金属材料与热处理全书教学课件.ppt

金属材料与热处理金属材料与热处理第一节 金属的物理、化学性能第二节 金属的力学性能第三节 金属的工艺性能第一节第一节 金属的物理、化学性能金属的物理、化学性能 各种规格的传输电缆 导电性是金属的一种物理特性。铜具有优越的导电性，且化学稳定性良好，因此是传输电缆最常用的制造材料，如图所示。 导电性是金属众多性能之一，掌握金属的性能特点在实际生产中具有重要意义。第一节第一节 金属的物理、化学性能金属的物理、化学性能一、金属的物理性能一、金属的物理性能1 1密度密度 密度是物质单位体积的质量。不同金属的密度是不同的。一般将密度小于4.5103kg/m3的金属称为轻金属，密度大于4.5103 kg/m3 的金属称为重金属。常用金属的物理性能2 2熔点熔点 熔点金属及其合金从固体状态向液体状态转变时的熔化温度。金属都有固定的熔点。3 3导热性导热性 导热性金属能传导热的性能。一般情况下，金属的导热性比非金属好。4 4导电性导电性 导电性金属能传导电流的性能。金属是良好导体。金属导电性的好坏取决于它的热导率。5 5热膨胀性热膨胀性 热膨胀性金属材料的体积随着温度变化而膨胀、收缩的特性。一般情况下，金属加热时体积胀大，冷却时体积缩小。6 6磁性磁性 磁性金属能导磁的性能。具有磁性的金属都能被磁铁吸引。金属材料根据其在磁场中受到磁化程度的不同，可分为铁磁性材料、顺磁性材料和抗磁性材料三种。二、金属的化学性能二、金属的化学性能1 1耐腐蚀性耐腐蚀性 耐腐蚀性金属材料抵抗化学介质腐蚀破坏作用的能力。腐蚀对金属材料的危害很大。因此，要提高金属材料的耐腐蚀性能。2 2抗氧化性抗氧化性 抗氧化性金属材料抵抗氧气氧化作用的能力。金属材料在常温条件下的氧化作用并不明显，但当温度升高时，其氧化作用明显加剧。3 3化学稳定性化学稳定性 化学稳定性金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属在高温下的化学稳定性叫做热稳定性。第二节第二节 金属的力学性能金属的力学性能 悬索桥及其结构示意图 悬索桥主要采用金属材料制造，对于如此大型的工程结构，设计人员是依据什么计算和确定结构尺寸，从而保证其承载安全的呢？ 本节主要介绍金属材料的强度、塑性等力学性能。一、强度与塑性一、强度与塑性1. 1. 载荷、变形与应力载荷、变形与应力（1）载荷静载荷大小和方向不变或变化缓慢的载荷。冲击载荷在短时间内以较高速度作用于工件上的载荷。交变载荷大小或方向随时间发生周期性变化的载荷。载荷静载荷冲击载荷交变载荷（2）变形 变形金属材料受到载荷作用而产生的几何形状和尺寸的变化。变形分为弹性变形和塑形变形。（3）应力 金属材料在受到外力作用时，其内部作用着与外力相对抗的力，称为内力。 应力单位面积上的内力。所有强度指标都是用应力表示的。计算公式：SF2 2拉伸试验拉伸试验（1）试样拉伸试样 拉伸试样a）拉伸前b）拉伸后（2）试验设备拉伸试验机（3）试验结果与分析拉伸曲线1）Oe弹性变形阶段。2）s点附近屈服阶段。3）屈服后至b 点强化阶段。4）bz缩颈阶段。低碳钢的拉伸曲线3. 3. 强度与强度指标强度与强度指标 强度金属材料在静载荷作用下, 抵抗塑性变形或断裂的能力。 （1）屈服强度 当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间发生塑性变形而载荷不增加时的应力称为屈服强度，分为上屈服强度和下屈服强度。oeHeHSFRoeLeLSFR 上屈服强度 下屈服强度（2）规定非比例延伸强度Rp 规定非比例延伸强度非比例延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力。（3）规定总延伸强度Rt 规定总延伸强度总延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力。（4）规定残余延伸强度Rr（5）抗拉强度 规定残余延伸强度卸除应力后残余延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力。 抗拉强度试样在拉断前所能承受的最大应力。 计算公式为：4. 4. 塑性与塑性指标塑性与塑性指标（1）断后伸长率%100oouLLLA（2）断面收缩率%100ouoSSSZ 塑性金属材料在载荷作用下断裂前所能承受最大塑性变形的能力。二、硬度二、硬度硬度金属材料抵抗局部塑性变形和破坏的能力。1. 1. 布氏硬度布氏硬度（1）试验原理布氏硬度试验原理图 布氏硬度值是用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力来计算。 布氏硬度值仅与压痕直径的大小有关。