工程材料及成形技术基础整套教学课件.ppt

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（工科）,物质科学 （理科）,Webster,编者“,New International Dictionary,（,1971,年）”中关于材料（,Materials,）的定义为：材料是指用来制造某些有形物体（如：机械、工具、建材、织物等的整体或部分）的基本物质（如金属、木料、塑料、纤维等）,迈尔,新百科全书,中材料的含义：材料是从原材料中取得的，为生产半成品、工件、部件和成品的初始物料，如金属、石块、木料、皮革、塑料、纸、天然纤维和化学纤维等等。,材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。,材料的重要地位与作用,定义,:,1.,材料,材料,(material):,人类用以制造各种有用器件的物质。,衣、食、住、行,中国自主研制航天服 每套,1.6,亿元,材料是宇宙万物中的一部分,人类文明与发展的四大关键领域,材料科学,制造科学,生物科学,信息科学,现代文明三大支柱,材 料,能 源,信 息,国家现代化程度标志之一,材料品种,材料数量,材料质量,材料是人类社会文明进步的物质基础和先导，材料的发展及其应用标志着人类进步的里程碑,石器时代,青铜器时代,铁器时代,新材料时代,2.,材料的发展应用,石器,石器时代,青铜器时代,司母戊鼎,越王勾践剑,编钟,战国时代铁器,春秋时代铁器,铁器时代,水泥时代、钢时代,材料的发展史，就是人类社会的发展史,材料的发展史，就是科学技术的发展史,石器时代,(Stone Age)400,000 BC4,500 BC,神奇燧石,青铜时代,（,Bronze Age,）,4,500 BC1,000 BC,司母戊鼎（商代）,铁器时代,（,Iron Age,）,1000BC,铁制车轮,战国凹形铁锄,20,世纪的,新四大发明,-,原子能、半导体、计算机、激光器，彻底改写了世界科技发展的历史,原子能,半导体,三极管,二极管,二三级管,计算机,掌上电脑,笔记本电脑,台式机,激光器,中国的两弹一星、航天工程及嫦娥工程（探月工程）等尖端技术的发展也离不开材料。,探月卫星“嫦娥二号”,“,神舟”十号,探月卫星“嫦娥二号”,金属材料,高分子材料,粉末金属,有色金属,钢铁,塑料,橡胶,粘合剂,涂料,纤维,复,合,材,料,陶瓷材料,玻璃,结晶陶瓷,碳材料,半导体,材料家族,金属基,聚合物基,陶瓷基,金属陶瓷,材料的分类,化学成分,碳素钢、合金钢,品质,普通、优质、高级优质钢,金相组织或组织结构,珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体,用途,建筑工程、结构、工具、特殊性能、专业用钢,冶炼方法,平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢,金属材料,Metal Materials,黑色金属材料（,Ferrous metals,）,:,钢和铸铁,钢的分类：,灰铸铁,可锻铸铁,球墨铸铁,蠕墨铸铁,特殊性能铸铁,铸铁的分类：,轻金属,（,4.5g/cm,3,),铜、镍、铅、锌,贵金属,金、银、铂、铑,类金属（半）,硅、硒、砷、硼,稀有金属,钛、锂、钨、钼、镭,有色金属,Nonferrous metals,常用的有色金属材料有：,Al,、,Cu,、,Zn,、,Sn,、,Pb,、,Mg,、,Ni,金属键，常规法生产的为晶体结构；,常温下固体熔点较高；,金属光泽；,纯金属展性、延性大；,强度较高；,导热、导电性好；,空气中易氧化，如钢、铁等生成氧化膜，合金可改性增加抗氧化性。,基本特性,Principal Properties,结构材料,:,如机床，建筑机械设备、工程交通工具；,导体材料，电线芯（铜）,工具,用途,Application,金属材料的各种用途,混凝土,（水泥）,concrete,玻璃,Glass,硅及耐火材料,Silane,陶瓷（器）,Ceramics,无机非金属材料,Inorganic nonmetals,分类（按成分，化学结构和用途分四大类）,传统陶瓷,（天然,硅酸盐,矿）：各种粘土烧制而成。