工程材料重要考点总结课件

一、课程主线结晶塑性变形工业用钢工艺性能使用性能合金纯金属热处理有色金属铸铁加工工艺组织结构化学成分性能11/23/20221一、课程主线结晶塑性变形工业用钢工艺性能使用性能合二、主要内容工程材料基本理论常用材料零件的选材11/23/20222二、主要内容工程材料基本理论常用材料零件的选材11/22/21.基本理论热处理铸铁的热处理塑变与再结晶基本理论金属学材料的性能材料的结构材料的结晶相图及铁碳相图钢的热处理11/23/202231.基本理论热处理铸铁的热处理塑变与再结晶基本理论金属学材1.1材料性能焊接性能硬度HBHRC材料性能强度塑性锻造性能力学性能工艺性能切削加工性能铸造性能韧性αk,k1c热处理工艺性11/23/202241.1材料性能焊接性能硬度HBHRC材料性能强条件屈服强度0.2—残余塑变为0.2%时的应力。疲劳强度-1—无数次交变应力作用下不发生破坏的最大应力。⑶塑性：材料断裂前承受最大塑性变形的能力。指标为、。⑷硬度：材料抵抗局部塑性变形的能力（HB、HRC）。（HRA、HRB、HRC）⑸冲击韧性：材料抵抗冲击破坏的能力。指标为αk材料的使用温度应在冷脆转变温度以上。⑹断裂韧性：材料抵抗内部裂纹扩展的能力。指标为K1C。1、力学性能⑴刚度：材料抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E：E=/⑵强度：材料抵抗变形和破坏的能力。指标：抗拉强度b—材料断裂前承受的最大应力。屈服强度s—材料产生微量塑性变形时的应力。1.1.1使用性能表面淬火钢宜用HRA硬度指标铝合金成品宜用HRB硬度指标整体淬火钢宜用HRC硬度指标11/23/20225条件屈服强度0.2—残余塑变为0.2%时的应力。⑸1、铸造性能：液态金属的流动性、填充性、收缩率、偏析倾向。2、锻造性能：成型性与变形抗力。3、切削性能：对刀具的磨损、断屑能力及导热性.4、焊接性能：产生焊接缺陷的倾向。5、热处理性能：淬透性、抗回火性、二次硬化、回火脆性。1.1.2工艺性能2、化学性能（1）耐蚀性：材料在介质中抵抗腐蚀的能力。（2）抗氧化性：材料在高温下抵抗氧化作用的能力。（3）耐磨性：材料抵抗磨损的能力。1）切削加工性:（1）中碳钢>高碳钢（2）含碳量相同的钢中，球状珠光体>片状珠光体2）焊接性能:中碳钢>高碳钢3）流动性和偏析用共晶相图说明（共晶体最多的成分点）4）淬透性Vk-C曲线的位置－过冷A的稳定性－A晶粒大小A中的成分均匀性第二相化学成分加热状态碳合金元素5）残余奥氏体（1）A中C％↑→MsMf↓→A′%↑（2）A中Me％↑→MsMf↓→A′%↑11/23/202261、铸造性能：液态金属的流动性、填充性、收缩率、偏析倾向。11.2材料的结构（金属的晶体结构）1.2.1三种典型金属的晶体结构体心立方BCC面心立方FCC密排六方HCP晶格常数aaa、c原子半径原子个数246配位数81212致密度0.680.740.74滑移面{110}×6{111}×4六方底面×1滑移方向<111>×2<110>×3底面对角×3滑移系12123常见金属-Fe、Cr、W-Fe、Ni、AlMg、Zn晶体结构空间点阵晶体点阵（理想晶体）晶体的结构基元(分子、原子、离子、原子集团)依靠一定的结合键结合后，在三维空间作有规律的周期性的重复排列方式。抽象的空间几何模型（非物质性）7个晶系14种晶胞类型把空间点阵的结点作为物质质点的中心位置，忽略原子的热振动和晶体缺陷，将单纯的几何图形变成具有物质性的点阵，称其为晶体点阵（物质性的）。若阵点用直线通过中心连接起来－晶格

