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1、课程教学模块三：工程材料及其热处理 教学重点：常用碳钢、合金钢、铸铁、有色金属等材料的分类、成分、 组织、牌号、性能和应用；钢的热处理分类、工艺规程与应 用，零件选材和及其热处理工艺分析。教学难点：钢在加热和冷却时的组织转变分析，常见化学元素对钢的 组织、性能及热处理影响，变形铝合金的强化手段和热处理特 点。,课题一 非合金钢（碳钢）,教学重点：常用碳钢和铸铁的牌号、性能和应用。教学难点：根据碳钢的牌号能分析它的成分、性能特点和大致应用范 围。,一、常存杂质元素对碳钢性能的影响 1、锰的影响 改善钢的质量；提高钢的强度和硬度；减轻硫的危害；是 有益元素，一般WMn0.25%0.80%。 2、硅
2、的影响消除FeO对钢的不良影响；产生固溶强化；是钢中有益元 素，一般Wsi0.4%。 3、磷的影响 使钢的强度、硬度增加，但塑性和韧性显著降低；使钢低 温时脆性严重（冷脆）；是有害元素，应严格控制磷含量。 4、硫的影响 与铁形成化合物FeS，使钢变脆（热脆）；是钢中有害元 素，应严格控制硫含量。 二、碳钢的分类 1、按含碳量分类分为低碳钢(Wc0.25%)、中碳钢(0.25Wc0.60%)和,高碳钢(Wc0.60%)。 2、按质量分类 1）普通质量碳钢（Ws0.045%、Wp0.045%）不需要特别控制质量的钢种，包括一般碳素结构钢、碳素 钢筋钢、铁道用一般碳素钢等。 2）优质碳钢需要特别严格
3、控制质量的碳钢。主要包括：机械结构用优 质碳钢、工程结构用优质碳钢、冲压薄板的低碳结构钢、锅炉 和压力容器用碳钢、优质铸造碳钢等。 3、按用途分类 1）碳素结构钢主要用于制造各种工程构件和机器零件。一般属于低碳钢 和中碳钢。 2）碳素工具钢,主要用于制造各种刃具、量具、模具等。一般是高碳钢。此外，钢按冶炼时脱氧方法不同，分为沸腾钢、镇静钢和 半镇静钢等 三、碳钢的牌号和应用 1、碳素结构钢 牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号 脱氧方法符号四部分顺序组成。质量等级有：A表示Ws0.050%、Wp0.045%；B表 示Ws0.045%、Wp0.045%；C表示Ws0.040%、 W
4、p0.040%；D表示Ws0.035%、Wp0.035%。脱氧方法有F（沸腾钢）、b（半镇静钢）、Z（镇静钢） TZ（特殊镇静钢）四种，通常Z和TZ可省略。例：Q235AF。 2、优质碳素结构钢 牌号用两位数字表示钢平均含碳量的万分数。例：45钢。,又分为普通含锰量（WMn0.7%）和较高含锰量（WMn=0.7%1.2%）两类。含锰量较高的钢在两位数字后面加 “Mn”字。例：65Mn钢。脱氧方法表示法同碳素结构钢，高级优质钢，加“A”；特 级优质钢，加“E”。 3、碳素工具钢 牌号用“碳”的汉语拼音字首“T”加数字（钢的平均Wc的 千分数）表示。例：T12。碳素工具钢含碳量高，硫、磷杂质含量较
5、少，一般经淬 火，低温回火后硬度比较高，耐磨性好，但塑性较低。主要用 于要求不很高的刃具、量具和模具。 4、铸钢 牌号用“ZG” 表示。牌号有两种表示方法：以强度表示 时，在“ZG”后面有两组数字，第一组数字表示该牌号屈服点,的最低值，第二组数字表示其抗拉强度的最低值，两组数字间 用“” 隔开，例： ZG230450。以化学成分表示铸钢牌号时，在“ZG”后面的数字表示铸 钢平均碳含量的万分数。平均碳含量1时不标出,平均碳含 量0.1时,其第一位数字为“0”。在含碳量后面排列各主要合 金元素符号,每个元素符号后面用整数标出含量的百分数，例： ZG15Cr1MolV。 四、铸铁铸铁是一系列主要由铁
6、、碳和硅组成的合金总称。具有良 好的铸造性、耐磨性、减震性、切削加工性等，且制造容易、 价格便宜。 铸铁按碳的存在形式分为灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁 和蠕墨铸铁。,课题二 钢在加热和冷却 时组织转变,教学重点：奥氏体的形成及其晶粒大小的控制措施，C曲线及其应用。教学难点：钢在加热时和冷却时组织转变。,一、钢在加热时的组织转变 A1、A3、Acm各相变点是固态下铁碳合金的组织转变 线，是在极其缓慢加热和冷却条件下得到的。在实际生产中，固态相变时都有不同程度的过热度或过冷 度（见下图）。为便于区别，将加热时各相变点用ACl、AC3、 ACcm表示，冷却时各相变点用Arl、Ar3、Arcm表示。,
