第一章 钢铁材料及热处理

材料是人类生产和生活的物质基础；石器时代现代社会的三大支柱：材料青铜器时代铁器时代能源信息我国是世界上最早使用金属材料的国家之一。材料的使用是人类文明的体现：第一章钢铁材料及热处理纯金属：合金：合金的优点：单一金属元素所组成的物质。例：FeAlCuAu…力学性能好；加工性能好；价格便宜。金属材料由两种或两种以上金属元素或金属与非金属元素相互熔合且具有金属性质的物质，如钢、青铜等。§1金属材料的性能一材料性能的内容使用性能：加工性能：物理性能、化学性能、力学性能。亦称工艺性能，即适应于各种加工工艺的能力。二金属材料的力学性能（一）力学性能：亦称机械性能，指材料抵抗外力作用的能力。（二）力学性能的内容：强度、塑性、硬度、韧性等1、强度1）概念：金属材料在静载荷的作用下，抵抗变形和断裂的能力。静载荷：对材料缓慢施加的外力。2）强度的种类：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗扭强度等。3）抗拉强度的测定：（静拉伸试验）步骤：将欲测材料制成如图所示拉伸试棒；载荷A0L0装机缓慢加载，直到拉断；试验机自动绘出拉伸曲线。分析曲线：弹性极限：0AFss0AFbb0AFee2.0材料保持完全弹性变形所能承受的最大应力；材料在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力；材料断裂前所能承受的最大应力，又称抗拉强度；(MPa)低碳钢拉伸曲线′强度极限：屈服极限：（屈服强度）2塑性及其衡量指标塑性：材料在外力作用下产生塑性变形而不发生断裂的能力。伸长率：%100/)(001LLL%100/)(00AAAkδ↑ψ↑则塑性越好试样拉断后其标距长度的相对伸长值。试样拉断后断口处横截面面积的相对收缩量。A0AkL0L1断面收缩率：3硬度a布氏硬度：HBb洛氏硬度：HRC1概念：金属表面抗硬物压入的能力。硬度的换算公式：10HRC≈HB用淬火钢球做压头，表示为HBS，其最大有效测量值是450HBS；用硬质合金球做为压头，表示为HBW，最大有效测量值为650HBW。（有效值范围是20HRC～67HRC）硬度值较稳定，数据重复性好；测量费时，压痕面积大，不适于成品检验。测量简单迅速，压痕小，可用于成品检验。数据重复性较差，应多点测量。2种类：硬度符号压头类型总压力/kgf应用HRA金刚石圆锥60硬质合金、表面淬火钢HRB淬火钢球100软钢、退火钢、铜合金HRC金刚石圆锥150淬火钢件适用：灰铸铁、非铁金属、较软钢材材料抵抗冲击载荷的能力。ak=Ak/A0(J/cm2)4冲击韧性Ak：冲击吸收功AK=G(H1－H2)×9.8JA0：试样横截面积§2纯金属的晶体结构和结晶晶体的原子在空间做有规则的排列；一晶体结构的基本知识（一）基本概念晶体：非晶体：1晶格：晶体中原子排列的格式。2晶胞：晶格中的一个基本单元。原子的排列是不规则的。1体心立方晶格：2面心立方晶格：3密排六方晶格：晶胞是一个立方体。属于这类晶格的金属有Cr、Mo、W、V等。纯铁在912℃以下也具有体心立方晶格结构。α-Fe晶胞是一个立方体。这类晶格的金属有Cu、AL、Ni、Au、Ag等。纯铁在912℃—1394℃为面心立方晶格结构。γ-Fe晶胞是一个正六棱柱。镁、锌等金属具有密排六方晶格结构。（二）晶格的类型二纯金属的结晶1结晶：原子由无序状态排列的液体转变为按一定几何形状排列的晶体，这个转变过程叫结晶。2结晶过程：a产生细小的晶体（晶核）—形核；b晶核长大，同时产生新的晶核；c形成晶粒。晶粒越细小机械性能就越好。晶粒：晶体中晶格位向基本一致的区域。晶界：晶粒之间原子排列不规则的区域。多晶体结构：由许多晶粒组成的结构。实际结晶温度Tn；其随金属的冷却速度V冷变化而变化平衡结晶温度（理论结晶温度）T0；纯金属的T0是一恒定值过冷度ΔT=T0-TnV冷↑Tn↓ΔT↑时间温度TnT0ΔT3结晶温度和冷却曲线(金属结晶时，温度随时间的变化关系曲线)5晶粒大小对机械性能的影响V冷↑→Tn↓ΔT↑→晶粒越细→力学性能越好。