工程材料與金屬熱處理 課件全套 第0-11章 緒論、工程材料的分類與性能- 工程材料的應用選擇

工程材料與金屬熱處理教學內(nèi)容

緒論1.工程材料的分類與性能2.金屬材料的結(jié)構(gòu)3.鋼的熱處理原理4.鋼的熱處理工藝5.金屬材料的綜述6.工業(yè)用鋼7.鑄鐵8.非鐵金屬（或有色金屬）及其合金9.非金屬材料10.新型材料11.工程材料的選用緒論一.材料科學的發(fā)展與應用石器時代陶器時代青銅器時代鐵器時代材料是人類生產(chǎn)和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)；材料是人類文明發(fā)展史的里程碑，是人類進化的重要標志之一，人類歷史曾以使用的主要材料來加以劃分。舊石器時代

（10000年前）新石器時代

（距今10000-4000年）磨制石器7000年前陶器青銅器時代公元前5000年

青銅器時代鐵器時代公元前1200年鐵器時代磁懸浮列車核磁共振儀材料又是發(fā)展高科技的先導和基石。材料、能源、信息被稱為現(xiàn)代社會的三大支柱，而能源和信息的發(fā)展，在一定程度上又依賴于材料的進步。因此許多國家都把材料科學作為重點發(fā)展學科之一，使之成為新技術(shù)革命堅實的基礎(chǔ)。二.工程材料定義：工程上使用的材料。主要是指用于機械、車輛、船舶、建筑、農(nóng)業(yè)、化工、能源、儀器儀表、航空航天等工程領(lǐng)域的材料。按材料的化學成分、結(jié)合鍵的特點進行分類，可以分為金屬材料、非金屬材料和新型材料三大類。1.金屬材料定義：金屬鍵結(jié)合為主的材料；特點：良好的導電性、導熱性、延展性和金屬光澤。分類：金屬材料黑色金屬（鋼鐵）：鐵和以鐵為基體的合金材料。有色金屬（非鐵金屬）：除黑色金屬之外的所有金屬及其合金材料。有色金屬為輕金屬(如鋁、銅等)。2.非金屬材料如高分子材料、陶瓷材料…等。3.新型材料如復合材料、納米材料…等。復合材料

用碳纖維增強環(huán)氧樹脂制得的高爾夫球桿強度高、重量輕、剛性好。復合材料三.教學目標和基本要求1)建立工程材料和金屬熱處理完整概念，培養(yǎng)良好的工程意識。2)掌握必要的材料科學基礎(chǔ)理論。3)熟悉各類常用結(jié)構(gòu)工程材料，包括金屬材料、高聚物材料、陶瓷材料等的成分、結(jié)構(gòu)、性能、應用特點及牌號表示方法。4)掌握強化金屬材料的基本途徑。三.教學目標和基本要求5)了解新型材料的發(fā)展及應用。6)掌握選擇零件材料的基本原則和方法步驟，了解失效分析方法及其應用，了解表面處理技術(shù)的應用；初步具有合理選擇材料及強化(或改性、表面技術(shù)應用等)方法的能力。7)了解與本課程有關(guān)的成形工藝方法（見附錄）。第一章工程材料的分類與性能一.工程材料的分類材料是指那些能夠用于制造結(jié)構(gòu)、器件或其他有用產(chǎn)品的物質(zhì)。分為天然材料和人造材料。天然材料是所有材料的基礎(chǔ)，隨著社會的發(fā)展，人們開始對天然材料進行各種加工處理，使它們更適合于人類的使用，這就是人造材料?；瘜W性質(zhì)使用性能金屬材料非金屬材料新型材料（如復合材料、納米材料、智能材料等）結(jié)構(gòu)材料（作為承力結(jié)構(gòu)使用的材料）功能材料（使用性能主要是光、電、熱、磁、聲等）鋼鐵非鐵金屬高分子材料陶瓷材料按應用領(lǐng)域分：機械工程材料、信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等。航空、航天材料能源材料電子材料光學材料生物材料建筑材料二.工程材料的性能使用性能：在使用過程中所表現(xiàn)出來的性能。工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)出來的性能。4力學性能物理性能化學性能強度硬剛彈塑度度性性電學性能磁學性能光學性能熱學性能聲學性能抗氧化性耐腐蝕性催化性能使用性能81、密度單位體積的質(zhì)量，用符號ρ(g/cm3或kg/m3)表示。金屬材料中，Al、Mg、Ti密度較低，Cu、Fe、Pb、Zn等密度較高；非金屬材料中，塑料的密度較低，陶瓷的密度較高。2、熔點緩慢加熱時，材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度(℃或K)。金屬材料中，Pb、Sn熔點低，F(xiàn)e、Ni、Cr、Mo等金屬熔點高；非金屬材料中，陶瓷的熔點高，塑料等材料無熔點，只有軟化點。3、導熱性材料傳導熱量的能力。金屬材料中，Ag和Cu導熱性最好，A1次之；非金屬中，金剛石的導熱性最好。物理性能84、導電性材料傳導電金屬具有導電性，Ag最好，其次是Cu、Al。5、熱膨脹性材料因溫度變化而引起的體積變化現(xiàn)象稱為熱膨脹性，一般用線膨脹系數(shù)表示，即溫度每升高1℃(或K)，單位長度的膨脹量。其值越大，材料的尺寸或體積隨溫度變化的程度越大。6、磁性

材料在磁場中能被磁化或?qū)Т诺哪芰ΨQ為導磁性或磁性；金屬材料可分為鐵磁性材料、抗磁性材料和順磁性材料。8定義：材料與周圍介質(zhì)接觸時抵抗發(fā)生化學或電化學反應的能力。1、耐蝕性常溫下材料抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力。2、熱穩(wěn)定性材料在高溫下抵抗產(chǎn)生氧化現(xiàn)象的能力?；瘜W性能8定義：材料在承受各種載荷時的行為。載荷類型分為：靜載荷、動載荷、變載荷。力學性能1、強度材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。主要有屈服強度、拉伸強度、壓縮強度、彎曲強度等。..ld圓截面試件：l＝10d（長試件）

l＝5d（短試件）1）靜載時的拉伸強度試驗低碳鋼拉伸時的力學性質(zhì)低碳鋼是指含碳量在0.3％以下的碳素結(jié)構(gòu)鋼。試驗時一般采用標準圓截面試件。拉伸試驗一般是在如圖1-1（a）所示的萬能試驗機上進行的。16拉伸試驗一般是在萬能試驗機上進行的。先裝夾試件，然后加載。試件受到由零逐漸增加的拉力F的作用，發(fā)生伸長變形，直到斷裂。一般實驗機上附有自動繪圖裝置，在實驗過程中能自動繪出載荷F和相應的伸長變形的關(guān)系曲線，稱為拉伸圖或F—

l曲線。F

l拉伸曲線

工程應力-應變曲線工程應力(Stress)工程應變(Strain)σ=F／A0ε=ΔL／L0a）彈性和剛度彈性：若應力不超過σP，則試樣的變形能在卸載后(σ=0)立即消失，即恢復原狀，這種不產(chǎn)生永久變形的性能稱為彈性。彈性極限：σP為不產(chǎn)生永久變形的最大應力，稱為彈性極限。在彈性變形范圍內(nèi)，應力與應變成正比，即E為彈性模量，它是衡量材料抵抗彈性變形能力的指標。

=E

b）屈服點σS低碳鋼應力一應變曲線在C點出現(xiàn)一水平段，即應力不增加而變形繼續(xù)進行。塑性變形：此時若卸載，試樣變形不能完全消失，而保持一部分殘余變形，這種不能恢復的殘余變形稱為塑性變形。此時所對應的應力就稱為屈服點，用σS表示。Ose0.2%無明顯屈服階段的，規(guī)定將產(chǎn)生0.2%塑性應變時的應力作為屈服強度。記作σ0.2。

DAs0.2Cc）拉伸強度σb試樣在拉斷前所能承受的最大應力。反映試樣最大的均勻變形的抗力，是設計機械零件和選擇金屬材料的主要參數(shù)之一，也是評價金屬材料的主要指標。

