金属材料及热处理
金属材料及热处理(最新版)
8、屈氏体：同上是珠光体的一种，更细片状铁素体+更细片状渗碳体叫之为屈氏体， 形成温度 600－550oC。HB330－400（HRC32－38）。
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生产中防止回火脆性的方法主要有： z 回火后进行快速冷却（油或水冷）为消除重新产生的热应力，则在回火后可再进行
Ms， γ Fe转变为α Fe，碳原子全部被保留在α Fe中，形成一种过饱和的固溶体组织，这就
是马氏体。这种转变也称非扩散形转变。马氏体金相显微组织呈针状，黑色针状物为马氏 体，白色基体称为残余奥氏体。性能十分脆硬。HB可达 600－700（HRC60－65）。淬火即可 获得这种组织。硬度取决于C含量，低C钢淬不硬，含C量高于 0.8％，硬度几乎不再增加了。 马氏体的转变随C含量增高而降低含碳量 0.5％时Mz约 0oC，Ms290oC随着含C增Ms下降，C量 小于 0.8％时Mz也随C ↑ 而下降，0.9 以上时Mz在-100oC附近下降不大。奥氏体向马氏体的转 变有一个很大的特点：奥氏体不能百分之百转化为马氏体总有较少的奥氏保留下来，称保 留下来的为残氏奥氏体。因奥氏体为γ Fe面心产方晶格，比容（单位重量的体积）较小，约 只有 0.122—0.125，而马氏体为α Fe过饱和固溶体，比容较大，约有 0.127－0.130，可见， 在转变过程中，在马氏体形成的同时还伴随着体积的膨胀，从而会对尚未转变的奥氏体造 成一内压力，合使其不易发生向马氏体的转变而被保留下来。Ms Mz点越低剩余奥氏体量也 就越多。
金属材料与热处理
一、金属材料及热处理
第5章金属材料及热处理概论
第5章金属材料及热处理概论 （3）热膨胀性。金属在温度升高时体积膨胀的现象称 为热膨胀性，用线膨胀系数α表示，其单位是1／℃或1／K， 即温度每升高1℃，其单位长度的膨胀量。α值越大，金属的 尺寸或体积随温度变化而变化的程度就越大。
第5章金属材料及热处理概论
2.金属材料的化学性能
金属材料的化学性能是指金属材料在室温或高温条件下
全性，因此必须同时考虑金属材料的冲击韧度。 目前，工程上一般用金属夏比冲击试验来测定金属材料 的冲击韧度值αk。 金属夏比冲击试验是先将被测的金属材料制成一定形状
和尺寸的试样(图5－1(a)为u形缺口冲击试样)，将其安放在冲
击试验机上，把具有一定重量G的摆锤提到h1高度后，使摆锤 自由下落(见图5－1(b))。
第5章金属材料及热处理概论 3）塑性 塑性是指金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致
破裂的能力。
许多零件或毛坯是通过塑性变形而成形的，要求材料有
较高的塑性，并且为防止零件工作时脆断，也要求材料有一
定的塑性。塑性也是金属材料的主要力学性能指标之一，常 用的塑性指标有断后伸长率δ 和断面收缩率ψ 。关于塑性
第5章金属材料及热处理概论 （2）收缩性。收缩性是指铸件在冷却凝固时，体积和线 性尺寸收缩的程度。收缩不利于金属铸造，它将使铸件产生
缩孔、缩松、变形等缺陷。
金属材料及热处理知识(整理版)
硬度金属抵抗更硬物体压入表面的能力，称为硬度。
硬度是反映金属材料局部塑性变形的抵抗能力。
根据试验方法和测量范围的不同，硬度可分为布氏、洛氏、维氏等几种。
1、布氏硬度（HB）布氏硬度是用淬火硬化后的钢球（直径有：2.5、5、10毫米三种）作为压印器，以一定的压力P压入被测金属材料表面，这时在被测金属材料表面留下压坑。
根据压坑面积的大小，可用下式计算出布氏硬度值，用符号HB表示为HB=P/F（公斤/毫米2）式中P——钢球所加的负荷（公斤）；F——压坑面积（毫米2）。
