《金属材料与热处理（第2版）》全套教学课件

项目一认识材料的性能

材料性能概述材料的力学性能全套可编辑PPT课件项目一认识材料的性能项目二认识金属的晶体构造与结晶项目三分析合金的结构与二元合金相图项目四解析铁碳合金及碳钢项目五解析钢的热处理项目六合金钢的选用项目七认识铸铁项目八有色金属及其合金认知项目九认识铸造项目十认识锻压项目十一焊接的认知项目十二零件选材及加工工艺分析金属材料材料的性能分类1、使用性能（1）物理性能：溶点、密度、导热性、导电性、磁性、热膨胀性等。（2）化学性能：耐蚀性、抗氧化性等（3）力学性能：强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等2、工艺性能包括铸造、锻压、焊接、热处理、机械加工等性能。

第一节金属材料的力学性能一.定义:

力学性能是指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能。二.指标:

弹性、塑性、韧性、强度、硬度、疲劳强度和断裂韧度等。三.拉伸试验拉伸试样拉伸试验机拉伸试样的颈缩现象四.拉伸图bse1.弹性:金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。2.弹性变形:

随载荷撤除而消失的变形。3.弹性极限:

弹性极限载荷(N)

Fe

σe

=(Mpa)S0

试样原始横截面积(mm2)4.强度(strength):

材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。种类:

抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。

(2)屈服强度(yieldstrength):屈服点S

Fsσs

=(Mpa)

S0试样屈服时的载荷(N)试样原始横截面积(mm2)

(3)条件屈服强度(塑性变形量为0.2%)(4)抗拉强度(tensilestrength):

试样在断裂前所能承受的最大应力。

Fb

试样断裂前的最大载荷(N)σb=(Mpa)

S0试样原始横截面积(mm2)

F0.2σ0.2=(Mpa)

S0试样原始横截面(mm2)试样产生0.2%残余塑性变

形时的载荷(N)四.塑性(plasticity):是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。(1)断面收缩率:是指试样拉断处横截面积Sk的收缩量与原始横截面积S0之比。

S0-Skψ=×100%S0

(2)伸长率(延伸率)specificelongation:

是指试样拉断后的标距伸长量Lk与原始标距L0之比。

Lk–L0δ=×100%L0

δ<2~5%属脆性材科δ≈5~10%属韧性材料δ>10%属塑性材料五.硬度(hardness):是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。

布氏硬度HB

洛氏硬度HR

维氏硬度HV

肖氏硬度HS锉刀法常用测量硬度的方法(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度计(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)适用范围:

＜450HBS;

＜650HBW;用于退火、正火、调制处理的工件，或有色金属工件(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)

符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。(2)洛氏硬度HR(Rockwll-hardness)h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计10HRC≈HBS(3)维氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)适用范围:

测量薄板类;

HV≈HBS;工件(4)肖氏硬度HS(drophardness)254mm2.5gh(5)锉刀法:

一组硬度差为5HRC的锉刀。例如:10HRC、15HRC、20HRC等。六.冲击韧性:

材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:

Ak=mgH–mgh(J)

冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。

AK

ak

=(J/cm²)S0TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic近代船用钢板七.疲劳强度:

表示材料经无数次交变载荷作

用而不致引起断裂的最大应力值。钢材的循环次数一般取

N=107有色金属的循环次数一般取

N=108钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:

σ-1

=(0.45～0.55)σb1943年美国T-2油轮发生断裂八、断裂韧度◆一些构件在工作应力远低于材料的屈服强度，而且具有足够的冲击韧性和塑性，但仍出现脆性断裂事故。◆这种脆断与材料内部存在裂纹和裂纹扩展有关。◆为了判断发生这种低应力脆断抗力的大小，提出了断裂韧度的概念。◆断裂韧度是表示材料抵抗裂纹失稳扩展能力的指标。用KIC表示。KIC通过实验测得。KIC值越大，抗裂纹扩展的能力越强，越不容易发生低应力脆断。

项目二认识金属的晶体构造与结晶

CrystalStructureofMetal晶体结构的基础知识实际金属的体结构与晶体缺陷第一节晶体结构的基础知识一.晶体与非晶体的基本概念1.晶体(crystal)的基本概念:

物体内部的原子(或分子)在三维空间中,按一定规律作周期性排列的固体。

晶体物质所具有的性质:

固定的熔点;各向异性等。例如,所有的金属、食盐等。2.非晶体(non-crystal)的基本概念:

