qyf质检员培训教案之金属材料与热处理.doc

教学内容第一节 纯金属的结构与结晶本节重点：金属的同素异构转变。本节难点：对晶格、晶胞、过冷度概念的理解。本节了解：结晶的概念及过冷度的含义。一 金属的晶体结构金属在固态之下都是晶体。金属的性能、塑性变形和热处理相变都与晶体结构有关。因此，在学习金属学时，首先要从晶体结构开始。（一） 基本概念1 晶体 固态物质可分为晶体和非晶体两大类。晶体是指其原子（离子）在空间做有规则排列的物质。非晶体则相反，其原子是杂乱无章地堆砌在一起的。自然界当中除少数物质（如普通玻璃、松香、赛璐珞等）外，包括所有金属在内的绝大多数物质，在固态之下都是晶体。晶体具有固定的熔点和各向异性，如，铜的熔点为1084.5，单晶体铜在不同方向上的抗拉强度可以在1435公斤力/毫米2，范围内变化。再以石墨为例，简述晶体的各向异性。2 晶格 是晶体中的原子在空间做有规则排列的简单模型。为了便于描述原子的排列方式，人为地将每个原子看成是一个几何点，并用假想的线把各点连接起来，使之成为一个空间格架。这种表示原子在晶体中排列方式的空间格架，叫做晶格。在黑板上画简图示意说明。3 晶胞 由于晶体中原子排列具有周期重复性，因此，可从晶格中选取一个具有代表性的最小几何单元来说明晶体中原子的排列规律和特点，这个最小的几何单元成为晶胞。（二）三种常见的金属晶体结构 1 体心立方晶格。晶胞是一个立方体，在立方体的八个角和中心各有一个原子的晶格，成为立方体晶格。如：-Fe -Fe W Mo V等。画简图示意讲解。 2 面心立方晶格。晶胞是一个立方体，在立方体的八个角和六个面的中心各有一个原子的晶格，成为面心立方晶格。如：-Fe Ni Cu Al等。3 密排六方晶格。 （不做详细讲述）二 金属的结晶（一）结晶 金属从液体状态转变为固体状态的过程叫做金属的结晶。（二）过冷度 实验表明，金属的实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度（平衡结晶温度）T0,这种现象叫做过冷。过冷是结晶的必要条件，T1与T0之间的差值叫做过冷度，即TT0 T1。过冷度不是恒定的，它与冷却速度有关，冷却越快，过冷度就越大。 （三）结晶过程 1晶核的形成 2 晶核的长大 做简单介绍三 金属的同素异构转变 有些金属，如Fe Co Ti Mn Sn等，在结晶之后冷却时，还会发生晶体结构的变化，从一种晶格转变成另一种晶格。金属在固体下的这种晶格转变成为同素异构转变。有同素异构转变所得到的不同晶格的晶体成为同素异构体。Fe在结晶以后具有体心立方晶格，成为-Fe；冷却到1394时，-Fe转变为面心立方的-Fe；继续冷却到912时，-Fe又转变为体心立方晶格的-Fe.。铁的同素异构转变具有十分重要的意义，正是由于铁能够发生同素异构转变，才有可能对刚和铸铁进行热处理，从而达到改变其组织和性能的目的。同素异构转变是原子的重新排列，形成另一种晶格的过程，实质上也是一种结晶过程。为了与液体结晶相区别，通常把它成为重结晶。画简图示意进行讲解。第二节 合金的结构与结晶本节主要了解合金概念和特点。知道什么是铁素体、珠光体、奥氏体、渗碳体。了解工业纯铁、钢、白口铸铁的碳含量。一 合金 由一种金属元素和一种或几种其它元素（金属或非金属）组成的具有金属特性的物质成为合金。例如，碳钢和铸铁是主要由铁和碳组成的合金。普通黄铜是由铜和锌组成的合金。与组成它的纯金属相比，合金具有更高的硬度、强度等机械性能外，有的还具有强磁性、耐蚀性等特殊的物理性能和化学性能。因此，工业上使用的金属材料绝大多数是合金。二 合金的相结构 1 固溶体 当液态合金凝固后，组员之间仍能互相溶解，形成在某种元素的晶格中溶有其它元素原子的相，这种相称之为固溶体。固溶体中含量较多的元素叫溶剂，含量较少的元素叫溶质。固溶体的晶格与溶剂元素晶格相同。2 固溶体的性能 （1）固溶体的强度和硬度较其溶剂金属的高。