工程材料学知识要点

工程材料学知识点

第一章

材料是有用途的物质。一样将人们去开掘的对象称为''原料"，将经过加工后的原料称为“材

料”

工程材料：主要利用其力学性能，制造结构件的一类材料。

主要有：建筑材料、结构材料

力学性能：强度、塑性、硬度

功能材料：主要利用其物理、化学性能制造器件的一类材料.

主要有：半导体材料（Si）磁性材料压电材料光电材料

金属材料：纯金属和合金

金属材料有两大类：钢铁（黑色金属）非铁金属材料（有色金属）

非铁金属材料：轻金属（Ni以前）重金属（Ni以后）贵金属（Ag,Au,Pt,Pd）

稀有金属（Zr,Nb,Ta）放射性金属（Ra,U）

高分子材料：由低分子化合物依靠分子键聚合而成的有机聚合物

主要组成：C,H,0,N,S,Cl,F,Si

三大类：塑料（低分子量）：聚丙稀

树脂（中等分子量）：酚醛树脂，环氧树脂

橡胶（高分子量）：天然橡胶，合成橡胶

陶瓷材料：由一种或多种金属或非金属的氧化物，碳化物，氮化物，硅化物及硅酸盐组成的

无机非金属材料。

陶瓷：结构陶宽A1203,Si3N4,SiC等功能陶宽铁电压电

材料的工艺性能：主要反映材料生产或零部件加工过程的可能性或难易程度。

材料可生产性：材料是否易获得或易制备

铸造性：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后冷却凝固，获得零件的能力

锻造性：材料进行压力加工（锻造、压延、轧制、拉拔、挤压等）的可能性或难易程度的度量

焊接性：利用部分熔体，将两块材料连接在一起能力

第二章

（详见课本）

密排面密排方向

fee{111}<110>

bee{110}<111>

单胞的原子数8x-^+1=2

点阵常数a

原子半径r=

4

配位数晶体中与任一原子最近邻且

等距离的原子数目.=8

咖宓由原子本身的体原

段密度原子所占有的空间体积

2于（去）3

=0.68

体心立方beea

单胞的原子数8X-J+6X4=4

点阵常数a

原子半径r=^a

4

配位数

致密度

面心立方fee

单胞的原子数12X《+2x3+3=6

64

点阵常数〃。（c/4=v反75=1.633）

1

原子半径r=-乙^

配位数12

致密度—J—*u0.74

3^32⑹

---a--a

密堆六方cph2*3

点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，是原子尺寸大小的晶体缺陷。

类型：

空位：在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为“空位二

间隙原子：在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，显现了余外的原子。它们可能是同类原

于，也可能是异类原子。

异类原子：在一种类型的原子组成的晶格中，不同种类的原子占据原有的原子位置。

线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大（晶粒数量级），另外两个方向上的尺寸很小（原

子尺寸大小）的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错（Dislocation）

形式：刃型位错螺型位错混合型位错

位错线邻近的晶格有相应的畸变，有高于理想晶体的能量；

位错线邻近异类原子浓度高于平均水平；

位错在晶体中可以发生移动，是材料塑性变形基本原因之一；

位错与异类原子的作用，位错之间的相互作用，对材料的力学性能有明显的影响。

面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大（晶粒数量级），另外一个方向上的尺寸很小（原

子尺寸大小）的晶体缺陷。

形式：晶界面亚晶界面相界面

第三章

过冷：一样地，熔体自然冷却时，随时间延长，温度不断降低，但当冷却到某一温度Tn

时，开始结晶，此时随着时间的延长，显现一个温度平台，这一平台温度通常要低于理想的

结晶温度T0,这样在低于理想结晶温度以下才能发生结晶的现象一一过冷。

过冷度：实际结晶温度Tr与理想结晶温度T0之差T=TO-Tn称为过冷度。过冷度的大

小随冷却速度的增加而增加

过冷度愈大，AG愈大，结晶驱动力愈大

结晶过程：

形核：符合能量条件和结构条件的短程有序集团（尺寸达到临界尺寸）将成为结晶核心。

长大：金属液体中的晶核一旦形成，由于系统自由能降低，晶核将迅速长大直到液体全部消

逝

形核率（N）：单位时间在单位母体（液体）的体积内晶核的形成数目称为形核率。

一样合金相图是在常压下（P=latm）获得的，所以对于一个合金体系描述相图的参数有三

个：成分，温度，相。即相只与温度和成分相关。若以成分（C）为横坐标，T为纵坐标，

那么坐标系任一点即表示某一成分合金在某一温度下对应的相.

