《工程材料及成型技术》讲稿.doc

阳光家教网 工程材料及成形技术 绪论授课题目：绪论0.1材料技术与成形工艺0.2本课程的专业地位 0.3本课程的学习方法课时安排1学时授课计划第1次教学目的，要求：了解 材料及材料技术的发展史，本课程的基本内容、基本框架和基本特点掌握 本课程的学习方法教学内容（包括基本内容、重点、难点 、板书-字体加黑，下同）一 材料技术与成形工艺材料：制造物品的物质（原材料）。物质生产活动是人类生存和社会发展的基础，因此，材料和应用便成了人类社会发展和文明进程的重要标志。我国在材料工艺方面为人类文明作出过杰出贡献。 六千多年前创造了以制陶术为代表的仰韶文化；随后的陶瓷技术一直 领先世界。 商周时期创造了青铜冶炼技术为代表的青铜文化。春秋以来创造了铁器文化： 春秋中期（公元前475-770年）冶炼生铁 战国时期（公元前221-475年）生产可煅铸铁 西汉中期（公元前24-206年）出现炼钢技术，国外18世纪英国人才发明。 公元299年生产徐美人刀（低碳钢，刃部渗碳，淬火）1960s，人们把材料、能源、信息并称现代技术和现代文明的三大支柱。1970s人们把新型材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的标志。1 工程材料分类按材料的成分组成分类最为普遍：A.金属材料 金属键结合，具有导电性，导热性，高塑性和金属光泽 B.高分子材料 共价键结合为主，碳氢为主元素，分子量500 C.陶瓷材料 离子键结合为主，一种元素或多种元素与一种非金属元素的化合物。具有熔点高，硬度高，化学稳定性高D. 复合材料 两种或两种以上不同材料的组合材料。 2 成型工艺分类 材料加工工艺 二 本课程在机类专业人才培养中的作用（为什么要学） 1课程的内容层次课程体系与材料科学为基础，以材料及成型工艺的选用为主线，内容结构上可分为材料与成型技术的基本原理，基本知识与工程应用三个层次。基本原理主要明确三种关系： 材料的成分组织、结构使用性能的关系； 材料改性及强化工艺成分组织、结构性能的关系 材料成型工艺组织性能的关系基本知识包括五类问题： 各类工程材料的特点及应用； 材料改性工艺的特点及应用； 各类成型工艺的特点及应用； 零件失效分析及质量控制方法； 新材料的发展与新工艺进展。工程应用包括零件的材料及成型工艺选择方法和材料及改性成型分析。2课程的学习目的以齿轮为例：一对齿轮在工作状态下相互摩擦 - 磨损 - 高硬度 - 高碳钢相互冲击 - 断裂 - 高韧性 - 低碳钢 渗碳 表层高碳，高硬度 心部低碳，高韧性设计及失效分析性能要求-选材及改性。 培养合理选择材料的初步能力；培养正确确定加工方法的能力。三 课程的特点与学习方法（怎么学）特点： 专业技术基础课。不深入 实践性强。联系实际，抓应用 材料、加工工艺方法种类多。抓特点，抓比较方法： 记 抓主线 成分组织，结构使用性能 工艺组织，结构使用性能 即一个中心两条线 抓比较 及时复习，归纳，总结第一章 工程材料的性能授课题目：第一讲 工程材料的性能1.1、材料的使用性能1.2、材料的工艺性能课时安排1学时授课计划第一次教学目的，要求： 了解 材料的主要性能指标的涵义及物理意义 教学内容1、1、材料的使用性能 材料的性能是材料的本质属性。涉及的知识领域比较宽，在工程方面，与材料改性、选材和应用密切相关的主要性能指标概括如下：一力学性能1. 刚度：材料抵抗弹性变形的能力2. 强度：材料在常温，静载下抵抗塑性变形或破坏的能力3塑性：材料受力时产生塑性变形而不断裂的能力 4韧性：材料抵抗冲击力而不破坏的能力 a=(J) 5疲劳强度：材料在交变应力反复作用下（一般10次）不致发生断裂的能力。 F .