材料与成形技术课件

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1、第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社目目 录录1.1 概述 1.1.1 金属材料的发展 1.1.2 非金属材料及复合材 料的发展 1.1.3 新材料的发展趋势1.2 固体材料的性能1.3 金属的结构 1.3.1 金属的晶体结构 1.3.2 实际金属的晶体结构1.4 金属的结晶 1.4.1 纯金属的冷却曲线和 过冷现象 1.4.2 金属的同素异构性 1.4.3 金属铸锭的组织1.5 二元合金 1.5.1 二元合金的相结构 1.5.2 二元合金相

2、图 1.5.3 相图与性能的关系1.6 铁碳合金 1.6.1 铁碳合金的基本相 和基本组织 1.6.2 铁碳合金相图1.7 碳钢 1.7.1 碳钢的分类 1.7.2 碳钢的牌号1.8 铸铁 1.8.1 铸铁的分类及特性 1.8.2 铸铁的石墨化过程 1.8.3 铸铁的牌号与性能1.9 钢的热处理 1.9.1 钢在加热时的组织转变 1.9.2 钢在非平衡冷却时的转变 1.9.3 钢的常用热处理工艺 1.9.4 钢的形变热处理 1.9.5 钢的表面淬火 1.9.6 钢的化学热处理1.10 钢中的合金元素 1.10.1 合金元素在钢中的 分布 1.10.2 合金元素在钢中的 作用1.11 合金钢 1

3、.11.1 合金结构钢 1.11.2 合金工具钢 1.11.3 特殊性能钢1.12 非铁金属材料 1.12.1 铝及铝合金 1.12.2 铜及铜合金 1.12.3 镁合金 1.12.4 钛合金 1.12.5 轴承合金材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社第第1章章 工程材料工程材料 材料是现代文明的三大支柱之一，也是发展国民经济和机械工业的重要物质基础。材料作为生产活动的基本投入之一，对生产力的发展有深远的影响。历史上曾把当时使用的材料，当作历史发展的里程碑，如“石器时代”、“青铜器时代”、“铁器时代”等。我国是世界上最早发现

4、和使用金属的国家之一。周朝是青铜器的极盛时期，到春秋战国时代，已普遍应用铁器。直到19世纪中叶，大规模炼钢工业兴起，钢铁才成为最主要的工程材料。 科学技术的进步，推动了材料工业的发展，使新材料不断涌现。石油化学工业的发展，促进了合成材料的兴起和应用；20世纪80年代特种陶瓷材料又有很大进展，工程材料随之扩展为包括金属材料、有机高分子材料（聚合物）和无机非金属材料三大系列的全材料范围。 人类早在6 000年以前就发明了金属冶炼，公元前4000年，古埃及人便掌握了炼铜技术。我国青铜冶炼始于公元前2000年（夏代早期）。古埃及在5 000年以前，就用含镍7.5的陨石铁做成铁球。我国春秋战国时期，已经

5、大量使用铁器。 1 11.1 概述概述1.1.1 金属材料的发展金属材料的发展材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.1.2 非金属材料及复合材料的发展非金属材料及复合材料的发展 铸铁的发展经历了5 000年的漫长岁月，只是到了瓦特发明蒸汽机以后，由于在铁轨、铸铁管制造中的大量应用，才走上工业生产的道路。15世纪18世纪，从高炉炼钢到电弧炉炼钢，奠定了近代钢铁工业的基础。 19世纪后半叶，欧洲社会生产力和科学技术的进步，推动了钢铁工业的大步发展，扩大了钢铁生产规模，提高了产品质量。从20世纪50年代到2006年，全世界的钢产

6、量由2.1亿吨增加到12.39亿吨。而我国2006年钢产量达到4.19亿吨，超过20世纪50年代全球钢产量一倍，跃居全球钢产量首位。 在黑色金属发展的同时，非铁金属也得到发展。人类自1866年发明电解铝以来，铝已成为用量仅次于钢铁的金属。1910年纯钛的制取，满足了航空工业发展的需求。 非金属材料如陶瓷、橡胶等的发展历史也十分悠久。进入到20世纪后，更是取得了重大的进展。人工合成高分子材料从20世纪20年代至今发展最快，其产量之大、应用之广可与钢铁材料相比。20世纪60年代到70年代，有机合成材料每年以14的速度增长，而金属材料年增长率仅为4。1970年世界高分子材料为4 000万吨，其中3

7、000万吨为塑料；橡胶为5 000万吨，这已超过天然橡胶的产量；合成纤维400万吨。 20世纪90年代，塑料产量已逾亿吨，按体积计，已超过钢铁产量。2005年我国塑料产量达到2 198.55万吨。2 2材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.1.3 新材料的发展趋势新材料的发展趋势 陶瓷材料近几十年的发展也十分引人注目。陶瓷材料在冶金、建筑、化工和尖端技术领域已成为耐高温、耐腐蚀和各种功能材料的主要用材。 航空、航天、电子、通信、机械、化工、能源等工业的发展对材料的性能提出了越来越高的要求。传统的单一材料已不能满足使用要求，

8、复合材料的研究和应用引起了人们的重视。玻璃纤维树脂复合材料、碳纤维树脂复合材料等已在航空航天工业和交通运输、石油化工等工业中广泛应用。 随着社会的发展和科学技术的进步，新材料的研究、制备和加工应用层出不穷。每一种重要的新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。工程材料目前正朝高比强度（单位密度的强度）、高比模量（单位密度的模量）、耐高温、耐腐蚀的方向发展。图1-1为材料比强度随时间的进展的示意图，该图表明今日先进材料强度比早期材料增长50倍。图1-1 材料比强度随时间的进展3 3材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子

9、音像出版社1.2 固体材料的性能固体材料的性能4 4新材料主要在以下几方面获得发展： 1. 先进复合材料先进复合材料 由基体材料（高分子材料、金属或陶瓷）和增强材料（纤维、晶须、颗粒）复合而成的具有优异性能的新型材料。 2.光电子信息材料光电子信息材料 光电子信息材料包括量子材料、生物光电子材料、非线性光电子材料等。 3.低维材料低维材料 指超微粒子（零维）、纤维（一维）和薄膜（二维）材料，这是近年来发展最快的材料领域。 4.新型金属材料新型金属材料 如镍基高温合金、非晶态合金、微晶合金、Al-Li合金金属间化合物等。 固体材料的主要性能包括力学性能、物理性能、化学性能、工艺性能等。力学性能是

10、工程材料最主要的性能，又称机械性能，指材料在外力作用下表现出来的性能，包括弹性、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、蠕变和磨损等。外力即载荷，常见的各种外载荷如图1-2所示。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1. 强度和塑性强度和塑性 图1-2 载荷的形式 材料强度指材料在达到允许的变形程度或断裂前所能承受的最大应力，如弹性极限、屈服点、抗拉强度、疲劳极限、蠕变极限等等。按外力作用的方式不同，强度可分为抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度等。工程上最常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。5 5材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版

11、社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社材料的强度、塑性指标可以通过实验测定。 图1-3a为低碳钢拉伸试验测得的应力应变图。试验时将材料做成如图1-3b标准试样，试样在外力作用下，其内部产生一种内力，其数值大小与外力相等，方向相反。材料单位面积上的内力称为应力，以 (单位：Pa)表示。可按下式计算：6 6(1-1) 1) 弹性和弹性模量 试样加载后应力不超过e，若卸载，试样能恢复原状，这种材料不产生永久变形的性能，称为弹性。e为材料不产生永久变形时所能承受的最大应力，称为弹性极限。 图中Op为直线，表示应力()与应变()成正比。P点是保持这种正比关系的最高点，p称为比列极

12、限。p与e在数值上很接近，应用时两者常取同一数值。图1-3 低碳钢拉伸应力应变图材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2) 塑性 7 7 Op的斜率E(E= )称为材料的弹性模量，即引起单位弹性变形所需要的应力。工程上把弹性模量E称为材料的刚度，表示材料抵抗弹性变形的能力。弹性模量E主要取决于材料的化学成分、合金化、热处理，冷热加工对它的影响很小。室温时钢的弹性模量E 在19000022000MPa之间。弹性模量随温度的升高而逐渐降低。 载荷超过弹性极限后，若卸载，试样的变形不能全部消失，将保留一部分残余变形。这种不能恢复的残

13、余变形，称为塑性变形，产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。塑性的大小用伸长率和断面收缩率表示。(1-2)式中: l试样拉断后对接的标距长度，mm； l0试样原标距长度，mm。(1-3) 材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社3) 强度8 8 式中 S0试样原始横截面积 ，mm2。 S 试样拉断后缩颈处最小横截面积 (mm2)。 、愈大，表示材料的塑性愈好。伸长率的值随试样原始长度增加而减小。所以，同一材料的短试样 ( l05d0 ，d0为试样原标距直径)比长试样 ( l010d0)的伸长率大20左右。用短试样和长试样测得的伸长

14、率分别用5和10表示。 金属材料因具有一定的塑性才能进行各种变形加工，并使零件在使用中偶然过载时，产生一定的塑性变形，而不至于突然断裂，提高零件使用的可靠性。 在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。按外力作用方式不同，可分为抗拉强度、抗压强度、抗扭强度等，以抗拉强度最为常用。当材料承受拉力时，强度主要是指屈服强度s和抗拉强度b。 (1) 屈服强度s 如图1-3所示，在s点（称屈服点）出现横向震荡曲线或水平线段，这表示拉力不再增加，但变形仍在进行，此时若卸载，试样的变形不能全部消失，产生微量的塑性变形。s即表示材料在外力作用下开始产生塑性变形时的最低应力，即材料抵抗微量塑性变形的能力。

15、 需要指出，大多数金属材料在拉伸时没有明显的屈服现象，按GB 2281987要求，取规定非比例伸长与原标距长度比为0.2时的应力（记为p0.2），作为屈服强度指标，称为条件屈服强度，可用0.2表示。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2. 硬度硬度9 9（1-4） 式中: F0.2试样产生0.2塑性变形时的外力。 零件在工作时一般不允许发生塑性变形。所以，屈服强度是零件设计时的主要参数。 （2）抗拉强度 抗拉强度为图1-3所示的b值，是试样保持最大均匀塑性变形的极限应力，即材料被拉断前的最大承载能力。当载荷达到Fb时，试样的

16、局部截面缩小，产生所谓的“缩颈”现象。由于试样局部截面逐渐缩小，故载荷也逐渐减小，当达到拉伸曲线上k点时，试样发生断裂。 s与b的比值称为屈强比，其值一般在0.650.75之间。屈强比愈小，工程构件的可靠性愈高，万一超载也不会马上断裂；屈强比愈大，材料的强度利用率愈高，但可靠性降低。 抗拉强度是零件设计时的重要参数。合金化、热处理、冷热加工对材料的s与b均有很大的影响。 硬度是指金属材料表面抵抗其它硬物体压入的能力，它是衡量金属材料软硬程度的指标。硬度值和抗拉强度等其它力学性能指标之间存在一定关系，故在零件图上，对力学性能的技术要求往往是标注硬度值。 材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出

17、版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社表1-1 常用硬度指标测试方法和适用范围1010 生产中也常以硬度作为检验材料性能是否合格的主要依据，并以材料硬度作为制定零件加工工艺的主要参考。测定硬度最常用的方法是压入法，工程上常用的硬度指标是布氏、洛氏和维氏硬度。硬度测定的方法和适用范围见表1-1。 由于各种硬度试验的条件不同，因此，相互间没有换算公式。但根据试验结果，可获得大致的换算关系如下：HBW10 HRC；HBWHV。硬度分类测试原理计算公式及适用范围测试原理简图布氏硬度用一定直径的硬质合金球体，以相应的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸载，用测量的表面压痕计算

18、硬度适用测定硬度值650以下材料,记为HBW洛氏硬度在初始试验力及总试验力先后作用下，将压头（金刚石圆锥或淬火钢球）压入试样表面，经规定保持时间后卸载，用测量残余压痕深度增量计算硬度HRA测定硬质合金、表面淬火层、渗碳钢;HRB测非铁金属、退火钢、正火钢；HRC测淬火钢、调质钢维氏硬度用锥面夹角136度的金刚石四棱锥体压头，在载荷F作用下，在试样表面压出一个四方锥形压痕，通过测量压痕投影两对角线平均长度d测量硬度可采用统一的硬度指标，测量从极软到极硬材料的硬度，硬度范围为81000HV。因压痕浅，特别适用于测定极薄试样的表面，但测量麻烦材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版

19、社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社3. 冲击韧度冲击韧度 1111 评定材料抵抗大能量冲击载荷能力的指标称为冲击韧度aK。常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的冲击韧度。其测定方法是按GB 229-1984制成带U形缺口的标准试样，将具有质量G（单位：kg）的摆锤举至高度为H（单位：m），使之自由落下（图1-4），将试样冲断后，摆锤升至高度h（单位：m）。如试样断口处的截面积为S（单位：cm2）。则冲击韧性aK （单位：J/cm2)的值为：图1-4 摆锤冲击试验 图1-5 材料的冲击韧度值温度关系曲线材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像

20、出版社高等教育电子音像出版社4. 疲劳强度疲劳强度1212aK = (1-5)式中： S试样缺口处的原始截面积，cm2。 材料的冲击韧度值主要取决于其塑性，并与温度有关。第二次世界大战中，美国建造了约5 000艘全焊接“自由轮”。其中在1942年至1946年间发生破断的船舶达1 000艘，1946年至1956年之间有200艘发生严重折断事故。1943年1月美国的一艘T-2y油船停泊在装货码头时断裂成两半。当时计算的甲板应力水平仅为70 MPa，远远低于船板钢的强度极限。1945年1948年美国国家标准局认真分析和研究了第二次世界大战焊接船舶的破断事故，通过在不同的温度下对材料进行一系列冲击试验

21、，得知材料的冲击韧度值随温度的降低而减小（图1-5），当温度降低到某一温度范围时，冲击韧度急剧下降，材料由韧性状态转变为脆性状态。这种现象称为“冷脆”。该温度范围称为“冷脆转变温度范围”。其数值愈低，表示材料的低温冲击性能愈好。这对于在低温下工作的零件具有重要的意义。 许多机器零件的弹簧、轴、齿轮等，在工作时承受交变载荷，当交变载荷的值远远低于其屈服强度时发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂与在静载作用下材料的断裂不同，不管是脆性材料还是韧性材料，疲劳断裂都是突然发生的，事先无明显的塑性变形，属于低应力脆断。 材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出

22、版社高等教育电子音像出版社图1-6 疲劳曲线 1313 金属材料所受的最大交变应力max 愈大，则断裂前所经受的循环次数N（疲劳寿命）愈少，最大交变应力max与循环周次N构成的曲线，称为疲劳曲线，如图1-6所示。当最大交变应力max低于某一值时，曲线与横坐标平行，表示循环次数N可以达到无穷大，而试样仍不发生疲劳断裂，该交变应力值称为疲劳强度或疲劳极限，用-1表示。一般规定钢材的循环次数N为107，非铁金属为108。 零件的疲劳失效过程分为三个阶段：疲劳裂纹产生、疲劳裂纹扩展、瞬时断裂。产生疲劳断裂的原因，是由于材料内部的缺陷、加工过程中形成的刀痕、尺寸突变导致的应力集中等。 材料的强度愈高，疲

23、劳强度也愈高。当工件表面留存残余压应力时，材料表面疲劳极限提高。 材料的疲劳强度与其抗拉强度之间存在一定的经验关系，如碳钢-10.43b，合金钢-10.35b12MPa。因此在其他条件相同的情况下，材料的疲劳强度随抗拉强度的提高而增加。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社5. 断裂韧度断裂韧度1414 一些工程结构件和机器零件在低于许用应力的条件下工作，产生无明显塑性变形的断裂，这种断裂称为低应力脆断。低应力脆断是由于材料内部已存在的宏观裂纹失稳扩展引起的。 如图1-7所示，材料中存在一条长度为2a的裂纹，在与裂纹方向垂直的

24、外加拉应力作用下，裂纹尖端附近的应力分布不再均匀，存在严重的应力集中现象，形成裂纹尖端应力集中场，其大小可用应力强度因子K （单位：Nmm-2/3 ）来描述。K= (1-6) 随或 a 增大，K亦增大。当K增大到某一临界值时，使裂纹尖端的应力场大到足以使裂纹失稳扩展，从而导致材料发生断裂。这个应力强度因子K的临界值，称为材料的断裂韧度，用KC表示。它反映材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能力。它是材料本身的特性，与材料的成分、热处理及加工工艺等有关。图1-7 张开型裂纹及其尖端应力场示意图材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社6

25、. 金属的高温力学性能金属的高温力学性能1515 材料在高温下其力学性能与常温下是完全不同的。 许多机械零件在高温下工作，在室温下测定的性能指标就不能代表其在高温下的性能。一般来说，随着温度的升高，弹性模量E、屈服强度S、硬度等值都将降低，而塑性将会增加，除此之外，还会发生蠕变现象。 蠕变是指金属在高温长时间应力作用下，即使所加应力小于该温度下的屈服强度，也会逐渐产生明显的塑性变形直至断裂。有机高分子材料，即使在室温下也会发生蠕变现象。 在911恐怖事件中，美国引以为傲的纽约世界贸易中心大楼完全倒塌。恐怖分子劫持的客机撞击大楼中上部，为何会造成整栋大楼完全倒塌？大楼为何会垂直塌落而不是倾倒？

26、这里部分牵涉到材料在高温下的力学性能问题。视频1 世界贸易中心大楼倒塌 纽约世界贸易中心大楼曾是世界第一高楼，它高411m，单个塔楼的重量约5万吨，美国凭借高强度的建筑钢材，和高水平的结构设计技术建成了这个庞然大物。事实证明纽约世界贸易中心大楼的建筑钢材和结构设计都是过得硬的，大楼不仅经历了近30年的风雨依然完好，甚至这次飞机的巨大撞击也未能使之立即倾倒。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社从从911事件看高温蠕变事件看高温蠕变 撞击大楼的波音757飞机起飞重量104 t，波音767飞机起飞重量156 t，它们的飞行速度大约

27、是每小时1 000 km。从速度比这小得多的汽车相撞事故，可以想象这次大型客机撞击大楼的冲击力有多么的巨大，但据幸存者描述，飞机的撞击使大楼虽然晃动了近1 m，但无论是内部还是外部并没有严重塌落，这是大量楼内工作人员得以逃生的关键。 这次撞击大楼的波音757飞机大约可载35 t燃油，波音767飞机可载51 t燃油，由于是从美国东部飞往西部的远程航班，所以飞机上的油箱估计装满了燃油。在起飞后这些飞机很快改变航线撞击纽约世界贸易中心大楼，机上燃油消耗很少，几乎将它们的满满一飞机油箱的优质航空煤油都撒到了大楼里，燃起了熊熊大火。 长时间猛烈的大火烧软了飞机所撞击的那几个楼层的钢材，而它上部楼层约数千

28、吨到上万吨的重量自然就会落下来，像一个巨大的铁锤，砸向下面的楼层，对下面的楼层结构的冲击力远远大于其原先静止时的重力，下面的楼层结构自然难以承受，于是一层层垂直地垮塌下来。 北京时间9月11日晚20:45 第一架飞机撞击世贸大楼的北部塔楼接近顶部的位置。由于这种波音757飞机所载燃油较少，加上撞击位置较高，上层压力较小，所以大火烧了很久，直到北京时间9月11日晚22:28，大火燃烧了1小时43分钟后世贸大楼北部塔楼才倒塌。1616材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.3 金属的结构金属的结构 固态物质按原子的聚集状态分为晶

29、体和非晶体。固态金属基本上都是晶体，非金属物质大部分也是晶体，如金刚石、硅酸盐、氧化镁等，而常见的玻璃、松香等，则为非晶体。1.3.1 金属的晶体结构金属的晶体结构1717图1-8 晶体中原子排列示意图 1. 晶体和金属的特性晶体和金属的特性 原子在空间呈规则排列的固体物质称为“晶体”，如图1-8a所示。晶体具有固定的熔点。金属晶体中，金属原子失去最外层电子变成正离子，每一个正离子按一定规则排列并在固定位置上作热振动，自由电子在各正离子间自由运动，并为整个金属所共有，形成带负电的电子云。正离子与自由电子的相互吸引，将所有的金属原子结合起来，使金属处于稳定的晶体状态。金属原子的这种结合方式称为“

30、金属键”。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2. 晶格、晶胞和晶格常数晶格、晶胞和晶格常数1818 金属键的特点是没有饱和性和方向性。自由电子的定向移动形成了电流，使金属表现出良好的导电性；正电荷的热振动阻碍了自由电子的定向移动，使金属具有电阻；温度升高，正电荷热振动振幅增加，电阻增大，电阻温度系数增大，使金属具有正的温度系数；自由电子能吸收可见光的能量，使金属具有不透明性；当自由电子从高能级回到低能级时，将吸收的可见光的能量以电磁波的形式辐射出来，使金属具有光泽；晶体中原子发生相对移动时，正电荷与自由电子仍能保持金属键结

31、合，使金属具有良好的塑性。 非晶体的原子则是无规律、无次序地堆积在一起的。 为了便于分析晶体中原子排列规律及几何形状，将每一个原子假设成一个几何点，忽略其尺寸和重量，再用假想线把这些点连接起来，得到一个表示金属内部原子排列规律的抽象的空间格子，称为“晶格”，如图1-8b所示。 晶格中各种方位的原子面称为“晶面”，构成晶格的最基本几何单元称为“晶胞”，如图1-8c所示。晶胞的大小以其各边尺寸a、b、c表示，称为“晶格常数”，以 (埃)为单位(1 =110-8 cm)。晶胞各边之间的夹角以、表示，如图1-8c所示。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社