σb—抗拉強度，脆性材料唯一拉伸力學性能指標。應力應變不成比例，無屈服、頸縮現(xiàn)象，變形很小且σb很低。

灰口鑄鐵拉伸時的力學性質(zhì)金屬材料的壓縮試件一般制成很短的圓柱，以免被壓彎。圓柱高度約為直徑的1.5～3倍。

壓縮時的彈性模量E和屈服極限ss

，都與拉伸時大致相同。

應力超過屈服階段以后，試件越壓越扁，呈鼓形低碳鋼的力學性能一般由拉伸試驗確定

a）低碳鋼壓縮

2）材料在壓縮時的力學性能b）鑄鐵壓縮試件在較小變形下突然破壞，破壞斷面的法線與軸線大致成45o～55o的傾角。

鑄鐵的抗壓強度極限比其抗拉強度極限高4～

5倍

鑄鐵廣泛用于機床床身，機座等受壓零部件

FPO24681012600500400300200100

/MPa拉伸壓縮FP

/%伸長率：a)伸長率δ:表示試件拉斷后標距范圍內(nèi)平均的塑性變形百分率

δ和Ψ愈大,說明材料的塑性愈好

b)斷面收縮率ψ:指試件斷口處橫截面面積的塑性收縮百分率斷面收縮率：δ<5%脆性材料：直接斷裂

鑄鐵、混凝土、玻璃鋼、陶瓷δ>5%塑性材料：斷裂前有屈服段，可抵抗局部高應變

碳鋼、低合金鋼、青銅、紫銅、防銹鋁低碳鋼是典型的塑性材料2、塑性定義：硬度是衡量材料軟硬程度的一種性能指標。一般認為，硬度表示材料表面抵抗局部壓入變形或刻劃破裂的能力。分類：根據(jù)載荷、壓頭和表示方法不同，又分為布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度等多種。3、硬度1）布氏硬度a）試驗原理用直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球的壓頭，加一定的試驗力F將其壓入試樣表面，經(jīng)過規(guī)定的保持時間t后卸除試驗力，試樣表面將殘留壓痕，然后測量壓痕的平均直徑d求得壓痕的球形面積A。b）布氏表示方法示例c）特點及應用布氏硬度試驗壓痕面積較大，能反映表面較大范圍內(nèi)被測金屬的平均硬度，故測量結(jié)果較準確，適合于測量組織粗大且不均勻的金屬材料的硬度，如鑄鐵、鑄鋼、非鐵金屬及其合金，各種退火、正火或調(diào)質(zhì)的鋼材等；但因壓痕較大，不宜用來測成品，特別是有較高精度要求配合面的零件及小件、薄件，也不能用來測太硬的材料。2）洛氏硬度用初試驗載荷及總試驗載荷F=F0+F1將壓頭壓入被測材料表面，保持一定時間后卸除主載荷F1，測出殘余壓痕深度增量來表示硬度值，即圖中壓痕深度bd。在實際測試時，硬度值的大小可直接從硬度計上讀出。a）試驗原理表常用洛氏硬度試驗條件及應用范圍最常用的是HRA、HRB、HRC三種，其中HR代表洛氏硬度，A、B、C表示三種標尺，HRC應用最廣泛。b）特點及應用洛氏硬度試驗操作簡便，迅速，測量硬度值范圍大，壓痕小，幾乎不損傷工件表面，可直接測成品和較薄工件。但因試驗載荷較大，不宜用來測定極薄工件及氮化層、金屬鍍層等的硬度，且因壓痕小，當測定組織粗大、不均勻的材料時，測定結(jié)果波動較大，故需在不同位置測試三點的硬度值，取其算術(shù)平均值。3）維氏硬度b）壓頭：金剛石制成的四方角錐體，兩相對面間夾角為136°壓頭在試驗力P作用下將樣品表面壓出一個四方錐形的壓痕，經(jīng)一定保持時間后卸除試驗力，測量壓痕對角線平均長度d，d=(d1+d2)/2，計算壓痕的表面積A。a）試驗原理：基本上與布氏硬度的相同c）表示方法d）特點及應用由于維氏硬度試驗所加載荷較小，壓入深度淺，故可測定較薄工件及氮化層、金屬鍍層等的硬度；維氏硬度能在同一硬度標尺上測定由極軟到極硬金屬材料的硬度值(O～1000HV)，且連續(xù)性好，準確率高，彌補了布氏硬度因壓頭變形不能測高硬度材料，洛氏硬度受試驗載荷與壓頭直徑比的約束硬度值不能換算的不足。韌性：材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。沖擊韌度：材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，常用標準試樣的沖擊吸收功AK來表示。4、沖擊韌度試驗在擺錘式?jīng)_擊試驗機上進行。試驗過程：將樣品水平放在試驗機的支座上，缺口位于沖擊相背的方向。然后將具有一定質(zhì)量G的擺錘舉至一定高度H1，使其獲得一定位能GH1。釋放擺錘沖斷試樣，擺錘的剩余能量為GH2，則擺錘沖斷試樣失去的位能為GH1-GH2，這就是試樣變形和斷裂所消耗的功，稱為沖擊吸收功，以Ak表示，單位為J。即AK=G(H1-H2)沖擊試驗原理1-擺錘2-試樣脆性斷裂：有些高強度材料的零件(構(gòu)件)往往在遠低于屈服點的狀態(tài)下發(fā)生脆性斷裂；低應力脆斷：中、低強度的重型零件(構(gòu)件)及大型結(jié)構(gòu)件也有類似情況，這就是低應力脆斷。裂紋擴展的三種基本形式：

5、斷裂韌度裂紋擴展的基本形式疲勞斷裂：工作應力低于其屈服點甚至是彈性極限的情況下突然發(fā)生斷裂。疲勞強度：材料抵抗疲勞斷裂的能力稱為疲勞強度。循環(huán)次數(shù)：把材料經(jīng)無數(shù)次應力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應力值作為材料的疲勞強度。規(guī)定的循環(huán)次數(shù)稱為循環(huán)次數(shù)。提高零件疲勞強度的措施：a）改善零件表面粗糙度；b）避免應力集中；c）進行熱處理。6、疲勞強度81、鑄造性鑄造是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進鑄型里，經(jīng)冷卻凝固、清整處理后得到有預定形狀、尺寸和性能的鑄件(零件或毛坯)的工藝過程。鑄鐵的鑄造性能好于鑄鋼，銅、鋁合金的鑄造性能介于鑄鋼和鑄鐵之間。2、鍛造性鍛造是一種利用鍛壓機械對金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定機械性能、一定形狀和尺寸鍛件的加工方法。工藝性能83、焊接性材焊接是通過加熱或加壓，或兩者并用，促使兩種或兩種以上同種或異種材料通過原子或分子之間的結(jié)合和擴散連接成一體的工藝過程。碳的質(zhì)量分數(shù)越高，鐵碳合金的焊接性能越差。4、切削加工性

切削加工是利用刀具從工件上切去多余的材料，以獲得符合要求的零件的加工方法。5、熱處理工藝性

材料對熱處理加工的適應性。一般來說，合金鋼的淬透性好于碳素鋼，高碳鋼的淬硬性好于低碳鋼；鋼在油中淬火比在水中淬火變形開裂要小。86、黏結(jié)固化性高分子材料、陶瓷材料、復合材料及粉末冶金材料，在一定條件下由黏結(jié)固化劑固化組成在一起的性能稱為黏結(jié)固化性。各種材料的黏結(jié)固化傾向?qū)Σ牧铣尚斡泻艽笥绊?。第二章金屬材料的結(jié)構(gòu)一.固體材料的結(jié)構(gòu)固體材料的結(jié)構(gòu)是指組成固體相的原子、離子或分子等粒子在空間的排列方式。按粒子排列是否有序，固體材料可分為晶態(tài)(定型態(tài))和非晶態(tài)(無定型態(tài))兩大類。1、晶態(tài)結(jié)構(gòu)晶體：其組成粒子在三維空間做有規(guī)則的周期性重復排列。晶格：為了便于研究晶體結(jié)構(gòu)，假設通過粒子中心劃出許多空間直線，這些直線則形成空間格架，稱為晶格。晶胞：晶格的最小幾何組成單元。1）晶體、晶格和晶胞同素異構(gòu)現(xiàn)象是指一種元素具有不同晶體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。所形成的具有不同結(jié)構(gòu)的晶體稱同素異構(gòu)體。在一定條件下，同素異構(gòu)體可以相互轉(zhuǎn)變，稱同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。在具有同素異構(gòu)現(xiàn)象的固體中，最典型的例子是鐵。2）同素異構(gòu)現(xiàn)象2、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)非晶體：內(nèi)部原子在空間雜亂無規(guī)則地排列的物質(zhì)稱為非晶體或無定型體。由于粒子排列狀態(tài)與液態(tài)相似，故稱“被凍結(jié)的液體"。例：玻璃、瀝青、松香、石蠟和許多有機高分子化合物等.非晶體物質(zhì)沒有固定的熔點，而且性能無方向性，即各向同性。二.金屬晶體結(jié)構(gòu)三種典型金屬晶體結(jié)構(gòu)：①面心立方結(jié)構(gòu)