晶核数目晶核长大的速度ΔT↑→晶核数目↑→每一个晶核长大的余地越小→晶粒越细↑↑↑↑晶粒越细→晶界越多α-Fe15381394912液体（L）δ-Feγ-Fe℃时间1538℃以上为液体，L1538-1394℃具有体心立方晶格，δ-Fe1394-912℃具有面心立方晶格,γ-Fe912℃以下具有体心立方晶格，α-Fe同素异晶转变：晶格类型随温度改变而改变的现象。重结晶：固态下晶格类型的转变，亦存在生核和长大的过程。纯铁的力学性能：σb=250MPaδ=50%80HB，软而韧。三金属的同素异晶转变纯铁的分类：§3合金的结构与状态图一基本概念1组元：组成合金的最基本的、能独立存在的物质，简称元。2相：在合金中凡是化学成份相同、晶格结构相同，并有界面与其它部分分割开的一个均匀区域，称为相。二合金的结构（一）固溶体组成合金的各组元在凝固后仍能保持溶解状态而形成均匀的固相。1定义：固溶体是单相组织，其晶格与溶剂保持一致。（二）金属化合物（三）机械混合物2种类：溶剂原子溶质原子a置换固溶体：溶剂晶格上的原子被溶质原子所取代。无限固溶体：溶质可以以任何比例溶解到溶剂中去,如铜-镍合金系、金-银合金系则是无限固溶体。有限固溶体：溶质在溶剂中的溶解度有限。如铜-锌合金，锌在铜中的溶解度为46%。置换固溶体间隙固溶体溶剂原子溶质原子b间隙固溶体：溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中。这类固溶体属于有限固溶体，它的溶解度随温度的增加而增加。例：C溶入α－Fe中，形成的固溶体叫铁素体（F），最大溶解度0.02%。3固溶强化：晶格变形，导致金属塑性变形阻力增加，故材料强度增加，硬度增加；如上两种固溶体是钢中的重要组织C溶入γ－Fe中，形成的固溶体叫奥氏体（A），最大溶解度2.11%。溶剂原子溶质原子溶质浓度增加，晶格畸变↑，σbHB（二）金属化合物金属化合物是合金的各组元相互化合而形成的一种新的晶体，它是单相组织。大都晶格复杂，熔点高，硬而脆。例如：Fe3C则是一种金属化合物。它是钢中的一种重要组织，具有复杂的晶格结构，其硬度800HB，δ=0。（三）机械混合物硬而脆由两种以上的相按一定比例混合而成。例如：F和Fe3C以片层相间的形式混合,C=0.77%。FFe3C这是钢中的一种重要组织，叫做珠光体（P）。珠光体是两相组织。（渗碳体）三铜-镍合金相图(状态图)（一）相图结构分析点：A—铜的熔点;B—镍的熔点线：AaB线—液相线AbB线—固相线面:即相图中各个小区液相区：AaB以上区域，L固相区：AbB以下区域，α固溶体；两相区：AaBbA区，L+α。横坐标：合金成分α：固溶体；单相区·P状态图中的每一点：状态点纵坐标：温度L：液体在两相区确定各相成分：做横轴的平行线。该平行线与液相线的交点在横轴的投影：液相成分。该平行线与固相线的交点在横轴的投影：固相成分。温度变化时，各相的成分是变化的：液相成分沿液相线变，固相成分沿固相线变。x’xab（二）结晶过程分析做成分垂线K(40%Ni)不平衡结晶：冷却速度较快的结晶。晶内偏析：在一个晶粒内化学成分不均匀的现象。温度结晶情况组织α含Ni量Tt1T=t1T=t4结晶结束α40%NiTt4不变化α40%Nit1-t4继续结晶Lα消除方法：高温扩散退火。没有结晶L开始结晶L+α1′在结晶过程中（两相区）各相的成分不断变化。§4铁碳合金一铁碳合金的各组元和相的性能1纯铁（Fe）2渗碳体（Fe3C）1538℃以上为液体，L1538-1394℃具有体心立方晶格，δ-Fe1394-912℃具有面心立方晶格,γ-Fe912℃以下具有体心立方晶格，α-Fe纯铁的力学性能：σb=250MPaδ=50%80HB，软而韧。（一）组元2渗碳体：（Fe3C）铁和碳的一种较稳定的化合物，WC=6.69%。渗碳体具有较复杂的晶格渗碳体的力学性能：δ=0%800HB，硬而脆。（二）相和组织1液相（L）：2铁素体（F）：3奥氏体（A）：4渗碳体（Fe3C）:高温下，碳均匀地溶解在铁水中，用L表示。