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1、实验五 碳钢的热处理及性能分析 实验六 常用钢铁材料的组织观察,清华大学基础工业训练中心,一、金属的概念 二、金属材料的力学性能 三、金属的结晶和组织1. 金属的结晶过程 2. 金属的组织（1）室温平衡组织（2）非平衡组织,四、钢铁的分类和异同钢和铸铁所含的主要合金元素都是铁和碳，所以也称钢和铸铁为Fe-C合金，它们的不同点在于含碳量，钢的含碳量小于2.11%，铸铁的含碳量大于2.11%。 五、Fe-C合金基本组织1. 铁素体 F2. 渗碳体 Fe3C3. 珠光体 P（ F+ Fe3C ）,六、钢铁的组织和性能1. 碳钢的室温平衡组织碳钢的室温平衡组织由铁素体、渗碳体和珠光体三种基本组织组成。
2、随碳钢含碳量的不同，基本组织的含量也相应发生变化。碳钢按室温组织的不同根据含碳量可分为三类。,纯铁,亚共析钢,共析钢,过共析钢,碳钢的成分、组织、性能之间的关系示意图,2. 铸铁的室温平衡组织铸铁由于含碳量高，碳的存在形态发生了变化。在钢中碳是以化合态的Fe3C（渗碳体）存在，而在铸铁中碳不仅以化合态的Fe3C存在，同时出现了游离态的石墨。铸铁的组织可以认为是在铁素体或珠光体，或铁素体珠光体的基体上分布着不同形态的石墨。根据石墨形态的不同，常用铸铁可分为：灰 铸 铁 石墨以片状存在可锻铸铁 石墨以团絮状存在球墨铸铁 石墨以球状或近似球状存在,可锻铸铁（铁素体基体）,灰铸铁（珠光体基体）,球墨铸
3、铁 （铁素体珠光体基体）,3. 铸铁与碳钢的性能比较铸铁与碳钢比较（在同一种基体下），由于铸铁中石墨的强度和伸长率都极低 （b20Mpa，0）,而且石墨的存在对基体起割裂作用，所以，铸铁的力学性能（抗拉强度、塑性、韧性）较差，不如碳钢，尤以灰铸铁（片状石墨）最差，球墨铸铁因球状石墨的割裂作用最轻，具有较好的力学性能。铸铁具有优良的减震性、耐磨性、铸造性能和切削加工性能，而且生产成本低廉，因而在工业生产中得到广泛的应用。,六、热加工工艺对碳钢组织的影响 在材料加工工程中存在着如下关系：设备 工艺 组织性能应用原材料 成分 这个关系在实际生产过程中，表现为设备、工艺条件等的不同决定了热过程的非平衡
4、程度的不同，使得金属结晶和转变过程不同，最终使金属材料的组织呈现多样性，即使同一种金属材料的组织也可呈现不同的形态。可见，正是非平衡过程的多样性，使得工程材料得到不同的组织，具备不同的性能，从而满足各种使用要求。此外，相同的金属组织，晶粒越细小、分布越均匀，其力学性能越高。,常用热加工工艺方法特点,铸锭宏观组织示意图,焊接接头宏观组织示意图,七、热处理的概念及常用工艺热处理是将金属在固态下通过加热、保温 和冷却过程，改变其内部组织，从而获得所需 性能的一种工艺方法。它的特点是：只改变金 属材料内部组织结构，获得所需性能，尽量避 免改变零件的形状。同样的材料经过不同的热 处理方法，可以得到不同的
5、内部组织，因此， 热处理工艺可以最大限度地发挥材料的潜力。钢的常用热处理方法有：退火、正火、淬 火和回火。,常用热处理方法的工艺曲线示意图,退火,正火,淬火,回火,1. 退火退火是将金属制件加热到高于或低于这种金属的临界温度，经保温一定时间，随后在炉中或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的一种热处理工艺。退火的目的：a. 降低硬度，以利于切削加工；b. 细化晶粒，改善组织，提高机械性能；c. 消除内应力，为下一道热处理作好准备；d. 提高金属材料的塑性、韧性，便于进行冷冲压或冷拉拔加工。退火的缺点：占用设备；生产率低。,2. 正火正火是将金属制件加热到高于或低于这种金属 的
6、临界温度，经保温一定时间，随后在空气中冷 却，以获得更细组织的一种热处理工艺。正火的作用与退火相似，与退火不同之处是：a. 正火是在空气中冷却，冷却速度快，所获得的组织更细。b. 正火后的强度、硬度较退火后的稍高，而塑性、韧性则稍低。c. 不占用设备；生产率高。,3. 淬火淬火是将金属制件加热到这种金属的临界温度以上3050，经保温一定时间，随后在水或油中快速冷却，以获得高硬度组织的一种热处理工艺。淬火的目的：提高金属材料的强度和硬度，增加耐磨性，并在回火后获得高强度和一定韧性相配合的性能。,4. 回火回火是把淬火后的金属制件重新加热到某一温度，保温一段时间，然后置于空气或油中冷却的热处理工艺
7、。回火的目的：为了消除淬火时因冷却过快而产生的内应力，降低金属材料的淬性，使它具有一定的韧性。根据加热温度的不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。,（1）低温回火：回火温度为150250。低温回火能消除一定的内应力，适当地降低钢的脆性，提高韧性，同时工件仍保持高硬度、高耐磨性，应用于各种量具和刃具。（2）中温回火：回火温度为350500。中温回火可大大减小钢的内应力，提高了弹性、韧性，但硬度有所降低，应用于弹簧和热锻模等。（3）高温回火：回火温度为500650。高温回火可以消除内应力，硬度有显著的下降，可获得具有强度、塑性、韧性等综合机械性能，应用于齿轮、连杆、曲轴等。5. 调质处理淬火后再经高温回火的热处理工艺，称为调质处理。一般要求具有较高综合机械性能的重要结构零件，都要经过调质处理。,
