金屬材料及熱處理簡介

第1章工程材料及熱處理

1.1金屬材料的性能

1.1.1力學(xué)性能：材料在外加載荷作用下所表現(xiàn)出的特性。

1.強(qiáng)度(包括疲勞強(qiáng)度)：指材料在靜載荷(外力)作用下抵抗變形和斷裂的能力。σb=Fb/Ao

2.硬度(布氏硬度HBS、HBW和洛氏硬度HRC)：指材料抵抗局部變形，尤其是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。HBS=F/A

3.塑性：指金屬發(fā)生永久變形但不破壞的能力.δ=(l1-l0)/l0

4.韌性(沖擊韌度)：指材料在沖擊載荷作用下，抵抗破壞的能力。ak=Ak/A(材料斷裂前所能吸收的變形能量)

1.1.2工藝性能：是指金屬材料所具有的能夠適應(yīng)各種加工工藝要求的能力。

1.鑄造性能；2.鍛造性能；3.焊接性能；4.切削加工性能；

5.熱處理性能。

1.1.3物理性能：密度、熔點、導(dǎo)電導(dǎo)熱性、熱膨脹性和磁性等。

1.1.4化學(xué)性能：耐腐蝕性和抗氧化性等。1-1晶胞是一個立方體，立方體的八個頂角和立方體中心各有一個原子?！Ｒ娪秀t、鎢、鉬、釩和α-Fe等。常見的金屬晶格類型：體心立方晶格、

面心立方晶格、密排六方晶格。

1.體心立方晶格：1-2

晶胞是一個立方體，立方體的八個頂角和六個面中心各有一個原子。——常見有鋁、銅、鎳、銀和γ-Fe等。

2.面心立方晶格

：1-3

晶胞是一個正六棱柱體，在柱體的各個角和上下底面中央各有一個原子，在頂面和底面的中間還有三個原子?！Ｒ娪墟V、鋅、鈹?shù)取?/p>

3.密排六方晶格：1-4金屬的同素異晶（構(gòu)）轉(zhuǎn)變：

在固態(tài)下，隨溫度的變化，其晶格類型會發(fā)生轉(zhuǎn)變，這種現(xiàn)象稱為金屬的同素異晶（構(gòu)）轉(zhuǎn)變。金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變是通過原子的重新排列來完成的，實質(zhì)上是一個重結(jié)晶過程。純鐵的同素異晶（構(gòu)）轉(zhuǎn)變可用下式表示：1-51-6一、鐵碳合金的基本組織

鐵碳合金：Fe+CFe+Fe3C（鋼鐵材料）合金—兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬和非金屬元素熔合在一起，構(gòu)成具有金屬特性的物質(zhì)，稱為合金。機(jī)械中大量使用合金的原因：1.合金比純金屬強(qiáng)度、硬度高，且成本低。2.可以改變合金的成分和進(jìn)行不同的熱處理。在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)其性能。鐵碳合金的五種基本組織：1-7

鐵素體是碳溶于α-Fe中所形成的間隙固溶體，體心立方晶格。其強(qiáng)度和硬度很低，塑性、韌性好。一、鐵碳合金的基本組織

1、鐵素體（F）

2、奧氏體（A）

奧氏體是碳溶于γ-Fe中所形成的間隙固溶體，面心立方晶格。其強(qiáng)度和硬度比鐵素體高，塑性、韌性也好。1-81-9

滲碳體是鐵與碳形成的金屬化合物，碳含量是6.69％，具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。其硬度很高，塑性和韌性很差，脆性很大。鐵碳合金的基本組織

3、滲碳體（Fe3C）

4、珠光體（P）

(F+Fe3C)

奧珠光體是由鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。性能介于鐵素體和滲碳體之間，強(qiáng)度較高，硬度適中，有一定的塑性。5、萊氏體（Ld或Ld′）(A+Fe3C或P+Fe3C)

727℃以上，高溫萊氏體Ld是由奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物；727℃以下，低溫萊氏體Ld′是由珠光體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。萊氏體的平均碳含量4.3%。性能與滲碳體相似，硬度高，塑性和韌性很差。1-101-11目前應(yīng)用的鐵碳合金狀態(tài)圖是含碳量為0～6.69%的鐵碳合金部分（即Fe－Fe3C部分），因為含碳量大于6.69％的鐵碳合金在工業(yè)上無使用價值。右圖為簡化后的Fe－Fe3C狀態(tài)圖。

