工程材料的用途及熱處理

1、1.1.1　工藝性能　1.1.2　機械性能　　1.1.3　理化性能,1.1 金屬材料的性能,鑄造性能：流動性、收縮性、偏析,1.1.1 工藝性能,熱處理性能：淬透性,鍛造性能：塑性、變形抗力,焊接性能：焊接性、碳當(dāng)量,切削性能：表面粗糙度、刀具壽命,強度、塑性、硬度、疲勞強度、斷裂韌性,1.1.2 機械性能,1.1.3 理化性能,● 物理性能： 密度、熔點、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性、磁性。,● 化學(xué)性能：耐腐蝕性、抗氧化性。

2、,2.1 純金屬的結(jié)晶　2.2 合金的結(jié)晶　　2.3 金屬的塑性加工　　　2.4 鋼的熱處理　　　　2.5 鋼的合金化　　　　　2.6 表面技術(shù),2、 金屬材料的 組織與性能控制,1.　純金屬的結(jié)晶條件　2.　純金屬的結(jié)晶過程　　3.　同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變　　　4.　細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施,2.1 純金屬的結(jié)晶,1.　純金屬的結(jié)晶條件,,結(jié)晶,結(jié)晶： 液體 --> 晶體,凝固： 液體 -->

3、; 固體（晶體 或 非晶體）,冷卻曲線,,,,,T0,,Tn,理論結(jié)晶溫度,開始結(jié)晶溫度,,,}?T,過冷度,,?T= T0 - Tn,純金屬結(jié)晶的條件就是應(yīng)當(dāng)有一定的過冷度（克服界面能）,冷卻速度越大，則過冷度越大。,2.　純金屬的結(jié)晶過程,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,液態(tài)金屬,形核,晶核長大,完全結(jié)晶,,形核和晶核長大的過程,,,,,,,（1）形核過程,兩種形核方式 —— 自發(fā)形核 與 非自發(fā)形核,自發(fā)形核由液體金

4、屬內(nèi)部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸后形成的結(jié)晶核心。,非自發(fā)形核 —— 是依附于外來雜質(zhì)上生成的晶核。,（2）晶核長大過程,兩種長大方式 —— 平面生長 與 樹枝狀生長。,平面生長,樹枝狀生長,3．同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,金屬在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象。,純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,?-Fe，bcc ? ?-Fe，fcc ? ?-Fe，bcc,1394 ?C,912 ?C,,912 ?C,純鐵的冷卻曲線,,,T,t,,,,,,,,,,

5、,1538,,1394,,912,}?-Fe，bcc,}?-Fe，bcc,}?-Fe，fcc,Cooling curve,770,鐵磁性,4.　細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施,晶粒度 —— 表示晶粒大小，分8級（p111)。,細(xì)晶強化 —— 晶粒細(xì)化使金屬機械性能提高的現(xiàn)象,比較： 細(xì)晶強化-->強度、硬度、塑性、韌性↑ 固溶強化-->強度、硬度↑，塑性、韌性↓,細(xì)化晶粒的措施,,1.　提高過冷度　2.　變質(zhì)處理　　3.　振

6、動結(jié)晶,（1）提高過冷度,,,,,,形核率N 、長大速度G 與 過冷度?T 的關(guān)系,?T,G，N,G,N,,,,,,,,,,,（2）變質(zhì)處理,在液體金屬中加入變質(zhì)劑(孕育劑)，以細(xì)化晶粒和改善組織的工藝措施。,變質(zhì)劑的作用：作為非自發(fā)形核的核心，或阻礙晶粒長大。,（3）振動結(jié)晶,振動的作用：使樹枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細(xì)化。,——機械振動、超聲振動，或電磁攪拌等。,2.2.1.　二元合金的結(jié)晶2.2.2　合金的性能與相圖的關(guān)系2.

7、2.3　鐵碳合金的結(jié)晶,2.2 合金的結(jié)晶,1．勻晶相圖　2．共晶相圖　　3．包晶相圖　　　4．共析相圖,2.2.1　二元合金的結(jié)晶,1．勻晶相圖,相圖（平衡圖、狀態(tài)圖）,平衡條件下，合金的相狀態(tài)與溫度、成份間關(guān)系的圖形。,,,,銅-鎳合金勻晶相圖,,,1083,1455,L,?,L+ ?,純銅熔點,純鎳熔點,液相線,,固相線,,液相區(qū),固相區(qū),液固兩相區(qū),勻晶合金的結(jié)晶過程,,a,b,,c,,d,,,T,?C,t,,,,,,L

8、,,,,,,,?,,L,,?,,L,勻晶轉(zhuǎn)變 L? ?,?,冷卻曲線,,,勻晶合金與純金屬不同，它沒有一個恒定的熔點，而是在液、固相線劃定的溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶。,杠桿定律,,,1,2,,a,c,b,a1,b1,c1,,,,,,T1,T2,1. 在兩相區(qū)內(nèi)，對應(yīng)每一確定的溫度，兩相的成分是確定的。,2. 隨著溫度的降低，兩相的成分分別沿液相線和固相線變化。,杠桿定律：在兩相區(qū)內(nèi)，對應(yīng)每一確定的溫度T1，兩相質(zhì)量的比值是確定的。即QL/Q?=

9、b1c1/a1b1,,,杠桿定律推論：在兩相區(qū)內(nèi)，對應(yīng)溫度T1時兩相在合金b中的相對質(zhì)量各為QL/QH=b1c1/a1c1Q?/QH=a1b1/a1c1=1- QL/QH,,例：求30%Ni合金在1280 ?時?相的相對量,,,,a,c,30,a1,b1,c1,,,1280 ?C,,,解：作成分線和溫度線如圖。,66,18,根據(jù)杠桿定律推論， Q? / QH = a1b1 /a1c1 =12/48=1/4,答：所求合金在12