7、1、奥氏体的形成 以共析钢为例，当加热到AC1以上时，发生珠光体向奥氏 体的转变（即奥氏体化）过程可分为三个阶段： 1）奥氏体晶核的形成和长大。 2）剩余渗碳体的溶解。 3）奥氏体均匀化。 当加热到AC1线稍上时钢中的珠光体向奥氏体转变，只有 分别加热到AC3或ACCm温度以上，保温足够时间，才能获得 成分均匀的单相奥氏体。 2、奥氏体晶粒长大及其控制措施 钢加热时珠光体向奥氏体转变刚刚结束时，奥氏体晶粒是 比较细小的。如果继续加热或保温，奥氏体晶粒会变粗大，影 响热处理后钢的强度、塑性、韧性较低。因此，加热时获得细 小晶粒的奥氏体对提高热处理效果和钢的性能有重要的意义。 控制奥氏体晶粒长大措
8、施： 1）合理选择加热温度和保温时间。,2）采用快速加热和短时间保温。 3）加入一定量合金元素（除锰、磷外）。 二、钢在冷却时的组织转变 钢经加热奥氏体化后，可以采用不同方式冷却，获得所需 要的组织和性能。成分相同的钢，奥氏体化后，采用不同方式冷却，将获得 不同的力学性能，见下表。实际生产中，必须过冷到A1温度以下才开始转变。 在相 变温度A1以下还没有发生转变而处于不稳定状态的奥氏体称,过冷奥氏体。过冷奥氏体有等温转变和连续冷却转变两种冷却转变方式 （见下图）。,1、过冷奥氏体的等温转变 以共析钢为例，介绍等温转变曲线及转变产物。 1）过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线） 下边曲线为过冷奥氏体转
9、变开始线，右边曲线为过冷奥氏 体等温转变终了线。A1线以上是奥氏体稳定区；A1线以下，转变开始线的左 边为过冷奥氏体区，转变终了线的右边是转变产物区，转变开 始线和终了线之间为过冷奥氏体和转变产物共存区。,转变开始线与纵坐标轴之间的时间为孕育期。在C曲线拐 弯的“鼻尖处”（约550），孕育期最短，过冷奥氏体最不稳 定。水平线MS为马氏体转变开始线（约230），水平线Mf 为马氏体转变终了线（约50）。A：残余奥氏体，即淬火冷却到室温后残留的奥氏体。 2）过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能 (1)珠光体型转变（A1550）,(2)贝氏体转变（550MS）3）亚共析钢和过共析钢的等温转变 由于亚共
10、析钢和过共析钢的碳含量低于或高于共析成分， 当过冷奥氏体在C曲线“鼻尖”上部区域等温时，亚共析钢先析 出铁素体，然后进行珠光体转变，得到铁素体和珠光体组织； 同理，过共析钢先析出渗碳体，然后进行珠光体转变，得到渗 碳体和珠光体组织。 2、过冷奥氏体的连续冷却转变 以共析钢为例，介绍等温转变曲线及转变产物。 1）等温转变曲线在连续冷却转变中的应用 共折钢连续冷却时，根据冷却速度曲线V1、V2、V3、V4 与C曲线相交的位置，可估计连续冷却转变的产物。,马氏体临界冷却速度k：与冷却曲线相切，称临界冷却速 度，是获得全部马氏体转变的最小冷却速度。,过冷奥氏体连续冷却转变产物的组织与性能见下表：2）马
11、氏体转变（MSMf） 马氏体的组织形态有板条状和片状两种类型，主要取决于 奥氏体中碳含量。1、当Wc0.20时，形成板条状低碳马氏 体，有较好的强韧性；2、当Wc1.0时，形成片状（针状） 高碳马氏体，性能硬而脆；3、当Wc在0.20l.0时，形成 片状和板条状马氏体的混合组织。强度、硬度随碳含量增加而增大，当碳含量超过0.6， 强度和硬度增加不明显。马氏体转变不能进行到底。,残余奥氏体的存在，会降低淬火钢的硬度和耐磨性，并且 在工件长期使用过程中残余奥氏体会逐步转变为马氏体，使工 件变形而引起尺寸的不稳定。减少残余奥氏体的措施：冷处理。即把淬火后的工件继续 冷却到室温以下8050，以减少残余