（2）布氏硬度的表示方法 布氏硬度用符号HBW 表示，符号之前的数字是硬度值，符号之后为试验条件，依次为：压头直径（mm）/ 试验力（kgf）/ 保持时间（s）。（3）优缺点及应用范围 优点：测定的硬度值比较准确，数据重复性强。 缺点：试验过程复杂, 压痕面积大，对金属表面的损伤较大。 应用：铸铁、非铁金属及退火、正火、调质处理的钢材等。2. 2. 洛氏硬度洛氏硬度（1）试验原理HR -150A型洛氏硬度计（2）常用洛氏硬度标尺及表示方法 洛氏硬度用符号HR表示，每一种标尺的符号在其后注明（HRC、HRB、HRA），硬度值置于符号之前。三种洛氏硬度标尺的试验条件和适用范围（3）优缺点及应用范围优点：操作简单迅速，压痕较小，测量的硬度值范围大。缺点：测定的硬度值不够准确，数据重复性差。 维氏硬度的试验原理与布氏硬度基本相同，所不同的是其压头是一个相对面夹角为136的金刚石正四棱锥体，通过测量压痕对角线的长度来计算压痕面积和硬度值。维氏硬度符号为HV，其表示方法与布氏硬度基本相同。实际试验时，也无须计算，硬度值直接从表中查出。 维氏硬度试验所用的试验力可根据工件的大小、厚薄等条件进行选择，常用试验力在49.03980.70N范围内变动。3. 3. 维氏硬度维氏硬度三、冲击韧性与疲劳强度三、冲击韧性与疲劳强度1 1冲击韧性冲击韧性冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。金属材料的冲击韧性是通过弯曲冲击试验测量的。（1）一次冲击试验（2）多次重复冲击试验2 2疲劳强度疲劳强度（1）疲劳的概念（2）疲劳破坏的特征（3）疲劳曲线和疲劳强度对称循环应力图疲劳曲线示意图 第三节第三节 金属的工艺性能金属的工艺性能 在实际生产中，我们不能只重视金属材料的使用性能，还应考虑采用什么样的工艺方法进行加工，以及制造材料能否满足工艺方面的要求，从而制造成合格的产品。这方面的内容属于金属工艺与工艺性能的范畴。一、切削加工与切削加工性一、切削加工与切削加工性1. 1. 常用切削加工方法常用切削加工方法 切削加工是机械制造中最主要的加工方法。任何切削加工都必须具备三个基本条件：切削工具、工件和切削运动。 金属材料切削加工的分类方法：按工艺特征、按材料切除率和加工精度、按表面成形方法三种。CA6140型车床X6325型万能摇臂铣床 按工艺特征，切削加工一般可分为车削、铣削、钻削、镗削、铰削、刨削、插削、拉削、锯削、磨削。 金属切削加工机床按加工方式或加工对象可分为车床、铣床、钻床、镗床、刨床、齿轮加工机床等。2. 2. 金属的切削加工性金属的切削加工性 金属材料使用某种切削方法以获得优良工件的性能，称为切削加工性。二、铸造加工与铸造性二、铸造加工与铸造性1 1铸造加工方法铸造加工方法各种形状的铸件2. 2. 金属的铸造性金属的铸造性金属材料用铸造的方法制成优良铸件的性能，称为铸造性。 铸造毛坯因近乎成形，可达到免机械加工或少量加工的目的，降低了成本并在一定程度上减少了制作时间。 铸造是现代装备制造工业的基础工艺之一。三、压力加工与可锻性三、压力加工与可锻性1. 1. 压力加工方法压力加工方法锻造加工的零件2. 2. 可锻性可锻性 金属材料在压力加工过程中，通过塑性变形获得优良锻件的性能，称为可锻性。 金属成形过程的原理属质量不变的“固态成形”。 金属材料的固态成形的两个基本成形条件： （1）被加工的金属材料具备一定的塑性。 （2）要有外力作用于固态金属材料上。四、焊接加工与可焊性四、焊接加工与可焊性1. 1. 焊接加工方法焊接加工方法焊条电弧焊机器人焊接2. 2. 金属的可焊性金属的可焊性金属用焊接方法形成优良接头的性能，称为可焊性。金属的焊接，按其工艺过程的特点分为熔焊、压焊和钎焊。第一节 金属的晶体结构第二节 纯金属的结晶 天然水晶和普通玻璃a） 天然水晶b） 普通玻璃 第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构 表面上看来，天然水晶与普通玻璃均晶莹剔透，外观十分相似。但事实上两者却是截然不同的物质。水晶与玻璃的本质区别是两者的内部结构不同。一、晶体与非晶体一、晶体与非晶体非晶体物质内部的原子呈无序堆积。晶体物质内部的原子呈有序、规则排列。 第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构 固态物质根据其结构的不同可分为晶体和非晶体。晶体具有固定熔点，而非晶体没有固定熔点。晶体表现各向异性，非晶体表现出各向同性。二、金属的晶体结构二、金属的晶体结构1 1晶体结构的概晶体结构的概念念晶体内部原子排列模型晶格和晶胞示意图a） 晶格b） 晶胞2 2金属晶格的类金属晶格的类型型常见金属晶格的类型 金属的性能与其晶格类型和原子间的结合力有着密切的关系。