工程材料及熱處理教程培訓(xùn)

GONGCHENGCAILIAOJIRECHULI多媒體技術(shù)

工程材料及熱處理●課程概述●

靜載荷下的力學(xué)性能（強度、塑性、硬度）項目一

金屬的性能項目二

金屬材料基礎(chǔ)知識項目四

鋼的熱處理項目五

工業(yè)用鋼項目六

鑄鐵項目三

二元合金相圖模塊一工程材料基礎(chǔ)模塊二金屬學(xué)熱處理模塊三金屬材料與非金屬材料項目七

有色金屬及粉末冶金材料項目八

非金屬材料模塊四工程材料的選用項目九

機械零件的選擇項目十

典型零件及工具的選材分析●

動載荷下的力學(xué)性能（沖擊韌度、疲勞強度）●課程概述●

金屬與合金晶體結(jié)構(gòu)（純金屬三種晶體結(jié)構(gòu)、合金相結(jié)構(gòu)、固溶強化）●

金屬與合金的結(jié)晶（結(jié)晶條件與過程、細(xì)化晶粒方法、合金結(jié)晶特點）●

金屬的塑性變形與再結(jié)晶（冷熱變形實質(zhì)與區(qū)分、冷變形強化利弊）項目一

金屬的性能項目二

金屬材料基礎(chǔ)知識項目四

鋼的熱處理項目五

工業(yè)用鋼項目六

鑄鐵項目三

二元合金相圖模塊一工程材料基礎(chǔ)模塊二金屬學(xué)熱處理模塊三金屬材料與非金屬材料項目七

有色金屬及粉末冶金材料項目八

非金屬材料模塊四工程材料的選用項目九

機械零件的選擇項目十

典型零件及工具的選材分析●課程概述●

二元合金相圖的建立（相圖建立的方法與步驟、三種基本二元合金相圖）●

鐵碳合金相圖（基本相、相圖、鐵碳合金的結(jié)晶、含碳對組織、性能的影響）項目一

金屬的性能項目二

金屬材料基礎(chǔ)知識項目四

鋼的熱處理項目五

工業(yè)用鋼項目六

鑄鐵項目三

二元合金相圖模塊一工程材料基礎(chǔ)模塊二金屬學(xué)熱處理模塊三金屬材料與非金屬材料項目七

有色金屬及粉末冶金材料項目八

非金屬材料模塊四工程材料的選用項目九

機械零件的選擇項目十

典型零件及工具的選材分析●課程概述●

鋼熱處理時的組織轉(zhuǎn)變項目一

金屬的性能項目二

金屬材料基礎(chǔ)知識項目四

鋼的熱處理項目五

工業(yè)用鋼項目六

鑄鐵項目三

二元合金相圖模塊一工程材料基礎(chǔ)模塊二金屬學(xué)熱處理模塊三金屬材料與非金屬材料項目七

有色金屬及粉末冶金材料項目八

非金屬材料模塊四工程材料的選用項目九

機械零件的選擇項目十

典型零件及工具的選材分析●

鋼的普通熱處理●

鋼表面熱處理●

熱處理技術(shù)要求標(biāo)注、工序位置安排與工藝分析●課程概述●

碳鋼（鋼中雜質(zhì)元素、鋼的分類與編號、碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼）項目一

金屬的性能項目二

金屬材料基礎(chǔ)知識項目四

鋼的熱處理項目五

工業(yè)用鋼項目六

鑄鐵項目三

二元合金相圖模塊一工程材料基礎(chǔ)模塊二金屬學(xué)熱處理模塊三金屬材料與非金屬材料項目七

有色金屬及粉末冶金材料項目八

非金屬材料模塊四工程材料的選用項目九

機械零件的選擇項目十

典型零件及工具的選材分析●

合金鋼（合金元素作用、合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼、特殊性能鋼）●課程概述項目一

金屬的性能項目二

金屬材料基礎(chǔ)知識項目四

鋼的熱處理項目五

工業(yè)用鋼項目六

鑄鐵項目三

二元合金相圖模塊一工程材料基礎(chǔ)模塊二金屬學(xué)熱處理模塊三金屬材料與非金屬材料項目七

有色金屬及粉末冶金材料項目八

非金屬材料模塊四工程材料的選用項目九

機械零件的選擇項目十

典型零件及工具的選材分析●

鑄鐵石墨化（途徑、影響因素）●

灰鑄鐵（性能、牌號、應(yīng)用、熱處理）●

球墨鑄鐵（性能、牌號、應(yīng)用、熱處理）●

其它鑄鐵（可鍛鑄鐵、蠕墨鑄鐵等）●課程概述項目一

金屬的性能項目二

金屬材料基礎(chǔ)知識項目四

鋼的熱處理項目五

工業(yè)用鋼項目六

鑄鐵項目三

二元合金相圖模塊一工程材料基礎(chǔ)模塊二金屬學(xué)熱處理模塊三金屬材料與非金屬材料項目七

有色金屬及粉末冶金材料項目八

非金屬材料模塊四工程材料的選用項目九

機械零件的選擇項目十

典型零件及工具的選材分析●

鋁及鋁合金（性能、分類、應(yīng)用）●

銅及銅合金（性能、分類、應(yīng)用）●

軸承合金（性能、分類、應(yīng)用）●

粉末冶金材料（硬質(zhì)合金分類與應(yīng)用）●課程概述項目一

金屬的性能項目二

金屬材料基礎(chǔ)知識項目四

鋼的熱處理項目五

工業(yè)用鋼項目六

鑄鐵項目三

二元合金相圖模塊一工程材料基礎(chǔ)模塊二金屬學(xué)熱處理模塊三金屬材料與非金屬材料項目七

有色金屬及粉末冶金材料項目八

非金屬材料模塊四工程材料的選用項目九

機械零件的選擇項目十

典型零件及工具的選材分析●

高分子材料（工程塑料、橡膠的分類與用途）●

陶瓷材料（陶瓷材料的結(jié)構(gòu)、性能、分類與用途）●

復(fù)合材料（復(fù)合材料的性能、分類及其應(yīng)用）●課程概述項目一

金屬的性能項目二

金屬材料基礎(chǔ)知識項目四

鋼的熱處理項目五

工業(yè)用鋼項目六

鑄鐵項目三

二元合金相圖模塊一工程材料基礎(chǔ)模塊二金屬學(xué)熱處理模塊三金屬材料與非金屬材料項目七

有色金屬及粉末冶金材料項目八

非金屬材料模塊四工程材料的選用項目九

機械零件的選擇項目十

典型零件及工具的選材分析●

機械零件的失效與分析（失效的概念、原因、形式及失效分析的作用與方法）●

工程材料選擇的基本原則（力學(xué)性能原則、工藝性原則、經(jīng)濟性原則）●課程概述●

典型零件及工具的選材（軸、齒輪、箱體、刃具、模具等的選材與工藝分析）●

工程材料的應(yīng)用舉例（汽車、機床、儀器、儀表零件用材）項目一

金屬的性能項目二

金屬材料基礎(chǔ)知識項目四

鋼的熱處理項目五

工業(yè)用鋼項目六

鑄鐵項目三

二元合金相圖模塊一工程材料基礎(chǔ)模塊二金屬學(xué)熱處理模塊三金屬材料與非金屬材料項目七

有色金屬及粉末冶金材料項目八

非金屬材料模塊四工程材料的選用項目九

機械零件的選擇項目十

典型零件及工具的選材分析緒論四、鋼鐵材料的生產(chǎn)過程一、材料與人類文明二、工程材料分類三、材料技術(shù)的發(fā)展趨勢

一、材料與人類文明

感謝在250萬年前那些用一塊石頭去敲打另一塊石頭的猿猴，是他們開創(chuàng)一個時代——舊石器時代。感謝15萬年前第一個打磨石犁的人，從那時起，茹毛飲血的人類進入了農(nóng)耕時代，從新石器時代跑向我們。從開始使用石頭，人類都是靠手中的工具和武器來分疆界，獲得生存的條件。

工具是什么？工具無非是不同材料的器具。有人說，人類發(fā)明了工具，工具造就了人類。人類和材料的關(guān)系我們就可想而知了。材料發(fā)展與人類社會簡圖

在人類發(fā)展的歷史長河中，材料起著舉足輕重的作用從某種意義上講，一部人類歷史，也可稱之為世界材料發(fā)展史。材料是人類歷史進化的里程碑以至于歷史學(xué)家根據(jù)人類所使用的材料來劃分時代

