工程材料与金属热处理 课件全套 第0-11章 绪论、工程材料的分类与性能- 工程材料的应用选择

工程材料与金属热处理教学内容

绪论1.工程材料的分类与性能2.金属材料的结构3.钢的热处理原理4.钢的热处理工艺5.金属材料的综述6.工业用钢7.铸铁8.非铁金属（或有色金属）及其合金9.非金属材料10.新型材料11.工程材料的选用绪论一.材料科学的发展与应用石器时代陶器时代青铜器时代铁器时代材料是人类生产和社会发展的重要物质基础；材料是人类文明发展史的里程碑，是人类进化的重要标志之一，人类历史曾以使用的主要材料来加以划分。旧石器时代

（10000年前）新石器时代

（距今10000-4000年）磨制石器7000年前陶器青铜器时代公元前5000年

青铜器时代铁器时代公元前1200年铁器时代磁悬浮列车核磁共振仪材料又是发展高科技的先导和基石。材料、能源、信息被称为现代社会的三大支柱，而能源和信息的发展，在一定程度上又依赖于材料的进步。因此许多国家都把材料科学作为重点发展学科之一，使之成为新技术革命坚实的基础。二.工程材料定义：工程上使用的材料。主要是指用于机械、车辆、船舶、建筑、农业、化工、能源、仪器仪表、航空航天等工程领域的材料。按材料的化学成分、结合键的特点进行分类，可以分为金属材料、非金属材料和新型材料三大类。1.金属材料定义：金属键结合为主的材料；特点：良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽。分类：金属材料黑色金属（钢铁）：铁和以铁为基体的合金材料。有色金属（非铁金属）：除黑色金属之外的所有金属及其合金材料。有色金属为轻金属(如铝、铜等)。2.非金属材料如高分子材料、陶瓷材料…等。3.新型材料如复合材料、纳米材料…等。复合材料

用碳纤维增强环氧树脂制得的高尔夫球杆强度高、重量轻、刚性好。复合材料三.教学目标和基本要求1)建立工程材料和金属热处理完整概念，培养良好的工程意识。2)掌握必要的材料科学基础理论。3)熟悉各类常用结构工程材料，包括金属材料、高聚物材料、陶瓷材料等的成分、结构、性能、应用特点及牌号表示方法。4)掌握强化金属材料的基本途径。三.教学目标和基本要求5)了解新型材料的发展及应用。6)掌握选择零件材料的基本原则和方法步骤，了解失效分析方法及其应用，了解表面处理技术的应用；初步具有合理选择材料及强化(或改性、表面技术应用等)方法的能力。7)了解与本课程有关的成形工艺方法（见附录）。第一章工程材料的分类与性能一.工程材料的分类材料是指那些能够用于制造结构、器件或其他有用产品的物质。分为天然材料和人造材料。天然材料是所有材料的基础，随着社会的发展，人们开始对天然材料进行各种加工处理，使它们更适合于人类的使用，这就是人造材料。化学性质使用性能金属材料非金属材料新型材料（如复合材料、纳米材料、智能材料等）结构材料（作为承力结构使用的材料）功能材料（使用性能主要是光、电、热、磁、声等）钢铁非铁金属高分子材料陶瓷材料按应用领域分：机械工程材料、信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等。航空、航天材料能源材料电子材料光学材料生物材料建筑材料二.工程材料的性能使用性能：在使用过程中所表现出来的性能。工艺性能：材料在加工过程中所表现出来的性能。4力学性能物理性能化学性能强度硬刚弹塑度度性性电学性能磁学性能光学性能热学性能声学性能抗氧化性耐腐蚀性催化性能使用性能81、密度单位体积的质量，用符号ρ(g/cm3或kg/m3)表示。金属材料中，Al、Mg、Ti密度较低，Cu、Fe、Pb、Zn等密度较高；非金属材料中，塑料的密度较低，陶瓷的密度较高。2、熔点缓慢加热时，材料由固态转变为液态的温度(℃或K)。金属材料中，Pb、Sn熔点低，Fe、Ni、Cr、Mo等金属熔点高；非金属材料中，陶瓷的熔点高，塑料等材料无熔点，只有软化点。3、导热性材料传导热量的能力。金属材料中，Ag和Cu导热性最好，A1次之；非金属中，金刚石的导热性最好。物理性能84、导电性材料传导电金属具有导电性，Ag最好，其次是Cu、Al。5、热膨胀性材料因温度变化而引起的体积变化现象称为热膨胀性，一般用线膨胀系数表示，即温度每升高1℃(或K)，单位长度的膨胀量。其值越大，材料的尺寸或体积随温度变化的程度越大。6、磁性

材料在磁场中能被磁化或导磁的能力称为导磁性或磁性；金属材料可分为铁磁性材料、抗磁性材料和顺磁性材料。8定义：材料与周围介质接触时抵抗发生化学或电化学反应的能力。1、耐蚀性常温下材料抵抗各种介质侵蚀的能力。2、热稳定性材料在高温下抵抗产生氧化现象的能力。化学性能8定义：材料在承受各种载荷时的行为。载荷类型分为：静载荷、动载荷、变载荷。力学性能1、强度材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。主要有屈服强度、拉伸强度、压缩强度、弯曲强度等。..ld圆截面试件：l＝10d（长试件）

l＝5d（短试件）1）静载时的拉伸强度试验低碳钢拉伸时的力学性质低碳钢是指含碳量在0.3％以下的碳素结构钢。试验时一般采用标准圆截面试件。拉伸试验一般是在如图1-1（a）所示的万能试验机上进行的。16拉伸试验一般是在万能试验机上进行的。先装夹试件，然后加载。试件受到由零逐渐增加的拉力F的作用，发生伸长变形，直到断裂。一般实验机上附有自动绘图装置，在实验过程中能自动绘出载荷F和相应的伸长变形的关系曲线，称为拉伸图或F—

l曲线。F

l拉伸曲线

工程应力-应变曲线工程应力(Stress)工程应变(Strain)σ=F／A0ε=ΔL／L0a）弹性和刚度弹性：若应力不超过σP，则试样的变形能在卸载后(σ=0)立即消失，即恢复原状，这种不产生永久变形的性能称为弹性。弹性极限：σP为不产生永久变形的最大应力，称为弹性极限。在弹性变形范围内，应力与应变成正比，即E为弹性模量，它是衡量材料抵抗弹性变形能力的指标。

=E

b）屈服点σS低碳钢应力一应变曲线在C点出现一水平段，即应力不增加而变形继续进行。塑性变形：此时若卸载，试样变形不能完全消失，而保持一部分残余变形，这种不能恢复的残余变形称为塑性变形。此时所对应的应力就称为屈服点，用σS表示。Ose0.2%无明显屈服阶段的，规定将产生0.2%塑性应变时的应力作为屈服强度。记作σ0.2。

DAs0.2Cc）拉伸强度σb试样在拉断前所能承受的最大应力。反映试样最大的均匀变形的抗力，是设计机械零件和选择金属材料的主要参数之一，也是评价金属材料的主要指标。

