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1、金属工艺学金属工艺学（材料成形基础）（材料成形基础）白玉俊教授电话：电话：15168809019电子信箱：电子信箱：第1章工程材料导论第1节材料的力学性能力学性能：材料在外力（静载荷、动载荷、交变载荷）作用下，所表现出的性能。包括强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等,是选择、使用金属材料的重要依据。一、静载时材料的力学性能（一）静载拉伸试验塑性材料拉伸试验时的应力应变曲线拉拉伸伸试试样样的的缩缩颈颈现现象象拉伸过程拉伸过程拉伸曲线拉伸曲线分析分析1、弹性:金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能。力和变形同时存在、同时消失。应力:作用在单位面积上的力4P/d2(N/m
2、m2MPa)应变:单位长度上的伸长量L/L0(%)e弹性极限刚性:金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力2、强度:在外力作用下，材料抵抗塑性变形和断裂的能力。按作用力性质不同，可分为屈服点（屈服强度）、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。在工程上常用来表示金属材料强度的指标有屈服强度和抗拉强度。（1）屈服极限:1）屈服点当载荷增达到s点时，拉伸曲线出现了平台，即试样所承受的载荷几乎不变，但塑性变形不断增加，这种现象称为屈服。屈服点是指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力。用s表示。2）抗拉强度（强度极限）:材料承受最大载荷时的应力。b3、塑性:金属材料受外力作用时产生永久变形而不至于引
3、起破坏的性能。1）延伸率：L0试样原长，L1拉伸后长度2）断面收缩率：F0原截面，F1拉断后截面、越大，材料塑性越好4、条件屈服强度0.2脆性材料拉伸试验 有些材料在拉伸图中没有明显的水平阶段。为了衡量这些材料的屈服特性,规定产生永久残余变形等于一定值(一般为原长度的0.2%)时的应力,称为条件屈服强度或简称屈服强度0.2。屈服强度和抗拉强度在机械设计和选择、评定金属材料时有重要意义，材料不能在超过其s的条件下工作，否则会引起机件的塑性变形；更不能超过其b的条件下工作，否则会导致机件的破坏。5、硬度:材料抵抗更硬的物体压入其内的能力,是材料性能的一个综合物理量。表示材料在一个小的体积范围内抵抗
4、弹性变形、塑性变形或破断的能力。金属材料的硬度可用硬度仪来测试，常用的硬指标有布氏硬度、洛氏硬度等。（1）布氏硬度HB原理：用直径D的淬火钢球或硬质合金球,在一定压力P下,将钢球垂直地压入金属表面,并保持压力到规定的时间后卸荷,测压痕直径d.HB=P/F(N/mm2)单位一般不写 F-压痕面积.布氏硬度测试原理布氏硬度计布氏硬度计特点：布氏硬度因压痕面积较大，HB值的代表性较全面，而且实验数据的重复性也好，但由于淬火钢球本身的变形问题，不能测试太硬的材料，一般测HBS450以下的材料。由于压痕较大，不能进行成品检验通常用于测定铸铁、有色金属等材料的硬度。淬火钢球用于测定硬度HBS450的金属材
5、料,如灰铸铁、有色金属、低合金结构钢以及退火、正火和调质处理的钢材等。硬质合金球压头,它适用于测试HBW107 不疲劳破坏 疲劳曲线疲劳破坏原因:材料中的杂质,表面划痕,能引起应力集中（指受力构件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象）,导致微裂纹,裂纹扩展致使零件不能承受所加载荷突然破坏.第第2节节金属及其合金的结构与结晶金属及其合金的结构与结晶一、金属的晶体结构1晶体与非晶体 固体物质按其原子排列的特征，可分为晶体和非晶体。非晶体的原子作不规则的排列，如松香、玻璃、沥青等。晶体的原子则按一定次序作有规则的排列，如金刚石、石墨及固态金属和合金。性能差异：晶体具有一定
