工学金属工艺学

工学金属工艺学第1页/共85页

第二章金属材料的基本知识

三、纯金属的结晶什么叫结晶？前面我们已经知道：金属在固态下一般都是晶体，其原子在空间呈有规律排列；而在液态下，则原子的排列并不规则。因此，金属的结晶就是金属液体转变为晶体的过程，亦即金属原子有无序到有序的排列过程。这里有两个知识点：一是什么是理论结晶温度和实际结晶温度，理论结晶温度和实际结晶温度之差称为“过冷度”；二是结晶的两个过程。下面请先看描述理论结晶温度和实际结晶温度的“纯金属的冷却曲线”。

第2页/共85页时间温度

理论结晶温度

实际结晶温度℃0纯金属的冷却曲线规律：冷却速度愈快，实际结晶温度愈低，过冷度就愈大。过冷度

液＋固区固相区

液相区开始结晶结晶完毕第3页/共85页金属结晶时随时间的增长，温度逐渐降低，为什么到实际结晶温度时会出现一个平台呢？原因是：

1.这时虽然液体金属向外散热，但其温度并没下降，这是由于在这一温度液体开始结晶，其结晶释放潜热，补偿了液体对外的热量散失。

2.温度的平衡就出现了水平台阶，这台阶对应的温度正是实际结晶温度。

3.台阶的开始时间即结晶的开始，终了时间即结晶的终了，结晶终了后就没有结晶潜热来补偿热量的散失，所以温度又开始下降。第4页/共85页

再看结晶的过程，它实际上分为“晶核的形成”和“晶核的长大”两个过程。

1.晶核的形成—当液态金属温度下降到实际结晶温度时，在某些局部微小的体积内，原子自发的聚集在一起，并按金属晶体的固有规律排列成有规则的原子集合体，形成结晶的核心，称为晶核。实际生产中，金属液体内常存在各种固态的杂质微粒。金属结晶时，依附于这些杂质的表面形成晶核比较容易。比如，铸造发动机活塞的铝合金ZL103时，加入Ti（钛）和B（硼）比不加这两种元素，晶核数增加了22.5～25倍！这种依附于杂质表面而形成晶核的过程称为非自发形核（外来形核），它在生产中所起的作用更为重要。

第5页/共85页2.晶核的长大—晶核形成后，它可以吸附周围液体中的原子，向晶核靠拢，使晶核不断长大(见下图）。

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晶粒以树枝状方式长大：晶核→长出棱角→树枝状的一次晶轴→二次晶轴→三次晶轴→四次晶轴……相邻的晶轴相遇→晶轴变粗→再生出新的晶轴……

纯金属结晶过程示意图第7页/共85页

可以看到，每个晶核长成的晶体就是晶粒。晶粒的粗细对金属的力学性能影响很大。同一成分的金属，晶粒愈细，其强度、硬度愈高，而且塑性和韧性也愈好。(当然，晶粒粗也有其特性，比如，粗晶粒的金属的耐蚀性好；作为软磁材料的纯铁，晶粒越粗大，则导磁率越大，磁滞损耗减少。)就利用金属的力学性能而言，促使和保持晶粒细化是金属冶炼和热加工过程中的一项重要任务。细化铸态金属晶粒的主要途径有：

1.加快冷却速度，以增加晶核数目。

2.在金属浇注之前，向金属液内加入变育剂（孕育剂）进行变质处理，以增加外来晶核。

3.附加机械振动、超声波振动、电磁振动等措施，输入能量，促进均匀形核，打碎枝晶，增加形核率。第8页/共85页纯铁晶粒度与力学性能的关系：晶粒度

(晶粒数/mm3)b

(N/mm2)s

(N/mm2)

