金属材料及热处理课件

第二章金属材料及热处理第一节金属材料的物理和力学性能一、常用金属材料的物理性能×103Kg/m3的金属称为轻金属，密度大于5×103Kg/m3的金属称为重金属。2．熔点纯金属和合金从固态向液态转变时的温度称为熔点。纯金属都有固定的熔点，合金的熔点决定于它的成分。3．导热性金属材料传导热量的性能称为导热性。合金的导热性比纯金属差。导热性是金属材料的重要性能之一，在制订焊接和热处理工艺时，必须考虑材料的导热性，防止金属材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力，以免金属材料变形或破坏。4．热膨胀性金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。热膨胀的大小用线胀系数和体胀系数表示，体胀系数近似为线胀系数的3倍。在实际工作中考虑热胀性的地方很多，例如异种金属焊接时要考虑它们的热胀系数是否接近。5．导电性金属材料传导电流的性能称为导电性。衡量金属材料导电性的指标是电阻率，电阻率越小，金属导电性越好。合金的导电性比纯金属差。6．磁性金属材料在磁场中受到磁化的性能称为磁性。磁性与材料的成分和温度有关，不是固定不变的。当温度升高时，有的铁磁材料会消失磁性。二、常用金属材料的力学性能金属材料的力学性能是指在力或能的作用下，材料所表现出来的一系列力学特性，如强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等力学性能指标，反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力，它们是选用金属材料的重要依据。1.强度是指材料在外力作用下抵抗塑性变形和破裂的能力。抵抗能力越大，金属材料的强度越高。强度的大小通常用应力来表示，根据载荷性质的不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗扭强度和抗弯强度，其中常用抗拉强度作为金属材料性能的主要指标。2）抗拉强度拉伸试验时，材料在拉断前所承受的最大应力,称为抗拉强度,以符号бb表示。计算式如下：σb=Fb/So（N/mm2）

式中Fb一试样拉断前承受的最大载荷〈N〉So---试样原始横截面积(mm2)σb一抗拉强度〈MPa〉。抗拉强度是材料重要的力学性能指标,当材料所受应力达到σb时,将引起破坏。工程上不仅希望材料具有较高的屈服点,而且要求бb比бs大一些,即具有适当的屈强比〈бs/σb〉。屈强比小,说明材料的塑性贮备较高,即使应力超过бs，也不会马上断裂破坏。但屈强比过小，则会降低材料的有效利用率2)断面收缩率ψ=(S0-S1)/So×100%金属试样在拉断后，其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，以符号Ψ表示。计算式如下：

