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1、金属工艺学讲义2/11/20231绪论绪论 金属工艺学概览金属工艺学概览一、一、学习和研究金属材料及其加工工艺的意义学习和研究金属材料及其加工工艺的意义二、二、金属工艺学是一门综合性的学科，它系统地介绍金属工艺学是一门综合性的学科，它系统地介绍了机械制造中所用原材料的性能，冷热加工的各种工了机械制造中所用原材料的性能，冷热加工的各种工艺方法以及他们之间相互联系的基础知识艺方法以及他们之间相互联系的基础知识三、内容包括：钢铁冶炼、金属材料、热处理、三、内容包括：钢铁冶炼、金属材料、热处理、铸造生产、压力加工、焊接、切削加工等铸造生产、压力加工、焊接、切削加工等四金属加工过程：铸造、压力加工或焊接
2、、四金属加工过程：铸造、压力加工或焊接、切削加工、热处理、装配。切削加工、热处理、装配。2/11/20232六、学习要求：（1）掌握常用金属材料的牌号、性能、应用范围和一般选用原则（2）了解主要加工方法和实质、工艺特点和应用范围（3）所有设备（工具）的工作原理和使用范围（4）初步掌握零件的结构工艺性（5）具有选择毛坯和零件加工方法的基础知识绪论绪论 金属工艺学概览金属工艺学概览2/11/20233第一章第一章 钢铁冶炼钢铁冶炼2/11/202341.1炼铁炼铁的过程就是从铁矿石中还原铁的化学变化过程。铁矿石的种类：赤铁矿Fe2O3、磁铁矿Fe3O4、菱铁矿FeCO3、褐铁矿Fe2O3.nH2O
3、。矿石中含铁部分称含铁矿物，非铁氧化物部矿石中含铁部分称含铁矿物，非铁氧化物部分（分（AL2O3、SiO2等）称为脉石。等）称为脉石。燃料燃料-焦碳焦碳 溶剂溶剂-石灰石石灰石CaCO3、生石灰生石灰CaO2/11/202351.1炼铁炼铁设备设备-高炉高炉过程：过程：物理和化学变化，炉料下降、炉气上升相对运物理和化学变化，炉料下降、炉气上升相对运动过程中进行，又是在各种炉料具备一定重量比例和动过程中进行，又是在各种炉料具备一定重量比例和适当温度的条件下进行。变化：燃料燃烧、铁的还原适当温度的条件下进行。变化：燃料燃烧、铁的还原和增碳、其他元素的还原、去流和造渣。和增碳、其他元素的还原、去流和
4、造渣。（1）燃料燃烧：）燃料燃烧：C+O2 CO2 ，炉温，炉温18001900度，度，CO2+C CO ，（2）铁还原、铁增碳：）铁还原、铁增碳：Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe 被被CO还原；还原后的还原；还原后的Fe称海绵称海绵铁，下降过程中吸收碳，变成铁，下降过程中吸收碳，变成Fe3C，形成铁水。，形成铁水。2/11/20236（3）其他元素还原：MnO+COMn+CO2SiO2+COSi+CO2Ca3O3.P2O5+COP+CaCO3（4）去硫：主要是炉料含硫，其中焦碳含硫多，有害物质，降低机械性能。（硫矿石不能用于炼铁。）加CaCO3，FeS+CaOCaS+Fe+CO21.1炼
5、铁炼铁2/11/20237造渣：灰份主要是SiO2、Al2O3、CaO等1.1炼铁炼铁2/11/202381.1炼铁炼铁高炉产品：高炉产品：（1）铸造生铁：在熔炼炉中（冲天炉）重新熔化后浇注成铸件。）铸造生铁：在熔炼炉中（冲天炉）重新熔化后浇注成铸件。这种生铁中含硅量较高，碳大部分以石墨形态存在，断口呈灰色、这种生铁中含硅量较高，碳大部分以石墨形态存在，断口呈灰色、硬度较低，易于切削加工，有很好的铸造性能。硬度较低，易于切削加工，有很好的铸造性能。Z34：含：含Si 3.4%（2）炼钢生铁：碳以化合物）炼钢生铁：碳以化合物Fe3C形态存在，断口成白色，硬度形态存在，断口成白色，硬度高，脆性大，
6、很难切削加工。高，脆性大，很难切削加工。L04：含：含Si 0.4%（3）铁合金：是炼钢的原料之一。包括：硅铁、锰铁、铬铁。）铁合金：是炼钢的原料之一。包括：硅铁、锰铁、铬铁。（4）炉气和炉渣：是副产品。炉气可作为燃料，碱性炉渣做水）炉气和炉渣：是副产品。炉气可作为燃料，碱性炉渣做水泥，酸性炉渣做渣砖和渣棉等。泥，酸性炉渣做渣砖和渣棉等。2/11/202391.2炼钢炼钢的实质：钢比生铁的杂质元素少，机械性能高。炼钢的过程就是减少生铁中C、Si、Mn、P、S含量的过程。减少杂质元素的方法就是在熔化的生铁中，利用氧气或氧化剂使这些杂质元素氧化成气体或炉渣而得以去除。2/11/2023101.3钢