,(Silicate Ceramics),特种陶瓷,（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）,离子键、共价键及其混合键,硬而脆,熔点高、耐高温抗氧化,导热、导电性差,耐化学腐蚀性好,耐磨,基本特性（以陶瓷为例，其它有较大差别）,建筑卫生陶瓷：瓷砖、浴缸,工程陶瓷、工程结构陶瓷：反应釜（耐酸、耐腐蚀）绝缘瓷瓶,功能陶瓷：磁性、导电,用途,按主链结构,backbone,元素,Si,、,P,、,B,碳链,CCC,杂链,CNC=O COC,按使用性质,塑料,Plastics,通用塑料、工程塑料；热塑性、热固性,橡胶,Ruber,天然、合成,纤维,Fiber,人造、合成,粘合剂,Adhesive,涂料,Coating,高分子材料,Polymers,分类,共价键，部分范氏键,分子量大，无明显容点，有玻璃化转变温度,Tg,和粘流温度,Tf,力学状态有三态 玻璃态、高弹态、粘流态,比重小；,绝缘性好,优越的化学稳定性；,成型方法多,基本性质,Properties,结构材料：电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件,绝缘材料：漆包线、电缆、绝缘版、电器零件,建筑材料：贴面板、地贴,包装材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料,涂装：涂料；,粘合剂：粘合剂,日用：织物（衣服）胶鞋；,运输：轮胎，传送带,用途,Usage,按基体材料分类：,金属基（铝基、镁基、铜基等）,有机材料基（木质基、树脂基、橡胶基）,无机非金属基（陶瓷基、混凝土基）,按增强相形态分类：,非连续增强（颗粒、短纤维、晶须增强）,连续纤维增强；,薄片增强（层板复合材料）,复合材料,composites,由两种以上组分组成，并且具有与其组成不同的新的性能的材料,分类,按增强相形成分类：,外加,自生（反应生成、定向凝固、大变形）,按用途分类：,结构复合材料,高比强度、比刚度等,功能复合材料,高导热、导电、低膨胀、高阻尼、高耐磨等,复合材料,composites,分类,抗疲劳性能良好；,结构件减震性好；,比强度和比量高；,耐烧性能和耐高温性能好,具有良好的减摩、耐摩和耐润滑性能,基本性质,无机,-,高分子 玻璃纤维增强塑料,(,玻璃钢,),汽车,游艇，,碳纤维增强塑料,飞机机翼、高尔夫球棍、撑杆跳杆,金属,-,陶瓷 飞机螺旋桨叶 综合金属韧性，陶瓷耐高温性,高分子,-,高分子 橡胶增韧塑料 抗冲,PS ABS,树脂减震材料,用途,BACK,材料的成熟曲线,原材料制取,生产制品,服役期,丢弃,/,回收,预加工,工程化,材料环,材料应用环,Performance,Properties,Synthesis and Processing,Compositions and Structures,新材料不断涌现,形状记忆合金,汽车领域：汽车外壳、汽车轮胎,医学领域：牙齿整形、人工关节,认知纳米,纳米科技与纳米材料,5m28s,4m28s,1m=10,3,mm=10,6,m=10,9,nm(nanometer),纳米服装,材料的研制、开发与应用成为衡量一个国家科技水平的重要标准。,材料、能源、信息被誉为现代经济发展的三大支柱。,掌握新材料是一个国家在科技领域处于领先地位地标志之一。,第一节 材料的主要性能,2.1.1,金属材料的力学性能,1.,强度,金属材料抵抗永久变形和断裂破坏的能力为强度。,测定强度的最基本的方法是拉伸试验。将式样装夹,在材料试验机上，并对其两端缓慢地施加轴向静拉力,p,。随着拉力逐渐加大，试样沿轴向伸长,l,，而径向,缩小，直到把试样拉断。可分别以应力,和应变,来,代替,p,和,l,，消除试样尺寸对材料性质的影响。由此,绘出的曲线称为应力应变曲线。