式中S0一试样原始横截面积(mm2)S1一试样拉断后缩颈处的最小横截面积(mm2)ψ一断面收缩率(%)3)弯曲角常温下，金属材料弯曲试验(也称冷弯试验)时,试件弯曲到受拉面出现裂纹前的最大角度,称为弯曲角。弯曲试验不仅可考核钢材及接头的塑性,还可发现受拉面材料中的缺陷及焊缝、热影响区与基体金属三者变形是否均匀、一致α3.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。硬度是衡量钢材软硬的一个指标,根据测量方法不同,其指标可分为布氏硬度(HBS)、洛氏硬度(HR)、维氏硬度(HV)。依据硬度值可近似地确定抗拉强度值。1）布氏硬度用一直径为D(mm)的淬火钢球或硬质合金球,施以一定的载荷F将钢球压向被测金属表面，保持一定时间后卸去载荷,再根据压痕的表面积S与载荷F计算硬度值。布氏硬度用符号（HBS、HBW）表示。当压头为淬火钢球时,布氏硬度用HBS表示,它适用于测量软钢、灰铸铁,有色金属等布氏硬度在450以下的材料；压头为硬质合金球时,用HBW表示,适用于布氏硬度值在650以下的材料。布氏硬度试验的优点是测定数据准确、稳定。通常用于测定铸铁、有色金属、低合金钢等材料以及退火、正火和调质工件的硬度测定。缺点是不宜测定高硬度或厚度很薄的材料。2）洛氏硬度洛氏硬度试验是目前应用最广的一种硬度测量方法。这种方法是测量压痕的深度，以深度值表示材料硬度。其压头分硬质和软质两种：硬质压头的顶角是120°的金刚石圆锥体,适用于淬火材料等较硬材料的硬度测定；软质压头由直径为1.588mm（1/16"）或3.175mm的淬火钢球制成，适用于退火材料、有色金属等较软材料的测定。根据试验材料种类的不同，压头材质不同，所加试验力也不同(一般分为3个等级)，通常划为A、B、C三个标尺，因此用HRA、HRB、HRC三种硬度表示。硬度值的表示是以HR符号前的数字表示，HR后面的符号表示不同的洛氏硬度，如60HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为60。洛氏硬度试验的优点是操作迅速、简便,可由硬度计的表盘直接读出硬度值，不必计算或查表；压痕小，可测量较薄工件。缺点是精确性差。3）维氏硬度维氏硬度的测定方法基本与布氏硬度相同，也是根据压痕凹陷面积及试验力来计算硬度值的，不同的是所用压头为对面夹角互为136°的金刚石正四棱锥体。5.疲劳强度金属材料在无数次重复交变载荷作用下，而不致破坏的最大应力，称为疲劳强度。实际上并不可能作无数次交变载荷试验,所以一般试验时规定,钢在经受106~107次,有色金属经受107~108次交变载荷作用时不产生破裂的最大应力,称为疲劳强度。6.蠕变在长期固定载荷作用下,即使载荷小于屈服强度,金属材料也会逐渐产生塑性变形的现象称蠕变。蠕变极限值越大,材料的使用越可靠。温度越高或蠕变速度越大,蠕变极限就越小。第二节常用金属材料的牌号、性能和用途一、钢1．钢的分类钢的分类方法很多,可以按化学成分、冶炼方法、品质、用途及金相组织等进行分类。1）按化学成分分类：碳钢、合金钢①碳钢：（非合金钢）含碳和铁两种基本元素，还存在其他少量元素Mn、Si、S、P、O、N、H等，不是特意加入的而是由于冶炼需要加入Mn铁、Si铁或无法去除的称杂质元素。按含碳量分：ⅰ低碳钢：含C≤0.25%ⅱ中碳钢：含C0.25～0.6%ⅲ高碳钢：含C＞0.6%2）按冶炼方法及脱氧程度分类①根据炼钢炉类别可分为平炉钢、转炉钢〈又分氧气吹炼和空气吹炼转炉钢〉和电炉钢（又分电弧炉钢、电渣炉钢、感应炉钢和电子束炉钢等）三大类。②根据冶炼时脱氧程度的不同,可分为沸腾钢、镇静钢及半镇静钢。沸腾钢是脱氧不完全的钢,钢在熔炼后期,钢液仅用弱脱氧剂(锰铁)脱氧,所以钢液中有相当数量的氧化铁〈FeO〉。在浇注与凝固时,由于碳与氧化铁反应,钢液不断析出一氧化碳,产生沸腾现象,故称为沸腾钢，以符号“F”表示。耐腐蚀性和力学性能差,不宜作重要结构使用。镇静钢为完全脱氧钢,浇注凝固时钢液镇静不沸腾,故称为镇静钢。这种钢冷凝后有集中缩孔,所以成材率低，成本高。但气体含量低,偏析少,时效倾向低,质量较高,因此得到广泛应用。优质钢和合金钢以及锅炉压力容器用钢多为镇静钢。镇静钢以符号"Z"表示,但一般省赂。半镇静钢为半脱氧钢。脱氧程度介于上述两者之间,用符号"b"表示。3）按品质分类根据钢中有害杂质硫(S)、磷(P)的含量,可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。①普通钢含S≤0.050%含P≤0.045%②优质钢含S≤0.035%含P≤0.035%③高级优质钢含S≤0.030%含P≤0.035%4）按用途分类钢按用途可分为结构钢、工具钢、特殊用途钢等。5）按金相组织分：钢按金相组织可分为铁素体钢、珠光体钢、马氏体钢、奥氏体钢等。2．钢号的表示方法我国钢号表示方法,根据国家标准《钢铁产品牌号表示方法》（GB221-79）中规定，采用国际化学元素符号、汉语拼音字母和阿拉伯数字并用的原则,即钢号中化学元素用国际化学符号表示;钢材名称、用途、冶炼和浇注方法等一般以汉语拼音的缩写字母来表示；钢中主要化学元素含量(百分率)采用阿拉伯数字表示。钢号中所采用的缩写字母及其含义见表2-1。

由于GB221-79标准长期未做修改，现在有些钢类，如碳素结构钢、低合金高强度钢的新标准，其钢号不再采用该标准规定的表示方法，改用按国际标准以屈服点值（MPa）表示。3．钢的种类、标准与性能

1）碳钢

①碳钢又称碳素钢，是以铁为基本成分、含有少量碳的铁碳合金。实际上，碳钢中除以碳作为主要合金元素外，还含有少量有益元素Mn和Si，Mn含量一般小于1%，个别碳钢达到1.2%，Si都在0.5%以下，另外，还含有少量杂质元素S和P。

②普通碳素结构钢

普通碳素结构钢的牌号由代表屈服点的拼音字母“Q”、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号四个部分按顺序组成，表示方法如下：

这类钢的牌号、力学性能见表2-2。

③优质碳素结构钢

优质碳素钢主要用于制造重要的机器零件、结构,其钢号用两位数字表示。两位数字表示该钢种平均含C量的万分率，如20、45钢，分别表示钢中平均含碳量为0.2%、0.45%的优质碳素结构钢。高级优质碳素钢在钢号后附加“高”或“A”字，含锰量较高的优质碳素钢,应将锰元素标出，如15Mn、60Mn等。