32、高等教育电子音像出版社3. 晶向与晶面晶向与晶面1919 1) 立方晶系的晶向指数 在晶体中，任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指方向称为晶向。通常采用晶向指数来确定晶向在晶体中的位向（图1-9）。 确定立方晶系的晶向指数方法如下： (1) 选定晶胞的某一点阵为原点，以晶胞的3条棱边为坐标轴，以棱边的长度为单位长度； (2) 过原点作一有向线平行于待定晶向，所有相互平行的晶向有相同的晶向指数uvw，如果方向相反，则它们的晶向指数的数值相同，但符号相反； (3) 取有向线段上任一点的座标值化为最简整数，加以方括号，uvw即为晶向指数。 例如，当坐标值x=1，y=2, z=1/3时，其晶向指数

33、为361。图1-9 立方晶系的一些晶向指数材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社图1-10 立方晶系中一些主要晶面的晶面指数2020 2) 立方晶系的晶面指数 晶体中各种方位的原子面称为晶面。立方晶系的晶面指数通常采用密勒指数法确定，即晶面指数是根据晶面与3个坐标轴的截距来决定。晶面指数的一般表示形式为(h k l)，其确定步骤如下： (1) 建立坐标：选晶胞中不在所求晶面上的某一晶胞阵点为坐标原点（以免出现零截距），以晶胞3条棱边为坐标轴，以晶格常数为单位； (2) 取晶面的三坐标截距值为倒数，并化为最简整数，依次计入圆括号

34、( )内，即为该晶面的晶面指数。 与晶向指数相似，所有相互平行的晶面都有相同的晶面指数。指数值相同而符号相反的两个晶面，如(100)与( )，则平行地分布在原点两边。图1-10所示为立方晶系中一些主要晶面的晶面指数。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社4. 常见的晶格类型常见的晶格类型 根据晶胞的三条棱边是否相等、三个夹角是否相等以及是否为直角关系，晶体学将所有晶体分为7个晶系，14种空间点阵，称作布喇菲空间点阵（图1-101）。 由于金属键结合力较强，使金属原子具有趋于紧密排列的倾向，故大多数金属属于以下三种晶格类型。图1

35、-10_1 布喇菲空间点阵2121材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1) 体心立方晶格体心立方晶格2222 体心立方晶格的晶胞如图1-11a所示，由八个原子构成一个立方体，在立方体的中心还有一个原子，其晶格常数a=b=c，棱边夹角=90。晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有18个原子，中心的原子为该晶胞独有，如图1-12b所示，故晶胞中实际原子数为81/8 +1 = 2 个。属于这类晶格的金属有：-Fe、铬(Cr)、钼(Mo)、钒(V)、钨(W)等。图1-11 体心立方晶胞材料与成形技术优秀课件第第

36、页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2) 面心立方晶格2323 面心立方晶格的晶胞如图1-12a所示，由八个原子构成一个立方体，在立方体六个面的中心各有一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有18个原子，中心面上的原子为二个晶胞共有，如图1-12b所示，故晶胞中实际原子数为81/8+61/2 = 4 个。属于这类晶格的金属有：-Fe、铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、镍(Ni)、金(Au)等。图1-12 面心立方晶胞 材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社

37、3) 密排六方晶格2424 密排六方晶格的晶胞如图1-13a所示，是一个六方柱体。柱体的上、下底面六个角及中心各有一个原子，柱体中心还有三个原子。柱体角上的原子为相邻六个晶胞共有，上、下底面的原子为两个晶胞共有，柱体中心的三个原子为该晶胞独有，如图1-13b所示，故晶胞中实际原子数为121/6 +21/2 +3 = 6 个。属于这类晶格的金属有：镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、镉(Cd)等。图1-13 密排六方晶胞 材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社5. 晶体结构的致密度晶体结构的致密度2525 由于把金属看成是刚性小

38、球，所以即使是一个紧挨一个地排列，原子间仍会有空隙存在。晶体结构的致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比，用来对原子排列的紧密程度进行定量比较。 体心立方晶胞中含有2个原子，这2个原子的体积为2(43)r3，式中r为原子半径，如图1-14所示，原子半径与晶格常数 a 的关系为r =( 4)a，晶胞体积为a3，故体心立方晶格的致密度为 这表明在体心立方晶格中，有68的体积被原子所占有，其余为空隙。同理亦可求出面心立方及密排六方晶格的致密度均为0.74。显然，致密度数值愈大，原子排列就愈紧密。所以，当纯铁由面心立方晶格转变为体心立方晶格时，由于致密度减小而使体积膨胀。 图1-14 体心立方晶

39、胞 原子半径计算 材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.3.2 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构2626 1. 多晶体与亚结构多晶体与亚结构 结晶方位完全一致的晶体称为“单晶体”，如图1-15所示。单晶体在不同晶面和晶向的力学性能不同，这种现象称为“各向异性”。实际金属晶体内部包含了许多颗粒状的小晶体，每个小晶体内部晶格位向一致，而各小晶体之间晶格位向不同，如图1-16所示。小晶体称为“晶粒”，晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。由于晶界是相邻两晶粒不同晶格方位的过渡区，所以在晶界上原子排列是不规则的。这种由多晶粒构成的

40、晶体结构称为“多晶体”，多晶体呈现各向同性。图1-15 单晶体 图1-16 实际金属晶体材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2727 钢铁材料的晶粒的尺寸一般为10-110-3 mm，所以必须在显微镜下才能观察到。在显微镜下观察到的各种晶粒的形态、大小和分布情况，称为“显微组织”。同一颗晶粒内还存在许多尺寸更小、位向差也很小(12)的小晶块，称为“亚晶粒”，亚晶粒的边界称为“亚晶界”，如图1-16_2 所示。图1-16_2 晶界和亚晶界材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教

41、育电子音像出版社2. 晶格缺陷晶格缺陷2828 实际金属晶体中，由于结晶条件或加工等的影响，使原子的排列规则受到破坏，因而晶体内部存在大量的晶格缺陷。根据晶格缺陷的几何形状特点，可分为三类。 1) 点缺陷 点缺陷是指长、宽、高三个方向上尺寸都很小的缺陷，如“间隙原子”、“置换原子”和“空位”。间隙原子是在晶格的间隙中存在多余原子(图1-17a)；置换原子是指结点上的原子被异类原子所置换(图1-17b)；晶格空位是在正常的晶格结点上出现空位(图1-17c)。 由于晶格点缺陷的存在，使点缺陷周围的晶格发生靠拢或撑开的现象，从而造成晶格畸变。空位和间隙原子总是处在不停地运动和变化之中，空位和间隙原子

42、不停地运动，是金属中原子扩散的主要方式之一，这对热处理和化学热处理过程都是极为重要的。图1-17 点缺陷示意图材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2) 线缺陷2929 线缺陷是指在一个方向上尺寸较大，而在另外两个方向上尺寸很小的缺陷，呈线状分布，其具体形式是各种类型的位错。较简单的一种是“刃型位错”，如图1-18所示，好像沿着某个晶面插入一列原子但又未插到底，如同刀刃切入一样。多出的一列原子位于晶体的上部称为“正刃型位错”，用符号“”表示；多出的一列原子位于晶体的下部称为“负刃型位错”， 用符号“”表示。图1-18 刃型位错

43、示意图材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社3) 面缺陷3030 面缺陷是指在两个方向上尺寸较大，而在另一个方向上尺寸很小的缺陷，如图1-18_2所示。如晶界和亚晶界。多晶体中存在晶界和亚晶界，晶界和亚晶界处原子不规则排列，导致晶格畸变，使晶界处能量高出晶粒内部，使晶界表现出与晶粒内部不同的性能。如晶界易被腐蚀；晶界的熔点较低；晶界处原子扩散速度较快；晶界的强度、硬度较晶粒内部高。图1-18_2 面缺陷示意图材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.4 金属的

44、结晶金属的结晶3131 原子从一种聚集状态转变成另一种规则排列的过程，称为“结晶”，结晶可以是液态金属转变成固态金属；或固态金属转变成固态金属，即固态金属的相变。金属的结晶一般在过冷的条件下进行；结晶的过程是由形成晶核和晶核长大两个阶段组成。1.4.1 纯金属的冷却曲线和过冷现象纯金属的冷却曲线和过冷现象 纯金属都有一个固定的熔点或结晶温度。金属的结晶温度可以用热分析法测定。将液态金属放在坩埚中缓慢冷却，在冷却过程中记录温度随时间变化的数据，并将其绘成如图1-19所示的纯金属冷却曲线。 温度Tm为纯金属的晶体与液体平衡共存的温度，称为理论结晶温度。显然在Tm温1纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线

45、图1-19 金属结晶的冷却曲线示意图度纯金属的结晶速度与熔化速度相等。所以，只有进一步冷却使金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温度Tm时，结晶才能进行，如图1-19曲线b所示。实际结晶温度Tn低于理论结晶温度Tm的现象，称为过冷，其差值称为过冷度T，即T= TmTn。过冷度不是恒定值，其大小取决于液态金属的冷却速度、金属的性质和纯度。同一液态金属，冷却速度愈大，过冷度也愈大。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2. 纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程3232 图1-20表示纯金属的结晶过程。液态金属中存在有序排列的原子小集团，

46、随液态金属原子的热运动，这些原子小集团时聚时散，当温度低于理论结晶温度时，这些原子小集团成为有规则排列的小晶体，称为“晶核”。晶核通过吸附周围的原子，沿各个方向以不同的速度长大，同时又有新的晶核形成，在晶核的棱角处长大速度最快，生成晶体的主干，又称一次晶轴，如图1-21中的。在晶体主干长大的过程中，又不断生出了分枝，如图1-21中的、，其形态如同树枝，故称为“枝晶”，如图1-21所示。如果在结晶的过程中，有足够的液体金属填满各枝晶间的空隙，则凝固后，枝晶就不会显露出来。因此，往往是在金属的表面上才可以显示出它的外形，如图1-22所示。图1-21 枝晶示意图 图 1-22 锑锭表面的树枝状晶体图

47、1-20 纯金属结晶过程示意图材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社视频2 金属的结晶3333材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社3. 金属结晶后晶粒的大小金属结晶后晶粒的大小3434 金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体，其晶粒的大小与晶核数目和长大速度有关。单位时间、单位体积内形成的晶核数称为“形核率”，用符号N表示；单位时间内晶核长大的平均线速度称为“长大速度”，用符号G表示。形核率N愈高，晶核长大速度G愈小，晶粒愈细小，材料的力学性能愈好。 铸造生产中

48、，常用以下方法细化液态金属结晶的晶粒。 1) 增加过冷度 图1-23是实际测得的液态金属结晶时过冷度T 与形核率N、长大速度G的关系。由图可见，随过冷度的增加，形核率和长大速度均增加。当过冷度较大时，形核率比长大速度增长得快，并当达到一定的过冷度T时，各自达到一个最大值。在连续冷却过程中，冷却速度愈大，则过冷度愈大，形核率愈高，而长大速度相对较小，液态金属凝固后得到细小晶粒；当缓慢冷却时，过冷度小，晶粒粗大。图1-23 过冷度T与形核率N、长大速度G的关系 材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2) 变质处理3535 虽然增大

49、冷却速度能细化晶粒，但对于大型铸件，不容易获得较大的过冷度，且易产生较大的应力集中而造成裂纹的产生，所以在实际生产中常采用变质处理来细化晶粒。 浇注时，向液态金属中加入一些高熔点、难溶解的金属或合金，当其晶体结构与液态金属的晶体结构相似时，使形核率大大提高，获得均匀细小的晶粒。这种方法称为“变质处理”，加入的物质称为“变质剂”。 3) 附加振动 金属结晶时，对液态金属附加机械振动、超声波振动、电磁振动等措施，使液态金属在铸模中运动，造成大原子团破碎成小原子团；枝晶断裂，使已生长的晶粒因破碎而细化，而且破碎的枝晶尖端又形成新的晶核。这两种结果都增加了形核率，故附加振动也能细化晶粒。 对于固态金属

50、，可以用热处理或压力加工的方法细化晶粒。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.4.2 金属的同素异构性金属的同素异构性3636 液态金属结晶后获得具有一定晶格结构的晶体。高温状态下的晶体在冷却过程中，晶格结构发生改变的现象，称为“同素异构转变”，又称为“重结晶”。一种金属具有两种或两种以上的晶体结构，称为“同素异构性”。如Fe、Co、Sn、Mn等元素都具有同素异构性。 铁在结晶后继续冷却至室温的过程中，将发生两次晶格转变，如图1-24所示。其转变过程如下：-Fe -Fe -Fe体心立方 面心立方 体心立方 金属的同素异构转

51、变同样遵循晶核形成和晶核长大的结晶基本规律。固态下原子扩散比液态下困难得多，致使同素异构转变具有较大的过冷度。同时，晶格结构的改变，致密度的改变和晶体体积的改变，使金属材料内部产生内应力，这种内应力称为“相变应力”。图1-24 纯铁的冷却曲线材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.4.3 金属铸锭的组织金属铸锭的组织3737 液态金属结晶后形成的晶体称为“铸态晶”。在实际生产中，液态金属是在铸锭模中结晶的，铸锭的结晶属于大体积结晶，其特点是过冷度小，整个截面存在明显的温度梯度，结晶是从表面至中心逐步进行，不是整个截面同时均匀

52、结晶，所以，结晶后的组织粗细不均匀，形状也不同。将铸锭剖开可以看到三个不同的晶区，如图1-25所示。图1-25 钢锭组织的示意图1细晶粒层；2柱状晶晶粒层；3等轴晶粒层材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.5 二元合金二元合金3838 由两种或两种以上的金属或金属与非金属组成的具有金属性质的物质称为合金。组成合金最基本、最独立的物质称为组元。一般来说，组元就是组成合金的化学元素，或是稳定的化合物。由两种组元组成的合金称为二元合金。 液态合金结晶时，合金组元间相互作用，形成具有一定晶体结构和一定成分的相。相是指合金中成分相同

53、、结构相同，并与其它部分以界面分开的均匀组成部分。 一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体称为组织。相的相对数量、形状、尺寸和分布的不同，形成了不同的组织，不同的组织使合金具有不同的力学性能。 固态合金中的相，按其晶格结构的基本属性，可分为固溶体和金属化合物两类。1.5.1 二元合金的相二元合金的相结构构 1. 固溶体固溶体 合金在固态下，组元间互相溶解而形成的均匀相，称为固溶体。晶格与固溶体相同的组元称为固溶体的溶剂，其它组元称为固溶体的溶质。溶质以原子状态分布在溶剂的晶格中。根据溶质原子在溶剂晶格中所占的位置，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育

54、出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1）间隙固溶体）间隙固溶体3939 溶质原子溶入溶剂晶格各结点间的间隙中形成的固溶体，称为间隙固溶体，如图1-26_1所示。间隙固溶体是由一些原子半径小于1 的非金属元素，如H、O、C、B、N，溶入过渡族金属而形成，而且只有当溶质原子直径与溶剂原子直径的比值小于0.59时，才能形成间隙固溶体。溶剂晶格的间隙是有限的，因此，间隙固溶体只能是有限固溶体。 溶质原子溶入固溶体中的量，称为固溶体的浓度。在一定条件下，溶质原子在固溶体中的极限浓度，称为溶质原子在固溶体的溶解度。间隙固溶体的溶解度与溶质原子半径及溶剂的晶格类型有关。溶质原子

55、半径愈小，溶解度愈大。溶剂晶格类型不同，具有的间隙大小不同，溶解度也不同。 图1-26_1 间隙固溶体结构示意图 材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2) 置换固溶体 4040 溶质原子溶入溶剂晶格，并占据溶剂原子的某些晶格结点位置而形成的固溶体，称为置换固溶体，如图1-26_2所示。置换固溶体中，溶质原子在溶剂晶格中的分布是任意的、无规律的。如果溶质原子在溶剂晶格中的溶解度有一定限度，则称为有限互溶，形成有限置换固溶体；如果合金组元可以以任何比例相互溶解，如Cu-Ni 合金，这称为无限互溶，形成无限置换固溶体。形成无限置换

56、固溶体必须满足：溶质与溶剂晶格类型相同；溶质原子与溶剂原子直径相近；溶质原子与溶剂原子电负性相接近。图1-26_2 置换固溶体结构示意图 此外，溶质原子在溶剂晶格中的溶解度还与温度有关，温度愈高，溶解度愈大。 3) 固溶体的性能 当溶质原子溶入溶剂晶格，使溶剂晶格发生畸变，导致固溶体强度、硬度提高，塑性和韧性略有下降的现象，称为固溶强化。如果溶质浓度适当，固溶体亦具有良好的塑性和韧性，所以，成分得当的固溶体合金具有很好的综合力学性能。溶剂晶格畸变亦使其电阻增大，所以，高电阻合金都是固溶体合金。单相固溶体在电解质中不会像多相固溶体那样构成微电池，故单相固溶体合金的耐蚀性较高。 材料与成形技术优秀

57、课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2. 金属化合物金属化合物 4141 合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，将析出新相。若新相的晶格结构与合金的另一组元相同，则新相为以另一组元为溶剂的固溶体。若新相的晶格类型和性能完全不同于任一组元，并具有一定的金属特性，则新相是合金组元相互作用形成的一种新物质金属化合物。 Fe3C是铁碳合金中最重要的具有复杂结构的间隙化合物，碳原子直径与铁原子直径之比为0.61。Fe3C又称渗碳体，具有复杂斜方晶格。Fe3C中Fe原子可以部分地被其它金属原子置换，形成以渗碳体为基的固溶体，如(Fe、Mn)3C、(Fe

58、、Cr)3C等，称为合金渗碳体。 金属化合物一般具有复杂晶体结构。它熔点高，硬度高，脆性大，塑性几乎为零。如间隙相TiC的熔点为3 410 ，硬度2 850 HV；WC的熔点为2 876 ，硬度为1 730 HV；Fe3C的熔点为1 227 ，硬度为860 HV。 金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，使合金的强度、硬度、耐热性和耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。因此，金属化合物在合金中常作为强化相，它是合金的重要组成相。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.5.2 二元合金相图二元合金相图4242 合金存在的

59、状态由合金的成分、温度和压力三个因素确定。由于合金的熔炼、加工处理通常在常压下进行，所以，合金存在的状态可由合金的成分和温度两个因素确定。合金的成分或温度改变，合金中所存在的相及相的相对量也发生改变，合金的组织和性能也发生改变。 合金相图是表示在平衡状态下，合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。所谓平衡，是指在一定的条件下合金系中参与相变过程的各相成分和相对质量不再变化所达到的一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。分析 合金在结晶过程中的变化规律，可以知道相的形状、大小和分布状况，即组织状态，预测

60、合金的性能。 由两组元组成的合金系构成的相图，称为二元合金相图，又称为二元合金平衡相图或二元合金状态图。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1. 二元合金相图的确定二元合金相图的确定4343 (1) 配制几组成分不同的Cu-Ni合金，如图1-27a所示。 (2) 用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线，如图1-27a所示。 (3) 找出图中各冷却曲线上的相变点，即冷却曲线上的转折点，a点和b点。 (4) 将a点和b点标在以温度为纵坐标、以成分为横坐标的图中，将所有a点和b点分别连接起来，即得Cu-Ni合金相图，如图1-27b

61、所示。 由图1-27a可见，纯铜和纯镍的冷却曲线上都有一个水平线段，表明纯金属的结晶过程是在恒温下进行的。其他四个合金结晶开始后，由于放出结晶潜热，使温度下降变慢，冷却曲线变得平缓；结晶终了后，不再放出结晶潜热，温度下降变快，冷却曲线变得陡直。所以，在冷却曲线上有两个转折点，即有两个相变点，表明四个合金都是在一定温度范围内结晶的。温度较高的相变点(a点)，表示开始结晶温度，称为上相变点；温度较低的相变点(b点)，表示结晶终了温度，称为下相变点。图1-27 热分析法测定Cu-Ni合金相图材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2.

