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金属材料与热处理绪论主要内容一、金属材料的历史地位 二、金属材料的分类 三、金属结构材料的应用情况 四、金属材料发展的历史 五、金属材料的发展热点 六、关于本课程一、金属材料的历史地位1.材料发展与社会进步有着密切关系,它是衡量人 类社会文明程度的标志之一，金属材料是现代文 明的基础。 石器时代青铜器时代铁器时代 2.目前，人类还处在金属器时期。虽然无机非金 属材料、高分子材料的使用量与日俱增，但在可 预见的时期内，仍不会改变这种状况。二、金属材料的分类黑色 金属 铸铁工程构件用钢金 属 材 料钢机器零件用钢 工具钢结构金属材料 功能金属材料特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢) 轻金属(铝,镁,钛)有色 金属贵重金属(金,银)重金属(铜,锌,铅,镍)稀有金属(钨钼钒铌钴) 放射金属(镭铀钍)三、金属结构材料的应用情况(1)1.从总产量来看，钢铁材料的产量占绝对优势， 占世界金属总产量的95，而且有许多良好的 性能，能满足大多数条件下的应用，价格低廉。 2.在世界金属矿储量中，铁矿资源虽然比较丰富 和集中，但就世界地壳中金属矿产储量来讲， 则非铁金属矿储量大于铁矿储量，如铁只占 5.1，而非铁金属中铝为8.8镁为2.1， 钛为0.6。三、金属结构材料的应用情况(2)3. 非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，因 而生产成本高，限制了生产总量的增长。 4.非铁金属所创造的价值高，并且它有钢铁所 不具备的特殊性能，例如比强度高，耐低温、 耐腐蚀等，因而非铁金属产量仍在迅速增长。四、金属材料发展的历史(1)1.公元前3800年，出现人工冶炼的铜器，我国在公 元前3000年出现锡青铜甘肃东乡马家窑文 化的青铜刀（含610Sn）。商、周时期是 中国青铜器的鼎盛时期。 2.自公元前12世纪起铁器在地中海东岸地区使用日 广。到公元前10世纪，铁工具比青铜工具应用 更普遍。公元前8世纪到公元前7世纪，北非和 欧洲相继进入铁器时代。四、金属材料发展的历史 (2)3. 中国古代钢铁及非铁金属的生产技术和热处理技术，在明末科学家宋应星所著天 工开物中有详细的阐述。 4.现代冶金技术的发展自19世纪中叶的转炉 炼钢和平炉炼钢开始。19世纪末的电弧炉 炼钢和20世纪中叶的氧气顶吹转炉炼钢及 炉外精炼技术，使钢铁工业实现了现代化。四、金属材料发展的历史(3)5.在非铁金属冶金方面，19世纪80年代发电 机的发明，使电解法提纯铜的工业方法得 以实现，开创了电冶金新领域；同时，用 熔盐电解法将氧化铝加入熔融冰晶石，电 解得到廉价的铝，使铝成为仅次于铁的第 二大金属；20世纪40年代，用镁作还原剂 从四氯化钛制得纯钛，并使真空熔炼加工 等技术逐步成熟后，钛及钛合金的广泛应 用得以实现。同时，其他非铁金属也陆续 实现工业化生产。四、金属材料发展的历史(4)6. 19世纪末，出现了新型的合金钢如高速工 具钢、高锰钢、镍钢和铬不锈钢，并在20 世纪发展为门类众多的合金钢体系。与此 同时，铝合合、镁合金、铜合金、钛合金 和难熔金属及合金等也先后形成工业规模 生产。 7. 20世纪中叶，新金属材料研究发展迅猛。 如非晶态合金、金属基复合材料、金属间 化合物结构材料、金属纳米材料等。五、金属材料的发展热点 按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。l 低温、高压、高温、外场以及辐照条件材料的结构、 组织和性能的研究。 4材料的设计及选用科学化 l 非晶态或亚稳态合金材料、金属纳米材料。 3特殊条件下应用的金属材料 l 具有高强度、高韧性、耐高、低温、抗腐蚀等性能。 2非晶（亚稳态）材料日益受到重视 l1继续重视高性能的新型金属材料 六、关于本课程(1)1. 本课程的目的是讲授金属结构材料的物理冶 金问题，使学生掌握金属及合金中的化学成 分、组织结构、生产过程、环境对金属材料 各种性能的影响的基本规律；掌握常用金属材料的化学成分设计、生产、 热处理和使用中的问题。六、关于本课程(2)2.本课程的主要内容 金属材料的合金化基础理论 碳钢、合金钢 铸铁 有色金属及合金六、关于本课程(3)3. 学习要求 掌握金属材料合金化原理、合金元素对钢相变、 组织、性能影响的一般规律。 掌握常用钢、铸铁、高温合金、有色金属等材 料的牌号、成分、热处理规范、组织、力学性 能和用途。 能够根据工程构件、机器零件（或工具）的服 役条件，合理选用材料，确定热处理工艺等。 能对产品质量作初步分析，提出消除或预防热 处理缺陷的措施。六、关于本课程(4)4.成绩考核方式 期末试卷 （80%）+ 平时综合（20%） 5.教材与参考书 吴承建、陈国良、强文江编著。金属材 料学，北京：冶金工业出版社，2000。 王笑天主编。金属材料学，北京：机械工 业出版社，1987。 王晓敏主编。工程材料学，北京：机械工 业出版社，1999。第一单元 金属材料与机械产品制造过程简介金属材料的基本概念金属材料是由金属元素或以金属元素 为主要材料构成的并具有金属特性的工程 材料。