金属材料与热处理.ppt

1、金属材料与热处 理,职业心理与行为建设,探索，才会发现,要求，才能得到,敲门，门才会为你而开！,圣经-马泰服役,敲门砖之一 -金属材料与热处理,主要内容 ：,第一章金属的性能,引入： 1、材料：能为人类所利用并可以制造各种产品的物质。 材料、信息、能源是衡量一个国家现代化程度、社会地位的重要标志。又能源能否开发，信息的传递，科学理论在生产中的推广、应用，均取决于材料。材料的种、数、质是解决问题的关键。,第一章金属的性能,-如：黑色、有色金属材料,-如：普通、特种陶瓷、玻璃陶瓷,-将两种或多种固体材料进行复合而成的材料，如：硬质合金,-如：橡胶、塑料材料,第一章金属的性能,金属材料是现代化机械制

2、造业的基本材料，应用广、性能良好。,使用性能指金属材料在使用条件下所表现出的性能（物、化、力）,工艺性能指金属材料在制造加工过程中所反映出来的各种性能（铸、锻、焊、切）。,1-1 金属的力学性能 1、：指金属在外力作用下所表现出了的性能。 主包括强度、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳强度。 2、载荷：金属材料在加工及使用过程中所受的外力。 常分静、冲击、交变载荷 3、变形：金属材料受载荷作用而产生的几何形状、尺寸的变化。分弹性、塑性变形。,5、内力：金属受载荷作用时，为保持其不变形，在材料的内 部作用着与外力相对抗的力。 6、应力：单位面积上的内力。 拉伸、压缩载荷下，横截面积上的应力计算： = F

3、 / S （单位 Pa或 MPa N / m2或N/m m2）,4、失效：当零件使用时出现了无法正常工作，失去原有的预定工作效能，如：过量的弹性变形、塑性变形、磨损、断裂等均称为 。,力-伸长曲线： 如下图，以低碳钢为例,材料在拉伸过程中有以下几变形阶段： 1）、oe弹性变形阶段 2）、es屈服阶段 3）、sb强化阶段（介绍“形变强化”）（开始出现塑性变形） 4）、bz缩颈阶段。Z点为断裂点。,一、强度： 指金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力。,2）、抗拉强度:b材料在断前所能承受的最大应力. b = Fb / So 注：零件在工作中所受的应力,不允许超过b,否则会断裂. 它也是零件

4、设计选材的重要依据.,2、强度指标： 1）、屈服点：s拉伸试验中，载荷不增，试样仍继续伸长时的应力。 s = Fs / So,注：对于无明显屈服现象材料国标规定用：规定残余伸长应力0.2表示. s 或 0.2都是衡量材料塑性变形抗力的指标.数值,工件允许工作应力,工作时工作应力不允许超过屈服点，否则会出现塑性变形。它们是评定金属性能的重要指标;是机械零件设计主要依据.,塑性指标 、一般不直接用于工程计算。但任何零件都要求材料具有一定的塑性。（ 偶尔的过载，能发生一定的塑性变形而不致突断，安全性；另外还可缓和应力集中 ；易于冷成型加工）,二、塑性 指断裂前金属材料产生永久变形的能力。,其衡量指标

5、也由拉伸试验来确定。 一般用伸长率、断面收缩率来反映。、值越大，表示其塑性越好。,三、硬度： 指材料抵抗局部变形特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。 其为金属材料的重要力学性能之一；且硬度试验应用十分广泛。 测定方法：压入硬度法。常有布氏、洛氏、维氏硬度。,HBSHBW 应用范围：主要适于灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不高的材料。 耗时，测高硬度材料有限，压痕大，不宜成品及薄件,HRAHRBHRC 优点：简、快；痕小，适于成品和薄件；测试范围广，从软极硬。 缺点：压痕小，对组织不均匀的材料，测值不够准。,HV 优点：力小压痕较浅，适较薄件；可测表面渗C和渗N层深度；从软极硬；准确度高。 缺点：

6、工作效率不如洛氏硬度,洛氏硬度试验原理图,布氏硬度试验原理图,四、冲击韧性： 指金材抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。,1、常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的冲击韧性。,冲击试验是利用能量守恒原理：试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤冲击试样前后的冲击势能差。,试样被冲断时所吸收的能量既是摆锤冲击试样所作的功，称为冲击吸收功。 符号用 AK 表示。,AK=GH1-GH2=G(H1-H2),2、 实践中，绝大多数受冲击载荷的工件是在小能量多次冲击作用下而破坏的。（多次冲击损伤的积累 裂纹产生、扩展而引至的结果）,注：金材受大能量的冲击载荷作用时，其冲击抗力主取决于ak大小。而小能量多次的冲击载