σb—抗拉强度，脆性材料唯一拉伸力学性能指标。应力应变不成比例，无屈服、颈缩现象，变形很小且σb很低。

灰口铸铁拉伸时的力学性质金属材料的压缩试件一般制成很短的圆柱，以免被压弯。圆柱高度约为直径的1.5～3倍。

压缩时的弹性模量E和屈服极限ss

，都与拉伸时大致相同。

应力超过屈服阶段以后，试件越压越扁，呈鼓形低碳钢的力学性能一般由拉伸试验确定

a）低碳钢压缩

2）材料在压缩时的力学性能b）铸铁压缩试件在较小变形下突然破坏，破坏断面的法线与轴线大致成45º～55º的倾角。

铸铁的抗压强度极限比其抗拉强度极限高4～

5倍

铸铁广泛用于机床床身，机座等受压零部件

FPO24681012600500400300200100

/MPa拉伸压缩FP

/%伸长率：a)伸长率δ:表示试件拉断后标距范围内平均的塑性变形百分率

δ和Ψ愈大,说明材料的塑性愈好

b)断面收缩率ψ:指试件断口处横截面面积的塑性收缩百分率断面收缩率：δ<5%脆性材料：直接断裂

铸铁、混凝土、玻璃钢、陶瓷δ>5%塑性材料：断裂前有屈服段，可抵抗局部高应变

碳钢、低合金钢、青铜、紫铜、防锈铝低碳钢是典型的塑性材料2、塑性定义：硬度是衡量材料软硬程度的一种性能指标。一般认为，硬度表示材料表面抵抗局部压入变形或刻划破裂的能力。分类：根据载荷、压头和表示方法不同，又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等多种。3、硬度1）布氏硬度a）试验原理用直径为D的淬火钢球或硬质合金球的压头，加一定的试验力F将其压入试样表面，经过规定的保持时间t后卸除试验力，试样表面将残留压痕，然后测量压痕的平均直径d求得压痕的球形面积A。b）布氏表示方法示例c）特点及应用布氏硬度试验压痕面积较大，能反映表面较大范围内被测金属的平均硬度，故测量结果较准确，适合于测量组织粗大且不均匀的金属材料的硬度，如铸铁、铸钢、非铁金属及其合金，各种退火、正火或调质的钢材等；但因压痕较大，不宜用来测成品，特别是有较高精度要求配合面的零件及小件、薄件，也不能用来测太硬的材料。2）洛氏硬度用初试验载荷及总试验载荷F=F0+F1将压头压入被测材料表面，保持一定时间后卸除主载荷F1，测出残余压痕深度增量来表示硬度值，即图中压痕深度bd。在实际测试时，硬度值的大小可直接从硬度计上读出。a）试验原理表常用洛氏硬度试验条件及应用范围最常用的是HRA、HRB、HRC三种，其中HR代表洛氏硬度，A、B、C表示三种标尺，HRC应用最广泛。b）特点及应用洛氏硬度试验操作简便，迅速，测量硬度值范围大，压痕小，几乎不损伤工件表面，可直接测成品和较薄工件。但因试验载荷较大，不宜用来测定极薄工件及氮化层、金属镀层等的硬度，且因压痕小，当测定组织粗大、不均匀的材料时，测定结果波动较大，故需在不同位置测试三点的硬度值，取其算术平均值。3）维氏硬度b）压头：金刚石制成的四方角锥体，两相对面间夹角为136°压头在试验力P作用下将样品表面压出一个四方锥形的压痕，经一定保持时间后卸除试验力，测量压痕对角线平均长度d，d=(d1+d2)/2，计算压痕的表面积A。a）试验原理：基本上与布氏硬度的相同c）表示方法d）特点及应用由于维氏硬度试验所加载荷较小，压入深度浅，故可测定较薄工件及氮化层、金属镀层等的硬度；维氏硬度能在同一硬度标尺上测定由极软到极硬金属材料的硬度值(O～1000HV)，且连续性好，准确率高，弥补了布氏硬度因压头变形不能测高硬度材料，洛氏硬度受试验载荷与压头直径比的约束硬度值不能换算的不足。韧性：材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。冲击韧度：材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，常用标准试样的冲击吸收功AK来表示。4、冲击韧度试验在摆锤式冲击试验机上进行。试验过程：将样品水平放在试验机的支座上，缺口位于冲击相背的方向。然后将具有一定质量G的摆锤举至一定高度H1，使其获得一定位能GH1。释放摆锤冲断试样，摆锤的剩余能量为GH2，则摆锤冲断试样失去的位能为GH1-GH2，这就是试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功，以Ak表示，单位为J。即AK=G(H1-H2)冲击试验原理1-摆锤2-试样脆性断裂：有些高强度材料的零件(构件)往往在远低于屈服点的状态下发生脆性断裂；低应力脆断：中、低强度的重型零件(构件)及大型结构件也有类似情况，这就是低应力脆断。裂纹扩展的三种基本形式：

5、断裂韧度裂纹扩展的基本形式疲劳断裂：工作应力低于其屈服点甚至是弹性极限的情况下突然发生断裂。疲劳强度：材料抵抗疲劳断裂的能力称为疲劳强度。循环次数：把材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值作为材料的疲劳强度。规定的循环次数称为循环次数。提高零件疲劳强度的措施：a）改善零件表面粗糙度；b）避免应力集中；c）进行热处理。6、疲劳强度81、铸造性铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件(零件或毛坯)的工艺过程。铸铁的铸造性能好于铸钢，铜、铝合金的铸造性能介于铸钢和铸铁之间。2、锻造性锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。工艺性能83、焊接性材焊接是通过加热或加压，或两者并用，促使两种或两种以上同种或异种材料通过原子或分子之间的结合和扩散连接成一体的工艺过程。碳的质量分数越高，铁碳合金的焊接性能越差。4、切削加工性

切削加工是利用刀具从工件上切去多余的材料，以获得符合要求的零件的加工方法。5、热处理工艺性

材料对热处理加工的适应性。一般来说，合金钢的淬透性好于碳素钢，高碳钢的淬硬性好于低碳钢；钢在油中淬火比在水中淬火变形开裂要小。86、黏结固化性高分子材料、陶瓷材料、复合材料及粉末冶金材料，在一定条件下由黏结固化剂固化组成在一起的性能称为黏结固化性。各种材料的黏结固化倾向对材料成形有很大影响。第二章金属材料的结构一.固体材料的结构固体材料的结构是指组成固体相的原子、离子或分子等粒子在空间的排列方式。按粒子排列是否有序，固体材料可分为晶态(定型态)和非晶态(无定型态)两大类。1、晶态结构晶体：其组成粒子在三维空间做有规则的周期性重复排列。晶格：为了便于研究晶体结构，假设通过粒子中心划出许多空间直线，这些直线则形成空间格架，称为晶格。晶胞：晶格的最小几何组成单元。1）晶体、晶格和晶胞同素异构现象是指一种元素具有不同晶体结构的现象。所形成的具有不同结构的晶体称同素异构体。在一定条件下，同素异构体可以相互转变，称同素异构转变。在具有同素异构现象的固体中，最典型的例子是铁。2）同素异构现象2、非晶态结构非晶体：内部原子在空间杂乱无规则地排列的物质称为非晶体或无定型体。由于粒子排列状态与液态相似，故称“被冻结的液体"。例：玻璃、沥青、松香、石蜡和许多有机高分子化合物等.非晶体物质没有固定的熔点，而且性能无方向性，即各向同性。二.金属晶体结构三种典型金属晶体结构：①面心立方结构

