汽车材料与金属加工 第2版 教学大纲

汽车材料与金属加工教案（高美兰）第汽车材料与金属加工教案（高美兰）第1页共152页-1--1-内容导入互动：你了解哪些材料？材料是人类生产和生活所必须的物质，人类社会的发展也是伴随各种材料的发展而发展的，从石器、青铜器、铁器到钢、有色金属、非金属材料、复合材料、纳米材料。 料材料——汽车工业的基础。一辆汽车约有2万个零件，用4000多种材料三大支柱 能源 非金属材料信息技术绪 论一、课程的性质、内容、目的性质——《汽车材料与金属加工》是研究汽车（制造和运行）材料的性能和金属加工工艺的一门综合性的技术基础课，是汽车类专业的必修课，是重点课程之一。内容——包括汽车制造材料、汽车运行材料和金属加工等三篇。56学时-28次课=24+4属力性能 2+1汽车造料 属体结与晶 2金属料其汽上应用 包括 非金材及在车的应用 1汽车运行材料——汽车燃料、汽车润滑材料、汽车工作液、汽车轮胎2金属工——造锻、焊、削工 3目的——1.2.4.了解汽车运行材料选用及其使用注意事项；5.了解铸造、锻造、焊接等毛坯成型的特点和工艺过程，具有选择毛坯的能力。二、机械产品生产的全过程（原材料→产品）汽车零部件的生产过程与所有机械产品的生产制造过程一样，包括产品设计、产品制造与产品使用三个阶段。产品加工方法主要有：铸造、锻压、焊接、切削加工及热处理等。1.产品制造过程①首把石炼金材料； （材料产）②然把属料铸锻、等法工毛坯或零； 毛坯工）③毛坯经过切削加工，便可以得到所需要的零件。（机械加工：零件生产、机器的装配）④为了改善零件性能，还要穿插热处理工序，最后将零件装配在一起，即成为机械产品。-2--2-铸造（手轮、飞轮、带轮）铸造（轴承座、车床床身）压力加工（轴、齿轮）型材铸锭矿石冶炼 压加 焊接型材铸锭矿石- → →

切削 装配毛坯零件- →毛坯零件压力加工（板料冲压）焊接（床）压加小榔头：铸锭→

压加

毛坯切加

半成品挫削

半成品装配成品→→→→2.产品使用过程——汽车燃料、汽车润滑材料、汽车工作液以及汽车轮胎。→→→→※《汽车材料与金属加工》把汽车（制造与运行）材料与金属加工内容连在一起了。三、本课程在本专业中的作用金工实习（冷、热）加工实习：钳工、铸、锻、焊、热、切削加工承上起下汽车制造工艺学一辆汽车由2万多个零部件组装而成，每个零部件的生产制造都涉及到材料问题。从汽车的设计、加工制造，到汽车的使用、维修等无一不涉及到材料。合理选择汽车材料——即可达到高效节能、低碳环保、低噪音、高舒适度、高安全性的目的。：1.1-1.2T，6-7/：1.3-1.5T，9-10/公里（大轿车、载重汽车）汽油+0①《汽车制造工艺学》等课程的需要；②就业和工作需要。从事汽车类（汽车制造与装配、汽车运用、检测、维修）工作必须具备的一门重要的技术基础课。奠定专业基础、拓宽知识面、提高综合素质四、课程的特点及要求；特点——A.涉及面广，综合性强。学习时一定要加强理论和实践（冷、热加工实习）的联系。B.内容抽象、入门难。A.7→5B.每次课有重点，每章有小结。期末不画重点，要留意，作好记录。五、考核与学时分配：学时：56=14×4=3.5学分，一学期结课考核：考试（查）课0%50%-3--3-第1章 金属材料性能金属的性能直接关系到汽车的制造装配、运行维护、使用寿命和加工成本，是合理选用汽车零部件材料的重要依据。使用能在用件表现的能物、学、学；金属性能 决了料使范、安可性使寿。；（。①餐盘：不锈钢——冲压件：塑性好的低碳钢板（。③汽车轮胎紧固螺栓材料及规格的选择，就必须能够保证螺栓在使用过程不会扭断，从而保证驾乘人员的安全。静态力学性能强度与塑性强度：金属在静载荷作用下，抵抗塑变（永久）和断裂的能力；包括：拉伸、压缩、弯曲、扭转等强度。塑性：金属在静载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力。测定：拉伸强度和塑性都是通过拉伸试验测定的。一、拉伸试验：在WE—300KN万能材料试验机（图1-4——拉伸试验机）上进行的。（1）（（2（（3）在试验时，还将自动绘出：力-伸长曲线（图1-5）-4--4-退火低碳钢（塑性材料）——屈服明显；试样铸铁（脆）——无屈服现象。从图中可看出下面几个变形阶段：Fe特点：变形可逆。无论加载、卸载：F∝ΔL。（２）epFeFsssbFsbkFbkFb是试样拉断前所能承受的最大拉伸力。（PaF——所加载荷（N）即：σ=F/S0

0S2）0拉伸验的标有 屈服度1.（eσe=Fe/S0Fe——弹性极限载荷。2.σS或ReσS=Fs/S0或ReL=Fe/S0(MPa)Fs——屈服时的最小载荷。σ0.2（Rr0.2）——对于脆性材料(铸铁、高碳钢)没有明显的屈服现象，无法确定σS。0.2%L0（σ0.2163.（σb或Rm-5--5-σb=Fb/S0或Rm=Fb/S0Fb（1）量减轻，可实现汽车轻量化σ0.2σb为0.65~0.75越大——利用率高，但不可靠。（4）比强度Rm/ρ在考虑汽车轻量化的问题时，也常被提及。三、塑性——塑性指标也是由拉伸曲线测出的（δ、ψ）1.断后伸长率——试样拉断后，标距长度的伸长量与原标距长度的百分比，用δ或A表示。长试样表示为：δ10：L0=10d0即：δ=(Lu-L0)/L0×100%短试样表示为：δ5：L0=5d0对于一材：般δ5＞δ10 δ5=（1.2~1.5）δ10塑性材料：δ＞5%，结构钢δ＜5%即：ψ=(S0-Su)/S0×100%或Z=(S0-Su)/S0×100%ψ，A.B.能通过塑变实现成型加工。如汽车车身覆盖件、油箱等大多是采用具有良好塑性的冷轧钢板冲压而成。纯 ：铬工业纯铁：δ=50%，可拉成细丝或扎成薄板等。硬币铸 铁：δ→0，因不进塑工强度、σS、σb）

防锈铝：LF11小结：拉伸试验塑性（δ、ψ）作业P14—2、3、5作业-6--6-内容导入：通过拉伸实验测得两个力学性能指标——强度、塑性，其实际意义是什么？1.σS、σb各自的物理意义是什么？2.δ、ψ哪一个更能准确反映金属的塑性？硬度硬度：衡量材料软硬程度的指标。反映的是材料抵抗较硬物体压陷的能力。如：汽车维修中所用的模具、量具、刀具等都要求有足够高的硬度，否则就无法正常工作。测定方法：压入法、划刻法、回跳法，其中压入法最常用。生产中常用的硬度试验有：布、洛、维；显微、肖氏、奴氏、理氏等。一、布氏硬度——通过图1-7布氏硬度试验测出的（HBS、HBW）1.D（F表面，并保持一定时间（0S，然后卸出载荷，金属表面即出现一个直径d以压痕单位面积上所受载荷的大小，来确定被测金属的硬度值。HBS——钢 球——＜450HBS以HBS（HBW）表示HBW——硬质合金——＞450HBWHBS（W）=

FF 2FS Dh

㎏f/㎜2（不标单位）D(D DD(D D2d2)dHBS2294.0630HBWd越大，越软。实验指导书：P25附录1dHBS2294.0630HBW2.42.42072076.06.095.54.22.表示方法95.54.2