6、的凝固点和熔点，非晶体没有；晶体具有各向异性，非晶体各向同性等。采用骤冷的工艺可将一些特殊成分的液态金属制成非晶体金属。它没有通常的晶体结构、没有晶界、枝晶等，可以完全避免偏析，从而具有高的强度、硬度和一定的韧性，还有优异的耐腐蚀性。（晶体非晶体）2晶体结构的基础知识（1）晶格：把晶体中每个原子看成一个点，把这些点用直线连接起来，所形成的空间格子。（2）晶胞：能代表整个晶格中原子排列规律的最小单元。（3）晶格常数：晶胞中各棱边的长度及夹角简单立方晶格与晶胞示意图(a)晶体中原子排列(b)晶格(c)晶胞简单立方晶格与晶胞示意图原子在晶格中的位置关系可以用晶面和晶向来表示原子在晶格中的位置关系可以
7、用晶面和晶向来表示(4)晶向及立方晶系晶向指数晶向及立方晶系晶向指数晶向：晶向：通过原子中心的直线所指的方向通过原子中心的直线所指的方向晶向指数晶向指数:表示晶向的符号表示晶向的符号晶向指数标定方法：晶向指数标定方法：a.确确定定原原点点，建建立立坐坐标标系系，点点阵阵常常数数作作单单位位，过过原原点点作所求晶向的平行线；作所求晶向的平行线；b.求求直直线线上上任任一一点点的的坐坐标标值值,按按比比例例化化为为互互质质整整数数，加加方方括括弧弧。形形式式为为uvw中，负号记在上方中，负号记在上方。直线上两点坐标的矢量差直线上两点坐标的矢量差晶向指数特征：晶向指数特征：与原点位置无关；每一指数对
8、应一组平与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶向。行的晶向。晶向族：晶向族：指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向，指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向，是一组晶向的集合。用尖括号是一组晶向的集合。用尖括号表示表示。立方晶系常立方晶系常见晶向族见晶向族（5）晶面及立方晶系晶面指数）晶面及立方晶系晶面指数晶面：晶面：通过原子中心的平面通过原子中心的平面晶面指数晶面指数:表示晶面的符号表示晶面的符号晶面指数标定方法：晶面指数标定方法：a.确定原点，建立坐标系，确定原点，建立坐标系，点阵常数作单位点阵常数作单位；求；求晶面在三个坐标轴上的晶面在三个坐标轴上的截距。截距。b.取三个截距值的倒数取三
9、个截距值的倒数,按按比例化为互质的整数比例化为互质的整数,加圆括弧，形式为加圆括弧，形式为(hkl)，负号记在上方，负号记在上方。晶面指数特征：晶面指数特征：与原点位置无关；每一指数对应一组与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶面。平行的晶面。晶面族：晶面族：指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶面，指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶面，是一组晶面的集合。用大括号是一组晶面的集合。用大括号hkl表示。表示。立方晶系常立方晶系常见晶面族见晶面族3、常见的典型金属晶格晶格的致密度:晶胞中原子实际体积占整个晶胞体积的百分数。1)体心立方晶格:a=b=c，=90原子半径：原子半径：原子个数：原子个数
10、：2，配位数：，配位数：8，致密度：，致密度：0.68，常见金属：常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等体心立方晶胞模型；晶胞；晶胞原子数面心立方晶格:a=b=c，=90原子半径：原子半径：原子个数：原子个数：4，配位数：，配位数：12，致密度：，致密度：0.74常见金属：常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等面心立方晶胞模型；晶胞；晶胞原子数a42r=密排六方晶格:底面边长底面边长a，高，高c，c/a=1.633，原子半径：原子半径：原子个数：原子个数：6，配位数：，配位数：12，致密度：，致密度：0.74常见金属：常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等等密排六方晶胞模型；晶
11、胞；晶胞原子数a21r=密排密排面面数数量量密排方密排方向向数数量量体心立方体心立方晶格晶格11062/密密排面排面面心立方面心立方晶格晶格11143/密密排面排面密排六方密排六方晶格晶格六方六方底面底面1底面对底面对角线角线3/密密排面排面三种常见晶格的密排面和密排方向三种常见晶格的密排面和密排方向l原原子子密密度度最最大大的的晶面称晶面称密排面密排面l原原子子密密度度最最大大的的晶晶向称向称密排方向密排方向。5、金属的实际晶体结构（1）多晶体结构单晶体-晶体内部的晶格方位完全一致.多晶体由许多晶粒组成的晶体结构.各向同性.晶粒外形不规则而内部晶格方位一致的小晶体.晶界晶粒之间的界面.工业上
