工程材料及热处理.docx

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工程材料及热处理

第一章材料的结构与性能

第一节材料的性能

使用性能：

材料在使用过程中所表现的性能。

包括力学性能、物理性能和化学性能。

工艺性能：

材料在加工过程中所表现的性能。

包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。

一、金属材料的使用性能

（一）金属材料的力学性能

1、弹性和刚度

弹性：

指标为弹性极限σe，即材料承受最大弹性变形时的应力。

刚度：

材料受力时抵抗弹性变形的能力。

指标为弹性模量E。

2、强度与塑性

强度：

材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。

屈服强度σs：

材料发生微量塑性变形时的应力值。

抗拉强度σb：

材料断裂前所承受的最大应力值。

塑性：

材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。

伸长率：

δ

断面收缩率ψ

2、硬度

材料抵抗表面局部塑性变形的能力。

（1）布氏硬度HB

布氏硬度的优点：

测量误差小，数据稳定。

缺点：

压痕大，不能用于太薄件、成品件。

适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。

（2）洛氏硬度

洛氏硬度用符号HR表示

常用的标尺为A、B、C。

HRA用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。

HRB用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。

HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。

洛氏硬度的优点：

操作简便，压痕小，适用范围广。

缺点：

测量结果分散度大。

（3）维氏硬度

维氏硬度用符号HV表示

4、韧性

（1）、冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。

指标为冲击韧性值ak（通过冲击实验测得）。

（2）断裂韧性

断裂韧性：

材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。

5、疲劳

材料在低于σs的重复交变应力作用下发生断裂的现象。

（1）疲劳曲线和疲劳强度

材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳强度。

用σr表示。

二、金属材料的工艺性能

1铸造性能2锻造性能3切削加工性能4焊接性能5热处理性能

二

（二）、常见金属的晶格类型

一．1.体心立方晶格

体心立方结构（b.c.c）

属于该类晶格的常见金属有α-Fe

2面心立方结构（f.c.c）

常见金属：

r-Fe、

3密排六方结构（h.c.p）

二．晶体缺陷

1.点缺陷

空间三维尺寸都很小的缺陷。

2.线缺陷—晶体中的位错

二维尺度小，三维尺度大

分为刃型位错和螺型位错

3.面缺陷—晶界与亚晶界

三

一．1.液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。

理论结晶温度与实际结晶温度的差称过冷度

过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。

2.晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。

3.同素异构转变

物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变—固态相变。

铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：

4.细化金属晶粒的措施

⑴增大过冷度：

随过冷度增加，N/G值增加，晶粒变细。

⑵变质处理：

又称孕育处理。

即有意向液态金属内加入非均匀形核物质

⑶振动、搅拌

1.塑性变形五种形式

轧制挤压拉拔锻造冲压

2.塑性变形对金属性能的影响

（1）产生加工硬化现象

随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化

㈠回复

回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。

㈡再结晶

1.再结晶

冷变形组织在加热时重新彻底改变组织结构的过程称再结晶。

㈢晶粒长大

再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长保温时间，将发生晶粒长大。

这是一个自发的过程。

3.金属冷热加工

冷加工与热加工的区别

在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的。

低于再结晶温度的加工称为冷加工，而高于再结晶温度的加工称为热加工。

四

1.热处理：

是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺.

铁素体：

纯铁在912℃以下为具有体心立方晶格的а-Fe。

碳溶于а-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体（F或а）。

奥氏体：

碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体称为奥氏体（A或γ）。

渗碳体：

是一种具有复杂晶格结构的间隙化合物。

（Fe3C）

珠光体：

是铁素体和渗碳体组成的两相机械混合物。

（P）

铁碳合金的分类

1.工业纯铁（<0.0218%C）

2碳钢（0.0218～2.11%C）

3.白口铸铁（2.11~6.69%C）

铸造性能好,硬而脆

一、钢在加热时的组织转变

加热是热处理的第一道工序。

加热分两种：

一种是在A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。

（二）奥氏体晶粒长大的控制

⑴加热温度和保温时间:

加热温度高、保温时间长,晶粒粗大.