匀晶相图AX1

西XC

1

杠杆定律：设矶和m分别为两相的质品，它们满足以下杠杆定律:也ax

共晶反应：在某一温度下，从液体中同时析出两种固溶体。即：L-a+B

W.(%)

7条线：AE、BE为液相线，温度在液相线上，为单一液态；AC、BD为固相线，温度在此以

下为单一固溶体：CED：共晶反应线，对应L-a+B：CG、DH为a,B固溶体的溶解度变

化线，即：a,B固溶体的溶解度随温度变化而发生变化的曲线。

6个相区：3个单相区：L、a、B3个两相区：L+a,L+。、a+P

注：两个单相区由一个双相区分隔（相律）

1个点：E：共晶成分点，液体温度最低点。成分在E点以左，为亚共晶（成分在CE范畴）

成分在E点以右，为过共曷（成分在ED范晡）

包晶反应：两组元在液态下无限互溶，固态下有限溶解，并且发生包晶转变：L+a->d

AfM8-8

包品和图Ac和be为两液相线,与其对应的ad和bp为两周相线:

Df和pg固溶体a、B的溶解度随温度变化线；dpc为包晶转变线。

相图含三个单相区L、a、B；三个双相区L+a、L+B、a+3；

一个三相区L+a+B,水平线dpc为包晶反应线，P点为包晶点，对应包晶反应：L+a—p。

共析反应：特点：

（1）固态反应。（2）类似于共晶反应。（3）共析反应：Yfa+p

（4）a、0为交替的片层结构。（5）a、B的相对含量符合杠杆定律。

视为独立组元，并以其为界将相图分开进行分析。图3-25共析相图

I

N

m

a

分做，孔i

liea|,1

相图与合金钟去佐俺关系示意阳

第四章

a_Fe^r-Fe^6-Fe^L

纯铁：体心立方面心立方体心立方粮体a-Fe在770C(居里温度)发生

由铁磁性转变为顺磁性，如铁磁性消逝。

工业纯铁的力学性能特点是：强度、硬度低，塑性、韧性好

C在钢铁中存在的三种形式：

溶入Fe的晶格形成固溶休(间隙固溶休)一钢

以游离石墨存在于钢铁中一铸铁。

与铁成金属间化合物如Fe3C,Fe2C,FeC)一金属间化合物

石墨性能：耐高温，可导电，润滑性好，强度、硬度、塑性和韧性低。

1600珏C

1538c

X2495C

(L+O

N

14001394c

L+A

E，个)/1227'C

(2.08)1154，CXV/.-^■'T+F^C

1200

£(2.n>1148'Cc«.30)

912cA+FejC

(A+G)

(0.68).

738C

P5(0.77)727-C

F十%C

(F+C)

230'C

200-

0.51.53.5475536756.69

w

----Fe4e】C用军c/%

----Fe-Gfflffi

•-a-Fc的居里温度

铁碳双重相图

火线为Fe-Fe3C相图

虚线为Fe-C相图

a相C在a-Fe中的间隙固溶体,晶体结构为bcc,仅由Q相形成的组织称为铁素体，记

为F(Ferrite)oa=F

丫相C在丫-Fe中的间隙固溶体,晶体结构为fee,仅由丫相形成的组织称为奥氏体，记

为A(Austenite)oy=A

6相C在6-Fe中的间隙固溶体,晶体结构也为bee,6相显现的温度较高，组织形貌一

样不易观察，也有称高温铁素体。

0.20.4040.81.0L21.52.02.53.03.5U4.55.05.56.06.69

Fe£相铁与碳生成的间隙化合物，其中碳的重量百分比为6.69%，晶体结构是复杂正交晶

系,仅rflFe3c相构成的组织称为渗碳体，依然记为FesC,也有写为Cm(Cementite)«

石墨在铁碳合金中的游离状态下存在的碳为石墨，组织记G(Graphite)。

L相碳在高温下熔入液体，相图中标记L(Liquid)。

+

■^0.53瓦）.09—14951：>/o.17这是一包品反应(M95C),发生在高温，并且在随后

的冷却过程中组织还会发生变化。

,43)^2.113c共晶反应(1148C),产物共晶体组织称为莱氏体，记为

Ld(Ledeburite)

Zo.777271C>^0.0213十尸。3c共析反应(727C),产物为F、Fe3c两相层片交替分布

的共析体组织，称为珠光体，记为P(Pea!dite)

1C11484.30共品点Lc-AE+FLCI

D1227&69F%C的的点

1E11482.11A中的最大溶琰量|

P7270.0218F中的最大溶碳

57苏-677.共析点（A】）As—Fp+FetI

(1)ABCD-液相线(2)AIIJECF-同相线

(3)HJB-包晶反应线(1495C)LB+'-->Aj

(4)ECF-共晶反应线(1148C)L「JA1；+Fe:1Cr(称为莱氏体)

(5)PSK-共析反应线(727C)As--»Fp+Fe3c(称为珠光体)

