《金属热处理原理与工艺》课件 第1章 金属材料基础

第1章

金属材料基础1.1合金中的基本概念金属：是指具有特有光泽、不透明、延展性强、导热导电性良好的一类物质。其结合键为金属键。合金：在纯金属中添加一种或一种以上的金属元素或非金属元素，形成以金属键为主并保持金属特性的物质。金属材料：纯金属及其合金的统称。组元：组成合金最简单、最基本的独立物质。合金系：由两个或两个以上组元按不同比例配制而成的一系列不同成分的合金，如Pb-Sn系、Fe-C-Si系等。有两元合金和多元合金系之分相：在合金中组元之间相互作用的产物。

物理作用的产物称固溶体，化学作用的产物称化合物。组织：组织是指材料在放大状态下所拍摄的照片，反映相的大小、形态及其分布规律。如45号钢的室温下组织为铁素体（F）+二次渗碳体（Fe3CⅡ）+珠光体（P）

相组成物：组成某组织的基本相，如45号钢的相组成物为铁素体和渗碳体两种。

组织组成物：组成某组织的基本组织，如45号钢的组织组成物为铁素体、二次渗碳体和珠光体三种。1.2

Fe-碳合金平衡相图铁碳合金分类合金相图中常见的恒温转变类型、反应式及相图式1.3碳钢1）制备2）杂质元素Si、Mn、S、P、N、H、O等1.4.2碳钢的分类及牌号2）碳钢的牌号1．4合金钢1.合金钢的分类1.4.1

合金钢的分类及牌号2.合金钢的牌号1.4.2常见合金元素及其在钢中的存在方式1）常见合金元素碳化物形成元素：Ti、Zr、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn、Fe；非碳化物形成元素：Si、Co、Cu、A1、Ni、B及稀土元素等。2）钢中存在方式

①合金固溶体。即进入钢中已有的相,如铁素体、奥氏体、渗碳体，形成合金铁素体、合金奥氏体和合金渗碳体等。②形成新相。如碳化物、氮化物、硫化物、氧化物等。③游离态。Pb、石墨G等游离于钢中独立存在。1.4.3合金元素对Fe-碳相图的影响1.对组元Fe的影响1）γ相稳定元素相图（γ相区放大，A3点下降、A4点上升）①γ相区无限放大型,如图1-5a所示,此时A3点下降、A4点上升,与γ-Fe形成无限固溶体,但与α-Fe形成有限固溶体。②γ相区有限放大型,如图1-5b所示,此时A3点下降、A4点上升,但只形成有限的γ相和α相固溶体,如C、N、Cu、Zn等。2）α相稳定元素相图（α相区放大，A3上升、A4下降）①α相区无限放大,γ相区缩小,如图1-5c所示。②α相区有限放大,γ相区缩小,并可封闭,如图1-5d所示。③合金元素使A3点上升、A4点下降,γ相区缩小但不封闭。如图1-5e所示。图1-5Fe与其它合金元素平衡相图的类型2.对组元C的影响强碳化物形成元素：Ti、Zr、V、Nb等，碳含量足够时，直接形成键

