金属材料热处理.pptx

一、金属材料的历史地位 二、金属材料的分类 三、金属结构材料的应用情况 四、金属材料发展的历史 五、金属材料的发展热点 六、关于本课程 绪 论主要内容主要内容第1页/共199页一、金属材料的历史地位一、金属材料的历史地位1.1.材料材料发展与社会进步有着密切关系,它是衡量人 类社会文明程度社会文明程度的标志之一，金属材料是现代文明的基础。石器时代青铜器时代铁器时代 2.2.目前，人目前，人类还处在金属器在金属器时期。期。虽然无机非金然无机非金 属材料、高分子材料的使用量与日俱增，但在可预见的时期内，仍不会改变这种状况。第2页/共199页二、金属材料的分类二、金属材料的分类黑色 金属有色 金属金属材料铸铁 钢 工程构件用钢机器零件用钢 工具钢 特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢)轻金属轻金属(铝铝,镁镁,钛钛)重金属(铜,锌,铅,镍)贵重金属(金,银)稀有金属(钨钼钒铌钴)放射金属(镭铀钍)结构金属材料结构金属材料 功能金属材料功能金属材料第3页/共199页三、金属结构材料的应用情况三、金属结构材料的应用情况(1)(1)1.从总产量来看，钢铁材料的产量占绝对优势，占世界金属总产量的95，而且有许多良好的性能，能满足大多数条件下的应用，价格低廉。2.在世界金属矿储量中，铁矿资源虽然比较丰富和集中，但就世界地壳中金属矿产储量来讲，则非铁金属矿储量大于铁矿储量，如铁只占5.1，而非铁金属中铝为8.8镁为2.1，钛为0.6。第4页/共199页3.非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，因而生产成本高，限制了生产总量的增长。4.非铁金属所创造的价值高，并且它有钢铁所不具备的特殊性能，例如比强度高，耐低温、耐腐蚀等，因而非铁金属产量仍在迅速增长。三、金属结构材料的应用情况三、金属结构材料的应用情况(2)(2)第5页/共199页四、金属材料发展的历史四、金属材料发展的历史(1)1.公元前3800年，出现人工冶炼的铜器，我国在公元前3000年出现锡青铜甘肃东乡马家窑文化的青铜刀（含610Sn）。商、周时期是中国青铜器的鼎盛时期。2.自公元前12世纪起铁器在地中海东岸地区使用日广。到公元前10世纪，铁工具比青铜工具应用更普遍。公元前8世纪到公元前7世纪，北非和欧洲相继进入铁器时代。第6页/共199页3.中国古代钢铁及非铁金属的生产技术和热处理技术，在明末科学家宋应星所著天天工开物工开物中有详细的阐述。4.现代冶金技术现代冶金技术的发展自19世纪中叶的转炉炼钢和平炉炼钢开始。19世纪末的电弧炉炼钢和20世纪中叶的氧气顶吹转炉炼钢及炉外精炼技术，使钢铁工业实现了现代化。四、金属材料发展的历史四、金属材料发展的历史(2)第7页/共199页5.在非铁金属冶金非铁金属冶金方面，19世纪80年代发电机的发明，使电解法提纯铜的工业方法得以实现，开创了电冶金新领域；同时，用熔盐电解法将氧化铝加入熔融冰晶石，电解得到廉价的铝，使铝成为仅次于铁的第二大金属；20世纪40年代，用镁作还原剂从四氯化钛制得纯钛，并使真空熔炼加工等技术逐步成熟后，钛及钛合金的广泛应用得以实现。同时，其他非铁金属也陆续实现工业化生产。四、金属材料发展的历史四、金属材料发展的历史(3)第8页/共199页6.19世纪末，出现了新型的合金钢如高速工具钢、高锰钢、镍钢和铬不锈钢，并在20世纪发展为门类众多的合金钢体系。与此同时，铝合合、镁合金、铜合金、钛合金和难熔金属及合金等也先后形成工业规模生产。7.20世纪中叶，新金属材料研究发展迅猛。如非晶态合金、金属基复合材料、金属间化合物结构材料、金属纳米材料等。四、金属材料发展的历史四、金属材料发展的历史(4)第9页/共199页五、金属材料的发展热点五、金属材料的发展热点1继续重视高性能的新型金属材料 l具有高强度、高韧性、耐高、低温、抗腐蚀等性能。2非晶（亚稳态）材料日益受到重视 l非晶态或亚稳态合金材料、金属纳米材料。3特殊条件下应用的金属材料 l低温、高压、高温、外场以及辐照条件材料的结构、组织和性能的研究。4材料的设计及选用科学化 l按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。第10页/共199页六、关于本课程六、关于本课程(1)1.本课程的目的是讲授金属结构材料的物理冶金问题，使学生掌握金属及合金中的化学成分、组织结构、生产过程、环境对金属材料各种性能的影响的基本规律；掌握常用金属材料的化学成分设计、生产、热处理和使用中的问题。第11页/共199页2.本课程的主要内容 金属材料的合金化基础理论碳钢、合金钢铸铁有色金属及合金六、关于本课程六、关于本课程(2)第12页/共199页3.学习要求掌握金属材料合金化原理、合金元素对钢相变、组织、性能影响的一般规律。掌握常用钢、铸铁、高温合金、有色金属等材料的牌号、成分、热处理规范、组织、力学性能和用途。