1、工程材料及热处理 绪论 一、工程材料科学 二、工程材料的分类 三、工程材料的应用和发展 四、课程的性质和任务一、工程材料科学 材料是指人类用以制造各种有用器件的物材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。质。材料是人类生产和生活所必须的物质基础。手手锤锤锉刀锉刀国产涡喷国产涡喷-7涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机石器石器材料是人类进化的里程碑 石器时代 青铜器时代 铁器时代 新材料时代铁铁器器 青铜器青铜器飞机发动机叶片飞机发动机叶片我国在材料史上的贡献 公元前新石器时代，我们的先人就能用黏土烧制成陶器，到东汉时期又出现了瓷器，并流传海外。司母戊鼎：晚商遗址出土，青铜铸造、高133厘米、重875kg
2、、饰纹优美 殷、商时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。二、工程材料的分类 工程材料工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学性能的结构材料。1.金属材料金属材料 2.高分子材料高分子材料 3.陶瓷材料陶瓷材料 4.复合材料复合材料金属材料以金属键结合为以金属键结合为主主,具有良好的导具有良好的导电性、导热性、电性、导热性、延展性和金属光延展性和金属光泽泽，用量最大、，用量最大、应用最广泛。应用最广泛。铁及铁合金称为钢铁材料，其世界年产量已达10亿吨，在机械产品中的用量占60%以上。高分子材料以分子键和共价键为主以分子键和共价键为主塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小塑性、
3、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小 包括塑料、橡胶及合成纤维等包括塑料、橡胶及合成纤维等 烯丙酰氯烯丙酰氯-苯乙烯苯乙烯陶瓷材料以共价键和离子键为主以共价键和离子键为主熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大 分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类 复合材料 指将两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形指将两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。式组合在一起而形成的材料。玻璃纤维增强高分子复合材料玻璃纤维增强高分子复合材料三、工程材料的应用和发展四、课程的性质和任务课程性质：是机械类职业
4、技能课课程任务：具有识别一般工程材料的能力；具有建立化学成分、组织结构与性能之间的关系的能力：具有安排常用材料的牌号、用途和热处理工艺的能力。具有常用材料的力学性能检验及显微组织观察的能力。课程特点：基本概念多，与实际联系紧密，是一门应用科学。工程材料及热处理第1单元 工程材料的性能一、工程材料的力学性能 强度、刚度与塑性 硬度 冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性二、工程材料的物理、化学及工艺性能 一、工程材料的力学性能 强度 刚度 塑性 硬度 冲击韧性 疲劳强度 断裂韧性强度拉伸实验拉伸实验 R请见教材表请见教材表1-1 新旧标准性能名称、符号对照新旧标准性能名称、符号对照拉伸试验机拉伸试验机相关
5、概念 强度强度 是指材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。符号为R，单位为MPa。屈服强度屈服强度：材料发生微量塑性变形时的应力值。条件屈服强度条件屈服强度：残余变形量为0.2%时的应力值。抗拉强度抗拉强度：材料断裂前所承受的最大应力值。弹性弹性 指标为弹性极限，即材料承受最大弹性变形时的应力。刚度刚度 指材料受力时抵抗弹性变形的能力。塑性 材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。断后伸长率 断面收缩率拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象硬度 材料抵抗表面局部塑性变形的能力。材料抵抗表面局部塑性变形的能力。布氏硬度布氏硬度 压头为硬质合金球，符号HBW，适用于布氏硬度在650以下的材料。优
6、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。洛氏硬度洛氏硬度 维式硬度维式硬度布氏硬度计布氏硬度计洛氏硬度 用符号HR表示 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。洛氏硬度计洛氏硬度计钢球压头与金刚石压头钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕 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。洛氏硬度实验维氏硬度 维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬
7、度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度压痕维氏硬度压痕显微维氏硬度计显微维氏硬度计冲击韧性 是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。l冲击韧性值冲击韧性值ak(通过冲击实验测得通过冲击实验测得)冲击实验 Titanic 号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板疲劳强度 材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力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。称为疲劳极限。钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为108。轴的疲劳断口轴的疲
