大学课件-《工程材料与热加工工艺》-(完整)

1、第一章 材料的分类与性能 工程材料:主要是指用于机械、车辆、船舶、建筑、化工、能源、仪器仪表、航空航天等工程领域中的材料，用来制造工程构件和机械零件，也包括一些用于制造工具的材料和具有特殊性能(如耐蚀、耐高温等)的材料。 当今世界材料五花八门，分类也不尽相同。按用途分： 主要是利用其强度、硬度、塑 性、韧性等力学性能主要利用其声、光、电、磁、 热等性能材料结构材料功能材料1.1 工程材料的分类 按结合键(离子键、共价健、金属键和分子键四种)分：这种分类来介绍材料世家的成员，比较科学，脉络比较清楚。 工程材料金属材料功能材料高分子材料复合材料1.1 工程材料的分类 金属材料主要以金属键结合，为主

2、要的工程材料, 在自然界中存在的109种化学元素中有87种是金属，20世纪几乎所有的金属都被研究过，几乎所有有用的金属都在为人类服务，金属材料不愧是人类最紧密、最忠实、最可靠的朋友，是因为金属具有如下突出的优点： 所有的金属材料可分为两大家：钢铁和有色金属。目前，世界的钢铁总年产量8亿吨，而有色金属年产量约5000万吨，钢铁产量占金属总量约为94%，因此钢铁仍然是金属材料中的主力军，但是非铁金属由于它们的特殊性能，在工业中仍有不可替代的重要用途。 钢铁材料的基础是铁和碳的合金。 1、铸铁：含碳量 2.11%； 2、碳钢：含碳量2.11%； 3、合金钢：有目的的加入各种适量的合金元素如Si、 M

3、n、 Cr、 Ni、 Mo、W、 V、 Ti、 Nb 、B 等，达到诸如高强度、高硬度、高耐磨性、 耐热性及抗腐蚀性能等要求，“工业维生素” 之称。 除了钢铁等黑色金属外，铝、铜、钛、镁、金、银、铂等80多种金属统称为有色金属。有色金属家族庞大，各有神通。其中有许多成员的比重很小，如镁、锂、铝、钛等；有的成员导热导电性能极好，如铜、银、金等；有的成员化学性质比较稳定，且耐腐蚀，工艺性能好，如金、银、铂等；有的成员不仅化学性质特别稳定，而且高温抗氧化性特好，如金、银、铂等，还有的成员耐高温，如铂、铱、钼、钨等，其中钨的熔点高达3420，这就是为什么人们总是用钨丝作电灯泡灯丝的原因了。所以，有色金

4、属是现代工业和科学技术中不可缺少的材料，在机械、化工、电子、仪表、交通、航天、航海和日常生活中较广泛应用。 密度低、比强度、导电性好、加工性好和抗大气腐蚀 现代航空工业的基础 据统计，目前世界各国的飞机总数达数十万架。一架现代化超音速战斗机上，铝合金的重量已占总重量的70以上。据称，英、法联合研制的“协和”式飞机，每架用铝220吨。看来，铝被称为“飞行金属”是当之无愧! 镁合金 汽车轻量化的材料 减少油耗 密度低、比强度和比刚度较高。 镁合金汽缸盖 镁合金方向盘骨架 比强度高，耐高、低温，耐腐蚀，质轻，无毒，生物相容性好。 应用 航空航天 海洋、化工 生物医学 镧、铈、钷、钇、铒等17种元素。

5、 “工业味精”的美名 稀土与生命 稀土之光 外部压力： 内部压力： 高分子材料 陶瓷材料 复合材料 能源、资源和环境 1、对已有金属材料提高质量，挖掘潜力，使其产生最大效益。 2、开拓金属材料新的功能，以适应更高的使用要求。 （先进的冶炼技术、加工技术、先进的热处理技术等） （如高温合金、超导合金、形状记忆合金、储氢合金、纳米金属、非晶态合金等） 神秘的形状记忆合金 (a) 原始形状 (b) 拉 直 (c) 加热后恢复 形状记忆效应简易演示实验 形状记忆合金是能记住自己在某一温度下的外部形状的合金材料，即在一定温度下，形状记忆合金内部的微观结构会发生晶相转变，宏观就表现为自身形状的改变。 提起

6、陶瓷，大家并不陌生，我们每天都在与陶瓷 打交道：吃饭的碗，喝水的茶杯，贴墙的瓷砖，建筑水泥，玻璃 陶瓷是我国古代劳动人民的一大发明。陶瓷诞生 的确切年月，已无从考证。从现有的考古材料看，可 以断定陶瓷与中华文明几乎同时诞生。 在英文单词 中，“china”一词代表中国，当这个单词的开头字 母用小写字母时，则代表陶瓷器，可见中国人发明了 陶瓷乃是一件举世公认的事实。 随着科学技术的发展，陶瓷已不仅仅用于人们的 日常生活和建筑业，而且在许多高新技术领域找到了 用武之地。 陶瓷材料以共价键和离子键为主，熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大 ，分为传统陶瓷、特种陶瓷两大类。 传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材

7、料(如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷，主要用作水泥、玻璃、砖瓦、耐火材料等建筑材料使用。 特种陶瓷又称精细陶瓷，是以精致、高纯的人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。 说起高分子材料，普通人也许会觉得莫测高深，其实我们身边到处都是它们的身影。 无论是作为食物的蛋白质还是作为织物的棉、毛和蚕丝都是天然高分子材料，就连人体本身，基本上也是由各种生物高分子构成的。我国在开发天然高分子材料方面曾走在世界领先水平。利用竹、棉、麻纤维等高分子材料造纸是我国古代的四大发明之一。另外，利用桐油与大漆等高分子材料作为油漆、涂料制作漆制品也是我国古代的传统技术。 高分子材料以分子键和共价

