工程材料及材料成型技术基础学习指导Word下载.docx
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钢淬火时获得马氏体的能力。
11．淬硬性：
钢淬火时的硬化能力。
12．临界冷却速度：
钢淬火时获得完全马氏体的最低冷却速度。
13．热硬性：
金属在高温下保持高硬度的能力。
14．二次硬化：
淬火钢在回火时硬度提高的现象。
15．回火稳定性：
淬火钢回火时马氏体分解的难易程度（软化抵抗能力）。
16．共晶转变：
二元合金所发生的从液相中同时结晶出两种固相的结晶过程。
17．时效强化：
金属经固溶处理后随时间延长而发生的强度提高的现象。
18．固溶强化：
因溶质原子溶入而使固溶体的强度和硬度升高的现象。
19．形变强化：
金属因塑性变形而造成的强度和硬度升高的现象。
20．调质处理：
淬火+高温回火的热处理工艺。
21．过冷奥氏体：
将钢奥氏体化后冷却至A1温度之下尚未分解的奥氏体。
22．变质处理：
在金属浇注前添加变质剂来改变晶粒的形状或大小的处理方法。
23．C曲线：
过冷奥氏体的等温冷却转变曲线。
24．CCT曲线：
过冷奥氏体的连续冷却转变曲线。
25．马氏体：
含碳过饱和的α固溶体。
26．热塑性塑料：
加热时软化熔融，冷却又变硬，并可反复进行的塑料。
27．热固性塑料：
首次加热时软化并发生交连反应形成网状结构，再加热时不软化的塑料。
三．难点学习指导：
一。
关于金属晶体
（1）．金属都是晶体，非晶体金属只有用特殊的工艺才能得到，且大多数不稳定，一旦受热就会转变为晶体。
（2）．纯金属的晶格类型只有三种：
体心立方、面心立方、密排六方。
而合金往往由不同结构的晶体组成，其结构较为复杂
（3）金属一般都是多晶体，且晶体内部有许多晶体缺陷
（4）纯金属在一定温度下具有一定的晶体结构，但部分金属在不同的温度下具有不同的晶体结构。
二。
合金的组织结构
１．合金的概念：
以一种金属为基体，在其内添加其它原子来提高金属的性能。
２．合金的相结构：
合金中的所有相可分为两种类型：
固溶体和化合物。
金属在液态能够无限互溶，但在固态大部分只能有限互溶。
当添加的溶质原子不改变基体金属的晶体结构，只是无规律的，高度弥散的分布在基体金属内部时就叫做固溶体（可理解为固态的溶体）。
以Pb-Sn合金为例，当Pb原子含量很高，Sn原子含量很少，则形成以Pb为基的固溶体，该固溶体的晶体结构与Pb相同；
反之则形成以Sn为基的固溶体，该固溶体的晶体结构与Sn相同；
当两这含量介于上述之间时则部分形成以Pb为基的固溶体，部分形成以Sn为基的固溶体。
某些合金还会形成与溶剂金属和溶质金属结构都不同的新晶体，就是化合物。
３．工业合金绝大部分是以固溶体为基础的，化合物的含量一般较少。
一些金属间的化合物具有高硬度、高熔点和高脆性，与陶瓷性能类似，被成为金属陶瓷，主要用于航天工业中。
三。
铁碳合金相图3．1．铁碳合金相图的特点：
（1）有三个三相恒温转变线（包晶转变线、共晶转变线、共析转变线）；
（2）有五个单相区（液相区、相区、相区、相区、渗碳体相区（为一竖线））；
（3）有四条溶解度曲线（碳在-Fe中的溶解度曲线PQ、碳在-Fe中的溶解度曲线ES、碳在-Fe中的溶解度曲线JN、碳在液相中的溶解度曲线CD）。
3．2.铁碳合金相图中各线的物理意义：
如表5-2
表5-2铁碳相图中所有线的物理意义
曲线
物理意义
冷却时
加热时
HJB
包晶线L+
+L
ECF
共晶线L+Fe3C
Ld+Fe3C
PSK
共析线+Fe3C
+Fe3C
CD
Fe3CI开始从液相中析出线
Fe3CI溶入液体中终了线
ES
Fe3CII从奥氏体中析出
Fe3CII溶入奥氏体中
PQ
Fe3CIII从铁素体中析出
Fe3CIII溶入铁素体中
JN
相全部转变成相
相开始转变成相
AB
相开始从液相中结晶出
相完全溶入液体中
AH
液相全部转变成相
相开始熔化成液相
HN
相完全转变成相
BC
相完全熔化成液相
JE
液相全部结晶成相
GS
相开始从相中析出
相完全溶入相中
GP
3．3.铁碳合金相图中的复相组织
珠光体（P）----是共析转变的产物，由铁素体和渗碳体的片层交错而形成。
莱氏体（Ld）----是共晶转变的产物，由呈短杆状的奥氏体分布于渗碳体中所形成.
