热处理(初级)第二章课件

1、第二章 热处理基础知识 掌握材料学、热传递的基础知识，熟悉金属学的基本概念，了解工艺材料、热处理工艺文件及工艺操作的一般知识。第二章 热处理基础知第一节 材料学的基础知识一、金属材料基础知识（一）金属材料的分类 金属是指具有特殊的光泽、良好的导电性、导热性、一定的强度和塑性的物质，如铁、锰、铝、铜等。 具有金属特性的元素称为金属元素。凡是由金属元素或以金属元素为主而形成的、具有一般金属特性的材料通称为金属材料。 通常把金属材料分为钢铁材料和非铁金属两大类。1.钢铁材料 以铁、锰、铬或以它们为主而形成的具有金属特性的物质称为钢铁材料，如碳素钢、合金钢、铸铁等。2.非铁金属 除钢铁材料以外的其他金

2、属材料称为非铁金属，如铜、铝、镁以及它们的合金等。第一节 材料学的基础知识（二）金属材料的性能金属材料钢铁材料碳素钢合金钢铸铁钢铁材料铝及其合金轴承合金钛及其合金铜及其合金 金属材料的性能一般可分为使用性能和工艺性能两大类。使用性能是指材料在工作条件下所必须具备的性能，如物理性能、化学性能和力学性能；工艺性能是指金属材料对诸如铸造、锻造、焊接、切削加工和热处理等加工工艺的适应性，也就是金属材料采用某种加工方法制成成品的难易程度。第一节 材料学的基础知识1. 金属材料的物理性能 （1）密度 物质单位体积所具有的质量称为密度，其单位是kg/m3。 （2）熔点 在缓慢加热条件下，金属或合金由固体状态

3、变成液体状态时的温度称为熔点。常用摄氏温度（）表示。 （3）热膨胀性 金属材料随着温度升高而体积发生增大的现象称为热膨胀性。一般用线胀系数来表示： l=(l2-l1)/l1t l=(l2-l1)/l1t （4）导热性 金属材料传导热量的能力称为导热性。 （5）导电性 金属材料传导电流的性能称为导电性。 （6）磁性 金属材料能够被磁铁吸引的性能称为磁性。 金属材料在各种物理现象（如导电、导热、熔化等）中所表现出来的属性。第一节 材料学的基础知识2.金属材料的化学性能 （1）耐蚀性 金属材料在常温下对大气、水蒸气、酸及碱等介质腐蚀的抵抗能力称为耐蚀性。 （2）抗氧化性 金属材料在高温下对周围介质中

4、的氧与其作用而损坏的抵抗能力称为抗氧化性。 金属材料所受的外力称为载荷，根据载荷对金属材料作用的方式、速度、持续性等作用性质的不同，可将载荷分为如下几类： 静载荷：其大小不变或变化过程缓慢的载荷。 冲击载荷：是指突然增加的载荷。 交变载荷：其大小和方向随时间作周期性变化的载荷。 金属材料的化学性能是指金属对周围介质侵蚀的抵抗能力。3.金属材料的力学性能 金属材料的力学性能是多数机械设备或工具设计与制造的重要参数，主要包括强度、硬度、塑性、韧性、抗疲劳性能等。第一节 材料学的基础知识 （1）强度 金属材料抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。可分为抗拉强度（b）、抗压强度（bc）、抗弯强度（bb）、

5、抗剪强度(b）和抗扭强度（t）五种。 1）拉伸试样：拉伸试样的形状常用的有圆形和矩形截面两类。图2-1 圆形截面的拉伸试样a)拉伸前 b)拉断后第一节 材料学的基础知识 2）力伸长曲线：拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线称为力伸长曲线。图2-2 低碳钢的力伸长曲线Oe弹性变形阶段es微量塑性变形阶段ss屈服阶段sb强化阶段bz缩颈阶段第一节 材料学的基础知识 3）强度指标 屈服点：试样在拉伸过程中力不增加（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时的应力称为屈服点。用符号s表示，单位是Pa或MPa。 抗拉强度：试样拉断前承受的最大标称拉应力称为抗拉强度。第一节 材料学的基础知识 （2）塑性 材料断

