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,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,*,第1章 金属材料的性能,1.1金属材料的力学性能,1.2金属材料的物理、化学与工艺性能,第2章金属与合金的晶体结构及铁碳相图,2.1 金属的晶体结构与结晶,2.2 实际金属的晶体结构,2.3 合金的晶体结构,2.4 铁碳合金和铁碳相图,1.1 金属材料的力学性能,材料的力学性能是指在外力的作用下所表现出来的特性，常用的力学性能指标主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳极限等。,金属材料在加工及使用过程中所受到的外力称为载荷。根据载荷作用性质的不同，可将其分为静载荷、冲击载荷及变载荷三类。,静载荷是指大小不变或变化缓慢的载荷。,冲击载荷是指突然增加的载荷。,变载荷是指周期性或非周期性变化的载荷(包括载荷的大小和方向)。,下一页,返回,1.1 金属材料的力学性能,金属材料受载荷作用而发生的几何形状和尺寸的变化称为变形。变形一般分为弹性变形和塑性变形。金属材料在外力作用下而发生变形，当外力去除后，能够消失的变形称为弹性变形:不能消失的变形称为塑性变形.也称为残余变形或永久变形。,1.1.1 强度和塑性,材料的强度与塑性是极其重要的力学性能指标，采用拉伸试验的方法来测定。,拉伸试验是指用静拉伸力对标准拉伸试样进行缓慢的轴向拉伸，直至拉断的一种试验方法。在拉伸试验中和拉伸试验后可测量力的变化与相应的伸长，从而测出材料的强度与塑性。,上一页,下一页,返回,1.1 金属材料的力学性能,即测定试样对外加试验力的抗力，求出材料的强度值;测定试样在拉断后塑性变形的大小，求出材料的塑性值。静拉伸试验是工业上最常用的力学性能试验方法之一。,试验前，将材料制成一定形状、尺寸和技术要求的标准拉伸试样,(GB6397-1986),图1-1,所示为常用的圆形拉伸试样，试样的直径为,标距为,.,将试样装夹在拉伸试验机上，缓慢增加试验力，试样标距的长度将逐渐增加,直至拉断。若将试样从开始加载直到断裂前所受的拉力 ，与其所对应的试样标距八，的伸长量 绘成曲线，便得到拉伸曲线。,图1-2,所示为退火状态低碳钢的拉伸曲线。用试样原始截面积式 去除拉力 得到应力，以试样原始标距 去除绝对伸长 得到应变，即,则力一伸长（-）曲线就成了应力应变（）曲线,上一页,下一页,返回,1.1 金属材料的力学性能,拉伸曲线表示了这样一个变形过程。曲线的Oe段近似一条斜线，表示受力不大时试样处于弹性变形阶段，若卸除试验力，试样能完全恢复到原来的形状和尺寸，其中在Op阶段应力与应变呈正比关系，即符合虎克定律。当拉伸力继续增加时，试样将产生塑性变形，并且在、点附近曲线上出现平台或锯齿状线段，这时应力不增加或只有微小增加，试样却继续伸长，这一现象称为屈服。屈服后曲线又呈上升趋势，表示试样恢复了抵抗拉伸力的能力。h点表示试样抵抗拉伸力的最大能力。这时试样上的某处截面积开始减小，形成缩颈。随后，试样承受拉伸力的能力迅速减小，直至断裂(k点)。,上一页,下一页,返回,1.1 金属材料的力学性能,1.强度,强度是材料在外载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。按作用载荷性质不同，可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。工程上常用的静载荷拉伸强度指标有屈服点或规定残余伸长应力、抗拉强度等。,y屈服点和规定残余伸长应力在拉伸过程中载荷不增加(保持恒定)，试样仍能继续伸长时的应力称为材料的屈服点(过去曾称屈服极限)，以 表示，即,(MPa)(1-1),式中 材料屈服时的最小拉伸力,(,N,);,试样的原始截面积。,上一页,下一页,返回,1.1 金属材料的力学性能,屈服点是具有屈服现象的材料特有的强度指标。除退火或热轧的低碳钢和中碳钢等少数材料具有屈服点外，大多数材料都没有明显屈服现象，因此，提出“规定残余伸长应力”作为相应的强度指标。国家标准规定:当试样卸除拉伸力后，定的变形量(百分比)时的应力，作为规定残余伸长应力 。其标距部分的残余伸长达到规此时应力的符号应附以角标说明，例如，表示规定残余伸长率为0.2%时的应力。,通常表示没有明显屈服现象的材料的屈服点，则,（MPa）（1-2）,式中 产生规定残余伸长时的拉力（N）,上一页,下一页,返回,1.1 金属材料的力学性能,(2)抗拉强度拉伸过程中最大力,所对应的应力称为抗拉强度(曾称强度极限)，则,（MPa）（1-3）,抗拉强度的物理意义是表征材料对最大均匀变形的抗力，表征材料在拉伸条件下所能承受最大力的应力值，它是设计和选材的主要依据之一，是工程技术上的主要强度指标。