金屬材料及其熱處理

1、機械制造基礎機械制造基礎 制造科學與工程學院 金工教研室 梅筱琴 金金屬屬材料及其材料及其熱處熱處理理 第一講第一講 金屬材料及其熱處理金屬材料及其熱處理 l金屬材料是現(xiàn)代機器制造的基礎 性能決定 工藝性好 l很少用純金屬，多用合金材料 性能決定 l了解金屬材料，有助于 理解工藝方法的實質 合理選擇零件材料及其生產工藝 一、金屬材料的主要性能一、金屬材料的主要性能 l物理性能物理性能 密度、熔點、熱膨脹、導熱、導電、磁性等等 l化學性能化學性能 耐酸、耐堿、抗氧化性等等 l力學性能力學性能 強度與塑性 硬度 韌性 疲勞強度 l工藝性能工藝性能 熱處理、鑄造、鍛造、焊接、切削加工性能 l使用性能

2、？使用性能？ 1.力學性能強度力學性能強度 l金屬材料抵抗外力引起的 塑性變形和斷裂的能力 l拉伸實驗 低碳鋼的拉伸曲線拉伸試樣 1.力學性能強度力學性能強度 其它其它塑性材料塑性材料的的 拉伸曲線拉伸曲線 脆性材料脆性材料的的 拉伸曲線拉伸曲線 1.力學性能強度力學性能強度 l強度 屈服強度：sFs/A0 抗拉強度：bFb/A0 條件屈服強度：0.2 l產生0.2塑性變形時的應力值 l用于沒有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料 l強度強度是一般機器零件和構件是一般機器零件和構件設計選材設計選材的主要依據的主要依據 2.力學性能塑性力學性能塑性 l塑性 金屬材料產生塑性變形而不破壞的能力 伸長率 (L1-

3、L0)/L0X100% 斷面收縮率 = (S1-S0)/S0X100% l塑性塑性是是承受動載荷（交變載荷）承受動載荷（交變載荷）零件選材的依據之一零件選材的依據之一 為避免超載而引起的突然斷裂，要求其具有一定的塑性為避免超載而引起的突然斷裂，要求其具有一定的塑性 l塑性塑性是金屬材料進行各種是金屬材料進行各種壓力加工壓力加工的的必要條件必要條件 3.力學性能硬度力學性能硬度 l硬度 材料表面抵抗外力，不產生局部塑性變形（壓痕）的 能力 影響材料的影響材料的耐磨性耐磨性和和切削加工性能切削加工性能 l度量方法 布氏硬度（布氏硬度（HB） 洛氏硬度（洛氏硬度（HR） 維氏硬度（維氏硬度（HV）

4、(1)布氏硬度（布氏硬度（HB） l采用直徑為采用直徑為D的鋼球或硬質合金球作的鋼球或硬質合金球作 壓頭壓頭 鋼球僅用于測量HB450以內的材料 （HBS） 硬質合金球用于測量HB650以內的材料 （HBW） l特點特點 穩(wěn)定可靠 零件表面被破壞，不用于成品 l應用應用 各種退火狀態(tài)下的鋼材、鑄鐵、有色金 屬等 (2)洛氏硬度（洛氏硬度（HR） l試驗原理 l特點特點 （1）簡便，測量迅速 （2）零件不被破壞 l應用應用：工業(yè)生產 (3)維氏硬度（維氏硬度（HV） HV= F P F 金剛石HV 10000，為標準度量 各種硬度值之間沒有直接的換算公式，需要時可 查表進行換算 4.力學性能韌性

5、力學性能韌性 l韌性 金屬材料抵抗沖擊載荷，斷裂前吸收能量 的能力 沖擊韌性K KAK/S 影響因素太多，僅作參考 5.力學性能疲勞強度力學性能疲勞強度 l疲勞強度 材料在周期性/非周期性動載荷作用下，經受無數次應力 循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的能力 斷裂破壞應力遠低于強度極限 疲勞斷裂的主要原因 l內部缺陷 雜質 微裂紋 l表面劃痕 l缺陷擴展 l“剛性”是什么？ 二、金屬的晶體結構與結晶二、金屬的晶體結構與結晶 l晶體 固定的熔點、沸點 為什么會有固定的熔點、沸點？ l金屬是不是晶體？ 水、CO2、O2、NaCl l晶體的三個特征：晶體的三個特征： (1)晶體有整齊規(guī)則的幾何外形晶體有整齊規(guī)則的

