材料化学-金属材料

1、Chapter6 Metallic Materials1学习目的 结合前面所学内容，理解结合前面所学内容，理解金属材料结构与性能金属材料结构与性能特点；特点； 了解各种新型金属材料的特殊性能和结构以及了解各种新型金属材料的特殊性能和结构以及其用途。其用途。2 2Chapter6 Metallic Materials学习参考书目杨兴钰. 材料化学导论. 武汉：湖北科学技术出版社，2003王正品，张路，贾玉宏 主编，金属功能材料，化学工业出版社，2004李云凯 主编，金属材料学，北京理工大学出版社，2006Marc W. M. van der Wijst，Shape Control of Stru

2、ctures and Materials with Shape Memory Alloys，University of Technology Eindhoven，1998R. LeHolm，B. Norris，High Temperature Alloys for Aerospace Structure，ASM International，20013Chapter6 Metallic Materials6.1 6.1 金属金属/ /金属材料金属材料 性能、晶体结构与结晶等性能、晶体结构与结晶等6.1.1 6.1.1 金属金属/ /金属材料金属材料u金属金属 金属是具有良好的导电性和导热性、有一

3、定的强度和塑性、并具有光泽的物质，如铁、铜、铝和锌等。u金属材料金属材料 金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材料、并具有金属特性的工程材料。它包括纯金属和合金。 应用广泛的金属材料金属材料分类 金属材料通常分为： 1） 黑色金属黑色金属： 铁，铬，锰金属以及它们的合金。以铁、铁合金为主，包括钢，生铁，铁合金，铸铁等, 所以黑色金属又称钢铁材料，多用作结构材料。 2） 有色金属有色金属： 除铁，铬，锰金属以外的金属，多用作功能材料。 - 轻有色金属 - 重有色金属 - 贵金属 - 稀有金属 - 准金属金属材料分类 金属材料通常分为： 1） 黑色金属 2） 有色金属： 除铁，铬，锰金属以外的金

4、属，多用作结构材料。 - 轻有色金属轻有色金属：密度小于4.5g/cm3，包括铝、镁、锂、铍、铷、铯、钾、钠、钙、锶、钡、钛等。这些金属不仅密度小，而且化学活性大，与氧、硫、碳及卤素化合物接触相当稳定。铝是轻金属中用量最大的一种，其产量和消费量均仅次于钢铁，是第二大金属。金属材料分类 金属材料通常分为： 1） 黑色金属 2） 有色金属： 除铁，铬，锰金属以外的金属，多用作结构材料。 -重有色金属重有色金属：密度大于4.5g/cm3，包括铜、铅、锌、锡、镍、钴、锑、汞、镉和铋10种金属。重金属的化学性质一般比较稳定。尽管铜、锌等重金属是生命活动所需要的微量元素，但是大部分重金属如汞、铅、镉等并非

5、生命活动所必须，而且所有重金属超过一定浓度都对人体有毒。金属材料分类 金属材料通常分为： 1） 黑色金属 2） 有色金属： 除铁，铬，锰金属以外的金属，多用作结构材料。 - 贵金属：贵金属：价格昂贵的金属，包括金、银和铂族金属（铂、钌、铑、钯、饿和铱），共八个元素。因价格比一般常用金属昂贵而得名。贵金属具有优异的化学和热稳定性，以及其他许多独特的物理- 化学性能。贵金属地壳丰度低，分布稀散，彼此互溶共生，富集、分离和提纯都较困难。金属材料分类 金属材料通常分为： 1） 黑色金属 2） 有色金属： 除铁，铬，锰金属以外的金属，多用作结构材料。 -稀有金属稀有金属，通常指在自然界中含量较少或分布稀

6、散的金属，它们难于从原料中提取，在工业上制备和应用较晚。但在现代工业中有广泛的用途。 中国稀有金属资源丰富，如钨、稀土、钒、锆、钽、铌、锂、铍等已探明的储量，都居于世界前列，中国正在逐步建立稀有金属工业体系。 其中稀土金属（Rear Earth)，是元素周期表第族副族元素钪、钇和镧系元素共17种化学元素的合称。稀土是制造被称为“灵巧炸弹”的精密制导武器、雷达和夜视镜等各种武器装备不可缺少的元素。因其天然丰度小，又以氧化物或含氧酸盐矿物共生形式存在，故叫“稀土”。金属材料分类 金属材料通常分为： 1） 黑色金属 2） 有色金属： 除铁，铬，锰金属以外的金属，多用作结构材料。 - 准金属：准金属：

7、准金属也叫半金属。通常指硼、硅、锗、砷、碲、砹、和锑。它们在元素周期表中处于金属向非金属过渡的位置，物理性质和化学性质介于金属和非金属之间。单质一般性脆，呈金属光泽。电负性在1.82.4之间，大于金属，小于非金属，准金属多是半导体，具有导电性。铜及其合金：纯铜、黄铜（Cu+Zn）、 白铜（Cu+Ni）、青铜。铝及其合金：纯铝、变形铝合金、铸造铝合金轴承合金：锡基轴承合金、铅基轴承合金、 铝基轴承合金钛及其合金：钛镍合金 金属的性能金属的性能 金属材料的性能包括使用性能使用性能和工艺性能工艺性能. .u使用性能: 指金属材料在使用条件下所表现出来的性能 ，它包括物理性能、化学性能、力学性能等u工