7、的浇注浇注的方法：（1）钢锭模铸法：上注法-用于锻造的大型钢锭；下注法-用于轧钢车间的小型钢锭。（2）连续铸锭法：是使钢水的结晶器里不断地形成一定断面形状和尺寸的钢坯，浇注工作是连续的。2/11/2023111.3钢的浇注镇静钢和沸腾钢根据出钢时钢水脱氧程度不同，可得到镇静钢和沸腾钢。（1）镇静钢-用锰铁、硅铁、纯铝进行完全脱氧，在浇注过程中不再发生碳氧反应，钢水在模腔中平静地上升。钢水凝固后，除了钢锭上部有集中缩孔外，其他部分的组织都致密坚实。重要用途。（2）沸腾钢-仅用弱脱氧剂锰铁进行不完全脱氧，在钢水浇注过程中继续发生碳氧反应，生成大量的CO，使钢水出现沸腾的现象。凝固后，部分CO气体残
8、留在钢锭内。钢锭内有小气孔，在以后的轧制时可以焊合。低碳钢型材。2/11/202312第二章第二章 金属的机械性能及其试验方法金属的机械性能及其试验方法2/11/202313机械性能概念机械性能-金属材料受到各种不同性质载荷（外力）作用时，所表现出来的抵抗能力。机械性能分为：强度、塑性、硬度、韧性、抗疲劳等性能。机械性能分为：强度、塑性、硬度、韧性、抗疲劳等性能。2/11/2023142.1强度和塑性强度：金属在载荷（外力）作用下，抵抗塑性变形和破坏的能力称为强度。按载荷的类型分有拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等。拉伸试验法。所谓应力：指金属材料受到载荷作用时，在材料内部产生其大小与外力相等的抵
9、抗力（或称内力），单位横截面积上的内力称为应力。弹性极限、屈服极限、强度极限2/11/2023152.1强度和塑性塑性：金属在载荷（外力）作用下，产生塑性变形而不发生破坏的能力称为塑性。拉伸式样来测定延伸率和断面收缩率塑性好的金属材料容易进行轧制、锻压、冲压和焊接等，且工艺过程简单，质量容易保证；塑性好的零件在使用时，万一超载，也能由于塑性变形而避免突然断裂，故在静载荷作用下使用的机械零件，要求有一定的塑性是比较安全的。2/11/2023162.2 硬硬 度度硬度是金属材料的重要机械性能之一。随着试验方法的不同，其含义也不同。压入法的硬度值是指金属抵抗比它更硬物体压入时所引起塑性变形能力；刻划
10、法硬度值表示金属抵抗表面局部破裂的能力；而回跳法硬度值是表示金属表面弹性变形功的大小。因此，硬度值实际上是一种工程量或技术量而不是物理量。一般可以认为，硬度是指金属表面上局部体积内抵抗塑性变形和破裂的能力。静载荷压入法硬度试验：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度。2/11/2023172.3 2.3 冲击韧性冲击韧性冲击韧性-金属抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力称为冲击韧性。为了确定各种金属材料的冲击韧性值，必须进行冲击试验。与温度、形状、光洁度、内部组织等因素影响。2/11/2023182.4 金属疲劳的概念金属疲劳的概念许多机械零件，如：轴、齿轮、连杆、弹簧等，在工作过程中受到大小、方
11、向随时间，呈周期性变化的应力作用，此应力称为交变应力。在交变应力作用下的零件，发生断裂时的应力，远低于该材料的强度极限，有时甚至低于屈服极限，这种现象称为金属的疲劳（疲劳断裂）。疲劳断裂时不产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的。因此，疲劳断裂具有很大的危险性。金属材料在无数次重复交变载荷作用下，而不破坏的最大应力，称为疲劳强度。金属弯曲疲劳试验法2/11/2023192.4 金属疲劳的概念金属疲劳的概念疲劳断裂产生的原因：一般认为是由于材料有夹杂、表面划痕及其他能引起应力集中的缺陷，而导致微裂纹的产生。这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，致使零件不能承受所加载荷而突然断裂。为了提高零件的
12、疲劳强度，除了改善结构形状，避免应力集中外，还可以提高零件表面加工光洁度和采取各种表面强化的方法来达到，如对零件表面进行喷丸处理、表面淬火等。2/11/202320第三章第三章 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶2/11/202321绪论1、化学成分不同的金属具有不同的性能，如：纯铁比纯铝硬，但导电性和导热性却不如纯铝。2、成分相同的金属，在工艺条件或状态不同，其性能也会存在很大差异，如：硬度、脆性、可加工性等。3、不同的金属和合金具有不同的性能，其原因从本质上来说是由于金属与合金的内部构造不同而造成的。2/11/2023223.1金属的晶体结构1、晶体和非晶体：固体物质按其原子排列的规
