金属材料与热处理__ppt课件

1、 金属材料与热处理金属材料与热处理 一、金属材料的历史地位一、金属材料的历史地位 二、二、金属材料的分类金属材料的分类 三、金属结构材料的应用情况三、金属结构材料的应用情况 四、金属材料发展的历史四、金属材料发展的历史 五、金属材料的发展热点五、金属材料的发展热点 六、关于本课程六、关于本课程 绪绪 论论 主要内容主要内容 一、金属材料的历史地位一、金属材料的历史地位 1.1.材料材料发展与社会进步有着密切关系发展与社会进步有着密切关系, ,它是衡量人它是衡量人 类类社会文明程度社会文明程度的标志之一，金属材料是现代文的标志之一，金属材料是现代文 明的基础。明的基础。 石器时代石器时代青铜器时

2、代青铜器时代铁器时代铁器时代 2.2.目前，人类还处在金属器时期。虽然无机非金目前，人类还处在金属器时期。虽然无机非金 属材料、高分子属材料、高分子材料材料的使用量与日俱增，但在可的使用量与日俱增，但在可 预见的时期内，仍不会改变这种状况。预见的时期内，仍不会改变这种状况。 二、金属材料的分类二、金属材料的分类 黑色黑色 金属金属 有色有色 金属金属 金 属 材 料 铸铁铸铁 钢钢 工程构件用钢工程构件用钢 机器零件用钢机器零件用钢 工具钢工具钢 特殊性能用钢特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢不锈钢及耐热钢) 轻金属轻金属( (铝铝, ,镁镁, ,钛钛) ) 重金属重金属(铜铜,锌锌,铅铅,镍镍)

3、贵重金属贵重金属(金金,银银) 稀有金属稀有金属(钨钼钒铌钴钨钼钒铌钴) 放射金属放射金属(镭铀钍镭铀钍) 结构金属材料结构金属材料 功能金属材料功能金属材料 三、金属结构材料的应用情况三、金属结构材料的应用情况(1)(1) 1.从总产量来看，从总产量来看，钢铁材料的产量占绝对优势，钢铁材料的产量占绝对优势， 占世界金属总产量的占世界金属总产量的95，而且有许多良好的而且有许多良好的 性能，能满足大多数条件下的应用，价格低廉。性能，能满足大多数条件下的应用，价格低廉。 2.在世界金属矿储量中，铁矿资源虽然比较丰富在世界金属矿储量中，铁矿资源虽然比较丰富 和集中，但就世界地壳中金属矿产储量来讲，

4、和集中，但就世界地壳中金属矿产储量来讲， 则非铁金属矿储量大于铁矿储量，如则非铁金属矿储量大于铁矿储量，如铁只占铁只占 5.1，而非铁金属中铝为，而非铁金属中铝为8.8镁为镁为2.1， 钛为钛为0.6。 3. 非铁金属非铁金属冶炼较困难冶炼较困难，所需能源消耗大，因，所需能源消耗大，因 而生产成本高，限制了生产总量的增长。而生产成本高，限制了生产总量的增长。 4.非铁金属所创造的价值高，并且它有钢铁所非铁金属所创造的价值高，并且它有钢铁所 不具备的不具备的特殊性能特殊性能，例如比强度高，耐低温、，例如比强度高，耐低温、 耐腐蚀等，因而非铁金属产量仍在迅速增长。耐腐蚀等，因而非铁金属产量仍在迅速

5、增长。 三、金属结构材料的应用情况三、金属结构材料的应用情况(2)(2) 四、金属材料发展的历史四、金属材料发展的历史(1) 1.公元前公元前3800年，年，出现人工冶炼的出现人工冶炼的铜器铜器，我国在，我国在公公 元前元前3000年年出现出现锡青铜锡青铜甘肃东乡马家窑文甘肃东乡马家窑文 化的青铜刀（含化的青铜刀（含610Sn）。商、周时期是）。商、周时期是 中国青铜器的鼎盛时期。中国青铜器的鼎盛时期。 2.自自公元前公元前12世纪世纪起起铁器铁器在地中海东岸地区使用日在地中海东岸地区使用日 广。到公元前广。到公元前10世纪，铁工具比青铜工具应用世纪，铁工具比青铜工具应用 更普遍。公元前更普遍

6、。公元前8世纪到公元前世纪到公元前7世纪，北非和世纪，北非和 欧洲相继进入铁器时代。欧洲相继进入铁器时代。 3. 中国古代中国古代钢铁及非铁金属钢铁及非铁金属的生产技术和热的生产技术和热 处理技术，在明末科学家宋应星所著处理技术，在明末科学家宋应星所著天天 工开物工开物中有详细的阐述。中有详细的阐述。 4.现代冶金技术现代冶金技术的发展自的发展自19世纪中叶世纪中叶的转炉的转炉 炼钢和平炉炼钢开始。炼钢和平炉炼钢开始。19世纪末的电弧炉世纪末的电弧炉 炼钢和炼钢和20世纪中叶的氧气顶吹转炉炼钢及世纪中叶的氧气顶吹转炉炼钢及 炉外精炼技术，使炉外精炼技术，使钢铁钢铁工业实现了现代化。工业实现了现

7、代化。 四、金属材料发展的历史四、金属材料发展的历史 (2) 5.在在非铁金属冶金非铁金属冶金方面，方面，19世纪世纪80年代年代发电发电 机的发明，使电解法提纯铜的工业方法得机的发明，使电解法提纯铜的工业方法得 以实现，开创了电冶金新领域；同时，用以实现，开创了电冶金新领域；同时，用 熔盐电解法将氧化铝加入熔融冰晶石，电熔盐电解法将氧化铝加入熔融冰晶石，电 解得到廉价的铝，使解得到廉价的铝，使铝铝成为仅次于铁的第成为仅次于铁的第 二大金属；二大金属；20世纪世纪40年代，年代，用镁作还原剂用镁作还原剂 从四氯化钛制得纯钛，并使真空熔炼加工从四氯化钛制得纯钛，并使真空熔炼加工 等技术逐步成熟后