三、单晶体与多晶三、单晶体与多晶体体单晶体晶体内部原子的排列位向是完全一致的晶体。多晶体由许多晶粒组成的晶体。单晶体示意图多晶体示意图 单晶体表现出各向异性，多晶体显示出各向同性，也称“伪无向性”。四、四、 金属的晶体缺陷金属的晶体缺陷1. 1. 点缺陷点缺陷空位、间隙原子和置代原子空位、间隙原子和置代原子空位、 间隙原子和置代原子示意图 无论是空位、间隙原子还是置代原子，在其周围都会使晶格产生变形，这种现象称为晶格畸变。 上述三种晶体缺陷造成的晶格畸变区仅限于缺陷原子周围的较小区域，故统称为点缺陷。2 2线缺陷线缺陷位错位错 刃型位错示意图a） 立体图 b） 平面图 位错的特点之一是很容易在晶体中移动，金属材料的塑性变形就是通过位错的运动来实现的。 在晶体中，位错的晶格畸变发生在沿半原子面端面的狭长区域，故称为线缺陷。3 3面缺陷面缺陷晶界和亚晶界晶界和亚晶界晶界过渡结构示意图亚晶界结构示意图 晶界晶粒与晶粒之间的分界面。亚晶界亚晶粒之间的界面。 在晶体中，晶界和亚晶界的晶格畸变均发生在一个曲面上，故称为面缺陷。 第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶转炉炼钢 生铁的生产是以铁矿石为原料，首先利用炼铁设备冶炼成液体状态的生铁，然后再将其转变成固体状态；而钢的生产是以生铁为原料，在炼钢炉内继续冶炼，首先得到液体状态的钢，然后再将其浇铸成固体状态的钢锭或钢坯。 金属由液体转变成固体的过程，实际上是一个金属晶体形成的过程，称之为“结晶”。 钢锭浇铸示意图 a） 浇铸示意图 b） 钢锭 1盛钢桶 2滑动水口 3钢锭模 4钢液 5底盘 金属由原子不规则排列的液体转变为原子规律排列的固体的过程称为结晶。一、纯金属结晶的相关概念与过程一、纯金属结晶的相关概念与过程1. 1. 纯金属的冷却曲线及过冷度纯金属的冷却曲线及过冷度 热分析法装置示意图1电炉 2坩埚 3金属液 4热电偶纯金属的冷却曲线 纯金属结晶时的冷却曲线a） 理论结晶温度 b） 实际结晶温度 金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，这种现象称为过冷。它们的温度之差称为过冷度。 金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关。冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。2. 2. 纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程纯金属结晶过程示意图结晶的过程是晶核的形成与长大的过程。纯金属显微组织图二、金属结晶后的晶粒大小对力学性能的影响二、金属结晶后的晶粒大小对力学性能的影响晶粒大小对纯铁力学性能的影响 在常温下，金属的晶粒越细小，其强度、硬度越高，塑性、韧性越好。三、同素异构转变三、同素异构转变 同素异构转变金属在固态下随温度的改变由一种转变为另一种晶格的现象。 以不同晶格形式存在的同一种金属元素的晶体称为该金属的同素异构体。 铁是典型的具有同素异构转变特性的金属。纯铁的同素异构转变可以用下式表示：纯铁的冷却曲线 -Fe到-Fe的 同素异构转变过程示意图第一节 合金的基本组织与性能第二节 铁碳合金 第一节第一节 合金的基本组织与性能合金的基本组织与性能 纯金属由于强度、硬度比较低，无法满足各种零件对力学性能的要求，在使用上受到很大限制。 实践证明，在纯金属中加入其他金属或非金属元素，可以使其力学性能发生明显改变。 如铝合金就是在铝中加入了少量的铜、镁、锰等元素，力学性能得到明显提高，而且仍然保持了纯铝质量轻、便于加工的优点，被广泛用于航空航天、汽车制造及日常生活中的各个领域。一、合金的基本概念一、合金的基本概念1. 1. 合金合金 合金以一种金属为基础，再加入一种或多种金属或非金属元素形成的金属材料。2. 2. 组元组元 组元组成合金的最基本的独立物质。 按照组元的数目，合金可分为二元合金、三元合金和多元合金。3. 3. 合金系合金系 合金系组元不变，而组元比例发生变化，可以得到一系列不同成分的合金。4. 4. 相相 相是组成合金组织的基本单元。合金中化学成分、结构及性能相同的组成部分称为相，相与相之间具有明显的界面。5. 5. 组织组织 合金的组织是指合金中不同种类、形态、大小、数量和分布状况的相相互组合而成的综合体。组织可由单相组成，也可由两个或两个以上的相组成。只有一种相组成的组织称为单相组织，由两种或两种以上的相组成的组织称为多相组织。二、二、 合金的基本组织与性能合金的基本组织与性能1 1固溶体固溶体 固溶体一种组元的原子溶入另一种组元的晶格中所形成的均匀固相。