,第二章 机械工程材料基础,D,L,d,0,L,0,P,P,标准拉伸式样,普通低碳钢拉伸图,（,1,）弹性极限,弹性变形,指外力去掉后变形能全部消除，恢复原状的变,形,【oe,段,】,。拉伸曲线为一条直线，完全符合胡克定律,。,e,为弹性极限,。,刚度,指金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。在弹性,范围内，应力,与应变,成正比，其比例常数称为弹性模量,E,。,延性变形,当载荷超过,e,点时，试样开始永久变形。,屈服,当载荷继续增加到,s,点时，试样所承受的载荷不增加，但,也继续产生延性变形，图中出现了水平线段。,s,点为屈服点；传统屈服强度,称为屈服极限,s,。,屈服强度应区分为,上屈服强度和下屈服强度。,（,2,）屈服强度,1,）,上屈服强度,。试样发生屈服而力首次下降前的最高应力。,2,）,下屈服强度,。在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力。,很多金属材料，如高碳钢、大多数合金钢、铜合金以及铝合金的拉伸曲线不出现平台。脆性材料如普通铸铁、镁合金等，甚至断裂前也不发生延性变形。因此工程上规定当拉伸试样的非比例延伸率或者发生某些微量延性变形等于规定（例如，,0.2%,）的应力作为该材料的屈服强度。,GB/T 2282002,规定，残余伸长量为标距长度的,0.2,时的应力，称为条件屈服强度，以,0.2,表示。,屈服,当载荷继续增加到,s,点时，试样所承受的载荷不增加，但也继续产生延性变形，图中出现了水平线段。,s,点为屈服点；,s,称为屈服极限。,“缩颈”现象,当载荷继续增加到,b,点时，试样的局部截面积缩,小。因为缩颈处截面积变小，所能承受的载,荷也就下降，当到,k,点时试样被拉断。,抗拉强度,金属在拉断前承受的最大拉应,力称为,抗拉强度,b,（,Rm,）,。,屈强比,s,(Re),/b,（,Rm,）,的比值。屈强比越小构件,可靠性越高，但若太小材料强度的有效利用,率太低。工程上在保证安全的前提下希望屈,强比高些。,（,3,）规定非比例延伸强度,非比例延伸率等于规定的伸长量为标距长度百分率时（例如：），对应的应力称为规定非比例延伸强度，用 表示。,（,4,）规定残余延伸强度,。,卸除应力后残余延伸率等于规定的伸长量为标距长度百分率时（例如：），对应的应力称为残余延伸强度，规定残余延伸强度的符号为 ，使用该符号时应附以下脚标说明所规定的百分率，例如 ，表示规定非比例延伸率为,0.2%,时的应力。,(5),抗拉强度,当载荷继续增加到,b,点时，试样的局部截面积缩小，产生“缩颈”现象。因为缩颈处截面面积变小，载荷也就下降，当达到,k,点时，试样被拉断。金属在拉断前承受的最大拉应力称为抗拉强度。,2.,延性,金属材料在外力作用下产生不可逆永久变形而不破坏的能力称为,延性,，即断裂前金属发生延性变形的能力。,反映金属材料延性的性能指标通常有伸长率,A,和断面收缩,率,Z,。断面收缩率与试样尺寸无关，它能比较可靠地反映金,属的延性。一般,A,和,Z,值越大，则材料延性越好，脆性越,小。金属材料只有具备足够的延性才能承受各种变形加工，,例如轧制、锻造、冲压、电阻焊、摩擦焊等。,3.,硬度,硬度是指材料抵抗变形，特别是压痕或划痕形成的永久的能力。通常材料的硬度越高，磨损量越小，其耐磨性越高。常用的硬度指标有布氏硬度（,HB,）、洛氏硬度（,HR,）和维氏硬度（,HV,）。,布氏硬度,布氏硬度是用单位压痕面积,的力作为布氏硬度值的计量,即试验力除以压痕表面积，,符号用,HBS,（用淬火钢球压头）,或,HBW,（用硬质合金压头）表示,材料,硬度范围（,HB,）,试样厚度,(mm),P/D,2,钢球直径,D(mm),载荷,P,(kgf),载荷保持,时间,(s),黑色金属,140-450,140,6-3,4-2,6,6-3,6,6-3,6,6-3,0.4,0.4,0.2,1.0%),：呈,黑色针状组织,，也称,针状马氏体,，具有,高硬度、高脆性,。,分类与形态,片状马氏体内部的亚结构主要是,孪晶,。孪晶间距为,5nm,10nm,，因此片状马氏体又称为,孪晶马氏体,。