金属材料及热处理知识 第2版 课件 第1-4章 金属材料的性能-钢的热处理

金属材料及热处理知识第2版第一章金属材料的性能第二章金属的晶体结构与结晶第三章铁碳合金相图第四章钢的热处理第五章非合金钢（碳素钢）第六章低合金钢与合金钢第七章铸铁第八章非铁金属(有色金属)第九章其他常用工程材料第一章金属材料的性能第一节金属材料的力学性能1.载荷（1）静载荷力的大小和方向不变或变化缓慢的载荷，如静拉力、静压力等。（2）动载荷力的大小或方向随时间发生改变的载荷，如冲击载荷、交变载荷等。2.应力3.变形（1）弹性变形去除外力后，物体的变形能完全恢复原状。（2）塑性变形去除外力后，物体的变形不能完全恢复，而产生永久变形。一、强度1.拉伸试样第一节金属材料的力学性能第一节金属材料的力学性能2.拉伸曲线1）0e为弹性变形阶段，试样的伸长量与拉伸力成正比，若此时卸去载荷，试样能恢复原状。2）e点以后，开始塑性变形，到达s点后出现水平或锯齿形线段，这种现象称为屈服。第一节金属材料的力学性能3）随后为强化阶段，拉仲力随着伸长量的增加而增加，试样产生均令的塑性变形，并出现了强化。4）b点为试样能承受的最大载荷，此时试样局部横截面缩小，出现缩颈现象，变形主要集中在缩颈处，直至试样被拉断。第一节金属材料的力学性能3.强度判据（1）屈服强度金属材料出现屈服现象时，在试验期间产生塑性变形而拉伸力不增加的应力点。（2）抗拉强度（Rm）拉伸试验时，相应最大拉伸力时的应力，也表示材料能够承受的最大应力值。二、塑性1.断后伸长率(

A

)2.断面收鏥率（Z）（1）求S0和Su第一节金属材料的力学性能（2）求断面收缩率Z和断后伸长率A（3）求曲服强度ReL、抗拉强度Rm第一节金属材料的力学性能三、硬度布氏硬度(HBW)第一节金属材料的力学性能2.洛氏硬度(HR)第一节金属材料的力学性能3.维氏硬度(HV)1）硬度为200~600HBW时，1HRC相当于10HBW。2）硬度小于450HBW时，1HBW相当于1HV。第一节金属材料的力学性能四、韧性1.冲击吸收能量（K）第一节金属材料的力学性能2.韧脆转变温度3.小能量多次冲击试验的概念第一节金属材料的力学性能五、疲劳1.疲劳现象2.疲劳极限（𝜎D）3.提高疲劳极限的途径第一节金属材料的力学性能第二节金属材料的物理性能与化学性能一、金属材料的物理性能1.密度第二节金属材料的物理性能与化学性能2.熔点3.电性能4.热性能（1）热导率金属导热性能的好坏用热导率入表示。第二节金属材料的物理性能与化学性能（2）热膨胀性材料随温度的改变而出现体积变化的现象称为热膨胀性。第二节金属材料的物理性能与化学性能5.磁性（1）磁导率𝜇（𝜇=B/H）表示铁磁材料磁化曲线上某一点的磁感应强度B与外磁场强度H的比值。（2）磁饱和强度Bi表示材料能达到的最大磁化强度。（3）剩磁Br表示外磁场退为零时，材料的剩余磁感应强度。（4）矫顽力Hc

表示要使磁感应强度降为零，必须加反方向的磁场Hc。第二节金属材料的物理性能与化学性能二、金属材料的化学性能1.耐蚀性2.高温抗氧化性第三节金属材料的工艺性能一、铸造性能1.流动性2.收缩性二、压力加工性能三、焊接性能第三节金属材料的工艺性能四、热处理性能五、切削加工性能第三节金属材料的工艺性能第二章金属的晶体结构与结晶第一节金属的晶体结构一、晶体结构的基本知识1.晶体与非晶体2.晶格与晶胞第一节金属的晶体结构第一节金属的晶体结构二、纯金属的晶体结构1.