机械一金属材料

课程特点：

工程材料与热成形技术是一门实践性很强的综合技术课程，它充分体现了工艺技术教育的特点，从实践中来到实践中去。随着工程领域内新材料、新技术、新工艺的不断涌现，工程材料与热成形技术课程的内容也越来越丰富，课程体系也正在发生重大变化，同时又体现它的综合性特点。本课程包括工程材料、铸造、塑性加工、焊接四大部分，各部分既有独立性，又有相关性，内容繁杂，实践性、综合性很强，是学生达到工程训练目的的必修课。绪论教学定位：工程材料与热成形技术是机械设计制造及其自动化专业和机械电子工程专业的一门重要学科基础课程。本课程是在学生学完现代工程制图、金工实习等系列机械基础课程后开设的。在学生已具有一定的制图能力及对实际工艺的认识实践能力的基础上，通过本课程的学习，使学生在掌握金属结构、金属工艺性能、金属材料、铸造、塑性加工及焊接方面的基本工艺知识的基础上，形成一种融会贯通的能力，深刻理解各加工工艺方法之间的本质联系，据此能够解决一些简单的工艺问题，为以后学习机械设计课程、机械制造技术基础及专业课和生产实习打下良好的工艺实践基础。本课程在理论教学的同时安排一定量的实验课时，相辅相成，共同完成培养目标。一

工程材料

绪论第一章工程材料的力学性能第二章金属和合金的晶体结构及结晶

第三章钢的热处理第四章金属材料第五章非金属材料和复合材料工程材料的分类一、按来源分为天然材料和人工材料二、接用途分为功能材料和结构材料三、按化学性质分为：

金属陶瓷材料高分子材料金属材料

陶瓷材料（离子键和共价键，离子键为主）

高分子材料（共价键、分子键和氢键，共价键为主）。

四、工程材料的常见分类1无机材料（金属、金属间化合物、无机非金属材料（玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷））2有机材料（有机天然材料、有机合成高分子材料）3复合材料（金属基、陶瓷基、树脂基、金属间化合物基）金属材料

(1)铁和以铁为基的合金(钢、铸铁、铁合金)，俗称黑色金属；(2)非铁金属材料，俗称有色金属。

第一节金属材料的主要性能金属材料的性能：两大类：1使用性能：机械零件在正常工作情况下应具备的性能。

包括：机械性能、物理、化学性能2工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削性能等。第一节金属材料的力学性能

工程构件在使用过程中最主要的功能是传递各种力和能。因此，在进行设计、选材和工艺评定时，工程上最关心的是材料受力时的行为，即材料的力学性能（机械性能）。力学性能---受外力作用反映出来的性能。材料的性能使用性能工艺性能物理化学机械

铸锻焊切削加工热处理

（力学）弹性塑性强度硬度刚度韧性疲劳强度材料的机械性能一、弹性、塑性1弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能。力和变形同时存在、同时消失。如弹簧：弹簧靠弹性工作。2塑性：金属材料受外力作用时产生永久变形而不至于引起破坏的性能。（金属之间的连续性没破坏）塑性大小以断裂后的塑性变形大小来表示。塑性变形：在外力消失后留下的这部分不可恢复的变形。

设：应力:应变:

拉伸试验断面收缩率延伸率

（屈服极限）

（强度极限）应力——应变曲线1）弹性阶段oeσe——弹性极限2）屈服阶段：过e点至水平段右端σs——塑性极限，s——屈服点过s点水平段——说明载荷不增加，试样仍继续伸长。（P一定，σ=P/F一定，但真实应力P/F1↑因为变形，F1↓）发生永久变形3）强化阶段：水平线右断至b点P↑变形↑σb——强度极限，材料能承受的最大载荷时的应力。4）局部变形阶段bk过b点，试样某一局部范围内横向尺寸突然急剧缩小。“缩颈”（试样横截面变小，拉力↓）5）延伸率和断面收缩率：——表示塑性大小的指标

1）δ、ψ越大，材料塑性越好2）ε与δ区别：拉伸图中ε=ε弹+ε塑，δ=εmas塑3）一般δ>5%为塑性材料，δ<5%为脆性材料。

条件屈服极限σ0.2有些材料在拉伸图中没有明显的水平阶段。通常规定产生0.2塑性变形的应力作为屈服极限,称为条件屈服极限.

>时，无颈缩，为脆性材料表征；

<时，有颈缩，为塑性材料表征。断裂后拉伸试样的颈缩现象§1材料的力学性能二、刚度

金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力—1、材料本质弹性模量—在弹性范围内,应力与应变的比值.其大小主要决定材料本身.相当于单位元元变形所需要的应力.σ=Εε,Ε=σ/ε=tgα2、几何尺寸\形状\受力

相同材料的E相同,但尺寸不同,则其刚度也不同.所以考虑材料刚度时要把E\形状\尺寸同时考虑.还要考虑受力情况.三强度

金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力.按作用力性质的不同,可分为:抗拉强度σ+抗压强度σ-抗弯强度σw

抗剪强度τb抗扭强度σn常用来表示金属材料强度的指标:屈服强度:(PaN/m2)Ps-产生屈服时最大外力,F0-原截面抗拉强度(PaN/m2)Pb-断裂前最大外力.σs\σb在设计机械和选择评定材料时有重要意义.因金属材料不能在超过σs的条件下工作,否则会塑变.超过σb工作,机件会断裂.σs--σb之间塑性变形,压力加工

§1材料的力学性能

§1材料的力学性能四、硬度是指材料抵抗比它更硬物体压入其表面的能力，即抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。工程上材料的硬度值是通过硬度试验测得的，常用的有布氏硬度和洛氏硬度。布氏硬度试验是由瑞典的布利涅尔（J.B.Brinell）于1900年提出来的.洛氏硬度是由美国的洛克威尔（S.P.Rockwell和H.M.Rockwell）于1919年提出来的.是材料性能的综合物理量,表示金属材料在一个小的体积范围内的抵抗弹性变形\塑性变形或断裂的能力.