一、材料與人類文明

一、材料與人類文明沒有高純度的半導(dǎo)體材料，就不會有目前的微電子技術(shù)沒有鋼鐵材料就沒有今天的高樓大廈

一、材料與人類文明現(xiàn)代通信遠(yuǎn)程教育沒有低損耗的光導(dǎo)纖維，就沒有現(xiàn)代化的光纖通訊在航天飛機表面裝陶瓷防護瓦沒有能夠耐幾千度高溫的內(nèi)燒蝕材料和涂層材料，人類遨游太空的夢想就不會成為現(xiàn)實中國航天事業(yè)——“神舟”號飛船“神舟”一號飛船“神舟”二號飛船“神舟”三號飛船“神舟”四號飛船“神舟”五號飛船“神舟”六號飛船“神舟”七號飛船“神舟”九號飛船“神舟”八號飛船“神舟”十號飛船

一、材料與人類文明

相反由于某些新材料不過關(guān)，有許多新技術(shù)的研究功虧一簣，難以實現(xiàn)。如太陽能的利用問題，因目前還沒有找到一種價格低、壽命長、光電轉(zhuǎn)換效率很高的材料，所以只能“望陽興嘆”，任憑這寶貴的能源白白浪費……

由此可見，每一種新材料的發(fā)現(xiàn)，第一項新技術(shù)的應(yīng)用，都會給社會生產(chǎn)和人類生活帶來巨大改變，把人類文明推向前進。

基于材料對社會發(fā)展的作用，材料與能源、信息一道被公認(rèn)為現(xiàn)代文明的三大支柱。而材料又是能源、信息的基礎(chǔ)。

二、工程材料的分類金屬材料非金屬材料復(fù)合材料黑色金屬有色金屬鋼鐵碳鋼合金鋼Al、Cu及其合金等

高分子材料陶瓷材料塑料橡膠（人工合成的多相材料）

工程材料主要是指用于機械、車輛、船舶、建筑、化工、能源、儀表儀器、航空航天等工程領(lǐng)域中的材料，用于制造工程結(jié)構(gòu)件和機械零件，也包括用于制造工具和特殊性能的材料。

金屬材料：長盛不衰■

金屬材料優(yōu)點●既耐熱，又耐寒●金屬材料有很出色的加工工藝性能●金屬的力學(xué)性能堪稱“全能冠軍”●金屬有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和鐵磁性■

金屬材料概況金屬材料通?？煞诸悆纱蠹遥轰撹F和有色金屬。目前，世界上鋼鐵的總年產(chǎn)量為8億噸，而有色金屬的年產(chǎn)量約為5000萬噸，鋼鐵產(chǎn)量約占金屬產(chǎn)量94%，因此鋼鐵仍是金屬中的為主力軍。但非鐵金屬由于具有某些特殊性能，在工業(yè)生產(chǎn)中仍具有不可替代的重要作用■金屬材料是主要的工程材料。在自然界中存在的109種化學(xué)元素中有87種是金

屬，20世紀(jì)幾乎所有的金屬都被研究過，幾乎所有有用的金屬都在為人類服

務(wù)，金屬材料不愧為人類最緊密、最忠實、最可靠的朋友?！衩芏刃?、比強度、導(dǎo)電性好、磁化率低、加工性好、耐大氣腐蝕●現(xiàn)代航空業(yè)的基礎(chǔ)被喻為“會飛的金屬”鋁合金銅合金鎂合金鈦合金

金屬材料：長盛不衰

除鋼鐵等黑色金屬外，鋁、銅、金、銀、鉑等80多種金屬稱為有色金屬。有色金屬家庭龐大，各有神通。銅合金鋁合金鎂合金鈦合金●密度大、導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能好、抗大氣腐

蝕性好、加工工藝性好、強度低、塑性

高、無磁性、無打擊火花●電子、電氣、能源、交通、機械、建筑、輕工、高科技應(yīng)用廣泛材料被喻為“工業(yè)的黃金”

金屬材料：長盛不衰

除鋼鐵等黑色金屬外，鋁、銅、金、銀、鉑等80多種金屬稱為有色金屬。有色金屬家庭龐大，各有神通。鎂合金銅合金鋁合金鈦合金●密度小、比強度、比剛度較高、極強的減

震性、抗電磁波干擾能力強、鑄造性好

●汽車輕量化材料

鎂合金葉輪鎂合金汽車輪轂鎂合金方向盤骨架

金屬材料：長盛不衰

除鋼鐵等黑色金屬外，鋁、銅、金、銀、鉑等80多種金屬稱為有色金屬。有色金屬家庭龐大，各有神通。鈦合金銅合金鎂合金鋁合金

●比強度高，耐高溫、低溫，耐腐蝕，質(zhì)輕，無毒，生物相溶性好

●航空航天、海洋、化工、生物醫(yī)學(xué)常用材料航天飛機中華世紀(jì)壇時空探針被喻為“大地之子”

金屬材料：長盛不衰

除鋼鐵等黑色金屬外，鋁、銅、金、銀、鉑等80多種金屬稱為有色金屬。有色金屬家庭龐大，各有神通。

古老的陶瓷舊貌換新顏

我們每天都在與陶瓷打交道：吃飯的碗，喝水的茶杯，貼墻的瓷磚，建筑水泥，玻璃…

陶瓷是我國古代勞動人民的一發(fā)明，陶瓷誕生的確切年月，已無從考證。從現(xiàn)有的考古材料看，可以斷定陶瓷與中華文明幾乎同時誕生。在英文單詞中，“china”一詞代表中國，當(dāng)為個單詞的開頭字母為小寫時，則代表陶瓷器，可見中國人發(fā)明了陶瓷乃是一件舉世公認(rèn)的事實。古老的陶瓷舊貌換新顏陶瓷發(fā)動機

檢漏儀壓電陶瓷氣敏陶瓷聲納先進復(fù)合材料巧奪天空

隨著航空、航天、電子、通訊等技術(shù)以及機械、化工、能源等工業(yè)的發(fā)展，對材料的性能提出越來越多、越來越高的要求。傳統(tǒng)的單一材料已不能滿足使用要求復(fù)合材料的研究和應(yīng)用引起了人們的重視。

在這種材料中，所有組成個體之間互相滲透、相互依賴，處于不可分割的狀態(tài)，各自發(fā)揮著自身的作用，而且達到性能互補和取長補短的作用。先進復(fù)合材料巧奪天空含有石墨和玻璃纖維的跳高用撐竿玻璃鋼制造的汽車外殼玻璃鋼既非玻璃，也不是鋼，它的基體是一種高分子有機樹脂，用玻璃纖維或其他織物增強。它具有玻璃透明性或半透明性，也具有鋼鐵的高強度，它的科學(xué)名稱是玻璃纖維增強基復(fù)合材料。先進復(fù)合材料巧奪天空表面采用碳纖維復(fù)合材料設(shè)計而成的美國B-2隱形轟炸機，此轟炸機具有良好的吸波性能。這種用碳纖維復(fù)合材料制造的鏤空結(jié)構(gòu)山地車重量只有1.25公斤，但卻可支撐90公斤的賽手重量。

神秘的形狀記憶合金魔力水車可變形眼鏡形狀記憶合金已成功地用于醫(yī)學(xué)上，作為各類人體腔骨支架、心臟修補器、血栓過濾器、牙科的齒形矯正器脊柱棒等等

超細(xì)微納米材料生機勃勃頂部為納米材料的中國大劇院蚊子導(dǎo)彈納米機器人納米紅血球納米直升機納米探針螞蟻士兵三、材料技術(shù)的發(fā)展趨勢第一，從均質(zhì)材料向復(fù)合材料發(fā)展。第二，由結(jié)構(gòu)材料為方往向功能材料、多功能材料并重的方向發(fā)展。第三，材料結(jié)構(gòu)的尺度向越來越小的方向發(fā)展。第四，由被動性材料向具有主動性的智能材料方向發(fā)展。第五，通過仿生途徑來發(fā)展新材料四、鋼鐵材料的生產(chǎn)過程視頻