10、80 ?時?相的相對質(zhì)量為1/4。,2．共晶相圖,,,,Pb,Sn,,Sn%,T,?C,,,,,,,,,鉛-錫合金共晶相圖,,,液相線,,,,L,固相線,?,?,? + ?,,,L + ?,L + ?,?固溶線,?固溶線,共晶轉(zhuǎn)變分析,,,,Pb,Sn,T,?C,,,,,,,,,,L,?,?,? + ?,L + ?,L + ?,,,共晶反應(yīng)線表示從c點到e點范圍的合金，在該溫度上都要發(fā)生不同程度上的共晶反應(yīng)。,c,e,共晶點表示d點

11、成分的合金冷卻到此溫度上發(fā)生完全的共晶轉(zhuǎn)變。,d,Ld ? ?c + ?e,共晶反應(yīng)要點,共晶轉(zhuǎn)變在恒溫下進(jìn)行。轉(zhuǎn)變結(jié)果是從一種液相中結(jié)晶出兩個不同的固相。存在一個確定的共晶點。在該點凝固溫度最低。成分在共晶線范圍的合金都要經(jīng)歷共晶轉(zhuǎn)變。,X1合金結(jié)晶過程分析,,c,e,,f,,,g,,X1,,,T,?C,t,,,L,,,,,,?,,L,?,,L,L+ ?,?,冷卻曲線,,,,,,,,,,?,,,? + ? Ⅱ,?Ⅱ,,,,,,,

12、,,,,1,2,3,4,{,,X1合金結(jié)晶特點,,,T,?C,t,,,L,,,,,,?,,L,?,,L,L+ ?,?,冷卻曲線,,,,,,,?,,,? + ? Ⅱ,? Ⅱ,,,,,,,,,,,1.沒有共晶反應(yīng)過程，而是經(jīng)過勻晶反應(yīng)形成單相?固相。,2.要經(jīng)過脫溶反應(yīng)，室溫 組織組成物為? + ? Ⅱ,組織組成物組織中，由一定的相構(gòu)成的，具有一定形態(tài)特征的組成部分。,X2合金結(jié)晶過程分析（共晶合金）,,X2,,,T,?C,t,,,L,

13、,,,,,(?+ ?),,L,L,L?(?+ ?) 共晶體,冷卻曲線,,,,(?+ ?),,,,,,,,,,,,,,,X3合金結(jié)晶過程分析（亞共晶合金）,,X3,,,T,?C,t,L,L+ ?,,,,,,(?+ ?)+ ? + ? Ⅱ,1,2,,(?+ ?)+ ?,標(biāo)注了組織組成物的相圖,3．包晶相圖,包晶轉(zhuǎn)變： Ld + ?c ? ?e,,,,Pt,Ag,,Ag%,T,?C,,,鉑-銀合金包晶相圖,,,L,?,?,? + ?,,L

14、+ ?,L + ?,,,,,,,,,c,e,d,f,g,,,,,,T,?C,t,,,,L,,L + ?,,L + ? ? ?,,?+ ? Ⅱ,,,4. 共析相圖,共析轉(zhuǎn)變： ? ? (? + ?) 共析體,,,,A,B,T,?C,,,,,,,?,?,?,? + ?,? + ?,? + ?,,c,e,d,,,L + ?,L,2.2.2 相圖與性能的關(guān)系,合金的使用性能與相圖的關(guān)系 ● 固溶體中溶質(zhì)濃度↑ → 強度、硬度↑,● 組織組

15、成物的形態(tài)對強度影響很大。組織越細(xì)密，強度越高。,2. 合金的工藝性能與相圖的關(guān)系,● 鑄造性能　　液固相線距離愈小，結(jié)晶溫度范圍愈小（如接近共晶成分的合金），則流動性好，不易形成分散縮孔。,● 鍛造、軋制性能　　單相固溶體合金，變形抗力小，變形均勻，不易開裂。,1．鐵碳相圖　2．結(jié)晶過程　　3．成分-組織-性能關(guān)系　　　 4．Fe-Fe3 C相圖的應(yīng)用,2.2.3　鐵碳合金的結(jié)晶,1．鐵碳相圖 (Fe-Fe3 C相圖)

16、,(1) Fe-Fe3 C相圖的組元,● Fe —— α–Fe、δ-Fe (bcc) 和γ-Fe (fcc)強度、硬度低，韌性、塑性好。,● Fe3 C —— 熔點高，硬而脆，塑性、韌性幾乎為零。,(2) Fe-Fe3 C相圖的相,● Fe3 C （ Cem， Cm，滲碳體）—— 復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu),● 液相 L,● δ相 （高溫鐵素體 ）—— δ–Fe（C）固溶體,● γ相（A ，奧氏體）—— γ-Fe（C）固溶體,● α相 （F，

17、鐵素體） —— α-Fe（C）固溶體,(3) 相圖中重要的點和線,液相線ABCD,固相線AHJECF,包晶線 HJB，包晶點 J,共晶線 ECF，共晶點CL4.3?(A2.11+Fe3C)高溫萊氏體,Le或Ld,共析線 PSK，共析點SA0.77?(F0.02+Fe3C)珠光體, P,ES線：C在A中的固溶線,PQ線：C在F中的固溶線,2．鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程,Fe-C 合金分類,工業(yè)純鐵 —— C % ≤ 0.0218 %,