布氏硬度（HBS）

适用范围：HBS＜450（钢球）HBW＜650（硬质合金）

退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度特点：压痕大，代表性全面应用：不适宜薄件和成品件

§1材料的力学性能HB－3000布氏硬度计1—指示灯2—压头3—工作台4—立柱5—丝杠6—手轮7—载荷砝码8—压紧螺钉9—时间定位器10—加载按钮布氏硬度试验原理图材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢:b(MPa)≈3.6HB对于高碳钢：b

(MPa)≈3.4HB对于铸铁：b

(MPa)≈1HB或0.6(HB-40)洛氏硬度(HR)

材料的性能§1材料的力学性能洛氏硬度计洛氏硬度试验原理图适用范围：HRA硬质合金、表面淬火层或渗碳层；

HRB有色金属和退火、正火钢等；

HRC调质钢、淬火钢等。优点:易操作,压痕小,适于薄件,成品件缺点:压痕小,代表性不全面需多测几点.*硬度与强度有一定换算关系,故应用广泛.根据硬度可近似确定强度,如灰铁:σb=1HBS维氏硬度试验原理维氏硬度计3.维氏硬度维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点：既可测量由极软到极硬的材料的硬度（试验力变化范围大），又能互相比较。既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。

缺点：不如洛氏硬度试验简便，不宜大批量§1材料的力学性能材料抵抗冲击载荷的能力脆性材料一般不开口,因其冲击值低,难以比较差别.ak↑,冲击韧性愈好.*不直接用于设计计算:在生产中,工件很少因受一次大能量冲击载荷而破坏,多是小冲击载荷,多次冲击引起破坏,而此时,主要取决于强度,故设计时,ak只做校核.*对组织缺陷很敏感,能够灵敏地反映五、冲击韧性（韧度、韧性）出材料品质,宏观缺陷,纤维组织方面变化.所以,用来检验冶炼、热加工、热处理工艺质量的有效方法。（微裂纹——应力集中——冲击——裂纹扩展）ak=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积S(J/cm)ak值低，断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。六疲劳强度问题提出：许多零件如曲轴、齿轮、连杆、弹簧等在交变载荷作用下，发生断裂时的应力远低于该材料的屈服强度，这种现象——疲劳破坏。据统计，80%机件失效是由于疲劳破坏。疲劳强度——当金属材料在无数次交变载荷作用下而不致于引起断裂的最大应力。条件疲劳极限：经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高，纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。1疲劳曲线——交变应力与断裂前的循环次数N之间的关系。例如：纯弯曲有色金属N>108钢材N>107

2疲劳破坏原因材料有杂质,表面划痕,能引起应力集中,导致微裂纹,裂纹扩展致使零件不能承受所加载荷突然破坏.影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。3预防措施改善结构形状,避免应力集中,表面强化-喷丸处理,表面淬火等.轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳断口通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。

拉伸试验强度

塑性

疲劳强度§2金属材料的物理、化学、工艺性能1.物理性能

比重:计算毛坯重量,选材,如航天件:轻熔点:铸造锻造温度(再结晶温度)热膨胀性:铁轨模锻的模具量具导热性:铸造:金属型锻造:加热速度导电性:电器元件铜铝磁性:变压器和电机中的硅钢片磨床:工作台2.化学性能

耐酸性耐碱性抗氧化性3.工艺性能是指是否易于进行冷热加工的性能。可分为铸造性可锻性焊接性和切削加工性等。

材料的性能材料的工艺性能铸造性能可锻性能焊接性能切削加工性能热处理性能“维克斯”3坦克原型车，其炮塔前半部分铸造而成，后半部分则为焊接结构特大精密锻造齿圈、环件第二节金属材料的组织与性能

一金属的晶体结构一）基本概念:固体物质按原子排列的特征分为:晶体:原子排列有序,规则,固定熔点,各项异性.非晶体:原子排列无序,不规则,无固定熔点,各项同性如:金属,合金,金刚石—晶体玻璃,松香沥青—非晶体晶格:原子看成一个点,把这些点用线连成空间格子.结点:晶格中每个点.晶胞:晶格中最小单元,能代表整个晶格特征.晶面:各个方位的原子平面晶格常数:晶胞中各棱边的长度(及夹角),以A(1A=10-8cm)度量金属晶体结构的主要区别在于晶格类型,晶格常数.

固态物质的存在形式：晶体的特征：

纯金属的晶体结构晶体非晶体质点（原子、离子、分子）呈规则排列熔点一定性能呈各向异性金属的结构晶态非晶态Si2O的结构二、金属的晶体结构1.金属的晶体结构晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。1）理想晶体——实际晶体的理想化·三维空间无限延续，无边界·严格按周期性规划排列，是完整的、无缺陷。·原子在其平衡位置静止不动2）理想晶体的晶体学抽象空间规则排列的原子→刚球模型→晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）→晶胞（具有周期性最小组成单元）

晶体的描述晶格:原子看成一个点,把这些点用线连成空间格子.结点:晶格中每个点.晶胞:晶格中最小单元,能代表整个晶格特征.晶面:各个方位的原子平面晶格常数:晶胞中各棱边的长度(及夹角),以A(1A=10-8cm)度量金属晶体结构的主要区别在于晶格类型,晶格常数.

晶胞晶胞常数：a、b、c、α、β、γ晶格常数：a、b、c简单立方晶胞a＝b＝c

α＝β＝γ＝90℃晶体晶格

二）

金属晶格的基本类型纯金属的晶体结构体心立方晶格

原子个数：2常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb（铌）等面心立方晶格

原子个数：4常见金属：

-Fe、Ni、Al、Cu、Pb等密排六方晶格

晶格常数：底面边长a和高c，c/a=1.633原子个数：6常见金属：

Mg、Zn、Be（铍）、Cd等

金属晶格的基本类型纯金属的晶体结构晶格类型体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格晶胞结构晶胞内原子数典型金属α-Fe、Mo、W、V、Cr、Li、Na、Ti、等γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等Mg、Zn、Be、Ca、ε-Fe

三）实际金属的晶体结构理想晶体+晶体缺陷——实际晶体

实际晶体——单晶体和多晶体单晶体：内部晶格位向完全一致，各向同性。

多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成，各向异性

单晶体多晶体

晶体缺陷：实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分

a.点缺陷——晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化空位

晶格结点处无原子置换原子

晶格结点处为其它原子占据间隙原子

原子占据晶格间隙空位间隙原子小置换原子大置换原子点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。b.线缺陷(位错)—二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排