这是因为溶质原子的溶入，将使溶剂原子的晶格常数发生变化，晶格产生畸变，导致位错移动困难，塑性变形抗力增加，从而使溶剂的强度和硬度提高，这种现象称为固溶强化。 （2）当溶质浓度适当时，固溶体不仅具有较溶剂金属为高的强度和硬度，而且能保持良好的塑性和韧性。 （3）与纯金属相比，固溶体具有较高的电阻，而且电阻值与温度变化的关系不大。3 金属化合物 金属化合物一般具有较复杂的晶体结构，熔点高、硬而脆。当它在合金中出现时，通常能提高合金的硬度、强度和耐磨性，但会降低塑性。金属化合物对金属的强化作用往往比固溶体强大，并随类型、数量、形态、大小和分布而改变。它可使合金的组织和性能在很大范围内变动，这正是合金可以通过热处理改变其性能的原因之一。三 铁碳合金的基本组织1 铁素体 代号F 碳在Fe中的间隙固溶体。2 奥氏体 代号A 碳在Fe中的间隙固溶体。3 渗碳体 代号Fe3C 铁与碳的化合物。4 珠光体 代号P 共析转变形成的铁素体与渗碳体的机械混合物。5 莱氏体 代号Ld 共晶转变形成的奥氏体与渗碳体的机械混合物。四 铁碳合金碳含量1 工业纯铁 0.02182 钢 0.02182.113 白口铸铁 2.116.69第三节 马氏体型转变重点：马氏体的形态、性能。难点：马氏体的形成及结构当奥氏体快速过冷到Ms点以下温度时，将发生马氏体转变，形成马氏体。这种操作在热处理上称之为淬火。马氏体是淬火钢的基本组织。钢件淬火可以大幅度地提高钢的强度、硬度，而降低塑性、韧性，这与淬火得到马氏体组织密切相关。一 马氏体的组织形态1 板条马氏体 主要在低碳钢、马氏体实效和不锈钢淬火组织中存在。板条马氏体的组织特征是以细长的条状马氏体作为组织单元。2 片状马氏体 片状马氏体的立体形态为双凸透镜状。在光镜下观察时，片状马氏体呈针状或竹叶状。相邻的马氏体片互不平行，而成一定角度（60或100）.马氏体片的尺寸相差悬殊。最先形成的马氏体片常横贯整个奥氏体晶粒，其尺寸较大。随后形成的马氏体片，只能在已被分割的奥氏体中形成，故尺寸较小，而且越到后来，尺寸越小。二 马氏体的晶体结构X射线结构分析证明，钢中的马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体。钢中马氏体晶体结构有两种类型：一种是体心正方晶格，出现在含碳较高的（C0.25）钢中；另一种是体心立方晶格，出现在低碳钢（C0.25）或无碳铁合金中。板条马氏体的含碳量低（C1.0），正方度大，因此具有体心正方晶格，而晶格畸变严重。三 马氏体的性能1 马氏体的硬度和强度 马氏体的机械性能特点，是具有高的硬度。马氏体的硬度主要取决于其含碳量，随着含碳量的增加，马氏体硬度急速升高，当钢的含碳量增至0.60.7后，其硬度变化趋于平缓。因为，随着含碳量增加，残余奥氏体增加，故硬度增加变缓。2 马氏体的塑性和韧性板条马氏体具有高度强度和硬度，但韧性和塑性低，宜用于工作时受冲击较小且抗磨损的零件。板条马氏体具有高度强度和韧性，因此，采取措施尽可能多的获得板条马氏体，将进一步材料的性能潜力。第四节 钢的退火与正火掌握退火与正火的概念。熟悉退火与正火的目的。一 退火 是将钢件加热到一定温度，经保温后缓慢冷却，以获得接近于平衡组织的热处理工艺方法。二 正火 是将钢件加热到全部奥氏体化温度，经保温后在空中或用其它适当方式冷却，以获得细珠光体组织的热处理工艺方法。三 退火与正火的目的一般把热处理工艺分为最终热处理和预先热处理两大类。最终热处理的目的是使零件达到设计使用的性能要求，而预先热处理的目的则是消除或改善前工序引起的缺陷，为后续工序做好性能与组织准备。退火与正火用于毛坯预先热处理，可以达到以下目的：1 消除和改善坯料制备时所造成的各种组织缺陷。2 获得最利于切削加工的组织与硬度。3 改善组织中相的形态与分布，细化晶粒，为最终热处理做好组织准备。用于中间热处理的目的是：1 消除或降低内应力，以减小后继工序加工后变形或开裂倾向。2消除冷作硬化，软化金属，以利于冷塑性变形的继续进行。四 正火与退火的选用1 低碳钢。 