机械工程材料成型及工艺5

本次课内容塑性变形对金属组织和性能的影响；变形金属在加热时组织和性能的影响；一、塑性变形对金属组织和性能的影响1. 晶粒拉长，纤维组织→各向异性(沿纤维方向的强度、塑性最大）变形10%100×变形40%100×变形80%纤维组织100×工业纯铁

不同变形度

的显微组织2.织构(形变织构）金属塑性变形到很大程度(70%以上)时,由于晶粒发生转动,使各晶粒的位向趋近于一致,形成特殊的择优取向,这种有序化的结构叫做形变织构。形变织构一般分两种：一种是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向,称为丝织构。例如低碳钢经高度冷拔后,其<100>平行于拔丝方向;另一种是各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向,称为板织构,低碳钢的板织构为{001}<110>。

晶粒拉长，但未出现织构。晶粒拉长，且出现织构。因形变织构造成深冲制品的制耳示意图

3.加工硬化（形变强化）加工硬化的原因：塑性变形→位错密度增加，相互缠结，亚晶界，运动阻力加大→变形抗力↑；晶粒破碎细化。金属在冷变形时，强度、硬度↑，塑性、韧性↓。P21，图1-17加工硬化的实际意义有效的强化机制；均匀塑性变形和压力加工的保证；零件安全的保证。4）形成亚结构；金属经大的塑性变形时,由于位错的密度增大和发生交互作用,大量位错堆积在局部地区,并相互缠结,形成不均匀的分布,使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块,而在晶粒内产生亚晶粒。金属经变形后的亚结构

6）残余内应力：外力去除后，残留于金属内部且

平衡于金属内部的应力。由金属内部不均匀变形引起

，残余应力分为第一类应力；第二类应力和第三类应力。

残余内应力的危害：引起零件加工过程变形、开裂；耐蚀性↓。5）塑性变形可影响金属的物理、化学性能。如使电阻增大,耐腐蚀性降低。

二、塑性变形后的金属在加热时

组织和性能的变化加热时冷变形金属组织和性能随温度的升高可分为三个阶段：1．回复2．再结晶3．晶粒长大回复变形后后的金金属在在较低低温度度进行行加热热，会会发生生回复复过程程。产产生回回复的的温度度TT回复=(0.25～0.3)T熔点

式中：T熔点表示该金属的熔点,单位为绝对温度(K)。由于加热温度不高,原子扩散能力不很大,只是晶粒内部位错、空位、间隙原子等缺陷通过移动、复合消失而大大减少，而晶粒仍保持变形后的形态，变形金属的显微组织不发生明显的变化。此时材料的强度和硬度只略有降低，塑性有增高，但残余应力则大大降低。工业上常利用回复过程对变形金属进行去应力退火，以降低残余内应力，保留加工硬化效果。

再结晶1.再结结晶过程程及其对对金属组组织、性性能的影影响变形后的的金属在在较高温温度加热热时，由由于原子子扩散能能力增大大，被拉拉长（或或压扁））、破碎碎的晶粒粒通过重重新生核核、长大大变成新新的均匀匀、细小小的等轴轴晶。这这个过程程称为再结晶。变形金属属进行再再结晶后后，金属属的强度度和硬度度明显降降低，而而塑性和和韧性大大大提高高，加工工硬化现现象被消消除，此此时内应应力全部部消失，，物理、、化学性性能基本本上恢复复到变形形以前的的水平。。再结晶生生成的新新的晶粒粒的晶格格类型与与变形前前、变形形后的晶晶格类型型均一样样。2.再再结晶温温度变形后的的金属发发生再结结晶的温温度是一一个温度度范围，，并非某某一恒定定温度。。一般所所说的再再结晶温温度指的的是最低低再结晶晶温度(T再),通通常用经经大变形形量(70%以以上)的的冷塑性性变形的的金属,经一小小时加热热后能完完全再结结晶的最最低温度T再=(0.35～0.4)T熔点

