材料基本知識

1、材料成形技術(shù)基礎(chǔ)材料成形技術(shù)基礎(chǔ)5050學(xué)時(shí) 3學(xué)分主講： 孫廣平單位： 材料學(xué)院金工教研室地址： 機(jī)械材料館630室聯(lián)系電話： 5095170實(shí)驗(yàn)室： 機(jī)械材料館428室徐文慧 電話：5095860材料成形技術(shù)基礎(chǔ)材料成形技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論 1 1、課程的性質(zhì)、課程的性質(zhì) 材料成形技術(shù)基礎(chǔ)是學(xué)科基礎(chǔ)必修課程，主要內(nèi)容是材料成形技術(shù)基礎(chǔ)是學(xué)科基礎(chǔ)必修課程，主要內(nèi)容是介紹機(jī)械工程材料的組織性能及應(yīng)用和加工成形中的介紹機(jī)械工程材料的組織性能及應(yīng)用和加工成形中的基本原理與工藝特點(diǎn)?；驹砼c工藝特點(diǎn)。 材料是人類賴以生存及發(fā)展的基礎(chǔ)，社會的進(jìn)步與材材料是人類賴以生存及發(fā)展的基礎(chǔ)，社會的進(jìn)步與材料的發(fā)

2、展密切相關(guān)料的發(fā)展密切相關(guān) 石器時(shí)代石器時(shí)代-青銅器時(shí)代青銅器時(shí)代-鐵器時(shí)代鐵器時(shí)代-近代鋼鐵、高近代鋼鐵、高分子材料分子材料 材料的基本分類：材料的基本分類： 1 1）金屬材料、）金屬材料、2 2）無機(jī)非金屬材料、）無機(jī)非金屬材料、3 3）高分子材料）高分子材料 2 2、課程的內(nèi)容：、課程的內(nèi)容： 1 1）機(jī)械工程材料的組織性能及應(yīng)用、特點(diǎn)、）機(jī)械工程材料的組織性能及應(yīng)用、特點(diǎn)、適用范圍適用范圍 2 2）金屬材料的熱處理原理及工藝、特點(diǎn)、適）金屬材料的熱處理原理及工藝、特點(diǎn)、適用范圍用范圍 3 3）鑄造：鑄造的原理、工藝方法、特點(diǎn)、適）鑄造：鑄造的原理、工藝方法、特點(diǎn)、適用范圍用范圍 4 4

3、）壓力加工：壓力加工的原理、工藝方法、）壓力加工：壓力加工的原理、工藝方法、特點(diǎn)、適用范圍特點(diǎn)、適用范圍 5 5）焊接：焊接的原理、工藝方法、特點(diǎn)、適）焊接：焊接的原理、工藝方法、特點(diǎn)、適用范圍用范圍材料成形技術(shù)在機(jī)械制造工藝方法中的地位材料成形技術(shù)在機(jī)械制造工藝方法中的地位 機(jī)械制造的基本流程（金屬）：機(jī)械制造的基本流程（金屬）： 礦石冶煉礦石冶煉金屬材料金屬材料毛坯成形毛坯成形 鑄造（液態(tài)成形）、壓力加工（塑性成形）、鑄造（液態(tài)成形）、壓力加工（塑性成形）、焊接（連接成形）焊接（連接成形） 不同方法與材料的性能不同方法與材料的性能有關(guān)有關(guān) （材料熱加工）（材料熱加工）毛坯或零件毛坯或零件

4、切削加工（車、銑、刨、磨等材料冷加工）切削加工（車、銑、刨、磨等材料冷加工） 熱處理（改善金屬性能的方法）熱處理（改善金屬性能的方法）零件零件裝配裝配機(jī)器機(jī)器 3 3、課程的目的和任務(wù)、課程的目的和任務(wù) 1 1）掌握金屬材料的基本知識）掌握金屬材料的基本知識 2 2）金屬材料的熱處理原理及工藝、特點(diǎn)、適用范圍）金屬材料的熱處理原理及工藝、特點(diǎn)、適用范圍 3 3）掌握各種成形方法的工藝過程、特點(diǎn)和應(yīng)用范圍）掌握各種成形方法的工藝過程、特點(diǎn)和應(yīng)用范圍 4 4、課程的特點(diǎn)、課程的特點(diǎn) 1.1.實(shí)踐性強(qiáng)，實(shí)踐性強(qiáng)，2.2.內(nèi)容多，內(nèi)容多， 需要全面理解來掌握。需要全面理解來掌握。 5 5、基本要求、基

5、本要求 1 1）按時(shí)上課，遵守課堂紀(jì)律，不得無故缺席、遲到和）按時(shí)上課，遵守課堂紀(jì)律，不得無故缺席、遲到和早退。早退。 2 2）按時(shí)完成作業(yè)，不得互相抄襲，要獨(dú)立完成作業(yè)。）按時(shí)完成作業(yè)，不得互相抄襲，要獨(dú)立完成作業(yè)。 3 3）主動提出問題和答疑）主動提出問題和答疑 4 4）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不得缺席，閉卷考試）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不得缺席，閉卷考試第一篇第一篇 材料的基本知識材料的基本知識 第一章第一章 材料的機(jī)械性能材料的機(jī)械性能材料的性能主要是力學(xué)性能力學(xué)性能、物理性能物理性能、化學(xué)性能化學(xué)性能和工藝性能工藝性能材料在外力(載荷)作用下所表現(xiàn)出來的性能，稱為機(jī)械性能，或力學(xué)性能。機(jī)械性能是衡量材料的重要指標(biāo)，