7、荷作用，其冲击抗力主取决于材料的强度和塑性。,冲击吸收功（AK）除以试样缺口处的截面积（S0),即可得到材料的冲击韧度，用符号aK表示,aK = AK / S0 ； 单位 J / Cm2,冲击韧度：是冲击试样缺口处单位横截面积上的冲击吸收功。,aK 值越大，表示材料的冲击韧性越好。,3、产生疲劳破坏的原因： 材料表面或内部有缺陷，这部分局部应力 s ，从而在交变载荷作用下产生局部塑性变形 开裂，微裂纹随 循环次数的 而渐扩展 工件有效承载面积 最后至不能承受外加载荷而突然断裂。 实证：金属承受的交变应力越小，则其断裂前的应力循环次数N越多（寿命长）；反之，则N 越少。,五、疲劳强度：,1、疲劳

8、： 指承受交变应力的零件，在工作过程中，常在工作应力低于其s 的情况下发生断裂的现象。,2、疲劳破坏的特征： 1）、无明显的塑性变形，突发性强，无预兆； 2）、引起的 很低 ；3）、断口常具有三个区域：疲劳源、裂纹扩展、瞬时断裂区。,3）、提高工件疲劳极限的常用方法： 除与选材的本性有关外，还可借以下方法来提高： 改善零件的结构形式（设计尽量避免尖角、缺口、截面突 变）； 提高零件表面加工质量，降低粗糙度： 进行工件的表面强化处理,4、疲劳曲线、疲劳极限： 1）、疲劳曲线：指交变应力与循环次数的关系曲线。,2）、疲劳极限：指金材在无限多次交变应力作用下而不破 坏的最大应力。 疲劳极限数值越大，

9、材料的抵抗疲劳的能力越强。,二、锻造性能 用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度，称为锻造性能。 锻造性能取决于材料 -材料的塑性、塑性变形抗力。,1-2 金属的工艺性能,工艺性能： 指金属材料对于不同加工工艺方法的适应能力，称为工艺性能。它包括：锻造、铸造、焊接和切削加工性能。,一、铸造性能 金属在铸造工艺中获得优良铸件的能力，称为铸造性能。 衡量的主要指标：1）流动性2）收缩性 3）偏析倾向,黄铜、铝合金-室温-锻造性能良好 碳 钢-加热-锻造性能较好 铸 铁 - 则不能锻压,四、切削加工性能： 金属材料在切削加工中获取优良切削面的难易程度。 一般：金属具有适当硬度（160230HBS）和足

10、够的脆性时较易切削。 -刀具寿命高，工件表面加工粗糙度降，断屑好，不致破坏已加工表面。,三、焊接性能： 金属材料对焊接加工的适应性（或优良焊接接头）。 焊接性能主要与材料的化学成分有关（其中碳影响最大）。 如：低碳钢-焊接性能好； 高碳钢、铸铁-焊接性能差。,1、晶 格： 抽象、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架。 2、晶 胞：能够完全反映晶格特征的最小的几何单元。 3、晶格常数：晶胞的棱边长度。 （ 1 =10-8cm） 4、晶 面：晶体中由一系列原子组成的平面。 晶 向：晶体中过两个或两个以上原子中心的直线，表示空间排列的一定方向。 同一晶格中不同晶面、晶向上原子排列的疏密程度不同

11、原子间结合力不同晶体是有“各向异性”原因。,第二章 金属的结构与结晶,不同的金属材料具有不同的性能；即使是同一种材料在不同条件下也会表现出不同的性能。差异？材料的内部结构不同。,2-1 金属的晶体结构,凡原子或分子按一定规律周期性排列的物质，称为“晶体”。 它具有各向异性，有固定熔点。 如：固体金属,属于此类晶格的常见金属：Mg、Be、Zn等。,5、金属的晶格类型： 1）、体心立方晶格： 其晶胞为一立方体，a=b=c； 原子位于8个顶角和立方体中心。,属于此类晶格的常见金属： Cr、V、W、Mo、a-Fe等。,2）、面心立方晶格： 其晶胞为一立方体，a=b=c； 原子位于8个顶角和6个面中心。

12、,属于此类晶格的常见金属：Al、Cu、Pb、Ni、r-Fe等。,3）、密排六方晶格： 其晶胞为一正六棱柱体；原子位于柱体12个 顶角上、下底面的中心各有1原子，柱体内还有3个。,实际生产中V冷 较快，金属液总是在冷却至 To以下才开始结晶。 2、实际结晶温度 T1总低于To的现象，称为“过冷”,2-2 纯金属的结晶,金属的结晶：金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的固体的过程。 影响金属内部组织、性能。,一、纯金属的冷却曲线、过冷度： 1、通过对金属进行热分析试验，来研究金属的结晶。如图2-8 将纯金属液 缓冷，并每隔一定时间测量一次温度 将数据绘于温度-时间坐标图中 获得其冷却曲线。