鐵碳合金狀態(tài)圖分析

1-121-131-141-151、鐵碳合金的分類

1-161-172、含碳量與材料力學(xué)性能間的關(guān)系

強(qiáng)度：當(dāng)Wc<0.9％時，隨著Wc增加，不斷提高；當(dāng)Wc>0.9％時，由于滲碳體在晶界呈網(wǎng)狀分布，使鋼的強(qiáng)度下降。硬度：隨Wc的增加而提高。

塑性：隨Wc的增加而迅速降低。

沖擊韌性：隨Wc的增加而迅速降低。

故工業(yè)用鋼一般Wc<1.4％1-18

1.3鋼的熱處理

1-19概述：

1.鋼的熱處理定義：就是將鋼在固態(tài)下，通過加熱、保溫和冷卻，以改變鋼的組織，從而獲得所需性能的工藝方法。保溫臨界溫度冷卻時間加熱溫度2.基本過程(三步曲)為：加熱---保溫---冷卻3.熱處理作用：(1)最終熱處理：a.提高強(qiáng)度和硬度，增加零件耐磨性，延長零件使用壽命；b.獲得零件所要求的使用性能。(2)預(yù)備熱處理：a.消除內(nèi)應(yīng)力；b.調(diào)整硬度和塑性，改善切削加工性；c.為最終熱處理作組織準(zhǔn)備等。1-20

4.常用熱處理的分類：

1).整體(普通)熱處理：（1）退火與正火；

（2）淬火與回火。

2).表面熱處理：表面淬火.

3).化學(xué)熱處理：（1）滲碳與滲氮；

（2）碳滲共氮。

5.熱處理加熱的目的：

加熱后得到全部或大部分

細(xì)小的奧氏體(A)組織(晶粒)。

6.熱處理工藝的關(guān)鍵：

控制好加熱溫度、保溫時間

和冷卻速度。

7.冷卻介質(zhì)：

爐冷、空冷、油冷和水冷。

從左到右冷卻速度越來越大。1-21

退火:就是將工件加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。

退火主要用于:鑄、鍛、焊毛坯或半成品零件。一、鋼的退火與正火

退火的目的：1.降低鋼的硬度，提高塑性，改善其切削加工性能；2.均勻鋼的成分，細(xì)化晶粒，改善組織與性能；3.消除工件的內(nèi)應(yīng)力，防止變形與開裂；4.為最終熱處理作準(zhǔn)備。1-22

1、完全退火

將鋼完全奧氏體化后緩慢冷卻，獲得接近平衡組織的退火工藝。目的:(1).降低鋼的硬度、以利于切削加工；(2).消除應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，防止變形和開裂；(3).細(xì)化晶粒，改善組織，為最終熱處理作組織準(zhǔn)備。加熱溫度：Ac3以上30～50℃。應(yīng)用范圍：亞共析碳鋼和合金鋼的鑄件、鍛件、焊接件及熱軋型材等。過共析鋼不宜采用完全退火。1-23退火與正火、淬火溫度范圍比較：

1-242、球化退火

使鋼中的碳化物球狀化而進(jìn)行的退火工藝。目的：使網(wǎng)狀Fe3CⅡ或片狀滲碳體轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙顫B碳體，降低硬度，便于切削加工，為淬火作好組織準(zhǔn)備。加熱溫度：Ac1以上20～40℃。應(yīng)用范圍：共析鋼、過共析鋼和合金工具鋼、軸承鋼等的鍛軋件。對網(wǎng)狀Fe3CⅡ比較嚴(yán)重的鋼，在球化退火前先進(jìn)行一次正火處理。1-253、去應(yīng)力退火

將鋼加熱到Ac1以下，保溫一定時間，然后隨爐冷卻的退火工藝。目的：消除工件的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形。加熱溫度：Ac1以下溫度，一般500～650℃。應(yīng)用范圍：鑄件、鍛件、焊件、切削加工件等。去應(yīng)力退火因加熱溫度低于A1，故不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，只消除內(nèi)應(yīng)力。1-26退火與正火、淬火溫度范圍比較：

