《機(jī)械制造基礎(chǔ)》第2版 課件 柳青松 第1-3章 金屬材料的性能、鐵碳合金、鋼的熱處理

《機(jī)械制造基礎(chǔ)》（第2版）全國(guó)機(jī)械行業(yè)高職院校優(yōu)質(zhì)規(guī)劃教材江蘇省高等學(xué)校重點(diǎn)教材《機(jī)械制造基礎(chǔ)》課程導(dǎo)入《機(jī)械制造基礎(chǔ)》第1篇

機(jī)械工程材料Chapter金屬材料的性能1第1章

金屬材料的性能

案例導(dǎo)入a）

b）

c）

d）

e）

f）圖1-1低碳鋼拉伸試驗(yàn)形變過(guò)程a)屈服強(qiáng)化階段b)、c)、d)頸縮階段e）斷裂瞬間f)斷裂后截面形狀第1章

金屬材料的性能

初步分析低碳鋼的拉伸試驗(yàn)過(guò)程：

載荷的增加

→試樣伸長(zhǎng)量↑

直徑↓

載荷增加到一定程度→試件變細(xì)↓，外加載荷明顯↓

→試樣被拉斷金屬材料的力學(xué)性能及其組織結(jié)構(gòu)1.1金屬材料的力學(xué)性能

力學(xué)性能的概念力學(xué)性能：是指金屬材料在外力作用下，所表現(xiàn)出來(lái)的抵抗

變形和破壞的能力。力學(xué)性能指標(biāo)：金屬在常溫時(shí)的力學(xué)性能指標(biāo)有強(qiáng)度、塑性、

硬度、沖擊韌度、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌度等1.1金屬材料的力學(xué)性能

強(qiáng)度和塑性拉伸試樣a)b)圖1-2圓柱形拉伸試樣a)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣b)拉斷后的拉伸試樣1.1金屬材料的力學(xué)性能

強(qiáng)度和塑性力-伸長(zhǎng)曲線圖1-3低碳鋼試樣的力-伸長(zhǎng)曲線oc—彈性變形階段ce

—屈服階段em

—縮頸與斷裂階段mk

—縮頸與斷裂階段1.1金屬材料的力學(xué)性能

強(qiáng)度和塑性強(qiáng)度材料的強(qiáng)度，就是材料在靜載荷作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。

1.1金屬材料的力學(xué)性能

強(qiáng)度和塑性⑵強(qiáng)度判據(jù)拉伸試驗(yàn)可用于測(cè)量屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等。1)屈服強(qiáng)度和條件屈服強(qiáng)度2)抗拉強(qiáng)度⑶強(qiáng)度意義一般機(jī)械零件或工具使用時(shí)，不允許發(fā)生塑性變形，故屈服強(qiáng)度是機(jī)械設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算的主要依據(jù)1.1金屬材料的力學(xué)性能

強(qiáng)度和塑性塑性

金屬材料在斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力稱(chēng)為塑性。⑴塑性判據(jù)

可用拉伸試驗(yàn)測(cè)定斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率來(lái)表示，如圖1-2所示。1)斷后伸長(zhǎng)率

試樣斷后標(biāo)距的殘余伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距之比的百分率稱(chēng)為斷后伸長(zhǎng)率，用符號(hào)A表示。a)b)圖1-2圓柱形拉伸試樣a)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣b)拉斷后的拉伸試樣1.1金屬材料的力學(xué)性能

強(qiáng)度和塑性塑性

金屬材料在斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力稱(chēng)為塑性。⑴塑性判據(jù)

可用拉伸試驗(yàn)測(cè)定斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率來(lái)表示，如圖1-2所示。斷面收縮率斷面收縮率Z是指，斷裂后試樣橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積之比的百分率。a)b)圖1-2圓柱形拉伸試樣a)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣b)拉斷后的拉伸試樣1.1金屬材料的力學(xué)性能

強(qiáng)度和塑性⑵塑性意義

金屬材料的伸長(zhǎng)率與斷面收縮率數(shù)值愈大，說(shuō)明其塑性愈好。塑性直接影響到零件的成形加工及使用。例如，低碳鋼的塑性好，能通過(guò)鍛壓加工成形，而灰鑄鐵塑性差，不能進(jìn)行壓力加工。塑性好的材料，在受力過(guò)大時(shí)，首先產(chǎn)生塑性變形而不致發(fā)生突然斷裂，所以大多數(shù)機(jī)械零件除要求具有較高的強(qiáng)度外，還必須具有一定的塑性。1.1金屬材料的力學(xué)性能

強(qiáng)度和塑性表1-1材料的伸長(zhǎng)率數(shù)值大小與材料的塑性好壞關(guān)系一覽表材料伸長(zhǎng)率數(shù)值范圍材料性質(zhì)材料性質(zhì)舉例>2%塑性材料銅、鋼。如純鐵的伸長(zhǎng)率幾乎可達(dá)50%；又如低碳鋼的伸長(zhǎng)率約為20%~30%，斷面收縮率約為60%。<2%脆性材料鑄鐵、混凝土。如普通生鐵的伸長(zhǎng)率達(dá)不到1%。1.1金屬材料的力學(xué)性能

硬度1.硬度表示硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)，反映材料抵抗局部塑性變形的能力。2.硬度判據(jù)

常用的硬度指標(biāo)是布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。圖1-6布氏硬度試驗(yàn)原理示意圖圖1-7洛氏硬度試驗(yàn)原理圖1-在初試驗(yàn)力下的壓入深度2-由主試驗(yàn)力引起的壓入深度3-卸除主試驗(yàn)力后的彈性回復(fù)深度4殘余壓入深度5-試樣表面6-測(cè)量基準(zhǔn)面7-壓頭位置1.1金屬材料的力學(xué)性能

硬度表1-2常用洛氏硬度符號(hào)、試驗(yàn)條件和應(yīng)用舉例（摘自GB/T230.1-2018）標(biāo)尺硬度符號(hào)壓頭型號(hào)初試驗(yàn)力（）+主試驗(yàn)力()=總試驗(yàn)力(F/N)常用范圍應(yīng)用舉例AHRA金剛石圓錐98.07+490.3=588.3720~95HRA碳化鋼、硬質(zhì)合金、表面淬火等BHRBW直徑1.5875mm碳化鎢合金球98.07+882.6=980.6710~100HRBW非鐵金屬、退火鋼、銅合金等等CHRC金剛石圓錐98.07+1373=1471.0720~70HRC淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等………………………………1.1金屬材料的力學(xué)性能

硬度⑶維氏硬度

維氏硬度和布氏硬度的測(cè)定原理基本相同，也是以單位壓痕面積的力作為硬度值計(jì)量。不同的是所用的壓頭為錐面夾角為的金剛石正四棱錐體。圖1-8維氏硬度試驗(yàn)原理示意圖1.1金屬材料的力學(xué)性能

硬度3.硬度的意義

由于硬度反映了金屬材料在局部范圍內(nèi)對(duì)塑性變形的抗力，因此，材料硬度與強(qiáng)度之間有一定內(nèi)在聯(lián)系，強(qiáng)度越高，塑性變形抗力越大，硬度值也越高；反之硬度高不一定強(qiáng)度高。所以硬度測(cè)量應(yīng)用極為廣泛，常把硬度標(biāo)注于圖紙上，作為零件檢驗(yàn)、驗(yàn)收的主要依據(jù)；硬度是衡量金屬軟硬的判據(jù)，直接影響材料的耐磨性和切削加工性。如機(jī)械制造中各種刀具要有足夠的硬度，才能保證使用的性能和壽命。1.1金屬材料的力學(xué)性能

沖擊韌度1.韌性表示

韌性是指金屬在斷裂前吸收變形能量的能力。2.沖擊韌性判據(jù)