式中的温度单位为绝对温度(K)。最低再结结晶温度度与下列列因素有有关：①预先变变形度：：金属再再结晶前前塑性变变形的相相对变形形量称为为预先变变形度。。预先变形形度越大大,金属的晶晶体积缺缺陷就越越多,组组织越越不稳定定,最低再结结晶温度度也就越越低。当预先先变形度度达到一一定大小小后,金金属的的最低再再结晶温温度趋于于某一稳稳定值。。②金属的的熔点：：熔点越高高,最最低再结结晶温度度也就越越高。③杂质和和合金元元素：由由于杂质质和合金金元素特特别是高高熔点元元素,阻阻碍原原子扩散散和晶界界迁移,可显著提高高最低再再结晶温温度。如高纯纯度铝(99.999%)的的最低再再结晶温温度为80℃,而工工业纯铝铝(99.0%)的最最低再结结晶温度度提高到到了290℃。。④加热速速度和保保温时间间：再结结晶是一一个扩散散过程,需要要一定时时间才能能完成。。提高加加热速度度会使再再结晶在在较高温温度下发发生,而而保温温时间越越长,再再结晶晶温度越越低。晶粒长大大变形80%工业纯铁铁再结结晶退火火显微微照片100×变形80%600℃退退火8小小时变形80%400℃℃退火8小时再结晶后后的晶粒粒度影响因素素：1））加热温温度T、保温温时间t↑→→晶晶粒直径径D↑↑；2）预变变形度的的影响。。2～10％金属材料料塑性变变形的加加工：热热加工和和冷加工工1．冷、、热加工工的划分分的标准准：再结结晶温度度来划分分。2．金属属热加工时组织和和性能的的变化。。形成流线线锻造曲轴轴切削加工工曲轴细化晶粒粒；焊合气孔孔、疏松松，消除除成分不不均匀；；热加工时时金属塑塑性好；；热加工时时金属表表面有氧氧化、对对某些金金属不易易加工、对对薄壁或或细的轧轧件不易易保温、、加工后后的强度和和硬度不不及冷变变形加工工。三、材料料的同素素异构现现象把—种金金属具有有两种或或两种以以上的晶晶格结构构称为同同素异构构性，这这种金属属的晶格格结构随随温度变变化而改改变的现现象，称称为同素素异构转转变。同素异构构转变与与液态金金属结晶晶存在着着明显区区别，主主要表现现在：同同素异构构转变时时晶界处处能量较较高，新新的晶核核往往在在原晶界界上形成成；固态态下原子子扩散比比较困难难，固态态转变需需要较大大的过冷冷；固态态转变时时会产生生体积变变化，在在金属中中引起较较大的内内应力。。纯铁的同同素异构构转变同位素、、同素异异构体、、同分异异构体的的差别同位素：：研究同种种元素的的不同原同素异构体：元素相同，晶体结构不同，如铁的三种同素异构体。同分异构体：研究分子式相同的分子的不同结构,同分异构体原子的连接顺序,方式不同,如基团位置,官能团的差异,比如乙醇和甲醚。思考题某车间用用冷拉钢钢丝绳吊吊装工件件随炉加加热到700℃，保温温1h后后起吊出出炉，钢钢丝绳突突然断裂裂，试分分析其原原因。一曲线尺尺（纯锡锡材料））经反复复弯曲发发现其逐逐渐变硬硬，在房房间内放放置一段段时间后后，其性性能恢复复如初，，试分析析其原因因。材料的同素素异构现象象第三章二二元合金相相图及其应应用（一）基本本概念在介绍合金金的结晶之之前，先介介绍几个基基本的概念念：1．合金是指由两种种或两种以以上元素经经熔炼、烧烧结或其它它方法组合合而成并具具有金属特特性的材料料。2．组元组成合金的的最基本的的、独立的的物质称为为组元。组组元可以是是元素，也也可以是稳稳定的化合合物，如Fe3C，，在铁、碳碳合金中它它也可以作作为组元3．相合金中具有有同一聚集集状态、同同一晶体结结构、成分分基本相同同并有明确确界面与其其它部分分分开的均匀匀组成部分分。这个界界面称为相相界面。4．组织是指用肉眼眼或显微镜镜所观察到到的不同组组成相的形形状、分布布及各相之之间的组合合状态称为为组织5．合金系系由两个或两两个以上组组元按不同同比例配制制成的一系系列不同成成分的合金金，称为合合金系；由由两个组元元组成的合合金系叫二二元合金系系；三个组组元组成的的合金系叫叫三元合金金系；三个个以上组元元组成的合合金系叫多多元合金系系。如铁、、碳二元合合金中，铁铁和碳可以以以不同的的比例，配配制成若干干种Fe-C二元合合金。所以以、对于Fe-C二二元合金来来说，不是是一种，而而是由不同同配比组成成的一系列列不同成分分的合金，，所以叫Fe-C二二元合金系系。不同成成分的合金金具有不同同的性能。。相图的建立立1．匀晶相相图相图（平衡图、、状态图））平衡条件下下，合金的的相状态与与温度、成成份间关系系的图形。。CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+铜-镍合金金匀晶相图图CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+纯铜熔点纯镍熔点液相线固相线液相区固相区液固两相区区匀晶合金的的结晶过程程abcdT,CtLLL匀晶转变L冷却曲线CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+匀晶合金与与纯金属不不同，它没没有一个恒恒定的熔点点，而是在在液、固相相线划定的的温区内进进行结晶。。杠杆定律CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+12acba1b1c1T1T21.在两两相区内，，对应每一一确定的温温度，两相相的成分是是确定的。。2.随着着温度的降降低，两相相的成分分分别沿液相相线和固相相线变化。。杠杆定律：在两相区内内，对应每每一确定的的温度T1，两相质质量的比值值是确定的的。即QL/Q=b1c1/a1b1杠杆定律推推论：在两相区内内，对应温温度T1时时两相在合合金b中的的相对质量量各为QL/QH=b1c1/a1c1Q/QH=a1b1/a1c1=1-QL/QH例：求30%Ni合合金在1280时相的的相对量CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+ac30a1b1c11280C解：作成分分线和温度度线如图。。6618根据杠杆定定律推论，，Q/QH=a1b1/a1c1=12/48=1/4答：所求合金在1280时相的的相对质量量为1/4。2．共晶相相图PbSnSn%T,C铅-锡合金金共晶相图图液相线L固相线+L+L+固溶线固溶线共晶转变分分析PbSnT,CL+L+L+共晶反应线线表示从c点点到e点范范围的合金金，在该温温度上都要要发生不同同程度上的的共晶反应应。ce共晶晶点点表示示d点点成成分分的的合合金金冷冷却却到到此此温温度度上上发发生生完完全全的的共共晶晶转转变变。。dLdc+e共晶晶反反应应要要点点PbSnT,CL+

L

+L

+183ced共晶晶转转变变在在恒恒温温下下进进行行。。转变变结结果果是是从从一一种种液液相相中中结结晶晶出出两两个个不不同同的的固固相相。。存在在一一个个确确定定的的共共晶晶点点。。在在该该点点凝凝固固温温度度最最低低。。成分分在在共共晶晶线线范范围围的的合合金金都都要要经经历历共共晶晶转转变变。。X1合金金结结晶晶过过程程分分析析cefgX1T,CtLLLL+冷却却曲曲线线+ⅡⅡ1234{PbSnT,CL+