8、，等技术逐步成熟后，钛及钛合金钛及钛合金的广泛应的广泛应 用得以实现。同时，其他非铁金属也陆续用得以实现。同时，其他非铁金属也陆续 实现工业化生产。实现工业化生产。 四、金属材料发展的历史四、金属材料发展的历史(3) 6. 19世纪末世纪末，出现了，出现了新型的合金钢如高速工新型的合金钢如高速工 具钢、高锰钢、镍钢和铬不锈钢，具钢、高锰钢、镍钢和铬不锈钢，并在并在20 世纪发展为门类众多的合金钢体系。与此世纪发展为门类众多的合金钢体系。与此 同时，铝合合、镁合金、铜合金、钛合金同时，铝合合、镁合金、铜合金、钛合金 和难熔金属及合金等也先后形成工业规模和难熔金属及合金等也先后形成工业规模 生产。

9、生产。 7. 20世纪中叶，新金属材料世纪中叶，新金属材料研究发展迅猛。研究发展迅猛。 如如非晶态合金、金属基复合材料、金属间非晶态合金、金属基复合材料、金属间 化合物结构材料、金属纳米材料化合物结构材料、金属纳米材料等。等。 四、金属材料发展的历史四、金属材料发展的历史(4) 五、金属材料的发展热点五、金属材料的发展热点 1继续重视高性能的新型金属材料继续重视高性能的新型金属材料 l具有高强度、高韧性、耐高、低温、抗腐蚀等性能。具有高强度、高韧性、耐高、低温、抗腐蚀等性能。 2非晶（亚稳态）材料日益受到重视非晶（亚稳态）材料日益受到重视 l非晶态或亚稳态合金材料、金属纳米材料。非晶态或亚稳态

10、合金材料、金属纳米材料。 3特殊条件下应用的金属材料特殊条件下应用的金属材料 l低温、高压、高温、外场以及辐照条件材料的结构、低温、高压、高温、外场以及辐照条件材料的结构、 组织和性能的研究。组织和性能的研究。 4材料的设计及选用科学化材料的设计及选用科学化 l按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。 六、关于本课程六、关于本课程(1) 1. 本课程的目的本课程的目的是讲授金属结构材料的物理冶是讲授金属结构材料的物理冶 金问题，使学生掌握金属及合金中的化学成金问题，使学生掌握金属及合金中的化学成 分、组织结构、生产过程、环境对金属材料分、组织

11、结构、生产过程、环境对金属材料 各种性能的影响的基本规律；各种性能的影响的基本规律； 掌握常用金属材料的化学成分设计、生产、掌握常用金属材料的化学成分设计、生产、 热处理和使用中的问题。热处理和使用中的问题。 2.本课程的主要内容本课程的主要内容 金属材料的合金化基础理论金属材料的合金化基础理论 碳钢、合金钢碳钢、合金钢 铸铁铸铁 有色金属及合金有色金属及合金 六、关于本课程六、关于本课程(2) 3. 学习要求学习要求 掌握金属材料合金化原理、合金元素对钢相变、掌握金属材料合金化原理、合金元素对钢相变、 组织、性能影响的一般规律。组织、性能影响的一般规律。 掌握常用钢、铸铁、高温合金、有色金属

12、等材掌握常用钢、铸铁、高温合金、有色金属等材 料的牌号、成分、热处理规范、组织、力学性料的牌号、成分、热处理规范、组织、力学性 能和用途。能和用途。 能够根据工程构件、机器零件（或工具）的服能够根据工程构件、机器零件（或工具）的服 役条件，合理选用材料，确定热处理工艺等。役条件，合理选用材料，确定热处理工艺等。 能对产品质量作初步分析，提出消除或预防热能对产品质量作初步分析，提出消除或预防热 处理缺陷的措施。处理缺陷的措施。 六、关于本课程六、关于本课程(3) 4.成绩考核方式成绩考核方式 期末试卷期末试卷 （80%）+ 平时综合（平时综合（20%） 5.教材与参考书教材与参考书 吴承建、陈国

13、良、强文江编著。吴承建、陈国良、强文江编著。金属材金属材 料学料学，北京：冶金工业出版社，北京：冶金工业出版社，2000。 王笑天主编。金属材料学，北京：机械工王笑天主编。金属材料学，北京：机械工 业出版社，业出版社，1987。 王晓敏主编。工程材料学，北京：机械工王晓敏主编。工程材料学，北京：机械工 业出版社，业出版社，1999。 六、关于本课程六、关于本课程(4) 第一单元第一单元 金属材料与机械产品 制造过程简介 金属材料的基本概念金属材料的基本概念 金属材料是由金属元素或以金属元素金属材料是由金属元素或以金属元素 为主要材料构成的并具有金属特性的工程为主要材料构成的并具有金属特性的工程

14、 材料。材料。 金 属 材 料 纯纯 金金 属属 合合 金金 金属材料的分类金属材料的分类 金 属 材 料 黑色黑色 金属金属 有色有色 金属金属 非合金钢非合金钢 低合金钢低合金钢 合金钢合金钢 铸铁铸铁 滑动轴承合金滑动轴承合金 钛及钛合金钛及钛合金 其他非铁合金其他非铁合金 铜及铜及铜铜合金合金 铝铝及及铝铝合金合金 Steelmaking flowlines Steel Finishing flowlines 机械产品的制造过程机械产品的制造过程 使用 制 造 设 计 机 械 产 品 加 工 工 艺 铸造铸造 压力加工压力加工 焊接焊接 粉末冶金粉末冶金 切削加工切削加工 特种加工特种

