钢的力学和热处理课件

1、第一章 材料的力学性能了解材料的性能是正确使用和加工材料的基础概述互动讨论题1以同学们现有的经验与知识，在选择某种材料来制造某个机械零件时，应该考虑哪些因素？性能：能否满足使用要求制成零件的难易程度经济：材料是否容易获得材料价格及运输等成本资源环境：材料是否可以再生产材料生产及使用对环境的影响互动讨论题2在上述必须考虑的因素中，首先要考虑的关键因素是什么？A、材料的性能B、材料的成本C、材料对资源与环境的影响材 料 的 性 能使用性能：工艺性能：力学性能物理性能化学性能冷加工性能热加工性能热处理性能 力 学 性 能强度、塑性硬度冲击吸收功疲劳强度断裂韧度第一节 强度与塑性材料在外力作用下的表现

2、行为：变形 断裂材料在外力作用下的行为过程： 弹性变形塑性变形断裂 （永久变形）一、拉伸试验与力伸长曲线1、拉伸试验简介* 拉伸试样：长试样：l0=10d0; 短试样：l0=5d0d0l0液压式万能电子材料试验机拉伸试验机2、力伸长曲线FesbklFsFb二、强度指标 强度的定义：材料抵抗塑性变形和断裂的能力。 强度的大小：用应力表示。 什么叫应力？材料单位截面积上的内力，用表示，单位为MPb。 1MPb=1MN/m2 =1N/mm2 常用强度指标：屈服点、规定残余伸长应力、抗拉强度。1、屈服点与规定残余伸长应力屈服点： s = Fs/S 0 问题：有些材料在拉伸过程中没有屈服现象。怎么办？规

3、定残余伸长应力： r0.2 =Fr0.2/S 0slF0.20.2%l0o物理意义： 材料抵抗微量塑性变形的能力。工程意义： 机械设计和选材的重要论据。为什么？ 机械零件在工作中不允许产生明显的塑性变形。2、抗拉强度抗拉强度： b = Fb/S 0物理意义： 材料在拉伸条件下断裂前能够随的最大应力。工程意义： 也是机械设计和选材的重要论据。讨论1： s 、r0.2、 b都是机械设计和选材的重要论据。实际使用时怎办？塑性材料： s 、r0.2 脆性材料： b屈强比： s / b讨论2： 屈强比 s / b有何意义？ 屈强比 s / b值越大，材料强度的有效利用率越高，但零件的安全可靠性降低。 所

4、以在实际应用时要根据具体情况考虑。 三、塑性指标 塑性的定义：材料在静载荷作用下产生塑性变形的能力。 常用指标： 断后伸长率、断面收缩率1、断后伸长率 问题： 的大小与试样标距长度有关。同种材料5 10 ( l1- l0)= 100% l02、断面收缩率 的大小不受尺寸影响，比较确切地反映了材料的塑性。但测量精度相对较差。 ( s1- s0)= 100% s0物理意义： 反映了材料在拉伸条件下塑性变形的能力。工程意义： 塑性好的材料不仅便于加工（轧、锻、冲等），而且零件的安全性较高。讨论： 强度与塑性是一对矛盾。在实际选用时怎样考虑？自行车三角架起重机吊钩齿轮、轴工具（扳手、旋具）上堂课复习拉

5、伸过程、屈服、颈缩现象拉伸试验：强度指标：s 、r0.2、 b 方法、试样力-伸长曲线：塑性指标： 、 、 拉伸试验是否适用于生产现场对零件进行质量检验？思考题： 不适应，多用于原材料质量检验和科研、试制过程中。 ？因为它是破坏性试验。 ？生产中需要其他力学性能试验方法。第二节 硬 度衡量材料软硬程度的指标。定义：物理意义：与试验方法有关。常用硬度试验法：刻划法：里氏回跳法：肖氏压入法：布氏、洛氏、维氏 工业上应用广泛的是静载荷压入法硬度试验。一、布氏硬度1、试验方法简介hd/2/2F压头试样布氏硬度试验原理试验原理概述：方法：用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸

6、载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。布氏硬度值：计算：用球面压痕单位面积上所承受的平均压力表示。符号：HBS（HBW）计算公式： 2F HBS=0.102 D(D-D2-d2) 讨论2：布氏硬度值的物理意义？讨论1：布氏硬度的计算很麻烦， 实际应用时怎么解决？ 布氏硬度值越高，材料抵抗硬物压入的能力越强，材料的硬度越高。查表，见实验指导书布氏硬度试验规范：压 头：材料与直径D试验力：F的大小N (kgf)试验力保持时间：t (s)详见表1-1 （P11）1、首先根据被测材料的硬度范围选择压头的材料：对布氏硬度值450的材料： 选用淬火钢球压头对布氏硬度值450的材料： 选用硬质合金球

7、压头讨论3：试验前怎样估计材料的 硬度范围？ 2、然后根据被测材料种类和厚度，按表1-1选定D、F和t。例：测量厚度为30mm的低碳钢试样的布氏硬度。试验规范为：淬火钢球压头、D=10mm、F=29420N、t=10s布氏硬度值的表示： 常用试验规范（ D=10mm、F=29420N、t=1015s）条件下测得的布氏硬度值： 275HBS 525HBW 其他条件下测得的布氏硬度值： 120HBS10/1000/30 550HBW5/75布氏硬度试验的特点：优点：测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。缺点：压痕面积较大，测量费时。应用：常用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料的硬度。

8、不适于测量成品零件或薄件的硬度。布氏硬度试验的特点：优点：测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。缺点：压痕面积较大，测量费时。应用：常用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料的硬度。不适于测量成品零件或薄件的硬度。. 试验原理概述：方法：用锥顶角为120的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。试验过程： 初试验力F1：1-1 压痕深度h0 主试验力F1：2-2 压痕深度h1 卸除主试验力，保留初试验力： 3-3 残余压痕深度增量h洛氏硬度值：计算：用残余压痕深度增量来计算。符号：H

