金属材料与热处理ppt课件.ppt

钢材力学检测室力学性能培训教材 金属材料与热处理 品牌策划案 一 金属 金属材料性能 晶体结构等二 铁碳合金和Fe C相图三 热处理四 常见钢材编号和分类 品牌策划案 一 金属 金属材料性能 晶体结构与结晶等1 1金属 金属材料金属金属是具有良好的导电性和导热性 有一定的强度和塑性 并具有光泽的物质 如铁 铜 铝和锌等 金属材料金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材料 并具有金属特性的工程材料 它包括纯金属和合金 品牌策划案 金属材料的分类1 金属 或金属材料 通常分为黑色金属和有色金属两大类 黑色金属 包括铁 锰 铬等 泛指以铁或以它为主而形成的物质如钢 生铁 有色金属 除黑色金属以外的金属 铝 锌 铜等2 按密度分为轻金属和重金属 4 5g cm3 品牌策划案 铜及其合金 纯铜 黄铜 Cu Zn 白铜 Cu Ni 青铜 铝及其合金 纯铝 变形铝合金 铸造铝合金轴承合金 锡基轴承合金 铅基轴承合金 铝基轴承合金钛及其合金 品牌策划案 1 2金属的性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能 使用性能 指金属材料在使用条件下所表现出来的性能 它包括物理性能 化学性能 力学性能等工艺性能 指金属材料在制造工艺过程中的适应加工的性能 包括热处理性能 铸造性能 锻造性能 切削性能等 金属的物理性能金属的物理性能是指金属固有的属性 包括密度 熔点 导热性 导电性 热膨胀性和磁性 密度 某种物质单位体积的质量称为该物质的密度 根据密度可分为轻金属和重金属熔点 金属或合金从固态向液态转变时的温度称为熔点 熔点高的金属称为难熔金属 如钨 钼 钒等 用来制造火箭 导弹 燃气轮机和喷气飞机等 熔点低的金属称为易熔金属 如锡 铅等 品牌策划案 导热性 金属材料传导热量的性能称为导热性 金属的导热能力以银为最好 铜 铝次之导电性 金属材料传导电流的性能称为导电性 热膨胀性 金属材料随着温度的变化而出现体积变化的特性称为热膨胀性 热膨胀性的大小用线膨胀性系数 l和体膨胀性 V系数 l l2 l1 l t V 3 l磁性 金属材料在磁场中受到磁化的性能称为磁性 根据金属材料在磁场中受到磁化的程度不同 可分为铁磁性材料 如铁 钴 镍等 顺磁性材料 如锰 铬等 抗磁性材料 如铜 锌等 三类 品牌策划案 金属的化学性能金属的化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能 如耐腐蚀性 抗氧化性和化学稳定性 耐腐蚀性 金属材料在常温下低抗氧 水蒸汽及其化学介质腐蚀破坏作用的能力 抗氧化性 金属材料在加热时低抗氧化作用的能力 化学稳定性 化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称 金属材料在高温下的化学稳定性称为热稳定性 品牌策划案 金属的力学性能金属的力学性能是外力作用时表现出来的性能 力学性能包括弹性 强度 塑性 硬度 韧性和疲劳强度等 品牌策划案 金属的工艺性能金属的工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力 它包括铸造性能 锻压性能 焊接性能和切削加工性能等 铸造性能 金属及合金铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能 锻压性能 