工程材料知识点总结.doc

第 19 页 共 19 页1、晶格：描述原子在晶体中排列规律的三维空间几何点阵。2、晶胞：晶格中能够代表晶格特征的最小几何单元致密度=原子所占的总体积晶胞的体积属于面心立方晶格的常用金属：铁、铝、铜、镍等。 属于体心立方晶格的常用金属：铬、钨、钼、钒、铁、 钛、铌等。属于密排六方晶格的常用金属：镁、锌、铍、钛、镉等。晶面：晶体中由物质质点所组成的平面。 晶向：由物质质点所决定的直线。每一组平行的晶面和晶向都可用一组数字来标定其位向。这组数字分别称为晶面指数和晶向指数。晶面指数的确定：晶面与三个坐标轴截距的倒数取最小整数，用圆括号表示。如（111）、（112）。晶向指数的确定：通过坐标原点直线上某一点的坐标，用方括号表示。如111 晶面族：晶面指数中各个数字相同但是符号不同或排列顺序不同的所有晶面。这些晶面上的原子排列规律相同，具有相同的原子密度和性质。如110=（110）+（101）+（011）+（101）+（110）+（011）晶向族：原子排列密度完全相同的晶向。如=111+111+111+111 由于各个晶面和晶向上原子排列密度不同，使原子间的相互作用力也不相同。因此在同一单晶体内不同晶面和晶向上的性能也是不同的。这种现象称为晶体的各向异性。 晶粒金属晶体中，晶格位向基本一致，并有边界与邻区分开的区域。亚晶粒晶粒内部晶格位向差小于2、3的更小的晶块。实际金属晶粒大小除取决于金属种类外，主要取决于结晶条件和热处理工艺。晶界晶粒之间原子排列不规则的区域。亚晶界亚晶粒间的过渡区。 晶体缺陷：是指晶体中原子排列不规则的区域。 1、点缺陷 2、线缺陷 3、面缺陷 点缺陷类型主要有三种： （1）间隙原子 （2）晶格空位 （3）置换原子间隙原子：在晶格的间隙处出现多余原子的晶体缺陷。晶格空位：在晶格的结点处出现缺少原子的晶体缺陷线缺陷 位错：指晶体中若干列原子发生有规律的错排现象。位错密度：单位体积内位错线的长度，（cm-2）面缺陷主要是指晶界和亚晶界。它是由于受到其两侧的不同晶格位向的晶粒或亚晶粒的影响而使原子呈不规则排列。 合金：由一种金属元素与另外一种或多种金属或非金属元素，通过熔炼或烧结等方法所形成的具有金属性质的新金属材料。两类基本的相结构：固溶体和金属化合物。合金系：是指具有相同组元，而成分比例不同的一系列合金。如各种碳素钢。相：指在合金中，凡是化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分隔开来的一个均匀区域。在一个相中可以有多个晶粒，但是一个晶粒中只能是同一个相。组元：组成合金的最基本的、能独立存在的物质。组成合金的各个化学元素及稳定的化合物都是组元。合金中有几种组元就称之为几元合金。合金的显微组织可以看作是由各个相所组成的，这些相称为合金组织的相组成物；也可以看作是基本组织所组成的，这些基本组织称为合金组织的组织组成物。合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取决于它的显微组织。固溶体：合金结晶成固态时，溶质原子分布在溶剂晶格中形成的一种与溶剂有相同晶格的相。固溶体与溶剂具有相同晶体结构。固溶体的类型：1、间隙固溶体 ；2、置换固溶体 有限固溶体:固溶体的溶解度是有限的。无限固溶体：固溶体的溶解度是无限的。（组成固溶体的两种元素随比例不同可以互为溶质或溶剂。）形成无限固溶体的必要条件：溶剂与溶质的晶体结构相同。无序固溶体:溶质原子的分布是无序的。有序固溶体:溶质原子的分布是有序的。固溶体的有序化:无序固溶体向有序固溶体的转变过程。 硬度和脆性增加，塑性下降。 影响溶解度的主要因素: 1)温度 2)原子直径因素 3)晶体结构因素固溶强化：溶入溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象。固溶强化是金属材料的一种重要的强化途径。在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，除了形成固溶体外，还将出现新相。这个新相可能是一种新的固溶体，也可能是一种化合物。如：Fe3C、FeS。金属化合物:具有金属性质的化合物。（其晶体结构不同于任一组元）金属化合物性能:一般都具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆。金属化合物若以细小的粒状均匀分布在固溶体相的基体上会使合金的强度、硬度进一步提高，这种现象称为第二相弥散强化。结晶是指晶体材料的凝固，或者说是原子由不规则排列状态（液态）过渡到规则排列状态（固态）的过程。相图：表示在平衡状态下合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。 理论结晶温度T0: 又称平衡结晶温度。（冷速极慢）也就是金属的熔点Tm。