金屬工藝學(xué)第一篇金屬材料的基礎(chǔ)知識(shí)下課件

五鐵碳合金狀態(tài)圖組織轉(zhuǎn)變及應(yīng)用1、分析自液態(tài)冷卻至室溫時(shí)合金的組織轉(zhuǎn)變過(guò)程及室

室溫組織:P

FAF＋AA+AA1）共析鋼（T8鋼）

1點(diǎn)以上L1～2L＋A2～3A

3點(diǎn)A→P3點(diǎn)以下PA共析鋼的結(jié)晶過(guò)程3）過(guò)共析鋼（T10)

室溫組織：P+Fe3C（網(wǎng)狀）過(guò)共析鋼的結(jié)晶過(guò)程AAAAAAFAF

1點(diǎn)以上L1~2L+A2~3A3~4A+Fe3CII4點(diǎn)A→P4點(diǎn)以下P+Fe3CII4）亞共晶白口生鐵AAAAAAAALeLe’Le1點(diǎn)以上L1~2A+L2點(diǎn)共晶反應(yīng)2~3A+Fe3CII+Ld3點(diǎn)共析反應(yīng)3點(diǎn)以下P+Fe3CII+Ld’

注明：Fe3CII—二次滲碳體Ld—高溫萊氏體Ld’—低溫萊氏體室溫組織P+Fe3CII+Ld’

鋼和白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程分析

典型鐵碳合金在相圖中的位置231LAAL+P1LAAL+A+P+F432F41LL+A+P+Fe3C23AAFe3C1L2LeLe’1LA+L+LeP+Fe3C+Le’A+Le+32AFe3C31L2L+Fe3CFe3C+Fe3C+Le’Le1．鋼2．生鐵

共析鋼:亞共析鋼:

過(guò)共析鋼:

共晶生鐵:亞共晶生鐵:過(guò)共晶生鐵:鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程及組織轉(zhuǎn)變過(guò)程總結(jié)復(fù)習(xí)題

1.說(shuō)明晶粒粗細(xì)對(duì)力學(xué)性能的影響2.何謂鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變，并用反應(yīng)式和冷卻結(jié)晶曲線分別描述3.說(shuō)明F、A、Fe3C、P的名稱、含碳量、晶體類型及力學(xué)性能特征4.依Fe-C狀態(tài)圖分析緩慢冷卻條件下45鋼和T10鋼的結(jié)晶過(guò)程與室溫組織。

熱處理工藝的包括加熱、保溫、和冷卻三個(gè)基本階段

由于各種熱處理時(shí)起作用的主要因素是溫度和時(shí)間，所以各種熱處理都用溫度—時(shí)間坐標(biāo)圖的曲線來(lái)表示——熱處理工藝曲線。臨界溫度

保溫冷卻加熱時(shí)間溫度

2.鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

為了在熱處理后獲得所需的性能，大多數(shù)工藝（淬火、正火、退火）都要將鋼加熱到臨界溫度以上，獲得全部或部分奧氏體組織，并使其成分均勻化，即進(jìn)行奧氏體化——組織轉(zhuǎn)變,再以不同的冷卻方式或速度轉(zhuǎn)變成所需要的組織,已獲得預(yù)期的性能。

①轉(zhuǎn)變溫度C%在加熱（冷卻）時(shí)Fe—Fe3C狀態(tài)圖中各臨界點(diǎn)的位置

根據(jù)相圖，共析鋼加熱PSK線（A1）以上時(shí)，完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；而亞共析鋼和過(guò)共析鋼必須加熱到GS線（A3）和ES線（Acm)以上才能全部獲得奧氏體。

鐵碳合金狀態(tài)圖中的組織轉(zhuǎn)變的臨界溫度是A1、A3、Acm

。實(shí)際加熱時(shí)臨界溫度的位置用Ac1、Ac3、Accm表示；實(shí)際冷卻時(shí)的位置Ar1、Ar3、Arcm表示。???

亞共析鋼A化過(guò)程3.鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

室溫時(shí)鋼的力學(xué)性能，不僅與加熱、保溫后所獲得的奧氏體晶粒大小等有關(guān)，而且決定于奧氏體經(jīng)冷卻轉(zhuǎn)變后所獲得的組織，而冷卻方式和冷卻速度對(duì)奧氏體的組織轉(zhuǎn)變有直接的關(guān)系。

冷卻方式通常有兩種：

連續(xù)冷卻——使加熱到奧氏體的鋼，在溫度連續(xù)下降的過(guò)程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。如在熱處理生產(chǎn)上經(jīng)常使用的，在水中、油中或空氣中冷卻等都是連續(xù)冷卻方式。

