金属材料与热处理培训课件(修改版20151203)

1、 金属材料与热处理培训金属材料与热处理培训2015年12月第一章、金属的性能第一章、金属的性能 第二章、第二章、金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶 第三章第三章、金属的塑形变形、金属的塑形变形第四章第四章、铁碳合金、铁碳合金第五章第五章、碳素钢、碳素钢第六章第六章、钢的热处理、钢的热处理第七章第七章、合金钢、合金钢第八章第八章、铸铁、铸铁第九章第九章、有色金属及硬质合金、有色金属及硬质合金主要内容主要内容绪论绪论1.1.金属材料的发展史。金属材料的发展史。 材料是人类生存、发展以及改造自然的物质基础，材料材料是人类生存、发展以及改造自然的物质基础，材料是人类文明大厦的基石，是人类文明大厦

2、的基石，公元前公元前43004300年，就有一些锻打、年，就有一些锻打、热加工的工艺，铁的熔炼在公元前热加工的工艺，铁的熔炼在公元前28002800年年，我国在公元，我国在公元前前6 6世纪已经出现了生铁制品。世纪已经出现了生铁制品。 2.2.金属材料与热处理在现代科学技术中的地位和作用。金属材料与热处理在现代科学技术中的地位和作用。 金属材料有其特有的各种优异性能，是现代工业和金属材料有其特有的各种优异性能，是现代工业和科学技术不可或缺的重要材料，热处理通过改变金科学技术不可或缺的重要材料，热处理通过改变金相组织，使其性能发生变化，决定产品性能、寿命相组织，使其性能发生变化，决定产品性能、寿

3、命和可靠性的关键，抓好制造业是我过制造业由大变和可靠性的关键，抓好制造业是我过制造业由大变强的必由之路。强的必由之路。材料分类材料分类黑色黑色 金属金属有色有色 金属金属金金属属材材料料铸铁铸铁碳钢碳钢 第一章第一章金属的性能金属的性能 工业纯铁工业纯铁特殊特殊金属金属除除Fe、Cr、Mn以外的以外的所有金属及所有金属及合金合金结构金属结构金属功能金属功能金属1、金属是由单一元素构成的具有特殊光泽以及一定的延展性、导电性、导热性的物质。2、金属材料分为三大类，即黑色金属、有色金属、特种金属。 2.1黑色金属有称钢铁材料，包括工业纯铁、碳钢、铸铁。2.2有色金属是指除Fe、Cr、Mn以外的所有金

4、属及合金。2.3特种金属包括结构金属和功能金属，有非晶态金属，以及准晶、微晶、纳米晶等。实际应用：实际应用：铸铁：铸铁：主要应用在气缸体、离合器主动盘、摇臂支座、主要应用在气缸体、离合器主动盘、摇臂支座、变挡轮等铸造类零件。变挡轮等铸造类零件。碳钢：碳钢：主要应用在主副轴、曲轴、凸轮轴、起动轴、主要应用在主副轴、曲轴、凸轮轴、起动轴、齿轮等锻造类零件。齿轮等锻造类零件。铸造基本材料为生铁，比如球墨铸铁，锻造采用钢厂铸造基本材料为生铁，比如球墨铸铁，锻造采用钢厂冶炼后的碳钢、合金钢等，比如冶炼后的碳钢、合金钢等，比如40Cr 。有色金属：有色金属：主要应用在气缸头、箱体、箱盖铝制品等，主要应用在

5、气缸头、箱体、箱盖铝制品等，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工工艺艺性性能能1 1、金属的力学性能是、金属的力学性能是指金属在外力作用下抵抗变形和破坏指金属在外力作用下抵抗变形和破坏的能力，的能力，包括强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度包括强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等性能指标。等性能指标。a.a.载荷载荷是指金属材料在加工或使用过程中所受的外力。包括是指金属材料在加工或使用过程中所受的外力。包括拉拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷、扭转载荷伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷、扭转载荷。b.b.变形变形是指在外力作用下所发生的几何形状和尺寸的

6、变化，包是指在外力作用下所发生的几何形状和尺寸的变化，包括括弹性变形和塑性变形弹性变形和塑性变形。c.c.应力应力是指金属材料受外力作用时，为了保持不变形，材料内是指金属材料受外力作用时，为了保持不变形，材料内部的原子之间因相互作用而产生的与外力相对抗的力。单位面部的原子之间因相互作用而产生的与外力相对抗的力。单位面积上的内力成为应力，用积上的内力成为应力，用R R表示表示. .计算公式如下计算公式如下：R=F/SR=F/SR-R-应力，单位为应力，单位为Mpa(1Pa=1N/mMpa(1Pa=1N/m，1MPa=1N/mm1MPa=1N/mm=10 Pa)=10 Pa)F-F-外力，单位为外