6、亦是選擇材料的重要依據(jù)。機(jī)械性能主要有強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度等。物理性能是指比重、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和磁性等。化學(xué)性能是指耐酸性、耐堿性和抗氧化性等。工藝性能是指材料是否易于進(jìn)行熱、冷加工獲得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的性能，如鑄造性、可鍛性、焊接性；切削加工性等。它們實(shí)質(zhì)上是材料機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能在成形和加工過程中的綜合反映。11 強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度是材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。根據(jù)外力性質(zhì)的不同，強(qiáng)度可分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等等。強(qiáng)度是通過拉伸試驗(yàn)測定的。拉伸試驗(yàn)時(shí)，將加工好的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣安裝在材料試驗(yàn)機(jī)上，并對試樣施加軸向靜拉力。隨著拉力的增加，試樣

7、產(chǎn)生變形，直到拉斷。以試樣所受外力（P）為縱坐標(biāo)，伸長L為橫坐標(biāo)，繪出載荷與伸長的關(guān)系曲線-拉伸曲線（應(yīng)力-應(yīng)變曲線）。應(yīng)力：單位面積上的作用力,單位：(N/m2)-Pa 工程上常用 MPa=106Pa應(yīng)變：單位長度上的變形，%低碳鋼的拉伸曲線分析低碳鋼的拉伸曲線分析當(dāng)載荷到達(dá)S點(diǎn)以前，試樣產(chǎn)生的變形為彈性變形。 當(dāng)載形超過S點(diǎn)，試樣開始產(chǎn)生明顯的塑性變形。在S點(diǎn)附近，曲線出現(xiàn)水平線段，表明載荷不增加，試樣還繼續(xù)發(fā)生塑性變形，即試樣喪失了抵抗變形的能力，這種現(xiàn)象稱為屈服。S點(diǎn)為屈服點(diǎn)。 低碳鋼的拉伸曲線分析低碳鋼的拉伸曲線分析載荷超過S點(diǎn)后，變形量隨著載荷的增加而急劇增加。該階段稱為強(qiáng)化階段。

8、當(dāng)載荷達(dá)到B點(diǎn)后，試樣上出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象。拉伸曲線開始下滑。由于縮頸處橫截面積的縮小，則繼續(xù)變形所需的載荷下降，試樣很快在K點(diǎn)斷裂。強(qiáng)度的計(jì)算方法強(qiáng)度的計(jì)算方法產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度，用符號s來表示，即：屈服強(qiáng)度s = PS / F0 式中 s -屈服強(qiáng)度，MPa PS-試樣產(chǎn)生屈服時(shí)的載荷，N F0試樣原橫截面積，m2 材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，稱為抗拉強(qiáng)度，用符號b 來表示，即：抗拉強(qiáng)度b =Pb/ F0 式中b-抗拉強(qiáng)度，MPa Pb -試樣在斷裂前所承受的最大載荷，N F0試樣原橫截面積， m2 關(guān)于屈服強(qiáng)度關(guān)于屈服強(qiáng)度但有些鋼鐵材料在拉伸曲線上沒有明顯的水平線段，它的屈服

9、強(qiáng)度很難測定，通常規(guī)定產(chǎn)生0.2%塑性變形時(shí)的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度，用0.2來表示，稱為條件屈服強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度s 和抗拉強(qiáng)度b 是評定鋼鐵材料的重要指標(biāo)，是設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)之一。因?yàn)殇撹F材料不能在超過s 的條件下工作，否則會引起機(jī)械零件的塑性變形；鋼鐵材料也不能在超過b 的條件下工作；否則會導(dǎo)致機(jī)械零件的破壞。Ps0.2%PL二、塑性二、塑性 塑性是鋼鐵材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。由拉仲試驗(yàn)可以得到材料的兩種塑性指標(biāo)。1 1、延伸率、延伸率 =（L1 L0） / L0 100% - -試樣的延伸率；延伸率；L1 - 試樣拉斷后的標(biāo)距長度，mm；L0 - 試樣原標(biāo)距長度，mm。2

10、 2、斷面收縮率、斷面收縮率 =（ Fo F1 ） / Fo100% - 試樣的斷面收縮率；F0 - 試樣原截面積，mm2； F1 - 試樣拉斷后的斷口截面積mm2； ，和的數(shù)值越大，說明鋼鐵材料的塑性越好；反之亦然。1-2 1-2 硬度硬度硬度是指鋼鐵材料抵抗更硬物體壓入其內(nèi)的能力，或表示鋼鐵材料在局部體積內(nèi)抵抗塑性變形的能力。 一、布氏硬度一、布氏硬度 布氏硬度是用一定的載荷，把直徑為D的鋼球壓入被測材料的表面，數(shù)秒鐘后，卸去載荷，用讀數(shù)顯微鏡測出壓痕直徑d，根據(jù)d，從已備好的表中查出硬度值。硬度值愈高，表示鋼鐵材料愈硬；布氏硬度用符號HBS來表示，它適用于測量布氏硬度在450 HBS以下

11、的材料，如測定退火鋼、正火鋼、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵等的硬度。二、洛氏硬度二、洛氏硬度 洛氏硬度是用金剛石壓頭壓入試樣表面，然后根據(jù)壓痕深度計(jì)算的硬度值，或從硬度計(jì)上直接讀出的硬度值。洛氏硬度用符號HRC表示， HRC數(shù)值愈大，硬度愈高。適用范圍為2067HRC。洛氏硬度試驗(yàn)操作簡便、迅速、可測定淬火鋼及白口鑄鐵的硬度。洛氏硬度值與布氏硬度值之間的關(guān)系，30HRC=300HBS30HRC=300HBS。硬度與強(qiáng)度的關(guān)系硬度與強(qiáng)度的關(guān)系材料的強(qiáng)度越高，硬度值也越高。強(qiáng)度與布氏硬度有如下的近似關(guān)系，可供換算：低碳鋼b=（034036)HBS鑄鋼件b =(0304)HBS灰口鑄鐵件b = 01 HBS l3

