第二部分工程材料2.0基本要求熟悉常用金屬材料的性能、試驗方法及其選用。熟悉鋼的熱處理原理。

掌握常用金屬材料的熱處理方法及選用。了解常用工程塑料、特種陶瓷、復合材料的種類及應用2.1工程材料的分類和性能2.1.1工程材料的分類（P32）按功能和用途分：結構材料、功能材料按組成特點分：

金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、復合材料2.1.2工程材料的性能工程材料的性能主要包括工藝性能和使用性能。工藝性能是指材料使用某種工藝方法進行加工的難易程度（相對性）。

使用性能是指材料在正常工作條件下所表現出來的力學性能、物理性能和化學性能。2.1.2.1力學性能材料的力學性能是指材料在不同環境（溫度、介質）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、沖擊、交變應力等）時所表現出的力學特征。簡單地說，力學性能是指材料在外力作用下表現出來的性能。主要力學性能指標：硬度、強度、塑性、韌性、耐磨性和缺口敏感性等。材料力學性能主要取決于材料的組織成分和晶體結構。1.硬度

硬度(hardness):是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力。常用測量硬度的方法：布氏硬度HB洛氏硬度HR維氏硬度HV肖氏硬度HS努氏硬度HK里氏硬度HL(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度計

測量壓痕球形面積適用范圍:

＜450HBS;

＜650HBW;特別適用于測定灰鑄鐵、軸承合金等具有粗大晶粒或組成相的金屬材料的硬度及鋼件退火、正火和調質厚的硬度。不宜在產品上進行試驗

符號HBS或HBW之前的數字表示硬度值，符號后面的數字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計10HRC≈HBS壓頭：圓錐角1200的金剛石圓錐體小淬火滾球測量壓痕深度廣泛用于熱處理質量檢驗，常用于檢查淬火后的硬度。操作迅速簡單，可在工件上直接試驗，但檢測結果離散度較大(3)維氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)適用范圍:

測量薄板類;HV≈HBS;測量壓痕對角線比較長度壓頭：兩對面夾角1360的金剛石四棱錐體特點：試驗力任意選取，壓痕測量精度高，硬度值準確，但需查表或計算效率低。(4)肖氏氏硬硬度度HS是一一種種動載載荷荷試驗驗法法，，較較為為方方便便，，可可在在現現場場測測量量大大型型工工件件的的硬硬度度，，缺缺點點是是精精度度較較低低。。(5)努氏硬度HK是一種顯微硬度試驗法，對對表面淬火火硬度或鍍鍍層、滲層層等薄層區區域硬度測測定以及截截面上的硬硬度分布的的測定較為為方便。(6)里氏硬度HL是一種新型型的反彈式式硬度測量量方法，便便于攜帶，，常用于測量量大型鑄鍛鍛件、永久久組裝部件件等，精度較較高，可自動轉換成洛氏硬度度、布氏硬硬度、維氏氏硬度、肖肖氏硬度，，并可直接接打印結果果。2.強度指標(1)拉伸試樣GB6397-86規定《金屬拉伸試試樣》有：圓形、矩形形、異型及及全截面．．常用標準圓圓截面試樣樣。長試樣：L0=10d0;短試樣：L0=5d0拉伸試樣拉伸試樣的頸縮現象拉伸試驗機ΔlFΔl

bΔl

uΔl

FbbkFssogfeFepFp拉伸曲線op段：比例彈彈性變形階階段；pe段：非比例例彈性變形形階段；平臺或鋸齒齒（s段）：屈服階階段；sb段：均勻塑塑性變形階階段，是強強化階段。。b點：形成了““縮頸”。。bk段：非均勻勻變形階段段，承載下下降，到k點斷裂。斷裂總伸長長為Of，其中塑形變變形Og(試樣斷后測測得的伸長長)，彈性性伸長長gf。彈性極限:

Fe彈性極限載荷(N)

σe=(Mpa)

S0

試樣原始橫截面積(mm2)

Fs

σs

=

(MPa)

S0試樣屈服時的載荷(N)試樣原始橫截面積(mm2)屈服強強度:產生明明顯塑塑性變變形的的最低低應力力值.屈服強強度(塑性變變形量量為0.2%，微量量塑性性變形形)

F0.2

σ0.2

=

(MPa)

S

0

試樣原始橫截面(mm2)試樣產生0.2%殘余塑性變形時的載荷(N)σ0.2：試樣產生殘余塑性變形0.2%時的應力試樣產生0.2%殘余塑性變形屈服點點σs、屈服服強度度σ0.2是零件件設計計的主主要依依據；；也是是評定定金屬屬強度度的重重要指指標之之一。。抗拉強強度：：試樣在在斷裂裂前所所能承承受的的最大大應力力。

F

b

試樣斷裂前的最大載荷(N)

σb

=

(MPa)

S

0

試樣原始橫截面積(mm2)它表示示材料料抵抗抗斷裂裂的能能力。。是零件件設計計的重重要依依據；；也是是評定定金屬屬強度度的重重要指指標之之一。。3.塑性:是指材材料在在載荷荷作用用下產產生塑塑性變變形而而不被被破壞壞的能能力。。(1)斷面收收縮率率:是指試試樣拉拉斷處處橫截截面積積的收收縮量量ΔS與原始始橫截截面積積S0之比。。S0-S1ψ=————-——×100%S0(2)伸長率:是指試樣樣拉斷后后的標距距伸長量量ΔL與原始標標距L0之比。l1-l0δ=———-——×100%l0Δl=Δlu＋Δｌbδ=Δl/l0=Δlu/l0+Δlb/l0δ<2~5%屬脆性材材科δ≈5~10%屬韌性材材料δ>10%屬塑性材材料δδuδbσbσsσeεσEδ塑性指標標不直接接用于計計算，但但任何零零件都需需要一定定塑性。。防止過載載斷裂；；塑性變形形可以緩緩解應力力集中、、削減應應力峰值值。4.沖擊韌性性(notchtoughness):材料在沖沖擊載荷荷作用下下抵抗破破壞的能能力。沖擊試驗驗機沖擊試樣樣和沖擊擊試驗示示意圖試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為:Ak=mgH–mgh(J)