7、力，单位为N(N(外力的大小等于内力外力的大小等于内力) )S-S-面积，单位为面积，单位为mmmm61.1.1.1.强度强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力指材料抵抗塑性变形和断裂的能力 。根据载荷作用方式不同，可将强度分为屈服强度、抗拉强根据载荷作用方式不同，可将强度分为屈服强度、抗拉强度、抗弯强度、抗扭强度度、抗弯强度、抗扭强度。1.1.11.1.1抗拉强度抗拉强度是指试样在拉断前所承受的最大应力。是指试样在拉断前所承受的最大应力。 R Rm m = = 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。R Rm m常用作脆性

8、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。6材料的拉伸曲线材料的拉伸曲线1 1、oeoe段：直线、弹性变形段：直线、弹性变形2 2、eses段：曲线、弹性变形段：曲线、弹性变形+ +塑性变形塑性变形3 3、s ss s段：水平线（略有波段：水平线（略有波动）明显的塑动）明显的塑 性变形屈服现性变形屈服现象，作用的力基本不变，试象，作用的力基本不变，试样连续伸长。样连续伸长。4 4、sbsb曲线：弹性变形曲线：弹性变形+ +均匀均匀塑性变形。塑性变形。5 5、b b点：出现缩颈现象，即点：出现缩颈现象，即试样局部截面试样局部截面 明显缩小试样明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到承

9、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。6实际应用：实际应用：实际我们在做抗拉强度试验前，须加工试棒，拉实际我们在做抗拉强度试验前，须加工试棒，拉力试验机夹持两端拉断，同时注意夹齿是否打滑。力试验机夹持两端拉断，同时注意夹齿是否打滑。球墨铸铁的试样球墨铸铁的试样L L o o注意注意:Lo为测试标距，按照此图，为测试标距，按照此图，Lo=74-14/2=67，所以测量，所以测量时在时在67长度部位做两个标记，拉断后来计算延伸率。两边长度部位做两个标记，拉断后来计算延伸率。两边25外圆为夹持外圆。外圆为夹持外圆。根据公式：根据公式： 抗拉强度抗拉强度R Rm m = =

10、 F Fm m/S/S0 0，假如拉断的力为，假如拉断的力为98000N,Rm=98000N/(3.1498000N,Rm=98000N/(3.14* * 7mm 7mm* *7mm)=640.5N/mm7mm)=640.5N/mm实际应用：实际应用：根据公式：根据公式：1bar=1ATM(标准大气压标准大气压)=1Kg/cm=100KPa=0.1MPa所以所以640.5N/mm=640.5MPa,640.5N/mm=640.5MPa,上面公式同样可以作为计算液压上面公式同样可以作为计算液压和气动的推力和拉力的一部分公式。和气动的推力和拉力的一部分公式。上面图表为国家标准规定的试棒取样标准上面

11、图表为国家标准规定的试棒取样标准。标距长度取外圆。标距长度取外圆直径的直径的5 5倍左右。倍左右。塑性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。定指标是断后伸长率和断面收缩率。1 1、断后伸长率、断后伸长率 A A2 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=(Lu-Lo)/Lo x 100%

12、A=(Lu-Lo)/Lo x 100%Lu:Lu:拉断拉伸试样对接后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%SoSo: :拉伸试样原横截面积。拉伸试样原横截面积。SuSu: :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硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，硬度是衡量金属材料软硬程度的一压痕或划痕的能力，硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。种性能指标。硬度的测试方法硬度的测试方法 布氏

13、硬度布氏硬度 洛氏硬度洛氏硬度 维氏硬度维氏硬度硬度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（硬质合金球）作为压力，以规定的试验力压入用一定直径的球体（硬质合金球）作为压力，以规定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，测量材料表面试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，测量材料表面压痕直径压痕直径d，从而计算出压痕面积从而计算出压痕面积S，然后再计算出单位面积所受的力（，然后再计算出单位面积所受的力（F/S）值，用）值，用符号符号HBW表示。以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。表示。以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。2 2、测量范围、测量范围

14、布氏硬度布氏硬度主要用于测定灰铸铁、有色金属及各种软钢等主要用于测定灰铸铁、有色金属及各种软钢等硬度不是很高的材料硬度不是很高的材料. .3 3、优缺点、优缺点优点：优点：硬度值数据稳定，测量精度较高，因为实验力大，硬度值数据稳定，测量精度较高，因为实验力大，球体直径大，因而压痕直径也大，能较准确地反映出金属球体直径大，因而压痕直径也大，能较准确地反映出金属材料的平均性能。材料的平均性能。缺点：缺点：操作时间长，对不同材料的试样需要更换压头及载操作时间长，对不同材料的试样需要更换压头及载荷，压痕测量也较费时，测量高硬度材料时，由于压头球荷，压痕测量也较费时，测量高硬度材料时，由于压头球体本省变