13、律，可分为晶体和非晶体两种。非晶体的原子作不规则排列，如：玻璃、沥青、松香等；晶体的原子是有规则地、按一定的几何形状排列，如：金刚石、石墨及一切固态的金属和合金。晶体具有一定的熔点，并具各向异性的特征。2、晶体结构（1）晶格：原子在晶体中规则排列方式的空间几何图形称为结晶格子，简称晶格。晶格中的每个点叫结点。（2）晶胞：晶格能一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元，被称为晶胞。实际上晶格是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成。2/11/202323（3）常见的晶格类型体心立方晶格：Cr、W、Mo、V等，这类金属具有相当高的强度和较好的塑性；面心立方晶格：Al、Cu、Ni等，这类
14、金属的塑性都很好；密排六方晶格：Mg、Zn、Be、Ti等，具有一定的塑性。3.1金属的晶体结构2/11/2023243.2金属的实际晶体结构1、单晶体：一块晶体中的晶格方位完全一致，我们称其为单晶体。2、多晶体：实际上，金属材料都不是这样的，金属中也包含有许许多多的小晶体，每个小晶体内部虽然晶格方位基本一致，但小晶体之间彼此方位却不同。由于每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，故通常把它们叫做晶粒。晶粒。晶粒与晶粒之间的界面叫做晶粒界，简称晶界晶界。为了适应两个晶粒之间不同晶格方位的过渡，晶界处的原子排列总是不规则的，这种由多晶粒组成的晶体结构称为多晶体。2/11/2023253.2金属的实际晶
15、体结构3、金属晶体中的缺陷实际上金属由于结晶及其他加工等条件的影响，内部总是存在着大量缺陷。缺陷的存在对金属的性能有着很大的影响。例如对理想完整的金属晶体进行理论计算所得的屈服强度，要比实际晶体测得的数值高出千倍左右。（1）点缺陷：最常见的是晶格空位和间隙原子，在晶格的某些结点往往未被原子所占有称为晶格空位，同时又有可能在个别晶格空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处于晶格空隙中的原子称为间隙原子。由于作用力的平衡发生破坏，使其周围的其他原子发生靠拢或撑开的现象。因此，晶格发生歪扭（晶格畸变），影响金属的机械性能，使金属的强度提高，塑性降低。（2）线缺陷：在晶体的某一平面上，沿着
16、某一方向伸展呈线状分布的一种缺陷。主要是有各种错位造成。在实际晶体中存在大量的位错，通常退火的金属每平方厘米面积上大约有106108个位错，经过冷加工塑性变形后，位错数目可达到每平方厘米面积上有1012个。位错数目的增加可使金属强度大大提高。2/11/202326（3）面缺陷：晶界和亚晶界晶界是不同位向晶粒之间原子排列无规则的过渡层，由于过渡层原子排列不规则，偏离了理想晶体结构，使晶格处于歪扭畸变状态。晶粒越细小，晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用愈大，金属强度、硬度也就越高。亚晶界是指晶粒内部的晶界现象。3.2金属的实际晶体结构2/11/2023273.3纯金属的结晶1、结晶的概念（1）液态金
17、属冷却到凝固温度时，金属原子便由无规则运动状态转变为按一定几何形状作有序排列的状态，这种由液态转变为固态金属的过程称为金属的结晶。（2）冷却曲线、理论/实际结晶温度、过冷现象、过冷度时间.h温度.C2/11/2023283.3纯金属的结晶2.金属的结晶过程（1）形成晶核，长大，不断产生不断长大，形成无数的小晶体（晶粒），直到液态金属全部凝固成固体。两个过程是同时进行的。（2）晶粒大小与形核率N（1/mm3.s）、成长率G（mm/s）有密切关系。冷却速度越大，N、G随之增大，结晶速度越快，晶粒越细小。冷却速度大到一定值是，N、G反而下降，因在低温下原子的扩散能力大为降低，反而限制了结晶速度。2/
18、11/202329（3）研究金属结晶的过程，是为了找到控制晶粒大小的途径。晶核越多，晶粒越细小，机械性能越好。获得细晶粒组织的途径有两个：A、增大金属的过冷度，加快液体金属的冷却；B、进行变质处理。在浇注之前，向液体中人为地加入少量某种物质，由它形成的微粒，起到非自发结晶核心的作用，从而使晶核数增多，晶粒变细。C、另外，采用机械振动、超声波振动和电磁振动，也能使晶核增多，细化晶粒。3.3纯金属的结晶2/11/2023303、晶粒大小对机械性能的影响（1）晶粒越细小，强度和硬度愈高，同时塑性和韧性也愈好。（2）细化晶粒对于提高金属常温下的机械性能有很大作用，因此金属材料的晶粒愈细愈好。但在高温下