位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。有刃型位错和螺型位错两种类型。

刃型位错螺型位错刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ㅗ”表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ㅜ”表示。透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)高分辨率电镜下的刃位错（白点为原子）电子显微镜下的位错c.面缺陷——一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。分为晶界、亚晶界、表面等

晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5~10个原子间距，位向差一般为20~40°。位向差很小（10’~2°)的小晶块为亚晶粒。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。金属的结晶

四）金属的结晶

凝固的概念:液体-->固体（晶体或非晶体）结晶的概念:液体-->晶体结晶的过冷现象

过冷度

T=T0-Tn结晶的必要条件：

必须有过冷度！影响实际结晶温度Tn的因素：①V冷Tn

②纯度Tn冷却曲线金属的结晶结晶过程即结晶的一般过程为：晶胚晶核

晶粒

晶体液体结晶液态金属形核晶核长大完全结晶条件适宜T长大

形核方式金属的结晶自发形核（均质形核）非自发形核（非均质形核）晶体生长方式平面长大（小体积液体）

枝晶长大（实际金属）金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶树枝状结晶表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。晶粒度可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。四.金属晶粒的大小与控制

1.晶粒度晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度结晶后晶粒大小晶粒大小对性能的影响

晶粒越细，性能越好细化晶粒，是提高金属性能的重要途径之一结晶时细化晶粒的方法增加过冷度进行变质处理

③振动，搅拌等金属的结晶金属铸锭组织金属的结晶1——表面细晶粒层（激冷层）2——柱状晶粒层3——中心等轴晶粒金属的结晶五）金属的同素异晶转变多数金属在结晶后的晶格类型都保持不变，但有些金属(如铁、锡、钛、锰等)的晶格类型，因温度而异。一种金属能以几种晶格类型存在的性质，叫做同素异构性。金属在固态下改变其晶格类型的过程，叫做金属的同素异构转变，这一转变与液态金属的结晶过程很相似，也包括晶核的形成和晶核的成长两个阶段，又叫做重结晶。纯铁的同素异晶转变六）合金的晶体结构合金：指由一种金属元素与其它金属元素或非金属元素组成的具有金属特性的物质。组元：组成合金的、独立的、最基本的单元。

通常，合金的组元就是组成合金的元素。但有时，组成合金的稳定化合物也可成为组元。按照合金组元的个数，可分为二元合金、三元合金等。例如黄铜就是由铜和锌组成的二元合金，硬铝就是由铝、铜和镁组成的三元合金。相的概念在金属和合金的晶体组织中，凡化学成分和晶体结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，就叫做相如:纯金属—一个相,温度升高到熔点,液固两相.合金液态组元互不溶,几个组元,几个相.固体合金中的基本相结构为固溶体和金属化合物，还可能出现由固溶体和金属化合物组成的混合物。显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。合金1固溶体溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体。根据溶质在溶剂晶格中所占的位置不同，分为：1）置换固溶体溶质原子替代溶剂原子而占据溶剂晶格中的某些结点位置，所形成的固溶体。*溶质原子，溶剂原子直径相差不大时，才能置换如：Cu——ZnZn溶解度有限。Cu——Ni溶解度无限置换固溶体间隙固溶体溶质原子嵌入各结点之间的空隙，形成固溶体。溶质原子小，与溶剂原子比为<0.59。溶解度有限。也固溶强化。间隙固溶体a.按溶质原子的位置分置换固溶体其中溶质原子占据溶质原子点阵位置的固溶体。晶格类型相同,原子半径相差不大,电化学性质相近.间隙固溶体

溶质原子位于溶剂原子点阵的间隙位置中的固溶体，

原子半径较小。b.按溶解度分有限固溶体无限固溶体c.按分布有序度分有序固溶体无序固溶体

晶格畸变晶格畸变增加了晶面间的相对滑移阻力，表现为固溶体的强度和硬度升高——固溶强化。固溶强化使固溶体的硬度一般比溶剂有所提高，而使塑性和韧性稍有降低，或变化不大。固溶强化的效果与溶质浓度的增加是一致的。一般情况下，间隙型溶质比置换型溶质在晶格中造成的畸变要大，所以前者强化效果往往更加明显。与纯金属和金属化合物比较，固溶体具有较好的综合力学性能。在各种作为结构材料的合金中，基体相总是固溶体。：畸变时塑性变形阻力增加，强，硬增加。晶格畸变——固溶强化这是提高合金机械性能的一个途径。金属化合物金属化合物是合金组元相互作用形成的新相。它的晶格类型与两组元完全不同，性能差别也很大。金属化合物不同于一般化合物，它具有明显的金属性质，具有复杂的晶格结构。可用分子式表示的物质。如Fe3C、WCFe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。Fe3C的晶格金属化合物特点：（1）较高熔点、较大脆性、较高硬度。（2）在合金中作强化相，提高强度、硬度、耐磨性，而塑性、韧性下降，如WC、TiC。可通过调整合金中的金属化合物的数量、形态、分布来改变合金的性能金属化合物也是合金的重要组成相。机械混合物固溶体+金属化合物固+固——综合性能七）二元合金状态图的构成合金系：由给定的组元可以配制成一系列成分含量不同的合金，这些合金组成一个合金系统——

为研究合金系的合金成分、温度、结晶组织之间的变化规律、建立合金状态图来描述。合金状态图——合金系结晶过程的简明图解。实质：温度——成分作标图，是在平衡状态下（加热冷却都极慢的条件下）得到的。1.相图的基本概念相图是用来表示合金系中各合金结晶过程的简明图解。又称状态图或平衡图。合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。七）二元合金状态图的构成

多数情况下组元是指组成合金的元素，但对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元，如Fe-C合金中的Fe3C。相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。根据组元数,分为二元相图、三元相图和多元相图。Fe-C二元相图三元相图相图的建立几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。以Cu-Ni合金(白铜)为例Ⅰ：纯铜