沖擊韌性值ak就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。AK

ak=(J/cm2)S05.疲勞強度度(fatiguestrength):表示材料料經無數數次交變變載荷作作用而不不致引起起斷裂的的最大應應力值。。鋼材的循環次數一般取N=107有色金屬的循環次數一般取N=108鋼材的疲勞強度與抗拉強度之間的關系:σ-1

=(0.45～0.55)σb6.剛度：將將材料抵抵抗彈性變形形的能力稱稱為剛度度。彈性模量量：彈性性下應力力與應變變的比值值,表示材料料抵抗彈彈性變形形的能力力。即：：E=σ/ε材料的E越大，剛剛度越大大；E對組織不不敏感；；零件的剛剛度主要要決定于于E，也與形形狀、截截面等有有關，一一般用AE表示。2.1.2.2物理性能能：密度、熔熔點、導導熱性、、導電性性、熱膨膨脹性、、磁性等等；2.1.2.3化學性能能：耐腐蝕性性、抗氧氧化性、、化學穩穩定性等等；2.1.2.4工藝性能能：鑄造性能能、鍛造造性能、、焊接性性能、切切削加工工性、熱熱處理工工藝性等等。例1.（25.2007單選2分）精度度較高，，便于攜攜帶，常常用于測測量大型型鑄鍛件件和永久久組裝件件的硬度度計A）洛氏硬硬度計B）布氏硬硬度計C）維氏硬硬度計D）里氏硬度度計例2.（8.2006單選1）測定灰灰鑄鐵、、軸承合合金等具具有粗大大晶粒或或組成相相的金屬屬材料的的硬度及及鋼件退退火、正正火及調調質后的的硬度常常采用A）洛氏硬硬度試驗驗B）布氏硬度度試驗C）維氏硬硬度試驗驗D）努氏硬硬度試驗驗例3.(24.2005單選2）廣泛用用于鋼件件淬火后后的硬度度檢測儀儀器是：：A）洛氏硬度度計B）布氏硬硬度計C）維氏硬硬度計D）肖氏硬硬度計例4（12.2011單選1分）常用用于檢測測零件較較薄硬化化層（如如0.1mm厚）硬度度的儀器器是：A）布氏硬硬度計B）洛氏硬硬度計C）肖氏硬硬度計D）維氏硬度度計例5.（7.2006單選1分）材料料在無數數次交變變應力作作用下而而不致引引起斷裂裂的最大大應力稱稱為A）斷裂強強度B）疲勞強強度C）抗拉強強度D）屈服強強度例6.（52.2004簡答5分）金屬屬材料力力學性能能的主要要指標有有哪些（（至少列列舉5項）？用用符號表表示常規規力學性性能的五五項指標標。答：硬度度、強度度、塑性性、韌性性、剛度度、耐磨磨性、缺缺口敏感感性等。。超常規規力學性性能的五五項指標標：σb、σe、δ、ψ、ak2.2金屬材料料及其熱熱處理2.2.0考核知識識點（1）熟悉晶晶體的兩大特性，，金屬最最常見的的三種晶體結結構類型型，實際際金屬材材料中的的晶體缺陷，常用的三種細化晶粒方法，，純金屬在在固體下的的兩種轉變，合金相結結構的三種類型；（2）熟悉鐵碳碳合金相圖圖中固態下下的幾種基本本組織，各主要要點溫度、碳的質量分數數及意義，，典型鐵鐵碳合金金結晶過過程分析析，碳對對鐵碳平平衡組織織和性能能的影響響、相圖圖的應用用；（3）熟悉金金屬材料料常見的的化學分析析方法，金相分析析方法，無損探傷傷方法及適用范范圍；（4）熟悉鋼鋼的熱處處理原理理（鐵碳碳合金平平衡圖、、鋼在加加熱、冷冷卻、回回火時的的轉變））（5）熟悉典典型零件件（軸類類、彈簧簧、齒輪輪類、滾滾動軸承承類、模模具類、、工具類類、鑄鐵鐵件類、、有色金金屬類等等）的熱熱處理應應用。（6）熟悉金金屬材料料的選擇擇和使用用原則。。（7）掌握鋼鋼的常規規熱處理理（退火火、正火火、淬火火、回火火、時效效等）、、表面淬淬火（火火焰淬火火、感應應加熱淬淬火）、、化學熱熱處理（（滲碳、、滲氮、、碳氮共共滲等））、鑄鐵鐵（灰鑄鑄鐵、可可鍛鑄鐵鐵、球墨墨鑄鐵、、蠕墨鑄鑄鐵、合合金鑄鐵鐵等）熱熱處理、、有色金金屬（鋁鋁合金、、銅合金金等）熱熱處理方方法的選選用。（8）了解熱熱處理設設備（燃燃燒爐、、電阻爐爐、真空空爐、感感應加熱熱電源及及淬火機機床）。。2.2.1金屬的晶晶體結構構2.2.1.1晶體的特特性：熔點和各各項異性性固態物質質按其原原子（或或分子））聚集狀狀態可分分為晶體體和非晶晶體兩大大類。在在晶體中中，原子子（或分分子）按按一定的的幾何規律作周期性性地排列列。非晶體中中原子（（或分子子）則是是無規則的堆積在在一起。。（如松松香、玻玻璃、瀝瀝青）2.2.2.2金屬的晶晶體結構構由于金屬屬鍵結合合力較強強，是金金屬原子子總趨于于緊密排排列的傾傾向，故故大多數數金屬屬屬于以下下三種晶格類型型。1、體心立立方晶格格2、面心立立方晶格格8×1／8＋1＝2（個）。。8×1／8＋6×1／2＝4（個）3、密排六六方晶格格晶體缺陷陷晶體內部部的某些些局部區區域，原原子的規規則排列列受到干干擾而破破壞，不不象理想想晶體那那樣規則則和完整整。把這這些區域域稱為晶體缺陷陷。12×1／6＋2×1／2＋3＝6（個）這些缺陷陷的存在在，對金金屬的性性能（物物理性能能、化學學性能、、機械性性能）將將產生顯顯著影響響，如鋼鋼的耐腐腐蝕性，，實際金金屬的屈屈服強度度遠遠低低于通過過原子間間的作用用力計算算所得數數值。