18、鋼 —— 0.0218 % ＜ C % ≤ 2.11 %,亞共析鋼 ＜ 0.77 %共析鋼　 ＝ 0.77 % 過共析鋼 ＞ 0.77 %,白口鑄鐵 —— 2.11 % ＜ C % ＜ 6.69 %,亞共晶白口鐵 ＜ 4.3 % 共晶白口鐵　 ＝ 4.3 % 過共晶白口鐵 ＞ 4.3 %,幾種常見碳鋼,(1)工業(yè)純鐵 ( C % ≤ 0.0218 % )結(jié)晶過程,,室溫組織F + Fe3CⅢ (微量)500

19、15;,(2)共析鋼 ( C % = 0.77 % )結(jié)晶過程,,室溫組織: 層片狀 P ( F + 共析 Fe3C )500×,P中各相的相對量：Fe3C % = ( 0.77 – xF ) / ( 6.69 – xF )　　≈ 0.77 / 6.69 = 12 %F % ≈ 1 – 12 % = 88 %,珠光體強度較高，塑性、韌性和硬度介于Fe3C 和 F 之間。,(3)亞共析鋼 ( C % = 0.4

20、 % )結(jié)晶過程,,室溫組織: F + P，500×,各組織組成物的相對量：P % = ( 0.4 – 0.0218 ) / ( 0.77 – 0.0218 )　　≈ 51 %F % ≈ 1 – 51 % = 49 %,各相的相對量：Fe3C % ≈ 0.4 / 6.69 = 6 %F % ≈ 1 – 6 % = 94 %,(4)過共析鋼 ( C % = 1.2 % )結(jié)晶過程,,室溫組織:P + Fe3CI

21、I 400×,各組織組成物的相對量：Fe3CII % = ( 1.2 – 0.77 ) / ( 6.69 – 0.77 )　　≈ 7 %P % ≈ 1 – 7 % = 93 %,各相的相對量：Fe3CII % ≈ 1.2 / 6.69 = 18 %F % ≈ 1 – 18 % = 82 %,(5)共晶白口鐵 ( C % = 4.3 % )結(jié)晶過程,,室溫組織: （低溫）萊氏體 Le′ （P + Fe3CII +

22、 共晶 Fe3C ）, 500×,萊氏體 Le′的性能：硬而脆,(６)亞共晶白口鐵 ( C % = 3 % )結(jié)晶過程,,室溫組織:Le′+ P + Fe3CII 200×,(６)過共晶白口鐵 ( C % = 3 % )結(jié)晶過程,,室溫組織:Le′+ Fe3CI 500×,標(biāo)注了組織組成物的相圖,3．鐵碳合金的成分-組織-性能關(guān)系,含碳量與相的相對量關(guān)系：　　C %↑→F %↓，F(xiàn)e3C %↑

23、,含碳量與組織關(guān)系：圖（a）和（b）,含碳量與性能關(guān)系　HB：取決于相及相對量　強度：C%=0.9% 時最大　塑性、韌性：隨C%↑而↓,4．鐵碳相圖的應(yīng)用,鋼鐵選材：相圖?性能?用途,局限性 相圖反映的是平衡狀態(tài)，與實際情況有較大差異。,鑄件選材和確定澆注溫度,確定鍛造溫度( 在 A 區(qū)）,制定熱處理工藝,小結(jié),重點要求,一般要求,2. 勻晶相圖的分析方法。,2. 杠桿定律及其應(yīng)用。,3. 合金相圖與性能的關(guān)系。,1. 過冷度

24、的概念，晶粒度的影響因素。,1. 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。,3. F、A、Cm、P、 Le′的組織和性能特點。,4. Fe-Fe3C相圖中共晶、共析區(qū)域分析。,5. 鐵碳合金的成分、組織與性能之間的關(guān)系。,3.1 純金屬的結(jié)晶　3.2 合金的結(jié)晶　　3.3 金屬的塑性加工　　　3.4 鋼的熱處理　　　　3.5 鋼的合金化　　　　　2.6 表面技術(shù),3、 金屬材料的 組織與性能控制,2.3.1　金屬的塑性變

25、形　2.3.2　塑性變形后的金屬在加熱時組織和性能的變化　　　2.3.3　金屬材料的熱加工和冷加工,2.3 金屬的塑性加工,2.3.1　金屬的塑性變形,1．單晶體的塑性變形　2．多晶體的塑性變形　　3．塑性變形對金屬組織和性能的影響,1．單晶體的塑性變形,單晶體變形的基本形式 —— 彈性變形、塑性變形（滑移 和 孿生）正應(yīng)力　使晶格發(fā)生　彈性變形　或　斷裂切應(yīng)力　使晶格發(fā)生　彈性歪扭　或　塑性變形塑性變形的實質(zhì) —

26、— 原子移動到新的穩(wěn)定位置,滑移,在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分　　　　　沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）發(fā)生滑動。,滑移的實現(xiàn) —— 借助于位錯運動,刃型位錯運動　動畫演示,混合型位錯運動　動畫演示,孿 生,在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面（孿生面）和晶向（孿生方向）發(fā)生切變，產(chǎn)生塑性變形。,黃銅中的孿晶,晶界原子排列較不規(guī)則，阻礙位錯運動，使形抗力增大?！　【ЯＰ?→ 晶界

27、多 → 變形抗力大 → 強度，硬度↑（細(xì)晶強化）　　晶粒小 → 變形分散，應(yīng)力集中小 → 塑性↑，韌性↑,2．多晶體的塑性變形,3．塑性變形對金屬組織和性能的影響,(1) 晶粒拉長，纖維組織 → 各向異性 (沿纖維方向的強度、塑性最大）,變形10% 100×,變形40% 100×,變形80%　纖維組織　100×,工業(yè)純鐵不同變形度的顯微組織,（2）織 構(gòu),絕