常用金属的晶体结构（1）体心立方晶格其晶胞是一个立方体，立方体的8个顶角和立方体的中心各分布着一个原子，如图2-3a所示。（2）面心立方晶格其晶胞是一个立方体，立方体的8个顶角和6个面的中心各分布着一个原子，如图2-3b所示。（3）密排六方晶格其晶胞是一个上、下底面为正六边形的六柱体，在六柱体的12个顶角和上、下底面的中心各分布着一个原子，六柱体的中间还有3个原子，如图2-3c所示。第一节金属的晶体结构第一节金属的晶体结构2.金属的同素异晶转变第一节金属的晶体结构3.实际金属的晶体结构第一节金属的晶体结构三、合金的组织结构1.合金的基本概念2.固溶体（1）固溶体的类型根据溶质原子在晶格中占据位置的不同，分为置换固溶体和间隙固溶体两类，如图2-6所示。第一节金属的晶体结构（2）固溶体的性能无论形成哪种固溶体，都将破坏原子的规则排列，使晶格发生畸变，如图2-7所示。3.金属化合物第二节金属的结晶一、纯金属的结晶1.冷却曲线与过冷度第二节金属的结晶2.纯金属的结晶过程（1）形核金属液在过冷的条件下，某些局部微小的区域内的原子首先自发地聚集在一起，这种原子规则排列的细小聚合体称为晶核，这种形核方式称为自发形核；另一种形核方式是非自发形核，即金属液中自带或人工加入的细微固态颗粒作为结晶的核心。（2）长大晶核形成后，金属液中的原子不断向晶核表面迁移，使晶核不断长大，与此同时，不断有新的晶核产生并长大，直至金属液全部消失。第二节金属的结晶第二节金属的结晶二、晶粒大小与控制措施第二节金属的结晶（1）增加过冷度一般来说，随着过冷度的增加，形核数目和长大速度都会增加，但形核数目的增加比长大速度增加得快，因此，通过增加过冷度，即加快冷却速度，可使晶粒细化。（2）变质处理在金属中加入少量变质剂（高熔点的固体微粒），以增加结晶核心的数目，从而细化晶粒，这种方法称为变质处理。第二节金属的结晶第三章铁碳合金相图第一节铁碳合金的基本组织1.铁素体(F)第一节铁碳合金的基本组织2.奥氏体（A）3.渗碳体（Fe3C）4.珠光体（P）5.莱氏体（Ld）第二节Fe-Fe3C相图第二节Fe-Fe3C相图一、Fe-Fe3C相图分析1.Fe-Fe3C相图的特性点第二节Fe-Fe3C相图2.Fe-Fe3C相图的特性线第二节Fe-Fe3C相图3.Fe-Fe3C相图的相区第二节Fe-Fe3C相图二、铁碳合金的分类及平衡组织1.铁碳合金的分类第二节Fe-Fe3C相图2.典型铁碳合金的结晶及平衡组织（1）工业纯铁工业纯铁中碳的质量分数小于0.0218%，根据Fe-Fe3C相图可知，其室温组织为铁素体，如图3-4所示。（2）钢钢是工业中最常用的材料，其特点是在高温固态下能获得单相奥氏体组织，具有良好的塑性，因而可进行锻压加工。1）共析钢：根据Fe-Fe3C相图可知，碳的质量分数为0.77%的共析钢从液态冷却至AC线时开始从液相中结晶出奥氏体，随后奥氏体不断增多，液相不断减少；当冷却至AE线时，结晶终了，全部较变为单相奥氏体；然后冷却到共析线即PSK线，开始发生共析转变，即由與氏体转变为共析珠光体组织;以下冷却组织不再变化。第二节Fe-Fe3C相图第二节Fe-Fe3C相图2）亚共析钢：根据Fe-Fe,C相图可知，碳的质量分数在0.0218%~2.11%范围内任意一个确定成分的亚共析钢冷却至AE线结晶结束，组织为单相奥氏体；当继续冷却至CS线时，先由奥氏体中析出铁素体，获得铁素体和奥氏体;然后冷却至共析线即PSX线，奥氏体再转变为珠光体；以下冷却组织基本不再变化。