12、l3 沖擊韌性與疲勞強(qiáng)度沖擊韌性與疲勞強(qiáng)度一、沖擊韌性沖擊韌性是指鋼鐵材料抵抗沖擊韌性是指鋼鐵材料抵抗沖擊載荷的能力。沖擊載荷的能力。目前，工程技術(shù)上常用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來測定鋼鐵材料的沖擊韌性。a ak k=Ak/F=Ak/F J/cm2式中Ak-沖斷試樣所消耗的沖擊功， J F-試樣缺口處的橫截面積cm2二、疲勞強(qiáng)度二、疲勞強(qiáng)度鋼鐵材料在交變應(yīng)力（該應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度）長時(shí)間作用下發(fā)生斷裂現(xiàn)象叫做疲勞斷裂(或疲勞破壞)。不論是脆性材料或韌性材料，在疲勞斷裂時(shí)，都不會產(chǎn)生明顯的塑性變形，斷裂是突然發(fā)生的。因此具有很大的危險(xiǎn)性。 鋼鐵樹料經(jīng)無數(shù)次重復(fù)或交變應(yīng)力作用而不致引起斷裂的最大應(yīng)力叫

13、做疲勞強(qiáng)度。通常用-1表示。因?qū)嶋H上不可能進(jìn)行無數(shù)次試驗(yàn)，故各種材料應(yīng)有一定的應(yīng)力循環(huán)基數(shù)(以N表示)，如鋼材以107為基數(shù)，即鋼材的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達(dá)到107 次仍不發(fā)生疲勞破壞，就認(rèn)為不會再發(fā)生疲勞破壞了。有色金屬和某些超高強(qiáng)度鋼則常取106 為基數(shù)。 第二章第二章 純鐵及鐵碳合金純鐵及鐵碳合金 -1 -1 鐵的結(jié)晶及鐵碳合金的基本組織鐵的結(jié)晶及鐵碳合金的基本組織合金：在一種金屬元素中加入其它元素，經(jīng)熔煉得到的具有金屬性質(zhì)的材料。如：鋼是e二元合金、鑄鐵是e-i三元合金一、晶體的概念一、晶體的概念1、晶體：原子有規(guī)則排列形成的物質(zhì)a、有一定的熔點(diǎn)b、各向異性2、晶格：用點(diǎn)（原子所在位置的中心）

14、線連接構(gòu)成的，用以描述原子排列規(guī)律的空間格子。3、晶胞：反映晶格原子排列規(guī)律的最小單元。二、純鐵的晶體結(jié)構(gòu)二、純鐵的晶體結(jié)構(gòu) 常見金屬的晶格類型：、體心立方晶格 具有較大的強(qiáng)度、較好的塑性。純鐵、鉻、鎢、釩在一定溫度下具有該種晶格。、面心立方晶格 塑性好。純鐵、鋁、金、鎳在一定溫度下具有該種晶格。三、純鐵的一次結(jié)晶三、純鐵的一次結(jié)晶、純鐵一次結(jié)晶的冷卻曲線 。n ：實(shí)際結(jié)晶溫度 0：理論結(jié)晶溫度 因?yàn)榻Y(jié)晶過程放出結(jié)晶潛熱，所以冷卻曲線出現(xiàn)平臺，該平臺為結(jié)晶過程，拐點(diǎn)為結(jié)晶的開始與結(jié)束。過冷度：0n冷卻速度增大，過冷度增大，實(shí)際結(jié)晶溫度降低，結(jié)晶速度加快。 、金屬的結(jié)晶過程、金屬的結(jié)晶過程凝固過

15、程凝固過程結(jié)晶的基本規(guī)律：結(jié)晶的基本規(guī)律：1 1、晶核形成，、晶核形成，2 2、晶核長大。、晶核長大。晶核形成：晶核形成：1、自發(fā)形核：液體中自身原子形核。2、異質(zhì)形核：液體中的不熔的雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)形核。晶核長大：晶核長大：以樹枝狀晶方式長大。最后長成外形不規(guī)則的小顆粒-晶粒。 過冷度增大，形核數(shù)目增多。3 3、晶粒及細(xì)化晶粒的方法、晶粒及細(xì)化晶粒的方法金屬材料是由很多大小不同、外形不規(guī)則、晶格排列方向不同的晶粒組成。稱為多晶體。晶粒的邊界稱為晶界。晶粒越細(xì)小、機(jī)械性能越好。細(xì)化晶粒的方法：1、提高冷卻速度，形核數(shù)目增多。2、變質(zhì)處理，加入外來異質(zhì)晶核。3、結(jié)晶時(shí)進(jìn)行震動或攪拌，打碎樹枝狀晶，增多晶

16、核數(shù)目。 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)存在缺陷實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)存在缺陷 (1)點(diǎn)缺陷 ：空位、間隙原子(2)線缺陷：位錯(cuò) 位錯(cuò)是一種很重要的晶體缺陷。它是晶體中一列或數(shù)列原子發(fā)生有規(guī)律錯(cuò)排的現(xiàn)象。位錯(cuò)有許多類型，這里只介紹簡單立方晶體中的刃型位錯(cuò) 。(3)面缺陷：晶界四、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變四、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1 1、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：固態(tài)下金屬隨著溫度的變化，發(fā)生的晶格類型的轉(zhuǎn)變。 -Fe（體心）-Fe（面心）-Fe（面心）-Fe（體心）純鐵具有兩次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，只有少數(shù)金屬具有這種轉(zhuǎn)變。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)1、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。2、是固態(tài)下的結(jié)晶

