金屬材料與熱處理

金屬材料知識培訓－金屬材料和熱處理2011－11－16金屬材料知識培訓：金屬材料和熱處理金屬材料測試和分析方法金屬材料的失效分析一.金屬材料基本知識內容結構：工程材料的分類金屬材料的性能金屬的結構鋼鐵的熱處理金屬材料常見加工工藝

工程材料的分類

金屬材料的性能1.金屬的物理性能和化學性能物理性能：密度、熔點、熱膨脹性、導熱性、導電性、磁性等。化學性能：指在化學作用下表現(xiàn)出的性能，包括耐腐蝕性和抗氧化性。2.金屬的工藝性能---指金屬材料是否易于加工成形的性能。（1）鑄造性---影響因素：流動性、收縮率、偏析傾向等（2）鍛造性和沖壓成型性---指能夠承受大的塑性變形而不開裂的性能。如沖壓成型性的指標是r值、n值。（3）焊接性---影響因素：導熱性、收縮性、碳當量等。（4）切削加工性---影響因素：硬度、導熱性、金屬內部結構、加工硬化等。

金屬材料的性能3.金屬的力學性能---指金屬在外加載荷或聯(lián)合環(huán)境因素作用下所表現(xiàn)的力學行為，通常表現(xiàn)為金屬的變形和斷裂。金屬材料的常規(guī)力學性能：（1）強度---材料抵抗變形和斷裂的能力，如彈性極限、抗拉強度、屈服強度等。（2）硬度---材料抵抗其他更硬物體壓入其表面的能力，如維氏硬度、洛氏硬度、布氏硬度等。（3）塑性---材料能夠變形而不被破壞的能力，如拉伸時的斷后伸長率和斷面收縮率。（4）韌性---材料在變形和斷裂過程中吸收能量的能力，可分為靜力韌性、沖擊韌性和斷裂韌性。

金屬材料的性能金屬材料的其他力學性能：（1）疲勞強度疲勞的概念：在循環(huán)交變載荷下，雖然材料所受的力低于屈服點，但經(jīng)過較長時間后，材料產(chǎn)生裂紋或突然斷裂的過程叫疲勞。疲勞極限：一般規(guī)定材料能承受10^7周次循環(huán)交變載荷后而不斷裂的最大應力稱為疲勞極限。（2）耐磨性---材料抵抗被磨損消耗的能力。常見的磨損形式有：粘著磨損、磨粒磨損、接觸疲勞磨損、微動磨損等。

金屬的結構1.金屬的晶體類型（1）體心立方（2）面心立方（3）密排六方

金屬的結構2.金屬的晶體缺陷（1）點缺陷（2）線缺陷(位錯)（3）面缺陷

金屬的結構3.金屬的塑性變形金屬的塑性變形實質上是金屬晶體位錯的運動。(1)位錯的運動刃位錯的運動螺位錯的運動(2)阻礙位錯運動的方式---金屬材料強化的機理：(a)外來原子的阻礙---固溶強化(b)金屬基體上的細小析出物阻礙位錯運動---析出強化(c)過多的位錯互相交織，互相阻礙運動---位錯/組織強化(d)晶界阻礙位錯運動---細晶強化

金屬的結構4.鋼鐵金相組織

金屬的結構鋼鐵金相組織鐵素體（C%<0.05%)鐵素體+滲碳體（C%:~0.15%)鐵素體+珠光體（C%:~0.45%)珠光體+滲碳體（C%:>0.77-2.11%)珠光體（C%:0.77%)珠光體+滲碳體+萊氏體（C%:>2.11-4.3%)

金屬的結構鋼鐵金相組織萊氏體（C%:~4.3%)滲碳體+萊氏體（C%:>4.3%)

鋼鐵的熱處理1.鋼的加熱轉變(1)奧氏體化奧氏體形核奧氏體晶核長大殘余滲碳體的溶解奧氏體均勻化(2)奧氏體晶粒的長大：加熱溫度越高，保溫時間越長，奧氏體的晶粒越大。

鋼鐵的熱處理2.鋼的冷卻轉變---冷卻過程是鋼熱處理的關鍵，它決定著鋼在冷卻后的組織和性能。奧氏體的兩類冷卻方法：等溫冷卻和連續(xù)冷卻。(1)等溫冷卻TTT圖A－奧氏體P－珠光體B－貝氏體M－馬氏體A1虛線－鋼的臨界點Ms水平線－馬氏體轉變開始溫度Mf水平線－馬氏體轉變終結溫度

鋼鐵的熱處理(2)連續(xù)冷卻TTT圖與等溫冷卻TTT圖的不同點：(a)只有珠光體和馬氏體轉變區(qū)，無貝氏體轉變區(qū)。(b)多了一條過冷奧氏體轉變中止線（珠光體轉變區(qū)開始線和終了線下面的連線）。(c)

