金属工艺学邓文英版

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1、第一篇第一篇.金属材料导论金属材料导论第二章第二章 铁碳合金铁碳合金第一章第一章 金属材料的主要性能金属材料的主要性能第三章第三章 钢的热处理钢的热处理零件的生产工艺过程零件的生产工艺过程选材选材选毛坯选毛坯预先热处理预先热处理机械加工机械加工最终热处理最终热处理检验检验 应根据零件的性能要求、受载情况、服役条应根据零件的性能要求、受载情况、服役条 件、件、工作环境等：工作环境等：其中选材：其中选材：金属材料种类繁多，性能不一，而且材料的发展日金属材料种类繁多，性能不一，而且材料的发展日新月异，而零件的性能要求、服役条件各不相同，再加上材料的新月异，而零件的性能要求、服役条件各不相同，再加上材

2、料的资源、价格等多方面考虑。资源、价格等多方面考虑。绪论绪论毛坯选择毛坯选择机械加工方法机械加工方法轴轴车削车削传统的有传统的有现代的有现代的有有液态成形毛坯有液态成形毛坯塑性成形毛坯塑性成形毛坯连接成形毛坯连接成形毛坯粉末冶金成形粉末冶金成形型材等毛坯型材等毛坯车削、刨车削、刨 削、铣削削、铣削拉削、镗削、磨削等拉削、镗削、磨削等数控加工、电火花数控加工、电火花加工、激光加工等加工、激光加工等特种加工方法特种加工方法 一个具体零件的加工往往可用多种不同的加工方法，一个具体零件的加工往往可用多种不同的加工方法，而每种加工方法所能达到的加工精度、加工质量、加工而每种加工方法所能达到的加工精度、加

3、工质量、加工范围、加工效率是不同的。因此，必须制定一个科学、范围、加工效率是不同的。因此，必须制定一个科学、合理和有效的加工方法来完成零件的加工，以保证零件合理和有效的加工方法来完成零件的加工，以保证零件的加工优质、高效。这样，就产生了金属工艺学。的加工优质、高效。这样，就产生了金属工艺学。1.金属工艺学的定义金属工艺学的定义 是研究各种金属原材料、半成品、成品的加工方是研究各种金属原材料、半成品、成品的加工方法和加工过程必须遵守的原则之综合性技术基础学科。法和加工过程必须遵守的原则之综合性技术基础学科。工艺：在机械加工中工艺：在机械加工中,使原材料、半成品转换为成品使原材料、半成品转换为成品

4、的方法和过程中必须遵守的原则的方法和过程中必须遵守的原则.金属：具有光泽而不透明金属：具有光泽而不透明,富有弹性、塑性、导热性富有弹性、塑性、导热性和导电性的一类物质和导电性的一类物质.2.金属工艺学的课程内容金属工艺学的课程内容 通常将金属原材料（或金属元素）转变为（制通常将金属原材料（或金属元素）转变为（制造为）金属零件的基本方法有：铸造、压力加工、造为）金属零件的基本方法有：铸造、压力加工、焊接、切削加工和热处理等。因此，本课程主要焊接、切削加工和热处理等。因此，本课程主要针对以上各种加工方法针对以上各种加工方法 的常规性工艺进行学习和的常规性工艺进行学习和探讨。探讨。（1）金属零件的基

5、本知识。）金属零件的基本知识。（2）各种金属的铸造成型方法。）各种金属的铸造成型方法。（3）金属焊接（永久性连接）金属焊接（永久性连接）（4）金属压力加工。（金属塑性加工）包括锻造、）金属压力加工。（金属塑性加工）包括锻造、冲压、挤压、轧制、拉拔等项目。冲压、挤压、轧制、拉拔等项目。（5）切削加工。）切削加工。（6）金工实习。加强理论与实践相结合，建立一）金工实习。加强理论与实践相结合，建立一个综合型发展提高平台。个综合型发展提高平台。3.金属工艺学的课程特点金属工艺学的课程特点（1）是一门综合技术基础课，它除了包括传统）是一门综合技术基础课，它除了包括传统的加工工艺，还包括了其它学科的诸多内

6、容。的加工工艺，还包括了其它学科的诸多内容。（2）传统机械制造工艺的发展和改变，出现了）传统机械制造工艺的发展和改变，出现了数字化、专业化、柔性化综合发展的新局面。数字化、专业化、柔性化综合发展的新局面。（3）金属工艺学是机械（电）类各专业必修的）金属工艺学是机械（电）类各专业必修的技术基础课。在学习中，要完成传授知识、训技术基础课。在学习中，要完成传授知识、训练技能和培养能力三个方面的任务。练技能和培养能力三个方面的任务。第一篇第一篇 金属材料导论金属材料导论材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。复合材料复合材料工程材料工程材料金属材料金属材料陶瓷材

7、料陶瓷材料高分子材料高分子材料第一章第一章 金属材料的主要性能金属材料的主要性能1.1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能1、定义、定义：又称机械性能，是材料在力的作用下所表现出来：又称机械性能，是材料在力的作用下所表现出来的的 性能。性能。包括材料的强包括材料的强度度、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳 强度等。强度等。对对金属材料的使用性能和工艺金属材料的使用性能和工艺性能有着非常重要的影性能有着非常重要的影响。响。.1.1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 在低碳钢拉伸在低碳钢拉伸曲线中，把曲线中，把F-l坐坐标换成标换成-（应力（应力应变）就可以直应变）就可以