金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度 焊接性能 金属材料对焊接加工的适应性 也就是在一定的焊接工艺条件下 获得优质焊接接头的难易程度 切削加工性能 金属材料接受切削加工的难易程度称为切削加工性能 热处理性能 热处理即对固态下的材料进行加热 保温 冷却从而获得所需组织和性能的工艺 热处理性能包括淬透性 晶粒长大倾向 回火稳定性 变形开裂倾向等 品牌策划案 1 3金属的结构与结晶金属的结构晶体与非晶体在物质内部 凡是原子作有序 有规则排列的称为晶体 绝大多数金属和合金都属于金属晶体 在物质内部 凡是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 晶格和晶胞表示原子在晶体中排列规格的空间格架 叫做晶格 能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞 品牌策划案 金属晶格类型体心立方晶格 铬 钒 钨及 Fe Fe面心立方晶格 铝 铜 铅 镍及 Fe密排六方晶格 镁 锌 铍和镉金属晶体结构缺陷点缺陷 空位和间隙原子线缺陷 位错面缺陷 晶界和亚晶界 品牌策划案 3金属结晶过程的一般规律 金属的结晶指的是由液态金属凝固为固体状态的过程 结晶是由两个基本过程构成的 第一 在液态金属中首先产生一个极小的晶体作为结晶中心 这个极小的晶体称为晶核 第二 晶核逐渐长大成为较大晶体 形核和晶核长大就是结晶过程的规律 4主要的铸造缺陷 缩孔及疏松 气泡 偏析 非金属夹杂物 品牌策划案 5金属的同素异构转变金属在固态下随着温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的转变称为同素异构转变 由同素异构转变所得到的不同晶格的晶体称为同素异构体 铁的同素异构转变 Fe Fe Fe体心立方1394 面心立方912 体心立方 品牌策划案 材料使用性能和工艺性能的区别试述金属的两种分类方法什么就晶体 晶格 晶胞常见金属晶体纯铁的同素异构体试述金属结晶过程金属晶粒大小对力学性能的影响 品牌策划案 二 铁碳合金和Fe C相图合金合金是指由两种或两种以上金属元素或金属与非金属元素组成的 具有金属特征的物质 如碳钢 合金钢等铁 碳合金 铜合金 钛合金等 合金的组元 相与组织组元 组成合金中最基本的独立物质称为组元相 合金中具有相同的结构 相同的物理和化学性能 并以界面形式与系统中其余部分分开的均匀部分 固态合金的相结构主要有固溶体和金属化合物 品牌策划案 合金的组织固溶体固态下合金的组元间相互溶解形成的均匀相称为固溶体 可分为间隙固溶体和置换固溶体两种基本类型 固溶将破坏晶体中原子的规则有序排列 使晶格发生畸变 晶格畸变导致变形抗力增加 使固溶体强度增加 这种现象就固溶强化 固溶强化是提高强度的重要途径 金属化合物金属化合物是合金中组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的一种新相 金属化合物的组成一般可用化学分子式来表示 如Fe3C VC M CN 等 品牌策划案 金属化合物熔点高 性能硬而脆 当它成呈细小弥散的分布于固溶体基体上时 能提高合金的强度 硬度 耐磨性 第二相强化但当呈粗大 不均匀分布时 则会降低合金的力学性能 固溶体和金属化合物是组成合金的基本相 实际使用的合金其组织通常是由固溶体和少量金属化合物组成的机械混合物 通过控制调整固溶体中溶质原子的含量 以及控制金属化合物的数量 形态 分布等可改变合金的力学性能以获得所需的材料 品牌策划案 