低温莱氏体（Ld'
）----莱氏体中的奥氏体转变成珠光体而形成。
3．4.铁碳合金的分类及其平衡结晶至室温时的组织组成和相组成：
如表5-3所示
表5-3铁碳合金的分类
铁碳合金类别
含碳量（%）
组织组成
相组成
工业纯铁
0.02%
F+Fe3CⅢ
F+Fe3C
碳钢
亚共析钢
共析钢
过共析钢
0.02%～0.77%
0.77%
0.77%～2.11%
F+Fe3CⅢ+P
P
P+Fe3CⅡ
白口铸铁
亚共晶白口铸铁
共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁
2.11%～4.3%
4.3%
4.3%～6.69%
P+Ld’
Ld’
Fe3CⅠ+Ld’
3．6．Fe-Fe3C相图的绘制
由于Fe-Fe3C相图是研究钢铁材料的基础，故要求学生能记住Fe-Fe3C相图的基本形状和相关的一些成分点。
达到能很快默画出Fe-Fe3C相图的程度。
为此，应掌握二元合金相图的下列共同规律：
（1）Fe-Fe3C相图中包含有三个恒温三相转变，故应首先了解二元合金相图中三相恒温反应线的基本形状（见前第四章4.2.2难点6），三相恒温反应线上只有三个交点，分别对应着三个单相区；
（2）相区相邻规律：
1）两个单相区之间必有一双相区将之隔开，且该双相区必是由这两个单相所组成；
2）两个双相区相邻，中间必有一三相恒温反应线。
四。
钢的冷却转变
4．1.钢在奥氏体化后的两种冷却方式：
（1）连续冷却将奥氏体化后的钢放入处于室温的某种冷却介质中使工件冷却至室温。
用这种冷却方式由于其组织转变是在不同的温度下进行的，故所得组织不均匀。
（2）等温冷却将奥氏体化后的钢快速冷却至低于Ar1的某一温度保持恒温使奥氏体在恒定的温度下发生转变后，再将之冷却至室温。
用这种冷却方式由于其组织转变是在恒定的温度下进行的，故所得组织比较均匀。
珠光体即可以通过连续冷却的方式得到，也可以通过等温冷却的方式得到。
贝氏体由于其转变温度处于一个比较窄的中温区域，故只能通过等温冷却的方式（叫做等温淬火）得到。
马氏体的转变量决定于其过冷度，所以只能通过连续冷却的方式得到。
4．2.C曲线与临界冷却速度Vk
C曲线是指过冷奥氏体的等温冷却曲线。
而临界冷却速度Vk是指钢的过冷奥氏体能完全转变成马氏体的最小冷却速度，它也是过冷奥氏体能够分解的最大冷却速度。
C曲线越靠右，说明该钢的过冷奥氏体越稳定，其临界冷却速度越小，该钢淬火时越容易得到马氏体。
4．3.影响C曲线的因素
钢的C曲线的形状主要决定于其成分。
（1）含碳量的影响亚共析钢的C曲线随其含碳量的增加而右移，过共析钢的C曲线随其含碳量的增加而左移。
（2）合金元素的影响除Co之外的合金元素均能使其C曲线右移。
4．4.珠光体转变的特点
珠光体转变实际上是过冷奥氏体分解成铁素体和渗碳体的过程。
由于珠光体转变是扩散性转变，因而只有在较高的温度下才能进行。
扩散性转变都需要一定的孕育期。
珠光体转变所形成的珠光体的片层间距与珠光体的形成温度有关，该温度越低，所形成的珠光体的片层间距就越细小。
