钢铁材料.ppt

1、钢铁 :是铁与C(碳)、Si(硅)、Mn(锰)、P(磷)、S(硫)以及 少量的其他元素所组成的合金。,根据含碳量的不同分为,钢（含碳量小于2.11%的铁碳合金）,铸铁（含碳量大于2.11%的铁碳合金）,低碳钢,高碳钢,中碳钢,：含碳量wc0.25%,：含碳量wc0.25%0.60%,：含碳量wc0.60%,低合金钢,高合金钢,钢铁材料的基本知识,钢铁材料的生产方式,炼钢,炼铁,钢材生产,钢材种类,型材：圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、槽钢、螺纹钢等,板材：中厚钢板、薄钢板、钢带和硅钢片,管材：无缝钢管和焊接钢管（又称有缝钢管）,线材：直径为69mm的圆钢和直径在10mm以下的螺纹钢,钢铁材料的

2、基本知识,金属材料在不同的使用场合下，所要求的力学性能、物理性能、化学性能以及工艺性能各不相同。虽然都是金属材料，不同成分和不同状态下的性能差异也非常大。造成金属材料性能差异的主要原因是由于金属材料内部结构的不同。,2.1 金属的晶体结构与结晶,非晶体中的质点，是杂乱无章地堆积在一起，无规则可循。,2.1.1 晶体结构及其特点,根据内部原子堆积的情况,固态物质分类,晶体：如纯铝、纯铁、纯铜等 非晶体：玻璃、沥青、松香、石蜡等,晶体中的原子或分子，在三维空间中是按照一定的几何规则作周期性地重复排列。,晶体和非晶体的根本区别,常用固态金属基本上都属于晶体，大部分非金属如氯化钠、天然金刚石、水晶等属

3、晶体；而常用的石蜡、松香、塑料、玻璃、橡胶等属非晶体。,原子（离子）的刚球模型, 晶体结构, 晶体结构,晶体具有规则的外形。 晶体具有固定的熔点。 晶体具有各向异性。,晶体的特点,晶格：表示晶体中原子排列形式的空间格子。晶胞：组成晶格的最小的几何单元称为晶胞。,晶格与晶胞 晶胞中原子排列的规律能完全代表整个晶格中原子排列的规律，人们研究金属的晶格结构，一般都是取出晶胞来研究的。,晶格参数： 晶胞的棱边长度a、b、c和棱边夹角、（轴间夹角）。晶格常数： 晶胞中各棱边的长度，以埃()为单位，1 =10-8cm。各棱边长度通常数值在2.55.0之间。简单立方晶格 a=b=c , = 各种金属元素的主

4、要差别就在于晶格类型和晶格参数的不同。,2.1.2 常见金属的晶格类型,体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格,面心立方晶格,体心立方晶格,密排六方晶格,1.常见晶格类型 1)体心立方晶格原子分布在立方体的各结点和中心处，其特点是金属原子占据着立方体的八个顶角和中心，如下图所示, 属于这一类的金属有铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)和-Fe(温度小于912纯铁)。这类金属有相当大的强度和较好的塑性。,2)面心立方晶格原子分布在立方体的各结点和各面的中心处。金属原子除占据立方体的八个顶角外，立方体的六个面的中心也各有一个金属原子。如下图所示 。属于这种晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)

5、、镍(Ni)、铅(Pb)和-Fe等（温度在1394912纯铁)。塑形优于体心,3)密排六方晶格原子分布在六方柱体的各个结点和上下底面中心处各有一个原子，还有上下两个六方面的中间有三个原子。属于这种晶格的金属有铍(Be)、镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)等。较脆,2.1.3 金属的实际晶体结构,单晶体,单晶体,多晶体,多晶体,在理想情况下，晶体内部的晶格位向是完全一致的，即晶体的原子是按一定几何规律做周期性排列而成，这种晶体称为单晶体 。,外形不规则，呈颗粒状的小晶体称为晶粒，每个晶粒相当于一个单晶体，其原子排列位向是一致的，而各个晶粒的晶格位向各不相同。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界，晶界上的

6、原子处于过渡的不规则状态，这些由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。,多晶体是由许多微小的单晶体构成的，这些单晶体称为晶粒。,晶粒与晶粒之间的交界区称为晶界。由于晶界上原子的排列是不同位向的晶粒的过渡状态，因而晶界上原子排列较不规则。实验证明，每一个晶粒内的晶格位向也并非完全一致，但这些位向相差很小，形成亚晶界。,在实际晶体中，由于某种原因，原子的规律排列受到干扰和破坏，使晶体中的某些原子偏离正常位置，造成原子排列的不完全性称为晶体缺陷。,（1）点缺陷：空位、间隙原子、异类原子 （2）线缺陷：位错 （3）面缺陷：晶界与亚晶界,晶体缺陷类型,晶体缺陷,晶格空位 置换原子 间隙原子,点缺陷,点缺陷是指长

7、、宽、高尺寸都很小的缺陷。,常见的点缺陷,点缺陷将会使金属材料产生物理、化学和力学 性能上的变化，如使材料的密度发生变化，电阻率 增大，强度、硬度提高等。,刃型位错（a） 螺形位错 （b）,线缺陷,线缺陷是指晶体内沿某一条线，附近原子的排列偏离了完整晶格所形成的线形缺陷区，即发生了“位错”。,常见的线缺陷,位错造成的晶格的线状畸变，极大地影响着金属材料的力学性能，对于金属材料的塑性变形、强度、疲劳、腐蚀等性能均有重要的影响,面缺陷,面缺陷是在两个方向的尺寸很大，第三个方向的尺寸很小而呈面状的缺陷，主要指晶界和亚晶界。,面缺陷对金属的塑性变形起着阻碍的作用，强度、硬度较晶粒高。因此金属内部的晶粒

