金属材料和热处理基本概念及基础知识

1、l金属材料的力学性能介绍l金属材料的工艺性能介绍l热处理基本原理l 金属材料的力学性能是指金属抵抗外加载荷引起金属材料的力学性能是指金属抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力，也叫材料的机械性能。的变形和断裂的能力，也叫材料的机械性能。l 金属材料的力学性能分为强度、硬度、塑性、韧金属材料的力学性能分为强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性和缺口敏感性等。性、耐磨性和缺口敏感性等。l一、强度一、强度l 强度指金属在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的强度指金属在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力，用应力表示，符号为能力，用应力表示，符号为,单位为单位为N/mmN/mm2 2。分为拉。分为拉伸强度、压缩强度、弯曲

2、强度、剪切强度和扭转强度伸强度、压缩强度、弯曲强度、剪切强度和扭转强度等。等。l l1.1.抗拉强度和屈服强度抗拉强度和屈服强度l 抗拉强度抗拉强度b b是指在拉伸实验过程中试样所承受的是指在拉伸实验过程中试样所承受的最大载荷最大载荷F F与试样原始截面积与试样原始截面积S S的比值，即的比值，即b b=F/S=F/S。它。它表示一定截面的材料所能承受的最大载荷。表示一定截面的材料所能承受的最大载荷。l 屈服强度以规定发生一定的残留变形屈服强度以规定发生一定的残留变形 （通常以（通常以0.20.2残留变形）时的应力为屈服强度，符号为残留变形）时的应力为屈服强度，符号为s s（或（或0.20.2

3、 ），它表示材料开始微量塑性变形时的应力。），它表示材料开始微量塑性变形时的应力。l退火或正火钢材：退火或正火钢材： s0.5s0.50.6 0.6 b bl淬火、回火钢材：淬火、回火钢材： s0.8s0.80.9 0.9 b bl 屈服强度是机械设计中对材料最重要的性能指标。屈服强度是机械设计中对材料最重要的性能指标。对塑性材料，强度设计以屈服强度为标准，规定许用对塑性材料，强度设计以屈服强度为标准，规定许用应力应力= = S S/n/n，n n为安全系数。为安全系数。l2.2.疲劳断裂和疲劳极限疲劳断裂和疲劳极限l 疲劳断裂是指零件在交变载荷作用下经过较长时疲劳断裂是指零件在交变载荷作用下

4、经过较长时间作用而发生的断裂现象。断裂时的应力一般远小于间作用而发生的断裂现象。断裂时的应力一般远小于零件的屈服强度。距统计，在各类机件破坏中有零件的屈服强度。距统计，在各类机件破坏中有808090 90 属于疲劳断裂。我厂的摇臂、扭杆，均多次发生属于疲劳断裂。我厂的摇臂、扭杆，均多次发生疲劳断裂。疲劳断裂。l 金属材料在交变载荷作用下经过无限次应力循环金属材料在交变载荷作用下经过无限次应力循环而不致引起断裂的最大循环应力，称为疲劳极限。在而不致引起断裂的最大循环应力，称为疲劳极限。在实际使用中，一般规定经过实际使用中，一般规定经过10107 7次应力循环不发生断裂，次应力循环不发生断裂，即认

5、为不再发生断裂。即认为不再发生断裂。l l-1-1（旋转弯曲）（旋转弯曲）0.450.45b b（HRC40HRC40）l-1-1（拉压）（拉压）0.65 0.65 -1 -1 0.280.28b bl-1-1（扭转）（扭转）0.55 0.55 -1 -1 0.240.24b bl 表面强化处理如氮化、渗碳、碳氮共渗、表面强化处理如氮化、渗碳、碳氮共渗、感应淬火、喷丸、滚压能明显提高零件的疲劳感应淬火、喷丸、滚压能明显提高零件的疲劳强度。强度。l 3.3.冲击韧性和断裂韧性冲击韧性和断裂韧性l 冲击韧性是评定金属材料在动载荷下承受冲击抗冲击韧性是评定金属材料在动载荷下承受冲击抗力的性能指标，用

6、符号力的性能指标，用符号K K表示，单位为表示，单位为J/cmJ/cm3 3。l 冲击值的大小，反映出金属材料韧性的好坏，冲击值的大小，反映出金属材料韧性的好坏， K K值愈大，表示材料的韧性越好，抵抗冲击载荷而不值愈大，表示材料的韧性越好，抵抗冲击载荷而不被破坏的能力越大。被破坏的能力越大。l 高强度钢零件以及中、低强度钢的大型构件，经高强度钢零件以及中、低强度钢的大型构件，经常在总应力低于屈服强度的条件下发生脆性断裂。这常在总应力低于屈服强度的条件下发生脆性断裂。这种在屈服强度以下产生的脆性断裂称为低应力脆性断种在屈服强度以下产生的脆性断裂称为低应力脆性断裂，简称低应力脆断。裂，简称低应力

