金属材料及热处理基础知识

金属材料及热处理基础知识null金属材料及热处理基础知识金属材料及热处理基础知识力学性能晶体结构金属材料的塑性变形铁－碳平衡图过冷奥氏体的转变常用热处理工艺碳钢合金钢分类及用途材料选用原则null金属材料力学性能金属材料力学性能静载单向静拉伸应力―应变曲线材料的强度塑性刚度和弹性硬度冲击韧性断裂韧性null静载单向静拉伸应力―应变曲线 1．I(oab)段―弹性变形阶段 a: Pp ，b: Pe （不产生永久变形的最大抗力） oa段：△L∝ P 直线阶段 ab段：极微量塑性变形 2．II(bcd)段―屈服变...

null金属材料及热处理基础知识金属材料及热处理基础知识力学性能晶体结构金属材料的塑性变形铁－碳平衡图过冷奥氏体的转变常用热处理工艺碳钢合金钢分类及用途材料选用原则null金属材料力学性能金属材料力学性能静载单向静拉伸应力―应变曲线材料的强度塑性刚度和弹性硬度冲击韧性断裂韧性null静载单向静拉伸应力―应变曲线 1．I(oab)段―弹性变形阶段 a: Pp ，b: Pe （不产生永久变形的最大抗力） oa段：△L∝ P 直线阶段 ab段：极微量塑性变形 2．II(bcd)段―屈服变形 c: 屈服点 Ps 3．III(dB)段―均匀塑性变形 B: Pb材料所能承受的最大载荷 4．IV(BK) 段―局部集中塑性变形颈缩低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线分为四阶段：null材料的强度――材料所能承受的极限应力. 单位: MPa(N/mm2) σ=P/Fo 表示材料抵抗变形和断裂的能力 1．抗拉强度 σb=Pb/Fo 材料被拉断前所承受的最大应力值（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。 2．屈服强度σs和条件屈服强度σ0.02 a: σs=Ps/Fo （σs代表材料开始明显塑性变形的抗力,是设计和选材的主要依据之一。） b: σ0.02条件屈服强度 3．疲劳强度σ-1 （80%的断裂由疲劳造成）疲劳极限：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。null塑性 1．延伸率 Lk:试样拉断后最终标距长度延伸率与试样尺寸有关， d5 , d10 (Lo=5do, 10do) 2．断面收缩率 y =△F/Fo=(Fo-Fk)/Fo x 100% d ,y 越大，塑性愈好 d<5%, 脆性材料null刚度和弹性 1．刚度－材料在受力时，抵抗弹性变形的能力 E=σ/ε 杨氏弹性模量 GPa, MPa 本质是：反映了材料内部原子结应力的大小，组织不敏感的力系指标。 2．弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最大应力。比例极限：σp=Pp/Fo 应力―应变保持线性关系的极限应力值弹性极限：σe=Pe/Fo 不产永久变形的最大抗力工程上，σp、σe视为同一值，通常也可用σ0.01 null硬度抵抗外物压入的能力，称为硬度―综合性能指标 1．布氏硬度　适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金。null定义：每0.002mm相当于洛氏1度洛氏硬度常用标尺有：B、C、A三种 ①HRB 轻金属，未淬火钢 ②HRC 较硬，淬硬钢制品 ③HRA 硬、薄试件洛氏硬度null维氏硬度维氏硬度的压力一般可选5，10，20，30，50，100，120kg等，小于10kg的压力可以测定显微组织硬度。null冲击韧性韧性：材料断裂前吸收变形能量的能力--韧性。冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。 ak=冲击破坏所消耗的功Ak/ 标准试样断口截面积F(J/cm2) ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，断口呈金属光泽，呈结晶状。 ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。韧性与温度有关 —脆性转变温度TKnull断裂韧性 1．问题的提出低应力脆断――断裂力学 2．应力场强度因子KI 前面所述的力学性能，都是假定材料内部是完整、连续的，但是实际上，内部不可避免的存在各种缺陷（夹杂、气孔等），由于缺陷的存在，使材料内部不连续，这可看成材料的裂纹，在裂纹尖端前沿有应力集中产生，形成一个裂纹尖端应力场。表示应力场强度的参数—— “应力场强度因子”。 I：单位厚度，无限大平板中有一长度2a的穿透裂纹 Y：裂纹形状，加载方式，试样几何尺寸，试验类型有关的系数――几何形状因子。 null3．