《工程材料及成形技术基础》课件 第1-6章 材料的分类与力学性能 - 铸铁

工程材料及成形技术主讲人：Email:电话：本章学习要求第一章

材料的分类与力学性能掌握工程材料的各种分类;理解材料的各种力学性能指标的含义；重点掌握强度和硬度这两个重要指标；了解常用的硬度测试方法及应用场合。主要内容工程材料的分类工程材料的性能工程材料的基本概念工程材料的分类方法第一章材料的分类与力学性能材料的力学性能材料的其他性能第1章材料的分类与力学性能一、工程材料的分类定义：工程材料属于人造材料，主要是指用于机械工程、建筑工程以及航空航天等领域的材料。工程材料的分类方法：材料的分类（天然和人造）按成分特点按用途按应用领域第1章材料的分类与力学性能一、工程材料的分类

钢铁材料(黑色金属)

钢：非合金钢，低合金钢，合金钢铸铁：白口铸铁，灰口铸铁，麻口铸铁

非铁金属材料(有色金属)

轻金属：铝、镁、钛等重金属：铜、铅、锌、镍、汞等贵金属：金、银、铂、铑等稀土金属：钕、镧、铈、镨、钐等稀有金属：镎、钚、镅等1.金属材料第1章材料的分类与力学性能2.非金属材料有机高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维陶瓷材料普通陶瓷：用天然无机物烧结制成特种陶瓷：用精制高纯无机物制成3.复合材料金属基复合材料：纤维增强金属、粒子增强金属、包层金属等无机非金属基复合材料：钢筋混凝土、夹网玻璃、纤维增强陶瓷等有机材料基复合材料：碳纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料、金属纤维增强橡胶、棉纤维增强橡胶等第1章材料的分类与力学性能齿：金、316L不锈钢、Co-Cr-Mo合金、Ti、Ti-6AI-4V耳：Ti心脏：Co-Cr-Mo合金、Ti-6AI-4V起搏器：316L不锈钢、铂关节修复：不锈钢、Co-Cr-Mo合金、Ti、Ti-6AI-4V颅骨：316L不锈钢、Ti颊面重建：Ti、Ti-6AI-4V可降解缝合线：Ti、Ti-6AI-4V脊柱：Co-Cr-Mo合金、Ti骨修复：316L不锈钢、Co-Cr-Mo合金、Ti、Ti-6AI-4V、PLA/HA、PLA、HA第1章材料的分类与力学性能材料类型目前医疗器械选材医用不锈钢316L等冠脉支架：316L、CoCrMo为主，TiNi很少其他血管支架：TiNi、316L为主膝关节：CoCrMo为主，Ti合金为辅髋关节：Ti合金为主，316L很少脊柱类器械：Ti合金为主，316L为辅创伤类器械：Ti合金为主，316L为辅手术器械：316L不锈钢为主，Ti合金为辅牙种植体：CP-Ti为主，TC4很少牙科矫形：TiNi为主义齿及支架：Ti、CoCrMo、贵金属钴铬钼合金钛合金Ti、TiNi特种陶瓷玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）结构材料（受力材料，以力学性能为主）工具材料（加工成工具）功能材料（物理、化学性质、生物功能）机械工程材料生物工程材料建筑工程材料能源工程材料······按用途分按应用领域第1章材料的分类与力学性能第1章材料的分类与力学性能载荷按作用性质可分为静载荷大小不变或过程缓慢。动载荷冲击载荷：短时间内以高速度作用于工件上。如：钉钉子;交变载荷：大小，方向或大小与方向随时间发生周期变化。如：弹簧;随机载荷：随时间非周期变化。如：汽车发动机曲轴。二、材料的力学性能指材料在各种载荷下表现出来的性能。强度、硬度、塑性。冲击韧性、疲劳极限、断裂韧性。第1章材料的分类与力学性能载荷按作用形式分拉伸压缩弯曲剪切扭转静载动载强度硬度塑性屈服强度抗拉强度条件屈服强度判据冲击韧性疲劳强度判据判据冲击吸收功疲劳强度断后伸长率断面收缩率判据布氏硬度维氏硬度洛氏硬度判据第1章材料的分类与力学性能1.强度、刚度和塑性材料的强度、刚度和塑性指标是在万能拉伸试验机上通过拉伸试验测定的。拉伸试验对一定形状和尺寸的试样施加轴向试验力，以一定速度将试样拉至断裂。拉伸试验机拉伸试样拉伸试样的颈缩

第1章材料的分类与力学性能1.强度、刚度和塑性材料的拉伸曲线（以低碳钢为例）：力-伸长曲线——以拉伸载荷和试样伸长量为坐标所形成的曲线。弹性变形——卸载后，试样能恢复到原状的变形。塑性变形——卸载后，试样不能恢复到原状的变形。旧标准新标准第1章材料的分类与力学性能单位面积上所受的力。有正负应力之分。用R表示：R

=F/S单位长度上的增量。也有正负之分。用ε表示：ε=△L/L材料的拉伸曲线（以低碳钢为例）：

ob段：弹性变形阶段，oa段载荷和伸长量成线性正比关系，ab段不是线性关系；

bc段：屈服阶段；cd段：大量塑性变形阶段；de段：缩颈阶段。应力应变第1章材料的分类与力学性能1.1强度定义：材料抵抗外力作用下变形和断裂的能力。拉伸试验中的强度指标有弹性极限、屈服极限和抗拉强度。1）弹性极限

第1章材料的分类与力学性能2）屈服强度

第1章材料的分类与力学性能

对于一般机械零件而言，一般不允许发生塑性变形。条件屈服强度第1章材料的分类与力学性能3）抗拉强度定义：指材料在断裂前单位面积所能承受的最大应力。用Rm（σb）表示，单位MPa。

注：Rp和Rm是设计和选材时的主要依据。第1章材料的分类与力学性能1.2刚度

第1章材料的分类与力学性能1.3塑性定义：在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。判据：断后伸长率、断面收缩率。1）断后伸长率

2）断面收缩率

第1章材料的分类与力学性能某工厂买回一批材料（要求：Rp≥230MPa；Rm≥410MPa；A5≥23%；Z≥50%）。做短试样（L0=5d0；d0=10mm）拉伸试验，结果如下：Fc=19KN，Fd=34.5KN；L1=63.1mm；d1=6.3mm；问买回的材料合格吗？举例

第1章材料的分类与力学性能目前金属材料室温拉伸试验方法采用GB/T228-2002新标准，由于目前原有的金属材料力学性能数据是采用旧标准进行测量和标注的，所以，原有旧标准仍然沿用。关于金属材料强度与塑性的新、旧标准名词和符号对照见下表。新标准GB/T228-2002旧标准GB/T228-1987名词符号名词符号屈服强度Rp屈服点上屈服强度ReH上屈服点下屈服强度ReL下屈服点抗拉强度Rm抗拉强度断面收缩率Z断面收缩率断后伸长率A断后伸长率A11.5第1章材料的分类与力学性能2.冲击韧性和疲劳极限

