1、金屬材料與熱處理ppt課件第1頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四一、金屬材料的歷史地位 二、金屬材料的分類 三、金屬結構材料的應用情況 四、金屬材料發展的歷史 五、金屬材料的發展熱點 六、關于本課程 緒 論主要內容第2頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四一、金屬材料的歷史地位1.材料發展與社會進步有著密切關系,它是衡量人 類社會文明程度的標志之一，金屬材料是現代文明的基礎。 石器時代青銅器時代鐵器時代 2.目前，人類還處在金屬器時期。雖然無機非金 屬材料、高分子材料的使用量與日俱增，但在可預見的時期內，仍不會改變這種狀況。第3頁，共199頁，2

2、022年，5月20日，13點27分，星期四二、金屬材料的分類黑色 金屬有色 金屬金屬材料鑄鐵 鋼 工程構件用鋼機器零件用鋼 工具鋼 特殊性能用鋼(不銹鋼及耐熱鋼)輕金屬(鋁,鎂,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)結構金屬材料 功能金屬材料第4頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四三、金屬結構材料的應用情況(1)1.從總產量來看，鋼鐵材料的產量占絕對優勢，占世界金屬總產量的95，而且有許多良好的性能，能滿足大多數條件下的應用，價格低廉。 2.在世界金屬礦儲量中，鐵礦資源雖然比較豐富和集中，但就世界地殼中金屬礦產儲量來

3、講，則非鐵金屬礦儲量大于鐵礦儲量，如鐵只占5.1，而非鐵金屬中鋁為8.8鎂為2.1，鈦為0.6。第5頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四3. 非鐵金屬冶煉較困難，所需能源消耗大，因而生產成本高，限制了生產總量的增長。 4.非鐵金屬所創造的價值高，并且它有鋼鐵所不具備的特殊性能，例如比強度高，耐低溫、耐腐蝕等，因而非鐵金屬產量仍在迅速增長。 三、金屬結構材料的應用情況(2)第6頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四四、金屬材料發展的歷史(1)1.公元前3800年，出現人工冶煉的銅器，我國在公元前3000年出現錫青銅甘肅東鄉馬家窯文化的青銅刀（含610

4、Sn）。商、周時期是中國青銅器的鼎盛時期。 2.自公元前12世紀起鐵器在地中海東岸地區使用日廣。到公元前10世紀，鐵工具比青銅工具應用更普遍。公元前8世紀到公元前7世紀，北非和歐洲相繼進入鐵器時代。第7頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四3. 中國古代鋼鐵及非鐵金屬的生產技術和熱處理技術，在明末科學家宋應星所著天工開物中有詳細的闡述。4.現代冶金技術的發展自19世紀中葉的轉爐煉鋼和平爐煉鋼開始。19世紀末的電弧爐煉鋼和20世紀中葉的氧氣頂吹轉爐煉鋼及爐外精煉技術，使鋼鐵工業實現了現代化。四、金屬材料發展的歷史(2)第8頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分

5、，星期四5.在非鐵金屬冶金方面，19世紀80年代發電機的發明，使電解法提純銅的工業方法得以實現，開創了電冶金新領域；同時，用熔鹽電解法將氧化鋁加入熔融冰晶石，電解得到廉價的鋁，使鋁成為僅次于鐵的第二大金屬；20世紀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逐步成熟后，鈦及鈦合金的廣泛應用得以實現。同時，其他非鐵金屬也陸續實現工業化生產。 四、金屬材料發展的歷史(3)第9頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四6. 19世紀末，出現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世紀發展為門類眾多的合金鋼體系。與此同時，鋁合合、鎂合金、銅合金

6、、鈦合金和難熔金屬及合金等也先后形成工業規模生產。 7. 20世紀中葉，新金屬材料研究發展迅猛。如非晶態合金、金屬基復合材料、金屬間化合物結構材料、金屬納米材料等。四、金屬材料發展的歷史(4)第10頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四五、金屬材料的發展熱點1繼續重視高性能的新型金屬材料 具有高強度、高韌性、耐高、低溫、抗腐蝕等性能。 2非晶（亞穩態）材料日益受到重視 非晶態或亞穩態合金材料、金屬納米材料。 3特殊條件下應用的金屬材料 低溫、高壓、高溫、外場以及輻照條件材料的結構、組織和性能的研究。 4材料的設計及選用科學化 按照指定的性能對材料進行結構、成分的科學設計。

