《工程材料與金屬熱加工》 課件 項(xiàng)目1-4 金屬材料的性能 -鋼的熱處理

主講：工程材料及熱處理1．掌握金屬材料的力學(xué)性能主要都有哪些性能指標(biāo)及其含義與測試方法；2．熟悉金屬材料的工藝性能；3．了解金屬材料的物理性能、化學(xué)性能。項(xiàng)目1金屬材料的性能2學(xué)習(xí)目標(biāo)與技能要求材料的性能通常包括使用性能和工藝性能。使用性能是指材料在特定的條件下，能保證安全可靠工作所必需的性能，如力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等；工藝性能是指材料在加工過程中所反映出來的性能，如鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能等。項(xiàng)目1金屬材料的性能3材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能是指材料在各種載荷作用下，抵抗變形和斷裂的能力，金屬材料的力學(xué)性能主要有強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度等。力學(xué)性能不僅是機(jī)械零件設(shè)計(jì)、選材、驗(yàn)收、鑒定的主要依據(jù)，還是對產(chǎn)品加工過程實(shí)行質(zhì)量控制的重要參數(shù)。1.14材料的彈性、剛度、強(qiáng)度及塑性一般是通過金屬拉伸試驗(yàn)來測定的。它是在標(biāo)準(zhǔn)試樣的兩端緩慢施加拉伸載荷，試樣的工作部分受軸向拉力作用產(chǎn)生變形，隨著拉力的增大，變形也相應(yīng)增加，直至斷裂。拉伸試樣如圖1-1所示，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1—2010，拉伸試樣通常有l(wèi)0=10d0（長試樣）和l0=5d0（短試樣）兩種。通常以應(yīng)力R（試樣單位橫截面上的拉力）與應(yīng)變e（試樣單位長度的伸長量）為坐標(biāo)繪出應(yīng)力—應(yīng)變曲線（R—e曲線）。如圖1-2所示為低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，低碳鋼試樣在拉伸過程中，可分為彈性變形、塑性變形和斷裂三個(gè)階段。圖1-1拉伸試樣

圖1-2低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線51.1.1彈性和剛度1

彈性在低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線上，Oe段為彈性階段，若在此階段卸去載荷，則試樣伸長量消失，試樣恢復(fù)原狀。材料的這種不產(chǎn)生永久殘余變形的能力稱為彈性。e點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力值稱為彈性極限，用符號Rp表示。6圖1-2低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線彈性變形示意低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線示意2

剛度材料在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變的比值稱為彈性模量，也就是應(yīng)力—應(yīng)變曲線中Oe直線的斜率，用符號E表示，即彈性模量E反映了材料抵抗彈性變形的能力，又稱為剛度。E值主要取決于材料內(nèi)部原子間的作用力，如晶體材料的晶格類型、原子間距等，某些處理方法（如熱處理、冷熱加工、合金化等）對它影響很小。81.1.2強(qiáng)度強(qiáng)度是指材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力。根據(jù)外力的作用方式，有多種強(qiáng)度指標(biāo)，如抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等。當(dāng)材料承受拉力時(shí)，強(qiáng)度性能指標(biāo)主要是屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。91屈服強(qiáng)度在低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線上，e～s段試樣所承受的載荷雖不再增加，但試樣仍繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力—應(yīng)變曲線上產(chǎn)生了近似水平段，這種現(xiàn)象稱為材料的屈服。s點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度，用符號Re表示，即式中：Fe

——試樣發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)所承受的最大外力（N）；

S0

——試樣的初始截面積（mm2）。10圖1-2低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線由于許多工程材料沒有明顯的屈服現(xiàn)象（如高碳鋼、鑄鐵等），測定很困難，因此規(guī)定用試樣標(biāo)距長度產(chǎn)生0.2%塑性變形時(shí)的應(yīng)力值作為該材料的屈服強(qiáng)度，用符號Rp0.2表示，即式中：F0.2

——試樣標(biāo)距長度產(chǎn)生0.2%塑性變形時(shí)所承受的外力（N）；

S0

——試樣的初始截面積（mm2）。11提示機(jī)械零件在使用時(shí)，一般不允許發(fā)生塑性變形，所以屈服強(qiáng)度是大多數(shù)機(jī)械零件設(shè)計(jì)時(shí)選材的主要依據(jù)，也是評定金屬材料承載能力的重要力學(xué)性能指標(biāo)。122抗拉強(qiáng)度在低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線上，b點(diǎn)的拉力是試樣在拉斷前所承受的最大載荷，其所對應(yīng)的應(yīng)力Rm稱為抗拉強(qiáng)度，即式中：Fb——試樣斷裂前承受的最大拉力（N）；

S0

——試樣的初始截面積（mm2）。13屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值稱為屈強(qiáng)比。屈強(qiáng)比小，工程構(gòu)件的可靠性高，即使外載或某些意外因素使金屬變形，也不會(huì)導(dǎo)致其立即斷裂。但屈強(qiáng)比過小，則材料強(qiáng)度的有效利用率便太低。1.1.3塑性材料在外力作用下，產(chǎn)生永久殘余變形而不斷裂的能力稱為塑性。塑性指標(biāo)也主要是通過拉伸試驗(yàn)測得的。工程上常用延伸率和斷面收縮率作為材料的塑性指標(biāo)。141延伸率試樣在拉斷后的相對伸長量稱為延伸率，用符號A表示，即式中：L0

——試樣原始標(biāo)距長度（mm）；

L1——試樣拉斷后的標(biāo)距長度（mm）。同一材料用不同長度的試樣所測得的延伸率A數(shù)值是不同的，用長度為直徑5倍的試樣測得的延伸率用A5表示，用長度為直徑10倍的試樣測得的延伸率用A10表示。A10常寫成A，但A5不能將下角標(biāo)的5省去，一般A5>A10。152斷面收縮率試樣被拉斷后橫截面積的相對收縮量稱為斷面收縮率，用符號Z表示，即式中：S0

——試樣原始的橫截面積（mm2）；

S1——試樣拉斷處的橫截面積（mm2）。延伸率和斷面收縮率的值越大，表示材料的塑性越好。塑性對材料進(jìn)行冷塑性變形有重要意義。此外，工件的偶然過載，可因塑性變形而防止突然斷裂；工件的應(yīng)力集中處，也可因塑性變形使應(yīng)力松弛，從而使工件不至于過早斷裂。這就是大多數(shù)機(jī)械零件除要求一定強(qiáng)度指標(biāo)外，還要求一定塑性指標(biāo)的原因。163、硬度HB－3000布氏硬度計(jì)布氏硬度試驗(yàn)原理圖——材料抵抗硬物體壓入其表面的能力或材料抵抗局部變形的能力適用范圍：HBS＜450（鋼球）

HBW450～650（硬質(zhì)合金）退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵及有色金屬等特點(diǎn)：被測面積大，精度高；不適于太薄、太硬物體。布氏硬度（HBS）材料的力學(xué)性能（機(jī)械性能）洛氏硬度計(jì)洛氏硬度試驗(yàn)原理圖適用范圍：HRA