15、形而使测量结果不够准确，用硬质合金作压头时，体本省变形而使测量结果不够准确，用硬质合金作压头时，材料硬度必须小于材料硬度必须小于650HBW650HBW。另外压痕较大，用于成品及较。另外压痕较大，用于成品及较薄件试验时也有困难薄件试验时也有困难。1 1、洛氏硬度试验、洛氏硬度试验（洛氏硬度计）原理原理: :采用锥顶角为采用锥顶角为120的金刚石圆锥体或淬火钢球作为压头，压入金的金刚石圆锥体或淬火钢球作为压头，压入金属表面，以测量压痕塑性变形深度来计算洛氏硬度值。属表面，以测量压痕塑性变形深度来计算洛氏硬度值。2 2、常用洛氏硬度标尺及适用范围、常用洛氏硬度标尺及适用范围 洛氏硬度标尺有洛氏硬度

16、标尺有A、B、C三种，标注在洛氏硬度符号三种，标注在洛氏硬度符号HR后面。后面。3 3、优缺点、优缺点优点：优点：压痕小，可用来测量成品或较薄工件的硬度，试验操压痕小，可用来测量成品或较薄工件的硬度，试验操作简单迅速，采用不同硬度标尺，能测量从软到硬的各种金属作简单迅速，采用不同硬度标尺，能测量从软到硬的各种金属材料。材料。缺点：缺点：压痕小，当材料内部组织不均匀时，硬度值波动较大，测压痕小，当材料内部组织不均匀时，硬度值波动较大，测量结果不能反映被测材料的平均硬度，因此，在进行洛氏硬度测量结果不能反映被测材料的平均硬度，因此，在进行洛氏硬度测量时，需要在不同部位测量数次，然后取平均值来表示被

17、测金属量时，需要在不同部位测量数次，然后取平均值来表示被测金属的硬度。的硬度。硬度标尺硬度标尺压头类型压头类型总试验力总试验力/N/N硬度值有效范围硬度值有效范围应用举例应用举例HRC120金刚石圆锥体147120-67HRC一般淬火钢件HRB1.588mm钢球980.725-100HRB软钢、退火钢、铜合金HRA120金刚石圆锥体588.460-85HRA硬质合金、表面淬火钢等1 1、维氏硬度试验、维氏硬度试验原理原理: :维氏硬度测试原理与布氏硬度测试原理相同，将相对面夹角为维氏硬度测试原理与布氏硬度测试原理相同，将相对面夹角为136136的金刚石正四棱椎体压头，以选定的试验力压入试样表面

18、，经过规定的保的金刚石正四棱椎体压头，以选定的试验力压入试样表面，经过规定的保存时间后卸除试验力，然后测量压痕对角线的平均长度，计算出硬度值，存时间后卸除试验力，然后测量压痕对角线的平均长度，计算出硬度值，维氏硬度用符号维氏硬度用符号HVHV表示，计算公式如下。表示，计算公式如下。HV=0.1891F/dHV=0.1891F/dF-F-试验力，单位为试验力，单位为N;N;D-D-压痕两条对角线长度的算术平均值，单位为压痕两条对角线长度的算术平均值，单位为mmmm。3 3、测量范围、测量范围 维氏硬度常用试验力在维氏硬度常用试验力在49.03-980.7N49.03-980.7N范围内。范围内。

19、2 2、优缺点、优缺点优点：优点：试验力小，压痕深度较浅，故可测较薄工件的硬度，尤其是渗碳、试验力小，压痕深度较浅，故可测较薄工件的硬度，尤其是渗碳、渗氮层的硬度，另外维氏硬度具有连续性（渗氮层的硬度，另外维氏硬度具有连续性（10-1000HV），故可测从很软），故可测从很软到很硬的各种材料的硬度，且准确可靠。到很硬的各种材料的硬度，且准确可靠。缺点：缺点：测量压痕对角线长度比较麻烦，且对试样表面质量要求较高。测量压痕对角线长度比较麻烦，且对试样表面质量要求较高。实际应用：实际应用：根据多压力根据多压力值和压痕，描绘对角线，值和压痕，描绘对角线，计算长度平均值，算出计算长度平均值，算出维氏硬度

20、值。维氏硬度值。韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为称为冲击韧性冲击韧性。常用一次摆锤冲击弯曲，试验来测定金属材常用一次摆锤冲击弯曲，试验来测定金属材料的冲击韧性。料的冲击韧性。u冲击试样冲击试样u冲击试样的原理及方法：冲击韧度越大，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。表示材料的冲击韧性越好。u小能量多次冲击试验小能量多次冲击试验疲劳强度疲劳强度 疲劳疲劳概念概念：在交变应力作用下，零件所承受的应力低在交变应力作用下，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于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突

21、然发生完全断裂的现象称后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为为金属的疲劳金属的疲劳。疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。实际应用实际应用：例如主副轴断裂问题，经过对断裂面分析，断裂部位加工面未例如主副轴断裂问题，经过对断裂面分析，断裂部位加工面未留有足够的余量或者热处理变形较大，导致磨削面未加工出来，而且此位留有足够的余量或者热处理变形较大，导致磨削面未加工出来，而且此位置有退刀槽，锐角比较明显，热处理后应力较大，最开始使用时，屈服点置有退刀槽，锐角比较明显，热处理后应力较大，最开始使用时，屈服点大于使用强度，但是经过一段时间的使用后，裂纹会慢慢变长，变