能够根据工程构件、机器零件（或工具）的服役条件，合理选用材料，确定热处理工艺等。能对产品质量作初步分析，提出消除或预防热处理缺陷的措施。六、关于本课程六、关于本课程(3)第13页/共199页4.成绩考核方式 期末试卷（80%）+平时综合（20%）5.教材与参考书吴承建、陈国良、强文江编著。金属材料学，北京：冶金工业出版社，2000。王笑天主编。金属材料学，北京：机械工业出版社，1987。王晓敏主编。工程材料学，北京：机械工业出版社，1999。六、关于本课程六、关于本课程(4)第14页/共199页第一单元第一单元 金属材料与机械产品制造过程简介第15页/共199页金属材料的基本概念金属材料的基本概念 金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材料构成的并具有金属特性的工程材料。金属材料纯 金 属 合 金第16页/共199页金属材料的分类金属材料的分类金属材料黑色 金属有色 金属非合金钢低合金钢 合金钢 铸铁滑动轴承合金滑动轴承合金 钛及钛合金其他非铁合金铜及铜合金铝及铝合金第17页/共199页Steelmaking flowlines 第18页/共199页Steel Finishing flowlines 第19页/共199页机械产品的制造过程机械产品的制造过程第20页/共199页机械产品加工工艺铸造压力加工 焊接 粉末冶金切削加工特种加工熔焊压焊钎焊第21页/共199页金属材料的性能金属材料的性能力学性能物理性能化学性能化学性能第二单元金属材料的性能金属材料的性能第22页/共199页力学性能力学性能力学性能指金属在力的作用下所显示出的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能，如弹性、强度、硬度、塑性、韧性等第23页/共199页强度与塑性强度与塑性材料的拉伸曲线材料的拉伸曲线1、oe段：段：直线、弹性变性直线、弹性变性2、es段：段：曲线、弹性变形曲线、弹性变形+塑性变形塑性变形3、s s段：段：水平线（略有波动）明显的塑水平线（略有波动）明显的塑 性变形屈服现象，作用的力基本不变，试性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。样连续伸长。4、sb曲线：曲线：弹性变形弹性变形+均匀塑性变形。均匀塑性变形。5、b点：点：出现缩颈现象，即试样局部截面出现缩颈现象，即试样局部截面 明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，试样即将断裂。最大值，试样即将断裂。第24页/共199页强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力 。强度的指标强度的指标2 2、抗拉强度指试样拉断前所承受的最大拉应力。指试样拉断前所承受的最大拉应力。其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力。1 1、屈服点Rm=F Fm m/S/S0 0 当材料的内应力R RR Rm m时，材料将产生断裂。Rm常用作脆性材料的选材和设计的依据。符号：符号：Re 材料产生屈服现象时的最小应力材料产生屈服现象时的最小应力R Re e=F Fs s/S/S0 0 Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（试样屈服时所承受的拉伸力（N）S0：试样原始横截面积（：试样原始横截面积（mm）第25页/共199页塑性指标塑性指标 塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。评定指标是断后伸长率和断面收缩率。1 1、断后伸长率 A A2 2、断面收缩率 Z Z指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。A=(L=(Lu u-Lo)/Lo x 100%-Lo)/Lo x 100%Lu:Lu:拉断拉伸试样对接后测出的标距长度Lo:Lo:拉伸试样的原始标距Z=(So-Su)/So x 100%Z=(So-Su)/So x 100%So:拉伸试样原横截面积。S Su u:拉伸试样断口处的横截面积第26页/共199页硬度硬度引言：1 1、定义：指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。2 2、硬度的测试方法 布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度 肖氏硬度第27页/共199页1 1、布氏硬度试验（布氏硬度计）原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。