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,第三节金属材料的工艺性能,第一节金属材料的物理、化学性能,第二节金属材料的力学性能,第一章,金属材料的性能,第一节,金属材料的物理、化学性能,导电性是金属材料的一种物理特性，几乎所有的金属材料都具有导电性，但不同金属材料的导电性是不同的。在电力输送工程中，为了减少电能在传输中的损耗，往往需选择导电性较好的金属材料作为传输电缆的制造材料。铜具有优越的导电性，且化学稳定性良好，因此是传输电缆最常用的制造材料，如图所示。,导电性是金属材料众多性能之一，掌握金属材料的性能特点在实际生产中具有重要意义，本节主要介绍金属材料的部分物理、化学性能。,各种规格的传输电缆,一、金属材料的物理性能,1.密度,密度是物质单位体积的质量。,不同金属的密度是不同的，常用金属的密度见表。一般将密度小于 4.510,3,kg/m,3,的金属称为轻金属，密度大于 4.510,3,kg/m,3,的金属称为重金属。,密度是金属材料一个重要的物理性能指标。密度的大小很大程度上决定了零件的自重。,常用金属的物理性能,铸铁钻床底座,钛铝钒合金隐形飞机,2.熔点,金属及其合金从固体状态向液体状态转变时的熔化温度称为熔点。,金属都有固定的熔点。从理论上讲，金属的熔点也是其从液态转变成固态时的结晶温度。常用金属的熔点见上表。,熔点对于冶炼、铸造、焊接和配制合金等方面都很重要。,熔丝,焊接电极,3.导热性,金属材料能传导热的性能称为导热性。一般情况下，金属材料的导热性比非金属好。,金属材料导热性的好坏，取决于它的热导率（导热系数）,W/（mK）。热导率越大，导热性就越好。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。常用金属的热导率见上表。,导热性好的金属材料具有好的散热性，可用来制造散热器、热交换器等。,4.导电性,金属材料能够传导电流的性能称为导电性。金属材料是良好的导电体，但各种金属材料的导电性也各不相同。,金属材料导电性的好坏取决于它的电阻率,（m）。电阻率越小，导电性就越好。,金属的导电性以银为最好，铜、铝次之。,铜导线,电热元件,5.热膨胀性,金属材料的体积随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。一般情况下，金属材料加热时体积胀大，冷却时体积缩小。,各种金属材料的热膨胀性能是不同的，可用其线胀系数,L,或体胀系数,V,来表示。体胀系数是线胀系数的三倍。常用金属的线胀系数见上表。,在实际工作中应该考虑金属材料热膨胀性的影响。,6.磁性,金属材料能导磁的性能称为磁性。具有磁性的金属材料都能被磁铁吸引。,对某些金属材料来说，磁性不是固定不变的，如铁在常温下是铁磁性材料，但当温度升高到 770 以上时就会失去磁性。,金属材料根据其在磁场中磁化程度的不同，可分为铁磁性材料（如铁、钴等）、顺磁性材料（如锰、铬等）和抗磁性材料（如铜、锌等）三种。顺磁性材料和抗磁性材料也称为无磁性材料。,发电机转子,航海罗盘,二、金属材料的化学性能,1.耐腐蚀性,金属材料抵抗化学介质腐蚀破坏作用的能力，称为耐腐蚀性。,腐蚀不仅使金属材料本身受到损失，严重时还会使金属材料结构遭到破坏以致引起重大事故。提高金属材料的耐腐蚀性能，对于减少金属材料的消耗，延长金属材料的使用寿命等，具有现实意义。,腐蚀的金属材料,2.抗氧化性,金属材料抵抗氧气氧化作用的能力，称为抗氧化性。,金属材料在常温条件下的氧化作用并不明显，但当温度升高时，其氧化作用明显加剧。在加热时，常在坯件或材料的周围制造一种还原气氛或保护气氛，以避免金属材料的氧化。,3.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。金属材料在高温下的化学稳定性称为热稳定性。,第二节,金属材料的力学性能,港珠澳大桥及其结构示意图,a）港珠澳大桥b）结构示意图,一、强度与塑性,1.载荷、变形与应力,（1）载荷,金属材料在使用和加工过程中所受到的各种外力统称为载荷，用符号,F,表示。载荷按作用性质不同，可分为静载荷、冲击载荷及交变载荷三种。,（2）变形,金属材料受到载荷作用而产生的几何形状和尺寸的变化称为变形。变形分为弹性变形和塑性变形。,（3）应力,金属材料在受到外力作用时，其内部作用着与外力相对抗的力，称为内力。单位面积上的内力称为应力，用,R,表示。,2.拉伸试验,（1）试样拉伸试样,（2）试验设备拉伸试验机,（3）试验结果与分析拉伸曲线,1）,Oe,弹性变形阶段。,2）,s,点附近屈服阶段。,3）屈服后至,b,点强化阶段。,4）,bz,缩颈阶段（局部塑性变形阶段）。,低碳钢的拉伸曲线,3.