8、越细小，晶界就越多，强度和硬度就越高。,2.1.4 金属的结晶,物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固。如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。从内部结构来看，结晶就是原子从不规则的排列（液态）过渡到按照一定的几何形状作有秩序排列（固态）的过程。,结晶的定义,Tn实际结晶温度 TO理论结晶温度 过冷度 Tm熔点,金属冷却曲线,金属的结晶过程,液态金属的结晶过程分为两个阶段，即晶核形成与核长大的过程。当液态金属结晶时，首先在液体中形成一些极微小的晶体（称为晶核），然后再以它们为核心不断以树枝状方式长大。在这些晶核长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，直至液体金

9、属消失，全部凝固为固态金属。,2.1.5 合金的晶体结构 与结晶,基本概念,合金由两种或两种以上的金属或金属与非金属，经熔炼、烧结或其他方法结合成具有金属特性的物质。如黄铜是由铜和锌组成。 组元 简称元，是指组成合金的最基本独立物质。组元通常是纯元素或者稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可分为二元合金、三元合金或多元合金等。 合金系是指由两个或两个以上组元按照不同比例配制成一系列不同成分的合金。 相是指合金中具有同一的聚集状态、同一的结构和性质的均匀组成部分。 组织是指用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征的部分。组织反映材料的相组成、相形态、大小和分布状况，它是决定材料

10、最终性能的关键。,固态合金的相结构,合金在熔点以上时各组元都能互相溶解，形成均匀液溶体。固态时由于各组分之间相互作用不同，可能出现两种基本相：固溶体和金属化合物。,固溶体,金属化合物,：指由合金中各组元的原子按一定比例相互作用而生成的一种新的具有金属特性的物质。,：固溶体就是在固态下两种或两种以上 的物质互相溶解构成的单一均匀的物质。,1.固溶体,根据固溶体晶格中溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，分为置换固溶体和间隙固溶体两种。,2.金属化合物 是指合金各组元的原子按一定的整数比化合而成的一种新的金属化合物。它的晶体结构不同于组成元素的晶体结构，而且其晶格一般都比较复杂。其性能特点是熔点高、

11、硬度高、脆性大。例如铁碳合金中的Fe3C。当合金中出现金属化合物时，能提高其强度、硬度和耐磨性，但会降低其塑性和韧性。,钢铁 :是铁与C(碳)、Si(硅)、Mn(锰)、P(磷)、S(硫)以及 少量的其他元素所组成的合金。,根据含碳量的不同分为,钢（含碳量小于2.11%的铁碳合金）,铸铁（含碳量大于2.11%的铁碳合金）,低碳钢,高碳钢,中碳钢,：含碳量wc0.25%,：含碳量wc0.25%0.60%,：含碳量wc0.60%,低合金钢,高合金钢,钢铁材料的基本知识,钢铁材料的生产方式,炼钢,炼铁,钢材生产,钢材种类,型材：圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、槽钢、螺纹钢等,板材：中厚钢板、薄钢板、钢

12、带和硅钢片,管材：无缝钢管和焊接钢管（又称有缝钢管）,线材：直径为69mm的圆钢和直径在10mm以下的螺纹钢,钢铁材料的基本知识,2.2 铁碳合金状态图,铁碳合金是以铁和碳为基本组元的合金，它是现代机械工业中应用最广泛的金属材料。要合理地选择铁碳合金，就必须熟悉铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系。,铁碳合金中含有质量分数为0.10%0.20%的杂质，称之为工业纯铁。工业纯铁虽然塑性、导磁性良好，但强度较低，不适宜制作机械零件。为了提高纯铁的强度、硬度，常在纯铁中加入少量碳元素，可形成五种基本组织。,2.2.1 铁碳合金的基本组织,铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体,铁碳合金的组元和基本相

13、,组元,(1) 纯铁,强度低,硬度低,塑性好,(2) Fe3C,铁碳形成的间隙化合物,复杂晶体结构,硬度高,伸长率几乎为0,基本相,液相L 化合物Fe3C,固溶体相: 高温铁素体 体心 铁素体 体心 奥氏体 面心,1.铁素体： 碳与-Fe形成的间隙固溶体，用符号F表示。 2.奥氏体： 碳与-Fe形成的间隙固溶体，用符号A表示。 3.渗碳体： 铁与碳互相作用形成的金属化合物，用符号Fe3C表示。 4.珠光体： 铁素体与渗碳体组成的复相混合物，用符号P表示。 5.莱氏体： 高温莱氏体：在7271148的高温区间，由奥氏体与渗碳体组成，用符号Ld表示。 低温莱氏体：在727以下，由珠光体与渗碳体组成

14、，用符号Ld表示。,2.2.2 铁碳合金相图,表2-1 FeFe3C相图中的特性点,FeFe3C相图的主要线性特点：,ACD为液相线，此线以上区域均为液体，用L表示。,AECF为固相线，此线下为固态区。,ECF为共晶线，金属业冷却到此线时，将发生共晶转 变，从金属液中结晶出莱氏体。,GS是从奥氏体中开始析出铁素体的临界温度线，也称A3线。,ES是碳在奥氏体中的溶解度线，也称Acm线。,PSK为共析线，也称A1线。,PQ是碳在铁素体中的溶解度线。,共晶反应：一种液相在平衡状态下结晶时同时生成两种固相的反应。,共析反应：一种固相在恒温下结晶时同时生成了两种固相的反应。,通过相图可以分析不同成分的合

