金属材料及热处理基础知识.pptx

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1、第1页/共133页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第2页/共133页静载单向静拉伸应力应变曲线 1I(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2II(bcd)段屈服变形c:屈服点Ps3III(dB)段均匀塑性变形B:Pb材料所能承受的最大载荷4IV(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：第3页/共133页材料的强度材料所能承受的极限应力.单位:MPa(N/mm2)=P/Fo 表示材料抵抗变形和断裂的能力1抗拉强度 b=Pb/Fo材料被拉断前

2、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s和条件屈服强度0.02a:s=Ps/Fo （s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:0.02条件屈服强度3疲劳强度-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。第4页/共133页塑性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dKIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。KIKIC时，裂纹处于临界状态KI伸长量，O，变形恢复；-伸

3、长量，原子间结合力时，拉断。正应力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；c（临界切应力），-变形量，O，变形恢复；c，发生滑移，产生永久塑性变形。第26页/共133页第27页/共133页滑移与位错 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

4、方向多于BCC。金属塑性如Cu（FCC）Fe（BCC）Zn（HCP）。第28页/共133页b.滑移时晶体的转动外力错动力偶使滑移面转动滑移面拉伸轴。以滑移面的法线为转轴的转动滑移方向最大切应力方向。第29页/共133页（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。第30页/共133页（3）滑移和孪生：1.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。2.孪生借助于切变

5、进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生.FCC金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生。.BCC金属仅在室温或受冲击时发生。.HCP金属较容易发生孪生。3.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 4.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。第31页/共133页2、多晶体的塑性变形（1）影响多晶体塑性变形的因素1.晶粒位向：晶粒位向不一致2.晶界：.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。.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。（

6、2）细晶强化Hall-Pitch关系：s=0+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。第32页/共133页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

7、度强度、硬度 第33页/共133页意义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第34页/共133页2纤维组织晶粒拉长，纤维组织各同异性第35页/共133页3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，晶粒畸变第36页/共133页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

8、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 温度TD晶界迁移长大 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第37页/共133页铁 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第38页/共133页铁 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。

9、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。第39页/共133页第40页/共133页第41页/共133页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。第42页/共133页铁 素 体碳溶解于a-Fe中所形成的间隙固溶体称为“铁素体”

10、，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。第43页

11、/共133页奥 氏 体碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体称为奥氏体，以符号A表示。由于-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-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。第44页/共133页渗 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。

12、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。第45页/共133页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

13、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。Fe3C3Fe+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。第46页/共133页工业纯铁（C%0.0218%）第47页/共133页共析钢C%=0.77%第48页/共133页亚共析钢0.0218%C%粒状第52页/共133页奥氏体晶粒度第53页/共133页1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

14、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第54页/共133页3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促进长大第55页/共133页过冷奥氏体的等温转变第56页/共133页第57页/共133页高温转变区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。T6000C，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。TH

15、B，强度第58页/共133页中温区转变，贝氏体转变550230（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。550 350上贝氏体半扩散型，Fe不扩散羽毛状碳化物在F间，韧性差350MS下贝氏体C原子有一定的扩散能力针状碳化物在F内，韧性高，综合机械性能好第59页/共133页低温区转变马氏体转变MSMf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-Fe中的过饱和固溶体。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，无扩散性；瞬时性；存在Ms,Mf；不完全性；体

16、积膨胀。第60页/共133页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第61页/共133页影响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,

17、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。第62页/共133页 除第63页/共133页过冷奥氏体的连续冷却转变图PS：AP开始线Pf：AP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最大冷速第64页/共133页(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

18、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。第65页/共133页退火-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。第66页/共133页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第67页/共133页1完全退火加热温度：Ac3以上20-30度组织：P+F目的：细化，均匀化粗大、不均匀组织接近平衡组织调整硬度切削性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，

19、共析钢组织：球状P（F+球状Cem）目的：使Cem球化HRC，韧性切削性为淬火作准备第68页/共133页3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第69页/共133页正火（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

20、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)改善切削加工性能第70页/共133页退火、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 返修件退火第71页/共133页淬火加热到AC3、AC1相变温度以上，保温，快速冷却M+A1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、保温亚共析钢 Ac3+3050共析钢Ac1+3050过共析钢 Ac

