1、2022/9/171一、課程主線結(jié) 晶塑性變形工業(yè)用鋼工藝性能使用性能合 金純金屬熱處理有色金屬鑄 鐵加工工藝組織結(jié)構(gòu)化學(xué)成分性 能2022/9/172二、主要內(nèi)容工程材料基本理論常用材料零件的選材2022/9/1731. 基本理論熱處理鑄鐵的熱處理塑變與再結(jié)晶基本理論金屬學(xué)材料的性能材料的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)晶相圖及鐵碳相圖鋼的熱處理2022/9/1741.1 材料性能焊接性能硬度HB HRC材料性能強(qiáng) 度塑 性鍛造性能力學(xué)性能工藝性能切削加工性能鑄造性能韌性k ,k1c熱處理工藝性2022/9/175 條件屈服強(qiáng)度0.2殘余塑變?yōu)?.2%時(shí)的應(yīng)力。 疲勞強(qiáng)度-1無(wú)數(shù)次交變應(yīng)力作用下不發(fā)生破壞的最大

2、應(yīng)力。 塑性：材料斷裂前承受最大塑性變形的能力。指標(biāo)為、。 硬度：材料抵抗局部塑性變形的能力（HB、HRC）。（HRA、HRB、HRC） 沖擊韌性：材料抵抗沖擊破壞的能力。 指標(biāo)為k材料的使用溫度應(yīng)在冷脆轉(zhuǎn)變溫度以上。 斷裂韌性：材料抵抗內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的能力。指標(biāo)為K1C。1、力學(xué)性能 剛度：材料抵抗彈性變形的能力。 指標(biāo)為彈性模量E：E=/ 強(qiáng)度：材料抵抗變形和破壞的能力。指標(biāo)： 抗拉強(qiáng)度b材料斷裂前承受的最大應(yīng)力。 屈服強(qiáng)度s材料產(chǎn)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力。1.1.1 使用性能表面淬火鋼宜用HRA硬度指標(biāo)鋁合金成品宜用HRB硬度指標(biāo)整體淬火鋼宜用HRC硬度指標(biāo)2022/9/1761、鑄造性能：

3、液態(tài)金屬的流動(dòng)性、填充性、收縮率、偏析傾向。2、鍛造性能：成型性與變形抗力。3、切削性能：對(duì)刀具的磨損、斷屑能力及導(dǎo)熱性.4、焊接性能：產(chǎn)生焊接缺陷的傾向。5、熱處理性能：淬透性、抗回火性、二次硬化、回火脆性。1.1.2 工藝性能2、化學(xué)性能（1） 耐蝕性：材料在介質(zhì)中抵抗腐蝕的能力。（2）抗氧化性：材料在高溫下抵抗氧化作用的能力。（3）耐磨性：材料抵抗磨損的能力。1）切削加工性:（1）中碳鋼高碳鋼（2）含碳量相同的鋼中，球狀珠光體片狀珠光體2）焊接性能: 中碳鋼高碳鋼3）流動(dòng)性和偏析 用共晶相圖說(shuō)明（共晶體最多的成分點(diǎn)）4）淬透性 Vk-C曲線的位置過(guò)冷A的穩(wěn)定性A晶粒大小A中的成分均勻性第

4、二相化學(xué)成分加熱狀態(tài)碳合金元素5）殘余奧氏體（1）A中CMs MfA%（2）A中MeMs MfA%2022/9/1771.2 材料的結(jié)構(gòu)（金屬的晶體結(jié)構(gòu)）1.2.1三種典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方BCC面心立方FCC密排六方HCP晶格常數(shù)aaa、c原子半徑原子個(gè)數(shù)246配位數(shù)81212致密度0.680.740.74滑移面1106111 4六方底面1滑移方向 2 3底面對(duì)角3滑移系12123常見(jiàn)金屬-Fe、Cr、W-Fe、Ni、AlMg、Zn晶體結(jié)構(gòu)空間點(diǎn)陣 晶體點(diǎn)陣（理想晶體）晶體的結(jié)構(gòu)基元(分子、原子、離子、原子集團(tuán))依靠一定的結(jié)合鍵結(jié)合后，在三維空間作有規(guī)律的周期性的重復(fù)排列方式。 抽象的空

