金属工艺学 第一章.ppt

1、金属工艺学,绪 论,什么叫金属工艺学？ 是一门研究有关制造金属零件工艺方法的综合性技术基础课。 它主要研究： （1）各种工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互联系； （2）金属机件的加工工艺过程和结构工艺性； （3）常用金属材料性能对加工工艺的影响等。 金属工艺学中涉及到的知识点在机械制造工程中的地位。,课程的性质、任务和要求,性质： 研究常用工程材料及其成形方法的综合性课程 体现理论教学与实践环节密切结合的技术基础课程,任务和要求： 了解产品的制造过程 掌握常用工程材料的种类与性能，能初步选用 掌握材料成形的基本原理和工艺特点，能初步运用,第一篇 金属材料的基础知识,第一章 金属材

2、料的主要性能,教学重点：金属材料的力学性能（表达方式、测定方法、单位量纲、物理意义） 教学难点：拉伸曲线（F-l或-曲线）特点；硬度实验过程,第一节 金属材料的力学性能,力学性能是指金属材料在受外力作用时所反映出来的固有性能。 金属材料的力学性能主要有：强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。 力学性能指标，是选择、使用金属材料的重要依据。,一、强度与塑性,强度:材料抵抗由外力载荷所引起的应变或断裂的能力。 塑性:材料在外力作用下产生不可逆永久变形而不破坏的能力。 拉伸试验,标准试件,低碳钢拉伸曲线,铸铁拉伸曲线,Fl：载荷伸长量拉伸曲线 ：应力应变曲线,= F/Ao = L / L0分别以和

3、为纵坐标和横坐标，绘出应力-应变曲线。应力-应变曲线的形状与拉伸曲线完全相似，只是坐标与数值不同。,屈服极限S,强化阶段,弹性极限P,屈服阶段,强度极限B,颈缩阶段,弹性阶段,强度指标,1.屈服点在拉伸试验过程中，外力不增加(保持恒定)，但试样仍然能继续伸长(变形)，这种现象称屈服。S点称屈服点， S点对应的应力称屈服点应力。用符号s表示。屈服点应力s可按下式计算： s = Fs / A0 (MPa) 式中：Fs试样屈服时的载荷，N；A0试样原始横截面积，mm2。,2抗拉强度 抗拉强度是指试样拉断前承受的最大应力值，用符号b表示，单位为Mpa，即 b= Fb / A0 (Mpa ) 式中：Fb

4、试样承受的最大载荷，N；A0试样原始横截面积，mm2。,屈服点应力（屈服强度）和抗拉强度在设计机械和选择、评定金属材料时有重要意义 。 机械零件多以s作为强度设计的依据。 对于脆性材料，在强度计算时，则以b为依据。,塑性指标,(1)伸长率 = （L1-L0）/L0 100% 式中： L0试样原标距的长度（mm）L1试样拉断后的标距长度（mm）,(2) 断面收缩率 断面收缩率是指试样拉断后断面处横截面积的相对收缩值。= （A0-A1）/A0 100%式中：A0试样的原始截面积（mm2）A1试样断面处的最小截面积（mm2）和愈大，则塑性愈好。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。,二、硬度,

5、固体材料抵抗塑性变形、压入或压痕的能力。 硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。它直接影响到材料的耐磨性及切削加工性。 硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹高度法等。 金属材料的硬度可用专门仪器来测试，常用的有布氏硬度机、洛氏硬度机等。,布氏硬度,布氏硬度试验原理图,式中：F试验力，N；D压头的直径,mm,HBS表示用淬火钢球作为压头测出的硬度值。 HBW表示用硬质合金球作为压头测出的硬度值。,单位面积所受的力值即为硬度,洛氏硬度,洛氏硬度试验原理图,试验时，先加初试验力，然后加主试验力，压入试样表面之后，去除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样残余压痕深度增量来衡量试样的硬度大小。,

6、布氏硬度与洛氏硬度的特点比较,布氏硬度的特点：布氏硬度因压痕面积较大，HB值的代表性较全面，而且实验数据的重复性也好，但由于淬火钢球本身的变形问题，不能试验太硬的材料，一般在HB450以上的就不能使用。由于压痕较大，成品检验也有困难。通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度。,洛氏硬度的特点：洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，而且压痕很小，几乎不损伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最多。但洛氏硬度由于压痕较小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或组织不均的情况，则所测硬度值的重复性也差。,三、冲击韧度（ak）,有些机件在工作时要受到高速作用的载荷冲击，如锻压机的锤杆、冲床的