21、1+3050保留一定的CemHRC，耐磨性A中C%M中C%M脆性A中C%M过饱和度残余A第72页/共133页3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，减轻相变应力第73页/共133页钢的淬透性1淬透性：淬火条件下得到M组织的能力，取决于VK2淬硬性：钢在淬火后获得硬度的能力，取决于M中C%，C%淬硬性第74页/共133页3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C%亚共析钢 C%淬透性，过共析钢 C%淬透性。奥氏体化温度 Tt淬透性合金元素除Co%以外，C曲线右

22、移，淬透性未溶第二相淬透性第75页/共133页回火回火目的a.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、韧性第76页/共133页a.马氏体分解(800C-3000C)析出碳化物（亚稳定）回火组织为:过饱和固溶体+亚稳定碳化物(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200-3000CAMc.碳化物的聚集长大2800C碳化物Fe3C片细粒状Fe3Cd.铁素体的回复与再结晶钢在回火时的组织转变第77页/共133页回火组织（1）回火马氏体 M 1500C-3500C回火 极细的碳化物和低过饱和度固溶体，形态基 本不变（2）

23、回火屈氏体T350-5000C 马氏体形F+细粒状Fe3C（3）回火索氏体S500-6000C 再结晶等轴F+粗粒状Fe3C（4）球状P6500CAC1 粗大球状Fe3C+F第78页/共133页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。

24、第79页/共133页第80页/共133页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）达到峰值第81页/共133页增大回火脆性 回火脆性：指随回火温度升高时，在250400和450-650两个区出现冲击韧性明显下降的脆化现象。第82页/共133页回火工艺及其应用回火类型回火温度组织组织形态性能及应用低温回火150250回火M（M）过和-Fe+碳化物保持高硬度，降低脆性及残余应力，用于工模具钢

25、，表面淬火及渗碳淬火件中温回火350500回火屈氏体（T）保留马氏体针形F+细粒状Fe3C硬度下降，韧性、弹性极限和屈服强度，用于弹性元件高温回火500650回火索氏体（S）多边形F+粒状Fe3C强度、硬度、塑性、韧性、良好综合机械性能，优于正火得到的组织。中碳钢、重要零件采用。淬火高温回火调质第83页/共133页感应加热表面淬火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30-40KHz3钢种：中碳钢

26、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）第84页/共133页渗碳AC3以上；9009500C，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)低温回火喷丸磨削第85页/共133页1、直接淬火：奥氏体晶粒大

27、，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30-500C3、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30-500C第86页/共133页氮化（含AlCr,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.常用氮化钢材料牌号表面硬度HV材料牌号表面硬度HV25Cr2MoV65038CrMoAlA85025Cr2Mo1V6501Cr1365035CrMoA6002Cr1365040CrA6501Cr11MoV650第87页/共133页碳 钢碳钢

28、中的杂质碳钢的分类碳钢的牌号及作用第88页/共133页碳 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+SMnS(降低S的有害作用)热加工性能 固溶强化；使性能更优；2Si 有益 脱氧脆性 固溶强化3硫有害985（Fe+FeS）热脆 加入MnMnS4 磷有害Fe3P 室温下100，脆性大冷脆5O、N、HO2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，有害第89页/共133页二、碳钢的分类1碳含量(低碳钢C%0.25%、中碳钢0.25C%0.6%）2质量(S、P杂质含量)碳钢、优质碳素钢、高级优质碳素

29、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Q235A2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 0.651.35C%，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,T124铸钢 “ZG”加强度等级表示，如：ZG230450，ZG270500第90页/共133页合 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第91页/共133页合

30、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、特殊性能钢不锈钢第92页/共133页一、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,V1.5%.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%第93页/共133页二、合金元素在钢中的方式1Me在钢中的存在方式1）形成固

31、溶体（1）扩大相区元素（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,Ti2）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,Si第94页/共133页三、Me对铁碳相图的影响第95页/共133页第96页/共133页1影响A和F存在的范围Mn，Ni扩大相区，扩大A存在的区域1Cr18Ni9和ZGMn13，室温下单相ACr，Ti，Si缩小相区均缩小A存在区域1Cr17Ti高铬铁素体不锈钢2使S、E点大大左移扩大相区元素，使A1

32、下降缩小相区元素，使A1上升第97页/共133页四、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.固溶强化第98页/共133页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主要强化元素第99页/共133页b.细晶强化 Nb，V，Al，Ti晶界阻碍位错运动强化第100页/共133页c.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。第101页/共133页2钢的强化a.淬火 AM1）过饱和C和Me2）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