但孪晶仅存在于马氏体片的中部，在片的边缘则为复杂的位错网络。,低碳马氏体,(C%0.2%),：呈束状平行的,细条状组织,，也称,板条状马氏体,，具有,高硬度,和一,定的强度、较好的塑韧性。,含碳量在,0.21.0%,之间的为针状和板条状混合组织。,分类与形态,板条马氏体的亚结构是,位错,，故又称,位错马氏体,，其位错密度是,10,11,/cm,2,10,12,/cm,2,。,立体形态,亚结构,位向,材料,板条马氏体（位错马氏体）,空间形态是扁条状的。每个板条为一个单晶体,位错（密度,10,11,/cm,2,10,12,/cm,2,）,相互平行排列的板条,低、中碳钢及马氏体时效钢、不锈钢等铁基合金,片状马氏体（孪晶马氏体）,空间形态双凸透镜状光学显微镜下则呈针状或竹叶状,孪晶,（间距为,5nm,10nm,）,有大量微裂纹,互不平行，呈一定角度分布,中、高碳钢及,w,Ni,29%,的,Fe-Ni,合金,两种马氏体比较,钢的马氏体形态主要取决于,钢的含碳量,和,马氏体的形成温度,，而马氏体的形成温度又主要取决于奥氏体的化学成分，即碳和合金元素的含量。其中碳的影响最大。,对碳钢来说，随着含碳量的增加，板条马氏体数量相对减少，片状马氏体的数量相对增加，含碳量小于,0.2%,的奥氏体几乎全部形成板条马氏体，而含碳量大于,1.0%,的奥氏体几乎只形成片状马氏体。含碳量为,0.2%,1.0%,的奥氏体则形成板条马氏体和片状马氏体的混合组织。,一般认为,板条马氏体,大多在,200,以上,形成，,片状马氏体,主要在,200,以下,形成。含碳量为,0.2%,1.0%,的奥氏体在马氏体区较高温度先形成板条马氏体，然后在较低温度形成片状马氏体。碳浓度越高，则板条马氏体的数量越少，而片状马氏体的数量越多。溶入奥氏体中的合金元素除,Co,、,Al,外，大多数都使,M,s,点下降，因而都促进片状马氏体的形成。,Co,虽然提高,M,s,点，但也促进片状马氏体的形成。如果在,M,s,点以上不太高的温度下进行塑性变形，将会显著增加板条马氏体的数量。,影响马氏体形态的因素,固溶强化,(,过饱和,C,原子造成的晶格畸变,),相变强化,板条马氏体中高密度的位错、片状马氏体中的孪晶等,时效强化,“自回火”碳原子和合金元素的原子向晶体缺陷处扩散,晶界强化,原始奥氏体晶粒越细小、马氏体板条束越小。,马氏体的硬度和强度,高硬度、高强度的原因,对位错的阻碍或钉扎,马氏体的性能,钢中马氏体力学性能的,显著特点,是具有,高硬度和高强度,.,马氏体的,硬度主要取决于马氏体的含碳量,。,马氏体的硬度随含碳量的增加而升高，当含碳量达到,0.6%,时，淬火钢硬度接近最大值。含碳量进一步增加，虽然马氏体的硬度会有所提高，但由于残余奥氏体量增加，反而使钢的硬度有所下降。合金元素对马氏体的硬度影响不大，但可以提高其强度。,马氏体的塑性和韧性主要取决于,马氏体的亚结构,。片状马氏体具有高强度、高硬度，但韧性很差，其特点是硬而脆。在具有相同屈服强度的条件下，板条马氏体比片状马氏体的韧性要好得多。,其原因,在于片状马氏体中微细孪晶亚结构的存在破坏了有效滑移系，使脆性增大；而板条马氏体中的高密度位错是不均匀分布的，存在低密度区，为位错提供了活动的余地，所以仍有相当好的韧性。,此外，片状马氏体的碳浓度高，晶格的正方畸变大，这也使其韧性降低而脆性增大，同时，片状马氏体中存在许多显微裂纹，还存在着较大的淬火内应力，这些也都使其脆性增大。所以，片状马氏体的性能特点是硬度高而脆性大。而板条马氏体则不然，由于碳浓度低，再加上自回火，所以晶格正方度很小或没有，淬火应力也小，而且不存在显微裂纹。这些都使得板条状马氏体的韧性相当好。同时，强度、硬度也足够高。所以，板条状马氏体具有高的强韧性。,马氏体的塑性和韧性,可见，马氏体的力学性能主要取决于,含碳量、组织形态和内部亚结构,。板条马氏体具有优良的强韧性，片状马氏体的硬度高，但塑性、韧性差。通过热处理可以改变马氏体的形态，增加板条马氏体的相对数量，从而可显著提高钢的强韧性，这是一条充分发挥钢材潜力的有效途径。,马氏体转变特点：,无扩散性。