(％)6.32374635.3512747044.819429410847.5第9页/共85页

形核率和长大速率与过冷度的关系曲线

金属结晶后，晶粒大小取决于形核率N和长大率G。N越大，G越小，则晶粒越细：第10页/共85页

冷却速度不同形成的晶粒度不同示意图第11页/共85页

加入孕育剂进行变质处理得到不同的晶粒大小：第12页/共85页

四、铁碳合金

（一）纯铁的同素异构转变就像碳有同素异构转变：木炭、石墨、金刚石一样，铁及锡、钛、锰等金属在结晶之后，会在不同温度范围内将呈现出不同的晶格，如纯铁就可以形成体心立方和面心立方两种晶格。这种随着温度的改变，固体金属晶格也将随之改变的现象，称为“同素异构转变”，也称“同素异晶转变”，属于金属的二次结晶或重结晶。下面请看“纯铁的同素异构转变”图。第13页/共85页时间温度1538℃1394℃912℃密度小的体心立方晶体密度大的面心立方晶体密度小的体心立方晶体7001600℃纯铁的同素异晶转变（二次结晶、重结晶）δ－Feγ－Feα－FeA（液状的奥氏体）770

无磁性区有磁性区（居里点）第14页/共85页

（二）铁碳合金的基本组织(P11)基本组织固溶体化合物—渗碳体Fe3C，（硬度极高，塑性、韧性极低，伸长率和冲击韧性为零）属单相均匀组织机械混合物，属两相混合组织珠光体P（抗拉强度高、硬度较高且仍有一定的塑性和韧性，由铁素体和渗碳体组成）莱氏体Le（由珠光体和渗碳体组成，硬度很高、塑性极差）铁素体F（含碳量少，强度和硬度不高，但韧性好）奥氏体A（力学性能与含碳量有关，强度、硬度不高，但塑性优良）第15页/共85页铁素体F奥氏体A渗碳体珠光体P莱氏体Le二次渗碳体三次渗碳体铁碳合金基本组织：第16页/共85页

（三）铁碳合金状态图从

1868年俄国学者切尔諾夫注意到只有把钢加热到某一溫度以上再快冷﹐才能使钢淬硬﹐从而有了临界点的概念起，到1899年罗伯茨-奧斯汀制定了第一张铁碳相图，随着科学技术的发展﹐铁碳平衡图得到不断的修订﹐日臻完善。铁碳平衡图相当复杂，但它也很有规律：遵循“相区接触法则”、“相律”和“杠杆定律”。对机械热加工有重要的指导意义，与“C曲线”和“CCT曲线”合称冶炼和热处理工艺的“三盏明灯”。显然，要一下子弄懂不容易，但又是学习好金属工艺学者必须跨过的门槛。下面我只做一个简介。我们就以“钢和铁的区别指标：C＝2.11％的深度解释是什么？”这个问题讲起。

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钢与铁的组织区别：

1.铁为共晶转变的产物—莱氏体或莱氏体＋渗碳体；钢则为共析转变的产物—珠光体或珠光体＋渗碳体。

2.C＝2.11％位于E点，即碳在r–Fe中的最大溶解度。在E点之右（铸铁），碳已析出为两相机械混合物；在E点之左（钢），碳仍然为单相化合物。第18页/共85页共析体共晶体过共析体过共晶体亚共析体亚共晶体（液＋固）相区液相区固相区C的溶解曲线共晶转变线共析转变线C的溶解曲线莱氏体＋渗碳体莱氏体珠光体＋渗碳体珠光体铁素体＋珠光体莱氏体＋珠光体＋渗碳体共晶点共析点第19页/共85页亚共析钢过共析钢亚共晶铸铁过共晶铸铁工业纯铁共析钢共晶铸铁第20页/共85页第21页/共85页工业纯铁共析钢亚共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁钢与铁的显微组织：第22页/共85页

五、钢的热处理钢的热处理，是将钢在固态下进行加热、保温和冷却，改变其内部组织，从而获得所需性能的一种金属加工工艺。热处理按目的、加热条件和特点不同，分为以下三类：