62、 相律相律 4444 (1) 平衡 当外界条件不变时，体系的状态不随时间而改变，即体系内各相的成分、结构和相对量等均不发生变化，称为平衡状态。平衡具有动态的性质，达到平衡时体系中正向和逆向的过程以相等的速度进行。 (2) 自由度 自由度是平衡体系的独立可变因素的数目（如温度、压力、相的成分等），即这些因素可在一定范围内独立变化而不改变其平衡状态，则自由度为3。如改变这三者中的两个仍能维持此两平衡相，则自由度为2。如只能改变三者之一而不影响平衡相，自由度数为1。如果三个因素都不能独立改变，否则会引起平衡相的改变，那么自由度为零。 (3) 相律的表达式 相律用来表示在平衡条件下，独立组元数、相数和

63、自由度数三者之间的关系。相律对相图有指导作用。通常在只考虑温度影响时，相律可用下式表示 FCP1 (1-7) 式中：F 体系的自由度数； C 体系中独立组元数； P 相数。 材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社3. 二元匀晶相图二元匀晶相图4545 单元系凝固时，液、固相共存，故F0，说明相变时温度不能变化，为恒温过程。二元系凝固时，如有三相共存，F也为零，也是恒温过程；如是二相共存，F1，说明凝固时其温度或平衡相成分两者中有一个是可以独立变化的。 应用相律可知体系中最多能共存的平衡相数。单元系C1，F1P12P，故最多是两

64、个平衡相共存。二元系最多是三个平衡相共存。 二组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相图，称为二元匀晶相图。如Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Cr、W-Mo、Bi-Sb等二元合金系，均为匀晶相图。 1）相图分析 图1-27为Cu-Ni二元匀晶相图。a点连线是合金开始结晶点的连线，称为液相线；b点连线是合金结晶终了点的连线，称为固相线。液相线和固相线将相图分为三个相区，液相线以上为单相液态，用“L”表示；固相线以下为单相固态，用“”表示；液相线和固相线之间为固、液共存的二相区，用“L+” 表示。tA点是纯铜的熔点，为1 083 ；tB点是纯镍的熔点，为1 455 。图1-27 热分析法测

65、定Cu-Ni合金相图材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2) 杠杆定律4646 在结晶过程中，液、固二相的成分分别沿液相线和固相线变化。设有合金K，若想知道它在tx 时液、固二相的成分，可作一条代表tx 的水平线，令其与液相线和固相线分别交于x及x，那么x及x的横坐标就代表tx 时液、固两平衡相的成分。即液相中含Ni量为x；固相中含Ni量为x；合金中含Ni量为K，如图1-28a所示。 设合金的相对总质量为1，液相的相对质量为QL，固相的相对质量为QS。 则 QL+QS =1 (1-8) QLx + QSx=K (1-9) 解

66、方程(1-8)与(1-9)得QL=； QS= 由图1-28a所示的线段关系，上式可改写成：图1-28 杠杆定律的力学比喻又(1-10)材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社3）非平衡结晶过程分析 由图1-28b可见，液、固二相的相对量关系，如同力学中的杠杆定律。因此，在相平衡的计算中，称式(1-10)为杠杆定律。必须注意：杠杆定律只适用于两相平衡区中两平衡相的相对含量计算。4747 固溶体合金在结晶过程中，只有在极其缓慢冷却条件下，原子才能进行充分的扩散，结晶完毕时，形成成分均匀的固溶相。但在实际铸造条件下，冷却较快，不能保持

67、平衡状态，原子扩散来不及充分进行，使相成分不均匀。先结晶的固溶体富含高熔点组元Ni，后结晶的固溶体富含低熔点组元Cu。因而，在结晶每一温度瞬间，的平均浓度总是高于/L界面处的平衡浓度，相图中固相的平均成分线与平衡成分线不一致，如图1-29所示。当相平均浓度达到合金成分(30Ni)，结晶完成，最后得到的固溶体成分不均匀。因固溶体结晶按树枝状方式进行，因而成分不均匀沿树枝晶分布，结晶的主干含高熔点组元Ni多，枝晶外围含低熔点组元Cu多，形成所谓“枝晶偏析”、“晶内偏析”或“树枝状偏析”，如图1-30所示。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电

68、子音像出版社图1-29 固溶体的非平衡结晶 图1-30 Cu-Ni合金枝晶偏析示意图 4848 枝晶偏析程度取决于以下因素： （1）冷却速度愈大，扩散进行愈不充分，偏析程度愈大。 （2）相图的结晶范围愈大，偏析成分的范围愈大。 枝晶偏析使合金的力学性能、工艺性能降低。 消除或改善方法：将铸件加热到低于固相线100200的温度，进行较长时间的保温，使偏析元素进行充分的扩散，以达到使成分均匀的目的。称为扩散退火 材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社4. 二元共晶相图二元共晶相图4949 两组元在液态时无限互溶，固态时有限溶解，结

69、晶时发生共晶转变，形成两相机械混合物的相图称为共晶相图。Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Al-Si等合金的相图，都属于共晶相图。 1）相图分析 现以Pb-Sn合金为例，对共晶相图进行分析。Pb-Sn合金共晶相图如图1-31所示。aeb为液相线，acedb为固相线。a点（327 ）为Pb的熔点，b点（232 ）为Sn的熔点。cf为Sn溶于Pb的溶解度曲线，dg为Pb溶于Sn的溶解度曲线，溶解度曲线又称固溶线。合金系有三个相：液相L、固相和，相是Sn溶于Pb的固溶体，相是Pb溶于Sn的固溶体。 相图中有三个单相区：L、和；三个两相区：L+、L+及+；一个三相区 ：L+，即水平线ced。图1-3

70、1 Pb-Sn相图 材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社5050 c点以左的合金结晶完毕时，都是固溶体；d点以右的合金结晶完毕时，都是固溶体；成分在c点和d点之间的合金，当温度下降到ced线(183)时，成分为e点的液态合金在结晶时，将同时结晶出成分为c点的固溶体(c)和成分为d点的固溶体(d)。即 Lec+d 这种一定成分的液相，在一定温度下，同时结晶出成分不同的两种固相的转变，称为共晶转变。e点称为共晶点，ced线称为共晶线。成分对应于共晶点的合金称为共晶合金，成分位于ce之间的合金称为亚共晶合金，成分位于ed之间的合金

71、称为过共晶合金。 为了研究组织的方便，常常将组织组成物标注在合金的相图上，如图1-32所示。常温状态下，Pb-Sn合金的组织分为五个区：+、+(+)+、(+)、+ (+)+、+，组织组成物为、(+)。为从相中析出的Pb 溶于Sn的固溶体；为从相中析出的Sn 溶于Pb的固溶体，和称为次生相或二次相。它们与从液相中析出的初生相和成分和结构相同，但它们的形态、数量、分布均不相同。因此，与 (或与)同是一种相，但却是两种不同的组织。和相形成温度较高，晶粒较粗大，呈树枝状或颗粒状；和形成温度较低，呈细小颗粒状分布在固溶体(或)晶粒内或呈网状分布在固溶体(或)晶界上。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教

72、育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社图1-32 标注组织组成物的Pb-Sn相图5151图1-33 Pb-Sn亚共晶合金 图1-34 Pb-Sn过共晶合金 图1-35 Pb-Sn合金中的 显微组织(100) 显微组织(100) 比重偏析(100) 亚共晶合金的最终组织为+(+)+，其显微组织见图1-33。图中暗黑色树枝状为初晶固溶体，黑白相间分布的为(+)共晶体，枝晶内的白色颗粒为。 过共晶合金的最终组织为+ (+)+，其显微组织见图1-34。图中亮白色卵形为初晶固溶体，黑白相间分布的为(+)共晶体，初晶内的黑色小颗粒为。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出

73、版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2) 比重偏析5252 合金在结晶时，如果结晶出来的晶体的比重与液相的比重相差较大，则这些晶体便会上浮或下沉，从而导致铸件上、下部分的化学成分不一样。这种因比重不同而造成的化学成分不均匀的现象，称为比重偏析。图1-35所示为亚共晶Pb-Sn合金组织中，因比重较小的晶上浮而形成的比重偏析。 比重偏析使铸件各部分的成分、组织、性能不同，影响铸件的使用。比重偏析不能通过热处理消除，只能采取控制合金的成分、浇注时进行搅拌、增加冷却速度来消除。5二元共析相图二元共析相图 从一个固相中同时析出成分和晶体结构完全不同的两种新的固相的转变过程，称

74、为共析转变。图1-36为具有共析转变的二元合金相图。图中A、B为两组元，合金结晶后得到固溶体，c固溶体在衡温下进行共析转变： cd+e (d+e)称为共析体，c点为共析点， dce为共析线，对应的温度称为共析转变温度。因为共析转变是在固态下进行的，转变温度较低，原子扩散困难，因而过冷度较大。与共晶体相比，共析体的组织较细小且均匀。图1-36 具有共析转变的二元合金相图材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.5.3 相图与性能的关系相图与性能的关系5252 合金的力学性能与物理性能决定于合金的成分及组织，合金的某些工艺性能如铸

75、造性能还与合金的结晶特点有关。而相图表明了合金的成分、组织及合金的结晶特点，因此利用相图可大致判断合金的性能，并作为选用材料和制定工艺的参考。 1. 合金形成单相固溶体合金形成单相固溶体 当合金形成单相固溶体时，合金的性能与组元的性质及溶质原子的溶入量有关。对于一定的溶剂和溶质来说，溶质溶入溶剂量愈多，则合金的强度(b)、硬度(HB)愈高，电阻愈大，电阻温度系数()愈小，如图1-37所示。总的来说，形成单相固溶体的合金具有较好的综合力学性能。但是，固溶强化使合金所能提高的强度、硬度有限。图1-37 固溶体合金的力学性能、物理性质与合金成分的关系材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等

76、教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2. 当合金形成两相混合物当合金形成两相混合物5353 共晶和共析转变都会形成两相混合物，如图1-38所示。在单相固溶体和单相固溶体区间，力学性能、物理性能与成分呈曲线关系，在两相区内，合金性能介于两组成相之间，与成分呈直线关系，是两相的平均值。但应指出，只是当合金两相的晶粒较粗且分布均匀时，性能与成分的关系才符合直线关系。当形成细小的共晶体和共析体时，合金的力学性能将偏离直线关系而出现如虚线所示的高峰。 相图与工艺性能的关系如图1-39所示。由图可见，合金的铸造性能取决于合金结晶区间的大小。共晶成分的合金在恒温下结晶，固、液两相区间为零

77、，结晶温度最低，故流动性最好。在结晶时易形成集中缩孔，铸件的致密性好，故铸造合金应选用共晶成分附近的合金。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.6 铁碳合金铁碳合金5454 铁碳合金是以铁和碳为组元的二元合金，是机械制造中应用最广泛的金属材料。1.6.1 铁碳合金的基本相和基本组织铁碳合金的基本相和基本组织 铁是具有同素异构的金属。铁碳合金的基本组元是Fe与Fe3C，属于二元合金。其基本相有铁素体、奥氏体和渗碳体三种。由基本相组成的铁碳合金的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体和低温莱氏体六种。其特性归纳列于表

78、1-2中。组织名称符号组织特点碳的最大溶解度力学性能铁素体F碳溶解于体心立方晶格-Fe中所形成的固溶体0.0218塑性和韧性较好3050，b=180280MPa奥氏体A碳溶解于面心立方晶格-Fe中所形成的固溶体2.11质软、塑性好4050HBW170220渗碳体Fe3C具有复杂斜方结构的铁与碳的间隙化合物6.69塑性、韧性几乎为零，脆、硬珠光体PWC=0.77的奥氏体同时析出F与Fe3C的机械混合物（共析反应）b=600800MPa，=2025，HBW170230莱氏体LdLdWC=4.3的金属液体同时结晶出A和Fe3C的机械混合物(共晶转变)硬度很高，塑性很差表1-2 铁碳合金基本组织材料与

79、成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.6.2 铁碳合金相图铁碳合金相图5555 1. 相图分析相图分析 在铁碳合金中，Fe与C两元素会形成固溶体和化合物。铁碳合金(Fe-Fe3C)相图是研究铁碳合金的成分、温度、组织三者之间关系的图形，是研究钢和铸铁的组织图1-40 Fe-Fe3C相图 和性能的基础，是选择钢铁材料的依据，对制定材料成形及热处理加工工艺有重要的指导意义。 图1-40为Fe-Fe3C相图（图中不加括号部分为相组成物，加括号部分为组织组成物）。由于当碳的质量分数为6.69时，铁与碳全部形成硬而脆的渗碳体，所以实际使用

80、的铁碳合金碳的质量分数一般不超过5。因此Fe-Fe3C相图只研究Fe-Fe3C部分。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1) Fe-Fe3C相图中的特性点和特性线(见表1-3)5656 Fe-Fe3C相图表示了铁碳合金系中不同碳含量的合金在冷却过程中所发生的相变，各温度时合金的相组成物和组织组成物，可以由合金的室温组织了解它们的力学性能，确定其应用范围，对零件的选材、加工工艺的制定有直接的指导意义。特性点温度/wC/含义特性线含义ABCDEFGHJKNPSQ1538149511481227114811489121495149

81、5727139472772760000.534.36.692.116.6900.090.176.6900.02180.770.0057纯铁的熔点包晶转变时液态合金成分共晶点渗碳体的熔点碳在奥氏体中的最大溶解度渗碳体的成分-Fe -Fe转变点碳在-Fe中的最大溶解度包晶点渗碳体的成分-Fe-Fe转变点碳在铁素体中最大溶解度共析点碳在铁素体中的溶解度ABBCCDAHHNJEJNGSGPESPQPSKHJBECF相液相线，液相开始结晶出固溶体相液相线，液相开始结晶出固溶体液相脱溶线，液相开始脱溶出Fe3C相的固相线碳在相中的溶解度线相的固相线（）相区与相区的分界线奥氏体转变为铁素体开始线，即A3线奥

82、氏体转变为铁素体终了线脱溶线，奥氏体脱溶出Fe3C，即Acm线脱溶线，铁素体开始脱溶出Fe3C共析转变线，SPFe3C，即A1线包晶转变线，LBHJ共晶转变线，LCEFe3C表1-3 铁碳合金状态图中的特性点和特性线注:本表是指冷却过程中相变的含义材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2) Fe-Fe3C相图中的相区5757 相图中有五个基本相，相应的有五个单相区：即液相区L、固溶体相区（亦称高温铁素体 ）、奥氏体相区A，铁素体相区F，渗碳体相区Fe3C。 相图中有七个二相区：即L+、+A 、L+A、L+ Fe3C 、A+F、

83、A+ Fe3C、F+Fe3C。 包晶线、共晶线与共析线可看作是三相共存的三相区：L+A、L+A+ Fe3C、A+ F+Fe3C。 根据相接触法则，相图中两相区的两个组成相由其相邻的两个单相区决定。因此，可以由单相区填写出二相区的相组成物。 3) Fe-Fe3C相图中铁碳合金的分类 根据成分不同，铁碳合金可分为三大类，见表1-4。合金种类工业纯铁碳钢白口铸铁（又称生铁）亚共析钢共析钢过共析钢亚共晶铸铁共晶铸铁过共晶铸铁 WC/0.02180.02180.770.770.772.112.114.34.34.36.69室温组织FF+PPP+Fe3CP+Fe3C+LdLdFe3C+Ld力学性能软塑性、

84、韧性好综合力学性能好硬度大硬而脆表1-4 铁碳合金的分类材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2. 典型成分合金平衡结晶过程分析典型成分合金平衡结晶过程分析5858 平衡结晶过程是指合金由液态缓慢冷却到室温所发生的组织转变的过程。通过对它的分析，可以了解某成分的合金在温度下降的每个阶段相的组成和相的相对量的变化，直至推出室温组织。 以下是6种典型的铁碳合金的结晶过程分析。 1) 共析钢、亚共析钢、过共析钢的结晶过程分析 碳的质量分数小于2.11的共析钢、亚共析钢和过共析钢，从液态缓慢冷却到室温的过程中，均无共晶转变，室温组织均

85、由奥氏体转变而来。奥氏体在平衡冷却过程中有可能发生的转变有以下三种：共析转变AwC0.77P(Fwc 0.0218+Fe3C)铁的同素异构转变AwC0.77F+AwC碳的溶解度变化AwC0.77AwC+Fe3C材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社图1-41 共析钢的结晶过程 图1-41为共析钢的结晶过程示意图。温度在12区间，按匀晶方式形成奥氏体，凝固完毕，到2点后，形成单相奥氏体。奥氏体冷却到727 (3点)时发生共析转变，形成珠光体。温度继续降低时，铁素体的溶碳量沿PQ线变化，析出Fe3C，并与共析渗碳体混在一起，不易分

86、辨。因此，共析钢室温组织仍为珠光体，它是呈片状的铁素体与呈片状的渗碳体形成的机械混合物，其显微组织中亮白色基底为铁素体，黑色线条为渗碳体。 5959材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社图1-42 亚共析钢的结晶过程 6060 图1-42为wC0.53的亚共析钢结晶过程示意图。温度降至1点后开始从液相中析出相；至2点后，液相与相一起发生包晶转变，生成奥氏体，反应结束后，尚有多余的液相；至3点，液相全部变为奥氏体，合金全部凝固，形成单相奥氏体。继续冷至4点起，奥氏体中析出铁素体，铁素体在奥氏体晶界处优先生核并长大，而奥氏体和铁素

87、体的成分分别沿GS和GP线变化。到5点时，奥氏体中WC变为0.77%，这时便发生共析转变，形成珠光体，原先析出的铁素体保持不变，所以亚共析钢转变结束后，合金的组织为铁素体和珠光体，继续冷却时，铁素体中会析出三次渗碳体，因其量极少，可忽略不计。亚共析钢在室温时，其组织由呈颗粒状的铁素体和呈层片状的珠光体组成。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社图1-43 过共析钢的结晶过程6161 所有的亚共析钢，室温时的组织都是由铁素体和珠光体组成，其差别仅是铁素体和珠光体的相对量不同，碳含量愈高，珠光体愈多，铁素体愈少。 图1-43为过共

88、析钢结晶过程示意图。合金冷到1点，开始从液相中结晶出奥氏体，直至2点凝固完毕，形成单相奥氏体，当冷却到3点，开始从奥氏体中析出二次渗碳体(Fe3C)。二次渗碳体沿奥氏体晶界析出，呈网状分布。至4点(727 )时，奥氏体成分变为碳的质量分数为0.77%，发生共析转变，形成珠光体。最终组织为珠光体与二次网状渗碳体。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2）共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁的结晶过程分析6262 碳的质量分数大于2.11的三种白口铸铁均发生共晶转变。共晶产物莱氏体冷却至共析线后转变为低温莱氏体，反应式为

89、Ld(AE+Fe3C共晶 ) Ld(P+Fe3C+Fe3C共晶 ) 其实质是共晶奥氏体析出二次渗碳体，并在727 时转变为珠光体。组织中的铁素体、渗碳体、珠光体和低温莱氏体一旦形成，在随后的冷却过程中不再发生相变。 图1-44_1为共晶白口铸铁结晶示意图。合金在1点(1 148 )发生共晶转变，形成由共晶渗碳体和共晶奥氏体组成的机械混合物高温莱氏体Ld。继续冷却时共晶奥氏体中析出二次渗碳体，二次渗碳体与共晶渗碳体混在一起，无法分辨。温度降到2点(727 )时，共晶奥氏体的碳含量降到0.77%，发生共析转变，形成珠光体。因此，室温时共晶白口铸铁是由共晶渗碳体、珠光体和二次渗碳体组成，这种组织称为

90、低温莱氏体Ld。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社图1-44_1 共晶白口铸铁结晶示意图6363材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社图1-44_2 亚共晶白口铸铁结晶示意图6464 图1-44_2为亚共晶白口铸铁结晶示意图。合金冷却到1点，从液相中结晶出初晶奥氏体，随着温度下降，初晶奥氏体不断增多，液相不断减少，冷却到2点(1 148 )时，奥氏体的WC为2.11%，液相的WC为4.3%，液相发生共晶转变，形成高温莱氏体，合金组织为初晶奥氏体和高温莱氏体

91、Ld。在23点之间继续冷却时，初晶奥氏体和共晶奥氏体都要析出二次渗碳体，随二次渗碳体的析出，至3点(727 )时，奥氏体的WC下降到0.77%，发生共析转变，初晶奥氏体和共晶奥氏体都转变为珠光体，亚共晶白口铸铁在室温下的组织是珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体Ld。其显微组织示意图中黑色块状或树枝状部分为初晶奥氏体转变成的珠光体，基体为低温莱氏体，从初晶奥氏体和共晶奥氏体中析出的二次渗碳体与共晶渗碳体混合在一起，在显微镜下无法分辨。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社图1-44_3 过共晶白口铸铁的结晶过程示意图6565 图1-

92、44_3为过共晶白口铸铁的结晶过程示意图。当合金冷到1点，开始从液相中结晶出初晶渗碳体，也叫一次渗碳体(Fe3C)，一次渗碳体呈粗大片状，在合金继续冷却的过程中不再发生变化。当温度继续下降到2点(1 148 )剩余液相碳的质量分数达到4.3%，发生共晶转变，形成高温莱氏体。过共晶白口铸铁的室温组织为一次渗碳体与低温莱氏体。 材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社3. 铁碳合金的成分与性能的关系铁碳合金的成分与性能的关系6666 1) 铁碳合金的相组成物、组织组成物的相对量 钢和白口铸铁中的相组成物和两组织区域内的组织组成物的相

93、对量，可根据Fe-Fe3C相图运用杠杆定律进行计算。 2) 碳的质量分数对铁碳合金力学性能的影响 当碳的质量分数增多，不仅渗碳体的数量增加，而且渗碳体存在的形式也发生变化，由分散在铁素体基体内（如珠光体）变成分布在珠光体的晶界上，最后当形成莱氏体时，渗碳体又作为基体出现。 渗碳体是强化相。如果渗碳体分布在固溶体晶粒内，渗碳体的量愈多，愈细小，分布愈均匀，材料的强度就愈高；当渗碳体分布在晶界上，特别是作为基体时，材料的塑性和韧性将大大下降。碳含量对钢的平衡组织力学性能的影响如图1-45所示。 对亚共析钢来说，随碳含量的增加，组织中珠光体的数量相应地增加，钢的硬度、强度呈直线上升，而塑性则相应降低

94、。 对过共析钢来说，缓冷后由珠光体与二次渗碳体所组成，随着碳含量的增加，二次渗碳体发展成连续网状。当碳含量超过1.2%时，钢变得硬、脆、强度下降。 对白口铸铁来说，由于出现了以渗碳体为基体的莱氏体，性能硬脆，难以切削加工，很少应用。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社图1-45 碳含量对钢的平衡组织力学性能的影响6767材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.7 碳碳 钢钢6868 目前工业上使用的钢铁材料中，碳钢占有很重要的地位。由于碳钢冶炼方便，加工容

95、易，价格低且在许多场合碳钢的性能可以满足要求，故在工业中应用非常广泛。 碳钢是指碳的质量分数小于2.11的铁碳合金。实际生产中使用的碳钢含有少量的锰、硅、硫、磷等元素，这些元素是从矿石、燃料和冶炼等渠道进入钢中的。杂质对钢的力学性能有重要的影响。杂质元素对钢的影响见表1-5。表1-5 杂质元素对钢的影响杂质名称杂质含量%在钢中的影响锰（Mn）wMn1.2脱氧，降低钢的脆性；合成MnS，消除S的有害作用硅（Si）wSi0.4脱氧，强化铁素体，提高钢的强度、硬度；但塑性、韧性下降硫（S）wS0.0550.040生成低熔点共晶体，形成热脆磷（P）wP0.6%塑性和焊接性能很差，强度和硬度高按钢的质量

