《机械设计基础》PPT课件-第二章-金属材料组织和性能的控制

1、2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 单元单元5 1第二章第二章 金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶凝固凝固：液态：液态L固态固态S S可以是非晶体。可以是非晶体。结晶结晶：一种原子排列状态过渡为另一种原子：一种原子排列状态过渡为另一种原子 规则排列状态（晶态）的转变过程。规则排列状态（晶态）的转变过程。 一次结晶一次结晶：LS晶态晶态二次结晶二次结晶：SS晶态晶态一、纯金属结晶的条件一、纯金属结晶的条件1 纯金属冷却曲线纯金属冷却曲线液态金属在结晶时的温度液态金属在结晶时的温度时间曲线时间曲线 过冷度过冷度理论结晶温度理论结晶温度

2、 和实际结晶温和实际结晶温 度之差。度之差。 2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶 单元单元5 2T = T0Tn 冷速越快，过冷度越大冷速越快，过冷度越大过冷过冷指液态金属实际指液态金属实际 冷却到结晶温度冷却到结晶温度 以下而暂不结晶以下而暂不结晶 的现象。的现象。2 纯金属结晶的条件纯金属结晶的条件F TTFF固固F液液F= F固固F液液0 结晶驱动力结晶驱动力 自然界的自发过程进行的自然界的自发过程进行的热力学条件都是热力学条件都是F0只有当液体的过冷度达到一定的大小，使结晶的动力只有当液体的过冷度达到一定的大小，使结晶的动力F大于大于

3、建立界面所需要的表面能时，结晶过程才能开始进行。建立界面所需要的表面能时，结晶过程才能开始进行。自由能自由能温度温度2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶 单元单元5 33、纯金属的结晶过程、纯金属的结晶过程2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶 单元单元5 4.形核形核自发形核自发形核 非自发形核非自发形核 .长大长大平面长大平面长大 树枝状长大树枝状长大结晶过程结晶过程 2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶 单元单元5 52.金属材料组织和性能的

4、控制金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶 单元单元5 6二、同素异构转变二、同素异构转变-Fe(bcc) -Fe(fcc) a-Fe(bcc) 139491213941538912-Fe-Fe(fcc）a-FeT时间时间770居里点居里点以纯铁为例以纯铁为例-Fe(fcc) a-Fe(bcc)铁的体积会膨胀铁的体积会膨胀12.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶 单元单元5 7纯铁纯铁同素异构转变同素异构转变2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶 单元单元5 8三三、晶粒尺寸的控

5、制晶粒尺寸的控制 （1）晶粒度）晶粒度单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度（或直径）表示单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度（或直径）表示 （2）过冷度对形核一长大的影响）过冷度对形核一长大的影响过冷度过冷度T提高，提高，N提高、提高、G提高提高过冷过冷T太高，太高，N降低、降低、G降低降低（3）控制晶粒度的因素）控制晶粒度的因素提高过冷度提高过冷度变质处理变质处理在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织。自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织。振动，搅拌等振动，搅拌等2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2

6、.2 合金的结晶合金的结晶 单元单元6 1一、一、合金相图类型合金相图类型 相图相图是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图，也称为平衡图或状态图。之间关系的一种简明示图，也称为平衡图或状态图。平衡平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各项是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各项的成分和相对质量不在变化所达到的一种状态。此时的成分和相对质量不在变化所达到的一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。合金系的状态稳定，不随时间而改变。（一）二元合金的结晶（一）二元合金的结晶2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的

7、控制 2.2 合金的结晶合金的结晶 单元单元62 根据结晶过程中出现的不同类型的结晶反应，可把根据结晶过程中出现的不同类型的结晶反应，可把二元合金的结晶过程分为下列几种类型。二元合金的结晶过程分为下列几种类型。1. 发生匀晶反应的合金的结晶发生匀晶反应的合金的结晶2. 2. 发生共晶反应的合金的结晶发生共晶反应的合金的结晶 如如Pb-SnPb-Sn合金相图合金相图3. 3. 发生包晶反应的合金的结晶发生包晶反应的合金的结晶 如如Pt-AgPt-Ag、Ag-SnAg-Sn、Sn-SbSn-Sb合晶具有包晶相图合晶具有包晶相图4 4发生共析反应的合金的结晶发生共析反应的合金的结晶2.金属材料组织和

8、性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶合金的结晶 单元单元6 3 发生匀晶反应的合金的结晶发生匀晶反应的合金的结晶 Cu-Ni相图为典型的匀晶相图，合金发生匀晶反应相图为典型的匀晶相图，合金发生匀晶反应 ：L,从液相中逐渐结从液相中逐渐结晶出固溶体。晶出固溶体。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶合金的结晶 单元单元6 42. 发生共晶反应的合金的结晶发生共晶反应的合金的结晶 如如Pb-Sn合金相图合金相图 由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫共晶由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫共晶反应。生成的两相混合物叫共晶体。反应。生