硬質(zhì)合金、表面淬火層或滲碳層；

（表1-1）HRB

有色金屬和退火、正火鋼等；

HRC

調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。特點(diǎn)：

簡單、迅速、適用范圍廣（軟硬材料均適用）；洛氏硬度（HR）材料的力學(xué)性能（機(jī)械性能）洛氏硬度根據(jù)壓頭的材料及壓頭所加的負(fù)荷不同又可分為HRA，HRB，HRC三種，其試驗(yàn)規(guī)范如表1-1所示。洛氏硬度操作簡便、迅速、壓痕小，硬度值可直接從試驗(yàn)機(jī)表盤上讀出，所以得到了廣泛的應(yīng)用，三種洛氏硬度中以HRC應(yīng)用最多。但洛氏硬度由于壓痕小，所以其硬度值的代表性較差。表1-1洛氏硬度試驗(yàn)規(guī)范標(biāo)度壓頭預(yù)載荷/N總載荷/N適用范圍適用的材料HRA120°的金剛石圓錐98.0760×9.80720～88HRA硬質(zhì)合金、表面淬火鋼等HRBφ1.588mm的淬火鋼球98.07100×9.80720～100HRB軟鋼、退火鋼、銅合金等HRC120°的金剛石圓錐98.07150×9.80720～70HRC淬火鋼等19適用范圍：

表面硬化層金屬鍍層薄片金屬特點(diǎn)：壓痕淺、適用范圍廣；顯微硬度(HV)適用范圍：

金相顯微組織中相特點(diǎn)：載荷小、壓痕極小維氏硬度(HV)材料的力學(xué)性能（機(jī)械性能）布氏硬度測試示意

洛氏硬度測試維氏硬度測試原理示意1.1.5韌性材料的韌性是其斷裂時(shí)所需能量的度量，描述材料韌性的指標(biāo)通常有沖擊韌性和斷裂韌性。1沖擊韌性沖擊韌性是在沖擊載荷作用下，材料抵抗沖擊力的作用而不被破壞的能力，通常用符號表示。22——材料抵抗沖擊載荷的作用而不破壞的能力沖擊功：沖擊韌性：（單位面積沖擊功）材料的力學(xué)性能（機(jī)械性能）沖擊韌性沖擊試驗(yàn)2斷裂韌性在實(shí)際生產(chǎn)中，有的大型傳動(dòng)零件、高壓容器、船舶、橋梁等，常在其工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于Re的情況下，突然發(fā)生低應(yīng)力脆斷。通過大量研究證明，這種破壞與零件本身存在裂紋和裂紋擴(kuò)展有關(guān)。實(shí)際使用的材料，不可避免地存在一定的冶金和加工缺陷，如氣孔、夾雜物、機(jī)械缺陷等，它們破壞了材料的連續(xù)性，實(shí)際上成為材料內(nèi)部的微裂紋。在服役過程中，裂紋擴(kuò)展的結(jié)果，便是造成零件在較低應(yīng)力狀態(tài)下（即低于材料的屈服強(qiáng)度，而材料本身的塑性和沖擊韌性又不低于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)值的情況下）發(fā)生低應(yīng)力脆斷。25材料中存在的微裂紋，在外加應(yīng)力的作用下，裂紋尖端處存在有較大的應(yīng)力場。斷裂力學(xué)分析指出，這一應(yīng)力場的強(qiáng)弱程度可用應(yīng)力強(qiáng)度因子來描述。值的大小與裂紋尺寸和外加應(yīng)力的關(guān)系為：式中：Y——與裂紋形狀、加載方式及試樣幾何尺寸有關(guān)的系數(shù)，一般Y=1~2；

R——外加應(yīng)力（MPa）；

a——裂紋的半長（m）。由上式可知，隨應(yīng)力的增大，也隨之增大，當(dāng)增大到一定值時(shí)，就可使裂紋前端某一區(qū)域內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力大到足以使裂紋失去穩(wěn)定而迅速擴(kuò)展，發(fā)生脆斷。這個(gè)的臨界值稱為臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子或斷裂韌性，用符號表示。它反映了材料抵抗裂紋擴(kuò)展和抗脆斷的能力。材料的斷裂韌性與裂紋的形狀、大小無關(guān)，也和外加應(yīng)力無關(guān)，只決定于材料本身的特性（如成分、熱處理?xiàng)l件、加工工藝等），是一個(gè)反映材料性能的常數(shù)?？赏ㄟ^試驗(yàn)來測定。26材料的斷口類型韌性韌性材料的力學(xué)性能（機(jī)械性能）脆性脆性1.1.6疲勞強(qiáng)度許多零件和制品，經(jīng)常受到大小及方向變化的交變載荷，在這種載荷的反復(fù)作用下，材料常在遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下突然發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞（疲勞斷裂）。疲勞強(qiáng)度是用來表示材料抵抗交變應(yīng)力的能力，常用Sr表示，其下角標(biāo)r稱為應(yīng)力循環(huán)對稱因素，即式中：Smin——交變循環(huán)應(yīng)力中的最小應(yīng)力值（MPa）；

Smax——交變循環(huán)應(yīng)力中的最大應(yīng)力值（MPa）。對于對稱循環(huán)交變應(yīng)力，

，這種情況下材料的疲勞代號為S-1

。28材料所受交變應(yīng)力S與其斷裂前所經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)N之間的曲線稱為疲勞曲線或S—N曲線，如圖1-7所示。對于一般具有應(yīng)變時(shí)效的金屬材料，如碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、球鐵等，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力水平降低到某一臨界值時(shí)，低應(yīng)力段變成水平線段，表示試樣可以經(jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)也不發(fā)生疲勞斷裂，將對應(yīng)的應(yīng)力稱為疲勞極限，用符號S-1表示。實(shí)際生產(chǎn)中通常將材料在規(guī)定次數(shù)（一般鋼鐵材料取107次，有色金屬及其合金取108次）的交變載荷作用下，而不至引起斷裂的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。圖1-7疲勞曲線（S—N曲線）疲勞斷裂的原因一般認(rèn)為是由于材料表面與內(nèi)部含有缺陷（夾雜、劃痕、尖角等），造成局部應(yīng)力集中，形成微裂紋。這種微裂紋隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)展，使零件的有效承載面積逐漸減小，以至于最后承受不起所加載荷而突然斷裂。通過合理選材，改善材料的結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中，減少材料和零件的缺陷，降低零件表面粗糙度，對表面進(jìn)行強(qiáng)化如表面淬火、噴丸處理、表面滾壓等，可以提高材料的疲勞抗力。29物理性能BECDA導(dǎo)電性能折射、反射、吸收光及聲學(xué)性能密度、熔點(diǎn)磁性熱效應(yīng)及導(dǎo)熱性能1、物理性能二、材料的物理性能和化學(xué)性能材料的腐蝕:材料受環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)、電化學(xué)作用而引起的變質(zhì)或破環(huán)現(xiàn)象，分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。催化性質(zhì)：能夠加速化學(xué)反應(yīng)，且在反應(yīng)前后材料自身不被消耗。其它化學(xué)性能：抗氧化性、抗?jié)B入性、高分子材料的老化等2、化學(xué)性能材料的物理性能和化學(xué)性能車、鉗、銑、刨、磨材料的切削鑄造、拉拔、擠壓、鍛造、沖壓材料的成型合金化、熱處理材料的改性焊接、粘接材料的聯(lián)接材料加工1.3材料的工藝性能

