金屬材料和熱處理基本概念及基礎(chǔ)知識

金屬材料和熱處理

基本概念及基礎(chǔ)知識

現(xiàn)在是1頁\一共有46頁\編輯于星期四金屬材料的力學(xué)性能介紹金屬材料的工藝性能介紹熱處理基本原理現(xiàn)在是2頁\一共有46頁\編輯于星期四

第一章金屬材料的力學(xué)性能

金屬材料的力學(xué)性能是指金屬抵抗外加載荷引起的變形和斷裂的能力，也叫材料的機(jī)械性能。金屬材料的力學(xué)性能分為強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、耐磨性和缺口敏感性等。一、強(qiáng)度強(qiáng)度指金屬在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力，用應(yīng)力表示，符號為σ,單位為N/mm2。分為拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度等。

現(xiàn)在是3頁\一共有46頁\編輯于星期四1.抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度σb是指在拉伸實驗過程中試樣所承受的最大載荷F與試樣原始截面積S的比值，即σb=F/S。它表示一定截面的材料所能承受的最大載荷。屈服強(qiáng)度以規(guī)定發(fā)生一定的殘留變形（通常以0.2％殘留變形）時的應(yīng)力為屈服強(qiáng)度，符號為σs（或σ0.2），它表示材料開始微量塑性變形時的應(yīng)力。退火或正火鋼材：σs≈0.5～0.6σb淬火、回火鋼材：σs≈0.8～0.9σb現(xiàn)在是4頁\一共有46頁\編輯于星期四

屈服強(qiáng)度是機(jī)械設(shè)計中對材料最重要的性能指標(biāo)。對塑性材料，強(qiáng)度設(shè)計以屈服強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)力[σ]=σS/n，n為安全系數(shù)。2.疲勞斷裂和疲勞極限疲勞斷裂是指零件在交變載荷作用下經(jīng)過較長時間作用而發(fā)生的斷裂現(xiàn)象。斷裂時的應(yīng)力一般遠(yuǎn)小于零件的屈服強(qiáng)度。距統(tǒng)計，在各類機(jī)件破壞中有80～90％屬于疲勞斷裂。我廠的搖臂、扭桿，均多次發(fā)生疲勞斷裂。金屬材料在交變載荷作用下經(jīng)過無限次應(yīng)力循環(huán)而不致引起斷裂的最大循環(huán)應(yīng)力，稱為疲勞極限。在實際使用中，一般規(guī)定經(jīng)過107次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生斷裂，即認(rèn)為不再發(fā)生斷裂。

現(xiàn)在是5頁\一共有46頁\編輯于星期四σ-1（旋轉(zhuǎn)彎曲）≈0.45σb（HRC≤40）σ-1（拉壓）≈0.65σ-1≈0.28σbτ-1（扭轉(zhuǎn)）≈0.55σ-1≈0.24σb表面強(qiáng)化處理如氮化、滲碳、碳氮共滲、感應(yīng)淬火、噴丸、滾壓能明顯提高零件的疲勞強(qiáng)度?，F(xiàn)在是6頁\一共有46頁\編輯于星期四現(xiàn)在是7頁\一共有46頁\編輯于星期四現(xiàn)在是8頁\一共有46頁\編輯于星期四現(xiàn)在是9頁\一共有46頁\編輯于星期四現(xiàn)在是10頁\一共有46頁\編輯于星期四

3.沖擊韌性和斷裂韌性沖擊韌性是評定金屬材料在動載荷下承受沖擊抗力的性能指標(biāo)，用符號αK表示，單位為J/cm3。沖擊值的大小，反映出金屬材料韌性的好壞，αK值愈大，表示材料的韌性越好，抵抗沖擊載荷而不被破壞的能力越大。高強(qiáng)度鋼零件以及中、低強(qiáng)度鋼的大型構(gòu)件，經(jīng)常在總應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度的條件下發(fā)生脆性斷裂。這種在屈服強(qiáng)度以下產(chǎn)生的脆性斷裂稱為低應(yīng)力脆性斷裂，簡稱低應(yīng)力脆斷。大量斷裂事例表明，零件的低應(yīng)力脆斷是由宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展引起的。斷裂韌性是衡量金屬材料在裂紋存在的情況下抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，用符號KIC表示，單位是N/mm3/2。KIC=YσC（αc）1/2。斷裂韌性是材料強(qiáng)度和塑性的綜合體現(xiàn)?，F(xiàn)在是11頁\一共有46頁\編輯于星期四現(xiàn)在是12頁\一共有46頁\編輯于星期四