7、冲头、汽车变速齿轮、飞机的起落架等。 瞬时冲击引起的应力和应变要比静载荷引起的应力和应变大得多，因此在选择制造该类机件的材料时，必须考虑材料的抗冲击能力，即冲击韧度。,金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧度。常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧度(大能量、一次冲断）。试验表明，在冲击载荷不太大的情况下，金属材料承受多次重复冲击的能力，主要取决于强度。 冲击值对组织缺陷很敏感，因此冲击试验是生产上用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质量的有效方法。,夏比冲击试验 试验原理,标准冲击试样有两种，一种是夏比形缺口试样，另一种是夏比形缺口试样 同一条件下同一材料制作的两种试样，其形试样

8、的a k值明显大于形试样的a k，所以这两种试样的值a k不能相互比较。对于脆性材料试样一般不开缺口。,四、疲劳强度,工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作应力低于材料的屈服强度，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，这样的断裂现象称之为疲劳 。 零件的疲劳断裂过程可分为裂纹产生、裂纹扩展和瞬间断裂三个阶段 。,疲劳的概念:,金属材料在无数次重复或交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力，叫做疲劳强度。材料的疲劳强度通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测定。,疲劳强度的概念,在循环载荷作用下，材料承受一定的循环应力和断裂时相应的循环次数N之间的关系可以用曲线来描述，即之间的关系曲线，称疲劳

9、曲线,-N 曲线,疲劳曲线,当零件所受的应力按正弦曲线对称循环时，疲劳强度以符号-1表示，即当应力低于-1值，既使循环周次无穷多也不发生断裂 。,无数次应力循环：对于钢材为107，有色金属和某些超高强度钢常取108。,-N 曲线,第二节 金属材料的物理、化学及工艺性能,一、金属的物理性能 1 密度 2 熔点 3 导热性 4 导电性 5 热膨胀性 6 磁性,二、金属的化学性能 它是金属材料在室温或高温时抵抗各种化学作用的能力，主要是指抵抗活泼介质的化学侵蚀能力，1. 耐腐蚀性(如耐酸性、耐碱性等) 2抗氧化性3化学稳定性,三、金属的工艺性能,工艺性能是物理、化学、力学性能的综合。按工艺方法的不同

10、，可分为铸造性能、可锻性、焊接性和切削加工性等 1、铸造性能金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力称为铸造性能。铸造性能包括流动性、吸气性、收缩性和偏析等。在金属材料中灰铸铁和青铜的铸造性能较好。2、锻造性能金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要同金属的塑性和变形抗力有关。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。,3、焊接性能焊接性能是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。 4、切削加工性能切削加工性能是指金属在切削加工时的难易程度。,第二章 铁碳合金,什么是铁碳合金？以铁、碳为主要成分的合金。其中铁的含

11、量大于95%。 学习内容1.纯铁的晶体结构及其同素异晶转变2.铁碳合金的基本组织3.铁碳合金状态图4.工业用钢,第一节 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,【重点内容】 1.金属的结晶、结晶过程、晶核的形成，长大规律及其影响因素。 2.过冷现象、过冷度、冷却速度与过冷度的关系及细化晶粒的办法。 3.纯铁的晶体结构。 4.纯铁同素异晶转变。,一、金属的结晶,什么是金属的结晶？液态金属冷却凝固转变为固态晶体的过程 结晶的过程可用（温度时间的曲线）冷却曲线来表示。 水结晶成冰的实验，可以看出晶体结晶存在“过冷”现象。 过冷度 过冷度的大小与冷却速度的关系,纯金属的冷却曲线,结晶过程,结晶过程：形核+长大

12、,晶粒大小及控制,晶粒每个晶核长成的晶体称为晶粒。 晶粒大小对金属机械性能有较大的影响，在常温下工作的金属，其强度、硬度、塑性和韧性，一般是随晶粒细化而有所提高的。 影响晶粒大小的因素有哪些？形核率N (晶核数/scm3)长大速度G (cm/s) 晶粒大小的控制 （1）增大过冷度 ；（2）变质处理；（3）振动,1）过冷度的影响,冷却速度愈大，过冷度愈大。 实线部分，随着T的增大，形核率和长大速度都大，且N的增加比G增加的快，晶粒愈细。,2）变质处理,在液态金属结晶前，特意加入某些合金，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒，这种处理方法即为