如：

-Fe,

-Co,Ni,Ag等②体心立方结构

如：

-Fe,V,Cr,W等③密排六方结构

如：Mg,Zn,

-Co等晶胞为立方体，原子分布在立方体的各个结点及六个棱面中心。这类晶格金属往往有很好的塑性。1、常见金属晶体的结构1）面心立方结构2）体心立方结构晶胞为立方体，原子分布在立方体各个结点和立方体中心。这类晶格一般具有较高的熔点、相当大的强度和良好的塑性。3）密排六方结构晶胞为六方柱体，柱体高度与边长不相等。原子除分布在六方柱体的各结点及上下两个正六方底面中心。并在六方柱体纵向中心面上还分布三个原子，此三原子与分布在上下底面上的原子相切。这类晶格金属具有一定强度，但塑性较差。单晶体：结晶方位完全一致的晶体。在单晶体中所有晶胞均呈相同的位向，故单晶体具有各向异性。多晶体：工业上实际应用的金属材料是由许多外形不规则的晶粒所组成，所以是多晶体。晶界：这些晶粒内仍保持整齐的晶胞堆积，各晶粒之间的界面称为晶界。2、实际金属的结构三.纯金属的结晶1、纯金属的结晶过程1）纯金属结晶的冷却曲线结晶：金属由液体状态转变为晶体状态的过程。冷却曲线:热分析法做出的时间－温度关系；开始时为液体状态，温度随时间下降；之后出现水平线，这是由于液体金属进行结晶时，内部放出的结晶潜热补偿了它向环境散失的热量，从而使温度保持不变；随后温度又随时间下降。过冷度：ΔT=T0－TnΔT>0,结晶的必要条件2）结晶的过冷现象结晶过程：晶核形成和晶核长大。3）结晶的基本过程增加过冷度2、细化晶粒的方法缓冷、急冷后晶粒大小示意图在液态金属中加入某些物质这些物质的质点也可作为结晶时的晶核，相当于增加了晶核数，故使晶粒得到细化。这种处理过程称为变质处理。钢中加钒，铸铁中加硅(这又称孕育处理)、铝液中加钠盐。振动可使枝晶尖端破碎而增加新的结晶核心；补充形核所需的能量，提高形核率。

bccfccbcc3、金属的同素异构转变四.合金的晶体结构合金：由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。如碳钢和铸铁是Fe－C合金；黄铜是Cu－Zn合金等。组元：组成合金的基本的独立的物质。组元可以是金属和非金属元素，也可以是稳定的化合物。相：材料中聚集状态相同，化学成分相同，结构相同并与其他部分有明显界面的均匀组成部分。绝大多数实用金属材料是合金是以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他组元原子（溶质原子）所形成的均匀固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类型。

1、固溶体在合金系中，组元间发生相互作用，除彼此形成固溶体外，还可能形成一种具有金属性质的新相，即为金属化合物。金属化合物具有它自己独特的晶体结构和性质，而与各组元的晶体结构和性质不同，一般可以用分子式来大致表示其组成。

2、金属化合物当组成合金的各组元在固态下既不相互溶解，又不形成化合物，而是按一定质量比，以混合方式存在的结构形式。机械混合物可是纯金属、固溶体或化合物各自的混合物，也可是它们之间的混合物。机械混合物不是单相组织，其性能介于各组成相性能之间，且随组成相的形状、大小、数量及分布而变

3、机械混合物五.匀晶相图相图：表示多元材料体系中温度、成分与材料结构的平衡图（又称为平衡图、状态图）。匀晶相图：两组元不但在液态无限互溶，而且在固态下也无限互溶的二元合金系所形成的相图。主要有Cu-Ni、Ag-Au、Cr-Mo、Fe-Ni等。匀晶转变：合金在结晶时都是从液相结晶出固溶体，固态下呈单相固溶体。配制一系列不同成分的合金，分别作冷却曲线将各T-t曲线上、下各临界点投影到T-C坐标系中连接同类型的临界点热分析法、金相法、膨胀法、磁性法、电阻法、X射线结构分析法等。

1、相图的建立上面的一条曲线为液相线；下面的一条曲线为固相线。3个相区：液相线以上为单相液相区L，固相线以下为单相固相区α，二者之间为液、固两相共存区(L+α)。