12、奥氏体的含量。,课题三 钢的热处理,教学重点： 1、钢的退火与正火淬火、回火的目的、方法及应用。 2、感应淬火、气体渗碳、渗氮。 教学难点： 1、过冷奥氏体连续冷却转变产物组织与性能。 2、淬透性概念及应用。 3、感应淬火原理。,三、钢的退火与正火 1、退火退火就是将工件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓 慢冷却的热处理工艺。退火主要用于铸、锻、焊毛坯或半成品 零件。退火的目的：降低钢的硬度，提高塑性，改善其切削加工性能；均匀钢 的成分，细化晶粒，改善组织与性能；消除工件的内应力，防 止变形与开裂；为最终热处理作准备。 1）完全退火 将钢完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火 工艺。
13、目的：降低钢的硬度、以利于切削加工；消除应力，稳定 工件的尺寸，防止变形和开裂；细化晶粒，改善组织，为最终 热处理作组织准备。加热温度：Ac3以上2040。应用范围：亚共析碳钢和合金钢的铸件、锻件、焊接件及,热轧型材等。过共析钢不宜采用完全退火。 2）等温退火 将钢加热到Ac3或Ac1以上2040，保温适当时间后， 较快地冷却到珠光体温度区间的某一温度，等温一定时间，使 奥氏体转变为珠光体组织，然后空冷至室温的退火工艺。目的：与完全退火相同，但所用时间比完全退火缩短约 1/3，并能得到均匀的组织和性能。加热温度：Ac3(Ac1)以上2040。应用范围：亚共析、过共析碳钢，合金钢的铸件、锻件等。
14、 3）球化退火 使钢中的碳化物球状化而进行的退火工艺。目的：使网状Fe3C或片状滲碳体转变为球状滲碳体， 降低硬度，便于切削加工，为淬火作好组织准备。加热温度：Ac1以上2040。应用范围：过共析钢和合金工具钢、轴承钢等。对网状,Fe3C比较严重的钢，在球化退火前先进行一次正火处理。 4）去应力退火 将钢加热到Ac1以下，保温一定时间，然后随炉冷却的退 火工艺。目的：消除工件的内应力，稳定工件尺寸，减少变形。加热温度：Ac1以下温度，一般500650。应用范围：铸件、锻压件、焊件、切削加工件等。去应力 退火因加热温度低于A1，故不发生组织转变，只消除内应力。 5）均匀化退火 将工件加热到高温，
15、并长时间保温，然后缓慢冷却的退火 工艺。目的：减少化学成分偏析和组织不均匀性。加热温度：10501150高温。应用范围：质量要求高的合金钢铸锭和铸件等。均匀化退 火后，钢件晶粒粗大，应进行完全退火或正火。 2、正火,将钢加热到Ac1或Accm以上3050，保温一定的时 间，出炉后在空气中冷却的热处理工艺称为正火。,四、钢的淬火 1、淬火加热 1）加热温度 钢的含碳量是决定其淬火加热温度的主要因素。,2）加热时间 加热时间包括升温时间和保温时间两部分。加热时间长短 与加热介质、加热速度、钢的种类、工件形状和尺寸、装炉方 式及装炉量有关。具体加热时间可通过经验公式计算，再用实 际经验修正后决定。
16、2、淬火冷却 1）冷却介质 钢淬火的目的是为了获得马氏体，但又要减少工件变形和 防止工件开裂。由C曲线可知，冷却介质的理想淬火冷却速度 如下图所示。 生产上常用的冷却介质有水、矿物油、盐水、碱水等。,2）淬火方法 （1）单介质淬火。 （2）双介质淬火。 （3）马氏体分级淬火。 （4）贝氏体等温淬火。常用淬火方法如下图所示。,3、钢的淬透性和淬硬性 1）钢的淬透性 钢的淬透性是以在规定条件下钢试样淬硬深度和硬度分布 的特性。淬硬深度是从淬硬的工件表面到规定硬度值（一般为 550HV）处的垂直距离。淬硬深度越深，淬透性越好。 2）钢的淬硬性 钢的淬硬性是指钢试样在规定条件下淬火硬化所能达到的 最高硬度的能力。其含义是钢试样在规定条件下淬火时马氏体 组织所能达到的硬度。钢的淬硬性主要取决于钢中含碳量。钢中含碳量越高，淬 硬性越好。 五、钢的回火 回火是将淬硬后的工件加热到Ac1点以下某一温度，保温 一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。是紧接淬火之后的 热处理工序。 目的：获得工件所需要的力学性能；消除或减少内应力，,