,强度是所有力学性能指标中唯一可用于设计或校核计算的指标。,工程上所用的金属材料，不仅希望具有较高的 、值，而且希望具有一定的屈强比（）。屈强比越小，零件的安全可靠性越高。屈强比越大，材料强度的有效利用率越高。,上一页,下一页,返回,1.1 金属材料的力学性能,2.塑性,断裂前材料发生不可逆永久变形的能力叫塑性。常用的塑性指标是指材料断裂时最大相对塑性变形，如拉伸时的断后伸长率和断面收缩率。,（1）断后伸长率,试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比称为断后伸长率，以 表示，即,（1-4）,式中 -,试样拉断后的标距,(mm,）；,-试样原始标距,(mm),。,上一页,下一页,返回,1.1 金属材料的力学性能,（2）断面收缩率 试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率，以 表示。其数值按下式计算,（1-5）,式中 -试样原始截面积（,mm,2,）;,-试样断裂后缩颈处的最小横截面积（,mm,2,）。,塑性是材料的一个重要指标，或 必数值越大，材料塑性越好。金属材料塑性的好坏对于零件的使用性能和加工性能有着十分重要的意义。通常把,5%,的材料称为塑性材料;,1.5%的钢几乎没有应用，所以，通常将常用的碳素钢按 的高低分类，如,表2一3,所列。,上一页,下一页,返回,2.4 铁碳合金和铁碳相图,返回,碳素钢性能主要取决于 ,越低，钢的强度和硬度越低、塑性和韧性越好;越高，钢的强度和硬度越高，塑性和韧性越差，如,图2-12,所示。,所以，低碳钢的塑性、韧性好，但强度、硬度低，焊接性能好。中碳钢的强度较高，塑性、韧性也较好，具有较好的综合力学性能。高碳钢硬而脆，塑性、韧性也差。,上一页,图2-1 简单立方晶格与晶胞,返回,图2-2 体心立方晶格示意图,返回,图2-3 面心立方晶格示意图,返回,图2-4 密排六方晶格示意图,返回,图2-5 多晶体的晶粒与晶界示意图,返回,图2-6 纯金属的冷却曲线,返回,图2-7 金属结晶过程示意图,返回,图2-8 两种固溶体结构示意,返回,图2-9 的晶体结构,返回,图2-10 同素异构转变率,返回,图2-11 -相图,返回,表2-1 相图中的主要特征点,返回,表2-2 铁碳合金的分类,返回,表2-3 工程实践中钢的分类,返回,图2-12 含碳量对碳钢性能的影响,返回,第3章 钢的热处理,3.1 钢的普通热处理,3.2 钢的表面热处理,3.1 钢的普通热处理,3.1.1 钢在加热和冷却时的转变,1.基本概念,加热是热处理的第一道工序。大多数热处理工艺首先要将钢加热到相变点(又称为临界点)以上，目的是获得单一奥氏体。共析钢、亚共析钢和过共析钢分别被加热到PSK线、GS线和ES线以上温度才能获得单相奥氏体组织。为了方便，常把PSK线称为 线；GS线称为 线；ES线称为 线。而该线上每一合金的相变点，则相应用 、表示，都是平衡相变点。但实际处理时，加热和冷却不可能是非常缓慢的。因此组织相变都会偏离相变平衡点，即加热时过热，冷却时过冷。为了区别于平衡相变点，通常将加热时的相变点用 、和 表示;而冷却时的相变点用 、和 表示。,图3-2,为各相变点在 图上的位置。,返回,下一页,3.1 钢的普通热处理,2.奥氏体的形成过程,任何成分的钢加热到 点以上时，都要发生珠光体向奥氏体的转变过程(奥氏体化)，下面以共析钢为例，分析奥氏体化过程。,共析钢加热到 ，温度时，便会发生珠光体向奥氏体的转变，转变过程遵从结晶的普遍规律。奥氏体的形成过程可分为四个阶段，如,图3-3,所示。,（1）奥氏体晶核的形成 奥氏体的晶核优先形成于铁素体和渗碳体的相界面上，相界面在浓度和结构两方面为奥氏体晶核的形成提供了有利的条件。,上一页,下一页,返回,3.1 钢的普通热处理,(2)奥氏体晶核的长大 奥氏体晶核形成后逐渐长大。铁素体向奥氏体的转变和渗碳体的不断溶解来完成的。这样，体两个方面长大。晶核的长大是依靠与其相邻的奥氏体晶核就向渗碳体和铁素体两个方面长大。,(3)剩余渗碳体的溶解 在奥氏体形成过程中，当铁素体完全转变成奥氏体后，仍有部分渗碳体尚未溶解。这部分剩余的渗碳体随着保温时间的延长，不断向奥氏体中溶解，有至全部消失。,(4)奥氏体的均匀化 当剩余渗碳体全部溶解后，奥氏体中的碳浓度仍然是不均匀的，在原渗碳体处比原铁素体处的含碳量要高一些。因此，需要继续延长保温时间，依靠碳原子的扩散，使奥氏体的成分逐渐趋于均匀。