金属材料及热处理课件.ppt

1 使用性能 ：在使用条件下所表现的性能 力学性能(强度、硬度、塑性、韧性等)； 物理性能（光、电、磁等）； 化学性能 (抗氧化性、抗腐蚀性等)； 其它性能(耐磨性、热硬性、消振性等)；,2 工艺性能材料制备、加工过程中所表现的性能 铸造性能（流动性、收缩、偏析等)； 压力加工性能、冷加工性能、锻造性能等； 切削加工性； 焊接性； 热处理性能； 等等,材料性能包含使用性能与工艺性能两方面：,金属材料与热处理基础,1-1 金属的力学性能,材料的力学性能是指材料在外力作用下所表现出来的特性。力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧度及疲劳强度等。 变形：材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化。外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形，外力去除后不能够恢复的变形称为塑性变形。 一、强度强度是指金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。 根据载荷作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。强度指标一般可以通过金属拉伸试验来测定。把标准试样装夹在试验机上，然后对试样缓慢施加拉力，使之不断变形直到拉断为止。在此过程中，试验机能自动绘制出载荷F和试样变形量AL的关系曲线。此曲线叫做拉伸曲线。1拉伸曲线图2-1为低碳钢的拉伸曲线，图中纵坐标表示载荷单位为N；横坐标表示绝对伸长量L，单位为mm。,低碳钢的拉伸变形分为以下几个阶段(图2-1)：（1）Oe弹性变形阶段： （2）es屈服阶段 （3）sb强化阶段 （4）bk缩颈阶段,e,（1）oe：弹性变形阶段： 试样变形完全是弹性的，这种随载荷的存在而产生，随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。Fe为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力。（2）es：屈服阶段： 不能随载荷的去除而消失的变形称为塑性变形。在载荷不增加或略有减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫做屈服。屈服后，材料开始出现明显的塑性变形。Fs称为屈服载荷（3）sb：强化阶段： 随塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或称加工硬化）。Fb：试样拉伸的最大载荷。（4）bz：缩颈阶段（局部塑性变形阶段） 当载荷达到最大值Fb后，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈”。,工程上使用的金属材料，多数没有明显的屈服现象，有些脆性材料，不但没有屈服现象，而且也不产生“缩颈”。如铸铁等。,2强度指标 : 屈服强度和抗拉强度 材料受到外力作用会发生变形，同时在材料内部产生一个抵抗变形的力称为内力。单位面积上的内力称为应力，单位为Pa（帕），即N/m2工程上常用MPa(兆帕)，1MPa=106pa，或1Pa=1N/m2，或1MPa=1N/mm2。（1）屈服强度s:在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力，用符号s表示。单位为MPa。屈服强度反映材料抵抗永久变形的能力，是最重要的零件设计指标之一。 s= Fs/AO （2-1）式中，Fs是屈服时的最小载荷(N)；A0是试样原始截面积。对于无明显屈服现象的金属材料（如高碳钢、铸铁），测量屈服点很困难，工程上经常采用残余伸长为0.2原长时的应力0.2作为屈服强度指标，称为规定残余伸长应力。0.2= F0.2/ AO （2-2）,（2）颈缩现象：db段为均匀变形阶段。在这一阶段，应力随应变增加而增加，产生应变强化。变形超过b点后，试样开始发生局部塑性变形，即出现颈缩。 抗拉强度：随应变增加，应力明显下降，并迅速在k点断裂。b点所对应的应力为材料断裂前所承受的最大应力，称为抗拉强度，用b表示。抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，也是零件设计和材料评价的重要指标。 b= Fb/AO （2-3）式中，Fb是试样断裂前所承受的最大载荷（N）。,二、塑性金属材料在载荷的作用下，产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。通过拉伸试验测得 的常用塑性指标有：断后伸长率和断面收缩率。,1断后伸长率试样拉断后的标距伸长量和原始标距之比 =(L1L0)/L0100 （2-4） 式中，L1试样原始标距长度。