金属学与热处理课件

金属学与热处理

绪论一、什么是材料

材料:是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质。

材料存在于我们的周围，与我们的生活、我们的生命息息相关。

材料是人类文明、社会进步、科技发展的物质基础。材料是全球新技术革命的四大标志之一。新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术绪论二、材料的分类（按化学组成分类）金属材料无机非金属材料高分子材料复合材料由于通常把材料归为金属材料、陶瓷材料和高分子材料等类型；材料理论的发展范畴：金属学陶瓷学高分子物理学材料各有特点、也有许多共性和相通之处，将他们的微观特性和宏观规律以统一理论概括——材料科学。绪论三、什么是金属学金属学：是研究金属或合金的化学成分、组织、结构及性能之间的相互关系及变化规律的科学。化学成分：组成物质的基本元素及其含量。化学成分主要由冶炼和铸造控制，特别是靠冶炼来保证。化学成分不同，金属材料的性能不同。例如：铁，铝，金性能各不相同。绪论高分辩率电镜观察硅晶体内部的原子排列结构：原子在空间有规律排列的形式（原子集合体中各原子的具体组合状态）。绪论绪论例如：石墨和金刚石。结构不同，性能不同。绪论组织：用肉眼和借助于不同放大倍数的显微镜观察到的金属材料内部各种相的晶粒大小、形态和分布。组织不同，性能也不同。晶粒形貌Al-Si合金纯铝锭组织绪论绪论

金属材料的性能：零件的加工过程：对金属材料性能要求：工艺性能；使用性能。冶炼下料（锻、铸件）预先热处理机加工最终热处理装配使用绪论工艺性能：能适应实际生产工艺要求的能力。在于能不能保证生产、制作。包括：铸造性能、锻造性能、切削加工性能，热处理性能，焊接性能。使用性能：在使用中应具备的性能。在于保证能不能应用。包括：物理性能，化学性能，机械性能（强度、硬度、塑性、韧性）绪论四要素之间关系：合成与制备过程使用性能性质成分与结构（化学）（工程）（物理学）绪论改变金属材料的性能：

内在因素——成分、结构、组织

外在因素——各种加工处理工艺（外在因素通过改变内在因素改变材料的性能）材料的成分不同结构组织不同性能不同材料合成、制备过程不同：绪论四、金属学研究的具体内容：三大理论：晶体结构理论（正常结构、晶体缺陷）；结晶理论（纯金属、二元合金、三元合金）；固态转变理论（塑变和回复再结晶、扩散；五大转变：珠光体转变、奥氏体转变、贝氏体转变、马氏体转变、回火转变）。一大中心：成分、组织、结构、性能关系。二大图形：相图、Ｃ曲线图。四把火（简介）：正火、退火、淬火、回火。绪论五、热处理及在工业生产中的地位

：热处理：将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。至于模具、滚动轴承则要100%经过热处理。总之，重要的零件都要经过适当的热处理才能使用。绪论任务：研究固态相变的规律性，研究金属或合金热处理组织与性能之间的关系以及热处理理论在工业生产中和应用。地位：(1)工业生产领域：工业生产中不可缺少的技术，是提高产品质量和寿命的关键工序，是发挥材料潜力、达到机械零部件轻量化的主要手段。(2)材料研究领域：研制和开发新材料。六、热处理的发展在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们认识。早在公元前770~前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。绪论公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。二十世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的应用，使金属热处理工艺得到更大的发展。一个显著的进展是1901~1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳；20世纪60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。绪论我国热处理的发展历程古代高水平：春秋战国~明清以前：从出土文物可见。近代落后：明清~新中国以前：统治者闭关锁国。现代奋起直追：新中国以前~至今：总体上和发达国家比仍有一定差距。具体表现在：(1)科研：个别研究处于世界领先水平，总体研究水平相对落后；(2)生产：工业生产自动化程度不高，能耗较大，特别是技术设备和装备相对落后。本课程特点：大部分概念不是定量的，而是定性的，很少演绎、推理、计算；对生产实际中的现象要进行归纳分析，找出各种事物和因素之间联系以及它们相互制约的规律，并去解决实际问题；初学者常认为这门课程内容庞杂，实际上系统性强。本课程学习方法多进行归纳和总结；利用习题深刻理解教学内容，学会分析问题。绪论凝固!结晶!一般金属制品是如何制得的?熔炼—浇铸(铸件和铸锭);液态-固态由液态转变为固态的过程。结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。金属及合金的结晶组织对其性能以及随后的加工有很大的影响，而结晶组织的形成与结晶过程密切相关。对于铸锭，影响轧制和锻压工艺性能!使用性能！因此,研究和控制金属的结晶成为提高金属力学性能和工艺性能的重要手段。对于铸件和焊件来说,结晶过程基本上决定了材料的使用性能和寿命。第一节金属结晶的现象一、结晶过程的宏观现象结晶过程非常复杂:由宏观到微观,由表象到抽象第一节金属结晶的现象（一）过冷现象理论结晶温度：纯金属液体在无限缓慢冷却条件下结晶的温度。

过冷现象：实际的结晶过程冷速都很快，液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象。

过冷度

T：理论结晶温度与实际结晶温度的差值。

T=T0–T1

第一节金属结晶的现象过冷度随金属的本性、纯度以及冷却速度的差异而不同。金属不同，过冷度的大小不同；金属纯度越高，过冷度越大；冷却速度越大，过冷度越大，实际结晶温度越低。金属总是在一定的过冷度下结晶，过冷是结晶的必要条件。对于一定的金属来说，过冷度有一最小值，若过冷度小于此值，结晶过程就不能进行。影响过冷度的因素第一节金属结晶的现象为什么冷却曲线上会出现一平台？（二）结晶潜热

金属结晶时从液相转变为固相要放出热量，称为结晶潜热。由于结晶潜热的释放，补偿了散失到周围环境的热量，使温度并不随冷却时间的延长而下降，所以在冷却曲线上出现了平台。结晶结束，没有结晶潜热补偿散失的热量，温度又重新下降。第一节金属结晶的现象二、金属结晶的微观过程结晶过程就是形核和长大的过程！液态金属形核晶核长大完全结晶第一节金属结晶的现象形核长大形成多晶体两个过程重叠交织第二节金属结晶的热力学条件热力学第二定律：在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。这说明，只有引起体系自由能降低的过程才能自发进行。液态金属必须在一定的过冷条件下才能结晶，这是由热力学条件决定的。结晶能否发生，要看液相和固相自由能的高低。如果固相的自由能比液相的自由能低，那么液相将自发地转化为固相，使系统的自由能降低，处于更为稳定的状态，即发生结晶。液相金属和固相金属的自由能之差，就是促进转变的驱动力。状态的吉布斯自由能:G=H-TS(1)G=U+pV-TS(2)G的全微分:dG=dU+pdV+Vdp-TdS-SdT(3)由热力学第一定律:dU=TdS-pdV(4)(4)带入(3):dG=Vdp-SdT(5)dp=0,所以

dG=－SdT(6)

第二节金属结晶的热力学条件温度升高，原子活动能力提高，因而原子排列的混乱程度增加，即熵值增加，系统的自由能随温度的升高而降低。且液态金属自由能随温度降低的趋势大于固态金属。液、固两相的自由能随温度而变化的曲线斜率不同，则两线必然在某一温度交，此时液相和固相的自由能相等，意谓着两相可以同时共存，既不熔化也不结晶，处于动平衡状态。交点对应的温度就是理论结晶温度T0。高于T0温度时，液态金属比固态金属的自由能低，金属处于液态才是稳定的；低于T0温度时，金属处于固态才稳定。因此，液态金属要结晶，就必须处于T0温度以下，金属必须过冷，使液态和固态之间存在一个自由能差。这个自由能差就是促进液体结晶的驱动力。液、固两相自由能的差值越大，则相变驱动力越大，结晶速度也越快。第二节金属结晶的热力学条件液固相的自由能差,就是转变的驱动力:

Gv单位体积自由能变化;Gs固态金属自由能;GL

液态金属自由能.