WindowsMediaPlayer四、鋼鐵材料的生產(chǎn)過程1.1靜載荷下材料的力學(xué)性能1.2動載荷下材料的力學(xué)性能1.1.1

強度與塑性1.1.2硬度1.2.1沖擊韌度1.2.2疲勞1.3

項目小結(jié)項目一工程材料的力學(xué)性能

金屬材料的常用五大力學(xué)性能指標(biāo)。

掌握金屬力學(xué)性能的基本概念及其指標(biāo)；

認(rèn)識拉伸曲線圖，掌握強度、塑性的衡量指標(biāo)及其意義；

掌握常用硬度的測試方法及適用范圍。

了解韌性、疲勞試驗的工作原理，掌握沖擊韌度、疲勞強度的衡量指標(biāo)及其意知識目標(biāo)：●能力目標(biāo)：●

能根據(jù)拉伸曲線圖比較不同金屬材料的強度、塑性；

能根據(jù)材料及其熱處理狀態(tài)，正確選用硬度測試方法；

能根據(jù)力學(xué)性能指標(biāo)合理選用金屬材料。重點及難點：●使用性能●

物理性能●

化學(xué)性能●力學(xué)性能工藝性能●

鑄造性●鍛造性●焊接性●熱處理工藝性●切削加工性1.1靜載荷下材料的力學(xué)性能●金屬的性能：金屬的力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能和工藝性能等的總稱密度、熔點、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和磁性等常溫或高溫時，抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力，如耐酸性、耐堿性、抗氧化性鑄造成形時獲得優(yōu)良鑄件的能力

金屬衡量鍛壓加工的難易程度

金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性

金屬材料進行切削加工的難易程度

項目一力學(xué)性能——金屬材料在載荷(外力)作用下表現(xiàn)出來的性能。

●載荷（外力）形式：●拉伸●壓縮●彎曲●

剪切●扭轉(zhuǎn)●靜載荷●沖擊載荷●疲勞載荷

●載荷分類：1.1靜載荷下材料的力學(xué)性能項目一1.1.1

強度與塑性●拉伸試驗拉伸試驗●拉伸試樣長試樣：l0=10d0圓柱形●短試樣：l0=5d0●拉伸曲線分析1.1靜載荷下材料的力學(xué)性能項目一●拉伸試驗拉伸試驗●拉伸試樣●●拉伸曲線分析彈變微量塑變屈服均勻塑變頸縮局部塑變斷裂1.1.1

強度與塑性1.1靜載荷下材料的力學(xué)性能項目一●抗拉強度●屈服點●強度指標(biāo)屈服1）符號σs2）大小σs=Fs/Ao3）意義屈服點表示材料抵抗塑性變形的能力；是選材的依據(jù)強度——單位面積上所承受的內(nèi)力（應(yīng)力），符號σ（產(chǎn)生屈服現(xiàn)象的最低應(yīng)力）彈變塑變1.1.1

強度與塑性1.1靜載荷下材料的力學(xué)性能項目一●抗拉強度●屈服點●強度指標(biāo)頸縮1）符號σb2）大小σb=Fb/Ao3）意義材料抵抗斷裂的能力；是選材的依據(jù)（斷裂前的最大應(yīng)力）塑變斷裂1.1.1

強度與塑性1.1靜載荷下材料的力學(xué)性能項目一●

塑性——產(chǎn)生永久變形的能力●塑性指標(biāo)δ=（L1-L0）/L0×100%●塑性測量●伸長率（δ）φ

=(A0-A1)/A0×100%●斷面收縮率（φ

）●拉伸曲線δ●塑性意義●塑性好，利于材料成型●塑性好，可以防止過載，避免突然斷裂1.1.1

強度與塑性1.1靜載荷下材料的力學(xué)性能項目一布氏硬度●

硬度指標(biāo)洛氏硬度維氏硬度1.1.2

硬度1.1靜載荷下材料的力學(xué)性能項目一●

硬度測試方法比較方法壓頭符號原理優(yōu)點缺點表示方法

應(yīng)用范圍布氏硬度HBW洛氏硬度HRAHRBHRC維氏硬度HV金剛石圓錐壓痕面積測量準(zhǔn)確損傷大操作繁450HBW軟材料：有色,軟鋼毛坯半成品淬火鋼球壓痕深度損傷小較迅速

不夠準(zhǔn)確不連續(xù)45HRC表層薄而硬有色,軟鋼成品、薄件各種淬火鋼金剛石四棱錐壓痕面積

準(zhǔn)確連續(xù)性不適于成批800HV從軟到硬更宜：更薄更硬

硬質(zhì)合金球金剛石圓錐1.1.2

硬度1.1靜載荷下材料的力學(xué)性能項目一●金屬抵抗沖擊載荷而不破壞的能力（αk）沖擊試驗●沖擊試驗意義●判斷材料的韌、脆性：αk高為塑材●檢驗材料的冷脆、裂紋、白點等●沖擊材料的選材依據(jù)1.2.1

沖擊韌度1.2

動載荷下材料的力學(xué)性能項目一1、疲勞現(xiàn)象：某些零件（如齒輪、主軸、彈簧）受力較小，甚至遠(yuǎn)低于材料屈服點，但長時間工作后，也會發(fā)生斷裂的現(xiàn)象2、疲勞斷裂特點：1）受力小，甚至遠(yuǎn)低于材料的屈服點；2）受力為交變應(yīng)力；3）斷裂前無明顯塑性變形，具有突然性3、疲勞強度：1）材料經(jīng)相當(dāng)次數(shù)循環(huán)而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力；2）符號為σ－1；3）σ-1

越高，斷裂前循環(huán)次數(shù)越多，零件壽命越長1.2.2

疲勞1.2

動載荷下材料的力學(xué)性能項目一4、疲勞試驗：5、疲勞斷裂原因與提高疲勞強度途徑：影響疲勞強度的因素：應(yīng)力集中；材料內(nèi)部組織缺陷；機加工精度；表面狀態(tài)、殘余應(yīng)力提高疲勞強度的途徑：零件結(jié)構(gòu)設(shè)計盡量避免尖角、缺口和截面突變；減少材料組織缺陷；減小表面粗糙度；采用表面強化處理。1.2.2

疲勞1.2

動載荷下材料的力學(xué)性能項目一1.3

項目小結(jié)塑性判據(jù)強度判據(jù)疲勞強度σ-1韌性判據(jù)動載維氏硬度5～1000HV受循環(huán)交變載荷零件的選材、檢驗依據(jù)

金屬力學(xué)性能靜載

屈服點抗拉強度σb—

斷裂前的最大應(yīng)力斷后伸長率δ＞5%斷面收縮率φ＞10%硬度判據(jù)布氏硬度＜650HBW洛氏硬度沖擊韌度αk受沖擊零件的選材、檢驗依據(jù)疲勞判據(jù)σs—塑性材料產(chǎn)生明顯塑性變形的抗力（抵抗塑性變形的指標(biāo)）σ0.2—脆性材料無明顯塑性變形的抗力（抵抗斷裂的指標(biāo)）設(shè)計選材依據(jù)、檢查材料標(biāo)準(zhǔn)可滿足一般零件設(shè)計選材參考安全可靠保證用于測成品、薄件測薄而硬度金屬測定簡單、不傷工件20～80HRA20～70HRC測定麻煩、結(jié)果準(zhǔn)確測有色金屬，退火、正火鋼、灰鑄鐵件的半成品、毛坯測軟材料測淬火鋼連續(xù)測定、精確可靠測更薄更硬材料20～100HRB項目一項目二金屬材料基礎(chǔ)知識2.1金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)2.2金屬與合金的結(jié)晶2.1.1

純金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.1.2金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)2.2.1純金屬的結(jié)晶2.2.2合金的結(jié)晶2.4項目小結(jié)2.3金屬的塑性變形與再結(jié)晶2.1.3合金的晶體結(jié)構(gòu)2.3.1

金屬塑性變形簡介2.3.2冷塑性變形對金屬組織和性能的影響2.3.3冷塑性變形后的金屬加熱時組織與性能的變化2.3.4金屬的熱變形加工

了解晶體結(jié)構(gòu)基本概念，熟悉純金屬的常見晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷；