结构简单的碳化物，如TiC、ZrC、VC、NbC等，如果钢中碳

量少，也可固溶于铁素体，高温时固溶于奥氏体；中等碳化物形成元素：W、Mo、Cr等，在钢中形成键结构相对复杂的

碳化物，如Cr23C6、Mo2C、W2C等，或合金渗碳体：

(CrFe)3C、也可形成合金铁素体等；弱碳化物形成元素：Mn、Fe等，在钢中一般形成合金渗碳体

(MnFe)3C，及合金铁素体等。非碳化物元素：一般仅形成合金固溶体或以游离态存在。3.对铁-碳相图中相的影响1）对基本相的影响

室温下铁碳合金的基本相为铁素体和渗碳体。合金元素加入后会形成合金铁素体、合金渗碳体。2）合金元素对相区的影响

扩大γ相区的合金元素，如Mn、Ni、Co等。ES线左下移动。同理与E点共线的ECF共晶反应线同步向左下移动，共晶点C也向低温和低碳方向移动，如高速钢W18Cr4V，含碳量仅为0.6~0.7%，已为莱氏体型钢。缩小γ相区的合金元素：Cr、W、Mo、V、Ti、Si。能使γ相区完全封闭的合金元素如Cr、Ti、Si等。缩小奥氏体相区意味着铁素体区域放大。ES线左上移动。反之，扩大奥氏体相区时，共析点和共晶点均向低温方向移动，见1-8。显然，无论使奥氏体区域放大还是缩小的所有合金元素，ES线均向左方向移动，意味着共析点和共晶点均向碳含量减小方向移动，如共析点温度均低于727℃了，见图1-9。1.4.4合金元素对力学性能的影响1.固溶强化铁素体2.形成第二相强化3.细晶强化4.使钢具有特殊性能1.5合金结构钢1.5.1工程用合金结构钢1.成分特点

1）低碳：碳质量分数不超过0.20%。2）加入以锰为主的合金元素3）加入铌、钛或钒等辅加元素2.性能要求1）高强度2）高韧性3）良好的焊接性能和冷成型性能4）低的冷脆转变温度5）良好的耐蚀性3.常用牌号：Q345、Q390、Q420、Q460等。4.用途：桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器等1.5.2合金渗碳钢1.成分特点合金渗碳钢的碳含量一般为0.10%~0.25%,为低碳合金结构钢。2.性能要求工作表面应具有很高的硬度(可达60~65HRC)和高的耐磨性,而心部应具有良好的塑性和足够高的强度。3.常用牌号(GB/T3077—2015)常用牌号有20Cr、20Mn2B、20MnVB、20CrMnTi等。4.用途合金渗碳钢主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮,内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。1.5.3合金调质钢1.成分特点中碳0.25%~0.50%。主加元素有Cr、Mn、Ni、Si、B等,在钢中形成合金铁素体,提高钢的强度;辅加元素有Ti、V、Mo、W等。2.性能要求具有良好的综合力学性能。3.常用牌号(GB/T3077—2015)常用牌号35CrMo、40MnB、40CrNi、40CrNiMn、40Cr2NiMoA、40CrMnMo、38CrMoAl等。

4.用途合金调质钢主要用于制造在重载荷作用下,同时又受冲击载荷作用的零件,如拖拉机、汽车、机床等机器上的轴、连杆、齿轮、螺栓等

1.5.4合金弹簧钢1.成分特点C一般为0.45%~0.70%,以保证高的弹性极限和疲劳极限。2.性能要求具有高的弹性极限,尤其是高的屈强比(σs/Rm)。一些特殊合金弹簧钢还要求具有耐热性、耐蚀性等。3.常用牌号(GB/T1222—2016)常用牌号有55Si2Mn、60Si2Mn、60Si2CrVA、50CrVA、30W4Cr2VA等。4.用途汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧等;阀门弹簧、高速柴油机的汽门弹簧等。1.5.5滚动轴承钢1.成分特点碳含量(质量分数)高,一般为0.95%~1.15%,合金元素Cr、Si、Mn、V等元素。2.性能要求具有高而均匀的硬度和耐磨性、

高的接触疲劳强度、足够的韧性。具有一定的耐腐蚀能力和良好的尺寸稳定性。3.常用牌号(GB/T18254—2016)常用牌号有GCr6、GCr9、GCr9SiMn、GCr15、GCr15SiMn等。4.用途滚动轴承的滚动体(滚珠、

滚柱、

滚针)、

内外套圈等。

1.5.6易切削结构钢易切削结构钢是在钢中加入一种或几种元素,利用其本身或与其他元素形成一种对切削加工有利的夹杂物,从而改善钢材的切削加工性能。

目前常用元素是硫、

磷、

铅及微量的钙等。

易切削钢可进行最终热处理,但一般不进行预先热处理,以免损害其切削加工性能。常用牌号：Y15;Y12;Y20或Y30,若要求强度更高,则可选Y40Mn。用途：一般用于螺钉、

螺母等标准件。

1.6合金工具钢1.6.1合金刃具钢1.6.2合金模具钢1.7特殊性能用钢1.不锈钢2.耐热钢3.耐磨钢特殊性能用钢1.7.1不锈钢提高金属材料的耐蚀能力,三种方法:①减少原电池形成的可能性,使金属材料具有均匀的单相组织,并尽可能提高金属材料的电极电位;②尽可能减小两极之间的电极电位差,并提高阳极的电极电位;③减小甚至阻断腐蚀电流,使金属“钝化”,即在表面形成致密的、稳定的保护膜,将介质与金属材料隔离。1.7.2耐热钢耐热钢：是指在高温下具有高的热化学稳定性(高温抗氧化性)和热强性的特殊钢。热化学稳定性：是指金属在高温下的抗氧化能力。

