碳鋼的熱處理及性能分析課件

一、金屬的概念二、金屬材料的力學(xué)性能三、金屬的結(jié)晶和組織1.金屬的結(jié)晶過程 2.金屬的組織（1）室溫平衡組織（2）非平衡組織一、金屬的概念1四、鋼鐵的分類和異同鋼和鑄鐵所含的主要合金元素都是鐵和碳，所以也稱鋼和鑄鐵為Fe-C合金，它們的不同點(diǎn)在于含碳量，鋼的含碳量小于2.11%，鑄鐵的含碳量大于2.11%。五、Fe-C合金基本組織1.鐵素體F2.滲碳體Fe3C3.珠光體P（F+

Fe3C）四、鋼鐵的分類和異同2六、鋼鐵的組織和性能1.碳鋼的室溫平衡組織

碳鋼的室溫平衡組織由鐵素體、滲碳體和珠光體三種基本組織組成。隨碳鋼含碳量的不同，基本組織的含量也相應(yīng)發(fā)生變化。碳鋼按室溫組織的不同根據(jù)含碳量可分為三類。

六、鋼鐵的組織和性能3

項(xiàng)目種類含碳量（%）

室溫平衡組織

備注亞共析鋼

＜0.77

鐵素體＋珠光體

隨含碳量的增加，組織中珠光體的量增多。共析鋼

＝0.77

全部是珠光體

過共析鋼

＞0.77

珠光體＋滲碳體

滲碳體分布于珠光體晶粒的周圍（即晶界），在金相顯微鏡下觀察呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故又稱網(wǎng)狀滲碳體。含碳量越高，滲碳體層越厚。滲碳體分布于珠光體晶粒的周圍（即晶界），在金相顯4純鐵亞共析鋼共析鋼過共析鋼純鐵亞共析鋼共析鋼過共析鋼5碳鋼的成分、組織、性能之間的關(guān)系示意圖碳鋼的成分、組織、性能之間的關(guān)系示意圖62.鑄鐵的室溫平衡組織

鑄鐵由于含碳量高，碳的存在形態(tài)發(fā)生了變化。在鋼中碳是以化合態(tài)的Fe3C（滲碳體）存在，而在鑄鐵中碳不僅以化合態(tài)的Fe3C存在，同時(shí)出現(xiàn)了游離態(tài)的石墨。鑄鐵的組織可以認(rèn)為是在鐵素體或珠光體，或鐵素體＋珠光體的基體上分布著不同形態(tài)的石墨。根據(jù)石墨形態(tài)的不同，常用鑄鐵可分為：

灰鑄鐵—石墨以片狀存在

可鍛鑄鐵—石墨以團(tuán)絮狀存在

球墨鑄鐵—石墨以球狀或近似球狀存在2.鑄鐵的室溫平衡組織7可鍛鑄鐵（鐵素體基體）灰鑄鐵（珠光體基體）

球墨鑄鐵（鐵素體＋珠光體基體）可鍛鑄鐵（鐵素體基體）灰鑄鐵（珠光體基體）83.鑄鐵與碳鋼的性能比較

鑄鐵與碳鋼比較（在同一種基體下），由于鑄鐵中石墨的強(qiáng)度和伸長率都極低（σb<20Mpa，δ→0）,而且石墨的存在對基體起割裂作用，所以，鑄鐵的力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性）較差，不如碳鋼，尤以灰鑄鐵（片狀石墨）最差，球墨鑄鐵因球狀石墨的割裂作用最輕，具有較好的力學(xué)性能。鑄鐵具有優(yōu)良的減震性、耐磨性、鑄造性能和切削加工性能，而且生產(chǎn)成本低廉，因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。

