第1篇金属材料的基本知识

1、金属工艺学绪绪 论论第一篇第一篇 金属材料的基本知识金属材料的基本知识第二篇第二篇 铸造铸造 第三篇第三篇 压力加工压力加工 第四篇第四篇 焊接焊接 补充篇补充篇 非金属材料结构及成形非金属材料结构及成形 第五篇第五篇 切削加工切削加工 （下册）（下册）使用教材 邓文英主编，金属工艺学，上、下册，高邓文英主编，金属工艺学，上、下册，高等教育出版社，等教育出版社，2000.72000.7主要参考教材 1.王运炎、朱王运炎、朱 莉，机械工程材料，机械工莉，机械工程材料，机械工业出版社，第业出版社，第3 3版版,2009.8,2009.8 2. 2.吕广庶、张远明主编，工程材料及成形技吕广庶、张远明

2、主编，工程材料及成形技术基础，高等教育出版社，术基础，高等教育出版社，2001.92001.9 绪 论 金属工艺学是一门研究有金属工艺学是一门研究有关金属加工工艺方法的综合性关金属加工工艺方法的综合性技术科学。技术科学。 我国在商代就大量使用青铜我国在商代就大量使用青铜器，当时青铜冶炼和铸造技术已经相当精湛。器，当时青铜冶炼和铸造技术已经相当精湛。 在春秋末期我国就出现了铁器，也比欧洲早在春秋末期我国就出现了铁器，也比欧洲早一千八百多年左右。一千八百多年左右。 解放后，我国在金属材料、非金属材料及其解放后，我国在金属材料、非金属材料及其加工技术方面有了突飞猛进的发展，推动了加工技术方面有了突飞

3、猛进的发展，推动了我国机械制造工业的发展我国机械制造工业的发展 将金属材料加工成机械零件时机械制造的基本过程将金属材料加工成机械零件时机械制造的基本过程 本课程将介绍金属的热加工（包括铸造、塑性加工、本课程将介绍金属的热加工（包括铸造、塑性加工、焊接、热处理）和冷加工（车、钳、铣、刨、磨、焊接、热处理）和冷加工（车、钳、铣、刨、磨、钻、镗等工艺及装备）；根据市场实践的需要，还钻、镗等工艺及装备）；根据市场实践的需要，还补充非金属材料及其加工工艺补充非金属材料及其加工工艺第一篇 金属材料的基本知识第一章第一章 金属的性能金属的性能第二章第二章 铁碳合金铁碳合金第三章第三章 钢的热处理钢的热处理第

4、四章第四章 工业用钢工业用钢第五章第五章 非铁合金（有色金属）非铁合金（有色金属）第一章第一章 金属的性能金属的性能金属材料的性能包含使用性能和工艺性能。金属材料的性能包含使用性能和工艺性能。 使用性能使用性能是指金属材料在使用条件下所表是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，它包括物理性能、化学性现出来的性能，它包括物理性能、化学性能和机械（力学）性能等；能和机械（力学）性能等； 工艺性能工艺性能是指金属材料在制造过程中适应是指金属材料在制造过程中适应加工的性能，如铸造性能、锻造性能、焊加工的性能，如铸造性能、锻造性能、焊接性能以及切削加工性能等接性能以及切削加工性能等 。第一节第一节 金

5、属的力学性能金属的力学性能 金属材料在外力（载荷）作用下所表现出来的金属材料在外力（载荷）作用下所表现出来的性能，称为性能，称为力学性能力学性能，或，或机械性能机械性能（mechanical property)。力学性能主要有。力学性能主要有强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。一、强度与塑性一、强度与塑性 强度可分为屈服强度（屈服点）、抗拉强度强度可分为屈服强度（屈服点）、抗拉强度(强度极限）等。强度极限）等。1.强度强度（1）屈服强度）屈服强度 屈服强度是指金属材料在外力作用下开始产生明屈服强度是指金属材料在外力作用下开始产生明显塑性变形时的最小应力，也叫

6、显塑性变形时的最小应力，也叫屈服极限屈服极限。ss0FA（2）抗拉强度）抗拉强度抗拉强度是金属材料断裂前所承受的最大应力，抗拉强度是金属材料断裂前所承受的最大应力，故又称故又称强度极限强度极限。bb0FA2、塑性、塑性 金属材料的塑性通常用伸长率金属材料的塑性通常用伸长率和断面收缩率和断面收缩率 来表示来表示 。（1）伸长率）伸长率(延伸率）延伸率） 伸长率是试样拉断后标距增长量与原始标距长度伸长率是试样拉断后标距增长量与原始标距长度的百分比。在断裂时的伸长率叫延伸率。的百分比。在断裂时的伸长率叫延伸率。 %100001lll2断面收缩率断面收缩率 断面收缩率是指试样拉断前后断面处横截面面断面

7、收缩率是指试样拉断前后断面处横截面面积的相对收缩值。积的相对收缩值。 %100010AAA 二、硬度二、硬度常用的有布氏硬度（常用的有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（）、洛氏硬度（HR）和维氏硬度（和维氏硬度（HV）等。）等。1布氏硬度布氏硬度采用硬质合金钢球压入被测材料若干秒后卸载，采用硬质合金钢球压入被测材料若干秒后卸载，量取压痕直径量取压痕直径d d，按照，按照d d 值大小查专门的表格，值大小查专门的表格，求得求得HBHB值。值。分为分为HBSHBS和和HBWHBW两种：两种：传统布氏硬度（传统布氏硬度（HBSHBS） 钢球直径钢球直径10mm10mm，载荷为，载荷为30000N30000

8、N，适用于，适用于450HBS450HBS以下的灰铸铁、软钢和以下的灰铸铁、软钢和有色金属。有色金属。新型布氏硬度（新型布氏硬度（HBWHBW） 加大加大钢球直径和压下载钢球直径和压下载荷，适用于荷，适用于650HBS650HBS以下的以下的淬火钢。淬火钢。布氏硬度计布氏硬度计 h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计2 2洛氏硬度洛氏硬度采用金刚石圆锥体、或淬火钢球采用金刚石圆锥体、或淬火钢球, ,以一种下压力的以一种下压力的力，使之力，使之紧密接触紧密接触，下压下压h h0 0；然后再压入主载荷，然后再压入主载荷，如如500N500N，保持数秒后卸载，以残余压痕深

