金工实习图文项目1.ppt

金金 工工 实实 习习1.11.1铁碳合金钢的热处理项目项目1 1 金属材料及钢的热处理金属材料及钢的热处理1.21.21.31.3常用金属材料1.41.4金属材料的性能和晶体结构钢铁材料的现场鉴别1.51.5掌握金属材料的性能；理解金属材料晶体结构的基本知识；掌握钢的热处理工艺方法；掌握常用的金属材料类型、牌号、力学性能及用途；了解钢铁材料现场鉴别的方法。项目项目1 1 金属材料及钢的热处理金属材料及钢的热处理金属材料的基本知识（性能、晶体结构）；铁碳合金相图；钢的热处理的基本原理和工艺方法；非合金钢、合金钢和铸铁；钢铁材料现场鉴别的方法。项目项目1 1 金属材料及钢的热处理金属材料及钢的热处理金属材料的晶体结构；铁碳合金相图的内容及应用；常用金属材料的类型、牌号、力学性能及用途。项目项目1 1 金属材料及钢的热处理金属材料及钢的热处理1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构 金属材料的性能1.1.11.1.1生产中，无论是制造机器零件，还是制造工具，首先要知道所使用的是什么材料，以及这些材料所具有的性能，然后才能正确地进行加工。金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用过程中表现出来的性能，如物理性能、化学性能、力学性能等；工艺性能是指金属材料在加工过程中表现出的性能，如铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能等。一般情况下，常以力学性能作为选用金属材料的主要依据。1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构金属材料的力学性能金属材料的力学性能1.任何机械零件或工具在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用。例如，起重机上的钢索受到悬吊物拉力的作用；柴油机上的连杆在传递动力时，不仅受到拉力的作用，还受到冲击力的作用；轴类零件受到弯矩、扭力的作用等。金属材料要求必须具有一定承受机械载荷而不超过许可变形或不被破坏的能力，这种能力称为金属材料的力学性能。强度、塑性、硬度、韧性等就是用来衡量金属材料在外力作用下表现出的力学性能的判据。1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构1)1)强度强度强度是指金属材料在外力的作用下抵抗永久变形和断裂的能力。工程中常用的强度判据有屈服强度和抗拉强度，是通过拉伸试验测得的。屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力值，分下屈服强度和上屈服强度，分别用ReL和ReH表示，单位为MPa；抗拉强度是指金属材料在拉力作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用Rm表示，单位为MPa。大多数机械零件工作时不允许产生塑性变形，应用屈服强度作为其强度设计的依据；因断裂而失效的零件应用抗拉强度作为其强度设计的依据。1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构2)2)塑性塑性塑性是指金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。工程中常用的塑性判据有断后伸长率和断面收缩率，分别用A和Z表示。A和Z的值越大，材料塑性越好。1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构3)3)硬度硬度硬度是指金属材料抵抗表面局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是衡量金属软硬的性能指标，常用的硬度判据有布氏硬度（用符号HBW表示）和洛氏硬度（用符号HRA、HRB或HRC表示）两种。硬度值的大小通过硬度试验测得，表示方法为数字在前，硬度符号在后，如180200 HBW，5054 HRC；数字越大，金属材料硬度越高。1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构4)4)韧性韧性韧性是指金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。材料韧性的判据是冲击吸收功，用AK表示，它是通过冲击试验确定的。AK的值越大，材料韧性越好。金属的韧性通常随加载速度提高、温度降低、应力集中程度加剧而减小。1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能2.