13、,由曲线可见，金属液随时间延长，其热量渐失，温度降； 冷至a点时，开始结晶，结晶潜热补偿了散失的热量结晶时能保持恒温。到b点结晶终了，温度才再继续降低。 ab线为该金属的结晶阶段，其对应的温度为“理论结晶温度To”。,常用的细化晶粒的方法： a、增加过冷度（实为V冷）； b、变质处理（引进外来人工晶核）； c、振动处理。,To与实际结晶温度之差，称为“过冷度 T”。,过冷度 T与V冷有关，当V冷越大，则金属的To降低。,二、纯金属的结晶过程： 在一定过冷度的条件下，金属液通过晶核形成 、晶核长大来完成其结晶过程。,1、晶体中原子排列位向完全一致，呈各向异性，则为“单晶体”。,2、晶体中存在许多

14、位向不同的晶粒，它们各自的各向异性会互相抵消，其显示各向同性，又称为“伪各向同性”。,3、晶粒大小对金属力学性能的影响：,一般室温下，细晶粒金属具有较高的强度和韧性。,金属晶粒大小取决于结晶时的形核率 、长大速度。 -细化晶粒，则要形核率、长大速度。,三、金属晶体结构的缺陷：,实际的金属材料中，由于加入了其他种类的原子及材料在冶炼后的凝固过程中受到各种因素的干扰，使原子排列不像理想晶体那样规则。,晶体中出现的各种不规则的原子堆积现象称为晶体缺陷。,空位,间隙原子,置代原子,位错,晶界,亚晶界,实际的固态金属是多晶体结构，其晶体中将不同程度出现各种的晶体缺陷，从而造成晶格畸变，它们对金属的强度、

15、硬度、韧性的提高有重要的影响。,3、金属的同素异构转变，也称为“重结晶”。 其与液态金属结晶有许多相似处：有一定转变温度，有过冷现象； 有潜热放出和吸收 ； 也由形核、核长大来完成。 不同处：属固态相变 ， 转变需较大的过冷度； 新晶核优先在原晶界处形核；转变中有体积的变化，会产生较大内应力。,2-3 金属的同素异构转变,1、：金属在固态下，随温度的改变其由一种晶格转变为另一种晶格的现象。,具有的常见金属有：Fe、C0、Ti、Mn、Sn等。,2、纯Fe的同素异构转变：,1394 912 -Fe - Fe Fe 体心 面心 体心,4、相：在合金中成分、结构、性能相同的组成部分。相与相间有明显的分

16、界。 注：合金的性能一般都是由组成合金的各相性能、数量、各相组合情况所决定。,纯金属具有良好的导电、导热性、塑性和金属光泽，工业中有一定的价值；但其强度、硬度较低且种类有限，不能满足实际需求，且冶炼难、价高。,B 新课： 第四章 铁碳合金,1、合金：由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的，具有金属特性的物质。如黄铜Cu-Zn ；碳钢、铸铁Fe-C ； 硬铝Al-Mg-Cu,2、组元：组成合金的最基本、独立的物质，简称为“元”。 合金中元数目的多少，合金可分为：二元、三元、多元合金。,3、合金系：给定组元后，以不同比例配制一系列成分不同的合金，这一系列合金构成的即为“合金系”。如

17、：碳钢、铸铁都属Fe-C合金系。,2、性能影响： 材料塑性变形抗力 强、硬度的现象称“固溶强化”（强化金材的重要途径）。,4-1 合金的组织,合金中各组元之间结合方式不同，合金组织可分为： 一、固溶体：,指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。,晶格类型：与其中某一组元的晶格类型相同。保留晶格形式的为“溶剂”。,1、分类：溶质原子在溶剂晶格中分布情况不同， 可分为： 1）、间隙固溶体，2）、置换固溶体：,本次课讲解了工业上强化金属材料的重要手段分别有- 1 形变强化； 2 细化晶粒； 3 固溶强化； 4 弥散强化,二、金属化合物：,因组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的化合

18、物。,特点：1晶格不同于任何一组元。一般用化学分子式表示。 2熔点高，脆性大，硬度高； 3有一定程度的金属性能。,为强化相。当其细小、弥散均布于固溶体基体上，会使材料硬、耐磨性，称为“弥散强化”。,三、混合物： 两种或两种以上的相按一定质量分数组成的机械混合物质。 -各相仍保持自己原来的晶格；其性能取决于各相的性能、形态、数量、大小。,4-2 二元合金相图,合金相图又称合金状态图，它是能描述合金的成分、温度和组织之间关系的图解。,合金相图就是能揭示平衡条件下合金成分、温度和组织之间变化规律的重要工具；是正确选材和正确制定冶炼、铸造、锻压、焊接、热处理工艺的重要依据。,一、二元合金相图的建立 二

