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1、试验五试验五 碳钢的热处理及性能分析碳钢的热处理及性能分析试验六试验六 常用钢铁材料的组织视察常用钢铁材料的组织视察清华高校基础工业训练中心清华高校基础工业训练中心一、金属的概念一、金属的概念二、金属材料的力学性能二、金属材料的力学性能三、金属的结晶和组织三、金属的结晶和组织 1.1.金属的结晶过程金属的结晶过程 2.2.金属的组织金属的组织 （1 1）室温平衡组织）室温平衡组织 （2 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是铁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和碳，所以也称钢和铸铁为Fe-C合金，它合金，它们的不
2、同点在于含碳量，钢的含碳量小于们的不同点在于含碳量，钢的含碳量小于2.11%，铸铁的含碳量大于铸铁的含碳量大于2.11%。五、五、Fe-C合金基本组织合金基本组织 1.1.铁素体铁素体 F 2.2.渗碳体渗碳体 Fe3C 3.3.珠光体珠光体 P（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基本组织组体、渗碳体和珠光体三种基本组织组成。随碳钢含碳量的不同，基本组织成。随碳钢含碳量的不同，基本组织的含量也相应发生变更。碳钢按室温的含量也相应发生变更。碳钢按室温组织的不同依
3、据含碳量可分为三类。组织的不同依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
4、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
5、钢碳钢的成分、组织、性能之间的关系示意图碳钢的成分、组织、性能之间的关系示意图碳钢的成分、组织、性能之间的关系示意图碳钢的成分、组织、性能之间的关系示意图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，碳的存在形态发生铸铁由于含碳量高，碳的存在形态发生了变更。在钢中碳是以化合态的了变更。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。铸铁的组织可以认为是在铁素体或珠光体，或铁的组织可以认为是在铁素体或珠光体，或铁素体珠光体的基体
6、上分布着不同形态的石素体珠光体的基体上分布着不同形态的石墨。依据石墨形态的不同，常用铸铁可分为：墨。依据石墨形态的不同，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可锻铸铁可锻铸铁可锻铸铁（铁素体基体）（铁素体基体）（铁素体基体）（铁素体基体）灰铸铁灰铸铁灰铸铁灰铸铁（珠光体基体）（珠光体基体）（珠光体基体）（珠光体基体）球墨铸铁球墨铸铁球墨铸铁球墨铸铁（铁素体珠光体基体）（铁素体珠光体基体）（铁素体珠光体基体）（铁素体珠光体基体）3.3.铸铁与碳钢
7、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），由于铸铸铁与碳钢比较（在同一种基体下），由于铸铸铁与碳钢比较（在同一种基体下），由于铸铸铁与碳钢比较（在同一种基体下），由于铸铁中石墨的强度和伸长率都极低铁中石墨的强度和伸长率都极低铁中石墨的强度和伸长率都极低铁中石墨的强度和伸长率都极低（b b20Mpa20Mpa，00）,而且石墨的存在对基体起割裂而且石墨的存在对基体起割裂而且石墨的存在对基体起割裂而且石墨的存在对基体起割裂作用，所以，铸铁的力学性能（抗拉强度、塑性、韧作用，所以，铸铁的力学性能（抗拉强度、塑性、韧作用，所以，铸铁的力学性能（抗拉强度、塑性、韧作用，所以，铸铁
8、的力学性能（抗拉强度、塑性、韧性）较差，不如碳钢，尤以灰铸铁（片状石墨）最差，性）较差，不如碳钢，尤以灰铸铁（片状石墨）最差，性）较差，不如碳钢，尤以灰铸铁（片状石墨）最差，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的割裂作用最轻，具有较好的力球墨铸铁因球状石墨的割裂作用最轻，具有较好的力球墨铸铁因球状石墨的割裂作用最轻，具有较好的力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。学性能。学性能。学性能。铸铁具有优良的减震性、耐磨性、铸造性能和切铸铁具有优良的减震性、耐磨性、铸造性能和切铸铁具有优良的减震性、耐磨性、铸造性能和切铸铁具有优良的减震性、耐磨性、铸造性
9、能和切削加工性能，而且生产成本低廉，因而在工业生产中削加工性能，而且生产成本低廉，因而在工业生产中削加工性能，而且生产成本低廉，因而在工业生产中削加工性能，而且生产成本低廉，因而在工业生产中得到广泛的应用。得到广泛的应用。得到广泛的应用。得到广泛的应用。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 在材料加工工程中存在着如下关在材料加工工程中存在着如下关系：系：设备设备 工艺工艺 组织组织性能性能应用应用 原材料原材料 成分成分 这个关系在实际生产过程中，表这个关系在实际生产过程中，表现为设备、工艺条件等的不同确定了现为设备、工艺条件等的不同确定了热过程的非平衡程度的不同，使得
10、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，最终使金属材料的组织呈现多样性，即使同一种材料的组织呈现多样性，即使同一种金属材料的组织也可呈现不同的形态。金属材料的组织也可呈现不同的形态。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，使得工程材料得到不同的组织，具备不得工程材料得到不同的组织，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，相同的金属组织，晶粒越细小、此外，相同的金属组织，晶粒越细小、分布越匀整，其力学性能越高。分布越匀整，其力学性能越高。工工工工艺艺艺艺热过热过热过热过程程程程及其特点及其特
