金属材料与热处理整编资料

1、第一章.金属的力学性能失效：零件对变形和断裂的抗力低于外载荷所引起的应力，使零件失去预定的效能而损坏。断裂、磨损、过量弹性变形、过量塑性变形。静载荷：大小和方向均不随时间变化或大小随时间变化非常缓慢的载荷。冲击载荷：大小随时间变化很快，作用时间非常短。交变载荷：大小和方向随时间作用作用周期性变化的载荷。常用力学性能指标：强度、刚度、弹性、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳。 一.强度、刚度及塑性用拉伸试样确定弹性变形阶段屈服阶段塑性变形阶段局部塑性变形和断裂。 二.刚度和弹性 1）弹性模量材料在弹性范围内，应力与应变的值标志着抵抗弹性变形的能力，称为刚度增加横截面积或改变断面形状可以增加刚度。 2）弹

2、性极限材料在不产生塑性变形时所能承受的最大应力值，工作中不允许有微量的塑性变形。 3强度金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力（包括屈服强度、抗拉强度）抗拉强度：断裂前所承受的最大应力。 4、塑性（生长率、断面收缩）金属材料在静载荷作用下，产生永久变形而不至引起破坏的性能，载荷消失后，不可恢复。 二、硬度金属材料在静载荷作用下抵抗局部变形，特别是塑性变形，压痕与划痕的能力。 1、布氏硬度（HBW),不适用硬度高的材料。210HBW10/1000/30：500HBW5/750：第二章 金属的晶体结构与结晶1晶体与非晶体晶体：原子在三维空间有规则的周期性排列。非晶体：原子在三维空间无规则

3、的排列。（普通玻璃、松香、石蜡）各向异性：晶体结构上沿晶格的不同方向原子排列周期性、疏密性不同导致晶体不同方向的物理化学性质也不同。各项同性：（非晶体）物体物理化学性质不会因方向不同而有所变化，也称均匀性。2晶格、晶胞晶格常数（晶胞晶格）晶格：空间格架，抽象的用线条将晶体中个原子中心连接，形成的规则排列的空间格架，每个点为结点。晶胞：晶格中能够完全反映晶格特征的最小几何单元。晶格常数：（晶格是空间格架，有长宽高）棱边长度称为晶格常数。体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。三、金属的实际晶体结构多晶体（实际使用多晶体材料）许多小晶体组成的晶体结构。晶粒：多晶体中每个外形不规则的小晶体。晶界：

4、晶粒与晶粒间的界面。2、晶体缺陷（点、线、面缺陷）原子排列不完整性区域。 点缺陷空位：正常晶格结点上没有原子。间隙原子：个别晶格间隙间存在多个原子。置换原子：原有的结点上的原子被其他原子取代。线缺陷位错（刃型位错插入多余的原子界面。螺型位错），少量位错：增加屈服点。一定量位错:强度降低。面缺陷（有晶界、无晶界）两晶粒原子间无规则过度层（有晶界）。亚晶界：许多尺寸的小晶块形成晶粒，小晶块内部，原子排列一致，小晶块为亚晶粒。亚晶粒间亚晶界。（亚）晶界越多，晶粒越细，强度硬度越高，高温下相反，易腐蚀。纯金属的结晶过冷现象过冷度：金属结晶时，实际冷却温度低于理论冷却温度。（过冷度=理论实际）过冷度与冷

5、却速度有关，结晶时，冷却速度越快过冷度越大结晶温度越低。2纯金属结晶过程晶核（自发/非自发形核）结晶包括晶核形成与晶核长大。液态金属结晶时，在液体中形成极微小的晶体，再长大。自发形核：从液体内部自发形成的结晶核心（均匀形核）非自发形核：液态金属依附在一些未熔微粒（自然的，认为的）表面所形成的晶核。（大于自发形核）晶轴：树枝状晶（枝晶）三细化晶粒方法增加过冷度。变质处理（加入能非自发形核的变质剂）如机械振动或搅拌：机械、超声波、电磁振动、机械搅拌。（使枝晶破碎细化，破碎的枝晶再结晶。第三节金属同素异构转变同素异构转变：金属在固态下随温度的改变，由一种晶格变为另一种晶格的现象。同素异构体：由同素异

6、构转变所得到的不同晶格的晶体。（常温，高温、）铁素体同素异构公式： 第四章二元合金的相与图 第一节 二元合金的晶体结构合金：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。比如：组元：组成合金的最基本、独立的物质。（通常是纯元素，也可以是稳定的化学元素）数目：合金系：给定组元后，可以以不同比例配置出一系列成分不同合金，这一系列合金构成合金系（ ）相：合金中具有同一化学成分且结构相同的均匀成分部分。（相与相间有明显界面）液态合金：单相液体。合金在固态下：由一个固相组成 ，由两个固相组成时 组织：用金相观察法看到的由形态，尺寸、分布方式各不相同的一种或多种相构成的总体，及各种

7、材料的缺陷和损伤。（单相组织，多相组织）相的性质组织性质合金性质合金相结构（固溶体、金属化合物）固溶体：合金在固态下，组元间仍能相互溶解而形成的均匀相。溶剂：能保留住的晶格结构的组元元素。固溶体晶格=溶剂溶质：晶格结构消失的组元元素。以原子状态分布在溶剂晶格中。固溶体分类间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格各结点空隙中。例：置换固溶体：溶质原子代替一部分溶剂原子，占据溶剂晶格中的某些结点位置，（溶质与溶剂原子直径差别越小，溶解度越大）（温度越高，溶解度越大）无限固溶体：置换固溶体条件很好的满足。有限固溶体：置换固溶体条件不完全满足。固溶体的性能晶格发生畸变，塑性变形抗力增大，金属强度硬度增高。固溶