19、工作的金属材料，晶粒过大或过小都不好，要求晶粒度适中。而在制造电动机和变压器的硅钢片时，总希望晶粒越大越好。可见，晶粒的大小对性能的影响是多方面的！3.3纯金属的结晶2/11/2023314、金属的同素异构转变大多数金属结晶完成后晶格不再发生变化，如铝、铜等。但也有少数金属，如：铁、钴、钛等，在结晶成固态后继续冷却时，还会发生晶格的变化。这种金属在固态下的晶体结构随温度发生变化的现象称为同素异构转变。同素异构的转变也是通过原子的重新排列来完成的，通常称为重结晶。（1）在固态下进行，这是钢铁能够进行热处理的内因和根据，也是钢铁材料性能多种多样，用途广泛的主要原因之一。（2）也是钢在淬火时引起工件
20、内应力，导致变形开裂的因素之一。（3）当改变温度引起铁的同素异构转变时，会有碳化物的析出和溶解，这就有可能通过不同的热处理工艺来改善钢的组织结构，从而改变钢铁零件的各项性能。（4）在快速冷却的情况下，实际转变的温度将大为降低，即过冷度较大。（5）转变时，由于晶格不同，原子排列密度不同，因而金属的体积将会发生变化。（6）金属与合金在加热（或冷却）时，发生组织结构转变的温度称为临界温度（或临界点）。3.3纯金属的结晶2/11/2023323.4铸锭的组织和缺陷1、铸锭的组织（1）表面细晶粒区（2）柱状晶粒区（3）中心等轴晶粒区三种组织由表及里分布，改变钢液成分和凝固时的条件，可以改变这三层晶区的相
21、对大小和晶粒的粗细，甚至获得只有两层或单独一个晶区的铸锭。2/11/2023332、铸锭的缺陷（1）缩孔和疏松：由于液态金属凝固时发生体积收缩，在铸锭的上部最后凝固部分，往往因为得不到液态金属的补充，形成了收缩孔洞，称为缩孔；除集中缩孔外，在钢锭中也可能出现许多分散的小孔洞，这些分散的小孔洞成为疏松。（2）偏析：在凝固过程中，由于钢锭的柱晶间往往存在含杂质（硫、碳、磷等）较多的钢水。这些含杂质多的钢水因熔点较低，比重小而上浮，因此造成上下成分不均匀的现象，这种现象称为偏析。（3）气泡和裂纹：气泡是由于液态金属凝固时，其中所溶解的某些气体的溶解度降低，以及钢水中某些化学反应所形成的气体来不及逸出
22、而形成的。而裂纹则是由于铸锭在冷却时的收缩不均匀而引起的。3.4铸锭的组织和缺陷2/11/202334第四章合金的结构与二元合金状态图2/11/2023354.1合金的结构1、一般来说，纯金属都具有优良的导电、导热等性能，但机械性能都比较低，而且价格较高，因此应用上受到限制。实际上大量使用的金属材料都是合金，如：碳钢、合金钢、铸铁、铝合金、铜合金等。2、基本概念合金：由两种或两种以上的金属元素（或金属与非金属元素）组成的具有金属特性的新的物质。钢和生铁是铁与碳等元素组成的合金，黄铜是铜与锌等元素组成。组元：组成合金最基本的、独立的物质称为组元。根据组元数目的多少，将合金分为二元合金、三元合金等
23、。相：在金属或合金中，凡是成分相同、结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀组成部分称为相。2/11/2023364.1合金的结构3、合金的结构：合金结构分三种：固溶体、金属化合物、机械混合体（1）固溶体：溶质原子溶入溶剂的晶格中，并保持溶剂晶格类型而形成的一种金属晶体。如：碳溶入铁。使合金强度、硬度和电阻升高，称固溶强化，是提高金属材料机械性能的重要途径。2/11/2023374.1合金的结构（2）金属化合物：合金组元间发生相互作用而生成的一种新相，期晶格类型和性能完全不同于组成它的任一组元，一般可用分子式来表示。如：铁碳合金中常见的化合物Fe3C。有较高的熔点、硬度和较大的脆性，它是各类合金
24、、硬质合金及其它有色金属合金的重要组成相，它能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性及韧性。（3）机械混合物：由两相或多相组成的组织称为机械混合物，其中各相仍保持着它们原来各自的晶格和性能。整个机械混合物的性能，则取决于组成它的各相性能以及各相的形状、数量、大小和分布状况等。通常具有更高的强度和硬度，但塑性和可锻性较差。2/11/202338第五章铁碳合金2/11/2023395.1铁碳合金的基本组织1、铁素体（、铁素体（F）：碳与：碳与-Fe形成的间隙固溶体。形成的间隙固溶体。性能性能-强度和硬度低，塑性和韧性好。强度和硬度低，塑性和韧性好。2、奥氏体（、奥氏体（A）：碳与：碳与-Fe形
25、成的间隙固溶体。高温组织，形成的间隙固溶体。高温组织，在大于在大于727时存在。时存在。性能性能-塑性好，强度和硬度高于塑性好，强度和硬度高于F。在锻造、。在锻造、轧制轧制时常要加热到时常要加热到A，可提高塑性，易于加工。，可提高塑性，易于加工。3、渗碳体（、渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成的金属化合物。：铁与碳形成的金属化合物。性能性能-硬度高，脆性大。硬度高，脆性大。4、珠光体（、珠光体（P）：F与与Fe3C组成的机械混合物。组成的机械混合物。性能性能-力学性能介于两者之间。力学性能介于两者之间。5、莱氏体（、莱氏体（Ld）：A与与Fe3C组成的机械混合物。组成的机械混合物。性能性能-硬度高