,上一页,下一页,返回,3.1 钢的普通热处理,热处理加热后的保温阶段，不仅为了使零件内外温度均匀和转变完全，而且还为了获得成分均匀的奥氏体，以便冷却后获得良好的组织和性能。应当指出，在生产中钢的热处理并非都要求达到奥氏体均匀化，而是根据热处理的目的，控制奥氏体形成的不同阶段。,钢热处理后的性能取决于奥氏体经冷却转变后所获得的组织，而冷却方式和冷却速度与奥氏体的组织转变有直接关系共析钢热处理组织的形成温度和硬度见,表3-1,。,上一页,下一页,返回,3.1 钢的普通热处理,3.1.2 钢的普通热处理工艺,各种机械零件的形状和尺寸、性能要求、所用钢材是各式各样的，因此，钢的热处理工艺方法也是多种多样的。这里主要介绍各种常用的热处理工艺。,热处理分为普通热处理和表面热处理。普通热处理即所说的“四火”工艺，包括退火正火、淬火、回火。表面热处理包括表面淬火和化学热处理。,1.退火,退火是将钢件加热到高于或低于钢的临界点，保温一定时间，随后在炉中或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却，以获得接近平衡组织的一种热处理工艺。,上一页,下一页,返回,3.1 钢的普通热处理,（1）完全退火 将钢件加热到 和 以上30-50保温一定时间后，随炉缓慢冷却，或埋入保温材料中冷却。所谓“完全”，是指退火时钢件被加热到获得完全的奥氏体组织，也就是钢的组织全部变成了奥氏体组织。,完全退火的目的是使铸造、锻造或焊接所造成的粗大晶粒细化，并可使产生的组织不均匀性得到改善，通过退火可使中碳以上的钢件获得接近平衡状态的组织，以降低硬度，便于切削加工。由于退火时冷却缓慢，也可以消除内应力(如只为了消除内应力，则应采用低温去应力退火）。,（2）球化退火将钢件加热至 以上 20-30 ，保温一定时间，再足够缓慢地冷至，以下20 左右，然后炉冷至600左右出炉空冷。,球化退火主要用于过共析钢，其目的是把过共析钢的片状珠光体和网状渗破体组织转变为球状珠光体从而改善钢的切削加工性，并减少最终热处理时工件变形和开裂的倾向。,上一页,下一页,返回,3.1 钢的普通热处理,(3)等温退火将钢件加热到 以上(对于亚共析钢)，或 以上，然后快速冷却到 ，以下某一温度，保温一定时间，使奥氏体转变为珠光体组织，然后空冷。,共析钢和过共析钢的等温退火主要用于那些奥氏体比较稳定的合金工具钢和高合金钢等。这样可以在等温转变过程的前后稍快地进行冷却，与完全退火相比，可以大大缩短整个退火时间。,(4)去应力退火去应力退火又称为低温退火将钢件加热至低于 以下某一温度(一般为500-600)，经保温一定时间后，缓慢冷却。,去应力退火主要用来消除铸件、锻件、焊接件等的残余内应力，在去应力退火过程中无组织变化。,上一页,下一页,返回,3.1 钢的普通热处理,（5）再结晶退火再结晶退火也是一种低温退火，用于处理冷轧、冷拉、冷压等发生加工硬化的钢材。当把这类钢加热到再结晶温度以上150-250，即500-650 ，保温后空冷。通过再结晶可使钢材的塑性恢复到冷变形以前的状态。,2.正火,正火是将钢件加热到 (对于亚共析钢)或 (对于过共析钢)以上30-50，保温后从炉内取出，在空气中冷却的热处理工艺，正火与完全退火的作用相似，两者的主要差别是冷却速度。退火冷却速度慢，获得接近平衡组织;正火冷却速度较快，得到的是非平衡组织。因此，同样钢件在正火后强度和硬度较退火后的为高，而且钢的含碳量越高，用这两种方法处理后的强度硬度差别越大。,上一页,下一页,返回,3.1 钢的普通热处理,低碳钢经过正火处理后的强度和硬度，虽与退火处理后的差不多，但正火是在炉外空冷，不占用设备，生产率也高，所以低碳钢多采用正火来代替退火。至于中、高碳钢正火后的硬度可能过高，不利于切削加工，为了降低硬度，便于加工，则应采用退火处理。,图3-4,是几种退火和正火的加热温度范围示意图及工艺曲线。,上一页,下一页,返回,3.1 钢的普通热处理,3.淬火,将钢加热到 或 以上保温一定时间后，以大于上临界冷却速度 的冷速冷却而获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火是钢的最经济、最有效的强化手段之一。,淬火的主要目的是提高钢的强度、硬度，使钢强化，然后和不同回火处理相配合，获得所需要的力学性能。,（1）淬火的加热温度钢淬火的加热温度主要根据其相变点来确定。,图3-5,所示为碳钢淬火的加热温度范围。,亚共析钢一般采用完全奥氏体化淬火，淬火加热温度为式：,+（30-50）。如果加热温度选择在 -之间，则在淬火组织中将有先析出的铁素体存在，使钢的强度降低。共析钢和过共析钢的淬火加热温度为 +(30-50),。