8、强化：通过融入溶质元素形成固溶体，提高金属的强度与硬度。弥散强化：金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶基体上，提高强度硬度及耐磨性。金属化合物（做强化相使用）熔点高硬而脆，金属化合物晶格其组元晶格。金属化合物+固溶体（工业上常用）二元匀均相图匀均相图：在二元合金系中，两组元在液态和固态下以任何比例均可互溶，即在固态下能形成无限固溶体。枝晶偏析晶内偏析呈树枝状分布晶内偏析：实际冷却时，速度快，固态下原子扩散困难，先结晶的固溶体含高熔点组元，后结晶的低熔点组元。晶粒内部化学成分不均匀现象。枝晶偏析降低力学性能与切削加工性加热到高温，长时间保温，达到成分均匀化（均匀退火）二元共晶相图二元合金系中两组元

9、在液态下能完全互溶，而在固态下只能有限互溶，并发生共晶转变的相图。共晶转变：一定成分的液相，在一定温度下，同时结晶出成分不同的两种固相的转变。铁碳合金相图共晶：由一个液相同时生成不同的液相。共晶反应：一定温度下，一定成分的液体同时结晶出两种成分不同的液相反应。共析反应：在一定温度下，由一定成分的固相实时析出两个成分和结构完全不同的新固相反应。结晶：第三节铁碳合金的成分、组织及性能间的关系渗碳体：铁碳合金中，是强化相。珠光体含量越高，强度硬度越高，苏醒韧性越低。高碳钢、白口铸铁脆性高的原因：过共析钢中以网状分布在晶界上（特别在白口铸铁中渗碳体作为基体）铁碳合金塑性韧性下降，脆性高。工业上使用的钢

10、：碳的质量分数对切削性的影响低碳钢：含F多，硬度低，塑性好，切削时产生切削热较大，易粘刀。高碳钢：含多，刀具易磨损。非合金碳钢钢中常存元素及影响锰：室温下，锰大部分溶于铁素体中起强化作用，锰溶于渗碳体形成合金渗碳体。硅：室温下，硅溶于铁素体，起固溶强化作用，提高热轧钢材强度硬度与弹性极限，但会降低塑性韧性。硫：热脆性（加锰可消除）FeS与Fe可形成低熔点的FeS-Fe共晶体，分布在晶界上，当钢加热到1200°进行热加工时，低熔点共晶体已经融化，晶粒间结合破坏，导致材料在加热时沿晶界开裂。磷：冷脆性磷能全部溶于铁素体中，有强烈的固溶强化作用，使钢的强度硬度增加，塑性韧性显著下降，脆化现

11、象低温时严重。碳钢的分类按质量分数分 低碳钢 中碳钢 高碳钢按冶炼质量分类（硫与磷的含量分）普通碳素钢 优质 高级优质 特级优质按用途分碳素结构钢（中、低碳钢）轴、螺钉、螺母、曲轴、连杆 碳素工具钢（高碳钢） 刀具、量具、模具按脱氧程度：沸腾钢（脱氧不完全）、镇静钢、半镇静钢 钢铁牌号碳素结构钢（塑性） Q235AF优质碳素结构钢（塑性、韧性好）机械零件 20钢 08Mn低碳钢：08 10 强度硬度低，塑性韧性好，脆硬性、切削性差，拉伸性焊接性好。（冲压件，冷变形材料，容器） 15 20 （受力不大，但韧性好）螺钉、螺母、杠杆、轴套中碳钢（综合性能好，淬透性低）：35 40 45 50如齿轮、

12、连杆、轴类。表面淬火高碳钢：60 70 经热处理后弹簧、弹簧垫圈、钢丝、低速车轮圈碳素铸钢 铸钢浇注温度高，冷却缓慢，易形成粗大奥氏体晶粒，使钢塑性韧性下降。（退火或正火细化晶粒，获得较小的珠光体与铁素体）低合金铸钢+Mn Si Cr Mo承受较重载荷，冲击和摩擦的机械零件（高强度齿轮、水压机工作缸、高速列车车钩）ZG40Cr ZG40Mn ZG35CrMo ZG35CrMnSi碳素工具刚：高碳钢T8 T12 T12A T8MnA 淬火后硬度相差不大。钢中碳的质量分数，淬火组织中粒状渗碳体数量，耐磨性，韧性。热硬性差，淬透性低，淬火易开裂，多用于手工工具，低速小切削用量刀具。 合金钢编号按合金

13、元素分：低合金钢 中 高按主加元素分：锰钢，铬钢、硼钢、铬镍钢、硅锰钢低合金结构钢（低中合金）：调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢、渗碳/氮、耐磨钢合金工具钢（高碳高合金）：刃具钢、量具钢、模具钢（中碳钢）特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢。珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢合金结构钢：60Si2Mn 20CrMnTi(V、Ti、Al、B)+A或高合金工具钢：Cr06 9CrSi Cr12MoV特殊性能钢：2Cr13 0Cr18Ni9 00Cr18Ni9滚动轴承钢：GCr15 GCr15SiMn 第六章钢的热处理热处理：采用适当的方式，对固态金属材料或工件进行加热、保温、冷却获得预期的组织结构及其