12、使用的金属都是由许多小晶体组成的多晶体。多晶体的晶粒和晶界示意图（2）晶体缺陷 金属晶体中，原子排列或多或少地存在偏离理想结构的区域，称为晶体缺陷。1）点缺陷晶体中的点缺陷空位；间隙原子；置换原子2）线缺陷：在晶体中，有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，即位错，用位错密度表示金属的位错密度为金属的位错密度为1041012/cm2晶体中刃型位错示意图透射电镜观察钛合金中的位错线透射电镜观察钛合金中的位错线高分辨率电镜观察刃位错高分辨率电镜观察刃位错高分辨率电镜观察刃位错高分辨率电镜观察刃位错（白点为原子）（白点为原子）（白点为原子）（白点为原子）3）面缺陷：表面、界面）面缺陷：表面、界面晶界
13、是不同位向晶粒的过渡部位，晶界是不同位向晶粒的过渡部位，宽度为宽度为510个原子间距。个原子间距。晶界的特点：晶界的特点：原子排列不规则。原子排列不规则。熔点低。熔点低。耐蚀性差。耐蚀性差。易产生内吸附，外来原子易易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。在晶界偏聚。阻碍位错运动，是金属强化阻碍位错运动，是金属强化部位，因而实际使用的金属力求部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。获得细晶粒。发生相变时优先形核部位发生相变时优先形核部位.晶界的过渡层结构示意图二、金属的结晶过程和同素异构转变1纯金属的结晶（1）结晶的概念：液态金属转变为固态晶体的过程（2）纯金属的冷却曲线To时间温度理论冷却曲线理论
14、冷却曲线实际冷却曲线实际冷却曲线T1结晶平台结晶平台(是由结晶潜热导致是由结晶潜热导致)过冷现象过冷现象过冷度过冷度T=T0T1过冷是结晶的必要条件。过冷是结晶的必要条件。2、纯金属的结晶过程纯金属结晶过程示意图液态金属温度降至熔点附近自发形核核心长大液态金属消失3、金属结晶后晶粒的大小（1）晶粒大小对金属力学性能的影响一般来说，晶粒愈细，金属的强度和硬度愈高，同时塑性和韧性也愈好。细化晶粒的途径1）增加过冷度：冷却速度愈大，过冷度愈大，形核数量愈多，晶粒愈细。2）变质处理：在实际生产中，通过向金属液中加入某些物质（称为变质剂），在金属液中形成大量分散的人工的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒
15、，这种处理方法称为变质处理。3）振动：对正在结晶的金属施以机械振动、超声波振动和电磁振动，均可使树枝晶尖端破碎而增加新的核心，提高形核率，使晶粒细化。4、金属的同素异构转变 一种金属能以几种晶格类型存在的性质，叫做同素异构性。固态金属随温度不同而改变其晶格类型的过程，称为金属的同素异构转变。因为钢铁发生同素异构转变,因而可以对钢铁进行热处理.铁的同素异构转变三、合金的晶体结构1合金的基本概念（1）合金：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。（2）组元：指组成合金的最基本的、能独立存在的物质。如化学元素(黄铜:二元)、金属化合物（3）合金系：指有相同组元，而成分比例不
16、同的一系列合金。（4）相：在金属或合金中，具有相同成分且结构相同的均匀组成部分。相与相之间有明显的界面。合金中常见的相有：液相、纯金属、固溶体和金属化合物。2合金组织（1）固溶体：溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的晶体。1）置换固溶体：溶质原子替代溶剂原子的某些位置，所形成的固溶体*溶质原子与溶剂原子直径相差不大时，才能置换，可形成无限固溶体：2）间隙固溶体：溶质原子嵌入溶剂晶格的空隙中形成固溶体。溶质原子小，与溶剂原子比为0.59。溶解度有限。固溶体的两种类型(a)置换固溶体(b)间隙固溶体3）固溶体的力学性能 不论形成置换固溶体还是间隙固溶体，由于溶质原子和溶剂原子大小不一，化学性
