金属材料及热处理

1、总 复 习使用性能使用性能工艺性能工艺性能纯金属纯金属合金合金工业用钢工业用钢有色金属及其合金有色金属及其合金铸铁铸铁结晶结晶塑性变形塑性变形热处理热处理l 使用性能使用性能l1、力学性能、力学性能l 刚度：刚度：材料抵抗弹性变形的能力。材料抵抗弹性变形的能力。l指标为弹性模量：指标为弹性模量：E= / l 强度：强度：材料抵抗变形和破坏的能力。指标：材料抵抗变形和破坏的能力。指标：l抗拉强度抗拉强度 b材料断裂前承受的最大应力。材料断裂前承受的最大应力。l屈服强度屈服强度 s材料产生微量塑性变形时的应力。材料产生微量塑性变形时的应力。F/S0l条件屈服强度条件屈服强度 0.2残余塑变为残余塑

2、变为0.2%时的应力。时的应力。l疲劳强度疲劳强度 -1无数次交变应力作用下不发生破坏的无数次交变应力作用下不发生破坏的最大应力。最大应力。l 塑性：塑性：材料断裂前承受最大塑性变形的能力。指材料断裂前承受最大塑性变形的能力。指标为标为 、 。l 硬度：硬度：材料抵抗局部塑性变形的能力。指标为材料抵抗局部塑性变形的能力。指标为HB、HRC。l 冲击韧性：冲击韧性：材料抵抗冲击破坏的能力。指标为材料抵抗冲击破坏的能力。指标为k.材料的使用温度应在冷脆转变温度以上。材料的使用温度应在冷脆转变温度以上。l2、化学性能、化学性能l 耐蚀性：耐蚀性：材料在介质中抵抗腐蚀的能力。材料在介质中抵抗腐蚀的能力

3、。l 抗氧化性：抗氧化性：材料在高温下抵抗氧化作用的能力。材料在高温下抵抗氧化作用的能力。l3、耐磨性：、耐磨性：材料抵抗磨损的能力。材料抵抗磨损的能力。l 工艺性能工艺性能l1、铸造性能：、铸造性能：液态金属的流动性、填充性、收缩率液态金属的流动性、填充性、收缩率、偏析倾向。偏析倾向。l2、锻造性能：、锻造性能：成型性与变形抗力。成型性与变形抗力。l3、切削性能：、切削性能：对刀具的磨损、断屑能力及导热性。对刀具的磨损、断屑能力及导热性。l4、焊接性能：、焊接性能：产生焊接缺陷的倾向。产生焊接缺陷的倾向。l5、热处理性能：、热处理性能：淬透性、耐回火性、二次硬化、回淬透性、耐回火性、二次硬化

4、、回火脆性。火脆性。l 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构l1、理想金属、理想金属l 晶体：晶体：原子呈规则排列的固体。原子呈规则排列的固体。l 晶格：晶格：表示原子排列规律的空间格架。表示原子排列规律的空间格架。l 晶胞：晶胞：晶格中代表原子排列规律的最小几何单元晶格中代表原子排列规律的最小几何单元. Mg、Zn -Fe、Ni、Al -Fe、Cr、W常见金属常见金属31212滑移系滑移系底面对角底面对角3 3 2滑移方向滑移方向六方底面六方底面1111 41106滑移面滑移面0.740.740.68致密度致密度12 128配位数配位数6 42原子个数原子个数原子半径原子半径a、caa晶格常数晶

5、格常数密排六方密排六方面心立方面心立方体心立方体心立方a43a42a21l 多晶体结构：多晶体结构：由多晶粒组成的晶体结构。由多晶粒组成的晶体结构。l 晶粒：晶粒：组成金属的方位不同、外形不规则的小晶体组成金属的方位不同、外形不规则的小晶体. l 晶界：晶界：晶粒之间的交界面。晶粒之间的交界面。l 晶体缺陷晶体缺陷晶格不完整的部位晶格不完整的部位l 点缺陷点缺陷l 空位：空位：晶格中的空结点。晶格中的空结点。l 间隙原子：间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。挤进晶格间隙中的原子。l 置换原子：置换原子：取代原来原子位置的外来原子。取代原来原子位置的外来原子。 l 线缺陷线缺陷位错位错l晶格中一部分