17、過程，稱為重結(jié)晶或二次結(jié)晶，以區(qū)別于液態(tài)金屬的一次結(jié)晶。3、遵循結(jié)晶的基本規(guī)律，即晶核的形成和晶核的長大。4、可以細(xì)化晶粒。5、發(fā)生體積變化，產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。稱為相變應(yīng)力。 鐵與碳相互作用可以形成(平衡冷卻）： 1、固溶體溶劑原子：溶質(zhì)原子：間隙固溶體：置換固溶體：溶解度：間隙固溶體小置換固溶體大鐵碳合金的固溶體鐵素體、奧氏體五、鐵碳合金的基本組織五、鐵碳合金的基本組織五、鐵碳合金的基本組織五、鐵碳合金的基本組織鐵與碳相互作用可以形成(平衡冷卻）：1、固溶體：有鐵素體、奧氏體2、金屬化合物：滲碳體3、機(jī)械混合物：珠光體鐵素體（）：碳在-e中形成的固溶體。性能接近純鐵，強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性

18、高。奧氏體（）：碳在-e中形成的固溶體。高溫下存在的組織。性能：塑性高（晶體中原子密排面多）。滲碳體（Fe3C）：鐵和碳形成的金屬化合物。性能又硬又脆，可以作為金屬組織的強(qiáng)化相。珠光體（P）：鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物,層片狀組織（e3） 。性能：強(qiáng)度較高。五、鐵碳合金的基本組織五、鐵碳合金的基本組織表表1 1- -1 1 鐵鐵碳碳合合金金的的組組織織及及力力學(xué)學(xué)性性能能組織名稱符號碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）b（Mpa）HBS(%)ak(J/cm2)鐵素體F0.021818028050803050160200奧氏體A2.11-1202204060-滲碳體Fe3C6.6930相當(dāng)80000珠光體P0.7

19、775018020253040鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金狀態(tài)圖e- e-合金合金 e- e-e e3 3合金合金鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金狀態(tài)圖一、鐵碳合金狀態(tài)圖中主要點(diǎn)和線的意義、特性點(diǎn)A點(diǎn)，純鐵的熔點(diǎn)，1538 C=0 C點(diǎn)，共晶點(diǎn)，1148 C=4.3 D點(diǎn)，滲碳體的熔點(diǎn)，1227 C=6.69 E點(diǎn)， 碳在e中最大溶解度點(diǎn)。也是鋼與生鐵的分界點(diǎn)。1148 C=2.11 S點(diǎn)，共析點(diǎn)， 727 C=0.772 2一些主要線的含義一些主要線的含義ACD線液相線，液態(tài)合金冷卻到此線時(shí)開始結(jié)晶。在此線以上的區(qū)域?yàn)橐合唷ECF線固相線，當(dāng)合金冷卻到此線，金屬液全部結(jié)晶為固相。在此線以下的區(qū)域?yàn)楣滔?。E

20、CF線共晶線， (1148)。PSK線共析線， (727)。GS線冷卻時(shí)，從奧氏體中結(jié)晶出鐵素體的開始線，通常稱為A3線。ES線碳在-Fe中的溶解度線，通常也稱之為Acm線。共晶線與共析線共晶線與共析線ECF線共晶線。碳在2.116.69的合金，當(dāng)冷卻到此線時(shí)(1148)，都將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。L4.3%A2.11%+Fe3C6.69% (1148) 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物稱為萊氏體。又稱為共晶體。它是奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物。727以下的萊氏體是珠光體和滲碳體的機(jī)械混合物，用L表示。PSK線共析線，通常也稱之為A1線。碳在0.02186.69的合金，當(dāng)冷卻到此線時(shí)(727)，都將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變

21、。固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。A0.77%F0.0218% +Fe3C6.69% (727) 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物稱為珠光體，用P表示。又稱為共析體。它是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物。二、鐵碳合金的分類二、鐵碳合金的分類表表l l- -3 3鐵鐵 碳碳 合合 金金 的的 分分 類類 、 含含 碳碳 量量 及及 平平 衡衡 組組 織織分 類碳 的 質(zhì) 量 分 數(shù)（ %）平 衡 組 織符 號工 業(yè) 純 鐵 0.0218鐵 素 體F亞 共 析 鋼0.02180.77鐵 素 體 +珠 光 體F+P共 析 鋼0.77珠 光 體P鋼過 共 析 鋼0.772.11珠 光 體 +二 次 滲 碳 體P+Fe3C亞 共 晶 白 口 生 鐵

22、2.114.3珠 光 體 +二 次 滲 碳 體 +萊 氏 體P+Fe3C+Le共 晶 白 口 生 鐵4.3萊 氏 體Le生鐵過 共 晶 白 口 生 鐵4.36.69萊 氏 體 +一 次 滲 碳 體Le + Fe3C三、從狀態(tài)圖看鋼的組織轉(zhuǎn)變?nèi)臓顟B(tài)圖看鋼的組織轉(zhuǎn)變1 1、共析鋼的組織轉(zhuǎn)變、共析鋼的組織轉(zhuǎn)變2 2、亞共析鋼的組織轉(zhuǎn)變、亞共析鋼的組織轉(zhuǎn)變3 3、過共析鋼的組織轉(zhuǎn)變、過共析鋼的組織轉(zhuǎn)變1-4 化學(xué)成分對碳素鋼性能的影響化學(xué)成分對碳素鋼性能的影響鋼鐵的五大元素：碳、硅、錳、磷、硫。鋼鐵的五大元素：碳、硅、錳、磷、硫。碳鋼的機(jī)械性能碳鋼的機(jī)械性能 ( (正火狀態(tài)正火狀態(tài)) )亞共析鋼亞