8、键为主，是由碳、氢、氧、硅、硫等元素组成的分子量足够高的有机化合物。塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小 ；包括塑料、橡胶及合成纤维等 。之所以称为高分子，就是因为它的分子量高。常用高分子材料的分子量在几百到几百万之间，巨大的分子量赋予这类材料以崭新的物理、化学性质： 可以压延成膜； 可以纺织成纤维； 可以挤铸或模压成各种形状的构件； 可以产生强大的粘结能力； 可以产生巨大的弹性形变； 并具有质轻、绝缘、高强、耐热、耐腐蚀、自润滑等许多独特的性能。 高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。 随着航空、航天、电子、通讯等技术以及机

9、械、化工、能源等工业的发展，对材料的性能提出越来越高、越来越多的要求。传统的单一材料已不能满足使用要求。复合材料的研究和应用引起了人们的重视。 由两种或两种以上不同性质或不同组织构成的，具有比任何单一材料更优越的综合性能的材料称为复合材料。 复合材料这个看似陌生的名词，实际上与每个人都息息相关。人的躯体是由骨骼与肌肉两种性质完全不同的“材料”组成，这可以说就是一种天然的巧夺天工的“复合材料” 人类很早就会使用粘土和稻草的混合物来造房屋，这种房子比单纯用粘土要经久耐用得多，这是至今可知的最古老的人造建筑复合材料。 今天最常用的钢筋混凝土，先把钢筋编成骨架，然后浇灌上水泥，凝固后变成非常坚固的工程

10、建筑，这就是较现代化的建筑复合材料。 人们普遍使用的橡胶自行车（汽车、飞机）轮胎、高压水管等都是橡胶与纺织材料（天然纤维、人造纤维或金属丝）的复合材料。 材料是人类社会制造有用器件的物质。 制造：指将原材料变成产品的全过程。 材料对其所涉及的加工工艺的适应能力工艺性能有用：指材料满足产品使用需要的特性 使用性能力学性能物理性能化学性能锻造性能加工性能焊接性能热处理性能1.2 材料的使用性能 力学性能是指材料在受力作用下所表现出的性能。1.2 材料的使用性能 力学性能力学性能的类型1.按加载方式不同：拉伸、压缩、弯曲、扭转与剪切等2.按载荷变化特性：静载荷力学性能和动载荷力学性能一、强度 材料的

11、强度用拉伸试验测定。(拉伸加载速率较低，俗称静拉伸试验)。 金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力 常用的指标有: 弹性、强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。力学性能力学性能（a）原始试样 （b）拉伸后试样 圆形拉伸试样 低碳钢的拉伸曲线 OE弹性变形阶段EK弹塑变形阶段K断裂阶段静拉伸试验比例极限弹性极限屈服点或屈服强度抗拉强度二、塑性 塑性：是指金属材料在静载荷作用下，产生永久变形而不破坏的能力称为塑性。伸长率和断面收缩率是表示材料塑性好坏的指标。 1. 伸长率（） 伸长率是指在拉伸试验中, 试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比，即d=(L1-L0)/L0L1试样拉断后的标距伸长量 L0试样

12、原始标距 力学性能2. 断面收缩率（） 断面收缩率是指试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原始横断面积的百分比，即 =(F0-F1)/F0F1试样断裂处的最小横断面积 F0试样原始横断面积 特别提示：或越大，表示材料的塑性越好。 力学性能三、硬度 硬度是衡量材料软硬程度的指标，是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。常用测量硬度的方法：布氏硬度HB 、洛氏硬度HR、维氏硬度HV。力学性能布氏硬度计 布氏硬度试验原理图 四、韧性 1.冲击韧性（k） 许多机械零件和工具在工作中, 往往要受到冲击载荷的作用, 如活塞销、锤杆、冲模和锻模等，材料抵抗冲击载荷作用的能

13、力称为冲击韧性 冲击功A k = m g H m g h (J) 冲击韧性值k就是试样缺口处单位面积上所消耗的冲击功。 力学性能指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力是材料强度和塑性的综合表现2.断裂韧性 桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断，这种断裂的名义断裂应力低于材料的屈服强度。尽管在设计时保证了足够的延伸率、韧性和屈服强度，但仍不免破坏。究其原因是构件或零件内部存在着或大或小、或多或少的裂纹和类似裂纹的缺陷造成的。裂纹在应力作用下可失稳而扩展，导致机件破断。材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性。 式中：Y_裂纹的几何形状因子; _外加应力（N/mm2）； 当K1

14、达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性断裂，而K1K1C时，零件安全可靠。a_裂纹的半长（mm）；K1_ 强度因子（MPam1/2或MNm-3/2）K1C即为断裂韧度常见工程材料的断裂韧度K1C值（MNm-3/2） 1.2 材料的使用性能 物理性能一、密度单位体积物质的质量称为该物质的密度 金属材料陶瓷材料高分子材料复合材料密度降低密度小于5103 kg/m3 的金属称为轻金属。 典型代表铝，比刚度、比强度高，广泛应用于飞机结构件比刚度、比强度低，应用受限最有前途的新型结构材料1.3 材料的工艺性能 1.铸造性能 金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能，用流动性、

15、收缩性和偏析来衡量。 2.锻造性能 金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称锻造性。锻造性能主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。 1.3 材料的工艺性能 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。 金属材料对焊接加工的适应性称焊接性。4.加工性能 5.热处理性能 一般用切削后的表面质量(以表面粗糙度高低衡量)和刀具寿命来表示。 具有适当的硬度(170230 HBS)和足够的脆性时切削性好 热处理改变材料性能的主要手段 热处理性能材料热处理的难易程度和产生热处理缺陷的倾向第2章 材料的结构与结晶2.2 晶体结构理论2.3 晶体缺陷理论2.