第二节Fe-Fe3C相图3）过共析钢：任意成分的过共析钢冷却至AE线结晶结束时，组织也为单相奥氏体；当继续冷却至ES线时，先由奥氏体中析出二次渗碳体，然后冷却至共析线即PSK线，奥氏体再转变为珠光体；继续冷却，组织基本不再变化。第二节Fe-Fe3C相图(3）白口铸铁白口铸铁的特点是在液态下结晶时，全部或部分液相会发生共晶转变，获得全部或部分莱氏体组织。第二节Fe-Fe3C相图三、铁碳合金成分、组织、性能之间的关系第三节Fe-Fe3C相图的应用一、在选材方面的应用二、在制订热加工工艺方面的应用1.在铸造方面的应用2.在压力加工方面的应用3.在热处理方面的应用第三节Fe-Fe3C相图的应用第四章钢的热处理第一节概述（1）整体热处理其特点是对工件整体进行穿透加热，常用的方法有退火、正火、淬火、回火等。（2）表面热处理其特点是仅对工件的表面进行热处理，常用的方法有表面淬火和回火（如感应淬火）、气相沉积等。（3）化学热处理其特点是改变工件表层的化学成分、组织和性能，常用的方法有渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗、渗金属、多元共渗等。第二节钢在加热和冷却时的组织转变一、钢在加热与保温时的组织转变1.奥氏体的形成过程（1）奥氏体晶核的形成和长大当共析钢加热到临界转变温度Ac1

以上时，优先在片层状珠光体中铁素体和渗碳体两相界面处形成奥氏体晶核。第二节钢在加热和冷却时的组织转变（2）残余渗碳体的溶解因为奥氏体与渗碳体的晶格和碳含量差异较大，所以当珠光体中的铁素体全部消失时，仍有未溶的渗碳体存在，这部分残余滲碳体只有在继续加热或保温时，通过碳化物中碳原子向奥氏体中扩散以及Fe3C向奥氏体的晶格改组，才能使其逐渐溶解，如图4-3c所示。（3）奥氏体均气化当残余渗碳体刚刚完全溶入奥氏体时，與氏体内的碳浓度分布是不均匀的，渗碳体的区域碳浓度较高，铁素体的区域碳派度较低。2.奥氏体的晶粒大小及影响因素（1）奥氏体晶粒度晶粒度是指多晶体内晶粒的大小，可以用晶粒号、晶粒平均直径、单位面积或单位体积内晶粒的数目来表示。第二节钢在加热和冷却时的组织转变第二节钢在加热和冷却时的组织转变（2）影响奥氏体晶粒度的主要因素1）热处理工艺参数：加热速度越慢、加热温度越高、保温时间越长，奥氏体晶粒长得越大，其中加热温度对奥氏体晶粒大小的影响最为显著。2）钢的化学成分：大多数合金元素（锰和磷除外）均能不同程度地阻止奥氏体品粒的长大，特别是与碳结合能力较强的碳化物形成元素（如铬、钼、钨、钒等）及与氛结合能力较强的氮化物形成元素（如银、钒、钛等)，会形成难熔的碳化物和氮化物颗粒，弥散分布于奥氏体晶界上，阻碍奥氏体晶粒的长大。3）原始组织：钢的原始晶粒越细，热处理加热后的奥氏体晶粒越细。第二节钢在加热和冷却时的组织转变二、钢在冷却时的组织转变第二节钢在加热和冷却时的组织转变1.等温冷却转变（1）等温转变因的建立钢的等温转变图是用实验方法建立的，如采用金相法、膨胀法、磁性法、电阳法和热分析法等。1）将共析钢制成若千组小试片，同时加热到奥氏体区域，保温一定时间。2）将奥氏体化的小试片分别迅速投入不同温度（如700°C、650°C、600°、550°C、450°C、350°C、200°C⋯•）的恒温盐浴中等温。3）测出并记录在不同温度下等温时，过冷奥氏体转变开始和转变终了所需时间。第二节钢在加热和冷却时的组织转变4）将测出的数据描绘在温度-时间坐标系中，并将转变开始点和转变终了点分别用光滑曲线连接起来，这样就得到了共析钢过冷奥氏体等温转变图。（2）等温转变图分析图4-7b为共析钢等温转变图，其中aa‘线为过冷與氏体转变开始线，66’线为过冷與氏体转变终了线；A1