23、共析鋼 CC， HBSHBSb b塑性（塑性（），韌性（，韌性（akak）過共析鋼過共析鋼 CC， HBS HBS b b網(wǎng)狀摻碳網(wǎng)狀摻碳體，塑性（體，塑性（），韌性（，韌性（akak） SiSi、MnMn：有益元素，形成固溶體：有益元素，形成固溶體Mn Mn 強(qiáng)化作用強(qiáng)化作用合金滲碳體，脫硫（合金滲碳體，脫硫（MnSMnS）S S ：有害元素：有害元素 FeS-FeFeS-Fe共晶體共晶體 985 985 熱裂熱裂P P：有害元素：有害元素 FeFe3 3P-Fe-FeP-Fe-Fe3 3C C ，三元共，三元共晶晶 硬、脆、冷裂硬、脆、冷裂1-51-5 鋼的分類與編號鋼的分類與編號一、碳素

24、鋼一、碳素鋼碳素鋼，分為低碳鋼(C0.25)，中碳鋼(C0.250.6)和高碳鋼(C0.6)。1普通碳素結(jié)構(gòu)鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼號有：Q195、Q215、 Q235、 Q255、 Q275“Q”-表示屈服強(qiáng)度，表示屈服強(qiáng)度，“235”表示屈服強(qiáng)度表示屈服強(qiáng)度s235MPa2優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼用兩位數(shù)字表示鋼號，數(shù)字表示含碳量的萬分?jǐn)?shù)，鋼號有鋼號有08、10、l5、20、70等等。45鋼表示平均含碳量為0.45。這類鋼供應(yīng)時(shí)要保證力學(xué)性能和化學(xué)成分，使用前一般都要經(jīng)過熱處理。 滲碳鋼： 15、20、25 調(diào)質(zhì)鋼： 45、45、50 彈簧鋼： 65、653 3 碳素工具鋼碳素工具鋼這類鋼的

25、編號是在“碳”字或“T”后面附以數(shù)字來表示，數(shù)字表示該鋼含碳量的千分?jǐn)?shù)。鋼號有碳鋼號有碳7 7、碳、碳88碳碳1313或或T7T7、T8T13T8T13。性能：性能： T7T7、T8T13T8T13，硬度提高，塑性下降。，硬度提高，塑性下降。碳素工具鋼均為優(yōu)質(zhì)優(yōu)質(zhì)鋼。例如碳10（T10）表示平均含碳量為1.0的優(yōu)質(zhì)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。若在鋼號后面加“高”或“A”字，則為高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。如“T10 T10 A”。碳素工具鋼在使用前都要經(jīng)過熱處理，以提高其硬度和耐磨性。這類鋼主要用于制造手動刀具、量具、模具等。二、合金鋼二、合金鋼合金鋼：在碳素鋼的基礎(chǔ)上合金鋼：在碳素鋼的基礎(chǔ)上，特意加入一種或數(shù)種

26、合金元素的鋼，稱為合金鋼。根據(jù)合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)總量的多少，合金鋼又分為低合金鋼(5)；中合金鋼(510)；高合金鋼(10)。 1 1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼這類鋼的編號是采用兩位數(shù)字加元素符號加數(shù)字來表示。“40Cr”“40”-40Cr”“40”-表示平均含碳量為0.40%，“Cr”-Cr”-表示含鉻，因平均含鉻量l.5，故CrCr 后面不加數(shù)字?！?2CrNi3”12CrNi3”，表示平均含碳量為0.12，含鉻量1.5，含鎳量3?！?0Si2MnA”60Si2MnA”，因鋼號后加“A”字，故為高級優(yōu)質(zhì)合金鋼。合金結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)熱處理特點(diǎn)和用途又分為：普通低合金鋼：12Mn、16Mn、14MnMoV

27、滲碳鋼： 15、20、20Cr、20CrMnTi 調(diào)質(zhì)鋼： 45、45B、40Cr、40CrMn 彈簧鋼： 65、65Mn、60SiMn2、50CrVA 軸承鋼： GCr9、GCr15 2 2合金工具鋼合金工具鋼鋼號前面的數(shù)字是1 1位位，表示該鋼平均含碳量的千分?jǐn)?shù)。當(dāng)含碳量大于1.0時(shí)不標(biāo)出（高速鋼例外）。刃具鋼：刃具鋼： 低合金刃具鋼 9SiCr、CrWMo 高速鋼：W18Cr4V、 12Cr4V4Mo 模具鋼：模具鋼：熱作模具鋼 5CrMnMo、5CrNiMo， 冷作模具鋼 Cr12量具鋼：量具鋼： 9SiCr2 2合金工具鋼合金工具鋼“9CrSi”“9CrSi”，表示平均含碳量0.9，

28、鉻、硅的含量1.5。“W18Cr4V”W18Cr4V”，表示鎢的含量18，鉻的含量4，釩的含量1.5，（平均含碳量為0.70.8）的高速鋼。 3特殊性能鋼特殊性能鋼 這類鋼具有特殊的物理、化學(xué)性能。牌號表示方法同合金工具鋼。合金工具鋼。不銹鋼，如1Crl3； 2Crl3； 3Crl3； 4Crl3，耐熱鋼，如15CrMo；1Cr18Ni9Ti；耐磨鋼，如ZGMnl3等。舉例：09SiCr、 9SiCr、SiCr各為何種鋼。第三章第三章 鋼的熱處理鋼的熱處理 3-13-1鋼的熱處理概述鋼的熱處理概述1 1、鋼的熱處理、鋼的熱處理：將鋼在固態(tài)下，通過加熱、保溫、冷卻固態(tài)下，通過加熱、保溫、冷卻三個(gè)