(6)Ao,线(ES线)-从奥氏体析出Fe£u的临界温度线

(7)A：,线(GS线)一从奥氏体转变为铁素体线

五个单相区：液相区L高温固溶体6；y相(奥氏体，A)；a相(铁素体，F)

Fe3c相(渗碳体，Cm)

七个双相区：LI6,LIy,LIFe3C,Bly,yIFe3C,aIy；aIFe3c

三个三相区：HJB线L+6+Y；ECK线L+y+Fe4C：PSK线y+a+Fe3c

工业纯铁(C%<0.02%)

碳钢(C%=0.02%2.11wt%)

依据C含量不同，又分为：

亚共析钢：C<0.77wt%共析钢：00.77wt%过共析钢：00.77wt%

白口铸铁(生铁)(C%=2.116.69wt%)

依据C含量不同，又分为：

亚共晶白口铸铁C<4.3wt%共晶白口铸铁C=4.3wt%过共晶白口铸铁04.3wt%

灰口铸铁(C%=2.116.69wt%)

亚共晶、共晶、过共晶灰口铸铁

工业纯铁(C%<0.02%)：组织：F

,,、Z—Z+方—5~方+/—y-y+a—a-a+Fe.C

ffl：a(F)/''3IUII]

共析钢(C%心0.77粉：组织：P相：a(F)+Fe3c

LfL+A->A>P(F+Fe3C)

亚共析钢(C%=0.020.77%)：组织：F+P相：a(F)4-Fe3C

组织转变：L-L+A-A-F+AfF+P

过共析钢(C%=0.772.11%)：组织:P4-Fe3Cn相；a(F)+Fe3c

组织转变：L-L+A->A-*A+Fe3Cn->P+Fe3CH

共晶白口铁(C%^4.3%)：组织：Lzd相：a(F)+Fe3c

组织转变L->Ld(A+Fe3CI)^A+Fe3C1I+Fe3CI(P+Fe3G(Fe3Cn))

亚共晶白口铁(C%=2.11~4.3%)：组织：P+Fe3j+E相:a(F)+Fe3c

组织转变LTL+ATA+Ld->A+Fe3Cu4-Ld->P+Fe3Cn+L'd

,

过共晶白口铁(C断4.3~5.69%)：组织：Fe3C1+Ld相：a(F)+Fe3C

,

组织转变L->L+Fe3Cl-*Fe3C1+Ld-*Fe3C1+Ld

制与白口除铁平衡组织

名称we/%组引代表符号

工业纯铁<0.02铁索体（或铁索体十夕里三次上我体）-'F+FSCL

也共析钢0.02〜0・77铁索体+珠光体F+P

共析钢0.77珠光体P

过共折钢0.77-2.11珠光体+二次■碳体P+FejCl

亚共晶白口传钛2・11~4.30珠光体+二次注碳体+变态莱氏体•P+Fe,Ci+U

共晶白口铸钱4.30变态第氏体Li

过共晶白口传扶4.30〜6,69变态莱氏体+一次步硬体L；+Fe,CI

小、铜铁分类«臼口瞥铁•

五共析H过共析的至共晶白口“铁过共用白口“铁

0.020/772.114.30.6.69

卬"%及组纲特征

高温固态也织为单相奥氏本钮织中有共晶蕖氏悻

叙织姐成物

质・分数/%

含碳景与组织组成物及相组成物的关系

1200

«

工)

如

最

5001_______I________________L

Fe0.772.11

3C/%丸/%

含碳量对钢力学性能的影响钢铁的热加工温度范围

1、各组成相的力学性质：F：软，塑Fe3C：硬，脆P（F+Fe3C）：介入二者之间

2、C对性能的影响：随C含量增加，硬度连续增加8,2连续下降0b先增加（C2.11%）

后下降（由于网状Fes*的显现）

按含碳量分：低碳钢叫<0.25%中碳钢0.25%<Wc<0.6%高碳钢W/0.6%

按用途分：碳素结构钢（建筑材料,如桥梁，房屋，机器零件等）碳素工具钢（刀具，模

具等）

根据P，S含量的多少

普通碳素钢W,,<0.045%%<0.055%优质碳素钢W,<0.040%%<0.040%

高级优质碳素钢咋M0.035%WsV0.030%

根据含氧量：沸腾钢镇斡钢

Q275AF普通碳素结构钢（Q：屈服数字为强度值A为等级F为沸腾钢）

特点：这一钢种仅关心材料的力学性能，不考察其成分，大多为轧制的型材（钢板、圆、管、

角）。

用途：合适的强度，一定的塑性和韧性，价格较低，大量用于普通简单结构零件。如：桥梁，

建筑。

优质碳素结构钢（数字表示钢中C的含量（万分之几）F表示沸腾钢）

特点：这类钢种要求保证C含量。

用途：优质碳素结构钢主要用来制造机器零件。一样都要热处理以提高其力学性能。随着C

含量的增加，材料的强度和硬度愈高，塑性相应会降低.

