金屬學與熱處理教案

PAGEPAGE36金屬學與熱處理第一章金屬材料的力學性能金屬材料的力學性能是指金屬材料在外力作用下表現(xiàn)出來的特性，如強度、塑性、硬度、沖擊韌度等?！?.1強度和塑性一、強度強度是指材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。以屈服強度σs和抗拉強度σb最為常用。材料或零件受載時,抵抗變形與破壞的能力。根據(jù)外力性質(zhì)不同，可分為抗拉強度、抗壓強度、抗扭強度、抗剪強度。式中F——外力（N）；A——試件斷面面積（m2）（一）低碳鋼的拉伸曲線1、拉伸試樣（1）圓形試樣L0=10d0；L0=5d0標距標距l(xiāng)0d0（2）方形試樣2、拉伸曲線3、強度指標（1）彈性極限σe這是表示金屬σbOσbOσσeσpσs線彈性階段屈服階段強化階段頸縮階段應力-應變（σ-ε）圖····（2）屈服點（屈服強度）σs

金屬承受載荷時，當載荷不再增加，但金屬本身的變形卻繼續(xù)增加的現(xiàn)象稱為屈服，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的應力叫屈服點；條件屈服點σ0.2

金屬發(fā)生屈服現(xiàn)象時，為便于測量，通常按其產(chǎn)生永久殘余變形量等于試樣原長0.2%時的應力，作為屈服強度3）抗拉強度σbN/mm2

指外力是拉力時的強度極限，它是衡量金屬材料強度的主要性能指標;二、塑性塑性是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力，常用延伸率(δ)和斷面收縮率(ф)作為材料的塑性指標。1、延伸率(δ)2、斷面收縮率(ф)§1.2硬度硬度是指金屬材料抵抗硬物壓入其表面的能力。工程上常用的有布氏硬度和洛氏硬度。圖1

布氏硬度試驗原理圖一、布氏硬度（HB）布氏硬度試驗是用一定的載荷P，將直徑為D的淬火鋼球，在一定壓力作用下，壓入被測金屬的表面(圖1)，保持一定的時間后卸去載荷，以載荷與壓痕表面積的比值作為布氏硬度值，用HB表示。HB值愈大，材料愈硬。用布氏硬度試驗測材料的硬度值，其測試數(shù)據(jù)比較準確，但不能測太薄的試樣和硬度較高的材料。二、洛氏硬度（HR）洛氏硬度試驗是用一定的載荷將頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球壓入被測試樣表面，然后根據(jù)壓痕的深度來確定它的硬度值。用洛氏硬度計可以測量從軟到硬的各種不同材料，這是因為它采用了不同的壓頭和載荷，組成各種不同的洛氏硬度標度，如HRA、HRB、HRC。三、維氏硬度（HV）材料的屈服點大多情況下可用HV近似地估算：σs=HV（0.1）n/3式中：n—材料加工硬化系數(shù)對于高強度材料，可以近似的認為n=0，σs=HV/3四、硬度測定方法1、布氏硬度測定方法。圖2為HB－3000布氏硬度計。測定硬度時其基本操作和程序如下：圖2

HB－3000布氏硬度計1—指示燈2—壓頭3—工作臺4—立柱5—絲杠6—手輪7—載荷砝碼8—壓緊螺釘9—時間定位器10—加載按鈕1）將試樣平穩(wěn)放在工作臺上，轉(zhuǎn)動手輪使工作臺徐徐上升使試樣與壓頭接觸（應注意壓頭固定是否可靠），到手輪打滑為至,此時初載荷已加上。2）按下加載按鈕，加荷指示燈亮，自動加載并卸載指示燈滅。3）逆時針轉(zhuǎn)動手輪，使工作臺下降，取下試樣。4）用讀數(shù)放大鏡測量壓痕直徑，測得壓痕直徑后從表中查出布氏硬度值。2、洛氏硬度測定方法。以HRC測試為例（圖3a），它是采用頂角為120°金剛石圓錐壓頭，總載荷為1500N。測試時先加預載荷100N，壓頭從起始位置0—0到1—1位置，壓入試件深度為h1，后加總載荷1500N（實為主載荷1400N加上預載荷100N），壓頭位置為2一2，壓入深度為h2，停留數(shù)秒后，將主載荷1400N卸除，保留預載荷100N。由于被測試件彈性變形恢復，壓頭略為提高，位置為3—3，實際壓入試件深度為h3，因此在主載荷作用下，壓頭壓入試件的深度h=h3一h1。為了便于從硬度計表盤上直接讀出硬度值，一是規(guī)定表盤上每一小格相當于0．002mm壓深，二是將HRC值用HRC=100一的公式表示，從而符合人們的習慣概念，即材料越硬，硬度值（HRC）越高。洛氏硬度試驗過程如圖3b所示。圖3a

洛氏硬度測定原理示意圖圖3b

洛氏硬度測定過程§1.3韌性一、沖擊韌度沖擊韌度是指材料抵抗沖擊載荷的能力。金屬材料韌性的好壞用沖擊韌度值衡量。1、沖擊吸收功Ak=F（H1-H2）2、沖擊韌度αk=Ak/SNJ/cm2沖擊韌度除與材料本身的成分、組織及品質(zhì)外，還與溫度有關(guān)。3、韌脆轉(zhuǎn)變溫度Αk隨溫度的降低而減小，某一溫度范圍內(nèi)，材料的αk值急劇下降，表明材料由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變，此時的溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。二、斷裂韌度1、裂紋尖端應力場、應力分析2、應力場強度因子KI裂紋尖端區(qū)域各點的應力分量除了決定其位置(γ,θ)外,還與強度因子KⅠ有關(guān),對于確定的一點,其應力分量就由KⅠ決定.KI可以反映應力場的強弱?！喾Q之為應力場強度因子。

通式：a—1/2裂紋長度；

Y—裂紋形狀系數(shù)（無量綱量）；一般Y=1~2形狀系數(shù)Y的計算很復雜根據(jù)不同的裂紋存在位置，→應力場→應力→Y實際應用中，可根據(jù)試樣、加載方式，查手冊。如：寬板中心貫穿裂紋；長板中心穿透裂紋注意：Y是無量綱的系數(shù)；而KI有量綱MPa·m1/2或MN·m-3/23、斷裂韌度KIC和斷裂判據(jù)①斷裂韌度當應力達到斷裂強度，裂紋失穩(wěn)，并開始擴展。

臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的KI值記作：KIC或KC，稱為斷裂韌度。

KC—平面應力斷裂韌度

KIC—平面應變，I類裂紋時斷裂韌度②斷裂判據(jù)

KI<KIC有裂紋，但不會擴展

KI=KIC臨界狀態(tài)

KI>KIC發(fā)生裂紋擴展，直至斷裂§1.4疲勞強度疲勞強度是指金屬材料在無限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應力稱為疲勞強度或疲勞極限。實際上，金屬材料并不可能作無限多次交變載荷試驗。一般試驗時規(guī)定，鋼在經(jīng)受107次、非鐵（有色）金屬材料經(jīng)受108次交變載荷作用時不產(chǎn)生斷裂時的最大應力稱為疲勞強度。當施加的交變應力是對稱循環(huán)應力時，所得的疲勞強度用σ–1表示。

許多機械零件，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，在工作過程中各點的應力隨時間作周期性的變化，這種隨時間作周期性變化的應力稱為交變應力（也稱循環(huán)應力）。在交變應力的作用下，雖然零件所承受的應力低于材料的屈服點，但經(jīng)過較長時間的工作后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象稱為金屬的疲勞。