9、度计算硬，保持数秒后卸载，以残余压痕深度计算硬度值（实际上可由指针直接指示出度值（实际上可由指针直接指示出HRHR值）。值）。 主载荷载荷压头压头500N 900N1400N钻石锥钻石锥HRAHRC3.18mm3.18mm1.58mm1.58mmHRB实际是用一个顶角为实际是用一个顶角为120120度的金刚石圆锥体度的金刚石圆锥体( (钻钻石锥），或直径为石锥），或直径为1.58mm1.58mm或或3.18mm3.18mm的钢球；采的钢球；采用三种下压载荷：用三种下压载荷：50Kg50Kg、或、或90Kg90Kg、或、或140Kg140Kg三三种压头：组成种压头：组成9 9个标尺：个标尺：A

10、A、B B、k k HRA HRA 是采用是采用50Kg50Kg载荷将钻石锥压入，求的硬度，载荷将钻石锥压入，求的硬度，用于硬度极高的材料。例如：硬质合金。用于硬度极高的材料。例如：硬质合金。 HRB HRB 是采用是采用90Kg90Kg载荷和直径载荷和直径1.58mm1.58mm淬硬的钢球求淬硬的钢球求得的硬度，用于硬度较低的材料。例如：退火钢、得的硬度，用于硬度较低的材料。例如：退火钢、铸铁等。铸铁等。 HRC HRC 是采用是采用140Kg140Kg载荷和钻石锥压入，求得的硬度，载荷和钻石锥压入，求得的硬度，用于硬度很高的材料。例如：淬火钢用于硬度很高的材料。例如：淬火钢等等 l洛氏硬度

11、的优点：洛氏硬度的优点：简便、迅速、简便、迅速、压痕小，不损害零件压痕小，不损害零件l缺点：缺点：所测得数据重复性差，需所测得数据重复性差，需多做几点，取均值。多做几点，取均值。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕3. 维氏硬度的测试原理维氏硬度的测试原理 维氏硬度试验是将相对面夹角为维氏硬度试验是将相对面夹角为1360的四棱锥体金刚的四棱锥体金刚石作压头，以石作压头，以选定的试验力选定的试验力压入试样表面，经规定保压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量压痕对角线的长度来计持时间后卸除试验力，用测量压痕对角线的长度来计算硬度。算硬度。 三、韧性三、韧性(

12、notch toughness ) 金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫韧金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫韧性，也叫冲击韧性。性，也叫冲击韧性。 试验原理：试验原理：冲击试验是在摆锤式冲冲击试验是在摆锤式冲击试验机上进行的。击试验机上进行的。0KkS 冲击韧度（冲击韧度（J/cmJ/cm2 2) )A AK K冲击功（冲击功（J J）A k = m g h1 m g h2 (J)S-S-试件缺口处的截面面积（试件缺口处的截面面积（cmcm2 2) )kKkS四、疲劳强度四、疲劳强度( fatigue strength ) 当金属材料在无数次重复或交变载荷作用下而没当金属材料在无数次

13、重复或交变载荷作用下而没引起断裂的引起断裂的最大应力最大应力，叫疲劳强度，叫疲劳强度交变应力；交变应力； N N循环次数。循环次数。无数次重复，定义为无数次重复，定义为107次。次。-1-1表示按正弦变化表示按正弦变化的对称循环应力的疲劳的对称循环应力的疲劳强度强度疲劳断口疲劳断口提高韧性的措施：通过改善材料形状结构，减少表提高韧性的措施：通过改善材料形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力提高材料疲劳抗力. .轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片疲劳辉纹（扫描电镜照片）第二节第二节 金属的物理、化学性能

14、与工艺性能金属的物理、化学性能与工艺性能 金属的物理性能主要包括密度、熔点、热膨金属的物理性能主要包括密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。胀性、导热性、导电性和磁性等。一、金属的物理性能一、金属的物理性能 密度密度 一般将密度小于一般将密度小于5kg/dm3的金属称为轻金属，密度的金属称为轻金属，密度大于大于5kg/dm3的金属称为重金属。的金属称为重金属。VM2熔点熔点 金属和合金熔化时所需要的温度称为熔点。金属和合金熔化时所需要的温度称为熔点。纯金属都有固定的熔点，合金的熔点取决纯金属都有固定的熔点，合金的熔点取决于它的化学成分。于它的化学成分。3热膨胀性热膨胀性 金属材料随温度

15、变化而体积发生膨胀或收金属材料随温度变化而体积发生膨胀或收缩的特性称为热膨胀性。缩的特性称为热膨胀性。tllla112l4 4导热性导热性 金属材料传递热量的性能称为导热性。金属的金属材料传递热量的性能称为导热性。金属的热导率越大，它的导热性就越好。热导率越大，它的导热性就越好。 5 5导电性导电性 金属材料传导电流的能力称为导电性。电阻率金属材料传导电流的能力称为导电性。电阻率是表示材料导电能力的性能指标。是表示材料导电能力的性能指标。 磁性磁性 金属材料在磁场中受到磁化的性能称为磁性。金属材料在磁场中受到磁化的性能称为磁性。二、金属的化学性能二、金属的化学性能 主要的化学性能有；耐腐蚀性、

16、抗氧化性和化主要的化学性能有；耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性学稳定性 耐腐蚀性耐腐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧气、水蒸气及其他化学介质金属材料在常温下抵抗氧气、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力称为耐腐蚀性腐蚀破坏作用的能力称为耐腐蚀性 。2. 2. 抗氧化性抗氧化性 金属材料在加热时阻止氧化作用的能力称为抗氧化性。金属材料在加热时阻止氧化作用的能力称为抗氧化性。金属的氧化性随温度的升高而增加金属的氧化性随温度的升高而增加 。 化学稳定性化学稳定性 化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性称为热稳定性。金属