实际结晶温度Tn:在某一实际冷却速度下的结晶温度。 纯金属通常在恒温下结晶； 多数合金通常在一个温度区间内结晶。过冷度（T）:理论结晶温度与实际结晶温度之差。对于纯金属： T= T0 Tn影响过冷度大小的主要因素: 金属液的冷却速度；金属液中杂质含量。金属结晶的两个条件: 1）动力学条件: T0 （F0）2）热力学条件:一定的扩散能力。金属的结晶过程：成核和长大晶核:作为结晶核心的极细小的固相晶体。均匀（自发）成核：在均匀的液态母相中自发形成新相晶核的过程。c=（2Tm）/（LT）c临界晶核半径；表面能；L熔化潜热；Tm熔点非均匀成核：依附于母相中某些现成界面而成核的过程。细晶强化：通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法，一种很重要的强韧化手段。晶粒越细小，晶界越多，变形抗力越大，材料的强度、硬度越高，塑性越好。（这是其它强化方法所不能的）增加过冷度，成核率N与长大率G均会增加，但成核率N的增加速度更快些。所以增加过冷度会细化晶粒。增加冷却速度虽然可以细化晶粒，但同时使结晶时的铸造应力增加；对于较大体积的铸锭与铸件提高冷却速度是困难的。变质处理即在浇铸之前向金属液中加入某些物质（变质剂）来促进晶粒细化。细化晶粒的主要方法（总结）1、增加过冷度: 例如：由砂型铸造改为金属模铸造，可以提高铸件的力学性能。2、变质处理: 例如铸铁和铝硅合金（前者加Si-Fe合金，后者加NaF+NaCl混合盐)3、物理方法: 振动、搅拌等 匀晶转变由液相直接结晶成单相固溶体的结晶转变共晶转变一定化学成分的合金在一定的温度下（恒温），同时由液相中结晶出两种不同成分和不同晶体结构的固相包晶相图具有液固两相共同转变成为另一固相的合金相图晶内偏析:在一个晶粒内，各处成分的不均匀现象。金属通常以枝晶方式结晶，先形成的主干和后形成的支干就会有化学成分之差，所以也称枝晶偏析均匀化退火（扩散退火）:把有枝晶偏析的合金放在低于固相线100200的温度下进行较长时间的加热，通过原子的相互扩散而使成分趋于均匀1、当合金形成单相固溶体时，由于溶质原子使基体晶格畸变，溶质元素浓度越高，引起晶格畸变越大，则合金的强度、硬度越高。2、当合金形成为两相机械混合物的组织时，合金的强度和硬度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平均值。铸态组织：是指结晶之后得到的金属材料的显微组织。铸件的合理浇注温度一般选在液相线。铸造性能主要表现在流动性、偏析、缩孔等方面，主要决定与液相线与固相线之间的温度间隔。液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小合金的流动性好有利于浇注；液固相线距离大枝晶偏析倾向愈大，流动性也愈差，分散缩孔的倾向也愈大，使铸造性能恶化。所以铸造合金的成分常取共晶成分和接近共晶成分或选择结晶温度区间较小的合金。 单晶体的塑性变形方式主要有两种：滑移 和 孪生 滑移。它主要发生在原子排列最紧密或较紧密的晶面上，并沿着这些晶面上原子排列最紧密的方向进行。 滑移系越多，塑性越好。滑移是由位错的移动来实现的。孪生与滑移的主要区别是：发生滑移后，晶体已变形区和未变形区位向没有发生变化，而孪生就使晶体两部分位向发生了变化。金属发生塑性变形, 随变形度的增大, 金属的强度和硬度显著提高, 塑性和韧性明显下降。这种现象称为加工硬化, 也叫形变强化。产生加工硬化的原因：塑性变形时, 位错密度增加,造成位错运动阻力的增大, 引起塑性变形抗力提高。另一方面由于晶粒破碎细化, 使强度得以提高。在生产中可通过冷轧、冷拔提高钢板或钢丝的强度。随着加热温度的提高，变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大过程。晶格畸变降低的原因：1）空位和间隙原子相互作用而减少； 2）位错交互作用或按一定规律排列。回复后性能变化： 1）变形残余应力大幅度下降2力学性能仍保留着加工硬化效果。再结晶的特点:只是晶粒形态和大小发生了变化，晶体结构没有改变，以别于重结晶。再结晶后性能变化:残余应力全部消除；加工硬化全部消失，力学性能恢复到变形前的水平再结晶温度: T再 =(0.350.4)T熔点温度单位为绝对温度(K)。影响再结晶温度的因素：1）变形量的影响：变形度越大,再结晶温度越低。2）原始晶粒度的影响:变形前的晶粒越粗大，再结晶温度越高。3）化学成分的影响:杂质和合金元素特别是高熔点元素, 阻碍原子扩散和晶界迁移, 可显著提高最低再结晶温度。4）加热速度和保温时间：提高加热速度会提高再结晶温度；增加保温时间可以降低再结晶温度。3、再结晶退火：把变形金属加热到再结晶温度以上的温度保温，使变形金属完成再结晶过程的热处理工艺。主要目的是消除加工硬化现象。