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金属材料学基础理论知识,金属学基本知识,金属是指具有良好的导电性和导热性、有一定的强度和韧性、并具有特殊金属光泽的物质。金属材料是由金属元素或以金属元素为主，其它金属或非金属元素为辅构成的，并具有金属特性的工程材料，它包括纯金属和合金。,第一节 金属材料及分类,1 按其最高价氧化物的颜色分,黑色金属-包括铁、铬、锰三种。有色金属-除黑色金属以外的其它金属称为有色金属。如铜、铝和镁等。,按密度大小分重金属-密度大于每立方厘米4.5克。轻金属-密度小于每立方厘米4.5克。,3-按储量和价值分稀有金属和贵重金属。,二 炼铁与炼钢,炼铁-现代钢铁工业生产生铁的主要方法是高炉炼铁。,1-炼铁,炼铁用的多数是铁的氧化物。含铁比较多的并且具有冶炼价值的矿物称为铁矿石。炼铁就是从铁矿石中提取铁及有用元素的过程。,高炉炼铁的炉料,高炉炼铁的主要原料是铁矿石、燃料和熔剂。,炼铁示意图,炼铁过程,炉料从受料斗进入炉腔，高炉底部的炉缸和炉腹中装满焦碳。炉腰和炉身中则是铁矿石、焦碳和石灰，层层相间，一直装到炉喉。焦碳在1000C-1200C高温下，迅速产生大量的热，使风口附近炉腔中心温度高达1800C以上，由于底部焦碳很厚，燃烧不完全。因次，炉气中存在大量一氧化碳气体，在炉内造成了良好的还原性气氛。,铁矿石在570C-1200C之间受到一氧化碳气体和红热焦碳的还原，形成了海棉状铁，这种铁在1000C-1200C的高温下 会从一氧化碳和焦碳中溶入大量的碳-含碳量可达百分之四。因而铁的熔点下降，于是就形成了生铁。生铁的熔点约为1200C。因次经过溶碳作用之后，生铁以液体状态滴入炉缸。,高炉产品,铸造生铁-这类生铁断口呈暗灰色。含硅量较高，用于机械制造厂生产铸件。炼钢生铁-这类生铁断口呈暗灰色。含硅量较低(1.5%),用于在炼钢炉中炼钢。高炉冶炼的副产品是煤气和炉渣。煤气有很高的经济价值。高炉炉渣主要成分是氧化钙、二氧化硅。可以用来制造水泥渣棉、渣砖等建筑材料。,2-炼钢,现代炼钢方法是以生铁为主要原料。首先把生铁熔化成液态利用氧化作用将碳及其它元素的含量调整到规定的范围之内，就得到了钢。,炼钢过程,炼钢的基本过程是氧化。向铁液中吹入纯氧或加入铁矿石，在炼钢炉内氧与铁发生作用使铁被氧化。生成的氧化铁溶解在铁液中，与铁液中其 它元素产生一系列氧化反应。碳被氧化生成一氧化碳气体，直接从铁液中逸出，硅和锰被氧化生成二氧化硅和氧化锰。铁液中的含碳量降低到一定程度时，氧化即告完成铁液炼成了钢液。,炼钢方法,现代炼钢方法主要有转炉炼钢、电炉炼钢和平炉炼钢。转炉、平炉的主要产品是碳素钢和低合金钢，电弧炉的主要产品是合金钢。,炼钢炉产品,根据成品钢脱氧程度的不同，可分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢三种。,第二节 金属的性能,一 金属的物理性能和化学性能 1 金属的物理性能 密度 熔点 热膨胀性（线膨胀、体积膨胀）导热性 导电性 磁性（铁磁性、顺磁性、抗磁性）,2 金属的化学性能 耐腐蚀性 抗氧化性,二 金属的工艺性能,1 铸造性 2 锻压性 3 焊接性 4 切削加工性,三 金属的力学性能,金属材料的力学性能是指金属在外加载荷(外力或能量)作用下或载荷与环境因素(温度、介质和加载速率)联合作用下所表现的行为。由于载荷施加的方式多种多样，而环境、介质的变化又十分复杂，所以金属在这些条件下所表现的行为就会大不相同，致使金属材料力学性能所研究的内容非常广泛，它已发展成为介于金属学和材料力学之 金属材料的力学性能包括强度、硬度、塑性和韧性等性能。,C:Documents and SettingsOwner桌面,金属材料的力学性能包括强度、硬度、塑性和韧性等性能。因为金属构件的承载条件一般用各种力学参量(如应力、应变和冲击能量等)来表示，因此，人们便将表征金属材料力学行为的力学参量的临界值或规定值称为金属材料力学性能指标，如强度指标、塑性指标、韧性指标等等。,按载荷的作用性质分为,静载荷 冲击载荷 交变载荷,按载荷的作用方式分为,拉伸载荷 拉伸变形 抗拉强度 压缩载荷 压缩变形 抗压强度 弯曲载荷 弯曲变形 抗弯强度 剪切载荷 剪切变形 抗剪强度 扭转载荷 扭转变形 抗扭强度,弹性变形-指金属受到载荷作用时产生变形，当外力去除后，随即消失的变形。塑性变形-指外力去除后，不可消失的变形，也叫永久变形。金属在受到外力作用时，在材料内部会产生与外力相对抗的力，这种力称为内力。