优质碳素结构钢的力学性能见表2-3。

④其它专业用钢

在一般碳素结构钢的基础上为满足某些专业用途的特殊需要，发展了一些专业用钢，与焊接关系密切的专门用途碳素结构钢有下列几种，力学性能见表2-4。

⑤碳素铸钢

碳素铸钢中与焊接关系密切的有：

ⅰ焊接结构用碳钢铸件（GB7659-87）这类铸件共有3个牌号，焊接性能良好，常用作一般工程的铸—焊结构件。

ⅱ一般工程用铸造碳钢（GB11352-89）这类铸件有5个牌号，总的说来，这一类铸钢较少考虑焊接性能，因此焊补时应当小心。

2）低合金强度用钢本节所述低合金强度钢是在热轧、控轧控冷及正火（或正火加回火）状态下焊接和使用，屈服强度为295～460MPa的低合金高强度结构钢。

GB/T1591-1994对低合金高强度结构钢的化学成分和力学性能要求作了规定，力学性能见表2-5。标准中钢的分类是按照钢的力学性能划分的。钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音字母Q、屈服点数值、质量等级符号三个部分按顺序排列。按照钢的屈服强度，低合金高强度钢分5个强度等级，分别是295MPa、345MPa、390MPa、420MPa及460MPa。每个强度等级又根据冲击吸收功要求分成A、B、C、D、E五个质量等级，分别代表不同的冲击韧性要求。GB/T1591-1994与GB1591-88低合金结构钢标准牌号对照见表2-6。Q345钢的屈服强度为345MPa屈服点的字母

低合金高强钢中w（C）一般控制在0.20%以下，为了确保钢的强度和韧性，通过添加适量的Mn、Mo等合金元素及V、Nb、Ti、Al等微合金化元素，配合适当的轧制工艺或热处理工艺来保证钢材具有优良的综合力学性能。由于低合金高强钢具有良好的焊接性、优良的可成形性及较低的制造成本，因此，被广泛地用于压力容器、车辆、桥梁、建筑、机械、海洋结构、船舶等制造中，已成为大型焊接结构中最主要的结构材料之一。低合金高强度钢按其用途还可分为：锅炉用钢、管线用钢、容器用钢、造船用钢及桥梁用钢等，表2-7列出了一些我国生产的低合金高强度钢的力学性能。

举例：07MnCrMoVR表107MnCrMoVR钢板化学成分（wt.%）表207MnCrMoVR钢板力学性能CMnSiPSVCrMo0.071.420.280.0250.0080.040.220.21σs(MPa）σb(MPa）δ5(%）Akv-20℃(J）56064521110,132,1123）低温钢

低温用钢主要用于低温下工作的容器、管道和结构，如液化石油气储罐、冷冻设备及石油化工低温设备等。低温用钢可分为不含Ni及含Ni的两大类，其牌号、力学性能和所属标准，如表2-8、表2-9所示。在低温用钢中常加入V、N、Nb、Ni等合金元素，如我国的低温压力容器用钢09Mn2VDR、15MnNiDR及09MnNiDR（－70℃）等、16MnDR钢可作为-40℃低温用钢。为保证低温韧性，在低温用钢中尽量降低含碳量，并严格限制S、P含量。低温用钢还有相应的铸件、锻件及管材，JB4727-1994规定的常用低合金低温钢锻件钢号有：16MnD、09Mn2VD、09MnNiD、16MnMoD、20MnMoD、08MnNiCrMoVD及10Ni3MoVD。4）耐热钢

①耐热钢的种类

碳素结构钢强度性能随着工作温度的提高而急剧下降，其极限的工作温度为350℃。在更高的温度下必须在钢中加入一定量的合金元素以提高钢的高温强度和持久强度。

在要求抗氧化和高温强度的运行条件下，各种典型耐热钢的极限工作温度示于图2-1。在不同的运行条件下，各种耐热钢容许最高工作温度列于表2-10。耐热钢按其合金成分的质量分数可分低合金、中合金和高合金耐热钢。合金元素总质量分数在5%以下的合金钢通称为低合金耐热钢，其合金系列有Mo、Cr-Mo，MO-V、Cr-Mo-V，Mn-Mo-V，Mn-Ni-Mo，和Cr-Mo-W-V-Ti-B等。对焊接结构用的低合金耐热钢，为改善其焊接性，碳的质量分数均控制在0.2%以下，某些合金成分较高的低合金耐热钢，标准规定其碳的质量分数不高于0.15%。

低合金耐热钢通常以退火状态，或正火+回火状态供货。◆合金总质量分数在2.5%以下的低合金耐热钢在供货状态下具有珠光体+铁素体组织。故也称珠光体耐热钢。◆合金总质量分数在3-5%的低合金耐热钢，在供货状态下具有贝氏体+铁素体组织，亦称为贝氏体耐热钢。常用低合金耐热钢的牌号见表2-11。

