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机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 书名：机械基础 ISBN： 9787111471721 作者：康一 出版社：机械工业出版社 本书配有电子课件 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 1.金属、合金的晶体结构 及铁碳合金的五 种基本组织 2.金属材料的普通热处理及表面热处理 3.激光淬火新技术 1.三种常见金属晶体结构、 合金相结 构及铁碳合金分类 2.退火、正火、淬火及回火的应用。 【重点掌握】 【主要内容】 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 不同的金属材料在载荷作用下表现出不同的力学性 能，如下表所示的45钢。 不同冷却条件对对45钢钢力学性能的影响（加热热温度840） 冷却 方法 抗拉强度 Rm/MP a 屈服强度 Rel/ MP a 断后伸长长率 A（%） 断面收缩缩率 Z（%） 硬度 HRC 炉冷 51927232549 1518 空冷 65770533315184550 1824 油冷 882608182048 4050 水冷 1078706781214 5260 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 晶体原子（离子或分子）呈 规则排列的物质。如冬天的雪花 、天然金刚石、一切固态金属及 合金都是晶体。 l1 . 影响金属材料性能的因素 （1）金属材料的晶体结构 固态物质按其原子的聚集状 态可分为晶体与非晶体两大类 雪花 三角八面钻石原石 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 1）常见的三种晶体结构 a.体心立方晶格 属于体心立方晶格的常见金属有铬（Cr）、钨(W)、 钼(Mo)、-铁（912以下为-Fe）等 。塑性较好 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 lB.面心立方晶格 属于面心立方晶格的常见金属有金（Au）、银(Ag)、铜(Cu)、铝（ Al）、镍(Ni)、-铁（9121394之间为-Fe）等。塑性好 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 c.密排六方晶格 属于密排六方晶格的常见金属有镁(Mg) 、铍(Be)、锌(Zn)、镉(Cd)、-钛(-Ti) 等。塑性较差 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 （2 ）合金的晶体结构 合金由两种或两种以上的金属元素（或金属与非 金属元素）通过熔炼组成的具有金属特性的 材料。如钢铁材料都是由铁与碳组成的合金 相合金中具有成分、结构、性能均相同的均匀 组成部分 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 l合金的相结构可分为固溶体、金属化合物。 1）固溶体 定义： 合金在固态下，由于组元间 相互溶解而形成的均匀相 固溶强化： 形成固溶体时，合金强 度、硬度提高的现象 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 固溶体 固溶强化 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 （3）铁碳合金 是铁和碳组成的合金 定义： 是金属与金属、或金属与 非金属之间形成的具有金属 特性的物质 特点： 晶格复杂，熔点较高，硬 度高，脆性大 2）金属化合物 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 1）铁碳合金的基本组织（五种基本组织） a.奥氏体（A） 碳溶于r-Fe中所形成的间隙固溶体，奥氏体 的强度、硬度比铁素体要高。 b.铁素体 （F） 碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体，强度、 硬度较低，而塑性、韧性较好,易于塑性成形加工 c.渗碳体（Fe3C ） 渗碳体是铁和碳组成的具有复杂晶格结构 的间隙化合物 。硬度很高(约800HBW)，脆性极 大，塑性和韧性几乎为零 。 d.珠光体（P）是铁素体与渗碳体组成的机械混合物,具有 足够的强度、硬度和塑性，综合性能良好。 e.莱氏体 是碳的质量分数为4.3的铁碳合金。硬度高 （约700HBW），塑性、韧性极差，脆性大。 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 铁素体珠光体 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 奥氏体 莱氏体 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 2） FeFe3C相图 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 合金 种类类 工业业 纯铁纯铁 钢钢白口铸铁铸铁 亚亚共 析钢钢 共析 钢钢 过过共 析钢钢 亚亚共晶 白口铁铁 共晶 白口铁铁 过过共晶 白口铁铁 wc/%0.774.30 平衡 组织组织 FF+PP P+Fe3C P+Fe3C+LdLd Ld+ Fe3C 铁碳相图的分类和室温平衡组织 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 铁碳合金室温下的组织、性能变化规律 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 l2.