疲勞破壞是機械零件失效的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計，在機械零件失效中大約有80%以上屬于疲勞破壞，而且疲勞破壞前沒有明顯的變形，所以疲勞破壞經(jīng)常造成重大事故，所以對于軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等承受交變載荷的零件要選擇疲勞強度較好的材料來制造。第二章金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶教學目的：掌握三種典型金屬晶格的特性和金屬的結(jié)晶規(guī)律，了解金屬的實際結(jié)構(gòu)與晶格缺陷本章重點：1、三種典型金屬晶格及其特性2、金屬的結(jié)晶規(guī)律本章難點:三種典型金屬晶格及其特性參考文獻：1、戴起勛，金屬材料學，化學工業(yè)出版社，20052、史美堂，金屬材料及熱處理，上?？茖W技術(shù)出版社，20013、史美堂，金屬材料及熱處理習題集與實驗指導書，上?？茖W技術(shù)出版社，1997為什么要研究結(jié)構(gòu)？因為物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的性能，如碳元素：金剛石、石墨、碳纖維、炭黑等等，包括熱處理性能。第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬鍵金屬鍵的概念金屬或合金的每一個原子都貢獻出它們的價電子，形成由整個固體金屬所共有的“電子云”，這種鍵合類型就是金屬鍵。金屬鍵的特點原子排列緊密，決定了金屬具有強度高，塑性好，良好的導電性、導熱性。晶體的概念晶體：原子（離子、分子）在三維空間作有規(guī)則的周期性重復排列所構(gòu)成的物體。即：長程有序（短程有序-非晶態(tài)；無序-納米）物質(zhì)為什么具有晶體結(jié)構(gòu)？因為各原子之間的相互吸引力與排斥力相平衡的結(jié)果。晶格：為了便于研究晶體中原子（離子）的排列情況，將構(gòu)成晶體的原子（離子）抽象成純粹的幾何點—結(jié)點或陣點，并用平行的直線把這些結(jié)點連接起來，構(gòu)成一個三維的幾何格子，稱為晶格（點陣）。晶胞：從晶格中確定一個最基本的幾何單元來表達其排列形式的特征，這種最基本的幾何單元稱為晶胞（代表原子排列特征的最基本幾何單元）。布拉菲晶格（點陣）每個晶胞有六個晶格常數(shù)（a,b,c;α,β,γ），法國晶體學家A.Bravais曾用數(shù)學法證明六個晶格常數(shù)的變化只能形成7類型晶系14種晶格，稱為布拉菲晶格。a=b=c,α=β=γ=900立方晶系a=b≠c,α=β=γ=900正方晶系a≠b≠c，α=β=γ=900正交晶系a=b=c,α=β=γ≠900菱方晶系a=b≠c,α=β=900，γ=1200六方晶系a=b≠c,α=γ=900≠β單斜晶系a≠b≠c，α≠β≠γ≠900三斜晶系三種常見的金屬晶格金屬元素中，百分之九十以上的金屬晶體屬于下列三種晶格形式：體心立方晶格晶格常數(shù)：a=b=c,α=β=γ=900晶胞中原子位于正方體的八個頂角和立方體中心，由于每個頂角上的原子同時屬于周圍八個晶胞共有，所以體心立方晶胞中含有的原子數(shù)為2在立方體對角線上，三個原子球相切，故：原子半徑r=a/4屬于這種晶格的金屬有：α-Fe,Cr,W,Mo,V,Nb等。面心立方晶格晶格常數(shù)：a=b=c,α=β=γ=900晶胞中原子位于立方體的八個頂角和六個面的中心，晶胞原子數(shù)：1/8*8+1/2*6=4原子半徑r=a/4屬于這種晶格的金屬有：γ-Fe,Al,Cu,Ag,Au,Pb等。密排六方晶格晶格常數(shù)：a=b≠c,α=β=900，γ=1200；a-六方柱體底邊長，c-上下底面的距離當c/a=1.633時，為理想密排六方晶格晶胞中，原子位于六方柱體的十二個頂角，上下底面中心，六方柱體中還有三個原子，晶胞原子數(shù)：1/6*12+1/2*2+3=6原子半徑r=a/2屬于這種晶格的金屬有：Mg,Zn,Cd（鎘）,Be等三種典型晶格的致密度及晶面、晶向分析晶格致密度晶格的致密度是指晶胞中，原子球所占的體積與晶胞體積之比值：V原子/V晶胞①體心立方晶格的致密度：0.68，即晶格中有32%的空隙②面心立方晶格的致密度：0.74，即晶格中有26%的空隙③密排六方晶格的致密度：0.74，即晶格中有26%的空隙④簡單立方晶格的致密度：0.52，即晶格中有48%的空隙一般而言，晶格致密度大，空隙少，晶格溶解其他原子的能力就小，但體心立方晶格中雖然空隙所占體積較大，但它的空隙分散，單個空隙的尺寸??；而面心立方晶格雖然空隙體積小，但空隙集中，空隙尺寸大，因此對于同一溶質(zhì)，在面心立方晶格中的溶解度往往大于在體心立方晶格中的溶解度，如：C在γ-Fe中的溶解度遠大于在α-Fe中的溶解度。晶格的配位數(shù)所謂晶格的配位數(shù)是指晶格中任一原子周圍所緊鄰的且等距離的原子數(shù)。顯然配位數(shù)越大，晶格中的原子排列越緊密。①體心立方晶格的配位數(shù)：8②面心立方晶格的配位數(shù)：12③密排六方晶格的配位數(shù)：12晶面及晶向指數(shù)（密勒指數(shù)）晶面：若干原子連成的平面。晶向：各種方向上的原子列。研究晶體結(jié)構(gòu)常需分析不同晶面、晶向的原子分布特點，故需定義晶面、晶向——密勒指數(shù)①晶面指數(shù)的定義：a、在晶格中設置坐標軸X、Y、Z，坐標原點應位于待定指數(shù)的晶面之外。b、求出待定晶面在各個坐標軸上的截距，并用晶軸的單位長度（晶胞的晶格常數(shù)）作為截距的單位，2ａ-2,3b-3,1c-1c、取截距得倒數(shù)，然后化為最小的簡單整數(shù)，加上小括號，即得晶面指數(shù)。若晶面與晶軸相截于負方向，則將負號標于該數(shù)的上方。②晶向指數(shù)的定義：ｒ＝ｕａ＋ｖｂ＋ｗｃ，［ｕ，ｖ，ｗ］a、以晶胞的晶軸為坐標軸Ｘ，Ｙ，Ｚ，以晶胞的邊長為坐標軸的長度單位b、使待定晶向的直線通過坐標原點或通過原點作一直線平行于待定晶向c、在通過原點的直線上選出距原點Ｏ最近的一個結(jié)點，確定該結(jié)點的坐標值d、將三個坐標值化為互質(zhì)整數(shù)，再加上方括號，即為該待定晶向的晶向指數(shù)。如果其中某一數(shù)值為負，則將負號標注在該數(shù)值上方。4、晶面及晶向的原子密度晶面的原子密度是指晶面上單位面積的原子數(shù)。晶向的原子密度是指晶向上單位長度的原子數(shù)。體心立方晶格：{100}晶面1/a2<100>晶向1/a{110}晶面1.4/a2<110>晶向0.7/a{111}晶面0.58/a2<111>晶向1.16/a所以體心立方晶格的最大原子密度晶面是：{110}晶面最大原子密度晶向是：<111>晶向同樣對于面心立方晶格，最大原子密度晶面是：{111}晶面最大原子密度晶向是：<110>晶向5、晶體的各向異性由于晶體中不同晶面、晶向上的院子密度不同，故晶體在不同方向上的性能也不同，呈現(xiàn)各向異性，這是晶體區(qū)別于非晶體的重要標志之一。如：體心立方的鐵晶體，在<111>晶向上E=290000MN/m2在<110>晶向上E=1350000MN/m2第二節(jié)金屬的實際結(jié)構(gòu)和晶體缺陷多晶體結(jié)構(gòu)①單晶體：晶體內(nèi)部晶格方位完全一致②多晶體：晶體內(nèi)部包含很多小晶體，每個小晶體內(nèi)部晶格方位完全一致，而各個小晶體之間彼此的晶格方位都不相同。③晶粒：組成金屬晶體的小晶體，因其外型呈不規(guī)格的顆粒狀故稱晶粒。④晶界：晶粒之間的界面。晶界的特性：a.晶界處能量高，雜質(zhì)多。b.晶界易被腐蝕。c.晶界熔點比晶內(nèi)低。d.相變首先在晶界處發(fā)生。e.晶界阻礙位錯的運動，因此晶界不易發(fā)生塑性變形。⑤亞晶：每個晶粒內(nèi)部，存在晶格位向有微小差異的小區(qū)域，位向差很小10-20’，最多1-2°晶體缺陷①點缺陷（零維缺陷）晶格空位：晶格中的原子脫離晶格結(jié)點，形成空位。間隙原子：從晶格結(jié)點上脫離的原子轉(zhuǎn)移到晶格間隙?！g隙原子。晶格中晶格空位，間隙原子的存在，會改變其周圍原子的平衡，造成晶格畸變。②線缺陷（一維缺陷）位錯是晶體中普遍存在的，也是最重要的一種缺陷。位錯包括刃型位錯，螺型位錯及混合位錯。位錯線周圍的原子不同程度地偏離了平衡位置，使周圍的晶格發(fā)生了畸變。③面缺陷（二維缺陷）晶界，亞晶界第三節(jié)金屬的結(jié)晶與鑄錠一、結(jié)晶的概念金屬由液體凝固為晶體的過程，稱為結(jié)晶。熱分析法將純金屬放入加熱爐內(nèi)的坩堝中加熱使之熔化，然后緩慢冷卻，用記錄儀將冷卻過程中的溫度與時間記錄下來，得到冷卻曲線，從而可測得金屬的實際結(jié)晶溫度的方法，稱為熱分析法。過冷度金屬實際結(jié)晶溫度與理論結(jié)晶溫度之差稱為過冷度。ΔT=Tm-Tn金屬結(jié)晶的熱力學條件由于液體與晶體的結(jié)構(gòu)不同，其在同一溫度下的自由能是不同的，液相與固相的自由能曲線的交點對應的溫度即是理論結(jié)晶溫度。當溫度低于理論結(jié)晶溫度時，由于液相的自由能高于固相，液相就會向固相轉(zhuǎn)變，即發(fā)生結(jié)晶，結(jié)晶的推動力就是液相與固相的自由能差ΔF,ΔF越大結(jié)晶越容易。而過冷度ΔT越大，ΔF越大。自由能FΔF ΔT溫度TTｎTm金屬的結(jié)晶規(guī)律金屬的結(jié)晶規(guī)律與非金屬的結(jié)晶規(guī)律一樣，都是分兩個步驟：①晶核的形成②晶核的成長金屬從液態(tài)冷卻過程中，首先產(chǎn)生不穩(wěn)定的原子排列小集團（晶胚），隨著溫度的降低，形成穩(wěn)定的晶核，晶核形成的初期，原子排列規(guī)則，但隨著晶核的成長，由于棱角處的散熱條件優(yōu)于其它部位，因而便得到優(yōu)先成長，即呈“枝晶成長”，首先長出枝干，再長出分枝，最后把晶間填滿。過冷度越大，枝晶成長的特點越明顯。金屬實際結(jié)晶過程中，結(jié)晶開始時，晶核數(shù)量少，結(jié)晶很慢；隨著溫度的降低，晶核大量形成并成長，結(jié)晶速度加快。當晶體長大并相互抵觸時，結(jié)晶速度又變慢。正是由于結(jié)晶過程中各晶體的成長相互抵觸、相互限制，所以最后形成的晶粒具有不規(guī)則的外形，并產(chǎn)生各種缺陷。影響金屬結(jié)晶的因素過冷度的影響不同過冷度ΔT對晶核形成率N(晶核形成數(shù)目/s?mm3)和晶核成長率G(mm/s)的影響為拋物線形，當過冷度較低時，晶核的形成率和成長率均很小，隨著過冷度的增大，二者都增大，并在一定的過冷度時達到最大值；當過冷度進一步增大，二者又逐漸減小，直至過冷度很大時，又先后趨于零。過冷度對晶核形成率和成長率的上述影響，主要是因為在結(jié)晶過程中有兩個相反因素在同時起作用：①過冷度越大，液相與固相的自由能差ΔF越大，結(jié)晶的推動力越大。②過冷度越大，液體中原子的遷移能力或擴散能力越小，晶核的形成和成長越難。當過冷度很大時，金屬不再通過結(jié)晶方式凝固，而是形成了非晶態(tài)的金屬——激冷凝固工藝。如：金屬鎳Tm=1725K,Tg=425K,臨界冷速Vc=3×1010K/s通過激冷凝固工藝目前已經(jīng)能夠生產(chǎn)寬100mm,長350m，厚10μm-150μm±2μm的非晶態(tài)金屬薄板。如圖：T,KTmbaTgabVcS未熔雜質(zhì)的影響金屬中的高熔點雜質(zhì)，呈固態(tài)質(zhì)點懸浮在金屬液體中，這些未熔雜質(zhì)在金屬結(jié)晶過程中能夠起到天然晶核的作用，可顯著提高晶核的形成率，使金屬晶粒細化，且這種作用遠大于通過提高過冷度產(chǎn)生的影響。工業(yè)生產(chǎn)中，常向液體金屬中加入難熔雜質(zhì)來細化晶粒，這種方法叫做變質(zhì)處理，如在鋁中加入微量的鈦；鑄鐵中加入硅、鈣等。第三節(jié)金屬鑄錠的組織表層細晶粒層液體金屬剛澆入錠模后，由于模壁溫度較低，表層金屬劇烈冷卻，過冷度大，且模壁的人工晶核作用，故鑄錠表層形成細晶粒層。柱狀晶粒層表層細晶粒層形成后，鑄錠的冷卻速度下降，晶核的形成速率不如成長率大，各晶粒成長較快。由于沿垂直于模壁方向散熱較快，故晶粒編沿這一方向長大，形成柱狀晶粒層。中心等軸晶粒區(qū)柱狀晶粒區(qū)成長到一定厚度時，散熱的方向性已不明顯，內(nèi)部液體處于均勻冷卻狀態(tài)，晶核在不同方向的成長速度相同，因此在鑄錠的中心便形成粗大的等軸晶粒區(qū)。第四節(jié)合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶一、合金的基本概念