夏比沖擊試驗(yàn)是一種常用的評(píng)定金屬材料韌性指標(biāo)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法。a)b)c)圖1-9擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)（夏比沖擊試驗(yàn)）原理示意圖a)-U形缺口試樣b)-試樣安放位置c)-夏比沖擊試驗(yàn)機(jī)勢(shì)能測(cè)定1.1金屬材料的力學(xué)性能

沖擊韌度沖擊韌性的意義

一般將值低的材料稱(chēng)為脆性材料，值高的材料稱(chēng)為韌性材料。脆性材料在斷裂前無(wú)明顯的塑性變形，斷口比較平整，有金屬光澤；韌性材料在斷裂前有明顯的塑性變形，斷口呈纖維狀，沒(méi)有金屬光澤。還應(yīng)指出，長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐證明，值對(duì)材料的組織缺陷十分敏感，能夠靈敏的反映出材料的品質(zhì)、宏觀缺陷和顯微組織方面的微小變化，因此，沖擊試驗(yàn)是生產(chǎn)上用來(lái)檢驗(yàn)冶金質(zhì)量和熱加工質(zhì)量的有效辦法之一。1.1金屬材料的力學(xué)性能

疲勞強(qiáng)度材料在循環(huán)載荷的作用下，即使所受應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度也常發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞斷裂。疲勞斷裂，尤其是高強(qiáng)度材料在斷裂之前一般沒(méi)有明顯的塑性變形，難以檢測(cè)和預(yù)防，所以有很大的危險(xiǎn)性。圖1-10疲勞曲線示意圖1.1金屬材料的力學(xué)性能

疲勞強(qiáng)度1.疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度是指材料經(jīng)無(wú)數(shù)次的應(yīng)力循環(huán)仍不斷裂的最大應(yīng)力，用以表征材料抵抗疲勞斷的能力。2.疲勞強(qiáng)度測(cè)試測(cè)試材料的疲勞強(qiáng)度的方法是旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)得的材料所受循環(huán)應(yīng)力與其斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線稱(chēng)為疲勞曲線，如圖1-10所示。3.有效提高疲勞強(qiáng)度的途徑疲勞極限除與選用材料的本性有關(guān)，還可通過(guò)以下途徑來(lái)提高疲勞極限。⑴在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面盡量避免尖角、缺口和截面突變，以免應(yīng)力集中及由此引起的疲勞裂紋。⑵降低零件表面粗糙度值，提高表面加工質(zhì)量；同事盡可能減少能成為疲勞源的表面缺陷（氧化、脫碳、裂紋、夾雜等）和表面損傷（刀痕、擦傷、生銹等）。⑶采用各種表面強(qiáng)化處理，如化學(xué)熱處理、表面淬火與噴丸、滾壓等表面塑性變形加工，不僅可提高零件表層的疲勞極限，還可獲得有益的表層殘余壓應(yīng)力，以抵消或降低產(chǎn)生疲勞裂紋的啦應(yīng)力。1.2材料的物理、化學(xué)及工藝性能物理性能材料的物理性能材料的物理性能屬于材料的固有屬性，主要包括材料的熔點(diǎn)、密度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、磁性等。⑴熔點(diǎn)

材料在緩慢加熱時(shí)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)的融化溫度稱(chēng)為熔點(diǎn)。金屬有固定的熔點(diǎn)，合金的熔點(diǎn)取決于成分。⑵密度

密度是某種材料單位體積的質(zhì)量。材料的密度直接關(guān)系到制成零件或構(gòu)件的重量。⑶導(dǎo)電性

導(dǎo)電性是指材料傳到電流的能力。工程中常采用純銅和純鋁制造導(dǎo)電材料，導(dǎo)電性差的材料制作電熱元件。⑷導(dǎo)熱性

導(dǎo)熱性是指材料傳導(dǎo)熱量的能力。合金的導(dǎo)熱性比純金屬差，純金屬中銀和銅的導(dǎo)熱性能最好，鋁次之。⑸熱膨脹性

熱膨脹性是指材料隨著溫度變化而產(chǎn)生的體積膨脹或收縮的現(xiàn)象。常溫下工作的普通機(jī)械零件可以不考慮材料的熱膨脹性，但工程中如滑動(dòng)軸承材料、內(nèi)燃機(jī)活塞的材料、精密儀器儀表的材料都要求熱膨脹系數(shù)要小。⑹磁性

磁性是指材料在磁場(chǎng)中導(dǎo)磁或被磁化的能力，磁性材料從材質(zhì)和結(jié)構(gòu)上分為金屬及合金磁性材料和鐵氧體磁性材料兩大類(lèi)，電機(jī)的鐵芯所用的磁性材料一般用硬磁鐵氧體，磁化后不易退磁，對(duì)磁通的阻力小。1.2材料的物理、化學(xué)及工藝性能化學(xué)性能⑴耐蝕性

耐蝕性是指材料在室溫時(shí)抵抗其周?chē)橘|(zhì)腐蝕破壞的能力。不同介質(zhì)中工作的材料其耐腐蝕性要求不同，如海洋設(shè)備要耐海水和海洋大氣的侵蝕，儲(chǔ)存和運(yùn)輸酸類(lèi)的容器和管道要有較高的耐酸性。⑵抗氧化性

抗氧化性是指材料在高溫下抵抗氧化的能力。在高溫下工作的鍋爐、加熱爐、內(nèi)燃機(jī)零件等要求具有良好的抗氧化性。1.2材料的物理、化學(xué)及工藝性能工藝性能工藝性能是指金屬材料對(duì)零件制造工藝的適應(yīng)性，包含著鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能等。工藝性能直接影響零件的制造工藝和質(zhì)量，是選擇金屬材料時(shí)必須考慮的因素之一。1.3金屬的晶體結(jié)構(gòu)和相圖金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.純金屬的晶體結(jié)構(gòu)⑴晶體與非晶體固態(tài)物質(zhì)按其原子排列的特征分為晶體和非晶體兩大類(lèi)。a)b)圖1-11晶體和非晶體的原子排列示意圖a)-晶態(tài)金屬中的原子排列b)-非晶態(tài)金屬中的原子排列1.3金屬的晶體結(jié)構(gòu)和相圖金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.純金屬的晶體結(jié)構(gòu)⑵晶格與晶胞1)晶格把原子看成一個(gè)結(jié)點(diǎn)，然后用假想的線條將這些結(jié)點(diǎn)連結(jié)起來(lái)，便構(gòu)成了一個(gè)有規(guī)律性的空間格架稱(chēng)晶格。2)晶胞晶格中能完全反映晶格特征的最小幾何單元稱(chēng)晶胞。晶胞中各棱邊的長(zhǎng)度a、b、c稱(chēng)為晶格常數(shù)。由于晶體中原子重復(fù)排列的規(guī)律性，因此晶胞可以表示晶格中原子排列的特征。1.3金屬的晶體結(jié)構(gòu)和相圖金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.純金屬的晶體結(jié)構(gòu)⑶常見(jiàn)金屬晶格類(lèi)型：常見(jiàn)的金屬晶格類(lèi)型有體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格1.3金屬的晶體結(jié)構(gòu)和相圖金屬的結(jié)晶⑴冷卻曲線與過(guò)冷度

