机械工程材料-

1、金属材料及热处理,第一章金属材料的力学性能,金属材料的机械性能(力学性能)金属抵抗外力而引起的变形和断裂的能力 1.1 强度和塑性 强度金属材料在静载荷的作用下抵抗永久变形和断裂的能力（ ） 塑性金属材料在静载荷的作用下产生塑性变形而不破坏的能力（、 ） 1.屈服强度() （用拉伸法测试） 一、拉伸曲线 二、刚度、弹性材料抵抗弹性变形的 能力称为刚度,第1节 金属材料的力学性能,(1)屈服强度(S) (2)抗拉强度(b),加载荷 弹性变形 屈服 塑性变型形 断裂 S=Fs/S0 b=Fb/S0,(3)伸长率()=LkL0/L0 100 ,( 4 )断面收缩率() =S0Sk/s0 100 ,1

2、.2 硬度 -金属材料抵抗其他物体压入其表面的能力,布氏硬度-HBS(适用测量硬度值小于450的材料) -HBW(适用测量硬度值小于650的材料) 洛氏硬度-HR(A,B,C) P.8 表1.1 维氏硬度-HV(极薄层的硬度),1.3 冲击韧度金属材料在快速冲击载荷作用下抵抗破坏的能力（aK）,1.4 疲劳强度（-1）-材料经 无数次交变载荷而不断裂的最大应力值 疲劳失效过程零件（齿轮、轴等）在工作时受到大小方向周期性变动载荷作用下（交变或重复应力）,产生疲劳裂纹裂纹扩展瞬时断裂 材料产生疲劳断裂的原因P.11,第2节 金属的晶体构造和结晶,2.1 金属的晶体结构 金属中常见的晶格类型- （体

3、心、面心和密排六方） 1.体心立方晶格 如:-Fe铁,铬(Cr),钼(Mo), 钨(W),钒(V)等 2.面心立方晶格 如:-Fe铁,铝(Al),铜(Cu), 镍(Ni),铅(Pb)等 3.密排六方晶格 如:镁(Mg),锌(Zn),(BCC; Body-Centered Cubic),(FCC; Face-Centered Cubic),2、面心立方格：,1、体心立方晶格：,常用金属的晶体结构,3、密排六方格：,(HCP; Hexagonal Close-packed),原子排列及晶格、晶胞,实际金属的晶体结构,(1)多晶体单晶体(各向异性)和多晶体 (各向同性) (2)晶体的缺陷 a.点缺陷

4、空位、间隙 b.线缺陷位错 c.面缺陷晶界、亚晶界,结晶原子从液态无序排列到固态的有序列 排列 (1)金属的冷却曲线和过冷现象(图2.7) (2)金属 的结晶过程形核、长大(图2.8) (3)金属结晶后的晶粒大小 (4)细化晶粒的方法(增加过冷度,变质处理,振动） (5)金属的同素异构转变金属在固态下，晶格随温度变化而发生变化. 图2.11: 体心立方面心立方体心立方,2.2 金属的结晶过程及同素异构转变,2.3 合金的晶体结构和相图,1,合金-二个或二个以上的金属元素 熔合在一起(Fe+C=铁碳合金,Cu+Zn=黄铜) 2,组元-组成合金的独立单元 (Fe, Cu, C, Fe3C) 3,合

5、金系-(铁碳合金,铝硅合金等) 4,相-结构相同,化学成分相同(液相,固相等) 5,组织-反映相的大小,形态及分布情况.在显微镜下能观察到的金属的微观形态和面貌.又称金相组织.,合金中的常见相(组织)结构,固溶体-(置换,间隙2种)图2.12 2.13 金属化合物-新的复杂晶格,硬,脆 机械混合物-保持各自原有的晶格类型,二元匀晶相图,作业: P.19 1, 2,4,7,8,第3节 铁碳合金相图,碳钢Fe+C 2个基本组元 合金钢Fe+C +其它元素，如 （Cr、Ni、Mn、Mo）等金属元素 3.1 铁碳合金中的基本组织 (1)铁素体（F）碳溶于-Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格(照片) (2

6、)奥氏体（A）碳溶于-Fe中的间隙固溶体，面心立方晶格(910以上),(3)渗碳体（Fe3C）复杂晶格的金属 化合物 (4)珠光体(P) Fe+Fe3C的机械混合物 (5)莱氏体(Ld) Fe3C+P的机械混合物,3.2 铁渗碳体相图(P.26),1, 特性点(表3.1) 2, 特性线 ES(Acm) -奥氏体(A)渗碳体(Fe3C) GS(A3) -奥氏体(A 铁素体(F) PSK(A1)-奥氏体(A)珠光体(P) 3, 特性区(12个) 4, 3条垂直线(虚线) S-共析点 产生珠光体(P) C- 共晶点 产生莱氏体 (Ld),典型铁碳合金的结晶过程,1, 共析钢（）冷却曲线（P） 2,