2.1冲击韧性第1章材料的分类与力学性能温度对冲击韧性的影响αk值低-脆性材料：断裂时无明显变形，金属光泽αk值高-韧性材料：明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽第1章材料的分类与力学性能Titanic沉没原因？Titanic含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic号第1章材料的分类与力学性能2.2疲劳极限（疲劳强度）疲劳：材料在受到大小、方向随时间做周期性变化的循环应力作用，且循环应力小于屈服极限，经多次（>104次）而产生断裂的现象称为疲劳断裂或疲劳。（80%的断裂由疲劳造成）美国银桥断裂时间：1967年死亡人数：46人事故原因：眼杆疲劳断裂第1章材料的分类与力学性能

疲劳极限条件疲劳极限

第1章材料的分类与力学性能3.断裂韧性由于冶炼、加工和使用等原因，使材料内部存在的各种裂纹在应力作用下发生快速扩展而导致的低应力脆断现象。材料抵抗裂纹失稳扩展的能力称为断裂韧性。

第1章材料的分类与力学性能试验原理：用直径为D的淬硬钢球或硬质合金球作为压头，以相应的试验力F压入试样表面，保持一段时间后，测量表面压痕直径来计算。以HBS或HBW表示。

布式硬度测试过程示意图布氏硬度试验机1）布氏硬度4.硬度定义：指材料抵抗局部变形的能力。硬度是衡量材料软硬程度的判据。硬度的测试方法：压力法（重点）、划痕法、回跳法。第1章材料的分类与力学性能表示方法：HBS——选用淬火钢球压头，适用范围：小于450；HBW——选用硬质合金压头，适用范围：450~650。如：200HBS，150HBS～175HBS

√

HBS=200，HBS=150～175

×例如：500HBW5/750表示直径为5mm的硬质合金球在750kg的载荷下保持10-15s时的硬度值为500HBW。特点：优点：测量误差小，数据稳定，重复性强。缺点：压痕较大，操作慢，不适用成品件和薄形件。应用范围：常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。注：数字在前、字母在后。注：区间数值差不要超过30。第1章材料的分类与力学性能试验原理：金刚石圆锥体或淬硬钢球为压头，测压痕深度来确定硬度值。表示法：XXHR(A,B,C,D)其中Ｃ标尺应用最为广泛。注：不同标尺之间不能直接比较大小，需查阅换算表。洛氏硬度试验机2）洛氏硬度硬度符号压头类型总试验力/N有效值范围应用HRA120°金刚石圆锥体60×9.870~85HRA硬质合金，表面淬硬层、渗碳淬硬层HRB1.588mm钢球100×9.825~100HRA有色金属，退火、正火钢HRC120°金刚石圆锥体150×9.820~67HRA淬硬钢、调质钢三种洛氏硬度标度洛氏硬度试验示意图第1章材料的分类与力学性能表示方法：数字在前、字母在后，如45HRC；35HRC～38HRC。HRC适用范围数值20～67；小于或大于这个范围均为标注错误！如17HRC；HRC=15～19等。在图纸标注时注意数值差应≯5，否则为标注错误。常用标尺：有A、B、C三种：①HRA，硬质合金、表面淬火层或渗碳层；②HRB，有色金属和退火、正火钢等；③HRC，调质钢、淬火钢等。注意：HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小例如：

50HRC<70HRA

×

100HRB>40HRC×第1章材料的分类与力学性能特点优点：简单迅速，直接读数，压痕小，可测薄件及成品。缺点：对于组织不均匀材料测得不准确，数据波动大，代表性差。应用可用于成品和薄件，但不宜测量组织粗大不均匀的材料；适用于测量硬度较高的材料，如淬火钢件、硬质合金等材料。第1章材料的分类与力学性能原理：与布氏相同。用相对面夹角136°的正四棱锥体测量压痕对角线长度来计算，查表。表示法：XXHV优点：可测薄材，也可测表面渗碳、渗氮层的硬度，准确性高。缺点：对测件表面质量要求高，压痕小。3）维氏硬度第1章材料的分类与力学性能

图6-6(Fe0.52Co0.30Ni0.18)73Cr17Zr10非晶合金薄带压痕变形区SEM形貌。(a)载荷为0.49N；(b)载荷为1.96N；(c)载荷为2.94N；(d)、(e)分别为(c)中局部放大图Fig.6-6.SEMimagesofindentationdeformationareaof(Fe0.52Co0.30Ni0.18)73Cr17Zr10amorphousalloyribbon.(a)indentedwithloadof0.49N;(b)indentedwithloadof1.96N;(c)indentedwithloadof2.94N;(d)and(e)arethelocalenlargedviewsin(c)第1章材料的分类与力学性能由于各种硬度试验条件不同，因此相互间没有理论的换算关系。但根据试验结果，可获得如下粗略换算公式：当200-600HBS（HBW)时，HRC≈1/10HBS(HBW)当小于450HBS时，HBS≈HV当60-100HRB时，HRB≈1/2HV肖氏硬度:回跳硬度；努氏硬度：压力硬度；莫氏硬度：划痕硬度；锉刀硬度：划痕硬度；超声波硬度：压力硬度。4）其他硬度三、工程材料的其他性能第1章材料的分类与力学性能1.物理性能将在以后章节重点介绍。耐蚀性材料抵抗空气、水蒸气及其他化学介质腐蚀的能力。抗氧化性金属材料在加热时抵抗氧化的能力。2.化学性能3.工艺性能第1章材料的分类与力学性能载荷类型力学性能指标名称表示符号单位或范围内涵特点及用途静载荷强度（材料抵抗永久变形和断裂的能力）弹性极限σeMPa试样弹性伸长范围内承受的最大拉应力评定材料优劣指标；检验材质合格与否的标准；机械零件设计、选材的定量依据屈服强度Rp/σsMPa塑性材料开始产生屈服时的最低应力值条件屈服强度Rp0.2/σ0.2MPa无屈服点材料产生0.2%变形时的应力值抗拉强度Rm/σbMPa材料断裂前所能承受的最大应力值；脆性材料设计计算的依据塑性（材料产生永久变形而不断裂的能力）断后伸长率A-试样拉断后标距长度伸长的百分率零件设计选材的参考依据，安全工作的可靠保证。一般A＞5%、z＞10%可满足大多数零件的使用要求断面收缩率z-试样断裂处横截面积收缩的百分率本章小结第1章材料的分类与力学性能名称表示符号数值范围内涵特点及用途硬度（材料或零件抵抗局部变形的能力）布氏硬度HBSHBW＜450450-650通过测量球形压痕直径计算硬度测量误差小，数据稳定，常用来测毛坯或半成品零件，压痕大，不宜测成品洛氏硬度HRC20-67通过测量残余压痕深度增量获得硬度测量简便、压痕小，适宜测较硬材料及成品零件，不宜测组织不均材料维氏硬度HV-通过相对面夹角136°的正四棱锥体测量压痕对角线长度来计算可测薄材，也可测表面渗碳、渗氮层的硬度，准确性高；对测件表面质量要求高，压痕小附录1元素周期表工程材料及成形技术主讲人：Email:电话：本章学习要求第二章金属的晶体结构与合金相图了解晶体学基础知识；掌握纯金属和合金的结晶特点和二元合金相图；重点掌握铁碳合金状态图的内容及应用。第一节金属的晶体结构与结晶一、金属的晶体结构晶体原子或分子按一定的几何规律作周期性地重复排列非晶体无序排列（普通的玻璃、石蜡、松香等）1、晶体与非晶体——固态物质按其原子（或分子）的聚集状态分为两类。晶体结构的硅钢材料Crystalstructureofsiliconmaterial非晶合金材料Amorphousalloy准晶材料quasicrystalmaterial食盐晶体第一节金属的晶体结构与结晶食盐晶体结构松香玻璃单晶硅和多晶硅结构硅片原子排列情况比较第一节金属的晶体结构与结晶熔点晶体非晶体时间温度晶体和非晶体的熔化曲线性能的区别晶体有固定熔点（Fe-1538℃、Cu-1083℃)，在不同方向上具有不同的性能，表现为晶体的各向异性。非晶体无固定熔点，随温度升高，固态非晶体逐渐变软，后变为有显著流动性液体。表现为各向同性。（各方向原子聚集密度大致相同）第一节金属的晶体结构与结晶晶体与非晶体在一定条件下可互相转化

