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机械制造基础绪绪 论论n金属工艺学金属工艺学讲述有关制造金属零件的工艺方法的相关基础知识（材料和热处理）。n加工方法n铸造n压力加工n焊接n热处理 n切削加工热加工工艺毛坯金属材料冷加工工艺零件金属材料或毛坯改善金属材料或毛坯的加工性能和力学性能第一篇 金属材料导论n内容n金属材料的主要性能n不同温度下金属材料的结构及变化n金属材料的种类n铁碳合金n钢的热处理第一章 金属材料的主要性能n力学性能-重点（机械制造角度）n物理性能n化学性能n工艺性能n性能为什么要分为几类？每一类都包括哪些具体指标？具体指标是重点第一章 金属材料的主要性能n金属材料的力学性能：材料在力的作用下所表现出来的性能，也称机械性能。n强度强度n塑性塑性n硬度硬度n韧性韧性n疲劳强度疲劳强度静载荷下的力学性能静载荷下的力学性能动载荷下的力学性能动载荷下的力学性能衡量衡量金属金属材料材料主要主要标志标志学习要求：学习要求：常用的力学（机械）性能指标（名称、符号、含义、单位）学习方式：学习方式：结合对概念的理解去记忆。强度和塑性n测定方法：拉伸试验n n原理 （1）试样两端缓慢施加轴向拉伸载荷。（2）载荷不断增加，试样被逐步拉长，直到拉断。（3）记录每一瞬间载荷F 和伸长量，并绘制出拉伸曲线。强度和塑性拉伸曲线特性拉伸曲线特性nOe阶段弹性变形nes阶段弹性塑性变形ns点屈服点，出现“屈服”现象nbk阶段出现“缩颈”nk点断裂点强度（名称）n定义：金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。n判据：屈服强度、抗拉强度。（应用场合）n屈服强度 拉伸试样产生屈服现象时的应力。n符号、单位无明显屈服现象的金属材料，以试样产生无明显屈服现象的金属材料，以试样产生0.2塑性变塑性变形时的应力，作为该材料的屈服点，用形时的应力，作为该材料的屈服点，用 表示。表示。屈服时最大载荷试样原始截面积单位横截单位横截面上内力面上内力 强度n判据n抗拉强度 金属材料在拉断前所能承受的最大应力，以 表示。机械零件或构件，通常不允许发生塑性变形，以屈机械零件或构件，通常不允许发生塑性变形，以屈服点作为判据。脆性材料，断裂前基本不发生塑性服点作为判据。脆性材料，断裂前基本不发生塑性变形，以抗拉强度作为判据。变形，以抗拉强度作为判据。拉断前最大载荷试样原始截面积塑性n定义：金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力，以伸长率 或收缩率 表示：塑性塑性试样拉试样拉断后标断后标距长度距长度试样原试样原始标距始标距长度长度试样拉试样拉断后断断后断口截面口截面积积试样原始试样原始截面积截面积硬度n定义：金属材料抵抗局部局部变形、压痕的能力，称为硬度。它是金属材料在静载时所表现出的机械性能。n内涵：硬度是衡量金属软硬的判据。n测定方法：在硬度计上测定。n布氏硬度法n洛氏硬度法n维氏硬度法布氏硬度（HB）n测试原理：（1）以直径为D 的淬火钢球或硬质合金球，在载荷F的静压力下，压入被测材料的表面；（2）停留若干秒后，卸去载荷；（3）测出压痕直径d，并根据d的数值查出HB值。d布氏硬度（HB）n优点：硬度值较稳定，测试数据重复性好，准确度较洛氏硬度法高。n缺点：测量费时，且因压痕较大，不适于成品检验，太薄太硬（450HB）的不适合。n名称、符号、定义、方法、单位洛氏硬度（HR）法n测试原理：（1）以顶角为120金刚石圆锥体（或1.588mm淬火球）为压头（根据材料不同情况），在规定的载荷下，垂直地压入被测金属表面；（2）卸载后依据压入深度h，由刻度盘上的指针直接指示出HR值。n优点：测试简单、迅速，压痕小，可用于成品检验。n缺点：重复性较差，必须在不同部位测量数次。韧性n定义：金属材料断裂前吸收的变形能量。n评价指标：冲击韧度 。n测定方法：采用摆锤式冲击试验机测定。韧性n原理：原理：（1）将带缺口的标准 冲击试样放在试验机上（2）用摆锤将其一次冲断（3）以试样缺口处单位截面积上所吸收的冲击功表示冲击韧度，即：试样缺口试样缺口处截面积处截面积冲断试样所消冲断试样所消耗的冲击功耗的冲击功疲劳强度n疲劳断裂：当零件在疲劳载荷（周期性或非周期性动载荷动载荷）作用下发生断裂时，其应力往往大大低于大大低于该零件材料的强度极限强度极限，称该断裂为疲劳断裂。