15、加工 熔焊熔焊 压焊压焊 钎焊钎焊 金属材料的性能金属材料的性能 力力 学学 性性 能能 物物 理理 性性 能能 化化 学学 性性 能能 化化 学学 性性 能能 第二单元 金属材料的性能金属材料的性能 力学性能力学性能 力学性能 指金属在力的作用指金属在力的作用 下所显示出的与弹性和非弹性反下所显示出的与弹性和非弹性反 应相关或涉及应力应相关或涉及应力-应变关系的应变关系的 性能，如弹性、强度、硬度、塑性能，如弹性、强度、硬度、塑 性、韧性等性、韧性等 强度与塑性强度与塑性 材料的拉伸曲线材料的拉伸曲线 1、oe段：段：直线、弹性变性直线、弹性变性 2、es段：段：曲线、弹性变形曲线、弹性变形

16、+塑性变形塑性变形 3、s s段：段：水平线（略有波动）明显的塑水平线（略有波动）明显的塑 性变形屈服现象，作用的力基本不变，试性变形屈服现象，作用的力基本不变，试 样连续伸长。样连续伸长。 4、sb曲线：曲线：弹性变形弹性变形+均匀塑性变形。均匀塑性变形。 5、b点：点：出现缩颈现象，即试样局部截面出现缩颈现象，即试样局部截面 明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到 最大值，试样即将断裂。最大值，试样即将断裂。 强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力 。 强度的指标强度的指标 2 2、抗拉强度、抗拉强度 指试样拉断前所承受的最大

17、拉应力。指试样拉断前所承受的最大拉应力。 其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力。 1 1、屈服点、屈服点 Rm = F Fm m/S/S0 0 当材料的内应力当材料的内应力R RR Rm m时，材料将产生断裂。时，材料将产生断裂。 Rm常用作脆性材料的选材和设计的依据。常用作脆性材料的选材和设计的依据。 符号：符号： Re 材料产生屈服现象时的最小应力材料产生屈服现象时的最小应力 R Re e= = F Fs s/S/S0 0 Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（试样屈服时所承受的拉伸力（N） S0 ：试样原始横截面积（：试样原始横截面积（mm） 塑

18、性指标塑性指标 塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。评定指标是塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。评定指标是 断后伸长率和断面收缩率。断后伸长率和断面收缩率。 1 1、断后伸长率、断后伸长率 A A 2 2、断面收缩率、断面收缩率 Z Z 指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。 指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。 A=(L=(Lu u-Lo)/Lo x 100%-Lo)/Lo x 100% Lu:Lu:拉断拉伸试样对接后

19、测出的标距长度拉断拉伸试样对接后测出的标距长度 Lo:Lo:拉伸试样的原始标距拉伸试样的原始标距 Z=(So-Su)/So x 100%Z=(So-Su)/So x 100% So: :拉伸试样原横截面积。拉伸试样原横截面积。 S Su u: :拉伸试样断口处的横截面积拉伸试样断口处的横截面积 硬度 引言：引言： 1 1、定义定义：指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。：指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。 它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法 有关。有关。 2 2、硬度的测试方法硬度的测试方法 布氏硬度布氏硬度 洛氏硬度洛氏硬

20、度 维氏硬度维氏硬度 肖氏硬度肖氏硬度 1 1、布氏硬度试验、布氏硬度试验（布氏硬度计） 原理原理: :用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力 压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量 材料表面材料表面压痕直径压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。 2 2、布氏硬度值布氏硬度值 用球面压痕单位面积上所承受有平均压力用球面压痕单位面积上所承受有平均压力 表示。表示。 如：120HBS 500HBW 4

21、4、测量范围、测量范围 用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等. . 3 3、优缺点、优缺点 （1 1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁） （2 2）可测的硬度值不高可测的硬度值不高 （3 3）不测试成品与薄件不测试成品与薄件 （4 4）测量费时，效率低测量费时，效率低 1 1、洛氏硬度试验、洛氏硬度试验（洛氏硬度计） 原理原理: : 用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面， 经规定时间后卸除试验力，用测量的

22、残余压痕深度增量来计算硬度的一经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一 种压痕硬度试验。种压痕硬度试验。 2 2、洛氏硬度值、洛氏硬度值 用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读 出。出。如：如：50HRC50HRC 4 4、测量范围、测量范围 用于测量用于测量淬火钢、硬质合金淬火钢、硬质合金等材料等材料. . 3 3、优缺点、优缺点 （1 1）试验简单、方便、迅速试验简单、方便、迅速 （2 2）压痕小，可测成品，薄件压痕小，可测成品，薄件 （3 3）数据不够准确，应测三点取平均值数据不够准确，应测三点取平均值 （4 4）不应测

23、组织不均匀材料，如铸铁。不应测组织不均匀材料，如铸铁。 1 1、维氏硬度试验、维氏硬度试验 原理原理: :用夹角为用夹角为136136的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力F F （49.03-980.07N49.03-980.07N）压入试样表面，测出压痕对角线长度）压入试样表面，测出压痕对角线长度d d。 2 2、维氏硬度值、维氏硬度值 用压痕对角线长度表示。用压痕对角线长度表示。如：如：640HV640HV。 4 4、测量范围、测量范围 常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。 3 3、优缺点、优缺点 （1 1

24、）测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬） （2 2）可测成品与薄件可测成品与薄件 （3 3）试样表面要求高，费工。试样表面要求高，费工。 韧性 金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力 称为冲击韧性。 常用一次摆锤冲击弯曲，试验来测定金属材 料的冲击韧性。 u冲击试样 u冲击试样的原理及方法：冲击韧度越大， 表示材料的冲击韧性越好。 u小能量多次冲击试验 疲劳强度 疲劳概念： 在交变应力作用下，零件所承受的 应力低于材料的屈服点，但经过较 长时间的工作后产生裂纹或突然发 生完全断裂的现象称为金属的疲劳。 疲劳断裂时无明显的宏观朔性变形， 断裂前没有预 兆

