工程材料基础课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,工程材料基础,材料是人类用来制作各种产品的物质。机械工程中使用的材料常按化学组成分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料三大类。,第一节 工程材料的性能,材料性能的决定因素：,化学成分、内部组织和状态,。其中“化学成分”是改变性能的基础，“处理”是改变性能的手段，“组织”是性能变化的根据。,在工程材料领域，力学性能是工程材料的重要性能。力学性能（或机械性能，Mechanical Performance）是指材料受到外加载荷作用时，所反映出来的固有性能。,一、强度,强度(Strength)是指材料抵抗由外力载荷所引起的应变或断裂的能力，外力载荷方式不同，描述强度的指标也不同。,（一）抗拉强度,塑性较好的金属或高分子材料常用抗拉强度衡量其抵抗破坏的能力，它是通过标准试样在拉伸试验机上通过拉伸试验测出来的。,图1-1,为低碳钢拉伸试样的形状和尺寸示意图。,1、金属材料抗拉强度,图1-2a,为低碳钢的拉伸曲线。,图1-2b,为不同金属材料的应力应变拉伸曲线图。,抗拉强度是表示材料在拉伸过程中单位面积所能承受的最大拉伸力，用,b,（,单位,MPa）表示，计算方法为：,b,=P,b,/A,0,式中：,P,b,试样拉伸时的最大拉力（N）,A,0,试样的原始载面积（m,2,）,屈服强度是工程材料在外力作用下开始产生屈服时单位面积所能承受的最大拉伸力。用,s,表示，计算方法为：,s,=Ps/A,0,式中：,Ps,试样产生屈服现象时的对应载荷（N）。,2、高分子材料抗张（拉）强度,图1-3,为高分子聚合物在不同温度范围时的拉伸曲线。,（二）抗折（弯）强度,图1-4(a),，,1-4(b),分别为三点、四点弯曲加载示意图,其中三点弯曲抗折强度计算公式为：,式中，P为断裂载荷（N），L为下支点间跨距（mm），b为试样的宽度（mm），h为试样的厚度（mm）。强度单位为MPa。,二、塑性,工程材料的塑性(plasticity)是指工程材料在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。对应拉伸变形，通常用两种方式来表示，即伸长率（）和断面收缩率()。,=(L,1,-L,0,)/L0100%,=(A,0,-A,1,)/A0100%,式中L,0,-试样标距的原始长度；,L,1,-试样拉断瞬间标距的实际长度；,A,0,-试样原始截面积；,A,1,-试样断囗处的截面积。,三、冲击韧度,冲击韧度是指被冲击试件在一次冲击试验时被冲断所吸收的能量,A,k,除以原试件的最小横截面积,A,0,所得的值。用符号,a,k,(单位为J/m)表示。工程上常用摆锤冲击试验机来测定冲击韧度，,图1-5,为试验示意图,a,k,=A,K,/A,0,式中,A,K,-,-摆锤对冲击试样做的功（J）；,A,0,-试样缺口处截面积（cm,2,）。,四、疲劳强度,图1-6,列出了几种变动载荷示意图。,疲劳强度(fatigue strength)是工程材料承受规定循环次数（常取10,6,-10,7,）而不失效的最大应力，用,表示。下标表示应力循环对称系数，由下式确定：,=,min,/,max,式中,min,-循环应力中数值最小的应力；,max,-循环应力中数值最大的应力。,试样承受不同的应力幅,a,a,=(,max,-,min,)/2,与循环断裂周次N之间的关系曲线，称疲劳曲线，如,图1-7,所示。,五、硬度,硬度(Hardness)是指更硬的外来物体作用于固体材料上时，固体材料抵抗塑性变形、压入或压痕的能力。,六、断裂韧性,断裂韧性,K,IC,是材料抵抗裂纹失稳扩展能力的度量，是材料抵抗低应力脆性断裂的能力。,K,IC,主要用于脆性材料，断裂韧性的测量方法与抗折强度测量方法相类似（见,图1-11,）。不同之处是在弯曲试样中部预制一个0.1mm左右宽的小口，以模拟材料内部微裂纹的一半，然后加载后测量其断裂韧性,K,IC,。,K,IC,计算公式:,Y,-是一个和裂纹形状及加载方式有关的无量纲系数,c,-裂纹失稳扩展的应力，即断裂应力.,a,-材料内部裂纹长度的一半,韧性，表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力,物理性能,指不发生化学反应就能表现出来的性能，如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。,七、金属材料的物理和化学性能,化学性能,是材料在化学介质的作用下所表现出来的性能。