硬度：材料抵抗局部压入变形的能力 以上配以 图3、低碳钢应力应变曲线 图4 、几种材料的疲劳曲线 图5、冲击试验简图 图6、硬度试验方法 二物理性能 三化学性能： a.耐蚀性：材料抵抗各种介质侵蚀的能力 b.耐侯性：材料在阳光、空气、雨水等自然因素作用下不发生性质变化或破坏的能力 c.高温抗氧化性：材料在高温下抵抗表面氧化的能力1.2工艺性能1、 铸造性：材料能否用铸造方法制成优良性能铸件的难易程度2、 可焊性：材料能否用一般焊接方法焊成优良接头的难易程度3、 可锻性：材料能否用压力加工方法加工或成型的难易程度4、 可切削性：材料是否易于进行各种切削加工的性能第二章 工程材料的结构授课题目：第一讲 工程材料的结构与性能1.1、金属的晶体结构1.2、合金的晶体结构 1.3、高聚物的结构 1.4、陶瓷的组织结构课时安排4学时授课计划第二次教学目的，要求： 熟悉 1、材料内部原子的结合方式（结合键）和排列方式（晶体结构）；2、晶体缺陷及其对材料性能的影响。 教学内容：21金属的晶体结构一、 基本概念1、 晶体：原子有规则排列的固体 特性 2、晶格 ：把晶体中原子抽象成点（阵点），用直接联接阵点构成的空间格子 3、晶胞：晶格中最基本的几何单元三个概念结合 1.8 介绍 吕. P6 . 二、 基本结构 1、体心立方 （Bcc ， Body Centre Cubic Lattice） 致密度 K= 100=68，特性 ：多数金属高熔点，高硬度 2、 面心立方 （ Fcc Face Centre Cubic Lattice） K = 74 特性： 高塑性 ，无磁性。 3、 密排六方 （Cph , Close packed hexagonal） K = 74 特性 ： 低塑性（滑移系少） 介绍以上结构借助 图 1-9 11 吕 P89 三、 晶体缺陷（） 晶体内部原子排列不规则的部位称为晶体缺陷，按其几何形态可分为：1、 点缺陷 （空位和间隙原子）造成晶格畸变， 引起晶体内部能量升高，使材料的强度、硬度、电阻率升高。 2、线缺陷（位错dislocation）即错位，有刃型位错（见图）和螺型位错 位错密度 = 单位：或 cm一般金属 =10 10 cm ,形变或淬火金属为1010cm 3、 面缺陷 （晶界和晶界）实际金属都是多晶体，原子沿晶体不同位向排列（见图）相同位向排列的原子组成的空间称为晶粒，晶粒之间交界称为晶界。晶粒内部存在的小尺寸、有位向差的小晶块称为亚晶粒，（晶粒中的小晶粒）亚晶粒间的交界称为亚晶界。以上三种晶体缺陷借助图1.介绍 4、 晶体缺陷对材料性能的影响，当晶体缺陷密度极低时，材料强度高，当晶体缺陷密度极高时，材料强度也高， 图 1、材料强度与晶粒缺陷密度的关系因此，强化金属的途径有二：a.减少晶体缺陷接近理想状态，如单晶，晶须 b.增加晶体缺陷，如淬火，冷加工非晶态。 22合金的晶体结构一、基本概念1、合金：由两种或两种以上的元素（称为组元）组成的具有金属性质的物质称为合金。 两个组元组成的称二元合金。三个组元称三元合金。三个以上称多元合金。2、 相（phase）：合金中具有相同理化性质和晶体结构，并与系统中有界面分开的部分称为相。合金中只有一个相的称单相合金，两个相以上的称多相合金。3、 组织（Microstructure）：在显微镜观察下，一个相或几个相的组成物称为组织。组织中只有一个相称单相组织，两个相以上称多相组织。二 基本相结构1、 固溶体定义：组元A.（溶剂），溶入其它组元（溶质B.C.）仍然保持组元A晶体结构的固体称为固溶体。种类：a.间隙固溶体 ：0.59 溶质原子溶入溶剂晶格间隙 b.置换固溶体： 0.59 溶质原子取代溶剂原子的部分位置 2、 金属间化合物定义：当合金中溶质浓度含量超过固溶体溶解度时析出的新相称为化合物。