第一章 钢铁材料及热处理

材料是人类生产和生活的物质基础；,石器时代,现代社会的三大支柱：,材料,青铜器时代,铁器时代,能源,信息,我国是世界上最早使用金属材料的国家之一。,材料的使用是人类文明的体现：,第一章钢铁材料及热处理,纯金属：合金：,合金的优点：,单一金属元素所组成的物质。例：FeAlCuAu,力学性能好；加工性能好；价格便宜。,金属材料,由两种或两种以上金属元素或金属与非金属元素相互熔合且具有金属性质的物质，如钢、青铜等。,1金属材料的性能,一材料性能的内容,使用性能：,加工性能：,物理性能、化学性能、力学性能。,亦称工艺性能，即适应于各种加工工艺的能力。,二金属材料的力学性能,（一）力学性能：亦称机械性能，指材料抵抗外力作用的能力。,（二）力学性能的内容：强度、塑性、硬度、韧性等,1、强度,1）概念：金属材料在静载荷的作用下，抵抗变形和断裂的能力。静载荷：对材料缓慢施加的外力。2）强度的种类：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗扭强度等。3）抗拉强度的测定：（静拉伸试验）步骤：将欲测材料制成如图所示拉伸试棒；,装机缓慢加载，直到拉断；,试验机自动绘出拉伸曲线。,分析曲线：,弹性极限：,材料保持完全弹性变形所能承受的最大应力；,材料在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力；,材料断裂前所能承受的最大应力，又称抗拉强度；,(MPa),强度极限：,屈服极限：,（屈服强度）,2塑性及其衡量指标,塑性：材料在外力作用下产生塑性变形而不发生断裂的能力。,伸长率：,则塑性越好,试样拉断后其标距长度的相对伸长值。,试样拉断后断口处横截面面积的相对收缩量。,断面收缩率：,3硬度,a布氏硬度：HBb洛氏硬度：HRC,1概念：金属表面抗硬物压入的能力。,硬度的换算公式：10HRCHB,用淬火钢球做压头，表示为HBS，其最大有效测量值是450HBS；用硬质合金球做为压头，表示为HBW，最大有效测量值为650HBW。,（有效值范围是20HRC67HRC）,硬度值较稳定，数据重复性好；测量费时，压痕面积大，不适于成品检验。,测量简单迅速，压痕小，可用于成品检验。数据重复性较差，应多点测量。,2种类：,硬度符号压头类型总压力/kgf应用HRA金刚石圆锥60硬质合金、表面淬火钢HRB淬火钢球100软钢、退火钢、铜合金HRC金刚石圆锥150淬火钢件,适用：灰铸铁、非铁金属、较软钢材,材料抵抗冲击载荷的能力。,ak=Ak/A0(J/cm2),4冲击韧性,Ak：冲击吸收功,AK=G(H1H2)9.8J,A0：试样横截面积,2纯金属的晶体结构和结晶,晶体的原子在空间做有规则的排列；,一晶体结构的基本知识（一）基本概念,晶体：非晶体：,1晶格：晶体中原子排列的格式。,2晶胞：晶格中的一个基本单元。,原子的排列是不规则的。,1体心立方晶格：2面心立方晶格：3密排六方晶格：,晶胞是一个立方体。属于这类晶格的金属有Cr、Mo、W、V等。纯铁在912以下也具有体心立方晶格结构。,-Fe,晶胞是一个立方体。这类晶格的金属有Cu、AL、Ni、Au、Ag等。纯铁在9121394为面心立方晶格结构。,-Fe,晶胞是一个正六棱柱。镁、锌等金属具有密排六方晶格结构。,（二）晶格的类型,二纯金属的结晶,1结晶：,原子由无序状态排列的液体转变为按一定几何形状排列的晶体，这个转变过程叫结晶。,2结晶过程：,a产生细小的晶体（晶核）形核；b晶核长大，同时产生新的晶核；c形成晶粒。,晶粒越细小机械性能就越好。,晶粒：晶体中晶格位向基本一致的区域。,晶界：晶粒之间原子排列不规则的区域。,多晶体结构：由许多晶粒组成的结构。,实际结晶温度Tn；其随金属的冷却速度V冷变化而变化平衡结晶温度（理论结晶温度）T0；纯金属的T0是一恒定值过冷度T=T0-TnV冷TnT,3结晶温度和冷却曲线(金属结晶时，温度随时间的变化关系曲线),5晶粒大小对机械性能的影响,V冷TnT晶粒越细力学性能越好。