金屬材料與熱處理.ppt

1、金屬材料與熱處 理,職業(yè)心理與行為建設(shè),探索，才會發(fā)現(xiàn),要求，才能得到,敲門，門才會為你而開！,圣經(jīng)-馬泰服役,敲門磚之一 -金屬材料與熱處理,主要內(nèi)容 ：,第一章金屬的性能,引入： 1、材料：能為人類所利用并可以制造各種產(chǎn)品的物質(zhì)。 材料、信息、能源是衡量一個國家現(xiàn)代化程度、社會地位的重要標(biāo)志。又能源能否開發(fā)，信息的傳遞，科學(xué)理論在生產(chǎn)中的推廣、應(yīng)用，均取決于材料。材料的種、數(shù)、質(zhì)是解決問題的關(guān)鍵。,第一章金屬的性能,-如：黑色、有色金屬材料,-如：普通、特種陶瓷、玻璃陶瓷,-將兩種或多種固體材料進行復(fù)合而成的材料，如：硬質(zhì)合金,-如：橡膠、塑料材料,第一章金屬的性能,金屬材料是現(xiàn)代化機械制

2、造業(yè)的基本材料，應(yīng)用廣、性能良好。,使用性能指金屬材料在使用條件下所表現(xiàn)出的性能（物、化、力）,工藝性能指金屬材料在制造加工過程中所反映出來的各種性能（鑄、鍛、焊、切）。,1-1 金屬的力學(xué)性能 1、：指金屬在外力作用下所表現(xiàn)出了的性能。 主包括強度、硬度、塑性、沖擊韌性、疲勞強度。 2、載荷：金屬材料在加工及使用過程中所受的外力。 常分靜、沖擊、交變載荷 3、變形：金屬材料受載荷作用而產(chǎn)生的幾何形狀、尺寸的變化。分彈性、塑性變形。,5、內(nèi)力：金屬受載荷作用時，為保持其不變形，在材料的內(nèi) 部作用著與外力相對抗的力。 6、應(yīng)力：單位面積上的內(nèi)力。 拉伸、壓縮載荷下，橫截面積上的應(yīng)力計算： = F

3、 / S （單位 Pa或 MPa N / m2或N/m m2）,4、失效：當(dāng)零件使用時出現(xiàn)了無法正常工作，失去原有的預(yù)定工作效能，如：過量的彈性變形、塑性變形、磨損、斷裂等均稱為 。,力-伸長曲線： 如下圖，以低碳鋼為例,材料在拉伸過程中有以下幾變形階段： 1）、oe彈性變形階段 2）、es屈服階段 3）、sb強化階段（介紹“形變強化”）（開始出現(xiàn)塑性變形） 4）、bz縮頸階段。Z點為斷裂點。,一、強度： 指金屬在靜載荷作用下，抵抗塑性變形或斷裂的能力。,2）、抗拉強度:b材料在斷前所能承受的最大應(yīng)力. b = Fb / So 注：零件在工作中所受的應(yīng)力,不允許超過b,否則會斷裂. 它也是零件

4、設(shè)計選材的重要依據(jù).,2、強度指標(biāo)： 1）、屈服點：s拉伸試驗中，載荷不增，試樣仍繼續(xù)伸長時的應(yīng)力。 s = Fs / So,注：對于無明顯屈服現(xiàn)象材料國標(biāo)規(guī)定用：規(guī)定殘余伸長應(yīng)力0.2表示. s 或 0.2都是衡量材料塑性變形抗力的指標(biāo).數(shù)值,工件允許工作應(yīng)力,工作時工作應(yīng)力不允許超過屈服點，否則會出現(xiàn)塑性變形。它們是評定金屬性能的重要指標(biāo);是機械零件設(shè)計主要依據(jù).,塑性指標(biāo) 、一般不直接用于工程計算。但任何零件都要求材料具有一定的塑性。（ 偶爾的過載，能發(fā)生一定的塑性變形而不致突斷，安全性；另外還可緩和應(yīng)力集中 ；易于冷成型加工）,二、塑性 指斷裂前金屬材料產(chǎn)生永久變形的能力。,其衡量指標(biāo)

5、也由拉伸試驗來確定。 一般用伸長率、斷面收縮率來反映。、值越大，表示其塑性越好。,三、硬度： 指材料抵抗局部變形特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。 其為金屬材料的重要力學(xué)性能之一；且硬度試驗應(yīng)用十分廣泛。 測定方法：壓入硬度法。常有布氏、洛氏、維氏硬度。,HBSHBW 應(yīng)用范圍：主要適于灰鑄鐵、有色金屬、各種軟鋼等硬度不高的材料。 耗時，測高硬度材料有限，壓痕大，不宜成品及薄件,HRAHRBHRC 優(yōu)點：簡、快；痕小，適于成品和薄件；測試范圍廣，從軟極硬。 缺點：壓痕小，對組織不均勻的材料，測值不夠準(zhǔn)。,HV 優(yōu)點：力小壓痕較淺，適較薄件；可測表面滲C和滲N層深度；從軟極硬；準(zhǔn)確度高。 缺點：

6、工作效率不如洛氏硬度,洛氏硬度試驗原理圖,布氏硬度試驗原理圖,四、沖擊韌性： 指金材抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。,1、常用一次擺錘沖擊彎曲試驗來測定金屬材料的沖擊韌性。,沖擊試驗是利用能量守恒原理：試樣被沖斷過程中吸收的能量等于擺錘沖擊試樣前后的沖擊勢能差。,試樣被沖斷時所吸收的能量既是擺錘沖擊試樣所作的功，稱為沖擊吸收功。 符號用 AK 表示。,AK=GH1-GH2=G(H1-H2),2、 實踐中，絕大多數(shù)受沖擊載荷的工件是在小能量多次沖擊作用下而破壞的。（多次沖擊損傷的積累 裂紋產(chǎn)生、擴展而引至的結(jié)果）,注：金材受大能量的沖擊載荷作用時，其沖擊抗力主取決于ak大小。而小能量多次的沖擊載