7、第11頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四六、關于本課程(1)1. 本課程的目的是講授金屬結構材料的物理冶金問題，使學生掌握金屬及合金中的化學成分、組織結構、生產過程、環境對金屬材料各種性能的影響的基本規律； 掌握常用金屬材料的化學成分設計、生產、熱處理和使用中的問題。第12頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四2.本課程的主要內容 金屬材料的合金化基礎理論碳鋼、合金鋼鑄鐵有色金屬及合金六、關于本課程(2)第13頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四3. 學習要求掌握金屬材料合金化原理、合金元素對鋼相變、組織、性能影響的一般規

8、律。 掌握常用鋼、鑄鐵、高溫合金、有色金屬等材料的牌號、成分、熱處理規范、組織、力學性能和用途。能夠根據工程構件、機器零件（或工具）的服役條件，合理選用材料，確定熱處理工藝等。能對產品質量作初步分析，提出消除或預防熱處理缺陷的措施。六、關于本課程(3)第14頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四4.成績考核方式 期末試卷 （80%）+ 平時綜合（20%）5.教材與參考書吳承建、陳國良、強文江編著。金屬材料學，北京：冶金工業出版社，2000。 王笑天主編。金屬材料學，北京：機械工業出版社，1987。 王曉敏主編。工程材料學，北京：機械工業出版社，1999。六、關于本課程(4

9、)第15頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四第一單元 金屬材料與機械產品制造過程簡介第16頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四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成的并具有金屬特性的工程材料。金屬材料純 金 屬 合 金第17頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四金屬材料的分類金屬材料黑色 金屬有色 金屬非合金鋼低合金鋼 合金鋼 鑄鐵滑動軸承合金 鈦及鈦合金其他非鐵合金 銅及銅合金鋁及鋁合金第18頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四Steelmaking flowlines

10、第19頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四Steel Finishing flowlines 第20頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四機械產品的制造過程使用制 造設 計第21頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四機械產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第22頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四金屬材料的性能力學性能物理性能化學性能化學性能第二單元金屬材料的性能第23頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四力學性能 力學性能 指金屬在力的作用下所顯示

11、出的與彈性和非彈性反應相關或涉及應力-應變關系的性能，如彈性、強度、硬度、塑性、韌性等第24頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四強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+塑性變形3、s s段：水平線（略有波動）明顯的塑 性變形屈服現象，作用的力基本不變，試樣連續伸長。4、sb曲線：彈性變形+均勻塑性變形。5、b點：出現縮頸現象，即試樣局部截面 明顯縮小試樣承載能力降低，拉伸力達到最大值，試樣即將斷裂。第25頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四強度指材料抵抗塑性變形和斷裂的能力 。強度的指標2、抗拉強度指試樣拉斷

12、前所承受的最大拉應力。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Rm = Fm/S0 當材料的內應力RRm時，材料將產生斷裂。Rm常用作脆性材料的選材和設計的依據。 符號： Re 材料產生屈服現象時的最小應力Re= Fs/S0 Fs：試樣屈服時所承受的拉伸力（N） S0 ：試樣原始橫截面積（mm）第26頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四塑性指標 塑性是材料在靜載荷作用下產生塑性變形而不破壞的能力。評定指標是斷后伸長率和斷面收縮率。1、斷后伸長率 A2、斷面收縮率 Z指試樣拉斷后標距的伸長量與原標距長度的百分比。指試樣拉斷后縮項處橫截面積的最大縮減量與原始橫

13、截面積的百分比。A=(Lu-Lo)/Lo x 100%Lu:拉斷拉伸試樣對接后測出的標距長度Lo:拉伸試樣的原始標距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第27頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四硬度引言：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，其物理含義與試驗方法有關。2、硬度的測試方法 布氏硬度 洛氏硬度 維氏硬度 肖氏硬度第28頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四1、布氏硬度試驗（布氏硬度計） 原理:用一定直徑的球體（淬火鋼球或硬質合金球）以相應的