T12A碳素工具钢（"V表示"碳〃数字表示含碳量（千分之几）全部为优质钢，后缀A为高级

优质钢）

特点：过共析钢，

组织为：颗粒状的碳化物十球化珠光体（经球化退火），可以直接进行机械加工。

用途：碳素工具钢的硬度高、变形量小，适合用于量具，刃具，模具。

工业铸铁是指Wc>2.11wt%的Fe-C合金为铸铁。

当（：以Fe3C相似存在：白口铸铁当C以石墨形式存在：灰口铸铁

铸铁性质：铸造，切削加工，减震性较好。强度，塑性，韧性低

石墨化过程：

第一阶段高温石墨化

温度:>1154℃,从液体中直接析出初生或共晶石墨。

共晶反应：LcfA&+Gi组织：（奥氏体+石墨）的共晶体。

第二阶段中温石墨化

温度：1154〜738c之间，从奥氏体中析出石墨，称为二次石墨Gi

过饱和析出反应：A-»A+GH组织：A+GH

第三阶段低温石墨化

温度：738℃,奥氏体发生共析反应析出石墨，称为三次石墨G”.

共析反应：As—>Fp+Gnio组织：（铁素体+石墨）共析体

注：这一阶段析出的石墨往往在前两阶段显现的石墨基础上长大。

石墨化程度

翘斯口族色

第一轮段第二册段第三阶段

充分充分充分F+G

如充分充分超F+P+G病

充分充分不进行P+G

麻口部分部分不进行Ld+P+G灰白相间

白口Ld+P+Fe3c白亮

按铸铁中石墨的形状分：普通灰铸铁（片状）球墨铸铁（球状）可锻铸铁（团絮状）蠕墨

铸铁（蠕虫状）等

铸铁性能：

1.抗拉强度低、塑性韧性差

石墨相当于孔或裂缝，明显降低了材料的力学性能。球状石墨对基体的破坏作用相对较

小，故球墨铸铁的力性接近低碳钢，且可以用热处理改善基体组织，提高性能。

2。铸造性能好。

3.耐磨性好。

4c.消震性好。

5。切削加工性能好,

6。缺口敏锐性低。

普通灰铸铁：如HT150,HT200,HT250…

牌号：HTxxx,HT表示灰铁，三个数字表示最低抗拉强度，单位MPa。

用途：用于要求消震、耐磨，如机床床身、汽缸、箱体、活塞等。

热处理：只进行去应力退火。

球墨铸铁：如QT400-15,QT500-05,QT600-03......