19、元合金相图常是通过热分析实验方法建立起来的平面图形。,（一）、相图表示的基本认识： 以 Pb-Sb相图为例 1、相图坐标设置 纵坐标-表示温度，横坐标-表示成分。 2、横坐标从左到右表示合金成分的变化 即Sb含量由0%向100%逐渐增大； 而Pb含量由100%向0%逐渐减少。,例如：F点-表示5% Sb+95% Pb 的合金， M 点-表示50% Sb +50% Pb 的合金。,3、横坐标上任何一点表示某一定成分的合金。,（二）、Pb-Sb合金相图,4、通过横坐标上的任一点作的垂线称为合金线。,例如：N点-表示成分为50% Sb +50% Pb 的合金在300时，其组织为:L+ Sb（是液相与

20、固相锑共存）。,（三）铅锑合金相图的分析：,1、图中重要的点,A点-是纯铅的熔（327）；B点-是纯锑的熔点（631）；,C点-是共晶点-是成分为11% Sb +89% Pb的铅锑合金液体，在温度冷却至252时，恒温条件下一个液相同时结晶出铅、锑 两个固相的转变点。,合金线上不同的点表示该成分的合金在对应温度时的相组成。,一定成分的液态合金，在缓冷至某一温度下，其由一个液相同时结晶两个固相的过程，称为共晶转变；,共晶转变的产物称为共晶体（Pb +Sb）。,其转变过程可表示如下： 252 Lc （Pb +Sb）,相图中，C点成分的合金-称为“共晶合金”-室温组织（Pb+Sb）； C点以左的合金-

21、为“亚共晶合金”室温组织：Pb+（Pb+Sb）； C点以右的合金-为“过共晶合金”室温组织：Sb+（Pb+Sb）。,ACB 线称为“液相线”，是合金液开始结晶温度的连线 ；此线以上无论何种成分的合金全为液相 “ L ” ，此线以下合金开始结晶。,DCE线称为“固相线”，是合金液结晶终了温度的连线 ；此线以下的合金全为固相。,第四章 铁碳合金,铁碳合金是现代工业中应用最广泛的金属材料。不同成分的铁碳合金，在不同温度条件下，具有不同的组织和性能；因此其应用和工艺处理应有不同的选择。为了解铁碳合金成分、组织和性能之间的关系，必须认识铁碳合金相图。,一、铁碳合金相图,二、铁碳合金基本相、基本组织,铁碳

22、合金中，碳可溶解在铁中形成间隙固溶体，又能与铁作用形成金属化合物，还可以使不同的相组合形成混合物。,一）、基本相： 1、铁素体 F 是碳固溶于a -Fe中形成的间隙固溶体。铁素体仍保持a -Fe 的体心立方晶格。,F的性能： 强度、硬度较低，但具有良好塑性和韧性。,是碳溶于- Fe 中形成的间隙固溶体。奥氏体保持- Fe的面心立方晶格 。,A的性能：强度、硬度不高，但具有良好塑性（120220 HBS，=4060%），是钢在高温进行锻造和热轧时所要求的组织。一般情况奥氏体不存在于室温。,2、奥氏体 A,Fe3C性能具有高硬度、高脆性、低强度和低塑性的特点（800HBW，=0%）。渗碳体也是钢铁

23、材料在室温下的重要相，它的形态、大小、分布对钢性能有很大影响。常作为钢弥散强化的基本相。,3、渗碳体 Fe3C 是铁和碳形成的一种具有复杂斜方晶格的金属化合物，用化学式Fe3C 表示。其含碳量为6.69% C，熔点为1227，在钢、铸铁中与其它相共存时，可呈片状、球状、网状和板条状，不会发生同素异构转变。,二)、基本组织,1、珠光体： P 是铁素体和渗碳体（F+Fe3C）片层相间的混合物。它是成分为0.77%C的固态铁碳合金,缓冷到727时,其由一固相同时析出两个固相而形成的产物。 性能：一般为F 、Fe3C 性能的平均值。其强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。（180HBS，=2025%）,

24、莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度很高，脆性很大。（700HBW，=0%）,3、莱氏体： Ld,莱氏体是奥氏体和渗碳体（A+Fe3C）的混合物，用符号Ld表示。它是含碳量为4.3%C的液态铁碳合金,缓冷到1148时从液相中同时结晶出A 和 Fe3C 的混合物；是共晶转变的产物。,当温度降低，共晶奥氏体碳含量逐渐减少；缓冷到727时, 奥氏体将发生共析转变形成珠光体。此时，合金的组织为（P+Fe3C+Fe3C）-称为低温莱氏体（符号用Ld），直至室温，组织不再变化。,铁碳合金中的F、A、Fe3C都为单相组织，称为基本相；P、Ld、Ld则由基本相混合而成，常简称为基本组织。,3、白口铸铁 2.11