钢的热处理: l是对固态金属或合金采用适 当方式进行加热、保温和冷却， 以达到所需的组织与性能的工 艺 ，如右图所示。 热处理工艺曲线 分类：普通热处理：包括退火、正火 、淬火和回火 表面热处理：包括表面淬火等 化学热处理：包括渗碳、渗氮 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 （1） 金属材料普通热处理 1）退火将金属材料加热到一定温度，保温后缓慢冷却（在 炉中或埋入导热性较差的介质中）的热处理工艺 。 退火目的： 细化晶粒、均匀组织、降低硬度、消除内应力、 改善切削加工性能。 常用退火方法:完全退火、球化退火、去应力退火等。 a.完全退火 加热温度：AC3（临界点）+（30 50） 应用：用于亚共析钢的铸件、锻轧件、焊接件等。 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 b.球化退火 加热温度：AC1（临界点）+ （20 40） 应用：共析、过共析钢的锻 、 轧件及结构钢的冷挤压件 c.去应力退火 加热温度：500650 应用：消除铸件、锻件、焊接件、精 加工件等残存的内应力，以稳 定尺寸，减少变形，防止开裂 。 真空退火炉 动画演示 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 台车炉 箱式炉 退火热处理炉 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 2）正火 是将钢件加热到临界点以上，保温适当时间后在静止的空气 中冷却的热处理工艺。 目的:细化晶粒、调整硬度，并为后续工序作好组织准备。 从经济性能上考虑 从工艺性能上考虑 从使用性能上考虑 正火 与 退火 的 选用 动画演示 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 加热温度范围 热处理工艺曲线 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 3）钢的淬火 是将钢件加热到临界点以上3070，保温后以大于临 界冷却速度冷却的热处理工艺。 目的： 得到高硬度、高耐磨组织以及 强度、韧性的良好配合，以适 应不同工作条件的需要 常用的淬火介质： 水、盐水或碱水、 矿物油以及盐浴或碱浴等 动画演示 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 钢的理想淬火冷却曲线 碳钢的淬火加热温度范围 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 快速淬火炉 工件浸入淬火剂的方法 动画演示 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 4）回火 将淬火零件重新加热到临界点以下某一温度， 保温一定时间后冷却到室温的工艺。淬火后必须及时 进行回火。 目的： 主要是为了消除或减少淬火内应力，降低脆性，防 止工件变形与开裂；稳定组织，从而稳定工件的形状 与尺寸；调整工件的力学性能，以满足最终性能（硬 度、强度、塑性和韧性等）要求。 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 回火分为以下三种： a.低温回火 (150250)：所得组织为回火马氏体。高硬度（ 5864HRC）、高耐磨性，同时内应力明低，减少了钢的脆性。 应用：用于各种高碳钢、合金工具钢制造的刃具、量具、冷 作模具以及滚动轴承、渗碳件、碳氮共渗件和表面淬 火件等淬火后的回火。 b.中温回火 （350500)：组织为回火托氏体。硬度一般为 3550HRC。屈强比较高，淬火内应 力基本消除。 应用：常用于弹性零件（如弹簧、发条、刀杆、轴套）以及热作 模具等淬火后的回火。 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 lc.高温回火 （500650）：组织为回火索氏体。通常把淬火加 高温回火的复合热处理工艺称为调质处理。高温回火后硬度一般为 220330HBW。综合性能好。 应用：广泛应用于汽车、拖拉机、机床等承受载荷较大、受力 复杂的重要结构零件 ，如齿轮、轴类等零件。 回火保温时间： 13h，冷却方式一般为空冷。 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 回火炉 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 （2）金属材料表面热处理 1）表面淬火 是将钢件的表面层淬 透到一定深度，而心部 仍保持未淬火状态的一 种局部淬火的方法 ，如 右图。 感应加热表面淬火 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 2）化学热处理 将工件置于适当的活性介 质中加热、保温，使一种或几 种元素(碳、氮、硼、铬等)渗 入工件表面，以改变其表面化 学成分、组织和性能的热处理 工艺。 可控气氛渗碳炉 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 渗碳变速齿轮 氮化件 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 3.