1、,金屬材料與熱處理,一、金屬材料的歷史地位 二、金屬材料的分類 三、金屬結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用情況 四、金屬材料發(fā)展的歷史 五、金屬材料的發(fā)展熱點(diǎn) 六、關(guān)于本課程,緒 論,主要內(nèi)容,一、金屬材料的歷史地位,1.材料發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步有著密切關(guān)系,它是衡量人 類社會(huì)文明程度的標(biāo)志之一，金屬材料是現(xiàn)代文明的基礎(chǔ)。 石器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代 2.目前，人類還處在金屬器時(shí)期。雖然無機(jī)非金 屬材料、高分子材料的使用量與日俱增，但在可預(yù)見的時(shí)期內(nèi)，仍不會(huì)改變這種狀況。,二、金屬材料的分類,黑色 金屬,有色 金屬,金屬材料,鑄鐵,鋼,工程構(gòu)件用鋼,機(jī)器零件用鋼,工具鋼,特殊性能用鋼(不銹鋼及耐熱鋼),輕金屬(鋁,鎂,

2、鈦),重金屬(銅,鋅,鉛,鎳),貴重金屬(金,銀),稀有金屬(鎢鉬釩鈮鈷),放射金屬(鐳鈾釷),結(jié)構(gòu)金屬材料 功能金屬材料,三、金屬結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用情況(1),1.從總產(chǎn)量來看，鋼鐵材料的產(chǎn)量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，占世界金屬總產(chǎn)量的95，而且有許多良好的性能，能滿足大多數(shù)條件下的應(yīng)用，價(jià)格低廉。 2.在世界金屬礦儲(chǔ)量中，鐵礦資源雖然比較豐富和集中，但就世界地殼中金屬礦產(chǎn)儲(chǔ)量來講，則非鐵金屬礦儲(chǔ)量大于鐵礦儲(chǔ)量，如鐵只占5.1，而非鐵金屬中鋁為8.8鎂為2.1，鈦為0.6。,3. 非鐵金屬冶煉較困難，所需能源消耗大，因而生產(chǎn)成本高，限制了生產(chǎn)總量的增長(zhǎng)。 4.非鐵金屬所創(chuàng)造的價(jià)值高，并且它有鋼鐵所不具備的特殊

3、性能，例如比強(qiáng)度高，耐低溫、耐腐蝕等，因而非鐵金屬產(chǎn)量仍在迅速增長(zhǎng)。,三、金屬結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用情況(2),四、金屬材料發(fā)展的歷史(1),1.公元前3800年，出現(xiàn)人工冶煉的銅器，我國(guó)在公元前3000年出現(xiàn)錫青銅甘肅東鄉(xiāng)馬家窯文化的青銅刀（含610Sn）。商、周時(shí)期是中國(guó)青銅器的鼎盛時(shí)期。 2.自公元前12世紀(jì)起鐵器在地中海東岸地區(qū)使用日廣。到公元前10世紀(jì)，鐵工具比青銅工具應(yīng)用更普遍。公元前8世紀(jì)到公元前7世紀(jì)，北非和歐洲相繼進(jìn)入鐵器時(shí)代。,3. 中國(guó)古代鋼鐵及非鐵金屬的生產(chǎn)技術(shù)和熱處理技術(shù)，在明末科學(xué)家宋應(yīng)星所著天工開物中有詳細(xì)的闡述。 4.現(xiàn)代冶金技術(shù)的發(fā)展自19世紀(jì)中葉的轉(zhuǎn)爐煉鋼和平爐煉鋼

4、開始。19世紀(jì)末的電弧爐煉鋼和20世紀(jì)中葉的氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼及爐外精煉技術(shù)，使鋼鐵工業(yè)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化。,四、金屬材料發(fā)展的歷史(2),5.在非鐵金屬冶金方面，19世紀(jì)80年代發(fā)電機(jī)的發(fā)明，使電解法提純銅的工業(yè)方法得以實(shí)現(xiàn)，開創(chuàng)了電冶金新領(lǐng)域；同時(shí)，用熔鹽電解法將氧化鋁加入熔融冰晶石，電解得到廉價(jià)的鋁，使鋁成為僅次于鐵的第二大金屬；20世紀(jì)40年代，用鎂作還原劑從四氯化鈦制得純鈦，并使真空熔煉加工等技術(shù)逐步成熟后，鈦及鈦合金的廣泛應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，其他非鐵金屬也陸續(xù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。,四、金屬材料發(fā)展的歷史(3),6. 19世紀(jì)末，出現(xiàn)了新型的合金鋼如高速工具鋼、高錳鋼、鎳鋼和鉻不銹鋼，并在20世

5、紀(jì)發(fā)展為門類眾多的合金鋼體系。與此同時(shí)，鋁合合、鎂合金、銅合金、鈦合金和難熔金屬及合金等也先后形成工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。 7. 20世紀(jì)中葉，新金屬材料研究發(fā)展迅猛。如非晶態(tài)合金、金屬基復(fù)合材料、金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料、金屬納米材料等。,四、金屬材料發(fā)展的歷史(4),五、金屬材料的發(fā)展熱點(diǎn),1繼續(xù)重視高性能的新型金屬材料 具有高強(qiáng)度、高韌性、耐高、低溫、抗腐蝕等性能。 2非晶（亞穩(wěn)態(tài)）材料日益受到重視 非晶態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)合金材料、金屬納米材料。 3特殊條件下應(yīng)用的金屬材料 低溫、高壓、高溫、外場(chǎng)以及輻照條件材料的結(jié)構(gòu)、組織和性能的研究。 4材料的設(shè)計(jì)及選用科學(xué)化 按照指定的性能對(duì)材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)、成分的科學(xué)設(shè)計(jì)

6、。,六、關(guān)于本課程(1),1. 本課程的目的是講授金屬結(jié)構(gòu)材料的物理冶金問題，使學(xué)生掌握金屬及合金中的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)過程、環(huán)境對(duì)金屬材料各種性能的影響的基本規(guī)律； 掌握常用金屬材料的化學(xué)成分設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、熱處理和使用中的問題。,2.本課程的主要內(nèi)容 金屬材料的合金化基礎(chǔ)理論 碳鋼、合金鋼 鑄鐵 有色金屬及合金,六、關(guān)于本課程(2),3. 學(xué)習(xí)要求 掌握金屬材料合金化原理、合金元素對(duì)鋼相變、組織、性能影響的一般規(guī)律。 掌握常用鋼、鑄鐵、高溫合金、有色金屬等材料的牌號(hào)、成分、熱處理規(guī)范、組織、力學(xué)性能和用途。 能夠根據(jù)工程構(gòu)件、機(jī)器零件（或工具）的服役條件，合理選用材料，確定熱處理工藝等。

7、 能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量作初步分析，提出消除或預(yù)防熱處理缺陷的措施。,六、關(guān)于本課程(3),4.成績(jī)考核方式 期末試卷 （80%）+ 平時(shí)綜合（20%） 5.教材與參考書 吳承建、陳國(guó)良、強(qiáng)文江編著。金屬材料學(xué)，北京：冶金工業(yè)出版社，2000。 王笑天主編。金屬材料學(xué)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987。 王曉敏主編。工程材料學(xué)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999。,六、關(guān)于本課程(4),第一單元 金屬材料與機(jī)械產(chǎn)品 制造過程簡(jiǎn)介,金屬材料的基本概念 金屬材料是由金屬元素或以金屬元素為主要材料構(gòu)成的并具有金屬特性的工程材料。,金屬材料,純 金 屬,合 金,金屬材料的分類,金屬材料,黑色 金屬,有色 金屬,非合金

