内蒙古工业大学机械

工程材料EngineeringMaterial

材料的性能是指材料的性质和功能。性质是本身所具有的特质或本性；功能是人们对材料的某种期待与要求中可以承担功效，以及承担该功效下的表现或能力。第一章

金属材料的机械（力学）性能

铸造性能可锻性可焊性切削加工性热处理性能

使用性能力学性能物理性能化学性能

工艺性能材料的性能第二章材料结构与金属结晶

晶体学基础知识立方晶系晶向与晶面纯金属常见的晶体结构材料的实际晶体结构金属的结晶与铸锭组织第三节纯金属常见的晶体结构结构特点:金属失去外层电子形成金属离子与自由电子，以金属键结合，呈规则排列。绝大多数呈体心立方、面心立方、密排六方这样三种晶体结构。体心立方晶格bcc面心立方晶格fcc密排六方晶格hcp铁（-Fe）、W,铬Cr、Mo、V等Al、Cu、金(Au)、Ni、Pb、（－Fe)等钛Ti、锆Zr、Mg、Zn等一、体心立方晶格（原子在体心位置排列最紧）3、原子个数：24、配位数：85、致密度：0.686、常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等1、晶格常数：a(a=b=c)2、原子半径：特征：原子位于立方体的八个顶角和体心位置，晶胞的三个棱边相等，轴间夹角为90°钢球模型晶格模型晶胞模型

a42r=：2、原子半径（在每个面上原子排列最紧）3、原子个数：44、配位数：125、致密度：0.746、常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等1、晶格常数：a二、面心立方晶格特征：原子位于立方体的八个顶角和六个面的中心位置，晶胞的三个棱边相等，轴间夹角为90°a21r=：2、原子半径3、原子个数：64、配位数：125、致密度：0.746、常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等1、晶格常数：a=bc，α=β=90º

，γ=120º三、密排六方晶格晶胞呈六方柱体，十二个顶角各有一个原子，上下底面有一个原子。晶胞内有三个原子，（3原子在底面上的投影恰为三个相间等边三角形的中心位置）中。底面边长a和高c，当原子之间距离相等时c/a=1.633最紧密结构。二、晶体中的缺陷第四节材料的实际晶体结构实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。晶体缺陷：即使在每个晶粒的内部，也并不完全象晶体学中论述的(理想晶体)那样，原子完全呈现周期性的规则重复的排列。把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。①点缺陷

空间三维尺寸都很小的缺陷(原子大小)。1、空位原因：由于结晶或变形使金属原子获得能量，脱离开平衡位置跑到间隙位置或晶体的外表面，在晶体内部便形成空位和间隙原子。离开平衡位置的原子，有两种去处：一种可能是跑到表面，此时产生的空位叫肖脱基空位，另一种可能跑到点阵间隙中，形成弗兰克尔空位。晶体中的两种空位a)肖脱基空位b)弗兰克尔空位①点缺陷b.间隙原子：位于晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子（自间隙原子），也可以是外来杂质间隙原子（杂质间隙原子）。

形成自间隙原子的同时产生一个空位，但形成自间隙原子非常困难，而金属中小原子半径的C、N、H、B易以间隙原子存在。C.置换原子：占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子。间隙原子、置换原子示意图②线缺陷—晶体中的位错线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错。位错：由于变形或结晶，晶体的一部分相对晶体的另一部分相对滑移便产生位错。

位错可以理解为已滑移区和未滑移区的边界分为刃型位错、螺型位错、混合型位错。刃型位错

螺型位错（1）刃型位错：在金属晶体中，由于某种原因，晶体的一部分沿一定晶面ABCD相对于晶体的未动（下半）部分滑移了一个原子间距d，结果在滑移面ABCD的上半部分出现多余的半原子面EFGH。该半原子面中断于EF处，象一把刀插入晶体中，刀刃为EF线，因此把半原子面EFGH与滑移面ABCD的交线EF叫做刃型位错线。HG刃型位错正刃型位错“”：原子面位于滑移面的上部；负刃型位错“┬”：原子面位于滑移面的下部。刃型位错应该是晶格畸变的中心线，实际上为几个原子间距宽的长管道。（2）螺旋位错:在切应力的作用下，位错线附近的原子按照螺旋形排列的位错形式。1、滑移面：ABCD2、位错线：bb’，是已滑移区ABbb’与未滑移区CDbb’在滑移面上的边界线。3、位错线附近的原子：上下层原子不吻合，按照螺旋形排列。4、螺旋型位错无多余半原子面。3、面缺陷第四节材料的实际晶体结构面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。面缺陷的形式：1、晶界面:位向不同的相邻晶粒之间的接触界面,随相邻晶粒位向的不同，晶界宽度为5~10个原子间距。2、亚晶界面:每个晶粒可分为若干个位向相差很小的亚晶粒。亚晶粒之间的边界叫亚晶界。

3、相界面:(两个不同类型晶体的分界面)晶界亚晶界ABCD工业纯铁的晶界T0时间温度理论冷却曲线实际冷却曲线Tn结晶平台(是由结晶潜热导致)纯金属结晶时的冷却曲线四、结晶时的宏观现象：⑴过冷现象：熔体材料冷却到理论结晶温度时，并不是立即就形成晶体，而是实际结晶温度要低于理论结晶温度，这种现象称为过冷。过冷度