强度与强度指标,金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度，用符号,R,表示。,（1）屈服强度,（2）抗拉强度,4.塑性与塑性指标,（1）断后伸长率,（2）断面收缩率,二、硬度,硬度是指金属材料抵抗局部塑性变形和破坏的能力，硬度较高的金属材料具有较强的抗磨损能力。,1.布氏硬度,（1）试验原理,（2）布氏硬度的表示方法,（3）优缺点及应用范围,2.洛氏硬度,（1）试验原理,（2）洛氏硬度的表示方法,（3）优缺点及应用范围,3.维氏硬度,三、冲击韧性与疲劳强度,1.冲击韧性,金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力称为冲击韧性。,金属材料的冲击韧性是通过冲击试验测量的。,（1）一次冲击试验,（2）多次重复冲击试验,一次冲击试验示意图,2.疲劳强度,（1）疲劳的概念,许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，都是在交变应力作用下工作的。虽然工作应力的最大值低于材料的屈服强度，但经过较长时间的工作也会发生突然断裂，这种现象称为金属的疲劳。,疲劳断裂是机械零件失效的主要原因之一。,（2）疲劳断裂的特点,（3）疲劳曲线和疲劳强度,第三节,金属材料的工艺性能,一、切削加工性,金属材料使用某种切削方法以获得优良工件的性能，称为切削加工性。它也是指金属材料经过切削加工而成为符合要求的工件的难易程度。生产中常见的切削加工方法有车削、钻削、铣削、刨削、磨削等。,二、铸造性,铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后，得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程（见图）。,铸造成形过程示意图,金属材料用铸造的方法制成优良铸件的性能，称为铸造性。,铸造性主要取决于金属的流动性、收缩率和偏析（化学成分不均匀的现象）倾向等指标。凡是流动性好、收缩率小以及偏析倾向小的金属材料，其铸造性良好。常用的钢铁材料中，铸铁具有优良的铸造性，而钢的铸造性低于铸铁。,三、可锻性,金属材料在压力加工过程（见图）中，通过塑性变形获得优良锻件（见图）的性能，称为可锻性。,压力加工过程,锻件,可锻性与材料的变形抗力和塑性有关。变形抗力越小，塑性越高，则可锻性越好。,就钢而言，一般情况下，含碳量低的钢比含碳量高的钢可锻性好。而铸铁的可锻性很差，所以只能进行铸造加工。,四、可焊性,可焊性是金属材料对焊接加工的适应性，即在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。,可焊性好的金属材料能获得没有裂缝、气孔等缺陷的焊缝，并且焊接接头具有一定的力学性能。可焊性好的金属材料易于用一般的焊接工艺焊接，而可焊性较差或不好的金属材料则必须采用特定的工艺进行焊接。,钢的可焊性主要取决于它的含碳量，含碳量越低，可焊性越好，所以低碳钢一般都具有良好的可焊性。而铸铁的可焊性很差，一般不进行焊接加工。,第一节金属的晶体结构,第二节纯金属的结晶,第二章,金属晶体与结晶,第一节,金属的晶体结构,天然水晶与普通玻璃是截然不同的物质。水晶与玻璃的本质区别是两者的内部结构不同，水晶是晶体，而玻璃是非晶体。,自然界中物质的存在状态有三种：气态、液态和固态。固态物质根据其结构的不同可分为晶体和非晶体。,天然水晶和普通玻璃,a）天然水晶b）普通玻璃,一、晶体与非晶体,凡原子呈无序、无规则堆积的物质，称为非晶体，例如，普通玻璃、松香、石蜡等均属于非晶体；相反，凡原子呈有序、规则排列的物质，称为晶体，例如，石英、食盐等。金属在固态下一般均属于晶体。,晶体与非晶体，由于原子排列方式不同，它们的性能也有差异。晶体具有固定的熔点，而非晶体没有固定熔点；晶体在不同的方向上表现出不同的性能，即各向异性，而非晶体却表现出各向同性。,二、金属的晶体结构,1.晶体结构的概念,晶体内部原子排列模型,晶格和晶胞示意图,a）晶格b）晶胞,2.金属晶格的类型,常见金属晶格的类型,常见金属晶格的类型,三、单晶体与多晶体,晶体可以分为单晶体和多晶体。,内部原子的排列位向是完全一致的晶体称为单晶体，如图所示。,由许多位向不同的晶粒组成的晶体称为多晶体，如图所示。,单晶体,多晶体,四、金属的晶体缺陷,1.点缺陷空位、间隙原子和置代原子,2.线缺陷位错,3.面缺陷晶界和亚晶界,第二节,纯金属的结晶,一、纯金属结晶的相关概念与过程,1.纯金属的冷却曲线及过冷度,纯金属的结晶过程可以通过热分析法进行研究，如图所示为热分析法装置示意图。将纯金属加热熔化成液体，然后缓慢地冷却下来，在冷却过程中，每隔一段时间测量一次温度，将记录下来的数据描绘在温度时间坐标图中，便获得了纯金属的冷却曲线，如图所示。