金 属 材 料纯金属合金金属材料的分类非合金钢金 属 材 料黑色 金属低合金钢 合金钢 铸铁 铜及铜合金 铝及铝合金有色 金属滑动轴承合金钛及钛合金 其他非铁合金Steelmaking flowlinesSteel Finishing flowlines机械产品的制造过程使用制 造设计铸造 机 械 产 品 加 工 工 艺 压力加工 焊接 粉末冶金 切削加工 特种加工 熔焊 压焊 钎焊第二单元 金属材料的性能金属材料的性能力 学 性 能物 理 性 能化 学 性 能化 学 性 能力学性能 力学性能 指金属在力的作用 下所显示出的与弹性和非弹性反 应相关或涉及应力-应变关系的 性能，如弹性、强度、硬度、塑 性、韧性等强度与塑性材料的拉伸曲线1、oe段：直线、弹性变性2、es段：曲线、弹性变形+塑性变形 3、s s段：水平线（略有波动）明显的塑 性变形屈服现象，作用的力基本不变，试 样连续伸长。 4、sb曲线：弹性变形+均匀塑性变形。5、b点：出现缩颈现象，即试样局部截面 明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到 最大值，试样即将断裂。强度的指标强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力 。 1、屈服点R e=Fs/S0符号： Re 材料产生屈服现象时的最小应力Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N） S0 ：试样原始横截面积（mm）2、抗拉强度指试样拉断前所承受的最大拉应力。 其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力。Rm=Fm/S0当材料的内应力RRm时，材料将产生断裂。Rm常用作脆性材料的选材和设计的依据。塑性指标塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。评定指标是 断后伸长率和断面收缩率。1、断后伸长率 A 指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。A=(Lu-Lo)/Lo x 100%Lu:拉断拉伸试样对接后测出的标距长度 Lo:拉伸试样的原始标距 2、断面收缩率 Z 指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。Z=(So-Su)/So x 100% So:拉伸试样原横截面积。 Su:拉伸试样断口处的横截面积硬度引言： 肖氏硬度 维氏硬度 洛氏硬度 布氏硬度 1、定义：指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。 它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法 有关。 2、硬度的测试方法 布氏硬度1、布氏硬度试验（布氏硬度计）原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力 压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量 材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。2、布氏硬度值 用球面压痕单位面积上所承受有平均压力 表示。 如：120HBS 500HBW 3、优缺点（1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁） （2）可测的硬度值不高 （3）不测试成品与薄件 （4）测量费时，效率低4、测量范围用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等.洛氏硬度1、洛氏硬度试验（洛氏硬度计）原理: 用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面， 经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一 种压痕硬度试验。2、洛氏硬度值出。如：50HRC用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读3、优缺点（1）试验简单、方便、迅速 （2）压痕小，可测成品，薄件（3）数据不够准确，应测三点取平均值（4）不应测组织不均匀材料，如铸铁。4、测量范围用于测量淬火钢、硬质合金等材料.维氏硬度1、维氏硬度试验原理:用夹角为136的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力F （49.03-980.07N）压入试样表面，测出压痕对角线长度d。2、维氏硬度值用压痕对角线长度表示。如：640HV。3、优缺点（1）测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）（2）可测成品与薄件（3）试样表面要求高，费工。4、测量范围常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。韧性小能量多次冲击试验u冲击试样的原理及方法：冲击韧度越大， 表示材料的冲击韧性越好。 u冲击试样 u金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力 称为冲击韧性。 常用一次摆锤冲击弯曲，试验来测定金属材 料的冲击韧性。 疲劳强度疲劳概念： 在交变应力作用下，零件所承受的 应力低于材料的屈服点，但经过较 长时间的工作后产生裂纹或突然发 生完全断裂的现象称为金属的疲劳。疲劳破坏的特征疲劳断裂时无明显的宏观朔性变形， 断裂前没有预 兆，而是突然破坏； 引起疲劳断裂的应力很低，常常低 于材料的屈服点； 疲劳破坏的宏观断口由两部分组成。