28、大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，性能出現(xiàn)各向異性。,晶粒拉長，但未出現(xiàn)織構(gòu)。,晶粒拉長，且出現(xiàn)織構(gòu)。,（3）加工硬化（形變強化　——　強化材料的手段之一）,加工硬化的原因　塑性變形 → 位錯密度增加，相互纏結(jié)(亞晶界)，運動阻力加大 → 變形抗力↑,金屬在冷變形時，強度、硬度↑ ，塑性、韌性↓。,P21，圖1-17,（4）殘余內(nèi)應(yīng)力 —— 由金屬內(nèi)部不均勻變形引起,殘余內(nèi)應(yīng)力的危害　　引起零件加工過程變形、開裂。　　耐蝕

29、性↓,,,,2.3.2　塑性變形后的金屬在加熱時 組織和性能的變化,1．回復(fù)2．再結(jié)晶3．晶粒長大,,,,1. 回復(fù),塑性變形后的金屬在低溫加熱時，發(fā)生回復(fù)過程（去應(yīng)力退火） ：　　位錯和點缺陷大大↓，內(nèi)應(yīng)力顯著↓ ，強度、硬度略有↓ 。回復(fù)溫度 =（0.25 ~ 0.3 ）T0,2. 再結(jié)晶,塑性變形后的金屬在較高溫度加熱時，發(fā)生再結(jié)晶過程（再結(jié)晶退火）：　　通過重新形核、長大，生成新的等軸晶粒，晶格類型不變。

30、　　加工硬化消除 —— 強度、硬度大大↓ ，塑性、韌性大大↑ 。,最低再結(jié)晶溫度 TR　　純金屬　TR =（0.4 ~ 0.35）T0　　合金　　TR =（0.5 ~ 0.7）T0　　　　溫度單位：絕對溫度( K )預(yù)變形度對TR的影響,,,,再結(jié)晶后的晶粒度,,加熱溫度 T ↑ → 晶粒直徑 D↑預(yù)變形度的影響,3. 晶粒長大,變形80%,工業(yè)純鐵　再結(jié)晶退火 顯微照片 100×,變形80% 600℃退火8

31、小時,變形80% 400℃退火8小時,加熱溫度 T 和 加熱時間 t ↑ → 晶界遷移、晶粒合并長大。,2.3.3　金屬材料的熱加工和冷加工,1．熱加工對組織和性能的影響2．冷加工對組織和性能的影響,1．熱加工對組織和性能的影響,熱加工 —— 在 TR 以上溫度進(jìn)行的變形加工， 如鋼材的熱鍛和熱軋。熱加工時，塑性變形引起的加工硬化效應(yīng)隨即被再結(jié)晶過程的軟化作用所消除。,熱加工對組織和性能的影響,1）打碎柱狀晶、樹枝晶，形成

32、等軸晶，機械性能改善。2）壓合鑄件中的疏松、氣孔等缺陷，提高組織致密度和機械性能。3）產(chǎn)生 流線 分布 —— 非金屬夾雜物沿變形方向分布，引起各向異性。,鍛造曲軸,切削加工曲軸,２．冷加工對組織和性能的影響,冷加工 —— 在 TR 以下溫度進(jìn)行的變形加工，如低碳鋼的冷拔、冷沖。冷加工時，無再結(jié)晶過程，與前述塑性變形對組織和性能的影響相同，如產(chǎn)生加工硬化等。,小結(jié),重點要求,一般要求,1. 金屬在冷加工時組織和性能的變化。 2

33、. 金屬再結(jié)晶時組織和性能的變化。3. 加工硬化、細(xì)晶強化的概念。,1. 塑性變形的本質(zhì)和滑移機理。2. 熱加工對金屬組織和性能的影響。,2.1 純金屬的結(jié)晶　2.2 合金的結(jié)晶　　2.3 金屬的塑性加工　　　2.4 鋼的熱處理　　　　2.5 鋼的合金化　　　　　2.6 表面技術(shù),第2章 金屬材料的 組織與性能控制 b,2.4.0　熱處理的概念　2.4.1　鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變　　2.4.2　鋼在

34、冷卻時的轉(zhuǎn)變　　　2.4.3　鋼的普通熱處理　　　　2.4.4　鋼的表面熱處理　　　　　2.4.5　鋼的化學(xué)熱處理　　　　　　2.4.6　鋼的熱處理新技術(shù),2.4 鋼的熱處理,熱處理的概念,把固態(tài)金屬材料在一定介質(zhì)中的加熱、保溫和冷卻，以改變其組織和性能的一種工藝。,1．奧氏體的形成 —— Fe，C原子擴散和晶格改變的過程。,共析鋼加熱到Ac1 以上時， P → A 共析鋼A化過程 —— 形核 、長大、 Fe3 C

35、完全溶解、C 的均勻化。,亞（過）析鋼的A化 —— P → A 后，先共析 F 或 Fe3CⅡ 溶解。,影響A轉(zhuǎn)變速度的因素,加熱溫度和速度↑→ 轉(zhuǎn)變快C%↑或 Fe3 C片間距↓ → 界面多，形核多 → 轉(zhuǎn)變快合金元素 → A化速度↑或↓,A 晶粒度　　加熱溫度，保溫時間↑ → 晶粒尺寸↓　　合金碳化物↑，C% ↓ → 晶粒尺寸↓,1. 過冷A的等溫轉(zhuǎn)變,過冷A :T < A1時，A不穩(wěn)定。A等溫轉(zhuǎn)變曲線 (T