第二章金屬材料的工藝性能

金屬材料的工藝性能是指將金屬制成具有一定形狀和良好性能的零件或毛坯的可能性以及難易程度。它直接影響制造零件的工藝方法、成本和產(chǎn)品質(zhì)量，也是選用金屬材料時必須考慮的重要因素之一。金屬材料的工藝性能一般可分為：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理工藝性能等。一、鑄造性能金屬的鑄造性能指能否將金屬材料用鑄造方法制成優(yōu)良鑄件的能力，它取決于鑄造金屬的流動性和收縮性。

現(xiàn)在是13頁\一共有46頁\編輯于星期四二、壓力加工性能壓力加工性能是指能否用壓力加工的方法將金屬加工成優(yōu)良工件的能力。金屬壓力加工性能的好壞，主要取決于金屬本身塑性的好壞和變形抗力的大小。一般來說，含碳及合金元素少的鋼，壓力加工性能較好。金屬的壓力加工方法包括：鍛造、軋制、拉制、擠壓、沖壓等。三、焊接性能焊接性是指使用一定的焊接工藝條件下對一定材料形成優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。它包括兩個方面：一是工藝焊接性，即在一定工藝條件下接頭產(chǎn)生缺陷的敏感性（氣孔、裂紋）；二是使用焊接性，指在一定工藝條件下接頭符合使用要求的程度。現(xiàn)在是14頁\一共有46頁\編輯于星期四一般來說，低碳鋼具有良好的焊接性，中碳鋼、高碳鋼、高合金鋼、鑄鐵、鋁合金的焊接性能較差。四、金屬的切削加工性能金屬的切削加工性能是指能否將金屬用刀具切削成具有一定的精度和表面粗糙度的零件的性能。金屬切削性能的好壞，主要與金屬材料的硬度、韌性、化學(xué)成分和加工硬化程度有關(guān)。一般比較理想的切削加工硬度為170～230HB。硬度太低，材料韌性太強(qiáng)，切削時容易粘刀；硬度太高，切削時容易磨損刀具。五、熱處理工藝性零件熱處理工藝性是指在滿足使用要求的前提下，采用熱處理生產(chǎn)的可行性和經(jīng)濟(jì)性。主要包括淬透性、淬硬性、回火脆性、過熱敏感性、耐回火性、氧化脫碳傾向等?，F(xiàn)在是15頁\一共有46頁\編輯于星期四第三章金屬的熱處理基本原理

金屬的熱處理是將固態(tài)金屬通過加熱、保溫、冷卻的方法改變其內(nèi)部組織，從而獲得所需要的性能的工藝過程。鋼在熱處理過程中產(chǎn)生了內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變—相變，而一定的內(nèi)部組織又是對應(yīng)著一定的性能的，組織轉(zhuǎn)變必然引起性能的相應(yīng)改變，因此相變是熱處理的基礎(chǔ)，也是鋼可以通過熱處理改變其性能的根據(jù)。鋼的熱處理的目的就在于改變或改善鋼的性能。一、鐵碳合金相圖及鋼的組織1.晶體與晶格內(nèi)部原子按一定幾何形狀作有規(guī)則的幾何排列的物質(zhì)稱為晶體。所有固體金屬與合金都是晶體，晶體都有固定的熔點?，F(xiàn)在是16頁\一共有46頁\編輯于星期四描述晶體中原子規(guī)則排列方式的空間幾何圖形稱為晶格或點陣。最常見的金屬晶格有三種：體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。2.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬在固態(tài)下晶格隨溫度而改變的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。鐵具有三種同素異構(gòu)形式，在鐵碳合金系中δ鐵、鐵、α鐵都溶解有碳而形成固溶體，分別稱為高溫鐵素體、奧氏體和鐵素體?，F(xiàn)在是17頁\一共有46頁\編輯于星期四現(xiàn)在是18頁\一共有46頁\編輯于星期四