29、階段來改變鋼內(nèi)部的組織，從而獲得所需性能的一種工藝方法。熱處理，可以提高鋼的強(qiáng)度和硬度，改善鋼的塑性和韌性等。因此，鋼件必須進(jìn)行熱處理。鋼的熱處理是通過改變鋼的內(nèi)部組織來改變性能的。鋼的內(nèi)部組織的改變，取決于鋼的加熱加熱、保溫保溫和冷卻冷卻三個(gè)階段的工藝。熱處理得到的組織為不平衡的組織不平衡的組織，故不同于狀態(tài)圖給出的組織。合金的狀態(tài)圖是熱處理工藝確定的理論依據(jù)。2、熱處理工藝的分類、熱處理工藝的分類3 3、熱處理工藝曲線、熱處理工藝曲線改變鋼的內(nèi)部組織，取決于鋼的加熱加熱、保溫保溫和冷卻冷卻三個(gè)階段的工藝。4 4、熱處理時(shí)，狀態(tài)圖中相關(guān)曲線的變化、熱處理時(shí)，狀態(tài)圖中相關(guān)曲線的變化鋼通過熱處理

30、得到的組織為不平衡的組織不平衡的組織加熱、冷卻的實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變滯后理論理論轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變溫度溫度加熱時(shí)加熱時(shí)轉(zhuǎn)變溫轉(zhuǎn)變溫度度冷卻時(shí)冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變溫轉(zhuǎn)變溫度度PSKPSKA A1 1A Ac1c1A Arl rlGSGSA A3 3A Ac3c3A Ar3r3ESESA AcmcmA AccmccmA Arcmrcm鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變共析鋼：共析鋼：PAPA晶粒的形成過程晶粒的形成過程目的：獲得細(xì)小均勻的目的：獲得細(xì)小均勻的A A晶粒晶粒鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 等溫冷卻：（等溫轉(zhuǎn)變）C-曲線高溫轉(zhuǎn)變高溫轉(zhuǎn)變: : 擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變1、727550 珠光體組織（

31、P）2、650600 索氏體（S）細(xì)珠光體，3、600550 屈氏體（T） 極細(xì)珠光體中溫轉(zhuǎn)變：中溫轉(zhuǎn)變：1、550350 上貝氏體(B上)，2、350230 下貝氏體(B下)低溫轉(zhuǎn)變：低溫轉(zhuǎn)變： 230以下馬氏體（M）針狀、板條狀。和殘余奧氏體（A）鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 等溫冷卻：（等溫轉(zhuǎn)變）C-曲線高溫轉(zhuǎn)變高溫轉(zhuǎn)變: : （P），（S），（T）珠光體型轉(zhuǎn)變珠光體型轉(zhuǎn)變中溫轉(zhuǎn)變：中溫轉(zhuǎn)變： (B上)， (B下)貝氏體型轉(zhuǎn)變貝氏體型轉(zhuǎn)變低溫轉(zhuǎn)變：無擴(kuò)散型低溫轉(zhuǎn)變：無擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，與轉(zhuǎn)變時(shí)間無轉(zhuǎn)變，與轉(zhuǎn)變時(shí)間無關(guān)，只取決于轉(zhuǎn)變溫關(guān)，只取決于轉(zhuǎn)變溫度。馬氏體型轉(zhuǎn)變度。馬氏體型轉(zhuǎn)變

32、 230以下發(fā)生轉(zhuǎn)變，馬氏體（M）和殘余奧氏體（A）（1）同一成分鋼的CCT曲線位于C曲線的右下方。這說明要獲得同樣的組織，連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變比等溫轉(zhuǎn)變的溫度要低些，孕育期要長些。（2）連續(xù)冷卻時(shí)，轉(zhuǎn)變是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的類型可能不只一種，有時(shí)是幾種類型組織的混合。（3）連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變時(shí)，共析鋼不發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。 共析鋼的共析鋼的C C曲線與曲線與CCTCCT曲線的比較曲線的比較 共析鋼的珠光體型轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形成溫度和硬度組織名稱表示符號形成溫度/片層間距/um硬度珠光體索氏體屈氏體PSTA16506506006005500.40.40.20.2170170230HBS230HBS23

33、23 30HRC30HRC30 30 40HRC40HRC轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的一般性能變化：轉(zhuǎn)變溫度低的產(chǎn)物，硬度、強(qiáng)度高，而塑性、韌性低。轉(zhuǎn)變溫度高的產(chǎn)物，硬度、強(qiáng)度低，而塑性、韌性高。每種轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的性能變化還取決于組織形態(tài)。3-2 鋼的退火與正火鋼的退火與正火一、鋼的退火鋼的退火退火是將鋼件加熱到高于或低于鋼的臨界點(diǎn)(Ac3或Ac1)，保溫一定時(shí)間，隨爐緩慢冷卻，隨爐緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的一種熱處理工藝。1 1完全退火完全退火將鋼件加熱到Ac3以上3050，保溫一定時(shí)間后，隨爐緩慢冷卻。完全退火的目的：1、細(xì)化晶粒，提高力學(xué)性能；2、降低硬度，便于切削加工；3、消除殘余應(yīng)力。主要用于亞共