Ⅱ：75%Cu+25%Ni

III：50%Cu+50%Ni

Ⅳ：25%Cu+75%Ni

Ⅴ：纯Ni

1)配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。2)在温度-成分坐标中做成分垂线，将临界点标在成分垂线上。3)将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。Cu-Ni合金相图二、二元相图的基本类型1、二元匀晶相图两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶转变的合金系→匀晶相图（L→α），如Cu-Ni，Fe-Cr，Au-Ag。2、共晶相图：两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶的结晶转变。共晶转变的合金系构成共晶相图，Pb-Sn,Al-Si,Ag-Cu（1）相图分析液相线

adb固相线

acdeb三个单相区：L、α、β（α、β是有限固溶体）共晶点：d共晶成分的合金冷却到此点所对应的温度（共晶温度），共同结晶出αc、βe

②合金II：（共晶合金）LdgacbeL-->L+(ac+βe)--->ac+βe--->af+bII+βg+aII

Pb-Sn共晶合金组织19.2③合金III：（亚共晶合金）L--->L+a初--->L+a初+（ac+β

e)--->a初+（ac+β

e)--->a+βII+（a+β）亚共晶合金组织组织组成物：（α+β）共晶体（α+β）%=100%④合金IV（过共晶合金）

过共晶合金的结晶过程与亚共晶合金相似，不同的是一次相为，二次相为Ⅱ。其室温组织为Ⅰ+(+)+Ⅱ。八）铁碳合金钢和铸铁是铁与碳的合金。钢铁是工业上应用最广泛的合金。钢铁虽是多成分的复杂合金，但基本上是由铁和碳两种最主要的成分所组成的。1、铁碳合金的基本组织纯铁的同素异构转变δ-Feγ-Fe α-Fe1394℃912℃091213941538时间/min温度/℃α-Feγ-Fe面心立方δ-Fe体心立方液态1、铁碳合金的基本组织在铁碳合金中，铁和碳互相结合的方式是：在液态时，铁和碳可以无限互溶；在固态时，碳可溶于铁中形成固溶体；当含碳量超过固态溶解度时，则出现化合物(Fe3C)。此外，还可以形成由固溶体和化合物组成的混合物。

定义：碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体晶格结构：体心立方最大溶解度：0.02%（727℃）性能：

σb=250MPaHBS=80δ=45%～50%ψ=70%～80%

ak=160～200J/cm2δ-铁素体：碳溶于δ-Fe中所形成的间隙固溶体，最大溶解度：0.09%（1495℃）1）铁素体（F或α）铁碳合金2）奥氏体（A或γ）定义：碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体（高温组织）晶格结构：面心立方最大溶解度：2.11%（1148℃）性能：

σb≈400MPaHBS=170～220δ=40%～50%

高塑性、无磁

铁碳合金

3）渗碳体（Fe3C）定义：Fe与C所形成的金属化合物晶格结构：复杂正交性能：σb≈30MPaHBS=800δ≈0ψ≈0

硬而脆（耐磨性好）

Fe3C3Fe+C（石墨）它的含碳量为6.69%，渗碳体在钢中与其它组织共存时，其形态可能呈片状、网状或粒状等，在钢中分布的形态对钢的力学性能有很大影响。铁碳合金高温4）珠光体（P）定义：F与Fe3C所形成的机械混合物（平均含碳量：0.77%）性能：σb≈750MPaHBS=180δ≈20%～25%ak=30～40J/cm2

综合性能铁碳合金

5）莱氏体（Ld、或Le

、）莱氏体是由奥氏体与渗碳体组成的机械混合物。（平均含碳量：4.3%）奥氏体在727℃发生珠光体转变，所以在727℃以下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称低温莱氏体，用符号Ld′表示。莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高(HBW>700)，塑性极差铁碳合金铁碳合金相图分析2、铁碳合金相图分析是表明平衡状态下含C不大于6.69%的铁碳合金的成分,温度与组织之间关系,是研究钢铁的成分,组织和性能之间关系的基础,是制定热加工工艺的基础.含C>6.69在工业上无实际意义,而含C6.69%时,Fe与C形成Fe3C,故可看成一个组元,即铁碳合金状态图实际为Fe-Fe3C的状态图.铁碳合金相图分析

铁碳合金分类Ld+Fe3CⅠ

Ld’+Fe3CⅠ

铁碳合金的结晶过程分析共析钢[wc=0.77%]铁碳合金相图分析室温平衡组织:100%P（F和Fe3C）共析钢转变亚共析钢[0.0218%<wc<0.77%]铁碳合金相图分析0.20%C0.40%C亚共析钢转变过共析钢[0.077%<wc<2.11%]铁碳合金相图分析硝酸酒精侵蚀苦味酸侵蚀过共析钢转变共晶铸铁[wc=4.3%]铁碳合金相图分析室温平衡组织:100%亚共晶铸铁[2.11%<wc<4.3%]铁碳合金相图分析室温平衡组织:P+Fe3CⅡ+过共晶铸铁[4.3%<wc<6.69%]铁碳合金相图分析室温平衡组织:+Fe3C铁碳合金相图铁碳合金相图分析(1)ACD线液相线，即液态合金冷却到此线开始结晶。在此线以上的区域是液态区(2)AECF线1148℃这是固相线，即在此线以下的合金为固体状态。(3)ECF线共晶线，在此线上发生共晶反应：即成分在E点到F点之间的合金在1148℃时，从C点成分的液体L中共同结晶出E点成分的A和Fe3C的机械混合物。此混合物即莱氏体Ld。(4)GS线奥氏体转变为铁素体的开始线，或铁素体转变为奥氏体的终了线，常用A3表示。(5)ES线渗碳体从奥氏体中析出的开始线，或渗碳体(或碳)在奥氏体中的溶解度线，超过溶解度后析出的渗碳体叫做二次渗碳体，用Fe3CⅡ表示，常称此线为Acm。(6)PSK线727℃共析线(也称A1线)，在此线上发生共析反应：成分在P点到K点之间的合金在727℃时，从S点成分的A中共同析出P点成分的F和Fe3C的共析混合物。此共析体即珠光体。铁碳合金的分类

(1)工业纯铁(含碳是在0.0218%以下)没有共晶转变、共析转变，室温下基本上为铁素体，由于强度较低，应用很有限。

(2)碳钢(含碳量在0.0218%～2.11%之间)没有共晶转变，因能全部转变为奥氏体，在高温下具有很好的塑性，可以压力加工，在室温下具有好的力学性能，所以应用极广。根据含碳量或组织，钢可以进一步分为亚共析钢(含碳量为0.0218%～0.77%)、共析钢(含碳量为0.77%)和过共析钢(含碳量为0.77%～2.11%)。