15、金的结晶过程。结晶过程中会出现不同的结晶反应，最常用的二元合金的结晶过程可分为共晶反应、共析反应、匀晶反应、包晶反应等基本类型。,通常根据铁碳合金含碳量和室温组织的特点，由FeFe3C相图中的P点和E点将铁碳合金分为工业纯铁、钢及白口铸铁三类。 工业纯铁 是指P点以左的铁碳合金（含碳量小于0.0218%），室温组织为铁素体+少量三次渗碳体。工业纯铁的性能特点是塑性韧性好，硬度和强度较低。 钢 是指高温固态组织为单相固溶体的一类铁碳合金，相图中P点成分与E点成分之间的铁碳合金（含碳量0.0218%2.11%），具有良好的塑性，适于锻造、轧制等压力加工，根据室温组织的不同又分为亚共析钢、共析钢和过

16、共析钢三种。 白口铸铁 是指E点成分以右（含碳量2.11%6.69%）的铁碳合金。白口铸铁有较低的熔点，流动性好，便于铸造，脆性大。根据室温组织的不同，白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁三类。,（1）铁碳合金分类,FeFe3C合金组织、成分和温度的变化规律,（2）工业纯铁的组织状态变化规律 奥氏体A 降温至GS和GP之间的区域时，成为A+F 降温至PQ以下时转变成F+Fe3C,（3）钢的组织状态变化规律 冷却至AE以下时，转变为A 亚共析钢经GS转变为A+F,经PSK线时，A转为P，到室 温转变为P+F 共析钢S点时转变为P 过共析钢至ES线时，析出Fe3C,经PSK时

17、，A转变为P,对力学性能的影响,2.3 碳 素 钢,碳素钢简称碳钢，在现代工业生产所使用的钢铁材料中占据十分重要的地位。由于碳钢具有冶炼、加工容易、价格低廉、工艺性能良好，力学性能能够满足工农业生产的使用要求，是工农业生产中用量最大的金属材料。在汽车工业中，钢铁材料的用量占汽车用材总量的70%左右。,常用的碳素钢，含碳量小于1.3%。实际上，碳素钢除含有Fe和C两种元素外，同时含有少量的硫、磷、硅、锰等杂质元素。这些杂质通常是由炼钢原材料带入或者由于冶炼工艺需要而有意加入的一些物质，它们的存在对钢铁的性能影响较大，尤其是硫、磷的含量应该严格控制在要求的范围内。,2.3.1 碳素钢的组成元素,长

18、存杂质对碳素钢性能的影响：,1）按C含量低C钢w(C) 0.25% 中C钢 0.25% w(C) 0.6% 高C钢w(C) 0.6% 2）按质量分（S、P含量） 普通碳素钢；优质碳素钢；高级优质碳素钢。 3）按用途分 碳素结构钢、碳素工具钢。,2.3.2 碳素钢的分类,1碳素结构钢 碳素结构钢的平均含碳量在0.06%0.38%范围内，其中含有的有害元素和非金属夹杂物较多，但性能上能满足一般工程结构及普通零件的要求，因而工程上应用较广。 碳素结构钢具有较高的强度，良好的塑性和韧性，优良的工艺性能，通常以型材、板材、管材等形式用于桥梁建筑等工程构件及机械零件。在汽车零部件中，可用碳素结构钢制造的有

19、螺钉、螺母圈、法兰轴、制动器底板、车厢板件、发电机支架、拉杆、销、键等。,2.3.3 碳素钢的牌号性能及用途,牌号 如 Q215B，表示 s 215 MPa（厚度 16mm），B级质量。,用途,钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。,多边型角钢,螺钉、铆钉,钢筋、螺纹钢,2优质碳素结构钢,优质碳素结构钢中的硫、磷及非金属夹杂物的含量较少，常用于制造重要的机械零件，使用前一般要经过热处理来改善力学性能。汽车零部件中，可用其制造的有飞轮齿环、连杆、曲轴、气门弹簧、气门推杆、活塞油环制片、离合器从动盘等。,牌号 如 45 钢，含C量为 0.45 % 。,较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。,热

20、处理：渗碳、淬火、回火等。,用途,上海桑塔纳发动机曲轴就是采用优质50号中碳素钢锻制而成，先正火后半精加工，最后经中频淬火后再精加工 。,汽车曲轴,3碳素工具钢,碳素工具钢属于共析、过共析钢，强度高，硬度高，耐磨性好，塑性、韧性差，适于制造各种低速切削工具，经热处理后使用。,牌号 如 T12A 钢，含C量为 1.2 % ， A表示高级优质，w(S) 0.020 % ，w(P) 0.030 % 。,几种常用碳素工具钢性能及用途,用途,冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。,热处理：淬火 + 低温回火 组织：回火M 粒状Fe3C + A,4铸钢,W(c)=0.150.6% 应用:结构复杂零件,如曲轴、箱

21、体轴承座. 牌号:如ZG340-640,铸钢截止阀,后桥壳,几种常用铸钢的性能和用途,2.4 钢的热处理,钢的热处理是将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以消除毛坯 （铸件、锻件等）的缺陷，改善钢的加工工艺性能。,预备热处理（又称中间热处理）是零件加工过程中的一道工序，目的为后续的机械加工或进一步的热处理做准备。 最终热处理是工件经切削加工等成形工艺而得到最终的形状和尺寸后，再进行的赋予工件所需使用性能的热处理。,根据加热和冷却方式的不同和组织性能的变化特点不同，分为：,普通热处理（退火、正火、淬火、回火等）； 表面热处理（表面淬火和渗碳、渗氮、渗硼等的化学热处理）； 特殊热处理（形变热处理和磁