,上一页,下一页,返回,3.1 钢的普通热处理,(2)常用淬火冷却方法为了保证淬火质量，减小淬火应力和变形与开裂的倾向，淬火的冷却方式很关键。理想的冷却方式如,图3-6,所示。但是，目前实际应用的淬火介质还不能完全满足理想冷却速度的要求。为了获得比较理想的淬火效果，需采用适宜的淬火介质和适当的淬火方法。常用的冷却介质有水、盐或碱的水溶液和油等。,表3-2,为几种常用的淬火冷却介质的冷却能力。,上一页,下一页,返回,3.1 钢的普通热处理,常用的淬火方法有以下几种。,单液淬火。将加热至淬火温度的工件，投入单一一种淬火介质中连续冷却至室温，如,图3-7,中曲线a所示。例如，碳钢在水中淬火、合金钢在油中淬火等。单液淬火操作简便，易于实现机械化和自动化，但也有不足之处，即易产生淬火缺陷。水中淬火易产生变形和裂纹，油中淬火易产生硬度不足或硬度不均匀等现象。,双介质淬火。如,图3-7,中曲线h所示，双介质淬火是将加热的工件先投入一种冷却介质，然后在M点以下区域时转入冷却能力小的另一种介质中冷却。例如，形状复杂的非合金钢工件采用水淬油冷法;合金钢工件采用油淬空冷法等。双介质淬火可使低温转变时的内应力减小，从而有效防止工件的变形与开裂。能否准确地控制工件从第一种介质转到第二种介质时的温度是双介质淬火的关键，需要一定的实践经验。,上一页,下一页,返回,3.1 钢的普通热处理,马氏体分级淬火。将加热的工件先放入温度为线附近(150-260)的盐浴或碱浴中，稍加停留(3-5 min)，等工件整体温度趋于均匀时，再取出空冷以获得马氏体，如图3-7中曲线所示。分级淬火可更为效地避免变形和裂纹的产生，而且比双介质淬火易于操作，一般适用于形状较复杂，尺寸较小的工件。,贝氏体等温淬火。如,图3-7,中曲线d所示，等温淬火与分级淬火相似，其差别在于等温淬火是在稍高于M点温度的盐浴或碱浴中，保温足够的时间，使其发生下贝氏体转变后出炉空冷。等温淬火的内应力很小，工件不易变形和开裂，而且具有良好的综合力学性能。等温淬火常用于处理形状复杂、尺寸要求精确，并且硬度和韧性都要求较高的工件，如各种冷、热冲模，成型刃具和弹簧等。,局部淬火。有些工件根据其工作条件只要求局部高硬度，则可进行局部加热淬火，以僻免工件其他部分产生变形和裂纹。,上一页,下一页,返回,3.1 钢的普通热处理,(3)钢的淬透性和淬硬性 淬火时工件截面上各处的冷却速度是不同的，表面冷却速度最高，越到中心冷却速度越低。如果工件表面及中心的冷却速度都很高，则沿工件的整个截面都能获得马氏体组织，即钢被完全淬透了。如果中心部分冷却速度低，则表面得到马氏体，心部获得非马氏体组织，表示钢未被淬透。钢在淬火时，奥氏体转变为马氏体的难易程度称为淬透性。淬透性好的钢比淬透性差的钢便于整体淬硬。钢的淬透性与钢的化学成分有关，例如，除钴以外，所有的合金元素都可提高钢的淬透性。,4.回火,淬火处理后的工件一般来说不能直接使用，必须进行回火处理。其主要原因:一是由于淬火的冷却速度太快，淬火处理后的工件内部会产生较大的内应力，轻者会使工件产生一定的变形和裂纹倾向以致在以后的使用中产生开裂，重者会使工件处理后直接产生裂纹；二是淬火后的工件的性能不能满足不同使用性能的要求。,上一页,下一页,返回,3.1 钢的普通热处理,把淬火后的钢件重新加热到 线以下，保温一段时间，再以适当的冷却速度冷却到室温的热处理方法叫做回火。,回火的目的:一是为了消除因淬火冷却速度过快而产生的内应力，防止工件变形和开裂，并减小脆性；二是为了获得所需要的组织和性能。回火可使淬火组织趋于稳定，使工件获得适当的硬度、稳定的尺寸和较好的综合力学性能等，因此，回火总是伴随在淬火后进行。,根据加热温度的不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。淬火工件的硬度随回火温度的升高而降低。,低温回火（150-250 ）。低温回火后得到的组织为回火马氏体，材料硬度为58-64 HRC。,上一页,下一页,返回,3.1 钢的普通热处理,低温回火可减小工件的内应力、降低脆性，保持高的硬度，适用于要求硬度高、耐磨性好的零件，如刀具、模具等。,中温回火(350-500 )。中温回火后得到的组织为回火屈氏体，材料硬度为35-45 HRC.中温回火可显著减小工件的淬火应力，提高弹性，常用于各种弹簧的热处理。,高温回火(500-650 )。高温回火后得到的组织为回火索氏体，材料硬度为200-330HBS高温回火基本可消除淬火应力，使零件获得较高的强度和韧性。通常把淬火加高温回火的操作称为调质处理，它是应用最广泛的一种热处理工艺。,调质处理广泛用于要求具有较好综合力学性能的重要零件，如齿轮、连杆、螺栓和轴等。