17、质也不尽相同，都造成固溶体的晶格畸变，导致固溶体的强度和硬度升高，即发生固溶强化。固溶体中溶质原子引起的晶格畸变示意图（a）正畸变（b）负畸变(a)(b)（2）金属化合物：合金各组成元素之间相互作用而生成的具有金属性质的物质，可用分子式表示。如Fe3C、WC特点：1）其晶格类型和性能不同于任一组元；2）一般具有更复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆；3）能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但降低合金的塑性。（3）机械混合物：固溶体+金属化合物、固+固综合性能好如：P-Fe+Fe3C四、二元合金相图1二元合金相图的建立及共晶相图相图的建立：（1）配置成分不同的合金；（2）作每个合金的冷却曲线找出临界点；（
18、3）将临界点标在温度成分坐标上；（4）并将相同意义的点连接起来。用热分析法测定Pb-Sb合金相图不同成分的Pb-Sb合金2二元合金相图的分析（1）共晶相图1)相图分析：点、线、区意义L（252）Pb+Sb在一定的温度下，由一定成分的液相中同时析出在一定的温度下，由一定成分的液相中同时析出两种成分和结构都不同的固相的过程，叫共晶转变两种成分和结构都不同的固相的过程，叫共晶转变2）合金的结晶过程共晶合金的结晶示意图（2）匀晶相图 凡是在液态和固态都能完全互溶、固态下又形成无限固溶体的二元合金，均形成二元匀晶相图。时间时间温度9070 50 30AB温度A温度第3节铁碳相图一、铁碳合金的基本组织与性
19、能1）铁素体（F F）：碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。由于-Fe晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最大溶碳量只有0.0218%（727）所以是几乎不含碳的纯铁。b=180230MPa HB=5080=3050%=7080%ak=156196Jcm-2 显微镜下观察，铁素体呈灰色并有明显大小不一的颗粒形状。2）奥氏体（A A）：碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。-Fe的溶碳能力较高，最大为2.11%（1148）。由于-Fe一般存在于7271394之间，所以奥氏体只出现在高温区域内。显微镜观察，奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结构，并有明显的界限。其=4050%，具有良好的塑性和低的变形抗力。是绝大多
20、数钢种在高温进行压力加工所需的组织。3）渗碳体（FeFe3 3C C）：铁与碳形成的稳定化合物。含碳量为6.69%HB=800，硬度很高，脆性极大，是钢中的强化相。显微镜下观察，渗碳体呈银白色光泽。渗碳体在一定条件下可以分解出石墨。4）珠光体（P P）：）：铁素体和渗碳体组成的共析体。珠光体的平均含碳量为0.77%，在727以下温度范围内存在。显微镜观察，珠光体呈层片状特征，表面具有珍珠光泽，因此得名。b=750MPa，HB=160180 较高，=2025%，=3040%适中5）莱氏体（LdLd）：）：是由奥氏体和渗碳体组成的共晶体。铁碳合金中含碳量为4.3%的液体冷却到1148时发生共晶转变
21、，生成高温莱氏体。合金继续冷却到727时，其中的奥氏体转变为珠光体，故室温时由珠光体和渗碳体组成，叫低温莱氏体。统称莱氏体。二、二、铁碳合金相图铁碳合金相图简化后的Fe-Fe3C状态图1Fe-Fe3C相图分析1）Fe-Fe3C相图中各特性点的含义见表。Fe-Fe3C相图中主要特性点2）Fe-Fe3C相图中特性线见表。简化的Fe-Fe3C相图中的特性线3）Fe-Fe3C相图相区分析共析转变：在一定的温度下，由一定成分的固相中共析转变：在一定的温度下，由一定成分的固相中同时析出两种成分和结构都不同的固相的过程同时析出两种成分和结构都不同的固相的过程2典型铁碳合金结晶过程分析（1）铁碳合金分类1）工
22、业纯铁:C0.0218%组织为F2）钢:0.02182.11%C亚共析钢：C0.77%P+Fe3C3）白口铸铁:2.11%6.69%C亚共晶白口铁：C4.3%Ld+Fe3C1简化后的Fe-Fe3C相图上几种典型铁碳合金位置示意图（2）典型铁碳合金结晶过程分析1）共析钢共析钢组织转变过程示意图共析钢组织转变过程示意图共析钢的显微组织2）亚共析钢亚共析钢组织转变过程亚共析钢的显微组织3)过共析钢过共析钢组织转变过程过共析钢组织4）共晶白口铁共晶白口铁组织转变过程共晶白口铁组织5）亚共晶白口铁亚共晶白口铁组织转变过程亚共晶白口铁组织6）过共晶白口铁过共晶白口铁组织转变过程过共晶白口铁组织三、铁碳合金