8、直接在图上读出力学接在图上读出力学性能指标，并且不性能指标，并且不需要做成标准试样。需要做成标准试样。1.强度强度 材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的 能力。工程上常用的金属材料的强度指标能力。工程上常用的金属材料的强度指标 有有屈服强度屈服强度(s)和和抗拉强度抗拉强度(b)等；等；一、强度与塑性一、强度与塑性拉伸试验的方法是将图11(a)所示的标准试样安装在拉伸试验机上，并对试样施加一个缓慢增加的轴向拉力随着拉力增加，试样产生变形，直到断裂，如图l1(b)、(c)所示。用绝对伸长量L为横坐标，外力p为纵坐标绘制出外力与伸长量的关系曲线。图l2为普通

9、低碳钢的拉伸曲线。变形特点分析：OE段，变形与外力成正比，试样只产生弹性变形，即当外力去除后，试样就恢复到原始长度。材料在弹性范围内所能承受的最大应力称为弹性极限，用e表示式中:e弹性极限，Pa；Pe一弹性极限载荷，N；F0试样原始横截面积，m2。当载荷继续增大到Ps时，拉伸曲线出现了平台，表示这时载荷不增加，试样仍将继续发生塑性变形，这种现象称为屈服。开始产生屈服现象时的应力称为屈服点，表征材料抵抗微量塑性变形的能力。用s表示样很快被拉中：s屈服点，PaPs屈式服载荷，N；F0试样原始横截面积，m2。式中：b抗拉强度，Pa；Pb试样拉断前所能承受的最大载荷，N；F0试样原始横截面积，。当载荷

10、继续增加超过S点后，变形量随载荷的增加而急剧增加。当载荷增大到Pb时，变形集中在试样的某一部位上，出现缩颈现象。由于承载面积减小，试断。试样在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用b表示抗拉强度是表征金属材料抵抗大量塑性变形和断裂的能力。屈服强度s和抗拉强度b是设计机械零件和选材的重要依据。材料所受应力不能超过s；更不能在超过其材料b的条件下工作 2、塑性、塑性金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起断裂的能力。在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫做塑性变形。通常用伸长率和截面收缩率作为衡量材料塑性大小的指标。(一)伸长率伸长率是试样拉断后标距长度的增量与原标距长度的百分比，用表

11、示，即式中：一试样的伸长率，；L0试样的原始标距长度，mm；Lk试样拉断后的标距长度，mm(二二)截面收缩率截面收缩率截面收缩率是试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。用表示，即式中：试样截面的收缩率，；F0试样的原始横截面积，mm2；Fk试样缩颈最小处横截面积，mm2。和的数值越大，说明金属材料的塑性越好；反之亦然。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。四、硬度四、硬度金属材料抵抗外物压入其表面的能力。表示在金属材料表面的局部体积内抵抗弹性变形、塑性变形或破裂的能力。一般来说，硬度高的材料，耐磨性能好，强度也高。因此，硬度是机械零件设计要求的技术条件之一。生产中有

12、不同的测定硬度的方法，常用的有布氏硬度和洛氏硬度等。HBS(HBW)=0.1022P/D(D-)式中：HBS(HBW)布氏硬度；p试验力，kgf(N);D球体直径，mm；d压痕平均直径，mm。由于布氏硬度测量时压痕面积较大，能反映较大范围内金属各组成物的平均性能，且试验数据的重复性好，因此广泛用于测定铸铁、有色金属、退火钢等小于450HBS的金属材料。(一)布氏硬度测定方法：用一定直径的淬火钢球或硬质合金球作压头，在一定的静载荷下压入试件表面，保持压力至规定的时间后卸载，如图l3(a)、(b)。根据所加载荷的大小和所得压痕表面积来计算压痕表面上的平均应力值。此平均应力值作为布氏硬度，并用HBS

13、或HBW表示，HBS(HBW)=2P/D(D-)当试验力单位用N时二)洛氏硬度测定方法：其原理如图l4所示，用一定的载荷将顶角为120的金刚石圆锥体或直径为的淬火钢球压入试样，然后根据压痕的深度(h1一h2)确定硬度值，用HR表示，实测时，可以从硬度计刻度盘上直接读出洛氏硬度值。符符号号压头类压头类型型负负荷荷（kg）适用范适用范围围HRA120金金刚刚石石圆锥圆锥体体50很硬或硬而薄的很硬或硬而薄的材料，如硬材料，如硬质质合金、表面合金、表面处处理的工件理的工件HRB直径直径1.588mm淬火淬火钢钢球球90软软金属，如金属，如铜铜合合金、退火金、退火钢钢件件等等HRC120金金刚刚石石圆锥