而珠光体的片层间距越细小，其强度越高，其塑韧性也越好。
珠光体转变所需的孕育期的长短也与珠光体的形成温度有关，该温度越高，其过冷度越小，珠光体形核越困难，但原子的扩散能力强；
该温度越低，过冷度越大，珠光体形核越容易，但原子的扩散能力差。
4．5.马氏体转变的特点
钢奥氏体化后进行快速冷却时，由于过冷度很大，铁原子和碳原子都不能进行扩散,结果在巨大的能量作用下奥氏体通过晶格的切变转变成了过饱和的固溶体，该固溶体就叫做马氏体。
所以说马氏体转变是一种非扩散性转变。
显然这样转变成的马氏体的成分与原奥氏体的成分完全一样。
在钢的奥氏体化过程中溶入奥氏体的碳含量越高，所转变成的马氏体的正方度就越大，而马氏体转变所形成的应力也就越大。
马氏体转变由于是非扩散性转变，因而其转变速度极快，即所谓的瞬时形核和瞬时长大，故马氏体的转变量只与冷却温度有关，而与冷却方式无关。
马氏体的形态和硬度都决定于其含碳量。
马氏体转变的另一特点是其转变难以进行完全，通常会有一定量的奥氏体残余下来未转变成马氏体，该奥氏体就叫做残余奥氏体。
4．6.贝氏体转变的特点
贝氏体转变介于珠光体转变和马氏体转变之间，是一半扩散性转变（碳原子能够扩散而铁原子不能扩散）。
贝氏体有两种形态，即羽毛状的上贝氏体和针状的下贝氏体。
上贝氏体的强度和塑韧性都很差，是一种缺陷组织。
下贝氏体不仅具有较高的强度，还具有良好的塑韧性，即具有良好的综合机械性能。
4．7.钢的含碳量、奥氏体的含碳量及马氏体的含碳量
对钢进行奥氏体化加热时，若对其进行完全奥氏体化（亚共析钢加热温度高于Ac3，过共析钢的加热温度高于Accm），则其所得奥氏体的含碳量与钢的含碳量相同，但若进行不完全奥氏体化（亚共析钢的加热温度高于Ac1而低于Ac3，过共析钢的加热温度高于Ac1而低于Accm），则奥氏体的含碳量与钢的含碳量不同。
显然亚共析钢进行不完全奥氏体化时由于有部分铁素体未溶入奥氏体中会导致奥氏体的含碳量高于钢的含碳量。
而过共析钢进行不完全奥氏体化时由于有部分渗碳体未溶入奥氏体中会导致奥氏体的含碳量低于钢的含碳量。
至于马氏体的含碳量由于在其转变过程中不发生原子的扩散，故与该钢进行奥氏体化时所得奥氏体的含碳量相同。
4．8.残余奥氏体的产生、危害及消除
钢淬火时产生残余奥氏体的原因有两个：
一是由于马氏体的比容高于奥氏体的，且马氏体的含碳量越高，马氏体的比容越大。
因而钢由奥氏体转变成奥氏体时已经转变的马氏体对尚未转变的过冷奥氏体形成很大的压应力。
随着马氏体转变量的增加，剩余奥氏体所受的压应力逐渐增大。
当马氏体含碳量较高时该压应力就足以大到使剩余奥氏体无法发生马氏体转变而成为残余奥氏体。
另一原因是马氏体的转变量决定于其过冷奥氏体的冷却温度，而马氏体的Ms和Mf温度随其含碳量的增加而下降。
当钢的含碳量较高时，其Mf温度就可能低于室温。
这使得过冷奥氏体向马氏体的转变不能进行完全而成为残余奥氏体。
由于残余奥氏体的硬度和强度都远低于马氏体的，故残余奥氏体的出现会使钢的强度和硬度下降。
消除残余奥氏体的方法是对淬火后的钢进行回火或进行深冷处理。
五。
钢的热处理表5-1钢的退火工艺