9、成的两相混合物叫共晶体。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶合金的结晶 单元单元6 53. 3. 发生包晶反应的合金的结晶发生包晶反应的合金的结晶 如如Pt-AgPt-Ag、Ag-SnAg-Sn、Sn-SbSn-Sb合晶具有包晶相图合晶具有包晶相图包晶反应：包晶反应：c c+ L+ Ld d 一种固相和液相结晶出另外一种固相，发生包晶反应时一种固相和液相结晶出另外一种固相，发生包晶反应时三相共存，他们的成分确定，反应在恒温下平衡地进行。三相共存，他们的成分确定，反应在恒温下平衡地进行。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶合

10、金的结晶 单元单元6 64发生共析反应的合金的结晶发生共析反应的合金的结晶 由一种固相转变成完全不同的两种相互关联的固相，此由一种固相转变成完全不同的两种相互关联的固相，此两相混合物称为共析体。两相混合物称为共析体。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶合金的结晶 单元单元6 7（二）合金的性能与相图的关系（二）合金的性能与相图的关系1.合金的使用性能与相图的关系合金的使用性能与相图的关系 固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关，溶质的溶入固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关，溶质的溶入量越多，晶格越大，合金的强度、硬度越高，电阻越大。合量越多，晶格越大，合金的强度

11、、硬度越高，电阻越大。合金的某些性能可按组成相性能依质量分数的关系叠加的办法金的某些性能可按组成相性能依质量分数的关系叠加的办法求出。求出。 例如硬度：例如硬度：HB=HB()+HB() 对组织较敏感的某些性能如强度等，与组成相或组织对组织较敏感的某些性能如强度等，与组成相或组织成物的形态有很大关系。组成相或组织组成物越细密，强度成物的形态有很大关系。组成相或组织组成物越细密，强度越高。但形成化合物时，则在性能越高。但形成化合物时，则在性能-成分曲线上于化合物成成分曲线上于化合物成分处出现极大值或极小值。分处出现极大值或极小值。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.2 合金

12、的结晶合金的结晶 单元单元6 82.合金的工艺性能与相图的关系合金的工艺性能与相图的关系合金的铸造性能与相图的关系：合金的铸造性能与相图的关系： 纯组元和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，纯组元和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，铸造性能好。相图中液相线和固相线之间距离越小，液体铸造性能好。相图中液相线和固相线之间距离越小，液体合金结晶的温度范围越窄，对浇注和铸造质量越有利。合合金结晶的温度范围越窄，对浇注和铸造质量越有利。合金的液、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性大；金的液、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性大；同时先结晶出的树枝晶阻碍为结晶液体的流动，而降低其同时先结

13、晶出的树枝晶阻碍为结晶液体的流动，而降低其流动性，增多分散缩孔。所以，铸造合金常选共晶或接近流动性，增多分散缩孔。所以，铸造合金常选共晶或接近共晶的成分。共晶的成分。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶合金的结晶 单元单元6 9合金的锻造性能与相图的关系：合金的锻造性能与相图的关系： 合金为单相组织时变形抗力小，变形均匀，不易开裂，合金为单相组织时变形抗力小，变形均匀，不易开裂，因而变形能力大。双相组织的合金变形能力。双相组织的因而变形能力大。双相组织的合金变形能力。双相组织的合金变形能力差些，特别是组织中存在有较多的化合物相合金变形能力差些，特别是组织中存

14、在有较多的化合物相时更是如此，因为他们都很脆。时更是如此，因为他们都很脆。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶合金的结晶 单元单元7 1二、二、 铁碳合金组织铁碳合金组织（一）、（一）、Fe-Fe3C相图的组元相图的组元 1Fe组元组元性能特点性能特点强度低、硬度低、韧性、塑性好强度低、硬度低、韧性、塑性好2Fe3C （ Cem， Cm）性能特点性能特点熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。抗拉强度抗拉强度b=180230MPa延伸率延伸率=30=30 50断面收缩率断面收缩率 =70 80ak=1.6 102 10 J/6

15、6硬度硬度 50HB80HB抗拉强度抗拉强度b=30MPa硬度硬度 800HB=0=0ak=0（二）、（二）、Fe-Fe3C相图中的相和组织相图中的相和组织2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶合金的结晶 单元单元7 21液相液相L2相相 高温铁素体高温铁素体 （C固溶到固溶到 Fe中的间隙式固溶体）中的间隙式固溶体）3相相 铁素体铁素体F （C固溶到固溶到 -Fe中的间隙式固溶体）中的间隙式固溶体）强度、硬度低、塑性好强度、硬度低、塑性好 （室温：（室温：C%=0.0008%, 727度：度：C%=0.0218%）4相、相、A奥氏体奥氏体 （C固溶到固溶到-

16、Fe中的间隙式固溶体）中的间隙式固溶体）强度低，易塑性变形强度低，易塑性变形5Fe3C性能特点性能特点熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶合金的结晶 单元单元7 36珠光体珠光体 P （铁素体和渗碳体的共析混合物）（铁素体和渗碳体的共析混合物）抗拉强度抗拉强度b=770MPa延伸率延伸率= 20= 20 35断面收缩率断面收缩率 =40 60ak=3 104 10 J/55硬度硬度 180HBA0.77 F0.0218+Fe3C 或或A0.77 P0.777277277莱氏体莱氏体 高温