,相变过程不发生成分变化，参与转变的所有原子运动协同一致，相邻原子的相对位置不变，而且相对位移量小于一个原子间距。,具有表面浮凸和切变共格性。,马氏体相变产生均匀切变或称为点阵切变，造成结构变化，试样表面出现浮凸现象，马氏体与母相之间的界面为共格界面。,存在惯习面及其不应变性。,马氏体在母相的一定晶面上形成，此晶面称为惯习面。惯习面是一个无畸变不转动的平面。,具有晶体学位向关系。,马氏体和母相之间主要有以下位向关系：,a.K-S,关系，,111/110M,，,/,M,;b.,西山关系，,111/110,M,，,/,M,。,马氏体具有内部亚结构。,除了点阵切变外，马氏体相变还要发生点阵不切变，依靠滑移或孪生完成，在马氏体内部形成位错或孪晶亚结构。,马氏体具有逆转变现象。,将马氏体以足够快的速度加热，马氏体可以不分解而直接转变为高温相。,马氏体转变相对珠光体转变来说，是在较低的温度区域进行的，因而具有一系列特点，其中主要特点如下：,珠光体、贝氏体、马氏体转变的异同点,许多热处理工艺是在连续冷却过程中完成的，如炉冷退火、空冷正火、水冷淬火等。在连续冷却过程中，过冷奥氏体同样能进行等温转变时所发生的几种转变，即：珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变等，而且各个转变的温度区也与等温转变时的大致相同。在连续冷却过程中，不会出现新的在等温冷却转变时所没有的转变。但是，奥氏体的连续冷却转变不同于等温转变。因为，连续冷却过程要先后通过各个转变温度区，因此可能先后发生几种转变。而且，冷却速度不同，可能发生的转变也不同，各种转变的相对量也不同，因而得到的组织和性能也不同。所以，连续冷却转变就显得复杂一些，转变规律性也不像等温转变那样明显，形成的组织也不容易区分。,前边讲过，过冷奥氏体等温转变的规律可以用,C,曲线来表示出来。同样地，连续冷却转变的规律也可以用另一种,C,曲线表示出来，这就是,“,连续冷却,C,曲线,”,，也叫作,“,热动力学曲线,”,。它反映了在连续冷却条件下过冷奥氏体的转变规律，是分析转变产物组织与性能的依据，也是制订热处理工艺的重要参考资料。,20,世纪,50,年代以后，由于实验技术的发展，才开始精确地测量许多钢的连续冷却,C,曲线，直接用来解决连续冷却时的转变问题。,二、过冷奥氏体连续冷却转变,珠光体转变区由三条曲线构成，,左边一条是转变开始线，,右边一条是转变终了线，,下面一条是转变中止线。,是珠光体的最高冷却速度,马氏体转变区则由两条曲线构成；,一条是温度上限,M,s,线，,另一条是冷速下线,图 共析钢连续冷却,C,曲线,共析钢过冷奥氏体连续冷却,C,曲线,图,9.15,共析钢连续冷却,C,曲线,共析钢过冷奥氏体连续冷却转变产物,当冷却速度,V,时，冷却曲线与珠光体转变开始线相交便发生,P,，与终了线相交时，转变便告结束，形成全部的珠光体。,当冷速 ,V,时，冷却曲线只与珠光体转变开始线相交，而不再与转变终了线相交，但会与中止线相交，这时奥氏体只有一部分转变为珠光体。冷却曲线一旦与中止线相交就不再发生转变，只有一直冷却到,M,s,线以下才发生马氏体转变。并且随着冷速,V,的增大，珠光体转变量越来越少，而马氏体量越来越多。,由上面分析可见，是保证奥氏体在连续冷却过程中不发生分解而全部过冷到马氏体区的最小冷速，称为,“,上临界冷速,”,，通常也叫做,“,淬火临界冷速,”,。则是保证奥氏体在连续冷却过程中全部分解而不发生马氏体转变的最大冷速，称为,“,下临界冷速,”,。,当冷速,V,时，冷却曲线不再与珠光体转变开始线相交，即不发生,P,，而全部过冷到马氏体区，只发生马氏体转变。此后再增大冷速，转变情况不再变化。,共析碳钢的连续冷却转变只发生珠光体转变和马氏体转变，不发生贝氏体转变，也就是说，共析碳钢在连续冷却时得不到贝氏体组织。但有些钢在连续冷却时会发生贝氏体转变，得到贝氏体组织，例如某些亚共析钢、合金钢。要注意的是，亚共析钢的连续冷却,C,曲线与共析钢的大不相同，主要是出现了铁素体的析出线和贝氏体转变区，还有,M,s,线右端降低等。