8、艺性能: 指金属材料在制造工艺过程中的适应加工的性能。包括热处理性能、铸造性能、锻造性能、切削性能等 金属的物理性能金属的物理性能金属的物理性能是指金属固有的属性，包括密密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性。密度密度：某种物质单位体积的质量称为该物质的密度。 根据密度可分为轻金属和重金属熔点熔点：金属或合金从固态向液态转变时的温度称为熔 点。 熔点高的金属称为难熔金属（如钨、钼、钒等）。用来制造火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等。 熔点低的金属称为易熔金属（如锡、铅等） 导热性导热性：金属材料传导热量的性能称为导热性。 金属的导热能力以银为最好，铜、

9、铝次之银为最好，铜、铝次之导电性导电性：金属材料传导电流的性能称为导电性。热膨胀性热膨胀性：金属材料随着温度的变化而出现体积变化的特性称为热膨胀性。热膨胀性的大小用线膨胀性系数l和体膨胀性V系数。磁性磁性：金属材料在磁场中受到磁化的性能称为磁性。根据金属材料在磁场中受到磁化的程度不同，可分为 铁磁性材料（如铁、钴、镍等）铁磁性材料（如铁、钴、镍等）顺磁性材料（如锰、铬等）顺磁性材料（如锰、铬等）抗磁性材料（如铜、锌等）三类。抗磁性材料（如铜、锌等）三类。金属共有的物理性质金属共有的物理性质 常温下金属大都是常温下金属大都是 有金属光泽有金属光泽 大多数金属都是大多数金属都是 有有延展性延展性

10、有韧性有韧性（汞除外）（汞除外）不同金属也有本身的特性不同金属也有本身的特性 但是，不同金属的导电性、导热性、密度、熔但是，不同金属的导电性、导热性、密度、熔点、硬度等点、硬度等物理性质物理性质差别也较大。例如差别也较大。例如 大多数金属都是大多数金属都是银白色银白色的，但铜却呈的，但铜却呈 ，金，金呈呈 ，在常温下，大多数金属是固态，但汞，在常温下，大多数金属是固态，但汞是是 （表（表8-1）红色黄色液体一些金属的物理性质根据你的生活经验和表所提供的信息，并查阅有关资料分析下列问题。1. 为什么菜刀、镰刀、锤子等用铁制而不用铅制？银的导电性比铜好，为什么电线一般用铜制而不用银制？为什么灯泡里

11、的灯丝用钨制而不用锡制？如果用锡制的话，可能会出现什么情况？4. 为什么有的铁制品如水龙头等要镀铬（Cr）？如果镀金怎么样？金 属 之 最 地壳中含量最高的金属元素地壳中含量最高的金属元素 人体中含量最高的金属元素人体中含量最高的金属元素 目前世界年产量最高的金属目前世界年产量最高的金属 导电、导热性最好的金属导电、导热性最好的金属 硬度最高的金属硬度最高的金属 熔点最高的金属熔点最高的金属 熔点最低的金属熔点最低的金属 密度最大的金属密度最大的金属 密度最小的金属密度最小的金属铝钙银铁铬汞钨锂锇金属的化学性能金属的化学性能 金属的化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能，如耐腐蚀性、抗氧化性

12、和化学稳定性耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性。u耐腐蚀性：金属材料在常温下低抗氧、水蒸汽及其化学介质腐蚀破坏作用的能力，u抗氧化性：金属材料在加热时低抗氧化作用的能力，u化学稳定性：化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性称为热稳定性。金属的力学性能金属的力学性能金属的力学性能是外力作用时表现出来的性能。力学性能包括弹性、强度、塑性、硬度、韧性和弹性、强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。疲劳强度等。金属的工艺性能金属的工艺性能 金属的工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力。它包括铸造性能、锻压性能、焊接性能和切削加工性能等。工艺性能是材料能否大量工业

13、应用的一个重要因素。u铸造性能铸造性能：金属及合金铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能。u锻压性能锻压性能：金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度。u焊接性能焊接性能：金属材料对焊接加工的适应性。也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。u切削加工性能切削加工性能：金属材料接受切削加工的难易程度称为切削加工性能。u热处理性能：热处理性能：热处理即对固态下的材料进行加热、保温、冷却从而获得所需组织和性能的工艺。热处理性能包括淬透性、晶粒长大倾向、回火稳定性、变形开裂倾向等 金属的结构与结晶金属的结构与结晶金属的结构金属的结构 晶体与非晶体晶体与非晶体 在物质内部，凡是原子作有序

14、、有规则排列的称为晶体。绝大多数金属和合金都属于金属晶体。在物质内部，凡是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。 晶格和晶胞晶格和晶胞 表示原子在晶体中排列规格的空间格架，叫做晶格。 能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。 金属晶格类型金属晶格类型 体心立方晶格：铬、钒、钨及-Fe、-Fe 面心立方晶格：铝、铜、铅、镍及-Fe 密排六方晶格：镁、锌、铍和镉金属晶体结构缺陷金属晶体结构缺陷u 点缺陷：空位和间隙原子u 线缺陷：位错u 面缺陷：晶界 3 金属结晶过程的一般规律。 金属的结晶指的是由液态金属凝固为固体状态的过程。 结晶是由两个基本过程构成的： 第一，在液态