17、莱氏体高温莱氏体 Le（奥氏体和渗碳体的共晶混合物）（奥氏体和渗碳体的共晶混合物）L4.31148Le4.3低温莱氏体低温莱氏体 Le硬而脆，塑性、韧性几乎为零。硬而脆，塑性、韧性几乎为零。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶合金的结晶 单元单元7 42.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶合金的结晶 单元单元7 5（三）、分析（三）、分析Fe-Fe3C相图相图2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶合金的结晶 单元单元7 92.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结

18、晶合金的结晶 单元单元7 102.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶合金的结晶 单元单元8 1（三）、分析（三）、分析Fe-Fe3C相图相图2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶合金的结晶 单元单元8 22.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶合金的结晶 单元单元8 32.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶合金的结晶 单元单元8 4基于基于Fe-Fe3C相图的相图的Fe-C合金分类合金分类1工业纯铁工业纯铁，C%=0.0218%2钢钢0.0218%C%= 2.1

19、1%亚共析亚共析钢钢 0.0218%C%0.77%共析钢共析钢 0.77%过共析钢过共析钢 0.77%C%= 2.11%3白口铸铁白口铸铁2.11%C%6.69%亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 2.11%C%4.3%共晶白口铸铁共晶白口铸铁 4.3%过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 4.3 %C%F+P-PdP+Fe3CII-P+Fe3CII+Le-Le-Le+Fe3CII-Fe3C2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶合金的结晶 单元单元8 7F F+P P P+Fe3CII P+Fe3CII+LeLe Le+Fe3CII Fe3C2.含碳量含碳量组织组织HB：取

20、决于相及相对量：取决于相及相对量3.含碳量含碳量性能性能C%HB 强度强度：C% 0.9% 塑性、韧性塑性、韧性：C%塑性塑性、韧性、韧性2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶合金的结晶 单元单元8 8铁碳合金相图的建立铁碳合金相图的建立2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶合金的结晶 单元单元8 9铁碳合金加热冷却转变铁碳合金加热冷却转变2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶合金的结晶 单元单元8 10（六）、（六）、Fe-Fe3C相图的应用相图的应用1、在钢铁选材方面的应用、在钢铁选材方面

21、的应用2、在铸造工艺方面的应用、在铸造工艺方面的应用3、在热锻、在热锻、热轧工艺方面的应用热轧工艺方面的应用4、在热处理工艺方面的应用、在热处理工艺方面的应用2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶合金的结晶 单元单元8 11铁碳合金相图练习题铁碳合金相图练习题一、一、 名词解释名词解释 相图相图 铁素体铁素体 奥氏体奥氏体 珠光体珠光体 渗碳体渗碳体 二、间答题二、间答题1 1、合金结晶有哪些类型？各自的结晶特征？、合金结晶有哪些类型？各自的结晶特征？2 2、按、按铁碳相图，铁碳合金如何分类铁碳相图，铁碳合金如何分类？其中三种钢室温组织？其中三种钢室温组织 是

22、什么？是什么？3、含碳量为、含碳量为0.4、0.77、1.2、三种钢在、三种钢在700 770、 900时分别各为何组织？时分别各为何组织？4 4、计算一下、计算一下5050钢和钢和T10T10钢在室温下钢在室温下 HBSHBS、 、 数值数值？b 5、随钢中含碳量增加，其机械性能如何变化？其原因？、随钢中含碳量增加，其机械性能如何变化？其原因？2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工金属的塑性加工 单元单元9 1一、金属材料的塑性变形一、金属材料的塑性变形1、单晶体的塑性变形、单晶体的塑性变形 单晶体塑性变形的基本方式单晶体塑性变形的基本方式滑移滑移和和孪

23、生孪生 （1）滑移）滑移 在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动滑移的特点：滑移的特点： 滑移只在切应力作用下发生，不同金属产生滑移的最小切应力大小不同。滑移只在切应力作用下发生，不同金属产生滑移的最小切应力大小不同。 滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。并非是晶体两部分沿滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。并非是晶体两部分沿 滑移面作整体的滑动。滑移面作整体的滑动。2.3 金属的塑性加工金属的塑性加工2.金属材料组织和性

24、能的控制金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工金属的塑性加工 单元单元9 22.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工金属的塑性加工 单元单元9 3 滑移造成的晶体总变性量是原子间距的整数值，不引起晶格位向的变化。滑移造成的晶体总变性量是原子间距的整数值，不引起晶格位向的变化。 滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面和其上密度最大的晶向进行。滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面和其上密度最大的晶向进行。 滑移系（滑移面和该面上的一个滑移方向），滑移系数目滑移系（滑移面和该面上的一个滑移方向），滑移系数目，材料塑性，材料塑性；滑移方向滑移方向，材料塑性，