（1）间隙固溶体 固溶体的结构示意图a）间隙固溶体 b）置代固溶体 （2）置代固溶体 溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中而形成的固溶体。 溶质原子代替部分溶剂原子，占据溶剂晶格中的某些节点位置而形成的固溶体。 溶质原子对晶格畸变的影响示意图a） 置代固溶体 b） 间隙固溶体2 2金属化合物金属化合物 合金组元间发生相互作用而形成的一种具有金属特性的物质称为金属化合物。金属化合物的组成一般可用化学分子式来表示。其性能特点是熔点较高、硬度高、脆性大。金属化合物是许多合金的重要组成相。3 3混合物混合物 两种或两种以上的相按一定质量分数组成的物质称为混合物。 混合物中的组成部分可以是纯金属、 固溶体或化合物各自的混合， 也可以是它们之间的混合。 混合物中各相既不溶解，也不化合，它们保持自己原来的晶格。三、合金的成分、组织和性能三、合金的成分、组织和性能1. 1. 单相固溶体组织单相固溶体组织 当溶质元素含量超过其在溶剂晶格中的溶解度时，溶质与溶剂将形成金属化合物，此时，合金组织由强度较低、塑性较好的固溶体与硬而脆的金属化合物组成。 2. 2. 固溶体与金属化合物的混合物组织固溶体与金属化合物的混合物组织 这种组织多出现在溶质元素加入量较少或溶质元素在溶剂晶格中溶解度较大的合金中,其中前者占绝大多数。 其显微组织形态与纯金属相似，强化途径仅仅是固溶强化。 第二节第二节 铁碳合金铁碳合金 铁碳合金是实际生产中应用最广泛的一种金属材料。铁碳合金是一个合金系，不同的成分配比组成不同的合金，成分不同，其内部组织也就不同。当成分一定时，随着温度的变化，其内部组织也会发生变化。 成分和温度是影响铁碳合金组织的重要因素，这就形成了成分温度组织三者之间的自然关系。一、铁碳合金的基本组织与性能一、铁碳合金的基本组织与性能1 1铁素体铁素体铁素体的模型铁素体的显微组织 铁素体碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体，用符号F表示。 铁素体的含碳量低，其性能与纯铁相似，具有良好的塑性和韧性，而强度和硬度较低。2 2奥氏体奥氏体 碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体的强度和硬度不高，但具有良好的塑性，是绝大多数钢在高温锻造和轧制时所要求的组织。奥氏体的模型3 3渗碳体渗碳体4 4珠光体珠光体 渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，含碳量为6.69%，其化学式为 Fe3C。渗碳体硬度高，脆性大。 珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，用符号P表示。 珠光体的强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。珠光体的显微组织（1000）5 5莱氏体莱氏体 莱氏体是含碳量为4.3%的铁碳合金，在1148时从液相中同时结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物，用符号Ld表示。由于奥氏体在727时还将转变为珠光体，所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，这种混合物称为低温莱氏体，用符号 Ld表示。莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。二、铁碳合金相图二、铁碳合金相图1. 1. 铁碳合金相图的概念铁碳合金相图的概念简化后的Fe-Fe3C相图2 2铁碳合金相图的含义与分析铁碳合金相图的含义与分析（1）Fe-Fe3C相图中的特性点及其含义Fe - Fe3 C 相图中的特性点及其含义（2） Fe-Fe3C相图中的特性线及其含义1）ACD线（液相线）。此线以上区域全部为液相，用L表示。 2）AECF线（固相线）。液态合金冷却到此线全部结晶为固态， 此线以下为固相区。 3）GS线。冷却时从奥氏体中析出铁素体的开始，用符号A3表示。 4）ES线。碳在奥氏体中的饱和溶解度曲线（固溶线），用符号 Acm表示。 5）ECF线（共晶转变线）。当液态合金冷却到此线时（1148）， 将发生共晶转变。 6）PSK线（共析转变线）。常用符号Al表示。当合金冷却到此线时（727）， 将发生共析转变。 Fe-Fe3C相图中的特性线及其含义三、三、 铁碳合金的分类铁碳合金的分类1 1工业纯铁工业纯铁 含碳量 wC 0. 0218%的铁碳合金称为工业纯铁，其室温组织为铁素体。2. 2. 钢钢 含碳量wC = 0.0218%2.11%的铁碳合金称为钢。可分为：亚共析钢（0.0218% wC 0.77%）、共析钢（wC=0.77%）、过共析钢（0.77% wC 2.11%）。