14、性能的工艺。热处理的实质：热处理不改变工件的形状及化学成分，但能通过改变工件内部组织结构，改善使用性能。（目的：改善金属材料的力学、工艺性能，提高产品内在质量，延长使用寿命） 钢在加热时的转变（钢的加热实质是A化）加热：比实际温度偏高。 冷却：比实际温度偏低。奥氏体形核与长大残留渗碳体溶解奥氏体成分均匀化（F先溶解，Fe3C后溶F与Fe3C含碳量不均）（奥氏体形核与长大）在P中F与Fe3C相界处产生,两相交界越多，A晶核越多铁原子，碳原子相遇，形成A晶粒。实际生产中，将钢加热到Ac1以上（不完全A化）加热速度越快，A化临界温度，A形成与均匀化需要时间越短。在高于Ac1的温度下保温，时间越长，A

15、越均匀，晶粒越大。晶粒细小化：加热温度高，保温时间短，使晶粒来不及长大就冷却。（高合金/复杂件过快加热会变形开裂）A长大倾向小的钢种本质细晶粒钢：+钛、钒、铌、钴、铝等，加热时A晶粒长大倾向小。这些元素与碳和氮形成碳化物和氮化物，弥散分布在晶界上阻碍晶粒长大。磷促进晶粒长大奥氏体等温转变的产物和性能（钢的冷却，实质就是过冷A转变）珠光体过冷A转变为P（F与Fe3C两相以层片状相间排列组成机械混合物）形成温度片间距组织的硬度塑性韧性越好P<S<T （层片状P，粒状P是高碳钢球化退火后的组织）贝氏体：过饱和碳的F与碳化物组成的非层片状机械混合物。（贝氏体是半扩散型相变：温度低，扩散困难

16、，铁原子难扩散，碳原子有一定扩散）B上：力学性能差，没有实用价值。（350°550°）B下：强度硬度好，塑性韧性好，综合性能好。（通过调整钢的成分或热处理获得B下，有效的强化途径之一。350°Ms）马氏体转变（强化钢铁材料的重要途径之一）马氏体是碳在中的过饱和固溶体（M的转变只发生的晶格改组）板条马氏体（低碳M，位错M)针状M（高碳M，孪晶M）隐针（晶）M:同一A晶粒中，M按形成的顺序，尺寸越来越小，最大M最大M小到无法分辨时。板条与隐针M混合组织（）45钢淬火后的组织。M性能碳质量分数，强度硬度 M实际淬火钢硬度（实际M、A Fe3C等）塑性韧性板条M：过饱和度

17、小，内应力低，存在位置亚结构塑性韧性好低碳钢、低合金钢直接淬火针状M：碳原子过饱和度大，内应力高硬而脆，数学韧性差晶粒细化后，隐针M有一定韧性。M转变（转变不彻底A残）A碳质量分数越高则越低，淬火后A残越多。M是连续降温形成的，一旦降温停止，M转变也停止。高速形成：A冷却到Ms后，无孕育期，瞬间形成，M转变不是形核长大，而是新M数量增多。非共析钢的A等温转变亚共析钢等温转变多了一条A转变为F开始线，亚共析钢随着碳的质量分数增加，曲线右移上移，高温区，一部分转变为F一部分转变为P。过共析钢多了一条AFe3C开始线，加热到AC135°50°时，过共析钢Wc，曲线左移，下移，高温

18、区，一部分转变为Fe3C，其余转变为P。A连续转变冷却图A连续转变只有上半部，因此不会出现B，VC线：M临界转变温度，临界转变温度越小，过冷A越稳定。钢的退火与正火（都要发生P转变） 用于铸件、锻件、焊件预备热处理也可用于性能要求低的最终热处理。退火：缓冷，使过冷A在等温曲线图上部冷却，获得P，使内部组织趋于平稳。完全退火：Ac3以上3050°，保温一定时间，缓慢冷却（炉冷、埋入石灰、砂中）完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀或非平衡组织，细化，均匀化，降低硬度，改善切削加工性。冷却速度缓慢消除内应力。等温退火：缩短退火时间，大型铸件与高合金钢。球化退火（过共析钢）：工具钢，模具钢

19、，降低硬度，提高韧性，改善切削加工性。球状P（粒状P）：过共析钢球化退火后，显微组织在F上分布着细小均匀的球状Fe3C。去应力退火：加热至低于A1的某一温度（500650）炉冷，铸件、焊接件、冷变形加工会残存很大应力，为消除残余应力进行的退火。均匀化退火：为消除偏析现象，加热到固相线以下100200（保温1015h)，均匀化退火后，钢晶粒粗大还需要完全退火或正火。钢的正火加热到Ac3或Accm以上3050保温空冷。目的：使钢的组织正常化常化处理组织：亚共析钢F+S Wc>0.6%P+S正火冷却速度越快过冷度越大P越细小强度硬度越高正火的应用截面较大的合金结构钢，淬火或调质处理前正火，获得

20、细小组织。(F过多，硬度降低，粘刀）低碳钢正火 0.450.6必须完全退火 过共析钢：正火+球化退火（大型工件易开裂） 钢的淬火加热到Ac3或Ac1以上，大于Vc的速度快速冷却，使AM或M下。淬火后组织亚共析钢：细小M 共析、过共析钢：M+粒状Fe3C（高耐磨性）。淬火方法单液淬火（形状简单件）双液淬火：先能力强的淬火介质（水）再能力弱的介质（油）。 双液淬火要把握好时机，由第一种介质转入第二种介质时的时机，若在鼻尖以上转变，可能得到P，若在Ms以下转变，没有实际意义。分级淬火:放入温度稍高或稍低于Ms介质中，保温适当时间，达到介质温度再空冷。4、等温淬火（获得B下的方法）5、冷却到B下转变区