25、材料塑性。如。如FCC和和BCC的滑移系为的滑移系为12个，个，HCP为为3个，个，FCC的滑移方向多于的滑移方向多于BCC，金属塑性如金属塑性如Cu（FCC）Fe（BCC）Zn（HCP）。）。 滑移时晶体伴随有转动。滑移时晶体伴随有转动。金属材料塑性变形的实质：金属材料塑性变形的实质：金属塑性变形实质上是以滑移和孪生金属塑性变形实质上是以滑移和孪生两种形式通过位错运动来进行的。两种形式通过位错运动来进行的。 2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工金属的塑性加工 单元单元9 4一、金属材料的塑性变形一、金属材料的塑性变形（2）孪生）孪生在切应力作用下，晶体

26、的一部分相对于在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变。（孪生方向）发生切变。 金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。两侧形成镜面对称关系。发生孪生的部分发生孪生的部分（切变部分）称为孪生带或孪晶。（切变部分）称为孪生带或孪晶。孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生. 孪生孪生原子移动的相对位移是原子间距的分数值原子移动的相对位移是原子间距的分数值. FCC金属一般不发

27、生孪生，少数在极低温度下发生，金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生，BCC金属仅在室温金属仅在室温或受冲击时发生。或受冲击时发生。HCP金属较容易发生孪生。金属较容易发生孪生。 2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工金属的塑性加工 单元单元9 52、多晶体的塑性变形、多晶体的塑性变形多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存在许多晶界，变形复杂。多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存在许多晶界，变形复杂。细晶强化细晶强化通过晶粒细化使强度提高、塑性提高、通过晶粒细化使强度提高、塑性提高、韧性提高，硬度提高的现象。韧性提高，硬度提高的现象。强化原

28、理强化原理晶界原子排列较不规则晶界原子排列较不规则缺陷多缺陷多滑移阻滑移阻力大。晶粒越细小，则晶界越多，变形抗力大。晶粒越细小，则晶界越多，变形抗力越大，则强度越大。力越大，则强度越大。晶粒越细小，单位体积晶粒多晶粒越细小，单位体积晶粒多变形分散变形分散减少应力集中减少应力集中 晶粒越细小，晶界多晶粒越细小，晶界多不利于裂纹的传播不利于裂纹的传播断裂前承受较断裂前承受较大的塑性变形，则塑性越好。大的塑性变形，则塑性越好。 由于晶粒越细小，强度越高，塑性越好，所以断裂时需要由于晶粒越细小，强度越高，塑性越好，所以断裂时需要消耗较大的功。因而韧性也较好。消耗较大的功。因而韧性也较好。2.金属材料组

29、织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工金属的塑性加工 单元单元9 63 3、塑性变形对金属组织和性能的影响、塑性变形对金属组织和性能的影响（1）塑性变形对金属组织的影响塑性变形对金属组织的影响 形成纤维组织形成纤维组织 形成亚结构形成亚结构 产生形变织构产生形变织构（2 2）塑性变形对金属性能的影响）塑性变形对金属性能的影响 产生产生加工硬化加工硬化加工硬化加工硬化金属发生塑性变形金属发生塑性变形,随变性度的增大，其随变性度的增大，其强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降的现象。下降的现象。如：冷轧薄钢板如：冷轧薄钢板 冷拔钢丝等。冷拔

30、钢丝等。 由于纤维组织和形变织构的产生，使金属性能产生各向异性。由于纤维组织和形变织构的产生，使金属性能产生各向异性。使金属晶体缺陷增多，并产生残余应力。使金属晶体缺陷增多，并产生残余应力。变性变性、开裂、耐蚀性下降。利用好可提高表面疲劳强度开裂、耐蚀性下降。利用好可提高表面疲劳强度2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工金属的塑性加工 1 单元单元10 二、二、塑性变形后金属在加热时组织和性能的变化塑性变形后金属在加热时组织和性能的变化1、回复、回复 T T回复回复=（0.250.25.3.3）T T熔点熔点回复使塑变后金属的强度和硬度略有下回复使塑变后金

31、属的强度和硬度略有下降，塑性增高，但残余应力大大降低。降，塑性增高，但残余应力大大降低。变化变化应用应用工业上利用回复过程对变形金属进行工业上利用回复过程对变形金属进行去应力去应力退火退火来降低残余应力，保留加工硬化效果。来降低残余应力，保留加工硬化效果。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工金属的塑性加工 单元单元10 22、再结晶、再结晶 T T再再=（0.350.35.4.4）T T熔点熔点 变形后金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力变形后金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，变形和破碎的晶粒通过重新生核、长大变成增大，变形和破碎的晶粒通过重

32、新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶粒，该过程称为再结晶新的均匀、细小的等轴晶粒，该过程称为再结晶 。变化变化再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低，再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大提高，残余应力完全消除，加塑性和韧性大大提高，残余应力完全消除，加工硬化现象被消除。，工硬化现象被消除。，应用应用工业上利用再结晶过程对变形后金属进行工业上利用再结晶过程对变形后金属进行再再结晶退火结晶退火来消除加工硬化现象，恢复金属的来消除加工硬化现象，恢复金属的塑性和韧性。以利于后面的变形加工。塑性和韧性。以利于后面的变形加工。3、晶粒长大、晶粒长大2.金属材料组织和性能的控制金属材料组

