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1、闫健 yanjian 1 * 2 一、课程主线 结 晶塑性变形 工业用钢 工艺性能使用性能 合 金纯金属 热处理 有色金属铸 铁 加工工艺 组织结构化学成分性 能 * 3 二、主要内容 工程材料 基本理论常用材料零件的选材 * 4 1. 基本理论 热处理热处理 铸铁的热处理 塑变与再结晶 基基 本本 理理 论论 金属学金属学 材料的性能 材料的结构 材料的结晶 相图及铁碳相图 钢的热处理 * 5 1.1 材料性能 焊接性能 硬度HB HRC 材材 料料 性性 能能 强 度 塑 性 锻造性能 力学性能力学性能 工艺性能工艺性能 切削加工性能 铸造性能 韧性k ,k1c 热处理工艺性 *6 条件屈
2、服强度0.2残余塑变为0.2%时的应力。 疲劳强度-1无数次交变应力作用下不发生破坏的最大应力。 塑性：材料断裂前承受最大塑性变形的能力。指标为、。 硬度：材料抵抗局部塑性变形的能力（HB、HRC）。（HRA、HRB、HRC） 冲击韧性：材料抵抗冲击破坏的能力。 指标为k材料的使用温度应在冷脆转变温度以上。 断裂韧性：材料抵抗内部裂纹扩展的能力。指标为K1C。 1、力学性能 刚度：材料抵抗弹性变形的能力。 指标为弹性模量E：E=/ 强度：材料抵抗变形和破坏的能力。指标： 抗拉强度b材料断裂前承受的最大应力。 屈服强度s材料产生微量塑性变形时的应力。 1.1.1 使用性能 表面淬火钢宜用HRA硬
3、度指标 铝合金成品宜用HRB硬度指标 整体淬火钢宜用HRC硬度指标 *7 1、铸造性能：液态金属的流动性、填充性、收缩率、偏析倾向。 2、锻造性能：成型性与变形抗力。 3、切削性能：对刀具的磨损、断屑能力及导热性. 4、焊接性能：产生焊接缺陷的倾向。 5、热处理性能：淬透性、抗回火性、二次硬化、回火脆性。 1.1.2 工艺性能 2、化学性能 （1） 耐蚀性：材料在介质中抵抗腐蚀的能力。 （2）抗氧化性：材料在高温下抵抗氧化作用的能力。 （3）耐磨性：材料抵抗磨损的能力。 1）切削加工性: （1）中碳钢高碳钢 （2）含碳量相同的钢中，球状珠光体片状珠光体 2）焊接性能: 中碳钢高碳钢 3）流动性
4、和偏析 用共晶相图说明（共晶体最多的成分点） 4）淬透性 Vk-C曲线的位置过冷A的稳定性 A晶粒大小 A中的成分均匀性 第二相 化学成分 加热状态 碳 合金元素 5）残余奥氏体 （1）A中CMs MfA% （2）A中MeMs MfA% * 8 1.2 材料的结构（金属的晶体结构） 1.2.1三种典型金属的晶体结构 体心立方BCC面心立方FCC密排六方HCP 晶格常数aaa、c 原子半径 原子个数246 配位数81212 致密度0.680.740.74 滑移面1106111 4六方底面1 滑移方向 2 3底面对角3 滑移系12123 常见金属-Fe、Cr、W-Fe、Ni、AlMg、Zn 晶体结
5、构 空间点阵 晶体点阵（理想晶体） 晶体的结构基元(分子、原子、离子、原子集团)依靠一定的结 合键结合后，在三维空间作有规律的周期性的重复排列方式。 抽象的空间几何模型（非物 质性）7个晶系14种晶胞类 型 把空间点阵的结点作为物质质点的中心位置，忽略原子的热振 动和晶体缺陷，将单纯的几何图形变成具有物质性的点阵，称 其为晶体点阵（物质性的）。 若阵点用直线通过中心连接起来晶格 * 9 1.2.2金属的实际结构与晶体缺陷 1 多晶体（由多晶粒组成的晶体结构） 2 晶体缺陷（晶格不完整的部位） 2）线缺陷（刃型位错、螺型位错） 3）面缺陷（晶界、亚晶界） 1）点缺陷（空位、间隙原子、置换原子）
