金属材料及热处理基本知识

null金属材料基本知识金属材料基本知识机械学院bzxnull机械学院bzx材料基本知识 应力与应变 强度 塑性 硬度 冲击韧度 断裂韧度 疲劳强度 韧脆转变温度 铁碳合金基本知识 钢的热处理1材料力学基础知识1.1概述 承压类特种设备对材料要求很高，如高强度、高韧性、优良的耐腐蚀性能及工艺性能等。 对材料的较高要求是推动特种设备用材不断发展的基本动力。 在承压类特种设备制造业中，金属材料具有其他材料无法替代的地位和作用。 1材料力学基础知识机械学院bzx年产1000万吨炼油厂1材料力学基础知识机械学院bzxTITANIC:沉没与船体材料的质量直接有关 1材料力学基础知识1材料力学基础知识使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。 工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。 机械学院bzx投入运行的加氢反应器1材料力学基础知识1材料力学基础知识 材料在一定温度条件和外力作用下，抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能。承压类特种设备材料的常规力学性能指标主要包括强度、硬度、塑性和冲击韧度等。 1材料力学基础知识1材料力学基础知识依据国标GB/T 228－2002《金属室温拉伸实验方法》 新旧 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 性能名称对照机械学院bzx1材料力学基础知识1.1 应力与应变材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。 1.1 应力与应变机械学院bzx1.1 应力与应变应力σ ：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S0表示: F σ= —— S0 应变ε：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示: Δl ε= —— l0 应力－应变曲线（ σ- ε曲线）: 形状和拉伸曲线相同，单位不同 1.1 应力与应变1.2 强度强度:是指材料抵抗永久变形或断裂的能力。 常用的强度指标有屈服强度σs或σ0.2和抗拉强度b ，高温下工作时，还要考虑蠕变极限σn和持久强度σD，设计中许用应力都是根据这些数值决定的。 另外，材料的屈强比(σs／σb)也是反映材料承载能力的一个指标，不同材料具有不同的屈强比，即使是同一种材料，其屈强比也随着材料热处理情况及工作温度的不同而有所变化。 机械学院bzx1.2 强度1.2 强度 机械学院bzxQ235拉伸试样,符合国标(GB/T228-2002)1.2 强度线弹性变形阶段（OA） （塑性）屈服阶段（BC） 强化阶段（CD） （局部）颈缩阶段（DE） 其中OA’部分为一斜直线，应力与应变呈比例关系，A’点所对应的应力为保持这种比例关系的最大应力，称为比例极限。由于大多数材料的A点和A’点几乎重合在一起，一般不作区分。 1.2 强度屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。 条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。 抗拉强度b ：材料断裂前所承受的最大应力值。 机械学院bzx1.2 强度1.3 塑性塑性是指材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。 常用塑性指标为断后伸长率和断面收缩率。 试样被拉断后，标距部分的残余伸长与原始标距之比的百分率称为断后伸长率。 1.3 塑性机械学院bzx试样断裂后，断口处横截面积的减少值与原始横截面积的比值称为断面收缩率。1.3 塑性用塑性好的材料制造承压类特种设备，可以缓和局部应力的不良影响，有利于压力加工，不易产生脆性断裂，对缺口、伤痕不敏感，并且在发生爆炸时不易产生碎片。作为化工容器用的钢，要求伸长率δ不低于14％。机械学院bzx1.3 塑性1.4 硬度 硬度是指材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。 硬度与强度有一定关系。一般情况下，硬度较高的材料其强度也较高，所以可以通过测试硬度来估算材料强度。此外，硬度较好的材料，耐磨性较好。 工程上常用的硬度测试方法有：布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV、里氏硬度HL 1.4 硬度机械学院bzx1.4 硬度布氏硬度HB 将直径为D的钢球或硬质合金球，在一定载荷P的作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，所施加的载荷与压痕表面积的比值即为布氏硬度。布氏硬度值可通过测量压痕平均直径d查表得到。 1.4 硬度机械学院bzx1.4 硬度压头为淬火钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。 压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。 布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及 比压头还硬的材料。 适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。 机械学院bzx1.4 硬度1.4 硬度机械学院bzx1.4 硬度洛氏硬度HR 洛氏硬度用符号表示，HR=k-(h1-h0)/0.002 在初载荷和总载荷（初载荷与主载荷之和）的先后作用下，将压头（金刚石圆锥体或钢球）压入试样表面，保持一定时间后卸除主载荷，用测量的残余压痕深度增量计算硬度值。 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。 1.4 硬度HRA用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗碳层。 HRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等。 HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。 洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。 缺点：测量结果分散度大。 机械学院bzx1.4 硬度1.4 硬度维氏硬度HV 将顶部两相对面具有 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 角度（136）的正四棱锥体金刚石压头在载荷P的作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，所施加的载荷与压痕表面积的比值即为维氏硬度。维氏硬度可通过测量压痕对角线长度d查表得到。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。 机械学院bzx1.4 硬度1.4 硬度采用较低的试验力可使维氏试验的压痕非常小，这样就可测出很小区域甚至是金相中不同相的硬度。焊接性能试验中的最高硬度试验，就是用维氏硬度来测量焊缝、熔合线和热影响区的硬度。1.4 硬度null里氏硬度HL 用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头在距离试样表面１ｍｍ处的回弹速度与冲击速度之比计算出的数值就是里氏硬度。里氏硬度计测定的是冲击体在试样表面经试样塑性变形消耗能量后的剩余能量。 里氏硬度的 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 如下： HL=1000×νR/νA 式中：HL——里氏硬度符号 νR————球头的冲击速度，m/s； νA————球头的反弹速度，m/s。1.4 硬度null里氏硬度计体积小，重量轻，操作简便，在任何方向上均可测试，所以特别适合现场使用。 里氏硬度可及时换算成布氏、洛氏、维氏等各种硬度。目前里氏硬度计装有钢和铸钢，合金工具钢，灰铸铁，球墨铸铁，铸铝合金，铜锌合金，铜锡合金，纯铜，不锈铜等9种材料的换算表。1.4 硬度1.5 冲击韧度冲击韧度是指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特征。 韧性常用冲击功Ak和冲击韧度ak表示。 ak= Ak/SN (SN：断口处截面积) Ak值或ak值除反映材料的抗冲击性能外，还对材料的一些缺陷很敏感，能灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化。而且Ak对材料的脆性转化情况十分敏感，低温冲击试验能检验钢的冷脆性。 容器用的钢冲击韧性ak在使用温度下不低于35J／cm2 1.5 冲击韧度机械学院bzx1.5 冲击韧度机械学院bzxGB/T 229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》 1.5 冲击韧度夏比冲击试验的缺口形式有U型和V型两种。 V型缺口根部半径小，对冲击更敏感。承压类特种设备材料的冲击试验规定试样必须用V形缺口。1.5 冲击韧度1.5 冲击韧度1.6 断裂韧度断裂韧度是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展，即抵抗脆性断裂的指标。 工程上有时会出现材料在远低于σb的情况下发生断裂的现象。如1943年1月美国一艘T-2油船停泊在装货码头时断成两半，计算的甲板应力为7kg/mm2，远低于σb（30-40kg/mm2）。美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在实验时发生爆炸，经过研究，发现破坏的原因是材料中存在0.1-1mm的裂纹并扩展所致。 断裂力学认为，材料中存在缺陷是绝对的，常见的缺陷是裂纹。在应力的作用下，这些裂纹将发生扩展，一旦扩展失稳，便会发生低应力脆性断裂。材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力称为断裂韧度。 机械学院bzx1.6 断裂韧度1.6 断裂韧度 油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关 机械学院bzx1.6 断裂韧度1.7 疲劳强度疲劳强度：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 材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象，称为疲劳。 材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用-1表示。 钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: σ-1 = (0.45～0.55)σb 通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。1.7 疲劳强度机械学院bzxnull机械学院bzx材料力学基本知识 铁碳合金 金属的晶体结构 铁碳合金相图 钢的热处理 热处理的一般过程 2.1金属的晶体结构物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。 原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。它们的具体组合状态称为结构。 2.1金属的晶体结构机械学院bzx2.1金属的晶体结构(2)晶格与晶胞 晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。 空间点阵:由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。 机械学院bzx2.1金属的晶体结构2.1金属的晶体结构2.1.2金属材料的晶体结构 1、纯金属的晶体结构 金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，称为金属键。 金属原子趋向于紧密排列。 具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。 常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。