如材料的耐腐蚀性能、抗氧化性能和化学稳定性能等。,1）导热性。,指材料传导热量的能力用导热系数表示，当温度垂直梯度为1/m时，单位时间内通过单位水平截面积所传递的热量,。,与热有关的性能,2）热容。,指材料在加热时能吸收热量，冷却时能放出热量的性质，单位质量材料每升高一度所需要的热量称为比热容,c(J/kg,K),。,3）耐热性。,指材料长期在热环境下抵抗热破坏的能力。,4）耐燃性。,指材料对火焰和高温的抵抗性能；可分为不燃材料、难燃材料，易燃材料。,5）耐火性。,指材料长期抵抗高热而不熔化的性能，耐熔性，耐火材料还应不变形，能承载；分为耐火材料、难熔材料、易熔材料。,八、金属材料的工艺性能,金属材料的工艺性能指金属材料适应加工工艺要求的能力。按工艺方法的不同，可分为,铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能,。,1）铸造性能。,指利用金属的可熔性将其熔化后，注入铸型制成铸件的难易程度，包括金属液体的流动性和收缩性。,2）锻造性能。,指金属材料在锻造过程中承受压力加工而具有的塑性变形能力。,3）焊接性。,指材料被焊接的难易性质。,4）切削加工性。,表示对材料进行切削的难易程度，可用切削抗力的大小、加工表面质量、排屑的难易程度和切削刀具的寿命来衡量。,5）热处理工艺性。,指标有淬硬性、淬透性、淬火变形与淬裂、表面氧化与脱碳、过热与过烧、回火稳定性与脆性。,低碳钢拉伸试样示意图,低碳钢拉伸曲线示意图,不同金属的应力-应变拉伸曲线图,聚合物应力应变图,三点弯曲加载示意图,三点弯曲加载示意图,冲击韧性实验示意图,变载荷示意图,疲劳曲线图,断裂韧性测量示意图,第2节 金属材料的结构,1）晶体。,其内部原子在空间作有规则的排列，如食盐、金刚石等；纯金属及合金均属于晶体。,2）非晶体。,其内部原子杂乱无章地不规则的堆积，如玻璃、沥青等。,一、金属的晶体结构,3）晶体结构,。指晶体中原子排列的方式，,如图2-1a,所示。,4）晶格。,把晶体内的每一个原子看成一个小球，把这些小球用线条连接起来，形成一个空间格架，这种空间格架叫晶格，,如图2-1b,所示。,5）晶胞。,晶格的最小几何组成单元，,如图2-1c,所示。,晶体点阵和晶胞示意图,6）晶格常数,。晶胞中各棱边的长度，单位为,7）金属中常见的晶体结构,体心立方晶格：,晶胞是一个正六方体，立方体的八个角上和立方体的中心各有一个原子，如图1-2a。其原子个数为：，如铬、钠等。,面心立方晶格：,晶胞是一个正六方体，立方体的八个角上和立方体的六个面的中心各有一个原子，如图。其原子个数为：，如铝，铜等。,密排六方晶格：,晶胞是一个正六方柱体，在六方柱体的十二个角上和上、下底面的中心各有一个原子，在上、下底面之间还均匀分布着三个原子如图示，如镁、锌等。,4.多晶结构(多晶体),大块金属材料通常是由许多小晶体组成的，如图。,5.晶体缺陷,(1)点缺陷,常见的点缺陷有三种，即空位、间隙原子和置换原子，如图所示。,5.晶体缺陷,(2)线缺陷,刃型位错是一种比较典型的线缺陷，其结构特点如图所示。,(3)面缺陷,二、,金属的结晶,1、,结晶。,指金属的原子由近程有序状态（液态）转变成长程有序状态（晶态）的过程,。,2、纯金属结晶的冷却曲线,。,金属液非常缓慢的冷却时，记录温度随时间而变化的曲线，如图所示。出现水平线段的原因是结晶时放出大量的结晶潜热，补偿了金属向周围散失的热量。,3、过冷。,在实际结晶过程中，金属液只有冷却到理论结晶温度（熔点）以下的某个温度时才结晶的现象。理论结晶温度 和实际结晶温度 之间的温度差 叫,过冷度,，它与冷却速度有关，冷却越快，过冷度越大。,冷却曲线图,4、结晶过程。,晶体形核和成长过程。如图所示，在液体金属开始结晶时，在液体中某些区域形成一些有规则排列的原子团，成为结晶的核心，即,晶核,（形核过程）。然后原子按一定规律向这些晶核聚集，而不断长大，形成,晶粒,（成长过程）。在晶体长大的同时，新的晶核又继续产生并长大。当全部长大的晶体都互相接触，液态金属完全消失，结晶完成。由于各个晶粒成长时的方向不一，大小不等，在晶粒和晶粒之间形成界面，称为,晶界,。,在晶界处，晶粒之间的晶向和晶面均不相同。,晶向：晶体中质点的位置、质点列（在一个方向上的质点，“可用一条线串起来的质点”）的方向,晶面：阵点（晶粒中有序排列的原子、离子、分子等质点）构成的平面,a),d),c),b),液态金属的结晶过程示意图,5）单晶体。,结晶后，每个晶核长成为一个晶体，称为单晶体。,6）多晶体。,由许多外形不规则、大小不等、排列位向不同的小颗粒晶体组成。