机械工程师入职培训工程材料.pptx

第二局部第二局部 工程材料工程材料2.0 基本要求基本要求熟悉常用金属材料的性能、试验方法及其熟悉常用金属材料的性能、试验方法及其选用。选用。熟悉钢的热处理原理熟悉钢的热处理原理。掌握常用金属材料的热处理方法及选用。掌握常用金属材料的热处理方法及选用。了解常用工程塑料、特种陶瓷、复合材料了解常用工程塑料、特种陶瓷、复合材料的种类及应用的种类及应用2.1工程材料的分类和性能工程材料的分类和性能2.1.1 2.1.1 工程材料的分类（工程材料的分类（P32P32）按功能和用途分：按功能和用途分：结构材料、功能材料结构材料、功能材料按组成特点分：按组成特点分：金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料合材料2.1.2工程材料的性能工程材料的性能 工程材料的性能主要包括工艺性能和工程材料的性能主要包括工艺性能和使用性能。使用性能。工艺性能是指材料使用某种工艺方法进行工艺性能是指材料使用某种工艺方法进行加工的难易程度（相对性）。加工的难易程度（相对性）。使用性能是指材料在正常工作条件下所表使用性能是指材料在正常工作条件下所表现出来的力学性能、物理性能和化学性能。现出来的力学性能、物理性能和化学性能。2.1.2.1 力学性能力学性能 材料的力学性能是指材料在不同环境材料的力学性能是指材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。简单地应力等）时所表现出的力学特征。简单地说，说，力学性能是指材料在外力作用下表现力学性能是指材料在外力作用下表现出来的性能。出来的性能。主要力学性能指标：硬度、主要力学性能指标：硬度、强度、塑性、韧性、耐磨性和缺口敏感性强度、塑性、韧性、耐磨性和缺口敏感性等。等。材料力学性能主要取决于材料的材料力学性能主要取决于材料的组织组织成分成分和和晶体结构晶体结构。1.硬度硬度 硬度硬度(hardness):是指材料抵抗其他硬是指材料抵抗其他硬物体压入其外表的能力。物体压入其外表的能力。常用测量硬度的方法：常用测量硬度的方法：布氏硬度布氏硬度HB 洛氏硬度洛氏硬度HR 维氏硬度维氏硬度HV肖肖氏硬度氏硬度HS努氏硬度努氏硬度HK里氏硬度里氏硬度HL(1)布氏硬度布氏硬度 HB(Brinell-hardness)布氏硬度计布氏硬度计 测量压痕球形面积测量压痕球形面积适用范围适用范围:v 450HBS;v 650HBW;特别适用于测定灰铸铁、特别适用于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬或组成相的金属材料的硬度及钢件退火、正火和调度及钢件退火、正火和调质厚的硬度。不宜在产品质厚的硬度。不宜在产品上进行试验上进行试验 符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬度之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如直径、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为表示直径为10mm的钢的钢球在球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。(2)洛氏硬度洛氏硬度 HR(Rockwll hardness)h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计10HRCHBS压头：压头：圆锥角圆锥角1200的的 石石圆锥体圆锥体小淬火滚球小淬火滚球测量压痕深度测量压痕深度广泛用于热处理质广泛用于热处理质量检验，常用于检量检验，常用于检查淬火后的硬度。查淬火后的硬度。操作迅速简单，可在工件上直接试验，操作迅速简单，可在工件上直接试验，但检测结果离散度较大但检测结果离散度较大(3)维氏硬度维氏硬度 HV (diamond penetrator hardness)适用范围适用范围:测量薄板类测量薄板类;HVHBS;测量压痕对角线比较长度测量压痕对角线比较长度压头：压头：两对面夹角两对面夹角1360的的 石四棱锥体石四棱锥体特点：试验特点：试验力任意选取，力任意选取，压痕测量精压痕测量精度高，硬度度高，硬度值准确，但值准确，但需查表或计需查表或计算效率低。算效率低。(4)肖氏硬度肖氏硬度 HS 是一种动载荷试验法，较为方便，可在现是一种动载荷试验法，较为方便，可在现场测量大型工件的硬度，缺点是精度较低。场测量大型工件的硬度，缺点是精度较低。