根據晶體體缺陷的的幾何形態態特征，可將其其分為以以下三類類：點缺陷線缺陷面缺陷點缺陷——空位和間間隙原子子和置換換原子線缺陷—位錯晶體中，，某處有有一列或或若干列列原子發發生有規規律的錯錯排現象象，稱為為位錯。其特征征是在一一個方向向上的尺尺寸很長長，而另另兩個方方向的尺尺寸很短短。最常常見最基基本的位位錯是刃型位錯錯和螺型位錯錯位錯的存存在以及及位錯密度度的變化，，對金屬屬的性能能如強度度、塑性性、疲勞勞等都起起著重要要影響。。如金屬屬材料的的塑性變變形與位位錯的移移動有關關。冷變變形加工工后金屬屬出現了了強度提提高的現現象（加工硬化化），就是是由于位位錯密度度的增加加所致。。面缺陷——晶界和亞亞晶界實際金屬屬材料是是多晶體體材料，，則在晶晶體內部部存在著著大量的的晶界和亞晶界。晶界和和亞晶界界實際上上是一個個原子排列列不規則則的區域域，該處晶晶體的晶晶格處于于畸變狀狀態，能能量高于于晶粒內內部，在在常溫下下強度和和硬度較較高，在在高溫下下則較低低，晶界界容易被被腐蝕等等。2.2.2.3金屬的結結晶結晶：晶晶體物質質由液態態轉變成成固態的的過程。。凝固：：非晶體體由液態態轉變成成固態的的過程。。結晶的一一般過程程：To時間溫度理論冷卻曲線實際冷卻曲線T1結晶平臺(是由結晶潛熱導致):平衡結晶溫度過冷現象象過冷度ΔT=T0–T1過冷是結結晶的必必要條件件。結晶的一一般規律律形核長大形核、長長大實際金屬屬的多晶晶粒結構構晶粒的粗粗細對金金屬力學學性能影影響頗大大。晶粒粒愈細，，其強度度、韌性性和塑性性也愈好好。細化晶粒粒的三種種途徑：：1）提高冷卻速度－自發形核V冷△TN晶粒細小2）變質處理－非自發形核3）機械振動、超聲波振動、電磁攪拌等。2.2.2.4金屬在固固態下的的轉變純金屬在在固態下下的轉變變有兩種種：同素異晶晶轉變磁性轉變變（純鐵鐵磁性轉轉變溫度度768度）純鐵的同素異晶晶轉變反應式:1394°C912°Cbccfccbccδ-Feγ-Feα-Fe純鐵的冷冷卻曲線線1394℃1534℃10006008001200溫度時間16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe2.2.2.5合金的相相結構由于組元元間相互互作用不不同，固固態合金金的相結結構可分分為固溶體和金屬化合合物兩大類。。1、固溶體體合金在固固態下，，組元間間能夠互互相溶解解而形成成的均勻勻相稱為為固溶體。不管溶質質原子處處于溶劑劑原子的的間隙中中或者代代替了溶溶劑原子子都會使使固溶體體的晶格格發生畸畸變，使使塑性變變形抗力力增大，，結果使使金屬材材料的強強度、硬硬度增高高。這種種通過溶溶入溶質質元素形形成固溶溶體，使使金屬材材料的強強度、硬硬度升高高的現象象，稱為為固溶強強化。2、金屬屬化合合物金屬化化合物物的晶晶格類類型與與形成成化合合物各各組元元的晶晶格類類型完完全不不同，，一般般可用用化學學分子子式表表示。。鋼中中滲碳碳體（（Fe3C）是由由鐵原原子和和碳原原子所所組成成的金金屬化化合物物，它它具有有復雜的的晶格格形式式。金屬化化合物物的性性能不不同于于任一一組元元，其其溶點一一般較較高、、硬而而脆。當它它呈細細小顆顆粒均均勻分分布在在固溶溶體基基體上上時，，將使使合金金的強強度、、硬度度和耐耐磨性性明顯顯提高高，這這一現現象稱稱為彌散強強化。金屬化化合物物在合合金中中常作作為強化相相存在，，它是是許多多合金金鋼、、有色色金屬屬和硬硬質合合金的的重要要組成成相。。3、金屬屬混合物物絕大多多數合合金的的組織織都是是固溶溶體與與少量量金屬屬化合合物組組成的的金屬混合物物，其性性質取取決于于固溶溶體與與金屬屬化合合物的的數量量、大大小、、形態態和分分布狀狀況。。鐵碳合金固固態下下的幾幾種基本組組織：：1.鐵素體體(F)：碳溶溶于α–Fe中的間間隙固固溶體體。2.2.2鐵碳合金相相圖2.奧氏體體(A)碳溶于于γ-Fe中形成成的間間隙固固溶體體。奧氏體體組織織金相相圖3.滲碳體體(Fe3C)鐵與碳碳形成成的金金屬化化合物物。滲碳體體組織織金相相圖4.珠光體體(P)鐵素體體和滲滲碳體體組成成的機機械混混合物物。5.萊氏體體(Ld)奧氏體體和滲滲碳體體組成成的機機械混混合物物。Fe-Fe3C相圖Fe-Fe3C相圖ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3C

T°LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FP0.77%CLd’’K(P+Fe3C)P+Ld’’+Fe3CⅡLd’’+Fe3CⅠP+FP+Fe3CⅡ(F+Fe3C)A+Fe3CⅡL+Fe3CⅠ(A+Fe3C)鐵碳合金相相圖各各主要要線的的意義義：ABCD為液相線線，AHJECF為固相線線。三條水水平線線：1.HJB包晶轉變線:LB

