机械工程材料第二篇工业用钢

机械工程材料第二篇工业用钢第1页，课件共165页，创作于2023年2月第2页，课件共165页，创作于2023年2月金属强化理论：形变强化–位错增殖，并纠缠晶界强化–晶粒细化-晶界面积增大固溶强化–固溶相引起晶格畸变弥散强化–析出高强度相，增加相界相变强化：使新相为高强相或新相对位错运动产生阻碍的强化手段。第3页，课件共165页，创作于2023年2月第4页，课件共165页，创作于2023年2月钢材生产流程：炼铁——炼钢——铸锭——压力加工第5页，课件共165页，创作于2023年2月第一节冶金质量对钢性能的影响钢的冶金质量：钢在冶炼、浇注及压力加工后的质量。主要包括:杂质元素；非金属夹杂物；钢锭的宏观组织及压力加工后的组织缺陷。第6页，课件共165页，创作于2023年2月钢中常存杂质：Mn，Si，S，P，O，H，N等。Mn和Si：(1)炼钢脱氧剂；(2)溶于铁，有固溶强化作用；(3)Mn可减轻S的有害作用。属有益杂质第7页，课件共165页，创作于2023年2月S：(1)不溶于Fe，而与铁形成化合物FeS；(2)FeS与Fe形成低熔点共晶物，且分布于晶界，热加工时，钢材表现出热脆性。(3)Mn和S的亲和性更大，可消除热脆性，同时增加钢材的切削性能。属有害杂质第8页，课件共165页，创作于2023年2月P：(1)α-Fe中最大溶解度为1.2%；(2)易偏析形成Fe3P，可使钢的强度提高，但增加脆性；(3)Fe3P使脆性转折温度急剧升高，引起钢的冷脆性。(4)增加P含量可增加切削性；(5)与Cu同时存在时可提高耐蚀性。属有害杂质第9页，课件共165页，创作于2023年2月O、N和H：(1)O和N溶入固体降低钢的冲击韧性并急剧提高脆性转折温度；(2)微量的H引起氢脆；存在形式：游离气态、固溶体或化合物。属有害杂质钢中白点第10页，课件共165页，创作于2023年2月非金属夹杂物的来源：(1)冶炼、浇注过程中的物理化学反应生成物；(2)浇注过程中因浸蚀剥落形成的炉渣及耐火材料。非金属夹杂物的主要类型：氧化物和硫化物。对钢材性能的影响：与基体弹塑性变形不协调而引起应力集中，脆性夹杂物边缘出现疲劳裂纹，从而降低钢强度。第11页，课件共165页，创作于2023年2月镇静钢：Mn、Al、Si脱氧的钢；包括表面细晶区、柱状晶区和内部等轴晶区；晶粒下沉形成下部锥体；存在缩孔、疏松和气泡。根据脱氧程度分为：镇静钢、半镇静钢和沸腾钢。第12页，课件共165页，创作于2023年2月缩孔：钢液后凝固部分的体积收缩得不到补充形成的。缩孔不完全切除，会破坏钢锭的连续性。疏松：被固相包围的液体收缩时，得不到母液的补充而形成微小分散的缩孔。动画动画第13页，课件共165页，创作于2023年2月偏析:各部分化学成分的不均匀性。造成钢材机械性能的不均匀性，如碳含量高的区域，塑性韧性下降；合金元素的偏析还影响热处理后钢材的性能。第14页，课件共165页，创作于2023年2月机械性能要求高时，用镇静钢；要求塑性好时，可用沸腾钢，如冷冲压汽车壳体、油箱等。第15页，课件共165页，创作于2023年2月按照化学成分：碳钢与合金钢碳钢：低碳钢Cwt.%<0.25%;中碳钢0.30%<Cwt.%<0.55%;高碳钢Cwt.%>0.6%。合金钢：低合金钢合金元素含量小于5wt.%;中合金钢合金元素含量为5-10wt.%;高合金钢合金元素含量大于10wt.%;第16页，课件共165页，创作于2023年2月按用途分结构钢：构件及机器零件用钢；工具钢：刃具钢、模具钢和量具钢；特殊用途钢：不锈钢、耐磨钢、耐热钢等。按冶炼方法分：沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。按质量等级分(根据S和P含量)普通钢：P为0.045-0.085%；S为0.055-0.065%；优质钢：P为0.035-0.04%；S为0.03-0.04%；高级优质钢：P为0.03-0.035%；S为0.02-0.03%。第17页，课件共165页，创作于2023年2月钢的热处理：将钢在固态下以一定的方式进行加热、保温，然后采取合适的方式冷却，让其获得所需要的组织结构和性能的工艺。