⑵加热速度:

加热速度越快,过热度越大,形核率越高,晶粒越细

二、钢在冷却时的组织转变

过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变两种。

三珠光体转变

1、珠光体的组织形态

过冷奥氏体在A1到550℃间将转变为珠光体类型组

织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物，根据

片层厚薄不同,又细分为珠光体、索氏体和托氏体.

⑴珠光体：

形成温度为A1-650℃，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示.

⑵索氏体

形成温度为650-600℃,片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S表示。

⑶托氏体

形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，用符号T表示。

（四）贝氏体转变

1、贝氏体的组织形态过冷奥氏体在550℃-230℃（Ms）间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号B表示。

根据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）.

⑴上贝氏体

形成温度为550-350℃。

在光镜下呈羽毛状.

⑵下贝氏体

形成温度为350℃-Ms。

在光镜下呈竹叶状。

2.贝氏体的力学性能

上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。

下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，

四．马氏体转变

当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织。

马氏体的组织形态

马氏体的形态分板条和针状两类。

3.马氏体转变的主要特点

⑴无扩散性

（2）在一个温度范围内进行的（3）转变不完全（4）马氏体转变的可逆性

4.过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT。

Vk为CCT曲线的临界冷却速度，即获得全部马氏体组织时的最小冷却速度.

四、钢的退火与正火

1.退火

将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却（炉冷）的热处理工艺叫做退火。

退火目的

⑴调整硬度，便于切削加工

（2）消除内应力，防止加工中变形

（3）细化晶粒

退火工艺

完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火

⑴完全退火

将工件加热到Ac3+30~50℃保温后缓冷的退火工艺，主要用于亚共析钢.

⑵等温退火

亚共析钢加热到Ac3+30~50℃,共析、过共析钢加热到Ac1+30~50℃，保温后快冷到Ar1以下的某一温度下停留，待相变完成后出炉空冷

⑶球化退火

球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。

它是将工件加热到

Ac1+30-50℃保温后缓冷，或者加热后冷却到略低于Ar1的温度下保温，使珠光体中的渗碳体球化后出炉空冷。

主要用于共析、过共析钢。

（4）扩散退火（均匀化退火）

铸件在凝固过程中不可避免的要产生枝晶偏析等化学成分不均匀现象，为达到化学成分的均匀化，必须对其进行扩散退火。

特点：

加热温度高（一般在Ac3或Acm以上150~300℃），保温时间长

（5）去应力退火

用来消除因变形加工及铸造、焊接过程中引起的残余内应力，以提高工件的尺寸稳定性，防止变形和开裂。

（6）再结晶退火

冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒。

目的：

消除加工硬化、提高塑性、改善切削加工及成形性能。

2.正火

正火是将亚共析钢加热到Ac3+30~50℃，共析钢加热到Ac1+30~50℃，过共析钢加热到Accm+30~50℃保温后空冷的工艺。

正火比退火冷却速度大。

正火的目的：

目的与退火的相同。

（二）淬火

淬火是将钢加热到Ac1或Ac3以上，保温后以大于Vk速度冷却，使奥氏体转变

为马氏体的热处理工艺.

淬火目的：

是为获得马氏体组织，提高钢的性能.

1.淬火加热温度

亚共析钢

淬火温度为Ac3+30-50℃。

共析钢

淬火温度为Ac1+30-50℃；淬火组织为M+A’。

过共析钢

淬火温度:

Ac1+30-50℃.淬火组织:

M+Fe3C颗粒+A’。

2.淬火冷却介质

常用淬火介质是水和油.

水的冷却能力强，但低温l冷却能力太大，只使用于形状简单的碳钢件。

油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太小，适用于合金钢和小尺寸的碳钢件。

熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之间,用于形状复杂件的

3.淬火方法

1、单液淬火法

加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法。

操作简单，易实现自动化。

2、双液淬火法

工件先在一种冷却能力强的介质中冷，却躲过鼻尖后，再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。

如水淬油冷，油淬空冷.

优点是冷却理想，缺点是不易掌握。

3、分级淬火法

在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀后再取出缓冷

可减少内应力

4、等温淬火法

将工件在稍高于Ms的盐浴或碱浴中保温足够长时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。

经等温淬火零件具有良好的综合力学性能，淬火应力小.