L

+L

+183cedX1合金金结结晶晶特特点点T,CtLLLL+冷却却曲曲线线+ⅡⅡ1.没没有有共共晶晶反反应应过过程程，，而而是是经经过过匀匀晶晶反反应应形形成成单单相相固相相。。2.要要经经过过脱脱溶溶反反应应，，室室温温组织织组组成成物物为+Ⅱ组织织组组成成物物组织织中中，，由由一一定定的的相相构构成成的的，，具具有有一一定定形形态态特特征征的的组组成成部部分分。。X2合金金结结晶晶过过程程分分析析（（共晶晶合合金金）X2T,CtL(+)L(+)LL(+)共晶晶体体冷却却曲曲线线(+)PbSnT,CL+

L

+L

+183cedX3合金金结结晶晶过过程程分分析析（（亚共共晶晶合合金金）X3T,CtLL+(+)++Ⅱ12(+)+PbSnT,CL+

L

+L

+183cedL+(+)+标注了了组织织组成成物的的相图图3．包包晶相相图包晶转转变：Ld+cePtAgAg%T,C铂-银银合金金包晶晶相图图L+L+L+cedfgT,CtLL+L++Ⅱ4.共共析相图图共析转变变：(+)共析体ABT,C+++cedL+L相图与性性能的关关系合金的使使用性能能与相图图的关系系●固溶溶体中溶溶质浓度度↑→→强度度、硬度度↑●组组织组成成物的形形态对强强度影响响很大。。组织越越细密，，强度越越高。2.合合金的的工艺性性能与相相图的关关系●铸造造性能液固相线线距离愈愈小，结结晶温度度范围愈愈小（如如接近共共晶成分分的合金金），则则流动性性好，不不易形成成分散缩缩孔。●锻造造、轧制制性能单相固溶溶体合金金，变变形抗力力小，变变形均匀匀，不不易开裂裂。1．铁碳碳相图2．结晶晶过程3．成分分-组织织-性能能关系4．Fe-Fe3C相图的的应用铁碳合金金的结晶晶第七讲1．铁碳碳相图(Fe-Fe3C相图)(1)Fe-Fe3C相图的组组元●Fe———α––Fe、、δ-Fe(bcc)和和γ-Fe(fcc)强度、硬硬度低，，韧性、、塑性好好。●Fe3C———熔点点高，硬硬而脆，，塑性、、韧性几几乎为零零。(2)Fe-Fe3C相图的相相●Fe3C（Cem，Cm，渗渗碳体））——复复杂晶晶体结构构●液液相L●δ相相（高高温铁素素体））——δδ–Fe（●γ●α相相（F，铁素素体）———αα-Fe（C）固溶溶体(3)相相图中中重要的的点和线线液相线ABCD固相线AHJECF包晶线HJB，包晶晶点J共晶线ECF，共晶晶点CL4.3(A2.11+Fe3C)高温莱氏氏体,Le或Ld共析线PSK，共析点SA0.77(F0.02+Fe3C)珠光体,PES线：：C在A中中的固溶溶线PQ线：：C在F中中的固溶溶线2．铁碳碳合金的的平衡结结晶过程程Fe-C合金金分类工业纯铁铁———C%≤≤0.0218%钢———0.0218%＜C%≤2.11%亚共析钢钢＜0.77%

共析析钢＝＝0.77%过过共共析钢＞＞0.77%白口铸铁铁———2.11%＜＜C%＜＜6.69%亚共晶白白口铁＜＜4.3%共共晶白口口铁＝＝4.3%过过共晶白白口铁＞＞4.3%几种常常见碳碳钢(1)工工业纯铁铁(C%≤≤0.0218%)结结晶过程程室温组织织F+Fe3CⅢ(微量)500××第八讲(2)共共析钢(C%=0.77%)结晶过程程室温组织织:层片状P(F+共析Fe3C) 500×(3)亚亚共析钢钢(C%=0.4%)结晶过程程室温组织织:F(4)过过共析钢钢(C%=1.2%)结晶过程程室温组织织:P+Fe3CII400××(5)共共晶白口口铁(C%=4.3%)结结晶过程程室温组织织:（（低温））莱氏体Le′′（P+Fe3CII+共晶Fe3C）,500××莱氏体Le′′的性能能：硬而脆标注了组组织组成成物的相相图3．铁碳碳合金的的

成分分-组织织-性能能关系含碳量与与相的相相对量关关系：C%↑→F%↓，Fe3C%↑含碳量与与组织关关系：图（a））和（b）含碳量与与性能关关系HB：取取决于相相及相对对量强度：C%=0.9%时最最大塑性、韧韧性：随随C%↑↑而↓4．铁碳碳相图的的应用钢铁选材材：相图性能用途局限性相图反映映的是平平衡状态态，与实实际情况况有较大大差异。。铸件选材材和确定定浇注温温度确定锻造造温度(在A区）制定热处处理工艺艺复习———相相与组织相：有一定的的化学成分分和晶体结构构的均匀组组成部分分。合金中有有两类基基本相——固固溶体和和化化合物组织：材料内部部的微观观形貌，，体现相相的形态态、数量量、大小小和分布布。金属材料料性能由由组织决决定，而组织由由化学成成分和工工艺过程程决定。。过共析钢钢x400第四章金金属热热处理及及材料改改性热处理的概念把固态金金属材料料在一定定介质中中的加热热、保温温和冷却却，以以改变其其组织和和性能的的一种工工艺。热处理的的分类根据加热热、冷却却方式及及钢组织织性能变变化特点点的不同同，将热热处理工工艺分类类：普通热处处理：退退火、正正火、淬淬火和回回火；表面热处处理：表表面淬火火、化学学热处理理；其他热处处理：真真空热处处理、形形变热处处理、控控制气氛氛热处理理、激光光热处理理。加热和冷冷却对临临界转变变温度的的影响1．奥氏氏体的形形成——Fe，C原子扩扩散和晶晶格改变变的过程程。共析钢加加热到Ac1以上时，，P→→A共析钢A化过程程———形形核、、长大、、Fe3C完全溶解解、C的均匀化化。亚（过））析钢的的A化———P→A后，先共共析F或Fe3CⅡ溶解。影响A转转变速度度的因素素加热温度度和速度度↑→转转变快快C%↑或或Fe3C片间距↓↓→界界面多多，形核核多→→转变变快合金元素素→A化速速度↑或或↓A晶粒粒度加热温度度，保温温时间↑→晶粒尺寸寸↓合金碳化化物↑，，C%↓↓→晶粒尺寸寸↓1.过过冷A的的等温转转变过冷A:

T<A1时，A不不稳定。。A等温转转变曲线线(TTT或C曲曲线)共析钢的的C曲曲线高温转变变，A1~550℃过过冷冷A→→P型型组织织中温转变变，550℃~MS过冷A→→贝氏氏体(B)低温转变，，MS~Mf过冷A→→马氏体(M)P型组织织——F+层层片状Fe3C珠光体P

索氏体体S屈屈氏体T层片间距：：P>S>T珠光体P，3800×索氏体S8000×屈氏体T8000×高温转变过过程———晶格改改变和Fe，C原子子扩散。中温转变（（550℃℃~MS）——C原子扩扩散，Fe原子不不扩散过冷A→→贝氏体B（碳化物+含过过饱和C的的F）上B，550~350℃产物———羽羽毛状，小小片状Fe3C分布在F间。上B强度度和韧性差差光学显微照片1300×电子显微照片5000×45钢，上B+下B，×400下B，350℃~MS产物下B韧性性高，综合合机械性能能好。F针内定向分布着细小Fe2.4C颗粒电子显微照片12000×T8钢，下B，黑色针状光学显微照片×400亚（过）共析钢过冷A的等等温转变与共析钢相相比，C曲曲线左移，，

多一条条过冷AF（Fe3CⅡ）的转变开始始线，且Ms、Mf线上（下）移。连续冷却转转变产物物CCT和和TTT曲线的比比较CCT位位于TTT曲线右右下方CCT中没没有A→→B转变变炉冷→P(V≈０)空冷→S(V≤Vk')油冷→T+M+A'(Vk'～Vk)水冷→M+A'(V≥Vk)马氏体（M）转变特特点1)无无扩散Fe和C原子子都不进行行扩散，M是体心正方的C过饱和和的F，固固溶强化化显著。2)瞬时性