单位面积上的内力大小称为应力。强度-金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。用应力表示。,第一节 拉伸曲线和应力应变曲线 拉伸试验是工业上最广泛使用的力学性能试验方法之一。试验时在拉伸机上对圆柱试样或板状试样两端缓慢地施加载荷，使试样受轴向拉力沿轴向伸长，一般进行到拉断为止。一般试验机都带有自动汜录装置，可把作用在试样上的力和所引起的试样伸长自动记录下来，绘出载荷伸长曲线，称拉伸曲线或拉伸图。P,图11为退火低碳钢拉伸曲线示意图。曲线的纵坐标为载荷(P)，横坐标是绝对伸长(L)，由图可见，载荷比较小时，试样伸长随载荷增加成正比例增加，保持直线关系。载荷超过户。后，拉伸曲线开始偏离直线。载荷在Pe以下阶段，试样在加载时发生变形，卸载后变形能完全恢复，该阶段为弹性变形阶段。当载荷超过Pe后，试样在继续产生弹性变形的同时，将产生塑性变形，进入弹塑性变形阶段。此时，若在,作用下试样的变形为ac，则弹性变形和塑性变形分别为ab和bc(如图12所示)。若卸载，弹性变形ab将恢复，塑性变形6c被保留，使试样的伸长只能部分地恢复，而保留一部分残余变形OD。当载荷达到ps时，在拉伸曲线上出现锯齿或平台。即载荷虽然保持不变或发生波动，而试样继续伸长(变形量继续增加)，这种现象称为屈服。由于在弹塑性变形阶段有塑性变形的产生，因此试样要继续变形，就必须不断增加载荷。,随着塑性变形增大，载荷升高。当到最大载荷Pb时，试样的某一部位横截面开始缩小，出现了颈缩。随着伸长量的增加，试样的变形主要集中在颈缩处而使试样的颈缩越来越明显。由于颈缩处试样截面急剧缩小，继续变形所需的载荷下降。载荷达Pk时，试样产生断裂。,由此可知，金属材料在外加载荷作用下的变形过程一般可分为三个阶段，即弹性变形、弹塑性变形和断裂。用试样原始横截面积(F0)去除载荷得到应力()，即，=PF0。以试样的原始标距长度(L。)去除绝对伸长，得到相对伸长(应变c)，即=LL。，单位为百分数()。故可由金属材料的拉伸曲线得到材料的应力应变曲线，,金属材料的拉伸曲线除了低碳钢这种类型以外，还有其他不同类型的拉伸曲线(图13)。图13(a)为塑性材料的拉伸曲线，它由弹性变形过渡到弹塑性变形是逐渐发生的，没有屈服现象，而存在有颈缩现象。图13(L)为脆性材料的拉伸曲线，它不仅没有屈服现象，而且也没有颈缩现象，最大载荷就是断裂载荷。,金属的塑性,变形的现象,又称金属范性形变 伸长率 断面收缩率,固体金属在外力作用下产生非断裂的永久,硬度,布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度,韧性,材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫冲击韧性,疲劳强度,金属疲劳试验是指通过金属材料实验测定金属材料的-1，绘制材料的S-N曲线，进而观察疲劳破坏现象和断口特征，进而学会对称循环下测定金属材料疲劳极限的方法。实验设备一般有疲劳试验机和游标卡尺。在足够大的交变应力作用下，于金属构件外形突变或表面刻痕或内部缺陷等部位，都可能因较大的应力集中引发微观裂纹。分散的微观裂纹经过集结沟通将形成宏观裂纹。,因此，通过实验研究金属材料抗疲劳的性能是有实际意义的。已形成的宏观裂纹逐渐缓慢地扩展，构件横截面逐步削弱，当达到一定限度时，构件会突然断裂。金属因交变应力引起的上述失效现象，称为金属的疲劳。静载下塑性性能很好的材料，当承受交变应力时，往往在应力低于屈服极限没有明显塑性变形的情况下，突然断裂。疲劳断口明显地分为两个区域：较为光滑的裂纹扩展区和较为粗糙的断裂区。,裂纹形成后，交变应力使裂纹的两侧时而张开时而闭合，相互挤压反复研磨，光滑区就是这样形成的。载荷的间断和大小的变化，在光滑区留下多条裂纹前沿线。至于粗糙的断裂区，则是最后突然断裂形成的。统计数据表明，机械零件的失效，约有70%左右是疲劳引起的，,第三节 金属晶体学基本知识,一 金属的晶体结构 晶体与非晶体-在物质内部，凡是原子呈无规则堆积的，称为非晶体。,单晶体和多晶体,单晶体指晶体由一个晶粒组成，在晶粒内部原子的排列方向完全相同。,多晶体,多晶体是指晶体由多个晶粒组成，实际的金属晶体多数为多晶体。,晶格与晶胞,为了描述晶体的结构，我们把构成晶体的原子当成一个点，再用假想的线段将这些代表原子的各点连接起来，就绘成了像图中所表示的格架式空间结构。这种用来描述原子在晶体中排列的几何空间格架，称为晶格。由于晶体中原子的排列是有规律的，可以从晶格中拿出一个完全能够表达晶格结构的最小单元，这个最小单元就叫作晶胞。