如：

-Fe,

-Co,Ni,Ag等②體心立方結(jié)構(gòu)

如：

-Fe,V,Cr,W等③密排六方結(jié)構(gòu)

如：Mg,Zn,

-Co等晶胞為立方體，原子分布在立方體的各個結(jié)點及六個棱面中心。這類晶格金屬往往有很好的塑性。1、常見金屬晶體的結(jié)構(gòu)1）面心立方結(jié)構(gòu)2）體心立方結(jié)構(gòu)晶胞為立方體，原子分布在立方體各個結(jié)點和立方體中心。這類晶格一般具有較高的熔點、相當大的強度和良好的塑性。3）密排六方結(jié)構(gòu)晶胞為六方柱體，柱體高度與邊長不相等。原子除分布在六方柱體的各結(jié)點及上下兩個正六方底面中心。并在六方柱體縱向中心面上還分布三個原子，此三原子與分布在上下底面上的原子相切。這類晶格金屬具有一定強度，但塑性較差。單晶體：結(jié)晶方位完全一致的晶體。在單晶體中所有晶胞均呈相同的位向，故單晶體具有各向異性。多晶體：工業(yè)上實際應用的金屬材料是由許多外形不規(guī)則的晶粒所組成，所以是多晶體。晶界：這些晶粒內(nèi)仍保持整齊的晶胞堆積，各晶粒之間的界面稱為晶界。2、實際金屬的結(jié)構(gòu)三.純金屬的結(jié)晶1、純金屬的結(jié)晶過程1）純金屬結(jié)晶的冷卻曲線結(jié)晶：金屬由液體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w狀態(tài)的過程。冷卻曲線:熱分析法做出的時間－溫度關(guān)系；開始時為液體狀態(tài)，溫度隨時間下降；之后出現(xiàn)水平線，這是由于液體金屬進行結(jié)晶時，內(nèi)部放出的結(jié)晶潛熱補償了它向環(huán)境散失的熱量，從而使溫度保持不變；隨后溫度又隨時間下降。過冷度：ΔT=T0－TnΔT>0,結(jié)晶的必要條件2）結(jié)晶的過冷現(xiàn)象結(jié)晶過程：晶核形成和晶核長大。3）結(jié)晶的基本過程增加過冷度2、細化晶粒的方法緩冷、急冷后晶粒大小示意圖在液態(tài)金屬中加入某些物質(zhì)這些物質(zhì)的質(zhì)點也可作為結(jié)晶時的晶核，相當于增加了晶核數(shù)，故使晶粒得到細化。這種處理過程稱為變質(zhì)處理。鋼中加釩，鑄鐵中加硅(這又稱孕育處理)、鋁液中加鈉鹽。振動可使枝晶尖端破碎而增加新的結(jié)晶核心；補充形核所需的能量，提高形核率。

bccfccbcc3、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變四.合金的晶體結(jié)構(gòu)合金：由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)。如碳鋼和鑄鐵是Fe－C合金；黃銅是Cu－Zn合金等。組元：組成合金的基本的獨立的物質(zhì)。組元可以是金屬和非金屬元素，也可以是穩(wěn)定的化合物。相：材料中聚集狀態(tài)相同，化學成分相同，結(jié)構(gòu)相同并與其他部分有明顯界面的均勻組成部分。絕大多數(shù)實用金屬材料是合金是以某一組元為溶劑，在其晶體點陣中溶入其他組元原子（溶質(zhì)原子）所形成的均勻固態(tài)溶體，它保持著溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類型。

1、固溶體在合金系中，組元間發(fā)生相互作用，除彼此形成固溶體外，還可能形成一種具有金屬性質(zhì)的新相，即為金屬化合物。金屬化合物具有它自己獨特的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，而與各組元的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同，一般可以用分子式來大致表示其組成。

2、金屬化合物當組成合金的各組元在固態(tài)下既不相互溶解，又不形成化合物，而是按一定質(zhì)量比，以混合方式存在的結(jié)構(gòu)形式。機械混合物可是純金屬、固溶體或化合物各自的混合物，也可是它們之間的混合物。機械混合物不是單相組織，其性能介于各組成相性能之間，且隨組成相的形狀、大小、數(shù)量及分布而變

3、機械混合物五.勻晶相圖相圖：表示多元材料體系中溫度、成分與材料結(jié)構(gòu)的平衡圖（又稱為平衡圖、狀態(tài)圖）。勻晶相圖：兩組元不但在液態(tài)無限互溶，而且在固態(tài)下也無限互溶的二元合金系所形成的相圖。主要有Cu-Ni、Ag-Au、Cr-Mo、Fe-Ni等。勻晶轉(zhuǎn)變：合金在結(jié)晶時都是從液相結(jié)晶出固溶體，固態(tài)下呈單相固溶體。配制一系列不同成分的合金，分別作冷卻曲線將各T-t曲線上、下各臨界點投影到T-C坐標系中連接同類型的臨界點熱分析法、金相法、膨脹法、磁性法、電阻法、X射線結(jié)構(gòu)分析法等。

1、相圖的建立上面的一條曲線為液相線；下面的一條曲線為固相線。3個相區(qū)：液相線以上為單相液相區(qū)L，固相線以下為單相固相區(qū)α，二者之間為液、固兩相共存區(qū)(L+α)。