16、4 纯金属结晶2.5 合金的结晶与相图2.6 铁碳合金相图 晶体 材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。非晶体 ：蜂蜡、玻璃 等晶体：金刚石、NaCl、冰 等 非晶体 原子无规则堆积液体 晶体与非晶体2.2 晶体结构理论 晶体与非晶体的根本区别不在外形，关键是内部的原子（或离子、分子）的排列情况。晶体与非晶体的特点：晶体：固定的熔点 在不同方向上具有不同的性能（各向异性）非晶体：没有固定的熔点 各向同性 晶体学基本概念晶体的结构：晶体中原子（离子或分子）在空间的具体 排列1.晶格金属晶体离子晶体分子晶体根据结合键类型的不同共价晶体原子（离子）的刚球模型原子中心位置晶胞点阵（晶

17、格）模型晶格通过质点的中心划出许多空间直线形成的空间格架2.晶胞能够完全反映晶格特征的最小的几何单元晶胞XYZabc晶格常数a，b，c1.体心立方结构 2.面心立方结构 3.密排六方结构 金属晶体结构1.体心立方晶格金属原子位于立方晶胞的八个角上和立方体的体心如：-Fe、W、Gr、Mo 等1.体心立方晶格体心立方晶胞晶格常数：a=b=c； =902.晶胞原子数：一个晶胞内的原子数3.原子半径：晶胞中原子最密排的方向上相邻两原子之间平衡距离的一半4.致密度：0.68致密度=Va /Vc，其中Vc:晶胞体积a3Va:原子总体积24r3/3XYZabc2r2raa21.晶格尺寸：晶胞的大小2. 面心

18、立方晶格 -Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag 等面心立方晶胞晶格常数：a=b=c； =90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.74XYZabc43. 密排六方晶格 C（石墨）、Mg、Zn 等晶格常数底面边长a底面间距c侧面间角120侧面与底面夹角90晶胞原子数：6原子半径：a/2致密度：0.742.3 晶体缺陷理论实际金属晶体结构与理想结构的偏离单晶体：内部晶格位向完全一致的晶体（理想晶体）。如单晶Si半导体。多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。晶粒（单晶体）晶体缺陷类型（1）点缺陷：空位、间隙原子、置换原子（2）线缺陷：位错（3）面缺陷：晶界与亚晶界晶体缺陷 在实际金属材料中，原子的排列

19、不可能像理想晶体那样规则和完整，不可避免的或多或少的存在一些原子偏离规则排列的区域1.点缺陷如果间隙原子是其它元素就称为异类原子 （杂质原子）空位 间隙原子2.线缺陷刃型位错与螺旋位错刃型位错 刃型位错 螺旋位错3. 面缺陷晶粒（单晶体）晶界亚晶界亚晶界面缺陷引起晶格畸变，晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。晶体液体结晶结晶： 液体 - 晶体凝固： 液体-固体（晶体或非晶体）液态固态气态长程无序短程有序一、纯金属的结晶条件二、纯金属的结晶过程三、晶粒大小及控制四、同素异构转变2.4 纯金属的结晶一、纯金属的结晶条件热分析法：把纯金属置于坩锅内加热成均匀熔体，而后使其缓慢冷却，在冷却过程中，每

20、隔一定时间测定温度变化，直至结晶完毕后冷却到室温。 冷却曲线tTTmTnT过冷度T= T0 - Tn平衡结晶温度实际结晶温度T越大Tn越低过冷度的大小与金属的本性和纯度的不同以及冷却速度有关2.冷却速度愈大，过冷度T愈大。1.同一种金属，纯度越高，过冷度T愈大。注意：若极其缓慢的进行冷却，过冷度T几 乎接近于零，但是不管冷却速度有多 慢，都无法在理论结晶温度进行结晶。实际金属总是在过冷条件下结晶，由热力学条件决定自然界的一切自发转变过程，总是由一种能量较高的状态趋向于能量较低的状态，能量最低的状态最稳定。固、液处于动平衡高于Tm，液态比固态自由能低，金属处于液态更稳定低于Tm，金属处于固态更稳

21、定二、纯金属的结晶过程液态金属形核晶核长大完全结晶形核和晶核长大的过程液体尺寸大的原子集团变得稳定，成为结晶核心晶核按各自方向吸收液体中的金属原子而变大1.形核过程两种形核方式 自发形核 与 非自发形核自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。非自发形核 是依附于外来杂质上生成的晶核。2.晶核长大过程两种长大方式 平面生长 与 树枝状生长。平面生长树枝状生长三、细化金属晶粒的措施晶粒度 表示晶粒大小，分8级（p111)。细晶强化 晶粒细化使金属机械性能提高的现象比较： 细晶强化-强度、硬度、塑性、韧性 固溶强化-强度、硬度，塑性、韧性（1）提高过冷度形核率N 、长大速

22、度G 与 过冷度T 的关系TG，NGN细化晶粒的措施（2）变质处理在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。（3）振动结晶振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。四、同素异构转变 金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。纯铁的同素异构转变-Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc1394 C912 C-Fe，fcc-Fe，bcc912 C纯铁的冷却曲线TFe，bcc-Fe，bcc-Fe，fcc770铁磁性一、合金相结构二、二元合金相图2.

