机械工程常用材料及钢的热处理(精)
机械工程材料-3章 钢的热处理
珠光体型转变，在A1～550℃等温； 贝氏体型转变，在550℃～Ms等温； 马氏体型转变，冷却至MS以下。
共析钢等温冷却转变曲线
随着过冷度的增大，奥氏体转 变温度降低，生成的珠光体片层间 距变小。依据片层间距的大小，将 其分别称为珠光体、索氏体、屈氏 体。珠光体片越细，HB↑，Rm↑。
珠光体 符 号：P 等温温度： A1 ~ 650℃ 层片间距：>0.4μm
①钢加热温度由冷却前希望得到的组 织决定。如果希望得到单相奥氏体组织， 需要在Ac3和Accm以上温度加热，过共析钢 如果不希望二次渗碳体全部溶解到奥氏体 中，需要在Ac1和Accm之间温度加热。 ②加热温度越高，保温时间越长，奥 氏体成分均匀，但晶粒越粗大。 ③加热速度越快，相变的过热度增大， 奥氏体实际形成温度越高，生成的奥氏体 晶粒度愈小。 ④生成的奥氏体晶粒大小也与钢的化 学成分和原始组织有关，有的钢晶粒长大 倾向小。
表 面 热处理 化学热处理
渗碳 渗氮 碳氮共渗 渗金属等
3.1 钢的热处理原理
3.1.1 钢在加热时的组织转变
1 钢的组织转变温度
对不同成分和组织的钢，在 进行加热或冷却时，如果加热或 冷却速度非常缓慢，钢的组织变 化规律和铁碳相图一致。
经过PSK线（A1）时，发生 A P 转变 经过GS线（A3）时，发生 A F 转变 经过ES线（Acm）时，发生 A A+Fe3CⅡ
则A1、A3、Acm被称为碳钢固 态平衡组织转变临界温度。
铁碳相图
由于实际加热或冷却不可能非常 缓慢，加热时相变需要具有一定的过 热度，冷却时相变需要具有一定的过 冷度，组织转变才能进行。 习惯上，将碳钢加热时的相变温 度分别标记为Ac1、Ac3、Accm，其冷却 时的相变温度分别标记为Ar1、Ar3、 Arcm。 例如：对亚共析钢，当加热到 Ac1时发生P→A，加热到Ac3时才全部 转变为A；对共析钢当加热到Ac1时发 生P→A；对过共析钢加热到Ac1时发 生P→A，加热到Accm以上时渗碳体才 全部转变为A。
钢的热处理
热处理是指金属在固态下经加热、保温和冷却，以改变金属的内部组织和结
构，从而获得所需性能的一种工艺过程。
保温 温度 临界温度 冷 加 热 却 时间
热处理工艺曲线示意图
钢的热处理－热处理的基本概念
二、热处理的基本要素和作用
热处理的三大要素
①加热（ Heating） 目的是获得均匀细小的奥氏体组织。
种类： 扩散退火、再结晶退火、去应力退火。
第二类退火：
目的和作用： 以改变组织和性能为目的，获得以珠光体为主的组织，并使钢中的珠光体、 铁素体和碳化物等组织形态及分布达到要求。 种类： 完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火。
钢的热处理－钢的退火与正火
完全退火（Complete Annealing）
热处理的作用
改善钢（工件）的力学性能或工艺性能，充分发挥钢的性能潜力， 提高工件
质量，延长工件寿命。
重要结论：
材料是否能够通过热处理而改善其性能，关键条件是材料在加热和冷却过程 中是否发生组织和结构的变化。
钢的热处理-热处理的基本概念
三、热处理的类型
1.按加热、冷却方式及钢的组织、性能不同分类
时间 / s
马氏体转变时产生的组织应力。
温度 / C
Ms
理想淬火介质的冷却曲线
钢的热处理－钢的淬火与回火
常用淬火介质：
①水 特点：经济，冷却能力较强，但在Ms点附近冷速过快。 适用范围：碳钢。 盐水：盐或碱的水溶液，高温冷却能力比水强，适用于碳钢。 ②油
特点：低温区（Ms点附近）冷速缓慢，可有效降低变形和开裂倾向，
两个方面的问题：
冷却速度大，容易获得马氏体。 冷却速度大，内应力大，工件变形和开裂的倾向大。
常用钢材热处理参数表
火 等温℃
炉冷
710
炉冷
正 温度℃ 火 冷却
900-950 900-950
900-950 870-880
空冷
930-950
温度℃ 980
880
840 820
淬
硬度
火
61-64 58-60 ＞62
65
HRC
840
860 800
800 840
53-58 62-66 62 62-64 62-65
150℃ 63
810-870 800-870 780-800 炉冷
850-870
正 温度℃ 820-860 820-860 830-860 850-880
火 冷却
空冷
温度℃ 淬
硬度 火
HRC
810 57-64
810 57-64
870 ＞60
860 56-62
880 54-56
880 950 1050 1130 58-60 60-62 62-63 42-45
各 150℃ 61
61
61
56
54
59
60
63
42
种 200℃ 58
58
60
55