种类：a.正常价化合物 遵守化合价规律的化合物，如Mg2Sn, Mg2Si等 b.电子化合物 电子浓度，的化合物， 如CuZn , Cu3Al，等。c.间隙化合物 过渡族金属元素与原子半径较小的非金属形成的化合物，VC , WC , FeC，等。3、合金的性能 固溶体与固溶强化：随着溶质原子浓度增大，固溶体晶格畸度增大，从而导致固溶体强度和硬度升高，塑韧性有所下降的现象。固溶体在合金中的相对含量大，称为基体相，化合物相对量较少称为第二相。 化合物与第二相强化。化合物的性能：结构复杂，原子结合力强，表现出高硬度，高脆性。化合物作为第二相与固溶体组成多相合金材料，可提高材料的强度。利用第二相来提高材料的强度称为第二相强化。当第二相是弥散质点引起的强化称为弥散强化。23 高分子材料的结构一、基本概念1，单体 能组成高分子化合物的低分子化合物叫单体。单体是高分子的合成材料。例如：聚乙烯是由低分子乙烯（CH2=CH2）单体组成。2，链节 先看一个例，聚乙烯分子链的结构式为： CH2CH2CH2 式中“CH2CH2”是构成聚乙烯的基本单元，即由许多 “CH2CH2”这样的基本单元重复连接而成的，结构单元称为链节。3，聚合度 高分子所含链节的数目n，称为高分子的聚合度。由此，大分子链的分子量M=链节的分子量m与聚合度n的乘积。即M=mn4，高分子间的作用力： 分子链中原子间，链节间是共价键结合，强。 高分子链相互作用是分子键结合，弱。二 基本结合1、大分子链的几何形态 线型结构 整个分子是细长线条状，通常卷曲成不规则的线团，受拉时可伸展成直线。特点：分子链间没有化学键，易移动，可溶可熔。支链型结构 在高分子主链上带有一些小支链，整个分子呈树枝状。体型结构 高分子链之间通过支链或化学键连接成网状结构。结构稳定，不溶不熔，塑性低，脆性大a.线型 b. 支链型 c. 体型图118， 高聚物的结构示意图 2， 大分子链的构象及柔顺性 单键的内旋转 分子键的主链在保持键长和键角不变的情况下可以任意旋转的现象。大分子键的构象 由于单键内旋引起的原子 在空间占据不同位置所构成的分子链的各种形象。大分子链的柔顺性 由于大分子构象频繁变化 引起大分子不同卷曲程度 图119 CC单键由旋转 3，高聚物的聚集态结构的特性。 示意图主要指高分子材料内部大分子链之间的几何 排列方式和堆砌状态。根据大分子排列的有序程度可 分为晶态结构和无定形结构。 结晶使分子间作用力增大，因而使高聚 物的密度、熔点、耐热性、强度、硬度等性能升高，而使 依赖分子链运动的有关性能，如弹性，塑韧性下降。 高聚物晶区和非晶区示意图:2.4陶瓷材料的结构 一、陶瓷的概念 陶瓷是由金属和非金属的无机化合物所构成的多晶多相固体材料，是无机非金属材料的总称。二、陶瓷的显微组织可归纳为三种相，见图1-21。（一）、晶相。 陶瓷的主要组成相。一般由某些固 溶体或化合物组成。从晶体结构上看，主要有硅酸盐结构和氧化物结构两大类，还有部分C、N、B的化合物， 见图1-22。 图1.21，陶瓷显微组织示意图增大组织中的晶相比例 和细化晶粒可提高陶瓷强度和韧性。 图1.22， 硅酸盐结构示意图（部分）（二）玻璃相。陶瓷在烧结过程不能排列成晶体状态的非晶态物质。性能：熔点低，热稳定性差，力学性能低于晶相。应控制在2040范围内。（三）、气相。 实际上是陶瓷中的气孔主要分布于玻璃相之中，约占510。导致陶瓷的各种性能降低，但能提高通气性，减少重量。 通过调整三个相的比例，可以控制陶瓷的质量和性能。三、陶瓷的晶体结构（自学）思考题： 1、何谓刃型位错？位错密度对材料的力学性能有何影响？2、置换原子与间隙原子的固溶强化效果哪个大些？为什么？3、金属间化合物在结构和性能方面与固溶体有何不同？