26、，塑性差。硬度高，塑性差。2/11/2023402/11/202341珠光体珠光体2/11/202342渗碳体渗碳体莱氏体莱氏体2/11/2023435.2铁碳相图分析引言：关于铁碳合金状态图1、概念：表示铁碳合金在不同成分和温度下的组织、性能以及它们之间相互关系的图形。又称铁碳合金相图或铁碳合金平衡图。是通过实验的方法建立起来的。2、作用：是研制新材料，制定合金熔炼、铸造、压力加工和热处理等工艺的重要工具。2/11/2023445.2铁碳相图分析2/11/2023455.2铁碳相图分析2/11/2023465.2铁碳相图分析2/11/2023472/11/2023485.2铁碳相图分析3、特
27、性点A点：纯铁的熔点1538C点：共晶点1148D点：渗碳体的熔点1227S点：共析点727G点：纯铁的同素异晶转变点912E点：C在-Fe中最大溶解度1148P点：C在-Fe中最大溶解度727Q点：室温时C在-Fe中最大溶解度2/11/2023495.2铁碳相图分析4、特性线ACD：液相线，液相冷却至此开始析出固相，固相加热至此全部转化为液相。AECF：固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，固相加热至此开始转化。GS：A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A，又称A3线。ES：C在A中的溶解度曲线，又称Acm线。ECF：共晶线，含C量2.11%-6.69%的铁碳合金至此发生共晶反应，结晶出A
28、与Fe3C混合物-莱氏体Ld。PSK：共析线，含C量在0.0218%-6.69%的铁碳合金至此反生共析反应，产生珠光体P，又称A1线。2/11/2023505.2铁碳相图分析几个概念几个概念纯铁钢铸铁共析钢亚共析钢过共析钢共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁2/11/202351亚亚共共析析钢钢过共析钢过共析钢亚共晶白口铁亚共晶白口铁过共晶白口铁过共晶白口铁工工业业铁铁纯纯共析钢共析钢共晶白口铁共晶白口铁2/11/202352AEGPQSFeLAL+AFF+A F+PPP+Fe3CA+Fe3C0.82.06 .共析钢共析钢0.8%0.8%123P.亚共析钢亚共析钢0.020.8（-0.8）
29、123412344LL+AAF+AAPP冷却曲线冷却曲线过共析钢过共析钢0.82.06 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁2.064.3%2.064.3%共晶白口铸铁共晶白口铸铁4.3%4.3%过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁4.36.67%4.36.67%2/11/2023535.3铁碳相图的应用1、选用材料：、选用材料：由铁碳相图可知，合金中随着含碳量的不同，其组织各不相由铁碳相图可知，合金中随着含碳量的不同，其组织各不相同，从而导致其力学性能不同。因此，我们就可以根据机器零件所同，从而导致其力学性能不同。因此，我们就可以根据机器零件所要求的性能来选择不同含碳量的材料。要求的性能来选择不同含碳量的材
30、料。2、叛断切削加性能：、叛断切削加性能：低碳钢中铁素体较多，塑性好，加工性不好；中碳钢中铁素低碳钢中铁素体较多，塑性好，加工性不好；中碳钢中铁素体含量比例适当，钢的硬度适当，易于加工。体含量比例适当，钢的硬度适当，易于加工。3、制定热加工工艺：、制定热加工工艺：在铸造工艺方面，根据相图可以确定合适的熔化温度和浇注在铸造工艺方面，根据相图可以确定合适的熔化温度和浇注温度，含碳量为温度，含碳量为4.3%的铸铁铸造性最好；在锻造工艺方面，可以选的铸铁铸造性最好；在锻造工艺方面，可以选择钢材的轧制和锻造的温度范围应在奥氏体区。择钢材的轧制和锻造的温度范围应在奥氏体区。4、应用于热处理生产：、应用于热