(5)努氏硬度努氏硬度 HK 是一种显微硬度试验法，对外表淬火硬度是一种显微硬度试验法，对外表淬火硬度或镀层、渗层等薄层区域硬度测定以及截面上或镀层、渗层等薄层区域硬度测定以及截面上的硬度分布的测定较为方便。的硬度分布的测定较为方便。(6)里氏硬度里氏硬度 HL 是一种新型的反弹式硬度测量方法，便于是一种新型的反弹式硬度测量方法，便于携带，常用于测量大型铸锻件、永久组装部件携带，常用于测量大型铸锻件、永久组装部件等，精度较高，可自动转换成洛氏硬度、布氏等，精度较高，可自动转换成洛氏硬度、布氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度，并可直接打印结硬度、维氏硬度、肖氏硬度，并可直接打印结果。果。2.2.强度指标强度指标(1)拉伸试样拉伸试样GB6397-86规定规定金属拉伸试样金属拉伸试样有：有：圆形、矩形、异型及全截面圆形、矩形、异型及全截面常用标准圆截面试样。常用标准圆截面试样。长试样：长试样：L0=10d0;短试样：短试样：L0=5d0拉伸试样拉伸试样拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机拉伸试验机l Fl bl ul Fbbk Fss o g fe Fep Fp拉伸曲线拉伸曲线op段：比例弹性变形阶段；段：比例弹性变形阶段；pe段：非比例弹性变形阶段；段：非比例弹性变形阶段；平台或锯齿（平台或锯齿（s段段）：屈服阶）：屈服阶段；段；sb段：均匀塑性变形阶段，是段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。强化阶段。b点点：形成了：形成了“缩颈缩颈”。bk段：非均匀变形阶段，承载段：非均匀变形阶段，承载下降，到下降，到k点断裂。点断裂。断裂总伸长为断裂总伸长为Of，其中塑形变其中塑形变形形Og(试样断后测得的伸长试样断后测得的伸长)，弹性伸长弹性伸长gf。弹性极限弹性极限:Fe 弹性极限载荷弹性极限载荷(N)e=(M pa)S0 试样原始横截面积试样原始横截面积(mm2)Fs s=(M Pa)S0试样屈服时的载荷试样屈服时的载荷(N)试样原始横截面积试样原始横截面积(mm2)屈服强度屈服强度:产生明显塑性变形的最低应力值产生明显塑性变形的最低应力值.屈服强度屈服强度(塑性变形量为塑性变形量为0.2%，微量塑性变形，微量塑性变形)F0.2 0.2 =(M Pa)S 0 试样原始横截面试样原始横截面(mm2)试样产生试样产生0.2%残余塑性变残余塑性变 形时的载荷形时的载荷(N)0.2：试样产生残余塑性变形：试样产生残余塑性变形0.2%时的应力时的应力试样产生试样产生0.2%残余塑性变形残余塑性变形 屈服点屈服点 s、屈服强度、屈服强度0.2是零件设计的主要依据；是零件设计的主要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。也是评定金属强度的重要指标之一。抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。F b 试样断裂前的最大载荷试样断裂前的最大载荷(N)b=(M Pa)S 0 试样原始横截面积试样原始横截面积(mm2)它表示材料抵抗断裂的能力。它表示材料抵抗断裂的能力。是零件设计的重要依据；也是评定金是零件设计的重要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。属强度的重要指标之一。3.塑性塑性:是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。坏的能力。(1)断面收缩率断面收缩率:是指试样拉断处横截面积的收缩是指试样拉断处横截面积的收缩量量S与原始横截面积与原始横截面积S0之比。之比。S0-S 1 =-100%S0(2)伸长率伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量是指试样拉断后的标距伸长量 L 与原与原始标距始标距L 0之比。之比。l 1-l0 =-100%l0l=l=l lu ub b=l/ll/l0 0=l lu u/l/l0 0+l lb b/l/l0 0 10%属塑性材料属塑性材料ubbseE塑性指塑性指标标不直接用于不直接用于计计算，但任何零件都需要一定塑性。算，但任何零件都需要一定塑性。防止防止过载过载断裂；断裂；塑性塑性变变形可以形可以缓缓解解应应力集中、削减力集中、削减应应力峰力峰值值。4.冲击韧性冲击韧性(notch toughness):材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。