工艺性能是指金属材料在各种加工过程中所表现出来的性能，即获得毛坯和零件的难易程度。1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构1)1)铸造性能铸造性能铸造性能是指金属材料在铸造生产中表现出来的工艺性能，如流动性、收缩、偏析、吸气等。铸造性能对铸件质量影响很大，铸造性能好可获得优质铸件；反之，则铸件缺陷较多。1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构2)2)锻造性能锻造性能锻造性能是指反映金属材料锻造难易程度的一种工艺性能，它与金属材料的塑性和变形抗力有关，塑性越好，变形抗力越小，则锻造性能越好。1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构3)3)焊接性能焊接性能焊接性能是指金属材料在限定的施工条件下焊接成规定设计要求的构件，并满足预定设计要求的能力。金属材料焊接性能好，是指易于用一般的焊接方法和简单的工艺措施进行焊接。1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构4)4)切削加工性能切削加工性能切削加工性能是指用切削刀具对金属材料进行切削加工的难易程度，切削加工性能好的金属材料，在加工时刀具的磨损量小，切削效率高，加工后的表面质量好。一般硬度为175230 HBW的金属材料具有良好的切削加工性能。工艺性能往往是由金属材料的物理性能、化学性能、力学性能综合决定的。例如，灰铸铁具有良好的铸造性能和切削加工性能，但其塑性较差，不能进行锻压，焊接性能也较差，因而常用来铸造形状复杂的铸件。1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构 金属材料的晶体结构1.1.21.1.2不同的金属材料具有不同的性能，即使是同一种金属材料，在不同的结晶条件和热处理条件下也会具有不同的力学性能，这主要是因为其内部的晶体结构不同。1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构晶体结构的基本知识晶体结构的基本知识1.固态物质按原子排列的特点可分为晶体和非晶体两类。晶体是指原子按一定规律排列的固态物质，如图1-1所示。金刚石、石墨及绝大多数固态金属及其合金等均是晶体。晶体有固定熔点，各向异性。非晶体是指原子呈不规则排列的固态物质，如普通玻璃、松香、塑料、沥青等。非晶体没有固定熔点，各向同性。1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构图1-1 晶体中的原子排列图1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构1)1)晶格晶格为了研究原子的排列规律，可以把晶体中的每个原子假想为近似静态的刚性小球。这样，晶体就可看成是由许多刚性小球按一定几何规则排列起来的。为了清楚地表明原子在空间排列的规律性，常将构成晶体的实际质点（原子、离子或分子）忽略，而将它们抽象为纯粹的几何点，称为阵点或结点。这些阵点可以是原子或分子的中心，也可以是彼此等同的原子群或分子群的中心，各个阵点的周围环境都相同。为了观察方便，作许多平行的直线将这些阵点连接起来，构成一个三维的空间格架，如图1-2所示，这种描述晶体中原子、离子或分子排列规律的空间格架称为空间点阵，简称为点阵或晶格。1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构图1-2 晶格1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构2)2)晶胞晶胞由于晶格中原子的排列具有周期性的特点，因而为了简便起见，可以从晶体中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元来分析晶体中原子的排列规律，这个最小的几何单元称为晶胞，如图1-3所示。实际上整个晶格就是由许多大小、形状相同的晶胞在空间重复堆积而成的。图1-3 晶胞1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构常见的金属晶格类型常见的金属晶格类型2.晶格描述了金属晶体内部原子的排列规律，金属晶体结构的主要差别就在于原子排列形式的不同。大多数金属元素具有简单的晶体结构，其中常见的有以下三种。1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构1)1)体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是一个立方体，在立方体的八个顶角和中心各排列一个原子，如图1-4所示。