1、合金

是指兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)2、組元

組成合金最基本的，獨立的物質(zhì)稱為組元。3、合金系

由若干給定組元可以按不同比例配制成一系列成分不同的合金，構(gòu)成一個合金系統(tǒng)，簡稱合金系。4、相

指金屬組織中化學成分、晶體結(jié)構(gòu)和物理性能相同的組分。5、組織

泛指用金相觀察的方法看到的由形態(tài)、尺寸不同和分布方式不同的一種或多種相構(gòu)成的總體。二、合金的結(jié)構(gòu)

1、固溶體

固溶體是指合金在固態(tài)下，組元間能互相溶解而形成的均勻相。溶劑的概念溶質(zhì)的概念（1）置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)部分溶劑晶格的結(jié)點位置而形成的固溶體稱為置換固溶體。無限固溶體：例Cu-Ni合金有限固溶體：例Cu-Zn合金（2）間隙固溶體溶質(zhì)原子分布在溶劑晶格間隙處而形成的固溶體應該指出，溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中導致固溶體的晶格畸變使合金強度、硬度升高，這種現(xiàn)象稱為“固溶強化”。2、金屬化合物

金屬化合物是指金屬組元間相互作用而生成的具有金屬特性的一種新相。其晶格類型不同于它的任一組元；其性能特點是熔點高、硬而脆。當金屬化合物細小均勻分布在固溶體上時，能顯著提高合金的強度、硬度和耐磨性這種現(xiàn)象稱為彌散強化。由兩相或多相按固定比例構(gòu)成的組織稱為機械混合物。工業(yè)上使用的大多數(shù)合金屬于機械混合物，如鋼、生鐵、鋁合金、黃銅、青銅等三、合金的結(jié)晶遵循形核與長大的規(guī)律，結(jié)晶過程有潛熱釋放。合金的結(jié)晶過程在某一溫度范圍內(nèi)進行，結(jié)晶過程中各相的成分還不斷發(fā)生變化。遵循形核與長大的規(guī)律，結(jié)晶過程有潛熱釋放。合金的結(jié)晶過程在某一溫度范圍內(nèi)進行，結(jié)晶過程中各相的成分還不斷發(fā)生變化。四、合金狀態(tài)圖合金狀態(tài)圖是用圖解的方式表示在十分緩慢的冷卻條件（平衡條件）下，合金組織、成分與溫度之間的關(guān)系,又稱合金相圖或合金平衡圖。１、勻晶狀態(tài)圖２、共晶狀態(tài)圖３、共析狀態(tài)圖第三章鐵碳合金相圖非合金鋼[（GB／T13304-91），將鋼分為非合金鋼、低合金鋼和合金鋼三大類]和鑄鐵是應用極其廣泛的重要金屬材料，都是以鐵為基主要由鐵和碳組成的鐵碳合金。了解鐵碳合金成分與組織、性能的關(guān)系，有助于我們更好地研究和使用鋼鐵材料。本章將著重討論鐵碳相圖及其應用方面的一些問題。鐵與碳可以形成一系列化合物：、、等。的含碳量為6.69％，鐵碳合金含碳量超過6.69％，脆性很大，沒有實用價值，所以本章討論的鐵碳相圖，實際是-相圖。相圖的兩個組元是和。3.1-系合金的組元與基本相3.l.l組元⑴純鐵是過渡族元素，1個大氣壓下的熔點為1538℃，20℃時的密度為。純鐵在不同的溫度區(qū)間有不同的晶體結(jié)構(gòu)（同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變），即：-（體心）-（面心）-（體心）工業(yè)純鐵的力學性能大致如下：抗拉強度=180～230，屈服強度＝100～170，伸長率30～50％，硬度為50～80。可見，純鐵強度低，硬度低，塑性好，很少做結(jié)構(gòu)材料，由于有高的磁導率，主要作為電工材料用于各種鐵芯。⑵是鐵和碳形成的間隙化合物，晶體結(jié)構(gòu)十分復雜，通常稱滲碳體，可用符號表示。具有很高的硬度但很脆，硬度約為950～1050，抗拉強度=30，伸長率。3.1.2基本相-相圖中除了高溫時存在的液相，和化合物相外，還有碳溶于鐵形成的幾種間隙固溶體相：⑴高溫鐵素體碳溶于-的間隙固溶體，體心立方晶格，用符號表示。⑵鐵素體碳溶于-的間隙固溶體，體心立方晶格，用符號或表示。中碳的固溶度極小，室溫時約為0.0008％,600℃時約為0.0057％,在727℃時溶碳量最大，約為0.0218％，但也不大，在后續(xù)的計算中，如果無特殊要求可忽略不計。力學性能與工業(yè)純鐵相當。⑶奧氏體碳溶于-的間隙固溶體，面心立方晶格，用符號或表示。奧氏體中碳的固溶度較大，在1148℃時最大達2.11％。奧氏體強度較低，硬度不高，易于塑性變形。3.2-相圖3.2.1-相圖中各點的溫度、含碳量及含義-相圖及相圖中各點的溫度、含碳量等見圖3.1及表3.1所示。圖3.1及表3.1中代表符號屬通用，一般不隨意改變。C,％(重量)→圖3.1-相圖表3.1相圖中各點的溫度、含碳量及含義符號溫度（℃）含碳量[%（質(zhì)量）]含義ABCDEFGHJKNPSQ153814951148122711481148912149514957271394727727600（室溫）00.534.306.692.116.6900.090.176.6900.02180.770.0057(0.0008)純鐵的熔點包晶轉(zhuǎn)變時液態(tài)合金的成分共晶點Fe3C碳在γ-Fe中的最大溶解度Fe3Cα-Fe→γ-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點碳在δ-Fe中的最大溶解度包晶點Fe3Cγ-Fe→δ-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點碳在α-Fe中的最大溶解度共析點600℃（或室溫）時碳在α-Fe3.2.2-相圖中重要的點和線3.2.2.1三個重要的特性點⑴點為包晶點合金在平衡結(jié)晶過程中冷卻到1495℃時。點成分的與點成分的發(fā)生包晶反應，生成點成分的。包晶反應在恒溫下進行，反應過程中、、三相共存，反應式為：或。⑵點為共晶點合金在平衡結(jié)晶過程中冷卻到1148℃時。點成分的發(fā)生共晶反應，生成點成分的和。共晶反應在恒溫下進行，反應過程中、、三相共存，反應式為：或。共晶反應的產(chǎn)物是與的共晶混合物，稱萊氏體，用符號表示，所以共晶反應式也可表達為：。萊氏體組織中的滲碳體稱為共晶滲碳體。在顯微鏡下萊氏體的形態(tài)是塊狀或粒狀（727℃時轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w）分布在滲碳體基體上。⑶點為共析點合金在平衡結(jié)晶過程中冷卻到727℃時點成分的發(fā)生共析反應，生成點成分的和。共析反應在恒溫下進行，反應過程中、、三相共存，反應式為：或共析反應的產(chǎn)物是鐵素體與滲碳體的共析混合物，稱珠光體，用符號表示，因而共析反應可簡單表示為：中的滲碳體稱為共析滲碳體。在顯微鏡下的形態(tài)呈層片狀。在放大倍數(shù)很高時，可清楚看到相間分布的滲碳體片（窄條）與鐵素體片（寬條）。的強度較高，塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間，其機械性能如下：抗拉強度（）770延伸率（）20～35％沖擊韌性（）30～40硬度（）1803.2.2.2相圖中的特性線相圖中的為液相線；為固相線。⑴水平線為包晶反應線。碳含量0.09～0.53％的鐵碳含金在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生包晶反應。⑵水平線為共晶反應線。碳含量在2.11～6.69％之間的鐵碳合金，在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生共晶反應。⑶水平線為共析反應線。碳含量0.0218～6.69％之間的鐵碳合金，在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生共析反應。線在熱處理中亦稱線。⑷線是合金冷卻時自中開始析出的臨界溫度線，通常稱線。⑸線是碳在中的固溶線，通常稱線。由于在1148℃時中溶碳量最大可達2.11％，而在727℃時僅為0.77％，因此碳含量大于0.77％的鐵碳合金自1148℃冷至727℃的過程中，將從中析出。