在多晶体中，这些小颗粒晶体叫,晶粒,；晶粒与晶粒之间的界面叫,晶界,。晶粒的大小影响材料的力学、物理、化学性能，一般情况下，晶粒越细，强度和硬度越高，塑性和韧性越好。因为晶粒越细小，晶界就多，晶界处的晶体排列极不规则，界面犬牙交错，互相咬合，因而加强了金属之间的结合力。,7）细晶强化。,用细化晶粒的方法来提高金属材料的力学性能。金属凝固后的晶粒大小与凝固过程中形核的多少和晶核长大速度有关，晶核越多，长大速度越慢，晶粒越细。而过冷度越大，产生的晶核越多，晶核多，每个晶核长大受到制约，形成的晶粒就越细小。,8）金属的细晶强化方法。,增加过冷度、变质处理、附加振动。,二、,合金的晶体结构,1.固溶体,合金在固态下溶质原子溶入溶剂，仍保持溶剂晶格。根据固溶体晶格中溶剂与溶质原子的相互位置的不同，可分为,置换固溶体,（如黄铜）和,间隙固溶体,(如铁素体和奥氏体)，如图所示。,合金,是指由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素，通过熔化或其它方法结合而成的具有金属特性的物质。,组元（组分，基于化学角度而言）,是组成合金的最基本的、独立的单元。组元可以是金属元素、非金属元素或化合物（如渗碳体）。,相，,成分相同、结构相同、性能均匀，并与其他部分以界面分开的均匀组成部分（基于化学、组织结构、性能而言）。,按照晶格结构的基本属性，固态合金的相可以分为固溶体、金属化合物。,固溶强化：,当溶质原子溶解在溶剂晶体中时，溶剂的晶格将发生畸变，晶格常数发生变化。原子尺寸相差大，化学性质不同，都使畸变增大.,融入固溶体中的原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使塑性变形更加困难，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。这种通过形成固溶体使金属强化的现象称为固溶强化,。,（如钢和铁）,固溶体的晶格畸变,2.金属化合物,组成合金的元素相互化合形成一种新的晶格组成的物质。它的晶体结构与性能，和原两组元都不同，如渗碳体 就是铁和碳组成的晶格复杂的碳化物，一般具有高硬度和高脆性。,3.机械混合物,由两种或两种以上的组元、固溶体或金属化合物按一定重量比例组成的均匀物质称为机械混合物。,混合物中各组成部分仍按自己原来的晶格形式结合成晶体，如铁素体和渗碳体形成珠光体。混合物的性能取决于组成混合物的各部分的性能，及其数量、大小、分布和形态。,三.二元合金相图(Phase Diagram),对于单一的一种合金（某一比例组元的合金），我们可以通过冷却曲线来描述温度与时间的关系，研究相之间的平衡。,然而，对于整个合金体系（不同比列组元的合金），例如Fe-C合金体系，不同成分、不同温度时相或组织的组成及其变化规律，仅仅靠冷却曲线方法是不够的，可以考虑用一系列的冷却曲线来分析。,将同一合金体系的不同冷却曲线组合在一起，组成合金相图（又称状态图、平衡图），用来描述合金在平和条件下，不通过成分、不同温度时相或组织的组成及其变化规律。,三.二元合金相图(Phase Diagram),1相图的建立方法与步骤,以铜镍（Cu-Ni）为例,（1）配制一系列成分不同的合金。,（2)作出各种不同成分合金的冷却曲线，并找出冷却曲线上相变点（转折点）的温度，如图a)所示。,1相图的建立方法与步骤,（3）以温度为纵座标、成分为横座标建立一个直角座标系，将相变点分别标在这个座标系上，如图。,（4）把具有相同意义的各相变点连成曲线，即将所有上相变点相连，所有下相变点相连，则构成了图所示的Cu-Ni二元合金相图。,2匀晶相图(两组元在固态下互溶，结晶成单一的相）,Cu-Ni合金相图既是匀晶相图，如图所示。,3,共晶相图（两组元在固态下不能互溶，在一定温度下结晶出两种具有不同成分的相固（体）相）,下图为PbSn二元共晶相图。,第3节 铁碳合金,（体心立方晶格）,（面心立方晶格）,（体心立方晶格）,一、铁碳合金的基本组织和性能,1.铁的同素异晶转变,金属在固态下发生的晶格结构的转变叫同素异晶（构）转变。金属的同素异构转变也是一种结晶过程，有一定的转变温度和过冷度；也有晶核的形成和长大两个阶段。故同素异构转变又称为重结晶。铁的同素异构转变如下所示。,2.铁素体（F）,碳溶于 中的固溶体，它保持体心立方晶格结构。溶解度（0.008%0.02%），故性质接近纯铁，强度、硬度低，塑性、韧性好。,3.奥氏体（A）,碳溶于 中固溶体，保持面心立方晶格结构。溶解度（0.77%2.11%），其强度和硬度略高于铁素体，塑性、韧性较好。,4.渗碳体（Fe,3,C）,铁和碳组成的金属化合物，复杂斜方晶体结构。