这类钢主要应解决塑性过高造成粘刀而不易切削加工的问题，故采用正火为宜。2 中碳钢。 为满足切削加工要求，含碳量不超过0.45的钢选用正火是合适的。含碳量超过0.45的钢和一些合金含量较高的中碳结构钢，因正火硬度过高，故宜采用退火。3 高碳钢。 从切削加工或最终热处理淬火的需要来看，采用退火为宜。 第五节 钢的淬火与回火熟悉淬火、回火的概念，重点学习淬火、回火的工艺要素以及淬火回火的目的。把钢加热到奥氏体化温度，保持一定时间，然后大于临界冷却速度冷却，这种热处理操作成为淬火。大部分零件淬火的目的是起到强化作用。淬火后获得马氏体或下贝氏体，通过回火得到预期的机械性能。一 钢的淬火加热淬火加热温度，主要根据钢的化学成分，结合具体工艺因素进行确定。1 钢的化学成分一般情况下，亚共析钢淬火温度为Ac3+3050；共析钢或过共析钢的淬火温度为Ac1+3050。2 工艺因素工件尺寸大小及形状因素。淬火介质及淬火方法因素。加热设备因素。3 亚温淬火二 加热时间1 影响加热时间的因素：钢的成分。工件尺寸与装炉量。加热设备。炉温。装炉状况。2 加热时间的确定淬火加热时间常根据工件的有效厚度确定，并用加热系数综合表述以上各种影响因素。三 淬火冷却介质淬火时，既要将已加热至奥氏体状态的工件，淬入冷却介质进行激冷，使工件的冷速大于临界冷却速度，以获得马氏体组织，同时，又要防止工件淬火变形和开裂。为此，应选择不同冷却特性的介质。生产中使用的淬火冷却介质可分为两大类：一类是淬火过程中要发生物态变化的介质，如水、水溶液及油等。该类介质沸点较低，工件的冷却要依靠介质的汽化来进行。另一类是淬火过程中不发生物态变化的介质，如，熔盐、熔碱及气体等。四 淬火钢的回火1 回火 回火是将淬火钢加热到A1以下的某一温度，保温一定时间，随后以适当方式冷却到室温的热处理操作。淬火后的工件一般不能直接应用，必须及时回火。原因是：淬火后工件具有较高的强度和硬度，但脆性大、塑性低、容易损坏。淬火后工件内部有较大的内应力，容易变形、开裂。淬火组织不稳定，容易发生转变，从而引起工件尺寸变化。回火的主要目的是：赋予工件最终的机械性能，减少或消除内应力，提高组织与尺寸的稳定性，减少变形和防止开裂。二 回火的分类1 低温回火（250）回火的目的是降低淬火应力，减少脆性，尽量保持钢的高硬度、高强度和高耐磨性。主要应用于各种刃具、量具、冷变形模具、滚珠轴承、高频淬火件等。2 中温回火（300500）回火的目的主要在于保持较高的硬度和强度，并具有高的弹性极限和足够的韧性。主要用于各种弹簧及某些模具。3 高温回火（500650）习惯上将淬火加高温回火成为调质处理。调质的目的是要得到一定的强度、硬度和良好的塑性、韧性相配合的综合机械性能。调质处理广泛用于各种重要结构件，特别是在交变载荷下工作的零件。第六节 结构钢的热处理重点掌握调质钢、弹簧钢、轴承钢的工作性能及其热处理特点。用以制造各种机器零件和工程结构的钢成为结构钢。这类钢按用途可分为建筑工程结构钢及机器结构钢两大类。前者多数可以不经热处理而直接使用。后者可分为调质钢、渗碳钢、弹簧钢及轴承钢。一 调质钢的热处理（一） 调质用钢1 按化学成分分类 （1）含碳量 一般为0.350.55%（碳素钢0，或0.250.50%(合金钢)。 （2）合金元素 合金元素在调质钢中的主要作用是提高淬透性和综合机械性能，其中Mn、Si、Cr、B等元素的作用较大，成为主加元素。Mo、W、Ti等元素加入量较少，配合主加元素使用，称为附加元素。在调质的淬火温度之下，附加元素大部分仍存在于碳化物中，所以不能显著提高钢的淬透性。它们的作用是细化奥氏体晶粒，减少钢的过热倾向，提高回火稳定性和强化铁素体。2 按淬透性高低分类（1）低淬透性钢 这类钢的油淬临界直径不超过30毫米。常用的有碳钢、铬钢、锰钢和硼钢等。（2）中淬透性钢 这类钢的油淬临界直径约为4060毫米，常用的钢种有铬钼钢、铬锰硅钢等。（3）高淬透性钢 这类钢都是多元合金钢，油淬临界直径在60100毫米以上。