n区别屈服、抗拉强度静载荷疲劳强度n疲劳曲线：金属材料所承受的疲劳应力与其断裂前的应力循环次数的关系。n疲劳极限或疲劳强度：金属材料在无数次循环载荷作用下不致引起断裂的最大应力。当应力按正弦曲线对当应力按正弦曲线对称循环时，疲劳强度称循环时，疲劳强度以符号以符号 表示。表示。原因：金属材料存在内部缺陷原因：金属材料存在内部缺陷或零件局部应力集中产生裂纹。或零件局部应力集中产生裂纹。思考：思考：1 疲劳曲线的水平部分说明什么？2 工业实际中，无数次循环载荷作用怎么体现？各种材料有相应的循环次数 3 通常的钢材是以多少次循环载荷来决定疲劳极限（疲劳强度）？金属材料的物理、化学及工艺性能n物理性能物理性能n密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。n化学性能化学性能n主要是指在常温或高温时，抵抗各种介质侵袭的能力，如耐酸性、耐碱性和抗氧化性等。金属材料的物理、化学及工艺性能n工艺性能工艺性能n是金属材料物理、化学性能和力学性能在加工过程中的综合反映，是指是否易于进行冷、热加工的性能。n按工艺方法的不同，可分为铸造性、可锻性、焊接性和切削加工性等。小结n本章重点是金属材料的力学性能n力学性能方面n各种性能（强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度）的名称、定义、符号、单位n拉伸曲线、硬度测试方法、疲劳曲线第二章 铁碳合金n定义：n合金以一种金属为基础加入其它金属或非金属，经过熔合而得到的具有金属特性的材料，称为合金。n铁碳合金以铁、碳为主要组成的合金。如钢和铸铁都是以铁为基础的铁碳合金，其中铁的含量占95以上。第二章 铁碳合金n主要内容：n纯铁的晶体结构及其同素异晶转变n铁碳合金的基本组织n铁碳合金状态图n工业用钢简介n零件选材原则第一节 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变n对金属结晶过程的了解（液态转变为固态）n金属结晶过程所涉及的几个基本概念n 过冷、过冷度、自发晶核、非自发晶核、晶粒粗细（影响材料性能）n对纯铁晶体结构的了解n同素异晶的概念纯铁的晶体结构及其同素异晶转变n金属结晶的基本概念n定义：金属原子的聚集状态由无规则的液态，转变为规则排列的固态晶体的过程，可用冷却曲线来表达。n结晶温度：每种金属的固定熔点，即结晶温度t0，通常称理论结晶温度（特殊条件）。金属结晶的基本概念n冷却曲线：表示金属冷却到某一温度时，冷却时间增加而温度不再下降，出现一个水平台阶，其对应温度 为实际结晶 温度。金属结晶的基本概念n过冷：实际结晶温度低于理论结晶温度（平衡结晶温度）的现象。n过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。n为什么强调过冷和过冷度的概念？为什么强调过冷和过冷度的概念？n对金属结晶过程和晶粒的大小有重要影响。冷却速度冷却速度 实际结晶温度实际结晶温度 过冷度过冷度金属的结晶过程n金属的结晶过程：晶核的形成晶核的长大n晶核的形成：晶核的形成：液态金属冷却到一定温度时，部分原子开始按一定规则排列，形成细小的晶胚，部分尺寸较大的晶胚形成继续结晶的核心（晶核晶核的成长纯铁的晶体结构及其同素异晶转变n晶核的形成方式：n自发晶核：液态金属原子自发形成的晶核。n非自发晶核：实际结晶过程中，金属液体中的某些杂质也能成为金属结晶核心而形成晶核。如人工加入非自发晶核物质，称人工晶核。n材料中形成的晶核数量越多（原子数量一定）则结晶后的晶粒越细小。金属的结晶过程n晶核的长大：晶核的长大：晶核在冷却过程中不断集结液体中的原于而逐渐长大，同时新的晶核也不断形成和长大，直至由晶核长大形成的晶粒彼此接近，液态金属逐渐消失而完成结晶。结晶过程示意图纯铁的晶体结构及其同素异晶转变n晶核长大的实质：液体原子向固态晶核表面集结迁移，形成晶粒。结晶过程示意图纯铁的晶体结构及其同素异晶转变n晶粒的大小及其控制n晶粒大好？小好？