金属材料与热处理

金属材料知识培训－金属材料和热处理2011－11－16金属材料知识培训：金属材料和热处理金属材料测试和分析方法金属材料的失效分析一.金属材料基本知识内容结构：工程材料的分类金属材料的性能金属的结构钢铁的热处理金属材料常见加工工艺

工程材料的分类

金属材料的性能1.金属的物理性能和化学性能物理性能：密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性等。化学性能：指在化学作用下表现出的性能，包括耐腐蚀性和抗氧化性。2.金属的工艺性能---指金属材料是否易于加工成形的性能。（1）铸造性---影响因素：流动性、收缩率、偏析倾向等（2）锻造性和冲压成型性---指能够承受大的塑性变形而不开裂的性能。如冲压成型性的指标是r值、n值。（3）焊接性---影响因素：导热性、收缩性、碳当量等。（4）切削加工性---影响因素：硬度、导热性、金属内部结构、加工硬化等。

金属材料的性能3.金属的力学性能---指金属在外加载荷或联合环境因素作用下所表现的力学行为，通常表现为金属的变形和断裂。金属材料的常规力学性能：（1）强度---材料抵抗变形和断裂的能力，如弹性极限、抗拉强度、屈服强度等。（2）硬度---材料抵抗其他更硬物体压入其表面的能力，如维氏硬度、洛氏硬度、布氏硬度等。（3）塑性---材料能够变形而不被破坏的能力，如拉伸时的断后伸长率和断面收缩率。（4）韧性---材料在变形和断裂过程中吸收能量的能力，可分为静力韧性、冲击韧性和断裂韧性。

金属材料的性能金属材料的其他力学性能：（1）疲劳强度疲劳的概念：在循环交变载荷下，虽然材料所受的力低于屈服点，但经过较长时间后，材料产生裂纹或突然断裂的过程叫疲劳。疲劳极限：一般规定材料能承受10^7周次循环交变载荷后而不断裂的最大应力称为疲劳极限。（2）耐磨性---材料抵抗被磨损消耗的能力。常见的磨损形式有：粘着磨损、磨粒磨损、接触疲劳磨损、微动磨损等。

金属的结构1.金属的晶体类型（1）体心立方（2）面心立方（3）密排六方

金属的结构2.金属的晶体缺陷（1）点缺陷（2）线缺陷(位错)（3）面缺陷

金属的结构3.金属的塑性变形金属的塑性变形实质上是金属晶体位错的运动。(1)位错的运动刃位错的运动螺位错的运动(2)阻碍位错运动的方式---金属材料强化的机理：(a)外来原子的阻碍---固溶强化(b)金属基体上的细小析出物阻碍位错运动---析出强化(c)过多的位错互相交织，互相阻碍运动---位错/组织强化(d)晶界阻碍位错运动---细晶强化

金属的结构4.钢铁金相组织

金属的结构钢铁金相组织铁素体（C%<0.05%)铁素体+渗碳体（C%:~0.15%)铁素体+珠光体（C%:~0.45%)珠光体+渗碳体（C%:>0.77-2.11%)珠光体（C%:0.77%)珠光体+渗碳体+莱氏体（C%:>2.11-4.3%)

金属的结构钢铁金相组织莱氏体（C%:~4.3%)渗碳体+莱氏体（C%:>4.3%)

钢铁的热处理1.钢的加热转变(1)奥氏体化奥氏体形核奥氏体晶核长大残余渗碳体的溶解奥氏体均匀化(2)奥氏体晶粒的长大：加热温度越高，保温时间越长，奥氏体的晶粒越大。

钢铁的热处理2.钢的冷却转变---冷却过程是钢热处理的关键，它决定着钢在冷却后的组织和性能。奥氏体的两类冷却方法：等温冷却和连续冷却。(1)等温冷却TTT图A－奥氏体P－珠光体B－贝氏体M－马氏体A1虚线－钢的临界点Ms水平线－马氏体转变开始温度Mf水平线－马氏体转变终结温度

钢铁的热处理(2)连续冷却TTT图与等温冷却TTT图的不同点：(a)只有珠光体和马氏体转变区，无贝氏体转变区。(b)多了一条过冷奥氏体转变中止线（珠光体转变区开始线和终了线下面的连线）。(c)