ΔT=T0–Tn⑵平台现象--由于结晶时会释放结晶潜热，弥补了金属向四周散发的热量，使液态金属在结晶过程中保持温度不变，出现水平“平台”，结晶结束，温度继续均匀下降。（3）过冷度的大小取决于冷却速度，冷却速度越大，过冷度越大，即实际结晶温度越低。

理实金属结晶微观过程形核长大形成多晶体两个过程重叠交织第三章金属的塑性变形与再结晶塑性是金属的重要特性，利用金属的塑性可以把金属加工成各种制品，锻造、挤压、轧制、拉拔成各种零件成型过程都是塑性变形,而且车铣刨磨等各种切削加工中都发生塑性变形。例：自行车链条，用16Mn钢板制成，原材料是3.5mm厚板材，150HBS,σb

520Mpa

；经冷轧（塑变）后为1.2mm厚板材,275HBS,σb1000Mpa

硬度、强度提高一倍，寿命也提高一倍。

学习本章的目的和意义：我们研究金属的塑性变形及塑变后组织与性能的变化，可为我们合理选择和使用材料及制订工艺规程提供理论依据。

第一节纯金属的塑性变形一、单晶体金属的塑性变形（1）塑性变形的受力：切应力（2）塑性变形的方式：滑移和孪生。常以滑移方式发生。（3）滑移：指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。

实质：是由位错的移动来实现的。铜拉伸试样表面滑移带引入：一般情况下，金属都是多晶体，多晶体的变形与其中各个晶粒的变形行为有关，因而要了解单晶体的塑性变形。二、滑移过程正应力能使晶格的距离加大，引起晶格弹性伸长；当正应力足够大时，达到破坏原子间的吸引力，引起晶格分离，材料则出现断裂。

（a）在正应力作用下的变形abcσσ单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力（垂直于晶面）和切应力（平行于晶面）。a单晶体b弹性变形c滑移变形ττ（b）在切应力作用下的变形在切应力的作用下，先使晶格发生弹性外扭，进一步将使晶格发生滑移变形。外力去除后，由于原子到了一新的平衡位置，晶体不能恢复到原来的形状，而保留永久的变形。大量晶面的滑移将得到宏观变形效果，在晶体的表面将出现滑移产生的台阶。三、滑移变形的特点：⑴滑移只能在切应力的作用下发生。

滑移开始时，并不是所有的面同时滑动，而取决于面上的切应力的大小。产生滑移的最小切应力称临界切应力.⑵滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。对于面心立方晶格来说，A晶面是原子排列最紧的面，与相邻晶面的间距最大。晶面之间结合力最弱，再切应力的作用下，容易发生滑移。B晶面是原子排列疏松的晶面，面与面的间距较小，面间的结合力较强，不容易发生滑移。同理，可以解释为什么滑移发生在原子密度最大的晶向上。aa/2a/√2AABB⑶滑移的结果在晶体表面形成台阶。滑移的过程首先出现滑移线，后来发展为滑移带。滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍.外力在晶面上的分解切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片⑷滑移的同时伴随着晶体的转动因为晶体的两部分沿滑移面和滑移线移动后，使作用在滑移面上的正应力不在同一轴线上而形成力偶，从而使晶体发生转动。多脚虫的爬行（5）滑移是由位错运动造成如果把滑移设想为刚性整体移动，滑动所需的理论临界切应力值（刚性移动）比实际测量临界切应力值大3-4个数量级，因此滑移不能理解为原子的刚性移动。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的，位错线从一端移动到另一端。位错在运动时，只是位错附近的一部分原子移动。第二节塑性变形对组织和性能的影响

一、塑性变形对组织结构的影响金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。1、形成纤维组织：当变形量很大时，晶粒会沿着变形量最大的方向上将被拉长为纤维状，晶界变得模糊不清，形成纤维组织。2、亚结构细化：塑性变形中，位错不断运动和增殖，位错聚集并不断发生交互作用，使晶粒碎化成许多位向略有差异的小晶块，称为亚晶粒。轧制3、产生形变织构：由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的滑移面和滑移方向与形变方向趋于一致，从而使多晶体中原来空间取向互不相同的各个晶粒在空间位向上呈现一定程度的一致性，这种现象称择优取向。这种组织状态称为形变织构。根据加工方式分类：丝织构：拉拔变形过程中，晶粒取向与变形方向平行。板织构：轧制时晶粒的晶面与轧制面大致平行。形变织构使金属呈现各向异性，导致各方向变形能力不同，在深冲零件时，易产生“制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。板织构丝织构形变织构示意图各向异性导致的铜板“制耳”有无二、塑性变形对力学性能的影响

1、加工硬化：金属材料随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。根本原因：位错密度增加。冷塑性变形量，%屈服强度σs，MPa1040钢(0.4%C)黄铜铜冷塑性变形量，%伸长率Ψ，%1040钢(0.4%C)黄铜铜第三节回复与再结晶一、冷变形金属在加热时的组织和性能变化

Why？：金属经冷变形后,由于内应力的存在，组织处于不稳定状态,有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小,不稳定状态可长时间维持。生产上，如有要求其组织结构和性能恢复到原始状态，并消除残余应力，就必须进行相应的热处理。