断裂韧性对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，Y值是一定的，当外力逐渐增大，或裂纹长度逐渐扩展时，应力场强度因子也不断增大，当应力场强度因子KI增大到某一值时， σy =KI就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，即发生脆断。 null这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用KIC表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。当KI>KIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。 KI＝KIC时，裂纹处于临界状态 KI 评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。 null应用断裂韧性是强度和韧性的综合体现。（1）探测出裂纹形状和尺寸，根据KIC，制定零件工作是否安全KI≥KIC ，失稳扩展。（2）已知内部裂纹2a，计算承受的最大应力。（3）已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸。晶体结构晶体结构理想晶体面心立方晶体体心立方晶体密排六方晶体点缺陷线缺陷－位错面缺陷－晶间金属材料的塑性变形冷塑性变形对金属组织性能的影响 nullnullnullnullnullBCC、FCC、HCP晶胞的重要参数nullnullnullnull金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形单晶体的塑性变形——滑移和孪生多晶体的塑性变形冷塑性变形对金属组织性能的影响塑性变形金属在加热时组织性能变化null金属材料的塑性变形 1、单晶体的塑性变形——滑移和孪生（1）滑移：在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动如拉伸时，滑移面上的外力P分解为正应力σ和切应力τ。正应力作用使晶格发生弹性伸长；σ↓--->伸长量↓，σ→O，变形恢复；σ↑--->伸长量↑，σ＞原子间结合力时，拉断。正应力σ只能使晶体产生弹性变形和断裂，不能使晶体产生塑性变形。切应力作用使晶格发生弹性歪扭；τ＜τc（临界切应力），τ↓---->变形量↓，τ→O，变形恢复；τ＞τc，发生滑移，产生永久塑性变形。nullnull滑移与位错滑移的实现 →借助于位错运动。（刚性滑移模型计算出的临界切应力值＞＞实测值）位错产生→滑移→塑性变形 · 位错在外加切应力的作用下移动至晶体表面 →一个原子间距的滑移台阶 →塑性变形 · 滑移线（晶体表面的滑移台阶）→滑移带（大量滑移线） · 滑移系（滑移面和该面上的一个滑移方向），滑移系数目↑，材料塑性↑；滑移方向↑，材料塑性↑。如FCC和BCC的滑移系为12个，HCP为3个，FCC的滑移方向多于BCC。金属塑性如Cu（FCC）＞Fe（BCC）＞Zn（HCP）。null b.滑移时晶体的转动①外力错动→力偶使滑移面转动→滑移面∥拉伸轴。②以滑移面的法线为转轴的转动→滑移方向∥最大切应力方向。　null（2）孪生晶体的一切分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变。→金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。→发生孪生的部分（切变部分）称为孪生带或孪晶。孪生带的晶格位向发生变化，发生孪生时各原子移动的距离是不相等的。 null（3）滑移和孪生：滑移和孪生均在切应力作用下，沿一定晶面的一定晶向进行，产生塑性变形。孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生 →ⅰ. FCC金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生。 →ⅱ. BCC金属仅在室温或受冲击时发生。 →ⅲ. HCP金属较容易发生孪生。滑移→原子移动的相对位移是原子间距的整数值→不引起晶格位向的变化。孪生→原子移动的相对位移是原子间距的分数值→孪晶晶格位向改变→促进滑移孪生产生的塑性变形量小（≤滑移变形量的10％）→孪生变形引起的晶格畸变大。null2、多晶体的塑性变形（1）影响多晶体塑性变形的因素晶粒位向：晶粒位向不一致晶界： ⅰ.滑移的主要障碍：晶界原子排列较不规则→缺陷多→滑移阻力大→变形抗力大。 ⅱ.协调变形：晶界自身变形→处于不同变形量的相邻晶粒保持连续。