34、析鋼的鑄件、鍛件和焊接結(jié)構(gòu)件，也可作為一些不重要工件的最終熱處理。2 2球化退火球化退火將鋼件加熱至Ac以上2030，保溫一定時(shí)間，再冷至Ar1以下20左右，保溫一定時(shí)間，然后爐冷至600左右出爐空冷。球化退火主要用于過共析鋼。用于過共析鋼。其目的是消除過共析鋼的網(wǎng)狀二次滲碳體消除過共析鋼的網(wǎng)狀二次滲碳體，從而改善鋼的切削加工性，并減少最終熱處理時(shí)工件變形和開裂的傾向。3 3去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火將工件緩慢加熱到600650，保溫一定時(shí)間，隨爐緩慢冷卻至室溫。由于去應(yīng)力退火加熱溫度低于A1，故鋼在去應(yīng)力退火過程中并無組織變化。去應(yīng)力退火主要用于消除鑄件、鍛件及焊接結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力，以及冷加工后的

35、加工應(yīng)力。二、鋼的正火二、鋼的正火正火是將鋼件加熱到Ac3或Accm以上3050，保溫一定時(shí)間后，從爐中取出，在空氣中冷卻空氣中冷卻的一種熱處理工藝。正火與退火的主要區(qū)別是正火的冷卻速度較快。正火的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：(1)最終熱處理。因?yàn)檎鹂杉?xì)化晶粒，增多珠光體數(shù)量，提高力學(xué)性能，因此可滿足普通結(jié)構(gòu)件對使用性能的要求。(2)改善低碳鋼低碳鋼的切削加工性能。低碳鋼硬度偏低，切削時(shí)易“粘刀”。正火后的硬度高于退火，從而改善了切削加工性。(3)預(yù)先熱處理。例如，過共析鋼組織中有嚴(yán)重網(wǎng)狀滲碳體，先進(jìn)行一次正火處理，使網(wǎng)狀滲碳體稍有斷網(wǎng)，為球化退火作組織準(zhǔn)備。由于正火比退火的生產(chǎn)周期短，熱能消耗

36、少，操作簡便。因此，在可能條件下，應(yīng)以正火代替退火。各種退火和正火的加熱溫度各種退火和正火的加熱溫度3-3 鋼的淬火與回火鋼的淬火與回火一、鋼的淬火一、鋼的淬火淬火是將鋼件加熱到Ac3或Ac1以上3050，保溫一定時(shí)間后，在油中或水中快速冷卻的一種熱處理工藝。淬火的目的：獲得馬氏體組織，提高硬度和耐磨性。馬氏體是碳在-Fe中的過飽和固溶體，用符號M表示。馬氏體由于溶入過多的碳而使-Fe晶格嚴(yán)重歪扭，從而具有高的硬度。含碳量越多，晶格歪扭越嚴(yán)重，馬氏體的硬度就越高。馬氏體的硬度主要決定于含碳量，如圖所示。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.6時(shí)，隨含碳量增加，馬氏體硬度增加，大于0.6時(shí)，硬度增加不明顯。 淬火加

37、熱溫度淬火加熱溫度亞共析鋼的淬火加熱溫度為Ac3以上3050，使鋼的組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。淬火時(shí)，由于冷卻速度快，通過Ar3和Ar1溫度時(shí)，奧氏體既不析出鐵索體，又不轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，而是在較低溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。過共析鋼的淬火加熱溫度為Ac1以上3050，鋼的組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體和滲碳體。淬火后的組織是馬氏體和滲碳體。二、鋼的回火二、鋼的回火1 1、回火：、回火：將淬火鋼重新加熱到A1以下某一溫度，經(jīng)保溫一定時(shí)間后冷卻的一種熱處理工藝。淬火易引起的缺陷：1、相變應(yīng)力過大，易變形。2、脆性過大易開裂。3、組織不穩(wěn)定，使用過程中組織發(fā)生轉(zhuǎn)變而使尺寸變化。淬火后一定要回火。淬火與回火緊密相連，不可分割?；?/p>

38、火的目的：1、消除應(yīng)力，2、提高塑性，3、穩(wěn)定組織。2 2、回火的分類、回火的分類1 1、低溫回火、低溫回火 加熱溫度為150200。回火后得到的組織是回火馬氏體回火馬氏體。用符號M回表示。低溫回火能夠降低鋼件的淬火應(yīng)力和脆性，而且還能使鋼件保持而且還能使鋼件保持高的硬度高的硬度(HRC5864)和耐磨性。低溫回火常用于各類高碳鋼的刀具、量具和模具等。2 2、中溫回火、中溫回火 加熱溫度為350500?；鼗鸷蟮慕M織是極細(xì)的珠光體，叫回火屈氏體，回火后的組織是極細(xì)的珠光體，叫回火屈氏體，用符號T回表示。中溫回火可以使鋼件具有較高的硬度(HRC3545)，而且還有較高較高的彈性和屈服強(qiáng)度的彈性和屈

39、服強(qiáng)度。所以，中溫回火常用于各種彈簧以及鍛模等等各種彈簧以及鍛模等等。各種回火的比較各種回火的比較3、高溫回火、高溫回火 加熱溫度為500650?；鼗鸷蟮慕M織是細(xì)的珠光體細(xì)的珠光體，叫回火索氏體，回火索氏體，用符號S回表示。高溫回火后使鋼有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、硬度(HRC2335)以及較高塑性、韌性相配合的綜合力學(xué)性能綜合力學(xué)性能。淬火后進(jìn)行高溫回火的熱處理工藝，習(xí)慣上稱為調(diào)質(zhì)處理，簡稱習(xí)慣上稱為調(diào)質(zhì)處理，簡稱調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)。它常用于各種受力復(fù)雜的重要零件，如軸類、螺栓和連桿等。 硬度 塑性低溫回火中溫回火高溫回火表面熱處理表面熱處理目的：獲得高硬度的表面性能，同時(shí)保持心部的目的：獲得高硬度的表面性能，同時(shí)