22、大，最大于使用强度，但是经过一段时间的使用后，裂纹会慢慢变长，变大，最终导致断裂的发生。因此此件终导致断裂的发生。因此此件156FMI副轴断裂属于疲劳破坏断裂。因此按副轴断裂属于疲劳破坏断裂。因此按1:10的比例索赔。的比例索赔。后续整改方向，主要是控制此外圆粗加工余量，以及热后续整改方向，主要是控制此外圆粗加工余量，以及热处理工艺参数，特别是电流、电压、淬火温度、淬火介质的控制。同时淬处理工艺参数，特别是电流、电压、淬火温度、淬火介质的控制。同时淬火时出现的不平衡内力，会转变为内应力，应力会重新平衡，因此淬火后火时出现的不平衡内力，会转变为内应力，应力会重新平衡，因此淬火后也须及时回火，消除

23、内应力，防止变形过大。也须及时回火，消除内应力，防止变形过大。疲劳破坏也是我们经常需要分析的问题，例如主副轴、曲轴、凸轮轴、疲劳破坏也是我们经常需要分析的问题，例如主副轴、曲轴、凸轮轴、齿轮、离合器、启动电机轴等传动零件经常会出现疲劳破坏的现象。齿轮、离合器、启动电机轴等传动零件经常会出现疲劳破坏的现象。延着矩形花延着矩形花键挡圈槽断键挡圈槽断裂裂156FMI副轴副轴挡圈槽挡圈槽渗碳层深渗碳层深度超差。度超差。金相检查有裂金相检查有裂纹。纹。疲劳断裂疲劳断裂是由于材料表面和内部有缺陷（划痕、是由于材料表面和内部有缺陷（划痕、夹杂、软点、显微裂纹等），这些地方的局部应力夹杂、软点、显微裂纹等），

24、这些地方的局部应力大于屈服强度，从而发生局部塑性变形而导致疲劳大于屈服强度，从而发生局部塑性变形而导致疲劳裂纹的产生，这些裂纹随着循环应力次数的增加而裂纹的产生，这些裂纹随着循环应力次数的增加而逐渐扩展，直至最后承载的截面减小到不能承受所逐渐扩展，直至最后承载的截面减小到不能承受所加载荷而突然断裂。加载荷而突然断裂。产生疲劳的原因产生疲劳的原因金属零件的疲劳强度受很多因数的影响，如工作条金属零件的疲劳强度受很多因数的影响，如工作条件、表面状态、材料成分、组织及残余内应力等。件、表面状态、材料成分、组织及残余内应力等。改善零件的结构形式、降低零件表面粗糙度值及采改善零件的结构形式、降低零件表面粗

25、糙度值及采取各种零件表面强化的方法，都能提高金属零件的取各种零件表面强化的方法，都能提高金属零件的疲劳强度。疲劳强度。提高疲劳强度的途径提高疲劳强度的途径在循环应力作用下，金属所受的循环应力在循环应力作用下，金属所受的循环应力R和断和断裂时相应的应力循环次数裂时相应的应力循环次数N之间的关系曲线成为之间的关系曲线成为R-N疲劳曲线。疲劳曲线。疲劳强度金属的工艺性能金属的工艺性能工艺性能工艺性能是指金属材料对不同加工工是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力。艺方法的适应能力。工艺性能工艺性能主要包括主要包括 1、铸造性能；、铸造性能； 2、压力加工性能；、压力加工性能； 3、焊接性能；、焊接性

26、能； 4、切削加工性能；、切削加工性能； 5、热处理性能。、热处理性能。金属（材料）及合金在铸造工艺中获得优良铸金属（材料）及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力称为件的能力称为铸造性能铸造性能。1、流动性：、流动性：熔融金属的流动能力成为流动性。熔融金属的流动能力成为流动性。2、收缩性：、收缩性：铸件在凝固和冷却过程中，其体铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为引缩性。积和尺寸减小的现象称为引缩性。3、偏析倾向：、偏析倾向：金属凝固后，内部化学成分和金属凝固后，内部化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。组织的不均匀现象称为偏析。铸造性能：铸造性能：压力加工是指压力使零件产生塑性变形，

27、改变其形状、压力加工是指压力使零件产生塑性变形，改变其形状、尺寸和性能，从而获得型材或锻压件的一种加工方法。尺寸和性能，从而获得型材或锻压件的一种加工方法。压力加工性能：压力加工性能：实际应用实际应用：a、起动轴、曲轴等渐开线花键采用冷轧制或搓齿工艺加工，设备有扎齿机、搓齿机；b、AB螺栓大外圆、曲轴螺纹、起动轴螺纹等采用冷挤压的方式，设备有挤丝机等；c、初级主动齿等内花键采用拉刀的方式进行加工，设备有拉床；d、锻打零件，应用在碳钢、合金钢（曲轴、连杆、凸轮轴等）毛坯锻打；e、应用于钣金类零件，根据板材的厚度，需要去除的面积，来选定40吨、80吨、160吨等冲压设备，摩托车零件主要有离合器起动