7、荷作用，其沖擊抗力主取決于材料的強度和塑性。,沖擊吸收功（AK）除以試樣缺口處的截面積（S0),即可得到材料的沖擊韌度，用符號aK表示,aK = AK / S0 ； 單位 J / Cm2,沖擊韌度：是沖擊試樣缺口處單位橫截面積上的沖擊吸收功。,aK 值越大，表示材料的沖擊韌性越好。,3、產(chǎn)生疲勞破壞的原因： 材料表面或內(nèi)部有缺陷，這部分局部應(yīng)力 s ，從而在交變載荷作用下產(chǎn)生局部塑性變形 開裂，微裂紋隨 循環(huán)次數(shù)的 而漸擴展 工件有效承載面積 最后至不能承受外加載荷而突然斷裂。 實證：金屬承受的交變應(yīng)力越小，則其斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N越多（壽命長）；反之，則N 越少。,五、疲勞強度：,1、疲勞

8、： 指承受交變應(yīng)力的零件，在工作過程中，常在工作應(yīng)力低于其s 的情況下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。,2、疲勞破壞的特征： 1）、無明顯的塑性變形，突發(fā)性強，無預(yù)兆； 2）、引起的 很低 ；3）、斷口常具有三個區(qū)域：疲勞源、裂紋擴展、瞬時斷裂區(qū)。,3）、提高工件疲勞極限的常用方法： 除與選材的本性有關(guān)外，還可借以下方法來提高： 改善零件的結(jié)構(gòu)形式（設(shè)計盡量避免尖角、缺口、截面突 變）； 提高零件表面加工質(zhì)量，降低粗糙度： 進行工件的表面強化處理,4、疲勞曲線、疲勞極限： 1）、疲勞曲線：指交變應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。,2）、疲勞極限：指金材在無限多次交變應(yīng)力作用下而不破 壞的最大應(yīng)力。 疲勞極限數(shù)值越大，

9、材料的抵抗疲勞的能力越強。,二、鍛造性能 用鍛壓成形方法獲得優(yōu)良鍛件的難易程度，稱為鍛造性能。 鍛造性能取決于材料 -材料的塑性、塑性變形抗力。,1-2 金屬的工藝性能,工藝性能： 指金屬材料對于不同加工工藝方法的適應(yīng)能力，稱為工藝性能。它包括：鍛造、鑄造、焊接和切削加工性能。,一、鑄造性能 金屬在鑄造工藝中獲得優(yōu)良鑄件的能力，稱為鑄造性能。 衡量的主要指標(biāo)：1）流動性2）收縮性 3）偏析傾向,黃銅、鋁合金-室溫-鍛造性能良好 碳 鋼-加熱-鍛造性能較好 鑄 鐵 - 則不能鍛壓,四、切削加工性能： 金屬材料在切削加工中獲取優(yōu)良切削面的難易程度。 一般：金屬具有適當(dāng)硬度（160230HBS）和足

10、夠的脆性時較易切削。 -刀具壽命高，工件表面加工粗糙度降，斷屑好，不致破壞已加工表面。,三、焊接性能： 金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性（或優(yōu)良焊接接頭）。 焊接性能主要與材料的化學(xué)成分有關(guān)（其中碳影響最大）。 如：低碳鋼-焊接性能好； 高碳鋼、鑄鐵-焊接性能差。,1、晶 格： 抽象、用于描述原子在晶體中排列形式的幾何空間格架。 2、晶 胞：能夠完全反映晶格特征的最小的幾何單元。 3、晶格常數(shù)：晶胞的棱邊長度。 （ 1 =10-8cm） 4、晶 面：晶體中由一系列原子組成的平面。 晶 向：晶體中過兩個或兩個以上原子中心的直線，表示空間排列的一定方向。 同一晶格中不同晶面、晶向上原子排列的疏密程度不同

11、原子間結(jié)合力不同晶體是有“各向異性”原因。,第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,不同的金屬材料具有不同的性能；即使是同一種材料在不同條件下也會表現(xiàn)出不同的性能。差異？材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同。,2-1 金屬的晶體結(jié)構(gòu),凡原子或分子按一定規(guī)律周期性排列的物質(zhì)，稱為“晶體”。 它具有各向異性，有固定熔點。 如：固體金屬,屬于此類晶格的常見金屬：Mg、Be、Zn等。,5、金屬的晶格類型： 1）、體心立方晶格： 其晶胞為一立方體，a=b=c； 原子位于8個頂角和立方體中心。,屬于此類晶格的常見金屬： Cr、V、W、Mo、a-Fe等。,2）、面心立方晶格： 其晶胞為一立方體，a=b=c； 原子位于8個頂角和6個面中心。

12、,屬于此類晶格的常見金屬：Al、Cu、Pb、Ni、r-Fe等。,3）、密排六方晶格： 其晶胞為一正六棱柱體；原子位于柱體12個 頂角上、下底面的中心各有1原子，柱體內(nèi)還有3個。,實際生產(chǎn)中V冷 較快，金屬液總是在冷卻至 To以下才開始結(jié)晶。 2、實際結(jié)晶溫度 T1總低于To的現(xiàn)象，稱為“過冷”,2-2 純金屬的結(jié)晶,金屬的結(jié)晶：金屬由原子不規(guī)則排列的液體轉(zhuǎn)變?yōu)樵右?guī)則排列的固體的過程。 影響金屬內(nèi)部組織、性能。,一、純金屬的冷卻曲線、過冷度： 1、通過對金屬進行熱分析試驗，來研究金屬的結(jié)晶。如圖2-8 將純金屬液 緩冷，并每隔一定時間測量一次溫度 將數(shù)據(jù)繪于溫度-時間坐標(biāo)圖中 獲得其冷卻曲線。