掌握晶體缺陷對金屬力學(xué)性能的影響；

掌握合金晶體結(jié)構(gòu)的基本類型，理解強化機理；

理解金屬結(jié)晶的條件及結(jié)晶過程；

掌握金屬的塑性加工機理及塑性變形對材料的組織和性能的影響。知識目標(biāo)：●能力目標(biāo)：●重點及難點：●

能分析晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響；

能分析合金相結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系；

能夠掌握物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)所遵循的基本規(guī)律；

能運用強化機理提高金屬和合金的性能。

純金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)；

金屬結(jié)晶的條件及結(jié)晶過程；

晶粒大小對金屬性能的影響及細(xì)化方法；

金屬冷變形基本、冷變形強化利弊。晶體非晶體結(jié)構(gòu)特點性能特點典型物質(zhì)結(jié)構(gòu)特點性能特點典型物質(zhì)玻璃塑料橡膠松香云母石英味精明礬▲具有規(guī)則的幾何形狀▲有一定的熔點▲性能呈各向異性（各方向上表現(xiàn)不同性能）固態(tài)金屬▲沒有規(guī)則的幾何形狀▲沒有固定的熔點▲性能呈各向同性（各方向上表現(xiàn)相同性能）蜂蠟2.1.1

純金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.1

金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)項目二原子排列的緊密程度

晶胞是一個立方體（a=b=c,α=β=γ=90°)

晶胞是一個立方體（a=b=c,α=β=γ=90°)

晶胞是一個正六棱柱

a=b≠c,α=β=90°,γ=120°晶胞晶格晶格常數(shù)致密度體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格視頻2.1.1

純金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.1

金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)●

基本概念●

金屬常見晶格類型項目二

2.1.1

純金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.1

金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)●

金屬常見晶格類型WindowsMedIaPlayer項目二

晶體內(nèi)部原子排列方向完全一致的晶體晶粒晶界由許多小晶體組成的晶體無論有多大，都是一個晶粒2.1.2

金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)2.1

金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)●

單晶體與多晶體項目二——晶體中原子規(guī)律排列受到破壞的某些區(qū)域位錯晶界晶格缺陷產(chǎn)生的晶格畸變，使金屬的強度和硬度提高

晶界越多，晶粒越細(xì)，不僅σ、HB高而且δ、αk好點缺陷線缺陷面缺陷2.1.2

金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)2.1

金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)●

晶體中的缺陷●

缺陷類型●

對性能的影響項目二合金組元二元合金合金系相組織兩種或兩種以上的金屬、或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。組成合金獨立的、最基本的物質(zhì)稱為組元，簡稱元。合金的組元通常是組成合金的元素，也可以是穩(wěn)定化合物由兩種組元組成的合金合金中凡是結(jié)構(gòu)、成分和性能相同并且與其它部分有界面分開的均勻組成部分用肉眼或借助顯微鏡能觀察到的具有某種形態(tài)特征的合金組成物。其實質(zhì)是一種或多種相按一定的方式相互結(jié)合所構(gòu)成的整體的總稱。它直接決定合金的性能。由給定組元按不同比例配制的一系列不同成分的合金2.1.2

合金的晶體結(jié)構(gòu)2.1

金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)●

合金基本概念項目二2.1.2

合金的晶體結(jié)構(gòu)2.1

金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)●

合金的相結(jié)構(gòu)●

固溶體1.形成——一組元（溶質(zhì)）溶于另一組元（溶劑）2.分類置換固溶體溶劑溶質(zhì)溶劑溶質(zhì)間隙固溶體3.晶格特點——保持溶劑晶格類型4.性能特點——一組元溶于另一組元→晶格畸變→σ、HB↑固溶強化項目二2.1.2

合金的晶體結(jié)構(gòu)2.1

金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)●

合金的相結(jié)構(gòu)●

金屬化合物1.形成——兩組元相反應(yīng)而成2.晶格特點——不同于任何一組元的新的晶格類型3.性能特點——熔點高、硬而脆結(jié)論1.固溶體是軟相，而金屬化合物是硬相；2.合金中若固溶體含量較多，則合金的δ、αk好，若金屬化合物

含量較多，則合金的σ、HB高3.當(dāng)金屬化合物呈細(xì)小顆粒均勻分布在固溶體基體上時，將使合金

的強度、硬度及耐磨性明顯提高彌散強化項目二

凝固？

結(jié)晶？結(jié)晶試驗2.2.1

純金屬的結(jié)晶2.2

金屬與合金的結(jié)晶●

純金屬結(jié)晶的條件金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程項目二液態(tài)金屬實際結(jié)晶曲線ToT1晶體曲線中：T0——理論結(jié)晶溫度T1——實際結(jié)晶溫度而T0－T1＝ΔT過冷度時間溫度理論結(jié)晶曲線2.2.1

純金屬的結(jié)晶2.2

金屬與合金的結(jié)晶●

純金屬結(jié)晶的條件結(jié)晶曲線過冷，且過冷度越大，越易結(jié)晶，結(jié)晶后的晶粒越細(xì)項目二液態(tài)金屬形核晶核長大完全結(jié)晶液體晶體結(jié)晶視頻2.2.1

純金屬的結(jié)晶2.2

金屬與合金的結(jié)晶●

金屬結(jié)晶的一般過程項目二2.2.1

純金屬的結(jié)晶2.2

金屬與合金的結(jié)晶●

金屬結(jié)晶的一般過程項目二表2-1強度、硬度越高，塑性、韌性越好晶粒越細(xì)（1）增加過冷度

（2）變式質(zhì)處理（3）附加振動——固態(tài)下，隨溫度變化，其晶格類型發(fā)生轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象舉例純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變視頻視頻視頻2.2.1

純金屬的結(jié)晶2.2

金屬與合金的結(jié)晶●

晶粒大小及控制●

晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響●

細(xì)化晶粒的方法●

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（結(jié)晶特例）項目二2.2.1

純金屬的結(jié)晶2.2

金屬與合金的結(jié)晶●

晶粒大小及控制項目二2.2.1

純金屬的結(jié)晶2.2

金屬與合金的結(jié)晶●

晶粒大小及控制●

細(xì)化晶粒的方法項目二2.2.1

純金屬的結(jié)晶2.2

金屬與合金的結(jié)晶●

晶粒大小及控制●

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（結(jié)晶特例）項目二2.2.2

合金的結(jié)晶2.2

金屬與合金的結(jié)晶1．結(jié)晶溫度的非恒溫性合金的結(jié)晶一般是在一個溫度范圍內(nèi)進行，即是一個變溫結(jié)晶過程。其結(jié)晶是從液相線開始，并于固相線終止。3．結(jié)晶產(chǎn)物的多樣性合金組織中相的數(shù)量和相對組成量會隨溫度的降低而改變。單相組織一般由均勻的固溶體構(gòu)成，而復(fù)相組織可能是共晶體、共析體，也可能是由固溶體和金屬化合物構(gòu)成的混合物。2．結(jié)晶過程的動態(tài)性合金的結(jié)晶受成分、溫度的綜合影響。隨著溫度的降低，液相成分按液相線變化，固相成分按固相線變化。項目二2.3.1

金屬的塑性變形簡介2.3

金屬塑性變形與再結(jié)晶1.塑性變形2.塑性變形實質(zhì)●

理想單晶體的塑性變形滑移孿晶●

塑性變形——金屬在外力作用下，產(chǎn)生的永久變形項目二金屬塑性變形的實質(zhì)是位錯運動的結(jié)果視頻2.3.1

金屬的塑性變形簡介2.3

金屬塑性變形與再結(jié)晶2.塑性變形實質(zhì)●

有缺陷晶體的塑性變形結(jié)論項目二位錯的移動動畫2.3.1

金屬的塑性變形簡介2.3

金屬塑性變形與再結(jié)晶位錯移動顯微觀察項目二2.3.1

金屬的塑性變形簡介2.3

金屬塑性變形與再結(jié)晶3.多晶體塑性變形

多晶體的塑性變形是由許多單個晶粒產(chǎn)生的塑性變形和晶間變形的綜合效果。由于晶界處位錯運動受阻，所以晶界處難變形，出現(xiàn)竹節(jié)現(xiàn)象。4.塑性變形結(jié)果塑性變形晶格畸變強度、硬度升高項目二金屬塑變后，晶格嚴(yán)重畸變，晶粒被壓扁或拉長，形成纖維組織，使性能呈現(xiàn)明顯的方向性（沿纖維方向強度、硬度高）。2.3.2

冷塑性變形對金屬組織和性能的影響2.3

金屬塑性變形與再結(jié)晶1.

對組織的影響

2.

對性能的影響項目二2.3.2

冷塑性變形對金屬組織和性能的影響2.3

金屬塑性變形與再結(jié)晶1.

對組織的影響

2.