2 2、布氏硬度值 用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。如：120HBS500HBW4 4、测量范围用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等.布氏硬度布氏硬度布氏硬度布氏硬度3 3、优缺点（1 1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（2 2）可测的硬度值不高（3 3）不测试成品与薄件（4 4）测量费时，效率低第28页/共199页1 1、洛氏硬度试验（洛氏硬度计）原理:用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。2 2、洛氏硬度值 用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出。如：50HRC50HRC 4 4、测量范围用于测量淬火钢、硬质合金等材料.洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度3 3、优缺点（1 1）试验简单、方便、迅速（2 2）压痕小，可测成品，薄件（3 3）数据不够准确，应测三点取平均值（4 4）不应测组织不均匀材料，如铸铁。第29页/共199页1 1、维氏硬度试验 原理:用夹角为136136的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力F F（49.03-980.07N49.03-980.07N）压入试样表面，测出压痕对角线长度d d。2 2、维氏硬度值 用压痕对角线长度表示。如：640HV640HV。4 4、测量范围 常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。维氏硬度维氏硬度维氏硬度维氏硬度3 3、优缺点（1 1）测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）（2 2）可测成品与薄件（3 3）试样表面要求高，费工。第30页/共199页韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。常用一次摆锤冲击弯曲，试验来测定金属材料的冲击韧性。u冲击试样u冲击试样的原理及方法：冲击韧度越大，表示材料的冲击韧性越好。u小能量多次冲击试验第31页/共199页疲劳强度疲劳概念：在交变应力作用下，零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。第32页/共199页疲劳断裂时无明显的宏观朔性变形，断裂前没有预兆，而是突然破坏；引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点；疲劳破坏的宏观断口由两部分组成。疲劳破坏的特征第33页/共199页疲劳曲线是指交变应力与循环次数的关系曲线。疲劳曲线和疲劳极限第34页/共199页物理性能密度熔点导热性导电性热膨胀性磁性第35页/共199页化学性能耐蚀性抗氧化性化学稳定性第36页/共199页金属的工艺性能工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的应能力。第37页/共199页金属（材料）及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力称为铸造性能。1、流动性：熔融金属的流动能力称为流动性。主要受金属化学成份和浇注温度等的影响。2、收缩性：铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为引缩性。3、偏析倾向：金属凝固后，内部化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。铸造性能：第38页/共199页锻造性能：用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻造性能。铸铁不能锻压。焊接性能：大量接性能是指金属材料对焊接加工的适应性。切削加性能：切削加工（性能）金属材料的难易程度称为切削加工性能。第39页/共199页第三单元金属的晶体结构与结晶晶体与非晶体非晶体：在物质内部，凡原子呈无序堆积状况的，称为非晶体。如：普通玻璃、松香、树脂等。晶体：凡原子呈有序、有规则排列的物质，金属的固态、金刚石、明矾晶体等。性能：晶体有固定的熔、沸点，呈各向异性，非晶体没有固定熔点，而且表现为各向同性。一、金属材料的晶体结构第40页/共199页晶格和晶胞：表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶格。能完整地反映晶格特征的最小几何单元，称为晶胞。晶面和晶向：在晶体中由一系列原子组成的平面，秋为晶面。