,热分析法装置示意图,1电炉2坩埚3金属液4热电偶,纯金属的冷却曲线,理论结晶温度,T,0,和实际结晶温度,T,1,之差称为过冷度（,T,T,0,-,T,1,）。金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关。冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。,纯金属结晶时的过冷度示意图,a）理论结晶温度b）实际结晶温度,2.纯金属的结晶过程,如图所示是纯金属结晶过程示意图。,纯金属结晶过程示意图,在一定过冷度的条件下，在液态金属中首先形成一些微小而稳定的小晶体，然后以它们为核心逐渐长大，这种作为结晶核心的微小晶体称为晶核。在晶核长大的同时，液态金属中又不断产生新的晶核并不断长大，直到它们互相接触，液态金属完全消失为止。因此，结晶过程是晶核的形成与长大的过程。在结晶完成后，每个晶核成长为一个外形不规则的晶粒。如图所示为纯金属显微组织图。,纯金属显微组织图,二、金属结晶后的晶粒大小对力学性能的影响,晶粒大小对纯铁力学性能的影响,三、金属晶粒大小的控制及细化晶粒的方法,1.增加过冷度,2.变质处理,3.振动处理,四、同素异构转变,有些金属在较高温度结晶后，随着温度的继续降低，其晶格类型还会发生变化。金属在固态下随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构转变。,纯铁的冷却曲线,-Fe 到-Fe 的同素异构,转变过程示意图,第一节合金的基本组织与性能,第二节铁碳合金,第三章,合金,纯金属的强度和硬度一般都较低，无法满足各种零件对力学性能的要求，且冶炼困难，价格较高，在使用上受到限制。在工业生产中广泛使用的是合金，这是因为生产中可以通过改变合金的化学成分和组织结构提高合金的力学性能，并获得某些特殊的物理性能和化学性能。,通常把以铁、锰、铬及铁碳为主的合金（钢铁）称为黑色金属，而把其他金属及其合金称为有色金属。,常用金属材料间的关系如下：,第一节,合金的基本组织与性能,一、合金的基本概念,1.合金,合金就是以一种金属为基础，加入一种或多种其他金属或非金属元素形成的金属材料。,2.组元,组成合金的最基本的独立物质称为组元，简称元。,3.合金系,组元不变，而组元比例发生变化，可以得到一系列不同成分的合金，称为合金系。,4.相,合金中化学成分、结构及性能相同的组成部分称为相，相与相之间具有明显的界面。相是组成合金组织的基本单元。,5.组织,合金的组织是指合金中不同种类、形态、大小、数量和分布状况的相相互组合而成的综合体。,二、合金的基本组织与性能,1.固溶体,固溶体是指一种组元的原子溶入另一种组元的晶格中所形成的均匀固相。溶入的元素称为溶质，而基体元素称为溶剂。固溶体仍然保持溶剂的晶格类型，溶质原子则分布在溶剂晶格之中。溶入的溶质数量越多，说明固溶体的溶解度越大。,（1）间隙固溶体,固溶体的结构示意图,a）间隙固溶体b）置代固溶体,（2）置代固溶体,溶质原子对晶格畸变的影响示意图,a）置代固溶体b）间隙固溶体,2.金属化合物,合金组元间发生相互作用而形成的一种具有金属特性的物质称为金属化合物。金属化合物的组成一般可用化学分子式来表示。,金属化合物的晶格类型不同于任一组元，一般具有复杂的晶格结构。其性能特点是熔点较高、硬度高、脆性大。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韧性会降低。金属化合物是许多合金的重要组成相。,3.混合物,两种或两种以上的相按一定质量分数组成的物质称为混合物。混合物中的组成部分可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合，也可以是它们之间的混合。混合物中各相既不溶解，也不化合，它们保持自己原来的晶格。,混合物的性能取决于各组成相的性能以及它们的数量、大小、形态及分布状况。,三、合金的成分、组织和性能,1.单相固溶体组织,这种组织多出现在溶质元素加入量较少或溶质元素在溶剂晶格中溶解度较大的合金中，其中前者占绝大多数。其显微组织形态与纯金属相似，强化途径仅仅是固溶强化。合金的强度与溶质元素的含量有关，溶质元素越多，固溶强化效果越明显，合金的强度也就越高。,2.固溶体与金属化合物的混合物组织,当溶质元素含量超过其在溶剂晶格中的溶解度时，溶质与溶剂将形成金属化合物，此时，合金组织由强度较低、塑性较好的固溶体与硬而脆的金属化合物组成。溶质元素含量越高，金属化合物的相对数量也就越多。由于金属化合物的存在，使合金的性能发生明显变化。,四、固溶强化与弥散强化,1.固溶强化,固溶强化是金属强化的一种重要形式。