通常用温度-时间坐标绘出热处理工艺曲线。

第18页，课件共165页，创作于2023年2月根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称热处理工艺。预备热处理最终热处理W18Cr4V钢热处理工艺曲线时间温度/℃第19页，课件共165页，创作于2023年2月在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。模具、滚动轴承100%需经过热处理。重要零件都需适当热处理后才能使用。第20页，课件共165页，创作于2023年2月热处理特点:区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等，只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。

铸造轧制热处理适用范围:只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。

第21页，课件共165页，创作于2023年2月铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示；冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示；第22页，课件共165页，创作于2023年2月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变热处理激光热处理控制气氛热处理表面淬火—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、渗其他元素等根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工艺分类如下：第23页，课件共165页，创作于2023年2月退火：将工件加热到高于AC3或AC1温度以上，保温一定时间，随后以足够缓慢的速度冷却，使钢得到接近平衡组织的热处理工艺。目的：调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HB。消除内应力，防止加工中变形。细化晶粒，为最终热处理作组织准备。

真空退火炉第24页，课件共165页，创作于2023年2月根据加热温度不同退火分为完全退火和不完全退火。完全退火：加热到AC3以上，得到均一奥氏体组织后再缓冷转变为珠光体组织的过程。不完全退火：加热到AC1以上，得到奥氏体加未溶碳化物或铁素体，再缓冷进行组织转变的过程。第25页，课件共165页，创作于2023年2月正火：将钢加热到AC3或Accm以上，保温一定时间，在静止的空气中冷却，得到细珠光体类型组织的热处理工艺。正火温度第26页，课件共165页，创作于2023年2月要改善切削性能，低碳钢用正火，中碳钢用退火或正火，高碳钢用球化退火。热处理与硬度关系合适切削加工硬度调整硬度利于切削加工、消除内应力、细化晶粒。

第27页，课件共165页，创作于2023年2月球状珠光体B.对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织，称球状珠光体，用P球表示。第28页，课件共165页，创作于2023年2月淬火：将钢加热到AC3或Ac1以上，保温一定时间，以一定的速度冷却，得到马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。淬火目的：为获得马氏体或下贝氏体组织，提高钢的性能。根据加热温度不同淬火分为完全淬火和不完全淬火:完全淬火：加热到AC3以上，进行淬火的过程。不完全淬火：加热到AC1以上，得到奥氏体加未溶碳化物或铁素体，再淬火的过程。第29页，课件共165页，创作于2023年2月回火是指将淬火钢重新加热到相变点以下的某温度保温后冷却的工艺。回火的目的：(1)减少或消除淬火内应力,防止变形或开裂。(2)获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。第30页，课件共165页，创作于2023年2月表面淬火：将钢件表面层加热到临界点以上温度并急速冷却。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。第31页，课件共165页，创作于2023年2月轴的感应加热表面淬火火焰加热感应加热第32页，课件共165页，创作于2023年2月感应加热: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。动画第33页，课件共165页，创作于2023年2月火焰加热:

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。火焰加热表面淬火动画第34页，课件共165页，创作于2023年2月化学热处理：将钢件置于一定介质中加热、保温，使介质中活性原子渗入工作表层，以改变表层的化学成分组织，具有某些特殊的机械和物化性能。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。第35页，课件共165页，创作于2023年2月第36页，课件共165页，创作于2023年2月αFe3CA>Ac10.02%C体心立方6.69%C复杂斜方0.8%C面心立方A的形成包括：渗碳体的溶解、铁素体点阵重构和碳在奥氏体中扩散的转变。加热到Ac1以上的过程是珠光体向奥氏体转变的过程，属扩散型转变。第37页，课件共165页，创作于2023年2月第一步奥氏体晶核形成及长大：首先在