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是原子重新排列，形成另一種金屬的過程。在由一種晶格轉(zhuǎn)變成另一種晶格的過程中，總要引起比容的變化，必然要產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力。這就是熱處理過程中，零件變形或開裂的重要原因之一。⑴鐵素體C在α-Fe中的間隙固溶體（體心立方結(jié)構(gòu)）叫鐵素體（F），C在α-Fe中溶解度極小，最大為0.0218。⑵奧氏體C在-Fe中的固溶體（面心立方晶格）叫奧氏體（A）,C在-Fe中的溶解度較大，為2.11%～0.77%。F與A的強(qiáng)度、硬度都較低，而塑性和韌性好?，F(xiàn)在是19頁\一共有46頁\編輯于星期四⑶滲碳體（Fe3C）晶格復(fù)雜的間隙化合物，強(qiáng)度很低（40MPa)，塑性幾乎為零，但硬度很高(HB800)，所以Fe3C硬而脆。在鋼和白口鐵中以片狀、球狀、網(wǎng)狀、條狀等形式存在。它的形狀和分布對鋼性能影響很大，是鐵碳合金的強(qiáng)化相。⑷珠光體珠光體（P）是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，其中鐵素體約占88％，含碳量約為0.77％。珠光體一般多是層片狀，由鐵素體和滲碳體相互交替排列而成。珠光體的機(jī)械性能，⑸貝氏體⑹馬氏體現(xiàn)在是20頁\一共有46頁\編輯于星期四現(xiàn)在是21頁\一共有46頁\編輯于星期四3.鐵碳合金的分類按含碳量和組織不同，鐵碳合金分三類：⑴工業(yè)純鐵（C<0.0218%）⑵鋼（C0.0218～2.11%）。根據(jù)室溫組織不同，又分三種：共析鋼（C=0.77%），亞共析鋼（C<0.77%），過共析鋼（C>0.77%）。

⑶白口鐵（C2.11～6.69%）。根據(jù)室溫組織不同，又分三種：共晶白口鐵（C=4.3%），亞共析白口鐵（C<4.3%），過共析白口鐵（C>4.3%）。

現(xiàn)在是22頁\一共有46頁\編輯于星期四現(xiàn)在是23頁\一共有46頁\編輯于星期四現(xiàn)在是24頁\一共有46頁\編輯于星期四二、鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變加熱是熱處理的第一步。目的是為了獲得成分均勻，晶粒細(xì)小的奧氏體。亞共析鋼奧氏體化除PA，還需加熱到AC3，F(xiàn)A。過共析鋼奧氏體化除PA，還需加熱到ACCM，F(xiàn)e3CA?，F(xiàn)在是25頁\一共有46頁\編輯于星期四

晶粒粗大不僅降低材料的強(qiáng)度，更嚴(yán)重?fù)p害材料的塑性、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度及斷裂韌性?，F(xiàn)在是26頁\一共有46頁\編輯于星期四現(xiàn)在是27頁\一共有46頁\編輯于星期四三、鋼冷卻時的組織轉(zhuǎn)變冷卻是鋼在熱處理過程中，繼加熱、保溫后的重要工序，它往往決定鋼熱處理后的組織和性能。碳鋼中的奧氏體只有在高溫下才能穩(wěn)定存在。隨著溫度的降低，奧氏體必將轉(zhuǎn)變成其它組織。通常冷卻到A1以下的奧氏體稱為過冷奧氏體。隨著冷卻速度的不同，奧氏體在不同的溫度范圍將會形成不同的組織。在較高的溫度范圍內(nèi)過冷奧氏體可以通過珠光體轉(zhuǎn)變機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w；在中溫范圍內(nèi)，通過貝氏體轉(zhuǎn)變機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)樨惞怏w，而在低溫范圍內(nèi)，通過馬氏體轉(zhuǎn)變機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)轳R光體。對于亞共析鋼和過共析鋼來說，在高溫范圍內(nèi)還可能出現(xiàn)先共析轉(zhuǎn)變，析出先共析鐵素體或先共析滲碳體?，F(xiàn)在是28頁\一共有46頁\編輯于星期四符號說明A1在平衡狀態(tài)下，奧氏體、鐵素體、滲碳體或碳化物共存的溫度，即一般所說的下臨界點A3亞共析鋼在平衡狀態(tài)下，奧氏體、鐵素體共存的最高溫度，即亞共析鋼的上臨界點ACM過共析鋼在平衡狀態(tài)下，奧氏體和滲碳體或碳化物共存的最高溫度，即過共析鋼的上臨界點AC1鋼加熱開始形成奧氏體的溫度AC3亞共析鋼加熱時，所有鐵素體均轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度ACCM過共析鋼加熱時，所有滲碳體或碳化物均轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度Ar1鋼高溫奧氏體化后，奧氏體分解為鐵素體和珠光體的溫度Ar3亞共析鋼高溫奧氏體化后，鐵素體開始析出的溫度現(xiàn)在是29頁\一共有46頁\編輯于星期四符號說明ArCM過共析鋼高溫奧氏體化后冷卻時，滲碳體或碳化物開始析出的溫度Bs鋼奧氏體化后冷卻時，奧氏體開始分解為貝氏體的溫度Ms鋼奧氏體化后冷卻時，奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的溫度Mf奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體終了的溫度現(xiàn)在是30頁\一共有46頁\編輯于星期四加熱與冷卻時鋼的臨界點位置現(xiàn)在是31頁\一共有46頁\編輯于星期四1.常用的冷卻方式鋼熱處理常用的冷卻方式有兩種：等溫冷卻和連續(xù)冷卻。等溫冷卻是將奧氏體迅速冷卻到臨界點以下某一溫度進(jìn)行保溫，使過冷奧氏體在該溫度下進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變后再冷到室溫。連續(xù)冷卻是將奧氏體自高溫連續(xù)冷卻到室溫。2.共析鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線（TTT曲線或C曲線）C曲線：表示A急速冷卻到A1以下，在各不同溫度的保溫過程中，轉(zhuǎn)變量與轉(zhuǎn)變時間的關(guān)系曲線?，F(xiàn)在是32頁\一共有46頁\編輯于星期四