机械学院bzx2.1金属的晶体结构2.1金属的晶体结构⑴ 体心立方晶格 常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等机械学院bzx2.1金属的晶体结构2.1金属的晶体结构机械学院bzx2.1金属的晶体结构2.1金属的晶体结构⑵ 面心立方晶格 常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等机械学院bzx2.1金属的晶体结构2.1金属的晶体结构机械学院bzx2.1金属的晶体结构2.1金属的晶体结构⑶ 密排六方晶格 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等 机械学院bzx2.1金属的晶体结构2.1金属的晶体结构机械学院bzx2.1金属的晶体结构2.1金属的晶体结构2、实际金属的晶体结构 ⑴ 单晶体与多晶体 单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。 多晶体： 晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。机械学院bzx2.1金属的晶体结构2.1金属的晶体结构晶界：晶粒之间的交界面。 晶粒越细小，晶界面积越大。 多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。机械学院bzx2.1金属的晶体结构2.1金属的晶体结构3、晶体缺陷 晶格的不完整部位称晶体缺陷。 实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。 机械学院bzx2.1金属的晶体结构2.1金属的晶体结构① 点缺陷 空间三维尺寸都很小的缺陷。 空位、间隙原子、置换原子 机械学院bzx2.1金属的晶体结构2.1金属的晶体结构a. 空位：晶格中某些缺排原子的空结点。 b. 间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。 机械学院bzx2.1金属的晶体结构2.1金属的晶体结构c. 置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。 点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。机械学院bzx2.1金属的晶体结构2.1金属的晶体结构② 线缺陷—晶体中的位错 位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。分为刃型位错和螺型位错。 机械学院bzx2.1金属的晶体结构2.1金属的晶体结构电子显微镜下的位错机械学院bzx2.1金属的晶体结构2.1金属的晶体结构电子显微镜下的位错观察机械学院bzx2.1金属的晶体结构2.1金属的晶体结构③ 面缺陷—晶界与亚晶界 晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5~10个原子间距，位向差一般为20~40°。 亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10’ ~2 )的小晶块。 亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。 机械学院bzx2.1金属的晶体结构2.1金属的晶体结构4、合金的晶体结构 合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。(Fe3C) 组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。 组成合金的元素相互作用可形成不同的相。 机械学院bzx2.1金属的晶体结构2.1金属的晶体结构相：是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。 显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。 固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。 机械学院bzx2.1金属的晶体结构2.1金属的晶体结构⑴ 固溶体 合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固 相称固溶体。习惯以、、表示。 与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。 固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。 按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。 机械学院bzx2.1金属的晶体结构2.1金属的晶体结构⑵ 金属化合物 合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。 当合金中出现金属化合物时， 可提高其强度、硬度和耐磨性， 但降低塑性。 金属化合物也是合金的重要 组成相。 Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格机械学院bzx2.1金属的晶体结构2.1.3 金属的结晶 2.1.3金属的结晶 纯金属的结晶 一、结晶的一般过程 1、结晶的基本过程 结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成. 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在T0以下, 经一段时间后(即孕育期), 一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。 2.1.3 金属的结晶机械学院bzx2.1.3 金属的结晶晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。 机械学院bzx2.1.3 金属的结晶2.1.3 金属的结晶2、晶核的形成方式 形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。 3、晶核的长大方式 晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。 