5、間幾何模型（非物質(zhì)性）7個(gè)晶系14種晶胞類(lèi)型 把空間點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)作為物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的中心位置，忽略原子的熱振動(dòng)和晶體缺陷，將單純的幾何圖形變成具有物質(zhì)性的點(diǎn)陣，稱(chēng)其為晶體點(diǎn)陣（物質(zhì)性的）。 若陣點(diǎn)用直線通過(guò)中心連接起來(lái)晶格 2022/9/1781.2.2金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)與晶體缺陷1 多晶體（由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)）2 晶體缺陷（晶格不完整的部位）2）線缺陷（刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)）3）面缺陷（晶界、亞晶界）1）點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子、置換原子）理論值退火態(tài)位錯(cuò)密度強(qiáng)度金屬材料強(qiáng)化方法:（1）固溶強(qiáng)化（2）細(xì)晶強(qiáng)化（4）加工硬化（3）第二相強(qiáng)化（彌散強(qiáng)化）1）晶粒：組成金屬的方位不同、外形不規(guī)則的小晶體。 2

6、）晶界：晶粒之間的交界面。2022/9/1791.3 材料的結(jié)晶3、純金屬中的固態(tài)轉(zhuǎn)變1）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度而發(fā)生變化的現(xiàn)象。2）固態(tài)轉(zhuǎn)變的特點(diǎn) 1）形核部位特殊（晶界、位錯(cuò)處等） 2）過(guò)冷傾向大 3）伴隨著體積變化1、結(jié)晶過(guò)程 1） 兩個(gè)條件（1）能量條件 必須過(guò)冷 過(guò)冷度T=T0-Tn（2）結(jié)構(gòu)條件1.3.1純金屬的結(jié)晶2）基本規(guī)律 形核（自發(fā)形核、非自發(fā)形核）長(zhǎng)大（平面長(zhǎng)大，樹(shù)枝狀長(zhǎng)大）2、細(xì)化晶粒的途徑 1）增大過(guò)冷度 2）變質(zhì)處理 3）振動(dòng)和攪拌2022/9/1710化合物間隙化合物合金的相固溶體間隙固溶體置換固溶體其它化合物間隙相1、合金在固態(tài)下的基本相結(jié)構(gòu)1

7、.3.2 合金的結(jié)晶相:金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其他部分有界面分開(kāi)的均勻組成部分。合金：由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。2022/9/1711 間隙固溶體：溶質(zhì)原子處于溶劑晶格間隙所形成的固溶體。 為過(guò)渡族金屬元素與原子半徑小的非金屬元素組成。 鐵素體：碳在-Fe中的固溶體。 奧氏體：碳在-Fe中的固溶體。 馬氏體：碳在-Fe中的過(guò)飽和固溶體。 固溶強(qiáng)化：隨溶質(zhì)含量增加，固溶體的強(qiáng)度、硬度提高的現(xiàn)象。 馬氏體的硬度主要取決于其含碳量，并隨含碳量增加而提高。 2）金屬化合物：與組成元素晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相. （1）正常價(jià)化合物 如Mg2Si （2）電子化合物 如Cu

8、3Sn （3）間隙化合物：由過(guò)渡族元素與C、N、H、B等小原子半徑的非金屬元素組成。 分為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的間隙相和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。1）固溶體：與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固相. 置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格結(jié)點(diǎn)位置形成的固溶體。 大多為金屬元素之間形成的固溶體。2022/9/17124）金屬化合物形態(tài)對(duì)性能的影響 （1）基體、晶界網(wǎng)狀：強(qiáng)韌性低 （2）晶內(nèi)片狀：強(qiáng)硬度提高，塑韌性降低 （3）顆粒狀： 彌散強(qiáng)化：第二相顆粒越細(xì)，數(shù)量越多，分布越均勻,合金的強(qiáng)度、硬度越高，塑韌性略有下降的現(xiàn)象。 5）固溶體與化合物的區(qū)別：結(jié)構(gòu)；性能；表達(dá)方式 強(qiáng)碳化物形成元素：Ti、Nb、V 如TiC、VC