6、理论值 退火态 位错密度 强 度 金属材料强化方法: （1）固溶强化 （2）细晶强化 （4）加工硬化 （3）第二相强化（弥散强化） 1）晶粒：组成金属的方位不同、外形不规则的小晶体。 2）晶界：晶粒之间的交界面。 掌握： 标定晶向与晶面 位错与柏氏矢量的特性 用位错的柏氏矢量可以 判断位错的类型 晶界特性 熟悉 晶胞；金属键；点缺陷 及分类 * 10 1.3 材料的结晶 3、纯金属中的固态转变 1）同素异构转变：物质在固态下晶体结构随温度而发生变化的现象。 2）固态转变的特点 1）形核部位特殊（晶界、位错处等） 2）过冷倾向大 3）伴随着体积变化 1、结晶过程 1） 两个条件 （1）能量条件
7、必须过冷 过冷度T=T0-Tn 驱动力？ （2）结构条件 1.3.1纯金属的结晶 2）基本规律 形核（自发形核、非自发形核）长大（平面长大，枝晶生长） 2、细化晶粒的途径：形核率与生长速率 1）增大过冷度 2）变质处理 3）振动和搅拌 均匀形核时过冷度与临界晶核半径、临界形 核功之间的关系；细化晶粒的方法，铸锭三 晶区特点，形成与性能。 * 11 化合物 间隙化合物 合金的相 固溶体 间隙固溶体 置换固溶体 其它化合物 间隙相 1、合金在固态下的基本相结构 1.3.2 合金的结晶 相:金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。 合金：由两种或两种以上元素组成的具有
8、金属特性的物质。 *12 间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格间隙所形成的固溶体。 为过渡族金属元素与原子半径小的非金属元素组成。 铁素体：碳在-Fe中的固溶体。 奥氏体：碳在-Fe中的固溶体。 马氏体：碳在-Fe中的过饱和固溶体。 固溶强化：随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高的现象。 马氏体的硬度主要取决于其含碳量，并随含碳量增加而提高。 2）金属化合物：与组成元素晶体结构均不相同的固相. （1）正常价化合物 如Mg2Si （2）电子化合物 如Cu3Sn （3）间隙化合物：由过渡族元素与C、N、H、B等小原子半径的非金属元素组成。 分为结构简单的间隙相和复杂结构的间隙化合物。 1）固溶体：与
9、组成元素之一的晶体结构相同的固相. 置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格结点位置形成的固溶体。 大多为金属元素之间形成的固溶体。 *13 4）金属化合物形态对性能的影响 （1）基体、晶界网状：强韧性低 （2）晶内片状：强硬度提高，塑韧性降低 （3）颗粒状： 弥散强化：第二相颗粒越细，数量越多，分布越均匀,合金的强度、硬度越 高，塑韧性略有下降的现象。 5）固溶体与化合物的区别：结构；性能；表达方式 强碳化物形成元素：Ti、Nb、V 如TiC、VC 中碳化物形成元素：W、Mo、Cr 如Cr23C6 弱碳化物形成元素：Mn、Fe 如Fe3C 3） 性能比较 强度：固溶体纯金属 硬度：化合物固溶体纯金属
10、 塑性：化合物固溶体纯金属 * 14 2、合金的组织转变 1）一般转变过程 （1） 满足三个起伏（条件） 能量起伏（必须过冷）；结构起伏； 成分起伏 （2）基本规律 形核及核长大（固态转变有晶界、相界形核理论） 2）相图 匀晶L 共晶L+ 共析 + 包晶L+ （1）杠杆定律：只适用于两相区。 （2）枝晶偏析：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象。 3）合金中的固态相变 （1）固溶体转变：AF （2）共析转变：AP(F+Fe3C) （3）二次相析出：AFe3C （4）奥氏体化 （5）过冷奥氏体转变 （6）固溶处理+时效 掌握共晶，共析相图的结晶过程，示意图， 以及杠杆定律计算相组成和
11、组织组成 熟悉枝晶生长与成分偏析，根据相图判断合 金性能 *15 3、铁碳合金相图 1 默画铁碳合金相图 2 相与机械混合物 A、F、Fe3C与P、Ld 3 两个基本反应式 4 结晶过程分析（冷速曲线表达） 5 杠桿定律的应用 6 热处理加热温度的表达 注意： 1 组织组成物和相组成物的分析； 2 同一种钢在不同的加热条件下对组织、 成分及HT分析。 相（成分、结构相同且有界面分开的部分） 机械混合物（相与相的构成状态） 组织（关注：形态、大小及分布） 组织可以由单相构成； A 组织可以由机械混合物构成； P A 站在不同的角度可称为相、组织； P 站在不同的角度可称为机械混合物、组织。 组织