疲劳曲线和疲劳极限疲劳曲线是指交变 应力与循环次数的 关系曲线。1 2 3N1 N2 疲劳曲线示意图 N3N物理性能磁性热膨胀性 导电性 导热性 熔点 密度 化学性能化学稳定性抗氧化性 耐蚀性 金属的工艺性能 工艺性能是指金属材料对 不同加工工艺方法的应能 力。铸造性能：金属（材料）及合金在铸造工艺中获得优良铸 件的能力称为铸造性能。 1、流动性：熔融金属的流动能力称为流动性。 主要受金属化学成份和浇注温度等的影响。 2、收缩性：铸件在凝固和冷却过程中，其体积 和尺寸减小的现象称为引缩性。 3、偏析倾向：金属凝固后，内部化学成分和组 织的不均匀现象称为偏析。锻造性能：用锻压成形方法获得优良锻件的 难易程度称为锻造性能。 铸铁不能锻压 。焊接性能：切削加性能：切削加工（性能） 金属材料的难易程度称为切削加工 性能。大量接性能是指金属材料对焊接加 工的适应性。 第三单元 金属的晶体结构与结晶 一、金属材料的晶体结构晶体与非晶体 非晶体：在物质内部，凡原子呈无序堆积状 况的，称为非晶体。如：普通玻璃、松香、 树脂等。 晶体：凡原子呈有序、有规则排列的物质， 金属的固态、金刚石、明矾晶体等。 性能：晶体有固定的熔、沸点，呈各向异性， 非晶体没有固定熔点，而且表现为各向同性。晶体结构的概念晶格和晶胞： 表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶 格。 能完整地反映晶格特征的最小几何单元，称为 晶胞。 晶面和晶向： 在晶体中由一系列原子组成的平面，秋为晶面。 通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表 晶格空间排列的一定方向，称为晶向金属晶格的类型体心立方晶格：它的晶胞是一个立方体，原子位于立方 体的八个顶角上和立方体的中心。如：铬（Cr）、钒 （V）、钨（W）、钼（Mo）及-Fe 面心立方晶格：它的晶胞也是一个立方体，原子位于立 方体的八个顶角上和立方体六个面的中心。 如：铝 （Al）、铜（Cu）、铅（Pb）、镍（Ni）及-Fe 密排六方晶格：它的晶胞是一个正六棱柱体，原子排列 在柱体的每个顶角上和上、下底面的中心，另外三个 原子排列在柱体内。属于这种晶格类型的金属有镁 （Mg）、铍（Be）、镉（Cd）、及锌（Zn）等。金属材料的实际晶体结构点缺陷 线缺陷的晶体缺陷晶体中呈点状的缺陷，即在三维空间上尺寸都很小的晶体缺陷 三维空间的两个方向上尺寸很小面缺陷在二维方向上尺寸很大，在第三个方向上尺寸很小，呈面状分布的缺陷二、纯金属的结晶 纯金属的冷却曲线及过 冷度。 用热分析法进行研究 纯金属的冷却曲线(理论) 纯金属的冷却曲线(实际)金属由原子不规则排列的 液体转变为原子规则排 列的固体的过程称为结 晶。 纯金属的结晶过程结晶 结束晶核 长 大形核与 晶 核长 大形核溶液金属材料结晶后晶粒的控制控制晶粒大小的方法 （1）加快液态金属材料的冷却速度； （2）变质处理 （3）采用机械振动、超声波振动和电 磁振动等；u晶粒大小对金属材料力学性能的影响 u三、金属的同素异构转变金属在固态下，随温度的改变有一种晶格转变为另一晶格的现 象称为同素异构转变。 具有同素异构转变的金属有：铁、钴、钛、锡、锰等。同一金 属的同素异构晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用 希腊字母，等表示同素异构转变过程中，有相变 潜热产生，在冷却曲线上出现水 平线段，但这种转变在固态下进 行的，它与液体结晶相比具有不 同之处同素异构转变有过冷（过热） 现象，并且转变时具有较大的过 冷度 同素异构转变是由晶核的形成 与晶核的长大两个基本过程完成， 新晶核在原晶界处生成 同素异构转变时常伴有金属材 料体积的变化四、合金的相结构组织u相 u合金系 u组元 u基本概念 合金的相结构固溶体置换固溶体 间隙固溶体金属氧化物机械混合物五、合金的结晶1.合金的结晶过程2.合金结晶冷却曲线 形成单相固溶体的结晶冷却曲线 形成单相混合物或共晶体的结晶冷 却曲线 形成机械混合物的冷却曲线六、金属材料铸锭组织特征1.铸锭的组织结构表面细晶粒区柱状晶粒区等轴晶粒区2.定向结晶和单晶七、金属材料塑性变形与再结晶金属材料塑性变形塑性变形实质 冷变形强化回复再结晶晶粒长大八、金属材料焊接接头组织焊缝熔合区热影响区过热区 正火区 部分相变区铁素体第 四 单 元铁 碳 合 金 相 图 概念：碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体 称为铁素体。 符号：F， 体心立方晶格 溶解能力：溶解度很小，在727时， 碳在-Fe中的最大溶碳量为0.0218%， 随温度的降低逐渐减小。 性能：由于铁素体的含碳量低，所以 铁素体的性能与纯铁相似。即有良好 的塑性和韧性，强度和硬较低。奥氏体 概念：碳溶解在Fe中形成的间隙固溶体称 为奥氏体。 符号：A， 面心立方晶格 溶碳能力：较强。在1148时 可溶C 为2.11%，在727时， 可溶C为0.77%。 性能：强度、硬度不高，具有 良好的塑性，是绝大多数钢在 高温进行锻造和扎制时所要求 的组织。珠光体概念：是铁素体与碳光体的混合物 符号： P ，是铁素体和渗碳体片层相间，交替排 列。溶碳能力：在727时，C=0.77%性能特点：取决于铁素体和渗碳体的性能，强度 较高，硬度适中，具有一定的塑性。莱氏体概念：是含碳量为4.3%的液态铁碳合金在 11480C时从液体上中间结晶出的奥氏体和渗碳体 的混合物。 