6、裂前发生不可逆永久变形的能力称为塑性。 试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比称为断后伸长率，用符号表示。其计算公式为 试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，称为断面收缩率，用符号表示。其计算公式为第一节 材料学的基础知识 （3）硬度 材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。硬度是各种零件和工具必备的性能指标。 （4）韧性 金属在断裂前吸收变形能量的能力，称为韧性。金属的韧性通常随加载速度的提高、温度降低、应力集中程度加剧而减小。常用夏比冲击试验（即一次摆锤冲击试验）来测定金属材料的韧性。图2-4 冲击试验示意图第一节 材料学的基础知识 试样被冲断时

7、所吸收的能量，即是摆锤冲击试样所作的功，称为冲击吸收功，用符号AK表示。其计算公式为 冲击韧度：是指冲击试样缺口处单位横截面积上的冲击吸收功，用符号aK表示，其计算公式为 （5）疲劳极限 随时间作周期性变化的应力称为循环应力或交变应力。在循环应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为金属的疲劳损坏。金属在指定循环基数下(一般取107)而不断裂的最大应力称为疲劳极限。第一节 材料学的基础知识4. 金属材料的工艺性能 （1）铸造性能 金属及合金熔化后铸造成优良铸件的能力，称为铸造性能。 1）流动性：液体金属充满铸型型腔的能力称为流动

8、性。 （ 2）压力加工性能 金属材料在压力加工（锻造、轧制等）下成形的难易程度称为压力加工性能。 （3）焊接性 焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性，也就是在一定的焊接工艺条件下获得优良焊接接头的难易程度。 2）收缩性：铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。 3）偏析倾向：合金中合金元素、夹杂物或气孔等分布不均匀的现象称为偏析倾向。 （4）切削加工性能 金属材料接受切削加工的难易程度称为切削加工性能。第一节 材料学的基础知识 （5）热处理性能 热处理性能是指金属材料通过热处理后改变或改善其性能的能力。二、非金属材料基础知识（一）高分子材料1. 高分子材料的概念 以高分子化合

9、物为主要组成物的材料称为高分子材料。一般把相对分子质量不大于500的称为低分子化合物，而把相对分子质量大于500的称为高分子化合物。 1）加成聚合反应（也称为加聚反应），就是指单体经过光照、加热或化学药品（称为引发剂）的作用后相互结合成大分子。 2）缩合聚合反应（也称为缩聚反应），就是具有官能团（如OH，COOH，NH2等）的单体，互相反应结合成较大的大分子，同时生成某些低分子物质，如水、氨等。第一节 材料学的基础知识2. 常用高分子材料 （1）塑料 塑料是以树脂为基础，再加入添加剂（如增塑剂、稳定剂、填充剂、固化剂、染料等）制成的一种高分子物质合成材料。 1）塑料的分类 按塑料的受热性能，可

10、分为热塑性塑料和热固性塑料。 按塑料的使用范围，可分为通用塑料、工程塑料和耐热塑料。 2）塑料的成形加工：塑料的成形是将各种形态（粉状、粒状、液态和碎料）的塑料，制成具有一定形状和尺寸的制品的过程。 （2）橡胶 橡胶是以生胶为基础，再加入适量的配合剂制成的。 （3）胶粘剂 胶粘剂是以富有黏性的物质为基料，加入各种添加剂而成。第一节 材料学的基础知识（二）陶瓷材料 1.陶瓷材料的概念2.陶瓷材料的分类（1）普通陶瓷 （2）特种陶瓷 3.陶瓷制品的成形 （1）原料制备 （2）成形 1）可塑成形： 2）压制成形： 3）注浆成形：（3）烧结 4.陶瓷的特点、种类及应用 一般有下列三种方式成形：（三）复