33、织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工金属的塑性加工 3 单元单元10 三、金属材料的热加工和冷加工三、金属材料的热加工和冷加工1 1、金属、金属材料的热加工及其对组织和性能的影响材料的热加工及其对组织和性能的影响热加工热加工在金属再结晶温度以上的塑性变形加工。在金属再结晶温度以上的塑性变形加工。如钢热锻和热轧，但热加工后如钢热锻和热轧，但热加工后不产生加工硬化。不产生加工硬化。思考题：其原因是什么？思考题：其原因是什么？热加工对金属组织和性能的影响：热加工对金属组织和性能的影响： 能消除铸态金属中的各种缺陷，均匀组织，提高性能，尤其塑性和韧性。能消除铸态金属中的各种缺陷，均匀组织，提高性能，

34、尤其塑性和韧性。 能打碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，细化晶粒，提高机械性能。能打碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，细化晶粒，提高机械性能。 能形成纤维组织，并改善其流向，使性能的方向性有利于零件使用的需要。能形成纤维组织，并改善其流向，使性能的方向性有利于零件使用的需要。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工金属的塑性加工 4 单元单元10 2 2、金属、金属材料的冷加工及其对组织和性能的影响材料的冷加工及其对组织和性能的影响冷加工冷加工在金属再结晶温度以下的塑性变形加工。在金属再结晶温度以下的塑性变形加工。如钢冷轧如钢冷轧、冷拔、冷冲。冷加工后冷拔、

35、冷冲。冷加工后产生加工硬化。产生加工硬化。思考题：其原因是什么？思考题：其原因是什么？冷加工对金属组织和性能的影响：冷加工对金属组织和性能的影响： 能产生加工硬化，提高强度和硬度，塑性和韧性下降。能产生加工硬化，提高强度和硬度，塑性和韧性下降。 是重要的是重要的 强化手段，对不能热处理强化的合金尤其重强化手段，对不能热处理强化的合金尤其重 要。但增加继续塑性变形的抗力。要。但增加继续塑性变形的抗力。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工金属的塑性加工 单元单元10 52.3 2.3 金属的塑性加工金属的塑性加工 练习题练习题、名词解释、名词解释回复回复 再

36、结晶再结晶加工硬化加工硬化热加工热加工 冷加工冷加工二二、简答题、简答题1 1、金属塑性变形的主要方式和实质、金属塑性变形的主要方式和实质? ?滑移滑移孪生孪生2 2、什么是细晶强化？其强化原理？、什么是细晶强化？其强化原理？3 3、回复和再结晶对塑性变形后金属性能带来什么影响、回复和再结晶对塑性变形后金属性能带来什么影响? ?在工业上如何应用？在工业上如何应用？4 4、钢热锻和热轧后是否钢热锻和热轧后是否产生加工硬化？为什么？产生加工硬化？为什么？5 5、钢经冷轧等冷加工后是否钢经冷轧等冷加工后是否产生加工硬化？加工硬化产生的原因？产生加工硬化？加工硬化产生的原因？6 6、为何面心立方晶格金

37、属比体心立方晶格金属的塑性好？、为何面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性好？7 7、热加工对金属组织和性能有何影响？、热加工对金属组织和性能有何影响？2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理钢的热处理 单元单元11 12.4.1钢热处理基本原理钢热处理基本原理一、钢在加热时转变一、钢在加热时转变 大多数热处理工艺都要将钢加热到临界温度以上，获大多数热处理工艺都要将钢加热到临界温度以上，获得全部或部分奥氏体组织，即进行奥氏体化，加热时形得全部或部分奥氏体组织，即进行奥氏体化，加热时形成的奥氏体的质量，对冷却转变过程及组织成的奥氏体的质量，对冷却转变过程及组织.

38、性能有极大性能有极大的影响。的影响。1. 奥氏体的形成奥氏体的形成 通常将加热时的临界温度标为通常将加热时的临界温度标为Ac1.Ac3.Accm；冷却时标为冷却时标为Ar1.Ar3.Arcm。 共析钢（共析钢（T8）的室温平衡组织为珠光体，当加热）的室温平衡组织为珠光体，当加热到到Ac1以上时，珠光体将转变为奥氏体。以上时，珠光体将转变为奥氏体。奥氏体转变过程：奥氏体晶核的形成；奥氏体晶核的长大；奥氏体转变过程：奥氏体晶核的形成；奥氏体晶核的长大；剩余渗碳体的溶解及奥氏体成分的均匀化四个基本过程。剩余渗碳体的溶解及奥氏体成分的均匀化四个基本过程。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的

39、控制 2.4 钢的热处理钢的热处理 单元单元11 22. 影响奥氏体转变速度的因素影响奥氏体转变速度的因素（1）加热温度）加热温度随加热温度的提高，碳原子扩散速度增随加热温度的提高，碳原子扩散速度增大，奥氏体化速度加快。大，奥氏体化速度加快。（2）加热速度）加热速度加热速度越快过热度越大，发生转变的加热速度越快过热度越大，发生转变的温度越高，转变所需时间就越短。温度越高，转变所需时间就越短。（3）钢中碳质量分数）钢中碳质量分数碳质量分数增加时，渗碳体量增碳质量分数增加时，渗碳体量增多，铁素体和渗碳体的相界面增大，因而奥氏体的核心增多，铁素体和渗碳体的相界面增大，因而奥氏体的核心增多，转变速度加