鑄造性能可鍛性能焊接性能切削加工性能熱處理性能精密鑄件灰鐵鑄件——流動(dòng)性、收縮性及偏析傾向材料的工藝性能

可鍛性能——受外力鍛打變形而不破壞自身完整性的能力萬噸級水壓機(jī)模鍛的飛機(jī)大梁、火箭捆挷環(huán)材料的工藝性能

焊接性能“維克斯”3坦克原型車，其炮塔前半部分鑄造而成，后半部分則為焊接結(jié)構(gòu)——一般指材料是否適宜通常的焊接方法與工藝的性能材料的工藝性能

切削加工性能常用切削方法——用切削刀具進(jìn)行加工時(shí)所表現(xiàn)出來的性能材料的工藝性能項(xiàng)目2金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

純金屬的結(jié)晶純金屬的晶體結(jié)構(gòu)二元合金相圖學(xué)習(xí)目標(biāo)與技能要求1.掌握晶體的晶格、晶胞、晶格常數(shù)、晶界等概念的含義。2.掌握純金屬的晶體結(jié)構(gòu)、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等內(nèi)客，深入、微觀地認(rèn)識金屬的本質(zhì)。3.掌握晶體缺陷的種類、特征及對晶體結(jié)構(gòu)和性能的影響。4.掌握合金的相結(jié)構(gòu)，了解固溶體和金屬化合物在合金組織中的作用。5.了解結(jié)晶基本過程及晶粒大小的控制。6.掌握二元合金相圖的建立、物理意義。7.掌握均晶相圖、杠桿定律、枝晶偏析、共晶相圖、共析相圖以及典型合金的結(jié)晶過程。8.掌握合金性能與相圖的關(guān)系。38案例導(dǎo)入物質(zhì)是由原子構(gòu)成的。根據(jù)原子在物質(zhì)內(nèi)部排列方式不同，可將固態(tài)物質(zhì)分為晶體和非晶體兩大類。純金屬和合金在固態(tài)下通常都是晶體。金屬是由原子組成的，原子堆而成的不僅僅是金屬的“外表”，更像人類的基因組一樣決定了金屬的“性格”差異?；钚蕴?、石墨和全剛石都是由碳元素構(gòu)成的，可謂“一奶同胞”。但三者所表現(xiàn)出的宏觀性能卻截然不同，主要原因就在子它們內(nèi)部的碳原子排列方式不同。金剛石，不導(dǎo)電，但硬度極高，能做割玻璃刀；石墨，能導(dǎo)電，但硬度低，還有潤滑作用等；活性炭和木炭一樣具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，有吸附作用。39材料晶體——原子排列長程有序，有周期非晶體——原子排列短程有序，無周期ZnS型石英玻璃(非晶體)石英晶體(晶體)熔點(diǎn)一定性能呈各向異性

§2.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

晶胞常數(shù)：a、b、c、α、β、γ晶格常數(shù)：a、b、c簡單立方晶胞：a＝b＝cα＝β＝γ＝90℃晶體晶格（空間點(diǎn)陣）晶胞一、晶體的描述純金屬的晶體結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)晶面、晶面指數(shù)、晶面族:致密度：晶向、晶向指數(shù)、晶向族:配位數(shù)：純金屬的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)晶格的基本概念二、金屬中常見的晶格類型體心立方晶格

（bcc）面心立方晶格

（fcc）密排六方晶格

（hcp）純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬中常見晶格類型的基本參數(shù)晶格類型體心立方（bcc）面心立方（fcc）密排六方（hcp）晶胞結(jié)構(gòu)晶胞常數(shù)晶胞內(nèi)原子數(shù)原子半徑致密度配位數(shù)典型金屬a＝b＝c

α＝β＝γ＝90℃a＝b＝c

α＝β＝γ＝90℃

a＝bc/a＝1.633

α＝β＝90℃γ＝120℃0.680.740.7481212α-Fe、Mo、W、V、Cr、β-Tiγ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、AgMg、Cd、Zn、Be、Ca、α-Ti三、晶體的各向異性晶面{100}{110}{111}bccfcc晶向<100><110><111>bccfcc純金屬的晶體結(jié)構(gòu)結(jié)論：同一晶格內(nèi)不同晶面（晶向)上原子分布不同不同晶格類型、同一名稱晶面（晶向）上原子分布不同每一晶面（晶向）對應(yīng)一晶面族（晶向族），其面間距（原子排列緊密程度）不同∴單晶體具有各向異性單晶Fe的彈性模量：E＜111＞=290000MN/m2E＜100＞=135000MN/m2E

=210000MN/m2

Fe的彈性模量：純金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體缺陷的概念晶體缺陷的產(chǎn)生單晶體和多晶體實(shí)際金屬結(jié)構(gòu)及晶體缺陷單晶體多晶體實(shí)際金屬材料是由許多粒狀單晶體組成的——晶粒晶粒大?。╠：平均直徑）——晶粒尺寸每一晶粒內(nèi)部晶格位相基本一致每個(gè)晶粒有許多亞晶粒組成實(shí)際金屬性能是各晶粒性能平均值（各向同性）晶體缺陷的分類點(diǎn)缺陷空位及間隙原子置換原子特征：①本身尺寸很小，但晶格畸變可波及很遠(yuǎn)②空位和間隙原子均處于不斷的運(yùn)動(dòng)和變化之中線缺陷（位錯(cuò)）刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)電子顯微鏡下觀察到的位錯(cuò)線（50,000X）特征：①在位錯(cuò)線方向尺寸大②位錯(cuò)線周圍產(chǎn)生晶格畸變位錯(cuò)密度（ρ）：cm/cm3

一般金屬中ρ=104～1012cm/cm3晶體缺陷的分類面缺陷——晶界、亞晶界亞晶界（位錯(cuò)墻模型）晶界特征：①屬面接觸②產(chǎn)生晶格畸變晶體缺陷的分類晶體缺陷對材料性能的影響使實(shí)際金屬的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理想金屬晶界處位錯(cuò)密度高，使其局部強(qiáng)度、硬度提高對實(shí)際金屬來說，晶體缺陷越多(尤其位錯(cuò))，強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性越低滑移的實(shí)質(zhì)：位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下運(yùn)動(dòng)的結(jié)果晶體缺陷對塑性變形的影響……必須具有金屬特性合金冶煉、燒結(jié)、噴涂…合金化方法組成合金最基本的獨(dú)立物質(zhì)組元給定組元配制出的一系列合金合金系合金中具有相同成分、結(jié)構(gòu)、聚集狀態(tài)，并以界面相互隔開的均勻的組成部分合金相（相）金相顯微組織金相磨面在顯微鏡下觀察到的構(gòu)造情況

§2.2合金的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)合金的基本概念

①總是以一種金屬元素為溶劑，另一種或多種元素為溶質(zhì)

②保有溶劑的晶格結(jié)構(gòu)

③成分可在一定范圍內(nèi)變化，性能隨成分的變化而變化④產(chǎn)生晶格畸變特征

合金組元在固態(tài)能相互溶解所形成的一種均勻的相概念合金的相結(jié)構(gòu)1、固溶體固溶體的分類：置換固溶體間隙固溶體

影響固溶體類型、溶解度的因素

晶格類型

原子尺寸

電化學(xué)性（電負(fù)性）

電子濃度（價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)的比值）固溶體的形成對金屬性能的影響

固溶強(qiáng)化：關(guān)于固溶強(qiáng)化概念：

合金組元之間通過化合作用所形成的一種相對穩(wěn)定的相分類：

金屬化合物——具有金屬性質(zhì)，直接對合金性能產(chǎn)生影響非金屬化合物——脆性大，一般為雜質(zhì)