为缩短退火周期并且不使晶粒粗大，一般情况下把退火工艺温度取为最低再结晶温度以上100200。钢的再结晶退火温度可选680720。 再结晶完成后的晶粒是细小的, 但如果 加热温度过高或保温时间过长时, 晶粒会明显长大, 最后得到粗大晶粒的组织, 使金属的强度、硬度、塑性、韧性等机械性能都显著降低。 某些因素（如：细小杂质粒子、变形机构）阻碍晶粒正常长大，但一旦这种阻碍失效，常会出现晶粒突然长大，这种晶粒不均匀地急剧长大现象称为二次再结晶。影响再结晶后晶粒大小的因素：1.加热温度越高,再结晶 晶粒也越大。2.变形度的影响:金属变形越不均匀, 再结晶退火后的晶粒越大。冷变形加工：再结晶温度以下的变形。可以达到较高精度和较低的表面粗糙度，有加工硬化的效果，变形抗力大，一次变形量有限。热变形加工：再结晶温度以上的变形。良好的塑性状态。铁素体（F或）：碳原子固溶到-Fe中形成的间隙固溶体 室温相常作基本相（基体相） 铁素体强度、硬度不高、塑性、韧性很好奥氏体（A或）：碳原子固溶到-Fe中形成的间隙固溶体； 高温相，存在于727以上，一般不存在于室温； 奥氏体强度不高，塑性很好。 渗碳体具有高硬度、高脆性、低强度和低塑性； 一次渗碳体Fe3CI：从液相直接结晶出来。 二次渗碳体Fe3CII：从A中析出。 三次渗碳体Fe3CIII：从F中析出。 1、珠光体（P）：共析转变：恒温下，一种固相同时析出两种不同成分固相的机械混合物（共析体）。 A0.77 (F+Fe3C) P珠光体的力学性能介于F和Fe3C之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。2、高温莱氏体（Ld）： 共晶转变： L4.3 (A+Fe3C) Ld 高温莱氏体是存在于727以上的一种基本组织，硬度很高，塑性很差。 3、低温莱氏体（Ld） 在727以下高温莱氏体中的奥氏体又发生共析转变成珠光体，这时的莱氏体就变成由P和Fe3C组成，成为低温莱氏体。 低温莱氏体是室温下的一个基本组织 相组成: L、A、F、 Fe3C、G；组织组成: F、A、Fe3CI、 Fe3CII 、Fe3CIII、P、 Ld、 Ld相图中的相区 ： 1）单相区5个：L、A、F、Fe3C2）双相区7个：+L、 +A、 A+L、 L+ Fe3C、 Fe3C、 A+F、 F+ Fe3C3）三相区3个：L+A、 L+A+ Fe3C、 A+F+ Fe3C 包晶线 共晶线 共析线1、工业纯铁 Wc0.02%2、碳素钢 0.02% Wc2.11% 1）共析钢 Wc=0.07% 2）亚共析钢 0.02% Wc0.77% 3）过共析钢 0.77% Wc2.11%3、白口铸铁 2.11% Wc 6.69% 1）共晶白口铸铁 Wc=4.3% 2）亚共晶白口铸铁 2.11% Wc4.3% 3）过共晶白口铸铁4.3% Wc 6.69%WC2.11%时（纯铁与碳素钢），高温时可获得单相A固溶体组织（塑性好），可进行热变形加工。WC2.11%时（白口铸铁），高低温区都有脆硬的莱氏体，不能进行热变形加工。 （1）硬度 WC增加，硬度增加；（2）强度 WC0.9%时，WC增加，强度降低；（3）塑性、韧性 WC增加，塑性、韧性下降； 为了保证工业用钢具有足够的强度和塑性、韧性，碳素钢的含碳量一般不超过1.4% 。WC增加，导热性下降、抗电化学腐蚀性能下降、焊接工艺性下降、铸造工艺性下降 根据零件的使用性能选择钢的成分（钢号）: 1）要求塑性、韧性好而强度不高的机件低碳钢（WC0.25%）；（如冷冲压件） 2）要求强度、塑性、韧性等综合性能好的机件中碳钢（WC=0.3%0.55%）并进行适当的热处理；（如机床主轴） 3）各种工具用钢高碳钢 。（如锉刀）锻造和热轧的开始温度一般选在固相线以下200左右。停止锻轧温度一般要控制在800左右。（一）碳素钢的分类 1、按钢中含碳量分（1）低碳钢 WC0.25%（2）中碳钢 0.25%0.6% 2、按钢的质量分（1）普通钢 WS0.05% WP0.045%（2）优质钢 WS0.035% WP0.035%（3）高级优质钢 WS0.02% WP0.03% 4、按炼钢时的脱氧程度分（1）沸腾钢（F） 脱氧不彻底（2）镇静钢（Z） 脱氧彻底（3）半镇静钢（b） 脱氧程度介于F和Z之间（4）特殊镇静钢（TZ） 进行特殊脱氧 3、按钢的用途分（1）碳素结构钢 （2）优质碳素结构钢（3）碳素工具钢（4）一般工程用铸造碳素钢件（铸钢）（二）碳素钢的钢号命名方法1、碳素结构钢 主要用途：各类工程。通常热轧后空冷供货，一般可以直接使用。这类钢共分五个强度等级。等级符号：A、B、C、D（D级达到了优质钢水平）命名：标志符号Q+最小S值等级符号+脱氧程度符号 ，如：Q235-AF2、优质碳素结构钢主要用途：重要机件。通过热处理调整零件的力学性能。出厂状态可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火等状态。