金属材料及热处理简介

第1章工程材料及热处理

1.1金属材料的性能

1.1.1力学性能：材料在外加载荷作用下所表现出的特性。

1.强度(包括疲劳强度)：指材料在静载荷(外力)作用下抵抗变形和断裂的能力。σb=Fb/Ao

2.硬度(布氏硬度HBS、HBW和洛氏硬度HRC)：指材料抵抗局部变形，尤其是塑性变形、压痕或划痕的能力。HBS=F/A

3.塑性：指金属发生永久变形但不破坏的能力.δ=(l1-l0)/l0

4.韧性(冲击韧度)：指材料在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力。ak=Ak/A(材料断裂前所能吸收的变形能量)

1.1.2工艺性能：是指金属材料所具有的能够适应各种加工工艺要求的能力。

1.铸造性能；2.锻造性能；3.焊接性能；4.切削加工性能；

5.热处理性能。

1.1.3物理性能：密度、熔点、导电导热性、热膨胀性和磁性等。

1.1.4化学性能：耐腐蚀性和抗氧化性等。1-1晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和立方体中心各有一个原子。——常见有铬、钨、钼、钒和α-Fe等。常见的金属晶格类型：体心立方晶格、

面心立方晶格、密排六方晶格。

1.体心立方晶格：1-2

晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面中心各有一个原子。——常见有铝、铜、镍、银和γ-Fe等。

2.面心立方晶格

：1-3

晶胞是一个正六棱柱体，在柱体的各个角和上下底面中央各有一个原子，在顶面和底面的中间还有三个原子。——常见有镁、锌、铍等。

3.密排六方晶格：1-4金属的同素异晶（构）转变：

在固态下，随温度的变化，其晶格类型会发生转变，这种现象称为金属的同素异晶（构）转变。金属的同素异晶转变是通过原子的重新排列来完成的，实质上是一个重结晶过程。纯铁的同素异晶（构）转变可用下式表示：1-51-6一、铁碳合金的基本组织

铁碳合金：Fe+CFe+Fe3C（钢铁材料）合金—两种或两种以上的金属元素，或金属和非金属元素熔合在一起，构成具有金属特性的物质，称为合金。机械中大量使用合金的原因：1.合金比纯金属强度、硬度高，且成本低。2.可以改变合金的成分和进行不同的热处理。在很大的范围内调节其性能。铁碳合金的五种基本组织：1-7

铁素体是碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格。其强度和硬度很低，塑性、韧性好。一、铁碳合金的基本组织

1、铁素体（F）

2、奥氏体（A）

奥氏体是碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格。其强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性也好。1-81-9

渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，碳含量是6.69％，具有复杂的晶体结构。其硬度很高，塑性和韧性很差，脆性很大。铁碳合金的基本组织

3、渗碳体（Fe3C）

4、珠光体（P）

(F+Fe3C)

奥珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。5、莱氏体（Ld或Ld′）(A+Fe3C或P+Fe3C)

727℃以上，高温莱氏体Ld是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物；727℃以下，低温莱氏体Ld′是由珠光体和渗碳体组成的机械混合物。莱氏体的平均碳含量4.3%。性能与渗碳体相似，硬度高，塑性和韧性很差。1-101-11目前应用的铁碳合金状态图是含碳量为0～6.69%的铁碳合金部分（即Fe－Fe3C部分），因为含碳量大于6.69％的铁碳合金在工业上无使用价值。右图为简化后的Fe－Fe3C状态图。

铁碳合金状态图分析

1-121-131-141-151、铁碳合金的分类

1-161-172、含碳量与材料力学性能间的关系

强度：当Wc<0.9％时，随着Wc增加，不断提高；当Wc>0.9％时，由于渗碳体在晶界呈网状分布，使钢的强度下降。硬度：随Wc的增加而提高。

塑性：随Wc的增加而迅速降低。

冲击韧性：随Wc的增加而迅速降低。

故工业用钢一般Wc<1.4％1-18

1.3钢的热处理

1-19概述：

1.钢的热处理定义：就是将钢在固态下，通过加热、保温和冷却，以改变钢的组织，从而获得所需性能的工艺方法。保温临界温度冷却时间加热温度2.基本过程(三步曲)为：加热---保温---冷却3.热处理作用：(1)最终热处理：a.提高强度和硬度，增加零件耐磨性，延长零件使用寿命；b.获得零件所要求的使用性能。(2)预备热处理：a.消除内应力；b.调整硬度和塑性，改善切削加工性；c.为最终热处理作组织准备等。1-20

4.常用热处理的分类：

1).整体(普通)热处理：（1）退火与正火；

（2）淬火与回火。

2).表面热处理：表面淬火.