特征：

①可以用化學(xué)式（AmBn）表示，但不一定遵守化合價(jià)規(guī)律正常價(jià)化合物：Mg2Si

Mg2Pb電子價(jià)化合物：CuZn

Cu5Zn8

CuZn3間隙化合物：WC

VC

Fe3C

Cr23C6

Fe3C2、化合物VC合金的相結(jié)構(gòu)

②一定程度上具有金屬的性質(zhì)

③晶格結(jié)構(gòu)完全不同于任一組元

④熔點(diǎn)高、硬而脆特征：

①可以用化學(xué)式（AmBn）表示，但不一定遵守化合價(jià)規(guī)律對合金性能的影響：

彌散分布片狀分布網(wǎng)狀分布σ、H有一定的δ(ψ)、akH

σ、δ(ψ)、akσ、H

δ(ψ)、ak彌散強(qiáng)化2、化合物凝固的概念:

液體-->固體（晶體或非晶體）結(jié)晶的概念:液體-->晶體結(jié)晶的過冷現(xiàn)象

§2.2純金屬的結(jié)晶當(dāng)T=T0

時(shí)，F(xiàn)L=FS，兩相平衡當(dāng)T>T0

時(shí)，F(xiàn)L<FS，液相穩(wěn)定當(dāng)T<T0

時(shí)，F(xiàn)L>FS，固相穩(wěn)定過冷度：

T=T0-Tn結(jié)晶的必要條件：

必須有過冷度！影響過冷度的因素實(shí)際結(jié)晶溫度Tn：

V冷Tn

T

純度Tn

T

§2.2純金屬的結(jié)晶晶體液體結(jié)晶條件適宜

T長大

晶核晶粒結(jié)晶的一般過程晶胚

枝晶長大（實(shí)際金屬）平面長大（小體積液體）晶體生長方式樹枝狀晶體形貌形核率（N）長大速度（G）孕育期（τ）——金屬液體達(dá)到結(jié)晶溫度后實(shí)際結(jié)晶前需要等待的時(shí)間N、G越大，結(jié)晶越快結(jié)晶溫度越低，

T

越大，

τ

越短與結(jié)晶有關(guān)的概念晶粒度的概念晶粒大小對性能的影響——表示晶粒大小程度的物理量評定標(biāo)準(zhǔn)：100×與標(biāo)準(zhǔn)圖比較（…，-1，0，）1

～

8

（9，10，…）d（晶粒度）晶界多，強(qiáng)度硬度晶粒多，塑性韌性細(xì)晶強(qiáng)化結(jié)晶后晶粒的大小細(xì)晶強(qiáng)化增加過冷度進(jìn)行變質(zhì)處理（孕育處理）增加液體的流動(dòng)結(jié)晶時(shí)細(xì)化晶粒的方法采用冷卻能力強(qiáng)的鑄模提高液體金屬的過冷能力增加形核率降低長大速度增壓澆注機(jī)械攪拌超聲波振動(dòng)1——表面細(xì)晶粒層（激冷層）2——柱狀晶粒層3——中心等軸晶粒——成分、溫度、壓力——用圖解的方法表示合金的狀態(tài)（相）與成分、溫度之間的關(guān)系——結(jié)晶或相變過程中，各相成分及相對重量不再改變時(shí)所達(dá)到的一種動(dòng)態(tài)平衡

§2.3二元合金相圖平衡相圖有關(guān)相圖的基本概念相平衡相圖（狀態(tài)圖）影響合金中組織形態(tài)的因素建立合金系測定冷卻曲線，找出相變臨界點(diǎn)將各相變點(diǎn)對應(yīng)在成分—溫度坐標(biāo)圖上，并連接具有相同意義的點(diǎn)相圖的建立（熱分析法）相圖的建立過程——用圖解的方法表示合金的狀態(tài)（相）與成分、溫度之間的關(guān)系相圖（狀態(tài)圖）相圖的建立過程相圖的建立（熱分析法）建立合金系測量合金的冷卻曲線連接臨界點(diǎn)勻晶相圖相圖分析特點(diǎn)合金的結(jié)晶過程(繪制冷卻曲線)實(shí)例：Cu-Ni,Fe-Cr,Ag-Au,Cr-Mo,W-Mo——L、α兩相均能無限互溶ABLαL+α132

T/℃液相線固相線k典型二元合金相圖勻晶相圖的結(jié)晶過程CuNi確定合金冷卻過程中L、α的成分杠桿定律——確定L、α的相對重量ABLα13223444液相成分沿液相線變化固相成分沿固相線變化典型二元合金相圖設(shè)：m=1晶內(nèi)偏析典型二元合金相圖ABLα13223444消除方法：擴(kuò)散退火平衡結(jié)晶的勻晶合金組織Cu-30%Ni合金的非平衡結(jié)晶組織

共晶相圖特點(diǎn)共晶反應(yīng)共晶體——液相無限互溶、固相有限互溶；E點(diǎn)發(fā)生共晶反應(yīng)BCDFEALαGPbSnβα+βL+αL+β溫度wSn（%）α

：以Pb為溶劑、Sn為溶質(zhì)的固溶體β：以Sn為溶劑、Pb為溶質(zhì)的固溶體典型二元合金相圖恒溫

共晶相圖相圖分析BCDFEALαGPbSnβα+βL+αL+β溫度wSn（%）典型二元合金相圖

共析相圖特點(diǎn)共析反應(yīng)相圖分析共析體——

d

點(diǎn)發(fā)生共析反應(yīng)典型二元合金相圖恒溫包晶相圖特點(diǎn)包晶反應(yīng)相圖分析——

D點(diǎn)發(fā)生包晶反應(yīng)典型二元合金相圖Al-Zn73合金組織恒溫典型二元合金相圖形成穩(wěn)定化合物二元合金的相圖使用性能與相圖的關(guān)系典型二元合金相圖合金性能與相圖的關(guān)系工藝性能與相圖的關(guān)系典型二元合金相圖合金性能與相圖的關(guān)系項(xiàng)目3鐵碳合金相圖

鐵碳合金相圖分析鐵碳合金相和組織組成純鐵及其同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)目標(biāo)與技能要求1．掌握Fe-Fe3C相圖，理解相圖中各點(diǎn)、線、區(qū)的意義，利用相圖進(jìn)行典型合金的結(jié)晶過程分析。2．掌握典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程和組織特點(diǎn)。3．掌握鐵碳合金成分、組織、性能三者之間的關(guān)系，掌握鐵碳相圖的應(yīng)用。金屬的多晶型性（同素異構(gòu)現(xiàn)象）多晶型轉(zhuǎn)變（同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變）純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1394℃912℃δ-Fe

γ-Fe α-Febccfccbcc符合形核、長大的結(jié)晶規(guī)律固態(tài)金屬在不同的溫度和壓力范圍內(nèi)，具有二種或二種以上晶格結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象轉(zhuǎn)變過程恒溫、可逆