7、亚共析钢（ ）冷却曲线（F+P） 3, 过共析钢（ ）冷却曲线（P+Fe3C ） 4, 共晶白口铁（）冷却曲线（Ld） 5, 亚共晶白口铁（ ）冷却曲线 （ P+Fe3C + Ld ） 6, 过共晶白口铁（ ）冷却曲线 （Fe3C + Ld ）,3.3含碳量对铁碳合金组织与性能的影响,1,含碳量对铁碳合金组织的影响 2,含碳量与力学性能间的影响(图3.10) 3.4 铁碳相图的在生产中应用 1,选材 2,铸造 3,锻造 4,热处理 作业:P.26 1, 2,3,铁碳合金成分、组织、性能关系,连接到第二章金属的性能，牌号及用途,第二章 金属材料牌号,性能,用途,常存元素对钢性能的影响 在冶炼过程

8、中带入的（Si、Mn、S、P） 1, Mn的影响有益，WMn1%，影响不大 2, Si的影响有益，WSi0.5%，影响不大 3, S的影响以FeS形式存在 不利：FeS塑性差；FeS+Fe共晶体，低熔点985，分布在晶界上，1200 时沿晶界融化，形成热脆。 有利：形成MnS，起断屑作用 4, P的影响b、HRC，、AK明显 特别在低温下，形成材料的冷脆,第1节 非合金钢(碳钢) 1.非合金钢(碳钢)的分类,含碳量-低碳钢(C0.25%) 中碳钢(0.25% C 0.6%) 高碳钢(C 0.6%) 质量-普通钢,优质钢,高级优质钢 用途-结构钢,工具钢等,2.非合金钢(碳钢)的牌号,性能和用途

9、,表5.1(普通碳素结构钢) 表5.2(优质碳素结构钢) 表5.3(碳素工具钢) 铸钢ZG230-450,第2节 低合金钢,合金钢,合金钢=碳钢+合金元素 合金元素在钢中的作用 改变组织,提高性能,1.合金元素对钢中基本相的影响,(1)形成合金铁素体（固溶强化） (2)形成合金碳化物（弥散强化） 合金渗碳体（Fe3C、Mn3C等） 特殊碳化物（WC、VC、TiC等） 图5.1 5.2,(3)细化晶粒(特殊碳化物阻碍A晶粒长大) (4)增加淬透性(图5.3)C曲线向右移动 (5)提高红硬性-材料在高温下还保持 高硬度 的能力 a.回火稳定性提高 b.二次硬化现象(图5.4) (6)增加了残余A的

10、量(图5.5),2.合金结构钢的种类及特点,1,低合金高强度结构钢(C0.2%,Me 03%) 表5.4 2,合金结构钢(数字+元素符号+数字)P.55 (1)合金渗碳钢(C0.2%) P.55 (2)合金调质钢(C0.4%) P.55 3,合金弹簧钢(C0.6%) P.55 4,滚动轴承钢(C1%, Cr=0.51.5%) P.56,第3节 合金工具钢 (刃具钢,模具钢,量具钢),(1)刃具钢 低合金工具钢(9SiCr,Cr2,9Mn2V,CrWMn) 含量特点: 碳素工具钢+5%合金元素 热处理特点:锻造退火机械加工淬火低温回火 高速钢(W18Cr4V, W6Mo5Cr4V2) 含量特点:

11、 碳素工具钢+大于10%合金元素 热处理特点:P.57图5.6,(2) 模具钢,冷作模具钢(Cr12, Cr12MoV) 含量特点: C=1.42.3%, Cr=1113% 热处理特点: 高温淬火+低温回火 使用要求:高硬度,高耐磨,好的强度及韧性 热作模具钢(5CrMoMn,5CrNiMo) 含量特点: C=0.5%+合金元素, 热处理特点: 淬火+中温回火 使用要求:在高温下具有强度及韧性,耐磨性和热疲劳抗力及较好的导热性,(3)量具钢 (T10A,T12A, 9SiCr,CrWMn,GCr15),含量特点: C=1%+合金元素 热处理特点: 淬火+冷处理+ 低温回火+时效(30h) 使用