许多取向相同的晶胞组成晶粒。晶格是原子有规律的用线条连起来，组成象魔方那样的形状 晶胞可以理解成“细胞”,晶格常数,金属在组成晶胞后，晶胞的大小和形状是不一样的，大小可用棱边长度来表示，形状可用棱边之间的夹角来表示，它们统称为晶格常数。,晶面与晶向,金属晶体中通过三个以上原子中心的 平面叫作晶面，通过两个以上原子中心的直线叫晶向。,二 金属的晶格类型,体心立方晶格 属于这种晶体结构的金属有-Fe Cr V Nb W Mo等。,面心立方晶格 属于这种晶体结构的金属有-Fe Ni Cu Al Ag等。,密排六方晶格 属于这种晶体结构的金属有Be Mg Zn-Ti等。,原子个数计算,三 金属晶体缺陷,金属材料在冶炼后的凝固过程中受到各种因素的影响，使本来该有规律的原子堆积方式受到干扰，使得原子排布过程中出现了不规则现象，称为晶体缺陷。,点缺陷,点缺陷主要包括空位与间隙原子,1 空位 2 间隙原子,从图中可以看到，在空位和间隙原子存在的地方，由于在缺陷处原子之间的张力相对正常时产生了变化，从而导致晶格常数和晶格形状有所改变，这种现象叫作晶格畸变。,1 空位,2 间隙原子,线缺陷,线缺陷是指位错。如果在晶体中某处有一列和若干列原子发生有规律的错排现象叫作位错。位错有刃形位错和螺形位错。右面为刃形位错,螺形位错,面缺陷,面缺陷是指晶界和亚晶界。实际晶体多为多晶体，是由大量外形不规则的小晶体组成的，这些小晶体的晶体结构完全相同，但彼此之间的排布取向不同，称为位向差（一般为几度或几十度）晶粒之间的接触面称为晶界。,实践证明，即使是在一个晶粒内部，其晶格位向也不像理想晶体那样完全相同，而是分割成许多尺寸很小，位向差也很小的小晶块，它们组成了一个大的晶粒，这种小晶块称为亚晶粒。亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界处的原子排列也是不规则的。,由于金属晶体内部存在着空位、间隙原子、位错、晶界和亚晶界等缺陷，都会造成晶格畸变，引起塑性变形抗力增大，从而使金属的强度增加。,纯金属的结晶,晶粒大小对力学性能的影响,金属内部晶粒越细小，晶界就越多，晶格畸变也多。一般来讲，在常温下，金属的晶粒越细小，则强度和硬度越高，同时塑性和韧性也越好。,常用细化晶粒的方法,1 增加过冷度 2 变质处理 3 附加振动,金属的同素异构转变,有些金属在固态下具有两种以上的晶体形式，这种现象叫同素异构现象。金属在固态下随温度的变化，由一种晶格转变为另一种晶格的现象叫同素异构转变。具有这种性质的金属有铁、鈷、锡、锰等。按其存在的温度，由低到高用希腊字母、表示。纯铁在1538C进行结晶，得到体心立方晶格-Fe，1394C时转变成面心立方晶格-Fe,912C 又转变成体心-Fe。,金属的铸态组织,金属的铸态组织有三个不同特征的晶粒区 表面细晶粒区 柱状晶粒区 中心等轴晶粒区,合金,组元-组成合金的最基本的独立组织称为组元，简称元。合金有二元合金、三元合金和多元合金。相-在合金中具有相同的晶体结构、相同物理和化学性能并能以界面形式与其它部分分开的一种物质叫作相。在合金中，由数量、形态、大小和分布方式不同的各相组成了合金的组织。,合金的组织,（一）固溶体 间隙固溶体,置换固溶体,（二）金属化合物,金属化合物-组成合金的组元，按一定比例相互作用而形成的一种具有金属特性的固体物质。是一种晶体结构较为复杂的新相。金属化和物的突出特点是熔点高、硬度高、脆性大；塑性、韧性低。这种由于金属化合物均匀弥散的分布在基体组织上，使金属得到强化的方法，也是提高金属力学性能的重要手段。,（三）机械混合物,在合金中，由两种或两种以上的相按一定的质量分数组成的物质叫作机械混合物。在混合物中，各组成部分可以是纯金属、固溶体或金属化合物各自混合，也可以是它们之间的混合。混合物中的各相仍保持自己原有的晶格。混合物的性能主要取决于各组成部分的性能，以及它们的形态、大小及数量。,铁碳合金,钢铁材料是现代工业中应用范围最广的合金。它们都是以铁和碳两个组元组成的合金，因此，又称为铁碳合金。铁碳合金中的基本组织 1 铁素体-碳溶解于a-Fe铁中形成的间隙固溶体，叫做铁素体。用符号F表示。,2 奥氏体-奥氏体是碳溶解于-Fe铁中形成的间隙固溶体，用符号A表示。,3 渗碳体-碳在铁中的溶解能力是有限的，当碳的含量超过碳在铁中的含量时，多余的碳就会与铁以一定的比例化合成金属化合物，称为渗碳体。用分子式Fe3-C表示。渗碳体具有很高的硬度，而塑性和韧性几乎为零。