与Fe3C相界形核，A晶核通过碳原子的扩散向

和Fe3C方向长大。奥氏体的形成也是形核和长大的过程，分为三步。第38页，课件共165页，创作于2023年2月第二步残余Fe3C溶解:铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失。残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失。第39页，课件共165页，创作于2023年2月第三步奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。第40页，课件共165页，创作于2023年2月亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。由于先共析α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。第41页，课件共165页，创作于2023年2月奥氏体1、起始晶粒度：在奥氏体形成刚结束时，即晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小；2、实际晶粒度：钢在加热时所获得的实际奥氏体晶粒大小；3、本质晶粒度：钢在一定条件下奥氏体晶粒的长大倾向性。奥氏体晶粒大小对热处理后零件性能影响较大，一般希望得到细小的奥氏体晶粒。第42页，课件共165页，创作于2023年2月4567本质细晶粒钢：晶粒长大倾向性小。本质粗晶粒钢：晶粒长大倾向性大。本质细晶粒钢在加热到临界点Ac1以上直到930oC，晶粒未显著长大。本质粗晶粒钢在加热到临界点Ac1后，晶粒开始不断长大。（没有未溶氧化物阻碍）结构钢奥氏体晶粒评定标准1-8级，1级最粗。第43页，课件共165页，创作于2023年2月奥氏体化刚结束时的晶粒细小均匀。随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步长大，这也是一个自发的过程。奥氏体晶粒长大过程与再结晶后晶粒长大过程相同。奥氏体晶粒的长大第44页，课件共165页，创作于2023年2月加热温度过高导致奥氏体长大的现象为过热。奥氏体晶粒越大，由其转变成的组织越粗大。第45页，课件共165页，创作于2023年2月影响奥氏体晶粒长大的因素加热温度和保温时间:加热温度高、保温时间长，γ晶粒粗大；加热速度:加热速度越快，过热度越大，形核率越高，晶粒越细；合金元素：阻碍奥氏体晶粒长大的元素Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。原始组织:平衡状态的组织有利于获得细晶粒。第46页，课件共165页，创作于2023年2月热处理冷却时的组织转变是指过冷奥氏体的转变。处于临界点以下的奥氏体称过冷奥氏体。随过冷度不同，过冷奥氏体将转变为不同形态的组织。第47页，课件共165页，创作于2023年2月A1珠光体索氏体屈氏体贝氏体马氏体第48页，课件共165页，创作于2023年2月珠光体索氏体屈氏体它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物，根据片层厚薄不同,又细分为珠光体、索氏体和屈氏体。珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。第49页，课件共165页，创作于2023年2月光镜下形貌电镜下形貌第50页，课件共165页，创作于2023年2月形成温度为650-600℃,片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S表示。电镜形貌光镜形貌第51页，课件共165页，创作于2023年2月电镜形貌光镜形貌第52页，课件共165页，创作于2023年2月片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。粒状珠光体组织硬度强度比片状的略低，但塑性和韧性较好。珠光体类组织的性能：第53页，课件共165页，创作于2023年2月上贝氏体下贝氏体第54页，课件共165页，创作于2023年2月光镜下电镜下第55页，课件共165页，创作于2023年2月光镜下电镜下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。第56页，课件共165页，创作于2023年2月上贝氏体上贝氏体组织的透射电镜形貌下贝氏体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。第57页，课件共165页，创作于2023年2月马氏体组织马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中，转过程为无扩散型转变。第58页，课件共165页，创作于2023年2月马氏体具有体心正方晶格（a=b≠c）轴比c/a称马氏体的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸变越严重。当＜0.2%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格.第59页，课件共165页，创作于2023年2月马氏体转变也是形核和长大的过程。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。第60页，课件共165页，创作于2023年2月马氏体转变切变示意图马氏体转变产生的表面浮凸第61页，课件共165页，创作于2023年2月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。在Ms以下，随温度下降，转变量增加，冷却中断,转变停止。10080604020020f′′MsMfA%A%第62页，课件共165页，创作于2023年2月第63页，课件共165页，创作于2023年2月含碳量对马氏体转变温度的影响含碳量对残余奥氏体量的影响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。第64页，课件共165页，创作于2023年2月光镜下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。每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列。一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同的马氏体束。第65页，课件共165页，创作于2023年2月在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的位错，ρ=1012/cm2，又称位错马氏体。第66页，课件共165页，创作于2023年2月电镜下电镜下光镜下第67页，课件共165页，创作于2023年2月马氏体形态与含碳量的关系0.45%C0.2%C1..2%C马氏体的形态主要取决于其含碳量C%小于0.3%时，组织几乎全部是板条马氏体。C%大于1.0%C时几乎全部是片状马氏体.C%在0.3~1.0%之间为板条与片状的混合组织。第68页，课件共165页，创作于2023年2月马氏体硬度、韧性与含碳量的关系当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。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。第69页，课件共165页，创作于2023年2月淬火后马氏体组织所能达到的最高硬度值为淬硬性。淬硬性取决于：1、马氏体含碳量；2、残余奥氏体含量。第70页，课件共165页，创作于2023年2月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无扩散型针状60-65淬火M*板条MS~Mf板条状50淬火第71页，课件共165页，创作于2023年2月两种冷却方式示意图1——等温冷却2——连续冷却过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变。第72页，课件共165页，创作于2023年2月(Time-Temperature-Transformationdiagram)过冷奥氏体的等温转变图是表示奥氏体急速冷却到临界点以下在各不同温度下的保温过程中转变量与转变时间的关系曲线。又称C曲线、S曲线或TTT曲线。第73页，课件共165页，创作于2023年2月时间温度A1MSMfA过冷PBMA→MA→BA→P转变开始线转变终了线奥氏体A1-Ms

