工程材料学 基础(双语)

1、School of Manufacturing Science and Engineering1Chapter 2 Basic science of materials2Contentsv2.1 Crystal structurev2.2 Crystal defectsv2.3 Interaction of iron and carbonv2.4 Fe-C alloy phasev2.5 Heat treatment of steel32.1 Crystal structure(1)晶体结构：原子、分子或者离子在空间的具体晶体结构：原子、分子或者离子在空间的具体排列。排列。(2)金属中常见的晶

2、体结构类型金属中常见的晶体结构类型体心立方体心立方(BCC）面心立方面心立方(FCC）密排六方（密排六方（HCP)-Fe、W、Cr、Mo、V等a=b=c,=90Al、Cu、 Ag、Au、 Ni、Pb、Fe等a=b=c,=90Ti、Zr、Mg、Zn等a=bc,=90=120o4(2)金属中常见的晶体结构类型金属中常见的晶体结构类型晶体结构与材料性能：晶体结构与材料性能： （一般规律）（一般规律）面心立方面心立方的金属塑性的金属塑性最最好好，体心立方次之体心立方次之，密排六方密排六方的金属的金属较差较差。2.1 Crystal structure(3) 纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变1394

3、C-Fe面心立方面心立方-Fe体心立方体心立方d-d-Fe体心立方体心立方912C同素异构转变：同素异构转变：同一种元素同一种元素在在固态下固态下由于温度变化而发生的由于温度变化而发生的晶体晶体结构结构的变化。的变化。52.2 Crystal defects实际晶体中排列不规则的区域实际晶体中排列不规则的区域分类（按空间尺寸分）分类（按空间尺寸分）点缺陷点缺陷Point defects ：在晶体中一个或几个晶格常数在晶体中一个或几个晶格常数范围内，范围内，不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小，不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小，例如例如空位、置换原子、间隙原子。空位、置换原子、间隙原子。

4、Vacancy Substitutional atom Interstitial Atom 6线缺陷线缺陷line defect ：如如位错位错Dislocation钛合金中的位错线位错线2.2 Crystal defects 面缺陷面缺陷Planar defect ：晶晶界界亚亚晶晶界界ABCD晶界晶界grain boundary 是结构相是结构相同而取向不同晶体之间的界面。同而取向不同晶体之间的界面。亚晶界亚晶界 subgrain boundary 7Point defects点缺陷周围晶格发生畸变，材料的屈服强点缺陷周围晶格发生畸变，材料的屈服强度提高，塑性韧性下降，电阻增加。度提高，塑

5、性韧性下降，电阻增加。Line defect附近的晶格畸变，对强度影响显著。强度的变附近的晶格畸变，对强度影响显著。强度的变化与化与位错密度位错密度有关。位错密度越高，强度有关。位错密度越高，强度越高越高。Planar defect晶格发生畸变，晶界增多能显著提高材料的晶格发生畸变，晶界增多能显著提高材料的强度，也可提高材料的塑性和韧性。强度，也可提高材料的塑性和韧性。晶界强化晶界强化2.2 Crystal defectsEffects of Crystal defects on the crystal properties 82.3 Interaction of iron and carbo

6、nTwo sides: solid solution and compounds (1) solid solution 是溶质原子是溶质原子溶入溶入溶剂中所形成的晶体，保持溶剂中所形成的晶体，保持溶剂元素溶剂元素的的晶体晶体结构。结构。Classification 置换固溶体置换固溶体Substitutional solid solution 间隙固溶体间隙固溶体Interstitial solid solution Substitutional solid solution ：溶质溶剂原子尺寸相差较小，：溶质溶剂原子尺寸相差较小，形成固溶体时溶质原子替换了溶剂晶格中的一部分原子，形成形成固溶

7、体时溶质原子替换了溶剂晶格中的一部分原子，形成置换固溶体。置换固溶体。如：如：Fe与与Mn、Si 、Al 、Cr 、Ti 、Nb等形成置等形成置换固溶体换固溶体9Interstitial solid solution：溶质原子和溶剂原子溶质原子和溶剂原子直径相差较大直径相差较大，溶质原子处于溶剂晶体结构的溶质原子处于溶剂晶体结构的间隙位置间隙位置，形成间隙固溶体。，形成间隙固溶体。 例如：例如：Fe Fe 与与 C ,N ,O ,H C ,N ,O ,H 形成间隙固溶体形成间隙固溶体 置换固置换固溶体溶体间隙固间隙固溶体溶体溶剂原子溶剂原子溶质原子溶质原子溶剂原子溶剂原子溶质原子溶质原子AB2