n晶粒小、晶界多且方向各异、塑性变形阻力大、机械性能增高（强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度）纯铁的晶体结构及其同素异晶转变n晶粒的大小取决于：n晶核形成的多少晶核形成的多少 单位时间内晶核的形成多，晶粒数量多，最终形成许多细小的晶粒。n晶核的成长速度速度越快，晶粒越粗。n过冷度过冷度增加，形核率与成长率增加，但形核率远大于成长率，晶粒细。n关注“过冷度”的原因是由于其与晶粒的大小相关，而晶粒大小又与材料的强度、硬度等机械性能相关。n晶粒越小，晶粒之间晶界的强度越高，材料的力学越高，所以晶粒越小越好。n哪些因素会影响晶粒的大小？晶粒的大小及其控制n细化晶粒的方法细化晶粒的方法n加快冷却速度加快冷却速度 冷却速度愈大，过冷度越大，晶核形成速度大于晶核的成长速度，晶粒细小。n变质处理变质处理 在液态金属内加入某种难熔杂质，直接形成晶核，或使晶核加速形成，晶核数量增加，细化晶粒。n促使结晶时液态金属流动促使结晶时液态金属流动 电磁搅拌、机械振动和离心浇注等，液态金属流动加快，晶核形成率提高，生长的晶体破坏，晶粒细化。用细化晶粒强化金属的用细化晶粒强化金属的方法，称为细晶强化方法，称为细晶强化n思考：n1 晶粒大小对材料性能有何影响？晶粒大好还是晶粒小好？n2 在结晶过程中哪些因素能带来小晶粒？n3这些因素与过冷度有何关系？纯铁的晶体结构及其同素异晶转变n纯铁的晶体结构n晶体与非晶体 n晶体是由原子按一定规则排列，如金属及其合金及大多数矿物。n非晶体的原子排列较不规则，如玻璃。纯铁的晶体结构及其同素异晶转变n晶格、晶胞和晶格常数n晶格：假设将原子抽象为一个结点，用假想的直线连接结点，形成空间格架。n晶胞：把晶格中具有空间排列特征的最小几何单元纯铁的晶体结构及其同素异晶转变n晶格常数：晶胞三个棱边的长度称为晶格常数，用a、b、c表示，棱边之间的夹角用 来表示。常见金属的晶格类型n体心立方立方体8个顶角和立方体中心各有1个原子，晶胞实有原子数为2个，致密度68。n面心立方8个顶角和6个面的中心都各有1个原子，晶胞实有原子数为4个，致密度74n有什么意义？同样材料有不同结构，密度不同，结构转化时有体积变化。纯铁的晶体结构及其同素异晶转变n纯铁的同素异晶转变n定义：随着温度的改变，固态金属晶格由一种转变为另一种晶格的变化。n晶体结构改变n结晶过程温度不变纯铁的同素异晶转变纯铁的同素异晶转变纯铁的同素异晶转变n纯铁冷却曲线（三个平台）n1538，纯铁由液态到固态的结晶阶段，体心立方晶格，铁n1394，晶格转变为面向立方晶格，铁n912，晶格再次转变为体心立方晶格，铁纯铁的同素异晶转变纯铁的同素异晶转变铁的同素异晶转变-固态下原子重新排列的过程（重结晶）n实质实质：遵循晶核形成和长大的结晶过程，为了区别由液态转变为固态的初次结晶，将同素异晶转变称作二次结晶或重结晶（固态下的转变）（固态下的转变）。n实验中发现温度变化过程中，体积发生改变，进而研究内部分子结构变化，发现金属的同素异晶转变。铁的同素异晶转变-固态下原子重新排列的过程n与结晶（液态下进行）的区别与结晶（液态下进行）的区别：n同素异晶转变时，其新相的晶核在特定的晶面上形成。n固态转变比结晶转变具有较大的过冷倾向。后者低于20度，前者达几百度。n同素异晶转变易于造成较大的内应力（晶体结构不同，引起密度变化，引起体积变化）。n小结n过冷的概念及对材料性能的影响n结晶过程n晶粒的概念及其大小对材料性能的影响n细化晶粒的方法n铁的同素异构转变的概念及其特点铁碳合金的基本组织n概念较多n基本脉络：n铁碳合金的铁碳合金的组织分为三类组织分为三类：固溶体、：固溶体、金属化合物、机械混合物金属化合物、机械混合物n每一类又分为若干的每一类又分为若干的“体体”铁碳合金的基本组织n合金的基本概念n合金合金两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素熔合在一起，构成具有金属特性的物质，称为合金。n如铁和碳组成的铁碳合金有碳素钢、铸铁等；铜和锌组成的合金有黄铜等。铁碳合金的基本组织n合金的基本概念n组元组元组成合金的最简单、最基本、能独立存在的物质称作组元。合金中的稳定化合物（如Fe3C）也可称作组元。