第3章 黑色金属材料.ppt

1、3.1 金属材料的力学性能,是指金属材料在外力作用时表现出来的性能。,力学性能,外力形式：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等。,载荷形式：静载荷、冲击载荷、交变载荷等。,指标：强度、刚度、硬度、塑性、韧性和疲劳强度等。,强度,金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。,单位: MPa,分：抗拉强度b、抗压bc、抗弯bb、抗剪b、抗扭t。,2. 硬度, 布氏硬度,是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。,材料抵抗另一硬物体压入其内的能力。,硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念，,硬度试验简单易行，又无损于零件，而且可以近似的推算出 材料的其它机械性能，因此在生产和科研中应用广泛。 硬度试

2、验方法很多，机械工业普遍采用压入法来测定硬度， 压入法又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。,布氏硬度值HB是以试样压痕面积上的平均压力P/F表示。,即单位面积所承受的压力。,布氏硬度测定的原理-是把一定直径的淬火钢球，以规定的载荷P压入被测材料表面，保持一定时间后卸除载荷，测出压痕直径d，求出压痕面积F计算出平均应力值，以此为布氏硬度值的计量指标，并用符号HB表示。,布氏硬度测定主要适用于各种未经淬火的钢、退火、 正火状态的钢；结构钢调质件；铸铁、有色金属、质地 轻软的轴承合金等原材料。,标注：D/P/T如120HB/10/3000/10，即表示此硬度值120,在D=10mm，P=3000k

3、gf，T=10秒的条件下得到的。,简单标注：200230HB或300330HBS,布氏硬度试验只可用来测定小于HB450的金属材料，,洛氏硬度（HR）,基本原理洛氏硬度属压入法 洛氏硬度测定时需要先后施加二次载荷（予载荷P1和主载荷P2）预加载 荷的目的是使压头与试样表面接触良好以保证测量结果准确。洛氏硬度就是以,主载荷引起的残余压入深度（,来表示,）。,为了与习惯上数值越大硬度越高的概念相一致采用一常数（k） 减去（h3-h1）的差值表示硬度值。为了简便起见又规定每0.002mm 压入深度作为一个硬度单位（即刻度盘上一小格。）,洛氏硬度值公式如下：,采用金钢石圆锥时k=0.2（用于HRA，H

4、RC）,用钢球时k=0.26（用于HRB）。,洛氏硬度测定仅产生很小压痕，并不损坏零件，因而适合于成品检验,设备简单，操作迅速方便。但测一点无代表性，不准确，需多点测量， 然后取平均值。洛氏硬度虽可用来测定各种金属材料的硬度 。,维氏硬度（HV）,为了从软到硬的各种金属材料有一个连续一致的硬度标度， 因而制定了维氏硬度试验法。,维氏硬度试验法是压入试验法中较精确的一种，它与布氏硬度试验法相同， 是用一种顶角为136的金钢石角锥压头，在载荷p（kgf）作用下，试样 表面压出一个四方锥形压痕，测量压痕对角线长度d（mm）供以计算压痕 面积F（m）以P/F的数值表示试样的硬度值。,维氏硬度值表示方法

5、为HV硬度数值，有时为反映试验条件在硬度数值 前用下标加上负荷，例如HV20232，20为加载负荷。,维氏硬度试验主要用来测定金属镀层、薄片金属以及 化学热处理（如氮化、渗碳等）后的表面硬度。,维氏硬度的压力一般可选5，10，20，30，50，100，120kg等， 小于10kg的压力可以测定显微组织硬度。,3. 冲击韧性（Ak或ak ）,韧性：材料断裂前吸收变形能量的能力-韧度,冲击韧性（Ak） ：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。,单位为焦耳/厘米（J/cm）,ak=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积F,ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。,ak值高

6、，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。,Ak=mg(h1-h2),冲击韧性实验,Ak=h1-h2,4. 疲劳强度-1,80%的断裂由疲劳造成,疲劳：承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化， 交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小 于屈服极限的应力下发生断裂。,疲劳极限：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂 的最高应力值。,条件疲劳极限：经受107 应力循环而不致断裂的最大应力值。,陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高， 纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。,影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、 表面状态、残余应力等。,3.2 铁碳合金的基础知