14、圆锥体体140硬金属，如淬火硬金属，如淬火工件工件 洛氏硬度分别用符号HRA、HRB和HRC表示。不同洛氏硬度的压头、负荷和适用范围，如上表所列。洛氏硬度试验操作简便、迅速，可测定各种金属材料的硬度。布氏硬度和洛氏硬度可以利用特制的表格互相进行换算五、冲击韧性五、冲击韧性有些机器零件和工具在工作时要受到冲击作用，如空气锤的锤杆，柴油机的曲轴、冲床的冲头等。山于瞬时的外力冲击作用所引起的变形和应力，比静载荷的大得多。因此，对承受冲击载荷的零件和工具，必须考虑所用金属材料承受冲击载荷的能力。这种金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性。用ak来表示。式中：ak冲击值，J2Ak击断试样所消耗的冲击功，

15、JF试样缺口处的原始截面积，cm2。将图l6所示标准试样放置在图17摆锤冲击试验机的试验台上(图上c处)，然后抬起摆锤W，让它从一定高度(h1)落下，将试样击断，摆锤又摆至h2的高度。则击断试样对于脆性材料，如铸铁和工具钢等，试样上不开缺口。冲击值的大小与试样形状、表面粗糙度、内部组织、试验时周围温度有关。因此，冲击值一般作为选择材料的参考，不直接用于强度计算。六、疲劳强度六、疲劳强度许多机械零件，如曲轴、齿轮、连杆、弹簧等，是在交变载荷下的作用下工作的。虽然零件所受的应力远低于材料的抗拉强度，甚至远低于屈服点，但在使用中往往会发生突然断裂，这种现象称为疲劳破坏。据统计，约有80的机械零件的失

16、效是属于疲劳造成的。金属材料在无数次重复交变载荷作用下不致引起断裂的最大应力称为疲劳强度。应力愈高，则断裂前所承受的循环次数愈低，应力愈低，则断裂前所承受的循环次数愈高，如图18所示。钢铁材料循环次数达到107，有色金属材料循环次数达到108时，试样仍不发生疲劳破坏，其最大应力称为疲劳极限。当应力交变循环对称时，疲劳极限用1来表示。产生原因，一般认为是由于材料有杂质、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破坏。提高疲劳强度措施：改善其结构形状，避免应力集中，表面强化(如表面淬火、喷丸处理)和减小表面粗糙度数

17、值等。拉伸试验的方法是将图11(a)所示的标准试样安装在拉伸试验机上，并对试样施加一个缓慢增加的轴向拉力随着拉力增加，试样产生变形，直到断裂，如图l1(b)、(c)用绝对伸长量L为横坐标，外力p为纵坐标绘制出外力与伸长量的关系曲线。图l2为普通低碳钢的拉伸曲线。变形特点分析：OE段，变形与外力成正比，试样只产生弹性段，变形与外力成正比，试样只产生弹性变形，即当外力去除后，试样就恢复变形，即当外力去除后，试样就恢复 第二章铁碳合金钢和铸铁是制造机器设备的主要金属材料，他们都是以铁、碳为主组成的合金，即铁碳合金。其中，铁的含量大于95%，是最基本的组元，因此，欲了解钢和铸铁的本质，首先要了解纯铁的

18、晶体结构。第一节纯铁的晶体结构及其同位素异晶转变一、金属的结晶金属在固态下一般都是晶体，即原子在空间成规律性排列；而在液态下，金属原子排列并不规则。因此，金属的结晶就是金属有液态转变为晶体的过程，亦即金属原子由无序到有序排列的过程。纯金属的结晶过程是在一定温度下进行的，它的冷却过程可用冷却曲线来表示，冷却曲线用是用热分析法测定出来的曲线上有一水平线段，这是实际的结晶温度，因为结晶时放出的结晶潜热使温度不再下降，所以该线段是水平的。从图中还可以看出，实际结晶温度低于理论结晶温度（平衡温度），这种现象叫做过冷。理论结晶结晶温度与实际结晶温度之差，称作过冷度，过冷度的大小与冷却速度密切相关。冷却速度

19、越快，实际结晶温度就越接近，过冷度就越大；反之冷却速度越慢，过冷度越小。液态金属的结晶过程遵循晶核不断形成和长晶核不断形成和长大大的这个结晶规律进行的，图为结晶过程示意图，开始时，液体中出现一些极小的晶体，称作晶核。这些晶核中有些靠原子自发的聚集在一起，按金属晶体有规律的排列而形成的，这些晶体称作自发晶核。金属的冷却速度越快，自发晶核越多。另外，液体中一些高熔点的杂质形成微小的固体质点，其中的某些杂质也可以起到晶核的作用，这种晶核称作外来晶核或者非自发晶核。在晶核出现以后，金属原子就以它为中心，按一定的几何形状排列起来形成晶体，晶体沿各个方向的生长速度是不同的，再剩余液体中又不断出现新的晶核，

20、这些晶核也同样生长成晶体，这样就使液体越来越少。当晶体长大到与周围晶体相接触的时候，这个地方的长大就停止了。当全部晶体彼此相遇、液体耗尽时，结晶的过程即告结束由上述可知，固态金属通常由多晶体构成，每个晶核长成的晶体称之为晶粒，晶粒之间的接触面称为精界。晶粒的外形是不规则的，各种晶粒内部排列的位向也各不相同。金属晶粒的粗细对其力学性能影响很大。一般来说，同一成分的金属，晶粒越细，其强度硬度越高，而且其塑性和韧性也越好。因此，促使和保持晶粒细化是金属冶炼和热加工过程中一项重要的任务。影响晶粒粗细的因素很多，但主要取决于晶核的数目。晶核的数目越多，晶核长大的余地越小，长成的晶粒越细。细化铸态金属晶粒

