金属材料与热处理-3.ppt

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1、朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 主讲：朱明主讲：朱明高级技师、经济师、工程师高级技师、经济师、工程师 高级技能专业技术教师高级技能专业技术教师 汽车维修高级考评员汽车维修高级考评员-3朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔模块四模块四模块四模块四 碳素钢碳素钢碳素钢碳素钢 碳素钢（简称碳钢）是指含碳量小于碳素钢（简称碳钢）是指含碳量小于2.112.11的铁碳合金。在钢中除了铁、的铁碳合金。在钢中除了铁、碳之外，还含有少量的锰、硅、磷等杂质。碳素钢具有良好的力学性能和工碳之外，还含有少量的锰、硅、磷等杂质。碳素钢具有良好的力学性能和工艺性能，且

2、价格低廉，冶炼方便，加工容易，因而在机械制造、建筑、交通艺性能，且价格低廉，冶炼方便，加工容易，因而在机械制造、建筑、交通运输等许多工业部门得到了广泛的应用。运输等许多工业部门得到了广泛的应用。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 一、常存元素对钢性能的影响一、常存元素对钢性能的影响(课本课本P47P47）1.1.硅硅钢中的有益元素，溶入铁素体而使钢的强度和硬度提钢中的有益元素，溶入铁素体而使钢的强度和硬度提高，还能提高钢液的流动性，有利于铸造成型，但含量不超过高，还能提高钢液的流动性，有利于铸造成型，但含量不超过0.50.5。2.2.锰锰也是钢中的有益元素，也能溶入铁

3、素体而使钢的强度也是钢中的有益元素，也能溶入铁素体而使钢的强度和硬度提高，还能与硫形成和硬度提高，还能与硫形成MnSMnS，从而减轻硫的有害作用，从而减轻硫的有害作用,但含量但含量应控制在应控制在0.250.250.80.8之间。之间。3.3.硫硫钢中的杂质元素，硫钢中的杂质元素，硫，钢的脆性，钢的脆性。特别是。特别是FeSFeS与与FeFe形成共晶体造成形成共晶体造成“热脆热脆”。含量控制在。含量控制在0.050.05。4.4.磷磷钢中的杂质元素，使钢的焊接性能变坏。特别是磷结钢中的杂质元素，使钢的焊接性能变坏。特别是磷结晶时会形成脆性很大晶时会形成脆性很大FeFe3 3P P，使钢在室温下

4、出现的塑性和韧性急剧，使钢在室温下出现的塑性和韧性急剧下降（下降（“冷脆冷脆”）。含量控制在）。含量控制在 0.0450.045。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 讨论讨论：害与利的转化：害与利的转化 “热脆之热脆之害害”从铁从铁硫相图上知道，这是因为钢在硫相图上知道，这是因为钢在结晶接近完成时生成（结晶接近完成时生成（989989）的硫化物共晶体在钢锻造）的硫化物共晶体在钢锻造（10001000以上）时熔化且被压裂，造成钢的晶界碎裂的危害。但以上）时熔化且被压裂，造成钢的晶界碎裂的危害。但这种有害作用在一定的条件下可以转化，比如：有意增加硫的含这种有害作用在一定的

5、条件下可以转化，比如：有意增加硫的含量的同时适当增加锰的含量，可以用于生产量的同时适当增加锰的含量，可以用于生产易削钢易削钢（比如钢的旧（比如钢的旧标准中的标准中的“A A型钢型钢”，这种钢只检验力学性能而不检验化学成分），这种钢只检验力学性能而不检验化学成分），用途很广。，用途很广。“冷脆之冷脆之害害”钢中含磷量高引至冷脆是表层原因，钢中含磷量高引至冷脆是表层原因，从铁从铁磷相图可以看出，铁磷合金的结晶温度范围很宽，磷具有磷相图可以看出，铁磷合金的结晶温度范围很宽，磷具有严重的偏析倾向才是深层原因。因此，可以变害为利：比如在炮严重的偏析倾向才是深层原因。因此，可以变害为利：比如在炮弹钢中加入

6、较多的磷，可使钢的脆性增大，爆炸时破片增多而增弹钢中加入较多的磷，可使钢的脆性增大，爆炸时破片增多而增大杀伤力；还可以利用磷的固溶强化作用和抗腐蚀性，炼成大杀伤力；还可以利用磷的固溶强化作用和抗腐蚀性，炼成铁路铁路钢轨钢钢轨钢等。等。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 二、碳钢的分类（课本二、碳钢的分类（课本P49 P49）碳钢1.碳素结构钢 表示方法：表示方法：“Q Q”屈服点数值（屈服点数值（）质量等质量等级符号（级符号（A A、B B、C C、D D）脱氧方法（脱氧方法（F F、b b、Z Z、TZTZ）。）。3.碳素工具钢 表示方法：表示方法：“T T”碳平均