M的的形成速速度很快，，

温度↓↓则转变变量↑3)不不彻底M转变总要残留少少量A，，

A中的的C%↑则则MS、Mf↓

，残余余A含量↑↑4)M形成成时体积↑↑，

造成成很大内应应力。M的形态态C%<0.25%时时，为板条M（低碳M））。板条M,平行的细板条束组成针状M（凸透镜状）C%>1.0%时，，为针状M。C%=0.25~1.0%时时，为混合M。Fe-1.8C，冷至-100℃Fe-1.8C，冷至-60℃M的性能能C%↑→→M硬硬度↑针状M硬硬度高，塑塑韧性差。。板条M强强度高，塑塑韧性较好好。亚共析钢连续冷却转转变炉冷→F+P空冷→F+S油冷→T+M水冷→M过共析钢连续冷却转转变炉冷→P+Fe3CⅡ空冷→S+Fe3CⅡ油冷→T+M+A'水冷→M+A'转变温度对共析钢硬度和韧性的影响按转变温度度的高低，，转变产物分分别是：P、S、T，上B、、下B、M，其硬度依次次增加。2.4.3钢的普普通热处理理1．退火2．正火3．淬火4．回火1．退火加热、保温温后，缓冷冷(炉冷)→近平衡组织织P（+F或Fe3CII）完全退火（亚共析钢钢）加热温度Ac3+20～30℃缓冷→F+P目的：细细化晶晶粒，均匀匀化组织降低硬度→→切削削性↑等温退火：：等温转变→→F+P，再缓缓冷球化退火（过共析钢钢）在Ac１+20～30℃等温，使使Fe3CⅡ球化，再缓冷→→球状P（F+球状状Cm）目的：硬度↓,切切削性↑,韧性↑扩散退火加热至略低低于固相线线目的：使成成分、组织织均匀再结晶退火火：加热温度TR+30～50℃目的：消除除加工硬化化去应力退火火加热温度＜＜Ac1，一一般为500～650℃目的：消除冷热加加工后的内内应力图4-11碳钢钢各种退火火的工艺规规范示意图图２．正火应用：1)钢的的最终热处处理细化晶粒，，组织均匀匀化，增加加亚共析钢钢中P(S)%→→强度度、韧性、、硬度↑2)预先先热处理———淬淬火、球化化退火前改改善组织。。3)增增加低碳钢钢的硬度，，以改善切切削加工性性能。加热温度Ac3(Accm)+30～～50℃，，空冷→S（+F或Fe3CII）3．淬火（蘸火火）加热到到Ac3、Ac1以上，，保温温，快快速冷冷却→→M。。淬火温温度1)亚亚共共析钢钢Ac3+30～～50℃℃2)过过共共析钢钢Ac1+30～～50℃℃，→M+Fe3CII+A'，，硬硬度大大。A中C%↓↓→M脆性↓↓，，残余余A%↓淬火温温度低低→M细小小，淬淬火应应力小小。冷却介介质冷却速速度：：盐水＞水＞盐浴＞油淬火方方法单介质质淬火火：水水、油油冷双介质质淬火火：水水冷+油油冷冷分级淬淬火：：＞＞Ms盐浴浴中均均温＋＋空冷冷等温淬淬火（（在在盐、、碱浴浴中））→→下下B钢的淬淬透性性淬火时时得到到M的的能力力，取取决于于临界界冷却却速度度VK。淬透性性的应应用按负载载，选选择不不同淬淬透性性的材材料。。淬硬性性：淬火火后获获得的的最高高硬度度，C%↑↑→淬淬硬性性↑影响淬淬透性性的因因素除Co外，，合金金使VK↓,淬淬透性性↑(a)完全全淬透透(b)淬透透较大大厚度度(c)淬淬透较较小厚厚度淬透性性不同同的钢钢调质质后机机械性性能的的比较较4．回火淬火后后，加加热到到Ac1以下，，保温温，冷冷却。。目的：：消除除淬火火应力力，调调整性性能。。低温回回火（（150～～250℃℃）→→回火M(过过饱和和F+薄薄片状状Fe2.4C)+A'淬火应应力↓↓，，韧性性↑，，保保持淬淬火后后的高高硬度度。用于高高C工具钢钢等。。中温回回火（（350～～500℃℃）→→回回火T(F+细细粒状状Cm)弹性极极限和和屈服服强度度↑，韧性性和硬硬度中中等。。用于弹簧等等。高温回回火（（500～～650℃℃）→→回回火S(等轴轴状F+粒状状Cm)综合机机械性性能最最好,即即强度度、塑塑性和和韧性性都较较好。。用于重要零零件。。调质处处理——淬淬火火+高高温回回火回火产产物的的组织织形态态比较较回火M××400回火T××7500回火S××7500M低低倍T××1000S××1000回火时时性能能的变变化回火温温度↑↑→→硬硬度、、强度度↓，，塑塑性性↑2.4.4钢钢的表表面热热处理理（表面面淬火火）不改变变心部部组织织，利利用快快速加加热将将表层层A化化后进进行淬淬火。。目的：：提提高高表面面硬度度，保保持心心部良良好的的塑韧韧性。。感应加加热表表面淬淬火交变磁磁场→→感感应应表面面电流流→→表表面加加热特点1)加加热速速度快快，晶晶粒度度小，，硬度度↑，，脆性性↓2)表表层层残余余压应应力→→提提高高疲劳劳强度度3)不不易氧氧化、、脱碳碳、变变形小小。4)加加热温温度和和淬硬硬层厚厚度容容易控控制。。火焰加加热表表面淬淬火（乙炔炔－氧氧等火火焰））设备简简单，，但生生产率率低。。2.4.5钢钢的化化学热热处理理将工件件置于于特定定的介介质中中加热热、保保温，，使介介质中中的活活性原原子渗渗入工工件表表层，，以改改变表表层的的化学学成分分、组组织和和性能能。分类————渗渗C、N化、、CN共渗渗、渗渗硼、、渗铬铬、渗渗Al等。钢的渗渗C——气气体体、固固体渗渗C低C钢钢在高高C介介质中中加热热到900～950℃、、保温温→→高高碳表表层（（约1.0%））目的：：表面面硬度度，耐耐磨性性↑，，心心部保保持一一定的的强度度和塑塑韧性性。渗碳后后的的的热处处理淬火直接淬淬火————晶晶粒粗粗大，，残余余A多多，耐耐磨性性低，，变形形大。。一次淬淬火————加加热温温度Ac3以上（（心部部性能能↑））或或Ac1以上（（表面面性能能↑））二次淬淬火————Ac3以上（（心部部性能能↑））+Ac1以上（（表面面性能能↑））低温回回火,150～200℃，，消除淬淬火应应力，，提高高韧性性。钢的氮氮化工件表表面渗渗入N原子子，以以提高高硬度度、耐耐磨性性，疲疲劳强强度和和耐蚀蚀性。。氮化温温度低低(500～600℃)，时时间长长（20～～50h）），渗渗层薄薄。氮化前前调质质处理理、氮氮化后后无须须淬火火。第五章章金金属材材料3.1.1碳钢的的成分分和分分类3.1.2碳钢的的牌号号及用用途3.1碳碳钢钢3.1.1碳碳钢钢的成成分和和分类类１.成成分分———w(C)≤≤2.11%Mn、、Si→固溶强强化S→热脆P→冷脆O、N、H→强度、、塑性性、韧韧性↓２.分分类1）按按C含含量分分低C钢钢w(C)≤≤0.25%中C钢钢0.25%＜＜w(C)≤≤0.6%高C钢钢w(C)＞＞0.6%2）按按质量量分（（S、、P含含量））———普普通碳碳素钢钢；优优质碳碳素钢钢；高高级优优质碳碳素钢钢。3）按按用途途分————碳碳素结结构钢钢、碳碳素工工具钢钢。3.1.2碳碳钢的的牌号号及用用途1．碳素结结构钢钢2．优质碳碳素结结构钢钢3．碳素工工具钢钢GB/T700-1988标准GB700-79标准化学成分和力学性能均须保证A类钢——保证力学性能，B类钢——保证化学成分，C类钢——保证化学成分及力学性能。Q195A1；B1Q215A2；C2Q235A3；C3Q255A4；C4Q275C5碳素结构钢新、老标准钢号对照表3-2碳素结构钢的机械性能(GB/T700-1988)牌号等级拉伸试验冲击试验屈服点s