◆合金总质量分数在6%~12%的合金钢系统称为中合金耐热钢。目前，在动力、化工和石油等工业部门经常使用的中合金耐热钢有：5Cr-0.5Mo,7Cr-0.5Mo,9Cr-1MoV,9Cr1MoVNb,9Cr-2Mo等。这些中合金钢必须以退火状态或正火+回火状态供货，某些钢也可以调质状态供货。合金总质量分数在10%以下的耐热钢，在退火状态下具有铁素体+合金碳化物的组织。在正火+回火状态下，这些合金钢的组织为铁素体+贝氏体。当钢的合金总质量分数超过10%时，其供货状态下的组织为马氏体，属于马氏体级耐热钢。

合金总质量分数高于13%的合金钢称为高合金耐热钢。按其供货状态下的组织可分为马氏体，铁素体和奥氏体三种。应用最广泛的高合金耐热钢，为铬镍奥氏体耐热钢，其合金系列为：Cr-Ni，Cr-Ni-Ti，Cr-Ni-Mo,Cr-Ni-Nb，Cr-Ni-Mo-Nb，Cr-Ni-Mo-V-Nb，Cr-Ni-Si等。②耐热钢的应用范围

在常规热电站，核动力装置，石油精炼设备，加氢裂化装置，合成化工容器，宇航器械以及其他高温加工设备中，耐热钢的应用相当普遍。正确地选用耐热钢种对于保证高温高压设备长期工作的可靠性和经济性具有头等重要的意义，为此应综合考虑下列因素：

ⅰ常温和高温短时强度；

ⅱ高温持久强度和蠕变强度；

ⅲ耐蚀性、抗氢能力和抗氧化性；

ⅳ抗脆断能力；

ⅴ可加工性，包括冷、热成形性能，热切割性和焊接性；

ⅵ成本。5）不锈钢①不锈钢概述不锈钢是指主加元素铬含量能使钢处于钝化状态，又具有不锈特性的钢。为此，不锈钢w（Cr）应高于12%。此时，钢的表面能迅速形成致密的Cr2O3氧化膜，使钢的电极电位和在氧化性介质中的耐蚀性发生突变性提高。在非氧化性介质（HC1、H2SO4）中，铬的作用并不明显，除了铬外，不锈钢中还须加入能使钢钝化的Ni、Mo等其他元素。通常所说的不锈钢实际是不锈钢和耐酸钢的总称，不锈钢一般泛指在大气、水等弱腐蚀介质中耐蚀的钢，耐酸钢则是指在酸、碱、盐等强腐蚀介质中耐蚀的钢。两者在化学成分上的共同特点是w（Cr）均在12%以上，但由于合金化的差异，不锈钢并不一定耐酸，而耐酸钢一般具有良好的不锈性能。按照习惯叫法，本章将不锈钢和耐酸钢简称为不锈钢。②不锈钢的种类、化学成分及其用途

不锈钢按照组织类型，可分为五类，即铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢。

不锈钢的重要特性之一是耐蚀性，然而不锈钢的不锈性和耐蚀性都是相对的、有条件的，受到诸多因素的影响。包括介质种类、浓度、纯净度、流动状态、使用环境的温度、压力等，目前还没有对任何腐蚀环境都具有耐蚀性的不锈钢。因此，不锈钢的选用应根据具体的使用条件加以合理选择，才能获得良好的使用效果。奥氏体不锈钢在各种类型不锈钢中应用最为广泛，品种也最多。由于奥氏体不锈钢的Cr、Ni含量较高，因此在氧化性、中性以及弱还原性介质中均具有良好的耐蚀性。奥氏体不锈钢的塑韧性优良，冷热加工性能俱佳，焊接性优于其他类型不锈钢，因而广泛应用于建筑装饰、食品工业、医疗器械、纺织印染设备以及石油、化工、原子能等工业领域。

铁素体不锈钢的应用比较广泛，其中Cr13和Cr17型铁素体不锈钢主要用于腐蚀环境不十分苛刻的场合，例如室内装饰、厨房设备、家电产品、家用器具等。超低碳高铬含钼铁素体不锈钢因对氯化物应力腐蚀不敏感，同时具有良好的耐点蚀、缝隙腐蚀性能，因而广泛用于热交换设备、耐海水设备、有机酸及制碱设备等。马氏体不锈钢应用较为普遍的是Cr13型马氏体不锈钢。为获得或改善某些性能，添加Ni、Mo等合金元素，形成一些新的马氏体不锈钢，例如0Cr13Ni4Mo、0Cr16Ni5Mo等。马氏体不锈钢主要用于硬度、强度要求较高，耐腐蚀要求不太高的场合，如量具、刃具、餐具、弹簧、轴承、汽轮机叶片、水轮机转轮、泵、阀等。双相不锈钢是金相组织由奥氏体和铁素体两相组成的不锈钢，而且各相都占有较大的比例。双相不锈钢具有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的一些特征，韧性良好，强度较高，耐氯化物应力腐蚀。适于制作海水处理设备、冷凝器、热交换器等，在石油、化工领域应用广泛。沉淀硬化不锈钢是在不锈钢中单独或复合添加硬化元素，通过适当热处理获得高强度、高韧性并具有良好耐蚀性的一类不锈钢。通常作为耐磨、耐蚀、高强度结构件，如轴、齿轮、叶片等转动部件和螺栓、销子、垫圈、弹簧、阀、泵等零部件以及高强度压力容器、化工处理设备等。