析出的滲碳體稱為二次滲碳體（）。線亦是從中開始析出的臨界溫度線。⑹線是碳在中的固溶線。在727℃時中溶碳量最大可達0.0218％，室溫時僅為0.0008％，因此碳含量大于0.0008％的鐵碳合金自727℃冷至室溫的過程中，將從中析出。析出的滲碳體稱為三次滲碳體（）。線亦為從中開始析出的臨界溫度線。數(shù)量極少，往往可以忽略。下面分析鐵碳合金平衡結(jié)晶過程時，均忽略這一析出過程。3.3典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程根據(jù)-相圖，鐵碳含金可分為三類：⑴⑵⑶下面分別對以上七種典型鐵碳含金的結(jié)晶過程進行分析。3.3.1以含碳0.01％的鐵碳合金為例，其冷卻曲線（如圖3.2）和平衡結(jié)晶過程如下。合金在1點以上為液相。冷卻至稍低于1點時，開始從中結(jié)晶出，至2點合金全部結(jié)晶為。從3點起，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?，?點全部轉(zhuǎn)變完了。4-5點間冷卻不變。自5點始，從中析出。在晶界處生核并長大，至6點時全部轉(zhuǎn)變?yōu)椤Ｔ?-7點間冷卻不變。在7-8點間，從晶界析出。因此合金的室溫平衡組織為+。呈白色塊狀；量極少，呈小白片狀分布于晶界處。若忽略，則組織全為。圖3.2工業(yè)純鐵結(jié)晶過程示意圖3.3其冷卻曲線和平衡結(jié)晶過程如圖3.3所示。合金冷卻時，于1點起從中結(jié)晶出，至2點全部結(jié)晶完了。在2-3點間冷卻不變。至3點時，發(fā)生共析反應生成。從3′繼續(xù)冷卻至4點，皆不發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此共析鋼的室溫平衡組織全部為，呈層片狀。共析鋼的室溫組織組成物也全部是，而組成相為和，它們的相對質(zhì)量為：;圖3.3共析鋼結(jié)晶過程示意圖3.以含碳0.4％的鐵碳含金為例，其冷卻曲線和平衡結(jié)晶過程如圖3.4所示。合金冷卻時，從1點起自中結(jié)晶出，至2點時，成分變?yōu)?.53％，變?yōu)?.09％，發(fā)生包晶反應生成，反應結(jié)束后尚有多余的。2′點以下，自中不斷結(jié)晶出，至3點合金全部轉(zhuǎn)變?yōu)椤Ｔ?-4點間冷卻不變。從4點起，冷卻時由中析出，在晶界處優(yōu)先生核并長大，而和的成分分別沿和線變化。至5點時，的成分變?yōu)?.77％，的成分變?yōu)?.0218％。此時發(fā)生共析反應，轉(zhuǎn)變?yōu)?，不變化。?′繼續(xù)冷卻至6點，合金組織不發(fā)生變化，因此室溫平衡組織為+。呈白色塊狀；呈層片狀，放大倍數(shù)不高時呈黑色塊狀。碳含量大于0.6％的亞共析鋼，室溫平衡組織中的常呈白色網(wǎng)狀，包圍在周圍。圖3.4亞共析鋼結(jié)晶過程示意圖含0.4％的亞共析鋼的組織組成物（和）的相對質(zhì)量為：；組成相（和）的相對質(zhì)量為：由于室溫下的含碳量極微，若將中的含碳量忽略不計，則鋼中的含碳量全部在中，所以亞共析鋼的含碳量可由其室溫平衡組織來估算。即根據(jù)的含量可求出鋼的含碳量為：。由于和的密度相近，鋼中和的含量（質(zhì)量百分數(shù)）可以近似用對應的面積百分數(shù)來估算。圖3.5過共析鋼結(jié)晶過程示意圖3.以碳含量為1.2％的鐵碳合金為例，其冷卻曲線和平衡結(jié)晶過程如圖3.5所示。合金冷卻時，從1點起自中結(jié)晶出，至2點全部結(jié)晶完了。在2-3點間冷卻不變，從3點起，由中析出，呈網(wǎng)狀分布在晶界上。至4點時的碳含量降為0.77％，4-4′發(fā)生共析反應轉(zhuǎn)變?yōu)?，而不變化。?′-5點間冷卻時組織不發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此室溫平衡組織為+。在顯微鏡下，呈網(wǎng)狀分布在層片狀周圍。含1.2％的過共析鋼的組成相為和；組織組成物為和，它們的相對質(zhì)量為：3.3.共晶白口鑄鐵的冷卻曲線和平衡結(jié)晶過程如圖3.6所示。圖3.6共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程示意圖合金在1點發(fā)生共晶反應，由轉(zhuǎn)變?yōu)椋ǜ邷兀┤R氏體（+）。在1′-2點間，中的不斷析出。與共晶無界線相連，在顯微鏡下無法分辨，但此時的萊氏體由++組成。由于的析出，至2點時的碳含量降為0.77％，并發(fā)生共析反應轉(zhuǎn)變?yōu)?；高溫萊氏體轉(zhuǎn)變成低溫萊氏體′(++)。從2′至3點組織不變化。所以室溫平衡組織仍為′，由黑色條狀或粒狀和白色基體組成（見圖3.12）。共晶白口鑄鐵的組織組成物全為′，而組成相還是和，它們的相對重量可用杠桿定律求出。3.以碳含量為3％的鐵碳合金為例，其冷卻曲線和平衡結(jié)晶討程如圖3.7所示。圖3.7亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程示意圖合金自1點起，從中結(jié)晶出初生，至2點時的成分變?yōu)楹?.3％（的成分變?yōu)楹?.11％），發(fā)生共晶反應轉(zhuǎn)變?yōu)?，而不參與反應。在2′-3點間繼續(xù)冷卻時，初生不斷在其外圍或晶界上析出，同時中的也析出。至3點溫度時，所有的成分均變?yōu)?.77％，初生發(fā)生共析反應轉(zhuǎn)變?yōu)?；高溫萊氏體也轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏厝R氏體′。在3′以下到4點，冷卻不引起轉(zhuǎn)變。因此室溫平衡組織為++′。網(wǎng)狀分布在粗大塊狀的周圍，′則由條狀或粒狀和基體組成。亞共晶白口鑄鐵的組成相為和。組織組成物為、、和′。它們的相對質(zhì)量可以兩次利用杠桿定律求出。先求合金鋼冷卻到2點溫度時初生和的相對質(zhì)量：通過共晶反應全部轉(zhuǎn)變?yōu)椋㈦S后轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏厝R氏體′，所以′％=％=％=41％。再求3點溫度時（共析轉(zhuǎn)變前）由初生析出的及共析成分的的相對質(zhì)量：。由于發(fā)生共析反應轉(zhuǎn)變?yōu)?，所以的相對質(zhì)量就是46％。3.過共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程與亞共晶白口鑄鐵大同小異，唯一的區(qū)別是：其先析出相是一次滲碳體（）而不是，而且因為沒有先析出，進而其室溫組織中除′中的以外再沒有，即室溫下組織為′＋，組成相也同樣為和，它們的質(zhì)量分數(shù)的計算仍然用杠桿定律，方法同上。3.4含碳量與鐵碳合金平衡組織、機械性能的關(guān)系3.4.1按組織劃分的由-相圖，可知鐵碳合金室溫平衡組織都由和兩相組成，隨含碳量增高，含量下降，由100％按直線關(guān)系變至0（含6.69％時）；含量相應增加，由0按直線關(guān)系變至100％（含6.69％時）。改變含碳量，不僅引起組成相的質(zhì)量分數(shù)變化，而且產(chǎn)生不同結(jié)晶過程，從而導致組成相的形態(tài)、分布變化，也即改變了鐵碳合金的組織。由圖3.8，可見隨著含碳量增加，室溫組織變化如下：（+）→+→→+→++′→′→′+。組成相的相對含量及組織形態(tài)的變化，會對鐵碳合金性能產(chǎn)生很大影響。3.對圖3.8進行分析，得知鐵碳合金的含碳量:小于0.0218％時組織全部為；等于0.77％時全部為；等于4.3％時全部為′；等于6.69％時全部為；在它們之間的組織則為相應組織的混合物。利用杠桿定律對其質(zhì)量分數(shù)計算可得如圖3.9所示的C,%→圖3.8標注組織分區(qū)的Fe-Fe3C合金相圖含碳量與組織（、、、′、）的數(shù)量關(guān)系。硬度（）主要決定于組織中組成相或組織組成物的硬度和相對數(shù)量，而受它們的形態(tài)的影響相對較小。