间及转变开始线以左的区域为过冷奥氏体区。转变终了线以右及Mf以下为转变产物区。两线之间及Ms与Mf之间为转变区。第74页，课件共165页，创作于2023年2月亚共析钢和过共析钢的等温转变图：亚共析钢和过共析钢的等温转变图与共析钢等温转变图的区别是在C曲线的上方各增加了一条线。亚共析钢C曲线中，该线表示先共析铁素体线。过共析钢，该线则是先共析渗碳体线。第75页，课件共165页，创作于2023年2月2、过冷奥氏体等温转变图的意义⑴转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小。孕育期最小处称C曲线的“鼻尖”。共析钢鼻尖处的温度为550℃。第76页，课件共165页，创作于2023年2月⑵“鼻尖”以上，随过冷度增加，孕育期变短；“鼻尖”以下，随过冷度增加，孕育期变长。在鼻尖以上,温度较高，相变驱动力小；在鼻尖以下，温度较低，扩散困难。从而使奥氏体稳定性增加。

第77页，课件共165页，创作于2023年2月⑶C曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物PSTB上B下M+A′第78页，课件共165页，创作于2023年2月3、影响C曲线的因素使过冷奥氏体稳定性增加的因素使C曲线右移；相反则左移。①含碳量的影响：共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。第79页，课件共165页，创作于2023年2月Cr对C曲线的影响②大多数杂质元素增加奥氏体的稳定性。③奥氏体化温度提高和保温时间延长，使奥氏体成分均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减少，增加了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。第80页，课件共165页，创作于2023年2月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。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。第81页，课件共165页，创作于2023年2月淬火临界直径(Dk)

：圆柱钢棒在规定的淬火介质中能全部淬透的最大直径。淬透性高的钢，Dk越大。淬火介质的冷却能力愈强，钢的临界直径越大。第82页，课件共165页，创作于2023年2月钢的淬透性取决于临界冷却速度Vc，Vc越小，淬透性越高。Vc取决于C曲线的位置，C曲线越靠右，Vc越小。凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素:共析钢的C曲线靠右，其临界速度最小；多数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。第83页，课件共165页，创作于2023年2月高强螺栓柴油机连杆齿轮利用淬透性可控制淬硬层深度：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。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。第84页，课件共165页，创作于2023年2月组织应力——室温下，马氏体和残余奥氏体处于亚稳态，马氏体趋于分解为铁素体及碳化物，由于产物比容发生变化，这一过程会导致零件性能和尺寸变化。脆性——固溶强化带来高强度和硬度，同时导致高脆性。热应力——淬火中，各处冷却速度不一致，导致零件存在残余内应力，会导致零件变形开裂。淬火钢均需回火第85页，课件共165页，创作于2023年2月回火的目的减少或消除淬火内应力，防止变形或开裂；获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。稳定组织和零件尺寸。第86页，课件共165页，创作于2023年2月淬火钢回火时的组织转变主要发生在加热阶段。随加热温度升高，淬火钢的组织发生四个阶段变化。第一阶段（80-200oC）：马氏体分解；第二阶段（200-300oC）：残余奥氏体的转变；第三阶段（300-400oC）：碳化物的转变；第四阶段（>400oC）：α相状态的变化和碳化物的聚集长大。第87页，课件共165页，创作于2023年2月回火马氏体形貌析出的碳化物以细片状分布在马氏体基体上，这种组织称回火马氏体，用M回表示。Fe2C六方点阵，与母相有共格关系。第88页，课件共165页，创作于2023年2月回火马氏体淬火高碳钢回火时析出ε碳化物；低碳钢（<0.2%C）时，不析出碳化物，只发生碳在位错附近的偏聚；淬火中碳钢回火析出混合回火马氏体组织。回火温度越高，马氏体分解越快；回火初期分解较快；淬火马氏体碳浓度越高，分解越快，M回碳浓度也越高。第89页，课件共165页，创作于2023年2月α固溶体中碳继续析出，400oC时马氏体含碳量降到铁素体平衡成分；且400oC时ε-碳化物完全转变为Fe3C,内应力大量消除。碳化物转变包括Fe3C的形核与长大。第90页，课件共165页，创作于2023年2月回火屈氏体M回转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状Fe3C组织，称回火屈氏体，用T回表示。第91页，课件共165页，创作于2023年2月回火索氏体内应力消除；铁素体回复和再结晶，由针片状变为多边形；Fe3C聚集长大，由片状向颗粒状转变。得到的组织：在多边形铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织称回火索氏体，用S回表示。第92页，课件共165页，创作于2023年2月回火小结：I—碳从过饱和α固溶体中析出；II—残余奥氏体的分解；III—内应力的消除；IV—碳化物颗粒聚集长大。第93页，课件共165页，创作于2023年2月回火阶段组织变化内应力回火后组织（一）＜200℃马氏体分解