牌号：QTxxx-xx,数字表示最低抗拉强度和伸长率，单位MPa和％。

用途：用于一样机械零件，如齿轮、曲轴、凸轮轴等。

热处理：可通过热处理改善基体组织和性能。

可锻铸铁蠕墨铸铁合金铸铁

第五章

引起加工硬化：随塑性变形量增加，金属强度、硬度会升高，而塑性、韧性会降低，这种现

象称为加工硬化。（折铁丝是一实例）

产生加工硬化的原因：变形产生位错，随着变形量增加，位错密度增高，位错发生缠结和在

晶界上塞积，导致位错运动困难，从而引起加工硬化。

加工硬化的作用：强化材料的一种手段保持材料平均形变

在加热过程中，形变了的材料会发生回复、再结晶和晶粒长大三个过程

回复、再结晶和晶粒的长大，他们都是减少或排除结构缺陷的过程。相应地，材料的结构和

加热温度一

性能也发生对应变化。

回复：经冷加工的材料在在小于0.4Tm（以K表示）以下的温度保温，这时材料发生点缺

陷消逝，位错重排，应力下降的过程为回复。

变化：宏观应力（第一类应力）基本排除，但微观应力（第二、第三类）仍旧残存。力学性

质，如强度没有明显变化，

再结晶：当加热温度达到0.4Tm以上，晶粒形状开始发生变化，在亚晶界或晶界处形成了新

的结晶核心，并不断以等轴晶形式生长，取代被拉长及破碎的旧晶粒，这•过程称为再结晶。

变化：强度和硬度明显下降，塑韧性提高，加工硬化现象排除。新晶粒形核和长大，替代

旧晶粒。位错大量消逝。

特点：1）再结晶不是一个相变过程。因为在结晶前后的结构和成分没有明显变化。它只是

一个形状上的变化。（物理过程）。

2）再结晶没有一个确定的温度，当T>0.4Tm即可发生再结晶过程。

概念：冷加工：在再结晶温度以下进行塑性变形

热加工：在再结晶温度以上进行塑性变形

区别：冷加工：加工硬化，晶粒变形

热加工：加工硬化和再结晶过程同时发生，加工硬化消逝

金属材料的强度和硬度会随温度的上升而下降，塑性会随温度的升高而升高，因此在较高的

温度下进行塑性变形，材料的抗力小，易成型。

热加工的影响：

1>提高致密度：热加工可使铸件的缩松和气泡焊合，提高材料的致密度，提高材料性能。

2、细化晶粒：热加工可以打碎铸件粗大的枝晶和柱状晶，细化晶粒尺寸。

3、形成合理的纤维组织：各种可变形的夹杂物会沿形变方向拉长，呈流线分布，从而造成

各向异性。在流线方向，性能较好，而在垂直于流线方向上性能相对较差

强化金属的基本原理和方法

塑性变形的本质是位错的滑移

细晶强化

依靠晶界阻止位错运动。曷粒愈小，强度愈高。1/2关系式）

os=oO+Kd（Hall-patch

固溶强化

形成固溶体由于溶质原子与溶剂原子在尺寸和性质上的不同，固溶原子引起晶格畸变，产

生应力场阻止位错运动。

加工硬化

进行冷加工，使材料位错密度增加，发生缠结，阻碍位错运动。

弥散强化

在基体中形成弥散分布的第二相质点，阻碍位错运动。有时称为沉淀强化。

第六章

为了对钢进行热处理，必须第一将钢加热到单相A区，然后进行适当的冷却以获得特定的

结构和性能。

固态相变同样需要一定的过冷度（降温）或过热度（升温），因此，加热转变实际发生温度

在平稳临界点之上，而冷却转变的实际发生温度在平稳临界点之下。

AC1、AC3,SACcm为升温引起的奥氏体化温度上移线

Ar】、An和Ar’m则为降温时奥氏体分解温度的下移线

4、A3Acm、为平稳条件二合金获得奥氏体的温度线。

奥氏体化过程

以共析钢（Wc=0.77%）为例，共析钢在室温下的组织为层片珠光体，在加热到Acl以上，其

将转变为A,这一过程称为奥氏体化，这一过程是形核与长大过程。

Wc(%)

两个过程：晶格变化：C的扩散

1.在铁素体和渗碳体的交界处形成奥氏体的核心；

2.奥氏体同时消耗两相来长大；F晶格转变（BCCfFCC）,渗C体溶解；

3.随后残余渗碳体的溶解；

4.奥氏体的平均化，各处的碳浓度都达到平均成分。

实际晶粒度：指在某•具沐热处理条件下（如加热温度、保温时间）所得到的晶粒大小。它

决定于钢的成分和奥氏体化的工艺过程。

本质晶粒度：不同的钢在同样的加热条件下，奥氏体的长大倾向性不一样，为比较不同钢的

晶粒长大倾向，将不同的钢加热到930±10℃,保温8小时得到的实际晶粒度作为该钢的本

质晶粒度。本质晶粒度是一材料特性，表示的是钢在奥氐体化时奥氏体晶粒的长大倾向。

等温冷却：将钢迅速过冷到临界点(Au)以下某一温度，使奥氏体保持在该温度下进行等温转

变

TTT曲线(Temperature—Time—Transformation)：在某〜温度下A转变量与时间的关系的曲

线。

连续冷却：将钢以某一固定速度不停顿地冷却(到室温)，受奥氏体在连续降温的过程中转变。

CCT曲线(ContinuousCoolingTransformation)：在连续冷却过程中，A转变量与时间的关系

曲线。

过冷奥氏体等温转变图，也称TTT曲线，或C曲线。它综合反映了过冷奥氏体在不同温度

下等温转变的开始和终了时间及转变产物之间的关系。

钢在奥氏体化后，当温度降低到Ar1以下，此时奥氏体并不立刻转变，要经历一段时间后，

才开始转变。把这种存在于Ar】温度以下暂未发生转变的不稳固奥氏体称为过冷奥氏体.

C曲线特点：

(1)在Ari线温度以上，奥氏体稳固，不会发生转变c

(2)在Ari线以下，C曲线以左区域为过冷A区，转变终了线以右的区域为转变产物区，

两条线之间为转变过渡区，

(3)不同温度等温对应的孕育期不同，在C曲线“鼻尖”处的孕育期最短，鼻尖以上(Ari

以卜D,随温度孕育期J，因为形核驱动力大，但在鼻尖以卜，随温度I-孕育期f这

是因为尽管驱动力大，但原子扩散缓慢(受温度影响)。

(4)当冷速很快，绕过C曲线的鼻尖，奥氏体快速冷却到Ms以下，则发生马氏体转变，

Ms为马氏体转变开始线，Mf为马氏体转变终了线，两线之间为奥氏体+马氏体两相混合区。

J2

驾

430

4|

“

50

外

”

66

I/

M4

珠光体型转变区温度：Ari-550℃

依据F/Fe3c的片层大小，分为：

珠光体（粗），索氏体（纲），屈氏体（托氏体）（很细）

1D.O

转变温度（C）片触⑺名称代节硬度(HRC)