21、的主要途径是：（1）加快冷却速度，以增加晶核数目。（2）在金属叫住之前，向金属夜内加入变质剂（孕育剂）进行变质处理，以增加外来晶核。此外，还可以采用热处理或压力加工方法，使固态金属晶粒细化。基本概念基本概念 凝固：凝固：一般非晶体由液态向固态转变的过程一般非晶体由液态向固态转变的过程。结晶：结晶：由液态金属转变为固态晶体的过程。由液态金属转变为固态晶体的过程。晶体：晶体：原子排列时有序的，原子在三维空间做规则原子排列时有序的，原子在三维空间做规则 的、周期性的、重复排列。有一定的熔点和的、周期性的、重复排列。有一定的熔点和 凝固点，性能趋向各向异性。凝固点，性能趋向各向异性。非晶体非晶体:原子

22、排列杂乱无章呈无序状态，没原子排列杂乱无章呈无序状态，没 有一有一 定的熔点和凝固点，性能趋向定的熔点和凝固点，性能趋向 各向同性。各向同性。二、纯铁的晶体结构二、纯铁的晶体结构晶体中的原子排列晶体中的原子排列金属的结晶：原子由无序状态向有序金属的结晶：原子由无序状态向有序状态转变的过程。有晶体形成。状态转变的过程。有晶体形成。三种常见的金属的晶格类三种常见的金属的晶格类型：型：体心立方体心立方 面心立方面心立方 密排六方密排六方三、纯铁的同素异晶转变三、纯铁的同素异晶转变1538c1394c912c室温室温-Fe-Fe-Fe体心立方体心立方面心立方面心立方体心立方体心立方金属的同素异构转变的

23、慨念金属的同素异构转变的慨念 金属在固态下，随着温度的改变其金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。晶体结构发生变化的现象。金属的同素异构转变的意义金属的同素异构转变的意义 可以用热处理的方法即可通过加热、可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性达到改善材料性 能的目的。能的目的。合金：合金：由由两种或两种以上两种或两种以上的元素通过的元素通过熔炼熔炼后后 所获得的新的物质仍然具有所获得的新的物质仍然具有金属特性金属特性。组元：组元：组成合金的基本元素。组成合金的基本元素。相：相：凡是成分相同、结构相同并与其他

24、部凡是成分相同、结构相同并与其他部 分有界面分开的均匀组成部分。分有界面分开的均匀组成部分。例如：单一的液例如：单一的液 单一的固相；单一的固相；液相、固相两相共存；液相、固相两相共存；问题：问题：水、油混装在一个瓶子里，是几个相？水、油混装在一个瓶子里，是几个相？将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？2.2 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织组织：组织：指用显微镜观察看到的材料内部的指用显微镜观察看到的材料内部的显微形貌图像。显微形貌图像。固溶体：固溶体：在固态下，由两种组元相互溶解后所组在固态下，由两种组元相互溶解后所组成的新的物质仍然保持其中某一组元的晶体

25、结构。成的新的物质仍然保持其中某一组元的晶体结构。溶剂溶剂：溶解前后晶格类型不变的组元。：溶解前后晶格类型不变的组元。溶质溶质：其它组元。：其它组元。置换固溶体：置换固溶体：A组元的原子取代了组元的原子取代了B组元的原子。组元的原子。当当A、B两个组元的原子直径相差不大时，两个组两个组元的原子直径相差不大时，两个组元可以以任何比例溶解，形成无限固溶体，反之则为元可以以任何比例溶解，形成无限固溶体，反之则为有限固溶体。有限固溶体。间隙固溶体：间隙固溶体：A组元溶入组元溶入B组元的的间隙中。只能形成组元的的间隙中。只能形成有限固溶体。有限固溶体。例如：例如：C溶入溶入-Fe或或-Fe 所形成的铁素

26、体、奥氏体。所形成的铁素体、奥氏体。一、固溶体一、固溶体置换固溶体和间隙固溶体的区别置换固溶体和间隙固溶体的区别1.铁素体：铁素体：碳溶解在碳溶解在Fe中中的间隙固溶的间隙固溶(F）。塑性）。塑性 （=45-50%）、韧性好，强度、硬度低。）、韧性好，强度、硬度低。2.奥氏体：奥氏体：碳溶解在碳溶解在 Fe中中的间隙固溶体（的间隙固溶体（A）。塑）。塑 性好。性好。二、化合物二、化合物渗碳体：渗碳体：铁与碳形成的金属化合物（铁与碳形成的金属化合物（Fe3C）。硬度很）。硬度很 高（高（HBW=800），塑性、韧性几乎为零。），塑性、韧性几乎为零。三、机械混合物三、机械混合物1.珠光体：珠光体：