23、相图的应用1含碳量对铁碳合金组织和力学性能的影响规律（1）含碳量对平衡组织的影响（2）含碳量对力学性能的影响材料的组织结构决定其性能含碳量对钢的力学性能影响2铁碳相图的应用（1）合理选材（2）制定各种热加工工艺1）铸造生产：选择铸造合金成分和浇注温度的依据，共晶点附近铸造性能好2）锻造工艺：确定锻造温度的依据，锻造温度区间3）焊接工艺：研究焊缝区及近缝区组织和性能变化的理论依据，焊接缺陷用热处理改善.4）热处理工艺：根据状态图制定热处理工艺（3）Fe-Fe3C相图的局限性四、常用钢铁材料1钢的分类1）按化学成分:碳素钢:C2.11%少量Si、Mn、S、P等杂质（低碳钢C0.6%C）合金钢:加入
24、一种或几种合金元素2）按用途:结构钢、工具钢、特殊性能钢3）按质量:普通钢 S0.05%,P 0.045%优质钢 S,P 0.035%高级优质钢 S 0.02%P 0.03%2碳钢的编号和用途碳钢的编号和用途1)普普通通碳碳素素结结构构钢钢:C=0.09-0.33%，Mn=0.37-0.65%Si=0.30%，S0.035-0.05%，P0.035-0.045%Q235A数字表示屈服强度数字表示屈服强度单位单位MPaA、B、C、D表表示示质质量量等等级级，钢钢中中硫硫、磷磷含含量量依依次次降降低低，质质量量变好。变好。2)优优质质碳碳素素结结构构钢钢：C=0.08-0.85%Si=0.17-0
25、.37%S0.035%，P0.035%0810152025强强塑塑冲压件、冲压件、焊件焊件30354045505560强强硬硬弹簧，轴，齿轮弹簧，轴，齿轮、耐磨件、耐磨件6570758085耐磨件耐磨件数字表示含数字表示含C万分之几万分之几3)碳素工具钢：碳素工具钢：C=0.65-1.35%T7、T8、T10、T13数字表示含数字表示含C千分之几千分之几高级优质钢加高级优质钢加AT10A3 3 合金钢合金钢常加合金元素:Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、B、稀土元素等 1）合金结构钢：C=0.150.45%数字-元素符号-数字 符号后面数表示合金%,1.5%不标,=1.5%标2若为高
26、级优质钢,后加A如:40Cr 0.4%C,Cr1.5%18Cr2Ni4WA 0.18%C,2%Cr,4%Ni,1.5%W 高级优质 GCr15 1%C，1.5%Cr滚动轴承钢应用:工程结构件,机械零件。主要包括:低合金钢,合金渗碳钢,合金调质钢,合金弹簧钢,滚动轴承钢等2）合金工具钢:数字-元素符号-数字 与结构钢类似，数字一位数,含C千分之几,含C1.0%不标 9SiCr(板牙,丝锥)0.9%C 1.5%Si 1.5%Cr CrWMn(长铰刀,丝锥,拉刀,精密丝杠)*高速钢 含C1.0也不标 W18Cr4V 0.7-0.8%C,18%W,4%Cr,400工作 耐磨钢:高锰钢ZGMn13C=1
27、%左右，Mn=13%4铸铁（生铁）：C=2.114.3%分类：按C在铸铁中存在形式不同,可分三类:白口铸铁:C除微量溶于F外,全部以Fe3C形式存在,断面银白,硬,脆,难机械加工,很少用于制造零件.仅用于不受冲击的耐磨件。如轧辊 主要用途:炼钢原料.也可处理成可锻铸铁.灰口铸铁:碳以游离石墨形式存在，根据石墨的形态不同又分为普通灰口铸铁：石墨 片状球墨铸铁:石墨球状可锻铸铁:石墨团絮状蠕墨铸铁:石墨 蠕虫状麻口铸铁:石墨+莱氏体.属于白口铁和灰口铁之间的过渡组织,断口黑白相间,麻点，硬,脆,难加工按化学成分:普通铸铁、合金铸铁:Si4%Mn 2%或一定量的Ti Mo Cr Cu等1）灰口铸铁占
28、铸铁产品的80%以上显微组织:金属基体(铁素体,珠光体)+片状石墨相当于在钢的基体上嵌入大量的石墨片 机械性能:b低，塑性、韧性差 脆性材料 由于石墨的存在,减少了承载的有效面积.石墨片的边缘形成缺口,应力集中,局部开裂,形成脆性断裂,基本强度只利用30-50%灰口铁的机械性能与金属基体类别有关(1)珠光体灰口铁:珠光体基体上分布细小,均匀的石墨.石墨对基体割裂较轻,故机械性能好.如齿轮(2)珠光体铁素体灰口铁:强度低，适于一般机件,铸造性,切削加工性,减振性,均优于前者.如齿轮箱(3)铁素体灰口铁：强度硬度低，塑、韧性差灰口铸铁牌号:HT+三位数HT250：抗拉强度为250MPa的灰口铁铸铁