（三）回火

1.回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺。

2.回火的目的

减少或消除淬火内应力,防止变形或开裂.

获得所需要的力学性能。

3.未经淬火的钢回火无意义。

钢经淬火后应立即进行回火。

4.根据钢的回火温度范围，可将回火分为三类。

5.淬火加高温回火的热处理称作调质处理，简称调质.

五、钢的表面热处理

（一）钢的表面淬火

表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。

表面淬火常用加热方法：

（1）感应加热

感应加热分为：

①高频感应加热

淬硬层深度0.5-2mm

②中频感应加热

淬硬层深度2-10mm。

③工频感应加热

淬硬层深度10-15mm

⑵火焰加热:

利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法

⑶激光热处理:

利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法。

（二）钢的化学热处理

化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温使介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织,进而改变其性能的热处理工艺。

1.钢的渗碳

钢的渗碳是指向钢的表面渗入碳原子的过程。

渗碳目的

提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。

渗碳方法

气体渗碳法，固体渗碳法，液体渗碳法

2.钢的渗氮

氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。

常用氮化方法

气体氮化法与离子氮化法。

3.钢的碳氮共渗

同时向钢的表面渗入碳和氮原子的化学热处理工艺，俗称氰化。

中温（700~800℃），碳氮共渗和低温（500~600℃），气体碳氮共渗的应用较为广泛。

共渗件常选用低碳或中碳钢。

渗层组织：

细片（针）回火马氏体加少量粒状碳氮化合物和残余奥氏体。

第七章金属材料

第一节工业用钢

工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类

（二）钢的通常分类

工程用钢

建筑、桥梁、船舶、车辆

渗

碳

钢

调

质

钢

弹

簧

钢

滚动轴承钢

耐

磨

钢

机器用钢

结

构

钢

刃具钢

模具钢

量具钢

工

具

钢

不锈钢

耐热钢

特

殊

性能

钢

1、普通碳素结构钢

Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号

Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa；

质量等级符号为A、B、C、D、E。

由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。

脱氧方法符号:

沸腾钢—F；镇静钢—Z；半镇静钢—b；特殊镇静钢—TZ。

2、优质碳素结构钢

牌号用两位数字表示。

这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。

如45钢—平均含碳量为万分之四十五（即0.45%）的优质碳素结构钢。

3.碳素工具钢

T+数字

T表示“碳素工具钢”；数字表示平均含碳量的千分之几.

（二）低合金高强度钢

1、对低合金高强度钢的性能要求

⑴高强度。

⑵高韧性。

⑶良好的焊接性能和冷成型性能

2、化学成分特点

⑴低碳：

≤0.2%C.

⑵合金元素：

主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等

3、热处理特点：

大多数热轧空冷后使用。

少数可用正火+高温回火处理。

（三）渗碳钢

⑴表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧。

⑵良好的热处理性能,如淬透性和渗碳能力。

2、化学成分特点

⑴低碳：

0.1~0.25%C

⑵合金元素作用：

①提高淬透性：

Cr、Mn、Ni、B

②强化铁素体：

Cr、Mn、Ni

③细化晶粒：

W、Mo、Ti、V

3、热处理特点

渗碳件的加工工艺路线为：

下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火+低温回火

正火目的为调整硬度，便于切削加工。

淬火温度一般为Ac1+30-50℃。

4、钢种、牌号与用途

（1）低淬透性钢：

20、20Cr。

用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销。

2）中淬透性钢：

20CrMnTi。

用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。

（3）高淬透性钢：

18Cr2Ni4WA.用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。

（四）调质钢

1.调质后使用的钢种。

⑴良好的综合力学性能.

⑵良好的淬透性。

2、化学成分特点

⑴中碳：

0.3~0.5%C

⑵合金元素作用：

①提高淬透性:

Mn、Si、Cr、Ni、B

②强化铁素体:

Mn、Si、Cr、Ni

③细化晶粒:

Ti、V

④防止第二类回火脆性:

W、Mo

五）弹簧钢

化学成分特点

⑴中高碳：

碳素弹簧钢为0.6~0.9%C

合金弹簧钢为0.45~0.7%C

⑵合金元素作用：

①提高淬透性、强化铁素体：

Mn、Si、Cr

②  提高s/b：

Si

③ 细化晶粒：

V

（六）滚动轴承钢

⑴高而均匀的硬度和耐磨性。

⑵高的b和接触疲劳强度。

⑶足够的韧性、淬透性和耐蚀性.