L0试样拉断后的标距长度。2断面收缩率试样拉断处=100横截面积的缩减量与原始横截面积之比= =(A0A1)/AO 100（2-5）式中，Ao是试样的原始横截面积；A是试样断口处的横截面积。,三、硬度: 硬度即指材料抵抗局部变形，特別是塑性变形、压痕或划痕的能力，它是各种零件和工具必须具备的性能指标之一，也是热处理主要的质量检验标准。 (1).检测方法: 就是用一定几何形狀的压头，在一定载荷下，压入被测金属材料表面，根据被压入程度來测定其硬度值。,注：各硬度值相互之间不能直接比较，只能通过硬度对照表换算。,硬度表示方法：布氏硬度: HBS200 HBW400 洛氏硬度 HRA55 HRB30 HRC45维氏硬度: HV900 HV1100,1布氏硬度(HB)试验法：如图2-2所示采用直径为D的淬火钢球或硬质合金球，在规定载荷F的作用下，压入被测金属表面，保持一定时间后卸除载荷，测定压痕直径，求出压痕球形的表面积，压痕单位表面积上所承受的平均压力（F/A）即为布氏硬度值，压头为淬火钢球时用HBS表示，压头为硬质合金球用时HBW表示。例如120HBS，450HBW。,布氏硬度（HB）1.测试用压头：直径为D的钢球或硬质合金球；2.适用范围：对金属来讲，只适用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属等较软材料的硬度。3.优点：测量误差小，数据稳定；4.缺点：压痕大，不能用于太薄件或成品件。,2洛氏硬度(HR)试验法采用顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球作为压头如图2-3所示。试验时先施加初载荷，使压头与试样表面接触良好，保证测量准确，再施加主载荷，保持到规定的时间后再卸除主载荷，依据压痕的深度来确定材料的硬度值。洛氏硬度值是用洛氏硬度相应标尺刻度滿量程(100)与残余压痕深度增量之差计算硬度值，HR值可直接从表盘显示数字中得出。,洛氏硬度（HR）1.洛氏硬度的分类及适用范围：根据压头的材料及压头所加的负荷不同，洛氏硬度可分为：HRA、HRB、HRC。HRA 适用于测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层；HRB 适用于测量有色金属和退火、正火钢等；HRC 适用于调质钢、淬火钢等。其中HRC：软硬范围较宽，应用最广 ；2.洛氏硬度的优点：操作简单、压痕小、适用范围广3.洛氏硬度的缺点：测量结果分散度大。,2维氏硬度（HV）试验法,1.测试用压头：金刚石四方角锥体，所加负荷较小；2.维氏硬度的优点：保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点，既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能相互比较。,四、冲击韧度 对于承受冲击载荷的材料，如汽车发动机中的活塞，不仅要求具有高的强度和一定的塑性，还必须具备足够的冲击韧度。金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧度（k ）。冲击韧度的测定方法，如图2-4所示。是将被测材料制成标准缺口试样，在冲击试验机上由置于一定高度的重锤自由落下而一次冲断。冲断试样所消耗的能量称为冲击功，其数值为重锤冲断试样的势能差。冲击韧度值aKV就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功，这个值越大，则韧性越好，受冲击时，越不容易断裂。,试验原理：试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功（Ak ）等于摆锤冲击试样前后的势能差。,五、疲劳强度交变载荷：是指大小或方向随时间而变化的载荷。 在汽车上的许多零件中，比如各种轴、齿轮、弹簧、连杆等，要受到大小和方向呈周期性变化的载荷作用。这种交变载荷虽然小于材料的强度极限，甚至小于其弹性极限，但经多次循环后，在没有明显的外观变形时也会发生断裂，这种破坏称作疲劳破坏或疲劳断裂。这种破坏都是突然发生的，具有很大的危险性。疲劳强度-1是表示材料以周期性交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力，其大小与应力变化的次数有关。对于黑色金属规定循环次数为107次，有色金属循环次数为108次。提高零件的疲劳强度的方法：除应合理选材外，还应注意其结构形状，避免应力集中，减少缺陷，提高表面光洁度和进行表面强化等。,1-2 材料在高温下的力学行为,1.材料的强度随温度的升高而降抵。2.高温下材料的强度随时间的延长而降抵。3.高温下材料的变形量随时间的延长而增加。,蠕变和蠕变曲线,蠕变：材料在长时间恒应力作用下缓慢产生塑性变形的现象称为蠕变。