6、晶体相对另一部分晶体沿某一晶面发晶格中一部分晶体相对另一部分晶体沿某一晶面发生局部滑移生局部滑移, 滑移面上滑移区与未滑移区的交接线滑移面上滑移区与未滑移区的交接线.l 面缺陷面缺陷晶界和亚晶界晶界和亚晶界 l亚晶粒：亚晶粒：组成晶粒的尺寸很小、位向差也很小的小组成晶粒的尺寸很小、位向差也很小的小晶块。晶块。亚晶界：亚晶界：亚晶粒之间的交界面。亚晶粒之间的交界面。l 晶界的特点：晶界的特点：l原子排列不规则；阻碍位错运动；熔点低；耐蚀性原子排列不规则；阻碍位错运动；熔点低；耐蚀性低；产生内吸附；是相变的优先形核部位。低；产生内吸附；是相变的优先形核部位。l金属的晶粒越细，晶界总面积越大，位错障

7、碍越多；金属的晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使得金属塑性需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使得金属塑性变形的抗力越高。变形的抗力越高。l晶粒越细，单位体积内同时参与变形的晶粒数目越多晶粒越细，单位体积内同时参与变形的晶粒数目越多,变形越均匀，在断裂前将发生较大塑性变形。强度和变形越均匀，在断裂前将发生较大塑性变形。强度和塑性同时增加，在断裂前消耗的功大，因而韧性也好塑性同时增加，在断裂前消耗的功大，因而韧性也好. l细晶强化：细晶强化：通过细化晶粒来提高强度、硬度和塑性、通过细化晶粒来提高强度、硬度和塑性、韧性的方法。韧性的方法。l 合金的晶体结构合

8、金的晶体结构l合金：合金：由两种或两种以上元素组成的具有金属特性由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。如碳钢、合金钢、铸铁、有色合金。的物质。如碳钢、合金钢、铸铁、有色合金。 l相：相：金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。他部分有界面分开的均匀组成部分。l1、固溶体：、固溶体：与组成元素之一的晶体结构相同的固相与组成元素之一的晶体结构相同的固相.l 置换固溶体：置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格结点位置形溶质原子占据溶剂晶格结点位置形成的固溶体。成的固溶体。多为金属元素之间形成的固溶体。多为金属元素之间形成的固溶

9、体。 l 间隙固溶体：间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格间隙所形成溶质原子处于溶剂晶格间隙所形成的固溶体。的固溶体。l为过渡族金属元素与小原子半径非金属元素组成。为过渡族金属元素与小原子半径非金属元素组成。l铁素体：铁素体：碳在碳在 -Fe中的固溶体。中的固溶体。l奥氏体：奥氏体：碳在碳在 -Fe中的固溶体。中的固溶体。l马氏体：马氏体：碳在碳在 -Fe中的过饱和固溶体。中的过饱和固溶体。l固溶强化：固溶强化：随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象。提高，塑性、韧性下降的现象。马氏体硬度主要取决于含碳量并随含碳量增加而提高。马氏体硬度主要取

10、决于含碳量并随含碳量增加而提高。 l 金属化合物：金属化合物：与组成元素晶体结构均不相同的固相与组成元素晶体结构均不相同的固相.l强碳化物形成元素：强碳化物形成元素：Ti、Nb、V 如如TiC、VCl中碳化物形成元素：中碳化物形成元素：W、Mo、Cr 如如Cr23C6l弱碳化物形成元素：弱碳化物形成元素：Mn、Fe 如如Fe3Cl 性能比较：性能比较：强度：固溶体强度：固溶体 纯金属纯金属l 硬度：化合物硬度：化合物 固溶体固溶体 纯金属纯金属l 塑性：塑性：化合物化合物 固溶体固溶体 纯金属纯金属l 金属化合物形态对性能的影响金属化合物形态对性能的影响l 基体、晶界网状：基体、晶界网状：强韧

11、性低强韧性低l 晶内片状：晶内片状：强硬度提高，塑韧性降低强硬度提高，塑韧性降低l 颗粒状：颗粒状：l弥散强化：第二相颗粒越细，数量越多，分布越均匀弥散强化：第二相颗粒越细，数量越多，分布越均匀,合金的强度、硬度越高，塑韧性略有下降的现象。合金的强度、硬度越高，塑韧性略有下降的现象。 l 纯金属的组织纯金属的组织l1、结晶：、结晶：金属由液态转变为晶体的过程金属由液态转变为晶体的过程l 结晶的条件结晶的条件过冷：过冷：在理论结晶温度以下发生在理论结晶温度以下发生结晶的现象。结晶的现象。l过冷度：过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差。理论结晶温度与实际结晶温度的差。l 结晶的基本过程结晶的基本