13、变质处理。,（3）振动,对正在结晶的金属施以机械振动、超声波振动和电磁振动，均可使树枝晶尖端破碎而增加新的核心，提高形核率，使晶粒细化。,二、 纯铁的晶体结构,晶体中原子在空间的排列 ，可用晶格来表示。 晶格中一个最基本的几何单元叫晶胞。 根据对晶胞的分析，最常见的晶格类型有体心立方晶格 、面心立方晶 格、密排六方晶格 。,纯铁的晶格有体心立方和面心立方两种。,纯铁的晶格有体心立方和面心立方两种。,三、 纯铁同素异晶转变,液态铁缓慢冷却到熔点左右经过第一次结晶后，到室温的过程中，晶格类型将发生改变。这种随着温度的改变，固态金属晶格也随之改变的现象，称为同素异晶转变。 -Fe 转变为-Fe 时，

14、金属的体积将膨胀还是收缩？,纯铁的冷却曲线及晶体结构变化,第二节 铁碳合金的基本组织,基本概念：合金、组元、相、组织 将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质，称为合金。 组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，通常是指组成该合金的元素或某些化合物，根据合金组元数目的多少，把合金分为二元合金、三元合金和多元合金。如：铁碳合金就是由铁和碳二组元组成的二元合金。,相是指在合金中，凡成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。 在显微镜下能观察到的金属和合金的微观形貌、图象称为组织，合金又可分为不同的组织。 铁碳合金的基本组织可分为固溶体、金属化合物和

15、机械混合物三种类型。,一、固溶体,某些合金的组元在固态时，具有一定的互相溶解能力。 溶质原子溶入溶剂晶格中，而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体，称固溶体。在固溶体中保持其原晶体结构的组元（元素）溶剂，其余的组元（元素）溶质 根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置不同，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体两类。,间隙固溶体和置换固溶体,铁碳合金中的固溶体都是碳溶解到铁的晶格中的间隙固溶体,1、铁素体（F） Ferrous 铁素体是碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。 由于-Fe晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最大溶碳量只有0.0218%（727）所以是几乎不含碳的纯铁。 具有良好的塑性和韧性，但强度和硬度却较低

16、。它在770以下具有磁性。 性能： b =180230MPa HB=5080=3050% =7080% ak=156196Jcm-2,显微镜下观察，铁素体呈大小不一的多边形颗粒形状。,2、奥氏体（A） Austenite 奥氏体是碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。 -Fe的溶碳能力较高，最大为2.11%（1148）。 由于-Fe一般存在于7271394之间，所以奥氏体也只出现在高温区域内。 性能： =4050%，具有良好的塑性和低的变形抗力。是绝大多数钢种在高温进行压力加工所需的组织。,显微镜观察，奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结构，但晶界较铁素体平直。这是奥氏体不锈钢在显微镜下观察到的单相奥氏

17、体孪晶组织。,“固溶强化”,通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。 固溶强化的产生是由于溶质原子溶入后，引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而位错运动时受到阻力增大的缘故。因此固溶强化是材料的一种主要的强化途径。,固溶体的性能,当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。 随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变。其一般情况下，强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等。,二、金属化合物,合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质，称为金属化合物。 金属化合物性能：熔点高，硬度高，脆性大。合金中含有金属化合物后，

18、其强度、硬度和耐磨性有所提高，而塑性和韧性则降低。金属化合物是许多合金的重要组成相。 铁碳合金中的渗碳体属金属化合物。,渗碳体是铁与碳形成的稳定化合物。 含碳量为6.69%。 性能：HBW=800，硬度很高，脆性极大，是钢中的强化相。 显微镜下观察，渗碳体(Fe3C)呈银白色光泽。 渗碳体在一定条件下可以分解出石墨。,渗碳体 Fe3C,三、机械混合物,它是两种或两种以上的相按一定质量百分数组成的物质。 混合物各相保持其原有晶格。 混合物的性能：取决于各组成相的性能，以及它们分布的形态、数量及大小。 铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。,1. 珠光体（P） Perlite 珠光体是铁素体和渗

19、碳体组成的机械混合物。 珠光体的平均含碳量为0.77%，在727以下温度范围内存在。 性能：b =750MPa HB=160180 较高 =2025% =3040% 适中,显微镜观察，珠光体呈层片状特征，表面具有珍珠光泽，因得名。这是T8钢的退火组织（白色为铁素体、黑色为渗碳体）。,2. 莱氏体Ld Ledeburite 由奥氏体和渗碳体组成的两相机械混合物。 奥氏体在727时将转变为珠光体，所以在室温下由珠光体和渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体，用符号Ld/表示。高温莱氏体仅存于727以上。 莱氏体硬度很高，脆性大，塑性很差。,这是共晶白口铸铁的铸造组织，珠光体呈椭圆状分布在渗碳体的基