11/23/202271.2材料的结构（金属的晶体结构）1.2.1三种典型金属1.2.2金属的实际结构与晶体缺陷1多晶体（由多晶粒组成的晶体结构）2晶体缺陷（晶格不完整的部位）2）线缺陷（刃型位错、螺型位错）3）面缺陷（晶界、亚晶界）1）点缺陷（空位、间隙原子、置换原子）理论值退火态位错密度强度金属材料强化方法:（1）固溶强化（2）细晶强化（4）加工硬化（3）第二相强化（弥散强化）1）晶粒：组成金属的方位不同、外形不规则的小晶体。2）晶界：晶粒之间的交界面。11/23/202281.2.2金属的实际结构与晶体缺陷1多晶体（由多晶粒组成的1.3材料的结晶3、纯金属中的固态转变1）同素异构转变：物质在固态下晶体结构随温度而发生变化的现象。2）固态转变的特点1）形核部位特殊（晶界、位错处等）2）过冷倾向大3）伴随着体积变化1、结晶过程1）两个条件（1）能量条件必须过冷过冷度ΔT=T0-Tn（2）结构条件1.3.1纯金属的结晶2）基本规律形核（自发形核、非自发形核）→长大（平面长大，树枝状长大）2、细化晶粒的途径1）增大过冷度2）变质处理3）振动和搅拌11/23/202291.3材料的结晶3、纯金属中的固态转变1、结晶过程1.3化合物间隙化合物合金的相固溶体间隙固溶体置换固溶体其它化合物间隙相1、合金在固态下的基本相结构1.3.2合金的结晶相: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。合金：由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。11/23/202210化合物间隙化合物合金的相固溶体间隙固溶体置换固溶体其它化合物⑵间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格间隙所形成的固溶体。

为过渡族金属元素与原子半径小的非金属元素组成。铁素体：碳在-Fe中的间隙固溶体。奥氏体：碳在-Fe中的间隙固溶体。马氏体：碳在-Fe中的过饱和固溶体。固溶强化：随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高的现象。马氏体的硬度主要取决于其含碳量，并随含碳量增加而提高。2）金属化合物：与组成元素晶体结构均不相同的固相.（1）正常价化合物如Mg2Si

（2）电子化合物如Cu3Sn（3）间隙化合物：由过渡族元素与C、N、H、B等小原子半径的非金属元素组成。分为结构简单的间隙相和复杂结构的间隙化合物。1）固溶体：与组成元素之一的晶体结构相同的固相.⑴置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格结点位置形成的固溶体。

大多为金属元素之间形成的固溶体。11/23/202211⑵间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格间隙所形成的固溶体。4）金属化合物形态对性能的影响（1）基体、晶界网状：强韧性低（2）晶内片状：强硬度提高，塑韧性降低（3）颗粒状：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。5）固溶体与化合物的区别：①结构；②性能；③表达方式强碳化物形成元素：Ti、Nb、V如TiC、VC中碳化物形成元素：W、Mo、Cr如Cr23C6弱碳化物形成元素：Mn、Fe如Fe3C3）性能比较强度：固溶体纯金属硬度：化合物固溶体纯金属塑性：化合物固溶体纯金属11/23/2022124）金属化合物形态对性能的影响强碳化物形成元素：Ti、N2、合金的组织转变1）一般转变过程（1）满足三个起伏（条件）①能量起伏（必须过冷）；②结构起伏；③成分起伏（2）基本规律形核及核长大（固态转变有晶界、相界形核理论）

2）相图匀晶L共晶L+共析+包晶L+（1）杠杆定律：只适用于两相区。（2）枝晶偏析：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象。

3）合金中的固态相变（1）固溶体转变：AF（2）共析转变：AP(F+Fe3C)（3）二次相析出：AFe3CⅡ

（4）奥氏体化（5）过冷奥氏体转变（6）固溶处理+时效11/23/2022132、合金的组织转变1）一般转变过程2）相图11/3、铁碳合金相图1默画简化的铁碳合金相图2相与机械混合物A、F、Fe3C与P、Ld3两个基本反应式4结晶过程分析（冷速曲线表达）5杠桿定律的应用6热处理加热温度的表达ACDGS1148℃727℃LAL+AL+Fe3CFA+FA+Fe3CKEPFQC%→Fe3CFeF+Fe3C4.30.772.116.69℃注意：1组织组成物和相组成物的分析；2同一种钢在不同的加热条件下对组织、成分及HT分析。3偏析、流动性、反应等。121234相（成分、结构相同且有界面分开的部分）机械混合物（相与相的构成状态）组织（关注：形态、大小及分布）组织可以由单相构成；A组织可以由机械混合物构成；PA站在不同的角度可称为相、组织；P站在不同的角度可称为机械混合物、组织。组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分（形态）。相组成物是指组成合金中成分、结构均匀一致的部分。11/23/2022143、铁碳合金相图1默画简化的铁碳合金相图2相与机械混合物1.4钢的热处理1）奥氏体化的四个阶段奥氏体晶核的形成奥氏体晶核的长大剩余渗碳体的溶解奥氏体成分的均匀化2）奥氏体晶粒度实际晶粒度本质晶粒度（本质粗(细)晶粒钢）1钢在加热时的转变1.4.1钢的热处理原理11/23/2022151.4钢的热处理1）奥氏体化的四个阶段1钢在加热时的扩散退火去应力退火各种退火（正火）的加热温度范围完全退火球化退火正火1.4110010009008007006005000.20.40.60.81.01.2温度℃C%→AF+Fe3C11/23/202216扩散退火去应力退火各种退火（正火）的加热温度范围完全退火球化650℃600℃550℃350℃A1MSMf时间PSTB上B下MM+A’A→PA→SA→TA→B上A→B下A→M过冷A过冷A过冷A过冷A过冷A2、钢在冷却时的转变⑴共析碳钢等温转变曲线及产物11/23/202217650℃600℃550℃350℃A1MSMf时间PSTB上B⑵用C曲线定性说明连续冷却转变产物（共析碳钢为例）根据冷速曲线与C曲线交点位置判断转变产物