31、处理生产：由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有组织的变化，可由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有组织的变化，可以进行热处理。并且可以正确选择加热温度。以进行热处理。并且可以正确选择加热温度。2/11/202354工业用钢的选择 钢钢以铁为主元素，含以铁为主元素，含C2以下，并含有其它元素的材料。以下，并含有其它元素的材料。钢：可形变加工的铁碳合金。钢：可形变加工的铁碳合金。一、碳钢分类一、碳钢分类 （掌握内容掌握内容）钢从不同角度可以有钢从不同角度可以有不同分类不同分类：本内容重点是常见牌号的含义、性能、应用。本内容重点是常见牌号的含义、性能、应用。二、碳素钢二、碳素钢 简称：简称：碳
32、钢碳钢 carbon-steel 常存元素对碳钢性能的影响常存元素对碳钢性能的影响 （了解）（了解）1.1.碳碳C C 碳钢中的碳对钢的组织和性能影响很大碳钢中的碳对钢的组织和性能影响很大。如图所示一般钢的含碳量一般钢的含碳量1.2%;1.0%的钢淬火后,几乎全部为片M；wC 0.2%的钢淬火后,基本上全部为板条M；0.2%wC 1.0%的钢淬火后，为两种M的混合物。2/11/20238745钢淬火M形态 5002/11/202388 500 80000 500 500板条板条M片状片状M混合混合M2/11/202389（四）（四）影响影响TTT曲线的主要因素曲线的主要因素含含量量合金元素合金
33、元素1.含量的影响含量的影响亚亚共共析析钢钢及及过过共共析析钢钢的的过过冷冷A的的等等温温转转变变与与共共析析钢钢一一样样，亦亦可可分分为为高高温温P型转变、中温型转变、中温B型转变和低温型转变和低温M型转变。型转变。但但在在P型型转转变变之之前前，亚亚共共析析钢钢有有F的的析出，过共析钢有析出，过共析钢有Fe3C析出。析出。2/11/202390时间时间温温度度TAAMsMfAMAPAB时间时间温温度度TAAMsMfAMAPABAFAFe3C亚共析钢过共析钢亚、过共析钢的TTT曲线2/11/202391时间时间温温度度TAAMsMfAMAPABAF时间时间温温度度TAAMsMfAMAPABA
34、Fe3C时间时间温温度度TAAMsMfAMAPAB2/11/202392共共析析钢钢过过冷冷A最最稳稳定定（C曲曲线线最最靠靠右）右）wC0.77%:wC，C曲线右移曲线右移wC0.77%:wC，C曲线左移曲线左移2/11/2023932.合金元素的影响合金元素的影响合合金金元元素素对对C曲曲线线的的影影响响是是复复杂杂的的，几几乎乎除除Co外外，所所有有溶溶入入A中的合金元素均使曲线右移。中的合金元素均使曲线右移。除除Co、Al外外，溶溶入入A的的合合金金元元素素都都使使C曲曲线线上上的的Ms、Mf点点降低。降低。2/11/202394残余奥氏体A在在M相相变变时时，由由于于体体积积膨膨胀胀
35、，使使尚尚未未发发生生相相变变的的过过冷冷A受受压压，而而停停止止相相变变，这这部部分分A称称为为残残余余奥奥氏氏体体A，只只有有当当温温度度进进一一步步下下降降时时，A才才会会发发生生分分解解。当当温温度度达达到到Mf点点以以下下时，时，A才会全部分解完毕。才会全部分解完毕。共共析析钢钢Mf-50，淬淬火火至至室室温温下下仍仍有有36%的的A；过过共共析析钢钢Mf=-100时时，淬淬火火至至室温下仍有室温下仍有815%A。A会会降降低低钢钢的的硬硬度度，并并带带来来钢钢件件尺尺寸寸的的不稳定，不稳定，“冷处理冷处理”2/11/202395二、过冷二、过冷A的连续冷却转变的连续冷却转变过冷过冷
36、A的连续冷却转变曲线的连续冷却转变曲线 简称简称CCT图图Continuous Cooling Transformation Diagram 2/11/202396转转变变是是一一个个连连续续过过程程，符符合合生生产产实实际际，所所以以CCT图图比比C曲曲线线更更切切合合实实际际，应用范围更大。应用范围更大。但但CCT图图的的测测试试比比C曲曲线线困困难难，所所以以经经常常需需要要利利用用C曲曲线线来来分分析析过过冷冷A的的连连续续冷却转变过程冷却转变过程.2/11/202397CCT Diagram of Eutectoid Steel2/11/202398CCT Diagram of Eu
37、tectoid Steel2/11/2023992/11/2023100CCT曲线与C曲线的比较CCT曲线位于C曲线右下方，P转变温度更低，时间更长；共析钢及过共析钢的CCT曲线中无B型转变，而多了一条P转变终止线；亚共析钢在连续冷却时在一定温度范围内过冷A会部分转变为B。2/11/2023101由 于 CCT曲线测定比较困难，许多钢至今仍无，实际热处理中常参照C曲线来定性估计连续冷却转变过程。时间时间温温度度TAAMsMfAMAPABv1v2v3v临/vC/vKv粗粗P退火退火S（细（细P）正火正火T+M油淬油淬MA水淬水淬2/11/20231023.3 钢的普通热处理钢的普通热处理退火退火
