《工程材料与金属热加工》 课件 项目1-4 金属材料的性能 -钢的热处理

主讲：工程材料及热处理1．掌握金属材料的力学性能主要都有哪些性能指标及其含义与测试方法；2．熟悉金属材料的工艺性能；3．了解金属材料的物理性能、化学性能。项目1金属材料的性能2学习目标与技能要求材料的性能通常包括使用性能和工艺性能。使用性能是指材料在特定的条件下，能保证安全可靠工作所必需的性能，如力学性能、物理性能和化学性能等；工艺性能是指材料在加工过程中所反映出来的性能，如铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。项目1金属材料的性能3材料的力学性能金属材料的力学性能是指材料在各种载荷作用下，抵抗变形和断裂的能力，金属材料的力学性能主要有强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。力学性能不仅是机械零件设计、选材、验收、鉴定的主要依据，还是对产品加工过程实行质量控制的重要参数。1.14材料的弹性、刚度、强度及塑性一般是通过金属拉伸试验来测定的。它是在标准试样的两端缓慢施加拉伸载荷，试样的工作部分受轴向拉力作用产生变形，随着拉力的增大，变形也相应增加，直至断裂。拉伸试样如图1-1所示，根据国家标准GB/T228.1—2010，拉伸试样通常有l0=10d0（长试样）和l0=5d0（短试样）两种。通常以应力R（试样单位横截面上的拉力）与应变e（试样单位长度的伸长量）为坐标绘出应力—应变曲线（R—e曲线）。如图1-2所示为低碳钢的应力—应变曲线，低碳钢试样在拉伸过程中，可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。图1-1拉伸试样

图1-2低碳钢的应力—应变曲线51.1.1弹性和刚度1

弹性在低碳钢的应力—应变曲线上，Oe段为弹性阶段，若在此阶段卸去载荷，则试样伸长量消失，试样恢复原状。材料的这种不产生永久残余变形的能力称为弹性。e点对应的应力值称为弹性极限，用符号Rp表示。6图1-2低碳钢的应力—应变曲线弹性变形示意低碳钢的应力—应变曲线示意2

刚度材料在弹性范围内应力与应变的比值称为弹性模量，也就是应力—应变曲线中Oe直线的斜率，用符号E表示，即弹性模量E反映了材料抵抗弹性变形的能力，又称为刚度。E值主要取决于材料内部原子间的作用力，如晶体材料的晶格类型、原子间距等，某些处理方法（如热处理、冷热加工、合金化等）对它影响很小。81.1.2强度强度是指材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。根据外力的作用方式，有多种强度指标，如抗拉强度、抗弯强度和抗剪强度等。当材料承受拉力时，强度性能指标主要是屈服强度和抗拉强度。91屈服强度在低碳钢的应力—应变曲线上，e～s段试样所承受的载荷虽不再增加，但试样仍继续产生塑性变形，应力—应变曲线上产生了近似水平段，这种现象称为材料的屈服。s点对应的应力称为屈服强度，用符号Re表示，即式中：Fe

——试样发生屈服现象时所承受的最大外力（N）；

S0

——试样的初始截面积（mm2）。10图1-2低碳钢的应力—应变曲线由于许多工程材料没有明显的屈服现象（如高碳钢、铸铁等），测定很困难，因此规定用试样标距长度产生0.2%塑性变形时的应力值作为该材料的屈服强度，用符号Rp0.2表示，即式中：F0.2

——试样标距长度产生0.2%塑性变形时所承受的外力（N）；

S0

——试样的初始截面积（mm2）。11提示机械零件在使用时，一般不允许发生塑性变形，所以屈服强度是大多数机械零件设计时选材的主要依据，也是评定金属材料承载能力的重要力学性能指标。122抗拉强度在低碳钢的应力—应变曲线上，b点的拉力是试样在拉断前所承受的最大载荷，其所对应的应力Rm称为抗拉强度，即式中：Fb——试样断裂前承受的最大拉力（N）；

S0

——试样的初始截面积（mm2）。13屈服强度与抗拉强度的比值称为屈强比。屈强比小，工程构件的可靠性高，即使外载或某些意外因素使金属变形，也不会导致其立即断裂。但屈强比过小，则材料强度的有效利用率便太低。1.1.3塑性材料在外力作用下，产生永久残余变形而不断裂的能力称为塑性。塑性指标也主要是通过拉伸试验测得的。工程上常用延伸率和断面收缩率作为材料的塑性指标。141延伸率试样在拉断后的相对伸长量称为延伸率，用符号A表示，即式中：L0

——试样原始标距长度（mm）；

L1——试样拉断后的标距长度（mm）。同一材料用不同长度的试样所测得的延伸率A数值是不同的，用长度为直径5倍的试样测得的延伸率用A5表示，用长度为直径10倍的试样测得的延伸率用A10表示。A10常写成A，但A5不能将下角标的5省去，一般A5>A10。152断面收缩率试样被拉断后横截面积的相对收缩量称为断面收缩率，用符号Z表示，即式中：S0

——试样原始的横截面积（mm2）；

S1——试样拉断处的横截面积（mm2）。延伸率和断面收缩率的值越大，表示材料的塑性越好。塑性对材料进行冷塑性变形有重要意义。此外，工件的偶然过载，可因塑性变形而防止突然断裂；工件的应力集中处，也可因塑性变形使应力松弛，从而使工件不至于过早断裂。这就是大多数机械零件除要求一定强度指标外，还要求一定塑性指标的原因。163、硬度HB－3000布氏硬度计布氏硬度试验原理图——材料抵抗硬物体压入其表面的能力或材料抵抗局部变形的能力适用范围：HBS＜450（钢球）

HBW450～650（硬质合金）退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属等特点：被测面积大，精度高；不适于太薄、太硬物体。布氏硬度（HBS）材料的力学性能（机械性能）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；