具有这类晶格形式的金属有-Fe（912 以下的纯铁）、钒、铬、钼、钨等。图1-4 体心立方体晶格示意图1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构2)2)面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，在立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子，如图1-5所示。具有这类晶格形式的金属有-Fe（912 1 394 的纯铁）、铝、镍、铜、金、银等。图1-5 面心立方体晶格示意图1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构3)3)密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，在六方柱体的各个角上和上下底面中心各排列着一个原子，在顶面和底面间还有三个原子，如图1-6所示。具有这类晶格形式的金属有铍、镁、钛、锌等。图1-6 密排六方晶格示意图1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构3.晶体内部原子排列方向（称为晶格位向）完全一致，即由一个晶粒组成的晶体，称为单晶体。理想的金属单晶体在自然界几乎是不存在的，现在用人工的方法可以制造某些金属的单晶体，如单晶锗、单晶硅。单晶体在不同方向上的物理性能、化学性能和力学性能都不相同，即表现出各向异性。实际上金属是由许多外形不规则的晶粒组成的，即多晶体。由于多晶体中各个晶粒内部的晶格形式是相同的，只是晶格位向不同，因而各晶粒的各向异性互相抵消，使得多晶体在宏观上表现出各向同性。1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构合金的晶体结构合金的晶体结构4.1)1)基本概念基本概念（1）合金。合金是由两种或两种以上的金属（或金属与非金属）元素组成的具有金属特性的新物质。（2）组元。组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构（3）合金系统。合金系统由给定组元按不同比例可配制出一系列成分不同的合金，这一系列合金构成一个合金系统，简称为合金系。（4）相。相是指在纯金属或合金中，具有相同成分、相同结构并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。（5）组织。组织是指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相构成的总体。1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构2)2)合金的结构合金的结构合金之所以比纯金属性能优越，主要是因为其内部结构与纯金属不同。合金的内部结构比较复杂，但根据各元素在结晶时相互作用的不同可以分为以下三类。（1）固溶体。在固态下两种或两种以上的物质互相溶解而形成的均匀相称为固溶体，如铜镍合金就是由铜（溶剂）和镍（溶质）形成的固溶体。固溶体具有与溶剂金属相同的晶体结构。1.1金属材料的性能和晶体结构金属材料的性能和晶体结构（2）金属化合物。合金各组元间相互作用而生成的具有金属特性的一种新相，称为金属化合物。金属化合物具有独特的晶体结构和性质，而与各组元的晶体结构和性质不同，一般可以用分子式来大致表示其组成。其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大，如铁碳合金中的Fe3C。（3）机械混合物。纯金属、固溶体、金属化合物是组成合金的基本相，由两相或多相按一定比例组成的物质称为机械混合物。机械混合物中各组成相仍保持各自的晶格与性能，机械混合物的性能介于各组成相性能之间，并由它们的大小、形状、分布及数量而定。工业上大多数合金属于机械混合物，如钢、生铁、铝合金等。1.2铁铁 碳碳 合合 金金 铁碳合金是现代工业中应用最广泛的金属材料。不同成分的铁碳合金，在不同的温度下具有不同的组织，因而表现出不同的性能。1.2铁铁 碳碳 合合 金金 纯铁的同素异构转变1.2.11.2.1金属在固态下，随温度的变化而发生晶格类型改变的现象称为同素异构转变（或同素异晶转变）。由同素异构转变所获得的不同晶格类型的晶体称为同素异构体。同素异构转变不仅存在于纯铁中，而且存在于以铁为基体的钢铁材料中，这是钢铁材料性能多种多样、用途广泛，并能通过各种热处理进一步改善其组织与性能的重要因素。1.2铁铁 碳碳 合合 金金 铁碳合金的基本组织1.2.21.2.2在铁碳合金中，铁和碳互相结合的方式是：在液态时，铁和碳可以无限互溶；在固态时，碳可以溶于铁中形成固溶体；当碳含量超过固态溶解度时，则出现化合物。此外，还可以形成由固溶体和化合物组成的机械混合物。