25、%CC 6.69%C的铁碳合金，其特点是液态结晶时都有共晶转变，因而与钢相比有较好的铸造性能；但高温或低温组织硬脆的渗碳体量很多，故不能进行热压力加工。按室温下显微组织不同，又分为以下三种： 共晶白口铸铁 ； 亚共晶白口铸铁 ；过共晶白口铸铁,三、铁碳合金的分类： 按合金中成分（C% ）和室温组织的不同，铁碳合金分为以下三类：,1、工业纯铁 C0.0218%C的铁碳合金，显微组织为铁素体， 机械工业中应用极少。,2、钢 0.0218%CC 2.11%C的铁碳合金，其特点是高温固态 组织为塑性很好的奥氏体，因而可进行热压加工 。按室温下显微组织不同，又分为以下三种： 共析钢 C=0.77%，组织

26、为珠光体； 亚共析钢 0.0218%CC0.77%C，组织为珠光体+铁素体； 过共析钢 0.77%CC 2.11%C，组织为珠光体+二次渗碳体。,为保证工业上使用的钢具有足够的强度，并具有一定的塑性和韧性，钢中的含碳量一般不超过1.4%C。,四、铁碳合金的成分、组织和性能的关系 一）、成分（含碳量）与铁碳合金的室温组织的关系,1、根据相图的分析，铁碳合金在室温下的组织都是由铁素体和渗碳体两相组成。,2、 随着含碳量增加，铁素体的量逐渐减少，而渗碳体的量则有所增加；同时渗碳体的形态及分布也发生变化。随含碳量的增加，合金的组织将按下列顺序变化： F F+P P P+Fe3C P+Fe3C+Ld L

27、d Ld + Fe3C 。,二）、成分（含碳量）与力学性能的关系,如图所示，铁碳合金的含碳量0.9%C时，由于晶界上形成的网状的Fe 3C趋于完整扩大，使强度开始明显下降，硬度增加，塑性和韧性继续降低。,四、铁碳合金相图的应用 Fe-Fe3C 相图在生产实践中具有重大的现实意义。,Fe-Fe3C 相图在生产实践中的应用：选用钢铁材料的重要依据；制定铸造、锻造和热处理等热加工工艺的依据。,第五章 碳素钢,碳钢除了以铁、碳为主要成分外，生产时还不可避免地带入了少量的Mn 、 Si、 S、 P和非金属夹杂物等。由于碳素钢具有冶炼容易、价格低廉、有较好的力学性能和工艺性能，因而在机械制造、建筑、交通运

28、输等许多行业中得到广泛的应用。,碳素钢是含碳量在0.0218%C2.11%C间且不含有特意加入合金元素的铁碳合金；其属于非合金钢，简称碳钢。,一、常存杂质元素对碳素钢性能的影响 钢中常存的杂质元素是钢铁冶炼时带入的，它们对钢的性能有一定的影响。,钢中的有益元素：硅、锰；有害元素：硫、磷、氮、氧、氢等。 硫易使钢产生“热脆”，磷易使钢产生“冷脆”，都是有害元素，要严格控制含量；但在改善切削加工，促进断屑，提高刀具寿命上也有可利用之处。,二、碳素钢的分类,三、碳素钢的牌号及用途,一）、普通碳素结构钢： 一般以热轧空冷状态供应，一般情况下都不经热处理。适应于一般工程结构、桥梁、船舶和厂房等建筑结构或

29、力学性能要求不高的机械零件,1、普通碳素结构钢牌号： “Q”+ 屈服点 + 质量等级 + 脱氧方法 MPa A、B、C、D （S、P少） F、b、Z、TZ（可省）,2、常用牌号: Q235-AF (旧：A3) 表示屈服点为235MPa的A级普通碳素结构.沸腾钢。,1、优质碳素结构钢牌号： “F” - 沸腾钢 两位数字 + “Mn”- 含Mn量较高的（0.7% 1.2%） 表“碳”平均的万倍 “g、q”-专用于锅炉、桥梁。,二）、优质碳素结构钢 是一种应用极为广泛的机械制造用钢，这类钢的化学成分和力学性能均有较严格的控制，硫、磷含量均少于0.035%，有害元素含量少。,2、常用牌号: 20、 4