，MPa抗拉

强度b/MPa伸长率

s

,

%温度℃V型冲击功(纵向)J钢材厚度(直径)，mm钢材厚度(直径),mm16>40~60>100~150>15016>40~60>100~150>150不小于不小于不小于Q195－195－－－315-39033－－－－－Q215A/B215195175165335-41031292726－/20－/27Q235A/BC/D235215195185375-46026242221－/200/-20－/27Q255A/B255235215205410-51024222019－/20－/27Q275－275255235225490-61020181615－－用途钢板、、钢筋筋、型型钢等等，作作桥梁梁、建建筑等等构件件。热处理理：热轧空空冷组织：S＋＋F多边型角钢螺钉、铆钉钢筋、螺纹钢建筑构件钢桥梁2．优优质碳碳素结结构钢钢牌号————如如45钢钢，，含C量为为45/10000=0.45%。。表3-4优质碳素钢的化学成分和性能钢号化学成分，%s

，MPa≥CMnSiSP08F10203540455060650.05-0.110.07-0.130.17-0.230.32-0.390.37-0.440.42-0.500.47-0.550.57-0.650.62-0.700.25-0.500.35-0.650.35-0.650.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.030.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.37<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035175205245315335355375400420(摘自GB/T699-1999)用途较重要要的零零件，，如齿齿轮、、轴、、连杆杆、弹弹簧等等。汽车曲轴热处理理：渗渗碳、、淬火火、回回火等等。3．碳素工工具钢牌号———如T12A钢，含C量量为12/1000=1.2%，，A表示高高级优质质，w(S)0.020%，w(P)0.030%。钢号C,%Mn,%Si,%S,%P,%退火后HBS,水冷淬火温度，℃T7T8T8MnT9T10MnT10T12T130.65-0.740.75-0.840.80-0.900.85-0.940.95-1.040.95-1.041.15-1.241.25-1.350.400.400.40-0.600.400.40-0.600.400.400.400.350.350.350.350.350.350.350.350.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.03518718718719219207207217800-820780-800780-800760-780760-780760-780760-780760-780表3-4碳素工具钢的化学成分和性能（淬火后HRC≥62)(摘自GB/T1298-1986)用途冲头、凿凿子、钻钻头、锉锉刀、量量规等。。螺纹量规热处理：淬火+低低温回火火组织：回火M＋粒粒状Fe3C+A'3.2.1概论3.2.2合金结构构钢3.2.3合金工具具钢3.2.4特殊性能能钢3.2合金钢3.2.1概概论１.合合金钢的的分类（按用途分分类）合金结构构钢———低低合金结结构钢、、渗C钢钢、调调质钢、、弹簧簧钢、、轴承钢钢等。合金工具具钢———刃刃具、、模具、、量具钢钢。特殊性能能钢———不不锈钢、、耐热钢钢、耐磨磨钢。２.合合金钢的的编号结构钢———如如60Si2Mn，w(C)=0.6%，，w(Si)=2%，，w(Mn)＜＜1.5%工具钢、、特殊性性能钢———如如9SiCr，w(C)=0.9%，w(Si)、w(Cr)均均＜1.5%而CrWMn中，w(C)＞＞1.0%专用钢———如如，滚动轴承钢钢GCr15，w(C)=1.0%，，w(Cr)=1.5%高级优质质钢———如如，20Cr2Ni4A3.2.2合合金结结构钢1．低合金结结构钢2．渗碳钢3．调质钢4．弹簧钢5．滚动轴承承钢1．低合合金结构构钢钢号旧钢号主要化学成分，%机械性能CMnSi，s

，MPab

，MPa5，%Q29509MnNb

12Mn0.160.80

~1.500.5529557023Q34516Mn

16MnRe0.18

~0.201.00

~1.600.5534563021~22Q39016MnNb

15MnTi0.201.00

~1.600.5539065019~20Q42014MnVTiRe

15MnVN0.201.00

~1.700.5542068018~19Q46014MnMoV

18MnMoNb0.201.00

~1.700.5546072017常用低合金结构钢的牌号、成分、性能（厚度(直径)16mm，AKV≥34J）成分——w(C)＜0.2%，，主加加元素Mn，附附加V、、Ti、、Nb。。性能——强强度、韧韧性高，，焊接、、冷成形形性能好好。(摘自GB/T1591-1994)热处理、、组织——热轧空冷冷，S＋F高压容器桥梁船舶车辆应用2．渗碳碳钢成分——w(C)=0.1～0.25%,韧韧性好好。合金金元素提提高淬透透性、耐耐磨性,细化化晶粒。。性能——渗渗层硬度度高，耐耐磨，抗抗接触疲疲劳；心心部韧性性高、强强度大。。渗C钢的牌号（摘自GB/T3077-1999）（渗C:930℃，回火：200℃）p172主要化学成分,%预备处理／淬火,℃CMnCr，Ni0.17~0.24

0.17~0.240.50~0.80

1.30~1.600.70~1.00

880／800水,油880水,油0.17~0.230.17~0.23

0.90~1.200.80~1.10

0.90~1.201.00~1.30

850油880

／870油钢号20Cr

20MnV20CrMn20CrMnTi

淬透性低中高18Cr2Ni4WA

20Cr2Ni4A0.13~0.19

0.17~0.23W0.8~1.2

0.30~0.601.35~1.65

4.0~4.51.25~1.65

3.25~3.75950

／850空

880／780

油机械性能

bMPasMPa835

785540

5909301080

735835

1180

1180835

1080aKU2J47

554755

78

63热处理组织——表层：回火M+碳碳化物+A′′；心部：低C的的回火M（+T+F）应用——耐耐磨件20Cr，小轴轴、活塞塞销、小小齿轮。。20CrMnTi，汽汽车齿轮轮。18Cr2Ni4WA，如曲曲轴、连连杆。渗碳→→淬淬火→→低低温温回火3．调质质钢成分——w(C)=0.25～～0.50%，，合金元元素消除除回火脆脆性,提提高回回火抗力力,强强化F。。性能——综综合机械械性能高高调质钢的牌号（摘自GB/T3077－1999）淬透性钢号主