9、R计算公式：H R=K-（ h/0.002)式中K=100（金刚石）或130（ 钢球)问题：残余压痕深度增量的测量是 非常困难的，实际应用时怎 么解决？实际测量时是从表盘上直接读出洛氏硬度值的。洛氏硬度值的试验规范(标尺)： 见表1-2（ P12）HRC 2067 150kgf 金刚石HRB 20100 100kgf 淬火钢球HRA 2088 60kgf 金刚石洛氏硬度值的表示： 45HRC、65HRB、80HRA洛氏硬度试验的特点：优点：测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测较薄工件。缺点：测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。应用：是生产中应用最广泛的硬度试验方法，并

10、可用于成品检验和薄件、表面硬度检验。不适于测量组织不均匀材料。三、维氏硬度1、试验方法简介 与布氏硬度试验原理基本相同。只是压头改用了金刚石四棱锥体，试验力小但范围大（49.03N980.7N)，测量精度高，适用范围广。试验方法概述： 以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。维氏硬度值：计算：用压痕两对角线的平均长度来计算。符号：H V计算公式：H V=0 . 1891F/d2aad维氏硬度值的表示： 与布氏硬度基本相同，在后面要标注试验条件试验力和保持时间（1015S不标）。 例：580HV30表示用30

11、kgf (294.2N)试验力保持1015S测定的维氏硬度值为580。维氏硬度试验的特点：优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量;测量精度高，可比性强；能测较薄工件。缺点：测量操作较麻烦，测量效率低，对试样表面质量要求高。应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件、表面硬度检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。讨论1：三种常用硬度试验方法的 比较 讨论2：三种常用硬度值的比较下堂课内容：第三节 冲击吸收功第四节 疲劳强度请同学们认真预习！上堂课复习HRC、HRB、HRA布氏硬度：维氏硬度：洛氏硬度：HBS、HBWHV 前述强度、塑性、硬度等力学性能均系材料在静载荷作用下表现的力学行为。思考

12、题：零件在实际工作中是否只 承受静载荷作用？ ？否！零件在实际工作中更多承受动载荷作用。 ？材料在动载荷作用下表现的力学行为是否相同？大小与方向随时间发生变明显化的载荷。 ？什么是动载荷？如：冲击载荷、交变载荷冲击载荷对零件的破坏性比静载荷要大得多。第三节 冲击吸收功材料抵抗冲击力作用的能力。冲击韧性定义：冲击韧性的表示：一般用冲击吸收功来表示。冲击吸收功的定义：材料在冲击力作用下折断时所吸收的功。冲击吸收功的测量：冲击试验一、夏比冲击试验1、试验原理简介 夏比冲击试验是将带有缺口的标准试样安放在试验机上的机架上，使试样的缺口位于两支座中间并背向摆锤的冲击方向，如下图：mgmgh1h2 将一定

13、质量m的摆锤提升到h1高度，此时摆锤具有位能mg h1；让摆锤自由落下冲断试样后升到h2高度，此时摆锤具有位能为mg h2。 显然，摆锤在冲断试样后损失的能量为：AKV（AKU）= mg h1- mg h2 （J） AKV（AKU）就是试样在一次冲击试验作用下折断时所吸收的功，称为冲击吸收功。 实际测量时，冲击试样必须按国家标准制造，有夏比V型和U型缺口试样两种。 AKV（AKU）可从冲击试验机的刻度盘上直接读出。2、冲击吸收功讨论2：为什么AKV只是设计的参考指标？讨论1：冲击吸收功的工程意义 因测量结果受试样形状、表面形态、内部组织的影响大，测量数据重复性差。 反映了材料抵抗冲击力而不破坏

14、的能力。是评定材料力学性能的重要指标。是机械设计的参考指标。3、韧脆转变温度 实践表明，同种材料的冲击吸收功与试验温度有关。 用同种材料在一系列不同的温度下进行冲击试验，可得到冲击吸收功与试验温度的关系曲线，称为冲击吸收功-温度关系曲线。上平台区下平台区过渡区韧脆转变温度AKVTO讨论3：韧脆转变温度的工程意义 反映了有些材料在室温时并不显示脆性，但低温时可能发生脆断。韧脆转变温度是衡量材料冷脆倾向的重要指标。讨论4：韧脆转变温度高好、低好？ 韧脆转变温度越低，材料的低温抗冲击性越好，不容易发生低温脆断。讨论4：韧脆转变温度应用举例 A、气温是变化的； B、机械产品的地域性。 车辆、桥梁、 输

15、油管道、船舶二、多次冲击试验 实际生产中，零件经一次冲击即断裂的情况是极少的。多数零件是在小能量冲击条件下经受许多次(103)冲击后才断裂。这种冲击称为小能量多次冲击。 要测量材料在小能量多次冲击作用下的抗力，可采用小能量多次冲击试验。 试验时将多冲试样安放在试验机支座上，用小能量进行多次冲击，直到试样断裂，得出材料在一定冲击能量下，开始出现裂纹和最后断裂的冲击次数，以此作为多冲抗力。多冲试验方法： 研究表明：材料的冲击抗力是取决于强度和塑性的综合性能指标。讨论5：冲击抗力与强度、塑性的关系 大能量一次冲击时，冲击抗力主要取决于塑性。 小能量多次冲击时，冲击抗力主要取决于强度。第四节 疲劳极限

16、 1、什么叫疲劳现象？一、疲劳现象 零件在循环应力的作用，即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。 什么叫循环应力（载荷）？ 大小或方向随时间发生周期性变化应力（载荷），也称交变应力 。 2、疲劳断裂的破坏性 疲劳断裂都是突然发生的，断裂前没有明显的塑性变形，具有极大的危险性 。 机械零件的断裂中，80%因疲劳引起，每年造成巨大损失。 3、疲劳断裂的过程 裂纹源扩散（截面逐步减小）最后突然脆断讨论：设计选材时怎样防止疲劳？ 需要一个能反映材料抵抗循环应力的力学性能指标。 1、定义二、疲劳极限 材料在循环应力作用下，经受无

