金屬材料及熱處理簡介

第1章工程材料及熱處理

1.1金屬材料的性能

1.1.1力學性能：材料在外加載荷作用下所表現(xiàn)出的特性。

1.強度(包括疲勞強度)：指材料在靜載荷(外力)作用下抵抗變形和斷裂的能力。σb=Fb/Ao

2.硬度(布氏硬度HBS、HBW和洛氏硬度HRC)：指材料抵抗局部變形，尤其是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。HBS=F/A

3.塑性：指金屬發(fā)生永久變形但不破壞的能力.δ=(l1-l0)/l0

4.韌性(沖擊韌度)：指材料在沖擊載荷作用下，抵抗破壞的能力。ak=Ak/A(材料斷裂前所能吸收的變形能量)

1.1.2工藝性能：是指金屬材料所具有的能夠適應各種加工工藝要求的能力。

1.鑄造性能；2.鍛造性能；3.焊接性能；4.切削加工性能；

5.熱處理性能。

1.1.3物理性能：密度、熔點、導電導熱性、熱膨脹性和磁性等。

1.1.4化學性能：耐腐蝕性和抗氧化性等。1-1晶胞是一個立方體，立方體的八個頂角和立方體中心各有一個原子。——常見有鉻、鎢、鉬、釩和α-Fe等。常見的金屬晶格類型：體心立方晶格、

面心立方晶格、密排六方晶格。

1.體心立方晶格：1-2

晶胞是一個立方體，立方體的八個頂角和六個面中心各有一個原子?！Ｒ娪袖X、銅、鎳、銀和γ-Fe等。

2.面心立方晶格

：1-3

晶胞是一個正六棱柱體，在柱體的各個角和上下底面中央各有一個原子，在頂面和底面的中間還有三個原子?！Ｒ娪墟V、鋅、鈹?shù)取?/p>

3.密排六方晶格：1-4金屬的同素異晶（構）轉變：

在固態(tài)下，隨溫度的變化，其晶格類型會發(fā)生轉變，這種現(xiàn)象稱為金屬的同素異晶（構）轉變。金屬的同素異晶轉變是通過原子的重新排列來完成的，實質上是一個重結晶過程。純鐵的同素異晶（構）轉變可用下式表示：1-51-6一、鐵碳合金的基本組織

鐵碳合金：Fe+CFe+Fe3C（鋼鐵材料）合金—兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬和非金屬元素熔合在一起，構成具有金屬特性的物質，稱為合金。機械中大量使用合金的原因：1.合金比純金屬強度、硬度高，且成本低。2.可以改變合金的成分和進行不同的熱處理。在很大的范圍內調節(jié)其性能。鐵碳合金的五種基本組織：1-7

鐵素體是碳溶于α-Fe中所形成的間隙固溶體，體心立方晶格。其強度和硬度很低，塑性、韌性好。一、鐵碳合金的基本組織

1、鐵素體（F）

2、奧氏體（A）

奧氏體是碳溶于γ-Fe中所形成的間隙固溶體，面心立方晶格。其強度和硬度比鐵素體高，塑性、韌性也好。1-81-9

滲碳體是鐵與碳形成的金屬化合物，碳含量是6.69％，具有復雜的晶體結構。其硬度很高，塑性和韌性很差，脆性很大。鐵碳合金的基本組織

3、滲碳體（Fe3C）

4、珠光體（P）

(F+Fe3C)

奧珠光體是由鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。性能介于鐵素體和滲碳體之間，強度較高，硬度適中，有一定的塑性。5、萊氏體（Ld或Ld′）(A+Fe3C或P+Fe3C)