22、场热处理）。,根据在零件生产工艺流程中的位置和作用，分,预备热处理 最终热处理,由加热、保温和冷却三个阶段组成。因此，要了解各种热处理方法对钢的组织和性能的影响，必须研究钢在加热、保温和冷却过程中的组织转变规律。,热处理的工艺过程,钢的加热和冷却时各临界点的实际位置,2.4.1 钢在加热时的组织转变,加热是各种热处理必不可少的第一道工序。加热的目的是使钢部分或完全处于奥氏体状态。通常将这种加热转变过程称为钢的奥氏体化，加热时奥氏体化的程度及晶粒大小，对其冷却转变过程及最终的组织和性能都有极大的影响。 以共析钢（含碳量Wc为0.77%）为例，加热前其内部组织是珠光体，其中的铁素体和渗碳体间隔排列

23、成片层状，加热时奥氏体的转变过程可分为奥氏体的形核、奥氏体晶核长大、剩余渗碳体溶解和奥氏体成分的均匀化四个阶段。,影响A转变速度的因素,(1)加热温度和速度 转变快 (2)C%或 Fe3 C片间距 界面多，形核多 转变快 (3)合金元素 A化速度(钴、镍)或(铬、钼、钒),影响A晶粒度的因素 加热温度，保温时间 晶粒尺寸 合金碳化物，C% 晶粒尺寸,2.4.2 钢在冷却时组织转变,常用的冷却方式有等温冷却和连续冷却两种。 等温冷却是将加热到奥氏体状态的钢快速冷却到A1以下某温度并保温停留一段时间，使其在该温度下发生组织转变，然后再冷却到室温。 连续冷却则是指将加热到奥氏化状态的钢，以不同的冷却

24、速度连续冷却至室温，并在连续冷却过程中发生组织转变。,等温冷却,连续冷却,（1）过冷奥氏体的等温转变,当温度在A1以下时，奥氏体处于过冷状态，过冷奥氏体是不稳定的，会转变为其他组织。,高温转变 A1 550过冷A P 型组织 中温转变 550 MS 过冷A 贝氏体( B ) 低温转变 MS Mf 过冷A 马氏体 ( M ),过冷奥氏体的等温转变,高温转变过冷A P,P 型组织 F + 片层状 Fe3C,珠光体 P索氏体 S托氏体 T,片层间距：P S T,珠光体 P ，3800,索氏体 S 8000,托氏体 T 8000,中温转变过冷A 贝氏体( B ), C原子扩散不充分,上B，550 35

25、0产物 粗大的、不均匀的Fe3C分布在F间。,上B 强度和韧性差,下B， 350 MS 产物,下B 韧性高，综合机械性能好。,低温转变过冷A 马氏体 ( M ),C% 0.25 % 时，为板条M（低碳M）。,C% 1.0 % 时，为针状M 。,C% = 0.251.0 % 时，为混合M 。,C % M 硬度 针状M：硬度高，塑韧性差。 板条M：强度高，塑韧性较好。,针状马氏体,板条马氏体,（2）过冷奥氏体的连续冷却转变,在热处理的实际生产中多采用连续冷却方式。由于过冷奥氏体的连续冷却曲线的测定比C曲线困难，所以生产中常用等温转变C曲线来近似分析连续冷却的转变。,过冷奥氏体的连续冷却转变,Ps

26、AP 开始线 Pf AP 终止线 K P转变终止线 Vk 上临界冷却速度 Vk1 下临界冷却速度,2.4.3 钢的普通热处理,钢的退火,退火是把钢加热到适当的温度，经过一定时间的保温，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得接近平衡组织的热处理工艺。,目的：1）降低硬度以利于切削加工； 2）提高塑性以利于塑性加工成型； 3）细化晶粒以提高力学性能； 4）消除应力以防工件变形或开裂。 退火一般作为改善工艺性能的预备热处理。,几种退火方式,完全退火（亚共析钢） 加热温度 Ac3 + 3050 缓冷 F + P 目的：细化晶粒，均匀化组织 降低硬度 切削性 等温退火： 等温转变F + P，再缓冷 球化

27、退火（过共析钢） 在Ac+ 2030保温， 使Fe3C球化，再缓冷 球状P（F +球状Fe3C） 目的： 硬度,切削性,韧性,扩散退火 加热至略低于固相线 目的：使成分、组织均匀 再结晶退火： 将经冷形变加工的零件加热温度再结晶温度 + 3050，再缓冷 目的：消除加工硬化 去应力退火 加热温度 Ac1 ，一般为 500650 目的： 消除冷热加工后的内应力,钢材或钢件加热 Ac3（对于亚共析钢）或Accm（对于过共析钢）以上3050，保温适当时间后，使之完全奥氏体化，然后在空气中均匀冷却，以得到珠光体组织的热处理工艺称为正火。正火后组织以索氏体为主。,钢的正火,应用： 1) 钢的最终热处理

28、细化晶粒，组织均匀化， 强度、韧性、硬度 2) 预先热处理 淬火、球化退火前改善组织。 3) 增加低碳钢的硬度，以改善切削加工性能。,正火示意图,钢的退火与正火的选用,改善切削加工性 在一般生产中，低碳钢通过正火可提高硬度，改善切削性能；中碳钢既可采用退火，也可采用正火；含碳0.45%0.6%的高碳钢则必须采用完全退火；过共析钢用正火消除网状渗碳体后再进行球化退火。 使用性能方面 对钢件的性能要求不太高，可采用正火作为预备热处理。如果零件尺寸较大或形状较复杂，应选择退火。 经济性方面 正火比退火生产周期短，操作简便。故在可能条件下，特别是在大批量生产时应优先考虑以正火代替退火。,退火与正火属于