符号：Ld（高温莱氏体，温度727）由于奥 氏体在727时转变为珠光体，所以在室温下的莱 氏体由珠光体和渗碳体组成叫低温莱氏体。Ld表 示 溶碳能力：C=4.3%性能特点：硬度很高，塑性很差。珠光体概念：是铁素体与碳光体的混合物 符号： P ，是铁素体和渗碳体片层相间，交替排 列。 溶碳能力：在727时，C=0.77%性能特点：取决于铁素体和渗碳体的性能，强度较高，硬度适中，具有一定的塑性二、铁碳合金相图铁碳合金的分类 钢：0.0218%C2.11%的铁碳合 金 亚共析钢：0.0718%C0.77% 共析钢：C=0.77% 过共析钢：0.77%C2.11% 白口铸铁：2.11%C6.69% 亚共晶白口铸铁：2.11%C4.3% 共晶白口铸铁：C=4.3% 过晶白口铸铁：4.3%C6.69%四、铁碳合金相图的应用选材方面铸造方面压力加工方面热处理方面焊接方面第五单元非合金钢一、硅 1、来源：炼钢后期作脱氧剂带入； 2、对钢的性能影响：提高钢的强度、硬度； 3、是钢中的有益元素。 二、锰 1、来源：炼钢脱氧剂。 2、对钢的性能影响：提高钢的强度与硬度。 3、是钢中的有益元素三、硫 1、来源：生铁带入； 2、对钢的性能影响：对钢造成热脆性； 3、是钢中的有害元素。 四、磷 1、来源：生铁带入； 2、对钢的性能影响，对钢造成冷脆性； 3、是钢中的有害元素。二、非合金钢的分类按钢的含碳量分类： 1、低碳钢：C0.25% 2、 中碳钢：0.25%C0.6% 3、高碳钢：C0.6%二、按钢的质量分类： 1、普通钢：S0.05%，P0.045% 2、优质钢：S0.035%， P0.035% 3、高级优质钢：S0.025%， P0.025%三、按钢的用途分类：1、结构钢：主要用于制造各 种机械零件和工程构件。C 0.7% 2、工具钢：主要用于制造各 种刀具、模具和量具。其含碳 量大于0.70%三、非合金钢钢的牌号及用途牌号：Q屈服点数值，质量等 级符号和脱氧方法符号； 性能：一般； 应用：厂房、桥梁、船舶、铆 钉、螺钉、螺母等。 例如：Q235-A F：表示屈服点为 235Mpa的A级沸腾钢一、优质碳素结构钢： 牌号：用两位数字表示钢中平均含碳量的十分之几。 分类： 1）、0825钢，属于低碳钢 性能：强度、硬度较低、塑性、韧性及焊接性良好； 用途：冲压件、焊接结构件及渗碳件 如：深冲 器件、压力容器等。 2）、3055钢 属于中碳钢 性能：较高的强度和硬度，是塑性和韧性随含 碳量的增加而逐步降低。 用途：制作受力较大的机械零件。 如：连杆、 曲轴、齿轮等 3）、60钢以上 属于高碳钢。 性能：有较高的强度、硬度和弹性； 用途：制造较高强度、耐磨性和弹性的零件 如：气 门弹簧、弹簧垫圈等碳素工具钢： 牌号：T+数字（平均含碳 量的千分数） 如：T12A：表示平均含碳 量为1.2%的高效优质碳素工具 钢。 T7T8：钻头、模具等 T9T10：丝锥、板牙等 T11T13：锉刀、削刀等铸造碳钢： 牌号：ZG+数字数字 第一组数字：屈服点 第二组数字：抗拉强度值 如：ZG270500， 应用：制造形状复杂力学性能要 求较高的机械零件。第六单元钢材的热处理 改善工件的工艺性能，提高加工质量，减小刀具的磨损。 钢的热处理方法：退火、正火、淬火、回火及表面热处理等五 种。 热处理使钢性能发生变化的原因： 由于铁有同素异转变，从而使钢在加热和冷却过程中，发生了 组织与结构变化。 延长零件的使用寿面； 充分发挥钢材的潜力； 提高零件的使用性能； 一、热处理： 热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和 冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。 热处理的目的： 二、钢在加热时的组织转变 钢的奥氏体化 奥氏体晶核的形成及长大； 残余渗碳件的溶解； 奥氏体的均匀化； 在热处理工艺中，钢保温的目的是： 、为了使工件热透； 、使组织转变完全； 、使奥氏体成分均匀。 奥氏体晶粒的长大： 加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越大三、钢材在冷却时的组织转变过冷奥氏体的等温转变 等温转变图的建立 过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能 珠光体转变： 温度：A15500C珠光体 HRC A16500C珠光体P 25 6500C6000C索氏体S 2535 6000C5500C屈氏体T 3540 贝氏体型转变： 5500CMs贝氏体B 4045 5500C3500C上贝氏体B上 3500CMs下贝氏体B下 4555 马氏体转变 碳在Fe中的过饱和固溶体，称为马氏体，用符号M表 示，体心正方晶格。 马氏体转变的特点： 转变温度：MsMf 转变速度极快； 转变体积发生膨胀； 转变不彻底。 性能特点：针状马氏体：硬度高、脆性大；板条马氏体： 强度、韧性较好 马氏体的硬度主要取决于含碳量。 过冷奥氏体等温度转变图的应用。 在等温转变图上估计连续冷却转变产物，确定马氏体临界 冷却速度四、退火与正火 退火 概念：将钢加热到适当温度，保持一定时间，然 后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺称 为退火。 退火的主要目的是：降低钢的硬度，提高塑性， 以利于切削加工及冷变形加工；细化晶粒，均 匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的 热处理作组织上的准备；消除钢中的残余内应 力，以防止变形帮开裂。