96、分普通钢wS0.055,wP0.045含S、P量较高，质量一般优质钢wS0.040，wP0.040含S、P量较少，质量较好高级优质钢wS0.030,wP0.035含S、P量很少，质量好按用途分结构钢wC0.080.65制造各种工程构件和机器零件工具钢wC0.65制造各种刀具、量具和模具按脱氧程度分沸腾钢（F）仅用弱脱氧剂脱氧，FeO较多钢锭内分布有许多小气泡，偏析严重镇静钢（Z）浇注时完全脱氧，凝固时不沸腾气泡、疏松少，质量较高半镇静钢（b）介于沸腾钢和镇静钢之间质量介于沸腾钢和镇静钢之间材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社

97、1.7.2 碳钢的牌号碳钢的牌号 7070常用的碳钢牌号如表1-7所示。表1-7 常用的碳钢牌号分类编号方法常用牌号用途举例说明碳素结构钢Q235-AF屈服点为235MPa、质量为A级的沸腾钢Q195、Q215A，Q235B、Q255A、Q255B、Q275等一般以型材供应的工程结构件，制造不太重要的机械零件及焊接件（参见GB700-1988）优质碳素结构钢45表示平均wC=0.45%的优质碳素结构钢08F、10、20、35、40、50、60、65用于制造曲轴、传动轴、齿轮、连杆等重要零件（参见GB699-1988）碳素工具钢T8T8A表示平均wc=0.8%的碳素工具钢，A表示高级优质T7、T

98、8Mn、T9、T10、T11、T12、T13制造需较高硬度、耐磨性、又能承受一定冲击的工具，如手锤、冲头等（参见GB1298-1986）一般工程铸造碳钢ZG200-400表示屈服强度为200MPa、抗拉强度为400MPa的碳素铸钢ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570、ZG340-640形状复杂的需要采用铸造成形的钢质零件（参见GB11352-1989）材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.8 铸铁铸铁7171 铸铁是应用广泛的一种铁碳合金材料，其wC2.11。铸铁材料基本上以铸件形式应用，但近年来连续

99、铸铁板材、棒材的应用也日见增多。铸铁中的碳除极少量固溶于铁素体中外，还因化学成分、熔炼处理工艺和结晶条件的不同，或以游离状态（即石墨）、或以化合形态（即渗碳体或其他碳化物）存在，也可以二者并存。1.8.1 铸铁的分类及特性铸铁的分类及特性 铸铁可分为一般工程应用铸铁和特殊性能铸铁。一般工程应用铸铁，碳主要以石墨形态存在。按照石墨形貌的不同，这一类铸铁又可分为灰铸铁(片状石墨)、可锻铸铁(团絮状石墨)、球墨铸铁(球状石墨)和蠕墨铸铁(蠕虫状石墨)等四种。特殊性能铸铁既有含石墨的，也有不含石墨的(白口铸铁）。这一类铸铁的合金元素含量较高(wMe3)，可应用于高温、腐蚀或磨料磨损的工况条件。 铸铁成

100、本低，铸造性能良好，体积收缩不明显，其力学性能、可加工性、耐磨性、耐蚀性、热导率和减振性之间有良好的配合，由于先进的生产技术和检测手段的应用，铸铁件的可靠性有明显的提高。球墨铸铁在铸铁中力学性能最好，兼有灰铸铁的工艺优点，故其应用领域正在扩大。铸铁用于基座和箱体类零件可充分发挥其减振性和抗压强度高的特点，在批量生产中，与钢材焊接相比，可以明显降低制造成本。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.8.2 铸铁的石墨化过程铸铁的石墨化过程7272 1.石墨化过程石墨化过程 在铁碳合金中，碳有两种存在形式，即化合态渗碳体和游离态石

101、墨。如果对渗碳体形式存在的铁碳合金加热和保温，其中的渗碳体将分解为铁和石墨。可见，渗碳体只是一种亚稳定的相，石墨才是一种稳定的相。因此，描述铁碳合金的结晶过程应有两个相图Fe-Fe3C相图和Fe-G(石墨)相图。两者迭合在一起，如图1-46所示，即为Fe-Fe3C与Fe-G(石墨)双重相图。 图中实线表示Fe-Fe3C相图，部分实线再加上虚线表示Fe-G相图。 石墨化过程是指铸铁中析出碳原子形成石墨的过程，亦即按Fe-G相图结晶的过程。 合金石墨化过程可以分为高温、中温、低温三个阶段。高温石墨化阶段是指在共晶温度以上结晶出一次石墨G和共晶反应结晶出共晶石墨G晶的阶段；中温石墨化阶段是指在共晶温

102、度至共析温度范围内，从奥氏体中析出二次石墨G的阶段；低温石墨化阶段是指在共析温度析出共析石墨G析的阶段。图1-46 Fe-Fe3C与Fe-G双重相图材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2.灰铸铁的基体灰铸铁的基体 在高温、中温阶段，碳原子的扩散能力强，石墨化过程比较容易进行；在低温阶段，碳原子的扩散能力较弱，石墨化过程进行困难。 在高温、中温和低温阶段石墨化过程都没有实现，碳以Fe3C形式存在的铸铁称为白口铸铁。在高温、中温阶段，石墨化过程得以实现，碳主要以G形式存在的铸铁，称为灰口铸铁。在高温阶段石墨化过程得以实现，而中温

103、、低温阶段石墨化过程没有实现，碳以G和Fe3C两种形式存在的铸铁，称为麻口铸铁。 低温石墨化过程得以充分进行，获得的铸铁具有铁素体基体，称为铁素体灰铸铁。低温石墨化过程没有进行，获得的铸铁具有珠光体基体，称为珠光体铸铁。低温石墨化过程没有充分进行，获得的铸铁具有铁素体和珠光体的基体，称为铁素体-珠光体灰铸铁。 3.影响石墨化的因素影响石墨化的因素 影响石墨化的因素主要是化学成分和冷却速度。化学成分是影响石墨化过程的本质因素。碳和硅是有效促进石墨化的元素，为了使铸件在浇注后能获得灰铸铁，而同时又不希望含有过多和粗大的片状石墨，通常把成分控制在wc2.54.0，wSi1.02.0。除了C和Si外，

104、Al、Cu、Ni等元素也会促进石墨化；而S、Mn、Cr等元素则阻止石墨化。尤其是S，它不仅强烈地阻止石墨化，而且会降低铸铁的铸造性能和力学性能，故一般限制S在0.15以下。Mn能与S形成MnS，减弱S的有害作用，允许含Mn在0.51.4之间。P增加铸铁的硬度和脆性，若要求有较高的耐磨性，允许P含量增加到0.5。 7373材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.8.3 铸铁的牌号与性能铸铁的牌号与性能 7474 铸铁冷却愈慢，对石墨化愈有利；冷却愈快，则抑制了石墨化过程。在铸造时，造型材料、铸造工艺都会影响铸件的冷却速度。除此

105、之外，铸件的壁厚，也是影响铸件冷却速度的重要因素。在一般的砂型铸造条件下，铸铁的成分与铸件的壁厚对铸件组织的综合影响如图1-47所示。 1. 灰铸铁灰铸铁 按GB 9439-1988规定，灰铸铁有六个牌号：HT100(铁素体灰铸铁)、HT150(铁素体珠光图1-47 成分和壁厚对石墨化的影响 体灰铸铁)、HT200和HT250(珠光体灰铸铁)、HT300和HT350(孕育铸铁)。HT表示“灰铁”汉语拼音的字首，后续数字表示直径为30mm铸件试样的最低抗拉强度(单位：MPa)值。 2. 可锻铸铁可锻铸铁 将白口铸件在高温下经长时间的石墨化退火或氧化脱碳处理，可以获得团絮状形态石墨的高韧性铸铁件，

106、称为可锻铸铁。常用于制造承受冲击振动的薄小零件，如汽车、拖拉机的后桥壳、管接头、低压阀门等。根据GB 94401988，可锻铸铁分为珠光体可锻铸铁(如KTZ550-04)、黑心可锻铸铁(如KTH330-08)和白心可锻铸铁(如KTB380-12)等。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社3. 球墨铸铁球墨铸铁7575 球墨铸铁的组织特征是在室温下在钢的基体上分布着球状形态的石墨。它是向铁水中加入一定量的球化剂(如镁、稀土元素等)进行球化处理而获得，其成本低廉，但强度较好，是以铁代钢的重要材料，近年来迅速发展、得到广泛应用。根据

107、GB 13481988，按照热处理方法不同，球墨铸铁可分为铁素体球墨铸铁(QT400-18、QT400-15、QT450-10)和珠光体球墨铸铁(QT500-7、QT600-3、QT700-2、QT800-2)。 4. 蠕墨铸铁蠕墨铸铁 铸铁基体中的石墨主要以蠕虫状形态存在，称为蠕墨铸铁，是1960年底开始发展并逐步受到重视的材料。其石墨形状和性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间，力学性能优于灰铸铁，铸造性能优于球墨铸铁，并具有优良的热疲劳性。根据JB 44031987，其牌号为RuT420、RuT380、RuT340、RuT300、RuT260等。其力学性能一般以单铸Y形试块的抗拉强度作为验收依据。

108、 5. 合金铸铁合金铸铁 通过合金化来达到某些特殊性能要求(如耐磨、耐热、耐蚀等)的铸铁称为合金铸铁。 1) 耐磨铸铁 (1) 冷硬铸铁 用于制造高硬度、高抗压强度及耐磨的工作表面，同时需要有一定的强度和韧性的零件，如轧辊、车轮等。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社抗磨铸铁、耐热铸铁 、耐蚀铸铁 7676 (2) 抗磨铸铁 抗磨铸铁分为抗磨白口铸铁和中锰球墨铸铁。抗磨白口铸铁硬度高，具有很高的抗磨性能，但由于脆性较大，应用受到一定的限制，不能用于承受大的动载荷或冲击载荷的零件。根据GB 82631987，其牌号有KmTBM

109、n5W3等。中锰球墨铸铁具有一定的强度和韧性，耐磨料磨损。根据GB 31801982，其牌号有MQTMn6等。抗磨铸铁可制造承受干摩擦及为磨料磨损条件下工作的零件，在矿山、冶金、电力、建材和机械制造等行业有广泛的应用。 2) 耐热铸铁 耐热铸铁指在高温下具有较好的抗氧化和抗生长能力。所谓“生长”是指由于氧化性气体沿石墨片的边界和裂纹渗入铸铁内部而造成的氧化以及由于Fe3C分解而发生的石墨化引起的铸铁体积膨胀。为了提高铸铁的耐热性，可在铸铁中加入Si、Al、Cr等元素，使铸铁在高温下表面形成一层致密的氧化膜，保护内层不被继续氧化。根据GB 94371988，其牌号表示为RTCr、ROTSi4Mo

110、、RQTAl22等。 3) 耐蚀铸铁 耐蚀铸铁广泛应用于化工部门。提高铸铁耐蚀性主要靠加入大量的Si、Al、Cr、Ni、Cu等合金元素。合金元素的作用是提高铸铁基体组织的电位，使铸铁表面形成一层致密的保护膜，最好具有单相基体加孤立分布的球状石墨，并尽量使石墨量减少。其牌号表示为STSi11Cu2CrR等。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.9 钢的热处理钢的热处理7777 钢的热处理是将固态钢采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织结构与性能的一种工艺。 热处理的特点是改变零件或者毛坯的内部组织，而不改变其形状

111、和尺寸。其目的是消除毛坯（如铸件、锻件等）中缺陷，改善毛坯的切削性能，改善零件的力学性能，延长其使用寿命，并为减小零件尺寸、减轻零件重量、提高产品质量、降低成本提供了可能性。因此，几乎90以上的零件都要经过不同的热处理后才能使用。 热处理分为普通热处理（退火、正火、淬火和回火）、表面热处理（表面淬火、渗碳、渗氮、碳氮共渗等）及特殊热处理（形变热处理等）。 但不是所有的材料都能进行热处理强化，能进行热处理强化的材料必须满足：有固态相变；经冷加工使组织结构处于热力学不稳定状态；表面能被活性介质的原子渗入从而改变表面化学成分。 因此要了解各种热处理工艺方法，必须首先研究钢在加热（包括保温）和冷却过程

112、中组织变化的规律。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.9.1 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变 7878 钢能进行热处理强化，是由于钢在固态下具有相变，在固态下不发生相变的纯金属或合金则不能用热处理方法强化。 在Fe-Fe3C相图中，A1、A3和Acm是碳钢在极缓慢地加热或冷却时的相变温度线，是平衡临界点。在实际生产中，加热和冷却不可能极缓慢，因此不可能在平衡临界点进行组织转变。由图1-48所示，实际加热时各临界点的位置分别为图中的Ac1、Ac3 、Accm线，而实际冷却时各临界点的位置分别为Ar1、Ar3和Ar

113、cm。 碳钢加热到A1线以上时，便发生珠光体向奥氏体的转变，这种转变称为奥氏体化。加热时所形成奥氏体的化学成分、均匀性、晶粒大小以及加热后未溶入奥氏体中的碳化物等过剩相的数量、分布状况等都对钢的冷却转变过程及转变产物的组织和性能产生重要的影响。奥氏体化后的钢，以不同的方式冷却，便可得到不同的组织，从而使钢获得不同的性能。因此，奥氏体化是钢组织转变的基本条件。图1-48 加热和冷却时碳钢的相变点 在Fe-Fe3C相图上的位置 材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.奥氏体的形成奥氏体的形成7979 共析钢在A线以下全部为珠光体

114、组织，当加热到Ac1线以上时，珠光体(P)转变成具有面心立方晶格的奥氏体(A)。因此，珠光体向奥氏体的转变过程中必须进行晶格转变和铁、碳原子的扩散。奥氏体的形成遵循形核和长大的基本规律，并通过下列三个阶段来完成，如图1-49所示。图1-49 共析碳钢的奥氏体化示意图 1) 奥氏体晶核的形成和长大奥氏体晶核首先在铁素体与渗碳体的相界面上形成。这是因为相界面上碳浓度分布不均匀，位错和空位密度较高，原子排列不规则，处于能量较高状态，此外因奥氏体的碳含量介于铁素体和渗碳体之间，故在两相的相界面上为奥氏体的形核提供了良好的条件。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音

115、像出版社高等教育电子音像出版社8080 奥氏体晶核形成后逐渐长大。它的长大是依靠铁、碳原子的扩散，使相邻的铁素体晶格转变为面心立方晶格的奥氏体，同时渗碳体不断溶入奥氏体而进行的。由于渗碳体的晶体结构和碳含量与奥氏体差别很大，在平衡条件下，一份渗碳体溶解将促使几份铁素体转变，因此铁素体向奥氏体转变的速度远比渗碳体溶解速度快得多，珠光体中铁素体首先消失，当铁素体全部转变为奥氏体时，奥氏体的长大结束。此时，未溶解的渗碳体残留在奥氏体中，使奥氏体的平均碳浓度低于共析成分。 2) 残余渗碳体的溶解铁素体全部消失后，随保温时间的延长或继续升温，残留在奥氏体中的渗碳体通过碳原子的扩散，不断溶入奥氏体中，直至

116、全部消失为止。 3)奥氏体成分均匀化当残余渗碳体完全溶解后，奥氏体中的碳浓度是不均匀的，原先是渗碳体的地方碳浓度较高，而原先是铁素体的地方碳浓度较低。只有继续延长保温时间，通过碳原子的扩散才能获得较均匀的奥氏体。 亚共析钢和过共析钢奥氏体化过程与共析钢基本相同，但加热温度超过Ac1时，原先组织中的珠光体转变为奥氏体，仍保留先共析铁素体或先共析二次渗碳体。只有当加热温度超过Ac3点或Accm点，并保温足够的时间，先共析相向奥氏体转变或溶解，才能获得均匀的单相奥氏体。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2.奥氏体的形成速度奥氏体

117、的形成速度8181 共析钢加热到Ac1点以上某一温度，奥氏体并不是立即出现，而是需要保温一定时间才开始形成，这段时间称为孕育期。因为形成奥氏体晶核需要原子的扩散，扩散需要一定时间。随温度的升高，原子扩散速度加快，孕育期缩短。例如在740 等温转变时，经过10 s转变开始，而在800 等温时，瞬间转变便开始。 奥氏体形成所需时间较短，残余渗碳体溶解所需时间较长，而奥氏体均匀化所需时间更长。例如780 等温时，形成奥氏体的时间不到10s，残余碳化物完全溶解却需要几百秒，而实现奥氏体均匀化则需要104s。 亚共析钢和过共析钢奥氏体形成基本上与共析钢相同。但对于亚共析钢或过共析钢，当珠光体全部转变成奥

118、氏体后，还有过剩相铁素体或渗碳体的继续转变。 加热温度愈高，原始组织愈细小，奥氏体形成速度愈快。 3.奥氏体晶粒大小及其影响因素奥氏体晶粒大小及其影响因素奥氏体形成后，继续加热或保温，在伴随残余渗碳体的溶解和奥氏体的均匀化的同时，奥氏体晶粒将开始长大。奥氏体晶粒的长大是大晶粒吞并小晶粒的过程，其结果是使晶界面积减小，从而降低了表面能，因此它是一个自发过程。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1) 奥氏体的晶粒度8282 奥氏体的晶粒大小对钢的冷却转变及转变产物的组织和性能有重要影响。因此需要了解奥氏体晶粒度的概念及影响奥氏体

119、晶粒度的因素。 奥氏体的晶粒大小用晶粒度表示。晶粒度分8级，各级晶粒度的晶粒大小如图1-50所示。晶粒度级别n与晶粒大小有如下关系：n2N -，式中，n表示放大100倍时，每平方英寸(6.45 cm2)中的平均晶粒数。由式可知，晶粒度级别n越小，单位面积中的晶粒数目越少，则晶粒尺寸越大。通常14级为粗晶粒，58级为细晶粒。图1-50 标准的晶粒度等级示意图材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社奥氏体晶粒度的概念有以下三种： (1)起始晶粒度奥氏体转变刚刚结束，其晶粒边界刚刚相互接触时的奥氏体晶粒大小，称为奥氏体的起始晶粒度。起

120、始晶粒是十分细小均匀的，起始晶粒大小决定于形核率N和长大速度G，可用下式表示：8383式中，n0表示1 mm2面积内的晶粒数。可见N/G值越大，则n0越大，即晶粒越细小。 (2)实际晶粒度钢在某一具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒度，称为奥氏体的实际晶粒度。实际晶粒比起始晶粒大。它的大小直接影响钢热处理后的组织和性能。 (3)本质晶粒度将钢加热到（93010）,保温38 h，冷却后在放大100倍的显微镜下测定的晶粒大小，称为本质晶粒度。晶粒度为14级，称为本质粗晶粒钢；晶粒度为58级，称为本质细晶粒钢。 加热过程中晶粒长大是一种自发过程，本质晶粒度表示钢在一定条件下奥氏体晶粒长大的

121、倾向性。 材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社图1-51 钢的本质晶粒度示意图 8484 随温度升高，钢中奥氏体晶粒长大的倾向存在两种情况，如图1-51所示。一种是随加热温度升高，奥氏体晶粒迅速长大，称为本质粗晶粒钢，另一种是在930 以下随温度升高，奥氏体晶粒长大速度很缓慢，称为本质细晶粒钢。当超过某一温度(9501 000 )后，本质细晶粒钢也可能迅速长大，晶粒尺寸甚至超过本质粗晶粒钢。所以本质细晶粒钢淬火加热温度范围较宽，生产上易于操作。这种钢在920 渗碳后可直接淬火，而不至于引起奥氏体晶粒粗化。但对于本质粗晶粒钢，

122、则必须严格控制加热温度，以免引起奥氏体晶粒粗化。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2) 影响奥氏体晶粒度的因素 8585 (1)加热温度和保温时间奥氏体刚形成时晶粒是细小的，但随温度的升高，晶粒将逐渐长大。温度越高，晶粒长大越明显，如图1-51所示。随加热温度的继续升高，奥氏体晶粒将急剧长大。这是由于晶粒长大是通过原子扩散进行的，而扩散速度随温度升高呈指数关系增加。在影响奥氏体长大的诸因素中，温度的影响最显著。因此，为了获得细小奥氏体晶粒，热处理时必须规定合适的加热温度范围。一般都是将钢加热到相变点以上某一适当温度。钢在加

123、热时，随保温时间的延长，晶粒不断长大。但随着时间的延长，晶粒长大速度愈来愈慢，当奥氏体晶粒长大到一定尺寸后，继续延长保温时间，晶粒不再明显长大。 (2)加热速度加热速度愈快，奥氏体转变时的过热度愈大，奥氏体的实际形成温度愈高，奥氏体的形核率大于长大速率，因此获得细小的起始晶粒。但保温时间不能太长，否则晶粒反而更粗大。所以，生产中常采用快速加热和短时间保温的方法来细化晶粒。 (3)碳含量钢中碳含量对奥氏体晶粒长大的影响很大。随奥氏体碳含量的增加，铁、碳原子的扩散速度增大，奥氏体晶粒长大倾向性增加。但当超过奥氏体饱和碳浓度以后，由于出现残余渗碳体，产生机械阻碍作用，使晶粒长大倾向性减小。材料与成形

124、技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.9.2 钢在非平衡冷却时的转变钢在非平衡冷却时的转变8686 (4)合金元素含量钢中加入适量的强碳化物形成元素，如Ti、Zr、V、Al、Nb、Ta等，这些元素与碳化合形成熔点高、稳定性强的碳化物，弥散分布在奥氏体晶粒内，阻碍奥氏体晶界的迁移，使奥氏体晶粒难以长大。其中，Ti、Zr、Nb的作用显著，Al的作用最小。不形成化合物的合金元素，如Si、Ni、Cu等对奥氏体晶粒长大的影响不明显。Mn、P、C、N等元素溶入奥氏体后，削弱-Fe原子间的结合力，加速Fe原子的自扩散，从而促进奥氏体晶粒长大。 冷