蠕变曲线,I 减速蠕变阶段II 恒速蠕变阶段III 加速蠕变阶段,评价材料高温力学性能的指标蠕变极限：是高温长期载荷作用下材料对塑性变形的抗力指标。,（2）给定温度下，在规定时间内使试样产生一定蠕变总变形量d的应力值，符号为：,表示方法（1）在规定温度下使试样产生规定稳态蠕变速率的应力值 ，符号为,持久强度：材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力。 表示方法：用给定温度和规定时间内试样发生断裂时的应力表示，sTt t-时间；T-温度；,高温下零件的失效形式：过量塑性变形（蠕变变形）、断裂、 磨损、氧化腐蚀等。防止措施：正确选材；（选熔点高、组织稳定的材料） 表面处理（表面渡硬铬、热喷涂铝和陶瓷等）,四、高温下零件的失效和防止,2-1 金属的物理和化学性能,2.1：材料的物理性能1.密 度：材料单位体积的质量密度小于5103Kg/m3的金属称为轻金属；密度大于5103Kg/m3的金属称为重金属。2.熔 点：材料的熔化温度。陶瓷的熔点一般都显著高于金属及合金的熔点；高分子材料一般不是完全晶体，所以没有固定的熔点。一般来说，材料的熔点越高，材料在高温下保持高强度的能力越强。在设计高温条件下工作的构件时，需要考虑材料的熔点。金属中，汞的熔点为-38.8，而钨的熔点则高达3410。3.热膨胀性：材料受热后的体积膨胀，通常用线膨胀系数表示。它是指温度升高1时单位长度材料的伸长量。对精密仪器或机器的零件，热膨胀系数是一个非常重要的性能指标。对于特别精密的仪器，应选择热膨胀系数低的材料，或在恒温条件下使用。在材料热加工过程中更要考虑其热膨胀行为，如果表面和内部热膨胀不一致，就会产生内应力，导致材料变形或开裂。常用金属的热膨胀系数为510-62510-6/。,4.导热性：材料热传导的能力。用其导热系数来表示，金属及合金的导热系数远高于非金属材料；在金属中，以银为最好，铜和铝次之。5.磁 性：材料能导磁的性能。根据材料在磁场中的行为可将其分为三类：使磁场减弱的材料称为抗磁性材料；使磁场略有增强的材料称为顺磁性材料；使磁场强烈增强的材料称为铁磁性材料，常用于制造变压器、电动机、仪器仪表等，抗磁性材料常用做磁屏蔽或防磁场干扰材料。 2.2：材料的化学性能1.耐腐蚀性：材料抵抗各种介质侵蚀的能力。非金属材料的耐蚀性能总的说来远远高于金属材料。2.抗氧化性：材料抵抗高温氧化的能力。抗氧化的材料常在表面形成一层致密的保护膜，来阻碍氧的进一步扩散。耐腐蚀性和抗氧化性统称为材料的化学稳定性。高温下的化学稳定性称为热化学稳定性。在高温下工作的设备或零部件，如锅炉、汽轮机和飞机发动机等应选择热化学稳定性高的材料。,晶体是指原子(或分子)按一定几何形狀有规律地排列的固态物质。属晶体的物质的有食鹽、天然金钢石、铁等，所有的固体金属和合金都是晶体。 晶体內部原子是有规則秩序地排列的。为了便于分析和描述金属晶体中原子的排列情況，示意地將原子看成一个小球，(图A是晶体中原子在空间作有规則排列的简单模型)。用假想的线条將各原子的中心连接起來，这样就得到一个抽象化了的空间格架(图B)。这种用于描述原子在晶体排列形式的空间格架称为结晶格子，简称晶格。,晶胞就是在晶体中取出一个能完全代表晶体中原子排列特征的几何单位(图C)。,A,B,C,体心立方晶格,面心立方晶格,密排六方晶格,金属的结晶过程就是晶核的形成及晶核长大两个过程。每种金属都有一定的晶格类型，但在不同溫度下，同一种金属可能具有不同类型的晶格。金属在固态下隨溫度的改变，由一种晶格转变为另一晶格，这种现象称为金属的同素异构转变。由同素异构转变所得的不同晶体，称为同素异构体。同素异构体一般用希腊字母、等表示。如纯铁的同素异构转变表示:,金属的同素异构转变与液态金属的结晶有相似之处，即同素异构转变有一定的转变溫度；同样遵循晶核形成和晶核长大的结晶规律；转变时也有结晶潛热的放出和过冷现象，所以同素异构转变也是一个结晶过程，通常称为重结晶。 合金是由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素熔合而成，具有金属特性的物质。组成合金最基本的独立的物质称为组元。一般说來，组元是组成合金的元素。合金的结构可分为：固溶体、金属化合物和多种晶体的机械混合物。,固溶体: 组成合金的组元在液态相互溶解，结晶时，以一组元为基体保持其原有的晶格类型，其它组元的原子均勻地分布在基体组元的晶格里，形成均勻一致的固体，此合金就称为固溶体。根椐溶质原子在溶濟晶格中所占据的位置不同，可分为间隙固溶体和置換固溶体。,金属化合物: 组成合金的各组元，按照一定的原子数量比，相互化合而成的一种完全不同于原组元晶格的固体物质，称为金属化合物。金属化合物可用分子式表示，如Fe3C、CuAl2等。机械化合物: 组成合金的组元既不是纯组元，也不是固溶体或化合物， 而是两种或两种以上的纯组元、固溶体、化合物以弥散的混合物的形式组成在一起的固体物质，称为机械混合物。