15、金属中首先产生一个极小的晶体作为结晶中心，这个极小的晶体称为晶核； 第二，晶核逐渐长大成为较大晶体。形核和晶核长大就是结晶过程。 4 金属的同素异构转变 金属在固态下随着温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的转变称为同素异构转变同素异构转变。由同素异构转变所得到的不同晶格的晶体称为同素异构体。铁的同素异构转变： 体心立方体心立方 面心立方面心立方 体心立方体心立方 oo1394 C912 CFeFeFe 6.1.2 6.1.2 铁碳合金和铁碳合金和FeFeC C相图相图合金合金 合金是指由两种或两种以上金属元素或金属与非金属元素组成的，具有金属特征的物质。如碳钢、合金钢等铁-碳合金、铜合金、钛

16、合金等。合金与组成它们的金属的性质的差异合金与组成它们的金属的性质的差异合金比其组分金属的颜色鲜艳；n合金的硬度大于组成它们的金属； 合金的熔点低于组成它们的金属；合金的抗腐蚀能力一般强于各组分金属。合金的组元、相与组织合金的组元、相与组织u组元：组元：组成合金中最基本的独立物质称为组元u相：相：合金中具有相同的结构，相同的物理和化学性能，并以界面形式与系统中其余部分分开的均匀部分。 固态合金的相结构主要有固溶体和金属固溶体和金属化合物化合物。Chapter6 Metallic Materials34合金的组织合金的组织u固溶体固溶体 固态下合金的组元间相互溶解形成的均匀相称为固溶体。可分为间

17、隙固溶体和置换固溶体间隙固溶体和置换固溶体两种基本类型。 固溶将破坏晶体中原子的规则有序排列，使晶格发生畸变。晶格畸变导致变形抗力增加，使固溶体强度增加，这种现象就固溶强化。固溶强化是提高强度的重要途径。u金属化合物金属化合物 金属化合物是合金中组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的一种新相。金属化合物的组成一般可用化学分子式来表示。如Fe3C 。 金属化合物熔点高，性能硬而脆。当它成细小弥散的分布于固溶体基体上时，能提高合金的强度、硬度、耐磨性。-第二相强化第二相强化 但当呈粗大、不均匀分布时，则会降低合金的力学性能。 固溶体和金属化合物是组成合金的基本相。 实际使用的合金其组织通常是由

18、固溶体和少量金属化合物组成的机械混合物混合物。通过控制调整固溶体中溶质原子的含量；以及控制金属化合物的数量、形态、分布等可改变合金的力学性能以获得所需的材料。铁系合金的组织结构 铁的同素异晶体-Fe：体心立方-Fe：面心立方-Fe：体心立方37oo1394 C912 CFeFeFe Chapter6 Metallic Materials在铁碳合金中，碳可以与铁组成化合物，也可以形成固溶体，或者形成混合物。 奥氏体（Austenite，符号A表示） 马氏体（Martensite，符号M表示） 铁素体（Ferrite，符号F表示） 渗碳体（cementite，符号C表示） 奥氏体（Austenit

19、e，符号A表示） 碳溶解在-Fe中的间隙固溶体 仍保持 -Fe的面心立方晶格，晶界比较直，呈规则多边形 727时溶碳为c 0.77，1148时可溶碳2.11 具有较高塑性39Chapter6 Metallic Materials 马氏体（Martensite，符号M表示）碳在-Fe中的过饱和固溶体马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT），中高碳钢中加速冷却通常能够获得这种组织 普遍具有较高强度和硬度40高碳马氏体低碳马氏体Chapter6 Metallic Materials41奥氏体和马氏体奥氏体和马氏体奥氏体和马氏体的结构奥氏体和马氏体的结构Chapter6 Metallic Materi

20、als 铁素体（Ferrite，符号F表示） 碳溶解于-Fe的体心立方晶格中形成的间隙固溶体 碳原子含量很少(仅0.02%) 强度和硬度低，塑性和韧性好。42Chapter6 Metallic Materials 渗碳体（cementite，符号C表示） 碳与铁形成的一种化合物Fe3C，一般含碳6.67 复杂的正交晶格 熔点1227。 极高硬度（BHN600以上）的脆性化合物，塑性、韧性几乎为零。43Chapter6 Metallic MaterialsChapter6 Metallic Materials44混合物（混合物不是合金的基本组成相） 珠光体（pearlite，符号P表示） 莱氏体

21、（ ledeburite ，符号Ld） 珠光体（pearlite，符号P表示） 奥氏体冷却时，在727发生共析转变的产物 碳质量分数平均为Wc=0.77%- 珠光体是铁素体和渗碳体的混合物 显微组织为由铁素体片与渗碳体片交替排列的片状组织45Chapter6 Metallic Materials混合物（混合物不是合金的基本组成相）莱氏体（莱氏体（Ledeburite, LdLedeburite, Ld） 莱氏体是奥氏体与渗碳体组成的机械混合物，是一种高温组织，存在与1148727之间。莱氏体中碳的质量分数为4.3%。在1148时从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的混合物，其性能与渗碳体相似，硬度