7、含量的千分数，若为高级碳平均含量的千分数，若为高级优质碳素工具钢则在牌号后加优质碳素工具钢则在牌号后加“A A”，如，如“T12AT12A”。4.铸钢 表示方法：表示方法：“ZGZG”屈服点数值屈服点数值抗拉强度抗拉强度 （或旧标准：（或旧标准：“ZGZG”碳平均含量的万碳平均含量的万 分数）。分数）。2.优质碳素结构钢 表示方法：采用两位数字表示，代表该钢平均含碳表示方法：采用两位数字表示，代表该钢平均含碳量的万分数。量的万分数。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 三、那什么叫做三、那什么叫做“冶炼时的脱氧程度的不同冶炼时的脱氧程度的不同”呢？呢？这就要上溯到钢的铸

8、锭工艺了。钢的浇注期或冶炼末期，根这就要上溯到钢的铸锭工艺了。钢的浇注期或冶炼末期，根据对钢的脱氧方法的不同，可生产出据对钢的脱氧方法的不同，可生产出镇静钢镇静钢、沸腾钢沸腾钢和和半镇静钢半镇静钢。1.1.镇静钢镇静钢钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铝进行充分的脱氧，钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铝进行充分的脱氧，使钢的含氧量使钢的含氧量0.010.01，以至钢液在凝固时不析出，以至钢液在凝固时不析出COCO，得到成，得到成分比较均匀，组织比较致密的钢锭，这种钢就叫镇静钢。分比较均匀，组织比较致密的钢锭，这种钢就叫镇静钢。2.2.沸腾钢沸腾钢在冶炼末期对钢液仅进行轻度脱氧，而使相当数在冶炼末期对钢液仅进

9、行轻度脱氧，而使相当数量的氧留在钢液中，则钢液注入钢模后，钢中的氧与碳发生化学量的氧留在钢液中，则钢液注入钢模后，钢中的氧与碳发生化学反应，析出大量的反应，析出大量的COCO，引起钢液的沸腾，这种钢就叫沸腾钢。，引起钢液的沸腾，这种钢就叫沸腾钢。3.3.半镇静钢半镇静钢脱氧程度介于镇静钢与沸腾钢之间。脱氧程度介于镇静钢与沸腾钢之间。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 镇静钢成分比较均匀，组织比较致密。虽然由于有缩孔，使钢锭的成材率较半镇静钢低，但切除缩孔的部分能用于对机械性能要求高的机材用料，也可用作重要的焊

10、接结构。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 沸腾钢一般是低碳钢，含硅量低，具有良好的塑性，常用于冷冲压件，如汽车的油箱、蒙皮（08F钢）。由于有气泡，故一般不会出现缩孔。轧成钢坯后，头部切除量很小，成材率高，宜于轧薄板。但成分偏析大，组织不致密，机械性能不均匀，冲击韧性值低，不适用于对机械性能要求高的零件。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔任务一选择制造发动机连杆的材料任务一选择制造发动机连杆的材料任务一选择制造发动机连杆的材料任务一选择制造发动机连杆的材料 发动机连杆的作用是把发动机活塞的往复直线运动转变为旋转的扭矩输出，发动机连杆的作用是

11、把发动机活塞的往复直线运动转变为旋转的扭矩输出，可以说，五种形式的载荷就有了三种（拉伸、压缩和扭转），服役条件也算可以说，五种形式的载荷就有了三种（拉伸、压缩和扭转），服役条件也算是苛刻了。连杆是苛刻了。连杆正常使用应为正常使用应为252510104 4KmKm，因此，必须具有较高的强度和韧性，因此，必须具有较高的强度和韧性，才能使之达到的寿命设计。因此，为其选择合适的材料是至关重要。才能使之达到的寿命设计。因此，为其选择合适的材料是至关重要。说明：金属材料的说明：金属材料的“服役时间服役时间”单位一般取小时，但也视材料应用时的受单位一般取小时，但也视材料应用时的受力状态而言，如有时取力状态而