通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表晶格空间排列的一定方向，称为晶向晶体结构的概念第41页/共199页体心立方晶格：它的晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心。如：铬（Cr）、钒（V）、钨（W）、钼（Mo）及-Fe面心立方晶格：它的晶胞也是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的中心。如：铝（Al）、铜（Cu）、铅（Pb）、镍（Ni）及-Fe密排六方晶格：它的晶胞是一个正六棱柱体，原子排列在柱体的每个顶角上和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内。属于这种晶格类型的金属有镁（Mg）、铍（Be）、镉（Cd）、及锌（Zn）等。金属晶格的类型第42页/共199页金属材料的实际晶体结构金属材料的实际晶体结构点缺陷点缺陷 晶体中呈点状的缺陷，即在三维晶体中呈点状的缺陷，即在三维空间上尺寸都很小的晶体缺陷空间上尺寸都很小的晶体缺陷线缺陷线缺陷 三维空间的两个方向上尺寸很小三维空间的两个方向上尺寸很小的晶体缺陷的晶体缺陷面缺陷面缺陷 在二维方向上尺寸很大，在第三在二维方向上尺寸很大，在第三个方向上尺寸很小，呈面状分布的缺陷个方向上尺寸很小，呈面状分布的缺陷第43页/共199页 金属由原子不规则排列的金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排液体转变为原子规则排列的固体的过程称为结列的固体的过程称为结晶。晶。纯金属的冷却曲线及过冷纯金属的冷却曲线及过冷度。度。用热分析法进行研究用热分析法进行研究 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线(理论理论)纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线(实际实际)二二、纯纯金金属属的的结结晶晶第44页/共199页纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程第45页/共199页u晶粒大小对金属材料力学性能的影响晶粒大小对金属材料力学性能的影响u控制晶粒大小的方法控制晶粒大小的方法（1）加快液态金属材料的冷却速度；）加快液态金属材料的冷却速度；（2）变质处理）变质处理（3）采用机械振动、超声波振动和电）采用机械振动、超声波振动和电磁振动等；磁振动等；金属材料结晶后晶粒的控制金属材料结晶后晶粒的控制第46页/共199页三、金属的同素异构转变三、金属的同素异构转变金属在固态下，随温度的改变有一种晶格转变为另一晶格的现金属在固态下，随温度的改变有一种晶格转变为另一晶格的现象称为象称为同素异构转变同素异构转变。具有同素异构转变的金属有：铁、钴、钛、锡、锰等。同一金具有同素异构转变的金属有：铁、钴、钛、锡、锰等。同一金属的同素异构晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用属的同素异构晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母希腊字母，等表示等表示第47页/共199页同素异构转变是由晶核的形成同素异构转变是由晶核的形成与晶核的长大两个基本过程完成，与晶核的长大两个基本过程完成，新晶核在原晶界处生成新晶核在原晶界处生成同素异构转变有过冷（过热）同素异构转变有过冷（过热）现象，并且转变时具有较大的过现象，并且转变时具有较大的过冷度冷度同素异构转变过程中，有相变同素异构转变过程中，有相变潜热产生，在冷却曲线上出现水潜热产生，在冷却曲线上出现水平线段，但这种转变在固态下进平线段，但这种转变在固态下进行的，它与液体结晶相比具有不行的，它与液体结晶相比具有不同之处同之处同素异构转变时常伴有金属材同素异构转变时常伴有金属材料体积的变化料体积的变化第48页/共199页四、合金的相结构四、合金的相结构u组元组元u合金系合金系u相相u组织组织基本概念基本概念第49页/共199页合金的相结构合金的相结构固溶体固溶体置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体金属氧化物金属氧化物机械混合物机械混合物第50页/共199页五、合金的结晶五、合金的结晶1.合金的结晶过程合金的结晶过程2.合金结晶冷却曲线合金结晶冷却曲线形成单相固溶体的结晶冷却曲线形成单相固溶体的结晶冷却曲线形成单相混合物或共晶体的结晶冷形成单相混合物或共晶体的结晶冷却曲线却曲线形成机械混合物的冷却曲线形成机械混合物的冷却曲线第51页/共199页六、金属材料铸锭组织特征六、金属材料铸锭组织特征1.