17、限次循环而不断裂的最大应力值称为疲劳极限。 疲劳极限用疲劳试验测量，通常在放置对称弯曲疲劳试验机上进行。通过试验得出疲劳曲线。 用一批试样在不同的循环应力下进行疲劳试验，直到试样断裂。记录下每个试样循环应力与试样断裂前循环次数N，最后绘出- N关系曲线，称为疲劳曲线。 2、疲劳曲线N-10107疲劳曲线 由疲劳曲线可见，循环应力越低，则材料在断裂前循环次数N越大。 3、疲劳极限 当降低到某一定值 -1后 ，疲劳曲线与横坐标平行。表明当 -1时，材料经受无限有次循环也不会断裂。 -1就称为 疲劳极限。 不可能！因此，我们工程上定义：对钢铁材料，取N=107作为无限次；对非铁金属材料，取N=108

18、作为无限次。讨论1：实际疲劳试验时是否可能进行 无限次重复试验？ 零件的疲劳极限受诸多因素影响：结构设计、表面粗糙度、表面应力状态等。讨论2：实际生产中怎样提高零件的 抗疲劳性能？ 因此，设计时应正确选材并避免容易产生应力集中的结构；生产中降低零件表面粗糙度并进行表面热处理。本章小结 一、材料在静载作用下的力学性能 强度：s 、r0.2、 b 、 塑性： 硬度：HRC、HRB、HRA布氏：维氏：洛氏：HBS、HBWHV二、材料在动载作用下的力学性能 冲击吸收功：AKV-1 疲劳极限：讨论：上述力学性能的实际应用？ 强度与塑性是设计与选材的主要依据；硬度是生产中检验力学性能的主要方法；冲击吸收功

19、和疲劳极限对于承受动载的零件必须兼顾的力学性能。第二章 金属的晶体结构与结晶 讨论1：为什么不同的金属材料具有不同的力学性能？ 化学成分不同，组织结构不同。 讨论2：即使同种金属材料，在不同的条件下也具有不同的力学性能，为什么？ 因为组织结构不同。 理论和实践都表明：金属力学性能的差异是由其化学成分和组织结构（内部原子排列情况）决定的。 因此：为正确使用金属材料，我们有必要了解金属的晶体结构及其结晶规律。第一节 金属的晶体结构 一、晶体结构的基本知识1、晶体与非晶体 晶 体：内部原子呈规律性排列 的物质，如固态金属。 非晶体：内部原子排列没有规律 性的物质，如松香等。 晶体一般具有规则的外形，

20、而非晶体一般没有； 晶体与非晶体在性能上有很大的区别： 晶体具有固定的熔点，而非晶体没有固定的熔点； 晶体呈现各向异性，而非晶体各向同性。 注意：现代科技在一定条件下，晶体与非晶体可以相互转化。 例如：晶态玻璃、 非晶态金属2、晶格与晶胞晶 格：用来描述原子在晶体中排列方式的几何格架。晶胞： 因晶格中原子的排列是周期性的，为简便起见，从晶格中取出一个能反映晶格特征的最小几何单元来研究晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元就称为晶胞。 于是，晶格就可看成是由无数晶胞重复堆积而成的。 二、常见金属的晶体结构 不同金属晶体结构的主要差别就在于晶格形式及晶格常数的不同。晶格形式很多，但大多数金属具有

21、下列三种简单的晶体结构：1、体心立方晶格几何特征：8个顶角各1，体心1原子分布：晶胞为立方体1/88+1=2晶胞原子数：-Fe、Cr、Mo、W、V等具有体心立方晶格的常见金属：性能特点：较高的强度和塑性2、面心立方晶格几何特征：8个顶角各1,6个面心各1原子分布：晶胞为立方体1/88+1/2 6=4晶胞原子数：Al、Cu、Au、Ni、-Fe等具有面心立方晶格的常见金属：性能特点：很好的塑性3、密排六方晶格几何特征:12个顶角各1，2个底面心各1，柱体中部3个原子分布：晶胞为六棱柱体1/612+1/2 2+3=6晶胞原子数：Mg、Zn、Be等具有密排六方晶格的常见金属：性能特点：塑性差，较脆 三

22、、金属的实际晶体结构1、多晶体结构 单晶体： 内部原子排列方向完全一致的晶体，即仅一个晶粒的晶体。 多晶体：由许多晶粒（内部原子排列方向完全一致）构成的晶体。晶界晶粒单晶体多晶体2、晶体缺陷 空位和间隙原子 什么是晶体缺陷？ 晶体内部原子排列不规则的区域。 1、点缺陷： 2、线缺陷：位错CAEHBDFGA刃型位错示意图 3、面缺陷：晶界和亚晶界 晶界：晶粒与晶粒之间的界面。晶粒与晶粒间结晶位向一般相差300400。 亚晶界：实际金属的晶粒是由许多亚晶粒相互镶嵌而成的。小晶块位向差只有1020，这些亚晶粒之间的界面称为亚晶界。如图2-7（P24）。 讨论1：为什么实际金属的性能与理想金属相差甚远

23、？ 因为实际金属都是多晶体，晶界上原子排列不规则，且存在晶体缺陷。 讨论2：晶体缺陷对金属的力学性能有何影响？ 因晶体缺陷的存在引起晶格畸变，使塑性变形不容易进行，因而使金属常温下的强度和硬度提高。 晶体缺陷将因温度和加工过程的不同而产生、发展、运动，也可以合并或消失。第二节 金属的结晶什么叫金属的结晶？ 金属由液态转变为固态的过程。即原子由不规则排列到规则排列的过程。 一、冷却曲线与过冷现象TT0T10tabT液态固态过冷度 过冷是结晶的必要条件。冷却速度越快，过冷度越大。 二、金属结晶过程 金属的结晶是一个不断形核和晶核不断长大的过程。 如图2-9（P25）。 三、金属结晶后的晶粒大小1、