布氏硬度是用单位压坑面积所受负荷的大小来表示的。
一般硬度值都不需要经过计算，在生产中用放大镜测出压坑直径，再根据压印器钢球直径D和压力负荷P直接查表，便可得出HB的值。
布氏硬度在标注时不写单位，如HB=212。
测量不同金属材料时所用的压印器和负荷等标准，也可以查表。
用布氏硬度法测得的硬度值准确，因为压坑大，不会由于表面不平或组织不均匀而引起误差。
但压坑太大有损表面，所以布氏硬度一般不宜作成品检验，只适合测量硬度不高的原材料，如毛坯、铸件、锻件、有色金属及合金等。
2、洛氏硬度（HR）洛氏硬度法是用金刚石做的呈120°的圆锥体，或直径为1.58毫米的淬火钢球，作为压印器，在一定的负荷下压入金属表面，根据压坑的深浅来测量金属材料的硬度，（根据压坑深度）可把硬度数值从表盘上直接读出来。
根据测量硬度范围不同，洛氏硬度可分为HRA、HRB、HRC三种。
它们的适用范围与压印器、负荷的选定可根据下表查出，洛氏硬度的选用标准洛氏硬度没有单位，测量方法简单，压坑小，不影响零件表面质量，测量硬度范围广，但不如布氏硬度精确度高。
HRA适宜测量高硬度材料；HRB适宜测量有色金属及硬度低的材料；HRC适宜测量淬火、回火后的金属材料。
3、维氏硬度（HV）维氏硬度试验的原理与布氏硬度法相似，只不过它的压印器是136°的四棱锥金刚石，以一定的负荷压入平整的试样表面，然后测出四棱锥压坑的对角线长度d，算出压坑面积F，用单位面积所受负荷的大小来表示维氏硬度值，即HV= P/F（公斤/厘米2）维氏硬度测量精确、硬度测量范围大，尤其能很好地测量薄试样的硬度。
金属材料与热处理(最全)
典型铁碳合金的平衡结晶过程 及组织
A F+A F
L L+A
A+Fe3C
F+Fe3C
L+Fe3C
1.纯铁(﹤0.0218%C） 2.钢（0.0218%～2.11%C）
亚共析钢（ 0.0218%～0.77%C） 共析钢（0.77%C） 过共析钢（0.77%C ～2.11%C ）
3.5 铁碳相图在工业中的应用
1、在选材方面的应用 ： 根据零件的不同性能要求 来合理地选择材料。 2、在铸造生产上的应用： 参照铁碳相图可以确定钢 铁的浇注温度，通常浇注 温度在液相线以上 50－ 60℃。纯铁和共晶白口铸 铁的铸造性能最好。 3、在锻压生产上的应用： 锻扎温度控制在单相奥氏 体区。 4、在热处理生产上的应用 ：热处理工艺的加热温度 依据铁碳相图确定。
金属材料与热处理(最全)
工程材料的分类
工程材料
黑色金属材料：钢和铸铁
金属材料
有色金属材料
铝及铝合金 铜及铜合金 滑动轴承合金
高分子材料
非金属材料 陶瓷材料 复合材料
当今社会科学技术突飞猛进，新材料层出不穷，但到目前为止，在 机械工业中使用最多的材料仍然是金属材料，其主要原因是因为 它具优良的使用性能和加工工艺性能。
F（％）＝(6.69-0.77)÷6.69 ×100％＝88％
Fe3C（％）＝1－88％＝12％
主要转变线
GS线－不同含碳量的合金，有奥氏体开始析出铁素 体（冷去时）或铁素体全部溶于奥氏体（加热时 ）的转变线，常用A3表示
ES线－碳在奥氏体中的固溶体。常用A cm表示，含 碳量大于0.77％的铁碳合金，自1148°冷至727° 从奥氏体析出渗碳体，称二次渗碳体
金属材料与热处理
金属材料与热处理
金属材料是指由金属元素组成的材料，在工业和日常生活中广泛应用。
金属材料具有良好的导电、导热、强度、延展性和可塑性等特点, 并且可以通过热处理来改变其性质和组织结构。
热处理是指对金属材料进行加热和冷却过程，以改变其组织结构和性能。
热处理可以分为退火、淬火、回火和固溶处理等几种主要方法。
退火是将金属材料加热到一定温度，然后逐渐冷却的过程。
通过退火，可以使金属材料的晶粒长大，同时消除应力和改善塑性。