MC过饱和α

+

ε

M回（二）200～300℃马氏体分解残余奥氏体分解

M回（三）300～400℃马氏体分解碳化物形核长大

显著F+颗粒状Fe3C

T回（四）＞400℃α相（F）的回复和再结晶，碳化物聚集等轴F+颗粒状Fe3C

S回c/a»1c/a＞1c/a＞1c/a＝1εFe3CA’

B下或M回第94页，课件共165页，创作于2023年2月第95页，课件共165页，创作于2023年2月回火M与淬火M组织比较淬火M回火M回火M：具有一定过饱和度的α相及与其共格联系的片状ε碳化物组成的混合物，100-300oC

。第96页，课件共165页，创作于2023年2月回火T与T组织形态比较回火TT回火T：α相与细粒状渗碳体(Fe3C)组成的混合物组织，300-500oC

。第97页，课件共165页，创作于2023年2月回火S与S组织形态比较S回火S回火S：经过回复或再结晶的α相和颗粒状渗碳体的混合物组织，500-650oC

。第98页，课件共165页，创作于2023年2月40钢力学性能与回火温度的关系第99页，课件共165页，创作于2023年2月200℃以下，除亚共析钢外，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,硬度再次略有升高。大于300℃,由于Fe3C粗化，马氏体转变为铁素体,硬度直线下降。第100页，课件共165页，创作于2023年2月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，会出现冲击韧性下降的现象，称回火脆性。第101页，课件共165页，创作于2023年2月淬火加高温回火的热处理称作调质处理，简称调质。广泛用于各种结构件如轴、齿轮等热处理。也可作为要求较高精密件、量具等预备热处理。适用于各种高碳钢、渗碳件及表面淬火件。应用获得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。提高σe及σs，同时使工件具有一定韧性。在保留高硬度、高耐磨性的同时，降低内应力。回火目的S回