25、，而是突然破坏； 引起疲劳断裂的应力很低，常常低 于材料的屈服点； 疲劳破坏的宏观断口由两部分组成。 疲劳破坏的特征 N 1 N1 2 N2 3 N3 疲 劳 曲 线 示 意 图 疲劳曲线是指交变 应力与循环次数的 关系曲线。 疲劳曲线和疲劳极限 物理性能 密度 熔点 导热性 导电性 热膨胀性 磁性 化学性能 耐蚀性 抗氧化性 化学稳定性 金属的工艺性能金属的工艺性能 工艺性能是指金属材料对 不同加工工艺方法的应能 力。 金属（材料）及合金在铸造工艺中获得优良铸 件的能力称为铸造性能。 1、流动性：熔融金属的流动能力称为流动性。 主要受金属化学成份和浇注温度等的影响。 2、收缩性：铸件在凝固和

26、冷却过程中，其体积 和尺寸减小的现象称为引缩性。 3、偏析倾向：金属凝固后，内部化学成分和组 织的不均匀现象称为偏析。 铸造性能： 锻造性能： 用锻压成形方法获得优良锻件的 难易程度称为锻造性能。 铸铁不能锻压 。 焊接性能： 大量接性能是指金属材料对焊接加 工的适应性。 切削加性能：切削加工（性能） 金属材料的难易程度称为切削加工 性能。 第三单元 金属的晶体结构与结晶 晶体与非晶体晶体与非晶体 非晶体：非晶体：在物质内部，凡原子呈无序堆积状 况的，称为非晶体。如：普通玻璃、松香、 树脂等。 晶体：晶体：凡原子呈有序、有规则排列的物质， 金属的固态、金刚石、明矾晶体等。 性能：性能：晶体有固

27、定的熔、沸点，呈各向异性， 非晶体没有固定熔点，而且表现为各向同性。 一、金属材料的晶体结构 晶格和晶胞： 表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶 格。 能完整地反映晶格特征的最小几何单元，称为 晶胞。 晶面和晶向： 在晶体中由一系列原子组成的平面，秋为晶面。 通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表 晶格空间排列的一定方向，称为晶向 晶体结构的概念 体心立方晶格：它的晶胞是一个立方体，原子位于立方 体的八个顶角上和立方体的中心。如：铬（Cr）、钒 （V）、钨（W）、钼（Mo）及-Fe 面心立方晶格：它的晶胞也是一个立方体，原子位于立 方体的八个顶角上和立方体六个面的中心。 如：铝 （Al）

28、、铜（Cu）、铅（Pb）、镍（Ni）及-Fe 密排六方晶格：它的晶胞是一个正六棱柱体，原子排列 在柱体的每个顶角上和上、下底面的中心，另外三个 原子排列在柱体内。属于这种晶格类型的金属有镁 （Mg）、铍（Be）、镉（Cd）、及锌（Zn）等。 金属晶格的类型 金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构 点缺陷点缺陷 晶体中呈点状的缺陷，即在三维晶体中呈点状的缺陷，即在三维 空间上尺寸都很小的晶体缺陷空间上尺寸都很小的晶体缺陷 线缺陷线缺陷 三维空间的两个方向上尺寸很小三维空间的两个方向上尺寸很小 的晶体缺陷的晶体缺陷 面缺陷面缺陷 在二维方向上尺寸很大，在第三在二维方向上尺寸很大，在第三 个方

29、向上尺寸很小，呈面状分布的缺陷个方向上尺寸很小，呈面状分布的缺陷 金属由原子不规则排列的金属由原子不规则排列的 液体转变为原子规则排液体转变为原子规则排 列的固体的过程称为结列的固体的过程称为结 晶。晶。 纯金属的冷却曲线及过纯金属的冷却曲线及过 冷度。冷度。 用热分析法进行研究用热分析法进行研究 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线(理论理论) 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线(实际实际) 二、纯金属的结晶二、纯金属的结晶 纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程 结晶结晶 结束结束 晶核晶核 长长 大大 形形 核核 与与 晶晶 核核 长长 大大 形形 核核 溶溶 液液 u晶粒大小对金属材料力学性能的影

30、响晶粒大小对金属材料力学性能的影响 u控制晶粒大小的方法控制晶粒大小的方法 （1）加快液态金属材料的冷却速度；）加快液态金属材料的冷却速度； （2）变质处理）变质处理 （3）采用机械振动、超声波振动和电）采用机械振动、超声波振动和电 磁振动等；磁振动等； 金属材料结晶后晶粒的控制金属材料结晶后晶粒的控制 三、金属的同素异构转变三、金属的同素异构转变 金属在固态下，随温度的改变有一种晶格转变为另一晶格的现金属在固态下，随温度的改变有一种晶格转变为另一晶格的现 象称为象称为同素异构转变同素异构转变。 具有同素异构转变的金属有：铁、钴、钛、锡、锰等。同一金具有同素异构转变的金属有：铁、钴、钛、锡、锰

31、等。同一金 属的同素异构晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用属的同素异构晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用 希腊字母希腊字母，等表示等表示 同素异构转变是由晶核的形成同素异构转变是由晶核的形成 与晶核的长大两个基本过程完成，与晶核的长大两个基本过程完成， 新晶核在原晶界处生成新晶核在原晶界处生成 同素异构转变有过冷（过热）同素异构转变有过冷（过热） 现象，并且转变时具有较大的过现象，并且转变时具有较大的过 冷度冷度 同素异构转变过程中，有相变同素异构转变过程中，有相变 潜热产生，在冷却曲线上出现水潜热产生，在冷却曲线上出现水 平线段，但这种转变在固态下进平线段，但这种转变在固态下