120HBS/10/3000/30500HBW5/750 τ=10-15S略。：240-280HBS汽车材料与金属加工教案（高美兰）第PAGE汽车材料与金属加工教案（高美兰）第7页共152页-7--7-3.(2.5~6.04.450HBS（＞450HBW。（10。另外根布硬值还可近估抗强，其验式：低 碳 ：σb=3.6HBS 碳：σb=3.4HBS调质金：σb=3.25HBS 二、洛氏硬度——过图1-9洛氏硬试测的（HRA、HRBHRC）1.1201.588（1/16〞10f件表面，并压入一定深度h1；然后再施加50、90140fh2。待总的载荷稳定后，去除主载荷。由于被测材料的弹性变形，实际压入的深度为h3，则：压头实际压入金属表面的深度为h=h3-h1故：可以用h值大小，来衡量材料的软硬程度。h越大，越软。该值可以直接从表盘读出，表示为HRA、HRB、HRC。h0.002读数确定：HR=K-0.002压头端点每移动0.002㎜，表盘指针转过一小格。为适应读数越大，越硬的概念，引入了常数作被减数。一般，根据压头和主载荷的不同，分别用符号压头主载荷㎏fK测量范围应用HRA金刚石5010020～88硬质合金、表面硬化层等（最硬）HRB淬火钢球9013020～100（最软）HRC金刚石14010020～70调质钢、淬火钢等（中等）2.表示方法：60-62HRC（注意有效值范围P6）3.特点：压痕小，代表性差，一般测三点取其平均值。4.应用：淬火处理的钢制零件、成品及较薄件。--PAGE8-三、维氏硬度——通过维氏硬度试验测出（HV）1.试验原理：与布氏硬度相似，其值也用单位面积所受载荷表示。F 2 2HV=

2sin60F/dA

=1.8544F/d2.区别：压头——两相对面夹角为136°的金刚石四棱锥。压痕——四边形。（，HV3.表示方法：同布氏硬度。64V3003kgf2s64。4.特点：试验力小，压痕更小，轮廓清晰，数值准确可靠。但需要测量对角线的长度，然后经计算或查表确定，故效率低。不适于大批测试。5.硬度反映了金属材料的综合力学性能，既反映了强度，也反映了塑性。故，常把硬度指标标在图纸上。因其试验迅速、简单，又不破坏材料，比强度指标更实用。0逐渐max——汽车在静止状态下，车身自重引起的对车架和轮胎的压力属于静载荷。汽车起步、加速、紧急制动、停车时，变速器中的齿轮、传动轴等※汽车上大多数零件承受的动载荷，例：零件受到的载荷为冲击载荷运转中的发动机曲轴、齿轮、弹簧等所承受的载荷均为交变载荷。冲击荷 冲击性载从0突然max动载荷交变荷 疲劳度大、向随时呈期变的荷。动态力学性能冲击韧性一、冲击韧性（ak）0max其值：单位面积所做的冲击功。即：αK

=AK(J/cm2)S0汽车材料与金属加工教案（高美兰）第汽车材料与金属加工教案（高美兰）第9页共152页测试2.然后，将试样放在冲击试验计的支座上，使缺口背向摆捶；3.将具有一定质量的摆捶举到一定高度H1，使之自由落下，将试样冲断，摆捶继续升至一定高度H2；4.则摆捶冲断试样所失去的能量，即为冲击载荷所做的冲击功。AK=GH1-GH2S，则Kα=G(H1H2)（J/㎝2）K

G（H1-H2）——可直接读出（J）S注意单位

S——缺口面积（㎝2）分子：×9.8(表盘反映的是㎏·m，要变成N·m)分母÷100(㎜2变成㎝2)αK值越大,材料冲击韧性越好。二、冲击吸收功—温度关系曲线1．αK值大小，与试验温度有关：AK随温度降低而减小，在某一温度区域，冲击吸收功急剧下降，这一温度区域称为韧脆转变温度。在韧脆转变温度以下，金属由韧性断裂变为脆性断裂。韧脆转变温度越低，材料的低温抗冲击性能越好。※碳素结构钢：韧脆转变温度约为-20℃，因此在寒冷地区使用的碳素结构钢制造车辆、桥梁、输油管道等，在冬天易发生脆断现象。

图1-9温度对冲击吸收功的影响※。汽车发动机中的活塞、活塞销、曲轴、连杆等零件在工作中就受到冲击载荷的作用，所以应汽车材料与金属加工教案（高美兰）第PAGE汽车材料与金属加工教案（高美兰）第10页共152页-10--10-采用韧性好的材料制造。2.因为，αK值大小，除决定于材料本身以外，还与环境温度、缺口形状、试样大小有关。所以，αK不能做选材的依据，只能做参考。3.通过断口判别材料的断裂性质：αK小：脆性断裂——断口无明显的塑变，外表轮廓较整齐，有金属光泽，呈晶状或瓷状。断裂αK大：韧性断裂——断口有明显的塑变，外表轮廓有厚的突出边缘，呈暗灰、纤维状。三、冲击载荷

αKαK疲劳强度一、疲劳现象（轴、齿轮、弹簧这些零件工作时所承受的应力通常小于材料的σS，但，经过较长时间工作，就可能发生断裂。疲劳。※疲劳断裂是突然发生的，具有很大的危险性，例如：汽车的板弹簧或前轴发生疲劳而突然断裂，就会造成车毁人亡的重大交通事故。钢丝绳的断裂。衡量金属疲劳现象的性能指标是——疲劳强度。二、疲劳强度——材料经无限次交变载荷作用而不破坏的最大应力，用（σ-1）表示。应力与循环次数有如下关系：图1-17曲线表明：应力值越低，断裂前循环次数越多；当应力降至某一值σ-1时，曲线与横坐标平行。表示：应力值低于此值时，材料可经无限次循环而不断裂。--PAGE11-工程上规定

钢铁材料的循环基数为107；有色金属和超高强度钢以108为基数。材料夹杂疲劳裂原因 表划痕其它能引起应力集中的缺陷。改善结构形状，避免应力集中；避免 高面洁；表面强化——喷丸、表面淬火等。在汽车的维修、保养过程中，应及时排除隐患，以保证车辆的安全运行。小 结σsσs—塑性材料产生明显永久变形的抗力屈服点σr0.20.2%L0b—断前最大拉应力强度判据静载荷

塑性判据

断后伸长率δ>5%断面伸缩率ψ>10%<450HBS

可满足一般零件测定麻烦

设计选材参考安全可靠保证金属的力 硬度判据学性能

布氏硬度洛氏硬度维氏硬度

450～650HBW20～70HRC20～100HRB20～88HRA[5～1000HV]

结果精确测定简单不伤工件测定麻烦结果精确

用来测半成品用来测成品或薄件用来测薄件动载荷

韧性判据疲劳判据

冲击吸收功 AKV（AKU）是受冲零件的选材、检验依据疲劳强度 σ-1是循环交变荷零件选材、检验依据1.3工艺性能金属材料的工艺性能是指金属材料在加工过程中所表现出来的性能。工艺性能对于保证汽车产品质量、降低成本、提高生产效率起着十分重要的作用，是汽车的设计、制造、修理及选择汽车零件材料必须认真考虑的因素。该内容将在第三篇详细叙述思考题P11-5、6、8本章试验安排：内容：金属力学性能——拉伸、冲击、硬度时间：第三、第四次课地点：力学性能实验室汽车材料与金属加工教案（高美兰）第汽车材料与金属加工教案（高美兰）第12页共152页晶 ：有固金及金一、体基概念 非体：晶体：有固定熔点，各向异性区别非晶体：无固定熔点，各向同性晶格图2-1b二、体构基知识 晶：图2-1c晶格参数：图2-1c（常数、夹角）bcc三、见属晶类型 fcchcp类型原子数类型原子数原子半径配位数致密度bcc23a/4868%fcc42a/41274%hcp6a/21274%五、实际金属的晶体结构

晶粒（位向不同的小晶体）多晶体 各向同性点晶体陷 线面晶体小结 bcc、fcchcp缺陷点线面作：P39 、3-13--13-内容导入：金属的力学性能与其晶体结构密切相关。要深入认识金属材料，必须从金属的晶体结构入手。金属的性能与晶体结构、化学成分之间关系为：性能组织、结构化学成分、处理条件(1)纯Fe的强度、硬度比纯Al高，而导电、导热性不如纯Al；钢 ——脆例 (2)同属于Fe-C合金的 其性能也不同 原因：Wc不同。铸铁 钢——塑性好 慢冷（退火）→P±20HRC(3)成分相同、处理条件不同的T8钢，同时加热到760°℃后可见：化学成分（处理条件）组织、结构性能