對性能的影響1)

冷變形強化的實質(zhì)金屬冷變形時，隨變形程度↑，其σ、HB↑，而δ、αk↓2)

冷變形強化的原因金屬冷變形后，晶格嚴(yán)重畸變，晶內(nèi)、晶間產(chǎn)生碎晶，位錯運動受阻，位錯密度↑

，變形抗力↑

。變形量越大，位錯密度就越大，變形抗力也就越大。3)

冷變形強化的利弊◆

提高強度和硬度、用來強化金屬◆

使工件均勻成形◆

提高構(gòu)件使用安全性◆降低塑性和韌性造成加工困難◆

降低耐蝕性◆

降低抗載能力產(chǎn)生冷變形強化4)

消除冷變形強化的不利影響在變形工序之間適當(dāng)穿插熱處理工藝來消除加工硬化。此工藝為再結(jié)晶退火.項目二金屬冷變形后，晶格嚴(yán)重畸變，其組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)。加熱后，原子活動能力增強，就會促使不穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化。隨著溫度的升高，這種變化過程可分為以下幾個階段：

2.3.3

冷變形的金屬加熱后組織和性能的變化2.3

金屬塑性變形與再結(jié)晶●

回復(fù)

組織部分原子回到平衡位置，晶粒形狀變化不大，仍呈纖維狀意

義——保持高強度、同時消除內(nèi)應(yīng)力項目二

性能σ、HB略↓，而δ、αk略↑，而此時內(nèi)應(yīng)力↓↓被拉長、壓扁的、破碎的晶粒重新生核，變成細(xì)小、均勻的等軸晶粒■

組織σ、HB↓

↓，而δ

、αk↑↑；內(nèi)應(yīng)力和冷變形強化現(xiàn)象完全消除，恢復(fù)了冷變形金屬的變形能力意義：提高冷變形金屬的塑性冷軋、冷拉、冷沖壓的工件，為使變形繼續(xù)進行，常在工序中間進行再結(jié)晶退火來提高其塑性。2.3.3

冷變形的金屬加熱后組織和性能的變化2.3

金屬塑性變形與再結(jié)晶●

再結(jié)晶■

性能■

實際應(yīng)用項目二加熱溫度過高或加熱時間過長，則小晶粒會明顯長大，成為粗晶粒組織。粗晶粒的金屬其σ、HB、δ

、αk會變差，使金屬繼續(xù)進行壓力加工的能力惡化。小資料金屬回復(fù)的溫度通常為：T回≈（0.25～0.30）T熔金屬再結(jié)晶溫度通常為：T再≈0.40T熔2.3.3

冷變形的金屬加熱后組織和性能的變化2.3

金屬塑性變形與再結(jié)晶●

晶粒長大●

組織●

性能項目二◆

冷熱變形的區(qū)別T再熱變形冷變形2.3.4

金屬的熱變形加工2.3

金屬塑性變形與再結(jié)晶◆

熱加工對金屬組織和性能的影響

消除鑄態(tài)組織缺陷

形成鍛造流線（熱變形纖維組織）

消除鑄態(tài)組織缺陷

WindowsMediaPlayer項目二2.4

項目小結(jié)1．晶體結(jié)構(gòu)純金屬結(jié)構(gòu)理想實際：體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格存在晶體缺陷點缺陷：空位、間隙原子線缺陷：位錯面缺陷：晶界、亞晶界→產(chǎn)生晶格畸變、強度、硬度↑合金晶體結(jié)構(gòu)晶界越多、晶粒越細(xì)，不僅強度、硬度高，而且塑性、韌性好固溶體金屬化合物形成：兩組元相互溶解晶格特點：同溶劑晶格類型性能：固溶強化→組元相溶，引起晶格畸變→強度、硬度↑形成：兩組元反應(yīng)晶格特點：不同于任一組元的晶格類型，是一種新晶格性能：熔點高，硬而脆

2．金屬結(jié)晶合金的結(jié)晶是在一定范圍內(nèi)進行的，需要更大的過冷度，需建立相應(yīng)的狀態(tài)圖(相圖)加以分析。純金屬的結(jié)晶條件：過冷過冷度：△T=T0—T1（理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度之差）△T越大，金屬越易結(jié)晶，且結(jié)晶后的晶粒越細(xì)小過程：不斷地形核、晶核不斷地長大（邊形核邊長大）合金的結(jié)晶：途徑：控制形核率N和長大速度G方法

1．↑△T、↑V冷2．變質(zhì)處理3．附加振動結(jié)晶時可控制晶粒大小

項目二2.4

項目小結(jié)3．塑性變形與再結(jié)晶實質(zhì)：金屬在切應(yīng)力作用下，晶體內(nèi)位錯運動的結(jié)果形式

冷塑性變形

(冷加工)熱塑性變形

(熱加工)組織特點：性能特點：形成纖維組織，使性能具方向性（平行纖維方向其強度、韌性比垂直纖維方向高）。但可通過加熱到一定溫度（再結(jié)晶溫度）消除強度、硬度↑而塑性、韌性↓即加工硬化產(chǎn)生原因：利：弊：消除方法：金屬塑變時，位錯運動受阻，堆積纏結(jié)造成①↑強度，可強化金屬；②使金屬變形更均勻；③提高了使用安全性①↓塑性，使繼續(xù)變形困難；②產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，↓耐蝕性再結(jié)晶退火冷塑性變形的金屬加熱回復(fù)：組織、力學(xué)性能改善不大，但內(nèi)應(yīng)力↓↓，耐蝕性↑再結(jié)晶：完全消除加工硬化，此階段強度↓↓，而塑性↑↑，可繼續(xù)變形晶粒長大：晶粒粗大，力學(xué)性能↓組織特點：也會形成纖維組織，但不能消除性能特點：消除鑄態(tài)缺陷，↑力學(xué)性能其他特點：熱變形中也會產(chǎn)生加工硬化，但被隨后高溫產(chǎn)生的再結(jié)晶所克服

項目二3.1

二元合金相圖的建立3.2

鐵碳合金相圖3.1.1

二元合金相圖及其建立3.1.2合金性能與相圖的關(guān)系3.2.1鐵碳合金基本相3.2.2鐵碳相圖分析3.3項目小結(jié)3.2.3

鐵碳合金的結(jié)晶過程3.2.5碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對工藝性能的影響3.2.4鐵碳合金的成分、組織與性能間的關(guān)系項目三二元合金相圖知識目標(biāo)：●能力目標(biāo)：●重點及難點：●

了解二元合金相圖的建立，認(rèn)識基本的二元合金相圖；

掌握鐵碳合金狀態(tài)圖，熟悉鐵碳合金中基本相的組成和性能；

熟悉鐵碳合金的結(jié)晶過程，掌握含碳量對鋼組織、性能的影響。

能夠根據(jù)相圖分析合金的成分、組織與性能間的關(guān)系；

能具備選材的一般能力。

Fe-Fe3C相圖；鐵碳合金的相組成與組織組成；

鐵碳合金中含碳量與組織以及性能的關(guān)系；

典型合金的結(jié)晶過程及其組織。

二元合金相圖的基本類型；3.1.1

二元合金相圖及其建立3.1

二元合金相圖1.定義——表示在平衡條件下合金狀態(tài)、成分和溫度之間關(guān)系的圖形。2.作用——●了解合金系中不同成分合金在不同溫度時的組成相●了解合金在緩慢加熱和冷卻過程中的相變規(guī)律●正確制定鑄造、鍛壓、焊接及熱處理工藝的重要依據(jù)3.建立方法——以Cu-Ni二元合金相圖的繪制為例步驟操作方法（1）配制一系列不同成分的Cu-Ni合金；（2）用熱分析法分別測出所配制合金的冷卻曲線；（3）找出各冷卻曲線的相變點（即合金的結(jié)晶開始及終了溫度）；（4）將各合金相變點分別投影到溫度-成分坐標(biāo)圖中相應(yīng)合金成分線上。（5）連接意義相同的點，作出相應(yīng)的曲線，標(biāo)明各區(qū)域所存在的相。項目三3.1.1