线为相变临界温度线，从线与Ms线分别为马氏体开始转变温度线与转变终了温度线。第二节钢在加热和冷却时的组织转变(3）过冷奥氏体等温转变产物及性能过冷奥氏体等温转变的温度区间不同，其转变产物也不同。1）珠光体型转变：温度范围为4，~550°C，也称过冷奥氏体的高温转变。2）贝氏体型转变：温度范围为550°C~Ms，也称为过冷奥氏体的中温转变。第二节钢在加热和冷却时的组织转变（4）亚共析钢和过共析钢的等温转变图亚共析钢和过共析钢的等温转变图与共析钢等温转变图的区别是在等温转变曲线的上方各增加了一条线。第二节钢在加热和冷却时的组织转变2.连续冷却转变（1）等温转变曲线在连续冷却转变中的应用图4-9所示为在共析钢的等温转变图上估计连续冷却时的转变情况。（2）马氏体转变过冷與氏体在Ms线以下发生的转变称马氏体转变。第三节钢的退火和正火一、退火1.完全退火2.等温退火第三节钢的退火和正火3.球化退火4.去应力退火二、正火1）低、中碳钢和低合金结构钢铸件、锻件，通过正火处理，可以消除应力，细化晶粒，改善切削加工性能，并可为最终热处理做组织准备。2）中碳结构钢铸件、锻件及焊接件，在铸、锻、焊过程中容易出现粗大晶粒和其他组织缺陷，通过正火处理可以消除这些组织缺陷，并能细化晶粒、均匀组织、消除内应力。3）消除过共析钢中的网状渗碳体，为球化退火做组织准备。4）作为普通结构零件的最终热处理。第三节钢的退火和正火三、退火、正火的选用（1）切削加工性能碳的质量分数低于0.5%的钢，通常采用正火；碳的质量分数为0.5%~0.75%的钢，一般采用完全退火；碳的质量分数高于0.75%的钢或高合金钢均应采用球化退火。（2）使用性能由于正火处理比退火处理具有更好的力学性能，因此，若正火和退火都能满足使用性能要求，则应优先采用正火。对（3）经济性由于正火比退火生产周期短，效率高，成本低，操作简便，因此，应尽可能地优先采用正火。第四节钢的淬火和回火一、钢的淬火1.淬火工艺（1）淬火加热参数的确定淬火加热温度的选择应以Fe-Fe3C相图中钢的临界温度作为主要依据。第四节钢的淬火和回火（2）淬火冷却介质淬火冷却介质是在淬火工艺中所采用的冷却介质。第四节钢的淬火和回火第四节钢的淬火和回火（3）淬火方法现代淬火工艺不仅有奥氏体化直接淬火，而且有能够控制淬火后组织性能及滅小变形的各种淬火工艺，甚至可以把淬火冷却过程直接与热加工工序结合起来，如铸造淬火、锻后淬火、形变淬火等。1）单介质淬火：将與氏体化的工件直接淬入单一淬火介质中连续冷却到室温的方法，称为单介质淬火，如图4-14中的曲线1所示。2）双介质淬火（双液淬火）：将工件加热到奥氏体化后，先淬入一种冷却能力强的介质中，在即将发生马氏体转变时立即淬入另一种冷却能力弱的介质中冷却的方法，称为双介质淬火，如图4-14中的曲线2所示。第四节钢的淬火和回火3）马氏体分级淬火（分级淬火）：钢经奥氏体化后先淬入温度稍高或稍低于其Ms点的液态介质（盐浴或碱浴）中，保持适当时间，使钢件的表面与心部温差減小，在工件整体达到介质温度后再取出空冷，获得马氏体组织的淬火方法，称为分级淬火，如图4-14中的曲线3所示。4）贝氏体等温淬火（等温淬火）：将工件加热到奥氏体化后，快速冷却到贝氏体转变温度区间(260~400°C），保持一定时间，使與氏体转变为下贝氏体组织的淬火工艺，称为贝氏体等温淬火，如图4-14中的曲线4所示。2.钢的淬透性（1）淬透性的概念淬透性是在规定条件下，钢试样淬硬深度和硬度分布表征的材料特性。