退火的方法： 完全退火： 完全退火是将钢加热到完全奥氏体（Ac3以上30500C）， 随之缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的工艺方法。 应用：中碳钢及低、中碳合金结构钢的锻件、铸件、热 轧型材等。 球化退火：球化退火是将钢加热到AC1以上20300C， 保温一定得时间，以不大于500C/H得冷却速度随炉 冷却，使钢终碳化物呈球状得工艺方法。应用：适 用于共析钢及过共析钢。如碳素工具钢，合金工具 钢、轴承钢等。 去应力退火：去应力退火是将钢加热到略低于A1得温 度，保温一定时间后缓慢冷却得工艺方法。应用： 消除塑性变形、焊接、切削加工、铸造等形成的残 余内应力。正火1、正火概念：将钢加热到Ac3或Accm以上 30-500C，保温适当的时间，在空气中冷 却的工艺方法。正火退火的目的基本相同， 2、正火主要用于如下场合： 善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性； 正火可细化晶粒； 消除过共析钢中的网状渗碳体，改善钢的 力学性能，并为球化退火作组织准备； 代替中碳钢和低碳合金结构钢的退火。五、淬火 贝氏体等温淬火。 马氏体分液淬火； 双介质淬火：如，先水后油；先水后空气。 单液淬火法：碳钢一般用水作冷却介质；合金钢用油作冷却 介质。 工艺： 一、淬火加热温度： 亚共析钢的淬火加热：Ac3以上30500C 过共析钢的淬火加热：Ac1以上30500C 二、淬火冷却介质：油、水、盐水、碱水等。 三、淬火方法： 1、概念：将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保温一定时间， 然后以适当速度冷却，获得马氏体或下马贝氏组织的热处理 工艺称为淬火； 2、目的：主要获得马氏体，提高钢的强度和硬度。 4 冷处理钢的淬透性和淬硬性淬火缺陷：硬度不定变形与开裂 过热和过烧 氧化与脱碳 六、回火 渗碳体的聚集长大。 其基本的趋势是：随着回火温度的升高，钢的强 度、硬度下降，而塑性、韧性提高。 渗碳体的形成 残余奥氏体分解 马氏体分解； 稳定组织和尺寸 淬火钢在回火时组织与性能的变化 获得所需要的力学性能； 消除内应力； 回火的概念： 将钢淬火后，再加热到Ac1点以下的某一温度，保 温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称 为回火。 回火目的： 回火的分类及应用 低温回火： T1=1500C2500C 组织：回火马氏体； 性能：具有高硬度，高耐磨性和一定的韧性； 应用：刀具、量具、冷冲压模具等 中温回火：T1=3500C5000C 组织：回火托氏体； 应用：刀具、量具、冷冲压模具等 性能：具有高的弹性极限、屈服点； 应用：弹性零件。 高温回火：T1=500C6500C 组织：回火索氏体； 性能：综合力学性能； 应用：受力结构体。 调质：生产中常把淬火及高温回火的复合热处 理工艺称为调质。七、表面热处理 与化学热处理概述： 在机械设备中，有许多零件（如齿轮、活塞销、曲轴等）是 在冲击载荷及表面摩擦条件下工作的。这类零件表面必须具有高硬度和耐磨性，而心部要有足够的塑性和韧性。这 类零件要进行表面热处理 常用的表面热处理方法有：表面淬火及化学热处理。 表面淬火 对工件表面进行淬火的工艺称为表面淬火。 火焰加热表面淬火 感应加热表面淬火七、表面热处理 与化学热处理 扩散 钢的渗碳： 渗碳件必须用低碳钢或低碳合金钢制造。 渗碳件进行热处理，常用淬火后低温回火。 吸收 分解 二、化学热处理 八、热处理新技术热处理新技术形变热处理真空热处理可控气氛热处理激光热处理电子束淬火第七单元低合金钢与合金钢1、合金元素在钢材中的存在形式：合金铁素体合金碳 化物。 2、合金元素对钢材热处理和力学性能的影响：合金元 素对钢材的有利作用，主要是通过影响热处理工艺中的 相变过程显示出来。 （1）对钢材加热转变的影响。 （2）对钢材回火转变产生影响：提高钢材的耐回火性； 产生二次硬化。一、合金元素的存在形式（1 ）1形成铁基固溶体（1）形成铁基置换固溶体Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与Fe形成无限固溶体。 其中Ni、Co和Mn形成以 -Fe为基的无限固溶体，Cr 和V形成以-Fe为基的无限固溶体。 Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如Fe(Mo)和-Fe(W)等。 Ti、Nb、Ta只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体； Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度。元素周期表A0HAAAA AAHeLiBeBCNOFNeNaMgBBBBBBBBAlSiPSClArKCaSeTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrPbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRn一、合金元素的存在形式（2 ） （2）形成铁基间隙固溶体 对-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体 间隙。 对-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体 或四面体间隙。 