40、快。多，转变速度加快。（4）合金元素）合金元素钴钴.镍等加快奥氏体化过程；铬镍等加快奥氏体化过程；铬.钼钼.钒等钒等减慢奥氏体化过程；减慢奥氏体化过程；（5）原始组织）原始组织原始组织中渗碳体为片状时奥氏体形成原始组织中渗碳体为片状时奥氏体形成速度快。速度快。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理钢的热处理 单元单元11 33. 奥氏体的晶粒度及其影响因素奥氏体的晶粒度及其影响因素 钢的奥氏体晶粒大小直接影响冷却所得组织和性能。钢的奥氏体晶粒大小直接影响冷却所得组织和性能。奥氏体晶粒细时，退火后所得的组织亦细，则钢的强度奥氏体晶粒细时，退火后所得的组织亦细，则

41、钢的强度.塑塑性性.韧性较好。而淬火后得到的马氏体也细小，因而韧性得韧性较好。而淬火后得到的马氏体也细小，因而韧性得到改善。到改善。 生产中一般采用标准晶粒度等级图，由比较的方法生产中一般采用标准晶粒度等级图，由比较的方法来测定钢的奥氏体晶粒大小。晶粒度通常分来测定钢的奥氏体晶粒大小。晶粒度通常分8级，级，14级为级为粗晶粒度，粗晶粒度，58级为细晶粒度。级为细晶粒度。 钢加热到钢加热到930*C+-10*C.保温保温8小时小时.冷却后测得的晶冷却后测得的晶粒度叫本质晶粒度。可表示奥氏体晶粒长大的倾向。粒度叫本质晶粒度。可表示奥氏体晶粒长大的倾向。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能

42、的控制 2.4 钢的热处理钢的热处理 单元单元11 4影响奥氏体晶粒度的因素：影响奥氏体晶粒度的因素： 加热温度和保温时间加热温度和保温时间温度高，时间长促进奥氏体温度高，时间长促进奥氏体晶粒长大。晶粒长大。 钢的成分钢的成分碳含量增高时，晶粒长大的倾向增多。碳含量增高时，晶粒长大的倾向增多。钢中加入能形成稳定碳化物的元素和能生成氧化物和氮钢中加入能形成稳定碳化物的元素和能生成氧化物和氮化物的元素，有利于得到本质细晶粒钢，化物的元素，有利于得到本质细晶粒钢，2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理钢的热处理 单元单元11 5二、钢在冷却时的转变二、钢在冷却时的转

43、变 等温处理等温处理 将钢迅速冷却到临界点以下给定温度，将钢迅速冷却到临界点以下给定温度，进行保温，使其在该温度下恒温转变。进行保温，使其在该温度下恒温转变。 连续冷却连续冷却 将钢以某种速度连续冷却，使其在临界将钢以某种速度连续冷却，使其在临界点以下变温连续转变。点以下变温连续转变。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理钢的热处理 单元单元11 61.过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体的等温转变 共析钢过冷奥氏体的温度转变过程和转变产物可用其等温共析钢过冷奥氏体的温度转变过程和转变产物可用其等温转变曲线图来分析。该曲线可简称为转变曲线图来分析。该曲线可简称为C

44、曲线。转变分如下三曲线。转变分如下三个区域。个区域。高温转变（在高温转变（在A1550之间）之间） 中温转变中温转变550 Ms之间之间 (过冷奥氏体的转变产物为贝氏体型组织过冷奥氏体的转变产物为贝氏体型组织)550350 为上贝氏体。上为上贝氏体。上B呈羽毛状，强度和韧性都较差。呈羽毛状，强度和韧性都较差。350Mf为下贝氏体。为黑色针状，硬度高，韧性好，具有较为下贝氏体。为黑色针状，硬度高，韧性好，具有较高的综合机械性能。高的综合机械性能。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理钢的热处理 单元单元11 7 低温转变低温转变Ms点以下点以下 （过冷奥氏体冷却

45、到（过冷奥氏体冷却到Ms点以下后发生马氏体转变）点以下后发生马氏体转变） 马氏体马氏体M碳溶于碳溶于Fe中的过饱和固溶体。过冷中的过饱和固溶体。过冷A转转变为马氏体是一种非扩散型转变，形成速度很快，其转变不是变为马氏体是一种非扩散型转变，形成速度很快，其转变不是彻底的，要残留少量的奥氏体。马氏体形成时体积膨胀彻底的，要残留少量的奥氏体。马氏体形成时体积膨胀,在钢在钢中造成很大的内应力中造成很大的内应力,严重时将使被处理的零件开裂。严重时将使被处理的零件开裂。 马氏体的形态马氏体的形态有板条状和针状有板条状和针状(或称片状或称片状)两种两种.其形态决其形态决定于奥氏体的碳质量分数定于奥氏体的碳质