23、5 合金的结晶与相图1匀晶相图2共晶相图3共析相图一、合金相结构1.合金的基本概念合金 通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质，称为合金。组元 组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。 相在金属或合金中，凡成分相同、聚集状态相同、结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，称之为相。组织 在金属和合金中，在显微镜下能观察到的微观形貌、图象称为组织，它是由单相物质或多相物质组合成的，具有一定形态特征的聚合体。固溶体 2.合金中的相结构溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金间隙固溶体 溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间隙固溶体

24、，间隙固溶体仍保持着溶剂金属的晶格类型。置换固溶体 溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子而组成的固溶体称置换固溶体。按溶质原子在金属溶剂晶格中的位置分类两种类型的固溶体 置换固溶体 间隙固溶体 2.合金中的相结构无限固溶体 当两组元在固态无限溶解时，所形成的固溶体有限固溶体 当两组元在固态部分溶解时，所形成的固溶体按溶质原子在金属溶剂中的溶解度分类：固溶体的性能无论置换固溶体，还是间隙固溶体，由于溶质原子的存在都会使晶格发生畸变，使其性能不同于原纯金属。当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，其一般情况下，强度、硬度逐渐升高，而塑

25、性、韧性有所下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等。固溶强化：由于外来原子（溶质原子）溶入基体中形成固溶体而使其强度、硬度升高的现象。细晶强化 晶粒细化使金属机械性能提高的现象金属化合物若新相的晶格结构不同于任一组成元素，则新相是组成元素间相互作用而生成的一种具有金属特性的新物质，称金属化合物，如碳钢中的Fe3C，黄铜中的相（CuZn）。金属化合物一般具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性。二、二元合金相图1.相图的意义及相关概念1.合金系由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，称为合金系。2.相图用来表示合金系中各个合

26、金的结晶过程的简明图解称为相图，又称状态图或平衡图。相图上所表示的组织都是十分缓慢冷却的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织。2.二元合金状态图的建立热分析法测定合金状态图：以Cu-Ni合金相图测定为例(1)配制不同成分的合金试样，如纯铜；75%Cu+25%Ni；50%Cu+50%Ni；合金25%Cu+75%Ni；：纯Ni。(2)测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界点；(4)将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到Cu-Ni合金相图。(3)将各临界点绘在温度合金成分坐标图上；3.匀晶相图 两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图。以Cu-Ni合金为例进行分析。相图由两

27、条线构成，上面是液相线，下面是固相线。相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L ，固相线以下为 固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+ ）。 铜-镍合金匀晶相图CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+ 纯铜熔点纯镍熔点液相线固相线液相区固相区液固两相区 结晶时由液相结晶出单相的固溶体的结晶过程，称为匀晶转变匀晶转变的特点：1.结晶过程也包括形核和晶核长大两个过程。2.匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。匀晶合金的结晶过程abcdT,CtLLL匀晶转变 L 冷却曲线C

28、uNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+ 4.共晶相图PbSnSn%T,C铅-锡合金共晶相图液相线L固相线 + L + L + 固溶线固溶线两组元在液态无限互溶、固态有限互溶，并发生共晶转变形成共晶组织的二元系相图共晶转变分析PbSnT,CL + L + L + 共晶反应线表示从c点到e点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。ce共晶点表示d点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。dLd c + e共晶反应要点PbSnT,CL + L + L + 183ced共晶转变在恒温下进行。转变结果是从一种液相中结

29、晶出两个不同的固相。存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。X1合金结晶过程分析cefgX1T,CtLLLL+ 冷却曲线 + 1234PbSnT,CL + L + L + 183cedX1合金结晶特点T,CtLLLL+ 冷却曲线 + 1.没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成单相固相。2.要经过脱溶反应，室温 组织组成物为 + 组织组成物组织中，由一定的相构成的，具有一定形态特征的组成部分。X2合金结晶过程分析（共晶合金）X2T,CtL(+ )L(+ )LL(+ ) 共晶体冷却曲线(+ )PbSnT,CL + L + L + 183cedX3合金结晶过

30、程分析（亚共晶合金）X3T,CtLL+ (+ )+ + 12(+ )+ PbSnT,CL + L + L + 183cedL+(+ )+标注了组织组成物的相图5. 共析相图共析转变： ( + ) 共析体ABT,C + + + cedL + L2.6 铁 碳 合 金相图1 纯铁和铁碳合金中的相2 铁碳合金相图分析3 铁碳合金成分、组织与性能的关系及应用 纯铁的冷却曲线TFe，bcc-Fe，bcc-Fe，fcc770铁磁性1 纯铁和铁碳合金中的相一、纯铁及其同素异构转变工业纯铁含杂质：0.10.2碳含量很低，硬度和强度很低，工程上应用很少。常用铁碳合金 碳在 中形成的间隙

31、固溶体，面心立方晶格。用A或 表示。溶碳能力比铁素体大，1148时最大为2.11%。强度低、塑性好。 碳在 中形成的间隙固溶体，体心立方晶格。用F 或 表示。铁素体的溶碳能力很低,在727时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。性能与纯铁相似。 二、铁碳合金的相结构1. 铁素体2. 奥氏体3.渗碳体 渗碳体是铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间隙化合物，分子式Fe3C。含碳6.69% ， Fe3C硬度高、强度低、脆性大， 塑性几乎为零。一、相图分析2 铁碳合金相图分析1. 相图上重要的点、 线、区液相线ABCD固相线AHJECFD五个单相区： L液相区高温铁素体相区奥氏体相区铁素体相

