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1、一、金属的概念一、金属的概念二、金属资料的力学性能二、金属资料的力学性能三、金属的结晶和组织三、金属的结晶和组织 1. 金属的结晶过程金属的结晶过程 2. 金属的组织金属的组织 1室温平衡组织室温平衡组织 2非平衡组织非平衡组织四、钢铁的分类和异同四、钢铁的分类和异同 钢和铸铁所含的主要合金元素都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是铁和碳，所以也称钢和铸铁为Fe-CFe-C合金，它们的不同点在于含碳量，钢合金，它们的不同点在于含碳量，钢的含碳量小于的含碳量小于2.11%2.11%，铸铁的含碳量，铸铁的含碳量大于大于2.11%2.11%。五、五、Fe-CFe-C合金根本组织
2、合金根本组织 1. 1. 铁素体铁素体 F F 2. 2. 渗碳体渗碳体 Fe3C Fe3C 3. 3. 珠光体珠光体 P P F+ Fe3C F+ Fe3C 六、钢铁的组织和性能六、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 碳钢的室温平衡组织由铁素碳钢的室温平衡组织由铁素体、渗碳体和珠光体三种根本组织组体、渗碳体和珠光体三种根本组织组成。随碳钢含碳量的不同，根本组织成。随碳钢含碳量的不同，根本组织的含量也相应发生变化。碳钢按室温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。组织的不同根据含碳量可分为三类。 项目项目项目项目种类种类种类种类 含碳量含碳量含
3、碳量含碳量 （%） 室温平衡组织室温平衡组织室温平衡组织室温平衡组织 备备备备 注注注注 亚共析钢亚共析钢亚共析钢亚共析钢 0.770.77 铁素体珠光体铁素体珠光体铁素体珠光体铁素体珠光体 随含碳量的增加，组织中珠随含碳量的增加，组织中珠随含碳量的增加，组织中珠随含碳量的增加，组织中珠光体的量增多。光体的量增多。光体的量增多。光体的量增多。共共共共 析析析析 钢钢钢钢 0.770.77 全部是珠光体全部是珠光体全部是珠光体全部是珠光体 过共析钢过共析钢过共析钢过共析钢 0.770.77 珠光体渗碳体珠光体渗碳体珠光体渗碳体珠光体渗碳体 渗碳体分布于珠光体晶粒的渗碳体分布于珠光体晶粒的渗碳体分
4、布于珠光体晶粒的渗碳体分布于珠光体晶粒的周围（即晶界），在金相显周围（即晶界），在金相显周围（即晶界），在金相显周围（即晶界），在金相显微镜下观察呈网状结构，故微镜下观察呈网状结构，故微镜下观察呈网状结构，故微镜下观察呈网状结构，故又称网状渗碳体。含碳量越又称网状渗碳体。含碳量越又称网状渗碳体。含碳量越又称网状渗碳体。含碳量越高，渗碳体层越厚。高，渗碳体层越厚。高，渗碳体层越厚。高，渗碳体层越厚。纯铁纯铁纯铁纯铁亚共析钢亚共析钢亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢过共析钢过共析钢碳钢的成分、组织、性能之间的关系表示图碳钢的成分、组织、性能之间的关系表示图碳钢的成分、组织、性
5、能之间的关系表示图碳钢的成分、组织、性能之间的关系表示图2. 2. 铸铁的室温平衡组织铸铁的室温平衡组织 铸铁由于含碳量高，碳的存在形状发生铸铁由于含碳量高，碳的存在形状发生了变化。在钢中碳是以化合态的了变化。在钢中碳是以化合态的Fe3CFe3C渗碳渗碳体存在，而在铸铁中碳不仅以化合态的体存在，而在铸铁中碳不仅以化合态的Fe3CFe3C存在，同时出现了游离态的石墨。铸铁存在，同时出现了游离态的石墨。铸铁的组织可以以为是在铁素体或珠光体，或铁的组织可以以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状的石素体珠光体的基体上分布着不同形状的石墨。根据石墨形状的不同，常用铸铁可分为：墨。根
6、据石墨形状的不同，常用铸铁可分为： 灰灰 铸铸 铁铁 石墨以片状存在石墨以片状存在 可锻铸铁可锻铸铁 石墨以团絮状存在石墨以团絮状存在 球墨铸铁球墨铸铁 石墨以球状或近似球状存石墨以球状或近似球状存在在可锻铸铁铁素体基体可锻铸铁铁素体基体可锻铸铁铁素体基体可锻铸铁铁素体基体灰铸铁珠光体基体灰铸铁珠光体基体灰铸铁珠光体基体灰铸铁珠光体基体 球墨铸铁铁素体珠光体基体3. 3. 铸铁与碳钢的性能比较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于铸铁中石墨的强度和伸长率都极低b20Mpab20Mpa，00, ,而且石墨的存在对基