,金属的塑性变形,金属或合金在外力作用下，都能或多或少地发生变形，去除外力后，永远残留的那部分变形叫塑性变形。,随着变形量的增加，由于晶粒破碎和位错密度的增加，金属的塑性变形抗力将迅速增大，即强度和硬度显著提高，而塑性和韧性下降产生所谓“加工硬化”现象。,回复是指冷塑性变形金属在加热温度较低时，金属中的一些点缺陷和位错的迁移，使晶格畸变逐渐降低，内应力逐渐减小的过程。,再结晶：将变形金属继续加热到足够高的温度，就会在金属中发生新晶粒的形核和长大，最终无应变的新等轴晶粒全部取代了就的变形晶粒的过程。,热加工：再结晶温度以上的塑性形成过程。冷加工：再结晶温度以下的塑性形成过程。,一、铁碳合金的分类1.工业纯铁（0.0218%C）室温下的平衡组织几乎全部为铁素体的铁碳合金，工业上很少使用2.碳钢（0.0218%-2.11%C）高温组织为单相奥氏体，易于变形。根据室温组织的不同分为三类,亚共析钢（0.0218%-0.77%C）：指室温下的平衡组织为铁素体与珠光体的铁碳合金，有熟铁之称；,共析钢（0.77%C）：指室温下的平衡组织为珠光体的铁碳合金，即碳素工具钢中的T8钢；,3.白口铸铁（ 2.11% - 6.69%C）指液态结晶时都有共晶反应且室温下的平衡组织中皆含有变态莱氏体的一类铁碳合金，其断口白亮而得名，俗称生铁。,亚共晶白口铸铁,共晶白口铸铁,过共晶白口铸铁,过共析钢（0.77%C- 2.11%C）：指室温下的平衡组织为珠光体与二次渗碳体的铁碳合金。,铁碳合金,钢的分类1.按化学成分分类按化学成份可将钢分为碳素钢和合金钢。碳素钢根据含碳量分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。合金钢根据合金元素含量分为低合金钢、中合金钢和高合金钢。1.低碳钢：C0.25% 2.中碳钢：0.25%C0.6% 3.高碳钢：C0.6%2.按质量分类钢的质量是以硫、磷的含量来划分的。根据硫、磷的含量可将钢分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。1.普通钢:S0.05%，P0.045%2.优质钢:S0.035%，P0.035% 3.高级优质钢:S0.025%，P0.025%3.按冶炼方法分类根据冶炼所用炼钢炉不同，可将钢分为平炉钢、转炉钢和电炉钢。4.按金相组织分类在退火组织可将钢分为亚共析钢、共析钢和过共析钢。按正火组织可将钢分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢和莱氏体钢等。5.按用途分类按用途可将钢分为结构钢(主要用于制造各种机械零件和工程构件 C0.7% )、工具钢(主要用于制造各种刀具、模具和量具 0.70%)和特殊性能钢。,1.结构钢,碳素结构钢（0.06-0.38%）和低合金高强度结构钢(0.2%),这两类钢采用屈服点的拼音字母“Q” ，屈服点数值(单位为MPa)和表6-2中规定的质量等级脱氧方法等符号表示，按顺序组成牌号。例如碳素结构钢牌号为Q235AF、Q235BZ等；低合金钢高强度结构钢牌号表示为Q345C、Q345D等。应用：厂房、桥梁、船舶、铆钉、螺钉、螺母等。,低合金高强度结构钢的牌号也可采用两位阿拉伯数字（表示平均含碳量的万分之几）和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn等。,优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号以两位数表示，这两位数字表示钢的平均含碳量的万分之几。沸腾钢和半镇静钢在牌号尾部分别加符号“F”和“b”。如平均含碳量为0.08%的沸腾钢，其牌号表示为“08F”；平均含碳量为0.01%的半镇静钢，其牌号表示为“10b”。镇静钢一般不表示符号，如平均含碳量为0.45%的镇静钢，其牌号表示为“45”。钢的含锰量为0.70%1.00%时，在牌号后加锰元素符号，如“50Mn”。高级优质钢在牌号后加字母“A”。特级优质钢在牌号后加字母“E”如“45E”。,1）0825钢，属于低碳钢 性能：强度、硬度较低、塑性、韧性及焊接性良好； 用途：冲压件、焊接结构件及渗碳件 如：深冲器件、压力容器等。2）3055钢 属于中碳钢 性能：较高的强度和硬度，是塑性和韧性随含碳量的增加而逐步降低。 用途：制作受力较大的机械零件。 如：连杆、曲轴、齿轮等3）60钢以上 属于高碳钢。性能：有较高的强度、硬度和弹性；用途：制造较高强度、耐磨性和弹性的零件 如：气门弹簧、弹簧垫圈等,渗碳钢1.成分：含碳量0.10-0.25的合金钢，主要加入能提高淬透性的Mn、Cr、Ni等元素；2.