33、透性2）提高回火稳定性3）固溶强化第102页/共133页提高韧性的途径（1）细化晶粒 Ti,V,Nb,AlTiC,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第103页/共133页低合金高强钢成分特点与合金化原则低C:0.2%ME以Mn为主、Mn和Si固溶强化加入V,Nb,Ti等元素细化F晶粒和细化k而沉淀强化加入P细化珠光体加入Cu抗腐蚀性能特点高强度:s300MPa高韧性良好焊接性能和冷成形性能使用态组织P细F典型钢号及其应用按s分6级:低强度级别:16Mn一般工

34、程结构中等强度级别:15MnVN大型桥梁,锅炉,船舶,焊接结构.高强度级别:18MnMoNb高压锅炉,高压容器热处理特点一般供应状态(热轧空冷)下直接使用,不热处理焊接结构可进行一次正火,改善焊区性能第104页/共133页合金渗碳钢成分特点与合金化原则低C:0.1%0.25%加入提高淬透性元素Cr,Ni,Mn,B加入Mo,W,V,Nb,Ti等阻碍A晶粒长大和形成提高耐磨性限制Mn,Cr含量,降低渗层ANi增加渗层塑、韧性性能特点渗层硬度高,耐磨,抗接触疲劳,且有适当塑性,韧性心部高韧性和足够强度良好的热处理工艺性能使用态组织表层：MA心部：淬透，低C的M未淬透，TMF(少量)典型钢号及其应用低

35、淬透性:20Cr,15Cr冲击载荷小的耐磨件,如小轴,活塞销,小齿轮.中淬透性:20CrMnTi有良好的力性和工艺性能,适合高速较高载有冲击的耐磨件,如重要齿轮,连轴器,十字销头.高淬透性:18Cr2Ni4WA适合重载大截面重要耐磨件,如柴油机曲轴,连杆热处理特点一般渗碳前:正火。渗碳后进行:一次(二次)淬火直接淬火对重要零件,为减少A进行尺寸稳定化处理(如冷处理)最后进行:低温回火第105页/共133页合金结构钢成分特点与合金化原则中C：0.25%0.50%以0.4左右为主加入提高淬透性元素Cr,Ni,Mn,Si,B加入Mo,W消除回火脆加入强形成元素提高回火稳定性和细化晶粒Ni,Si,Mn

36、可强化性能特点高水平综合机械性能,能满足多种和较复杂的工作条件使用态组织 S典型钢号及其应用低淬透性:40Cr,40MnB一般尺寸重要零件,如齿轮,主轴中淬透性:35CrMo截面尺寸较大零件,如曲轴,连杆.高淬透性:37CrNi3适合大截面重载重要零件,如汽轮机主轴和叶轮热处理特点 一般:油淬+高温回火。调质后:表面淬火;专门化学热处理(如氮化)(38CrMoAl氮化钢)第106页/共133页合金弹簧钢成分特点与合金化原则中高C:0.45%0.70%加入Si,Mn为主要元素:提高淬透性也提高屈强比加入Cr,W,V也提高淬透性加入Si-Cr不易脱C加入Cr-V细化晶粒,耐冲击,高温强度好性能特点

37、高e和s,高屈强比高疲劳抗力足够塑韧性,能承受震动,冲击有较好淬透性,不易脱C,易绕卷成形使用态组织T典型钢号及其应用以Si,Mn合金化:65Mn,60Si2Mn用于汽车,拖拉机,机车的板簧和螺旋弹簧以Cr,V,W合金化:50CVA350400以下重载,较大型弹簧,如高速柴油机气门弹簧.热处理特点热成形法制弹簧热轧钢丝钢板卷弯曲成型淬火+中温回火喷丸冷成形法制弹簧钢丝钢板淬火+中温回火冷卷弯曲成型去应力喷丸第107页/共133页滚珠轴承钢成分特点与合金化原则高C:0.95%1.10%Cr为基本元素:提高淬透性;细化;提高耐磨性和接触疲劳抗力;增加%加入Si,Mn提高淬透性;加入V耐磨性,防止过

38、热纯度要求极高GCr15中含C%1.5%性能特点高接触疲劳强度高硬度和耐磨性足够的韧性和淬透性一定耐蚀能力和良好尺寸稳定性使用态组织M细少量A典型钢号及其应用Cr轴承钢:GCr15中小型轴承,冷冲模,量具,丝锥.添加Mn,Si,Mo,V的轴承钢:GCr15SiMo,GSiMnMoV制造大型轴承.热处理特点正火:消除Cem网球化退火:便于切削,使细小均匀,为淬火作准备淬火:细针M+A冷处理:(精密零件)尺寸稳定回火:低温回火时效:120140,1020h去应力,稳定尺寸第108页/共133页合金工具钢低合金刃具钢成分特点与合金化原则高C:0.9%1.1%加入Cr,Mn,Si提高淬透性加入Si提高