27、是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体 与渗碳体的共析体（与渗碳体的共析体（P）。）。2.莱氏体：莱氏体：是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏 体与渗碳体的共晶体（体与渗碳体的共晶体（Ld）。硬度高，塑性）。硬度高，塑性 差。差。思思 考考 题题1 1 在纯金属的冷却曲线上为什在纯金属的冷却曲线上为什么会出现一水平台阶？么会出现一水平台阶？2 2 为什么晶粒越细小其力学性为什么晶粒越细小其力学性能越好？能越好？3 3 如果结晶时晶核不多而生如果结晶时晶核不多而生长速度快，则结晶后的晶粒是长速度快，则结晶后的晶粒是粗还是细？粗

28、还是细？2.3 铁碳合金状态图铁碳合金状态图一、铁碳合金状态图的建立一、铁碳合金状态图的建立液相La开始结晶b完成结晶b1开始同素异晶转变b2完成同素异晶转变，同时发生共析b2完成共析时间时间温度温度15001460780727912温度温度c%aabbb1b2c渗碳体的熔点渗碳体的熔点共晶点共晶点共析线共析线共析点共析点纯铁的熔点纯铁的熔点共晶线共晶线ACD线线液相线液相线AECF线线固相线固相线碳在奥氏体中的最大溶解度碳在奥氏体中的最大溶解度A3线线Acm线线二、铁碳合金状态图的分析二、铁碳合金状态图的分析铁碳合金相图中主要特性点的含义铁碳合金相图中主要特性点的含义 特性点的特性点的符号符

29、号温度温度t/含碳量含碳量wc%含义含义A AC CD DE EG GP PS SQ Q 15381538 1148 1148 1227 1227 1148 1148 912 912 727 727 727 727 室温室温0 04.34.36.696.692.112.110 00.020.020.770.770.00080.0008纯铁的熔点纯铁的熔点共晶点共晶点 渗碳体的熔点渗碳体的熔点碳在奥氏体中的最大溶解度碳在奥氏体中的最大溶解度-Te -Te -Te-Te同素异晶转变点同素异晶转变点碳在铁素体中的最大溶解度碳在铁素体中的最大溶解度共析点共析点碳在铁素体中的溶解度碳在铁素体中的溶解度两

30、种反应：两种反应：1148 1、共晶反应、共晶反应 一定成分的一定成分的液相液相在一定的温度下同时在一定的温度下同时结晶结晶出两种成出两种成分和结构均分和结构均不相同不相同的固相的反应。的固相的反应。L 4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c 共晶反应的产物即莱氏体共晶反应的产物即莱氏体 Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c)2、共析反应、共析反应 一定成分的一定成分的固相固相在一定的温度下同时在一定的温度下同时析出析出两种成分和两种成分和结构均结构均不相同不相同的的 新的新的固相固相的反应。的反应。A2.11%c 727 F0.02%c+Fe3C6.69%c共析反应的产物即珠

31、光体共析反应的产物即珠光体 PF0.02%c+Fe3C6.69%c 相图中主要线的含义相图中主要线的含义ACD线线液相线液相线 是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。AECF线线固相线固相线 各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止线。线。ECF水平线水平线共晶线共晶线 含碳量为含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线时，在的液态合金冷却到此线时，在1148 由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共晶反应。应称为共晶反应。PSK水平线水平线共析线共析

32、线（A1线）线）含碳量为含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此的奥氏体冷却到此线时，在线时，在727 同时同时析出析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应。共析反应。GS线线（A3线）线）是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。ES线线称称Acm线线 是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。铁碳合金状态图分析铁碳合金状态图分析 LL+AAA+Fe3CF+AA+Fe3C+LdP+Fe3C+LdP+Fe3CPP+FL

33、dLdL+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3CL Ld dP+FeP+Fe3 3C C+Fe3C转变 AA奥氏体奥氏体PP珠光体珠光体FF铁素体铁素体三、钢在结晶过程中的组织转变三、钢在结晶过程中的组织转变共析钢结晶过程分析共析钢结晶过程分析亚共析钢结晶过程分析亚共析钢结晶过程分析过共析钢结晶过程分析过共析钢结晶过程分析共晶生铁结晶过程分析共晶生铁结晶过程分析四、铸铁在结晶过程中的组织转变四、铸铁在结晶过程中的组织转变Ld变态莱氏体变态莱氏体亚共晶结晶过程分析亚共晶结晶过程分析过共晶生铁结晶过程分析过共晶生铁结晶过程分析钢钢碳素钢碳素钢碳素结构钢（碳素结构钢（0.38%C)优质碳素结构钢优质碳

34、素结构钢(0.2-0.7%C用途广用途广)碳素工具钢碳素工具钢(T8等等)合金钢合金钢合金结构钢合金结构钢合金工具钢合金工具钢特殊性能钢特殊性能钢不锈钢不锈钢耐热钢耐热钢 耐磨钢耐磨钢其它其它量具钢量具钢模具钢模具钢刃具钢刃具钢轴承钢轴承钢弹簧钢弹簧钢调质钢调质钢渗碳钢渗碳钢低合金结构钢低合金结构钢（1.5%C1.5%C)16Mn、20Cr9Cr2、CrWMn2Cr13、1Cr18Ni92.4工业用钢工业用钢钢的分类钢的分类 典型合金结晶过程分析典型合金结晶过程分析铁碳铁碳合金合金含碳量为含碳量为2.11%6.69%2.11%6.69%的铁碳合金。的铁碳合金。共晶生铁：共晶生铁：含碳量为含碳量