36、TT 或 C 曲線),共析鋼的C 曲線,高溫轉(zhuǎn)變，A1 ~ 550℃　　過冷A → P 型組織中溫轉(zhuǎn)變，550℃ ~ MS　過冷A →貝氏體 ( B )低溫轉(zhuǎn)變，MS ~ Mf 　過冷A →馬氏體 ( M ),P 型組織 —— F + 層片狀 Fe3C,珠光體 P索氏體 S屈氏體 T,層片間距：P > S > T,珠光體 P ，3800×,索氏體 S 8000×,屈氏體 T 8000×

37、;,高溫轉(zhuǎn)變過程 —— 晶格改變和Fe，C原子擴散。,中溫轉(zhuǎn)變（550℃ ~ MS） —— C原子擴散， Fe原子不擴散,過冷A → 貝氏體 B（碳化物 + 含過飽和C的F ）,上B， 550 ~ 350℃產(chǎn)物 —— 羽毛狀，小片狀Fe3C分布在F間。,上B 強度和韌性差,下B， 350℃ ~ MS 產(chǎn)物,下B 韌性高，綜合機械性能好。,亞（過）共析鋼過冷A的等溫轉(zhuǎn)變,與共析鋼相比，C曲線左移，多一條過冷A?F （Fe3CⅡ）的轉(zhuǎn)變開

38、始線，且Ms、Mf 線上（下）移。,2. 過冷A的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變,連續(xù)冷卻 轉(zhuǎn)變(CCT)曲線,Ps —— A→P 開始線Pf —— A→P 終止線KK' —— P型轉(zhuǎn)變終止線Vk —— 上臨界冷卻速度Vk' —— 下臨界冷卻速度 MS —— A→ M 開始溫度 Mf —— A→ M 終止溫度,連續(xù)冷卻 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物,CCT 和 TTT曲線的比較CCT 位于 TTT曲線 右下方CCT中沒有 A→B 轉(zhuǎn)變

39、,爐冷→ P (V ≈０)空冷→ S (V ≤Vk')油冷→ T+M+A' (Vk' ～Vk) 水冷→ M+A'　　 (V≥Vk),馬氏體（M）轉(zhuǎn)變特點,1) 無擴散Fe 和 C 原子都不進(jìn)行擴散，M是體心正方的C過飽和的F，固溶強化顯著。,2) 瞬時性M 的形成速度很快，溫度↓則 轉(zhuǎn)變量↑,3) 不徹底M 轉(zhuǎn)變總要殘留少量 A，A中的C%↑

40、則 MS、Mf ↓，殘余A含量↑,4) M形成時體積↑，造成很大內(nèi)應(yīng)力。,M 的形態(tài),C% < 0.25 % 時，為板條M（低碳M）。,板條M, 平行的細(xì)板條束組成,針狀M（凸透鏡狀）,C% > 1.0 % 時，為針狀M 。,C% = 0.25~1.0 % 時，為混合M 。,2.4.3　鋼的普通熱處理,1．退火　2．正火　　3．淬火　　　4．回火,1．退火,加熱、保溫后，緩冷(爐冷)→ 近平衡組織 P（ +

41、F 或 Fe3CII ）,完全退火（亞共析鋼）加熱溫度 Ac3 + 20～30℃緩冷→ F + P的：　細(xì)化晶粒，均勻化組織 降低硬度 → 切削性↑等溫退火：　等溫轉(zhuǎn)變→F + P，再緩冷球化退火（過共析鋼）　　在Ac１+ 20～30℃等溫， 　使Fe3CⅡ球化，再緩冷 →　球狀P（F +球狀Cm）目的：　硬度↓,切削性↑,韌性↑,擴散退火　　加熱至略低于固相線 目的：使成分、組織均勻再結(jié)晶

42、退火： 　　加熱溫度 TR + 30～50℃目的：消除加工硬化去應(yīng)力退火　　加熱溫度＜ Ac1 ，　　一般為 500～650℃目的：　消除冷熱加工后的內(nèi)應(yīng)力,２．正火,應(yīng)用： 1) 鋼的最終熱處理　　 細(xì)化晶粒，組織均勻化，增加亞共析鋼中P(S)% → 強度、韌性、硬度↑ 2) 預(yù)先熱處理 —— 淬火、球化退火前改善組織。　 3) 增加低碳鋼的硬度，以改善切削加工性能。,加熱溫度

43、Ac3 ( Accm ) + 30～50℃，空冷 → S （ + F 或 Fe3CII ）,3．淬火（蘸火）,加熱到Ac3、Ac1以上，保溫，快速冷卻 → M 。,淬火溫度1) 亞共析鋼 Ac3 + 30～50 ℃2) 過共析鋼 Ac1 + 30～50 ℃， → M + Fe3CII + A' ，硬度大。 A中C%↓→ M 脆性↓ ，殘余A%↓ 淬火溫度低 → M細(xì)小，淬火應(yīng)力小。,冷卻介質(zhì),冷卻速度： 鹽水 ＞

44、 水 ＞ 鹽浴 ＞ 油,淬火方法單介質(zhì)淬火：水、油冷雙介質(zhì)淬火：水冷 + 油冷分級淬火： ＞Ms鹽浴中均溫＋空冷等溫淬火（ 在鹽、堿浴中） → 下B,鋼的淬透性,淬火時得到M的能力，取決于臨界冷卻速度VK 。,淬透性的應(yīng)用 按負(fù)載，選擇不同淬透性的材料。,淬硬性：淬火后獲得的最高硬度，C%↑→淬硬性↑影響淬透性的因素 除Co外，合金使VK↓ , 淬透性↑,(a)完全淬透 (b)淬透較大厚度 (c)淬透較小厚度