快冷（淬火）→M >60HRC因此，通过改善或控制金属的成分、选择适当的工艺手段，得到不同的组织，进而达到提高或改善金属性能的目的、才能充分发挥材料的性能潜力。第2章金属的晶体结构与结晶2.1纯金属与合金的晶体结构2.1.1纯金属的晶体结构自然界中的固态物质，根据其内部粒子的聚集状态，分为晶体和非晶体两大类：1.晶 体——子分在三空内按一的几形作规的复。（所有固态金属及合金2.。晶 ：一熔，各异。3.晶体与非晶体的区别非晶体：无明显熔点，各向同性。4.（模型：1.晶格——为描述晶体内部原子排列的规律性，把原子近似看成刚性小球，则晶体是由许多刚性小球按照一定的几何规律堆积而成的。图2-1a（晶体的原子模型——晶体中最简单的原子排列情况）※ 用于描述原子在晶体中排列形式的空间格子称为晶格，图2-1b晶格中直线的交点——结点。2.晶胞——图2-1b所示：晶格中原子排列具有周期性变化的特点。能够完全反映晶格排列特征的最小几何单元，称为晶胞。图2-1c即：晶格是由一些最基本的几何单元重复堆积而成。-14--14-棱边长度（a、b、c）3.晶参——用表晶胞几形和小的 。a=b=c=a(A)立方胞其 金的格数为1-7Aα=β=γ=90º1nm=10A=10-9m 1A=10-8cm=10-10m二、常见的金属晶格类型通过X射线对金属结构分析，金属的晶格类型很多，但最常见的有——bcc、fcc、hcp。内容类型代号晶胞形状原子分布晶格参数常见金属体心立方晶格bcc立方体八个顶角和立方体中心a=b=c=aα=β=γα-FeCrMoWV、Nb面心立方晶格fcc立方体八个顶角和六个面中心a=b=c=aα=β=γγ-Fe、AI、Cu、Ni、Au、Ag、Pb密排六方晶格hcp六方柱体十二个顶角和上下底面中心及上下底面之间a（边长、hα=β=90ºγ=120ºMg、Zn、Cd、Be※对于晶体，晶格类型不同，所表现出的物理、化学及力学性能也不同：bcc——有相当高的强度和良好的塑性；fcc——塑性都很好。塑性：fcc＞bcc＞hcp※晶格类型不同，原子在晶格中排列的紧密程度也不相同，通常用致密度（晶胞中原子所占体积与晶胞体积的比值）来比较。其中：bcc为68%，fcc和hcp的为74%。可见：致密度越高，原子排列越紧密，间隙越小。据此，可解释纯铁在某一温度范围内的热缩、冷涨现象，这也是为什么钢淬火时容易出现变形和裂纹的原因。三、金属的同素异构转变：例：Fe 如：γ-Feα-Fe（1%）（。-15--15-内容导入：纯金属虽然具有良好的导热、导电性，但因其力学性能（强度、硬度）较低，冶炼困难，价格较高，故工程上大量使用的很少是纯金属，绝大多数是合金。内容导入：纯金属虽然具有良好的导热、导电性，但因其力学性能（强度、硬度）较低，冶炼困难，价格较高，故工程上大量使用的很少是纯金属，绝大多数是合金。2.1.2合金的晶体结构一、基本概念：1.（）黄金：24K（4.1666625%）是指纯金（99.9999%）千足金——含量为99.9%，俗称三个9。——9。18K——75.0%，KK金,白金——是指贵金属铂（Pt）①较高的强度、硬度；特点与金相，有 优的、、艺性；。2.（。Cu和Zn；②Fe-C中的Fe和Fe3C3.如：①纯金属结晶时，液态是一个相，固态是一个相；（共晶。4.即：组织是相的综。 也是肉或微观到的料微形。合金之所以比纯金属性能优越主要是由于合金的内部相结构不同于纯金属。合金的内部相结构比较复杂，但根据各元素在结晶时相互作用的不同可以把它们归纳为三种。※于金性取组，组又决，以了握金织及，要了解金相结合金之所以比纯金属性能优越主要是由于合金的内部相结构不同于纯金属。合金的内部相结构比较复杂，但根据各元素在结晶时相互作用的不同可以把它们归纳为三种。二、合金的相结构——合金中相的晶体结构（相中原子排列情况）1.固溶体——在一种元素的晶格内溶入另一种元素的原子，形成的均匀相。）Fbc：C（六方）α-e（c）相（ccZn（h在Cufc）溶 ——糖（溶）③糖溶于水中（糖水和冰棍）固溶体——冰棍（1）固溶体的分类：按溶质原子在溶剂晶格中所处位置：A．置换固溶体——溶质原子位于溶剂晶格某些结点位置而形成的固溶体。图2-6a溶解度：即可以是有限的，也可以是无限的；若：剂、质在元素周期表中靠近、且晶格类型相同，则：、可以意例互。例： Ni——Cu——Znfcc fcc hcp28 29 30-16--16-B．间隙固溶体——溶质原子溶入溶剂晶格间隙而形成的固溶体。图2-6b质：原子半径较小的非金属元素：C、N、H、B形成元素剂：原子半径较大的过渡族金属元素：Fe、Cu、Zn；溶解度：由于间隙有限，所以，溶解度也有限。2）固溶体的性能（：固溶强化——溶质元素溶入溶剂晶格，使合金的强度、硬度升高的现象。是提高合金力学性能的重要途径之一。效果：取决于溶质含量：当溶质含量适当时，会使合金的强度、硬度提高，塑性、韧性基本不降。即有良好的强韧性配合。所以，实际使用的金属材料，多数是单相固溶体或以固溶体为基的合金。2.金属化合物——当合金中溶质含量超过溶剂的溶解度时，将出现新相。若新相的晶体结构和溶剂相同，则新相是以溶质为溶剂的固溶体；若新相的晶体结构不同任一组元，则新相称为金属化合物。结构：不同于任一组元。例如：Fe-C合金中的Fe3C（复杂的斜方晶格）黄铜（Cu-Zn）中的β相CuZn（bcc）熔点：1227℃性能熔高硬脆。Fe3C 硬：800HBW塑、韧性很差：δ→0由于化合物的性能特点，生产中很少使用单相化合物合金。但当化合物呈细小颗粒弥散分布B（第二相强化。3.机械混合物——由两相或多相按固定比例构成的组织。例：P——F+Fe3CF（bcc）结构保各的构 p性能保各的能 p