21、，保温，使A转化为B下再冷却。6、局部淬火。钢的淬透性淬透性：在规定条件下，钢试样淬火后有效淬硬深度和硬度分布的材料特性。淬硬性：在理想状态下，钢淬火后所能达到的最大硬度值，淬火时的硬化能力。淬透性高的钢，调质后，组织由表及里均为回火索氏体（韧性高）未淬透的钢，心部片状索氏体，韧性差。淬火组织：M越多（钢回火后疲劳极限也越高），钢的屈强比越高不允许出现塑性变形的材料，都希望屈强比高。影响淬透性的因素增加过冷A稳定性（曲线右移），降低钢的临界冷却速度Vc。加入合金元素（能溶于A的合金元素，Co除外）A化的影响A化温度保温时间晶粒越粗大成分越均匀过冷A越稳定，等温曲线越右移，临界冷却速度越小。淬透

22、性测定方法：末端淬火法、临界直径（钢淬火后，心部能得到50%M组织的最大直径。淬透性应用：截面尺寸大、形状复杂件、重载荷件、切削刀具、受弯曲扭转零件第六节 钢的回火（Ac1)回火目的： 淬火后工件处于不稳定状态（M+A残），工件内应力大，硬脆。二、淬火刚在回火时的转变M分解（100200）M回比M淬易腐蚀，M分解一直到350，相中的碳质量分数平衡。A残分解（200300）碳化物转变（250400）F再结晶长大在400以上发生，回火温度越高，Fe3C越大。450时：S回。2、淬火钢在回火后性能的变化回火温度越高，钢的强度硬度，塑性韧性。200以下回火由于M中大量碳化物呈弥散析出，钢的硬度下降不明

23、显，高碳钢在100回火时，硬度略有升高。200300回火高碳钢中A残M回减缓硬度下降速度。中、低碳钢：A残少，硬度逐渐下降300以上回火：Fe3C粗化及M中碳质量分数下降至0.1%以下，使钢硬度直线下降。三、回火种类低温回火（150250）硬度：5864HRC产物：M回目的：降低钢的淬火内应力与脆性，保持高的硬度与耐磨性。例：工具钢、模具钢、滚动轴承、渗碳淬火件、表面淬火件。中温回火（350500）硬度：3545产物：T回目的：T回有较高的弹性极限与屈服点，并有一定韧性。例：弹簧、弹性零件、热作模具钢。高温回火（500600）硬度：210300HB产物：S回目的/性能：S回良好的综合力学性能。

24、例：轴、齿轮、连杆、（中碳钢）螺栓（低碳钢）。也可作为精密零件与量具的预备热处理。四、回火脆性（Gr、Ni、Mn、P杂质元素）高温回火时出现回火脆性淬火钢的冲击韧度随着回火温度升高而增加，但在某些范围内，随着温度升高，冲击韧性反而下降。第一类回火脆性（250350）所有的钢都发生，不可逆。可能与这一温度范围内M晶界析出碳化物薄片有关。第二类回火脆性（500650）主要存在含Gr、Ni、Mn等合金元素及P、AS等杂质的结构钢中。加热至600以上，以缓慢冷却通过650500脆化温度区时，出现回火脆性。快速通过可以避免。加Wc1% Mo0.5%合金元素时，也可以抑制第二类回火脆性。 第七节.表面热处

25、理表面热处理：不改变金属表层化学成分，使对工件表层进行热处理以改变其组织与性能的局部热处理工艺（表面获得耐磨M)表面热处理种类： 正火或调质处理+感应加热表面淬火+低温回火感应加热表面淬火适用于中碳钢、中碳合金钢（45 40Cr)高碳钢：增加淬硬层脆性，降低心部韧性与塑性，增加淬火开裂倾向。低碳钢：降低表面淬硬层硬度与耐磨性。有些情况也可用于高碳工具钢、低合金工具钢、铸铁等。淬火前预先正火或调质处理，铸铁件应为珠光体基体及细小均匀的石墨。特点1、 感应加热速度块，时间短A晶粒细小而均匀。2、 工件表层存在残余压应力，它能部分抵消交变载荷下得拉应力，提高疲劳极限。3、 工件表面不易氧化脱碳，耐磨

26、，变形小。4、 生产效率高，大批大量生产。 二、火焰加热表面淬火高温火焰喷向表面，迅速达到淬火温度，然后冷却表面（氧乙炔，氧煤气）特点成本低，设备简单。生产率低，表面易产生过热，淬硬层均匀性不足，质量控制困难。单件、小批量、大型零件表面（大型齿轮，轴，导轨） 第八节.化学热处理将工件置于适当的活性介质中加热与保温，使一种或几种元素渗入工件表层，以改变其表面化学成分、组织与性能的热处理工艺。（表面组织与化学成分都有变化）作用：提高工件表层的力学性能（表层耐磨性、硬度、疲劳极限） 保护工件表面（物理化学性能，耐高温耐腐蚀）分三个阶段分解：介质分解出渗入元素的活性原子。吸收：工件表面吸收活性原子，活

27、性原子由钢的表面进入铁的晶格，形成固溶体。扩散：被吸收的原子，在一定温度下，由表面扩散。 一、钢的渗碳（900950）为提高工件表层碳的质量分数，获得一定的浓度梯度，在渗碳介质中加热保温，使碳原子渗入钢的表层。目的：提高表面硬度、耐磨性、疲劳极限。范围：低碳、低合金钢（Wc0.10.25）20、20Gr、20GrMnTi、2020GrMnMo、18Gr2NiW(变速箱齿轮、活塞销、摩擦片）表面硬度高耐磨，心部强韧性好。3、 渗碳要求渗碳层表面渗碳Wc0.851.05。渗碳过低:得到Wc较低的马氏体，硬度、耐磨性、疲劳极限差。渗碳过高：渗碳层中出现大量块状或网状Fe3C,使渗碳层脆，易剥落，A残