45、 淬透性不同的鋼調(diào)質(zhì)后機械性能的比較,4．回 火,淬火后，加熱到Ac1以下，保溫，冷卻。目的：消除淬火應(yīng)力，調(diào)整性能。,低溫回火（150～250℃） → 回火M ( 過飽和F +薄片狀Fe2.4C ) + A' 　　淬火應(yīng)力↓ ，韌性↑ ，保持淬火后的高硬度?！　∮糜诟逤工具鋼等。中溫回火（350～500℃）→ 回火T (F +細(xì)粒狀Cm ) 　　彈性極限和屈服強度↑，韌性和硬度中等?！　∮糜趶椈傻取?/p>

46、高溫回火（500～650℃）→ 回火S (等軸狀F +粒狀Cm ) 　　綜合機械性能最好, 即強度、塑性和韌性都較好?！　∮糜谥匾慵?。調(diào)質(zhì)處理 —— 淬火 + 高溫回火,回火產(chǎn)物的組織形態(tài)比較,回火M　× 400,回火T　× 7500,回火S　× 7500,M　低倍,T 　× 1000,S 　× 1000,2.4.4　鋼的表面熱處理（表面淬火）,不改變心部組織，利用快速加熱將表

47、層A化后進(jìn)行淬火。　　目的 ： 提高表面硬度，保持心部良好的塑韌性。,感應(yīng)加熱表面淬火　　交變磁場 → 感應(yīng)表面電流 → 表面加熱,特點1) 加熱速度快，晶粒度小，硬度↑，脆性↓2) 表層殘余壓應(yīng)力 → 提高疲勞強度3) 不易氧化、脫碳、變形小。4) 加熱溫度和淬硬層厚度容易控制。,火焰加熱表面淬火（乙炔－氧等火焰）　　設(shè)備簡單，但生產(chǎn)率低。,2.4.5　鋼的化學(xué)熱處理,將工件置于特定的介質(zhì)中加熱、保溫，使介質(zhì)中的

48、活性原子滲入工件表層，以改變表層的化學(xué)成分、組織和性能。　　分類 —— 滲 C、N化、C N共滲、滲硼、滲鉻、滲Al等。,鋼的滲 C —— 氣體、固體滲 C,低C鋼在高C介質(zhì)中加熱到900～950℃、保溫 → 高碳表層（約1.0%） 目的：表面硬度，耐磨性↑ ，心部保持一定的強度和塑韌性。,,,滲碳后的的熱處理,淬火　直接淬火 —— 晶粒粗大，殘余A多，耐磨性低，變形大?！∫淮未慊?—— 加熱溫度Ac3以上（心部性能↑

49、）或 Ac1以上（表面性能↑ ）　二次淬火 —— Ac3以上（心部性能↑ ）+ Ac1以上（表面性能↑ ）,低溫回火, 150～200℃，　　消除淬火應(yīng)力，提高韌性。,鋼的氮化,工件表面滲入N原子，以提高硬度、耐磨性，疲勞強度和耐蝕性?！　〉瘻囟鹊?500～600℃)，時間長（20～50h），滲層薄?！　〉罢{(diào)質(zhì)處理、氮化后無須淬火。,小結(jié),重點要求1. A等溫冷卻曲線，轉(zhuǎn)變溫度與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài) 、性能間的關(guān)

50、系。2. A連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線的特點，冷卻速度對組織和性能的影響。3. 四種常規(guī)熱處理的目的、工藝特點及應(yīng)用。一般要求1. A晶粒長大的影響因素及控制方法。 2. 非共析鋼C曲線的特點；淬透性的概念。 3. 鋼的表面淬火；化學(xué)熱處理。,“ 鋼的熱處理 ” 練習(xí)題,2.1 純金屬的結(jié)晶　2.2 合金的結(jié)晶　　2.3 金屬的塑性加工　　　2.4 鋼的熱處理　　　　2.5 鋼的合金化　　　　　2.6 表面技

51、術(shù),第2章 金屬材料的 組織與性能控制 c,2.5 鋼的合金化,碳鋼：價格低，但是，　　力學(xué)性能低，淬透性低，回火抗力差，　　耐熱、耐低溫、耐蝕等特殊性能差。合金鋼 ：在碳鋼中加入某些合金元素,2.5.1 合金元素與鐵、碳的相互作用,溶于F —— 形成合金F，產(chǎn)生固溶強化。,形成碳化物 —— 穩(wěn)定性，熔點、硬度比Cm高得多， 顯著提高鋼的強、硬度?！　『辖饾B碳體，如 (Fe, Mn)3C ；　　 特殊碳化物，如

52、 Cr7C3、MoC、WC、VC、TiC 。,2.5.2 合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響,擴大或縮小A、F 區(qū) —— 如，室溫下，1Cr18Ni 9 為單相A，1Cr17Ti 為單相F 。,使使共析轉(zhuǎn)變點S左移 → 鋼中P%↑，強度增加 。使共晶轉(zhuǎn)變點E 左移 → 鋼中出現(xiàn)Le ' 。,2.5.3　合金元素對熱處理的影響,1. 對A化的影響減緩A化過程（Ni、Co除外） 　合金碳化物難熔，阻礙C的擴散，需提高加熱溫度

