ac1以下）、保温后并以下）、保温后并冷却至室温冷却至室温的热处理工艺称为回火。的热处理工艺称为回火。 回火意义回火意义 淬火后因淬火后因“M”为不稳定组织，重新加热时，为不稳定组织，重新加热时， 碳原子扩散能力增强，将以碳原子扩散能

48、力增强，将以Fe 3C形式析出，致使形式析出，致使b、HRC降低，降低， %、k提高提高。 回火分类回火分类按淬火后重新加热温度不同，可分为三类：按淬火后重新加热温度不同，可分为三类：1）低温回火）低温回火（250 以下以下 150250） 目的：目的：减小内应力减小内应力，降低脆性，保持良好的原淬，降低脆性，保持良好的原淬 火火硬度硬度（5664HRC）和）和高的耐磨性。高的耐磨性。 应用：工具、刃具、模具及其它耐磨件应用：工具、刃具、模具及其它耐磨件2）中温回火）中温回火（250500） 目的：获得目的：获得高弹性高弹性，保持表面，保持表面较高硬度较高硬度 （3550HRC），获得一定的）

49、，获得一定的韧性。韧性。 应用：弹簧、发条、锻模板。应用：弹簧、发条、锻模板。3）高温回火）高温回火（500以上以上500650） 目的：获得目的：获得高强度，高塑性和高的冲击韧性高强度，高塑性和高的冲击韧性，即良，即良 好的综合力学性能。好的综合力学性能。 应用：广泛应用于承受疲劳载荷的中碳钢重要件，应用：广泛应用于承受疲劳载荷的中碳钢重要件， 如如连杆、主轴、齿轮、重力螺钉连杆、主轴、齿轮、重力螺钉等。硬度等。硬度 2035HRC。 淬火后高温回火也称为淬火后高温回火也称为 调质热处理。调质热处理。中碳钢中碳钢（0.40.6C）亦称）亦称 为为调质钢调质钢。1）表面淬火）表面淬火 钢件表层

50、淬火到一定深度，钢件表层淬火到一定深度，心部仍保持未淬火状态的一种心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。局部淬火方法。工艺工艺 钢件表层快速加热到淬钢件表层快速加热到淬火温度（火温度（ Ac3+3050），），当高温来不及传递到当高温来不及传递到心部心部而立而立即喷水冷却，实现表层即喷水冷却，实现表层局部淬局部淬火。火。 快速加热方法：电感应，火焰，激光等。快速加热方法：电感应，火焰，激光等。目的目的 获得获得表层高硬度、高耐磨性表层高硬度、高耐磨性，心部心部仍保持淬仍保持淬火以前的火以前的良好韧性良好韧性。 应用应用 机床主轴、阶梯轴、汽车发动机曲轴、齿轮机床主轴、阶梯轴、汽车发动机曲轴、

51、齿轮的齿形表层等的齿形表层等 2）化学热处理）化学热处理 工件置于化学介质中，并通过工件置于化学介质中，并通过加热、保温加热、保温， 通过原子扩散和通过原子扩散和化学反应化学反应，改变其表层的，改变其表层的 化学成分和组织，达到工件表层改性的目的。化学成分和组织，达到工件表层改性的目的。 常用工艺常用工艺：渗碳、渗氮、碳氮共渗渗碳、渗氮、碳氮共渗等。等。 渗碳渗碳 低碳钢工件进入密闭渗碳炉中，通低碳钢工件进入密闭渗碳炉中，通入煤油（气体渗碳）。加热：入煤油（气体渗碳）。加热：900950，保温，使表层达到保温，使表层达到1%C，淬火后再低温回淬火后再低温回火，火，可达可达5664HRC，如，如

52、汽车变速箱齿轮、车桥汽车变速箱齿轮、车桥齿轮、活塞销等。齿轮、活塞销等。 热处理在模具制造中的综合应用热处理在模具制造中的综合应用(GB/T13304-1991)按化学成分分为按化学成分分为: 非合金钢（碳素钢）非合金钢（碳素钢） 低合金钢低合金钢(3%)(3%) 合金钢合金钢1 1按化学成分分类按化学成分分类一、钢的分类一、钢的分类（1 1）低合金钢）低合金钢 Me 5%Me 10%Me 10%1 1）碳素钢）碳素钢 2 2）合金钢合金钢（1 1）低碳钢）低碳钢 C 0.25%C 0.6%C 0.6%2. 2. 按质量分类按质量分类 P、S 0.030%1 1）普通钢）普通钢2 2）优质钢优

53、质钢3 3）高级优质钢：高级优质钢：S：使合金产生热裂、热脆缺陷使合金产生热裂、热脆缺陷P：使合金产生冷裂、冷脆缺陷使合金产生冷裂、冷脆缺陷P 0.045% S 0.055%P 0.040% S 0.045%3 3按用途分按用途分弹簧钢、轴承钢、耐热钢、耐蚀钢等弹簧钢、轴承钢、耐热钢、耐蚀钢等 。1 1）结构钢）结构钢2 2）工具钢）工具钢 3 3）特殊性能钢）特殊性能钢: : （1 1）工程结构钢）工程结构钢（2 2）机械制造用钢）机械制造用钢（1 1）碳素工具钢）碳素工具钢（2 2）合金工具钢）合金工具钢 二二 、碳素钢碳素钢 碳钢碳钢 碳对钢的力学性能的影响碳对钢的力学性能的影响1、化学