1.整体热处理，常用有：退火、正火、淬火和回火；

2.表面热处理，常用有：火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火；

3.化学热处理，常用有渗碳、渗氮、碳氮共渗。第23页/共85页(一）钢的热处理的基本原理

1.转变温度的表示方法实际加热转变温度（冷却转变温度）①奥氏体组织—Ac1(Ar1)②共析钢—Ac3(Ar3)③亚共析钢和过共析钢—Accm(Arcm)2.热处理的两种冷却方式：①等温冷却—将奥氏体迅速冷却至Ar1以下某个温度，等温停留一段时间，再继续冷却，见“共析钢过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）图”。②连续冷却—将奥氏体以一定的冷却速度冷却，如油冷、水冷、空冷、炉冷等，“热处理工艺曲线图”。第24页/共85页

①热处理工艺曲线图温度时间加热保温临界温度淬火（水油冷）正火（空冷）退火（炉冷）第25页/共85页

②共析钢过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）图过冷区过冷区转变区产物区马氏体转变开始线马氏体转变终了线第26页/共85页温度

时间

加温

保温

淬火

退火

正火

230℃

550℃

马氏体区

珠光体转型区

贝氏体转型区

硬度开始

开始

临界

奥氏体区

Ms线Mf线③用两种曲线近似说明不同热处理得到的钢的不同组织开始第27页/共85页C曲线在连续冷却中的应用V1－缓慢的随炉冷却V2－静止空气中冷却V3－油中冷却V4－水中快速冷却Vk－临界冷却速度第28页/共85页

共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线(CCT曲线）第29页/共85页(二）钢的退火与正火

1.退火—将工件加热、保温后，随炉缓慢冷却。目的是提高钢的塑性，降低硬度，细化晶粒，均匀组织，消除应力。常用有三种方法：①完全退火—主要用于亚共析钢，加热温度为Ac3＋20～30℃。使之完成：奥氏体→铁素体＋珠光体。②球化退火—主要用于过共析钢，加热温度为Ac1＋20～30℃。使退火后成为以铁素体为基体，分布着细小的渗碳体颗粒的钢组织，有较低的硬度和较大的韧性。③去应力退火—加热温度为500～650℃。经保温后，以200～300℃出炉空冷。由于是在A1以下进行，组织并未发生变化，内应力却消除了。第30页/共85页2.正火—把工件加热到Ac3或Accm以上30～50℃，经适当的保温后，出炉在空气中冷却。主要目的是提高机械性能，改善切削性能，为淬火做组织准备。

讨论：

退火与正火的选用原则：①从改善切削性能上考虑，中低碳钢要用正火，否则硬度太低时切削会粘刀，切屑不断；而高碳钢则正火显得硬度仍然偏高。

②从使用性能上考虑，当零件形状较复杂时，由于正火冷却速度较快，可能会使零件产生较大的内应力和变形，甚至开裂，这时则采用退火为宜。

③从生产成本上考虑，正火比退火生产周期短，设备利用率高，工艺操作简便，成本低，比较经济，在满足性能要求的前提下应优先采用正火。第31页/共85页

钢的热处理与硬度（阴影部分为合适切削加工的硬度范围）维氏硬度第32页/共85页

（三）钢的淬火与回火

1.淬火—将工件加热、保温后，进行快速冷却。主要目的是提高钢的硬度，增加工件的耐磨性。冷却速度是淬火工艺的关键。冷却速度慢，奥氏体会分解而得不到马氏体；冷却速度快，对于某些钢材和工件又容易淬裂。一种正好能获得全部马氏体所必需的最低冷却速度，称为“临界冷却速度”，见下面“理想淬火冷却曲线”示意图。淬火的临界冷却速度随钢种的不同而异。合金钢的临界冷却速度较低，可以在油中淬火以防淬裂；高碳钢的临界速度较高，需在水中淬火；至于低碳钢，由于临界速度太高，一般无法淬硬。