碳溶于α-Fe所形成的间隙固溶体，其结构为体心立方晶格。在727℃有最大的溶解度0.0218%，室温下的溶解度仅为0.0008%，是一种软而韧的相。碳溶于γ-Fe所形成的间隙固溶体，结构为面心立方晶格。在1148℃时有最大的溶解度2.11%，在727℃时其溶碳量下降到0.77%。也是一种软而韧的相。是一种硬而脆的相。5珠光体（P）：6莱氏体（Ld）：由F与Fe3C相间排列而形成的机械混合物，σb=800MPaδ=20~25%180HB，其综合力学性能好。高温下是A与Fe3C组成的机械混合物，727℃以下则是由P与Fe3C组成的机械混合物，wc=4.3%，性能硬而脆，700HBδ=0%。二铁碳合金相图KDAGPSECFFe3CFeQ00.772.114.36.69WC（%）℃温度（一）铁碳合金相图LAFPLdL+AL+Fe3CA+F铁碳合金分类：工业纯铁：WC≤0.0218%碳素钢：0.02%＜WC≤2.11%铸铁：WC＞2.11%0.772.114.36.690（二）铁碳相图结构分析Fe3CKDAGPSECFFeQ00.772.114.36.69WC（%）LAFPLdL+AL+Fe3CA+F特性线、点的含义ACD线：AECF线：液相线固相线C：L4.3A+Fe3C1148℃共晶反应，共晶体LdECF线：共晶转变线共晶点ES线：碳在A体中的溶解度曲线。AFe3CⅡ析出A+Fe3CⅡGS线：铁素体的开始析出线。AF开始析出A0.77F+Fe3C727℃共析反应：共析点：SPSK线：共析转变线，所在温度727℃。C=4.3%铁：共晶铁C＜4.3%铁：亚共晶铁；C＞4.3%铁：过共晶铁共析体：P（三）钢缓慢冷却时组织转变过程（缓慢加热时与之相反）1wc=0.77%钢的结晶（共析钢）123温度结晶情况组织T＞t1没有结晶L体T=t1开始结晶L+At1~t2继续结晶L＋AT=t2结晶结束At2~t3组织不变A727℃T=t3A0.77F+Fe3CPT＜t3组织基本不变P常温下组织全部是P体的钢叫共析钢。共析钢的WC=0.77%2wc=0.45%钢的结晶（亚共析钢）123温度结晶情况组织T＞t1没有结晶L体T=t1开始结晶L+At1~t2继续结晶LAT=t2结晶结束A体t2~t3组织不变A体727℃T=t4A0.77PP+FT＜t4组织基本不变P+F4T=t3AFA+F开始析出t3~t4AFAF继续析出亚共析钢常温下组织是P+F。P+F0.45碳↑→P↑F↓→强度和硬度↑、塑性和韧性↓3Wc＞0.77%钢的结晶过程（过共析钢）1234P+F过共析钢常温组织是P+Fe3CⅡ。温度结晶情况组织T＞t1没有结晶L体T=t1开始结晶L+At1~t2继续结晶LAT=t2结晶结束A体t2~t3组织不变A体727℃T=t4A0.77PP+Fe3CⅡT＜t4组织基本不变P+Fe3CⅡT=t3AFe3CⅡA+Fe3CⅡ开始析出t3~t4AFe3CⅡAFe3CⅡ继续析出P+Fe3C碳↑→P↓Fe3CⅡ↑→硬度↑、塑性和韧性↓、强度↓（四）白口铸铁（Wc＞2.11%的铁碳合金）的分类和组织KDAGPSECFFe3CFeQ00.772.114.36.69WC（%）℃温度LAFPLdL+AL+Fe3CA+FA+Fe3CⅡF+PP+Fe3CⅡ共晶白口铸铁：亚共晶白口铸铁：过共晶白口铸铁：白口铸铁的分类Wc=4.3%A+Fe3CⅡ+LdLd+Fe3CLdP+Fe3CⅡ+LdLd+Fe3C2.11＜%Wc＜4.3%4.3%＜Wc＜6.69%（六）铁碳合金相图的应用1确定材料的含碳量与力学性能之间的关系，正确选择材料。C↑→HB↑δ↓ψ↓ak↓亚共析钢中：C↑→σb↑过共析钢中:C↑→σb↓2确定热加工工艺HBSσbψδAkWc00.20.40.60.81.01.21.4§6碳素钢Wc≤2.11%的铁碳合金，并含有Si、Mn、S、P等杂质元素。一常存元素对钢性能的影响1锰（Mn）:消除硫对钢的有害作用。溶于F体，提高钢的强度和硬度；锰在