热强性：是指钢在高温下的强度。常用合金元素:Cr、Si或Al,特别是Cr。

常用牌号:珠光体型热强钢

有12CrMo、15CrMo、12CrMoV、12CrMo15CrMo等;马氏体型热强钢有15Cr12WMoV、14Cr11MoV、42Cr9Si2等;奥氏体型热强钢有06Cr19Ni9、22Cr21Ni12N、16Cr25Ni20Si2等;铁

素

体

型

热

强

钢有022Cr12、10Cr17、16Cr25N等。

应用场合:加热炉、

锅炉、

燃气轮机等高温装置中的零部件。1.7.3耐磨钢耐磨钢C含量高,主要目的是保证钢的耐磨性和强度,但C含量过高时热处理后韧性下降,且易在高温时析出碳化物。

因此,其碳的质量分数不能超过1.4%。

常用合金元素：Mn、Si等常

用

牌

号：ZG100Mn13、ZG110Mn13、ZG120Mn13、ZG120Mn13Cr等。

注意:一些中碳低合金结构钢如41Mn2SiRE、55SiMnCuRE、65SiMnRE等均具有较高的耐磨性,也可用作耐磨钢使用。

应用场合:

要求耐磨的零部件,如

水泥罐、

水泥粉碎机、

球磨机等。1.8铸铁1.8.1铸铁的石墨化过程2.石墨化的影响因素(1)化学成分,C、Si、A1、Cu、Ni、Co等为促进石墨化的元素,Cr、W、Mo、V、Mn等为阻碍石墨化的元素。

(2)冷却速度

，在高温慢冷有利于碳石墨化。

影响铸铁性能的主要因素：石墨的形态、

大小及其分布。

热处理组织=钢的热处理组织+石墨,石墨G无变化。1.8.2铸铁的分类与牌号(1)依据C在合金中的存在形式分类(2)依据石墨在合金中的存在形态分类常见的石墨形态有20多种,一般可归纳为四种:片状

灰铸铁球状

球墨铸铁团絮状

可锻铸铁蠕虫状

蠕墨铸铁1.8.3灰口铸铁石墨形态对应力集中十分敏感：片状>蠕虫状>团絮状>球状石墨。

石墨可使铸铁具备某些特殊性能:①脆性切削,因此铸铁的切削加工性能优异;②铸造性能好,铸件凝固时形成石墨产生的膨胀,减少了铸件体积的收缩,降低了铸件中的内应力;③石墨有良好的润滑作用,并能存储润滑油,使铸件有很好的耐磨性能;④石墨对振动的传递起削弱作用,使铸铁具有很好的抗振性能;⑤大量石墨的割裂作用使铸铁对缺口不敏感。1.灰铸铁(1)灰铸铁的成分、

组织与性能

灰铸铁的成分范围为:2.5%≤wC<4.0%,1.0%≤wSi<3.0%,0.25%≤wMn<1.0%,wS≤0.15%,wP≤0.3%。灰铸铁组织分类：铁素体+片状石墨、

铁素体+珠光体+片状石墨、

珠光体+片状石墨等三种不同组织。(2)灰铸铁的孕育处理

是指在浇注前向铁水中加入少量孕育剂(如硅铁、

硅钙合金等),在结晶后出现细小均匀分布的片状石墨和细小的珠光体组织。

(3)灰铸铁的牌号：由“HT+数字”组成。

其中HT是“灰铁”二字的汉语拼音首字母,数字表示直径30mm单件铸铁棒的最低抗拉强度值。

常用的灰铸铁有HT100、HT200、HT150等。(4)灰铸铁的应用：

主要用来制造各种机器的底座、

机架、

工作台等2.球墨铸铁(1)球墨铸铁的成分、

组织

化学成分范围为:3.6%≤wC<3.9%,2.2%≤wSi<2.8%,0.6%≤wMn<0.8%,wS≤0.07%,wP≤0.1%。球墨铸铁组织分类：铁素体+球状石墨、