隨碳含量的增加，由于硬度高的增多，硬度低的減少，所以合金的硬度呈直線關(guān)系增大，由全部為的硬度約80增大到全部為時的約800。強度是一個對組織形態(tài)很敏感的性能。隨碳含量的增加，亞共析鋼中增多而減少。的強度比較高，其大小與細密程度有關(guān)。組織越細密，則強度值越高。的強度較低。所以亞共析鋼的強度隨碳含量的增大而增大；但當碳含量超過共析成分之后，由于強度很低的沿晶界析出，合金強度的增高變慢；到約0.9％時，沿晶界形成完整的網(wǎng)，強度迅速降低；隨著碳含量的增加，強度不斷下降，到2.11％后，合金中出現(xiàn)′時，強度已降到很低的值。再增加碳含量時，由于合金基體都為脆性很高的，強度變化不大且值很低，趨近于的強度（約20～30）。圖3.9含碳量與組織的關(guān)系鐵碳含金中是極脆的相，沒有塑性，不能為合金的塑性作出貢獻，合金的塑性全部由提供，所以隨碳含量的增大，量不斷減少時，合金的塑性連續(xù)下降。到合金成為白口鑄鐵時，塑性就降到近于零值了。見圖3.10。對于應用最廣的結(jié)構(gòu)材料亞共析鋼，其硬度、強度和塑性可根據(jù)成分或組織作如下估算:圖3.10性能隨含碳量的變化硬度（）≈或（）≈；強度（）≈；延伸率（）≈。式中的數(shù)字相應為、或的近似硬度、強度和延伸率；符號相應表示組織中、或的含量。3.5-相圖的應用和局限性3.5.1-相圖在生產(chǎn)中具有重大的實際意義，主要應用在鋼鐵材料的選用和加工工藝的制訂兩個方面。3.5.1.1在鋼鐵材料選用方面的應用⑴-相圖所表明的某些成分-組織-性能的規(guī)律，為鋼鐵材料選用提供了根據(jù)；⑵建筑結(jié)構(gòu)和各種型鋼需用塑性、韌性好的材料，因此選用碳含量較低的鋼材；⑶各種機械零件需要強度、塑性及韌性都較好的材料，應選用碳含量適中的中碳鋼；⑷各種工具要用硬度高和耐磨性好的材料，則選用含碳量高的鋼種；⑸純鐵的強度低，不宜用做結(jié)構(gòu)材料，但由于其導磁率高，矯頑力低，可作軟磁材料使用，例如做電磁鐵的鐵芯等；⑹白口鑄鐵硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能鍛造，但其耐磨性好，鑄造性能優(yōu)良，適用于作要求耐磨、不受沖擊、形狀復雜的鑄件，例如拔絲模、冷軋輥、貨車輪、犁鏵、球磨機的磨球等。3.5.1.2在鑄造工藝方面的應用根據(jù)-相圖可以確定合金的澆注溫度。澆注溫度一般在液相線以上50～100℃。從相圖上可看出，純鐵和共晶白口鑄鐵的鑄造性能最好。它們的凝固溫度區(qū)間最小，因而流動性好，分散縮孔少，可以獲得致密的鑄件，所以鑄鐵在生產(chǎn)上總是選在共晶成分附近。在鑄鋼生產(chǎn)中，碳含量規(guī)定在0.15～0.6％之間，因為這個范圍內(nèi)鋼的結(jié)晶溫度區(qū)間較小，鑄造性能較好。3.5.1.3鋼處于馬氏體狀態(tài)時強度較低，塑性較好，因此鍛造或軋制選在單相奧氏體區(qū)內(nèi)進行。一般始鍛、始軋溫度控制在固相線以下100～200℃范圍內(nèi)。溫度高時，鋼的變形抗力小，節(jié)約能源，設備要求的噸位低，但溫度不能過高，防止鋼材嚴重燒損或發(fā)生晶界熔化（過燒）。終鍛、終軋溫度不能過低，以免鋼材因塑性差而發(fā)生鍛裂或軋裂。亞共析鋼熱加工終止溫度多控制在線以上一點，避免變形時出現(xiàn)大量鐵素體，形成帶狀組織而使韌性降低。過共析鋼變形終止溫度應控制在線以上一點，以便把呈網(wǎng)狀析出的二次滲碳體打碎。終止溫度不能太高，否則再結(jié)晶后奧氏體晶粒粗大，使熱加工后的組織也粗大。一般始鍛溫度為1150～1250℃，終鍛溫度為750～850℃。3.5.1.4在熱處理工藝方面的應用-相圖對于制訂熱處理工藝有著特別重要的意義。一些熱處理工藝如退火、正火、淬火的加熱溫度都是依據(jù)-相圖確定的。這將在下一章中詳細闡述。3.5.2-相圖的應用很廣，為了正確掌握它的應用，必須了解其下列局限性。⑴-相圖反映的是平衡相，而不是組織。相圖能給出平衡條件下的相、相的成分和各相的相對質(zhì)量，但不能給出相的形狀、大小和空間相互配置的關(guān)系。⑵-相圖只反映鐵碳二元合金中相的平衡狀態(tài)。實際生產(chǎn)中應用的鋼和鑄鐵，除了鐵和碳以外，往往含有或有意加入其它元素。被加入元素的含量較高時，相圖將發(fā)生重大變化。嚴格說，在這樣的條件下鐵碳相圖已不適用。⑶-相圖反映的是平衡條件下鐵碳合金中相的狀態(tài)。相的平衡只有在非常緩慢的冷卻和加熱，或者在給定溫度長期保溫的情況下才能達到。就是說，相圖沒有反映時間的作用。所以鋼鐵在實際的生產(chǎn)和加工過程中，當冷卻和加熱速度較快時，常常不能用相圖來分析問題。第四章鋼的熱處理§4—1鋼的熱處理原理熱處理——是指鋼在固態(tài)下采用適當?shù)姆绞竭M行加熱，保溫，和冷卻獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。作用：①消除毛坯中缺陷，改善其工藝性能。②顯著提高鋼的力學性能，充分發(fā)揮鋼材的潛力。鋼的熱處理工藝圖一、鋼在加熱時組織的轉(zhuǎn)變加熱時臨界點加注c：Ac1Ac3Accm冷卻時臨界點加注r：Ar1Ar3Arcm1、奧氏體的形成奧氏體的形成為形核長大、擴散型相變。奧氏體的形成過程可分成四個階段：（1）奧氏體的形核（2）奧氏體的長大（3）滲碳體的溶解（4）奧氏體的均勻化圖圖2-奧5奧氏體形成的四個階段奧（1）（2）（3）（4）2、奧氏體晶粒度奧氏體晶粒大小用晶粒度表示，通常分為8級，1級最粗，8級最細，8級以上為超細晶粒。晶粒度級別與晶粒大小的關(guān)系n=2N-1(2-5)nX100倍時，晶粒數(shù)/in2N晶粒度級別X100倍晶粒度奧氏體晶粒度有三種：1）初始晶粒度奧氏體形成剛結(jié)束，其晶粒邊界剛剛相互接觸時的晶粒大小。初始晶粒一般很細小，大小不均，晶界彎曲。2）實際晶粒度鋼經(jīng)熱處理后所獲得的實際奧氏體晶粒大小。3）本質(zhì)晶粒度表示鋼在一定加熱條件下奧氏體晶粒長大的傾向性。在930±10℃，保溫3~81~4級本質(zhì)粗晶粒鋼，晶粒容易長大。5~8級本質(zhì)細晶粒鋼，晶粒不容易長大。3、影響奧氏體晶粒長大的因素(1)加熱溫度和保溫時間（2）加熱速度的影響（3）鋼的碳含量的影響（4）合金元素的影響（5）冶煉方法二、鋼在冷卻時組織的轉(zhuǎn)變圖3-2共析共析碳鋼圖3-2共析共析碳鋼C曲線碳鋼C曲線Mf高溫中溫低溫1、P轉(zhuǎn)變（高溫轉(zhuǎn)變）A1~550℃，F(xiàn)e、C共析分解成珠光體鐵素體與滲碳體兩相層片狀機械混合物。珠光體團(或領(lǐng)域)片層方向大致相同的珠光體，在一個奧氏體晶粒內(nèi)可以形成3～5個珠光體團。珠光體的組織形態(tài)（1）片狀珠光體形成溫度(℃)片層間距(nm)珠光體PAr1~650500~700索氏體S650~600300~400屈氏體T600~550100~200（2）球狀珠光體鐵素體基體上分布著顆粒狀滲碳體。（2）中溫轉(zhuǎn)變原奧氏體晶界原奧氏體晶界珠光體團珠光體團550℃~220℃，C原子可擴散，(a)(a)(b)2、B轉(zhuǎn)變（中溫轉(zhuǎn)變）形成貝氏體過飽和鐵素體與滲碳體的非層片狀混合物。1）上貝氏體：550℃下貝氏體：220℃圖圖3-4(a)上貝氏體X600(b)下貝氏體X4003、M轉(zhuǎn)變（低溫轉(zhuǎn)變）非擴散型相變：Fe、C原子均不發(fā)生擴散，生成的馬氏體與原奧氏體成分相同。馬氏體：碳在α-Fe中的過飽和固溶體。馬氏體相變是變溫型相變，相變開始點Ms，終了點Mf。圖圖3-5(a)低碳鋼中的板條馬氏體(X80)(b)高碳鋼中的針狀(片狀)馬氏體(X400)§4—2鋼的退火與正火一、退火1.概念：將鋼加熱到適當溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。2.退火的目的：(1)調(diào)整鋼件硬度，以利于隨后的切削加工，160～230HBS。(2)消除殘余應力，以穩(wěn)定鋼件尺寸，并防止其變形和開裂。(3)使化學成分均勻，細化晶粒，改善組織，提高鋼的力學性能和工藝性能。(4)為最終熱處理（淬火、回火）作好組織上的準備。3.退火的分類（1）完全退火a.