20、体上。因其含渗碳体较多，故性能与渗碳体相近。,第三节 铁碳合金状态图,【基本要求】：1.熟练掌握铁碳合金相图中的点、线、区域的含义。2.熟练掌握钢在结晶过程中的组织转变；能利用状态图对典型合金的结晶过程进行分析。3. 掌握碳钢的牌号及用途；,什么是铁碳合金相图？,铁碳合金状态图是研究在平衡条件下，铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系及变化规律，这里的平衡是指极其缓慢的冷却。它以温度为纵坐标、合金成分（ Fe3C或含碳量）为横坐标的图形。它是说明合金成分、温度和组织三者关系的图形。,简化图,一、铁碳合金状态图的建立,合金状态图是通过一系列实验测出不同成分的铁碳合金在缓慢冷却过程中的冷却曲线和组织

21、转变，然后在成分与温度坐标图中标出临界点温度（结晶开始和结晶结束的温度），并把物理意义相同的点连成曲线，这样构成的完整图形便是铁碳合金状态图。,二 、铁碳合金状态图的分析,1. 组元和相 （1）组元：铁石墨相图：Fe,C;铁渗碳体相图：Fe，Fe3C。 （2）相：L,A(),F(),Fe3C(K)。,2特性点：,3特性线：, ACD线液相线 AECF线固相线 ECF线共晶反应线 GS线（A3)铁素体从A中析出开始线 ES线碳在奥氏体中的溶解度曲线 PSK线共析反应线 PQ线C在F中的溶解度曲线，冷却至此线有Fe3C析出,四个单相区 (1)ACD线以上的液相区（L） (2)AESGA线围着的单一

22、奥氏体相区（A，） (3)GPQG线围着的单一铁素体相区（F，） (4)DFK垂线代表的单一渗碳体相区（Fe3C）,4. 区域,五个双相区ACEA线围着的液相与奥氏体相区（L+A）CDFC线围着的液相与渗碳体相区（L+Fe3C）GSPG线围着的奥氏体与铁素体相区（A+F）EFKSE线围着的奥氏体与渗碳体相区（A+Fe3C）QPSK以下为铁素体与渗碳体相区（F+Fe3C）,4. 区域,5.铁碳合金的分类,工业纯铁：C%0.0218 共析钢：C%=0.77 亚共析钢：0.0218C%0.77 过共析钢：0.77C%=2.11 共晶白口铁：C%=4.3 亚共晶白口铁：2.11C%4.3 过共晶白口铁

23、：4.3C%6.69,三、钢在结晶过程中的组织转变,共析钢()：LL+AAP 亚共析钢()：LL+AAA+FP+F 过共析钢()： LL+AAA+Fe3C P+Fe3C 共晶白口铁：LLdLd 亚共晶白口铁： LL+ALd+A+Fe3C Ld+P+Fe3C 过共晶白口铁： LL+Fe3CLd+Fe3C Ld +Fe3C,1. 共析钢,Wc=0.77% 室温组织：P,结晶过程：,2. 亚共析钢,Wc=0.6% 室温组织：P+F,结晶过程：,3. 过共析钢,Wc=1.2% 室温组织：P+Fe3C,结晶过程：,4.含碳量对铁碳合金组织性能的影响,(1) 对平衡组织的影响,图 铁碳合金中组织与成分的关

24、系,(2)对力学性能的影响,5.铁碳合金平衡相图的应用,1）选材的依据 2）选择铸造合金成分和浇注温度的依据 3）确定钢的锻造温度的依据 4）研究焊缝区及近缝区组织和性能变化的理论依据 5）确定各种热处理工艺的依据,低碳钢：塑性、韧性好，用于冲压件、焊接件、抗冲击件。 中碳钢: 综合力学性能较好，用于轴、齿轮等。 高碳钢：强度、硬度、耐磨性好，用于各种工模具。 白口铁：性硬而脆，但铸造性能好，用于不受冲击的铸件。,1） 在选材上的应用,根据Fe-Fe3C相图的液相线可以找出不同成分的铁碳合金的熔点，从而确定合适的熔化、浇注温度(液相线以上50 -100 )。 还可以看到，靠近共晶成分的铁碳合金

25、不仅熔点低，而且凝固温度区间也较小，具有良好的铸造性能。故这类合金适宜于铸造，在铸造生产中获得广泛的应用。,2）在铸造工艺上的应用,Fe-Fe3C相图与铸、锻工艺的关系,3）确定钢的锻造温度,Fe-Fe3C相图与铸、锻工艺的关系,钢材轧制或锻造的温度范围，多选择在单一奥氏体组织范围内。 其选择原则是： 始锻温度不得过高，以免钢材氧化严重，甚至发生奥氏体晶界部分熔化，使工件报废。一般始锻温度在固相线以下100200。 终止温度也不能过低，以免钢材塑性差，在锻造过程中导致产生裂纹。终锻温度800左右。 各种碳素钢合适的轧制或锻造温度范围如图所示。,4）研究焊缝区及近缝区组织和性能变化,0.熔化区-