(3)白口铸铁(含碳量在2.11%～6.69%之间)有共晶转变，得到的是以渗碳体为基的组织，断口呈亮色，硬度很高，脆性很大，铸造性能好，但用途有限。铁碳合金状态图的应用

选择材料方面的应用制定热加工工艺方面的应用选择材料方面的应用a.分析零件的工作条件,根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律进行选择材料。b.根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律,确定选定材料的工作范围。制定热加工工艺方面的应用第三节钢的热处理一概述

钢的热处理就是将钢在固态下加热到一定的温度，进行必要的保温，并以适当的速度冷却到室温，以改变钢的内部组织，从而得到所需性能的工艺方法。一般来说，热处理工艺的基本过程包括加热、保温和冷却三个阶段。热处理工艺曲线各种热处理都可以用温度—时间的坐标图形表示.温度保温临界温度加热冷却时间

应用广泛:机械制造业中70%零件需热处理.汽车拖拉机制造业70~80%量具刃具模具滚动轴承等100%目的1冶金锻铸焊毛坯或成品,消除缺陷,改善工艺性能.为后续加工(如机加)做好组织,性能,准备.退火正火2是钢件的机械性能提高,达到钢件的最终使用性能指标,以满足机械零件或工具使用性能要求.淬火+回火

表面淬火化学处理依据:状态图热处理的作用热处理分类：其他热处理普通热处理表面热处理热处理退火正火淬火回火真空热处理形形变热处理激光热处理真空热处理等表面淬火—感应加热、火焰加热、电接触加热等化学热处理—渗碳、氮化、碳氮共渗二热处理过程中的组织转变一）钢在加热时的组织转变1临界温度:

状态图上A1:共析线(P-A)临界温度:A3:A析出F(F-A)极缓慢冷却Acm:A析出Fe3CⅡ()

实际加热临界温度Ac1

Ac3A“过热”Accm实际冷却临界温度Ar1PAr3A析出F“过冷”Arcm析出Fe3CⅡ

临界温度一）钢在加热时的组织转变2组织转变共析钢:P(F+Fe3C)---A(1)A晶核形成:F和Fe3C界面上先形成A晶核(因界面原子排列不规则,缺陷多,能量低)(2)A晶核长大:F晶格转变,Fe3C不断溶入A,A晶核不断生成,长大.F转变快,先消失.(3)残余渗碳体的溶解:随保温时间加长,残余Fe3C逐渐溶入A(4)A成分均匀化:A转变完成后,各处含C浓度不均匀,继续保温,C充分扩散,得到单一的均匀A这个过程是A重结晶的过程.亚共析钢:F+P—Ac1—F+A—Ac3---A过共析钢:P+Fe3CⅡ--Ac1—A+Fe3CⅡ--Accm---A(晶粒粗化)亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于先共析F

或二次Fe3C的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或Accm以上。1.钢的奥氏体化影响奥氏体晶粒长大的因素⑴加热温度和保温时间：加热温度高、保温时间长，A晶粒粗大。⑵加热速度：加热速度越快，过热度越大，形核率越高，晶粒越细。快速高温加热和短时间保温是生产中常用的一种细化晶粒的方法。（3）钢中加入一定量合金元素大多数合金元素均能不同程度地阻碍A晶粒长大，如铬、钼、钨、钒，其碳化物难溶于A，又在晶界上，阻碍A长大。锰磷促进A长大二）钢在冷却时的组织转变(钢在室温时的机械性能不仅与加热,保温有关,与冷却过程也有关)1冷却方式连续冷却:加热到A的钢,在温度连续下降的过程中发生组织转变.水冷油冷空冷(正火)炉冷(退火)

等温冷却:使加热到A的钢,先以较快的速度冷却到Ar1线下某一温度,成为过冷A,保温,使A在等温下发生组织转变,转变完,再冷却到室温.等温退火等温淬火

Ar1(2)(1)2共析钢冷却时的等温转变

以共析钢为例,进行一系列不同过冷度的等温冷却实验,可以测出过冷奥氏体在恒温下开始转变和转变终了的时间,画到”温度—时间”坐标系中,然后,把开始转变的时间和转变终了的时间分别连接起来,即得到共析钢的奥氏体等温转变曲线.又叫C曲线或TTT曲线.共析钢的奥氏体等温转变曲线高温产物:Ar1～650℃P层片较厚500XHRC10-20650～600℃细珠光体索氏体SHRC25~35层片较薄800~1000X600～550℃极细珠光体屈氏体THRC30~40层片极薄a）以上三种均为F+Fe3C层片相间的珠光体，只是层片厚度不同。b）由于过冷度从小到大，原子活动能力由强到弱，致使析出的渗碳体和铁素体层片越来越来薄。c）珠光体层片越薄，塑变抗力越大，强，硬越大。珠光体索氏体托氏体光镜下形貌电镜下形貌珠光体索氏体光镜形貌电镜形貌屈氏体（托氏体）电镜形貌光镜形貌珠光体转变过程中温产物550~350℃上贝氏体B上电镜下观察，渗碳体不连续，短杆状，分布于许多平行而密集的铁素体条之间。350~230℃下贝氏体B下比B上有较高强、硬、韧、塑。片状过饱和F和其内部沉淀的碳化物组织（因为过饱和F有析出Fe3C倾向，但过冷度太大，导致碳原子没能扩散超出F片，只是在片内沿一定晶面聚集，沉淀出碳化物粒子）光镜下电镜下

⑴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。贝氏体转变1、贝氏体的组织形态及性能过冷奥氏体在550℃-230℃(Ms)间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号B表示。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）。上贝氏体下贝氏体当转变温度较高（550-350℃）时，条片状铁素体从奥氏体晶界向晶内平行生长，随铁素体条伸长和变宽，其碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条间析出Fe3C短棒，奥氏体消失，形成B上。⑵下贝氏体

形成温度为350℃-230℃(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55-60º角。光镜下电镜下贝氏体转变属半扩散型转变，即只有碳原子扩散而铁原子不扩散

当转变温度较低（350-230℃）时，铁素体在晶界或晶内某些晶面上长成针状，由于碳原子扩散能力低，其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。