含碳量为6.69%，其硬度很高，塑性、韧性几乎为零，脆性极大，在一定条件下分解为铁和石墨。,6.莱氏体Ld,莱氏体,在727,0,C以上，由奥氏体与渗碳体组成的机械混合物，称为高温莱氏体Ld；在727,0,C以下，该组织转变为由珠光体与渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体Ld,。其力学性能与渗碳体相似，硬度较高，脆性较大。,5.珠光体P,珠光体,是铁素体和渗碳体的机械混合物。珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。,二、铁碳合金相图,铁碳合金相图：,表示在平衡状态下铁碳合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。利用它可以研究钢和铸铁的内部组织及其变化规律，从而为更好的利用它们，并为制定热处理、压力加工等工艺规程打下基础。在工程中一般研究的铁碳合金状态图实际上都是铁与渗碳体两组元构成的状态图。,钢：,含碳量小于2.11%的铁碳合金；,铸铁：,含碳量大于2.11%的铁碳合金。,二、铁碳合金相图,1铁碳合金的基本相,（1）铁素体 碳原子溶于-Fe中形成间隙固溶体，原子排列仍为体心立方点阵，该结构即为铁素体，用F或表示。,（2）奥氏体 碳原子若溶于-Fe中，形成间隙固溶体，仍保持面心立方晶体结构，该结构称为奥氏体，用A或表示。,（3）渗碳体 是铁和碳的化合物，含碳量为6.69 wt，晶体结构复杂，呈复杂斜方晶体结构。,2铁碳合金相图分析,下图为简化的铁碳合金相图。相图中各主要特征点均具有重要含义，连接各特征点将组成特征线，特征线则将相图分成特征区，点、线、面及其含义。,相图上的特性线和点如下：,2）,AECF线（固相线）,。当合金冷却到此线时，金属液全部结晶为固相，在此线以下区域为固相。,1）,ACD线（液相线）,。当金属液冷却到此线时开始结晶，在此线以上区域为液相。,由于图中左上角部分在实用中用处不大，故不予分析。,3）,A点,。纯铁的熔点（1538,0,C）。,4）D点,。渗碳体的熔点（1227,0,C）。,5）C点,。共晶点，温度1148,0,C，成分4.3%C。,共晶：,指合金在一定的条件(温度、成分)下，由液体合金中同时结晶出两种不同的晶体，而形成一种特殊的共晶体组织的转变。,即,6）ECF线（共晶线）,。含碳量在2.11%6.69%的铁碳合金，冷却到此线时（1148度），将发生共晶反应，同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶混合物莱氏体。,7）ES线,。是碳在 中的溶解度曲线，E点表示在1148,0,C时碳在 中的最大溶解度为2.11%。随着温度降低，溶解度下降，即含碳量大于0.77%的奥氏体冷却过程中都将从奥氏体中析出渗碳体（次生渗碳体），常称为A,cm,线,8）GS线,。是冷却过程不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的转变线，常称为A,3,线。,10）PSK线（共析线）。,含碳量在0.02%6.69%的铁碳合金，冷却到此线时（727,0,C），将发生共析反应，从奥氏体中同时结晶出铁素体和渗碳体的共析混合物珠光体。即A,1,线。,9）S点。共析点，,温度727,0,C，成分0.77%。,共析转变：,指合金在一定条件下，由一种固相转变成两个固相的机械混合物的过程。,即：,3.,铁碳合金的组织转变,工业纯铁,含碳量小于0.0218%的铁碳合金，,钢,含碳量在0.0218%2.11%的铁碳合金，,共析钢,含碳量等于,0.77%,，,亚共析钢,含碳量小于,0.77%,，,过共析钢,含碳量位于,0.77%2.11%,，,白口铸铁,含碳量在,2.11%,6.69%,的铁碳合金,共晶白口铸铁,含碳量等于,4.3%，,亚共晶白口铸铁,含碳量位于,2.11%4.3%,过共晶白口铸铁,含碳量位于,4.3%,6.69%,3.1.钢的结晶过程,为方便起见，按照铁碳合金的分类，把相图分为钢和白口铁两部分；如图为经过简化的钢的铁碳合金相图。下面分析其结晶过程：,1）共析钢,（如图I号合金）的结晶过程,其室温组织为,珠光体,，为层片状组织，具有较高的强度 =800MPa，硬度HBS=230,塑性较低 =12%。,钢的铁碳合金相图,0.77,2.11,C%,2）亚共析钢,（如图II号合金）的结晶过程,其室温组织为,铁素体加珠光体,其性能介于铁素体和珠光体之间；随含碳量升高，珠光体量增多，故强度硬度增加，塑性韧性下降。