35、为4.3%;4.3%;亚共晶生铁：亚共晶生铁：含碳量在含碳量在2.11%4.3%2.11%4.3%之间；之间；过共晶生铁：过共晶生铁：含碳量在含碳量在4.3%6.69%4.3%6.69%之间；之间；含碳量小于含碳量小于0.02%0.02%的铁碳合金。的铁碳合金。工业纯铁工业纯铁钢钢生铁生铁 含碳量为含碳量为0.02%2.11%的铁碳合金。根据的铁碳合金。根据金相金相 组织的不同，可分为三种。组织的不同，可分为三种。共析钢：共析钢：含碳量为含碳量为0.77%;亚共析钢：亚共析钢：含碳量在含碳量在0.02%0.77%之间；之间；过共析钢：过共析钢：含碳量在含碳量在0.77%2.11%之间；之间；碳

36、素钢碳素钢一、化学成分对碳钢性能的影响一、化学成分对碳钢性能的影响(1)、Mn(锰锰)来自炼钢原料，也经常作为合金元素加入。来自炼钢原料，也经常作为合金元素加入。(2)、Si（硅）（硅）来自炼钢原料，也经常作为合金元素加入。来自炼钢原料，也经常作为合金元素加入。(3)、S（硫）（硫）由原料和燃料带入。有害元素，难于除尽。由原料和燃料带入。有害元素，难于除尽。(4)、P（磷）（磷）由原料带入。有害元素，难于除尽。由原料带入。有害元素，难于除尽。二、碳素钢的牌号和用途二、碳素钢的牌号和用途(1)、碳素结构钢、碳素结构钢一般为低碳钢。一般为低碳钢。(2)、优质碳素结构钢、优质碳素结构钢高、中、低碳钢

37、。高、中、低碳钢。(3)、碳素工具钢、碳素工具钢高碳钢。高碳钢。(4)、铸钢、铸钢中、低碳钢。中、低碳钢。低合金钢低合金钢低合金钢低合金钢在低碳钢的基础上加入少量合金元素。在低碳钢的基础上加入少量合金元素。性能特点：性能特点：1）与含碳量相同的碳钢相比其强度、塑）与含碳量相同的碳钢相比其强度、塑 性、韧性增加。性、韧性增加。2）焊接性能提高。）焊接性能提高。如如Q345(16Mn）是在）是在Q235的基础上加适量的的基础上加适量的Mn而而形成的。在低合金钢中应用最广。形成的。在低合金钢中应用最广。合金钢合金钢1、合金结构钢、合金结构钢(1)、合金渗碳钢、合金渗碳钢在低碳钢的基础上加入各种合金元

38、素经渗碳、在低碳钢的基础上加入各种合金元素经渗碳、淬火和低温回火后得到。淬火和低温回火后得到。性能特性：心部具有足够的强度和韧性，表面具有较高的硬度性能特性：心部具有足够的强度和韧性，表面具有较高的硬度和耐磨性及疲劳强度。和耐磨性及疲劳强度。(2)、合金调质钢、合金调质钢在中碳钢的基础上加入各种合金元素经调质后在中碳钢的基础上加入各种合金元素经调质后得到。得到。性能特性：综合力学性能较好。性能特性：综合力学性能较好。(3)、合金弹簧钢、合金弹簧钢在中、高碳钢的基础上加入的各种合金元素经在中、高碳钢的基础上加入的各种合金元素经淬火和中温回火后得到。淬火和中温回火后得到。性能特性：弹性极限、疲劳强

39、度和韧性较高。性能特性：弹性极限、疲劳强度和韧性较高。2、合金工具钢、合金工具钢 用于制造各种刀具、量具、模具等。用于制造各种刀具、量具、模具等。高速工具钢（俗称高速工具钢（俗称“锋钢锋钢”）其热硬性很高，切削）其热硬性很高，切削温度高达温度高达600时硬度仍很高。时硬度仍很高。3 3、特殊性能得钢、特殊性能得钢 包括不锈钢（耐蚀钢）、耐热钢、耐磨钢等。包括不锈钢（耐蚀钢）、耐热钢、耐磨钢等。作业：作业：1 1、选择对应的材料、选择对应的材料:45 65 Q235 T13 10:45 65 Q235 T13 10 弹簧弹簧 主轴主轴 螺钉螺钉 锉锉 油箱盖油箱盖第三章第三章钢的热处理钢的热处理

40、3.1 钢在加热和冷却时的组织转变钢在加热和冷却时的组织转变1.钢的热处理钢的热处理:在固态下，通过加热、保温、冷却以改变钢的在固态下，通过加热、保温、冷却以改变钢的内部组织获得所需性能的工艺方法。内部组织获得所需性能的工艺方法。2.目的：目的：只改变金属材料的组织和性能，而不改变其形只改变金属材料的组织和性能，而不改变其形状和尺寸。状和尺寸。热处理热处理普通热处理普通热处理表面热处理表面热处理 退火退火正火正火淬火淬火回火回火表面淬火表面淬火化学热处理化学热处理渗碳渗碳渗氮渗氮碳氮共渗碳氮共渗其它热处理其它热处理形变形变真空真空激光激光3.方法方法一、钢在加热时组织的转变一、钢在加热时组织的