,连续冷却过程可以看成是由无数个微小的等温过程组成，在经过每一个温度时都停留一个微小时间，连续冷却转变就是这些微小等温过程孕育、发生和发展的。所以说等温转变是连续冷却转变的基础。图,9.16,是共析钢连续冷却,C,曲线与等温冷却,C,曲线的比较，由图可以看出：,连续冷却,C,曲线位于等温,C,曲线的右下方。因为连续冷却的转变温度均比等温转变的温度低一些，所以连续冷却到这个温度进行转变时，需要较长的孕育期。,在共析钢和过共析钢中连续冷却时不出现贝氏体转变。,可利用,TTT,曲线估算连续冷却临界淬火速度,图,9.16,共析钢连续冷却,C,曲线与,等温冷却,C,曲线的比较,连续冷却,C,曲线与等温冷却,C,曲线的比较,过冷奥氏体冷却转变曲线是制定热处理工艺的重要依据，也有助于了解热处理冷却过程中钢材组织和性能的变化。,1),等温冷却,C,曲线的应用,对于制定等温退火、等温淬火、分级淬火以及变形热处理工艺具有指导作用。,可估计钢的临界淬火冷却速度,(,V,k,),，合理选择冷却介质。其中,式中,A,1,钢的临界温度；,t,m,等温,C,曲线的鼻尖温度；,等温,C,曲线鼻尖孕育期时间。,可以利用等温冷却,C,曲线定性地近似地分析钢在连续冷却时组织转变的情况。例如欲确定这种钢经某种冷速冷却后所得的组织和性能，一般是将这种冷速画到该材料的,C,曲线上，按其交点位置估计其所得组织和性能。,三、过冷奥氏体转变曲线的应用,2),连续冷却曲线的应用,可以定性和定量地显示钢在不同冷却速度下所获得的组织和硬度，这对于制定和选择零件热处理工艺有实际的指导意义。,可以比较准确的定出钢的临界淬火冷却速度,(,V,k,),，正确选择冷却介质。,利用连续冷却,C,曲线可以大致估计零件热处理后表面和内部的组织及性能。,三、过冷奥氏体转变曲线的应用,基本概念：珠光体、,索氏体,、,屈氏体,、贝氏体、马氏体,共析钢的等温转变类型及其所获组织、性能特点,马氏体转变的特点,何谓过冷奥氏体转变的,TTT,图和,CCT,图？两者有何区别？,贝氏体转变与珠光体转变相比有哪些异同点,马氏体的本质是什么？其组织有哪两种基本形态？他们的性能各有何特点？,3.2,热处理工艺方法及应用,3.2.1,钢的普通热处理,工艺性能,预备热处理,使用性能,最终热处理,钢的热处理工艺：,通过加热、保温和冷却的方法改变钢的组织结构以获得工件所要求性能的一种热加工工艺,分类：,按照热处理在零件生产工艺流程中的位置和作用,一、钢的退火处理,退火,：将钢加热至临界点,Ac,1,以上或以下温度，保温一定时间，随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。,目的,：,均匀钢的化学成分及组织,细化晶粒,调整硬度,消除应力和加工硬化,改善钢的成形及切削加工性能,并为淬火做好组织准备。,Ac1,或,Ac3,以上,完全,退火,不完全,退火,球化,退火,均匀化,退火,再结晶,退火,去应力,退火,按加热,温度,分,Ac1,或,Ac3,以下,按,冷却,方式分,等温,退火,连续,冷却退火,分类,：,1200,1100,1000,900,800,700,600,500,C%,0 0.77 2.11,温度,G,E,A,F+A,A+Fe,3,C,P S,分类：,均匀化退火,完全退火,球化退火,不完全退火,再结晶退火,去应力退火,1200,1100,1000,900,800,700,600,500,C%,0 0.77 2.11,温度,G,E,A,F+A,A+Fe,3,C,P S,Ac,3,+20,30,应用,：,亚共析钢锻件、铸件,不适用于过共析钢,钢的非平衡组织,完全奥氏体化后缓冷转变为,平衡组织,目的,：,细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度和改善钢的切削加工性。,1.,完全退火,将钢件或毛坯加热至,A,c3(,或,A,c1),以上,20,30,，保温一定时间后，较快地冷却至过冷奥氏体等温转变曲线,“,鼻尖,”,温度,附近并,保温,，使,A,转变为,P,后，再缓慢冷却下来。