,3）过共析钢,（如图III号合金）的结晶过程,其室温组织为,渗碳体加珠光体,，随含碳量升高，渗碳体量增多，故硬度增加，韧性下降。,钢的铁碳合金相图,0.77,2.11,C%,铸铁根据含碳量的不同可分为共晶白口铸铁（4.3%C）、亚共晶白口铸铁（4.3%C）；下面分别分析其结晶过程。,3.2 白口铸铁的结晶过程,生铁的铁碳合金相图,2.11,4.3,6.69,0,C,1）共晶白口铸铁,（如图V）的结晶过程,其室温组织为,莱氏体,。,其室温组织为珠光体加莱氏体。,生铁的铁碳合金相图,2.11,4.3,6.69,0,C,2）亚共晶白口铸铁,（如图IV）的结晶过程,3）过共晶白口铸铁,（如图IIV）的结晶过程,其室温组织为渗碳体加莱氏体。,第四节,钢的热处理,热处理：,将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺方法。,热处理的三个阶段,：加热、保温、冷却,。如图所示是最基本的热处理工艺曲线。,温度,加热,保温,冷却,时间,图1-29 热处理工艺曲线,（1）.,加热和冷却时的转变温度,要使钢的组织发生变化，必须加热到相变温度以上,，,相变温度可由 相图来确定。但在实际加热和冷却时，合金有过冷和过热现象，如图所示，加热时实际相变温度偏高，冷却时偏低。加热和冷却速度越快，偏离越严重。常用 、表示加热时偏离的相变温度。用 、表示冷却时偏离的相变温度。,加热（冷却）时相变温度图,1.,热处理过程中的组织转变,（2）.钢在加热时的组织转变,奥氏体化：,为使热处理获得所需的性能，将钢加热到临界温度以上，使室温组织转变为均匀的奥氏体的过程。,奥氏体的形成：,以共析钢为例，共析钢的组织室温时为珠光体（F+Fe,3,C），当加热到 以上时，珠光体转变为奥氏体。其过程如下：,2）,奥氏体晶核长大。,通过原子扩散，使渗碳体不断溶解和铁素体晶格由体心立方晶格改组为面心立方晶格。,1）奥氏体晶核形成。,首先在铁素体和渗碳体的晶界上出现奥氏体晶核，因为相界面的原子排列紊乱，晶体缺陷较多，易于形核。,3,）,残余渗碳体的溶解,。,铁素体先消失，渗碳体继续向奥氏体溶解完；,4）奥氏体均匀化,。残余渗碳体溶解完后，碳的浓度并不均匀，在原来渗碳体的地方碳含量高，铁素体处低，保温一定时间，碳原子扩散，得到均匀的奥氏体组织。,亚共析钢和过共析钢，加热到 时，只有珠光体转变为奥氏体，随着加热温度升高，铁素体和二次渗碳体才不断向奥氏体转变，到加热温度超过 或 时，才全部转变成奥氏体。珠光体组织比较细密，形成奥氏体的晶核较多，因而珠光体刚转变成奥氏体时，其晶粒比较细小。但若升高温度或保温时间过长，晶粒将长大。,（3）.钢在冷却时的组织转变,热处理工艺中常用的冷却方式,：连续冷却、等温冷却。,钢经奥氏体化后，冷却条件不同，转变产物的组织结构、性能均不同。,1）连续冷却,。将已奥氏体化的钢以某种速度连续冷却，使其在临界点以下变温连续转变（如在水中冷却）。,2）等温冷却,。将已奥氏体化的钢迅速冷却到相变点以下的某个温度，进行保温，使过冷奥氏体在该温度下恒温转变。,注：过冷奥氏体。,冷却至A,1,以下尚未转变的奥氏体，是暂时存在的，处于不稳定状态的奥氏体。,下面以共析钢为例，分析奥氏体在不同温度下冷却时的组织转变。,奥氏体,等温转变图：,将不同等温转变过程中奥氏体转变开始和终结时间，标注在温度时间坐标系中，分别连接开始转变点和终结点，所得的图即为等温转变图，,共析钢的等温转变图如图所示。A,1,为奥氏体转变的临界温度，此线以上为奥氏体稳定区，左边的一条C曲线为过冷奥氏体的转变开始线，其左方为过冷奥氏体区，右边的一条C曲线为过冷奥氏体的转变终结线，其右方为转变产物区，中间为转变区，下方的两条水平线分别为马氏体,共析钢等温转变图,依据等温转变图，奥氏体的转变过程如下：,转变开始线（M,s,=230,0,C)和终结线（M,f,=-50,0,C)。由图可知，过冷奥氏体等温转变的孕育期不同，以转变开始线与纵坐标的距离来表示，孕育期越长，过冷奥氏越稳定，C曲线鼻尖部位（约550,0,C）,转变最快。,共析钢等温转变图,1）高温转变（珠光体转变）,。,（铁碳原子均扩散）,在A,1,线至550,0,C，转变产物为,铁素体与渗碳体片层相间的珠光体型组织,。其中在A,1,650,0,C为粗片状珠光体，硬度在1723HRC。650,0,C600,0,C为较细片状珠光体，亦称索氏体，硬度在23-32HRC。600,0,C550,0,C为极细片状珠光体，,亦称托氏体，硬度在3340HRC。层片越细，强度、硬度越高、塑性韧性越好。,2）中温转变（贝氏体转变）,。