8、劳断口通过通过改善材料的形状结构，减改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化进行表面强化等方法可提高材等方法可提高材料疲劳抗力。料疲劳抗力。二、工程材料的物理、化学及工艺性能 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。工程材料及热处理第2单元 工程材料的组织结构一、金属的晶体结构与结晶二、金属的塑性变形与再结晶 三、合金的晶体结构 四、二元合金相图 五、铁碳合金相图 一、金属的晶体结构与结晶1.晶体与非晶体晶体与非晶体晶体是指原子呈
9、规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。金属的结构金属的结构晶态晶态非晶态非晶态SiO2的结构的结构2.晶格与晶胞 晶格：晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空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。由结点形成的间格架。直线的交点（原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵空间点的阵列称空间点阵。晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。3.纯金属的晶体结构 体心立方晶格体心立方晶格常见金属：常
10、见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V等等常见金属：常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等(2)面心立方晶格面心立方晶格(3)密排六方晶格常见金属：常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等等4.实际金属的晶体结构(1)单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。(2)多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。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。晶界：晶粒之间的交界面。(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。线缺陷线缺陷刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错面缺陷晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒的过度
11、部位，宽度为510个原子间距，位向差一般为2040。5.纯金属的结晶(1)冷却曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的.(2)过冷与过冷度纯金属都有一个纯金属都有一个理论结晶温度理论结晶温度T0(熔点熔点或或平衡结晶温度平衡结晶温度)。在该温度下。在该温度下,液体和晶体处于液体和晶体处于动平衡状态动平衡状态。结晶只有在结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行。以下的实际结晶温度下才能进行。液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度 T=T0 T1过冷度
12、大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。(3)树枝状结晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶6.控制晶粒度的方法 控制过冷度：随过冷度控制过冷度：随过冷度增加，晶粒变增加，晶粒变细。细。变质处理：又称孕育处理。即有意向变质处理：又称孕育处理。即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂）。质叫变质剂（或称孕育剂）。振动、搅拌等：振动、搅拌等：对正在结晶的金属进对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的行振动
13、或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，能量来促进形核，另一方面也可使成长另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。铸铁变质处理前铸铁变质处理前铸铁变质处理后铸铁变质处理后7.同素异构转变物质在固态下晶体结构随温物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称度变化的现象称同素异同素异构转构转变变。纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变1394912-Fe -Fe -Fe二、金属的塑性变形与再结晶 1.金属的塑性变形金属的塑性变形 l金属常以滑移方式发生塑性变形。金属常以滑移方式发生塑性变形。l滑移滑移是指晶体的一部分是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相沿一