（表1-1）HRB

有色金属和退火、正火钢等；

HRC

调质钢、淬火钢等。特点：

简单、迅速、适用范围广（软硬材料均适用）；洛氏硬度（HR）材料的力学性能（机械性能）洛氏硬度根据压头的材料及压头所加的负荷不同又可分为HRA，HRB，HRC三种，其试验规范如表1-1所示。洛氏硬度操作简便、迅速、压痕小，硬度值可直接从试验机表盘上读出，所以得到了广泛的应用，三种洛氏硬度中以HRC应用最多。但洛氏硬度由于压痕小，所以其硬度值的代表性较差。表1-1洛氏硬度试验规范标度压头预载荷/N总载荷/N适用范围适用的材料HRA120°的金刚石圆锥98.0760×9.80720～88HRA硬质合金、表面淬火钢等HRBφ1.588mm的淬火钢球98.07100×9.80720～100HRB软钢、退火钢、铜合金等HRC120°的金刚石圆锥98.07150×9.80720～70HRC淬火钢等19适用范围：

表面硬化层金属镀层薄片金属特点：压痕浅、适用范围广；显微硬度(HV)适用范围：

金相显微组织中相特点：载荷小、压痕极小维氏硬度(HV)材料的力学性能（机械性能）布氏硬度测试示意

洛氏硬度测试维氏硬度测试原理示意1.1.5韧性材料的韧性是其断裂时所需能量的度量，描述材料韧性的指标通常有冲击韧性和断裂韧性。1冲击韧性冲击韧性是在冲击载荷作用下，材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力，通常用符号表示。22——材料抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力冲击功：冲击韧性：（单位面积冲击功）材料的力学性能（机械性能）冲击韧性冲击试验2断裂韧性在实际生产中，有的大型传动零件、高压容器、船舶、桥梁等，常在其工作应力远低于Re的情况下，突然发生低应力脆断。通过大量研究证明，这种破坏与零件本身存在裂纹和裂纹扩展有关。实际使用的材料，不可避免地存在一定的冶金和加工缺陷，如气孔、夹杂物、机械缺陷等，它们破坏了材料的连续性，实际上成为材料内部的微裂纹。在服役过程中，裂纹扩展的结果，便是造成零件在较低应力状态下（即低于材料的屈服强度，而材料本身的塑性和冲击韧性又不低于传统的经验值的情况下）发生低应力脆断。25材料中存在的微裂纹，在外加应力的作用下，裂纹尖端处存在有较大的应力场。断裂力学分析指出，这一应力场的强弱程度可用应力强度因子来描述。值的大小与裂纹尺寸和外加应力的关系为：式中：Y——与裂纹形状、加载方式及试样几何尺寸有关的系数，一般Y=1~2；

R——外加应力（MPa）；

a——裂纹的半长（m）。由上式可知，随应力的增大，也随之增大，当增大到一定值时，就可使裂纹前端某一区域内的内应力大到足以使裂纹失去稳定而迅速扩展，发生脆断。这个的临界值称为临界应力强度因子或断裂韧性，用符号表示。它反映了材料抵抗裂纹扩展和抗脆断的能力。材料的断裂韧性与裂纹的形状、大小无关，也和外加应力无关，只决定于材料本身的特性（如成分、热处理条件、加工工艺等），是一个反映材料性能的常数。可通过试验来测定。26材料的断口类型韧性韧性材料的力学性能（机械性能）脆性脆性1.1.6疲劳强度许多零件和制品，经常受到大小及方向变化的交变载荷，在这种载荷的反复作用下，材料常在远低于其屈服强度的应力下突然发生断裂，这种现象称为疲劳（疲劳断裂）。疲劳强度是用来表示材料抵抗交变应力的能力，常用Sr表示，其下角标r称为应力循环对称因素，即式中：Smin——交变循环应力中的最小应力值（MPa）；

Smax——交变循环应力中的最大应力值（MPa）。对于对称循环交变应力，

，这种情况下材料的疲劳代号为S-1

。28材料所受交变应力S与其断裂前所经受的循环次数N之间的曲线称为疲劳曲线或S—N曲线，如图1-7所示。对于一般具有应变时效的金属材料，如碳钢、合金结构钢、球铁等，当循环应力水平降低到某一临界值时，低应力段变成水平线段，表示试样可以经无限次应力循环也不发生疲劳断裂，将对应的应力称为疲劳极限，用符号S-1表示。实际生产中通常将材料在规定次数（一般钢铁材料取107次，有色金属及其合金取108次）的交变载荷作用下，而不至引起断裂的最大应力称为疲劳极限。图1-7疲劳曲线（S—N曲线）疲劳断裂的原因一般认为是由于材料表面与内部含有缺陷（夹杂、划痕、尖角等），造成局部应力集中，形成微裂纹。这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，使零件的有效承载面积逐渐减小，以至于最后承受不起所加载荷而突然断裂。通过合理选材，改善材料的结构形状，避免应力集中，减少材料和零件的缺陷，降低零件表面粗糙度，对表面进行强化如表面淬火、喷丸处理、表面滚压等，可以提高材料的疲劳抗力。29物理性能BECDA导电性能折射、反射、吸收光及声学性能密度、熔点磁性热效应及导热性能1、物理性能二、材料的物理性能和化学性能材料的腐蚀:材料受环境介质的化学、电化学作用而引起的变质或破环现象，分为化学腐蚀和电化学腐蚀。催化性质：能够加速化学反应，且在反应前后材料自身不被消耗。其它化学性能：抗氧化性、抗渗入性、高分子材料的老化等2、化学性能材料的物理性能和化学性能车、钳、铣、刨、磨材料的切削铸造、拉拔、挤压、锻造、冲压材料的成型合金化、热处理材料的改性焊接、粘接材料的联接材料加工1.3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精密铸件灰铁铸件——流动性、收缩性及偏析倾向材料的工艺性能

可锻性能——受外力锻打变形而不破坏自身完整性的能力万吨级水压机模锻的飞机大梁、火箭捆挷环材料的工艺性能

焊接性能“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——一般指材料是否适宜通常的焊接方法与工艺的性能材料的工艺性能