间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而 增加，即按B、C、N、O、H的顺序而增加。一、合金元素的存在形式（3） 2形成合金渗碳体 （1）合金渗碳体（碳化物） 、氮化物和碳、氮 化物间隙化合物相，是钢中的基本强化相。（2）过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和 氮化物的强度（或稳定性）按下列规律递减：Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe一、合金元素的存在形式（4） 在钢中，铁的碳化n 、金属的碳化物与氮化物具有复杂 的点阵结构，如Cr7C3、Cr23C6、W2C、 Mo2C、(W、Mo、Fe)6C等。 n 、族金属的碳化物与氮化物具有简单的 点阵结构，如TiC、VC、TiN、TaC等； n其中：物与合金碳化物相比，是 最不稳定的。渗碳体中Fe的原子可以被若干 合金元素的原子所取代。如(Fe,Mn)3C、 (Fe,Cr)23C等。一、合金元素的存在形式（5）3形成金属间化合物 （1）金属化合物的类型通常分为正常价化合物、 电子化合物及间隙化合物三类。金属间化合 物通常仅指电子化合物。 （2）在奥氏体不锈钢、马氏体时效钢及许多高 温合金中较为重要的金属间化合物是(Cr46Fe54)、(TiFe2)、(Cr21Mo17Fe62)、 (Co7Mo6)、 P(Cr18Ni40Mo42)、R(Cr18Co51Mo31)、 Ni3(Al,Ti)、Ni3(Al,Nb)、(TiAl3)、(TiAl)、 NiAl、 NiTi、FeAl、2(Ti3Al)等。一、合金元素的存在形式（6）4形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相 （1）钢中的非金属相有：FeO、MnO、TiO2、 SiO2、Al2O3、Cr2O3、MgO 2O3、MnO 2O3、 Al Al MnS、FeS、2MnO 2、CaO 2等。非金属 SiO SiO 夹杂物一般都是有害的。 （2）AlN和一些稀土氧化物弥散质点可用来强化 钢或其它有色金属合金。 （3）在特殊条件下（如快速冷却凝固），可使某 些金属或合金形成非晶体相结构。钢中非晶体相 的作用目前仍缺乏较详细的实验和理论依据。二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对层错能的影响（1 ）1合金元素与铁的相互作用（1）相稳定化元素（奥氏体形成元素）使A3降低，A4升高，在较宽的成分范围内，促使奥 氏体形成，即扩大了相区。根据Fe-Me相图的不同， 可分为： 开启相区(无限扩大相区)；扩展相区(有限扩大相区)。二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对层错能的影响（2）开启相区(无限扩大相区)（图1-1） 这类合金元素主要有Mn、Ni、Co等。如果加入足够量的Ni或Mn，可完全使体心立方的相从相图上消失，相保持到室温，故而由相区淬火到室温较易获得亚稳的奥氏体组织，它们是不锈钢中常用作获得奥氏体的元素。图1-1 扩大相区并与-Fe无限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-Ni相图(b)二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对层错能的影响（3）扩展相区(有限扩大相区)（图1-2）虽然相区也随合金元素的加入而扩大，但由于 合金元素与-Fe和-Fe均形成有限固溶体，并且 也使A3（GS线）降低，A4（JN线）升高，但最 终不能使相区完全开启。这类合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等。 相区借助C及N而扩展，当C含量在02.11%（重 量）范围内，均可以获得均匀化的固溶体（奥氏 体），这构成了钢的整个热处理的基础。图1-2 扩大相区并与-Fe有限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-C相图(b)二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对层错能的影响（4）（2）相稳定化元素（铁素体形成元素）合金元素使A4 降低，A3 升高，在较宽的成分范围内，促使铁素体形成，即缩小了相区。根据Fe-Me相图的不同，可分为：封闭相区(无限扩大相区)；缩小相区(不能使相区封闭)。二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对层错能的影响（5）封闭相区(无限扩大相区)（图1-3） 当合金元素达到某一含量时，A3与A4重合，其结果使相 与相区连成一片。当合金元素超过一定含量时，合金不 再有-相变，与-Fe形成无限固溶体（这类合金不能用 正常的热处理制度）。这类合金元素有：Si、Al 和强碳化物形成元素Cr、W、Mo、V、Ti 、P及Be 等。但应该指出，含Cr 量小于7% 时，A3 下降；含Cr 量大于7%时，A3 才上升。二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对层错能的影响（6）缩小相区(不能使相区封闭) 合金元素使A3 升高，A4 下降，使相区缩小，但不能使其完全封闭。如图1-4。这类合金元素有：B、Nb、Zr、Ta 等。