实践表明，适当控制固溶体中溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度和硬度的同时，使其仍能保持良好的塑性和韧性。,2.弥散强化,弥散强化是改善金属力学性能的重要手段之一，其强化效果取决于金属固溶体中金属化合物的性能、数量及弥散程度。,第二节,铁碳合金,一、铁碳合金的基本组织与性能,1.铁素体,碳溶解在-Fe 中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号 F 表示，如图所示。,铁素体的晶胞示意图,由于铁素体的含碳量低，所以其性能与纯铁相似，即具有良好的塑性和韧性，而强度和硬度较低。铁素体的显微组织如图所示。,铁素体的显微组织,2.奥氏体,碳溶解在-Fe 中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号 A 表示，如图所示。,3.渗碳体,渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，含碳量为 6.69，其化学式为 Fe,3,C。渗碳体具有复杂的斜方晶体结构，与铁和碳的晶体结构完全不同。,奥氏体的晶胞示意图,4.珠光体,珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，用符号 P 表示。它是渗碳体和铁素体片层相间、交替排列形成的混合物，如图所示。,5.莱氏体,莱氏体是含碳量为 4.3的铁碳合金，是在 1 148 时从液相中同时结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物，用符号 Ld 表示。,奥氏体的晶胞示意图,二、铁碳合金相图,1.铁碳合金相图的概念,铁碳合金相图是在极其缓慢冷却（或极其缓慢加热）的条件下，不同成分铁碳合金的组织状态随温度变化的图解。,简化后的 Fe-Fe,3,C 相图,2.铁碳合金相图的含义与分析,（1）Fe-,Fe,3,C,相图中的特性点及其含义,Fe-Fe,3,C 相图中的特性点及其含义,（2）,Fe-Fe,3,C,相图中的特性线及其含义,1）ACD 线（液相线）。,2）AECF 线（固相线）,3）GS 线。,4）ES 线。,5）ECF 线（共晶线）。,6）PSK 线（共析线）。,3.铁碳合金相图的应用,（1）作为选材的依据,（2）制定铸、锻、焊和热处理等热加工工艺的依据,1）在铸造工艺上的应用,2）在锻造工艺上的应用,（3）在焊接上的应用,（4）在热处理工艺上的应用,三、铁碳合金的分类,1.工业纯铁,2.钢,3.白口铸铁,四、典型铁碳合金的结晶过程分析,1.共析钢,典型合金在,Fe-Fe,3,C,相图中的位置,共析钢的结晶过程如图所示。,共析钢的结晶过程,2.亚共析钢,亚共析钢的结晶过程,含碳量不同时，珠光体和铁素体的相对量也不同，含碳量越多，钢中的珠光体数量越多。含碳量为 0.45的亚共析钢在室温下的显微组织如图所示。,含碳量为 0.45%的亚共析钢在室温下的显微组织（200）,3.过共析钢,过共析钢的结晶过程,过共析钢中含碳量越大，二次渗碳体也越多。含碳量为 1.2的过共析钢在室温下的显微组织如图所示。,含碳量为 1.2%的过共析钢在 室温下的显微组织（400）,4.白口铸铁,共晶白口铸铁的结晶过程,共晶白口铸铁的显微组织（200）,亚共晶白口铸铁的结晶过程,亚共晶白口铸铁的显微组织（200）,过共晶白口铸铁的结晶过程,过共晶白口铸铁的显微组织（200）,五、铁碳合金的成分、组织与性能的关系,铁碳合金组织的变化，必然引起性能的变化。如图所示为含碳量对正火后非合金钢的力学性能的影响。,含碳量对正火后非合金钢的,力学性能的影响,第四节铸造碳钢,第三节碳素工具钢,第一节概述,第二节碳素结构钢与优质碳素结构钢,第四章,非合金钢,第一节,概述,一、钢中常见元素对性能的影响,1.硅,2.锰,3.硫,4.磷,二、非合金钢的分类,1.按含碳量分类,（1）低碳钢。,（2）中碳钢。,（3）高碳钢。,2.按质量等级分类,（1）普通质量非合金钢。,（2）优质非合金钢。,（3）特殊质量非合金钢。,3.按钢的用途分类,（1）结构钢。,（2）工具钢。,4.按冶炼时脱氧程度的不同分类,（1）沸腾钢。,（2）镇静钢。,（3）特殊镇静钢。,第二节,碳素结构钢与优质碳素结构钢,机械零件和工程结构实物图,a）螺母b）弹簧c）螺钉d）武汉长江大桥e）在建的钢结构厂房,一、碳素结构钢,碳素结构钢冶炼容易，工艺性好，价格便宜，产量大，在性能上能满足一般工程结构、日常生活用品及普通机械零件的要求，一般在热轧状态下直接使用。,碳素结构钢的含碳量较少，有一定的强度，塑性、韧性、焊接性较好，其力学性能和工艺性能在很大程度上取决于钢中的含碳量，随着含碳量增加，钢的强度、硬度增加，塑性、韧性下降。