12、组成物是指组成合金显微组织的独立部分（形态）。 相组成物是指组成合金中成分、结构均匀一致的部分。 掌握不同含碳量结晶的过程，成分分析与组织示 意图 熟悉含碳量对Fe-C性能的影响，杂质元素对刚性 能的影响，了解钢锭中缺陷 金属材料的塑性变形与再结晶 塑性变形 掌握 ：滑移 与孪生特点，区别与作用；多晶体塑性变形的特点，及细晶强化 机制 熟悉塑性变形对组织结构性能的影响；金属的两种断裂方式及断裂韧度（KI ）。 回复与再结晶 掌握：形变金属在退火过程中的，回复，再结晶过程的特点及对结构和性能 的影响，再结晶晶粒大小的控制，冷加工与热加工 熟悉回复机制，再结晶的形核与长大及影响因素，热加工对组织和
13、性能的影 响 扩散 掌握扩散的驱动力，空位机制与间隙机制，菲克第一定律，第二定律；扩散 的影响因素 16 * 17 1.4 钢的热处理 1） 奥氏体化的四个阶段 奥氏体晶核的形成 奥氏体晶核的长大 剩余渗碳体的溶解 奥氏体成分的均匀化 2） 奥氏体晶粒度 实际晶粒度 本质晶粒度（本质粗(细)晶粒钢） 1 钢在加热时的转变 1.4.1钢的热处理原理 2 钢在冷却时的转变 1） 过冷奥氏体转化产物 珠光体，索氏体，托氏体，贝氏体，马氏体组织特征， 性能 2）影响过冷奥氏体转变的因素 *18 扩散退火 去应力退火 各种退火（正火）的加热温度范围 完全退火 球化退火 正火 1.4 1100 1000
14、900 800 700 600 500 0.20.40.60.81.01.2 温度 C% A F+Fe3C * 19 钢的淬火和回火 1： 钢的淬火及产物 单液淬火 双液淬火 分级淬火 等温淬火 2：回火及产物 低温回火 中温回火 高温回火（调质处理） 3：钢的淬透性与淬硬性，影响因素 4：熟悉表面淬火工艺，以及化学热处理工艺 产物的组织特 征，性能？ *20 650 600 550 350 A1 MS Mf 时间 P S T B上 B下 M M+A AP AS AT AB上 AB下 AM 过冷A 过冷A 过冷A 过冷A 过冷A 2、钢在冷却时的转变 共析碳钢等温转变曲线及产物 用C曲线定性说
15、明连续冷却转变产物（共析碳钢为例） 根据冷速曲线与C曲线交点位置判断转变产物 *21 P 均匀A 细A A1 MS Mf 时间 等温退火 P P 退火 (炉冷) 正火 (空冷) S 淬火 (油冷) T+M+A 等温淬火 B下 M+A 分级淬火 M+A 淬火 (水冷) M回+A 150-250 T回 350-500 S回 500-650 ? ? ? ? P T+S回 S T+B下+M+A * 22 Acm Ac1 V1 V2 V3 V4V5 时间 温 度 Ms 例题：（T12钢） 3、淬火钢在回火时的转变 1）碳钢：马氏体的分解 ；残余奥氏体分解 ；-碳化物转变为Fe3C ；Fe3C聚集长 大和
16、铁素体多边形化 。 2）W18Cr4V钢： 560三次回火。析出W、Mo、V的碳化物，产生二次硬化。回火冷 却时，A转变为M。每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。 强化钢铁材料最经济有效的热处理工艺是淬火+回火,它包含了多种基本强化方法。 * 23 1.4.2钢的热处理工艺 1、机械零件的加工工工艺路线 预备热处理机械粗加工最终热处理 机械精加工 锻造 铸造 毛坯 预备热处理（退火与正火） 最终热处理（淬火+回火） * 24 2、三个判据 1）实际生产中退火与正火的选择 钢的含碳量C%0.50.5 0.770.77 HT工艺正火完全退火球化退火 组 织F+SF+PP球 2）正火组织判断 钢的含碳量C%0.60.6 组 织F+SS 3）组织