等溫冷卻——使加熱到奧氏體的鋼，先以較快的冷卻速度冷到A1線以下的一定的溫度，這時(shí)奧氏體尚未轉(zhuǎn)變，但成為過(guò)冷奧氏體。然后進(jìn)行保溫，使奧氏體等溫下發(fā)生轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變完成后再冷卻到室溫。如等溫退火屬于等溫冷卻方式。等溫轉(zhuǎn)變：是指進(jìn)行一系列不同過(guò)冷度的等溫冷卻實(shí)驗(yàn)，可以測(cè)出過(guò)冷奧氏體保溫過(guò)程中開始轉(zhuǎn)變時(shí)間和轉(zhuǎn)變終了時(shí)間,標(biāo)注在溫度—時(shí)間坐標(biāo)系中，然后將開始轉(zhuǎn)變時(shí)間和轉(zhuǎn)變終了時(shí)間分別連接起來(lái)，這種曲線類似英文字母“C”又稱“C”曲線。

共析鋼奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線共析鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線

共析鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線①珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（F+Fe3C）在Ar1—550℃之間等溫轉(zhuǎn)變成片層狀珠光體產(chǎn)物。珠光體（P)）Ar1—650℃粗片層索氏體（S)650℃—600℃細(xì)片托氏體（T）600℃—550℃極細(xì)片都是由鐵素體和滲碳體的片層所組成的機(jī)械混合物。②貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)

中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（B）

在550℃—230℃（MS）之間的等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為貝氏體。

550℃—350℃

上貝氏體

350℃—230℃

下貝氏體由含碳過(guò)量的鐵素體和微小的滲碳體混合而成。比珠光體的硬度更高。

③馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（M）

共析鋼奧氏體過(guò)冷到230℃（MS）以下轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體。

它實(shí)質(zhì)上C在-Fe中的過(guò)飽和固溶體。

4、鋼的退火和正火

1）退火

將鋼件加熱，保溫至奧氏體化后隨爐或埋入石灰中使其冷卻(緩慢)的熱處理工藝。目的

細(xì)化晶粒，提高塑性和韌性；降低表層硬度，利于切削加工；消除內(nèi)應(yīng)力。主要應(yīng)用于鑄鋼件、鍛件、焊件等多種毛坯加工前的預(yù)備熱處理。應(yīng)用

退火按其鋼種的應(yīng)用不同，分為完全退火、球化退火和低溫退火三種不同工藝

●完全退火加熱溫度：Ac3+30~50℃，

完全奧氏體化；冷卻：爐冷至500℃后開爐空冷

緩慢冷卻。應(yīng)用：亞共析鋼的鑄鋼件、鍛、焊件。

。

球化退火應(yīng)用：過(guò)共析鋼（刀具、刃具）作用：降低硬度，利于切削加工，并為進(jìn)一步淬火做準(zhǔn)備。組織變化特征：加熱溫度：Ac1+20~30℃；冷卻：隨爐緩慢冷卻；●低溫退火(去應(yīng)力退火)

加熱溫度：500~650℃以下(<Ac1)冷卻：保溫后隨爐緩慢冷卻；作用：消除熱應(yīng)力。對(duì)冷拔、冷拉、沖壓件則消除加工硬化，以利于進(jìn)一步變形。2）正火

正火是將鋼加熱到Ac3(亞共析鋼）或Accm（過(guò)共析鋼）以上30~50oC，保溫后從爐內(nèi)取出，空冷的熱處理方工藝。

正火主要應(yīng)用在以下方面：

☆用于普通結(jié)構(gòu)件最終熱處理；

☆取代部分完全退火(低碳鋼)

☆用于過(guò)共析鋼?？梢种坪拖W(wǎng)狀二次滲碳體的形成完全奧氏體化，加熱，保溫過(guò)程和目的同退火，只是放到空氣中冷卻，比退火冷卻稍快，珠光體中的Fe3C片層薄，性能與退火相近。

溫度

時(shí)間

幾種退火和正火的工藝曲線3）淬火加熱溫度：

亞共析鋼：t=Ac3+30~50℃過(guò)共析鋼：t=Ac1+30~50℃冷卻條件：速冷（油或水中，水中冷卻更快)

組織變化特征

1）晶格轉(zhuǎn)變：γ-Fe(面心）→α-Fe（體心）

2）速冷下，原A中的過(guò)飽和碳難以向外擴(kuò)散，

形成了碳在α-Fe中的過(guò)飽和固溶體。這類固溶體即稱馬氏體。以符號(hào)“M”表示。

“M”的特性

1）因碳嚴(yán)重過(guò)飽和，晶格畸變，大大增加了變形抗力，故馬氏體通常具有很高的硬度和耐磨性，但突顯脆性，易開裂。

2）M相變伴隨有體積膨脹，出現(xiàn)淬火內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)生淬火變形。工藝上采取措施