2、相圖分析Cu-Ni合金勻晶相圖①當溫度高于T1時，合金為液相L；②當溫度降到T1(與液相線相交的溫度)以下時，開始從液相中結(jié)晶出口固溶體。隨著溫度的繼續(xù)下降，從液相不斷析出固溶體，液相成分沿液相線變化，固相成分則沿固相線變化。在T1-T3溫度區(qū)間，合金呈L+α兩相共存。③當溫度下降到T3時，液相消失，結(jié)晶完畢，最后得到與合金成分相同的固溶體。3、合金的平衡結(jié)晶過程Cu-Ni合金勻晶相圖平衡結(jié)晶：合金在極其緩慢的冷卻條件下進行結(jié)晶的過程。平衡組織：在此條件下得到的組織。①確定兩平衡相的成分要想確定含ωNi=20%的合金I在冷卻到T溫度時兩個平衡相的成分，可通過T做一水平線arb，它與液相線的交點a對應的成分CL即為此時液相的成分；它與固相線的交點b對應的成分Ca即為已結(jié)晶的固相的成分。4、杠桿定律杠桿定律的證明在某一溫度下處于平衡狀態(tài)的兩相的成分和相對質(zhì)量可用杠桿定律確定。只適用于兩相區(qū)。因為對單相區(qū)無需計算，而對三相區(qū)又無法確定。②確定兩個平衡相的相對質(zhì)量設合金I的總質(zhì)量為1，液相的質(zhì)量為WL，固相的質(zhì)量為Wα，則有：WL+Wα=1且WLCI+WαCa=1×C由以上兩式可以得出：杠桿定律的證明兩相的相對質(zhì)量：5、枝晶偏析不平衡結(jié)晶：由于冷卻速度快，原子的擴散過程落后于結(jié)晶過程，合金成分的均勻化來不及進行，因此每一溫度下的固相平均成分將要偏離相圖上固相線所示的平衡成分不平衡組織：不平衡結(jié)晶所得到的組織。晶內(nèi)偏析：先結(jié)晶的晶粒心部與后結(jié)晶的晶粒表面的成分不同，由于它是在一個晶粒內(nèi)的成分不均勻現(xiàn)象，所以稱之為晶內(nèi)偏析。枝晶偏析：固溶體結(jié)晶通常是以樹枝狀方式長大的。在快冷條件下，先結(jié)晶出來的樹枝狀晶軸，其高熔點組元的含量較多，而后結(jié)晶的分枝及枝間空隙則含低熔點組元較多，這種樹枝狀晶體中的成分不均勻現(xiàn)象，稱為枝晶偏析。六.共晶相圖共晶相圖：在二元合金系中，兩組元在液態(tài)下能完全互溶，固態(tài)下只能有限互溶，形成與兩組元成分和結(jié)構(gòu)完全不同的固相，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，所構(gòu)成的相圖稱之為共晶相圖。具有這類相圖的合金有Pb-Sn、Pb—Sb、Ag-Cu、A1一Si、Zn-Sn等。Pb-Sn合金相圖adb為液相線；acdeb為固相線。相：Pb與Sn形成的液相L，Sn溶于Pb中的有限固溶體α相，Pb溶于Sn中的有限固溶體β相。3個單相區(qū)：L，α，β3個雙相區(qū)：L+α，L+β，α+β三相共存線：L+α+β（水平線cde）共晶點：dLd=αc+βe共晶體：共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物為兩個固相的機械混合物，稱為共晶體。共晶反應線：水平線cde七.合金的結(jié)晶結(jié)晶過程如同純金屬一樣，仍為晶核形成和晶核長大兩個過程；需要一定的過冷度，最后形成多晶粒組成的晶體。1、合金的結(jié)晶過程合金與純金屬結(jié)晶的不同之處如下。純金屬結(jié)晶是在恒溫下進行，只有一個臨界點。而合金則絕大多數(shù)是在一個溫度范圍內(nèi)進行結(jié)晶。合金在結(jié)晶過程中，在局部范圍內(nèi)相的化學成分(即濃度)有變化。合金結(jié)晶后其組織一般有三種情況：單相固溶體；單相金屬化合物或同時結(jié)晶出兩相機械混合物；結(jié)晶開始形成單相固溶體(或單相化合物)，剩余液體又同時結(jié)晶出兩相機械混合物(共晶體)。2、合金結(jié)晶的冷卻曲線形成單相固溶體的冷卻曲線：組元在液態(tài)下完全互溶，固態(tài)下仍完全互溶，結(jié)晶后形成單相固溶體。形成單相化合物或共晶體的冷卻曲線：組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下完全不互溶或部分互溶。結(jié)晶后形成單相化合物或共晶體。形成機械混合物的冷卻曲線：組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下部分互溶，結(jié)晶開始形成單相固溶體后，剩余液體則同時結(jié)晶出兩相的共晶體。I-形成單相固溶體；Ⅱ-形成單相化合物或同時結(jié)晶出兩相固溶體；Ⅲ-形成機械混合物圖合金結(jié)晶的冷卻曲線第三章鋼的熱處理原理一.熱處理概述熱處理：把固態(tài)金屬材料在一定介質(zhì)中加熱、保溫、冷卻，以改變其組織，從而獲得所需性能的一種熱加工工藝。三個基本過程：加熱、保溫、冷卻作用：改善金屬材料的工藝性能；提高金屬材料的使用性能。二.鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變1、奧氏體轉(zhuǎn)變溫度與Fe-Fe3C相圖的關(guān)系A(chǔ)1Ac1Ar1SAccmAcmArcmAc3A3Ar3冷卻過程的固態(tài)相變需過冷度

鋼的熱處理中六個重要的溫度參數(shù)：

A1A3Acm；Ac1Ac3Accm——加熱過程Ar1Ar3Arcm——冷卻過程

F+Fe3C→A(727℃)

成分(C%)0.02186.690.77結(jié)構(gòu)體心立方復雜斜方面心立方說明奧氏體化中須兩個過程：①C成分變化：C的擴散②鐵晶格改組：Fe擴散2、奧氏體的形成-以共析鋼為例奧氏體形成過程

四個階段：1）奧氏體在F—Fe3C界面上形核（10秒）2）奧氏體向F及Fe3C兩側(cè)長大(幾百秒)3）剩余Fe3C的溶解；(千秒)4）奧氏體中C的擴散均勻化。(萬秒)圖共析鋼奧氏體形成過程示意圖任何固態(tài)相變均需形核與長大過程形核需要“三個起伏條件”：

成分起伏、結(jié)構(gòu)起伏、能量起伏——故晶界或缺陷處易形核1）加熱溫度T↑，A晶粒長大；原因：T↑，奧氏體與珠光體的自由能差越大，轉(zhuǎn)變的推動力越大；T↑，原子擴散越快，因而碳的重新分布與鐵的晶格重組就越快，所以，使奧氏體的形核、長大，殘余滲碳體的溶解及奧氏體的均勻化都進行得越快。3、影響奧氏體轉(zhuǎn)變速度的因素2）加熱速度加熱速度越快，珠光體的過熱度越大，相變驅(qū)動力越大，轉(zhuǎn)變的開始溫度就越高。3）原始組織的影響鋼的原始組織越細，奧氏體的形成速度越快。。4）化學成分的影響C↑，奧氏體的形成速度加快；加入合金元素并不改變珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的基本過程，但能影響奧氏體的形成速度，一般都使之減慢。4、奧氏體的晶粒度及控制因素晶粒大小表示方法：晶粒尺寸，例如晶粒截面的平均直徑、平均面積或單位面積內(nèi)的晶粒數(shù)目等；晶粒度級別，晶粒度分8級，1級最粗，8級最細。計算式：

n=2N-1

N：晶粒度級別

n：1平方英寸視場中所包含的平均晶粒數(shù)(100X)。標準晶粒度等級示意圖

(1)初始晶粒度：奧氏體轉(zhuǎn)變剛結(jié)束時的晶粒大小。

——通常極細小(2)實際晶粒度：具體加熱條件下獲得的奧氏體晶粒大?、倥c具體熱處理工藝有關(guān)：熱處理溫度↑，時間↑，晶粒長大。②與晶粒是否容易長大有關(guān)

———

引入本質(zhì)晶粒度概念奧氏體有三種不同概念的晶粒度

(3)本質(zhì)晶粒度鋼在特定的加熱條件下，奧氏體晶粒長大的傾向性，分為本質(zhì)粗晶粒度和本質(zhì)細晶粒度。測定方法：加熱至860±10℃，保溫1h，若A晶粒1-4級：本質(zhì)粗晶粒度鋼，5-8級：本質(zhì)細晶粒度鋼。關(guān)于本質(zhì)晶粒度概念的要點：①表征該鋼種在通常的熱處理條件下A晶粒長大的趨勢，不代表真實、實際晶粒大??；②本質(zhì)粗晶粒度鋼實際晶粒度并非一定粗大，本質(zhì)細晶粒度鋼實際晶粒度并非一定細小；而與具體的熱處理工藝有關(guān)。③本質(zhì)晶粒度主要與成分或冶煉條件有關(guān)。影響奧氏體晶粒長大的因素①加熱溫度和保溫時間

T↑、t↑，A晶粒長大；

T的影響遠大于t1250℃1050℃900℃保溫時間t晶粒度②含碳量在一定范圍內(nèi)，隨著鋼的含碳量增加，奧氏體晶粒長大的傾向增大，但是含碳量超過某一限度時，奧氏體晶粒反而變得細小。③成分

強烈阻礙：Al、V、Ti、Zr、Nb原因：機械阻礙理論

——形成難溶碳、氮化物中等阻礙：Cr、W、Mo促進長大：Mn、P、溶入A的C┖降低鐵原子的結(jié)合力，促進鐵的擴散④鋼的原始組織越細，碳化物彌散度越大，奧氏體的起始晶粒越細小。三.鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變熱處理的兩種冷卻方式：等溫冷卻

定義：將奧氏體化后的鋼由高溫快速冷卻到臨界溫度以下某一溫度，保溫一段時間以進行等溫轉(zhuǎn)變，然后再冷卻到室溫。

等溫淬火、等溫退火等。連續(xù)冷卻定義：將奧氏體化后的鋼從高溫連續(xù)冷卻到室溫，使奧氏體在一個溫度范圍內(nèi)發(fā)生連續(xù)轉(zhuǎn)變。爐冷、空冷、油冷、水冷等。圖