53、，延長保溫時間。細(xì)化晶粒 —— 合金元素及其碳化物（ Mn除外）阻止A 晶粒長大。,２. 對C曲線的影響,1) 使C曲線右移（過冷A穩(wěn)定性↑ ），Vk↓，淬透性↑（Co除外）　　正火時，S片間距↓（或 →B、M）, 強度↑,非碳化物合金元素對碳鋼C曲線的影響,碳化物合金元素對碳鋼C曲線的影響,2）使 Ms、Mf 點下降，淬火后殘余A量↑, 硬度↓（Co，Al 除外）,３. 對回火轉(zhuǎn)變的影響,1） 提高回火穩(wěn)定性（鋼對回火軟化的抗

54、力）　　M 分解、碳化物長大、殘余A轉(zhuǎn)變、F再結(jié)晶被推遲到較高的溫度才發(fā)生。　　回火溫度相同時，合金鋼中析出的碳化物更細(xì)小，其強度更高。,２）產(chǎn)生二次硬化,回火溫度較高時析出細(xì)小、高硬度的合金碳化物，如Mo2C，使硬度反而提高。（韌性也大大↑ ）,w(C) = 0.35%的鉬鋼的回火溫度與硬度的關(guān)系,二次淬火回火時殘余A中析出合金碳化物→ A 中 C% ↓ → Ms、Mf ↑，隨后冷卻時→M,彌散硬化 　—— 第二相（沉

55、淀）強化,３）增大回火脆性,淬火鋼在某一溫度范圍回火時，韌性明顯下降。（合金鋼較明顯）　　第一類回火脆性，250～400℃，不可逆?！　〉诙惢鼗鸫嘈?，450～650℃，可逆，回火后快冷可避免脆化。,鉻鎳鋼的韌性與回火溫度的關(guān)系,2.5.4 合金元素對機械性能的影響,合金鋼的強化機制：　　合金F 的固溶強化　　M位錯強化　　細(xì)晶強化（F、M晶粒度，P片間距↓）　　第二相（沉淀）強化,小結(jié),重點要求1. 合金元素在鋼中的作

56、用，合金元素對鋼的熱處理、機械性能的影響。2. 回火穩(wěn)定性、回火脆性、彌散硬化、二次硬化等概念。,3.1 碳鋼　3.2 合金鋼　　3.3 鑄鋼與鑄鐵　　　3.4 有色金屬及其合金,第3章 金屬材料,3.1.1　碳鋼的成分和分類3.1.2　碳鋼的牌號及用途,3.1 碳鋼,3.1.1 碳鋼的成分和分類,１.　成分 —— w(C) ≤2.11%　　Mn、Si →固溶強化　　S → 熱脆　　P → 冷脆 　　O、N

57、、H → 強度、塑性、韌性↓２.　 分類 　1）按C含量分　　低C鋼　w(C) ≤ 0.25%　　中C鋼　 0.25% ＜w(C) ≤ 0.6%　　高C鋼　w(C) ＞ 0.6%　2）按質(zhì)量分（S、P含量）—— 普通碳素鋼；優(yōu)質(zhì)碳素鋼；高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼。　3）按用途分 —— 碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼。,3.1.2　碳鋼的牌號及用途,1．碳素結(jié)構(gòu)鋼　2．優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼　　3．碳素工具鋼,1．碳素結(jié)構(gòu)鋼,牌號 —— 如 Q21

58、5B，表示 ?s ≥ 215 MPa（厚度 ≤ 16mm），B級質(zhì)量。,用途,鋼板、鋼筋、型鋼等，作橋梁、建筑等構(gòu)件。,熱處理：熱軋空冷組織：S＋F,多邊型角鋼,螺釘、鉚釘,鋼筋、螺紋鋼,2．優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,牌號 —— 如 45 鋼，含C量為 45 / 10000 = 0.45 % 。,用途,較重要的零件，如齒輪、軸、連桿、彈簧等。,汽車曲軸,熱處理：　　滲碳、淬火、回火等。,3．碳素工具鋼,牌號 —— 如 T12A 鋼，含C量為

59、12 / 1000 = 1.2 % ，A表示高級優(yōu)質(zhì)，w(S) ? 0.020 % ，w(P) ? 0.030 % 。,用途,沖頭、鑿子、鉆頭、銼刀、量規(guī)等。,熱處理：淬火 + 低溫回火組織：回火M＋ 粒狀Fe3C + A',3.2.1　概論　3.2.2　合金結(jié)構(gòu)鋼　　3.2.3　合金工具鋼　　　 3.2.4　特殊性能鋼,3.2 合金鋼,3.2.1　概論,１.　合金鋼的分類（按用途分類） 　　合金結(jié)構(gòu)鋼 ——

60、 低合金結(jié)構(gòu)鋼、滲C鋼 、調(diào)質(zhì)鋼 、彈簧鋼 、軸承鋼等。　　合金工具鋼 —— 刃具 、模具、量具鋼。　　 特殊性能鋼 —— 不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼。２.　合金鋼的編號　　 結(jié)構(gòu)鋼 —— 如 60Si2Mn ，w(C)=0.6% ， w(Si)=2% ，w(Mn)＜1.5%　　 工具鋼、特殊性能鋼 —— 如 9SiCr ，w(C)=0.9% ，w(Si)、w(Cr) 均＜1.5%而 CrWMn 中，w(C)＞1.0%