9、 中碳化物形成元素：W、Mo、Cr 如Cr23C6 弱碳化物形成元素：Mn、Fe 如Fe3C3） 性能比較 強(qiáng)度：固溶體純金屬 硬度：化合物固溶體純金屬 塑性：化合物固溶體純金屬2022/9/17132、合金的組織轉(zhuǎn)變 1）一般轉(zhuǎn)變過(guò)程 （1） 滿(mǎn)足三個(gè)起伏（條件） 能量起伏（必須過(guò)冷）；結(jié)構(gòu)起伏； 成分起伏（2）基本規(guī)律 形核及核長(zhǎng)大（固態(tài)轉(zhuǎn)變有晶界、相界形核理論） 2）相圖 勻晶L 共晶L+ 共析 + 包晶L+ （1）杠桿定律：只適用于兩相區(qū)。 （2）枝晶偏析：在一個(gè)枝晶范圍內(nèi)或一個(gè)晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象。 3）合金中的固態(tài)相變 （1）固溶體轉(zhuǎn)變：AF （2）共析轉(zhuǎn)變：AP(F+Fe3

10、C) （3）二次相析出：AFe3C （4）奧氏體化 （5）過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變 （6）固溶處理+時(shí)效2022/9/17143、鐵碳合金相圖1 默畫(huà)簡(jiǎn)化的鐵碳合金相圖2 相與機(jī)械混合物 A、F、Fe3C與P、Ld3 兩個(gè)基本反應(yīng)式4 結(jié)晶過(guò)程分析（冷速曲線表達(dá)）5 杠桿定律的應(yīng)用6 熱處理加熱溫度的表達(dá)ACDGS1148727LAL+AL+ Fe3CFA+FA+ Fe3CKEPFQC%Fe3CFeF+ Fe3C4.30.772.116.69注意：1 組織組成物和相組成物的分析；2 同一種鋼在不同的加熱條件下對(duì)組織、成分及HT分析。 哪個(gè)溫度加熱淬火后馬氏體晶粒粗大？ 哪個(gè)溫度加熱淬火后馬氏體含碳量較多

11、？哪個(gè)溫度加熱淬火后殘余奧氏體較多？哪個(gè)溫度加熱淬火后未溶碳化物較少？哪個(gè)溫度為正常的淬火加熱溫度？121234相（成分、結(jié)構(gòu)相同且有界面分開(kāi)的部分）機(jī)械混合物（相與相的構(gòu)成狀態(tài)）組織（關(guān)注：形態(tài)、大小及分布）組織可以由單相構(gòu)成； A組織可以由機(jī)械混合物構(gòu)成； PA 站在不同的角度可稱(chēng)為相、組織；P 站在不同的角度可稱(chēng)為機(jī)械混合物、組織。組織組成物是指組成合金顯微組織的獨(dú)立部分（形態(tài)）。相組成物是指組成合金中成分、結(jié)構(gòu)均勻一致的部分。2022/9/17151.4 鋼的熱處理1） 奧氏體化的四個(gè)階段奧氏體晶核的形成奧氏體晶核的長(zhǎng)大剩余滲碳體的溶解奧氏體成分的均勻化2） 奧氏體晶粒度實(shí)際晶粒度 本

12、質(zhì)晶粒度（本質(zhì)粗(細(xì))晶粒鋼）1 鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變1.4.1鋼的熱處理原理2022/9/1716擴(kuò)散退火去應(yīng)力退火各種退火（正火）的加熱溫度范圍完全退火球化退火正火1.4110010009008007006005000.20.40.60.81.01.2溫度C%AF+Fe3C2022/9/1717650600550350A1MSMf時(shí)間PSTB上B下MM+AAPASATAB上AB下AM過(guò)冷A過(guò)冷A過(guò)冷A過(guò)冷A過(guò)冷A2、鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變 共析碳鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線及產(chǎn)物2022/9/1718 用C曲線定性說(shuō)明連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（共析碳鋼為例）根據(jù)冷速曲線與C曲線交點(diǎn)位置判斷轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 P均勻A細(xì)AA1MSM