46、量分数.碳质量分数在碳质量分数在0.25%以下时以下时,基本上基本上是板条状马氏体是板条状马氏体(亦称低碳马氏体亦称低碳马氏体), 碳质量分数在碳质量分数在0.25%1.0%之间时，为板条马氏体和针状马氏体的混合结构。当碳质量分之间时，为板条马氏体和针状马氏体的混合结构。当碳质量分数大于数大于1.0%时时,则大多数是针状马氏体则大多数是针状马氏体. 马氏体的硬度很高，马氏体的硬度很高，碳质量分数越高，马氏体的硬度越高。碳质量分数越高，马氏体的硬度越高。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理钢的热处理 单元单元11 82.过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体的连续

47、冷却转变 共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变，其连续冷却转共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变，其连续冷却转变曲线又称变曲线又称TTT曲线。曲线。 临界冷却速度临界冷却速度钢能获得马氏体的最小冷却速度。钢能获得马氏体的最小冷却速度。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理钢的热处理 单元单元11 9转变过程及产物：转变过程及产物：缓慢冷却时缓慢冷却时过冷过冷A将转变为珠光体，呈粗片状，硬度为将转变为珠光体，呈粗片状，硬度为170HB220HB。稍快速度冷却时稍快速度冷却时过冷过冷A转变为索氏体，为细片状组织，转变为索氏体，为细片状组织，硬度为硬度为25HRC35HRC。采

48、用油冷时采用油冷时得到的组织为屈氏体得到的组织为屈氏体+马氏体马氏体+残余奥氏体。残余奥氏体。硬度为硬度为45HRC55HRC。快速度冷却时快速度冷却时奥氏体将过冷到奥氏体将过冷到M。点以下，得到的组织。点以下，得到的组织是马氏体是马氏体+残余奥氏体。残余奥氏体。 综上所述，刚在冷却时，过冷奥氏体的转变产物根据综上所述，刚在冷却时，过冷奥氏体的转变产物根据其转变温度的高低可分为高温转变产物珠光体、索氏体、屈其转变温度的高低可分为高温转变产物珠光体、索氏体、屈氏体，中温转变产物上贝氏体、下贝氏体，低温转变产物马氏体，中温转变产物上贝氏体、下贝氏体，低温转变产物马氏体等几种。随着转变温度的降低，其

49、转变产物的硬度增高，氏体等几种。随着转变温度的降低，其转变产物的硬度增高，而韧性的变化则较为复杂。而韧性的变化则较为复杂。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理钢的热处理 单元单元12 12.4.2 退火和正火退火和正火一、退火一、退火 将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓冷却（一般为随炉冷却），以获得一定时间，然后缓冷却（一般为随炉冷却），以获得接近碰横状态组织的热处理工艺叫做退火。接近碰横状态组织的热处理工艺叫做退火。 据处理的目的和要求不同，刚的退火可分为完全据处理的目的和要求不同，刚的退火

50、可分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火等等。等等。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理钢的热处理 单元单元12 21. 完全退火完全退火 又称重结晶退火，是把钢加热至以上又称重结晶退火，是把钢加热至以上2030，保，保温一定时间后缓慢冷却（随炉冷却或埋入石灰和砂中冷温一定时间后缓慢冷却（随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却）。以获得接近平衡组织的热处理工艺。却）。以获得接近平衡组织的热处理工艺。目的目的: 通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化

51、和细化，以提高性能。由于冷却速度缓慢，还组织均匀化和细化，以提高性能。由于冷却速度缓慢，还可能消除内应力。可能消除内应力。应用应用：主要用于亚共析钢，过共析钢不宜采用。：主要用于亚共析钢，过共析钢不宜采用。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理钢的热处理 单元单元12 32. 等温退火等温退火 是将钢件或毛坯加热到高于是将钢件或毛坯加热到高于Ac的温度保温适当时间后，的温度保温适当时间后，较快地冷却到珠光体区的某一温度，并等温保持，使奥氏较快地冷却到珠光体区的某一温度，并等温保持，使奥氏体转变为珠光体组织，然后缓慢冷却的热处理工艺。体转变为珠光体组织，然后缓慢

52、冷却的热处理工艺。目的目的：与完全退火相同但转变较易控制，能获得均匀的预：与完全退火相同但转变较易控制，能获得均匀的预期组织；对于奥氏体较稳定的合金钢，长可大大缩短退火期组织；对于奥氏体较稳定的合金钢，长可大大缩短退火时间。时间。应用应用：奥氏体较稳定的合金钢，尤其高合金钢。：奥氏体较稳定的合金钢，尤其高合金钢。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理钢的热处理 单元单元12 43. 球化退火球化退火使钢中碳化物球状化的热处理工艺使钢中碳化物球状化的热处理工艺目的目的: 是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化(退火退火前正火