How?:一般采用退火加热，使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。

加热温度℃黄铜㈡再结晶过程1、定义：当变形金属加热到一定温度时，原来的变形组织中重新生成并最终被无畸变晶粒取代，而且性能发生明显变化并恢复到变形前的变化过程。2、过程：首先在材料中变形严重处（即位错或其他缺陷集中处）形成新的晶核（亚晶长大说和晶界突出形核说），这些小晶粒消耗周围发生过变形的晶体而不断长大，同时也有新的小晶粒形成，直到新的晶粒全部代替变形过的晶体。这个过程也是一形核和核心长大。3、结果

材料发生了再结晶后，由于全部用新生成的晶粒替换了原发生过塑性变形的晶粒，所以材料经过再结晶后，由冷塑性变形带来的所有性能变化就全部消失，材料的组织发生了变化，性能完全彻底回到变形前的状态。（1）再结晶不是相变过程，再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。（区别于重结晶）（2）再结晶没有确定的转变温度，再结晶是在温度达到一定程度后，原子活动能力增强发生迁移进行晶格位置的重排，温度愈高，完成愈快，没有固定温度，但有一温度下限，这个温度称为再结晶开始温度。冷变形黄铜组织性能随温度的变化

4、再结晶的特点5、再结晶温度定义：经过严重变形（变形度70%以上）的金属，在约保温1小时内能够完成再结晶的温度。纯金属再结晶温度与熔点的关系：

T再≈0.4T熔其中T再、T熔为热力学温度，即绝对温度。（℃+273）金属熔点越高,T再也越高。T再℃=(T熔℃+273)×0.4–273如：Fe的T再=(1538+273)×0.4–273=451℃第四节金属的热加工

冷加工与热加工在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的。低于再结晶温度的加工称为冷加工，加工后产生加工硬化。高于再结晶温度的加工称为热加工。加工后不产生加工硬化。轧制模锻拉拔第四章结晶相图合金的相结构与组织相图知识二元相图的基本类型与分析相图与合金性能之间的关系一、概念（1）合金：由两种或两种以上金属元素或金属元素与非金属元素，经过冶炼、烧结或其他方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。黄铜（Cu+Zn），铁（Fe+C），碳钢，合金钢组元：组成合金最基本、独立的物质称为组元。组元可以是全部是金属，也可是金属与非金属。组元可以是纯元素，也可以是化合物（在研究的范围内不发生分解）根据组元数目的多少，分为二元合金、三元合金等。给定组元，可以不同比例配制出一系列成分不同的合金，这一系列合金构成合金系。Al-Cu两相合金黄铜第一节合金的相结构引入：前面我们研究了金属的空间结构，金属的塑性变形，由于纯金属种类有限，一些性能无法满足人们对材料的性能需求，在工程中，我们通常用到的是合金。（2）相：是指金属或合金中，凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。

a、具有同一化学成分。

b、结构相同。

c、合金中相与相有明显的界面。例：纯金属熔点以上为单相液体。合金固体，由一个相组成时为单相合金，有两个以上相组成的为多相合金。合金的相（晶格结构基本属性）分类：固溶体和金属化合物单相合金两相合金第一节合金的相结构固溶体：合金组元相互溶解形成固相的晶体结构与组成合金的某一组元相同，这类固相称为固溶体。特点：1）两种组元能够相互溶解。溶解度：在一定条件（温度）下，溶质组元在固溶体中的极限浓度。2）形成固相晶体结构与其中一个组元相同。3）与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般含量较多；另一组元为溶质，含量较少。1、定义2、表示方法（1)固溶体用α

、β、γ等希腊字母表示，为α

、β固溶体

；

(2)用大写英文字母表示；如A(B)表示溶质B溶入溶剂A中；Pb(Sn)表示Sn溶入Pb中形成的固溶体。(1)按溶质原子在溶剂晶格中的位置分3、分类间隙固溶体置换固溶体二、固态合金中的相——固溶体(一)置换固溶体－溶质原子置换了溶剂晶格上某些结点位置上的原子形成的固溶体。（1）保持溶剂结构（2）溶质原子占据溶剂阵点位置例：1Cr18Ni9

（奥氏体不锈钢），Cr和Ni代替了部分铁原子，形成置换固溶体。特性(二)间隙固溶体－原子半径较小的溶质原子（X）占据溶剂(过渡族元素－M)间隙位置形成的固溶体。特性1）保持溶剂结构2）溶质原子占据溶剂间隙位置3）溶质原子无序分布，故间隙固溶体永远是无序固溶体。r质/r剂<0.59，r质通常为原子半径小的非金属元素H、O、N、C、B4）C溶于α-Fe,形成间隙固溶体。二、固态合金中的相——固溶体无序固溶体－溶质在溶剂中的位置无规律。有序固溶体－溶质在溶剂中的位置有规律。（2）按溶质原子在溶剂中的溶解度无限固溶体－溶质在溶剂中的溶解度无限。如：Cu-Ni,Fe-Ni有限固溶体－溶质在溶剂中的溶解度有限。如：Cu-Zn,Cu-Sn无限固溶体置换固溶体有限固溶体间隙固溶体可能是一定是（3）按溶质原子在固溶体中的是否有规律二、固态合金中的相——固溶体（5）固溶体性能