29、同一类型热处理方式，在选择时从以下几方面考虑：,2.4.4 钢的淬火,淬火是指将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（共析钢与过共析钢）以上的某一温度，保温后以大于临界冷却速度V临进行快速冷却，使奥氏体转变为马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺。淬火的目的就是获得马氏体，以提高钢的力学性能，其实质是奥氏体化后进行马氏体转变（或下贝氏体转变）。,理想淬火冷却曲线示意图,淬火温度 1) 亚共析钢 Ac3 + 3050 2) 共析、过共析钢 Ac1 + 3050 ， M ，硬度大。 淬火温度低 M细小，淬火应力小。,淬火是强化钢材的重要方法。,冷却介质：,冷却速度： 碱水 水 盐浴 油,淬火方法： 单液淬

30、火：水、油冷 双液淬火：水冷 + 油冷 分级淬火： Ms盐浴中冷却空冷 等温淬火（ 在盐、碱浴中） 下B,淬透性和淬硬性,（1）淬透性 规定条件下，钢在淬火冷却时获得马氏体组织深度的能力。取决于钢的临界冷却速度。,（2）淬硬性 淬火后获得最高硬度的能力，C%淬硬性,(a)完全淬透 (b)淬透较大厚度 (c)淬透较小厚度 淬透性不同的钢调质后机械性能的比较,2.4.5 钢的回火,减少或消除内应力 淬火钢内往往存在很大的内应力，并导致韧性下降、零件变形和开裂，回火可消除内应力，防止工件变形或开裂。 获得工件所要求的力学性能 淬火钢件硬度高，脆性大，为满足各种工件不同的性能要求。可以通过适当回火来调

31、整硬度，获得所需的塑性和韧性。 稳定工件尺寸 通过回火可以使组织趋于稳定，以保证工件在使用过程中不再发生变形。 改善某些合金钢的切削性能 常采用高温回火，使碳化物适当聚集，降低硬度，以利于切削加工。,回火是把淬火钢加热到Ac1以下的某一温度保温后进行冷却的热处理工艺。,淬火钢回火的目的,回火的种类及应用,根据一般钢件的不同性能要求，按其回火温度范围，可将回火分为低温回火、中温回火和高温回火三种形式。,一,淬火钢回火时的力学性能变化,1）硬度变化 各种钢在200以下回火时，硬度变化不大，保持淬火马氏体的高硬度。200300回火后，由于马氏体分解造成的硬度降低已由残余奥氏体转变为下贝氏体带来的硬度

32、升高所补偿，所以硬度的降低不大。 对于高碳钢，因为淬火后残余奥氏体量较多，回火后有时还可使硬度略有提高。回火温度继续升高，钢的硬度很快下降。对于碳钢，回火温度每升高100，硬度约下降10HRC。 2）强度与塑性的变化 40钢的强度随回火温度升高而降低，塑性随回火温度升高而升高，但超过650时反而降低。这是由于回火温度增高，马氏体中的碳不断析出，位错密度下降，内应力减小以及粒状渗碳体粗化等原因。回火温度大于650时，由于组织过分粗化而使塑性下降。,3）冲击韧性的变化 钢在回火时会产生回火脆性现象。淬火钢在250350和450600两个温度范围内回火时，其冲击韧度明显下降。,2.4.6 钢的表面热

33、处理,1.感应加热表面淬火,当感应器中通入高频交变电流时，所产生的交变磁场使放入感应器内的工件内部感生出巨大的涡流。感应电流在工件表层密度最大，而心部密度几乎为零，这种现象称为“集肤效应”。由于钢件本身具有电阻，因而集中于表层的电流可使表层被迅速加热，几秒钟内温度可升至8001000,而心部的几乎未被加热，在随后的喷水冷却时工件表层即被淬硬。,感应加热表面淬火是用一定方法使工件表面产生一定频率的感应电流，将工件表面迅速加热然后迅速淬火冷却的一种热处理操作方法。,感应加热的基本原理,交变磁场 感应表面电流 表面加热,感应加热表面淬火的特点,与普通加热淬火相比，感应加热表面淬火在工业上的应用更广泛

34、。原因是由于感应加热表面淬火有以下优点： 感应加热速度极快 一般只需几秒至几十秒时间就可使工件达淬火温度。由于快速加热，使相变临界点（Ac1、Ac3）升高，转变温度范围扩大但转变所需时间缩短。 工件表层获得极细小的马氏体（称隐晶马氏体）组织 使工件表层具有比普通淬火稍高的硬度且脆性较低，具有较高的疲劳强度。 工件表面质量好 由于快速加热，工件表面不易氧化、脱碳，且淬火时工件变形小。 生产效率高 便于实现机械化、自动化。淬硬层深度也易于控制。,2.火焰加热表面淬火,应用氧乙炔火焰，对零件表面快速加热，当达到淬火温度时立即喷水冷却，从而获得预期的硬度和淬硬层深度。,特点: 设备简单，但生产率低。,

35、3.化学热处理,将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组织和性能。 分类 渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铬、渗铝等。,（1）渗碳,低C钢在高C介质中加热到900950、保温 高碳表层（约1.0%） 目的：表面硬度，耐磨性 ，心部保持一定的强度和塑韧性。,渗 C,（2）渗氮,工件表面渗入N原子，以提高硬度、耐磨性，疲劳强度和耐蚀性。 氮化温度低(500600)，时间长（2050h），渗层薄。 氮化前要经过调质处理、氮化后无须淬火。,2.4.7 钢的其他热处理,真空热处理,1）加热速度缓慢，工件变形小 2）氧化作用被抑制 3）表面净化 4）脱气作用