26、液体 1.熔合区（半熔化区）-液固共存 2.过热区-奥氏体 3.重结晶区（正火区）-奥氏体 4.部分相变区（不完全重结晶区）-奥氏体+铁素体 5.母材原始组织区-铁素体+珠光体,根据对工件材料不同的性能要求，各种不同热处理方法的加热温度都是参考Fe-Fe3C相图选定的。,5）确定各种热处理工艺,历史,在从石器时代进展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770前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜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制造农具的重要工艺。 公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺得到迅速发展。中国河

27、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。,第三章 钢的热处理,第一节 钢在加热和冷却时的组织转变,概念：钢在固态下，通过加热、保温并以一定的速度冷却到室温 ，以改变钢的内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。,1. 钢热处理的概念与目的,热处理的目的：通过改变组织达到改变性能的目的。,热处理的过程：任何一种热处理都要经过加热，保温，冷却三个过程，因此，最高加热温度，保温时间，冷却速度就成为热处理工艺的三大要素。,三个要素：,1. 加热到预定的温度（最高加热温度） 2. 在预定的温度下适当保温（保温时间），保温的时间与工件的尺寸和性能有关； 3. 以预

28、定的冷却速度冷却（冷却速度）。冷却速度取决于所需的组织和性能。,热处理工艺曲线的示意图,热处理分类,根据热处理的目的和工艺方法的不同，热处理可分为三大类： 普通热处理：退火、正火、淬火、回火 表面热处理：表面淬火、化学热处理（渗碳、渗氮等） 其他热处理：形变热处理、超细化热处理、真空热处理、离子轰击热处理、激光热处理、电子束热处理等,常用的热处理工艺方法,2. 钢在加热时的转变,钢在室温下的组织（即奥氏体化前的组织为平衡组织的情况） ：,对于亚共析钢 F+P共 析 钢 P过共析钢 P+ Fe3C,加热目的：使钢发生同素异晶转变（得到奥氏体A，消除铁素体F）,过热度与过冷度,对于加热：非平衡条件

29、下的相变温度高于平衡条件下的相变温度； 对于冷却：非平衡条件下的相变温度低于平衡条件下的相变温度。 这个温差叫滞后度：加热转变 过热度冷却转变 过冷度， 加热与冷却速度越大，导致过热度与过冷度越大。此外，过热度与过冷度的增大会导致相变驱动力的增大，从而使相变容易发生。,钢在加热和冷却时的相变临界点,平衡状态相变线： A1、A3、Acm 加热实际相变线： Ac1、Ac3、Accm 冷却实际相变线： Ar1、Ar3、Arcm,共析钢加热转变（奥氏体形成）过程,温度： 室温 Ac1F + Fe3C A 结构： 体心 复杂 面心 含碳量： 0.0218 6.69 0.77,A形成过程组织转变示意图,1

30、、奥氏体形核 （在 F / Fe3C相界面上形核）,A 形核,A形成过程组织转变示意图,亚共析钢和过共析钢加热（A形成）过程的转变,珠光体的转变：亚共析钢和过共析钢与共析钢的区别是存在先析相。其奥氏体的形成过程是先完成珠光体向奥氏体的转变，此转变过程同共析钢同。 先析相的溶解：对于亚共析钢，平衡组织F+P，当加热到AC1以上温度时，PA；在AC1AC3的升温过程中，先析的F逐渐溶入A。即 P + F A + F A 对于过共析钢，平衡组织Fe3C+P，当加热到AC1以上时，PA；在AC1ACCM的升温过程中，二次渗碳体逐步溶入奥氏体中。 即P + Fe3C A + Fe3C A,影响奥氏体形成

31、速度的因素,1. 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。 2. 化学成分的影响钢中含碳量增加，碳化物数量相应增多，F和Fe3C的相界面增多，奥氏体晶核数增多，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。 3. 原始组织的影响钢中原始珠光体越细，其片间距越小，

32、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快。同样片状P比粒状P的奥氏体形成速度快。,3. 钢在冷却时的组织转变,过冷奥氏体高温时所形成的奥氏体冷却到A1点以下尚未发生转变的奥氏体 。 冷却方式：等温冷却和连续冷却 。 冷却方式不同、冷却速度不同，组织转变的产物不同、钢的性能也不同。,共析钢过冷奥氏体等温冷却转变,(1)珠光体型转变（高温转变）,珠光体型组成：F 和 Fe3C 片层的机械混合物 转变温度范围与转变产物形态：A1650 ：珠光体 P 20HRc650600 ：索氏体 S（细P） 600550 ：托氏体 T 40HRc（极细P又