Gv=HS-TSS-(HL-TSL)=HS-HL-T(SS-SL)=-(HL-HS)-TΔSHL-HS=ΔHf

熔化潜热,ΔHf＞0Gv=－ΔHf－

TS当T=Tm

时,Gv=0,ΔS=－ΔHf/Tm当T<Tm

时,Gv=－ΔHfT/TmTm

理论结晶温度.过冷度

T

越大,相变驱动力越大.第二节金属结晶的热力学条件第三节金属结晶的结构条件结构起伏(相起伏)

金属的结晶是晶核的形成和长大的过程，晶核的形成是有条件的。在固态金属晶体中，大范围内的原子是呈有序排列的，称之为长程有序。在液态金属中，原子做不规则运动，在大范围内原子是无序分布的，但是在小范围内，存在着许多类似于晶体中原子有规则排列的小原子集团，称之为短程有序。

金属气态、液态和固态的原子排列示意图第三节金属结晶的结构条件在理论结晶温度以上，这些短程有序的原子集团是不稳定的，瞬时出现，瞬时消失，此起彼伏。这种不断变化着的短程有序原子集团称为结构起伏，或称为相起伏。第三节金属结晶的结构条件相起伏特点：

(1)瞬时出现，瞬时消失，此起彼伏;

瞬时1瞬时2第三节金属结晶的结构条件（2）相起伏或大或小，不同尺寸相起伏出现的几率不同，过大或过小的相起伏出现几率均小;第三节金属结晶的结构条件

(3)过冷度越大，最大相起伏尺寸越大。只有在过冷液体中出现的尺寸较大的相起伏，才有可能在结晶时转变为晶核，因此这些尺寸较大的相起伏被称为晶胚。液体中存在足够大的稳定晶坯即“晶核”※所有的晶胚都可以转化为晶核吗？第三节金属结晶的结构条件晶胚晶核能量起伏相起伏第四节晶核的形成

形核方式有两种：一种是均匀形核；另一种是非均匀形核。均匀形核非均匀形核是指完全依靠液态金属中的晶胚形核的过程，液相中各区域出现新相晶核的几率都是相同的。理想情况！是指晶胚依附于液态金属中的固态杂质表面形核的过程。工程实际中材料的凝固主要以非均匀形核方式进行！但均匀形核的基本规律十分重要，它不仅是研究晶体材料凝固问题的理论基础，而且也是研究固态相变的基础。第四节晶核的形成一、均匀形核(一)形核时的能量变化

G和临界晶核半径rK在过冷的液态金属中，晶胚形成的同时，体系自由能的变化包括转变为固态的那部分体积引起的自由能下降和形成晶胚新表面引起的自由能的增加。V:晶胚的体积;S:表面积;GV：液固两相单位体积自由能差;σ:单位面积的表面能.结晶的驱动力结晶的阻力假设晶胚为球体，半径为r，则：

T:过冷度;Tm理论结晶温度;ΔHf熔化潜热.当r<rK时,随晶胚尺寸增大,自由能增加,晶胚瞬间消失,不能变成晶核.当r>rK时,随晶胚尺寸增大,自由能降低,晶胚比较容易形成晶核.当r=rK时,晶胚可能消失,也可能长大形成晶核.第四节晶核的形成第四节晶核的形成过冷度

T越大,临界形核半径rK越小.TK：临界过冷度当

T<TK时,rmax<rK,晶胚不可能转变为晶核。当

T>TK时,rmax>rK,无论尺寸大小的晶胚均可成为晶核，结晶过程易于进行.因而，液态金属能否结晶，很重要的一点是看晶胚的尺寸是否达到了临界晶核半径的要求。要求液体的过冷度达到或超过临界过冷度。第四节晶核的形成形核功:形成临界晶核时,体积自由能的下降只补偿了表面能的2/3,还有1/3的表面能需要另外供给,既需要对形核作功,这部分功叫….(二)形核功第四节晶核的形成能量起伏:在一定温度下,系统有一定的自由能,这是指宏观平均能量.但是在微区各处的能量此起彼伏,变化不定.微区能量偏离平衡能量的现象,叫…

临界形核功相当于表面能的1/3，这意味着固、液之间自由能差只能供给形成临界晶核所需表面能的2/3，其余1/3的能量靠能量起伏来补足。晶核形成=过冷液体中的相起伏+能量起伏形核功与过冷度的关系:

临界形核功与过冷度的平方成反比,过冷度增大,临界形核功显著降低,结晶过程容易进行.第四节晶核的形成第四节晶核的形成(三)形核率形核率是指单位时间内单位体积液体中形成晶核的数量。用N＝N1*N2表示。受形核功影响形核率因子受原子扩散能力影响的形核率因子第四节晶核的形成当ΔT

不大时，形核率主要受形核功因子控制，ΔT

增大，形核率增大，在ΔT非常大时，形核率主要受扩散因子的控制，随ΔT

增加，形核率降低。第四节晶核的形成急冷非晶态材料纯金属凝固的形核率与过冷度的关系第四节晶核的形成二、非均匀形核(异质形核或非自发形核)(一)临界晶核半径和形核功三种张力在交点平衡:晶核与液体的接触面积:晶核与基底的接触面积:晶核的体积:第四节晶核的形成体系自由能变化:临界晶核半径:第四节晶核的形成形核功:

=0,GK’=0.不需要形核功,液体中的固体相质点就是现成的晶核,可以在上面直接结晶长大.=180o,GK’=GK.均匀形核与非均匀形核所需要的能量起伏相同.0<<180o,GK’<GK.越小,非均匀形核越容易,需要的过冷度也越小.(二)形核率1.过冷度的影响2.固体杂质结构的影响3.固体杂质形貌的影响4.过热度的影响5.其他因素的影响第四节晶核的形成小结:金属形核的要点液态金属的结晶必须在过冷的液体中进行,液态金属的过冷度必须大于临界过冷度,晶胚尺寸必须大于临界晶核半径rK.前者提供形核的驱动力,后者是形核的热力学要求.2.rK值大小与晶核的表面能成正比,与过冷度成反比。过冷度越大，则rK值越小，形核率越大，但是形核率有一个极大值。如果表面能越大，形核所需要的过冷度也应越大，因此，能够降低表面能的办法都能够促进形核。均匀形核需要结构起伏，也需要能量起伏，二者都是液体本身存在的自然现象。晶核的形成过程是原子的扩散迁移过程，因此结晶必须在一定的温度下进行。在工业生产中，液体金属的凝固总是以非均匀形核的方式进行的。