7、脆断。l 大量断裂事例表明，零件的低应力脆断是由宏观大量断裂事例表明，零件的低应力脆断是由宏观裂纹失稳扩展引起的。裂纹失稳扩展引起的。l 断裂韧性是衡量金属材料在裂纹存在的情况下抵断裂韧性是衡量金属材料在裂纹存在的情况下抵抗裂纹扩展的能力，用符号抗裂纹扩展的能力，用符号K KICIC表示，单位是表示，单位是N/mmN/mm3/23/2。l K KICIC=Y=YC C（cc）1/21/2。断裂韧性是材料强度和塑性的综。断裂韧性是材料强度和塑性的综合体现。合体现。l 第二章 金属材料的工艺性能l 金属材料的工艺性能是指将金属制成具有一定形金属材料的工艺性能是指将金属制成具有一定形状和良好性能的零

8、件或毛坯的可能性以及难易程度。状和良好性能的零件或毛坯的可能性以及难易程度。它直接影响制造零件的工艺方法、成本和产品质量，它直接影响制造零件的工艺方法、成本和产品质量，也是选用金属材料时必须考虑的重要因素之一。金属也是选用金属材料时必须考虑的重要因素之一。金属材料的工艺性能一般可分为：铸造性能、锻造性能、材料的工艺性能一般可分为：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。焊接性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。l一、铸造性能一、铸造性能l 金属的铸造性能指能否将金属材料用铸造方法制金属的铸造性能指能否将金属材料用铸造方法制成优良铸件的能力，它取决于铸造金属的流动性和收成优

9、良铸件的能力，它取决于铸造金属的流动性和收缩性。缩性。l l二、压力加工性能二、压力加工性能l 压力加工性能是指能否用压力加工的方法将金属压力加工性能是指能否用压力加工的方法将金属加工成优良工件的能力。金属压力加工性能的好坏，加工成优良工件的能力。金属压力加工性能的好坏，主要取决于金属本身塑性的好坏和变形抗力的大小。主要取决于金属本身塑性的好坏和变形抗力的大小。一般来说，含碳及合金元素少的钢，压力加工性能较一般来说，含碳及合金元素少的钢，压力加工性能较好。好。l 金属的压力加工方法包括：锻造、轧制、拉制、金属的压力加工方法包括：锻造、轧制、拉制、挤压、冲压等。挤压、冲压等。l三、焊接性能三、焊

10、接性能l 焊接性是指使用一定的焊接工艺条件下对一定材焊接性是指使用一定的焊接工艺条件下对一定材料形成优质焊接接头的难易程度。它包括两个方面：料形成优质焊接接头的难易程度。它包括两个方面：一是工艺焊接性，即在一定工艺条件下接头产生缺陷一是工艺焊接性，即在一定工艺条件下接头产生缺陷的敏感性（气孔、裂纹）；二是使用焊接性，指在一的敏感性（气孔、裂纹）；二是使用焊接性，指在一定工艺条件下接头符合使用要求的程度。定工艺条件下接头符合使用要求的程度。l 一般来说，低碳钢具有良好的焊接性，中碳钢、一般来说，低碳钢具有良好的焊接性，中碳钢、高碳钢、高合金钢、铸铁、铝合金的焊接性能较差。高碳钢、高合金钢、铸铁、

11、铝合金的焊接性能较差。l四、金属的切削加工性能四、金属的切削加工性能l 金属的切削加工性能是指能否将金属用刀具切削金属的切削加工性能是指能否将金属用刀具切削成具有一定的精度和表面粗糙度的零件的性能。成具有一定的精度和表面粗糙度的零件的性能。l 金属切削性能的好坏，主要与金属材料的硬度、金属切削性能的好坏，主要与金属材料的硬度、韧性、化学成分和加工硬化程度有关。一般比较理想韧性、化学成分和加工硬化程度有关。一般比较理想的切削加工硬度为的切削加工硬度为170170230HB230HB。硬度太低，材料韧性。硬度太低，材料韧性太强，切削时容易粘刀；硬度太高，切削时容易磨损太强，切削时容易粘刀；硬度太高