铸锭的组织结构铸锭的组织结构表面细晶粒区表面细晶粒区柱状晶粒区柱状晶粒区等轴晶粒区等轴晶粒区2.定向结晶和单晶定向结晶和单晶第52页/共199页七、金属材料塑性变形与再结晶七、金属材料塑性变形与再结晶金属材料塑性变形金属材料塑性变形塑性变形实质塑性变形实质冷变形强化冷变形强化回复回复再结晶再结晶晶粒长大晶粒长大第53页/共199页八、金属材料焊接接头组织八、金属材料焊接接头组织焊缝焊缝熔合区熔合区热影响区热影响区过热区过热区正火区正火区部分相变区部分相变区第54页/共199页铁素体铁素体概念概念：碳溶解在：碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体中形成的间隙固溶体称为铁素体。称为铁素体。符号符号：F，体心立方晶格体心立方晶格溶解能力溶解能力：溶解度很小，在：溶解度很小，在727时，时，碳在碳在-Fe中的最大溶碳量为中的最大溶碳量为0.0218%，随温度的降低逐渐减小。随温度的降低逐渐减小。性能性能：由于铁素体的含碳量低，所以：由于铁素体的含碳量低，所以铁素体的性能与纯铁相似。即有良好铁素体的性能与纯铁相似。即有良好的塑性和韧性，强度和硬较低。的塑性和韧性，强度和硬较低。铁铁碳碳合合金金相相图图第第四四单单元元第55页/共199页奥氏体奥氏体概念概念：碳溶解在：碳溶解在Fe中形成的间隙固溶体称中形成的间隙固溶体称为奥氏体。为奥氏体。符号符号：A，面心立方晶格面心立方晶格溶碳能力溶碳能力：较强。在：较强。在1148时时可溶可溶C 为为2.11%，在，在727时，时，可溶可溶C为为0.77%。性能性能：强度、硬度不高，具有：强度、硬度不高，具有良好的塑性，是绝大多数钢在良好的塑性，是绝大多数钢在高温进行锻造和扎制时所要求高温进行锻造和扎制时所要求的组织。的组织。第56页/共199页珠光体珠光体概念概念：是铁素体与碳光体的混合物：是铁素体与碳光体的混合物符号符号：P，是铁素体和渗碳体片层相间，交替排，是铁素体和渗碳体片层相间，交替排列。列。溶碳能力溶碳能力：在：在727时，时，C=0.77%性能特点性能特点：取决于铁素体和渗碳体的性能，强度：取决于铁素体和渗碳体的性能，强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。较高，硬度适中，具有一定的塑性。第57页/共199页莱氏体莱氏体概念概念：是含碳量为：是含碳量为4.3%的液态铁碳合金在的液态铁碳合金在11480C时从液体上中间结晶出的奥氏体和渗碳体时从液体上中间结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物。的混合物。符号符号：Ld（高温莱氏体，温度（高温莱氏体，温度727）由于奥）由于奥氏体在氏体在727时转变为珠光体，所以在室温下的莱时转变为珠光体，所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成叫低温莱氏体。氏体由珠光体和渗碳体组成叫低温莱氏体。Ld表表示示溶碳能力溶碳能力：C=4.3%性能特点性能特点：硬度很高，塑性很差。：硬度很高，塑性很差。第58页/共199页珠光体珠光体概念概念：是铁素体与碳光体的混合物：是铁素体与碳光体的混合物符号符号：P，是铁素体和渗碳体片层相间，交替排，是铁素体和渗碳体片层相间，交替排列。列。溶碳能力溶碳能力：在：在727时，时，C=0.77%性能特点性能特点：取决于铁素体和渗碳体的性能，强度较：取决于铁素体和渗碳体的性能，强度较高，硬度适中，具有一定的塑性高，硬度适中，具有一定的塑性 第59页/共199页二、铁碳合金相图二、铁碳合金相图第60页/共199页第61页/共199页第62页/共199页第63页/共199页铁碳合金的分类铁碳合金的分类 钢钢：0.0218%C2.11%的铁碳合的铁碳合金金亚共析钢：亚共析钢：0.0718%C0.77%共析钢：共析钢：C=0.77%过共析钢：过共析钢：0.77%C2.11%白口铸铁白口铸铁：2.11%C6.69%亚共晶白口铸铁：亚共晶白口铸铁：2.11%C4.3%共晶白口铸铁：共晶白口铸铁：C=4.3%过晶白口铸铁：过晶白口铸铁：4.3%C6.69%第64页/共199页四、铁碳合金相图的应用四、铁碳合金相图的应用选材方面选材方面铸造方面铸造方面压力加工方面压力加工方面热处理方面热处理方面焊接方面焊接方面第65页/共199页第五单元第五单元非非合合金金钢钢一、硅一、硅1、来源：炼钢后期作脱氧剂带入；、来源：炼钢后期作脱氧剂带入；2、对钢的性能影响：提高钢的强度、硬度；、对钢的性能影响：提高钢的强度、硬度；3、是钢中的有益元素。、是钢中的有益元素。二、锰二、锰1、来源：炼钢脱氧剂。、来源：炼钢脱氧剂。2、对钢的性能影响：提高钢的强度与硬度。、对钢的性能影响：提高钢的强度与硬度。3、是钢中的有益元素、是钢中的有益元素 第66页/共199页三、硫三、硫1、来源：生铁带入；、来源：生铁带入；2、对钢的性能影响：对钢造成热脆性；、对钢的性能影响：对钢造成热脆性；3、是钢中的有害元素。