7、识,一、纯铁的同素异晶转变 在固态下，金属的晶格类型随温度（或压力）变化的特性同素异晶转变。 1394 912 Fe Fe Fe 体心立方晶格 面心立方晶格 体心立方晶格 铁的同素异构转变是钢铁材料能够进行热处理的依据。,二 、铁碳合金的基本组织,1 铁素体 F （C固溶到 -Fe中的间隙式固溶体）,强度、硬度低，塑性、韧性好。 （室温：C%=0.0008%, 727度：C%=0.0218%）,2奥氏体 A （C固溶到-Fe中的间隙式固溶体） 强度低，易塑性变形,3渗碳体Fe3C (铁和碳的金属化合物),性能特点熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。,渗碳体在钢和铸铁中通常呈片状 、粒状、网状、

8、带状等形态,是钢中主要的 强化相,它的数量 、形态及分布情况,对钢的性能有很大的影响.,、,(体心立方晶格),（面心立方晶格）,3,4珠光体 P （铁素体和渗碳体的机械混合物）,抗拉强度b=770MPa,延伸率= 20 35,断面收缩率=40 60,auk=3 1054 105 J/,硬度 180HB,A0.77 F0.0218+Fe3C 或A0.77 P0.77,727,727,5莱氏体,高温莱氏体 Ld（奥氏体和渗碳体的机械混合物）,L4.3,1148,Le4.3,低温莱氏体 Ld(珠光体和渗碳体的机械混合物）,硬而脆，塑性、韧性几乎为零。,强度、硬度较高，具有一定的塑性和韧性，是一种综合

9、力学性能较好的组织。,三、铁碳合金状态图及其应用,铁碳合金状态图-表示在缓慢冷却（加热）条件下，不同 成分的钢和铸铁在不同温度下所具有的 组织或状态的一种图形。,作用：清楚地反映了铁碳合金的成分、温度、组织之间的关 系，是研究钢和铸铁及其加工处理（铸、锻、焊、热 处理等加工工艺）的重要理论基础。,铁碳合金状态图,A,E,C,D,G,S,K,P,6.69,4.3,2.11,0.77,1538,1148,727,0.0128,Fe-Fe3C相图中的特性点,Fe-Fe3C相图中的特性线,(一) 铁碳合金的分类 1工业纯铁，C%=0.0218%,2.钢 0.0218%C%= 2.11%,亚共析钢 0.

10、0218%C%0.77% 共析钢 0.77% 过共析钢 0.77%C%= 2.11%,3白口铸铁2.11%C%6.69% 亚共晶白口铸铁 2.11%C%4.3% 共晶白口铸铁 4.3% 过共晶白口铸铁 4.3 %C%6.69%,（二）、Fe-C合金的成分-组织-性能关系,随着含碳量的增加，合金的室温组织 中不仅渗碳体的数量增加，其形态、 分布也有变化，因此，合金的力学性 能也相应发生变化。,We 0.9%时，随着含碳量的增 加，钢的强度、硬度上升，而塑 性、韧性不断降低。,原因：钢中含碳量增加，组织中 作为强化相的渗碳体数量 增多。（钢中渗碳体的数 量越多，分布越均匀，钢 的强度越高。）,We

11、 0.9%时，渗碳体呈明显 的网状分布于晶界处或以粗大 片状存在于基体中，使钢的塑 性、韧性进一步降低，强度也 明显下降。,为保证钢具有足够 的强度，同时又具 有一定的塑性和韧 性，钢中碳的质量分数一般都不超过1.3%-1.4%。,（三）、Fe-Fe3C相图的应用,1、在钢铁选材方面的应用,2、在铸造工艺方面的应用,3、在热锻、热轧工艺方面的应用,4、在热处理工艺方面的应用,桥梁、车辆、船舶、各种建筑结构，需 强度较高、塑性及韧性好、焊接性能好 的材料应选含碳量较低的钢材。,各种机器零件需强度、塑性、韧性等 综合性能较好的材料应选含碳量 适中的钢。,各类工具、刃具、量具、模具要求硬度 高、耐磨

12、性好的材料可选用含碳量 较高的钢。,合金的熔化浇注温度（液相线以上50-100 度）； 靠近共晶成分点的铁碳合金熔点低，结晶温度 区较小，具有良好的铸造性能。,锻、轧温度选在单相奥氏体区内（奥氏体状态时，强度较低，塑性较好，便 于成形加工。）,3.3钢的热处理-是指将钢在固态下采用适当的方式 进行加热、保温、和冷却,以获得所 需组织结构与性能的工艺.,常用的热处理方法:,普通热处理: 退火、正火、淬火、回火 热处理 感应加热表面淬火 表面淬火 火焰加热表面淬 表面热处理 激光加热表面淬火 渗碳 化学热处理 渗氮 碳氮共渗,1 、退火和正火,退火-将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度， 保温一定