2、相图分析Cu-Ni合金匀晶相图①当温度高于T1时，合金为液相L；②当温度降到T1(与液相线相交的温度)以下时，开始从液相中结晶出口固溶体。随着温度的继续下降，从液相不断析出固溶体，液相成分沿液相线变化，固相成分则沿固相线变化。在T1-T3温度区间，合金呈L+α两相共存。③当温度下降到T3时，液相消失，结晶完毕，最后得到与合金成分相同的固溶体。3、合金的平衡结晶过程Cu-Ni合金匀晶相图平衡结晶：合金在极其缓慢的冷却条件下进行结晶的过程。平衡组织：在此条件下得到的组织。①确定两平衡相的成分要想确定含ωNi=20%的合金I在冷却到T温度时两个平衡相的成分，可通过T做一水平线arb，它与液相线的交点a对应的成分CL即为此时液相的成分；它与固相线的交点b对应的成分Ca即为已结晶的固相的成分。4、杠杆定律杠杆定律的证明在某一温度下处于平衡状态的两相的成分和相对质量可用杠杆定律确定。只适用于两相区。因为对单相区无需计算，而对三相区又无法确定。②确定两个平衡相的相对质量设合金I的总质量为1，液相的质量为WL，固相的质量为Wα，则有：WL+Wα=1且WLCI+WαCa=1×C由以上两式可以得出：杠杆定律的证明两相的相对质量：5、枝晶偏析不平衡结晶：由于冷却速度快，原子的扩散过程落后于结晶过程，合金成分的均匀化来不及进行，因此每一温度下的固相平均成分将要偏离相图上固相线所示的平衡成分不平衡组织：不平衡结晶所得到的组织。晶内偏析：先结晶的晶粒心部与后结晶的晶粒表面的成分不同，由于它是在一个晶粒内的成分不均匀现象，所以称之为晶内偏析。枝晶偏析：固溶体结晶通常是以树枝状方式长大的。在快冷条件下，先结晶出来的树枝状晶轴，其高熔点组元的含量较多，而后结晶的分枝及枝间空隙则含低熔点组元较多，这种树枝状晶体中的成分不均匀现象，称为枝晶偏析。六.共晶相图共晶相图：在二元合金系中，两组元在液态下能完全互溶，固态下只能有限互溶，形成与两组元成分和结构完全不同的固相，并发生共晶转变，所构成的相图称之为共晶相图。具有这类相图的合金有Pb-Sn、Pb—Sb、Ag-Cu、A1一Si、Zn-Sn等。Pb-Sn合金相图adb为液相线；acdeb为固相线。相：Pb与Sn形成的液相L，Sn溶于Pb中的有限固溶体α相，Pb溶于Sn中的有限固溶体β相。3个单相区：L，α，β3个双相区：L+α，L+β，α+β三相共存线：L+α+β（水平线cde）共晶点：dLd=αc+βe共晶体：共晶转变的产物为两个固相的机械混合物，称为共晶体。共晶反应线：水平线cde七.合金的结晶结晶过程如同纯金属一样，仍为晶核形成和晶核长大两个过程；需要一定的过冷度，最后形成多晶粒组成的晶体。1、合金的结晶过程合金与纯金属结晶的不同之处如下。纯金属结晶是在恒温下进行，只有一个临界点。而合金则绝大多数是在一个温度范围内进行结晶。合金在结晶过程中，在局部范围内相的化学成分(即浓度)有变化。合金结晶后其组织一般有三种情况：单相固溶体；单相金属化合物或同时结晶出两相机械混合物；结晶开始形成单相固溶体(或单相化合物)，剩余液体又同时结晶出两相机械混合物(共晶体)。2、合金结晶的冷却曲线形成单相固溶体的冷却曲线：组元在液态下完全互溶，固态下仍完全互溶，结晶后形成单相固溶体。形成单相化合物或共晶体的冷却曲线：组元在液态下完全互溶，在固态下完全不互溶或部分互溶。结晶后形成单相化合物或共晶体。形成机械混合物的冷却曲线：组元在液态下完全互溶，在固态下部分互溶，结晶开始形成单相固溶体后，剩余液体则同时结晶出两相的共晶体。I-形成单相固溶体；Ⅱ-形成单相化合物或同时结晶出两相固溶体；Ⅲ-形成机械混合物图合金结晶的冷却曲线第三章钢的热处理原理一.热处理概述热处理：把固态金属材料在一定介质中加热、保温、冷却，以改变其组织，从而获得所需性能的一种热加工工艺。三个基本过程：加热、保温、冷却作用：改善金属材料的工艺性能；提高金属材料的使用性能。二.钢在加热时的转变1、奥氏体转变温度与Fe-Fe3C相图的关系A1Ac1Ar1SAccmAcmArcmAc3A3Ar3冷却过程的固态相变需过冷度

钢的热处理中六个重要的温度参数：

A1A3Acm；Ac1Ac3Accm——加热过程Ar1Ar3Arcm——冷却过程

F+Fe3C→A(727℃)

成分(C%)0.02186.690.77结构体心立方复杂斜方面心立方说明奥氏体化中须两个过程：①C成分变化：C的扩散②铁晶格改组：Fe扩散2、奥氏体的形成-以共析钢为例奥氏体形成过程

四个阶段：1）奥氏体在F—Fe3C界面上形核（10秒）2）奥氏体向F及Fe3C两侧长大(几百秒)3）剩余Fe3C的溶解；(千秒)4）奥氏体中C的扩散均匀化。(万秒)图共析钢奥氏体形成过程示意图任何固态相变均需形核与长大过程形核需要“三个起伏条件”：

成分起伏、结构起伏、能量起伏——故晶界或缺陷处易形核1）加热温度T↑，A晶粒长大；原因：T↑，奥氏体与珠光体的自由能差越大，转变的推动力越大；T↑，原子扩散越快，因而碳的重新分布与铁的晶格重组就越快，所以，使奥氏体的形核、长大，残余渗碳体的溶解及奥氏体的均匀化都进行得越快。3、影响奥氏体转变速度的因素2）加热速度加热速度越快，珠光体的过热度越大，相变驱动力越大，转变的开始温度就越高。3）原始组织的影响钢的原始组织越细，奥氏体的形成速度越快。。4）化学成分的影响C↑，奥氏体的形成速度加快；加入合金元素并不改变珠光体向奥氏体转变的基本过程，但能影响奥氏体的形成速度，一般都使之减慢。4、奥氏体的晶粒度及控制因素晶粒大小表示方法：晶粒尺寸，例如晶粒截面的平均直径、平均面积或单位面积内的晶粒数目等；晶粒度级别，晶粒度分8级，1级最粗，8级最细。计算式：

n=2N-1

N：晶粒度级别

n：1平方英寸视场中所包含的平均晶粒数(100X)。标准晶粒度等级示意图

(1)初始晶粒度：奥氏体转变刚结束时的晶粒大小。

——通常极细小(2)实际晶粒度：具体加热条件下获得的奥氏体晶粒大小①与具体热处理工艺有关：热处理温度↑，时间↑，晶粒长大。②与晶粒是否容易长大有关

———

引入本质晶粒度概念奥氏体有三种不同概念的晶粒度

(3)本质晶粒度钢在特定的加热条件下，奥氏体晶粒长大的倾向性，分为本质粗晶粒度和本质细晶粒度。测定方法：加热至860±10℃，保温1h，若A晶粒1-4级：本质粗晶粒度钢，5-8级：本质细晶粒度钢。关于本质晶粒度概念的要点：①表征该钢种在通常的热处理条件下A晶粒长大的趋势，不代表真实、实际晶粒大小；②本质粗晶粒度钢实际晶粒度并非一定粗大，本质细晶粒度钢实际晶粒度并非一定细小；而与具体的热处理工艺有关。③本质晶粒度主要与成分或冶炼条件有关。影响奥氏体晶粒长大的因素①加热温度和保温时间

T↑、t↑，A晶粒长大；

T的影响远大于t1250℃1050℃900℃保温时间t晶粒度②含碳量在一定范围内，随着钢的含碳量增加，奥氏体晶粒长大的倾向增大，但是含碳量超过某一限度时，奥氏体晶粒反而变得细小。③成分

强烈阻碍：Al、V、Ti、Zr、Nb原因：机械阻碍理论

——形成难溶碳、氮化物中等阻碍：Cr、W、Mo促进长大：Mn、P、溶入A的C┖降低铁原子的结合力，促进铁的扩散④钢的原始组织越细，碳化物弥散度越大，奥氏体的起始晶粒越细小。三.钢在冷却时的转变热处理的两种冷却方式：等温冷却

定义：将奥氏体化后的钢由高温快速冷却到临界温度以下某一温度，保温一段时间以进行等温转变，然后再冷却到室温。

等温淬火、等温退火等。连续冷却定义：将奥氏体化后的钢从高温连续冷却到室温，使奥氏体在一个温度范围内发生连续转变。炉冷、空冷、油冷、水冷等。图

奥氏体不同冷却方式示意图1一等温冷却2一连续冷却Tτ

A1MsMfA→MM+ARA过冷A→BA→PAPB700500200

τ孕HRC15404555>60110102103104105过冷奥氏体与奥氏体的区别产物：P：珠光体B：贝氏体M：马氏体鼻点1、过冷奥氏体的等温转变图1）过冷奥氏体等温转变曲线---C曲线①不同温度下转变产物不同；高温转变产物(A1~550℃)：珠光体(P)——扩散型