第四节晶核的形成当液态金属中出现第一批晶核后，金属的结晶过程就开始了。新晶核不断产生，对每一个晶粒来说，晶核出现后，马上就进入长大阶段。第五节晶核长大宏观过程晶体的界面向液体的推进微观过程原子从液相中扩散到晶体表面1)原子扩散——较高温度;2)晶体表面接纳原子——表面结构3)应符合热力学条件——过冷晶体长大的条件:决定晶体长大方式和速度的主要因素是界面结构和固液界面前沿液体中的温度梯度第五节晶核长大一、固液界面的微观结构(一)光滑界面：显微尺寸看粗糙，原子尺寸看光滑平整。(二)粗糙界面：显微尺寸看平整，原子尺寸看界面高低不平。第五节晶核长大假设界面上可能的原子位置数为N，其中NA个位置为固相原子所占据，那么界面上被固相原子占据的位置的比例为x=NA/N。如果x=50%，即界面上有50%的位置为固相原子所占据，这样的截面为粗糙界面；如果界面上有近于0%或100%的位置为固相原子所占据，这样的截面为光滑界面。界面的平衡结构应该是界面能最低的结构，在光滑界面上任意添加原子时，其界面自由能的变化：液-固界面的微观结构第五节晶核长大不同α值下⊿GS／(NkTm)与x的关系

α＜2时，在x＝0.5处，界面能具有极小值，这意味着界面上约有一半的原子位置被固相原子占据着，形成粗糙界面。

α≥5时，在x＝l和x＝0处，界面能具有两个极小值，这表明界面上绝大多数原子位置被固相原子占据或空着，为光滑界面。金属一般为粗糙界面，高分子往往为光滑界面。液-固界面的微观结构第五节晶核长大1.光滑界面材料的长大机制（微观光滑、宏观粗糙－无机化合物或亚金属材料的界面）：

(1)二维晶核长大机制.(2)螺型位错长大机制。2.粗糙界面材料的长大机制（微观粗糙、宏观平整－金属或合金材料的界面）：连续长大机制。二.晶体长大机制第五节晶核长大二维晶核长大机制首先在平整界面上通过均匀形核形成一个具有单原子厚度的二微晶核，然后液相中的原子不断的依附在二维晶核周围的台阶上，使二维晶核很快的向四周横向扩展而覆盖整个晶面表面。接着新的界面上有形成新的二维晶核，并向横向扩展而长满一层。这种界面的推移是不连续的螺型位错长大机制由于二维晶核的形成需要一定的形核功，因而需要较强的过冷条件，长大速率很慢。如果结晶过程中，在晶体表面存在着垂直于界面的螺位错露头，那么液相原子或二维晶核就会优先附在这些地方。液相原子不断的添加到由螺形位错露头形成的台阶上，界面以台阶机制生长和按螺旋方式连续的扫过界面，在成长的界面上形成螺旋新台阶，这种生长是连续的。第五节晶核长大第五节晶核长大图螺旋长大的SiC晶体第五节晶核长大具有粗糙界面晶体的生长界面上有一半的结晶位置空着，液相中的原子可直接迁移到这些位置使晶体整个界面沿法线方向向液相中长大，这种生长方式称为连续长大或均匀长大。固液界面前沿液体中的温度梯度有两种情况：(一)正温度梯度:液相中的温度随至界面距离的增加而提高的温度分布状况.结晶潜热通过已结晶的固相和型壁散失.(二)负温度梯度:液相中的温度随至界面距离的增加而降低的温度分布状况.结晶潜热通过过冷液体散失.三、固液界面前沿液体中的温度梯度第五节晶核长大

形核之后晶体生长成什么形态，取决于固-液界面的微观结构和界面前沿液相中的温度分布情况。第五节晶核长大四、晶体生长的界面形状---晶体形态(一)正温度梯度下结晶潜热通过已结晶的固相和型壁散失,相界面向液相中的推移速度受散热速率的控制.

液固界面基本呈平直状.光滑界面:小晶面互成一定角度,呈锯齿状.粗糙界面:平行于等温面的平直界面.第五节晶核长大晶界的移动不受已结晶的固相和型壁的散热控制.粗糙界面：树枝晶:液态金属在结晶中各个方向上发展不同,而形成的树枝状晶体.等轴晶:如果枝晶在三维空间得到均衡发展,各个方向上的一次轴近似相等,这样形成的晶粒,叫.柱状晶:如果枝晶在一个方向上的一次轴长得很长,而在其他方向上受到阻碍,而形成的细长晶粒.光滑界面：只有杰克逊因子较高的物质仍然保持着光滑界面形态。(二)负温度梯度下第五节晶核长大由于液固界面前沿的液体中过冷度较大，晶体优先沿过冷度较大方向生长出空间骨架，形同树干，称为一次晶轴。在一次晶轴增长和变粗的同时，其上会出现很多凸出尖端，它们长大成为枝干，称为二次晶轴。对一定的晶体来说，二次晶轴与一次晶轴有确定的角度，在立方晶系中，二者是相互垂直的。二次晶轴生长到一定程度后，又在它上面长出三次晶轴，如此不断地成长和分枝，形成如树枝状的骨架，称为树枝晶。五.长大速度长大速度与过冷度关系非金属当过冷度小时，液固两相自由能差小，结晶的驱动力小，晶体的长大速度小。当过冷度大时，温度过低，原子的扩散困难，晶体的长大速度小。金属结晶温度高，形核与长大都快，它的过冷能力小，所以未到过冷到较低温度时，结晶已经结束了。第五节晶核长大第五节晶核长大晶体长大要点1.具有粗糙界面的金属，长大机制为连续长大，长大速度大，所需过冷度小；2.具有光滑界面的金属化合物、半金属（Si、Sb等）或非金属等，长大机制为二维晶核长大或螺型位错长大方式，长大速度慢，所需过冷度大；3.晶体成长的界面形态与界面前沿的温度梯度和界面的微观结构有关，正温度梯度下，光滑界面的一些小晶面互成一定角度，呈锯齿状；粗糙界面的形态为平行于Tm等温面的平直界面，呈平面长大方式。负温度梯度下，一般金属和半金属的界面都呈树枝状，只有杰克逊因子较高的物质仍然保持着光滑界面形态。第五节晶核长大细化晶粒不仅能提高材料的强度和硬度，还能提高材料的韧性和塑性。工业上将通过细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化.

晶粒度：晶粒的大小，通常用晶粒的平均面积或直径表示。晶粒大小的影响因素：形核率和长大速度。晶粒的大小取决于形核率N与长大速度G的比值，N/G。工业中细化晶粒的方法1、控制过冷度：在一定范围内，过冷度越大，N/G越大，晶粒越细。2、变质处理：在浇铸前往液态金属中加入形核剂，促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒。3、振动和搅拌：输入能量提高形核率；使凝固过程中正在长大的晶体破碎，增加核心。六、晶粒大小的控制