Ari-6500.4-0.7P(Pearlite)25-5

650-6000.25-0.4索氏体S(Sorbite)35-25

600-550<0.25屈氏体T(Troostite)40-35

贝氏体型转变区（中温转变区）

根据转变温度的高低，贝氏体转变又分为：

上贝氏体转变（"鼻尖”到350℃）下贝氏体转变（35OC到Ms点）

上贝氏体B±550℃-350℃羽毛状HRC40-50,韧性差

下贝氏体B下350°0Ms竹叶状HRC50~55,协性好

B下具有优良的综合力学性能，生产实践中应用于要求高

强韧性的工件（如模具等）

ll

32

38

wc：0.79、

40

.76%

1JA

Il氏一

5^Mi­：上贝氏体转变

贝氏体转变

U.S1251010110s10*10,10*

断词/■

马氏体型转变区（针对共析钢）

马氏体转变的临界冷却速度

决定于奥氏体的含碳量:

•C>1.0M%：形成针状马氏体M针；

・CV0.2wt%:形成板条状马氏体M板条;

•0.2wt%<C<1,0wt%:形成混合马氏体。

低碳马氏体性能：

具有较高的强度和韧性，B1良好的综合力学性能。如0.2%C钢淬火后，HRC50、ob=1500MPa.

2

ak=150-180J/cmo

高碳马氏体性能：

2

片状马氏体具有高的硬度和强度(HRC60),但塑性和韧性很低(ak=lJ/cm)

不管是板条马氏体还是片状马氏体，都具有相当高的硬度CHRC50),其原因是：

C在F中的过饱和固溶与晶格畸变3固溶强化与高硬度。

对C曲线的影响：

C含量：

亚共析钢：随着含碳量的增加，C曲线右移过共析钢：随着含碳量的增加，C曲线左移

加热温度和保温时间：

Tt,ttFe3C溶解充分，晶粒粗大(晶界减小)一A稳固->(:曲线右移

合金元素：除C。以外，几乎所有元素都会使C曲线右移

退火：

定义：将钢（材料）加热到适当的温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（例如：随炉冷却）,

以获得接近平稳状态组织为热处理工艺叫做“退火

作用：排除残余内应力、改变组织的形状。

退火类别：完全退火球化退火去应力退火不同类型的退火选用不同的温度。

完全退火（用于亚共析钢）

方法：将亚共析钢加热到Ac3以上30~50℃,保温一定时间，缓慢冷却。

目的：通过重新结晶细化晶粒，改善钢锭或坯料粗大，不平均的原始组织，充分（1）排除

内应力，（2）降低硬度，门）防止开裂。

组织：F+P（接近平稳组织）

球化退火（适用于共析钢和过共析钢）

方法：将共析钢或过共析钢加热在A1以上30—50℃长时间保温，使Fe3c球化。然后极缓

慢冷却，使A发生珠光体转变。

组织：铁素体的基体上平均分布颗粒状的渗碳体，称为球状珠光体。

去应力退火

方法：将钢缓慢加热到A1以下某一温度（如：200-400C）,保温后慢冷。

目的：完全排除残余内应力。组织：无相变发生，无组织明显变化。

正火：

定义：将钢加热到AC3（亚共析钢）或ACcm（过共析钢）以上30—50℃保温一段时间后，再

空冷得到珠光体型组织的工艺。

注：合金钢在空气中连续冷却可能发生珠光体型、贝氏体型甚至马氏体型相变，但正火一样

是指空冷时发生珠光体型转变的热处理工艺。

用途：

亚共析钢：在低、中碳钢中代替完全退火。（排除缺陷和内应力，降低硬度，平均组织）。

过共析钢：因空气冷却速度较快，先析出相Fe3C的量较少，不能连成网状，故起到排除网

状组织的作用。

淬火：

定义：将钢加热到A后，以大于Vk的速度快速冷至Ms点以下以获得马氏体组织的热处理

工艺，叫作“淬火”。

目的：提高钢的硬度和耐磨性。

注：马氏体不是热处理所要得到的最终组织，马氏体再经过适当的回火，可以得到需要的组

织和使用性能。

淬火后获得的马氏体一一淬火马氏体回火后获得的马氏体一一回火马氏体

常用介质：盐水、碱水：10—15%的NaCI水溶液，这是最强的冷却介质。

清水：直接冷却，冷却能力也很强。

碱浴、硝盐浴：在120—180C以上的温度下有好的冷却能力（适用于分级淬火）。

矿物油冷却能力约为水的1/4—1/8,适用于大多数合金钢，可以有效防止零件的变形开裂。

原则：淬火时既要快冷获得M,又要尽可能减少变形和开裂。

回火：

定义：将淬火后的钢件加热到AJ以下某一温度，等温一段时间后，再冷却至室温而获得不

同组织的热处理工艺叫“回火”