图1-4 缩小相区的Fe-Me相图(a)及Fe-Nb相图(b)二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对层错能的影响（7） 碳化物形成元素：Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、 Nb、Ti、Zr等。碳化物是钢中主要的强化相。 碳化物形成元素均位于Fe的左侧。l2合金元素与碳的相互作用 （1）形成碳化物 l非碳化物形成元素：Ni、Si、Co、Al、Cu、N、 P、S等，与碳不能形成碳化物，但可固溶于Fe形 成固溶体，或形成其它化合物，如氮化物等。非 碳化物形成元素均处于周期表Fe的右侧。 当rc/rMel二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对层错能的影响（8） 碳化物的晶体结构： 0.59时，碳与合金元素形成一种复杂点阵结构的碳化物。Cr、Mn、Fe属于这类元素， 它们形成下列形式的碳化物：Cr23C6、Cr7C3、 Fe3C。l当rc/rMe 0.59时，形成简单点阵的碳化物（间隙相）。Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr均属于此类 元素，它们形成的碳化物是：MeX型（WC、VC、 TiC、NbC、TaC、ZrC）和Me2X型（W2C、 Mo2C、Ta2C）。 可以溶入各类金属原子，呈缺位溶入固溶 体形式，在合金钢中常遇到这类碳化物。 如：Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C等。l 间隙相碳化物虽然含有50% 60%的非金 属原子，但仍具有明显的金属特性； l 硬度大、熔点高（可高达3000），分解 温度高（可达1200）； l二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对层错能的影响（9） 碳化物的特性 ： 合金元素对碳在固溶体中活度的影响主要表 现在存在于固溶体中的合金元素，会改变金 属原子与碳的二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对层错能的影响（10） （2）Me对固溶体中碳活度及扩散系数的影响非碳化物形成元素，相反将“推开”碳原子， 提高其活动性，即增加碳的活度，同时将出 现碳从固溶体中析出的倾向。（图1-5）l 碳化物形成元素增加固溶体中碳与合金元素 之间的结合力，降低其活度。 l结合力或结合强度。 fC的影响在研究碳化物、氮化 物和碳、氮化合物在 奥氏体中的溶解和冷 却时它们从固溶体中 的析出，以及热处理 过程中元素在各相间 的再分配这些问题时， 合金元素对碳在奥氏 体中的活度具有很重 大的意义。图1-5 合金元素的摩尔原子浓度对 1000时碳在奥氏体中的相对活度系数的影响二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对层错能的影响（11）Me对C在A中的扩散激活能和扩散系数的影响l碳化物形成元素：如Cr、Mo和W等降低C的 活度，即提高了C在A中结合力，因而使扩散 激活能升高扩散系数下降。l非碳化物形成元素：如Ni、Co等提高C的活 度，即降低了C在A中的结合力，因而使扩散 激活能下降，扩散系数升高。图1-6 合金元素对C在奥氏体中的扩散激活能和扩散系数的影响二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对层错能的影响（12）需要指出的是Si是个例外，它能升高扩 散激活能，降低扩散系数，造成这个例 外的原因，则是由于Si虽提高C的活度， 但同时降低了Fe原子的活动性，即增加 了Fe在固溶体中的结合能，因而得到与 Ni、Co相反的结果。二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对层错能的影响（13） 总之，合金元素与碳的相互作用具有重大的实际意义:它关系到所形成的碳化物的种类、性质和在 钢中的分布。而所有这些都会直接影响到钢 的性能，如钢的强度、硬度、耐磨性、塑性、 韧性、红硬性和某些特殊性能。同时对钢的 热处理亦有较大的影响，如奥氏体化温度和 时间，奥氏体晶粒的长大等。二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对层错能的影响（14） 3合金元素对奥氏体层错能的影响 （1）层错能的概念：晶体中形成层错时增加 的能量。 （2）奥氏体层错能对钢的组织和性能的影响： 一般认为层错能越低，越有利于位错扩展 和形成层错，使滑移困难，导致钢的加工 硬化趋势增大。二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对层错能的影响（15） 例如高Mn钢和高Ni钢都是奥氏体型钢，但加工硬化趋势相差很大。l高Ni钢易于变形加工， Ni、Cu和C等元 素使奥氏体层错能提高。 高Mn钢则难于变形加工， Mn、Cr、Ru 和Ir则降低奥氏体的层错能。l三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响（1） 1合金元素对奥氏体、铁素体区存在范围的 影响扩大相区的合金元素(如Ni、Co、Mn等)均 扩大铁碳相图中奥氏体存在的区域。 其中完全扩大相区的合金元素Ni或Mn的含 量较多时，可使钢在室温下得到单相奥氏体 组织，例如1Cr18Ni9高镍奥氏体不锈钢和 ZGMn13高锰耐磨钢等。