未加细化剂加细化剂

AZ31镁合金铸态组织

第五节晶核长大第六节金属铸锭的宏观组织与缺陷为什么要了解金属铸锭的宏观组织与缺陷？铸态组织包括晶粒大小、形状和取向、合金元素和杂质的分布及铸锭中的缺陷等。冶炼金属后得到的铸锭、铸造零件毛坯、焊接的焊缝等都是凝固体，它们在组织结构上有共同的特点。所以，以铸锭为例来讨论凝固体的结构组织。铸件：铸态组织影响力学性能和使用寿命铸锭：铸态组织影响压力加工性能及加工后金属制品的组织和性能。所以要了解铸态组织和形成规律，以改善组织。第六节金属铸锭的宏观组织与缺陷一、铸锭三晶区的形成表面细晶区中间柱状晶区中心等轴晶区第六节金属铸锭的宏观组织与缺陷当高温的金属液体倒入铸模后，由于温度较低的模壁有强烈的吸热和散热作用，使靠近模壁的一薄层液体产生极大的过冷，结晶首先从模壁处开始。模壁作为非均匀形核的基底，在这一薄层液体中立即产生大量晶核，并同时向各个方向生长。由于晶核数量多，临近的晶核很快彼此相遇，不能继续生长，在靠近模壁处形成一薄层等轴细晶区。（一）表层细晶区优点：晶粒细小组织致密，力学性能好缺点：细晶区很薄,没有实际意义第六节金属铸锭的宏观组织与缺陷在细晶区形成的同时，模壁的温度由于被液态金属加热而迅速升高；金属凝固后收缩，使细晶区和模壁脱离，形成空气层，阻碍了液态金属的散热；细晶区的形成释放出大量结晶潜热，导致液体金属冷却速度降低，过冷度减小，形核速率降低。垂直于模壁方向散热最快，晶体沿其相反方向择优生长，形成柱状晶。（二）柱状晶区优点：组织致密，性能有方向性缺点：有弱面在柱状晶区中，因为相互平行的柱状晶的接触面及相邻垂直的树枝状晶区的交界面较为脆弱，并常聚集着易熔杂质和非金属夹杂物，使铸锭在力加工时，容易沿这些脆弱面开裂。第六节金属铸锭的宏观组织与缺陷对于杂质多、塑性差的金属及合金，如钢铁、镍基合金等，不希望形成发达的柱状晶。但对于塑性好的铝、铜等有色金属及合金，即使全部为柱状晶组织，也能顺利通过热轧而不致开裂。柱状晶的性能有明显的方向性，沿晶轴方向的强度较高，对于那些主要受单向载荷的机器零件，例如汽轮机叶片等，柱状晶结构是非常理想的。

柱状晶的应用熔化温度高、浇注温度高、浇注速度大等因素有利于在铸锭的截面上保持较大的温度梯度，获得较发达的柱状晶。结晶时，单向散热，有利于柱状晶的生成。影响生成柱状晶的因素第六节金属铸锭的宏观组织与缺陷随柱状晶区的长大，模壁温度升高，散热的方向性不明显，同时锭模中心部分的液态金属的温度逐渐降低并渐趋均匀，最终几乎同时进入过冷状态，并以非均匀方式形核，由于在不同方向上的生长速度相同，因而便形成了等轴晶粒。中心部分的液态金属的冷却速度较慢，过冷度较小，故晶粒就较粗大。（三）中心等轴晶区优点：不存在明显的弱面，各晶粒的取向各不相同，性能不具有方向性缺点：组织不致密一般的铸件都要求有发达的等轴晶组织。等轴晶的特点第六节金属铸锭的宏观组织与缺陷二、铸锭组织的控制铸锭的表层细晶区，组织较致密，机械性能较好。但由于细晶区总是比较薄的，故对整个铸锭的性能影响不大。一般钢锭（钢铁或镍合金）不希望柱状晶区过大。但是，柱状晶组织比较致密。它不象等轴晶那样容易形成疏松。因此，对塑性较好的有色金属（铝），有时为了获得较致密的铸锭。反而要使柱状晶区扩大。因为在热压力加工时，由于这些金属本身具有良好的塑性，不致于发生开裂。等轴晶区不存在上述那种脆弱的交界面，而方向不同的晶粒彼此交错咬合，各方向上的机械性能均较好。但由于各个等轴晶粒在生长过程中互相交叉，有可能造成许多封闭的小区，并将残留在这些小区中的液体相互隔绝起来。当这些液体结晶收缩时，由于得不到外界液体的补充。就形成很多微小的缩孔（缩松）。因此，等轴晶区的组织就比较疏松。这又使该区的机械性能降低。第六节金属铸锭的宏观组织与缺陷（一）促进柱状晶生长的方法：总体：(1)加大液相沿垂直铸锭模壁方向的散热能力

——促进散热的方向性(2)降低液相内部非均匀形核的可能性具体：

(1)提高铸锭模的冷却能力。如：金属模代替砂型模；增加金属铸模的厚度等

注意：此方法仅适于尺寸较大的铸件，但不适于尺寸较小的铸件

原因：若铸模冷却能力很大，反而促进等轴晶的发展（增加形核率）。例：连铸小截面钢坯时，采用水冷结晶器，连铸锭全部获得细小的等轴晶粒。第六节金属铸锭的宏观组织与缺陷（2）提高铸模中心区温度，增大温度梯度。具体：提高浇注温度与浇注速度。（3）提高熔化温度，减少非均匀形核数目。熔化温度越高，液态金属过热度越大，非金属夹杂物溶解越多，从而减少了柱状晶前沿液体中形核的可能性，有利于柱状晶区的发展。第六节金属铸锭的宏观组织与缺陷例如：

1、磁性铁合金<001>方向导磁率最大，柱状晶的一次轴正好也是这个方向。

——发展柱状晶，获得最好的磁学性能。

2、燃气轮机叶片，其负荷具有方向性，要求在叶片轴线方向有较高的强度。

——使柱状晶的长度方向和叶片轴线方向平行。（二）控制铸锭组织在实际生产中的应用第六节金属铸锭的宏观组织与缺陷三、铸锭缺陷1、缩孔（集中、分散）2、气孔3、夹杂物1.缩孔金属凝固时体积要收缩，金属收缩后，原来能填满铸型的液态金属，凝固后就不能再填满，如果没有液态金属继续补充的话，就会出现孔洞，称为缩孔。缩孔是一种重要的铸造缺陷，对性能影响很大，它的出现是不可避免的，一般在轧制前予以切除。铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞，称为缩孔。第六节金属铸锭的宏观组织与缺陷缩松即分散缩孔，是树枝晶结晶时不能保证液体的补给而在枝晶间和枝晶内形成的细小分散的缩孔。铸件中心的等轴晶区最容易生成这种缩孔。为了减少疏松，可提高浇注时的液面以改善液体的补给条件。铸锭中的疏松在热轧过程中可以焊合。分散缩孔（缩松）集中缩孔第六节金属铸锭的宏观组织与缺陷金属液体比固体溶解的气体多，凝固时要析出气体；铸型中的水分、铸模表面的锈皮等与液体作用时可能产生气体；浇注时液体流动过程也可能卷进气体。如果气体在凝固时来不及逸出，就会保留在金属内部，形成气泡。如果表面凝固快，气体停留在表面附近，则形成所谓的皮下气孔。2.气孔铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合,张开的气孔需要切除.铸件中出现气孔则只能报废.钢的分类-（1）按用途分工程用钢建筑、桥梁、船舶、车辆渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢耐磨钢机器用钢结构钢刃具钢模具钢量具钢工具钢不锈钢耐热钢特殊性能钢钢的分类-（2）按冶金质量分钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：

P（%）S（%）普通质量钢≤0.035-0.045≤0.035-0.050优质钢≤0.035≤0.035高级优质钢A≤0.025≤0.025钢的分类-（3）按化学成分分中碳钢0.25%~0.6%C高碳钢