,常用碳素结构钢的牌号、化学成分及用途见表。,常用碳素结构钢的牌号、化学成分及用途（摘自 GB/T 7002006）,常用碳素结构钢的牌号、化学成分及用途（摘自 GB/T 7002006）,二、优质碳素结构钢,优质碳素结构钢通常是按化学成分和力学性能进行选择的，常用来制造重要的机械零件，使用前一般要经过热处理改善力学性能。优质碳素结构钢按冶金质量等级分为优质钢、高级优质钢、特级优质钢，按使用时的加工方法分为压力加工用钢（UP）和切削加工用钢（UC）。,常用优质碳素结构钢的牌号、力学性能及用途见表。,常用优质碳素结构钢的牌号、力学性能及用途（摘自 GB/T 6992015）,第三节,碳素工具钢,结构钢因含碳量较小，硬度较低，无法满足其工作性能要求，因此，需要采用含碳量较大的钢制作，按此要求生产的非合金钢就是碳素工具钢。,手工工具,a）錾子b）锉刀c）木工手锯d）锥度塞规,一、碳素工具钢概述,碳素工具钢是指用于制造刀具、量具和模具的非合金钢，按冶金质量等级可分为优质钢与高级优质钢（A）两类。,碳素工具钢的含碳量一般为 0.70%1.30%，各种牌号的碳素工具钢经淬火后硬度相近，但随着含碳量的增加，钢的耐磨性增加，韧性降低。,二、碳素工具钢的牌号表示方法,碳素工具钢的牌号表示方法为：在 T（“碳”字汉语拼音首字母）后面标以阿拉伯数字表示，该数字表示钢中平均含碳量的千分数。如 T8 表示平均含碳量为 0.8%的碳素工具钢。若是高级优质碳素工具钢，则在牌号后加 A，如 T12A 表示平均含碳量为 1.2%的高级优质碳素工具钢。,常用碳素工具钢的牌号、化学成分、性能及用途见表。,常用碳素工具钢的牌号、化学成分、性能及用途（摘自 GB/T 12992014）,第四节,铸造碳钢,优质碳素结构钢的基础上，适当加入一些化学元素，使其铸造性能得以改善，从而兼顾工艺性能和力学性能两个方面的要求，通过这一方法生产的钢材称为铸造碳钢（简称铸钢）。,砧座,一、铸钢概述,铸钢主要用来制造形状复杂、力学性能要求较高的零件。将钢液直接浇注成形得到的工件称为铸钢件。,一般工程用铸钢的含碳量为 0.20%0.60%，铸钢具有较高的强度、塑性和韧性，生产成本较低。随着含碳量的增加，铸钢的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，而且铸造性能也变差。,二、铸钢牌号的表示方法,一般工程用铸钢的牌号、化学成分、力学性能及用途见表。,一般工程用铸钢的牌号、化学成分、力学性能及用途（摘自 GB/T 113522009）,一般工程用铸钢的牌号、化学成分、力学性能及用途（摘自 GB/T 113522009）,第四节钢的表面热处理和化学热处理,第三节钢的淬火与回火,第一节钢在加热、冷却时的组织转变,第二节钢的退火与正火,第五节典型零件的热处理分析,第五章,钢的热处理,热处理是对固态的金属材料采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需要的组织与性能的工艺。热处理不仅可以提高金属材料的使用性能，充分发挥材料的性能潜力，延长零件的使用寿命，还可改善金属材料的工艺性能，提高工件的加工质量，减轻刀具磨损，因此，在机械制造中应用非常广泛。,在实际生产中，常用“温度时间”关系曲线表示热处理的工艺过程，此曲线称为热处理工艺曲线，如图所示。,热处理工艺曲线,钢的常用热处理方法分类,第一节,钢在加热、冷却时的组织转变,热处理是机械零件生产过程中为了改善材料的工艺性能或使用性能而进行的重要工序。一般机械生产企业都会有专门的热处理车间，如图所示。,热处理车间,一、钢在加热时的组织转变,在热处理工艺中，钢的加热是为了获取奥氏体。奥氏体虽然是钢在高温状态时的组织，但它的晶粒大小、成分及其均匀程度对钢冷却后的组织和性能有重要影响。因此，了解钢在加热时组织结构的变化规律是对钢进行正确热处理的先决条件。,1.钢的临界转变温度,钢在加热和冷却时的临界转变温度,2.钢的奥氏体化,第一步：奥氏体形核。,第二步：奥氏体晶核长大。,第三步：残余渗碳体溶解。,第四步：奥氏体均匀化。,共析钢中奥氏体形成过程示意图,a）奥氏体形核b）奥氏体晶核长大c）残余渗碳体溶解d）奥氏体均匀化,3.影响奥氏体化的因素,（1）加热温度,（2）加热速度,（3）合金元素,（4）原始组织,4.奥氏体晶粒的长大,当珠光体向奥氏体的转变刚刚完成时，奥氏体晶粒是比较细小的。这是由于珠光体内铁素体和渗碳体的相界面很多，有利于形成数目众多的奥氏体晶核。不论原来钢的晶粒粗或细，通过加热时的奥氏体化，都能得到细小晶粒的奥氏体。但是随着加热温度的升高，保温时间的延长，奥氏体晶粒会自发地长大。长大是通过晶粒之间的相互吞并来完成的。,5.影响奥氏体晶粒长大的因素,（1）加热温度和保温时间,（2）钢的含碳量,（3）合金元素,6.奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响,奥氏体晶粒细小均匀，热处理后钢的力学性能提高。,奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，会降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。,因此，加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。,7.奥氏体晶粒大小的控制,（1）选择合理的加热温度和保温时间,（2）选择合理的加热速度,二、钢在冷却时的组织转变,钢经加热获得奥氏体组织后，如在不同的冷却条件下冷却，最后可得到不同的力学性能。,热处理工艺中，常采用等温冷却和连续冷却两种冷却方式，其工艺曲线如图所示。,两种冷却方式的工艺曲线,1等温冷却2连续冷却,1.奥氏体等温转变曲线,在临界点,A,1,以下存在的奥氏体称为过冷奥氏体。,奥氏体在临界点,A,1,以下是不稳定的，组织会发生转变，但并不是一冷却到,A,1,以下马上发生转变。过冷奥氏体在不同温度下进行转变将获得不同的组织。表示过冷奥氏体的转变温度、转变时间与转变产物之间关系的曲线称为等温转变图。,共析钢奥氏体等温转变图的建立,奥氏体等温转变图,2.共析钢的奥氏体转变产物的组织和性能,（1）共析钢的过冷奥氏体等温转变产物,1）珠光体转变（又称高温转变）。,2）贝氏体转变（又称中温转变）。,（2）共析钢的马氏体转变（又称低温转变）,（3）连续冷却转变,第二节,钢的退火与正火,一、退火,退火是指将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理方法。,1.退火的目的,（1）降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工和冷变形加工。,（2）细化晶粒，均匀钢的成分及组织，改善钢的性能，或为最终热处理做好组织准备。,（3）消除钢中的残余内应力，以防止变形和开裂。,2.常用的退火方法,（1）完全退火,（2）球化退火,（3）去应力退火,二、正火,将钢加热到,Ac,3,或,Ac,cm,以上 30 50，保温适当时间，在空气中冷却的工艺方法称为正火。,退火和正火的加热温度范围及热处理工艺曲线如图所示。,退火和正火的加热温度范围及热处理工艺曲线,a）加热温度范围b）热处理工艺曲线,1完全退火2球化退火3去应力退火4正火,三、退火与正火的应用,1.作为预备热处理应用,根据工序位置和处理目的不同，可以将热处理分为预备热处理和最终热处理两类。预备热处理是指为便于随后的加工（如冲压、切削等）或为最终热处理做组织准备的热处理，预备热处理一般安排在铸造、锻造或焊接等热加工之后，切削加工之前；最终热处理是指用以满足工件所需要的使用性能的热处理，最终热处理一般安排在粗加工之后，精加工之前。,正火与退火的目的基本相同，主要作为预备热处理使用。实际生产中，有时两者可以相互替代，具体选用时，主要从以下三个方面考虑。,（1）从切削加工性考虑,（2）从零件的结构形状考虑,（3）从经济性考虑,2.在其他方面的应用,（1）退火可用于消除铸铁件的白口组织,（2）正火可用于消除网状二次渗碳体,（3）正火有时可作为最终热处理,第三节,钢的淬火与回火,一、淬火,1.淬火的概念,将钢加热到,Ac,3,或,Ac,1,以上某一温度，保温一定时间，然后以适当的速度冷却，以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理称为淬火。,淬火的主要目的是获得马氏体，以提高钢的强度、硬度和耐磨性。,2.淬火加热温度,钢的淬火加热温度由钢中的含碳量决定，Fe-Fe,3,C 相图是选择淬火加热温度的依据，如图所示。,（1）亚共析钢的淬火加热温度,（2）共析钢和过共析钢的淬火加热温度,钢的淬火加热温度范围,3.淬火的冷却介质,常用淬火介质有水、盐水（或碱水）、淬火油、盐浴（或碱浴）等。,常用冷却介质的冷却能力和应用范围,常用冷却介质的冷却能力和应用范围,4.淬火方法,淬火时应最大限度地减小工件的变形和避免开裂。,常用淬火操作方法、特点、应用场合及热处理工艺曲线,常用淬火操作方法、特点、应用场合及热处理工艺曲线,5.钢的淬透性和淬硬性,（1）淬透性,（2）淬硬性,工件淬硬层与冷却速度的关系,a）冷却速度b）淬硬层,6.淬火缺陷及防止与补救措施,淬火缺陷及防止与补救措施,淬火缺陷及防止与补救措施,二、回火,1.回火的概念,将淬火后的钢再加热到,Ac,1,以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。