现将铁碳合金在固态下出现的几种基本组织分述如下。1.2铁铁 碳碳 合合 金金 碳溶解在-Fe中形成的固溶体称为铁素体，通常用F（或）表示。它仍保持-Fe的体心立方结构。-Fe溶解碳的能力很小，随温度的不同而不同，在600 时其溶解度仅为wC=0.008，在727 时其溶解度最大达wC=0.0218。铁素体含碳量很小，与纯铁相似，具有良好的塑性（A=3050）和韧性，强度和硬度均不高（Rm=180280 MPa，5080 HBW）。在显微镜下观察铁素体为均匀明亮的多边形晶粒。铁素体铁素体1.1.2铁铁 碳碳 合合 金金 奥氏体奥氏体2.碳溶解在-Fe中形成的固溶体称为奥氏体，通常用A（或）表示。它仍保持-Fe的面心立方结构。-Fe溶解碳的能力比-Fe大，在1 148 时其溶解度最大达wC=2.11。温度降低时，其溶解度也降低，在727 时，其溶解度为wC=0.77。稳定的奥氏体在钢内存在的最低温度为727。奥氏体的硬度不是很高（160220 HBW），塑性很好，是绝大多数钢种在高温进行压力加工时所要求的组织。在显微镜下观察，奥氏体晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直。1.2铁铁 碳碳 合合 金金 渗碳体渗碳体3.铁与碳形成稳定的化合物称为渗碳体，通常用Fe3C表示。渗碳体中碳的质量分数为6.69%，渗碳体具有复杂的晶格形式，与铁的晶格截然不同，故其性能与铁素体差别很大。渗碳体的硬度很高（800 HBW），而塑性极差，几乎为零，是一个硬而脆的组织。渗碳体在钢中与其他组织共存时其形态可能呈片状、网状或粒状等，它在钢中分布形态不同，对力学性能有很大影响。渗碳体在一定条件下可以分解成铁和石墨，这在铸铁中有重要的意义。1.2铁铁 碳碳 合合 金金 珠光体珠光体4.铁素体和渗碳体组成的机械混合物称为珠光体，通常用P表示。由于珠光体是由硬的渗碳体片和软的铁素体片相间组成的混合物，故其力学性能介于渗碳体和铁素体之间，它的强度、硬度较好（Rm=800 MPa，180 HBW）。1.2铁铁 碳碳 合合 金金 莱氏体莱氏体5.莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，通常用Ld表示。因为奥氏体在727 时将转变为珠光体，所以在727 以下时，莱氏体由珠光体和渗碳体组成。为了方便区别，将存在于727 1 148 的莱氏体称为高温莱氏体（Ld），将存在于727 以下的莱氏体称为变态莱氏体（Ld）。莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度很高（700 HBW），塑性极差。1.2铁铁 碳碳 合合 金金 铁碳合金相图1.2.31.2.3铁碳合金相图是用实验数据绘制而成的。通过实验对一系列不同含碳量的合金进行热分析，测出其在缓慢冷却过程中熔液的结晶温度和固态组织的转变温度，并标入温度含碳量坐标图中。然后再把相应的温度转折点连接成线，就成为铁碳合金相图（或铁碳合金状态图）。如图1-7所示为简化了的铁碳合金相图，略去了-Fe的转变和铁素体的成分变化。此外，因为碳的质量分数大于6.69的铁碳合金，在工业上没有实用意义，铁碳合金相图成分轴仅标出碳的质量分数小于6.69的合金部分，所以其实际上是Fe-Fe3C合金相图。1.2铁铁 碳碳 合合 金金 图1-7 FeFe3C合金相图1.2铁铁 碳碳 合合 金金 铁碳合金相图中点和线的意义铁碳合金相图中点和线的意义1.（1）ACD液相线。合金熔液冷却到此线时开始结晶，此线以上为液相区。（2）AECF固相线。合金体冷却到此线时结晶完毕，此线以下为固相区。（3）GS代号A3。奥氏体冷却到此线时，开始析出铁素体，使奥氏体的碳的质量分数沿此线向0.77递增。1.2铁铁 碳碳 合合 金金 （4）ES代号Acm。奥氏体冷却到此线时，开始析出二次渗碳体（Fe3C），使奥氏的碳的质量分数沿此线向0.77递减。（5）PSK共析线，代号A1。各种成分的合金冷却到此线时，其中奥氏体的碳的质量分数都达到0.77并分解成珠光体。（6）S共析点。碳的质量分数为0.77的奥氏体冷却到此点时，在恒温下分解成为渗碳体与铁素体所组成的混合物，即珠光体。（7）C共晶点。碳的质量分数为4.3的合金熔液冷却到此点时，在恒温下结晶成为奥氏体与渗碳体所组成的混合物，即莱氏体。1.2铁铁 碳碳 合合 金金 缓慢冷却过程中不同成分铁碳合金组织的转变缓慢冷却过程中不同成分铁碳合金组织的转变2.铁碳合金相图中，碳的质量分数低于2.11的部分属于钢，碳的质量分数为2.116.69的部分属于铸铁。1.2铁铁 碳碳 合合 金金 1)1)钢的组织转变钢的组织转变任何一种成分的钢液冷却到AC线时，就开始结晶出奥氏体。随温度的下降，奥氏体不断增加，钢液逐渐减少。当冷却到AE线时，结晶完毕，全部成为均匀的奥氏体。