机械学院bzx2.1.3 金属的结晶2.1.3 金属的结晶在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。 机械学院bzx2.1.3 金属的结晶2.1.3 金属的结晶实际金属结晶主要以树枝状长大. 这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…，树枝间最后被填充。 机械学院bzx2.1.3 金属的结晶2.1.3 金属的结晶树枝状长大机械学院bzx2.1.3 金属的结晶2.1.3 金属的结晶二、同素异构转变 物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变。同素异构转变属于相变之一—固态相变。 1、铁的同素异构转变 铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为： 机械学院bzx-Fe ⇄ -Fe ⇄ -Fe2.1.3 金属的结晶2.1.3 金属的结晶-Fe、 -Fe为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立方结构(FCC)。都是铁的同素异构体。 机械学院bzx2.1.3 金属的结晶2.1.3 金属的结晶2、固态转变的特点 ⑴形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等）。 ⑵由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。 ⑶固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力。 机械学院bzx固态相变的晶界形核2.1.3 金属的结晶2.1.3 金属的结晶合金的结晶 合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析. 相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解。又称状态图或平衡图。 机械学院bzx2.1.3 金属的结晶2.2铁碳合金相图铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量0.0218% ~2.11%的称钢;2.11%~ 6.69%的称铸铁 铁和碳化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC， 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，无实用价值。 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。 机械学院bzx2.2铁碳合金相图2.2铁碳合金相图铁碳合金相图 是研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础,是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据.2.2铁碳合金相图机械学院bzxnull一、铁—渗碳体相图中铁碳合金的分类 Fe-Fe3C相图中不同成分的铁碳合金，具有不同显微组织和性能，通常根据相图中P点，E点将铁碳合金分为工业纯铁，钢和白口铸铁三大类。 1．工业纯铁 成分P点以左（Wc<0.0218%）的铁碳合金，其室温组织为铁素体 和三次渗碳体。null2、钢 成分为P点与E点间（Wc=0.0218～2.11%）的Fe-C合金。其特点是高温固态组织为塑性很好的A，因而可进行热加工。 根据含碳量不同又可分为三类： （1）       共 析 钢——含碳量=0.77% （2）       亚共析钢——含碳量<0.77% （3）       过共析钢——含碳量>0.77% null3．  白口铸铁 成分为E点右面（C%=2.11~6.69%）的铁碳合金。其特点是液态结晶时都有共晶转变，因而与钢相比有较好的铸造性能。但高温中组织硬脆的渗碳体量很多，故不能进行压力加工，根据相图： 白口铸铁分为：共晶白口铸铁——C%=4.3%； 亚共晶白口铸铁——C%<4.3%；过共晶白口铸铁——C%>4.3% 2.2铁碳合金相图铁碳合金相图的分析机械学院bzx2.2铁碳合金相图2.2铁碳合金相图⒉ 特征线 ⑴ 液相线—ABCD， 固相线—AHJECFD ⑵ 三条水平线： ECF：共晶线LC⇄ A+Fe3C 共晶产物是A 与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体, 用Le表示。为蜂窝状, 以Fe3C为基，性能硬而脆。 机械学院bzx2.2铁碳合金相图2.2铁碳合金相图PSK：共析线 AS ⇄FP+ Fe3C 共析转变的产物是 F 与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。 珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。 PSK线又称A1线 。 机械学院bzx2.2铁碳合金相图2.2铁碳合金相图⑶ 其它相线 GS,GP—A ⇄ F转变线, GS又称A3 线。 ES—碳在 -Fe中的固溶线。又称Ac m线。 PQ—中的固溶线。 机械学院bzx2.2铁碳合金相图2.2铁碳合金相图铁碳合金的组元和相 ⒈ 组元：Fe、 Fe3C ⒉ 相 ⑴ 铁素体： 碳在-Fe（<910℃）中的固溶体称铁素体, 用F 或 表示。 碳在δ-Fe（1390~1535 ℃ ）中的固溶体称δ -铁素体，用δ 表示 都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。 铁素体的组织为多边形晶粒，强、硬度不高，塑、韧性良好。超过770 ℃，铁磁性消失机械学院bzx2.2铁碳合金相图2.2铁碳合金相图 ⑵ 奥氏体: 碳在 -Fe （910~1390℃ ）中的固溶体称奥氏体。用A或 A 表示。 是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%。 组织为不规则多面体晶粒， 晶界较直。无磁性强度低、 塑性好，钢材热加工都在A 区进行. 碳钢室温组织中无奥氏体。 机械学院bzx2.2铁碳合金相图2.2铁碳合金相图⑶ 渗碳体：即Fe3C, 含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。 