13、,由曲線可見，金屬液隨時間延長，其熱量漸失，溫度降； 冷至a點時，開始結(jié)晶，結(jié)晶潛熱補償了散失的熱量結(jié)晶時能保持恒溫。到b點結(jié)晶終了，溫度才再繼續(xù)降低。 ab線為該金屬的結(jié)晶階段，其對應(yīng)的溫度為“理論結(jié)晶溫度To”。,常用的細(xì)化晶粒的方法： a、增加過冷度（實為V冷）； b、變質(zhì)處理（引進外來人工晶核）； c、振動處理。,To與實際結(jié)晶溫度之差，稱為“過冷度 T”。,過冷度 T與V冷有關(guān)，當(dāng)V冷越大，則金屬的To降低。,二、純金屬的結(jié)晶過程： 在一定過冷度的條件下，金屬液通過晶核形成 、晶核長大來完成其結(jié)晶過程。,1、晶體中原子排列位向完全一致，呈各向異性，則為“單晶體”。,2、晶體中存在許多

14、位向不同的晶粒，它們各自的各向異性會互相抵消，其顯示各向同性，又稱為“偽各向同性”。,3、晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響：,一般室溫下，細(xì)晶粒金屬具有較高的強度和韌性。,金屬晶粒大小取決于結(jié)晶時的形核率 、長大速度。 -細(xì)化晶粒，則要形核率、長大速度。,三、金屬晶體結(jié)構(gòu)的缺陷：,實際的金屬材料中，由于加入了其他種類的原子及材料在冶煉后的凝固過程中受到各種因素的干擾，使原子排列不像理想晶體那樣規(guī)則。,晶體中出現(xiàn)的各種不規(guī)則的原子堆積現(xiàn)象稱為晶體缺陷。,空位,間隙原子,置代原子,位錯,晶界,亞晶界,實際的固態(tài)金屬是多晶體結(jié)構(gòu)，其晶體中將不同程度出現(xiàn)各種的晶體缺陷，從而造成晶格畸變，它們對金屬的強度、

15、硬度、韌性的提高有重要的影響。,3、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，也稱為“重結(jié)晶”。 其與液態(tài)金屬結(jié)晶有許多相似處：有一定轉(zhuǎn)變溫度，有過冷現(xiàn)象； 有潛熱放出和吸收 ； 也由形核、核長大來完成。 不同處：屬固態(tài)相變 ， 轉(zhuǎn)變需較大的過冷度； 新晶核優(yōu)先在原晶界處形核；轉(zhuǎn)變中有體積的變化，會產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力。,2-3 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,1、：金屬在固態(tài)下，隨溫度的改變其由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象。,具有的常見金屬有：Fe、C0、Ti、Mn、Sn等。,2、純Fe的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：,1394 912 -Fe - Fe Fe 體心 面心 體心,4、相：在合金中成分、結(jié)構(gòu)、性能相同的組成部分。相與相間有明顯的分

16、界。 注：合金的性能一般都是由組成合金的各相性能、數(shù)量、各相組合情況所決定。,純金屬具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性、塑性和金屬光澤，工業(yè)中有一定的價值；但其強度、硬度較低且種類有限，不能滿足實際需求，且冶煉難、價高。,B 新課： 第四章 鐵碳合金,1、合金：由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的，具有金屬特性的物質(zhì)。如黃銅Cu-Zn ；碳鋼、鑄鐵Fe-C ； 硬鋁Al-Mg-Cu,2、組元：組成合金的最基本、獨立的物質(zhì)，簡稱為“元”。 合金中元數(shù)目的多少，合金可分為：二元、三元、多元合金。,3、合金系：給定組元后，以不同比例配制一系列成分不同的合金，這一系列合金構(gòu)成的即為“合金系”。如

17、：碳鋼、鑄鐵都屬Fe-C合金系。,2、性能影響： 材料塑性變形抗力 強、硬度的現(xiàn)象稱“固溶強化”（強化金材的重要途徑）。,4-1 合金的組織,合金中各組元之間結(jié)合方式不同，合金組織可分為： 一、固溶體：,指一種組元的原子溶入另一組元的晶格中所形成的均勻的固相。,晶格類型：與其中某一組元的晶格類型相同。保留晶格形式的為“溶劑”。,1、分類：溶質(zhì)原子在溶劑晶格中分布情況不同， 可分為： 1）、間隙固溶體，2）、置換固溶體：,本次課講解了工業(yè)上強化金屬材料的重要手段分別有- 1 形變強化； 2 細(xì)化晶粒； 3 固溶強化； 4 彌散強化,二、金屬化合物：,因組元間發(fā)生相互作用而形成的具有金屬特性的化合

18、物。,特點：1晶格不同于任何一組元。一般用化學(xué)分子式表示。 2熔點高，脆性大，硬度高； 3有一定程度的金屬性能。,為強化相。當(dāng)其細(xì)小、彌散均布于固溶體基體上，會使材料硬、耐磨性，稱為“彌散強化”。,三、混合物： 兩種或兩種以上的相按一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)組成的機械混合物質(zhì)。 -各相仍保持自己原來的晶格；其性能取決于各相的性能、形態(tài)、數(shù)量、大小。,4-2 二元合金相圖,合金相圖又稱合金狀態(tài)圖，它是能描述合金的成分、溫度和組織之間關(guān)系的圖解。,合金相圖就是能揭示平衡條件下合金成分、溫度和組織之間變化規(guī)律的重要工具；是正確選材和正確制定冶煉、鑄造、鍛壓、焊接、熱處理工藝的重要依據(jù)。,一、二元合金相圖的建立 二