8、鋼,低合金鋼,合金鋼,鑄鐵,滑動(dòng)軸承合金,鈦及鈦合金,其他非鐵合金,銅及銅合金,鋁及鋁合金,Steelmaking flowlines,Steel Finishing flowlines,機(jī)械產(chǎn)品的制造過程,機(jī)械產(chǎn)品加工工藝,鑄造,壓力加工,焊接,粉末冶金,切削加工,特種加工,熔焊,壓焊,釬焊,金屬材料的性能,力學(xué)性能,物理性能,化學(xué)性能,化學(xué)性能,第二單元 金屬材料的性能,力學(xué)性能,力學(xué)性能 指金屬在力的作用下所顯示出的與彈性和非彈性反應(yīng)相關(guān)或涉及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的性能，如彈性、強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等,強(qiáng)度與塑性,材料的拉伸曲線 1、oe段：直線、彈性變性 2、es段：曲線、彈性變形+塑性變

9、形 3、s s段：水平線（略有波動(dòng)）明顯的塑 性變形屈服現(xiàn)象，作用的力基本不變，試樣連續(xù)伸長(zhǎng)。 4、sb曲線：彈性變形+均勻塑性變形。 5、b點(diǎn)：出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即試樣局部截面 明顯縮小試樣承載能力降低，拉伸力達(dá)到最大值，試樣即將斷裂。,強(qiáng)度指材料抵抗塑性變形和斷裂的能力 。,強(qiáng)度的指標(biāo),2、抗拉強(qiáng)度,指試樣拉斷前所承受的最大拉應(yīng)力。 其物理意義是在于它反映了最大均勻變形的抗力。,1、屈服點(diǎn),Rm = Fm/S0,當(dāng)材料的內(nèi)應(yīng)力RRm時(shí)，材料將產(chǎn)生斷裂。 Rm常用作脆性材料的選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。,符號(hào)： Re 材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的最小應(yīng)力,Re= Fs/S0,Fs：試樣屈服時(shí)所承受的拉伸力（N）

10、S0 ：試樣原始橫截面積（mm）,塑性指標(biāo),塑性是材料在靜載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。評(píng)定指標(biāo)是斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。,1、斷后伸長(zhǎng)率 A,2、斷面收縮率 Z,指試樣拉斷后標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比。,指試樣拉斷后縮項(xiàng)處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。,A=(Lu-Lo)/Lo x 100%,Lu:拉斷拉伸試樣對(duì)接后測(cè)出的標(biāo)距長(zhǎng)度Lo:拉伸試樣的原始標(biāo)距,Z=(So-Su)/So x 100%,So:拉伸試樣原橫截面積。Su:拉伸試樣斷口處的橫截面積,硬度,引言：,1、定義：指材料局部表面抵抗塑性變形和破壞的能力。它是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)，其物理含義與試驗(yàn)方法有

11、關(guān)。,2、硬度的測(cè)試方法 布氏硬度 洛氏硬度 維氏硬度 肖氏硬度,1、布氏硬度試驗(yàn)（布氏硬度計(jì)）,原理:用一定直徑的球體（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球）以相應(yīng)的試驗(yàn)力壓入待測(cè)材料表面，保持規(guī)定時(shí)間并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后卸除試驗(yàn)力，測(cè)量材料表面壓痕直徑，以計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn)方法。,2、布氏硬度值 用球面壓痕單位面積上所承受有平均壓力表示。 如：120HBS 500HBW,4、測(cè)量范圍 用于測(cè)量灰鑄鐵、結(jié)構(gòu)鋼、非鐵金屬及非金屬材料等.,布氏硬度,3、優(yōu)缺點(diǎn) （1）測(cè)量值較準(zhǔn)確，重復(fù)性好，可測(cè)組織不均勻材料（鑄鐵） （2）可測(cè)的硬度值不高 （3）不測(cè)試成品與薄件 （4）測(cè)量費(fèi)時(shí)，效率低,1、洛氏硬度試驗(yàn)（

12、洛氏硬度計(jì)）,原理: 用金剛石圓錐或淬火鋼球，在試驗(yàn)力的作用下壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，用測(cè)量的殘余壓痕深度增量來計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn)。,2、洛氏硬度值 用測(cè)量的殘余壓痕深度表示?？蓮谋肀P上直接讀出。如：50HRC,4、測(cè)量范圍 用于測(cè)量淬火鋼、硬質(zhì)合金等材料.,洛氏硬度,3、優(yōu)缺點(diǎn) （1）試驗(yàn)簡(jiǎn)單、方便、迅速 （2）壓痕小，可測(cè)成品，薄件 （3）數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，應(yīng)測(cè)三點(diǎn)取平均值 （4）不應(yīng)測(cè)組織不均勻材料，如鑄鐵。,1、維氏硬度試驗(yàn),原理:用夾角為136的金剛石四棱錐體壓頭，使用很小試驗(yàn)力F（49.03-980.07N）壓入試樣表面，測(cè)出壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d。,2、維氏硬度值 用

13、壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度表示。如：640HV。,4、測(cè)量范圍 常用于測(cè)薄件、鍍層、化學(xué)熱處理后的表層等。,維氏硬度,3、優(yōu)缺點(diǎn) （1）測(cè)量準(zhǔn)確，應(yīng)用范圍廣（硬度從極軟到極硬） （2）可測(cè)成品與薄件 （3）試樣表面要求高，費(fèi)工。,韌性,金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力稱為沖擊韌性。 常用一次擺錘沖擊彎曲，試驗(yàn)來測(cè)定金屬材料的沖擊韌性。 沖擊試樣 沖擊試樣的原理及方法：沖擊韌度越大， 表示材料的沖擊韌性越好。 小能量多次沖擊試驗(yàn),疲勞強(qiáng)度,疲勞概念： 在交變應(yīng)力作用下，零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的工作后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象稱為金屬的疲勞。,疲勞斷裂時(shí)無明顯的宏觀朔性變

14、形，斷裂前沒有預(yù) 兆，而是突然破壞； 引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，常常低于材料的屈服點(diǎn)； 疲勞破壞的宏觀斷口由兩部分組成。,疲勞破壞的特征,疲勞曲線是指交變應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。,疲勞曲線和疲勞極限,物理性能,密度 熔點(diǎn) 導(dǎo)熱性 導(dǎo)電性 熱膨脹性 磁性,化學(xué)性能,耐蝕性 抗氧化性 化學(xué)穩(wěn)定性,金屬的工藝性能,工藝性能是指金屬材料對(duì)不同加工工藝方法的應(yīng)能力。,金屬（材料）及合金在鑄造工藝中獲得優(yōu)良鑄件的能力稱為鑄造性能。 1、流動(dòng)性：熔融金屬的流動(dòng)能力稱為流動(dòng)性。主要受金屬化學(xué)成份和澆注溫度等的影響。 2、收縮性：鑄件在凝固和冷卻過程中，其體積和尺寸減小的現(xiàn)象稱為引縮性。 3、偏析傾向：金屬凝固