12、，切削时容易磨损刀具。刀具。l五、热处理工艺性五、热处理工艺性l 零件热处理工艺性是指在满足使用要求的前提下，零件热处理工艺性是指在满足使用要求的前提下，采用热处理生产的可行性和经济性。主要包括淬透性、采用热处理生产的可行性和经济性。主要包括淬透性、淬硬性、回火脆性、过热敏感性、耐回火性、氧化脱淬硬性、回火脆性、过热敏感性、耐回火性、氧化脱碳倾向等。碳倾向等。l 金属的热处理是将固态金属通过加热、保温、冷金属的热处理是将固态金属通过加热、保温、冷却的方法改变其内部组织，从而获得所需要的性能的却的方法改变其内部组织，从而获得所需要的性能的工艺过程。工艺过程。l 钢在热处理过程中产生了内部组织转变

13、钢在热处理过程中产生了内部组织转变相变，相变，而一定的内部组织又是对应着一定的性能的，组织转而一定的内部组织又是对应着一定的性能的，组织转变必然引起性能的相应改变，因此相变是热处理的基变必然引起性能的相应改变，因此相变是热处理的基础，也是钢可以通过热处理改变其性能的根据。钢的础，也是钢可以通过热处理改变其性能的根据。钢的热处理的目的就在于改变或改善钢的性能。热处理的目的就在于改变或改善钢的性能。l一、铁碳合金相图及钢的组织一、铁碳合金相图及钢的组织l1.1.晶体与晶格晶体与晶格 内部原子按一定几何形状作有规则的几何排列的内部原子按一定几何形状作有规则的几何排列的物质称为晶体。所有固体金属与合金

14、都是晶体，晶体物质称为晶体。所有固体金属与合金都是晶体，晶体都有固定的熔点。都有固定的熔点。 l 描述晶体中原子规则排列方式的空间几何图形称描述晶体中原子规则排列方式的空间几何图形称为晶格或点阵。最常见的金属晶格有三种：体心立方为晶格或点阵。最常见的金属晶格有三种：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。l2.2.同素异构转变同素异构转变l 金属在固态下晶格随温度而改变的现象称为同素金属在固态下晶格随温度而改变的现象称为同素异构转变。铁具有三种同素异构形式，在铁碳合金系异构转变。铁具有三种同素异构形式，在铁碳合金系中中铁、铁、 铁、铁、铁都溶解有碳而形成固溶

15、体，分别铁都溶解有碳而形成固溶体，分别称为高温铁素体、奥氏体和铁素体。称为高温铁素体、奥氏体和铁素体。 同素异构转变是原子重新排列，形成另一种金属的过程同素异构转变是原子重新排列，形成另一种金属的过程。在由一种晶格转变成另一种晶格的过程中，总要引起比。在由一种晶格转变成另一种晶格的过程中，总要引起比容的变化，必然要产生一定的内应力。这就是热处理过程容的变化，必然要产生一定的内应力。这就是热处理过程中，零件变形或开裂的重要原因之一。中，零件变形或开裂的重要原因之一。l 铁素体铁素体l C C在在- Fe- Fe中的间隙固溶体（体心立方结构）叫铁素体中的间隙固溶体（体心立方结构）叫铁素体（F F）

16、，），C C在在 -Fe-Fe中溶解度极小，最大为中溶解度极小，最大为0.02180.0218。l 奥氏体奥氏体l C C在在 -Fe -Fe中的固溶体（面心立方晶格）叫奥氏体中的固溶体（面心立方晶格）叫奥氏体（A A）,C,C在在 -Fe -Fe中的溶解度较大，为中的溶解度较大，为2.11%2.11%0.77%0.77%。l F F与与A A的强度、硬度都较低，而塑性和韧性好的强度、硬度都较低，而塑性和韧性好。l 渗碳体（渗碳体（FeFe3 3C C）l 晶格复杂的间隙化合物，强度很低（晶格复杂的间隙化合物，强度很低（40MPa)40MPa)，塑，塑性几乎为零，但硬度很高性几乎为零，但硬度很

17、高(HB800)(HB800)，所以，所以FeFe3 3C C硬而脆。硬而脆。在钢和白口铁中以片状、球状、网状、条状等形式存在钢和白口铁中以片状、球状、网状、条状等形式存在。它的形状和分布对钢性能影响很大，是铁碳合金在。它的形状和分布对钢性能影响很大，是铁碳合金的强化相。的强化相。l 珠光体珠光体l 珠光体（珠光体（P P）是铁素体和渗碳体的机械混合物，其）是铁素体和渗碳体的机械混合物，其中铁素体约占中铁素体约占8888，含碳量约为，含碳量约为0.77 0.77 。珠光体一。珠光体一般多是层片状，由铁素体和渗碳体相互交替排列而成。般多是层片状，由铁素体和渗碳体相互交替排列而成。l珠光体的机械性