,钢件淬火后，虽然具有高的硬度和耐磨性，但脆性较大，韧性较低，还存在着较大的淬火内应力。为了消除这些不利因素的影响，需及时进行回火处理。,2.回火的目的,（1）消除内应力,（2）获得所需要的力学性能,（3）稳定组织和尺寸,3.回火时钢的组织与性能的变化,钢的淬火组织是马氏体和少量的残余奥氏体，它们处于不稳定状态，都具有转变成稳定组织的倾向。但在室温条件下，原子扩散能力低，这种转变很难进行。随着温度的升高，原子扩散能力增强，其内部组织将发生明显变化。,随回火温度的升高，钢的组织也相应发生以下四个阶段的转变。,（1）第一阶段：马氏体的分解（80 200）,（2）第二阶段：残余奥氏体的转变（200 300,（3）第三阶段：渗碳体的形成（300 400）,（4）第四阶段：渗碳体的聚集长大（400 以上）,4.回火的方法和应用,常用回火方法、回火组织、性能及应用,45 钢正火或调质处理后力学性能比较,三、淬火与回火的应用,淬火与回火工艺的应用可归纳为以下三种情况：,硬度和耐磨性要求较高的零件，如工具、量具、冷作模具和在摩擦条件下工作的机械零件（如滚动轴承）等，一般选用高碳钢制造，可采用淬火和低温回火处理。,强度要求较高的弹性零件（如弹簧）和部分热作模具等，一般选用中、高碳钢制造，为了获得较高的弹性和必要的韧性，可采用淬火和中温回火处理。,综合力学性能要求较高，强度、塑性和韧性需有良好配合的零件，如轴类零件、齿轮、连接件、结构件等，一般选用中碳结构钢制造，为了获得所要求的力学性能，可采用淬火和高温回火处理，即调质处理。,第四节,钢的表面热处理和化学热处理,表面热处理和化学热处理是对工件表面进行硬化的热处理方法，其主要目的是改变工件表面的成分或组织，提高表面的硬度和耐磨性，而心部仍保持良好的强度、塑性和韧性。,一、表面热处理,表面热处理分为表面淬火和回火、物理气相沉积、化学气相沉积等。,表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。最适用的钢种是中碳钢和中碳合金钢。,根据淬火加热方法的不同，常用的表面淬火方法有火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火两种。,1.火焰加热表面淬火,用氧乙炔（或其他可燃气体）焰对零件表面进行快速加热，随后就快速冷却的工艺称为火焰加热表面淬火，如图 5-18 所示。,火焰加热表面淬火的淬硬层深度一般为 2 6 mm。这种方法的优点是设备简单，成本低，灵活性大。缺点是加热温度及淬硬层深度不易控制，工件表面易过热，淬火质量不够稳定，适用于单件或小批量生产。,火焰加热表面淬火,1烧嘴 2喷水管3淬硬层,4工件5加热层,火焰加热表面淬火前的准备：,（1）工件需经调质处理、正火等预备热处理。,（2）工件表面不允许有氧化皮、污垢、油迹等。,（3）表面有严重脱碳、裂纹、砂眼、气孔等缺陷的工件不能进行火焰加热表面淬火。,钢件淬火温度一般取 Ac3 以上 80 100。,2.感应加热表面淬火,利用感应电流通过工件所产生的热效应使工件表面局部加热，然后快速冷却的淬火工艺，称为感应加热表面淬火，如图所示。,感应加热表面淬火原理示意图,1工件 2间隙3加热淬火层,4淬火喷水管5加热感应圈,根据电流的频率不同，感应加热表面淬火分为高频感应加热表面淬火、中频感应加热表面淬火和工频感应加热表面淬火三类。,感应加热表面淬火的特点：,（1）加热速度快,（2）淬火质量好,（3）淬硬层深度易于控制，操作易实现机械化和自动化。,二、化学热处理,将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入工件表层，以改变表层中的化学成分和组织，从而改善工件表面性能的热处理工艺，称为化学热处理。与其他热处理相比，化学热处理不仅改变了钢的组织，而且改变了工件表面层的化学成分，因而能更有效地改变零件表层的性能。,化学热处理都是通过以下三个基本过程来完成的。,（1）分解,（2）吸收,（3）扩散,1.渗碳,将工件置于渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺称为渗碳。,气体渗碳炉及原理示意图,1风扇电动机2废气火焰3炉盖4砂封5电阻丝6耐热罐7工件8炉体,低碳钢渗碳缓冷后的渗碳层显微组织（200）,2.渗氮,在一定温度下，使活性氮原子渗入工件表面以形成高氮硬化层的化学热处理工艺称为渗氮，其目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性及疲劳强度。,渗氮层的显微组织,a）渗氮层及维氏硬度测试压痕b）渗氮层中致密的针状氮化物（白色）,（2）离子渗氮,在低于一个大气压的渗氮气氛中，利用工件（阴极）和阳极之间产生的辉光放电进行渗氮的工艺，称为离子渗氮。