随用户需要而定。命名：用两位数字表示，两位数字表示钢中含碳量的万分之几。如：45钢 WC=0.45%常用牌号：08F、15、45、60、60Mn等。3、碳素工具钢（WC=0.65%1.35% 属高碳钢）主要用途：制作各种小型工具。可进行淬火、低温回火处理获得高硬度高耐磨性。分为优质级和高级优质级两大类。高级优质级在钢号尾部加A，如T10A命名：标志符号T+含碳量的1000倍。 如：T10 WC=1.0%4、一般工程用铸造碳素钢件（铸钢）主要用途：难用锻压等方法成型的复杂零件且力学性能要求较高；命名：标志符号ZG+最低S值最低b值 如：ZG340-640 1.钢的热处理：指在固态下对钢进行不同的加热、保温、冷却来改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。钢的热处理分类 根据工艺方法来分： 1）整体热处理（退火、正火、淬火、回火）； 2）表面热处理（火焰加热表面淬火、感应加热表面淬火、激光加热表面淬火等）； 3）化学热处理（渗碳、渗氮、渗其它元素等） 根据热处理在零件加工中的作用分： 1）预先热处理（退火、正火）：为机械零件切削加工前的一个中间工序，以改善切削加工性能及为后续作组织准备。2）最终热处理（淬火、回火）：获得零件最终使用性能的热处理 。3、过热度和过冷度 平衡态相变线： A1、A3、Acm加热（过热度）： Ac1、Ac3、Accm冷却（过冷度）： Ar1、Ar3、Arcm 第二节 钢在加热时的组织转变一、奥氏体的形成 奥氏体形成的四个步骤：1）奥氏体晶核的形成； A晶核通常在珠光体中F和Fe3C相界处产生；2）奥氏体晶核长大；（3）残余渗碳体的溶解；（4）奥氏体的均匀化 共析钢加热到Ac1点相变温度 亚共析钢加热到Ac3以上；过共析钢理论上应加热到Accm以上，但实际上低于Accm。因为加热到Accm以上，渗碳体会全部溶解，奥氏体晶粒也会迅速长大，组织粗化，脆性增加。1、奥氏体晶粒度1）起始晶粒度室温下各种原始组织刚刚转变为奥氏体时的晶粒度。2）实际晶粒度钢在具体的热处理或加热条件下实际获得的奥氏体晶粒度的大小。分为10级，1级最粗。3）本质晶粒度表示奥氏体晶粒长大的倾向性。不表示晶粒的大小。3、奥氏体晶粒长大及影响因素1）加热温度和保温时间加热温度越高，晶粒长大越快，奥氏体越粗大；保温时间延长，晶粒不断长大，但长大速度越来越慢。2）加热速度加热速度越大，形核率越高，因而奥氏体的起始晶粒越小，而且晶粒来不及长大。3）碳及合金元素4）钢的原始组织第三节 钢在冷却时的组织转变 过冷奥氏体：在共析温度（A1）以下存在的不稳定状态的奥氏体，以符号A冷表示。随着过冷度的不同，过冷奥氏体将发生三种类型转变：1）珠光体型转变；2）贝氏体型转变；3）马氏体型转变过冷奥氏体在A1 550温度范围内将转变成珠光体类型组织。该组织为铁素体与渗碳体层片相间的机械混合物。这类组织可细分为：产物名称转变温度层片间距 硬度（HBS）珠光体PA1600 0.4 m 200索氏体S6506000.40.2 300托氏体T6005500.2 m 400珠光体转变过程：典型的扩散相变： 1）碳原子和铁原子迁移； 2）晶格重构。过冷奥氏体在550Ms点温度范围内将转变成贝氏体类型组织。贝氏体用符号字母B表示。根据贝氏体的组织形态可分为上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）。产物名称转变温度组织形态上贝氏体B上550350 F（过饱和）+Fe3C（短棒狀） 光学金相形貌为羽毛状下贝氏体B下350MsF（过饱和）+ 碳化物光学金相形貌为竹叶状贝氏体的力学性能1）550350上贝氏体B上羽毛状4045HRC脆性较大基本上无实用价值；2）350Ms下贝氏体B下黑色竹叶状4555HRC优良的综合力学性能常用 。半扩散型转变只发生碳原子扩散，大质量的铁原子基本不扩散 。当奥氏体以极大的冷却速度过冷至Ms点以下，(对于共析钢为230以下)时，将转变成马氏体类型组织。获得马氏体是钢件强化的重要基础。马氏体M是碳在-Fe中的过饱和固溶体。马氏体转变时，奥氏体中的C全部保留在马氏体中。主要特点：高硬度高强度马氏体强化的主要原因是过饱和碳原子引起的晶格畸变，即固溶强化。M中碳的质量分数越高，其正方度越大，晶格畸变越严重，M的硬度也就越高。 马氏体组织的形态:1）Wc1%针片状马氏体，也称孪晶马氏体；3）0.2%Wc1%板条状马氏体和针片状马氏体。板条状马氏体塑性韧性较好；高碳片状马氏体的塑性韧性都较差。 在保证足够的强度和硬度的情况下，尽可能获得较多的板条状马氏体。 马氏体转变特点：1） 无扩散性：马氏体转变是非扩散性转变，转变过程中没有成分变化，M的含碳量和原来A的相同。2）切变共格和表面浮凸现象：由于原子不能进行扩散，晶格转变只能以切变的机制进行。