常见的金属间化合物有几种类型？它们对合金的性能有何影响？ 第三讲 工程材料的强韧化授课题目：第三讲工程材料的强韧化 3.1金属的塑性变形（形变强化） 3.2金属的结晶（细晶强化） 3.3铁碳合金相图 3.4钢的热处理（相变强化） 3.5钢的合金化 3.6高分子材料的增强与改性课时安排学时教学目的，要求： 掌握 1、金属材料的金属形变强化、细晶强化、相变强化的本质； 2、铁碳合金相图的分析与应用； 3、钢的热处理工艺的操作与应用 教学内容3. 1 金属的塑性变形一， 塑性变形的本质滑移 就是在切应力作用下，晶体中一部分沿一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对另一部分产生位移。见 吕 P64. F.3.1.图 3. 1. 单晶体滑移变形示意图 滑移的本质是位错的运动。 见 吕 P64 . F .3.2 图 位错运动引起滑移变形示意图二 变形过程的组织和性能变化1组织变化 晶粒拉长当变形量很大，晶粒沿变形方向拉长呈纤维状，这种组织成为纤维组织。见 李 P 25. 图 2. 8. 图 3. 4. ；冷变形前后的晶粒形状示意图 亚结构增多 见 李 P 25 . F. 29.图 3. 5 . 形变亚结构示意图 产生织构 当塑性变形很大时，多数晶粒的晶格位向会趋于一致这种现象称为择优取向或称织构。2 加工硬化（形变强化）金属随着变形量增多，表现出强度、硬度显著升高，塑性、韧性下降。这种现象称为加工硬化，亦称形变强化。是强化金属的重要途径。形变强化的本质是位错在晶界的塞积。3 残余内应力是指外力去除后仍残存于金属内部的应力，有三类：a.宏观内应力 金属各部位变形不均匀造成的。b.微观内应力 晶体中各晶粒变形的不均一性造成的。c.晶格内应力 变形引起晶格畸变造成的。 c 对金属的强化有利是可利用的内应力，而a .b .会造成金属零件的变形、开裂和降低耐蚀性，应采取热处理等措施消除。三.加热对冷变形金属的影响1回复 原子近距离扩散，部分晶体缺陷消除，内应力明显下降，力学性能变化不大。 见 李 P28 . F . 2. 15. 2 。再结晶 图 3 .6 . 冷变形金属在加热过程的组织性能变化 见 图 李 P 29. F . 2. 图 3 . 7. 再结晶过程示意图组织性能变化：无变形晶粒通过形核和长大，取代了变形晶粒。位错密度下降，力学性能恢复到变形前的状态 。再结晶退火：冷变形金属通过重新加热使组织和性能恢复到变形前的状态的工艺。再结晶温度： T 再 0.4 T熔 （K）为了加速再结晶过程，再结晶退火冷却温度一般选择在T 再以上100200。1、 晶粒长大就是在加热保温期间，晶粒通过晶界移动相互吞并长大的过程。要严格控制再结晶退火的温度和时间以控制晶粒长大。思考题1 碳钢在锻造温度范围内变形时，是否会有形变强化现象？为什么？2 分析形变强化现象的利与弊，如何利用或消除形变强化？3 纤维组织是如何形成的？对材料的力学性能有何影响？应如何利用？32纯金属的结晶一、基本概念1， 凝固、结晶、相变2,冷却曲线 温度就是时间温度曲线，反映合金在结晶和相变过程的状态，可应用热分析法建立曲线。 3、过冷度（T） T=T0-Tn Tn实际结晶温度 冷却速度越大， To理论结晶温度 o 时间Tn越低，过冷 图 2，1 纯金属的冷却曲线度越大。 二、结晶过程 图2，2 纯金属结晶程示意图 1，形核当液态金属过冷到一定温度，一些尺寸较大的原子团开始变得稳定而成为结晶核心，称为晶核，其过程称为形核。a.均质形核 液体中时聚时散的原子团自发形核b.异质形核 依附于液体中高熔点杂质形核2，长大 即液体中原子向晶核扩散，使晶核尺寸增大的过程。 