28、链轮、安装板等。焊接焊接是通过加热、加压或两者并用，使用或不使是通过加热、加压或两者并用，使用或不使用填充材料，使工件达到结合的一种加工方法。用填充材料，使工件达到结合的一种加工方法。焊接性能：焊接性能：焊接性能焊接性能是指金属材料对焊接加工的适应能力，是指金属材料对焊接加工的适应能力，也就是在一定的焊接工艺条件下，金属材料获得也就是在一定的焊接工艺条件下，金属材料获得优良焊接接头的难以程度。优良焊接接头的难以程度。切削加工切削加工是指通过机床提供的切削运动和动力，使刀具和工件是指通过机床提供的切削运动和动力，使刀具和工件产生相对运动，从而切除工件上多余的材料，以获得合格零件产生相对运动，从而

29、切除工件上多余的材料，以获得合格零件的加工过程。的加工过程。切削加工性能：切削加工性能：切削加工性能切削加工性能是指切削加工金属材料的难易程度。是指切削加工金属材料的难易程度。实际应用实际应用：金属化学成分、硬度、杂质、热处理工艺等不同，直接影响刀具的选型、机床的刚性、加工效率等，比如轴类零件，锻件车外圆的转速可以达到1200r/min，而铸件适合在600r/min的转速，如果对刀具和材料热处理进行改进，效率也可能会得到提高。因此切削加工性能已经作为机加厂很重要的改善项目，直接影响公司的制造成本和核心竞争力。金属材料通过热处理可以改善其切削加工性金属材料通过热处理可以改善其切削加工性能，也是改

30、善其力学性能的重要途径。热处能，也是改善其力学性能的重要途径。热处理性能包括淬透性、淬硬性、过热敏感性、理性能包括淬透性、淬硬性、过热敏感性、回火脆性、变形与开裂倾向、脱氧脱碳倾向回火脆性、变形与开裂倾向、脱氧脱碳倾向（在第六章中详细论述）（在第六章中详细论述）。热处理性能：热处理性能：第二章第二章金属的晶体结构与结晶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。一、金属材料的晶体结构一、金属材料的晶体结构晶格和晶胞：晶格和晶胞

31、：表示原子在晶体中排列规律的空间格架表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做叫做晶格晶格。能完整地反映晶格特征的最小几何单元能完整地反映晶格特征的最小几何单元称为称为晶胞晶胞。晶面和晶向：晶面和晶向：在晶体中由一系列原子组成的平面，秋为在晶体中由一系列原子组成的平面，秋为晶面晶面。通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表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，称为晶格空间排列的一定方向，称为晶向晶向 晶体结构的概念晶体结构的概念体心立方晶格：体心立方晶格：它的晶胞是一个立方体，原子位于立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（方体的八个顶角

32、上和立方体的中心。如：铬（CrCr）、）、钒（钒（V V）、钨（）、钨（W W）、钼（）、钼（MoMo）及）及-Fe-Fe面心立方晶格：面心立方晶格：它的晶胞也是一个立方体，原子位于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。立方体的八个顶角上和立方体六个面的中心。 如：如：铝（铝（AlAl）、铜（）、铜（CuCu）、铅（）、铅（PbPb）、镍（）、镍（NiNi）及）及-Fe-Fe密排六方晶格：密排六方晶格：它的晶胞是一个正六棱柱体，原子排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，另外列在柱体的每个顶角上和上、下底面的中心，另外三个原子

33、排列在柱体内。属于这种晶格类型的金属三个原子排列在柱体内。属于这种晶格类型的金属有镁（有镁（MgMg）、铍（）、铍（BeBe）、镉（）、镉（CdCd）、及锌（）、及锌（ZnZn）等。）等。金属晶格的类型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，即在三维空间上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，常见有空位、间隙、置换原尺寸都很小的晶体缺陷，常见有空位、间隙、置换原子缺陷。子缺陷。线缺陷线缺陷 常见缺陷为错位，晶格中有一列或若干列常见缺陷为错位，晶格中有一列或若干列原子发生了某些有规律的错排现象。有刃型位错和螺原子发生了某些有规

34、律的错排现象。有刃型位错和螺型位错。型位错。面缺陷面缺陷 是指晶体中的晶界和亚晶界，晶界为两晶是指晶体中的晶界和亚晶界，晶界为两晶粒之间原子无规则排列的过渡层。粒之间原子无规则排列的过渡层。存在许多尺寸很少位向差也很小的小晶粒，小晶粒之存在许多尺寸很少位向差也很小的小晶粒，小晶粒之间的交界面称为亚晶界。间的交界面称为亚晶界。金属由原子不规则排列的液体金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的固体转变为原子规则排列的固体的过程称为结晶。的过程称为结晶。 纯金属的冷却曲线及纯金属的冷却曲线及过冷度过冷度。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) )