§1

純鐵及其同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

純鐵的成分及性能純鐵（工業(yè)純鐵）：含雜質(zhì)0.10%～0.20%性能及組織：

σb=180～230MPa

σ0.2=100～170MPa

δ=30%～50%

ψ=70%～80%

Ak=128～160J

HBS=50～80鐵素體（F或α）：碳溶于α-Fe中所形成的間隙固溶體

晶格結(jié)構(gòu)：bcc

最大溶解度：0.02%（727℃）

性能組織：

σb=180～230MPa

σ0.2=100～170MPa

HBS=50～80

δ=30%～50%

ψ=70%～80%

ak=160～200J/cm2δ-鐵素體：碳溶于δ-Fe中所形成的間隙固溶體

最大溶解度：0.09%（1495℃）

§2鐵碳合金的相和組織組成奧氏體（A或γ）：碳溶于γ-Fe中所形成的間隙固溶體晶格結(jié)構(gòu)：fcc

最大溶解度：2.11%（1148℃）（高溫組織）

性能組織：

σb≈400MPa

HBS=170～220

δ=40%～50%

高塑性、無磁

滲碳體（Fe3C）：Fe與C所形成的金屬化合物晶格結(jié)構(gòu)：復(fù)雜正交性能：σb≈30MPa

HBS=800

δ≈0

ψ≈0

硬而脆（耐磨性好）亞穩(wěn)定：Fe3C

3Fe+C（石墨）

合金滲碳體：(Fe、Me)3C Fe3(C、N)或Fe3(C、B)

石墨碳晶格結(jié)構(gòu)：簡單六方性能:

加工性能機(jī)械性能高溫

珠光體（P）F與Fe3C所形成的機(jī)械混合物（平均含碳量：0.77%）性能組織：

σb≈750MPa

HBS=180

δ≈20%～25%

ak=30～40J/cm2

綜合性能萊氏體（）A與Fe3C所形成的機(jī)械混合物（平均含碳量：4.3%）性能組織：硬而脆ABCDFENGPSKQJHA(γ)LF(α)δFe-Fe3C亞穩(wěn)平衡相圖T(℃)wC（%）FeFe3C

4+2個(gè)單相區(qū)

7個(gè)雙相區(qū)相區(qū)6.69%

§3鐵碳合金相圖分析ABCDFENGPSKQJH1148℃727℃1495℃ALFδwC（%）FeFe3CH：0.09%1495℃J：0.17%1495℃B：0.53%1495℃2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%0.0008%包晶反應(yīng)(0.09～0.53)共晶反應(yīng)(2.11～6.69)共析反應(yīng)(0.02～6.69)基本轉(zhuǎn)變鐵碳合金相圖分析ABCDFENGPSKQJH1148℃727℃1495℃ALFδwC（%）FeFe3C1538℃1227℃912℃2.11%6.69%0.02%0.0008%1394℃A—

Fe熔點(diǎn)D

—Fe3C熔點(diǎn)N—同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)G

—同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)H—

c在δ

最大溶解度點(diǎn)E

—

c在A

最大溶解度點(diǎn)P

—

c在F

最大溶解度點(diǎn)Q

—

c在F

中室溫溶解度點(diǎn)鐵碳合金相圖分析J包晶點(diǎn)C共晶點(diǎn)S共析點(diǎn)重要點(diǎn)ABCDFENGPSKQJH1148℃727℃1495℃ALFδwC（%）FeFe3C132一次滲碳體Fe3CⅠABCDAHJECFCD液相線的一部分1148℃固相線液相線T鐵碳合金相圖分析HJB包晶線ECD共晶線PSK共析線重要線ABCDFENGPSKQJH1148℃727℃1495℃ALFδwC（%）FeFe3CA3AcmGS（A3）F和A兩相平衡線Fe3C和A兩相平衡線C

在A

溶解度曲線1148℃，AE

=A2.11TAX+Fe3C727℃AS=A0.77二次滲碳體Fe3CⅡ鐵碳合金相圖分析重要線ES（Acm）PSK（A1）A1ABCDFENGPSKQJH1148℃727℃1495℃ALFδwC（%）FeFe3CA3Acm？

Fe3CⅠ、Fe3CⅡ、

Fe3CⅢ

有何異同F(xiàn)e3C和F兩相平衡線C在F

溶解度曲線727℃，F(xiàn)P

=F0.0218TFX+Fe3C室溫℃FQ=F0.0008三次滲碳體Fe3CⅢPQ鐵碳合金相圖分析重要線A1ABCDFENGPSKQJH1148℃727℃ALFδwC（%）FeFe3CA3AcmA1ECF共晶線TAX+Fe3CⅡA0.77+Fe3CⅡ727℃+Fe3CⅡ鐵碳合金相圖分析重要線2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%工業(yè)純鐵共析鋼亞共析鋼過共析鋼亞共晶白口鐵過共晶白口鐵共晶白口鐵鋼鑄鐵ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%鐵碳合金分類共析鋼[wc=0.77%]ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%1320鐵碳合金的結(jié)晶過程分析共析鋼[wc=0.77%]室溫平衡組織:100%P（F和Fe3C）組成相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：鐵碳合金的結(jié)晶過程分析ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%亞共析鋼[0.0218%<wc<0.77%]13204鐵碳合金的結(jié)晶過程分析0.20%C組成相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：室溫平衡組織:F+P，其相對量為：0.40%C亞共析鋼[0.0218%<wc<0.77%]鐵碳合金的結(jié)晶過程分析ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%1320過共析鋼[0.077%<wc<2.11%]4鐵碳合金的結(jié)晶過程分析硝酸酒精侵蝕苦味酸侵蝕室溫平衡組織:P+Fe3CⅡ

，其相對量為：過共析鋼[0.077%<wc<2.11%]鐵碳合金的結(jié)晶過程分析ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%120共晶白口鐵[wc=4.3%]鐵碳合金的結(jié)晶過程分析共晶白口鐵[wc=4.3%]室溫平衡組織:100%鐵碳合金的結(jié)晶過程分析ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%130亞共晶白口鐵[2.11%<wc<4.3%]24鐵碳合金的結(jié)晶過程分析亞共晶白口鐵[2.11%<wc<4.3%]室溫平衡組織:P+Fe3CⅡ+鐵碳合金的結(jié)晶過程分析ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%13024過共晶白口鐵[4.3%<wc<6.69%]鐵碳合金的結(jié)晶過程分析過共晶白口鐵[4.3%<wc<6.69%]室溫平衡組織:

+Fe3C鐵碳合金的結(jié)晶過程分析ABCDFENGPSKQJHALFδFeFe3C鐵碳合金平衡組織含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響相組成物相對量組織組成物相對量項(xiàng)目碳鋼

亞共析鋼共析鋼過共析鋼含碳量0.02%

0.77%

2.11%各種組織的相對量工藝性能力學(xué)性能應(yīng)用結(jié)構(gòu)用鋼工具用鋼切削性能焊接性能鑄造性能鍛造性能強(qiáng)度塑性硬度韌性鋼的成分、組織與性能之間的關(guān)系含碳量對鋼的力學(xué)性能的影響Wc(%)