Fe3C硬度高、强度低(b35MPa), 脆性大, 塑性几乎为零 Fe3C是一个亚稳相，在一定 条件下可发生分解： Fe3C→3Fe+C(石墨), 由于碳在-Fe中的溶解度 很小，因而常温下碳在铁碳 合金中主要以Fe3C或石墨的 形式存在。 机械学院bzx2.2铁碳合金相图2.2 铁碳合金相图从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3CⅢ表示。 Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。 随温度下降，Fe3CⅢ量不断增加，合金的室温下组织为F+ Fe3CⅢ。 机械学院bzx2.2 铁碳合金相图2.2 铁碳合金相图㈡ 共析钢的结晶过程 合金液体在1-2点间转变为A。到S点发生共析转变： AS⇄F+Fe3C, A 全部转变为珠光体。 机械学院bzx2.2 铁碳合金相图2.2 铁碳合金相图珠光体在光镜下呈指纹状. 珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。 S点以下，共析  中析出Fe3CⅢ，与共析Fe3C结合不易分辨。室温组织为P. 机械学院bzx2.2 铁碳合金相图2.2 铁碳合金相图㈢ 亚共析钢的结晶过程 0.09~0.53%C亚共析钢冷却时发生包晶反应. 以0.45%C的钢为例 合金在4点以前通过匀晶—包晶—匀晶反应全部转变为。到4点，由 中析出 。到5点,  成分沿GS线变到S点， 发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降， 中析出Fe3CⅢ，由于与共析Fe3C结合, 且量少, 忽略不计. 机械学院bzx2.2 铁碳合金相图2.2 铁碳合金相图亚共析钢室温下的组织为F+P . 在0.0218~0.77%C 范围内 珠光体的量随含碳量增加而增加。 机械学院bzx2.2 铁碳合金相图2.2 铁碳合金相图㈣ 过共析钢的结晶过程 合金在1~2点转变为 , 到3点, 开始析出Fe3C。从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体, 用Fe3CⅡ表示, 其沿晶界呈网状分布. 温度下降, Fe3CⅡ量增加。到4点，  成分沿ES线变化到S点，余下的 转变为P。 机械学院bzx2.2 铁碳合金相图2.2 铁碳合金相图机械学院bzx过共析钢室温组织为P+ Fe3C Ⅱ含1.4%C钢的组织2.2 铁碳合金相图2.2 铁碳合金相图临界温度与实际转变温度 铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示. 实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象，因此将钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示;冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。 机械学院bzx2.2 铁碳合金相图钢的热处理钢的热处理null45钢加热到840℃，在不同冷却条件下冷却后的力学性能1上述表格数据说明了什么2什么是热处理？3热处理与金属组织和性能有什么关系4为达到使用要求，减速器的轴、齿轮应该采取何种热处理？ 钢的热处理 钢的热处理概述 钢在加热时的组织转变 钢在冷却时的组织转变 钢的普通热处理工艺 钢的表面热处理工艺 机械制造过程中的热处理 第一节 概述 第一节 概述1.热处理的定义: null2.热处理的主要目的:改变钢的性能。3.热处理的应用范围:整个制造业。4.热处理的分类热处理普 通 热处理表 面 热处理退火;正火; 淬火;回火;表面淬火 化 学 热处理感应加 热淬火火焰加 热淬火渗碳; 渗氮; 碳氮共渗; 第二节 钢在加热时的组织转变 第二节 钢在加热时的组织转变转变温度 奥氏体的形成 奥氏体晶粒度及对力学性能的影响一.转变温度一.转变温度null奥氏体的形成AA 形核A 长大残余Fe3C溶解A 均匀化三. 奥氏体晶粒度及对力学性能的影响三. 奥氏体晶粒度及对力学性能的影响一)奥氏体晶粒度: 1.起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏 体的晶粒大小。 2.实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏 体晶粒的大小。 3.本质晶粒度:度量钢本身晶粒在930℃ 以下,随温度升高,晶粒长 大的程度。 钢的本质晶粒度示意图 钢的本质晶粒度示意图二)奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响二)奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响1.奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力 学性能提高。2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起 工件产生较大的变形甚至开裂。 第三节 钢在冷却时的组织转变 第三节 钢在冷却时的组织转变钢在热处理时的冷却方式 过冷奥氏体的等温冷却转变 过冷奥氏体的连续冷却转变一.钢在热处理时的冷却方式一.钢在热处理时的冷却方式二.过冷奥氏体的等温冷却转变二.过冷奥氏体的等温冷却转变一) 建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转 变曲线 ---- TTT曲线 ( C 曲线 )T --- time T --- temperature T --- transformation 共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图 共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图A1null二) 共析碳钢 TTT 曲线的分析稳定的奥氏体区过冷奥氏体区A向产 物转变开始线A向产物 转变终止线 A + 产 物 区产物区A1～550℃;高温转变区; 扩散型转变; P 转变区。550～230℃;中温转变 区; 半扩散型转变; 贝氏体( B ) 转变区;230～ - 50℃; 低温转 变区; 非扩散型转变; 马氏体 ( M ) 转变区。