（2）细晶强化 Hall-Pitch关系：σs=σ0+Kyd-1/2 晶粒小→晶界面积大→变形抗力大→强度大晶粒小→晶界附近位错密度小→应力集中小→滑移由这晶粒到另外一个晶粒机会少→变形困难→屈服强度↑ 晶粒小→单位体积晶粒多→变形分散→减少应力集中晶粒小→晶界多→不利于裂纹的传播→断裂前承受较大的塑性变形细晶强化：晶粒细化→强度提高、塑性提高、韧性提高，硬度提高。null冷塑性变形对金属组织性能的影响 1．加工硬化（形变硬化）（冷作硬化）金属在冷态下进行塑性变形时，随着变形度的增加，其强度、硬度提高，塑性、韧性下降——加工硬化塑性变形→位错开动→位错大量增殖→相互作用→运动阻力加大→变形抗力↑→弹度↑、硬度↑、塑性、韧性↓ 位错强化：位错密度↑→强度、硬度↑ null意义 1）一种强化手段 2）冷加工成形得以顺利进行 3）具有过载能力，使用安全 4）↓塑性，↑切削性能不利：塑性变形困难→中间退火→消除 null2．纤维组织晶粒拉长，纤维组织→各同异性null3．残余内应力第一类内应力——宏观，表面和心部，塑性变形不均第二类内应力——微观，晶粒间或晶内不同区域变形不均第三类内应力——超微观，晶粒畸变 null 1．回复 D较小，物理化学性能恢复，内应力显著降低，强度和硬度略有降低——去应力退大。 2．再结晶 1）新的形核一长大过程，无新相生成加工硬化消除，力学性能恢复，显微组织发生显著变化→等轴晶粒，强度大大下降再结晶退火：消除加工硬化的热处理工艺再结晶温度：纯金属：TR=0.4-0.35Tm(K) 合金：TR=0.5-0.7Tm(K) 2）影响再结晶晶粒度的因素 ①温度T↑—D↑—↑晶界迁移—长大↑ ②预变形度 3．晶粒长大三、塑性变形金属在加热时组织性能变化铁碳合金铁碳合金Fe-Fe3C平衡相图铁素体、奥氏体、渗碳体纯铁、共析钢、亚共析钢、过共析钢的结晶过程共析钢的奥氏体化过程奥氏体晶粒度过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体的连续冷却转变null 铁碳合金钢铁是现代工业中应用最广泛的金属材料。普通碳钢和铸铁均属于铁碳合金范畴，合金钢和合金铸铁实际上是有意加入合金元素的铁碳合金。因此，铁和碳是钢铁材料的两个最基本的组元。为了熟悉钢铁材料的组织与性能，以便在生产中合理使用，首先从研究铁碳合金开始，研究铁与碳的相互作用，以便认识铁碳合金的本质并了解铁碳合金成分、组织结构与性能之间的关系。 nullnullnull 纯铁及其同素异构转变大多数金属在结晶终了之后以及继续冷却过程中，其晶体结构不再发生变化，但也有一些金属，如Fe、Co、Ti、Mn、Sn等，在结晶之后继续冷却时，还会出现晶体结构变化，从一种晶格转变为另一种晶格。金属在固态下随着温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的变化称为同素异构(晶)转变。null铁素体碳溶解于a-Fe中所形成的间隙固溶体称为“铁素体”，以符号F表示。由于a-Fe是体心立方晶格，其晶格间隙的直径很小，因而碳在a-Fe中的溶解度很小，最大的溶解度为0.02％（727℃）。随着温度下降溶碳量逐渐减小，在室温时溶碳量仅为0.0008％。这是因为在a-Fe中容纳碳原子的空隙半径很小，通常情况下，a-Fe中晶格的最大空隙半径为0.36A，而碳原子半径为0.77A。因此碳原子不可能处于晶格的空隙中，而是存在于a-Fe晶格的缺陷处（如位错、晶界、空位等）。所以铁素体含碳量很低，它的显微组织是由网络状的多面体晶粒组成，它的性能几乎与纯铁相同，即强度和硬度很低，但具有良好的塑性和韧性。铁素体在770℃以下具有铁磁性，在770℃以上则失去铁磁性。null奥氏体碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体称为奥氏体，以符号A表示。由于γ-Fe是面心立方晶格它的致密度虽然高于体心立方晶格的a-Fe，但由于其晶格间隙的直径要比a-Fe大，故溶碳能力也较大。在1148℃时溶碳量最大可达2.11％，碳通常填充在γ-Fe中的八面体间隙中。随着温度下降溶碳量逐渐减少，在727℃时的溶碳量为Wc=0.77％。奥氏体只存在于727℃以上的高温范围内。因此加热到高温时可以得到单一的A组织。由于A是易产生滑移的面心立方晶格，奥氏体的硬度较低而塑性较高，易于锻压成型。奥氏体为非铁磁性相。 null渗碳体渗碳体的分子式为Fe3C，它是一种具有复杂晶格的间隙化合物。渗碳体含碳6.69％；熔点为1227℃；不发生同素异晶转变；但有磁性转变，它在230℃以下具有弱铁磁性，而在230℃以上则失去铁磁性；硬度很高，能轻易地刻划玻璃，而塑性和韧性几乎为零，脆性极大。在室温平衡状态下，铁碳合金（钢）中的碳大多以渗碳体形式存在于组织中。渗碳体中碳原子可被氮等小尺寸原子置换，而铁原子则可被其他金属原子(如Cr、Mn等)置换。这种以渗碳体为溶剂的固溶体称为合金渗碳体，如(Fe，Mn) 3C、(Fe，Cr) 3C等。