3. 3. 白口铸铁白口铸铁 含碳量wC=2.11%6.69%的铁碳合金称为白口铸铁。可分为：亚共晶白口铸铁 （2.11%wC4.3%）、共晶白口铸铁（wC=4.3%）、过共晶白口铸铁（4.3%wC6.69%）。四、典型铁碳合金的结晶过程分析四、典型铁碳合金的结晶过程分析1. 1. 共析钢（含碳量为共析钢（含碳量为0.77%）典型合金在Fe-Fe3C相图中的位置共析钢的结晶过程2. 2. 亚共析钢亚共析钢亚共析钢的结晶过程含碳量为0.45%的亚共析钢在室温下的显微组织（200）3. 3. 过共析钢过共析钢过共析钢的结晶过程 含碳量为1.2%的过共析钢在室温下的显微组织（400）4. 4. 白口铸铁白口铸铁共晶白口铸铁的结晶过程共晶白口铸铁的显微组织（200 ）亚共晶白口铸铁的结晶过程亚共晶白口铸铁的显微组织（200）过共晶白口铸铁的结晶过程过共晶白口铸铁的显微组织（200 ）五、铁碳合金的成分、五、铁碳合金的成分、 组织与性能的关系组织与性能的关系含碳量对正火后碳素钢的力学性能的影响 随着含碳量的增加，铁碳合金的组织将按下列顺序发生变化：第一节 概述第二节 碳素结构钢与优质碳素结构钢第三节 碳素工具钢第四节 铸造碳钢 第一节第一节 概述概述一、钢中常见元素对性能的影响一、钢中常见元素对性能的影响1 1硅硅 锰也来自生铁和脱氧剂，能溶于铁素体中产生固溶强化，提高钢的强度和硬度。此外，锰能与硫形成MnS，从而减轻硫对钢的危害。2. 2. 锰锰 硅来自生铁和脱氧剂，能溶于铁素体中产生固溶强化，可提高钢的强度和硬度。 硫在钢中主要与铁生成化合物FeS。FeS与铁形成共晶体，其熔点较低，当钢材加热到10001 200进行轧制或锻造时，沿晶界分布的共晶体已经熔化，晶粒间结合被破坏，导致钢材开裂，这种现象称为热脆。为消除钢中硫的有害作用，可以增加钢中锰的含量。3. 3. 硫硫4. 4. 磷磷 磷来自生铁，当钢中含磷量不高时，磷主要溶解在铁素体中，使铁素体的强度、硬度提高，但同时使钢的塑性和韧性急剧下降，这种现象称为冷脆。二、碳钢的分类二、碳钢的分类1. 1. 按含碳量分类按含碳量分类（1）低碳钢：0.0218%wC0.25%。（2）中碳钢：0.25%wC0.60%。（3）高碳钢：0.60%wC2.11%。2. 2. 按钢的质量等级分类按钢的质量等级分类（1）普通钢：wS0.050%，wP0.045%。（2）优质钢：wS0.035%，wP0.035%。（3）高级优质钢：wS0.030%，wP0.030%。（4）特级优质钢：wS0.025%，wP0.020。3. 3. 按钢的用途分类按钢的用途分类 （1）结构钢：主要用于制造各种工程构件和机械零件，其含碳量一般小于或等于0.70%。 （2）工具钢：主要用于制造各种刀具、模具和量具，其含碳量一般大于0.70%。4. 4. 按冶炼时脱氧程度的不同分类按冶炼时脱氧程度的不同分类 （1）沸腾钢：脱氧程度不完全的钢。 （2）镇静钢：脱氧程度完全的钢。 （3）半镇静钢：脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间的钢。 第二节第二节 碳素结构钢与优质碳素结构钢碳素结构钢与优质碳素结构钢机械零件和工程结构实物图 类似下列零件和结构受力相对比较简单，对制造材料的要求也不太高，通常采用碳素结构钢和优质碳素结构钢制造。一、碳素结构钢一、碳素结构钢 碳素结构钢冶炼容易，工艺性好，在性能上能满足一般工程结构、日常生活用品的要求，一般在热轧状态下直接使用。 碳素结构钢的含碳量较少，有一定的强度，塑性、韧性较好。随着含碳量增加，钢的强度、硬度增加，塑性、韧性下降。 碳素结构钢牌号由代表屈服强度的字母Q、屈服强度数值、质量等级符号、脱氧方法符号四个部分按顺序组成。常用碳素结构钢的牌号、化学成分及用途二、优质碳素结构钢二、优质碳素结构钢 优质碳素结构钢通常是按化学成分和力学性能供应的，使用前一般要经过热处理改善力学性能。优质碳素结构钢按冶金质量等级分为优质钢、高级优质钢、特级优质钢，按使用加工方法分为压力加工用钢和切削加工用钢。 优质碳素结构钢的含碳量一般小于0.7%。随着含碳量的增加，钢的强度、硬度提高，塑性、韧性下降。常用优质碳素结构钢的牌号、性能及用途 第三节第三节 碳素工具钢碳素工具钢 在生产实践和日常生活中，经常使用如下的手工工具。它们主要用来加工或测量其他金属或非金属工件，虽然整体承载不大，但局部往往受到较大的挤压和摩擦作用，因而要求具有较高的硬度和耐磨性。 结构钢因含碳量小，硬度较低，无法满足其工作性能要求，因此需要采用碳素工具钢。 錾子 锉刀 木工手锯 锥度塞规一、碳素工具钢概述一、碳素工具钢概述二、碳素工具钢的牌号表示方法二、碳素工具钢的牌号表示方法 碳素工具钢是指用于制造刀具、量具和模具的碳素钢，按冶金质量等级可分为优质钢与高级优质钢（A）两类。