,晶核数目晶核长大的速度,T,晶核数目每一个晶核长大的余地越小晶粒越细,晶粒越细晶界越多,1538以上为液体，L1538-1394具有体心立方晶格，-Fe1394-912具有面心立方晶格,-Fe912以下具有体心立方晶格，-Fe,同素异晶转变：,晶格类型随温度改变而改变的现象。,重结晶：,固态下晶格类型的转变，亦存在生核和长大的过程。,纯铁的力学性能：b=250MPa=50%80HB，,软而韧。,三金属的同素异晶转变,纯铁的分类：,3合金的结构与状态图,一基本概念,1组元：,组成合金的最基本的、能独立存在的物质，简称元。,2相：,在合金中凡是化学成份相同、晶格结构相同，并有界面与其它部分分割开的一个均匀区域，称为相。,二合金的结构,（一）固溶体,组成合金的各组元在凝固后仍能保持溶解状态而形成均匀的固相。,1定义：,固溶体是单相组织，其晶格与溶剂保持一致。,2种类：,a置换固溶体：,溶剂晶格上的原子被溶质原子所取代。,无限固溶体：溶质可以以任何比例溶解到溶剂中去,如铜-镍合金系、金-银合金系则是无限固溶体。,有限固溶体：溶质在溶剂中的溶解度有限。如铜-锌合金，锌在铜中的溶解度为46%。,置换固溶体间隙固溶体,b间隙固溶体：,溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中。,这类固溶体属于有限固溶体，它的溶解度随温度的增加而增加。,例：C溶入Fe中，形成的固溶体叫铁素体（F），最大溶解度0.02%。,3固溶强化：,晶格变形，导致金属塑性变形阻力增加，故材料强度增加，硬度增加；,如上两种固溶体是钢中的重要组织,C溶入Fe中，形成的固溶体叫奥氏体（A），最大溶解度2.11%。,（二）金属化合物,金属化合物是合金的各组元相互化合而形成的一种新的晶体，它是单相组织。大都晶格复杂，熔点高，硬而脆。,例如：Fe3C则是一种金属化合物。它是钢中的一种重要组织，具有复杂的晶格结构，其硬度800HB，=0。,（三）机械混合物,硬而脆,由两种以上的相按一定比例混合而成。,例如：F和Fe3C以片层相间的形式混合,C=0.77%。,这是钢中的一种重要组织，叫做珠光体（P）。,珠光体是两相组织。,（渗碳体）,三铜-镍合金相图(状态图),（一）相图结构分析,点：A铜的熔点;B镍的熔点,线：AaB线液相线AbB线固相线,面:即相图中各个小区液相区：AaB以上区域，L固相区：AbB以下区域，固溶体；两相区：AaBbA区，L+。,横坐标：合金成分,：固溶体；,P,状态图中的每一点：状态点,纵坐标：温度,L：液体,在两相区确定各相成分：,做横轴的平行线。,该平行线与液相线的交点在横轴的投影：,液相成分。,该平行线与固相线的交点在横轴的投影：,固相成分。,温度变化时，各相的成分是变化的：液相成分沿液相线变，固相成分沿固相线变。,（二）结晶过程分析,做成分垂线K(40%Ni),不平衡结晶：冷却速度较快的结晶。晶内偏析：在一个晶粒内化学成分不均匀的现象。,温度结晶情况组织含Ni量,Tt1,T=t1,T=t4结晶结束40%Ni,T0.4%)、Mn(0.8%)、Cr、Mo、W、V、Ti、Co、Al、RE等。,一合金钢的分类,合金结构钢：用于制造重要的机器零件和工程构件。合金工具钢：用于制造重要的工具、模具。特殊性能钢：具有某些特殊物理、化学性能的钢种。,1按主要用途分类,2按合金元素含量分类,低合金钢：合金元素总量小于5%；中合金钢：合金元素总量510%；高合金钢：合金元素总量大于10%。,二合金钢牌号的表示方法,结构钢：两位数字+合金元素符号+数字如60Si2Mn工具钢和特殊性能钢：一位数字+合金元素符号+数字如9SiCr,合金钢,合金结构钢：,合金工具钢：,特殊性能钢,9SiCr,W18Cr4V,1Cr18Ni9Ti,4Cr6Si2,ZGMn13,铸铁是指碳含量大于2.11%的铁碳合金，如同碳钢一样，也含有Si、Mn、S、P等元素。只不过它的Si含量较高，以及Mn、S、P的含量也比碳钢多。,（1）铸铁的分类,1、根据铸铁中碳存在形式的不同，铸铁可分为如下几类：,白口铸铁：,灰口铸铁：,麻口铸铁：,铸铁中碳主要以游离Fe3C形式存在，断口亮白色。,碳全部或大部以自由态石墨(G)形式存在，断口暗灰色。,碳部分以游离Fe3C形式存在，部分以石墨(G)形式存在，断口灰白相间，尤如麻点。