要

成

分,%淬火

℃回火

℃CMnSi

Cr低450.42~

0.500.50~

0.800.17~

0.37830~

840水580~

640空40Cr0.37~

0.450.50~

0.80Cr0.8

~1.10850油500

水，油中高35CrMo0.32~

0.400.40~

0.70Cr0.8

~1.10850油550

水，油38CrMoAlA0.35~

0.42Al0.7

~1.1Cr1.35

~1.65940

水，油640

水，油40CrMnMo0.37~

0.450.90~

1.20Cr0.9

~1.20850油600

水，油机械性能

bMPasMPaaKU2J6003553940MnB0.37~

0.441.10~

1.400.20~

0.40850油500

水，油9807854798078547980835639808357198078563热处理组织——表层：回火S应用40Cr，，一般尺寸寸重要零件件，如齿轮轮、主轴。。35CrMo，较大大截面零件件，如曲轴轴、连杆。。40CrNiMo，，大截面重重载零件，，如汽轮机机主轴和叶叶轮。调质，可附附加表面淬淬火或氮化化(38CrMoAl)。汽车曲轴4．弹簧钢钢成分——w(C)=0.45～～0.70%，Si,Mn为主主要元素，，提高屈强强比。性能——σe、σs、屈强比和和疲劳抗力力高，塑性性大，耐震震动、冲击击。钢号主

要

成

分,%淬火

油

℃回火

℃机械性能

CMnSi,CrbMPasMPa10

%akkJ/m2650.62~

0.700.50~

0.800.17~

0.37840

油50010008009450850.82~

0.900.50~

0.800.17~

0.37820

油48011501000660065Mn0.62~

0.700.90~

1.200.17~

0.37830

油5401000800880060Si2Mn0.56~

0.640.60~

0.901.50~

2.00870

油48013001200580050CrVA0.46~

0.540.50~

0.80Cr0.8

~1.10850

油5001300115059800（摘自GB/T1222－1985））汽车板簧火车螺旋弹簧应用65Mn、、60Si2Mn：：汽车，拖拖拉机，机机车的板簧簧和螺旋弹弹簧。热处理热轧弹簧：：热成型→→淬火火+中中温回火→→喷丸丸冷轧弹簧：：淬火+中温回回火→冷冷成型→→去应应力→喷喷丸组织——回火火T5．滚动轴轴承钢成分——w(C)=0.95～～1.10%，主加加元素是Cr，形成成细小的碳碳化物。性能——高接接触疲劳强强度、高硬硬度和耐磨磨性，韧性性、淬透性性好。钢号主要化学成分，w/%热处理规范及性能CCrSiMn淬火℃回火℃回火后HRCGCr40.95~1.050.35~0.00.15~0.300.15~0.30800~820150~17062~66GCr150.95~1.051.40~1.650.15~0.350.25~0.45820~840150~16062~66GCr15SiMn0.95~1.051.40~1.650.45~0.750.95~1.25820~840170~200>62GMnMoVRE0.95~1.050.15~0.401.10~1.40770~810170562GSiMoMnV0.95~1.100.45~0.650.75~1.05780~820175~20062（摘自GB/T18254－－2002）应用GCr15：中小型型轴承，冷冷冲模，量量具，丝锥锥。热处理球化退火+淬火火+低低温回火冷处理，时时效（120～140℃,10～20h）：稳稳定尺寸，，去应力。。组织——回火M＋细碳碳化物＋少少量A'2．合金模具钢3．量具用钢3.2.3合合金金工工具具钢钢1．．合合金金刃刃具具钢钢（１１））性性能能要要求求高硬硬度度———机机加加工工刀刀具具HRC＞＞60高耐耐磨磨性性———刀刀具具寿寿命命和和生生产产率率↑↑组织织要求求————硬硬而而细细小小的的碳碳化化物物，，均均匀匀分分布布在在强强而而韧韧的的钢钢基基体体中中。。高的的热热硬硬性性（红硬硬性性）————高高温温下下保保持持高高硬硬度度的的能能力力，，与与回回火火稳稳定定性性有有关关。。足够够的的韧韧性性———以以承承受受冲冲击击载载荷荷（２２））低低合合金金刃刃具具钢钢成分分———w(C)=0.9~1.5%，，合合金金元元素素＜＜5%。。性能能———HRC＞＞60，，使使用用温温度度200~300℃。钢号主要化学成分，w/%热处理及性能CMnSiCr淬火℃回火℃回火后HRC9SiCr0.85~0.950.30~0.601.20~1.600.95~1.25860~880油180~20060~62CrWMn0.90~1.050.80~1.10W1.2~1.600.90~1.20820~840油140~16062~65（摘摘自自GB/T1299－－2000））热处处理理———球球化化退退火火（+机机加加工工））+淬淬火火+低低温温回回火火最终终组组织织———回回火火M+合合金金碳碳化化物物+少少量量A'应用用———如如9SiCr，，做做板板牙牙、、丝丝锥锥等等。。板牙丝锥（３３））高高速速钢钢成分分———w(C)=0.7~1.2%，，合合金金元元素素＞＞10%。。性能能高硬硬度度、、耐耐磨磨性性————VC等等弥弥散散硬硬化化高热热硬硬性性————600℃℃时时HRC≈≈62，，W2C等等提提高高热热硬硬性性。。高淬淬透透性性————尺尺寸寸不不大大时时可可空空冷冷淬淬火火，，Cr等等元元素素提提高高淬淬透透性性。。钢号主要化学成分，w，%热处理及性能CWVCrMo淬火℃回火℃回火后HRCW18Cr4V0.70~0.8017.5~19.01.00~1.403.80~4.401270~1285油550~570