第33页/共85页“理想淬火冷却曲线”示意图保证得到马氏体降低冷却速度防止淬裂第34页/共85页

用末端淬火试验测量钢的淬透性：图b.40Cr钢和45钢的淬透性对比；图c.钢的半马氏区（50％M）硬度与钢的含碳量的关系。第35页/共85页

淬火得到的马氏体的显微组织板条状

针状第36页/共85页

讨论：

1.工厂常见有“淬透性与淬硬性是一个指标的两种理解”的说法——这个问题不能似是而非：

淬透性是一种热处理工艺指标，表征为工件淬火后生成马氏体的深（厚）度，因此单位为长度单位；

淬硬性则表征为工件淬火后的硬度，单位自然是硬度单位。两者不能混淆。例如低碳合金钢淬透性好，但其淬硬性却不高；高碳非合金钢的淬硬性高，但其淬透性却差。

2.工厂经常也有“由于低碳钢里碳的成分太少，所以淬不硬”的说法，刚才已指出淬不硬的原因是由于低碳钢的临界速度太高，所以是错误的。第37页/共85页2.回火—把马氏体组织的淬火钢重新加热，经适当的保温后冷却，称为回火。目的是降低淬火钢的脆性、调整内应力和稳定淬火钢的结晶组织，以获得不同要求的机械性能。因此，工件淬火后，都要及时进行回火。回火的分类：①低温回火—加热温度是150～250℃，得到的组织是回火马氏体，常用于刀具、模具、量具和滚动轴承等；②中温回火—加热温度是350～500℃，得到的组织是极细的渗碳体和铁素体的混合物，有较高的弹性和屈服强度，常用于弹簧、刀杆、轴套等；③高温回火—加热温度是500～650℃，得到的组织是细粒的渗碳体和铁素体的混合物，并有适当的强度与较高的塑性、韧性相配合的综合机械性能。高温回火又叫“调质”，常用于受力复杂的重要零件如轴类、齿轮、连杆等。第38页/共85页

珠光体组织—珠光体的基本组织是铁素体和渗碳体以片状层相间的形式存在，依片层间距不同分为：粗珠光体、珠光体、索氏体和屈氏体，其片层间距减少时，强度、硬度升高而塑性、韧性下降。第39页/共85页低温回火中温回火高温回火（调质）第40页/共85页抗拉强度

屈服强度第41页/共85页

讨论：钢的韧性与回火温度的关系（所谓“回火禁区”）第一回火禁区第二回火禁区第42页/共85页第43页/共85页第44页/共85页

（四）表面淬火是一种通过快速加热将钢件表面层很快达到淬火温度，在热量来不及传到中心时就立即迅速冷却，实现局部淬火的淬火方法。常用较多的有感应加热表面淬火法和火焰加热表面淬火法两种（见下图）。感应加热表面淬火法的基本原理有两个：一是电磁感应现象，由电产生了涡流，此涡流将电能转变成热量；二是“集肤效应”，涡流在被加热工件内沿截面的分布是不均匀的，由表层至心部呈指数规律衰减。集肤效应的经验公式：

集肤深度＝500～600／（频率）－2。加热深度与频率的图示见下面“感应加热表面淬火示意图”。第45页/共85页感应加热表面淬火示意图

火焰加热表面淬火示意图第46页/共85页

由于感应加热淬火的淬硬层深度与电流频率有关—电流频率越高，淬火后工件淬硬层越薄，工厂一般根据常用电流频率，把感应加热分为三种：①高频感应加热—常用频率200～300kHz，脆硬层深度0.5～2.5mm，适用于中小尺寸轴类零件及中小模数的齿轮等。②中频感应加热—常用频率2500～8000Hz，脆硬层深度3～8mm，适用于较大尺寸的轴和大中模数的齿轮等。③工频感应加热—电流频率50kHz，脆硬层深度10～20mm，适用于大直径轧辊、火车车轮等的表面淬火。第47页/共85页