125、却过程是钢热处理的关键的一步。由于在热处理生产中，冷却速度比较快，奥氏体冷却时发生转变的温度通常都低于临界点，即有一定的过冷度。因此奥氏体的组织转变不符合Fe-Fe3C相图所反映的规律。经奥氏体化的钢快速冷却至Ar1以下，这种在Ar1点以下暂时存在的，处于不稳定状态的奥氏体，称为过冷奥氏体。过冷奥氏体冷却到室温有两种方式：(1) 连续冷却把奥氏体化的钢置于某种冷却介质（如空气、水、油）中，连续冷却到室温。 (2) 等温冷却把奥氏体化的钢快速冷却到Ar1以下的某一温度，保持恒温，使过冷奥氏体发生等温组织转变，待转变结束后再连续冷却到室温。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版

126、社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1. 过冷奥氏体等温转变曲线过冷奥氏体等温转变曲线8787 冷却方式不同，冷却速度不同，钢中奥氏体转变的过程也不同，直接影响室温下钢获得的组织和性能。表1-8为45钢在同样奥氏体化条件下，不同冷却速度对其力学性能的影响。所以冷却方式是热处理工艺中最重要的问题之一。冷却方式b/MPas/MPa/%HRC随炉冷却53028032.51518空气中冷却67072034015181824油中冷却90062018204050水中冷却1100720785260表1-8 45钢在不同冷却速度时的力学性能 过冷奥氏体在不同温度下的等温转变，将使钢的组织与性能发生

127、明显的变化。而过冷奥氏体等温转变曲线是研究过冷奥氏体等温转变的重要工具。 1) 过冷奥氏体等温转变曲线的建立 过冷奥氏体等温转变曲线是利用过冷奥氏体转变产物的组织形态和性能的变化来测定的。现以金相法测定共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线。 将奥氏体化的共析碳钢快冷到A线以下不同温度（如720 、700 、650 、600 ）的等温浴槽中等温保温，然后测定各个不同温度下过冷奥氏体的转变量与时间的关系，便可绘出过冷奥氏体等温转变动力学曲线，如图1-52a。 材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2) 共析碳钢等温转变曲线的分析8888

128、 将图中各动力学曲线上的转变开始时间(图中的as 、bs、cs点)和终止时间(图中的af、bf、cf点)标记到转变温度-时间为坐标的图上，并把各转变开始点(as、bs、c s点)及终止点(af、bf、cf点)用光滑曲线连接起来，便可得到共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线，如图1-52b所示。共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线根据英文字母的开头简称TTT(time、temperature、transform)曲线；由于曲线的形状与“C”字相似，故也称作“C曲线” 。 图1-52中，A1线以上是奥氏体稳定区域，C曲线中左边一条曲线为转变开始线Ps曲线，右边一条曲线为转变终止曲线Pf 曲线，A1线以下和转变

129、开始线以左为过冷奥氏体区。由纵坐标轴到转变开始线之间的水平距离表示过冷奥氏体等温转变前所经历的时间，称为孕育期。图1-52 共析碳钢等温转变动力学曲线及TTT曲线 材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 过冷奥氏体在不同温度下等温转变所需的孕育期是不同的。随转变温度降低，孕育期先逐渐缩短，然后又逐渐变长，在550 左右孕育期最短，过冷奥氏体最不稳定，它的转变速度最快，这里称为曲线的“鼻尖”。A1以下，转变终止线以右的区域为转变产物区，在转变开始线(bs线)和转变终止线(bf 线)之间为过冷奥氏体和转变产物共存区。 图1-52中

130、，水平线Ms(230 )为马氏体转变开始温度，Mf (-50 )为马氏体转变终止温度。 按温度的高低和组织形态，过冷奥氏体的转变可以分为三种：550 以上的珠光体转变，Ms线以下为马氏体转变，550 到Ms线之间为贝氏体转变。8989图1-52 共析碳钢等温转变动力学曲线及TTT曲线 材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2. 冷奥氏体等温转变产物的组织与性能冷奥氏体等温转变产物的组织与性能 9090 1) 珠光体转变 由面心立方晶格的奥氏体转变为由体心立方晶格的铁素体和复杂六方晶格的渗碳体组成的珠光体，要发生晶格的转变和铁、

131、碳原子的扩散。其转变过程是一个在固态下形核和长大的过程。 珠光体中铁素体与渗碳体的层片间距离，随转变温度的降低(即过冷度的增大)而减小，即组织变得更细。根据片层间距的大小，将珠光体型组织分为珠光体、索氏体、托氏体，其形成温度范围、组织和性能见表1-9。表1-9 共析碳钢三种珠光体型组织组织名称符号转变温度/相组成转变类型特征HRCb/MPa珠光体型珠光体PA1650F+Fe3C扩散型（铁原子和碳原子都扩散） 片层间距0.60.8 m，500分清10201 000索氏体S650600 片层间距0.250.4 m，1 000分清，细珠光体25301 200托氏体T600550 片层间距0.10.2

132、 m，2 000分清，极细珠光体30401 400材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2) 贝氏体转变9191 珠光体组织中层片间距离越小，相界面越多，则塑性变形的抗力愈大，强度和硬度愈高，同时由于渗碳体片变薄，易与铁素体一起变形而不脆断，使塑性和韧性逐渐提高。这就是冷拔钢丝要求具有索氏体组织才容易变形而不至因拉拔而断裂的原因。 过冷奥氏体在550 Ms线温度范围内等温保温时，将转变为贝氏体组织，用符号B表示。由于过冷度较大，贝氏体转变时只发生碳原子扩散，铁原子不扩散，因此，贝氏体转变为半扩散型转变。贝氏体是由含饱和碳的铁素

133、体与弥散分布的渗碳体组成的非层状两相组织。根据组织形态及转变温度，贝氏体型组织分为上贝氏体和下贝氏体，其形成温度范围、组织和性能见表1-10。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 表1-10 共析碳钢两种贝氏体型组织组织名称符号转变温度/相组成转变类型特征HRC贝氏体型上贝氏体B上 550350F过饱和+Fe3C半扩散型（铁原子不扩散，碳原子扩散） 羽毛状：平行密排的过饱和F板条间，不均匀分布短杆状，使条间容易脆性断裂，工业上不应用4045下贝氏体B下350230F过饱和+-Fe2.4C 针状：在过饱和F针内均匀分布（与针轴

134、成5565）排列小薄片碳化物。具有较高的强度、硬度、塑性和韧性50609292 贝氏体形成过程与珠光体不同，它是先在过冷奥氏体晶界或晶内贫碳区形成过饱和碳的铁素体，随铁素体生长，碳原子扩散，铁素体中陆续析出极细的渗碳体或碳化物Fe2.4C。上贝氏体中，铁素体条成束平排地由奥氏体晶界伸向晶内，细条状渗碳体断续分布在碳过饱和量不大的铁素体片和片间，下贝氏体碳化物Fe2.4C弥散分布在过饱和铁素体针片内。 图1-53 贝氏体形成示意图材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社3）马氏体转变9393 在光学显微镜下，上贝氏体呈羽毛状,铁素

135、体呈暗黑色，渗碳体呈亮白色。下贝氏体呈针叶状,含过饱和碳的铁素体呈针片状，在其上分布与轴成5565的微细碳化物Fe2.4C颗粒或薄片。下贝氏体具有优良的力学性能，因此，生产中常采用等温淬火来获得下贝氏体组织。 如果将奥氏体自A1线以上快速冷却到Ms以下，使其冷却曲线不与C曲线相遇，则将发生马氏体转变。由于马氏体转变温度极低，过冷度很大，形成速度极快，因此，铁、碳原子都不能进行扩散，奥氏体只能发生非扩散性的晶格转变，由-Fe的面心立方晶格转变为-Fe的体心立方晶格，-Fe最大溶碳量为wC0.021 8%，这样奥氏体将直接转变成一种含碳过饱和的固溶体，称为马氏体，用符号M表示。 马氏体的组织形态主

136、要有板条状和片状两种。表1-11列出了马氏体形成温度、范围、组织和性能。组织名称符号转变温度/相组成转变类型特征HRC马氏体 片状马氏体， WC 1.0%（高碳、孪晶）M240-50 碳在-Fe中过饱和固溶体（体心立方晶格） 非扩散型（铁原子和碳原子都不扩散） 马氏体变温形成，与保温时间无关 马氏体形成速度极快，仅需10-7 s 马氏体转变不完全性，碳含量0.5%钢中存在残余奥氏体 马氏体的硬度与碳含量有关6466 板条状马氏体WC0.20%（低碳、位错）3050表1-11 共析碳钢两种马氏体型组织材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子

137、音像出版社表1-12 淬火钢的塑性、韧性与碳含量间关系 9494 WC 0.2的低碳马氏体在光学显微镜下呈现为平行成束分布的板条状组织(图1-54a)。在每个板条内存在有高密度位错，因此板条状马氏体又称为位错马氏体。WC 1.0的高碳马氏体呈针片状(图1-54b)，每个针片内有着大量孪晶，因此片状马氏体也称为孪晶马氏体。碳含量介于两者之间的马氏体，则为板条状马氏体与片状马氏体的混合组织。 马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体中的碳含量，随马氏体碳含量的增加，晶格畸变增大，马氏体的强度、硬度也随之增高。当wC0.6%时，强度和硬度的变化趋于平缓。马氏体的塑性和韧性随碳含量增高而急剧降低，表1-12

138、为淬火钢的塑性、韧性与碳含量间的关系。WC/K /Jcm-20.15153040640.2558102016320.352471212240.451224412图1-54 马氏体组织 材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社9595 高碳片状马氏体碳含量高，晶格畸变大，淬火内应力大，存在许多显微裂纹，同时微细孪晶破坏了滑移系，也使脆性增大，所以塑性和韧性都很差，性能特点表现为硬度高而脆性大。低碳板条马氏体碳的过饱和程度小，淬火内应力低，不存在显微裂纹，位错密度分布不均匀，存在低密度区，为位错提供了活动余地，因此板条状低碳马氏体具

139、有较高的塑性和韧性，是一种强韧性很好的组织。此外，低碳马氏体还具有较高的断裂韧度和较低的韧脆转变温度，因此在生产中已广泛采用低碳钢和低碳合金钢进行淬火的热处理工艺。 马氏体转变是在一个温度范围sf 内形成的。如在sf 某一温度等温，马氏体量并不明显增多，只有继续降温，才有新的马氏体形成。马氏体形成时一般不穿过奥氏体晶界，后形成的马氏体又不能穿过先形成的马氏体，因此马氏体量的增加不是靠已形成的马氏体片的不断长大，而是靠新的马氏体片的不断形成，冷却到f点温度，转变停止但此时仍有一部分过冷奥氏体未转变成马氏体，称为残余奥氏体。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子

140、音像出版社高等教育电子音像出版社3. 3. 影响影响TTTTTT曲线的因素曲线的因素 9696 由于s和f 点随奥氏体碳含量的增加而降低（图1-55a），因此残余奥氏体量也就随碳含量的增加而增多（图1-55b）。图1-55 奥氏体的碳含量对马氏体转变温度及残余奥氏体量的影响 1) 碳含量 图1-56为亚共析碳钢、共析碳钢和过共析碳钢的TTT曲线比较。由图可见，它们都具有奥氏体转变开始线与转变终止线，但在亚共析碳钢和过共析碳钢的C曲线上多出一条先析线。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社图1-56 碳钢的C曲线比较9797 此

141、外，碳是稳定奥氏体的元素，奥氏体中碳含量不同，C曲线位置不同。随奥氏体碳含量的增加，过冷奥氏体等温转变孕育期增长，C曲线向右移动。但一般对过共析碳钢不进行全奥氏体化（正常加热温度是在Ac1Accm之间），未溶二次渗碳体增加了过冷奥氏体的形核率，反而使孕育期缩短，C曲线又向左移动。因此，共析碳钢的C曲线最靠右。所以，碳含量既影响曲线的位置，又影响其形状，规律如下： (1) 当wC0.77时，随碳含量的增加，C曲线右移； (2) 当wC 0.77时，随碳含量增加，C曲线左移； (3) Ms随奥氏体碳浓度升高而明显下降，Ms也随之降低； (4)二者C曲线的形状均比共析碳钢C曲线在鼻尖上部多出一条先析

142、相转变开始线。随碳含量的增加，亚共析碳钢的先析相开始线向右下方移动，过共析碳钢的先析相开始线则向左上方移动。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社4. 过冷奥氏体连续冷却转变曲线过冷奥氏体连续冷却转变曲线9898 2)合金元素 除Co外，所有溶入奥氏体当中的合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性，使曲线右移；强碳化物形成元素（如Cr、W、Mo、V、Ti等）还使曲线的形状发生变化，即珠光体转变与贝氏体转变各自形成一个独立的C曲线，二者之间出现一个奥氏体相当稳定的区域。 3)加热温度和保温时间 加热温度愈高或保温时间愈长，奥氏体晶粒愈粗

143、大，成分也愈均匀，碳化物溶解愈完全。这些都降低过冷奥氏体转变的形核率，增加其稳定性，使曲线右移。 实际热处理生产中，过冷奥氏体的转变大多是在连续冷却过程中进行的。图1-57是用膨胀法测得的共析碳钢连续冷却转变曲线，也称为连续冷却曲线，根据英文字头，又称为CCT曲线。图1-57 共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线建立示意图材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社由图可见，CCT曲线有以下一些主要特点：9999 1) CCT曲线只有上半部分，而没有下半部分，这就是说共析碳钢在连续冷却时，只发生珠光转变和马氏体转变，而没有贝氏体转变。

144、 2) CCT曲线珠光体转变区有三条曲线构成：Ps线为AP转变开始线；Pf 线为AP转变终了线；K线为AP转变中止线，它表示当冷却曲线碰到K线时，过冷奥氏体就不再发生珠光体转变，而一直保留到Ms点以下转变为马氏体。 3) 与CCT曲线相切的冷却速度线，是保证过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解而全部过冷到马氏体区的最小冷却速度，称为马氏体临界冷却速度，用vk表示。马氏体临界冷却速度对热处理工艺具有十分重要的意义。 应当提出，过共析碳钢的CCT曲线与共析碳钢相比，除了多出一条先共析渗碳体的析出线外，其它基本相似。但亚共析碳钢的CCT曲线与共析碳钢却大不相同，它多出一条先共析铁素体的析出线外，还出

145、现了贝氏体转变区，因此亚共析碳钢在连续冷却后可以出现由更多产物组成的混合组织。例如，45钢经油冷淬火后得到铁素体、托氏体、上贝氏体和下贝氏体、马氏体的混合组织。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社5. 过冷奥氏体等温转变曲线在连续冷却中的应用过冷奥氏体等温转变曲线在连续冷却中的应用 由于过冷奥氏体CCT曲线的测定比较困难，因此用TTT曲线来定性地、近似地分析连续冷却的转变过程。 图1-58就是应用共析碳钢等温转变曲线分析过冷奥氏体在连续冷却时的转变情况。图中冷却速度v1相当于随炉冷却的速度，根据v1与C曲线相交的位置，过冷奥

146、氏体将转变为珠光体(P)；冷却速度v2相当于空气中冷却的速度，根据v2与C曲线相交的位置，过冷奥氏体将转变为索氏体(S)；冷却速度v3相当于淬火时的冷却速度，有一部分过冷奥氏体转变为托氏体(T)，剩余的过冷奥氏体冷却到Ms开始转变成马氏体(M)，最终获得托氏体马氏体残余奥氏体的混合组织；冷却速度v4相当于在水中冷却时的冷却速度，它不与C曲线相交，一直过冷到Ms点以下开始转变为马氏体(M)，得到马氏体和残余奥氏体的混合组织。冷却速度vk与C曲线鼻尖相切，为该钢的临界冷却速度。图 1-58 应用等温转变曲线分析奥 氏体在连续冷却中的转变100100材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等

147、教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.9.3 钢的常用热处理工艺钢的常用热处理工艺101101 1.钢的退火和正火钢的退火和正火 退火和正火是生产中应用很广泛的预备热处理工艺，主要用于改善材料的切削加工性。对于一些受力不大、性能要求不高的机器零件，也可以做为最终热处理，表1-13列出了退火和正火的热处理工艺。表1-13 退火和正火的热处理工艺热处理名称热处理工艺热处理后的组织应用场合目的完全退火 将亚共析碳钢加热到Ac3以上3050 ，保温，随炉缓冷到600 以下，出炉空冷 平衡组织铁素体珠光体 用于亚共析碳钢和合金钢的铸、锻件细化晶粒，消除内应力，降低硬度以便于随后的切

148、削加工等温退火 将奥氏体化后的钢快冷至珠光体形成温度等温保温，使过冷奥氏体转变为珠光体，空冷至室温珠光体 用于奥氏体比较稳定的合金钢与完全退火相同，但所需时间可缩短一半，且组织也较均匀球化退火 将过共析碳钢加热到Ac1以上2030 ，保温24 h，使片状渗碳体发生不完全溶解断开成细小的链状或点状，弥散分布在奥氏体基体上，在随后的缓冷过程中，或以原有的细小的渗碳体质点为核心，或在奥氏体中富碳区域产生新的核心，形成均匀的颗粒状渗碳体 铁素体基体上均匀分布的粒状渗碳体组织球状珠光体 用于共析钢、过共析钢和合金工具钢 使珠光体中的片状渗碳体和网状二次渗碳体球化，以降低硬度、改善切削加工性；获得均匀组织

149、，改善热处理工艺性能，为以后的淬火作组织准备材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社续表102102热处理名称热处理工艺热处理后的组织应用场合目的均匀化退火 将工件加热到1 100 左右，保温1015 h，随炉缓冷到350 ，再出炉空冷。工件经均匀化退火后，奥氏体晶粒十分粗大，必须进行一次完全退火或正火来细化晶粒，消除过热缺陷 亚共析钢，粗大的F和P；共析钢，粗大的P；过共析钢，粗大的P和Fe3C 用于高质量要求的优质高合金钢的铸锭和成分偏析严重的合金钢铸件 高温长时间保温，使原子充分扩散，消除晶内偏析，使成分均匀化去应力退火

150、将工件随炉缓慢加热到500650 ，保温，随炉缓慢冷却至200 出炉空冷 退火前原组织用于铸件、锻件、焊接件、冷冲压件及机加工件消除残余内应力，提高工件的尺寸稳定性，防止变形和开裂正火 将亚共析碳钢加热到Ac3以上3050 ，过共析碳钢加热到Accm以上3050 ，保温，空气中冷却 亚共析钢，F和S，共析钢，S；过共析钢，S和Fe3C 适用于碳素钢及中、低合金钢，因为高合金钢的奥氏体非常稳定，即使在空气中冷却也会获得马氏体组织 对于低碳钢、低碳低合金钢，细化晶粒，提高硬度（140190 HBW），改善切削加工性能；对于过共析钢，消除二次网状渗碳体，有利于球化退火的进行材料与成形技术优秀课件第第

151、 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社103103各种退火和正火的加热温度范围如图1-59、视频3所示。图1-59 各种退火和正火的工艺示意图 2. 钢的淬火钢的淬火 淬火时将钢加热到Ac3或Ac1以上，保温一定时间使其奥氏体化，再以大于临界冷却速度快速冷却，从而发生马氏体转变的热处理工艺。淬火钢得到的组织主要是马氏体（或下贝氏体），此外，还有少量残余奥氏体及未溶的第二相。淬火的目的是提高钢的硬度和耐磨性。视频3 退火和正火材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1) 淬火加热温度 10

152、4104 碳钢的淬火加热温度可利用Fe-Fe3C相图来选择，如图1-60所示。 对于亚共析碳钢，适宜的淬火温度为Ac3+3050，使碳钢完全奥氏体化，淬火后获得均匀细小的马氏体组织。如果加热温度过低(Ac3)，在淬火钢中将出现铁素体组织，造成淬火硬度不足；如果加热温度过高(Ac3)，引起奥氏体晶粒粗大，淬火后得到粗大的马氏体组织，使淬火钢韧性降低。 对于过共析碳钢，适宜的淬火温度为Ac1+3050。淬火前先进行球化退火，使之得到粒状珠光体组织，淬火加热时组织为细小奥氏体晶粒和未溶的细粒状渗碳体，淬火后得到隐晶马氏体和均匀分布在马氏体基体上的细小粒状渗碳体组织。这种组织不仅具有高强度、高硬度、高

153、耐磨性，而且也具有较好的韧性。如果过共析碳钢加热到Accm以上，完全奥氏体化淬火，结果反而会有害，这是因为： (1)淬火加热时渗碳体完全融入奥氏体中，使奥氏体的碳含量增加，Ms和Mf 点降低，淬火后残余奥氏体量增加，使钢的硬度和耐磨性降低。 (2)奥氏体晶粒粗大，淬火后容易得到含有显微裂纹的粗片状马氏体，使钢的脆性增大。 (3)淬火应力大，工件表面氧化、脱碳严重，增加了工件淬火变形和开裂倾向。图1-60 碳钢的淬火加热温度范围 材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2）淬火加热时间105105 为了使工件各部分完成组织转变，需

154、要在淬火加热时保温一定的时间，通常将工件升温和保温所需的时间计算在一起，统称为加热时间。 影响淬火加热时间的因素较多，如钢的成分、原始组织、工件形状和尺寸、加热介质、炉温、装炉方式及装炉量等。钢在淬火加热过程中，如果操作不当，会产生过热、过烧或表面氧化、脱碳等缺陷。过热是指工件在淬火加热时，由于温度过高或时间过长，造成奥氏体晶粒粗大的现象。过热不仅使淬火后得到的马氏体组织粗大，使工件的强度和韧性降低，易于产生脆断，而且容易引起淬火裂纹。对于过热工件，进行一次细化晶粒的退火或正火，然后再按工艺规程进行淬火，便可以纠正过热组织。过烧是指工件在淬火加热时，温度过高，使奥氏体晶界发生氧化或出现局部熔化