,4 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。珠光体的强度较高，硬度适中，具有一定的韧性。5 莱氏体-是奥氏体和渗碳体的机械混合物，用符号Ld表示。有高温莱氏体和低温莱氏体。莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度很高，很脆。,珠光体 莱氏体,碳元素,碳在自然界中存在有三种同素异形体金刚石、石墨、C60。金刚石和石墨早已被人们所知，拉瓦锡做了燃烧金刚石和石墨的实验后，确定这两种物质燃烧都产生了CO2，因而得出结论，即金刚石和石墨中含有相同的“基础”，称为碳。正是拉瓦锡首先把碳列入元素周期表中。C60是1985年由美国休斯顿赖斯大学的化学家哈里可劳特等人发现的，它是由60个碳原子组成的一种球状的稳定的碳分子，是金刚石和石墨之后的碳的第三种同素异形体。,碳在地壳中的质量分数为0.027%，在自然界中分布很广。以化合物形式存在的碳有煤、石油、天然气、动植物体、石灰石、白云石、二氧化碳等。截止1998年底，在全球最大的化学文摘美国化学文摘上登记的化合物总数为18.8百万种，其中绝大多数是碳的化合物。众所周知，生命的基本单元氨基酸、核苷酸是以碳元素做骨架变化而来的。先是一节碳链一节碳链地接长，演变成为蛋白质和核酸；然后演化出原始的单细胞，又演化出虫、鱼、鸟、兽、猴子、猩猩、直至人类。这三四十亿年的生命交响乐，它的主旋律是碳的化学演变。可以说，没有碳，就没有生命。碳，是生命世界的栋梁之材,金刚石晶莹美丽，光彩夺目，是自然界最硬的矿石。在所有物质中，它的硬度最大。测定物质硬度的刻画法规定，以金刚石的硬度为10来度量其它物质的硬度。例如Cr的硬度为9、Fe为4.5、Pb为1.5、钠为0.4等。在所有单质中，它的熔点最高，达3823K。金刚石晶体属立方晶系，是典型的原子晶体，每个碳原子都以sp3杂化轨道与另外四个碳原子形成共价键，构成正四面体。这是金刚石的面心立方晶胞的结构。由于金刚石晶体中CC键很强，所有价电子都参与了共价键的形成，晶体中没有自由电子，所以金刚石不仅硬度大，熔点高，而且不导电。,室温下，金刚石对所有的化学试剂都显惰性，但在空气中加热到1100K左右时能燃烧成CO2。金刚石俗称钻石，除用作装饰品外，主要用于制造钻探用的钻头和磨削工具，是重要的现代工业原料，价格十分昂贵。石墨 石墨乌黑柔软，是世界上最软的矿石。石墨的密度比金刚石小，熔点比金刚石仅低50K，为3773K。在石墨晶体中，碳原子以sp2杂化轨道和邻近的三个碳原子形成共价单键，构成六角平面的网状结构，这些网状结构又连成片层结构。,层中每个碳原子均剩余一个未参加sp2杂化的p轨道，其中有一个未成对的p电子，同一层中这种碳原子中的m电子形成一个m中心m电子的大键(键)。这些离域电子可以在整个儿碳原子平面层中活动，所以石墨具有层向的良好导电导热性质。石墨的层与层之间是以分子间力结合起来的，因此石墨容易沿着与层平行的方向滑动、裂开。石墨质软具有润滑性。由于石墨层中有自由的电子存在，石墨的化学性质比金刚石稍显活泼。由于石墨能导电，有具有化学惰性，耐高温，易于成型和机械加工，所以石墨被大量用来制作电极、高温热电偶、坩埚、电刷、润滑剂和铅笔芯。,20世纪80年代中期，人们发现了碳元素的第三种同素异形体C60。1995年9月初，在美国得克萨斯州Rice大学的Smalley实验室里，Kroto等为了模拟N型红巨星附近大气中的碳原子簇的形成过程，进行了石墨的激光气化实验。他们从所得的质谱图中发现存在一系列由偶数个碳原子所形成的分子，其中有一个比其它峰强度大2025倍的峰，此峰的质量数对应于由60个碳原子所形成的分子。,C60分子是以什么样的结构而能稳定呢？层状的石墨和四面体结构的金刚石是碳的两种稳定存在形式，当60个碳原子以它们中的任何一种形式排列时，都会存在许多悬键，就会非常活泼，就不会显示出如此稳定的质谱信号。这就说明C60分子具有与石墨和金刚石完全不同的结构。由于受到建筑学家Buckminster Fuller用五边形和六边形构成的拱形圆顶建筑的启发，Kroto等认为C60是由60个碳原子组成的球形32面体，即由12个五边形和20个六边形组成，只有这样C60分子才不存在悬键。,碳六十的用途 从C60被发现的短短的十多年以来，富勒烯已经广泛地影响到物理学、化学、材料学、电子学、生物学、医药学各个领域，极大地丰富和提高了科学理论，同时也显示出有巨大的潜在应用前景。据报道，对C60分子进行掺杂，使C60分子在其笼内或笼外俘获其它原子或集团，形成类C60的衍生物。