,上一页,返回,3.2 钢的表面热处理,某些在冲击载荷、交变载荷及摩擦条件下工作的汽车零件，如曲轴轴颈，凸轮轴、齿轮等，其表层承受较高的应力。因此，要求工件表层具有高强度、硬度、耐磨性及疲劳强度，而心部要具有足够的塑性和韧性。为了达到上述性能要求，生产中广泛应用表面淬火和化学热处理。,3.2.1 表面淬火,表面热处理是仅对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的工艺，其中最常用的是表面淬火。表面淬火是对钢的表面快速加热至淬火温度，并立即以大于的速度冷却，使表层强化的热处理。表面淬火不改变钢表层的成分，仅改变表层的组织，且心部组织不发生变化。,下一页,返回,3.2 钢的表面热处理,生产中广泛应用的表面淬火方法有感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。,1.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，对工件表面进行局部加热，并立即进行快速冷却的工艺，称为感应加热表面淬火。,感应加热表面淬火的基本原理如,图3-8,所示。将工件放在铜管绕制的感应圈内，当感应圈通过一定频率的电流时，感应圈内部和周围产生同频率的交变磁场，于是工件中相应产生了自成回路的感应电流，由于趋肤效应的作用，产生的感应电流主要集中在工件表层，使工件表面迅速加热到淬火温度。随即喷水冷却，使工件表层淬硬。,上一页,下一页,返回,3.2 钢的表面热处理,如,表3-3,所示，根据所用电流频率的不同，感应加热可分为高频加热、超声频加热、中频加热、工频加热等，主要用于各类中小型、大型机械零件。感应电流频率越高，趋肤效应越严重，电流集中的表层越薄，加热层也越薄，淬硬层深度越小。,感应加热表面淬火零件宜选用中碳钢和中碳低合金结构钢。口前，应用最广泛的是汽车、拖拉机、机床和工程机械中的齿轮、轴类等，也可运用于高碳钢、低合金钢制造的工具和量具等。经感应加热表面淬火的工件，表面不易氧化、脱碳，变形小，淬火层深度易于控制，一般高频感应加热淬硬层深度为0.5-2.0mm，表面硬度比普通淬火高2-3 HRC。此外，该热处理方法生产效率高，易于实现生产机械化，在汽车生产中广泛用于汽车齿轮、轴类的热处理。,上一页,下一页,返回,3.2 钢的表面热处理,2.火焰加热表面淬火,使用乙炔一氧焰或煤气一氧焰，将工件表面快速加热到淬火温度，立即喷水冷却的淬火方法称火焰加热表面淬火，如,图3-9,所示。火焰表面淬火的淬硬层深度为2-6 mm，适用于大型工件的表面淬火，如大模数齿轮等。这种表面淬火所用设备简单，投资少。但是加热温度不易掌握，淬火质量稳定性差。,上一页,下一页,返回,3.2 钢的表面热处理,3.2.2 化学热处理,钢的化学热处理是将工件置于一定的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入工件表层，以改变其化学成分，从而使工件获得所需组织和性能的热处理工艺。其目的主要是为了表面强化和改善工件表面的物理、化学性能，即提高工件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐腐蚀性。,化学热处理的种类很多，一般以渗入的元素来命名。化学热处理有渗碳、渗氮、碳氮共渗(氰化)、渗硫、渗硼、渗铬、渗铝及多元共渗等。,上一页,下一页,返回,3.2 钢的表面热处理,1.钢的渗碳,渗碳是将工件置于富碳的介质中，加热到高温(900-950)，使碳原子渗入表层的过程，其目的是使低碳工件的表面层增碳，改善表层的热处理性能。增碳后的工件表面层经淬火和低温回火后，获得较高的硬度、耐磨性和疲劳强度。适用于低碳非合金钢和低碳合金钢，这类钢又称为渗碳钢，常用于汽车齿轮、活塞销、套筒等零件。,根据采用的渗碳剂的不同，渗碳可分为气体渗碳、液体渗碳和固体渗碳三种。目前，生产中广泛采用气体渗碳。,上一页,下一页,返回,3.2 钢的表面热处理,气体渗碳是将工件置于密封的渗碳炉中(,图3-10,)，加热到900-950，通入渗碳气体(如煤气、石油液化气、丙烷等)或易分解的有机液体(如煤油、甲苯、甲醇等)，在高温下通过反应分解出活性碳原子，活性碳原子渗入高温奥氏体中，并通过扩散形成一定厚度的渗碳层。渗碳的时间主要由渗碳层的深度决定，一般保温1h，渗碳层厚度约增加0.2-0.3 mm，渗碳层 =0.8%-1.1%。工件渗碳后必须讲行淬火和低温回火。渗碳淬火工艺常采用以下几种：,直接淬火法。工件渗碳后出炉，经预冷直接淬火和低温回火。,一次淬火法。工件渗碳后出炉缓冷，然后重新加热，进行淬火和低温回火,。,上一页,下一页,返回,3.2 钢的表面热处理,两次淬火法。