17、材料在高温下的化学稳定性称为热稳定性。三三. .金属的工艺性能金属的工艺性能1、铸造性、铸造性铸造性就是金属熔化成液态后，在铸造成型时所具有的一铸造性就是金属熔化成液态后，在铸造成型时所具有的一种特性。种特性。 2、锻压性、锻压性 锻压性就是金属材料在锻造和冲压过程中承受塑性变形的锻压性就是金属材料在锻造和冲压过程中承受塑性变形的性能。性能。 3、焊接性、焊接性 焊接性是指材料在限定的施工条件下焊接成满足设计要求焊接性是指材料在限定的施工条件下焊接成满足设计要求的构件，并满足预定寿命要求的能力。的构件，并满足预定寿命要求的能力。4、切削加工性、切削加工性 金属材料的切削加工性是指金属切削加工的

18、难易程度。金属材料的切削加工性是指金属切削加工的难易程度。第二章第二章 铁碳合金铁碳合金第一节第一节 纯铁的晶体结构及其同素异晶结构纯铁的晶体结构及其同素异晶结构 一一. .金属的结晶金属的结晶金属由液态金属由液态固态（温度的下降）固态（温度的下降）原子无序排列原子无序排列规则排列规则排列, ,生成晶体生成晶体, ,称为结晶。称为结晶。因此固态金属是晶体！（因此固态金属是晶体！（判断题判断题） 纯金属的结晶过程：纯金属的结晶过程： 随着温度降低，存在一随着温度降低，存在一理论结晶温度理论结晶温度和和实际结晶温度实际结晶温度，两者之差称为两者之差称为过冷度；过冷度；由于结晶过程中有潜热放出，由于

19、结晶过程中有潜热放出，使温度不在下降，故出现水平段使温度不在下降，故出现水平段 结晶过程结晶过程：生核：生核按一定的规则排列，聚集、按一定的规则排列，聚集、呈树枝状长大，直到与邻近晶体互相接触（接触处呈树枝状长大，直到与邻近晶体互相接触（接触处称为晶界），长大就停止了。称为晶界），长大就停止了。由此可见，实际金属是多晶体。各晶粒内部原子排由此可见，实际金属是多晶体。各晶粒内部原子排列位向不同。列位向不同。晶粒大小（晶粒度）对金属力学性能的影响：晶粒晶粒大小（晶粒度）对金属力学性能的影响：晶粒愈细，其强度和硬度愈高，塑性和韧性愈好。愈细，其强度和硬度愈高，塑性和韧性愈好。要使晶粒细化，关键在于提

20、高结晶时生核的数量，要使晶粒细化，关键在于提高结晶时生核的数量，（1 1）铸造时）铸造时, ,一是力求提高冷却的速度，增加生核一是力求提高冷却的速度，增加生核数量；二是浇注前，加变质剂（孕育剂），增加外数量；二是浇注前，加变质剂（孕育剂），增加外来生核的原子。来生核的原子。 （2 2）采用塑性加工或热处理方法细化晶粒。）采用塑性加工或热处理方法细化晶粒。二二. .金属的晶粒结构金属的晶粒结构晶格：用一些假想的直线将各质点中心连接起来，晶格：用一些假想的直线将各质点中心连接起来，形成一个空间格子，称为晶格形成一个空间格子，称为晶格 晶胞：从晶格中选取一个能反映晶粒排列特点的最晶胞：从晶格中选取一

21、个能反映晶粒排列特点的最小几何单元称为晶胞小几何单元称为晶胞 u金属晶格的类型金属晶格的类型 体心立方晶格（体心立方晶格（b.c.cb.c.c) ) -Fe、-Ti、Cr、W、V 、Mo 面心立方晶格（面心立方晶格（f.c.cf.c.c) )AlAl、NiNi、CuCu、-Fe-Fe 密排六方晶格（密排六方晶格（f.c.pf.c.p) )-Ti、-Co、Be、Mg、Zn、Cd常见的晶格类型主要有常见的晶格类型主要有 晶格、晶格、 晶格和晶格和 晶格三种。晶格三种。 总总结结三三. .纯铁的同素异纯铁的同素异晶转变晶转变同素异晶（构）转变：同素异晶（构）转变：随着温度的改变，固随着温度的改变，固

22、态金属的晶格也随之态金属的晶格也随之改变。改变。大部分金属在温度下降大部分金属在温度下降时，晶格保持不变；时，晶格保持不变；但铁及锡、钛、锰等但铁及锡、钛、锰等在结晶之后，随着温在结晶之后，随着温度的不同呈现不同的度的不同呈现不同的晶格。晶格。体心立方体心立方体心立方体心立方面心立方面心立方 同素异晶转变也是原子的重新排列，广义上也是同素异晶转变也是原子的重新排列，广义上也是结晶过程，它也遵循生核、长大的规律，转变时结晶过程，它也遵循生核、长大的规律，转变时也有过冷度，也产生结晶热效应等。也有过冷度，也产生结晶热效应等。 为了区分起见，开始由液态到固态的结晶叫初次为了区分起见，开始由液态到固态

23、的结晶叫初次结晶，以后的同素异晶转变称之为二次结晶或重结晶，以后的同素异晶转变称之为二次结晶或重结晶。结晶。 同素异晶转变时，同素异晶转变时，原子排列密度原子排列密度也随之改变，当也随之改变，当然体积也回随之改变。如，然体积也回随之改变。如，体心立方的铁体心立方的铁-Fe-Fe转变为转变为面心立方的铁面心立方的铁-Fe-Fe，伴随着体，伴随着体积的收缩，体积的收缩会产生内应力，称为组织积的收缩，体积的收缩会产生内应力，称为组织应力。应力。第二节第二节 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织 合金：两种和两种以上的金属元素，或金属与非合金：两种和两种以上的金属元素，或金属与非金属元素溶合在一起，构