性能特点：经热处理后表硬里韧、耐磨性及抗疲劳性好；,常用的渗碳钢,低淬透性渗碳钢：15Cr、20Cr等，心部强度低，尺寸和载荷小的齿轮和滑块；,中淬透性渗碳钢：20CrMnTi、20CrMn等，心部强度较高，用于制造中等强度的耐磨零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、齿轮轴等；,高淬透性渗碳钢：18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等，淬透性很高。用来制造承受重载荷和强烈磨损的重要零件，如飞机、坦克中的曲轴及重要齿轮等。,调质钢,在调质处理后使用的钢种，主要用于制造受力复杂的汽车、拖拉机、机床及其他各种重要零件。1.性能要求：良好的综合力学性能；良好的淬透性。2.成分特点：中碳：含碳量为0.25%-0.50%；主加合金元素为Mn、Si、Cr、Ni,低淬透性调质钢：45、40Cr，用于制造尺寸较小的齿轮、轴、螺栓等。,中淬透性调质钢：40CrNi，用于制造截面较大的零件，如曲轴、齿轮等,高淬透性调质钢：40CrNiMo，用于制造大截面、重载荷的零件，如汽轮机主轴、叶轮、航空发动机等。,弹簧钢1.成分：含碳量在0.400.70%的合金钢。主要加入元素是硅和锰，提高淬透性和屈强比；2.热处理：淬火+中温回火；,Si、Mn弹簧钢：代表性钢种65Mn、60SiMn，主要用于制造较大截面的弹簧，如汽车、拖拉机的板簧、螺旋弹簧等；,Cr、V弹簧钢：代表性钢种50CrV，主要用于大截面、大载荷、耐热的弹簧，如阀门弹簧、高速柴油机的气门弹簧等。,滚动轴承钢1.用 途：主要用来制造滚动轴承的内外圈，滚动体等;2.牌 号：,3.化学成分：含碳量0.95-1.10%，含铬量0.4-1.65%4.热处理及组织：预先热处理：球化退火；最终热处理：淬火+低温回火使用状态下组织：回火马氏体细小碳化物残余奥氏体。5.典型钢种：应用最广的GCr15钢，大量用于制造中大型轴承，还可用于制造冷冲模、量具、丝锥等。,耐磨钢指在冲击载荷作用下发生冲击硬化作用的高锰钢1.用 途：用于既承受严重磨损又承受强烈冲击的零件；2.化学成分：高碳：含碳量为0.75%-1.45%；高锰：含锰量为11%-14%；3.热处理及组织：由于加工困难，铸造后直接使用；4.应用最广的GCr4，GCr15，GCr15SiMn钢。,工具钢一、刃具钢碳素工具钢碳素工具钢的牌号由字母“T”与其后的数字（平均含碳量的千分数）组成，如“T9”。高级优质钢在牌号后加字母“A”如“T10A”。 如：T12A：表示平均含碳量为1.2%的高效优质碳素工具钢。T7T8：钻头、模具等T9T10：丝锥、板牙等T11T13：锉刀、削刀等,合金工具钢和高速工具钢合金工具钢和高速工具钢牌号的表示方法与合金结构钢基本相同，但一般不标明含碳量数字，如“Cr12MoV”（平均含碳量为1.60%）“W6Mo5Cr4V2”（平均含碳量为0.85%）当合金工具钢的含碳量小于1.00%时，含碳量用一位数字标明，表示平均含碳量的千分之几，如“8MnSi”。平均含铬量小于1%的合金工具钢，在含铬量（以千分之一为单位）前加数字“0”，如“Cr06”。,二、模具钢,一、冷作模具钢用于制造各种冷成型模具，如冷冲模、冷挤压模、冷墩模和拔丝模等。1）对性能的基本要求：高的硬度和耐磨性；较高的强度和韧性；良好的工艺性。2）冷作模具钢的类型：碳素工具钢和低合金工具钢；耐冲击工具用钢；高碳高铬模具钢。二、热作模具钢用于制造各种使加热金属或液态金属成型的模具，如热锻模、热压模、热挤模和压铸模等。1）对性能的基本要求：高温下良好的力学性能；高的抗热疲劳性能；高的淬透性和良好的导热性；高的抗氧化性。2）钢种：热锻模钢；压铸模钢。,三、量具钢用于制造各种量测工具，如卡尺、千分尺、快规、塞规及螺旋测微仪1）对性能的基本要求：高的硬度和耐磨性，尺寸稳定性高，热处理变形小；2）量具用钢：一般非精密量具，可选碳素工具钢（T10A、T12A)或低碳钢(15、20)；对精密量具，选用CrWMn、Cr2、GCr15钢等。,不锈钢（0.03%-0.95%）和耐热钢不锈钢和耐热钢的牌号由表示平均含碳量的数字（以千分之一为单位）与其后带有百分含量的合金元素符号组成。合金元素含量表示方法同合金结构钢。含碳量的表示方法为：当平均含碳量1.00%时，用两位数字表示，如“11Cr17”（平均含碳量为1.10%）；当1.00%平均含碳量0.1%时，用一位数字表示，如“2Cr13”（平均含碳量伪0.20%）；当含碳量上限0.1%时，以“0”表示，如“0Cr18Ni9”（含碳量上限为0.08%）；当0.03%含碳量上限0.01%（超低碳），以“03”表示，如“03Cr19Ni10”（含碳量上限为0.03%）；当含碳量上限0.01%时（极低碳），以“01”表示，如“01Cr19Ni11”（含碳量上限为0.01%）。,特殊性能钢,铸 钢以强度为主要特征的铸钢牌号为“ZG”（表示“铸钢“二字）加上两组数字，第一组数字表示最低屈服强度值，第二组数字表示最低抗拉强度值，单位均为MPa如“ZG200-400”。