n相相在合金中，凡化学成分化学成分和晶格构造晶格构造相同、并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。铁碳合金的基本组织合金的基本概念n同种金属的同素异构体之间属同一种相吗？n合金中由成分、结构相同的同一种晶粒组成的多晶体组织，虽然晶粒间有界面，仍为同一种相。（区分界面的概念，多晶体有许多晶粒，每个晶粒的化学成分、内部晶体结构相同）铁碳合金的基本组织n合金的基本概念n组织组织用肉眼或用放大镜、显微镜能观察分辩的材料内部微观形貌图象。n组织可分为三大类：1.固溶体2.金属化合物3.机械混合物铁碳合金的基本组织n铁碳合金的组织n固溶体：溶质原子溶入溶剂晶格而保持溶剂晶格类型的金属晶体。（借用液体概念）n金属化合物：各组元按一定的整数比结合而成、并具有金属性质的均匀物质，属于单相组织。(原子数量有一定比例关系)n机械混合物：由结晶过程所形成的两相混合组织，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。固溶体（单相组织）n种类：根据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同，分为置换固溶体置换固溶体和间间隙固溶体隙固溶体。固溶体（单相组织）n置换固溶体：当溶质原子代替了一部分溶剂原子、占据溶剂晶格的某些结点位置时。n间隙固溶体：当溶质原子在溶剂晶格中不是占据结点位置，而是嵌入各结点之间的空隙时，所形成的固溶体。固溶体n固溶强化固溶强化：由于形成固溶体而引起强度提高的现象。n固溶强化实质：溶质原子溶入溶剂晶格，使晶格发生畸变提高晶格发生畸变提高合金的强度、硬度。提高金属强度的重要途径之一提高金属强度的重要途径之一n思考：思考：n工业上通过工件表面的渗碳、渗氮等强化表面的强度、硬度，其原理是什么？固溶体（学习两类）n铁素体铁素体n定义：溶解于 中形成 的固溶体，呈体心立方晶格 通常以符号 F 表示。n特点：特点：溶碳能力极小，固溶强化作用甚微。其强度、硬度低，塑性、韧性好。晶格示意图晶格示意图固溶体n奥氏体奥氏体n定义：碳溶入 中 形成的固溶体为奥氏体，呈面心立方晶格（A）n特点：特点：溶碳能力较铁素体高，但还不能很有效提升强度和硬度。一般来说，其强度、硬度不高；但塑性优良（热变形加工）。晶格示意图晶格示意图金属化合物n定义：各组元按一定的整数比结合而成、并具有金属性质的均匀物质，属于单相组织。n特点：具有复杂的晶格，熔点高，硬而脆。金属化合物（只学习一类）n渗碳体渗碳体n特点：特点：硬度极高，而塑性、韧性极低。伸长率和冲击韧度接近于零。n渗碳体在一定条件下可发生分解，形成石墨。其反应式为：铁碳合金的基本组织n比较固溶体和金属化合物的特点，其机械性能差异很大，占据两极端（极软、极硬）。n则第三类，机械混合物又有着怎样的特点呢？机械混合物（学习两类）n定义：由结晶过程所形成的两相混合组织，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。（混合比例不同）n特点：特点：性能介于各组成相之间，它不仅取决于各相的性能和比例，还与各相的形状、大小和分布有关。机械混合物（学习两类）n珠光体珠光体n定义：铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P或（FFe3C）表示。n特点：特点：抗拉强度高、硬度较高，且仍有一定的塑性和韧性。在显微镜下呈片状。nFFe3C混合后形成了中和的性能。n3535钢的显微组织中，黑色部分即为固溶体与钢的显微组织中，黑色部分即为固溶体与Fe3CFe3C组成的机械混合物，组成的机械混合物，珠光体（珠光体（P P）组织。）组织。n将黑色部分放大，其中白色基体是将黑色部分放大，其中白色基体是FeFe与与C C形成的固形成的固溶体铁素体（溶体铁素体（F F），），黑色条纹为渗碳体（黑色条纹为渗碳体（Fe3CFe3C）机械混合物n莱氏体莱氏体Ldn定义：奥氏体（高温存在）和渗碳体组成的机械混合物称高温莱氏体，用符号或（A+Fe3C）表示。n特点：特点：性能与渗碳体相近，即极为硬脆。