碳素工具钢的含碳量一般为0.70%1.30%，随着含碳量的增加，钢的耐磨性增加，韧性降低。常用碳素工具钢的牌号、化学成分、性能及用途 第四节第四节 铸造碳钢铸造碳钢机械零件 如下的机械零件不仅形状复杂，而且力学性能要求也比较高。此类零件几乎无法采用锻造或切削加工的方法进行制造，只有通过铸造工艺获得。在优质碳素钢基础上适当加入一些化学元素，使其铸造性能得以改善。通过这一方法生产的钢材称为铸造碳钢。一、铸钢概述一、铸钢概述 铸钢主要用来制造形状复杂、力学性能要求较高的零件。将钢液直接浇铸成形得到的工件称为铸钢件。 一般工程用铸钢的含碳量为0.20%0.60%，铸钢具有较高的强度、塑性和韧性，生产成本较低。随着含碳量的增加，铸钢的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，而且铸造性能也变差。二、铸钢牌号的表示方法二、铸钢牌号的表示方法一般工程用铸钢的牌号、化学成分、力学性能及用途第一节 钢在加热、冷却时的组织转变第二节 钢的退火与正火第三节 钢的淬火与回火第四节 钢的表面热处理和化学热处理第五节 典型零件的热处理分析热处理工艺曲线钢的热处理分类 第一节第一节 钢在加热、冷却时的组织转变钢在加热、冷却时的组织转变热处理车间炉膛式电阻炉 热处理是机械零件生产过程中，为了改善材料的工艺性能或使用性能而进行的重要工序。一般机械生产企业都会有专门的热处理车间。 机械零件在加工过程中为什么要进行热处理？一、钢在加热时的组织转变一、钢在加热时的组织转变1. 1. 钢的临界转变温度钢的临界转变温度钢在加热和冷却时的临界转变温度2. 2. 钢的奥氏体化钢的奥氏体化共析钢中奥氏体形成过程示意图a）奥氏体形核b）奥氏体晶核长大c）残余Fe3C的溶解d）奥氏体均匀化3. 3. 影响奥氏体化的因素影响奥氏体化的因素（1）加热温度 加热温度越高，奥氏体形成速度越快。（2）加热速度 加热速度越快，过热度越大，奥氏体实际形成温度越高，可获得细小的起始晶粒。（3）合金元素 Ni、Mn 等合金元素降低临界点，而Cr、W、Mo、V、Ti 等合金元素提高临界点。Co 和Ni 元素加快奥氏体的形成速度；Cr、W、Mo、V、Ti 等元素降低奥氏体的形成速度。（4）原始组织的影响 Fe3C 越细，相界面越多，越有利于奥氏体的形成。4. 4. 奥氏体晶粒的长大奥氏体晶粒的长大 当珠光体向奥氏体的转变刚刚完成时，奥氏体晶粒是比较细小的。这是由于珠光体内铁素体和渗碳体的相界面很多，有利于形成数目众多的奥氏体晶核。不论原来钢的晶粒粗或细，通过加热时的奥氏体化，都能得到细小晶粒的奥氏体。但是随着加热温度的升高，保温时间的延长，奥氏体晶粒会自发地长大。长大是通过晶粒之间的相互吞并来完成的。5. 5. 影响奥氏体晶粒长大的因素影响奥氏体晶粒长大的因素（1）加热温度和保温时间 奥氏体化温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。（2）钢的含碳量的影响 在碳钢中，共析钢的奥氏体晶粒最容易长大粗化。这是因为在亚共析钢中有先共析铁素体，在过共析钢中有先共析渗碳体，它们对奥氏体化过程及奥氏体晶粒的长大都有阻碍作用。（3）合金元素的影响 合金元素Ti、Al等有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，有利于得到细晶粒钢。Mn和P等元素有促进奥氏体晶粒长大的作用。6. 6. 奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响 奥氏体晶粒均匀细小，热处理后钢的力学性能提高。 奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，会降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。7. 7. 奥氏体晶粒大小的控制奥氏体晶粒大小的控制（1）选择合理的加热温度和保温时间（2）选择合理的加热速度二、钢在冷却时的组织转变二、钢在冷却时的组织转变两种冷却方式的工艺曲线1等温冷却2连续冷却热处理工艺中，常采用等温冷却和连续冷却两种方式。1. 1. 奥氏体等温转变曲线奥氏体等温转变曲线共析钢奥氏体等温转变图的建立奥氏体等温转变图在临界点A1以下存在的奥氏体称为过冷奥氏体。2. 2. 共析钢的奥氏体转变产物的组织和性能共析钢的奥氏体转变产物的组织和性能（1）共析钢的过冷奥氏体等温转变产物 1）珠光体型转变（又称高温转变）。在A1550温度范围内，过冷奥氏体转变为铁素体和渗碳体的片层混合物珠光体。珠光体型转变的组织及性能特点 2）贝氏体型转变（又称中温转变）。