1）嚴(yán)格控制淬火溫度2）合理選擇淬火介質(zhì)3）正確選擇淬火方法4）回火

淬火鋼因突顯脆性，一般都要重新加熱才能使用，其淬火后重新加熱（Ac1以下）、保溫并冷卻至室溫的熱處理工藝稱為回火。

回火意義

淬火后因“M”為不穩(wěn)定組織，重新加熱時(shí)，碳原子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，將以Fe3C形式析出，致使σb、HRC降低，δ%、αk提高。

回火分類

按淬火后重新加熱溫度不同，可分為三類：1）低溫回火（250℃以下——150~250℃）

目的：減小內(nèi)應(yīng)力，降低脆性，保持良好的原淬火硬度（56~64HRC）和高的耐磨性。

應(yīng)用：工具、刃具、模具及其它耐磨件

2）中溫回火（250~500℃）

目的：獲得高彈性，保持表面較高硬度

（35~50HRC），獲得一定的韌性。

應(yīng)用：彈簧、發(fā)條、鍛模板。

3）高溫回火（500以上——500~650℃）

目的：獲得高強(qiáng)度，高塑性和高的沖擊韌性，即良好的綜合力學(xué)性能。

應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于承受疲勞載荷的中碳鋼重要件，如連桿、主軸、齒輪、重力螺釘?shù)取Ｓ捕?/p>

20~35HRC。

淬火后高溫回火也稱為

調(diào)質(zhì)熱處理。中碳鋼（0.4％～0.6％C）亦稱

為調(diào)質(zhì)鋼。

4、表面淬火和化學(xué)熱處理

1）表面淬火

鋼件表層淬火到一定深度，心部仍保持未淬火狀態(tài)的一種局部淬火方法。

工藝

鋼件表層快速加熱到淬火溫度（Ac3+30~50℃），當(dāng)高溫來(lái)不及傳遞到心部而立即噴水冷卻，實(shí)現(xiàn)表層局部淬火。

表面火焰淬火快速加熱方法：電感應(yīng)，火焰，激光等。

目的

獲得表層高硬度、高耐磨性，心部仍保持淬火以前的良好韌性。

應(yīng)用

機(jī)床主軸、階梯軸、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、齒輪的齒形表層等

表面電感應(yīng)淬火

2）化學(xué)熱處理

工件置于化學(xué)介質(zhì)中，并通過(guò)加熱、保溫，通過(guò)原子擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，改變其表層的化學(xué)成分和組織，達(dá)到工件表層改性的目的。常用工藝：滲碳、滲氮、碳氮共滲等。

滲碳

低碳鋼工件進(jìn)入密閉滲碳爐中，通入煤油（氣體滲碳）。加熱：900～950℃，保溫，使表層達(dá)到1%C，淬火后再低溫回火，可達(dá)56～64HRC，如汽車變速箱齒輪、車橋齒輪、活塞銷等。

熱處理在模具制造中的綜合應(yīng)用第四章工業(yè)用鋼簡(jiǎn)介按化學(xué)成分分為：

非合金鋼（碳素鋼）、低合金鋼

合金鋼

一、碳素鋼——碳鋼

碳對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響1、化學(xué)成分對(duì)碳鋼性能的影響

碳素鋼的含碳量在1.5%以下，其中還含有少量的Si、Mn、P、S等雜質(zhì)，碳是碳素鋼中最重要的成分，其含量對(duì)碳素鋼的組織和性能影響極大，鋼中含碳量愈多，則珠光體和滲碳體愈多，因而硬度愈高，塑性愈低，當(dāng)含碳量超過(guò)共析成分時(shí)，因出現(xiàn)了網(wǎng)狀Fe3CⅡ,強(qiáng)度反而降低。冷脆——磷在鐵中會(huì)形成固溶體，可使鋼的強(qiáng)度和硬度有所增加，但使塑性和韌性顯著降低，特別在低溫時(shí)鋼的脆性急劇增加，這種現(xiàn)象叫冷脆。熱脆——硫和鐵化合成FeS,FeS又與鐵形成熔點(diǎn)僅為985oC的共晶體（Fe+FeS），沿晶界分布。當(dāng)鋼的含硫量較多，在800oC~1200oC

進(jìn)行壓力加工時(shí)由于共晶體熔化，會(huì)使鋼的各個(gè)晶體分離，從而引起鋼的破裂。

由于磷、硫是鋼中的有害雜質(zhì)，按質(zhì)量分類時(shí)要規(guī)定鋼中的磷、硫含量。

在普通鋼中允許含磷量≤0.045%，含硫量

≤0.055%。在優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼中含磷量≤0.035%，含硫量≤0.035%；在工具鋼中磷、硫含量分別≤0.035%在高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼中磷、硫的含量分別≤0.03%。