36、 5）蒸发现象,所谓真空是指压力较正常大气压小（即负压）的任何气态空间。若将热处理的加热和冷却过程置于真空中进行，就称为真空热处理。,真空热处理的基本特点,形变热处理,形变热处理是将塑性变形和热处理有机结合，以提高材料力学性能的复合工艺。 目的：使形变强化与相变强化结合起来，获得比普通热处理更高的强韧化效果，同时可简化工序和节能。,常用的几种形变热处理包括： 1）高温形变淬火 高温形变淬火是在奥氏体稳定区进行形变，随后淬火获得马氏体组织的热处理工艺。目前生产中采用的锻后余热淬火、热轧淬火等就是这种类型。 2）高温形变等温淬火 是在奥氏体稳定区形变，随后在贝氏体区等温淬火，获得贝氏体组织的热处理

37、工艺。其断裂强度、塑性与韧性等也高于普通淬火。 3）低温形变淬火 低温形变淬火是在奥氏体化后，迅速冷却至亚稳奥氏体区（500600）形变，随后淬火，获得马氏体组织的热处理工艺。它的特点是在保证一定塑性的条件下，大幅度地提高强度。,表面气相沉积,是利用气相中发生的物理、化学过程，改变工件表面成分，在表面形成具有特殊性能的金属或化合物涂层。 为了提高零件的耐磨性、减缓材料的腐蚀，材料表面性能优化技术已被人们越来越重视。其中表面气相沉积是一种发展较快、应用最广的表面涂覆新技术。,表面气相沉积的分类,化学气相沉积（CVD） 物理气相沉积（PVD）,根据成膜过程机理不同,用化学方法使气体在基体材料表面发

38、生 化学反应并形成覆盖层的方法,用物理方法(如蒸发、溅射等)，使镀膜材料汽化在基体表面，沉积成覆盖层的方法,物理气相沉积的真空系统,化学气相沉积,2.5 合金钢,合金钢 ：在碳钢中加入某些合金元素,改善组织与性能. (硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、硼、铝、锆),钢铁材料,与C的亲和力：强 弱,常见的合金元素及作用,Ti Zr Nb V W Mo Cr Mn Fe Co Ni Cu Si Al,弱碳化物形成元素,强碳化物形成元素,非碳化物形成元素,合金元素对基本相的影响：,非碳化物形成元素,溶入F,固溶强化,弱碳化物形成元素,形成合金渗碳体,较硬，耐磨，比Fe3C更稳定,强碳化物形成元素,形成

39、特殊碳化物,高熔点，硬，耐磨，最稳定,（一）合金元素在钢中的作用,1合金元素可以提高钢的力学性能,2. 合金元素对钢的热处理产生影响,3合金元素对钢的工艺性能产生影响,合金钢的强化机制： 合金F 的固溶强化 M位错强化 细晶强化（F、M晶粒度，P片间距） 第二相（沉淀）强化,1合金元素可以提高钢的力学性能,2.合金元素对钢的热处理产生影响 合金元素对淬火、回火状态下钢的强化作用最显著。合金元素除CO外都能使C曲线右移，提高奥氏体的稳定性，降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性，降低淬火应力，减少了工件的变形和开裂。,3合金元素对钢的工艺性能产生影响 合金元素的加入使钢的铸造、锻造性能、焊接、切削

40、加工性能都不同程度的降低；但可以明显的改善热处理的工艺性能。,.合金钢的分类（按用途分类） 合金结构钢 低合金结构钢、渗C钢 、调质钢 、 弹簧钢 、轴承钢等。 合金工具钢 刃具 、模具、量具钢。 特殊性能钢 不锈钢、耐热钢、耐磨钢。,（二）合金钢的分类及编号,.合金钢的编号 结构钢 如 60Si2Mn ，w(C)=0.6% ，w(Si)=2% ，w(Mn)1.5% 工具钢、特殊性能钢 如 9SiCr ，w(C)=0.9% ，w(Si)、w(Cr) 均1.5% , 而 CrWMn 中，w(C)1.0% 专用钢 如，滚动轴承钢 GCr15， w(C)=1.0% ， w(Cr)=1.5% 高级优质

41、钢 如，20Cr2Ni4A,(三) 合金结构钢,1低合金结构钢 2渗碳钢 3调质钢 4弹簧钢 5滚动轴承钢,1低合金结构钢,成分 w(C)0.2% ，主加元素Mn，附加V、Ti、Nb。 性能 强度、韧性高，焊接、冷成形性能好。,(摘自GB/T1591-1994),普通低合金结构钢牌号,Q 345 C,高压容器,桥梁,船舶,车辆,应用,典型普低合金钢应用,Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度高，用于石化中温高压容器。,Q345钢，综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。,Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的容器。,2渗碳钢,成分 w(C)=0.10.25%, 韧性好。合金

42、元 素提高淬透性、耐磨性, 细化晶粒。 Cr、Ni、Mo、W、Mn、Si和B提高淬透性， Ti细化晶粒 性能 渗层硬度高，耐磨，抗接触疲劳；心部韧性高、强度大。,合金渗碳钢的牌号,20 Mn2 Ti A,热处理,组织 表层：回火M +碳化物+ A； 心部：低C的回火M（+T + F）,应用 耐磨件 20Cr，小轴、活塞销、小齿轮。 20CrMnTi，汽车齿轮。 18Cr2Ni4WA，如曲轴、连杆。,正火 渗碳 淬火 低温回火,典型合金渗碳钢应用,低淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量3 % 15Cr、20Cr、20Mn2。用 于受力小的耐磨件，如柴 油机的活塞销、凸轮轴等。,中淬透性合金渗碳钢