1)冷卻曲線

冷卻曲線是溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線，可用來(lái)描述金屬的結(jié)晶規(guī)律。可通過(guò)熱分析法測(cè)量繪制，其方法是使熔化后的金屬液緩慢冷卻，每隔一定時(shí)間記錄下溫度值，將溫度T和對(duì)應(yīng)時(shí)間t繪制成T-t曲線，如圖1-17所示。圖1-17純金屬的冷卻曲線1.3金屬的晶體結(jié)構(gòu)和相圖金屬的結(jié)晶2)純金屬的結(jié)晶溫度由圖1-17可知，隨時(shí)間的增加，純金屬液的溫度不斷下降；當(dāng)冷到某一溫度時(shí)，溫度并不隨冷卻時(shí)間的增長(zhǎng)而降低，在冷卻曲線上出現(xiàn)了一個(gè)恒溫的水平線段，這個(gè)水平線段所對(duì)應(yīng)的溫度就是純金屬的結(jié)晶溫度（或熔點(diǎn)）。3)理論結(jié)晶溫度液態(tài)金屬在及其緩慢地冷卻條件下測(cè)得的結(jié)晶溫度稱(chēng)為理論結(jié)晶溫度，用符號(hào)表示。4)實(shí)際結(jié)晶溫度在實(shí)際生產(chǎn)中，金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻速度都是相當(dāng)快的，此時(shí)金屬要在理論結(jié)晶溫度以下某個(gè)溫度才開(kāi)始結(jié)晶，這一溫度稱(chēng)為實(shí)際結(jié)晶溫度，用符號(hào)表示。5)過(guò)冷現(xiàn)象實(shí)際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象稱(chēng)為過(guò)冷現(xiàn)象。6)過(guò)冷度理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差稱(chēng)為過(guò)冷度，用符號(hào)表示，即1.3金屬的晶體結(jié)構(gòu)和相圖金屬的結(jié)晶⑵純金屬的結(jié)晶過(guò)程

1)結(jié)晶過(guò)程

結(jié)晶過(guò)程是金屬內(nèi)的原子從液態(tài)的無(wú)序的混亂排列轉(zhuǎn)變成固態(tài)的有規(guī)律排列。經(jīng)歷了“形核→長(zhǎng)大→形核→長(zhǎng)大”的過(guò)程，如圖1-18所示。b)c)d)圖1-18純金屬的結(jié)晶過(guò)程示意圖a)—液態(tài)金屬b)—形核c)—晶核長(zhǎng)大d)—完全結(jié)晶1.3金屬的晶體結(jié)構(gòu)和相圖金屬的結(jié)晶2)晶核形成晶核形成包含著自發(fā)形核與非自發(fā)形核的過(guò)程。①晶核與自發(fā)形核

金屬在過(guò)冷的條件下，液態(tài)金屬中某些局部微小的區(qū)域內(nèi)的原子自發(fā)地聚集在一起，這種原子規(guī)則排列的細(xì)小聚合體稱(chēng)為晶核，這種形核方式稱(chēng)為自發(fā)形核。②非自發(fā)形核

當(dāng)金屬液中有細(xì)微的固態(tài)顆粒（自帶或人工加入）時(shí)，也可以成為結(jié)晶的核心，這種形核方式稱(chēng)為非自發(fā)形核。3)晶核長(zhǎng)大

金屬液中的原子不斷向晶核表面遷移，使晶核不斷長(zhǎng)大，與此同時(shí)，不斷有新的晶核產(chǎn)生并長(zhǎng)大，直至金屬液全部消失。

1.3金屬的晶體結(jié)構(gòu)和相圖金屬的同素異構(gòu)1.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變當(dāng)溫度、壓力等外界條件改變時(shí)，少數(shù)固態(tài)金屬（如鐵、鉻、錫、鈷、鈦等）的晶體結(jié)構(gòu)由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱(chēng)為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同樣也遵循形核、長(zhǎng)大的規(guī)律，但它是一個(gè)固態(tài)下的相變過(guò)程，即固態(tài)相變。2.純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過(guò)程純鐵在固態(tài)下會(huì)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。其轉(zhuǎn)變過(guò)程如下：1.3金屬的晶體結(jié)構(gòu)和相圖合金的晶體結(jié)構(gòu)純金屬一般具有較好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，但其提煉困難，力學(xué)性能較低，因此在使用上受到了限制。工業(yè)上大量使用的金屬材料都是合金。合金具有較高的力學(xué)性能和某些特殊的物理、化學(xué)性能。碳鋼、合金鋼、鑄鐵、黃銅、硬質(zhì)合金等材料都是合金。1.基本概念⑴合金由兩種或兩種以上的金屬元素（或金屬元素和非金屬元素）組成的具有金屬特性的物質(zhì)。

⑵組元

通常組元就是組成合金的元素。⑶合金系合金系是指兩種或兩種以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。⑷相圖合金的結(jié)晶過(guò)程比純金屬?gòu)?fù)雜，為研究方便，通常以溫度和成分作為獨(dú)立變量的相圖來(lái)分析合金的結(jié)晶過(guò)程。⑸相凡是成分相同、結(jié)構(gòu)相同并與其他部分以界面分開(kāi)的均勻組成部分，稱(chēng)為相。1.3金屬的晶體結(jié)構(gòu)和相圖合金的晶體結(jié)構(gòu)2.合金的晶體結(jié)構(gòu)固態(tài)合金中的相結(jié)構(gòu)可以分為固溶體和金屬化合物兩大類(lèi)。a)b)圖1-22固溶體的分類(lèi)示意圖a)-間隙固溶體b)-置換固溶體溶劑原子溶質(zhì)原子【知識(shí)梳理與總結(jié)】1.材料的主要性能是指:（1）使用性能：力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能（2）工藝性能：加工成形的性能2.金屬材料的力學(xué)性能【知識(shí)梳理與總結(jié)】3.金屬的晶體結(jié)構(gòu)

⑴金屬的理想晶體結(jié)構(gòu)晶體：原子作有序排列；有固定的熔點(diǎn)；各向異性。非晶體：原子作無(wú)序排列；沒(méi)有固定的熔點(diǎn)；各向同性。所有的金屬和合金都是晶體晶格—原子排列形成的空間格子晶胞—組成晶格最基本的單元金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)：體心立方晶格、體心立方晶格、密排六方晶格

【知識(shí)梳理與總結(jié)】3.金屬的晶體結(jié)構(gòu)

⑵金屬的結(jié)晶過(guò)程金屬結(jié)晶的過(guò)冷現(xiàn)象：過(guò)冷度=理論結(jié)晶溫度-實(shí)際結(jié)晶溫度金屬的結(jié)晶過(guò)程：形核、長(zhǎng)大……細(xì)化晶粒的方法:變質(zhì)處理、增大過(guò)冷度、附加振動(dòng)、熱處理、壓力加工再結(jié)晶。細(xì)化晶粒是改善材料力學(xué)性能的重要措施。金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變：同素異晶轉(zhuǎn)變—在固態(tài)下，隨著溫度的變化，金屬的晶體結(jié)構(gòu)從一種晶格類(lèi)型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格類(lèi)型的過(guò)程。合金—以一種金屬為基礎(chǔ)，加入其他金屬或非金屬，所形成的具有金屬特性的物質(zhì)。合金的結(jié)構(gòu)：合金的結(jié)構(gòu)、金屬化合物、機(jī)械混合物

Chapter鐵碳合金2第2章鐵碳合金案例導(dǎo)入圖2-1工業(yè)純鐵圖2-220鋼圖2-3T12鋼初步分析

不同的材料，其內(nèi)部的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，其組織形態(tài)也不同。由于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，鐵素體和滲碳體的相對(duì)數(shù)量、析出條件及分布狀況均有所不同，因而呈現(xiàn)各種不同的組織形態(tài)。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差別也會(huì)影響力學(xué)性能，在＜1%時(shí)，隨碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋼的強(qiáng)度、硬度增加，塑性和韌性降低；在＞1%時(shí)，隨碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋼的硬度增加，強(qiáng)度、塑性、韌性都降低。