P均匀A细AA1MSMf时间等温退火PP退火(炉冷)正火(空冷)S淬火(油冷)T+M+A’等温淬火B下M+A’分级淬火M+A’淬火(水冷)M回+A’150-250℃T回350-500℃S回500-650℃????PT+S回ST+B下+M+A’11/23/202218⑵用C曲线定性说明连续冷却转变产物（共析碳钢为例）根据冷速Ac3Ac1V1V2V3V4V5时间温度Ms例题：（65钢）

3、淬火钢在回火时的转变

1）碳钢：马氏体的分解；残余奥氏体分解；-碳化物转变为Fe3C；Fe3C聚集长大和铁素体多边形化。2）W18Cr4V钢：560℃三次回火。析出W、Mo、V的碳化物，产生二次硬化。回火冷却时，A’转变为M。每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。

强化钢铁材料最经济有效的热处理工艺是淬火+回火,它包含了多种基本强化方法。11/23/202219Ac3Ac1V1V2V3V4V5时间温Ms例题：（65钢）1.4.2钢的热处理工艺1、机械零件的加工工工艺路线预备热处理机械粗加工最终热处理机械精加工锻造铸造毛坯预备热处理（退火与正火）最终热处理（淬火+回火）11/23/2022201.4.2钢的热处理工艺1、机械零件的加工工工艺路线预备热处2、三个判据1）实际生产中退火与正火的选择钢的含碳量C%<0.50.5～0.77≥0.77HT工艺正火完全退火球化退火组织F+SF+PP球2）正火组织判断钢的含碳量C%<0.6≥0.6组织F+SS3）组织中是否有残余奥氏体A中含碳量C%<0.5≥0.5残余奥氏体无有11/23/2022212、三个判据1）实际生产中退火与正火的选择钢的含碳量C%<0工艺名称目的加热温度获得的组织1调整硬度，便于机加工2细化晶粒，消除应力，改善组织3为最终HT作好组织准备亚Ac3+(20～40)℃F+P共Ac1+(20～40)℃P过Ac1+(20～40)℃P球1调整硬度，便于机加工2细化晶粒，改善组织3为最终HT作好组织准备4消除网状二次渗碳体＜0.6F+S≥0.6S共Ac1+(30～50)℃S过Accm+(30～50)℃S1实现马氏体强化2通过淬火后的回火，达到使用性能的要求＜0.5M≥0.5M+A’共Ac1+(30～50)℃M+A’过Ac1+(30～50)℃M+A’+Fe3C粒1消除应力，减少变形2降低脆性3稳定工作尺寸亚＜0.5M回≥0.5M回+A’中回（350～500）℃T回高回（500～650）℃S回共、过共析钢仅适应淬火+低温回火M回+A’M回+A’+Fe3C粒亚Ac3+(30～50)℃亚Ac3+(30～50)℃低回（150～250）℃退火正火淬火回火3、钢的热处理工艺列表11/23/202222工艺名称目的加热温度获得的（材料的尺寸小于10mm）材料淬火温度(℃)淬火介质回火组织水低温回火水中温回火水高温回火水低温回火水中温回火水高温回火45钢Ac3=785℃Ac1=735℃840℃760℃表面淬火表面获得马氏体组织，并获得表硬里韧的性能。预备热处理：调质或正火适用于中碳钢0.4~0.5%C表面：M回心部：S回(调质)或F+S(正火)渗碳提高表面含碳量，获得表硬里韧的性能。渗碳温度:900~950℃淬火温度：表面Ac1+30~50℃心部Ac3+30~50℃适用于低碳钢0.1~0.25%C表面：M回+A’(少)+颗粒状Fe3C(K)心部：M回+F