、是钢中的有害元素。四、磷四、磷1、来源：生铁带入；、来源：生铁带入；2、对钢的性能影响，对钢造成冷脆性；、对钢的性能影响，对钢造成冷脆性；3、是钢中的有害元素。、是钢中的有害元素。第67页/共199页二、非合金钢的分类二、非合金钢的分类按钢的含碳量分类：按钢的含碳量分类：1、低碳钢：、低碳钢：C0.25%2、中碳钢：中碳钢：0.25%C0.6%3、高碳钢：、高碳钢：C0.6%第68页/共199页二、按钢的质量分类：二、按钢的质量分类：1、普通钢：、普通钢：S0.05%，P0.045%2、优质钢：、优质钢：S0.035%，P0.035%3、高级优质钢：、高级优质钢：S0.025%，P0.025%第69页/共199页三、按钢的用途分类：三、按钢的用途分类：1、结构钢：主要用于制造各、结构钢：主要用于制造各种机械零件和工程构件。种机械零件和工程构件。C0.7%2、工具钢：主要用于制造各、工具钢：主要用于制造各种刀具、模具和量具。其含碳种刀具、模具和量具。其含碳量大于量大于0.70%第70页/共199页三、非合金钢钢的牌号及用途三、非合金钢钢的牌号及用途牌号：牌号：Q屈服点数值，质量等屈服点数值，质量等级符号和脱氧方法符号；级符号和脱氧方法符号；性能：一般；性能：一般；应用：厂房、桥梁、船舶、铆应用：厂房、桥梁、船舶、铆钉、螺钉、螺母等。钉、螺钉、螺母等。例如：例如：Q235-AF：表示屈服点为：表示屈服点为235Mpa的的A级沸腾钢级沸腾钢 第71页/共199页一、优质碳素结构钢：一、优质碳素结构钢：牌号：用两位数字表示钢中平均含碳量的十分之几。牌号：用两位数字表示钢中平均含碳量的十分之几。分类：分类：1）、）、0825钢，属于低碳钢钢，属于低碳钢 性能：强度、硬度较低、塑性、韧性及焊接性良好；性能：强度、硬度较低、塑性、韧性及焊接性良好；用途：冲压件、焊接结构件及渗碳件用途：冲压件、焊接结构件及渗碳件 如：深冲如：深冲器件、压力容器等。器件、压力容器等。2）、）、3055钢钢 属于中碳钢属于中碳钢 性能：较高的强度和硬度，是塑性和韧性随含性能：较高的强度和硬度，是塑性和韧性随含碳量的增加而逐步降低。碳量的增加而逐步降低。用途：制作受力较大的机械零件。用途：制作受力较大的机械零件。如：连杆、如：连杆、曲轴、齿轮等曲轴、齿轮等3）、）、60钢以上钢以上 属于高碳钢。属于高碳钢。性能：有较高的强度、硬度和弹性；性能：有较高的强度、硬度和弹性；用途：制造较高强度、耐磨性和弹性的零件用途：制造较高强度、耐磨性和弹性的零件 如：气如：气门弹簧、弹簧垫圈等门弹簧、弹簧垫圈等第72页/共199页碳素工具钢：碳素工具钢：牌号：牌号：T+数字（平均含碳数字（平均含碳量的千分数）量的千分数）如：如：T12A：表示平均含碳：表示平均含碳量为量为1.2%的高效优质碳素工具的高效优质碳素工具钢。钢。T7T8：钻头、模具等：钻头、模具等T9T10：丝锥、板牙等：丝锥、板牙等T11T13：锉刀、削刀等：锉刀、削刀等第73页/共199页铸造碳钢：铸造碳钢：牌号：牌号：ZG+数字数字数字数字第一组数字：屈服点第一组数字：屈服点第二组数字：抗拉强度值第二组数字：抗拉强度值如：如：ZG270500，应用：制造形状复杂力学性能要应用：制造形状复杂力学性能要求较高的机械零件。求较高的机械零件。第74页/共199页第六单元第六单元钢材的热处理钢材的热处理一、热处理：一、热处理：热处理热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。热处理的目的：热处理的目的：提高零件的使用性能；提高零件的使用性能；充分发挥钢材的潜力；充分发挥钢材的潜力；延长零件的使用寿面；延长零件的使用寿面；改善工件的工艺性能，提高加工质量，减小刀具的磨损改善工件的工艺性能，提高加工质量，减小刀具的磨损。钢的热处理方法：退火、正火、淬火、回火及表面热处理等五钢的热处理方法：退火、正火、淬火、回火及表面热处理等五种。种。热处理使钢性能发生变化的原因：热处理使钢性能发生变化的原因：由于铁有同素异转变，从而使钢在加热和冷却过程中，发生了由于铁有同素异转变，从而使钢在加热和冷却过程中，发生了组织与结构变化。组织与结构变化。第75页/共199页二、钢在加热时的组织转变二、钢在加热时的组织转变钢的奥氏体化钢的奥氏体化奥氏体晶核的形成及长大；奥氏体晶核的形成及长大；残余渗碳件的溶解；残余渗碳件的溶解；奥氏体的均匀化；奥氏体的均匀化；在热处理工艺中，钢保温的目的是：在热处理工艺中，钢保温的目的是：、为了使工件热透；、为了使工件热透；、使组织转变完全；、使组织转变完全；、使奥氏体成分均匀。、使奥氏体成分均匀。