24、晶粒大小对性能的影响 一般情况（常温）下，晶粒越细小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。 因此，生产中总是希望获得细小均匀的晶粒组织。2、生产中怎样获得细小晶粒组织？ A、增大过冷度N,vNv0 T B、进行变质处理 C、结晶过程中附加振动：机械 振动、超声波振动、电磁振动等。 讨论：我们现在已经了解到有哪几种强化金属的途径？ A、加工硬化 B、细晶强化 通过塑性变形提高强度和硬度。 通过细化晶粒提高强度和硬度。第三节 合金的晶体结构与结晶 讨论：实际生产中大量使用的是合金而非纯金属，为什么？ 纯金属的性能特点：良好的导电导热性、塑性和金属光泽。但一般强度、硬度较低。 纯金属的资源特点：冶

25、炼较困难，价格成本较高。 因此，纯金属的使用受到限制。 一、基本概念1、基本概念 A、合金： 由两种或更多种化学元素（其中至少有一种是金属元素）所组成的、具有金属特性的物质。 B、组元：组成合金最基本的独立物质。钢：Fe-C 黄铜：Cu-Zn C、合金系： 由给定组元按不同比例配制的一系列不同成分的合金。 B、组元：组成合金最基本的独立物质。 5、合金的相： 合金系统中具有相同成分、相同结构、相同物理化学性能，并与该系统中其它部分以明显界面分开的组成部分。 例：高温时液相；碳钢室温时铁素体、渗碳体。 6、合金的组织： 金相分析的方法，观察到的金属及合金内部组成相的数量、大小、方向、形态及相互间

26、结合状态等，称为合金的组织。 用肉眼或放大镜观察到的组织称为宏观组织； 在显微镜下观察到的组织称为显微组织。 7、单相组织、多相组织： 若合金是由成分、结构相同的同一种晶粒组成，则该合金中只有一个相，称为单相组织。 若合金是由成分、结构互不相同的几种晶粒组成，则该合金中有几个相同时存在，称为多相组织。 二、合金的相 1、固溶体： 合金在固态下，组元间相互溶解而形成的相。例如：铁素体定义： 根据合金各组元间相互作用的不同，合金在固态下的相有固溶体和金属化合物两类。 根据溶质原子所处位置：根据溶解度：类型： 间隙固溶体、置换固溶体 有限固溶体、无限固溶体 良好的塑性，较高的强度性能：作用： 基体相

27、 2、金属化合物： 合金组元中金属与金属、或金属与非金属之间形成的具有金属特性的化合物相。定义：例如：渗碳体Fe3C 硬度高、熔点高，脆性大性能：作用： 强化相提高强度、硬度 综述： 纯金属、固溶体、金属化合物是组成合金的基本相。 绝大多数合金的组织都是由金属化合物分布在固溶体基体上形成的混合物。 混合物的性能介于各组成相之间，与组成相的性能、数量、形状、大小及分布有关。第三章 铁碳合金 讨论：目前使用最广泛的金属材料是什么？为什么？ 铁碳合金：良好的性能（使用性能、工艺性能），资源较丰富，冶炼较容易，成本较低。第一节 铁碳合金的基本组织 一、纯铁的同素异晶转变 定义： 金属在固态下晶体结构随

28、温度而发生的转变。钢：Fe-C 黄铜：Cu-Zn 纯铁的同素异晶转变如下：1394 912 -Fe -Fe-Fe15381394912770L-Fe -Fe-Fe无铁磁性铁磁性温度 时间1394 912 -Fe -Fe-Fe（纯铁的相图）纯铁的冷却曲线 一、铁碳合金的基本组织1、铁素体（F） 定义：碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体。 结构： 成分： 性能： 体心立方 wc 0.0218% 强度硬度低、塑性韧性好。 组织：晶界平缓、均匀明亮的多边形晶粒。2、奥氏体（A）： 定义： 碳溶于 -Fe中形成的间隙固溶体。 结构： 成分： 性能： 面心立方 wc 2.11% 强度硬度较高、塑性韧性很好。所

29、以生产中多把钢加热到高温A进行压力加工。 组织： 晶界较平直的多边形晶粒3、渗碳体（Fe3C）： 定义： 碳与铁相互化合形成的金属化合物。 结构： 成分： 性能： 复杂晶格 wc = 6.69%硬度很高、塑性韧性很差。 组织： 以片、粒、网或带状等形态存在于铁碳合金中。4、珠光体（P）： 定义： 由F和Fe3C组成的机械混合物。 结构： 成分： 性能： 机械混合物 wP = 0.77%强度硬度较高、具有一定的塑性和韧性。 组织： F与Fe3C层片状相间分布5、莱氏体（Ld）： 定义： 由A（或P）和Fe3C 组成的机械混合物，分别称为高温莱氏体和低温莱氏体（ Ld ）。 结构： 成分： 性能：

30、 机械混合物 wc = 4.30%硬、脆。 组织： 以鱼骨状Fe3C为基体 。第二节 Fe-Fe3C相图分析 补充：1、什么叫合金相图？ 合金相图就是表示合金结晶过程的简明图解。它表示了合金成分、温度与合金组织之间的关系。2、合金相图是怎样建立的？ 用热分析实验方法建立。 下面以Cu-Ni合金为例简单介绍合金相图的建立步骤。 1、配制Cu-Ni合金（ wNi =0、20、40、60、80、100%）。 2、用热分析法各合金的冷却曲线，得到各合金的结晶临界点（开始温度和结晶终了温度）。 3、将各合金的结晶临界点描绘在温度-成分坐标系中，并用光滑曲线将相同意义的临界点连接起来。NiT0CuCu20