第2章鐵碳合金材料是零件承載能力的基礎(chǔ)。在材料的選用中，更多的時(shí)候要根據(jù)材料的內(nèi)部組織去判定材料的力學(xué)性能。

鐵碳合金的基本組織

鋼鐵材料是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的金屬材料，其中碳鋼和鑄鐵都是鐵和碳的合金。在鐵碳合金中，鐵與碳可以形成固溶體，也可以形成化合物，還可以形成混合物。在鐵碳合金中有以下幾種基本相及組織。第2章鐵碳合金鐵素體---碳溶解于體心立方晶格α-Fe中形成的間隙固溶體稱(chēng)為鐵素體（用F表示）。放大倍數(shù)500×鐵素體晶界圖2-4鐵素體的模型

圖2-5鐵素體的顯微組織

第2章鐵碳合金鐵碳合金的基本組織

第2章鐵碳合金鐵碳合金的基本組織

第2章鐵碳合金鐵碳合金的基本組織

滲碳體---由鐵與碳形成的具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的金屬化合物稱(chēng)為滲碳體，用符號(hào)Fe3C表示。奧氏體

--奧氏體是碳在-，呈面心立方晶格，用符號(hào)A或表示。圖2-7奧氏體的模型圖2-8奧氏體的顯微組織圖2-9片狀珠光體的顯微組織

第2章鐵碳合金鐵碳合金的基本組織

珠光體

---珠光體是鐵素體和滲碳體的混合物，用符號(hào)P表示。萊氏體

--萊氏體是奧氏體和滲碳體的混合物，用符號(hào)Ld表示，由Wc=4.3%的液態(tài)鐵碳合金在凝固過(guò)程中發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變形成。

圖2-10低溫萊氏體的顯微組織第2章鐵碳合金鐵碳合金相圖

圖2-8Fe－Fe3C合金相圖

第2章鐵碳合金

鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖主要點(diǎn)、線、區(qū)的分析

表2-1Fe-Fe3C相圖中的特性點(diǎn)符號(hào)溫度/℃(%)含義A15380純鐵的熔點(diǎn)C11484.30共晶點(diǎn)D12276.69滲碳體的熔點(diǎn)①E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69共晶滲碳體的成分點(diǎn)G9120α-Fe→γ-Fe同素異晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)(A33)K7276.69共析滲碳體的成分點(diǎn)P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析點(diǎn)Q(室溫)(0.0008)碳在α-Fe中的溶解度

第2章鐵碳合金

鐵碳合金相圖特性線的分析相圖中ACD為液相線，AECF為固相線。圖中有兩條水平線分別表示兩個(gè)等溫線。

⑴兩條相線液相線與固相線

①ACD線液相線，由各成分合金開(kāi)始結(jié)晶溫度點(diǎn)所組成的線，在此線以上處于液相。②AECF線固相線，由各成分合金結(jié)晶結(jié)束溫度點(diǎn)所組成的線。在此線以下，合金完成結(jié)晶，全部變?yōu)楣腆w狀態(tài)。⑵兩條水平線共晶轉(zhuǎn)變線與共析轉(zhuǎn)變線

①共晶轉(zhuǎn)變線ECF水平線（1148）為共晶轉(zhuǎn)變線。

②共析轉(zhuǎn)變線PSK水平線（727）為共析轉(zhuǎn)變線或。

⑶三條重要的特征線

①ES線碳在奧氏體中的固溶線，通常稱(chēng)為Acm線。②GS線冷卻時(shí)由奧氏體析出向鐵素體的開(kāi)始線，通常稱(chēng)為A3線。③PQ線碳在鐵素體中的固溶線。第2章鐵碳合金

鐵碳合金相圖

第2章鐵碳合金鐵碳合金相圖鐵碳合金的成分、組織與性能的關(guān)系

⑴碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與鐵碳合金平衡組織間的關(guān)系

鐵碳合金的室溫組織都是由鐵素體和滲碳體兩相組成。隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鐵素體量逐漸減少，滲碳體量逐漸增多，且它的形狀和分布也有所不同，從而形成不同的組織。⑵碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與力學(xué)性能間的關(guān)系

①?gòu)?qiáng)度當(dāng)Wc＜0.9％時(shí)，隨著Wc增加，不斷提高；當(dāng)Wc＞0.9％時(shí)，由于滲碳體在晶界呈網(wǎng)狀分布，使鋼的強(qiáng)度下降。②硬度隨Wc的增加而提高。③塑性隨Wc的增加而迅速降低。④沖擊韌性隨Wc的增加而迅速降低。

第2章鐵碳合金鐵碳合金相圖第2章鐵碳合金

典型合金結(jié)晶過(guò)程分析1.共析鋼的結(jié)晶過(guò)程（Wc=0.77%）

2.亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程（0.0218%＜Wc＜0.77%）

合金在1點(diǎn)以上為液體，當(dāng)緩冷至稍低于1點(diǎn)溫度時(shí)，開(kāi)始從液體中結(jié)晶出奧氏體，其數(shù)量隨溫度的下降而增多。溫度降到2點(diǎn)時(shí)，液體全部結(jié)晶為奧氏體。2～S點(diǎn)之間，合金是單一奧氏體相。繼續(xù)緩冷至S點(diǎn)時(shí)，奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變成珠光體。727℃以下，P基本上不發(fā)生變化。第2章鐵碳合金典型合金結(jié)晶過(guò)程分析圖2-9典型合金結(jié)晶過(guò)程示意圖

第2章鐵碳合金典型合金結(jié)晶過(guò)程分析第2章鐵碳合金典型合金結(jié)晶過(guò)程分析第2章鐵碳合金典型合金結(jié)晶過(guò)程分析3.過(guò)共析鋼的結(jié)晶過(guò)程（0.77%＜Wc＜2.11%）合金在1點(diǎn)以上為液體，當(dāng)緩冷至稍低于1點(diǎn)后，開(kāi)始從液體中結(jié)晶出奧氏體，直至2點(diǎn)結(jié)晶終了。在2～3點(diǎn)之間是含碳時(shí)為合金Ⅲ奧氏組織。緩冷至3點(diǎn)時(shí)，奧氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到飽和而析出滲碳體（即二次滲碳體）。二次滲碳體沿奧氏體晶界析出而成網(wǎng)狀分布。隨著溫度不斷降低，由奧氏體中析出的二次滲碳體愈來(lái)愈多且碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷減少，并沿著ES線逐漸降低。3～4點(diǎn)之間的組織為奧氏體＋二次滲碳體。降至4點(diǎn)（727℃）時(shí)，奧氏體的成分達(dá)到了共析成分（Wc＝0.77％），于是這部分奧氏體發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。第2章鐵碳合金

碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鐵碳合金組織與性能的影響隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，合金的室溫組織中不僅滲碳體的數(shù)量增加，其形態(tài)、分布也有變化。因此，合金的力學(xué)性能也相應(yīng)發(fā)生變化。圖2-10鐵碳合金的成分、組織、性能變化規(guī)律第2章鐵碳合金

鐵碳合金圖在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用1.在選材方面的應(yīng)用

2.在鑄造生產(chǎn)上的應(yīng)用

3.在鍛壓生產(chǎn)上的應(yīng)用

4.在熱處理生產(chǎn)上的應(yīng)用

【知識(shí)梳理與總結(jié)】1.鐵碳合金的基本組織

通過(guò)對(duì)五個(gè)基本組織“鐵素體、滲碳體、奧氏體、珠光體、萊氏體”的介紹，引入鐵碳合金的相，了解基本組織的分類(lèi)和形成過(guò)程。其中注意對(duì)比各個(gè)基本組織的力學(xué)性能、組織的成分、以及在實(shí)際工業(yè)材料中的應(yīng)用范圍。2.鐵碳合金相圖