例如C60F60，就是对C60分子充分氟化，给C60球面加上氟原子，把C60球壳中的所有电子“锁住”，使它们不与其它分子结合，因此C60F60表现出不容易粘在其它物质上，其润滑性比C60要好，可做超级耐高温的润滑剂，被视为“分子滚珠”。再如，把K、Cs、Tl等金属原子掺进C60分子的笼内，就能使其具有超导性能。用这种材料制成的电机，只要很少电量就能使转子不停地转动。再有C60H60这些相对分子质量很大地碳氢化合物热值极高，可做火箭的燃料。等等,第二章 钢的热处理,热处理是将金属在固态下加热、保温和冷却，使其内部的组织结构发生变化，以获得所需性能的方法。加热的目的是获得奥氏体组织，保温的目的是为了使组织转变完全，使奥氏体成分均匀。冷却过程是钢热处理的关键，它决定着钢在冷却后的组织和性能。同一种钢在相同的加热条件下获得了奥氏体组织，但以不同的冷却条件冷却后钢的力学性能有着明显的不同。,铁碳合金相图,含碳量,温度,第一节 退火与正火 一 退火 退火是将钢加热到一定温度，保温一定时间，随后缓慢冷却至室温的热处理方法。退火的目的（1)降低钢的硬度，提高钢的塑性，以便于进行切削加工和冷变形。（2）细化晶粒，均匀组织和成分。（3）消除钢中的残余应力，防止变形和开裂。常用的退火方法 1 完全退火 完全退火是将工件加热至完全奥氏体化，随后缓慢冷却。又称为重结晶退火，简称退火。,2 球化退火 使钢中碳化物球化而进行的退火称为球化退火。用于工具钢、轴承钢锻轧后的处理。3 去应力退火 为消除工件经塑性变形加工、焊接、铸造等工艺造成的残余应力而进行的工艺称为去应力退火。温度在600C以下，所以只消除内应力，钢的组织不发生变化。4 均匀化退火 均匀化退火的工艺特点是温度高，时间长。其目的是为了消除晶内的偏析，使成分均匀化。其实质是使合金元素的原子充分扩散，所以也叫扩散退火。,二 正火 正火是将钢加热至奥氏体化以后，在空气中冷却，也可以说是退火的一个特例。正火比退火冷却速度快，组织细密，强度硬度较退火钢高。正火不适用于高合金钢。正火的目的 与退火基本相同，另外还有以下用途：（1）细化组织，消除热加工缺陷。（2）用于低碳钢，可以提高硬度。(3)用于中碳钢，代替调质处理。（4）用于高碳钢，可消除网状渗碳体。（5）对于性能要求不高的工件，可作为最终热处理。,三 退火与正火的选择 1 从切削加工考虑，一般低碳钢采用正火，高碳钢采用退火。2 从使用性能上考虑，如果零件性能要求不高，用正火作为最终热处理；当零件形状复杂时，正火有引起变形和开裂的危险，宜采用退火。3 从经济上考虑，正火比退火生产周期短，成本低，操作方便，故在可能的条件下优先采用正火。,第二节 钢的淬火,淬火是指把钢加热到规范中某一温度，保持一定时间，然后以适当的冷却速度冷却至室温的工艺方法。1 淬火的目的 淬火的主要目的是获得马氏体组织，为回火作组织准备；获得高硬度、高弹性、韧性；使之具有某些特殊的物理和化学性能。2 淬火介质 常用的淬火介质有水、盐类水溶液、油、空气等。一般碳钢用水和盐类水溶液；合金钢用油类等。3 冷却速度 淬火后要想得到马氏体组织，冷却速度必须大于临界冷却速度，但速度太快，会引起工件的体积收缩太快，引起变形和开裂。所以，控制冷却速度是淬火工艺的关键技术。,4 淬火方法 有单液淬火、双介质退火马氏体分级淬火、贝氏体分级淬火等。以满足不同钢种、不同零件的使用需要。5 钢的淬透性和淬硬性 钢的淬透性是指钢在规定条件下淬火，所能获得淬透层深度的能力。影响钢淬透性的主要因素是钢的化学成分、冷却速度 钢的淬硬性是指钢在规定条件下淬火、能达到最大硬度的能力。钢的淬硬性主要取决于含碳量，含碳量越高，淬硬性也越高。淬透性和淬硬性是两个截然不同的概念。6 冷处理 工件淬火冷却到室温后，继续在0C以下冷却的热处理工艺叫作冷处理。,7 淬火缺陷 氧化和脱碳、过热及过烧、变形和开裂、硬度不足和软点。,第三节 钢的回火,回火是指钢在淬火后，再加热至工艺规定的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。淬火钢回火的目的：调整钢的硬度和强度，提高钢的韧性，获得所需性能；消除淬火时的内应力，防止变形和开裂；温定组织和尺寸。低温回火 250C,得到的组织是回火马氏体，具有高的硬度和耐磨性，主要用于刀具、量具等。中温回火 350C-500C，中温回火到的组织为回火托氏体，具有较高的弹性极限、曲服点和适当的韧性，主要用于弹性零件和热锻模。,高温回火 500C 高温回火到的组织是回火索氏体，具有良好的综合力学性能（足够的强度和韧性相匹配），生产中把淬火及高温回火的复合热处理工艺称为“调质”。