以化学成分为主要特征的铸钢的牌号为“ZG”加上两位数字，这两位数字表示平均含碳量的万分之几。合金铸钢牌号在两位数字后加上带有百分含量数字的元素符号。当合金元素平均含量为0.9%1.4%时，除锰只标符号不标含量外，其他元素需在符号后标注数字1；当合金元素平均含量大于1.5%时，标注方法同合金结构钢，如“ZG15Cr1Mo1V”、“ZG20Cr13”。,应用：制造形状复杂力学性能要求较高的机械零件。,常存元素对钢的性能的影响,一、硅1、来源：炼钢后期作脱氧剂带入；2、对钢的性能影响：能溶于铁素体中起固溶强化作用,提高钢的强度、硬度；3、是钢中的有益元素。二、锰1、来源：炼钢脱氧剂。2、对钢的性能影响：能溶于铁素体中起固溶强化作用,提高钢的强度与硬度。3、是钢中的有益元素。三、硫1、来源：生铁带入；2、对钢的性能影响：硫在钢中以FeS的形式存在，使钢变脆，产生热脆性。控制在0.05以下，MnS对断屑有利。对钢造成热脆性；3、是钢中的有害元素。四、磷1、来源：生铁带入；2、对钢的性能影响:磷可溶于铁素体中，使钢的强度、硬度显著增加。但使钢脆化，产生冷脆性。对钢造成冷脆性；3、是钢中的有害元素。,常存元素对钢的性能的影响,气体元素的影响氮：室温下氮在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和的氮在常温放置过程中会以Fe4N形式析出而使钢变脆，称为时效脆化。在钢中加入Ti、V、Al等元素可使氮以这些元素氮化物的形式被固定，从而消除时效倾向。氧： 氧在钢中主要以氧化物夹杂的形式存在，氧化物夹杂与基体的结合力弱，不易变形，易成为疲劳裂纹源。氢：常温下氢在钢中的溶解度很低。当氢在钢中以原子态溶解时，降低韧性，引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高的内压，形成内裂纹，其内壁为白色，称为白点或裂纹。,铁素体: 碳溶于Fe中的间隙固溶体，称为铁素体。用符号“F”表示。由于碳和铁的原子直径和晶格类型等存在著很大差异，所以当它們以固溶体形式存在时，只能是间隙固溶体，并且其固溶度是有限的。由于铁素体的晶格类型是体心立主，处于立方体中心的原子使立方体的空隙分散，不利于碳原子 的溶入。因此铁素体所能溶入碳的数量很少，其最大固溶度为含0.0218%(727)。室溫时铁素体中碳的固溶度只有0.0008%。 铁素体是铁碳合金室溫下的主要组织，起著基体相的作用。,铁碳合金的基本组织,奧氏体: 碳溶于Fe中的间隙固溶体，称为奧氏体。用符号“A”表示。奧氏体的最大固溶度为含碳2.11%(1148)。奧氏体是铁碳合金的高溫组织，在平衡条件下，它的最低存在溫度是727。在该溫度下奧氏体的成份是一固定值:含碳0.77%。,渗碳体: 渗碳体是铁和碳形成的间隙化合物。用符号“Fe3C”表 示。它的含碳量为6.69%，是一个固定值。渗碳体具有復雜的晶体结构，很硬、很脆、几乎沒有塑性，它是铁碳合金中的強化相。因此渗碳体的形态、大小、多少及分布对铁碳合金的性能有直接影響。通过不同的热处理方法，可以改变渗碳体在铁碳合金中的形态、大小、多少及分布，从而改变材料的性能。这正是热处理的重要原理之一 。,珠光体: 珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。用符号“P”表示。珠光体是平衡条件下含碳量为0.77%的奧氏体在727進行共析转变的产物，当珠光体中铁素体和渗碳体是片层相间的形态时，称片狀珠光体。经过一定的热处理，可以得到铁素体基体分布著颗粒状的渗碳体，称为粒狀珠光体。,莱氏体: 莱氏体是奧氏体与渗碳体的机械混合物，即碳的质量分数(含碳量)为4.3%的液态铁碳合金。在727以上是奧氏体和渗碳体的机械混合物，称为高溫莱氏体，用“Ld”表示;低于727則是珠光体和渗碳体的机械混合物，称为低溫莱氏体，用“Ld”表示。,一、钢的热处理原理1概述热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。根据热处理的目的和工艺方法的不同，热处理可分为：,第二节钢的热处理常识,热处理方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温、和冷却三个阶段所组成的。热处理工艺过程可用在温度一时间坐标系中的曲线图表示，这种曲线称为热处理工艺曲线，见图2-5。,2钢在加热时的转变在热处理工艺中，钢的加热目的是为了获得奥氏体，奥氏体是钢在高温状态时的组织，其强度及硬度高，塑性良好，晶粒的大小、成分及其均匀化程度，对钢冷却后的组织和性能有重要影响。因此，钢在加热时，为了得到细小均匀的奥氏体晶粒，必须严格控制加热温度和保温时间，以求在冷却后获得高性能的组织。3钢在冷却时的转变冷却是热处理的关键工序，成分相同的钢经加热获得奥氏体组织后，以不同的速度冷却时，将获得不同的力学性能，见表2-1。