32、进 行的，它与液体结晶相比具有不行的，它与液体结晶相比具有不 同之处同之处 同素异构转变时常伴有金属材同素异构转变时常伴有金属材 料体积的变化料体积的变化 四、合金的相结构四、合金的相结构 u组元组元 u合金系合金系 u相相 u组织组织 基本概念基本概念 合金的相结构合金的相结构 固溶体固溶体 置换固溶体置换固溶体 间隙固溶体间隙固溶体 金属氧化物金属氧化物 机械混合物机械混合物 五、合金的结晶五、合金的结晶 1.合金的结晶过程合金的结晶过程 2.合金结晶冷却曲线合金结晶冷却曲线 形成单相固溶体的结晶冷却曲线形成单相固溶体的结晶冷却曲线 形成单相混合物或共晶体的结晶冷形成单相混合物或共晶体的结

33、晶冷 却曲线却曲线 形成机械混合物的冷却曲线形成机械混合物的冷却曲线 六、金属材料铸锭组织特征六、金属材料铸锭组织特征 1.铸锭的组织结构铸锭的组织结构 表面细晶粒区表面细晶粒区 柱状晶粒区柱状晶粒区 等轴晶粒区等轴晶粒区 2.定向结晶和单晶定向结晶和单晶 七、金属材料塑性变形与再结晶七、金属材料塑性变形与再结晶 金属材料塑性变形金属材料塑性变形 塑性变形实质塑性变形实质 冷变形强化冷变形强化 回复回复 再结晶再结晶 晶粒长大晶粒长大 八、金属材料焊接接头组织八、金属材料焊接接头组织 焊缝焊缝 熔合区熔合区 热影响区热影响区 过热区过热区 正火区正火区 部分相变区部分相变区 铁素体铁素体 概念

34、概念：碳溶解在：碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体中形成的间隙固溶体 称为铁素体。称为铁素体。 符号符号：F， 体心立方晶格体心立方晶格 溶解能力溶解能力：溶解度很小，在：溶解度很小，在727时，时， 碳在碳在-Fe中的最大溶碳量为中的最大溶碳量为0.0218%， 随温度的降低逐渐减小。随温度的降低逐渐减小。 性能性能：由于铁素体的含碳量低，所以：由于铁素体的含碳量低，所以 铁素体的性能与纯铁相似。即有良好铁素体的性能与纯铁相似。即有良好 的塑性和韧性，强度和硬较低。的塑性和韧性，强度和硬较低。 铁碳合金相图铁碳合金相图 第四单元第四单元 奥氏体奥氏体 概念概念：碳溶解在：碳溶解在Fe中形成的间

35、隙固溶体称中形成的间隙固溶体称 为奥氏体。为奥氏体。 符号符号：A， 面心立方晶格面心立方晶格 溶碳能力溶碳能力：较强。在：较强。在1148时时 可溶可溶C 为为2.11%，在，在727时，时， 可溶可溶C为为0.77%。 性能性能：强度、硬度不高，具有：强度、硬度不高，具有 良好的塑性，是绝大多数钢在良好的塑性，是绝大多数钢在 高温进行锻造和扎制时所要求高温进行锻造和扎制时所要求 的组织。的组织。 珠光体珠光体 概念概念：是铁素体与碳光体的混合物：是铁素体与碳光体的混合物 符号符号： P ，是铁素体和渗碳体片层相间，交替排，是铁素体和渗碳体片层相间，交替排 列。列。 溶碳能力溶碳能力：在：在

36、727时，时，C=0.77% 性能特点性能特点：取决于铁素体和渗碳体的性能，强度：取决于铁素体和渗碳体的性能，强度 较高，硬度适中，具有一定的塑性。较高，硬度适中，具有一定的塑性。 莱氏体莱氏体 概念概念：是含碳量为：是含碳量为4.3%的液态铁碳合金在的液态铁碳合金在 11480C时从液体上中间结晶出的奥氏体和渗碳体时从液体上中间结晶出的奥氏体和渗碳体 的混合物。的混合物。 符号符号：Ld（高温莱氏体，温度（高温莱氏体，温度727）由于奥）由于奥 氏体在氏体在727时转变为珠光体，所以在室温下的莱时转变为珠光体，所以在室温下的莱 氏体由珠光体和渗碳体组成叫低温莱氏体。氏体由珠光体和渗碳体组成叫

37、低温莱氏体。Ld表表 示示 溶碳能力溶碳能力：C=4.3% 性能特点性能特点：硬度很高，塑性很差。：硬度很高，塑性很差。 珠光体珠光体 概念概念：是铁素体与碳光体的混合物：是铁素体与碳光体的混合物 符号符号： P ，是铁素体和渗碳体片层相间，交替排，是铁素体和渗碳体片层相间，交替排 列。列。 溶碳能力溶碳能力：在：在727时，时，C=0.77% 性能特点性能特点：取决于铁素体和渗碳体的性能，强度较：取决于铁素体和渗碳体的性能，强度较 高，硬度适中，具有一定的塑性高，硬度适中，具有一定的塑性 二、铁碳合金相图二、铁碳合金相图 铁碳合金的分类铁碳合金的分类 钢钢：0.0218%C2.11%的铁碳合

38、的铁碳合 金金 亚共析钢：亚共析钢：0.0718%C0.77% 共析钢：共析钢：C=0.77% 过共析钢：过共析钢：0.77%C2.11% 白口铸铁白口铸铁：2.11%C6.69% 亚共晶白口铸铁：亚共晶白口铸铁：2.11%C4.3% 共晶白口铸铁：共晶白口铸铁：C=4.3% 过晶白口铸铁：过晶白口铸铁：4.3%C6.69% 四、铁碳合金相图的应用四、铁碳合金相图的应用 选材方面选材方面 铸造方面铸造方面 压力加工方面压力加工方面 热处理方面热处理方面 焊接方面焊接方面 第五单元第五单元 非合金钢非合金钢 一、硅一、硅 1、来源：炼钢后期作脱氧剂带入；、来源：炼钢后期作脱氧剂带入； 2、对钢的