13、f時(shí)間等溫退火PP退火(爐冷)正火(空冷)S淬火(油冷)T+M+A等溫淬火B(yǎng)下M+A分級(jí)淬火M+A淬火(水冷)M回+A150-250T回350-500S回500-650?PT+S回ST+B下+M+A2022/9/1719AcmAc1V1V2V3V4V5時(shí)間溫度Ms例題：（T12鋼） 3、淬火鋼在回火時(shí)的轉(zhuǎn)變 1）碳鋼：馬氏體的分解 ；殘余奧氏體分解 ；-碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3C ；Fe3C聚集長(zhǎng)大和鐵素體多邊形化 。 2）W18Cr4V鋼： 560三次回火。析出W、Mo、V的碳化物，產(chǎn)生二次硬化?；鼗鹄鋮s時(shí)，A轉(zhuǎn)變?yōu)镸。每次回火加熱都使前一次的淬火馬氏體回火。 強(qiáng)化鋼鐵材料最經(jīng)濟(jì)有效的熱處理工藝是

14、淬火+回火,它包含了多種基本強(qiáng)化方法。 2022/9/17201.4.2鋼的熱處理工藝1、機(jī)械零件的加工工工藝路線預(yù)備熱處理機(jī)械粗加工最終熱處理機(jī)械精加工鍛造鑄造毛坯預(yù)備熱處理（退火與正火）最終熱處理（淬火+回火）2022/9/17212、三個(gè)判據(jù)1）實(shí)際生產(chǎn)中退火與正火的選擇鋼的含碳量C%0.50.5 0.770.77HT工藝正火完全退火球化退火組 織F+SF+PP球2）正火組織判斷鋼的含碳量C%0.60.6組 織F+SS3）組織中是否有殘余奧氏體A中含碳量C%表面淬火后的性能。 （2）滲碳件通?？梢蕴娲砻娲慊鸺?，反之不可。（分析） （3）淬透性與淬火缺陷（分析） （4）銼刀材料T12搞錯(cuò)

15、（45），用T12的工藝，可行嗎？淬火后發(fā)現(xiàn)硬度不足，可能的原因：1)未淬上火；2)加熱時(shí)工件表面脫碳。 2022/9/17242.常用材料復(fù)合材料無(wú)機(jī)非金屬材料有色金屬及合金常用材料金屬材料工業(yè)用鋼鑄 鐵高分子材料非金屬材料2022/9/17252.1工業(yè)用鋼鋼種C%典型牌號(hào)合金元素作用熱處理使用狀態(tài)下組織性能用途碳素結(jié)構(gòu)鋼0.4Q195Q235熱軋狀態(tài)F+P塑性,焊接性好建筑結(jié)構(gòu)低合金高強(qiáng)度鋼0.2Q345(16Mn)Mn:強(qiáng)化F,增加P,降低脆轉(zhuǎn)溫度熱軋空冷F+P塑性,焊接性好橋梁,船舶, 容器滲碳鋼0.10.252020Cr20CrMnTiCr,Mn:提高淬透性,強(qiáng)化F,Ti:細(xì)化晶粒

16、滲碳+淬火+低溫回火表面：M回+ A (少量)+顆粒狀Fe3C心部：M回+F表硬里韌軸、齒輪調(diào)質(zhì)鋼0.30.54540Cr40CrNiMoCr,Ni:提高淬透性,強(qiáng)化F,Mo:防止第二類(lèi)回火脆性調(diào)質(zhì)S回良好綜合力學(xué)性能軸、齒輪彈簧鋼0.60.90.450.765Mn60Si2MnCr,Mn:提高淬透性,強(qiáng)化F；Si:提高屈強(qiáng)比淬火+中溫回火T回高s/b高-1彈簧2022/9/1726鋼種C%典型牌號(hào)合金元素作用熱處理使用狀態(tài)下組織性能用途滾動(dòng)軸承鋼0.951.10GCr15Cr:提高淬透性,耐磨耐蝕性球退+淬火+低溫回火M回+ A(少量)+顆粒狀Fe3C高耐磨高-1足夠ak滾動(dòng)軸承耐磨鋼1.0