性能要求较高的渗碳件采用此方法。第一次淬火(加热到850-900 )的目的是细化心部组织;第二次淬火(加热到750-800 )是为了使表层获得细片状马氏体和粒状渗碳体组织。,一般低碳非合金钢经渗碳淬火后表层硬度可达60-64 HRC，心部为30-40 HRC。气体渗碳的渗碳层质量高，渗碳过程易于控制，生产率高，劳动条件好，易于实现机械化和自动化，适于成批或大量生产。,2.钢的渗氮,将氮原子渗入工件表层的过程称为渗氮(氮化)，目的是提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐腐蚀性。常用的渗氮方法主要有气体渗氮、液体渗氮及离子渗氮等。,上一页,下一页,返回,3.2 钢的表面热处理,气体渗氮是将工件置于通入氨气的炉中，加热至500-600 ，使氨分解出活性氮原子，渗入工件表层，并向内部扩散形成氮化层。气体渗氮的特点如下。,与渗碳相比渗氮工件的表面硬度较高，可达69-72HRC,渗氮温度较低，并且渗氮件一般不再进行其他热处理(如淬火等)，因此工件变形很小。渗氮后工件的疲劳强度可提高15%-35%,渗氮层具有高耐腐蚀性，这是由于氮化层是由致密的、耐腐蚀的氮化物所组成，能有效地防止某些介质(如水、过热蒸汽、碱性溶液等)的腐蚀作用。,渗氮虽有上述特点，但由于其工艺复杂，生产周期长，成本高，氮化层薄而脆，不宜承受集中的重载荷，并需要专用的氮化用钢，所以只用于要求高耐磨和高精度的零件，如精密机床的丝杠、锁床主轴、重要的阀门等。为了克服渗氮周期长的缺点，近十几年在原渗氮的基础上发展了软氮化和离子氮化等先进氮化方法。,上一页,返回,图3-2 加热和冷却时 相图上各相变点的位置,返回,图3-3共析钢在奥氏体形成过程示意图,返回,表3-1 共析钢热处理组织的形成温度和硬度,返回,图3-4 碳钢的各种退火和正火的加热温度范围及工艺曲线,返回,图3-5 碳钢淬火加热温度范围,返回,图3-6 理想淬火冷却速度,返回,表3-2 常用淬火冷却介质的冷却能力,返回,图3-7 常用淬火方法示意图,返回,图3-8 感应表面淬火示意图,返回,表3-3 常用感应加热表面淬火电流频率、淬硬厚度及应用,返回,图3-9 火焰表面淬火示意图,返回,图3-10 渗碳处理示意图,返回,第4章 金属材料,4.1 金属材料概述,4.2 工业用钢,4.3 铸铁,4.4 非铁金属材料及其合金,4.1 金属材料概述,传统金属材料主要包括工业用钢、铸铁和非铁金属材料等三大类。,以铁为主要元素，碳的质量分数在2.11%以下，并含有其他元素的金属材料称为钢。其中非合金钢(碳素钢)价格低廉，工艺性能好，力学性能能够满足一般工程和机械制造的使用要求，是机械工业中用量最大的金属材料。但工业生产不断对钢提出更高的要求，为了提高钢的力学性能，改善钢的工艺性能和得到某些特殊的物理化学性能，有目的向钢中加入某此合金元素得到合金钢。,与非合金钢相比，合金钢经过合理的加工处理后能够获得较高的力学性能，有的还具有耐热、耐酸、抗锈蚀等特殊物理、化学性能。但其价格较高，某些加工工艺性能较差，某些专用钢只能应用于特定工作条件。因此，应正确选用各类钢材，合理制定其冷、热加工工艺，以达到提高效能、延长寿命、节约材料、降低成本、产生良好经济效益的口的。,下一页,返回,4.1 金属材料概述,工业上常用的铸铁是碳的质量分数 =2.11%一4.0%的Fe、c、Si多元合金。有时为了提高力学性能或物理、化学性能，还可加入为一定量的合金元素，械制造中应用广泛。,4.1.1钢的分类,工业用钢的种类繁多，根据不同需要，可采用不同的分类方法，不同方法混合使用。我国钢的分类方法如下:,按钢的用途，可分为建筑及工程用钢、机械制造用结构钢、在有些情况下需将几种工具钢、特殊性能钢、专业用钢(如桥梁用钢、锅炉用钢)等。,按钢的品质(有害杂质S,P含量)，可分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢。,按冶炼方法，可分为转炉钢、电炉钢;根据炼钢时所用脱氧方法，可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。,上一页,返回,下一页,4.1 金属材料概述,按钢中碳的质量分数，可以不太严格地分为低碳钢(0.60%)。,合金钢按钢中合金元素的总质量分数，可分为低合金钢(5%)。,工业用钢材按最终加工方法，可分为热轧材或冷轧材、拉拔材、锻材、挤压材、铸件等。,4.1.2 铸铁的分类,工业上将以铁为主要元素 2.11%且比碳钢含有较多的Mn,S,P等杂质的Fe,C,Si多元合金称为铸铁。,碳在铸铁中的存在形式有两种，即石墨和碳化物。