8、.3 Interaction of iron and carbon10Formation of solid solution： iron and carbon Properties of solid solution 与基体金属相比，强度硬度增加，塑性韧性降低。与基体金属相比，强度硬度增加，塑性韧性降低。 固溶强化固溶强化Ferrite ：碳溶于：碳溶于 铁铁中形成的固溶体，用中形成的固溶体，用 或者或者F表表示。示。Austenite：碳溶于：碳溶于 铁铁中形成的固溶体，用中形成的固溶体，用 或者或者A表示。表示。2.3 Interaction of iron and carbon112.3

9、 Interaction of iron and carbon（2） Formation of compounds ： iron and carbon 渗碳体渗碳体Cementite （Fe3C)Property：晶体结构和性能不同于其组成元素，晶体晶体结构和性能不同于其组成元素，晶体结构复杂，结构复杂，熔点高、硬而脆熔点高、硬而脆。对合金性能的影响对合金性能的影响提高提高合金的硬度、耐磨性合金的硬度、耐磨性，会降低合金的塑性和韧性。，会降低合金的塑性和韧性。 以以层片状或者球形均匀分布层片状或者球形均匀分布在组织中，能提高合金的强度；在组织中，能提高合金的强度； 以以连续网状、粗大的片状或者

10、作为基体连续网状、粗大的片状或者作为基体出现时，急剧降低材料的出现时，急剧降低材料的强度、塑性韧性。强度、塑性韧性。122.3 Interaction of iron and carbon%C，硬度硬度hardness 塑性韧性塑性韧性强度先增后降（强度先增后降（0.9%最最高）高）(3)含碳量对力学性能的含碳量对力学性能的影响影响Ferrite(F)：软而韧：软而韧Cementite(Fe3C): 硬而脆硬而脆HBAkb1.013Wc1.0%时：随钢中时：随钢中Wc，则，则其其HB、b，、Ak；工业用钢应具有足够的工业用钢应具有足够的b 和一和一定的定的 、Ak ，故其碳含量一般，故其碳含量

11、一般都不超过都不超过1.3% 1.4%。HBAkb1.0 当当 Wc1.0%时：时：b而而HB。因因钢中出现钢中出现Fe3C网而导致钢的网而导致钢的b 。2.3 Interaction of iron and carbon142.4 Fe-C alloy phaseFe-C alloy phase ：铁素体铁素体F、奥氏体、奥氏体A和渗碳体和渗碳体Fe3C铁碳合金中的组织组成物铁碳合金中的组织组成物：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体P和莱氏体和莱氏体LdFP15以以组织组成物组织组成物和和相组成物表示的相组成物表示的Fe-Fe3C相图相图 L+ L + Fe3C +

12、 Fe3C d d + d d+L d d + L+ Fe3C 亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢过共晶白口铁过共晶白口铁亚共晶白口铁亚共晶白口铁工工业业纯纯铁铁共共析析钢钢共共晶晶白白口口铁铁16A3A4A3线线A1Acm线线173 铁碳合金按碳的质量分数和铁碳合金按碳的质量分数和平衡组织平衡组织的分类的分类白口白口铸铁铸铁工业纯铁工业纯铁Wc0.0218% F + Fe3C钢钢亚共析钢（亚共析钢（Wc0.77%) F+P P+Fe3C P亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 (Wc2.11%) P+Fe3C Ld共晶白口铸铁共晶白口铸铁 (Wc4.3%) Ld过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 (Wc4.