6、幾何外形 (2)晶體有固定的熔點晶體有固定的熔點 (3)晶體有各向異性的特點晶體有各向異性的特點 1.金屬的晶格結構金屬的晶格結構 l內部原子（或分子）在三維空間呈規(guī)則的 周期性重復排列的固態(tài)物質 l晶體與晶格 晶胞晶胞-晶格最小組成單元晶格最小組成單元 常見的晶格類型常見的晶格類型 l體心立方晶胞體心立方晶胞 屬于此類晶格的有：Fe、Fe、Cr、W、Mo、V、 鈮等約30種金屬 常見的晶格類型常見的晶格類型 l面心立方晶胞面心立方晶胞 屬于此類晶格的有： Fe、Cu、Au、Al、Ag、Ni、Pt等 約20種金屬 常見的晶格類型常見的晶格類型 l密排六方晶胞密排六方晶胞 屬于此類晶格的有：Ti

7、、Zn、Cd、Mg、Be等金屬 2.金屬的結晶金屬的結晶 l金屬結晶的條件金屬結晶的條件 過冷度過冷度 理論結晶溫度與實際結晶溫度 之間的差 T=T0-Tn 過冷度越大，冷卻速度越快，過冷度越大，冷卻速度越快， 結晶時間越短；反之，過冷度結晶時間越短；反之，過冷度 越小，冷卻速度越慢，結晶時越小，冷卻速度越慢，結晶時 間越長。間越長。 純金屬的冷卻曲線 2.金屬的結晶金屬的結晶 l金屬結晶過程金屬結晶過程 “形核形核”與與“長大長大” 晶核的形成 l自發(fā)形核自發(fā)形核：因過冷度而形成的短程有序的原子團 l異質形核異質形核：外來固態(tài)質點 晶核的長大 l平面長大：緩冷；金屬液較純凈 l樹枝狀長大：冷

8、速大；有雜質 l晶粒大小對金屬力學性能的影響 力學性能：越細越好 細化晶粒的措施細化晶粒的措施：晶核多則細 l快冷 l孕育處理 金屬結晶過程 3.金屬（純鐵）的同素異構轉變金屬（純鐵）的同素異構轉變 l同素異構轉變 1538：液態(tài)固態(tài) lFe（體心）（體心） 1394：固態(tài)固態(tài) lFe （面心）（面心） 912：固態(tài)固態(tài) lFe （體心）（體心） l實質 二次結晶（重結晶） l固態(tài)下的結晶過程 l遵循結晶過程的一般規(guī)律 三、鐵碳合金三、鐵碳合金 l制造機器設備的主要金屬材料： 鋼、鑄鐵 鐵（Fe）碳（C） 鐵含量 95，但是決定性能的是碳 l我們學習： 鐵碳合金組織 常用鋼材及其選用原則 1.

9、合金的基本組織合金的基本組織 l合金合金 兩種或兩種以上金屬非金屬元素熔和，構成具有金屬特性的物質 強度硬度較高、成本低 通過成分控制和熱處理，在很大范圍內調整其性能 l組元組元 構成合金的元素 鐵、碳、Fe3C（穩(wěn)定的化合物也是組元） l相相 金屬中具有相同化學成分和晶格結構、有界面與其他部分分開的、 均勻的組成部分 l組織組織 用肉眼或顯微鏡能觀察到的金屬材料的最小單元-晶粒的直觀形 貌 鐵碳合金中的鐵碳合金中的“相相” 鐵素體 奧氏體 珠光體 珠光體二 次滲碳體 （1）固溶體）固溶體 l間隙固溶體間隙固溶體 l置換固溶體置換固溶體 晶體的四種點缺陷晶體的四種點缺陷 空位空位 同同類類原原

10、 子的子的間間 隙原子隙原子 異類異類原原 子的子的間間 隙原子隙原子 異類異類原原 子的置子的置 換換原子原子 固溶強化固溶強化 間隙固溶體的晶格畸變,引起材料的強度和硬度提高， 塑性和韌性卻沒有明顯變化 關于合金強度的認識關于合金強度的認識 l晶粒粗細影響強度 越細強度硬度越高 細化晶粒是冶金和熱處理的目標 l固溶強化 晶格中混入雜質，增加變形抗力 l位錯強化 位錯是晶體內部的一種缺陷 增加變形抗力 位錯強化示意圖位錯強化示意圖 兩種線缺陷位錯兩種線缺陷位錯 刃型位錯的形成過程刃型位錯的形成過程 鐵碳合金中的固溶體鐵碳合金中的固溶體 l鐵素體 Fe中溶碳 l600C0.006% l727C