铁素体+珠光体+球状石墨、

珠光体+球状石墨三种。(2)球化处理

球墨铸铁的球化处理必须伴随着孕育处理,通常是在铁水中同时加入一定量的球化剂和孕育剂。(3)球墨铸铁的牌号：QT+两组数字组成,QT为“球铁”二字的汉语拼音首字母,后面的两组数字分别代表该铸铁的最小抗拉强度(MPa)和最小伸长率(%)。

常见的球墨铸铁有QT400-10、QT500-07、QT700-02等

(4)应用

：受压阀门、

机器底座、

减速器壳等。

3.可锻铸铁(1)可锻铸铁的成分与组织

可锻铸铁由白口铸铁经石墨化处理后获得。

可锻铸铁的化学成分范围为:2.2%≤wC<2.7%;1.0%≤wSi<1.8%;0.5%≤wMn<0.7%;wS≤0.2%;WP≤0.18%。

为缩短石墨化周期,往往向铁水中加入B、Al、Bi等孕育剂。分类：按石墨化处理方式的不同,可得到黑心可锻铸铁和白心可锻铸铁。

黑心可锻铸铁依靠石墨化处理获得;白心可锻铸铁利用氧化脱碳处理获得。

黑心可锻铸铁又有铁素体和珠光体两种基体。(2)可锻铸铁的石墨化处理

可锻铸铁生产分两个步骤,即首先铸造获得纯白口铸铁,然后进行长时间石墨化处理。(3)可锻铸铁的牌号：

铁素体可锻铸铁以KT表示,珠光体可锻铸铁以KTZ表示,黑心可锻铸铁表示为KTH,白心可锻铸铁表示为KTB。其后的两组数字表示最低抗拉强度和最小伸长率。常用牌号有KT350-10、KTZ600-3等(4)可锻铸铁的应用

常用于制造汽车和拖拉机的后桥壳、

转向机构、

农具、曲轴、

连杆、

凸轮、

活塞、

摇臂等零件。注意:可锻铸铁并不可锻。4.蠕墨铸铁(1)蠕墨铸铁的成分与组织

成分范围为:3.5%≤wC<3.9%,2.1%≤wSi<2.8%,0.4%≤wMn<0.8%,wS≤0.1%,wP≤0.1%。蠕墨铸铁的组织由蠕虫状石墨+金属基体组成。(2)蠕化处理

蠕墨铸铁是在铁液中,加入适量的蠕化剂(镁钛合金、

稀土镁钛合金、稀土镁钙合金等)进行蠕化处理和加入孕育剂(硅铁)进行孕育处理后获得的。

(3)蠕墨铸铁的牌号:由“蠕铁”的汉语拼音字首RuT和数字组成,数字表示最小抗拉强度,如RuT340。(4)应用:制造大马力柴油机缸盖、

气缸套、

机座、

电动机壳、

机床床身、

钢锭模、液压阀等零件。1.8.4特殊性能铸铁1.耐磨铸铁耐磨铸铁又分为减磨铸铁和抗磨铸铁两类。耐磨铸铁的牌号由MT(表示“磨铁”)+合金元素+含量来表示。2.耐热铸铁耐热铸铁是一种能够在高温环境下保持良好抗氧化性和抗生长性能的特种铸铁。耐热铸铁的牌号由RT(表示“热铁”)+合金元素+含量来表示。3.耐蚀铸铁耐蚀铸铁的牌号由ST(表示“蚀铁”)+合金元素+含量来表示。1.9有色金属及其合金有色金属：钢铁以外的金属及其合金称有色金属,又称非铁材料。

分类：

工业上主要有

铝及铝合金

钛及钛合金

铜及铜合金

镁及镁合金

还可分为

轻金属(ρ<5g/cm3),Al、Mg、Be、Li;

重金属(ρ>5g/cm3),Cu、Zn、Sb、Ni等;

贵重金属,Au、Ag、Pt;