39、性能影响：提高钢的强度、硬度；、对钢的性能影响：提高钢的强度、硬度； 3、是钢中的有益元素。、是钢中的有益元素。 二、锰二、锰 1、来源：炼钢脱氧剂。、来源：炼钢脱氧剂。 2、对钢的性能影响：提高钢的强度与硬度。、对钢的性能影响：提高钢的强度与硬度。 3、是钢中的有益元素、是钢中的有益元素 三、硫三、硫 1、来源：生铁带入；、来源：生铁带入； 2、对钢的性能影响：对钢造成热脆性；、对钢的性能影响：对钢造成热脆性； 3、是钢中的有害元素。、是钢中的有害元素。 四、磷四、磷 1、来源：生铁带入；、来源：生铁带入； 2、对钢的性能影响，对钢造成冷脆性；、对钢的性能影响，对钢造成冷脆性； 3、是钢中的

40、有害元素。、是钢中的有害元素。 二、非合金钢的分类二、非合金钢的分类 按钢的含碳量分类：按钢的含碳量分类： 1、低碳钢：、低碳钢：C0.25% 2、 中碳钢：中碳钢：0.25%C0.6% 3、高碳钢：、高碳钢：C0.6% 二、按钢的质量分类：二、按钢的质量分类： 1、普通钢：、普通钢：S0.05%，P0.045% 2、优质钢：、优质钢：S0.035%， P0.035% 3、高级优质钢：、高级优质钢：S0.025%， P0.025% 三、按钢的用途分类：三、按钢的用途分类： 1、结构钢：主要用于制造各、结构钢：主要用于制造各 种机械零件和工程构件。种机械零件和工程构件。C 0.7% 2、工具钢：

41、主要用于制造各、工具钢：主要用于制造各 种刀具、模具和量具。其含碳种刀具、模具和量具。其含碳 量大于量大于0.70% 三、非合金钢钢的牌号及用途三、非合金钢钢的牌号及用途 牌号：牌号：Q屈服点数值，质量等屈服点数值，质量等 级符号和脱氧方法符号；级符号和脱氧方法符号； 性能：一般；性能：一般； 应用：厂房、桥梁、船舶、铆应用：厂房、桥梁、船舶、铆 钉、螺钉、螺母等。钉、螺钉、螺母等。 例如：例如：Q235-AF：表示屈服点为：表示屈服点为 235Mpa的的A级沸腾钢级沸腾钢 一、优质碳素结构钢：一、优质碳素结构钢： 牌号：用两位数字表示钢中平均含碳量的十分之几。牌号：用两位数字表示钢中平均含碳

42、量的十分之几。 分类：分类： 1）、）、0825钢，属于低碳钢钢，属于低碳钢 性能：强度、硬度较低、塑性、韧性及焊接性良好；性能：强度、硬度较低、塑性、韧性及焊接性良好； 用途：冲压件、焊接结构件及渗碳件用途：冲压件、焊接结构件及渗碳件 如：深如：深 冲器件、压力容器等。冲器件、压力容器等。 2）、）、3055钢钢 属于中碳钢属于中碳钢 性能：较高的强度和硬度，是塑性和韧性随含性能：较高的强度和硬度，是塑性和韧性随含 碳量的增加而逐步降低。碳量的增加而逐步降低。 用途：制作受力较大的机械零件。用途：制作受力较大的机械零件。 如：连如：连 杆、曲轴、齿轮等杆、曲轴、齿轮等 3）、）、60钢以上钢

43、以上 属于高碳钢。属于高碳钢。 性能：有较高的强度、硬度和弹性；性能：有较高的强度、硬度和弹性； 用途：制造较高强度、耐磨性和弹性的零件用途：制造较高强度、耐磨性和弹性的零件 如：气如：气 门弹簧、弹簧垫圈等门弹簧、弹簧垫圈等 碳素工具钢：碳素工具钢： 牌号：牌号：T+数字（平均含碳数字（平均含碳 量的千分数）量的千分数） 如：如：T12A：表示平均含碳：表示平均含碳 量为量为1.2%的高效优质碳素工具的高效优质碳素工具 钢。钢。 T7T8：钻头、模具等：钻头、模具等 T9T10：丝锥、板牙等：丝锥、板牙等 T11T13：锉刀、削刀等：锉刀、削刀等 铸造碳钢：铸造碳钢： 牌号：牌号：ZG+数字

44、数字数字数字 第一组数字：屈服点第一组数字：屈服点 第二组数字：抗拉强度值第二组数字：抗拉强度值 如：如：ZG270500， 应用：制造形状复杂力学性能要应用：制造形状复杂力学性能要 求较高的机械零件。求较高的机械零件。 第六单元第六单元 钢材的热处理钢材的热处理 一、热处理：一、热处理： 热处理热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和 冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。 热处理的目的：热处理的目的： 提高零件的使用性能；提高零件的使用性能； 充分发挥钢材的潜力；充分发挥钢材的潜力； 延

45、长零件的使用寿面；延长零件的使用寿面； 改善工件的工艺性能，提高加工质量，减小刀具的磨损改善工件的工艺性能，提高加工质量，减小刀具的磨损。 钢的热处理方法：退火、正火、淬火、回火及表面热处理等五钢的热处理方法：退火、正火、淬火、回火及表面热处理等五 种。种。 热处理使钢性能发生变化的原因：热处理使钢性能发生变化的原因： 由于铁有同素异转变，从而使钢在加热和冷却过程中，发生了由于铁有同素异转变，从而使钢在加热和冷却过程中，发生了 组织与结构变化。组织与结构变化。 二、钢在加热时的组织转变二、钢在加热时的组织转变 钢的奥氏体化钢的奥氏体化 奥氏体晶核的形成及长大；奥氏体晶核的形成及长大； 残余渗碳