中温转变产物(550℃~MS)

：贝氏体(B)—半扩散型

低温转变产物(MS~Mf)：马氏体(M)——非扩散型②存在孕育期

——过冷奥氏体等温分解所需的准备时间——代表A过冷稳定性。③存在鼻点：

——孕育期最短，A过冷最不稳定；④T转↓，产物硬度↑。⑤马氏体是过冷奥氏体连续冷却中的一种转变组织，非等温转变产物。将其画入，使过冷奥氏体等温转变曲线更完备、实用图片状珠光体形成示意图（1）珠光体转变高温转变产物(A1~550℃)：珠光体(P)——扩散型

反应式为A→P(F+Fe3C)3）过冷奥氏体等温转变产物的组织及其性能按层片间距不同又分为：

粗珠光体（P）：A1～650℃，片层较粗，10～20HRC。

索氏体（S）：650～600℃，片层较细，20～30HRC。

屈氏体(T)：600～550℃，片层极细，30～40HRC，P、S和T都是由渗碳体和铁素体组成的层片状机械混合物，只是由于层片的大小不同，决定了它们的力学性能各异。（2）贝氏体转变中温转变产物(550℃~MS)贝氏体(B)—半扩散型贝氏体有两种常见的组织形态：上贝氏体和下贝氏体。

组织构成：α(C)+Fe3C铁素体：碳过饱和(0.03%)；成束、板条状平行排列；位错（108~109cm-2)；渗碳体：粒状或短杆状分布在F板条之间。上贝氏体Fe3C过饱和α相羽毛状上贝氏体(550℃~350℃)图上贝氏体显微组织a)光学显微组织500×b)电子显微组织4000×下贝氏体(350℃~230℃)组织:α(C)+FexC铁素体：碳过饱和(0.3%)针、片状，互不平行；更高密度位错。渗碳体：粒状或短杆状平行分布在F相内部。过饱和α相Fe3C针状图下贝氏体显微组织a)光学显微组织500×b)电子显微组织12000×贝氏体的性能①强度和硬度

σs(B上)<σs(B下)原因：上贝氏体的形成温度较高，铁素体条粗大，碳的过饱和度低，因而其强度和硬度较低。②韧性

ak（B下）》ak（B上）原因：B上中碳化物分布条间，有明显方向性，尺寸较大；马氏体：C在α-Fe中的过饱和固溶体。（3）马氏体转变

低温转变产物(MS~Mf)：马氏体(M)——非扩散型①单元体(单晶体)板条状②组合特征：0.1~0.3μm<10μm马氏体束一些位向相同的板条晶构成马氏体束；原奥氏体晶粒中含3~5个位向不同的M束板条马氏体内有大量的位错，这些位错分布不均匀，形成胞状亚结构，也称“位错马氏体”③主要存在低、中碳钢及马氏体时效钢、不锈钢等铁基合金中。板条马氏体①单元体：片状，中间厚、两边薄—凸透镜状或针状；②组合特征：Ⅰ片与片之间不平行，约呈60°；

Ⅱ晶粒大小不等，先大后小，先形成的M片贯穿A晶粒；③亚结构：平行的细小孪晶——孪晶马氏体。∟形成的温度较低——低温马氏体高碳钢中常出现——高碳马氏体，存在大量显微裂纹

（孪晶通常分布在马氏体的中部，不扩展到马氏体片的边缘区，在边缘区存在高密度为错）片状马氏体

马氏体的性能(1)硬度和强度

特点：总体：高硬度、高强度

注意：Ⅰ、硬度、强度主要取决于C%,Me影响小。C%↑,马氏体HRC↑。Ⅱ、须注意马氏体硬度与钢硬度的差异。C%↑,淬火钢HRC↑,0.6%C后基本趋于定值。钢中马氏体强化机制：①C的固溶强化：②相变强化(亚结构强化)：高密度位错、孪晶、层错；③时效(沉淀)强化：C向缺陷处扩散偏聚或析出，钉扎位错。C%σ0.6121：未时效2：0℃时效3hFe-Ni-C合金马氏体④晶界强化。∟低碳M“自回火”。（2）塑性与韧性片状M：硬而脆；板条M：强而韧∟与亚结构有关板条M塑韧性好的原因：①含碳量低,过饱和度小；②淬火内应力小，形成微裂纹的敏感度小；高碳片状M塑韧性差的原因：①C过饱和度高，畸变大，②淬火内应力大，形成微裂纹的敏感度高。马氏体转变的特点①无扩散性②切变共格马氏体转变是新相在母相特定的晶面（惯习面）上形成，并以的母相切变来保持共格的相变过程。③不完全性:转变在一定温度范围内进行，存在残余奥氏体。④转变快速性：M形成速度极快，10-5~10-7S⑤马氏体转变的可逆性：重新加热时，已形成的马氏体又能无扩散地转变为奥氏体。

珠光体、贝氏体、马氏体转变特点比较转变类型珠光体贝氏体马氏体转变温度高温(Ar1~550℃)中温(BS~MS)低温(<MS)扩散性Fe、C、Me扩散C扩散;Fe、Me不扩散C、Fe、Me均不扩散组成相两相组织：α+Fe3C两相组织：α(C)+FexC单相：C过饱和α(C)共格性无共格性共格性共格性

Vc：连续冷却中全部A过→M的最小V冷——临界淬火速度——上临界冷却速度VC′：连续冷却中全部

A过→P的最大V冷—下临界冷却速度①：P；②：M；③：P+M共析碳钢TTT与CCT曲线A1MsMfTτC′CVcVc′MM+PP

共析碳钢CCT曲线

共析碳钢TTT曲线PS

Pk①②③Vc′′2、过冷奥氏体的连续冷却转变图冷却速度对转变产物类型的影响：可用VC、VC′判断。当V>VC时，A过冷→M；

当V<VC′时，A过冷→P；

当VC′<V<VC

时，A过冷→P+M**实际中由于CCT曲线测量难，可用TTT曲线代替CCT曲线作定性分析，判断获得M的难易程度。**连续冷却的VC值是等温冷却C曲线中与鼻点相切的VC的1.5倍，故可用等温冷却C曲线中VC代替或估算.3、过冷奥氏体转变图的应用可以利用等温转变图定性和近似地分析钢在连续冷却时组织转变的情况。等温转变图对于制订等温退火、等温淬火、分级淬火以及变形热处理工艺具有指导作用。利用连续冷却转变图可以定性和定量地显示钢在不同冷却速度下所获得的组织和硬度。第四章钢的热处理工艺4.1钢的热处理工艺分类普通热处理：”四把火”退火、正火、淬火、回火表面热处理：表面淬火（火焰加热、感应加热）化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗）形变热处理：控制轧制（形变）控制冷却4.2钢的普通热处理1、退火定义：将钢加热到一定温度并保温一定时间，然后以缓慢的速度冷却，使之获得接近平衡状态组织的热处理工艺。分类：退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火、去应力退火和再结晶退火等图各种退火工艺规范示意图a)加热温度范围b)工艺曲线工艺规范特点目的适用范围