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)，也是制定各種熱加工工藝的依據(jù)?！狢相圖是由一些基本相圖組成的,我們可以將—C相圖分成上下兩個(gè)部分來(lái)分析?！局R(shí)梳理與總結(jié)】【知識(shí)梳理與總結(jié)】

⑴上半部分--共晶轉(zhuǎn)變

在1148、Wc=4.3%的液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變:Lc(AE+C),轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱(chēng)為萊氏體,用符號(hào)Ld表示。存在于1148～727之間的萊氏體稱(chēng)為高溫萊氏體,用符號(hào)Ld表示,組織由奧氏體和滲碳體組成；存在于727以下的萊氏體稱(chēng)為變態(tài)萊氏體或稱(chēng)低溫萊氏體,用符號(hào)表示，組織由滲碳體和珠光體組成。

⑵下半部分--共析轉(zhuǎn)變

在727、Wc=0.77%的奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變:AS(F+C),轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱(chēng)為珠光體。共析轉(zhuǎn)變與共晶轉(zhuǎn)變的區(qū)別是轉(zhuǎn)變物是固體而不是液體。通過(guò)一系列鐵碳合金相圖中，特征線、特征點(diǎn)、相區(qū)的介紹，認(rèn)識(shí)材料在不同溫度下、不同的成分下、不同的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，組織的不同、力學(xué)性能的區(qū)別。

【知識(shí)梳理與總結(jié)】【知識(shí)梳理與總結(jié)】典型合金結(jié)晶過(guò)程典型合金結(jié)晶過(guò)程獲得了鐵碳合金按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和室溫組織的分類(lèi)。了解在不同的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下組織的成分在不同溫度下的結(jié)晶過(guò)程。共析鋼（Wc＝0.77％），室溫下共析鋼的組織為珠光體；

亞共析鋼（0.0218%Wc0.77%），室溫組織為鐵素體＋珠光體；

過(guò)共析鋼（Wc0.77％），室溫組織為珠光體＋二次滲碳體。Chapter鋼的熱處理3第3章

鋼的熱處理案例導(dǎo)入第3章

鋼的熱處理案例導(dǎo)入第3章

鋼的熱處理案例導(dǎo)入某型號(hào)的車(chē)床交換齒輪如圖所示。它安裝在該車(chē)床齒輪箱中，其作用是把主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳送給進(jìn)給箱，并和進(jìn)給箱及長(zhǎng)絲杠配合，可以車(chē)削各種不同螺距的螺紋。圖3-1車(chē)床變速掛輪

第3章

鋼的熱處理初步分析齒輪的主要作用是傳遞動(dòng)力，改變運(yùn)動(dòng)的速度和方向。齒輪的材料對(duì)齒輪的承載能力和制造成本有很大的影響。齒輪零件選用45鋼并采用調(diào)質(zhì)熱處理235HBW，使45調(diào)質(zhì)鋼具有了所需的淬透性和良好的綜合力學(xué)性能（足夠的強(qiáng)度和高韌性的配合），保證了齒輪經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)后從齒頂?shù)烬X根有良好的力學(xué)性能，這樣才能滿(mǎn)足齒輪的承載能力和使用壽命要求。材料是零件承載能力的基礎(chǔ)。在零件設(shè)計(jì)中，既要考慮零件材料的選擇，符合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的選材需求；同時(shí)也要確定合適的熱處理，以改善金屬材料組織、提高材料綜合性能的目的。鋼的熱處理含義：鋼的熱處理是指金屬材料在固態(tài)下，通過(guò)加熱、保溫和冷卻的工藝方法使鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而獲得所需性能的一種加工工藝。第3章

鋼的熱處理鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼的熱處理三個(gè)階段：熱處理的加熱、保溫和冷卻這三個(gè)階段可以用熱處理工藝曲線來(lái)表示。圖3-2熱處理工藝曲線第3章

鋼的熱處理鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變熱處理的分類(lèi)按照加熱與冷卻方法的不同，熱處理的基本類(lèi)型分類(lèi)如下：熱處理普通熱處理退火、正火、淬火、回火表面熱處理表面淬火火焰加熱、感應(yīng)加熱化學(xué)熱處理滲碳、氮化、碳氮共滲及其他

加熱溫度的確定：Fe-Fe3C相圖是確定鋼加熱溫度的理論基礎(chǔ)用圖。由該圖可知，將鋼緩慢加熱，共析鋼加熱到超過(guò)A1溫度時(shí)，珠光體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。亞共析鋼加熱溫度超過(guò)A1后，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；繼續(xù)加熱到溫度超過(guò)A3后，鐵素體也全部溶入奧氏體。過(guò)共析鋼加熱溫度超過(guò)A1后，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；繼續(xù)加熱到溫度超過(guò)Acm后，滲碳體也全部溶入奧氏體。第3章

鋼的熱處理鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變第3章

鋼的熱處理鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變圖3-3加熱、冷卻時(shí)鋼的臨界點(diǎn)P第3章

鋼的熱處理鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變奧氏體的形成

⑴奧氏體晶核的形成及長(zhǎng)大

⑵殘留滲碳體的溶解

⑶奧氏體成分的均勻化

圖3-4共析鋼中奧氏體形成過(guò)程示意圖a)形核b)晶核長(zhǎng)大c)殘留滲碳體溶解d)奧氏體均勻化

第3章

鋼的熱處理鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變奧氏體晶粒大小及其影響因素

奧氏體晶粒大小，決定了其冷卻后轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的晶粒大小和性能。因此，總是希望經(jīng)加熱過(guò)程能獲得細(xì)小而均勻的奧氏體晶粒。一般來(lái)說(shuō)，加熱溫度過(guò)高，保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，奧氏體晶粒就粗大。其中加熱溫度的影響更為顯著。所以，熱處理總是根據(jù)材料的不同化學(xué)成分嚴(yán)格控制加熱溫度和保溫時(shí)間。表3-145鋼經(jīng)不同條件冷卻后的力學(xué)性能

冷卻過(guò)程是熱處理的關(guān)鍵工序，它決定著鋼在熱處理后的組織與性能。同時(shí)，冷卻方式及冷卻速度的不同也正是各種熱處理工藝的主要區(qū)別所在。

第3章

鋼的熱處理鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變冷卻方式--熱處理常采用等溫冷卻（如等溫淬火）和連續(xù)冷卻（如爐冷、空冷、水冷等）兩種冷卻方式。圖3-5奧氏體等溫冷卻和連續(xù)冷卻示意圖1-等溫冷卻

2-連續(xù)冷卻過(guò)冷奧氏體由Fe-Fe3C相圖可知，鋼的溫度高于臨界點(diǎn)以上時(shí)，其奧氏體是穩(wěn)定的；當(dāng)溫度處于臨界點(diǎn)以下時(shí)，奧氏體將發(fā)生轉(zhuǎn)變和分解共析鋼過(guò)冷到溫度以下，奧氏體在熱力學(xué)上處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在一定條件下會(huì)發(fā)生分解轉(zhuǎn)變，這種在以下存在且不穩(wěn)定的、將要發(fā)生轉(zhuǎn)變的奧氏體就是過(guò)冷奧氏體。著時(shí)間的推移，過(guò)冷奧氏體將發(fā)生分解和轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能決定于冷卻條件。第3章

鋼的熱處理鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變過(guò)冷奧氏體的等溫冷卻轉(zhuǎn)變

第3章

鋼的熱處理鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變等溫轉(zhuǎn)變圖

表示過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時(shí)間與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物之間關(guān)系的曲線圖稱(chēng)為過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變圖，簡(jiǎn)稱(chēng)等溫轉(zhuǎn)變圖。圖3-6共析鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖的建立第3章