13、时间，后缓冷却的热处理工艺叫做退火。,据处理的目的和要求不同，刚的退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火和去应力退火等等。,退火的目的: 降低硬度,提高塑性. 细化晶粒 消除内应力,1). 完全退火,又称重结晶退火，是把钢加热至以上2030，保温一定时间后缓慢冷却（随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却）。以获得接近平衡组织的热处理工艺。 目的: 通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化，以提高性能。由于冷却速度缓慢，还可能消除内应力。 应用：主要用于亚共析钢，过共析钢不宜采用。,2). 等温退火,是将钢件或毛坯加热到高于Ac的温度保温适当时间后，较快地冷却到珠光体区的某

14、一温度，并等温保持，使奥氏体转变为珠光体组织，然后缓慢冷却的热处理工艺。 目的：与完全退火相同但转变较易控制，能获得均匀的预期组织；对于奥氏体较稳定的合金钢，长可大大缩短退火时间。 应用：奥氏体较稳定的合金钢，尤其高合金钢。,3. 球化退火,使钢中碳化物球状化的热处理工艺 目的: 是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化(退火前正火将网状渗碳体破碎),以降低硬度,改善切学加工性能;并为以后的淬火作组织准备. 应用：用于过共析钢,如工具钢,滚珠轴承钢等,4. 均匀化退火,将其加热到Ac3以上150-250C，长时间保温并进行缓慢冷却的热处理工艺。 均匀化退火后钢的晶粒很大，因此一般再进行完全退火或

15、正火处理。 目的和应用：为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性。,5.去应力退火,为消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行的低温退火，去应力退火是将钢件加热至低于的某一温度（一般为500650），保温，然后随炉冷却，这种处理可以消除约50%80%的内应力，不引起组织变化。,2、正火,钢材或钢件加热到Ac和Accm以上，保温适当时间后，在自由流动的空气中均匀冷却的人处理称为正火。正火后的组织：亚共析钢为F+S，共析钢为S,过共析钢为S+Fe3C。 正火与完全退火的主要差别在与冷却速度快些，目的是使钢的组织正常化，所以亦称常化处理，一般应用于以下方面：

16、,1. 作为最终热处理 正火可以细化晶粒，使组织组织均匀化，减少亚共析钢中铁素体含量，使珠光体含量增多并细化，从而提高钢的强读、硬度和韧性。对于普通结构钢零件，机械性能要求不很高时，可以正火作为最终热处理。,2. 作为预先热处理 截面较大的合金结构钢件，在淬火或调质处理前长进行正火，以消除魏氏组织和带状组织，并获得细小而均匀的组织。对于过共析钢可减少二次渗碳体量，并使其不形成连续网状，为球化退火作组织准备。,3. 改善切削加工性能 低碳钢或低碳合金钢退火后硬度太低，不便于切削加工。正火可提高其硬度，改善其切削加工性能。,3 、淬火和回火,(1) 淬火,将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后

17、快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火是钢的最重要的强化方法。,(1) 淬火温度的选定 一般情况下，亚共析钢的淬火加热温度为Ac以上共析钢和过共析钢的淬火加热温度为Ac1以上。,(2) 加热时间的确定 加热时间包括升温和保温两个阶段。通常以装炉后炉温达到淬火温度所需时间为升温阶段，并以此为保温时间的开始。保温阶段指钢件温度均匀并完成奥氏体化所需的时间。,(3) 淬火冷却介质 水、盐水适用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。 机油和柴油一般用作为合金钢的淬火介质。 盐浴、碱浴和硝盐浴常用于处理形状复杂、尺寸较小、变形要求严格的工具等。,(4) 淬火方 法,单介质淬火法采用一种介质冷

18、却，操作简单，易实现机械化，应用较广。缺点是水淬变形开裂倾向大；油淬冷却速度小，淬透直径小，大件淬不硬。 双介质淬火和分级淬火能有效的减少热应力和相变英里，降低工件变形和开裂的倾向，所以可用于形状复杂和截面不均匀的工件的淬火。 等温淬火大大降低了钢件的内应力，减少变形，适用于处理复杂和精度要求高的小件，如弹簧、螺栓、小齿轮、轴及丝锥等，也可用于高合金钢较大截面零件的淬火。其缺点是生产周期长、生产效率低。,3、回火,钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的组织和性能，将其加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺叫回火。 淬火纲一般不宜直接使用，必须进行回火。这是因为第一