例如：玻璃长时间高温加热可变为晶态玻璃，金属从液态急冷（冷却速度＞107℃/s）可获非晶态金属玻璃（液态金属）。金属的特性晶体分为金属晶体和非金属晶体，除二者的共同特征外，金属晶体还具有金属光泽以及良好的导电性、导热性和塑性。金属晶体与非金属晶体的根本区别：金属具有正的电阻温度系数（电阻随温度的升高而增大）。第一节金属的晶体结构与结晶非晶态合金的特点和应用高强度高硬度高断裂韧性高冲击断裂能高疲劳强度高耐磨性高弹性能高抗腐蚀性能第一节金属的晶体结构与结晶2、晶格、晶胞和晶格常数晶格晶胞晶格常数抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架。晶格中能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元。晶胞的棱边的长度（a、b、c）。通常以棱边长度a、b、c和棱面夹角α、β、γ来表示晶胞的形状和大小。第一节金属的晶体结构与结晶晶格与晶胞简单立方晶格与晶胞示意图a）晶体中原子排列b）晶格c）晶胞及晶格参数第一节金属的晶体结构与结晶晶胞原子数为?个α-Fe、Cr、W、V晶格种类1)体心立方晶格第一节金属的晶体结构与结晶晶胞原子数为?个γ-Fe、Cu、Al、Ag、Ni2)面心立方晶格第一节金属的晶体结构与结晶晶胞原子数为?个Mg、Zn3)密排六方晶格第一节金属的晶体结构与结晶第一节金属的晶体结构与结晶3、晶面、晶向、晶面指数、晶向指数和晶格致密度晶面金属晶体中，通过一系列原子所构成的平面。晶向通过两个以上原子的直线，表示某一原子列的空间位向。晶面指数表示晶面的符号(h，k，l)。晶向指数表示晶面的符号(h，k，l)。晶格致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。体心立方晶格致密度为：0.68面心立方晶格致密度为：0.74密排六方晶格致密度为：0.74第一节金属的晶体结构与结晶晶面指数的确定方法1)设坐标2)求截距3)取倒数4)化整数5)列括号晶向指数的确定方法1)设坐标2)求坐标值3)化整数4)列括号第一节金属的晶体结构与结晶4、金属的实际晶体结构1)单晶体和多晶体晶粒：实际的金属中包含许多颗粒状的小晶体，每个晶体内部的晶格位向一致，而各个小晶体彼此间位向都不同。(许多取向相同的晶胞组成晶粒)晶界：晶粒与晶粒之间的界面。单晶体：晶粒内部的晶格位向完全一致的晶体。(所有的晶胞取向完全一致的晶体)多晶体：由许多晶粒组成的晶体。(由取向不同的晶粒组成的晶体)第一节金属的晶体结构与结晶多晶体示意图单晶体示意图纯铁显微组织第一节金属的晶体结构与结晶2)晶体缺陷及其与性能之间的关系晶体缺陷：由于种种原因，在晶体内部某些局部区域，原子的规则排列往往受到干扰而破坏。（1）点缺陷：空位、间隙原子和置换原子影响：产生晶格畸变，提高强度、硬度和电阻。空位置换原子间隙原子第一节金属的晶体结构与结晶（2）线缺陷：位错位错：晶体中，某一列或若干列原子发生有规则的错排现象。(刃型位错和螺型位错)位错密度ρ：单位体积内位错线长度。刃型位错螺型位错注：位错线的密度以及位错的运动，对金属性能、塑性变形及组织转变有显著影响。已知γ-Fe的晶格常数（a=3.63A）大于α-Fe的晶格常（a=2.89A），为什么γ-Fe冷却到912℃转变为α-Fe时，体积反而增大?思考题二、金属的结晶第一节金属的晶体结构与结晶结晶：金属由液态转变为固态金属晶体的过程。纯金属结晶的特点：恒温、过冷现象。1、冷却曲线与过冷度冷却曲线用热分析法测定，是描述金属结晶过程的曲线。热分析装置示意图纯金属冷却曲线的绘制1—电炉