退火常用于消除冷加工应变、改善材料的韧性和减少材料的硬度。
淬火是将金属材料加热到临界温度，然后迅速冷却的过程。
通过淬火，可以使金属材料形成马氏体等硬质组织，提高金属的硬度和强度。
淬火常用于制造刀具、齿轮等需要高强度和硬
度的零件。
回火是将经过淬火处理的金属材料加热到一定温度，然后冷却的过程。
通过回火，可以减轻材料的脆性和强度，提高材料的韧性和韧化。
回火常用于改善淬火后的组织和性能，使金属
材料同时具有一定的强度和韧性。
固溶处理是将金属材料加热到一定温度，然后迅速冷却的过程。
通过固溶处理，可以将金属中的固溶体变为溶解形态，提高材料的塑性和韧性。
固溶处理常用于改善合金材料的性能和提高
其耐腐蚀性。
总之，热处理是一种重要的金属材料处理方法，可以通过改变金属材料的组织结构和性质，使其具有所需的特定性能。
不同的热处理方法适用于不同的金属和应用领域，但共同的目标是提高金属材料的性能和使用寿命。
金属材料及热处理
• 钢和铁的区别在于含碳量的多少： • 含碳量﹤0.02%为工业纯铁； • 含碳量在 0.02～2.06%为钢（共析 钢0.77%）； • 含碳量＞2.06%为生铁（铸铁） • 钢加热到高于723 ℃时出现A组织，则塑 性好的抗变形能力强。
1-3 钢的热处理
• • • • • • 一、概述 1．热处理的基本概念： 1）改善钢的性质，通常可以通过两种途径来实现： ①调整钢的化学成分； ②对钢进行热处理。 2）钢的热处理是指对钢在固态下加热，保温和冷 却，以改变其内部组织结构，从而改变钢的性能 的一种工艺法； • 3）目的在于充分发挥材料潜力、节约钢材、提高 产品质量、延长使用寿命；
临界
• 图中：V1— 相当于缓冷（退火）与“C”相交位置可以判断转变为P； • V2— 相当于空冷（正火）可判断转变为 氏体（细P） • V3— 相当于油冷（油淬）与“C”开始相交故一部分转变为T；另 一部分来不及转变，为过冷A最后转为Ms； • V4— 相当于水冷（水淬）不与“C”线相交，冷却时A来不及发生 分解，象马氏体转变。
例: 共析钢在冷却时的转变
• A等温转变曲线
过冷奥氏体 珠光体开始形成 珠光体形成中间 珠光体形成结束
珠光体形 马氏体形 贝氏体形
珠光体10～20 转 变
2 1 1
索氏体25～30
转 变 终 始
3
屈氏体30～40
开
温度/
上贝氏体40～45 了
≈240℃Ms
下贝氏体 50～60
时间/ 图1-21 共析碳钢的奥氏体等温转变曲线
三、钢的热处理工艺 • 1．退火— 将钢件加热到AC1或AC3以上 某一温度，保温一定时间后随炉冷却，从 而得到近似平衡组织的热处理方法。 • 目的：降低硬度，细化晶粒，提高强度， 塑性和韧性，消除内应力等 • ① 完全退火（重结晶退火）：将钢加热到 AC3以上20～40 ℃使钢组织完全重结晶， 可细化晶粒、均匀组织、降低强度。
常用金属材料及热处理
常用金属材料及热处理金属材料是一类常用的工程材料，具有良好的导电性、导热性、机械性能和可塑性。
常见的金属材料包括铁、铝、铜、钢、锌等。
铁是一种常用的金属材料，常见的有铸铁和钢。
铸铁具有较高的硬度和脆性，适合用于制造机械零件和汽车零件。
而钢具有较好的韧性和可塑性，广泛应用于建筑、制造业等领域。
铝是一种轻质金属，具有良好的导电性和导热性，常用于航空航天、汽车制造和电子设备等行业。
铝也可以通过热处理来提高其强度和硬度。
铜具有良好的导电性和导热性，广泛用于电子电气、建筑和水管等领域。
铜也可以通过热处理来强化其力学性能。
钢是一种含有铁和碳的合金，具有高强度和韧性。
钢的热处理方法包括退火、淬火和回火，可以使钢具有不同的硬度和韧性，适用于不同的应用领域。
锌是一种蓝白色的金属，具有较好的防腐性和延展性。
常用于镀锌钢管、锌板等工业制品中。