3、热处理特点

滚动轴承钢是过共析钢。

⑴热处理：

球化退火+淬火+低温回火

⑵组织：

M回+颗粒状碳化物+A’（少量）

2、化学成分特点

⑴高碳：

0.95~1.10%C

⑵合金元素：

以Cr为主,加入Mn、Si。

Cr、Mn、Si的主要作用是提高淬透性

Cr还提高耐磨性（形成合金渗碳体）和耐蚀性

三、工具钢

按用途分为:

刃具钢模具钢量具钢

（一）刃具钢

1、典型渗碳零件的工作条件、失效方式及性能要求：

、

硬度（≥HRC60）,主要取决于含碳量。

高耐磨性靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。

高热硬性即高温下保持高硬度的能力。

足够的韧性以防止脆断和崩刃。

高碳（0.65~1.35%C）

随含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韧性下降。

（2）热处理特点

⑴热处理：

正火+球化退火+淬火+低温回火

球化退火目的：

①降低硬度,便于加工;②为淬火作组织准备。

⑵使用状态下的组织：

M回+颗粒状碳化物+A’（少量）

3、性能特点由于碳素工具钢热硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。

3.低合金工具钢

由碳素工具钢基础上加入少量合金元素（≤3~5）形成。

（1）化学成分特点：

高碳：

0.75~1.5%C

合金元素作用

①提高淬透性:

Cr、Mn、Si

② 提高耐回火性：

Si

③提高耐磨性、细化晶粒:

W、V

（2）热处理特点

同碳素工具钢，只是淬火介质为油（碳素工具钢为水）。

使用状态下的组织为：

M回+颗粒状碳化物+A’（少量）

（3）性能特点

锻压及切削加工性降低

4.高速钢

制造高速切削刃具用钢。

1）化学成分特点

高碳:

0.70~1.5%C

合金元素作用

① 提高淬透性：

Cr

② 提高热硬性、耐磨性:

W、Mo、V

（二）模具钢

1.冷作模具钢

2.热作模具钢

3.成形模具钢

（三）量具钢

1、量具钢的工作条件、失效

方式和性能要求：

量具在使用过程中与被测零件接触，承受摩擦和冲击。

⑴高硬度和耐磨性。

⑵高的尺寸稳定性。

⑶足够的韧性。

不锈钢中Cr：

是提高耐蚀性的主要元素

高分子

2.高分子链的形状

按照大分子链的几何形状，可分为线型结构、支链型结构和体型结构。

三、高分子材料的力学状态

（一）线型非晶态高分子材料的力学状态

1玻璃态：

低温下，链段不能运动。

在外力作用下，只发生大分子原子的微量位移，产生少量弹性变形。

高聚物呈玻璃态的最高温度称玻璃化温度，用Tg表示。

2高弹态：

温度高于Tg，分子活动能力增加，受力时产生很大弹性变形。

处于这种状态的高聚物适于制作橡胶。

3粘流态：

由于温度高，分子活动能力很大，在外力作用下，大分子链可以相对滑动

（一）高分子材料的力学性能特点

1.低强度和较高的比强度

2.高弹性和低弹性模量

3.粘弹性

4.塑性

5.韧性

6.高耐磨性

（二）高分子材料的物化性能特点

1.高的绝缘性

2.低耐热性

3.高化学稳定性

4.高耐蚀性

5.老化

8.聚四氟乙烯（PTFE、特氟隆）俗称“塑料王”，

具有极优越的化学稳定性和热稳定性以及优越的电性

能，几乎不受任何化学药品的腐蚀，摩擦系数极低。

缺点是强度低、加工性差。

主要用于减摩密封件、化

工耐蚀件以及高频或潮湿条件下的绝缘材料

三、陶瓷材料的性能

陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。

陶瓷材料具有密度小、弹性模量大、耐磨损、强度高等特点。

功能陶瓷还具有电、光、磁等特殊性能。