Fe3C（复杂的斜方晶格）F——软Fe3C——硬机械混合物的性能：取决于组成相的性能、数量、大小和分布等。小结：本次课重点内容为1.常见的金属晶格类型及其特征；2.相、组织的概念及其区别；3.固溶体、化合物的结构及性能特点。作 业：P-17--17-：（原子排列既规则又完整，且晶格位向完全一致，即单晶体。多晶体（理想晶体）而金属的实际晶体结构存在着各种晶体缺陷2.1.3.金属实际的晶体结构晶粒——一小单体称一晶；一多晶体 晶——晶粒的界；各向同性——位向不同的晶粒的各向异性互相抵消或补充。二、晶体缺陷——实际金属晶体中，局部原子排列的不规则性，统称晶体缺陷。根据缺陷的几何形态特征，分点、线、面缺陷。1.点缺陷——晶体中呈点状分布的缺陷。常见的有：空位、间隙原子、置换原子（图2-8）置换原子——结点上的原子被异类原子所取代。※缺的成是热运的果。 目与温有。2.线缺陷——晶体中呈线状分布的缺陷。基本形式：各种类型的位错（刃型、螺型、混合型）位错——晶体中某处，有一列或若干列原子发生某种有规律的错排现象。刃型位错——在一个完整晶体的某一个晶面以上，于某处多出一个原子面，其下边2-93.面缺陷——晶体中呈面状分布的缺陷。主要指：晶界和亚晶界。晶界——晶粒和晶粒之间的边界。为什么晶界是面缺陷？因为：组成多晶体的晶粒结构完全相同，但彼此间位向不同：几十分~十几度，这样就使晶界处的原子处于折中的位置，既……又……，故：使晶界处的原子排列不整齐X完全一致，而是由许多位向差很小的（＜2°小晶块镶嵌而成。这些小晶块称为“亚结构”“亚晶粒”。。综上：各种晶体缺陷使晶格处于畸变状态，引起晶体内部产生内应力，导致塑性变形抗力增加，从而使金属的强度、硬度增加。生产中，通过金属材料的塑性变形使晶体产生缺陷，达到强化金属的目的，称为形变强化。。水桶周边压印-18--18-内容导入：金属的晶体结构是在结晶的过程中逐渐形成的。所以，研究结晶的规律，有利于探索和改善金属材料的性能。纯金属与合金的结晶纯金属的结晶一次结晶：L→S（水→冰）结晶——物质由液态转变为固态晶体的过程。S1S2-e）（热分析实验2-11：1.冷却曲线——是由热分析法测得的，用于描述结晶过程的曲线。即：液态金属在缓慢冷却过程中，每隔一段时间一次温度，直到室温。2-11a※出现“平台”的原因：结晶时释放的结晶潜热，补偿了散失在空气中热量之故。③结晶完毕，随着时间的延长，温度继续下降，直到室温。2.过冷度ab若：纯金属在极缓慢（理想状态）的冷却条件下冷却，则平台所处的位置为：T0——理论结晶温度T1T1＜T0则：ΔT=T0-T1（）ΔT与冷速有关：冷速越大，ΔT越大。金属的结晶过程都是在过冷度存在的条件下实现的，所以过冷是结晶的必要条件。3.过冷现象——水的T0=0℃。实际上水刚冷到0℃时，并不马上结冰，只有冷到0℃以下，才开始结冰，液态金属也如此。重点：金属的结晶过程是在曲线上水平线段进行的，由晶核的产生和晶核的长大两个过程组成的。-19--19-1.形核：液态金属冷却时，随着温度的下降，原子的运动减弱，其活动范围变小；T12.长大：晶核形成后，会吸附周围液体中的原子而长大。与此同时，又有一批新的晶核形成并长大。如此继续，直到全部液体转变成固态为止。结晶过程结束。。对于整个系统：形核、长大同时进行。※实际金属结晶后，得到由大量晶粒长出的多晶体。三、晶粒大小对金属力学性能的影响：1.晶粒大小对力学性能的影响：（1）常温工作的金属：晶粒越细，其强度、硬度、塑性、韧性越好；因为：晶粒越细，晶界越多、越曲折，晶粒与晶粒之间咬合的机会就越多，越不利于裂纹的发展和传播——细晶强化（2）高温下工作的金属：晶粒大小适中，才能有较高的蠕变强度；（3）变压器用的硅钢片：晶粒越大越好，可获得良好导磁性。2.细化晶粒的方法（：（1）增加过冷度——ΔT、N、G之间关系如图2-13图示：N、G均随ΔT的增加而增加，但N比G增加的快。故：提高ΔT，能细化晶粒（金属冷速大——ΔT大，采用导热系数大的金属型）但：该方法只能用于小（薄）件。而大（厚）件，提高冷速来提高ΔT细化晶粒，很难，所以，可进行变质处理。（2）变质处理——在浇注前，向液态金属中加入被称为变质剂（高熔点的杂质，起晶核的作用）的金属或合金，以增加N，降低G，来细化晶粒。例：钢液中加入：Ti，Zr；铝液中加入：Ti，B；3.附振——机振、超波动电振等。使金晶在大程在断碎。小结：次重内为 1.金的晶程；2.晶粒大小及其控制。-20--20-内容导入：纯金属的结晶过程，可以用冷却曲线来描述。即：把冷却曲线上的转变点投影到温度坐标轴上，则可以得到其在某一温度下所处的状态。而合金结晶时，不仅温度变化，其成分也变化，因此，必须借助于相图来描述其结晶过程。即：用温度和成分两个坐标轴，表示某一成分的合金在某一温度下所处的状态。合金的结晶一、相图——用来表示平衡条件下，合金的状态与温度、成分之间关系的图解。即：以温度为纵坐标、成分为横坐标，表示合金系中各合金在不同温度下是由那些相组成的以及这些相之间的平衡关系。平衡：一般认为，合金在极缓慢的冷却条件下的结晶，即是一种平衡状态。意义：是制定铸、锻、焊、热等热加工工艺、以及进行金相分析的重要依据。二元合金相图的建立：相图一般是在极缓慢的冷却，接近平衡条件下，用试验（热分析、金相、膨胀、硬度、X射线分析）方法建立的，最常用的是热分析法。以Cu-Ni合金为例：1.配合金：配制一系列成分不同的Cu-Ni合金；2.；3.；4.标临界点：画出温度-成分坐标系，把临界点标在相应的成分线上；5.Cu-Ni二匀晶相图两在液和态能任比例限溶合所形的元相图，匀相。：Cu-Ni Fe-Cr Au-Ag金的图。实际上，几乎所有相图都包含匀晶部分，匀晶是二元相图的基础。以Cu-Ni为例：1.（）A——纯铜的熔点1083℃两点B——纯镍的熔点1452℃-21--21-液相线（AaB）——上临界点的连线两线固相线（AbB）——下临界点的连线L——Cu和Ni形成的液溶体两个单相区三区 α——Cu在Ni形固溶体一个相区 L+α2.合金的平衡结晶过程及组织：平衡结晶：合金在极缓慢的条件下冷却进行的结晶；平衡条件下结晶得到的组织称平衡组织。（1（以C：A.找成分点步骤 作分线C.找成分点与特征线的交点，有几个交点即有几次转变。t1α1t1L1的液相和浓度为α1)t2L2L2→α2为了达到这种新的平衡，α1必须通过原子扩散，使其成分变为α2L1必须通过原子扩散，使其成分变为L2Ⅲ.当合金冷到t4时，结晶过程结束，得到和原来成分相同的α固溶体。L→L4Ⅳ.在结晶过程中固相成分沿固相线，由α1→α4t4αI2-15（b）三、共晶相图——两组元在液态时完全互溶，在固态时形成两种不同的固相，并发生共晶转变的合金系，其相图称为共晶相图。共晶转变——在一定的条件（温度、成分）下，由均匀液相中同时结晶出两种不同固相的转变。 1.（C点）基本组元：Pb、SnL——Pb、Sn无限互溶所形成的液溶体基本相 α——Sn在Pb中成固体（富Pb） 分于个单区β——Pb在Sn中形成的固溶体（富Sn相）-22--22-单相区：L、α、β；特征区 双区：L+α、L+β、三相：L+α+β；A（B）——纯Pb（Sn）的熔点328℃（232℃）C——共晶合金特征点 C——共点183℃ E-F——亚晶金C-F——过共晶合金E（F）——SnPb（PbSn）19%（97.5%）AC（AEC）—；ED——Sn在Pb中溶解度曲线，T↓，则α→βⅡ特征线 解曲线FG——Pb在Sn中溶解度曲线，T↓β→αⅡ共晶线ECF—结晶过程中遇到之则发生共晶转变。α初与αⅡ——成分与结构相同，但来源、形貌不同α初：较粗大，等轴、树枝状；αⅡ（；呈网状：塑性明显下降。2.典型合金的平衡结晶过程及其组织：（1）固溶体合金（WSn＜19%A.结晶过程：1 1-2 2 2-3 3-4LⅠ L+α L↓+α↑ α α α+βⅡα→βⅡB.室温组织：α+βⅡC.冷却曲线：图2-17（2共晶合金（WSn=61%A.td αc+βe α+β+αⅡ+βⅡ Ld→αc+βe B.α+C.组成相：α、βD.2-1819（）亚共晶合金（WSn=50%A.结晶过程：-23--23-1 2 初 ↑ 初 初+βⅡα e ⅡB.室温组织：α+βⅡ+（α+β）C.组成相：α、βD.冷曲及意图2-20 21（4）过共晶合金：结晶过程和室温组织：αⅡ+β+（α+β）相同点：匀晶反应、共晶反应、二次结晶等三个过程；与亚共晶异同区 ：晶初次αⅡ、；、βⅡ（+（5） αβ相对量：均可以应用杠杆定律。小结：1.相图及其意义2.相图分析作业：-24--24-内容导入：由于钢铁材料具有良好的使用性能和工艺性能，并且加工方便，因此是汽车制造工业中应用最广泛的材料,其使用量超过汽车用材总量的60%。钢铁都是铁碳合金。钢、铁因其含碳量不同，则组织、性能不同，实际应用也不同。本章将根据Fe-Fe3C相图，通过分析典型合金的结晶过程，来研究Fe-C合金的成分、组织和性能的关系。第3章钢铁材料及其在汽车上的应用3.1铁碳合金相图铁碳合金相图——研究平衡条件下，Fe-C合金的组织和温度、成分之间关系的图解。（本课程的核心——重点）（1）是研究钢铁材料的基础；意义（2）。通过铁碳相图的研究，可以解释一些实际问题：1.锻造时，为什么把钢加热到1000℃-1200℃？2.为什么在1000℃时，钢可以锻造，而铸铁却不能锻造？3.（6650？4.什么钢铆钉要用低碳钢制造？5.为什么钳工锯T8、T10钢比10、20钢费力，锯条易磨钝？组成Fe-C合金的两组元可形成一系列化合物Fe3C(6.69%C)、Fe2C(9.71%C)、FeC(17.7%C)；6.69 9.7117.7FeC FeC FeCFe-CWC=0-100%WC＞6.69%故：只研究WC＜6.69%（Fe-Fe3C）这部分，本章研究的即是Fe-Fe3C相图。铁碳合金的基本相及组织（F、AF3CP和L。一、铁素体(F)——Cα-Fe结 构：bcc溶碳量：因其是间隙固溶体，故间隙形状、大小决定了溶碳量。bcc的rb=0.364A，而rc=0.770A，rb＜rc几乎不溶但:于α-Fe存晶陷且温升而所碳也加。故： 20℃ 600℃ 727℃0.0008% 0.0057% 0.0218汽车材料与金属加工教案（高美兰）第PAGE汽车材料与金属加工教案（高美兰）第25页共152页-25--25-性 能:其碳极低故性与铁似(强度、硬度低，塑性、韧性好，770℃以上是顺磁性。)F——软而韧的相低碳钢中由于含有较多的F，所以、有较好的塑韧性。组 织：微下晶呈明的边特，界较缓图3-1二、奥氏体（A）——Cγ-Fe中形的隙体。结 构：fcc故碳较，强化果显。727℃ 1148℃0.77% 2.11%(最大)性 能:其碳较高所以,σb=400Mpa160-200HBS较高,δ=40-50%较,且是磁。因其具有较高的塑性，所以，适合于锻造。所以锻时,把加到1100℃-1200℃此处于A状。组 织：A存于727℃上,需高显镜:晶粒呈明亮的多边形,但晶界平直,晶内有孪晶，图3-2三、渗碳体（Fe3C）——是Fe和C按定例成的隙合(属物)。结 构：杂斜晶——图3-3CFeFe61FeC

