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金属材料与热处理 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 绪论 主要内容 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 有色金属 金属材料 铸铁 钢 工程构件用钢 机器零件用钢 工具钢 特殊性能用钢 不锈钢及耐热钢 轻金属 铝 镁 钛 重金属 铜 锌 铅 镍 贵重金属 金 银 稀有金属 钨钼钒铌钴 放射金属 镭铀钍 结构金属材料功能金属材料 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 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 三 金属结构材料的应用情况 2 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6 10 Sn 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 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 2 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 3 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 四 金属材料发展的历史 4 五 金属材料的发展热点 1 继续重视高性能的新型金属材料具有高强度 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按照指定的性能对材料进行结构 成分的科学设计 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 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 2 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 3 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 六 关于本课程 4 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 金属材料 黑色金属 有色金属 非合金钢 低合金钢 合金钢 铸铁 滑动轴承合金 钛及钛合金 其他非铁合金 铜及铜合金 铝及铝合金 Steelmakingflowlines SteelFinishingflowlines 机械产品的制造过程 机械产品加工工艺 铸造 压力加工 焊接 粉末冶金 切削加工 特种加工 熔焊 压焊 钎焊 金属材料的性能 力学性能 物理性能 化学性能 化学性能 第二单元金属材料的性能 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 ss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 强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力 强度的指标 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 1 屈服点 Rm Fm S0 当材料的内应力R Rm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 符号 Re材料产生屈服现象时的最小应力 Re Fs S0 Fs 试样屈服时所承受的拉伸力 N S0 试样原始横截面积 mm 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 2 断面收缩率Z 指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比 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 A Lu Lo Lox100 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 Z So Su Sox100 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 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洛氏硬度维氏硬度肖氏硬度 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 120HBS500HBW 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 布氏硬度 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 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 洛氏硬度值用测量的残余压痕深度表示 可从表盘上直接读出 如 50HRC 4 测量范围用于测量淬火钢 硬质合金等材料 洛氏硬度 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 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 4 测量范围常用于测薄件 镀层 化学热处理后的表层等 维氏硬度 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 韧性 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 冲击试样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 小能量多次冲击试验 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 疲劳破坏的特征 疲劳曲线是指交变应力与循环次数的关系曲线 疲劳曲线和疲劳极限 物理性能 密度熔点导热性导电性热膨胀性磁性 化学性能 耐蚀性抗氧化性化学稳定性 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 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 铸造性能 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 大量接性能是指金属材料对焊接加工的适应性 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 第三单元金属的晶体结构与结晶 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 一 金属材料的晶体结构 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 晶体结构的概念 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 金属晶格的类型 金属材料的实际晶体结构点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线缺陷三维空间的两个方向上尺寸很小的晶体缺陷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 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 二 纯金属的结晶 纯金属的结晶过程 晶粒大小对金属材料力学性能的影响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 金属材料结晶后晶粒的控制 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时常伴有金属材料体积的变化 四 合金的相结构 组元合金系相组织 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 合金的结晶过程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 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 铁碳合金相图第四单元 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 L d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 C 2 11 的铁碳合金亚共析钢 0 0718 C 0 77 共析钢 C 0 77 过共析钢 0 77 C 2 11 白口铸铁 2 11 C 6 69 亚共晶白口铸铁 2 11 C 4 3 共晶白口铸铁 C 4 3 过晶白口铸铁 4 3 C 6 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 C 0 25 2 