19、元合金相圖常是通過熱分析實驗方法建立起來的平面圖形。,（一）、相圖表示的基本認(rèn)識： 以 Pb-Sb相圖為例 1、相圖坐標(biāo)設(shè)置 縱坐標(biāo)-表示溫度，橫坐標(biāo)-表示成分。 2、橫坐標(biāo)從左到右表示合金成分的變化 即Sb含量由0%向100%逐漸增大； 而Pb含量由100%向0%逐漸減少。,例如：F點-表示5% Sb+95% Pb 的合金， M 點-表示50% Sb +50% Pb 的合金。,3、橫坐標(biāo)上任何一點表示某一定成分的合金。,（二）、Pb-Sb合金相圖,4、通過橫坐標(biāo)上的任一點作的垂線稱為合金線。,例如：N點-表示成分為50% Sb +50% Pb 的合金在300時，其組織為:L+ Sb（是液相與

20、固相銻共存）。,（三）鉛銻合金相圖的分析：,1、圖中重要的點,A點-是純鉛的熔（327）；B點-是純銻的熔點（631）；,C點-是共晶點-是成分為11% Sb +89% Pb的鉛銻合金液體，在溫度冷卻至252時，恒溫條件下一個液相同時結(jié)晶出鉛、銻 兩個固相的轉(zhuǎn)變點。,合金線上不同的點表示該成分的合金在對應(yīng)溫度時的相組成。,一定成分的液態(tài)合金，在緩冷至某一溫度下，其由一個液相同時結(jié)晶兩個固相的過程，稱為共晶轉(zhuǎn)變；,共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為共晶體（Pb +Sb）。,其轉(zhuǎn)變過程可表示如下： 252 Lc （Pb +Sb）,相圖中，C點成分的合金-稱為“共晶合金”-室溫組織（Pb+Sb）； C點以左的合金-

21、為“亞共晶合金”室溫組織：Pb+（Pb+Sb）； C點以右的合金-為“過共晶合金”室溫組織：Sb+（Pb+Sb）。,ACB 線稱為“液相線”，是合金液開始結(jié)晶溫度的連線 ；此線以上無論何種成分的合金全為液相 “ L ” ，此線以下合金開始結(jié)晶。,DCE線稱為“固相線”，是合金液結(jié)晶終了溫度的連線 ；此線以下的合金全為固相。,第四章 鐵碳合金,鐵碳合金是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的金屬材料。不同成分的鐵碳合金，在不同溫度條件下，具有不同的組織和性能；因此其應(yīng)用和工藝處理應(yīng)有不同的選擇。為了解鐵碳合金成分、組織和性能之間的關(guān)系，必須認(rèn)識鐵碳合金相圖。,一、鐵碳合金相圖,二、鐵碳合金基本相、基本組織,鐵碳

22、合金中，碳可溶解在鐵中形成間隙固溶體，又能與鐵作用形成金屬化合物，還可以使不同的相組合形成混合物。,一）、基本相： 1、鐵素體 F 是碳固溶于a -Fe中形成的間隙固溶體。鐵素體仍保持a -Fe 的體心立方晶格。,F的性能： 強度、硬度較低，但具有良好塑性和韌性。,是碳溶于- Fe 中形成的間隙固溶體。奧氏體保持- Fe的面心立方晶格 。,A的性能：強度、硬度不高，但具有良好塑性（120220 HBS，=4060%），是鋼在高溫進行鍛造和熱軋時所要求的組織。一般情況奧氏體不存在于室溫。,2、奧氏體 A,Fe3C性能具有高硬度、高脆性、低強度和低塑性的特點（800HBW，=0%）。滲碳體也是鋼鐵

23、材料在室溫下的重要相，它的形態(tài)、大小、分布對鋼性能有很大影響。常作為鋼彌散強化的基本相。,3、滲碳體 Fe3C 是鐵和碳形成的一種具有復(fù)雜斜方晶格的金屬化合物，用化學(xué)式Fe3C 表示。其含碳量為6.69% C，熔點為1227，在鋼、鑄鐵中與其它相共存時，可呈片狀、球狀、網(wǎng)狀和板條狀，不會發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。,二)、基本組織,1、珠光體： P 是鐵素體和滲碳體（F+Fe3C）片層相間的混合物。它是成分為0.77%C的固態(tài)鐵碳合金,緩冷到727時,其由一固相同時析出兩個固相而形成的產(chǎn)物。 性能：一般為F 、Fe3C 性能的平均值。其強度較高，硬度適中，具有一定的塑性。（180HBS，=2025%）,

24、萊氏體的力學(xué)性能和滲碳體相似，硬度很高，脆性很大。（700HBW，=0%）,3、萊氏體： Ld,萊氏體是奧氏體和滲碳體（A+Fe3C）的混合物，用符號Ld表示。它是含碳量為4.3%C的液態(tài)鐵碳合金,緩冷到1148時從液相中同時結(jié)晶出A 和 Fe3C 的混合物；是共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。,當(dāng)溫度降低，共晶奧氏體碳含量逐漸減少；緩冷到727時, 奧氏體將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變形成珠光體。此時，合金的組織為（P+Fe3C+Fe3C）-稱為低溫萊氏體（符號用Ld），直至室溫，組織不再變化。,鐵碳合金中的F、A、Fe3C都為單相組織，稱為基本相；P、Ld、Ld則由基本相混合而成，常簡稱為基本組織。,3、白口鑄鐵 2.11