2—坩埚

3—液态金属

4—热电偶Cu-Ni冷却曲线测定第一节金属的晶体结构与结晶结晶出现恒温的原因？结晶放出的结晶潜热与液态金属向周围散失的热量相等，补偿损失。过冷现象：金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现象。过冷度：△T=T0-T1T0时间温度理论冷却曲线实际冷却曲线Tn结晶平台纯金属结晶时的冷却曲线影响过冷度的因素：金属的种类；金属的纯度，纯度越高，过冷度越大。同一金属，过冷度的大小主要取决于冷却速度。冷却速度越大，过冷度越大，实际结晶温度越低。过冷是结晶的必要条件！第一节金属的晶体结构与结晶2、结晶过程（形核与长大）晶核：结晶时首先在液态金属中形成的细小的小晶体，是稳定的结晶核心。（1）晶核的形成（自发形核与非自发形核）（2）晶核的长大：液态金属中原子向晶核表面转移。液态金属形核晶核长大完全结晶晶体液体结晶孕育期自发形核（均质形核）非自发形核（非均质形核）主要结论：1)结晶过程实质＝形核＋成长（长大），两者相继又并存。2)结晶终了：得多晶粒组织(晶界多)，犬牙交错，晶粒愈细愈好。金属结晶过程示意图第一节金属的晶体结构与结晶实际金属结晶时，晶体多以树枝状枝晶长大方式长大。若冷速极小，纯金属主要以其晶体表面向前平行推移的方式长大，即所谓平面长大。枝晶长大平面长大第一节金属的晶体结构与结晶3、结晶后的晶粒大小——晶粒度晶粒大小常以单位截面积上的晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。一般是1-8级，1级最粗(0.25㎜)，8级最细(0.022㎜)，9-12级为超细晶粒。（1）晶粒大小与性能关系：一般来说，在常温下工作的金属，晶粒越细小，其强度、硬度、塑性、韧性越高。(细晶强化）。两组大小不同的鸡蛋受力情况举例结果：小鸡蛋不易碎，大鸡蛋容易碎。FF第一节金属的晶体结构与结晶（2）晶粒大小的控制：金属结晶后晶粒大小取决于形核率N[晶核形成数目（m3.s）]和长大率G（m/s）的比值。工业上常用细化晶粒方法：①增加过冷度V冷△TN晶粒细小生产中，可以通过改变铸造条件增大过冷度。如提高铸型导热能力、降低金属液的浇注温度等；冷速过快→变形、开裂，只适用于小铸件，简单件，对大铸件应用困难。第一节金属的晶体结构与结晶②变质处理（又称孕育处理）在液体金属中加入形核剂（又称孕育剂或变质剂），以细化晶粒和改善组织的工艺措施。常用于大铸件，实际效果较好。③机械方法振动或搅拌：机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。变质剂的作用：作为非自发形核的核心或阻碍晶粒长大。金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。定义第一节金属的晶体结构与结晶三、金属的同素异晶转变温度时间1538℃1394℃912℃

-Feγ-Feα-Fe纯铁的同素异构转变770℃无磁性有磁性同素异晶体（Fe、Cr、Ti、Co等）

δ-Fe（体心）→γ–Fe（面心）→α-Fe（体心）

β-Co（面心）→α-Co（密排）转变特征1)有一定转变温度 2)需要过冷3)有潜热产生 4)有形核和长大过程

第二节合金的相结构与合金的状态图合金：通过熔化或其他方法使两种或两种以上的金属或非金属结合在一起所形成具有金属特性的物质。组元：组成合金的最基本、独立的物质。稳定化合物也可作为组元。根据组成合金组元数目的多少，合金可以分为二元合金、三元合金和多元合金。一、概述合金系：给定组元后，可以不同比例配制出一系列成分不同的合金，这一系列合金就构成一个合金系。相：相同化学成分、相同结构，与其他部分有界面分开的部分。如均匀的液体称为单相，液相和固相同时存在称为两相。并以界面分开的各个均匀的组成部分。液态合金通常都为单相液体。固态下，由一个固相组成时称为单相合金，两个以上称为多相合金。第二节合金的相结构与合金的状态图组织：指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌，即不同相或相的形状、分布及各相之间的组合状态。可分为宏观组织和微观组织。合金的性能一般是由组成合金的各相成分、结构、大小、形态、分布和各相的组合情况——组织来决定的。因此，在研究组织与性能之前，必须先了解合金组织的相结构及其性能。第二节合金的相结构与合金的状态图a铸态Cu-3.0Ni-0.64Si合金微观组织（×200）b显微组织图（×1000）第二节合金的相结构与合金的状态图指合金中相的晶体结构。根据组元间相互作用不同，固态合金相结构分为固溶体和金属化合物。固态下，溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的合金相。相结构1、固溶体按溶质原子分布分间隙固溶体置换固溶体通常溶质原子直径比溶剂原子直径小于0.59，H、C、O、N，例如α-Fe。通常溶质原子直径与溶剂原子直径差别要小，例如不锈钢，铬与镍原子代替部分γ–Fe中铁原子。二、合金的相结构第二节合金的相结构与合金的状态图间隙固溶体置换固溶体第二节合金的相结构与合金的状态图固溶强化溶质原子溶入溶剂晶格造成固溶体的晶格畸变，使塑性变形抗力增大，结果使材料强度、硬度增高。对综合力学性能要求较高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。固溶体中的晶格畸变示意图按溶解度不同分有限固溶体无限固溶体（铜和锌、铜和锡）（铜和铬、铜和镍）第二节合金的相结构与合金的状态图2、金属化合物（中间相）表现特点：熔点高、硬度高、脆性大。是重要的强化相。分类简单晶体结构的间隙化合物复杂晶体结构的间隙化合物是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相。（晶格类型和性能不同于组元）正常价化合物电子化合物间隙化合物弥散强化：金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体的基体相上，使强度、硬度和耐磨性明显提高。第二节合金的相结构与合金的状态图合金的组织：是合金相的组合。可以是固溶体，是金属化合物，或者二者的复合组织（机械混合物）。b）900℃固溶2#合金显微组织图×500抗拉强度:531.03MPaa）铸态2#试样合金微观组织×200抗拉强度:411MPac）2#合金时效后显微组织图×1000抗拉强度:733.17MPa固溶强化弥散强化第二节合金的相结构与合金的状态图合金结晶的特点合金相图平衡状态结晶是在一个温度区间完成的，由于是两种以上组元的相互作用，所以可能形成一种多相组织。在平衡状态下，合金的成分、温度、合金相之间的关系图解。是生产实践中制定各种工艺的重要依据。合金相在一定温度下停留足够长时间，使所存在的各相达到几乎互不转化的状态。第二节合金的相结构与合金的状态图三、合金的结晶与二元合金相图1.配一系列不同制成分合金2.用热分析法得出所配置的各成分合金的冷却曲线3.找出图中各冷却曲线上的相变点4.投影各个相变点到温度-成分坐标上5.连接相同意义的点建立步骤：1、二元合金相图的建立（热分析法）第二节合金的相结构与合金的状态图测定Cu-Ni合金相图a）Cu-Ni合金冷却曲线b）Cu-Ni合金相图6组不同的Cu-Ni合金序号123456合金化学成分100806040200020406080100第二节合金的相结构与合金的状态图2、二元匀晶相图凡在二元合金系中，两组元在液态和固态下均能以任何比例互溶成无限固溶体的相图。（1）结晶过程分析Cu-Ni合金相图及结晶过程分析第二节合金的相结构与合金的状态图（2）杠杆定律