7、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。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，而且消费本钱低廉，因此能和切削加工性能，而且消费本钱低廉，因此在工业消费中得到广泛的运用。在工业消费中得到广泛的运用。 六、热加工工艺对碳钢组织的影响六、热加工工艺对碳钢组织的影响 在资料加工工
8、程中存在着如下关在资料加工工程中存在着如下关系：系： 设备设备 工艺工艺 组织组织性能性能运用运用 原资料原资料 成分成分 这个关系在实践消费过程中，表这个关系在实践消费过程中，表现为设备、工艺条件等的不同决议了现为设备、工艺条件等的不同决议了热过程的非平衡程度的不同，使得金热过程的非平衡程度的不同，使得金属结晶和转变过程不同，最终使金属属结晶和转变过程不同，最终使金属资料的组织呈现多样性，即使同一种资料的组织呈现多样性，即使同一种金属资料的组织也可呈现不同的形状。金属资料的组织也可呈现不同的形状。可见，正是非平衡过程的多样性，使可见，正是非平衡过程的多样性，使得工程资料得到不同的组织，具备不
9、得工程资料得到不同的组织，具备不同的性能，从而满足各种运用要求。同的性能，从而满足各种运用要求。此外，一样的金属组织，晶粒越细小、此外，一样的金属组织，晶粒越细小、分布越均匀，其力学性能越高。分布越均匀，其力学性能越高。工工工工艺艺热过热过程程程程及其特点及其特点及其特点及其特点成形成形成形成形特点特点特点特点组织组织特点特点特点特点性能或性能或性能或性能或应应用用用用铸铸造造造造在熔化在熔化在熔化在熔化设备设备中熔化金中熔化金中熔化金中熔化金属炉料（熔点以上属炉料（熔点以上属炉料（熔点以上属炉料（熔点以上约约100100100100），使），使），使），使满满足化学足化学足化学足化学成分要求
10、的金属液体成分要求的金属液体成分要求的金属液体成分要求的金属液体具有流具有流具有流具有流动动性性性性短短短短时间时间保温静置，保温静置，保温静置，保温静置，使金属熔体中气体、使金属熔体中气体、使金属熔体中气体、使金属熔体中气体、夹杂夹杂物上浮物上浮物上浮物上浮在在在在铸铸型中型中型中型中较为缓较为缓慢地冷却凝固，慢地冷却凝固，慢地冷却凝固，慢地冷却凝固，获获得得得得铸铸件件件件液液液液态态凝固凝固凝固凝固成形成形成形成形非平衡非平衡非平衡非平衡结结晶，一般晶，一般晶，一般晶，一般为为粗大的柱状晶。粗大的柱状晶。粗大的柱状晶。粗大的柱状晶。冷却速度越大，晶冷却速度越大，晶冷却速度越大，晶冷却速度
11、越大，晶粒越粒越粒越粒越细细小小小小受力不大的受力不大的受力不大的受力不大的形状复形状复形状复形状复杂杂件件件件锻锻造造造造在加在加在加在加热设备热设备中加中加中加中加热热工工工工件，使其具有良好的件，使其具有良好的件，使其具有良好的件，使其具有良好的塑性，并降低塑性，并降低塑性，并降低塑性，并降低变变形抗形抗形抗形抗力力力力在始在始在始在始锻锻和和和和终锻终锻温度温度温度温度范范范范围围内内内内对对工件施以工件施以工件施以工件施以冲冲冲冲击击力或力或力或力或压压力，使力，使力，使力，使其其其其发发生塑性生塑性生塑性生塑性变变形，形，形，形，并改善内部并改善内部并改善内部并改善内部组织组织在在
12、在在终锻终锻温度以下温度以下温度以下温度以下冷却，得到冷却，得到冷却，得到冷却，得到锻锻件件件件固固固固态态塑性塑性塑性塑性变变形形形形成形成形成形成形使俦使俦使俦使俦锭锭原来粗大的原来粗大的原来粗大的原来粗大的晶粒晶粒晶粒晶粒细细化，并沿化，并沿化，并沿化，并沿变变形方向呈形方向呈形方向呈形方向呈现现方向性方向性方向性方向性的特点，减小甚至的特点，减小甚至的特点，减小甚至的特点，减小甚至消除消除消除消除铸锭铸锭内部缺陷内部缺陷内部缺陷内部缺陷受力复受力复受力复受力复杂杂的的的的形状形状形状形状简单简单件件件件焊焊接接接接在空气或保在空气或保在空气或保在空气或保护护气氛中气氛中气氛中气氛中高能