机械混合物n低温莱式体低温莱式体 Ldn高温莱氏体冷却到727C以下时，其中 A 将转变为珠光体（P FFe3C）和（原有）渗碳体机械混合物（PFe3C）。n特点：特点：性能与渗碳体相近，即极为硬脆。n思考：思考：1 1 铁碳合金的三类组织：固溶体、金属化合物、铁碳合金的三类组织：固溶体、金属化合物、机械混合物有硬有软，机械混合物有硬有软，“谁谁”硬硬“谁谁”软？软？2 2 铁碳合金的组织有哪些？性能如何？之间有铁碳合金的组织有哪些？性能如何？之间有何联系？何联系？3 3 机械混合物中的机械混合物中的“体体”分别是分别是“谁谁”和和“谁谁”的混合？的混合？n小结n合金的基本概念（合金、相、组元、组织）n合金组织的基本类型（固溶体、化合物、机械混合物）n固溶强化概念与作用n铁碳合金的基本组织（名称、类型、特点）第三节第三节 铁碳合金状态图铁碳合金状态图n状态图状态图表示不同表示不同成分成分和和温度温度时的组织时的组织状态关系的图形。状态关系的图形。n根据前面所学铁碳合金的基本组织类型根据前面所学铁碳合金的基本组织类型和特点，根据此图可以知道在什么温度和特点，根据此图可以知道在什么温度和成分条件下，可以获得什么样的组织和成分条件下，可以获得什么样的组织和性能的材料。和性能的材料。n坐标含义：温度、成分。坐标含义：温度、成分。状态图状态图不同不同成分成分的铁碳合的铁碳合金在缓慢金在缓慢加热、冷加热、冷却条件下，却条件下，不同不同温度温度时的组织时的组织状态。状态。LFe3C渗碳渗碳体熔体熔点点A AF F共晶点共晶点共析点共析点纯铁熔点纯铁熔点同素异晶同素异晶转变点转变点碳在碳在最大溶解度最大溶解度碳在碳在 最大溶解度最大溶解度铁碳合金状态图的分析重点：铁碳合金状态图的分析重点：n4个基本相：n液相（L）n奥氏体相（A）n铁素体相（F）n渗碳体相（Fe3C）LAFFe3Cn铁碳合金状态图6条特性线的分析nACD线：即液态线液态线，当铁碳合金冷却到此线开始结晶，在此线以上是液相区。nAECF线：即固态线固态线，当铁碳合金冷却到此线将全部结晶为固态，在此线以下是固相区。LAFFe3CnES线：A cm线，是碳在奥氏体中的溶解度曲线。随着温度的下降，碳在奥氏体中的溶解度减小，将由奥氏体中析出渗碳体。nGS线：A 3线，是从奥氏体中析出铁素体的开始线。LAFFe3CnPSK线：也叫共析线，铁碳合金冷却到此线时，在恒温(727 C)下，珠光体P析出，称为共折反应共折反应。AF727 CnECF线：铁碳合金冷却到此线时，在恒温(1147C)下，将从液体中结晶出莱氏体Ld，称共晶反应共晶反应。A1147CA+Fe3CF+Fe3C学习重点：n铁碳合金的分类（根据含碳量不同）要求：记住具体的分界点处的含碳量掌握铁碳合金相图分界点的含义。n不同成分，组织、性能不同。铁碳合金状态图铁碳合金的分类（按含碳量不同）n钢：含碳量小于钢：含碳量小于2.11的铁碳合金的铁碳合金n亚共析钢0.77n铸铁：含碳量铸铁：含碳量2.116.69的铁碳合金的铁碳合金n亚共晶铁含碳量4.3（主要分界点要记住）（主要分界点要记住）铁碳合金相图应用铁碳合金相图应用材料组织及性能的分析材料组织及性能的分析含碳量与铁碳合金组织及性能的关系含碳量与铁碳合金组织及性能的关系n n铁碳合金室温组织由铁碳合金室温组织由F F和和Fe3CFe3C两相组成，含碳量两相组成，含碳量不同，组织中两相的相对数量、分布及形态不同，不同，组织中两相的相对数量、分布及形态不同，所以不同成分的铁碳合金具有不同的性能。所以不同成分的铁碳合金具有不同的性能。n n 1.1.铁碳合金含碳量与组织的关系铁碳合金含碳量与组织的关系n n在铁碳合金中，碳主要以渗碳体的形式存在。在铁碳合金中，碳主要以渗碳体的形式存在。n n含碳量增加，渗碳体相对量随之增加。渗碳体类含碳量增加，渗碳体相对量随之增加。渗碳体类型、形态和分布不同，从而组成了不同的组织。型、形态和分布不同，从而组成了不同的组织。随含碳量的增加，引起力学性能如何变化？随含碳量的增加，引起力学性能如何变化？随含碳量的增加，引起力学性能如何变化？随含碳量的增加，引起力学性能如何变化？室温铁室温铁室温铁室温铁碳合金碳合金碳合金碳合金含碳量含碳量含碳量含碳量与相和与相和与相和与相和组织的组织的组织的组织的关系关系关系关系1.