24、成具有金属特征的物质。金属元素溶合在一起，构成具有金属特征的物质。 组元：组成合金的元素，组元：组成合金的元素， 相：相：具有相同化学成分、晶体结构和物理性能的具有相同化学成分、晶体结构和物理性能的均匀组成部分。均匀组成部分。 组织：金属或合金内部涉及晶体或晶粒的大小、组织：金属或合金内部涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状及排列状况等组织关系的构造情况。方向、形状及排列状况等组织关系的构造情况。 一一. .固溶体固溶体合金在固态下合金在固态下, ,一些元素进入某一组元的晶格中，一些元素进入某一组元的晶格中，不改变其晶体结构而形成的均匀晶体相，称为不改变其晶体结构而形成的均匀晶体相，称为固溶体。固

25、溶体。 溶剂：与固溶体晶格相同的组成元素称为溶剂，溶剂：与固溶体晶格相同的组成元素称为溶剂，在固溶体中一般都占有较大的含量；在固溶体中一般都占有较大的含量； 溶质：其它的组成元素称为溶质，其含量与溶溶质：其它的组成元素称为溶质，其含量与溶剂相比较少剂相比较少例如，一部分碳原子溶解于铁的晶格内，形成合例如，一部分碳原子溶解于铁的晶格内，形成合金；其中铁是溶剂，碳是溶质，合金的结构仍金；其中铁是溶剂，碳是溶质，合金的结构仍保持铁的原有的结构类型。保持铁的原有的结构类型。固溶体是均匀的固态组织，溶质原子即使用显微固溶体是均匀的固态组织，溶质原子即使用显微镜也无法区分；因此，镜也无法区分；因此，固溶体

26、是单向组织固溶体是单向组织。置换固溶体置换固溶体: :当溶质原子在溶剂晶格中替换一部分当溶质原子在溶剂晶格中替换一部分溶剂原子，占据溶剂的某些节点位置时，所形成溶剂原子，占据溶剂的某些节点位置时，所形成的固溶体为置换固溶体的固溶体为置换固溶体间隙固溶体：当溶质原子在溶间隙固溶体：当溶质原子在溶 剂晶格中不占据溶剂的节点位置，剂晶格中不占据溶剂的节点位置， 而是嵌入各节点之间的空隙时，而是嵌入各节点之间的空隙时， 所形成的固溶体为间隙固溶体；所形成的固溶体为间隙固溶体； 条件是溶质元素与溶剂元素的条件是溶质元素与溶剂元素的 原子半径比原子半径比r r质质/r/r剂剂0.590.59。 铁碳合金中

27、的固溶体就是碳溶入铁的晶格中的间隙固铁碳合金中的固溶体就是碳溶入铁的晶格中的间隙固溶体溶体。碳的溶解度是有限的，叫有限固溶体。碳的溶解度是有限的，叫有限固溶体。 碳可溶入碳可溶入-Fe-Fe，-Fe-Fe和和-Fe-Fe，生成间隙固溶体。，生成间隙固溶体。 间隙固溶体有晶格畸变。间隙固溶体有晶格畸变。1 1、铁素体、铁素体碳溶入碳溶入-Fe-Fe中所形成的固溶体中所形成的固溶体, ,是有限固溶体，为体心立是有限固溶体，为体心立方晶格，用方晶格，用F F表示。表示。溶碳量：溶碳量：600600，0.0060.006 727727，0.0210.021 铁素体的力学性能铁素体的力学性能 与纯铁接近

28、，强度、硬度低，塑性、韧性好；显微组织与纯铁接近，强度、硬度低，塑性、韧性好；显微组织为明亮的多边形。为明亮的多边形。2 2、奥氏体、奥氏体 碳溶入碳溶入-Fe-Fe中所形成的固溶体中所形成的固溶体，是有限固溶体。面心立，是有限固溶体。面心立方晶格，用方晶格，用A A表示。表示。 溶碳能力较溶碳能力较F F要高得多要高得多，11481148，最大可达，最大可达2.112.11； 727727，最大可达，最大可达0.770.77 稳定的奥氏体晶粒在稳定的奥氏体晶粒在727727以上。以上。奥氏体力学性能奥氏体力学性能 与溶碳量有关，强度、硬度不高，塑性好；显微组与溶碳量有关，强度、硬度不高，塑性

29、好；显微组织为多边形，但晶界较铁素体平直，存在双晶带。织为多边形，但晶界较铁素体平直，存在双晶带。二二. . 化合物化合物金属化合物：具有金属性质的均匀物质，属于单金属化合物：具有金属性质的均匀物质，属于单相组织。相组织。 如铁碳合金中的如铁碳合金中的FeFe3 3C C渗碳体渗碳体, ,它硬而脆，可它硬而脆，可以划破玻璃，塑性、韧性极差；是钢铁中的强化以划破玻璃，塑性、韧性极差；是钢铁中的强化相；形态有片状、球状和网状；渗碳体的数量形相；形态有片状、球状和网状；渗碳体的数量形状和分布对钢的性能影响很大。状和分布对钢的性能影响很大。 铸造时，渗碳体可能发生分解，产生石墨铸造时，渗碳体可能发生分

30、解，产生石墨 FeFe3 3C 3Fe+CC 3Fe+C石墨石墨非金属夹杂物：如非金属夹杂物：如FeSFeS、MnSMnS不具备金属的性能，不具备金属的性能，属非金属夹杂物。属非金属夹杂物。三三. .机械混合物机械混合物由结晶过程所形成的由结晶过程所形成的两相混合物两相混合物。它可以是纯金属、。它可以是纯金属、固溶体和化合物各自的混合，是两相或两相以上固溶体和化合物各自的混合，是两相或两相以上组成的组成的多相组织多相组织，各相均保持其原有的晶格。其，各相均保持其原有的晶格。其性能介于各组成相之间，取决于各相的性能和比性能介于各组成相之间，取决于各相的性能和比例，还与各相的形状、大小和分布相关。