由此可见，不同成分的钢液是在不同的温度范围内凝固的。在AC线至AE线的温度区间内同时存在熔液和奥氏体。在AE线到GSE线的温度区间，含碳量不同的奥氏体不发生组织变化。当冷却到GSE线时，根据奥氏体含碳量的不同才分别发生不同的组织转变：1.2铁铁 碳碳 合合 金金 （1）共析钢的组织转变。奥氏体的碳的质量分数为0.77，当冷却到S点时，就全部转变为珠光体P。（2）亚共析钢的组织转变。奥氏体的碳的质量分数低于0.77，当冷却到GS线时，开始析出铁素体。随着温度下降，铁素体不断增加，奥氏体逐渐减少。当冷却到PS线时，铁素体析出完毕，剩余的奥氏体碳的质量分数变为0.77，就转变为珠光体。因此，GS线与PS线之间的结晶组织为铁素体和奥氏体，PS线以下的结晶组织为铁素体和珠光体。这种组织的钢称为亚共析钢。1.2铁铁 碳碳 合合 金金 （3）过共析钢的组织转变。奥氏体的碳的质量分数为0.772.11，当冷却到ES线时，开始析出二次渗碳体Fe3C。随着温度下降，二次渗碳体不断增加，奥氏体逐渐减少。当冷却到SK线时，二次渗碳体析出完毕；剩余的奥氏体碳的质量分数变为0.77，就转变为珠光体。因此，ES线与SK线之间的结晶组织是二次渗碳体和奥氏体，SK线以下的结晶组织是二次渗碳体和珠光体。这种组织的钢称为过共析钢。1.2铁铁 碳碳 合合 金金 2)2)铁碳合金相图中的铸铁组织铁碳合金相图中的铸铁组织在铁碳合金相图中，铸铁的结晶组织有以下三种：（1）亚共晶铸铁。亚共晶铸铁的碳的质量分数为2.114.3%，结晶组织为奥氏体、二次渗碳体和莱氏体。（2）共晶铸铁。共晶铸铁的碳的质量分数为4.3%，结晶组织为莱氏体。（3）过共晶铸铁。过共晶铸铁的碳的质量分数为4.3%6.69%，结晶组织为一次渗碳体（Fe3C）和莱氏体。1.2铁铁 碳碳 合合 金金 铸铁组织的特点是都含有莱氏体。在ECF线与SK线之间的莱氏体是奥氏体与渗碳体组成的混合物；在SK线以下的莱氏体是珠光体与渗碳体组成的混合物。由于莱氏体中渗碳体占大多数，而且连成一片，奥氏体或珠光体则孤立地分布在渗碳体中，生产上把这三种铸铁统称为白口铸铁。在727 以上的白口铸铁组织是由奥氏体和渗碳体组成的，727 以下的白口铸铁组织是由珠光体和渗碳体组成的。1.2铁铁 碳碳 合合 金金 钢的含碳量对力学性能的影响钢的含碳量对力学性能的影响3.低碳钢的强度和硬度较低，而塑性和韧性则很高。原因是低碳钢的结晶组织大多数是铁素体。随着含碳量的增加，铁素体逐渐减少，而珠光体不断增加，因此，钢的塑性和韧性急剧下降，而强度和硬度直线上升。当碳的质量分数增加到0.9%时，钢的组织绝大多数是珠光体。并由尚未成为网状的微量二次渗碳体所强化，使钢的强度达到了最高值。随着含碳量的增加，网状的二次渗碳体也不断增加，钢的硬度继续上升，强度、塑性与韧性一起下降。这不仅会使得钢的使用性能不佳，而且锻压加工也较为困难。所以常用碳素钢的碳的质量分数不超过1.4%。1.2铁铁 碳碳 合合 金金 铁碳合金相图的应用铁碳合金相图的应用4.铁碳合金相图对工业生产具有指导意义，为选材，制订铸造、锻造、焊接、热处理等加工工艺提供了重要的理论依据，如图1-8所示。图1-8 Fe-Fe3C合金相图与热加工工艺规范的关系1.2铁铁 碳碳 合合 金金 2)2)制订热加工工艺方面的应用制订热加工工艺方面的应用（1）在铸造工艺方面，根据铁碳合金相图可以确定合金的浇注温度。一般在液相线以上50 100，合金的铸造性能取决于结晶温度范围的大小，结晶温度范围越大，铸造性能越差。由铁碳合金相图可知共晶成分的合金，其凝固温度的间隔最小（为零），故流动性好，分散缩孔较少，可以获得致密的铸件。因此，在铸造生产中，接近共晶成分的铸铁被广泛应用。此外，在铸钢生产中，碳的质量分数规定在0.150.60，因为在这个范围内钢的结晶温度区间较小，铸造性能较好。1.2铁铁 碳碳 合合 金金 （2）在锻造工艺方面，钢在室温时组织为两相混合物，塑性差，变形困难，只有将其加热到单相奥氏体状态才能有较好的塑性，因此，钢材的锻造或轧制应选择在具有单相奥氏体的温度范围内进行。一般始锻温度控制在固相线以下100 200，温度不宜太高，以免钢材氧化严重；而终锻温度对亚共析钢应控制在稍高于GS线以上，对于过共析钢应控制在稍高于PSK线以上，温度不能过低，以免使钢材塑性差而导致产生裂纹。一般始锻温度为1 150 1 250，终锻温度为750 850。1.2铁铁 碳碳 合合 金金 （3）在焊接工艺方面，焊接性能主要与钢的含碳量有关。含碳量越高，组织中渗碳体量越多，焊接性能越差。通常低碳钢与低合金钢焊接性能较好，高碳钢和白口铸铁焊接性能较差。（4）在热处理工艺方面，各种热处理工艺与铁碳合金相图有密切关系，可以根据铁碳合金相图制订退火、正火、淬火的加热温度范围。1.2铁铁 碳碳 合合 金金 必须指出，铁碳合金相图不能说明快速加热或冷却时铁碳合金组织的变化规律。