激光淬火新技术 为了不断提高钢材及零件的性能，缩短生产周期和改善劳动条 件，经不断发展，出现了许多新的热处理工艺及新技术。如激光 淬火 动画演示 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 整体热处热处 理性能及用途小结结 类类 别别 名称工艺艺硬度用途 普 通 热热 处处 理 退火加热热：临临界点以上 去应应力500650 冷却：炉冷 160220HBW消除缺陷，降低 硬度，便于机 加 正火加热热：临临界点以上 3050 冷却：空冷 2535HRC性能高，生产产率 高，经济经济 淬火加热热：临临界点以上 3070 冷却：水冷或油冷 3065HRC为为回火做准备备 回火低温回火：150250 中温回火：350500 高温回火：500650 冷却：随炉冷 5864HRC工、模、量具等 3550 HRC弹弹簧、热热模具等 220330HBW重要结结构件轴轴等 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 1解释名词： 固溶体：合金在固态下，由于组元间相互溶解而形成的均匀 相称为固溶体。 金属化合物：是金属与金属、或金属与非金属之间形成的具 有金属特性的化合物相。 铁素体：碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体称为铁素体 奥氏体：碳溶于r-Fe中所形成的间隙固溶体称为奥氏体。 珠光体：是铁素体与渗碳体组成的机械混合物。 热处理：是对固态金属或合金采用适当方式进行加热、保温 和冷却 ，以达到所需的组织与性能的工艺。 退火：将金属材料加热到一定温度，保温后缓慢冷却（在炉 中或埋入导热性较差的介质中）的热处理工艺。 【习题与思考题】 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 正火：是将钢件加热到临界点以上，保温适当时间后在静止的空 气中冷却的热处理工艺。 淬火：是将钢件加热到临界点以上3070，保温后以大于临界 冷却速度冷却的热处理工艺。 回火：将淬火零件重新加热到临界点以下某一温度，保温一定时 间后冷却到室温的工艺。 2简简答题题 （1）热处热处 理工艺艺由哪三个阶阶段组组成？试试画出工 艺艺曲线线。 答：热处热处 理工艺艺由加热热、保温和冷却三个阶阶段组组 成。工艺艺曲线线如图图2-1所示。 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 （2）退火和正火的主要区别是什么？生产中应如何选用？ 答：退火和正火的主要区别是冷却速度。生产中选用退火和正 火一般从以下三个方面考虑：从使用性能上考虑。力学性能要求 不高、受力不大的工件，可采用正火热处理；从工艺性能上考虑 。钢的硬度在170260HBW范围内时，切削加工性良好。而低碳钢 （wC0.25的铁碳合金），退火后硬度低，切削加工易“粘刀”， 可采用正火，提高硬度，改善切削加工性；对于高碳钢（wC0.60 的铁碳合金称为高碳钢），当wC0.75时，一般采用球化退火 处理，可降低了硬度，便于切削加工，又能为淬火作好了组织准备 ；从经济性能上考虑。正火比退火生产周期短，成本低，操作简 单，故在满足材料使用性能及工艺性能要求前提下，应尽量选用正 火处理。 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 （3）何谓退火？退火的目的是什么？常用退火工艺方法有哪 些？ 答：将金属材料加热到一定温度，保温后缓慢冷却（在炉中或 埋入导热性较差的介质中）的热处理工艺称为退火。退火的主要目 的是：细化晶粒、均匀组织、降低硬度、消除内应力、改善切削加 工性能。常用退火方法有完全退火、球化退火、去应力退火等。 （4）何谓淬火？淬火的主要目的是什么？ 答：钢的淬火是将钢件加热到临界点以上3070，保温后以 大于临界冷却速度冷却的热处理工艺。淬火的主要目的是为了得到 高硬度、高耐磨的组织以及强度、韧性的良好配合，以适应不同工 作条件的需要。 （5）简述三种常见回火工艺的组织、性能及应用。 答：低温回火：回火温度在150250之间，所得组织为回火 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 马氏体。回火马氏体组织基本保持淬火钢的高硬度（5864HRC ）、高耐磨性，同时内应力明显降低，减少了钢的脆性。低温回火 常用于各种高碳钢、合金工具钢制造的刃具、量具、冷作模具以及 滚动轴承、渗碳件、碳氮共渗件和表面淬火件等淬火后的回火。 中温回火：回火温度在350500之间，所得组织为回火托氏 体。回火托氏体组织具有较高的弹性极限和屈服强度及一定的韧性 ，且屈强比较高，淬火内应力基本消除。中温回火后硬度一般为35 50HRC。中温回火常用于弹性零件（如弹簧、发条、刀杆、轴套 ）以及热作模具等淬火后的回火。一般枪械上使用的弹簧、击针、 抽筒子、闭锁卡铁以及冲击工具等，多采用淬火后中温回火。 高温回火：回火温度在500650之间，所得组织为回火索氏 体。通常把淬火加高温回火的复合热处理工艺称为调质处理。回火 索氏体组织具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能， 且 机械基础 主编 康一 课题2 钢的基本组织和热处理 切削加工性能较好。高温回火后硬度一般为220330HBW。调质处 理广泛应用于汽车、