①工艺：完全奥氏体化②组织：层片状珠光体①↓硬度，改善切削加工性能；②细化晶粒；③消除内应力；④减轻组织不均匀性(消除魏氏组织等)亚共析钢、合金钢的铸、锻、热轧、焊件的预备热处理(切削加工前或热处理前的预备热处理)

AC3+20~30℃

AC3

AC1

tT（1）完全退火45钢锻造后与完全退火后机械性能状态σb(Mpa)σs(Mpa)δ(%)ψ(%)αk

(kJ.m-2)HB锻造650~750300~4005~1520~40200~400230完全退火600~700300~35015~2040~50400~600200完全退火后强硬度有所下降，而塑韧性较大幅度提高。主要目的：改善组织均匀性以及加工性能。工艺规范特点目的适用范围

①工艺：不完全奥氏体化②组织：球状(粒状)珠光体①降低(过)共析钢硬度适合切削；②为最终热处理（淬火与低温回火）做组织准备含碳量较高的工、模具钢的预备热处理

AC1+20~30℃ACm或AC3

AC1

tT（2）球化退火——不完全退火的一种工艺关键：①Fe3C形态控制②K球的大小控制

←控制奥氏体化程度。←控制过冷奥氏体冷却转变的温度。片状与球状珠光体组织切削性能比较层片状珠光体粒(球)状珠光体刀具T12钢球化退火与完全退火的性能比较：

球化退火的强硬度更低，塑韧性更好，利于切削加工。状态σb(Mpa)δ(%)ψ(%)HB完全退火8101530230球化退火6202040180T12钢完全退火与球化退火后性能比较T12钢完全退火与球化退火后组织比较完全退火、球化退火的工艺缺陷：周期长；变温转变——组织大小不均——开发出等温退火。（3）等温退火——是完全退火、球化退火工艺的改进——普通退火——等温完全退火——等温球化退火

AC3+20~30℃AC3

Ar1

tTAc1

AC1+20~30℃

Ar1-20~30℃高速钢等温退火与普通退火工艺曲线870~880

℃tT4h3h等温退火普通退火40℃/h720~740

℃炉冷15℃/h空冷空冷等温退火优势1）缩短工艺时间：高速钢40h→20h；2）组织均匀：碳化物球大小一致。工艺规范特点目的适用范围

(1)高温、长时间；(2)需再经重结晶工艺(完全退火或正火)以细化晶粒消除或减轻偏析、带状组织等合金钢锭大型铸钢件tTAC3或ACm+200~300℃AC3或ACm（4）扩散（均匀化）退火工艺名称工艺规范目的适用范围再结晶退火①

①消除加工硬化②完全消除残余应力冷塑性变形件去应力退火②消除内应力，防工件变形铸、锻、焊、冲压、机加工件（5）再结晶退火与去应力退火AC1650~700℃300~650℃tT①②2、正火1）定义钢加热到AC3或ACm以上的A区域，保持一定时间后在空气中冷却，以获得接近平衡状态组织的工艺—又称常化。2）目的①细化晶粒，消除铸锻焊件组织缺陷；②提高低碳钢硬度，改善切削加工性能；③消除高碳钢网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备；④型材或大型复杂铸钢件的最终热处理。正火与退火的区别加热温度较高；冷却速度较快；获得组织较细(索氏体)；强硬度与塑韧性较高；生产效率较高。①②①正火②退火碳钢正火与退火后的硬度（HB）状态结构钢软的中等的硬的工具钢退火正火～125～140～160～190～185～230～220～270正火与退火态45钢机械性能状态σb(MPa)δ(%)αk

(J.cm-2)HB正火700~80015~2050~80220完全退火650~70015~2040~60180注：正火态强硬度与塑韧性均较高3、正火与退火的选用C%<0.25%低碳钢——多用正火；提高硬度C%:0.25~0.5%——可正火、可完全退火C%:0.5~0.75%——完全退火；C%>0.75%——球化退火C%>0.9%——

有网状碳化物┗正火(消网)＋球化退火注意：1、退火与正火—珠光体类型组织的应用；2、能用正火处则不用退火。正火可作为大件或不重要工件的最终热处理，而退火一般不作为最终热处理淬火与回火是强化钢最常用的热处理工艺方法。先淬火再根据需要配以不同温度回火，获得所需的力学性能。淬火：是以获得马氏体或(和贝氏体)为目的的热处理工艺方法。4、钢的淬火与回火碳钢：亚共析钢：AC3+30~50℃

过共析钢：AC1+30~50℃1）淬火加热温度钢的淬火温度范围

2）合理选择淬火冷却介质①水：

鼻温：150℃/s；Ms：450℃/s。

优点：冷却能力强；成本低。缺点：M转变温区冷速过大，变形；应用：小尺寸、形状简单碳钢件。

②油：鼻温：60~70℃/s；Ms：50℃/s；

优点：M转变温区冷速小，不易变形；缺点：鼻温区冷速较小，不易淬透；应用：合金钢件。钢的淬透性概念淬透层深度

由工件表面→半马氏体点（50%M）的深度。奥氏体化的钢在淬火时获得马氏体的能力用钢在一定条件下淬火获得的淬透层深度表示其大小。V表V心V表V心VC淬透层深度VC100%M50%M图钢的淬透性淬硬性钢淬火时的硬化能力，用淬成马氏体能得到的最高硬度表示。

——主要取决于马氏体中的C%。

淬透性主要取决于钢的化学成分（特别是合金元素）并由此决定的临界冷却速度

。淬透性与淬硬性图钢中马氏体硬度与碳含量的关系TτA1MS分级淬火双液淬火等温淬火单液淬火3）正确选择淬火方法单液淬火

——尺寸小、形状简单的碳钢、合金钢件。双液淬火（水淬油冷）

——尺寸较大碳钢件。分级淬火稍高于MS，盐浴；

——小尺寸工模具、变形小、精密件。等温淬火淬火热应力、组织应力小，变形小

——形状复杂、尺寸精密件。5、回火

定义：将淬火后的钢重新加热到低于Ac1以下某一温度，经保温后，使淬火组织转变成为稳定的回火组织，再冷却到室温的热处理工艺方法。淬火钢的组织：马氏体或马氏体加残留奥氏体组成，它是不稳定的组织，内应力大、脆、易变形或开裂。目的：为了消除应力，稳定组织，提高钢件的塑性、韧性，获得塑性、韧性、硬度、强度适当配合的力学性能。回火种类

回火温度↑－－内应力↓，强硬度↓，塑韧性↑。——根据温度不同划分回火种类。（1）低温回火（150~200℃）

组织：回火马氏体(与淬火马氏体比较)

性能：保持高强硬度；内应力和脆性↓；韧性略↑。应用：①工、模具钢；②低碳马氏体钢。（2）中温回火（250~500℃）

组织：回火托氏体，它还保持着马氏体的形态，内应力基本消除。性能：基体已回复；内应力↓↓；弹性极限高；较高的强硬度与良好韧性。应用：弹簧钢、热锻模。（3）高温回火（500~650℃）组织回火索氏体。性能内应力基本消除，强度与韧性最佳配合——综合机械性能高。应用重要结构件，轴、齿轮。