相图上各相的相变温度都是在所谓的平衡（即极缓慢的加热和冷却）条件下得到的。另外，通常使用的铁碳合金中除含铁、碳两元素外，还有其他多种杂质或合金元素，这些元素对相图将有影响，应予以考虑。1.3钢的热处理钢的热处理钢的热处理是将钢在固态下进行加热、保温和冷却，改变其内部组织，从而获得所需要性能的一种金属加工工艺。热处理能有效地改善钢的组织，提高其力学性能并延长其使用寿命，是钢铁材料重要的强化手段。机械工业中的钢铁制品几乎都要进行不同的热处理才能保证其性能和使用要求。所有的量具、模具、刃具和轴承，70%80%的汽车零件和拖拉机零件，60%70%的机床零件，都必须进行各种专门的热处理，才能合理地加工和使用。1.3钢的热处理钢的热处理热处理按目的、加热条件和特点不同分为以下三类：（1）整体热处理。整体热处理的特点是对工件整体进行穿透加热。常用的方法有退火、正火、淬火和回火。（2）表面热处理。表面热处理的特点是对工件表层进行热处理，以改变表层组织和性能。常用的方法有火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火。（3）化学热处理。化学热处理的特点是改变工件表层的化学成分、组织和性能。常用的方法有渗碳、渗氮、碳氮共渗等。1.3钢的热处理钢的热处理钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变1.钢的热处理的基本原理1.3.11.3.1由Fe-Fe3C相图可知，钢通过缓慢加热，到一定温度后可转变为单相的奥氏体组织，共析钢、亚共析钢和过共析钢的转变温度分别为A1、A3、Acm。实际生产时加热和冷却不可能无限缓慢，因而其组织转变的温度也会有相应的变化。通常把实际加热时的转变温度用Ac1、Ac3、Accm表示，而实际冷却时的转变温度用Ar1、Ar3、Arcm表示。1.3钢的热处理钢的热处理将共析钢加热到Ac1时，便发生珠光体向奥氏体的转变。由于铁素体的含碳量很少，而渗碳体的含碳量又很高，因而奥氏体总是在铁素体与渗碳体交界面上成核。一方面形成了的奥氏体晶核不断合并其相邻的铁素体，另一方面渗碳体不断溶解于奥氏体中，以供给碳。这样，奥氏体晶粒就逐渐增多和长大，以至珠光体全部转变为奥氏体。当亚共析钢加热至Ac1以上时，珠光体转变为奥氏体，此时的组织为奥氏体和铁素体。若继续升温，铁素体也逐渐转变为奥氏体，在温度超过Ac3时，铁素体完全消失，全部组织为细而均匀的单一奥氏体。1.3钢的热处理钢的热处理钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变2.钢加热奥氏体化后再进行冷却，奥氏体将发生变化。因冷却条件不同，转变产物的组织结构也不同，性能也会有显著的差异。所以冷却过程是热处理的关键工序，决定着钢在热处理后的组织和性能。热处理的冷却方式有两种：一种是将奥氏体迅速冷却至A1以下某个温度，等温停留一段时间再继续冷却，通常称为等温冷却；另一种是将奥氏体以一定的速度冷却，如油冷、水冷、空冷、炉冷等，称为连续冷却。1.3钢的热处理钢的热处理（1）高温转变产物。共析钢奥氏体过冷到A1线至550等温转变的产物属于珠光体型组织，都是由铁素体和渗碳体的层片所组成的机械混合物。过冷度越大，层片越薄，硬度也越高。过冷到A1线至650 转变而得到的组织为珠光体；过冷到650 600 转变而得到的组织为索氏体，又称为细珠光体；过冷到600 550 转变而得到的组织为托氏体，又称为极细珠光体。1.3钢的热处理钢的热处理（2）中间转变产物。共析钢奥氏体过冷到550 230 等温转变的产物属于贝氏体型组织，是由含碳过量的铁素体和微小的渗碳体混合而成的。贝氏体比珠光体的硬度更大。过冷到550 350 转变而得到的组织称为上贝氏体；过冷到350 230 转变而得到的组织称为下贝氏体。与上贝氏体相比，下贝氏体有较高的强度和硬度、较好的塑性和韧性。1.3钢的热处理钢的热处理（3）低温转变产物。共析钢奥氏体过冷到230 以下陆续转变成为马氏体。它实质上是饱和的固溶体，马氏体是一种不稳定的组织，它有很高的硬度（600650 HBW），但塑性、韧性几乎等于零。共析钢奥氏体过冷到230（Ms，奥氏体向马氏体转变的开始线）左右时，开始转变为马氏体，随着温度下降，马氏体逐渐增多，过冷奥氏体不断减少，直至Mf（奥氏体向马氏体转变的终了线）时，过冷奥氏体才全部转变成马氏体。所以Ms与Mf之间的组织为马氏体和残余奥氏体。1.3钢的热处理钢的热处理 钢的退火与正火1.3.21.3.2退火退火1.退火的工艺特点是将工件加热、保温后随炉缓慢冷却。退火的主要目的是提高钢的塑性，便于成形加工；降低钢的硬度，便于切削加工；细化晶粒，均匀组织，改善钢的力学性能；消除工件加热后的内应力。根据不同的工件和退火目的，应用不同的退火方法。常用的退火方法如下：1.3钢的热处理钢的热处理（1）完全退火。