14、定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动对于另一部分发生滑动位移的现象。位移的现象。2.冷塑性变形对金属组织和性能的影响l金属发生塑性变形时，不仅外形发生金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的变化，而且其内部的晶粒也相应地被晶粒也相应地被拉长或压扁拉长或压扁。l随冷塑性变形量增加，金属的强度、随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化加工硬化。l内应力是指平衡于金属内部的应力。内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时是由于金属受力时,内部变形不均匀而内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时引起的。金属发生塑性变形时
15、,外力所外力所做的功只有做的功只有10%转化为内应力残留于转化为内应力残留于金属中金属中3.冷塑性变形后加热时的回复与再结晶金属经冷变形后金属经冷变形后,组织处于不稳定状态组织处于不稳定状态,有自发恢复到稳有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小,不稳定不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加，金属状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。加热温度加热温度 黄铜黄铜4.金属的热塑性变形在金属学中，冷热加工的界限是在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的
16、。低于再以再结晶温度来划分的。低于再结晶温度的加工称为冷加工，而结晶温度的加工称为冷加工，而高于再结晶温度的加工称为热加高于再结晶温度的加工称为热加工。工。热加工时产生的加工硬化很快被热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消，因而再结晶产生的软化所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。热加工不会带来加工硬化效果。巨型自由锻件巨型自由锻件轧制轧制模锻模锻拉拔拉拔三、合金的晶体结构 合金合金是指由两种或两种以上元是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。素组成的具有金属特性的物质。相相是指金属或合金中凡成分相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分同、结构相同，并与其它
17、部分有界面分开的均匀组成部分。有界面分开的均匀组成部分。固态合金中的相分为固态合金中的相分为固溶体固溶体和和金属化合物金属化合物两类。两类。Al-Cu两相合金两相合金黄铜黄铜单单相相合合金金两相合金两相合金合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固同的固相称相称固溶体固溶体。习惯以。习惯以、表示。表示。l与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。它元素称溶质。l固溶体固溶体是合金的重要组成相，实际合金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多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。合金。l按溶质
18、原子所处位置分为按溶质原子所处位置分为置换固溶体置换固溶体和和间隙固溶体间隙固溶体。l随溶质含量增加随溶质含量增加,固溶体的强度、硬度增固溶体的强度、硬度增加加,塑性、韧性下降塑性、韧性下降固溶强化。固溶强化。Cu-Ni置换固溶体置换固溶体Fe-C间隙固溶体间隙固溶体1.固溶体固溶体合金中其晶体结构与组成元素的晶体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结构均不相同的固相称金属化合物金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和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。脆性，并可用分子式表示其组成。铁碳合金中的铁碳合金中的Fe3Cl当合金中出现金属化合物时，可提高
19、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。其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。l金属化合物也是合金的重要组成相。金属化合物也是合金的重要组成相。金属化合物金属化合物四、二元合金相图1.1.二元相图的建立二元相图的建立几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。2.二元相图的建立步骤配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点。将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。相图中，结晶开始点的连线叫液相线，结晶终了点的连线叫固相线。3.二元匀晶相
20、图两组元在液态和固态下均无限互两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相溶时所构成的相图称二元匀晶相图。图。相图由两条线构成相图由两条线构成，上面是液相，上面是液相线，下面是固相线。线，下面是固相线。相图被两条线分为三个相区相图被两条线分为三个相区，液，液相线以上为相线以上为液相区液相区L L，固相线以，固相线以下为下为 固溶体区固溶体区，两条线之间为，两条线之间为两相共存的两相共存的两相区两相区（L+L+）。）。LL+成分成分（wt%Ni）温度温度（）CuNi液相线固相线4.二元共晶相图当两组元在液态下完全互溶，当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶在固态下有限互溶,并发生