40、保持心部的良好塑性。良好塑性。 一、表面淬火：一、表面淬火： l l、感應(yīng)加熱表面淬火、感應(yīng)加熱表面淬火 高頻感應(yīng)加熱表面淬火高頻感應(yīng)加熱表面淬火 200200300KHz 0.5300KHz 0.52mm2mm 小型零件小型零件 齒輪、軸類零件。（集膚效應(yīng)）齒輪、軸類零件。（集膚效應(yīng)）中頻感應(yīng)加熱表面淬火中頻感應(yīng)加熱表面淬火 50050010000Hz 210000Hz 28 mm8 mm 尺寸較大的曲軸、凸輪軸等。尺寸較大的曲軸、凸輪軸等。 工頻感應(yīng)加熱表面淬火工頻感應(yīng)加熱表面淬火 50Hz 50Hz 8 810 mm10 mm 2 2、火焰加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火 處理大型、特大型

41、工件及其局部表面處理大型、特大型工件及其局部表面成分特點(diǎn)：成分特點(diǎn)：0.3-0.5%0.3-0.5%的中碳鋼及中碳合金鋼的中碳鋼及中碳合金鋼（提問）（提問）熱處理工藝：正火或調(diào)質(zhì)熱處理工藝：正火或調(diào)質(zhì)+ +表面淬火表面淬火+ +低溫回火低溫回火二、化學(xué)熱處理（改變工件表面層的二、化學(xué)熱處理（改變工件表面層的 化學(xué)成分）化學(xué)成分） 1 1、滲碳、滲碳 滲碳是將工件置于富碳的介質(zhì)中，加熱到高溫滲碳是將工件置于富碳的介質(zhì)中，加熱到高溫(900950)，使，使碳原子滲入工件表層的過程，其目的是使增碳的表面層經(jīng)淬火和低溫回火碳原子滲入工件表層的過程，其目的是使增碳的表面層經(jīng)淬火和低溫回火后，獲得高硬度、

42、耐磨性和疲勞強(qiáng)度。適用于低碳非合金鋼和低碳合金鋼，后，獲得高硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度。適用于低碳非合金鋼和低碳合金鋼，常用于汽車齒輪、活塞銷、套筒等零件。常用于汽車齒輪、活塞銷、套筒等零件。 目的：增加鋼表面的含碳量。滲碳的時(shí)間主要由滲碳層的深度決定，一般保目的：增加鋼表面的含碳量。滲碳的時(shí)間主要由滲碳層的深度決定，一般保溫溫1h1h，滲碳層厚度約增，滲碳層厚度約增0.20.20.3mm0.3mm，滲碳層，滲碳層WWc c0.80.81.11.1。 通過熱處理后獲得高硬度、高耐磨性。通過熱處理后獲得高硬度、高耐磨性。工藝：加熱到工藝：加熱到900900950950滲碳處理后淬火加低溫回火。滲碳處

43、理后淬火加低溫回火。成分特點(diǎn)：成分特點(diǎn)：0.25%0.25%的低碳鋼及低碳合金鋼（提問）的低碳鋼及低碳合金鋼（提問）熱處理工藝：滲碳熱處理工藝：滲碳+ +淬火淬火+ +低溫回火低溫回火 一般低碳非合金鋼經(jīng)滲碳淬火后表層硬度可達(dá)一般低碳非合金鋼經(jīng)滲碳淬火后表層硬度可達(dá)606064HRC64HRC，心部為，心部為303040HRC40HRC。 2 2、氮化氮化 將氮原子滲入工件表層的過程稱滲氮將氮原子滲入工件表層的過程稱滲氮(氮化氮化)，目的是提高工件，目的是提高工件表面硬度，耐磨性、疲勞強(qiáng)度、熱硬性和耐蝕性。常用的滲氮方法主表面硬度，耐磨性、疲勞強(qiáng)度、熱硬性和耐蝕性。常用的滲氮方法主要有氣體滲氮

44、、液體滲氮及離子滲氮等。要有氣體滲氮、液體滲氮及離子滲氮等。 目的：獲得工件表面的氮化層，高硬度（目的：獲得工件表面的氮化層，高硬度（HRC65HRC657070）、高耐磨性、耐蝕）、高耐磨性、耐蝕性。性。工藝：加熱溫度低（工藝：加熱溫度低（500500600600），變形小，成本高，氮化層薄、脆。），變形小，成本高，氮化層薄、脆。0.20.20.5mm0.5mm厚需厚需3030余小時(shí)。余小時(shí)。成分特點(diǎn)：成分特點(diǎn)：0.3-0.5%0.3-0.5%的中碳合金鋼，一般需要專用的氮化用鋼。（提問）的中碳合金鋼，一般需要專用的氮化用鋼。（提問）熱處理工藝：熱處理工藝：正火或調(diào)質(zhì)正火或調(diào)質(zhì)+ +氮化氮化

45、+ +低溫回火低溫回火 3 3、碳氮共滲：加熱溫度低、零件變形小，較高的硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)、碳氮共滲：加熱溫度低、零件變形小，較高的硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度，有一定的抗蝕能力。度，有一定的抗蝕能力。二、化學(xué)熱處理二、化學(xué)熱處理 1-1 判斷題判斷題 1純鐵在升溫過程中，912時(shí)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，由體心立方晶格的-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦?Fe。這種轉(zhuǎn)變也是結(jié)晶過程，同樣遵循晶核形成和晶核長大的結(jié)晶規(guī)律。 （ ）2鋼和生鐵都是鐵碳合金。其中，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（又稱含碳量）小于0.77%的叫鋼，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11%的叫生鐵。 （ ）3珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，珠光體的力學(xué)性能介于鐵素體和滲碳體之間。 （ ）4為了改善低碳鋼的切削加工性能，可以用正火代替退火，因?yàn)檎鸨韧嘶鹬芷诙?，正火?/p>