30、5、65Mn,三）、碳素工具钢： 主要用于制造刀具、模具和量具。碳素工具钢的含碳量为0.65%1.35%C之间，属于优质钢或高级优质钢，此类钢的含碳量范围可保证淬火后有足够的硬度。,碳素工具钢牌号： “Mn”- 含Mn量较高的（0.7% 1.2%） “T” + 数字 + 表“碳”平均的千倍 “A”- 高级优质钢。,四）、铸造碳钢： 含碳量一般在0.2%0.6%之间，若含碳量过高会使塑性变差，铸造时易产生裂纹。在实际生产中，一些形状复杂和综合力学性能要求较高的大型零件，难以用锻轧方法成形的，通常用铸造碳钢制造。,铸造碳钢牌号：“ZG” + 两组数字 依次为：最低s 、最低b /MPa,第六章 钢

31、的热处理,1、热处理：将固态下金属或合金采用适当的方式进行加热、保温、冷却，以获得所需的组织结构、性能的工艺。 热处理应用极广，其能1零件使用性能；充分2发挥材料潜力； 3延长寿命；另外还4可改善工件工艺性能，加工质量，刀具磨损。 2、热处理方法有：退火、正火、淬火、回火及表面热处理。 但任何一种均由加热、保温、冷却三阶段所组成。,6-1 钢在加热时的转变 热处理中，钢加热为获得A；且A晶粒大小、成分、均匀程度，对钢冷却后的组织、性能有重要的影响。 由Fe-Fe3C相图可知，A1 、A3 、Acm是钢在极缓慢加热（或冷却）时的临界点。但实际冷速、热速较快，钢转变总有滞后现象。 实际加热，钢转变

32、总高于相图临界点，分别用：Ac1、Ac3 、Accm； 实际冷却，钢转变总低于相图临界点，分别用：Ar1、Ar3、Arcm。,钢经过加热获得A组织后，如在不同的冷却条件下冷却，可使钢获得不同的力学性能，组织也有明显的不同。 为何存在差异? A在冷却过程中的组织变化规律? 热处理工艺中,常用的冷却方式: 1、等温冷却转变； 2、连续冷却转变。,一、过冷A的等温转变： A 在临界点A1以下是不稳定的，必会发生转变，但不是冷到A1以下立即发生，而是经一个孕育时期后才开始。 这种在共析温度（A1）以下存在的A，-称为“过冷A”。 过冷A在不同进行转变，将获得不同组织。 能表示过冷A的转变、转变时间、转

33、变产物之间关系的曲线，称为“等温转变图”。-简称为：C曲线,6-2 钢在冷却时的转变,二、共析钢的等温相图,三、相图分析：,过冷A在A1以下等温转变的不同，则转变产物不同，在Ms以上，可发生两种类型的转变：,1、P转变： A1 550范围等温。-分解转变为F、Fe3C 片混合物。 此P 转变区内，当等温，则 P 片层越薄产物塑变抗力、b和硬度。 等温温度和片层间距由大到小，分别有产物： P（A1650）、 S（650 600）、T（600 550）。 2、B 转变： 550 Ms范围等温。-形成含过饱和碳的F+ Fe3C组成的非片层混合物，称为“贝氏体” B 随A成分、转变温度不同有多种形态，

34、常有： B上-550 350间等温，呈羽状。 硬度为40 45 HRC，塑性很差。 B下-350 Ms间等温，呈黑针状。 硬度为45 55 HRC，b、塑性、韧性良好。,当钢从A 区急冷到Ms 以下时，A转变为M（碳在- Fe中的过饱和固溶体）。 转变低，原子扩散能力小，在M转变过程中，只有晶格改变 -Fe -Fe，而无碳原子的扩散。 1）、M晶格特点： 体心正方晶格。 2）、马氏体转变的特点：1转变是在一定的范围内（Ms Mf）连续冷却中进行； 2转变速度极快； 3转变时体积发生膨胀，产生很大的内应力，工件易裂、变形； 4转变不完全性，在Mf以下仍有A残（使硬度、耐磨性）。 3）、M组织形态

35、： 针状M一般为C 1.0 %的钢淬火后所获得高碳M.，硬度高、脆性大。 板条M - 一般为C 0.2 %的钢淬火后所获得低碳M. 良好b,较好韧性. 当C =0.2 % 1.0 %的钢淬火后可获得-针状M+板条M.,3、 M（马氏体）转变：-是非扩散过程的转变。,6-3 钢的退火和正火,一、退火： 是将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓冷至室温的热处理工艺。 1、主要目的：钢硬度，塑性，以利于切削、冷变形加工； 细化晶粒，均组织、成分，改善钢性为以后的最 终热处理作准备；消除钢中的残余内应力，防变形和开裂。,2、常见方法： 1）、完全退火： 达到钢硬度、细化晶粒、除内应力。 主要用于：中