22、很高，塑性很差。铁碳合金相图铁碳合金相图 铁碳合金是工业上应用最广泛的金属材料。铁碳铁碳合金是工业上应用最广泛的金属材料。铁碳合金相图是表示平衡状态下不同成分的铁碳合金在不合金相图是表示平衡状态下不同成分的铁碳合金在不同温度下，具有的状态和组织的图形同温度下，具有的状态和组织的图形 学习铁碳相图，对于合理选择和使用钢铁材料、学习铁碳相图，对于合理选择和使用钢铁材料、指导热加工工艺（热处理、铸造、锻压等）具有重要指导热加工工艺（热处理、铸造、锻压等）具有重要意义。意义。48相图分析49主要点 ABCD线线液相线液相冷却至此开始析出，加热至此全部转化。 AHJECF线线固相线液态合金至此线全部结晶

23、为固相，加热至此开始转化 GS线线常称常称A3线A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A ES线线常称常称ACm线C在A中溶解度曲线 ECF线线共晶线含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物（莱氏体）。 PSK线线共析线,常称A1线含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反应，产生出珠光体50主要线Chapter6 Metallic Materials 对钢来说，C=0.02182.11的铁碳合金称为钢。其特点是高温时都有单相奥氏体，根据其含碳量及室温组织的不同，又可分为：u 亚共析钢：含碳量为0.02180.77之间的铁碳合金。u 共析钢：含碳量为0.77的铁

24、碳合金。u 过共析钢：含碳量为0.772.11之间的铁碳合金。 C=2.116.69的铁碳合金称白口铸铁。对白口铸铁来说，其特点是金属液相结晶时都将发生共晶反应生成莱氏体，根据其含碳量及室温组织的不同，又可分为：u 亚共晶白口铸铁：含碳量为2.114.3之间的铁碳合金。u 共晶白口铸铁：含碳量为4.3的铁碳合金。u 过共晶白口铸铁：含碳量为4.36.69之间的铁碳合金。 6.1.3. 钢的热处理 Heat-Treatment of Steel1. 1. 热处理热处理：将：将固态固态金属或合金通过金属或合金通过加热、保温加热、保温和和冷冷却却的方法的方法改变内部组织，从而获得所需组织结构与性改变

25、内部组织，从而获得所需组织结构与性能能的一种工艺。的一种工艺。2.2.热处理工艺过程：热处理工艺过程：加热、保温、冷却加热、保温、冷却三环节。三环节。一、热处理概论一、热处理概论在机床制造中约在机床制造中约60-70%的零件的零件要经过热处理。要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中需热在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达处理的零件达70-80%。模具、滚动轴承模具、滚动轴承100%需经过需经过热处理。热处理。总之，总之，重要零件都需适当热处重要零件都需适当热处理后才能使用。理后才能使用。 钢的热处理不仅可以改善其组织和性能，还可以改钢的热处理不仅可以改善其组织和性能，还可以改善其加工性能。更重

26、要的是赋于零件的最终性能的关键善其加工性能。更重要的是赋于零件的最终性能的关键工序。不少零件加工成形后并不能直接使用，而是必须工序。不少零件加工成形后并不能直接使用，而是必须进行热处理后才能使用。进行热处理后才能使用。二、钢在加热时的转变二、钢在加热时的转变 热处理过程中，加热一般是为了获得奥氏体组织奥氏体虽然为钢在高温状态下的组织，但其晶粒大小、成分和均匀程度，对钢在冷却后的组织和性能有重要影响。 由Fe-C相图可知，A1，A3，Acm是钢在平衡情况下的临界点。但在实际加热过程中，钢的组织转变有滞后现象，在加热时要高于、在冷却时要低于相图中的临界点。为便于区别，通常把加热时的临界点分别用Ac

27、1，Ac3，Accm表示，冷却时候的临界点用Ar1，Ar3，Arcm表示GPQSEAFF+AA+Fe3CPF+PP+Fe3CAc3AccmAc1Ar3Ar1ArcmA1A3Acm 0.0218 0.77 2.11临界点：钢在固态下发生组织转变的温度线。临界点：钢在固态下发生组织转变的温度线。A A1 1线（线（PSKPSK）A PA A3 3线（线（GSGS）AcmAcm线（线（ESES）A FA Fe3C实际加热时的临界点：实际加热时的临界点： AcAc1 1、AcAc3 3、AcAccmcm实际冷却时的临界点：实际冷却时的临界点： ArAr1 1、ArAr3 3、ArArcmcm钢的奥氏体

28、化加热是热处理的第一道工序。加热分两种：加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在一种是在A A1 1以下加以下加热，不发生相变；热，不发生相变；另一种是另一种是加热到临界点以上，目的是获得均加热到临界点以上，目的是获得均匀的奥氏体组织，称匀的奥氏体组织，称奥氏体化。奥氏体化。共析钢加热时的奥氏体化过程：共析钢加热时的奥氏体化过程：A形核A长大F e3C溶解A均匀化FF e3C未溶F e3C未溶F e3C 奥氏体晶核的形成 奥氏体晶粒的长大 残余渗碳体的溶解 奥氏体的均匀化。亚共析钢和过共析钢亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共的奥氏体化过程与共析钢基本相同。析钢基本相同。但由但由于先共析