切削加工性能常用切削方法——用切削刀具进行加工时所表现出来的性能材料的工艺性能项目2金属的结构与结晶

纯金属的结晶纯金属的晶体结构二元合金相图学习目标与技能要求1.掌握晶体的晶格、晶胞、晶格常数、晶界等概念的含义。2.掌握纯金属的晶体结构、同素异构转变等内客，深入、微观地认识金属的本质。3.掌握晶体缺陷的种类、特征及对晶体结构和性能的影响。4.掌握合金的相结构，了解固溶体和金属化合物在合金组织中的作用。5.了解结晶基本过程及晶粒大小的控制。6.掌握二元合金相图的建立、物理意义。7.掌握均晶相图、杠杆定律、枝晶偏析、共晶相图、共析相图以及典型合金的结晶过程。8.掌握合金性能与相图的关系。38案例导入物质是由原子构成的。根据原子在物质内部排列方式不同，可将固态物质分为晶体和非晶体两大类。纯金属和合金在固态下通常都是晶体。金属是由原子组成的，原子堆而成的不仅仅是金属的“外表”，更像人类的基因组一样决定了金属的“性格”差异。活性炭、石墨和全刚石都是由碳元素构成的，可谓“一奶同胞”。但三者所表现出的宏观性能却截然不同，主要原因就在子它们内部的碳原子排列方式不同。金刚石，不导电，但硬度极高，能做割玻璃刀；石墨，能导电，但硬度低，还有润滑作用等；活性炭和木炭一样具有疏松多孔的结构，有吸附作用。39材料晶体——原子排列长程有序，有周期非晶体——原子排列短程有序，无周期ZnS型石英玻璃(非晶体)石英晶体(晶体)熔点一定性能呈各向异性

§2.1纯金属的晶体结构

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＝cα＝β＝γ＝90℃晶体晶格（空间点阵）晶胞一、晶体的描述纯金属的晶体结构结点晶面、晶面指数、晶面族:致密度：晶向、晶向指数、晶向族:配位数：纯金属的晶体结构有关晶格的基本概念二、金属中常见的晶格类型体心立方晶格

（bcc）面心立方晶格

（fcc）密排六方晶格

（hcp）纯金属的晶体结构金属中常见晶格类型的基本参数晶格类型体心立方（bcc）面心立方（fcc）密排六方（hcp）晶胞结构晶胞常数晶胞内原子数原子半径致密度配位数典型金属a＝b＝c

α＝β＝γ＝90℃a＝b＝c

α＝β＝γ＝90℃

a＝bc/a＝1.633

α＝β＝90℃γ＝120℃0.680.740.7481212α-Fe、Mo、W、V、Cr、β-Tiγ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、AgMg、Cd、Zn、Be、Ca、α-Ti三、晶体的各向异性晶面{100}{110}{111}bccfcc晶向<100><110><111>bccfcc纯金属的晶体结构结论：同一晶格内不同晶面（晶向)上原子分布不同不同晶格类型、同一名称晶面（晶向）上原子分布不同每一晶面（晶向）对应一晶面族（晶向族），其面间距（原子排列紧密程度）不同∴单晶体具有各向异性单晶Fe的弹性模量：E＜111＞=290000MN/m2E＜100＞=135000MN/m2E

=210000MN/m2

Fe的弹性模量：纯金属的晶体结构晶体缺陷的概念晶体缺陷的产生单晶体和多晶体实际金属结构及晶体缺陷单晶体多晶体实际金属材料是由许多粒状单晶体组成的——晶粒晶粒大小（d：平均直径）——晶粒尺寸每一晶粒内部晶格位相基本一致每个晶粒有许多亚晶粒组成实际金属性能是各晶粒性能平均值（各向同性）晶体缺陷的分类点缺陷空位及间隙原子置换原子特征：①本身尺寸很小，但晶格畸变可波及很远②空位和间隙原子均处于不断的运动和变化之中线缺陷（位错）刃型位错螺型位错电子显微镜下观察到的位错线（50,000X）特征：①在位错线方向尺寸大②位错线周围产生晶格畸变位错密度（ρ）：cm/cm3

一般金属中ρ=104～1012cm/cm3晶体缺陷的分类面缺陷——晶界、亚晶界亚晶界（位错墙模型）晶界特征：①属面接触②产生晶格畸变晶体缺陷的分类晶体缺陷对材料性能的影响使实际金属的强度远远小于理想金属晶界处位错密度高，使其局部强度、硬度提高对实际金属来说，晶体缺陷越多(尤其位错)，强度、硬度越高，塑性、韧性越低滑移的实质：位错在切应力作用下运动的结果晶体缺陷对塑性变形的影响……必须具有金属特性合金冶炼、烧结、喷涂…合金化方法组成合金最基本的独立物质组元给定组元配制出的一系列合金合金系合金中具有相同成分、结构、聚集状态，并以界面相互隔开的均匀的组成部分合金相（相）金相显微组织金相磨面在显微镜下观察到的构造情况

§2.2合金的晶体结构有关合金的基本概念

①总是以一种金属元素为溶剂，另一种或多种元素为溶质

②保有溶剂的晶格结构

③成分可在一定范围内变化，性能随成分的变化而变化④产生晶格畸变特征

合金组元在固态能相互溶解所形成的一种均匀的相概念合金的相结构1、固溶体固溶体的分类：置换固溶体间隙固溶体

影响固溶体类型、溶解度的因素

晶格类型

原子尺寸

电化学性（电负性）

电子浓度（价电子数与原子数的比值）固溶体的形成对金属性能的影响

固溶强化：关于固溶强化概念：

合金组元之间通过化合作用所形成的一种相对稳定的相分类：

金属化合物——具有金属性质，直接对合金性能产生影响非金属化合物——脆性大，一般为杂质

特征：

①可以用化学式（AmBn）表示，但不一定遵守化合价规律正常价化合物：Mg2Si

Mg2Pb电子价化合物：CuZn

Cu5Zn8

CuZn3间隙化合物：WC

VC

Fe3C

Cr23C6

Fe3C2、化合物VC合金的相结构

②一定程度上具有金属的性质

③晶格结构完全不同于任一组元

④熔点高、硬而脆特征：

①可以用化学式（AmBn）表示，但不一定遵守化合价规律对合金性能的影响：

弥散分布片状分布网状分布σ、H有一定的δ(ψ)、akH

σ、δ(ψ)、akσ、H

δ(ψ)、ak弥散强化2、化合物凝固的概念:

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

§2.2纯金属的结晶当T=T0

时，FL=FS，两相平衡当T>T0

时，FL<FS，液相稳定当T<T0

时，FL>FS，固相稳定过冷度：

T=T0-Tn结晶的必要条件：

必须有过冷度！影响过冷度的因素实际结晶温度Tn：

V冷Tn

T

纯度Tn

T

§2.2纯金属的结晶晶体液体结晶条件适宜

T长大

晶核晶粒结晶的一般过程晶胚

枝晶长大（实际金属）平面长大（小体积液体）晶体生长方式树枝状晶体形貌形核率（N）长大速度（G）孕育期（τ）——金属液体达到结晶温度后实际结晶前需要等待的时间N、G越大，结晶越快结晶温度越低，

T

越大，

τ

越短与结晶有关的概念晶粒度的概念晶粒大小对性能的影响——表示晶粒大小程度的物理量评定标准：100×与标准图比较（…，-1，0，）1

～

8

（9，10，…）d（晶粒度）晶界多，强度硬度晶粒多，塑性韧性细晶强化结晶后晶粒的大小细晶强化增加过冷度进行变质处理（孕育处理）增加液体的流动结晶时细化晶粒的方法采用冷却能力强的铸模提高液体金属的过冷能力增加形核率降低长大速度增压浇注机械搅拌超声波振动1——表面细晶粒层（激冷层）2——柱状晶粒层3——中心等轴晶粒——成分、温度、压力——用图解的方法表示合金的状态（相）与成分、温度之间的关系——结晶或相变过程中，各相成分及相对重量不再改变时所达到的一种动态平衡

§2.3二元合金相图平衡相图有关相图的基本概念相平衡相图（状态图）影响合金中组织形态的因素建立合金系测定冷却曲线，找出相变临界点将各相变点对应在成分—温度坐标图上，并连接具有相同意义的点相图的建立（热分析法）相图的建立过程——用图解的方法表示合金的状态（相）与成分、温度之间的关系相图（状态图）相图的建立过程相图的建立（热分析法）建立合金系测量合金的冷却曲线连接临界点匀晶相图相图分析特点合金的结晶过程(绘制冷却曲线)实例：Cu-Ni,Fe-Cr,Ag-Au,Cr-Mo,W-Mo——L、α两相均能无限互溶ABLαL+α132

T/℃液相线固相线k典型二元合金相图匀晶相图的结晶过程CuNi确定合金冷却过程中L、α的成分杠杆定律——确定L、α的相对重量ABLα13223444液相成分沿液相线变化固相成分沿固相线变化典型二元合金相图设：m=1晶内偏析典型二元合金相图ABLα13223444消除方法：扩散退火平衡结晶的匀晶合金组织Cu-30%Ni合金的非平衡结晶组织

共晶相图特点共晶反应共晶体——液相无限互溶、固相有限互溶；E点发生共晶反应BCDFEALαGPbSnβα+βL+αL+β温度wSn（%）α

：以Pb为溶剂、Sn为溶质的固溶体β：以Sn为溶剂、Pb为溶质的固溶体典型二元合金相图恒温

共晶相图相图分析BCDFEALαGPbSnβα+βL+αL+β温度wSn（%）典型二元合金相图

共析相图特点共析反应相图分析共析体——

d

点发生共析反应典型二元合金相图恒温包晶相图特点包晶反应相图分析——

D点发生包晶反应典型二元合金相图Al-Zn73合金组织恒温典型二元合金相图形成稳定化合物二元合金的相图使用性能与相图的关系典型二元合金相图合金性能与相图的关系工艺性能与相图的关系典型二元合金相图合金性能与相图的关系项目3铁碳合金相图

铁碳合金相图分析铁碳合金相和组织组成纯铁及其同素异构转变学习目标与技能要求1．掌握Fe-Fe3C相图，理解相图中各点、线、区的意义，利用相图进行典型合金的结晶过程分析。2．掌握典型铁碳合金的平衡结晶过程和组织特点。3．掌握铁碳合金成分、组织、性能三者之间的关系，掌握铁碳相图的应用。金属的多晶型性（同素异构现象）多晶型转变（同素异构转变）纯铁的同素异构转变1394℃912℃δ-Fe

γ-Fe α-Febccfccbcc符合形核、长大的结晶规律固态金属在不同的温度和压力范围内，具有二种或二种以上晶格结构的现象转变过程恒温、可逆

§1

纯铁及其同素异构转变纯铁的同素异构转变

纯铁的成分及性能纯铁（工业纯铁）：含杂质0.10%～0.20%性能及组织：

σb=180～230MPa

σ0.2=100～170MPa

δ=30%～50%

ψ=70%～80%

Ak=128～160J

HBS=50～80铁素体（F或α）：碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体

晶格结构：bcc

最大溶解度：0.02%（727℃）

性能组织：

σb=180～230MPa

σ0.2=100～170MPa

HBS=50～80

δ=30%～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℃）

§2铁碳合金的相和组织组成奥氏体（A或γ）：碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体晶格结构：fcc