注意：（1）零件渗碳后的性能>表面淬火后的性能。（2）渗碳件通常可以替代表面淬火件，反之不可。（分析）（3）淬透性与淬火缺陷（分析）（4）锉刀材料T12搞错（45），用T12的工艺，可行吗？淬火后发现硬度不足，可能的原因：1)未淬上火；2)加热时工件表面脱碳。11/23/202223（材料的尺寸小于10mm）材料淬火温度(℃)淬火介2.常用材料复合材料无机非金属材料有色金属及合金常用材料金属材料工业用钢铸铁高分子材料非金属材料11/23/2022242.常用材料复合材料无机非金属材料有色金属及合金常用材料金属2.1工业用钢钢种C%典型牌号合金元素作用热处理使用状态下组织性能用途碳素结构钢<0.4Q195Q235热轧状态F+P塑性,焊接性好建筑结构低合金高强度钢<0.2Q345(16Mn)Mn:强化F,增加P,降低脆转温度热轧空冷F+P塑性,焊接性好桥梁,船舶,容器渗碳钢0.1~0.252020Cr20CrMnTiCr,Mn:提高淬透性,强化F,Ti:细化晶粒渗碳+淬火+低温回火表面：M回+A’(少量)+颗粒状Fe3C心部：M回+F表硬里韧轴、齿轮调质钢0.3~0.54540Cr40CrNiMoCr,Ni:提高淬透性,强化F,Mo:防止第二类回火脆性调质S回良好综合力学性能轴、齿轮弹簧钢0.6~0.90.45~0.765Mn60Si2MnCr,Mn:提高淬透性,强化F；Si:提高屈强比淬火+中温回火T回高s/b高-1弹簧11/23/2022252.1工业用钢钢种C%典型牌号合金元素作用热处理使用状态下组钢种C%典型牌号合金元素作用热处理使用状态下组织性能用途滚动轴承钢0.95~1.10GCr15Cr:提高淬透性,耐磨耐蚀性球退+淬火+低温回火M回+A’(少量)+颗粒状Fe3C高耐磨高-1足够ak滚动轴承耐磨钢1.0~1.3ZGMn13Mn:形成A组织水韧处理表：M+碳化物心：A高耐磨耐冲击铲齿，履带板碳素工具钢0.65~1.35T7~T13球退+淬火+低温回火M回+A’(少量)+颗粒状Fe3C高硬度高耐磨冲子、丝锥、锉刀低合金工具钢0.75~1.59SiCrSi、Cr：提高淬透性球退+淬火+低温回火M回+A’(少量)+颗粒状Fe3C高硬度高耐磨低速刃具高速钢0.7~1.5W18Cr4VCr:提高淬透性；W、V：提高热硬、耐磨性锻、退火、淬火+三次回火M回+A’(少量)+颗粒状碳化物高热硬高硬度高耐磨高速刃具11/23/202226钢种C%典型牌号合金元素作用热处理使用状态下组织性能用途滚动钢种C%典型牌号合金元素作用热处理使用状态下组织性能用途冷作模具钢1.4~2.3Cr12Cr12MoVCr:提高淬透性。MoV:提高耐磨性锻，退，淬火+低温回火M回+A’(少量)+颗粒状碳化物高硬度高耐磨冷冲模挤压模热锻模钢0.5~0.65CrNiMo5CrMnMo合金元素作用同调质钢调质S回抗热疲劳热锻模压铸模钢0.3~0.63Cr2W8V合金元素作用同高速钢淬火+回火M回+A’(少量)+颗粒状碳化物抗热疲劳,耐磨压铸模不锈钢0.03-0.951Cr13,2Cr13Cr:提高耐蚀性；Ni:形成A；Ti:防止晶间腐蚀调质S回高耐蚀性(随C%增加,耐蚀性下降)汽轮机叶片3Cr13,4Cr13淬火+低温回火M回医疗器械0Cr13不能热处理F硝酸氮肥工业1Cr18Ni9Ti固溶处理A化工管道耐热钢15CrMo,12Cr1MoVCr,Si:提高抗氧化性;Mo:提高T再；V,Ti:弥散强化;Ni:形成A组织正火F+P高热强性,高抗氧化性锅炉零件4Cr9Si2,1Cr11MoV调质S回气阀,叶片1Cr18Ni9Ti固溶A过热器管11/23/202227钢种C%典型牌号合金元素作用热处理使用状态下组织性能用途冷作2.2铸铁铸铁的组织状态=钢基＋石墨（G)铸铁名称牌号举例获得方法组织热处理用途灰铸铁G片HT200(最低抗拉强度为200MPa)液态金属石墨化+孕育处理基体(F、P、F+P)+片状石墨去应力，消除白口，表面淬火机床床身可锻铸铁G团絮KTZ450-06(最低抗拉强度为450MPa,最低延伸率为6%)白口+石墨化退火基体(F、P)+团絮状石墨石墨化退火车轮壳，管接头球墨铸铁G球QT500-7(最低抗拉强度为500MPa,最低延伸率为7%)液态金属石墨化+球化处理+孕育处理基体(F、P、F+P)+球状石墨可进行各种热处理柴油机曲轴11/23/2022282.2铸铁铸铁的组织状态=钢基＋石墨（G)铸铁名称牌号举例2.3有色金属及其合金合金牌号举例牌号含义性能用途铝合金LF55号防锈铝合金耐蚀、塑性好冷成型件LY1111号硬铝合金强硬度高冲压模锻件LC44号超硬铝合金高强受力大结构件LD77号锻铝合金可锻、耐温锻件ZL1022号Al-Si铸造合金耐蚀,铸造性好汽缸、活塞ZL2011号Al-Cu铸造合金耐热,强度较高较高温高强件ZL3011号Al-Mg铸造合金耐蚀,高强舰船配件ZL4011号Al-Zn铸造合金高强,铸造性好汽车飞机零件铜合金H68含68%Cu(32%Zn)黄铜塑性好冷变形件HPb59-1含59%Cu,1%Pb(40%Zn)黄铜高强船舶及化工零件QAl7含7%Al的铝青铜高强,耐磨,耐蚀船舶飞机零件钛合金TC44号+型钛合金高强,耐蚀,耐热<400℃航空件巴氏合金ZSnSb11Cu6Sn基轴承合金耐磨,导热,耐蚀重型动力轴承ZPbSb16Sn16Cu2Pb基轴承合金高温高强低速低载设备11/23/2022292.3有色金属及其合金合金牌号举例牌号含义性能用途LF552.4典型零件、材料及热处理机械零件材料最终热处理组织状态板牙9SiCr淬火+低温回火M回＋K＋A’机床主轴40Cr调质+局部高频淬火表面：M回