155、的现象，过烧的工件无法补救，只得报废。淬火加热时工件和加热介质之间相互作用，往往会产生氧化和脱碳等缺陷。氧化使工件尺寸减小，表面粗糙度值降低，并影响淬火冷却速度；表面脱碳使工件表面碳含量降低，导致工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度降低。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社3）淬火冷却介质106106 淬火冷却时，既要快速冷却以保证淬火工件获得马氏体组织，又要减少变形，防止裂纹产生。因此，冷却是关系到淬火质量高低的关键操作。 (1)理想淬火冷却速度由共析钢过冷奥氏体等温转变曲线得知，要得到马氏体，淬火的冷却速度就必须大于临界冷却速

156、度。但是淬火钢在整个冷却过程中并不需要都进行快速冷却。关键是在过冷奥氏体最不稳定的C曲线鼻尖附近，即在650400 的温度范围内要快速冷却。而从淬火温度到650 之间以及400 以下，特别是300200 以下并不希望快冷。因为淬火冷却中工件截面的内外温度差会引起热应力。另外，由于钢中的比体积（单位质量物质的体积）不同，其中马氏体的比体积最大，奥氏体的比体积最小，因此，马氏体的转变将使工件的体积胀大，如冷却速度较大，工件截面上的内外温度差将增大，使马氏体转变不能同时进行而造成相变应力。冷却速度越大，热应力和相变应力越大，钢在马氏体转变过程中便容易引起变形与裂纹。根据上述要求，冷却介质对钢的理想淬

157、火冷却速度应如图1-61所示。图1-61 钢的理想淬火冷却曲线材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社4) 淬火方法107107 (2) 常用淬火介质工件淬火冷却时，要使其得到合理的淬火冷却速度，必须选择适当的淬火介质。目前生产中应用的冷却介质是水和油。当冷却介质为20 的自来水，工件温度在200300 时，平均冷却速度为450 /s；工件温度在340 时，平均冷却速度为775 /s；工件温度在500650 时，平均冷却速度为135 /s。因此，水的冷却特性并不理想，在需要快冷的500650 温度范围内，它的冷却速度很小，而在2

158、00300 需要慢冷时，它的冷却速度反而很大。水中加入少量的盐，制成10%NaCl水溶液，在500650 平均冷却速度可达1 900 /s；在200300 时平均冷却速度为1 000 /s，其冷却能力提高到约为水的10倍，而且最大冷却速度所在温度正好处于500650范围内，可获得高而均匀的硬度，防止软点产生。但在200300 温度范围内冷却速度过大，使淬火工件相变应力增大，且食盐水溶液对工件有一定的锈蚀作用，淬火后工件必须清洗干净。淬火用油几乎全部为矿物油（如机油、变压器油、柴油等）。20机油在500650时平均冷却速度为60 /s；在200300 时平均冷却速度为65 /s，比水的平均冷却速

159、度小得多，只能用于过冷奥氏体稳定性较大的淬火合金钢，但能有效地防止变形与裂纹的产生。 生产中应根据钢的化学成分、工件的形状和尺寸，以及技术要求等来选择淬火方法。选择合适的淬火方法可以在获得所要求的淬火组织和性能条件下，尽量减少淬火应力，从而减小工件变形和开裂的倾向。目前常用的淬火方法如表1-14所示，冷却曲线如图1-62所示。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社表1-14 常用淬火方法108108淬火方法冷却方式特点和应用单液淬火法将奥氏体化后的工件放入一种淬火冷却介质中一直冷却到室温。操作简单，易实现机械化与自动化，适用于

160、形状简单的工件双液淬火法将奥氏体化后的工件在水中冷却到接近Ms点时，立即取出放入油中冷却防止低温马氏体转变时工件发生裂纹，常用于形状复杂的合金钢分级淬火法将奥氏体化后的工件放入温度稍高于Ms点的盐浴中，使工件各部分与盐浴的温度一致后，取出空冷完成马氏体转变大大减小热应力、变形和开裂，但盐浴的冷却能力较小，故只适用于截面尺寸小于10mm的工件。如刀具、量具等等温淬火法将奥氏体化的工件放入温度稍高于Ms点的盐浴中等温保温，使过冷奥氏体转变为下贝氏体组织后，取出空冷它常用来处理形状复杂、尺寸要求精确、强韧性高的工具、模具和弹簧等局部淬火法对工件局部要求硬化的部位进行加热淬火冷处理将淬火冷却到室温的钢

161、继续冷却到-70-80，使残余奥氏体转变为马氏体，然后低温回火，消除应力，稳定新生马氏体组织提高硬度、耐磨性、稳定尺寸，适用于一些高精度的工件，如精密量具、精密丝杠、精密轴承等材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社图1-62 淬火冷却方法示意图109109材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社5) 钢的淬透性110110 (1) 淬透性的概念 淬透性是指钢淬火时获得马氏体的能力，它是钢的固有属性。其大小用钢在一定条件下淬火所获得的淬透层深度来表示。 淬透层的深

162、度规定为由表面至半马氏体的深度。半马氏体区的组织是由50%马氏体和50%分解产物组成。如果工件的中心在淬火后获得了50%以上的马氏体，则它可被认为已淬透。 同样形状和尺寸的工件，用不同的钢材制造，在相同条件下淬火，淬透层愈深，其淬透性愈好。 钢的淬透性主要决定于临界冷却速度。临界冷却速度愈小，过冷奥氏体愈稳定，钢的淬透性也就愈好。因此，除Co外，大多数合金元素都能显著提高钢的淬透性。 必须注意，钢的淬透性与淬硬性不是同一概念。淬硬性是指钢淬火后形成的马氏体组织所能达到的硬度，它主要取决于马氏体中的碳含量，马氏体中的碳含量愈高，马氏体的硬度也愈高。 (2) 淬透性的测定：材料与成形技术优秀课件第

163、第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 末端淬火法 目前测定结构钢淬透性最常用的方法是末端淬火法，简称端淬法。 将25mm100mm的标准试样加热至奥氏体化后取出置于实验装置上，对末端喷水冷却，如图1-63a所示。由于试样末段冷却最快，越往上冷却得越慢，因此，沿试样长度方向便能测出各种冷却速度下的不同组织与硬度。若从喷水冷却的末端起，每隔1.5 mm测一硬度值，即可得到试样沿长度方向的硬度分布曲线，该曲线称为淬透性曲线，如图1-63b所示。由图可见，40Cr钢的淬透性大于45钢。111111图1-63 末端淬火法 钢的淬透性用J（HRC/d）表示。J

164、表示末端淬透性，d表示至末端的距离，HRC为该处测得的硬度值。例如J35/(1015)表示距末端1015 mm处的硬度值为35 HRC 。 材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 临界淬透直径112112 临界淬透直径是指淬火钢在冷却介质中冷却后，心部能淬透的最大直径，用DC表示。显然，冷却介质的冷却能力越大，钢的临界淬透性直径就越大。但在同一冷却介质中钢的临界淬透直径越大，则其淬透性越好。表1-15为部分常用钢材的临界淬透直径。表1-15 部分常用钢材的临界淬透直径牌号临界淬透直径Dc/mm心部组织水淬油淬451316.55

165、9.550%M60111761250%M40Cr3038192850%M20CrMnTi2235152450%M60Si2Mn5562324650%MGCr15303595%M9SiCr405095%M材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 淬透性的应用 钢的淬113113透性对机械设计很重要。淬火时，同一工件表面和心部的冷却速度是不相同的，表面的冷却速度最大，愈到中心冷却速度愈小，如图1-64a所示。淬透性低的钢，其截面尺寸较大时，由于心部不能淬透，因此表层与心部组织不同，图1-64b，心部力学性能指标显著下降，特别是作为零

166、件设计依据的屈服强度下降很多，冲击韧度也显著降低，而淬透性好的钢，表面与心部的力学性能一致。因此在选材和制定热处理工艺时必须充分考虑淬透性的作用。图1-64 工件淬硬层与冷却速度的关系材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社视频4 淬火114114 机械制造中，一般截面尺寸较大和形状复杂的重要零件，以及承受轴向拉伸或压缩应力或交变应力、冲击负荷的螺栓、拉杆、锻模等，应选用淬透性高的钢，并将整个工件淬透。对承受交变应力、扭转应力、冲击负荷和局部磨损的轴类零件，它们的表面受力很大，心部受力较小，不要求一定淬透，因而可选用低淬透性的钢

167、，一般淬透到截面半径的1214深，根据载荷大小，进行调整。 受交变应力和振动的弹簧，应选用淬透性高的钢材，以免由于心部没有淬透，中心出现游离铁素体，使s/b大大降低，工作时容易产生塑性变形而失效。焊接件不宜选用淬透性高的钢材，否则容易在焊缝热影响区内出现淬火组织，造成焊件变形和裂纹。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社3. 钢的回火钢的回火115115 回火是将淬火钢重新加热到A1以下某一温度，保温，然后冷却的热处理工艺。回火决定了钢在使用状态的组织和性能。回火的目的是为了稳定组织，消除淬火应力，提高钢的塑性和韧性，获得强度

168、、硬度和塑性、韧性的适当配合，满足各种工件不同的性能要求。 根据回火温度可将钢的回火分为三类。 1）低温回火(150250) 低温回火后的组织为回火马氏体，它是由过饱和的相和与其共格的-Fe2.4C组成。其形态仍保留淬火马氏体的片状或板条状。 低温回火的主要目的是保持淬火马氏体的高硬度(5862 HRC)和高耐磨性，降低淬火应力和脆性。它主要用于各种高碳钢的刃具、量具、冷冲模具、滚动轴承和渗碳工件。 2）中温回火(350500 ) 中温回火后的组织为回火托氏体，它是由尚未发生再结晶的针状铁素体和弥散分布的极细小的片状或粒状渗碳体组成，其形态仍为淬火马氏体的片状或板条状。中温回火的主要目的是为了

169、获得高的屈强比、高的弹性极限、高的韧性，回火托氏体的硬度为3545 HRC。中温回火主要用于处理各种弹簧、锻模。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社3）高温回火 (500650 )116116 高温回火后的组织为回火索氏体，它是由已再结晶的铁素体和均匀分布的细粒状渗碳体组成。由于铁素体发生了再结晶失去了原来淬火马氏体的片状或板条状形态，呈现为多边形颗粒状，同时渗碳体聚集长大。 高温回火的目的是为了获得综合力学性能，在保持较高强度的同时，具有较好的塑性和韧性，回火索氏体的硬度为2535 HRC。这种淬火后高温回火的热处理称为调

170、质，它适用于处理传递运动和力的重要零件，如传动轴、齿轮、传递连杆等。 应当指出，钢经正火和调质处理后硬度值很相近，但重要的结构零件一般都进行调质处理。这是由于调质处理后的组织为回火索氏体，其渗碳体呈颗粒状，而正火得到的索氏体，其渗碳体呈片状。因此，钢经调质处理后不仅强度较高，而且塑性和冲击韧度显著提高。表1-16所示为45钢( 20mm40mm)经调质与正火处理后力学性能的比较。表1-16 45钢(20 mm40 mm)调质与正火处理后力学性能的比较热处理状态b/MPa/%K /JHBS组织正火70080015204064163220细珠光体铁素体调质75085020256496210250回

171、火索氏体材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.9.4 钢的形变热处理钢的形变热处理117117 回火温度是决定工件回火后硬度的主要因素，但随回火时间的增加，工件硬度也将下降。确定回火时间的基本原则是保证工件穿透加热以及组织转变充分。一般组织充分转变所需时间不大于0.5 h，穿透加热时间为13 h。生产某些精密工件（精密量具、精密轴承等），为了保持淬火后的高硬度及尺寸稳定性，常采用100150 加热，保温1015 h,这种低温长时间保温的热处理工艺，称为稳定化处理。回火后的钢，一般在空气中缓慢冷却。 形变热处理是把塑性变形(

172、锻、轧等)和热处理工艺紧密结合起来的一种热处理方法。由于它可以使钢同时受到形变强化和相变强化，因此可以大大提高钢的综合力学性能，另外，它还能大大简化钢件生产流程，节省能源，因而受到愈来愈广泛的重视。 根据形变温度的高低，可分为中温形变热处理(图1-65a)和高温形变热处理(图1-65b)两种。 中温形变热处理是把钢加热至奥氏体化，保温一段时间，迅速冷却到过冷奥氏体的亚稳区，进行大量的(6090)塑性变形，然后淬火得到马氏体组织的综合热处理工艺。中温形变热处理淬火后需要进行低温回火或中温回火。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版

173、社图1-65 形变热处理工艺示意图118118 中温形变热处理的目的是保持一定塑性，大幅度提高强度和耐磨性。它主要用于强度要求极高的中碳合金钢零件，如飞机的起落架、高速钢刀具、模具、冲头、板簧等。 高温形变热处理是把钢加热至奥氏体化，保温一段时间，在该温度下进行塑性变形，随后淬火处理，获得马氏体组织。根据性能要求，高温形变热处理在淬火后，还需要进行低温回火、中温回火或高温回火。 高温形变热处理可大大改善塑性、韧性，减少脆性，但其塑性变形是在奥氏体再结晶温度以上的范围内进行的，因而强化程度(一般在1030)不如低温形变热处理大，它主要应用于调质钢及机械加工量不大的锻件，如连杆、曲轴、弹簧、叶片、

174、农机具等。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社视频5 钢的形变热处理119119材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.9.5 钢的表面淬火钢的表面淬火120120 表面淬火是对工件表层进行淬火的工艺。它是将工件表面进行快速加热，使其奥氏体化并快速冷却获得马氏体组织，而心部仍保持原来塑性、韧性较好的退火、正火或调质状态的组织。表面淬火后需进行低温回火，以减少淬火应力和降低脆性。 表面淬火可有效提高工件表面层的硬度和耐磨性，达到外硬内韧的效果，并可造成表面层

175、压应力状态，提高疲劳强度，延长工件的使用寿命。 目前生产中应用最广泛的是感应加热表面淬火，其次是火焰加热表面淬火。 1.感应加热表面淬火感应加热表面淬火 感应加热表面淬火法的原理如图1-66a所示。把工件放入由空心铜管绕成的感应线圈中，当感应线圈通以交流电时，便会在工件内部感应产生频率相同、方向相反的感应电流。感应电流在工件内自成回路，故称为“涡流”。涡流在工件截面上的分布是不均匀的，如图1-66b所示，表面电流密度最大，心部电流密度几乎为零，这种现象称为集肤效应。由于钢本身具有电阻，因而集中于工件表面的涡流，几秒种可使工件表面温度升至8001 000 ，而心部温度仍接近室温，在随即喷水(合金

176、钢浸油)快速冷却后，就达到了表面淬火的目的。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社图1-66 感应加热表面淬火示意图121121 感应加热时，工件截面上感应电流密度的分布与通入感应线圈中的电流频率有关。电流频率愈高，感应电流集中的表面层愈薄，淬硬层深度愈小。因此可通过调节通入感应线圈中的电流频率来获得工件不同的淬硬层深度，一般零件淬硬层深度为半径的110左右。对于小直径(1020 mm)的零件，适宜用较深的淬硬层深度，可达半径的15，对于大截面零件可取较浅的淬硬层深度，即小于半径110以下。 表1-17列出了不同电流频率感应加

177、热设备的特性及应用范围。感应加热类型工作电流频率淬硬层深度/mm应用范围高频感应加热100200kHz（常用200300kHz）0.52中小模数齿轮（m3）、中小轴、机床导轨等超音频感应加热2060KHz（常用3040kHz）2.53.5中小模数齿轮（m=36），花键轴，曲轴，凸轮轴等中频感应加热50010000Hz（常用2500800Hz）210大中模数齿轮（m=812），大直径轴类，机床导轨等工频感应加热50Hz1020大型零件，如冷轧辊、火车车轮、柱塞等表1-17 感应加热种类及应用范围材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出

178、版社视频6 感应加热表面淬火122122 感应加热表面淬火主要适用于中碳钢和中碳低合金钢，例如45、40Cr、40MnB等。若碳含量过高，会增加淬硬层脆性，降低心部塑性和韧性，并增加淬火开裂倾向；若碳含量过低，会降低零件表面淬硬层的硬度和耐磨性。在某些条件下，感应加热表面淬火也应用于高碳工具钢、低合金工具钢、铸铁等工件。 与普通淬火相比，感应加热表面淬火有以下特点： (1) 感应加热速度极快，一般只要几十秒的时间就可以使工件达到淬火温度，因此相变温度升高。 (2) 感应加热速度快、时间短，使奥氏体晶粒细小而均匀，淬火后可在表层获得极细马氏体或隐针马氏体，使工件表层硬度较普通淬火高23 HRC，

179、且脆性较低。 (3) 工件表面不易氧化和脱碳，耐磨性好，变形小；工件表层存在残余压应力，一般工件可提高疲劳强度20%30%。 (4) 生产率高，适用于大批量生产，且易实现机械化和自动化操作。 但感应加热设备较贵，维修、调整比较困难，形状复杂的零件感应线圈不易制造，且不适于单件生产。感应加热表面淬火见视频6。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2.火焰加热表面淬火（视频火焰加热表面淬火（视频7）123123 火焰加热表面淬火法是用乙炔氧火焰(最高温度3 200 )或煤气氧火焰(最高温度2 000 )，对工件表面进行快速加热，并

180、随即喷水冷却。淬硬层深度一般为26 mm。适用于单件小批量生产以及大型零件(如大型轴类、模数齿轮等)的表面淬火。 火焰加热表面淬火的优点是设备简单，成本低，灵活性大。缺点是加热温度不易控制，工件表面易过热，淬火质量不够稳定。视频7 火焰加热表面淬火材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社3.激光加热表面淬火激光加热表面淬火124124 激光加热表面淬火是以高能量激光束扫描工件表面，使工件表面快速加热到钢的临界点以上，利用工件基体的热传导自冷淬火，实现表面相变硬化。 激光加热表面淬火加热速度极度快(105106 s)，因此过热度大

181、，相变驱动力大，奥氏体形核数目剧增，扩散均匀化来不及进行，奥氏体内碳及合金浓度不均匀性增大，奥氏体中碳含量相似的微观区域变小，随后的快冷(104 s)中不同微观区域内马氏体形成温度有很大差异，产生细小马氏体组织。由于快速加热，珠光体组织通过无扩散转化为奥氏体组织；由于快速冷却，奥氏体组织通过无扩散转化为马氏体组织，同时残余奥氏体量增加，碳来不及扩散，使过冷奥氏体碳含量增加，马氏体中碳含量增加，硬度提高。 激光加热表面淬火后，工件表层获得极细小的板条马氏体和孪晶马氏体的混合组织，且位错密度极高，表层硬度比淬火低温回火提高20，即使是低碳钢也能提高一定的硬度。 激光淬火硬化层深度一般为0.31 m

182、m，硬化层硬度值一致。随零件正常相对接触摩擦运动，表面虽然被磨去，但新的相对运动接触面的硬度值并未下降，耐磨性仍然很好，因而不会发生常规表面淬火层由于接触磨损，磨损随之加剧的现象，耐磨性提高约50，工件使用寿命提高了几倍甚至十几倍。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 激光加热表面淬火最佳的原始组织是调质组织，淬火后零件变形极小，表面质量很高，特别适用于拐角、沟槽、盲孔底部及深孔内壁的热处理，而这些部位是其他表面淬火方法极难做到的。125125材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版

183、社高等教育电子音像出版社1.9.6 钢的化学热处理钢的化学热处理126126 化学热处理是将工件置入含有活性原子的特定介质中加热和保温，使介质中一种或几种元素(如C、N、Si、B、Al、Cr、W等)渗入工件表面，以改变表层的化学成分和组织，达到工件使用性能要求的热处理工艺。其特点是既改变工件表面层的组织，又改变化学成分。它可比表面淬火获得更高的硬度、耐磨性和疲劳强度，并可提高工件表层的耐蚀性和高温抗氧化性。 各种化学热处理都是由以下三个基本过程组成的。 (1) 分解 由介质中分解出渗入元素的活性原子。 (2) 吸收 工件表面对活性原子进行吸收。吸收的方式有两种，即活性原子由钢的表面进入铁的晶格

184、形成溶体，或与钢中的某种元素形成化合物。 (3) 扩散已被工件表面吸收的原子，在一定温度下，由表面往里迁移，形成一 定厚度的扩散层。 表1-18 列出了常用化学热处理的渗入元素及作用。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社表1-18 常用化学热处理的渗入元素及作用127127渗入元素工艺方法渗层组织渗层厚度/mm表面硬度作用与特点应用 C 渗碳 淬火后为碳化物、马氏体、残余奥氏体0.31.65763 HRC 提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度，渗碳温度（930 ）较高，工件畸变较大 常用于低碳钢、低碳合金钢、热作模具钢制作的齿轮、

185、轴、活塞、销、链条 N渗氮 合金氮化物、含氮固溶体0.10.65601 100 HV 提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗蚀性、抗回火软化能力，渗氮温度（550570 ）较低，工件畸变小，渗层脆性大 常用于含铝低合金钢、含铬中碳低合金钢、热作模具钢、不锈钢制作的齿轮、轴、镗杆、量具 C、N碳氮共渗 淬火后为碳氮化合物、含氮马氏体、残余奥氏体0.250.65863 HRC 提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗蚀性、抗回火软化能力，工件畸变小，渗层脆性大 常用于低碳钢、低碳合金钢、热作模具钢制作的齿轮、轴、活塞、销、链条 N、C氮碳共渗 氮碳化合物、含氮固溶体0.007 0.0205001 100HV