目的：細化晶柱，消除內(nèi)應力與組織缺陷，降低硬度，為隨后的切削加工和淬火作好組織準備。b.

工藝：亞共析碳鋼工件加熱到Ac3以上30～50℃，保溫一定時間，隨爐冷卻到600（4）

均勻化退火a．目的：消除鑄造中產(chǎn)生的枝晶偏析，使成分均勻化。b．工藝：把鋼加熱到液相線以下100℃～200℃，長時間保溫，然后在隨爐緩冷到c．特點：高溫長時間的加熱，使原子能進行充分擴散而達到均勻成分的目的。（5）

去應力退火a．目的：用于消除鑄件、鍛件、焊接件、冷沖壓件以及機加工工件中的殘余應力。b.工藝：將工件緩慢加熱到Ac1以下100～200℃（一般為500～600℃），保溫一定時間，然后隨爐緩慢冷卻至200二、正火1．

正火的定義與工藝將鋼加熱奧氏體化后，在空氣中進行冷卻，這樣的熱處理工藝稱為正火。比退火高，一般為Ac3或Accm以上50～70℃，保溫時間主要取決于工件有效厚度和加熱爐的型式。2．正火后的組織與性能(1)

冷卻過冷度較大，發(fā)生了偽共析轉(zhuǎn)變，使組織中珠光體量增多，片層間距變小。Wc=0.6～1.4%組織中一般不出現(xiàn)先析相，只存在著偽共析的珠光體或索氏體。(2)性能：正火后的強度、硬度、韌性都比退火后的高，且塑性并不降低。3.正火的應用（1）作為普通結(jié)構(gòu)零件的最終熱處理。（2）改善低碳鋼和低碳合金鋼的切削加工性。（3）作為中碳結(jié)構(gòu)鋼制作的較重要零件的預先熱處理。（4）

消除過共析鋼中二次滲碳體網(wǎng)。（5）

特定情況下代替淬火、回火。

§4—3鋼的淬火一、概念1．淬火：將鋼加熱到相變點以上，保溫一定時間使A化后，以大于馬氏體臨界冷卻速度進行快速冷卻，從而發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。2．目的：主要為了獲得M組織，它是強化鋼材最重要的熱處理方法。淬火后應即使回火。二、淬火工藝1．

淬火加熱溫度亞共析碳鋼T=Ac3+30℃～70℃ T=Ac1+30℃～70原因：(1)亞共析鋼先析相為鐵素體，如溫度在Ac1～Ac3之間，將有一部分鐵素體存在，淬火后降低了淬火鋼的硬度；(2)過共析鋼的加熱溫度限定在Ac1以上30℃～70℃是為了得到細小的奧氏體晶粒和保留少量滲碳體質(zhì)點。2．淬火加熱時間工件的加熱時間與鋼的成分、原始組織、工件形狀和尺寸、加熱介質(zhì)、裝爐方式、爐溫等許多因素有關(guān)。一般用經(jīng)驗公式來確定：t=α*Dt——加熱時間（min）α——加熱系數(shù)（min/mm）D——工件有效厚度（mm）3．淬火冷卻介質(zhì)（1）

理想淬火介質(zhì)（2）常用淬火冷卻介質(zhì)A．水：使用安全，無燃燒、腐蝕等危險，仍是碳鋼最常用的淬火冷卻介質(zhì)。B．食鹽水溶液：冷卻能力遠高于水。C．苛性鈉水溶液D．油：目前生產(chǎn)中用作淬火冷卻介質(zhì)的有各種礦物油（機油、錠子油、變壓器油、柴油等）。三、淬火方法1.單液淬火法2．預冷淬火法：使淬火內(nèi)應力（主要是熱應力）大為減小，故可減小淬火變形與開裂。3．雙液淬火法：把兩種不同冷卻能力的介質(zhì)的長處結(jié)合起來，既保證獲得馬氏體組織，又減小淬火應力，防止工件的變形與開裂。4．分級淬火5．等溫淬火6．局部淬火§4—4鋼的回火回火：將淬火鋼重新加熱到A1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。一、回火目的1．

獲得工件所需的組織和性能。2．

穩(wěn)定工件尺寸。3．

消除或減小淬火內(nèi)應力。二、淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變1．回火第一階段（≤200℃M→M回M中析出與基體共格的η-碳化物。M回——M上分布著彌散細小、與基體共格的η-碳化物。2．

回火第二階段（200～300℃）ARAR→B下（orM）性能：一方面，M繼續(xù)分解，強度下降，硬度下降。另一方面，AR→B下（M）強度提高，硬度提高?？偟膹姸炔蛔?，但淬火應力進一步減小。3．第三階段（300～400℃η→Fe3C（θFe2C、FeF中含碳量逐漸達到平衡濃度。組織：回火托氏體（T回）。性能：硬度降低，淬火應力基本消除。4．第四階段（>400℃組織：在500℃以下回火，鐵素體仍保留著原來馬氏體的板條狀或片狀，在500℃以上回火，鐵素體發(fā)生再結(jié)晶，使其形態(tài)由原來的板條狀或片狀變?yōu)槎噙呅尉Я！Ｈ?、回火轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能（一）