+H

AJ1495℃3.PSK共析轉變線:AS

(

FP

+Fe3C)P

727℃2.ECF共晶轉變線:LC

(

AE

+Fe3C)Ld

1148℃包晶反反應：：在一定定溫度度下，，由一一固定定成份份的液液相與與一個個固定定成份份的固固相作作用，，合成成另一一個成成份固固定的的固相相反應應。液＋固固＝固固共晶反反應：：由某一一成份份的液液相在在一定定溫度度下同同時結結晶出出兩種種不同同成份份的固固相反反應。。液＝＝固固＋＋固固共析析反反應應：：在一一定定溫溫度度下下，，一一固固定定成成份份的的固固相相同同時時分分解解成成兩兩種種成成份份與與結結構構均均不不相相同同的的固固相相反反應應。。固＝＝固固＋＋固固四條條重重要要的的線線:GS是冷冷卻卻過過程程中中由由γ相析析出出α相的的開開始始線線ES是C在γ－Fe中的的溶溶解解度度曲曲線線PQ是C在α－Fe中的的溶溶解解度度曲曲線線HN是C在－Fe中的的溶溶解解度度曲曲線線。重要要的的成成份份點點:如下下表表點符合溫度t/0C含碳量wc％含義A15380純鐵熔點C11484.3共晶點D12276.69滲碳體熔點E11482.11碳在奧氏體中的最大溶解度G9120α

－Fe＝γ

－Fe同素異晶轉變點P7270.02碳在鐵素體中的最大溶解度S7270.77共析點Q室溫0.0008碳在鐵素體中的溶解度五個個單單相相區區：：ABCD以上上－－液液相相L區AHNA－相區區NJESGN－γ相區區GPQ以左左－－α相區區DFK－Fe3C相區區七個個兩兩相相區區：：分別別存存在在于于相相鄰鄰兩兩個個單單相相區區之之間間：：L＋、、L＋A、L＋Fe3C、＋＋A、A＋F、A＋Fe3C、F＋Fe3C2.2.2.1典型型鐵鐵碳碳合金金相相圖圖過過程程分分析析(ingotiron)共析析鋼鋼(eutectoidsteel)亞共共析析鋼鋼(hypoeutectoidsteel)過共共析析鋼鋼(hypereutectoidsteel)共晶晶白白口口鐵鐵(eutectoidwhiteiron)亞共共晶晶白白口口鐵鐵(hypoeutectoidwhiteiron)過共共晶晶白白口口鐵鐵(hypereutectoidwhiteiron)鋼生鐵鐵工業業純純鐵鐵1.工業業純純鐵鐵(Wc<0.0218%)2.共析析鋼鋼(Wc=0.77%)共析析鋼鋼組組織織金金相相圖圖3.亞共共析析鋼鋼(Wc=0.45%)亞共析鋼鋼組織金金相圖4.過共析鋼鋼(Wc=1.2%)過共析鋼鋼組織金金相圖5.共晶白口口鐵(Wc=4.3%)共晶白口口鐵組織織金相圖圖6.亞共晶白白口鐵(Wc=3.0%)亞共晶白白口鐵組組織金相相圖7.過共晶白白口鐵(Wc=5.0%)過共晶白白口鐵組組織金相相圖2.2.2.2碳對鐵碳碳合金平衡衡組織和和性能的的影響碳的質量量分數對對平衡組織織的影響。。碳的質量量分數對對力學性能能的影響。。碳的質量量分數對對工藝性能能的影響。。碳的質量量分數對對平衡組組織的影影響碳的質量量分數對對力學性性能的影影響低碳鋼組織多為為鐵素體，強度、、硬度較較低，而而塑性、、韌性很很高。隨隨含碳量量的增加加，鐵素素體不斷斷減少，，珠光體不斷增加加，導致致強度、、硬度提提高，塑塑性、韌韌性下降降，0.9％時，組組織中主主要是珠珠光體，，強度達達到最大大值。當當大于1.0%時由于網網狀Fe3CII出現，導導致鋼強強度下降降。工業業用鋼一一般不超超過1.3%~1.4%.碳的質量量分數對對力學性性能的影影響2.2.2.3Fe-Fe3C相圖的應應用1.為選擇材材料提供供依據分析零件件的工作作條件,根據鐵碳碳合金成成分、組組織、性性能之間間的變化化規律進進行選擇擇材料。。(P30)低碳鋼（（0.10%~0.25%）:塑性、韌韌性好中碳鋼（（0.25%~0.60%）：綜合合性能好好高碳鋼（（0.60%~1.30%）：硬度度高、耐耐磨性好好2.制定熱加加工工藝藝方面的的應用Fe-Fe3C相圖總結結了不同同成份鐵鐵碳合金金在緩慢慢冷卻時時組織隨隨溫度變變化的規規律，為為制定鑄鑄造、鍛鍛造、熱熱處理、、焊接工工藝提供供了依據據。2.2.3金屬材料料化學成成分分析析和金相相分析2.2.3.1化學成份份分析（（P42-43）常用方法法有：化學分析析法、火火花鑒別別法、光光頻分析析法和看看譜鏡法法，最傳傳統較準準確的方方法是化化學分析析法。氣體容量量定碳法法（P42）2.2.3.2金相分析析（P43-44）原材料缺缺陷的低低倍檢驗驗（宏觀觀檢驗））：用肉眼或或低倍放放大鏡斷口分析析：宏觀觀察察、光鏡鏡分析、、電鏡分分析顯微組織織檢驗：：光鏡分析析、電鏡鏡分析、、金相圖圖像自動動分析儀儀2.2.3.3無損檢測測（P44）射線檢測測超聲檢測測渦流檢測測磁粉探傷傷等2.2.4金屬材料料熱處理理2.2.4.1鋼的熱處處理熱處理的的定義：：將鋼在固固態下加加熱到預預定溫度度并在該該溫度下下保持一一段時間間，然后后以一定定的速度度冷卻，，以改變變鋼的內內部組織織，提高高鋼的性性能，延延長機器器使用壽壽命的熱熱加工工工藝。(加熱—保溫—冷卻)熱處理的的主要目目的:提高鋼的的性能。。熱處理的的應用范范圍:整個制造造業。熱處理的的原理:鋼中組織織變化規規律熱處理普通熱處理表面熱處理退火;正火;淬火;回火;表面淬火