null 渗碳体在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、球状、网状或板状。它的形态与分布对钢的性能有很大影响。当渗碳体的形状和分布合适时，可提高钢的强度和耐磨性。因此它是铁碳合金中重要的强化相。同时，Fe3C在一定条件下会发生分解，形成石墨状的自由碳。　Fe3C→3Fe+C（石墨）以上是碳在铁中的存在形式，也是铁碳合金中的基本组织，除此三种之外，铁碳合金中还有另外两种组织，即珠光体和莱氏体。珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用P表示，其平均含碳量为0.77％。null工业纯铁（C%≤0.0218%）null共析钢 C%=0.77% null亚共析钢 0.0218%粒状 null奥氏体晶粒度null1．晶粒度: 表征晶体内晶粒大小的量度，通常用长度，面积，体积或晶粒度级别表示。 2．起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度本质晶粒度：钢奥氏体晶粒长大的倾向。奥氏体晶粒随温度的升高而且迅速长大→本质粗晶钢奥氏体晶粒随温度升高到某一温度时，才迅速长大→本质细晶钢 null3．奥氏体晶粒度的控制 a. 加热工艺加热温度，保温时间 b. 钢的成分——合金化 A中C%↑→晶粒长大↑ MxC%↑→是粒长大↓ 1)碳化物形成元素细化晶粒 2）Al→本质细晶钢 3）Mn 、P促进长大 null过冷奥氏体的等温转变nullnull高温转变区 A1——鼻子温度（5500C） A过冷——>P（S，T）索氏体，屈氏体。 P的形成取决于生核，长大速率。T↓，生核，长大↑。 T↓→6000C，D↓，长大慢→层间距薄，短扩散型相变，综合性能好，HB较低，韧性好。 T↓——HB↑，强度↑ null中温区转变，贝氏体转变 550℃~230℃（MS） A过冷→B，碳化物分布在含过饱和碳的F基体上的两相机械混合物。null低温区转变——马氏体转变 MS→Mf之间一个温度范围内连续冷却完成的，离于非扩散型转变。 a. A过冷→M+A'残余 b. 转变产物：马氏体M，碳在α-Fe中的过饱和固溶体。 C%<0.23%，板条状M C%>1.0%，针状，马氏体 c. 实质：T低——C无法扩散→非扩散性晶格切变 →过饱和C的铁素体。 d. M转变的特征，①无扩散性；②瞬时性； ③存在Ms,Mf ；④不完全性； ⑤体积膨胀。null共析钢等温转变组织——性能的关系（1）珠光体型转变温度降低，片间距小，细晶强化→强度、硬度、塑性、韧性提高（2）贝氏体 B上:强度、韧性差 B下:硬度高，韧性好，具有优良的综合机械性能（3）马氏体硬度高 C%↑→HRC↑ 针状马氏体，硬而脆，塑、韧性差板条状，强度高，塑性，韧性好 4．亚（过）共析钢的等温冷却转变曲线null影响C曲线的因素 C曲线反映奥氏体的稳定性及分解转变特性，这些取决于奥氏体的化学成分和加热时的状态。（一）A成分 1．含碳量 A中C%↑→C曲线右移. 2．合金元素，（Co%↑→左移）除Co以外，所有合金元素溶入A中，增大过冷A稳定性—右移.。非碳化物形成元素，Si,Ni, Cu,不改变C曲线形状。强碳化物形成元素，Cr,Mo,W,V,Nb,Ti,改变C曲线形状。除Co,Al 外，均使Ms,Mf 下降，残余A↑。（二）A化条件的影响 1．加热温度和时间 A化温度↑，时间↑（成分均匀，晶粒大，未溶碳化物少，形核率降低）→A稳定性↑，C曲线右移。null 除 null过冷奥氏体的连续冷却转变图PS：A→P开始线 Pf：A→P终止线 K：珠光体型转变终止线 Vk：上临界冷却速度 (马氏体临界冷却速度) →M最小冷速 Vk’：下临界冷速 →完全P最大冷速null(1)根据工件要求，确定热处理工艺。 (2)确定工件淬火时的临界冷速。 (3)可以指导连续冷却操作 V1:炉冷(退火),P V2:空冷，S，T V3:空冷，S，T V4:油冷，T+M+A' V5:M+A' (4)选择钢材的依据 (5)C曲线对选择淬火介质与淬火方法有指导。null退火--将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。常用热处理工艺常用热处理工艺退火、正火淬火钢的淬透性回火合金元素对回火转变的影响高频淬火渗碳氮化 null1．完全退火加热温度：Ac3以上20-30度组织：P+F 目的： ①细化，均匀化粗大、不均匀组织 ②接近平衡组织——调整硬度→切削性↑ ③消除内应力应用范围：亚共折钢，共析钢，不适用于过共析钢。 2．球化退火（不完全退火）加热温度：Ac1以上20-40度应用范围：过共析钢，共析钢组织：球状P（F+球状Cem）目的： ①使Cem球化→HRC↓，韧性↑→切削性↑ ②为淬火作准备null3．