适用于两个平衡相的相对重量的计算。固溶体合金与纯金属结晶的不同点：a.在一个温度区间结晶b.得出无限固溶体合金c.结晶过程中两相成分沿各自线不断变化d.杠杆定律的应用相同点？第二节合金的相结构与合金的状态图（3）枝晶偏析铸态Cu-Ni合金枝晶偏析的显微组织（100×）定义：晶内偏析；结晶后在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象。第二节合金的相结构与合金的状态图两组元在液态互溶，但固态下互不溶解或仅部分溶解形成的两种不同固相并发生共晶转变的相图。共晶转变包晶转变(包晶反应过程 )(Pt-Au包晶相图 )3、二元共晶相图第二节合金的相结构与合金的状态图4、合金的性能与相图 a）固溶体合金b）共晶类合金合金性能与相图的关系第二节合金的相结构与合金的状态图1.判断下列情况是否有相变：液态金属结晶；同素异晶转变2.A-B二元合金形成相图如图所示。试问：1）K合金的结晶过程中，由于固相成分随固相线变化，所以已结晶出来的固溶体的含B量总是高于原液相中的含B量，为什么？2）固溶体合金结晶时，由于结晶过程中的成分是变化的，因此，在平衡态下固溶体合金的成分是否均匀？为什么？3）固溶体合金结晶的一般规律。思考题：第二节合金的相结构与合金的状态图钢铁—现代工业中应用最广的金属材料，铁和碳是其基本组元。Fe-C相图的组成Fe-Fe3C相图第三节铁碳合金相图同素异晶体：

δ-Fe（体心）→γ–Fe（面心）→α-Fe（体心）

β-Co（面心）→α-Co（密排）转变特征：有一定转变温度； 2)需要过冷；3)有潜热产生； 4)有形核和长大过程。

金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。1、铁的同素异晶转变纯铁的冷却曲线第三节铁碳合金相图（1）铁素体碳溶解在α-Fe中的间隙固溶体，用“F”表示。α-Fe为912℃以下以体心立方晶格存在的工业纯铁。727℃时溶碳量最大（ωc=0.0218%),随温度降低溶碳量逐渐下降。600℃时（ωc=0.00057%)铁素体强度、硬度不高，但具有良好塑性和韧性。铁素体性能2、铁碳合金的基本相与性能（100×）第三节铁碳合金相图（2）奥氏体碳溶解在γ–Fe中的间隙固溶体，用“A”表示。γ–Fe是面心立方，故溶碳能力也较大。1148℃时溶碳量最大（ωc=2.11%),随温度降低溶碳量逐渐下降。727℃时（ωc=0.77%)存在于727℃以上的高温范围，其硬度较低而塑性较高，易于锻压成形。（800×）第三节铁碳合金相图（3）渗碳体是铁与碳形成的具有复杂晶体结构的间隙化合物，用化学式Fe3C表示。Fe3C含碳量为ωc=6.69%，熔点很高1227℃。硬度很高，塑性与韧性几乎为零。是钢中的主要强化相，它的形态、大小、数量与分布对钢的性能影响很大。第三节铁碳合金相图（4）珠光体

F与Fe3C组成的机械混合物。用P表示WC=0.77%是铁素体薄层（片）与碳化物（包括渗碳体）薄层（片）交替重叠组成的。其性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。第三节铁碳合金相图（5）莱氏体由A（或其转变的产物）与渗碳体组成的混合物。高温莱氏体：由A与渗碳体的组成共晶混和物,用Ld

表示。低温莱氏体：在727℃以下，高温莱氏体中的A，将转变P，形成了P和渗碳体的混合物，用Ld′表示。为蜂窝状。可以看成是在渗碳体的基本上分布着颗粒状的A（或P）。硬而脆，不能进行压力加工。第三节铁碳合金相图目前应用的铁碳合金状态图是含碳量为0～6.69%的铁碳合金部分（即Fe-Fe3C部分），因为含碳量大于6.69％的铁碳合金在工业上无实用价值。（1）铁碳合金状态图中主要点、线、面的意义

ACD—液相线

AECF—固相线

C—共晶点ECF—共晶线PSK—A1线，共析线GS—A3线（F析出）ES—Acm线，C在A中的溶解度曲线S—-共析点3、铁碳合金状态图（简化）第三节铁碳合金相图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3CT°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+

Fe3CⅡ(

F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相图共析相图匀晶相图(

P+Fe3C)Fe-Fe3C相图（2）铁碳合金的分类按Fe-Fe3C相图，铁碳合金分为三种七个类型：工业纯铁(ωc<0.0218%)钢(0.0218%<ωc<2.11%)。其中共析钢(ωc=0.77%),亚共析钢(0.02%<ωc<0.77%)，过共析钢(0.77%<ωc<2.11%)白口铸铁(2.11%<ωc<6.69%)。其中共晶白口铸铁(ωc=4.3%),亚共晶白口铸铁(2.11%<ωc<4.3%),过共晶白口铸铁(4.3%<ωc<6.69%)第三节铁碳合金相图铁碳合金共晶铸铁亚共晶铸铁过共晶铸铁工业纯铁钢生铁共析钢亚共析钢过共析钢（3）典型合金的结晶过程分析几种碳钢的钢号和碳含量第三节铁碳合金相图方法和步骤：（1）在相图的横坐标上找出给定的成分点，过该点作成分线；在成分线与相图的各条线的交点作标记（一般用1、2、3、4等）（2）根据每条线表示的转变，写出每两个点之间或者重要点上发生的转变；由液相分析至室温。（3）室温下该成分线所在的相区，合金室温下就具有那个相。组织组成物则取决于冷却过程中发生的转变。第三节铁碳合金相图PPAEGSQ1231233’时间温度共析钢ＬPＬ→AA→F+Fe3CA共析钢显微组织 a）（500×）b）（800×）白色基底为F，黑色线条为渗碳体。第三节铁碳合金相图亚共析钢AEGPQSFeLAL+AFF+A

F+PPP+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ0.772.11Ⅰ●1●2●3●41●●2●3●4●4'LL+AAF+AA→PP+F冷却曲线第三节铁碳合金相图亚共析钢显微组织a）wc=0.20%(200×）b）wc=0.40%（250×）c）wc=0.60%（250×）黑色部分为珠光体。第三节铁碳合金相图12344’时间温度LL→AAA→Fe3CIIA→PP+Fe3CII工具钢T8的中子衍射测试结果CSNS-MPI课程思政：过共析钢显微组织（500×）a）4%硝酸酒精侵蚀b）碱性苦味酸钠侵蚀第三节铁碳合金相图共晶白口铸铁CDEFK12ＬＬ→A＋Fe3CＬdA＋Fe3C+Fe3CⅡA→PL’d(P+Fe3C+Fe3CⅡ)温度时间11’22’CDEFK亚共晶白口铸铁123时间温度122’33’A→Fe3CIIL′d+P+Fe3CIILL→AL+A→A+LdA→P共晶白口铸铁显微组织（250×）黑色部分为P，白色基体为渗碳体（二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起难以分辨）亚共晶白口铸铁显微组织（80×）黑色块状或树枝状为初晶A转变成的P，基体为变态莱氏体第三节铁碳合金相图过共晶白口铸铁CDEFK123Ｌd’＋Fe3CⅠ温度时间122’33’ＬＬ→Fe3CⅠＬ→ＬdLd(A→Fe3CII)L’d(A→P)亮白色板条状为一次渗碳体，基体为变态莱氏体。过共晶白口铸铁显微组织（250×）第三节铁碳合金相图（4）含碳量与铁碳合金组织与性能的关系