,（铁原子不扩散，碳原子扩散）,在550,0,CMs温度范围内，得到过量碳浓度的铁素体和微小的渗碳体混合物。在550,0,C350,0,C，得到羽毛状的,上贝氏体,，硬度较高4045HRC，强度较低、塑性韧性较差。在350,0,CMs，得到黑色针状的,下贝氏体,，硬度高4555HRC，强度较高、塑性韧性较好。,共析钢等温转变图,马氏体可分为片状马氏体和板条状马氏体，含碳量C1.0%的为片状，其硬度高，脆性大。含碳量C0.2%的为板条状马氏体，其强度、韧性较好。含碳量0.2%C1.0%的为片状马氏体和板条状马氏体的复合组织。,（铁原子和碳原子均不扩散）。,共析钢等温转变图,3）低温转变（马氏体转变）,。在Ms以下，得到碳在 中的过饱和固溶体，即马氏体。马氏体转变速度极快，瞬间完成。马氏体量随温度下降而增加，但总有一部分奥氏体残留下来，称为残余奥氏体，它将降低钢的硬度，影响零件形状、尺寸的稳定性。,过冷奥氏体转变产物（共析钢）,转变类型,转变产物,形成温度，,转变机制,显微组织特征,HRC,获得工艺,珠,光,体,P,A,1,650,扩,散,型,粗片状，F、Fe,3,C相间分布,5-20,退火,S,650600,细片状，F、Fe,3,C相间分布,20-30,正火,T,600550,极细片状，F、Fe,3,C相间分布,30-40,等温处理,贝,氏,体,B,上,550350,半扩散型,羽毛状，短棒状Fe,3,C分布于过饱和F条之间,40-50,等温处理,B,下,350M,S,竹叶状，细片状Fe,3,C分布于过饱和F针上,50-60,等温淬火,马,氏,体,M,针,M,S,M,f,无扩散型,针状,60-65,淬火,M,*,板条,M,S,M,f,板条状,50,淬火,关于渗碳体的类型,形态,.,1、片状渗碳体,，奥氏体转变成珠光体时形成；,2.网状渗碳体,，由,慢冷,时从奥氏体晶界处析出，也称二次渗碳体；,3.球状渗碳体（颗粒状）,，球化退火时形成；,4.杆状渗碳体，,属于先共晶渗碳体；,5.块状渗碳体,，是共晶、过共晶合金中的基体组织。,渗碳体类型（形成,）,一次渗碳体：,在铁-石墨相图中，碳含量大于4.3时，在L(Fe)Fe3C两相区内结晶析出的初生Fe3C为一次渗碳体，形成温度于共晶温度（1148）以上，形貌为大的片（其间为共晶组织）。碳含量于4.3%6.69%是其典型成分区间。,二次渗碳体：,在铁-石墨相图中，碳含量大于0.77时，在A(Fe)Fe3C两相区内析出的Fe3C为二次渗碳体，形成温度于共晶温度（1148）与共析温度（727）之间，形貌以网状为典型。碳含量于0.77%6.69是其典型成分区间。,三次渗碳体：,在铁-石墨相图中，F(Fe)Fe3C两相区内析出的Fe3C为三次渗碳体，形成温度于共析温度（727）以下，形貌为细片状或粒状。,共晶渗碳体：,于共晶温度（1148）形成的共晶组织（A（Fe）Fe3C）中的Fe3C体。形貌为片状的共晶组织形貌。碳含量约为4.3%。,共析渗碳体：,于共析温度（727）形成的共析组织（F(Fe)+Fe3C)中的Fe3C，形貌为片状的共析组织形貌。碳含量约为0.77%。,2.钢的热处理工艺,钢的热处理可分为普通热处理（如退火、正火、淬火、回火等）和表面热处理,。,（1）,.,退火,退火,是,将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却得到接近平衡状态组织的热处理工艺。,退火的目的：,1）降低钢的硬度，提高塑性，从而有利于切削加工及冷变形加工；,2）消除钢中的残余内应力，以防工件变形和开裂；,3）改善组织，细化晶粒，改变钢的性能或为以后热处理做准备。,退火的分类,：,各种退火、正火加热温度及工艺曲线如图所示。,退火正火工艺规范示意图,1）完全退火。,加热到A,c3,以上2030,0,C，保温，缓冷至600,0,C以下，再空冷，得到接近平衡状态组织。主要用于,亚共析钢和共析钢,的锻件、轧件、铸件,(加工终止温度高，组织晶粒大，热应力高），（缓慢冷却）,使晶粒细化，组织均匀和消除残余应力，提高钢件的性能。,过共析钢不宜完全退火，因析出网状渗碳体，降低钢的力学性能。,2）球化退火。,使钢中的碳化物呈球状而进行的退火。将工件加热到A,c1,以上2030,0,C，保温，然后缓慢冷却。主要用于,过共析钢,，,使钢中珠光体中的片状,渗碳体,和,二次渗碳,（先正火处理）球状化，因为渗碳体从片状转变为粒状，所以可以降低硬度提高韧性，改善切削加工性能。,退火正火工艺规范示意图,3)去应力退火。为,消除形变加工、锻造、冷冲压、焊接、铸造件、切削加工件以及铸件内存在的残余应力而进行的退火,。