12、言，如有时取“次数次数”（受弯状态），这里取汽车的行走里程（受弯状态），这里取汽车的行走里程（Km),Km),数据也很保守。数据也很保守。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 选材思路：选材思路：1.1.由于有活塞的遮盖，工作环境温度场最高不大于由于有活塞的遮盖，工作环境温度场最高不大于750750；也由于有润滑油的润滑和冷却，连杆大、小头温度场相差小于也由于有润滑油的润滑和冷却，连杆大、小头温度场相差小于100100，故，故不必作专门的温度影响考虑不必作专门的温度影响考虑。2.2.由于活塞的速度运动规律是由于活塞的速度运动规律是“0 0maxmax0 0”,故连杆的受

13、力故连杆的受力形式是形式是“规律性变幅循环应力规律性变幅循环应力”，要进行疲劳强度的校核。，要进行疲劳强度的校核。3.3.由于发动机有专门的配重设计，故不必考虑过多振动问题，由于发动机有专门的配重设计，故不必考虑过多振动问题，倒是要在连杆的截面形状上选取合理的倒是要在连杆的截面形状上选取合理的高刚度形状高刚度形状来解决扭转载来解决扭转载荷问题。荷问题。4.4.设计时作设计时作“承受载荷较大的金属结构件承受载荷较大的金属结构件”（各种机械设计（各种机械设计手册包括我们的课本的有关图表）考虑选材的力学性能指标（主手册包括我们的课本的有关图表）考虑选材的力学性能指标（主要是抗拉强度要是抗拉强度 b

14、b）。）。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 综合上述，制造发动机连杆的材料有优质碳素结构钢（课本综合上述，制造发动机连杆的材料有优质碳素结构钢（课本P49P49表表4 42)2)和铸钢（课本和铸钢（课本P50P50表表4 43 3）。对于速度高、受力较大）。对于速度高、受力较大的连杆，应选择优质碳素钢，如的连杆，应选择优质碳素钢，如4545 钢等。当然，也可使用钢等。当然，也可使用4040、5050、45Mn45Mn、35CrMo35CrMo、42CrMo42CrMo、40Cr40Cr合金钢用模锻工艺制造合金钢用模锻工艺制造 （课本（课本P51 P51）。实际生产中

15、的一般情况是（考虑到相当大的安全系数），实际生产中的一般情况是（考虑到相当大的安全系数），受受力小使用状态下选用铸钢，受力大使用状态下则选用高标号优质力小使用状态下选用铸钢，受力大使用状态下则选用高标号优质碳素结构钢锻打成型（模锻）碳素结构钢锻打成型（模锻）；两种选材都采用零件的截面为两种选材都采用零件的截面为“工工”字型，这是除了字型，这是除了“箱型箱型”的截面外，抗弯和抗扭能力最好的的截面外，抗弯和抗扭能力最好的截面形状了。截面形状了。顺便说说，连杆螺栓及螺母、曲轴轴瓦盖螺栓使用材料为：顺便说说，连杆螺栓及螺母、曲轴轴瓦盖螺栓使用材料为：40CrA,35CrMo,40MnB40CrA,35

16、CrMo,40MnB（调质）；正常使用寿命为（调质）；正常使用寿命为101010104 4KmKm。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔模块五模块五 钢的热处理钢的热处理 我们下面用一道实际的生产问题来重温钢的热处理知识。我们下面用一道实际的生产问题来重温钢的热处理知识。用一根冷拉钢丝绳吊装一大型工件进入热处理炉，并随工件一起加热到用一根冷拉钢丝绳吊装一大型工件进入热处理炉，并随工件一起加热到10001000保温，当出炉后再次吊装工件时，钢丝绳发生断裂，试分析其原因保温，当出炉后再次吊装工件时，钢丝绳发生断裂，试分析其原因。答案是这样的：答案是这样的：冷拉钢丝绳是利用加

17、工硬化效应提高其强度的，在这种状态下的钢丝中晶冷拉钢丝绳是利用加工硬化效应提高其强度的，在这种状态下的钢丝中晶体缺陷密度增大，强度增加，处于加工硬化状态。在体缺陷密度增大，强度增加，处于加工硬化状态。在10001000时保温，钢丝将时保温，钢丝将发生回复、再结晶和晶粒长大过程，组织和结构恢复到软化状态。在这一系发生回复、再结晶和晶粒长大过程，组织和结构恢复到软化状态。在这一系列变化中，冷拉钢丝的加工硬化效果将消失，强度下降，在再次起吊时，钢列变化中，冷拉钢丝的加工硬化效果将消失，强度下降，在再次起吊时，钢丝将被拉长，发生塑性变形，横截面积减小，强度将比保温前低，所以发生丝将被拉长，发生塑性变形