41、转变1.钢的奥氏体化钢的奥氏体化2.奥氏体晶粒的长大及其奥氏体晶粒的长大及其 控制控制二、钢在冷却时的组织转变二、钢在冷却时的组织转变加热加热保温保温冷却冷却临界温度临界温度热处理工艺曲线热处理工艺曲线T冷快冷快保温保温缓冷缓冷冷却冷却等温冷却：如等温淬火等温冷却：如等温淬火连续冷却：如炉冷、空冷、水冷连续冷却：如炉冷、空冷、水冷1.过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体的等温转变 在不同过冷度下，仅反映过冷奥氏体转变产物与时在不同过冷度下，仅反映过冷奥氏体转变产物与时间关系的曲线称为过冷奥氏体等温转变的力学曲线。由间关系的曲线称为过冷奥氏体等温转变的力学曲线。由于该曲线很像英文字母于该曲线很像英文字

42、母“C”，一般称，一般称“C”曲线。曲线。800-100100200300400500600700010-11011021031041051AA1M+AMfMS过冷AAM转变开始线转变终了线APATASAB下AB上TSPBB上温度温度时间时间共析钢的等温转变曲线共析钢的等温转变曲线下2.马氏体的转变（必须在连续冷却中进行）马氏体的转变（必须在连续冷却中进行）3.亚共析钢和过共析钢的亚共析钢和过共析钢的C曲线与共析钢相比：曲线与共析钢相比：800-100100200300400500600700010-11011021031041051AA1M+AMS过冷AAM转变开始线转变终了线APATASA

43、B下AB上TSPB下B上温度温度时间时间共析钢的等温转变曲线共析钢的等温转变曲线亚共析亚共析C曲线上多出一条先共析曲线上多出一条先共析F析出线析出线过共析过共析C曲线上多出一条先共析曲线上多出一条先共析Fe3C析出线析出线Mf4.过冷奥氏体连续冷却转变过冷奥氏体连续冷却转变AA1MS过冷A转变开始线转变终了线TSPB下B上时间时间水冷M+A(5560HRC)油冷T+M+A（4550HRC）VK空冷S（2535HRC）炉冷P（170220HBS）VKMf温度温度3.2退火和正火退火和正火一、退火：一、退火：将钢加热、保温，然后随炉冷却或埋入灰中缓慢冷却。将钢加热、保温，然后随炉冷却或埋入灰中缓慢

44、冷却。目的：目的：降低硬度，便于机加工。降低硬度，便于机加工。细化晶粒，提高塑性和韧性。细化晶粒，提高塑性和韧性。消除应力。消除应力。应用：应用：铸件、锻件、焊接及其它毛坯的热处理。铸件、锻件、焊接及其它毛坯的热处理。1、完全退火：、完全退火：将亚共析钢加热到将亚共析钢加热到Ac3线以上线以上3050，保温后缓慢冷却，保温后缓慢冷却.2、球化退火、球化退火:将过共析钢加热到将过共析钢加热到Ac1线以上线以上2030，保温后缓慢冷却，保温后缓慢冷却.3、低温退火、低温退火:将钢加热到将钢加热到Ac1线以下，保温后缓慢冷却线以下，保温后缓慢冷却.去应力退火：去应力退火：由于加热温度较低（由于加热温

45、度较低（500650）无相变，晶粒大小不变，但可）无相变，晶粒大小不变，但可消除残余应力。消除残余应力。再结晶退火：再结晶退火：消除冲压件冷变形所产生的加工硬化（再结晶温度以上消除冲压件冷变形所产生的加工硬化（再结晶温度以上150250），降低硬度，恢复塑性。），降低硬度，恢复塑性。4、均匀化退火：、均匀化退火：将铸件或锻件加热到高温（熔点以下），长时间保温（将铸件或锻件加热到高温（熔点以下），长时间保温（1015小小 时）后缓慢冷却。时）后缓慢冷却。应用：应用：（1）取代部分完全退火；）取代部分完全退火；（2）用于普通结构件的最终热处理；）用于普通结构件的最终热处理；（3）用于过）用于过共析

46、钢，减少或消除网状二次渗碳体，为球化共析钢，减少或消除网状二次渗碳体，为球化处理作准备。处理作准备。二、正火二、正火 将钢加热到将钢加热到Ac3 线以上线以上3050 （亚共析钢）或（亚共析钢）或Accm以以上上3050 （过共析钢），保温后在空气中冷却。得到的是细珠（过共析钢），保温后在空气中冷却。得到的是细珠光体组织（索氏体）。光体组织（索氏体）。3.3淬火和回火淬火和回火一、淬火一、淬火 将钢加热到将钢加热到Ac3或或Ac1 线以上线以上3050，保温后，保温后在淬火介质中快速冷却（在淬火介质中快速冷却（Fe向向aFe同素异晶转变）同素异晶转变），以获得马，以获得马氏体（氏体（M)组织（