11、0.021% 強度硬度低 l250MPa l80HBS 塑性好 l4550 與純鐵近似 鐵碳合金中的固溶體鐵碳合金中的固溶體 l奧氏體 Fe中溶碳 l1148C2.11% l727C0.77% 強度硬度不高 塑性優(yōu)良 l4050 易于塑性變形 l壓力加工時加熱形成奧 氏體 （2）化合物）化合物 l金屬化合物與非金屬化合物 金屬化合物金屬化合物具有復雜晶格、硬而脆 FeS、MnS：非金屬雜質 l鐵碳合金中的化合物 滲碳體（Fe3C） l鐵碳合金中的強化相 l硬度高（800HBW）、塑性韌性很低 l呈片狀、球狀、網狀 l920-980C可分解： Fe3C3FeC石墨 （3）混合物）混合物 l鐵碳合

12、金中的機械混合物 l珠光體（PF+Fe3C） 鐵素體滲碳體 C0.77 b750MPa 180HBS 2025 呈片狀 （3）混合物）混合物 l鐵碳合金中的機械混合物 l萊氏體（Ld） C%=4.3% 與滲碳體性能相近：硬而脆 LdA+Fe3C l存在于727以上 LdP+Fe3C l727以下轉變?yōu)橹楣怏w與滲碳 體的機械混合物 2.二元合金二元合金相圖相圖 鐵碳合相圖的建立的建立 鐵碳合金相圖 鐵碳合金相圖分析分析 鐵碳合金相圖（簡化） 鐵碳合金相圖（全圖鐵碳合金相圖（全圖3） 鐵碳合金相圖分析鐵碳合金相圖分析 lACD：液相線 lAECF：固相線（ECF共晶線） lGS（A3）：奧氏體中析

13、出鐵素體 lES（Acm）：奧氏體中析出滲碳體（II） lPSK （A1） ：共析線 lPQ：鐵素體中析出滲碳體（III） 查查看看鐵碳鐵碳合金相合金相圖圖 查查看看 查查看看 查查看看鐵碳鐵碳合金相合金相圖圖 查查看看 查查看看 查查看看 鐵碳合金相圖（全圖鐵碳合金相圖（全圖2） 鐵碳合金相圖（全圖鐵碳合金相圖（全圖4） ACD液相液相線線 鐵碳合金相圖（全圖鐵碳合金相圖（全圖5） AECF：固相線 ECF共晶線 鐵鐵素體素體 珠光體珠光體 滲滲碳碳體體 萊萊氏體氏體鋼鐵鋼鐵分界分界線線 兩個單兩個單相之相之間間是混合相是混合相 鐵碳合金相圖（全圖鐵碳合金相圖（全圖6） GS（A3）： 奧氏

14、體中開始析出鐵素體 鐵碳合金相圖（全圖鐵碳合金相圖（全圖7） ES（Acm）： 奧氏體中析出二 次滲碳體（II） 鐵碳合金相圖（全圖鐵碳合金相圖（全圖8） PSK （A1） ：共析線 鐵碳合金相圖（全圖鐵碳合金相圖（全圖9） PQ：鐵素體中析出 三次滲碳體（III） 鐵碳合金相圖（全圖鐵碳合金相圖（全圖2） 均均勻勻、沒沒有有 明明顯顯晶界晶界 鐵碳合金相圖（全圖鐵碳合金相圖（全圖2） 珠光體外面有明珠光體外面有明 顯顯的的鐵鐵素體相素體相 鐵碳合金相圖（全圖鐵碳合金相圖（全圖2） 珠光體外面有明珠光體外面有明 顯顯的的網狀網狀滲滲碳碳體體 3.典型鐵碳合金組織轉變典型鐵碳合金組織轉變 l鋼：