三) 转变产物的组织与性能三) 转变产物的组织与性能1.珠光体型 ( P ) 转变 ( A1～550℃ ) :A1～650℃ : P ; 5～25HRC; 片间距为0.6～0.7μm ( 500× )。650～600℃ : 细片状P---索氏体(S); 片间距为0.2～0.4μm (1000×); 25～36HRC。600～550℃:极细片状P---屈氏体(T); 片间距为＜0.2μm ( 电镜 ); 35～40HRC。珠 光 体 形 貌 像珠 光 体 形 貌 像 索 氏 体 形 貌 像 索 氏 体 形 貌 像（录像） 屈 氏 体 形 貌 像 屈 氏 体 形 貌 像三) 转变产物的组织与性能三) 转变产物的组织与性能2.贝氏体型 ( B ) 转变 ( 550～230℃ ) :550～350℃: B上; 40～45HRC; 上贝氏体组织金相图 上贝氏体组织金相图(录像）三) 转变产物的组织与性能三) 转变产物的组织与性能2.贝氏体型 ( B ) 转变 ( 550～230℃ ) :350～230℃: B下; 50～60HRC; 下贝氏体组织金相图 下贝氏体组织金相图（录像）三) 转变产物的组织与性能三) 转变产物的组织与性能3.马氏体型 ( M ) 转变 ( 230～ -50℃ ) :1)定义:马氏体是一种碳在α – Fe中的 过饱和固溶体。2)转变特点: 在一个温度范围内连续冷却完成; 转变速度极快,即瞬间形核与长大; 无扩散转变( Fe、C原子均不扩散 ), M与原A的成分相同,造成晶格畸变。 转变不完全性, null奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响null奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响null4)马氏体的组织形态: 板条状 --- 低碳马氏体(＜0.2%C ); 30～50HRC ; δ = 9～17%。 低碳板条状马氏体组织金相图 低碳板条状马氏体组织金相图（录像）null4)马氏体的组织形态: 针、片状 --- 高碳马氏体(＞1%C); 66HRC左右 ; δ ≈ 1%。 高碳针片状马氏体组织金相图 高碳针片状马氏体组织金相图null5)马氏体的性能: 主要取决于马氏体中的碳浓度。 亚共析钢的TTT曲线 亚共析钢的TTT曲线 P + FS + FTBM + A残 过共析钢的TTT曲线 过共析钢的TTT曲线P + Fe3CⅡS + Fe3CⅡTBM + A残四) 影响 TTT 曲线形状与位置的因素四) 影响 TTT 曲线形状与位置的因素1.奥氏体中含碳量的影响:null2.奥氏体中含合金元素的影响: 除Co、Al (＞2.5% ) 外,所有合金元 素溶入奥氏体中,会引起:null3.加热温度和保温时间的影响: 加热温度越高, 保温时间越长, 碳化物溶解充分, 奥氏体成分均匀, 提高了过冷奥氏体的稳定性, 从而 使 TTT曲线向右移。三.过冷奥氏体的连续冷却转变三.过冷奥氏体的连续冷却转变一) 建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转 变曲线 ---- CCT 曲线 C --- continuous C --- cooling T --- transformation 一) 共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图 一) 共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图PfPsA+PKMsMfnull二) 共析碳钢 TTT 曲线与CCT曲线的比较null三)在连续冷却过程中 TTT 曲线的应用V1 = 5.5℃/s : 炉冷 ; PV2 = 20℃/s : 空冷 ; SV3 = 33℃/s : 油冷;T+M+A残V4 ≥ 138℃/s : 水冷 ; M+A残 第四节 钢的普通热处理工艺 第四节 钢的普通热处理工艺预备热处理 : 退火 ; 正火最终热处理 : 淬火 ; 回火一般零件生产的工艺路线:一.钢的退火一.钢的退火一)定义: 把零件加温到临界温度以上 30～50℃,保温一段时间,然后 随炉冷却。 二)目的: 消除应力;降低硬度;细化晶 粒;均匀成分;为最终热处理 作好组织准备。 null三) 种 类退火 重结晶 退火低 温 退火 完全退火 扩散退火 球化退火 再结晶退火去应力退火 普通退火 等温退火普通球化 退 火等温球化 退 火null四) 工艺参数:null四) 工艺参数:null 五)热处理后的组织 : 原始组织。nullnull二.钢的正火二.钢的正火一)定义: 把零件加温到临界温度以上 30～50℃,保温一段时间,然后 在空气中冷却。 二)目的: 消除应力;调整硬度;细化晶 粒;均匀成分;为最终热处理 作好组织准备。 null三) 工艺参数:null四) 工艺参数:null四)热处理后的组织:S (Wc=0.6～1.4%) S+F (Wc＜0.6%)五) 应用范围: 1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬 度;消除过共析钢中的Fe3CⅡ。 2.最终热处理:用于力学性能要求不 高的普通零件。三.钢的淬火三.钢的淬火一)定义: 把零件加温到临界温度以上 30 ～ 50℃,保温一段时间,然 后快速冷却 ( 水冷 )。 二)目的: 为了获得马氏体组织,提高钢 的硬度和耐磨性。 null三) 工艺参数:null三)工艺参数:null四)热处理后的组织 : M+Fe3C+A残 Ac1+30～50过共析钢 M + A残 Ac1+30～50 共析钢 M + A残 Ac3+30～50亚共析钢 Wc＞0.5% M Ac3+30～50亚共析钢 Wc≤0.5%null五)淬火加热时间 ( τ ) 的选择:τ = α K Dnull2.常用的淬火冷却介质null八) 钢的淬硬性 ( Hardening of steel )1.定义:是指钢在淬火后所能达到的最 高硬度。2.影响钢的淬硬性的因素:主要取决于 马氏体的含碳量。null九) 钢的淬透性 ( Hardenability of steel )1.定义:是指钢在淬火时所能得到的淬 硬层 (马氏体组织占50%处) 的 深度。2.影响钢的淬透性的因素:主要是临界 淬火冷却速度VK 的大小, VK 越 大,钢的淬透性越小。