扩散退火（均匀化退火） 1050-1150℃，10-20h, P+F或P+Fe3CII 目的：消除偏析后果：粗大晶粒（应用完全退火消除） 4．再结晶退火加热温度：Ac1以下50-150度，或T再+30-50度目的：消除加工硬化 5．去应力退火 500-650℃null正火（空冷） AC3或Accm+30-50℃ 组织：S+（F或Fe3C）应用： (1)作最终热处理，普通结构钢零件 a. 细化A晶粒，组织均匀化 b. 减了亚共析钢中F%→P%↑，细化→强度，韧性，硬度↑ (2)预先热处理 a. 消除魏氏组织，带状组织；细化组织→为淬火、调质作准备 b. 使过共析钢中Fe3CII↓→使其不形成连续网状，为球化作准备 (3)改善切削加工性能null退火、正火的选择正火：冷速快，材料组织细化，机械性能好 1.切削加工低、中碳钢→正火中高碳刚，合金工具钢→完全退火，球化退火 2.作为最终热处理→正火 3.为最终热处理提供良好的组织状态工具钢→正火+球化退火结构钢→正火返修件→退火null淬火－－加热到AC3、AC1相变温度以上，保温，快速冷却→M+A’ 1．淬火温度的决定淬火温度过高→A粗大→M粗大→力学性能↓，淬火温度过高→A粗大→M粗大→淬火应力↑→变形，开裂↑ 2．加热时间升温、保温null3．淬火介质 650℃以上，慢，减小热应力 650-400℃，快，避免C曲线 400℃以下，慢，减轻相变应力 null钢的淬透性 1．淬透性：淬火条件下得到M组织的能力，取决于VK 2．淬硬性：钢在淬火后获得硬度的能力，取决于M中C%， C%↑→淬硬性↑ null3．影响淬透性的因素——VK，C曲线　4．淬透性的应用（1）根据服役条件，确定对钢淬透性的要求 ——选材的依据（2）热处理工艺制定的依据（3）尺寸效应null回火回火目的消除淬火应力，降低脆性 b. 稳定工件尺寸，由于M，残余A不稳定 c. 获得要求的强度、硬度、塑性、韧性null a.马氏体分解(800C-3000C) 析出ε碳化物（亚稳定）回火组织为:过饱和α固溶体+亚稳定ε碳化物(极细的)→回火M(M’)晶格畸变降低，淬火应力有所下降。 b. 残余A有分解 200-3000C A→M c. 碳化物的聚集长大>2800C ε碳化物→Fe3C片→细粒状Fe3C d.铁素体的回复与再结晶　钢在回火时的组织转变null回火组织（1）回火马氏体 M’ 1500C-3500C回火极细的ε碳化物和低过饱和度α固溶体，形态基本不变（2）回火屈氏体 T’ 350-5000C 马氏体形F+细粒状Fe3C （3）回火索氏体 S’ 500-6000C 再结晶等轴F+粗粒状Fe3C （4）球状P 6500C~AC1 粗大球状Fe3C+Fnull回火温度与机械性能的关系 200度以下，HRC不变。 200-300度，M分解，残余A转变为马氏体，硬度降低不大，高碳钢硬度有一定的升高。 >300度，HRC降低。韧性：400度开始升高，600度最高。弹性极限：在300-400度最高。塑性：在600-650度最高。高碳回火马氏体：强度、硬度高、塑性、韧性差低碳回火马氏体：高强度高韧性，硬度、耐磨性也较好回火屈氏体：层服强度与弹性极限高回火索氏体：综合机械性能。nullnull合金元素对回火转变的影响 a. 提高回火稳定性回火稳定性：指钢在回火时，抵抗回火造成软化的能力b. 产生二次硬化一些Mo、W、V含量较高的钢回火时，硬度并不随回火温度的升高单调降低，而是在某一温度（约4000C）后反而开始增大，并在另一更高温度（5500C）达到峰值null增大回火脆性回火脆性：指随回火温度升高时，在250~400和450-650两个区出现冲击韧性明显下降的脆化现象。null回火工艺及其应用淬火＋高温回火→调质null感应加热表面淬火 1．原理交变磁场→感应电流→工件电阻→加热，集肤效应→表面加热 2．分类 a. 高频 200-300KHz，淬硬深度 0.5-2mm 小工件 b. 中频2500-8000Hz ，淬硬深度2-5mm 尺寸较大的工件 c. 工频 50Hz ，淬硬深度10-15mm 大型工件 d. 超音频 30-40KHz 3．钢种：中碳钢和中碳低合金钢 4．特点 a. 加热速度快几秒～几十秒 b. 加热时实际晶粒组小，淬火得到极细马氏体，硬度↑，脆性↓ c. 残余压应力→提高寿命 d. 不易氧化、脱碳、变形小 e. 工艺易控制，设备成本高 5．工艺路线：锻造→退火或正火→粗加工→调度→精加工→表面淬火→低温回火→（粗磨→时效→精磨）null渗碳 AC3以上；900~9500C，低碳钢 1．目的及应用提高表面硬度，耐磨性，而使心部仍保持一定的强度和良好的塑性和韧性 2．钢种低碳钢，低碳合金钢 3．渗碳工艺-组织-性能关系加热温度，保温时间→渗碳层厚度淬火工艺见下页 4．加工工艺路线锻造→正火→切削加工→渗碳→直接淬火(一次淬火，二次淬火)→低温回火→喷丸→磨削null1、直接淬火：奥氏体晶粒大，马氏体粗，残余A多，耐磨性低，变形大。 