化學熱處理感應加熱淬火火焰加熱淬火滲碳;滲氮;碳氮共滲;熱處理的的分類：：時間溫度臨界溫度

熱加保溫冷卻1.熱處理的的原理(1)鐵碳合金金平衡圖圖Fe－Fe3C平衡圖中中的臨界界點（A1、A3、Acm）是加熱和冷冷卻溫度度選擇的主主要依據據。(2)鋼在加熱熱時的組組織變化化鋼通過加加熱到奧奧氏體，而是否否得到完全的奧氏體體，以及及奧氏體體的均勻程度度和晶粒大小小，對隨后奧氏氏體冷卻卻時的轉轉變產物的性性能有很很大影響響。珠光體向向奧氏體體的轉變變是通過過奧氏體體晶核的的產生（（形核）和長大兩個過程實現的。。為了獲獲得均勻勻一致的的奧氏體體，必須須加熱到到足夠高的的溫度和和保持一一定時間間，才能使使奧氏體體均勻化化。奧氏體晶晶粒的大大小決定定了冷卻卻時奧氏氏體轉變變產物晶晶粒的大大小。奧氏體晶晶粒度:起始晶粒粒度:珠光體剛剛剛轉變變成奧氏氏體的晶晶粒大小小。FFe3C未溶Fe3CA殘余Fe3CAAAA形核A長大殘余Fe3C溶解A均勻化奧氏體的的形成實際晶粒粒度:是指在具具體的加加熱條件件下所得得到的奧奧氏體晶晶粒度。。本質晶粒粒度:在930℃℃±10℃保溫3～8h后奧氏體體的晶粒粒大小。。是度量鋼鋼本身晶晶粒隨溫溫度升高高,晶粒長大大的程度度。加熱速度度愈快，，加熱溫溫度愈高高，過熱度也愈大，，這時鋼鋼在較高高溫度下下轉變，，得到的的奧氏體體起始晶晶粒度比比較細小小。實際際生產中中采用高溫、短時時的加熱方法法就可以獲獲得較高力力學性能的的晶粒組織織。鋼中進入微微量鋁、鈦鈦、釩、鎢鎢、鉬、鎳鎳、硅、銅銅等都會阻阻礙奧氏體體晶粒長大大；錳和磷磷有促使晶晶粒長大的的傾向。鋼的本質晶晶粒度示意意圖(3)鋼在在冷冷卻卻時時的的組組織織變變化化鋼加加熱熱轉轉變變為為奧奧氏氏體體后后，，冷冷卻卻方方式式和和速速度度不不同同，，所所得得到到的的組組織織和和性性能能就就大大不不一一樣樣，，所所以以采采用用什什么么冷卻卻方方式式來控控制制鋼鋼的的組組織織和和性性能能具具有有決定定性性意義義。。鋼在在熱熱處處理理時時的的冷冷卻卻方方式式：：等等溫溫、、連連續續過冷冷奧奧氏氏體體的的等等溫溫冷冷卻卻轉轉變變過冷冷奧奧氏氏體體的的連連續續冷冷卻卻轉轉變變

熱加保溫時間溫度臨界溫度連續冷卻等溫冷卻1)鋼在在熱熱處處理理時時的的冷冷卻卻方方式式共析析碳碳鋼鋼TTT曲線線建建立立過過程程示示意意圖圖時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A12)過冷冷奧奧氏氏體體的的等等溫溫冷冷卻卻轉轉變變共析碳鋼TTT曲線的分析穩定的奧氏體區過冷奧氏體區A向產物轉變開始線A向產物轉變終止線

A+產物區產物區A1～550℃;高溫轉變區;擴散型轉變;P轉變區。550～230℃;中溫轉變區;半擴散型轉變;

貝氏體(B)轉變區;230～-50℃;低溫轉變區;非擴散型轉變;馬氏體(M)轉變區。時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf轉變變產產物物的的組組織織與與性性能能珠光光體體型型(P)轉變變(A1～550℃℃):A1～650℃℃:P;5～25HRC;片間間距距為為0.6～0.7μm(500××)。650～600℃℃:細片片狀狀P---索氏氏體體(S);片間間距距為為0.2～0.4μm(1000××);25～36HRC。600～550℃℃:極細細片片狀狀P---屈氏氏體體(T);片間間距距為為＜＜0.2μm(電鏡鏡);35～40HRC。轉變變產產物物的的組組織織與與性性能能貝氏氏體體型型(B)轉變變(550～230℃℃):550～350℃℃:B上;40～45HRC;B上=過飽和碳

α-Fe條狀+Fe3C細條狀過飽和碳α-Fe條狀Fe3C細條狀羽毛狀轉變變產產物物的的組組織織與與性性能能貝氏氏體體型型(B)轉變變(550～230℃℃):350～230℃℃:B下;50～60HRC;B下=過飽和碳