25、%CC 6.69%C的鐵碳合金，其特點是液態(tài)結(jié)晶時都有共晶轉(zhuǎn)變，因而與鋼相比有較好的鑄造性能；但高溫或低溫組織硬脆的滲碳體量很多，故不能進行熱壓力加工。按室溫下顯微組織不同，又分為以下三種： 共晶白口鑄鐵 ； 亞共晶白口鑄鐵 ；過共晶白口鑄鐵,三、鐵碳合金的分類： 按合金中成分（C% ）和室溫組織的不同，鐵碳合金分為以下三類：,1、工業(yè)純鐵 C0.0218%C的鐵碳合金，顯微組織為鐵素體， 機械工業(yè)中應(yīng)用極少。,2、鋼 0.0218%CC 2.11%C的鐵碳合金，其特點是高溫固態(tài) 組織為塑性很好的奧氏體，因而可進行熱壓加工 。按室溫下顯微組織不同，又分為以下三種： 共析鋼 C=0.77%，組織

26、為珠光體； 亞共析鋼 0.0218%CC0.77%C，組織為珠光體+鐵素體； 過共析鋼 0.77%CC 2.11%C，組織為珠光體+二次滲碳體。,為保證工業(yè)上使用的鋼具有足夠的強度，并具有一定的塑性和韌性，鋼中的含碳量一般不超過1.4%C。,四、鐵碳合金的成分、組織和性能的關(guān)系 一）、成分（含碳量）與鐵碳合金的室溫組織的關(guān)系,1、根據(jù)相圖的分析，鐵碳合金在室溫下的組織都是由鐵素體和滲碳體兩相組成。,2、 隨著含碳量增加，鐵素體的量逐漸減少，而滲碳體的量則有所增加；同時滲碳體的形態(tài)及分布也發(fā)生變化。隨含碳量的增加，合金的組織將按下列順序變化： F F+P P P+Fe3C P+Fe3C+Ld L

27、d Ld + Fe3C 。,二）、成分（含碳量）與力學(xué)性能的關(guān)系,如圖所示，鐵碳合金的含碳量0.9%C時，由于晶界上形成的網(wǎng)狀的Fe 3C趨于完整擴大，使強度開始明顯下降，硬度增加，塑性和韌性繼續(xù)降低。,四、鐵碳合金相圖的應(yīng)用 Fe-Fe3C 相圖在生產(chǎn)實踐中具有重大的現(xiàn)實意義。,Fe-Fe3C 相圖在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用：選用鋼鐵材料的重要依據(jù)；制定鑄造、鍛造和熱處理等熱加工工藝的依據(jù)。,第五章 碳素鋼,碳鋼除了以鐵、碳為主要成分外，生產(chǎn)時還不可避免地帶入了少量的Mn 、 Si、 S、 P和非金屬夾雜物等。由于碳素鋼具有冶煉容易、價格低廉、有較好的力學(xué)性能和工藝性能，因而在機械制造、建筑、交通運

28、輸?shù)仍S多行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。,碳素鋼是含碳量在0.0218%C2.11%C間且不含有特意加入合金元素的鐵碳合金；其屬于非合金鋼，簡稱碳鋼。,一、常存雜質(zhì)元素對碳素鋼性能的影響 鋼中常存的雜質(zhì)元素是鋼鐵冶煉時帶入的，它們對鋼的性能有一定的影響。,鋼中的有益元素：硅、錳；有害元素：硫、磷、氮、氧、氫等。 硫易使鋼產(chǎn)生“熱脆”，磷易使鋼產(chǎn)生“冷脆”，都是有害元素，要嚴(yán)格控制含量；但在改善切削加工，促進斷屑，提高刀具壽命上也有可利用之處。,二、碳素鋼的分類,三、碳素鋼的牌號及用途,一）、普通碳素結(jié)構(gòu)鋼： 一般以熱軋空冷狀態(tài)供應(yīng)，一般情況下都不經(jīng)熱處理。適應(yīng)于一般工程結(jié)構(gòu)、橋梁、船舶和廠房等建筑結(jié)構(gòu)或

29、力學(xué)性能要求不高的機械零件,1、普通碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號： “Q”+ 屈服點 + 質(zhì)量等級 + 脫氧方法 MPa A、B、C、D （S、P少） F、b、Z、TZ（可省）,2、常用牌號: Q235-AF (舊：A3) 表示屈服點為235MPa的A級普通碳素結(jié)構(gòu).沸騰鋼。,1、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號： “F” - 沸騰鋼 兩位數(shù)字 + “Mn”- 含Mn量較高的（0.7% 1.2%） 表“碳”平均的萬倍 “g、q”-專用于鍋爐、橋梁。,二）、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 是一種應(yīng)用極為廣泛的機械制造用鋼，這類鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能均有較嚴(yán)格的控制，硫、磷含量均少于0.035%，有害元素含量少。,2、常用牌號: 20、 4

30、5、65Mn,三）、碳素工具鋼： 主要用于制造刀具、模具和量具。碳素工具鋼的含碳量為0.65%1.35%C之間，屬于優(yōu)質(zhì)鋼或高級優(yōu)質(zhì)鋼，此類鋼的含碳量范圍可保證淬火后有足夠的硬度。,碳素工具鋼牌號： “Mn”- 含Mn量較高的（0.7% 1.2%） “T” + 數(shù)字 + 表“碳”平均的千倍 “A”- 高級優(yōu)質(zhì)鋼。,四）、鑄造碳鋼： 含碳量一般在0.2%0.6%之間，若含碳量過高會使塑性變差，鑄造時易產(chǎn)生裂紋。在實際生產(chǎn)中，一些形狀復(fù)雜和綜合力學(xué)性能要求較高的大型零件，難以用鍛軋方法成形的，通常用鑄造碳鋼制造。,鑄造碳鋼牌號：“ZG” + 兩組數(shù)字 依次為：最低s 、最低b /MPa,第六章 鋼