1-274、鋼的正火

方法：將亞共析鋼加熱到Ac3以上30～50℃，過共析鋼加熱到Accm以上30～50℃，保溫后空冷。

用途：正火主要用于以下方面:

1)對低碳鋼和低碳合金鋼盡量以正火代退火，可提高硬度(140～190HBS)，改善切削加工；

2)可作為普通結(jié)構(gòu)鋼的最終熱處理；

3)對淬火有開裂危險的零件，正火可作為最終熱處理。

1-28退火與正火、淬火溫度范圍比較：

1-29

二、鋼的淬火：

1.定義：將鋼加熱到Ac3或Ac1以上30～50℃，保溫后在介質(zhì)中快速冷卻，以獲得馬氏體組織的熱處理工藝。

2.目的：

提高硬度,強(qiáng)化工件。3.加熱溫度

鋼的含碳量是決定其淬火加熱溫度的主要因素(見左圖)。

1-304.冷卻介質(zhì)

鋼淬火的目的是為了獲得高硬度的馬氏體，但又要減少工件變形和防止工件開裂.生產(chǎn)上常用的冷卻介質(zhì)有水、礦物油、鹽水、堿水等。1-31三、鋼的回火

回火是將淬硬后的工件加熱到Ac1點以下某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。是緊接淬火之后的熱處理工序。

目的：1.獲得工件所需要的力學(xué)性能；2.消除或減少內(nèi)應(yīng)力，降低鋼的脆性，防止變形和開裂；3.穩(wěn)定工件組織和尺寸，保證精度。

1-321、回火方法：1）低溫回火：加熱溫度在150～250℃內(nèi)進(jìn)行的回火。目的：保持淬火工件高硬度和高耐磨性，降低淬火殘留應(yīng)力和脆性。力學(xué)性能：58～64HRC，高的硬度和耐磨性。應(yīng)用范圍：各種刃具、量具、模具、滾動軸承、滲碳及表面淬火等要求硬而耐磨的零件。1-332）中溫回火：加熱溫度在350～500℃之間進(jìn)行的回火。目的：使工件獲得較高的彈性和強(qiáng)度，適當(dāng)?shù)捻g性和硬度。力學(xué)性能：硬度35～50HRC，較高的彈性極限、屈服強(qiáng)度和一定的韌性。應(yīng)用范圍：各種彈性元件及熱鍛模等。1-34

3）高溫回火：又稱調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火）。加熱溫度在500℃～650℃之間進(jìn)行的回火。目的：使工件獲得強(qiáng)度、塑性和韌性都較好的綜合力學(xué)性能。力學(xué)性能：硬度200～350HBS，或25～35HRC，具有較好的綜合力學(xué)性能。應(yīng)用范圍：各種較重要的受力結(jié)構(gòu)件；如強(qiáng)度和韌性性能都好的軸、齒輪等常用調(diào)質(zhì)處理。1-35四、鋼的表面熱處理與化學(xué)熱處理

1、鋼的表面熱處理

表面熱處理是只對工件表層進(jìn)行熱處理以改變其組織和性能的熱處理工藝。常用的方法是表面淬火。表面淬火是僅對工件表層進(jìn)行淬火的熱處理工藝。表面淬火不改變零件表層的化學(xué)成分，只改變表層的組織，并且心部仍保留原來退火、正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)的組織。

目的：是使工件表層具有高硬度、耐磨性，而心部具有足夠的強(qiáng)度和韌性，如齒輪、主軸、曲軸和凸輪軸等。工業(yè)上常用的表面淬火方法有火焰淬火和感應(yīng)淬火。1-361）感應(yīng)淬火

感應(yīng)淬火是指利用感應(yīng)電流通過工件所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使工件表層、局部或整體加熱，并快速冷卻的淬火工藝。1-372）火焰表面淬火

火焰表面淬火是應(yīng)用氧－乙炔（或其它可燃?xì)怏w）火焰，對零件表面加熱，然后快速冷卻的淬火，淬硬層深度一般為2～6mm。

1-382、鋼的化學(xué)熱處理簡介

化學(xué)熱處理是將工件放入一定溫度的活性介質(zhì)中加熱并保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學(xué)成分、組