15、后，內(nèi)部化學(xué)成分和組織的不均勻現(xiàn)象稱為偏析。,鑄造性能：,鍛造性能： 用鍛壓成形方法獲得優(yōu)良鍛件的難易程度稱為鍛造性能。 鑄鐵不能鍛壓 。,焊接性能： 大量接性能是指金屬材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性。 切削加性能：切削加工（性能）金屬材料的難易程度稱為切削加工性能。,第三單元 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,晶體與非晶體 非晶體：在物質(zhì)內(nèi)部，凡原子呈無序堆積狀 況的，稱為非晶體。如：普通玻璃、松香、樹脂等。 晶體：凡原子呈有序、有規(guī)則排列的物質(zhì)，金屬的固態(tài)、金剛石、明礬晶體等。 性能：晶體有固定的熔、沸點(diǎn)，呈各向異性，非晶體沒有固定熔點(diǎn)，而且表現(xiàn)為各向同性。,一、金屬材料的晶體結(jié)構(gòu),晶格和晶胞： 表示原子在晶

16、體中排列規(guī)律的空間格架叫做晶格。 能完整地反映晶格特征的最小幾何單元，稱為晶胞。 晶面和晶向： 在晶體中由一系列原子組成的平面，秋為晶面。 通過兩個(gè)或兩個(gè)以上原子中心的直線，可代表晶格空間排列的一定方向，稱為晶向,晶體結(jié)構(gòu)的概念,體心立方晶格：它的晶胞是一個(gè)立方體，原子位于立方體的八個(gè)頂角上和立方體的中心。如：鉻（Cr）、釩（V）、鎢（W）、鉬（Mo）及-Fe 面心立方晶格：它的晶胞也是一個(gè)立方體，原子位于立方體的八個(gè)頂角上和立方體六個(gè)面的中心。 如：鋁（Al）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鎳（Ni）及-Fe 密排六方晶格：它的晶胞是一個(gè)正六棱柱體，原子排列在柱體的每個(gè)頂角上和上、下底面的中心，另

17、外三個(gè)原子排列在柱體內(nèi)。屬于這種晶格類型的金屬有鎂（Mg）、鈹（Be）、鎘（Cd）、及鋅（Zn）等。,金屬晶格的類型,金屬材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu) 點(diǎn)缺陷 晶體中呈點(diǎn)狀的缺陷，即在三維 空間上尺寸都很小的晶體缺陷 線缺陷 三維空間的兩個(gè)方向上尺寸很小 的晶體缺陷 面缺陷 在二維方向上尺寸很大，在第三 個(gè)方向上尺寸很小，呈面狀分布的缺陷,金屬由原子不規(guī)則排列的液體轉(zhuǎn)變?yōu)樵右?guī)則排列的固體的過程稱為結(jié)晶。 純金屬的冷卻曲線及過冷度。 用熱分析法進(jìn)行研究 純金屬的冷卻曲線(理論) 純金屬的冷卻曲線(實(shí)際),二、純金屬的結(jié)晶,純金屬的結(jié)晶過程,晶粒大小對(duì)金屬材料力學(xué)性能的影響 控制晶粒大小的方法 （1）加快

18、液態(tài)金屬材料的冷卻速度； （2）變質(zhì)處理 （3）采用機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)和電磁振動(dòng)等；,金屬材料結(jié)晶后晶粒的控制,三、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,金屬在固態(tài)下，隨溫度的改變有一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪痪Ц竦默F(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的金屬有：鐵、鈷、鈦、錫、錳等。同一金屬的同素異構(gòu)晶體按其穩(wěn)定存在的溫度，由低溫到高溫依次用希臘字母，等表示,同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是由晶核的形成與晶核的長(zhǎng)大兩個(gè)基本過程完成，新晶核在原晶界處生成 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變有過冷（過熱）現(xiàn)象，并且轉(zhuǎn)變時(shí)具有較大的過冷度 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程中，有相變潛熱產(chǎn)生，在冷卻曲線上出現(xiàn)水平線段，但這種轉(zhuǎn)變?cè)诠虘B(tài)下進(jìn)行的，它與液體結(jié)晶相比具有不同之處 同素

19、異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)常伴有金屬材料體積的變化,四、合金的相結(jié)構(gòu),組元 合金系 相 組織,基本概念,合金的相結(jié)構(gòu),固溶體 置換固溶體 間隙固溶體 金屬氧化物 機(jī)械混合物,五、合金的結(jié)晶,合金的結(jié)晶過程 合金結(jié)晶冷卻曲線 形成單相固溶體的結(jié)晶冷卻曲線 形成單相混合物或共晶體的結(jié)晶冷卻曲線 形成機(jī)械混合物的冷卻曲線,六、金屬材料鑄錠組織特征,鑄錠的組織結(jié)構(gòu) 表面細(xì)晶粒區(qū) 柱狀晶粒區(qū) 等軸晶粒區(qū) 2.定向結(jié)晶和單晶,七、金屬材料塑性變形與再結(jié)晶,金屬材料塑性變形 塑性變形實(shí)質(zhì) 冷變形強(qiáng)化 回復(fù) 再結(jié)晶 晶粒長(zhǎng)大,八、金屬材料焊接接頭組織,焊縫 熔合區(qū) 熱影響區(qū) 過熱區(qū) 正火區(qū) 部分相變區(qū),鐵素體 概念：碳溶解在

20、-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體。 符號(hào)：F， 體心立方晶格 溶解能力：溶解度很小，在727時(shí)，碳在-Fe中的最大溶碳量為0.0218%，隨溫度的降低逐漸減小。 性能：由于鐵素體的含碳量低，所以鐵素體的性能與純鐵相似。即有良好的塑性和韌性，強(qiáng)度和硬較低。,鐵碳合金相圖 第四單元,奧氏體 概念：碳溶解在Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體。 符號(hào)：A， 面心立方晶格 溶碳能力：較強(qiáng)。在1148時(shí)可溶C 為2.11%，在727時(shí)，可溶C為0.77%。 性能：強(qiáng)度、硬度不高，具有良好的塑性，是絕大多數(shù)鋼在高溫進(jìn)行鍛造和扎制時(shí)所要求的組織。,珠光體 概念：是鐵素體與碳光體的混合物 符號(hào)： P ，是鐵素體

21、和滲碳體片層相間，交替排列。 溶碳能力：在727時(shí)，C=0.77% 性能特點(diǎn)：取決于鐵素體和滲碳體的性能，強(qiáng)度較高，硬度適中，具有一定的塑性。,萊氏體 概念：是含碳量為4.3%的液態(tài)鐵碳合金在11480C時(shí)從液體上中間結(jié)晶出的奧氏體和滲碳體的混合物。 符號(hào)：Ld（高溫萊氏體，溫度727）由于奧氏體在727時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，所以在室溫下的萊氏體由珠光體和滲碳體組成叫低溫萊氏體。Ld表示 溶碳能力：C=4.3% 性能特點(diǎn)：硬度很高，塑性很差。,珠光體 概念：是鐵素體與碳光體的混合物 符號(hào)： P ，是鐵素體和滲碳體片層相間，交替排列。 溶碳能力：在727時(shí)，C=0.77% 性能特點(diǎn)：取決于鐵素體和滲碳

22、體的性能，強(qiáng)度較高，硬度適中，具有一定的塑性,二、鐵碳合金相圖,鐵碳合金的分類,鋼：0.0218%C2.11%的鐵碳合金 亞共析鋼：0.0718%C0.77% 共析鋼：C=0.77% 過共析鋼：0.77%C2.11% 白口鑄鐵：2.11%C6.69% 亞共晶白口鑄鐵：2.11%C4.3% 共晶白口鑄鐵：C=4.3% 過晶白口鑄鐵：4.3%C6.69%,四、鐵碳合金相圖的應(yīng)用,選材方面 鑄造方面 壓力加工方面 熱處理方面 焊接方面,第五單元 非合金鋼,一、硅 1、來源：煉鋼后期作脫氧劑帶入； 2、對(duì)鋼的性能影響：提高鋼的強(qiáng)度、硬度； 3、是鋼中的有益元素。 二、錳 1、來源：煉鋼脫氧劑。 2、對(duì)