长大方式：通常为树枝状（见图2，3）图2.3 树枝晶生长示意图三、 晶粒大小及其控制1晶粒度的概念一般金属结晶后，获得由大量晶粒所组成的多晶体，晶体的大小称为晶粒度。它常用单位截面积上的晶粒数或晶粒的平均直径来表示。2晶粒大小对金属力学性能的影响可用 Hell-Patch方程说明这个关系s =0K.d 0.K 均为常数， d为晶粒平均直径。方程说明材料强度与晶粒直径成反比，晶粒越粗大，材料力学性能越低。因此，实际生产中都力求细化晶粒。3、控制晶粒大小的途径 控制过冷度当过冷度增大，形核率N增大很快，结晶核心增加很多。 结晶后晶粒就细。 变质处理（孕育处理）在液体金属中加入高熔点细颗粒（变质剂）作为异质形核的核心。以细化晶粒、改善组织，如在铁水中加入Si-Fe,Mn-Fe作孕育剂可细化晶粒。 搅拌和振动。把树枝晶搅断作为新晶核。四 合金的结晶1合金结晶的特点（1） 结晶在一个温度区间而不是一个温度进行。如纯铁在1538结晶，而含碳0.6的Fe-C合金在1500开始结晶，1430才结束。(2) 结晶过程有成分的变化。如含0.6碳的Fe-C合金，先结晶的固相含碳量低，后结晶固相含碳量高。2.合金结晶的规律相图。相图：反映合金系中不同成分的合金在不同温度下的组织状态和相间平衡关系的图象，亦称状态图。它揭示了合金系的成分，组织与性能的关系。(1)相图的建立图2.5利用热分析法建立Cu-Ni合金相图(2)匀晶相图分析图2.6匀晶相图及含60Ni的Cu-Ni合金的结晶过程 理解相图上坐标和曲线的意义。 分析结晶过程a.在横坐标60处画垂线，确定垂线与曲线交叉点t1,t1 b.分析结晶过程，以交叉点为特征点。t1以上，合金为L状态，t1t3，合金为L两相平衡，并发生L（结晶）t3以下，合金为固态，组织为 思考题：1 金属结晶的基本规律是什么？晶核的成核率和长大速度受到哪些因素的影响？2 为什么材料一般希望获得细晶粒？细化晶粒的方法有哪些？3.3铁碳合金的平衡态相图一、Fe-Fe3C相图1 . 纯铁的性能及同素异构转变性能： 常温的熔点为1538，具有磁性。力学性能： 抗拉强度 b=180 230 MPa低强度 延伸率 = 70 - 80 高塑性同素异构转变： 纯金属随温度变化，其晶体结构发生变化的现象。纯铁的同素异构转变如下： -Fe r- Fe -Fe (Bcc) (Fcc) (Bcc)其冷却曲线如图 2 15金属的同素异构转变为其相变强化（热处理强化）提供可能。 图 2- 15 纯铁的冷却曲线 2. 铁碳合金的基本组织 纯金属： -Fe （Bcc） r- Fe (Fcc) 溶入C 溶入C 固溶体 铁素体碳化物 奥化体碳化物 化合物 混合物： 珠光体 莱氏体 固溶体a. 铁素体 （Ferrite, F） 碳在-Fe中的固溶体，BCC结构， 形态呈白色多边形。 最大含碳量 0.0218 (在727) 性能：固溶强化低， 硬度低（50-80HBS），塑性高（=30-50）b. 奥氏体（Austenite ,A） 碳在r- Fe中的固溶体，FCC结构， 是存在于727以上的组织。注意：最大溶解度在1148，其含碳量为 2.11。当温度下降到727，其含碳量为0.77。所以，当温度从1148下降到727，奥氏体为了减少含碳量将不断析出Fe3 C(含碳6.69) 即发生AFe3 C 性能：高塑性 ， 是理想的锻造组织。 金属间化合物 渗碳体 （Fe3 C,或Cementite, Cem）成分：含6.69碳结构：碳在铁中的间隙化合物，复杂斜方结构。性能：硬度高（800HBS），脆性大（0），强度低（b=30MPa）根据形成条件不同，渗碳体有五种形式： 一次渗碳体（Fe3 C） 从液体中结晶，呈条状分布。 二次渗碳体（Fe3 C） 从奥氏体析出，呈网状分布。三次渗碳体（Fe3 C）从铁素体中析出，沿铁素体晶界分布。 