③不锈钢的物理性能和力学性能

ⅰ不锈钢物理性能（导电性、导热性、线膨胀系数）

几种典型牌号（按JIS和AISI标准）不锈钢的物理性能数据列于表2-12。表中特列出碳钢的相应物理性能进行对比。由表可见，奥氏体不锈钢比电阻可达碳钢的5倍，线膨胀系数比碳钢的约大50%，而马氏体不锈钢和铁素体不锈钢的线膨胀系数大体上和碳钢的相等。奥氏体不锈钢的热导率为碳钢的1/2左右。奥氏体不锈钢通常是非磁性的。铬当量和镍当量较低的奥氏体不锈钢在冷加工变形量较大的情况下，会产生形变诱导马氏体，从而产生磁性。用热处理方法可消除这种马氏体和磁性。ⅱ不锈钢的力学性能

◆马氏体不锈钢在退火状态下，硬度最低，可淬火硬化，正常使用时的回火状态的硬度又稍有下降。

◆铁素体钢的特点是常温冲击韧性低。当在高温长时间加热时，力学性能将进一步恶化，可能导致475℃脆化、σ脆性或晶粒粗大等。◆奥氏体不锈钢常温具有低的屈强比（40%～50%），伸长度、断面收缩率和冲击吸收功均很高并具有高的冷加工硬化性。某些奥氏体不锈钢经高温加热后，会产生σ相和晶界析出碳化铬引起的脆化现象。在低温下，铁素体和马氏体不锈钢的夏比冲击吸收功均很低，而奥氏体和马氏体不锈钢则有良好的低温韧性。对含有百分之几铁素体的奥氏体不锈钢，则应注意低温下塑性和韧性降低的问题。4．常见元素在钢中的作用1）碳：CC含量越多，钢的强度、淬硬性越高，但塑性韧性越低，焊接性能越差。一般含量不超过0.25%。2）锰（Mn）作为脱氧剂加入钢液中，Mn溶入F增加强度、细化组织、提高韧性。同时可以脱S，形成MnS作为杂质含量较少（小于0.8%），对钢性能影响不大。3）硅（Si）作为脱氧剂加入钢液中，Si能溶入F有提高强度、硬度作用，但使韧性、塑性降低。在镇静钢中含量0.1～0.4%，沸腾钢约0.03～0.07%。4）硫（S）由生铁和燃料中带入钢中的有害元素以FeS形式存在。它与铁形成低熔点共晶体（985℃）分布于晶界上，当钢材在800～1200℃锻轧时，由于低熔点共晶体熔化而使钢材沿晶界开裂所以称“脆热”，因此对硫在钢中含量有严格限制。5）磷（P）由矿石生铁而来，溶入F中造成晶格畸变严重，从而使塑性和韧性大大降低，尤其在低温时韧性降低特别明显，这种现象称冷脆。所以严格限制其含量（在铁素体晶界上形成磷化物薄膜）。6）有害元素：氮（N）氧（O）氢（H）N：形成气孔疏松，使碳钢出现时效现象。O：使钢强度、塑性降低，热脆加重，疲劳强度降低。H：引起钢氢脆、白点、氢鼓泡、氢腐蚀等缺陷。7）铬和镍：Cr、Ni增大奥氏体钢的过冷度从而细化组织起强化作用，改善冲击韧性，降低冷脆转变温度，增加钢耐大气腐蚀能力。镍全部溶入F中不形成碳化物，而铬部分溶于F中，部分存在于渗碳体中，可提高渗碳体的稳定性，降低P球化倾向，防止钢的石墨化。8）钼：Mo在F中最大溶解度4%，有明显的固溶强化作用，是强碳化物形成元素。提高钢的高温强度、防止回火脆性、增加过冷度。钼的不良影响是促进钢的石墨化。所以才有从16Mo→15CrMo→12CrMo→12CrMoV→12Cr1MoV的衍变。