23、鋼的性能影響：提高鋼的強(qiáng)度與硬度。 3、是鋼中的有益元素,三、硫 1、來源：生鐵帶入； 2、對(duì)鋼的性能影響：對(duì)鋼造成熱脆性； 3、是鋼中的有害元素。 四、磷 1、來源：生鐵帶入； 2、對(duì)鋼的性能影響，對(duì)鋼造成冷脆性； 3、是鋼中的有害元素。,二、非合金鋼的分類,按鋼的含碳量分類： 1、低碳鋼：C0.25% 2、 中碳鋼：0.25%C0.6% 3、高碳鋼：C0.6%,二、按鋼的質(zhì)量分類： 1、普通鋼：S0.05%，P0.045% 2、優(yōu)質(zhì)鋼：S0.035%，P0.035% 3、高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：S0.025%，P0.025%,三、按鋼的用途分類： 1、結(jié)構(gòu)鋼：主要用于制造各種機(jī)械零件和工程構(gòu)件。C0.

24、7% 2、工具鋼：主要用于制造各種刀具、模具和量具。其含碳量大于0.70%,三、非合金鋼鋼的牌號(hào)及用途,牌號(hào)：Q屈服點(diǎn)數(shù)值，質(zhì)量等級(jí)符號(hào)和脫氧方法符號(hào)； 性能：一般； 應(yīng)用：廠房、橋梁、船舶、鉚釘、螺釘、螺母等。 例如：Q235-AF：表示屈服點(diǎn)為235Mpa的A級(jí)沸騰鋼,一、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼： 牌號(hào)：用兩位數(shù)字表示鋼中平均含碳量的十分之幾。 分類： 1）、0825鋼，屬于低碳鋼 性能：強(qiáng)度、硬度較低、塑性、韌性及焊接性良好； 用途：沖壓件、焊接結(jié)構(gòu)件及滲碳件 如：深沖器件、壓力容器等。 2）、3055鋼 屬于中碳鋼 性能：較高的強(qiáng)度和硬度，是塑性和韌性隨含碳量的增加而逐步降低。 用途：制作受力

25、較大的機(jī)械零件。 如：連桿、曲軸、齒輪等 3）、60鋼以上 屬于高碳鋼。 性能：有較高的強(qiáng)度、硬度和彈性； 用途：制造較高強(qiáng)度、耐磨性和彈性的零件 如：氣門彈簧、彈簧墊圈等,碳素工具鋼： 牌號(hào)：T+數(shù)字（平均含碳量的千分?jǐn)?shù)） 如：T12A：表示平均含碳量為1.2%的高效優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。 T7T8：鉆頭、模具等 T9T10：絲錐、板牙等 T11T13：銼刀、削刀等,鑄造碳鋼： 牌號(hào)：ZG+數(shù)字?jǐn)?shù)字 第一組數(shù)字：屈服點(diǎn) 第二組數(shù)字：抗拉強(qiáng)度值 如：ZG270500， 應(yīng)用：制造形狀復(fù)雜力學(xué)性能要求較高的機(jī)械零件。,第六單元 鋼材的熱處理,一、熱處理： 熱處理是將固態(tài)金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱

26、、保溫和冷卻以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。 熱處理的目的： 提高零件的使用性能； 充分發(fā)揮鋼材的潛力； 延長(zhǎng)零件的使用壽面； 改善工件的工藝性能，提高加工質(zhì)量，減小刀具的磨損。 鋼的熱處理方法：退火、正火、淬火、回火及表面熱處理等五種。 熱處理使鋼性能發(fā)生變化的原因： 由于鐵有同素異轉(zhuǎn)變，從而使鋼在加熱和冷卻過程中，發(fā)生了組織與結(jié)構(gòu)變化。,二、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變,鋼的奧氏體化 奧氏體晶核的形成及長(zhǎng)大； 殘余滲碳件的溶解； 奧氏體的均勻化； 在熱處理工藝中，鋼保溫的目的是： 、為了使工件熱透； 、使組織轉(zhuǎn)變完全； 、使奧氏體成分均勻。 奧氏體晶粒的長(zhǎng)大： 加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，奧氏

27、體晶粒越大,三、鋼材在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變,過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 等溫轉(zhuǎn)變圖的建立 過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能 珠光體轉(zhuǎn)變： 溫度：A15500C珠光體 HRC A16500C珠光體P 25 6500C6000C索氏體S 2535 6000C5500C屈氏體T 3540 貝氏體型轉(zhuǎn)變： 5500CMs貝氏體B 4045 5500C3500C上貝氏體B上 3500CMs下貝氏體B下 4555,馬氏體轉(zhuǎn)變 碳在Fe中的過飽和固溶體，稱為馬氏體，用符號(hào)M表示，體心正方晶格。 馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)： 轉(zhuǎn)變溫度：MsMf 轉(zhuǎn)變速度極快； 轉(zhuǎn)變體積發(fā)生膨脹； 轉(zhuǎn)變不徹底。 性能特點(diǎn)：針狀馬氏體：硬度高、脆

28、性大；板條馬氏體：強(qiáng)度、韌性較好 馬氏體的硬度主要取決于含碳量。 過冷奧氏體等溫度轉(zhuǎn)變圖的應(yīng)用。 在等溫轉(zhuǎn)變圖上估計(jì)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，確定馬氏體臨界冷卻速度,四、退火與正火,退火 概念：將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）的熱處理工藝稱為退火。 退火的主要目的是：降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷變形加工；細(xì)化晶粒，均勻鋼的組織及成分，改善鋼的性能或?yàn)橐院蟮臒崽幚碜鹘M織上的準(zhǔn)備；消除鋼中的殘余內(nèi)應(yīng)力，以防止變形幫開裂。,退火的方法： 完全退火： 完全退火是將鋼加熱到完全奧氏體（Ac3以上30500C），隨之緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的工藝方法。應(yīng)用：中碳

29、鋼及低、中碳合金結(jié)構(gòu)鋼的鍛件、鑄件、熱軋型材等。 球化退火：球化退火是將鋼加熱到AC1以上20300C，保溫一定得時(shí)間，以不大于500C/H得冷卻速度隨爐冷卻，使鋼終碳化物呈球狀得工藝方法。應(yīng)用：適用于共析鋼及過共析鋼。如碳素工具鋼，合金工具鋼、軸承鋼等。 去應(yīng)力退火：去應(yīng)力退火是將鋼加熱到略低于A1得溫度，保溫一定時(shí)間后緩慢冷卻得工藝方法。應(yīng)用：消除塑性變形、焊接、切削加工、鑄造等形成的殘余內(nèi)應(yīng)力。,正火,1、正火概念：將鋼加熱到Ac3或Accm以上30-500C，保溫適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，在空氣中冷卻的工藝方法。正火退火的目的基本相同， 2、正火主要用于如下場(chǎng)合： 善低碳鋼和低碳合金鋼的切削加工性；