13、3%) Ld+Fe3C2.4 Fe-C alloy phase184 碳对合金平衡组织的影响（碳对合金平衡组织的影响（ Fe3C的形态的形态)F+ +Fe3CIIIFe3C位于晶界，细小的薄片位于晶界，细小的薄片F+PFe3C呈层片状与铁素体片混合（相间呈层片状与铁素体片混合（相间 ）P Fe3CIIP Fe3C呈层片状与铁素体片混合（相间呈层片状与铁素体片混合（相间 ）Fe3C呈层片状与铁素体片混合（相间呈层片状与铁素体片混合（相间 ）还有一部分还有一部分Fe3C沿晶界分布呈连续网状沿晶界分布呈连续网状PFe3CIILdFe3C呈层片状与铁素体片混合（相间呈层片状与铁素体片混合（相间 ）Fe

14、3C作为莱氏体的基体作为莱氏体的基体LdFe3C作为莱氏体的基体作为莱氏体的基体Ld +Fe3CI Fe3C为粗大长片状为粗大长片状 Fe3C作为莱氏体的基体作为莱氏体的基体含碳量逐渐增加含碳量逐渐增加192.5 Heat treatment of steelvWhole heat treatment：对工件整体进行穿透加热的热对工件整体进行穿透加热的热处理工艺。常用的有处理工艺。常用的有退火、正火、淬火和回火退火、正火、淬火和回火。vSurface heat treatment：仅对工件表层进行热处理以改仅对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的工艺。变其组织和性能的工艺。表面淬火和回火表面

15、淬火和回火。vChemical heat treatment：将工件置于一定温度的活性将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入表面，改变其化学成介质中保温，使一种或几种元素渗入表面，改变其化学成分、组织和性能的工艺。分、组织和性能的工艺。渗碳、渗氮、碳氮共渗渗碳、渗氮、碳氮共渗等。等。20 （1）钢的退火）钢的退火Annealing 将钢加热到将钢加热到AC1温度，保持一定时间，然后温度，保持一定时间，然后随炉随炉缓慢冷却缓慢冷却的热处理工艺。的热处理工艺。 目的：降低钢的硬度，改善切削性能；细化钢的晶目的：降低钢的硬度，改善切削性能；细化钢的晶粒，减少组织的不均匀性，消去工件

16、在锻造、铸粒，减少组织的不均匀性，消去工件在锻造、铸造中出现的内应力。造中出现的内应力。2.5 Heat treatment of steel21 （1）Annealing p完全退火完全退火Full Annealing：将亚共析钢将亚共析钢完全奥氏体完全奥氏体化（加热到化（加热到Ac3+2030），保温一定时间，缓），保温一定时间，缓慢冷却。慢冷却。（完全是指退火时钢的内部组织全部重结晶）（完全是指退火时钢的内部组织全部重结晶）（只适用于亚共析钢，对过共析钢会析出网状（只适用于亚共析钢，对过共析钢会析出网状Fe3C，降低强度、韧性）降低强度、韧性）2.5 Heat treatment of

17、steel 目的：细化、均匀化组织；目的：细化、均匀化组织； 接近平衡组织接近平衡组织降低硬度降低硬度切削性切削性 消除内应力消除内应力22(1)Annealing v球化退火球化退火Spheroidizing annealing： 将钢件加热到将钢件加热到Ac1以上以上1030，保温一定时间后炉冷，保温一定时间后炉冷，或在略低于或在略低于A1温度等温足够时间后冷却，使钢中碳化温度等温足够时间后冷却，使钢中碳化物球状化。物球状化。适用于共析钢和过共析钢2.5 Heat treatment of steel组织：球状组织：球状P（ 基体基体 +球状球状Fe3C）目的：目的： 使使Fe3C球化球化

18、 ， HRC，改善切削加工性；为淬，改善切削加工性；为淬火作好组织准备。火作好组织准备。 应用范围：高碳钢、合金工具钢等应用范围：高碳钢、合金工具钢等23 (1)Annealing v去应力退火去应力退火stress relief annealing： 加热到加热到500650，保温足够时间，然后随炉缓冷至，保温足够时间，然后随炉缓冷至200300C出炉空冷。出炉空冷。v目的：目的：消除冷、热加工后的内应力消除冷、热加工后的内应力，以稳定尺寸，减少，以稳定尺寸，减少变形。变形。 v应用举例：应用举例： 铸造或焊接的机床床身、导轨；铸造或焊接的机床床身、导轨； 机加工成型的螺旋被动锥齿轮；机加工