1、由于固溶体的晶体结构与溶剂相同，固溶体的性能基本上与原溶剂的性能相近，换句话说，固溶体的性能主要决定于溶剂的性能，或在溶剂性能基础上发生一些改变。

2、固溶体的性能与原溶剂性能的差别，或称性能变化的大小，随着溶质的浓度(含量)的增加而加大。

3、以金属元素为溶剂的固溶体，随着溶质的溶入，强度和硬度将提高，称为固溶强化。（非铁金属强化的主要手段）原因：由于溶质原子溶入→晶格畸变→位错运动阻力上升→滑移变形困难→强度、硬度升高。二、固态合金中的相——固溶体上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分点。杠杆定律只适用于两相区。四、杠杆定律第五章铁碳合金铁碳合金基本组元组织及其性能铁碳合金相图分析典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织碳对铁碳合金的影响Fe-Fe3C相图的应用碳钢1.铁与碳可以形成固溶体，也可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物。2.稳定的化合物可以作为一个独立的组元。3.实际生产中，钢的含碳量不超过2.11%，铁的含碳量不超过5%，而含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。第一节铁碳合金基本组元组织及其性能FeFe3CFe2C

FeCCC%(at%)→第一节铁碳合金基本组元组织及其性能一、组元的特性

1、纯铁(Fe)1538℃，7.87g/cm3（1）纯铁的同素异构转变

α-Fe——γ-Fe——δ-Fe（2）C溶入Fe中形成间隙固溶体：α、γ、δ（3）α-Fe是铁磁性物质，磁性转变温度为770℃(居里点)，超过770℃磁性消失。磁性转变不发生晶格变化。（4）工业纯铁（含碳量小于0.0218%）的力学性能特点是强度、硬度低，塑性、韧性好。

912℃1394℃2、渗碳体（Fe3C）－Cementite

Fe3C为复杂结构的间隙化合物，属于正交晶系，含碳量为6.69％。通常称为“渗碳体”，用符号Cm表示。熔点1227℃。性能：高硬度，高脆性，塑性近似为零，加热易分解。低温下(230℃以下)有铁磁性。sb=30MPaHBW=800d=0物相形貌：渗碳体根据形成条件不同，有条状、网状、片状、粒状等，对性能有较大影响。Fe3C是一个亚稳相，条件适当时，可发生分解反应：

Fe3C3Fe＋C（石墨）二、铁碳合金中的基本组织及性能1、铁素体（α相）

C溶于体心立方晶格α-Fe中的间隙固溶体，称作α相，仅由α相形成的组织称为铁素体，记为F(Ferrite)。铁素体的溶碳能力很低，在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似，室温下组织为F。抗拉强度σb＝180－280Mpa延伸率δ＝30－50％断面收缩率ψ＝70－80％硬度80HBW铁素体（白色）Fe3CⅢ

2、奥氏体（γ相）

C溶于面心立方晶格γ-Fe中的间隙固溶体，称作γ相。仅由γ相形成的组织称为奥氏体，记为A(Austenite)。奥氏体溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在奥氏体区进行。碳钢室温组织中无奥氏体。二、铁碳合金中的基本组织及性能3、高温铁素体（δ相）

C溶于体心立方晶格δ-Fe中的间隙固溶体，δ相出现的温度较高，组织形貌一般不观察，也有称高温铁素体用δ表示

。

4、渗碳体铁和碳生成的间隙化合物，记为Fe3C，也有写为Cm(Cementite)。渗碳体即是铁碳合金的组元，又是基本相和基本组织。二、铁碳合金中的基本组织及性能钢中的渗碳体5、珠光体是由α相和渗碳体的机械混合物。用P表示。在高倍显微镜下，能清楚地看到渗碳体呈片状分布于铁素体基体上。6、石墨在铁碳合金中的游离状态下存在的碳为石墨，组织记G(Graphite)。层片状珠光体二、铁碳合金中的基本组织及性能第二节铁碳合金相图铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。含碳量为0.0218%~2.11%的称钢含碳量为2.11%~6.69%的称铸铁。铁碳合金相图表示平衡条件下铁碳合金的成分、温度和状态的关系及其变化规律的图解。铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础,是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据.二、铁碳合金相图的分析⒈特性点（各特性点的符号是国际通用，不能更换）⇄⇄⇄⇄⇄9（3）共晶转变（ECF）在1148℃的恒温下，由含碳量为4.3%的液相转变为WC含量为2.11%的奥氏体和渗碳体的混合物。渗碳体和奥氏体的机械混合物称作莱氏体,用Ld表示。莱氏体中，渗碳体是连续分布的相，奥氏体呈颗粒状分布在渗碳体基体上。（4）共析转变(PSK线又称A1线)在727℃的恒温下，由Wc=0.77%的奥氏体转变为Wc=0.0218%的铁素体和渗碳体组成的混合物。共析转变生成的铁素体和渗碳体组成的混合物称为珠光体，用P表示。凡是含碳量大于0.0218%的都要发生共析转变。珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布。室温下相的相对重量百分比为：室温下组织组成物的相对重量百分比为：S’㈢亚共析钢(0.0218~0.77%C)的结晶过程亚共析钢室温下的组织为F（白色）+P（黑色）。含0.45%C钢的组织含0.20%C钢的组织含0.60%C钢的组织第六章钢的热处理第一节概述第二节钢在加热时的转变第三节钢在冷却时的转变第四节钢的退火与正火第五节钢的淬火第六节钢的淬透性第七节钢的回火第八节钢的表面淬火第九节钢的化学热处理第二节钢在加热时的转变