共晶渗碳体，从共晶转变形成，是莱氏体的基体组织（白色）。共析渗碳体，从共析转变形成，呈片层与铁素体交替分布。 混合物a.珠光体（Pearlite, P） 成分： 含0.77碳 组织： 88 F 12 Fe3 C 混合物，片层状结构 性能： 硬度 180 220 HBS 延伸率 10 综合力学性能高 抗拉强度 b= 750 MPab.莱氏体 （Ledeburite, Le 或Ld）成分： 含 4.3 碳组织： 60 Fe3 C 40 P性能： 高硬度 ，耐磨， 但脆性大。 3. Fe-Fe3 C 相图图 2. 16. 标注组织的 Fe- Fe3 C 相图 分析相图中的特征点，曲线和水平线二、铁碳合金的平衡结晶过程 图 2.17. 六种典型合金的结晶过程分析 1.碳钢的结晶过程 共析钢（含碳量 0.77 ） 图 2.18.共析钢的结晶过程 图 2.19. 共析钢的显微组织关键点是在Ts( A1 )温度发生共析反应，即AF0.0218 Fe3 C其室温显微组织 珠光体 （F Fe3的混合物）。珠光体中铁素体 ( F ) 和 Fe3 C 的相对含量可以利用杠杆定律计算 杠杆定律：根据相对量相等和含碳量相等可有 Q Q= 1 相对量相等Q0.0218 Q6.69=0.77 含碳量相等解方程组得： Q= 88.7Q=11.3 图 2.19.杠杆定律示意图即共析钢的显微组织为珠光体，其中铁素体（F）的相对量为88.7，Fe3 C的为11.3。 亚共析钢 （0.77c ） 见 李 P47 F4.10图 2.20. 亚共析钢的结晶过程示意图其显微组织微铁素(F) 珠光体(P) 过共析钢 （0.77 C2.11 ） 与亚共析钢不同的是共析反应前先发生 A Fe3 C 接着发生共析转变，其显微组织为 Fe3 C P 见 吕 P49 F. 2.30. 31. 图.2.21. 亚共析钢显微组织 图.2.22. 过共析钢显微组织 2. 白口铸铁的结晶过程1）共晶白口铸铁 （ 4.3 C）图 2.23 .共晶白口铁的结晶过程示意图 这里的关键是Tc (1148 )发生共晶转变。 L4.3 ( A 2.11 Fe3 C)- L d ( 莱氏体)最后室温组织为 Ld. 包括 P Fe3 CFe3C2)亚共晶白口铸铁 （ 2.11 c 4.3 见 李 P49 F4.17 图2-24. 亚共晶白口铸铁结晶过程示意图 室温组织为 P LdFe3C3) 过共晶白口铸铁 室温组织为 LdFe3C见 吕 P49. F. 2.-33. 见 吕 P50 F.2.34.图 2.25 亚共晶白口铸铁显微组织 图 2.26. 过共晶白口铸铁显微组织 综上分析可知，铁碳合金在室温下比由 F Fe3C两个相组成，随含碳量由零增加到6.69,F相对量由100减少到零。Fe3C由0增加到100。其组织变化顺序为： FF PPPFe3C PFe3C Ld Ld Ld Fe3CFe3C(下面进一步讨论含碳量对铁碳合金的影响。)三。含碳量对铁碳合金组织和性能的影响2、 对组织的影响见 吕 P50 F . 2. 35. 图 2.27 .铁碳合金中含碳量与相和组织组成物的关系3、 对性能的影响随着钢中含碳量的增加，强化相Fe3C的相对量增加，钢的硬度升高，塑性，韧性下降。强度在含碳量是 1.0出现最大值。当钢中含碳量升高到1.0以后，组织中Fe3C呈网状分布，珠光体团的界面脆化，而表现出钢的强度迅速下降。 图2,28.含碳量对钢的力学性能的影响 白口铸铁中由于存在大量的莱氏体和Fe3C而表现出硬而脆的性能特点。思考题：1 为什么铸造合金常选用共晶成分合金？为什么进行塑性加工的合金常选用单相固溶体成分的合金？