19、淬火后得到的是性能很脆的马氏体，并存在有内应力，容易产生变形和开裂；第二，淬火马氏体和残余奥氏体艘是不稳定组织，在工作中会发生分解，导致零件尺寸的变化，而这对精密零件是不允许的，第三，为了获得要求的强度，硬度，塑性和韧性，以满足零件的使用要求。,根据回火温度的高低，一般将回火分为三种：,（1）低温回火（150-250）,低温回火后，组织为极细的e 碳化物和低过饱和度a固溶体， 形态基本不变。 即为：回火马氏体+残余奥氏体。,低温回火的目的 是降低淬火应力，提高工件的韧性，保证淬火后的高硬度和高耐磨性。,应用 主要用于处理各种高碳钢工具、模具、滚动轴承以及渗碳和表面淬火的零件。,（2）中温回火（

20、350-500）,得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状的混合组织，叫做回火屈氏体。,中温回火的目的 获得回火屈氏体。因为回火屈氏体具有高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定的韧性，硬度一般为35HRC-45HRC。,应用 主要用于处理各种弹簧及需要高屈服强度的零件。,（3）高温回火（500-650）,组织为再结晶等轴F+粗粒状Fe3C，称为回火索氏体 S。,高温回火的目的：获得良好的综合机械性能。 淬火+高温回火调质处理,应用 适用于承受各种复杂载荷的重要的机械零件。 如轴类件、齿轮类件等,回火温度与机械性能的关系： 200以下，HRC不变。200-300，M分解，残余A转变为马氏体，硬度降低

21、不大，高碳钢硬度有一定的升高。300，HRC降低。韧性：400度开始升高，600最高。 弹性极限：在300-400最高。塑性：在600-650最高。,4 钢的表面热处理,仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺称为表面热处理，也叫表面淬火。,种类: 有感应加热、火焰加热、电接触加热和电解加热等表面热处理，最常用的是前两种。,(1) 感应加热表面热处理,1) 感应加热的基本原理,感应线圈通以交流电时，即在其内部和周围产生一与电流相同频率的交变磁场。把工件置于磁场中，则在工件内部产生感应电流，产生电阻热。由于交流电的集肤效应，感应电流，靠近表面的电流密度大，而中心几乎为零。电流渗入工件表层

22、的深度，与电流频率有关。对于碳钢：=500/f 式中，为电流透入深度（mm），f为电流频率（Hz）。 f愈大，电流透入深度愈小，加热层也愈薄，不同频率，可得到不同的淬硬层深度。,2) 感应加热淬火方法种类,a. 高频淬火（1050KHz）:适用于淬硬层0.5mm2mm 的小工件，如：机床齿轮，小销等。 b. 中频淬火（100010000Hz）：适用于淬硬层2mm 15mm 的中大型工件，如轴类件。 c. 工频淬火（50Hz）：适用于淬硬层15mm以上的大型工件，如轧辊等。,3) 感应加热适用的钢种,中碳钢和中碳低合金钢，如45、40Cr、40MnB钢等。这类钢经正火或调质后表面淬火，心部保持较

23、高的综合机械性能，而表面具有较高的硬度（50HRC）和耐磨性。,4) 感应加热淬火工艺特点,表面淬火组织为细隐晶马氏体。表面硬度高，比一般淬火高2HRC3HRC，且脆性较低。 表面淬火可提高工件的疲劳强度。 加热速度快，没有保温时间，效率高，工件氧化脱碳少，淬火变形也小。 加热温度和淬硬层厚度容易控制，便于实现机械化和自动化。 可实现连续加热、一次加热和局部加热淬火。,其缺点是设备较贵，形状复杂的零件处理较困难。,感应加热后，采用水、乳化液或聚乙稀醇水溶液喷射淬火，淬火后进行180200低温回火，以降低淬火应力，并保持高硬度和高耐磨性。,(2). 火焰加热表面热处理,火焰加热表面淬火，是用乙炔

24、-氧或煤气-氧等火焰加热工件表面，进行淬火。 火焰加热表面淬火设备简单，操作灵活，成本低等优点。但生产率低，零件表面存在不同程度的过热，质量不稳定。因此主要适用于单件、小批量生产及大型零件（如大型齿轮、轴、轧锟等）的表面淬火。,2 钢的化学热处理,化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。 种类：渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等。 作用：提高钢件表层的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性能以及疲劳强度等。,化学热处理基本过程：,介质的分解加热时介质分解，释放出欲渗入元素的活性原子；,表面吸收分解出的活性