加热是热处理的第一道工序，大多数热处理过程，在临界点以上加热，必须先把钢加热到奥氏体化，目的是获得均匀的奥氏体组织。然后以适当的方式冷却获得期望的组织。加热时奥氏体化的化学成分、均匀化程度和晶粒大小直接影响钢的性能，因此研究钢的加热转变规律，控制和改进高温下的组织状态，对充分挖掘材料性能潜力、保证产品质量具有重要意义。一、奥氏体的形成过程1．共析钢的奥氏体化：将共析钢加热到Ac1或稍上，便发生珠光体向奥氏体的转变，此过程为共析钢的奥氏体化。奥氏体化是形核和长大的过程，分为四步。现以共析钢为例说明：

P(F+Fe3C)---->Abcc,复杂斜方

fcc-----晶格改组

0.0218%6.69%0.77%-----Fe、C原子的扩散过程要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或Accm以上。非共析钢的A化分两步：1）首先完成P的A化；2）然后发生先共析相的A化。（亚共析钢先析出相F，过共析钢先共析Fe3CⅡ）2、亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程钢种加热温度组织亚共析钢Ac3以上A共析钢Ac1以上A过共析钢Accm

以上A完全奥氏体化过程：钢种加热温度组织亚共析钢Ac1～Ac3A＋F共析钢Ac1稍上A＋Fe3C过共析钢Ac1～AccmA＋Fe3C非完全奥氏体化过程：第三节钢在冷却时的转变冷却方式通常有三种：（1）极其缓慢的冷却平衡结晶过程。（2）等温冷却将钢迅速冷却到临界点（Ar1）以下的某一温度进行保温，使其发生恒温转变；（3）连续冷却即将钢以一定的速度连续冷却，使其在临界点以下发生变温转变。引子：热处理两个重要环节：加热和冷却。加热的目的是为了获得均匀细小的奥氏体晶粒。冷却也是热处理的关键工序，因为大多数零构件在室温下工作，钢的性能取决于奥氏体冷却转变后的组织，因此研究不同冷却条件下钢的奥氏体转变规律，对正确制定热处理工艺，获得预期性能具有重要意义。过冷奥氏体：钢奥氏体化后，从高温冷却到A1以下，此时奥氏体并不立即转变，而处于热力学不稳定状态，把这种存在于A1温度以下暂未发生转变的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体。热处理工艺曲线孕育期（1）转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。（2）孕育期最小处称C曲线的“鼻尖”。孕育期最短处过冷奥氏体最不稳定，过冷奥氏体最容易转变。（3）鼻尖以上、A1以下，随着过冷度增大，孕育期缩短，过冷A稳定性降低。鼻尖以下Ms以上，随着过冷度增大，孕育期增大，过冷A的稳定性增加。原因：过冷A的稳定性取决于相变驱动力和原子扩散能力，当温度较高时，过冷度小，相变驱动力小，因而温度越高，反而稳定。鼻尖以下，温度较低，扩散困难。从而使奥氏体稳定性增加。因而出现了先稳定性降低后稳定性增加的“C”形状。转变产物：C曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物。3、C曲线的分析4、影响C曲线的因素奥氏体的成分和奥氏体化的条件是影响曲线的主要因素。⑴成分的影响（包括含碳量和合金元素的影响）①含碳量的影响：

A、亚共析钢中随着含碳量的增加C曲线向右移，说明稳定性↑，孕育期↑。（在相同的转变条件下，C的质量分数增加，铁素体形核几率减小，铁素体的长大需要扩散离去的c原子的量增大，故减慢铁素体析出，故右移），共析钢C曲线最靠右。B、过共析钢随着含碳量的增加C曲线左移，说明稳定性↓，孕育期↓。一般对过共析碳钢不进行全奥氏体化（正常加热温度是在Ac1～Accm之间），未溶二次渗碳体增加了过冷奥氏体的形核率，反而使孕育期缩短，C曲线又向左移动。C、随着含碳量增加，要碳原子充分扩散，需要更大过冷度，因而Ms与Mf点下降。亚共析钢等温转变图共析钢等温转变图过共析钢等温转变图Cr对C曲线的影响②合金元素的影响（1）除Co外,凡溶入奥氏体的合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。

a、非碳化物形成元素或弱碳化物形成元素（如Ni、Si、Cu、Mn等）只改变C曲线的位置，不改变形状。

b、碳化物形成元素（如Cr、Mo、

W、V、Ti等）不仅使C曲线的位置发生变化，还改变C曲线的形状，可使整个C曲线在鼻尖处分开形成上下两个C曲线（分别为珠光体和贝氏体转变区）。（2）除Co和Al外,所有合金元素都使Ms与Mf