,离子渗氮装置示意图,1阴极2工件3观察孔,4真空室外壳5阳极,3.碳氮共渗,在一定温度下，将碳、氮原子同时渗入工件表层奥氏体中的化学热处理工艺称为碳氮共渗。,（1）中温气体碳氮共渗,（2）低温气体碳氮共渗,第五节,典型零件的热处理分析,一、热处理的技术条件,工件热处理后应当得到的组织、力学性能、工艺性能和精度等方面的要求，统称为热处理的技术条件。它是根据零件工作特性提出的。一般零件均以硬度作为热处理技术条件，对渗碳零件应标注渗碳层深度，对某些性能要求较高的零件还需标注其他力学性能指标或金相组织要求。,标注热处理技术条件时，可用文字在零件图样上做简要说明，也可用热处理工艺代号来表示。热处理技术条件一般标注在零件图标题栏的上方。,二、热处理的工序位置,1.预备热处理的工序位置,预备热处理包括退火、正火、调质处理等。,2.最终热处理的工序位置,最终热处理包括淬火、回火、表面热处理及化学热处理等。,第四节特殊性能钢,第三节合金工具钢,第一节概述,第二节合金结构钢,第五节钢的火花鉴别,第六章,低合金钢与合金钢,非合金钢的冶炼、加工简单，价格便宜，并能通过热处理获得不同的性能，以满足工业生产上的各种需要。但非合金钢的淬透性差，热硬性不高，缺乏良好的综合力学性能和一些特殊性能。因此，在机械制造中广泛采用低合金钢与合金钢。,第一节,概述,一、合金元素在钢中的主要作用,1.强化铁素体,大多数合金元素（除铅外）都能溶于铁素体，形成合金铁素体。,2.形成合金碳化物,锰、铬、钼、钨、钒、钛等元素能与碳形成碳化物。,3.细化晶粒,4.提高钢的淬透性,5.提高钢的回火稳定性,二、低合金钢的分类（GB/T 13304.22008）,1.按质量等级分类,（1）普通质量低合金钢,（2）特殊质量低合金钢,（3）优质低合金钢,2.按主要性能及使用特性分类,低合金钢按主要性能及使用特性分类，可分为可焊接的低合金高强度结构钢、低合金耐候钢、低合金钢筋钢、铁道用低合金钢、矿用低合金钢和其他低合金钢。,三、合金钢的分类（GB/T 13304.22008）,1.按质量等级分类,（1）优质合金钢,（2）特殊质量合金钢,2.按主要性能及使用特性分类,（1）工程结构用合金钢,（2）机械结构用合金钢,（3）不锈、耐腐蚀和耐热钢,（4）工具钢,（5）轴承钢,（6）特殊物理性能钢,（7）其他,第二节,合金结构钢,按用途的不同，合金结构钢可以分为低合金结构钢和机械制造用钢两类。,合金结构钢实物,a）奥运“鸟巢”b）变速齿轮c）机床丝杠,一、低合金结构钢,低合金结构钢是在碳素结构钢的基础上，加入少量合金元素（一般合金元素总量小于3%）的工程用钢。主要用于各种工程结构，如桥梁、建筑、船舶等。,1.成分及性能特点,低合金高强度结构钢的含碳量较低（一般在 0.10%0.25%范围内），加入的主要合金元素是锰（Mn）、硅（Si）、钛（Ti）、铌（Nb）、钒（V）等。有良好的塑性、韧性、耐腐蚀性和焊接性，广泛用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、压力容器、起重机械等钢结构件。,2.热处理特点,低合金高强度结构钢大多数是在热轧退火或正火状态下使用的，一般要经过塑性变形和焊接加工，不需要再进行专门的热处理，有特殊需要时可进行一次正火。,3.常用牌号和用途,常用低合金高强度结构钢的牌号、力学性能及用途（摘自 GB/T 15912008）,常用低合金高强度结构钢的牌号、力学性能及用途（摘自 GB/T 15912008）,二、合金渗碳钢,合金渗碳钢需先渗碳再经淬火、低温回火后使用，用来制造既有优良的耐磨性和耐疲劳性，又能承受冲击载荷的零件，如汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机中的凸轮和活塞销等。,1.成分及性能特点,合金渗碳钢的含碳量为 0.10%0.25%，可保证心部有足够的塑性和韧性。加入铬、镍、锰、硅、硼等合金元素可提高钢的淬透性，使零件在热处理后表层和心部均得到强化。加入钒、钛等合金元素主要是为了防止在高温、长时间的渗碳过程中晶粒长大。20CrMnTi是最常用的合金渗碳钢，适用于截面径向尺寸小于 30 mm 的高强度渗碳零件。,2.热处理特点,合金渗碳钢为低碳成分，为改善切削加工性能，预备热处理应采用正火，为保证表面的高硬度和高耐磨性，合金渗碳钢的最终热处理应采用渗碳后淬火再低温回火。,3.常用牌号和用途,常用合金渗碳钢的牌号、热处理工艺、力学性能及用途,常用合金渗碳钢的牌号、热处理工艺、力学性能及用途,三、合金调质钢,合金调质钢用来制造一些受力复杂的重要零件，它既要求有
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