鋼的熱處理鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖的分析⑴左曲線為過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變開(kāi)始線，右曲線為過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變終了線。在轉(zhuǎn)變開(kāi)始線的左邊是過(guò)冷奧氏體區(qū)；轉(zhuǎn)變終了線的右邊為轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)；兩條曲線之間為轉(zhuǎn)變過(guò)渡區(qū)，即過(guò)冷奧氏體和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物共存區(qū)。在不同溫度下，過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性是不同的。⑵轉(zhuǎn)變開(kāi)始線與縱坐標(biāo)之間的水平距離，稱(chēng)為過(guò)冷奧氏體在對(duì)應(yīng)溫度下的孕育期。在奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖的“鼻尖”（約550）處孕育期最短，過(guò)冷奧氏體最不穩(wěn)定。⑶若將奧氏體化的鋼迅速投入水中冷卻，奧氏體將不發(fā)生上述等溫轉(zhuǎn)變，而是在230開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，到-50奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變完成，Ms、Mz線分別為奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始線和終了線。第3章

鋼的熱處理鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物

⑴高溫轉(zhuǎn)變（珠光體型轉(zhuǎn)變）

⑵中溫轉(zhuǎn)變（貝氏體型轉(zhuǎn)變）⑶低溫轉(zhuǎn)變（馬氏體型轉(zhuǎn)變）第3章

鋼的熱處理鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變

在熱處理生產(chǎn)中，鋼被加熱后的冷卻方式大多采用連續(xù)冷卻方式。此時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變是在連續(xù)不斷的降溫過(guò)程中完成的，要測(cè)定其連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線比較困難。在生產(chǎn)中常用相應(yīng)的C曲線來(lái)定性分析過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變所得到的產(chǎn)物和性能第3章

鋼的熱處理鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變圖3-10在共析鋼等溫轉(zhuǎn)變圖上估計(jì)連續(xù)冷卻后過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變退火和正火經(jīng)常作為鋼的預(yù)先熱處理工序，安排在鑄造、鍛造和焊接之后或粗加工之前，以消除前一工序所造成的某些組織缺陷及內(nèi)應(yīng)力，為隨后的切削加工及熱處理作好組織上的準(zhǔn)備。

第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝鋼的退火和正火

鋼的退火

1.退火退火是將鋼加熱到略高于或略低于臨界點(diǎn)（Ac1、Ac3）某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻(一般隨爐冷卻)工藝過(guò)程，稱(chēng)為退火。2.退火的目的細(xì)化晶粒，改善鋼的力學(xué)性能，為最終熱處理做好準(zhǔn)備；降低硬度，提高塑性，改善切削加工性能；去除或改善前一道工序造成的組織缺陷或內(nèi)應(yīng)力，防止工件的變形或開(kāi)裂。3.常用的退火方法根據(jù)鋼的化學(xué)成分和退火的目的不同，退火方法可分為：完全退火、球化退火、去應(yīng)力退火和等溫退火等。⑴完全退火

完全退火又稱(chēng)為重結(jié)晶退火，是將亞共析鋼工件加熱到Ac3以上30℃～50℃，保溫一定時(shí)間后隨爐緩慢冷卻至600℃以下出爐空冷至室溫的熱處理工藝。⑵球化退火

將工件加熱到Ac1以上30℃～50℃，保溫一定時(shí)間后以不大于50℃/h的速度隨爐冷卻，最終獲得的組織為球狀珠光體（球狀滲碳體分布在鐵素體基體上）。在球化退火之前，若鋼的原始組織為球狀珠光體，應(yīng)先進(jìn)行正火處理，去網(wǎng)狀組織。

⑶去應(yīng)力退火

又稱(chēng)低溫退火，是將鋼件隨爐緩慢加熱（100℃～150℃/h）至500℃～650℃，保溫一段時(shí)間后，隨爐緩慢冷卻（100℃～150℃/h）至300℃～200℃以下出爐空冷。由于加熱溫度低于Ac1，所以在去應(yīng)力退火過(guò)程鋼不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，僅消除殘余應(yīng)力。第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝⑷等溫退火

對(duì)于亞共析鋼，等溫退火與完全退火加熱溫度完全相同為Ac3以上30℃～50℃，只是冷卻的方式有差別。等溫退火是以較快的速度冷卻到A1以下某一溫度，保溫一定時(shí)間使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織，然后空冷。

退火零件的加工工藝路線⑴毛坯生產(chǎn)→退火→切削加工⑵毛坯生產(chǎn)→退火→切削加工→中間退火→切削加工第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝鋼的正火正火

所謂正火，就是將鋼加熱到Ac3(亞共析鋼)或Accm(共析鋼和過(guò)共析鋼)以上30℃～50℃，保溫后從爐中取出空冷的一種熱處理工藝。

正火的目的

正火的主要目的是細(xì)化晶粒，均勻組織，改善鋼的力學(xué)性能；消除鑄件、鍛件和焊接件的內(nèi)應(yīng)力；調(diào)整硬度，以改善切削加工性。退火零件的加工工藝路線

⑴毛坯生產(chǎn)→正火→切削加工⑵毛坯生產(chǎn)→正火→切削加工→退火→切削加工

第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝鋼的退火與正火工藝的選擇

1.從切削加工性上考慮2.從使用性能上考慮3.從經(jīng)濟(jì)上考慮

正火比退火生產(chǎn)周期短，成本低，操作方便，故在可能的條件下應(yīng)優(yōu)先采用正火。但在零件形狀較復(fù)雜時(shí)，由于正火的冷卻速度快，有引起變形開(kāi)裂的危險(xiǎn)，則采用退火為宜。

第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝圖3-11退火和正火加熱溫度范圍鋼的淬火

機(jī)械零件使用狀態(tài)下的性能，一般由淬火和回火獲得，所以淬火和回火稱(chēng)為最終熱處理。淬火的目的

主要目的是為了獲得馬氏體，提高鋼的硬度和耐磨性，是強(qiáng)化鋼材最重要的工藝方法。

淬火質(zhì)量取決于淬火三要素，即加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度。

第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝淬火加熱的溫度

對(duì)亞共析鋼，適宜的淬火加熱溫度一般為Ac3以上30～50。目的是獲得細(xì)小奧氏體晶粒，淬火后得到均勻細(xì)小的馬氏體組織。如果加熱溫度過(guò)高，則會(huì)引起奧氏體晶粒粗大，淬火后的組織為粗大馬氏體，使淬火后鋼的脆性增大，力學(xué)性能降低；如果加熱溫度過(guò)低，淬火組織中將出現(xiàn)鐵素體，使淬火后硬度不足，強(qiáng)度不高，耐磨性降低。

第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝圖3-12鋼淬火加熱溫度的選擇淬火冷卻介質(zhì)及冷卻方式

淬火冷卻介質(zhì)

①水是冷卻能力較強(qiáng)的淬火冷卻介質(zhì)②油冷卻介質(zhì)③鹽浴與堿浴介質(zhì)

第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝圖3-13常用淬火方法1一單液淬火

2一雙液淬火3一分級(jí)淬火

4一等溫淬火淬火方法

①單介質(zhì)淬火將鋼件奧氏體化后，在一種淬火介質(zhì)中連續(xù)冷卻至室溫的操作方法稱(chēng)為單液淬火，如水淬、油淬等。

②雙液淬火將鋼件奧氏體化后，先浸入冷卻能力較強(qiáng)的介質(zhì)中，冷卻至接近Ms點(diǎn)溫度時(shí)，立即將工件取出轉(zhuǎn)入另一種冷卻能力較弱的介質(zhì)中冷卻，使其發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的淬火方法稱(chēng)為雙液淬火，例如先水淬后油淬。

③分級(jí)淬火在淬火冷卻過(guò)程中，將已奧氏體化的鋼件浸入溫度在Ms點(diǎn)附近的鹽浴或堿浴中，保溫適當(dāng)時(shí)間，待工件內(nèi)外層均達(dá)到介質(zhì)溫度后取出空冷，以獲得馬氏體組織的淬火方法稱(chēng)為分級(jí)淬火。