含碳量对平衡组织的影响随碳含量增加，Ｆ减少、渗碳体增多，它们的分布和形态也有变化。铁碳合金中含碳量与组织组分及相组分间的关系第三节铁碳合金相图含碳量对性能的影响对钢的影响：C％↑—硬度↑，塑、韧性↓强度：先升后降（当C％＞0.9％时，Fe3CⅡ呈连续网状）工业上使用的钢含碳量一般不超过1.4%。第三节铁碳合金相图（5）铁碳相图的应用在选材方面的应用在铸造成形方面的应用在压力加工成形方面的应用在焊接成形方面的应用在热处理方面的应用第三节铁碳合金相图铁碳合金类别名称符号含义基本组织奥氏体A碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体铁素体渗碳体珠光体莱氏体FFe3CPLd’碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体铁与碳形成的复杂结构化合物铁素体与渗碳体组成的机械混合物珠光体与渗碳体组成的机械混合物小结铁碳合金类别名称符号含义相图特性点CES共晶点：此点发生共晶转变L4.31148℃Ld(A+Fe3C)溶解度点：碳在γ-Fe中最大溶解度；钢与白口铸铁分界点共析点：此点发生共析转变A2.11727℃P(F+Fe3C)特性线ECFPSKESGS共晶线：凡经此点的铁碳合金必发生共晶转变共析线：凡经此线的铁碳合金必发生共晶转变溶解度曲线：凡经此线的A必析出Fe3CⅡ同素异构转变线：凡经此线的合金必将有A向F的转变相区单相区两相区液相区L、奥氏体相区A、铁素体相区F、渗碳体相区Fe3CL+A、L+Fe3CⅠ、A+F、A+Fe3C、F+Fe3C应用选择材料—碳含量不同—室温组织不同—性能不同—可根据零件要求正确选用—确定工艺参数—铸造浇注温度；锻轧温区；热处理加热温度等。ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3CT°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+

Fe3CⅡ(

F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相图共析相图匀晶相图(

P+Fe3C)Fe-Fe3C相图谢谢观看ThankYouForWatching工程材料及成形技术主讲人：Email:电话：118学习要求：理解钢在加热、冷却时的组织变化过程；了解各种热处理的方式、目的以及应用；重点掌握整体热处理（退火、正火、淬火、回火）的基本工艺方法、目的和应用。119主要内容：1）钢的热处理原理钢的热处理基础组织结构的转变2）钢的热处理工艺及应用整体热处理热处理新技术120导言金属的热处理在金属制品过程中占有举足轻重的作用。历史：殷商(约公元前1700年)来源：铸造或锻造特点：基体组织为再结晶固溶体，晶粒粗大，α+δ共析组织沿加工方向变形工艺：需要进行锻打成锋刃，采用锻间退火处理。青铜锥中国古代热处理技术121导言金属的热处理在金属制品过程中占有举足轻重的作用历史：殷商(约公元前1600—1046年)来源：自然金特点：晶粒大小均匀、晶界平直工艺：厚度为0.01±0.001mm，采用锻打和退火工艺制成。安阳大司空中国古代热处理技术122长扬剑中国古代热处理技术历史：周/春秋战国(公元前1046－221年)来源：冶炼铁矿特点：固体渗碳钢（含碳量0.5％左右）可以制作更加锋利、细长的兵器，是换代的兵器材料。工艺：固体渗碳制钢术，将工件埋入固体渗碳物质中进行处理的工艺技术。123特点：与世界其他地区相比，中国古代热处理技术的发展有明显的区域特色，在某些方面中国的热处理技术落后于其它地区，但也有许多发明和技术在世界热处理史上处于遥遥领先的地位，其中不少成果还传播到了世界各地，对世界热处理技术的进步起到了直接的促进作用。举例：我国古代热处理的一项举世瞩目的成就是发明了铸铁柔化术，欧洲同类型的可锻铸铁的出现是在1720年之后。中国古代热处理技术124在现代工业中的重要地位机床、汽车、摩托车、火车、矿山、石油、化工、航空、航天等用的大量零部件需要通过热处理改善其性能。据统计，机床制造中，约60%--70%的零件要热处理；汽车、拖拉机制造中，需要热处理的零件多达70%--80%;模具及滚动轴承100%进行热处理。125经得起“烤”验的热处理劳模热处理

：采用适当的方式对金属材料或工件按一定工艺进行加热、保温和冷却，以获得预期的组织结构与性能的工艺。一、热处理的定义加热保温冷却临界温度时间热处理工艺曲线示意图温度例子：如碳素工具钢T8：在市面上购回的经球化退火的材料硬度仅20HRC，淬火并低温回火使硬度提高到60-63HRC作为工具。这是因为内部组织由淬火之前的粒状P转变为淬火加低温回火后的M回火。零件经适当热处理后，可提高强度和硬度，增强耐磨性或改善塑性，切削加工性等。①加热（Heating）

目的是获得均匀细小的奥氏体组织A。②保温（Holding）目的是保证工件烧透，并防止脱碳和氧化等。③冷却（Cooling）

目的是使奥氏体转变为不同的组织。二、热处理的三大要素热处理后的组织加热、保温后的奥氏体在随后的冷却过程中，根据冷却速度的不同将转变成不同的组织。不同的组织具有不同的性能。热处理的操作温度加热是热处理的第一道工序。在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示。实际加热或冷却时存在过冷或过热现象，因此：加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示；冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。钢的临界转变温度：重要提示：钢的实际临界转变温度总是滞后于理论临界转变温度，即加热时需要过热，冷却时需要过冷。两种加热方式的比较第①种加热方式发生在临界温度Ac1以上，一定有组织转变，是一种相变过程。第②种加热方式发生在临界温度Ac1以下，不一定有组织转变。