null工件淬硬层与冷却速度的关系null3.淬硬性与淬透性之间的关系:null4.淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响四.钢的回火四.钢的回火一)定义: 把淬火后的零件重新加温到 A1线以下某个温度,保温一段 时间,然后冷却到窒温。二)目的: 消除淬火应力,降低脆性;稳定 工件尺寸;调整淬火零件的力 学性能。 null三) 工艺参数淬火 + 高温回火 = 调质处理淬火 + 高温回火 = 调质处理 回火马氏体组织金相图 回火马氏体组织金相图 第五节 钢的表面热处理工艺 第五节 钢的表面热处理工艺表面淬火 化学热处理工艺的核心:使零件具有“表硬里韧” 的力学性能。一.表面淬火一.表面淬火一) 定义:是一种不改变钢表层化学成 分,但改变表层组织的局部热 处理工艺。二) 工艺特征:通过快速加热使钢的表 层奥氏体化,然后急冷,使表层 形成马氏体组织,而心部仍保 持不变。 null三)表面淬火用钢: 选用中碳或中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。四)表面淬火加工的方法: 感应加热( 高、中、工频 )、火 焰加热、电接触加热法等。1.感应加热表面淬火1.感应加热表面淬火1)感应加热的基本原理:* 感应电流 --- 涡流* 集肤效应（录像）null感应加热表面淬火示意图null2)工艺要求: * 表面淬火前,必须对零件进行正火 或调质处理,以保证零件有良好的 基体。 * 表面淬火后,必须对零件进行低温 回火处理,以降低淬火应力和脆性。3)生产特点: 淬火件的质量好; 工件变 形小;不易氧化及脱碳;淬火层容易 控制;生产率高。设备投资大,不适 于复杂形状零件和小批量生产。2.火焰加热表面淬火2.火焰加热表面淬火 1)火焰加热表面淬火的基本方法2)火焰加热表面淬火的特点:2)火焰加热表面淬火的特点:*设备简单, 操作方便, 成本低。 *淬火质量不稳定。 *适于单件、小批量及大型零件的生产。二.化学热处理 ( Chemical Heat Treatment )二.化学热处理 ( Chemical Heat Treatment )一)定义:将零件置于一定的化学介质 中 , 通过加热、保温,使介质 中一种或几种元素原子渗入 工件表层,以改变钢表层的化 学成分和组织的热处理工艺。 null二) 化学热处理的基本过程:2.吸收: 活性原子被零件表面吸收和溶 解。3.扩散: 活性原子由零件表面向内部扩 散, 形成一定的扩散层。null三) 化学热处理进行的条件:1. 渗入元素的原子必须是活性原子, 而 且具有较大的扩散能力。2. 零件本身具有吸收渗入原子的能力, 即对渗入原子有一定的溶解度或能 与之化合, 形成化合物。四) 化学热处理的种类: 渗碳; 渗氮; 碳氮 共渗; 渗硼; 渗铝; 渗硫; 渗硅; 渗铬等。1.钢的渗碳 ( Carburize of steel )1.钢的渗碳 ( Carburize of steel )1)定义: 向钢的表面渗入碳原子的过程。2)目的: 获得具有表硬里韧性能的零件。3)用钢:低碳钢和低碳合金钢。4)方法: 固体、气体、液体渗碳。 固体渗碳法示意图 固体渗碳法示意图 气体渗碳法示意图 气体渗碳法示意图（录像）null5)工艺: 加热温度为900～950℃; 渗碳时间一般为3～9小时;6)渗碳后的组织:null20钢渗碳缓冷组织 ( 化染 ) 580  表层珠光体 + 网状渗碳体; 中层珠光体; 内层铁素体 + 珠光体7) 渗碳后的热处理工艺7) 渗碳后的热处理工艺淬火 8) 热处理后的组织8) 热处理后的组织低碳M回+FM回+Cm+A残低碳 合金钢F+PM回+Fe3C+A残低碳钢9)常用的钢种: 15、20、20Cr、20Mn2、 20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。null20CrMnTi 钢渗碳层组织 ( 化染 ) 320  渗碳体( 白色块状 ) + 高碳M( 兰色针状 ) + 残余A( 棕黄色 )2.钢的渗氮 ( Nitridation of steel )2.钢的渗氮 ( Nitridation of steel )1)定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。2)目的:获得具有表硬里韧及抗蚀性能 的零件。3)用钢:中碳合金钢。4)方法:气体渗氮。 null5)工艺:加热温度500～600℃; 保温时间0.3～0.5mm/20～50h。6)热处理特点: 渗氮前需调质处理; 渗氮后不需热处理。7)渗氮处理后的组织 表层 : Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、 MoN、TiN、VN。 心部 : S回。8)常用的钢种 : 35 CrMo、18CrNiW、 38 CrMoAlA ( 氮化王牌钢 ) 等。null38 CrMoAl 气体渗氮层组织 ( 化染 ) 650  黄色区 : ε ( Fe2-3N ) + γ’ ( Fe4N ) ; 红色区 : γ’ ( Fe4N ) ; 蓝绿色区:含氮索氏体 + 脉状氮化物; 绿黄色区:索氏体基体。越王勾践剑越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器, 出土于湖北江陵楚墓。 长55.7厘米， 剑锷锋芒犀利， 锋能割断头发。 渗碳与渗氮的工艺特点 渗碳与渗氮的工艺特点3.钢的碳氮共渗---氰化处理 ( Carbonitriding of steel )3.钢的碳氮共渗---氰化处理 ( Carbonitriding of steel )1)定义:向钢的表面同时渗入碳和氮原 子的过程。2)目的: 获得具有表硬里韧性能的零件。3)方法: 固体碳氮共渗 气体碳氮共渗 液体碳氮共渗高温 中温 低温 null4)工艺:null2.3.1钢的加热转变影响奥氏体晶粒长大的因素 ⑴加热温度和保温时间: 加热温度高、保温时间长, A 晶粒粗大. ⑵加热速度: 加热速度越快,过热度越大, 形核率越高, 晶粒越细. ⑶合金元素： 阻碍奥氏体晶粒长大的元素: Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。 促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。 奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。 机械学院bzx2.3.1钢的加热转变2.3.2钢的冷却转变 冷却是热处理更重要的工序。 一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程 处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。 现以共析钢为例说明：2.3.2钢的冷却转变机械学院bzxnull机械学院bzx钢的分类和命名方法 低碳钢 低合金钢 奥氏体不锈钢 null1.按碳含量分类 低碳钢（C≤0.25%） 中碳钢（C≤0.25-0.60%） 高碳钢（C>0.60%）。 2.按钢的质量分类 普通钢（P≤0.045%，S≤0.050%） 优质钢（P、S均≤0.035%） 高级优质钢（P≤0.035%，S≤0.030%） 3.按钢的用途分 碳素结构钢 碳素工具钢 4.按冶炼时脱氧程度分 沸腾钢 半镇静钢 镇静钢 碳钢的分类和命名null1.按合金元素加入量分类 低合金钢（C≤5%） 中合金钢（C≤5-10%） 高合金钢（C>10%）。 2.按钢的用途分 合金结构钢 合金工具钢 特殊性能合金钢 3.按钢的组织分类：珠光体钢、奥氏体钢、铁素体钢、马氏体钢 4.按所含主要合金分类：铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢合金钢的分类和命名注：金属材料的表示方法：GB/T 221-2000《钢铁产品牌号表示方法》null1．碳素结构钢 ①由Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号组成。它的钢号冠以“Q”，代表钢材的屈服点，后面的数字表示屈服点数值，单位是MPa例如Q235表示屈服点（σs）为235 MPa的碳素结构钢。 ②必要时钢号后面可标出表示质量等级和脱氧方法的符号。质量等级符号分别为A、B、C、D。脱氧方法符号：F表示沸腾钢；b表示半镇静钢：Z表示镇静钢；TZ表示特殊镇静钢，镇静钢可不标符号，即Z和TZ都可不标。例如Q235-AF表示A级沸腾钢。 ③专门用途的碳素钢，例如桥梁钢、船用钢等，基本上采用碳素结构钢的表示方法，但在钢号最后附加表示用途的字母。 合金钢的分类和命名null2．优质碳素结构钢 ①钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，例如平均碳含量为0.45%的钢，钢号为“45”，它不是顺序号，所以不能读成45号钢。 ②锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰元素标出，例如50Mn。 ③沸腾钢、半镇静钢及专门用途的优质碳素结构钢应在钢号最后特别标出，例如平均碳含量为0.1%的半镇静钢，其钢号为10b。 3．碳素工具钢 ①钢号冠以“T”，以免与其他钢类相混。 ②钢号中的数字表示碳含量，以平均碳含量的千分之几表示。例如“T8”表示平均碳含量为0.8%。 ③锰含量较高者，在钢号最后标出“Mn”，例如“T8Mn”。 ④高级优质碳素工具钢的磷、硫含量，比一般优质碳素工具钢低，在钢号最后加注字母“A”，以示区别，例如“T8MnA”。 合金钢的分类和命名null4.合金结构钢 ①钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，如40Cr。 ②钢中主要合金元素，除个别微合金元素外，一般以百分之几表示。当平均合金含量＜1.5%时，钢号中一般只标出元素符号，而不标明含量，但在特殊情况下易致混淆者，在元素符号后亦可标以数字“1”，例如钢号“12CrMoV”和“12Cr1MoV”，前者铬含量为0.4-0.6%，后者为0.9-1.2%，其余成分全部相同。当合金元素平均含量≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%……时，在元素符号后面应标明含量，可相应表示为2、3、4……等。例如18Cr2Ni4WA。 ③钢中的钒V、钛Ti、铝AL、硼B、稀土RE等合金元素，均属微合金元素，虽然含量很低，仍应在钢号中标出。例如20MnVB钢中。钒为0.07-0.12%，硼为0.001-0.005%。 ④高级优质钢应在钢号最后加“A”，以区别于一般优质钢。 ⑤专门用途的合金结构钢，钢号冠以（或后缀）代表该钢种用途的符号。例如，铆螺专用的30CrMnSi钢，钢号表示为ML30CrMnSi。 合金钢的分类和命名null5低合金高强度钢 ①钢号的表示方法，基本上和合金结构钢相同。 ②对专业用低合金高强度钢，应在钢号最后标明。例如16Mn钢，用于桥梁的专用钢种为“16Mnq”，汽车大梁的专用钢种为“16MnL”，压力容器的专用钢种为“16MnR”。 6.不锈钢和耐热钢 ①钢材牌号中碳含量以千分之几表示。例如“2Cr13”钢的平均碳含量为0.2%；若钢中含碳量≤0.03%或≤0.08%者,钢号前分别冠以“00”及“0”表示之，例如00Cr17Ni14Mo2、0Cr18 Ni9等。 ②对钢中主要合金元素以百分之几表示，而钛、铌、锆、氮……等则按上述合金结构钢对微合金元素的表示方法标出。合金钢的分类和命名null(一)锰的影响        一般认为锰在钢中是一种有益的元素。在碳钢中含锰量通常在0.25～0．80％范围；在含锰合金钢中，一般控制在1.0～1.2％范围。 锰大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，并使铁素体强化；一部分锰也能溶于Fe3C中，形成合金渗碳体；锰还能增加珠光体相对量，并使它变细，从而提高钢的强度。锰与硫化合成为MnS，以减轻硫的有害作用。当锰含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时，它对钢的性能影响并不显著。低碳钢锅炉压力容器常用碳素钢的含碳量一般不超过0.25%。除碳外，钢种还含有硅、锰、硫、磷以及氮、氢、氧等杂质。这些杂质会对钢的性能产生影响null  (二)硅的影响        硅在钢中也是一种有益的元素。在镇静钢(用铝、硅铁和锰铁脱氧的钢)中含硅最通常在0.10～O.40％之间；沸腾钢(只用锰铁脱氧的钢)中只含有0.03～0.07％Si。硅与锰一样，能溶于铁素体中，使铁素体强化，从而使钢的强度、硬度、弹性均提高，塑性、韧性均降低。硅也有一部分存在于硅酸