現(xiàn)在是33頁\一共有46頁\編輯于星期四現(xiàn)在是34頁\一共有46頁\編輯于星期四3.共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變現(xiàn)在是35頁\一共有46頁\編輯于星期四現(xiàn)在是36頁\一共有46頁\編輯于星期四現(xiàn)在是37頁\一共有46頁\編輯于星期四4.馬氏體轉(zhuǎn)變與馬氏體馬氏體轉(zhuǎn)變是過冷奧氏體在低溫范圍內(nèi)的無擴(kuò)散轉(zhuǎn)變。由鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線可知，以大于臨界冷卻速度VC的速度冷卻時，將完全抑制奧氏體的高溫及中溫轉(zhuǎn)變，而使之過冷至Ms以下的較低溫度。由于溫度過低，原子不能進(jìn)行長程的擴(kuò)散轉(zhuǎn)移，結(jié)果由面心立方晶格的奧氏體以切變方式轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格的α-鐵，而其中碳濃度保持不變，形成了碳在α-鐵中的過飽和固溶體。Ms點：馬氏體轉(zhuǎn)變開始的溫度稱為Ms點。Mf點：馬氏體轉(zhuǎn)變終止的溫度稱為Mf點?，F(xiàn)在是38頁\一共有46頁\編輯于星期四現(xiàn)在是39頁\一共有46頁\編輯于星期四⑴板條狀馬氏體和片狀馬氏體板條狀馬氏體主要在低、中碳鋼中出現(xiàn)，形狀為窄而細(xì)長的板條，并且許多板條總是成群地平行排列在一起。片狀馬氏體在顯微鏡下呈針狀或竹葉狀，其空間形態(tài)呈雙凸透鏡狀，片與片之間不相平行，常呈一定的角度相交。主要在高碳鋼中存在。低碳板條狀馬氏體兼有很高的強(qiáng)度和良好的韌性，高碳片狀馬氏體具有極高的硬度但是脆而韌性差。因此在熱處理過程中，應(yīng)在保證足夠的強(qiáng)度和硬度情況下，獲得盡可能多的板條狀馬氏體。⑵在鋼的各種組織中，馬氏體具有最大的比容，奧氏體的比容最小。而且含碳量愈高，兩者相差越大；因而淬火前后工件的體積變化也越大，這是鋼件淬火時產(chǎn)生變形、開裂的根本原因之一?，F(xiàn)在是40頁\一共有46頁\編輯于星期四現(xiàn)在是41頁\一共有46頁\編輯于星期四2.貝氏體轉(zhuǎn)變與貝氏體貝氏體是過冷奧氏體在珠光體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間以下，馬氏體