三次≥63W6Mo5Cr4V20.80~0.905.50~6.751.75~2.203.80~4.404.75~5.501210~1230油540~560

三次≥63热处处理理（锻锻造造+））球化化退退火火（+机机加加工工））→淬火火+回火火锻造造目目的的——成成型型；使使铸态态粗大大碳化化物破破碎、、细化化、分分布均均匀。。淬火，1280℃℃———增增加加A、、M中中合金金含量量，提提高热热硬性性。淬火组组织（左图图）：：M+碳碳化化物+A'最终组组织（右图图）：：回火火M+粒粒状状碳化化物+少少量量A'回火，560℃℃，，三次次———W2C、VC弥弥散硬硬化，，二次次淬火火基本本消除除A'。应用——高速车车刀、、钻头头、铣铣刀等等。（２））热模模具钢钢———热热锻锻、热热挤压压、压压铸模模等。。性能——耐耐热热性、、热疲疲劳抗抗力高高。应用中小型型模具具———5CrMnMo等等。。大型模模具————3Cr2W8V等，，淬透透性好好。最终热热处理理——淬淬火火+高高温回回火最终组组织——回回火火T或回回火S3．量量具用用钢———卡卡尺尺、千千分尺尺、塞塞规等等性能——高高的硬硬度和和耐磨磨性、、良好好的尺尺寸稳稳定性性。应用简单量量具————T10A、、T12A等等。高精度度量具具———GCr15、、CrWMn等等。。最终热热处理理——淬淬火火+（（-70～-80℃））冷处理理+低低温回回火+时效处处理时效处处理：：120～130℃，，保温温几～～几十十小时时，使使M、、A'稳定，，消除除内应应力。。最终组组织——回回火火M+碳碳化化物+少少量量A'1．不锈钢钢2．耐热钢钢3．耐磨钢钢3.2.4特特殊性性能钢钢1.不不锈钢钢钢的抗抗腐蚀蚀措施施形成单单相组组织。。加入Cr，，降低低两相相的电电极电电位差差。加入Cr、、Al等等，生生成致致密的的表面面氧化化膜。。常用不不锈钢钢F型型———如如1Cr17，，化工工设备备、食食品工工业。。M型型———如如1Cr13用用于于汽轮轮机叶叶片；；3Cr13做做手手术器器具及及刀具具。A型型———如如1Cr18Ni9Ti用用于于化工工、食食品、、医疗疗行业业。不锈钢钢的成成分、、热处处理、、性能能钢号主

要

化

学

成

分,%淬火

℃回火

℃CCrNiTi类别机械性能bMPasMPa5

%HRC

HB1Cr13

0.1512~

14950~

1000水,油700~

7504Cr130.36~

0.4512~

141050~

1100油200~

300M型540345680400254159501Cr17

0.1216~

18780~

850正火0Cr18Ni9

0.0717~

198~

121010~

1150水F型A型A-F型45020552020522401831871Cr18Ni9Ti

0.1217~

199~

120.5

~0.8920~

1150水520205401871Cr21Ni5Ti0.09~

0.1420~

224.8~

5.80.35

~0.8950~

1100水,空60035020２.耐耐热钢钢抗氧化化性：：金属在在高温温下的的抗氧氧化能能力热强性性：热强性性是指指钢在在高温温下的的强度度用途：：锅炉、、燃气气轮机机等类别钢号主

要

化

学

成

分,%淬火

℃回火

℃CCrNiTiM型1Cr13

0.1512~

14950~

1000油700~

7501Cr11MoV0.11~

0.1810~

11.5Mo0.5

~0.71050~

1100空720~

740A型1Cr18Ni9Ti

0.1217~

198~

110.5

~0.8920~

1150水机械性能bMPasMPa5403454906855202055

%2040HB159159187３.耐耐磨钢钢ZGMn13热处理理：1000℃～～1100℃，，保温温，水水冷→→A，，硬度度低，，韧性性高。。性能：：工件在在工作作中受受到冲冲击变变形时时，表表层产产生加加工硬硬化，，及M转变变，硬硬度显显著提提高高，心心部保保持高高韧性性。用途：：履带、、铁道道岔道道第9章章机机械零零件失失效分分析及及选材材机械零零件的的失效效分析析；选材的的一般般原则则；选材的的实际际过程程。失效的的概念念和失失效分分析的的目的的失效的的基本本概念念：任何零零件都都具有有一定定的设设计功功能与与寿命命。当当其在在使用用过程程中，，因零零件的的外部部形状状尺寸寸和内内部组组织结结构发发生变变化而而失去去原有有的设设计功功能，，使其其低效效工作作或无无法工工作或或提前前退役役的现现象称称为失失效。。失效分分析的的目的的：就是要要分析析零件件失效效的原原因并并提出出相应应的防防止和和改进进措施施，其其结论论对零零件的的设计计、选选材、、加工工与使使用都都有重重大的的指导导意义义。失效的的形式式失效的的主要要原因因失效分分析的的工具具肉眼及及光学学显微微镜（（OM）；；扫描电电子显显微镜镜（SEM）；；透射电电子显显微镜镜（TEM）；；X射线线荧光光镜；；X射线线衍射射及立立体显显微镜镜。失效分分析的的基本本步骤骤调查取取证；；整理分分析；；断口分分析；；成分组组织性性能的的分析析与测测试；；综合分分析得得出结结果。。选材的的一般般原则则使用性性能；；工艺性性能；；经济性性能。。使用性性能选选材原原则第二十十二讲讲2）按按使用用性能能选材材的方方法与与步骤骤分析零