18、，横截面积减小，强度将比保温前低，所以发生断裂。断裂。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 谈谈钢的热处理的历史沿革谈谈钢的热处理的历史沿革 在从石器时代进化到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为在从石器时代进化到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。早在公元前人们所认识。早在公元前770770前前222222年，中国人在生产实践中就已发现，铜年，中国人在生产实践中就已发现，铜和铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是当和铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是当时制造农具的重要工艺。时制造农具的

19、重要工艺。公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺得到公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。有马氏体存在，说明是经过淬火的。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制30003000把刀，相传把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注意到不同水质是派人到成都取水淬火的。这说明中国在

20、古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和尿的冷却能力。中国出土的西的冷却能力了，同时也注意了油和尿的冷却能力。中国出土的西汉汉(公元前公元前206206年公元年公元2424年年)中山靖王墓中的宝剑中山靖王墓中的宝剑,心部含碳量为心部含碳量为0.150.150.40.4，而表面含碳量却达，而表面含碳量却达0.60.6以上，说明已应用了渗碳以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人工艺。但当时作为个人“手艺手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很的秘密，不肯外传，因而发展很慢。慢。18631863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六

21、种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时可转变为一种较硬的相。法国织改变，钢中高温时的相在急冷时可转变为一种较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 复习一下热处理方法知识：复习一下热处理方法知识：热处理普通热处理表面热处理特殊热处理退火正火淬火回火表面

22、淬火化学热处理火焰加热感应加热(高、中、低频)渗碳氮化碳氧共渗其他形变真空其他授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔朱明工作室朱明工作室任务一：分析钢在加热时的组织转变过程一、钢的临界温度A1、A3、Acm各相变点是固态下铁碳合金的组织转变线，是在极其缓慢加热和冷却条 件下得到的。在实际生产中，固态相变时都有不同程度的过热度或过冷度（见右图）。为便于区别，将加热时各相变点用ACl、AC3、ACcm表示，冷却时各相变点用Arl、Ar3、Arcm表示。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 二、钢的奥氏化过程二、钢的奥氏化过程 钢在热处理时，必须将钢加热到一定的温度，其钢在

23、热处理时，必须将钢加热到一定的温度，其目的是使钢目的是使钢的组织转变为奥氏体组织的组织转变为奥氏体组织，通常把这种加热转变过程称为钢的，通常把这种加热转变过程称为钢的奥奥氏体化过程氏体化过程。从铁碳相图中看到，钢加热到从铁碳相图中看到，钢加热到727727（状态图的（状态图的PSKPSK线，又称线，又称A A1 1温度温度）以上的温度珠光体转变为奥氏体。这个加热速度十分缓）以上的温度珠光体转变为奥氏体。这个加热速度十分缓慢，实际热处理的加热速度均高于这个缓慢加热速度，实际珠光慢，实际热处理的加热速度均高于这个缓慢加热速度，实际珠光体转变为奥氏体的温度高于体转变为奥氏体的温度高于A A1 1，定

24、义，定义实际转变温度为实际转变温度为A Ac1c1。A Ac1c1高于高于A A1 1，表明出现热滞后，加热速度愈快，表明出现热滞后，加热速度愈快，A Ac1c1愈高，同时完成珠光体愈高，同时完成珠光体向奥氏体转变的时间亦愈短。向奥氏体转变的时间亦愈短。共析碳钢（含共析碳钢（含0.77%C0.77%C）加热前为珠光体组织，一般为铁素体）加热前为珠光体组织，一般为铁素体相与渗碳体相相间排列的层片状组织，加热过程中奥氏体转变过相与渗碳体相相间排列的层片状组织，加热过程中奥氏体转变过程可分为五步进行，见下图。程可分为五步进行，见下图。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔共析体

25、共析体共晶体共晶体过共析体过共析体过共晶体过共晶体亚共析体亚共析体亚共晶体亚共晶体（液固）相区（液固）相区液相区液相区固相区固相区C的溶解曲线的溶解曲线共晶转变线共晶转变线共析转变线共析转变线C的溶解曲线的溶解曲线莱氏体一次渗碳体莱氏体一次渗碳体莱氏体莱氏体珠光体二次渗碳体珠光体二次渗碳体 珠光体珠光体 铁素体珠光体铁素体珠光体莱氏体珠光体二次莱氏体珠光体二次渗碳体渗碳体共晶点共晶点共析点共析点朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔简介简介“相区接触法则相区接触法则”1.1.两个单相区只能交于一点，而不能交成一条线。两个单相区只能交于一点，而不能交成一条线。PbSn朱明工