31、406080AB固相线液相线一、简化后的Fe-Fe3C相图00.02180.772.114.30WC，%温度， 727 912 1148 1394 1270 ACDEFGSPK6.69LL+AAA+Fe3CF F+ Fe3CA1AcmF+AA3L+Fe3CIFeFe3C A+Fe3CIILd+ALd +Fe3CILdPP+FP+ Fe3CIILdLd+PLd +Fe3CIL+A1538 1495 00.02180.772.114.30WC，%温度， 727 912 1148 1538 1270 ACDEFGSPK6.69LL+AAA+Fe3CF F+ Fe3CA1AcmF+AA3L+Fe3CI

32、FeFe3C A+Fe3CIIA + Fe3CII +LdLd +Fe3CILdPF+Fe3CIIIP+FP+ Fe3CIIL dA + Fe3CII + L d L d +Fe3CI二、Fe-Fe3C相图分析1、坐标：温度-成分2、特性点：A、C、DE、FG、S、P、Q3、特性线：ACD：液相线AECF：固相线ECF：共晶线PSK：A1线共析线GS：A3线ES：Acm线PQ：碳在F中的溶解度曲线4、相区：单相区：L、A、F两相区：L+A、L+ Fe3C 、A+F、A+ Fe3C、F+ Fe3C三、铁碳合金的分类 根据含碳量和室温组织的不同，分为三大类：工业纯铁：钢：白口铁Wc0.0218%：

33、F共析钢： wc=0.77%：P亚共析钢：0.0218wc0.77%：P+F过共析钢：0.77 wc 2.11%：P+Fe3C 共晶白口铁： wc=4.30%： L d 亚共晶白口铁：2.11wc4.3%： L d+P过共晶白口铁：4.3% wc 6.69%： L d + Fe3C I00.02180.772.114.30温度， 727 912 1148 1394 1270 CDEFGSPK6.69LL+AAA+Fe3CF F+ Fe3CA1AcmF+AA3L+Fe3CI PP+FP+ Fe3CIIL dA + Fe3CII + L d L d +Fe3CIA+Fe3CIIA + Fe3CII

34、 +LdLdLd +Fe3CI第三节 典型铁碳合金的结晶过程1.共析钢（T8）： LL+AAP2.亚共析钢（45）： LL+AAA+FP+F3.过共析钢（T12）： LL+AAA+Fe3CII P+ Fe3CII 具有高的硬度强度，用于制造工具 具有好的塑性韧性，用于制造结构件具有较高硬度,很高强度,用于制造工具4.共晶白口铁： LLd(A+Fe3C)L d (P+Fe3C)5.亚共晶白口铁： LL+AA+Fe3CII + Ld P+ Fe3CII + L d6.过共晶白口铁： LL+ Fe3CILd + Fe3CI L d +Fe3CII 白口铁因Ld组织存在，性硬脆，工业上多用作炼钢原料。

35、 第四节 Fe-Fe3C相图的应用一、WC对铁碳合金组织和性能的影响 相组成：WCFFe3C 组织组成：FPLdFe3CI 力学性能变化趋势： 硬度：WC硬度 强度：WC强度(WC1.0%时) 塑性韧性：WC塑性韧性二、Fe-Fe3C相图在工业上的应用00.02180.772.114.30温度， 727 912 1148 1538 1270 CDEFGSPK6.69热处理温度区铸钢铸铁成分区铸造温度区锻轧温度区在选材、铸造、锻压、热处理方面应用广泛第四章 钢的热处理 定义： 钢的热处理是将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织结构与性能的工艺。 应用： 是改善钢材性能的重要

36、工艺措施，在机械制造中应用广泛。第一节 钢的热处理原理 热处理工艺分类：整体热处理：表面热处理：化学热处理：退火、正火、淬火、 回火等表面淬火、物理气相沉积、化学气相沉积等渗碳、渗氮、 碳氮共渗等 热处理的工艺要素：温度、时间 热处理工艺曲线：加热保温冷却时间温度一、钢在加热时的转变 钢的临界点：平衡临界点：加热临界点：冷却临界点：A1、 A3、 AcmAc1、Ac3、AccmAr1、Ar3、ArcmAr1Ar3ArcmA3A1AcmAc3Ac1AccmWc(%)温度（一）A的形成 以共析钢为例： 将共析钢加热至Ac1时，发生PA转变。其转变过程是一个形核和长大的过程。 PA转变分4个阶段进行

37、：1、A晶核形成2、A晶核长大3、残余Fe3C溶解4、A成分均匀化Ac1以下FFe3CA未溶Fe3CA晶粒A晶界讨论1： 亚共析钢和过共析钢在加热时的转变是否与共析钢相同？ 基本相似，但有所不同：并非加热至Ac1 以上就可完全A化。 对于亚共析钢：若加热至Ac1温度以上Ac3温度以下，只能使PA，得到A+F组织；称之为不完全A化。 对于过共析钢：若加热至Ac1温度以上Accm温度以下，只能使PA，得到A+ Fe3C 组织。 上述情况称为不完全A化。讨论2： 怎样才能使亚共析钢和过共析钢在加热时完全A化？ 继续加热至Ac3或Accm温度以上，才能使亚共析钢中的先共析F和过共析钢的Fe3C 转变为

38、A，得到单一的A组织，实现完全A化。（二）A晶粒的长大 1、当P向A转变刚完成时，最初获得的A晶粒是很细小的。 为什么？ 减少系统能量，使系统趋向更稳定。 但在A后的继续加热保温过程中，A晶粒会继续长大： 加热温度越高、保温时间越长，A晶粒越粗大。 举例： 玻璃板上的小水珠长大 根据热力学定律：一切自发的运动（变化）总是朝着减少能量的方向进行的。 自由落体运动； 水的自然流动； 晶粒长大正是一个减少表面能的过程。 2、晶粒大小对性能的影响 金属材料的晶粒大小对性能有很大影响： 在常温下，金属的晶粒越细小，强度越高、塑性韧性越好。晶粒粗大会导致性能恶化。 因此，生产中总希望获得均匀细小的晶粒。