11、合材料 1.复合材料的概念和性能特点 复合材料是由两种或多种固体材料（不同的非金属材料、非金属材料与金属材料、不同的金属材料）复合而成。复合材料与金属和其他固体材料相比，具有比强度和比模量高、抗疲劳强度高、减振性好、耐高温能力强、断裂安全性好、化学性能稳定、减磨性和电绝缘性良好等特点。 2.常用复合材料 （1）纤维增强复合材料 目前常用的纤维增强复合材料有下列两种： 1）玻璃纤维增强复合材料：玻璃钢的主要缺点是弹性模量小，只有钢的1/51/10。用玻璃钢做受力构件时，往往强度有余而刚度不足。 2）碳纤维增强复合材料：它的强度和弹性模量均超过铝合金而接近高强度钢，密度比玻璃钢还小，具有优良的耐磨

12、、减磨及自润滑性、耐蚀性、耐热性。第一节 材料学的基础知识（2）层叠复合材料 （3）细粒复合材料 第一节 材料学的基础知识第二节 热传递基础知识 热传递是物体相互之间或同一物体内部热能的传递。温度差是热传递的必要条件。物体间或物体内部各部分之间只要存在着温度差，就必然会产生热量的传递。 一、传热的基本方式1.传导传热 热量直接由物体的一部分传至另一部分，或由一物体直接传至与其接触的另一物体，而物体的质点没有移动（指宏观的物质移动）的传热现象，称为传导传热。传导传热方式在固体、液体和气体中都存在，尤其在固体中最明显，而流体（液体或气体）的传导能力一般较弱，有的常忽略不计。2.对流传热 流体中不同

13、部分的相对位移，使不同部分的质点相互混合，或者流体质点与固体表面碰撞而进行的热交换现象，称为对流传热。3.辐射传热 由物体表面直接向外界发射可见的和不可见的射线，在空间传递热能的现象称为辐射传热。辐射传热在中、高温热处理炉的热交换中起主要作用。 二、传热的一般规律 热处理炉中的传热，每种基本传热方式并非单独存在，而往往总是三种传热方式同时并存的综合传热。当加热温度高于600时，炉子的传热以辐射为主，此时辐射传热的传热过程最为强烈。当加热温度低于600时，炉子的传热以对流传热为主。 第二节 热传递基础知识 第三节 金属学基础知识一、晶体、晶格、晶胞、晶面、晶向的概念及金属晶体的类型（一）晶体与非

14、晶体在物质内部，凡原 子呈无序堆积状况的，称为非晶体。凡原子呈有序、有规则排列的物质称为晶体。晶体具有固定的熔点，其力学性能呈各向异性；非晶体没有固定的熔点，而且其力学性能表现为各向同性。 （二）晶格与晶胞 表示原子在晶体中排列方式的空间格架，称为结晶格子或结晶点阵，简称晶格或点阵。晶格中的每个点称为结点。每个结点都具有完全相同的周围邻点。这是晶格的一个重要特点。 图2-5 晶格构造模型a)晶体原子排列的球形模型 b)晶格 c)晶胞最小的能反映晶格原子排列特征的单元称为晶胞。第三节 金属学基础知识（三）晶面与晶向 在晶体中由一系列原子组成的平面，称为晶面。 图2-6 立方晶格中的一些晶面a)立

15、方晶格中的三个晶面 b)立方晶格中的几个晶向通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表晶格空间排列的一定方向，称为晶向。 第三节 金属学基础知识（四）金属晶体的类型 1.体心立方晶格 具有这种晶格类型的金属有Cr、W、Mo、V及-Fe、-Fe等金属。 2.面心立方晶格 具有这种晶格类型的金属有Al、Cu、Pb、Ni、及-Fe等金属。具有这种晶格类型的金属有Mg、Zn、Be等。3.密排六方晶格第三节 金属学基础知识图2-7 体心立方晶胞图2-8 面心立方晶胞图2-9 密排六方晶胞第三节 金属学基础知识二、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象 （一）纯金属的结晶过程 1.纯金属的冷却曲线及过冷度图2-