14、試驗力壓入待測材料表面，保持規定時間并達到穩定狀態后卸除試驗力，測量材料表面壓痕直徑，以計算硬度的一種壓痕硬度試驗方法。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 500HBW4、測量范圍 用于測量灰鑄鐵、結構鋼、非鐵金屬及非金屬材料等.布氏硬度3、優缺點（1）測量值較準確，重復性好，可測組織不均勻材料（鑄鐵）（2）可測的硬度值不高（3）不測試成品與薄件（4）測量費時，效率低第29頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四1、洛氏硬度試驗（洛氏硬度計） 原理: 用金剛石圓錐或淬火鋼球，在試驗力的作用下壓入試樣表面，經規定時間后卸除試驗力，用測

15、量的殘余壓痕深度增量來計算硬度的一種壓痕硬度試驗。 2、洛氏硬度值 用測量的殘余壓痕深度表示?？蓮谋肀P上直接讀出。如：50HRC 4、測量范圍 用于測量淬火鋼、硬質合金等材料.洛氏硬度3、優缺點（1）試驗簡單、方便、迅速（2）壓痕小，可測成品，薄件（3）數據不夠準確，應測三點取平均值（4）不應測組織不均勻材料，如鑄鐵。第30頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四1、維氏硬度試驗 原理:用夾角為136的金剛石四棱錐體壓頭，使用很小試驗力F（49.03-980.07N）壓入試樣表面，測出壓痕對角線長度d。2、維氏硬度值 用壓痕對角線長度表示。如：640HV。 4、測量范圍 常

16、用于測薄件、鍍層、化學熱處理后的表層等。維氏硬度3、優缺點（1）測量準確，應用范圍廣（硬度從極軟到極硬）（2）可測成品與薄件（3）試樣表面要求高，費工。第31頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四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，試驗來測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第32頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四疲勞強度 疲勞概念：在交變應力作用下，零件所承受的應力低于材料的屈服點，但經過較長時間的工作后產生裂紋或突然發生完全斷裂

17、的現象稱為金屬的疲勞。第33頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四疲勞斷裂時無明顯的宏觀朔性變形，斷裂前沒有預 兆，而是突然破壞；引起疲勞斷裂的應力很低，常常低于材料的屈服點；疲勞破壞的宏觀斷口由兩部分組成。疲勞破壞的特征第34頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四疲勞曲線是指交變應力與循環次數的關系曲線。疲勞曲線和疲勞極限第35頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四物理性能密度熔點導熱性導電性熱膨脹性磁性第36頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四化學性能耐蝕性抗氧化性化學穩定性第37頁，共199頁，20

18、22年，5月20日，13點27分，星期四金屬的工藝性能工藝性能是指金屬材料對不同加工工藝方法的應能力。第38頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四金屬（材料）及合金在鑄造工藝中獲得優良鑄件的能力稱為鑄造性能。1、流動性：熔融金屬的流動能力稱為流動性。主要受金屬化學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象稱為引縮性。3、偏析傾向：金屬凝固后，內部化學成分和組織的不均勻現象稱為偏析。鑄造性能：第39頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四鍛造性能：用鍛壓成形方法獲得優良鍛件的難易程度稱為鍛造性能。鑄鐵不能鍛壓 。焊

19、接性能：大量接性能是指金屬材料對焊接加工的適應性。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40頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四第三單元金屬的晶體結構與結晶晶體與非晶體非晶體：在物質內部，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、有規則排列的物質，金屬的固態、金剛石、明礬晶體等。性能：晶體有固定的熔、沸點，呈各向異性，非晶體沒有固定熔點，而且表現為各向同性。一、金屬材料的晶體結構第41頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四晶格和晶胞：表示原子在晶體中排列規律的空間格架叫做晶格。

20、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。通過兩個或兩個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 晶體結構的概念第42頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四體心立方晶格：它的晶胞是一個立方體，原子位于立方體的八個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：它的晶胞也是一個立方體，原子位于立方體的八個頂角上和立方體六個面的中心。 如：鋁（Al）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鎳（Ni）及-Fe密排六方晶格：它的晶胞是一個正六棱柱體，原子排列在柱體的每個頂角上和