心部：S回锉刀T12A淬火+低温回火M回＋Fe3C＋A’汽车板簧60Si2Mn淬火+中温回火T回汽车齿轮20CrMnTi渗碳、淬火+低温回火表面：M回＋K＋A’心部：M回＋F机床齿轮45调质、高频淬火+低温回火表面：M回

心部：S回铣刀W18Cr4V高温淬火+三次高回M回＋K＋A’机床床身HT200去应力退火P＋G片气门顶桿4Cr9Si2淬火+高回S回选材三原则使用性能工艺性能经济性齿轮类零件选材轴类零件选材11/23/2022302.4典型零件、材料及热处理机械零件材料最终热处理组织状态过冷度同素异晶转变显微组织过冷奥氏体淬火名词总汇固溶体重结晶组元铁素体正火合金相马氏体贝氏体奥氏体晶格晶胞索氏体回火索氏体热处理回火第二类回火脆性红硬性11/23/202231过冷度同素异晶转变显微组织过冷奥氏体淬火名一、课程主线结晶塑性变形工业用钢工艺性能使用性能合金纯金属热处理有色金属铸铁加工工艺组织结构化学成分性能11/23/202232一、课程主线结晶塑性变形工业用钢工艺性能使用性能合二、主要内容工程材料基本理论常用材料零件的选材11/23/202233二、主要内容工程材料基本理论常用材料零件的选材11/22/21.基本理论热处理铸铁的热处理塑变与再结晶基本理论金属学材料的性能材料的结构材料的结晶相图及铁碳相图钢的热处理11/23/2022341.基本理论热处理铸铁的热处理塑变与再结晶基本理论金属学材1.1材料性能焊接性能硬度HBHRC材料性能强度塑性锻造性能力学性能工艺性能切削加工性能铸造性能韧性αk,k1c热处理工艺性11/23/2022351.1材料性能焊接性能硬度HBHRC材料性能强条件屈服强度0.2—残余塑变为0.2%时的应力。疲劳强度-1—无数次交变应力作用下不发生破坏的最大应力。⑶塑性：材料断裂前承受最大塑性变形的能力。指标为、。⑷硬度：材料抵抗局部塑性变形的能力（HB、HRC）。（HRA、HRB、HRC）⑸冲击韧性：材料抵抗冲击破坏的能力。指标为αk材料的使用温度应在冷脆转变温度以上。⑹断裂韧性：材料抵抗内部裂纹扩展的能力。指标为K1C。1、力学性能⑴刚度：材料抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E：E=/⑵强度：材料抵抗变形和破坏的能力。指标：抗拉强度b—材料断裂前承受的最大应力。屈服强度s—材料产生微量塑性变形时的应力。1.1.1使用性能表面淬火钢宜用HRA硬度指标铝合金成品宜用HRB硬度指标整体淬火钢宜用HRC硬度指标11/23/202236条件屈服强度0.2—残余塑变为0.2%时的应力。⑸1、铸造性能：液态金属的流动性、填充性、收缩率、偏析倾向。2、锻造性能：成型性与变形抗力。3、切削性能：对刀具的磨损、断屑能力及导热性.4、焊接性能：产生焊接缺陷的倾向。5、热处理性能：淬透性、抗回火性、二次硬化、回火脆性。1.1.2工艺性能2、化学性能（1）耐蚀性：材料在介质中抵抗腐蚀的能力。（2）抗氧化性：材料在高温下抵抗氧化作用的能力。（3）耐磨性：材料抵抗磨损的能力。1）切削加工性:（1）中碳钢>高碳钢（2）含碳量相同的钢中，球状珠光体>片状珠光体2）焊接性能:中碳钢>高碳钢3）流动性和偏析用共晶相图说明（共晶体最多的成分点）4）淬透性Vk-C曲线的位置－过冷A的稳定性－A晶粒大小A中的成分均匀性第二相化学成分加热状态碳合金元素5）残余奥氏体（1）A中C％↑→MsMf↓→A′%↑（2）A中Me％↑→MsMf↓→A′%↑11/23/2022371、铸造性能：液态金属的流动性、填充性、收缩率、偏析倾向。11.2材料的结构（金属的晶体结构）1.2.1三种典型金属的晶体结构体心立方BCC面心立方FCC密排六方HCP晶格常数aaa、c原子半径原子个数246配位数81212致密度0.680.740.74滑移面{110}×6{111}×4六方底面×1滑移方向<111>×2<110>×3底面对角×3滑移系12123常见金属-Fe、Cr、W-Fe、Ni、AlMg、Zn晶体结构空间点阵晶体点阵（理想晶体）晶体的结构基元(分子、原子、离子、原子集团)依靠一定的结合键结合后，在三维空间作有规律的周期性的重复排列方式。抽象的空间几何模型（非物质性）7个晶系14种晶胞类型把空间点阵的结点作为物质质点的中心位置，忽略原子的热振动和晶体缺陷，将单纯的几何图形变成具有物质性的点阵，称其为晶体点阵（物质性的）。若阵点用直线通过中心连接起来－晶格