0.6%C低碳钢

0.25%C低合金钢合金元素总量

5%中合金钢合金元素总量5~10%高合金钢

合金元素总量

10%碳素钢合金钢第一节常存元素和杂质对钢性能的影响常存元素：Si、Mn、S、P杂质元素：非金属杂质及N、O、H一、Mn的影响Mn：有益元素（1）Mn能溶于铁素体，产生固溶强化作用（2）Mn能溶于渗碳体，形成合金渗碳体（Fe，Mn）3C（3）Mn少量（<1%）存在时对钢的性能影响不显著二、Si的影响Si：有益元素（1）Si能溶于铁素体，产生固溶强化作用（3）Si少量（<0.5%）存在时对钢的性能影响不显著三、S的影响Si：通常情况下是有害元素（1）不利的一面：在固态下主要以FeS的形式存在。FeS塑性差、脆性大，且FeS与Fe可以形成低熔点（985℃）的共晶体，分布在A晶界上。当钢加热至1200℃进行压力加工时，晶界上的共晶体熔化，晶粒间的结合被破坏，产生热脆性。消除热脆性措施：增加钢的锰含量。（2）有利的一面：含硫多的钢，形成较多的MnS，在切削加工中，MnS起到断屑作用，改善钢的切削加工性四、P的影响P：通常情况下是有害元素不利的一面：（1）P能全部溶于铁素体，产生强烈的固溶强化作用，使钢的强度、硬度增加，但塑韧性显著降低。这种脆化现象在低温时更显著，称为冷脆性。（2）P在结晶过程中容易产生晶内偏析，使得局部磷含量偏高，导致韧脆转变温度升高，发生冷脆（3）P的偏析使钢材热轧后形成带状组织有利的一面：含P较多时，脆性较大，对制造炮弹用钢及改善钢的切削加工性方面是有利的。五、非金属夹杂物的影响冶炼过程中会形成氧化物、硫化物、硅酸盐和氮化物，它们会降低钢的力学性能，特别是降低塑韧性及疲劳强度。非金属夹杂使钢在热加工时形成纤维组织和带状组织，产生各向异性。六、H的影响

1）使钢变脆，称为氢脆

2）使钢产生微裂纹，称为白点钢中白点第二节合金元素在钢中的作用常用的合金元素：Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Zr、Co、Al、B、RE、S、P、N等我国的富产元素：Si、Mn、W、Mo、V、B、RE一、合金元素在钢中的存在形式1、形成合金铁素体几乎所有合金元素都可或多或少地溶入铁素体中，形成合金铁素体（间隙固溶体、置换固溶体）。作用：固溶强化2、形成合金碳化物

形成碳化物的元素：1）强碳化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V2）中强碳化物形成元素：Cr、Mo、W3）弱碳化物形成元素：Mn

钢中形成的合金碳化物的类型：（1）合金渗碳体它是合金元素溶入渗碳体所形成的化合物，合金元素置换了渗碳体中的铁原子。合金渗碳体仍具有渗碳体的复杂晶格，铁与合金元素比例可变，但两者的总和与碳的比例固定不变。例如（Fe，Mn）3C（2）特殊碳化物它是与渗碳体晶格完全不同的碳化物，主要是中强和强碳化物形成元素形成的。1）具有简单晶格的间隙碳化物：MC、M2C型2）具有复杂晶格的碳化物：M3C、M7C3、M23C6型特殊碳化物比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度计耐磨性，并且更为稳定，不易分解。（3）形成非金属夹杂物合金元素与O、S、N等形成非金属夹杂物。非金属夹杂物可降低钢的质量二、合金元素对铁-渗碳体相图的影响1、改变了奥氏体区的范围1）Ni、Co、Mn等元素的加入使奥氏体区扩大，GS线向左下方移动，A3及A1温度下降。Mn

13%或Ni

9%时,室温下为单相奥氏体组织,称奥氏体钢。2）Cr、W、Mo、V、Ti、Al、Si等元素缩小奥氏体区，GS线向左上方移动，A3及A1温度升高。Cr

13%时，室温下为单相铁素体组织，称铁素体钢。锰对奥氏体相区的影响铬对奥氏体相区的影响2、改变S、E点位置1）扩大奥氏体区的元素，均使S、E点向左下方移动2）缩小奥氏体区的元素，均使S、E点向左上方移动

S、E点向左移动，意味着减低了共析点和发生共晶反应的碳含量，使得含碳量相同的碳钢和合金钢具有不同的组织。三、合金元素对钢热处理的影响合金元素对扩散速度的影响：1）形成碳化物的合金元素使碳的扩散速度减慢，碳化物不易析出，析出后也较难聚集长大；非碳化物形成元素（除Si外）则增加碳的扩散速度2）合金元素均能增加Fe原子间结合力，使Fe的自扩散速度下降3）合金元素自身在固溶体中的扩散速度比碳的扩散速度低得多1、合金元素对钢加热转变的影响1）大多数元素（除Ni、Co外）减缓奥氏体化过程2）合金元素（除Mn外）阻止奥氏体晶粒长大强碳化物形成元素能强烈的阻止奥氏体晶粒长大(Ti、V、Zr、Nb

等)。非碳化物形成元素能轻微的阻止奥氏体晶粒长大(Si、Ni、Cu、Co

等)。2、合金元素对钢冷却转变的影响1）合金元素对过冷奥氏体等温转变的影响：除Co外均降低院子扩散速度，使过冷奥氏体稳定性增加，使C曲线右移。

C曲线右移，降低了钢的Vc，增加了淬透性：①可采用冷速小的淬火介质，以减小变形和开裂；②增加淬硬深度，以获得高而均匀的力学性能；③某些钢甚至空冷即可得到马氏体。2）合金元素对过冷奥氏体向马氏体转变的影响：除Co、Al外，合金元素溶入奥氏体后，使马氏体转变的Ms及Mf降低，Mn、Cr、Ni作用较强。Ms越低，淬火后残留的奥氏体数量越多。3、合金元素对淬火钢回火转变的影响1）提高淬火钢的耐回火性耐回火性：淬火钢在回火时，抵抗软化的能力原因：合金元素溶入马氏体中，使原子扩散速度减慢，在回火过程中马氏体不易分解，碳化物不易析出，析出后也难长大。2）回火时产生二次硬化现象二次硬化：钢在回火时出现硬度回升的现象2）回火时产生二次硬化现象二次硬化：钢在回火时出现硬度回升的现象原因：回火时析出特殊碳化物，并弥散分布在马氏体基体上，并与马氏体保持共格关系，阻碍位错运动，使钢的硬度有所提高；特殊碳化物析出，使残余奥氏体合金元素浓度降低，Ms温度升高，此时会有部分残余奥氏体转变为马氏体，使钢的硬度提高。3）回火时产生第二类回火脆性第二类回火脆性：合金淬火钢在450-650℃回火时出现的回火脆性特点：可逆性产生原因：杂质及某些合金元素向晶界偏聚消除措施：提高钢的纯净度，减少杂质元素的含量；快冷；大截面工件采用含W或Mo的合金钢第三节结构钢结构钢：用于制造各种机器零件及各种工程结构的钢结构钢：1）工程结构钢：用作工程结构的钢，大多为普通质量的钢，适于制造承受静载荷作用的工程结构件2）机械结构用钢：用作机械零件的钢，大都为优质或高级优质的结构钢，可承受动载荷一、碳素结构钢成分：碳含量在0.06%-0.38%之间，有害元素和非金属夹杂物较多。牌号：Q+屈服强度值+质量等级+脱氧方法，共包含Q195、Q215、Q235、Q275五个牌号质量等级：A、B、C、D脱氧方法：F、Z、TZ碳素结构钢：Q195：不分质量等级，含碳量很低，强度不高，但有良好的焊接性、塑性和韧性，常用作铁钉、铁丝及各种薄板Q275：含碳量较高，强度较高，可以替代30钢、40钢制造稍重要的某些零件二、低合金高强度结构钢（HSLA钢）低合金高强度结构钢：在碳素结构钢的基础上加入少量的合金元素而制成的。牌号：Q+屈服强度值+质量等级，共包含Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号质量等级：A、B、C、D、E1、化学成分低碳：碳含量在0.1%~0.2%合金元素：主加元素-Mn（0.8%~1.7）其他元素：Si、V、Nb、Ti、Mo、RE等2、性能特点（1）高的屈服强度与良好的塑韧性：合金元素强化铁素体；细化铁素体晶粒；增加珠光体数量（使S点左移）；形成碳化物、氮化物，从固溶体中析出，产生弥散强化作用。（2）良好的焊接性：碳含量低，合金元素少，塑性好，不易在焊缝区产生淬火组织及裂纹，且V、Nb、Ti等可抑制焊缝区晶粒的长大，因而具有良好的焊接性。（3）良好的耐蚀性：Cu、P可提高抗大气的腐蚀性。3、热处理：热轧空冷后使用