31、例，还与各相的形状、大小和分布相关。铁碳合金中的混合物主要是珠光体和莱氏体铁碳合金中的混合物主要是珠光体和莱氏体1.1.珠光体，用珠光体，用P P表示或表示或F+ F+ FeFe3 3C C， 即，铁素体即，铁素体+ +渗碳体渗碳体 含碳量：含碳量：0.770.77 性能：性能： 抗拉强度高抗拉强度高b b=750MPa=750MPa， 硬度较高，硬度较高，180HBS180HBS 有一定的塑性和韧性有一定的塑性和韧性 =20=202525，k k=30=3040J/cm40J/cm2 2。 呈片状：白色是铁素体，呈片状：白色是铁素体， 黑色是渗碳体黑色是渗碳体2.2.莱氏体莱氏体 高温莱氏体

32、：在高温莱氏体：在727727以上时，莱氏体属于高温组以上时，莱氏体属于高温组织，高温莱氏体用织，高温莱氏体用LdLd表示，或表示，或A+ FeA+ Fe3 3C C，即，奥氏，即，奥氏体体+ +渗碳体的机械混合物。渗碳体的机械混合物。 低温莱氏体：在低温莱氏体：在727727以下时，高温莱氏体以下时，高温莱氏体LdLd转变转变低温莱氏体低温莱氏体Ld Ld ，低温莱氏体，低温莱氏体LdLd是是P+ FeP+ Fe3 3C C的的机械混合物。机械混合物。 含碳量：含碳量：4.34.3 性能：与渗碳体接近，极为硬脆性能：与渗碳体接近，极为硬脆第三节第三节 铁碳合金状态图铁碳合金状态图L铁碳合金状

33、态图铁碳合金状态图 描述不同含碳量的铁碳合金结晶过描述不同含碳量的铁碳合金结晶过程图；程图； 实际是实际是Fe-FeFe-Fe3 3C C的状态图；的状态图； （FeFe3 3C C的含碳量为的含碳量为6.696.69） 是研究不同含碳量的钢和铸铁在是研究不同含碳量的钢和铸铁在不同温度下组织变化规律的重要工具。不同温度下组织变化规律的重要工具。绘制过程：绘制过程：配制各种成分的合金配制各种成分的合金分别加热到熔点分别加热到熔点缓慢冷却缓慢冷却找出冷却曲线的转折点找出冷却曲线的转折点（临界点）（临界点）把各种合金的把各种合金的性质相同的各临界点连接起来。性质相同的各临界点连接起来。一一. .铁碳

34、合金状态图的分析铁碳合金状态图的分析基本相：液相（基本相：液相（L L），奥氏体相（），奥氏体相（A A），铁素体相），铁素体相（F F）, ,渗碳体相渗碳体相( (FeFe3 3C C) )特征点特征点小 特征线及各区域的组织状态特征线及各区域的组织状态 特征线：连接各特征点的线特征线：连接各特征点的线 (记住几个重点特征线）记住几个重点特征线）（1 1）ACDACD线线液相线液相线，以上是液态合金相（，以上是液态合金相（L L）；）；（2 2）AECFAECF线线固相线固相线，ECFECF线线11481148，表示冷却到此线温度表示冷却到此线温度后全部变为固态后全部变为固态 ACEACE区

35、：区：L+AL+A CDF CDF区：区：L+ L+ FeFe3 3C C , , FeFe3 3C C1 1为一次渗碳体为一次渗碳体 如果碳含量在如果碳含量在C C点，高于点，高于11481148为为L L，在，在C C点低于此温度产生共点低于此温度产生共晶反应，生成莱氏体晶反应，生成莱氏体LdLd（A+ FeA+ Fe3 3C C) ) 11481148 LLd LLd（A+ FeA+ Fe3 3C C) ) 低于低于727727时，时，LdLdLdLd（P+FeP+Fe3 3C C) )，低温莱氏体，低温莱氏体（3 3）ECFECF线为共晶线线为共晶线，此线含碳量在，此线含碳量在2.11

36、2.116.696.69之间，这之间，这段铁碳合金称为铸铁。铸铁都含有不同量的莱氏体段铁碳合金称为铸铁。铸铁都含有不同量的莱氏体（4 4）GSGS线（线（A A3 3线）线）是析出是析出F F的线，是的线，是-Fe-Fe向向 -Fe-Fe同素异晶转变的结果。同素异晶转变的结果。（5 5）ESES线（线（A Acmcm 线）线）是冷却时从奥氏体析出渗碳是冷却时从奥氏体析出渗碳体的开始线。体的开始线。（6 6）PSKPSK线为共析线线为共析线(A(A1 1线，线，727727）如果碳含量在如果碳含量在S S点，点，（含碳量在（含碳量在0.770.77），高于，高于727727为为A A，低于此温度

37、产生共析反应，生成珠光体，低于此温度产生共析反应，生成珠光体P P（铁（铁素体和渗碳体的机械混合物），素体和渗碳体的机械混合物），（）称称S S点位共析点位共析点，点，即，即， A PA P（F+F+FeFe3 3C C) )在在S S点，由奥氏体全部转变为珠光体；除点，由奥氏体全部转变为珠光体；除S S点之外，其点之外，其它含量仅是一定含量的珠光体。它含量仅是一定含量的珠光体。分别为（分别为（F+PF+P）和（）和（P+P+FeFe3 3C C）两个区域）两个区域 在铸铁段（含碳量大于在铸铁段（含碳量大于2.112.11），低于），低于727727时，时， Ld LdLd Ld（Z+FeZ+

38、Fe3 3C C) )，低温莱氏体，低温莱氏体（7 7）PQPQ线线铁素体冷却到此线，将以铁素体冷却到此线，将以FeFe3 3C C形式析形式析出过饱和的碳，称之为出过饱和的碳，称之为FeFe3 3C C，由于三次渗碳体的，由于三次渗碳体的数量很少，对钢的机械性能影响不大。数量很少，对钢的机械性能影响不大。铁碳合金的分类：铁碳合金的分类：（1 1）钢）钢含碳量小于含碳量小于2.112.11，按照室温组织又分为三类：，按照室温组织又分为三类： 亚共析钢亚共析钢含碳量含碳量0.770.77 共析钢共析钢含碳量含碳量=0.77=0.77 过共析钢过共析钢0.770.77 含碳量含碳量 2.11 2.