13、量加高能量加高能量加高能量加热热，使构件，使构件，使构件，使构件连连接区域快速熔化，接区域快速熔化，接区域快速熔化，接区域快速熔化，形成熔池形成熔池形成熔池形成熔池基本没保温基本没保温基本没保温基本没保温过过程程程程在熔渣或保在熔渣或保在熔渣或保在熔渣或保护护气气气气氛保氛保氛保氛保护护下快速冷下快速冷下快速冷下快速冷却凝固，形成却凝固，形成却凝固，形成却凝固，形成焊焊缝缝，焊缝焊缝以及附以及附以及附以及附近母材冷却速度近母材冷却速度近母材冷却速度近母材冷却速度很不均匀很不均匀很不均匀很不均匀不可不可不可不可拆卸拆卸拆卸拆卸的的的的连连接成接成接成接成形形形形非平衡非平衡非平衡非平衡结结晶特点
14、更晶特点更晶特点更晶特点更为为明明明明显显，使得，使得，使得，使得焊缝焊缝组织组织的柱状晶的特的柱状晶的特的柱状晶的特的柱状晶的特点更点更点更点更为为明明明明显显，同，同，同，同时时焊缝焊缝附近母材金属附近母材金属附近母材金属附近母材金属组织组织也也也也发发生不同程生不同程生不同程生不同程度的度的度的度的变变化化化化接接接接头头区域一区域一区域一区域一般般般般为为性能薄性能薄性能薄性能薄弱区弱区弱区弱区热热处处理理理理在加在加在加在加热设备热设备中使工件中使工件中使工件中使工件达到达到达到达到规规定温定，使工定温定，使工定温定，使工定温定，使工件可能件可能件可能件可能发发生内部生内部生内部生内
15、部组织组织的的的的变变化化化化工件于加热炉内在工件于加热炉内在工件于加热炉内在工件于加热炉内在规定温度下保温规规定温度下保温规规定温度下保温规规定温度下保温规定时间，使工件热定时间，使工件热定时间，使工件热定时间，使工件热透，或使内部发生透，或使内部发生透，或使内部发生透，或使内部发生组织转变组织转变组织转变组织转变以不同方式或速以不同方式或速以不同方式或速以不同方式或速度冷却，使工件度冷却，使工件度冷却，使工件度冷却，使工件获获得所需要的得所需要的得所需要的得所需要的组组织织和性能和性能和性能和性能非成非成非成非成形加形加形加形加工工工工同种材料同种材料同种材料同种材料经过经过不同不同不同不
16、同的的的的热处热处理可得到不理可得到不理可得到不理可得到不同的同的同的同的组织组织根据不同的根据不同的根据不同的根据不同的使用要求使用要求使用要求使用要求选选用不同的用不同的用不同的用不同的热热处处理的方法理的方法理的方法理的方法常用热加工工艺方法特点常用热加工工艺方法特点常用热加工工艺方法特点常用热加工工艺方法特点铸锭宏观组织表示图铸锭宏观组织表示图铸锭宏观组织表示图铸锭宏观组织表示图焊接接头宏观组织焊接接头宏观组织焊接接头宏观组织焊接接头宏观组织表示图表示图表示图表示图七、热处置的概念及常用工艺七、热处置的概念及常用工艺 热处置是将金属在固态下经过加热、热处置是将金属在固态下经过加热、保温
17、保温和冷却过程，改动其内部组织，从而获得和冷却过程，改动其内部组织，从而获得所需所需性能的一种工艺方法。它的特点是：只改性能的一种工艺方法。它的特点是：只改动金动金属资料内部组织构造，获得所需性能，尽属资料内部组织构造，获得所需性能，尽量避量避免改动零件的外形。同样的资料经过不同免改动零件的外形。同样的资料经过不同的热的热处置方法，可以得到不同的内部组织，因处置方法，可以得到不同的内部组织，因此，此，热处置工艺可以最大限制地发扬资料的潜热处置工艺可以最大限制地发扬资料的潜力。力。 钢的常用热处置方法有：退火、正火、钢的常用热处置方法有：退火、正火、淬淬火和回火。火和回火。 常用热处置方法的工艺
18、曲线表示图常用热处置方法的工艺曲线表示图常用热处置方法的工艺曲线表示图常用热处置方法的工艺曲线表示图 退火退火退火退火正火正火正火正火淬火淬火淬火淬火回火回火回火回火1. 1. 退火退火 退火是将金属制件加热到高于或低于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，以获得接近平衡形状组织的一种热处置却，以获得接近平衡形状组织的一种热处置工艺。工艺。 退火的目的：退火的目的： a. a. 降低硬度，以利于切削加工；降低硬度，以利于切削加工； b. b. 细
19、化晶粒，改善组织，提高机械性细化晶粒，改善组织，提高机械性能；能； c. c. 消除内应力，为下一道热处置作好消除内应力，为下一道热处置作好预备；预备； d. d. 提高金属资料的塑性、韧性，便于提高金属资料的塑性、韧性，便于进展冷进展冷 冲压或冷拉拔加工。冲压或冷拉拔加工。 退火的缺陷：占用设备；消费率低。退火的缺陷：占用设备；消费率低。2. 2. 正火正火 正火是将金属制件加热到高于或低于这正火是将金属制件加热到高于或低于这种金属种金属 的临界温度，经保温一定时间，随后在空气的临界温度，经保温一定时间，随后在空气中冷中冷却，以获得更细组织的一种热处置工艺。却，以获得更细组织的一种热处置工艺