2、一次淬火：心部要求高 AC3以上；表面要求高，AC1以上30-500C 3、二次淬火：第一次，改变心部组织 AC3以上30-500C 第二次，细化表面组织 AC1以上30-500Cnull氮化（含Al Cr, Mo，V的钢） 1．氮化温度低 2．时间长 3．氮化前调质 4．最后工序 5. 加工路线：粗加工-调质-精加工-氮化-磨削 6. 常用氮化钢碳钢碳钢碳钢中的杂质碳钢的分类碳钢的牌号及作用null碳钢一、碳钢中的杂质 1．锰—有益；0.25--0.80% 脱氧剂；降低FeO→↓脆性， Mn+S→MnS(降低S的有害作用) ↑热加工性能固溶强化；使性能更优； 2．Si 有益脱氧→↓脆性固溶强化 3．硫— 有害 985℃ （Fe+FeS）→热脆加入Mn→MnS 4．磷 — 有害 Fe3P 室温下<100℃，脆性大→冷脆 5．O、N、H O2－↓机械性能，强度、塑性降低，有害元素 N2－兰脆，若钢中存在Al.V.Ti↑→兰脆消失→强度，硬度提高 H2—氢脆、白点，有害null二、碳钢的分类 1．碳含量 (低碳钢C%<0.25% 、中碳钢0.250.6%） 2．质量 (S、P杂质含量) 碳钢、优质碳素钢、高级优质碳素钢 3．按用途（碳素结构钢、碳素工具钢、铸钢）三、碳钢的牌号及作用 1．普通碳素结构钢 Q235A 2．优质碳素结构钢钢号用平均碳含量的万分数的数字表示 10，20 冷冲压件，焊接件，渗碳处理。 35，45，40，50 齿轮、轴类 60，65 弹簧 3．碳素工具钢 0.65～1.35C%，用以制作刃具、量具、模具钢号用平均碳含量的千分数的数字和T一起表示。 T10A, T8, T12 4．铸钢 “ZG”加强度等级表示，如：ZG230～450，ZG270～500合金钢合金钢合金钢的编号合金元素在钢中的方式 Me对铁碳相图的影响合金元素对钢的性能的影响合金结构钢和合金工具钢特殊性能钢――不锈钢null合金钢一、合金钢的编号二、合金元素在钢中的方式三、Me对铁碳相图的影响四、合金元素对钢的性能的影响五、合金结构钢和合金工具钢六、特殊性能钢――不锈钢 null一、合金钢的编号 1．合金结构钢碳含量用万分数（两位）C％如：40Cr，C%=0.4% 合金含量用（百分数）表示如20Cr3MoWVA,其中C%=0.2%, Cr%=3%, Mo,W,V<1.5%. 合金含量小于1.5%不标 A：表示高级优质 2．合金工具钢，特殊性能钢碳含量大于1.0%时，不标注其含量。碳含量小于1.0%时，用千分数表示，如5CrMnMo，C％=0.5%null二、合金元素在钢中的方式 1．Me在钢中的存在方式 1）形成固溶体（1）扩大γ相区元素（奥氏体稳定化元素）Mn,Ni作用最强，A4提高，A3降低（2）扩大α相区元素（F稳定化元素）A3提高，A4降低强K形成元素Cr,Mo,W,V,Nb,Ti 2）形成碳化物K （1）碳化物形成元素,Mn,Cr,Mo,V,W,Nb,Zr,Ti （2）非碳化物形成元素,Ni,Co,Cu,Sinull三、Me对铁碳相图的影响nullnull1．影响A和F存在的范围 Mn，Ni扩大γ相区，扩大A存在的区域 1Cr18Ni9和ZGMn13，室温下单相A Cr，Ti，Si缩小γ相区均缩小A存在区域 1Cr17Ti高铬铁素体不锈钢 2．使S、E点大大左移扩大γ相区元素，使A1下降缩小γ相区元素，使A1上升 null四、合金元素对钢的性能的影响（一）合金元素对钢的强度的影响 1．钢的强化机制 a. 固溶强化 null溶质原子→晶格畸度→与位错相互作用→阻碍位错运动→强化。 Mn，Si主要强化元素nullb. 细晶强化 Nb，V，Al，Ti 晶界→阻碍位错运动→强化nullc. 位错强化位错→增殖并相互作用→阻碍位错运动→强化。 d. 第二相强化第二相粒子→阻碍位错运动→强化。null2．钢的强化 a. 淬火 A→M 1）过饱和C和Me 2）高密度位错 3）极细小、不同取向的马氏体束→细晶强化 b. 回火析出细小碳化物粒子→析出强化→第二相强化 c. 加入合金元素的目的 1）提高淬透性 2）提高回火稳定性 3）固溶强化null提高韧性的途径（1）细化晶粒－ Ti,V,Nb,Al→TiC,VC,NbC,AlN→阻碍A长大 →细化晶粒（2）改善基体韧性 Nb，Mn可以降低Tc→韧性提高（3）提高回火稳定性（4）细化碳化物 Mn，Cr，V （5）控制非金属夹杂和杂质元素低合金高强钢低合金高强钢合金渗碳钢合金渗碳钢合金结构钢合金结构钢合金弹簧钢合金弹簧钢滚珠轴承钢滚珠轴承钢合金工具钢－低合金刃具钢合金工具钢－低合金刃具钢合金工具钢－高速钢合金工具钢－高速钢不锈钢不锈钢1．抗腐蚀原理ａ. 金属腐蚀的方法(化学腐蚀、电化学腐蚀) ｂ. 金属腐蚀破坏的方式: ①均匀腐蚀 ②晶间腐蚀 ③电腐蚀 ④应力腐蚀 ⑤腐蚀疲劳 c.