冲击试验机冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图冲击试样和冲击试验示意图试样冲断时所消耗的冲击功试样冲断时所消耗的冲击功A k为为:A k=m g H m g h(J)冲击韧性值冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。截面积上所消耗的冲击功。AK a k=(J/cm)S05.疲劳强度疲劳强度(fatigue strength):表示材料经无数次交变载荷作用而不致引表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。起断裂的最大应力值。钢材的循环次数一般取钢材的循环次数一般取 N=107有色金属的循环次数一般取有色金属的循环次数一般取 N=108钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:-1=(0.45(0.450.55)0.55)b6.刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。弹性模量：弹性下应力与应变的比值弹性模量：弹性下应力与应变的比值,表示材料表示材料抵抗弹性变形的能力。即：抵抗弹性变形的能力。即：E=/材料的材料的E越大，刚度越大；越大，刚度越大；E对组织不敏感；对组织不敏感；零件的刚度主要决定于零件的刚度主要决定于E，也与形状、截面等有，也与形状、截面等有关，一般用关，一般用AE表示。表示。2.1.2.2物理性能：物理性能：密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等；磁性等；2.1.2.32.1.2.3化学性能：化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等；耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等；2.1.2.42.1.2.4工艺性能：工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理工艺性等。性、热处理工艺性等。例例1.1.（25.25.20072007单单项项选选择择2分分）精精度度较较高高，便便于于携携带带，常常用用于于测测量量大大型型铸铸锻锻件件和和永永久久组组装装件件的的硬硬度计度计A）洛洛氏氏硬硬度度计计 B）布布氏氏硬硬度度计计 C）维维氏氏硬硬度度计计 D）里氏硬度计）里氏硬度计例例2.2.（8.8.20062006单单项项选选择择1 1）测测定定灰灰铸铸铁铁、轴轴承承合合金金等等具具有有粗粗大大晶晶粒粒或或组组成成相相的的金金属属材材料料的的硬硬度度及钢件退火、正火及调质后的硬度常采用及钢件退火、正火及调质后的硬度常采用A）洛洛氏氏硬硬度度试试验验 B）布布氏氏硬硬度度试试验验 C）维维氏氏硬硬度试验度试验 D）努氏硬度试验）努氏硬度试验例例3.(24.3.(24.20052005单单项项选选择择2 2）广广泛泛用用于于钢钢件件淬淬火火后后的的硬硬度度检检测测仪仪器器是是：A）洛洛氏氏硬硬度度计计 B）布布氏氏硬度计硬度计 C）维氏硬度计）维氏硬度计 D）肖氏硬度计）肖氏硬度计例例4 4 （12.12.20232023单单项项选选择择1分分）常常用用于于检检测测零零件件较较薄薄硬硬化化层层（如如0.1mm0.1mm厚厚）硬硬度度的的仪仪器器是是：A）布布氏氏硬硬度度计计 B）洛洛氏氏硬硬度度计计C）肖肖氏氏硬硬度度计计 D）维氏硬度计维氏硬度计例例5.5.（7.7.20062006单单项项选选择择1分分）材材料料在在无无数数次次交交变变应力作用下而不致引起断裂的最大应力称为应力作用下而不致引起断裂的最大应力称为A）断断裂裂强强度度 B）疲疲劳劳强强度度 C）抗抗拉拉强强度度 D）屈屈服强度服强度例例6.6.（52.52.20042004简简答答5 5分分）金金属属材材料料力力学学性性能能的的主主要要指指标标有有哪哪些些（至至少少列列举举5 5项项）？用用符符号号表表示示常常规力学性能的五项指标。规力学性能的五项指标。答答：硬硬度度、强强度度、塑塑性性、韧韧性性、刚刚度度、耐耐磨磨性性、缺缺口口敏敏感感性性等等。