26、作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 2.2.两个单相区之间必定有一个由这两个单相组成的两相区。两个单相区之间必定有一个由这两个单相组成的两相区。PbSn朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 3.3.三相共存时必定是一条水平线，每一条水平线必定和三个两相区相遇。三相共存时必定是一条水平线，每一条水平线必定和三个两相区相遇。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 4.4.如果两个恒温转变中有两个相同的相，那么在这两条水平线之间一定如果两个恒温转变中有两个相同的相，那么在这两条水平线之间一定是由这两个相组成的两相区。是由这两个相组成的

27、两相区。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔简介简介“相律相律”先介绍先介绍“平衡相平衡相”：将给定成分的合金在一定温度下，停留：将给定成分的合金在一定温度下，停留足够长时间，使各相达到数量不变的动平衡状态，这时存在的相，足够长时间，使各相达到数量不变的动平衡状态，这时存在的相，就叫做平衡相。就叫做平衡相。再介绍再介绍“自由度自由度”：指在不改变系统平衡相的数目的条件下，：指在不改变系统平衡相的数目的条件下，可以独立改变的、影响合金状态的因素，如温度、平衡相成分等可以独立改变的、影响合金状态的因素，如温度、平衡相成分等的数目。的数目。相率以下式表示：相率以下式表示：f

28、fC CP P1 1，即即“自由度数组元数平衡相数自由度数组元数平衡相数1 1”应用：应用：1.1.对纯金属来说，组元数对纯金属来说，组元数C C1 1，当自由度数，当自由度数f f0 0时平衡相具时平衡相具有最大值，代入，有最大值，代入，P PMAXMAX1 10 01 12 2，即纯金属最多只能有两个，即纯金属最多只能有两个平衡相共存。平衡相共存。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 2.2.对二元合金来说，对二元合金来说，C C2 2，当当f f0 0时，可得时，可得P PMAXMAX2 20 01 13,3,即二元合金中最多只能有三个平衡相共存。即二元合金中最多

29、只能有三个平衡相共存。3.3.应用律相还可以解释纯金属与合金结晶时的某些差别。例如，纯金属结应用律相还可以解释纯金属与合金结晶时的某些差别。例如，纯金属结晶时存在液、固两相，即晶时存在液、固两相，即P P2 2，代入，代入f fC CP P1 1式中得出自由度数式中得出自由度数f f0 0，这，这说明纯金属的结晶只能在恒温下进行。说明纯金属的结晶只能在恒温下进行。4.4.对于二元合金结晶，在两相平衡的条件下，自由度数对于二元合金结晶，在两相平衡的条件下，自由度数f f2 22 21 11 1，这说明此时还有一个可变的因素（温度），即二元合金一般是在一定温度范这说明此时还有一个可变的因素（温度）

30、，即二元合金一般是在一定温度范围内进行结晶。围内进行结晶。5.5.还是二元合金结晶，但变成了三相平衡的条件，自由度数还是二元合金结晶，但变成了三相平衡的条件，自由度数f f2 23 31 10 0，说明这时的转变过程应在恒温下进行。，说明这时的转变过程应在恒温下进行。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 三、共析钢中奥氏体形成过程示意图三、共析钢中奥氏体形成过程示意图 奥氏体形成过程也遵循结晶过程的基本规律，也是通过形核及晶核长大的奥氏体形成过程也遵循结晶过程的基本规律，也是通过形核及晶核长大的过程来进行的，即：过程来进行的，即：奥氏体晶核的形成奥氏体晶核的形成奥氏体晶

31、核的长大奥氏体晶核的长大残余渗碳体的溶解残余渗碳体的溶解奥氏体的碳奥氏体的碳浓度不均匀浓度不均匀碳浓度均匀化碳浓度均匀化朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 四、钢的晶粒度等级（分四、钢的晶粒度等级（分8 8级标准）级标准）晶粒大小广泛采用的是与标准金相图片（标准评级图）相比较的方法来评晶粒大小广泛采用的是与标准金相图片（标准评级图）相比较的方法来评定晶粒大小的级别。通常将晶粒大小分为定晶粒大小的级别。通常将晶粒大小分为8 8级，级，1 1级最粗，级最粗，8 8级最细。通常级最细。通常1 14 4级为粗晶粒度，级为粗晶粒度，5 58 8级为细晶粒度。级为细晶粒度。朱明工