3).化学热处理：（1）渗碳与渗氮；

（2）碳渗共氮。

5.热处理加热的目的：

加热后得到全部或大部分

细小的奥氏体(A)组织(晶粒)。

6.热处理工艺的关键：

控制好加热温度、保温时间

和冷却速度。

7.冷却介质：

炉冷、空冷、油冷和水冷。

从左到右冷却速度越来越大。1-21

退火:就是将工件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。

退火主要用于:铸、锻、焊毛坯或半成品零件。一、钢的退火与正火

退火的目的：1.降低钢的硬度，提高塑性，改善其切削加工性能；2.均匀钢的成分，细化晶粒，改善组织与性能；3.消除工件的内应力，防止变形与开裂；4.为最终热处理作准备。1-22

1、完全退火

将钢完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火工艺。目的:(1).降低钢的硬度、以利于切削加工；(2).消除应力，稳定尺寸，防止变形和开裂；(3).细化晶粒，改善组织，为最终热处理作组织准备。加热温度：Ac3以上30～50℃。应用范围：亚共析碳钢和合金钢的铸件、锻件、焊接件及热轧型材等。过共析钢不宜采用完全退火。1-23退火与正火、淬火温度范围比较：

1-242、球化退火

使钢中的碳化物球状化而进行的退火工艺。目的：使网状Fe3CⅡ或片状滲碳体转变为球状滲碳体，降低硬度，便于切削加工，为淬火作好组织准备。加热温度：Ac1以上20～40℃。应用范围：共析钢、过共析钢和合金工具钢、轴承钢等的锻轧件。对网状Fe3CⅡ比较严重的钢，在球化退火前先进行一次正火处理。1-253、去应力退火

将钢加热到Ac1以下，保温一定时间，然后随炉冷却的退火工艺。目的：消除工件的内应力，稳定尺寸，减少变形。加热温度：Ac1以下温度，一般500～650℃。应用范围：铸件、锻件、焊件、切削加工件等。去应力退火因加热温度低于A1，故不发生组织转变，只消除内应力。1-26退火与正火、淬火温度范围比较：

1-274、钢的正火

方法：将亚共析钢加热到Ac3以上30～50℃，过共析钢加热到Accm以上30～50℃，保温后空冷。

用途：正火主要用于以下方面:

1)对低碳钢和低碳合金钢尽量以正火代退火，可提高硬度(140～190HBS)，改善切削加工；

2)可作为普通结构钢的最终热处理；

3)对淬火有开裂危险的零件，正火可作为最终热处理。

1-28退火与正火、淬火温度范围比较：

1-29

二、钢的淬火：

1.定义：将钢加热到Ac3或Ac1以上30～50℃，保温后在介质中快速冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。

2.目的：

提高硬度,强化工件。3.加热温度

钢的含碳量是决定其淬火加热温度的主要因素(见左图)。

1-304.冷却介质

钢淬火的目的是为了获得高硬度的马氏体，但又要减少工件变形和防止工件开裂.生产上常用的冷却介质有水、矿物油、盐水、碱水等。1-31三、钢的回火

回火是将淬硬后的工件加热到Ac1点以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。是紧接淬火之后的热处理工序。

目的：1.获得工件所需要的力学性能；2.消除或减少内应力，降低钢的脆性，防止变形和开裂；3.稳定工件组织和尺寸，保证精度。

1-321、回火方法：1）低温回火：加热温度在150～250℃内进行的回火。目的：保持淬火工件高硬度和高耐磨性，降低淬火残留应力和脆性。力学性能：58～64HRC，高的硬度和耐磨性。应用范围：各种刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳及表面淬火等要求硬而耐磨的零件。1-332）中温回火：加热温度在350～500℃之间进行的回火。目的：使工件获得较高的弹性和强度，适当的韧性和硬度。力学性能：硬度35～50HRC，较高的弹性极限、屈服强度和一定的韧性。应用范围：各种弹性元件及热锻模等。1-34

3）高温回火：又称调质处理（淬火+高温回火）。加热温度在500℃～650℃之间进行的回火。目的：使工件获得强度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。力学性能：硬度200～350HBS，或25～35HRC，具有较好的综合力学性能。应用范围：各种较重要的受力结构件；如强度和韧性性能都好的轴、齿轮等常用调质处理。1-35四、钢的表面热处理与化学热处理

1、钢的表面热处理

表面热处理是只对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的热处理工艺。常用的方法是表面淬火。表面淬火是仅对工件表层进行淬火的热处理工艺。表面淬火不改变零件表层的化学成分，只改变表层的组织，并且心部仍保留原来退火、正火或调质状态的组织。

目的：是使工件表层具有高硬度、耐磨性，而心部具有足够的强度和韧性，如齿轮、主轴、曲轴和凸轮轴等。工业上常用的表面淬火方法有火焰淬火和感应淬火。1-361）感应淬火

感应淬火是指利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表层、局部或整体加热，并快速冷却的淬火工艺。1-372）火焰表面淬火

火焰表面淬火是应用氧－乙炔（或其它可燃气体）火焰，对零件表面加热，然后快速冷却的淬火，淬硬层深度一般为2～6mm。

1-382、钢的化学热处理简介

化学热处理是将工件放入一定温度的活性介质中加热并保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组