36、碳钢及低碳、中碳合金结构钢的锻、铸件、热轧型材等，有时也用于焊接结构件。,2）、球化退火：。 目的：球化Fe3C，以钢硬度，塑性，以利于切削，防淬火时变形和开裂。 主要用于：共析钢、过共析钢（热轧/锻造组织为：片状P+Fe3C，硬、难切、淬火易裂；而可使Fe3C球化后分布于F基体上获得球状P）,3）、去应力退火：将钢加热到略低于A 1的温度（500 650），保温后缓冷至室温的工艺。 目的：消除塑变、焊接、切削加工、铸造等形成的残余内应力。,目的与退火的基本相同；但V冷稍快，P组织较细（主为S产物），b 、硬度比退火的好。 正或生产周期短、成本低、操作简， 在可能的条件下应优先采用正火，但当工

37、件形状复杂时，则用退火为宜,二、正火： 是将钢热至Ac3 或Accm +30 50，保温一定时间，在空气中冷却至室温的工艺。,6-3 钢的淬火,钢的淬火：将钢加热至A C3 或A C 1以上3050，保温一定时间，然后一大于V临的冷却速度快冷至室温，获得M或B下的热处理。 淬火主要目的：获得M，钢的b和硬度。,一、淬火加热温度： 钢淬火加热温度可根据Fe- Fe3C相图来选择。一般： 亚共析钢 - T= A C3 +30 50（完全A化） 共析钢、过共析钢-T= A C1 +30 50（不完全A化）,二、淬火冷却介质： 淬火主要目的：获得M，V冷 V临 ，但V冷过快 工件体积收缩，组织转变剧烈

38、 内应力 工件易变形、开裂。 淬火介质的选择很重要。 由C曲线可知，要获得M-无需在整个冷却过程中都快关键在C曲线鼻尖附近快冷。 而在650以上、400以下并不需快冷。特别在Ms线附近发生M转变时，尤其不应快冷，否则易变形开裂。,2、常用淬火冷却介质： 油、水、 盐水、碱水等。 其中碳钢适用冷却介质- 一般为“水”；合金钢 -“油”。,三、淬火方法： 1、单液淬火法；2、双介质淬火；3、M分级淬火；4、B等温淬火。,2、淬透性与钢的V临有关；当钢的V临越低钢的淬透性越好。 钢的淬透性越好，淬火回火后截面组织均匀、综合力学性能好。 钢的淬透性越好在冷却时可用较缓和冷却介质，变形开裂。 淬透性好的

39、钢，其淬硬性不一定好。,四、钢的淬透性、淬硬性： 淬火冷却时总存在V表冷V心冷 ,当心部某处 V冷 该钢的V临 得非M. 即工件未淬透. 一)、淬透性： 指在规定条件下，钢淬火冷却时所获M组织深度的能力。,1、用不同的钢制成相同形状、尺寸工件，在同样的淬火条件下，淬透性好的钢获M深度较深；淬透性差的钢获M深度较浅。,二）、淬硬性： 指钢淬火后所能达到的最高硬度的能力。 1、淬硬性主要取决于：钢中的含碳量。C% ，钢淬硬性 。 2、淬硬性与淬透性是两个完全不同的概念。,五、淬火缺陷： 1、氧化、脱碳； 2、过热、过烧； 3、变形、开裂； 4、硬度不足。,6-4 钢的回火 钢的回火：将淬火后的钢，

40、再加热至A C1的某一温度，保温一定的时间，然后冷却至室温的热处理工艺。 一、钢的回火的目的： -淬火后的钢须回火处理！ 1除内应力，防变形开裂； 2获得所需的力学性能； 3稳定工件的组织、尺寸。,3、高温回火： （500 - 650）-获回火S 工件性能：良好的综合力学性能(足够强度、高韧性,硬度15-36 HRC)。 广泛用于：受力构件。如：螺栓、连杆、齿轮、曲轴等 。 注：1、 淬火 +高温回火 称为“调质”处理。 2、 比较调质、正火组织差异。,二、回火的分类、应用： 淬火钢回火的组织转变过程是由非平衡组织平衡组织转变，依靠原子扩散而进行的，原子扩散速度取决于温度，温度越高，扩散速度愈

41、高。决定钢回火后的组织、性能的主因素是：回火温度。,回火温度根据工件要求的力学性能来选择。回火种类有： 1、低温回火： （150 - 250）-获回火M 工件性能：保持高硬度(58-64 HRC)和耐磨性，一定的韧性（钢的淬火应力、脆性）。,主用于：刀、量、模具、滚动轴承及其他要求高硬且耐磨的零件。,2、中温回火： （350 - 500）-获回火T 工件性能：高弹性极限、S和适当韧性，硬度可达：35-50HRC。 主用于：弹性零件、热锻模具等。,课程回顾，引入新知： 6-6 钢的表面热处理 机械设备中，有许多零件是在冲击载荷表面摩擦条件下工作的。要求零件表面具有高硬度和耐磨性，而心部要有足够的