16、10 热分析法装置示意图1电炉 2坩埚3金属液 4热电偶当液态纯金属以极缓慢的速度冷却，温度降到某一点时，便开始结晶，随着时间的延长，结晶不断进行，直至全部结晶成固态金属。冷却速度极其缓慢的冷却，通常称为“平衡条件下的冷却”，简称“平衡冷却”。第三节 金属学基础知识要想使液态金属的结晶有效地进行，必须具备足够大的过冷度，这就是结晶赖以进行的能量条件。图2-11 纯金属的冷却曲线 图2-12 纯金属结晶时的冷却曲线a)理论结晶 b)实际结晶第三节 金属学基础知识综上所述，纯金属的结晶有两个特点：一是结晶总是在一定的过冷条件下进行；二是结晶的整个过程是在一恒定情况下由开始到结束的。前者也是合金结晶

17、以及其他固态下组织转变的共同特点。金属发生结构改变的温度称为临界点。结晶温度就是临界点的一种。2.纯金属的结晶过程作为结晶核心的微小晶体称为晶核。结晶过程是晶核的形成与长大的过程。 图2-13 纯金属结晶过程示意图第三节 金属学基础知识结晶后只有一个晶粒的晶体称为单晶体，单晶体中的原子排列位向是完全一致的，其性能是各向异性的。结晶后的晶体是由许多位向不同的晶粒组成的，称为多晶 体。由于多晶体内各晶粒的晶格位向互不一致，它们自身的各向异性彼此抵消，故显示出各向同性，也称为伪各向同性。 图2-14 单晶体和多晶体结构示意图 第三节 金属学基础知识3.晶粒大小对金属力学性能的影响为了提高金属的力学性

18、能，必须控制金属结晶后的晶粒大小。金属晶粒大小取决于结晶时的形核率(单位时间、单位体积内所形成的晶核数目)与晶核长大的速度。第三节 金属学基础知识常用的细化晶粒方法有下面三种： （1）增加过冷度 图2-15 形核率和长大速度与过冷度的关系示意图 这种方法只适用于中、小型铸件，对于大型铸件则需要用其他方法使晶粒细化。 （2）变质处理 （3）振动处理 第三节 金属学基础知识（二）铁的同素异构现象 金属在固态下，随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构转变。具有同素异构转变的金属有铁、钴、钛、锡、锰等。以不同晶格形式存在的同一金属的晶体称为该金属的同素异晶体。通常同一金属的同素异晶体

19、按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母、等表示。图2-16 纯铁的冷却曲线第三节 金属学基础知识金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程有许多相似之处：有一定的转变温度；转变时有过冷现象；放出和吸收潜热；转变过程也是一个形核和晶核长大的过程（图2-17）。同素异构转变属于固态相变，又具有其本身的特点：同素异构转变时，新晶格的晶核优先在原来晶粒的晶界处形核；转变需要较大的过冷度；晶格的变化伴随着金属体积的变化，转变时会产生较大的内应力。图2-17 FeFe的同素异构转变过程示意图第三节 金属学基础知识三、铁渗碳体相图中各相区的相、点、线的意义 （一）合金、组元、相及组织1.合金 一种金属元

20、素与其他金属元素或非金属元素，通过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的物质称为合金。 2.组元 组成合金的独立的最基本的物质，称为组元，简称元。由给定组元按不同的比例配制出的一系列成分不同的合金，即构成一个合金系。3.相所谓相是指一合金中的这样一种物质部分，它具有相同的物理性能和化学性能，并与该系统的其余部分以界面分开。即合金中具有同一成分、同一聚集状态，并能以界面相互分开的各个均匀组成部分。第三节 金属学基础知识4.组织 所谓的组织是指用金相观察方法，在金属及合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。 （二）固溶体、金属化合物及机械混合物 1.固溶体 组