39、回火稳定性加入W,V提高耐磨性加入W,V细化晶粒性能特点高硬度:HRC60高耐磨性高热硬性足够塑性和韧性使用态组织 M合金少量A典型钢号及其应用Si-Cr系:9SiCr如,板牙,丝锥,冷冲模,木工工具,低速切削刃具Cr系:Cr,Cr06如,样板,铰刀,插刀,剃刀,刀片,刮刀,锉刀等.Cr-W-Mn系:CrWMn如拉刀,冲模,样板,量规W和Cr-W系:W,W2,CrW小麻花钻,低速切削刃具热处理特点 球化退火机加工淬火低温回火第109页/共133页合金工具钢高速钢成分特点与合金化原则高C:0.7%1.5%加入Cr提高淬透性加入W,Mo提高热硬性加入V提高耐磨性性能特点高硬度:HRC60高耐磨性高

40、热硬性足够塑性和韧性使用态组织 M合金少量A典型钢号及其应用W系:W18Cr4VW-Mo系:W6Mo5Cr4V2W2Mo9Cr4Co8(M42)作高速切削刃具铸造组织有鱼骨状共晶热处理特点 退火1270淬火560580回火(三次)：若冷处理只需一次回火第110页/共133页不锈钢1抗腐蚀原理.金属腐蚀的方法(化学腐蚀、电化学腐蚀).金属腐蚀破坏的方式:均匀腐蚀晶间腐蚀电腐蚀应力腐蚀腐蚀疲劳c.金属抗腐蚀的原理：单相组织原电池形成可能性、金属电极电位抗腐蚀；电极电位差、阳极电极电位；表面保护膜钝化第111页/共133页2.不锈钢的合金化原理：含C量尽可能低；加入Crn/8定律含量12.5%电极电

41、位跃升(如M不锈钢)；含Cr量12.7%单相F(如F不锈钢)；加入Ni 单相A或F+A(如A不锈钢)；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.AF不锈钢 1Cr12Ni5Ti 化工设备、热交换器第112页/共133页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第113页/共133页铝及铝合金的特性（1）比重小，比强度高；纯铝=2.7g/cm3（2）优良的物理、化学性

42、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;iiii铸造铝合金铸造性能极好。第114页/共133页铝及其合金的分类与牌号：（一）高纯铝（Fcc）LG1,LG2,LG3,LG4,LG5,由15，Al的含量由99.8599.99%.（二）工业纯铝：L6,L5,L4,L3,L2,L1,由61，Al的含量由98.899.7%.（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

43、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）第115页/共133页铝合金的强化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100200一定时间保温后，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。第116页/共133页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

44、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第117页/共133页铜及铜合金的特性（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。第118页/共133页铜及其合金的分类与牌号：(一)紫铜（纯铜）：F

45、cc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13，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%)第119页/共133页(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：s220 N/mm2 b300N/mm2,5 55%,形变强化后 b660N/mm2，5 30

46、%。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。第120页/共133页（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：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。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。第1

47、21页/共133页铜合金选用原则：（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。第122页/共133页钛及钛合金 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以下为钛，是密排六方晶格；882.5以上为钛，是体心立方晶

48、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-Ti中形成固溶体，溶入-Ti中，形成固溶体。钛合金按其退火状态的组织可分为：型钛合金、型钛合金、（+)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。第123页/共133页三、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：650850退火，可去加工硬化；450650可去内应力。（许多钛合金以退火状态供货。2、淬火、时效处理：

49、钛合金通过淬火得相（亚稳定相），再经400600时效，可析出弥散相，从而使提高，但塑性下降。型钛合金不能通过热处理强化。第124页/共133页材料选用原则 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第125页/共133页使用性能原则-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。第126页/共133页受力状况载荷的类型（

50、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。第127页/共133页2.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。零件 工作条件 常用失效形式 性能要求 应力种类 载荷性质 受载状态 螺栓 拉、剪 静载 过量变形，断裂 强度，塑性 传动轴 弯、扭 循环，冲击 轴颈摩擦 疲劳断裂，过量变形，轴颈磨损 综合力学性能 传动齿轮 压、弯