11/23/2022381.2材料的结构（金属的晶体结构）1.2.1三种典型金属1.2.2金属的实际结构与晶体缺陷1多晶体（由多晶粒组成的晶体结构）2晶体缺陷（晶格不完整的部位）2）线缺陷（刃型位错、螺型位错）3）面缺陷（晶界、亚晶界）1）点缺陷（空位、间隙原子、置换原子）理论值退火态位错密度强度金属材料强化方法:（1）固溶强化（2）细晶强化（4）加工硬化（3）第二相强化（弥散强化）1）晶粒：组成金属的方位不同、外形不规则的小晶体。2）晶界：晶粒之间的交界面。11/23/2022391.2.2金属的实际结构与晶体缺陷1多晶体（由多晶粒组成的1.3材料的结晶3、纯金属中的固态转变1）同素异构转变：物质在固态下晶体结构随温度而发生变化的现象。2）固态转变的特点1）形核部位特殊（晶界、位错处等）2）过冷倾向大3）伴随着体积变化1、结晶过程1）两个条件（1）能量条件必须过冷过冷度ΔT=T0-Tn（2）结构条件1.3.1纯金属的结晶2）基本规律形核（自发形核、非自发形核）→长大（平面长大，树枝状长大）2、细化晶粒的途径1）增大过冷度2）变质处理3）振动和搅拌11/23/2022401.3材料的结晶3、纯金属中的固态转变1、结晶过程1.3化合物间隙化合物合金的相固溶体间隙固溶体置换固溶体其它化合物间隙相1、合金在固态下的基本相结构1.3.2合金的结晶相: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。合金：由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。11/23/202241化合物间隙化合物合金的相固溶体间隙固溶体置换固溶体其它化合物⑵间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格间隙所形成的固溶体。

为过渡族金属元素与原子半径小的非金属元素组成。铁素体：碳在-Fe中的间隙固溶体。奥氏体：碳在-Fe中的间隙固溶体。马氏体：碳在-Fe中的过饱和固溶体。固溶强化：随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高的现象。马氏体的硬度主要取决于其含碳量，并随含碳量增加而提高。2）金属化合物：与组成元素晶体结构均不相同的固相.（1）正常价化合物如Mg2Si

（2）电子化合物如Cu3Sn（3）间隙化合物：由过渡族元素与C、N、H、B等小原子半径的非金属元素组成。分为结构简单的间隙相和复杂结构的间隙化合物。1）固溶体：与组成元素之一的晶体结构相同的固相.⑴置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格结点位置形成的固溶体。

大多为金属元素之间形成的固溶体。11/23/202242⑵间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格间隙所形成的固溶体。4）金属化合物形态对性能的影响（1）基体、晶界网状：强韧性低（2）晶内片状：强硬度提高，塑韧性降低（3）颗粒状：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。5）固溶体与化合物的区别：①结构；②性能；③表达方式强碳化物形成元素：Ti、Nb、V如TiC、VC中碳化物形成元素：W、Mo、Cr如Cr23C6弱碳化物形成元素：Mn、Fe如Fe3C3）性能比较强度：固溶体纯金属硬度：化合物固溶体纯金属塑性：化合物固溶体纯金属11/23/2022434）金属化合物形态对性能的影响强碳化物形成元素：Ti、N2、合金的组织转变1）一般转变过程（1）满足三个起伏（条件）①能量起伏（必须过冷）；②结构起伏；③成分起伏（2）基本规律形核及核长大（固态转变有晶界、相界形核理论）