46、件的溶解；残余渗碳件的溶解； 奥氏体的均匀化；奥氏体的均匀化； 在热处理工艺中，钢保温的目的是：在热处理工艺中，钢保温的目的是： 、为了使工件热透；、为了使工件热透； 、使组织转变完全；、使组织转变完全； 、使奥氏体成分均匀。、使奥氏体成分均匀。 奥氏体晶粒的长大：奥氏体晶粒的长大： 加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越大加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越大 三、钢材在冷却时的组织转变三、钢材在冷却时的组织转变 过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体的等温转变 等温转变图的建立等温转变图的建立 过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能 珠光体转变：珠光体转变： 温

47、度：温度：A15500C珠光体珠光体 HRC A16500C珠光体珠光体P 25 6500C6000C索氏体索氏体S 2535 6000C5500C屈氏体屈氏体T 3540 贝氏体型转变：贝氏体型转变： 5500CMs贝氏体贝氏体B 4045 5500C3500C上贝氏体上贝氏体B上上 3500CMs下贝氏体下贝氏体B下下 4555 马氏体转变马氏体转变 碳在碳在Fe中的过饱和固溶体，称为马氏体，用符号中的过饱和固溶体，称为马氏体，用符号M表表 示，体心正方晶格。示，体心正方晶格。 马氏体转变的特点：马氏体转变的特点： 转变温度：转变温度：MsMf 转变速度极快；转变速度极快； 转变体积发生膨

48、胀；转变体积发生膨胀； 转变不彻底。转变不彻底。 性能特点：针状马氏体：硬度高、脆性大；板条马氏体：性能特点：针状马氏体：硬度高、脆性大；板条马氏体： 强度、韧性较好强度、韧性较好 马氏体的硬度主要取决于含碳量。马氏体的硬度主要取决于含碳量。 过冷奥氏体等温度转变图的应用。过冷奥氏体等温度转变图的应用。 在等温转变图上估计连续冷却转变产物，确定马氏体临界在等温转变图上估计连续冷却转变产物，确定马氏体临界 冷却速度冷却速度 四、退火与正火四、退火与正火 退火退火 概念：将钢加热到适当温度，保持一定时间，然概念：将钢加热到适当温度，保持一定时间，然 后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺称后缓慢冷

49、却（一般随炉冷却）的热处理工艺称 为退火。为退火。 退火的主要目的是：降低钢的硬度，提高塑性，退火的主要目的是：降低钢的硬度，提高塑性， 以利于切削加工及冷变形加工；细化晶粒，均以利于切削加工及冷变形加工；细化晶粒，均 匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的 热处理作组织上的准备；消除钢中的残余内应热处理作组织上的准备；消除钢中的残余内应 力，以防止变形帮开裂。力，以防止变形帮开裂。 退火的方法：退火的方法： 完全退火：完全退火： 完全退火是将钢加热到完全奥氏体（完全退火是将钢加热到完全奥氏体（Ac3以上以上30500C），）， 随之缓慢冷却，以获得接

50、近平衡状态组织的工艺方法。随之缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的工艺方法。 应用：中碳钢及低、中碳合金结构钢的锻件、铸件、热应用：中碳钢及低、中碳合金结构钢的锻件、铸件、热 轧型材等。轧型材等。 球化退火：球化退火是将钢加热到球化退火：球化退火是将钢加热到AC1以上以上20300C， 保温一定得时间，以不大于保温一定得时间，以不大于500C/H得冷却速度随炉得冷却速度随炉 冷却，使钢终碳化物呈球状得工艺方法。应用：适冷却，使钢终碳化物呈球状得工艺方法。应用：适 用于共析钢及过共析钢。如碳素工具钢，合金工具用于共析钢及过共析钢。如碳素工具钢，合金工具 钢、轴承钢等。钢、轴承钢等。 去应力退火：去

51、应力退火是将钢加热到略低于去应力退火：去应力退火是将钢加热到略低于A1得温得温 度，保温一定时间后缓慢冷却得工艺方法。应用：度，保温一定时间后缓慢冷却得工艺方法。应用： 消除塑性变形、焊接、切削加工、铸造等形成的残消除塑性变形、焊接、切削加工、铸造等形成的残 余内应力。余内应力。 正火正火 1、正火概念：将钢加热到、正火概念：将钢加热到Ac3或或Accm以上以上 30-500C，保温适当的时间，在空气中冷，保温适当的时间，在空气中冷 却的工艺方法。正火退火的目的基本相同，却的工艺方法。正火退火的目的基本相同， 2、正火主要用于如下场合：、正火主要用于如下场合： 善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性

52、；善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性； 正火可细化晶粒；正火可细化晶粒； 消除过共析钢中的网状渗碳体，改善钢的消除过共析钢中的网状渗碳体，改善钢的 力学性能，并为球化退火作组织准备；力学性能，并为球化退火作组织准备； 代替中碳钢和低碳合金结构钢的退火。代替中碳钢和低碳合金结构钢的退火。 五、淬火五、淬火 1、概念：将钢加热到、概念：将钢加热到Ac3或或Ac1以上某一温度，保温一定时间，以上某一温度，保温一定时间， 然后以适当速度冷却，获得马氏体或下马贝氏组织的热处理然后以适当速度冷却，获得马氏体或下马贝氏组织的热处理 工艺称为淬火；工艺称为淬火； 2、目的：主要获得马氏体，提高钢的强度和硬度。、

53、目的：主要获得马氏体，提高钢的强度和硬度。 工艺：工艺： 一、淬火加热温度：一、淬火加热温度： 亚共析钢的淬火加热：亚共析钢的淬火加热：Ac3以上以上30500C 过共析钢的淬火加热：过共析钢的淬火加热：Ac1以上以上30500C 二、淬火冷却介质：油、水、盐水、碱水等。二、淬火冷却介质：油、水、盐水、碱水等。 三、淬火方法：三、淬火方法： 单液淬火法：碳钢一般用水作冷却介质；合金钢用油作冷却单液淬火法：碳钢一般用水作冷却介质；合金钢用油作冷却 介质。介质。 双介质淬火：如，先水后油；先水后空气。双介质淬火：如，先水后油；先水后空气。 马氏体分液淬火；马氏体分液淬火； 贝氏体等温淬火。贝氏体等