33、称屈氏体） 珠光体性能：珠光体片越细 HB，b且，k,珠光体组织特征图,(a)珠光体,(b) 索氏体,(c)屈氏体,(2)贝氏体转变（中温转变）,贝氏体组成：F 和针状的Fe3C的机械混合物 转变温度与转变产物形态：550350：上贝氏体（B上） 羽毛状组织塑性差，40-45HRc350230：下贝氏体（B下） 针片状组织（Ms） 综合性能好，45-50HRc,上贝氏组织特征图,下贝氏体组织金相图,共析钢过冷奥氏体连续冷却转变,马氏体转变： 过冷A 单相 M（无渗碳体）- Fe - Fe 马氏体组成：碳在- Fe中的过饱和固溶体形态：低碳 M（C1.0%) 片状 M碳含量（0.21.0%）混合

34、 M,硬度：主要取决于马氏体的含碳量（即母相奥氏体的含碳量）低碳M（板条M）强而韧高碳M（片状M）硬而脆 塑性和韧性：低碳M 塑性、韧性好高碳M 塑性、韧性差。,马氏体性能：,低碳板条状马氏体组织金相图,高碳针片状马氏体组织金相图,第二节 退火与正火,退火（annealing）和正火（normalizing）是生产上应用很广泛的预备热处理工艺，大部分钢制构建经退火和正火后，其力学性能和工艺性能都得到改善和调整。,一、退火,将钢加热到适当温度，保温一定时间，随后缓慢冷却（随炉冷却）以获得接近平衡状态组织的热处理工艺，称为退火。 常用的退火工艺有完全退火、球化退火、扩散退火、去应力退火等。 退火的

35、主要目的在于调整和改善钢材的力学性能和工艺性能（降低硬度，改善切削加工性；细化晶粒，提高塑性和韧性；消除内应力、为最终热处理做好组织准备 ），减少钢材化学成分和组织的不均匀性（扩散退火）。,（1）完全退火,将钢加热到Ac3以上3050，保温一定时间后，随炉缓慢冷却到500以下，再出炉在空气中冷却到室温，最后得到平衡组织铁素体和片状珠光体。,主要用于亚共析碳钢和合金钢的铸、锻、焊、轧制件，目的是细化晶粒，消除应力，降低硬度，改善切削加工性能。,（2）球化退火,把过共析钢加热到Ac1以上2030并保温后，以适当的方式冷却，使钢中的网状碳化物球化，这种热处理工艺称为球化退火。(从A中经共析反应析出的

36、渗碳体以未溶渗碳体为晶核，呈球状析出）,主要用于过共析钢及合金工具钢的退火。由于过共析钢中存在网状二次渗碳体，在切削加工时，对刀具磨损很大，使切削加工性能变坏，而球状珠光体硬度低，节省刀具。,过共析钢热处理前的显微组织,T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500 ,（3）去应力退火（低温退火）,去应力退火又称低温退火，其工艺是将工件缓慢加热至500650（A1），保温一定时间后，随炉缓慢冷却至200，再出炉空冷。,其目的是消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件以及机加工件的残余应力，防止产生变形。,（4）扩散退火（又称为均匀退火）,将工件加热到Ac3以上150-200（1050-1150 ），长时间

37、保温（10-15h)后随炉缓冷。 适用于合金钢大型铸、锻件，目的是消除其化学成分的偏析和组织的不均匀性。 但扩散退火容易使钢的晶粒粗大，影响力学性能，因此一般扩散退火仍需进行完全退火和正火。,二、正火,将钢加热到Ac3或Accm以上3050，保温后在空气中冷却得到珠光体基体组织的热处理工艺，称正火。 特点： a)冷却速度比退火快，周期短、能耗少。 b)组织细小（索氏体），因而钢的力学性能有所提高。,正火的主要目的:,细化晶粒，提高强度，提高低碳钢和低合金钢硬度，改善切削加工性（避免“粘刀”现象） 。 对过共析钢进行正火，可减少或消除网状碳化物（二次渗碳体），为球化退火做准备； 取代部分完全退火