点下降。4、影响C曲线的因素⑵奥氏体化条件的影响奥氏体化条件主要是奥氏体化温度和保温时间的影响。奥氏体化的温度提高和保温时间延长，会使C曲线右移。因为随着奥氏体化温度提高和保温时间的延长，奥氏体成分趋于均匀化，未溶碳化物减少，晶粒长大，晶界面积减少，从而降低了过A的形核率和可能性，增加了过冷奥氏体的稳定性，从而使C右移。但要注意奥氏体化晶粒度的影响。4、影响C曲线的因素小结：影响C曲线的因素，可以理解为凡是不利于转变形核的都要会使C曲线右移，相反会左移。如：C%(亚↑、过↓)右移；合金元素↑(除Co、Al)右移；Ｔ加↑、t保↑,C曲线向右移。V1，5.5℃/s，相当于炉冷（退火），转变产物为P；v2，20℃/s，相当于空冷（正火），转变产物为S或T；v3，33℃/s，相当于油冷，转变产物为T+M+A’；V4，138℃/s，相当于水冷，转变产物为M+A’。共析钢的CCT曲线3-3.3不同冷却速度得到的产物V1V2V3V41、冷却速度V1>V2>V3>V4，冷却速度不同，发生的转变及室温组织亦不同。2、冷速很慢时，发生转变的温度较高，转变开始和转变终了的时间较长。冷速增大，发生转变的温度降低，时间缩短，而转变经历的温度区间增大。3、冷却曲线遇终止线，P转变停止，继续冷却，还要进行M转变。如果将CCT曲线用虚线画在同一图中，比较后发现：①珠光体型转变对应转变曲线没有明显的差别，开始和结束点滞后，CCT曲线在TTT曲线的右下方，说明连续转变孕育期要长，转变温度要低一些。②贝氏体转变被抑制不能发生。在CCT曲线上有一奥氏体转变中止线，只有部分奥氏体分解，随后的一段时间内，剩余的奥氏体并不发生转变，直到马氏体点后，发生马氏体转变，所得组织为T＋M＋A’；③马氏体点及以下状态，连续冷却曲线和等温冷却转变曲线没有明显的差别。用TTT曲线定性说明共析钢连续冷却时的组织转变炉冷空冷油冷水冷PST+M+A’M+A’3-3.5共析钢CCT曲线和TTT曲线异同第四节钢的退火与正火

机械零件的一般加工工艺为：毛坯（铸、锻）→预备热处理→机加工→最终热处理。预备热处理

:

退火;正火；调质。最终热处理

:

淬火;不同的回火。4.1退火退火：将偏离平衡组织的钢加热至Ac1以上或以下温度，保温一定时间，然后缓慢冷却(炉冷、坑冷、砂冷、灰冷)，获得近似于平衡组织的热处理工艺。1、退火目的⑴调整硬度，便于切削加工。（中碳以上及合金钢）⑵

消除内应力和加工硬化，防止加工中变形。⑶均匀组织，细化晶粒，为最终热处理作组织准备。真空退火炉退火的种类很多，按照加热温度划分：（1）完全退火（2）等温退火（3）球化退火（4）扩散退火（5）去应力退火（6）再结晶退火2、退火种类加热温度范围定义：完全退火是将钢件加热到Ac3以上30~50℃，经完全奥氏体化后进行缓慢冷却(随炉冷却或埋入石灰、干沙中自然冷却)，至600℃空冷，以获得近似于平衡组织的热处理工艺。目的：细化晶粒、均匀组织，消除内应力，降低硬度，便于加工。用途：适用于亚共析钢（wc=0.3—0.6%）。不适用于低碳钢和过共析钢（低碳钢冷却后硬度不足，不利于切削加工，过共析钢析出二次渗碳体，强度塑性韧性↓）。室温组织：P+F，可认为是平衡组织。⑴完全退火加热速度：100-200℃/h保温时间：τ=KD其中：K为加热系数，1.5-2.0min/mm。D为工件厚度。（1）保证工件要烧透。（2）保证全部奥氏体化。冷却速度：30-120℃/h

定义：将亚共析钢加热到Ac3+30~50℃,共析、过共析钢加热到Ac1+30~50℃，保温后，快冷到Ar1以下的某一温度下停留，待相变完成后出炉空冷，使奥氏体转变为珠光体的热处理工艺。

目的：等温退火与完全退火的目的一致，不但可缩短工件在炉内停留时间，提高生产效率，而且在同一温度下发生的转变，获得的组织和性能均匀。

组织：球状P或F+P

用途：等温退火主要用于亚、共、过共析钢。高速钢等温退火与普通退火的比较⑵等温退火

高速钢等温退火工艺曲线（3）球化退火（不完全退火）

（1）定义：将过共析钢加热到Ac1以上10~20℃，充分保温，使二次渗碳体球化，然后随炉缓冷的热处理工艺。（2）特点：低温短时间加热和缓慢冷却。当加热温度超过Ac1时，渗碳体刚开始溶解，又未完全溶解，层片状的渗碳体逐渐断开，形成小的链状或点状，分散在铁素体基体上。在随后的缓冷过程中，以原有的渗碳体或碳原子浓度高的地方为核心，形成颗粒状渗碳体。（3）目的：降低材料的硬度，保证足够的韧性，便于进行机械加工，均匀组织为以后淬火作好组织准备。（4）组织：球状P（5）适用：主要用于共析或过共析成分的碳钢或者合金钢。加热温度范围（4）扩散退火（均匀化退火）（1）定义：将钢加热到略低于固相线的温度，长时间保温（10~20h），缓慢冷却以消除成分偏析的热处理工艺。