43、钢含合金元素总量在4 %左 右。20CrMn、20CrMnTi、 20Mn2TiB。用于中等载荷 的耐磨件，如变速箱齿轮。,活塞销( 20Cr ),高淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在 4 % 6 %。18Cr2NiWA、 20Cr2Ni4A等。用于大载荷 的耐磨件，如柴油机曲轴。,柴油机曲轴,3调质钢,成分 w(C)=0.250.50%，合金元素消除回火脆性, 提高回火抗力, 强化F 。 Mn、Cr、Ni、B、 Si用来提高淬透性，Mo、W可抑制第二类回火脆性，Ti、V细化晶粒。 性能 综合机械性能高,热处理,组织 表层：回火S,应用: 轴类、连杆、齿轮 40Cr，一般尺寸重要零件，如齿轮

44、、主轴。 35CrMo，较大截面零件，如曲轴、连杆。 40CrNiMo，大截面重载零件，如汽轮机主轴和叶轮。,调质，可附加表面淬火或氮化(38CrMoAl)。,应用:,汽车曲轴,圆锥齿轮,4弹簧钢,成分 w(C)=0.450.70 %， Si, Mn为主要元素，提高屈强比。 性能 e 、s、屈强比和疲劳抗力高，塑性大，耐震动、冲击。,火车螺旋弹簧,汽车板簧,应用 65Mn、60Si2Mn：汽车，拖拉机，机车的板簧和螺旋弹簧。,热处理,热轧弹簧：热成型 淬火 + 中温回火 喷丸 冷轧弹簧：淬火 + 中温回火 冷成型 去应力 喷丸 组织 回火T,5滚动轴承钢,滚动轴承在交变应力作用下工作，各部分之

45、间有强烈摩擦，还受到润滑剂的化学浸蚀。因此，滚动轴承钢必须具有高的硬度和耐磨性，高的弹性极限和接触疲劳强度，足够的韧性和抗蚀性。,成分 w(C)=0.951.10%，主加元素是Cr，形成细小的碳化物。 性能 高接触疲劳强度、高硬度和耐磨性，韧性、淬透性好。,（摘自GB/T182542002）,滚动轴承钢的牌号,G Cr9 Si Mn,应用 GCr15：中小型轴承，冷冲模，量具，丝锥。,热处理,球化退火 + 淬火 + 低温回火 冷处理，时效（120140,1020h）：稳定尺寸，去应力。 组织 回火M 细碳化物少量A,合金工具钢具有更高硬度、耐磨性，更好的淬透性、热硬性和回火稳定性等。因而可以制

46、造刃具、模具、量具和其它工具。,(四) 合金工具钢,量 具,刃 具,1合金刃具钢 2合金模具钢 3合金量具钢,(四)合金工具钢,1合金刃具钢,（）性能要求 高硬度 机加工刀具HRC60 高耐磨性 刀具寿命和生产率 组织要求 硬而细小的碳化物，均匀分布在强而韧的钢基体中。 高的热硬性（红硬性） 高温下保持高硬度的能力，与回火稳定性有关。 足够的韧性 以承受冲击载荷,（）低合金刃具钢,成分 w(C) = 0.8 1.5 % ，合金元素5 % 。 性能 HRC60，使用温度200 300 。,（摘自GB/T12992000）,热处理 球化退火（+ 机加工）+ 淬火 + 低温回火,最终组织 回火M +

47、 合金碳化物 + 少量A 应用 如9SiCr ，做板牙、丝锥等。,（）高速钢,成分 w(C) = 0.7 1.65 % ，合金元素10 % 。 性能 高硬度、耐磨性 V、C等弥散硬化。 高热硬性 600 时HRC62 。 高淬透性 尺寸不大时可空冷淬火，Cr等元素提高淬透性。,热处理,（锻造 +）球化退火（+ 机加工） 淬火+回火 锻造目的 成型；使铸态粗大的碳化物破碎、细化、分布均匀。,淬火，1280 增加A、M中合金含量，提高热硬性。,淬火组织（左图）：M + 碳化物 + A ,最终组织（右图）：回火M + 粒状碳化物 + 少量 A ,回火，560 ，三次 二次回火基本消除A 。,应用 高

48、速车刀、钻头、铣刀等。,2合金模具钢,（）冷模具钢 冷冲、冷镦、冷挤压模等。,性能 高硬度、耐磨性，足够的韧性和疲劳抗力。,应用 小型模具 9Mn2V、9SiCr、CrWMn 等。 大型模具 Cr12、Cr12MoV 等，热处理变形小。,最终热处理 淬火 + 低温回火 最终组织 回火M + 碳化物 + 少量 A ,（）热模具钢 热锻、热挤压、压铸模等。,性能 耐热性、热疲劳抗力高。,应用 中小型模具 5CrMnMo 等。 大型模具 3Cr2W8V等，淬透性好。,最终热处理 淬火 + 高温回火 最终组织 回火T 或 回火S,3合金量具钢 卡尺、千分尺、塞规等,性能 高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳

49、定性。,应用: 简单量具 T10A、T12A 等。 高精度量具 GCr15、CrWMn 等。,最终热处理 淬火 +（ -70-80 ）冷处理 + 低温回火 + 时效处理 时效处理：120130，保温几几十小时，使M、 A 稳定，消除内应力。 最终组织 回火M + 碳化物 + 少量A ,1不锈钢 2耐热钢 3耐磨钢,(五)特殊性能钢,1. 不锈钢,钢的抗腐蚀措施 形成单相组织。 加入Cr，降低两相的电极电位差。 加入Cr 、Al等，生成致密的表面氧化膜 。,常用不锈钢 F 型 如 1Cr17，化工设备、食品工业。 M 型 如 1Cr13 用于汽轮机叶片；3Cr13 做手术器具及刀具。 A 型 如