12、要求: 高耐磨,高耐磨,高精度,尺寸稳定性,4.特殊性能钢,(1) F不锈钢(Cr13,Cr17)-耐热,耐腐蚀 含量:C0.15%,Cr=1213% (2)M不锈钢(1Cr134Cr13)-力学性能好及一定的耐腐蚀性,可热处理强化 含量:C0.10.4%,Cr=1214%, (3)A不锈钢(18-8)-更好的耐腐蚀性和高温抗氧化性,可冷变形强化 含量:Cr=1719%,Ni=810% (4)高Mn钢 (ZGMn13-1,2,3.4)-P.59,5. 工程塑料,塑料-以合成树脂为主要成分的高分子有机化合物 1,特性P.66 2,分类-通用塑料、工程塑料、高温塑料, 热塑性及热固性塑料 3,应用

13、- (表6.1),第三章 常用模具材料及热处理要求,第1节 合金模具钢的机械性能,1.硬度-按硬度范围划定的模具范围:高硬度(52-60HRC)一般用于冷作模具;中等硬度(40-52HRC)一般用于热作模具. 2.强度-冷作模具一般不用该指标;而对于压缩条件下工作 的模具,要有抗压强度;有时用到屈服强度(产生塑性变形) 3.塑性-冷作模具钢的塑性较差,而热模钢的塑性明显高于冷作模具钢. 4.韧度-韧度是模具钢的一种重要的性能指标。一般以细小的马氏体、细小的碳化物和细晶粒韧度好。,5.热稳定性-模具在受热时保持原有的组织和力学性能的稳定能力。热稳定性差的模具易发生塌陷等。 6.回火稳定性-指随着

14、回火温度的升高，模具的强度和硬度下降的程度，决定模具在高温下的变形抗力。 7.热疲劳抗力-模具热疲劳裂纹萌生前的工作寿命和萌生后的扩展速率（20-750） 8.高温磨损和抗氧化性-高温磨损是热模钢的主要失效形式之一。是对热作模具的使用性能的要求。 9.耐磨性-对冷作模具最基本的要求之一。 10.断裂抗力-小能量多次冲击断裂抗力更切合冷作模具的实际使用状态。,根据性能要求,1、模具材料的正确选用P.67(中级工) 2、模具的用途不同，性能不同，热处理方法的正确选择P.69(中级工) 3、模具的表面强化处理（3种） 4、钢结硬质合金模具的热处理（模具材料应用手册）P。103,第2节 国内外模具钢的

15、牌号、性能及应用,模具材料应用手册（机械工业出版社）,第四章 钢的热处理,热处理钢在固态下进行加热、 保温、冷却后获得所需的组织 与性能,第1节 钢在加热时的组织转变,加热时在三条线以上要发生固态组织转变 PSKA1（Ac1/Ar1 ） GSA3（ Ac3/Ar3） ESAcm（ Accm/Arcm ）,钢的奥氏体化(形成)加热到相变线以上获得奥氏体组织的过程 以共析钢为例（PA）图4.1,4.2 1,奥氏体晶粒的形成和长大 2,残余渗碳体的溶解 3,奥氏体的均匀化 奥氏体晶粒大小及其影响因素 加热温度和保温时间 晶粒度(8级图),第2节 钢在冷却时的组织转变,过冷A的等温转变（不稳定状态A）

16、 1, 过冷A的等温转变曲线(原理) 图4.4 2, A的等温转变产物的组织与性能 (1)高温P转变（AP）700-550之间 (2)中温B转变（AB）550-230 之间 B过饱和的F与弥散分布的Fe3C组成 的二相组织 (3)低温M转变（A M）230 以下。 M碳在-Fe中的过饱和固溶体,过冷奥氏体的连续冷却转变(图4.8) V1-(炉冷)P V2-(空冷)S V3-(油冷)T Vk-临界冷却速度 V4-水冷(M),三种钢的“C”曲线,共析钢的连续冷却曲线,亚共析钢 、过共析钢连续冷却曲线,第3节 钢的普通热处理工艺 钢的退火与正火,目的1、调整硬度，有利切削加工； 2、作为重要零件的预

17、先热处理； 3、细化晶粒，为最终热处理作准备1.钢的退火加热至相变线以上， 保温后随炉冷却，得到P组织的方法 （1）完全退火和等温退火 （2）球化退火 （3）去应力退火,2.钢的正火加热至相变线以上，保温后 在空气中冷却，得到细P组织的方法,（1）正火工艺Ac3、Accm+50-70， 保温后空冷(图4.10) （2）正火后组织与性能 （3）正火的应用 不重要零件的最终热处理 改善切削性（HBS） 重要零件的预先热处理 代替调质 消除过共析钢中的网状渗碳体,3.钢的淬火,淬火把钢加热到Ac1或Ac3以上，保温后 以V临的速度冷却， 淬火目的P.33 淬火参数 （1）淬火加热温度(图4.11)