38、（正火操作简便，生产周期短，消耗少），对低碳钢、含碳较低的中碳钢可达到消除应力。 可作为淬火前的预备热处理，也可用于普通零件的最终热处理。,退火与正火的比较,各种退火和正火的加热温度范围不同（见图)，正火比退火加热温度高。 正火比退火冷却速度快。 正火得到的索氏体组织比退火得到的珠光体细，所以对于同一种材料正火比退火具有较高的力学性能。,正火比退火的生产周期短、生产率高、操作简单、经济性好。退火强调软化，正火强调高效率 。,第三节 淬火与回火,钢的淬火（quenching）与回火（tempering）是热处理工艺中最重要、用途最广泛的工序。 通过淬火可以显著提高钢的强度和硬度； 通过回火可以消

39、除淬火钢的残余内应力、稳定钢的组织； 淬火和回火工艺是密不可分的。,一、淬火,淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上3050，保温后在淬火介质中快速冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。 目的：为了提高钢的硬度和耐磨性 。,关于加热温度,亚共析钢必须加热到Ac3以上，进行完全淬火。这是因为亚共析钢如果在Ac1 Ac3之间加热，必然淬火时有一部分铁素体保留在淬火组织中，粗大且较软的铁素体块分布在强硬的马氏体基体上，严重降低了钢的强度和韧性。 而过共析钢必须在Ac1 Accm之间加热，进行不完全淬火，使淬火组织中保留一定数量的细小弥散的碳化物颗粒，以提高耐磨性。当加热温度高于Accm时，淬火会得到粗大马

40、氏体和过量残余奥氏体，这反而降低硬度和耐磨性，增大脆性和淬火应力，使工件变形甚至开裂。,关于加热时间,加热时间（包括零件的升温时间和保温时间）也是影响淬火质量的因素之一。加热时间的确定受到加热速度、加热温度、钢材成分、零件形状和尺寸、装炉方式的影响。在生产上有许多计算加热时间的方法，其中较常用的一种方法是当炉温到达淬火温度时，按工件单位有效厚度的加热时间乘上工件的有效厚度来计算。 例如：在箱式炉中，碳钢的单位有效厚度的加热时间为1-1.3min/mm;合金钢1.5-2min/mm,关于淬火介质,生产中常用的冷却介质分为是水、盐（碱）溶液和油。（1）水的冷却能力很大，但易使工件变形和开裂，主要用

41、于奥氏体稳定性较差的碳钢。（2）盐（碱）水的冷却能力比水强，淬火后的工件硬度高而均匀、表面光洁，但极易使工件变形和开裂且锈蚀。常用于形状简单、硬度要求高、尺寸变形要求不严的碳钢零件。（3）油冷却速度远小于水，有利于减少工件的变形与开裂；但在650500冷却能力差，容易造成碳素钢中奥氏体分解而淬不透。所以，油类冷却介质主要应用于过冷奥氏体比较稳定的合金钢淬火。,常用淬火介质冷却能力比较,淬火方法选择适合方法，防止变形和裂纹,常用的淬火方法有单介质淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火法、贝氏体等温淬火法、冷处理等。 马氏体分级淬火法是将奥氏体化的钢件先浸入温度在马氏体点附近的盐浴或碱浴中，待其表面与心

42、部温差减小后再取出空冷。所以此方法特别适用于形状复杂、尺寸比较小的工件淬火。,淬火方法选择适合方法，防止变形和裂纹,贝氏体等温淬火法将奥氏体化的钢件浸入温度在贝氏体转变温度区间（260-400 ）的盐（碱）浴中等温保持，使奥氏体转变为下贝氏体，然后进行空冷。 冷处理是钢件淬火冷却到室温后，继续在0 以下的介质中冷却的热处理工艺。,二、回火,淬火钢一般不能直接使用。钢的淬火组织是淬火马氏体和残余奥氏体，都是不稳定组织，而淬火马氏体又极脆，并存在很大的内应力，若不及时回火，会使工件发生变形甚至开裂。 回火是将淬火钢重新加热到Ac1点以下某一温度，保温后再冷却至室温的热处理工艺。,回火的目的,（1）

43、消除或降低内应力，降低脆性，防止变形和开裂。 （2）稳定组织，稳定尺寸和形状，保证零件使用精度和性能。 （3）通过不同的回火工艺，来调整零件的强度、 硬度，获得所需要的韧性和塑性。,回火工艺及应用,根据回火温度的不同，回火方法主要有下列三种： 1）低温回火（150250）：组织为回火马氏体，其目的是降低淬火应力和脆性，保持高硬度（HRC5564）和高耐磨性。常用于处理各种工模具以及渗碳淬火或表面淬火的工件。 2）中温回火（350500）：组织为回火托氏体，硬度HRC3545。中温回火的目的是具有较高的弹性极限和屈服极限，并有一定的韧性和抗疲劳性，多用于各种弹簧和锻模等。,回火工艺及应用,3）高