T回

M回

回火组织550-650℃350-550℃150-250℃回火温度高温回火中温回火低温回火适用于弹簧热处理第102页，课件共165页，创作于2023年2月在碳钢中加入一定量的合金元素进行合金化，可进一步改善钢的组织和性能。合金元素：为改变钢的组织和性能而加入的元素。常用合金元素：Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Co、Al、Cu、B和稀土元素等。S和P尽管为有害元素，但个别情况可保留。第103页，课件共165页，创作于2023年2月根据合金元素在钢中与Fe和C的作用可分为两类：第一类：非碳化物形成元素，如Si、Ni、Cu、Al、Co等。这些元素主要固溶于铁素体中；第二类：碳化物的形成元素，如Ti、Nb、Zr、V、Cr、Mn等。这些元素部分固溶于铁素体中，部分与C形成碳化物。第104页，课件共165页，创作于2023年2月第一类是扩大γ区的元素，扩大奥氏体存在的温度范围。如Mn、Ni、Co、C、N、Cu等。A4点升高，A3点下降。第105页，课件共165页，创作于2023年2月第二类是缩小γ区的元素，缩小奥氏体存在的温度范围。如Si、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、P、B等。A4点下降，A3点升高。第106页，课件共165页，创作于2023年2月Si和Mn对铁素体产生明显的固溶强化效果；其他元素不同程度的提高固溶体的强度和硬度，降低冲击韧性。Ni可减少钢的冷脆倾向。第107页，课件共165页，创作于2023年2月碳化物形成元素具有未满d电子层，此层电子越少形成碳化物能力越强，形成的碳化物越稳定。根据结合强弱：Ti、Zr、V称为强碳化物形成元素；为不同于渗碳体的特殊碳化物。W、Mo、Cr、Mn、Fe称为弱碳化物形成元素。可溶于渗碳体，并取代部分铁原子，形成合金渗碳体，如(Fe,Mn)3C，但在碳化物中的浓度较高。碳化物里，弱碳化物形成元素含量相对较少。第108页，课件共165页，创作于2023年2月按碳化物的晶体结构特点：一类是晶体结构比较简单的，如TiC、ZrC、VC等；碳原子和过渡族元素原子半径之比rC/rM小于0.59；这类碳化物熔点和硬度高，属强化相。第二类是晶体结构比较复杂的，如Fe3C、Fe2C、Cr7C3、Cr23C6、Fe4W2C等；rC/rM大于0.59；这类碳化物硬度较高，也属强化相，但熔点和硬度比前一类低。第109页，课件共165页，创作于2023年2月锰对奥氏体相区的影响(1)Ni、Mn、Cu、N等是扩大奥氏体相区的元素，使A1、A3点下降，A4点上升。S、E点向左下方移动。当Mn>13%或Ni>9%时，S点降到0℃以下，室温下为单相奥氏体组织，称奥氏体钢。第110页，课件共165页，创作于2023年2月铬对奥氏体相区的影响(2)Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等是缩小奥氏体相区的元素，使A1、A3点上升，A4点下降。S、E点向左上移动。室温下单相铁素体区扩大，称铁素体钢。第111页，课件共165页，创作于2023年2月所有合金元素均使E点和S点左移，即这两点的含碳量下降，使碳含量比较低的钢出现过共析组织（如4Cr13）或共晶组织（如W18Cr4V）。第112页，课件共165页，创作于2023年2月扩大γ区的元素Ni、Mn、Cu、N等使Α1温度下降；缩小γ区的元素使Α1温度上升。临界点发生变化，热处理工艺也相应发生变化。第113页，课件共165页，创作于2023年2月1、对奥氏体转变的影响对奥氏体形成速度的影响：非碳化物形成元素Ni、Co等，加速奥氏体化过程。原因：改变碳的扩散激活能，改变碳的扩散速度。稳定性高的碳化物形成元素完全分解及溶解更难，需提高加热温度及时间，增加奥氏体化时间。原因：与碳容易结合，增加C的扩散激活能，使其扩散变慢。四、合金元素对热处理的影响对热处理中组织转变、C曲线、淬透性的影响第114页，课件共165页，创作于2023年2月2、对奥氏体晶粒度的影响未溶碳化物可阻碍奥氏体长大，结合力强的碳化物阻碍效果最明显。注：Mn和P促进奥氏体长大。合金钢奥氏体化的均匀化过程不但包括碳元素，还要有合金元素，均匀化比碳钢更难。第115页，课件共165页，创作于2023年2月(1)对珠光体和贝氏体转变速度的影响(2)对马氏体转变温度的影响合金元素扩散慢，因此除Co外，大多数合金元素延缓珠光体和贝氏体的转变。除Co和Al外，大多数合金元素降低马氏体转变温度，增加残余奥氏体量。第116页，课件共165页，创作于2023年2月除Co、Al外，多数元素增加奥氏体稳定性，使C曲线右移。碳化物形成元素Cr、Mo、V等还使C曲线分成上下两个，上部代表珠光体转变，下部代表贝氏体转变动画第117页，课件共165页，创作于2023年2月除Co、Al外，多数合金元素使C曲线右移，临界冷却速度降低，钢的淬透性提高。常用提高淬透性的元素为Mn、Si、Cr、Ni、B。合金元素对钢淬透性的影响注：Ti、Zr、V等较多时，会形成强碳化物难溶解，会形成相变核心，加速奥氏体分解，因此增加临界冷却速度，降低淬透性。第118页，课件共165页，创作于2023年2月150oC以下，碳原子短程扩散，没有影响；

150oC以上，强碳化物阻碍碳原子长程扩散，提高马氏体的分解温度。增加残余奥氏体稳定性，提高残余奥氏体转变温度。高合金钢中残余奥氏体十分稳定，回火冷却后，转变为马氏体，使钢的硬度反而增加，此现象为二次淬火。第119页，课件共165页，创作于2023年2月含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时，合金元素不但阻碍碳扩散，且组织析出细小弥散的特殊碳化物,使硬度不仅不下降，反而升高的现象称二次硬化。推迟a相的回复和再结晶以及碳化物的聚集。合金元素抑制马氏体分解，阻碍碳化物的聚集和长大，使钢在很高的回火温度下保持高硬度和高强度的性质，称抗回火性，或回火稳定性。第120页，课件共165页，创作于2023年2月在含有Cr、Ni、Mn等元素的钢中，在550-650oC回火后，又出现了冲击值的降低，称高温回火脆性或第二类回火脆性。与P在奥氏体晶界处的偏聚有关。第121页，课件共165页，创作于2023年2月合金元素对正火和退火状态下钢机械性能的影响，主要体现在对铁素体的固溶强化和珠光体的粗细与数量上。合金元素对淬火+回火状态的钢的机械性能有直接或间接的影响。直接的影响是指合金元素加入后可以直接赋予钢一定的性能。淬火+低温回火M回淬火+中温回火T回淬火+高温回火S回第122页，课件共165页，创作于2023年2月对低温回火钢强度和塑性的直接作用不大。对高温回火钢强度和塑性的直接作用：碳化物形成元素(V、Mo)能直接强化淬火高温回火钢。弱碳化物形成元素(Mn)和非碳化物形成元素(Si)的直接作用较小。回火马氏体性能主要取决于碳在马氏体中的过饱和度造成的固溶强化，及细小碳化物的弥散强化。第123页，课件共165页，创作于2023年2月间接作用主要是通过影响淬火及回火过程起的作用。合金元素的间接作用在于赋予钢以一定的热处理工艺性能，又通过此性能的作用而影响钢的机械性能。热处理工艺性能包括：淬透性、回火抗力、过热敏感性等。通过提高淬透性的方式可提高钢的机械性能。可推迟或延迟钢的回火过程，提高钢的稳定性，保证较宽的回火温度，有利于消除残余应力、提高钢的强度和塑性。减小奥氏体过热敏感性，细化奥氏体晶粒。第124页，课件共165页，创作于2023年2月5.1冶金质量对钢性能的影响