727℃以上，高溫萊氏體Ld是由奧氏體和滲碳體組成的機械混合物；727℃以下，低溫萊氏體Ld′是由珠光體和滲碳體組成的機械混合物。萊氏體的平均碳含量4.3%。性能與滲碳體相似，硬度高，塑性和韌性很差。1-101-11目前應用的鐵碳合金狀態(tài)圖是含碳量為0～6.69%的鐵碳合金部分（即Fe－Fe3C部分），因為含碳量大于6.69％的鐵碳合金在工業(yè)上無使用價值。右圖為簡化后的Fe－Fe3C狀態(tài)圖。

鐵碳合金狀態(tài)圖分析

1-121-131-141-151、鐵碳合金的分類

1-161-172、含碳量與材料力學性能間的關系

強度：當Wc<0.9％時，隨著Wc增加，不斷提高；當Wc>0.9％時，由于滲碳體在晶界呈網(wǎng)狀分布，使鋼的強度下降。硬度：隨Wc的增加而提高。

塑性：隨Wc的增加而迅速降低。

沖擊韌性：隨Wc的增加而迅速降低。

故工業(yè)用鋼一般Wc<1.4％1-18

1.3鋼的熱處理

1-19概述：

1.鋼的熱處理定義：就是將鋼在固態(tài)下，通過加熱、保溫和冷卻，以改變鋼的組織，從而獲得所需性能的工藝方法。保溫臨界溫度冷卻時間加熱溫度2.基本過程(三步曲)為：加熱---保溫---冷卻3.熱處理作用：(1)最終熱處理：a.提高強度和硬度，增加零件耐磨性，延長零件使用壽命；b.獲得零件所要求的使用性能。(2)預備熱處理：a.消除內應力；b.調整硬度和塑性，改善切削加工性；c.為最終熱處理作組織準備等。1-20

4.常用熱處理的分類：

1).整體(普通)熱處理：（1）退火與正火；

（2）淬火與回火。

2).表面熱處理：表面淬火.

3).化學熱處理：（1）滲碳與滲氮；

（2）碳滲共氮。

5.熱處理加熱的目的：

加熱后得到全部或大部分

細小的奧氏體(A)組織(晶粒)。

6.熱處理工藝的關鍵：

控制好加熱溫度、保溫時間

和冷卻速度。

7.冷卻介質：

爐冷、空冷、油冷和水冷。

從左到右冷卻速度越來越大。1-21

退火:就是將工件加熱到適當溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。

退火主要用于:鑄、鍛、焊毛坯或半成品零件。一、鋼的退火與正火

退火的目的：1.降低鋼的硬度，提高塑性，改善其切削加工性能；2.均勻鋼的成分，細化晶粒，改善組織與性能；3.消除工件的內應力，防止變形與開裂；4.為最終熱處理作準備。1-22

1、完全退火

將鋼完全奧氏體化后緩慢冷卻，獲得接近平衡組織的退火工藝。目的:(1).降低鋼的硬度、以利于切削加工；(2).消除應力，穩(wěn)定尺寸，防止變形和開裂；(3).細化晶粒，改善組織，為最終熱處理作組織準備。加熱溫度：Ac3以上30～50℃。應用范圍：亞共析碳鋼和合金鋼的鑄件、鍛件、焊接件及熱軋型材等。過共析鋼不宜采用完全退火。1-23退火與正火、淬火溫度范圍比較：

1-242、球化退火

使鋼中的碳化物球狀化而進行的退火工藝。目的：使網(wǎng)狀Fe3CⅡ或片狀滲碳體轉變?yōu)榍驙顫B碳體，降低硬度，便于切削加工，為淬火作好組織準備。加熱溫度：Ac1以上20～40℃。應用范圍：共析鋼、過共析鋼和合金工具鋼、軸承鋼等的鍛軋件。對網(wǎng)狀Fe3CⅡ比較嚴重的鋼，在球化退火前先進行一次正火處理。1-253、去應力退火

將鋼加熱到Ac1以下，保溫一定時間，然后隨爐冷卻的退火工藝。目的：消除工件的內應力，穩(wěn)定尺寸，減少變形。加熱溫度：Ac1以下溫度，一般500～650℃。應用范圍：鑄件、鍛件、焊件、切削加工件等。去應力退火因加熱溫度低于A1，故不發(fā)生組織轉變，只消除內應力。1-26退火與正火、淬火溫度范圍比較：