3）变温形成：M只有在不断降低温度的条件下，转变才能继续进行。4）高速长大：M生长速度极快，片间相撞容易在马氏体片内产生显微裂纹。5） 转变不完全残余奥氏体A残MS点越高，M越多，A残越少。Ms和Mf点的温度与冷却速度无关，主要取决于含碳量与合金元素的含量。过冷奥氏体转变曲线表示温度、时间、和转变量三者之间的关系曲线。冷却方式： 1）等温冷却 2）连续冷却（一）过冷奥氏体等温转变曲线过冷奥氏体等温转变曲线又叫C曲线，也称为TTT曲线。在实际生产中，过冷奥氏体大多是在连续冷却时转变的，这就需要测定和利用过冷奥氏体连续转变曲线。过冷却奥氏体连续转变曲线又叫CCT曲线。过冷奥氏体连续转变曲线（CCT曲线）与TTT曲线的区别： 1、连续冷却曲线靠右一些； 2、连续冷却曲线只有C曲线的上半部分，而没有下半部分。也就是说而没有贝氏体转变。 影响C曲线的因素(1) 含碳量的影响 1）在正常加热条件下，Wc0.77%时，含碳量增加，C曲线左移。所以，共析钢的过冷奥氏体最稳定。 2）亚共析钢先析出 F；过共析钢先析出渗碳体。(2）合金元素的影响除钴以外，所有的合金元素溶入奥氏体后，都增大过冷奥氏体A的稳定性，使C曲线右移。碳化物含量较多时，对曲线的形状也有影响。 （3）加热温度和保温时间的影响：随着加热温度的提高和保温时间的延长，奥氏体的成分更加均匀，晶粒粗大，这些都提高过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。 临界冷却速度获得马氏体的最小冷却速度。vk是CCT曲线的临界冷却速度；vk是TTT曲线的临界冷却速度。vk 1.5 vk凡是使C曲线右移的因素都会减小临界冷却速度。 一、退火和正火的主要目的1）调整硬度以便切削加工； 2）消除残余应力，防止变形、开裂；3）细化晶粒，改善组织，提高力学性能； 4）为最终热处理作组织准备。 二、退火将金属加热到适当的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（炉冷）的热处理工艺。1）均匀化退火 Ac3+(150200) 2） 正火Ac3或Accm+(3050)3）完全退火 Ac3+(2050) 4）球化退火 Ac1+(2040)5）去应力退火 5006501、完全退火（重结晶退火、普通退火）将钢完全奥氏体化，随之缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火工艺。主要用于亚共析钢的铸件、锻件、热轧型材和焊接件。加热温度Ac3+(3050)2、球化退火（不完全退火）使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺。主要用于过共析钢；目的在于降低硬度、改善切削加工性能，并为后续的淬火做组织准备。得到的组织粒状P（F基体上弥散分布着颗粒状渗碳体的组织）加热温度Ac1+(2040) 3、等温退火加热到高于Ac3（或Ac1）温度，保持适当时间后，较快地冷却到珠光体转变温度区间的某一温度保持使奥氏体转变为珠光体型组织，然后在空气中冷却的退火工艺。对于亚共析钢可代替完全退火，对于过共析钢可代替球化退火。4、均匀化退火（扩散退火）加热到略低于固相线温度（一般低于100 ）长时间保温，然后缓冷的热处理工艺。主要用于消除某些具有化学成分偏析的铸钢件及铸锭。 加热温度 Ac3+(150200) 5、去应力退火（无相变退火）加热到Ac1以下（100200）保温后随炉冷却到160以下出炉空冷。主要用于消除内应力，稳定尺寸，防止变形与开裂。加热温度通常为 500650三、正火加热到Ac3（或Accm）以上(3050)，保温适当的时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺，正火组织为索氏体；正火与退火的主要区别：1）冷却速度不同；2）正火后的组织比较细，比退火强度、硬度提高，而且生产周期短，操作简单。过共析钢正火后可消除网状碳化物；低碳钢正火后可显著改善切削加工性能；正火是一种优先采用的预先热处理工艺。 第五节 钢的淬火淬火将钢加热到Ac3或Ac1相变点以上某一温度，保持一定时间，然后以大于vk的速度冷却获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。淬火的主要目的获得马氏体或下贝氏体，为回火组织作准备。淬火温度的选择： 1）亚共析钢 Ac3+(3050)（要完全奥氏体化）2）过共析钢 Ac1+(3050)（是部分奥氏体化）3）合金钢的淬火温度允许比碳素钢高，一般为临界点以上（50100）。 在C曲线“鼻尖”附近快冷，而在Ms点附近应尽量慢冷。目前常用的冷却介质有：油、水、盐水等，其冷却能力依此增加。