锌也可以进行热处理来提高其力学性能和耐蚀性。
热处理是金属材料加工中的一项重要工艺，通过控制材料的加热和冷却过程，可以改变其组织结构和性能。
常见的热处理方法包括退火、淬火、回火、正火等。
这些热处理方法可以改变金属的硬度、韧性、强度、耐腐蚀性等性能，使金属材料更加符合特定的工程需求。
不同金属材料适用的热处理方法有所不同，需要根据具体材料的组织结构和性能来选择合适的热处理工艺。
总而言之，常见的金属材料如铁、铝、铜、钢、锌等具有广泛的应用领域，热处理可以改变金属材料的性能，使其更符合工程需求。
金属材料在工程领域中广泛应用，其性能常常可以通过热处理来改善。
热处理是一种通过控制材料的加热和冷却过程，使其发生组织和性能上的变化的工艺。
热处理通常分为退火、淬火、回火、正火等几种方式，每种方式都有不同的应用场景和效果。
退火是最基础的热处理方式之一，通过在适当温度下加热材料一段时间后缓慢冷却，以消除材料内部的应力和提高其延展性。
退火使金属材料结构上发生改变，晶粒变大并更加均匀，强度相对降低，但具有较好的塑性和韧性。
金属材料及热处理
性能：
F：强度低，塑性和韧性好 P：强度较高，塑性和韧性较F差； 力学性能强烈依赖于P片间距或K颗粒的间距。 随片间距减小或颗粒间距减小，强度、塑性提高。
组织与性能间的关系：
• 对于亚共析钢，正火与退火后强度可由下式表达：
0 .2 V P (1 V )
• 钢中珠光体含量越多，强度、硬度越高，韧性下降，临 界脆化温度提高。当wC<0.2％时，正火与退火钢的机械 性能相近，当wC升高时，正火比退火组织的硬度、强度 都高，但塑性较低。珠光体中碳化物被球化后，可在强 度变化不大的条件下改善钢的塑性和韧性。
2020/9/14
经完全退火与正火后的组织有以下区别：
（1）正火的珠光体比退火状态的
片层间距小，领域也较小。
（2）亚共析与过共析钢
由不于能正充火分的析冷出却，速即度先较共快析，析因出此相先数共量析较产平物衡（冷自却由时铁较素少体。、同F时e，3C由） 于奥氏体的成分偏离共析成分而出现伪共析组织。对于过共析钢而 言，退火后的组织为珠光体+网状碳化物。正火时网状碳化物的析 出受到抑制，从而得到全部细珠光体组织，或沿晶界仅析出一部分 条状碳化物（不连续网状）。
⑵ 提高力学性能 对于受力不大、性能要求不高的普通结构零件可 作为最终热处理代替调质处理，操作简单，减少 工序，节约能源，提高生产效率。
2020/9/14
目的与应用：
⑶ 消除过共析钢中的网状碳化物 过共析钢在淬火前进行球化退火，以便于进行机械加工，并为 淬火作好组织准备。但当钢中存在严重的网状K时，球化退火 效果不好。正火在空气中冷却速度较快，二次渗碳体不能像退 火时那样沿晶界完全析出形成连续网状，可以抑制或消除网状 二次渗碳体的形成，有利于球化退火。
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本次作业是本门课程本学期的第3次作业，注释如下：
一、单项选择题(只有一个选项正确，共15道小题)
1. 将钢加热到临界温度以上或其它一定温度，保温一定时问，然后缓慢地冷却到室温，这一热处理工艺称为（）。
??(D)?退火
2. 对形状复杂，截面变化大的零件进行淬火时，应选用（）。
??(A)?高淬透性钢
3. 贝氏体是钢经（）处理后获得的组织。
??(A)?等温淬火
4. 钢的回火处理是在（）。
??(C)?淬火后进行
5. 零件渗碳后，一般需经过（）才能达到表面硬度高而且耐磨的目的。
??(A)?低温回火
6. 钢经表面淬火后，将获得（）。
??(D)?一定深度的马氏体
7. 淬硬性好的钢必须具备（）。
??(B)?高的含碳量
8. 完全退火主要适用于（）。
??(A)?亚共析钢