231 1含碳量：WC=

CFe3C

×100%=

1255.8312

×100%=6.69%，属于高碳相。性 能：点，而（T熔=1227℃，800HBW，塑性韧约于0）Fe3C——硬而脆的相，230℃以上是顺磁性。组 织：形——粒、网片板条颜色——白色：不被硝酸酒精浸蚀。黑色：碱性苦味酸钠。相图中，除以上经常存在的三个基本相外，还有另外两个L、δ。相图中的基本组织P和Ld后续介绍。-26--26-铁碳合金相图（1000-1200。一、相图分析五个单相区（L、δ、F、A、Fe3C）1.特征区——铁合五个本，别在于 七两区三个三相区2.特征点（14个）（1）A、D(Fe——1538℃和Fe3C——1227℃的熔点)；J——包晶点（0.17%、1495℃）（2）J、、S C——晶点(4.30%、1148℃)S——共析点(0.77%、727℃)C——WC=4.3%C（AEFe3C）（Ld）Fe3CA。Ld是白口铸铁的组织组成物。S——WC=0.77727℃（FPFe3C）(P)——FFe3C3-4FFe3Cb k(σ=770MPa、180HBS、δ=20-35%、α=30-40J/cm2)b kP是钢的组织组成物。-27--27-（3）H、E、P——分别是C在δ、A、F中的最大溶解度点：、Gδ-Fe→γ-Feγ-Fe→α-Fe、K（）0531495；（7）Q——600℃时C在中的溶解度（0.0057%）3.特征线（12条）ABCD、AHJECF；HJB——包晶线：WC=0.09%-0.53%的合金HJBECF、PSK ECF——晶线:WC=2.11%-6.69%的金PSK——共析线:WC=0.0218%-0.77%的合金CD:结晶经过此线,L→Fe3CⅠCD、ES、PQ（溶曲线） ES:结晶此线,A→Fe3CⅡPQ:结晶经过此线,F→Fe3CⅢHN、GSδ→A、A→F；JN、GP——是δ→A、A→F另外：ES——Acm；PSK——A1；GS——A3A4——1394℃4.小结：（1）F-C合金中经常存在的三个基本相——F、A、Fe3C；二个基本组织——P、Ld点——P、S、E、C（2）特征 PSK区——共析区（钢）①是同一种相，具有相同的成分和结构（3）Fe3CⅠ、Fe3CⅡ、Fe3CⅢ、Fe3C共析Fe3C②来源、形态、分布不同同：转变产物——机械混合物（共晶体、共析体）（4）共、析变同 变式 共晶：L4.3→（AE+Fe3C共晶）异： 共：A0.77→（FP+Fe3C共析组织态共体共体更密。原 因原在态扩散困。铁碳合金的基本相及组织名称符号定义结构溶碳量性能组织铁素体FC→α-Febcc0.0218%软而韧明亮的多边形奥氏体AC→γ-Fefcc2.11%塑性好明亮的多边形、孪晶渗碳体FeCFe与C的化合物斜方6.69%硬而脆粒、球、片、网、条珠光体PF与FeC的机械混合物两相0.77%综合性能好F与FeC层片相间莱氏体Ld'P与FeC的机械混合物两相4.30%硬而脆P分布于FeC基体上--PAGE28-二、铁碳合金的分类：根据含碳量和铁碳合金在室温下的组织，可分为以下七类：工业纯铁：（WC＜0.0218%（WC0.018.77）钢 共析（=0.77）（WC0.7-21）亚共白铸（C=21-4.）铸铁 共白铸：（WC=4.3%）（C=4-6.6）共析钢 晶口铁工纯·共钢 ·过析钢·共白口铁·过晶口铁P S E C三、典型铁碳合金的平衡结晶过程及室温组织（1）结过及温：F+Fe3CⅢ1.工纯（WC=0.01%） (2)意图形、大：δ→A、0.0218WFe3CⅢmax=

6.69

×100%=0.33%（P点成分纯铁WFe3最多）（1）结过及温:图3-8 图3-4SK（2）相量: WF=PK

=88.7%2.共钢（WC=0.77%） WFe3C=1-WF=11.3%（3）性能：良好的综合力学性能（介于F和Fe3C之间，比值8:1）b k（σ=770Mpa较高、180HBS适中,δ=20-50%,α=30-40J/cm2）b k(1)晶程:3.亚析WC0.4） （2室组织F+P 随WC加P加F（图3-15S（3）相量: WF=PS

=49% WP=1-WF=51%（4）求钢中WC=P×0.77%F、PWC。50WC=P×0.77%=50%×0.77%=0.385% 40汽车材料与金属加工教案（高美兰）第汽车材料与金属加工教案（高美兰）第29页共152页（1）结过程:4.过析（WC=1.2%） 温Fe3CⅡ 随WC加图3-112.110.77（3）WFe3CⅡmax=

6.690.77

×100%=22.6%（4）当WC=2.11%时，Fe3CⅡ量最大，达到2.11%（1）结晶过程及室温组织:Ld′5.共白铸C=4%） 2组P布于e3C基上图3-）（3）性能：硬而脆；（1）结过及温: P+Fe3CⅡ+Ld′（2）相对量：4.33.0WA=