32、区Fe3C渗碳体相区七个两相区: L+、L+、L+Fe3C、 +、+Fe3C、+ 、+Fe3C（1）HJB：包晶线转变线 LB+H J 2. 三个重要恒温转变三条重要的水平线： HJB线、 ECF线、 PSK线共晶产物是 与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体， 用Le表示。为蜂窝状， 以Fe3C为基，性能硬而脆。（2）ECF：共晶转变线 LC E+Fe3C共析转变的产物是 与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,起强化作用，强度和硬度高，但塑性差。（3） PSK：共析转变线 S FP+ Fe3C3. 三条重要的特征线ES碳在 -Fe中的溶解度曲线（固溶

33、线）。又称Ac m线PQ碳在-Fe中的固溶线。GS 固溶体转变线, GS又称A3 线2 铁碳合金相图分析一、铁碳合金按其含碳量及室温组织分类 纯铁 :wc 0.0218% 钢亚共析钢: wc= 0.02180.77%共析钢: wc= 0.77%过共析钢: wc= 0.772.11%白口铸铁 亚共晶白口铁: wc= 2.114.3%共晶白口铁: wc= 4.3%过共晶白口铁: wc= 4.36.69%典型铁碳合金结晶过程图 图5-2二、典型铁碳合金结晶过程分析1.含碳0.01%的工业纯铁 2.含碳0.77%的共析钢（合金） 3.含碳0.40%的亚共析钢（合金） 4.含碳1.2%的过共析钢（合金）

34、 5.含碳4.3%的共晶白口铁(合金） 6.含碳3.0%的亚共晶白口铁(合金）7.含碳5.0%的过共晶白口铁（合金） 1.含碳0.01%的工业纯铁 图5-3 工业纯铁结晶过程2. 0.77%共析钢结晶过程 图5-5 共析钢结晶过程示意图 3.亚共析钢结晶过程 图5-7 亚共析钢结晶过程示意图 4.1.2%C的过共析钢的结晶过程 图5-9 过共析钢的结晶过程 铁碳合金组织特征图(a) 0.01%C铁素体500(c).0.77%C珠光体500(b) 0.45%C铁素体+珠光体500d). 1.2%C铁素体+二次渗碳体500图5-115. 共晶白口铁的结晶过程 图5-12 共晶白口铁的结晶过程示意图

35、 6.亚共晶白口铁结晶过程 图5-14 亚共晶白口铁结晶过程示意图 7.过共晶白口铁结晶过程 图5-16 过共晶白口铁结晶过程示意图 三、碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响1.含碳量对平衡组织的影响 图5-18 含碳量对平衡组织的影响示意图 从图中可以看出,铁碳合金随含碳量增高，其组织发生如下变化： （沿F晶界分布的基片）共析渗碳体（分布在铁素体内的片层状） （沿A晶界呈网状分布）共晶渗碳体（为莱氏体的基体） （分布在莱氏体上的粗大状）。 2.含碳量对铁碳合金机械性能的影响图5-19 含碳量对铁碳合金机械性能的影响 随着含碳量的增加，强度、硬度增加，塑性、韧性降低。当含碳量大于1.0%时，由于网

36、状二次渗碳体的出现，导致钢的强度下降。为了保证工业用钢具有足够的强度和适当的塑性、韧性，其含碳一般不超过1.31.4%。 含碳量大于2.11%的铁碳合金，即白口铸铁，由于其组织中存在大量的渗碳体，具有很高的硬度和脆性，难以切削加工，除少数耐磨件外很少应用。 四、相图的实际应用 1.为选材提供成分依据 低碳钢（0.100.25%C）:适用于要求塑性，韧性好的零件，如建筑结构和容器等。 中碳钢（0.250.60%C）:适用于要求强度、塑性、韧性都较好的零件，如轴等。 高碳钢（0.61.3%C）:适用于要求硬度高、耐磨性好的零件，如工具等。 白口铸铁具有很高的硬度和脆性，应用很少，但因其具有很高的抗

37、磨损能力，可应用于少数需要耐磨而不受冲击的零件，如：拔丝模、轧辊和球磨机的铁球等。 2.为制定热加工工艺提供依据 对铸造：确定铸造温度；根据相图上液相线和固相线间距离估计铸造性能的好坏. 对于锻造：确定锻造温度。 对焊接：根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当热处理方法来减轻或消除组织不均匀性。 对热处理：相图更为重要，这在下面一章中详细介绍。3 碳 钢 一、钢中常存杂质元素对钢的性能的影响 Mn、Si :它们大部分溶于铁素体中，强化铁素体；一部分Mn能溶于Fe3C中，形成合金渗碳体，这都使钢的强度提高，同时Mn还能与S化合成MnS，减轻S的有害作用。 S:S不溶于铁，而以FeS形式存在，FeS

38、会与Fe形成低熔点共晶体，并分布于奥氏体的晶界上，当钢材在热加工时，会沿着FeS-Fe共晶体边界开裂，钢材变得极脆，产生热脆性。 P:P使室温下的钢的塑性、韧性急剧降低，并使钢的脆性转化温度有所升高，使钢变脆，产生“冷脆”。 二、碳钢的分类、编号和用途 1.碳钢的分类 (1)按含碳量分类 低碳钢:wc=0.010.25% 中碳钢:wc= 0.250.6% 高碳钢:wc= 0.61.3% (2)按质量分类 普通碳素钢:ws0.055% wp0.045% 优质碳素钢:ws、wp 0.0350.040% 高级优质碳素钢:ws 0.020.03%；wp 0.030.035% (3)按用途分类 碳素结构