奥氏体晶粒的长大：奥氏体晶粒的长大：加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越大加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越大第76页/共199页三、钢材在冷却时的组织转变三、钢材在冷却时的组织转变过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体的等温转变等温转变图的建立等温转变图的建立过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能珠光体转变：珠光体转变：温度：温度：A15500C珠光体珠光体 HRCA16500C珠光体珠光体P 256500C6000C索氏体索氏体S 25356000C5500C屈氏体屈氏体T 3540贝氏体型转变：贝氏体型转变：5500CMs贝氏体贝氏体B 40455500C3500C上贝氏体上贝氏体B上上 3500CMs下贝氏体下贝氏体B下下 4555 第77页/共199页马氏体转变马氏体转变碳在碳在Fe中的过饱和固溶体，称为马氏体，用符号中的过饱和固溶体，称为马氏体，用符号M表表示，体心正方晶格。示，体心正方晶格。马氏体转变的特点：马氏体转变的特点：转变温度：转变温度：MsMf转变速度极快；转变速度极快；转变体积发生膨胀；转变体积发生膨胀；转变不彻底。转变不彻底。性能特点：针状马氏体：硬度高、脆性大；板条马氏体：性能特点：针状马氏体：硬度高、脆性大；板条马氏体：强度、韧性较好强度、韧性较好马氏体的硬度主要取决于含碳量。马氏体的硬度主要取决于含碳量。过冷奥氏体等温度转变图的应用。过冷奥氏体等温度转变图的应用。在等温转变图上估计连续冷却转变产物，确定马氏体临界在等温转变图上估计连续冷却转变产物，确定马氏体临界冷却速度冷却速度第78页/共199页 四、退火与正火四、退火与正火退火退火概念：将钢加热到适当温度，保持一定时间，然概念：将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺称为后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺称为退火。退火。退火的主要目的是：降低钢的硬度，提高塑性，退火的主要目的是：降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工；细化晶粒，均匀以利于切削加工及冷变形加工；细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的热处钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的热处理作组织上的准备；消除钢中的残余内应力，以理作组织上的准备；消除钢中的残余内应力，以防止变形帮开裂。防止变形帮开裂。第79页/共199页退火的方法：退火的方法：完全退火：完全退火：完全退火是将钢加热到完全奥氏体（完全退火是将钢加热到完全奥氏体（Ac3以上以上30500C），），随之缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的工艺方法。随之缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的工艺方法。应用：中碳钢及低、中碳合金结构钢的锻件、铸件、热应用：中碳钢及低、中碳合金结构钢的锻件、铸件、热轧型材等。轧型材等。球化退火：球化退火是将钢加热到球化退火：球化退火是将钢加热到AC1以上以上20300C，保温一定得时间，以不大于，保温一定得时间，以不大于500C/H得冷却速度随得冷却速度随炉冷却，使钢终碳化物呈球状得工艺方法。应用：适炉冷却，使钢终碳化物呈球状得工艺方法。应用：适用于共析钢及过共析钢。如碳素工具钢，合金工具钢用于共析钢及过共析钢。如碳素工具钢，合金工具钢、轴承钢等。、轴承钢等。去应力退火：去应力退火是将钢加热到略低于去应力退火：去应力退火是将钢加热到略低于A1得温得温度，保温一定时间后缓慢冷却得工艺方法。应用：消度，保温一定时间后缓慢冷却得工艺方法。应用：消除塑性变形、焊接、切削加工、铸造等形成的残余内除塑性变形、焊接、切削加工、铸造等形成的残余内应力。应力。第80页/共199页正火正火1、正火概念：将钢加热到、正火概念：将钢加热到Ac3或或Accm以上以上30-500C，保温适当的时间，在空气中冷，保温适当的时间，在空气中冷却的工艺方法。正火退火的目的基本相同，却的工艺方法。正火退火的目的基本相同，2、正火主要用于如下场合：、正火主要用于如下场合：善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性；善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性；正火可细化晶粒；正火可细化晶粒；消除过共析钢中的网状渗碳体，改善钢的消除过共析钢中的网状渗碳体，改善钢的力学性能，并为球化退火作组织准备；力学性能，并为球化退火作组织准备；代替中碳钢和低碳合金结构钢的退火。