1-274、鋼的正火

方法：將亞共析鋼加熱到Ac3以上30～50℃，過共析鋼加熱到Accm以上30～50℃，保溫后空冷。

用途：正火主要用于以下方面:

1)對低碳鋼和低碳合金鋼盡量以正火代退火，可提高硬度(140～190HBS)，改善切削加工；

2)可作為普通結構鋼的最終熱處理；

3)對淬火有開裂危險的零件，正火可作為最終熱處理。

1-28退火與正火、淬火溫度范圍比較：

1-29

二、鋼的淬火：

1.定義：將鋼加熱到Ac3或Ac1以上30～50℃，保溫后在介質中快速冷卻，以獲得馬氏體組織的熱處理工藝。

2.目的：

提高硬度,強化工件。3.加熱溫度

鋼的含碳量是決定其淬火加熱溫度的主要因素(見左圖)。

1-304.冷卻介質

鋼淬火的目的是為了獲得高硬度的馬氏體，但又要減少工件變形和防止工件開裂.生產上常用的冷卻介質有水、礦物油、鹽水、堿水等。1-31三、鋼的回火

回火是將淬硬后的工件加熱到Ac1點以下某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。是緊接淬火之后的熱處理工序。

目的：1.獲得工件所需要的力學性能；2.消除或減少內應力，降低鋼的脆性，防止變形和開裂；3.穩(wěn)定工件組織和尺寸，保證精度。

1-321、回火方法：1）低溫回火：加熱溫度在150～250℃內進行的回火。目的：保持淬火工件高硬度和高耐磨性，降低淬火殘留應力和脆性。力學性能：58～64HRC，高的硬度和耐磨性。應用范圍：各種刃具、量具、模具、滾動軸承、滲碳及表面淬火等要求硬而耐磨的零件。1-332）中溫回火：加熱溫度在350～500℃之間進行的回火。目的：使工件獲得較高的彈性和強度，適當?shù)捻g性和硬度。力學性能：硬度35～50HRC，較高的彈性極限、屈服強度和一定的韌性。應用范圍：各種彈性元件及熱鍛模等。1-34

3）高溫回火：又稱調質處理（淬火+高溫回火）。加熱溫度在500℃～650℃之間進行的回火。目的：使工件獲得強度、塑性和韌性都較好的綜合力學性能。力學性能：硬度200～350HBS，或25～35HRC，具有較好的綜合力學性能。應用范圍：各種較重要的受力結構件；如強度和韌性性能都好的軸、齒輪等常用調質處理。1-35四、鋼的表面熱處理與化學熱處理

1、鋼的表面熱處理

表面熱處理是只對工件表層進行熱處理以改變其組織和性能的熱處理工藝。常用的方法是表面淬火。表面淬火是僅對工件表層進行淬火的熱處理工藝。表面淬火不改變零件表層的化學成分，只改變表層的組織，并且心部仍保留原來退火、正火或調質狀態(tài)的組織。

目的：是使工件表層具有高硬度、耐磨性，而心部具有足夠的強度和韌性，如齒輪、主軸、曲軸和凸輪軸等。工業(yè)上常用的表面淬火方法有火焰淬火和感應淬火。1-361）感應淬火

感應淬火是指利用感應電流通過工件所產生的熱效應，使工件表層、局部或整體加熱，并快速冷卻的淬火工藝。1-372）火焰表面淬火

火焰表面淬火是應用氧－乙炔（或其它可燃氣體）火焰，對零件表面加熱，然后快速冷卻的淬火，淬硬層深度一般為2～6mm。

1-382、鋼的化學熱處理簡介

化學熱處理是將工件放入一定溫度的活性介質中加熱并保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學成分、組