29、于先共析F 或或Fe3C的的存在，要获得全部奥存在，要获得全部奥氏体组织，氏体组织，必须相应必须相应加热到加热到Ac3或或Accm以以上上。加热的目的：实现奥氏体化加热的目的：实现奥氏体化 （完全奥氏体化、（完全奥氏体化、 部分奥氏体化）部分奥氏体化）完全奥氏体化温度完全奥氏体化温度亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢:Ac3:Ac1:Accm部分奥氏体化温度部分奥氏体化温度亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢:Ac1Ac3:Ac1Accm影响奥氏体形成速度的因素影响奥氏体形成速度的因素u加热温度加热温度：加热温度高，保温时间长，奥氏体晶粒粗大。u加热速度的影响加热速度的影响：加热速度越快

30、，过热度越大，成核率越高，晶粒越细。u钢中含碳量的影响钢中含碳量的影响：含碳量越高，奥氏体晶粒长达倾向变大，但如果碳以残余渗碳体形式存在，则阻碍晶界移动，反而是长大倾向减小。u合金元素的影响合金元素的影响：加入碳化物、氮化物和氧化物形成元素，阻碍奥氏体晶粒长大。而锰、磷溶于奥氏体后，使铁原子扩散加快，促进奥氏体晶粒长大。奥氏体晶粒粗大，冷却后组织也粗大，降低钢的力学性能，尤其是塑性。冷却方式直接影响着钢的相变（决定热处理后钢的组冷却方式直接影响着钢的相变（决定热处理后钢的组织和性能）织和性能）。 需要热处理的零件，加热以后的冷却方式有以下需要热处理的零件，加热以后的冷却方式有以下两种两种：1

31、1）等温冷却等温冷却2）连续冷却连续冷却把加热到奥氏体的钢先以较快的速度过冷到把加热到奥氏体的钢先以较快的速度过冷到A1线线以下的一定温度，然后保持此温度，使奥氏体恒以下的一定温度，然后保持此温度，使奥氏体恒温进行组织转变，当组织转变结束后再继续冷却温进行组织转变，当组织转变结束后再继续冷却到室温到室温把加热到奥氏体的钢先以某一速度（在一定介质把加热到奥氏体的钢先以某一速度（在一定介质中）冷却至室温，使奥氏体在中）冷却至室温，使奥氏体在A1线以下的连续冷线以下的连续冷却中发生组织转变却中发生组织转变A A、过冷奥氏体等温转变曲线的建立、过冷奥氏体等温转变曲线的建立 1 1）过冷奥氏体（）过冷奥

32、氏体（A A）2 2）过冷奥氏体等温转变曲线（）过冷奥氏体等温转变曲线（C C曲线曲线）在在A1A1温度以下还没有转变成其它组织的奥氏体温度以下还没有转变成其它组织的奥氏体过冷奥氏体在过冷奥氏体在A1A1温度以下不同温度等温转变时，温度以下不同温度等温转变时，转变量与时间的关系曲线。转变量与时间的关系曲线。共析钢过冷奥氏体等温转变的产物共析钢过冷奥氏体等温转变的产物 1 1高温转变的产物（高温转变的产物（727 727 550 550 ）珠光体珠光体2 2中温转变的产物（中温转变的产物（550 550 230 230 ）贝氏体贝氏体 3 3低温转变的产物（低温转变的产物（ 230 230 ）马

33、氏体马氏体 （碳在（碳在-Fe-Fe中的饱和固溶体）中的饱和固溶体） 珠光体转变珠光体转变S 8000T 8000P 3800贝氏体的形貌马氏体的形貌板条状M片状M（针叶状）B B、用过冷奥氏体等温转变曲线分析钢的连续、用过冷奥氏体等温转变曲线分析钢的连续转变过程转变过程 v=v1：炉冷， a1 开始点 ， b1 终了点 ， 转变在一温度区间内（T1）进行，转变产物Pv=v2：空冷， a2 开始点 ， b2 终了点 ， 转变温度降低，温度区间变大，转变产物Sv=v3：油冷， a3开始点 ， a3 无意义， 转变分段进行，转变产物T+M+Av=v4：水冷， A在Ms 以前不分解，转变产物 M+A

34、T1v1v2vk kv3v4a1b1a3b2a2a3T2vk k：淬火临界冷却速度（M临界冷却速度） 获得 100%100% MM 的最小冷却速度注意：同一成分的钢在冷却时，由于冷却方式的不同，奥氏体被过注意：同一成分的钢在冷却时，由于冷却方式的不同，奥氏体被过冷到不同的温度，将转变成不同的组织，体现出不同的性能。冷到不同的温度，将转变成不同的组织，体现出不同的性能。M开始温度M终止温度四、四、热处理方法分类热处理方法分类分分 类类特特 点点常常 用用 方方 法法整体热处理整体热处理是对工件整体进行穿透加热退火、正火、 淬火、回火表面热处理表面热处理是仅对工件的表面进行的热处理工艺表面淬火和回

35、火（如感应加热淬火）、气相沉积等化学热处理化学热处理是改变工件表层的化学成分、组织和性能渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗、渗金属、多元共渗等毛坯生产毛坯生产 预先热处理预先热处理 机械粗加机械粗加工工 最终热处理最终热处理 机械精加工机械精加工预先热处理预先热处理 : : 退火退火 ; ; 正火正火最终热处理最终热处理 : : 淬火淬火 ; ; 回火回火一般零件生产的工艺路线一般零件生产的工艺路线: :五、钢的整体热处理工艺五、钢的整体热处理工艺(一一) 退火退火 (anneal)将钢加热到一定温将钢加热到一定温度，保温后缓慢冷度，保温后缓慢冷却却 (炉冷炉冷) 的热处理的热处理工艺叫做工艺叫做