35、 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u晶粒大小对金属材料力学性能的影响晶粒大小对金属材料力学性能的影响金属的晶粒大小对金属的力学性能具有重要金属的晶粒大小对金属的力学性能具有重要的影响，在室温下，细晶粒比粗晶粒具有更的影响，在室温下，细晶粒比粗晶粒具有更高的强度、硬度、塑性和韧性高的强度、硬度、塑性和韧性。u细化晶粒的方法细化晶粒的方法（1 1）增加过冷度度；）增加过冷度度；（2 2）变质处理）变质处理（3 3）振动处理；）振动处理；金属材料结晶后晶粒的控制金属材料结晶后晶粒的控制实际应用实际应用：气缸体在浇注时

36、，边浇注边加入丝硅，起到细化晶粒、改善组织的目的。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格的现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。具有同素异构转变的金属有：铁、钴、钛、锡、锰等。同一金属的同素异构晶体按其稳定存在的温度，由低温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希腊字母到高温依次用希腊字母，等表示等表示金属材料塑性变形金属材料塑性变形金属的塑性变形是指当外力大于该金属的屈服强度时所产生金属的塑性变形是指当外力大于该

37、金属的屈服强度时所产生的变形。的变形。回复回复回复是指将冷却变形金属加热到不高的温度，变形金属的显回复是指将冷却变形金属加热到不高的温度，变形金属的显微组织无显著变化，晶粒仍保持纤维状或扁平状的变形组织微组织无显著变化，晶粒仍保持纤维状或扁平状的变形组织的阶段。的阶段。再结晶再结晶将冷变形金属加热到一定温度时，在变形组织的基体上产生将冷变形金属加热到一定温度时，在变形组织的基体上产生新的无畸变得晶核，并迅速长大形成等轴的晶粒，逐渐取代新的无畸变得晶核，并迅速长大形成等轴的晶粒，逐渐取代全部变形组织，这个过程称为结晶。全部变形组织，这个过程称为结晶。第三章第三章金属的塑性变形金属的塑性变形晶粒长

38、大晶粒长大再结晶完成后的金属一般都得到细小而均匀的等轴晶粒，再结晶完成后的金属一般都得到细小而均匀的等轴晶粒，若继续升高加热温度或延长保温时间，将引起晶粒以相若继续升高加热温度或延长保温时间，将引起晶粒以相互吞并的方式长大。互吞并的方式长大。晶粒粗大会使金属的强度，尤其是晶粒粗大会使金属的强度，尤其是塑性和韧性降低，应尽量避免。塑性和韧性降低，应尽量避免。u合金合金由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素经一定由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素经一定方法合成的具有金属特性的物质成为合金。方法合成的具有金属特性的物质成为合金。u组元组元组成合金最基本的独立物质，组元通常是指

39、组成合金的元素。组成合金最基本的独立物质，组元通常是指组成合金的元素。u相相合金中化学成分、结构及性能相同的组成部分，相与相之间具合金中化学成分、结构及性能相同的组成部分，相与相之间具有明显的界限。各相的大小、形状和分布方式对合金的性能起有明显的界限。各相的大小、形状和分布方式对合金的性能起着决定性的作用。着决定性的作用。基本概念基本概念第四章第四章铁碳合金铁碳合金u组织组织合金的组织是指合金中不同相之间相互组合而成的综合体，各合金的组织是指合金中不同相之间相互组合而成的综合体，各相的大小、形状和分布方式对合金的性能起着决定性的作用。相的大小、形状和分布方式对合金的性能起着决定性的作用。u固溶

40、体固溶体一种组元的原子溶入另一组元的晶格中所形成的均匀的固相成一种组元的原子溶入另一组元的晶格中所形成的均匀的固相成为固溶体。为固溶体。u金属化合物金属化合物合金组元之间发生相互作用而形成的一种具有金属特性的物质合金组元之间发生相互作用而形成的一种具有金属特性的物质。u混合物混合物两种或两种以上的相按一定的体积分数组成的物质。两种或两种以上的相按一定的体积分数组成的物质。u二元合金相图二元合金相图合金相图是用图解方法表示合金系中合金状态与成分和温度之合金相图是用图解方法表示合金系中合金状态与成分和温度之间关系的图表。间关系的图表。铁碳合金的相及组织铁碳合金的相及组织钢铁材料是现代工业中应用最为

41、广泛的金属材料，钢铁材料是现代工业中应用最为广泛的金属材料，其中碳钢和铸铁都是铁和碳的合金，在铁碳合金中，其中碳钢和铸铁都是铁和碳的合金，在铁碳合金中，碳和铁可以形成固溶体，也可以形成化合物，还可碳和铁可以形成固溶体，也可以形成化合物，还可以形成混合物，以形成混合物，在铁碳合金中有以下几种基本相和在铁碳合金中有以下几种基本相和组织。组织。1 1、铁素体；、铁素体；2 2、奥氏体；、奥氏体；3 3、渗碳体；、渗碳体；4 4、珠光体；、珠光体；5 5、莱氏体。、莱氏体。铁素体铁素体 概念概念：碳溶解在：碳溶解在-Fe-Fe中形成的间隙固溶体称为中形成的间隙固溶体称为铁素体。铁素体。 符号符号：F