3.鑄鐵與碳鋼的性能比較9六、熱加工工藝對碳鋼組織的影響

在材料加工工程中存在著如下關(guān)系：設(shè)備→工藝↘↑↓組織→性能→應(yīng)用原材料→成分↗這個(gè)關(guān)系在實(shí)際生產(chǎn)過程中，表現(xiàn)為設(shè)備、工藝條件等的不同決定了熱過程的非平衡程度的不同，使得金屬結(jié)晶和轉(zhuǎn)變過程不同，最終使金屬材料的組織呈現(xiàn)多樣性，即使同一種金屬材料的組織也可呈現(xiàn)不同的形態(tài)?？梢?，正是非平衡過程的多樣性，使得工程材料得到不同的組織，具備不同的性能，從而滿足各種使用要求。此外，相同的金屬組織，晶粒越細(xì)小、分布越均勻，其力學(xué)性能越高。六、熱加工工藝對碳鋼組織的影響10工藝熱過程及其特點(diǎn)成形特點(diǎn)組織特點(diǎn)性能或應(yīng)用鑄造在熔化設(shè)備中熔化金屬爐料（熔點(diǎn)以上約100℃），使?jié)M足化學(xué)成分要求的金屬液體具有流動性短時(shí)間保溫靜置，使金屬熔體中氣體、夾雜物上浮在鑄型中較為緩慢地冷卻凝固，獲得鑄件液態(tài)凝固成形非平衡結(jié)晶，一般為粗大的柱狀晶。冷卻速度越大，晶粒越細(xì)小受力不大的形狀復(fù)雜件鍛造在加熱設(shè)備中加熱工件，使其具有良好的塑性，并降低變形抗力在始鍛和終鍛溫度范圍內(nèi)對工件施以沖擊力或壓力，使其發(fā)生塑性變形，并改善內(nèi)部組織在終鍛溫度以下冷卻，得到鍛件固態(tài)塑性變形成形使儔錠原來粗大的晶粒細(xì)化，并沿變形方向呈現(xiàn)方向性的特點(diǎn)，減小甚至消除鑄錠內(nèi)部缺陷受力復(fù)雜的形狀簡單件焊接在空氣或保護(hù)氣氛中高能量加熱，使構(gòu)件連接區(qū)域快速熔化，形成熔池基本沒保溫過程在熔渣或保護(hù)氣氛保護(hù)下快速冷卻凝固，形成焊縫，焊縫以及附近母材冷卻速度很不均勻不可拆卸的連接成形非平衡結(jié)晶特點(diǎn)更為明顯，使得焊縫組織的柱狀晶的特點(diǎn)更為明顯，同時(shí)焊縫附近母材金屬組織也發(fā)生不同程度的變化接頭區(qū)域一般為性能薄弱區(qū)熱處理在加熱設(shè)備中使工件達(dá)到規(guī)定溫定，使工件可能發(fā)生內(nèi)部組織的變化工件于加熱爐內(nèi)在規(guī)定溫度下保溫規(guī)定時(shí)間，使工件熱透，或使內(nèi)部發(fā)生組織轉(zhuǎn)變以不同方式或速度冷卻，使工件獲得所需要的組織和性能非成形加工同種材料經(jīng)過不同的熱處理可得到不同的組織根據(jù)不同的使用要求選用不同的熱處理的方法常用熱加工工藝方法特點(diǎn)工藝熱過程成形特點(diǎn)組織性能或鑄造在熔化設(shè)備中熔化金屬爐料（熔11鑄錠宏觀組織示意圖焊接接頭宏觀組織示意圖鑄錠宏觀組織示意圖焊接接頭宏觀組織示意圖12七、熱處理的概念及常用工藝

熱處理是將金屬在固態(tài)下通過加熱、保溫和冷卻過程，改變其內(nèi)部組織，從而獲得所需性能的一種工藝方法。它的特點(diǎn)是：只改變金屬材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，獲得所需性能，盡量避免改變零件的形狀。同樣的材料經(jīng)過不同的熱處理方法，可以得到不同的內(nèi)部組織，因此，熱處理工藝可以最大限度地發(fā)揮材料的潛力。鋼的常用熱處理方法有：退火、正火、淬火和回火。

七、熱處理的概念及常用工藝13常用熱處理方法的工藝曲線示意圖

退火正火淬火回火常用熱處理方法的工藝曲線示意圖退火正火淬火回火141.退火

退火是將金屬制件加熱到高于或低于這種金屬的臨界溫度，經(jīng)保溫一定時(shí)間，隨后在爐中或埋入導(dǎo)熱性較差的介質(zhì)中緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的一種熱處理工藝。退火的目的：

a.