,7常用铸铁,普通灰口铸铁：,可锻铸铁：,球墨铸铁：,蠕墨铸铁：,G以片状形式出现，断口颜色暗灰色，代号HT。,G以团絮状形式出现，断口颜色黑绒状，代号KT。,G大部分或全部呈球状，断口银灰色，代号QT。,大部分G为蠕虫状，断口颜色黑绒状，代号RuT。,2、根据灰口铸铁中石墨形状的不同，灰口铸铁可分为如下几类：,组织：,灰铸铁的组织是由金属基体加片状石墨所组成，即：,P+G（片状）P+F+G（片状）F+G（片状）,性能：,抗拉强度低，塑性差，b=100250MPa=0，但抗压强度和钢相近。,减摩性、减震性好，导热性好，铸造性能和切削加工性好。,（2）铸铁的性能、牌号和用途,1、灰铸铁：,用途：,用于制造机座、支架、箱体、泵体、阀体等。,牌号：,HT100HT150HT200HT250HT300HT350,2、可锻铸铁,组织：,金属基体+G(团絮状）,F+G(团絮状）P+G(团絮状）,性能和应用,可锻铸铁的力学性能高于灰铸铁，b=300700MPa=212%。耐腐蚀性能较强，铸造性能较灰铸铁差。,可锻铸铁可用于承受冲击和震动的场合，如汽车、拖拉机的前后桥壳，各种阀体和水暖管件等。,可锻铸铁牌号：,黑心可锻铸铁：KTH300-06KTH330-08KTH350-10KTH370-12,P体可锻铸铁：KTZ450-06KTZ550-04KTZ650-02KTZ700-02,3、球墨铸铁,（一）性能,力学性能好：b接近于钢，而0.2则高于45钢，热处理后的=2025%,铸造性能较差：容易产生铸造缺陷，如缩孔、皮下气孔等。,（二）牌号和用途,牌号：QT400-15QT600-03QT700-02QT900-02,球铁用来生产一些受力复杂、强度要求高的机器零件，如曲轴、连杆等。,（三）球铁的热处理,QT可以象钢一样进行各种热处理。,4、蠕墨铸铁,蠕墨铸铁是一种新型铸铁，强度高于灰铸铁，而铸造性能相当于灰铸铁。,牌号：RuT260RuT300RuT340RuT380RuT420,5钢的热处理,把零件加热到一定温度，适当保温后，以一定的速度冷却，获得所需组织的一种工艺。,加热、保温和冷却。,改善和提高材料的力学性能；改善材料的加工、节省金属。,3热处理分类,退火、正火、淬火、回火。,火焰加热、感应加热表面淬火等。,渗碳、渗氮、碳氮共渗等。,1热处理：,4过程：,2目的：,一热处理的基本概念,A1(PSK)、A3(GS)、Acm(ES),快速加热时：,Ac1、Ac3、Accm,快速冷却时：,Ar1、Ar3、Arcm,（五）状态图中三条重要线,以共析钢为例：,、：和的机械混合物，片层厚度依次减小。,温度以下：的晶格转变,马氏体：碳在中的过饱和固溶体。硬度高，脆性大。,二钢的热处理工艺,（一）钢的退火,1定义：将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。,加热,保温,冷却,2目的：降低硬度，便于切削加工（适宜的加工硬度为170HB230HB）；细化晶粒，均匀钢的组织和成分，改善钢的力学性能；消除内应力，以防止变形和开裂；,二钢的正火,1定义：将钢加热到Ac3或Accm以上3050，保温后在空气中冷却的工艺。,2目的和用途：细化晶粒，提高力学性能；提高硬度，以利低碳钢的切削加工；,（三）钢的淬火,1淬火：将钢件加热到Ac3或Ac1线以上某一温度，保温一定时间，然后快速冷却以得到马氏体（M）组织的热处理工艺。,2目的：获得M体组织，提高钢的硬度和耐磨性，为最终热处理做准备。,M体：碳在-Fe中的过饱和固溶体。其硬度随钢中碳含量的增加而增加。,（四）钢的回火,回火：淬火后的钢件再加热到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。,1、回火的工艺特点和目的,工艺特点：淬火后进行；加热温度在A1线以下。,目的：稳定组织；消除应力；提高韧性。,2、回火的分类和应用,低温回火（150250）：,高温回火（500650）：,中温回火（350500）：,性能：具有高的硬度(5864HRC)和高的耐磨性，内应力脆性韧性。用途：用于耐磨件，量具、工具以及