铸钢件的温度为600650,0,C，铸铁件为500550，保温后在炉内缓慢冷却。,组织不发生变化,，只消除残余内应力，减少变形和开裂倾向，稳定尺寸。,4）扩散退火(均匀化退火)。,将钢加热到,略低于固相线温度,，长时间保温，随炉冷却，,使化学成分和组织均匀化,。主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件或锻件。,（2）,.,正火,正火,是,将工件加热到A,c3,（亚共析钢）或A,ccm,（过共析钢）以上3050,0,C，保温适当时间，在自由流通的空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。,正火,主要应用于：,1）对不太重要的零件，可细化晶粒，组织均匀，提高机械性能，作为最终热处理，而不再进行淬火处理；,2）对低碳钢与中碳合金钢，可提高硬度，改善切削加工性（细化晶粒），可替代退火，未正火加工粗糙；,3）对于过共析钢或工具钢，可减少网状二次渗碳体，并使其不呈连续网状碳化物，便于球化退火（在球化退化前进行）。,与退火比较，其加热温度略高于退火，保温时间短于退火，最大的差别是冷却方式不同。,退火能不能消除网状渗碳体？,不能！,退火加热到,Accm 线以上，虽然得到奥氏体单一相，但是退火是随炉缓慢冷却，冷却速度过于缓慢，碳沿奥氏体晶界析出得到网状渗碳体,；,对于过共析钢，通常要通过球化退火降低硬度，改善加工性能，因为球化退火无法消除网状渗碳体，所以在球化退火前加入正火这么一道工序,。,由于加热到Accm以上的温度，奥氏体化了。相对快速的冷却会快速通过Arcm-Ar1区间，抑制C的扩散，形成室温下的渗碳体+珠光体组织。,（3）.淬火,淬火是,将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。淬火的目的是提高工件的硬度和耐磨性，一般淬火后的工件再配合适当温度的回火，可获得较好的综合力学性能，如刀具、模具、轴和齿轮。,淬火质量取决于加热温度和冷却方式,。,1）淬火加热速度。,钢的导热性好，为防止晶粒长大，应选择大的加热速度,2）淬火加热温度。,根据钢材的化学成分决定，,亚共析钢在A,c3,以上3050,0,C,，此时钢的组织为细颗粒的奥氏体，淬火后获得细小的马氏体。若温度低于A,c3,，将出现自由铁素体。若温度过高，得到粗大的马氏体，性能变坏。,共析钢和过共析钢加热温度在A,c1,以上3050,0,C,（获得渗碳体和奥氏体两相组织），冷却后得到细小的马氏体和小颗粒的渗碳体组织。,若加热到Accm线以上，则获得粗大奥氏体，冷却后将获得大量残余奥氏体，降低钢的硬度和耐磨性，并且冷却后获得粗大的马氏体和伴有显微裂纹，增加钢的脆性。加热到Accm的粗大和高温奥氏体，快速冷却还导致热应力和氧化脱碳，从而钢件开裂。,3）保温时间,也是淬火的一个关键因素，保温时间过长将导致晶粒过大和氧化脱碳，过短将导致组织转变不均匀。,2,）淬火冷却方法（连续冷却为主）。,冷却速度通过冷却介质控制，,冷却介质对淬火效果有很大影响，常用的有水、油和盐、碱的水溶液。水用于形状简单、截面较大的碳素钢工件。油用于合金钢和复杂的碳素钢。常用淬火方法如图所示。图中C曲线是等温冷却时的奥氏体转变曲线，不与C曲线相交的冷却速度线为获得马氏体组织的冷却，1表示单液淬火，2表示双液淬火，3表示分级淬火，4表示等温淬火。,3）淬透性和淬硬性。,常用淬火方法示意图,淬透性：,钢在淬火后，获得淬透层（淬硬层）深度的能力。,淬硬性：,钢淬火时能达到的最高硬度。,不同冷却条件下的转变产物,等温退火,P,退火,(炉冷),正火,(空冷),S,(油冷),T+M+A,等温淬火,B,下,M+A,分级淬火,M+A,淬火,(水冷),A,1,M,S,M,f,时间,温度,淬火,P,P,均匀A,细A,？,？,？,(4)钢的回火,回火,是指将淬火钢加热到,A,1,以下的某温度保温后冷却的工艺。,一、回火的目的,1、淬火冷却速度快，,在冷却过程中工件内沿截面将产生一定温度梯度，,内部热应力大（大于材料的屈服强度时，材料发生变形，大于抗拉强度则开裂）减少或消除淬火内应力,防止变形或开裂.,2,、获得所需要的力学性能。,淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。,螺杆表面的淬火裂纹,3、稳定尺寸。,淬火M和A都是非平衡组织，有自发向平衡组织转变的倾向。回火可使M与A转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。,4、对于某些高淬透性的钢,，空冷即可淬火，如采用,回火软化既能,降低硬度,，又能,缩短软化周期,。