39、11（2 2）铸铁）铸铁含碳量在含碳量在2.112.116.696.69的铁碳合金，按照室温组的铁碳合金，按照室温组织又分为三类：织又分为三类： 亚共晶铸铁亚共晶铸铁含碳量含碳量4.34.3 共晶铸铁共晶铸铁含碳量含碳量=4.3=4.3 过共晶铸铁过共晶铸铁4.34.3 含碳量含碳量6.696.69二二. .钢在结晶过程中的组织转变钢在结晶过程中的组织转变1 1、共析钢、共析钢对应于合金成分对应于合金成分 （共析反应）（共析反应）L L+A A PL L+A A P金相照片见大图金相照片见大图；结晶过程示意图见结晶过程示意图见2 2、亚共析钢、亚共析钢对应于合金成分对应于合金成分 （共析反应）

40、（共析反应）LL+AAA+FP+FLL+AAA+FP+F（）达到达到3 3点以后，随着铁素体的析出，点以后，随着铁素体的析出，使剩余奥氏体的含碳量沿使剩余奥氏体的含碳量沿GSGS线增线增加至加至S S点，而后随着温度的下降，点，而后随着温度的下降，剩余奥氏体全部转变为珠光体。剩余奥氏体全部转变为珠光体。 结晶过程示意图见结晶过程示意图见黑色为珠光体，白色为铁素体黑色为珠光体，白色为铁素体3 3、过共析钢、过共析钢对应于合金成分对应于合金成分 （共析反应）（共析反应）L L+A A A+L L+A A A+（FeFe3 3C C） P+P+FeFe3 3C C 达到达到3 3点以后，随着渗碳体点

41、以后，随着渗碳体（FeFe3 3C C）的析出，的析出，使剩余奥氏体使剩余奥氏体的含碳量沿的含碳量沿ESES线降低至线降低至S S点，而后点，而后随着温度的下降，剩余奥氏体全随着温度的下降，剩余奥氏体全部转变为珠光体。结晶过程示意图部转变为珠光体。结晶过程示意图黑色为珠光体，白色网状为二次渗碳体黑色为珠光体，白色网状为二次渗碳体结合铁碳合金状态图，说明含碳量在结合铁碳合金状态图，说明含碳量在0.770.77冷却冷却时组织变化情况。时组织变化情况。三三. .铁碳合金状态图中的铸铁部分铁碳合金状态图中的铸铁部分含碳量在含碳量在2.112.116.696.69的部分。的部分。铸铁中都含有相当比例的莱

42、氏体，它性能硬脆，难铸铁中都含有相当比例的莱氏体，它性能硬脆，难以机械加工，是铸铁中的以机械加工，是铸铁中的白口铁白口铁，机械制造中极，机械制造中极少使用。少使用。机械制造中应用最广的是机械制造中应用最广的是灰口铁灰口铁，其中的碳是以石，其中的碳是以石墨状态存在，而不是以渗碳体状态存在。墨状态存在，而不是以渗碳体状态存在。共晶白口铁共晶白口铁WcWc =4.3% =4.3% 亚共晶白口铁亚共晶白口铁WcWc =2.11 =2.114.34.3过共晶白口铁过共晶白口铁 WcWc = =.3.36.696.69第三章第三章 钢的热处理钢的热处理引言引言热处理的概念热处理的概念 将将固态钢材采用适当

43、的方式进行固态钢材采用适当的方式进行加热、保温加热、保温和和冷冷却却以获得所需组织与性能的工艺。以获得所需组织与性能的工艺。 只改变组织和性能，只改变组织和性能，不改变形状和尺寸。不改变形状和尺寸。热处理的目的热处理的目的（1 1）提高钢的力学性能）提高钢的力学性能 提高零件的强度、硬度、提高零件的强度、硬度、 韧性和弹性等韧性和弹性等（2 2）改善钢的工艺性能）改善钢的工艺性能用途广泛用途广泛 机械制造中，热处理零件占机械制造中，热处理零件占60607070 汽车、拖拉机汽车、拖拉机中，热处理零件占中，热处理零件占7070 8080分类分类两大类两大类 （1 1）普通热处理）普通热处理 退火

44、、正火、淬火、回火等退火、正火、淬火、回火等 （2 2）表面热处理）表面热处理 表面淬火和化学热处理（涂表面淬火和化学热处理（涂碳、氧化等）碳、氧化等）第一节第一节 钢在加热和冷却时的组织转变钢在加热和冷却时的组织转变一、钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变由于有过热与过冷由于有过热与过冷问题操作中采用实际问题操作中采用实际转变温度：转变温度：AcAc3 3、AcAccmcm、AcAc1 1ArAr3 3、ArArcmcm、ArAr1 1加热温度和加热时间对加热温度和加热时间对晶粒度的影响晶粒度的影响二、钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变由于冷却到由于冷却到A A1 1温度以下，过冷

45、奥氏体会形成多种温度以下，过冷奥氏体会形成多种组织，而实际的冷却不是缓慢的，而是连续的，组织，而实际的冷却不是缓慢的，而是连续的，要想得到连续冷却时每一时刻的组织转变，组织要想得到连续冷却时每一时刻的组织转变，组织转变量（）同时受到时间和温度的影响，得到转变量（）同时受到时间和温度的影响，得到“连续冷却转变曲线连续冷却转变曲线”是很困难的。故我们用是很困难的。故我们用“等温转变曲线等温转变曲线”近似分析连续冷却问题。近似分析连续冷却问题。等温转变曲线等温转变曲线将奥氏体的钢迅速冷却到将奥氏体的钢迅速冷却到A A1 1以以下的某一温度进行保温，待下的某一温度进行保温，待组织转变完成后组织转变完成

46、后，测，测试它的组织状态；经过在不同温度下不同冷却速试它的组织状态；经过在不同温度下不同冷却速度下的多次测试，绘成等温转变曲线度下的多次测试，绘成等温转变曲线C C曲线。曲线。 某一温度时，奥氏体向珠光体转变的曲线某一温度时，奥氏体向珠光体转变的曲线 共析钢过冷奥氏体等温转变动力学图共析钢过冷奥氏体等温转变动力学图共析钢在不同温度下（不同过冷度）转变曲线共析钢在不同温度下（不同过冷度）转变曲线C C曲线的几个区域：曲线的几个区域： 稳定奥氏体区（稳定奥氏体区（A A1 1以上）以上） 过冷奥氏体区（过冷奥氏体区（A A1 1以下）以下） A PA P组织共存区组织共存区 过冷奥氏体区转变产物区