火焰加热表面淬火生产现场第48页/共85页

（五）化学热处理是把工件放在一定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，改变表层化学成分和组织，从而达到使工件表面具有某些特殊的机械性能或物理化学性能的热处理工艺。化学热处理依照渗入的元素的不同，有渗碳（分气、液、固体法：甲烷、苯、煤油等）、渗氮（分气、液、离子法：常用氨气）、碳氮共渗（又称“氰化”，其中以渗氮为主、渗碳为次称为“软氮化”）等。任何化学热处理过程，都是通过分解、吸收和扩散三个基本过程。其中，扩散是最慢的一个过程，整个化学热速度受扩散速度所控制。第49页/共85页1.渗碳工艺：加热→通入介质（煤油）→保温→淬火→低温回火。可获得工件表面高硬度和耐磨性。

2.渗氮工艺：加热→通入氨气形成“白层”→保温。可获得的硬度、耐磨性更高，特别是提高疲劳强度，工件也不必再热处理，变形也小，但渗层薄而脆。

3.氰化工艺：加热（高温适用于低碳和低合金钢，高温适用于中碳和高速钢）→加入氨气和渗碳气体→保温。第50页/共85页渗碳工艺生产车间第51页/共85页渗氮工艺生产车间第52页/共85页

气体渗碳时渗层厚度与保温时间的关系第53页/共85页第54页/共85页六、常用的金属材料（一）碳钢的分类（课本P20）碳钢1.碳素结构钢表示方法：“Q”＋屈服点数值（Ｍｐａ）＋质量等级符号（A、B、C、D）

＋脱氧方法（F、b、Z、TZ）。3.碳素工具钢

表示方法：“T”＋碳平均含量的千分数，若为高级优质碳素工具钢则在牌号后加“A”，如“T12A”。4.铸钢表示方法：“ZG”＋屈服点数值＋抗拉强度（或旧标准：“ZG”＋碳平均含量的万分数）。2.优质碳素结构钢

表示方法：采用两位数字表示，代表该钢平均含碳量的万分数。第55页/共85页

那什么叫做“钢的脱氧方法”呢？这就要上溯到钢的铸锭工艺了。钢的浇注期或冶炼末期，根据对钢的脱氧方法的不同，可生产出镇静钢、沸腾钢和半镇静钢。

1.镇静钢—钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铝进行充分的脱氧，使钢的含氧量＜0.01％，以至钢液在凝固时不析出CO，得到成分比较均匀，组织比较致密的钢锭，这种钢就叫镇静钢。

2.沸腾钢—在冶炼末期对钢液仅进行轻度脱氧，而使相当数量的氧留在钢液中，则钢液注入刚模后，钢中的氧与碳发生化学反应，析出大量的CO，引起钢液的沸腾，这种钢就叫沸腾钢。第56页/共85页

镇静钢成分比较均匀，组织比较致密。虽然有缩孔，但切除缩孔能满足对机械性能要求高的机材用料，也可用作重要的焊接结构。第57页/共85页

沸腾钢一般是低碳钢，含硅量低，具有良好的塑性，常用于冷冲压件，如汽车的油箱、蒙皮（08F钢）。由于有气泡，故一般不会出现缩孔。轧成钢坯后，头部切除量很小，成材率高，宜于轧薄板。但成分偏析大，组织不致密，机械性能不均匀，冲击韧性值低，不适用于对机械性能要求高的零件。第58页/共85页

（二）合金钢的分类（课本P23）合金钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢不锈钢(1Cr13,1Cr17,2Cr13,3Cr13等）耐热钢(15CrMo,1Cr13Mo等）耐磨钢(GZMn13等）低合金结构钢(16Mn,15MnMO,14MnNb等)合金渗碳钢(20CrMnTi,20Cr等）合金调质钢(40Cr,35CrMo等）合金弹簧钢(60Si62Mn.50CrVA等）滚动轴承钢(GCr15,GCr9等）合金刃具钢合金模具钢合金量具钢(CrMn,CrWMn,GCr15等）低合金刃具钢(9SiCr等）高速钢(w18Cr4V等）冷作模具钢热作模具钢第59页/共85