物体内部的原子呈散乱分布,其物理和力学性能各向同性。例如,普通玻璃、松香等。金属的结构晶态非晶态SiO2的结构非晶态晶态晶体的SiO2是其中的每个硅原子都和周围的四个氧原子结合形成四个共价键，每个氧原子都与周围的两个硅原子形成共价键，这个蔓延下去，形成一个牢固的网状结构，这样的是晶体SiO2。非晶体二氧化硅其中的硅原子和氧原子的共价键结合很不规则，既有一个硅原子和两个氧原子形成两个共价键而结合成一个分子，也有部分上述的网状结构，非晶体的硬度、密度和溶点都要比晶体差太多。SiO2在自然中用两种存在形态：一个是晶态，例如水晶、金刚石等，类似于宝石，有规则外形、固定熔沸点,符合晶体所有性质。一个是非晶体，例如二氧化硅玻璃，类似于玻璃，无规则外形，无固定熔沸点，符合非晶体性质。二.晶体学(crystallography)的基本知识1.晶格(crystallattice):

用以描述晶体中原子排列规律的空间点阵格架。2.晶胞(unitcell):

能完全反映晶格特征的最小几何单元。3.晶格常数(latticeconstant):cXZYOαβγba4.晶系与布拉维点阵1855年,法国学者布拉维(Bravais)用数学方法证明了空间点阵共有且只能有十四种,并归纳为七个晶系:4.晶系与布拉菲点阵

1).三斜晶系

2).单斜晶系

3).正交晶系

4).六方晶系

5).菱方晶系

6).正方晶系

7).立方晶系布拉维空间点阵晶胞5.晶面(crystalface):

在晶格中由一系

列原子所构成的平面称为晶面。6.晶面指数

用密勒(Miller)指数对晶格中某一晶面进行标定。使用方法:

设置坐标;求截距;取倒数。7.晶向(crystaldirection):

在晶格中,任意两原子之间的连线所指的方向。8.晶向指数:

用密勒(Miller)指数对晶格

中某一原子排列在空间的位向进行标定。使用方法:设置坐标;求截距;取最小整数。三.常见的三种晶体结构1.体心立方晶格

(body-centercubiclattice)*晶胞中的原子数:

n=8×1／8＋1=2个*晶胞的特征参数:a=b=c,α=β=γ=90°;*原子的体积:v=4πR3／3*致密度:K=2V原子／V晶体=0.68=68%*原子的半径:R=√3×a／4属于体心立方晶格的金属有:钠(Na);钾(K);铬(Cr);钼(Mo);钨(W);钒(V);

铌(Nb);α-铁(α-Fe)等。2.面心立方晶格

(face-centercubiclattice)*晶胞中的原子数:

n=8×1/8+6×1/2=4个*晶胞的特征参数:a=b=c,α=β=γ=90°;*原子的体积:v=4πR3／3*致密度:K=4V原子／V晶体=0.74=74%*原子的半径:R=√2×a／4属于面心立方晶格的金属有:金(Au);银(Ag);铜(Cu);铝(Al);镍(Ni);铅(Pb);γ-铁(γ-Fe)等3.密排六方晶格

(c/a=1.633)

(close-packed

hexagonallattice)*晶胞中的原子数:

n=12×1/6+2×1/2+3=6个*晶胞的特征参数:*原子的体积:v=4πR3／3*致密度:K=6V原子／V晶体=0.74=74%*原子的半径:R=a/2a=b=c,α=β=90°,γ=120°;属于密排六方晶格的金属有:镁(Mg);锌(Zn);镉(Cd);α–钛(α–Ti);等四.纯金属的晶体结构与特性1.金属键---金属原子间的结合键。2.金属键的基本特点是电子公有化。3.电子云---当金属原子结合成晶体时,价电子不再被束缚在各个原子上,而是在整个晶体内运动,从而形成电子云。4.金属晶体---失去价电子的金属正离子与组成电子云的自由电子之间产生的静电引力使金属原子结合在一起,从而形成了金属晶体。

第二节实际金属的体结构

与晶体缺陷一.单晶体与多晶体的基本概念

1.单晶体(singlecrystal)的特征:

*晶体由一种晶格排列方位完全一致的晶粒组成。

*晶体具有各向异性(aeolotropy)。例如:单晶硅、单晶锗zhe等。

单晶体结构示意图2.多晶体(polycrystal)的特征

*晶体是由许多颗晶格排列方位不相同的晶粒组成。

*晶体具有各向同性例如:常用的金属等。

多晶体结构示意图二.晶体缺陷(crystaldefect)点缺陷线缺陷面缺陷1.点缺陷(pointdefect)空位(vacancy)间隙原子(gapatom)置换原子(substitutionalatom)

点缺陷示意图间隙原子晶格空位置换原子2.线缺陷(linedefect)

----位错(dislocation)

螺旋型位错(screwdislocation)刃型位错(bladedislocation)

螺旋型位错示意图

刃型位错示意图3.面缺陷(surface-defect)晶界(grainboundary):

晶粒与晶粒之间的界面。亚晶界(sub-boundary):