调质广泛用于受力构件，如螺栓、连杆，轴类零件等。,第四节 钢的表面淬火及化学热处理,一 钢的表面淬火 表面淬火是不改变零件表面化学成分，而只通过强化手段改变表面组织状态的热处理方法。1 火焰加热表面淬火 2 感应加热表面淬火 二 钢的化学热处理 化学热处理是将工件置于一定温度的化学介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变表层的化学成分、组织结构和性能的热处理工艺。,1 钢的渗碳 渗碳的方法又分为固体渗碳、盐浴渗碳及气体渗碳三种。2 钢的渗氮 主要指气体渗氮。3 碳氮共渗 常用气体碳氮共渗法。4 离子渗氮。5 其它化学热处理法。,第五节 热处理技术发展状况,一 钢的强韧化处理 1 形变热处理:高温形变热处理、中温形变热处理。2 复相热处理。3 亚温淬火、高温淬火。二 高能量密度表面热处理 1 激光热处理。2 电子束淬火。3 超高频脉冲淬火。,三 微机在热处理中的应用 1 温度控制 2 时间控制 3 工艺参数控制 4 动作控制 此外，微机还可用于热处理零件设计、材料分析、车间管理等诸多方面。,第三章 常用的金属材料,碳素钢 一 常存元素对钢的性能的影响 1 硫 硫是冶炼时由矿石和燃料带到钢中的杂质元素，炼钢时难以除尽。硫对钢的主要影响是“热脆性”。2 磷 磷也是由矿石和燃料带入的杂质，在炼钢时难以除尽。磷对钢的主要影响是“冷”脆性。,3 锰 锰主要来自炼钢脱氧剂。脱氧后残留在钢中的锰可溶解于铁素体和渗碳体中，使钢的强度和硬度提高，并可减轻硫的不良影响。所以，锰是钢中的有益元素。4 硅 硅也是作为脱氧剂而加入到钢中的，能溶于a-Fe中，形成固溶体，从而提高钢的强度和硬度。,二 碳钢的分类 1 按钢的含碳量分 低碳钢-含碳量小于0、25%。中碳钢-含碳量在0、25%-0、60%。高碳钢-含碳量大于0、60%。2 按钢的质量分 碳钢质量的高低，主要根据钢中含有杂质硫、磷的多少来划分 普通碳素钢-含硫小于0、050%；含磷小于0、045%。优质碳素钢-含硫小于0、035%；含磷小于0、035%。高级优质碳素钢-含硫小于0、030%；含磷小于0、035%。,3 按用途分类碳素结构钢-用于制造机械零件和工程构件的碳钢、含碳量大都在0、70%以下。碳素工具钢-用于制造各种工具、量具、模具等，一般含碳量在0、70%以上。,三 碳素结构钢 根据质量，可分为碳素结构钢和优质碳素结构钢。1 碳素结构钢 含碳量一般在0、06%-0、038%之间，硫、磷的含量较高，价格便宜，用途广。大量用于金属结构件和机械零件，在满足性能的情况下优先选用。钢号表示方法：如：Q235-A-F,如：Q235-A-F,数值-表示屈服点的大小。（Mpa)A-质量等级符号，A、B、C、D四个等级A级最差，D级最好。F-脱氧程度符号，”F”表示沸腾钢，”Z”表示镇静钢，”b”表示半镇静钢，”TZ”表示特殊镇静钢。Z和TZ可以在钢号中省略。,Q-钢材的屈服点“屈的拼音首位字母。,2 优质碳素结构钢 杂质比碳素结构钢要少，表面质量、组织结构的均匀性要好。并可经过热处理来进一步改善力学性能，常用做比较重要的机械零件。钢号表示方法：用两位数字表示 如 45 即表示含碳量为哦、45%的优质碳素结构钢。优质碳素结构钢根据含锰量的不同可分为普通含锰量钢（小于0、80%），和较高含锰量钢（0、70-1、2%）。钢号表示方法在数字后面标出元素符号Mn,或汉字“锰”。如65Mn.,若为沸腾钢或某种专用钢种，则在钢号后面标出规定的符号。如 10F10 表示含碳量0、10%，F 表示沸腾钢。如 20g20 表示含碳量0、20%，g 锅炉汉语拼音第一个字母。表示锅炉专用钢。,优质碳素结构钢中的08F,10F含碳量低，塑性好，焊接性能好，主要用于制造冷冲压零件和焊接件。15、20、25属于渗碳钢，经渗碳淬火后，表面硬度可达到60HRC以上，而心部有一定的强度和韧性，可用于制造表面要求硬度高，耐磨，并承受冲击载荷的零件。30、35、40、45、50等钢属于调质钢，经调质后，可获得良好的综合机械性能，主要用于要求强度、塑性、韧性都较高的零件，如齿轮、套筒、轴类等。60钢以上的钢属于高碳钢，主要用来制造具有较高强度、耐磨性和弹性的零件，如气门弹簧、弹簧垫圈、板簧等弹性零件和耐磨件。,四 碳素工具钢含碳量在0、65%-1、35%之间，根据含硫量的不同，分为优质碳素工具钢和高级优质碳素工具钢。