18、能，珠光体的机械性能，l 贝氏体贝氏体l 马氏体马氏体 3.3.铁碳合金的分类铁碳合金的分类 按含碳量和组织不同，铁碳合金分三类：按含碳量和组织不同，铁碳合金分三类： 工业纯铁（工业纯铁（C C 0.0218%0.0218%） 钢（钢（C 0.0218C 0.0218 2.11%2.11%）。根据室温组织不同，又）。根据室温组织不同，又分三种：共析钢（分三种：共析钢（C= 0.77%C= 0.77%），亚共析钢（），亚共析钢（C C 0.77%C 0.77%）。）。 白口铁（白口铁（C2.11C2.11 6.69%6.69%）。根据室温组织不同，又）。根据室温组织不同，又分三种：共晶白口铁（分

19、三种：共晶白口铁（C=4.3%C=4.3%），亚共析白口铁（），亚共析白口铁（C C 4.3%C4.3%）。）。 l二、钢在加热时的组织转变二、钢在加热时的组织转变 加热是热处理的第一步。目的是为了获得成分均匀，晶粒细加热是热处理的第一步。目的是为了获得成分均匀，晶粒细小的奥氏体。小的奥氏体。亚共析钢奥氏体化除亚共析钢奥氏体化除P A，还需加热到，还需加热到AC3，F A。过过共析钢奥氏体化除共析钢奥氏体化除P A，还需加热到，还需加热到ACCM， Fe3C A。 晶粒粗大不仅降低材料的强度，更严重损害材料晶粒粗大不仅降低材料的强度，更严重损害材料的塑性、冲击韧性、疲劳强度及断裂韧性。的塑性、

20、冲击韧性、疲劳强度及断裂韧性。l三、钢冷却时的组织转变三、钢冷却时的组织转变l 冷却是钢在热处理过程中，继加热、保温后的重冷却是钢在热处理过程中，继加热、保温后的重要工序，它往往决定钢热处理后的组织和性能。要工序，它往往决定钢热处理后的组织和性能。l 碳钢中的奥氏体只有在高温下才能稳定存在。随碳钢中的奥氏体只有在高温下才能稳定存在。随着温度的降低，奥氏体必将转变成其它组织。通常冷着温度的降低，奥氏体必将转变成其它组织。通常冷却到却到A A1 1以下的奥氏体称为过冷奥氏体。随着冷却速度以下的奥氏体称为过冷奥氏体。随着冷却速度的不同，奥氏体在不同的温度范围将会形成不同的组的不同，奥氏体在不同的温度

21、范围将会形成不同的组织。在较高的温度范围内过冷奥氏体可以通过珠光体织。在较高的温度范围内过冷奥氏体可以通过珠光体转变机制转变为珠光体；在中温范围内，通过贝氏体转变机制转变为珠光体；在中温范围内，通过贝氏体转变机制转变为贝光体，而在低温范围内，通过马氏转变机制转变为贝光体，而在低温范围内，通过马氏体转变机制转变为马光体。对于亚共析钢和过共析钢体转变机制转变为马光体。对于亚共析钢和过共析钢来说，在高温范围内还可能出现先共析转变，析出先来说，在高温范围内还可能出现先共析转变，析出先共析铁素体或先共析渗碳体。共析铁素体或先共析渗碳体。符号说 明A1在平衡状态下，奥氏体、铁素体、渗碳体或碳化物共存的温度

22、，即一般所说的下临界点A3亚共析钢在平衡状态下，奥氏体、铁素体共存的最高温度，即亚共析钢的上临界点ACM过共析钢在平衡状态下，奥氏体和渗碳体或碳化物共存的最高温度，即过共析钢的上临界点AC1钢加热开始形成奥氏体的温度AC3亚共析钢加热时，所有铁素体均转变为奥氏体的温度ACCM过共析钢加热时，所有渗碳体或碳化物均转变为奥氏体的温度Ar1钢高温奥氏体化后，奥氏体分解为铁素体和珠光体的温度Ar3亚共析钢高温奥氏体化后，铁素体开始析出的温度符号说 明ArCM过共析钢高温奥氏体化后冷却时，渗碳体或碳化物开始析出的温度Bs钢奥氏体化后冷却时，奥氏体开始分解为贝氏体的温度Ms钢奥氏体化后冷却时，奥氏体开始转