11、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应应用用用用铸铸铸铸造造造造在熔化在熔化在熔化在熔化设备设备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（熔点以上约约约约100100100100），使），使），使），使满满满满足化学足化学足化学足化学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成分要求的金属液体具有流具有流具有流具有流动动动动性性性性短短短短时间时间时间时间保温静置，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
12、体中气体、夹杂夹杂夹杂夹杂物上浮物上浮物上浮物上浮在在在在铸铸铸铸型中型中型中型中较为缓较为缓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，获获获获得得得得铸铸铸铸件件件件液液液液态态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结结晶，一般晶，一般晶，一般晶，一般为为为为粗大的柱状晶。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，晶冷却速度越大，晶粒越粒越粒越粒越细细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杂杂件件件件锻锻锻锻造造造造在加在加在加在加热设备热设备热设备热设
13、备中加中加中加中加热热热热工工工工件，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，并降低变变变变形抗形抗形抗形抗力力力力在始在始在始在始锻锻锻锻和和和和终锻终锻终锻终锻温度温度温度温度范范范范围围围围内内内内对对对对工件施以工件施以工件施以工件施以冲冲冲冲击击击击力或力或力或力或压压压压力，使力，使力，使力，使其其其其发发发发生塑性生塑性生塑性生塑性变变变变形，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组织组织在在在在终锻终锻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，得到锻锻锻
14、锻件件件件固固固固态态态态塑性塑性塑性塑性变变变变形形形形成形成形成形成形使俦使俦使俦使俦锭锭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细细化，并沿化，并沿化，并沿化，并沿变变变变形方向呈形方向呈形方向呈形方向呈现现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杂杂的的的的形状形状形状形状简单简单简单简单件件件件焊焊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护护气氛中气氛中气氛中气氛中高能量加高能量加高能量加高能量加热热热
15、热，使构件，使构件，使构件，使构件连连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护护气气气气氛保氛保氛保氛保护护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，形成焊焊焊焊缝缝缝缝，焊缝焊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
16、结结晶特点更晶特点更晶特点更晶特点更为为为为明明明明显显显显，使得，使得，使得，使得焊缝焊缝焊缝焊缝组织组织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为为明明明明显显显显，同，同，同，同时时时时焊缝焊缝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组织组织也也也也发发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变变化化化化接接接接头头头头区域一区域一区域一区域一般般般般为为为为性能薄性能薄性能薄性能薄弱区弱区弱区弱区热热热热处处处处理理理理在加在加在加在加热设备热设备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
17、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发发生内部生内部生内部生内部组织组织组织组织的的的的变变变变化化化化工件于加工件于加工件于加工件于加热热热热炉内在炉内在炉内在炉内在规规规规定温度下保温定温度下保温定温度下保温定温度下保温规规规规定定定定时间时间时间时间，使工件，使工件，使工件，使工件热热热热透，或使内部透，或使内部透，或使内部透，或使内部发发发发生生生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，使工件获获获获得所需要的得所需要的得所需要的得所需要的组组