α-Fe針葉狀+Fe3C細片狀過飽和碳

α-Fe針葉狀Fe3C細片狀針葉狀轉變變產產物物的的組組織織與與性性能能馬氏氏體體型型(M)轉變變(230～-50℃℃):1>定義義:馬氏氏體體是是一一種種碳碳在在α––Fe中的的過飽飽和和固固溶溶體體。。2>轉變變特特點點:在一一個個溫溫度度范范圍圍內內連連續續冷冷卻卻完完成成;轉變變速速度度極極快快,即瞬瞬間間形形核核與與長長大大;無擴擴散散轉轉變變(Fe、C原子子均均不不擴擴散散),M與原原A的成成分分相相同同,造成成晶晶格格畸畸變變。。轉變變不不完完全全性性,QM=f(T)3>馬氏氏體體的的晶晶體體結結構構:由于于碳碳的的過過飽飽和和作作用,使α––Fe晶格格由由體心心立立方方變變成成體體心心正正方方晶晶格格。。4>馬氏體的的組織形形態:板條狀---低碳馬氏氏體(＜0.2%C);30～50HRC;δ=9～17%。4>馬氏體的的組織形形態:針、片狀狀---高碳馬氏氏體(＞1%C);66HRC左右;δ≈1%。5>馬氏體的的性能:主要取決決于馬氏氏體中的的碳濃度度。馬氏體的碳濃度Wc100507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.91.0硬度(HRC)2000抗拉強度σb(Mpa)180014001000600200亞共析鋼鋼的TTT曲線

FAP+FS+FTBM+A殘A3時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf過共析鋼鋼的TTT曲線P+Fe3CⅡS+Fe3CⅡTBM+A殘

Fe3CⅡAACM時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf影響TTT曲線形狀狀位置的的因素1>奧氏體中中含碳量量的影響響:過共析鋼共析鋼亞共析鋼時間溫度A12>奧氏體中中含合金金元素的的影響:除Co、Al(＞2.5%)外,所有合金金元素溶入奧奧氏體中中,會引起:向右移向下移MsA1A1Ms含Cr合金鋼3>加熱溫度度和保溫溫時間的的影響:加熱溫度度越高,保溫時間間越長,碳化物溶溶解充分分,奧氏體成成分均勻勻,提高了過過冷奧氏氏體的穩穩定性,從而使TTT曲線向右右移。3)過冷奧氏氏體的連續冷卻卻轉變Vk共析碳鋼鋼CCT曲線建立立過程示示意圖時間(lgτ)溫度℃A1PfPsA+PKMsMf水冷油冷Vk1爐冷空冷共析碳鋼鋼TTT曲線與CCT曲線的比比較穩定的奧氏體區時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMfCCT曲線TTT曲線穩定的奧氏體區時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf在連續冷冷卻過程程中TTT曲線的應應用V1V2VkV3V4V1=5.5℃/s:爐冷;PV2=20℃/s:空冷;SV3=33℃/s:油冷;T+M+A殘V4≥138℃/s:水冷;M+A殘V44.鋼的整體體熱處理理毛坯生產預備熱處理機械加工最終熱處理機械精加工預備熱處處理:退火;正火最終熱處處理:淬火;回火一般零件件生產的的工藝路路線:（1）鋼的退退火1)定義:把零件加加溫到適適當溫度度,保溫一段段時間,然后緩慢冷卻卻（隨爐冷卻卻）。2)目的:消除應力力;降低硬度度，以改改變切削削性能;細化晶粒粒，均勻勻成分，，為最終終熱處理理作好組組織準備備。3)種類退火重結晶退火低溫退火完全退火擴散退火球化退火再結晶退火去應力退火普通退火等溫退火普通球化退火等溫球化退火不完全退火等溫退火4)工藝參數(P46-47):溫度(°C)名稱Ac3

+30～50完全退火AC1～AC3（Acm）不完全退火Ac3

或AC1以上等溫退火Ac1+30～50球化退火Ac3、ACCm+150～250擴散退火AC1以下再結晶退火去應力退火500～600(2)鋼的正火火1)定義:把零件加加溫到臨臨界溫度度(Ac3或Acm)以上30～50℃,保溫一段段時間,然后在空氣中中冷卻。把零件件加熱到到Ac3線以上100～1500C的正火稱稱為高溫溫正火。。2)目的:消除應力力;調整硬度度;細化晶粒粒，均勻勻成分，，為最終終熱處理理作好組織織準備。。常用于消除過析析鋼中網網狀滲碳碳體3)工藝參數數:溫度(°C)名稱Ac3

+30～50亞共析鋼Ac1

+30～50共析鋼Accm+30～50過共析鋼4)熱處理后后的組織織:S(Wc=0.6～1.4%)S+F(Wc＜0.6%)5)應用范圍圍:1.預備熱處處理:調整低、、中碳鋼鋼的硬度;消除過共共析鋼中中的Fe3CⅡ（網狀））。2.最終熱處處理:用于力學學性能要要求不高的普通通零件。。（3）鋼的淬淬火1)定義:把零件加加溫到臨臨界溫度度以上30～50℃,保溫一段段時間,然后快速冷卻卻(水冷)。2)目的:為了獲得得馬氏體體組織,提高鋼的硬度和和耐磨性性。3)工藝參數數:溫度(°C)名稱Ac3

+30～50亞共析鋼Ac1

+30～50共析鋼Ac1

+30～50過共析鋼3)工藝參數數:4)熱處理后后的組織織:

M+Fe3C+A殘

Ac1+30～50過共析鋼

M+A殘

Ac1+30～50

共析鋼M+A殘

Ac3+30～50亞共析鋼Wc＞0.5%

M

Ac3+30～50亞共析鋼Wc≤0.5%

最終組織淬火溫度(℃)

鋼種6)淬火冷卻卻介質1>理想淬火火冷卻介介質時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf2>常用的淬淬火冷卻卻介質

名稱

最大冷卻速度時平均冷卻速度/(℃?s-1)所在溫度/℃冷卻速度/(℃?s-1)650～550℃300～200℃20℃靜止水34077513545040℃靜止水28554511041060℃靜止水2202758018510%NaCl