18、（2）淬火保温时间(表4.2) （3）淬火冷却介质(图4.12) (4)淬火冷却方式 淬火方法,淬火方法 (图 4.13),（1）单液淬火法：A化的工件投入水或油等单一溶液中冷却至室温的淬火方法 （2）双液淬火法：A化的工件分别在 水、油二种溶液中冷却 （3）分级淬火法： A化的工件在Ms线 左右的盐浴中停留后再冷却 （4）等温淬火法： A化的工件在Ms线 以上停留足够的时间再冷却（A下B） (5)局部淬火法：局部加热后淬火 （6）冷处理-7080,4.钢的回火,回火将淬火后的工件重新加热到 A1线下，保温后空冷至室温的方法 (1)回火目的 获得所需的组织、性能； 稳定组织； 消除淬火应力。,

19、(2)淬火钢在回火时的组织与性能的变化, M的分解（100-200 得到M回火组织）析出少量过饱和碳原子，硬度不降低，消除部分应力 A残的转变（200-300 ）继续析出碳原子，应力进一步消除，硬度无明显降低 300-400 得到(T回火组织) 400 以上得到(S回火组织),(3)钢的回火脆性P.36 (4)回火的分类及应用 低温回火(150-250)-刃具,刀具,高硬度和耐磨零件 中温回火(350-500)-弹性零件 高温回火(500-650)-重要的结构零件,回火转变产物的组织与性能 回火组织（以共析钢为例） 1、M回（250 ）过饱和固溶体+碳化物 2、T回（300-500 ） 固溶体

20、+粒状碳化物 3、S回（500-650 ）再结晶F+均布碳化物 4、P回（650 A1）P球 回火力学性能的变化 1、回火温度强度、硬度塑性、韧性 2、弹性指标在300-400 回火时有最大值,回火种类及应用,（一）低温回火（200左右）M回，58HRC （二）中温回火（400 左右） T回，35-45HRC （三）高温回火（调质处理 600 左右） S回， 20-30HRC 正火与调质的异同 1、硬度相近（20-30HRC） 2、组织不同 （正火S、调质回火S）,第4节 钢的表面热处理工艺,目的达到钢材“表硬内韧”的效果 表面淬火不改变材料表层化学成分 （如含碳量）但改变表层组织 的局部 热

21、处理方法 工艺快速加热，表面A化， 心部未热，快速冷却后表面产生M， 心部保持原来组织,1.感应加热表面淬火2.火焰加热表面淬火3化学热处理,3.钢 的化学热处理,概述 化学热处理在一定温度活性介质 保温，使一种或几种元素渗入金属表面， 改变其成分、组织、性能 作用提高表面耐磨、耐蚀等性能 种类渗入金属或非金属元素 过程分解、吸收、扩散,1,钢的渗碳(图4.17),渗碳把钢放在渗碳介质中（在A区） 保温后使C原子渗入钢表面的热处理工艺 （1）目的及用钢达到表硬内韧的效果 （2）方法 （3）技术要求 （4）渗碳后的组织与热处理,2,钢的渗氮,渗氮活性氮原子在一定温度下 渗入钢的表面 （1）气体渗

22、氮 （2）离子渗氮 3,C、N 共渗同时渗入C、N原子 （1）低温气体N、C共渗（以渗N为主） 又称 ：气体软氮化 （2）中温气体C、N共渗（以渗C为主）,其他热处理工艺简介,第5节 冷模、热模、塑料模的热处理工艺特点（模具材料与使用寿命）,冷作模具钢-应满足60-62HRC；抗弯强度为实用指标；一定的韧性（锻造打碎碳化物，热处理时防止温度过高，晶粒粗大） 热作模具钢-应满足在工作温度下40-52HRC；热疲劳性，高温磨损，抗氧化性，,第节热处理工件的结构工艺性1,常见热处理缺陷,(1)过热和过烧加热温度过高 (2)氧化加热时因氧化而产生氧化皮 (3)脱碳加热时表层C原子烧损 (4)变形与开裂 原因热应力+组织应力 （热应力+组织应力）s，工件变形 （热应力+组织应力）b，工件开裂,2,热处理零件的结构工艺性,P.4