18、组组织织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经过经过不同不同不同不同的的的的热处热处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选选用不同的用不同的用不同的用不同的热热热热处处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示意图铸锭宏观组织示意图铸锭宏观组织示意图铸锭宏观组织示意图焊接接头宏观组织焊接接头宏观组织焊接接头宏观
19、组织焊接接头宏观组织示意图示意图示意图示意图七、热处理的概念及常用工艺七、热处理的概念及常用工艺 热处理是将金属在固态下通过加热、热处理是将金属在固态下通过加热、保温保温和冷却过程，变更其内部组织，从而获得和冷却过程，变更其内部组织，从而获得所需所需性能的一种工艺方法。它的特点是：只变性能的一种工艺方法。它的特点是：只变更金更金属材料内部组织结构，获得所需性能，尽属材料内部组织结构，获得所需性能，尽量避量避免变更零件的形态。同样的材料经过不同免变更零件的形态。同样的材料经过不同的热的热处理方法，可以得到不同的内部组织，因处理方法，可以得到不同的内部组织，因此，此，热处理工艺可以最大限度地发挥材
20、料的潜热处理工艺可以最大限度地发挥材料的潜力。力。钢的常用热处理方法有：退火、正火、钢的常用热处理方法有：退火、正火、淬淬火和回火。火和回火。常用常用常用常用热处理热处理热处理热处理方法的工艺曲线示意图方法的工艺曲线示意图方法的工艺曲线示意图方法的工艺曲线示意图 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，经保温确定时间，随这种金属的临界温度，经保温确定时间，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，以获得接近平衡状态组织的一种热处理
21、却，以获得接近平衡状态组织的一种热处理工艺。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.消退内应力，为下一道热处理作好消退内应力，为下一道热处理作好准备；准备；d.d.提高金属材料的塑性、韧性，便于提高金属材料的塑性、韧性，便于进行冷进行冷 冲压或冷拉拔加工。冲压或冷拉拔加工。退火的缺点：占用设备；生产率低。退火的缺点：占用设备；生产率低。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，经保温确定时间，
22、随后在空气的临界温度，经保温确定时间，随后在空气中冷中冷却，以获得更细组织的一种热处理工艺。却，以获得更细组织的一种热处理工艺。正火的作用与退火相像，与退火不同之正火的作用与退火相像，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、韧性则稍低。塑性、韧性则稍低。c.c.不占用设备；生产率高。不占用设备；生产率高。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303
23、05050，经保温，经保温确定时间，随后在水或油中快速冷却，确定时间，随后在水或油中快速冷却，以获得高硬度组织的一种热处理工艺。以获得高硬度组织的一种热处理工艺。淬火的目的：提高金属材料的强淬火的目的：提高金属材料的强度和硬度，增加耐磨性，并在回火后度和硬度，增加耐磨性，并在回火后获得高强度和确定韧性相协作的性能。获得高强度和确定韧性相协作的性能。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理工艺。于空气或油中冷却的热处理工艺。回火的目的：为了消退淬火时因冷回火的目的：为
24、了消退淬火时因冷却过快而产生的内应力，降低金属材料却过快而产生的内应力，降低金属材料的淬性，使它具有确定的韧性。的淬性，使它具有确定的韧性。依据加热温度的不同，回火可分为依据加热温度的不同，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。低温回火能消退确定的内应力，适当地降低钢的脆性，提高韧性，同时工退确定的内应力，适当地降低钢的脆性，提高韧性，同时工退确定的内应力，适当地降低钢
25、的脆性，提高韧性，同时工退确定的内应力，适当地降低钢的脆性，提高韧性，同时工件仍保持高硬度、高耐磨性，应用于各种量具和刃具。件仍保持高硬度、高耐磨性，应用于各种量具和刃具。件仍保持高硬度、高耐磨性，应用于各种量具和刃具。件仍保持高硬度、高耐磨性，应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
26、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，应用于弹簧和热锻模等。应用于弹簧和热锻模等。应用于弹簧和热锻模等。应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。高温回火可以消退内应力，硬度有显著的下降，可获得具有强度、塑性、消退内应力，硬度有显著的下降，可获得具有强度、塑性、消退内应力，硬度有显著的下降，可获得具有强度、塑性、消退内应力，硬度有显著的下降，可获得具有强度、塑性、韧性等综合机
27、械性能，应用于齿轮、连杆、曲轴等。韧性等综合机械性能，应用于齿轮、连杆、曲轴等。韧性等综合机械性能，应用于齿轮、连杆、曲轴等。韧性等综合机械性能，应用于齿轮、连杆、曲轴等。5.5.5.5.调质处理调质处理调质处理调质处理 淬火后再经高温回火的热处理工艺，称为调质处理。淬火后再经高温回火的热处理工艺，称为调质处理。淬火后再经高温回火的热处理工艺，称为调质处理。淬火后再经高温回火的热处理工艺，称为调质处理。一般要求具有较高综合机械性能的重要结构零件，都要经过一般要求具有较高综合机械性能的重要结构零件，都要经过一般要求具有较高综合机械性能的重要结构零件，都要经过一般要求具有较高综合机械性能的重要结构零件，都要经过调质处理。调质处理。调质处理。调质处理。