溶液58020001900100010%NaOH溶液5602830275077520℃10號機油430230606580℃10號機油430230705520℃3號錠子油500120100507)常用的淬淬火方法法單液淬火雙液淬火分級淬火等溫淬火時間溫度MsA18)鋼的淬硬硬性(Hardeningofsteel)1>定義:是指鋼在在淬火后后所能達達到的最最高硬度。。2>影響鋼的的淬硬性性的因素素:主要取決決于馬氏體的的含碳量量。9)鋼的淬透透性(Hardenabilityofsteel)1>定義:是指鋼在在淬火時時所能得得到的淬硬層(馬氏體組組織占50%處)的深度。2>影響鋼的的淬透性性的因素素:主要是臨界淬火冷卻卻速度VK的大小,VK越大,鋼的淬透透性越小小。工件淬硬硬層與冷冷卻速度度的關系系3>淬硬性與與淬透性性之間的的關系:淬透性淬硬性鋼種小低碳素結構鋼(20)小高碳素工具鋼(T10A)大低低碳合金結構鋼(18Cr2Ni4WA)大高高碳高合金工具鋼(Cr12MoV)4>淬透性的的大小對對鋼的熱熱處理后后的力學學性能的的影響未淬透鋼淬透鋼(4)鋼的回火火1)定義:把淬火后后的零件件重新加加溫到Ac1線以下某某個溫度度,保溫一段段時間,然后冷卻卻（一般般空冷，，也水冷冷或油冷冷）到室室溫。2)目的:消除淬火火應力,降低脆性性;穩定工件件尺寸;調整淬火火零件的的力學性性能。耐磨件M回=α0.3%C+ε150～250低溫回火彈簧等T回=F針+Fe3C粒350～500中溫回火調質件S回=F多+Fe3C球500～650高溫回火高合金鋼P回=F多+Fe3C粒650～A1高溫軟化3)工藝參數數淬火+高溫回火火=調質處理理用途組織溫度(℃)名稱淬火+高溫回火火=調質處理理3.鋼的表面面淬火1)定義:是一種不不改變鋼鋼表層化化學成分,但改變表表層組織織的局部熱處理工藝藝。2)工藝特征征:通過快速速加熱使使鋼的表表層奧氏體體化,然后急冷冷,使表層形成馬氏氏體組織織,而心部仍仍保持不變。。3)表面淬火火用鋼:選用中碳或中中碳低合合金鋼。40、45、40Cr、40MnB等。4)表面淬火火加工的的方法:感應加熱熱(高、中、、工頻)、火焰加熱、電接觸觸加熱法法等。1>感應加熱熱表面淬淬火1)感應加熱熱的基本本原理:*感應電流流---渦流*集膚效應應*淬火層深度(δ)與電流頻率(f)的關系:δ=500/√f（mm）高頻感應加熱（100～1000kHz）：0.2-2mm中頻感應加熱（0.5～10kHz）:2-8mm工頻感應加熱（50Hz）:10-15mm感應加熱表面淬火示意圖集膚效應示意圖2)工藝要求求:*表面淬火火前,必須對零零件進行行正火或調質處理理,以保證零零件有良良好的基體。*表面面淬火后后,必須對零零件進行行低溫回火處理,以降低淬淬火應力力和脆性性。3)生產特點點:淬火件的的質量好好;工件變形小;不易氧化化及脫碳碳;淬火層容容易控制;生產率高高。設備備投資大大,不適于復雜形形狀零件件和小批批量生產產。2>火焰加熱熱表面淬淬火1)火焰加熱熱表面淬淬火的基基本方法法2)火焰加熱熱表面淬淬火的特特點:*設備簡單單,操作方便便,成本低。。*淬火質質量不穩穩定。*適于單單件、小小批量及及大型零零件的生生產。時效處理理目的：進進一步消消除內應應力，穩穩定工件件尺寸。。方法：高高溫時效效、低溫溫時效，，自然時時效4.化學熱處處理(ChemicalHeatTreatment)1)定義:將零件置置于一定定的化學學介質中,通過加熱熱、保溫溫,使介質中一種或或幾種元元素原子子滲入工件表層層,以改變鋼鋼表層的的化學成分和和組織的的熱處理理工藝。。2)化學熱處處理的基基本過程程:2>吸收:活性原子子被零件件表面吸吸收和溶溶解。3>擴散:活性原子子由零件件表面向向內部擴擴散,形成一定定的擴散散層。1>分解:

化學介質在高溫下釋放出待滲的活性原子。

2COCO2+〔C〕3)化學熱處處理進行行的條件件:1>滲入元素素的原子必須須是活性性原子,而且具有較大大的擴散散能力。2>零件本身身具有吸收收滲入原原子的能能力,即對滲入入原子有有一定的的溶解度或能與之化合,形成化合物。4)化學熱處處理的種種類:滲碳;滲氮;碳氮共滲;滲硼;滲鋁;滲硫;滲硅;滲鉻等。。1.鋼的滲碳碳(Carburizeofsteel)1)定義:向鋼的表表面滲入入碳原子子的過程程。2)目的:獲得具有有表硬耐耐磨里韌韌性能的的零件。。3)用鋼:低碳鋼和低碳合金金鋼。如20、20Cr4)方法:固體、氣體(常見)、液體滲滲碳。5)設備:井式滲碳碳爐、可可控氣氛氛爐、真真空爐。18CrMnMo、12Cr2Ni4A、20CrMnMo6)工藝:加熱溫度度為900～950℃℃;滲碳時間間一般為為3～9小時;7)滲碳后的的組織:1%CP+Fe3CⅡ0.2%C