退火工艺
退火目的
加热温度（C）
适用范围
1
完全退火
细化晶粒，消除应力
Ac3+30~50
2
等温退火
同1，且能缩短退火周期
铸件、锻件
3
球化退火
降低硬度，改善切削加工性
Ac1+20~30
过共析钢工件
4
去应力退火
消除应力
500~600
铸件、锻件、焊件
5
再结晶退火
消除加工硬化
T再+100~200
冷变形工件
6
扩散退火
消除枝晶偏析
Ac3+150~250
铸钢件
5．2.钢的正火工艺
工艺：
将工件加热至奥氏体单相区（亚共析钢加热至Ac3以上，过共析钢加热至Accm温度以上）保温一定时间使奥氏体均匀化后，将工件取出在空气中冷却。
由于冷却速度较快，先析出相（亚共析钢为铁素体，过共析钢为二次渗碳体）来不及析出或析出量很少，结果剩余奥氏体全部转变成伪珠光体。
目的：
细化晶粒，提高机械性能。
对低碳钢常用正火工艺代替退火工艺以提高生产率；
对亚共析钢采用正火可得到更多的珠光体组织（伪珠光体）从而提高其硬度，改善其切削加工性；
对过共析钢可以消除网状二次渗碳体，以有利于球化退火的进行。
5．3．钢的淬火5．3．1.奥氏体化温度：
亚共析钢为Ac3+30-50C；
过共析钢为Ac1+30-50C。
其原因是亚共析钢若奥氏体化淬火加热温度低于Ac3温度，其组织中就会有未溶解的铁素体，在淬火时奥氏体转变成马氏体，而铁素体相则残余下来，造成淬火后硬度不足。
过共析钢在淬火之前一般先经过了球化处理，这样在奥氏体化加热至Ac1+30-50C时，铁素体转变为奥氏体，而渗碳体只有部分溶解，剩余渗碳体呈细小颗粒状弥散于奥氏体内部，在淬火时奥氏体转变成为马氏体，而渗碳体颗粒仍弥散分布于马氏体基体上，由于渗碳体的硬度很高，故不会造成淬火硬度不足。
反之若将过共析钢的奥氏体化温度提高至Accm温度之上，渗碳体会全部溶入奥氏体中，造成奥氏体含碳量过高。
这不仅会使得淬火后残余奥氏体的大大增加。
而且在淬火时，因马氏体含碳量过高，马氏体转变所形成的组织应力很大而造成工件淬火变形或开裂。
5．3．2.淬火冷却方法
工件淬火冷却时内部有很大的内应力--由于温差而形成的热应力和由于马氏体转变而形成的组织应力，这往往造成工件在淬火过程中变形甚至开裂。
为了减小工件的淬火应力常采用双液淬火法和分级淬火法，通过减小工件在淬火过程中内外温差而减小热应力而减小工件的变形开裂倾向。
但由于双液淬火工艺操作不便（因从水中取出放入油中的时机只能通过经验来判断），实际应用较少。
生产中使用较多的是分级淬火法。
该法虽成本较高，但操作方便。
但由于盐浴或碱浴冷却能力有限，故分级淬火法仅适用于直径小于10mm的工件。
5．3．3.等温淬火与分级淬火
等温淬火与分级淬火工艺相似，区别在于等温淬火奥氏体化后在盐浴中等温时，要停留足够长的时间使过冷奥氏体转变成贝氏体。
而分级淬火奥氏体化后等温时，只需要停留至工件表面和心部温度一致即可。
此时过冷奥氏体未发生转变，而是在随后的冷却过程中才发生转变。
5．3．4.淬透性、淬硬性和淬透层深度
淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。