47、，过冷奥氏体区转变产物区，它又分为：它又分为：（1 1）珠光体转变区）珠光体转变区 形成于形成于ArAr1 1550550高温区，高温区，是是F+FeF+Fe3 3C C的片状的片状机械混合物机械混合物；依照其粗细又可分为：；依照其粗细又可分为：1 1）珠光体：）珠光体：ArAr1 1650650，粗片状珠光体，粗片状珠光体，P P；2 2）细片珠光体：）细片珠光体：650650600600 ，常称为索氏体，常称为索氏体，S S；3 3）极）极细片珠光体：细片珠光体：600600550550时时，常称为托氏体，常称为托氏体，T T；（2 2）贝氏体转变区：形成于）贝氏体转变区：形成于55055

48、0MsMs中温区，中温区，B B。（3 3）马氏体转变区：形成于）马氏体转变区：形成于MsMs以下的低温区，以下的低温区，M M。钢在淬火钢在淬火时，过冷奥氏体时，过冷奥氏体迅速迅速冷却冷却到到MsMs以下，只能发生以下，只能发生-Fe-Fe向向-Fe-Fe的转变，钢中的碳难以的转变，钢中的碳难以从溶碳能力很低的从溶碳能力很低的-Fe-Fe中扩散中扩散出来，就形成了碳在出来，就形成了碳在-Fe-Fe中过中过饱和固溶体，即马氏体，简称饱和固溶体，即马氏体，简称M M。图中图中M Ms s马氏体开始转变温度，马氏体开始转变温度，M Mf f马氏体转变终止温度；对共析钢马氏体转变终止温度；对共析钢M

49、 Mf f=-50=-50，故室温时，故室温时仍有仍有残余奥氏体残余奥氏体，称为，称为AA。故共析钢室温下为。故共析钢室温下为M+AM+A MsMs、M Mf f的高低取决于钢的化学成分的高低取决于钢的化学成分（含碳量、合金含量）（含碳量、合金含量）由于碳的超饱和，致使马氏体晶格严重畸变，故马氏体由于碳的超饱和，致使马氏体晶格严重畸变，故马氏体硬度高、韧性差。由于由面心立方的硬度高、韧性差。由于由面心立方的A A转变为体心立方转变为体心立方的的M,M,使体积产生膨胀！使体积产生膨胀！但是在低碳钢中的马氏体硬度不高，还有一定的韧性。但是在低碳钢中的马氏体硬度不高，还有一定的韧性。等温转变曲线的应

50、用等温转变曲线的应用右图为共析钢在连续冷却中右图为共析钢在连续冷却中的应用：的应用：v v1 1缓慢冷却，获得珠光体组织缓慢冷却，获得珠光体组织v v2 2较缓慢冷却，获得索光体组织较缓慢冷却，获得索光体组织v v3 3快速冷却，即在水中淬火快速冷却，即在水中淬火获得获得M+AM+Av vk k由过冷奥氏体得到全部马氏体由过冷奥氏体得到全部马氏体的临界冷却速度。的临界冷却速度。第二节第二节 钢的退火与正火钢的退火与正火一、退火一、退火 1 1、概念：将钢加热到、概念：将钢加热到适当温度，保温适当温度，保温一定时一定时间间，然后，然后随炉冷却后埋入随炉冷却后埋入灰中灰中，使其缓慢地冷却的，使其缓

51、慢地冷却的热处理工艺热处理工艺。（1 1）完全退火）完全退火 热处理规范热处理规范：将：将亚共析钢亚共析钢加热加热A Ac3c3以上以上303050C50C, ,完全奥氏体后，保温后随之缓慢冷却（相当于图完全奥氏体后，保温后随之缓慢冷却（相当于图1-261-26的速度的速度v v1 1）。）。 适用范围：适用范围：铸钢件（晶粒粗大，塑性、韧性差）铸钢件（晶粒粗大，塑性、韧性差）和重要锻件（晶粒、组织不匀，有内应力）。和重要锻件（晶粒、组织不匀，有内应力）。 目的：目的：细化晶粒，消除内应力，降低硬度，以利细化晶粒，消除内应力，降低硬度，以利于切削加工。于切削加工。 原理原理：加热：加热AcAc

52、3 3以上（不能过高），呈完全奥氏以上（不能过高），呈完全奥氏体状态，初始形成的奥氏体晶粒非常细小，缓慢体状态，初始形成的奥氏体晶粒非常细小，缓慢冷却后，使钢件生成细小的晶粒。一定要严格控冷却后，使钢件生成细小的晶粒。一定要严格控制加热温度，防止奥氏体晶粒的长大。制加热温度，防止奥氏体晶粒的长大。 （2 2）球化退火）球化退火 热处理规范：热处理规范：将将过共析钢过共析钢加热加热A Ac1c1以上以上202030 C30 C, ,保温后随炉缓冷却至保温后随炉缓冷却至600 C600 C，出炉空冷，出炉空冷（图（图1-261-26速速度的度的v v2 2) )。 原理：原理：在加热到保温温度时，

53、尚有少量未完全溶解在加热到保温温度时，尚有少量未完全溶解的渗碳体，在随后的冷却过程中，奥氏体经共析反的渗碳体，在随后的冷却过程中，奥氏体经共析反应生成渗碳体时，便以未溶解渗碳体为核心，呈球应生成渗碳体时，便以未溶解渗碳体为核心，呈球状析出，分布于铁素体基体之中状析出，分布于铁素体基体之中“球状体球状体”。 适用范围：适用范围：主要用于过共析钢，因为过共析钢经过主要用于过共析钢，因为过共析钢经过锻造之后，其珠光体晶粒粗大，且有少量二次渗碳锻造之后，其珠光体晶粒粗大，且有少量二次渗碳体，致使硬度高、脆性大，切削时易于磨损刀具，体，致使硬度高、脆性大，切削时易于磨损刀具，且淬火时容易产生变形和裂纹。