奧氏體不同冷卻方式示意圖1一等溫冷卻2一連續(xù)冷卻Tτ

A1MsMfA→MM+ARA過冷A→BA→PAPB700500200

τ孕HRC15404555>60110102103104105過冷奧氏體與奧氏體的區(qū)別產(chǎn)物：P：珠光體B：貝氏體M：馬氏體鼻點1、過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變圖1）過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線---C曲線①不同溫度下轉(zhuǎn)變產(chǎn)物不同；高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(A1~550℃)：珠光體(P)——擴散型

中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(550℃~MS)

：貝氏體(B)—半擴散型

低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(MS~Mf)：馬氏體(M)——非擴散型②存在孕育期

——過冷奧氏體等溫分解所需的準備時間——代表A過冷穩(wěn)定性。③存在鼻點：

——孕育期最短，A過冷最不穩(wěn)定；④T轉(zhuǎn)↓，產(chǎn)物硬度↑。⑤馬氏體是過冷奧氏體連續(xù)冷卻中的一種轉(zhuǎn)變組織，非等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。將其畫入，使過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線更完備、實用圖片狀珠光體形成示意圖（1）珠光體轉(zhuǎn)變高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(A1~550℃)：珠光體(P)——擴散型

反應式為A→P(F+Fe3C)3）過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織及其性能按層片間距不同又分為：

粗珠光體（P）：A1～650℃，片層較粗，10～20HRC。

索氏體（S）：650～600℃，片層較細，20～30HRC。

屈氏體(T)：600～550℃，片層極細，30～40HRC，P、S和T都是由滲碳體和鐵素體組成的層片狀機械混合物，只是由于層片的大小不同，決定了它們的力學性能各異。（2）貝氏體轉(zhuǎn)變中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(550℃~MS)貝氏體(B)—半擴散型貝氏體有兩種常見的組織形態(tài)：上貝氏體和下貝氏體。

組織構(gòu)成：α(C)+Fe3C鐵素體：碳過飽和(0.03%)；成束、板條狀平行排列；位錯（108~109cm-2)；滲碳體：粒狀或短桿狀分布在F板條之間。上貝氏體Fe3C過飽和α相羽毛狀上貝氏體(550℃~350℃)圖上貝氏體顯微組織a)光學顯微組織500×b)電子顯微組織4000×下貝氏體(350℃~230℃)組織:α(C)+FexC鐵素體：碳過飽和(0.3%)針、片狀，互不平行；更高密度位錯。滲碳體：粒狀或短桿狀平行分布在F相內(nèi)部。過飽和α相Fe3C針狀圖下貝氏體顯微組織a)光學顯微組織500×b)電子顯微組織12000×貝氏體的性能①強度和硬度

σs(B上)<σs(B下)原因：上貝氏體的形成溫度較高，鐵素體條粗大，碳的過飽和度低，因而其強度和硬度較低。②韌性

ak（B下）》ak（B上）原因：B上中碳化物分布條間，有明顯方向性，尺寸較大；馬氏體：C在α-Fe中的過飽和固溶體。（3）馬氏體轉(zhuǎn)變

低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(MS~Mf)：馬氏體(M)——非擴散型①單元體(單晶體)板條狀②組合特征：0.1~0.3μm<10μm馬氏體束一些位向相同的板條晶構(gòu)成馬氏體束；原奧氏體晶粒中含3~5個位向不同的M束板條馬氏體內(nèi)有大量的位錯，這些位錯分布不均勻，形成胞狀亞結(jié)構(gòu)，也稱“位錯馬氏體”③主要存在低、中碳鋼及馬氏體時效鋼、不銹鋼等鐵基合金中。板條馬氏體①單元體：片狀，中間厚、兩邊薄—凸透鏡狀或針狀；②組合特征：Ⅰ片與片之間不平行，約呈60°；

Ⅱ晶粒大小不等，先大后小，先形成的M片貫穿A晶粒；③亞結(jié)構(gòu)：平行的細小孿晶——孿晶馬氏體。∟形成的溫度較低——低溫馬氏體高碳鋼中常出現(xiàn)——高碳馬氏體，存在大量顯微裂紋

（孿晶通常分布在馬氏體的中部，不擴展到馬氏體片的邊緣區(qū)，在邊緣區(qū)存在高密度為錯）片狀馬氏體

馬氏體的性能(1)硬度和強度

特點：總體：高硬度、高強度

注意：Ⅰ、硬度、強度主要取決于C%,Me影響小。C%↑,馬氏體HRC↑。Ⅱ、須注意馬氏體硬度與鋼硬度的差異。C%↑,淬火鋼HRC↑,0.6%C后基本趨于定值。鋼中馬氏體強化機制：①C的固溶強化：②相變強化(亞結(jié)構(gòu)強化)：高密度位錯、孿晶、層錯；③時效(沉淀)強化：C向缺陷處擴散偏聚或析出，釘扎位錯。C%σ0.6121：未時效2：0℃時效3hFe-Ni-C合金馬氏體④晶界強化。∟低碳M“自回火”。（2）塑性與韌性片狀M：硬而脆；板條M：強而韌∟與亞結(jié)構(gòu)有關(guān)板條M塑韌性好的原因：①含碳量低,過飽和度小；②淬火內(nèi)應力小，形成微裂紋的敏感度??；高碳片狀M塑韌性差的原因：①C過飽和度高，畸變大，②淬火內(nèi)應力大，形成微裂紋的敏感度高。馬氏體轉(zhuǎn)變的特點①無擴散性②切變共格馬氏體轉(zhuǎn)變是新相在母相特定的晶面（慣習面）上形成，并以的母相切變來保持共格的相變過程。③不完全性:轉(zhuǎn)變在一定溫度范圍內(nèi)進行，存在殘余奧氏體。④轉(zhuǎn)變快速性：M形成速度極快，10-5~10-7S⑤馬氏體轉(zhuǎn)變的可逆性：重新加熱時，已形成的馬氏體又能無擴散地轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。

珠光體、貝氏體、馬氏體轉(zhuǎn)變特點比較轉(zhuǎn)變類型珠光體貝氏體馬氏體轉(zhuǎn)變溫度高溫(Ar1~550℃)中溫(BS~MS)低溫(<MS)擴散性Fe、C、Me擴散C擴散;Fe、Me不擴散C、Fe、Me均不擴散組成相兩相組織：α+Fe3C兩相組織：α(C)+FexC單相：C過飽和α(C)共格性無共格性共格性共格性

Vc：連續(xù)冷卻中全部A過→M的最小V冷——臨界淬火速度——上臨界冷卻速度VC′：連續(xù)冷卻中全部

A過→P的最大V冷—下臨界冷卻速度①：P；②：M；③：P+M共析碳鋼TTT與CCT曲線A1MsMfTτC′CVcVc′MM+PP

共析碳鋼CCT曲線

共析碳鋼TTT曲線PS

Pk①②③Vc′′2、過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖冷卻速度對轉(zhuǎn)變產(chǎn)物類型的影響：可用VC、VC′判斷。當V>VC時，A過冷→M；

當V<VC′時，A過冷→P；

當VC′<V<VC

時，A過冷→P+M**實際中由于CCT曲線測量難，可用TTT曲線代替CCT曲線作定性分析，判斷獲得M的難易程度。**連續(xù)冷卻的VC值是等溫冷卻C曲線中與鼻點相切的VC的1.5倍，故可用等溫冷卻C曲線中VC代替或估算.3、過冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖的應用可以利用等溫轉(zhuǎn)變圖定性和近似地分析鋼在連續(xù)冷卻時組織轉(zhuǎn)變的情況。等溫轉(zhuǎn)變圖對于制訂等溫退火、等溫淬火、分級淬火以及變形熱處理工藝具有指導作用。利用連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖可以定性和定量地顯示鋼在不同冷卻速度下所獲得的組織和硬度。第四章鋼的熱處理工藝4.1鋼的熱處理工藝分類普通熱處理：”四把火”退火、正火、淬火、回火表面熱處理：表面淬火（火焰加熱、感應加熱）化學熱處理（滲碳、滲氮、碳氮共滲）形變熱處理：控制軋制（形變）控制冷卻4.2鋼的普通熱處理1、退火定義：將鋼加熱到一定溫度并保溫一定時間，然后以緩慢的速度冷卻，使之獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。分類：退火可分為完全退火、等溫退火、球化退火、均勻化退火、去應力退火和再結(jié)晶退火等圖各種退火工藝規(guī)范示意圖a)加熱溫度范圍b)工藝曲線工藝規(guī)范特點目的適用范圍