21、共并发生共晶反应时所构成的相图称作晶反应时所构成的相图称作共晶相图。共晶相图。以以 Pb-Sn 相图为例进行分析。相图为例进行分析。ABPb-Sn合金的结晶过程Pb-Sn亚共晶组织亚共晶组织5.二元包晶相图当两组元在液态下完全互溶，在当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图称作应时所构成的相图称作包晶相图包晶相图。在一定温度下，由一个液相包着在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固相的反应一个固相生成另一新固相的反应称包称包晶转变或包晶反应晶转变或包晶反应。单相区：L、二相区：L+、L+、+三相区：L+（水平线PDC）L+L+
22、L+6.二元共析相图共析反应共析反应(共析转变共析转变)是指是指在一定温度下，由一定在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同个成分和结构完全不同的新固相的过程。的新固相的过程。共析转变也是固态相变。共析转变也是固态相变。最常见的共析转变是铁最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变。碳合金中的珠光体转变。PS五、铁碳合金相图 1.铁碳合金的组元铁碳合金的组元 2.基本组织基本组织 （1）铁素体）铁素体(F)碳溶于碳溶于Fe中形成的间隙固溶体。中形成的间隙固溶体。铁铁(ferrite)渗碳体渗碳体(Cementite)2.基本组织（2）奥氏体奥氏体(A)碳溶
23、于碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体。中形成的间隙固溶体。（3）渗碳体）渗碳体(Fe3C)l 铁与碳形成的金属化合物。铁与碳形成的金属化合物。2.基本组织（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。3.未简化的Fe-Fe3C相图 4.简化后 Fe-Fe3C 相图ACDEFGSPQ1148727LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C TLdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FP0.77%CLdK(P+Fe3C)P+Ld+Fe3C
24、Ld+Fe3CP+FP+Fe3C(F+Fe3C)A+Fe3CL+Fe3C(A+Fe3C)5.Fe-Fe3C 相图的分析五个重要的成份点:P、S、E、C、K。四条重要的线:EF、ES、GS、FK。两个重要转变:共晶转变反应式、共析转变反应式。二个重要温度:1148 、727 。共晶转变反应式共晶转变反应式:LC (AE+Fe3C)Le 1148共析转变反应式共析转变反应式:AS (FP+Fe3C)P 7276.钢铁分类7.含碳量对室温平衡组织的影响 钢钢铁素体铁素体 亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢共析钢白白
25、口口 铸铸 铁铁二次渗碳体二次渗碳体工工业业纯纯铁铁珠光体珠光体莱氏体莱氏体一次渗碳体一次渗碳体Fe3C钢钢 铁铁分分 类类组织组组织组成物相成物相对量对量%相组成相组成物相对物相对量量%含碳量含碳量%0 0.02180.772.114.36.6910010000三次渗碳体三次渗碳体工程材料及热处理第3单元 钢的热处理 一、热处理概述二、钢的热处理原理三、钢的普通热处理四、钢的表面热处理五、其他热处理工艺一、热处理概述热处理：热处理：是指将钢在固态下加热、是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。获得所需要性能的一种工艺。热
26、处理是一种重要的加工工艺，在热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。制造业被广泛应用。热处理工艺曲线热处理工艺曲线 模具、滚动轴承模具、滚动轴承100%需经过热处理。需经过热处理。在机床制造中在机床制造中约约60-70%的零件要经过热处理。的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达需热处理的零件达70-80%。热处理特点：热处理特点：热处理只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其热处理只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。形状。热处理适用范围：热处理适用范围：只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变只适用于固态下发生相变的材料，不发
27、生固态相变的材料不能用热处理强化。的材料不能用热处理强化。热处理原理：热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律称热处理原理。描述热处理时钢中组织转变的规律称热处理原理。热处理工艺：热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称热根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称热处理工艺。处理工艺。热处理概述热处理概述 根据加热、冷却方式及钢组织性能变化根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将特点不同，将热处理工艺分类如下：热处理工艺分类如下：其他热处理其他热处理普通热处理普通热处理表面热处理表面热处理热处理热处理退火退火正火正火淬火淬火回火回火真空热处理真空热处理形变热处理形变热