二元合金相圖及其建立3.1

二元合金相圖3.建立方法4.基本相圖類型●勻晶相圖●共晶相圖●共析相圖項目三■工藝性能與相圖的關(guān)系■使用性能與相圖的關(guān)系3.1.2

合金性能與相圖的關(guān)系3.1

二元合金相圖項目三鐵素體

●晶體結(jié)構(gòu)顯微組織α－FeC3.2.1

鐵碳合金基本相3.2

鐵碳合金相圖項目三Cγ－FeA晶體結(jié)構(gòu)顯微組織奧氏體

●3.2.1

鐵碳合金基本相3.2

鐵碳合金相圖項目三A晶體結(jié)構(gòu)顯微組織CFeFe3C滲碳體

●3.2.1

鐵碳合金基本相3.2

鐵碳合金相圖項目三●AECDSGP純鐵熔點Fe3C熔點純鐵同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點C在α-Fe最大溶解度C在γ-Fe最大溶解度共析點共晶點基本組織特性點特性線●●●●●●鐵碳合金分類3.2.2

鐵碳合金相圖分析3.2

鐵碳合金相圖項目三特性點液相線固相線共晶線共析線(A1)F、A轉(zhuǎn)變線(A3)C在A溶解度線(Acm)基本組織特性線鐵碳合金分類3.2.2

鐵碳合金相圖分析3.2

鐵碳合金相圖項目三特性點特性線基本組織鐵碳合金分類Ld′AFAFe3CP3.2.2

鐵碳合金相圖分析3.2

鐵碳合金相圖項目三工業(yè)純鐵鋼●工業(yè)純鐵●亞共析鋼●鋼●共析鋼●過共析鋼●亞共晶鐵●鐵●共晶鐵●過共晶鐵鐵共析鋼亞共析鋼過共析鋼共晶鐵亞共晶鐵過共晶鐵

特性點

特性線

鐵碳合金分類

基本組織3.2.2

鐵碳合金相圖分析3.2

鐵碳合金相圖項目三LA3

共析鋼

亞共析鋼

過共析鋼1234PPA3.2.3

鐵碳合金結(jié)晶過程3.2

鐵碳合金相圖項目三LA

共析鋼

亞共析鋼

過共析鋼0.20%C0.40%C12345APFPFPF3.2.3

鐵碳合金結(jié)晶過程3.2

鐵碳合金相圖項目三

共析鋼

亞共析鋼

過共析鋼AL15234硝酸酒精侵蝕苦味酸侵蝕APFe3CⅡPFe3CⅡPFe3CⅡ3.2.3

鐵碳合金結(jié)晶過程3.2

鐵碳合金相圖項目三鐵碳合金的室溫組織都是由鐵素體和滲碳體兩相組成。工業(yè)純鐵→亞共析鋼→共析鋼→過共析鋼→亞共晶鐵→共晶鐵→過共晶鐵1)鐵碳合金的變化●

含碳對平衡組織的影響2)組織的變化F→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ld′→Ld′→Ld′+Fe3CⅠ●

含碳對力學(xué)性能的影響塑性韌性硬度強度0.20.600.40.81.01.21.420040060080010001200σb/Mpa50100150200250300HBW0102030405060δ,φ/%320640960128016001960Ak/JHBWδσbAk3.2.4

鐵碳合金的成分、組織與性能間的關(guān)系3.2

鐵碳合金相圖項目三鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的工具，是研究碳鋼和鑄鐵成分、溫度、組織和性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，可以作為制定金屬材料熔煉、鑄造、鍛造和熱處理等工藝規(guī)程的重要依據(jù)。鐵碳合金相圖的主要應(yīng)用有：1）選用材料

由鐵碳相圖可知，合金中隨著含碳量的不同，其組織各不相同，從而導(dǎo)致其力學(xué)性能不同。因此，我們就可以根據(jù)機器零件所要求的性能來選擇不同含碳量的材料。2）判斷切削加性能

低碳鋼中鐵素體較多，塑性好，加工性不好；中碳鋼中鐵素體含量比例適當(dāng)，鋼的硬度適當(dāng)，易于加工。3.2.5

鐵碳合金相圖的應(yīng)用3.2

鐵碳合金相圖項目三3）制定熱加工工藝

在鑄造工藝方面，根據(jù)相圖可以確定合適的熔化溫度和澆注溫度，含碳量為4.3%的鑄鐵鑄造性最好；在鍛造工藝方面，可以選擇鋼材的軋制和鍛造的溫度范圍應(yīng)在奧氏體區(qū)。

4）應(yīng)用于熱處理生產(chǎn)

由相圖可知合金在固態(tài)加熱和冷卻過程中均有組織的變化，可以進行熱處理。由相圖可以正確選擇加熱溫度。3.2.5

鐵碳合金相圖的應(yīng)用3.2

鐵碳合金相圖項目三3.3

項目小結(jié)亞共析鋼：L→L+A→A→F+A→F+P共析鋼：L→L+A→A→P過共析鋼：L→L+A→A→A+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ基本組織

鐵素體（F）

奧氏體（A）

滲碳體（Fe3C）珠光體（P）萊氏體C→α—Fe中的間隙固溶體，室溫組織軟（塑性、韌性好，強度、硬度低）C→γ—Fe中的間隙固溶體，高溫組織軟（塑性、韌性好，強度、硬度低）Fe+C→金屬化合物硬（硬度高，塑性、韌性幾乎為零）F+Fe3C→機械混合物、綜合性能好高溫萊氏體（Ld）：A+Fe3C→機械混合物、硬而脆

低溫萊氏體（Ld′）：P+Fe3C→機械混合物、硬而脆鐵碳合金的結(jié)晶鐵碳合金的分類：合金類別工業(yè)純鐵鋼白口鑄鐵亞共析鋼共析鋼過共析鋼亞共晶白口鑄鐵共日白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵ωC(%)≤0.02180.0218＜ωC≤2.112.11＜ωC＜6.69＜0.770.77＞0.77＜4.34.3＞4.3室溫組織FF+PPP+Fe3CⅡLd′+P+Fe3CⅡLd′Ld′+Fe3CⅠ

滲碳體（Fe3C）項目三項目四鋼的熱處理4.1鋼熱處理時的組織轉(zhuǎn)變4.2鋼的普通熱處理4.1.1

鋼加熱時的組織轉(zhuǎn)變4.1.2鋼冷卻時的組織轉(zhuǎn)變4.2.1鋼的退火與正火4.2.2鋼的淬火4.5

項目小結(jié)4.3

鋼的表面熱處理4.3.1

表面淬火4.3.2化學(xué)熱處理4.4.1技術(shù)要求的標(biāo)注4.4.2熱處理工序位置的安排4.2.3鋼的回火4.4

熱處理技術(shù)要求標(biāo)注、工序位置安排與工藝分析4.4.3熱處理工藝舉例與分析

熟悉鋼鐵材料的熱處理工藝和特點；

了解鋼鐵材料熱處理過程中的組織轉(zhuǎn)變及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形態(tài)與性能；

掌握常用熱處理工藝(退火、正火、淬火、回火)的特點及應(yīng)用；

熟悉鋼的表面熱處理工藝及特點；知識目標(biāo)●能力目標(biāo)●重點及難點●

初步具備正確選用常規(guī)熱處理方法、確定工序位置的能力；

初步具備分析熱處理缺陷及預(yù)防的能力

熱處理基本原理；

退火、正火工藝的目的及應(yīng)用；

淬火及其缺陷、預(yù)防；

回火目的及常用回火方法；

表面熱處理工藝方法；

熱處理工藝位置安排、方案選擇及工藝分析t保溫冷卻熱處理工藝曲線

V冷

V加T加

加熱t(yī)(h)T(℃)T臨

●

定義●

作用●

分類

WindowsMediaPlayer●

概述項目四鋼的熱處理項目四

WindowsMediaPlayer１

WindowsMediaPlayer２●

概述項目四鋼的熱處理項目四熱處理分類

普通熱處理退火正火淬火回火表面熱處理表面淬火化學(xué)熱處理井式電阻爐●

概述項目四鋼的熱處理項目四Fe3CPFPF+Fe3CA晶格：含碳：體心立方復(fù)雜斜方面心立方0.0218%6.69%0.77%①晶格改組②Fe、C原子擴散視頻4.1.1

鋼加熱時的組織轉(zhuǎn)變共析鋼室溫組織共析鋼奧氏體化P向A轉(zhuǎn)變條件殘余Fe3C溶解A成分均勻化A形核A長大4.1鋼熱處理時的組織轉(zhuǎn)變項目四WindowsMediaPlayer1共析鋼的奧氏體化過程視頻WindowsMediaPlayer2返回4.1.1