Ms線和臨界冷卻速度Vc線以下為馬氏體轉變區(qū)。

鋼鐵的熱處理3.退火與正火(1)退火：將鋼加熱至一定溫度，保溫一定時間，隨后緩冷（一般為隨爐冷卻）至室溫，以獲得接近平衡狀態(tài)的組織。退火目的:(a)降低硬度，提高塑性，以利于加工。

(b)細化晶粒，均勻組織與成分，為以后熱處理做準備。

(c)消除殘余應力，防止變形和開裂。退火類型:(a)完全退火---加熱至完全奧氏體化，隨后緩冷。

(b)球化退火---使鋼中碳化物呈球狀小顆粒形態(tài)化。

(c)去應力退火---消除殘余應力。

(d)均勻化退火(擴散退火)---消除成分偏析。

鋼鐵的熱處理(2)正火：將鋼加熱至加熱至完全奧氏體化，隨后在空氣中冷卻至室溫，以獲得接近平衡狀態(tài)的組織。正火實質上是退火的特例，只是正火的冷卻速度較快，因此金相組織較細密，強度與硬度較高一些。正火目的:基本與退火相同，另外還可細化晶粒，提高一些硬度。

球狀珠光體組織（500X）

鋼鐵的熱處理4.淬火淬火是將鋼加熱至奧氏體化，保溫一定時間，隨后快速冷卻至室溫，以獲得馬氏體組織。淬火目的:提高強度、硬度、耐磨性、彈性和韌性，以強化材料。淬火類型:(a)單液淬火(b)雙介質淬火(c)馬氏體分級淬火(d)貝氏體等溫淬火

鋼鐵的熱處理5.回火回火是在鋼淬火之后，再加熱至一定溫度（未奧氏體化），保溫一定時間，隨后冷卻至室溫。由于淬火后的鋼硬而脆，而且有很大內應力，容易變形開裂，因此淬火后的鋼必須經(jīng)過回火才能使用?；鼗鹉康?(a)調整硬度強度，提高韌性；(b)消除淬火后的內應力；

(c)穩(wěn)定組織和尺寸。回火類型:(a)低溫回火(<250C)，得到回火馬氏體組織。

(b)中溫回火(350-500C)，得到回火托氏體組織。

(c)高溫回火(>500C，淬火+高溫回火稱為調質處理)，得到回火索氏體組織。

鋼鐵的熱處理6.表面熱處理許多零件（齒輪、活塞、曲軸等）是在沖擊載荷及表面摩擦條件下工作的。這類零件表面需要較高的硬度和耐磨性，而心部需要有足夠的韌性和塑性。表面熱處理可以做到這一點。（1）表面滲層滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲鉻、滲硼等（2）表面淬火火焰加熱式、激光加熱式、感應加熱式等

鋼鐵的熱處理滲碳

鋼鐵的熱處理表面感應淬火

鋼鐵的熱處理6.常見熱處理金相圖片球狀珠光體（0.18%C球化退火后）板條馬氏體（低碳鋼淬火后）

鋼鐵的熱處理常見熱處理金相圖片針狀馬氏體（中、高碳鋼淬火后）上貝氏體

鋼鐵的熱處理常見熱處理金相圖片粒狀貝氏體下貝氏體

鋼鐵的熱處理常見熱處理金相圖片回火托氏體（中溫回火）回火馬氏體（低溫回火）

鋼鐵的熱處理常見熱處理金相圖片回火索氏體（高溫回火）

鋼鐵的熱處理常見熱處理金相圖片SAE1012鋼滲碳45#鋼表面感應淬火

金屬材料常見加工工藝1.熱加工工藝(1)鑄造將液態(tài)金屬澆入與零件形狀相適應的模腔中，待其冷卻凝固后獲得毛坯或零件的成型方法。鑄造分為砂型鑄造和特種鑄造。(2)鍛造將金屬加熱使其軟化，然后利用加壓設備及工、模具作用使金屬產(chǎn)生塑性變形，以獲得所需形狀的毛坯或零件。鍛造分為自由鍛造和模型鍛造。

金屬材料常見加工工藝(3)焊接金屬焊接是指通過加熱或加壓（或兩者并用）使兩個分離的金屬物體產(chǎn)生原子或分子間的結合而連接成一體的工藝方法。焊接可分為熔焊（如電弧焊、氣焊等）、壓焊（如電阻焊等）和釬焊（如錫釬焊、銅釬焊等）。(4)熱切割通過加熱使金屬局部熔化從而把一個金屬物體分離成若干部分的加工方法。常見熱切割方法包括電火花切割、激光切割、等離子切割、火焰氣割等。

金屬材料常見加工工藝1.冷加工工藝(1)冷鍛在常溫下利用加壓設備及工、模具作用使金屬產(chǎn)生塑性變形，以獲得所需形狀的毛坯或零件。冷鍛所用的金屬材料必須具有良