28、处理激光热处理激光热处理控制气氛热处理控制气氛热处理表面淬火表面淬火感应加热、火焰加热、感应加热、火焰加热、电接触加热等电接触加热等化学热处理化学热处理渗碳、氮化、碳氮渗碳、氮化、碳氮共渗、渗其他元素等共渗、渗其他元素等热处理概述预备热处理与最终热处理预备热处理与最终热处理预备热处理预备热处理为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理作为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理作准备的热处理。准备的热处理。最终热处理最终热处理赋予工件所要求的使用性能的热处理赋予工件所要求的使用性能的热处理.预备热处理预备热处理最终热处理最终热处理W18Cr4V钢热处理工艺曲线钢热处理工艺曲线时间时间温
29、度温度/热处理概述 铁碳相图中铁碳相图中PSK、GS、ES线线分别用分别用A1、A3、Acm表示。表示。钢加热时的实际转变温度分别用钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示表示;冷却时的实际冷却时的实际转变温度分别用转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表表示。示。二、钢的热处理原理1.1.钢在加热时的转变钢在加热时的转变奥氏体化奥氏体化在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化奥氏体化。奥氏体晶粒长大及其影响因素奥氏体晶粒长大及其影响因素加热温度和保温时间加热温度和保温时间 加热速度加热速度合金元素合金元素 原始组
30、织原始组织2.钢在冷却时的转变（1）过冷奥氏体的等温转变）过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体的等温转变图过冷奥氏体的等温转变图是是表表示奥氏体急速冷却到临界点示奥氏体急速冷却到临界点A1 以下在各不同温度下的保温过以下在各不同温度下的保温过程中转变量与转变时间的关系程中转变量与转变时间的关系曲线曲线.又称又称C 曲线、曲线、S 曲线或曲线或TTT曲线。曲线。C曲线的建立以共析钢为例：以共析钢为例：取一批小试样并进行奥氏体化。取一批小试样并进行奥氏体化。将试样分组淬入低于将试样分组淬入低于A1 点的不同温度的盐浴中点的不同温度的盐浴中,隔一定时间取一试样淬隔一定时间取一试样淬入水中。入水中。测定每个
31、试样的转变量，确定各温度下转变量与转变时间的关系。测定每个试样的转变量，确定各温度下转变量与转变时间的关系。将各温度下转变开始时间及终了时间标在温度将各温度下转变开始时间及终了时间标在温度时间坐标中，并分别连时间坐标中，并分别连线。线。转变开始点的连线称转变开始线。转变终了点的连线称转变终了线。转变开始点的连线称转变开始线。转变终了点的连线称转变终了线。C 曲线的分析转变开始线与纵坐标之间的转变开始线与纵坐标之间的距离为距离为孕育期孕育期。孕育期越小，过冷奥氏体稳孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小定性越小.孕育期最小处称孕育期最小处称C 曲线的曲线的“鼻尖鼻尖”。碳钢鼻尖处的温碳钢鼻尖处的温度为
32、度为550。C曲线明确表示了过冷奥氏曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等温转变体在不同温度下的等温转变产物。产物。A1-Ms 间及转变开始线以左的区域为间及转变开始线以左的区域为过冷奥过冷奥氏体区。氏体区。转变终了线以右及转变终了线以右及Mf以下为以下为转变产物区。转变产物区。两线之间及两线之间及Ms与与Mf之间为之间为转变区。转变区。时间时间温度温度A1MSMfA过冷过冷PBMAMABAP转变开始线转变开始线转变终了线转变终了线奥氏体奥氏体共析钢过冷奥氏体转变产物转变转变类型类型转变产转变产物物形成温度，形成温度，转变转变机制机制显微组织特征显微组织特征HRC获得获得工艺工艺珠珠光光体体
33、PA1650扩扩散散型型粗片状，粗片状，F、Fe3C相间分布相间分布5-20退火退火S650600细片状，细片状，F、Fe3C相间分布相间分布20-30正火正火T600550极细片状，极细片状，F、Fe3C相间分布相间分布30-40等温等温处理处理贝贝氏氏体体B上上550350半扩半扩散型散型羽毛状，短棒状羽毛状，短棒状Fe3C分布于过饱和分布于过饱和F条之间条之间40-50等温等温处理处理B下下350MS竹叶状，细片状竹叶状，细片状Fe3C分布于过饱和分布于过饱和F针上针上50-60等温等温淬火淬火马马氏氏体体M针针MSMf无扩无扩散型散型针状针状60-65淬火淬火M*板条板条MSMf板条状
34、板条状50淬火淬火（2）过冷奥氏体连续冷却转变共析钢的共析钢的CCT曲线没有贝氏体转变区曲线没有贝氏体转变区，在珠光体转变区之下多了一条转变中止线，在珠光体转变区之下多了一条转变中止线l当连续冷却曲当连续冷却曲线碰到转变中止线碰到转变中止线时，珠光体转线时，珠光体转变中止，余下的变中止，余下的奥氏体一直保持奥氏体一直保持到到Ms以下转变为以下转变为马氏体。马氏体。三、钢的普通热处理1.退火退火 将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却(炉炉冷冷)的热处理工艺叫做退火。的热处理工艺叫做退火。退火目的退火目的调整硬度，便于切削加工。调整硬度，便于切削加工。适合加工的
35、硬度适合加工的硬度为为170-250HB。消除内应力，消除内应力，防止加工中变形。防止加工中变形。细化晶粒，为最终热处理作组织准备。细化晶粒，为最终热处理作组织准备。真空退火炉真空退火炉退火的种类很多，常用的有退火的种类很多，常用的有完全退火、等温退火、球化完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火。火、再结晶退火。2.正火正火是将正火是将亚共析钢亚共析钢加热到加热到Ac3+30 50 共析钢共析钢加热到加热到Ac1+3050，过共析钢过共析钢加热到加热到Accm+30 50保温后保温后空冷空冷的工艺。的工艺。正火后的组织：正火后的组织：0.6%C时