21、成合金的各组元在液态时能相互溶解形成均匀的单相液体，凝固后仍能相互溶解形成均匀的单相固体，这种单相固体称为固溶体。形成固溶体后，晶格保持不变的组元称为溶剂；晶格消失的组元称为溶质。因此，固溶体的晶体结构和溶剂组元的晶体结构相同。 图2-18 固溶体结构示意图a)间隙固溶体 b)置换固溶体第三节 金属学基础知识（1）间隙固溶体 是指溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中而形成的固溶体。一般只有当溶质与溶剂原子半径之比小于0.59时，才能形成间隙固溶体。例如碳、氧、硼等。 （2）置换固溶体 是指溶质原子置换了溶剂晶格中某些结点位置上的溶剂原子而形成的固溶体。一般来说，若两者原子直径差别较少，周期表中的位置

22、相互靠近，晶格类型相同，则这些组元能以任意比例互相溶解，这种固溶体称为无限固溶体。反之，称为有限固溶体。2.金属化合物3.机械混合物 在合金的组织中常出现由两种或两种以上的相机械地混合在一起而组成的一种多相组织，称为机械混合物。第三节 金属学基础知识（三）铁碳合金的基本组织 1.铁素体 碳溶解在-Fe中所形成的间隙固溶体，称为铁素体，用符号“F”来表示。由于碳和铁的原子直径和晶格类型存在很大差异，所以当它们以固溶体的形式结合时，只能是间隙固溶体。铁素体的性能与纯铁相似，即具有良好的塑性，低的强度和硬度。 2.奥氏体 碳溶解在-Fe中所形成的间隙固溶体称为奥氏体，以符号“A”表示。和铁素体相同，

23、当碳原子溶入铁素体形成奥氏体时，也只能是间隙固溶体。其性能特点仍然是塑性好，而强度、硬度低，是绝大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的组织。另外，奥氏体的一个重要物理性能是没有铁磁性。 第三节 金属学基础知识3.渗碳体 渗碳体是由铁和碳以一定比例化合而成的亚稳定的金属化合物，其化学式为Fe3C。其性能特点是高硬度、高脆性及高熔点，并且几乎没有塑性，它是铁碳合金中的强化相。4.珠光体 珠光体是铁素体和渗碳体所组成的机械混合物，它是平衡条件下wC为0.77%的奥氏体在727进行共析转变的产物，以符号“P”表示。这时珠光体中的铁素体和渗碳体是片层相间的形态，称为片状珠光体。珠光体的强度、硬度较铁素体

24、高，但塑性、韧性差。5.莱氏体 莱氏体是wC为4.3%的铁碳合金，在1148发生共晶转变而从液相中同时析出的奥氏体和渗碳体的机械混合物，用符号“Ld”来表示。低温莱氏体，用“Ld”来表示。莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很差 第三节 金属学基础知识综上所述，上述五种基本组织中，铁素体、奥氏体和渗碳体是铁碳合金的基本相，珠光体、莱氏体则是其基本组织。第三节 金属学基础知识第三节 机修作业辅助材料的准备表2-11铁碳合金基本组织的力学性能组织名称符号碳的质量分数(%)力学性能b/MPa (%)HBS(HBW)铁素体F约0.021818028030505080奥氏体A约2.1140601

25、20220渗碳体Fe3C6.69300约800珠光体P0.778002035180莱氏体Ld(Ld)4.30700（四）铁-渗碳体相图中各相区的相和点、线的意义 1. Fe-Fe3C相图的特性点表2-12Fe-Fe3C相图中的几个特性点的温度、碳的质量分数及其物理含义 点的符号温度/碳的质量分数(%)含义A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点，D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在-Fe中最大溶解度G9120纯铁的同素异构转变点S7270.77共析点第三节2. Fe-Fe3C相图的特性线表2-13 Fe-Fe3C相图中几条主要特性线及其含义 点的符号含义ACD液相线AECF