F+P少表面中心零件PP+F8)滲碳后的的熱處理理工藝時間溫度930℃850℃方案1方案2滲碳淬火加熱9)熱處理后后的組織織低碳M回+FM回+Cm+A殘低碳合金鋼F+PM回+Fe3C+A殘低碳鋼心部組織表層組織鋼種2.鋼的滲氮(Nitridationofsteel)2)目的:獲得具有表表硬、耐疲疲勞和耐蝕蝕性以及熱熱硬性里韌韌性能的零零件。3)用鋼:中碳合金鋼鋼。4)方法:氣體滲氮、液體滲氮氮、離子滲滲氮。（常用）1)定義:向鋼的表面面滲入氮原原子的過程程。5)工藝:加熱溫度500～600℃;保溫時間0.3～0.5mm/20～50h。6)熱處理特點點:滲氮前需調調質處理;滲氮后不需需熱處理。。7)滲氮處理后后的組織表層:Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、MoN、TiN、VN。心部:S回。8)常用的鋼種種:35CrMo、18CrNiW、38CrMoAlA(氮化王牌鋼鋼)等。滲碳與滲氮氮的工藝特特點處理后是否需要熱處理處理時間(h)處理溫度(℃)名稱需要3～9900～950滲碳不需要20～50500～600滲氮3.鋼的碳氮共共滲---氰化處理(Carbonitridingofsteel)1)定義:向鋼的表面面同時滲入入碳和氮原原子的過程。。3)方法:固體碳氮共共滲氣體碳氮共共滲液體碳氮共共滲高溫中溫低溫2)目的:獲得具有表表硬里韌性性能的零件件。4)工藝:合金結構鋼HRC53～60中溫氣體碳氮共滲800～8601～8以滲碳為主0.5～0.8mm淬火+低溫回火合金工具鋼HRC54～63低溫氣體碳氮共滲500～6001～6以滲氮為主0.1～0.4mm不需要材料性能名稱溫度(℃)時間(h)作用滲層熱處理2.2.4.2鑄鐵熱處理理鑄鐵的力學學性能主要要受基本組織和石墨所控制，因因此強化鑄鑄鐵時，一一方面要改改變石墨的的數量大小小、形狀和和分布，盡盡量減少石石墨的有害害作用；另另一方面又又要通過合金化、熱處理或表面處理方法調整基基本組織，，提高基體體性能，以以改善鑄鐵鐵的強韌性性。1.灰鑄鐵的熱熱處理（簡單熱處處理）（1）消除內應力力退火（人工實效效）1）目的:消除鑄鐵件件鑄造后產產生的很大大的內應力力。2）工藝方法法：將鑄件件緩慢加熱熱到500～560℃適當保溫（（每10mm截面保溫2h）后，隨爐爐緩慢冷卻卻至150～200℃℃出爐空冷。。（2）消除鑄件白白口、降低低硬度的退退火或正火火1）退火工藝藝：800～950℃×1～4h，隨爐緩冷冷，使部分分滲碳體分分解，最終終得到鐵素素體＋珠光光體的基體體組織。2）正火工藝藝：800～950℃×1～4h空冷（3）表面淬火火1）目的:提高灰鑄鐵鐵件表速度度面強度、、耐磨性和和疲勞強度度。2）工藝方法法：感應加加熱、火焰焰加熱、電電接觸加熱熱等工藝。。2.可鍛鑄鐵熱熱處理（產生）1）目的:可鍛鑄鐵本本身就是白白口鑄鐵通通過石墨化化退火得到到的。2）工藝方法法：950～1000℃×30～40h，然后以200～300℃℃/h爐速冷卻到到770后，再以極極緩慢的冷冷卻2～3℃/h冷卻至720℃℃左右再空冷冷，得到珠光體可鍛鍛鑄鐵；也可從高溫溫加熱后緩緩冷至680，長時間（（15～30h）等溫保持持，使珠光光體中滲碳碳體分解為鐵素體＋石石墨出爐空空冷得鐵素體可鍛鍛鑄鐵。3.球墨鑄鐵（可以象鋼鋼一樣進行行各種熱處處理）（1）退火1）消除內壓壓力退火（（工藝與灰灰鑄鐵同））2）高溫退火火：消除白白口，得高高韌性的鐵鐵素體球鐵鐵3）低溫退火火：用于基基體組織中中無共晶滲滲碳體且珠珠光體含量量較高，要要求具有較較高塑性、、韌性的鑄鑄件。（2）正火火：目目的是是細化化組織織，提提高球球鐵的的強度度、硬硬度和和韌性性。（3）調質質處理理：提提高球球鐵的的強度度和韌韌性（（比正正火高高）。。（4）等溫溫淬火火：提提高球球鐵的的綜合合性能能。2.2.4.3有色金金屬熱熱處理理1.鋁合金金熱處處理（1）變形形鋁合合金熱熱處理理1）擴散散退火火：消消除合合金鑄鑄錠中中的晶晶內偏偏析。。2）再結結晶退退火：：消除除各種種加工工應力力、提提高塑塑性。。3）去應應力退退火：：在150～360℃內低于于再結結晶溫溫度下下退火火，消消除應應力保保持強強度。。4)回歸處處理：：僅用用于經經淬火火和自自然實實效處處理過過的零零件，，將零零件在在硝鹽鹽中迅迅速加加熱到到200～250℃×2～3min后在水水中冷冷卻。。目的的是恢恢復得得到過過飽和和固溶溶體淬淬火相相，便便于校校正、、加工工。5)淬火、、時效效：2AI2、2Al4、2B11合金：：500±5℃×20～90min，淬水水，室室溫自自然時時效96～144h。（2）鑄造造鋁合合金熱熱處理理1）退火火：290±10℃×3～5h，消除內應力力穩定定鑄件件尺寸寸。2）淬火火、、時時效效：：ZL104鋁合合金金缸缸體體：：535±5℃××4h固溶溶處處理理，，175±5℃××9h時效效。。2.銅合合金金熱熱處處理理只有有一一部部分分銅銅合合金金提提高高熱熱處處理理可可以以得得到到強強化化。。（1）去去應應力力退退火火（2）再再結結晶晶退退火火：：去去除除冷冷作作硬硬化化，，恢恢復復塑塑性性（3）均均勻勻化化退退火火：：去去除除鑄鑄件件內內應應力力（4）淬火火時時效效（5）淬淬火火回回火火2.2.4.4熱處處理理設設備備1.燃料料爐爐：：以重重油油、、煤煤氣氣、、煤煤（（或或焦焦炭炭））等等為為燃燃料料的的加加熱熱爐爐2.電阻阻爐爐：：以電電阻阻體體為為加加熱熱器器的的電電爐爐。。1）空氣氣爐爐：加加熱熱工工件