金属材料及热处理讲金属材料及热处理讲座座1.1.金属材料导论金属材料导论1.5 1.5 铁碳合金铁碳合金1.1 1.1 金属材料的主要性能金属材料的主要性能1.2 1.2 金属及合金的晶体结构金属及合金的晶体结构1.3 1.3 合金的结构合金的结构1.4 1.4 二元合金状态图二元合金状态图 第第1章章 金属材料导论金属材料导论材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱复合材料复合材料工程材料工程材料金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料 1.1.1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 在低碳钢拉伸曲线中，把在低碳钢拉伸曲线中，把F-l坐标换成坐标换成-（应力（应力应变）就可应变）就可以直接在图上读出力学性能指标，以直接在图上读出力学性能指标，并且不需要做成标准试样并且不需要做成标准试样强度强度 材料在外力作用，抵抗塑性变形和断裂的材料在外力作用，抵抗塑性变形和断裂的 能力工程上常用的金属材料的强度指标能力工程上常用的金属材料的强度指标 有有屈服强度屈服强度(s)和和抗拉强度抗拉强度(b)等；等；应力极限弹性阶段弹性阶段弹性极限弹性极限 p屈服阶段屈服阶段屈服点屈服点 s强化阶段强化阶段强度极限强度极限 b颈缩阶段颈缩阶段强度 塑性塑性 材料在外力作用下产生永久变形而不破材料在外力作用下产生永久变形而不破 坏的性能。
表示材料的塑性指标是：坏的性能表示材料的塑性指标是：伸伸 长率长率和和断面收缩率断面收缩率；对于塑性差的；对于塑性差的 材料，用材料，用0.2来代替来代替s；1）使材料具有良好的成形性；）使材料具有良好的成形性；2）受到外力变形时，有强化作用受到外力变形时，有强化作用3）伸长率伸长率 4）断面收缩率）断面收缩率硬度硬度 材料抵抗更硬的物体压入其内的能力最材料抵抗更硬的物体压入其内的能力最 常用的硬度指标有：常用的硬度指标有：布氏硬度（布氏硬度（HB)和和 洛氏硬度洛氏硬度 (HRA-C)布氏硬度和洛氏硬布氏硬度和洛氏硬 度试验原理和使用范围均不相同；度试验原理和使用范围均不相同；%1001lll%1001AAA 零件发生疲劳破坏是没有预兆而零件发生疲劳破坏是没有预兆而突然断裂突然断裂，此时，此时发生疲劳破坏的应力远远小于抗拉强度，甚至比屈服发生疲劳破坏的应力远远小于抗拉强度，甚至比屈服强度还小，非常危险强度还小，非常危险冲击韧度冲击韧度 金属材料抵抗冲击载荷的作用而不破坏的金属材料抵抗冲击载荷的作用而不破坏的 能力常用的指标有能力常用的指标有冲击韧度冲击韧度(Ak)疲劳强度疲劳强度 金属材料抵抗交变载荷的作用而不金属材料抵抗交变载荷的作用而不 破坏破坏 的能力。
常用的指标有的能力常用的指标有疲劳强度疲劳强度(-1)影响力学性能的主要因素影响力学性能的主要因素 1、含碳量 含碳量越高，强度和硬度越高，但塑性显著降低2、杂质元素：有益Si、Mn，有害S、P 3、合金元素 加入某些合金元素，可提高和改善其综合力学性能，并获得某些特殊的物理和化学性能4、温度 一般，低温条件下强度有所增加，塑性和冲击韧性下降，高温条件下相反5、热处理工艺合金元素作用 1、硅（硅（Si）：在碳钢中，硅的含量一般小于0.4硅能溶于铁素体，具有强化作用（可使钢致密，提高强度和硬度）同时也会 降低钢的韧度和塑性当含量较小时，其影响并不明显2、锰（、锰（Mn）在碳钢中，锰的含量一般为0.250.8锰大部 分溶于铁素体形成置换固溶体因此具有固溶强化作用；锰与硫结合可形成高熔点（1620）的MnS，从而消除 硫的有害作用（热脆性）锰还能提高钢的强度但当 锰的含量较小时，其作用并不明显3、硫（、硫（S)硫在钢中常以FeS的形式存在，而FeS与Fe形成熔点较低（985）的共晶体，当钢加热到10001200进行热加工时FeS共晶体已经熔化，这将造成钢材在热加工过程中开裂，使钢材变得极脆，这种现象称为热脆性。