降低硬度，以利于切削加工；

b.

細(xì)化晶粒，改善組織，提高機(jī)械性能；

c.

消除內(nèi)應(yīng)力，為下一道熱處理作好準(zhǔn)備；

d.

提高金屬材料的塑性、韌性，便于進(jìn)行冷沖壓或冷拉拔加工。退火的缺點(diǎn)：占用設(shè)備；生產(chǎn)率低。1.退火152.正火

正火是將金屬制件加熱到高于或低于這種金屬的臨界溫度，經(jīng)保溫一定時(shí)間，隨后在空氣中冷卻，以獲得更細(xì)組織的一種熱處理工藝。正火的作用與退火相似，與退火不同之處是：

a.正火是在空氣中冷卻，冷卻速度快，所獲得的組織更細(xì)。

b.正火后的強(qiáng)度、硬度較退火后的稍高，而塑性、韌性則稍低。

c.不占用設(shè)備；生產(chǎn)率高。2.正火163.淬火

淬火是將金屬制件加熱到這種金屬的臨界溫度以上30～50℃，經(jīng)保溫一定時(shí)間，隨后在水或油中快速冷卻，以獲得高硬度組織的一種熱處理工藝。淬火的目的：提高金屬材料的強(qiáng)度和硬度，增加耐磨性，并在回火后獲得高強(qiáng)度和一定韌性相配合的性能。3.淬火174.回火

回火是把淬火后的金屬制件重新加熱到某一溫度，保溫一段時(shí)間，然后置于空氣或油中冷卻的熱處理工藝。回火的目的：為了消除淬火時(shí)因冷卻過快而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，降低金屬材料的淬性，使它具有一定的韌性。根據(jù)加熱溫度的不同，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。

4.回火18（1）低溫回火：回火溫度為150～250℃。低溫回火能消除一定的內(nèi)應(yīng)力，適當(dāng)?shù)亟档弯摰拇嘈?，提高韌性，同時(shí)工件仍保持高硬度、高耐磨性，應(yīng)用于各種量具和刃具。（2）中溫回火：回火溫度為350～500℃。中溫回火可大大減小鋼的內(nèi)應(yīng)力，提高了彈性、韌性，但硬度有所降低，應(yīng)用于彈簧和熱鍛模等。（3）高溫回火：回火溫度為500～650℃。高溫回火可以消除內(nèi)應(yīng)力，硬度有顯著的下降，可獲得具有強(qiáng)度、塑性、韌性等綜合機(jī)械性能，應(yīng)用于齒輪、連桿、曲軸等。5.調(diào)質(zhì)處理淬火后再經(jīng)高溫回火的熱處理工藝，稱為調(diào)質(zhì)處理。一般要求具有較高綜合機(jī)械性能的重要結(jié)構(gòu)零件，都要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。

（1）低溫回火：回火溫度為150～250℃。低溫回火能19一、金屬的概念二、金屬材料的力學(xué)性能三、金屬的結(jié)晶和組織1.金屬的結(jié)晶過程 2.金屬的組織（1）室溫平衡組織（2）非平衡組織一、金屬的概念20四、鋼鐵的分類和異同鋼和鑄鐵所含的主要合金元素都是鐵和碳，所以也稱鋼和鑄鐵為Fe-C合金，它們的不同點(diǎn)在于含碳量，鋼的含碳量小于2.11%，鑄鐵的含碳量大于2.11%。五、Fe-C合金基本組織1.鐵素體F2.滲碳體Fe3C3.珠光體P（F+

Fe3C）四、鋼鐵的分類和異同21六、鋼鐵的組織和性能1.碳鋼的室溫平衡組織

碳鋼的室溫平衡組織由鐵素體、滲碳體和珠光體三種基本組織組成。隨碳鋼含碳量的不同，基本組織的含量也相應(yīng)發(fā)生變化。碳鋼按室溫組織的不同根據(jù)含碳量可分為三類。