12、过程晶核形成与晶核长大晶核形成与晶核长大l形核形核自发形核与非自发形核自发形核与非自发形核l长大长大均匀长大与树枝状长大均匀长大与树枝状长大l 结晶晶粒度控制方法：结晶晶粒度控制方法：增加过冷度；增加过冷度；变质处变质处理；理；机械振动、搅拌机械振动、搅拌l2、纯金属中的固态转变、纯金属中的固态转变l同素异构转变：同素异构转变：物质在固态下晶体结构随温度而发物质在固态下晶体结构随温度而发生变化的现象。生变化的现象。l固态转变的特点：固态转变的特点：形核部位特殊；形核部位特殊；过冷倾向过冷倾向大大;伴随着体积变化。伴随着体积变化。1394 912 铁的铁的同素异构转变：同素异构转变： -Fe -

13、Fe -Fel1、相图、相图 匀晶匀晶L 共晶共晶L+ 共析共析 + 包晶包晶L+l杠杆定律：杠杆定律：只适用于两相区。只适用于两相区。l枝晶偏析：枝晶偏析：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象。不均匀的现象。 l2、合金中的固态相变、合金中的固态相变l 固溶体转变：固溶体转变：AFl 共析转变：共析转变：AP(F+Fe3C)l 二次析出：二次析出：AFe3Cl 奥氏体化奥氏体化l 过冷奥氏体转变过冷奥氏体转变l 固溶处理固溶处理+时效：时效：l固溶处理固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温并淬是指将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后获得过饱和

14、的单相固溶体组织的处理。火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。l时效时效是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。度保温，以析出弥散强化相的热处理。 l点：点：符号、成分、温度符号、成分、温度FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3C莱氏体莱氏体Le(A+ Fe3C) Le(P+Fe3C)珠光体珠光体P(F+ Fe3C)复相

15、组织组成物：复相组织组成物：组织组成物标注组织组成物标注相区标注相区标注线：线：液固相线、水液固相线、水平线、固溶线、固平线、固溶线、固溶体转变线溶体转变线A 1538D 1227N 1394G 912PSK 727ECF 1148HJB 1495C%温度温度时间时间温度温度l 热处理原理热处理原理l1、加热时的转变、加热时的转变l奥氏体化步骤：奥氏体化步骤：A形核（位置？）；形核（位置？）；A晶核长大；残晶核长大；残余渗碳体溶解；余渗碳体溶解；A成分均匀化。成分均匀化。l奥氏体化后的晶粒度：奥氏体化后的晶粒度：l初始晶粒度：初始晶粒度：奥氏体化刚结束时的晶粒度。奥氏体化刚结束时的晶粒度。l实

16、际晶粒度：实际晶粒度：给定温度下奥氏体的晶粒度。给定温度下奥氏体的晶粒度。l本质晶粒度：本质晶粒度：加热时奥氏体晶粒的长大倾向。加热时奥氏体晶粒的长大倾向。 l C曲线及产物曲线及产物 （各种产物的组织形态及性能）650600550350A1MSMf时间时间PSTB上上B下下MM+AAPASATAB上上AB下下AM过冷过冷A过冷过冷A过冷过冷A过冷过冷A过冷过冷Al根据与根据与C曲线交点位置判断共析钢转变产物曲线交点位置判断共析钢转变产物 P均匀均匀A细细AA1MSMf时间时间等温退火等温退火PP退火退火(炉冷炉冷)正火正火(空冷空冷)S淬火淬火(油冷油冷)T+M+A等温淬火等温淬火B下下M+

17、A分级淬火分级淬火M+A淬火淬火(水冷水冷)M回回150-250T回回350-500S回回500-650?PT+S回回ST+B下下+M+Al3、回火时的转变、回火时的转变l碳钢：碳钢：马氏体的分解马氏体的分解 ；残余奥氏体分解；残余奥氏体分解 ； -碳化物转碳化物转变为变为Fe3C ；Fe3C聚集长大和铁素体多边形化聚集长大和铁素体多边形化 。lW18Cr4V钢：钢： 560三次回火。三次回火。析出析出W、Mo、V的碳的碳化物，产生二次硬化。化物，产生二次硬化。回火冷却时，回火冷却时，A转变为转变为M。每。每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。l强化强化

18、钢铁材料最经济有效的热处理工艺是钢铁材料最经济有效的热处理工艺是淬火淬火+回火回火,它包含了四种基本强化机理。它包含了四种基本强化机理。 工艺工艺目的目的加热温度加热温度组织组织退退火火1.调整硬度调整硬度,便于切便于切削加工。削加工。2.细化晶粒细化晶粒,为最终为最终热处理作组织准备。热处理作组织准备。亚共析钢亚共析钢Ac3+3050共析钢共析钢 Ac1+3050过共析钢过共析钢Ac1+3050F+PPP球球+Fe3C（球（球化退火）化退火）正正火火1.低中碳钢同退火。低中碳钢同退火。2.过共析钢：消除网过共析钢：消除网状二次渗碳体。状二次渗碳体。3.普通件最终热处理普通件最终热处理亚共析钢