26、固相线GS常称A3线。冷却时，从不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的开始线ES常称Acm线，碳在-Fe中的溶解度线ECF共晶线PSK共析线1. Fe-Fe3C相图中的相区ACD以上液相区（L）AESG 奥氏体区（A） GP 铁素体区（F） DFK 渗碳体区（Fe3C） 第四节 工艺材料的一般知识 热处理常用工艺材料，包括淬火加热介质材料、淬火介质材料、盐浴校正剂等。 一、淬火加热介质材料 常用的淬火加热介质材料，按加热介质的状态不同，可分为三大类：即气体介质（如空气、可控气氛）、液体介质（如盐浴）和固体介质（如流动粒子）。 （一）空气（二）盐浴 1)杂质含量较少，纯度较高，以减少对工件表面的腐蚀和

27、氧化脱碳。 2)吸湿性小，否则易潮解变质或腐蚀工件。 3)工作温度下粘度小，具有良好的流动性，以减少粘附在工件表面且带出盐的损耗。 4)易溶于水，使处理过的工件表面粘附的盐能在清洗时除去。 5)熔点适当，保证在工作温度既有良好的流动性，使整个浴温均匀、加热迅速、良好，又有挥发较少，以防止车间空气的污染。 6)供应充足、方便，价格便宜，经济适用。 选择用盐及确定配方应符合下列原则：第四节 工艺材料的一般知识 热处理盐浴用盐的特点是： 1）具有合适的熔点及沸点。 2）具有较低的挥发性。 3）具有良好的流动性和导电性。 4）具有足够的热稳定性。 5）热处理盐浴用盐应不易与工件、电极、坩埚和炉衬等发生

28、化学反应。1.高温盐浴用盐表2-15热处理高、中温盐浴用盐的组成 盐浴种类盐浴成分（质量分数）熔化温度/使用温度/高温盐浴100%氯化钡96011001300（8595）%氯化钡+（155）%氯化钠760850900110中温盐浴（7080）%氯化钡+（2030）%氯化钠635700750100050%氯化钠+50%氯化钾67072095050%氯化钡+50%氯化钠640700900第四节 工艺材料的一般知识2.中温盐浴用盐 中温盐浴用盐是指在650950使用的由一种基盐或多种基盐再加入盐浴校正剂组成的混合盐。常用的中温盐浴用盐组成见表2-15。 中温盐浴用盐主要适用于碳钢、合金钢的淬火加热及

29、高速工具钢的淬火预热等。 2.低温盐浴用盐表2-16热处理低温盐浴用盐的成分和组成 盐浴种类盐浴成分（质量分数）熔化温度/使用温度/硝盐盐浴100%硝酸钾334350600100%硝酸钠30832560050%硝酸钾+50%硝酸钠22024052050%硝酸钾+50%亚硝酸硝酸钾+45%亚硝酸钠+少量水130130360氯化盐浴75%氯化钙+25%氯化钠50054058041%氯化钾+37%氯化钠+22%氯化钡55258088050%氯化钡+30%氯化钙+20%氯化钠530560870第四节 工艺材料的一般知识（三）几种常用的热处理用气体 1.氮气（N2）2.氨气（N

30、H3）3.氢气（H2）4.丙烷（C8N8）（四）可控气氛 1.放热式气氛2.吸热式气氛3.氨分解气氛4.滴注式气氛（五）真空 (1)保护作用(2)表面净化作用(3)脱气作用(4)加热速度低(5)脱元素现象（六）液态粒子 将微小的固体颗粒和气体按一定的方式混合，使这些固体颗粒在气体吹动下浮动起来，具有流体的某些性质，这种情况称为固体粒子的流态化。第四节 工艺材料的一般知识二、淬火介质材料 （一）不改变物态的淬火介质 的冷却过程 熔盐、熔碱、熔融金属和固态金属等，其沸腾温度一般都大大超过被冷却工件的温度，因此它们作为淬火介质使用时，不会产生沸腾现象，无物态变化。（二）改变物态的淬火介质的 冷却过程 工件在水、水溶液及油类等介质中的冷却特性与上述不改变物态的介质不同。这类介质沸点一般较低，因而冷却过程中会发生沸腾而汽化，使其物态发生变化。 1.蒸气膜阶段 2.沸腾阶段 3.对刘阶段 （三）影响淬火介质冷却能力的因素 不发生物态变