4、使用状态下组织：F+PQ460钢含Mo、B，正火组织为B，强度高，用于石化中温高压容器。Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的容器。压力容器南京长江大桥三、优质碳素结构钢及合金结构钢1、优质碳素结构钢牌号：两位数字表示，例如08钢，45钢牌号含义：表示含碳量的万倍，如45钢，碳含量为0.45%，08钢，碳含量为0.08%种类：1）普通含锰钢（锰含量0.25%-0.8%）

2）较高含锰钢（0.7%-1.2%），牌号后加“Mn”，例如16Mn2、合金结构钢合金结构钢：在优质碳素结构钢的基础上加入一些合金元素而形成的钢种。属于低、中合金钢。合金结构钢的牌号三部分组成“数字+元素符号+数字”两位数字

元素符号数字合金元素的含量的百倍添加合金元素的种类含碳量的万倍例如：20Mn2、20MnVB、12Cr2Ni4合金元素的质量分数≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%…时，标注2、3、4…合金结构钢的合金化元素主加元素：Mn、Si、Cr、B等，提高淬透性和力学性能辅加元素：W、Mo、V、Ti、Nb等合金结构钢的质量都是优质钢、高级优质钢（A）或特级优质钢（E）合金结构钢的种类1、渗碳用钢经淬火、低温回火后使用的钢性能要求：表面高硬度、心部较高的韧性和足够的强度（1）化学成分：含碳量0.1%-0.2%

主加元素Cr、Mn、Ni、B，提高淬透性，使淬火后心部能够得到低碳马氏体，以提高强度同时保持良好的韧性。辅加元素W、Mo、V、Ti，细化晶粒，形成特殊碳化物。（2）常用的渗碳钢：1）碳素渗碳钢：15、20钢。淬透性低，渗碳后心部强度低，表层强度和耐磨性也不高，淬火时变形开裂倾向大，一般用于制造承受低载、形状简单、不太重要、但要耐磨的小零件。2）合金渗碳钢：按淬透性分为三类①低淬透性渗碳钢

例如20Mn2、20Cr、20MnV等，油淬临界淬透直径为20-35mm，制作受力不大，不需要高强的耐磨零件②中淬透性渗碳钢

例如20CrMnTi、12CrNi3等，油淬临界淬透直径为25-60mm，制作承受中等载荷的耐磨零件③高淬透性渗碳钢

如12Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA等，油淬临界淬透直径为100mm以上，空冷也可获得马氏体。制作承受重载与强烈磨损的重要大型零件（3）热处理：1）预备热处理：低、中淬透性钢采用正火以改善切削加工性。高淬透性钢需空冷淬火后高温回火得到回火索氏体以改善切削加工性。2）最终热处理：渗碳后淬火加低温回火2、调质用钢经调质处理后使用的钢性能要求：较高的综合力学性能（1）化学成分：含碳量0.25%-0.5%

主加元素Cr、Mn、Ni、B，提高淬透性，以获得均匀的综合力学性能。辅加元素W、Mo、V、Ti，细化晶粒，提高耐回火性。（2）常用的调质钢：1）碳素调质钢：35~45、40Mn、50Mn钢。淬透性低，淬火时变形开裂倾向大，用于制造承受低载、形状简单、尺寸较小的调质工件。2）合金调质钢：按淬透性分为三类①低淬透性调质钢

例如40Cr、40MnB等，油淬临界淬透直径为20-40mm，制作中等截面受变动载荷的调质工件②中淬透性调质钢

例如35CrMo、38CrMoAl等，油淬临界淬透直径为40-60mm，制作截面较大、承受重载的调质零件③高淬透性调质钢

如40CrMnMo、25Cr2Ni4WA等，油淬临界淬透直径为60mm以上，用作大截面、承受更大载荷的重要的调质件（3）热处理：1）预备热处理：珠光体钢采用正火。马氏体钢采用淬火后高温回火得到回火索氏体。2）最终热处理：淬火加高温回火以获得回火索氏体四、弹簧钢弹簧的作用：缓冲、吸振、储能性能要求：高的弹性极限、弹性比功和疲劳强度、一定的塑韧性1、化学成分：含碳量：碳素弹簧钢-0.6%~0.9%，合金弹簧钢-0.45%~0.70%，使得在热处理前具有接近共析成分的组织，以保证高的弹性极限与疲劳强度。合金元素：Mn、Si、Cr、V、Mo，增加淬透性和耐回火性2、常用的弹簧钢：（1）碳素弹簧钢：优质碳素结构钢中的高碳钢，价格便宜，热处理后具有一定的强度，但淬透性差。制作不太重要的弹簧。（2）合金弹簧钢：较高的淬透性，弹性极限高，屈强比较高，疲劳强度较高。主要用于车辆上的板簧和螺旋弹簧。典型的合金弹簧钢：60Si2Mn、50CrVA3、热处理：（1）热成形弹簧的热处理：淬火+中温回火（2）冷成形弹簧的热处理：1）索氏体化处理冷拉钢丝：只需进行去应力回火，不需要进行淬火与回火2）油淬回火钢丝：只需进行去应力回火，不需要进行淬火与回火3）退火状态工艺的合金弹簧钢丝：进行淬火与回火处理五、滚动轴承钢滚动轴承钢：制造各种滚动轴承内外圈及滚动体的专用钢种工作特点：转动时滚动体与内外圈在滚道面上均受变动载荷作用，套圈与滚动体之间是点接触或者线接触，接触应力很大失效形式：接触疲劳破坏与磨损性能要求：高的接触疲劳抗力，高的硬度和耐磨性及一定的韧性1、化学成分：含碳量：高碳，0.95%~1.15%，以保证高的强度和硬度，形成足够的碳化物以提高耐磨性合金元素：主加元素Cr-提高淬透性，并形成合金渗碳体，提高接触疲劳抗力与耐磨性S、P：限制极严，轴承钢属于高级优质钢2、常用的滚动轴承钢：牌号：G+Cr+Cr元素含量的千倍。例如GCr15，表示Cr含量为1.5%的滚动轴承钢常用的滚动轴承钢：GCr15、GCr15SiMn3、热处理：预备热处理：球化退火，降低硬度以有利于切削加工，并为淬火做好组织上的准备最终热处理：淬火+低温回火精密轴承零件：淬火+冷处理+低温回火六、低淬透性含钛优质碳素结构钢应用：专供感应淬火用的淬透性特别低的钢含碳量：0.5%~0.7%降低淬透性的措施：①降低增加淬透性元素的含量；②加入少量的强碳化物形成元素常用的钢：55Ti、60Ti、70Ti第四节工具钢工具钢：用于制造各种刃具、模具、量具的钢量具刃具模具碳含量：0.9%-1.3%合金元素：提高淬透性，并形成碳化物以提高硬度和耐磨性热处理：预备热处理-球化退火最终热处理-回火+低温回火一、刃具钢服役条件：受到复杂的切削力，刃部与切屑之间有强烈的摩擦，还承受冲击与振动锉刀性能要求：1）高的硬度与耐磨性2）高的热硬性3）足够的强度与韧性1、碳素工具钢：牌号：T+数字（表示碳含量的千倍），T7-T13例如，T7A表示含碳量为0.7%的高级优质碳素工具钢T7表示含碳量为0.7%的优质碳素工具钢T8Mn含碳量：0.65%~1.35%，保证淬火后有足够高的硬度。2、合金刃具钢：在碳素工具钢的基础上加入少量的合金元素。牌号：一位数字+合金元素+数字，例如，Cr2，9SiCr，W一位数字