31、的熱處理,1、熱處理：將固態(tài)下金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M行加熱、保溫、冷卻，以獲得所需的組織結(jié)構(gòu)、性能的工藝。 熱處理應(yīng)用極廣，其能1零件使用性能；充分2發(fā)揮材料潛力； 3延長壽命；另外還4可改善工件工藝性能，加工質(zhì)量，刀具磨損。 2、熱處理方法有：退火、正火、淬火、回火及表面熱處理。 但任何一種均由加熱、保溫、冷卻三階段所組成。,6-1 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 熱處理中，鋼加熱為獲得A；且A晶粒大小、成分、均勻程度，對鋼冷卻后的組織、性能有重要的影響。 由Fe-Fe3C相圖可知，A1 、A3 、Acm是鋼在極緩慢加熱（或冷卻）時的臨界點。但實際冷速、熱速較快，鋼轉(zhuǎn)變總有滯后現(xiàn)象。 實際加熱，鋼轉(zhuǎn)變

32、總高于相圖臨界點，分別用：Ac1、Ac3 、Accm； 實際冷卻，鋼轉(zhuǎn)變總低于相圖臨界點，分別用：Ar1、Ar3、Arcm。,鋼經(jīng)過加熱獲得A組織后，如在不同的冷卻條件下冷卻，可使鋼獲得不同的力學(xué)性能，組織也有明顯的不同。 為何存在差異? A在冷卻過程中的組織變化規(guī)律? 熱處理工藝中,常用的冷卻方式: 1、等溫冷卻轉(zhuǎn)變； 2、連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變。,一、過冷A的等溫轉(zhuǎn)變： A 在臨界點A1以下是不穩(wěn)定的，必會發(fā)生轉(zhuǎn)變，但不是冷到A1以下立即發(fā)生，而是經(jīng)一個孕育時期后才開始。 這種在共析溫度（A1）以下存在的A，-稱為“過冷A”。 過冷A在不同進行轉(zhuǎn)變，將獲得不同組織。 能表示過冷A的轉(zhuǎn)變、轉(zhuǎn)變時間、轉(zhuǎn)

33、變產(chǎn)物之間關(guān)系的曲線，稱為“等溫轉(zhuǎn)變圖”。-簡稱為：C曲線,6-2 鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,二、共析鋼的等溫相圖,三、相圖分析：,過冷A在A1以下等溫轉(zhuǎn)變的不同，則轉(zhuǎn)變產(chǎn)物不同，在Ms以上，可發(fā)生兩種類型的轉(zhuǎn)變：,1、P轉(zhuǎn)變： A1 550范圍等溫。-分解轉(zhuǎn)變?yōu)镕、Fe3C 片混合物。 此P 轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)，當(dāng)?shù)葴?，則 P 片層越薄產(chǎn)物塑變抗力、b和硬度。 等溫溫度和片層間距由大到小，分別有產(chǎn)物： P（A1650）、 S（650 600）、T（600 550）。 2、B 轉(zhuǎn)變： 550 Ms范圍等溫。-形成含過飽和碳的F+ Fe3C組成的非片層混合物，稱為“貝氏體” B 隨A成分、轉(zhuǎn)變溫度不同有多種形態(tài)，

34、常有： B上-550 350間等溫，呈羽狀。 硬度為40 45 HRC，塑性很差。 B下-350 Ms間等溫，呈黑針狀。 硬度為45 55 HRC，b、塑性、韌性良好。,當(dāng)鋼從A 區(qū)急冷到Ms 以下時，A轉(zhuǎn)變?yōu)镸（碳在- Fe中的過飽和固溶體）。 轉(zhuǎn)變低，原子擴散能力小，在M轉(zhuǎn)變過程中，只有晶格改變 -Fe -Fe，而無碳原子的擴散。 1）、M晶格特點： 體心正方晶格。 2）、馬氏體轉(zhuǎn)變的特點：1轉(zhuǎn)變是在一定的范圍內(nèi)（Ms Mf）連續(xù)冷卻中進行； 2轉(zhuǎn)變速度極快； 3轉(zhuǎn)變時體積發(fā)生膨脹，產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，工件易裂、變形； 4轉(zhuǎn)變不完全性，在Mf以下仍有A殘（使硬度、耐磨性）。 3）、M組織形態(tài)

35、： 針狀M一般為C 1.0 %的鋼淬火后所獲得高碳M.，硬度高、脆性大。 板條M - 一般為C 0.2 %的鋼淬火后所獲得低碳M. 良好b,較好韌性. 當(dāng)C =0.2 % 1.0 %的鋼淬火后可獲得-針狀M+板條M.,3、 M（馬氏體）轉(zhuǎn)變：-是非擴散過程的轉(zhuǎn)變。,6-3 鋼的退火和正火,一、退火： 是將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時間，然后緩冷至室溫的熱處理工藝。 1、主要目的：鋼硬度，塑性，以利于切削、冷變形加工； 細(xì)化晶粒，均組織、成分，改善鋼性為以后的最 終熱處理作準(zhǔn)備；消除鋼中的殘余內(nèi)應(yīng)力，防變形和開裂。,2、常見方法： 1）、完全退火： 達到鋼硬度、細(xì)化晶粒、除內(nèi)應(yīng)力。 主要用于：中