①工藝：完全奧氏體化②組織：層片狀珠光體①↓硬度，改善切削加工性能；②細化晶粒；③消除內(nèi)應力；④減輕組織不均勻性(消除魏氏組織等)亞共析鋼、合金鋼的鑄、鍛、熱軋、焊件的預備熱處理(切削加工前或熱處理前的預備熱處理)

AC3+20~30℃

AC3

AC1

tT（1）完全退火45鋼鍛造后與完全退火后機械性能狀態(tài)σb(Mpa)σs(Mpa)δ(%)ψ(%)αk

(kJ.m-2)HB鍛造650~750300~4005~1520~40200~400230完全退火600~700300~35015~2040~50400~600200完全退火后強硬度有所下降，而塑韌性較大幅度提高。主要目的：改善組織均勻性以及加工性能。工藝規(guī)范特點目的適用范圍

①工藝：不完全奧氏體化②組織：球狀(粒狀)珠光體①降低(過)共析鋼硬度適合切削；②為最終熱處理（淬火與低溫回火）做組織準備含碳量較高的工、模具鋼的預備熱處理

AC1+20~30℃ACm或AC3

AC1

tT（2）球化退火——不完全退火的一種工藝關(guān)鍵：①Fe3C形態(tài)控制②K球的大小控制

←控制奧氏體化程度?！刂七^冷奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變的溫度。片狀與球狀珠光體組織切削性能比較層片狀珠光體粒(球)狀珠光體刀具T12鋼球化退火與完全退火的性能比較：

球化退火的強硬度更低，塑韌性更好，利于切削加工。狀態(tài)σb(Mpa)δ(%)ψ(%)HB完全退火8101530230球化退火6202040180T12鋼完全退火與球化退火后性能比較T12鋼完全退火與球化退火后組織比較完全退火、球化退火的工藝缺陷：周期長；變溫轉(zhuǎn)變——組織大小不均——開發(fā)出等溫退火。（3）等溫退火——是完全退火、球化退火工藝的改進——普通退火——等溫完全退火——等溫球化退火

AC3+20~30℃AC3

Ar1

tTAc1

AC1+20~30℃

Ar1-20~30℃高速鋼等溫退火與普通退火工藝曲線870~880

℃tT4h3h等溫退火普通退火40℃/h720~740

℃爐冷15℃/h空冷空冷等溫退火優(yōu)勢1）縮短工藝時間：高速鋼40h→20h；2）組織均勻：碳化物球大小一致。工藝規(guī)范特點目的適用范圍

(1)高溫、長時間；(2)需再經(jīng)重結(jié)晶工藝(完全退火或正火)以細化晶粒消除或減輕偏析、帶狀組織等合金鋼錠大型鑄鋼件tTAC3或ACm+200~300℃AC3或ACm（4）擴散（均勻化）退火工藝名稱工藝規(guī)范目的適用范圍再結(jié)晶退火①

①消除加工硬化②完全消除殘余應力冷塑性變形件去應力退火②消除內(nèi)應力，防工件變形鑄、鍛、焊、沖壓、機加工件（5）再結(jié)晶退火與去應力退火AC1650~700℃300~650℃tT①②2、正火1）定義鋼加熱到AC3或ACm以上的A區(qū)域，保持一定時間后在空氣中冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的工藝—又稱?；?。2）目的①細化晶粒，消除鑄鍛焊件組織缺陷；②提高低碳鋼硬度，改善切削加工性能；③消除高碳鋼網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火作組織準備；④型材或大型復雜鑄鋼件的最終熱處理。正火與退火的區(qū)別加熱溫度較高；冷卻速度較快；獲得組織較細(索氏體)；強硬度與塑韌性較高；生產(chǎn)效率較高。①②①正火②退火碳鋼正火與退火后的硬度（HB）狀態(tài)結(jié)構(gòu)鋼軟的中等的硬的工具鋼退火正火～125～140～160～190～185～230～220～270正火與退火態(tài)45鋼機械性能狀態(tài)σb(MPa)δ(%)αk

(J.cm-2)HB正火700~80015~2050~80220完全退火650~70015~2040~60180注：正火態(tài)強硬度與塑韌性均較高3、正火與退火的選用C%<0.25%低碳鋼——多用正火；提高硬度C%:0.25~0.5%——可正火、可完全退火C%:0.5~0.75%——完全退火；C%>0.75%——球化退火C%>0.9%——

有網(wǎng)狀碳化物┗正火(消網(wǎng))＋球化退火注意：1、退火與正火—珠光體類型組織的應用；2、能用正火處則不用退火。正火可作為大件或不重要工件的最終熱處理，而退火一般不作為最終熱處理淬火與回火是強化鋼最常用的熱處理工藝方法。先淬火再根據(jù)需要配以不同溫度回火，獲得所需的力學性能。淬火：是以獲得馬氏體或(和貝氏體)為目的的熱處理工藝方法。4、鋼的淬火與回火碳鋼：亞共析鋼：AC3+30~50℃

過共析鋼：AC1+30~50℃1）淬火加熱溫度鋼的淬火溫度范圍

2）合理選擇淬火冷卻介質(zhì)①水：

鼻溫：150℃/s；Ms：450℃/s。

優(yōu)點：冷卻能力強；成本低。缺點：M轉(zhuǎn)變溫區(qū)冷速過大，變形；應用：小尺寸、形狀簡單碳鋼件。

②油：鼻溫：60~70℃/s；Ms：50℃/s；

優(yōu)點：M轉(zhuǎn)變溫區(qū)冷速小，不易變形；缺點：鼻溫區(qū)冷速較小，不易淬透；應用：合金鋼件。鋼的淬透性概念淬透層深度

由工件表面→半馬氏體點（50%M）的深度。奧氏體化的鋼在淬火時獲得馬氏體的能力用鋼在一定條件下淬火獲得的淬透層深度表示其大小。V表V心V表V心VC淬透層深度VC100%M50%M圖鋼的淬透性淬硬性鋼淬火時的硬化能力，用淬成馬氏體能得到的最高硬度表示。

——主要取決于馬氏體中的C%。

淬透性主要取決于鋼的化學成分（特別是合金元素）并由此決定的臨界冷卻速度

。淬透性與淬硬性圖鋼中馬氏體硬度與碳含量的關(guān)系TτA1MS分級淬火雙液淬火等溫淬火單液淬火3）正確選擇淬火方法單液淬火

——尺寸小、形狀簡單的碳鋼、合金鋼件。雙液淬火（水淬油冷）

——尺寸較大碳鋼件。分級淬火稍高于MS，鹽??；

——小尺寸工模具、變形小、精密件。等溫淬火淬火熱應力、組織應力小，變形小

——形狀復雜、尺寸精密件。5、回火

定義：將淬火后的鋼重新加熱到低于Ac1以下某一溫度，經(jīng)保溫后，使淬火組織轉(zhuǎn)變成為穩(wěn)定的回火組織，再冷卻到室溫的熱處理工藝方法。淬火鋼的組織：馬氏體或馬氏體加殘留奧氏體組成，它是不穩(wěn)定的組織，內(nèi)應力大、脆、易變形或開裂。目的：為了消除應力，穩(wěn)定組織，提高鋼件的塑性、韌性，獲得塑性、韌性、硬度、強度適當配合的力學性能?；鼗鸱N類

回火溫度↑－－內(nèi)應力↓，強硬度↓，塑韌性↑?！鶕?jù)溫度不同劃分回火種類。（1）低溫回火（150~200℃）

組織：回火馬氏體(與淬火馬氏體比較)

性能：保持高強硬度；內(nèi)應力和脆性↓；韌性略↑。應用：①工、模具鋼；②低碳馬氏體鋼。（2）中溫回火（250~500℃）

組織：回火托氏體，它還保持著馬氏體的形態(tài)，內(nèi)應力基本消除。性能：基體已回復；內(nèi)應力↓↓；彈性極限高；較高的強硬度與良好韌性。應用：彈簧鋼、熱鍛模。（3）高溫回火（500~650℃）組織回火索氏體。性能內(nèi)應力基本消除，強度與韌性最佳配合——綜合機械性能高。應用重要結(jié)構(gòu)件，軸、齒輪。