回火后的組織1．回火馬氏體（M回）（<250℃回火產(chǎn)物）是由過飽和α固溶體和其共格的η-碳化物組成。形態(tài)上仍保留著原來M2．回火托氏體（300～500℃回火產(chǎn)物）是由未發(fā)生再結(jié)晶的鐵素體和彌散分布的極細小的片狀或粒狀滲碳體組成，F(xiàn)在形態(tài)上保留原M形態(tài)。3．回火索氏體（500～650℃回火產(chǎn)物）是由已再結(jié)晶的鐵素體和均勻分布的細粒狀滲碳體組成的。形態(tài)上由于F已發(fā)生了再結(jié)晶，已失去了M4．回火珠光體（650～A1回火產(chǎn)物）是由多邊形的鐵素體和較大粒狀滲碳體組成。（二）

回火時力學性能的變化隨著回火溫度的升高，鋼的強度指標（σb，σs）與硬度逐漸降低，塑性指標（δ，ψ）與韌性逐漸提高。而彈性極限（σe）隨回火溫度的變化卻出現(xiàn)了峰值，一般在300～400℃附近達到最大值。四、回火的種類及應用1．低溫回火（150～250℃主要用于各種高碳的切削刃具、量具、冷沖模具、滾動軸承以及滲碳件等，回火后硬度一般為58～64HRC。2．中溫回火（350～500℃主要用于各種彈簧和模具的處理，回火后硬度一般為35～50HRC。3．高溫回火（500～650℃調(diào)質(zhì)處理，其目的是獲得強度、硬度和塑性、韌性都較好的綜合力學性能，廣泛用于汽車、拖拉機、機床等的。穩(wěn)定化處理，100～150℃加熱溫度，保溫10～15h，低溫長時間的熱處理。五、回火脆性1．低溫回火脆性：在250～350原因：沿馬氏體片或馬氏體板條的界面析出硬脆的薄片碳化物所致，P，Sn，Sb，As等雜質(zhì)元素偏聚于晶界也會引起低溫回火脆性。2．高溫回火脆性：某些合金鋼在450～650℃進行回火會產(chǎn)生第二次回火脆性。§4—5影響熱處理件質(zhì)量的因素一、熱處理工藝因素1．氧化與脫碳脫碳：鋼在某些介質(zhì)中加熱時，介質(zhì)會使鋼表層的含碳量下降。防止方法：（1）采用脫氧良好的鹽浴爐加熱。（2）可控保護氣氛爐中加熱。（3）真空爐中加熱。（4）正確控制加熱溫度與保溫時間。2．變形與開裂工件淬火中變形與開裂是熱應力與相變應力復合的結(jié)果。防止方法：（1）合理的鍛造與預先熱處理。（2）合理的淬火工藝。（3）淬火后及時回火二、工件的結(jié)構(gòu)因素1．

為了防止淬火產(chǎn)生應力集中，應避免零件上尖角，棱角設計成圓角或倒角。2．

避免厚薄懸殊的斷面。3．

盡量采用對稱封閉結(jié)構(gòu)。4．

采用組合結(jié)構(gòu)。5．

有利于機械加工修正變形。第五章工業(yè)用鋼第一節(jié)鋼的分類及編號一、鋼的分類1、按化學成分分1)低碳鋼2)中碳鋼3)高碳鋼2、按質(zhì)量分鋼的質(zhì)量是以磷、硫的含量來劃分的。分為普通質(zhì)量鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼和特級優(yōu)質(zhì)鋼.根據(jù)現(xiàn)行標準，各質(zhì)量等級鋼的磷、硫含量如下：3、按冶煉方法分沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼4、按金相組織分M、A、P、F5、按用途分結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊用途鋼二、鋼的編號我國鋼材的編號是采用漢語拼音字母、化學元素符號和阿拉伯數(shù)字相結(jié)合的方法。采用漢語拼音字母表示鋼產(chǎn)品的名稱、用途、特性和工藝方法時，一般從代表鋼產(chǎn)品名稱的漢字的漢語拼音中選取第一個字母.常用鋼產(chǎn)品的名稱、用途、特性和工藝方法表示符號（GB/T221—2000）1、碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強度鋼Q+最低屈服強度值+質(zhì)量等級符號+脫氧方法符號Q表示“屈服強度”；屈服強度值單位是MPa；質(zhì)量等級符號為A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，質(zhì)量提高。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼都是鎮(zhèn)靜鋼或特殊鎮(zhèn)靜鋼，其牌號中沒有表示脫氧方法的符號。如Q345C。根據(jù)需要，低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的牌號也可以采用兩位阿拉伯數(shù)字（表示平均含碳量的萬分之幾）和化學元素符號，按順序表示，如16Mn。2、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號用兩位數(shù)字表示。這兩位數(shù)字表示鋼平均含碳量的萬分之幾。如45鋼—平均含碳量為萬分之四十五（即0.45%）的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。*說明：含Mn量為0.7~1.0%時，在兩位數(shù)字后加元素符號“Mn”，如40Mn。3、合金結(jié)構(gòu)鋼和合金彈簧鋼兩位數(shù)字（表示平均含碳量的萬分之幾）+合金元素符號+該元素百分含量數(shù)字+……當合金元素的平均含量小于1.50%時，只標元素符號，不標含量；當合金元素的平均含量為1.50~2.49%、2.50~3.49%、3.50~4.49%、4.50~5.49%、……時，在相應的合金元素符號后標2、3、4、5……等數(shù)字。如20CrNi3。高級優(yōu)質(zhì)鋼在牌號后加字母A，如60Si2MnA。特級優(yōu)質(zhì)鋼在牌號后加字母E，如30CrMnSiE。4、工具鋼⑴碳素工具鋼T+數(shù)字T表示“碳素工具鋼”；數(shù)字表示平均含碳量的千分之幾.如T8—其平均含碳量為千分之八(0.8%C)。*說明：碳素工具鋼都是優(yōu)質(zhì)以上質(zhì)量的。高級優(yōu)質(zhì)鋼在鋼號后加“A”，如T8A。⑵合金工具鋼含碳量+合金元素符號+該元素百分含量+……當含碳量小于1.00%時，含碳量用一位數(shù)字標明，這一位數(shù)字表示平均含碳量的千分之幾，如8MnSi.當含碳量大于1.00%時，不標含碳量。5、軸承鋼G+Cr+鉻含量(不標含碳量)“G”表示“滾動軸承鋼”。*鉻含量以千分之一為單位.如“GCr15”的平均含鉻量為1.5%。滲碳軸承鋼牌號的表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相同，僅在牌號頭部加字母“G”，如“G20CrNiMo”。6、不銹鋼和耐熱鋼含碳量+合金元素符號+該元素百分含量+……①含碳量以千分之一為單位。②當1.0%>平均含碳量≥0.1%時，用一位數(shù)字表示,如2Cr13（平均含碳量為0.20%）③當0.1%>含碳量上限>0.03%時，以“0”表示，如0Cr18Ni9（含碳量上限為0.08%）④當0.03%≥含碳量上限>0.01%時（超低碳），以“03”表示，如03Cr19Ni10(含碳量上限為0.03%）*珠光體耐熱鋼含碳量的標注同結(jié)構(gòu)鋼。如15CrMo注：舊標準含碳量表示方法為：當含碳量≤0.08%時，以“0”表示，如0Cr18.當含碳量≤0.03%時，以“00”表示，如00Cr18Ni10.7、鑄鋼ZG+兩位數(shù)字ZG表示“鑄鋼”；兩位數(shù)字表示平均含碳量的萬分之幾,如ZG25.第二節(jié)