186、 提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗蚀性、抗回火软化能力，工件畸变小，渗层脆性大 常用于低碳钢、低碳合金钢、热作模具钢制作的齿轮、轴、活塞、销、链条材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社视频8 钢的化学热处理128128 渗碳件渗碳后，都要进行淬火、低温回火，回火温度一般为150200 。 经淬火和低温回火后，渗碳件表面为细小片状回火马氏体及少量渗碳体，硬度可达5864 HRC，耐磨性能很好。心部组织决定于钢的淬透性。普通低碳钢如15、20钢，心部组织为铁素体和珠光体，硬度为1015 HRC。低碳合金钢如20CrMnTi心部组

187、织为回火低碳马氏体、铁素体及托氏体，硬度为3545 HRC，具有较高的强度、韧性及一定的塑性。 应用最广泛的氮化钢是38CrMoAl钢，氮化后工件表面硬度可达1 1001 200 HV（相当于72 HRC），因此钢在氮化后不需要进行淬火处理。钢的化学热处理见视频8。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.10 钢中的合金元素钢中的合金元素 129129 合金元素是为了改善和提高钢的力学性能和使钢获得某些特殊的物理、化学性能而专门加入的元素。在实际使用的钢中，除碳外尚存在少量的其它元素，如一般含量的硅、锰、磷、硫以及氧、氮、氢

188、等，这些非特意加入的元素称为常存或残余元素。 常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、妮、锆、铜、硼、稀土元素等。磷、硫、氮等在某些情况下也起合金元素的作用。1.10.1 合金元素在钢中的分布合金元素在钢中的分布 每一种合金元素在钢的不同组织中的溶解度或含量是不同的，即使在同一金相组织中，溶解度也随温度而变化。 在平衡状态中，合金元素在钢中存在形式和分布主要有以下五种： (1) 与铁形成固溶体，不与碳形成任何碳化物，如硅、铜、铝、钴等。 (2) 部分固溶于铁素体，另一部分与碳形成碳化物。但每一种元素固溶于铁素体和形成碳化物的倾向并不相同，因而其在铁素体和碳化物中的含量也有所不同。这一类

189、合金元素如锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等。 (3) 不少元素与钢中的氧、氮、硫形成简单的或复合的非金属夹杂物，如Al2O3、AlN、FeOAl2O3、SiO2MxOy 、TiN 、MnS等。 (4) 一些元素彼此作用形成金属间化合物，如FeSi、FeCr()、Ni3Ti、Fe2W等。 (5) 有的元素，如铜和铅，常以游离状态出现。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.10.2 合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的作用 130130 1.合金元素对钢中基本相的影响合金元素对钢中基本相的影响 (1) 非碳化物形成元素：Ni、

190、Co、Cu、Si、Al、N、B等。这些元素与碳亲合力很弱，在钢中不和碳化合，而是溶入铁素体内形成合金铁素体，对基体起固溶强化作用。合金元素的原子半径与铁原子的原子半径相差愈大，或两者晶格类型不同，则造成的晶格畸变愈大，固溶强化效果也愈显著。 图1-67和图1-68为退火状态各合金元素对碳钢性能的影响。由图可见，Si、Mn的强化作用十分强烈，Ni也有较好的强化作用。当wSi0.6、wMn1.5时，对铁素体强化的同时对其韧性影响不大，当超过这个限度时则韧性有明显下降。而Cr、Ni比较特殊，当wCr2、wNi5时铁素体的强度和韧性都有所提高。因此，结构钢中各合金元素含量都有一定限度。材料与成形技术优

191、秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2.合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图的影响相图的影响131131 (2) 中强碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W等。一般能够置换渗碳体中的铁原子而形成合金渗碳体，如(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C、(Fe、W)3C等，合金渗碳体仍具有渗碳体的复杂六方晶格。渗碳体是一种稳定性最低的碳化物，因为Fe与C的亲和力较弱。合金渗碳体较渗碳体稳定性略为提高，硬度也较高，是一般低合金钢中存在的主要碳化物。 (3) 强碳化物形成元素：Mo、W、Ti、Zr、Nb、V。这些合金元素含量较高(wMe5)时，才倾向

192、于形成合金碳化物。它比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度、耐磨性，且更稳定。具有简单晶格的间隙相，如MoC、WC、W2C、VC、TiC比具有复杂晶格的合金渗碳体稳定性更高。 绝大多数合金元素均使S点和E点左移，如图1-69所示，使w0.77的钢成为过共析钢；w2.11的钢中出现莱氏体，这类钢称为莱氏体钢。 使S点、E点左移的合金元素，如Co、Ni、Mn等均使奥氏体相区扩大，但Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al等元素使奥氏体相区缩小，为铁素体形成元素。当某些合金元素加入量达到一定值时，使室温下的组织成为单相奥氏体或单相铁素体，这类钢称为奥氏体钢或铁素体钢。 由此可见，合金元素使Fe-Fe3C相图的

193、相变点发生改变，使相变温度改变，因此，合金钢热处理工艺应根据多元铁基合金系分析。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社3.合金元素对钢热处理的影响合金元素对钢热处理的影响132132图1-69 合金元素对Fe-Fe3C相图中奥氏体区的影响 1) 合金元素对钢加热转变的影响 除了镍、钴以外，大多数合金元素特别是强碳化物形成元素，使碳的扩散速度降低，奥氏体的形成过程减缓，因此奥氏体化加热温度提高，保温时间延长。除了锰、硼以外，大多数合金元素阻碍奥氏体晶粒长大，淬火后获得细小马氏体组织。 2) 合金元素对钢冷却转变的影响材料与成形技

194、术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社图1-70 合金元素对曲线的影响示意图133133 除了Co以外，大多数合金元素溶入奥氏体中，不同程度地阻碍了铁、碳原子的扩散，减缓了奥氏体的分解能力，使奥氏体稳定性提高，C曲线右移，如图1-70a所示。强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Ti等，溶入奥氏体后，由于它们对推迟珠光体转变和贝氏体转变的作用不同，使C曲线出现两个“鼻尖”，形成珠光体和贝氏体两个转变区，如图1-70b所示。（a）非碳化物元素对曲线的影响（b）碳化物元素对曲线的影响材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社

195、高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社图1-71 合金元素对Ms的影响 图1-72 合金元素对残余奥氏体量的影响134134 合金元素使C曲线右移，增加了马氏体临界冷却速度，使钢的淬透性提高。特别是多种元素同时加入，对钢淬透性的提高远比各元素单独加入时为大，故目前淬透性好的钢，多采用“多元少量”的合金化原则，如Cr-Ni、Cr-Mn、Cr-Si、Si-Mn等多组元合金钢。 合金钢淬透性好，在生产中具有非常重要的意义。合金钢淬火时，大多数可在油中冷却，减少了工件变形与开裂倾向；增加了大截面工件的淬硬深度，使工件获得沿截面均匀的、高的力学性能。 除Co、Al外，大多数合金元素使Ms点、Mf

196、点下移，如图1-71所示，使钢在淬火后残余奥氏体量增多，如图1-72所示。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社3) 合金元素对回火转变的影响 135135 淬火合金钢进行回火时，其组织转变与碳钢相似。但由于合金元素的加入，使其在回火转变时具有如下特点： (1) 提高淬火钢的回火稳定性淬火钢在回火时，抵抗强度、硬度下降的能力称为回火稳定性。合金元素溶入淬火马氏体后，使原子扩散速度减慢，从而使淬火钢在回火过程中组织分解和转变速度减慢，淬火马氏体不易分解，残余奥氏体不易分解，铁素体再结晶温度提高，碳化物不易析出。析出的碳化物不易聚

197、集长大，保持细小、分散分布的组织状态。因此与碳钢相比，在相同回火温度时，合金钢强度、硬度较高；在保持相同强度、硬度条件下，合金钢回火温度较高，回火时间较长，因此内应力消除彻底，塑性、韧性较高。 (2) 产生二次硬化淬火合金钢在500600 温度范围回火时，硬度升高的现象称为二次硬化。造成淬火合金钢在回火时产生二次硬化的原因主要有两点：其一是合金元素含量较多的淬火合金钢，在500600 回火时，从淬火马氏体中析出与其保持共格关系的高度弥散分布的特殊碳化物，如Mo2C、W2C、VC等，弥散分布在马氏体基体上，阻碍位错运动，使合金钢硬度提高同时强度也提高。如图1-73所示，当wMo2的钢均产生二次硬

198、化。其二是在500600 回火时，残余奥氏体中析出一些特殊碳化物，使残余奥氏体中碳含量和合金元素含量下降，使合金钢硬度提高。 材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社图1-73 wc0.35%的钢加入不同 Mo量对回火硬度的影响136136 (3) 产生回火脆性 淬火合金钢在某一温度范围内回火时，出现冲击韧度剧烈下降的现象，称为回火脆性。 在350 附近回火时，碳钢和合金钢都会出现冲击韧度下降，产生脆化现象，这种回火脆性称为第类回火脆性。它与回火后的冷却方式无关，且无法消除，因此一般不在250400 温度范围内回火。 淬火合金钢

199、在450650 回火时出现的回火脆性，称为第类回火脆性。它与杂质在奥氏体晶界上的偏析有关。消除第类回火脆性的方法：回火后快速冷却，使杂质来不及在晶界上偏析，如图1-74所示；对于大截面工件在钢中加入w=1或wMo=0.5，回火后缓冷也不发生第类回火脆性。图1-74 合金钢回火脆性示意图材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.11 合金钢合金钢137137 在Fe-C合金中加入一些其他的金属或非金属元素构成的钢，称为合金钢，其目的是为了改善碳钢的组织和性能，加入的元素称为合金元素。合金元素的加入使碳钢的淬透性、强度、硬度、耐热

200、性、耐腐性、耐磨性等都得到了很大程度的提高。 合金结构钢是用于制造工程结构和机器零件的钢。用于工程结构的钢大多是普通质量的钢，承受静载荷的作用；用于机器零件的钢大多是优质钢，承受动载荷的作用，一般均需热处理，充分发挥钢材的潜力。 1.低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是在碳素结构钢的基础上加入少量（wMe3）合金元素构成的，它主要用于工程建筑、车辆、船舶、油罐、输油管等。它的工作环境大多在露天，受气温及大气中腐蚀性气体的影响较大。因此对普通低合金结构钢要求具有良好的综合力学性能；良好的工艺性能；较好的抗蚀性能和较低的临界脆性转化温度。1.11.1 合金结构钢合金结构钢材料

201、与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2. 合金结构钢合金结构钢 为了达到上述性能要求，普通低合金结构钢的碳的质量分数较低，一般为wC =0.10.2，一般以少量的锰为主加元素(wMn=0.81.7)，Si的质量分数较碳素结构钢高(wSi0.55)。为改善钢的性能，各牌号A、B级钢可加入V、Ti、Nb等细化晶粒元素，产生弥散强化，提高强度、硬度、冲击韧度。Cu、P提高钢对大气的抗蚀能力，有时在钢中还加入少量稀土元素，以消除钢中有害杂质，改善杂质物形状的分布，减弱其脆性。供货状态为热轧正火状态，显微组织为铁素体、珠光体的混合组织。

202、常用的低合金高强度结构钢的牌号由字母“Q”屈服点数值质量等级符号(A、B、C、D、E)三个部分按顺序排列，如Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等。 合金结构钢通常是在优质碳素结构钢的基础上加入一些合金元素而形成的钢种。合金元素通常为wMe5，故该钢种属于低、中合金钢。 合金结构钢的牌号表示方法由三部分组成，即“数字元素符号数字”。前面两位数字表示平均碳质量分数的万倍；合金元素以化学符号表示，合金元素后面的数字表示合金元素质量分数的百倍，当其平均质量分数1.5时，牌号中一般只标出元素符号，而不表明数字，当其平均质量分数1.5、2.5、3.5时，则在元素符号后相应标出2、3、4。13

203、8138材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1) 渗碳用钢139139 我国合金结构钢中，主加元素一般为锰、硅、铬、硼等，它对提高淬透性和力学性能起主导作用。辅加元素主要有钨、钼、钒、钛、铌等。 合金结构钢都是优质钢、高级优质钢 (牌号后加A)或特级优质钢 (牌号后加E)。按其用途及工艺特点可分为渗碳用钢、调质用钢。 渗碳用钢指进行渗碳处理的钢，常称渗碳钢。它一般为低碳的优质碳素结构钢和合金结构钢。一般渗碳钢的wC0.10.20(个别也可达0.3)。渗碳钢广泛应用于汽车、拖拉机变速齿轮、凸轮、活塞销等，这类零件要求表面具有高

204、硬度、高耐磨性；心部具有高韧性(a60kJm2)、高强度(b5001 200 MPa)。合金渗碳钢中常加入的主加元素为铬 (wCr3)、镍(wNi4.5)、锰(wMn2%)、硼(wB0.003 5)，以提高淬透性，改善心部性能，提高渗碳层强度和韧性；辅加元素为W、Mo、V、Ti等，以阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒。 合金渗碳钢的最终热处理是淬火后低温回火。表层组织是高碳回火马氏体、合金渗碳体、少量残余奥氏体，表层硬度可达5864 HRC。心部若完全淬透，组织为低碳回火马氏体，硬度为4048 HRC；若未淬透时为托氏体、少量低碳回火马氏体、少量铁素体的混合组织，硬度为2540 HRC。 常用的渗碳

205、钢的牌号有15、20、20Cr、20CrV、20Mn2、20MnV、20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB、18Cr2Ni4WA，其中20CrMnTi钢应用最广泛。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2） 调质用钢140140 调质用钢是指经调质处理后使用的钢，常称调质钢。合金调质钢多为中碳低合金钢，wC0.30.5，wMe5，用于承受弯曲、扭转、拉压、冲击等复杂应力的重要件，如传动轴、曲轴、连杆螺栓等。因此要求合金调质钢具有良好的综合力学性能(b4501 000 MPa，10，a500kJm2, 硬度207229

206、 HBS)，良好的淬透性，避免高温回火脆性。 合金调质钢中的主加元素是锰(wMn2)、铬(wCr2)、镍(wNi4.5)、硼(wB0.0035)，以提高钢的淬透性，强化铁素体基体，改善韧性；辅加元素是W、Mo、V、Ti等碳化物形成元素，以细化晶粒，提高耐回火性，和Mo还可以防止第类回火脆性。常用调质钢的牌号有40、40Cr、42SiMn、35CrMo、38CrMoAl、40CrMnMo、40CrNiMoA，其中40Cr钢应用最广泛。 此外，调质钢中还有专门用于氮化的钢，以进一步提高调质钢表面硬度, 表面硬度可达1200HV。38CrMoAl是典型的氮化钢，用于制造精密齿轮、镗杆等。对于有缺口的

207、调质零件，在缺口处采用喷丸或滚压强化，以提高疲劳强度。 弹簧钢主要用来制造各种弹性零件，特别是机器仪表中的弹簧。它主要利用弹性变形来减振储能。因此要求具有高的弹性极限、屈强比和疲劳强度；足够的塑性、韧性，以免发生脆断；良好的表面质量、良好的淬透性及较低的脱碳敏感性。3.弹簧钢弹簧钢材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社4.滚动轴承钢滚动轴承钢141141 为了达到上述性能要求，弹簧钢为中、高碳钢。碳素弹簧钢的wC0.6%0.9%，如65、70、75钢等，其淬透性差，只适于制造小截面尺寸的弹簧，直径一般为1215mm。大截面弹簧

208、一般选用合金弹簧钢，wC0.45%0.7%，主加元素为Si、Mn、Cr等，主要目的是增加钢的淬透性、回火稳定性、屈强比，强化铁素体基体，辅加元素是少量的W、V等，其作用是减少脱碳和过热倾向，细化晶粒，进一步提高淬透性、弹性极限、屈强比、耐热性和冲击韧度。常用合金弹簧钢的牌号有65Mn、60Si2Mn、60Si2CrVA、65Si2MnWA，其中60Si2Mn钢应用最广泛。 弹簧钢的热处理是淬火后中温回火。回火后组织为回火托氏体(T回)，硬度为3850HRC，弹簧最后要喷丸处理，使工件表层留存残余压应力，提高疲劳强度。 滚动轴承钢是指制造各类滚动轴承套圈及滚动体的专用钢。滚动轴承内圈与轴紧密配合

209、，并随轴一起转动，外圈固定在轴承座上。转动时滚动体与内外圈在滚道面上均受交变动载荷作用，且套圈与滚动体之间呈点或线接触，接触应力很大，可达3 0005 000MPa，易使轴承工作表面产生接触疲劳破坏与磨损。因此，要求轴承材料硬度高(6264HRC)，耐磨性好，淬透性高，接触疲劳强度高，不易产生点蚀，高的弹性极限，一定的韧性和耐蚀性。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社142142 为了达到上述性能要求，滚动轴承钢一般为高碳低铬钢，wC=0.95%1.15%，wCr1.65%，保证轴承钢具有高强度、高硬度、高淬透性，并形成足够

210、的合金渗碳体(Fe、Cr)3C，以提高接触疲劳强度和耐磨性。如果Cr质量分数过多，淬火后残余奥氏体量增加，并使碳化物分布不均匀。制造大尺寸轴承时可加Si、Mn，以进一步提高淬透性。 因为S、P形成非金属夹杂物，降低接触疲劳强度，所以轴承钢对S、P等杂质限制极严，WS0.020%，WP0.007%，故轴承钢是一种高级优质钢。 滚动轴承钢的预先热处理为球化退火。退火后组织为铁素体和均匀分布的细粒状碳化物，硬度为180210HBS。其目的是降低锻造后钢的硬度以利于切削加工，并为淬火做好组织准备。如果钢的原始组织中有粗大的片状珠光体和网状碳化物时，则在球化退火前需要进行一次正火处理，以改善碳化物的形态

211、与分布。 滚动轴承钢的最终热处理为淬火后低温回火，其组织为极细的回火马氏体、细小均匀分布的粒状碳化物及极少量的残余奥氏体，硬度为6165 HRC。 精密轴承为了保证使用中尺寸的稳定性，淬火后立即进行-60-80 的冷处理，以减少残余奥氏体量，然后再进行低温回火消除冷处理时的内应力。轴承钢精磨后要在120150 进行1020 h的低温时效处理，以进一步提高尺寸稳定性。 常用轴承钢的牌号有GCr9、GCr9SiMn、GCr15、GCr15SiMn，其中GCr15钢应用最广泛。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.11.2 合金

212、工具钢合金工具钢143143 工具钢是制造刃具、量具、模具等各种工具用钢的总称。工具钢应具有高硬度、高耐磨性、高淬透性和足够的强度、韧性。合金工具钢中wS、wP均小于0.03%，故合金工具钢都是高级优质钢。 合金工具钢牌号中wC以千分之几表示，当wC1.0时，不标出数字。合金元素的含量表示方法与合金结构钢相同。如W18Cr4V，wC=0.701.65，wW=17.518.5，wCr=3.84.4，wV=1.001.40。 1.合金刃具钢合金刃具钢 1) 性能要求 合金刃具钢用来制造各种切削刀具，如车刀、铣刀、铰刀等。由于刃具在切削过程中既承受切削力、切削热的作用，又受到强烈的摩擦，因此要求刃具

213、钢具有如下性能： (1) 高的硬度和耐磨性 一般要求刃具钢硬度为6065 HRC，若将硬度由60 HRC提高到63 HRC，则耐磨性可提高2530。 (2) 足够的强度和一定的韧性 保证刃具不断裂或崩刃。 (3) 高的红硬性 刀具刃部受热后，仍能保持高硬度的能力称为红硬性。红硬性的高低与钢的回火稳定性有关，回火稳定性愈高，红硬性愈高。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2) 低合金刃具钢144144 (1) 成分特点 低合金刃具钢wC=0.91.5，加入Si、Cr、Mn等元素可提高钢的淬透性和回火稳定性，使其在230260回

214、火后硬度仍保持在60 HRC以上。加入强碳化物形成元素W、V等形成WC、VC、V4C3等特殊碳化物，提高钢的红硬性和耐磨性。 (2) 热处理特点 低合金刃具钢的预先热处理为球化退火，以改善切削性能。最终热处理为淬火后低温回火，组织为细小回火马氏体、粒状合金碳化物、少量残余奥氏体，硬度一般为6065 HRC。 常用合金刃具钢的牌号有9SiCr、9Mn2V、CrWMn。 3) 高速钢 高速钢是高合金刃具钢中的重要钢种，与低合金刃具钢相比，它具有两个显著特点，即淬透性好、红硬性高。截面尺寸不大的刃具，淬火时在空气中冷却即能淬透，切削温度高达600 时，硬度仍无明显下降。 材料与成形技术优秀课件第第

215、页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社145145 (1) 成分特点 高速钢的wC=0.7%1.65%，并含有大量的强碳化物形成元素Cr、W、Mo、V等。Cr提高钢的淬透性，淬火加热时全部溶入奥氏体中，淬火后空冷获得均匀、细小马氏体，其含量为4。Cr含量过高，Ms点下降，残余奥氏体量增加，钢的硬度下降，回火次数增加。W提高钢的红硬性和回火稳定性，形成稳定的碳化物Fe4W2C。淬火加热时，未溶Fe4W2C阻止奥氏体晶粒长大；溶入奥氏体的Fe4W2C淬火后形成合金马氏体。这种合金马氏体具有很高的回火稳定性，在560 左右回火时析出弥散的W2C，产生“二次硬化

216、”，提高钢的红硬性、耐磨性，其含量为619。Mo的作用与W相似，当wMo为1时大约可代替wW为2的作用，Mo比W的碳化物细小，且退火时易于球化，故可提高钢的韧性，其质量分数为06。 V与C形成稳定的VC，具有极高的硬度（8385 HRC）和耐磨性。淬火加热时，未溶的VC阻止奥氏体晶粒长大，当淬火温度超过1 200 时，VC才开始明显溶入奥氏体中，在560 回火时，产生“二次硬化”，wVC=13。V含量过高，使钢的韧性下降。 (2) 热处理特点 高速钢的铸态组织中出现了莱氏体组织，属于莱氏体钢，莱氏体中共晶合金碳化物呈粗大的鱼骨状，无法用热处理消除，只有采用反复锻击的办法将其击碎，并均匀分布在基