金属抗腐蚀的原理： ①单相组织→原电池形成可能性↓、金属电极电位↑→抗腐蚀； ②↓电极电位差、↑阳极电极电位； ③表面保护膜→钝化null2.不锈钢的合金化原理： ①含C量尽可能低； ②加入Cr→n/8定律→含量＞12.5%电极电位跃升(如M不锈钢)； ③含Cr量＞12.7%→单相F(如F不锈钢)； ④加入Ni →单相A或F+A(如A不锈钢)； ⑤加入Ti、Nb、B→晶界腐蚀↓ 3．常用不锈钢 a. M不锈钢 1Cr13,2Cr13 用于汽轮机叶片、热裂设备,3Cr13,4Cr13 手术器具及刀具 b. F不锈钢 1Cr17 化工设备、食品工业 c. A不锈钢 1Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni9Ti 化工、食品、医疗行业 d. A－F不锈钢 1Cr12Ni5Ti 化工设备、热交换器有色金属有色金属铝及铝合金的特性铜及铜合金的特性钛及钛合金铝及铝合金的特性铝及铝合金的特性（1）比重小，比强度高；ρ纯铝=2.7g/cm3 （2）优良的物理、化学性能； i 导电性好，仅次于Ag, Cu, Au； ii 极好的抗大气腐蚀能力；“钝化” iii 非磁性，即磁化率极低。（3）加工性能良好： i 塑性好，可冷成形； ii 切削性能好； iii 超高强度铝合金成形后热处理，可以有很多的σ; iiii 铸造铝合金铸造性能极好。null铝及其合金的分类与牌号：（一）高纯铝（Fcc） LG1, LG2, LG3, LG4, LG5, 由1 5，Al的含量由99.85 99.99%. （二）工业纯铝： L6, L5, L4, L3, L2, L1, 由6 1，Al的含量由98.8 99.7%. （三）铝合金： LF+数字：防锈铝合金； Ly+数字：硬铝合金； LC+数字：超硬铝合金； LD+数字：锻铝合金； ZL+数字：铸造铝合金； ZL1××：Al-Si合金； ZL2××：Al-Cu合金； ZL3××：Al-Mg合金； ZL4××：Al-Zn合金。（注：新标准名称已改变，以上仅供参考）null铝合金的强化 1、固溶强化；如Cu, Mg, Zn, Si, Mn等加入可形成有限固溶体。 2、时效强化：经长时间室温停留或加热至100～200℃一定时间保温后，在母相固溶体的一定晶面上出现一个原子层厚度的铜或其它原子的偏聚区，偏聚区边缘发生晶格略变，阻碍位错运动，因而合金强度，硬度提高。 3、第二相强化和细晶强化； 4、冷变形强化。null常用铝合金选用原则：（1）考虑机械性能特点：比强度高（强度与相对密度之比）可用于机构件；良好的塑性加工性能可用于挤压件；小的弹性模量可用于搞震性好的工件；低温性能好可用于低温构件；（2）考虑其使用性能特点：熔点为600℃，使用温度不能过高；良好的耐蚀性，导电导热性及抛光性能宜做腐蚀环境零件及导电及某些电器材料。（3）考虑其工性能特点：熔点低、熔炼和铸造方便，以及好的加工性能和铸造性能等铜及铜合金的特性铜及铜合金的特性（1）优异的物理化学性能：导电性、导热性好；抗蚀能力高；铜（紫铜）抗磁性；（2）良好的加工性能：塑性好，铸造性能好；（3）特殊机械性能：减摩性耐磨性好，高的弹性极限和疲劳极限；（4）色泽美观。 null铜及其合金的分类与牌号： (一)紫铜（纯铜）： Fcc无磁性，无同素异构转变，熔点1083℃。据铜中的含氧量可将铜分为三类： a.工业纯铜：O%=0.02-0.10%. 牌号为T1, T2, T3, 由1—3，含Cu 为99.95---99.70% b.磷脱氧铜：O%<0.01%. 牌号为TP1(99.90%)，TP2(99.85%) c.无氧铜：O%<0.003%. 牌号为TU1(99.97%)，TU2(99.95%)null(二)黄铜以Zn为主要合金元素的铜合金。黄铜分普通黄铜和复杂黄铜两种。 1. 普通黄铜：如：H96, H80, H70, H68, H59等。 H70：σs≥220 N/mm2 σb ≥300 N/mm2, δ5 ≥55%, 形变强化后 σb ≥660 N/mm2 ，δ5 ≥30%。大量用于作弹壳、套管和复杂深冲零件。 2.复杂黄铜：在Cu-Zn二元合金基础上加入其它合金元素形成的。如Pb黄铜，Sn黄铜，Al黄铜，Si 黄铜等。null（三）青铜含有Sn. Al. Si. Pb. Be, Mn等的铜基合金。包括：锡青铜，铝青铜，铍青铜等等。分类：压力加工青铜和铸造青铜。编号方法： ① Q+主加元素符号+主加元素含量+其它元素含量；如：QSn4-3, 表示含4%Sn 、3%Zn，其余为Cu的锡青铜。 ②铸造青铜在编号前加“Z”字，如：ZQSn10-5。（四）白铜以Ni为主要合金元素的铜合金。编号为：B+镍的平均含量，“B”意指“白铜”，如：B19表示含19%Ni的普通白铜。