Ms线和临界冷却速度Vc线以下为马氏体转变区。

钢铁的热处理3.退火与正火(1)退火：将钢加热至一定温度，保温一定时间，随后缓冷（一般为随炉冷却）至室温，以获得接近平衡状态的组织。退火目的:(a)降低硬度，提高塑性，以利于加工。

(b)细化晶粒，均匀组织与成分，为以后热处理做准备。

(c)消除残余应力，防止变形和开裂。退火类型:(a)完全退火---加热至完全奥氏体化，随后缓冷。

(b)球化退火---使钢中碳化物呈球状小颗粒形态化。

(c)去应力退火---消除残余应力。

(d)均匀化退火(扩散退火)---消除成分偏析。

钢铁的热处理(2)正火：将钢加热至加热至完全奥氏体化，随后在空气中冷却至室温，以获得接近平衡状态的组织。正火实质上是退火的特例，只是正火的冷却速度较快，因此金相组织较细密，强度与硬度较高一些。正火目的:基本与退火相同，另外还可细化晶粒，提高一些硬度。

球状珠光体组织（500X）

钢铁的热处理4.淬火淬火是将钢加热至奥氏体化，保温一定时间，随后快速冷却至室温，以获得马氏体组织。淬火目的:提高强度、硬度、耐磨性、弹性和韧性，以强化材料。淬火类型:(a)单液淬火(b)双介质淬火(c)马氏体分级淬火(d)贝氏体等温淬火

钢铁的热处理5.回火回火是在钢淬火之后，再加热至一定温度（未奥氏体化），保温一定时间，随后冷却至室温。由于淬火后的钢硬而脆，而且有很大内应力，容易变形开裂，因此淬火后的钢必须经过回火才能使用。回火目的:(a)调整硬度强度，提高韧性；(b)消除淬火后的内应力；

(c)稳定组织和尺寸。回火类型:(a)低温回火(<250C)，得到回火马氏体组织。

(b)中温回火(350-500C)，得到回火托氏体组织。

(c)高温回火(>500C，淬火+高温回火称为调质处理)，得到回火索氏体组织。

钢铁的热处理6.表面热处理许多零件（齿轮、活塞、曲轴等）是在冲击载荷及表面摩擦条件下工作的。这类零件表面需要较高的硬度和耐磨性，而心部需要有足够的韧性和塑性。表面热处理可以做到这一点。（1）表面渗层渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗铬、渗硼等（2）表面淬火火焰加热式、激光加热式、感应加热式等

钢铁的热处理渗碳

钢铁的热处理表面感应淬火

钢铁的热处理6.常见热处理金相图片球状珠光体（0.18%C球化退火后）板条马氏体（低碳钢淬火后）

钢铁的热处理常见热处理金相图片针状马氏体（中、高碳钢淬火后）上贝氏体

钢铁的热处理常见热处理金相图片粒状贝氏体下贝氏体

钢铁的热处理常见热处理金相图片回火托氏体（中温回火）回火马氏体（低温回火）

钢铁的热处理常见热处理金相图片回火索氏体（高温回火）

钢铁的热处理常见热处理金相图片SAE1012钢渗碳45#钢表面感应淬火

金属材料常见加工工艺1.热加工工艺(1)铸造将液态金属浇入与零件形状相适应的模腔中，待其冷却凝固后获得毛坯或零件的成型方法。铸造分为砂型铸造和特种铸造。(2)锻造将金属加热使其软化，然后利用加压设备及工、模具作用使金属产生塑性变形，以获得所需形状的毛坯或零件。锻造分为自由锻造和模型锻造。

金属材料常见加工工艺(3)焊接金属焊接是指通过加热或加压（或两者并用）使两个分离的金属物体产生原子或分子间的结合而连接成一体的工艺方法。焊接可分为熔焊（如电弧焊、气焊等）、压焊（如电阻焊等）和钎焊（如锡钎焊、铜钎焊等）。(4)热切割通过加热使金属局部熔化从而把一个金属物体分离成若干部分的加工方法。常见热切割方法包括电火花切割、激光切割、等离子切割、火焰气割等。

金属材料常见加工工艺1.冷加工工艺(1)冷锻在常温下利用加压设备及工、模具作用使金属产生塑性变形，以获得所需形状的毛坯或零件。冷锻所用的金属材料必须具有良