30、 正火可細(xì)化晶粒； 消除過共析鋼中的網(wǎng)狀滲碳體，改善鋼的力學(xué)性能，并為球化退火作組織準(zhǔn)備； 代替中碳鋼和低碳合金結(jié)構(gòu)鋼的退火。,五、淬火,1、概念：將鋼加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后以適當(dāng)速度冷卻，獲得馬氏體或下馬貝氏組織的熱處理工藝稱為淬火； 2、目的：主要獲得馬氏體，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。 工藝： 一、淬火加熱溫度： 亞共析鋼的淬火加熱：Ac3以上30500C 過共析鋼的淬火加熱：Ac1以上30500C 二、淬火冷卻介質(zhì)：油、水、鹽水、堿水等。 三、淬火方法： 單液淬火法：碳鋼一般用水作冷卻介質(zhì)；合金鋼用油作冷卻介質(zhì)。 雙介質(zhì)淬火：如，先水后油；先水后空氣。 馬氏體分液

31、淬火； 貝氏體等溫淬火。,4 冷處理 鋼的淬透性和淬硬性 淬火缺陷： 氧化與脫碳 過熱和過燒 變形與開裂 硬度不定,六、回火,回火的概念： 將鋼淬火后，再加熱到Ac1點(diǎn)以下的某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。 回火目的： 消除內(nèi)應(yīng)力； 獲得所需要的力學(xué)性能； 穩(wěn)定組織和尺寸 淬火鋼在回火時(shí)組織與性能的變化 馬氏體分解； 殘余奧氏體分解 滲碳體的形成 滲碳體的聚集長(zhǎng)大。 其基本的趨勢(shì)是：隨著回火溫度的升高，鋼的強(qiáng)度、硬度下降，而塑性、韌性提高。,回火的分類及應(yīng)用 低溫回火： T1=1500C2500C 組織：回火馬氏體； 性能：具有高硬度，高耐磨性和一定的韌性； 應(yīng)用：

32、刀具、量具、冷沖壓模具等 中溫回火：T1=3500C5000C 組織：回火托氏體； 應(yīng)用：刀具、量具、冷沖壓模具等 性能：具有高的彈性極限、屈服點(diǎn)； 應(yīng)用：彈性零件。,高溫回火：T1=500C6500C 組織：回火索氏體； 性能：綜合力學(xué)性能； 應(yīng)用：受力結(jié)構(gòu)體。 調(diào)質(zhì)：生產(chǎn)中常把淬火及高溫回火的復(fù)合熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)。,七、表面熱處理 與化學(xué)熱處理,概述： 在機(jī)械設(shè)備中，有許多零件（如齒輪、活塞銷、曲軸等）是在沖擊載荷及表面摩擦條件下工作的。這類零件表面必須具有高硬度和耐磨性，而心部要有足夠的塑性和韌性。這類零件要進(jìn)行表面熱處理 常用的表面熱處理方法有：表面淬火及化學(xué)熱處理。 表面淬火 對(duì)工

33、件表面進(jìn)行淬火的工藝稱為表面淬火。 火焰加熱表面淬火 感應(yīng)加熱表面淬火,七、表面熱處理 與化學(xué)熱處理,二、化學(xué)熱處理 分解 吸收 擴(kuò)散 鋼的滲碳： 滲碳件必須用低碳鋼或低碳合金鋼制造。 滲碳件進(jìn)行熱處理，常用淬火后低溫回火。,八、熱處理新技術(shù),第七單元 低合金鋼與合金鋼,1、合金元素在鋼材中的存在形式：合金鐵素體合金碳化物。 2、合金元素對(duì)鋼材熱處理和力學(xué)性能的影響：合金元素對(duì)鋼材的有利作用，主要是通過影響熱處理工藝中的相變過程顯示出來。 （1）對(duì)鋼材加熱轉(zhuǎn)變的影響。 （2）對(duì)鋼材回火轉(zhuǎn)變產(chǎn)生影響：提高鋼材的耐回火性；產(chǎn)生二次硬化。,1形成鐵基固溶體 （1）形成鐵基置換固溶體 Ni、Co、Mn

34、、Cr、V等元素可與Fe形成無限固溶體。其中Ni、Co和Mn形成以-Fe為基的無限固溶體，Cr和V形成以-Fe為基的無限固溶體。 Mo和W只能形成較寬溶解度的有限固溶體。如-Fe(Mo)和-Fe(W)等。 Ti、Nb、Ta只能形成具有較窄溶解度的有限固溶體；Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度。,一、合金元素的存在形式（1 ）,元素周期表,（2）形成鐵基間隙固溶體 對(duì)-Fe，間隙原子優(yōu)先占據(jù)的位置是八面體間隙。 對(duì)-Fe，間隙原子優(yōu)先占據(jù)的位置是八面體或四面體間隙。 間隙原子的溶解度隨間隙原子尺寸的減小而增加，即按B、C、N、O、H的順序而增加。,一、合金元素的存在形式（2 ）,2形成合金滲

35、碳體 （1）合金滲碳體（碳化物） 、氮化物和碳、氮化物間隙化合物相，是鋼中的基本強(qiáng)化相。 （2）過渡族金屬與碳、氮的親和力、碳化物和氮化物的強(qiáng)度（或穩(wěn)定性）按下列規(guī)律遞減： Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe,一、合金元素的存在形式（3）,其中： 、族金屬的碳化物與氮化物具有簡(jiǎn)單的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，如TiC、VC、TiN、TaC等； 、金屬的碳化物與氮化物具有復(fù)雜的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，如Cr7C3、Cr23C6、W2C、Mo2C、(W、Mo、Fe)6C等。 在鋼中，鐵的碳化物與合金碳化物相比，是最不穩(wěn)定的。滲碳體中Fe的原子可以被若干合金元素的原子所取代。如(Fe,Mn)3C、(Fe,

36、Cr)23C等。,一、合金元素的存在形式（4）,3形成金屬間化合物 （1）金屬化合物的類型通常分為正常價(jià)化合物、電子化合物及間隙化合物三類。金屬間化合物通常僅指電子化合物。 （2）在奧氏體不銹鋼、馬氏體時(shí)效鋼及許多高溫合金中較為重要的金屬間化合物是(Cr46Fe54)、(TiFe2)、(Cr21Mo17Fe62)、 (Co7Mo6)、 P(Cr18Ni40Mo42)、R(Cr18Co51Mo31)、 Ni3(Al,Ti)、Ni3(Al,Nb)、(TiAl3)、(TiAl)、 NiAl、NiTi、FeAl、2(Ti3Al)等。,一、合金元素的存在形式（5）,4形成非金屬相（非碳化合物）及非晶體相

37、 （1）鋼中的非金屬相有：FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3、MgOAl2O3、MnOAl2O3、MnS、FeS、2MnOSiO2、CaOSiO2等。非金屬夾雜物一般都是有害的。 （2）AlN和一些稀土氧化物彌散質(zhì)點(diǎn)可用來強(qiáng)化鋼或其它有色金屬合金。 （3）在特殊條件下（如快速冷卻凝固），可使某些金屬或合金形成非晶體相結(jié)構(gòu)。鋼中非晶體相的作用目前仍缺乏較詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。,一、合金元素的存在形式（6）,二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)層錯(cuò)能的影響（1 ）,1合金元素與鐵的相互作用 （1）相穩(wěn)定化元素（奧氏體形成元素） 使A3降低，A4升高，在較寬的成分范圍內(nèi)，促使