9）钒：V

钒是强碳化物形成元素，能在钢中形成极稳定的碳化物和氮化物，并以细小颗粒弥散分布阻止了晶粒的长大，提高了晶粒粗化温度，从而降低了钢的过热敏感性，显著提高钢的常温和高温强度及韧性，增强钢的抗氢腐蚀能力。10）钛是最强碳化物形成元素，能提高钢在高温高压下的稳定性，TiC极为稳定能细化晶粒，提高钢的强度和韧性。不锈钢中加入Ti即使钢中多余的C与之结合成TiC而使Cr全部溶入F中（在不锈钢中为稳定化元素，提高抗晶间腐蚀）。11）铌：Nb强碳化物形成元素，碳化铌具有稳定弥散可以细化晶粒，提高钢的强度和韧性，使钢有良好的抗氢性能。12）硼：B用量甚微，能提高钢的淬透性，改善钢的高温强度。13）氮：N溶入F固溶强化，与钢不形成氮化物但与其他合金形成氮化物如TiN，起细晶效果。14）稀土：Re主要成分镧、铈、镨、钕，能净化晶界上的杂质，提高钢的高温强度，改善钢中非金属夹杂物的形态，改善钢的塑性。二、有色金属1．铝及铝合金铝及铝合金按成材方式：可分为变形铝合金（LF、LY、LC、LD）和铸造铝合金（ZL）。按合金化系列，铝及铝合金可分为：1×××系（工业纯铝）2×××系（铝-铜）3×××（铝-锰）4×××系（铝-硅）5×××系（铝-镁）6×××系（铝-镁-硅）7×××系（铝-锌-镁-铜）8×××系（其他）等八类合金按强化方式，可分为热处理不可强化铝及铝合金（LF）及热处理强化铝合金。前者仅可变形强化，后者既可热处理强化，亦可变形强化。2．铜及铜合金

常用的铜及铜合金有四种：1）纯铜

因表面呈紫红色而得名，又可称红铜。它是w（Cu）不低于99.5%的工业纯铜，具有极好的导电性、导热性、良好的常温和低温塑性，以及对大气、海水和某些化学药品的耐腐蚀性。因而在工业中被广泛用于制造电工器件、电线、电缆、热交换器等。

纯铜中的所有杂质都是因冶炼过程而带入，它们都不同程度地降低纯铜的各种优良性能。其中氧、硫、铅、铋等元素还能与铜形成各种脆性化合物和低熔点共晶，增加材料的冷脆性和接头中出现热裂纹的倾向性。因此，要求w（Pb）不能超过0.03%，w(Bi)不能超过.003%，含氧和含硫量分别不超过0.03%和0.01%。磷虽然也可能与铜形成脆性化合物Cu3P，但当其含量不超过它在室温铜中的最大溶解度0.4%时，反而可作为一个良好的脱氧剂而加入到铜中。纯铜的牌号及用途是根据其含氧量不同而划分的。我国生产的纯铜种类如表2-13所示，纯铜的主要物理性能及力学性能数据见表2-14，纯铜有很好的加工硬化性能。经冷加工变形，强度可提高一倍，而塑性降低好几倍。加工硬化后的纯铜可通过退火恢复其塑性，退火温度为550～600℃。2）黄铜

黄铜原指由铜和锌组成的二元合金（铜锌合金），并因表面呈淡黄色而得名。黄铜具有比纯铜高得多的强度、硬度和耐腐蚀能力，并保持有一定的塑性，又能承受冷、热加工，因而作为结构材料在工业中得到广泛的应用。在普通黄铜中可加入少量锡、铅、锰、铁、硅等元素，但其总量≯4%，且固溶于铜中形成具有（α+β）双相组织的特殊黄铜，提高了黄铜的强度，耐蚀性和机加工性能，但对焊接性能不利。3）青铜

青铜实际上是除铜—锌、铜—镍合金以外所有铜基合金的统称，如锡青铜、铝青铜、硅青铜和铍青铜等。为了获得某些特殊性能，青铜中还加入少量的多种其他元素。青铜的主要特点是：①青铜中所加入的合金元素量大多控制在α铜的溶解度范围内，在加热冷却过程中没有同素异构转变。只有合金含量较高的某些青铜能通过热处理来改变性能。②青铜具有比纯铜，甚至比大部分黄铜高得多的强度和耐磨性，并保持一定的塑性。③除铍青铜外，其他青铜的导热性能比纯铜和黄铜降低几倍至几十倍，并具有较窄的结晶区间，因而大大改善焊接性。青铜的上述性能使它被广泛用作耐蚀性的机械结构材料、铸件材料和堆焊材料。4）白铜

白铜是铜和镍的合金。是因镍的加入使铜由紫色逐渐变白而得名。白铜是作为一种高耐蚀性能结构材料广泛应用于化工、海水工程中。在焊接结构中使用的白铜多是w(Ni)10%、20%、30%的合金。由于镍无限固溶于铜，白铜具有单一的α相组织。白铜不仅具有较好的综合力学性能，而且由于导热性接近于碳钢而变得较容易焊接，不需预热，但这些合金对于磷、硫杂质很敏感，易形成热裂纹。焊接时要严格限制这些杂质的含量。3．钛及钛合金

我国现行标准按钛合金退火状态的室温平衡组织分为α钛合金、β钛合金和α+β钛合金3类，分别用TA、TB和TC表示。钛及其合金的化学成分如表2-15所示。TA2、TA7、TC4、TC10、TB2分别是α型、α+β型和β型钛合金的代表。

工业纯钛由于塑性韧性好、耐腐蚀、焊接性好和易于成型等优点，在化学工业等领域得到广泛地应用，w（pd－钯）0.2%的Ti-0.2pd合金抗间隙腐蚀性能比工业纯钛好得多。【250吸氢，400吸氧，600吸氮】