36、碳鋼及低碳、中碳合金結(jié)構(gòu)鋼的鍛、鑄件、熱軋型材等，有時也用于焊接結(jié)構(gòu)件。,2）、球化退火：。 目的：球化Fe3C，以鋼硬度，塑性，以利于切削，防淬火時變形和開裂。 主要用于：共析鋼、過共析鋼（熱軋/鍛造組織為：片狀P+Fe3C，硬、難切、淬火易裂；而可使Fe3C球化后分布于F基體上獲得球狀P）,3）、去應(yīng)力退火：將鋼加熱到略低于A 1的溫度（500 650），保溫后緩冷至室溫的工藝。 目的：消除塑變、焊接、切削加工、鑄造等形成的殘余內(nèi)應(yīng)力。,目的與退火的基本相同；但V冷稍快，P組織較細(xì)（主為S產(chǎn)物），b 、硬度比退火的好。 正或生產(chǎn)周期短、成本低、操作簡， 在可能的條件下應(yīng)優(yōu)先采用正火，但當(dāng)工

37、件形狀復(fù)雜時，則用退火為宜,二、正火： 是將鋼熱至Ac3 或Accm +30 50，保溫一定時間，在空氣中冷卻至室溫的工藝。,6-3 鋼的淬火,鋼的淬火：將鋼加熱至A C3 或A C 1以上3050，保溫一定時間，然后一大于V臨的冷卻速度快冷至室溫，獲得M或B下的熱處理。 淬火主要目的：獲得M，鋼的b和硬度。,一、淬火加熱溫度： 鋼淬火加熱溫度可根據(jù)Fe- Fe3C相圖來選擇。一般： 亞共析鋼 - T= A C3 +30 50（完全A化） 共析鋼、過共析鋼-T= A C1 +30 50（不完全A化）,二、淬火冷卻介質(zhì)： 淬火主要目的：獲得M，V冷 V臨 ，但V冷過快 工件體積收縮，組織轉(zhuǎn)變劇烈

38、 內(nèi)應(yīng)力 工件易變形、開裂。 淬火介質(zhì)的選擇很重要。 由C曲線可知，要獲得M-無需在整個冷卻過程中都快關(guān)鍵在C曲線鼻尖附近快冷。 而在650以上、400以下并不需快冷。特別在Ms線附近發(fā)生M轉(zhuǎn)變時，尤其不應(yīng)快冷，否則易變形開裂。,2、常用淬火冷卻介質(zhì)： 油、水、 鹽水、堿水等。 其中碳鋼適用冷卻介質(zhì)- 一般為“水”；合金鋼 -“油”。,三、淬火方法： 1、單液淬火法；2、雙介質(zhì)淬火；3、M分級淬火；4、B等溫淬火。,2、淬透性與鋼的V臨有關(guān)；當(dāng)鋼的V臨越低鋼的淬透性越好。 鋼的淬透性越好，淬火回火后截面組織均勻、綜合力學(xué)性能好。 鋼的淬透性越好在冷卻時可用較緩和冷卻介質(zhì)，變形開裂。 淬透性好的

39、鋼，其淬硬性不一定好。,四、鋼的淬透性、淬硬性： 淬火冷卻時總存在V表冷V心冷 ,當(dāng)心部某處 V冷 該鋼的V臨 得非M. 即工件未淬透. 一)、淬透性： 指在規(guī)定條件下，鋼淬火冷卻時所獲M組織深度的能力。,1、用不同的鋼制成相同形狀、尺寸工件，在同樣的淬火條件下，淬透性好的鋼獲M深度較深；淬透性差的鋼獲M深度較淺。,二）、淬硬性： 指鋼淬火后所能達到的最高硬度的能力。 1、淬硬性主要取決于：鋼中的含碳量。C% ，鋼淬硬性 。 2、淬硬性與淬透性是兩個完全不同的概念。,五、淬火缺陷： 1、氧化、脫碳； 2、過熱、過燒； 3、變形、開裂； 4、硬度不足。,6-4 鋼的回火 鋼的回火：將淬火后的鋼，

40、再加熱至A C1的某一溫度，保溫一定的時間，然后冷卻至室溫的熱處理工藝。 一、鋼的回火的目的： -淬火后的鋼須回火處理！ 1除內(nèi)應(yīng)力，防變形開裂； 2獲得所需的力學(xué)性能； 3穩(wěn)定工件的組織、尺寸。,3、高溫回火： （500 - 650）-獲回火S 工件性能：良好的綜合力學(xué)性能(足夠強度、高韌性,硬度15-36 HRC)。 廣泛用于：受力構(gòu)件。如：螺栓、連桿、齒輪、曲軸等 。 注：1、 淬火 +高溫回火 稱為“調(diào)質(zhì)”處理。 2、 比較調(diào)質(zhì)、正火組織差異。,二、回火的分類、應(yīng)用： 淬火鋼回火的組織轉(zhuǎn)變過程是由非平衡組織平衡組織轉(zhuǎn)變，依靠原子擴散而進行的，原子擴散速度取決于溫度，溫度越高，擴散速度愈

41、高。決定鋼回火后的組織、性能的主因素是：回火溫度。,回火溫度根據(jù)工件要求的力學(xué)性能來選擇。回火種類有： 1、低溫回火： （150 - 250）-獲回火M 工件性能：保持高硬度(58-64 HRC)和耐磨性，一定的韌性（鋼的淬火應(yīng)力、脆性）。,主用于：刀、量、模具、滾動軸承及其他要求高硬且耐磨的零件。,2、中溫回火： （350 - 500）-獲回火T 工件性能：高彈性極限、S和適當(dāng)韌性，硬度可達：35-50HRC。 主用于：彈性零件、熱鍛模具等。,課程回顧，引入新知： 6-6 鋼的表面熱處理 機械設(shè)備中，有許多零件是在沖擊載荷表面摩擦條件下工作的。要求零件表面具有高硬度和耐磨性，而心部要有足夠的