最大溶解度：2.11%（1148℃）（高温组织）

性能组织：

σb≈400MPa

HBS=170～220

δ=40%～50%

高塑性、无磁

渗碳体（Fe3C）：Fe与C所形成的金属化合物晶格结构：复杂正交性能：σb≈30MPa

HBS=800

δ≈0

ψ≈0

硬而脆（耐磨性好）亚稳定：Fe3C

3Fe+C（石墨）

合金渗碳体：(Fe、Me)3C Fe3(C、N)或Fe3(C、B)

石墨碳晶格结构：简单六方性能:

加工性能机械性能高温

珠光体（P）F与Fe3C所形成的机械混合物（平均含碳量：0.77%）性能组织：

σb≈750MPa

HBS=180

δ≈20%～25%

ak=30～40J/cm2

综合性能莱氏体（）A与Fe3C所形成的机械混合物（平均含碳量：4.3%）性能组织：硬而脆ABCDFENGPSKQJHA(γ)LF(α)δFe-Fe3C亚稳平衡相图T(℃)wC（%）FeFe3C

4+2个单相区

7个双相区相区6.69%

§3铁碳合金相图分析ABCDFENGPSKQJH1148℃727℃1495℃ALFδwC（%）FeFe3CH：0.09%1495℃J：0.17%1495℃B：0.53%1495℃2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%0.0008%包晶反应(0.09～0.53)共晶反应(2.11～6.69)共析反应(0.02～6.69)基本转变铁碳合金相图分析ABCDFENGPSKQJH1148℃727℃1495℃ALFδwC（%）FeFe3C1538℃1227℃912℃2.11%6.69%0.02%0.0008%1394℃A—

Fe熔点D

—Fe3C熔点N—同素异构转变点G

—同素异构转变点H—

c在δ

最大溶解度点E

—

c在A

最大溶解度点P

—

c在F

最大溶解度点Q

—

c在F

中室温溶解度点铁碳合金相图分析J包晶点C共晶点S共析点重要点ABCDFENGPSKQJH1148℃727℃1495℃ALFδwC（%）FeFe3C132一次渗碳体Fe3CⅠABCDAHJECFCD液相线的一部分1148℃固相线液相线T铁碳合金相图分析HJB包晶线ECD共晶线PSK共析线重要线ABCDFENGPSKQJH1148℃727℃1495℃ALFδwC（%）FeFe3CA3AcmGS（A3）F和A两相平衡线Fe3C和A两相平衡线C

在A

溶解度曲线1148℃，AE

=A2.11TAX+Fe3C727℃AS=A0.77二次渗碳体Fe3CⅡ铁碳合金相图分析重要线ES（Acm）PSK（A1）A1ABCDFENGPSKQJH1148℃727℃1495℃ALFδwC（%）FeFe3CA3Acm？

Fe3CⅠ、Fe3CⅡ、

Fe3CⅢ

有何异同Fe3C和F两相平衡线C在F

溶解度曲线727℃，FP

=F0.0218TFX+Fe3C室温℃FQ=F0.0008三次渗碳体Fe3CⅢPQ铁碳合金相图分析重要线A1ABCDFENGPSKQJH1148℃727℃ALFδwC（%）FeFe3CA3AcmA1ECF共晶线TAX+Fe3CⅡA0.77+Fe3CⅡ727℃+Fe3CⅡ铁碳合金相图分析重要线2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%工业纯铁共析钢亚共析钢过共析钢亚共晶白口铁过共晶白口铁共晶白口铁钢铸铁ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%铁碳合金分类共析钢[wc=0.77%]ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%1320铁碳合金的结晶过程分析共析钢[wc=0.77%]室温平衡组织:100%P（F和Fe3C）组成相的质量分数为：铁碳合金的结晶过程分析ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%亚共析钢[0.0218%<wc<0.77%]13204铁碳合金的结晶过程分析0.20%C组成相的质量分数为：室温平衡组织:F+P，其相对量为：0.40%C亚共析钢[0.0218%<wc<0.77%]铁碳合金的结晶过程分析ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%1320过共析钢[0.077%<wc<2.11%]4铁碳合金的结晶过程分析硝酸酒精侵蚀苦味酸侵蚀室温平衡组织:P+Fe3CⅡ

，其相对量为：过共析钢[0.077%<wc<2.11%]铁碳合金的结晶过程分析ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%120共晶白口铁[wc=4.3%]铁碳合金的结晶过程分析共晶白口铁[wc=4.3%]室温平衡组织:100%铁碳合金的结晶过程分析ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%130亚共晶白口铁[2.11%<wc<4.3%]24铁碳合金的结晶过程分析亚共晶白口铁[2.11%<wc<4.3%]室温平衡组织:P+Fe3CⅡ+铁碳合金的结晶过程分析ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%13024过共晶白口铁[4.3%<wc<6.69%]铁碳合金的结晶过程分析过共晶白口铁[4.3%<wc<6.69%]室温平衡组织:

+Fe3C铁碳合金的结晶过程分析ABCDFENGPSKQJHALFδFeFe3C铁碳合金平衡组织含碳量对铁碳合金组织和性能的影响相组成物相对量组织组成物相对量项目碳钢

亚共析钢共析钢过共析钢含碳量0.02%

0.77%

2.11%各种组织的相对量工艺性能力学性能应用结构用钢工具用钢切削性能焊接性能铸造性能锻造性能强度塑性硬度韧性钢的成分、组织与性能之间的关系含碳量对钢的力学性能的影响Wc(%)