稀有金属,W、Mo、V、Nb、Ti、Zr等。1.9.1铝及铝合金1.纯铝面心立方,无同素异构转变。密度为2.7×103kg/m3,熔点为667℃;抗拉强度为80MPa,延伸长率为80%;导电、导热性好,导热性是碳钢的5倍;加工性能好;焊接性良好。杂质有Fe、Si等。2.铝合金纯铝加入合金元素形成铝合金。合金元素分为主加元素：Si、Cu、Mn、Zn、Li等。辅加元素：Cr、Ti、Zr、B、RE等。3.分类与牌号(1)纯铝分类与牌号

纯铝依据纯度可分为高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝三种。1)高纯铝

(99.996%~99.93%),牌号有L01、L02、L03、L04,L01→L04纯度依次升高,主要用于科研。2)工业高纯铝(99.9%~99.85%),牌号有L0、L00,用于铝箔、包铝、铝合金原料(多用)。3)工业纯铝

(99.0%~98.0%),牌号有L1~L6,L1→L6纯度依次降低,用于导线、电缆、电容器。(2)铝合金分类与牌号图1-16

铝合金分类相图示意图

1—不可热省理强化

2—可热处理强化图1-17

铝合金分类及牌号变形铝合金的新牌号直接引用国际四位数字体系牌号，即:1XXX系,1表示铝含量不小于99%的纯铝;2XXX系,铝-铜系合金;3XXX系:铝-锰系合金;4XXX系,铝-硅系合金;5XXX系,铝-镁系合金;6XXX系,铝-镁-硅系合金,并以Mg2Si为强化相;7XXX系,铝-锌-镁-铜合金系;8XXX系(上述合金元素以外的其他合金元素)等八类合金系。1.9.2钛及钛合金1.纯钛在882.5℃纯钛具有同素异构转变。

密度4.5g/cm3,熔点1668℃,导热性差(铁的1/6);热胀系数小;摩擦系数大,耐磨性差;耐蚀性好(HF酸除外)。杂质元素：O、N、C、H、Fe、Si等。O、N、C：固溶于Ti,形成间隙固溶体;Fe、Si：固溶于Ti,形成置换固溶体;H：会产生氢脆,增大缺口敏感性、降低纯钛的韧性。工业纯钛常用于在350℃以下工作、强度要求不高的零件,如热变换器、海水净化装置、化工行业中的阀门等。2.钛合金为提高纯钛的性能,可在纯钛中添加合金元素,形成钛合金。合金元素主要分为三类:(1)α相稳定元素：

Al、O、N、C、B等,作用是扩大α区,提高α←→β转变温度,如图1-19a所示。(2)β相稳定元素：

Mo、V、Nb、Cu、Mn、Cr、Fe、Ni、Co、H等,作用是扩大β区,降低α←→β转变温度。其中Mo、V、Nb与Ti同晶型,可形成无限固溶体,如图1-19b所示;Cu、Mn、Cr、Fe、Ni、Co、H与Ti形成有限固溶体(共析型),如图1-19c所示。

(3)中性元素：Sn、Zr、Hf等,其对α←→β转变温度影响不大,如图1-19d所示。图1-19

钛与合金元素构成四种类型相图的示意图3.分类与牌号工业纯钛表示为TA,有TA1~TA4等。钛合金根据所加合金元素对结构作用的不同分为

α钛合金,β钛合金和(α+β)钛合金三种,即:

(1)α钛合金

加入稳定α的合金元素,表示方法与工业纯钛相同为TA+序号,常见牌号有TA5~TA36等。(2)β钛合金

加入稳定β的合金元素,表示为TB+序号;常见牌号有TB1~TB17。常用的仅有TB2一种。(3)(α+β)钛合金

同时加入稳定α和β的合金元素,表示为TC+序号;常见牌号有TC1~TC32等。说明:牌号中的阿拉伯数字为按注册的先后自然顺序排序,铸造钛合金的牌号在T前加Z。1.9.3铜及铜合金1.铜密度8.9g/cm3,熔点1083℃,伸长率为50%,Rm为240MPa,具有优异的导电、导热、耐蚀性,无磁性、无同素异构。纯铜因表面形成氧化膜呈紫色又称紫铜。工业纯铜中含有Sn、Be、O、S、P等杂质元素,均使导电性下降。2.铜合金纯铜

加入一种或两种以上的合金元素形成铜合金。常用的合金元素有Zn、Ni、Sn、Al、Pb、Sb等。3.分类与牌号铜合金根据合金元素的种类一般分为三类:黄铜———Cu+Z