超超常常规规力力学学性性能能的的五五项项指指标标：b、e、a k 2.2 2.2 金属材料及其热处理金属材料及其热处理2.2.0 考核知识点考核知识点（1）熟悉晶体的两大特性，金属最常见的三）熟悉晶体的两大特性，金属最常见的三种晶体结构类型，实际金属材料中的晶体种晶体结构类型，实际金属材料中的晶体缺陷，常用的三种细化晶粒方法，纯金属缺陷，常用的三种细化晶粒方法，纯金属在固体下的两种转变，合金相结构的三种在固体下的两种转变，合金相结构的三种类型；类型；（2）熟悉铁碳合金相图中固态下的几种基本）熟悉铁碳合金相图中固态下的几种基本组织，各主要点温度、碳的质量分数及意组织，各主要点温度、碳的质量分数及意义，典型铁碳合金结晶过程分析，碳对铁义，典型铁碳合金结晶过程分析，碳对铁碳平衡组织和性能的影响、相图的应用；碳平衡组织和性能的影响、相图的应用；（3）熟悉金属材料常见的化学分析方法，金）熟悉金属材料常见的化学分析方法，金相分析方法，无损探伤方法及适用范围；相分析方法，无损探伤方法及适用范围；（4）熟悉钢的热处理原理（铁碳合金平衡图、）熟悉钢的热处理原理（铁碳合金平衡图、钢在加热、冷却、回火时的转变）钢在加热、冷却、回火时的转变）（5）熟悉典型零件（轴类、弹簧、齿轮类、）熟悉典型零件（轴类、弹簧、齿轮类、滚动轴承类、模具类、工具类、铸铁件类、滚动轴承类、模具类、工具类、铸铁件类、有色金属类等）的热处理应用。有色金属类等）的热处理应用。（6）熟悉金属材料的选择和使用原则。）熟悉金属材料的选择和使用原则。（7 7）掌握钢的常规热处理（退火、正火、淬）掌握钢的常规热处理（退火、正火、淬火、回火、时效等）、外表淬火（火焰淬火、回火、时效等）、外表淬火（火焰淬火、感应加热淬火）、化学热处理（渗碳、火、感应加热淬火）、化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗等）、铸铁（灰铸铁、可渗氮、碳氮共渗等）、铸铁（灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、合金铸铁锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、合金铸铁等）热处理、有色金属（铝合金、铜合金等）热处理、有色金属（铝合金、铜合金等）热处理方法的选用。等）热处理方法的选用。（8 8）了解热处理设备（燃烧炉、电阻炉、真）了解热处理设备（燃烧炉、电阻炉、真空炉、感应加热电源及淬火机床）。空炉、感应加热电源及淬火机床）。2.2.1金属的晶体结构金属的晶体结构2.2.1.1晶体的特性：熔点和各项异性晶体的特性：熔点和各项异性 固固态态物物质质按其原子（或分子）聚集状按其原子（或分子）聚集状态态可分可分为为晶体晶体和非晶体两大和非晶体两大类类。在晶体中，原子（或分子）按一定的。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何几何规规律作周期性地排列律作周期性地排列 。非晶体中原子（或分子）非晶体中原子（或分子）则则是无是无规则规则的堆的堆积积在一起。（如松香、玻璃、在一起。（如松香、玻璃、沥沥青）青）2.2.2.2金属的晶体结构金属的晶体结构 由于金属键结合力较强，由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于紧密排列的是金属原子总趋于紧密排列的倾向，故大多数金属属于以下倾向，故大多数金属属于以下三种三种晶格类型晶格类型。1 1、体心立方晶格、体心立方晶格2 2、面心立方晶格、面心立方晶格81812（个）。（个）。8186124（个）（个）3 3、密排六方晶格、密排六方晶格晶体缺陷晶体缺陷 晶体内部的某些局部区域，原子的规则排晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干扰而破坏，不象理想晶体那样规则列受到干扰而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。把这些区域称为晶体缺陷。和完整。把这些区域称为晶体缺陷。121621236（个）（个）这这些些缺缺陷陷的的存存在在，对对金金属属的的性性能能（物物理理性性能能、化化学学性性能能、机机械械性性能能）将将产产生生显显著著影影响响，如如钢钢的的耐耐腐腐蚀蚀性性，实实际际金金属属的的屈屈服服强强度度远远远远低低于于通通过过原原子子间间的的作作用用力力计计算算所所得得数值。数值。根根据据晶晶体体缺缺陷陷的的几几何何形形态态特特征征，可可将将其分为以下三类：其分为以下三类：点缺陷点缺陷 线缺陷线缺陷 面缺陷面缺陷 点缺陷点缺陷空位和间隙原子和置换原子空位和间隙原子和置换原子线缺陷线缺陷位错位错 晶体中，某处有一列或假设干列原子发生有规晶体中，某处有一列或假设干列原子发生有规律的错排现象，称为位错。其特征是在一个方向上律的错排现象，称为位错。其特征是在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。