50、 1Cr18Ni9Ti 用于化工、食品、医疗行业。,不锈钢的成分、热处理、性能,. 耐热钢,抗氧化性：金属在高温下的抗氧化能力 热强性：热强性是指钢在高温下的强度,用途：锅炉、燃气轮机等,燃烧室排气系.,耐 热 钢 的 用 途,. 耐磨钢,热处理：10001100，保温，水冷A，硬度低，韧性高。 性能：工件在工作中受到冲击变形时，表层产生加工硬化，及M转变，硬度显著提高，心部保持高韧性。,用途：履带、铁道岔道、挖掘机、拖拉机、坦克的履带板等 代表牌号Mn13,耐 磨 钢 的 用 途,2.6 铸 铁,铸铁是指含碳量大于2.11%的铁碳合金，工业上常用的铸铁都不是简单的二元合金，而是以Fe、C、S

51、i为主要元素的多元合金。普通铸铁的成分是含碳2.54.0%，硅1.03.0%，锰0.51.4%，磷0.010.5%，硫 0.020.2%。,铸铁是一种成本低廉并具有良好性能的金属材料。与钢相比，虽然铸铁的机械性能，特别是抗拉强度及韧、塑性较低，但由于它具有优良的减震性、耐磨性、耐腐蚀性、铸造性及切削加工性，而且生产设备工艺简单，因此在工业上得到广泛的应用。,铸铁的优点,2.6.1 铸铁的石墨化,石墨化的优点,石墨化的缺点,铸铁有较高的流动性，而且在凝固过程中会析出比容较大的石墨，从而减小其收缩率。故具有优良的铸造性；,铸铁组织中石墨的存在，不仅割断了基体的连续性，而且在其尖端处还会引起应力集中

52、。所以铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远不如钢。石墨片的量越多，尺寸越大，影响也越大。,石墨具有割裂基体连续性的作用，从而使铸铁的切屑易脆断，具有良好的切削加工性；,石墨本身的润滑作用，故铸铁又有优良的减摩性；,石墨的组织松软，能够吸收震动，因而又使铸铁具有良好的消震性；,片状石墨本身就相当于许多微缺口，故铸铁具有低的缺口敏感性。,铸铁的石墨化,生产中为了避免产生白口或麻口，铸铁中必须加入足够的C、Si、Al等促进石墨化的元素。,铸铁的石墨化过程是铸铁中碳原子析出和形成石墨的过程，而铸铁组织形成的基本过程主要也就是石墨形成的过程。石墨可以从液相中直接结晶出来，或从奥氏体及铁素体中脱溶沉淀出来，又可以

53、由渗碳体分解而成。因此，渗碳体实际上是一个亚稳定相，石墨才是稳定相。,影响铸铁石墨化的因素,铸铁的化学成分和结晶过程中的冷却速度是影响石墨化的主要因素。,铸铁中的碳和硅是影响石墨化过程的主要元素，它能促进石墨化进程；,铸铁中的Al、Ni、Ti、Co、P、Cu等元素也是促进石墨化的元素；,铸铁中的Mn、Mo、Cr、V、W、Mg、Ce等元素属于阻碍石墨化的元素。,铸铁中的Cu和Ni既促进共晶时的石墨化又能阻碍共析时的石墨化。,铸铁的组织和分类,2.6.2 灰铸铁,牌号 如HT100，表示 b100MPa（直径30mm）。 组织 钢基体（F 、F + P 、P） + 片状G,性能 与其它铸铁相比，力

54、学性能差，其它性能好。,孕育铸铁 浇注前在铁水中加 Si-Fe，Si-Ca等孕育剂,使P细化、G细而均匀，强度、塑韧性明显提高。,热处理:,去应力退火 500550，防止机加工、使用时变形或开裂。,高温退火 850900, 表面、薄壁等白口处CmG, 硬度, 切削加工性,表面淬火 提高导轨表面、汽缸体内壁等的耐磨性。 应用 如，机床床身、导轨，汽缸体。,如：HT200适用于汽车的气缸体、气缸盖、刹车轮等。 HT300、HT350等适用于大型发动机的气缸体、气缸盖、气缸套、油缸、泵体、阀体等。,2.6.3 球墨铸铁,在铁水浇注前加球化剂（稀土Mg）使G球化,牌号 如 QT700-2 ，表示 b7

55、00， 2 。,组织 钢基体（F 、F + P 、P) + 球状G,性能 强度、塑韧性明显优于灰铸铁。（ 球状G 对基体的割裂作用小）,热处理,退火 去应力退火，500 600。 低温退火，720 760， PG + F ，塑韧性、切削加工性 高温退火，900 950， P, CmG + F ，塑韧性、切削加工性 正火 P% ，细化组织，强度、耐磨性 低温正火，840 860， P + F + G ，塑韧性较好。 高温正火，880 920， P + G + 少量F ，强度较高。,调质 850900油淬 + 550 600回火回火S + G 等温淬火 840 900淬火+ 300等温下B+G 调质、等温淬火后综合机械性能好，但仅适于小尺寸零件。,应用,替代部分铸钢、锻钢件，如曲轴、连杆、轧辊、汽车后桥等。,2.6.4 可锻铸铁,白口铸铁经长时间高温石墨化退火（900960）而得。,牌号 如 KTH300-6 ，表示 b300 ， 6 。 组织 钢基体（F、P） + 团絮状G,性能 强度、塑韧性优于HT，低于QT。,应用 管接头、低压阀门、汽车、