H

δ（ψ）ak

Wc(%)＜1.0

σ

Wc(%)＞1.0

σ

铁碳相图的应用在选材方面的应用在铸造方面的应用在锻轧方面的应用在焊接方面的应用在热处理方面的应用ABCDFENGPSKQJHALFδFeFe3C项目4

钢的热处理钢在冷却时的组织转变钢在加热时的组织转变钢的普通热处理

钢的表面热处理学习目标与技能要求1．熟悉钢的热处理的实质、目的和作用；2．掌握钢在热处理加热和冷却时的组织转变规律；3．掌握正火、退火、淬火和回火的特点、工艺要点和应用；4．掌握表面热处理和化学热处理的原理、工艺、特点和应用；5．了解热处理新技术、金属的表面防护与装饰知识；6．初步掌握整体热处理正火、退火、淬火和回火的基本工艺操作方法。案例导入热处理是一种改善钢材使用性能和工艺性能的重要工艺，通过恰当的热处理，可充分挖掘材料的潜力，提高产品质量，延长使用寿命。例如，只有通过热处理，锉刀才能更好地锉削工件；车刀才能更好地切削工件；火车的轮子才能更耐磨而不变形；火星探测器上用形状记忆合金制成的天线才能在进入轨道后打开等等，所以在工业制造、医药、通信、国防乃至航天航空领域，热处理都有着极其重要的作用。热处理能够改善材料性能，充分发挥材料性能的潜力，延长零件使用寿命，提高产品质量，在机械制造工业中占有十分重要的地位。钢的热处理原理定义：目的及重要性：

改善材料的组织结构；提高性能；提高寿命；减低成本

分类：

普通热处理（四火：退火、正火、淬火、回火）表面热处理（表面淬火、化学热处理）t(h)加热冷却热处理工艺曲线T(℃)保温

V加t

V冷T加固态金属材料（钢）加热冷却有规律地改变材料内部的组织保温蘸火热处理的四大要素APA1ETT1T2△E1△E2Ar1Ar3ArcmAC1AC3AccmA1A3AcmSP和A的自由能曲线平衡相变临界点：A1

、A3、Acm加热相变临界点：Ac1、Ac3、Accm冷却相变临界点：Ar1

、Ar3、Arcm4.1钢在加热时的转变一、相变的热滞现象二、奥氏体的形成（奥氏体化过程）完全奥氏体化不完全奥氏体化加热的目的：使钢奥氏体化，为随后冷却转变作准备奥氏体化分类：§1钢在加热时的转变A共析钢的奥氏体化（P

A）奥氏体晶核的形成奥氏体晶粒的长大残余渗碳体的溶解奥氏体成分的均匀化T加Cγ-αCγ-kdcA亚共析钢和过共析钢的奥氏体化先进行：P

A然后：先析出相

A亚共析钢过共析钢A影响奥氏体转变过程的因素加热温度和加热速度含碳量原始组织匀细合金元素

T2

T1△T1△T2奥氏体化加速T加奥氏体化加速奥氏体化加速碳化物形成元素非碳化物形成元素Co、Ni奥氏体化变慢奥氏体化加速奥氏体化加速

三、奥氏体晶粒的长大及控制奥氏体晶粒度的概念起始晶粒度实际晶粒度本质晶粒度1～4本质细晶粒钢本质粗晶粒钢5～8影响奥氏体晶粒度的因素（控制奥氏体晶粒大小的措施）TA、tA成分原始组织新工艺（如：形变热处理）C：两方面的影响Me：除Mn、P，均阻碍A长大Al、Ti、Zr、V、W、Mo、Cr、Si、Ni、Cu强弱基本概念：过冷奥氏体奥氏体的冷却转变目的及重要性获得所需要的组织和性能§4.2钢在冷却时的转变F＋AA＋Fe3CⅡA转变类型按转变温度高温转变中温转变低温转变按转变产物珠光体转变贝氏体转变马氏体转变按冷却方式等温转变连续转变

珠光体转变(高温转变)温度范围：A1～550(Ar1～550℃)转变特征：扩散型转变转变过程（A

P）富碳区贫碳区一、过冷奥氏体等温转变（共析钢）珠光体转变

珠光体转变（高温转变）转变产物：P组织名称形成温度（℃）片层间距（μm）片层形态可见倍数（×）HBS性能珠光体P（粗P）A1～650＞0.4较厚、平直、连续500170～250强、硬塑、韧索氏体S

650～6000.4～0.2～800～1000250～300综合性能屈氏体T（托氏体）600～550﹤0.2极薄、断续、弯曲2000～5000300～450强、硬塑、韧问题：P、S、T有何异同？珠光体：片层状F和Fe3C的机械混合物珠光体转变S

8000×T

8000×P

3800×

贝氏体转变（中温转变）温度范围：550～230℃（Ms）转变特征：半扩散型转变转变过程：分步进行

首先：

A

F

然后：C从F中析出切变fcc

bcc

贝氏体转变

贝氏体转变（中温转变）

转变产物：B

550～350℃B上

350～230℃B下ε贝氏体：F和碳化物的机械混合物组织名称形成温度（℃）显微组织特征硬度（HRC）性能B上

350~550铁素体呈平行扁平状，细小渗碳体条断续分布在铁素体之间，在光学显微镜下呈暗灰色羽毛状特征。40~45综合性能差（强、塑、韧）B下230~350铁素体呈针叶状，细小碳化物呈点状分布在铁素体中，在光学显微镜下呈黑色针叶状特征。45~55韧性好、综合性能好贝氏体转变上贝氏体500×下贝氏体500×

马氏体转变（低温转变）温度范围：

230～-50℃（Ms～Mf）转变特征：非扩散型转变转变过程：转变产物：M

快速共格切变

50m/s

bcc0.77%C

fcc0.77%CAM马氏体转变马氏体：碳溶于α-Fe中所形成的过饱和间隙固溶体M的形貌板条状M片状M（针叶状）M条M束M片

M形貌与含碳量的关系Wc（%）＜0.30.3～1.0＞1.0M形态板条状混合M片状材料：40Cr（800X）

工艺情况：淬火、回火

浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀

组织说明：板条马氏体及针状马氏体，为典型中碳马氏体[×500

正常淬火组织：隐晶马氏体高速钢隐晶M混合M产生体积膨胀（浮凸现象）产生组织应力在Ms～Mf之间进行不能进行到底产生残余奥氏体（Ar、AR、A′）M的组织特征M转变终止温度M转变开始温度结论：Wc