最常见最的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。最常见最基本的位错是刃型位错和螺型位错基本的位错是刃型位错和螺型位错 位错的存在以及位错密度的变化，对金属的位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。如金性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。如金属材料的塑性变形与位错的移动有关。冷变形加工属材料的塑性变形与位错的移动有关。冷变形加工后金属出现了强度提高的现象（加工硬化），就是后金属出现了强度提高的现象（加工硬化），就是由于位错密度的增加所致。由于位错密度的增加所致。面缺陷面缺陷晶界和亚晶界晶界和亚晶界 实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域，该处晶体的晶格处于畸变状原子排列不规则的区域，该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。2.2.2.3金属的结晶金属的结晶 结晶：晶体物质由液态转变成固态的过程。结晶：晶体物质由液态转变成固态的过程。凝固：非晶体由液态转变成固态的过程。凝固：非晶体由液态转变成固态的过程。结晶的一般过程：结晶的一般过程：To时间温度理论冷却曲线理论冷却曲线实际冷却曲线实际冷却曲线T1结晶平台结晶平台(是由结晶潜热导致是由结晶潜热导致):平衡结晶温度平衡结晶温度过冷现象过冷现象 过冷度过冷度 T=T0 T1过冷是结晶的必要条件。过冷是结晶的必要条件。结晶的一般规律结晶的一般规律形核形核长大长大形核、长大形核、长大实际金属的多晶粒结构实际金属的多晶粒结构晶粒的粗细对金属力学性能影响颇大。晶晶粒的粗细对金属力学性能影响颇大。晶粒愈细，其强度、韧性和塑性也愈好。粒愈细，其强度、韧性和塑性也愈好。细化晶粒的三种途径：细化晶粒的三种途径：v1）提高冷却速度自发形核）提高冷却速度自发形核V V冷冷T TN N晶粒细小晶粒细小v2）变质处理非自发形）变质处理非自发形核核v3）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。2.2.2.4金属在固态下的转变金属在固态下的转变 纯金属在固态下的转变有两种：纯金属在固态下的转变有两种：同素异晶转变同素异晶转变磁性转变（纯铁磁性转变温度磁性转变（纯铁磁性转变温度768度）度）纯铁的同素异晶转变反响式纯铁的同素异晶转变反响式:1394 C912 Cbccfccbcc -Fe -Fe -Fe 纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线1394153410006008001200温度时间16001500500700900110013001400912-Fe -Fe-Fe2.2.2.5合金的相结构合金的相结构 由于组元间相互作用不同，固态合金的相由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。结构可分为固溶体和金属化合物两大类。1 1、固溶体、固溶体 合合金金在在固固态态下下，组组元元间间能能够够互互相相溶溶解解而而形形成的均匀相称为成的均匀相称为固溶体固溶体。不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固固溶强化溶强化。2 2、金属化合物、金属化合物 金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶格类型完全不同，一般可用化学分子式表示。钢晶格类型完全不同，一般可用化学分子式表示。钢中渗碳体（中渗碳体（FeFe3 3C C）是由铁原子和碳原子所组成的金属）是由铁原子和碳原子所组成的金属化合物，它具有复杂的晶格形式。化合物，它具有复杂的晶格形式。金属化合物的性能不同于任一组元，其溶点一金属化合物的性能不同于任一组元，其溶点一般较高、硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶般较高、硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，这一现象称为提高，这一现象称为弥散强化弥散强化。金属化合物在合金中常作为强化相存在，它是许多金属化合物在合金中常作为强化相存在，它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。