上贝氏体下贝氏体贝氏体组织的透射电镜形貌贝氏体性能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。3）低温转变产物230~-50℃马氏体（M）+残余A马氏体“M”：过饱和的α固溶体（由于温度低，原子活动能力低，晶格转变完成，但是，C原子不能从面心中扩散出来，仍留在体心中，形成过饱和α固溶体）∵晶格严重畸形，∴M硬↑HRC65塑韧→0马氏体转变当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织。马氏体转变是强化钢的重要途径之一。1、马氏体的晶体结构碳在α-Fe中的过饱和固溶体称马氏体,用符号M表示。马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。马氏体组织马氏体具有体心正方晶格（a=b≠c）C%越高，正方畸变越严重。。2、马氏体的形态马氏体的形态分板条和针状两类。⑴板条马氏体

立体形态为细长的扁棒状在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织。光镜下电镜下⑵针状马氏体

立体形态为双凸透镜形的片状。显微组织为针状。在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。电镜下电镜下光镜下⑶马氏体的形态主要取决于其含碳量C%＜0.25%时，组织几乎全部是板条马氏体。低碳马氏体C%＞1.0%C时则几乎全部是针状马氏体。高碳马氏体C%在0.25~1.0%之间为板条与针状的混合组织。0.45%C0.2%C1..2%C马氏体形态与含碳量的关系45钢正常淬火组织先形成的马氏体片横贯整个奥氏体晶粒，但不能穿过晶界和孪晶界。后形成的马氏体片不能穿过先形成的马氏体片，所以越是后形成的马氏体片越细小。原始奥氏体晶粒细，转变后的马氏体片也细。当最大马氏体片细到光镜下无法分辨时，这种马氏体称隐晶马氏体。3、马氏体的性能高硬度是马氏体组织性能的主要特点。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。

当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。合金元素对马氏体硬度的影响不大。马氏体硬度、韧性与含碳量的关系C%马氏体的透射电镜形貌针状马氏体板条马氏体

马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。

马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性。4、马氏体转变的特点马氏体转变也是形核和长大的过程。其主要特点是：⑴非扩散性铁和碳原子都不扩散，因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同。⑵共格切变性由于没有扩散，晶格的转变是以切变的机制进行的。切变还使切变部分的形状和体积发生变化，引起相邻奥氏体随之变形，在预先抛光的表面上产生浮凸现象。

马氏体转变切变示意图马氏体转变产生的表面浮凸

⑶降温形成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。MfMsM(50%)M(90%)⑷高速长大

马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。当一片马氏体形成时，可能因撞击作用使已形成的马氏体产生裂纹。⑸转变不完全即使冷却到Mf点，也

不可能获得100%的马氏体，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。’含碳量对残余奥氏体量的影响含碳量对马氏体转变温度的影响Ms、Mf与冷速无关，主要取决于奥氏体中的合金元素含量（包括碳含量）。马氏体转变后，A’量随含碳量的增加而增加，当含碳量达0.5%后，A’量才显著。转变类型转变产物形成温度，℃转变机制显微组织特征HRC获得工艺珠光体PA1~650扩散型粗片状，F、Fe3C相间分布5-20退火S650~600细片状，F、Fe3C相间分布20-30正火T600~550极细片状，F、Fe3C相间分布30-40等温处理贝氏体B上550~350半扩散型羽毛状，短棒状Fe3C分布于过饱和F条之间40-50等温处理B下350~MS竹叶状，细片状Fe3C分布于过饱和F针上50-60等温淬火马氏体M针MS~Mf非扩散型针状60-65淬火M*板条MS~Mf板条状50淬火过冷奥氏体转变产物（共析钢）

三、过冷奥氏体连续冷却转变

过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT曲线，是通过测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的。共析钢CCT曲线过共析钢CCT曲线亚共析钢CCT曲线(Continuous-Cooling-Transformation)3．C曲线的应用（1）根据工件要求，确定热处理工艺。（2）确定工件淬火时的临界冷速。（3）可以指导连续冷却操作V1:炉冷（退火）PV2:空冷，SV3：空冷，SV4：油冷，T+M+A'V5：水冷，M+A'（4）C曲线对选择淬火介质与淬火方法有指导共析钢连续冷却转变

稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsV1V2VkV3V4V1=5.5℃/s:炉冷;PV2=20℃/s:空冷;SV3=33℃/s:油冷;T+M+A残V4≥138℃/s:水冷;M+A残三钢的热处理工艺热处理:整体热处理:退火正火淬火回火表面热处理:表面淬火化学热处理—渗碳渗氮一）退火

将钢件加热到高于或低于钢的临界点,保温一定时间,随后在炉内或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却,以获得接近平衡的组织,这种工艺叫—目的:1)降低硬度—切削加工细化晶粒,改善组织—提高机械性能消除内应力—淬火准备提高塑性,韧性—冷冲压,冷拉拔1完全退火:将钢加热到Ac3以上30~50℃,保温一定时间后,缓慢冷却以获得接近平衡状态组织(P+F)的热处理工艺.目的:通过完全重结晶,使锻,铸,焊件降低硬度,便于切削加工,同时可消除内应力,使A充分转变成正常的F和P.应用:亚共析钢*不能用于共析钢,∵在Accm以上缓冷,会析出网状渗碳体(Fe3CⅡ),脆性↑2不完全退火将共析钢或过共析钢加热到Ac1以上20~30℃,适当保温,缓慢冷却的热处理工艺--又叫球化退火.目的:使珠光体组织中的片状渗碳体转变为粒状或球状,这种组织能将低硬度,改善切削加工性.并为以后淬火做准备.减小变形和开裂的倾向.应用:共析钢,过共析钢(球化退火)3球化退火

球化退火的组织：在铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体，称球状珠光体，用P球表示。对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火前应先进行正火，以消除网状。

4等温退火亚共析钢加热温度

Ac3+30~50℃共析、过共析钢加热温度

Ac1+30~50℃保温后快冷到略低于Ar1的温度停留，待相变完成后出炉空冷。等温退火可缩短工件在炉内停留时间。

高速钢等温退火与普通退火的比较5去应力退火将钢加热到Ac1以下某一温度(约500~650℃)保温后缓冷.(又叫低温退火)目的:消除内应力应用:铸,锻,焊*不发生相变,重结晶例子:杯裂去应力退火二）正火亚共析钢加热至Ac3以上30～50℃，过共析钢加热至Accm以上30～50℃，保温，然后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺，称为正火。正火比退火冷却速度大。1、正火后的组织：