4.32.11

×100%=59.4%6.亚晶口铁（WC=3.0%） WFe3CⅡ=

2.110.776.690.77

×59.4%=13.4%WP=WA-WFe3CⅡ=59.4%-13.4%=46%3.02.11WLd’=

4.32.11

×100%=40.6%7.过共晶白口铸铁（WC=5.0%）结晶程室组:Ld′+Fe3CⅠ（图3-16 综上： 工 业 纯 ：F+Fe3CⅢ亚 共 析 ：F+P共 析 ：P过 共 析 ：P+Fe3CⅡ共晶白铸：Ld′亚共晶白口铸铁：P+Fe3CⅡ+Ld′过共晶白口铸铁：Ld′+Fe3CⅠ可见：钢的组织中均有P；白口铸铁的组织中均有Ld′；把以上合金的室温组织，标注在相图中，即得用组织组成物填写的相图图3-6。组成相均为：F+Fe3C小结：七种铁碳合金室温组织作业：P汽车材料与金属加工教案（高美兰）第PAGE汽车材料与金属加工教案（高美兰）第30页共152页-30--30-四、铁碳合金成分、组织和性能间的关系1.含碳量对铁碳合金平衡组织的影响：组织F+F3C→F→→P+FeⅡ→P+Fe3C+L′→d′Fe3CⅠF+e3WCFFe3↑；数量由0 →100%，相对量图3-18所示随WC↑，Fe3C形态：晶界→在F基体上→网状P周围→基体→板条↓↓↓↓ ↓Fe3CⅢFe3C共析Fe3CⅡFe3C共晶Fe3CⅠ且：WC不同，Fe-C合金的组织组成物和相组成物的相对量不同：不同成分的铁碳合金，由于其组织组成物和相组成物的相对量不同，所以具有不同的性能。2.含碳量对铁碳合金力学性能的影响：F↓——软而韧（作基体）Fe-C合金WC不同其组织不但其均由F+Fe3C组成且随WC↑ 所以不同性能不同Fe3C↑——硬而脆（起强化作用）因为：Fe-CFe3CFe3CFe3C(1)硬度——主要取决于组成相的硬度和相对量，受形态影响很小；即：随WC↑，Fe3C↑，其值由80HBS→800HBS(2)强度——对组织形态很敏感：WC＜0.9%时：随WC↑，σ↑——主要取决于组织中珠光体的性能；P越细，则σ↑WC=0.9%时：强度很低的Fe3CⅡWC↑，σ↓；WC=2.1Fe3CσWC↑，σ变化不大，趋于Fe3C的σ=20-30Mpa（3）塑性（韧性）——主要由F提供：随WC↑，F↓，所以δ↓、αk↓。当WC=2.1%时，δ=0·工业用钢的含碳量不大于1.3-1.4%；。--PAGE31-铁碳相图的应用Fe-Fe3C1.要求塑韧性好的零件——选WC低的低碳钢（绑扎物件用的低碳钢丝）（；2.；3.要求弹性极限高的——中高碳钢（汽车上承受交变载荷的弹簧）4.（；5.（。1.（）（5000℃；2.锻工——确钢锻造度。为热到相A，的好变抗小，易于型。 太：过、烧始锻温度：固相线以下100℃-200℃确定造度 低浪能源终端温度：800℃左右（小榔头：800℃-1200℃）而室温是F+Fe3C组成，塑性差，变形困难。白口铸铁在1000℃时，组织中有硬而脆的莱氏体，所以，不能锻造。3.焊接方面——（1）焊接时，由焊缝到母材各区域加热温度不同，冷却后组织性能也不同，可借助相图分析接头性能；（2）含碳量越高，焊接性越差。4.热处理方面——确定热处理加热的温度5.切削加工性——低碳钢：F多，塑性好，易粘刀，切屑不易断，表面粗糙；高碳钢：Fe3C多，硬，刀具易磨损；：FFe3C180-280HBS简化的铁碳相图：两横三竖五曲线，全图分成十二面，加热冷却组织变，成分随着曲线转，性能跟着组织走，组织又由相来看。本章试验安排：内容、时间、地点、要求。小结：本章重点“含碳量对铁碳合金力学性能的影响本章试验安排：内容、时间、地点、要求。汽车材料与金属加工教案（高美兰）第汽车材料与金属加工教案（高美兰）第32页共152页内容导入：强化金属的主要方法有：形变强化、细晶强化、固溶强化、弥散强化和热处理强化。3.2钢的热处理概述：1.热处理的实质、目的和应用：热处理——将钢在固态下，采用适当的方式加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得所需性能的工艺。目 ——。提高：①刀具（菜刀、剪刀、水果刀、螺丝刀，手术刀，车刀、铣刀、锉刀：不热处理——不锋利，易卷刃、崩刃、磨损。N20-30②汽变齿轮 渗C：10万里不热：小于1万公里③指甲刀：市场价1-2元/把或5-10元/把

前者：用半年即变鈍（正火）后者：用几年仍锋利（淬火）原因：不同的热处理工艺，成本不同，价格不同，性能不同。④沙发弹簧、汽车板簧、铁锨、锄头，都可通过热处理来提高质量。改善：A.消除铸（、锻（过热、过烧、焊应力变形）B.（软（230280BS※ 与其它冷热加工工艺不同，热处理只能改善和提高钢的性能，而不能改变工件※ 钢铁材料经过恰当的热处理，不仅能赋予其良好的使用和工艺性能，而且能提应 ——正为处作用此，以械业绝多零都热理。在汽、拉制中0而、、动轴（10）2.热处理的分类和工艺曲线：普通热处理——四把火（正、退、淬、回）（1）分类 表淬（感应加热、火焰加）表面处理化热（CNC-N）

图3-20热处理工艺曲线（2）工艺曲线：无论那种热处理，都经历加热、保温、冷却三个过程，常用工艺曲线来描述。图3-20，制定热处理工艺，主要指确定加热温度、保温时间、冷却速度三个基本参数。-33--33-3.转变温度：Fe-Fe3C相图是研究钢铁材料的基础，钢的热处理更离不开该相图。加热、冷却温度是以相图为依据的。ESAcm：※：Fe-Fe3C相图上的：PSK、GS、ES平衡临界点为：A1、A3、Acm加热时临界点为：Ac1、Ac3、Accm冷却时临界点为：Ar1、Ar3、Arcm 3-21AAA钢在加热和冷却时的组织转变（奥氏体的形成—以共析钢为例：共析钢在A1以下全部为P，P是F和Fe3C组成的机械混合物。当把共析钢加热到Ac1以上温度时，P→A，这种转变可用下式表示：P（F+Fe3C）＞Ac1 →A0.0218%6.69%0.77%bcc复杂斜方fcc因此，奥氏体的形成，必须经过铁的晶格改组和铁、碳原子的扩散才能实现。热处理的保温阶段不仅是为了让工件热透，同时也为了获得均匀的奥氏体组织，以便冷却后获得良好的组织和性能。奥氏体的形成（P→A）是重结晶过程，也遵循结晶的普遍规律，是由形核和长大两个本过程组成的，该过程可归纳为奥氏体晶核的形成、奥氏体晶核的长大、残余渗碳体的溶解3-22热处理的保温阶段不仅是为了让工件热透，同时也为了获得均匀的奥氏体组织，以便冷却后获得良好的组织和性能。亚共析钢：F+P→F+A→A过共析钢：P+Fe3C→A+Fe3C→A加热时形成奥氏体晶粒的大小直接影响到冷却转变产物的晶粒大小和力学性能。奥氏体晶粒越细小，其冷却转变产物也越细小，力学性能越高。因此在加热时，为了获得均匀而细小的奥氏体晶粒，必须选取合适的加热温度，并严格控制保温时间。-34--34-内容导入：A对于同一种钢，虽然加热（A化）条件相同，但冷却条件不同，则组织性能都不同：慢冷（退火）→P ±20HRCT8钢：加热到760℃ 可见：冷却转变决定了钢的性能。快冷（淬火）→M>60HRC1.热处理生产中的冷却方式A。AA过等温转变曲线2.本节通过 来说明A的冷却件与组织转变间的关系。A过连续转变曲线即：研究共析钢冷却时：A→P、B、M 加热时：P→A