相邻晶粒位向很小(一般1～2°)的小角度晶界。

晶界与亚晶界结构示意图大角度晶界---晶界小角度晶界---亚晶界Cu-Ni合金中的亚结构三.晶体缺陷对金属性能的影响1、金属扩散、置换原子，必然有晶体点缺陷2、部分晶体缺陷产生于加工硬化，冷作硬化3、晶体面缺陷使材料强度高、硬度高，熔点低第三节纯金属的结晶

(CrystalofSimpleMetal)凝固与结晶的概念结晶的现象与规律同素异晶(构)转变一凝固与结晶的概念1.凝固(coagulation)

物质由液态转变成固态的过程。2.结晶(crystal)

*晶体物质由液态转变成固态的过程。二结晶的现象与规律（一）.结晶的一般过程微小晶核长大晶体To（二）结晶的过冷现象1.纯金属结晶时的冷却曲线时间温度理论冷却曲线实际冷却曲线Tn结晶平台(是由结晶潜热导致)ab2.过冷现象与过冷度过冷现象(supercooling)过冷度(degreeofsupercooling)

ΔT=T0

–Tn过冷是结晶的必要条件。

3.金属结晶的结构条件近程有序结构结构起伏结晶远程有序结构（四）结晶的一般规律形核长大（四）结晶的一般规律:形核、长大。1.晶核的形成在一定的过冷度下,最先形成晶胚，。温度再次下降，晶胚体积增大，到一定尺度，就可以稳定，稳定的晶胚称为晶核这个过程为形核过程

2.晶核的长大方式—树枝状2.晶核的长大方式—树枝状金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶3.影响晶核的形核率和

晶体长大率的因素过冷度的影响过冷度的影响：对于N多点形成，

对于G成长速度快铸造工艺：工件冷却，冒口保温（五）细化晶粒的途径提高冷却速度V冷△TN晶粒细小变质处理机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。

项目三

分析合金的结构与二元合金相图

基本概念合金的结构及组织二元合金相图的建立与结晶过程分析合金的性能与相图的关系第一节基本概念合金(alloy)：一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的材料。组元(元)(element)：组成合金的最基本的独立物质。相(phase)：在合金中，成分、结构、聚集状态和性能都相同的组成部分。第二节

合金的结构及组织合金组织分为如下三类：固溶体(solidsolution)金属化合物(metalliccompound)机械混合物(mechanicalimpurity)合金中，组元之间的结合有两种结合方式：固溶和化合。固溶：一种组元的原子溶入另一组元的晶格中所形成的均匀的固相的过程。(均匀的晶体物质)化合：组元之间发生反应，形成另一种新的物质。一.固溶体(solidsolution)：以固溶方式形成的相结构。

溶剂A+溶质B

=C

bccfccbcc例如:

α–Fe+C=F(铁素体)

体心六方体心固溶体的结构特点

铁素体的晶体结构一)固溶体的主要类型及形成条件1.置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格结点。

(substitutionsolidsolution)

*

形成特征:

R溶剂≈R溶质

例如:Au(金)-Cu(铜)

置换固溶体结构示意图置换固溶体的分类无限固溶体有限固溶体形成无限固溶体的条件：一、组元之间的晶格类型相同二、组元的原子结构相近，在元素周期表中位置相距不远。三、溶质原子直径与溶剂原子直径相差不大。2.间隙固溶体溶质原子分布在溶剂晶格间隙之中形成的固溶体。

(interstitialsolidsolution)

*

形成的特征:

R溶质

/

R溶剂<

0.59

例如:Fe溶剂

–C溶质

间隙固溶体结构示意图二)固溶体的性能

固溶体可使晶格发生晶格畸变，从而造成固溶强化

溶质原子对晶格畸变影响示意图二.金属化合物合金组元间发生相互作用，形成具有金属特征的新相。

(intermetalliccompound)溶剂A+

溶质B=C

bccfcccph例如:3Fe+C=Fe3C

体心六方复杂结构金属化合物的结构特点可用分子式大致表示其组成。

3Fe+C=Fe3C

体心

六方

复杂结构机械性能比较如下：

HB

80

3800

50%

0%0

渗碳体(Fe3C)晶格结构示意图一)金属化合物的主要类型1.正常价化合物

有固定分子式Mg2Si；AuAl22.电子价化合物

无固定分子式Cu5Zn8CuZn3.间隙化合物

熔点极高的硬质合金Fe3C；TiC；W2C二)金属化合物的主要性能具有一定程度的金属性质。具有较高的熔点。硬度较高。脆性大。三.机械混合物两种或两种以上的相按照一定的质量分数组成的物质。