●<0.6%C时组织F+S●0.6%C时组织S正火与退火的主要区别在于冷却速度不同。正火的冷却速度较大，获得的珠光体组织较细些，因此强度和硬度也高些。退火、正火加热温度与退火对比

碳素结构钢(HB)碳素工具钢（HB）含碳量≤0.250.25~0.65%0.65~0.85%0.7~1.3%退火≤150150-220220-229187-217(球化)正火≤156156-228230-280229-341实践表明:工件硬度HB170-230时,对切削有利正火目的:1提高机械性能；2改善切削加工性3为淬火作组织准备—大晶粒易开裂

对于过共析钢,正火能减少二次渗碳体的析出,使其不形成连续的网状结构,有利于缩短过共析钢的球化退火过程,经正火和球化退火的过共析钢有较高的韧性,淬火就不易开裂。用于生产过共析钢的工具的工艺路线:锻造—正火—球化退火—切削加工—淬火,回火—磨低碳钢,正火代替退火,中C钢:正火代调质(但晶粒不均)三）淬火淬火是将钢奥氏体化后快速冷却获得马氏体组织的热处理工艺。马氏体强化是钢的最主要的强化手段。所以，淬火是钢的最重要的热处理工艺。目的:提高硬度,耐磨性应用:工具,模具,量具,滚动轴承.

组织:马氏体.下贝氏体1、碳钢⑴亚共析钢淬火温度：Ac3+30-50℃。预备热处理组织：退火(F+P)或正火组织(F+S或S)。亚共析钢淬火组织：0.5%C时为M0.5%C时为M+A65MnV钢(0.65%C)淬火组织45钢(含0.45%C)正常淬火组织在Ac1~Ac3之间的加热淬火称亚温淬火。亚温淬火组织为F+M强硬度低，但塑韧性好。35钢（含0.35%C）亚温淬火组织共析钢淬火温度Ac1+30-50℃淬火组织M+A过共析钢淬火温度Ac1+30-50℃温度高于Accm，奥氏体晶粒粗大、淬火后马氏体晶粒粗大；M含碳量高，A量增多。使钢硬度、耐磨性下降，脆性、变形开裂倾向增加。

淬火组织为M+颗粒状Fe3C+A’*预备热处理组织P球。T12钢（含1.2%C）正常淬火组织合金钢

由于多数合金元素(Mn、P除外)对奥氏体晶粒长大有阻碍作用，因而合金钢淬火温度比碳钢高。⑴亚共析钢淬火温度Ac3+50－100℃⑵共析钢、过共析钢淬火温度Ac1+50－100℃加热时间（升温、保温）6500C以上，慢，减小热应力650-4000C，快，避免C曲线4000C以下，慢，减轻相变应力淬火冷却介质水经济且冷却能力较强的淬火介质。它主要用于形状简单、截面尺寸较大的碳钢工件。使用温度一般控制在30℃以下。淬火时使水循环和摆动工件，可以改善水的冷却特性。在水中加入适量的NaCl，NaOH或Na2CO3等物质，可明显地提高水在高温区的冷却能力。油主要是各种矿物油。油的冷却能力较水差，有利于减少工件的变形。它主要用于形状复杂的中、小合金钢工件的淬火。熔融状态的盐也常用作淬火冷却介质。它们的冷却能力介于水和油之间，使用温度范围多为150～500℃。它们用于形状复杂和变形要求严格的小件的分级淬火或等温淬火。

常用淬火法(1)单液淬火单液淬火就是将钢件奥氏体化后在一种介质中连续冷却获得马氏体组织的淬火方法。(2)双液淬火双液淬火是将钢件先淬入一种冷却能力较强的介质中，避免珠光体转变，然后再淬入另一种冷却能力较弱的介质中，发生马氏体转变，例如先水后油。利用了两种介质的优点，获得了较理想的冷却条件，是单液淬火法的改进。(3)分级淬火分级淬火是将钢件奥氏体化后淬入稍高于Ms温度的熔盐中，保持到工件内外温度趋于一致后取出，使其缓慢冷却，发生马氏体转变。(4)等温淬火等温淬火是将钢件奥氏体化后淬入高于Ms温度的熔盐中，等温保持，获得下贝氏体组织，经这种处理的工件强度高，塑性好，韧性好，同时淬火应力小，变形小。

淬火方法各种淬火方法示意图1—单液淬火法2—双液淬火法3—分级淬火法4—等温淬火法例子:螺丝刀(T7钢制造)用淬火+低温回火HRC55,韧性不够,扭10°时易断如用等温淬火,HRC55~58韧性好,扭90°不断

等温淬火后如有残余A,需回火,A-F.如没有残余A,不需回火缺点:时间长淬透性是钢的主要热处理性能。是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。钢的淬透性M量和硬度随深度的变化淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。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。淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力。1.淬透性的概念2.影响淬透性的因素（略）

钢的淬透性取决于临界冷却速度Vk，Vk越小，淬透性越高。而Vk取决于C曲线的位置，C曲线越靠右，Vk越小。

因而凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素。除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素都使钢的淬透性提高；奥氏体化温度高、保温时间长也使钢的淬透性提高。

1、对于截面承载均匀的重要件，要全部淬透。如螺栓、连杆、模具等。2、对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透（淬硬层深度一般为半径的1/2~1/3），如轴类、齿轮等。淬硬层深度与工件尺寸有关，设计时应注意尺寸效应。高强螺栓柴油机连杆齿轮4.淬透性的应用

不同冷却条件下的转变产物(共析钢)等温退火P退火(炉冷)正火(空冷)S(油冷)T+M+A’等温淬火B下M+A’分级淬火M+A’淬火(水冷)A1MSMf时间温度淬火PP均匀A细A？？？四）回火回火是将淬火钢加热到临界点(A1)以下的某一温度，保温，然后冷却的热处理工艺。目的:消除淬火后因冷却快而产生的内应力,降低脆性,使其具有韧性,防止变形,开裂,调整机械性能.1低温回火加热温度150~250℃组织:回火马氏体—过饱和度小的α-固溶体,片状上分布细小ε-碳化物目的:消除内应力,硬度不降.HRC58~64应用:量具,刃具低碳钢:高塑性,韧性,较高强度配合