硫对钢的焊接有不良影响，会导致焊缝的热裂现象；在焊接过程中，硫易于氧化而形成SO2气体，使焊缝中产生气孔因此，须严格控制硫的含量4、鳞（P)室温下，钢中的磷全部溶于铁素体中，能使钢的强度、硬度增加，但也使其室温特别是低温时塑性和韧度大大下降，这种现象称为冷脆性（易产生脆裂）因此，应严格控制磷的含量但磷的冷脆性也可利用，如在炮弹钢中加入较多的磷，可使炮弹爆炸时的碎片增多，提高杀伤力铬是一种常用的合金元素，含碳量低的钢加入铬能提高钢的强度和硬度它是不锈钢和耐热钢的主要成分，若和Mn、Mo、Si等元素配合，更能显示出它的特性含镍在6以下时能使钢具有高强度和高 韧度含镍811与铬配合可组成镍铬不锈钢含镍超 过20可成为耐热钢钨能提高钢的强度及耐磨性，使钢具有 良好的热硬性铝能细化钢的晶粒，并能提高钢的抗氧 化性和耐热性钛能细化晶粒，使组织致密，并能提高 钢的综合机械性能1.2 金属及合金的晶体结构金属及合金的晶体结构2.2.金属的结晶：原子由无序状态向金属的结晶：原子由无序状态向有序状态转变的过程有晶体形成有序状态转变的过程有晶体形成1.1.三种常见的金属的晶格三种常见的金属的晶格类型：类型：体心立方体心立方 面心立方面心立方 密排六方密排六方基本概念基本概念 凝固：凝固：一般非晶体由液态向固态转变的过程一般非晶体由液态向固态转变的过程。
结晶：结晶：由液态金属转变为固态晶体的过程由液态金属转变为固态晶体的过程晶体：晶体：原子排列时有序的，原子在三维空间做规则原子排列时有序的，原子在三维空间做规则 的、周期性的、重复排列有一定的熔点和的、周期性的、重复排列有一定的熔点和 凝固点，性能趋向各向异性凝固点，性能趋向各向异性非晶体非晶体:原子排列杂乱无章呈无序状态，没原子排列杂乱无章呈无序状态，没 有一有一 定的熔点和凝固点，性能趋向定的熔点和凝固点，性能趋向 各向同性各向同性晶体中的原子排列晶体中的原子排列 金金 属属 的的 结结 晶晶纯金属的冷却曲线（理想状态）纯金属的冷却曲线（理想状态）CT L ab S0a：结晶开始点结晶开始点 b：结晶终了点：结晶终了点金金 属属 的的 结结 晶晶纯金属的冷却曲线（实际）纯金属的冷却曲线（实际）C LT0T1S0T0T0：理论结晶温度：理论结晶温度T1T1：实际结晶温度：实际结晶温度 T=T0-T1T=T0-T1（过冷度）（过冷度）金金 属属 的的 结结 晶晶合金的冷却曲线合金的冷却曲线Ca bLsL+s0a a：结晶开始点：结晶开始点 b b：结晶终了点结晶终了点 合金的结晶是在一个合金的结晶是在一个温度范围内完成。
温度范围内完成金金 属属 的的 结结 晶晶结晶的必要条件结晶的必要条件-过冷度过冷度金属的结晶过程：金属的结晶过程：原子团原子团 形核形核 晶核长大晶核长大 小晶粒小晶粒 晶粒（外形不规则的晶粒（外形不规则的小晶体）小晶体）形核：形核：自身晶核、外来晶核自身晶核、外来晶核晶核长大方式：晶核长大方式：树枝状方树枝状方 式式晶界晶界晶粒间的分界面；晶粒间的分界面；单晶体单晶体结晶方位完全一致的的晶体结晶方位完全一致的的晶体多晶体多晶体由多晶粒组成的晶体结构由多晶粒组成的晶体结构细化晶粒的方法细化晶粒的方法增加冷却速度，增大过冷度；增加冷却速度，增大过冷度；增加外来晶核增加外来晶核;采用机械、超声波振动、电磁搅拌等；采用机械、超声波振动、电磁搅拌等；晶粒粗细对材料力学性能的影响晶粒粗细对材料力学性能的影响 晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也越好晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也越好金属的同素异构转变金属的同素异构转变1538c1394c912c室温室温-Fe-Fe-Fe体心立方体心立方面心立方面心立方体心立方体心立方金属的同素异构转变的慨念金属的同素异构转变的慨念 金属在固态下，随着温度的改变其金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。
晶体结构发生变化的现象金属的同素异构转变的意义金属的同素异构转变的意义 可以用热处理的方法即可通过加可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性从而达到改善材料性 能的目的能的目的1.3 合合 金金 的的 结结 构构概念概念合金、组元、相；合金、组元、相；固溶体：置换固溶体、间隙固溶体；固溶体：置换固溶体、间隙固溶体；金属化合物；金属化合物；固溶强化的概念固溶强化的概念1.3.1 合金的结构合金的结构概念概念合金：合金：由由两种或两种以上两种或两种以上的元素通过的元素通过熔炼熔炼后后 所获得的新的物质仍然具有所获得的新的物质仍然具有金属特性金属特性组元：组元：组成合金的基本元素组成合金的基本元素相：相：凡是成分相同、结构相同并与其他部凡是成分相同、结构相同并与其他部 分有界面分开的均匀组成部分分有界面分开的均匀组成部分例如：单一的液例如：单一的液 单一的固相；单一的固相；液相、固相两相共存；液相、固相两相共存；1.3.2 合金的结构合金的结构固溶体固溶体 固溶体：固溶体：由两种组元相互溶解后所组成的新的物由两种组元相互溶解后所组成的新的物质仍然保持其中某一组元的晶体结构。
质仍然保持其中某一组元的晶体结构置换固溶体：置换固溶体：A组元的原子取代了组元的原子取代了B组元的原子组元的原子当当A、B两个组元的原子直径相差不大时，两个两个组元的原子直径相差不大时，两个组元可以以任何比例溶解，形成无限固溶体，反之则组元可以以任何比例溶解，形成无限固溶体，反之则为有限固溶体为有限固溶体间隙固溶体：间隙固溶体：A组元溶入组元溶入B组元的的间隙中只能组元的的间隙中只能形成有限固溶体形成有限固溶体例如：例如：C溶入溶入-Fe或或-Fe 所形成的铁素体、奥氏体所形成的铁素体、奥氏体置换固溶体和间隙固溶体的区别置换固溶体和间隙固溶体的区别1.3.4 合金的结构合金的结构固溶强化固溶强化 A、B两组元相互溶解后所形成的新的物质两组元相互溶解后所形成的新的物质既不是既不是A组元的结构，也不是组元的结构，也不是B组元的结构，而组元的结构，而是自身的一种独立的结构是自身的一种独立的结构例如：例如：Fe和和C所形成的化合物所形成的化合物Fe3C，就是一，就是一种典型的金属化合物种典型的金属化合物1.3.3 合金的结构合金的结构金属化合物金属化合物 随着溶质原子的增加，所形成的固溶随着溶质原子的增加，所形成的固溶体体的的强度、硬度升高的现象。
强度、硬度升高的现象例如：纯铁与钢的用途例如：纯铁与钢的用途1.4 二元合金状态图二元合金状态图 把各合金的结晶开始温度点连接起来，即为液相线；把结晶终了把各合金的结晶开始温度点连接起来，即为液相线；把结晶终了温度点连接起来，即为固相线这样就构成了温度点连接起来，即为固相线这样就构成了Pb-Sb二元合金相图二元合金相图1.5 铁碳合金铁碳合金 铁碳合金由于其资源广泛、冶炼方便、价铁碳合金由于其资源广泛、冶炼方便、价格低廉、性格低廉、性 能优越，在工业生产中广泛使用能优越，在工业生产中广泛使用1.5.1 