,二、退火与正火1退火退火是将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺。一、退火目的 调整硬度以便进行切削加工； 消除残余内应力，以防止钢件在淬火时产生变形或开裂； 细化晶粒，改善组织，提高力学性能，为最终热处理作准备。二、退火工艺退火的种类很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火等类型。完全退火：将工件加热到Ac3 +（3050），保温后缓冷的退火工艺，完全退火主要用于亚共析钢，使中碳以上的钢软化以便于切削加工，并消除内应力。等温退火：将亚共析钢加热到Ac3+（3050），将共析钢、过共析钢加热Ac1+（3050），保温后快冷到Ar1以下的某一温度，并在此温度下停留，待相变完成后出炉空冷的退火工艺。等温退火可缩短工件在炉内停留时间，更适合于孕育期长的合金钢。,球化退火：使高碳钢中渗碳体球状化的退火工艺，将工件加热到Ac1+（3050）充分保温后缓冷，或者加热后冷却到略低于Ar1的温度下保温，从而使珠光体中的渗碳体球状化的退火工艺。球化退火主要用于共析钢和过共析钢，目的在于降低硬度，改善切削加工性能，并为后续热处理作组织准备。球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体，称为球状珠光体（如下图所示）。对于有网状二次渗碳体的过共析钢，在球化退火前先进行正火，以消除网状渗碳体。,2正火正火是指把钢加热到组织转变为奥氏体的临界温度以上保温，使其完全奥氏体化，在空气中冷却的热处理工艺。 正火是将亚共析钢加热到Ac3+3050，过共析钢加热到Accm+3050，保温后空冷的热处理工艺。由于正火比退火冷却速度大，因而正火组织比退火细，强度和硬度也比退火组织高，当碳钢的含碳量小于0.6%，正火后组织为铁素体加索氏体，当含碳量大于0.6%时，正火后组织为索氏体。对于低、中碳钢的亚共析钢而言，正火的目的与退火的目的相同，即调整硬度，便于切削加工；细化晶粒，为淬火作组织准备；消除残余内应力。对于过共析钢而言，正火是为了消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。对于普通结构件而言，正火可增加珠光体量并细化晶粒，提高强度、硬度和韧性，作为最终热处理。从改善切削加工性能的角度出发，低碳钢宜采用正火；中碳钢既可采用退火，也可采用正火；过共析钢在消除网状渗碳体后采用球化退火。,3淬火淬火是将钢的组织加热到转变为奥氏体的临界温度以上，保温一定时间，以大于临界冷却速度快速冷却的热处理工艺。 淬火是指将将钢加热到临界点以上，保温后以大于Vk的速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。因此，淬火的目的就是为了获得马氏体，提高钢的强度、硬度和耐磨性等。淬火是钢的最重要的强化方法，也是应用最广的热处理工艺之一。,常用的淬火介质是水和油。,水是经济的且冷却能力较强的淬火介质，水的缺点是在650-550范围内的冷却能力不够强，而在300-200范围内冷却能力又太大，因此生产上主要用于形状简单、截面较大的碳钢件的淬火。,油在低温区冷却能力较理想，但在高温区冷却能力太低，因此主要用于合金钢和小尺寸的碳钢件的淬火。大尺寸碳钢件油淬时，由于冷却不足，会出现珠光体型分解。,熔融的碱和盐也常用作淬火介质，称为盐浴或碱浴。这类介质只适用于形状复杂及变形要求严格的小型件的分级淬火和等温淬火。,1.钢的淬透性,钢在淬火时获得淬硬层深度的能力称为钢的淬透性，其高低用规定条件下的淬硬层深度来表示。淬硬层深度是指工件表面到半马氏体的深度。淬透性与淬硬性不同，淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力。同一材料的淬硬层深度与工件的尺寸，冷却介质有关，工件尺寸小、冷却能力强，淬硬层深，工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深，而淬透性与工件尺寸、冷却介质无关，它只用于不同材料之间的比较，是在尺寸、冷却介质相同时，用不同材料的淬硬层深度进行比较的。,4回火钢的回火是指将淬火后的钢，在组织转变为奥氏体的临界温度以下加热，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。,1) 消除或减少淬火内应力，防止工件变形或开裂；2) 获得工艺所要求的力学性能；3) 稳定工件尺寸。淬火马氏体和残余奥氏体都是非平衡组织，有自发向平衡组织铁素体加渗碳体转变的倾向。回火可使马氏体和残余奥氏体转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。