Ms～Mf

，A′

bccMM形态与碳质量分数的关系A中碳质量分数对残余A的影响硬度：与wc（%）有关板条状M：强度高、有一定的塑性和韧性片状M：硬而脆M的性能

正常加热淬火：Wc

HM

;

Wc＞0.6%后，HM基本不变M的硬度与的含碳量的关系a线：在Accm以上加热淬火C线：纯Mb线：正常加热淬火过冷奥氏体转变产物与转变温度的关系A1BsMsMf先析出相粗PSTB上B上M+Ar等温冷却曲线（TTT)二、过冷奥氏体转变曲线——描述过冷奥氏体在冷却转变过程中转变温度（T）、转变时间（t）、转变产物之间关系的曲线图连续转变曲线（CCT）

TTT曲线的建立

（以金相硬度法为例）制成金相试样并奥氏体化分组快冷至A1以下不同温度保温每隔一定时间取出一试样水淬观察显微组织（辅以硬度测定）确定相变点连接具有相同意义的点1、过冷奥氏体等温转变曲线（TTT）C曲线C曲线分析关于孕育期（τ）共析钢TTT（C）曲线简介T＞550℃，T＜550℃Dc，△T为主导因素∴T

τ∴T

τ△T，Dc为主导因素M+ArA→B共析钢TTT（C）曲线简介A→SA→PA→TA→B上A→B下A→MPSTB上B下M+Ar5～25HRC25～35HRC35～40HRC40～50HRC50～60HRC60～65HRC含碳量的影响合金元素的影响加热条件的影响影响TTT（C）曲线的因素合金元素的影响

v=v1：炉冷(5.5℃/s)a1

—开始点，b1

—终了点转变温度区间：△T1

转变产物:Pv=v2：空冷(20℃/s)

a2

—开始点，b2

—终了点转变温度区间：△T2

转变产物:S

v=v3：油冷(33℃/s)

a3—开始点，a3′—无意义，转变分段进行，转变产物—T+M+

A′v=v4：水冷(≥138℃/s)Ms以前不分解，转变产物—

M+

A′△T1v1v2vcv3v4a1b1a3b2a2a3′△T2vc：淬火临界冷却速度（M临界冷却速度）

——获得100%

M

的最小冷却速度用过冷奥氏体等温转变曲线分析钢的连续转变过程

CCT曲线的建立

CCT曲线的分析与C曲线比较CCT曲线的应用2、过冷奥氏体连续转变曲线（CCT曲线）

vk：与vc相当，淬火临界冷却速度，

获得100%

M

的最小冷却速度；

一般

vk≤vc钢的CCT曲线APBFMMSA1A30.30%C

930℃

30minAPBFMMSA1A316Mn

900℃

5minAPBFMMSA1A340Cr

850℃

10minAPMMSA1Acm0.90%C

930℃

30min4.3钢的退火和正火一、退火定义：

加热随炉冷却P钢临界温度以上或以下分类：

完全退火（等温退火）球化退火去应力退火（低温退火）扩散退火（均匀化退火）再结晶退火适用范围：亚共析钢（铸、锻、焊件）加热温度：AC3+30～50℃AC3+30～50℃完全退火AC3+30～50℃炉冷AC3500℃，空冷完全退火工艺曲线退火后组织：P+F中碳钢：珠光体+铁素体完全退火目的：降低硬度，改善切削加工性能（Wc：0.5%～0.77%）细化晶粒消除应力均匀成份、组织提高塑性完全退火等温退火——完全退火的特例优点:

退火时间短，组织均匀高速钢的退火工艺曲线适用范围：共析钢、过共析钢加热温度：目的：使片状Fe3CⅡ球化Ar1-20℃炉冷AC1500℃，空冷AC1+20～30℃AC1+20～30℃H便于切削加工使塑性达到最佳为淬火、回火做准备球化退火AC1+20～30℃球状珠光体Fe3C的球化过程退火后组织：球状P（粒状P）

球化退火加热温度：目的：消除工件残余应力，稳定工件的尺寸；软化处理；扩散退火去应力退火再结晶退火T加热＜AC1T加热=AC3＋150～250℃T加热＞T再结晶去应力退火（低温退火）均匀化退火（扩散退火）再结晶退火加热温度：目的：消除偏析，均匀成份、组织；加热温度：目的：消除加工硬化，提高塑性；二、正火加热空冷S钢临界温度以上定义：加热温度：亚共析钢：Ac3+30～50℃共析钢及过共析钢：Accm+30～50℃AC3

(ACCM)+30～50℃空冷AC3或ACCM正火工艺曲线二、正火S具有与退火相同的目的；消除应力、细化晶粒、改善组织，提高钢的综合性能对于中低碳钢，可适当提高硬度，改善其切削加工性能；对于过共析钢，可消除网状Fe3CⅡ，为球化退火做准备；作为普通结构件的最终热处理。正火后组织：目的：加热温度

？组织和性能对切削加工的影响热处理缺陷经济问题为什么亚共析钢不在两相区加热？为什么过共析钢退火不能在Accm以上，但正火可以？三、退火与正火比较

定义：加热快冷（v＞vk）B区等温MB钢临界温度（Ac3或Ac1）以上§4.4钢的淬火目的：工艺特点：获得M，以提高钢的硬度和耐磨性；经回火后可获得理想的性能；获得B，以提高钢的综合性能。冷却速度快，热应力和组织转变应力大，工件易变形和开裂；淬火（+回火）一般是最终热处理，是决定产品质量的关键工序。

[下贝氏体][板条状马氏体][针状马氏体]淬火后组织：

淬火工艺参数的选择亚共析钢：AC3+30～50℃（完全淬火）共析钢及过共析钢：AC1

+30～50℃（不完全淬火）淬火加热温度1.加热温度为什么亚共析钢不在两相区加热？为什么过共析钢必须在两相区加热？如果T淬火＞Accm会有什么后果？？选择原则：①保证获得马氏体②防止工件变形开裂中碳钢：马氏体+铁素体（不完全淬火）中碳马氏体(完全淬火)