代替中碳钢和低碳合金结构钢的退火。第81页/共199页五、淬火五、淬火1、概念：将钢加热到、概念：将钢加热到Ac3或或Ac1以上某一温度，保温一定时间，以上某一温度，保温一定时间，然后以适当速度冷却，获得马氏体或下马贝氏组织的热处理然后以适当速度冷却，获得马氏体或下马贝氏组织的热处理工艺称为淬火；工艺称为淬火；2、目的：主要获得马氏体，提高钢的强度和硬度。、目的：主要获得马氏体，提高钢的强度和硬度。工艺：工艺：一、淬火加热温度：一、淬火加热温度：亚共析钢的淬火加热：亚共析钢的淬火加热：Ac3以上以上30500C过共析钢的淬火加热：过共析钢的淬火加热：Ac1以上以上30500C二、淬火冷却介质：油、水、盐水、碱水等。二、淬火冷却介质：油、水、盐水、碱水等。三、淬火方法：三、淬火方法：单液淬火法：碳钢一般用水作冷却介质；合金钢用油作冷却单液淬火法：碳钢一般用水作冷却介质；合金钢用油作冷却介质。介质。双介质淬火：如，先水后油；先水后空气。双介质淬火：如，先水后油；先水后空气。马氏体分液淬火；马氏体分液淬火；贝氏体等温淬火。贝氏体等温淬火。第82页/共199页4 冷处理冷处理钢的淬透性和淬硬性钢的淬透性和淬硬性淬火缺陷：淬火缺陷：氧化与脱碳氧化与脱碳过热和过烧过热和过烧变形与开裂变形与开裂硬度不定硬度不定第83页/共199页六、回火六、回火回火的概念：回火的概念：将钢淬火后，再加热到将钢淬火后，再加热到Ac1点以下的某一温度，保点以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。为回火。回火目的：回火目的：消除内应力；消除内应力；获得所需要的力学性能；获得所需要的力学性能；稳定组织和尺寸稳定组织和尺寸淬火钢在回火时组织与性能的变化淬火钢在回火时组织与性能的变化马氏体分解；马氏体分解；残余奥氏体分解残余奥氏体分解渗碳体的形成渗碳体的形成渗碳体的聚集长大。渗碳体的聚集长大。其基本的趋势是：随着回火温度的升高，钢的强度其基本的趋势是：随着回火温度的升高，钢的强度、硬度下降，而塑性、韧性提高。、硬度下降，而塑性、韧性提高。第84页/共199页回火的分类及应用回火的分类及应用低温回火：低温回火：T1=1500C2500C组织：回火马氏体；组织：回火马氏体；性能：具有高硬度，高耐磨性和一定的韧性；性能：具有高硬度，高耐磨性和一定的韧性；应用：刀具、量具、冷冲压模具等应用：刀具、量具、冷冲压模具等中温回火：中温回火：T1=3500C5000C组织：回火托氏体；组织：回火托氏体；应用：刀具、量具、冷冲压模具等应用：刀具、量具、冷冲压模具等性能：具有高的弹性极限、屈服点；性能：具有高的弹性极限、屈服点；应用：弹性零件。应用：弹性零件。第85页/共199页高温回火：高温回火：T1=500C6500C组织：回火索氏体；组织：回火索氏体；性能：综合力学性能；性能：综合力学性能；应用：受力结构体。应用：受力结构体。调质：生产中常把淬火及高温回火的复合热处调质：生产中常把淬火及高温回火的复合热处理工艺称为调质。理工艺称为调质。第86页/共199页七、表面热处理七、表面热处理 与化学热处理与化学热处理概述：概述：在机械设备中，有许多零件（如齿轮、活塞销、曲轴等）是在机械设备中，有许多零件（如齿轮、活塞销、曲轴等）是在冲击载荷及表面摩擦条件下工作的。这类零件表面必须在冲击载荷及表面摩擦条件下工作的。这类零件表面必须具有高硬度和耐磨性，而心部要有足够的塑性和韧性。这具有高硬度和耐磨性，而心部要有足够的塑性和韧性。这类零件要进行表面热处理类零件要进行表面热处理常用的表面热处理方法有：表面淬火及化学热处理。常用的表面热处理方法有：表面淬火及化学热处理。表面淬火表面淬火对工件表面进行淬火的工艺称为表面淬火。对工件表面进行淬火的工艺称为表面淬火。火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火感应加热表面淬火感应加热表面淬火第87页/共199页七、表面热处理七、表面热处理 与化学热处理与化学热处理二、化学热处理二、化学热处理分解分解吸收吸收扩散扩散钢的渗碳：钢的渗碳：渗碳件必须用低碳钢或低碳合金钢制造。渗碳件必须用低碳钢或低碳合金钢制造。渗碳件进行热处理，常用淬火后低温回火。渗碳件进行热处理，常用淬火后低温回火。第88页/共199页八、热处理新技术八、热处理新技术第89页/共199页第七单元第七单元低合金钢与合金钢低合金钢与合金钢1、合金元素在钢材中的存在形式：合金铁素体、合金元素在钢材中的存在形式：合金铁素体合金碳合金碳化物。化物。2、合金元素对钢材热处理和力学性能的影响：合金元、合金元素对钢材热处理和力学性能的影响：合金元素对钢材的有利作用，主要是通过影响热处理工艺中的素对钢材的有利作用，主要是通过影响热处理工艺中的相变过程显示出来。相变过程显示出来。（1）对钢材加热转变