(mechanicalimpurity)机械混合物的结构特点

具有重量百分比的关系

溶剂A+

溶质B=C

bccfccbcc+fcc例如

88.5％F+11.5％Fe3C=100％P

体心复杂结构体心+复杂机械混合物的性能特点取决于组元的相对数量。取决于组成相的大小和形状。具体性能指标数值介于组元性能之间。

第三节二元合金相图的建立

与结晶过程分析一.基础知识

1.合金系(alloyseries)2.平衡组织(statenchyma)3.相图(phasediagram)二.相图的建立名称A金属B金属晶格类型bccbcc熔点高低合金1100%0%合金290%10%合金380%20%……..……..…….合金920%80%合金1010%90%合金110%100%热分析法相图的建立将临界点标在成分—温度坐标图上并连接。时间温度90705030AB温度A温度温度abab:液相线ab

:固相线LL+SSL:液相区S:固相区L+S:液固共存区AB温度三、几种典型的二元合金相图匀晶相图、共晶相图、共析相图1.匀晶相图（液态、固态都可无限互溶）（一种向另一种固溶，少的向多的固溶）TLTSTnbac杠杆定理QS=(bc／ab)100%

QL=(ac／ab)100%QS+QL=1aQS+bQL=cABabLS温度QLQs支点两端重量QL和QS之比，等于支点两端距离长度的反比。通过计算长度比，得到液态、固态的重量比，

2.共晶相图（液态互溶，固态时相互的溶解度是有限的，一定成分和温度下同时结晶出两种固相）（两种同时结晶固溶，少的向多的固溶，多的也向少的固溶）温度成分100%A100%BLSAL+SASBL+SB共晶相图SA+(SA+SB)SB+(SA+SB)X%Y℃SA+SBLXSA+SB

Y℃SALSALSAL温度成分100%A100%BLL+SAL+SB

共晶相图的建立（铅锑）

共晶相图SA+(SA+SB)SB+(SA+SB)X%Y℃SA+SB温度成分100%A100%BLL+SAL+SBSA+(SA+SB)SB+(SA+SB)X%Y℃SA+SB温度成分100%A100%BSS+SA

S+SB3.共析相图（一定温度下，单相固溶体中同时析出两种固相）SX

SA+SB

Y℃共析相图第三节合金的性能与相图的关系1、合金使用性能与相图的关系2、合金铸造性能与相图的关系3、热处理性能与相图的关系合金的使用性能与相图的关系材料的性能决定于：化学成分和内部组织结构合金相图可反映不同成分的合金的组织结构所以合金相图和性能之间存在一定的关系。

相图与合金物理、力学性能之间的关系合金铸造性能与相图的关系铸造性能的好坏主要决定于液体流动性和产生缩孔的倾向。流动性能和缩孔倾向主要取决于液相线和固相线的水平距离和垂直距离（结晶温度间隔）

合金的流动性、缩孔性质

与相图之间的关系热处理性能与合金相图关系相图中存在单相固溶体、同素异构转变、共析转变，是热处理可能成立的基础。材料热处理能否有工业实用价值，还要看实际效果。

项目四解析铁碳合金及碳钢

铁碳合金相图

(Iron–CarbonPhaseDiagram)Fe–C相图的基础知识。形成Fe-Fe3C相图组元和基本组织的结构与性能。Fe-Fe3C相图的建立与分析。碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响。Fe-Fe3C相图的应用。铁碳合金的生产及分类。

第一节Fe-C相图的基础知识1.铁与碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC

等一系列化合物。2.稳定的化合物可以作为一个独立的组元。3.Fe–C

二元相图。

Fe–C

二元相图Fe3CFe2CFeC温度FeC(6.69%C)一、同素异构转变第三节金属的同素异构转变

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。δ-Fe1394℃γ-Fe912℃α-Fe

具有同素异晶转变的金属有：铁、钴、钛、锡、锰等。二、纯铁的同素异构转变第二节形成Fe-Fe3C相图组元

和基本组织的结构与性能一.组元

*

铁(ferrite)

*

渗碳体(Cementite)二.基本组织1.铁素体(F)

(Ferrite)

碳溶于α–Fe中形成的间隙固溶体。

铁素体组织金相图2.奥氏体(A)---

Austenite

碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体。奥氏体金相图片3.

渗碳体(Fe3C)---

Cementite

铁与碳形成的金属化合物。渗碳体组织金相图4.珠光体

(P)

---Pearite铁素体和渗碳体组成的机械混合物。5.莱氏体(Ld)---Ledeburite奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。第三节

Fe-Fe3C相图的建立与分析一.Fe-Fe3C相图的建立包晶反应相图共晶反应相图共析反应相图Fe-Fe3C

相图奥氏体二.Fe-Fe3C相图的分析五个重要的成份点:P、S、E、C、A。四条重要的线:EF、ES、GS、PK。三个重要转变:包晶转变反应式、共晶转变反应式、共析转变反应式。二个重要温度:1148℃、727℃。