42、塑性、韌性。-需進行表面熱處理。,二、鋼的化學(xué)熱處理： 是將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一或幾種元素能滲入工件表層，以改變其化學(xué)成分和性能的工藝。 根據(jù)滲入元素的不同，化學(xué)熱處理有：滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲金屬等。但不論哪一種，都通過分解、吸收、擴散三個基本過程來完成。,注：表面淬火時宜選用中碳鋼或中碳合金鋼；淬火后須低溫回火。 則工件滿足表面為高硬、耐磨，心部為正火或調(diào)質(zhì)時的高韌性和塑性的要求。,一、表面淬火： 是主要利用“快熱快冷”，僅對工件表層進行淬火的工藝,工件滲碳后，其表面含碳量達0.85%1.05,并從表到心部逐漸減少.(依次為:過共析區(qū)共析區(qū)亞共析區(qū)原始組織 ). 須經(jīng)過

43、-淬火+低回火,便可滿足工件表面為高硬、耐磨，心部高韌性和塑性的要求。,如-鋼的滲碳： 是將鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱并保溫，使活性的碳原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理。 -目的：提高工件表層含碳量和一定的碳濃度梯度。,-滲碳后工件經(jīng)淬火及低溫回火，表面得高硬度，而其內(nèi)部又具有高韌性。 -滲碳零件須用低碳鋼或低碳合金鋼來制造。 -應(yīng)用較為廣泛的是“氣體滲碳”。,6-8 零件的熱處理分析 熱處理是機械制造過程中重要工序.正確理解熱處理技術(shù)條件,合理安排零件的加工工藝路線,對于改善鋼的切削加工性能,保證零件的質(zhì)量,滿足使用要求,具有重要的意義.,一般標(biāo)注的內(nèi)容有：1最終熱處理方法； 2熱處理后應(yīng)達到的力學(xué)性

44、能（一般僅標(biāo)硬度指標(biāo)；對有些要求較高的還須標(biāo)出強度、塑性、韌性等，有的有金相組織要求） 可用文字或規(guī)定的熱處理工藝代號來表示；一般標(biāo)注在零件圖標(biāo)題欄的上方。（熱處理工藝代號-見附錄表）,一、熱處理的技術(shù)條件： 指工件在熱處理后組織、應(yīng)當(dāng)?shù)降牧W(xué)性能、精度和工藝性能等要求的統(tǒng)稱。 是根據(jù)零件工作特性而提出的。,注：當(dāng)零件工作性能要求不高，在進行退火、正火、調(diào)質(zhì)即可滿足要求，則它們也可為最終熱處理。,二、熱處理的工序位置： 根據(jù)熱處理目的、工序位置的不同，熱處理可分為：,1、預(yù)備熱處理：凡為消除毛坯生產(chǎn)缺陷、改善切削加工、為最終熱處理作準(zhǔn)備的。-包括：退火、正火、調(diào)質(zhì)等。,退火、正火一般安排在：毛

45、坯生產(chǎn)后，切削加工之前。 調(diào)質(zhì)一般安排在：粗切削加工后，精或半精加工之前。,2、最終熱處理：能滿足工件使用要求的熱處理。 -包括：淬火、回火、表面熱處理等。 一般安排在：半精加工之后，磨削之前。,課程回顧，引入新知 第七章 合金鋼 合金鋼：指在碳鋼的基礎(chǔ)上，為改善鋼性能，冶煉時有目的地加入一或數(shù)種合金元素的鋼。 其除含Si、Mn、S、P外，還因鋼種要求加入Cr、Ni、Mo、W、V、Co、B、Al、Ti等合金元素。,7-1 合金元素在鋼中主要作用,提高回火穩(wěn)定性,7-2 合金鋼分類、牌號 一、合金鋼分類： 1、按用途分類： 合金結(jié)構(gòu)鋼-主用于工程結(jié)構(gòu)、機零件的制造。 合金工具鋼,- 主用于刀、模

46、、量具件等的制造。 特殊性能鋼.有特殊物理、化學(xué)性能的鋼。,2、按合金元素總量分類： 低合金鋼 Me 10%,1、合金結(jié)構(gòu)鋼： 主用于工程用鋼、機械零件制造用鋼。 牌號表示- 兩位數(shù) + 元素符號 + 數(shù)字 平均碳-萬倍； 主加元素，元素平均百分含量（1.5%不標(biāo)） 如: 20CrMnTi 、 60Si2Mn,二、合金鋼的牌號：,2、合金工具鋼： 牌號表示- 一位數(shù) + 元素符號 + 數(shù)字 平均碳千倍（ 1.0%不標(biāo)）； 主加元素,元素平均百分含量（1.5%不標(biāo)） 如: 9SiCr 、 CrWMn；,注:而高速鋼則不論含碳量多少均不標(biāo)出, 如：W18Cr4V 。,3、特殊性能鋼：-如常用的：不銹鋼 牌號表示與合金工具鋼表示同。但元素種類、含量有差異。 如：2Cr13海輪機葉片；0Cr19Ni9；1Cr18Ni9-儲槽、容器等。,注：不銹鋼中C% ，鋼強、硬度 ，而耐腐蝕性 。 在含C = 0.03% 0.1%時,牌號冠首加“0”； 在含C 0.03% 時, 牌號冠首加“00”。-耐腐蝕性好,4、特殊專用鋼：-如常用的：滾動軸承鋼 牌號表示- G + Cr +“數(shù)字”+其它 元素號 + 數(shù)字 平均Cr千倍； 主加元素, 元素平均百分含量。,機械制造用鋼按用途和熱處理特點分類：滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、滾動軸承鋼等。,7-3 合金結(jié)構(gòu)鋼,合金結(jié)構(gòu)鋼按用途不同可分為： 低合金結(jié)構(gòu)