铁碳合金含碳量与组织的关系铁碳合金含碳量与组织的关系2.铁碳合金含碳量与力学性能的关系铁碳合金含碳量与力学性能的关系随含碳量增加，钢随含碳量增加，钢的强度和硬度增加，的强度和硬度增加，塑性韧性下降。但塑性韧性下降。但当当c =0.9%时，时，由于网状渗碳体的由于网状渗碳体的出现使钢的强度开出现使钢的强度开始降低。始降低。铁碳合金相图的应用铁碳合金相图的应用 1.选材选材 根据机械零件性能要求，选择合适的材料。根据机械零件性能要求，选择合适的材料。根据机械零件性能要求，选择合适的材料。根据机械零件性能要求，选择合适的材料。要求塑性好、韧性高的材料，可选用低碳钢；要求塑性好、韧性高的材料，可选用低碳钢；要求塑性好、韧性高的材料，可选用低碳钢；要求塑性好、韧性高的材料，可选用低碳钢；例：冲压件通常使用含碳量小于例：冲压件通常使用含碳量小于例：冲压件通常使用含碳量小于例：冲压件通常使用含碳量小于0.25%0.25%的钢板。的钢板。的钢板。的钢板。要求强度、硬度、塑性都好的材料，选用中碳钢；要求强度、硬度、塑性都好的材料，选用中碳钢；要求强度、硬度、塑性都好的材料，选用中碳钢；要求强度、硬度、塑性都好的材料，选用中碳钢；例：重要的轴类零件通常使用含碳例：重要的轴类零件通常使用含碳例：重要的轴类零件通常使用含碳例：重要的轴类零件通常使用含碳0.4%0.4%左右的钢。左右的钢。左右的钢。左右的钢。要求硬度高、耐磨性好的材料可选用高碳钢；要求硬度高、耐磨性好的材料可选用高碳钢；要求硬度高、耐磨性好的材料可选用高碳钢；要求硬度高、耐磨性好的材料可选用高碳钢；例：各种工具、刃具、模具常采用共析或过共析钢。例：各种工具、刃具、模具常采用共析或过共析钢。例：各种工具、刃具、模具常采用共析或过共析钢。例：各种工具、刃具、模具常采用共析或过共析钢。2.铸造铸造 由由由由FeFeFe3CFe3C相图可知，共晶成分的铁碳合金的熔相图可知，共晶成分的铁碳合金的熔相图可知，共晶成分的铁碳合金的熔相图可知，共晶成分的铁碳合金的熔点最低，结晶温度范围最小，因此，点最低，结晶温度范围最小，因此，点最低，结晶温度范围最小，因此，点最低，结晶温度范围最小，因此，具有良好的具有良好的具有良好的具有良好的铸造性能。铸造性能。铸造性能。铸造性能。在实际铸造生产中，常选用接近共晶成分的铸铁来在实际铸造生产中，常选用接近共晶成分的铸铁来在实际铸造生产中，常选用接近共晶成分的铸铁来在实际铸造生产中，常选用接近共晶成分的铸铁来生产铸件。生产铸件。生产铸件。生产铸件。3.压力加工压力加工钢材的锻压、轧制均选择在奥氏体区范围进行。钢材的锻压、轧制均选择在奥氏体区范围进行。钢材的锻压、轧制均选择在奥氏体区范围进行。钢材的锻压、轧制均选择在奥氏体区范围进行。一般始锻（轧）温度控制在固相线以下一般始锻（轧）温度控制在固相线以下一般始锻（轧）温度控制在固相线以下一般始锻（轧）温度控制在固相线以下100100200200。白口铸铁因含有大量的共晶渗碳体硬而脆，且无白口铸铁因含有大量的共晶渗碳体硬而脆，且无白口铸铁因含有大量的共晶渗碳体硬而脆，且无白口铸铁因含有大量的共晶渗碳体硬而脆，且无法得到单一的法得到单一的法得到单一的法得到单一的A A组织，不能锻压成型。组织，不能锻压成型。组织，不能锻压成型。组织，不能锻压成型。4.焊接焊接 低碳钢具有良好的焊接性能低碳钢具有良好的焊接性能低碳钢具有良好的焊接性能低碳钢具有良好的焊接性能 ，高碳钢和铸铁会在，高碳钢和铸铁会在，高碳钢和铸铁会在，高碳钢和铸铁会在焊接中形成脆硬的组织而出现裂纹。焊接中形成脆硬的组织而出现裂纹。焊接中形成脆硬的组织而出现裂纹。焊接中形成脆硬的组织而出现裂纹。通常用于焊接的钢材是低碳钢。通常用于焊接的钢材是低碳钢。通常用于焊接的钢材是低碳钢。通常用于焊接的钢材是低碳钢。5.热处理热处理利用利用利用利用FeFeFe3CFe3C相图制定热处理工艺相图制定热处理工艺相图制定热处理工艺相图制定热处理工艺中退火、正火中退火、正火、淬火温度、淬火温度。