铁碳合金的相与组织在铁碳合金中 碳可以与铁组成化合物 也可以形成固溶体 或者形成混合物 铁素体 F 碳溶解于 Fe中形成的间隙固溶体 用符号F来表示 室温时 铁素体中的碳含量只有0 0008 在727 溶解度最大时也仅为0 0218 所以其性能与纯铁相似 具有良好的塑性和韧性 而强度和硬度却较低奥氏体 A 碳溶解于 Fe中形成的间隙固溶体 用符号A来表示 奥氏体的强度和硬度不高 但具有良好的塑性 品牌策划案 铁素体 少量珠光体 奥氏体 珠光体 品牌策划案 渗碳体 Fe3C 渗碳体铁与碳的金属化合物 其分子式为Fe3C 渗碳体中碳的质量分数为6 69 熔点为1227 渗碳体的硬度很高 塑性很差 是一种硬而脆的组织 渗碳体的类型一次渗碳体 从液态中析出的渗碳体 二次渗碳体 从奥氏体中析出的渗碳体 三次渗碳体 从铁素体中析出的渗碳体 网状渗碳体 当热处理操作不当 不良时 渗碳体沿晶界呈网状分布 即所谓网状渗碳体 品牌策划案 混合物 混合物不是合金的基本组成相 珠光体 P 珠光体是铁素体和渗碳体的混合物 用符号P来表示 在缓慢冷却条件下 珠光体的含碳量为0 77 莱氏体 Ld 莱氏体是奥氏体与渗碳体组成的机械混合物 是一种高温组织 存在与1148 727 之间 莱氏体中碳的质量分数为4 3 在1148 时从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的混合物 其性能与渗碳体相似 硬度很高 塑性很差 用符号Ld L d来表示 品牌策划案 铁碳合金相图铁碳合金是工业上应用最广泛的金属材料 铁碳合金相图是表示平衡状态下不同成分的铁碳合金在不同温度下 具有的状态和组织的图形学习铁碳相图 对于合理选择和使用钢铁材料 指导热加工工艺 热处理 铸造 锻压等 具有重要意义 品牌策划案 Fe Fe3C相图中的几个特性点 品牌策划案 Fe Fe3C相图中的特性线 品牌策划案 品牌策划案 对钢来说 C 0 0218 2 11 的铁碳合金称为钢 其特点是高温时都有单相奥氏体 根据其含碳量及室温组织的不同 又可分为 亚共析钢 含碳量为0 0218 0 77 之间的铁碳合金 共析钢 含碳量为0 77 的铁碳合金 过共析钢 含碳量为0 77 2 11 之间的铁碳合金 品牌策划案 对白口铸铁来说 C 2 11 6 69 的铁碳合金称白口铸铁 其特点是金属液相结晶时都将发生共晶反应生成莱氏体 根据其含碳量及室温组织的不同 又可分为 亚共晶白口铸铁 含碳量为2 11 4 3 之间的铁碳合金 共晶白口铸铁 含碳量为4 3 的铁碳合金 过共晶白口铸铁 含碳量为4 3 6 69 之间的铁碳合金 品牌策划案 合金 合金的组元 相的定义合金中的两个基本组成相 它们的性能特点默画Fe C相图 并叙述其中特性点 特性线及意义铁碳合金在常温下的两个基本相快速冷却时能否用Fe C相图判断组织转变锻造温度的选择确定热处理的加热温度的依据是什么 品牌策划案 三 钢的热处理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方法分类整体热处理 对工件整体进行穿透加热 常用的方法有退火 正火 淬火 回火和调质等表面热处理 仅对工件表面进行的热处理工艺 表面淬火和回火 如感应加热淬火 气相沉淀等化学热处理 改变工件表层的化学成分 组织和性能 常用的有渗碳 渗氮 碳氮共渗 渗金属等 品牌策划案 热处理工艺曲线示意图 时间 温度 加热保温冷却 品牌策划案 钢在加热时的转变热处理过程中 加热一般是为了获得奥氏体组织奥氏体虽然为钢在高温状态下的组织 但其晶粒大小 