淬透性和淬硬性都是材料本身的性能，与具体工件的大小及冷却速度没有关系。
淬透层深度是针对具体的工件而言的，其大小不仅与材料的淬透性有关，还与工件的大小及淬火时的冷却速度有关。
5.淬透性曲线
用于判断具体的工件在一定的冷却方式下其截面的硬度的分布情况和其淬透层深度。
5．4．钢的表面热处理5．4．1表面淬火用专门的加热方法能使工件表面迅速升温奥氏体化，并在表面热量尚未传至内部时就对其进行冷却，这样工件已奥氏体化的表层组织便转变成马氏体，而其内层组织仍保持原状，这种热处理工艺就叫做表面淬火。
该工艺主要用于那些要求外艰而内韧的工件。
对这类工件常选用调质钢（一般都是中碳钢或中碳低合金钢）先进行调质处理（淬火+高温回火），使其整体得到高韧性和较高强度的索氏体组织，然后再对其进行表面淬火，使其表面又被淬硬得到高硬度的马氏体组织。
5．4．2.常用表面淬火方法如表6-1所示
表6-1常用表面淬火方法比较
表面淬火方法
加热能量
淬硬层深度（mm）
工艺特点
优点
缺点
感应加热表面淬火
感应电流
高频0.5~2中频2~10
效率高，硬化层均匀
要求工件形状规则
火焰加热表面淬火
火焰
2~6
简单，灵活，成本低
效率低，硬化层不均匀
激光加热表面淬火
激光
0.3~0.5
不需要冷却介质，适用面广，淬火层硬度高，耐磨性好
成本高，较难得到均匀淬硬层
太阳能加热表面淬火
太阳能
1~5
适用面广，成本低
受自然条件限制
5．4．3.钢的渗碳处理：
1）工艺原理将低碳钢渗碳件放入一定的渗碳介质中，在高温下使碳原子渗入工件表面一定深度（一般只有几个毫米），然后对工件进行淬火和低温回火，这样处理后工件表面得到了高硬度的高碳回火马氏体，而心部由于低碳钢的淬透性差仍主要是高韧性的铁素体。
2）适用范围用于心部需要很好的韧性，而表面需要高的硬度和耐磨性的工件的处理。
对该类工件即可选用低碳钢进行渗碳+淬火+低温回火的热处理工艺。
3）工艺特点渗碳件经淬火和低温回火后，表面淬硬层与基体的结合力较高，但由于渗碳温度高达930C，故渗碳件的变形较大。
5．4．4．钢的常用化学热处理工艺比较
表6-2常用化学热处理工艺比较
化学热处理方法
处理温度（C）
表层组织
工件材料
优点
缺点
渗碳（+淬火+低温回火）
930
高碳马氏体
低碳钢
表层硬化层与基体的结合力好
渗碳温度高，工件变形大
气体氮化
560
高硬度氮化物
专用氮化钢
表层硬度高、耐磨性好，工件变形小
表层硬化层脆性大，与基体的结合力差
离子氮化
工件变形极小
工艺复杂，表层硬化层与基体的结合力差
气体软氮化
500~570
氮化物
钢、铸铁
处理时间短，
表层硬度较低
碳氮共渗（+淬火+低温回火）
820~860
回火马氏体+氮化物
低、中碳钢
处理温度低，时间短，工件变形小
工艺复杂
六。
常用材料概要
表6-1典型碳素钢
类别
典型牌号
热处理
组织
性能特点
普通碳素结构钢
Q235
不进行
F+P
塑韧性好，加工性能好
优质碳素结构钢
20,45
正火，调质
F+P,S回
强韧性好
碳素工具钢