根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁可分为下列几种。,返回,下一页,上一页,4.1 金属材料概述,(1)白口铸铁普通白口铸铁中碳几乎全部以碳化物形式存在，其断口呈亮白色。由于有大量硬而脆的渗碳体，故普通白口铸铁硬度高、脆性大，难以切削加工，工业上极少有接用它制造机械零件，而主要用做炼钢原料或可锻铸铁零件的毛坯。,(2)灰口铸铁普通灰口铸铁中碳除了微量溶于铁素体外几乎全部以石墨的形式存在，断口呈灰色，它是工程中应用最广泛的铸铁，工程铸铁就是指的这类铸铁。,(3)麻口铸铁这种铸铁组织中既存在石墨、又有莱氏体，属于灰口铸铁和白口铸铁之间的过渡组织，断口处有黑白相间的麻点。性能硬也很脆、难以切削加工，工程中也很少直接用它制造机械零件。,根据铸铁中石墨形状不同，工程铸铁(灰口铸铁)又可分为以下几种。,返回,下一页,上一页,4.1 金属材料概述,(1)灰铸铁碳主要以片状石墨形式存在，断口呈灰色。灰铸铁是工业生产中应用最广泛的一种铸铁材料。,(2)可锻铸铁由一定成分的白口铸铁铸件经过较长时间的高温石墨化退火，使白口铸铁中的渗碳体大部分或全部分解成团絮状石墨。这种铸铁并不可锻，但强度和塑性、韧性比灰铸铁好。,(3)球墨铸铁铁水经过球化处理后浇铸，铸铁中的碳大部或全部呈球状石墨形式存在，用于力学性能要求高的铸件。,(4)虫需墨铸铁碳主要以蠕虫状石墨形态存在于铸铁中，石墨形状介于片状和球状石墨之间，类似于片状石墨，但片短而厚，头部较圆，形似蠕虫。,灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁属于一般工程应用铸铁。为了满足工业生产的各种特殊性能要求，向上述铸铁中加入某些合金元素，可得到具有耐磨、耐热、耐腐蚀等特性的多种合金铸铁。,返回,下一页,上一页,4.1 金属材料概述,4.1.3 非铁金属材料的分类,1.铝合金 铝中加入Si,Cu,Mg,Zn,Mn等元素制成的合金。依据其成分和工艺性能，可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。前者塑性优良，适于压力加工;后者塑性低，更适于铸造成型。,2.铜合金 铜中加入Zn,Sn,Ni,Al,Si等元素制成的合金。按照化学成分，其主要分为黄铜、青铜和白铜三大类。Cu-Ni称为白铜;以Zn为主要合金元素的为黄铜;其他铜合金习惯上都称为青铜。,3.轴承合金 用来制造滑动轴承的合金材料称为轴承合金。常用的有锡基轴承合金、铅基轴承合金、铜基轴承合金和铝基轴承合金。,4.粉末冶金材料 粉末冶金是一种特殊的金属加工方法，零件通过金属粉末或非金属粉末或纤维混合后烧结成型，常用于制造具有特殊成分或特殊性能的制品。,返回,上一页,4.2 工业用钢,常用金属材料主要指碳钢(非合金钢)、合金钢、铸铁、非铁金属合金(有色金属)等，它们具有优良的性能，是工业领域的主要材料，在国民经济中扮演着重要角色。,按照现行的标准，按用途来分，钢材可以分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。下面分别加以简单介绍。,4.2.1 结构钢,结构钢是品种最多、用途最广、使用量最大的一类钢。凡用于各种机器零件及各种工程结构(屋架、桥梁、井架、车辆构架等)的钢都称为结构钢。,1.一般工程结构钢,返回,下一页,4.2 工业用钢,(l)碳素结构钢 碳素结构钢的成分特点是 较低0.06%-0.38%)。,碳素结构钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音首位字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等部分按顺序组成。其中，质量等级用A,B,C,D,E表示S,P含量不同，脱氧方法用F(沸腾钢)、B(半镇静钢)、Z(镇静钢)、TZ(特殊镇静钢)表示，钢号中Z TZ”可以省略。例如Q235 AF代表屈服点 =235MPa，质量为A级的沸腾碳素结构钢。,碳素结构钢的牌号为Q195,Q235,Q255,Q275。,(2)优质碳素结构钢这类钢的P,S含量较低(镇静钢 11.7%时，才能使钢的表面形成致密的Cr,2,0,3,保护膜，避免形成电化学原电池;加入Cr,Ni等合金元素，提高被保护金属的电极电位，减少原电池极间的电位差，从而减小电流，使腐蚀速度降低，或使钢在室温下获得单相组织(奥氏体、铁素体或马氏体)，以免在不同的相间形成微电池。通过提高对化学腐蚀和电化学腐蚀的抑制能力，提高钢的耐腐蚀性。