成分和均匀程度 对钢在冷却后的组织和性能有重要影响由Fe C相图可知 A1 A3 Acm是钢在平衡情况下的临界点 但在实际加热过程中 钢的组织转变有滞后现象 在加热时要高于 在冷却时要低于相图中的临界点 为便于区别 通常把加热时的临界点分别用Ac1 Ac3 Accm表示 冷却时候的临界点用Ar1 Ar3 Arcm表示 Ac1A1Ar1 AccmAcmArcm Ac3A3Ar3 钢的奥氏体化奥氏体的形成机理奥氏体的形核和长大 残余渗碳体的溶解 奥氏体的均匀化 以共析钢为例 PA亚共析钢和过共析钢加热到Ac1以上 组织中的P先奥氏体化 分别获得A F和A Fe3C 只有当温度加热到Ac3和Accm时 才能完全奥氏体化 Ac1 影响奥氏体形成速度的因素加热温度 温度高 过热度大 晶核的临界尺寸减少 所需的形成功减少 因此 奥氏体的形成速度率加大加热速度的影响 加热速度越快 珠光体向奥氏体转变的速度也越快 钢中含碳量的影响 含碳量越高 奥氏体形成越快 合金元素的影响 合金元素是通过影响碳在奥氏体的的扩散起作用的 钢在冷却时的转变珠光体的形成奥氏体转变为珠光体也和其它相变一样 是个形核和核长在的过程且该转变发生在较高的温度范围 A1 550 对共析钢来说 珠光体 P 是铁素体和渗碳体呈片状交错排列的混合组织 A1 650 索氏体 S 中铁素体和渗碳体的片层较细 600 50 托氏体 T 中铁素体和渗碳体的片层更细 600 550 贝氏体的形成共析钢中贝氏体的形成温度范围在550 Ms之间上贝氏体的形成温度为550 350 羽毛状 下贝氏体的形成温度为350 Ms 黑色针状或片状 具有良好的强度和韧性 马氏体的形成马氏体在一定温度范围内 MS Mf 连续冷却下进行的 它是碳和合金元素溶入 Fe中的过饱和固溶体 是体心立方晶格 板条马氏体 低碳马氏体针状马氏体 高碳马氏体 过冷奥氏体的等温转变曲线 C 曲线或 TTT 曲线 共析钢等温度转变 亚共析钢等温度转变 过共析钢等温度转变 A P A P Ms Mf A F 过冷奥氏体的连续冷却转变曲线 CCT 曲线 钢的热处理工艺退火与正火退火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 的热处理工艺退火的目的降低钢件硬度 提高塑性 便于切削或冷变形加工 消除残余应力 防止变形和开裂 细化晶粒 均匀组织和成分 改善钢的性能 为以后的热处理做准备 常用的退火方法完全退火 重结晶退火将钢完全奥氏体化 随之缓慢冷却 获得接近平衡态组织的工艺称为完全退火 过共析钢不宜采用完全退火 因为在冷却过程中会析出网状渗碳体 破坏钢的力学性能 球化退火为使钢中碳化物球化而进行的退火称球化退火将钢加热至AC1以上20 30 保温一定时间 冷却方式采用炉冷 或在Ar1以下20 左右进行较长时间等温处理去应力退火将钢加热至A1以下某一温度 一般取500 650 保温一定时间 然后缓慢冷却的工艺 在去应力退火中 钢的组织不发生变化 只是消除内应力 扩散退火将钢加热至AC3以上150 300 保温10 20h 随炉缓慢冷却到350 左右出炉空冷的工艺 又称均匀化退火 扩散退火后晶粒十分粗大 必须进行一次完全退火或正火来细化晶粒 消除过热缺陷 目的是消除是消除晶内偏析 使成分均匀化 不完全退火将钢加热至AC1 AC3 亚共析钢 或AC1 ACCM 过共析钢 之间 保温后 随之缓慢冷却 以获得接近平衡组织的热处理工艺称为不完全退火 正火将钢材或钢件加热到AC3 ACCm 以上30 50 保温适当的时间后 在静止的空气中冷却的热处理工艺称为正火 