图3-23两种冷却方式示意1.过冷A等温转变曲线CC—TT：AA1A1过冷A——把在Ar1温度以下暂存的、不稳定的A称为过冷A。过冷AA等温转变曲线：(1)曲线的建立：①把共析钢制成圆形薄片试样（φ10×1.5mm）并分成若干组；A88090℃A1③每隔一定时间，取出一组试样，测定不同温度下，A的转变量和转变时间的关系；④将各个温度下转变开始点和终了点，绘在温度时间坐标系中，并把转变开始点和终了点分别连线，即得到了A等温转变曲线。图3-24（C曲线与Fe-Fe3C）（2）（A：A1——PSKMs——M转变开始线 Ms=230℃五线 Mf——M转变终了线 共析钢aa′——等温转变开始线 Mf=-50℃bb′——等温转变终了线A稳定存在区不发生转变M转变区：Ms—Mf五区 过冷A区：aa′以左转变产物区：bb′以右过冷A与转变产物共存区：aa′—bb′汽车材料与金属加工教案（高美兰）第PAGE汽车材料与金属加工教案（高美兰）第35页共152页-35--35-纵坐标——温度横坐标——时间，用对数表示：转变时间相差悬殊，从不足1秒，到几天。AA550AC孕育期——过冷A尚未转变的时间。2.共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能：A在Ar1-Ms之间的不同温度范围等温时，得到的组织形态，力学性能不同（包括三个转变区）（1）珠光体型转变：温度——Ar1~550℃产物——属于P类型（P是Fe3C呈层状分布于F的基体上，且随转变温度降低，其层间距减小）Ar1-650℃：过冷度小，转变速度慢，得到粗片状P，0.4μm，10-20HRC，500PS0.2-0.4μm，20-30HRC800-1000P（T层间距＜0.2μm，30-40HRC，在5000倍电镜下能分辨。性能——P、STFFe3C距（2）贝氏体型转变：温度——550℃-Ms（ainit550-350B（3-25a350℃-MsB（3-25bB下B上。B下B--PAGE36-（3）马氏体转变：温度——Ms–Mf，马氏体转变是在Ms–Mf间的一个温度范围内连续冷却时完成的。产物——马氏体：C在α-Fe中的过饱和固溶体。形态：与A中含碳量有关：①一束束尺寸大致相同，并几乎平行排列的细板条组成。M板条（WC＜0.2% 在个A粒，个M区。M。；M片（WC＞1.0%）M。MMWC（65HW＞0.6高C（脆；塑性、韧性：C特点——①MAAA′Ms、MfMs、MfWC。当WC＞0.5%时，Mf＜室温，此时要进行深冷处理来减少A′的量。A′会继续发生A′→M②M形成时，体积膨胀；M最大由于的织同其容（C=V/G）同， A最小P介于中间A→M小结：共析钢过冷A等温转变产物的组织和性能温度产物形态性能特点P转变A-550℃A-650℃珠光体(P)粗片＞0.4＜25HRC扩散型，Fe、C都扩散650-600℃索氏体(S)细片0.4-0.225-35HRC600-550℃屈氏体(T)极细＜0.235-40HRCB转变550℃-M550-350℃)羽毛40-45HRC，塑性低、脆半扩散型，C原子扩散350℃-Ms)针状45-55HRC，塑韧性好M转变M-MWc＜0.2%板条M板条＞50HRC，塑韧性好非扩散，不完全性，体积膨胀Wc＞1.0%片状M竹叶(铁饼)65HRC，塑韧性极差、脆汽车材料与金属加工教案（高美兰）第汽车材料与金属加工教案（高美兰）第37页共152页内容导入：CA3.过冷A的连续冷却转变：(1)共析钢的连续冷却C曲线（CCT=continuouscoolingtransformation）①位置：偏向右下方；与C曲线相比：②形状；只有P转变区，无B转变区；Ps—A→P转开线图中 Pf—→P变终线；KK′——转变终止（中止）线；AMsM。图示：A.υkPsPM；则υk——称上临界冷却速度。υk越小，越易获得M。kkkB.υ＜υυkkkk kC.当υ=υ-υP+M+A′k kυk——上临界点，是获得全部M的最小冷却速度。υk越小，越易获得M。临界点υ′——下临界点，是获得全部P的最大冷却速度。υ越小，等温转变时间越长。k k（2）C曲线在连续冷却转变中的应用：CCTTTT（若想知道某钢，在某一冷却速度下所得到的组织，可将连续冷却速度曲线画在该钢的TTT上，根据它与C曲线相交的位置，即可大致估计所得到的组织及性能。若υ1＜υ2＜υ3＜υ4＜υ5υ1与TTT于700℃（冷）——P （＜25HRCυ2与TTT于630℃（冷）——S （25-35HRC）υ3与TTT于600℃（冷）——T （35-45HRC）υ4与TTT交于550℃（油冷）——T+M+A′（45-50HRC）υ5不与TTT相交 （冷）——M+A′ （55-60HRC）汽车材料与金属加工教案（高美兰）第PAGE汽车材料与金属加工教案（高美兰）第38页共152页-38--38-钢的普通热处理普通热处理四把火理一、钢的退火和正火（铸、锻）→（）（铸、锻、焊）（，②稳定化：由于冷却速度慢，还可以消除内应力，稳定尺寸，防止变形和开裂；③软（硬）化：调整硬度，改善切削加工性。1.退火：退火——（一般是随炉冷却，也可埋砂冷却或灰冷（。分类：根据退火的目的分为：完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火、扩散退火等。退火的工艺特点及适用范围退火分类加热温度冷却方式目的适用范围完全退火A+30~50℃随炉冷却到600℃以下，出炉空冷消除残余应力，改善组织，细化晶粒，降低钢的硬度，为切削加工和最终热处理做准备（细化、均匀化，软化、稳定化）过共析钢不宜完全退火等温退火A（A）+30~50℃快速冷却到A以下某一温度，等温一定时间，出炉空冷与完全退火相同。但等温退火可缩短生产周期，提高生产效率（1/3）A较稳定的合金钢工件球化退火A+30~50℃经充分保温后，随炉冷却到600℃出炉空冷PFeCFeC变成在FFeC织，即P。(软化)具有共析或过共析成分的碳钢或合金钢扩散退火固相线以下100~200℃长时间（10-15h）保温后，随炉冷却消除铸件中的偏析，使钢的化学成分和组织（均匀化）质量要求高的合金钢铸锭或铸件去应力退火A以下某一温度随炉冷却到200~300℃出炉空冷消除铸、锻、焊、冲压件以及切削加工工件残余应力，稳定工件尺寸，减少变形（稳定化）所有钢件正火A（A）+30-50℃保温适当时间，出炉空冷细化晶粒、提高硬度，消除网状FeC普通件：提高力性低碳钢：提高硬度过共析钢：细化晶粒2.正火：SA--PAGE39-因冷速较快，正火后组织细小，强度、硬度较高。目的——①普通结构件：最终热处理，提高力学性能；②低碳钢：提高硬度、改善切削加工性；③过共析钢：先正火，消除网状Fe3CⅡ，以利于球化退火，为淬火作组织准备。15、20——正火，提高硬度；例1：同样是为了改善切削加工性T8、T10——球化退火，降低硬度。例2例3：一件小事——针头退火《读者》2007.8-P323.正火与退火的区别：（1）冷却速度快——空冷＞炉冷；（2）组织细——共析钢

退：P正：S（3）周期短——节约能源，在满足使用要求的前提下，优选正火。图3-28退火和正火加热温度范围及热处理工艺曲线小结：作业：P汽车材料与金属加工教案（高美兰）第汽车材料与金属加工教案（高美兰）第40页共152页内容导入：退火、正火作为预先热处理，主要用来处理工件毛坯，为随后的机械加工作组织准备。淬火与回火作为最终热处理，是热处理工艺中最重要的工序，也是赋予工件最终性能的关键工序，是热处理强化的重要手段之一。二、钢的淬火（蘸火）淬火——把钢加热到临界温度AC1（AC3）+30-50℃，保温一定时间，然后以大于临界冷却速度（υk）M（B）M（B）1.钢的淬火工艺：（1）淬火加热温度——不同钢种淬火加热温度不同：①碳钢：以Fe-Fe3C相图为依据：亚共析钢（AC3+30-50℃）——得到细小的A晶粒→淬后组织：均匀细小的M+A′（过AC1+0-5℃）—AFe3Ⅱ：MK+′②合金钢——要考虑合金元素的溶入和均匀化问题：Me（MnPAWc（20）MeMe18rV：20180℃。材料AC3T45780℃830℃40Cr782℃850℃（2）加热时间的确定——常用经验公式：τ=αKDK——装炉系数，与装炉量，设备情况有关的常数；K=1-1.5空气炉——Ｃ钢：０.9-1.1；Me钢:1.3-1.6其中： α——加系数(min/mm)盐 ——Ｃ：０.5；Me钢:1.0D——有效厚度(mm)。保证工件充分热透的厚度.例：45钢制Φ10×90的轴，在空气炉中加热，其τ=αKD=1×1×10=10min（3）淬火冷却介质——能够满足淬火要求冷却速度的物质。冷却：是淬火工艺中最重要的工序。若冷却不当，则硬度不足、不均或变形开裂。即：在保证淬后获得M的前提下，又不造成开裂，且变形最小。理想的淬火冷却方案是：在＞650P-4（＞kA＜450A→M汽车材料与金属加工教案（高美兰）第PAGE汽车材料与金属加工教案（高美兰）第41页共152页-41--41-但：该方案很难实现，生产中常采用不同的淬火方法靠近该方案。常用冷却介质：盐（碱）水＞水＞盐（碱）浴＞油①盐碱18℃50-50℃/，00-050℃50-50℃/，00-0/s10%Na6-510/s，30-20℃稍慢10%Na6-510/s，30-20℃稍慢缺点：650-550℃，冷却能力也低，不利于淬硬。注意：A、油温＞燃点时，易着火，所以，油温在40-100℃B、油易老化，变质，注意维护。③盐（碱）浴——冷却能力介于水、油之间。用于形状复杂，尺寸较小，变形要求严格的工件的分级和等温淬火。熔盐成分熔点℃使用温度℃碱浴80%KOH+20%NaOH+6%H2O（外加）130140-250硝盐55%KNO3+45%NaNO2137150-500硝盐55%KNO3+45%NaNO3218230-500中性盐30%KCL+20%NaCL50%BaCL2560580-800（4）常用淬火方法：图3-31A优点：操作简单，容易实现机械化，最常用。缺点：水淬——低温区偏离理想冷却方案较远，易变形开裂；油淬——冷却速度慢，易导致硬度不足或不均现象。A300例：碳钢：水淬易裂，油淬易不硬，可水淬油冷；大截面低合金工具钢：水——油，油——空。优点：接近理想的冷却方案，能减小应力和变形；缺点：操作复杂，水中冷却时间不易控制。过早：温度没降下来，A可能在油中分解为P型组织，淬不硬；-42--42-过晚：T＜Ms，相当于单液淬火，易变形、开裂。4-8m/（；※中留间确定 法入后声微时迅取；C.振动法：入水后水中钩子有振动感，振动感微弱时取出。③分级淬火——将已经A均匀化的工件，迅速淬入温度稍高（低）于Ms（150-260℃）的盐（（-mn应用于：形状复杂，截面不均匀的工件。但：受盐（碱）浴冷却能力的限制，只能处理小件。（C钢：Φ＜10-12；Me钢：Φ＜20-30㎜AMs（260-400℃）（浴足够AB目的：AB下优点：组织转变在恒温下进行，大大减小了内应力，减小了变形、开裂倾向。缺点：等温转变时间长，周期长，成本高。用于：形状复杂，精度要求高的小件（弹簧、螺栓、小齿轮、丝锥）及薄、小易变形的件。A70-8℃M。用于：高碳钢、高合金钢、渗碳钢制的精密零件。精（-78℃）生产中 、氮精（-196℃）C、冷冻机