28、过度增加，耐磨性下降。渗碳预冷至830880+淬火+低温回火一次淬火渗碳缓慢冷却后，重新加热到临界温度以上的方法。心部组织要求高（加热到Ac3)表面组织要求高（加热到Ac13050）表层晶粒细化。二次淬火（力学性能高或是本质粗晶粒钢）第一次淬火获得心部组织Ac3第二次淬火细化表层组织Ac1（获得细M和均匀分布的粒状二次渗碳体）渗碳+低温回火。2、 渗氮一定温度下于一定介质中使活性氮原子渗入表层的化学热处理。目的：提高耐腐蚀性、耐磨性、硬度、疲劳极限。氮化钢含有元素：Gr、Mo、Al 38GrMoAlA(国外钢种）。气体渗氮：真空炉（510520）二段渗氮工艺，强渗阶段560。调质处理+渗氮（调

29、质改善切削加工，获得均匀的S回，保持高强度，韧性）精加工.去应力退火.调质处理.渗氮减少渗氮时的变形。钢渗氮后高的热硬性耐磨性，最外层碳化物很脆精磨磨去。2、 离子渗氮特点：速度快、无污染、处理后工件变形小，质量好，能耗低。碳钢，合金钢铸钢都能使用。轻载、高速条件下使用件耐磨，耐蚀，精度高，细长零件（主轴，丝杠，阀类）三、氮碳共渗和碳氮共渗氮碳共渗以渗氮为主，低温气体氮碳共渗渗层硬度低，脆性小软渗氮。加热温度560570共渗介质：尿素、乙醇甲醇、甲酰胺特点：提高工件疲劳强度，耐磨性，干摩擦下抗磨伤，抗咬合性。适用：模具钢、量具钢、高速钢刀具齿轮耐磨件（碳钢，低合金钢，不锈钢，铸铁）不足：表层化

30、合物薄（0.010.02）共渗层硬度低，不宜在重载荷下工作。2、碳氮共渗温度：820880碳氮共渗+淬火+低温回火（热处理表层为含碳和含氮的M回+A残+少量碳化物）特点：时间短，变形小、速度快，生产效率高渗层硬度高，耐磨。适用：各种齿轮、涡轮蜗杆，轴类等。 第九节.热处理质量控制 1.常见加热缺陷氧化在有氧化性气体参与的加热中，工件形成氧化物，560以上，A化温度高，形成氧化物层。加热温度，加热时间氧化物层厚度钢烧损加大，尺寸变小，表面粗糙。脱碳钢中碳向加热介质扩散，使钢表面Wc降低，氧化脱碳。Wc越高，脱碳越严重，脱碳使钢表面质量分数下降，工件疲劳强度下降，耐磨性下降。加热时放入铁屑木炭可防

31、止脱碳。过热加热温度过高，保温时间过长A粗大使钢力学性能降低，工件热处理后变形加大，开裂。低温下正火细化A可补救。过烧：加热温度过高A晶界发生氧化或融化，报废。 2.防止缺陷办法合理制定并执行热处理规范、真空加热、可控气体加热盐浴加热，淬火后及时清洗。 二.淬火回火工艺缺陷 1.硬度不足 淬火加热温度低，表面脱碳，过冷度小（发生P转变）、材料淬透性低，A残多，回火温度过高。 2.硬度不均匀原始组织粗大，Wc不均，冷却不均匀。正火后重新淬火。 3.淬火后变形开裂（产生内应力）常见的缺陷，棘手问题。热应力：加热或冷却时内部与表面温差大。组织应力：快速冷却时，表层与内部相变不同。淬火应力>材料

32、屈服点（变形） 淬火应力>抗拉强度（开裂）变形开裂也与工艺有关。淬火变形开裂防止措施材料的结构，尺寸，加工工艺，热处理工艺S、P含量淬火变形件：淬火前预留加工余量，淬火后矫正。正确选材、合理进行结构设计、合理制定工艺规范、淬火后及时回火，消除内应力。 第7章 .合金钢 第二节.合金元素在钢中的应用合金元素与钢的基本组元铁或碳发生相互作用，改变钢的组织结构，并影响钢热处理组织转变。1 合金元素与铁、碳的作用 铁和碳是钢中两种基本元素，二者形成碳钢中三个基本相F、A、Fe3C。1. 合金元素与铁的作用除Pb外，所有合金元素都溶于碳铁合金F或合金A。原子中较小的合金元素与铁形成间隙固溶体。原子

33、中较大的合金元素与铁形成置换固溶体。合金元素溶于F，产生晶格畸变，另合金元素易于分布在位错线附近，降低位错的移动，牵制提高塑性变形抗力，产生固溶强化，提高钢的强度硬度，降低塑性韧性。 2.合金元素与碳的作用（重要相之一，碳化物）碳化物形成元素，非碳化物形成元素合金渗碳体：Fe3C中一部分铁被碳化物形成元素置换后所得到的产物，强碳化物形成元素生成各种合金碳化物熔点与硬度高。 二.合金元素对铁碳合金的影响 1.对A相区的影响扩大A相区主加元素：Ni Mn 钴、C、N、Cu。18-8型不锈钢 ZGMn13 缩小的A相区Gr、Mo、W。当加入元素超过一定量时A可能全部消失获得F。铁素体钢：Cr17 C