36、，组织为时，组织为F+S；0.6%C时，组织为时，组织为S。正火目的正火目的 对于低、中碳钢对于低、中碳钢(0.6C%)，目的与退火的，目的与退火的相同。相同。对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。体，为球化退火作组织准备。3.淬火淬火淬火是将钢加热到临界点以上，是将钢加热到临界点以上，保温后以大于保温后以大于Vk速速度冷却，使奥度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。氏体转变为马氏体的热处理工艺。亚共析钢亚共析钢l淬火温度为淬火温度为Ac3+30-50。l预备热处理组织为预备热处理组织为退火或正退火或正火组织。火组织。亚共析钢淬火组织
37、：亚共析钢淬火组织：l 0.5%C时为时为Ml 0.5%C时为时为M+A。在在Ac1 Ac3之间的加热淬火称之间的加热淬火称亚温淬火亚温淬火。亚温淬火组织为亚温淬火组织为F+M，强硬度低，但塑韧性好强硬度低，但塑韧性好.淬火（2）共析钢）共析钢淬火温度为淬火温度为Ac1+30-50；淬火；淬火组织为组织为M+A。（3）过共析钢过共析钢淬火温度淬火温度:Ac1+30-50.温度高于温度高于Accm，则奥氏体晶粒粗，则奥氏体晶粒粗大、含碳量高大、含碳量高,淬火后马氏体晶粒淬火后马氏体晶粒粗大、粗大、A量增多。使钢硬度、耐量增多。使钢硬度、耐磨性下降，脆性、变形开裂倾向磨性下降，脆性、变形开裂倾向增
38、加。增加。淬火组织淬火组织:M+Fe3C颗粒颗粒+A。(预备预备组织为组织为P球球)T12钢（含钢（含1.2%C）正常淬火组织）正常淬火组织淬火介质理想的冷却曲线应只在理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷，而曲线鼻尖处快冷，而在在Ms附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小织，又减小内应力的目的。内应力的目的。常用淬火介质是水和油。常用淬火介质是水和油。水的冷却能力强，但低温却能力太大，只使水的冷却能力强，但低温却能力太大，只使用于形状简单的碳钢件。用于形状简单的碳钢件。理想淬火曲线示意图理想淬火曲线示意图MsMf油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却油在
39、低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太小，使用于合金钢和小尺寸的碳钢件。能力太小，使用于合金钢和小尺寸的碳钢件。熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之间油之间,用于形状复杂件的分级淬火和等温用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。淬火。聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业常用的淬聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业常用的淬火介质火介质.淬火方法单液淬火法单液淬火法 加热工件在一种介质中连续冷却到室温的加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法。淬火方法。双液淬火法双液淬火法 工件先在一种冷却能力强的介质中冷，却工件先在一种冷却能力强的介质中冷，却躲过鼻尖后，再在另
40、一种冷却能力较弱的躲过鼻尖后，再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。介质中发生马氏体转变的方法。分级淬火法分级淬火法 在在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀后再取出缓冷。度均匀后再取出缓冷。等温淬火法等温淬火法 将工件在稍高于将工件在稍高于 Ms 的盐浴或碱浴中保温的盐浴或碱浴中保温足够长时间，从而获得下贝氏体组织的淬足够长时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。火方法。各种淬火方法示意图各种淬火方法示意图钢的淬透性淬透性淬透性是指钢在淬火时获是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其得淬硬层深度的能力。其大小是用规定条件下淬硬大小是用规定条件下
41、淬硬层深度来表示。层深度来表示。淬硬层深度淬硬层深度是指由工件表是指由工件表面到半马氏体区面到半马氏体区(50%M+50%P)的深度。的深度。淬硬性淬硬性是指钢淬火后所能是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化达到的最高硬度，即硬化能力能力.柴油机连杆柴油机连杆齿轮齿轮4.回火回火回火是指将淬火钢加热到是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺。以下的某温度保温后冷却的工艺。回火的目的回火的目的1.减少或消除淬火内应力减少或消除淬火内应力,防止变形或开裂防止变形或开裂.2.获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬
42、度、韧性。整硬度、韧性。3.稳定尺寸。淬火稳定尺寸。淬火M和和A都是非平衡组织，有自发向平衡组织转变的都是非平衡组织，有自发向平衡组织转变的倾向。回火可使倾向。回火可使M与与A转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。时变形。回火时力学性能变化总的趋回火时力学性能变化总的趋势是随回火温度提高，钢的势是随回火温度提高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧强度、硬度下降，塑性、韧性提高。性提高。淬火加高温回火的热处理称作淬火加高温回火的热处理称作调质处理调质处理，简称，简称调质调质。回火种类广泛用于广泛用于各种结构件如轴、各种结构件如轴、齿轮齿轮等热处理。也可作为等热