217、体上。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社图1-75 W18Cr4V钢刀具等温球化退火曲线146146 高速钢锻压后采用球化退火，其工艺如图1-75所示。退火后组织为索氏体、细粒状碳化物，硬度为207255 HBS。球化退火的目的是消除锻造应力，降低硬度，改善切削加工性能，并为淬火作组织准备。 高速钢最终热处理为淬火、560 三次回火，淬火、回火工艺如图1-76所示。其淬火温度很高，W18Cr4V为1 2701 280 ，W6Mo5Cr4V2为1 2101 230 ，使合金元素最大限度地溶入奥氏体中，淬火后，使马氏体中合金元

218、素含量提高，红硬性提高。当温度大于1 000 时，W和Cr的溶入量显著增加，但温度过高，导致奥氏体晶粒粗大，残余奥氏体增加，力学性能降低。图1-76 W18Cr4V钢淬火与回火工艺曲线材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2.模具钢模具钢147147 大量的合金元素使钢导热性变差，所以淬火加热时采用两至三次预热，防止刀具变形、开裂；淬火冷却时采用盐浴或油中分级淬火。淬火后组织为隐针马氏体、粒状碳化物、2030的残余奥氏体。 淬火高速钢在550 570 回火过程中，碳化物不发生转变；淬火马氏体中析出细小弥散的W2C、MoC、VC

219、，产生弥散强化；残余奥氏体中析出合金碳化物，冷却时残余奥氏体转变成马氏体，使硬度、强度提高。 为了进一步提高高速钢的寿命，淬火、回火后还进行表面处理，如软氮化、蒸汽处理等。“蒸汽处理”是将钢加热至340 370 ，通入蒸汽，防止切削粘着，从而提高刀具耐磨性，提高刀具寿命。 制造模具的钢称为模具钢。根据工作条件不同，分为热作模具钢和冷作模具钢两类。 1) 冷作模具钢 用于制造金属在冷态下变形的模具，如冷冲模、冷拔模、冷挤模、冷镦模等。冷模具的服役条件很恶劣，承受较大的冲击载荷，模具与坯料之间发生强烈摩擦，材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育

220、电子音像出版社因此冷模具钢需满足以下要求： (1) 高的硬度和高的耐磨性，其硬度比刃具钢要求低些，一般大于60 HRC。 (2) 高的强度、疲劳强度和一定的韧性。 (3) 淬透性好，保证回火后获得良好的综合力学性能。 (4) 热处理变形小，保证尺寸精确。 冷作模具钢的化学成分和热处理特点基本上与刃具钢相同。尺寸小的冷作模具钢牌号有T10、T10A、9SiCr、CrWMn；尺寸大的冷作模具钢牌号有Cr12、Cr12MoV，其中最常用的冷作模具钢为Cr12MoV钢。 Cr12MoV钢（属于莱氏体钢）的wC=1.451.70，高Cr保证高硬度、高耐磨性、高淬透性，使截面厚度400 mm的模具在油中可

221、淬透，并形成Cr7C3合金碳化物，具有极高的硬度（约1 820 HV）和耐磨性。这种钢变形量很小，故称为低变形钢。加入V、Mo进一步提高淬透性，同时改善碳化物偏析，细化晶粒，增加钢的强度和韧性。为进一步提高冷作模具钢的耐磨性和抗疲劳强度，表面进行氰化、氮化或渗硼等。1481482) 热作模具钢热作模具钢 热作模具钢包括锤锻模、热压模、压铸模等，在工作中承受复杂应力，受热金属的摩擦及冷热的反复作用。因此，热作模具钢需具有如下性能：材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社3. 量具钢量具钢 149149 (1) 较好的强度、韧性，足

222、够的耐磨性和硬度（4050 HRC）。 (2) 良好的抗热疲劳性、导热性、回火稳定性及淬透性。 热作模具钢wC0.5，以保证良好的强度、韧性。加入Cr、Ni、Mn、Si等，提高钢的淬透性；加入Mo、W、V等，提高钢的回火稳定性，减少高温回火脆性；高Cr、高W，缩小奥氏体区域，提高钢的抗热疲劳性。 常用热作模具钢的牌号有5CrMnMo、5CrNiMn、3Cr2W8V、4Cr5MoSiV、3CrMo。 量具钢是用来制造各种测量工具的钢种，如制作量规、块规、千分尺等。 由于量具在使用过程中易磨损和碰撞，另外量具本身必须尺寸精确，因此要求量具钢具有高的硬度、耐磨性、尺寸稳定性及一定的韧性。为了满足上述

223、性能要求，量具钢多选用碳素工具钢(T10A，T12A等)、低合金工具钢(9SiCr、CrMn、CrWMn)、轴承钢(GCr15)制造。 量具经淬火、低温回火后，组织为回火马氏体、残余奥氏体，淬火后立即进行 -80 的冷处理，消除残余奥氏体，再进行低温回火，经磨削加工后，进行去应力回火，充分消除残余奥氏体，提高尺寸稳定性。 材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.11.3 特殊性能钢特殊性能钢150150 特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢及合金。机械工程比较重要的特殊性能钢有不锈钢、耐热钢、耐磨钢。 1.不锈钢不锈钢

224、不锈钢是指在空气、酸、碱、盐的水溶液等腐蚀介质中具有高度化学稳定性的钢。不锈钢牌号前的数字表示平均碳的质量分数的千倍，合金元素的表示方法与其他合金钢相同。当wC0.03或0.08时，在牌号前面分别冠以“00”与“0”。 按正火组织不同，不锈钢可分为铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢。 1) 铁素体不锈钢 Cr17钢是典型的铁素体不锈钢，wC0.12，wCr=1618。高Cr可显著提高基体电极电位，提高钢的耐蚀性；同时缩小奥氏体区域，Cr17钢在高温和室温时都是单相铁素体组织。塑性好，强度低，不能热处理强化。主要用于化工设备的容器、管道等。 2) 马氏体不锈钢 Cr13型钢是常用的马氏体不

225、锈钢，wC=0.1%0.45%，wCr= 13，为提高强化效果，加入一定量的碳，形成一定量的碳化物，但随碳的质量分数的增多，耐蚀性降低。 Cr13型钢淬火温度较高，一般加热到1 050 左右，才能使碳化物充分溶解，油冷，获得单相马氏体组织。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2.耐热钢耐热钢151151 1Cr13、2Cr13常采用700 左右高温回火，主要用于汽轮机叶片、螺母、结构架螺栓等结构件。 3Cr13、3Cr13Mo、4Cr13常采用250 左右低温回火，主要用于硬度较高的耐蚀耐磨工具、医疗工具、量具、滚动轴承等。

226、 3) 奥氏体不锈钢 18-8型钢是典型的奥氏体不锈钢，wCr=18，增加钢的钝化能力，提高耐蚀性；WNi19，扩大奥氏体区，从而使钢在室温下呈单相奥氏体组织，具有很高的抗蚀性、塑性和韧性，但切削加工性能较差，不能热处理强化，其强化手段是加工硬化。 18-8型不锈钢在500 750 时，C和Cr原子扩散速度加快，在晶界析出富Cr的碳化物Cr23C6或(Cr，Fe)23C6，在晶界处形成贫Cr区，电极电位下降，造成晶界腐蚀。所以加入Ti、Nb、Ta等强碳化物元素，且wC0.1，以抑制其发生。 在高温下工作的零件，要求材料具有耐热性。所谓耐热性，是指材料在高温下兼有抗氧化和高温强度的综合性能，具有

227、良好 耐热性的钢称为耐热钢。 耐热钢按正火状态下组织的不同，可分为铁素体型钢、珠光体型钢、马氏体型钢、奥氏体型钢等。其牌号表示方法与不锈钢相同。常用的耐热钢有2Cr25N、0C13Al、0Cr25Ni20、1Cr16Ni35、15CrMo、35CrMoV、1Cr13Mo、1Cr12WmoV等。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社3.耐磨钢耐磨钢152152 耐磨钢是指在巨大压力和强烈冲击载荷下才能发生硬化的高锰钢，常用来制造坦克和拖拉机履带、碎石机颚板、铁路道岔、挖掘机铲斗、防弹钢板等。 耐磨钢的典型牌号是ZGMn13型，其

228、主要成分是铁、碳和锰。其中wC=1.01.5，wMn=1114。碳的质量分数高可提高耐磨性；锰的质量分数很高，可保证热处理后得到单相奥氏体组织。由于高锰钢极易加工硬化，使切削加工困难，故大多数高锰钢采用铸造成形。同时高锰钢是非磁性的，也可用来制造既耐磨又抗磁化的零件。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.12 非铁金属材料非铁金属材料153153 钢、铁以外的金属材料称为非铁金属材料或有色金属材料。非铁金属元素有80余种，一般分为：轻金属，密度不大于4.5 g/cm3，常用轻金属有铝、镁、钛、钾、钠、钙、锂等；重金属，密度

229、大于4.5 g/cm3，常用重金属有铜、铅、锌、镍、钴、锑、锡、铋、汞、镉等；贵金属，包括金、银、及铂族元素；高熔点金属，包括钨、钼、钽、铌、锆、铪、钒、铼等；稀土金属，包括钪、钇、和镧系元素；放射性金属，包括钋、镭、锕、钍、铀等元素；半金属，其物理和化学性质介于金属与非金属之间的元素，如硅、硒、砷、硼等。 当前，全世界的金属材料总产量约10.11亿吨，其中钢铁约占95，是金属材料的主体；非铁金属材料约占5，处于补充地位，但它的作用却是钢铁材料无法代替的。 首先，非铁金属是各种合金钢、合金铸铁的合金化元素，添加少量、甚至微量非铁金属于普通钢铁中，可获得各种特殊性能的钢铁材料，从而最大限度地发挥

230、了钢铁材料的潜力。 许多非铁金属可以纯金属状态应用于工业和科学技术中。如Au、Ag、Cu、Al用作电导体，Ti用作耐腐蚀构件，W、Mo、Ta用作高温发热体，Al、Sn箔材用于食品包装，Hg用于仪表，硅更是电子工业赖以生存和发展的材料。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.12.1 1.12.1 铝及铝合金铝及铝合金154154 铝是一种面心立方晶格的银白色金属，塑性好(50，80)，适用于形变加工。铝的熔点为660 ，密度为2.7 g/cm3，是一种轻金属材料。 铝在地壳中的藏量约为地壳总质量的8.0，超过铁(5.8)，是

231、地球上储量最多的一种金属元素。由于铝的化学性质活泼，与氧的亲和力强，因而在自然矿物中不存在金属铝。铝作为一种元素是在1825年发现的，直到1888年，Hall-Heroult熔盐电解法问世后，才使铝进入工业规模的生产。 在金属材料中，铝的产量仅次于钢铁，为非铁金属材料产量之首。就消耗量的增长率而言却大大超过了钢的增长率。目前，世界原铝产量达1 900万吨，其中50用来制取加工材与深加工产品。而我国的铝合金品种，约占美国的一半，规格不足美国的1/4。 铝之所以有如此广泛的用途是基于它有如下的特性：密度小，约为铁的密度的1/3；可强化，通过添加普通元素和热处理而获得不同程度的强化，其最佳者的比强度

232、可与优质合金钢媲美；易加工，可铸造、压力加工、机械加工成各种形状；导电、导热性能好，仅次于金、银和铜；室温下铝的导电能力约为铜的62，但按单位质量的导电能力计算，则为铜的200。铝的强度低(b80100 MPa)，经冷塑性变形之后明显提高(b150200 MPa)。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1. 铝合金的分类铝合金的分类155155 铝合金种类繁多，根据生产的方法不同，可以分成变形铝合金和铸造铝合金两大类。 二元铝合金一般具有共晶相图，如图1-77所示。E点是共晶点，D点代表合金元素在相中脱溶的脱溶线起始点。D点左

233、边的合金，加热时能形成单相固溶体组织，适用于形变加工，称为变形铝合金；D点右边的合金，在常温下具有共晶组织，适于铸造成形，称作铸造铝合金。F点左边的合金，冷却过程中不产生脱溶现象，不能采用热处理方法强化，称为不能热处理强化的变形铝合金；F点右边的变形铝合金，冷却过程中产生脱溶现象，能采用热处理方法强化，称为能热处理强化的变形铝合金。图1-77 铝合金相图 材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社2. 常用铝合金常用铝合金156156 常用铝合金为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金塑性好，可通过压力加工方法生产出板、带、线、管、棒

234、、型材或锻件。有几种变形铝合金热处理强化效果不明显，称之为热处理不强化变形铝合金，包括工业纯铝和防锈铝，它们主要通过固溶强化和加工硬化来提高强度；热处理可强化的变形铝合金主要通过淬火和时效或形变处理来使合金强化，包括硬铝、超硬铝、锻铝及特殊铝。 铸造铝合金合金元素含量高，有较多的共晶体，因而铸造性能好，但塑性低，适用于铸造零件。铸造铝合金亦可通过热处理强化调整力学性能。 常用铝合金的牌号、性能及用途见表1-19。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社表1-19 常用铝合金的牌号特性及用途类别牌号举例力学性能用途举例b/MPa1

235、00HBS不能热处理强化的合金防锈铝LF52802070焊接油管、油管、焊条、铆钉、中载零件及制品LF112802070油箱、油管、焊条、铆钉、中载零件及制品LF211302030焊接油管、油管、焊条、铆钉、轻载零件及制品能热处理强化的合金硬铝LY13002470工作温度100的结构用中等强度铆钉LY1142015100中等强度的结构零件超硬铝LC460012150结构中主要受力零件，如飞机大梁、桁架等锻铝LD639010100形状复杂的锻件及模锻件，如压气机轮和叶轮LD744012120内燃机活塞和在高温下工作的复杂锻件、板材铸造铝合金铝硅合金ZAlSi12ZL102143350仪表、水泵机

236、壳、工作温度在200以下的低载零件铝铜合金ZAlCu10ZL202163100高温下工作不受冲击的零件和要求硬度较高的零件铝镁合金ZAlMg10ZL301280960在大气或海水中工作的零件，承受大振动载荷，工作温度不超过150的零件，如氨用泵体，船配件等铝锌合金ZAlZn11Si7ZL401241280结构形状复杂的汽车、飞机零件，工作温度200157157材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.12.2 铜及铜合金铜及铜合金158158 在金属材料中，铜及其合金的应用范围仅次于钢铁。在非铁金属材料中，铜的产量仅次于铝。铜

237、之所以用途广泛是由于它有如下优点：优良的导电性和导热性，优良的冷热加工性能和良好的耐腐蚀性能。其导电性仅次于银，导热性在银和金之间。铜为面心立方结构，强度和硬度较低，而冷、热加工性能都十分优良，可以加工成极薄的箔和极细的丝（包括高纯高导电性能的丝）；易于连接。铜还可与很多金属元素形成许多性能独特的合金。 铜及其合金习惯上分为紫铜、黄铜、青铜和白铜（表1-20）。以铸造和压力加工产品（管、棒、线、型、板、带、箔）提供使用。广泛用于电气、电子、仪表、机械、交通、建筑、化工、海洋工程等几乎所有的工业和民用部门。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教

238、育电子音像出版社表1-20 常用的铜合金的牌号、性能及用途 名称牌号举例特性用途举例紫铜TU1工业纯铜，约占铜用量的2/3加工线材、带材和电线，很少用于机械零件黄铜H96为铜锌合金加工性能好，耐腐蚀性好可制造冷凝器、垫圈、弹簧和化学稳定性要求较高的零件青铜QSn4-3原指铜锡合金，现除黄铜和白铜以外的铜合金都称为青铜 wSn8的锡青铜具有良好的塑性和一定的强度，适合于压力加工白铜B19 wNi50%的铜镍合金称为简单白铜，再加入锰、铁、锌、铝等元素的白铜称为复杂（或特殊）白铜镍能显著提高铜的力学性能、耐腐蚀性能、电阻和热电性。主要有耐蚀和电工仪表用白铜两类铸造铜合金ZcuZn40Pb2 wZn

239、40的铸造黄铜铸造化学性能稳定的零件ZCuSn10Zn2 wSn10、wZn2的铸造锡青铜阀、泵壳、齿轮、蜗轮等ZcuAl10Fe3铸造铝青铜常用于制造滑动轴承160160材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.12.3 镁合金镁合金161161 镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，它具有密度小、比强度和比模量高、阻尼性、导热性、切削加工性、铸造性能好、电磁屏蔽能力强、尺寸稳定、资源丰富、容易回收等一系列优点，因此，在汽车工业、通信电子业和航空航天业等领域正得到日益广泛的应用。近年来镁合金产量在全球的年增长率高达20，显示

240、出极大的应用前景。 与铝合金相比，镁合金的研究和应用还很不充分，目前，镁合金的产量只有铝合金的1。镁合金作为结构件应用的最大用途是铸件，其中90以上的是压铸件。限制镁合金广泛应用的主要问题是镁合金在熔炼加工过程中极易氧化燃烧，因此镁合金的生产难度很大；镁合金生产技术还不成熟和完善，特别是镁合金成形技术更有待进一步发展；镁合金的耐蚀性较差；现有工业镁合金的高温强度蠕变性能较低，限制了镁合金在高温(150350 )场合的应用。 镁在地壳中贮量为2.77，仅次于铝和铁。我国具有丰富的镁资源，菱镁矿贮量居世界首位，原镁产能和产量均居世界首位。2001年我国镁的生产能力为25万吨，产量为18万吨，产量占

241、全球40，其中出口16万吨。但是，由于镁合金锭的质量问题，只能廉价出口。国内镁合金在汽车上已应用于轿车手动变速壳体，镁合金在通信电子器材的应用中还处于起步阶段。因此，将镁的资源优势转变为技术、经济优势，促进国民经济发展，增强我国在镁行业的国际竞争力，是摆在我们面前的迫切任务。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.12.4 钛合金钛合金162162 钛合金是近来快速发展的材料。钛及钛合金密度小(4.5g/cm3)，强度大大高于钢，比强度和比模量性能突出。波音777的起落架采用钛合金制造，大大减轻了重量，经济效益极为显著。钛的

242、耐腐蚀性能优异，是目前耐海水腐蚀的最好的材料。钛是制造工作温度500 以下如火箭低温液氮燃料箱、导弹燃料罐、核潜艇船壳、化工厂反应釜等构件的重要材料。我国钛产量居世界第一，TiO2储量约8亿吨，特别是在攀枝花、海南岛资源非常丰富。 钛合金高温强度差，不宜在高温中使用。尽管钛的熔点为1 700 以上，比镍等金属材料高好几百度，但其使用温度较低，最高的工作温度只有600 。如当前使用的飞机涡轮叶片材料是镍铝高温合金。若能采用耐高温钛合金，材料的比强度、耐蚀性和寿命将大大提高。为解决钛合金的高温强度，世界各国正积极研究采用中间化合物即金属和金属之间的化合物作为高温材料。中间化合物熔点较高、结合力强，

243、特别是钛铝，比重又小，作为航空的高温材料有较大的优越性和发展前途。目前研制的有序化中间化合物使钛合金使用温度达到600 以上，Ti3Al达到750 ，TiAl达到800 左右，本世纪初有望提高到900 以上。材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.12.5 轴承合金轴承合金163163 滑动轴承因承压面积大，承载能力强，工作平稳无噪声，且检修方便，在动力机械中广泛使用。为减少轴承对轴颈的磨损，确保机器的正常运转，轴承应具有良好的磨合性、抗振性、与轴之间的摩擦系数应尽可能小。 为了满足上述要求，轴承合金的组织应该是在软的基体上

244、分布硬的质点，如图1-78所示。当机器运转时，软的基体很快磨凹下去，而硬的质点凸出于基体上，支撑着轴所施加的压力，减小轴与轴承的接触面，且凹下去的基体可以储存润滑油，从而减小轴与轴颈间的摩擦系数，同时能使外来硬物嵌入基体中，不至于擦伤轴。软的基体还能承受冲击与振动并使轴与轴承很好地磨合。 轴承合金也可以采取硬基体上分布软质点的组织，以达到上述目的。这种组织具有较大的承载能力，但磨合能力较差。 最常用的轴承合金是锡基或铅基“巴氏合金”，其成分、性能及用途见表1-21。此外，还有铜基、铝基轴承合金。图1-78 轴承合金结构示意图材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育

245、电子音像出版社高等教育电子音像出版社表1-21 几种轴承合金的牌号、特点、用途164164类别牌号特点用途锡基ZChSnSb15-2-18含Sn量最低的轴承合金。Pb、Sb含量高，硬度较高，耐压，流动性较差，价格较低适用于中等速度和压力的机器轴承，但不适用于高温ZChSnSb12-3-10性软而韧，耐压，硬度较高，热强性较低，浇注性能差适用于一般中速、中压发动机的主轴承，不适应于高温铅基ZChPbSb16-16-2与锡基合金ZChSnSb11-6相比，摩擦系数较大，耐磨性和使用寿命不低，其他性能相近。但冲击韧度低，室温下较脆，不能承受冲击载荷。静载荷下工作良好，价格便宜适用于低于120条件下，无显著冲击载荷、重载、高速的轴承及轴衬ZChPbSb15-5-3与锡基ZChSnSb11-6相比耐压强度相当，塑性和导热性较差。在工作温度不超过100、冲击载荷较低的条件下，其使用寿命相近。属性能较好的铅基低锡轴承合金适用于低速、轻压力条件下的机械轴承，如矿山水泵轴承、汽轮机、中等功率电动机、空压机的轴承和轴衬材料与成形技术优秀课件第第 页页高等教育出版社高等教育出版社 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社本章结束本章结束谢谢您的使用谢谢您的使用材料与成形技术优秀课件