32、作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 五、奥氏体晶粒长大的倾向与各种因素的关系五、奥氏体晶粒长大的倾向与各种因素的关系 1.1.加热速度的影响加热速度的影响 加热速度越快，奥氏体化温度越高，过热度越大，相变驱动力也越大；同时由加热速度越快，奥氏体化温度越高，过热度越大，相变驱动力也越大；同时由于奥氏体化温度高，原子扩散速度也加快，提高形核与长大的速度，从而加于奥氏体化温度高，原子扩散速度也加快，提高形核与长大的速度，从而加快奥氏体的形成。快奥氏体的形成。2.2.原始组织的影响原始组织的影响 钢中原始珠光体越细，其片间距越小，相界面越多，越有利于形核，同时钢中原始珠光体越细，其

33、片间距越小，相界面越多，越有利于形核，同时由于片间距小，碳原子的扩散距离小，扩散速度加快导致奥氏体形成速度加由于片间距小，碳原子的扩散距离小，扩散速度加快导致奥氏体形成速度加快。同样片状快。同样片状P P比粒状比粒状P P的奥氏体形成速度快。的奥氏体形成速度快。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 3.3.化学成分的影响化学成分的影响 钢中含碳量增加，碳化物数量相应增多，钢中含碳量增加，碳化物数量相应增多，F F和和FeFe3 3C C的相界面增多，奥氏体的相界面增多，奥氏体晶核数增多，其转变速度加快。晶核数增多，其转变速度加快。钢中的合金元素不改变奥氏体的形成过程，但

34、能影响奥氏体的形成速度。钢中的合金元素不改变奥氏体的形成过程，但能影响奥氏体的形成速度。因为合金元素能改变钢的临界点，并影响碳的扩散速度，且它自身也存在扩因为合金元素能改变钢的临界点，并影响碳的扩散速度，且它自身也存在扩散和重新分布的过程，所以合金钢的奥氏体形成速度一般比碳钢慢，尤其高散和重新分布的过程，所以合金钢的奥氏体形成速度一般比碳钢慢，尤其高合金钢，奥氏体化温度比碳钢要高，保温时间也较长。合金钢，奥氏体化温度比碳钢要高，保温时间也较长。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔任务二：绘制过冷奥氏体等温转变图并进行分析任务二：绘制过冷奥氏体等温转变图并进行分析任务二：

35、绘制过冷奥氏体等温转变图并进行分析任务二：绘制过冷奥氏体等温转变图并进行分析 同一种钢加热到奥氏体状态后，由于以后的冷却速度不一样，奥氏体转变同一种钢加热到奥氏体状态后，由于以后的冷却速度不一样，奥氏体转变成的组织不一样，因而所得的性能也不一样。研究奥氏体冷却转变常用连续成的组织不一样，因而所得的性能也不一样。研究奥氏体冷却转变常用连续冷却转变曲线，即我们常见的热处理工艺曲线，及等温冷却转变曲线（过冷冷却转变曲线，即我们常见的热处理工艺曲线，及等温冷却转变曲线（过冷奥氏体在一定温度下随时间变化组织转变情况，奥氏体在一定温度下随时间变化组织转变情况，TTTTT T曲线曲线）两种曲线。）两种曲线。

36、但是，热处理工艺曲线由于没有考虑到钢的冷却速度的变化，只能作为选但是，热处理工艺曲线由于没有考虑到钢的冷却速度的变化，只能作为选择热处理冷却制度的参考；择热处理冷却制度的参考；TTTTTT曲线则更能反映热处理冷却状况，作为选择热曲线则更能反映热处理冷却状况，作为选择热处理冷却制度的依据。处理冷却制度的依据。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 一、热处理工艺曲线图一、热处理工艺曲线图温度温度时间时间加热保温临界温度淬火（水或油冷）正火（空冷）退火（炉冷）朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 二、共析钢等温冷却转变曲线二、共析钢等温冷却转变曲线朱明

37、工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 1.过冷奥氏体等温冷却曲线曲线分析 左曲线为过冷奥氏体转变开始线；右曲线为过冷奥氏体转变终了线。两条曲线下部还有两条水平线，分别表示奥氏体向马氏体转变的开始温度Ms线和转变结束温度Mf线。两条曲线形似“C”字，故俗称C曲线，反映了“温度时间转变量”的关系，所以C曲线又称为TTT图（TemperatureTimeTransformation Diagram）。在C曲线中，在不同过冷奥氏体开始出现组织转变的时间不同，这段时间称为“孕育期”。其中，以C曲线最突出处（凸点,俗称“鼻”）所对应的温度孕育期最短。授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人