,不锈钢按化学成分可分为铬不锈钢和铬镍不锈钢两大类；按使用状态下钢的组织类型可分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体一铁素体双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢等类型。,常用的不锈钢牌号有Cr13,1Cr13,2Cr13，OCr18Ni10,OOCr18Ni11等。,下一页,上一页,4.2 工业用钢,返回,2.耐热钢,耐热钢主要用于热工动力机械(汽轮机、燃气轮机、锅炉和内燃机)、化工机械、石油装置和加热炉等高温条件下工作的构件。,为了提高钢的抗氧化性，加入合金元素Cr,Si和AL，在钢的表面形成完整稳定的氧化物保护膜(Cr,2,0,3,、SiO,2,、Al,2,0,3,);加入Ti,Nb,W,Mo,Ni等合金元素来提高高温强度。,常用钢种可分为抗氧化钢和热强钢两类。如15 CrMo,4Cr10Si2Mo，1Cr13，5Cr21，4Cr9Si2等。,下一页,上一页,4.2 工业用钢,返回,3.耐磨钢,耐磨钢主要用于在运转过程中承受严重磨损和强烈冲击的零件，如铁路道岔、坦克履带、挖掘机铲齿等构件。,这类零件制造用钢应具有表面硬度高、耐磨，心部韧性好、强度高的特点。,耐磨钢主要钢种是高锰铸钢，其成分特点是高锰、高碳，其中 =11.5%-14.5%；=0.9%-1.3%。其铸态组织是奥氏体和大量锰的碳化物，经固溶化处理可获得单相奥氏组织。单相奥氏体组织韧性、塑性较好，开始投人使用时硬度很低、耐磨性差。当工作中受到强烈的挤压、撞击、摩擦时，钢件表面迅速产生剧烈的加工硬化，同时伴随奥氏体向马氏体的转变以及碳化物析出，从而使钢的表面硬度迅速提高到50HRC以上，获得耐磨层，而心部仍保持原来的组织和高韧性状态。,上一页,4.3 铸铁,返回,铸铁在机械制造中应用很广，按质量计算，汽车中铸铁零件占50%-70%，机床中占60%-90%。,工业上常用的铸铁是碳的质量分数为 =2.11%-4.0%，且比碳钢含有较多的锰、硫、磷等杂质的铁、碳、硅多元合金。有时为了提高力学性能或物理、化学性能，还可加入一定量的合金元素，得到合金铸铁。,铸铁中的碳主要以两种形式存在:碳化物状态一渗碳体()及合金铸铁中的其他碳化物。,影响铸铁组织和性能的关键是碳在铸铁中存在的形式、形态、大小和分布。工程应用铸铁研究的中心问题是如何改变石墨的数量、形状、大小和分布。铸铁中石墨的不同形状如,图4-1,所示。,下一页,4.3 铸铁,4.3.1 灰铸铁,1.灰铸铁的化学成分、组织和性能,灰铸铁的化学成分通常为：=2.7%-3.9%、,=1.1%-2.6%、=0.6%-1.2%、=0.2%-0.3%和 =0.1%-0.15%。,灰铸铁的性能取决于基体组织和石墨的数量、形状、大小和分布状态。汽车工业中常用的灰铸铁为珠光体灰铸铁，即在珠光体基体上分布着片状石墨。由于片状石墨对铸铁基体的缺口作用最大，加之缩减作用，使得灰铸铁的抗拉强度、疲劳极限都很低，塑性、冲击韧度几乎为0。当基体组织相同时，其石墨越多、片越粗大、分布越不均匀，铸铁的抗拉强度越低。可见片状石墨对灰铸铁的性能具有决定性的影响。,返回,下一页,上一页,4.3 铸铁,石墨虽然降低了铸铁的力学性能，但却使铸铁获得了许多钢所不具备的优良性能。例如，由于石墨本身的润滑作用，以及它从铸铁表面脱落后留下的孔洞具有储存润滑油的能力，故铸铁又有良好的减摩性;由于石墨组织松软，能够吸收震动，因此，铸铁也有良好的减震性。另外，石墨相当于零件上的许多小缺口，使工件加工形成的切口作用相对减弱，故铸铁的缺口敏感性低;铸铁在切削加工时，石墨的润滑和断屑作用使灰铸铁有良好的切削加工性;灰铸铁的熔点比钢低，流动性好，凝固过程中析出了比容较大的石墨，减小了收缩率，故具有良好的铸造工艺性，能够铸造形状复杂的零件。,返回,下一页,上一页,4.3 铸铁,2.灰铸铁的牌号和用途,灰铸铁的牌号以“HT”和其后的一组数字表示。其中“HT”表示灰铁二字的汉语拼音字首，其后一组数字表示直径为30 mm试棒的最小抗拉强度值。灰铸铁的牌号有HT150，HT200，HT250，HT300，HT350，其中HT150，HT200，HT250最为常用。,灰铸铁经常用于铸造形状复杂的零件，如汽车发动机的缸体、缸盖、飞轮、制动鼓、机床床身、主轴箱等。,返回,下一页,上一页,4.3 铸铁,4.3.2 球墨铸铁,1.球墨铸铁的化学成分、组织和性能,球墨铸铁的化学成分范围是:=3.8%-4.0%，=2.0%-2.8%，=0.6%-0.8%，0.04%,，所以t,1,t,2,。又由于摇杆上C点从C,1,到C,2,点和从C2到C1点
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