54、温淬火。 4 冷处理冷处理 钢的淬透性和淬硬性钢的淬透性和淬硬性 淬火缺陷：淬火缺陷： 氧化与脱碳氧化与脱碳 过热和过烧过热和过烧 变形与开裂变形与开裂 硬度不定硬度不定 六、回火六、回火 回火的概念：回火的概念： 将钢淬火后，再加热到将钢淬火后，再加热到Ac1点以下的某一温度，保点以下的某一温度，保 温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称 为回火。为回火。 回火目的：回火目的： 消除内应力；消除内应力； 获得所需要的力学性能；获得所需要的力学性能； 稳定组织和尺寸稳定组织和尺寸 淬火钢在回火时组织与性能的变化淬火钢在回火时组织与性能的变化 马氏体分解

55、；马氏体分解； 残余奥氏体分解残余奥氏体分解 渗碳体的形成渗碳体的形成 渗碳体的聚集长大。渗碳体的聚集长大。 其基本的趋势是：随着回火温度的升高，钢的强其基本的趋势是：随着回火温度的升高，钢的强 度、硬度下降，而塑性、韧性提高。度、硬度下降，而塑性、韧性提高。 回火的分类及应用回火的分类及应用 低温回火：低温回火： T1=1500C2500C 组织：回火马氏体；组织：回火马氏体； 性能：具有高硬度，高耐磨性和一定的韧性；性能：具有高硬度，高耐磨性和一定的韧性； 应用：刀具、量具、冷冲压模具等应用：刀具、量具、冷冲压模具等 中温回火：中温回火：T1=3500C5000C 组织：回火托氏体；组织：

56、回火托氏体； 应用：刀具、量具、冷冲压模具等应用：刀具、量具、冷冲压模具等 性能：具有高的弹性极限、屈服点；性能：具有高的弹性极限、屈服点； 应用：弹性零件。应用：弹性零件。 高温回火：高温回火：T1=500C6500C 组织：回火索氏体；组织：回火索氏体； 性能：综合力学性能；性能：综合力学性能； 应用：受力结构体。应用：受力结构体。 调质：生产中常把淬火及高温回火的复合热处调质：生产中常把淬火及高温回火的复合热处 理工艺称为调质。理工艺称为调质。 七、表面热处理七、表面热处理 与化学热处理与化学热处理 概述：概述： 在机械设备中，有许多零件（如齿轮、活塞销、曲轴等）是在机械设备中，有许多零

57、件（如齿轮、活塞销、曲轴等）是 在冲击载荷及表面摩擦条件下工作的。这类零件表面必须在冲击载荷及表面摩擦条件下工作的。这类零件表面必须 具有高硬度和耐磨性，而心部要有足够的塑性和韧性。这具有高硬度和耐磨性，而心部要有足够的塑性和韧性。这 类零件要进行表面热处理类零件要进行表面热处理 常用的表面热处理方法有：表面淬火及化学热处理。常用的表面热处理方法有：表面淬火及化学热处理。 表面淬火表面淬火 对工件表面进行淬火的工艺称为表面淬火。对工件表面进行淬火的工艺称为表面淬火。 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火 感应加热表面淬火感应加热表面淬火 七、表面热处理七、表面热处理 与化学热处理与化学热处理 二、

58、化学热处理二、化学热处理 分解分解 吸收吸收 扩散扩散 钢的渗碳：钢的渗碳： 渗碳件必须用低碳钢或低碳合金钢制造。渗碳件必须用低碳钢或低碳合金钢制造。 渗碳件进行热处理，常用淬火后低温回火。渗碳件进行热处理，常用淬火后低温回火。 八、热处理新技术八、热处理新技术 热处理新技术热处理新技术 形变热处理形变热处理真空热处理真空热处理可控气氛热处理可控气氛热处理激光热处理激光热处理电子束淬火电子束淬火 第七单元第七单元 低合金钢与合金钢低合金钢与合金钢 1、合金元素在钢材中的存在形式：合金铁素体、合金元素在钢材中的存在形式：合金铁素体合金碳合金碳 化物。化物。 2、合金元素对钢材热处理和力学性能的影

59、响：合金元、合金元素对钢材热处理和力学性能的影响：合金元 素对钢材的有利作用，主要是通过影响热处理工艺中的素对钢材的有利作用，主要是通过影响热处理工艺中的 相变过程显示出来。相变过程显示出来。 （1）对钢材加热转变的影响。）对钢材加热转变的影响。 （2）对钢材回火转变产生影响：提高钢材的耐回火性；）对钢材回火转变产生影响：提高钢材的耐回火性； 产生二次硬化。产生二次硬化。 1形成铁基固溶体形成铁基固溶体 （1）形成铁基置换固溶体形成铁基置换固溶体 Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与等元素可与Fe形成无限固溶体。形成无限固溶体。 其中其中Ni、Co和和Mn形成以形成以-Fe为基的无限固溶体，为

60、基的无限固溶体，Cr 和和V形成以形成以-Fe为基的无限固溶体。为基的无限固溶体。 Mo和和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如- Fe(Mo)和和-Fe(W)等。等。 Ti、Nb、Ta只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体；只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体； Zr、Hf、Pb在在Fe具有很小的溶解度。具有很小的溶解度。 一、合金元素的存在形式（一、合金元素的存在形式（1 ） A 0 H A A A A A A He Li Be B C N O F Ne Na Mg B B B B B B B B Al Si P S Cl Ar K Ca Se Ti V Cr