小结n铁碳合金相图的概念和分析n铁碳合金的分类n铁碳合金含碳量与组织关系n含碳量对材料组织和性能的影响n铁碳合金相图的应用第四节 工业用钢简介n学习要求：n钢的基本分类钢的基本分类n碳素结构钢牌号的含义碳素结构钢牌号的含义n对钢中的有害元素及有益元素的了解对钢中的有害元素及有益元素的了解第四节 工业用钢简介碳素钢碳素钢合金钢合金钢钢钢碳素结构钢碳素结构钢优质碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢碳素工具钢合金结构钢合金结构钢合金工具钢合金工具钢特殊性能钢特殊性能钢低合金低合金结构钢结构钢渗碳钢渗碳钢调质钢调质钢刃具钢刃具钢模具钢模具钢量具钢量具钢不锈钢不锈钢耐热钢耐热钢耐磨钢耐磨钢其它钢其它钢工业用钢简介n碳钢 n含碳量小于2.11的铁碳合金，实际中含碳量都小于1.5。n合金钢n含有合金元素的钢。常用元素有锰、硅、铬、镍、钼、钛等。（含碳吗？）工业用钢简介n碳钢中的常存杂质元素及其作用碳钢中的常存杂质元素及其作用n硅和锰 有益元素。有益元素。益于脱氧和合金化，人为加入，含量低，影响小。n硫和磷 有害元素。使材料脆化。通常以硫、磷含量来划分钢的质量等级。n氧、氢和氮 有害元素，使钢的塑性、韧性塑性、韧性和疲劳强度急剧降低和疲劳强度急剧降低，严重时会造成裂纹、脆断。（渗氮降低塑性，表面一层高的硬度）n思考：n1哪些元素有益，哪些元素有害？n2有害元素影响材料何种性能？工业用钢简介n碳钢 n碳钢的分类、牌号和用途n按质量分类（主要按元素硫和磷含量）n普通钢S=0.050，P=0.045%n优质钢S=0.035，P=0.035%n高级优质钢S（P）=Vk（如水冷）抑制珠光体，转变为马氏体。n小结n热处理工艺过程n热处理目的、原理和实质n热处理工艺过程的组织转变退火和正火n退火n定义：将钢加热、保温，然后随炉冷却或埋入灰中使其缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。退火和正火n退火n目的：降低硬度、消除残余应力、细化晶粒、预备热处理。n工艺方法n完全退火n球化退火n低温退火退火和正火n完全退火n方法：将亚共析钢加热到Ac3以上3050，保温后缓慢冷却。n原理：加热到Ac3以上，呈完全奥氏体状态。经过缓慢冷却时，重结晶获得细小晶粒，并清除内应力。退火和正火n完全退火n热处理后组织：得到平衡组织铁素体奥氏体。n应用场合：用于亚共析钢和合金钢的铸、锻件，目的是细化品粒，消除应力，软化钢。n缺点：费时、效率低，常被正火替代。名称工艺过程目的应用退火 完全细化晶粒消除内应力亚共析钢铸锻件球化过共析钢低温退火和正火n球化退火n方法：将过共析钢加热到Ac1以上 2030，保温后随炉冷却到700左右，再出炉空气冷却。n原理：钢加热到Ac1以上时，初始形成的奥氏体及其晶界上存有少量未熔渗碳体。在冷却中，渗碳体呈球状析出，分布在铁素体基体上，称为球化体。退火和正火n球化退火n热处理后组织：在铁素体基体上均匀分布球状渗碳体组织。n应用场合：用于共析和过共析成分的碳钢和合金钢，消除粗片珠光体，球状渗碳体形成，能降低硬度，改善切削加工性能。退火和正火n低温退火（去应力退火）n 方法：将钢加热到Ac1以下，保温后缓冷。n热处理后组织：由于加热温度低于临界温度，钢未发生组织变化，目的是消除内应力。退火和正火n低温退火（去应力退火）应用场合：n当退火用于消除工件内应力时，称去应力退火。用于部分铸件、锻件及焊件和去除粗加工所产生的内应力。n当退火用于消除冷变形所产生的加工硬化时，称再结晶退火。可以获得均匀细小的等轴晶粒，从而降低硬度，恢复塑性，以便继续冷变形。退火和正火n 正火正火n 定义：将钢加热到Ac3以上3050 或Acm 以上3050，保温后在空气中冷却的热处理工艺。n原理：将钢加热到奥氏体区，使钢进行重结晶（细化晶粒），从而解决铸钢件、锻件的粗大晶粒和组织不均问题。正火比退火的冷却速度稍快，所形成的（FeFe3C）机械混合物比退火得到的珠光体片层更薄，称为莱莱式体式体。退火和正火n正火n热处理后组织：可细化普通结构钢晶粒；使共析钢获得莱氏体组织；对过共析钢，可以消除二次渗碳体网。n应用场合：n取代部分完全退火。n用于普通结构件的最终热处理。n用于过共析钢，以减少或消除网状二次渗碳体，为球化退火准备。n思考：n退火与正火在冷却方式上的区别是什么？n三种退火方式适用于不同的目的，从对材料性能的影响方面有什么共同效应？