,未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置使用过程中易变形或开裂。,钢经淬火后应立即进行回火,。,二、,钢在回火时的转变,淬火钢回火时的组织转变主要发生在加热阶段。,随加热温度升高，淬火钢的组织发生四个阶段变化。,回火时组织转变,1、马氏体的分解,100回火时，钢的组织无变化。,100-200加热时，马氏体将发生分解,从马氏体中析出,-,碳化物(,-Fe,X,C)，,使马氏体过饱和度降低。,析出的碳化物以细片状分布在马氏体基体上，这种组织称,回火马氏体,，用M,回,表示。,透射电镜下的回火马氏体形貌,回火马氏体,在光镜下,M,回,为黑色，,A,为白色,。,0.2%C 时，不析出碳化物。只发生碳在位错附近的偏聚。,2,、,残余奥氏体分解,200-300,时,由于马氏体分解，奥氏体所受的压力下降,Ms,上升，,A,分解,为,-碳化物,和过饱和铁素体，即,M,回,。,衡成分,内应力大量消除，,M,回,转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状,Fe,3,C,组织，称,回火托氏体,，用,T,回,表示。,发生于,250-400,，此时，,-,碳化物溶解于,F,中，并从铁素体中析出,Fe,3,C,。,到,350,马氏体含碳量降到铁素体平,回火托氏体,3,、,-,碳化物转变为,Fe,3,C,回火索氏体,4、Fe,3,C聚集长大和铁素体多边形化,400,以上,Fe,3,C,开始聚集长大。,450,以上铁素体发生多边形化，由针片状变为多边形,.,这种在多边形铁素体基体上分布着颗,粒状Fe,3,C的组织称,回火索氏体,，用,S,回,表示。,淬火钢硬度随回火温度的变化,40钢力学性能与回火温度的关系,回火时的性能变化,回火时力学性能变化总的趋势是随回火温度提高，,钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高,。（下左图）,200以下，由于马氏体中碳化物的弥散析出，钢的硬度并不下降，高碳钢硬度甚至略有提高。,200-300,，由于高碳钢中,A,转变为,M,回,硬度再次升高。,大于,300,由于,Fe,3,C,粗化，马氏体转变为铁素体,硬度直线下降。,四、回火种类,根据钢的回火温度范围，可将回火分为三类。,淬火加高温回火的热处理称作,调质处理,，简称,调质,.,广泛用于,各种结构件如轴、齿轮,等热处理。也可作为要求较高精密件、量具等预备热处理。,适用于各种,高碳钢,、,渗碳件,及,表面淬火件,。,应用,获得良好的综合力学性能，,即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。,提高,弹性,及,屈服点,，同时使工件具有一定韧性。,在保留高硬度、高耐磨性的同时，降低内应力,。,回火目的,S,回,T,回,M,回,回火组织,500-650,350-500,150-250,回火温度,高温回火,中温回火,低温回火,适用于、锻模、,弹簧,热处理,弹簧热处理,（4）.回火,回火是,为了消除淬火引起的残余应力及获得要求的组织和性能，将淬火后的工件加热到A,c1,以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。,回火目的：,淬火后得到性能很脆的马氏体组织，而且淬火马氏体是不稳定的组织，它有变为稳定状态的趋势，即有组织转变应力；同时，淬火冷却速度快，热应力也大。上述淬火应力，均使零件尺寸变化，零件容易变形和开裂。为此,利用回火来达到以下目的：,1）减少和消除淬火应力；,2）稳定工件尺寸，防止变形和开裂,；,3）获得工件所需的组织和性能；即获得要求的强度、硬度和韧性。,回火的种类及应用：,1,）,低温回火,。,加热温度为150250,0,C，得到碳的过饱和程度稍小的固溶体回火马氏体,，,硬度较高，在HRC5864之间，高耐磨性,。,可消除一定的残余应力，韧性有所改善。用于各类高碳钢的工具、模具、量具。,2,）,中温回火,。,加热温度为350500,0,C，得到极细颗粒状渗碳体和铁素体的混合物回,托,氏体，有极高的弹性极限和屈服强度，也有较好的韧性。硬度在HRC3545；用于各种弹簧、弹簧夹头及锻模。,3）高温回火。,加热温度为500650,0,C，得到细而均匀的颗粒状渗碳体和铁素体的混合物-回火索氏体，有较高的强度和硬度，又有较好的韧性和塑性。工厂一般把淬火和高温回火叫调质处理。用于重要的零件如轴、齿轮、连杆和螺栓。,(5),.,表面热处理,表面热