中碳钢 0 25 C 0 6 3 高碳钢 C 0 6 二 按钢的质量分类 1 普通钢 S 0 05 P 0 045 2 优质钢 S 0 035 P 0 035 3 高级优质钢 S 0 025 P 0 025 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 08 25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 30 55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 T7 T8 钻头 模具等T9 T10 丝锥 板牙等T11 T13 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 ZG270 500 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 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 提高零件的使用性能 充分发挥钢材的潜力 延长零件的使用寿面 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 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 A1 5500C 珠光体HRCA1 6500C 珠光体 P 256500C 6000C 索氏体 S25 356000C 5500C 屈氏体 T35 40贝氏体型转变 5500C Ms 贝氏体 B40 455500C 3500C 上贝氏体 B上3500C Ms 下贝氏体 B下45 55 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 Ms Mf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30 500C 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20 300C 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 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 工艺 一 淬火加热温度 亚共析钢的淬火加热 Ac3以上30 500C过共析钢的淬火加热 Ac1以上30 500C二 淬火冷却介质 油 水 盐水 碱水等 三 淬火方法 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 双介质淬火 如 先水后油 先水后空气 马氏体分液淬火 贝氏体等温淬火 4冷处理钢的淬透性和淬硬性淬火缺陷 氧化与脱碳过热和过烧变形与开裂硬度不定 六 回火 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 消除内应力 获得所需要的力学性能 稳定组织和尺寸淬火钢在回火时组织与性能的变化马氏体分解 残余奥氏体分解渗碳体的形成渗碳体的聚集长大 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 回火的分类及应用低温回火 T1 1500C 2500C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 3500C 5000C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 500C 6500C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 二 化学热处理分解吸收扩散钢的渗碳 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 八 热处理新技术 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 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 一 合金元素的存在形式 1 元素周期表 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 2 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 3 其中 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 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 在钢中 铁的碳化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 4 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 5 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 Al2O3 MnO Al2O3 MnS FeS 2MnO SiO2 CaO SiO2等 非金属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 一 合金元素的存在形式 6 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 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0 2 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 二 合金元素与铁和碳的相互作用及其对 层错能的影响 3 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 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 4 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 2 合金元素与碳的相互作用 1 形成碳化物碳化物形成元素 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 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 二 合金元素与铁和碳的相互作用及其对 层错能的影响 7 碳化物的晶体结构 当rc rMe 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 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 二 合金元素与铁和碳的相互作用及其对 层错能的影响 8 碳化物的特性 硬度大 熔点高 可高达3000 分解温度高 可达1200 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 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 二 合金元素与铁和碳的相互作用及其对 层错能的影响 9 2 Me对固溶体中碳活度及扩散系数的影响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结合力或结合强度 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 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 二 合金元素与铁和碳的相互作用及其对 层错能的影响 10 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 的影响 Me对C在A中的扩散激活能和扩散系数的影响碳化物形成元素 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 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 二 合金元素与铁和碳的相互作用及其对 层错能的影响 11 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 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 12 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 13 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 14 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 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 二 合金元素与铁和碳的相互作用及其对 层错能的影响 15 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 图1 7 a 合金元素Mn对Fe Fe3C相图中奥氏体区的影响 