38、奧氏體形成，即擴(kuò)大了相區(qū)。根據(jù)Fe-Me相圖的不同，可分為： 開啟相區(qū)(無限擴(kuò)大相區(qū))； 擴(kuò)展相區(qū)(有限擴(kuò)大相區(qū))。,二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)層錯(cuò)能的影響（2）,開啟相區(qū)(無限擴(kuò)大相區(qū))（圖1-1） 這類合金元素主要有Mn、Ni、Co等。如果加入足夠量的Ni或Mn，可完全使體心立方的相從相圖上消失，相保持到室溫，故而由相區(qū)淬火到室溫較易獲得亞穩(wěn)的奧氏體組織，它們是不銹鋼中常用作獲得奧氏體的元素。,圖1-1 擴(kuò)大相區(qū)并與-Fe無限互溶的Fe-Me相圖(a)及Fe-Ni相圖(b),擴(kuò)展相區(qū)(有限擴(kuò)大相區(qū))（圖1-2） 雖然相區(qū)也隨合金元素的加入而擴(kuò)大，但由于合金元素與-Fe和-Fe均形

39、成有限固溶體，并且也使A3（GS線）降低，A4（JN線）升高，但最終不能使相區(qū)完全開啟。 這類合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等。相區(qū)借助C及N而擴(kuò)展，當(dāng)C含量在02.11%（重量）范圍內(nèi)，均可以獲得均勻化的固溶體（奧氏體），這構(gòu)成了鋼的整個(gè)熱處理的基礎(chǔ)。,二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)層錯(cuò)能的影響（3）,圖1-2 擴(kuò)大相區(qū)并與-Fe有限互溶的Fe-Me相圖(a)及Fe-C相圖(b),（2）相穩(wěn)定化元素（鐵素體形成元素） 合金元素使A4降低，A3升高，在較寬的成分范圍內(nèi)，促使鐵素體形成，即縮小了相區(qū)。根據(jù)Fe-Me相圖的不同，可分為： 封閉相區(qū)(無限擴(kuò)大相區(qū))； 縮小相區(qū)(不能使相

40、區(qū)封閉)。,二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)層錯(cuò)能的影響（4）,二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)層錯(cuò)能的影響（5）,封閉相區(qū)(無限擴(kuò)大相區(qū))（圖1-3） 當(dāng)合金元素達(dá)到某一含量時(shí)，A3與A4重合，其結(jié)果使相與相區(qū)連成一片。當(dāng)合金元素超過一定含量時(shí)，合金不再有-相變，與-Fe形成無限固溶體（這類合金不能用正常的熱處理制度）。 這類合金元素有：Si、Al 和強(qiáng)碳化物形成元素Cr、W、Mo、V、Ti 、P及Be 等。但應(yīng)該指出，含Cr 量小于7%時(shí)，A3 下降；含Cr 量大于7%時(shí)，A3 才上升。,二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)層錯(cuò)能的影響（6）,縮小相區(qū)(不能使相區(qū)封閉) 合金元素使

41、A3 升高，A4 下降，使相區(qū)縮小， 但不能使其完全封閉。如圖1-4。 這類合金元素有：B、Nb、Zr、Ta 等。,圖1-4 縮小相區(qū)的Fe-Me相圖(a)及Fe-Nb相圖(b),2合金元素與碳的相互作用 （1）形成碳化物 碳化物形成元素：Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ti、Zr等。碳化物是鋼中主要的強(qiáng)化相。碳化物形成元素均位于Fe的左側(cè)。 非碳化物形成元素：Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等，與碳不能形成碳化物，但可固溶于Fe形成固溶體，或形成其它化合物，如氮化物等。非碳化物形成元素均處于周期表Fe的右側(cè)。,二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)層錯(cuò)能的影響（7）,碳化物的晶體

42、結(jié)構(gòu)： 當(dāng)rc/rMe 0.59時(shí)，碳與合金元素形成一種復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的碳化物。Cr、Mn、Fe屬于這類元素，它們形成下列形式的碳化物：Cr23C6、Cr7C3、Fe3C。 當(dāng)rc/rMe 0.59時(shí)，形成簡(jiǎn)單點(diǎn)陣的碳化物（間隙相）。Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr均屬于此類元素，它們形成的碳化物是：MeX型（WC、VC、TiC、NbC、TaC、ZrC）和Me2X型（W2C、Mo2C、Ta2C）。,二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)層錯(cuò)能的影響（8）,碳化物的特性 ： 硬度大、熔點(diǎn)高（可高達(dá)3000），分解溫度高（可達(dá)1200）； 間隙相碳化物雖然含有50% 60%的非金屬原子，但仍具有明

43、顯的金屬特性； 可以溶入各類金屬原子，呈缺位溶入固溶體形式，在合金鋼中常遇到這類碳化物。如：Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C等。,二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)層錯(cuò)能的影響（9）,（2）Me對(duì)固溶體中碳活度及擴(kuò)散系數(shù)的影響 合金元素對(duì)碳在固溶體中活度的影響主要表現(xiàn)在存在于固溶體中的合金元素，會(huì)改變金屬原子與碳的結(jié)合力或結(jié)合強(qiáng)度。 碳化物形成元素增加固溶體中碳與合金元素之間的結(jié)合力，降低其活度。 非碳化物形成元素，相反將“推開”碳原子，提高其活動(dòng)性，即增加碳的活度，同時(shí)將出現(xiàn)碳從固溶體中析出的傾向。（圖1-5）,二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)層錯(cuò)能的影響（10）,在研究碳化

44、物、氮化物和碳、氮化合物在奧氏體中的溶解和冷卻時(shí)它們從固溶體中的析出，以及熱處理過程中元素在各相間的再分配這些問題時(shí)，合金元素對(duì)碳在奧氏體中的活度具有很重大的意義。,圖1-5 合金元素的摩爾原子濃度對(duì) 1000時(shí)碳在奧氏體中的相對(duì)活度系數(shù)的影響,的影響,Me對(duì)C在A中的擴(kuò)散激活能和擴(kuò)散系數(shù)的影響 碳化物形成元素：如Cr、Mo和W等降低C的活度，即提高了C在A中結(jié)合力，因而使擴(kuò)散激活能升高擴(kuò)散系數(shù)下降。 非碳化物形成元素：如Ni、Co等提高C的活度，即降低了C在A中的結(jié)合力，因而使擴(kuò)散激活能下降，擴(kuò)散系數(shù)升高。,二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)層錯(cuò)能的影響（11）,圖1-6 合金元素對(duì)C在奧

45、氏體中的擴(kuò)散激活能和擴(kuò)散系數(shù)的影響,需要指出的是Si是個(gè)例外，它能升高擴(kuò)散激活能，降低擴(kuò)散系數(shù)，造成這個(gè)例外的原因，則是由于Si雖提高C的活度，但同時(shí)降低了Fe原子的活動(dòng)性，即增加了Fe在固溶體中的結(jié)合能，因而得到與Ni、Co相反的結(jié)果。,二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)層錯(cuò)能的影響（12）,總之，合金元素與碳的相互作用具有重大的實(shí)際意義: 它關(guān)系到所形成的碳化物的種類、性質(zhì)和在鋼中的分布。而所有這些都會(huì)直接影響到鋼的性能，如鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、塑性、韌性、紅硬性和某些特殊性能。同時(shí)對(duì)鋼的熱處理亦有較大的影響，如奧氏體化溫度和時(shí)間，奧氏體晶粒的長(zhǎng)大等。,二、合金元素與鐵和碳的相互作用及