29、的组织和性能与石墨化程度有关.*影响石墨化的主要因素:1)化学成分:C石墨化；Si石墨化(1)C、Si过高，形成铁素体灰铁，强；过低,易形成硬脆的白口组织,并给熔化和铸造增加困难.合理含量:C=2.54.0%,Si=1.03.0%(2)S石墨化FeS热脆易形成白口。控制在0.15%以下.(3)Mn石墨化合理含量:0.51.4%少量:Mn+SMnS,Mn+FeSFe+MnS,MnS比重小，进入溶渣。Mn溶于F，提高基体强度。过多:阻止石墨化.(4)P对石墨化影响不大，过多引起冷脆。合理量0.3%以下2)冷却速度冷却速度加快，阻碍石墨化。灰口麻口白口灰口铸铁相关性能工艺性能:脆性材料，不能锻压;可
30、焊性差(易裂纹,焊区白口,难加工)铸造性能好(缺陷少);切削性能好(石墨,崩碎切屑)减振性好:石墨有缓冲作用，阻止振动能量传播。机床床身等耐磨性好：石墨是固态润滑剂，脱落在磨擦面上；灰口铁摩擦面上形成大量显微凹坑，能储存润滑油，使摩擦面上保持油膜连续。导轨、衬套、活塞环等缺口敏感性低：石墨在基体上形成大量的缺口，外来缺口(键槽,刀痕)对灰口铁的疲劳强度影响甚微，提高了零件工作的可靠性。灰口铁的孕育处理(变质处理)：通过向低含碳量的铁液中冲入孕育剂，促使铸铁形成细小石墨且基体晶粒得到细化的方法。冷却速度对组织和性能影响较小 加入许多外来质点,增加石墨结晶核心,得到珠光体灰铁,石墨片细化,提高灰口
31、铁的强度,硬度 孕育铸铁(又叫变质铸铁),适于较高强度,高耐磨性,气密性铸件 常用孕育剂:含Si75%的硅铁,加入量为铁水的0.250.6%.冲入孕育剂.与Si对石墨化影响一致2)球墨铸铁铁水中加入球化剂（稀土镁合金,使石墨呈球状析出）,孕育剂（硅铁75%Si，促进石墨化,防白口.使石墨细化,分布均匀）球铁的组织：铁素体球铁:塑性,韧性高珠光体球铁:强度,硬度高铁素体+珠光体球铁:性能介于上两者之间球墨铸铁牌号:QT+三位数-数字 QT600-3 b=600MPa，=3%性能：强度 塑性韧性远远超过灰铁 铸造性,减振性,切削性,耐磨性等良好热处理性能好(退火,正火,调质等)应用:受力复杂,负荷
32、较大的重要零件，如：柴油机、汽车及拖拉机的曲轴、凸轮轴、中压阀门、压缩机的曲轴、连杆等。铸造工艺比铸钢简单,成本低,性能好,可替代许多铸钢,可锻铸铁件3)可锻铸铁可锻铸铁又称玛铁或玛钢又称玛铁或玛钢,实际并不可以锻造实际并不可以锻造白口白口铸铸铁经长时间石墨化退火而成的一种铸铁铁经长时间石墨化退火而成的一种铸铁组织组织：石墨呈团絮状石墨呈团絮状性性能能：介介于于灰灰口口铸铸铁铁和和球球墨墨铸铸铁铁之之间间，抗抗拉拉强强度度较较高，高，塑塑性、性、韧性韧性较好较好牌号及应用牌号及应用:KTH(KTZ)+3:KTH(KTZ)+3位数位数+2+2位数位数b b，KTHKTHF F基基体体 黑黑心心具
33、具有有一一定定的的强强度度和和较较高高的的韧韧性性。用用于于制制造造承承受受冲冲击击和和振振动动的的零零件件。例例：弹弹簧簧钢钢板板支支座、机床上用的把手、座、机床上用的把手、农农机零件和建筑用扣件等。机零件和建筑用扣件等。KTZ-PKTZ-P基基体体强强度度高高、硬硬度度高高、耐耐磨磨性性好好。用用于制造于制造铸铸造曲造曲轴轴、凸、凸轮轴轮轴、连连杆及杆及齿轮齿轮重要零件。重要零件。定义：把钢在固态下加热到一定温度，进行必要的保温，并以适当的速度冷却到室温，以改变钢的内部组织，从而得到所需性能的工艺方法。目的：（1）消除毛坯中的缺陷，改善工艺性能，为切削加工或热处理做组织和性能上的准备。预先
34、热处理。（2）提高金属材料的力学性能，充分发挥材料的潜力，节约材料,延长零件使用寿命。最终热处理。分类：第4节 钢的热处理退火：完全退火、球化退火、去应力退火等正火：淬火：回火：低温回火、中温回火、高温回火普通热处理普通热处理表面热处理表面热处理表面淬火：火焰加热、感应加热、激光加热化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗其它金属或非金属、多元共渗一、钢在加热时的组织结构转变1 奥氏体的形成 大多数热处理工艺需要将钢加热到临界温度以上（A区域），加热转变主要包括A的形成和晶粒长大两个过程。钢在实际加热和冷却时的临界点1）奥氏体的形成）奥氏体的形成:以共析钢为例（以共析钢为例（C=0.77%）(1)