39、理论和实践都表明： 因为钢在加热时获得的A晶粒大小，直接影响冷却后转变产物的晶粒大小。（组织遗传） A晶粒大小对性能有很大影响。讨论： A只是一种高温组织，其晶粒大小对性能是否会有影响？ 为什么？ 因此，A晶粒大小是评定热处理生产中加热质量的主要指标之一。 在热处理生产中，总是希望在加热时获得均匀细小的奥氏体组织，以确保金属材料在冷却后得到细小的晶粒组织。 3、怎么评定A晶粒大小？ A晶粒大小用A晶粒度来评定。 根据国家标准GB6394-86金属平均晶粒度测定法： 标准晶粒度分为12级： 00,0,1,2,3,4, 5,6,7,8, 9,10粗晶粒细晶粒超细晶粒 怎么测量并评定A晶粒度？ 实际

40、检测A晶粒度时，在材料（或零件）上按规定取样制成金相试样后，在金相显微镜下放大100倍观察，并与材料评级图（P48图4-5）进行对比以确定晶粒度等级。 4、热处理生产，在加热时怎样才能获得均匀细小的A晶粒？ A晶粒大小与加热温度和保温时间有关。 P向A转变刚完成时，最初获得的A晶粒是很细小的。但随着加热的继续，晶粒会自发长大。 加热温度越高，保温时间越长，A晶粒就越粗大。 因此，在热处理生产中，首先必须合理选择加热温度和保温时间，并在生产中予以严格控制。 加热是热处理生产的第一道工序，也是重要的一道工序。二、钢在冷却时的转变 冷却是热处理的关键工序。 为什么？ 先看一个实验： 将5个同尺寸的4

41、5钢试样加热至840保温相同时间，然后分别以不同冷却速度冷却，再测定它们的力学性能。 结果如下表：冷却方法 力 学 性 能硬度HRCb/MPas/MPa / % / % 炉冷51927232.5491518空冷657706333151845501824油冷8826081820484050水冷1078706781214526015%NaCl水溶液冷却5762 由此可见： 冷却条件不同，钢的性能不同。 因此，有必要掌握钢在冷却时的组织转变规律。 生产中常用冷却方式有等温冷却和连续冷却两种。时间温度A1等温冷却连续冷却（一）过冷A的等温转变 什么叫过冷A？ A在A1温度以上是稳定相，冷却至A1温度以

42、下就成了不稳定相，必然要发生转变。 但A并不是一冷却至A1温度以下需停留一定时间（孕育）才能发生转变。 我们把在A1温度以下暂时没有转变的不稳定A称为过冷A。 把A在A1温度以下发生转变前停留的那段时间称为过冷A转变的孕育期。 为研究过冷A转变规律，我们需要用到A等温转变图。A1Ms温度时间A等温转变图的建立：A1AAPAB AMSA+PA+BPSTBM+AMf温度时 间HRC1.共析钢A等温转变图（C曲线）2.过冷A等温转变产物的组织与性能： 过冷A等温转变的温度不同，发生的转变不同，转变产物的组织和性能也不同，如下表：等温转变温度 组织 名称组织 形态层间距 m分辨所需放大倍数硬度HRCA

43、1 650珠光体P粗大层片状0.350040040 45350 Ms下贝氏体 B下黑色 针状_40045 553.亚共析钢和过共析钢的A等温转变图 亚共析钢和过共析钢的过冷A等温转变与共析钢基本相似。 所不同的是： 亚共析钢和过共析钢的过冷A等温转变与共析钢基本相似。 因此，亚共析钢和过共析钢的A等温转变图相对共析钢的A等温转变图均多了一条先析相的析出线。亚共析钢的A等温转变图A1AAPAB AMSA+PA+BP+FS+FT+FBM+AMf温度HRCA+FA3AF过共析钢的A等温转变图A1AAPAB AMSM+AMf温度HRCA+ Fe3CACcmAFe3C（二）过冷A的连续冷却转变 A等温转

44、变图反映了在等温冷却条件下，等温温度与转变产物及性能之间的关系。 但是，在实际热处理生产中，更多的是连续冷却。 问？在连续冷却条件下，过冷A的转变规律是否相同呢？ 基本相同，但有区别。因此，要研究A在连续冷却条件下的转变规律，有必要引入A连续冷却转变图。1、共析钢A连续冷却转变图温度时 间A1MsMfPSPfPkV1(炉冷）V2(空冷）VkV3(油冷）V4(水冷）Vk 讨论： A连续冷却转变曲线中，vk的意义： vk表示了使奥氏体在连续冷却过程中不分解而全部冷至Ms温度以下转变为M的最小冷却速度，即钢在淬火时为抑制非马氏体转变所需的最小冷却速度，称为马氏体临界冷却速度。 讨论： 共析钢A连续冷

45、却转变曲线与等温转变曲线的区别：形状：位置： 只有半个“C”连续冷却转变图没有贝氏体区。 连续冷却转变图中P开始转变线和转变终了线都右下移了连续冷却转变比等温转变的温度更低、孕育期更长。2、过冷A连续冷却转变产物的组织与性能 通过A连续冷却转变图，我们可以很方便地了解过冷A连续冷却转变产物的组织与性能。 但是，A连续冷却转变图测定较困难。生产中常借用同种钢的A等温转变图分析过冷A连续冷却转变产物的组织与性能。 下面以共析钢为例，用A等温转变图来分析过冷A连续冷却转变产物的组织与性能：A1APsAMSPSTBMf温度，时 间HRCV4(M+A）V3(M+T）V2(S）V1(P）-50230共析钢