完全退火主要用于亚共析钢，加热温度为Ac3以上30 50，经适当保温后，使钢的原来组织全部成为单一均匀的奥氏体；然后随炉缓冷，使奥氏体充分转变成为正常的铁素体和珠光体。（2）球化退火。球化退火主要用于过共析钢，加热温度为Ac1以上20 30，经适当保温后，以极慢的冷却速度通过A1，使珠光体中的渗碳体和二次渗碳体成为球状或粒状。因此，球化退火后的结晶组织是以铁素体为基体，分布着细小的渗碳体颗粒。这种组织使过共析钢达到较低的硬度和较大的韧性。1.3钢的热处理钢的热处理（3）去应力退火。去应力退火的加热温度为Ac1以下100 200，经适当保温后，随炉缓冷到200 300 以下，最后出炉在空气中冷却。去应力退火是在Ac1温度以下进行的，组织并未发生变化；主要的作用是在缓慢冷却的过程中，使工件各部分均匀冷却和收缩，这样就不会产生内应力了。如果只是为了消除内应力，则用去应力退火来消除铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉件等的残余内应力，以避免在使用或随后的加工过程中产生变形或开裂。1.3钢的热处理钢的热处理正火正火2.正火是把工件加热到Ac3或Accm以上30 50，经适当保温后出炉在空气中冷却。正火比退火的生产周期短，耗热量少，且空冷操作简便，不占用加热炉。因此，正火的应用较广。正火的主要目的如下：1.3钢的热处理钢的热处理（1）提高力学性能。正火的冷却速度比退火快，细化晶粒的效果较好，能得到片层间距较小的珠光体组织。因此，正火后能提高工件的力学性能。很多小负荷、低转速的一般零件，例如，某些螺钉、螺栓、小轴等，都可在正火状态下使用。（2）改善切削性能。实践证明，工件的硬度在170230 HBW时，对切削加工最为有利。一般来讲，为了达到适当的加工硬度，低中碳钢应采用正火，高碳钢则应采用退火。1.3钢的热处理钢的热处理（3）为淬火做组织准备。因为粗大晶体的工件在淬火时容易开裂，所以正火常用作淬火的预备热处理。对于过共析钢，正火能减少二次渗碳体的析出，并使其不形成连续的网状结构，有利于缩短过共析钢的球化退火过程。经过正火和球化退火的过共析钢有较高的韧性，淬火时不易开裂。用于生产过共析钢工具的工艺路线举例如下：锻造正火球化退火切削加工淬火、回火磨削。1.3钢的热处理钢的热处理 钢的淬火与回火1.3.31.3.3淬火淬火1.淬火的工艺特点是将工件加热、保温后进行快速冷却。淬火的主要目的是提高钢的硬度，增加工件的耐磨性。过共析钢淬火的加热温度为Ac1以上30 50，这时钢的组织为奥氏体和渗碳体，淬火后的组织为马氏体和渗碳体。因为渗碳体的硬度高于马氏体，所以保留这些渗碳体有利于提高工件的硬度和耐磨性。1.3钢的热处理钢的热处理冷却速度是淬火工艺的关键。如果冷却速度不够快，则奥氏体会发生分解而得不到马氏体；如果冷却速度太快，某些钢材和工件又容易淬裂。正好能获得全部马氏体所必需的最低冷却速度，称为临界冷却速度。淬火的临界冷却速度随钢种不同而异。合金钢的临界冷却速度较低，可以在油中淬火以防淬裂；高碳钢的临界冷却速度较高，需在水中淬火；低碳钢的临界冷却速度太高，一般无法淬硬。1.3钢的热处理钢的热处理回火回火2.把马氏体组织的淬火钢重新加热到Ac1以下一定的温度，经适当的保温后冷却，这种热处理过程称为回火。回火的目的是降低淬火钢的脆性、调整内应力和稳定淬火钢的结晶组织，以获得不同要求的力学性能。因此，工件淬火后都要及时进行回火。要获得预期的性能，回火温度是关键。回火的分类如下：1.3钢的热处理钢的热处理（1）低温回火。低温回火的加热温度为150 250，回火后的主要组织为回火马氏体，硬度可达5864 HRC。低温回火能使工件保持高的硬度和耐磨性，常用于各类高碳钢的刀具、模具、量具和滚动轴承等。（2）中温回火。中温回火的加热温度为350 500，回火后的主要组织为极细的渗碳体与铁素体的混合物，硬度可达3550 HRC，并具有较高的弹性和屈服强度。因此，中温回火常用于各种弹簧以及强度要求较高的零件，如刀杆、轴套等。1.3钢的热处理钢的热处理（3）高温回火。高温回火的加热温度为500 650，回火后的主要组织为细粒状渗碳体与铁素体的混合物，硬度可达2438 HRC，并具有适当的强度与较高的塑性、韧性相配合的综合力学性能。淬火后高温回火的热处理称为调质处理，常用于受力情况复杂的重要零件，如各种轴类、齿轮、连杆等。1.3钢的热处理钢的热处理 表面淬火1.3.41.3.4表面淬火是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而中心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。它是通过快速加热使钢件表面层很快达到淬火温度，在热量来不及传到中心时就立即迅速冷却，实现局部淬火。