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 三 合金元素对Fe Fe3C相图的影响 2 图1 7 b 合金元素Cr对Fe Fe3C相图中奥氏体区的影响 2 合金元素对Fe Fe3C相图共析点S的影响Me对共析转变温度的影响 三 合金元素对Fe Fe3C相图的影响 3 扩大 相区的元素使铁碳合金相图的共析转变温度下降 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 Me对共析点 S 成分的影响 几乎所有合金元素都使S点 图1 9 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 三 合金元素对Fe Fe3C相图的影响 4 四 合金元素对钢的热处理的影响 1 1 Me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 奥氏体形成过程 奥氏体的形核 奥氏体的长大 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 1 Me对奥氏体形成速度的影响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 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 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 四 合金元素对钢的热处理的影响 2 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 必须提高加热温度 甚至超过其平衡临界点几十或几百度 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 四 合金元素对钢的热处理的影响 3 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 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 四 合金元素对钢的热处理的影响 4 图1 10碳化物和氮化物在奥氏体中溶解度与温度的关系 2 Me对奥氏体晶粒长大倾向的影响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 四 合金元素对钢的热处理的影响 5 图1 11AlN含量对奥氏体晶粒度的影响 图1 12MnNiMo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 2 Me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 6 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 7 1 对高温转变 珠光体转变 的影响除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 8 Me的加入对钢还有固溶强化的作用 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 四 合金元素对钢的热处理的影响 9 两种或多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 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 四 合金元素对钢的热处理的影响 10 2 对中温转变 贝氏体转变 的影响合金元素对贝氏体转变的作用是通过对 转变和碳原子的扩散的影响而起作用 首先表现在对贝氏体转变上限温度BS点的影响 碳 锰 镍 铬 钼 钒 钛等元素都降低BS点 使得在贝氏体和珠光体转变温度之间出现过冷奥氏体的中温稳定区 形成两个转变的C曲线 四 合金元素对钢的热处理的影响 11 合金元素还改变贝氏体转变动力学过程 增长转变孕育期 减慢长大速度 碳 硅 锰 镍 铬的作用较强 钨 钼 钒 钛的作用较小 四 合金元素对钢的热处理的影响 12 四 合金元素对钢的热处理的影响 13 图1 14Mn和Mo对贝氏体转变的影响 图中曲线旁的数字 分别表示Mn或Mo的百分含量 3 对低温转变 马氏体转变 的影响合金元素的作用表现在对马氏体点Ms Mf温度的影响 并影响钢中残留奥氏体含量及马氏体的精细结构 除Co Al以外 绝大多数合金元素都使Ms和Mf下降 图1 15 四 合金元素对钢的热处理的影响 14 图1 15合金元素对1 0 C碳钢的影响 四 合金元素对钢的热处理的影响 15 Ms和Mf点的下降 使得室温下将保留更多的残留奥氏体量 图1 16 四 合金元素对钢的热处理的影响 16 图1 16合金元素对1 0 C碳钢1150 淬火后残余奥氏体含量的影响 合金钢中高的残余奥氏体含量对钢的性能产生很大影响 残余奥氏体量过高 有时达30 40 时 钢的硬度降低 疲劳抗力下降 对于奥氏体不锈钢 为了要在室温下或零温度下 Ms点远低于室温或零下 获得稳定的单相奥氏体组织 必须加入大量奥氏体形成元素 通常是加入镍 锰 铬 碳 氮等元素 四 合金元素对钢的热处理的影响 17 对于合金结构钢 为了降低残余奥氏体量 需要进行附加的处理 冷处理就是将淬火后的钢件在负温下继续冷却 使残余奥氏体转变为马氏体的工艺 如生产上采用干冰与酒精混合可获得 70 的低温 四 合金元素对钢的热处理的影响 18 多次回火过程中残余奥氏体发生合金碳化物的析出 降低了残余奥氏体中的合金成分 使残余奥氏体的Ms Mf点升高 而在回火后的冷却过程中 转变为马氏体或贝氏体 称为二次淬火 从而使残余奥氏体量减少 四 合金元素对钢的热处理的影响 19 合金元素还影响马氏体的形态和马氏体的亚结构 当Ms点温度较高时 由于滑移的临界分切应力较低 在Ms点以下形成位错结构的马氏体 在Ms点温度较低时 孪生分切应力低于滑移临界分切应力 则马氏体相变以孪生形成孪晶结构的马氏体 四 合金元素对钢的热处理的影响 20 3 合金元素对淬火钢的回火转变过程的影响主要表现在提高钢的回火稳定性 即钢对回火时发生软化过程的抵抗能力 使回火过程各个阶段的转变速度大大减慢 将其推向更高的温度 具体为 1 Me对马氏体分解的影响 2 Me对残余奥氏体转变的影响 3 Me对碳化物的形成 聚集和长大的影响 4 Me对铁素体回复再结晶的影响 5 Me对回火脆性的影响 四 合金元素对钢的热处理的影响 21 五 合金元素对钢性能的影响 1 加入Me的主要目的 使钢具有更优异的 力学性能 使用性能 耐腐蚀性 耐热性 强度 塑性 韧性 耐腐蚀性 热强性 抗氧化性 耐热性 工艺性能 铸造性能 锻压性能 焊接性能 热处理性能 切削性能 五 合金元素对钢的性能的影响 2 合金钢的分类与编号 一 合金钢的分类 1 按化学成分分类 1 按钢中所含合金元素的种类分 可分为 锰钢 铬钢 硅钢 硅锰钢 铬锰钛钢等 2 按钢中合金元素总质量分数分 可分为 低合金钢 中合金钢和高合金钢 2 按钢的用途分类 1 合金结构钢 工程构件用钢 低合金高强度结构钢 和机械制造用钢 合金渗碳钢 合金调质钢 合金弹簧钢 滚动轴承钢和超高强度钢 2 合金工具钢 刃具钢 低合金刃具钢和高速钢 量具钢和模具钢 冷作模具钢和热作模具钢 3 特殊性能钢 抗氧化钢 不锈钢 耐热钢 耐磨钢和易削钢等 3 按金相组织分类 1 按退火后的组织分 亚共析钢 共析钢 过共析钢 莱氏体钢 2 按正火后的组织分 铁素体钢 珠光体钢 贝氏体钢 马氏体钢和奥氏体钢 4 按冶金质量分类 1 普通低合金钢 2 优质低合金钢 3 优质低合金钢 4 高级优质合金钢 5 特高级优质合金钢 1 合金结构钢 1 工程构件用钢 低合金高强度结构钢 由代表屈服点的汉语拼音字母 Q 屈服点数值 质量等级符号 A B C D E 等三个部分按顺序排列组成 如Q390A 专用工程构件结构钢 在牌号的头部 或尾部 标注出代表产品用途的符号 例如表示压力容器用钢牌号表示为 Q345R 焊接气瓶用钢牌号表示为 Q295HP 锅炉用钢牌号表示为 Q390g 桥梁用钢表示为 Q420q 等等 二 合金钢的牌号 2 机器零件制造用钢由三部分组成 即由 二位数字 元素符号 数字 组成 前面的两位数字表示钢的碳的质量分数的万倍 元素符号表示所含合金元素 后面的数字表示合金元素含量的百倍 凡合金元素质量分数小于1 5 时 编号中只标明元素符号 一般不标含量 如果合金元素平均质量分数等于或大于1 5 2 5 3 5 则在元素符号后相应标出2 3 4 合金结构钢中的Nb Ti B等元素 虽然含量很低 但属有意加入 故在钢的牌号中仍应表示出来 如40B 其平均碳的质量分数为0 4 硼的质量分数仅为0 0005 0 0035 合金结构钢都是优质钢 高级优质钢 牌号后加 A 字 或特级优质钢 牌号后加 E 字 高碳铬轴承钢的牌号在头部加符号 G 但不标碳含量 铬含量以千分之几计 其他合金元素按合金结构钢的合金含量表示 例如 平均含铬量为1 50 的轴承钢 其牌号表示为 GCr15 其它专用机器零件制造用钢也要在牌号的头部 或尾部 加上代表产品用途的符号 例如铆螺钢 ML30CrMnSi 2 合金工具钢表示方法与机器零件制造用结构钢相似 但当其平均碳的质量分数大于1 时 含碳量不标出 当其平均碳的质量分数小于1 时 则牌号前的数字表示平均碳的质量分数的千倍 合金元素的表示方法与合金结构钢相同 由于合金工具钢都属于高级优质钢