35、A晶核形成:F和Fe3C界面上先形成A晶核.结构、成分、能量(2)A晶核长大:F晶格转变,Fe3C不断溶入A,A晶核不断生成,长大.F转变快,先消失.(3)残余渗碳体的溶解:随保温时间加长,残余Fe3C逐渐溶入A(4)A成分均匀化:A转变完成后,各处C浓度不均匀,继续保温,C充分扩散,得到单一的均匀A珠光体向奥氏体转变过程示意图珠光体向奥氏体转变过程示意图亚共析钢亚共析钢:F+PAc1F+AAc3A过共析钢过共析钢:P+Fe3CAc1A+Fe3CAccmA(晶粒粗晶粒粗化化)2、影响奥氏体形成的因素：（1）温度：温度越高，原子扩散能力越大，加速奥氏体形成。（2）原始组织：原始组织越细，相界面越
36、多，奥氏体形核位置愈多，碳原子的扩散距离也越短，加速奥氏体形成。（3）钢的成分：含碳量增加，F和Fe3C相界面越多，加速奥氏体形成。（4）合金元素：加入合金元素后不改变A形成的基本过程，但会减缓A的形成速度3、奥氏体晶粒的长大（粗化）随着温度的升高，奥氏体晶粒会逐渐长大。晶粒度：表示晶粒大小的尺度。分为十个等级。一级最粗，十级最细。粗大的A晶粒冷却后得到粗大的晶粒组织力学性能和工艺性能差合理选择加热温度和保温时间。二、钢在冷却时的组织转变 钢在室温时的力学性能，不仅与加热、保温后获得的A晶粒大小有关，而且决定于A冷却转变后所获得的组织。A钢冷却至室温有两种方式：（1）连续冷却:使奥氏体化后的钢
37、，在温度连续下降的过程中发生组织转变。水冷、油冷、炉冷、空冷。（2）等温冷却：将奥氏体化后的钢迅速冷却到A1以下某一温度，恒温停留一段时间，在这段保温时间内发生组织转变，然后再冷却下来。1、过冷A的等温转变（以共析钢为例）等温转变曲线：进行一系列不同过冷度的等温冷却实验,可以测出过冷奥氏体在恒温下开始转变和转变终了的时间,绘到”温度时间”坐标系中,把开始转变的时间和转变终了的时间分别连接起来,即得到共析钢的奥氏体等温转变曲线，又叫C曲线.共析碳钢共析碳钢TTT曲线建立过程示意图曲线建立过程示意图时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度(
38、)0400A1共析碳钢共析碳钢TTT曲线的分析曲线的分析稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过过冷冷奥奥氏氏体体区区A向产向产物转变开始线物转变开始线A向产物向产物转变终止线转变终止线A+产产物物区区产产物物区区A1550;高温转变区高温转变区;扩散型转变扩散型转变;P转变区。转变区。550230;中温转变中温转变区区;半扩散型转变半扩散型转变;贝氏体贝氏体(B)转变区转变区;230-50;低温转低温转变区变区;非扩散型转变非扩散型转变;马氏体马氏体(M)转变区。转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf高温转变产物(扩散
39、型转变,Fe、C原子都能扩散)：珠光体P共析钢A过冷到723550之间A等温转变产物属于P型组织。A1650:珠光体珠光体P;片间距为片间距为0.60.7m525HRC;650600:细片状细片状P-索氏体索氏体S;片间距为片间距为0.20.4m;2536HRC;600550:极细片状极细片状P-屈氏体屈氏体T;片间距为片间距为0.2m;3540HRC。珠光体形成过程示意图Fe3C中温转变产物(半扩散型转变,Fe原子不能扩散,C原子有一定扩散能力)：贝氏体BA在550-230保温发生贝氏体型转变B上上:550350,4045HRC,短杆状渗碳体不连续短杆状渗碳体不连续分布于许多平行而密集的铁素
40、体条之间。分布于许多平行而密集的铁素体条之间。B上上=过饱和碳过饱和碳-Fe条状条状+Fe3C细条状细条状过饱和碳过饱和碳-Fe条状条状Fe3C短杆状短杆状羽毛状羽毛状上贝氏体组织金相图上贝氏体组织金相图下贝氏体：下贝氏体：350230，5060HRC渗碳体以细渗碳体以细小颗粒分布于针状铁素体内。小颗粒分布于针状铁素体内。B下下=过饱和碳过饱和碳-Fe针叶状针叶状+Fe3C细片状细片状过饱和碳过饱和碳-Fe针叶状针叶状Fe3C细片状细片状针叶状针叶状下贝氏体组织金相图下贝氏体组织金相图低温转变产物：马氏体M（碳在-中的过饱和固溶体）230-50M+残余A。马氏体转变低碳马氏体低碳马氏体(0.2