23、变为马氏体的温度Mf奥氏体转变为马氏体终了的温度加热与冷却时钢的临界点位置加热与冷却时钢的临界点位置l1. 1. 常用的冷却方式常用的冷却方式l 钢热处理常用的冷却方式有两种：等温冷却和连钢热处理常用的冷却方式有两种：等温冷却和连续冷却。续冷却。l 等温冷却是将奥氏体迅速冷却到临界点以下某一等温冷却是将奥氏体迅速冷却到临界点以下某一温度进行保温，使过冷奥氏体在该温度下进行等温转温度进行保温，使过冷奥氏体在该温度下进行等温转变后再冷到室温。变后再冷到室温。 连续冷却是将奥氏体自高温连续冷连续冷却是将奥氏体自高温连续冷却到室温。却到室温。l2.2.共析钢等温转变曲线（共析钢等温转变曲线（TTTTT

24、T曲线或曲线或C C曲线）曲线）l C C曲线：表示曲线：表示A A急速冷却到急速冷却到A A1 1以下，在各不同温度以下，在各不同温度的保温过程中，转变量与转变时间的关系曲线。的保温过程中，转变量与转变时间的关系曲线。l l3.共析钢连续冷却转变l4.4.马氏体转变与马氏体马氏体转变与马氏体l 马氏体转变是过冷奥氏体在低温范围内的无扩散马氏体转变是过冷奥氏体在低温范围内的无扩散转变。转变。 由钢的连续冷却转变曲线可知，以大于临界冷由钢的连续冷却转变曲线可知，以大于临界冷却速度却速度V VC C的速度冷却时，将完全抑制奥氏体的高温及的速度冷却时，将完全抑制奥氏体的高温及中温转变，而使之过冷至中

25、温转变，而使之过冷至MsMs以下的较低温度。由于温以下的较低温度。由于温度过低，原子不能进行长程的扩散转移，结果由面心度过低，原子不能进行长程的扩散转移，结果由面心立方晶格的奥氏体以切变方式转变为体心立方晶格的立方晶格的奥氏体以切变方式转变为体心立方晶格的-铁，而其中碳浓度保持不变，形成了碳在铁，而其中碳浓度保持不变，形成了碳在-铁中铁中的过饱和固溶体。的过饱和固溶体。l MsMs点：马氏体转变开始的温度称为点：马氏体转变开始的温度称为MsMs点。点。l MfMf点：马氏体转变终止的温度称为点：马氏体转变终止的温度称为MfMf点。点。l 板条状马氏体和片状马氏体板条状马氏体和片状马氏体l 板条

26、状马氏体主要在低、中碳钢中出现，形状为板条状马氏体主要在低、中碳钢中出现，形状为窄而细长的板条，并且许多板条总是成群地平行排列窄而细长的板条，并且许多板条总是成群地平行排列在一起。在一起。l 片状马氏体在显微镜下呈针状或竹叶状，其空间片状马氏体在显微镜下呈针状或竹叶状，其空间形态呈双凸透镜状，片与片之间不相平行，常呈一定形态呈双凸透镜状，片与片之间不相平行，常呈一定的角度相交。主要在高碳钢中存在。的角度相交。主要在高碳钢中存在。l 低碳板条状马氏体兼有很高的强度和良好的韧性，低碳板条状马氏体兼有很高的强度和良好的韧性，高碳片状马氏体具有极高的硬度但是脆而韧性差。因高碳片状马氏体具有极高的硬度但

27、是脆而韧性差。因此在热处理过程中，应在保证足够的强度和硬度情况此在热处理过程中，应在保证足够的强度和硬度情况下，获得尽可能多的板条状马氏体。下，获得尽可能多的板条状马氏体。l 在钢的各种组织中，马氏体具有最大的比容，奥氏在钢的各种组织中，马氏体具有最大的比容，奥氏体的比容最小。而且含碳量愈高，两者相差越大；因体的比容最小。而且含碳量愈高，两者相差越大；因而淬火前后工件的体积变化也越大，这是钢件淬火时而淬火前后工件的体积变化也越大，这是钢件淬火时产生变形、开裂的根本原因之一。产生变形、开裂的根本原因之一。l2.2.贝氏体转变与贝氏体贝氏体转变与贝氏体l 贝氏体是过冷奥氏体在珠光体转变温度区间以下，贝氏体是过冷奥氏体在珠光体转变温度区间以下，马氏体转变温度区