21、上、下底面的中心，另外三個原子排列在柱體內。屬于這種晶格類型的金屬有鎂（Mg）、鈹（Be）、鎘（Cd）、及鋅（Zn）等。金屬晶格的類型第43頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四金屬材料的實際晶體結構點缺陷 晶體中呈點狀的缺陷，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，在第三個方向上尺寸很小，呈面狀分布的缺陷第44頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四 金屬由原子不規則排列的液體轉變為原子規則排列的固體的過程稱為結晶。純金屬的冷卻曲線及過冷度。用熱分析法進行研究 純金屬的冷卻曲線(理

22、論) 純金屬的冷卻曲線(實際)二、純金屬的結晶第45頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四純金屬的結晶過程結晶結束晶核長 大形 核 與晶 核 長 大形 核溶 液第46頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四晶粒大小對金屬材料力學性能的影響控制晶粒大小的方法（1）加快液態金屬材料的冷卻速度；（2）變質處理（3）采用機械振動、超聲波振動和電磁振動等；金屬材料結晶后晶粒的控制第47頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四三、金屬的同素異構轉變金屬在固態下，隨溫度的改變有一種晶格轉變為另一晶格的現象稱為同素異構轉變。具有同素異構轉變的金屬有

23、：鐵、鈷、鈦、錫、錳等。同一金屬的同素異構晶體按其穩定存在的溫度，由低溫到高溫依次用希臘字母，等表示第48頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四同素異構轉變是由晶核的形成與晶核的長大兩個基本過程完成，新晶核在原晶界處生成同素異構轉變有過冷（過熱）現象，并且轉變時具有較大的過冷度同素異構轉變過程中，有相變潛熱產生，在冷卻曲線上出現水平線段，但這種轉變在固態下進行的，它與液體結晶相比具有不同之處同素異構轉變時常伴有金屬材料體積的變化第49頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四四、合金的相結構組元合金系相組織基本概念第50頁，共199頁，2022年，5月2

24、0日，13點27分，星期四合金的相結構固溶體置換固溶體間隙固溶體金屬氧化物機械混合物第51頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四五、合金的結晶合金的結晶過程合金結晶冷卻曲線形成單相固溶體的結晶冷卻曲線形成單相混合物或共晶體的結晶冷卻曲線形成機械混合物的冷卻曲線第52頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四六、金屬材料鑄錠組織特征鑄錠的組織結構表面細晶粒區柱狀晶粒區等軸晶粒區2.定向結晶和單晶第53頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四七、金屬材料塑性變形與再結晶金屬材料塑性變形塑性變形實質冷變形強化回復再結晶晶粒長大第54頁，共1

25、99頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四八、金屬材料焊接接頭組織焊縫熔合區熱影響區過熱區正火區部分相變區第55頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四鐵素體概念：碳溶解在-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體。符號：F， 體心立方晶格溶解能力：溶解度很小，在727時，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，強度和硬較低。鐵碳合金相圖第四單元第56頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四奧氏體概念：碳溶解在Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體。符號：A

26、， 面心立方晶格溶碳能力：較強。在1148時可溶C 為2.11%，在727時，可溶C為0.77%。性能：強度、硬度不高，具有良好的塑性，是絕大多數鋼在高溫進行鍛造和扎制時所要求的組織。第57頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四珠光體概念：是鐵素體與碳光體的混合物符號： P ，是鐵素體和滲碳體片層相間，交替排列。溶碳能力：在727時，C=0.77%性能特點：取決于鐵素體和滲碳體的性能，強度較高，硬度適中，具有一定的塑性。第58頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四萊氏體概念：是含碳量為4.3%的液態鐵碳合金在11480C時從液體上中間結晶出的奧氏體和