,等温退火,等温退火的目的与完全退火相同，同时具有以下优点,:,等温退火时的转变,容易控制,，,能获得,均匀的预期组织,，,可大大,缩短退火周期,。,对于大型制件及合金钢制件较适宜,2.,不完全退火,1200,1100,1000,900,800,700,600,500,C%,0 0.77 2.11,温度,G,E,A,F+A,A+Fe,3,C,P S,将钢件或毛坯加热到,A,c1,Ac3,或,Ac1,Acm,之间,，经保温一定时间后缓慢冷却以获得近于平衡组织的热处理工艺。,目的,：,亚共析钢,：组织细小可用不完全退火替代完全退火，达到降低硬度消除内应力,过共析钢,：获得球状珠光体，消除内应力，降低硬度，改善切削加工性能,1200,1100,1000,900,800,700,600,500,C%,0 0.77 2.11,温度,/,G,E,A,F+A,A+Fe,3,C,P S,Ac,1,+20,30,片状渗碳体和网状渗碳体发生不完全溶解而形成球状渗碳体，实现珠光体球化。,目的,：降低硬度，便于切削,应用,：,共析钢及过共析钢，,如碳素工具钢、合金刃具钢、轴承钢,3.,球化退火,过共析钢热处理前的显微组织,过共析钢球化退火后的显微组织,1200,1100,1000,900,800,700,600,500,C%,0 0.77 2.11,温度,G,E,A,F+A,A+Fe,3,C,P S,1050,1150,长时间高温，使原子充分扩散,目的,：均匀成分，,消除铸件的成分偏析现象,后续工艺,：正火,4.,均匀化退火,1200,1100,1000,900,800,700,600,500,C%,0 0.77 2.11,温度,G,E,A,F+A,A+Fe,3,C,P S,500,650,组织不发生变化,目的,：消除内应力,应用,：锻造、铸造、焊接以及切削加工后,(,要求精度高,),的零件,5.,去应力退火,1200,1100,1000,900,800,700,600,500,C%,0 0.77 2.11,温度,G,E,A,F+A,A+Fe,3,C,P S,650,700(A,1,),变形晶粒重新生核和长大,目的,：降低硬度，提高塑性、韧性,应用,：两次冷加工变形之间,6.,再结晶退火,1200,1100,1000,900,800,700,600,500,C%,0 0.77 2.11,温度,G,E,A,F+A,A+Fe,3,C,P S,正火,是将钢加热到,Ac,3,(,亚共析钢,),和,Ac cm(,过共析钢,),以上,30,50,，经过保温一段时间后，在空气中或在强制流动的空气中冷却到室温的热处理工艺。,二、钢的正火处理,改善切削加工性能,消除碳钢中的热加工缺陷,消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火,提高普通结构件的力学性能,目的,正火与退火目的基本相同,(,共同点,),：消除热加工缺陷,不同点,:,空冷,减少生产周期,正火的特点：,1,、经济性,产物：索氏体,2,、使用性能,提高低碳钢的硬度,3,、切削加工性,冷却速度快：消除网状渗碳体,HB170230,正火应用,1,、最终热处理,：对于性能要求不高的零件,2,、预备热处理：,改善低碳钢的切削加工性,消除网状渗碳体,Wc0.75%,通常采用球化退火（或正火）,较多合金元素的钢，应及时高温回火,原则：,应根据钢种，冷热加工工艺，在满足钢的使用性能和工艺性能的条件下，尽可能用正火替代退火,总之正火比退火冷却速度快，因而正火组织比退火组织细，强度和硬度也比退火组织高。,Wc0.6%,，正火后组织为索氏体。,由于正火的生产周期短，设备利用率高，生产效率较高，因此成本较低，在生产中应用广泛。,退火和正火的选用,工艺条件,加热奥氏体化,快速,冷却：,V,V,k,淬火：,将钢加热到,A,c3,或,A,c1,以上,30,50,，保温后急冷，,获得以马氏体为主的不稳定状态组织的热处理工艺,。