41、%C)：板条状，：板条状，3050HRC;=917%低碳板条状马氏体组织金相图低碳板条状马氏体组织金相图高碳针片状马氏体组织金相图高碳针片状马氏体组织金相图高碳马氏体高碳马氏体(1%C)：针、片状：针、片状,66HRC左右左右;1%2 2 过冷过冷A的连续冷却转变的连续冷却转变连续冷却过程中可能发生几种转变，很复杂。共析钢连续冷却，只有珠光体转变区和马氏体转变区。当连续冷却速度达到某一值时，冷却曲线与C曲线相切，不发生珠光体转变，而在低温区发生马氏体转变，通常称为临界冷却速度。冷速小时，得到珠光体与马氏体混合组织，更小时，得到珠光体组织。Vk时间(lg)温度A1PfPsA+PKMsMf水冷水冷
42、油冷油冷Vk1炉冷炉冷空冷空冷共析碳钢共析碳钢连续冷却连续冷却曲线曲线三、钢的热处理1、钢的退火 将钢加热到一定温度,保温一定时间,随后在炉内缓慢冷却,以获得接近平衡组织的热处理方法。（1）完全退火：将亚共析钢加热到Ac3以上3050,保温一定时间后,缓慢冷却以获得接近平衡状态组织(P+F)的热处理工艺.完全退火工艺曲线目的：细化晶粒，均匀组织，提高塑韧性，消除内应力，便于机械加工。应用：亚共析钢的铸件、锻件、焊件（2）不完全退火将共析钢或过共析钢加热到Ac1以上2030,适当保温,缓慢冷却的热处理工艺，又叫球化退火.目的:使珠光体组织中的片状渗碳体转变为粒状或球状,以降低硬度,改善切削加工性
43、，并为以后淬火做准备，减小变形和开裂的倾向.应用:共析钢,过共析钢(球化退火)球化退火组织球化退火组织（3）等温退火将钢件加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1(共析钢或过共析钢)以上,保温后较快地冷却到稍低于Ar1的温度,再等温处理,A转变成P后,出炉空冷.目的:节省退火时间,得到更均匀的组织（4）去应力退火 将钢加热到Ac1以下某一温度(约500650)保温后缓冷.(又叫低温退火)目的:消除内应力应用:铸件,锻件,焊件*不发生相变和重结晶.其它：再结晶退火：加热650750,保温,发生再结晶,消除加工硬化 扩散退火：均匀化退火,高温进行，消除铸件中的偏析2 钢的正火将钢件加热到Ac3(亚)或Ac
44、cm(过共)以上3050,保温,空冷*正火作用与退火相似,区别是正火冷速快,得到非平衡的珠光体组织,细化晶粒,效果好,能得到片层间距较小的珠光体组织.目的:1 提高机械性能 2 改善切削加工性 3 为淬火作组织准备退火和正火的加热温度范围3 钢的淬火将钢件加热到Ac3(亚)或Ac1(过)以上30-50,经过保温,然后在水或油中迅速冷却,以获得以获得马氏体组织的一种热处理工艺.目的:提高硬度,耐磨性应用:工具,模具,量具,滚动轴承.淬透性:钢在淬火时具有获得淬硬层深度的能力.淬硬性：淬火后所达到的 最高硬度,取决于M中的 碳含量.碳钢的淬火加热温度范围4 钢的回火将淬火后的钢加热到Ac1以下某一
45、温度,保温一定时间后，冷却到室温的热处理工艺.目的:消除淬火产生的内应力,降低脆性,使钢具有韧性,防止变形,开裂,调整机械性能.（1）低温回火:加热温度150250组织:回火马氏体过饱和度小的-固溶体,片状上分布细小-碳化物目的:消除内应力,硬度不降.HRC5864应用:量具,刃具低碳钢:高塑性,韧性,较高强度配合（2）中温回火:加热温度 350500组织:极细的球(粒)状Fe3C和F机械混合物.(回火屈氏体)目的:减少内应力,提高弹性,硬度略降.应用:(0.450.9%)弹簧,模具 高强度结构钢（3）高温回火:500650组织:回火索氏体较细的球(粒)状Fe3C和F机械混合物.目的:消除内应
46、力,较高韧性,硬度更低.应用:齿轮,曲轴,连杆等(受交变载荷)淬火+高温回火-调质处理45钢的回火组织四、金属材料的微观组织检测1、金相显微镜2、电子显微镜扫描电镜透射电镜高分辨电镜场发射扫描电镜场发射透射电镜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钢灰口铸铁的组织：灰口铸铁的组织：F+G、F+P+G、P+G基体不同的球墨铸铁(a)铁素体基体（b）珠光体基体基体不同的可锻铸铁(a)铁素体基体(b)珠光体基体珠珠光光体体形形貌貌像像光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌光镜形貌电镜形貌索索 氏氏 体体 形形 貌貌 像像 屈屈 氏氏 体体 形形 貌貌 像像电镜形貌光镜形貌