27、滲碳體的混合物。符號：Ld（高溫萊氏體，溫度727）由于奧氏體在727時轉變為珠光體，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：硬度很高，塑性很差。第59頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四珠光體概念：是鐵素體與碳光體的混合物符號： P ，是鐵素體和滲碳體片層相間，交替排列。溶碳能力：在727時，C=0.77%性能特點：取決于鐵素體和滲碳體的性能，強度較高，硬度適中，具有一定的塑性 第60頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四二、鐵碳合金相圖第61頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27

28、分，星期四第62頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四第63頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四第64頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四鐵碳合金的分類 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%第65頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四四、鐵碳合金相圖的應用選材方面鑄造方面壓力加工方面熱

29、處理方面焊接方面第66頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四第五單元非合金鋼一、硅1、來源：煉鋼后期作脫氧劑帶入；2、對鋼的性能影響：提高鋼的強度、硬度；3、是鋼中的有益元素。二、錳1、來源：煉鋼脫氧劑。2、對鋼的性能影響：提高鋼的強度與硬度。3、是鋼中的有益元素 第67頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四三、硫1、來源：生鐵帶入；2、對鋼的性能影響：對鋼造成熱脆性；3、是鋼中的有害元素。四、磷1、來源：生鐵帶入；2、對鋼的性能影響，對鋼造成冷脆性；3、是鋼中的有害元素。第68頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四二、非合金鋼

30、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%第69頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四二、按鋼的質量分類：1、普通鋼：S0.05%，P0.045%2、優質鋼：S0.035%，P0.035%3、高級優質鋼：S0.025%，P0.025%第70頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四三、按鋼的用途分類：1、結構鋼：主要用于制造各種機械零件和工程構件。C0.7%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%第71頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四三、

31、非合金鋼鋼的牌號及用途牌號：Q屈服點數值，質量等級符號和脫氧方法符號；性能：一般；應用：廠房、橋梁、船舶、鉚釘、螺釘、螺母等。例如：Q235-AF：表示屈服點為235Mpa的A級沸騰鋼 第72頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四一、優質碳素結構鋼：牌號：用兩位數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：強度、硬度較低、塑性、韌性及焊接性良好； 用途：沖壓件、焊接結構件及滲碳件 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：制作受力較大的機械零件。 如：連桿、曲

32、軸、齒輪等3）、60鋼以上 屬于高碳鋼。性能：有較高的強度、硬度和彈性；用途：制造較高強度、耐磨性和彈性的零件 如：氣門彈簧、彈簧墊圈等第73頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四碳素工具鋼：牌號：T+數字（平均含碳量的千分數） 如：T12A：表示平均含碳量為1.2%的高效優質碳素工具鋼。T7T8：鉆頭、模具等T9T10：絲錐、板牙等T11T13：銼刀、削刀等第74頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四鑄造碳鋼：牌號：ZG+數字數字第一組數字：屈服點第二組數字：抗拉強度值如：ZG270500，應用：制造形狀復雜力學性能要求較高的機械零件。第75頁，共

33、199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四第六單元鋼材的熱處理一、熱處理：熱處理是將固態金屬或合金采用適當的方式進行加熱、保溫和冷卻以獲得所需要的組織結構與性能的工藝。熱處理的目的：提高零件的使用性能；充分發揮鋼材的潛力；延長零件的使用壽面；改善工件的工藝性能，提高加工質量，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。熱處理使鋼性能發生變化的原因：由于鐵有同素異轉變，從而使鋼在加熱和冷卻過程中，發生了組織與結構變化。第76頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四二、鋼在加熱時的組織轉變鋼的奧氏體化奧氏體晶核的形成及長大；殘余滲碳件的

34、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；、使組織轉變完全；、使奧氏體成分均勻。奧氏體晶粒的長大：加熱溫度越高，保溫時間越長，奧氏體晶粒越大第77頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四三、鋼材在冷卻時的組織轉變過冷奧氏體的等溫轉變等溫轉變圖的建立過冷奧氏體等溫轉變產物的組織和性能珠光體轉變：溫度：A15500C珠光體 HRCA16500C珠光體P 256500C6000C索氏體S 25356000C5500C屈氏體T 3540貝氏體型轉變：5500CMs貝氏體B 40455500C3500C上貝氏體B上 3500CMs下貝氏體B下 4555