19、成型的螺旋被动锥齿轮；2.5 Heat treatment of steel24 （2）Normalizing 正火将钢件加热到上临界点（将钢件加热到上临界点（Ac3或或Accm）以上）以上3050，保温适当时间后在，保温适当时间后在静止的空气中冷却静止的空气中冷却的热的热处理工艺。（介于退火和淬火之间的工艺）处理工艺。（介于退火和淬火之间的工艺）v目的：正火和退火相似，但正火后机械强度略高。目的：正火和退火相似，但正火后机械强度略高。v组织：珠光体、贝氏体、马氏体或它们的混合组组织：珠光体、贝氏体、马氏体或它们的混合组织。织。2.5 Heat treatment of steel25钢的正火

20、应用：钢的正火应用：（1）作为普通结构件的最终热处理）作为普通结构件的最终热处理细化细化A晶粒晶粒,组织均匀化。细化组织组织均匀化。细化组织 强度强度硬度硬度韧性。韧性。（2）预先热处理）预先热处理消除钢中的魏氏组织（消除钢中的魏氏组织（W）（铁素体针片状会形成脆弱）（铁素体针片状会形成脆弱面面)、带状组织。为淬火、调质作准备、带状组织。为淬火、调质作准备消除钢中的连续网状消除钢中的连续网状Fe3CII，为球化退火作准备。，为球化退火作准备。（3）改善切削加工性能）改善切削加工性能对低碳钢，硬度太低，切削中易粘刀，正火提高硬度后，可对低碳钢，硬度太低，切削中易粘刀，正火提高硬度后，可改善加工性

21、能。改善加工性能。 2.5 Heat treatment of steel26 （3）Quenching 淬火将钢件加热到将钢件加热到Ac3或或Ac1以上某一温度，保持一定时间以上某一温度，保持一定时间（使奥氏体化），然后以适当速度冷却，获得马氏体和（使奥氏体化），然后以适当速度冷却，获得马氏体和（或）贝氏体组织的热处理工艺。（或）贝氏体组织的热处理工艺。v目的：目的：把奥氏体化工件淬成马氏体，提高钢的硬度和强把奥氏体化工件淬成马氏体，提高钢的硬度和强度。度。但急速冷却引起内应力，使钢变脆，所以淬火后必须但急速冷却引起内应力，使钢变脆，所以淬火后必须回火，以得到较高的强度、硬度和韧性。回火，以

22、得到较高的强度、硬度和韧性。2.5 Heat treatment of steel27（3）Quenching 1）钢的淬火温度）钢的淬火温度v 亚共析钢的淬火温度一般为亚共析钢的淬火温度一般为Ac3+3050，过共析钢的，过共析钢的淬火温度一般为淬火温度一般为Ac13050。2.5 Heat treatment of steel为什么过共析钢淬火的加热温度不是为什么过共析钢淬火的加热温度不是Accm30-50? 加热温度低，加热温度低，A晶粒不易长大。晶粒不易长大。 加热到双相区，有未溶的碳化物，淬加热到双相区，有未溶的碳化物，淬火后组织细小，有高的硬度和耐磨性。火后组织细小，有高的硬度和耐

23、磨性。282）淬火介质）淬火介质 Quenching mediumv 加入（加入（510）的食盐的水溶液常用于碳钢的淬火。油）的食盐的水溶液常用于碳钢的淬火。油（机油、锭子油、变压器油等）常用于合金钢的淬火。（机油、锭子油、变压器油等）常用于合金钢的淬火。3）淬火内应力）淬火内应力 Quenching internal stress v 由于钢件不同部位存在着温度差别而导致热胀冷缩不一致由于钢件不同部位存在着温度差别而导致热胀冷缩不一致所引起的应力称为热应力。所引起的应力称为热应力。v 由于工件各部位相转变的不同时性所引起的内应力，称为由于工件各部位相转变的不同时性所引起的内应力，称为相变应力