2）相图匀晶L共晶L+共析+包晶L+（1）杠杆定律：只适用于两相区。（2）枝晶偏析：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象。

3）合金中的固态相变（1）固溶体转变：AF（2）共析转变：AP(F+Fe3C)（3）二次相析出：AFe3CⅡ

（4）奥氏体化（5）过冷奥氏体转变（6）固溶处理+时效11/23/2022442、合金的组织转变1）一般转变过程2）相图11/3、铁碳合金相图1默画简化的铁碳合金相图2相与机械混合物A、F、Fe3C与P、Ld3两个基本反应式4结晶过程分析（冷速曲线表达）5杠桿定律的应用6热处理加热温度的表达ACDGS1148℃727℃LAL+AL+Fe3CFA+FA+Fe3CKEPFQC%→Fe3CFeF+Fe3C4.30.772.116.69℃注意：1组织组成物和相组成物的分析；2同一种钢在不同的加热条件下对组织、成分及HT分析。3偏析、流动性、反应等。121234相（成分、结构相同且有界面分开的部分）机械混合物（相与相的构成状态）组织（关注：形态、大小及分布）组织可以由单相构成；A组织可以由机械混合物构成；PA站在不同的角度可称为相、组织；P站在不同的角度可称为机械混合物、组织。组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分（形态）。相组成物是指组成合金中成分、结构均匀一致的部分。11/23/2022453、铁碳合金相图1默画简化的铁碳合金相图2相与机械混合物1.4钢的热处理1）奥氏体化的四个阶段奥氏体晶核的形成奥氏体晶核的长大剩余渗碳体的溶解奥氏体成分的均匀化2）奥氏体晶粒度实际晶粒度本质晶粒度（本质粗(细)晶粒钢）1钢在加热时的转变1.4.1钢的热处理原理11/23/2022461.4钢的热处理1）奥氏体化的四个阶段1钢在加热时的扩散退火去应力退火各种退火（正火）的加热温度范围完全退火球化退火正火1.4110010009008007006005000.20.40.60.81.01.2温度℃C%→AF+Fe3C11/23/202247扩散退火去应力退火各种退火（正火）的加热温度范围完全退火球化650℃600℃550℃350℃A1MSMf时间PSTB上B下MM+A’A→PA→SA→TA→B上A→B下A→M过冷A过冷A过冷A过冷A过冷A2、钢在冷却时的转变⑴共析碳钢等温转变曲线及产物11/23/202248650℃600℃550℃350℃A1MSMf时间PSTB上B⑵用C曲线定性说明连续冷却转变产物（共析碳钢为例）根据冷速曲线与C曲线交点位置判断转变产物

P均匀A细AA1MSMf时间等温退火PP退火(炉冷)正火(空冷)S淬火(油冷)T+M+A’等温淬火B下M+A’分级淬火M+A’淬火(水冷)M回+A’150-250℃T回350-500℃S回500-650℃????PT+S回ST+B下+M+A’11/23/202249⑵用C曲线定性说明连续冷却转变产物（共析碳钢为例）根据冷速Ac3Ac1V1V2V3V4V5时间温度Ms例题：（65钢）

3、淬火钢在回火时的转变

1）碳钢：马氏体的分解；残余奥氏体分解；-碳化物转变为Fe3C；Fe3C聚集长大和铁素体多边形化。2）W18Cr4V钢：560℃三次回火。析出W、Mo、V的碳化物，产生二次硬化。回火冷却时，A’转变为M。每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。