鋼加熱時的組織轉(zhuǎn)變4.1鋼熱處理時的組織轉(zhuǎn)變項目四●

奧氏體晶粒的長大與控制P轉(zhuǎn)變成A后，若繼續(xù)加熱或保溫，奧氏體晶粒會變粗大，力學(xué)性能↓控制奧氏體晶粒的長大加入一定量合金元素（除錳、磷外）合理選擇T加和t保

快速加熱和短時間保溫

視頻4.1.1

鋼加熱時的組織轉(zhuǎn)變4.1鋼熱處理時的組織轉(zhuǎn)變項目四返回

WindowsMediaPlayer●

奧氏體晶粒的長大與控制4.1.1

鋼加熱時的組織轉(zhuǎn)變4.1鋼熱處理時的組織轉(zhuǎn)變項目四冷卻方法隨爐冷空冷油冷水冷冷卻速度10oC/min10oC/s150oC/s600oC/s抗拉強度σb（MPa）519657～7068821078硬度（HRC）15～1818～2440～5052～60伸長率ψ(%)4945～504812～14●

45鋼不同冷卻方式的力學(xué)性能冷卻是決定鋼組織、性能的關(guān)鍵工序4.1.2

鋼冷卻時的組織轉(zhuǎn)變4.1鋼熱處理時的組織轉(zhuǎn)變項目四●熱處理的冷卻方式時間溫度臨界溫度

加熱保溫連續(xù)冷卻等溫冷卻●

過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變

過冷奧氏體——奧氏體冷到A1線以下，等溫轉(zhuǎn)變之前，處于過冷狀態(tài)，此時的奧氏體尚未轉(zhuǎn)變，稱為過冷奧氏體

等溫轉(zhuǎn)變曲線——過冷奧氏體和等溫轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時間與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物之間的關(guān)系曲線稱為等溫轉(zhuǎn)變曲線4.1.1

鋼冷卻時的組織轉(zhuǎn)變4.1鋼熱處理時的組織轉(zhuǎn)變項目四時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1因為象字母“C”所以又稱C曲線●共析鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線的建立4.1.1

鋼冷卻時的組織轉(zhuǎn)變4.1鋼熱處理時的組織轉(zhuǎn)變項目四穩(wěn)定的奧氏體區(qū)A1～550℃;高溫轉(zhuǎn)變區(qū);擴散型轉(zhuǎn)變;P轉(zhuǎn)變區(qū)。550～230℃;中溫轉(zhuǎn)變區(qū);半擴散型轉(zhuǎn)變;

貝氏體(B)轉(zhuǎn)變區(qū);230～-50℃;低溫轉(zhuǎn)變區(qū);非擴散型轉(zhuǎn)變;馬氏體(M)轉(zhuǎn)變區(qū)。時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMfA+產(chǎn)物區(qū)過冷奧氏體區(qū)產(chǎn)物區(qū)

轉(zhuǎn)變開始線轉(zhuǎn)變終了線550230●共析鋼C曲線的分析4.1.1

鋼冷卻時的組織轉(zhuǎn)變4.1鋼熱處理時的組織轉(zhuǎn)變項目四

富碳區(qū)

貧碳區(qū)●P轉(zhuǎn)變溫度較高，F(xiàn)與Fe3C的片層間距較大；●S和T轉(zhuǎn)變溫度較低，過冷度較大，片層間距變小●珠光體的轉(zhuǎn)變過程4.1.1

鋼冷卻時的組織轉(zhuǎn)變4.1鋼熱處理時的組織轉(zhuǎn)變項目四轉(zhuǎn)變產(chǎn)物符號組織形態(tài)轉(zhuǎn)變溫度組織形貌硬度珠光體P粗片A1650℃150250HBW索氏體S細(xì)片650600℃2535HRC托氏體T極細(xì)片600550℃3540HRC●共析鋼珠光體型產(chǎn)物的特性比較4.1.1

鋼冷卻時的組織轉(zhuǎn)變4.1鋼熱處理時的組織轉(zhuǎn)變項目四550～350℃:B上;40～45HRC;條狀的過飽和碳α-Fe+細(xì)條狀的Fe3C350～230℃:B下;50～60HRC;ε針葉狀的過飽和碳α-Fe+細(xì)片狀的Fe3C●貝氏體型(B)轉(zhuǎn)變(550～230℃)4.1.1

鋼冷卻時的組織轉(zhuǎn)變4.1鋼熱處理時的組織轉(zhuǎn)變項目四組織組織形態(tài)轉(zhuǎn)變溫度

組織形貌硬度性能B上灰色羽毛狀550350℃4045HRC強度低、韌性差B下黑色針狀350230℃4555HRC較高強度良好塑性●貝氏體型(B)轉(zhuǎn)變(550～230℃)4.1.1

鋼冷卻時的組織轉(zhuǎn)變4.1鋼熱處理時的組織轉(zhuǎn)變項目四Vk時間(lgτ)溫度℃A1PfPsA+PKMsMf水冷油冷Vk1爐冷空冷轉(zhuǎn)變開始線轉(zhuǎn)變終了線轉(zhuǎn)變終止線●過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變——共析碳鋼連續(xù)冷卻曲線的建立4.1.1

鋼冷卻時的組織轉(zhuǎn)變4.1鋼熱處理時的組織轉(zhuǎn)變項目四穩(wěn)定的奧氏體區(qū)時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf連續(xù)冷卻曲線

C曲線●共析碳鋼C曲線與連續(xù)冷卻曲線的比較4.1.1

鋼冷卻時的組織轉(zhuǎn)變4.1鋼熱處理時的組織轉(zhuǎn)變項目四

穩(wěn)定的奧氏體區(qū)時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMfV1V2VkV3V4V1=5.5℃/s:爐冷;PV2=20℃/s:空冷;SV3=33℃/s:油冷;M+T+A′

V4≥138℃/s:水冷;M+A′●連續(xù)冷卻曲線在C曲線中的應(yīng)用4.1.1

鋼冷卻時的組織轉(zhuǎn)變4.1鋼熱處理時的組織轉(zhuǎn)變項目四(1)

馬氏體型(M)

轉(zhuǎn)變

(230～－50℃)即Ms～Mf:C在α－Fe中的過飽和固溶體(2)馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)α－FeMC(3)馬氏體的組織形態(tài)(M的組織形態(tài)與含碳量有關(guān))板條狀——低碳馬氏體(＜0.2%C)針、片狀——高碳馬氏體(＞1%C)●轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能4.1.1

鋼冷卻時的組織轉(zhuǎn)變4.1鋼熱處理時的組織轉(zhuǎn)變項目四馬氏體的碳濃度Wc100507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.91.0硬度(HRC)2000抗拉強度σb(Mpa)180014001000600200隨M中含碳量的↑，強度和硬度不斷↑(4)馬氏體的性能(M的性能也與含碳量有關(guān))●轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能4.1.1

鋼冷卻時的組織轉(zhuǎn)變4.1鋼熱處理時的組織轉(zhuǎn)變項目四轉(zhuǎn)變產(chǎn)物組織形態(tài)含碳量組織形貌硬度塑性低碳馬氏體板條＜0.2%C3050HRCδ=9～17%

混合馬氏體

板條、針狀、片狀（混合）0.2～1%C介于低碳、高碳之間介于低碳、高碳之間高碳馬氏體針、片狀＞1%C66HRCδ≈1%●不同形態(tài)馬氏體的特性比較4.1.1

鋼冷卻時的組織轉(zhuǎn)變4.1鋼熱處理時的組織轉(zhuǎn)變項目四A′不穩(wěn)定，會發(fā)生轉(zhuǎn)變，使工件的形狀、尺寸發(fā)生變化，從而影響工件的耐磨性和尺寸穩(wěn)定性90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.11.21.31.41.51.61.7ωc100殘余奧氏體量%●殘留奧氏體（A′）的特點4.1.1

鋼冷卻時的組織轉(zhuǎn)變4.1鋼熱處理時的組織轉(zhuǎn)變奧氏體ωc對A′數(shù)量的影響項目四退火正火完全退火球化退火去應(yīng)力退火加熱冷卻應(yīng)用目的工藝曲線Ac3+30～50℃Ac1+20～40℃500～600℃Ac3（Accm）+30～50℃

爐冷

爐冷

爐冷空冷亞共析鋼

所有鋼(亞、共、過析鋼)