4) 对于某些高淬透性的钢，空冷即可淬火，如采用退火则软化周期太长，则采用回火软化即能降低硬度，又能缩短软化周期。对于未经淬火的钢，回火是没有意义的，而淬火钢不经回火一般也不能直接使用，为避免淬火件在放置过程中发生变形或开裂，钢件经淬火后应及时回火。,一、 回火的目的,二、 回火的种类根据钢的回火温度范围，可将回火分为3类。1.低温回火回火温度为150-250。低温回火时发生如下变化，得到M回组织。,低温回火的目的是在保留淬火后高硬度、高耐磨性的同时，降低内应力，提高韧性。主要用于处理各种工具、模具、轴承及经渗碳和表面淬火的工件。,2.中温回火回火温度为350-500。中温回火时发生如下变化，得到T回组织，即为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状渗碳体的组织。,回火托氏体组织具有较高的弹性极限和屈服极限，并具有一定的韧性，硬度一般为35HRC-45HRC，主要用于各类弹簧的处理。,3.高温回火回火温度为500-650。高温回火时发生如下变化，得到S回组织，即为在多边性铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织。,回火索氏体具有良好的综合力学性能，即在保持较高强度的同时，具有良好的塑性和韧性，硬度一般为25HRC-35HRC。,通常把淬火加高温回火的热处理工艺称为“调质处理”，简称“调质”。调质广泛用于各种重要结构件，如连杆、轴、齿轮等的处理，也可作为某些要求较高的精密零件、量具等的预备热处理。,三、 回火脆性回火时的组织变化必然引起力学性能的变化，总的趋势是随回火温度提高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。下图为淬火硬度随回火温度的变化曲线。可以看出，在200以下回火时，由于马氏体中碳化物的弥散析出，钢的硬度并不下降，高碳钢硬度略有提高。在200-300回火时，由于高碳钢中的残余奥氏体转变为回火马氏体，硬度再次升高。在300以上回火时，由于渗碳体粗化，马氏体转变为铁素体，硬度直线下降。,回火脆性：淬火钢的韧性并不总是随温度升高而提高，在某些温度范围内回火时，会出现冲击韧性下降的现象，称为回火脆性,不可逆回火脆性是指淬火钢在250-350回火时出现的脆性，又称第一类回火脆性。这种回火脆性是不可逆的，只要在此温度范围内回火就会出现脆性，目前尚未有效消除方法。因而回火时应避开这一温度。,可逆回火脆性是指淬火钢在500-600范围内回火后缓冷时出现的脆性，又称第二类回火脆性。这类回火脆性主要发生在含Cr、Ni、Si、Mn等合金元素的结构钢中。一般认为这类回火脆性与上述元素促进Sb、Sn、P等杂质在原奥氏体晶界上偏聚有关。如果回火后快速冷却则不出现这类脆性。此外，在钢中加入合金元素W、Mo也可有效抑制这类回火脆性的产生，这种方法更适合于大截面的零部件,钢的调质：将钢件淬火后高温回火。其目的是细化晶粒，获得较好的综合机械性能，特别是使工件获得较高的强度和较好的韧性。 钢件调质厚得到的组织是铁素体加球状碳化物的混合物，称为回火索氏体。具有良好的屈服极限和冲击韧性。特别适用于在交变载荷下工作的要求高强度、高韧性的零件，如轴类、连杆、螺栓。,四、表面热处理常用的表面热处理方法有表面淬火及化学热处理两种。1表面淬火（1）感应加热表面淬火（如图2-9所示）,1) 加热速度快，工件不易脱碳，变形小；2) 获得的马氏体组织极细，硬度高、脆性小、疲劳强度好；3) 加热层深度易控制，可实现自动化批量生产。,表面淬火适用于含碳量为0.4%0.5%的中碳结构钢，如：40、45钢、40Cr、40MnB及60Ti等低淬透性钢。如果含碳量过高，则会降低工件心部韧性；如含碳量过低，则会降低钢的表面硬度和耐磨性。此外，表面淬火还可用于铸铁，如机床导轨表面的热处理，以提高其耐磨性。,（2）火焰加热表面淬火（如图2-8所示）,表面淬火后为低温回火 回火温度不高于200。回火目的是为了降低内应力并保留表面淬火后的高硬度和高耐磨性。回火后的组织是表面组织为回火马氏体，心部组织为回火索氏体（预备热处理为调质时）或铁素体加索氏体（预备热处理为正火时）。,2化学热处理化学热处理是指将钢件放入一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其表层化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理种类很多，最常用的是渗碳和渗氮。（1）渗碳渗碳是指向钢表面渗入碳原子的过程。渗碳是为了使低碳钢工件（含碳量为0.1%0.25%）表面获得高的碳浓度（0.85%1.05%），从而提高工件表面的硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性和塑性。若采用中碳以上的钢渗碳，则将降低工件