（2）加热温度：略低于固相线温度。亚共析钢：T＝Ac3+（150℃～300℃)过共析钢：T＝Accm+（150℃～300℃)（3）目的：为了消除晶内偏析，使成分均匀化，实质是使合金元素的原子充分扩散。(4)适用：合金铸铁和铸锭。(5)后续处理：保温10～20小时退火后晶粒较粗大，一般还须进行完全退火或正火处理。（5）去应力退火（1）方法：将钢较慢加热到500－600℃(低于A1)，保温一定时间，后随炉慢冷到200~300℃以下出炉。（2）目的：由于温度低于A1，钢中无相变发生，组织没有明显变化，可完全消除残余内应力。（3）用途：主要用于消除锻件、铸件、焊接构件存在残余内应，或拉、拔、挤压等冷加工或机加工的变形或其它原因产生的内应力。

（6）再结晶退火（1）定义：将冷变形后的金属加热到在结晶温度以上，保持一定时间，使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒而消除加工硬化现象的热处理工艺。（2）工艺：T再+150~200℃，温度不应高于Ac1（3）用途：一般用冷塑变形的金属（1）定义：正火是将钢加热到Ac3或Accm+30~50℃,保温一定时间，然后空冷的热处理工艺。（2）加热温度：亚共析钢加热到Ac3+30~50℃共析钢加热到Ac1+30~50℃过共析钢加热到Accm+30~50℃（3）保温时间：1min/mm（工件尺寸和经验）（4）正火后的组织：

●<0.6%C时，组织为F+S；

●0.6%C时，组织为S。

正火温度二、正火1.预备热处理:

①低、中碳钢：细化晶粒、消除应力、消除带状组织，调整硬度，为机加工做准备；

②过共析钢：消除过共析钢中的网状Fe3CⅡ，为球化退火做准备.2.最终热处理:用于力学性能要求不高的普通零件。（5）正火的应用（6）正火与退火的选用异同：加热温度相同，冷却速度不同，得到的组织不同。选用原则：（1）考虑热处理后钢件的切削加工性。（加工硬度一般在170-230HBS为宜）低中碳钢宜选正火，高碳钢宜选用退火。（2）考虑使用性能：A、正火得到的工件强度和硬度稍高。B、尺寸较大或形状复杂的零件，正火的应力较大，宜选用退火。（3）经济性能：正火生产周期短，设备利用率高。不同热处理工艺下含碳量与硬度关系合适切削加工硬度工艺工艺类别加热温度冷却方式组织适用钢种退火完全退火Ac3+30-50℃随炉缓冷F+P亚共析钢等温退火Ac3+30-50℃或Ac1+30-50℃Ar1以下保温后空冷F+P、球状P亚、共、过析钢球化退火Ac1+30-50℃随炉缓冷球状P共、过析钢去应力退火500-600℃随炉缓冷至200-300℃铸、锻、焊件正火Ac3+30-50℃或Ac1+30-50℃Accm+30-50℃空冷F+SWc≤0.6SWc≥0.63.5淬火组织

钢种淬火温度最终组织亚共析钢Ac3+30～50M+A’共析钢Ac1+30～50M+A’

过共析钢Ac1+30～50M+Fe3C粒+A’

二、钢在回火时的转变淬火钢回火时的组织转变主要发生在加热阶段。随加热温度升高，淬火钢的组织发生四个阶段变化。（1）马氏体分解（200℃以下）（2）残余奥氏体分解（200-300℃）（3）碳化物的转变（250-400℃）（4）渗碳体的聚集长大及铁素体再结晶（400℃以上）

网带式回火电炉三、回火种类根据钢的回火温度范围，可将回火分为三类。

淬火与高温回火相结合的热处理称作调质处理，简称调质.广泛用于各种结构件如轴、齿轮等热处理。也可作为要求较高精密件、量具等预备热处理。

适用于各种的切削刃具、量具、冷冲模具、滚动轴承及渗碳件。应用获得良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。（达25-35HRC）.组织具有较高弹性极限e及屈服极限s，同时具有一定韧性,达35-45HRC.在保留高硬度、高耐磨性（达58-64HRC），降低内应力和脆性。

回火目的S回

T回

M回

回火组织500-650℃350-500℃150-250℃回火温度高温回火中温回火低温回火适用于弹簧及弹性元件热处理工艺工艺类别加热温度冷却方式组织淬火单液淬火Ac3+30-50℃Ac1+30-50℃迅速冷却M+A’双液淬火快冷+慢冷M+A’分级淬火液态介质+空冷M+A’+Fe3C等温淬火稍高于Ms点盐浴等温B下回火低温回火150-250℃空冷M回中温回火350-500℃T回高温回火500-650℃S回第七节钢的淬透性引入：淬透性是钢的重要工艺性能，是指钢材被淬透的能力，也是表征钢材淬火时获得马氏体的难易程度，淬透性好，获得马氏体的能力强。是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。淬火时，工件截面上各处的冷却速度是不同的，表面的冷却速度最大，越到中心冷却速度越小，如果工件表面及中心的冷却速度都大于材料的临界冷却速度，则沿工件的整个截面均能获得马氏体组织，即钢被完全淬透了。如中心部分低于临界冷却速度，则表面得到马氏体，心部则获得非马氏体的组织。此时工件未被淬透。钢淬透性：钢在淬火后能获得淬硬层深度的一种性质。表示钢获得马氏体的能力。淬透性用淬透层深度（δ）表示淬透层深度：从表层（100％M）至半M层（50％M）的深度。特征：（1）淬透性是材料的一种特性，与试样的大小和淬火工艺无关。钢种类不同，淬透性也不一样。不能说水淬比油淬的淬透性好，或者小工件比大工件的淬透性好。（2）相同条件下，淬透性好的钢，获得的淬透层深度就越大。（3）淬透层深度不仅与淬透性有关，还与钢件的大小、淬火介质、冷却速度有关。一、淬透性概念四、钢的淬硬性