36、退火退火。1. 退火目的退火目的 降低硬度降低硬度，便于切削加工。，便于切削加工。 提高塑性提高塑性，便于冷变形加工。，便于冷变形加工。 消除内应力消除内应力，防止零件变形和开裂。，防止零件变形和开裂。(4) 细化晶粒，为最终热处理作组织准备。细化晶粒，为最终热处理作组织准备。 真空退火炉真空退火炉2. 退火的分类退火的分类退火退火重结晶重结晶退退 火火低温低温退火退火完全退火完全退火扩散退火扩散退火球化退火球化退火再结晶退火再结晶退火去应力退火去应力退火根据钢的成分和处理目的的不同，可分为根据钢的成分和处理目的的不同，可分为碳钢的各种退火、正火加热温度范围碳钢的各种退火、正火加热温度范围常用

37、的退火方法常用的退火方法u 完全退火完全退火-重结晶退火重结晶退火 将钢完全奥氏体化，随之缓慢冷却，获得接近平衡态组织的工艺称为完全退火 (过共析钢不宜采用完全退火，因为在冷却过程中会析出网状渗碳体，破坏钢的力学性能)u 球化退火球化退火 为使钢中碳化物球化而进行的退火称球化退火。 经球化退火得到的是球状珠光体组织，其中的渗碳体呈球状颗粒，弥散分布在铁素体基体上，和片状珠光体相比，硬度低，便于切削加工。 将钢加热至AC1以上2030，保温一定时间，冷却方式采用炉冷，或在Ar1以下20左右进行较长时间等温处理 u扩散退火扩散退火 将钢加热至AC3以上150300，保温1020h，随炉缓慢冷却到3

38、50左右出炉空冷的工艺，又称均匀化退火。 扩散退火后晶粒十分粗大，必须进行一次完全退火或正火来细化晶粒，消除过热缺陷。 目的是消除是消除晶内偏析，使成分均匀化。u去应力退火去应力退火 将钢加热至A1以下某一温度(一般取500650)，保温一定时间，然后缓慢冷却的工艺。在去应力退火中，钢的组织不发生变化，只是消除内应力。 退火种类退火种类加热温度加热温度 目的目的适用范围适用范围完全退火完全退火AcAc3 3+ +（30305050）降低硬度，降低硬度，细化组织细化组织亚共析钢亚共析钢球化退火球化退火AcAc1 1+ +（30305050）使渗碳体球使渗碳体球状化，降低状化，降低硬度，改善硬度，

39、改善切削加工性切削加工性过共析钢过共析钢再结晶退火再结晶退火 T T再再+ +（100100200200）消除加工硬消除加工硬化化经冷变形的经冷变形的低碳钢低碳钢去应力退火去应力退火 A A1 1（100100200200） 消除内应力消除内应力铸、锻、焊铸、锻、焊接件接件常见退火工艺常见退火工艺(二二) 正火正火 (normalizing)正火是将正火是将亚共析钢亚共析钢加热到加热到Ac3+3050，共析钢，共析钢加热加热到到Ac1+3050，过共析钢，过共析钢 加热到加热到Accm+3050保温保温 后在后在静止空气中冷却静止空气中冷却的工艺。的工艺。正火比退火冷却速度大。得到正火比退火冷

40、却速度大。得到的组织比较细小，强度和硬度也的组织比较细小，强度和硬度也稍高一些。稍高一些。共析钢正火后的组织：共析钢正火后的组织：索氏体索氏体S正火温度正火温度 1. 1.正火目的：正火目的：1)1)提高硬度提高硬度，改善切削加工性能；，改善切削加工性能；2)2)细化组织和消除过热缺陷；细化组织和消除过热缺陷；3)3)消除和减少网状渗碳体，提高钢的综合机械性能。消除和减少网状渗碳体，提高钢的综合机械性能。 2.2.应用应用: :1 1）用于低碳钢或低合金钢用于低碳钢或低合金钢改善切削加工性能。改善切削加工性能。 2 2）用正火）用正火代替代替中碳钢、中合金钢的大直径或形状复杂中碳钢、中合金钢的

41、大直径或形状复杂零件的零件的调质处理。调质处理。 3 3）用正火）用正火代替代替工时很长的铸、锻件的工时很长的铸、锻件的完全退火完全退火。 4 4）作为球化退火之前的预先热处理。作为球化退火之前的预先热处理。(三三) 淬火淬火 (quenching)淬火淬火是将钢加热到临界点以上，是将钢加热到临界点以上，保温一定时间使其奥保温一定时间使其奥氏体化，然后将工件置入冷却介质（水、油、盐液）氏体化，然后将工件置入冷却介质（水、油、盐液）中，以极快的速度进行冷却而获得马氏体组织。中，以极快的速度进行冷却而获得马氏体组织。 淬火是应用最广的热处理淬火是应用最广的热处理工艺之一。工艺之一。淬火目的淬火目的