54、且淬火时容易产生变形和裂纹。 目的：目的：球状体硬度低，解决了切削珠光体时容易球状体硬度低，解决了切削珠光体时容易磨损刀具的问题。磨损刀具的问题。（3 3）去应力退火）去应力退火 将钢加热到将钢加热到500500600C600C, ,保温后缓慢冷却保温后缓慢冷却。由于加。由于加热温度低于临界温度，故钢未发生组织变化，仅热温度低于临界温度，故钢未发生组织变化，仅是有原子扩散。是有原子扩散。 适用范围：适用范围：主要用于部分铸锻件和焊接件，消除主要用于部分铸锻件和焊接件，消除内应力，防止产生变形。内应力，防止产生变形。为了降低铸、锻钢件的硬度和调整硬度不均匀性，为了降低铸、锻钢件的硬度和调整硬度不

55、均匀性，常用的热处理方法是常用的热处理方法是(退火退火) 二、正火二、正火 热处理规范：热处理规范：将钢加热将钢加热A Ac3c3以上以上303050 C50 C （亚共析钢）（亚共析钢）或或A Acmcm以上以上303050 C 50 C （过共析钢）（过共析钢）保温后在空气中冷却的保温后在空气中冷却的热处理工艺。热处理工艺。 作用作用：与完全退火相似，也是将钢加热到奥氏体温：与完全退火相似，也是将钢加热到奥氏体温度区，进行重（新）结晶，解决铸锻件晶粒粗大和度区，进行重（新）结晶，解决铸锻件晶粒粗大和组织不匀问题。组织不匀问题。 与完全退火区别是，冷却速度比完全退火冷却速度与完全退火区别是，

56、冷却速度比完全退火冷却速度快，生成索氏体，比珠光体强度、硬度稍高，但韧快，生成索氏体，比珠光体强度、硬度稍高，但韧性并未下降。性并未下降。 适用范围：适用范围：（1 1） 取代完全退火取代完全退火 炉外降温，不占用设备；适用炉外降温，不占用设备；适用于低碳钢和含碳量较低的中碳钢。含碳量高的钢正于低碳钢和含碳量较低的中碳钢。含碳量高的钢正火后硬度过高，难于切削加工。火后硬度过高，难于切削加工。（2 2）用于普通结构钢的最终热处理）用于普通结构钢的最终热处理（3 3）对于过共析钢，可减少或消除二次渗碳体呈网）对于过共析钢，可减少或消除二次渗碳体呈网状析出。状析出。第三节第三节 淬火与回火淬火与回火

57、1 1、热处理规范：热处理规范：将钢件将钢件加热到加热到A Ac3c3或或A Ac1c1以上以上30305050温度，保持一定时间后，在温度，保持一定时间后，在淬火介质中快速冷却，以获淬火介质中快速冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。得马氏体组织的热处理工艺。（图（图1-261-26中中v v3 3) ) 淬火时，过冷的奥氏淬火时，过冷的奥氏体快速冷却到体快速冷却到MsMs以下，以下，发生发生-Fe-Fe向向-Fe-Fe的的同素异晶转变，形成同素异晶转变，形成马氏体，这种转变伴马氏体，这种转变伴随着体积膨胀，淬火随着体积膨胀，淬火会形成内应力，容易会形成内应力，容易使淬火件产生裂纹或使淬火件产

58、生裂纹或变形，为此，采用合变形，为此，采用合适的措施来防止适的措施来防止。主要热处理的加热温度主要热处理的加热温度退火退火正火正火淬火淬火亚共析钢（完全退火）亚共析钢（完全退火）A Ac3c3以上以上303050C50CA Ac3c3以上以上303050 50 CCA Ac3c3以上以上30305050过共析钢（球化退火）过共析钢（球化退火）A Ac1c1以上以上20203030CCA Acmcm以上以上303050 50 CCA Ac1c1以上以上30305050500500600C600C2 2、防止产生的裂纹或变形的措施、防止产生的裂纹或变形的措施 裂纹或变形裂纹或变形是由于体积膨胀而引

59、起的是由于体积膨胀而引起的（1 1）严格控制淬火加热温度）严格控制淬火加热温度对于亚共析钢，对于亚共析钢， 加热温度过低，不能完全实现向奥氏体的转变；加热温度过低，不能完全实现向奥氏体的转变；淬火后除了马氏体外，尚残存少量铁素体，使钢的淬火后除了马氏体外，尚残存少量铁素体，使钢的硬度不足；硬度不足；若若加热温度过高，则奥氏体晶粒长大，淬火后的加热温度过高，则奥氏体晶粒长大，淬火后的马氏体晶粒也加大，增加钢的脆性。马氏体晶粒也加大，增加钢的脆性。对于过共析钢，如果温度过高，不仅硬度不增加，对于过共析钢，如果温度过高，不仅硬度不增加，而且裂纹、变形倾向加大。而且裂纹、变形倾向加大。（2 2）合理选

60、择淬火介质，使其冷却速度略大于临界冷）合理选择淬火介质，使其冷却速度略大于临界冷却速度却速度v vk k获得全部马氏体（包括少量获得全部马氏体（包括少量AA）的最）的最低冷却速度。低冷却速度。淬火介质：淬火介质： 水、矿物油、盐水和碱水等水、矿物油、盐水和碱水等水水冷却速度快，容易使钢冷却速度快，容易使钢 获得马氏体，主要用于碳素钢。获得马氏体，主要用于碳素钢。油油冷却速度较低，淬透性差；冷却速度较低，淬透性差；淬火时钢产生裂纹、变形的倾向小。淬火时钢产生裂纹、变形的倾向小。淬透性淬透性钢在淬火时所能达到钢在淬火时所能达到 的淬硬层的深度的淬硬层的深度 由于合金钢因淬透性好，宜于由于合金钢因淬