35、第78頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四馬氏體轉變碳在Fe中的過飽和固溶體，稱為馬氏體，用符號M表示，體心正方晶格。馬氏體轉變的特點：轉變溫度：MsMf轉變速度極快；轉變體積發生膨脹；轉變不徹底。性能特點：針狀馬氏體：硬度高、脆性大；板條馬氏體：強度、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變圖的應用。在等溫轉變圖上估計連續冷卻轉變產物，確定馬氏體臨界冷卻速度第79頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四 四、退火與正火退火概念：將鋼加熱到適當溫度，保持一定時間，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

36、低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷變形加工；細化晶粒，均勻鋼的組織及成分，改善鋼的性能或為以后的熱處理作組織上的準備；消除鋼中的殘余內應力，以防止變形幫開裂。第80頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四退火的方法：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組織的工藝方法。應用：中碳鋼及低、中碳合金結構鋼的鍛件、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。應用：適用于共析鋼及過共析鋼。如碳素工具鋼，

37、合金工具鋼、軸承鋼等。去應力退火：去應力退火是將鋼加熱到略低于A1得溫度，保溫一定時間后緩慢冷卻得工藝方法。應用：消除塑性變形、焊接、切削加工、鑄造等形成的殘余內應力。第81頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四正火1、正火概念：將鋼加熱到Ac3或Accm以上30-500C，保溫適當的時間，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合：善低碳鋼和低碳合金鋼的切削加工性；正火可細化晶粒；消除過共析鋼中的網狀滲碳體，改善鋼的力學性能，并為球化退火作組織準備；代替中碳鋼和低碳合金結構鋼的退火。第82頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分

38、，星期四五、淬火1、概念：將鋼加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度，保溫一定時間，然后以適當速度冷卻，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：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；合金鋼用油作冷卻介質。雙介質淬火：如，先水后油；先水后空氣。馬氏體分液淬火；貝氏體等溫淬火。第83頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四4 冷處理鋼的淬透性和淬硬性淬火缺陷：氧化與脫碳過熱和

39、過燒變形與開裂硬度不定第84頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四六、回火回火的概念：將鋼淬火后，再加熱到Ac1點以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。回火目的：消除內應力；獲得所需要的力學性能；穩定組織和尺寸淬火鋼在回火時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大。其基本的趨勢是：隨著回火溫度的升高，鋼的強度、硬度下降，而塑性、韌性提高。第85頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四回火的分類及應用低溫回火： 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

40、用：刀具、量具、冷沖壓模具等中溫回火：T1=3500C5000C組織：回火托氏體；應用：刀具、量具、冷沖壓模具等性能：具有高的彈性極限、屈服點；應用：彈性零件。第86頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四高溫回火：T1=500C6500C組織：回火索氏體；性能：綜合力學性能；應用：受力結構體。調質：生產中常把淬火及高溫回火的復合熱處理工藝稱為調質。第87頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四七、表面熱處理 與化學熱處理概述：在機械設備中，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

41、要有足夠的塑性和韌性。這類零件要進行表面熱處理常用的表面熱處理方法有：表面淬火及化學熱處理。表面淬火對工件表面進行淬火的工藝稱為表面淬火?；鹧婕訜岜砻娲慊鸶袘訜岜砻娲慊鸬?8頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四七、表面熱處理 與化學熱處理二、化學熱處理分解吸收擴散鋼的滲碳：滲碳件必須用低碳鋼或低碳合金鋼制造。滲碳件進行熱處理，常用淬火后低溫回火。第89頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四八、熱處理新技術熱處理新技術形變熱處理真空熱處理可控氣氛熱處理激光熱處理電子束淬火第90頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四第七單元低合

42、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、合金元素對鋼材熱處理和力學性能的影響：合金元素對鋼材的有利作用，主要是通過影響熱處理工藝中的相變過程顯示出來。（1）對鋼材加熱轉變的影響。（2）對鋼材回火轉變產生影響：提高鋼材的耐回火性；產生二次硬化。第91頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四1形成鐵基固溶體 （1）形成鐵基置換固溶體Ni、Co、Mn、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。