常用淬火方法： 1）单液淬火2）双液淬火3）马氏体分级淬火4）贝氏体等温淬火钢的淬透性（可淬性）是指在规定的条件下，钢在淬火时能够获得淬硬层深度的能力。它取决于钢的淬火临界冷却速度（Vk）的大小。临界冷却速度越小，淬透性越大。淬透性是钢的一种热处理工艺性能，与冷却速度无关。不同的零件对淬透性要求不一样。如弹簧要求淬透，而齿轮即不要求淬透。淬透的工件经调质后由表及里都是回火索氏体，而未淬透的工件心部是片状索氏体和铁素体，尤其是韧性（ak)相差特别大。影响钢的淬透性的因素有： 1、含碳量：共析点附近淬透性最好，远离S点差。2、合金元素： 除Co外，几乎所有的合金元素都降低钢的临界冷却速度，即提高钢的淬透性。3、奥氏体化温度越高，保温时间越长，钢的淬透性增大。淬硬性是指钢在正常淬火条件下，所能达到的最高硬度。是钢的一种工艺性能。在相同的条件下，钢的淬透性越高，淬硬层深度就越大。奥氏体中固溶的碳越多，淬硬性就越高。与合元素没有多大关系。而淬透性与合金元素就有很大的关系。对承受动载荷的一些重要零件要选用能全部淬透的钢；如发动机连杆、弹簧等；当零件表里性能可以不一致时（不要求淬透），选用淬透性适宜的钢即可。如齿轮；焊接件不可选用淬透性高的钢，否则就容易在焊缝附近出现淬火组织，造成变形和裂纹；对于淬透性好的钢，可以采用冷却速度缓慢的淬火介质。这对于复杂工件十分有利。第七节 钢的回火淬火获得的马氏体组织脆性很大，一般须经回火以改善其性能才能使用；回火是指将淬火后的钢再加热到不超过Ac1的温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺回火的目的： 1）降低脆性，消除或减小内应力。防止工件变形或开裂，）改善切削加工性能。2）获得工件所要求的力学性能； 3）稳定工件尺寸；M+A残 F+ Fe3C（或碳化物）二、淬火钢在回火时的转变1）100，碳原子向位错线附近或间隙位置聚集。伴有硬度升高现象；2）100250，马氏体分解：M 回M；回M=+ -碳化物（ 为过饱和固溶体；-碳化物与母相共格，其分子式为Fe2.4C)； 这个转变称为回火第一阶段；性能变化：高硬度，但应力和脆性大大消除； 3）200300，残余奥氏体分解：A残 回马； 这次转变称为回火第二阶段；性能变化：有A残的分解，硬度没有明显降低。 4）250400，碳化物类型变化：回M 回T（组织为保持原M形态的F和粒状的Fe3C）； -碳化物粒状的Fe3C； 这种转变称为第三阶段；具有良好的弹性极限和抗疲劳性能，应力全部消除；5）400700，相回复与再结晶，渗碳体球化和粗化；回T 回S；（组织为等轴F+粒状Fe3C2）； 这个阶段称回火第四阶段；性能变化：硬度进一步下降，韧性提高，良好的综合力学性能； 当650，Fe3C2颗粒长大，组织为回P；性能变化：硬度强度显著降低，韧性塑性提高。1、低温回火（150250）回火M5864HRC；（应用：高碳工模具、量具、滚动轴承等。） 降低残余应力和脆性，保持钢在淬火后得到的高硬和高耐磨性； 2、中温回火（350500）回火T3545HRC；（应用：弹簧、模具等。） 获得高屈服强度、弹性极限和较高的韧性。3、高温回火（500650）回火S2035HRC；得到强度、塑性、韧性较好的综合力学性能。 调质处理：淬火加高温回火得到回火S的热处理工艺。（应用：连杆、曲轴等结构零件。） 回火脆性：淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间的脆化现象。性能变化：硬度下降，韧性增加， 第一类回火脆性（低温回火脆性）200350，不可逆，所有淬火钢都存在，生产上常避开此区间回火；第二类回火脆性（高温回火脆性）450650，可逆，仅存在于含Cr、Ni、Mn等钢中，回火后快冷或加 入Mo元素可避免。 表面淬火的目的：使零件表面获得高硬度和高耐磨性，而心部仍保持原来良好的韧性和塑性。含碳量在0.4%0.5%的优质碳素结构钢是最适宜于表面淬火化学热处理可分为：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗洛和渗铝等。渗入法的化学热处理过程，分为三个互相衔接的阶段：分解、吸收和扩散渗碳是将钢件在渗碳介质中加热并保温，目的：提高工件表面强度、耐磨性和疲劳强度，同时保持心部的良好韧性。应用合金渗碳钢，Wc=0.1%0.25%渗碳零件的工艺路线：下料 锻造 正火 机械加工 渗碳 淬火+低温回火 精加工（磨削等） 钢铁的表面处理 ： 不改变原零件表面的化学成分，而是在零件原表面上增加一层或多层涂层，涂层成为零件的新表面，从而达到零件表面改性的目的第七章 合金钢碳素钢：生产简单，价格低廉，种类齐全，但碳素钢的强度较低，淬透性差，热硬性、耐磨、耐蚀、耐热性差。合金钢：为了改善碳素钢的性能，有选择地加入一些合金元素，这类钢称为合金钢。合金元素溶入铁素体形成合金铁素体，产生固溶强化效果，但这个效果是极为有限的。