46、过冷A连续冷却转变产物的组织与性能冷却 速度冷却 方法转变 产物硬 度v1随炉冷却珠光体 P170220 HBSv2空气 冷却索氏体S2535HRCv3油中冷却托氏体+马氏体T+M4555HRCv4水中 冷却马氏体+残余奥氏体 M+AR5565HRC3、马氏体转变 （1）定义： 这种转变称为马氏体转变。 其转变产物称为马氏体。 当冷却速度大于vk 时，A被迅速过冷至Ms温度以下，转变为一种单相的亚稳组织，即碳溶解于-Fe中的过饱和固溶体， （2）马氏体转变的基本特点： A、M转变也是一个形核与长大的过程； B、M转变是在一个温度范围（MsMf)内进行的； C、M转变是非扩散型的转变，因此，M与

47、原A的含碳量相同； D、M转变具有不完全性，在室温存在的A称为残余A（AR）。 （3）马氏体组织形态与性能： M的组织形态因其化学成分和形成条件而异： M通常有板条M和针片状M两种基本形态。 板条M： 形态：由一束束长条状晶体组成，显微镜下观察在晶粒内部呈平行排列的条状。 成分：含碳量较低，主要存在于低碳钢的淬火组织中，故又称为低碳M。 性能：具有较高的硬度、强度与较好的塑性与韧性。 针片状M： 形态：由互成一定角度的针状晶体组成。 成分：含碳量较高，主要存在于高碳钢的淬火组织中，故又称为高碳M。 性能：具有高的硬度、强度，但塑性与韧性差，脆性较大。 更正： P51：第12行 3. 共析钢和过

48、共析钢的 更正为：亚共析钢 P52：第9行 冷却速度 v1 更正为：冷却速度 vk 下次课教学内容： 第二节 钢的退火与正火 第三节 钢的淬火与回火第二节 钢的退火与正火 热处理工艺分类：整体热处理：表面热处理：化学热处理：退火、正火、淬火、 回火等表面淬火、物理气相沉积、化学气相沉积等渗碳、渗氮、 碳氮共渗等按目的分类：预备热处理：最终热处理：为消除钢材经热加工后引起的某些缺陷，或为以后的加工做准备的热处理。退火正火为满足零件最终使用性能而进行的热处理。淬火、回火表面热处理化学热处理一、钢的退火定义：目的：将钢件加热到适当温度保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。1、降低硬度，提高塑性；2

49、、细化晶粒，消除组织缺陷；3、消除内应力，提高塑性； 为以后的加工做准备。 为以后淬火做组织准备。 稳定尺寸，防止变形开裂。工艺：完全退火球化退火去应力退火扩散退火（一）完全退火定义：工艺：将钢件加热完全A化后保持一定时间，然后缓慢冷却，获得接近平衡的热处理工艺。1、加热温度：2、保温时间：3、冷却； Ac3+3050 按钢件有效厚 度计算。 炉冷至500600 后出炉空冷。工艺曲线：温度时间500600 Ac3Ac1炉冷空冷应用：主要用于中碳钢和中碳合金钢的铸、焊、锻件和轧制件。对于过共析钢，因缓冷时沿晶界析出网状二次渗碳体，会显著降低钢的塑性和韧性，并给以后的切削加工和淬 火带来不利影响。

50、因此，过共析钢不宜采用完全退火。注意：（二）球化退火定义：工艺：使钢中碳化物球状化的退火工艺称为球化退火。1、加热温度：2、保温时间：3、冷却； Ac1+2030 同上普通球化退火：等温球化退火：炉冷至500600 后出炉空冷。普通球化退火：等温球化退火：先在Ar1以下20 等温足够时间后，炉冷至500600 后出炉空冷。工艺曲线：温度时间500600 Ac3Ac1炉冷空冷炉冷普通球化退火等温球化退火讨论1： 为什么球化退火能使钢中碳化物球状化？ 1、片状球化能减少表面能量，使系统更稳定； 2、球化退火冷却条件为碳化物球化提供了外界条件。 与层片状珠光体相比，球状珠光体硬度低、塑性好，有利于切

51、削加工（如图4-13，P55）；并在以后的淬火过程中，A晶粒不容易长大，冷却时产生变形和裂纹的倾向也较小。讨论2： 为什么要使钢中碳化物球状化？应用：主要用于共析钢和过共析钢的锻轧件。如果原始组织中存在较多的渗碳体网，应先进行正火消除渗碳体网后，再进行球化退火。注意：讨论3：为什么亚共析钢不进行球化退火？亚共析钢球化退火后硬度太低。（三）去应力退火定义：工艺：为去除因塑性变形、焊接等而造成的应力热处理工艺。1、加热温度：2、冷却；500600 炉冷至室温应用：广泛应用于消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件以及机加工件中的残余应力。讨论：去应力退火过程中是否有相变发生？ 没有。因为加热温度在A1以下

52、。目的：稳定钢件尺寸，减少变形，防止开裂。二、钢的正火定义：目的：将钢件加热到Ac3(或Accm)温度以上3050 ，保持一定时间，然后在静止空气中冷却的热处理工艺。与完全退火相似。1、细化晶粒；3、调整硬度。2、均匀组织；工艺曲线：温度时间Ac3 AccmAc1空冷应用：1、消除过共析钢的碳化物网，为球化退火做好组织准备；2、对低、中碳钢和低合金结构钢，作为消除应力，细化组织，改善切削加工性能和为淬火做组织准备的预备热处理；3、用于某些碳钢、低合金钢工件在淬火返修时，消除应力，细化组织，以防止重新淬火时产生变形和开裂。4、对于某些力学性能要求不是很高的普通结构件，正火也可取代调质处理作为最终

53、热处理使用。各种退火、正火工艺曲线：温度时间500600 Ac3Ac1完全退火球化退火正火去应力退火扩散退火Ac3+150200 Ac3+3050 Ac1+2030 三、退火和正火的选择 （完全）退火和正火都属于预备热处理。 完全退火和正火的工艺相似。 完全退火和正火的作用也基本相同。讨论1： 完全退火和正火能否相互替代？ 有时相互替代，有时不能替代。讨论2： 在实际生产中，退火和正火怎么选用？ 1、从切削加工性考虑最宜切削加工的硬度：170260HBS因此对Wc0.50%的结构钢：预备热处理宜采用完全退火。对高碳工具钢：预备热处理宜采用球化退火。 2、从零件的结构形状考虑 3、从经济性考虑