加热保温冷却Ac1时间加热钢的两种方式温度①②

加热保温冷却加热的目的：本节介绍第①种加热过程，目的是使钢从室温组织（如珠光体）转变为奥氏体，即获得均匀细小的奥氏体组织。该过程又称为钢的奥氏体化。相变（PhaseTransformation）：材料中的一种相在一定条件下转变为另一种相的过程。1.按加热、冷却方式及钢的组织、性能不同分类三、热处理的类型普通热处理热处理其他热处理表面淬火化学热处理正火退火淬火回火表面热处理感应加热表面淬火火焰加热表面淬火电接触加热表面淬火渗碳渗氮（氮化）碳氮共渗控制气氛热处理真空热处理形变热处理2.按热处理在工件生产过程中的位置和作用不同分类预备热处理热处理工艺最终热处理为随后的加工或热处理作准备赋予工件所需的力学性能三、热处理的类型举例：毛坯（锻件）预备热处理（退火、正火）机加工（车削）最终热处理（淬火、回火）精加工（磨削）零件的典型加工工艺路线：小结（一）只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。只适用于固态下发生相变的材料。铸造轧制热处理特点：热处理适用范围：将材料加热到相变温度以上发生相变，再施以冷却再发生相变的工艺过程。通过相变与再相变，材料内部组织发生变化，因而性能变化。1.热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行

加热

、

保温和

冷却

以获得所需要的

组织

与

性能

的工艺。课堂小练习问题1：

加热、冷却时材料内部的微观结构如何变化（热处理原理）？问题2：

热处理工艺有哪些？工程实际中有何应用？

1、共析钢的A化相变

F+Fe3C→A(727℃)

成分(C%)

0.0218

6.690.77结构

体心立方复杂斜方面心立方①C成分变化：C的扩散;②铁晶格改组：Fe的扩散。A化的三个阶段：1、A的形核和长大；2、残余渗碳体的溶解；3、A的均匀化。1、共析钢的A化A的晶核易于在F和Fe3C渗碳体相界面上形成。这是因为在两相的相界上原子排列不规则，空位和位错密度高；为形核提供了良好的条件。(1)奥氏体晶核的形成FFe3CAA形核A形核后逐渐长大，晶核的长大是依靠与其相邻的F向A的转变和Fe3C的不断溶解来完成的。A向F和Fe3C两个方向长大。(2)奥氏体晶核的长大未溶Fe3CAF向A转变和Fe3C溶解在A形成过程中，F比Fe3C先消失，因此A形成之后，还残存未溶Fe3C。这部分未溶的残余Fe3C将随着时间的延长，继续不断地溶入A，直至全部消失。(3)残余渗碳体溶解残余Fe3CA残余Fe3C溶解Fe3C完全溶解后，开始时A中碳的浓度分布并不均匀，原先是Fe3C的地方碳浓度高，原先是F的地方碳浓度低。必须继续保温，通过碳的扩散，使A成分均匀化。(4)奥氏体均匀化AA均匀化共析钢奥氏体化过程需要的时间（4）奥氏体中C扩散均匀化(万秒)

（3）剩余Fe3C的溶解(千秒)（2）奥氏体晶核向F及Fe3C两侧长大(百秒)（1）奥氏体在F-Fe3C界面上形核（十秒）

2、亚共析钢和过共析钢的A化与共析钢有相似之处外，还有先共析的F和Fe3C的转变。钢的A化的主要目的：获得晶粒细小，成分均匀的A组织。亚共析钢：F+P→F+A→A过共析钢：Fe3C+P→Fe3C+A→Aa.钢进行加热时，当P（珠光体）刚刚全部转变为A时，此时的晶粒大小称为A的起始晶粒度。

b.在某一具体的加热条件下所得到的A晶粒大小称为实际晶粒度。c.用以表明A晶粒长大倾向的晶粒度称为本质晶粒度。3、A晶粒度及其影响因素奥氏体晶粒度的概念：计算公式：晶粒数

N=2G-1

式中N：100X下每平方英寸视场中观察到的晶粒数。G：晶粒度级别。

G越小，单位面积中n越少，晶粒尺寸越大。1-4级为粗晶粒（本质粗晶粒钢），5-8级为细晶粒（本质细晶粒钢）。前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。本质粗本质细①加热温度：随加热温度升高，A晶粒急剧长大(T↑→A化↑)。(因晶粒长大通过原子扩散进行，扩散速度随温度升高增加。）②保温时间：随保温时间延长，晶粒不断长大。③加热速度：加热速度愈大，晶粒越细小。（生产中采用快速加热和短时间保温的方法细化晶粒。）影响A晶粒长大的因素④含碳量：C%↑→界面多→核心多→转变快⑤合金元素：阻碍A晶粒长大的元素：Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等，多为碳化物和氮化物形成元素。促进A晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。⑥原始组织：原始组织越细，加热后起始晶粒越细。A晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的A晶粒是热处理的关键问题之一。影响A晶粒长大的因素过热：晶粒粗大，可以消除(完全退火或等温退火或正火)（可纠正的）过烧：晶界局部熔化，无法消除。氧化脱碳盐浴炉可控气氛保护真空热处理加热时常见的缺陷149课堂小练习1.钢加热时奥氏体的形成分为三个阶段,依次为奥氏体晶核的形成及长大，残余渗碳体溶解，

奥氏体的均匀化。2.任何钢加热到Ac1以上就能获得单一的奥氏体组织。（×）3.加热温度过高或保温时间过长是造成奥氏体晶粒粗大的主要原因。（√）在热处理生产中，过冷A常用的冷却方式：等温冷却和连续冷却。热加保温时间温度临界温度A1连续冷却等温冷却过冷A的概念热处理生产中，冷却速度较快，A组织转变不完全符合Fe-Fe3C相图规律。经A化的钢快速冷却A1点以下，处于不稳定状态还未进行转变的A，称为过冷A。冷却是热处理关键阶段，决定钢热处理后的组织和性能；加热仅是为冷却做组织转变的准备。过冷A的等温转变（TTT）曲线Temperature-Time-Transformation时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1共析钢C曲线建立过程示意图5s10s30s共析碳钢C曲线的分析稳定的奥氏体区过冷奥氏体区A向产物转变开始线A向产物转变终止线

A+产物区产物区A1～550℃;高温转变区;扩散型转变;P转变区。550～230℃;中温转变区;半扩散型转变;贝氏体(B)转变区;230～-50℃;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf随过冷度不同，过冷A将发生三种类型转变转变产物的组织和性能A1~650℃层片状珠光体珠光体P17~23HRC650℃~600℃细片状珠光体索氏体S23~32HRC600℃~550℃极细片状珠光体托氏体T

33~44HRC珠光体的铁素体和渗碳体层片粗细与转变温度有关。温度越低，珠光体的层片越细。层片变细，强度硬度增加，塑性韧性有所增加。珠光体性能：珠光体片越细→HB↑1.珠光体型转变—高温转变（A1~550℃），Fe、C原子均扩散珠光体转变过程形成温度A1-650℃，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示。（1）珠光体光镜形貌电镜形貌形成温度为650-600℃，片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S