46、其對(duì)層錯(cuò)能的影響（13）,3合金元素對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響 （1）層錯(cuò)能的概念：晶體中形成層錯(cuò)時(shí)增加的能量。 （2）奧氏體層錯(cuò)能對(duì)鋼的組織和性能的影響：一般認(rèn)為層錯(cuò)能越低，越有利于位錯(cuò)擴(kuò)展和形成層錯(cuò)，使滑移困難，導(dǎo)致鋼的加工硬化趨勢(shì)增大。,二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)層錯(cuò)能的影響（14）,例如高M(jìn)n鋼和高Ni鋼都是奧氏體型鋼，但加工硬化趨勢(shì)相差很大。 高Ni鋼易于變形加工， Ni、Cu和C等元素使奧氏體層錯(cuò)能提高。 高M(jìn)n鋼則難于變形加工， Mn、Cr、Ru和Ir則降低奧氏體的層錯(cuò)能。,二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)層錯(cuò)能的影響（15）,三、合金元素對(duì)Fe-Fe3C相圖的影響（1）

47、,1合金元素對(duì)奧氏體、鐵素體區(qū)存在范圍的影響 擴(kuò)大相區(qū)的合金元素(如Ni、Co、Mn等)均擴(kuò)大鐵碳相圖中奧氏體存在的區(qū)域。 其中完全擴(kuò)大相區(qū)的合金元素Ni或Mn的含量較多時(shí)，可使鋼在室溫下得到單相奧氏體組織，例如1Cr18Ni9高鎳奧氏體不銹鋼和ZGMn13高錳耐磨鋼等。,圖1-7 （a）合金元素Mn對(duì)Fe-Fe3C相圖中奧氏體區(qū)的影響,縮小相區(qū)的合金元素(如Cr、W、Mo、V、Ti、Si等)均縮小鐵碳相圖中奧氏體存在的區(qū)域。其中完全封閉相區(qū)的合金元素（例如Cr、Ti、Si等）超過一定含量后，可使鋼在包括室溫在內(nèi)的廣大范圍內(nèi)獲得單相鐵素體組織，例如1Cr17Ti高鉻鐵素體不銹鋼等。 Cr對(duì)Fe

48、-Fe3C相圖中A區(qū)的影響如圖1-7（b）。,三、合金元素對(duì)Fe-Fe3C相圖的影響（2）,圖1-7 （b）合金元素Cr對(duì)Fe-Fe3C相圖中奧氏體區(qū)的影響,2合金元素對(duì)Fe-Fe3C相圖共析點(diǎn)S的影響 Me對(duì)共析轉(zhuǎn)變溫度的影響,三、合金元素對(duì)Fe-Fe3C相圖的影響（3）,擴(kuò)大相區(qū)的元素使鐵碳合金相圖的共析轉(zhuǎn)變溫度下降； 縮小相區(qū)的元素使鐵碳合金相圖的共析轉(zhuǎn)變溫度上升。,圖1-8 合金元素對(duì)共析溫度的影響,Me對(duì)共析點(diǎn)（S）成分的影響,幾乎所有合金元素都使S點(diǎn)（圖1-9） 降低，尤其以強(qiáng)碳化物形成元素的作用最為強(qiáng)烈。共晶點(diǎn)E的碳含量也隨合金元素增加而降低。,圖1-9 合金元素對(duì)共析含碳量的影

49、響,三、合金元素對(duì)Fe-Fe3C相圖的影響（4）,四、合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響（1）,1Me對(duì)鋼加熱時(shí)奧氏體形成過程的影響 合金元素的加入改變了臨界點(diǎn)的溫度、S點(diǎn)的位置和碳在奧氏體中的溶解度，使奧氏體形成的溫度條件和碳濃度條件發(fā)生了變化； 由于奧氏體的形成是一個(gè)擴(kuò)散過程，合金元素原子不僅本身擴(kuò)散困難，而且還將影響鐵和碳原子的擴(kuò)散，從而影響奧氏體化過程。,奧氏體形成過程,奧氏體的形核,奧氏體的長(zhǎng)大,滲碳體的溶解,奧氏體成分均勻化,四、合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響（2）,（1）Me對(duì)奧氏體形成速度的影響 奧氏體的形成速度取決于奧氏體晶核的形成和長(zhǎng)大，兩者都與碳的擴(kuò)散有關(guān)。 非碳化物形成元素Co和N

50、i等提高碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度，增大奧氏體的形成速度。Si、Al、Mn等對(duì)碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度影響較小，故對(duì)奧氏體的形成速度影響不大。 強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等與碳的親和力較大，顯著妨礙碳在奧氏體中的擴(kuò)散，大大減慢了奧氏體的形成速度。,四、合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響（2）,碳化物的分解： 奧氏體形成后，還殘留有一些穩(wěn)定性各不相同的碳化物。穩(wěn)定性高的碳化物，要求其分解并溶入奧氏體中，必須提高加熱溫度，甚至超過其平衡臨界點(diǎn)幾十或幾百度。 奧氏體的成分均勻化： 由于碳化物的不斷溶入，不均勻程度更加嚴(yán)重。要使奧氏體成分均勻化，碳和合金元素均需擴(kuò)散。,四、合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響（3）,

51、由于合金元素的擴(kuò)散很緩慢，因此對(duì)合金鋼應(yīng)采取較高的加熱溫度和較長(zhǎng)的保溫時(shí)間，以得到比較均勻的奧氏體，從而充分發(fā)揮合金元素的作用。 但對(duì)需要具有較多未溶碳化物的合金工具鋼，則不應(yīng)采用過高的加熱溫度和過長(zhǎng)的保溫時(shí)間。,四、合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響（4）,圖1-10 碳化物和氮化物在奧氏體中溶解度與溫度的關(guān)系,（2）Me對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向的影響 合金元素形成的碳化物在高溫下越穩(wěn)定，越不易溶入奧氏體中，能阻礙晶界長(zhǎng)大，顯著細(xì)化晶粒。按照對(duì)晶粒長(zhǎng)大作用的影響，合金元素可分為： Ti、V、Zr、Nb等強(qiáng)烈阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，Al在鋼中易形成高熔點(diǎn)AlN、Al2O3細(xì)質(zhì)點(diǎn)，也能強(qiáng)烈阻止晶粒長(zhǎng)大； W、M

52、o、Cr等阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用中等；,四、合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響（5）,圖1-11 AlN含量對(duì)奧氏體晶粒度的影響,圖1-12 MnNiMo鋼中的AlN質(zhì)點(diǎn) （電解萃取碳復(fù)型）,Ni、Si、Cu、Co等阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用輕微； Mn、P、B則有助于奧氏體的晶粒長(zhǎng)大。Mn鋼有較強(qiáng)烈的過熱傾向，其加熱溫度不應(yīng)過高，保溫時(shí)間應(yīng)較短。,2Me對(duì)鋼的過冷奧氏體分解轉(zhuǎn)變的影響 主要表現(xiàn)在合金元素可以使鋼的C曲線發(fā)生顯著變化。具體可以分為以下幾個(gè)方面： （1）對(duì)高溫轉(zhuǎn)變（珠光體轉(zhuǎn)變）的影響； （2）對(duì)中溫轉(zhuǎn)變（貝氏體轉(zhuǎn)變）的影響； （3）對(duì)低溫轉(zhuǎn)變（馬氏體轉(zhuǎn)變）的影響。,四、合金元素對(duì)鋼的熱處