38、以渔朱明工作室朱明工作室2.等温转变曲线在连续冷却转变中的应用斜率 共折钢连续冷却时，根据冷却速度曲线V1、V2、V3、V4与C曲线相交的位置，可估计连续冷却转变的产物。马氏体临界冷却速度k：与冷却曲线相切，称临界冷却速度，是获得全部马氏体转变的最小冷却速度。临界斜率授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔朱明工作室朱明工作室过冷奥氏体连续冷却转变产物的组织与性能见下表：朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 3.CCT图 C曲线（TTT图）反映了过冷奥氏体等温转变的全貌，但在实际生产中，钢的热处理大多是采用连续冷却，因此，测出奥氏体的连续冷却曲线，即CCT图（右图阴影部

39、分），有很大的现实意义。Continuous Cooling Transformation Continuous Cooling Transformation Continuous Cooling Transformation Continuous Cooling Transformation 朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔4.4.4.4.对对对对C C C C曲线更形象的表述曲线更形象的表述曲线更形象的表述曲线更形象的表述朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 三、马氏体问题三、马氏体问题 我们知道，淬火后产生的组织是马氏体。马氏体转变时有

40、四个特点：一是我们知道，淬火后产生的组织是马氏体。马氏体转变时有四个特点：一是马氏体的数量随转变温度的下降而不断增多，如果冷却至中途停止，则马氏马氏体的数量随转变温度的下降而不断增多，如果冷却至中途停止，则马氏体转变也停止；二是马氏体转变速度极快；三是转变时体积发生膨胀（马氏体转变也停止；二是马氏体转变速度极快；三是转变时体积发生膨胀（马氏体的比容大于奥氏体的比容）；四是转变不能完全进行到底，会有少量的残体的比容大于奥氏体的比容）；四是转变不能完全进行到底，会有少量的残余奥氏体存在。余奥氏体存在。所以，冷却速度是淬火工艺的关键。冷却速度过慢，奥氏体会分解而得不所以，冷却速度是淬火工艺的关键。冷

41、却速度过慢，奥氏体会分解而得不到马氏体；冷却速度过快，对于某些钢材和工件又容易淬裂。一种正好能获到马氏体；冷却速度过快，对于某些钢材和工件又容易淬裂。一种正好能获得全部马氏体所必需的最低冷却速度，称为得全部马氏体所必需的最低冷却速度，称为“临界冷却速度临界冷却速度”，见下面，见下面“理理想淬火冷却曲线想淬火冷却曲线”示意图。示意图。淬火的临界冷却速度随钢种的不同而异。合金钢的临界冷却速度较低，可淬火的临界冷却速度随钢种的不同而异。合金钢的临界冷却速度较低，可以在油中淬火以防淬裂；高碳钢的临界速度较高，需在水中淬火；至于低碳以在油中淬火以防淬裂；高碳钢的临界速度较高，需在水中淬火；至于低碳钢，由

42、于临界速度太高，一般无法淬硬。钢，由于临界速度太高，一般无法淬硬。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 “理想淬火冷却曲线理想淬火冷却曲线”示意图示意图保证得到马氏体降低冷却速度防止淬裂朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 1.获得马氏体的条件:通过加热使钢具有奥氏体组织；冷却速度超过临界冷却速度；在MsMf温度范围使过冷奥氏体发生马氏体转变。2.马氏体的形成过程:当奥氏体过冷到MS点时，首先在晶粒内的某些晶面上生成马氏体晶核，并迅速长大；马氏体转变不依靠已形成马氏体晶体的长大，而是依靠出现新的马氏体晶核，即马氏体形成与保温温度无关。奥氏体常常不

43、能完全转变成马氏体主要源于生产上冷却温度没有真正达到Mf点。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 3.3.马氏体的组织形态马氏体的组织形态 马氏体有两种基本形态：马氏体有两种基本形态：板条马氏体板条马氏体和和片状马氏体片状马氏体。C0.20%C0.20%时时：基本上形成板条状马氏体（也称低碳马氏体），板条：基本上形成板条状马氏体（也称低碳马氏体），板条马氏体内有高密度的位错缠结的亚结构，又称为位错马氏体。马氏体内有高密度的位错缠结的亚结构，又称为位错马氏体。马氏体形成过程示意图朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 板条（低碳、位错）马氏板条（低碳

44、、位错）马氏体体 片状（针状、孪晶）马氏体片状（针状、孪晶）马氏体 C0.60%时：形成片状马氏体（针状马氏体），片状马氏体内部的亚结构主要是孪晶。因此，片状马氏体又称为孪晶马氏体。0.20%C0.60%时：形成上述两种马氏体的混合组织，含碳量越高，条状马氏体量越少而片状马氏体量越多。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 4.马氏体的力学性能 马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量，通常情况是随含碳量的增加而升高。马氏体的塑性和韧性主要取决于它的亚结构。在相同屈服强度条件下，板条（位错）型马氏体比片状（孪晶）型马氏体的韧性好得多。5.小结 马氏体转变是典型的无扩散性相变。