l图1-7 （a）合金元素Mn对Fe-Fe3C相图中奥氏体区的影响三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响（2）缩小相区的合金元素(如Cr、W、Mo、V、Ti、 Si等)均缩小铁碳相图中奥氏体存在的区域。其 中完全封闭相区的合金元素（例如Cr、Ti、Si 等）超过一定含量后，可使钢在包括室温在内 的广大范围内获得单相铁素体组织，例如 1Cr17Ti高铬铁素体不锈钢等。 Cr对Fe-Fe3C相图中A区的影响如图1-7（b）。n图1-7 （b）合金元素Cr对Fe-Fe3C相图中奥氏体区的影响三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响（3） Me对共析转变温度的影响2合金元素对Fe-Fe3C相图共析点S的影响 l扩大相区的元素使 铁碳合金相图的共析 转变温度下降；l缩小相区的元素使 铁碳合金相图的共析 转变温度上升。图1-8 合金元素对共析温度的影响三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响（4）l Me对共析点（S）成分的影响 几乎所有合金元 素都使S点（图19） 降低，尤其 以强碳化物形成 元素的作用最为 强烈。共晶点E 的碳含量也随合 金元素增加而降 低。图1-9 合金元素对共析含碳量的影响四、合金元素对钢的热处理的影响（1） 1Me对钢加热时奥氏体形成过程的影响合金元素的加入改变了临界点的温度、S点 的位置和碳在奥氏体中的溶解度，使奥氏体 形成的温度条件和碳浓度条件发生了变化；由于奥氏体的形成是一个扩散过程，合金元 素原子不仅本身扩散困难，而且还将影响铁 和碳原子的扩散，从而影响奥氏体化过程。四、合金元素对钢的热处理的影响（2）奥氏体的形核奥氏体的长大奥氏体形成过程渗碳体的溶解奥氏体成分均匀化四、合金元素对钢的热处理的影响（2） 强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等与碳的亲和 力较大，显著妨碍碳在奥氏体中的扩散，大大减 慢了奥氏体的形成速度。l 非碳化物形成元素Co和Ni等提高碳在奥氏体中的 扩散速度，增大奥氏体的形成速度。Si、Al、Mn 等对碳在奥氏体中的扩散速度影响较小，故对奥 氏体的形成速度影响不大。 l 奥氏体的形成速度取决于奥氏体晶核的形成和长 大，两者都与碳的扩散有关。 （1）Me对奥氏体形成速度的影响 四、合金元素对钢的热处理的影响（3） 碳化物的分解： 奥氏体形成后，还残留有一 些稳定性各不相同的碳化物。稳定性高的碳 化物，要求其分解并溶入奥氏体中，必奥氏体的成分均匀化： 由于碳化物的不断溶 入，不均匀程度更加严重。要使奥氏体成分 均匀化，碳和合金元素均需扩散。须提 高加热温度，甚至超过其平衡临界点几十或 几百度。 四、合金元素对钢的热处理的影响（4）但对需要具有较多未溶碳化物的合金工具 钢，则不应采用过高的加热温度和过长的保 温时间。l由于合金元素的扩散很缓慢，因此对合金 钢应采取较高的加热温度和较长的保温时间， 以得到比较均匀的奥氏体，从而充分发挥合 金元素的作用。 l图1-10 碳化物和氮化物在奥氏体中溶解度与温度的关系四、合金元素对钢的热处理的影响（5） 合金元素形成的碳化物在高温下越稳定， 越不易溶入奥氏体中，能阻碍晶界长大， 显著细化晶粒。按照对晶粒长大作用的影 响，合金元素可分为： Ti、V、Zr、Nb等强烈阻止奥氏体晶粒长 大，Al在钢中易形成高熔点AlN、Al2O3细 质点，也能强烈阻止晶粒长大； W、Mo、Cr等阻碍奥氏体晶粒长大的作 用中等；（2）Me对奥氏体晶粒长大倾向的影响 图1-11 AlN含量对奥氏体晶粒度的影响图1-12 MnNiMo钢中的AlN质点 （电解萃取碳复型）Ni、Si、Cu、Co等阻碍奥氏体晶粒长大的作用轻微；Mn、P、B则有助于奥氏体的晶粒长大。Mn钢有较强烈的过热倾向，其加热温度不 应过高，保温时间应较短。四、合金元素对钢的热处理的影响（6） 2Me对钢的过冷奥氏体分解转变的影响主要表现在合金元素可以使钢的C曲线发生 显著变化。具体可以分为以下几个方面：（1）对高温转变（珠光体转变）的影响；（2）对中温转变（贝氏体转变）的影响；（3）对低温转变（马氏体转变）的影响。四、合金元素对钢的热处理的影响（7）图1-13 合金元素对奥氏体恒温转变曲线的影响 (a)强碳化物形成元素 (b)中等及弱碳化物形成元素 (c)非碳化物形成元素四、合金元素对钢的热处理的影响（8） （1）对高温转变（珠光体转变）的影响l除Co外，几乎所有的合金元素使C曲线右移（即增大过冷奥氏体的稳定性，推迟珠光体型的转变）。C曲线右移的结果，降低了钢的临界冷却速度，提高了钢的淬透性。四、合金元素对钢的热处理的影响（9） 合金元素只有当淬火加热溶入奥氏体中 时，才能起到提高淬透性的作用。 如果淬火加热温度不高，保温时间较短， Cr、Mo、W、V等强碳化物未溶解时， 非但不能提高淬透性，反而会由于未溶 碳化物粒子能成为珠光体转变的核心， 使淬透性下降。lMe的加入对钢还有固溶强化的作用； l四、合金元素对钢的热处理的影响（10） 两种或多合金元素的加入推迟珠光体型转变的同时还 可在连续冷却过程中得到贝氏体型组织的钢。l种合金元素同时加入对淬透性的影 响要比两单个元素影响的总和强得多，例如 铬锰钢、铬镍钢等。合金钢采用多元少量合 金化原则，可最有效地发挥各种合金元素提 高钢的淬透性的作用。 l四、合金元素对钢的热处理的影响（11） 首先表现在对贝氏体转变上