44、温回火（500650）：组织为回火索氏体，硬度HRC2535。特点是在保持较高强度的同时，具有较好的塑性和韧性。 调质处理：淬火加高温回火的热处理又称为调质处理，广泛用于处理各类重要零件，例如轴、齿轮、连杆、螺栓等。,回火脆性,淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间时，产生一种冲击韧性显著降低而脆性高的组织，这种脆化现象称为回火脆性。 回火脆性分为两类：低温回火脆性和高温回火脆性。,钢的表面淬火,在生产中，许多机械零件如轴、齿轮、凸轮等，要求表面有较高的耐磨性，而心部则要求有足够的塑性和韧性。 表面淬火就是通过快速将零件表面加热使钢表层奥氏体化，而心部未被加热，然后淬火冷却

45、，使表层获得马氏体组织，而心部组织并未发生变化，达到“外硬内韧”状态。 生产中应用最多的是感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。,感应加热表面淬火,将工件至于通过交变电流的线圈中，由于电磁感应和集肤效应，将钢件表层迅速加热至淬火温度，而心部电流几乎为零、温度变化很小，这时经喷水冷却，钢件表层快冷淬火，得到一定深度的马氏体层。,感应加热表面淬火,感应加热淬火的淬硬层深度与电流频率有关电流频率越高，淬火后工件淬硬层越薄。 根据所用电流频率，感应加热分为三种： 高频感应加热 常用频率200300kHz，脆硬层深度0.52.5 mm，适用于中小尺寸轴类零件及中小模数的齿轮等。 中频感应加热 常用频率25

46、008000Hz，脆硬层深度38mm，适用于较大尺寸的轴和大中模数的齿轮等。 工频感应加热 电流频率50kHz，脆硬层深度1020mm，适用于大直径轧辊、火车车轮等的表面淬火。,火焰加热表面淬火,用乙炔氧火焰对工件表面进行快速加热，当达到淬火温度时立即喷水冷却，其淬硬层深度一般为26mm。 此法优点是操作简单、不需要特殊设备、成本低、灵活性大，可适合各种生产场合。 缺点是加热温度不易控制，工件表面易过热，淬火质量不够稳定，对工人的技术水平要求较高。这种方法适用于单件小批量生产以及大型零件（如大型轴类、大模数齿轮等）的表面淬火和需要局部淬火及外形复杂的零件。,火焰表面淬火示意图,1加热层 2烧嘴

47、 3喷水管 4淬硬层 5工件,钢的淬透性,钢的淬透性是在规定的淬火条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性（是钢材本身固有的属性）。通常用在规定的淬火条件下（工件尺寸、淬火介质）所能获得的淬硬层深度来表示。 淬硬层深度是从淬硬的工件表面量至规定硬度值（是指马氏体和非马氏体组织各占50%的半马氏体区）处的垂直距离。 钢的淬硬性是指钢在淬火时所能获得的最高硬度。它是反映钢材在淬火时的硬化能力。淬硬性大小主要决定于马氏体的含碳量。,淬透性的测量方法,常用的测定方法有临界直径法和端淬实验法。 临界直径法是把钢材制成一系列直径大小不同的式样，在某种介质中逐个淬冷后，测量心部得到全部马氏体或半马氏体组织的

48、最大直径（称为临界直径）的方法。 端淬试验法是用标准尺寸的端淬试样（ 25*100mm)，经奥氏体化后，在专用设备上对其一端面喷水冷却后，沿轴线方向每隔一定距离测一次硬度，可得到硬度变化与距水冷端面距离的曲线，此曲线称为淬透性曲线。把淬透性曲线放到成分与硬度的坐标系中变得到硬度与钢的含碳量之间的关系。,钢的化学热处理,钢的化学热处理是将工件置于特定介质中加热和保温，使一种或几种元素渗入工件表面，以改变表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。 化学热处理不仅可以使工件表面硬度、耐磨性提高，还可以使工件表面获得一些特殊性能，如耐蚀性等。 化学热处理一般以渗入的元素来命名，如渗碳、氮化、碳氮共渗 。,渗碳,渗碳是为了增加钢件表层的含碳量和使其具有一定的碳浓度，向低碳钢（0.10.25%C）或低合金钢的表层渗入碳原子的化学热处理工艺。 渗碳处理广泛用于表层要求高硬度、高的耐磨性及疲劳强度，而心部要求一定强度和高韧性的零件，如汽车主轴和变速齿轮等。 渗碳后的工件表层为过共析钢组织，其硬度和耐磨性满足不了零件要求，必须进行淬火和低温回火处理。 常用的渗碳方法是气体渗碳和固体渗碳。,