形成合金渗碳体和合金碳化物，主要以第二相强化的方式来提高材料的力学性能，特别是一些高熔点、高硬度的碳化物（如VC、Ti）将对钢的性能产生重要的影响。合金元素对铁碳合金相图的影响1、合金元素对A相区的影响：1）扩大A相区（Mn、Ni、Co）；2）缩小A相区（Cr、V、Mo、Si)；3）正是这个原因我们可以生产奥氏体钢和铁素体钢；2、合金元素对S、E点的影响：凡是扩大A相区的元素均使S、E点向左下方移动；凡是缩小A相区的元素均使S、E点向左上方移动。三、合金元素对钢热处理的影响1、对奥氏体化的影响：大多数合金元素（镍、钴除外）都减缓奥氏体化过程。所以在热处理时就需要比碳钢更高的加热温度和更长的保温时间。碳化物不宜分解。2、对奥氏体晶粒大小的影响：大多数合金元素有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。但锰和硼却相反，可以促进奥氏体晶粒长大，所以，除锰钢外，合金钢在加热时不易过热。这样有利于在淬火后获得细马氏体；也有利于适当提高加热温度，使奥氏体中溶有更多的合金元素增加淬透性和提高钢的力学性能3、合金元素对过奥氏体转变的影响：除钴外，所有合金元素都使C曲线右移，降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。有些合金元素还使C曲线的形状发生改变。另外，大多数合金元素还使Ms点下降。合金钢分类1、按合金元素的含量分 1）低合金钢 合金元素总含量小于等于5%； 2）中合金钢 合金元素总含量在5%10%之间； 3）高合金钢 合金元素总含量大于等于10%；2、按合金元素的种类分 有铬钢、锰钢、铬镍钢、硅锰钼钒钢等。 3、按主要用途分 （1）结构钢 ：建筑及工程用结构钢，机械制造用结构钢 （2）工具钢 （3）特殊性能钢合金金牌号的一般命名原则：合金钢的含碳量、合金元素的各类、合金元素的含量均应在牌号中体现出来。例：合金弹簧钢 60Si2Mn含碳量 0.6%；硅含量 2%；锰含量 Mn1%。低合金结构钢 1、性能特点 较高的强度，足够的塑性和韧性、良好的焊接性能。广泛应用建筑、桥梁等。2、化学成分特点 低碳钢（含碳量0.2%)；主要合金元素为Mn(含量为1.251.5%)。3、热处理特点 一般不进行热处理。4、常用钢种 16Mn、15MnTi等。合金渗碳钢 （具有良好的渗碳能力和淬透性）1、性能特点 用于制造表面硬而耐磨，心部韧性好而耐冲击的零件，如齿轮、凸轮等。2、化学成分特点 低碳钢（含碳量0.10.25%)；主要合金元素有Cr、Mn、Ti、V等，其主要作用是提高淬透性和防止过热。3、热处理特点 预先热处理为正火、渗碳后为淬火加低温回火。 以20CrMnTi为例生产汽车变速箱齿轮为例，其工艺路线如下：锻造 正火（具有良好的渗碳能力和淬透性）加工齿形 局部镀铜渗碳预冷淬火、低温回火喷丸 磨齿 合金调质钢1、性能特点 调质处理后具有高强度与很好塑性及韧性的配合，即具有良好的综合力学性能。2、化学成分特点 中碳钢（0.30.5%),合金元素主要有Cr、Mn、Ti、Mo等，主要作用是提高淬透性、细化晶粒和防止过热。3、热处理特点 预先热处理为退火或正火，最终热处理为淬火+高温回火。4、常用钢种 40Cr、40CrMn等。 以40Cr制作拖拉机连杆螺栓的生产工艺路线如下： 锻造 正火 粗加工 调质 精加工 装配 四、合金弹簧钢1、性能特点 制造各种弹性元件如常圈簧、板簧等。要求具有高的弹性极限、高的屈强比、高的疲劳强度以及足够的韧性。 2、化学成分特点 含碳量（0.50.7%),合金元素主要有Mn、Si、Cr、V、Mo等，主要作用是提高淬透性和回火稳定性，防止回火脆性。3、热处理特点 1）热成型弹簧（尺寸8mm的大型弹簧） 下料 加热（Ac3+100） 成型 余热淬火 中温回火（430） 产品 2）冷成型弹簧（尺寸8mm小型弹簧） 下料 冷拨钢丝冷卷成型低温退火 产品4、常用钢种 60Si2Mn 五、滚动轴承钢1、性能特点 要求具有很高的强度和硬度、很高的弹性极限和接触疲劳强度，足够的韧性和淬透性，很高的耐磨性，而且还应有一定的抗腐蚀能力。 2、化学成分特点 高碳（0.95%Wc1.1%）；加入的合金元素主要是Cr,以提高其淬透性和耐磨性。第四节 合金工具钢（合金刃具钢 合金模具钢 合金量具钢）刃具钢应具有下列性能要求 （1）高硬度（60HRC以上） （2）高的耐磨性 （3）高的热硬性（红硬性） （4）具有一定的强度、韧性和塑性（一）低合金刃具钢1、化学成分特点 高的含碳量（0.751.5%)；为了提高淬透性和回火稳定性，加入Cr、Mn、Si、 V、W等合金元素；2、热处理特点 预处理为球化退火，最终热处理为淬火+低温回火。3、常用钢种 9SiCr、9Mn2V 二）高速钢1、化学成分特点 高C：0.7 %1.5 %；加入Cr提高淬透性；加入W、Mo提高热硬性； 加入V提高耐磨性。