54、对形状复杂或尺寸较大的零件： 预备热处理宜采用完全退火而不用正火，以减少应力和变形。 正火生产周期短，成本低，操作简单。因此，在可能条件下尽量采用正火，以降低生产成本。定义： 将钢件加热到Ac3或Ac1以上温度保持一定时间，然后以适当速度冷却，获得M或B下的热处理工艺称为淬火。第三节 钢的淬火与回火 钢件淬火后，再加热到A1以下某一温度保持一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。注意： 淬火回火工艺通常配合在一起使用，是强化钢材、发挥钢材性能潜力、提高机械零件使用寿命的重要手段。 通过淬火与一定温度的回火相配合，可以获得各种不同的组织和性能，满足各类零件和工具对使用性能的不同要求。因此：

55、淬火回火是生产中应用最广泛的热处理工艺一、钢的淬火工艺淬火加热温度加热保温时间淬火冷却介质淬火加热温度 碳钢：根据Fe-Fe3C确定： 亚共析钢：Ac3+3050共析钢过共析钢：Ac1+3070 合金钢：根据相变临界点确定， 可适当提高。加热保温时间=K D K装炉系数（11.5） 加热系数，见表4-4（P58） D钢件有效厚度，见表4-17淬火冷却介质A1MSMf温度时 间钢件淬火时理想的冷却曲线对淬火介质的要求： 1、具有足够的冷却能力、良好的冷却性能和较宽的使用范围； 2、使用安全可靠，不易燃、不易老化、不腐蚀、易清洗、无公害； 3、资源丰富，经济性较好。常用淬火介质： 1、水 2、机油

56、 3、盐水 4、碱水 5、新型淬火介质详见P59表4-5淬火方法单介质淬火双介质淬火分级淬火等温淬火A1MSMf温度时 间1234钢的淬透性定义：表示： 在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。 如图4-20 P60 用临界直径Dc表示。 Dc：钢材在某种介质中淬火后，心部得到全部或50%的最大直径。如图4-21。意义： 淬透性对钢经热处理后的性能有很大影响： 淬透性好，淬火时被淬透，经回火后整个截面性能均匀一致。 淬透性不好，淬火时不能淬透，经回火后表里性能不一。 因此，淬透性是重要的热处理工艺性能，对于。合理选材和正确制定热处理工艺具有重要意义。影响因素： 钢的淬透性主要取决于过冷

57、的稳定性（即曲线的位置）： 钢的化学成分：碳钢中Wc越接近共析成分，钢的淬透性越好；合金钢中绝大多数合金元素溶于A后能有效提高钢的淬透性。 A化温度及保温时间：适当提高A化温度或延长保温时间,可使A成分更均匀，有利于提高淬透性。钢的淬硬性定义： 钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度。 淬透性好的钢不一定淬硬性好。钢的淬透性与淬硬性是两个不同的概念二、钢的回火讨论经淬火后，钢的组织和性能？组织：淬火和都是亚稳定组织。迟早要发生转变，尺寸不稳定。性能：淬火虽然具有高的强度和硬度，但脆性较大，并存在较大内应力。因此：淬火钢必须经回火后才能使用。目的、稳定组织，消除内应力防止工件在加工和使用过

58、程中产生变形和开裂。、减少脆性，调整硬度以满足各种工件对性能的不同要求。组织与性能的变化0400200600回火温度/溶碳量残余量应力Fe3C尺寸组织变化规律性能变化规律0200300400500600回火温度/硬度强度塑性韧性bHBSAKU回火方法低温回火：中温回火：高温回火：150250350500500650低温回火：150250回火后的组织：回回火后的性能：高的硬度和耐磨性，但塑性和韧性较差应用：主要用于刃具、量具、冷作模具、滚动轴承、渗碳淬火件、表面淬火件等中温回火：350500回火后的组织：回回火后的性能：较高的弹性极限和强度，较好的韧性应用：主要用于弹性零件、热锻模具等。高温回火

59、：500650回火后的组织：回回火后的性能：良好的综合力学性能。应用：广泛用于各种重要的结构零件，如螺栓、连杆、齿轮、轴等。调质：淬火+高温回火的热处理工艺讨论1、为什么没有250350的回火？ 因为淬火件在此温度回火后会出现回火脆性，使塑性韧性显著下降。2、为什么没有250350的回火？ 因为多数机械零件或结构都需要良好的综合力学性能。回火脆性定义： 淬火钢在某些温度回火或从回火温度冷却通过该温度区间时的脆化现象。回火温度冲击吸收功300500650快冷慢冷分类：第一类回火脆性（低温、不可逆）第二类回火脆性（高温、可逆）三、常见淬火缺陷1、淬火工件的过热与过烧2、变形与开裂3、氧化与脱碳4、

60、硬度不足与软点产生原因、危害、防止、补救措施讨论： 如前述，通过淬火和一定温度的回火，可获得不同的组织和性能，满足各种零件对性能的不同要求。 但淬火和回火属整体热处理，处理后零件表面心部性能是一致的。 齿轮、轴等零件要求表面、心部性能不同，怎么办？第四节 钢的表面热处理定义：表面热处理是指仅对工件表层进行热处理，以改变其表面组织和性能的热处理工艺。一、钢的表面淬火定义：表面淬火是把工件表层迅速加热到淬火温度进行淬火的工艺目的： 工件经表面淬火后：表层得到具有高的硬度和耐磨性；心部仍为淬火前组织具有足够的韧性。（表硬心韧）应用： 主要用于要求表面具有高硬度、高耐磨性，而心部要求足够强度和韧性的零