目的：排除内应力：钢在淬火后，存在较大的内应力（热应力和相变应力），容易显现开裂

利用回火可以排除或减小内应力，达到防止变形开裂。

稳固组织和尺寸：淬火后的组织为马氏体+残余奥氏体，它们都不是稳固组织，使用过程中

会发生转变，从而带来零件的尺寸和性能的变化。利用回火让可能变化的组织发生转变，达

到稳固零件的组织性能和尺寸。

调整性能：淬火后得到的马氏体的碳含量较高，材料的硬度高，脆性大，通过回火处理，达

到所需要的强度、塑性和韧性的组合。

便于加工：降低硬度，便于机械加工。

组织转变：

马氏体的分解（200C以下）-＞回火马氏体

回火时马氏体中过饱和的碳发生短距离的迁移，形成极组的碳化物（Fe2.4C）（称为£碳化物）,

以薄片形式存在M中，该组织称为回火马氏体。

残余奥氏体的分解（200-300℃）

马氏体向回火马氏体转变时，由于应力的减小，残余奥氏体发生分解产生下贝氏体（贝氏体

温区）。最终组织：回火马氏体+下贝氏体

回火屈氏体的形成（300-500℃）

由于回火温度的升高，碳的扩散运动能力加强，过渡碳化物转变成稳固渗碳体，马氏体转变

为^素体，组织为：F上平均分布极细的渗碳体，称为"回火屈氏体〃。F+Fe3c（弥散分

布）-*回火屈氏体

回火索氏体的形成（500-650℃）

^索体发生再结晶形成等轴晶铁素体，同时细小的Fe3c颗粒不断长大，得到平稳状铁素体

中分布着颗粒状的碳化物混合组织，称为“回火索氏体〃。最终组织：等轴晶F+颗粒状

一回火索氏体

同火组织性能：

硬度和强度：硬度在200C以下变化不明显，以后随温度的上升而下降，强度也如此；

塑性：塑性随回火温度提高而提高；

韧性：韧性变化的趋势随回火温度的提高而提高。

回火脆性：在回火过程中显现韧性下降的现象称为回火脆性，主要是由「碳化物析出和长大

所致。

低温回火回火温发为ISO-200℃,

组织：回火马氏体，

性能：高硬度，硬度可达到58-64HRC,好的耐磨性

应用：常用于轴承、冷作模具的热处理。

中温回火回火温度为35。-500c

组织：回火屈氏体

性能：具有一定韧性，同时有高的弹性极限

应用：弹簧钢（如：65,70）和要求较高强度和一定韧性的工件，如刀杆、轴套等。

高温回火回火温度为500—650"C（淬火后进行高温回火的工艺也称为"调质〃处理）

组织：回火索氏体，

性能：具有良好的综合力学性能,特别是冲击韧性高。

应用：可以直接进行机械加工。主要用于承担较大应力，特别是有冲击应力场合下的结构

零件，如各种轴、连杆、齿轮等。

淬透性：是指钢件在淬火时能获得淬硬层（马氏体）的深度。由于表面冷却速度高于心部，

所以从表面至心部的马氏体的量存在•个分布，通常将马氏体含量达到50%的深度作为淬

硬层深度，用淬硬层深度来表征不同材料的淬透性。

亚共析钢：Ct一淬透性t

过共析钢CJ-淬透性f

合金元素中除Co外，绝大部分都使C曲线右移，提高淬透性

加热温度的升高和保温时间延长（Fe3c溶解充分），稳固奥氏体，均可适当的提高钢的淬透

性。

表面热处理：

1、淬火工艺：

将钢件表面迅速加热到奥氏体化后，急冷使表面层形成马氏体。而心部组织不发生变化，这

样表面具有强硬特点而心部保持好的韧性。

用于表面淬火用钢大多为低C或中C钢（即为亚共析钢）。

2、淬火组织：

由于从表面到心部的温度不同，淬火后在组织也不同

表面：温度>AC3,表面奥氏体化，淬火后得到细小的马氏体（M）

中间：温度在AC1〜AC3之间，加热组织为A+F,淬火后得到M+F

心部：温度在AC1以下，加热组织主要为F,淬火后仍为F

化学热处理：

种类：渗C（形成Fe3c或C固溶）（弥散强化+固溶强化）

渗N（Fe（N）固溶），〔固溶强化）

渗BFe（B）固溶，（固溶强化）

C-N共渗（弥散强化+固溶强化）

渗碳用钢：低碳钢或低•碳合金钢，淬火后心部得到低碳马氏体，保持好的塑性和韧性

第七章

碳钢的缺点：

1.基本相（F、Fe3C）性能不够好；

2.淬透性低；

3.使用温度不能超过200C；

4.没有特别性能，如耐腐蚀、抗氧化、高耐磨……。

合金元素的作用：