39、钢:用于制造各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等，及机器零件，如齿轮、轴、连杆、螺钉、螺母等。 碳素工具钢:用于制造各种刀具、量具、模具等，一般为高碳钢。2.碳钢牌号和用途 (1)普通碳素结构钢 表示方法: Q+数字。 “Q”为屈服点，“屈”汉语拼音，数字表示屈服强度值。若牌号后面标注字母A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同，A、B、C、D质量依次提高，“F”表示沸腾钢，“b”为半镇静钢，不标“F”和“b”的为镇静钢。如：Q235-AF表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢。 用途：普通碳素结构钢常制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等钢结构，也可制造普通的铆钉、螺钉、螺母、垫圈、地脚

40、螺栓、轴套、销轴等等。（2）优质碳素结构钢 表示方法:两位数字。 表示钢材中的平均含碳量的万分数。如20钢表示平均含碳量为0.20%，若钢中含锰量较高，须将锰元素标出，如 15Mn。 用途： 08、08F、10、10F钢：塑性、韧性好，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身，拖拉机驾驶室等。 15、20、25钢：用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞钢、样板等。 30、35、40、45、50钢：经热处理（淬火+高温回火）后具有良好的综合机械性能，用于制作轴类零件。 55、60、65钢：热处理（淬火+高温回火）后具有高的弹性极限，常用作弹簧。

41、（3）碳素工具钢 表示方法:“T”字后附数字表示。 数字表示钢中平均含碳量的千分之几。T8、T10分别表示钢中平均含碳量为0.80%和1.0%的碳素工具钢，若为高级优质碳素工具钢，则在钢号最后附以“A”字。如T12A。 用途:碳素工具钢用于制造各种量具、刃具、模具等。第六章 钢的热处理 第一节 钢的热处理基础 第三节 钢的整体热处理 第四节 钢的表面热处理第一节 钢的热处理基础 一、热处理的概念 热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。图6-1热处理工艺曲线的示意图二、常见的热处理方法第一节 钢的热处理基础 一、奥氏体化前的组织

42、我们只考虑比较简单的情况即奥氏体化前的组织为平衡组织的情况。 亚共析钢 F+P 共 析 钢 P 过共析钢 Fe3C+P第一节 钢的热处理基础 二、钢在加热和冷却时的相变临界点 图6-2 实际相变温度与理论转变温度之间的关系 三、共析碳钢A形成过程示意图 A 形核A 长大残余Fe3C溶解A 均匀化图6-3四、亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程 亚共析钢和过共析钢与共析钢的区别是有先共析相。其PA的转变过程同共析钢相同，也是经过前面的四个阶段。 对于亚共析钢，平衡组织F+P，当加热到AC1以上温度时，PA，在AC1AC3的升温过程中，先共析的F逐渐溶入A；对于过共析钢，平衡组织是Fe3C+P，当加

43、热到AC1以上时，PA，在AC1ACCM的升温过程中，二次渗碳体逐步溶入奥氏体中。五、影响奥氏体形成速度的因素 1. 加热速度的影响 加热速度越快，相变驱动力也越大；提高形核与长大的速度，从而加快奥氏体的形成。2. 化学成分的影响 钢中含碳量增加，碳化物数量相应增多，F和Fe3C的相界面增多，奥氏体晶核数增多，其转变速度加快。 钢中的合金元素能改变钢的临界点，并影响碳的扩散速度，且它自身也存在扩散和重新分布的过程，所以合金钢的奥氏体形成速度一般比碳钢慢。3. 原始组织的影响 钢中原始珠光体越细，其片间距越小，相界面越多，越有利于形核，奥氏体形成速度加快。六、奥氏体晶粒大小 起始晶粒度 :奥氏体

44、化刚结束时的晶粒度,此时晶粒细小均匀。 实际晶粒度:钢在加热时所获得的实际奥氏体晶粒的大小。决定钢的性能。 本质晶粒度:钢加热到93010、保温8小时、冷却后测得的晶粒度。表示钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向。根据本质晶粒度将钢分为本质粗晶粒钢和本质细晶粒钢。晶粒度为1-4 级的是本质粗晶粒钢，5-8 级的是本质细晶粒钢。前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。 过冷奥氏体 高温时所形成的奥氏体冷却到A1点以下尚未发生转变的奥氏体 。冷却方式:等温冷却和连续冷却 图6-6 冷却方式示意图等温冷却：把加热到A状态的钢，快速冷却到Ar1以下某一温度等温停留一段时间，使A发生转变，然后再冷却到室温。连

45、续冷却：把加热到A状态的钢，以某一速度连续冷却到室温，使A在连续冷却过程中发生转变。第一节 钢的热处理基础 一、过冷奥氏体等温转变时间温度A1MSMfA过冷PBMAMABAP转变开始线转变终了线奥氏体C 曲线或TTT曲线（以共析钢为例）转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小.孕育期最小处称C 曲线的“鼻尖”。碳钢鼻尖处的温度为550。二、过冷奥氏体等温转变的产物的组织和性能 (一)珠光体转变 :A15501. 珠光体的形成A P: 1.铁、碳原子的扩散。由A形成高碳的渗碳体和低碳的铁素体； 2.晶格重构。fcc的A转变为bcc的铁素体和复杂立方晶格的渗碳体。按渗

46、碳体形态不同，珠光体分为：片状珠光体和球状珠光体 珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。 珠光体转变是扩散型转变。图6-9 珠光体形成示意图根据片间距不同,又细分为粗珠光体（珠光体P）、细珠光体（索氏体S）和极细珠光体（托氏体T） 。2. 珠光体的性能层状珠光体的性能主要取决于层片间距珠光体片间距越小，则珠光体的硬度高、强度高、塑性好。 根据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体(B上)和下贝氏体(B下)。上贝氏体:形成温度为550-350。在光镜下呈羽毛状。在电镜下为不连