图40Cr钢经不同温度回火后的力学性能注：直径D=12mm，油淬。常用表面热处理的方法有：表面淬火化学热处理4.3钢的表面热处理表面淬火：仅对工件表层进行淬火的热处理工艺。原理：通过快速加热，使钢的表层奥氏体化，在热量尚未充分传到零件中心时就立即予以冷却淬火，得到马氏体组织。目的：使工件表面获得高硬度和高耐磨性，而心部保持较好的塑性和韧性，以提高其在扭转、弯曲、循环应力或在摩擦、冲击、接触应力等工作条件下的使用寿命。1、钢的表面淬火适用：中碳钢、中碳合金钢。方法：火焰加热表面淬火、感应加热表面淬、电接触加热表面淬火、激光加热表面淬火。原理：利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面受到局部加热，并进行快速冷却的淬火工艺。特点：①加热速度快。②淬火质量好。③淬硬层深度易于控制，易实现机械化和自动化，适用于大批量生产。1）感应加热表面淬火①高频感应加热表面淬火常用频率为80～1000kHz，淬硬层深度为0.5～2mm。用于淬硬层较薄的中、小模数齿轮和中、小尺寸轴类零件等。感应加热表面淬火类型②中频感应加热表面淬火常用频率为2500～8000Hz，淬硬层深度为2～10mm。主要用于大、中模数齿轮和较大直径轴类零件等。③工频感应加热表面淬火电流频率为50Hz，淬硬层深度为lO～20mm。用于大直径零件（如轧辊、火车车轮等）的表面淬火和大直径钢件的穿透加热。火焰加热表面淬火是一种利用乙炔，氧气或煤气-氧气混合气体的燃烧火焰，将工件表面迅速加热到淬火温度，随后以浸水和喷水方式进行激冷，使工件表层转变为马氏体而心部组织不变的工艺方法。特点：设备简单、成本低；淬火质量不稳定；适合单件和小批量生产。2）火焰加热表面淬火化学热处理——将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。不仅改变了钢表面的组织，而且表面层的化学成分也发生了变化，因而能更有效地改变零件表层的性能。根据渗入元素分类：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等。化学热处理的基本过程分解吸收扩散2、钢的化学热处理渗碳——将钢件置于渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。目的：提高钢件表层的含碳量，淬火与回火后表面硬、心部韧。材料：低碳钢、低碳合金钢。渗碳后处理：淬火及低温回火。工艺路线：锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火+低温回火。渗碳方法：固体渗碳法、液体渗碳法和气体渗碳法三种。1）钢的渗碳低碳钢件渗碳后表层含碳量0.85％～1.05％为最佳。表层为过共析组织（珠光体和网状二次渗碳体），与其相邻为共析组织（珠光体），再向里为亚共析组织的过渡层（珠光体和铁素体），心部为原低碳钢组织（铁素体和少量珠光体）工件的渗碳层深度取决于工件尺寸和工作条件，一般为0.5～2.5mm。为使工件表面具有高硬度、高耐磨性，必须对渗碳工件进行淬火和低温回火。渗碳后的组织及热处理1）直接淬火工件从渗碳温度预冷到略高于心部Ar3的某一温度，立即放入水或油中。预冷是为了减少淬火应力和变形。渗碳后常用的淬火方法图渗碳后热处理示意图a)、b)直接淬火c)一次淬火d)二次淬火第一次淬火是为了改善心部组织和消除表面网状二次渗碳体，加热温度为Ac3以上30～50℃。2）一次淬火图渗碳后热处理示意图a)、b)直接淬火c)一次淬火d)二次淬火第二次淬火是为细化工件表层组织，获得细马氏体和均匀分布的粒状二次渗碳体，加热温度为Ac1以上30～50℃，二次淬火法工艺复杂，生产周期长，成本高，变形大，只适用于表面耐磨性和心部韧性要求高的零件。3）二次淬火图渗碳后热处理示意图a)、b)直接淬火c)一次淬火d)二次淬火渗氮：在一定温度，一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。目的：提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性。常用渗氮方法①气体渗氮：在有活性氮原子的气体中进行渗氮。②离子渗氮：在低于1×105Pa的渗氮气氛中，利用工件（阴极）和阳极之间产生的辉光放电进行渗氮的工艺。2）钢的渗氮氮原子的渗入使渗氮层内形成残留压应力，可提高疲劳强度（25％～35％）；渗氮层表面由致密的、连续的氮化物组成，使工件具有很高的耐蚀性；渗氮温度低，工件变形小；渗氮层很薄（＜0.6～0.70mm），渗氮后只能精磨、研磨或抛光。渗氮层较脆，不能承受冲击力，生产周期长（例如0.3～0.5mm的渗层，需要30～50h），成本高。渗氮前零件须经调质处理，获得回火索氏体组织，以提高心部的性能。渗氮后不需再热处理。渗氮用于耐磨性和精度要求高的精密零件或承受交变载荷以及要求耐热、耐蚀、耐磨的零件的重要零件。渗氮和渗碳相比有何特点？方法:固体碳氮共渗气体碳氮共渗液体碳氮共渗高温中温低温3）碳氮共渗技术定义:向钢的表面同时渗入碳和氮原子的过程。目的:获得具有表硬里韧性能的零件。工艺合金结构钢HRC53～60820～8604～6以渗碳为主0.5～0.8mm淬火+低温回火中温气体碳氮共渗合金工具钢HRC54～63低温气体碳氮共渗500～6003～4以渗氮为主0.1～0.4mm不需要材料性能名称温度(℃)时间(h)作用渗层热处理定义：用活性硼原子渗入钢件表层并形成铁的硼化物的化学热处理工艺。特点：提高钢件的表面硬度(1300～2000HV)和耐磨性，同时具有良好的耐热性和耐蚀性。目前用得最多的是盐浴渗硼，最常用的盐浴渗硼剂是由无水硼砂加碳化硼、硼铁或碳化硅组成。其中硼砂提供活性硼原子，碳化硅或碳化硼是还原剂。通常渗硼温度为900～950℃，时间为4～6h，渗硼层深度可达0.1～0.3mm。4）钢的渗硼定义：在炉气成分可控的热处理炉内进行的热处理。分类：吸热式气氛放热式气氛滴注式气氛4、钢的热处理新技术1）可控气氛热处理定义：在0.0133～1.33Pa真空度的真空介质中对工件进行热处理的工艺。优点：减少工件变形减少和防止工件氧化净化工件表面脱气作用应用：几乎全部热处理工艺均可以进行真空热处理，淬火介质也由最初仅能气淬发展到现在的油淬、水淬、硝盐淬火等。2）真空热处理定义：利用阴极(工件)和阳极间的辉光放电产生的等离子体轰击工件，使工件表层的成分、组织及性能发生变化的热处理工艺。分类：离子渗氮离子渗碳3）离子渗扩热处理优点：表面形成的氮化层具有优异的力学性能；离子渗氮节约能源，渗氮气体消耗少，操作环境无污染；离子渗氮速度快。缺点：设备昂贵，工艺成本高，不宜于大批量生产。离子渗氮优点：硬度、疲劳强度、耐磨性等力学性能高；渗碳速度快；工件不易产生氧化，表面洁净，耗电少和无污染。离子渗碳定义：将形变强化与相变强化综合起来的一种复合强韧化处理方法。分类：高温形变热处理低温形变热处理4）形变热处理激光淬火：利用专门的激光器发出能量密度极高的激光，以极快的速度加热工件表面。电子束淬火：利用电子枪发射成束电子，轰击工件表面，使之急速加热，自冷淬火后使工件表面强化的热处理。5）激光淬火和电子束淬火过热：晶粒粗大——重结晶消除；过烧：晶界熔化或氧化——无法挽回。氧化：空气中的氧气与工件表面形成氧化物的现象脱碳：工件表层中的碳被氧化烧损而使工件表层中碳含量下降的现象。变形：工件在热处理时，尺寸和形状发生变化的现象。开裂：当工件在热处理时产生的内应力值瞬间超过材料的抗拉强度时，工件就会产生开裂而报废。1）常见的热处理缺陷4.5热处理工艺的应用2）热处理工件的结构工艺性避免尖角和棱角；避免厚薄悬殊的截面；尽量采用封闭结构；尽量采用对称结构；当有开裂倾向和特别复杂的热处理工件时，尽量采用组合结构，把整体件改为组合件。3）热处理技术条件的标注及热处理工序位置安排热处理技术条件的标注设计者依据工件的工作特性，提出热处理技术条件并在零件图上标出代号(企业标准，省、部颁标准，国家标准代号)。由于硬度检验属于非破坏性的检验，因此在零件图上常常标注硬度值。对于那些非常重要的零件，在零件图上有时也标注抗拉强度、伸长率、金相组织等。表面淬火、表面热处理工件要标明处理部位、层深及组织等要求。热处理的工序位置①预先热处理工序位置（退火、正火、调质）安排在毛坯生产之后、切削加工之前，或粗加工之后、半精加工之前。a）退火、正火工序位置毛坯生产退火（或正火）切削加工。b）调质工序位置下料锻造正火（或退火）粗加工（留余量）调质半精加工（或精加工）a）整体淬火工序位置下料锻造退火（或正火）粗加工、半精加工（留余量）淬火、回火（低、中温）磨削。b）表面淬火工序位置下料锻造退火（或正火）粗加工调质半精加工（留余量）表面淬火、低温回火磨削。②最终热处理工序位置（淬火、回火、渗碳、渗氮）c）渗碳淬火的工序位置下料