υ心＞υK，则由表→心全部获得M，淬透υ心＜υK，则心部出现非M组织，未淬透钢的淬透性淬透）淬硬性——指钢淬火时能达到的最高硬度，决定于WC；MυK，υK，AT10--PAGE43-回火——将淬火后的工件，加热到AC1回火——将淬火后的工件，加热到AC1以下某一温度，保温一定时间，以适当的方式冷却到室温的热处理工艺。（＜4h）1（2）稳定组织及尺寸。（3）淬火后调整力学性能。1.回火种类与应用：回火工艺回火温度/℃回火组织及硬度特点用途低温回火100~250回火马氏体（58~64HRC）保持了淬火M韧性提高，内应力和脆性有所降低用于工模量具、滚动轴承及表面处理件中温回火350~500回火托氏体（38~50HRC）具有较高的弹性和一定的韧性用于各种弹性零件，如汽车弹簧和热作模具高温回火500~650回火索氏体（25~35HRC）硬度、塑性、韧性都比较好广泛用于汽车、拖拉机轴类零件、齿轮和高强度螺栓、连杆等下列工件适合常用淬火+低温回火的是（ ）？A.锉刀B.汽车板弹簧C.汽车连杆从回火温度范围看，无250-350℃，是因为在该温度回火时，要产生回火脆性。2.回火脆性——即：淬火钢在回火过程中发生脆化（韧性下降）的现象。（回火的目的之一：降低脆性）低温（第一类）回火脆——250-350℃，不可逆——所有钢；回火脆性（1）快冷——水、油——小件；高温（第二类）回火脆消除（2）加入Mo、W——大件）（2）回火的种类及应用。四把火的作用——退火软、淬火硬，正火高效率、回火降脆性作业：P汽车材料与金属加工教案（高美兰）第汽车材料与金属加工教案（高美兰）第44页共152页内容导入：很多机械零件工作中要求表面及心部性能不一致：内容导入：很多机械零件工作中要求表面及心部性能不一致：例：齿轮、轴、套等——要求表面：硬、耐磨，不产生疲劳破坏；心部：足够的塑韧性。这种情况，可以用表面热处理，仅使表面强化，来满足性能要求。表面淬火——只改变表面组织，而不改变表面成分表面热处理化学热处理——既改变表面成分又改变表面组织3.2.3钢的表面热处理一、钢的表面淬火——是指在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热，将AM包括：感应加热、火焰加热、激光加热、电解加热等。1.感应加热表面淬火——利用工件在交变磁场中产生的感应电流，将工件表面迅速加热到淬火温度，然后快速冷却的工艺。（1）图3-2·（，·由于钢本身具有电阻，因而集中于工件表层的涡流将产生电阻热使工件表层迅淬后要低温(180℃~200℃)回火或自回火。(2)种类及应用：感应热流入度电流率关碳：500/ f（mm种类常用频率/KHz淬硬深度/㎜应用范围高频感应加热200~3000.5~2淬硬层要求较薄的中小模数齿轮和中小尺寸的轴类零件中频感应加热2.5~82~10大、中模数齿轮和较大直径的轴类零件工频感应加热50Hz10~20大直径零件如轧辊、火车车轮等（3）特点：A.加热速度极快：高频只需几秒-几十秒，不需保温，生产率高；优点 B.加温高：AC3+100-200℃，由加度快，A核多且易长；C-45--45-设备昂贵，调整维修困难；缺点形状复杂的（仿形）件感应器不易制造，且不适于单件生产。（4）应用——①最适宜的钢种是中碳钢和中碳合金钢，也可用于高碳工具钢、及铸铁等。②一般表面淬火前应对工件进行正火或调质，以保证心部有良好的力学性能。2.火焰加热表面淬火：气焊设备（1）原理：利用煤气—氧（2000℃）或乙炔—氧（3200℃）混合气体燃烧的火焰，喷射到工件表面，使其快速加热到淬火温度，随后喷水冷却，使表面获得所需硬度和淬硬层深度。淬硬深度可达2-6mm。（2（。（3）。二、钢的化学热处理化学热处理——将工件置于特定的介质中加热，保温，使介质中某些元素渗入工件表面，以改变表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。与表面淬火相比：其表层不仅组织变化，化学成分也变化。种类：目前最常用的方法有渗碳、渗氮和碳氮共渗等。1.渗碳——将工件在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。（向工件表面渗入碳原子的过程）（1）目的：提高表面WC，淬、回火后使表面获得高的硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部仍保持较高的塑、韧性。（2WC0.10.30（1、2、2C使表面渗碳后达到高碳成分（WC=0.85-1.05%）,然后淬火-低回，即可以达到表面硬（60~64HRC）,而心部韧的目的。即：使高、低碳钢的不同性能集中于一个零件上。（3）应用：在较大冲击载荷和在严重磨损条件下工作的零件，如汽车变速齿轮、活塞销、摩擦片、套筒、凸轮等。（常用（KCN（。（5）气体渗碳：-46--46-收，吸的性原由表逐向件部散，成有定度渗碳。温 度：930℃0.5-2.5（）②渗工艺 速 度：υ气=0.2-0.5㎜/hυ固=0.1-0.25/h煤油量排期强期、散、温。（6）渗后的热处理及其组织和性能：①渗后的热处理——渗碳后进行淬火（直接、一次、二次）和低温回火才能达到预期的性能。58~64HRC，30~45HRC③其工艺路线一般为：锻——正——粗加工——渗碳

淬火（直接淬火）+低回——精加缓冷坑——去C加工（局部渗碳）——淬火+低回——精加2.渗N（N化）——将工件在渗氮介质中加热并保温，使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。（N。（1）目的：提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度和耐腐蚀性。（2）常用渗N方法：气体渗N、离子渗N。（3）气体渗N：NH3500℃~5700.4~0.6长。温度：500-570℃②渗N工艺 时：0-0.6㎜需4070，渗层0.60.7㎜70h氨分解率:某一温度下,N2和H2的混合气体占炉气总体积的百分比(表示炉内氨分解的程度)。注意：N化前应调质,以改善切削加工性,为随后的N化作组织准备。氮化温度应比调质温度低40~50℃。-47--47-（4特： 变（度低；达70（5）应用：耐磨、耐高温、耐腐蚀的精密零件（精密齿轮、精密机床主轴、汽轮机阀门及阀杆、发动机汽缸和排气阀等。（6）N化用钢：最常用：38CrMoAl3.C-NCN（CN）气体：分为高、低温两种。（1高中温：以渗C（2）低温：以渗N为主（520-570℃）——也叫软N化。汽车、机床上的小型轴类、齿轮以及刃量模具。小结：渗碳渗氮定义向工件表面渗入碳原子的过程。向钢表面渗入N原子的过程目的提高表面WC，淬火后使表面获得高的硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部仍保持较高的塑韧性提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度和抗腐蚀性。用钢WC=0.15%-0.3%的低碳