H

δ（ψ）ak

Wc(%)＜1.0

σ

Wc(%)＞1.0

σ

鐵碳相圖的應(yīng)用在選材方面的應(yīng)用在鑄造方面的應(yīng)用在鍛軋方面的應(yīng)用在焊接方面的應(yīng)用在熱處理方面的應(yīng)用ABCDFENGPSKQJHALFδFeFe3C項(xiàng)目4

鋼的熱處理鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼的普通熱處理

鋼的表面熱處理學(xué)習(xí)目標(biāo)與技能要求1．熟悉鋼的熱處理的實(shí)質(zhì)、目的和作用；2．掌握鋼在熱處理加熱和冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律；3．掌握正火、退火、淬火和回火的特點(diǎn)、工藝要點(diǎn)和應(yīng)用；4．掌握表面熱處理和化學(xué)熱處理的原理、工藝、特點(diǎn)和應(yīng)用；5．了解熱處理新技術(shù)、金屬的表面防護(hù)與裝飾知識；6．初步掌握整體熱處理正火、退火、淬火和回火的基本工藝操作方法。案例導(dǎo)入熱處理是一種改善鋼材使用性能和工藝性能的重要工藝，通過恰當(dāng)?shù)臒崽幚?，可充分挖掘材料的潛力，提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長使用壽命。例如，只有通過熱處理，銼刀才能更好地銼削工件；車刀才能更好地切削工件；火車的輪子才能更耐磨而不變形；火星探測器上用形狀記憶合金制成的天線才能在進(jìn)入軌道后打開等等，所以在工業(yè)制造、醫(yī)藥、通信、國防乃至航天航空領(lǐng)域，熱處理都有著極其重要的作用。熱處理能夠改善材料性能，充分發(fā)揮材料性能的潛力，延長零件使用壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量，在機(jī)械制造工業(yè)中占有十分重要的地位。鋼的熱處理原理定義：目的及重要性：

改善材料的組織結(jié)構(gòu)；提高性能；提高壽命；減低成本

分類：

普通熱處理（四火：退火、正火、淬火、回火）表面熱處理（表面淬火、化學(xué)熱處理）t(h)加熱冷卻熱處理工藝曲線T(℃)保溫

V加t

V冷T加固態(tài)金屬材料（鋼）加熱冷卻有規(guī)律地改變材料內(nèi)部的組織保溫蘸火熱處理的四大要素APA1ETT1T2△E1△E2Ar1Ar3ArcmAC1AC3AccmA1A3AcmSP和A的自由能曲線平衡相變臨界點(diǎn)：A1

、A3、Acm加熱相變臨界點(diǎn)：Ac1、Ac3、Accm冷卻相變臨界點(diǎn)：Ar1

、Ar3、Arcm4.1鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變一、相變的熱滯現(xiàn)象二、奧氏體的形成（奧氏體化過程）完全奧氏體化不完全奧氏體化加熱的目的：使鋼奧氏體化，為隨后冷卻轉(zhuǎn)變作準(zhǔn)備奧氏體化分類：§1鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變A共析鋼的奧氏體化（P

A）奧氏體晶核的形成奧氏體晶粒的長大殘余滲碳體的溶解奧氏體成分的均勻化T加Cγ-αCγ-kdcA亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體化先進(jìn)行：P

A然后：先析出相

A亞共析鋼過共析鋼A影響奧氏體轉(zhuǎn)變過程的因素加熱溫度和加熱速度含碳量原始組織勻細(xì)合金元素

T2

T1△T1△T2奧氏體化加速T加奧氏體化加速奧氏體化加速碳化物形成元素非碳化物形成元素Co、Ni奧氏體化變慢奧氏體化加速奧氏體化加速

三、奧氏體晶粒的長大及控制奧氏體晶粒度的概念起始晶粒度實(shí)際晶粒度本質(zhì)晶粒度1～4本質(zhì)細(xì)晶粒鋼本質(zhì)粗晶粒鋼5～8影響奧氏體晶粒度的因素（控制奧氏體晶粒大小的措施）TA、tA成分原始組織新工藝（如：形變熱處理）C：兩方面的影響Me：除Mn、P，均阻礙A長大Al、Ti、Zr、V、W、Mo、Cr、Si、Ni、Cu強(qiáng)弱基本概念：過冷奧氏體奧氏體的冷卻轉(zhuǎn)變目的及重要性獲得所需要的組織和性能§4.2鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變F＋AA＋Fe3CⅡA轉(zhuǎn)變類型按轉(zhuǎn)變溫度高溫轉(zhuǎn)變中溫轉(zhuǎn)變低溫轉(zhuǎn)變按轉(zhuǎn)變產(chǎn)物珠光體轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變馬氏體轉(zhuǎn)變按冷卻方式等溫轉(zhuǎn)變連續(xù)轉(zhuǎn)變

珠光體轉(zhuǎn)變(高溫轉(zhuǎn)變)溫度范圍：A1～550(Ar1～550℃)轉(zhuǎn)變特征：擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變過程（A

P）富碳區(qū)貧碳區(qū)一、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變（共析鋼）珠光體轉(zhuǎn)變

珠光體轉(zhuǎn)變（高溫轉(zhuǎn)變）轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：P組織名稱形成溫度（℃）片層間距（μm）片層形態(tài)可見倍數(shù)（×）HBS性能珠光體P（粗P）A1～650＞0.4較厚、平直、連續(xù)500170～250強(qiáng)、硬塑、韌索氏體S

650～6000.4～0.2～800～1000250～300綜合性能屈氏體T（托氏體）600～550﹤0.2極薄、斷續(xù)、彎曲2000～5000300～450強(qiáng)、硬塑、韌問題：P、S、T有何異同？珠光體：片層狀F和Fe3C的機(jī)械混合物珠光體轉(zhuǎn)變S

8000×T

8000×P

3800×

貝氏體轉(zhuǎn)變（中溫轉(zhuǎn)變）溫度范圍：550～230℃（Ms）轉(zhuǎn)變特征：半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變過程：分步進(jìn)行

首先：

A

F

然后：C從F中析出切變fcc

bcc

貝氏體轉(zhuǎn)變

貝氏體轉(zhuǎn)變（中溫轉(zhuǎn)變）

轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：B

550～350℃B上

350～230℃B下ε貝氏體：F和碳化物的機(jī)械混合物組織名稱形成溫度（℃）顯微組織特征硬度（HRC）性能B上

350~550鐵素體呈平行扁平狀，細(xì)小滲碳體條斷續(xù)分布在鐵素體之間，在光學(xué)顯微鏡下呈暗灰色羽毛狀特征。40~45綜合性能差（強(qiáng)、塑、韌）B下230~350鐵素體呈針葉狀，細(xì)小碳化物呈點(diǎn)狀分布在鐵素體中，在光學(xué)顯微鏡下呈黑色針葉狀特征。45~55韌性好、綜合性能好貝氏體轉(zhuǎn)變上貝氏體500×下貝氏體500×

馬氏體轉(zhuǎn)變（低溫轉(zhuǎn)變）溫度范圍：

230～-50℃（Ms～Mf）轉(zhuǎn)變特征：非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變過程：轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：M