TA7具有良好的超低温性能，氧、氮、氢等间隙元素含量很低的TA7合金（美国称ELI级）可用于液氢、液氦储箱和其他超低温构件。另外，它的综合性能和焊接性很好，在航空工业中用于制造机匣、机尾罩等。α型钛合金不能热处理强化，必要时可进行退火处理，以消除残余应力。α+β型钛合金可热处理强化，TC4钛合金是这类合金的代表。经淬火-时效处理能比退火状态抗拉强度提高180MPa。TC4合金综合性能良好，焊接性也是满意的，因此得到最广泛地应用，在航空、航天工业中应用的钛合金多是这种牌号的。这种合金的主要缺点是淬透性较差，不超过25mm。为此发展了高淬透性和强度也略高于TC4的TC10合金。TB2钛合金是近年来我国研制的高强钛合金，它属于亚稳β合金，它的强度高、冷成形性好、焊接性尚可。Ti-33Mo属于稳定β型合金，它的耐腐蚀性非常好。4．镁及镁合金镁是比铝还轻的一种有色金属，它的熔点为651℃，密度为1.74×1013kg/m3，纯镁由于强度低，所以很少用它作为工程材料，常以合金形式使用，镁合金具有较高的比强度和比刚度，并具有高的抗振能力，能承受比铝合金大的冲击载荷，此外还具有优良的切削加工性能，并易于铸造和锻压，所以在航天、航空、光学仪器、无线电技术等工业部门获得较多应用。镁的力学性能与组织状态有关，变形加工后力学性能明显提高。镁的抗拉强度与纯铝相近，但屈服强度和塑性却比铝低，这是镁及多数镁合金的一个缺点。

镁的合金化一般是利用固溶时效处理所造成的沉淀硬化来提高合金的常温和高温性能。因此，所选择的合金元素在镁基体中应具有较高的固溶度，并随温度有较明显的变化。在时效过程中能形成强化效果显著的第二相。另外，也要考虑合金元素对抗腐蚀性和工艺性能的影响。目前实际应用的镁合金，无论是铸造镁合金还是变形镁合金，主要有以下几种合金系统：高强镁合金：Mg-Al-Zn系，如MB2、MB3、ZM1；Mg-Zn-Zr系，如ZM1、MB15。耐热镁合金：Mg-RE-Zr,或Mg-RE-Mn系如ZM8、MB8。其中，ZM为铸造镁合金；MB为变形镁合金。镁合金的主要优点是能减轻产品的重量，主要缺点是在潮湿大气中耐腐蚀性能差，缺口敏感性较大。镁在水及大多数酸盐溶液中易遭腐蚀，只在氢氟酸、铬酸、碱及汽油中比较稳定。第三节热处理基本知识一、铁碳状态图基础知识1．铁碳合金的基本组织1）铁素体

碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体为铁素体，用符号F来表示。由于α-Fe是体心立方晶格，晶格间隙较小，所以碳在α-Fe中溶解度较低，在727℃时，α-Fe中最大溶碳量仅为0.0218%，并随温度降低而减少；室温时，碳的溶解度降到0.008%。由于铁素体的含碳量低，所以铁素体的性能与纯铁相似，即具有良好的塑性和韧性，强度和硬度也较低。体心立方晶格F其组织结构与组织形态如图所示。1）铁素体的特点：①在727℃有最大溶解度，为0.0218%C；②强度和硬度低，韧性塑性好。其力学性能大致为：2）试比较纯铁（＜0.02%）的性能：两者性能与晶粒大小、杂质含量有关2）奥氏体

碳溶解在γ-Fe中所形成的间隙固溶体，称为奥氏体，用符号A来表示。由于γ-Fe是面心立方晶格，晶格的间隙较大，故奥氏体的溶碳能力较强。在1148℃溶碳量可达2.11%，随着温度下降，溶解度逐渐减少，在727℃时，溶碳量为0.77%。奥氏体的强度和硬度不高，没有磁性，具有良好的塑性，，是绝大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的组织。面心立方晶格3）渗碳体

渗碳体是含碳量为6.69%的铁与碳的金属化合物。其分子式为Fe3C，常用符号Cm表示。渗碳体具有复杂的斜方晶体结构，它与铁和碳的晶体结构完全不同。它的熔点为1227℃，不发生同素异构转变。渗碳体的硬度很高，塑性很差，是一种硬而脆的组织。随着钢的含碳量的增加，其硬度、强度提高，而塑性、韧性下降。4）珠光体

珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，用符号P表示。根据渗碳体的形状，珠光体分为片状珠光体和粒状珠光体两种。根据渗碳体的大小，又可分为珠光体、索氏体（细珠光体）、屈氏体（极细珠光体）三种。珠光体、索氏体、屈氏体三者实质是同一组织，只是渗碳体片的厚度不同，因而片层间距不同而已。珠光体的力学性能介于铁素体和渗碳体之间，其硬度适中、强度比铁素体高，但脆性并不大，同时具有良好的塑性和韧性。5）马氏体马氏体是碳溶于α-Fe中形成的过饱和固溶体，用符号M表示。奥氏体发生转变时，如果冷却速度快，使碳原子来不及析出而被迫固溶于晶格中，呈过饱和状态，即形成马氏体。这时晶格发生畸变，并在晶粒之间产生内应力，增加了金属抵抗塑性变形的能力，使之具有较高硬度和强度，但塑性和韧性极低，低得几乎不能承受冲击载荷。高碳淬火马氏体（也称片状马氏体）具有很高的硬度和强度，但很脆，低碳回火马氏体（也称条状马氏体）则具有相当高的强度和较好的韧性。马氏体加热后易分解成其它组织。6）莱氏体

莱氏体是含碳量为4.3%的合金，在1148℃时从液相中同时结晶出来奥氏体和渗碳体的混合物。用符号Ld表示。由于奥氏体在727℃时还将转变为珠光体，所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，这种混合物仍叫莱氏体，用符号L´D来表示。莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度高，塑性很差。7）贝氏体

贝氏体是介于珠光体和马氏体之间的一种组织，是在铁素体基体上沉淀较细的碳化物（渗碳体）的混合组织，属于中温转变产物，用符号B表示。在不同转变温度的条件下，贝氏体的形态和性能有很大差别，可分为上贝氏体、下贝氏体及粒状贝氏体，羽毛状的上贝氏体和针片状的下贝氏体一般出现在中碳钢和高碳钢中，在低碳钢和低碳、中碳合金钢中，会出现粒状贝氏体。粒状贝氏体的形成温度高于上贝氏体，强度低，但塑性较高，上贝氏体的韧性最差，下贝氏体具有良好的综合力学性能。下贝氏体的性能比片状马氏体好，而上贝氏体的性能则不如条状马氏体。14Cr1MoR焊缝14Cr1MoR热影响区14Cr1MoR母材2．铁碳合金相图定义－用来表示在平衡状态下，不同含碳量的铁碳合金在不同温度下所处的状态、晶体结构和显微组织特征的图称为铁碳合金状态图。

合金的组织比纯金属复杂，为研究合金的组织与性能的关系，必须探求合金中各种组织形成及变化的规律。铁碳合金相图不仅可以表明平衡条件下任一铁碳合金的成分、温度与组织之间的关系，而且可以推断其性能与成分或温度的关系，因此铁碳相图是研究钢铁的成分、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。铁碳合金相图表明了不同含碳量的各铁碳合金在不同温度下的组织。含碳量小于2%的铁碳合金相图，是钢的相图，如图2-1所示。图中纵坐标表示温度，横坐标表示碳的百分含量。相图主要由标志某些特性的点和线组成图2-1铁碳合金相图（钢的部分）

1）铁碳合金的分类①

含碳量少于0.02%的铁碳合金叫工业纯铁②

0.02%～2.06%合碳量叫钢③

2.06%～6.67%合碳量叫生铁或铸铁2）铁碳合金相图中的特性点钢的相图中各重要点的特性及含碳量、温度值见表2-1。3）钢的相图中的特性线ABC线－为合金的液相线，钢加热到此线以上相应温度时，全部变成液态，而冷却到此线时，开始结晶出现固相。AHJE线－为铁碳合金的固相线，钢加热到此线相应的温度，开始出现液相，而冷却到此线时全部变成固相。PQ线－

是碳在铁素体中的溶解度线。铁素体在727℃时溶解碳量最大为0.02%，室温仅溶解0.008%的碳。GP线－

为含碳量在0.02%以下的铁碳合金，在冷却时奥氏体全部转变为铁素体的温度线，或在加热时铁素体开始转变为奥氏体的温度线。PSK线－为共析转变线，常用A1表示，经过PSK线时会发生珠光体与奥氏体之间的相互转变。表2-1钢的相图中各重要点的特性及含碳量、温度值特性点温度（℃）碳含量（%）说明A15380纯铁的熔点B14850.50包晶转变时液态合金的浓度E11482.11碳在γ-Fe中最大溶解度G9120α-Feγ-Fe纯铁的同素异晶转变点H14950.09碳在δ-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶点LB+δHAN13940γ-Feδ-Fe同素异晶转变点P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点AF+Fe3CQ6000.01碳在α-Fe中的溶解度4）钢的临界温度（过热与过冷）在实际加热和冷却时，存在过热和过冷现象，如图所示。①过热：加热时高于合金相图临界温度才发生相变的现象。

如图所示AC1、

AC3、ACm为加热时钢的临界温度；②过冷：冷却时低于合金相图临界温度才发生相变的现象。

如图所示AΥ1、AΥ2、AΥcm为冷却时钢的临界温度。这几个实际转变点的物理意义如下：Ac1：

加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度；Ar1：

冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度；Ac3：

加热时游离铁素体全部转变为奥氏体的终了温度；Ar3：

冷却时奥氏体开始析出游离铁素体的温