,目的,：,获得马氏体,提高钢的硬度和耐磨性,提高弹性、强韧性,三、钢的淬火处理,来源,残留应力状态,影响因素,裂纹形式,热应力,温差引起的膨胀不一致,表面压，心部拉,工件截面尺寸，线膨胀系数，热导率，冷却速度等,由内到外的横向裂纹或弧形裂纹,组织应力,组织转变的比体积不同,表面拉，心部压,尺寸，相变温度范围内的冷却速度，导热，淬透性等,沿轴向由表面裂向心部的纵向裂纹,两种应力比较,工件在淬火过程中会发生,形状,和,尺寸,的,变化,有时甚至会产生,淬火裂纹,，工件变形和开裂的原因是由于淬火过程中在工件内产生的,内应力,造成的。,1.,淬火应力,G,E,A,A+F,A+Fe,3,C,C%,0 0.77 2.11,P S,T/,1200-,1100-,1000-,900-,800-,700-,600-,500-,(2),共析钢、过共析钢,Ac,1,+3050,M+,Ar(,多,),M+Ar+Fe,3,C,M+Ar(,少,),M+Ar,+,F,(1),亚共析钢,Ac,3,+3050,防止高温,Ar,增多,晶粒粗大,防止低温析出,F,2.,加热温度,保温时间,2080 min,淬火加热温度选取应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则。,3.,淬火冷却介质,冷却是淬火的关键，冷却的好坏直接,决定,了钢淬火后的,组织和性能。,冷却介质应,保证,：工件得到马氏体，同时变形小，不开裂。,钢从奥氏体状态冷至,Ms,点以下所用的,冷却介质,叫做淬火介质。,水在,650,550,高温区和,300,200,低温区冷却能力也强。淬火零件易变形开裂。,适用于形状简单、截面不大的碳钢零件的淬火。,水,在,300,200,低温区的冷却速度比水小得多，从而可大大降低淬火工件的相变应力，减小工件变形和开裂倾向。油在,650,550,高温区间冷却能力低是其主要缺点。,适用于形状复杂的合金钢工件的淬火以及小截面、形状复杂的碳钢工件的淬火。,油,为减少工件的变形，熔融状态的盐也常用作淬火介质。其特点是沸点高，冷却能力介于水、油之间。,常用于等温淬火和分级淬火，处理形状复杂、尺寸小、变形要求严格的工件等。,盐浴,理想淬火介质,：,冷却速度按,“,慢,快,慢,”,变化。,V,k,V,1,V,温度差，使各部分组织转变不同时引起的内应力,时间,Ms,温度,A,1,快冷会产生内应力,热应力,：,不同部位由于温度差，导致热胀冷缩不一致而产生内应力,组织应力,：,变形与开裂,淬,火,介,质,研,究,三国（公元,222265,年）的,蒲元,和南北朝的,綦母怀文,都作过较大的贡献。,蒲元别传,:“,汉中的,水,钝弱，不任淬；蜀水爽烈”,北史，艺术烈传,:,牲畜之尿或脂（油）,新唐书,:,马血,格致粗谈,:,地溲（可能是石油）,续广博物志,：,硝黄、盐卤、人尿合成淬火剂,常用淬火介质,：水（冷却能力强）、油。,新型淬火介质,：有机聚合物淬火剂,无机物水溶液淬火剂,Ms,A,1,(1),单液淬火法,淬火介质,：水或油,V,k,合金钢 油,形状不太复杂的碳钢 水,缺点,：,优点,：,操作简单,油淬,变形开裂倾向大,大件不易淬透,水淬,应用,：,T/,time,4.,淬火方法,淬火方法的选择,:,主要以获得马氏体和减少内应力、减少工件的变形和开裂为依据。,time,Ms,T/,A,1,(2),双液淬火,优点,：减少内应力,缺点,：操作较困难,300400,应用,：高碳工具钢,淬火介质,：,先入水后入油,V,k,时间,Ms,A,1,优点,：,减少工件内外温度差，,从而进一步,减少内应力,25min,(3),分级淬火,介质,成分,熔点,/,使用温度,/,碱浴,85%KOH+15%NaOH,另加,36%H,2,O,130,150180,100%NaOH,328,350550,硝盐浴,55%KNO,3,+45NaNO,3,137,150500,50%KNO,3,+50NaNO,3,220,245500,150260,缺点,：,操作困难,，盐浴冷却能力差,应用,：,合金钢，尺寸小且形状复杂的碳钢工件,淬火介质,：盐浴或碱浴,T/,Ms,A,1,优点,：,内应力小,B,下,强韧性好,(4),等温淬火,应用,：形状复杂，要求强度、,韧