这种在马氏体基体上分布着细片状碳化物的组织称为回火马氏体，用M回表示。低温回火的目的是在保留淬火后高硬度、

高耐磨性的同时，降低内应力，提高韧性。主要用于处理各种工具、模具、轴承及经渗碳和表面淬火的工件。2中温回火加热温度350~500℃组织:极细的球(粒)状Fe3C和F机械混合物.(回火屈氏体)目的:减少内应力,提高弹性,硬度略降.硬度一般为35~45HRC应用:弹簧,模具高强度结构钢汽车板簧热卷弹簧回火屈氏体3高温回火温度：500~650℃组织:回火索氏体—较细的球(粒)状Fe3C和F机械混合物.目的:消除内应力,较高韧性,硬度更低.应用:齿轮,曲轴,连杆等(受交变载荷)柴油机连杆回火索氏体回火索氏体组织具有良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。

通常把淬火加高温回火的热处理工艺称作“调质处理”，简称“调质”。调质广泛用于连杆、轴、齿轮等各种重要结构件的处理。也可作为精密零件、量具等的预备热处理。淬火钢硬度随回火温度的变化40钢力学性能与回火温度的关系三、回火脆性

回火时力学性能变化总的趋势是随回火温度提高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。200℃以下，由于马氏体中碳化物的弥散析出，钢的硬度并不下降，高碳钢硬度甚至略有提高。200-300℃，由于高碳钢中A’转变为M回，硬度再次升高。大于300℃,由于Fe3C粗化，马氏体转变为铁素体，硬度直线下降。淬火钢的韧性并不总是随温度升高而提高。在某些温度范围内回火时出现的冲击韧性下降的现象，称回火脆性。根据回火脆性出现的温度范围，可将其分为可逆回火脆性和不可逆回火脆性两类。

1、不可逆回火脆性

又称第一类回火脆性。是指淬火钢在250-350℃回火时出现的脆性。这种回火脆性是不可逆的，只要在此温度范围内回火就会出现脆性，目前尚无有效消除办法。回火时应避开这一温度范围。2、可逆回火脆性

又称第二类回火脆性。是指淬火钢在500-650℃范围内回火后缓冷时出现的脆性。回火后快冷不出现。主要发生在含Cr,Ni,Si,Mn的结构钢中。防止办法：⑴回火后快冷。⑵加入合金元素W(约1%)、Mo(约0.5%)。该法更适用于大截面的零部件。

热处理与硬度关系合适切削加工硬度第六节钢的表面淬火和化学热处理

表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。一、钢的表面淬火表面淬火目的：①使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限;②心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。感应加热表面淬火示意图感应加热表面淬火机床表面淬火常用加热方法1.感应加热：利用交变电流在工件表面感应巨大涡流，使工件表面迅速加热的方法。

感应加热分为：①高频感应加热频率为250-300KHz，淬硬层深度0.5-2mm传动轴连续淬火感应器感应加热表面淬火齿轮的截面图

②中频感应加热频率为2500-8000Hz淬硬层深度2-10mm齿圈淬火机床各种感应器③工频感应加热频率为50Hz淬硬层深度10-15mm各种感应器感应穿透加热2.火焰加热：利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。成本低，但质量不易控制。3.激光热处理：利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法。效率高，质量好。火焰加热表面淬火示意图激光表面处理二、钢的化学热处理

化学热处理是指将工件置于特定介质中加热保温，使介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织，进而改变其性能的热处理工艺。

与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他元素等。1.化学热处理的基本过程

1）介质(渗剂)的分解：分解的同时释放出活性原子。

2）工件表面的吸收：活性原子向固溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物。3）原子向内部扩散。

氮化扩散层2.钢的渗碳

是指向钢的表面渗入碳原子的过程。1）渗碳目的提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。2）渗碳用钢为含0.1-0.25%C的低碳钢。碳高则心部韧性降低。井式气体渗碳炉气体渗碳法示意图3）渗碳方法①气体渗碳法将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳。渗剂为气体(煤气、液化气等)或有机液体(煤油、甲醇等)。优点：质量好，效率高；缺点：渗层成分与深度不易控制。②固体渗碳法将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳。渗剂为木炭。优点：操作简单；缺点：渗速慢，劳动条件差。③真空渗碳法将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后通入渗碳气体加热渗碳。优点：表面质量好，渗碳速度快。真空渗碳炉4）渗碳温度900-950℃。渗碳层厚度(由表面到过度层一半处的厚度)：一般为0.5-2mm。低碳钢渗碳缓冷后的组织渗碳层表面含碳量：以0.85-1.05为最好。渗碳缓冷后的组织:

表层为P+网状Fe3CⅡ；心部为F+P；中间为过渡区。5）渗碳后的热处理淬火+低温回火。回火温度为160-180℃。淬火方法有：①预冷淬火法（略）渗碳后预冷到略高于Ar1温度直接淬火。渗碳后的热处理示意图②一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热淬火。③二次淬火法：

即渗碳缓冷后第一次加热为心部Ac3+30-50℃，细化心部；第二次加热为Ac1+30-50℃，细化表层。渗碳后的热处理示意图

常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30-50℃淬火+低温回火。此时组织为：表层：M回+颗粒状碳化物+A’(少量)心部：M回+F（淬透时）渗碳淬火后的表层组织M+F3.钢的氮化

氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。1）氮化用钢井式气体氮化炉

为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳钢。常用钢号为38CrMoAl。2）氮化温度：500-570℃。氮化层厚度不超过0.6-0.7mm。3）常用氮化方法

气体氮化法与离子氮化法。气体氮化法与气体渗碳法类似，渗剂为氨。

离子氮化法是在电场作用下，使电离的氮离子高速冲击作为阴极的工件。与气体氮化相比，氮化时间短，氮化层脆性小。离子氮化炉4、氮化的特点及应用⑴氮化件表面硬度高（HV1000-2000），耐磨性高。⑵疲劳强度高。由于表面存在压应力。氮化层组织38CrMoAl氮化层硬度⑶工件变形小。原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理。⑷耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。

氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄。用于耐磨性及精度均要求很高的零件，或要求耐热、耐磨及耐蚀的零件。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。

第五章金属材料

第一节工业用钢工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。

一、钢的分类及编号1.钢的分类①按化学成分分

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