19、亚共析钢Ac3+3050共析钢共析钢 Ac1+3050过共析钢过共析钢Accm+30500.6%C, F+S;0.6%C，SSS淬淬火火获得马氏体组织或获得马氏体组织或B下下。亚共析钢亚共析钢Ac3+3050共析钢共析钢 Ac1+3050过共析钢过共析钢Ac1+3050M+AM+AM+A+粒状粒状Fe3C工工艺艺目的目的加热温度加热温度组织组织回回火火1.消除内应力，消除内应力，减少变形。减少变形。2.获得所需要获得所需要的性能。的性能。低温回火低温回火150250中温回火中温回火350500高温回火高温回火500650 (调质调质)亚共析亚共析,共析钢：共析钢：M回回过共析钢过共析钢:M回回

20、+A(少少)+粒状粒状Fe3CT回回S回回表表面面淬淬火火表面获得马表面获得马氏体组织，氏体组织，并获得表硬并获得表硬心韧的性能。心韧的性能。预备热处理：预备热处理：调质或正火调质或正火适用于适用于中碳钢中碳钢 0.40.5%C表面：表面：M回回心部：心部： S回回(调质调质) 或或F+S(正火正火)渗渗碳碳提高表面含提高表面含碳量，获得碳量，获得表硬里韧的表硬里韧的性能。性能。渗碳温度渗碳温度:900950淬火温度：淬火温度：表面表面Ac1+3050心部心部Ac3+3050适用于低碳钢适用于低碳钢 0.10.25%C表面：表面：M回回+A(少少)+颗粒状颗粒状Fe3C心部心部：M回回+F M

21、回回l1、强化铁素体；固溶强化、强化铁素体；固溶强化l2、形成化合物、形成化合物第二相强化第二相强化l3、扩大（、扩大（C,Mn,Ni,Co）或缩小（）或缩小（Cr,Si,W,Mo）A相区相区l4、使、使S、E点左移点左移l5、影响、影响A化化l6、溶于溶于A(除除Co外外), 使使C曲线右移曲线右移, Vk减小减小, 淬透性提高淬透性提高.l7、除、除Co、Al外，使外，使Ms、Mf点下降。点下降。l8、提高、提高耐回火性？耐回火性？（淬火钢在回火过程中抵抗硬度下淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力降的能力） l9、产生、产生二次硬化？二次硬化？(含高含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回钢淬火后

22、回火时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时火时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A转变为转变为M回回，使硬度不仅不下降，反而升高的现象，使硬度不仅不下降，反而升高的现象) l10、防止第二类回火脆性：、防止第二类回火脆性：W、Mol(回火脆性？回火脆性？ ：淬火钢在某些温度范围内回火时，出：淬火钢在某些温度范围内回火时，出现的冲击韧性下降的现象。现的冲击韧性下降的现象。)钢种钢种C%典型牌号典型牌号合金元素作用合金元素作用热处理热处理使用状态下组织使用状态下组织性能性能用途用途碳素结碳素结构钢构钢0.4Q195Q235热轧空热轧空冷冷F+P塑性塑性,焊接性焊接性好好建筑结建筑结构

23、构低合金低合金高强度高强度钢钢0.2Q345(16Mn)Mn:强化强化F,增加增加P,降低降低脆转温度脆转温度热轧空热轧空冷冷F+P塑性塑性,焊接性焊接性好好桥梁桥梁,船舶船舶, 容器容器渗碳钢渗碳钢0.10.252020Cr20CrMnTiCr,Mn:提高提高淬透性淬透性,强强化化F,Ti:细化细化晶粒晶粒渗碳渗碳+淬淬火火+低温低温回火回火表面：表面：M回回+ A (少量少量)+颗粒颗粒状状Fe3C心部心部：M回回+F表硬表硬里韧里韧轴、齿轴、齿轮轮调质钢调质钢0.30.54540Cr40CrNiMoCr,Ni:提高淬透提高淬透性性,强化强化F,Mo:防止第二防止第二类回火脆性类回火脆性调