15、C%2.11 C%0.77%：過共析鋼 l鑄鐵：C%【2.116.69%】 C%4.3%：過共晶鑄鐵 共析鋼的組織轉變（共析鋼的組織轉變（S） 共析鋼顯微組織（珠光體）共析鋼顯微組織（珠光體） 亞共析鋼的組織轉變亞共析鋼的組織轉變 亞共析鋼顯微組織（亞共析鋼顯微組織（C0.2%） 過共析鋼的組織轉變過共析鋼的組織轉變 過共析鋼的顯微組織過共析鋼的顯微組織 4.工業(yè)用鋼工業(yè)用鋼 l按化學成分 碳素鋼 、 合金鋼 l按用途 結構鋼 、 工具鋼 、 特殊性能鋼 l按質量 普通鋼 、 優(yōu)質鋼 、 高級優(yōu)質鋼 l按脫氧程度 鎮(zhèn)靜鋼 、 沸騰鋼 工業(yè)用鋼種類匯總工業(yè)用鋼種類匯總 碳碳素素鋼鋼 碳碳 素素

16、鋼鋼 結結 構構 鋼鋼 優(yōu)優(yōu) 質質 碳碳 素素 鋼鋼 結結 構構 鋼鋼 碳碳 素素 工工 具具 鋼鋼 合金合金鋼鋼 合合 金金 結結 構構 鋼鋼 特特 殊殊 性性 能能 鋼鋼 合合 金金 工工 具具 鋼鋼 低合金低合金結構鋼結構鋼 滲滲碳鋼碳鋼 調質鋼調質鋼 彈彈簧簧鋼鋼 滾動軸滾動軸承承鋼鋼 刃具刃具鋼鋼 模具模具鋼鋼 量具量具鋼鋼 不不銹鋼銹鋼 耐耐熱鋼熱鋼 耐磨耐磨鋼鋼 其其它它 （1）碳素鋼（）碳素鋼（C%1.5%） lC的影響如圖 lP冷脆性 0.045%以下 lS熱脆性 0.05%以下 lP、S衡量質量 lSi、Mn有益 碳素結構鋼碳素結構鋼 lC%0.38%（0.25%以下常用）

17、 l牌號（GB700-88）： Q215/Q235/Q255 A :屈服極限215/235/255Mpa A普通；B/C/D優(yōu)質，含P/S較少 未完全脫氧F（沸騰鋼） 完全脫氧Z（鎮(zhèn)靜鋼） lQ215-AF lQ235（A3）最常用 優(yōu)質碳素結構鋼優(yōu)質碳素結構鋼 l(P/S)60HRC l淬透性、熱硬性很差 l牌號： T8A：含碳0.8，A：含PS很少的優(yōu)質鋼 l常用的碳素工具鋼：T8、T10、T10A、T12 （2）合金鋼）合金鋼 l合金結構鋼 含碳量的萬分數元素符號百分數 合金含量1%不標：9Cr2 CrWMn 9SiCr W18Cr4V l特殊性能鋼：不銹鋼（2Cr13、1Cr18Ni9

18、） （3）零件選材的一般原則）零件選材的一般原則 l滿足工作要求 物理性能 化學性能 機械性能 l滿足工藝性能要求 l重視經濟性 四、鋼的熱處理四、鋼的熱處理 l目的：改善金屬材料的強度、硬度、韌性、 彈性、工藝性 l現(xiàn)代機器制造中的熱處理主要針對： 機床的：主軸、齒輪、床身 汽車的：發(fā)動機缸體、缸蓋、凸輪軸、聯(lián)接軸、 變速箱齒輪等 其他：刃具、量具、磨具 組織決組織決定性能演示定性能演示 1.熱處理基本工藝熱處理基本工藝 溫溫度度 時間時間 臨臨界界溫溫度度 保保溫溫 冷卻冷卻 加加熱熱 基本工藝：基本工藝：加熱加熱-保溫保溫-冷卻冷卻 2.常用熱處理工藝常用熱處理工藝 l普通熱處理 “四火”：退火、正火、淬火、回火 l表面熱處理 表面淬火 化學熱處理 l滲碳、滲氮、碳氮共滲 工藝原理工藝原理 退火和正火退火和正火 退火 作用 組織 室溫下的平衡組織 種類 完全退火 球化退火 去應力退火 正火 作用 組織：索氏體 硬度強度比珠光體高 韌性相同 淬火與回火淬火與回火 淬火 作用 組織：馬氏體（M） C原子來不及從A中滲