47、续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。图6-10 上贝氏组织特征图（二）贝氏体转变过冷奥氏体在550- 230 (Ms)间将形成贝氏体类型组织，用符号B表示。下贝氏体形成温度为350-Ms。在光镜下呈竹叶状。在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向呈55-60角。图6-11 下贝氏组织特征图上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。上贝氏体形成示意图B上 =过饱和碳 -Fe条状 + Fe3C细条状过饱和碳-Fe条状 Fe3C细条状羽毛状图6-12B下 =

48、过饱和碳 -Fe针叶状 + Fe3C细片状过饱和碳 -Fe针叶状Fe3C细片状针叶状图6-13 下贝氏体形成示意图图6-14 上贝氏体组织金相图图6-15 下贝氏体组织金相图(三)马氏体转变马氏体是过冷奥氏体连续冷却到Ms以下温度所形成的组织。马氏体转变开始的温度称上马氏体点，用Ms 表示。马氏体转变终了温度称下马氏体点，用Mf 表示。只要温度达到Ms以下即发生马氏体转变。在Ms以下，随温度下降,转变量增加，冷却中断,转变停止。马氏体转变是不彻底的，总有部分奥氏体未能转变而残留下来，称残余奥氏体，用A 或 表示。 A 量随含碳量的增加而增加。马氏体的晶体结构: 碳在-Fe中的过饱和固溶体称马氏

49、体，用符号M表示。 马氏体具有体心正方晶格（a=bc）,轴比c/a 称马氏体的正方度。马氏体根据形态分板条马氏体和针状马氏体两类。马氏体的性能: 高硬度是马氏体性能的主要特点。 马氏体的硬度主要取决于其含碳量。含碳量增加，其硬度增加。 针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性。图6-16 低碳板条状马氏体组织金相图图6-17 高碳针片状马氏体组织金相图四、过冷奥氏体连续冷却转变曲线 过冷奥氏体连续冷却转变曲线又称CCT(Continuous-Cooling-Transformation diagram)曲线。 图中Ps和Pf表示AP的开始线和终了线，K线表示AP的终止线，若冷却曲线碰到

50、K线，这时AP转变停止，继续冷却时A一直保持到Ms点温度以下转变为马氏体。 Vk称为临界冷却速度，它是获得全部马氏体组织的最小冷却速度。Vk愈小，钢在淬火时越容易获得马氏体组织，即钢接受淬火的能力愈大。 Vk是TTT图上的临界冷却速度。CCT曲线与C曲线的区别： (1)CCT曲线位于TTT曲线右下方。 (2) CCT曲线无贝氏体转变区。 (3)临界冷却速度不同。第二节 钢的整体热处理 一、钢的退火与正火 二、钢的淬火 三、钢的回火 一、钢的退火与正火 1.钢的退火与正火的目的 细化晶粒，均匀组织,改善成分。 调整硬度，改善切削加工性。 消除内应力。 为最终热处理做组织准备。图6-18 完全退火

51、 将工件加热到Ac3+3050、保温后随炉缓冷，主要用于亚共析钢。 目的：细化组织、降低硬度、改善加工性、去除内应力 等温退火 将工件加热到Ac3+3050，保温一定时间后，先以较快的冷速冷到珠光体的形成温度等温，待等温转变结束再快冷。可以大大缩短退火的时间。 主要用于：高碳钢、中碳合金钢、经渗碳处理后的低碳合金钢等2.退火工艺 球化退火 将钢件加热到Ac1+3050，保温一定时间后随炉缓慢冷却至600后出炉空冷。 目的：通过球化退火，使层状渗碳体和网状渗碳体变为球状渗碳体，降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火作准备。 主要适用于：共析和过共析成分的碳钢和合金钢锻、轧件。 将工件加热到Ac3

52、或Accm+3080，保温后空冷。 正火与退火的区别是正火冷速快，组织细，强度和硬度有所提高。当钢件尺寸较小时，正火后组织是S，而退火后组织是P。 正火的应用：（1）用于普通结构零件，作为最终热处理，细化晶粒提高机械性能。（2）用于低、中碳钢作为预先热处理，得合适的硬度便于切削加工。（3）用于过共析钢，消除网状Fe3C，有利于球化退火的进行。 正火温度图6-193.正火工艺4.退火和正火的选择 （1）从切削加工性上考虑 金属的硬度在HB170230范围内，切削性能较好。高于它过硬，难以加工；过低则切屑不易断，加工后的零件表面粗糙度很大。对于低、中碳结构钢以正火作为预先热处理比较合适，高碳结构钢

53、和工具钢则以退火为宜。至于合金钢，由于合金元素的加入，使钢的硬度有所提高，故中碳以上的合金钢一般都采用退火以改善切削性。 （2）从使用性能上考虑 工件性能要求不太高，往往用正火来提高其机械性能，但若零件的形状比较复杂，正火的冷却速度有形成裂纹的危险，应采用退火。 （3）从经济上考虑 正火比退火的生产周期短，耗能少，且操作简便，故在可能的条件下，应优先考虑以正火代替退火。 二、钢的淬火 2.钢的淬火工艺(1)淬火加热温度的选择亚共析钢：Ac3+（3050），淬火后的组织为均匀而细小的M。过共析钢：Ac1+（3050），淬火后的组织为M+Fe3C颗粒+A。如果加热温度过高，渗碳体溶解过多，奥氏体晶