24、。相变应力。 （淬火后必须回火）（淬火后必须回火）2.5 Heat treatment of steel29（4）淬透性）淬透性hardenability：决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。在同一淬火条在同一淬火条件下，获得淬硬层愈深的钢淬透性愈好。件下，获得淬硬层愈深的钢淬透性愈好。淬硬层深度：淬硬层深度：从钢件表面到半马氏体区（即马氏体占一半）从钢件表面到半马氏体区（即马氏体占一半）的深度。的深度。 （5）淬硬性淬硬性hardenability ：钢材在正常淬火条件下，可能得到的最高硬度值的大钢材在正常淬火条件下，可能得到的最高硬度值的大小，是小，是表示钢

25、淬火时获得硬度高低表示钢淬火时获得硬度高低的的能力。能力。2.5 Heat treatment of steel30(4) Tempering 回火钢件淬硬后，再加热到钢件淬硬后，再加热到Ac1点以下的某一温度，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保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。艺。v目的：目的：减小或消除减小或消除淬火残余应力淬火残余应力，稳定钢件的，稳定钢件的组织和尺寸，并与淬火配合，使零件达到使用组织和尺寸，并与淬火配合，使零件达到使用性能要求。性能要求。2.5 Heat treatment of steel31Tempering分类：分类：1）低温回火：）

26、低温回火：淬火钢在淬火钢在250以下回火一般得以下回火一般得到到回火马氏体组织回火马氏体组织,即由即由c较低的马氏体与极较低的马氏体与极细的细的碳化物碳化物(Fe2.4C)组成的组织。组成的组织。v目的是在保持淬火高硬度的前提下，适当提高目的是在保持淬火高硬度的前提下，适当提高钢的韧性和减小淬火内应力。常用于各种工具钢的韧性和减小淬火内应力。常用于各种工具及高硬度零件，如轴承钢。及高硬度零件，如轴承钢。2.5 Heat treatment of steel32回火分类：回火分类：2）中温回火：）中温回火：淬火钢在淬火钢在250500之间回火一之间回火一般得到般得到回火屈氏体组织回火屈氏体组织(

27、针状特征的铁素体与细针状特征的铁素体与细小粒状渗碳体的混合物小粒状渗碳体的混合物)。v目的是目的是获得高的强度、弹性和较高的韧性获得高的强度、弹性和较高的韧性。主。主要用于弹性零件、锻模和要求淬硬的扳手、销要用于弹性零件、锻模和要求淬硬的扳手、销钉和螺钉等工件。钉和螺钉等工件。2.5 Heat treatment of steel333）高温回火：）高温回火：淬火钢件在高于淬火钢件在高于500回火（常用回火（常用500650），得到），得到回火索氏体组织回火索氏体组织(多边形铁多边形铁素体与较粗粒状渗碳体的混合物素体与较粗粒状渗碳体的混合物)，具有良好的综，具有良好的综合力学性能。合力学性能。

28、 主要用于各种高强度结构件主要用于各种高强度结构件(连杆、轴等连杆、轴等)，也可作，也可作为某些精密零件如丝杠、量具和模具等的预备热为某些精密零件如丝杠、量具和模具等的预备热处理。处理。v调质：钢件淬火调质：钢件淬火+高温回火。高温回火。2.5 Heat treatment of steel34结论：随着回火温度的升高，淬火钢力学性能总的结论：随着回火温度的升高，淬火钢力学性能总的变化趋势是：硬度和强度下降，而塑性和韧性提变化趋势是：硬度和强度下降，而塑性和韧性提高。高。2.5 Heat treatment of steel35(5) Surface heat treatment v 表面淬火

29、：表面淬火：将刚件的表面层淬透到一定的深度，而心部仍将刚件的表面层淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火的方法。保持未淬火状态的一种局部淬火的方法。v 表面淬火时通过快速加热，使钢件表面很快到淬火的温度，表面淬火时通过快速加热，使钢件表面很快到淬火的温度，在热量来不及穿到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。在热量来不及穿到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。v 目的在于目的在于获得高硬度，高耐磨性的表面获得高硬度，高耐磨性的表面，而心部仍然保持，而心部仍然保持原有的良好韧性，常用于机床主轴，齿轮，发动机的曲轴原有的良好韧性，常用于机床主轴，齿轮，发动机的曲轴等。等。 2.5 Heat treatment of steel36（6）Chemical heat treatment 活性原子从工件表层向内部