六、鋼鐵的組織和性能22

項(xiàng)目種類含碳量（%）

室溫平衡組織

備注亞共析鋼

＜0.77

鐵素體＋珠光體

隨含碳量的增加，組織中珠光體的量增多。共析鋼

＝0.77

全部是珠光體

過共析鋼

＞0.77

珠光體＋滲碳體

滲碳體分布于珠光體晶粒的周圍（即晶界），在金相顯微鏡下觀察呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故又稱網(wǎng)狀滲碳體。含碳量越高，滲碳體層越厚。滲碳體分布于珠光體晶粒的周圍（即晶界），在金相顯23純鐵亞共析鋼共析鋼過共析鋼純鐵亞共析鋼共析鋼過共析鋼24碳鋼的成分、組織、性能之間的關(guān)系示意圖碳鋼的成分、組織、性能之間的關(guān)系示意圖252.鑄鐵的室溫平衡組織

鑄鐵由于含碳量高，碳的存在形態(tài)發(fā)生了變化。在鋼中碳是以化合態(tài)的Fe3C（滲碳體）存在，而在鑄鐵中碳不僅以化合態(tài)的Fe3C存在，同時(shí)出現(xiàn)了游離態(tài)的石墨。鑄鐵的組織可以認(rèn)為是在鐵素體或珠光體，或鐵素體＋珠光體的基體上分布著不同形態(tài)的石墨。根據(jù)石墨形態(tài)的不同，常用鑄鐵可分為：

灰鑄鐵—石墨以片狀存在

可鍛鑄鐵—石墨以團(tuán)絮狀存在

球墨鑄鐵—石墨以球狀或近似球狀存在2.鑄鐵的室溫平衡組織26可鍛鑄鐵（鐵素體基體）灰鑄鐵（珠光體基體）

球墨鑄鐵（鐵素體＋珠光體基體）可鍛鑄鐵（鐵素體基體）灰鑄鐵（珠光體基體）273.鑄鐵與碳鋼的性能比較

鑄鐵與碳鋼比較（在同一種基體下），由于鑄鐵中石墨的強(qiáng)度和伸長率都極低（σb<20Mpa，δ→0）,而且石墨的存在對基體起割裂作用，所以，鑄鐵的力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性）較差，不如碳鋼，尤以灰鑄鐵（片狀石墨）最差，球墨鑄鐵因球狀石墨的割裂作用最輕，具有較好的力學(xué)性能。鑄鐵具有優(yōu)良的減震性、耐磨性、鑄造性能和切削加工性能，而且生產(chǎn)成本低廉，因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。