鋼中的雜質(zhì)及合金元素1、Mn:0.8%時為雜質(zhì),是有益元素。作用為：①強化鐵素體；②消除硫的有害作用。①強化鐵素體；②增加鋼液流動性。3、S：是有害元素。常以FeS形式存在。易與Fe在晶界上形成低熔點共晶(985℃)，熱加工時(1150~1200℃)，由于其熔化而導致開裂，稱熱脆性.鋼中的硫應控制在0.045%以下.Mn可消除硫的有害作用,FeS+Mn→Fe+MnS，MnS熔點高(1600℃)4、P：也是有害元素。能全部溶入鐵素體中，使鋼在常溫下硬度提高，塑性、韌性急劇下降，稱冷脆性。P一般控制在0.045%以下.5、氣體元素①N：室溫下N在鐵素體中溶解度很低，鋼中過飽和N在常溫放置過程中以FeN、Fe4N形式析出使鋼變脆,稱時效脆化.加Ti、V、Al等元素可使N固定，消除時效傾向。②O：氧在鋼中以氧化物的形式存在，其與基體結(jié)合力弱，不易變形，易成為疲勞裂紋源.③H：常溫下氫在鋼中的溶解度也很低。當氫在鋼中以原子態(tài)溶解時，降低韌性，引起氫脆。當氫在缺陷處以分子態(tài)析出時，會產(chǎn)生很高內(nèi)壓，形成微裂紋，其內(nèi)壁為白色，稱白點或發(fā)裂。㈠對鋼中基本相的影響1、溶于鐵素體,起固溶強化作用非碳化物形成元素及過剩的碳化物形成元素都溶于鐵素體，形成合金鐵素體.Si、Mn對強度、硬度提高顯著。Cr、Ni在適當范圍內(nèi)提高韌性。2、形成碳化物，起強化相作用合金元素與碳的親和力從大到小的順序為：Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。⑵W、Mo、Cr為中碳化物形成元素，碳化物的穩(wěn)定性、熔點、硬度、耐磨性較高，如W2C等。⑶Mn、Fe為弱碳化物形成元素，碳化物的穩(wěn)定性、熔點、硬度、耐磨性較低，如Fe3C等。㈡對Fe-Fe3C相圖的影響1、對奧氏體相區(qū)的影響⑴Ni、Mn、Co、C、N等是擴大奧氏體相區(qū)的元素，使A1、A3點下降，A4點上升。⑵Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等是縮小奧氏體相區(qū)的元素，使A1、A3點上升，A4點下降。當Cr13%時，奧氏體相區(qū)消失，室溫下為單相鐵素體組織，稱鐵素體鋼.2、對E點和S點位置的影響所有合金元素均使E點和S點左移，即這兩點的含碳量下降，使碳含量比較低的鋼出現(xiàn)過共析組織（如4Cr13）或共晶組織（如W18Cr4V）。㈢對鋼中相變過程的影響1、對奧氏體化的影響⑴對奧氏體形成速度的影響：除Ni、Co外，都減緩奧氏體化過程。⑵對奧氏體晶粒長大傾向的影響：2、對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響⑴對C曲線和淬透性的影響：除Co外，凡溶入奧氏體的合金元素均使C曲線右移，淬透性提高。常用提高淬透性的元素為Mn、Si、Cr、Ni、B。3、對回火轉(zhuǎn)變的影響⑴提高耐回火性：淬火鋼在回火過程中抵抗硬度下降的能力稱耐回火性。合金元素能阻礙馬氏體分解及碳化物的析出與聚集。⑵產(chǎn)生二次硬化含高W、Mo、Cr、V鋼淬火后回火時，由于析出細小彌散的特殊碳化物及回火冷卻時A’轉(zhuǎn)變?yōu)镸回,使硬度不僅不下降，反而升高的現(xiàn)象稱二次硬化。⑶防止第二類回火脆性加W、Mo可防止第二類回火脆性。第三節(jié)結(jié)構(gòu)鋼對結(jié)構(gòu)鋼的性能要求為：使用性能以強韌性為主。工藝性能以可焊性、淬透性為主。合金結(jié)構(gòu)鋼除少量為中高合金鋼外，都是低合金鋼.1、成分：<0.4%C,P、S量及非金屬夾雜較多.2、性能：可焊性、塑性好。3、熱處理：不進行專門熱處理，熱軋空冷態(tài)下使用。4、使用狀態(tài)下組織：F+P5、用途常以熱軋板、帶、棒及型鋼使用，用量約占鋼材總量的70%。用于建筑結(jié)構(gòu)，適合焊接、鉚接、栓接等。1、性能要求⑴高強度及足夠韌性。⑵良好的焊接性能。⑶良好的耐蝕性及低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。2、成分特點⑴低碳：≤0.2%C.⑵合金元素：主要是Mn，還有少量V、Ti、Nb等。3、熱處理：大多數(shù)熱軋空冷后使用。少數(shù)可用正火+高溫回火處理。4、使用狀態(tài)下組織：F+P5、用途：Q345鋼(16Mn)綜合性能好，用于船舶、橋梁、車輛等大型鋼結(jié)構(gòu)。Q390鋼含V、Ti、Nb，強度高，用于中等壓力的壓力容器。Q460鋼含Mo、B，正火組織為貝氏體，強度高,用于石化中溫高壓容器.制造滲碳零件的鋼種。1、性能要求⑴表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有足夠的韌性和強度，即表硬里韌。⑵良好的熱處理性能,如淬透性和滲碳能力。2、成分特點⑴低碳：0.1~0.25%C⑵合金元素作用：①提高淬透性：Cr、Mn、Ni、B②強化鐵素體：Cr、Mn、Ni③細化晶粒：W、Mo、Ti、V3、熱處理特點滲碳件的加工工藝路線為：下料→鍛造→正火→機加工→滲碳→淬火+低溫回火正火目的為調(diào)整硬度，便于切削加工。淬火溫度一般為Ac1+30-50℃。4、使用狀態(tài)下組織心部：M回+F表層：M回+顆粒狀碳化物+A’(少量)；5、常用鋼號及用途低淬透性鋼：20、20Cr。中淬透性鋼：20CrMnTi。用于中等載荷的耐磨件，如變速箱齒輪。高淬透性鋼：18Cr2Ni4WA.用于大載荷的耐磨件，如柴油機曲軸。調(diào)質(zhì)后使用的鋼種。1、性能要求⑴良好的綜合力學性能.⑵良好的淬透性。2、成分特點⑴中碳：0.3~0.5%C⑵合金元素作用：①提高淬透性:Mn、Si、Cr、Ni、B②強化鐵素體:Mn、Si、Cr、Ni③細化晶粒:Ti、V④防止第二類回火脆性:W、Mo3、熱處理及組織特點調(diào)質(zhì)件的加工工藝路線為：下料→鍛造→退火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→裝配調(diào)質(zhì)目的：獲得良好綜合力學性能使用狀態(tài)下的組織為：S回4、常用鋼號及用途低淬透性鋼：D0油<30~40mm,常用45、40Cr,用于制造較小的齒輪、軸、螺栓等。中淬透性鋼：D0油≈40~60mm，常用40CrNi，用于制造大中型零件。高淬透性鋼：D0油>60mm,常用40CrNiMo,用于制造大截面重載荷零件，如曲軸等。制造彈簧或類似性能零件的鋼種。1、性能要求彈簧是利用彈性變形儲存能量或緩和沖擊的零件。⑴高的σs，σs/σb；高的σ-1；足夠的韌性⑵高的淬透性。2、成分特點⑴中高碳：碳素彈簧鋼為0.6~0.9%C合金彈簧鋼為0.45~0.7%C⑵合金元素作用：①提高淬透性、強化鐵素體：Mn、Si、Cr②

提高s/b：Si③

細化晶粒：V3、熱處理及組織特點⑴冷成型彈簧：冷拔→冷成型→定型處理(250~300℃)。用于<φ10mm彈簧。⑵熱成型彈簧：熱成型→淬火+中溫回火使用狀態(tài)下的組織：T回用于大截面彈簧(>φ10mm)4、彈簧的表面質(zhì)量彈簧的表面質(zhì)量對其壽命影響很大。提高表面質(zhì)量的方法:①防止表面脫碳；5、常用鋼號及用途Si、Mn彈簧鋼，如65Mn、60Si2Mn，用于制造較大截面彈簧。Cr、V彈簧鋼，如50CrV，用于大截面、大載荷、耐熱的彈簧。載荷(頻率達數(shù)萬次/分)和摩擦。⑴高而均勻的硬度和耐磨性。⑵高的b和接觸疲勞強度。⑶足夠的韌性、淬透性和耐蝕性.2、成分特點⑴高碳：0.95~1.10%C⑵合金元素：以Cr為主,加入Mn、Si。Cr、Mn、Si的主要作用是提高淬透性3、熱處理和組織特點滾動軸承鋼是過共析鋼。⑴熱處理：球化退火+淬火+低溫回火⑵組織：4、常用鋼號及用途應用最廣的是GCr15，大量用于大中型軸承；大型軸承用GCr15SiMn。這類鋼還可用于制造模具、量具等.是指在沖擊載荷作用下發(fā)生沖擊硬化的高錳鋼.只有ZGMn13一個鋼號.1、成分特點⑴高碳：1.0~1.3%C以保持高耐磨性。⑵高錳：11~14%Mn以保證形成奧氏體組織.2、熱處理及組織鑄態(tài)組織為奧氏體+碳化物,性能硬而脆.熱處理采用水韌處理。即將鋼加熱到1100℃，使碳化物溶入奧氏體，并進行水淬。室溫組織為過飽和單相奧氏體。3、使用及用途水韌處理后，韌性高，硬度低.使用時必須伴隨著壓力和沖擊作用。在壓力及沖擊作用下，表面奧氏體迅速加工硬化，形成馬氏體并析出碳化物，使表面硬度提高到HB500~550，獲得高耐磨性。而心部仍為奧氏體組織,具有高耐沖擊能力。高錳鋼廣泛用于既要求耐磨又要求耐沖擊的零件。如拖拉機的履帶板、球磨機襯板、破碎第四節(jié)工具鋼用來制造各種切削刀具的鋼種。㈠性能要求1、高硬度(≥HRC60),主要取決于含碳量。2、高耐磨性靠高硬度和析出細小均勻硬碳化物來達到。3、高熱硬性即高溫下保持高硬度的能力。4、足夠的韌性以防止脆斷和崩刃。㈡碳素工具鋼共有七個牌號：T7~T131、成分特點：2、熱處理及組織⑴熱處理：正火+球化退火+淬火+低溫回火球化退火目的：①降低硬度,便于加工;②為淬火作組織準備。⑵使用狀態(tài)下的組織：M回+顆粒狀碳化物+A’(少量)3、用途由于碳工鋼熱硬性