45、马氏体是碳在Fe中的过饱和固溶体，具有非常高的强度和硬度。所以，马氏体转变是强化金属的重要途径之一。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔四、应用四、应用C C曲线曲线估计估计连续冷却时的组织连续冷却时的组织V1缓慢的随炉冷却；V2 静止空气中冷却；V3 油中冷却；V4 水中快速冷却；Vk 临界冷却速度。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔时间时间温温度度MsA1单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火 五、各种淬火方法示意图(课本P70)朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以

46、渔任务三：退火与正火的选择任务三：退火与正火的选择任务三：退火与正火的选择任务三：退火与正火的选择 在实际生产中，按照热处理在机械加工过程中的作用，常把热处理分为两在实际生产中，按照热处理在机械加工过程中的作用，常把热处理分为两大类。一是大类。一是预先热处理预先热处理，是为了消除前道工序造成的某些缺陷，或随后的切，是为了消除前道工序造成的某些缺陷，或随后的切削加工和最终热处理作好组织准备的热处理；二是削加工和最终热处理作好组织准备的热处理；二是最终热处理最终热处理，是为了满足，是为了满足使用性能要求的热处理。使用性能要求的热处理。退火或正火除经常作为预先热处理外，也常作为一些普通铸件、焊接件作

47、退火或正火除经常作为预先热处理外，也常作为一些普通铸件、焊接件作为最终热处理。两者的目的相似，但使用场合有所不同，可以从不同的要求为最终热处理。两者的目的相似，但使用场合有所不同，可以从不同的要求去选择。去选择。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 一、钢的退火一、钢的退火 退火退火将工件加热、保温后，随炉缓慢冷却。目的是提高钢的塑性，降低将工件加热、保温后，随炉缓慢冷却。目的是提高钢的塑性，降低硬度，细化晶粒，均匀组织，消除应力。常用有三种方法：硬度，细化晶粒，均匀组织，消除应力。常用有三种方法：1.1.完全退火完全退火主要用于亚共析钢，加热温度为主要用于亚共析钢，加

48、热温度为AcAc3 3 20203030。使之完成：。使之完成：奥氏体奥氏体铁素体珠光体。铁素体珠光体。2.2.球化退火球化退火主要用于过共析钢，加热温度为主要用于过共析钢，加热温度为AcAc1 120203030。使退火后。使退火后成为以铁素体为基体，分布着细小的渗碳体颗粒的钢组织，有较低的硬度和成为以铁素体为基体，分布着细小的渗碳体颗粒的钢组织，有较低的硬度和较大的韧性。较大的韧性。3.3.去应力退火去应力退火加热温度为加热温度为500500650650。经保温后，以。经保温后，以200200300300出炉空出炉空冷。由于是在冷。由于是在A A1 1以下进行，组织并未发生变化，内应力却消

49、除了。以下进行，组织并未发生变化，内应力却消除了。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 二、钢的正火二、钢的正火 正火正火把工件加热到把工件加热到AcAc3 3或或AcAccmcm以上以上30305050，经适当的保温后，出炉在空，经适当的保温后，出炉在空气中冷却。主要目的是提高机械性能，改善切削性能，为淬火做组织准备。气中冷却。主要目的是提高机械性能，改善切削性能，为淬火做组织准备。朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 三、退火与正火的加热温度范围三、退火与正火的加热温度范围朱明工作室朱明工作室授人以鱼不如授人以渔授人以鱼不如授人以渔 四、退火

50、与正火的选用原则：四、退火与正火的选用原则：1.1.从改善切削性能上考虑从改善切削性能上考虑，低碳钢要用正火，否则硬度太低，低碳钢要用正火，否则硬度太低，切削时会粘刀，切屑不断；中碳钢宜采用完全退火；而高碳钢正切削时会粘刀，切屑不断；中碳钢宜采用完全退火；而高碳钢正火显得硬度仍然偏高，应采用球化退火。火显得硬度仍然偏高，应采用球化退火。2.2.从使用性能上考虑从使用性能上考虑，钢正火后，强度、硬度稍高，对于力，钢正火后，强度、硬度稍高，对于力学性能要求不太高的零件，可以把正火作其最终热处理。但当零学性能要求不太高的零件，可以把正火作其最终热处理。但当零件形状较复杂时，由于正火冷却速度较快，可能