（2）淬透性的表示方法淬透性可用规定条件下测得的淬硬层深度及分布曲线来表示。第四节钢的淬火和回火第四节钢的淬火和回火（3）淬透性的应用钢的淬透性对合理选用钢材，正确制订热处理工艺，都具有非常重要的意义。3.淬火缺陷（1）淬火变形和开裂由于淬火时马氏体转变伴随着体积变化，钢件淬火加热和快冷时各部分温度的不均匀，使钢出现较大的内应力，从而使钢件产生变形。（2）硬度不足与软点淬火后钢的整体硬度达不到淬火要求，称为硬度不足；其表面硬度出现局部小区域达不到淬火要求，称为软点。（3）过热和过烧钢件加热时，由于温度过高，使其晶粒粗大以致性能显著降低的现象，称为过热。二、钢的回火1.回火的目的1）减少或消除淬火冷却应力钢淬火后存在着很大的淬火冷却应力，如不及时消除，往往会造成变形和开裂，使用时也易发生脆断。第四节钢的淬火和回火（2）满足使用性能要求钢淬火后硬度较高，脆性较大，韧性较差，为满足使用性能的要求，可通过回火来消除脆性，改善韧性，以获得所需要力学性能。（3）稳定组织和尺寸使亚稳定的淬火马氏体和残留奥氏体进一步转变成稳定的回火组织，从而稳定钢件的组织和尺寸。2.回火时的组织与性能的变化（1）马氏体的分解淬火钢回火加热到80~350°C时，马氏体中的过饱和碳会以极细微的过渡相碳化物（𝜀碳化物）析出，并均匀分布在马氏体基体中，使马氏体的过饱和度下降，形成回火马氏体。（2）残留與氏体的分解淬火钢回火加热到200~300°C范围时，残留奥氏体开始分解成下贝氏体或马氏体，其产物随即又分解成回火马氏体，因而淬火冷却应力进一步减小，硬度则无明显降低。（3）渗碳体的形成淬火钢回火加热到300～400°C范围内时，过渡相𝜀碳化物逐渐向渗碳体转变，并从过饱和马氏体中析出，形成更为稳定的碳化物。（4）碳化物的聚集长大和𝛼相的再结晶淬火钢回火加热到400°C以上时，极细小的渗碳体颗粒第四节钢的淬火和回火将逐渐形成较大的粒状碳化物，并且铁素体（𝛼相）将发生再结品，其形态由针状转变为块状组织。第四节钢的淬火和回火3．回火方法（1）低温回火（<250°C）低温回火得到回火马氏体（M回）组织。（2）中温回火（350~500°C）中温回火得到回火托氏体（T回）组织，可获得高的弹性极限、屈服强度和切性。（3）高温回火（＞500°C）高温回火得到回火索氏体（S回）组织，获得良好的综合力学性能。第五节钢的表面热处理一、感应淬火1.感应淬火的基本原理2.感应淬火的特点1）感应淬火件晶粒细、硬度高。2）加热速度快，加热时间很短，一般只需几秒至几十秒即可完成，因此，工件不容易产生氧化脱碳现象，淬火变形也很小。3）热效率高，生产率高，生产环境好，易实现机械化、自动化。4）淬硬层深度易于控制。5）设备投资大，维修困难，需根据零件实际制作感应器，因此感应淬火不适合单件生产。第五节钢的表面热处理3.感应淬火的应用二、火焰淬火第六节钢的化学热处理①分解：在一定温度下，活性介质通过化学分解，形成能渗入工件的活性原子。②吸收：工件表面吸收活性原子，并溶入工件材料晶格的间隙或与其中元素形成化合物。③扩散：被吸收的原子由表面逐渐向心部扩散，从而形成具有一定深度的渗层。一、渗碳1.渗碳工艺第六节钢的化学热处理2.渗碳用钢及渗碳工艺参数3.渗碳后的热处理二、渗氮（氮化）1.渗氮工艺第六节钢的化学热处理2.渗氮的特点与应用（1）渗氮后工件具有很高的表面硬度和耐磨性渗氮件的表面硬度可高达950~1200HV（相当于65~72HRC)，这种高硬度和耐磨性可保持到560~600