杂质（有害的，有益的）：有益的Mn和Si；有害S、P、O、N、H。

氢脆（白点）：微量的氢会导致钢由于氢含量较多而使钢中出现非常危险的内部裂纹，这种裂纹使断口呈白色斑点状，称之为白点，从而产生“氢脆”。使钢的塑性降低。

第五章总结第125页，课件共165页，创作于2023年2月第五章总结非金属夹杂对钢性能的影响：与基体弹塑性变形不协调而引起应力集中，脆性夹杂物边缘出现疲劳裂纹，从而降低钢强度，降低钢的使用性能和工艺性能。

镇静钢，沸腾钢，半镇静钢（知道它们是根据什么分类的）缩孔，疏松，偏析（理解它们的特点）

钢的分类（碳钢，合金钢，结构钢，工具钢，特殊用途钢）PPT5.1.4第126页，课件共165页，创作于2023年2月1.1碳钢的热处理热处理：将钢在固态下以一定的方式进行加热、保温，然后采取合适的方式冷却，让其获得所需要的结构组织和性能的工艺。四把火（定义，目的）表面淬火：将钢件表面层加热到临界点以上温度并急速冷却。化学热处理：将钢件置于一定介质中加热、保温，使介质中活性原子渗入工作表层，以改变表层的化学成分组织，具有某些特殊的机械和物化性能。加热时的组织转变（PPT5.2.1）第五章总结第127页，课件共165页，创作于2023年2月第五章总结三种奥氏体晶粒度：起始晶粒度：在奥氏体形成刚结束时，即晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。实际晶粒度：钢在加热时所获得的实际奥氏体晶粒大小。本质晶粒度：钢在一定条件下奥氏体晶粒的长大倾向性。冷却时的组织转变：珠光体，索氏体，屈氏体，贝氏体，马氏体第128页，课件共165页，创作于2023年2月马氏体转变的特点:

1.无扩散性...

2.共格位向关系...

3.降温形成...

4.高速长大...

5.转变不完全...