钢号表示方法 T+数字 如：T10AT-碳的第一个字母10-含碳量1、0%A-高级优质 碳素工具钢的用途 T7 T8用于制造要求韧性稍高的工具，如：冲头，凿子，木工工具；T9 T10 T11用于要求中等韧性，高硬度的工具，如：手工锯条、丝锥、钣牙等；T12 T13 具有高硬度、高耐磨性，但韧性低，用 于制造量具、锉刀、钻头、刮刀等。,五 铸钢铸钢一般用于制造形状复杂，力学性能要求较高的机械零件，含碳量在0、20%-0、60%之间。钢号表示方法示例：ZG200-400 ZG-铸、钢的第一个字母 200-曲服强度不小于200Mpa 400-抗拉强度不小于400Mpa,合金钢,合金钢是在碳素钢的基础上，为了改善钢的性能，在冶炼时有目地的加入一些元素，如：硅、锰、鉻、镍、钼、鎢、鐇、钛、铝、硼、铌、锆和稀土元素等。使钢的性能进一步提高，以满足不同的需要。一 合金元素在钢中的作用1 强化铁素体或奥氏体。2 形成合金碳化物。3 改变钢的室温组织。4 细化晶粒。5 提高钢的淬透性。6 提高耐回火性。,二 合金钢的分类及编号 1 合金钢的分类 按化学成分-低合金钢、中合金钢、高合金钢。按含硫、磷多少分-优质钢、高级优质钢。按用途分-合金结构钢、合金工具钢、特殊钢。合金结构钢的编号 原则上采用“二位数字+化学元素符号+数字”表示。当合金元素的质量分数少于1.5%时，只标元素符号，如果质量分数大于1.5%、2.5%、3.5%时，则相应的以2、3、4表示。,40Cr,40-表示含碳量为0、40%。Cr-表示鉻，其后无数字，鉻的质量分数小于1.5%。,60 Si2 Mn,60-含碳量0、60%Si2硅的质量分数2%Mn锰的质量分数小于1、5%。,合金工具钢的编号与合金结构钢含碳量标法不同，大于或等于1、0%时，在钢号中不标出，小于1、0%时，则在钢号前以千分之几表示。9 Mn2 V 9碳的质量分数为0、9%Mn锰的质量分数为2、0%V鐇的质量分数小于1、5%,三 合金结构钢1 低合金结构钢 钢号表示方法 Q295Q表示屈服强度第一个字母295屈服强度295Mpa2 合金渗碳钢3 合金调质钢4 合金弹簧钢5 滚动轴承钢6 超高强度钢,四 合金工具钢合金工具钢按用途可分为刃具钢、量具钢和模具钢三类。1 刃具钢-有低合刃具钢和高速钢。2 合金量具钢-具有高硬度、高耐磨性、尺寸稳定性几足够的韧性。3 合金模具钢-冷作模具钢和热作模具钢。,五 特殊性能钢1 不锈耐酸钢-鉻不锈钢和鉻镍不锈钢2 耐热钢-抗氧化钢和热强钢，前者用于长期在高温下工作，如加热炉的底板，后者主要用于锅炉制造、汽轮机叶片等。3 耐磨钢-高锰钢是目前主要的耐磨钢，它的主要特点是钢的表面在高压和冲击下能迅速硬化，变的硬而耐磨。,铸铁,铸铁是碳的质量分数大于2、11%，并且含有少量硅、锰、硫、磷等杂质的铁碳合金。根据碳在合金中存在的不同形态，铸铁可以分为以下几种：白口铸铁、灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁。,灰铸铁 灰铸铁的组织和性能 组织：可看成是碳钢的基体加片状石墨。按基体组织的不同灰铸铁分为三类：铁素体基体灰铸铁；铁素体一珠光体基体灰铸铁；珠光体基体灰铸铁。,力学性能：灰铸铁的力学性能与基体的组织和石墨的形态有关。灰铸铁中的片状石墨对基体的割裂严重，在石墨尖角处易造成应力集中，使灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远低于钢，但抗压强度与钢相当，也是常用铸铁件中力学性能最差的铸铁。,同时，基体组织对灰铸铁的力学性能也有一定的影响，铁素体基体灰铸铁的石墨片粗大，强度和硬度最低，故应用较少；珠光体基体灰铸铁的石墨片细小，有较高的强度和硬度，主要用来制造较重要铸件；铁素体一珠光体基体灰铸铁的石墨片较珠光体灰铸铁稍粗大，性能不如珠光体灰铸铁。故工业上较多使用的是珠光体基体的灰铸铁。其他性能：良好的铸造性能、良好的减振性、良好的耐磨性能、良好的切削加工性能、低的缺口敏感性,可锻铸铁 用白口铸铁经过热处理后制成的有韧性的铸铁。别名：马铁、玛钢、生产过程:首先浇注成白口铸铁件,然后经可锻化退火(可锻化退火使渗碳体分解为团絮状石墨)而获得可锻铸铁件.可锻铸铁的组织有二种类型：铁素体(F)+团絮状状石墨(G)；珠光体(P)+团絮状石墨(G)。,性能及用途：白口铁的加工性能极差，但是经过高温回火后，有较高的强度和可塑性，可以切削加工。由于可锻铸铁中的石墨呈团絮状，对基体的割裂作用较小,因此它的力学性能比灰铸铁高，塑性和韧性好，但可锻铸铁并不能进行锻压加工。