快速共格切變

50m/s

bcc0.77%C

fcc0.77%CAM馬氏體轉(zhuǎn)變馬氏體：碳溶于α-Fe中所形成的過飽和間隙固溶體M的形貌板條狀M片狀M（針葉狀）M條M束M片

M形貌與含碳量的關(guān)系Wc（%）＜0.30.3～1.0＞1.0M形態(tài)板條狀混合M片狀材料：40Cr（800X）

工藝情況：淬火、回火

浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕

組織說明：板條馬氏體及針狀馬氏體，為典型中碳馬氏體[×500

正常淬火組織：隱晶馬氏體高速鋼隱晶M混合M產(chǎn)生體積膨脹（浮凸現(xiàn)象）產(chǎn)生組織應(yīng)力在Ms～Mf之間進(jìn)行不能進(jìn)行到底產(chǎn)生殘余奧氏體（Ar、AR、A′）M的組織特征M轉(zhuǎn)變終止溫度M轉(zhuǎn)變開始溫度結(jié)論：Wc

Ms～Mf

，A′

bccMM形態(tài)與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系A(chǔ)中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對殘余A的影響硬度：與wc（%）有關(guān)板條狀M：強(qiáng)度高、有一定的塑性和韌性片狀M：硬而脆M的性能

正常加熱淬火：Wc

HM

;

Wc＞0.6%后，HM基本不變M的硬度與的含碳量的關(guān)系a線：在Accm以上加熱淬火C線：純Mb線：正常加熱淬火過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物與轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系A(chǔ)1BsMsMf先析出相粗PSTB上B上M+Ar等溫冷卻曲線（TTT)二、過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線——描述過冷奧氏體在冷卻轉(zhuǎn)變過程中轉(zhuǎn)變溫度（T）、轉(zhuǎn)變時(shí)間（t）、轉(zhuǎn)變產(chǎn)物之間關(guān)系的曲線圖連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線（CCT）

TTT曲線的建立

（以金相硬度法為例）制成金相試樣并奧氏體化分組快冷至A1以下不同溫度保溫每隔一定時(shí)間取出一試樣水淬觀察顯微組織（輔以硬度測定）確定相變點(diǎn)連接具有相同意義的點(diǎn)1、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線（TTT）C曲線C曲線分析關(guān)于孕育期（τ）共析鋼TTT（C）曲線簡介T＞550℃，T＜550℃Dc，△T為主導(dǎo)因素∴T

τ∴T

τ△T，Dc為主導(dǎo)因素M+ArA→B共析鋼TTT（C）曲線簡介A→SA→PA→TA→B上A→B下A→MPSTB上B下M+Ar5～25HRC25～35HRC35～40HRC40～50HRC50～60HRC60～65HRC含碳量的影響合金元素的影響加熱條件的影響影響TTT（C）曲線的因素合金元素的影響

v=v1：爐冷(5.5℃/s)a1

—開始點(diǎn)，b1

—終了點(diǎn)轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間：△T1

轉(zhuǎn)變產(chǎn)物:Pv=v2：空冷(20℃/s)

a2

—開始點(diǎn)，b2

—終了點(diǎn)轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間：△T2

轉(zhuǎn)變產(chǎn)物:S

v=v3：油冷(33℃/s)

a3—開始點(diǎn)，a3′—無意義，轉(zhuǎn)變分段進(jìn)行，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物—T+M+

A′v=v4：水冷(≥138℃/s)Ms以前不分解，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物—

M+

A′△T1v1v2vcv3v4a1b1a3b2a2a3′△T2vc：淬火臨界冷卻速度（M臨界冷卻速度）

——獲得100%

M

的最小冷卻速度用過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線分析鋼的連續(xù)轉(zhuǎn)變過程

CCT曲線的建立

CCT曲線的分析與C曲線比較CCT曲線的應(yīng)用2、過冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線（CCT曲線）

vk：與vc相當(dāng)，淬火臨界冷卻速度，

獲得100%

M

的最小冷卻速度；

一般

vk≤vc鋼的CCT曲線APBFMMSA1A30.30%C

930℃

30minAPBFMMSA1A316Mn

900℃

5minAPBFMMSA1A340Cr

850℃

10minAPMMSA1Acm0.90%C

930℃

30min4.3鋼的退火和正火一、退火定義：

加熱隨爐冷卻P鋼臨界溫度以上或以下分類：

完全退火（等溫退火）球化退火去應(yīng)力退火（低溫退火）擴(kuò)散退火（均勻化退火）再結(jié)晶退火適用范圍：亞共析鋼（鑄、鍛、焊件）加熱溫度：AC3+30～50℃AC3+30～50℃完全退火AC3+30～50℃爐冷AC3500℃，空冷完全退火工藝曲線退火后組織：P+F中碳鋼：珠光體+鐵素體完全退火目的：降低硬度，改善切削加工性能（Wc：0.5%～0.77%）細(xì)化晶粒消除應(yīng)力均勻成份、組織提高塑性完全退火等溫退火——完全退火的特例優(yōu)點(diǎn):

退火時(shí)間短，組織均勻高速鋼的退火工藝曲線適用范圍：共析鋼、過共析鋼加熱溫度：目的：使片狀Fe3CⅡ球化Ar1-20℃爐冷AC1500℃，空冷AC1+20～30℃AC1+20～30℃H便于切削加工使塑性達(dá)到最佳為淬火、回火做準(zhǔn)備球化退火AC1+20～30℃球狀珠光體Fe3C的球化過程退火后組織：球狀P（粒狀P）

球化退火加熱溫度：目的：消除工件殘余應(yīng)力，穩(wěn)定工件的尺寸；軟化處理；擴(kuò)散退火去應(yīng)力退火再結(jié)晶退火T加熱＜AC1T加熱=AC3＋150～250℃T加熱＞T再結(jié)晶去應(yīng)力退火（低溫退火）均勻化退火（擴(kuò)散退火）再結(jié)晶退火加熱溫度：目的：消除偏析，均勻成份、組織；加熱溫度：目的：消除加工硬化，提高塑性；二、正火加熱空冷S鋼臨界溫度以上定義：加熱溫度：亞共析鋼：Ac3+30～50℃共析鋼及過共析鋼：Accm+30～50℃AC3

(ACCM)+30～50℃空冷AC3或ACCM正火工藝曲線二、正火S具有與退火相同的目的；消除應(yīng)力、細(xì)化晶粒、改善組織，提高鋼的綜合性能對于中低碳鋼，可適當(dāng)提高硬度，改善其切削加工性能；對于過共析鋼，可消除網(wǎng)狀Fe3CⅡ，為球化退火做準(zhǔn)備；作為普通結(jié)構(gòu)件的最終熱處理。正火后組織：目的：加熱溫度

？組織和性能對切削加工的影響熱處理缺陷經(jīng)濟(jì)問題為什么亞共析鋼不在兩相區(qū)加熱？為什么過共析鋼退火不能在Accm以上，但正火可以？三、退火與正火比較

定義：加熱快冷（v＞vk）B區(qū)等溫MB鋼臨界溫度（Ac3或Ac1）以上§4.4鋼的淬火目的：工藝特點(diǎn)：獲得M，以提高鋼的硬度和耐磨性；經(jīng)回火后可獲得理想的性能；獲得B，以提高鋼的綜合性能。冷卻速度快，熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力大，工件易變形和開裂；淬火（+回火）一般是最終熱處理，是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工序。