共析、過共析鋼鑄、鍛、焊件細(xì)化晶粒，↓HB，改善切削性獲球狀P,細(xì)化晶粒，↓HB，改善切削性消除內(nèi)應(yīng)力①細(xì)化晶粒，↑HB，改善切削性②消除網(wǎng)狀Fe3CAc3Ac1Ac1Ac3Ac1●

退火與正火工藝的比較退火工藝正火工藝4.2.1

鋼的退火與正火4.2鋼的普通熱處理項目四●

退火工藝

WindowsMediaPlayer

WindowsMediaPlayer●

正火工藝4.2.1

鋼的退火與正火4.2鋼的普通熱處理項目四●

退火與正火工藝的區(qū)別1）力學(xué)性能正火的強度、硬度高于退火退火的塑性好于正火2）切削加工退火通過↓HB，而正火通過↑HB，改善切削性3）經(jīng)濟性退火冷卻慢，經(jīng)濟性較差；正火冷卻快，經(jīng)濟性好●

退火與正火工藝的選擇3）消除網(wǎng)狀Fe3C，選正火4)提高經(jīng)濟效益,選正火1）提高力學(xué)性能：優(yōu)先選正火，正火還可作為工件的最終熱處理2）改善切削加工性：＜0.5%的亞共析鋼選正火，↑HB，改善切削性＞0.5%的亞共析鋼選完全退火，↓HB，改善切削性4.2.1

鋼的退火與正火4.2鋼的普通熱處理項目四●亞共析鋼Ac3+（30～50℃）●共、過共析鋼Ac1+（20～40℃）●理想淬火冷卻介質(zhì)時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf●

加熱●

保溫●冷卻0.0218%0.77%●

淬火工藝4.2.2

鋼的淬火4.2鋼的普通熱處理項目四●

常用淬火冷卻介質(zhì)淬火介質(zhì)水油鹽水堿浴硝鹽浴冷速650～550℃600℃/s快150℃/s太慢1000～1200℃/s比油快比油稍弱200～300℃270℃/s太快30℃/s慢300℃/s比油弱比油弱特點

低溫冷速快工件易變形開裂高溫冷速快可保證工件淬硬冷卻能力對水溫敏感成本低廉

低溫冷速慢，工件不易變形、開裂高溫冷速慢，工件易分解，淬不硬易老化、易燃油溫增加，冷卻能力增加

冷卻能力強工件表面質(zhì)量好，硬度均勻易變形開裂易腐蝕

既能保證工件淬硬，又能使變形開裂程度減少流動性好工作環(huán)境差用途尺寸小、形狀簡單碳鋼合金鋼小截面碳鋼形狀簡單，截面尺寸大的碳鋼小件、形狀復(fù)雜、精度高的工件●冷卻4.2.2

鋼的淬火4.2鋼的普通熱處理項目四等溫淬火分級淬火A1時間溫度雙液淬火

單液淬火

能較好防止變形和開裂但需要較高的操作技術(shù)能有效防止變形和開裂，適于復(fù)雜、變形要求小的工件不變形、開裂，適于復(fù)雜、精度高、強韌性高的工件

碳鋼用水合金鋼用油●淬火方法●

單液淬火●

雙液淬火●

分級淬火●

等溫淬火4.2.2

鋼的淬火4.2鋼的普通熱處理項目四●淬透性——鋼在淬火時所能得到的淬硬層(馬氏體組織占50%處)的深度，即獲得M的能力淬硬層越深，淬透性越好

淬透性大小對力學(xué)性能的影響淬透性好的鋼：從表到里均可獲良好的性能淬透性不好的鋼：心部性能較差

淬透性的意義——合理選擇材料、制訂熱處理工藝的依據(jù)▲受力復(fù)雜、對力學(xué)性能要求較高的零件，要選擇淬透性好的鋼▲要求表面耐磨，心部性能要求不高的零件可選淬透性較差的鋼●鋼的淬透性與淬硬性4.2.2

鋼的淬火4.2鋼的普通熱處理項目四●淬硬性——鋼在淬火后所能達到的最高硬度●淬透性與淬硬性的關(guān)系淬透性淬硬性鋼種小低碳素結(jié)構(gòu)鋼(20)小高碳素工具鋼(T10A)大低低碳合金結(jié)構(gòu)鋼(18Cr2Ni4WA)大高高碳高合金工具鋼(Cr12MoV)二者沒有必然的聯(lián)系其大小與M中的含碳量有關(guān)，含碳越多，淬火后硬度就越高●鋼的淬透性與淬硬性4.2.2

鋼的淬火4.2鋼的普通熱處理項目四淬火后的鋼重新加熱到AC1以下某一溫度保溫一定時間，然后空冷到室溫的工藝●

回火定義1）消除淬火內(nèi)應(yīng)力，降低鋼的脆性，防止工件變形與開裂2）調(diào)整力學(xué)性能3）穩(wěn)定工件的形狀和尺寸●

回火目的●

回火方法與應(yīng)用鋼淬火后獲得的馬氏體和少量的殘余奧氏體，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，會自發(fā)向穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變，從而引起工件變形甚至開裂。因此，鋼淬火后必須及時回火●

回火原因4.2.3

鋼的回火4.2鋼的普通熱處理項目四●調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)就是淬火+高溫回火的熱處理工藝，可使工件獲得綜合力學(xué)性能工藝名稱回火溫度(℃)回火后硬度(HRC)性能特點用途彈簧鋼、熱作模具低溫回火中溫回火高溫回火150

～250350

～500500

～60058～6435～5025～35工具鋼、滾動軸承、滲碳件、表面淬火件重要結(jié)構(gòu)件機械零件高硬度、高耐磨性，脆性、內(nèi)應(yīng)力低高彈性、屈強比及一定韌性抗疲勞性

綜合力學(xué)性能●

回火方法與應(yīng)用4.2.3

鋼的回火4.2鋼的普通熱處理項目四不改變表面化學(xué)成分，只改變表面組織，而心部仍保留原退火、正火或調(diào)質(zhì)組織●

特點1）表面：高硬度、高耐磨性

2）心部：足夠的強度、韌性●

性能快速加熱，使鋼的表層A化，在熱量尚未傳到零件中心時就立即予以冷卻淬火●

工藝感應(yīng)加熱法、火焰加熱法、激光加熱法等●

方法表硬心韌4.3.1

表面淬火4.3鋼的表面熱處理項目四●感應(yīng)表面淬火1）加熱速度快2）工件表面質(zhì)量高，淬火變形小3）易實現(xiàn)機械化和自動化及大批量生產(chǎn)，勞動生產(chǎn)率高4）設(shè)備昂貴，維修調(diào)整較難中碳鋼或中碳低合金鋼，也可用于工具鋼不宜用于形狀復(fù)雜的零件及單件生產(chǎn)●

原理●

特點●

鋼種●

熱處理特點

調(diào)質(zhì)淬火+低溫回火4.3.1

表面淬火4.3鋼的表面熱處理表面淬火后表面淬火前項目四既改變表面化學(xué)成

分又改變表面組織，

而心部保留原始組

織強化表面，并使工件表面具有某種特殊性能●

目的●

特點表面：高硬度、高耐磨性、高疲勞性

心部：良好的強度、韌性增加表層C含量，↑表面硬度、耐磨性、疲勞強度受嚴(yán)重磨損，并承受較大沖擊載荷的零件低碳成分的普通碳鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼15、20、20Cr、20CrMnTi、20MnVB滲碳●

性能●

目的●

應(yīng)用●

鋼種●

滲碳工藝下料→鍛造→正火→粗加工→滲碳→淬火+低溫回火→精磨滲氮●

滲碳工藝4.3.2

化學(xué)熱處理4.3鋼的表面熱處理項目四既改變表面化學(xué)成

分又改變表面組織，

而心部保留原始組

織強化表面，并使工件表面具有某種特殊性能●

目的●

特點表面：高硬度、高耐磨性、高疲勞性、高耐蝕性

心部：足夠的強度、韌性增加表層N含量，↑硬度、耐磨性、疲勞強度、耐蝕性優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、專用滲氮鋼、不銹鋼、鑄鐵等20、30、40Cr、42CrMo、38CrMoAl、QT600-3耐磨性和精度均要求較高或抗熱、抗蝕的零件●

鋼種●

性能●

目的●

應(yīng)用●

滲碳工藝滲氮滲碳下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→半精加工→滲氮→精磨●

滲氮工藝4.3.2

化學(xué)熱處理4.3鋼的表面熱處理項目四●滲氮