3 3、金属、金属混合物混合物 绝绝大多数合金的大多数合金的组织组织都是固溶体与少量金属都是固溶体与少量金属化合物化合物组组成的成的金属金属混合物，其性混合物，其性质质取决于固溶体与取决于固溶体与金属化合物的数量、大小、形金属化合物的数量、大小、形态态和分布状况。和分布状况。铁碳铁碳合金固态下的几种合金固态下的几种基本组织：基本组织：1.铁素体铁素体 (F)：碳溶于：碳溶于Fe中的间中的间隙固溶体。隙固溶体。2.2.2铁碳铁碳合金相图合金相图2.奥氏体奥氏体 (A)碳溶于碳溶于-Fe中形成的中形成的间间隙固溶体。隙固溶体。奥氏体组织金相图奥氏体组织金相图3.渗碳体渗碳体 (Fe3C)铁与碳形成铁与碳形成的金属化合物。的金属化合物。渗碳体组织金相图渗碳体组织金相图4.珠光体珠光体 (P)铁素体和渗碳体组成的机械混合物。铁素体和渗碳体组成的机械混合物。5.莱氏体莱氏体 (Ld)奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。Fe-Fe3C 相图相图 Fe-Fe3C 相图相图ACDEFGSPQ1148727LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C TLdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FP0.77%CLdK(P+Fe3C)P+Ld+Fe3CLd+Fe3CP+FP+Fe3C(F+Fe3C)A+Fe3CL+Fe3C(A+Fe3C)铁碳铁碳合金相图各主要线的意义：合金相图各主要线的意义：ABCDABCD为液相线，为液相线，AHJECFAHJECF为固相线。为固相线。三条水平线：三条水平线：1.HJB包晶转变线包晶转变线:LB+H AJ14953.PSK共析转变线共析转变线:AS (FP+Fe3C)P 7272.ECF共晶转变线共晶转变线:LC (AE+Fe3C)Ld 1148包晶反响：在一定温度下，由一固定成份包晶反响：在一定温度下，由一固定成份的液相与一个固定成份的固相作用，合的液相与一个固定成份的固相作用，合成另一个成份固定的固相反响。成另一个成份固定的固相反响。液固固液固固共晶反响：由某一成份的液相在一定温度共晶反响：由某一成份的液相在一定温度下同时结晶出两种不同成份的固相反响。下同时结晶出两种不同成份的固相反响。液固固液固固共析反响：在一定温度下，一固定成份的共析反响：在一定温度下，一固定成份的固相同时分解成两种成份与结构均不相固相同时分解成两种成份与结构均不相同的固相反响。同的固相反响。固固固固固固 四条重要的线四条重要的线:GS是冷却过程中由是冷却过程中由相析出相析出 相的开始线相的开始线ES是是C在在 Fe中的溶解度曲线中的溶解度曲线PQ是是C在在 Fe中的溶解度曲线中的溶解度曲线HN是是C在在 Fe中的溶解度曲线中的溶解度曲线。重要的成份点重要的成份点:如下表如下表点符合温度t/0C含碳量wc含义A15380纯铁熔点纯铁熔点C11484.3共晶点共晶点D12276.69渗碳体熔点渗碳体熔点E11482.11碳在奥氏体中的最大溶解度碳在奥氏体中的最大溶解度G9120 Fe Fe同素异晶同素异晶转变点转变点P7270.02碳在铁素体中的最大溶解度碳在铁素体中的最大溶解度S7270.77共析点共析点Q室温0.0008碳在铁素体中的溶解度碳在铁素体中的溶解度五个单相区：五个单相区：ABCD以上液相以上液相L区区AHNA 相区相区NJESGN 相区相区GPQ以左以左 相区相区DFKFe3C相区相区七个两相区：七个两相区：分别存在于相邻两个单相区之间：分别存在于相邻两个单相区之间：L 、LA、L Fe3C、A、AF、A Fe3C、F Fe3C2.2.2.1典型铁碳典型铁碳合金相图过程分析合金相图过程分析 (ingot iron)共析钢共析钢 (eutectoid steel)亚共析钢亚共析钢 (hypoeutectoid steel)过共析钢过共析钢 (hypereutectoid steel)共晶白口铁共晶白口铁 (eutectoid white iron)亚共晶白口铁亚共晶白口铁(hypoeutectoid white iron)过共晶白口铁过共晶白口铁(hypereutectoid white iron)钢钢生铁生铁工业纯铁工业纯铁1.工业纯铁工业纯铁 (Wc 定义定义:马氏体是一种碳在马氏体是一种碳在 Fe中的中的 过饱过饱和固溶体。和固溶体。2转变特点转变特点:在一个温度范围内连续冷却完成在一个温度范围内连续冷却完成;转变速度极快转变速度极快,即瞬间形核与长大即瞬间形核与长大;无扩散转变无扩散转变(Fe、C原子均不扩散原子均不扩散),M与原与原A的成分相同的成分相同,造成晶格畸变。造成晶格畸变。