在550Ms温度范围内，过冷奥氏体转变为贝氏体。贝氏体型转变的组织及性能特点（2）共析钢的马氏体型转变（又称低温转变） 当钢从奥氏体区急冷到Ms以下时，奥氏体立即开始转变为马氏体。马氏体型转变的组织及性能特点 第二节第二节 钢的退火与正火钢的退火与正火 前面章节中介绍了几种常用的加工和测量工具。它们均采用含碳量较高的钢制造，以保证其具有较高的硬度和耐磨性。但高硬度势必增加加工难度，在实际生产中，如何才能将这些高硬度材料加工成所需要的形状和尺寸呢？一、退火一、退火 退火是指将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理方法。1. 1. 退火的目的退火的目的（1）降低钢的硬度，提高塑性。（2）细化晶粒，均匀钢的成分及组织。（3）消除钢中的残余内应力，以防止变形和开裂。2. 2. 常用的退火方法常用的退火方法（1）完全退火 将钢完全奥氏体化，随之缓慢冷却，以获得接近平衡组织的工艺称为完全退火。（2）球化退火为使钢中碳化物球状化而进行的退火称为球化退火。球状珠光体显微组织（400） 球化退火的工艺： 将钢加热到Ac1以上2030 ，保温一定时间，以小于50 /h的冷却速度随炉冷却。（3）去应力退火 为了去除工件因加工等原因造成的残余内应力而进行的退火，称为去应力退火。 去应力退火的工艺： 将钢加热到Ac1以下（一般取600650 ），经保温后随炉缓慢冷却。常用退火方法的工艺及应用二、正火二、正火 将钢加热到Ac3或Accm以上3050，保温适当时间，在空气中冷却的工艺方法叫正火。退火和正火的加热温度范围及热处理工艺曲线a）加热温度范围b）热处理工艺曲线1完全退火2球化退火3去应力退火4正火 第三节第三节 钢的淬火与回火钢的淬火与回火 采用高碳钢制作的工具和量具等，为了改善切削加工性能，需要通过退火降低钢的硬度。但加工完成之后，还必须采取一定的热处理工艺，恢复其高的硬度和耐磨性，那么什么样的方法才能达到这一要求呢？一、淬火一、淬火1. 1. 淬火的概念淬火的概念 将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保温一定时间，然后以适当的速度冷却，以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理称为淬火。 淬火的主要目的是获得马氏体，以提高钢的强度、硬度和耐磨性。2. 2. 淬火加热温度淬火加热温度（1）亚共析钢的淬火加热温度 亚共析钢的淬火加热温度为Ac3以上3050，淬火后获得细小的马氏体组织，从而获得较好的力学性能。 （2）共析钢和过共析钢的淬火加热温度 共析钢和过共析钢的淬火加热温度为Ac1以上3050。钢的淬火加热温度范围3. 3. 淬火的冷却介质淬火的冷却介质 常用淬火介质有水、盐水（或碱水）、淬火油、盐浴（或碱浴）等。钢的理想淬火冷却速度 常用冷却介质的冷却能力和应用范围4. 4. 淬火方法淬火方法常用淬火方法的特点及应用5. 5. 钢的淬透性和淬硬性钢的淬透性和淬硬性工件淬硬层与冷却速度的关系a）冷却速度b）淬硬层工件淬硬层与冷却速度的关系如下图所示。（1）淬透性 淬透性是指在规定的条件下，钢在淬火后获得淬硬层深度的能力。获得的淬硬层越深，淬透性越好。临界冷却速度越低，淬透性越好。一切增加过冷奥氏体稳定性、降低临界冷却速度的因素都可以提高钢的淬透性。（2）淬硬性 淬硬性是指钢在淬火后能达到的最高硬度的能力。钢的淬硬性主要取决于钢的含碳量。钢的淬硬性好，其淬透性不一定就好。例如，高碳钢的淬硬性很高，但淬透性差。而低碳合金钢的淬透性相当好，但它的淬硬性却不高。6. 6. 淬火缺陷及防止与补救措施淬火缺陷及防止与补救措施淬火缺陷及防止与补救措施二、回火二、回火 1. 1. 回火的概念回火的概念 将淬火后的钢再加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺叫回火。钢件淬火后，虽然具有高的硬度和耐磨性，但脆性较大，韧性较低，还存在着较大的淬火内应力。为了消除这些不利因素的影响，需及时进行回火处理。 2. 2. 回火的目的回火的目的 （1）消除内应力。 （2）获得所需要的力学性能。 （3）稳定组织和尺寸。3. 3. 回火时钢的组织与性能的变化回火时钢的组织与性能的变化 （1）第一阶段：马氏体的分解（80200）。 （2）第二阶段：残留奥氏体的转变（200300）。 （3）第三阶段：渗碳体的形成（300400）。 （4）第四阶段：渗碳体的聚集长大（400以上）。40钢的力学性能与回火温度的关系4. 4. 回火的方法和应用回火的方法和应用常用回火方法、回火组织、性能及应用45 钢正火或调质后力学性能比较 第四节第四节 钢的表面热处理和化学热处理钢的表面热处理和化学热处理 在机械设备中，有许多零件会同时承受冲击和摩擦两种载荷的作用，如汽车变速齿轮、传动齿轮轴等，此类零件不仅要求具有较高的硬度和耐磨性，而且还应具有足够的塑性和韧性。