锻造

正火

粗、半精加工渗碳、淬火

低温回火

磨削

d）渗氮的工序位置下料

锻造

退火

粗加工

调质

半精、精加工去应力退火

粗磨

渗氮

精磨、研磨或抛光。第五章金属材料的综述一.常用金属材料的种类和用途1、认识金属材料2、金属材料的分类黑色金属：铁及其合金（钢铁)有色金属：其他的非铁金属（如铜、铝等）及其合金（如铜合金、铝合金等）二.碳素钢与合金钢的概述碳素钢价格低廉，便于冶炼，容易加工，且通过含碳量的增减和不同的热处理可使其性能得到改善，因此能满足很多生产上的要求，应用最广泛的钢铁材料。合金钢在碳钢的基础上有意地加入一种或几种合金元素，使其使用性能和工艺性能得以提高的以铁为基的合金即为合金钢。三.非铁金属(有色金属)的概述定义：除钢铁材料以外的其他金属材料的总称，如铝、镁、铜、锌、锡、铅、镍、钛、金、银、铂、钒、钼等金属及其合金就属于非铁金属。常用的非铁金属有：铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金、滑动轴承合金、硬质合金等。第六章工业用钢6.1工业用钢的分类6.1.1分类方法1、按化学成分分

中碳钢0.25~0.6%C高碳钢

0.6%C低碳钢

0.25%C低合金钢（

5%）中合金钢（5~10%）高合金钢（

10%）非合金钢

合金钢低合金钢在非合金钢的基础上加入少量合金元素（<3.5%）按碳含量按合金元素总量按合金元素种类铬钢、锰钢、铬镍钢、铬钼钢、铬锰钢、硅锰钢、硅锰钼钒钢、铬镍钼钢等2、按钢的主要质量等级钢的质量是以磷、硫

的含量来划分的。

普通质量钢（S、P含量最高值≥0.040%）优质钢特殊质量钢（S、P含量最高值≤0.025%）

3、按冶炼时脱氧程度分沸腾钢（脱氧不完全）F镇静钢（脱氧完全）Z特殊镇静钢（进行特殊脱氧）TZ

牌号尾注意：镇静钢、特殊镇静钢表示符号通常可以省略。4、按用途分

工程用钢建筑、桥梁、船舶、车辆渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢耐磨钢机器用钢

结构钢刃具钢模具钢量具钢

工具钢不锈钢耐热钢特殊性能钢挤压模具5、按金相组织分珠光体钢贝氏体钢马氏体钢铁素体钢奥氏体钢莱氏体钢按正火组织分亚共析钢共析钢过共析钢按退火组织分1.MnMn溶入F和FeC3起固溶强化作用，提高钢的强度和硬度Mn+S→MnS，降低硫的有害作用，改善钢的热加工性能。一般认为，Mn和Si为钢中的有益元素。2.SiSi溶入F起固溶强化作用，提高钢的强度和硬度，塑韧性稍微降低6.1.2常存杂质和合金元素在钢中的作用一、常存杂质和合金元素在钢中的作用3.S以FeS的形式存在，使钢的塑性变差；FeS+Fe→低熔点共晶体（985OC）分布在晶界上；在热加工（1000-1200OC）时共晶体熔化→导致钢材沿晶界开裂—“热脆”。Mn与S形成MnS(1620℃）,粒状分布在晶内。钢中的MnS夹杂合金晶界的低熔点硫化物比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆性，于1938年冬发生断裂坠入河中。4.PP→溶于F，导致钢材强、硬度↑，塑、韧性↓；特别是使钢在低温时脆性急剧增加—冷脆。

S、P多，脆性大，有害元素；S、P有利的一面，若含量适当可提高钢的切削性能（S≤0.05%、P≤0.045%），易切削钢（改善切削加工性）。激光制导炮弹

氧化物、硫化物、氮化物、硼化物、硅酸盐等降低钢的质量和性能；钢在热加工与热处理时产生裂纹，或在使用时突然脆断。使材料具有各向异性，并使冲击韧度大为降低。5.非金属夹杂物

H：以原子态溶解于钢中，降低韧性，引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，俗称白点。钢中白点钢的氢脆断口6.气体元素合金元素分类（根据与碳亲和力的大小）：强碳化物形成元素：Ti、Nb、Zr、V等中强碳化物形成元素：W、Mo、Cr弱碳化物形成元素：Mn、Fe合金元素对钢的相变、组织和性能的影响

都取决于它们与钢中