42、塑性、韧性。-需进行表面热处理。,二、钢的化学热处理： 是将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一或几种元素能渗入工件表层，以改变其化学成分和性能的工艺。 根据渗入元素的不同，化学热处理有：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等。但不论哪一种，都通过分解、吸收、扩散三个基本过程来完成。,注：表面淬火时宜选用中碳钢或中碳合金钢；淬火后须低温回火。 则工件满足表面为高硬、耐磨，心部为正火或调质时的高韧性和塑性的要求。,一、表面淬火： 是主要利用“快热快冷”，仅对工件表层进行淬火的工艺,工件渗碳后，其表面含碳量达0.85%1.05,并从表到心部逐渐减少.(依次为:过共析区共析区亚共析区原始组织 ). 须经过

43、-淬火+低回火,便可满足工件表面为高硬、耐磨，心部高韧性和塑性的要求。,如-钢的渗碳： 是将钢件在渗碳介质中加热并保温，使活性的碳原子渗入工件表层的化学热处理。 -目的：提高工件表层含碳量和一定的碳浓度梯度。,-渗碳后工件经淬火及低温回火，表面得高硬度，而其内部又具有高韧性。 -渗碳零件须用低碳钢或低碳合金钢来制造。 -应用较为广泛的是“气体渗碳”。,6-8 零件的热处理分析 热处理是机械制造过程中重要工序.正确理解热处理技术条件,合理安排零件的加工工艺路线,对于改善钢的切削加工性能,保证零件的质量,满足使用要求,具有重要的意义.,一般标注的内容有：1最终热处理方法； 2热处理后应达到的力学性

44、能（一般仅标硬度指标；对有些要求较高的还须标出强度、塑性、韧性等，有的有金相组织要求） 可用文字或规定的热处理工艺代号来表示；一般标注在零件图标题栏的上方。（热处理工艺代号-见附录表）,一、热处理的技术条件： 指工件在热处理后组织、应当到的力学性能、精度和工艺性能等要求的统称。 是根据零件工作特性而提出的。,注：当零件工作性能要求不高，在进行退火、正火、调质即可满足要求，则它们也可为最终热处理。,二、热处理的工序位置： 根据热处理目的、工序位置的不同，热处理可分为：,1、预备热处理：凡为消除毛坯生产缺陷、改善切削加工、为最终热处理作准备的。-包括：退火、正火、调质等。,退火、正火一般安排在：毛

45、坯生产后，切削加工之前。 调质一般安排在：粗切削加工后，精或半精加工之前。,2、最终热处理：能满足工件使用要求的热处理。 -包括：淬火、回火、表面热处理等。 一般安排在：半精加工之后，磨削之前。,课程回顾，引入新知 第七章 合金钢 合金钢：指在碳钢的基础上，为改善钢性能，冶炼时有目的地加入一或数种合金元素的钢。 其除含Si、Mn、S、P外，还因钢种要求加入Cr、Ni、Mo、W、V、Co、B、Al、Ti等合金元素。,7-1 合金元素在钢中主要作用,提高回火稳定性,7-2 合金钢分类、牌号 一、合金钢分类： 1、按用途分类： 合金结构钢-主用于工程结构、机零件的制造。 合金工具钢,- 主用于刀、模

46、、量具件等的制造。 特殊性能钢.有特殊物理、化学性能的钢。,2、按合金元素总量分类： 低合金钢 Me 10%,1、合金结构钢： 主用于工程用钢、机械零件制造用钢。 牌号表示- 两位数 + 元素符号 + 数字 平均碳-万倍； 主加元素，元素平均百分含量（1.5%不标） 如: 20CrMnTi 、 60Si2Mn,二、合金钢的牌号：,2、合金工具钢： 牌号表示- 一位数 + 元素符号 + 数字 平均碳千倍（ 1.0%不标）； 主加元素,元素平均百分含量（1.5%不标） 如: 9SiCr 、 CrWMn；,注:而高速钢则不论含碳量多少均不标出, 如：W18Cr4V 。,3、特殊性能钢：-如常用的：不锈钢 牌号表示与合金工具钢表示同。但元素种类、含量有差异。 如：2Cr13海轮机叶片；0Cr19Ni9；1Cr18Ni9-储槽、容器等。,注：不锈钢中C% ，钢强、硬度 ，而耐腐蚀性 。 在含C = 0.03% 0.1%时,牌号冠首加“0”； 在含C 0.03% 时, 牌号冠首加“00”。-耐腐蚀性好,4、特殊专用钢：-如常用的：滚动轴承钢 牌号表示- G + Cr +“数字”+其它 元素号 + 数字 平均Cr千倍； 主加元素, 元素平均百分含量。,机械制造用钢按用途和热处理特点分类：渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。,7-3 合金结构钢,合金结构钢按用途不同可分为： 低合金结构