42、是为了获得马氏是为了获得马氏体组织，提高钢的硬度。体组织，提高钢的硬度。真空淬火炉真空淬火炉淬火温度淬火温度(1) 亚共析钢亚共析钢 淬火温度为淬火温度为 Ac3+(30-50)(2) 共析、过共析钢共析、过共析钢 淬火温度为淬火温度为Ac1+(30-50)注意：注意： 淬火的关键是：确定淬火温度和冷却方式。淬火的关键是：确定淬火温度和冷却方式。它是最常用的一种热处理，是决定产品质量的关键。它是最常用的一种热处理，是决定产品质量的关键。冷却介质水： 冷却能力强，主要用于碳钢工件油： 冷却能力较强，主要用于合金钢工件熔盐：冷却能力中等，用于形状复杂的小工具常用的淬火冷却方法常用的淬火冷却方法常用

43、的淬火常用的淬火冷却方法冷却方法单液淬火法单液淬火法双介质淬火法双介质淬火法分级淬火法分级淬火法等温淬火法等温淬火法加热至淬火温度，先投入一种冷却加热至淬火温度，先投入一种冷却能力强的介质中冷却至能力强的介质中冷却至MsMs点以下区点以下区域，然后再放入另一种冷却能力弱域，然后再放入另一种冷却能力弱的介质中冷却。适用于高碳钢零件的介质中冷却。适用于高碳钢零件和较大的合金钢零件。和较大的合金钢零件。加热至淬火温度，先投入加热至淬火温度，先投入MsMs点附近点附近的油浴和盐浴中冷却（的油浴和盐浴中冷却（2-5min2-5min），），然后再取出空冷。适用于尺寸较小然后再取出空冷。适用于尺寸较小的工

44、件。的工件。形状复杂、尺寸要求精确，且硬度形状复杂、尺寸要求精确，且硬度与韧性要求高的重要零件。与韧性要求高的重要零件。加热至淬火温度，投入一种淬火介加热至淬火温度，投入一种淬火介质中连续冷却。常见碳钢在水中淬质中连续冷却。常见碳钢在水中淬火、合金钢在油中淬火。火、合金钢在油中淬火。钢的淬透性与淬硬性钢的淬透性与淬硬性钢的淬透性钢的淬透性 钢的淬透性是指在规定淬火条件下,钢试样淬硬层深度和硬度分布表征的特性。钢在淬火时获得马氏体的能力。钢的淬硬性钢的淬硬性 钢的淬硬性是指钢在正常淬火条件下所能达到的最高硬度。 淬火易出现：淬火易出现：- 产生组织应力和热应力- 淬裂或变形- 体积增大且在各方向

45、上不均匀（四）钢的回火（四）钢的回火 (temper) 回火回火是指将淬火钢加热到是指将淬火钢加热到A1以下一定温度保温后在以下一定温度保温后在静止空气静止空气中冷却的工艺。中冷却的工艺。 回火的目的回火的目的 减少或消除淬火内应力，减少或消除淬火内应力，稳定工件尺寸。稳定工件尺寸。 获得良好的综合力学性能。获得良好的综合力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。火可调整硬度、韧性。螺杆表面的螺杆表面的淬火裂纹淬火裂纹 回火工艺及应用回火工艺及应用回火方法回火方法 加热温度加热温度组织组织 性能特点性能特点 适用范围适用范围低温回火低温回火（1501

46、50250250） M M高硬度、高耐高硬度、高耐磨性磨性刃具、量刃具、量具、模具具、模具中温回火中温回火（350350500500） T T良好的弹性极良好的弹性极限和屈服极限限和屈服极限各类弹簧各类弹簧高温回火高温回火（）（500500650650） S S良好的综合机良好的综合机械性能械性能曲轴、连曲轴、连杆等杆等：淬火淬火+ +高温回火高温回火调质处理调质处理4040钢力学性能与回火温度的关系钢力学性能与回火温度的关系淬火钢硬度随回火温度的变化淬火钢硬度随回火温度的变化回火时的性能变化回火时的性能变化 回火时力学性能变化总的趋势是随回火温度提高回火时力学性能变化总的趋势是随回火温度提高

47、，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。目的：目的：表硬里韧表硬里韧途径：途径： 一、只改变表面一、只改变表面组织（组织（表面淬火）表面淬火） 二、同时改变表面化学二、同时改变表面化学成分和组织（成分和组织（表面化学热处理）表面化学热处理） 六、六、 钢的表面热处理钢的表面热处理1. 钢的表面淬火钢的表面淬火 表面淬火表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火表层奥氏体化后进行淬火以以强化零件表面的热处理方法。强化零件表面的热处理方法。适用材料：适用材料：中碳钢

48、、中中碳钢、中碳合金钢、碳合金钢、铸铁铸铁种类：种类：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1 1）火焰加热表面淬火）火焰加热表面淬火 优点：优点：设备简单，使用方便、灵活；设备简单，使用方便、灵活； 缺点：容易过热，淬火质量不够稳定。缺点：容易过热，淬火质量不够稳定。 用于单件或小批生产的大型零件，局部淬火的零件用于单件或小批生产的大型零件，局部淬火的零件加热层移动方向喷水管焊炬淬硬层工件2 2）感应加热表面淬火）感应加热表面淬火 利用感应电流产生的热量，使工件表层、局部或整利用感应电流产生的热量，使工件表层、局部或整体加热并快速冷却的工艺方法。体加热并快速冷却的工