34、r15 Cr28(铁素体不锈钢） 三合金元素对热处理的影响除Ni与钴以外，大多数合金元素都延缓钢的A化过程。含有碳化物形成元素的钢，碳化物不易分解，使A化过程减缓。合金钢在热处理时，要相应的提高加热温度延长保温时间。大多合金元素都能阻止A晶粒长大，细化晶粒，尤其是中、强碳化物形成元素（钛，矾、钼、钨、铌等）晶粒细化剂Al、N弥散质量分布晶界上。与碳钢相比：相同加热条件下，比碳钢组织更系，力学性能更好。Ni对A晶粒细化不明显。Mn在中碳时促使A长大倾向。 2.合金元素对冷却转变的影响钴除外，都能使C曲线右移，提高钢淬透性采用冷却能力低的淬火介质。铬、钨、钼、矾是中强、强碳化物形成元素。将P转变与

35、B转变分成两个独立区。常用的提高淬透性的合金元素：铬、锰、钼、钨、硅、 硼显著但只对低中碳钢有效。只有完全溶于A才能提高淬透性，未完全溶解，碳化物会形成P核心，降低淬透性。除钴与铝，合金元素溶入A后，使MsMf下降过冷A转变M减少，A残增多，强度硬度有影响。 3.合金元素对回火的影响回火稳定性（回火抗力）：淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力。合金元素阻碍M分解与碳化物长大，使回火硬度降低过程缓慢。对回火稳定性影响显著的元素：V、Ti、Cr、Mo、Si等影响不明显的元素：Al、Mn、Ni。合金钢回火抗力比碳钢高：获得相同的硬度：回火时间长，温度高。温度相同时：合金钢强度>碳钢。二次硬化一

36、些高合金钢在一次或多次回火后硬度上升的现象。含有铬、钨、钼、钒等碳化物形成元素的钢，在500600回火时，从M中析出细的特殊碳化物，发挥第二相弥散强化作用。高合金钢淬火A残较多，回火加热保温过程中，A残析出合金碳化物使MsMf上移，冷却时部分A残转化为M。 第四节.低合金钢低合金钢、低合金结构钢、普通低合金钢、低合金高强度钢 一、低合金钢分类按质量等级分普通质量低合金钢、优质低合金钢、特殊质量低合金钢。2 低合金高强度结构钢 Q屈服点>275,在碳素结构钢基础上。化学成分特点低碳低硫（塑性、韧性、冷加工、焊接性要求）常加元素：Mn、Si、Mo、Cu、Mb、Ti、Zr、B、P、N。主加元素

37、MnMn溶入F达固溶强化的目的，铌、钛、钒;热轧时阻止A长大，冷却时析出C、N化物。、耐腐蚀。 2.低合金高强度结构钢性能Q>300, 冷变形加工：冷脆转变温度低。热轧空冷下使用，无需专门热处理使用状态下使用组织：F+P(S) 淬火成低碳马氏体。常用钢种：Q345(16Mn),细晶粒F+跑（使用组织）Q420（中级强度）V、Ti、Nb能细化晶粒，产生第二弥散强化，提高屈服点。Q460（低碳贝氏体钢）Q>450后，F与P难以满足要求。 第五节.合金结构钢（机器零件用钢）轴、齿轮、弹簧、轴承 合金渗碳钢、合金轴承钢、滚动轴承钢 一、合金渗碳钢表面硬化合金结构钢心部有高强度韧性，表层要耐

38、磨化学成分：Wc0.10.2常加元素Cr、Ni、Mn、B，心部淬透后低碳M。加入少量强碳化物形成元素：Ti、V、W、Mo，形成稳定化合物，阻碍A晶粒长大。热处理合金渗碳钢热处理规范：渗碳后直接淬火、一次淬火或二次淬火，然后低温回火。低合金渗碳钢：采用直接淬火或一次淬火，再低温回火。高合金渗碳钢：采用二次淬火和低温回火。例：20GrMnTi下料锻造正火机加工渗碳预冷淬火低温回火磨削。热处理后获得组织正火：亚共析钢F+S 过共析钢P+S最终热处理：表面M回+碳化物+A残心部淬透，低碳M+F，未淬透=正火F+S低淬透性钢20Gr，合金元素少，淬透性低（活塞销、凸轮、小齿轮、小载荷零件）中淬透性钢20

39、GrMnTi，耐磨性汽车拖拉机齿轮。高淬透性钢：18Gr2Ni4WA、20Gr2Ni4A、铬镍的含量较多。大型零件。 二、合金调质钢（）最易表面淬火热处理特点：珠光体型调质钢在800左右进行一次退火代替正火，可细化晶粒，改善切削加工。马氏体型调质钢：正火后可能得到M组织，因此必须在Ac1以下再次进行高温回火。使组织转变为粒状P，使硬度降下。调质处理+表面淬火+低温回火列：40Gr，连杆，螺栓下料锻造退火粗加工调质精加工 3.常用钢种低淬透性调质钢（合金元素少）40Cr、35SiMn、40MnB，销钉、螺栓、齿轮。中淬透性调质钢40CrNi、30CrMo、40CrMn，连杆曲轴（重载零件）高淬透

40、性调质钢，多为铬镍钢40CrNiMoA、37CrNi3、25Cr2NiA大截面，重载，关键处零件汽轮机主轴，压力曲轴，航空发动机曲轴。 三.合金弹簧钢（）含碳量过高，塑性韧性降低，疲劳极限下降。提高淬透性：锰（易过热）、硅（易脱碳） 铬、矾、钨为必加元素。（更高的淬透性，不易过热，脱碳，高温强度）60Si2Mn，板簧、螺旋弹簧 50CrVA 3.弹簧钢的热处理热成型弹簧热挤压成型淬火+回火喷丸冷成型弹簧：不需要淬火弯曲应力与扭转应力表面处最高：氧化脱碳有害。 四滚动轴承钢高碳低铬Wc0.951.1%、Wcr0.41.65%热处理锻造+球化退火获得粒状P。淬火+低温回火M回、碳化物、A残。（冷冲