2.碳素鋼的牌號(hào)和用途（1）碳素鋼結(jié)構(gòu)鋼（Wc＜0.38%)

牌號(hào)：Q215-A，Q235-A，Q255-A

數(shù)字表示板厚小于16mm的最低屈服點(diǎn)；

A、B、C、D表示鋼的質(zhì)量等級(jí)，

A、B為普通級(jí)；C、D表示硫、磷含量低的優(yōu)等鋼。Q235為低碳鋼，應(yīng)用最廣。用途見P31表1-5。（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

（S、P＜0.035%）

用來(lái)制造比較重要的零件，一般都要進(jìn)行熱處理以提高其力學(xué)性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。因此冶金廠供應(yīng)時(shí)，不僅要保證它的化學(xué)成分，還要保證其力學(xué)性能

牌號(hào)用用二位數(shù)表示，二位數(shù)表示鋼中平均含碳量的萬(wàn)分之幾。

如：15號(hào)鋼表示平均含碳量為0.15%的優(yōu)質(zhì)鋼，但實(shí)際上鋼中含碳量在0.12~0.19%的范圍內(nèi)。

08，10，15，20，25（低碳鋼）——強(qiáng)度小而塑性好，制造螺釘、螺母、墊圈和需要滲碳的零件等。

30，35，40，45，50，55（中碳鋼）——強(qiáng)度較高，韌性和加工性也較好。應(yīng)用時(shí)通常要經(jīng)過(guò)淬火、回火等熱處理這類鋼多用來(lái)制造軸類、齒輪、絲杠、連桿、套筒等。

60，65，70，75（高碳鋼）——淬火后有較高的彈性，可用來(lái)制造各種彈簧、鋼絲繩等。根據(jù)含碳量的不同，適于制造各種不同的零件。（3）碳素工具鋼（C=0.7%~1.35%）

屬于共析鋼和過(guò)共析鋼

熱處理：淬火、回火后有高硬度（>60HRC）

用途：做小型工、模具

牌號(hào)：用“

T”表示，其后面的一位或兩位表示

鋼中平均含碳量的千分之幾。

如：T8，T10，T10A，T12；后面A表示高級(jí)優(yōu)質(zhì)

碳素工具鋼一般均為優(yōu)質(zhì)鋼。見P32表1-6

二、低合金鋼低合金鋼指合金總含量低（＜3%）、含碳量也較低的合金結(jié)構(gòu)鋼。

熱處理：退火或正火

性能：較高的強(qiáng)度、塑性、韌性和耐磨性、

良好的焊接性。

用途：橋梁、汽車、鐵路、船舶、鍋爐、高壓容器、鋼筋、礦用設(shè)備等

分類：可焊接低合金高強(qiáng)度鋼、低合金耐火鋼、低合金鋼筋鋼、鐵路用低合金鋼、礦用低合金鋼

應(yīng)用最廣是低合金高強(qiáng)度鋼，

其牌號(hào)表示方法與碳素結(jié)構(gòu)鋼相同。見P33表1-7

三、合金鋼1、合金結(jié)構(gòu)鋼

分類及用途：低碳合金結(jié)構(gòu)鋼用于滲碳件；中碳合金結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)、滲氮件；高碳合金結(jié)構(gòu)鋼用于制造彈簧。牌號(hào)：采用“數(shù)字+元素符號(hào)+數(shù)字”來(lái)表示。

前面的數(shù)字表示鋼的平均含碳量，以萬(wàn)分之幾表示，如：平均含碳量為0.25%，以25表示；

后面的數(shù)字表示合金的含量，以平均含量的百分之幾表示，

合金元素小于1.5%時(shí)，編號(hào)中只標(biāo)明元素，不標(biāo)明含量如果平均含量等于和大于1.5%、2.5%、3.5%，則相應(yīng)的用2、3、4….表示，如：含0.37~0.45%C、0.8~1.1%Cr的鉻鋼——40Cr

當(dāng)鋼中合金元素超過(guò)低合金鋼的限度時(shí)——合金鋼

屬于優(yōu)質(zhì)鋼和高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼2、合金工具鋼

用途：制造刀具、量具、模具等，工作溫度達(dá)600。C分類：刀具、量具用鋼、耐沖擊工具用鋼、冷作模具鋼、熱作模具鋼牌號(hào)：平均含碳量≥1.0%時(shí)，不標(biāo)出，<1.0%時(shí)以千分之幾表示。高速鋼例外，平均含碳量<1.0%時(shí)也不標(biāo)出。

合金元素的表示方法同合金結(jié)構(gòu)鋼。如：CrMn表示平均含碳量>1.0%，Cr、Mn平均含量<1.5%的合金工具鋼，9SiCr表示平均含碳量為0.9%，Cr、Mn平均含量<1.5%的合金工具鋼，

W18Cr