61、　　 專用鋼 —— 如，滾動軸承鋼 GCr15， w(C)=1.0% ， w(Cr)=1.5%　　 高級優(yōu)質(zhì)鋼 —— 如，20Cr2Ni4A,3.2.2 合金結(jié)構(gòu)鋼,1．低合金結(jié)構(gòu)鋼　2．滲碳鋼　　3．調(diào)質(zhì)鋼　　　4．彈簧鋼　　　　5．滾動軸承鋼,1．低合金結(jié)構(gòu)鋼,成分 —— w(C)＜0.2% ，主加元素Mn，附加V、Ti、Nb。性能 —— 強度、韌性高，焊接、冷成形性能好。,(摘自GB/T1591-1994),熱處理

62、、組織 —— 熱軋空冷，S＋F,,高壓容器,橋梁,船舶,車輛,應(yīng)用,2．滲碳鋼,成分 —— w(C)=0.1～0.25%, 韌性好。合金元素提高淬透性、耐磨性, 細(xì)化晶粒。性能 —— 滲層硬度高，耐磨，抗接觸疲勞；心部韌性高、強度大。,熱處理,組織 —— 表層：回火M +碳化物+ A′；　　　　 心部：低C的回火M（+T + F）,應(yīng)用 —— 耐磨件 20Cr，小軸、活塞銷、小齒輪。 20CrMnTi，汽車齒輪。18C

63、r2Ni4WA，如曲軸、連桿。,滲碳 → 淬火 → 低溫回火,3．調(diào)質(zhì)鋼,成分 —— w(C)=0.25～0.50%，合金元素消除回火脆性, 提高回火抗力, 強化F 。性能 —— 綜合機械性能高,熱處理,組織 —— 表層：回火S,應(yīng)用 40Cr，一般尺寸重要零件，如齒輪、主軸。 35CrMo，較大截面零件，如曲軸、連桿。 40CrNiMo，大截面重載零件，如汽輪機主軸和葉輪。,調(diào)質(zhì)，可附加表面淬火或氮化(38CrM

64、oAl)。,汽車曲軸,4．彈簧鋼,成分 —— w(C)=0.45～0.70 %， Si, Mn為主要元素，提高屈強比。性能 ——σe 、σs、屈強比和疲勞抗力高，塑性大，耐震動、沖擊。,應(yīng)用 65Mn、60Si2Mn：汽車，拖拉機，機車的板簧和螺旋彈簧。,熱處理,熱軋彈簧：熱成型 → 淬火 + 中溫回火 → 噴丸　　冷軋彈簧：淬火 + 中溫回火 → 冷成型 → 去應(yīng)力 → 噴丸組織 ——　回火T,5．滾動軸承鋼,成分 ——

65、w(C)=0.95～1.10%，主加元素是Cr，形成細(xì)小的碳化物。性能 —— 高接觸疲勞強度、高硬度和耐磨性，韌性、淬透性好。,應(yīng)用 GCr15：中小型軸承，冷沖模，量具，絲錐。,熱處理,球化退火 + 淬火 + 低溫回火　　冷處理，時效（120～140℃,10～20h）：穩(wěn)定尺寸，去應(yīng)力。組織 —— 回火M ＋細(xì)碳化物＋少量A',1．合金刃具鋼　2．合金模具鋼　　3．量具用鋼,3.2.3　合金工具鋼,1．合金刃具

66、鋼,（１）性能要求高硬度 —— 機加工刀具HRC＞60 高耐磨性 —— 刀具壽命和生產(chǎn)率↑組織要求—— 硬而細(xì)小的碳化物，均勻分布在強而韌的鋼基體中。高的熱硬性（紅硬性）—— 高溫下保持高硬度的能力，與回火穩(wěn)定性有關(guān)。足夠的韌性 —— 以承受沖擊載荷,（２）低合金刃具鋼,成分 —— w(C) = 0.9 ~ 1.5 % ，合金元素＜5 % 。性能 —— HRC＞60，使用溫度200 ~ 300 ℃ 。,熱處理 —— 球

67、化退火（+ 機加工）+ 淬火 + 低溫回火,最終組織 —— 回火M + 合金碳化物 + 少量A ' 應(yīng)用 —— 如9SiCr ，做板牙、絲錐等。,（３）高速鋼,成分 —— w(C) = 0.7 ~ 1.2 % ，合金元素＞10 % 。性能高硬度、耐磨性 —— VC等彌散硬化高熱硬性 —— 600 ℃時HRC≈62 ，W2C等提高熱硬性。高淬透性 —— 尺寸不大時可空冷淬火，Cr 等元素提高淬透性。,熱處理

68、,（鍛造 +）球化退火（+ 機加工） → 淬火+回火　　　鍛造目的 —— 成型；使鑄態(tài)粗大碳化物破碎、細(xì)化、分布均勻。,淬火，1280 ℃ —— 增加A、M中合金含量，提高熱硬性。,淬火組織（左圖）：M + 碳化物 + A ',最終組織（右圖）：回火M + 粒狀碳化物 + 少量 A ',回火，560 ℃，三次 —— W2C、VC彌散硬化，二次淬火基本消除A ' 。,應(yīng)用 —— 高速車刀、鉆頭、銑刀等。

69、,2．合金模具鋼,（１）冷模具鋼 —— 冷沖、冷鐓、冷擠壓模等。,性能 —— 高硬度、耐磨性，足夠的韌性和疲勞抗力。,應(yīng)用　　小型模具 —— 9Mn2V、9SiCr、CrWMn 等?！　〈笮湍＞?—— Cr12、Cr12MoV 等，熱處理變形小。,最終熱處理 —— 淬火 + 低溫回火最終組織 —— 回火M + 碳化物 + 少量 A ',（２）熱模具鋼 —— 熱鍛、熱擠壓、壓鑄模等。,性能 —— 耐熱性、熱疲勞抗力高