圖40Cr鋼經(jīng)不同溫度回火后的力學性能注：直徑D=12mm，油淬。常用表面熱處理的方法有：表面淬火化學熱處理4.3鋼的表面熱處理表面淬火：僅對工件表層進行淬火的熱處理工藝。原理：通過快速加熱，使鋼的表層奧氏體化，在熱量尚未充分傳到零件中心時就立即予以冷卻淬火，得到馬氏體組織。目的：使工件表面獲得高硬度和高耐磨性，而心部保持較好的塑性和韌性，以提高其在扭轉(zhuǎn)、彎曲、循環(huán)應力或在摩擦、沖擊、接觸應力等工作條件下的使用壽命。1、鋼的表面淬火適用：中碳鋼、中碳合金鋼。方法：火焰加熱表面淬火、感應加熱表面淬、電接觸加熱表面淬火、激光加熱表面淬火。原理：利用感應電流通過工件所產(chǎn)生的熱效應，使工件表面受到局部加熱，并進行快速冷卻的淬火工藝。特點：①加熱速度快。②淬火質(zhì)量好。③淬硬層深度易于控制，易實現(xiàn)機械化和自動化，適用于大批量生產(chǎn)。1）感應加熱表面淬火①高頻感應加熱表面淬火常用頻率為80～1000kHz，淬硬層深度為0.5～2mm。用于淬硬層較薄的中、小模數(shù)齒輪和中、小尺寸軸類零件等。感應加熱表面淬火類型②中頻感應加熱表面淬火常用頻率為2500～8000Hz，淬硬層深度為2～10mm。主要用于大、中模數(shù)齒輪和較大直徑軸類零件等。③工頻感應加熱表面淬火電流頻率為50Hz，淬硬層深度為lO～20mm。用于大直徑零件（如軋輥、火車車輪等）的表面淬火和大直徑鋼件的穿透加熱。火焰加熱表面淬火是一種利用乙炔，氧氣或煤氣-氧氣混合氣體的燃燒火焰，將工件表面迅速加熱到淬火溫度，隨后以浸水和噴水方式進行激冷，使工件表層轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體而心部組織不變的工藝方法。特點：設備簡單、成本低；淬火質(zhì)量不穩(wěn)定；適合單件和小批量生產(chǎn)。2）火焰加熱表面淬火化學熱處理——將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學成分、組織和性能的熱處理工藝。不僅改變了鋼表面的組織，而且表面層的化學成分也發(fā)生了變化，因而能更有效地改變零件表層的性能。根據(jù)滲入元素分類：滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲金屬等。化學熱處理的基本過程分解吸收擴散2、鋼的化學熱處理滲碳——將鋼件置于滲碳介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入工件表層的化學熱處理工藝。目的：提高鋼件表層的含碳量，淬火與回火后表面硬、心部韌。材料：低碳鋼、低碳合金鋼。滲碳后處理：淬火及低溫回火。工藝路線：鍛造→正火→機械加工→滲碳→淬火+低溫回火。滲碳方法：固體滲碳法、液體滲碳法和氣體滲碳法三種。1）鋼的滲碳低碳鋼件滲碳后表層含碳量0.85％～1.05％為最佳。表層為過共析組織（珠光體和網(wǎng)狀二次滲碳體），與其相鄰為共析組織（珠光體），再向里為亞共析組織的過渡層（珠光體和鐵素體），心部為原低碳鋼組織（鐵素體和少量珠光體）工件的滲碳層深度取決于工件尺寸和工作條件，一般為0.5～2.5mm。為使工件表面具有高硬度、高耐磨性，必須對滲碳工件進行淬火和低溫回火。滲碳后的組織及熱處理1）直接淬火工件從滲碳溫度預冷到略高于心部Ar3的某一溫度，立即放入水或油中。預冷是為了減少淬火應力和變形。滲碳后常用的淬火方法圖滲碳后熱處理示意圖a)、b)直接淬火c)一次淬火d)二次淬火第一次淬火是為了改善心部組織和消除表面網(wǎng)狀二次滲碳體，加熱溫度為Ac3以上30～50℃。2）一次淬火圖滲碳后熱處理示意圖a)、b)直接淬火c)一次淬火d)二次淬火第二次淬火是為細化工件表層組織，獲得細馬氏體和均勻分布的粒狀二次滲碳體，加熱溫度為Ac1以上30～50℃，二次淬火法工藝復雜，生產(chǎn)周期長，成本高，變形大，只適用于表面耐磨性和心部韌性要求高的零件。3）二次淬火圖滲碳后熱處理示意圖a)、b)直接淬火c)一次淬火d)二次淬火滲氮：在一定溫度，一定介質(zhì)中使氮原子滲入工件表層的化學熱處理工藝。目的：提高工件表面硬度、耐磨性、疲勞強度和耐蝕性。常用滲氮方法①氣體滲氮：在有活性氮原子的氣體中進行滲氮。②離子滲氮：在低于1×105Pa的滲氮氣氛中，利用工件（陰極）和陽極之間產(chǎn)生的輝光放電進行滲氮的工藝。2）鋼的滲氮氮原子的滲入使?jié)B氮層內(nèi)形成殘留壓應力，可提高疲勞強度（25％～35％）；滲氮層表面由致密的、連續(xù)的氮化物組成，使工件具有很高的耐蝕性；滲氮溫度低，工件變形??；滲氮層很?。ǎ?.6～0.70mm），滲氮后只能精磨、研磨或拋光。滲氮層較脆，不能承受沖擊力，生產(chǎn)周期長（例如0.3～0.5mm的滲層，需要30～50h），成本高。滲氮前零件須經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，獲得回火索氏體組織，以提高心部的性能。滲氮后不需再熱處理。滲氮用于耐磨性和精度要求高的精密零件或承受交變載荷以及要求耐熱、耐蝕、耐磨的零件的重要零件。滲氮和滲碳相比有何特點？方法:固體碳氮共滲氣體碳氮共滲液體碳氮共滲高溫中溫低溫3）碳氮共滲技術(shù)定義:向鋼的表面同時滲入碳和氮原子的過程。目的:獲得具有表硬里韌性能的零件。工藝合金結(jié)構(gòu)鋼HRC53～60820～8604～6以滲碳為主0.5～0.8mm淬火+低溫回火中溫氣體碳氮共滲合金工具鋼HRC54～63低溫氣體碳氮共滲500～6003～4以滲氮為主0.1～0.4mm不需要材料性能名稱溫度(℃)時間(h)作用滲層熱處理定義：用活性硼原子滲入鋼件表層并形成鐵的硼化物的化學熱處理工藝。特點：提高鋼件的表面硬度(1300～2000HV)和耐磨性，同時具有良好的耐熱性和耐蝕性。目前用得最多的是鹽浴滲硼，最常用的鹽浴滲硼劑是由無水硼砂加碳化硼、硼鐵或碳化硅組成。其中硼砂提供活性硼原子，碳化硅或碳化硼是還原劑。通常滲硼溫度為900～950℃，時間為4～6h，滲硼層深度可達0.1～0.3mm。4）鋼的滲硼定義：在爐氣成分可控的熱處理爐內(nèi)進行的熱處理。分類：吸熱式氣氛放熱式氣氛滴注式氣氛4、鋼的熱處理新技術(shù)1）可控氣氛熱處理定義：在0.0133～1.33Pa真空度的真空介質(zhì)中對工件進行熱處理的工藝。優(yōu)點：減少工件變形減少和防止工件氧化凈化工件表面脫氣作用應用：幾乎全部熱處理工藝均可以進行真空熱處理，淬火介質(zhì)也由最初僅能氣淬發(fā)展到現(xiàn)在的油淬、水淬、硝鹽淬火等。2）真空熱處理定義：利用陰極(工件)和陽極間的輝光放電產(chǎn)生的等離子體轟擊工件，使工件表層的成分、組織及性能發(fā)生變化的熱處理工藝。分類：離子滲氮離子滲碳3）離子滲擴熱處理優(yōu)點：表面形成的氮化層具有優(yōu)異的力學性能；離子滲氮節(jié)約能源，滲氮氣體消耗少，操作環(huán)境無污染；離子滲氮速度快。缺點：設備昂貴，工藝成本高，不宜于大批量生產(chǎn)。離子滲氮優(yōu)點：硬度、疲勞強度、耐磨性等力學性能高；滲碳速度快；工件不易產(chǎn)生氧化，表面潔凈，耗電少和無污染。離子滲碳定義：將形變強化與相變強化綜合起來的一種復合強韌化處理方法。分類：高溫形變熱處理低溫形變熱處理4）形變熱處理激光淬火：利用專門的激光器發(fā)出能量密度極高的激光，以極快的速度加熱工件表面。電子束淬火：利用電子槍發(fā)射成束電子，轟擊工件表面，使之急速加熱，自冷淬火后使工件表面強化的熱處理。5）激光淬火和電子束淬火過熱：晶粒粗大——重結(jié)晶消除；過燒：晶界熔化或氧化——無法挽回。氧化：空氣中的氧氣與工件表面形成氧化物的現(xiàn)象脫碳：工件表層中的碳被氧化燒損而使工件表層中碳含量下降的現(xiàn)象。變形：工件在熱處理時，尺寸和形狀發(fā)生變化的現(xiàn)象。開裂：當工件在熱處理時產(chǎn)生的內(nèi)應力值瞬間超過材料的抗拉強度時，工件就會產(chǎn)生開裂而報廢。1）常見的熱處理缺陷4.5熱處理工藝的應用2）熱處理工件的結(jié)構(gòu)工藝性避免尖角和棱角；避免厚薄懸殊的截面；盡量采用封閉結(jié)構(gòu)；盡量采用對稱結(jié)構(gòu)；當有開裂傾向和特別復雜的熱處理工件時，盡量采用組合結(jié)構(gòu)，把整體件改為組合件。3）熱處理技術(shù)條件的標注及熱處理工序位置安排熱處理技術(shù)條件的標注設計者依據(jù)工件的工作特性，提出熱處理技術(shù)條件并在零件圖上標出代號(企業(yè)標準，省、部頒標準，國家標準代號)。由于硬度檢驗屬于非破壞性的檢驗，因此在零件圖上常常標注硬度值。對于那些非常重要的零件，在零件圖上有時也標注抗拉強度、伸長率、金相組織等。表面淬火、表面熱處理工件要標明處理部位、層深及組織等要求。熱處理的工序位置①預先熱處理工序位置（退火、正火、調(diào)質(zhì)）安排在毛坯生產(chǎn)之后、切削加工之前，或粗加工之后、半精加工之前。a）退火、正火工序位置毛坯生產(chǎn)退火（或正火）切削加工。b）調(diào)質(zhì)工序位置下料鍛造正火（或退火）粗加工（留余量）調(diào)質(zhì)半精加工（或精加工）a）整體淬火工序位置下料鍛造退火（或正火）粗加工、半精加工（留余量）淬火、回火（低、中溫）磨削。b）表面淬火工序位置下料鍛造退火（或正火）粗加工調(diào)質(zhì)半精加工（留余量）表面淬火、低溫回火磨削。②最終熱處理工序位置（淬火、回火、滲碳、滲氮）c）滲碳淬火的工序位置下料