25、原子在钢件表面被吸收并溶解，超过溶解度时还能形成化合物；,原子扩散溶入元素的原子在浓度梯度的作用下由表及里扩散，形成一定厚度的扩散层。,(1)渗碳 钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表层工艺称为渗碳。 1)渗碳目的：增加低碳钢表层的碳质量分数和获得一定碳浓度梯度，（碳质量分数约1.0%）,再经过淬火和回火处理。提高表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，而使心部仍保持良好的韧性和塑性。 2)应用：用于承受大的交变接触应力、严重磨损和较大冲击载荷的零件，例如各种齿轮、活塞销、套筒等。,3) 渗碳方法,气体渗碳,将工件在密封的渗碳炉中，加热到900950，向炉内滴入易分解的有机液体（如煤油、苯、甲醇等

26、），或直接通入渗碳气体（如煤气、石油液化气等），通过下列反应产生活性碳原子，使钢件表面渗碳：,2COCO2+C CO2+H2H2O+C CnH2nnH2+nC CnH2n+2（n+1）H2+nC,气体渗碳的优点是生产效率高，劳动条件好，渗碳过程中可以控制，渗碳层的质量和机械性能较好。此外，还可进行直接淬火。,2,一、碳钢的分类和编号,1. 按钢的碳质量分数分,低碳钢w(C) 0.25%,中碳钢0.25 w(C) 0.6%,高碳钢w(C) 0.6%,3.4 常用钢的分类、牌号和应用,3,2按钢的质量分,普通碳素钢Ws、 Wp 0.45%,优质碳素钢Ws、 Wp 0.35%,高级优质钢（标A） W

27、s 0.20% Wp 0.30%,特级优质钢（标E） Ws 0.15% Wp 0.25%,3按钢的用途分,碳素结构钢 （工程结构和机械零件用钢）,碳素工具钢 （刃具、量具和模具用钢）,铸钢,4按钢脱氧程度分： 沸腾钢（标F）、镇静钢（标Z，可省略）,半镇静钢（标b）,二、碳钢的牌号及用途,1碳素结构钢,牌号: Q + 数字质量等级 脱氧程度符号,例：Q235AF （屈服强度235MPa , A级沸腾钢）,（Q 屈服点“屈”字拼音首字母。数字为屈服强度数值。质量等级A、B、C、D 四级）,Q215,Q255,Q195,Q235,Q275,塑性好，钢板、钢筋、型钢、螺钉、螺帽 。,强度高的型钢、钢

28、板做较大型构件。,重要焊接结构件,2优质碳素结构钢,钢号用平均碳质量分数的万分数的数字表示 。,如：08F，30A，45，15Mn,（F表沸腾钢）,（0.30%C，后有“A”表高级优质钢）,注：Mn指含Mn量高0.71.2,（制作各种机器零件，一般进行热处理）,08F 塑性好，轧成薄板和钢带做冷冲压件,10，20 冷冲压件，焊接件，渗碳处理。,35，45，40，50 齿轮、轴类、连杆、销类件。,60，65 小尺寸弹簧元件。,3碳素工具钢,（WC 0.651.35 ）,碳素工具钢生产成本较低；易于冷、热加工，在热处理后有相当高的硬度；在受热不大的情况下工作时有较好的耐磨性，所以得到广泛的使用。,

29、化学成分:,为了有足够高的硬度及较好的耐磨性，碳素工具钢一般含有0.65-1.35%C。含碳量越高，则钢的耐磨性越好，而韧性越差。常用的碳素工具钢有T7、T8、T9、T10、T11、T12及T13各类。随着数字的升高，钢的硬度与耐磨性增高，而韧性逐渐下降。,碳素工具钢中加少量（0.35-0.60%）的锰，如T8Mn，可提高钢的淬透性，但含锰量过高会使钢的韧性下降。,钢号: T + 数字,数字为平均碳质量分数的千分数的数字,T为“碳”字拼音首字母,如：T10A, T9 , T12Mn,(A表示高级优质碳素工具钢）,注：Mn指含Mn量高0.40.6,T7，T8，强度，韧性较高，可制作冲头、凿子、榔头,T9，T10，T11，强度，韧性适中，可制作钻头、 刨刀、丝锥、手锯及冷作模具。,T12，T13， 硬度很高，韧性低，可制作锉刀、刮刀、量规。,T10A,四、合金钢,碳钢的不足：, 碳钢淬透性低，不适易形状复杂和尺寸大的工件。 只能水冷，易变形开裂，性能不均，, 强度和屈强比低, 回火稳定性差。, 不能满足特殊性能的要求。 耐热、耐蚀、抗氧化、耐磨、红硬性等。,（一）、合金钢的分类,1、按合金元素质量分数总量分类,2按用途分类,（1）低合金钢 总量低于5,（2）中合金钢 总量 510,（3）高合金钢 总量大于10,（1）合金结构钢,（2）合金工具钢,（3）特殊钢,（低合金高强