38、 Annealing正火正火 Normalizing淬火淬火 Quenching回火回火 Tempering2/11/2023103普通热处理是零件制造过程中非常重要的不可缺少的工序。一般零部一般零部件制造工件制造工艺中路线艺中路线铸造铸造锻造锻造退火退火正火正火切削加工切削加工成品成品2/11/2023104预先热处理预先热处理重要零部重要零部件制造工件制造工艺中路线艺中路线铸造铸造锻造锻造退火退火正火正火粗加工粗加工淬火淬火回火回火精加工精加工成品成品最终热处理最终热处理2/11/2023105一、一、钢的退火钢的退火将将钢钢件件加加热热到到临临界界温温度度（A1、A3、Acm）以以上上（
39、有有时时以以下下）保保温温一一定定时时间间，然然后后缓缓冷冷（炉炉冷冷、坑坑冷冷、灰灰冷冷）以以得得到到平平衡衡状状态态的的组织的热处理工艺称退火。组织的热处理工艺称退火。2/11/2023106退火工艺退火工艺时间时间温温度度 保温保温缓冷缓冷加热加热2/11/2023107分类分类完全退火完全退火等温退火等温退火球化退火球化退火扩散退火扩散退火去应力退火去应力退火2/11/2023108ABEGHJNPSQ +Fe3C+Fe3CL+LL+低温低温扩散扩散退退火火温温度度球化球化完全完全2/11/20231091、完全退火、完全退火主主要要用用于于亚亚共共析析钢钢和和合合金金钢钢的的铸铸、锻
40、锻、及及热热轧轧型型材。也可以用于焊件。材。也可以用于焊件。细细化化晶晶粒粒，消消除除应应力力和组织缺陷，和组织缺陷，硬度，硬度，塑性。塑性。2/11/2023110加热保温加热保温 Ac3+2030冷冷却却 缓缓慢慢冷冷却却（随随炉炉或或者者埋埋在在砂砂中中或或石石灰灰中中冷冷却却）到到500以以下下，在在空气中冷却。空气中冷却。目目的的 细细化化晶晶粒粒，消消除除应应力力和和组组织织缺缺陷陷，降降低低硬硬度度，提提高高塑塑性性，为为机机加加工工及及后后续续热热处处理理（淬淬火火）作作组组织织准备。准备。2/11/2023111完全退火工艺完全退火工艺时间时间温温度度保温保温Ac3+20 3
41、0炉冷炉冷空冷空冷5002/11/2023112完全退火的局限性完全退火的局限性需需要要时时间间很很长长，特特别别对对于于某某些些A比比较较稳稳定定的的合合金金钢钢，需需要要十十几几个个小小时时甚甚至至几几天天，为为了了生生产产效效率率，产产生生了了等等温温退火。退火。2/11/20231132、等温退火、等温退火 与与完完全全退退火火工工艺艺相相同同，所所不不同同的的是是钢钢件件经经过过A化化后后，以以较较快快的的速速度度冷冷却却到到某某一一T，保保温温一一定定时时间间AP，然然后以较快的速度冷却到室温。后以较快的速度冷却到室温。2/11/2023114等温退火工艺等温退火工艺时间时间温温度
42、度保温保温Ac3+20 30快冷快冷空冷空冷TpAP2/11/20231153、球化退火、球化退火 T=Ac1+2040，进进行行较较 长长 时时 间间 的的 保保 温温，使使 钢钢 的的Fe3C（碳碳化化物物）趋趋于于球球化化，然然后后缓缓慢慢冷冷却却到到600550再再出出炉炉冷冷却却。使使Fe3C网网变变成成球球，以以降降低低硬硬度度，改改善善切切削削加加工工性性能能，并并为淬火作组织准备。为淬火作组织准备。2/11/2023116球化退火工艺球化退火工艺时间时间温温度度保温保温Ac1+20 40缓冷缓冷空冷空冷600 5502/11/20231174、扩散退火、扩散退火把把钢钢加加热热
43、到到固固相相线线以以下下100 200，并并保保温温缓缓冷冷。目目的的是是消消除除钢钢中中的的枝枝晶晶偏偏析析。所所以以也也叫叫均均匀化退火。匀化退火。2/11/2023118扩散退火工艺扩散退火工艺时间时间温温度度Ts-100 200保温保温1015 h缓冷缓冷2/11/20231195、去应力退火、去应力退火v去去应应力力退退火火又又称称低低温温退退火火或或高高温回火；温回火；v把把钢钢件件加加热热到到Ac1以以下下，一一般般500600随随炉炉冷冷却却至至300200出炉；出炉；v目目的的：消消除除残残余余应应力力，防防止止零零件变形或开裂，保证精度。件变形或开裂，保证精度。2/11/2