41、模、丝杠、高精度轴类、耐磨件） 第六节合金工具钢 一低合金刃具钢高碳低合金Wc0.751.05%、W合金35%要求：高硬度，高耐磨性，足够的塑性韧性。高热硬性：高温下保持高硬度的能力。与钢的回火稳定性和特殊碳化物的弥散析出有关。常用元素：硅、锰、铬、钼、钨、矾。9SiCr高淬透性，回火稳定性，分级等温淬火。形状复杂，变形小的刀具，丝锥板牙，CrWMn（Wc0.91.05）同时加入Cr、W、Mn。硬度高，热硬性<9SiCr。微变形钢，精密低速刀具，铰刀拉刀。 二、高速钢钢（热硬性好）高碳高合金Wc0.71.65 W合金1025W为主要元素。Gr提高淬透性，形成碳化物强化相V提高耐磨性，V与

42、C形成非常稳定的碳化物。 2.常用钢种无论含碳量多少，一律不标出，只有合金元素相同而含碳量不同时才标出。常用型号：W18Gr4V（18-4-1）、W6Mo5Gr4V2（6-5-4-2），耐磨性与韧性配合好的高速刀具。 4.高速钢的热处理等温退火淬火（12201280）使较多的W、V融入A（热应性元素）淬火分级预热：高速工具钢热硬性好导热性差，一次预热（600650）、二次预热（800850）目的为防止开裂。组织：M+碳化物（回火时不会改变）+A残（含有2530） 3.回火一般要三次回火，消除A残第一次回火：只对淬火M起作用。A残转变，产生新内应力。第二次回火：没有转变的A残产生新的转变，生成新

43、内应力。第三次回火：A残13%。减少回火次数的方法淬火后立即冷处理（-80-60）将A残减到最低，再高温回火。回火后组织：M回+碳化物淬火+回火后，再进行某些化学热处理（如低温气体N、C共渗）大载荷、复杂贵重刃具冷作模具钢、耐磨性零件。 三、合金模具钢冷作模具（高碳Wc1.02.0）特点：高的硬度与耐磨性。（2）、较高的强度与韧性，良好的工艺性，加入Cr、Mo、V难溶于碳化物。提高耐磨性，尤其Cr。高碳高铬模具钢（常用冷作模具钢）Cr12MoV、Cr12、(Wc1.42.3%、Wcr12%)碳质量分数高：保证于Cr形成碳化物，淬火加热时，一部分溶于A，有高的硬度，未溶的碳形成第二相，细化晶粒，

44、提高耐磨性。Cr的质量分数高：提高淬透性，细化晶粒。Mo、V加入进一步提高淬透性。（负荷大、尺寸大，形状复杂模具）常用型号（负荷小模具）T8A、T10A、T12A、Cr2、9Mn2V、9SiCr、CrWMn、Cr6WV 2.冷作模具钢的热处理如Cr12球化退火：球状P+碳化物最终热处理：（M回+碳化物+A残）一次硬化：较低温度淬火（950+100）+低温回火二次硬化：高温淬火（11001150）+低温回火（三次） 2.热作模具（中碳钢Wc0.30.6）常用元素：（Cr、Mn、Ni淬透性好）、（Mo、Si防止第二类回火脆性）、V5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr3W8V、4Cr5W2VSi。

45、热作模具钢热处理反复锻造+完全退火回火：M回+碳化物+A残（多次回火） 四量具钢（高碳钢Wc0.91.5）碳素工具刚、低碳合金刃具钢、滚动轴承钢（常用）精度要求高的零件（GCr15、CrWMn）锻造球化退火机加工粗磨淬火+低温回火时效。时效目的：回火温度略低：保证耐磨性与硬度。量具使用时尺寸变形的因素：A残转变为M，M方正度降低，残余内应力的重新分布于降低。减小变形方法：渗碳钢经表面热处理后，制作抵要求模具。 第七节.特殊性能钢 一不锈钢（包括不锈钢与耐酸钢） 1.金属的腐蚀腐蚀：金属表面与外界介质不断作用而逐渐受到破坏的现象称为腐蚀。1）化学腐蚀（高温氧化常见）金属在干燥气体或非电解质中腐蚀

46、，腐蚀不产生电流防止腐蚀方法： 2）.电化学腐蚀金属与电解质溶液接触时发生的腐蚀，有电流产生，钢在常温下的主要腐蚀。（同一种合金，组成合金的相或组织不同，也会形成微电池，造成腐蚀）提高耐腐蚀方法： 2.常用的不锈钢M不锈钢（Cr13型不锈钢）Wc0.10.45%、Wcr1214，制作既能承受载荷又需要耐腐蚀的阀、机泵等。碳的控制Wc越低，耐腐蚀性越好，Wc越高，耐腐蚀性越差，强度硬度越高。M不锈钢只用Cr进行合金化，只在氧化性介质中耐蚀。（Mo、Cu可提高耐蚀）1Cr13、2Cr13耐蚀好淬火+高温回火汽轮机叶片，锅炉管附件3Cr13、4Cr13淬火+低温回火硬度较高工具钢使用，医疗器械，刀具