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织铁素体：铁素体：碳溶解在碳溶解在Fe中的间隙固溶中的间隙固溶(F）塑性 （=45-50%）、韧性好，强度、硬度低韧性好，强度、硬度低奥氏体：奥氏体：碳溶解在碳溶解在 Fe中的间隙固溶体（中的间隙固溶体（A）塑 性好渗碳体：渗碳体：铁与碳形成的金属化合物（铁与碳形成的金属化合物（Fe3C）硬度很）硬度很 高（高（HBW=800），塑性、韧性几乎为零塑性、韧性几乎为零珠光体：珠光体：是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体 与渗碳体的共析体（与渗碳体的共析体（P）。
莱氏体：莱氏体：是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏 体与渗碳体的共晶体（体与渗碳体的共晶体（Ld）硬度高，塑性）硬度高，塑性 差两种反应：两种反应：1148 1、共晶反应、共晶反应 一定成分的一定成分的液相液相在一定的温度下同时在一定的温度下同时结晶结晶出两种成出两种成分和结构均分和结构均不相同不相同的固相的反应的固相的反应L 4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c 共晶反应的产物即莱氏体共晶反应的产物即莱氏体 Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c)2、共析反应、共析反应 一定成分的一定成分的固相固相在一定的温度下同时在一定的温度下同时析出析出两种成分和两种成分和结构均结构均不相同不相同的的 新的新的固相固相的反应A2.11%c 727 F0.02%c+Fe3C6.69%c共析反应的产物即珠光体共析反应的产物即珠光体 PF0.02%c+Fe3C6.69%c 1.5.2 铁碳合金状态图分析铁碳合金状态图分析渗碳体的熔点渗碳体的熔点共晶点共晶点共析线共析线共析点共析点纯铁的熔点纯铁的熔点共晶线共晶线ACD线线液相线液相线AECF线线固相线固相线碳在奥氏体中的最大溶解度碳在奥氏体中的最大溶解度A3线线Acm 铁碳合金相图中主要特性点的含义铁碳合金相图中主要特性点的含义 特性点的特性点的符号符号温度温度t/含碳量含碳量wc%含义含义A AC CD DE EG GP PS SQ Q 15381538 1148 1148 1227 1227 1148 1148 912 912 727 727 727 727 室温室温0 04.34.36.696.692.112.110 00.020.020.770.770.00080.0008纯铁的熔点纯铁的熔点共晶点共晶点 渗碳体的熔点渗碳体的熔点碳在奥氏体中的最大溶解度碳在奥氏体中的最大溶解度-Te -Te -Te-Te同素异晶转变点同素异晶转变点碳在铁素体中的最大溶解度碳在铁素体中的最大溶解度共析点共析点碳在铁素体中的溶解度碳在铁素体中的溶解度 相图中主要线的含义相图中主要线的含义 ACD线线液相线液相线 是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。
是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线AECF线线固相线固相线 各种成分的合金均处在固体状态结晶温度终止各种成分的合金均处在固体状态结晶温度终止线ECF水平线水平线共晶线共晶线 含碳量为含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线时，在的液态合金冷却到此线时，在1148 