53、理的影響（6）,圖1-13 合金元素對(duì)奧氏體恒溫轉(zhuǎn)變曲線的影響 (a)強(qiáng)碳化物形成元素 (b)中等及弱碳化物形成元素 (c)非碳化物形成元素,四、合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響（7）,（1）對(duì)高溫轉(zhuǎn)變（珠光體轉(zhuǎn)變）的影響 除Co外，幾乎所有的合金元素使C曲線右移（即增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，推遲珠光體型的轉(zhuǎn)變）。C曲線右移的結(jié)果，降低了鋼的臨界冷卻速度，提高了鋼的淬透性。,四、合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響（8）,Me的加入對(duì)鋼還有固溶強(qiáng)化的作用； 合金元素只有當(dāng)淬火加熱溶入奧氏體中時(shí)，才能起到提高淬透性的作用。 如果淬火加熱溫度不高，保溫時(shí)間較短，Cr、Mo、W、V等強(qiáng)碳化物未溶解時(shí)，非但不能提高淬透

54、性，反而會(huì)由于未溶碳化物粒子能成為珠光體轉(zhuǎn)變的核心，使淬透性下降。,四、合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響（9）,兩種或多種合金元素同時(shí)加入對(duì)淬透性的影響要比兩單個(gè)元素影響的總和強(qiáng)得多，例如鉻錳鋼、鉻鎳鋼等。合金鋼采用多元少量合金化原則，可最有效地發(fā)揮各種合金元素提高鋼的淬透性的作用。 合金元素的加入推遲珠光體型轉(zhuǎn)變的同時(shí)還可在連續(xù)冷卻過程中得到貝氏體型組織的鋼。,四、合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響（10）,（2）對(duì)中溫轉(zhuǎn)變（貝氏體轉(zhuǎn)變）的影響 合金元素對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變的作用是通過對(duì)轉(zhuǎn)變和碳原子的擴(kuò)散的影響而起作用。 首先表現(xiàn)在對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變上限溫度BS點(diǎn)的影響。碳、錳、鎳、鉻、鉬、釩、鈦等元素都降低BS點(diǎn)，使

55、得在貝氏體和珠光體轉(zhuǎn)變溫度之間出現(xiàn)過冷奧氏體的中溫穩(wěn)定區(qū)，形成兩個(gè)轉(zhuǎn)變的C曲線。,四、合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響（11）,合金元素還改變貝氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)過程，增長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?cè)杏?，減慢長(zhǎng)大速度。 碳、硅、錳、鎳、鉻的作用較強(qiáng)，鎢、鉬、釩、鈦的作用較小。,四、合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響（12 ）,四、合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響（13）,圖1-14 Mn和Mo對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變的影響 （圖中曲線旁的數(shù)字，分別表示Mn或Mo的百分含量）,（3）對(duì)低溫轉(zhuǎn)變（馬氏體轉(zhuǎn)變）的影響 合金元素的作用表現(xiàn)在對(duì)馬氏體點(diǎn)MsMf溫度的影響，并影響鋼中殘留奧氏體含量及馬氏體的精細(xì)結(jié)構(gòu)。 除Co、Al以外，絕大多數(shù)合金元素都使Ms

56、和Mf下降（圖1-15）。,四、合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響（14）,圖1-15 合金元素對(duì)1.0%C碳鋼的影響,四、合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響（15）,Ms和Mf點(diǎn)的下降，使得室溫下將保留更多的殘留奧氏體量（圖1-16）。,四、合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響（16）,圖1-16 合金元素對(duì)1.0%C碳鋼1150 淬火后殘余奧氏體含量的影響,合金鋼中高的殘余奧氏體含量對(duì)鋼的性能產(chǎn)生很大影響殘余奧氏體量過高（有時(shí)達(dá)30%-40%）時(shí)，鋼的硬度降低，疲勞抗力下降。 對(duì)于奧氏體不銹鋼，為了要在室溫下或零溫度下（ Ms點(diǎn)遠(yuǎn)低于室溫或零下）獲得穩(wěn)定的單相奧氏體組織，必須加入大量奧氏體形成元素。通常是加入鎳、錳

57、、鉻、碳、氮等元素。,四、合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響（17）,對(duì)于合金結(jié)構(gòu)鋼，為了降低殘余奧氏體量，需要進(jìn)行附加的處理： 冷處理就是將淬火后的鋼件在負(fù)溫下繼續(xù)冷卻，使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的工藝。如生產(chǎn)上采用干冰與酒精混合可獲得-70的低溫。,四、合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響（18）,多次回火過程中殘余奧氏體發(fā)生合金碳化物的析出，降低了殘余奧氏體中的合金成分，使殘余奧氏體的Ms、Mf點(diǎn)升高，而在回火后的冷卻過程中，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體（稱為二次淬火），從而使殘余奧氏體量減少。,四、合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響（19）,合金元素還影響馬氏體的形態(tài)和馬氏體的亞結(jié)構(gòu)。 當(dāng)Ms點(diǎn)溫度較高時(shí)，由于滑移的臨界

58、分切應(yīng)力較低，在Ms點(diǎn)以下形成位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的馬氏體； 在Ms點(diǎn)溫度較低時(shí)，孿生分切應(yīng)力低于滑移臨界分切應(yīng)力，則馬氏體相變以孿生形成孿晶結(jié)構(gòu)的馬氏體。,四、合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響（2 0）,3合金元素對(duì)淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變過程的影響 主要表現(xiàn)在提高鋼的回火穩(wěn)定性，即鋼對(duì)回火時(shí)發(fā)生軟化過程的抵抗能力，使回火過程各個(gè)階段的轉(zhuǎn)變速度大大減慢，將其推向更高的溫度。具體為 （1）Me對(duì)馬氏體分解的影響 （2）Me對(duì)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的影響 （3）Me對(duì)碳化物的形成、聚集和長(zhǎng)大的影響 （4）Me對(duì)鐵素體回復(fù)再結(jié)晶的影響 （5）Me對(duì)回火脆性的影響,四、合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響（21）,五、合金元素對(duì)鋼性能的影響

59、（1）,加入Me的主要目的：使鋼具有更優(yōu)異的,力學(xué)性能,使用性能,耐腐蝕性、耐熱性,強(qiáng)度,塑性,韌性,耐腐蝕性,熱強(qiáng)性,抗氧化性,耐熱性,工藝性能,鑄造性能,鍛壓性能,焊接性能,熱處理性能,切削性能,五、合金元素對(duì)鋼的性能的影響 （2）,合金鋼的分類與編號(hào),一、合金鋼的分類,1按化學(xué)成分分類 （1）按鋼中所含合金元素的種類分，可分為：錳鋼、鉻鋼、硅鋼、硅錳鋼、 鉻錳鈦鋼等。 （2）按鋼中合金元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)分，可分為：低合金鋼、中合金鋼和高合金鋼。,2按鋼的用途分類 （1）合金結(jié)構(gòu)鋼： 工程構(gòu)件用鋼（低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼）和機(jī)械制造用鋼（合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、合金彈簧鋼、滾動(dòng)軸承鋼和超高強(qiáng)度鋼）。 （2）合金工具鋼： 刃具鋼（低合金刃具鋼和高速鋼）、量具鋼和模具鋼（冷作模具鋼和熱作模具鋼）。 （3）特殊性能鋼 ：抗氧化鋼、不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼和易削鋼等。,3按金相組織分類 （1）按退火后的組織分：亞共析鋼、共析 鋼、過共析鋼、萊氏體鋼。 （2）按正火后的組織分：鐵素體鋼、珠光體鋼、貝氏