强化钢铁材料最经济有效的热处理工艺是淬火+回火,它包含了多种基本强化方法。11/23/202250Ac3Ac1V1V2V3V4V5时间温Ms例题：（65钢）1.4.2钢的热处理工艺1、机械零件的加工工工艺路线预备热处理机械粗加工最终热处理机械精加工锻造铸造毛坯预备热处理（退火与正火）最终热处理（淬火+回火）11/23/2022511.4.2钢的热处理工艺1、机械零件的加工工工艺路线预备热处2、三个判据1）实际生产中退火与正火的选择钢的含碳量C%<0.50.5～0.77≥0.77HT工艺正火完全退火球化退火组织F+SF+PP球2）正火组织判断钢的含碳量C%<0.6≥0.6组织F+SS3）组织中是否有残余奥氏体A中含碳量C%<0.5≥0.5残余奥氏体无有11/23/2022522、三个判据1）实际生产中退火与正火的选择钢的含碳量C%<0工艺名称目的加热温度获得的组织1调整硬度，便于机加工2细化晶粒，消除应力，改善组织3为最终HT作好组织准备亚Ac3+(20～40)℃F+P共Ac1+(20～40)℃P过Ac1+(20～40)℃P球1调整硬度，便于机加工2细化晶粒，改善组织3为最终HT作好组织准备4消除网状二次渗碳体＜0.6F+S≥0.6S共Ac1+(30～50)℃S过Accm+(30～50)℃S1实现马氏体强化2通过淬火后的回火，达到使用性能的要求＜0.5M≥0.5M+A’共Ac1+(30～50)℃M+A’过Ac1+(30～50)℃M+A’+Fe3C粒1消除应力，减少变形2降低脆性3稳定工作尺寸亚＜0.5M回≥0.5M回+A’中回（350～500）℃T回高回（500～650）℃S回共、过共析钢仅适应淬火+低温回火M回+A’M回+A’+Fe3C粒亚Ac3+(30～50)℃亚Ac3+(30～50)℃低回（150～250）℃退火正火淬火回火3、钢的热处理工艺列表11/23/202253工艺名称目的加热温度获得的（材料的尺寸小于10mm）材料淬火温度(℃)淬火介质回火组织水低温回火水中温回火水高温回火水低温回火水中温回火水高温回火45钢Ac3=785℃Ac1=735℃840℃760℃表面淬火表面获得马氏体组织，并获得表硬里韧的性能。预备热处理：调质或正火适用于中碳钢0.4~0.5%C表面：M回心部：S回(调质)或F+S(正火)渗碳提高表面含碳量，获得表硬里韧的性能。渗碳温度:900~950℃淬火温度：表面Ac1+30~50℃心部Ac3+30~50℃适用于低碳钢0.1~0.25%C表面：M回+A’(少)+颗粒状Fe3C(K)心部：M回+F

注意：（1）零件渗碳后的性能>表面淬火后的性能。（2）渗碳件通常可以替代表面淬火件，反之不可。（分析）（3）淬透性与淬火缺陷（分析）（4）锉刀材料T12搞错（45），用T12的工艺，可行吗？淬火后发现硬度不足，可能的原因：1)未淬上火；2)加热时工件表面脱碳。11/23/202254（材料的尺寸小于10mm）材料淬火温度(℃)淬火介2.常用材料复合材料无机非金属材料有色金属及合金常用材料金属材料工业用钢铸铁高分子材料非金属材料11/23/2022552.常用材料复合材料无机非金属材料有色金属及合金常用材料金属2.1工业用钢钢种C%典型牌号合金元素作用热处理使用状态下组织性能用途碳素结构钢<0.4Q195Q235热轧状态F+P塑性,焊接性好建筑结构低合金高强度钢<0.2Q345(16Mn)Mn:强化F,增加P,降低脆转温度热轧空冷F+P塑性,焊接性好桥梁,船舶,容器渗碳钢0.1~0.252020Cr20CrMnTiCr,Mn:提高淬透性,强化F,Ti:细化晶粒渗碳+淬火+低温回火表面：M回+A’(少量)+颗粒状Fe3C心部：M回+F表硬里韧轴、齿轮调质钢0.3~0.54540Cr40CrNiMoCr,Ni:提高淬透性,强化F,Mo:防止第二类回火脆性调质S回良好综合力学性能轴、齿轮弹簧钢0.6~0.90.45~0.765Mn60Si2MnCr,Mn:提高淬透性,强化F；Si:提高屈强比淬火+中温回火T回高s/b高-1弹簧11/23/2022562.1工业用钢钢种C%典型牌号合金元素作用热处理使用状态下组钢种C%典型牌号合金元素作用热处理使用状态下组织性能用途滚动轴承钢0.95~1.10GCr15Cr:提高淬透性,耐磨耐蚀性球退+淬火+低温回火M回+A’(少量)+颗粒状Fe3C高耐磨高-1足够ak滚动轴承耐磨钢1.0~1.3ZGMn13Mn:形成A组织水韧处理表：M+碳化物心：A高耐磨耐冲击铲齿，履带板碳素工具钢0.65~1.35T7~T13球退+淬火+低温回火M回+A’(少量)+颗粒状Fe3C高硬度高耐磨冲子、丝锥、锉刀低合金工具钢0.75~1.59SiCrSi、Cr：提高淬透性球退+淬火+低温回火M回+A’(少量)+颗粒状Fe3C高硬度高耐磨低速刃具高速钢0.7~1.5W18Cr4VCr:提高淬透性；W、V：提高热硬、耐磨性锻、退火、淬火+三次回火M回+A’(少量)+颗粒状碳化物高热硬高硬度高耐磨高速刃具11/23/202257钢种C%典型牌号合金元素作用热处理使用状态下组织性能用途滚动钢种C%典型牌号合金元素作用热处理使用状态下组织性能用途冷作模具钢1.4~2.3C