3.鑄鐵與碳鋼的性能比較28六、熱加工工藝對碳鋼組織的影響

在材料加工工程中存在著如下關(guān)系：設(shè)備→工藝↘↑↓組織→性能→應(yīng)用原材料→成分↗這個(gè)關(guān)系在實(shí)際生產(chǎn)過程中，表現(xiàn)為設(shè)備、工藝條件等的不同決定了熱過程的非平衡程度的不同，使得金屬結(jié)晶和轉(zhuǎn)變過程不同，最終使金屬材料的組織呈現(xiàn)多樣性，即使同一種金屬材料的組織也可呈現(xiàn)不同的形態(tài)。可見，正是非平衡過程的多樣性，使得工程材料得到不同的組織，具備不同的性能，從而滿足各種使用要求。此外，相同的金屬組織，晶粒越細(xì)小、分布越均勻，其力學(xué)性能越高。六、熱加工工藝對碳鋼組織的影響29工藝熱過程及其特點(diǎn)成形特點(diǎn)組織特點(diǎn)性能或應(yīng)用鑄造在熔化設(shè)備中熔化金屬爐料（熔點(diǎn)以上約100℃），使?jié)M足化學(xué)成分要求的金屬液體具有流動性短時(shí)間保溫靜置，使金屬熔體中氣體、夾雜物上浮在鑄型中較為緩慢地冷卻凝固，獲得鑄件液態(tài)凝固成形非平衡結(jié)晶，一般為粗大的柱狀晶。冷卻速度越大，晶粒越細(xì)小受力不大的形狀復(fù)雜件鍛造在加熱設(shè)備中加熱工件，使其具有良好的塑性，并降低變形抗力在始鍛和終鍛溫度范圍內(nèi)對工件施以沖擊力或壓力，使其發(fā)生塑性變形，并改善內(nèi)部組織在終鍛溫度以下冷卻，得到鍛件固態(tài)塑性變形成形使儔錠原來粗大的晶粒細(xì)化，并沿變形方向呈現(xiàn)方向性的特點(diǎn)，減小甚至消除鑄錠內(nèi)部缺陷受力復(fù)雜的形狀簡單件焊接在空氣或保護(hù)氣氛中高能量加熱，使構(gòu)件連接區(qū)域快速熔化，形成熔池基本沒保溫過程在熔渣或保護(hù)氣氛保護(hù)下快速冷卻凝固，形成焊縫，焊縫以及附近母材冷卻速度很不均勻不可拆卸的連接成形非平衡結(jié)晶特點(diǎn)更為明顯，使得焊縫組織的柱狀晶的特點(diǎn)更為明顯，同時(shí)焊縫附近母材金屬組織也發(fā)生不同程度的變化接頭區(qū)域一般為性能薄弱區(qū)熱處理在加熱設(shè)備中使工件達(dá)到規(guī)定溫定，使工件可能發(fā)生內(nèi)部組織的變化工件于加熱爐內(nèi)在規(guī)定溫度下保溫規(guī)定時(shí)間，使工件熱透，或使內(nèi)部發(fā)生組織轉(zhuǎn)變以不同方式或速度冷卻，使工件獲得所需要的組織和性能非成形加工同種材料經(jīng)過不同的熱處理可得到不同的組織根據(jù)不同的使用要求選用不同的熱處理的方法常用熱加工工藝方法特點(diǎn)工藝熱過程成形特點(diǎn)組織性能或鑄造在熔化設(shè)備中熔化金屬爐料（熔30鑄錠宏觀組織示意圖焊接接頭宏觀組織示意圖鑄錠宏觀組織示意圖焊接接頭宏觀組織示意圖31七、熱處理的概念及常用工藝

熱處理是將金屬在固態(tài)下通過加熱、保溫和冷卻過程，改變其內(nèi)部組織，從而獲得所需性能的一種工藝方法。它的特點(diǎn)是：只改變金屬材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，獲得所需性能，盡量避免改變零件的形狀。同樣的材料經(jīng)過不同的熱處理方法，可以得到不同的內(nèi)部組織，因此，熱處理工藝可以最大限度地發(fā)揮材料的潛力。鋼的常用熱處理方法有：退火、正火、淬火和回火。

七、熱處理的概念及常用工藝32常用熱處理方法的工藝曲線示意圖

退火正火淬火回火常用熱處理方法的工藝曲線示意圖退火正火淬火回火331.退火

退火是將金屬制件加熱到高于或低于這種金屬的臨界溫度，經(jīng)保溫一定時(shí)間，隨后在爐中或埋入導(dǎo)熱性較差的介質(zhì)中緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的一種熱處理工藝。退火的目的：

a.

降低硬度，以利于切削加工；

b.

細(xì)化晶粒，改善組織，提高機(jī)械性能；

c.

消除內(nèi)應(yīng)力，為下一道熱處理作好準(zhǔn)備；

d.

提高金屬材料的塑性、韌性，便于進(jìn)行冷沖壓或冷拉拔加工。退火的缺點(diǎn)：占用設(shè)備；生產(chǎn)率低。1.退火342.正火

正火是將金屬制件加熱到高于或低于這種金屬的臨界溫度，經(jīng)保溫一定時(shí)間，隨后在空氣中冷卻，以獲得更細(xì)組織的一種熱處理工藝。正火的作用與退火相似，與退火不同之處是：