提高强度，塑韧性；提高淬透性；高温强度、热硬性；提高抗氧化、耐腐蚀、耐热、耐磨、

电磁等特别性能

按用途分类：合金结构钢（工程构件，机械零件），合金工具钢（量具，模具，刀具），特别

性能钢（不锈钢，耐蚀钢，耐热钢，低温钢）

合金结构钢例：18Cr2N4WA=18+Cr2+Ni4+w+A

牌号的组成为：两位数字+元素符号和数字十字母。如：18Cr2Ni4WA

其中第一部分两位数字：峡含量的万分之几；C=S18wt/

第二部分的元素符号表示主要或关键合金元素，元素含量超过1.5%,则标注在元素符号的

后面。如I：Cr=2%,Ni=4%,W<1.5%

第三部分的字母表示级别，如：A一一优质钢

合金工具钢例：9SiCr=9+Si+Cr

牌号的组成和合金结构钢基本相同，仅第一部分用一位数字表示含碳量的千分之几，若含碳

量大于1.0%的将这部分数字略去。

如：表示

9SiCrC%=0.9%,Si<1.5%,Cr<1.5%o

CrWMn表示C%>1%,Cr、W、Mn<1.5%

特别性能钢对于某些专门用途或特别性能的钢有特别牌号。

如滚动轴承钢：GO15、GCr6（分别含Cr1.5%和0.6%（千分之几），C>1%,G：滚动）

弱（非）碳化物形成元素：Mn,Co,Ni,Al,Si笔，基本上能溶入铁素体使钢的强度

和硬度提高（固溶强化），但韧性降低。作用是固溶强化和提高淬透性。

强碳化物形成元素：Cr,M。，W,V,Nb,Ti（前过渡族）等元素与碳的亲合力比铁强，

一部分能溶入FaC形成合金渗碳体（Fe.MhC,另一部分则形成特别碳化物，如：Cr23c6,

WC,NbC,TiC等，这些碳化物比渗碳体更高的熔点和更高的硬度（弥散强化），并阻碍A

体晶粒长大（细化晶粒）。作用是细化晶粒和弥散强化。

对相图的影响：

1.扩大Y相区：元素Ni,Mn,W等促进奥氏体化，扩大Y区。原因是这些合金元素使A3

线降低。这类元素也称为Y相稳固化元素。如lCrl2Ni9Ti不锈钢就是奥氏体类型钢。

2.扩大a区：元素Si,Cr等使A3线升高，扩大a区。如：加入一定量的在，豆可使Y区

消逝，得到全部铁素体组织，如Crl7,Cr25,…属于铁素体不锈钢。

3.对S点（共析点）和E点（A最大C浓度）影响：一些添加元素（如：Cr、Mn）使S、

E点左移，使共析钢中的碳含量减少。如：4013不锈钢，其C=0.4%，但为过共折钢。

Mn,Cr使S点左移，

Mn使A3线降低，Cr使A3线升高

14

30

13O0

120O

2O0

。

・100

、1

魁00

1B00

骑1

9

8

700700

600600

500500

00.20.40.60.81.01.21.41.600.20.40.60.8LOL2L41.6

“c/%皿7%

Mn对Fe-F.C相图影响Cr对Fe-Fe3c相图的影响

对奥氏体化及晶粒度的影响（升温过程）

（1）奥氏体化：

co可加速奥氏体化，大部分强碳化物合金元素（如cr,Mo,w,v,n）都延缓奥氏体化

过程。

原因：这些强碳化物形成元素阻止Fe,C的迁移，减缓奥氏体的形成。

（2）奥氏体的晶粒度：

强碳化物形成元素，如V、Ti、Nb、Zr可以强烈阻止奥氏体晶粒生长；

原因：合金碳化物弥散分布在A上，阻碍晶界迁移。

对过冷奥氏体转变的影响（降温过程）

C曲线移动：

Co使C曲线左移,即：降低淬透性;

Ni,Si,Mn,AICu等（均为弱或非碳化物形成元素），使C曲线右移，即：提高淬透性。

原因：稳固奥氏体

对回火转变的影响

提高钢的回火稳固性，产生二次硬化

低合金高强度钢

成分：CW0.25%

主要合金元素：Mn：W-V3%,固溶于铁素体（固溶强化）

辅助合金元素：V,Ti,Nb,作用：形成VC,TiC,NbC等（弥散强化，细化晶粒）

牌号：

16Mn（旧），两位数字：C含量的万分之几；合金元素含量表示同前。

Q345C（新）Q:屈服，345：屈服强度，C：等级

热处理：热轧+空冷（相兰于正火）

组织：跳素体+珠光体（或索氏体），（F+P）或（F+S）

性能：强度高，塑、韧性好。

用途：制造桥梁、船舶、大型钢架、农业机械等等。