第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝④等溫淬火

對(duì)于一些形狀復(fù)雜、要求具有較高硬度和強(qiáng)韌性的工具、模具等工件，采用將工件奧氏體化后，快速冷卻到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間，轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w組織的淬火方法。⑤局部淬火

有些工件按其工作條件，如果只是局部要求高硬度，則可進(jìn)行局部加熱淬火的方法，以避免工件其他部位產(chǎn)生變形和開(kāi)裂。⑥冷處理

量具、精密軸承等要求在整個(gè)存放和使用過(guò)程中尺寸不發(fā)生變化，就應(yīng)是淬火過(guò)程中的殘余奧氏體盡量少，以獲得最大數(shù)量的馬氏體，可以進(jìn)行冷處理。

第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝鋼的淬透性

⑴淬透性

淬透性是指在規(guī)定條件下，鋼在淬火冷卻時(shí)獲得淬硬層深度的能力。一般規(guī)定，由鋼的表面至內(nèi)部馬氏體組織量占50%處的距離稱(chēng)為淬透層深度。淬透層深度越深，表明鋼的淬透性越好。

⑵淬硬性

淬硬性是指鋼淬火后獲得最高硬度的能力，它主要取決于馬氏體的含碳量，合金元素的含量對(duì)淬硬性沒(méi)有顯著的影響，但對(duì)于鋼的淬透性有很大影響。淬透性好的鋼，它的淬硬性不一定高。

第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝影響淬透性的因素

①化學(xué)成分的影響：除Co外，大多數(shù)合金元素溶入奧氏體后，降低臨界冷卻速度，使C曲線右移，提高鋼的淬透性。②奧氏體化條件的影響：奧氏體化溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，奧氏體晶粒越粗大，成分越均勻，從而減少隨后冷卻轉(zhuǎn)變的形核率，降低其臨界冷卻速度，增加淬透性。③冷卻介質(zhì)的影響：采用的冷卻介質(zhì)等也影響著鋼的淬透性。第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝鋼的回火1.低溫回火（250℃以下）

低溫回火得到回火馬氏體組織，保持了淬火鋼高的硬度（58～64HRC）和耐磨性，內(nèi)應(yīng)力有所降低，故韌性有所提高。低溫回火主要用于高碳鋼及合金工具鋼制造的刃具、量具、冷作模具、滾動(dòng)軸承及滲碳件、表面淬火件等。2.中溫回火（250～500℃）

中溫回火得到回火托氏體組織，工件獲得高的彈性極限、屈服強(qiáng)度和一定的韌性，硬度可達(dá)35～50HRC，主要用于彈性件及熱鍛模等。3.高溫回火（650℃以上）

高溫回火得到回火索氏體組織，具有良好的綜合力學(xué)性能（足夠的強(qiáng)度與高韌性的配合），硬度可達(dá)25～40HBWC。

第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝鋼的表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火

利用電磁感應(yīng)原理，在工件表面產(chǎn)生渦流使工件表面快速加熱而實(shí)現(xiàn)表面淬火的工藝方法。

感應(yīng)加熱表面淬火法的主要優(yōu)點(diǎn)

①工件表面加熱速度極快，熱效率高；氧化、脫碳小，變形小，質(zhì)量穩(wěn)定。②表面硬度高，缺口敏感性小，沖擊韌度、疲勞強(qiáng)度及耐磨性等均有很大提高。③淬硬層深度易于控制，操作過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，生產(chǎn)率高，適用大批量生產(chǎn)。第3章

鋼的熱處理鋼的表面熱處理工藝火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火是利用乙炔-氧或其他可燃?xì)怏w火焰(約3000以上)，將工件表面迅速加熱到淬火溫度，然后立即噴水冷卻的熱處理工藝

第3章

鋼的熱處理鋼的表面熱處理工藝圖3-16火焰表面淬火示意圖加熱層鋼的化學(xué)熱處理

鋼的滲碳⑴滲碳將工件放在滲碳性介質(zhì)中，使其表面層滲入碳原子的一種化學(xué)熱處理工藝稱(chēng)為滲碳。⑵滲碳的主要鋼種與應(yīng)用

滲碳鋼都是含0.10～0.25%的低碳鋼和低碳合金鋼,如15、20、20Cr、20CrMnTi、20SiMnVB等。滲碳層深度一般都在0.5～2.5mm。⑶加熱溫度滲碳熱處理時(shí)的加熱溫度約為900～950，保溫時(shí)間與滲碳層厚度成正比⑷滲碳的分類(lèi)

根據(jù)滲劑的不同，滲碳方法可分為固體滲碳、氣體滲碳和液體滲碳三種。

第3章

鋼的熱處理鋼的表面熱處理工藝⑸氣體滲碳法的工作原理

⑹滲碳后的熱處理

鋼滲碳后必須進(jìn)行熱處理。滲碳后的熱處理工藝為淬火＋低溫回火；使其表面獲得細(xì)小片狀回火馬氏體及少量滲碳體，硬度58～62HRC。

第3章

鋼的熱處理鋼的表面熱處理工藝圖3-17氣體滲碳法示意圖滲碳劑鋼的氮化

⑴氮化

向鋼件表面滲入氮，形成含氮硬化層的化學(xué)熱處理過(guò)程稱(chēng)為氮化。⑵氮化目的

在于提高工件的表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、腐蝕性及熱硬性。⑶氮化的應(yīng)用

與滲碳相比，滲氮溫度大大低于滲碳溫度，且滲碳后的鋼件不需淬火，故工件變形??；滲氮層的硬度，耐磨性、疲勞度、耐蝕性及熱硬性均高于滲碳層。

第3章

鋼的熱處理鋼的表面熱處理工藝⑷滲氮處理的分類(lèi)

有氣體滲氮、離子滲氮等工藝方法，其中氣體滲氮應(yīng)用最廣。⑸氮化零件的加工工藝路線毛坯鍛造→退火或正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→滲氮⑹氮化的特點(diǎn)

與滲碳相比、氮化工件具有以下特點(diǎn)：①氮化前需經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，以便使心部組織具有較高的強(qiáng)度和韌性。②表面硬度可達(dá)HRC65～72，具有較高的耐磨性。③氮化表面形成致密氮化物組成的連續(xù)薄膜，具有一定的耐腐蝕性。④氮化處理溫度低，滲氮后不需再進(jìn)行其他熱處理。

第3章

鋼的熱處理鋼的表面熱處理工藝碳氮共滲

⑴碳氮共滲

碳氮共滲是向鋼的表面同時(shí)滲入碳和氮的過(guò)程。習(xí)慣上又稱(chēng)氰化，目前以中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體碳氮共滲（即氣體軟氧化）應(yīng)用較為廣泛。⑵碳氮共滲的目的

中溫氣體碳氮共滲的主要目的是提高鋼的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度。低溫氣體碳氮共滲以滲氮為主，其主要目的是提高鋼的耐磨性和抗咬合性。⑶碳氮共滲的特點(diǎn)

碳氮共滲工藝與滲碳工藝相比，具有時(shí)間短、生產(chǎn)效率高、表面硬度高、變形小等優(yōu)點(diǎn)，但共滲層較薄，主要用于形狀復(fù)雜、要求變形小的小型耐磨零件。

第3章

鋼的熱處理鋼的表面熱處理工藝①中溫氣體碳氮共滲它是在一定溫度下同時(shí)將碳、氮原子滲入工件表層，并以滲碳為主的化學(xué)熱處理工藝，故稱(chēng)碳氮共滲。由于共滲溫度較高，它是以滲碳為主的碳氮共滲過(guò)程，因此，處理后要進(jìn)行淬火和低溫回火。②低溫氣體氮碳共滲