（二）调质钢的热处理按照淬火和回火的温度、时间和冷却这三个要素的热处理要求进行。二 弹簧钢的热处理为了使弹簧可靠地工作，对弹簧钢提出如下基本性能要求：应具备高的弹性极限和高的屈强比，以避免弹簧在高载荷下产生永久变形；应具备高的疲劳极限，以免弹簧在长期震动和交变应力的作用下产生疲劳破坏；有一定的冲击韧性和塑性；具有良好的淬透性，以免淬火时心部出现珠光体和铁素体，是弹性极限大幅度降低。（一）弹簧用钢 弹簧钢的主要性能要求是高的抗拉强度、弹性极限和疲劳强度，因此，弹簧钢采用高的含碳量，碳钢为0.60.9%，合金钢为0.450.75%。碳素弹簧钢的主要缺点是淬透性差，直径大于10毫米的弹簧一般采用合金弹簧钢制造。Si、Mn是弹簧钢中常用的合金元素。Si、Mn的共同作用使淬透性大大提高。65Mn、60Si2Mn、50CrVA是最常用的合金弹簧钢。（二） 弹簧钢的热处理1 采用热轧不退火钢材，热成型后，进行淬火加回火。一般板簧和大型卷簧的制造都采用此法。2 采用热轧退火钢材，冷卷成型，除应力整形后，再加淬火和回火。此法用来制造612mm的中型卷簧。3 采用冷轧钢带和冷拔钢丝，冷卷成型，经淬火回火或低温回火。一般小型弹簧都采用此法。结合具体材料讲解工艺。三 滚动轴承钢的热处理（一）滚动轴承钢的性能要求 高的淬透性；高的接触疲劳强度；高的弹性极限及一定的韧性；高的尺寸稳定性；一定的抗腐蚀能力。（二）轴承用钢 轴承钢可分成铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢及高温轴承钢。铬轴承钢：含碳量为0.951.15%,这可以保证轴承钢淬火回火后具有高的硬度、强度和耐磨性。Cr含量宜在0.401.65%之间，含Cr量超过1.65%会使残余奥氏体量增加，硬度下降。铬的作用是提高钢的淬透性，减小过热倾向和增加钢的抗蚀性。常用的铬轴承钢为：GCr6、GCr9、GCr9SiMn、GCr15、GCr15SiMn。（三） 滚动轴承钢的热处理 1 预备热处理 正火、普通球化退火、等温球化退火。 2 最终热处理 淬火、回火、精密轴承的尺寸稳定处理。3 结合具体材料讲解工艺。第七节 工具钢的热处理重点掌握工具用钢所具有性能特点；掌握常用的各类工具钢的牌号及主要成分组成。一 刃具钢的热处理1 刃具钢的性能要求：高硬度、高耐磨性、高的热硬性、高的强度和足够的韧性。2 常用的碳素工具钢：T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13。二 模具钢的热处理1 冷作模具钢的性能要求：高的硬度、高的耐磨性、足够的强度和韧性、热处理时变形小、较高的淬透性。2 常用的钢为:9M2V、9CrWMn、CrWMn、Cr2、Cr12、C12MoV、9CrSi。3 热做模具的性能要求：高温下的机械性能、良好的耐热疲劳性、高的淬透性、良好的工艺学和抗氧化能力。4 常用钢为：5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8、3Cr2W8V。 结合具体材料讲解工艺。第八节 硬 度 实 验掌握布氏硬度和洛氏硬度的基本原理及其优缺点；了解各类硬度测量方法的使用条件和范围。 一 硬度实验的意义及分类硬度是金属材料力学性能中最常用的性能指标之一，是表征金属在表面局部体积内抵抗变形或破坏的能力。分三类 压入法：布氏、洛氏、维氏、显微硬度、努氏硬度。 回跳式：肖氏、里氏。 刻划法：莫氏硬度。二 布氏硬度 1900年由瑞典人Brinell提出而得名。布氏硬度法采用钢球压头（直径为D），加载（P）后压入试样表面，根据单位压痕表面积上所受载荷大小，来确定布氏硬度值（用HB表示）。HB=P/F凹=P/DtF凹表面压痕的凹陷面积；t压痕凹陷深度；HB布氏硬度值符号，单位为kgf/mm2 若单位采用Mpa(MN/m2)时，则等式右边的计算值应乘以0.102，才是所求HB值。, 在实际测定时，由于测定t较困难，而测定压痕直径d却比较容易。因此，要将上式中t的换成d。 即