43、 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 ） 第92頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四A 0 H A A A A A A He Li Be B C N O F Ne Na Mg B B B B B B B B Al Si P S Cl Ar K Ca Se Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Pb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re O

44、s Ir Pt Au Hg Tl PbBi Po At Rn 元素周期表第93頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四（2）形成鐵基間隙固溶體對-Fe，間隙原子優先占據的位置是八面體間隙。 對-Fe，間隙原子優先占據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 ） 第94頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四2形成合金滲碳體（1）合金滲碳體（碳化物） 、氮化物和碳、氮化物間隙化合物相，是鋼中的基本強化相。 （2）過渡族金屬與碳、氮的親和力、碳化物和氮化物的強度（

45、或穩定性）按下列規律遞減： Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe一、合金元素的存在形式（3） 第95頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四其中： 、族金屬的碳化物與氮化物具有簡單的點陣結構，如TiC、VC、TiN、TaC等； 、金屬的碳化物與氮化物具有復雜的點陣結構，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,Cr)23C等。 一、合金元素的存在形式（4） 第96頁，共199頁，2022年，

46、5月20日，13點27分，星期四3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） 第97頁，共199頁，2022年，5月20日，13點2

47、7分，星期四4形成非金屬相（非碳化合物）及非晶體相 （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點可用來強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構。鋼中非晶體相的作用目前仍缺乏較詳細的實驗和理論依據。 一、合金元素的存在形式（6） 第98頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對層錯能的影響（1

48、 ）1合金元素與鐵的相互作用 （1）相穩定化元素（奧氏體形成元素） 使A3降低，A4升高，在較寬的成分范圍內，促使奧氏體形成，即擴大了相區。根據Fe-Me相圖的不同，可分為： 開啟相區(無限擴大相區)； 擴展相區(有限擴大相區)。 第99頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對層錯能的影響（2）開啟相區(無限擴大相區)（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，故而由相區淬火到室溫較易獲得亞穩的奧氏體組織，它們是不銹鋼中常用作獲得奧氏體的元素。第100頁，

49、共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四圖1-1 擴大相區并與-Fe無限互溶的Fe-Me相圖(a)及Fe-Ni相圖(b)第101頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四擴展相區(有限擴大相區)（圖1-2） 雖然相區也隨合金元素的加入而擴大，但由于合金元素與-Fe和-Fe均形成有限固溶體，并且也使A3（GS線）降低，A4（JN線）升高，但最終不能使相區完全開啟。 這類合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等。相區借助C及N而擴展，當C含量在02.11%（重量）范圍內，均可以獲得均勻化的固溶體（奧氏體），這構成了鋼的整個熱處理的基礎。 二、合金元素與鐵和碳的相互

50、作用及其對層錯能的影響（3）第102頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四圖1-2 擴大相區并與-Fe有限互溶的Fe-Me相圖(a)及Fe-C相圖(b)第103頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四（2）相穩定化元素（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，促使鐵素體形成，即縮小了相區。根據Fe-Me相圖的不同，可分為：封閉相區(無限擴大相區)；縮小相區(不能使相區封閉)。 二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對層錯能的影響（4）第104頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四二、合金元素與鐵和碳的相互作

51、用及其對層錯能的影響（5）封閉相區(無限擴大相區)（圖1-3） 當合金元素達到某一含量時，A3與A4重合，其結果使相與相區連成一片。當合金元素超過一定含量時，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 和強碳化物形成元素Cr、W、Mo、V、Ti 、P及Be 等。但應該指出，含Cr 量小于7%時，A3 下降；含Cr 量大于7%時，A3 才上升。第105頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四第106頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對層錯能的影響（6）縮小

52、相區(不能使相區封閉)合金元素使A3 升高，A4 下降，使相區縮小，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。第107頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四圖1-4 縮小相區的Fe-Me相圖(a)及Fe-Nb相圖(b)第108頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四2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化相。碳化物形成元素均位于Fe的左側。 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

53、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。二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對層錯能的影響（7）第109頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四碳化物的晶體結構：當rc/rMe 0.59時，碳與合金元素形成一種復雜點陣結構的碳化物。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rc/rMe 0.59時，形成簡單點陣的碳化物（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