马氏体的形态（特征，分类）

马氏体的性能特征：高硬度

淬硬性：淬火后马氏体组织所能达到的最高硬度值。第五章总结第129页，课件共165页，创作于2023年2月第五章总结C曲线的意义PPT5.2.2淬透性：钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。淬硬层深度：由工件表层到半马氏体区的深度。淬火临界直径：圆柱钢棒在规定的淬火介质中能全部淬透的最大直径。合金元素对淬透性的影响：多数合金元素都使钢的淬透性提高。第130页，课件共165页，创作于2023年2月第五章总结回火时的组织转变：淬火碳钢在回火时所发生的四个转变（PPT5.2.4，还有课本上的几个图）第一类回火脆：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，会出现冲击韧性下降的脆化现象叫做回火脆性，由于这种脆性生成后不能消除，也叫第一类回火脆。回火的种类（PPT5.3上面的表）第131页，课件共165页，创作于2023年2月第五章总结5.3钢的合金化合金元素在钢中的存在形式：第一类：非碳化物形成元素，主要固溶于铁素体中。第二类：碳化物的形成元素，部分固溶于铁素体，部分与C形成碳化物。合金元素对淬透性的影响：除Co和Al外，合金元素均使C曲线右移，都不同程度地降低临界冷却速度，都能提高钢的淬透性。合金元素对回火转变及性能的影响第132页，课件共165页，创作于2023年2月第五章总结二次淬火：高合金钢中残余奥氏体十分稳定，回火冷却后，转变为马氏体，使钢的硬度反而增加的现象。二次硬化：含高Ｗ、Ｍo、Cr、V钢淬火后回火时，合金元素不但阻碍碳扩散，而组织析出细小弥散的特殊碳化物，使硬度不但不下降反而升高的现象。回火稳定性：合金元素抑制马氏体分解，阻碍碳化物的聚集和长大，使钢在很高的回火温度下保持高硬度和高强度的性质，成抗回火性或回火稳定性。第133页，课件共165页，创作于2023年2月第五章总结第二类回火脆性：在含有Cr、Ni、Mn等元素的钢中，在550-650℃回火后，又出现了冲击值的降低，称高温回火脆性或第二类回火脆性。5.3.5（PPT内容）第134页，课件共165页，创作于2023年2月第135页，课件共165页，创作于2023年2月第136页，课件共165页，创作于2023年2月杭州跨海大桥压力罐中哈石油管线构件用钢是指用于制作各种大型金属结构所用的钢，又称工程用钢。第137页，课件共165页，创作于2023年2月第138页，课件共165页，创作于2023年2月构件工作条件的特点：不做相对运动，长期承受静载荷作用，在一定温度和介质中工作。铜陵长江公路大桥第139页，课件共165页，创作于2023年2月使用性能：长期静载荷作用下结构稳定：不产生弹性变形，更不许产生塑性变形与破断。足够大的弹性模量保证刚度；足够的抗塑变能力即σs、δk、φk较高，缺口敏感性及冷脆性倾向较小。在大气或海水中能长期稳定工作：具有一定的耐大气或海水腐蚀性。第140页，课件共165页，创作于2023年2月(一)冷变形性能(1)变形抗力决定钢材在制备成必要形状的部件时的难易程度；(2)在承受一定量的塑性变量时有产生开裂或其他缺陷的可能性；(3)冷变形后的性能变化。工艺性能：焊接及冷变形能力，尤其是焊接的工艺性能。第141页，课件共165页，创作于2023年2月钢中C%高，珠光体增多，塑变抗力增高，塑性降低，增加变形开裂倾向性；钢中S%高，变形开裂倾向性增大，使钢板纵横向塑性不同；钢中P%高，带状组织明显，性能呈现各向异性。第142页，课件共165页，创作于2023年2月(二)焊接性能构件的焊接性能主要指焊接接头性能及焊接时形成裂缝的倾向性。焊接裂缝包括热裂纹和冷裂纹。碳能扩大液相线与固相线间隔，促进热裂纹形成；碳能增加马氏体转变的体积效应，促进冷裂纹形成。第143页，课件共165页，创作于2023年2月根据构件用钢工艺性能要求，C%介于0.20-0.25%。构件用钢主要是低碳钢和低碳合金钢。热轧或正火状态下使用，有时也在调质状态下使用(尤其针对低温工作的构件)。构件用钢常温状态下的组织：铁素体+珠光体第144页，课件共165页，创作于2023年2月屈服特点：(1)在拉伸曲线上出现平台；(2)在屈服过程中，试样的塑性变形分布是宏观不均匀。问题：屈服会影响构件的表面质量。解决办法：少量预变形！第145页，课件共165页，创作于2023年2月构件用钢随试验温度的不断降低，其屈服点显著升高，并导致断裂性质变化，即由宏观塑性破断过渡到宏观脆性断裂，这种现象称为“冷脆”。评价冷脆倾向大小的指标为冷脆转变温度。冷脆转变温度为组织敏感性指标，且受加载速度和缺口条件影响。第146页，课件共165页，创作于2023年2月低碳构件用钢加热到Ac1以下进行快冷(也称淬火)或塑性变形后，在放置过程中通常使强度和硬度增高，而塑性和韧性降低，这种现象称为时效。塑性变形后的时效称为应变时效；淬火后的时效称为淬火时效；在自然条件下的时效称为自然时效；在一定温度下进行的时效称人工时效。第147页，课件共165页，创作于2023年2月问题：对于构件用钢应变时效是不利现象(断裂抗力变低)。原因：与铁素体中C、N原子有关。解决办法：加少量强烈的氮化物形成元素！第148页，课件共165页，创作于2023年2月原因：α固溶体中过饱和的C和N析出，并形成弥散的共格碳化物和氮化物，使钢材塑变抗力提高，断裂抗力降低。问题：焊接热影响区的淬火时效可能引起开裂。第149页，课件共165页，创作于2023年2月低碳钢在300-400oC的温度范围内反常的出现σb增高，而δ、φ降低的现象，称为蓝脆。蓝脆为不利现象。温度第150页，课件共165页，创作于2023年2月名称符号位置名称符号位置碳素结构钢Q头桥梁用钢q尾碳素工具钢T头锅炉用钢g尾易切削钢Y头焊接气瓶用钢HP尾(滚珠)轴