钢在理想条件下淬火所能达到的最高硬度称为钢的淬硬性。即钢在淬火时的硬化能力。钢的淬硬性主要取决于马氏体中的碳含量，也就是淬火前奥氏体中碳含量，碳含量越高，淬硬性越好。区别：淬硬性与淬透性是两个不同的概念。（硬度和深度）注意：低碳合金钢的淬透性相当好，但它的淬硬性不高。高碳工具钢的淬透性差，但它的淬硬性很高。第九节钢的化学热处理1、定义：化学热处理是将工件置于一定温度的特定介质中保温，使介质中活性原子渗入工件表层，从而改变工件表层化学成分和组织，进而改变其性能的热处理工艺。与表面淬火的区别：化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。化学热处理也是使工件获得表硬里韧性能的方法之一。2、根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗等。

可控气氛渗碳炉渗碳回火炉一、概述3、化学热处理的基本过程

（1）介质(渗剂)的分解:渗碳介质一定温度下分解，释放出活性原子。如：渗碳

CH4→2H2+[C]

氮化2NH3→3H2+2[N]

（2）工件表面的吸收:活性原子向钢的表面吸附，并进入铁的晶格内形成固溶体或化合物。（3）原子向内部扩散：被吸收的原子由表层向内部扩散，形成一定深度的扩散层。

氮化扩散层第七章合金钢第一节合金钢的分类及编号第二节

钢中的杂质及合金元素第三节结构钢第四节工具钢第五节特殊性能钢编号小结数字＋元素＋数字＋质量级别碳的质量分数：结构钢—用两位数表示含碳量万分之几工具钢—wc＜1％时，用一位数表示含碳量干分之几，

wc

＞1％时，不标。特殊性能钢—用一位数表示含碳干分之几，但当含碳少时：≤0.08%C用0表示；≤0.03%C用00表示.合金元素的质量分数：（除滚动轴承钢、低铬合金中的Cr表示干分之几外）都表示百分之几≤1.5％时，不标；

1.5％-2.49％—标2；

2.5％-3.49％—标3……合金结构钢钢种钢号合金元素的主要作用热处理特点使用状态下组织用途普低钢Q345（16Mn）Mn:强化F，增加P量，降低冷脆转变温度热轧空冷F+P桥梁、轮船、压力容器渗碳钢20CrMnTiCr:提高淬透性，强化F渗碳+淬火+低温回火表:M回+颗粒状碳化物+A’心:M回+F变速箱齿轮调质钢4540CrCr:提高淬透性，强化F调质处理S回轴、连杆弹簧钢60Si2Mn50CrVMn:提高淬透性，强化FSi：提高弹性极限淬火+中温回火T回弹簧及弹性元件滚动轴承钢GCr15GCr15SiMnCr:提高淬透性，耐磨性、耐蚀性淬火+低温回火M回+颗粒状碳化物+A’(少量)滚动轴承钢分类钢种钢号合金元素作用热处理工艺组织用途工具钢碳素刃具钢TA7-TA13

淬火+低温回火

M回+Fe3C+A’锯条、锉刀低合金刃具钢9SiCrCr:提高淬透性淬火+低温回火M回+颗粒状碳化物+A’(少量)板牙、丝锥、铰刀高速钢W18Cr4VW6Mo5Cr4V2V:提高耐磨性、热硬性淬火+低温回火M回+颗粒状碳化物+A’(少量)车刀、铣刀模具钢热作模具钢5CrNiMo5CrNiMoCr、Ni:提高淬透性，强化FMo:防止高温回火脆性淬火+高温回火S回热锻模、热镦、热挤压冷作模具钢Cr12MoVMo:细化晶粒，提高耐磨性淬火+低温回火M回+颗粒状碳化物+A’(少量)冷冲模、冷镦模量具钢量具钢CrWMn

淬火+低温回火

M回+颗粒状碳化物+A’(少量)不锈钢马氏体不锈钢1Cr13、2..Cr:提高耐蚀性淬火+高温回火S回汽轮机叶片、医疗器械铁素体不锈钢1Cr17Cr:提高耐蚀性不需热处理F耐蚀构件奥氏体不锈钢1Cr18Ni9TiTi:防止晶间腐蚀固溶处理A不锈钢管、耐酸设备耐热钢马氏体耐热钢（Cr13型）发动机排气阀、高压燃气轮机叶片奥氏体型耐热钢1Cr18Ni9Ti610℃以下工作的过热管道耐磨钢耐磨钢ZGMn13Mn:获得单相A组织水韧处理表:M+碳化物心:A履带、道岔第七章铸铁第一节概述第二节常用铸铁

1、灰铸铁

2、可锻铸铁

3、球墨铸铁

4、蠕墨铸铁