null铜合金选用原则：（1）充分考虑其导电导热性能特点，可制：导体及散热器片、线材、管材、薄板材、电缆等。（2）考虑其机械性能及耐磨，耐蚀性能等，对于一些耐蚀件、散热器件、减摩零件及弹性元件等，可选用铜合金。（3）考虑其工艺性能特点，塑性好：冲压或锻轧成型件可选用之；铸造性能好：普通铸件和压铸件可用之；切削加工性好和光洁度高：大量生产的切削成型件可用之；但是Cu的储量小，价格较贵，应节约使用。钛及钛合金钛及钛合金钛在地壳中蕴藏量丰富，仅次于Al, Fe, Mg，居第四位。一、纯钛在固态下有同素异构转变： 882.5℃以下为δ钛，是密排六方晶格； 882.5℃以上为β钛，是体心立方晶格。工业纯钛的纯度为99.5%-99.0%，其性能很大程度上取决于氧的含量。工业纯钛可分为TA1，TA2，TA3等三个牌号，编号越大，杂质越多。二、钛合金合金元素溶入δ-Ti中形成δ 固溶体，溶入β-Ti中，形成固溶体。钛合金按其退火状态的组织可分为：δ型钛合金、β型钛合金、（δ +β)型钛合金等三种类型，合金牌号分别为TA,TB,TC与编号顺序数字结合起来表示。如：TA5, TB2, TC3等。null三、钛及钛合金的热处理其主要热处理方式：退火、淬火、时效，并分别用M、C、S表示。 1、退火：650℃～850℃退火，可去加工硬化； 450℃～650℃可去内应力。（许多钛合金以退火状态供货。 2、淬火、时效处理：钛合金通过淬火得β相（亚稳定相），再经400℃～600℃时效，可析出弥散δ相，从而使σ提高，但塑性下降。 δ型钛合金不能通过热处理强化。材料选用原则材料选用原则使用性能原则－－首要原则工艺性原则经济性原则－－根本原则环境与资源原则null使用性能原则----首要原则 1. 分析零件的工作条件首先应判断零件在工作中所受载荷的性质和大小,计算载荷引起的应力分布。 i 载荷的性质是决定材料使用性能的主要依据之一。 ii 计算应力是确定材料使用性能的数量依据。考虑零件的工作环境：环境因素会与零件的力学状态综合作用，提出更为复杂的性能要求。最后还应充分考虑材料的某些特殊要求。null受力状况载荷的类型（如静载、动载、循环载荷或单调载荷等），载荷的作用形式（如拉伸、压缩、弯曲或扭转等），载荷的大小以及分布特点（如均布载荷或集中载荷）。环境状况温度（如低温、高温、常温或变温）及介质情况（如有无腐蚀或摩擦作用）。特殊功能导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。null2. 进行失效分析失效抗力取决于材料的性能，对零件主要失效形式的分析常常可以综合出零件所要求的主要使用性能。null3．零件性能要求的指标化将零件对使用性能的要求具体转化为实验室力学性能指标（如强度、韧性、塑性、硬度等）；再根据工作应力、使用寿命或安全性确定性能指标的具体数值 (1)受力状况不同，设计依据的性能指标、计算公式不同。例如：σ≤[σ]=σs∕k 屈服强度纯剪纯拉载荷---弯曲和扭转载荷 (2)应综合考虑塑性、韧性和强度指标，并加以合理的配合。塑性、韧性过剩而降低零件寿命。例如用35CrMo制造的10t模锻锤锤杆调质处理（高塑性、韧性----承受较大的冲击载荷）--疲劳断裂淬火+中温回火（表面硬度提高）----寿命提高3～20倍以上。追求强度越高越好，贸然将零件置于低应力脆断的危险中。例如高周疲劳断裂材料的强度在σb＜1400MPa范围内----强度越高，疲劳强度亦高若材料的强度在σb＞1400Mpa范围----疲劳寿命随强度的增加反而降低。null工艺性能原则： 1. 金属材料的工艺性能图11-1 金属零件的加工工艺路线null性能、质量要求不高的零件毛坯─→正火或退火─→切削加工─→零件。如铸铁或碳钢，只要注意采用适宜的毛坯制造方法，其工艺性能均能满足要求。性能要求较高的零件（如轴、齿轮等）毛坯─→预先热处理（正火、退火）─→粗加工─→最终热处理（淬火十回火，固溶时效，渗碳处理等）─→精加工─→零件。金属零件用材多为碳钢、合金钢、高强铝合金等，其中有些材料的加工性能存在问题，因此选材时应注意对其工艺性能的分析性能和质量要求极高的零件（如精密丝杠）毛坯─→预先热处理（正火、退火）─→粗加工─→最终热处理（淬火+低温回火，固溶时效或渗碳）─→半精加工─→稳定化处理（或氮化）─→精加工─→稳定化处理─→零件加工路线复杂，加工精度和质量要求高，在选材时应务必保证材料的工艺性能。null（三）经济性原则－－根本原则产品成本与性能的关系：（四）环境与资源原则随着地球资源的日益枯竭、环境的日益恶化，材料的环境和资源准则在今后会变得日益重要。这一准则要求材料在生产──使用──废弃的全过程中，对能源和资源的消耗少，对生态环境影响小，可以完全再生利用或废弃时完全降解。

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