54、、Mo2C、Ta2C）。二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對層錯能的影響（8）第110頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四碳化物的特性 ：硬度大、熔點高（可高達3000），分解溫度高（可達1200）； 間隙相碳化物雖然含有50% 60%的非金屬原子，但仍具有明顯的金屬特性； 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層錯能的影響（9）第111頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四（2）Me對固溶體中碳活度及擴散系數的影響 合金元素對

55、碳在固溶體中活度的影響主要表現在存在于固溶體中的合金元素，會改變金屬原子與碳的結合力或結合強度。 碳化物形成元素增加固溶體中碳與合金元素之間的結合力，降低其活度。 非碳化物形成元素，相反將“推開”碳原子，提高其活動性，即增加碳的活度，同時將出現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層錯能的影響（10）第112頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四在研究碳化物、氮化物和碳、氮化合物在奧氏體中的溶解和冷卻時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，合金元素對碳在奧氏體中的活度具有很重大的意義。 圖1-5 合金元素

56、的摩爾原子濃度對 1000時碳在奧氏體中的相對活度系數的影響 的影響 第113頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四Me對C在A中的擴散激活能和擴散系數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中結合力，因而使擴散激活能升高擴散系數下降。 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中的結合力，因而使擴散激活能下降，擴散系數升高。二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對層錯能的影響（11）第114頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四圖1-6 合金元素對C在奧氏體中的擴散激活能和擴散系數的影響 第115頁，共19

57、9頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四需要指出的是Si是個例外，它能升高擴散激活能，降低擴散系數，造成這個例外的原因，則是由于Si雖提高C的活度，但同時降低了Fe原子的活動性，即增加了Fe在固溶體中的結合能，因而得到與Ni、Co相反的結果。二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對層錯能的影響（12）第116頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四總之，合金元素與碳的相互作用具有重大的實際意義: 它關系到所形成的碳化物的種類、性質和在鋼中的分布。而所有這些都會直接影響到鋼的性能，如鋼的強度、硬度、耐磨性、塑性、韌性、紅硬性和某些特殊性能。同時對鋼的熱處理亦有較大的影響

58、，如奧氏體化溫度和時間，奧氏體晶粒的長大等。 二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對層錯能的影響（13）第117頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四3合金元素對奧氏體層錯能的影響 （1）層錯能的概念：晶體中形成層錯時增加的能量。 （2）奧氏體層錯能對鋼的組織和性能的影響：一般認為層錯能越低，越有利于位錯擴展和形成層錯，使滑移困難，導致鋼的加工硬化趨勢增大。二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對層錯能的影響（14）第118頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四例如高Mn鋼和高Ni鋼都是奧氏體型鋼，但加工硬化趨勢相差很大。 高Ni鋼易于變形加工， Ni、C

59、u和C等元素使奧氏體層錯能提高。 高Mn鋼則難于變形加工， Mn、Cr、Ru和Ir則降低奧氏體的層錯能。 二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對層錯能的影響（15）第119頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四三、合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響（1）1合金元素對奧氏體、鐵素體區存在范圍的影響 擴大相區的合金元素(如Ni、Co、Mn等)均擴大鐵碳相圖中奧氏體存在的區域。 其中完全擴大相區的合金元素Ni或Mn的含量較多時，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。第120頁，共199頁，2022年，5月20日，13點2

60、7分，星期四圖1-7 （a）合金元素Mn對Fe-Fe3C相圖中奧氏體區的影響第121頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四縮小相區的合金元素(如Cr、W、Mo、V、Ti、Si等)均縮小鐵碳相圖中奧氏體存在的區域。其中完全封閉相區的合金元素（例如Cr、Ti、Si等）超過一定含量后，可使鋼在包括室溫在內的廣大范圍內獲得單相鐵素體組織，例如1Cr17Ti高鉻鐵素體不銹鋼等。 Cr對Fe-Fe3C相圖中A區的影響如圖1-7（b）。 三、合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響（2）第122頁，共199頁，2022年，5月20日，13點27分，星期四圖1-7 （b）合金元素Cr對Fe-F