元素符号数字合金元素的含量的百倍添加合金元素的种类含碳量的千倍，当碳含量>1%时不标出（1）化学成分：含碳量：高碳，0.75%~1.5%，以保证高的硬度，并可与合金元素形成适当数量的合金碳化物，以增加耐磨性合金元素：Cr、Si、Mn、W（2）常用的合金刃具钢：1）W钢：硬度和耐磨性好，韧性较好，热处理变形小，但耐回火性不高，淬透性较低2）Cr2钢：淬透性较高，变形与开裂倾向小，碳化物细小均布，提高钢的强度与耐磨性，可制造形状复杂、尺寸较大、切削用量大的刃具。3）9SiCr钢：高的淬透性和耐回火性，适于制造薄刃刀具3、高速工具钢：高速工具钢是热硬性、耐磨性较高的高合金工具钢。（1）高速工具钢的牌号与化学成分1）牌号：含碳量不标出，用合金元素+含量表示，高碳者牌号前冠以“C”。例如：W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2，CW6Mo5Cr4V22）化学成分：高碳0.75%-1.60%：获得高碳马氏体和足够的合金碳化物，保证高的硬度和耐磨性W：提高热硬性的主要元素，形成Fe4W2C。但当含量>18%，热硬性增加不明显，且碳化物不均匀性增加，塑性降低，加工困难。Mo：作用与W相似，1%的Mo取代1.8%的WCr：均为4%，主要存在与M6C中V：强碳化物形成元素，提高钢的硬度、耐磨性与热硬性，回火时产生二次硬化3）常用的高速工具钢：1）W18Cr4V（18-4-1）：使用最广的钨系高速钢2）W6Mo5Cr4V2（6-5-4-2）：钨钼系高速钢（2）高速工具钢的铸态组织与锻造铸态组织：鱼骨状消除措施：锻造（锻打）W18Cr4V锻造组织W18Cr4V铸态组织（3）高速工具钢的退火球化退火：改善可加工性，消除残余应力（4）高速工具钢的退火加热：预热淬火温度：<1300℃回火：三次回火*淬火后A残约20～25%。*第一次回火后A残约剩15～18%。*第二次回火后A残约剩3～5%。*第三次回火后A残约剩1～2%。二、模具钢1、冷作模具钢冷作模具钢：冷冲模、冷挤压模性能要求：高硬度、高耐磨性及足够的强度和韧性汽车冲压模具常用的冷作模具钢：（1）碳素工具钢：T10A；（2）低合金冷作模具钢：9Mn2V、CrWMn；（3）Cr12型钢：Cr12MoV（4）高碳中铬钢：Cr4W2MoV（5）其他：降碳高速钢等Cr12型钢的硬化方法：1）一次硬化法：低淬+低回2）二次硬化法：高淬+多次回火2、热作模具钢热作模具钢：制造使加热的固态或液态金属在压力下成形的模具热作模具：热锻模、压铸模热锻模：模膛制成与所需锻件凹凸相反的相应形状。将锻件坯料加热到金属的再结晶温度上的锻造温度范围内，放在锻模上，再利用锻造设备的压力将坯料锻造成锻件。

挤压模：用于将金属挤压成形的模具。挤压模的挤压筒为凹模，冲头为凸模。由于金属需要在很大的压强下才能从凹模挤出成形，因此，挤压筒和反挤压的凹模需要有很高的强度。压铸模：将熔融合金在高压、高速条件下充型，并在高压下冷却凝固成形的精密铸造方法。（1）热锻模用钢：热锻模的工作条件：高温、冲击力、时冷时热、磨损性能要求：足够的强度、韧性与耐磨性；好的热疲劳抗力；高的淬透性以获得好的整体性能化学成分：中碳（0.3%~0.6%）、Cr、Mn、Ni、Si常用的热锻模用钢：5CrNiMo、5CrMnMo（2）压铸模用钢：工作条件：高温、长时间与高温液体接触性能要求：高的热疲劳抗力，抗高温金属液的腐蚀、冲刷常用的压铸模用钢：3Cr2W8V（3）塑料模具用钢：工作条件：持续受热、受压，并受一定程度的摩擦和有害气体的腐蚀性能要求：足够的强度、韧性，较高的耐磨性和耐蚀性常用钢：3Cr2Mo三、量具钢卡尺量规千分尺性能要求：高硬度、高耐磨性、高的尺寸稳定性，良好的磨削加工性常用钢：8MnSi、9SiCr、Cr2、W钢等尺寸稳定性：不稳定的原因：残余奥氏体的转变；马氏体在室温下的分解；热处理及机械加工过程中的残余应力导致的变形解决方法：淬火后立即进行低温回火，精密零件还需要进行一次稳定化处理第五节特殊性能钢一、不锈钢不锈钢：抵抗大气腐蚀的钢耐酸钢：抵抗化学介质腐蚀的钢1、金属的腐蚀（1）腐蚀的概念：金属表面与外界介质作用而逐渐破坏的现象种类：化学腐蚀和电化学腐蚀（2）提高耐蚀性的途径1）形成钝化膜2）提高电极电位3）形成单相组织2、常用不锈钢（1）按化学成分分：铬不锈钢、镍铬不锈钢、铬锰不锈钢（2）按金相组织分：马氏体型不锈钢、铁素体型不锈钢、奥氏体型不锈钢、奥氏体-铁素体型不锈钢及沉淀硬化型不锈钢（3）典型牌号：Cr13型：12Cr13、30Cr13，06Cr13Al等Cr17型：10Cr17、68Cr17等Cr27-30型：008Cr30Mo218-8型：10Cr18Ni9Ti（或1Cr18Ni9Ti）、10Cr18Ni9、008Cr18Ni9（或0Cr18Ni9）等二、耐热钢耐热性：材料在高温下兼有抗氧化与高温强度的综合性能（1）高温抗氧化性及提高途径：高温抗氧化性：在金属表面形成一层致密的氧化膜使钢不再继续氧化。提高途径：合金化，加入Cr、Al、Si等（2）高温强度概念及提高途径金属在高温下长期受载的特点：强度下降及蠕变提高途径：提高再结晶温度；弥散强化；适当“粗化”晶粒三、耐磨钢耐磨钢：在巨大压力和强烈冲击载荷作用下才能发生硬化的高锰钢典型代表：ZGMn13特点：高碳高锰球磨机挖掘机颚式破碎机高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件。如拖拉机的履带板、球磨机的衬板、破碎机的牙板、挖掘机的铲齿和铁路的道岔等。铁路道岔履带球磨机衬板挖掘机铲齿大多数机器零件在制造过程中都安排有一个预先的热处理工序，其工艺路线一般如下：毛坯（铸、煅）—预先热处理—切削加工—最终热处理退火是将钢加热到一定温度并保温一定时间以后，以缓慢的速度冷却下来，使之获得达到或接近平衡状态组织的热处理工艺。1.退火第一节钢的退火与正火退火目的:⑴调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HB。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（淬火）作组织准备。(4)对一些受力不大、性能要求不高的机器零件，可作为最终热处理退火工艺的分类:（1）完全退火：AC3以上20-30OC，适用于亚共析钢。其目的是细化晶粒、消除内应力、降低硬度以改善切削加工性能。低碳钢和过共析钢不适于完全退火！！为什么？？（2）等温退火