44、023120去应力退火工艺去应力退火工艺时间时间温温度度保温保温500 600炉冷炉冷空冷空冷300 2002/11/2023121二、二、钢的正火钢的正火 NormalizingAc3、Accm+30 80，保温后空冷。保温后空冷。ABEGHJNPSQ +Fe3C+Fe3CL+LL+2/11/2023122正火工艺正火工艺时间时间温温度度Ac3(Accm)+30 80空冷空冷2/11/2023123应用范围对对普普通通结结构构件件为为最最终终热热处处理理，以以细细化化组组织织，提提高高其其强强度度和和韧韧性；性；使使中中、低低碳碳结结构构钢钢组组织织正正常常化化，改善切削加工性能；改善切削加
45、工性能；为淬火作组织准备；为淬火作组织准备；抑抑制制或或消消除除过过共共析析钢钢的的网网状状渗渗碳体，为球化退火作组织准备。碳体，为球化退火作组织准备。2/11/2023124退火与正火的选择改善切削加工性能改善切削加工性能低碳钢：硬度低，粘刀，正火；低碳钢：硬度低，粘刀，正火；高碳钢：硬度高，难切削，退火；高碳钢：硬度高，难切削，退火；中碳钢：退火、正火。中碳钢：退火、正火。经济性经济性正火周期短，耗能少，操作简便，正火周期短，耗能少，操作简便，尽量以正火代替退火。尽量以正火代替退火。2/11/2023125使用性能使用性能普普通通结结构构件件，以以正正火火作作为为最最终终热热处理，以细化晶
46、粒，提高力学性能；处理，以细化晶粒，提高力学性能；形形状状复复杂杂的的结结构构件件，采采用用退退火火作作为最终热处理，以削除应力防止裂纹。为最终热处理，以削除应力防止裂纹。2/11/2023126三、三、钢的淬火钢的淬火 Quenchingv将将钢钢加加热热到到临临界界温温度度以以上上，保保温温后后快快速速冷冷却却获获得得M的热处理工艺。的热处理工艺。v淬淬火火是是钢钢强强化化的的最最重重要要手段之一手段之一。2/11/2023127淬火温度淬火温度v亚共析钢亚共析钢Ac3+30 50v 过共析钢过共析钢Ac1+30 50ABEGHJNPSQ +Fe3C+Fe3CL+LL+2/11/20231
47、28冷却速度冷却速度(1)理想冷却速度理想冷却速度高高温温T650,慢慢冷冷,可可以以减减少少热热应应力。力。中中温温650400,快快冷冷,避避开开C曲线的鼻尖曲线的鼻尖,保证全部获得保证全部获得M。低低温温400以以下下，特特别别是是300200 发发生生M转转变变时时要要求求慢慢冷冷，M转变时的组织应力转变时的组织应力2/11/2023129(2)理想冷却速度示意图理想冷却速度示意图 时间时间温温度度2/11/2023130淬火介质淬火介质 到到目目前前为为止止，在在实实际际生生产产中中还还没没有有找找到到符符合合这这一一理理想想曲曲线线的的冷冷却却介介质质。现现有有淬淬火火介介质质有有
48、：水水、含含盐盐水水溶溶液液、油油、盐盐浴浴、碱碱浴浴、淬淬火液等等。火液等等。2/11/2023131水水 是最普通的淬火介质。是最普通的淬火介质。在在650500冷冷速速大大，但但在在320 200冷冷速速也也大。大。2/11/2023132含盐水溶液含盐水溶液是是水水的的改改进进，和和水水性性能类似。能类似。但淬火后表面硬度高、但淬火后表面硬度高、性能均匀、性能均匀、表面光滑。表面光滑。2/11/2023133油油 是是另另一一种种特特别别通通用用的淬火介质。的淬火介质。在在650500冷速小，冷速小，但但在在320200冷冷速速也也小。小。2/11/2023134淬淬火火方方法法单液淬
49、火单液淬火Single-stage Quenching双液淬火双液淬火Double Quenching分级淬火分级淬火Broken Hardening等温淬火等温淬火Isothermal Hardening2/11/2023135淬火方法比较淬火方法比较abcd单液淬火双液淬火分级淬火分级淬火等温淬火等温淬火温温度度时间时间PBMsAA1Mf2/11/2023136钢钢件件淬淬火火时时，表表层层直直接接与与淬淬火火介介质质接接触触，冷冷却却速速度度快快；而而心心部部则则要要通通过过表表层层来来散散热热，冷冷却速度慢。却速度慢。温温度度时间时间PBMsAA1Mf钢的淬透性钢的淬透性v表表v心心v
50、心心钢钢件件表表层层得得到到M；而而心心部部只只能能获获得得部部分分M，甚甚至至完完全得不到全得不到M。2/11/2023137（1）淬透性淬透性定义定义 淬淬透透性性是是表表征征钢钢件件淬淬火火时时形形成成的的能能力力，或或者者说说表表征征钢钢件件淬淬火火时时所所能能得得到到的的淬淬硬硬层层的的深深度度。(与与钢钢中中过冷过冷A稳定性有关稳定性有关)2/11/2023138(2)工程定义工程定义由由钢钢件件表表面面向向里里到到半半组组织织（50%M）的的区区域域称称为为淬淬硬硬层层，其其深深度称淬硬层深度。度称淬硬层深度。2/11/2023139(3)淬硬性淬硬性在在正正常常淬淬火火情情况况