由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共晶反应应称为共晶反应PSK水平线水平线共析线共析线（A1线）线）含碳量为含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此的奥氏体冷却到此线时，时，在727 同时同时析出析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应为共析反应GS线线（A3线）线）是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线ES线线称称Acm线线 是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线典型合金结晶过程分析典型合金结晶过程分析铁碳铁碳合金合金含碳量为含碳量为2.11%6.69%2.11%6.69%的铁碳合金。
的铁碳合金共晶生铁：共晶生铁：含碳量为含碳量为4.3%;4.3%;亚共晶生铁：亚共晶生铁：含碳量在含碳量在2.11%4.3%2.11%4.3%之间；之间；过共晶生铁：过共晶生铁：含碳量在含碳量在4.3%6.69%4.3%6.69%之间；之间；含碳量小于含碳量小于0.02%0.02%的铁碳合金的铁碳合金工业纯铁工业纯铁钢钢生铁生铁 含碳量为含碳量为0.02%2.11%的铁碳合金根的铁碳合金根据金相据金相 组织的不同，可分为三种组织的不同，可分为三种共析钢：共析钢：含碳量为含碳量为0.77%;亚共析钢：亚共析钢：含碳量在含碳量在0.02%0.77%之间；之间；过共析钢：过共析钢：含碳量在含碳量在0.77%2.11%之间；之间；1.5.3 铁碳合金状态图分析铁碳合金状态图分析 LL+AAA+Fe3CF+AA+Fe3C+LdP+Fe3C+LdP+Fe3CPP+FLdLdL+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3CL Ld dP+FeP+Fe3 3C C+Fe3C转变 AA奥氏体奥氏体PP珠光体珠光体FF铁素体铁素体共析钢和亚共析钢的结晶过程分析共析钢和亚共析钢的结晶过程分析过共析钢结晶过程分析过共析钢结晶过程分析共晶生铁结晶过程分析共晶生铁结晶过程分析Ld变态莱氏体变态莱氏体马氏体组织转变观察.rm亚共晶、过共晶生铁结晶过程分析亚共晶、过共晶生铁结晶过程分析钢钢碳素钢碳素钢碳素结构钢（碳素结构钢（0.38%C)优质碳素结构钢优质碳素结构钢(0.2-0.7%C用途广用途广)碳素工具钢碳素工具钢(T8等等)合金钢合金钢合金结构钢合金结构钢合金工具钢合金工具钢特殊性能钢特殊性能钢不锈钢不锈钢耐热钢耐热钢 耐磨钢耐磨钢其它其它量具钢量具钢模具钢模具钢刃具钢刃具钢轴承钢轴承钢弹簧钢弹簧钢调质钢调质钢渗碳钢渗碳钢低合金结构钢低合金结构钢（1.5%C)1.5%C)16Mn、20Cr9Cr2、CrWMn2Cr13、1Cr18Ni91.6 工业用钢分类及选材工业用钢分类及选材合金钢的分类合金钢的分类 按用途分为：按用途分为：A、合金结构钢：用来制造各种机器零件及工程结构。
B、合金工具钢：用来制造各种重要的工具、量具、刃具等C、特殊性能钢：用来制造有特殊性能要求的结构件和机器 零件等 按合金元素的含量分为：按合金元素的含量分为：低合金钢合金元素总含量小于5B、中合金钢合金元素总含量小于510C、高合金钢合金元素总含量大于10低合金高强度钢（GB/T1591-2004)低合金结构钢含碳量在0.10.25之间，所加入 的合金元素含量不大于3成分特点：为低碳、低合金，所加入的合金元素主要 有锰、钒、钛等强度：比普通碳素钢高3050，故又称之为的合 金高强度钢性能：具有良好的塑性、韧度、焊接性及较好的耐磨 性和耐蚀性用途：主要用于制造工程结构如汽车大梁、前保险杠 等热处理热处理普通热处理普通热处理表面热处理表面热处理 退火退火正火正火淬火淬火回火回火表面淬火表面淬火化学热处理化学热处理渗碳渗碳渗渗碳碳.rm渗氮渗氮碳氮共渗碳氮共渗加热加热保温保温冷却冷却临界温度临界温度热处理工艺曲线热处理工艺曲线T其它热处理其它热处理形变形变真空真空激光激光1.7 钢的热处理钢的热处理1.7.1 退火和正火退火和正火退火：退火：将钢加热、保温，然后随炉冷将钢加热、保温，然后随炉冷却或埋入灰中缓慢冷却。