表面淬火的目的在于获得高硬度的表面层和有利的残余应力分布，以提高工件的耐磨性或疲劳强度。表面淬火可采用的快速加热方法颇多，有电感应、火焰、电接触、浴炉、电解液、脉冲能量等加热方法。我国目前应用较多的是感应加热表面淬火法和火焰加热表面淬火法。1.3钢的热处理钢的热处理感应加热表面淬火法感应加热表面淬火法1.感应加热表面淬火法就是在一个感应圈中通过一定频率的交流电（有高频、中频、工频三种），在感应圈周围产生一个频率相同的交变磁场。将工件置于磁场之中，它就会产生与感应圈频率相同、方向相反的封闭的感应电流，这个电流称为涡流。涡流主要集中在工件表面，而且频率越高电流集中的表面层越薄。由于电能变成热能，工件表面很薄的一层被迅速加热到淬火温度，如立即喷水冷却，即可达到表面淬火的目的。1.3钢的热处理钢的热处理（1）高频感应加热表面淬火法应用最广。目前我国仍以电子管式高频发生装置最为常见，频率为200300 kHz，加热极快，通常只有几秒到几十秒，主要用于要求淬硬层较薄的中、小型零件，如齿轮、轴类等。淬硬层厚度一般为0.52.5 mm。1.3钢的热处理钢的热处理（2）中频感应加热表面淬火法通常用于要求具有较深的淬硬层的工件，如尺寸较大的凸轮轴、曲轴等。中频发生装置一般为发电机式或可控硅变频器，频率范围为110 kHz，淬硬层可达28 mm。（3）工频感应加热表面淬火法是以工频（50 Hz）电流进行感应加热的，不需变频设备。它适于淬透层深度要求在820 mm的工件或用作穿透加热。1.3钢的热处理钢的热处理火焰加热表面淬火法火焰加热表面淬火法2.火焰加热表面淬火法是将氧乙炔火焰喷向工件表面，使它迅速加热到淬火温度（升温速度1 000/min），然后进行喷冷或浸冷，即达到表面淬火的目的。火焰加热表面淬火法易于处理异形、大型或特大型工件，淬透层深度一般为36 mm；所需设备比较简单、成本低；但是容易过热，淬火效果不稳定，生产率低。它适用于单件或小批量生产的大型或需要局部淬火的零件，如大型轴类、大模数齿轮、轧辊、齿条、钢轨面等。1.3钢的热处理钢的热处理 化学热处理1.3.51.3.5化学热处理是把工件放在一定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，改变工件表层化学成分和组织，从而达到使工件表面具有某些特殊的力学性能或物理化学性能的一种热处理工艺。化学热处理的种类很多，由于渗入元素不同，工件表面具有的性能也不同，例如，渗碳的目的在于使表面获得高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定强度和较高的塑性与韧性。下面以气体渗碳为例，简要介绍其工艺。1.3钢的热处理钢的热处理将钢件放入密封很好的渗碳炉中，通入气体渗碳剂（如煤油），加热到900 950 保温一段时间，使工件表面层渗碳后再进行淬火和低温回火。气体渗碳可分为三个阶段：渗碳剂在900 950 的高温下分解出活性碳的原子；活性碳的原子被工件表面吸收，溶入表层的奥氏体中；在高温下，溶解在奥氏体中的碳原子由表面不断向深处扩散。扩散层所达到的深度称为渗碳层厚度。在一定的渗碳温度下，加热时间越长渗碳层越厚。根据零件要求的不同，渗碳层的厚度一般为0.52 mm。1.4常用金属材料常用金属材料 非合金钢1.4.11.4.1非合金钢是指碳的质量分数小于2.11的铁碳合金。在生产中使用的非合金钢，实际碳的质量分数都不大于1.4%，因为随着含碳量增大，组织中渗碳体增多，塑性、韧性降低，脆性增大而强度降低，难以加工成形，没有实用意义。非合金钢冶炼方便，价格低廉，工艺性较好，力学性能可满足一般工程结构和机械零件的使用要求，因而应用广泛。1.4常用金属材料常用金属材料非合金钢中的常见杂质元素及其作用非合金钢中的常见杂质元素及其作用1.非合金钢中除铁以外的元素是碳，其他常见的杂质元素有硅、锰、硫、磷等，以及在熔炼中夹杂进去的氧、氢、氮等元素。（1）硅和锰元素。硅和锰元素是炼钢后期在脱氧和合金化时，加入钢液而残留在钢中的，是有益元素。当其含量不多时，对钢的性能影响不大。1.4常用金属材料常用金属材料（2）磷和硫元素。磷和硫元素都是钢中的有害元素。磷元素会形成硬脆化合物Fe2P，造成“冷脆”危害；硫元素与铁元素会生成FeS，并形成Fe-FeS二元低熔点共晶体，造成“热脆”危害，严重影响性能，必须严格控制。通常钢材的质量等级以磷、硫含量的控制来划分。（3）氧、氢和氮元素。氧、氢和氮这三种气体元素也是钢中的有害元素。它们在高温时溶入钢液，而在固态钢中的溶解度极小，冷却时来不及逸出而积聚在组织中形成高压细微气孔，使钢的塑性、韧性和疲劳强度急剧降低，严重时会造成裂纹、脆断，是必须严格控制的有害元素。1.4常用金属材料常用金属材料非合金钢的分类非合金钢的分类2.非合金钢是应用极为广泛的金属材料，种类繁多，为便于生产、选用和储运，要根据一定的标准将非合金钢进行分类、编号。