54、成分对碳钢性能的影响、化学成分对碳钢性能的影响碳素钢碳素钢:wC60HRC） 用途：做小型工、模具用途：做小型工、模具 牌号：用牌号：用 “ T”表示，其后面的一位或两位表示表示，其后面的一位或两位表示 钢中平均含碳量的钢中平均含碳量的千分数。千分数。 如：如：T8，T10，T10A，T12；后面后面A表示表示高级优质高级优质 碳素工具钢一般均为优质钢。见碳素工具钢一般均为优质钢。见P32表表1-6 低合金钢：合金总含量较低（低合金钢：合金总含量较低（3%）、含碳量）、含碳量（0.160.20）也较低的合金结构钢。）也较低的合金结构钢。热处理：热处理：退火或正火退火或正火 性能：性能：较高的强

55、度、塑性、韧性和耐磨性、较高的强度、塑性、韧性和耐磨性、 良好的焊接性。良好的焊接性。 用途：用途：桥梁、桥梁、汽车、汽车、铁路、船舶、锅炉、高铁路、船舶、锅炉、高 压容器、钢筋、矿用设备等压容器、钢筋、矿用设备等 分类：可焊接低合金高强度钢分类：可焊接低合金高强度钢、低合金耐侯钢、低合金耐侯钢、 低合金钢筋钢、铁路用低合金钢、矿用低合金钢低合金钢筋钢、铁路用低合金钢、矿用低合金钢 应用最广是应用最广是可焊接低合金高强度钢，可焊接低合金高强度钢， 其牌号表示方法与碳素结构钢相同。见其牌号表示方法与碳素结构钢相同。见P33表表1-7 四、合金钢四、合金钢1、合金结构钢、合金结构钢分类及用途：低碳

56、合金结构钢用于分类及用途：低碳合金结构钢用于渗碳件渗碳件；中碳合金结构钢；中碳合金结构钢调调质、渗氮件质、渗氮件； 高碳合金结构钢用于制造高碳合金结构钢用于制造弹簧弹簧。 牌号：牌号：采用采用“数字数字+元素符号元素符号+数字数字” 来表示。来表示。 前面的数字表示前面的数字表示钢的平均含碳量，以万分之几钢的平均含碳量，以万分之几表示，如：平表示，如：平均含碳量为均含碳量为0.25%，以，以25表示；表示； 后面后面 的数字表示的数字表示合金的含量，合金的含量，以平均含量的以平均含量的百分之几百分之几表示，表示， 合金元素小于合金元素小于1 .5%时，编号中只标明元素，不标明含量如果时，编号中

57、只标明元素，不标明含量如果平均含量等于和大于平均含量等于和大于1.5%、2.5%、3.5%，则相应的用，则相应的用2、3、4.表示，如表示，如40Cr ：含：含0 .370.45%C、0.81.1%Cr的铬钢的铬钢 钢中合金元素超过低合金钢时钢中合金元素超过低合金钢时合金钢合金钢 属于优质钢和高级优质钢属于优质钢和高级优质钢2、合金工具钢、合金工具钢用途：制造刀具、量具、模具等，工作温度达用途：制造刀具、量具、模具等，工作温度达600。C分类分类：刀具、量具用钢、耐冲击工具用钢、：刀具、量具用钢、耐冲击工具用钢、 冷作模具钢、热作模具钢冷作模具钢、热作模具钢牌号牌号：平均含碳量：平均含碳量1.

58、0%时，不标出，时，不标出，1.0%时以时以千分之几千分之几表示。表示。高速钢高速钢例外，例外， 平均含碳量平均含碳量1.0%， Cr、Mn平均含量平均含量1.5%的合的合金工具钢，金工具钢， 9SiCr表示平均含碳量为表示平均含碳量为0.9%， Si 、 Cr平均含量平均含量1.5%的合的合金工具钢，金工具钢， W18Cr4V表示表示含碳量为含碳量为0.700.80%， W、Cr、V平均含量分平均含量分别为别为18%、4%、 1.5%的的高速钢高速钢 包括不锈钢，耐热钢，耐磨钢，磁钢等。包括不锈钢，耐热钢，耐磨钢，磁钢等。如：如：3Cr13，1Cr18Ni9等等 不锈钢在石油、化工、食品、医

59、药、装饰不锈钢在石油、化工、食品、医药、装饰 应用最广。应用最广。 合金钢的各种化学成分、热处理、用途合金钢的各种化学成分、热处理、用途见见P35表表1-8 选材的一般原则选材的一般原则1. 材料的材料的力学力学性能性能 在设计零件并进行选材时，应根据零件的工作条件和在设计零件并进行选材时，应根据零件的工作条件和损坏形式找出所损坏形式找出所选材料的主要选材料的主要力学力学性能指标性能指标，这是保证，这是保证零件经久耐用的先决条件。零件经久耐用的先决条件。2. 材料的工艺性能材料的工艺性能 材料的工艺性能的好坏对加工生产有直接的影响，材料的工艺性能的好坏对加工生产有直接的影响，因因此，应选用其此

60、，应选用其工艺性能优良工艺性能优良的材料，以便的材料，以便降低制造成本，降低制造成本，减少废品的产生。减少废品的产生。几种重要的工艺性能如下：几种重要的工艺性能如下：铸造性能：包括流动性能、收缩、偏析等。铸造性能：包括流动性能、收缩、偏析等。锻造性能：包括可锻性、抗氧化性等锻造性能：包括可锻性、抗氧化性等机械加工性：包括光洁度、切削加工性等机械加工性：包括光洁度、切削加工性等 一般来说，碳钢的锻造、切削加工性能较好，其机一般来说，碳钢的锻造、切削加工性能较好，其机械性能可以满足一般零件的工作条件要求，因此械性能可以满足一般零件的工作条件要求，因此碳钢碳钢的用途较广的用途较广。但其强度还不够高，