20、。 正火的作用与退火类似，与退火不同之正火的作用与退火类似，与退火不同之处是：处是： a. a. 正火是在空气中冷却，冷却速度快，正火是在空气中冷却，冷却速度快，所获所获 得的组织更细。得的组织更细。 b. b. 正火后的强度、硬度较退火后的稍正火后的强度、硬度较退火后的稍高，而高，而 塑性、韧性那么稍低。塑性、韧性那么稍低。 c. c. 不占用设备；消费率高。不占用设备；消费率高。3. 3. 淬火淬火 淬火是将金属制件加热到这种金淬火是将金属制件加热到这种金属的临界温度以上属的临界温度以上30305050，经保温，经保温一定时间，随后在水或油中快速冷却，一定时间，随后在水或油中快速冷却，以获
21、得高硬度组织的一种热处置工艺。以获得高硬度组织的一种热处置工艺。 淬火的目的：提高金属资料的强淬火的目的：提高金属资料的强度和硬度，添加耐磨性，并在回火后度和硬度，添加耐磨性，并在回火后获得高强度和一定韧性相配合的性能。获得高强度和一定韧性相配合的性能。4. 4. 回火回火 回火是把淬火后的金属制件重新加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置工艺。于空气或油中冷却的热处置工艺。 回火的目的：为了消除淬火时因冷回火的目的：为了消除淬火时因冷却过快而产生的内应力，降低金属资料却过快而产生的内应力，降低金属资料的淬性
22、，使它具有一定的韧性。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。低温回火、中温回火和高温回火。 1 1 1 1低温回火：回火温度为低温回火：回火温度为低温回火：回火温度为低温回火：回火温度为150150150150250250250250。低温回火能消。低温回火能消。低温回火能消。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，同时工除一定的内应力，适当地降低钢的脆性，提高韧性，同时工除一定的内应力，适当地降低钢的脆性，提高韧性，同时工除一定的内应力，适当地降低钢的脆性，提高韧性，同时工件仍坚持高硬度、高耐
23、磨性，运用于各种量具和刃具。件仍坚持高硬度、高耐磨性，运用于各种量具和刃具。件仍坚持高硬度、高耐磨性，运用于各种量具和刃具。件仍坚持高硬度、高耐磨性，运用于各种量具和刃具。 2 2 2 2中温回火：回火温度为中温回火：回火温度为中温回火：回火温度为中温回火：回火温度为350350350350500500500500。中温回火可大。中温回火可大。中温回火可大。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，大减小钢的内应力，提高了弹性、韧性，但硬度有所降低，大减小钢的内应力，提高了弹性、韧性，但硬度有所降低，大减小钢的内应力，提高了弹性、韧性，但硬度有所降低，运用于弹簧和热锻模等
24、。运用于弹簧和热锻模等。运用于弹簧和热锻模等。运用于弹簧和热锻模等。 3 3 3 3高温回火：回火温度为高温回火：回火温度为高温回火：回火温度为高温回火：回火温度为500500500500650650650650。高温回火可以。高温回火可以。高温回火可以。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、消除内应力，硬度有显著的下降，可获得具有强度、塑性、消除内应力，硬度有显著的下降，可获得具有强度、塑性、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，运用于齿轮、连杆、曲轴等。韧性等综合机械性能，运用于齿轮、连杆、曲轴等。韧性等综合机械性能，运用于齿轮、连杆、曲轴等。韧性等综合机械性能，运用于齿轮、连杆、曲轴等。5. 5. 5. 5. 调质处置调质处置调质处置调质处置 淬火后再经高温回火的热处置工艺，称为调质处置。淬火后再经高温回火的热处置工艺，称为调质处置。淬火后再经高温回火的热处置工艺，称为调质处置。淬火后再经高温回火的热处置工艺，称为调质处置。普通要求具有较高综合机械性能的重要构造零件，都要经过普通要求具有较高综合机械性能的重要构造零件，都要经过普通要求具有较高综合机械性能的重要构造零件，都要经过普通要求具有较高综合机械性能的重要构造零件，都要经过调质处置。调质处置。调质处置。调质处置。