9. （）主要用于各种弹簧淬火后的处理。
??(B)?中温回火
10. T10在锻后缓冷，随即又采用正火处理的目的是（）。
??(B)?碎化网状的二次渗碳体，为球化退火作组织准备
11. 扩散退火的主要目的是（）。
??(A)?消除和改善晶内偏析
12. 若合金元素能使过冷奥氏体冷却C曲线右移，钢的淬透性将（）。
??(B)?提高
13. 机械制造中，T10钢常用来制造（）。
??(B)?刀具
14. 合金渗碳钢中的（）合金元素可起到细化晶粒的作用。
??(B)?Ti
15. （）热轧空冷即可使用。
??(D)?低合金高强度钢
二、判断题(判断正误，共10道小题)
16.?珠光体是由铁素体和渗碳体组成的。
（）
正确答案：说法正确
17.?亚共析钢室温下的平衡组织是铁素体和珠光体。
（）
正确答案：说法正确
18.?亚共析钢室温下的平衡组织是铁素体和珠光体。
（）
正确答案：说法正确
19.?过共析钢室温下的平衡组织是奥氏体和一次渗碳体。
（）
正确答案：说法错误
20.?白口铸铁很硬但几乎无塑性。
（）
正确答案：说法正确
21.?室温平衡状态的铁碳二元合金都是由F、Fe3C 两个基本相组成，含碳量不同，只是这两个相的数量、形态和分布不同而已。
（）
正确答案：说法正确
22.?钢的热处理后的最终性能，主要取决于该钢的化学成分。
（）
正确答案：说法错误
23.?碳钢在室温下的相组成物是铁素体和渗碳体。
（）
正确答案：说法正确
24.?钢的热处理是通过加热，保温和冷却，以改变钢的形状，尺寸，从而改善钢的性能的一种工艺方法。
正确答案：说法错误
25.?调质钢经淬火和高温回火后的组织是回火索氏体。
（）
正确答案：说法正确
三、主观题(共20道小题)
26.?试述石墨形态对铸铁性能的影响，与钢相比铸铁有哪些优缺点？
参考答案：
答：常用铸铁的组织是由钢的基体组织与石墨组成，由于石墨的强度和韧性极低，石墨相当于钢基体上的裂纹或空洞，减少基体有效截面积，割裂基体并引起应力集中。
常用铸铁中的石墨形态可分为，片状石墨、球状石墨、蠕虫状石墨和团絮状石墨，分别对应于灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁。
其中由于片状石墨引起严重应力集中，灰口铸铁的塑性和韧性低、强度不高（经变质处理后，石墨片细化，强度可提高）；而球状石墨的作用最轻，引起的应力集中最小，球墨铸铁不仅强度提高，塑性和韧性也获得改善；团絮状和蠕虫状石墨形态介于片状和球状石墨之间，其性能（强度、塑性和韧性）也介于灰口铸铁和球墨铸铁之间。
与钢相比铸铁有良好的吸振性能，良好的耐磨减摩性能，良好的易切削性，较低的缺口敏感性。
27.?试辨析以下金属材料牌号Q215、08F、T10、ZG25、KT300-06、QT400-18、20Cr、GCr15、60Si2Mn、5CrMnMo、1Cr18Ni9Ti：（1）说明材料的类别；（2）说明牌号中下划线部分的意义。
参考答案：
答：
Q215：普通碳素结构钢，215——屈服强度
08F：优质碳素结构钢，F——沸腾钢
T10：碳素工具钢，10——含碳量1.0%
ZG25：25号铸钢，ZG——铸钢
KT300-06：可锻铸铁，KT——可锻铸铁
QT400-18：球墨铸铁，400——最低抗拉强度
20Cr：合金渗碳钢，20——含碳量0.2%
GCr15：滚珠轴承钢，15——Cr含量中间值1.5%
60Si2Mn：合金弹簧钢，60——含碳量中间值0.6%
5CrMnMo：合金模具钢，5——含碳量中间值0.5%
1Cr18Ni9Ti：奥氏体不锈钢，1——含碳量中间值0.1%
28.?LF21、LY10、LY12、LC4、LD5、ZL105各属于何种铝合金？分析它们的性能特点，强化方法及用途（请各举一例）。
参考答案：