其實(shí)質(zhì)上是以滲氮為主的共滲工藝，故又稱(chēng)氣體氮碳共滲，生產(chǎn)上把這種工藝稱(chēng)為氣體軟氮化。

第3章

鋼的熱處理鋼的表面熱處理工藝1.可控氣氛熱處理可控氣氛熱處理是指在成分可控的爐氣中進(jìn)行的熱處理。其目的是防止工件加熱時(shí)產(chǎn)生氧化、脫碳等現(xiàn)象，提高工件表面質(zhì)量；有效地進(jìn)行滲碳、碳氮共滲等化學(xué)熱處理；對(duì)脫碳的工件施行復(fù)碳等。通過(guò)建立氣體滲碳數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)碳勢(shì)優(yōu)化控制以及碳勢(shì)動(dòng)態(tài)控制，在氣體滲碳中實(shí)現(xiàn)滲層濃度分布的優(yōu)化控制、層深的精確控制和生產(chǎn)率的提高，取得重大效益。

2.真空熱處理在真空環(huán)境（低于一個(gè)大氣壓）中進(jìn)行的熱處理稱(chēng)為真空熱處理。主要有：真空淬火、真空退火、真空回火等。

第3章

鋼的熱處理熱處理新技術(shù)簡(jiǎn)介3.形變熱處理形變熱處理是將塑性變形和熱處理有機(jī)結(jié)合起來(lái)，獲得形變強(qiáng)化和相變強(qiáng)化綜合效果的工藝方法。4.激光熱處理激光熱處理是利用高能量密度的激光束掃描照射工件表面，以極快的加熱速度迅速加熱至相變溫度以上，停止照射后，依靠工件自身傳導(dǎo)散熱迅速冷卻表層而進(jìn)行“自行淬火”。激光熱處理加熱速度快，加熱區(qū)域準(zhǔn)確集中，不需淬火冷卻介質(zhì)而能自行淬火，表面光潔，變形極小，表面組織晶粒細(xì)小，硬度和耐磨性好，還能對(duì)復(fù)雜形狀工件及微孔、溝槽、盲孔等部位進(jìn)行淬火熱處理。第3章

鋼的熱處理熱處理新技術(shù)簡(jiǎn)介第3章

鋼的熱處理鋼鐵表面防護(hù)處理鋼鐵電鍍與化學(xué)鍍1.鋼鐵電鍍電鍍利用電解池原理在機(jī)械制品上沉積出附著良好的、但性能和基體材料不同的金屬覆層的技術(shù)。電鍍的目的是在基材上鍍上金屬鍍層，改變基材表面性質(zhì)或尺寸。電鍍能增強(qiáng)金屬的抗腐蝕性(鍍層金屬多采用耐腐蝕的金屬)、增加硬度、防止磨耗、提高導(dǎo)電性、光滑性、耐熱性和表面美觀。2.鋼鐵化學(xué)鍍化學(xué)鍍又稱(chēng)無(wú)電解液鍍。它不使用外電源而是利用金屬鹽和還原劑，在材料表面發(fā)生自催化反應(yīng)來(lái)獲得鍍層?；瘜W(xué)鍍發(fā)展非常迅速，在電子工業(yè)、陶瓷、塑料、金屬基復(fù)合材料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。如化學(xué)鍍鎳磷合金時(shí)，在化學(xué)鍍液中加SiC、金剛石、Al203等，可獲得硬度更高的復(fù)合鍍層；在鍍液中加石墨、PTFE（塑料）等可獲得具有減摩潤(rùn)滑性能的復(fù)合鍍層。這種方法廣泛應(yīng)用于磁帶、磁鼓、半導(dǎo)體接觸件等的制造以及鋁、鈹、鎂等金屬件電鍍前的底層及銅、鋅基體上鍍金屬的隔離層。化學(xué)鍍Ni-P和Ni-B在模具制造上的應(yīng)用也很成功。此外，還有化學(xué)鍍銅用于制造雙面或多層印刷線路板；化學(xué)鍍鈷常用于改進(jìn)導(dǎo)磁性；化學(xué)鍍金、鈀、錫、鉛等用于電器、線路板、首飾裝飾及改善零部件表面的焊接性。第3章

鋼的熱處理鋼鐵表面防護(hù)處理鋼鐵氧化（發(fā)藍(lán)）與磷化

1.氧化處理(發(fā)藍(lán))鋼鐵零件表面氧化處理，也稱(chēng)發(fā)藍(lán)。經(jīng)氧化處理形成的氧化膜結(jié)構(gòu)致密、色澤美觀、結(jié)合牢固，廣泛應(yīng)用于光學(xué)儀器、軍用物品、標(biāo)準(zhǔn)件以及一些不適于刷油漆、電鍍的精密器件上，是金屬材料防腐的有效方法之一。通常鋼鐵制件的氧化處理有化學(xué)方法和電化學(xué)方法?；瘜W(xué)方法中又分堿性發(fā)藍(lán)、酸性發(fā)藍(lán)和蒸汽發(fā)藍(lán)等。還有按溫度高低將氧化工藝分為高溫發(fā)藍(lán)、常溫發(fā)藍(lán)等。⑴高溫堿性發(fā)藍(lán)高溫堿性發(fā)藍(lán)處理是將經(jīng)過(guò)脫脂、除銹、除氧化皮的鋼鐵件浸入135～150℃的堿性發(fā)藍(lán)液（氫氧化鈉、亞硝酸鈉或硝酸鈉和氧化劑）中，保持20～120min，在鋼鐵表面生成一層1.5～3um的藍(lán)黑色Fe304薄膜的過(guò)程。當(dāng)工件在濃堿和氧化劑中加熱時(shí)，氫氧化鈉和亞硝酸鈉與金屬鐵反應(yīng)，生成亞鐵酸鈉(Na2Fe02)，并被繼續(xù)氧化成鐵酸鈉(Na2Fe204)，兩者進(jìn)一步反應(yīng)便生成Fe304氧化膜。為提高氧化膜的抗蝕能力，還需將發(fā)藍(lán)處理的零件浸入溫度為80～90、濃度為3%～5%肥皂水或者溫度為90～95的重鉻酸鉀溶液中進(jìn)行填充處理，使氧化膜微孔皂化或填充，然后用機(jī)油浸泡。高溫氧化發(fā)藍(lán)溫度高、能耗大，亞硝酸鹽蒸汽嚴(yán)重污染工作環(huán)境，而且周期長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，多年來(lái)國(guó)內(nèi)外均在尋找一種能取而代之的新發(fā)藍(lán)技術(shù)和工藝。第3章

鋼的熱處理鋼鐵表面防護(hù)處理鋼鐵氧化（發(fā)藍(lán)）與磷化⑵常溫酸性發(fā)藍(lán)常溫酸性發(fā)藍(lán)是將經(jīng)過(guò)脫脂、除銹的鋼鐵件浸入常溫酸性發(fā)藍(lán)液中，依靠強(qiáng)酸的促進(jìn)和參與作用，使強(qiáng)氧化劑與鋼鐵等物質(zhì)直接發(fā)生氧化反應(yīng)，并在有機(jī)活性劑和添加劑的共同作用下，使鋼鐵表面生成交錯(cuò)分布的多種藍(lán)黑色化合物晶核。然后，再在適當(dāng)條件下逐漸成長(zhǎng)為膜，從而形成結(jié)合牢固、色澤美觀的藍(lán)黑色膜層。2.磷化處理將工件浸入磷酸鹽溶液中，使工件表面獲得一層不溶于水的磷酸鹽薄膜的工藝稱(chēng)為磷化處理。常用的磷化處理劑為磷