43、处理。也可作为要求较高精密件、量具等要求较高精密件、量具等预备热处理。预备热处理。适用于各种高碳适用于各种高碳钢、渗碳件及表钢、渗碳件及表面淬火件。面淬火件。应用应用获得良好的综合力学性能，获得良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。具有良好的塑性和韧性。提高提高 e及及 s，同时使工件具同时使工件具有一定韧性有一定韧性。在保留高硬度、在保留高硬度、高耐磨性的同时，高耐磨性的同时，降低内应力降低内应力。回火目的回火目的S回回 T回回 M回回 回火组织回火组织500-650350-500150-250 回火温度回火温度 高温回火高温回火 中温回火
44、中温回火 低温回火低温回火 适用于适用于弹簧热处理弹簧热处理四、钢的表面热处理表面淬火表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。表面淬火目的：表面淬火目的：使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限;心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即足够的塑性和韧性。即表硬里韧表硬里韧。适用于适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。承受弯曲
45、、扭转、摩擦和冲击的零件。表面淬火1.表面淬火用材料表面淬火用材料 0.4-0.5%C的中碳钢的中碳钢含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。含碳量过高，心部韧性下降；含碳量过高，心部韧性下降；铸铁铸铁 提高其表面耐磨性。提高其表面耐磨性。2.预备热处理预备热处理对于结构钢为对于结构钢为调质或正火调质或正火。为表面淬火作组织准备；为表面淬火作组织准备；获得最终心部组织。获得最终心部组织。3.表面淬火后的回火表面淬火后的回火采用低温回火，温度不高于采用低温回火，温度不高于200。回火目的为降低内应力，保留回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。淬火高硬度、耐
46、磨性。4.表面淬火表面淬火+低温回火后的组织低温回火后的组织表层组织为表层组织为M回；心部组织为回；心部组织为S回回(调质调质)或或F+S(正火正火)。表面淬火常用加热方法 感应加热感应加热 火焰加热火焰加热 激光热处理激光热处理化学热处理 根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他元素等。元共渗、渗其他元素等。渗碳1.渗碳目的渗碳目的 提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。同时保持心部良好的韧性。2.渗碳用钢渗碳用钢 为含为含0.1-0.25%C的低碳钢。的低碳钢
47、。碳高则心部碳高则心部韧性降低。韧性降低。3.渗碳方法渗碳方法 气体渗碳法、固体渗碳法、气体渗碳法、固体渗碳法、真空渗碳法真空渗碳法4.渗碳温渗碳温度度：为：为900-950。渗碳缓冷后组织：渗碳缓冷后组织：表层为表层为P+网状网状Fe3C;心心部为部为F+P;中间为过渡区。中间为过渡区。真空渗碳炉真空渗碳炉工程材料及热处理第4单元 工业用钢与铸铁一、碳素钢一、碳素钢二、低合金结构钢二、低合金结构钢三、合金钢三、合金钢四、四、铸铁铸铁钢筋、螺纹钢钢筋、螺纹钢一、碳素钢l钢中的杂质一般是指钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S，是由原料带入或脱氧残留的元素。，是由原料带入或脱氧残留的元素。1、Mn
48、:0.8%时为杂质时为杂质,是有益元素。作用为：是有益元素。作用为：强化铁素体；强化铁素体；消除硫的有害作用。消除硫的有害作用。2、Si：0.5%时为杂质，是有益元素。作用为：时为杂质，是有益元素。作用为：强化铁素体；强化铁素体；增加钢液流动性。增加钢液流动性。3、S：是有害元素。：是有害元素。常以常以FeS形式存在。易与形式存在。易与Fe在晶界上形成低熔点共在晶界上形成低熔点共晶晶(985)，热加工时，热加工时(11501200)，由于其熔化而导致开裂，称热脆，由于其熔化而导致开裂，称热脆性。钢中的硫应控制在性。钢中的硫应控制在0.045%以下以下4、P：也是有害元素。能全部溶入铁素体中，使
49、钢在常温下硬度提高，塑：也是有害元素。能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆性。性、韧性急剧下降，称冷脆性。P一般控制在一般控制在0.045%以下。以下。2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢牌号用两位数字表示。牌号用两位数字表示。这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。45钢钢平均含碳量为万分之四十五（即平均含碳量为万分之四十五（即0.45%）的优质碳素结构钢。）的优质碳素结构钢。1.普通碳素结构钢普通碳素结构钢成分：成分：0.4%C,P、S量及非金属夹杂较多量及非金属夹杂较多.性能：可焊性、塑性好。性能：可焊性、塑性好。热处理：不
50、进行专门热处理，热轧空冷态下使热处理：不进行专门热处理，热轧空冷态下使用。使用状态下组织：用。使用状态下组织：F+P用途用途:常以热轧板、带、棒及型钢使用，用量常以热轧板、带、棒及型钢使用，用量约占钢材总量的约占钢材总量的70%。用于建筑结构，适。用于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。合焊接、铆接、栓接等。如碳素结构钢牌号表示为如碳素结构钢牌号表示为Q235、Q235。3.碳素工具钢成分：高碳成分：高碳(0.651.35%C)随含碳量提高，碳化物量增加，耐磨随含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韧性下降。性提高，但韧性下降。热处理：正火热处理：正火+球化退火球化退火+淬火淬火+低温回低温回