53、将网状渗碳体破碎前正火将网状渗碳体破碎),以降低硬度以降低硬度,改善切学加工性改善切学加工性能能;并为以后的淬火作组织准备并为以后的淬火作组织准备.应用应用：用于过共析钢：用于过共析钢,如工具钢如工具钢,滚珠轴承钢等滚珠轴承钢等,2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理钢的热处理 单元单元12 54. 扩散退火扩散退火 将其加热到略低于固相线的温度，长时间保温将其加热到略低于固相线的温度，长时间保温并进行缓慢冷却的热处理工艺并进行缓慢冷却的热处理工艺。 扩散退火的加热温度一般选定在钢的熔点以下扩散退火的加热温度一般选定在钢的熔点以下100200，保温时间一般为，

54、保温时间一般为10h15h。加热温度。加热温度提高时，扩散时间可以缩短。提高时，扩散时间可以缩短。 扩散退火后钢的晶粒很大，因此一般再进行完扩散退火后钢的晶粒很大，因此一般再进行完全退火或正火处理。全退火或正火处理。目的和应用目的和应用：为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分：为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性和组织不均匀性。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理钢的热处理 单元单元12 65.去应力退火去应力退火 为消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷为消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行的低温退热加工在工件

55、中造成的残留内应力而进行的低温退火，去应力退火是将钢件加热至低于的某一温度火，去应力退火是将钢件加热至低于的某一温度（一般为（一般为500650），保温，然后随炉冷却，这），保温，然后随炉冷却，这种处理可以消除约种处理可以消除约50%80%的内应力，不引起组织的内应力，不引起组织变化。变化。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理钢的热处理 单元单元12 7二、正火二、正火钢材或钢件加热到钢材或钢件加热到Ac和和Accm以上以上，保温适当时间后，在自由流动的空气中均，保温适当时间后，在自由流动的空气中均匀冷却的人处理称为正火。正火后的组织：亚共析匀冷却的人处理称

56、为正火。正火后的组织：亚共析钢为钢为F+S，共析钢为，共析钢为S,过共析钢为过共析钢为S+Fe3C。 正火与完全退火的主要差别在与冷却速度快正火与完全退火的主要差别在与冷却速度快些，目的是使钢的组织正常化，所以亦称常化处理，些，目的是使钢的组织正常化，所以亦称常化处理，一般应用于以下方面：一般应用于以下方面：2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理钢的热处理 单元单元12 81. 作为最终热处理作为最终热处理 正火可以细化晶粒，使组织组织均匀化，减少亚共析正火可以细化晶粒，使组织组织均匀化，减少亚共析钢中铁素体含量，使珠光体含量增多并细化，从而提高钢钢中铁素体含

57、量，使珠光体含量增多并细化，从而提高钢的强读、硬度和韧性。对于普通结构钢零件，机械性能要的强读、硬度和韧性。对于普通结构钢零件，机械性能要求不很高时，可以正火作为最终热处理。求不很高时，可以正火作为最终热处理。2. 作为预先热处理作为预先热处理 截面较大的合金结构钢件，在淬火或调质处理前长进截面较大的合金结构钢件，在淬火或调质处理前长进行正火，以消除魏氏组织和带状组织，并获得细小而均匀行正火，以消除魏氏组织和带状组织，并获得细小而均匀的组织。对于过共析钢可减少二次渗碳体量，并使其不形的组织。对于过共析钢可减少二次渗碳体量，并使其不形成连续网状，为球化退火作组织准备。成连续网状，为球化退火作组织

58、准备。3. 改善切削加工性能改善切削加工性能 低碳钢或低碳合金钢退火后硬度太低，不便于切削加低碳钢或低碳合金钢退火后硬度太低，不便于切削加工。正火可提高其硬度，改善其切学加工性能。工。正火可提高其硬度，改善其切学加工性能。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理钢的热处理 单元单元13 12.4.3 淬火和回火淬火和回火一、淬火一、淬火 将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火是钢的最重要的强化方法。是钢的最重要的强化方

59、法。1. 淬火工艺淬火工艺(1) 淬火温度的选定淬火温度的选定 一般情况下，亚共析钢的淬火加热温度为一般情况下，亚共析钢的淬火加热温度为Ac以以上上共析钢和过共析钢的淬火加热温度共析钢和过共析钢的淬火加热温度为为Ac1以上以上。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理钢的热处理 单元单元13 2(2) 加热时间的确定加热时间的确定 加热时间包括升温和保温两个阶段。通常以装炉后炉温加热时间包括升温和保温两个阶段。通常以装炉后炉温达到淬火温度所需时间为升温阶段，并以此为保温时间的开达到淬火温度所需时间为升温阶段，并以此为保温时间的开始始。保温阶段指钢件温度均匀并完成

60、奥氏体化所需的时间。保温阶段指钢件温度均匀并完成奥氏体化所需的时间。(3) 淬火冷却介质淬火冷却介质 水、盐水水、盐水适用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。适用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。 机油和柴油机油和柴油一般用作为合金钢的淬火介质。一般用作为合金钢的淬火介质。 盐浴、碱浴和硝盐浴盐浴、碱浴和硝盐浴常用于处理形状复杂、尺寸较小、变常用于处理形状复杂、尺寸较小、变形要求严格的工具等。形要求严格的工具等。2.金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理钢的热处理 单元单元13 3(4) 淬火方法淬火方法 单介质淬火法采用一种介质冷却，操作简单，易实单介质淬