17、1.3ZGMn13Mn:形成A組織水韌處理表：M+碳化物心：A高耐磨耐沖擊鏟齒，履帶板碳素工具鋼0.651.35T7T13球退+淬火+低溫回火M回+ A(少量)+顆粒狀Fe3C高硬度高耐磨沖子、絲錐、銼刀低合金工具鋼0.751.59SiCrSi、Cr：提高淬透性球退+淬火+低溫回火M回+ A(少量)+顆粒狀Fe3C高硬度高耐磨低速刃具高速鋼0.71.5W18Cr4VCr:提高淬透性；W、V：提高熱硬、耐磨性鍛、退火、淬火+三次回火M回+ A(少量)+顆粒狀碳化物高熱硬高硬度高耐磨高速刃具2022/9/1727鋼種C%典型牌號(hào)合金元素作用熱處理使用狀態(tài)下組織性能用途冷作模具鋼1.42.3Cr12

18、Cr12MoVCr:提高淬透性。MoV:提高耐磨性鍛，退，淬火+低溫回火M回+ A(少量) +顆粒狀碳化物高硬度高耐磨冷沖模擠壓模熱鍛模鋼0.50.65CrNiMo5CrMnMo合金元素作用同調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)S回抗熱疲勞熱鍛模壓鑄模鋼0.30.63Cr2W8V合金元素作用同高速鋼淬火+回火M回+ A(少量) +顆粒狀碳化物抗熱疲勞,耐磨壓鑄模不銹鋼0.03-0.951Cr13,2Cr13Cr:提高耐蝕性；Ni:形成A；Ti:防止晶間腐蝕調(diào)質(zhì)S回高耐蝕性(隨C%增加,耐蝕性下降)汽輪機(jī)葉片3Cr13,4Cr13淬火+低溫回火M回醫(yī)療器械0Cr13不能熱處理F硝酸氮肥工業(yè)1Cr18Ni9Ti固溶處理A化

19、工管道耐熱鋼15CrMo,12Cr1MoVCr,Si:提高抗氧化性;Mo:提高T再；V,Ti:彌散強(qiáng)化; Ni:形成A組織正火F+P高熱強(qiáng)性,高抗氧化性鍋爐零件4Cr9Si2,1Cr11MoV調(diào)質(zhì)S回氣閥,葉片1Cr18Ni9Ti固溶A過(guò)熱器管2022/9/17282.2 鑄鐵鑄鐵的組織狀態(tài)=鋼基石墨（G)鑄鐵名稱(chēng)牌號(hào)舉例獲得方法組織熱處理用途灰鑄鐵 G片HT200(最低抗拉強(qiáng)度為200MPa)液態(tài)金屬石墨化+孕育處理基體(F、P、F+P) +片狀石墨去應(yīng)力，消除白口，表面淬火機(jī)床床身可鍛鑄鐵 G團(tuán)絮KTZ450-06 (最低抗拉強(qiáng)度為450MPa,最低延伸率為6%)白口+石墨化退火基體(F、P) +團(tuán)絮狀石墨石墨化退火車(chē)輪殼，管接頭球墨鑄鐵 G球QT500-7(最低抗拉強(qiáng)度為500MPa,最低延伸率為7%)液態(tài)金屬石墨化+球化處理+孕育處理基體(F、P、F+P) +球狀石墨可進(jìn)行各種熱處理柴油機(jī)曲軸2022/9/17292.3 有色金屬及其合金合金牌號(hào)舉例牌號(hào)含義性能用途鋁合金LF55號(hào)防銹鋁合金耐蝕、塑性好冷成型件LY1111號(hào)硬鋁合金強(qiáng)硬度高沖壓模鍛件LC44號(hào)超硬鋁合金高強(qiáng)受力大結(jié)構(gòu)件LD77號(hào)鍛鋁合金可鍛、耐溫鍛件ZL1022號(hào)Al-Si鑄造合金耐蝕,鑄造性好汽缸、活塞Z