2 何谓铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体？它们的结构、组织形态、性能等各有何特点？3 分析含而是分别为0.45%、1.0%、3%、4.7%的铁碳合金从流言蜚语缓冷至室温时的结晶过程，4 根据Fe-FeC相图，计算：（2） 室温下，含碳0.45%的钢中珠光体和铁素体各多少；（3） 室温下，含碳1.0%的钢中珠光体和二次渗碳体各占多少；（4） 铁碳合金中，二次渗碳体的最大百分含量。5 某工厂仓库积压了许多碳钢（退火状态），由于钢材混杂，不街道钢的化学成分，现找出其中一根，经金相分析后，发现其组织为珠光体+铁素体，其中铁素体占80%，问此钢才的含碳量大约是多少？ 3.4钢的热处理金属热处理是通过适当方式进行加热、保温、冷却， 以改善材料内部结构和 见 吕 P75. F 4. 1.改善性能的工艺方法。通常用热处理工艺曲线表示。热处理根据其目的要求和工艺方法可分为三大类： 普通热处理： 退火、正火、淬火、回火 图 4. 1. 热处理工艺曲线 表面热处理： 表面淬火和表面化学热处理其它热处理： 形变热处理，超细化热处理 真空热处理等。一、钢在加热时的相变1钢的临界转变温度加热时完全转变成奥氏体的临界温度钢 平衡状态 实际状态亚共析钢 A3 Ac3共析钢 A1 Ac1过共析钢 Acm Accm 图2.37.碳钢在加热和冷却的 临界转变温度2奥氏体形成的过程 见 吕 P53 F 2.38. 图 2.29. 共析钢的奥氏体化过程示意图3影响奥氏体形成和晶粒长大的因素1）加热温度和保温时间提高加热温度和延长保温时间，有利于原子的扩散，能促进奥氏体形核和晶粒长大。2）原始组织加热前的原始组织越细，晶界越多，越有利于奥氏体形核，因而促进奥氏体形成和晶粒长大。3) 合金元素大多数合金元素在钢中阻碍Fe .C原子扩散，会减慢奥氏体形成和晶粒长大。 二钢中过冷奥氏体的冷却转变 冷却方式等温冷却 在A1以下指定温度完成转变连续冷却 从高温连续冷却到室温。 见 吕 P55 F.2.41 图. 2. 30. 奥氏体的两种冷却方式1. 珠光体转变 发生在A1550，过冷奥氏体转变成铁素体珠光体的片状混合物（即珠光体型组织） 转变温度 A1650 650600 600550 转变产物 珠光体 索氏体（Sorbity, S） 托氏体（Troostity, T）转变温度降低，F与Fe3C片间距变小，强度增大。s=02. 贝氏体转变 发生在550Ms温度，Fe原子无法扩散，只有碳原子扩散 贝氏体（Bainite, B）： 过饱和铁素体（含碳0.02）与碳化物组成的两相混合物。根据转变温度不同有两种形态。1）.上贝氏体 在550350 转变，形态为羽毛状，性能：韧性低。2）.下贝氏体 在350Ms转变，形态为竹叶状，性能：强度和韧性高强韧化组织。 见 吕 P60 F 2 、51 图 2. 30. 贝氏体显微组织 3. 马氏体相变1） 定义过冷奥氏体低于Ms(马氏体转变开始温度)发生的原子无扩散转变。马氏体（Martensite, M） 碳在 Fe 中的过程和固溶体，体心正方结构（见图 2.31）2） 马氏体的形态和性能 低碳马氏体 含碳0.25，其形态为板条状，也称板条状马氏体。 性能：由于马氏体中过饱和度小，仍保持较高的强度和韧性。板条状马氏体也是一种强韧化组织。（2） 高碳马氏体 含碳量1.0，其形态为凸透镜片状，也称片状马氏体。性能：由于高度过饱和，使其表现出高硬度，高脆性，低塑韧性。介绍马氏体的显微组织4. 过冷奥氏体的冷却转变曲线三、 退火与正火退火（Annealing）是将钢加热到预定温度，保温一定时间后缓慢冷却（通常随火冷却），获得接近平衡组织的热处理工艺。正火（Normalizing）是将钢加热到Ac3或Accm3050,保温一定时间后在空气中冷却的工艺。