转变不完全性转变不完全性,QM=f(T)3马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构:由于碳的过饱和作由于碳的过饱和作 用用,使使 Fe晶格由体心立方晶格由体心立方变变成体心正成体心正方晶格。方晶格。4马氏体的组织形态马氏体的组织形态:板条状板条状-低碳马氏体低碳马氏体(0.2%C);3050HRC;=917%。4马氏体的组织形态马氏体的组织形态:针、片状针、片状-高碳马氏体高碳马氏体(1%C);66HRC左右左右;1%。5马氏体的性能马氏体的性能:主要取决于马氏体中的碳浓度。主要取决于马氏体中的碳浓度。马氏体的碳浓度 Wc 100507040602030100.10.30.20.400.5 0.6 0.7 0.80.9 1.0硬度(HRC)2000抗拉强度b(Mpa)1800 1400 1000 600 200 亚共析钢的亚共析钢的TTT曲线曲线 FAP+FS+FTBM+A残残A3时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1MsMf 过共析钢的过共析钢的TTT曲线曲线P+Fe3CS+Fe3CTBM+A残残 Fe3CAACM时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1MsMf影响影响 TTT 曲线形状位置的因素曲线形状位置的因素1奥氏体中含碳量的影响奥氏体中含碳量的影响:过共过共析钢析钢共析共析 钢钢亚共亚共析钢析钢时间温度A12奥氏体中含合金元素的影响奥氏体中含合金元素的影响:除除Co、Al(2.5%)外外,所有合金元所有合金元 素溶入奥氏体中素溶入奥氏体中,会引起会引起:向右移向右移向下移向下移MsA1A1Ms含含Cr合金钢合金钢3加热温度和保温时间的影响加热温度和保温时间的影响:加热温度越高加热温度越高,保温时间越长保温时间越长,碳化物溶解充分碳化物溶解充分,奥氏体成分均匀奥氏体成分均匀,提高了过冷奥氏体的稳定性提高了过冷奥氏体的稳定性,从而从而 使使 TTT曲线向右移。曲线向右移。3)过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变Vk共析碳钢共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图曲线建立过程示意图时间(lg )温度A1PfPsA+PKMsMf水冷水冷油冷油冷Vk1炉冷炉冷空冷空冷共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线与曲线与CCT曲线的比较曲线的比较稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMfCCT曲线曲线TTT曲线曲线稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf在连续冷却过程中在连续冷却过程中 TTT 曲线的应用曲线的应用V1V2VkV3V4V1=5.5/s:炉冷炉冷;PV2=20/s:空冷空冷;SV3=33/s:油冷油冷;T+M+A残残V4 138/s:水冷水冷;M+A残残V44.钢的整体热处理钢的整体热处理毛坯生产毛坯生产 预备热处理预备热处理 机械加机械加工工 最终热处理最终热处理 机械精加工机械精加工预备热处理预备热处理:退火退火;正火正火最终热处理最终热处理:淬火淬火;回火回火一般零件生产的工艺路线一般零件生产的工艺路线:（1）钢的退火）钢的退火1)定义定义:把零件加温到适当温度把零件加温到适当温度,保温一段时保温一段时间间,然后缓慢冷却（随炉冷却）。然后缓慢冷却（随炉冷却）。2)目的目的:消除应力消除应力;降低硬度，以改变切削性能降低硬度，以改变切削性能;细化晶粒，均匀成分，为最终热处理作好组细化晶粒，均匀成分，为最终热处理作好组织准备。织准备。3)种类种类退火退火重结晶重结晶退退 火火低温低温退火退火完全退火完全退火扩散退火扩散退火球化退火球化退火再结晶退火再结晶退火去应力退火去应力退火普通退火普通退火等温退火等温退火普通球化普通球化 退退 火火等温球化等温球化 退退 火火不完全退火不完全退火等温退火等温退火4)工艺参数工艺参数(P46-47):温温 度度(C)名名 称称Ac3+3050完全退火完全退火AC1AC3（Acm）不完全退火不完全退火Ac3 或或 AC1以上以上等温退火等温退火Ac1+3050球化退火球化退火Ac3、ACCm+150250扩散退火扩散退火AC1以下以下再结晶退火再结晶退火去应力退火去应力退火500600(2)钢的正火钢的正火1)定义定义:把零件加温到临界温度把零件加温到临界温度(Ac3或或Acm)以以上上 3050,保温一段时间保温一段时间,然后在空气中冷却。