24、质调质S回回良好综良好综合力学合力学性能性能轴、齿轴、齿轮轮弹簧钢弹簧钢0.60.90.450.765Mn60Si2MnCr,Mn:提高淬提高淬透性透性,强化强化F；Si:提高屈强比提高屈强比淬火淬火+中中温回火温回火T回回高高 s/ b高高 -1弹簧弹簧l 工业用钢（钢的分类方法）工业用钢（钢的分类方法）钢种钢种C%典型牌号典型牌号合金元素作合金元素作用用热处理热处理使用状态下组使用状态下组织织性能性能用途用途滚动轴滚动轴承钢承钢0.951.10GCr15Cr:提高淬提高淬透性透性,耐磨耐磨耐蚀性耐蚀性球退球退+淬淬火火+低温低温回火回火M回回+ A(少少量量)+颗粒状颗粒状Fe3C高耐磨高

25、耐磨高高 - -1足够足够ak滚动轴滚动轴承承耐磨钢耐磨钢1.01.3ZGMn13Mn:形成形成A组织组织固溶处固溶处理理表：表：M+碳化物碳化物心：心：A高耐磨高耐磨耐冲击耐冲击铲齿，铲齿，履带板履带板碳素工碳素工具钢具钢0.651.35T7T13球退球退+淬淬火火+低温低温回火回火M回回+ A(少少量量)+颗粒状颗粒状Fe3C高硬度高硬度高耐磨高耐磨冲子、冲子、丝锥、丝锥、锉刀锉刀低合金低合金工具钢工具钢0.751.59SiCrSi、Cr：提：提高淬透性高淬透性球退球退+淬淬火火+低温低温回火回火M回回+ A(少少量量)+颗粒状颗粒状Fe3C高硬度高硬度高耐磨高耐磨低速刃低速刃具具高速钢高

26、速钢0.71.5W18Cr4VCr:提高淬透性；提高淬透性；W、V：提高：提高热硬、耐磨性热硬、耐磨性锻、退火、锻、退火、淬火淬火+三三次回火次回火M回回+ A(少少量量)+颗粒状碳颗粒状碳化物化物高热硬高热硬高硬度高硬度高耐磨高耐磨高速刃高速刃具具钢种钢种C%典型牌号典型牌号合金元素作合金元素作用用热处理热处理使用状态下组织使用状态下组织性能性能用途用途冷作冷作模具模具钢钢1.42.3Cr12Cr12MoVCr:提高淬透提高淬透性。性。MoV:提提高耐磨性高耐磨性锻，退，锻，退，淬火淬火+低低温回火温回火M回回+ A(少量少量) +颗粒状碳化物颗粒状碳化物高硬度高硬度高耐磨高耐磨冷冲模冷冲模

27、挤压模挤压模热锻热锻模钢模钢0.50.65CrNiMo5CrMnMo合金元素作合金元素作用同调质钢用同调质钢调质调质S回回抗热疲抗热疲劳劳热锻模热锻模压铸压铸模钢模钢0.30.63Cr2W8V合金元素作合金元素作用同高速钢用同高速钢淬火淬火+回回火火M回回+ A(少量少量) +颗粒状碳化物颗粒状碳化物抗热疲抗热疲劳劳,耐磨耐磨压铸模压铸模不不锈锈钢钢0.03-0.951Cr13,2Cr13Cr:提高耐蚀提高耐蚀性；性；Ni:形成形成A；Ti:防止防止晶间腐蚀晶间腐蚀调质调质S回回高耐蚀高耐蚀性性(随随C%增增加加,耐蚀耐蚀性下降性下降)汽轮机叶片汽轮机叶片3Cr13,4Cr13淬火淬火+低温回

28、低温回火火M回回医疗器医疗器械械0Cr13不能热处理不能热处理F硝酸氮肥硝酸氮肥工业工业1Cr18Ni9Ti固溶处理固溶处理A化工管化工管道道耐耐热热钢钢15CrMo,12Cr1MoVCr,Si:提高抗氧化提高抗氧化性性;Mo:提高提高T再；再；V,Ti:弥散强化弥散强化; Ni:形成形成A组织组织正火正火F+P高热强高热强性性,高抗高抗氧化性氧化性锅炉零锅炉零件件4Cr9Si2,1Cr11MoV调质调质S回回气阀气阀,叶片叶片1Cr18Ni9Ti固溶固溶A过热器过热器管管l石墨化：石墨化：铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程。铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程。铸铁铸铁名称名称牌号举例牌号举例获得方法获得方法组织组织热处理热处理用途用途灰铸灰铸铁铁HT250(最低抗拉强度最低抗拉强度为为250MPa)液态金属石液态金属石墨化墨化+孕育孕育处理处理基体基体(F、P、F+P)