n正火使钢重结晶，细化晶粒，降低硬度，调整材料的塑性韧性。n退火降低硬度，增加塑性韧性。淬火和回火n淬火淬火n 定义：将钢加热到Ac3以上3050，保温后在淬火介质中快速冷却以获得马氏体（碳在F中过饱和固溶体，使铁素体晶格发生严重的畸变，提高强度，耐磨性提升）组织的热处理工艺。淬火和回火n淬火淬火n原理：共析钢加热到Ac1以上，全部转化为奥氏体。快速冷却时，奥氏体发生-Fe向-Fe的同素异晶转变，而-Fe中的过饱和碳原子在低温下却难以从晶格内扩散出去，形成碳在-Fe中的严重过饱和固熔体，称马氏体（马氏体（M M）。M不稳定组织，具有重新转变为稳定组织的趋势。淬火和回火n淬火淬火n热处理后组织：亚共析钢为细小马氏体组织；过共析钢为马氏体和颗粒状二次渗碳体组织。n应用场合：提高钢件的硬度和耐磨性，是强化钢材最重要的热处理方法。淬火n降低淬火内应力措施（马氏体比容比奥氏体大）n淬火温度淬火温度：温度不足，未完全形成奥氏体，转化马氏体后，残余铁素体，硬度不足；温度过高，奥氏体晶粒大，马氏体晶粒也大，钢的脆性增加，易产生裂纹、变形。淬火n淬火介质淬火介质：水，冷却能力强，易获得马氏体，但内应力大，易产生裂纹、变形；油，冷却能力较低，不易裂纹、变形，但马氏体转变不充分。碳钢，水冷；合金钢，油冷。淬火n淬火方法淬火方法：n单介质淬火，一种冷却介质中冷却至相变结束，操作简便，易实现机械化和自动化，但淬火应力较大，变形开裂倾向大；n双介质淬火，先入冷却力强的介质中，快冷至稍高于马氏体转变温度时，立即转入冷却力较弱的另一介质中，在较低冷速下进行马氏体转变，难以控制转换介质的温度或时间；淬火n淬火方法淬火方法：n单介质淬火n双介质淬火n分级淬火，先放入接近马氏体转变温度的熔盐或熔碱中，保温后再在空气中冷却。具有双级淬火的优点，又易于控制和操作，应力和变形也较小，但受熔盐冷却能力的限制，工件尺寸不能太大。淬火和回火n回火n 定义：将淬火钢加热到Ac1以下某温度，保温后冷却的热处理工艺。淬火的后续工序。n原理：淬火所形成的马氏体是在快速冷却条件下强制形成的不稳定组织，具有重新转变成稳定组织的自发趋势。回火时，重新加热，原子活动能力加强，随温度升高，马氏体中过饱和的碳以碳化物形式析出。淬火和回火n回火n应用场合：n低温回火（150250），各种工模具及渗碳或表面淬火的工件。n中温回火（350500），各种弹簧等。n高温回火（500650），“调质处理”，各种工模具及渗碳或表面淬火的工件。n 思考：n1材料淬火后为什么会有内应力？（从奥氏体变为马氏体，材料体积有变化）n2淬火后为什么都需要回火？（M不稳定，用回火获得稳定组织，低温回马式体硬度高、中温回曲式体韧性好、高温回索式体综合性能）n3不同的回火各自的用途是什么？硬度、强度，塑性、韧性的要求。表面淬火n表面淬火n 定义：将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。n原理：通过快速加热，使钢件表面层很快达到淬火温度，在热量来不及传到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。表面淬火n表面淬火n应用场合：表面耐磨，不易产生疲劳破坏，而心部承受冲击载荷，要求有足够的塑性和韧性的工件。n热处理后组织：表层获得硬而耐磨的马氏体组织，心部保持原来塑性、韧性较好的迟火、正火或调质状态的组织。化学热处理n定义：将工件置于一定的化学介质中加热和保温（目的区别于热处理），使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变工件表层的化学成分和组织，从而获得所需的力学性能和理化性能。n主要种类：n渗碳n渗氮化学热处理n渗碳：向钢表层渗入碳原子。即把工件放入渗碳气氛中在900950加热、保温，使钢件表面层增碳的过程。n目的是使工件在热处理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定强度和较高的韧性。n渗氮：向钢表层渗入氮原子。其目的是提高工件表面硬度和耐磨性，以及提高疲劳强度和耐腐蚀性。n思考：n1化学热处理有冷却过程吗？n2化学热处理与固溶强化有何关系？固溶强化原理在工业生产中的实际应用。