54、粒粗大，会使淬火组织中马氏体针变粗，渗碳体量减少，残余奥氏体量增多，从而降低钢的硬度和耐磨性。1.淬火的目的 为了获取组织，它是强化钢材最主要的热处理方法。图6-20 淬火加热温度的选择示意图（2）淬火介质 理想的冷却速度应是如右图所示的速度。 最常用的冷却介质是水和油，水在650550范围内具有很大的冷却速度，但在300200时冷却速度仍然很快，必然会引起淬火钢的变形和开裂。 油在300200范围内的冷却速度较慢，但在650550范围内的冷却速度不够大，不易使碳钢淬火成马氏体，只能用于合金钢。常用淬火油为10#，20#机油。 聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业常用的淬火介质。 理想淬火曲线示意图

55、MsMf图6-21 （3）淬火方法 单介质淬火法 将加热的工件放入一种淬火介质中一直冷到室温。 这种方法操作简单，容易实现机械化，自动化，如碳钢在水中淬火，合金钢在油中淬火。 双介质淬火法 加热的工件先在快速冷却的介质中冷却到300左右，立即转入另一种缓慢冷却的介质中冷却至室温，以降低马氏体转变时的应力，防止变形开裂。如形状复杂的碳钢工件常采用水淬油冷的方法；而合金钢则采用油淬空冷。 马氏体分级淬火法 将加热的工件先放入温度稍高于Ms的硝盐浴或碱浴中，保温25min，使零件内外的温度均匀后，立即取出在空气中冷却 。 这种方法可以有效地减少内应力，防止产生变形和开裂。 贝氏体等温淬火法 将加热的

56、工件放入温度稍高于Ms的硝盐浴或碱浴中，保温足够长的时间使其完成B转变。等温淬火后获得B下组织。 下贝氏体与回火马氏体相比，在含碳量相近，硬度相当的情况下，前者比后者具有较高的塑性与韧性，适用于尺寸较小，形状复杂，要求变形小，具有高硬度和强韧性的工具，模具等。 图6-223.钢的淬透性 （2）影响淬透性的因素 化学成分 亚共析钢的淬透性随含碳量增加而增大，过共析钢的随含碳量增加而减小。除Co和Al（2.5%）以外的大多数合金元素都使C曲线右移，使钢的淬透性增加。 奥氏体化温度 温度愈高，晶粒愈粗，未溶第二相愈少，淬透性愈好。 （1）淬透性的概念 淬透性表示的是钢在淬火时所能得到的淬硬层深度 。

57、 淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区(50%M+50%P)的深度。 淬硬性指的是钢在淬火能达到的最高硬度。钢的淬硬性主要决定于马氏体的含碳量，即取决于淬火前奥氏体的含碳量。 a) 全淬透 b) 未淬透未淬透钢淬透钢 图5-24 淬透性不同的钢调质后机械性能 三、钢的回火 1.回火的概念及目的 将淬火钢重新加热到A1点以下某一温度，保温后冷却到室温的热处理工艺。 目的: (1)获得所需要的力学性能。 (2)使不稳定的淬火组织M和残余A转变为稳定组织，保证工件不再发生形状和尺寸的改变。 (3)消除淬火内应力，防止进一步变形、开裂。 2.淬火钢回火时组织和性能的变化(1)淬火钢回火时组织的变化 8

58、0200，发生马氏体的分解 由淬火M中析出薄片状细小的碳化物,使M中碳的过饱和度降低，通常把这种过饱和+碳化物的组织称为回火马氏体（M回）。在显微镜下观察呈黑色针叶状。 200300发生残余奥氏体分解 残余奥氏体分解过饱和的+碳化物的混合物，这种组织与马氏体分解的组织基本相同。得到的依然是M回。 250400，马氏体分解完成 过饱和的中的含碳量达到饱和状态，MF，但这时的铁素体仍保持着马氏体的针叶状的外形，这时碳化物转变为极细的颗粒状的渗碳体。这种由针叶状F和极细粒状渗碳体组成的机械混合物称为回火屈氏体（T回）。 400以上回复与再结晶 相开始回复，500以上时发生再结晶，从针叶状转变为多边形

59、的粒状，同时粒状渗碳体聚集长大成球状，即在500以上（500-650）得到由粒状铁素体+球状Fe3C组成的回火组织回火索氏体。（S回） (2)淬火钢回火时性能的变化 硬度大约在200以后呈直线下降；钢的强度在开始时虽然随着内应力和脆性的减少而有所提高，但自300以后也和硬度一样随回火温度升高而降低；而钢的塑性和韧性则相反，自300以后迅速升高。 3.回火的方法及应用 （1）低温回火 回火温度：150250。 组织：回火马氏体。 性能：内应力和脆性降低，保持了高硬度和高耐磨性。 应用：高碳钢或高碳合金钢制造的工、模具、滚动轴承及渗碳和表面淬火的零件。 回火马氏体图6-25（2）中温回火回火温度：

60、为350500。组织：回火屈氏体。性能：具有一定的韧性和高的弹性极限及屈服极限。应用：含碳0.5-0.7%的碳钢和合金钢制造的各类弹簧。图6-26回火屈氏体（3）高温回火回火温度：500650。组织：回火索氏体。性能：具有适当的强度和足够的塑性和韧性。应用：含碳0.3-0.5% 的碳钢和合金钢制造的各类连接和传动的结构零件，如轴、连杆、螺栓等。淬火后高温回火称调质处理。图5-27回火索氏体第三节 钢的表面热处理 一、钢的表面淬火 1.表面淬火概念及应用 快速加热使钢的表面奥氏体化后淬火冷却，获得表层硬而耐磨的M组织，心部仍保持原来的组织。 应用：中碳钢和中碳低合金钢。2.表面淬火特点 a. 加