鍛造

正火

粗、半精加工滲碳、淬火

低溫回火

磨削

d）滲氮的工序位置下料

鍛造

退火

粗加工

調(diào)質(zhì)

半精、精加工去應力退火

粗磨

滲氮

精磨、研磨或拋光。第五章金屬材料的綜述一.常用金屬材料的種類和用途1、認識金屬材料2、金屬材料的分類黑色金屬：鐵及其合金（鋼鐵)有色金屬：其他的非鐵金屬（如銅、鋁等）及其合金（如銅合金、鋁合金等）二.碳素鋼與合金鋼的概述碳素鋼價格低廉，便于冶煉，容易加工，且通過含碳量的增減和不同的熱處理可使其性能得到改善，因此能滿足很多生產(chǎn)上的要求，應用最廣泛的鋼鐵材料。合金鋼在碳鋼的基礎(chǔ)上有意地加入一種或幾種合金元素，使其使用性能和工藝性能得以提高的以鐵為基的合金即為合金鋼。三.非鐵金屬(有色金屬)的概述定義：除鋼鐵材料以外的其他金屬材料的總稱，如鋁、鎂、銅、鋅、錫、鉛、鎳、鈦、金、銀、鉑、釩、鉬等金屬及其合金就屬于非鐵金屬。常用的非鐵金屬有：鋁及鋁合金、銅及銅合金、鈦及鈦合金、滑動軸承合金、硬質(zhì)合金等。第六章工業(yè)用鋼6.1工業(yè)用鋼的分類6.1.1分類方法1、按化學成分分

中碳鋼0.25~0.6%C高碳鋼

0.6%C低碳鋼

0.25%C低合金鋼（

5%）中合金鋼（5~10%）高合金鋼（

10%）非合金鋼

合金鋼低合金鋼在非合金鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素（<3.5%）按碳含量按合金元素總量按合金元素種類鉻鋼、錳鋼、鉻鎳鋼、鉻鉬鋼、鉻錳鋼、硅錳鋼、硅錳鉬釩鋼、鉻鎳鉬鋼等2、按鋼的主要質(zhì)量等級鋼的質(zhì)量是以磷、硫

的含量來劃分的。

普通質(zhì)量鋼（S、P含量最高值≥0.040%）優(yōu)質(zhì)鋼特殊質(zhì)量鋼（S、P含量最高值≤0.025%）

3、按冶煉時脫氧程度分沸騰鋼（脫氧不完全）F鎮(zhèn)靜鋼（脫氧完全）Z特殊鎮(zhèn)靜鋼（進行特殊脫氧）TZ

牌號尾注意：鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼表示符號通?？梢允÷?。4、按用途分

工程用鋼建筑、橋梁、船舶、車輛滲碳鋼調(diào)質(zhì)鋼彈簧鋼滾動軸承鋼耐磨鋼機器用鋼

結(jié)構(gòu)鋼刃具鋼模具鋼量具鋼

工具鋼不銹鋼耐熱鋼特殊性能鋼擠壓模具5、按金相組織分珠光體鋼貝氏體鋼馬氏體鋼鐵素體鋼奧氏體鋼萊氏體鋼按正火組織分亞共析鋼共析鋼過共析鋼按退火組織分1.MnMn溶入F和FeC3起固溶強化作用，提高鋼的強度和硬度Mn+S→MnS，降低硫的有害作用，改善鋼的熱加工性能。一般認為，Mn和Si為鋼中的有益元素。2.SiSi溶入F起固溶強化作用，提高鋼的強度和硬度，塑韌性稍微降低6.1.2常存雜質(zhì)和合金元素在鋼中的作用一、常存雜質(zhì)和合金元素在鋼中的作用3.S以FeS的形式存在，使鋼的塑性變差；FeS+Fe→低熔點共晶體（985OC）分布在晶界上；在熱加工（1000-1200OC）時共晶體熔化→導致鋼材沿晶界開裂—“熱脆”。Mn與S形成MnS(1620℃）,粒狀分布在晶內(nèi)。鋼中的MnS夾雜合金晶界的低熔點硫化物比利時阿爾伯特運河鋼橋因磷高產(chǎn)生冷脆性，于1938年冬發(fā)生斷裂墜入河中。4.PP→溶于F，導致鋼材強、硬度↑，塑、韌性↓；特別是使鋼在低溫時脆性急劇增加—冷脆。

S、P多，脆性大，有害元素；S、P有利的一面，若含量適當可提高鋼的切削性能（S≤0.05%、P≤0.045%），易切削鋼（改善切削加工性）。激光制導炮彈

氧化物、硫化物、氮化物、硼化物、硅酸鹽等降低鋼的質(zhì)量和性能；鋼在熱加工與熱處理時產(chǎn)生裂紋，或在使用時突然脆斷。使材料具有各向異性，并使沖擊韌度大為降低。5.非金屬夾雜物

H：以原子態(tài)溶解于鋼中，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，俗稱白點。鋼中白點鋼的氫脆斷口6.氣體元素合金元素分類（根據(jù)與碳親和力的大?。簭娞蓟镄纬稍兀篢i、Nb、Zr、V等中強碳化物形成元素：W、Mo、Cr弱碳化物形成元素：Mn、Fe合金元素對鋼的相變、組織和性能的影響

都取決于它們與鋼中