与退火工艺的区别是正火的冷却速度稍快 得到的组织更细小 强度硬度高 操作简便 成本低正火的目的可以细化组织 消除热加工造成的过热缺陷 使组织正常化 低碳钢正火可提高硬度 改善切削加工性 中碳钢正火 可以代替调质处理 为高频淬火作组织准备 可以减少调质淬火造成的变形 并降低成本 对高碳钢 可以消除网状渗碳体 便于球化退火 淬火与回火淬火将钢件加热到AC3 AC1 以上某一温度 一般30 50 保温一定时间 然后以适当速度冷却获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火 亚共析钢的淬火起始温度应选择在AC3以上30 50 过共析钢的淬火起始温度应选择在AC1以上30 50 淬火的目的提高硬度 耐磨性 提高弹性和韧性获得马氏体组织 然后与不同回火温度相配合 获得所需的力学性能 淬火介质工件淬火冷却所使用的介质称为淬火介质 常见的淬火介质如空气 水 油 盐水 熔盐 碱水等 淬火方法单液淬火 双介质淬火 马氏体分级淬火 贝氏体等温淬火 钢的淬透性与淬硬性钢的淬透性临界冷却速度 表示钢在淬火时抑制非马氏体转变所需的最小冷却速度 钢的淬透性是指在规定淬火条件下 钢试样淬硬层深度和硬度分布表征的特性 钢在淬火时获得马氏体的能力 钢的淬硬性钢的淬硬性是指钢在正常淬火条件下所能达到的最高硬度 淬火缺陷氧化与脱碳 过热与过烧 淬火变形与开裂硬度不足与软点 回火回火钢件淬火后 再加热到AC1以下某一温度 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的目的 减少或消除淬火应力 防止变形和开裂 提高钢的韧性 调整力学性能 稳定组织 稳定尺寸 回火的分类及应用A低温回火 250 低温回火得到组织是回火马氏体 具有高硬度 高的耐磨性和一定的韧性 B中温回火 250 500 中温回火得到组织是回火托氏体 具有高的弹性极限 屈服点和适当的韧性 C高温回火 500 高温回火得到组织是回火索氏体 具有良好的综合力学性能 足够的强度和高韧性相配合 生产中常把淬火及高温回火的复合热处理工艺称为 调质 表面热处理表面淬火表面淬火是表面热处理最常用的方法 是强化材料表面的重要手段 常用的有感应加热表面淬火火焰加热表面淬火感应淬火利用感应电流产生的热量 使工件表层 局部或整体加热并快速冷却的工艺方法 感应加热表面淬火特点 加热速度快 淬火质量好 晶粒细 硬度高 淬硬层易于控制应用 中碳钢和中碳合金钢制作的齿轮 轴 销类零件 热处理及其目的热处理分为哪几类 分别包含哪些方法通常一个热处理包含几个阶段试述奥氏体形成过程 说明 亚 共析钢在加热过程中的奥氏体过程本质粗晶粒钢 本质细晶粒钢奥氏体等温连续转变曲线 又称 退火 目的 常用的退火工艺正火 目的淬火 目的 淬火介质 常用淬火方法淬透性 淬火缺陷回火 目的分类及应用调质 调质后组织和性能感应淬火的特点和应用 四 常见钢材分类和编号碳素钢碳素钢 含碳量小于2 11 而不含有特意加入合金元素的钢称为碳素钢 简称碳钢 碳素钢具有良好的力学性能和工艺性能 且冶炼方便 价格便宜 故在机械制造 建筑 交通运输及其它各个工业部门中得到广泛的应用 钢中常存元素 Si Mn S P 硅 硅是炼钢后期 以硅铁脱氧剂进行脱氧反应后残留在钢中的元素 锰 锰主要来源炼钢脱氧剂 硅和锰都是对钢的性能有益的元素 硫 主要是由生铁带入钢中的有害元素 易形成热脆 因此钢中硫含量不得超过0 05 磷 也是由生铁带入钢中的有害元素 易产生冷脆 钢中磷含量达到0 1 时 冷脆性就很严重了 