1） 目的：先看齿轮加工的例子：毛坯锻造正火（退火）机加工热处理精加工 消除应力（来自锻造、铸造、焊接和其它加工的应力），以减少零件变形开裂倾向； 细化晶粒，消除组织缺陷为后续热处理作准备。 调整硬度，改善切削加工性能（退火可降低硬度，正火可适当提高硬度）； 对正火还可以消除二次网状渗碳体，有利于后续的球化退火。 2）正火与退火的选择 考虑切削性能刀具的最佳切削范围为 180 220 HBS 表 不同含碳量 的钢在正火和退火后的硬度含碳量 （）50.650.8工具钢（0.71.3）退火硬度（HBS）150150180180220187217正火硬度（ HBS）156156228228280230340门口 可见 中低碳钢采用正火，高碳钢和工具钢采用退火有利于切削。2 考虑使用性能3 正火比退火硬度高，对没有后续热处理的一般零件宜采用正火。4 考虑经济性5 正火生产周期短，成本较低。67 四、钢的淬火8 有两个英语词表示淬火： Quenching 激冷 Hardening 硬化9 淬火就是把钢加热 保温 快冷使零件硬化的热处理工艺。淬火后获得马氏体或 贝氏体组织。10 1、 淬火加热温度的选择 1） 亚共析钢为 Ac3(3050) 见 吕 P79 下 4.811 图 4. 5 碳钢的淬火加热温度范围因为： 亚共析钢加热时为 AM （硬化） 若： Ac3加热 加热时为 A F M F （软点2）.过共析钢为 Ac1 (3050)因为： 加热时为 A Fe3C M Fe3C 硬化 太高： 晶粒粗大，氧化脱碳，变形开裂，残余奥氏体增多。2淬火冷却介质的选择选用原则：能获得M或B尽可能慢，以减少淬火应力。12 吕 P 80. F. 4.913 图 4.6 理想淬火冷却曲线常用介质有1） 水 适用于碳钢， 300200温区冷速过大 ，变形开裂倾向大。2） 盐水 适用于低碳钢，10的NaCl水溶液，可使 550 650温区的冷速比水的提高一倍。 3） 油 常用10号机油，适用于合金钢，它粘度大，流动性差，散热慢，不能用于碳钢冷却。4） 碱浴（常用有80KOH+20NaOH,外加6HO，使用温度150-2505）盐浴（常用有55KNO+45NaNO,使用温度为150-500） 冷却介于水和油之间，主要用于分级淬火和等级淬火。3常用淬火方法 见吕P81.F.4.10 图4.7 常用淬火方法示意图1）单介质淬火 操作方便，变形大2）双介质淬火 水淬油冷或油淬空冷3）分级淬火 加热零件先在Ms点附近得介质中冷却一段时间再取出空冷，能有效减少变形，但冷却有限只适合小尺寸零件。4）等温淬火 在贝氏体转变温区的介质中冷却，得到贝氏体组织。4.钢的淬透性淬透性（Hardenability）， 直译就是钢可淬火硬化的能力。或称钢淬火时获得马氏体的难易程度。它主要取决于钢中合金元素，合金元素的种类和含量越高，钢的淬透性越高。淬透性高的钢，在冷却能力比较弱的介质中也能获得马氏体。淬硬性（Hardening capacity ），钢正常淬火后马氏体所能达到的最高硬度，它主要取决于马氏体中的含碳量。含碳量越高，钢的淬硬性越高。五、 淬火钢的回火回火 (Termping, 韧化)：淬火钢在A1温度以下 适当的温度加热、保温、冷却的工艺。1回火的目的！）消除应力，降低脆性，减少变形和开裂；2） 稳定组织，使AR（Retained Austenite）分解转变；3） 调整性能，通过不同回火工艺改善钢的强韧性。2 组织与性能变化1） 组织变化100300 200300马氏体的分解 M 碳化物残余奥氏体的转变AR B或M 回火马氏体 300400 400以上渗碳体聚集长大铁素体回复和再结晶（500）组织：针状铁素体粒状Fe3C