然后在空气中冷却。把零件加热到把零件加热到 Ac3线以上线以上1001500C的正火称的正火称为高温正火。为高温正火。2)目的目的:消除应力消除应力;调整硬度调整硬度;细化晶粒，均匀成分，为最终热处理细化晶粒，均匀成分，为最终热处理作好组织准备。作好组织准备。常用于消除过析钢中网状渗碳体常用于消除过析钢中网状渗碳体 3)工艺参数工艺参数:温温 度度(C)名名 称称Ac3+3050亚共析钢亚共析钢Ac1+3050共析钢共析钢Accm+3050过共析钢过共析钢4)4)热处理后的组织热处理后的组织:S(Wc=0.61.4%)S+F(Wc0.6%)5)应用范围应用范围:1.预备热处理预备热处理:调整低、中碳钢的硬调整低、中碳钢的硬 度度;消除过共析钢中的消除过共析钢中的Fe3C（网状）。（网状）。2.最终热处理最终热处理:用于力学性能要求不用于力学性能要求不 高的一般零件。高的一般零件。（3）钢的淬火）钢的淬火1)定义定义:把零件加温到临界温度以上把零件加温到临界温度以上 30 50,保温一段时间保温一段时间,然然 后快速冷却后快速冷却(水冷水冷)。2)目的目的:为了获得马氏体组织为了获得马氏体组织,提高钢提高钢 的硬度和耐磨性。的硬度和耐磨性。3)工艺参数工艺参数:温温 度度(C)名名 称称Ac3+3050亚共析钢亚共析钢Ac1+3050共析钢共析钢Ac1+3050过共析钢过共析钢3)工艺参数工艺参数:4)热处理后的组织热处理后的组织:M+Fe3C+A残残 Ac1+3050过共析钢过共析钢 M+A残残 Ac1+3050 共析钢共析钢 M+A残残 Ac3+3050亚共析钢亚共析钢Wc0.5%M Ac3+3050亚共析钢亚共析钢Wc0.5%最终组织最终组织淬火温度淬火温度()钢种钢种6)淬火冷却介质淬火冷却介质1理想淬火冷却介质理想淬火冷却介质时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf2常用的淬火冷却介质常用的淬火冷却介质 名名 称称 最大冷却速度时最大冷却速度时平均冷却速度平均冷却速度/(s-1)所在温所在温度度/冷却速度冷却速度 /(s-1)650550 300200 20静止水静止水34077513545040静止水静止水28554511041060静止水静止水2202758018510%NaCl 溶液溶液58020001900100010%NaOH 溶液溶液560283027507752010号机油号机油43023060658010号机油号机油4302307055203号锭子油号锭子油500120100507)常用的淬火方法常用的淬火方法单液淬火单液淬火双液淬火双液淬火分级淬火分级淬火等温淬火等温淬火时间时间温度MsA18)钢的淬硬性钢的淬硬性(Hardening of steel)1定义定义:是指钢在淬火后所能到达的最是指钢在淬火后所能到达的最 高硬度。高硬度。2影响钢的淬硬性的因素影响钢的淬硬性的因素:主要取决于主要取决于 马氏体的含碳量。马氏体的含碳量。9)钢的淬透性钢的淬透性 (Hardenability of steel)1定义定义:是指钢在淬火时所能得到的淬是指钢在淬火时所能得到的淬 硬层硬层(马氏体组织占马氏体组织占50%处处)的的 深度。深度。2影响钢的淬透性的因素影响钢的淬透性的因素:主要是临界主要是临界 淬火冷却速度淬火冷却速度VK 的大小的大小,VK 越越 大大,钢的淬透性越小。钢的淬透性越小。工件淬硬层与冷却速度的关系工件淬硬层与冷却速度的关系3淬硬性与淬透性之间的关系淬硬性与淬透性之间的关系:淬透性淬透性淬硬性淬硬性钢钢 种种小小低低碳素结构钢碳素结构钢(20)小小高高碳素工具钢碳素工具钢(T10A)大大低低低碳合金结构钢低碳合金结构钢(18Cr2Ni4WA)大大高高高碳高合金工具钢高碳高合金工具钢(Cr12MoV)4淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响响未淬透钢未淬透钢淬透钢淬透钢(4)钢的回火钢的回火1)定义定义:把淬火后的零件重新加温到把淬火后的零件重新加温到 Ac1线线以下某个温度以下某个温度,保温一段时间保温一段时间,然后冷却（一然后冷却（一般空冷，也水冷或油冷）到室温。般空冷，也水冷或油冷）到室温。2)目的目的:消除淬火应力消除淬火应力,降低脆性降低脆性;稳定工件尺寸稳定工件尺寸;调整淬火零件的力学性能。调整淬火零件的力学性能。耐磨件耐磨件M回回=0.3%C+150250低温回火低温回火弹簧等弹簧等T回回=F针针+Fe3C粒粒350500中温回火中温回火调质件调质件S回回=