[下貝氏體][板條狀馬氏體][針狀馬氏體]淬火后組織：

淬火工藝參數(shù)的選擇亞共析鋼：AC3+30～50℃（完全淬火）共析鋼及過共析鋼：AC1

+30～50℃（不完全淬火）淬火加熱溫度1.加熱溫度為什么亞共析鋼不在兩相區(qū)加熱？為什么過共析鋼必須在兩相區(qū)加熱？如果T淬火＞Accm會(huì)有什么后果？？選擇原則：①保證獲得馬氏體②防止工件變形開裂中碳鋼：馬氏體+鐵素體（不完全淬火）中碳馬氏體(完全淬火)

淬火工藝參數(shù)的選擇奧氏體化程度對淬火組織的影響碳鋼：盡可能快地加熱合金鋼淬火加熱條件的選擇

T淬火(AC+50～100℃)

需預(yù)熱t(yī)800～600～T(℃)T淬火

淬火工藝參數(shù)的選擇

2.保溫時(shí)間t

=

αKDα—加熱系數(shù)（電阻爐1-1.5min/mm）

K—裝爐系數(shù)(1—1.5)

D—工件尺寸（mm）

3.加熱速度CABD650℃400℃理想淬火冷卻曲線

淬火工藝參數(shù)的選擇4.冷卻速度vkA→BA→M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(diǎn)高溫冷速快，可保證工件淬硬低溫冷速快，工件易變形開裂冷卻能力對水溫敏感雜質(zhì)使冷卻能力下降低溫冷速慢，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（20～80℃）冷卻能力強(qiáng)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，又能使變形開列程度減少流動(dòng)性好工作環(huán)境差用途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、精度要求高的工件

淬火工藝參數(shù)的選擇4.冷卻速度——淬火介質(zhì)①②④③心部表面T(℃)t⊿T

淬火工藝參數(shù)的選擇4.冷卻速度——淬火方法①單介質(zhì)淬火：碳鋼—水；合金鋼—油優(yōu)點(diǎn)：操作簡單、成本低；缺點(diǎn)：淬火件質(zhì)量較低、熱應(yīng)力大②雙介質(zhì)淬火：水—油；水—空氣優(yōu)點(diǎn)：能保證淬火件的質(zhì)量要求缺點(diǎn)：操作難度大、熱應(yīng)力大③分級淬火：轉(zhuǎn)變產(chǎn)物—M；優(yōu)點(diǎn)：熱應(yīng)力小，工件不易變形；缺點(diǎn)：操作難度大④等溫淬火：轉(zhuǎn)變產(chǎn)物—B下；優(yōu)點(diǎn)：綜合性能及尺寸精度高、不需回火；缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜、成本高加熱淬火鋼Ac1以下保溫冷卻室溫§4.4鋼的回火

定義：目的：松懈淬火應(yīng)力，防止工件變形和開裂。使組織向穩(wěn)態(tài)過度，保證工件尺寸和性能的穩(wěn)定性。改善材料的塑性和韌性，獲得所需要的性能。馬氏體的分解殘余奧氏體的分解碳化物的析出和變化α相（F）的回復(fù)和再結(jié)晶

回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變及性能變化回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變及性能變化回火階段組織變化內(nèi)應(yīng)力體積性能回火后組織（一）＜200℃（二）200～300℃（三）300～400℃（四）＞400℃c/a?1c/a＞1c/a＞1c/a＝1εFe3CAr

B下或M回馬氏體分解MH

不變或略δ、ψ、ak略含C過飽和α(針)+

ε

(點(diǎn))

M回馬氏體分解殘余奧氏體分解

(略)σ、H

(略)脆性M回1馬氏體分解碳化物聚集長大α相（F）的回復(fù)和再結(jié)晶消失Hδ、ak

＞M回σ、H

較高彈性最佳σs

最佳針狀

F+顆粒狀Fe3C

T回σ、Hδ、ψ、ak綜合性能最佳等軸

F+顆粒狀Fe3C

S回回火后鋼的的組織回火托氏體回火索氏體

回火板條馬氏體

回火片狀馬氏體馬氏體回火后的性能：影響回火后性能的關(guān)鍵因素：回火溫度[40Cr鋼經(jīng)不同溫度回火后的機(jī)械性能](直徑D=12mm,油淬)回火后的性能：工藝名稱回火溫度(℃

)回火后組織回火后硬度(HRC)性能特點(diǎn)用途低溫回火150～250

M回58～64硬度耐磨性內(nèi)應(yīng)力降低工具鋼、滾動(dòng)軸承滲碳件、表面淬火件※調(diào)質(zhì)處理＝淬火＋高溫回火中溫回火350～500T回35～50彈性σs

屈強(qiáng)比(σs/σs)一定韌性、抗疲勞性彈簧鋼、熱作模具高溫回火500～600S回25～35綜合性能重要結(jié)構(gòu)件、機(jī)械零件回火工藝：合金鋼的回火回火穩(wěn)定性高回火溫度相應(yīng)升高合金碳化物彌散析出二次硬化殘余奧氏體多需多次回火

回火脆性的概念

第一類回火脆性250～350℃（低溫、不可逆）

產(chǎn)生范圍：所有鋼

防止措施：避免在該脆性區(qū)回火；鋼中加少量Si；

第二類回火脆性

500～650℃

（高溫、可逆）產(chǎn)生范圍：部分合金結(jié)構(gòu)鋼（含Cr、Ni、Si、Mn）

防止措施：回火后快冷加少量Mo、W減少鋼中雜質(zhì)改變熱處理工藝[形變熱處理]回火脆性：小型工件：V表面＞V心部＞Vk

能淬透組織為100%M大型工件：V表面＞Vk＞V心部淬不透表面—M；心部—非M[大尺寸工件的淬透情況示意圖][淬透性不同的鋼調(diào)質(zhì)后機(jī)械性能]鋼的淬透性淬硬層深度（淬透層深度、有效淬硬尺寸）50%M表面心部淬硬層半馬氏體層的硬度/HRC鋼的淬透性

淬透性在規(guī)定條件下，決定鋼的淬硬深度和硬度分布的特性（鋼淬火時(shí)獲得M的能力）一定條件下，

Vk

淬透性淬硬性（可硬性）

在理想條件下，鋼淬火時(shí)所能達(dá)到的最高硬度

wc

淬硬性

vC(vk)鋼的淬透性淬透性≠淬透性影響淬透性的因素合金元素的影響：除Co、Al，均使C

曲線右移淬透性碳的影響：亞共析鋼，wc

C曲線右移淬透性過共析鋼，wc

C曲線左移淬透性碳鋼中共析鋼淬透性最好加熱條件的影響未溶第二相的影響合金元素對鋼淬透性的影響※凡能使A穩(wěn)定性增加的因素都能增加鋼的淬透性

淬透性值的表示：半M區(qū)到水冷端距離半M區(qū)硬度如:

淬透性曲線的測定——末端淬火法（端淬試驗(yàn)）鋼的淬透性臨界淬透直徑是指圓形鋼棒在介質(zhì)中冷卻，中心被淬成半馬氏體的最大直徑，用D0（Dc）表示。D0與冷卻介質(zhì)有關(guān)，如45鋼D0水=16mm，D0油=8mm只有冷卻條件相同時(shí)，才能進(jìn)行不同材料淬透性比較

如：45鋼D0