42、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727727时，碳在时，碳在-Fe-Fe中的最大溶碳量为中的最大溶碳量为0.0218%0.0218%，随温度的，随温度的降低逐渐减小。降低逐渐减小。 性能性能：由于铁素体的含碳量低，所以铁素体：由于铁素体的含碳量低，所以铁素体的性能与纯铁相似。即有良好的塑性和韧性，的性能与纯铁相似。即有良好的塑性和韧性，强度和硬较低。强度和硬较低。奥氏体奥氏体 概念概念：碳溶解在：碳溶解在FeFe中形成的间隙固溶体中形成的间隙固溶体称为奥氏体。称为奥氏体。 符号符号：A A， 面心立方晶格面心立方晶格 溶碳能力溶碳能力：较强。在：

43、较强。在11481148时可时可溶溶C C 为为2.11%2.11%，在，在727727时，可溶时，可溶C C为为0.77%0.77%。 性能性能：强度、硬度不高，具有良：强度、硬度不高，具有良好的塑性，是绝大多数钢在高温好的塑性，是绝大多数钢在高温进行锻造和扎制时所要求的组织。进行锻造和扎制时所要求的组织。渗碳体渗碳体概念概念：具有复杂晶体机构的金属化合物：具有复杂晶体机构的金属化合物化学式化学式： Fe CFe C。特点特点：渗碳体的性能特点是高熔点：渗碳体的性能特点是高熔点（12271227）、高硬度（）、高硬度（950-1050HV950-1050HV），断后），断后伸长率和冲击韧度几

44、乎为零。渗碳体可分解伸长率和冲击韧度几乎为零。渗碳体可分解为铁和石墨，这对铸铁的生产具有重要意义。为铁和石墨，这对铸铁的生产具有重要意义。实际应用：实际应用：渗碳体有时候属于有害的组织，特别是铸造件，渗碳体有时候属于有害的组织，特别是铸造件，含有较大的渗碳体，零件就没有延伸率，会发生脆断，比含有较大的渗碳体，零件就没有延伸率，会发生脆断，比如通机曲轴（铸造件）渗碳体要求如通机曲轴（铸造件）渗碳体要求3%3%。超差就作报废处。超差就作报废处理，重新回炉浇注；气缸体导管和座圈粉末冶金件理，重新回炉浇注；气缸体导管和座圈粉末冶金件渗碳体渗碳体要求要求2% ，超差就作报废处理超差就作报废处理。3珠光体

45、珠光体概念概念：是铁素体与渗碳体的混合物：是铁素体与渗碳体的混合物符号符号： P P ，是铁素体和渗碳体片层相间，是铁素体和渗碳体片层相间，交替排列。交替排列。溶碳能力溶碳能力：在：在727727时，时，C=0.77%C=0.77%性能特点性能特点：取决于铁素体和渗碳体的性能，：取决于铁素体和渗碳体的性能，强度较高，硬度适中，具有一定的塑性强度较高，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%4.3%的液态铁碳合金的液态铁碳合金在在1148 1148 时从液体上中间结晶出的奥氏时从液体上中间结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物。体和渗碳体的混合物。符号符号：LdLd

46、（高温莱氏体，温度（高温莱氏体，温度727727）由于奥氏体在由于奥氏体在727727时转变为珠光体，所时转变为珠光体，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。成叫低温莱氏体。LdLd表示表示溶碳能力溶碳能力：C=4.3%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。铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金的分类铁碳合金的分类 钢钢：0.0218%0.0218%C C2.11%2.11%的铁碳合金的铁碳合金亚共析钢：亚共析钢：0.0718%0.0718%C C0.77%0.77%共析钢：共析钢：C=0.77%C=0.77%过共

47、析钢：过共析钢：0.77%0.77%C C2.11%2.11% 白口铸铁白口铸铁：2.11%C2.11%C6.69%6.69%亚共晶白口铸铁：亚共晶白口铸铁：2.11%C2.11%C4.3%4.3%共晶白口铸铁：共晶白口铸铁：C=4.3%C=4.3%过晶白口铸铁：过晶白口铸铁：4.3%4.3%C C6.69%6.69%第五章第五章碳素钢碳素钢一、硅一、硅1 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 2、对钢的性能影响：提高钢的强度、硬度；、对钢的性能影响：提高钢的强度、硬度；3 3、是钢中的有益元素。、是钢中的有益元素。二、锰二、锰1 1、来源：炼钢脱氧剂。、来源：炼钢