等温退火的加热工艺与完全退火相同。“等温”的含义是，发生珠光体转变时是在Ar1以下珠光体转变区间的某一温度等温进行。等温退火能有效缩短退火时间，提高生产效率并能获得均匀的组织和性能。不完全退火是将铁碳合金加热到Ac1～Ac3或Ac1～Acm之间温度，达到不完全奥氏体化，随之缓慢冷却的退火工艺。

不完全退火主要适用于中、高碳钢和低合金钢锻轧件等，其目的是消除内应力和降低硬度，加热温度为Ac1+(40～60)℃，保温后缓慢冷却。

（3）不完全退火

（4）球化退火

球化退火主要用于过共析钢和合金工具钢。其目的是降低硬度、均匀组织、改善切削性能，为淬火作组织准备。获得粒状珠光体。球化退火的加热温度一般为Ac1以上20～30℃。（5）均匀化退火（扩散退火）目的:消除化学成分不均匀现象扩散退火的特点:加热温度高（一般在Ac3或Accm以上150～300℃），保温时间长（10h以上）。因此，扩散退火后钢的晶粒粗大，需要进行一次正常的完全退火或正火处理。（6）去应力退火

一般是将工件随炉缓慢加热至500～650℃，经一段时间保温后随炉缓慢冷却至300～200℃以下出炉。主要用来消除因变形加工及铸造、焊接过程中引起的残余内应力，以提高工件的尺寸稳定性，防止变形和开裂。（7）再结晶退火

冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒，这种热处理工艺称为再结晶退火。其目的是消除加工硬化、提高塑性、改善切削加工及成形性能。一般钢材的再结晶退火温度为650-700℃。正火的加热温度为Ac3或Accm以上30～50℃，保温以后的冷却方式在空气中进行。由于正火比退火的冷却速度大，故珠光体的片层间距较小，因而正火后强度、硬度较高。2.正火正火的应用1、改善低碳钢的切削加工性能；2、消除中碳钢的热加工缺陷；3、消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火；4、提高普通结构件的力学性能。⑴对于低、中碳钢(≤0.6C%)，目的与退火的相同。⑵对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。⑶普通件最终热处理。要改善切削性能，低碳钢用正火，中碳钢用退火或正火,高碳钢用球化退火.正火的目的3、退火和正火的选用退火或正火工艺的选择应当根据钢种，冷、热加工工艺，零件的使用性能和经济性综合考虑1、

c0.25%低碳钢通常采用正火替代退火2、c=0.25%0.5%的中碳钢也可用正火代替退火4、c=0.75%以上的高碳钢或工具钢一般采用球化退火作为预备热处理。若有网状二次渗碳体存在，则应进行正火消除。3、c=0.5%0.75%的钢采用完全退火随着钢中碳和合金元素增加，过冷奥氏体稳定性增加，因此，正火后硬度高，不利于切削加工，应采用完全退火。对于合金元素特别高的钢，应采用高温回火来消除应力，降低硬度，改善切削加工性能。另外，从使用性能的角度，若零件的受力不大，性能要求不高，不必进行淬火或回火，正火（最终热处理）即可提高钢的力学性能。从经济性原则考虑，正火的生产周期短，操作简单，工艺成本低，在满足使用和工艺性能的前提下，应尽可能用正火代替退火。第二节钢的淬火与回火一、淬火

将钢加热到Ac1或Ac3以上，保温一定时间，然后快速（大于临界冷却速度）冷却以获得马氏体（下贝氏体）组织的热处理工艺称为淬火。1.淬火应力淬火后工件的形状，尺寸都会发生变化，有的甚至产生淬火裂纹-----淬火应力当它超过材料的屈服强度时，便引起工件的变形，超过材料的强度极限时就会使工件开裂淬火应力包括热应力和组织应力淬火应力跟淬火加热温度、淬火冷却介质和冷却方式有关。淬火加热温度的选择应以得到细而均匀的奥氏体晶粒为原则，以便冷却后获得细小的马氏体组织。亚共析钢的淬火加热温度通常为Ac3以上30～50℃；过共析钢的淬火加热温度通常为Ac1以上30～50℃。过共析钢的淬火加热温度通常为Ac1以上30～50℃????

2.淬火加热温度常用的淬火冷却介质是水和油。水主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。油一般用作合金钢的淬火冷却介质。为了减少零件淬火时的变形，盐浴也常用作淬火介质，主要用于分级淬火和等温淬火。3.淬火冷却介质为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和开裂，必须采用已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决。通常的淬火方法包括单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火等，如图所示。4.淬火方法在一种冷却剂中淬火的方法称单液淬火；而在两种冷却剂中淬火的方法称为双液淬火。等温淬火:是将工件自加热炉中取出，在淬火需要温度的盐浴或油浴中淬火，并使其等温转变为所需要的组织。分级淬火：将工件从淬火温度直接冷却到M点以上某一温度，经适当时间的保温，然后取出空冷或油冷，以获得马氏体。5.钢的淬透性钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其大小通常用规定条件下淬火获得淬透层的深度（又称有效淬硬深度）来表示.如何表示???。淬透性定义:淬透区和未淬透区:半马氏体区:淬透性和淬硬性的区别:钢的淬透性用JHRC-d表示，其中d表示淬透性曲线上测试点至水冷端的距离（mm）,HRC为该处的硬度值。J表示末端淬透性淬透性可用“末端淬火法”测定。

生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。所谓临界淬火直径，是指圆棒试样在某介质中淬火时所能得到的最大淬透直径（即心部被淬成半马氏体的最大直径），用Do表示。在相同冷却条件下，Do越大，钢的淬透性越好。钢的淬硬性是指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，淬硬性主要决定于马氏体的碳含量。将淬火后的钢件加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间后冷却至室温的热处理工艺叫回火。淬火钢件经回火可以减少或消除淬火应力，稳定组织，提高钢的塑性和韧性，从而使钢的强度、硬度和塑性、韧性得到适当配合，以满足不同工件的性能要求。

二、回火1.低温回火低温回火的温度范围在150～250℃