49、艺方法。 优点：加热速度快，生产效率高，淬硬层可控制、优点：加热速度快，生产效率高，淬硬层可控制、工艺质量稳定；易实现机械化和自动化工艺质量稳定；易实现机械化和自动化 缺点：成本高缺点：成本高 适用于形状简单、适用于形状简单、成批生产的零件。成批生产的零件。 2. 钢的表面化学热处理钢的表面化学热处理 表面化学热处理表面化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，是将工件置于特定介质中加热保温，使介质中使介质中活性原子渗入工件表层活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化从而改变工件表层化学成分和组织学成分和组织,进而改变其性能的热处理工艺。进而改变其性能的热处理工艺。 渗碳渗碳 渗氮渗氮 碳氮共渗

50、碳氮共渗 渗碳渗碳适用材料：低碳钢、低碳合金钢适用材料：低碳钢、低碳合金钢热处理：淬火热处理：淬火+ +低温回火低温回火 渗氮（氮化）渗氮（氮化）适用材料：适用材料：含含CrCr、MoMo、AlAl的合金钢的合金钢 （38CrMoAlA38CrMoAlA） 渗氮处理的特点渗氮处理的特点 模具渗氮后的性能特点模具渗氮后的性能特点 表面硬度高表面硬度高 具有较高的红硬性具有较高的红硬性 显著提高疲劳强度显著提高疲劳强度 提高模具耐蚀性提高模具耐蚀性 渗氮处理温度低，模具氮化后变形极小渗氮处理温度低，模具氮化后变形极小 降低了模具表面粗糙度，提高了抗咬合能力降低了模具表面粗糙度，提高了抗咬合能力 模

51、具的渗氮方法有气体渗氮、气体低温氮碳模具的渗氮方法有气体渗氮、气体低温氮碳共渗和离子渗氮共渗和离子渗氮气体渗氮气体渗氮基本原理基本原理 气体渗氮与渗碳相似，由气体渗氮与渗碳相似，由3 3个基本过个基本过程组成：活性原子的产生，零件表面对活性原子的程组成：活性原子的产生，零件表面对活性原子的吸收，活性原子自模具表面向内部扩散。吸收，活性原子自模具表面向内部扩散。工艺参数工艺参数 渗氮的主要工艺参数是渗氮温度、渗渗氮的主要工艺参数是渗氮温度、渗氮时间和氨分解率。氮时间和氨分解率。 气体低温氮碳共渗气体低温氮碳共渗 常用方法：常用方法：a.a.尿素气体低温氮碳共渗尿素气体低温氮碳共渗b.b.有机液体

52、滴注式气体低温氮碳共渗有机液体滴注式气体低温氮碳共渗c.c.氨加热式气体低温氮碳共渗氨加热式气体低温氮碳共渗气体低温氮碳共渗工艺气体低温氮碳共渗工艺在氮碳共渗前应对模具进行脱脂、除锈、清洗、防渗表在氮碳共渗前应对模具进行脱脂、除锈、清洗、防渗表面的保护等预处理工作。面的保护等预处理工作。 离子渗氮离子渗氮 其他热处理其他热处理 一、激光热处理一、激光热处理 二、气相沉积技术二、气相沉积技术 三、无氧化加热三、无氧化加热 1.1.真空热处理真空热处理 2.2.保护气氛中加热保护气氛中加热6.1.4.6.1.4.常见钢材分类和编号常见钢材分类和编号碳素钢碳素钢碳素钢：含碳量w(c)2.11%为生铁

53、，含碳量2.11%而不含有特意加入合金元素的钢称为碳素钢，简称碳钢。碳素钢具有良好的力学性能和工艺性能，且冶炼方便，价格便宜，故在机械制造、建筑、交通运输及其它各个工业部门中得到广泛的应用。钢中常存元素钢中常存元素(Si,Mn,S,P)(Si,Mn,S,P)硅硅：硅是炼钢后期，以硅铁脱氧剂进行脱氧反应后残留在钢中的元素。锰锰：锰主要来源炼钢脱氧剂。 硅和锰都是对钢的性能有益的元素。硫硫：主要是由生铁带入钢中的有害元素。易形成热脆，因此钢中硫含量不得超过0.05%。磷磷：也是由生铁带入钢中的有害元素。易产生冷脆。钢中磷含量达到0.1%时，冷脆性就很严重了。 钢中硫和磷是有害元素，应严格控制它们的

54、含量。钢中的非金属夹杂物主要有氧化物（FeO、Fe2O3、MnO、SiO2、Al2O3）、硫化物（MnS、FeS等） 和 硅酸盐。非金属夹杂物非金属夹杂物：碳素钢的分类碳素钢的分类 按碳的质量分数分类按碳的质量分数分类 - 低碳钢 w(C)=0.25% ： 可用作汽车车身 - 中碳钢 0.25%w(c)0.6%： 最大的用途是做铁路钢轨 钢中加入（Mn、Si 、Cr、Ni、Mo、W）等元素,可以改善钢的力学性能和工艺性能（强度、硬度、耐热性），有时可以使钢获得特殊的物理性能和化学性能 u按质量等级按质量等级 - 普通质量碳素钢普通质量碳素钢：对生产过程中控制质量无特殊规定，仅为一般用途的碳素钢及低合金钢。s0.045%,p0.045%； - 优质碳素钢优质碳素钢：在生产过程中需