表示。（2）索氏体光镜形貌电镜形貌形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，用符号T表示。（3）托氏体电镜形貌光镜形貌注：珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。转变温度：550—Ms（230℃）转变产物：贝氏体B--由过饱和F+Fe3C组成的混合物。2.贝氏体型转变（中温转变），Fe原子不扩散，C部分扩散上贝氏体（B上）：550~350℃。羽毛状组织，硬度高，塑性、韧性差，生产中很少使用。下贝氏体（B下）：350℃~Ms。针片状组织，高强度、硬度、塑性韧性较好，工业中应用于中碳钢和中碳合金钢制造的零件中。按组织形态不同分类B上=过饱和碳α-Fe条状+Fe3C细条状过饱和碳α-Fe条状Fe3C细条状羽毛状过饱和碳α-Fe针叶状Fe3C细片状B下

=过饱和碳α-Fe针叶状+Fe3C细片状上贝氏体a)光学显微组织（600×）b)电子显微组织（4500×）下贝氏体a)光学显微组织（500×）b)电子显微组织（8500×）转变温度：Ms（230°C）－Mf转变产物：M+A′马氏体：碳在α-Fe中形成的过饱和固溶体，用M表示。3.马氏体转变（低温转变），Fe、C原子均不扩散低碳马氏体（<0.25%）：呈板条状，具有较高的强度和塑韧性。也称板条M。高碳马氏体（>1.0%）：呈透镜状，片状，中间有脊线。其强度很高，但塑韧性差，脆性大。分类：低碳马氏体高碳马氏体马氏体转变是强化钢的重要途径之一。马氏体转变切变示意图马氏体转变产生的表面浮凸低碳马氏体高碳马氏体马氏体的特点：①马氏体本质：碳在α-Fe中的过饱和固溶体。②硬度很高。过饱和碳使α-Fe的晶格发生很大畸变,产生很强的固溶强化。硬度随马氏体的碳质量分数的增加而增加。③马氏体的转变是一种非扩散型转变，其形成速度很快。奥氏体冷却到Ms点以下后,无孕育期，瞬时转变为马氏体。因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同。④

马氏体转变不彻底，总要残留少量奥氏体。

碳含量越高，残余A含量越高。⑤马氏体形成时体积膨胀。体积膨胀在钢中造成很大的内应力，

严重时导致开裂。亚共析钢的C曲线FAP+FS+FTBM+A’A3时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf转变曲线多一条过冷奥氏体转变为铁素体的转变开始线。亚共析钢随着碳含量的增加，C曲线位置往右移，同时Ms、Mf线住下移。过共析钢的C曲线P+Fe3CⅡS+Fe3CⅡT+Fe3CⅡBM+A’Fe3CⅡAACM时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf过共析钢过冷A的C曲线的上部为过冷A中析出二次渗碳体开始线。当加热温度为Ac1以上30～50℃时，过共析钢随着碳含量的增加,C曲线位置向左移,同时Ms、Mf线往下移。对碳钢来说，A最为稳定的是共析钢，亚共析钢随着碳含量增加C曲线右移，过共析钢左移；影响等温转变的因素1、A成分的影响加热温度愈高、保温时间愈长、A成分愈均匀，A稳定性也愈高，使得C曲线右移。2、A化条件的影响向右移向下移MsA1Vk（上临界冷却速度）即获得全部M的最小冷却速度；Vk´（下临界冷却速度）即过冷A全部得到P的最大冷却速度。2.2过冷A的连续冷却转变(ContinuousCoolingTransformation)Vk（M临界冷却速度）时间t温度℃A1Pf（P转变终了线）Ps（P转变开始线）A+PK（P转变中止线）MsMf水冷油冷Vk´炉冷空冷过冷奥氏体连续冷却转变曲线(CCT曲线)P=F+Fe3C，层片状

A1~650℃S=细片状P650~600℃T=极细片状P600~550℃B=过饱和F+Fe3CB上

550~350℃B下

针状350℃~MsM=C在α-Fe中的过饱和固溶体（F=C+α-Fe）170课堂小练习1.珠光体的片层间距越小，其强度越高，其塑性越差.(×)2、等温淬火的目的是为了获得下贝氏体组织.(√)3、马氏体的硬度主要决定于其（A）A.碳含量；B.合金元素含量；C.冷却速度；D.过冷度。4、马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，当奥氏体向马氏体转变时，体积要收缩。（×）钢在加热时，目的是获得均匀细小的奥氏体组织，称为钢的奥氏体化。钢在冷却时，过冷奥氏体的转变产物分为：

高温转变产物：

珠光体（P）、索氏体（S）、屈氏体（T）中温转变产物：

上贝氏体（上B）、下贝氏体（下B）

低温转变产物：

马氏体（低碳M、高碳M）

其他转变产物：

铁素体（F）、二次渗碳体（Fe3CII）

小结（二）钢的热处理原理1721、加热使钢完全转变为奥氏体时，原始组织是以粗粒状珠光体为好，还是以细片状珠光体为好?为什么?答：原始组织为细片状珠光体好，因为A晶核的形成是在F和Fe3C的相界面处形成，原始组织越细小，相界面积就越多，Fe3C的片间距越小，C的扩散距离缩短，既提高了A化形成速度，同时又有利于获得细小均匀的A晶粒。2、马氏体的本质是什么?它的硬度为什么很高?是什么因素决定了它的脆性?答：M是C在α-Fe中形成的过饱和间隙固溶体。低碳M虽然溶碳量较低，但M内因存在大量位错，位错强化明显，故低碳M具有较高的硬度;高碳M，除固溶强化外，还由于M针状晶体中形成了孪晶亚结构，使高碳M具有很高的硬度。此外，由于形成过程中M针相互撞击产生裂纹，导致高的脆性。课堂分组讨论整体热处理热处理其他热处理表面淬火化学热处理正火退火淬火回火热处理的作用与种类表面热处理整体热处理设备20CrMnTi钢制造齿轮的热处理工艺曲线例子：例子：W18Cr4V钨系高速钢制造刃具的热处理过程示意图加热到适当温度保温一定时间，缓冷（炉冷）到室温。一、钢的退火降低硬度，改善切削加工性能；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形和开裂；细化晶粒，改善组织，消除组织缺陷，为最终热处理作组织准备。退火目的：定义：完全退火加热到Ac3以上30~50℃，保温足够时间，随炉冷至600℃以下再出炉空冷。加热温度：Ac3+30～50℃。目的：细化组织；降低硬度。（细化，软化）适用范围：亚共析钢成分的各种铸件、锻件、热轧及焊接件。保温时间温度

加热Ac3600℃空随却炉冷30～50℃冷球化退火（不完全退火）

加热到Ac1以上20~30℃，保温一定时间，随炉冷至500~600℃以下再出炉空冷。可使片状、网状渗碳体变成球状。加热温度：Ac1+20～30℃。目的：使钢中的渗碳体或碳化物球状化，以获得粒（球）状P。适用范围：共析钢，过共析钢。

保温时间温度

加热Ac1500-6