钢中硫和磷是有害元素 应严格控制它们的含量 但在易切削钢中 适当提高硫 磷的含量 增加钢的脆性 反而有利于在切削时形成断裂切屑 从而提高切削效率和延长刀具寿命 非金属夹杂物 钢中的非金属夹杂物主要有氧化物 FeO Fe2O3 MnO SiO2 Al2O3 硫化物 MnS FeS等 和硅酸盐 碳素钢的分类 碳素钢的分类方法很多 常用的分类方法有以下几种按碳的质量分数分类低碳钢 c 0 25 中碳钢 c 0 25 0 60 高碳钢 c 0 60 按质量等级普通质量碳素钢 对生产过程中控制质量无特殊规定 仅为一般用途的碳素钢及低合金钢 s 0 045 p 0 045 优质碳素钢 在生产过程中需用按规定控制质量 如控制晶粒度 降低硫磷含量 对力学性能有一定的要求 特殊质量碳素钢 在生产过程中需严格控制质量和性能 特别要严格控制硫 磷含量 s 0 025 p 0 025 提高纯洁度 按用途碳素结构钢 主要用于制造各种机械零件和工程结构件 其含碳量一般小于0 7 包括建筑及工程用钢 普通碳素结构钢 优质碳素钢结构钢及低合金钢 机械制造用钢 调质结构钢 表面硬化结构钢 易切削钢 冷塑性成形钢 弹簧钢 轴承钢 碳素工具钢 主要用于制造各种刀具 模具和量具 其含碳量一般大于0 7 包括碳素工具钢 合金工具钢和高速工具钢 或刃具用钢 量具用钢和模具用钢 常用碳素钢的牌号及用途我国钢材的牌号用国际的化学元素符号 汉语拼音和阿拉伯数字相结合的方法表示 碳素结构钢 碳素结构钢的牌号由代表屈服点的拼音字母 Q 屈服点数值 质量等级符号 A B C C 和脱氧方法 镇静钢Z 沸腾钢F 半镇静钢B 特殊镇静钢TZ 符号四个部分按顺序组成 如Q235 A FQ195 Q215 A F Q215 B Z Q235 A F Q235 B Z Q235 C F Q235 D b Q255 A F Q255 B Z Q275 优质碳素结构钢 优质碳素结构钢的牌号用二位数字表示 这二位数字表示该钢的平均含碳量的万分之几 如45表示平均含碳量为0 45 的优质碳素结构钢 08表示平均含碳量为0 08 的优质碳素结构钢 优质碳素结构钢根据钢中含锰量的不同 分为普通含量锰量钢 Mn 0 80 和较高含锰量钢 Mn 0 70 1 20 两组 较高含锰量钢在牌号后面标出元素符合 Mn 或汉字 锰 如50Mn 50锰 若为沸腾钢或为了适应各种专门用途的某些专用钢 则在牌号后面标出规定的符号 例如10F系平均含碳量为0 10 的沸腾钢 20g系平均含碳量为0 20 的锅炉用钢 碳素工具钢用于制造各种刀具 模具和量具 由于大多数工具都要求高硬度和高耐磨性 故其工具钢含碳量都在0 07 以上 都是优质或高级优质钢 碳素工具钢的牌号以汉字 碳 或汉语拼音字母头 T 阿拉伯数字表示 T 数字 其数字表示钢中平均含量的千分之几 如T8 碳8表示平均含碳量为0 80 的碳素工具钢 若为高级优质碳素工具钢 则在其牌号后面标以字母A 或汉字 高 如T10A或T12高 铸造碳钢铸造碳钢的牌号是用铸钢两字的汉语拼音字母字头 ZG 后面加两组数字组成 第一组数字代表屈服强度值 第二组数字代表抗拉强度值 如ZG270 500表示屈服强度为270N mm2 抗拉强度为500N mm2的铸造碳钢 合金钢合金钢为了改善钢的性能 在碳钢中特意加入一种或数种其他合金元素所组成的钢称为合金钢 常用的合金元素有硅Si 锰Mn 铬Cr 镍Ni 钼Mo 钨W 铌Nb 钒V 钛Ti 铝Al 硼B 氮N和稀土元素Re等合金元素的作用固溶于铁素体 奥氏体 固溶强化作用 形成碳 氮化物 第二相强化 硬