铁碳合金相图2.共析转变反应式:AS

(

FP

+Fe3C)P

727℃1.共晶转变反应式:LC

(

AE

+Fe3C)Le

1148℃三.典型铁碳合金的结晶过程分析工业纯铁(ingotiron)共析钢(eutectoidsteel)亚共析钢(hypoeutectoidsteel)过共析钢(hypereutectoidsteel)共晶白口铁(eutectoidwhiteiron)亚共晶白口铁(hypoeutectoidwhiteiron)过共晶白口铁(hypereutectoidwhiteiron)1.工业纯铁(Wc<0.0218%)

工业纯铁组织金相图2.共析钢

(Wc=0.77%)

共析钢组织金相图3.亚共析钢(Wc=0.45%)

亚共析钢组织金相图4.过共析钢(Wc=1.2%)

过共析钢组织金相图5.共晶白口铁(Wc=4.3%)

共晶白口铁组织金相图6.亚共晶白口铁(Wc=3.0%)

亚共晶白口铁组织金相图7.过共晶白口铁(Wc=5.0%)

过共晶白口铁组织金相图第四节碳的质量分数对铁碳

合金组织、性能的影响

碳的质量分数对平衡组织的影响。碳的质量分数对力学性能的影响。碳的质量分数对工艺性能的影响。一.碳的质量分数对平衡组织的影响二.碳的质

量分数对

力学性能

的影响三.碳的质量分数对

工艺性能的影响对铸造性能的影响。对锻造性能的影响。对焊接性能的影响。对切削加工性能的影响。

第五节Fe-Fe3C

相图的应用选择材料方面的应用制定热加工工艺方面的应用一.选择材料方面的应用1.分析零件的工作条件,根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律进行选择材料。2.根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律,确定选定材料的工作范围。二.制定热加工工艺方面的应用第六节铁碳合金的生产及分类钢铁的冶炼。钢锭的组织、质量及缺陷。碳素钢的分类、编号及用途。一.钢铁的冶炼高炉炼铁铸铁锭生产铸铁件炼钢生铁转炉平炉电炉生产钢件转炉炼钢平炉炼钢电弧炉炼钢1.炼铁的冶金反应特点:还原反应Fe2O3Fe3O4FeOFeCO气体高温

2.炼钢的冶金反应特点:氧化反应炼钢生铁钢氧化反应二.钢锭的组织、质量及缺陷一)杂质元素对钢的质量和性能的影响

Mn

—

脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。Si—

有很强的固溶强化作用,能脱氧。1.有益元素2.有害元素:

P

—

有很强的固溶强化作用,低温韧性差(冷脆

)。

S

—

能引起钢在热加工时或高温工作下开裂(热裂

)。3.气体元素:N：钢中过饱和N在常温放置过程中会发生时效脆化。加Ti、V、Al等元素可消除时效倾向。

O：钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源。

H：原子态的过饱和氢时将降低韧性,引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，

称白点或发裂。钢中白点二)钢锭的组织及其宏观缺陷镇静钢沸腾钢半镇静钢1.镇静钢(killedsteel)

钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铝进行了充分脱氧,Wo=0.01%左右,成分较均匀、组织较致密。主要用于机械性能要求较高的零件。2.沸腾钢(boilingsteel)

钢液在浇注仅前进行轻度假脱氧,Wo=0.03%～0.07%,成分偏析较严重、组织不致密。机械性能不均匀,冲击韧性差,常用于要求不高的零件。3.半镇静钢(balancedsteel)

半镇静钢是脱氧过程介于镇静钢和沸腾钢之间的钢,是用锰铁和硅铁进行脱氧。其质量也介于二者之间,可代替部分镇静钢,一般不适于做重要零件。三.碳素钢的分类、编号及用途碳素钢的分类碳素钢的编号及用途一)碳素钢的分类1.按碳的质量分数分类:*低碳钢:Wc≤0.25%*中碳钢:0.25%<Wc<0.6%*高碳钢:Wc≥0.6%2.按钢的质量分类:*碳素钢:Wp≤0.045%Ws≤0.050%*优质碳素钢:Wp≤0.035%Ws≤0.035%*高级优质碳素钢:Wp≤0.025%Ws=0.025%3.按钢的用途分类:碳素结构钢

(carbonstructuralsteel)

用于制造各种机械零件、工程构件。一般为低、中碳钢。碳素工具钢(carbontoolsteel)

用于制造各种工具。一般为高碳钢。二)碳素钢的编号及用途1.碳素结构钢:

Q

235

—

A

·

F沸腾钢A等级235MPa屈服强度2.优质碳素结构钢*

45---Wc=45%00*

较高锰质量分数的优质碳素结构钢

45Mn---Wc=45%00;WMn=0.7%～1.0%3.碳素工具钢T12

A高级优质Wc=12%0碳素工具钢4.铸造碳钢ZG

200-400σb≥400MPaσs≥200MPa铸钢

项目五解析钢的热处理

(HeatTreatmentofSteel)概述钢在加热时的组织转变钢在冷却时的组织转变钢的普通热处理工艺钢的表面热处理工艺机械制造过程中的热处理

第一节概述1.热处理的定义:将金属或合金在固态下进行加热、保温、冷却以获得所需要的组织结构和性能的工艺。时间温度临界温度

热加保温冷却2.热处理的主要目的:改变钢的性能。3.热处理的应用范围:整个制造业。4.热处理的分类热处理普通热处理表面热处理退火;正火;淬火;回火;表面淬火

化学热处理感应加热淬火火焰加热淬火渗碳;渗氮;碳氮共渗;

第二节钢在加热时的组织转变转变温度奥氏体的形成奥氏体晶粒度及对力学性能的影响一.转变温度(transformationtemperature)奥氏体的形成FFe3C未溶Fe3CA残余Fe3CAAAA

形核A

长大残余Fe3C溶解A均匀化三.奥氏体晶粒度及对

力学性能的影响一)奥氏体晶粒度:

1.起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏体的晶粒大小。

2.实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。

3.本质晶粒度:度量钢本身晶粒在930℃

以下,随温度升高,晶粒长大的程度。晶粒度：晶粒的大小。国家标准分为00、0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10等十二级。

钢的本质晶粒度示意图二)奥氏体晶粒大小对钢的

力学性能的影响1.奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。三）A晶粒的长大及影响因素1、加热温度升高，A晶粒增大2、保温时间增长，A晶粒增大3、加入一些合金元素可影响A的长大。有的阻碍A的长大，有的加速A的长大。

第三节钢在冷却时的组织转变钢在热处理时的冷却方式过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变一.钢在热处理时的冷却方式

热加保温时间温度临界温度连续冷却等温冷却冷却方式不同，得到的组织就不同，性能就不相同。二.过冷奥氏体的等温冷却转变一)建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线----TTT曲线

(

C曲线

)T

---

timeT

---

temperatureT

---

transformation

共析碳钢TTT曲线建立过程示意图时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1二)共析碳钢TTT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三)转变产物的组织与性能1.珠光体型(P)转变(A1～550℃):A1～650℃:

P;5～25HRC;

片间距为0.6～0.7μm(500×)。650～600℃:

细片状P---索氏体(S);

片间距为0.2～0.4μm(1000×);25～36HRC。600～550℃:极细片状P---屈氏体(T);

片间距为＜0.2μm(电镜);35～40HRC。

珠光体形貌像光镜下形貌电镜下形貌光镜形貌电镜形貌

索氏体形貌像

屈氏体形貌像电镜形貌光镜形貌三)转变产物的组织与性能2.贝氏体型(B)转变(550～230℃):550～350℃:

B上;40～45HRC;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

上贝氏体组织金相图三)转变产物的组织与性能2.贝氏体型(B)转变(550～230℃):350～230℃:

B下;50～60HRC;B下=过饱和碳

α-Fe针叶状+Fe3C细片状过饱和碳

α-Fe针叶状Fe3C细片状针叶状

下贝氏体组织金相图三)转变产物的组织与性能3.马氏体型(M)转变(230～-50℃):1)定义:马氏体是一种碳在α–Fe中的

过饱和固溶体。2)转变特点（过冷度很大）在一个温度范围内连续冷却完成;转变速度极快,即瞬间形核与长大;无扩散转变(Fe、C原子均不扩散),

M与原A的成分相同,造成晶格畸变。转变不完全性,QM=f(T)奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响6007005003004002001000-100-2000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.00温度℃Wc100MsMf90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.11.21.31.41.51.61.7Wc100残余奥氏体量(%)奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响3)马氏体的晶体结构:由于碳的过饱和作用,使α–Fe晶格由体心立方变成体心正方晶格。4)马氏体的组织形态:板条状---低碳马氏体(＜0.2%C);30～50HRC;δ=9～17%。

低碳板条状马氏体组织金相图4)马氏体的组织形态:针、片状---高碳马氏体(＞1%C);66HRC左右;δ≈1%。

高碳针片状马氏体组织金相图马氏体的碳浓度Wc100507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.91.0硬度(HRC)2000抗拉强度σb(Mpa)1800140010006002005)马氏体的性能:

主要取决于马氏体中的碳浓度。

亚共析钢的TTT曲线

FAP+FS+FTBM+A残A3时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf

过共析钢的TTT曲线P+Fe3CⅡS+Fe3CⅡTBM+A残

Fe3CⅡAACM时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf

四)影响TTT曲线形状

与位置的因素1.奥氏体中含碳量的影响:共析钢过共析钢亚共析钢时间温度A12.奥氏体中含合金元素的影响:

除Co、Al(＞2.5%)外,所有合金元素溶入奥氏体中,会引起:向右移向下移MsA1A1Ms含Cr合金钢3.加热温度和保温时间的影响:

加热温度越高,保温时间越长,

碳化物溶解充分,奥氏体成分均匀,

提高了过冷奥氏体的稳定性,从而

使TTT曲线向右移。三.过冷奥氏体的连续冷却转变一)建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线----CCT曲线C---continuousC---coolingT---transformationVk

一)共析碳钢CCT曲线建立过程示意图时间(lgτ)温度℃A1PfPsA+PKMsMf水冷油冷Vk1炉冷空冷二)共析碳钢TTT曲线与CCT曲线的比较稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMfCCT曲线TTT曲线稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf三)在连续冷却过程中TTT曲线的应用V1V2VkV3V4V1=5.5℃/s:炉冷;PV2=20℃/s:空冷;SV3=33℃/s:油冷;T+M+A残V4≥138℃/s:水冷;M+A残

第四节钢的普通热处理工艺毛坯生产预备热处理机械加工最终热处理机械精加工预备热处理:退火;正火最终热处理:淬火;回火一般零件生产的工艺路线:一.钢的退火(Annealingofsteel)一)定义:

把零件加温到临界温度以上

30～50℃,保温一段时间,然后

随炉冷却。二)目的:

消除应力;降低硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。三)种类退火重结晶退火低温退火完全退火扩散退火球化退火再结晶退火去应力退火普通退火等温退火普通球化退火等温球化退火四)工艺参数:温度(°C)名称Ac3

+30～50完全退火Ac1+30～50球化退火500～600去应力退火Ac3

+150～250扩散退火四)工艺参数:五)热处理后的组织:

原始组织。

共析钢球化退火组织(化染)700

T10钢球化退火组织(化染)500

二.钢的正火(Normalizingofsteel)一)定义:

把零件加温到临界温度以上

30～50℃,保温一段时间,然后

在空气中冷却。二)目的:

消除应力;调整硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。三)工艺参数:温度(°C)名称Ac3

+30～50亚共析钢Ac1

+30～50共析钢Accm+30～50过共析钢四)工艺参数:四)热处理后的组织:S(Wc=0.6～1.4%)S+F(Wc＜0.6%)五)应用范围:

1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬度;消除过共析钢中的Fe3CⅡ。

2.最终热处理:用于力学性能要求不高的普通零件。三.钢的淬火(Quenchingofsteel)一)定义:

把零件加温到临界温度以上

30～50℃,保温一段时间,然

后快速冷却(水冷)。二)目的:为了获得马氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。三)工艺参数:温度(°C)名称Ac3

+30～50亚共析钢Ac1

+30～50共析钢Ac1

+30～50过共析钢三)工艺参数:四)热处理后的组织:M+Fe3C+A残Ac1+30～50过共析钢M+A残Ac1+30～50

共析钢M+A残Ac3+30～50亚共析钢Wc＞0.5%MAc3+30～50亚共析钢Wc≤0.5%

最终组织淬火温度(℃)

钢种五)淬火加热时间(τ)的选择:τ=α

K

D工件有效厚度(尺寸最小部位)装炉量有关系数一般K=1～1.5加热系数,与钢种及加热介质有关六)淬火冷却介质1.理想淬火冷却介质时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf2.常用的淬火冷却介质

名称

最大冷却速度时平均冷却速度/(℃•s-1)所在温度/℃冷却速度/(℃•s-1)650～550℃300～200℃20℃静止水34077513545040℃静止水28554511041060℃静止水2202758018510%NaCl

溶液58020001900100010%NaOH溶液5602830275077520℃10号机油430230606580℃10号机油430230705520℃3号锭子油50012010050七)常用的淬火方法单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火时间温度MsA1八)钢的淬硬性(Hardeningofsteel)1.定义:是指钢在淬火后所能达到的最高硬度。2.影响钢的淬硬性的因素:主要取决于马氏体的含碳量。九)钢的淬透性

(Hardenabilityofsteel)1.定义:是指钢在淬火时所能得到的淬硬层(马氏体组织占50%处)的深度。2.影响钢的淬透性的因素:主要是临界淬火冷却速度VK的大小,

VK越大,钢的淬透性越小。工件淬硬层与冷却速度的关系3.淬硬性与淬透性之间的关系:淬透性淬硬性钢种小低碳素结构钢(20)小高碳素工具钢(T12A)大低低碳合金结构钢(20Cr2Ni4A)大高高碳高合金工具钢(W18Cr4V)4.淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响未淬透钢淬透钢四.钢的回火(Temperingofsteel)一)定义:

把淬火后的零件重新加温到

A1线以下某个温度,保温一段时间,然后冷却到室温。二)目的:

消除淬火应力,降低脆性;稳定工件尺寸;调整淬火零件的力学性能。回火的分类及作用1、低温回火：在保持高的硬度和耐磨性的同时，降低内应力和脆性。2、中温回火：具有较高的弹性极限和屈服强度、高的韧性。3、高温回火：获得强度、硬度、塑性、韧性都较好的综合力学性能。4、时效处理：100-150度，使应力和组织处于稳定状态。耐磨件M回=α0.3%C+ε150～250低温回火弹簧等T回=F针+Fe3C粒350～500中温回火调质件S回=F多+Fe3C球500～650高温回火高合金钢P回=F多+Fe3C粒650～A1高温软化三)工艺参数淬火+高温回火=调质处理用途组织温度(℃)名称淬火+高温回火=调质处理

回火索氏体组织金相图

回火屈氏体组织金相图

回火马氏体组织金相图

第五节钢的表面热处理工艺表面淬火化学热处理工艺的核心:使零件具有“表硬里韧”的力学性能。一.表面淬火(SurfaceHardening)一)定义:是一种不改变钢表层化学成分,但改变表层组织的局部热处理工艺。二)工艺特征:通过快速加热使钢的表层奥氏体化,然后急冷,使表层形成马氏体组织,而心部仍保持不变。三)表面淬火用钢:

选用中碳或中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。四)表面淬火加工的方法:

感应加热(高、中、工频)、火焰加热、电接触加热法等。1.感应加热表面淬火1)感应加热的基本原理:*

感应电流---涡流*

集肤效应*淬火层深度(δ)与电流频率(f)的关系:δ=500/√f（mm）感应加热表面淬火示意图集肤效应示意图2)工艺要求:

*表面淬火前,必须对零件进行正火或调质处理,以保证零件有良好的基体。

*表面淬火后,必须对零件进行低温回火处理,以降低淬火应力和脆性。3)生产特点:

淬火件的质量好;工件变形小;不易氧化及脱碳;淬火层容易控制;生产率高。设备投资大,不适于复杂形状零件和小批量生产。2.火焰加热表面淬火1)火焰加热表面淬火的基本方法2)火焰加热表面淬火的特点:*设备简单,操作方便,成本低。*淬火质量不稳定。*适于单件、小批量及大型零件的生产。二.化学热处理

(ChemicalHeatTreatment)一)定义:将零件置于一定的化学介质中,通过加热、保温,使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层,以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。二)化学热处理的基本过程:2.吸收:

活性原子被零件表面吸收和溶解。3.扩散:

活性原子由零件表面向内部扩散,形成一定的扩散层。1.分解:

化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。

2COCO2+〔C〕三)化学热处理进行的条件:1.渗入元素的原子必须是活性原子,而且具有较大的扩散能力。2.零件本身具有吸收渗入原子的能力,

即对渗入原子有一定的溶解度或能与之化合,形成化合物。四)化学热处理的种类:渗碳;渗氮;碳氮共渗;渗硼;渗铝;渗硫;渗硅;渗铬等。1.钢的渗碳(Carburizeofsteel)1)定义:向钢的表面渗入碳原子的过程。2)目的:获得具有表硬里韧性能的零件。3)用钢:低碳钢和低碳合金钢。4)方法:固体、气体、液体渗碳。

固体渗碳法示意图零件渗碳剂试棒盖泥封渗碳箱

气体渗碳法示意图5)工艺:

加热温度为900～950℃;

渗碳时间一般为3～9小时;6)渗碳后的组织:

1%CP+Fe3CⅡ0.2%C

F+P少表面中心零件PP+F20钢渗碳缓冷组织(化染)580

表层珠光体+网状渗碳体;中层珠光体;内层铁素体+珠光体7)渗碳后的热处理工艺时间温度930℃850℃方案1方案2渗碳淬火加热7)渗碳后的热处理工艺8)热处理后的组织低碳M回+FM回+Cm+A残低碳合金钢F+PM回+Fe3C+A残低碳钢心部组织表层组织钢种9)常用的钢种:

15、20、20Cr、20Mn2、

20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。20CrMnTi钢渗碳层组织(化染)320

渗碳体(白色块状)+高碳M(兰色针状)+残余A(棕黄色)2.钢的渗氮(Nitridationofsteel)1)定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。2)目的:获得具有表硬里韧及抗蚀性能的零件。3)用钢:中碳合金钢。4)方法:气体渗氮。5)工艺:加热温度500～600℃;

保温时间0.3～0.5mm/20～50h。6)热处理特点:

渗氮前需调质处理;

渗氮后不需热处理。7)渗氮处理后的组织

表层:Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、

MoN、TiN、VN。

心部:S回。8)常用的钢种:

35CrMo、18CrNiW、

38CrMoAlA

(氮化王牌钢)等。38CrMoAl气体渗氮层组织(化染)650

黄色区:ε