答：
29.?铝合金淬火和时效的目的是什么？
参考答案：
答：铝合金淬火（固溶处理——加热后快速冷却）的目的是为了获得过饱和的固溶体
时效（经长时间室温停留或加热至100-200℃一定时间保温）后，在母相固溶体的一定晶面上出现一个原子层厚度的铜或其它原子的偏聚区，偏聚区边缘发生晶格畸变，阻碍位错运动，因而目的是为了提高合金的强度、
硬度。
30.?轴承合金的组织有什么特点？为什么？
参考答案：
答：轴承合金的组织是在软基体（硬基体）上分布着硬质点（软质点），软基体(软质点)被磨损而凹陷，保持润滑油；硬质点(硬基体)耐磨而相对凸起，支持轴的压力并使轴与轴瓦接触面积减小；从而使轴与轴瓦接触面积减小保证近乎理想的摩擦条件和极低的摩擦系数。
31.?试依据轴类零件的工作条件和失效形式，分析该类零件主要要求哪些性能
参考答案：
答：
32.?试说明哪些钢材适用于轴类零件的选材要求，并指出其热处理工艺
33.?试依据齿轮类零件的工作条件和失效形式，分析该类零件主要要求哪些性能。
参考答案：
答：
34.?试说明哪些钢材适用于齿轮类零件的选材要求，并指出其热处理工艺。
35.?已知某内燃机主动牵引齿轮由20CrMnTi制造，请（1）设计热处理工艺路线，（2）分析使用态组织。
参考答案：
答：
1）900--950℃渗碳→820～850℃油淬→180--200℃低温回火
2）使用态组织：心部——M’（低碳）；表面——M’(高碳）+A’+K
36.?已知某小轿车半轴由40Cr制造，请设计热处理工艺路线并指出最终热处理工序的作用。
参考答案：
答：
热处理工艺路线：正火——调质处理（淬火+高温回火）——（轴颈）表面淬火+低温回火
最终热处理工序的作用：调质处理——获得具有良好综合机械性能的S'组织；（轴颈）表面淬火+低温回火——轴颈表面获得M以提高耐磨损性。
37.?请在45、65、T8钢中为某机床主轴选材，并（1）设计最终热处理工序并说明其作用，（2）指出使用态组织。
参考答案：
答：选材——45
最终热处理工序：调质处理（淬火+高温回火）——（轴颈）表面淬火+低温回火
最终热处理工序的作用：调质处理——获得具有良好综合机械性能的S'组织；（轴颈）表面淬火+低温回火——轴颈表面获得M'以提高耐磨损性。
使用态组织：S'+表面M'
38.?在20Cr、9SiCr、GCr15中选择一种钢材制作汽车变速箱齿轮（高速中载受冲击），并写出热处理工艺路线，说明各热处理工序的作用。
参考答案：
答：选择——20Cr
工艺路线：900--950℃渗碳→820～850℃油淬→180--200℃低温回火
各热处理工序的作用：渗碳——表面高碳而心部维持低碳成分；淬火+低温回火——心部形成低碳M’具有较好强韧性；表面形成M’(高碳）+A’+K具有高硬度、耐磨损。
39.?结构材料：
参考答案：以力学性能为主要性能要求的工程材料。
40.?功能材料：
参考答案：以物理、化学性能为主要性能要求的工程材料。
41.?刚度：
参考答案：材料在受力时，抵抗弹性变形的能力。
42.?屈服强度：
参考答案：材料开始明显塑性变形的抗力；条件屈服强度：以产生一定的微量塑性变形的极限应力值来表示的屈服抗力。
43.?抗拉强度：
参考答案：材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值。
44.?疲劳极限：
参考答案：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。
条件疲劳极限：经受一定应力循环（如107）而不致断裂的最大应力值。
45.?塑性：
参考答案：材料在载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力，用延伸率和断面收缩率表征。