47、，热油泵轴Cr13型不锈钢不足：硬度低，耐磨性差，家用刀具易钝。F不锈钢Cr型不锈钢Wc<0.15% Wcr1230%0Cr13、1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28耐蚀、塑性，焊接性>M不锈钢。广泛应用于硝酸、氮肥工业、家用餐具。A不锈钢（18-8型不锈钢）Wcr1719、WNi811%典型牌号：1Cr19Ni9(Ni为扩大A元素）退火后：A+碳化物固溶处理方法：把钢加热到1100后水冷，使碳化物溶解在高温下所得到的A中，快冷，获得单项A。常用A不锈钢：1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni11Nb既是无晶间腐蚀倾向的不锈钢，又是能够在600700高温下长期使用的耐热钢。A不锈钢

48、不足：在某些介质中，尤其含有氧化物介质中，常产生应力腐蚀破裂，介质温度越高越明显。 二、耐热钢制造加热炉、锅炉、燃气轮机抗高温零件。 1、高温抗氧化性（Wcr15抗氧化温度900、Wc2025抗氧化温度1100） 高温强度蠕变强度，持久强度蠕变：金属在高温下，工作温度>再结晶温度，工作应力>此温度下的弹性极限时，随着时间延长，金属会发生及其缓慢的变形。蠕变强度（变形）：金属在一定温度下，一定时间内，产生一定变形量所能承受的最大应力。持久强度（断裂）：金属在一定温度下，一定时间内，所能承受的最大断裂应力。提高钢高温强度的方法固溶强化：析出强化：强化晶界： 2.常用的耐热钢，按使用温度

49、范围分珠光体耐热钢正火：Ac3+30，空冷。高于工作温度50下回火：获得P+F，工作温度350550锅炉，化工压力容器、热交换器、气阀（合金元素少，工艺性好）15CrMo锅炉零件长期使用中，发生P的球化与石墨化，显著降低钢的蠕变强度，持久强度。Cr（提高抗氧化性）、Mo（高温强度）抑制球化石墨化。马氏体耐热钢汽轮机叶片，气阀（1Cr13、2Cr13）1Cr11MoV、1Cr12WMoV（调质处理）W、Mo强化基体，稳定碳化物，提高耐热性。4Cr9Si2 4Cr10Si2Mo(汽车阀门用钢)Wc=0.4%：获得足够的硬度与耐磨性。Cr、Si：提高抗氧化性Mo：高温强度，避免回火脆性。A耐热钢Cr

50、：提高抗氧化性与高温强度。Ni;形成稳定A，与Cr配合形成高温强度。常用牌号：1Cr18Ni9Ti，4Cr25Ni204Cr14Ni14W2Mo：大功率发动机排气阀。 三、耐热钢高锰钢机加工困难ZGMn13 Wc0.91.4必须水韧处理：加热到10501100保温，使碳化物全部溶解，然后水中陡冷，在常温下获得均匀单一A。高锰钢（无磁性）耐磨条件：需要在强烈冲击或摩擦下。表层产生加工硬化，心部保持高韧性。 第八章 铸铁 第二节铸铁石墨化常用各类铸铁的组织：一部分是石墨，另一部分是基体。基体：F、P、P+F。 三.影响石墨化的因素化学成分的影响碳和硅：促进石墨化锰：阻止石墨化，M与S的结合，减弱S

51、的危害。冷却速度的影响生产中同一铸件，壁厚处为灰铸铁，壁薄处出现白口铸铁。壁厚处，冷却速度慢，有利于石墨化进程；壁薄处，冷却速度快，不利于石墨化。冷却时，冷却速度越慢，冷却度越小，稳定的石墨化越好灰铸铁（反之白口铸铁） 第三节. 灰铸铁 1、灰铸铁化学成分：碳（2.73.6）、硅1.02.5）、锰（0.51.3）、磷0.3、硫0.15。 2、灰铸铁组织：根据石墨化程度，F基体HT、P+F基体HT、P基体HT。 3、灰铸铁性能基体中含有比钢性能更多的Si、Mn，这些元素溶于F使其基体强化强度、硬度高。片状石墨：强度、硬度塑性几乎为零片状石墨近似的为微裂纹，割断了基体的连续性，缩小承受载荷的有效截

52、面，且易形成应力集中形成脆性断裂。石墨片数量越多，尺寸越大，分布越不均：对基体的割裂和应力集中现象越严重，强度，塑性就越低。灰铸铁的抗压强度，硬度与耐磨性取决于基体，石墨的存在影响不大。（P基体>其他基体） 2.工艺性能铸造性好、减磨性好，减振强，切削加工好，缺口敏感低。HT的强度与铸件壁厚有关，同一牌号，壁厚增加，抗拉强度与硬度降低。 三、灰铸铁孕育处理普通HT组织中石墨片比较粗大，力学性能低孕育处理：在凝固过程中，向液态金属中加入少量孕育剂，改变铁液的结晶条件。（促进形核，抑制生长，达到细化晶粒的目的）从而获得细P基体和细小石墨片状组织。孕育处理后：铸铁各个部位截面上组织性能都均匀一致，断面敏感性小。 四、灰铸铁的热处理热处理只能改变基体组织，不能改变石墨相关特点；主要用来消除内应力和改善切削加工性。 1、去应力退火（人工时效）工艺规范：加热速度（60120/h)，通常加热到550为宜低合金（加热到600） 高合金（加热到650）保温时间：壁厚20 保温2h。壁厚每增加25，保温时间增加1h。冷却速度：2050/h。炉冷到150200再空冷。退火时：加热温度过高或保温时间过长，会引起石墨化，强度硬度下降。 2、消