47、碳在组织（碳在a Fe中的严重过饱中的严重过饱和固溶体）。和固溶体）。马马氏体形成过程中将伴随着体积膨胀，造成淬火氏体形成过程中将伴随着体积膨胀，造成淬火内应力，应采取以下措施：内应力，应采取以下措施：（1）严格控制淬火加热温度）严格控制淬火加热温度 温度低，硬度低；温度高，晶粒粗大，应力大，易温度低，硬度低；温度高，晶粒粗大，应力大，易 产生裂纹。产生裂纹。（2）合理选择淬火介质）合理选择淬火介质 淬透性好，选油淬。淬透性好，选油淬。（3）正确选择淬火方法）正确选择淬火方法 采用水油双介质淬火法。采用水油双介质淬火法。二、回火二、回火 将淬火钢重新加热到将淬火钢重新加热到Ac1 线以下某温度

48、，保温后冷却的线以下某温度，保温后冷却的热处理工艺。热处理工艺。目的：目的：主要是消除淬火内应力，降低钢的脆性，防止产生主要是消除淬火内应力，降低钢的脆性，防止产生裂纹，稳定工件的尺寸，同时能获得所需的力学性能裂纹，稳定工件的尺寸，同时能获得所需的力学性能。回火三种形式：回火三种形式：（1）低温回火（低温回火（150250），组织为回火马氏体。目的是），组织为回火马氏体。目的是降低淬降低淬火钢的内应力和脆性，并保持高硬度（火钢的内应力和脆性，并保持高硬度（5664HRC)和耐磨性。如模具、和耐磨性。如模具、刃具等。刃具等。（2）中温回火（）中温回火（350500），组织为回火托氏体。目的是使钢

49、获得），组织为回火托氏体。目的是使钢获得高弹性，高弹性，并保持较高硬度（并保持较高硬度（3550HRC)和一定的韧性。如弹簧、锻模等。和一定的韧性。如弹簧、锻模等。（3）高温回火）高温回火调质处理（调质处理（500650），组织为回火索氏体。硬度），组织为回火索氏体。硬度2035HRC，强度及韧性等综合性能较好。如连杆、曲轴、齿轮等。，强度及韧性等综合性能较好。如连杆、曲轴、齿轮等。淬火淬火+高温回火的热处理工艺叫调质。高温回火的热处理工艺叫调质。表面淬火和化学热处理表面淬火和化学热处理一、表面淬火一、表面淬火 只改变工件表面的组织和性能，仅对工件表面进行热处理的淬火工艺。只改变工件表面的组织

50、和性能，仅对工件表面进行热处理的淬火工艺。目的：目的：表面具有高硬度、耐磨性。心部保持原来的组织和性能。表面具有高硬度、耐磨性。心部保持原来的组织和性能。1.感应淬火感应淬火 2.火焰淬火火焰淬火二、化学热处理二、化学热处理 将工件置于适当的活性介质中，加热、保温，使介质中的一种或几种将工件置于适当的活性介质中，加热、保温，使介质中的一种或几种元素渗入工件表面层。以改变表层的化学成分、组织和性能。元素渗入工件表面层。以改变表层的化学成分、组织和性能。1.渗碳：将低碳钢或低碳合金钢放入富碳介质中（如煤油、木炭），加渗碳：将低碳钢或低碳合金钢放入富碳介质中（如煤油、木炭），加热、保温，使工件表面增

51、碳。热、保温，使工件表面增碳。2.渗氮渗氮 ：将工件放入氮化炉中，加热、保温，使活性氮原子渗入工件：将工件放入氮化炉中，加热、保温，使活性氮原子渗入工件表面。一般适用于合金钢。表面。一般适用于合金钢。3.碳氮共渗碳氮共渗三、热处理工序位置安排三、热处理工序位置安排 1.预先热处理工序位置预先热处理工序位置 2.最终热处理最终热处理例题例题1、某厂用、某厂用20钢制造齿轮，其加工路线为：下料钢制造齿轮，其加工路线为：下料锻造锻造正火正火粗加粗加工工 、半精加工、半精加工渗碳渗碳淬火、低温回火淬火、低温回火磨削。试回答：磨削。试回答：(1)说明说明各热处各热处 理工序的作用。（理工序的作用。（2）

52、最终热处理后表面组织和性能。）最终热处理后表面组织和性能。2、45钢经调质处理后硬度为钢经调质处理后硬度为240HBS。若进行。若进行200回火，可否提高回火，可否提高其硬度？为什么其硬度？为什么?若若45钢经淬火、低温回火后硬度为钢经淬火、低温回火后硬度为57HRC然后然后再进行再进行560 回火，可否降低其硬度？为什么回火，可否降低其硬度？为什么?作业作业1、下列牌号的组织用什么热处理工艺获得？、下列牌号的组织用什么热处理工艺获得？（1）45钢表面是钢表面是M回，心部是回，心部是S回。回。（2）20钢表面是钢表面是M回回+Fe3C，心部是，心部是M回（低碳）回（低碳）+F。（3）T12钢获得钢获得S+Fe3C。2、用、用T10钢制造形状简单的刀具，其加工路线为：下料钢制造形状简单的刀具，其加工路线为：下料锻造锻造热热处理处理 切削加工切削加工热处理热处理磨削。试回答：磨削。试回答：(1)说明各热处理工序说明各热处理工序的名称及作用。（的名称及作用。（2）各热处理后的组织。）各热处理后的组织。