T10,T12
淬火+低温回火
M回
强度、硬度高，耐磨性好，热硬性差
表6-2典型合金结构钢
种类
成分特点
最终热处理
最终主要组织
普通低合金钢
16Mn
低碳低合金
退火、正火
塑性好、焊接性好
渗碳钢
20CrMnTi
渗碳+淬火+低温回火
表层：
高碳M心部：
外坚内韧
调质钢
40Cr
中碳低合金钢
调质（+表面淬火）
S回
综合机械性能好
弹簧钢
60Si2Mn
中高碳钢
淬火+中温回火
回火屈氏体
弹性好
滚动轴承钢
GCr15
高碳低合金钢
回火马氏体
硬度高，耐磨性好
易切钢
Y15
低中碳钢
正火，退火
切削加工性好
超高强度钢
40CrNiMoA
淬火+低温活火
强度高
表6-3典型工具钢
工具钢
最终组织
T10
高碳
硬度高，红硬性差
低合金刃具钢
9SiCr
高碳低合金
M回+K
硬度高、耐磨性好
高速钢
W18Cr4V
高碳高合金
M回+大量K
高硬度，高耐磨性和高热硬性
冷作模具钢
Cr12MoV
淬火+低温回火（+离子氮化
淬火变形小，硬度高，耐磨性好
热作模具钢
5CrMnMo
中碳低合金
淬火+中（高）温回火
回火屈氏体或回火索氏体
强度高、韧性好，抗热疲劳性好
表6-4特殊性能钢
特钢名称
铁素体不锈钢
1Cr17
低碳高铬
退火
F
耐蚀性好，加工性能差
马氏体不锈钢
1Cr13
3Cr13
淬火+低（高）温回火
耐蚀性能好，强度、硬度高。
奥氏体不锈钢
1Cr!
8Ni（Ti
低碳高合金
固溶处理，稳定化处理，去应力退火
单相A
耐蚀性好，加工性能好。
耐磨钢（高锰钢）
ZGMn13
高碳高锰
水韧处理（固溶处理）
高韧性，高冲击硬化能力。
十。
机械零件的生产工艺流程
矿石→高炉冶炼成生铁（浇注成生铁块）→电炉冶炼成钢（浇注成钢锭）→轧制成型材（圆钢、钢板、型钢等）。
铸造件生产所用主要原料为生铁（炼钢生铁、炼铁生铁）、废旧钢材等。
主要生产一些外形复杂的机械零件
锻压产品生产所用原材料一般为各种型钢（圆钢、板材等），大型锻件则直接用钢锭。
锻造主要生产机械性能要求较高的传动件，如轴、齿轮等。
十一。
铸件和锻件的性能差异
铸件是将合金熔化后浇注到型腔内成型，由于熔化后的合金溶液充型能力好，因而可铸造出外型或内腔很复杂的机械零件。
但合金结晶时往往形成晶粒粗大、组织疏松、夹杂、气孔等缺陷，因而机械性能较差。
锻件是用圆钢或钢锭作原材料，经加热到高温后锻打使金属产生塑性变形来成型的，固态金属在压力作用下的流动能力有限，只能生产一些形状相对简单的机械零件。
但金属经锻打消除了疏松、气孔等铸造缺陷，同时形变和再结晶也使金属晶粒变得很细小，因而其机械性能远高于铸造产品。
十二.常用铸造合金的性能特点
常用铸造合金中铸造性能最好的是普通灰口铸铁，其次是铝硅合金,球墨铸铁和白口铸最差的是铸钢。
其它铸铁如球墨铸铁、白口铸铁等的铸造性能比普通灰口铸铁略差，但远高于铸钢。
普通灰口铸铁由于其价格低廉，铸造性能优异，往往用来铸造一些机械产品的机架、底座、箱体
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