这一特殊性能要去是无法通过调节钢的含碳量或采用常规热处理方法解决的。 可否通过一些方法，让零件表面具有较高的硬度而心部具有较高的塑性和韧性呢？一、表面热处理一、表面热处理1. 1. 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火 1烧嘴2喷水管3淬硬层 4工件5加热层 表面热处理和化学热处理是对工件表面进行硬化的热处理方法。2. 2. 感应加热表面淬火感应加热表面淬火感应加热表面淬火的特点： （1）加热速度快。 （2）淬火质量好。 （3）淬硬层深度易于控制， 操作易实现机械化和自动化。感应加热表面淬火1工件2间隙3加热淬火层 4淬火喷水管5加热感应圈二、钢的化学热处理二、钢的化学热处理 根据渗入元素的不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属。 化学热处理都是通过三个基本过程来完成。 （1）分解 （2）吸收 （3）扩散1. 1. 钢的渗碳钢的渗碳 将工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称为渗碳。渗碳后的工件需进行淬火及低温回火，使零件表面获得高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定强度及较高的塑性和韧性。920 渗碳时渗碳层厚度与渗碳时间的关系 渗碳的一般工艺路线为锻造正火机械粗加工渗碳淬火低温回火机械精加工。气体渗碳炉及原理示意图1风扇电动机2废气火焰3炉盖4砂封5电阻丝6耐热罐7工件8炉体低碳钢渗碳缓冷后的渗碳层显微组织（200） 工件渗碳后，表层含碳量最高，向内逐渐降低，中心则为钢的原含碳量。2. 2. 钢的渗氮钢的渗氮 在一定温度下，使活性氮原子渗入工件表面以形成高氮硬化层的化学热处理工艺称为渗氮，其目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度。渗氮的特点： （1）渗氮层具有很高的硬度和耐磨性。 （2）渗氮温度低，工件变形小。 （3）渗氮零件具有很好的耐蚀性。 （4）渗氮工艺过程复杂，生产周期长，渗氮层薄而脆，不宜承受集中的重载荷。（1）气体渗氮渗氮层的显微组织a) 渗氮层及HV 测试压痕b) 渗氮层中致密的针状氮化物(白色)气体渗氮工件在气体介质中进行渗氮。（2）离子渗氮离子渗氮装置示意图1密封橡胶棒2阴极3工件4观察孔 5真空室外壳6阳极 离子渗氮在低于一个大气压的渗氮气氛中，利用工件（阴极）和阳极之间产生的辉光放电进行渗氮。 离子渗氮具有速度快、生产周期短、渗氮质量高、工件变形小、对材料的适应性强等优点。3. 3. 碳氮共渗碳氮共渗 在一定温度下，将碳、氮原子同时渗入工件表层奥氏体中的化学热处理工艺称为碳氮共渗。（1）中温气体碳氮共渗 在改进的气体渗碳炉中同时滴入煤油，通入氨气，在共渗温度（820870）下，这两种共渗剂产生活性碳原子、氮原子渗入工件表层，并向内部扩散形成碳氮共渗层。（2）低温气体碳氮共渗 又称气体软氮化，它以渗氮为主。渗剂采用尿素或甲酰胺，直接送入气体渗碳炉中，共渗温度是500 570。 第五节第五节 典型零件的热处理分析典型零件的热处理分析 前面介绍了几种机械工业中常用的热处理方法，它们是机械零件制造过程中，为了获得所需要的工艺性能和使用性能所采取的重要工序。针对某一具体零件，如何根据其制造材料和要求，正确选用热处理方法和确定技术条件，合理安排热处理在整个制造过程中的工序位置呢？一、热处理的技术条件一、热处理的技术条件 一般零件均以硬度作为热处理技术条件，对渗碳零件应标注渗碳层深度，对某些性能要求较高的零件还需标注其他力学性能指标或金相组织要求。二、热处理的工序位置二、热处理的工序位置1. 1. 预备热处理的工序位置预备热处理的工序位置 预备热处理包括退火、正火、调质等。退火、正火的工序位置一般安排在毛坯生产（如锻造）之后、切削加工之前。调质工序一般安排在粗加工之后、精加工或半精加工之前。2. 2. 最终热处理的工序位置最终热处理的工序位置 最终热处理包括淬火、回火、表面热处理及化学热处理等。 最终热处理的工序位置一般均安排在半精加工之后。第一节 概述第二节 合金结构钢第三节 合金工具钢第四节 特殊性能钢第五节 钢的火花鉴别 第一节第一节 概述概述 工业上较多地使用合金钢大约是在19世纪后半期，先后发明了自硬钢、铬钢、镍钢和高速工具钢，适应了社会生产力发展的要求。 20世纪20年代后，冶金技术取得了快速发展，耐热钢、高强度钢和超高强度钢等不断问世，随着冶金新技术，特别是炉外精炼技术的广泛应用，合金