可锻铸铁的基体组织不同，其性能也不一样，其中黑心可锻铸铁具有较高的塑性和韧性，而珠光体可锻铸铁具有较高的强度，硬度和耐磨性。主要用于制造汽车、拖拉机的后桥外壳、阀门、管件、曲轴、连杆、摇臂、活塞环等。,球墨铸铁 球墨铸铁是近五十年来发展起来的新型材料，是将灰铸铁出炉浇铸前加入少量的球化剂（纯鎂或稀土鎂合金）、浇注后石墨结晶球状，获得球墨铸铁，从而提高了铸铁的力学性能。组织：基体+球状石墨，基体的组织有多种，常见的如图所示。,性能：球墨铸铁的强度、塑性与韧性都大大优于灰铸铁，力学性能可与相应组织的铸钢相媲美。缺点是凝固收缩较大，容易出现缩松与缩孔，熔铸工艺要求高，铁液成分要求严格。,牌号表示：是由“QT”（“球铁”两字汉语拼音字首）后附最低抗拉强度 b值（MPa）和最低断后伸长率的百分数表示。例如牌号QT7002表示最低抗拉强度 为600MPa、最低断后伸长率 为2的球墨铸铁 应用场合：球墨铸铁的力学性能优于灰铸铁，与钢相近，可用它代替铸钢和锻钢制造各种载荷较大、受力较复杂和耐磨损的零件。如珠光体球墨铸铁常用于制造汽车、拖拉机或柴油机中的曲轴、连杆、凸轮轴、齿轮，机床中的主轴、蜗杆、蜗轮等。而铁素体球墨铸铁多用于制造受压阀门、机器底座、汽车后桥壳等。,蠕墨铸铁 一、蠕墨铸铁的组织和性能组织：组织中具有蠕虫状石墨。铸铁液经蠕化处理后可得到具有蠕虫状石墨的蠕墨铸铁，方法为浇注前向铁液中加入蠕化剂，促使石墨呈蠕虫状。性能：蠕虫状石墨的形态介于片状与球状之间，所以蠕墨铸铁的力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间，其铸造性能、减振性和导热性都优于球墨铸铁，与灰铸铁相近。,二、蠕墨铸铁的牌号及用途 牌号表示方法：蠕墨铸铁的牌号是由“RuT”（“蠕铁”两字汉语拼音字首）后附最低抗拉强度 值（MPa）表示。例如牌号RuT300表示最低抗拉强度 为300MPa的蠕墨铸铁。应用范围：蠕墨铸铁主要用于承受热循环载荷、结构复杂、要求组织致密、强度高的铸件，如大马力柴油机的汽缸盖、汽缸套、进（排）气管、钢锭模、阀体等铸件。,有色金属及硬质合金,有色金属具有许多优良特性，如高的导电性和导热性，较低的密度和熔点，良好的力学性能和工艺性能，是现代工业重要的组成部分。本节主要介绍铜、铝、钛和轴承合金，硬质合金。,铜及铜合金,一 工业纯铜 纯铜呈紫红色曾称紫铜。有较高的导电性和导热性，是最常用的导电和导热材料。根据杂质含量不同，工业纯铜分为三种：T1、T2、T3纯度为99、95%-99、7%，编号越大，纯度越低。二 铜合金 按合金的成分，铜合金可分为黄铜、青铜和白铜。,1 黄铜 黄铜是以锌为主加元素的铜合金，分为普通黄铜和特殊黄铜。普通黄铜-即铜锌合金，具有良好的抵抗海水和大气腐蚀的能力。标记示例：H68 H-黄的第一个字母 68-含铜量68%，其余为锌，约占32%。特殊黄铜-在铜锌合金中再加入铝、锰、锡、铅、铁、镍、硅等元素的铜合金 称为特殊黄铜。有压力加工用黄铜和铸造用黄铜。如：ZCuZn40Pb2表示含锌量为40%，含铅为2%，其余为铜58%的铸造铅黄铜。,2 青铜 除了黄铜和白铜以外的其它铜合金统称为青铜,按主添加元素的种类分为：锡青铜、铝青铜、硅青铜、铍青铜等。也有压力加工用青铜和铸造用青铜。QAl5 Q-青第一个字母 Al5含铝5%。铸造用青铜 ZCuSn3Zn8Pb6Ni1 表示含Sn3%、Zn8%、Pb6%、Ni1%的铸造青铜,锡青铜 锡青铜具有良好的强度、硬度、耐蚀性和铸造性。锡的含量在3%-14%之间。锡青铜的耐蚀性比纯铜和黄铜都高，多用来制作耐磨零件和与酸、碱、蒸汽等接触的零件。铝青铜 铝青铜比黄铜和锡青铜有更好的耐蚀性、更高的力学性能、耐磨性能和耐热性。常用来铸造承受重载的耐蚀和耐磨损零件。铍青铜 是一种综合性能较好的结构材料，主要用作弹性元件和耐磨零件。,铝及铝合金,1 纯铝 银白色，是自然界储量较丰富的金属元素。密度2、72g/cm3,具有良好的导电性、导热性，仅次于铜、银、金；良好的抗大气腐蚀能力；良好的加工性能。2 铝合金 变形铝合金-铝铜系、铝镁系、铝锌系等。铸造铝合金-铝硅系、铝铜系、铝镁系、铝锌系等。,轴承合金,用来制造轴瓦及其内衬的合金称为轴承合金。轴承合金的理想组织，应由塑性好的软基体和均匀分布在软基体上的硬质点构成。1 锡基轴承合金 是一种典型的轴承合金 这种合金的软基体是锑在锡中的a固溶体,硬质点是化合物SnSb，锡基轴承合金具有适中的硬度，低的磨擦系数，较好的塑性和韧性，优良的导热性和耐蚀性，常用于重要的轴承。,2 铅基轴承合金 主要特点是价格低廉，用于制造中等负