淬火工艺参数的选择奥氏体化程度对淬火组织的影响碳钢：尽可能快地加热合金钢淬火加热条件的选择

T淬火(AC+50～100℃)

需预热t800～600～T(℃)T淬火

淬火工艺参数的选择

2.保温时间t

=

αKDα—加热系数（电阻炉1-1.5min/mm）

K—装炉系数(1—1.5)

D—工件尺寸（mm）

3.加热速度CABD650℃400℃理想淬火冷却曲线

淬火工艺参数的选择4.冷却速度vkA→BA→M淬火介质水油盐水碱浴硝盐浴冷速650～550℃600℃/s快150℃/s太慢1000～1200℃/s比油快比油稍弱200～300℃270℃/s太快30℃/s慢300℃/s比油弱比油弱特点高温冷速快，可保证工件淬硬低温冷速快，工件易变形开裂冷却能力对水温敏感杂质使冷却能力下降低温冷速慢，工件不易变形、开裂高温冷速慢，工件易分解，淬不硬易老化、易燃油温增加，冷却能力增加（20～80℃）冷却能力强工件表面质量好，硬度均匀易变形开裂易腐蚀既能保证工件淬硬，又能使变形开列程度减少流动性好工作环境差用途碳钢合金钢小截面碳钢形状简单，截面尺寸大的碳钢小件、形状复杂、精度要求高的工件

淬火工艺参数的选择4.冷却速度——淬火介质①②④③心部表面T(℃)t⊿T

淬火工艺参数的选择4.冷却速度——淬火方法①单介质淬火：碳钢—水；合金钢—油优点：操作简单、成本低；缺点：淬火件质量较低、热应力大②双介质淬火：水—油；水—空气优点：能保证淬火件的质量要求缺点：操作难度大、热应力大③分级淬火：转变产物—M；优点：热应力小，工件不易变形；缺点：操作难度大④等温淬火：转变产物—B下；优点：综合性能及尺寸精度高、不需回火；缺点：工艺复杂、成本高加热淬火钢Ac1以下保温冷却室温§4.4钢的回火

定义：目的：松懈淬火应力，防止工件变形和开裂。使组织向稳态过度，保证工件尺寸和性能的稳定性。改善材料的塑性和韧性，获得所需要的性能。马氏体的分解残余奥氏体的分解碳化物的析出和变化α相（F）的回复和再结晶

回火时的组织转变及性能变化回火时的组织转变及性能变化回火阶段组织变化内应力体积性能回火后组织（一）＜200℃（二）200～300℃（三）300～400℃（四）＞400℃c/a»1c/a＞1c/a＞1c/a＝1εFe3CAr

B下或M回马氏体分解MH

不变或略δ、ψ、ak略含C过饱和α(针)+

ε

(点)

M回马氏体分解残余奥氏体分解

(略)σ、H

(略)脆性M回1马氏体分解碳化物聚集长大α相（F）的回复和再结晶消失Hδ、ak

＞M回σ、H

较高弹性最佳σs

最佳针状

F+颗粒状Fe3C

T回σ、Hδ、ψ、ak综合性能最佳等轴

F+颗粒状Fe3C

S回回火后钢的的组织回火托氏体回火索氏体

回火板条马氏体

回火片状马氏体马氏体回火后的性能：影响回火后性能的关键因素：回火温度[40Cr钢经不同温度回火后的机械性能](直径D=12mm,油淬)回火后的性能：工艺名称回火温度(℃

)回火后组织回火后硬度(HRC)性能特点用途低温回火150～250

M回58～64硬度耐磨性内应力降低工具钢、滚动轴承渗碳件、表面淬火件※调质处理＝淬火＋高温回火中温回火350～500T回35～50弹性σs

屈强比(σs/σs)一定韧性、抗疲劳性弹簧钢、热作模具高温回火500～600S回25～35综合性能重要结构件、机械零件回火工艺：合金钢的回火回火稳定性高回火温度相应升高合金碳化物弥散析出二次硬化残余奥氏体多需多次回火

回火脆性的概念

第一类回火脆性250～350℃（低温、不可逆）

产生范围：所有钢

防止措施：避免在该脆性区回火；钢中加少量Si；

第二类回火脆性

500～650℃

（高温、可逆）产生范围：部分合金结构钢（含Cr、Ni、Si、Mn）

防止措施：回火后快冷加少量Mo、W减少钢中杂质改变热处理工艺[形变热处理]回火脆性：小型工件：V表面＞V心部＞Vk

能淬透组织为100%M大型工件：V表面＞Vk＞V心部淬不透表面—M；心部—非M[大尺寸工件的淬透情况示意图][淬透性不同的钢调质后机械性能]钢的淬透性淬硬层深度（淬透层深度、有效淬硬尺寸）50%M表面心部淬硬层半马氏体层的硬度/HRC钢的淬透性

淬透性在规定条件下，决定钢的淬硬深度和硬度分布的特性（钢淬火时获得M的能力）一定条件下，

Vk

淬透性淬硬性（可硬性）

在理想条件下，钢淬火时所能达到的最高硬度

wc

淬硬性

vC(vk)钢的淬透性淬透性≠淬透性影响淬透性的因素合金元素的影响：除Co、Al，均使C

曲线右移淬透性碳的影响：亚共析钢，wc

C曲线右移淬透性过共析钢，wc

C曲线左移淬透性碳钢中共析钢淬透性最好加热条件的影响未溶第二相的影响合金元素对钢淬透性的影响※凡能使A稳定性增加的因素都能增加钢的淬透性

淬透性值的表示：半M区到水冷端距离半M区硬度如:

淬透性曲线的测定——末端淬火法（端淬试验）钢的淬透性临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却，中心被淬成半马氏体的最大直径，用D0（Dc）表示。D0与冷却介质有关，如45钢D0水=16mm，D0油=8mm只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比较

如：45钢D0