2、热处理特点 退火1270淬火560580回火（三次）。3、典型钢种 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2合金量具钢：提高尺寸的稳定性，淬火后要进行冷处理。（50 78）不锈钢：提高金属抗腐蚀能力的主要措施： 1）尽量使金属获得单相组织； 2）加入合金元素使各相间的电极电位差减小； 3）加入合金元素，使金属表面腐蚀后形成一层致密的氧化膜。常用钢种（1）马氏体不锈钢 含碳量：0.080.45%; Cr含量：13%； 牌号有：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13； 性能：通过热处理可得到回M，具有较高的强度和硬度，但耐蚀性能较差； 应用：各种阀、机泵和工具等；（2）铁素体不锈钢 含C量：0.1%； 含Cr量：1232%； 常用牌号：0Cr13、1Cr17、1Cr28等； 性能：耐蚀性、塑性、焊接性好，但硬度和强度较低； 应用：用于耐蚀零件，如硝酸和氮肥工业；（3）奥氏体不锈钢 含C量：0.15%； 含Cr量 ：18% ；含Ni量：811%； 常用钢种：0Cr18Ni9Ti、 1Cr18Ni9Ti； 性能：耐蚀性能、冷热加工性能、焊接性能都很好。 应用：广泛应用于化工设备及管道等。硬质合金是将一种或几种高硬度，高熔点的碳化物粉未，加入粘结剂金属钴粉未，经加压成形、烧结而成的一种粉未冶金材料。高硬度：86HRA93HRA；热硬性好，切削温度可达1000；主要用于制造高速切削刃具。铸铁：指含碳量大于2.11%的铁碳合金，常用铸铁的含碳量在2.11%4.5%之间。铸铁与钢的主要区别是：碳、硅含量较高，硫、磷杂质较多，并且碳多以石墨形式存在。目前，铸铁在我国得到了广泛的应用，一些重要零件如齿轮、曲轴可采用球墨铸铁制造，大降低了成本。 铸铁的石墨化：铸铁中的碳以石墨状态析出的过程。石墨可以从铁液中析出；可以从奥氏体中析出；可以从铸素体中析出；也可以从渗碳体的分解得到： Fe3C Fe+C 石墨化过程的三个阶段第一阶段从液相中结晶出一次石墨（GI）及共晶反应形成共晶石墨G共晶。 LcAE+ G共晶第二阶段从奥氏体中析出二次石墨（GII）第三阶段共析反应形成共析石墨及从F中析出三次石墨（GIII） Lc AE+ G共晶（第三阶段能完全石墨化：F+G 只能部分石墨化： F+P+G 石墨化被完全阻止：P+G ）影响石墨化的因素1、化学成分 促进石墨化元素：C、Si、Al、Cu、Ni、Co等； 阻碍石墨化元素：S、Mn、Cr、W、Mo、V等； P对石墨化的影响不大。2、冷却速度 冷却速度越慢，对石墨化越有利。 冷却速度受到造型材料、铸造方法、铸件壁厚 的影响。 灰铸铁的组织与性能 Wc=2.5%3.6%1、灰铸铁的组织 （1）铁素体灰铸铁石墨化过程充分进行； （2）铁素体珠光体灰铸铁第一、二阶段石墨化过程充分进行，第三阶段石墨化过程部分进行； （3）珠光体灰珠铁第一、二阶段石墨化过程充分进行，第三阶段石墨化过程完全没有进行； 2、灰铸铁的性能 1）灰铸铁的性能主要取决于基体的性能和石墨的数量、形状、大小、分布状况。其中以细晶粒的珠光体基体和细片状石墨组成的灰铸铁的性能最优，应用最广。 2）灰铸铁的抗拉强度和塑性大大低于具有相同基体的钢，但石墨片对灰铸铁的抗压强度影响不大，所以灰铸铁广泛用作承受压载荷的零件，如机座、轴承座等。 3）灰铸铁具有良好的铸造性能、切削加工性能，而且石墨的存在可以起到减磨、减震作用。 （二）变质处理（孕育处理）孕育铸铁1、变质处理：浇注前向铁液中加入变质剂，促进晶粒细化。 常用变质剂为含硅75%的硅铁，加入量一般为铁液重量的0.4%左右。2、性能：孕育铸铁的强度有很大提高，并且塑性、韧性也有所提高。 三）灰铸铁的热处理 1、消除内应力退火（时效处理）低温退火。将铸件置于100200的炉中，缓慢升温至500600，保温48h缓冷。 2、改善切削性能的退火高温退火，降低硬度。将铸件加热至850900，保温25h，缓冷至400500出炉空冷。 3、表面淬火提高硬度和耐磨性四）灰铸铁的牌号： 1、共六个牌号：HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350二、可锻铸铁1、化学成分：Wc=2.4%2.8%2、制造方法：可锻铸铁是一定成分的白口铸铁经长时间石墨化退火而得到的具有团絮状石墨的铸铁。3、石墨化退火工艺：9001000保温15 h后随炉缓冷至650以下出炉空冷，可得到F基体的可锻铸铁。 4、可锻铸铁的种类1）铁素体可锻铸铁（黑心可锻铸铁）较高的塑性和韧性；2）珠光体可锻铸铁较高强度、硬度和耐磨性；5、可锻铸铁的性能 团絮状石墨大大减轻了石墨对基体金属的割裂作用及应力集中现象，所以可锻铸铁的强度比灰铸铁高，塑性韧性也有很大提