却或埋入灰中缓慢冷却目的：目的：降低硬度，便于机加工降低硬度，便于机加工细化晶粒，提高塑性和韧性细化晶粒，提高塑性和韧性消除应力消除应力应用：应用：铸件、锻件、焊接及其它铸件、锻件、焊接及其它毛坯的热处理毛坯的热处理1、完全退火：、完全退火：将亚共析钢加热到将亚共析钢加热到Ac3线以上线以上3050，保温后缓慢冷却，保温后缓慢冷却.2、球化退火、球化退火:将过共析钢加热到将过共析钢加热到Ac1线以上线以上2030，保温后缓慢冷却，保温后缓慢冷却.3、低温退火、低温退火:将钢加热到将钢加热到Ac1线以下，保温后缓慢冷却线以下，保温后缓慢冷却.再结晶退火：再结晶退火：消除冲压件冷变形所产生的加工硬化（再结晶温度以上消除冲压件冷变形所产生的加工硬化（再结晶温度以上150250），降低硬度，恢复塑性降低硬度，恢复塑性应用：应用：（1）取代部分完全退火；）取代部分完全退火；（2）用于普通结构件的最终热处理；）用于普通结构件的最终热处理；（3）用于过）用于过共析钢，减少或消除网状二次渗碳体，为球化共析钢，减少或消除网状二次渗碳体，为球化处理作准备处理作准备正火正火 将钢加热到将钢加热到Ac3 线以上线以上3050 （亚共析钢）或（亚共析钢）或Accm以上以上3050 （过共析钢），保温后在空气中冷却。
得到的是细珠光（过共析钢），保温后在空气中冷却得到的是细珠光体组织（索氏体）体组织（索氏体）1.7.2 淬火和回火淬火和回火 将钢加热到将钢加热到Ac3或或Ac1 线以上线以上3050，保温后，保温后在淬火介质中快速冷却（在淬火介质中快速冷却（Fe向向aFe同素异晶转变同素异晶转变），以获得马），以获得马氏体（氏体（M)组织（碳在组织（碳在a Fe中的严重过中的严重过饱和固溶体）饱和固溶体）马马氏体形成过程中将伴随着体积膨胀，造成淬火氏体形成过程中将伴随着体积膨胀，造成淬火内应力，应采取以下措施：内应力，应采取以下措施：（1）严格控制淬火加热温度）严格控制淬火加热温度 温度低，硬度低；温度高，晶粒粗大，应力大，易温度低，硬度低；温度高，晶粒粗大，应力大，易 产生裂纹产生裂纹2）合理选择淬火介质）合理选择淬火介质 淬透性好，选油淬淬透性好，选油淬3）正确选择淬火方法）正确选择淬火方法 采用水油双介质淬火法采用水油双介质淬火法回火回火 将钢重新加热到将钢重新加热到Ac1 线以上某温度，保线以上某温度，保温后冷却的热处理工艺温后冷却的热处理工艺目的：主要是消除淬火内应力，降低钢的脆性，防目的：主要是消除淬火内应力，降低钢的脆性，防止产生裂纹。
止产生裂纹回火三种形式：回火三种形式：（1）低温回火（）低温回火（150250），目的是），目的是降低淬火降低淬火钢的内应力和脆性，并保持高硬度（钢的内应力和脆性，并保持高硬度（5664HRC)和耐和耐磨性如模具、刃具等如模具、刃具等2）中温回火（）中温回火（350500），目的是使钢获得），目的是使钢获得高弹性，高弹性，并保持较高硬度（并保持较高硬度（3550HRC)和一定的韧性和一定的韧性如弹簧、锻模等如弹簧、锻模等3）高温回火）高温回火调质处理（调质处理（500650），硬度），硬度2035HRC，强度及韧性等综合性能较好如连杆、，强度及韧性等综合性能较好如连杆、曲轴、齿轮等曲轴、齿轮等。