48、脱氧剂。2 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 3、是钢中的有益元素、是钢中的有益元素 三、硫三、硫1 1、来源：生铁带入；、来源：生铁带入；2 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 3、是钢中的有害元素。、是钢中的有害元素。四、磷四、磷1 1、来源：生铁带入；、来源：生铁带入；2 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 3、是钢中的有害元素。、是钢中的有害元素。二、碳素钢的分类二、碳素钢的分类按钢的含碳量分类：按钢的含碳量分类：1 1、低碳钢：、低碳钢：C0.25%C0.25%

49、2 2、中碳钢：、中碳钢：0.25%0.25%C C0.6%0.6%3 3、高碳钢：、高碳钢：C0.6%C0.6%二、按钢的质量分类：二、按钢的质量分类：1 1、普通钢：、普通钢：S0.05%S0.05%，P0.045%P0.045%2 2、优质钢：、优质钢：S0.035%S0.035%，P0.035%P0.035%3 3、高级优质钢：、高级优质钢：S0.025%S0.025%，P0.025%P0.025%三、按钢的用途分类：三、按钢的用途分类：1 1、结构钢：主要用于制造各种、结构钢：主要用于制造各种机械零件和工程构件。机械零件和工程构件。C C0.7%0.7%2 2、工具钢：主要用于制造各

50、种、工具钢：主要用于制造各种刀具、模具和量具。其含碳量大刀具、模具和量具。其含碳量大于于0.70%0.70%三、碳素钢的牌号及用途三、碳素钢的牌号及用途牌号：牌号：Q Q屈服点数值，质量等级符屈服点数值，质量等级符号和脱氧方法符号；号和脱氧方法符号；性能：一般；性能：一般；应用：厂房、桥梁、船舶、铆钉、应用：厂房、桥梁、船舶、铆钉、螺钉、螺母等。螺钉、螺母等。例如：例如：Q235-AFQ235-AF：表示屈服点为：表示屈服点为235Mpa235Mpa的的A A级沸腾钢级沸腾钢 实际应用：实际应用：Q235Q235主要应用在起动离主要应用在起动离合器链轮合器链轮一、碳素结构钢：一、碳素结构钢：牌

51、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量的十分之几。分类：分类：1 1）、）、08250825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：深冲器件、压力容器等。如：深冲器件、压力容器等。2 2）、）、30553055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。性随含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

52、力较大的机械零件。 如：连杆、曲轴、齿轮等如：连杆、曲轴、齿轮等3 3）、）、6060钢以上钢以上 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+T+数字（平均含碳量的千分数）数字（平均含碳量的千分数） 如：如：T12AT12A：表示平均含碳量：表示平均含碳量1.2%1.2%的高效优的高效优 质碳素工具钢。质碳素工具钢。T7T8T7T8：钻头、模具等：钻头、模具等T9T10T9T10：丝锥

53、、板牙等：丝锥、板牙等T11T13T11T13：锉刀、削刀等：锉刀、削刀等实际应用：实际应用：T10T10应用于我们的专用应用于我们的专用检具，外径卡规等。检具，外径卡规等。铸造碳钢：铸造碳钢：牌号：牌号：ZG+ZG+数字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：ZG270500ZG270500，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。第六章第六章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

54、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，

55、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

56、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：温度：温度：A1550 A1550 珠光体珠光体 HRCHRCA1650A1650珠光体珠光体P P 2525650 650 600 600 索氏体索氏体S 2535S 2535600 600 550 550 屈氏体屈氏体T 3540T 3540贝氏体型转变：贝氏体型转变：550 550 MsMs贝氏体贝氏体B 4045B 4045550 550 350 350 上贝氏体上贝氏体B B上上 350 350 MsMs下贝氏体下

57、贝氏体B B下下 4555 4555 马氏体转变马氏体转变碳在碳在FeFe中的过饱和固溶体，称为马氏体，用中的过饱和固溶体，称为马氏体，用符号符号M M表示，体心正方晶格。表示，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：MsMfMsMf转变速度极快；转变速度极快；转变体积发生膨胀；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、韧性较好马氏体：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。

58、在等温转变图上估计连续冷却转变产物，确定马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氏体临界冷却速度 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，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）的热处理然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺称为退火。工艺称为退火。退火的主要目的是：降低钢的硬度，提高塑退火的主要目的是：降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工；细化性，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，改善钢的性晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的热处理作组织上的准备；消能或为以后

59、的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。除钢中的残余内应力，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（Ac3Ac3以上以上30500C30500C），随之缓慢冷却，以获得接近平衡状态），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、热轧型材等。构钢的锻件、铸件、热轧型材等。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AC1AC1以上以上2020300C300C，保温一定得时间，以不

60、大于，保温一定得时间，以不大于500C/H500C/H得冷却得冷却速度随炉冷却，使钢终碳化物呈球状得工艺方法。速度随炉冷却，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，应用：适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。合金工具钢、轴承钢等。去应力退火：去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A1A1得得温度，保温一定时间后缓慢冷却得工艺方法。应温度，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、铸造等形用：消除塑性变形、焊接、切削加工、铸造等形成的残余内应力。成的残余内应力。正火正火1 1、正火概