52
58
59
62
42
不 300℃ 54
54
56
51
48
53
58
59
43
同 400℃ 47
47
51
49
42
48
57
57
44
温 500℃
39
39
43
45
39
42
54
55
48
机械零件的常用材料特性及应用
用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性。
零件材料 各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标 和机械设计手册中查得。
以功能來分: 依其機械、電氣、熱學及其他性質功能來分。
1 )泛用塑膠： 通常以美觀及低功能使用要求，為訴求重點。 如：PE 、 PVC 、 PMMA、ABS
轴用材料
要求: 充分強度/耐磨性/耐疲勞性/充分硬度/充 分橈度
選用
一般用軸材料(A3/S10C/S45C) 強力用軸材料(SNCM240(价高)/42CrMo)
齿轮用材料
要求: 充分強度/耐磨性/充分硬度/耐衝擊性/易 加工性
選用
高周波淬火處理材料(S45C/42CrMo) 滲碳淬火處理材料(42CrMo) 氮化相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。 可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。
选用原则： 优选碳素钢(A3.S45C)，其次是硅、锰、硼、钒类合
金钢,特殊硬度可以选合金工具钢（Cr12).
金属热处理方式
热处理方式：退火、正火、淬火和回火四种基本工艺，俗称金 属热处理的“四把火”。 1.退火：是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不 同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达 到 或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为 进一步淬火作组织准备。 2.正火：是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效 果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削 性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。 3.淬火：是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水 溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。 (S45C可以达到42-50HRC, Cr12可以达到52-60HRC) 4.回火：是为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而 低于 710℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这 种工艺称为回火
机械工程材料钢的热处理实验报告
实验报告院系：课程名称: 日期:班级: 组号：学号：实验室：专业：姓名：教师签名：实验名称：钢的热处理实验成绩评定：实验仪器材料:箱式电炉若干，洛氏硬度计一台，45钢、T12钢试样若干(直径1.5CM)、淬火水槽-个. 实验目的要求：1.初步掌握普通热处理的基本工艺方法2、掌握成分(含碳量)、工艺（加温温度)对钢组织和性能的影响。
实验原理：热处理是将钢加热到一定温度、经过一定时间的保温，然后以一定速度冷却下来的操作，通过这样的工艺过程钢的组织和性能将发生改变。
普通热处理分为退火、正火，淬火和回火。
钢加热到一定温度保温后缓慢冷却(通常随炉冷却)至500℃以下空冷叫退火，得到接近平衡态的组织。
奥氏体化的钢在空气中冷却叫正火，得到共析铁素体（或渗碳体）加珠光体。
过冷奥氏体快冷(大于临界冷速)叫淬火，得到马氏体组织。
淬火钢再加热到A1以下会发生回火转变，随回火温度的升高分别得到回火马氏体，回火屈氏体和回火索氏体。
随冷却速度赠加，钢的硬度升高。
通常加热、保温的目的是为了得到成分均匀的细小的奥氏体晶粒，亚共析碳钢的完全退火、正火、淬火的加热温度范围是A c3+30~50℃，过失析钢的球化退火及淬火加热温度是A c1 +30~50℃，过共析钢的正火温度是A cⅢ+30~50℃，保温时间根据钢种，工件尺寸大小，炉子加热类型等由经验公式决定。
表格 1 碳钢普通热处理的加热温度、冷却方式、组织性能及应用范围表格 2 实验参数设计实验步骤：根据实验对45钢进行正淬火和回火热处理，并测定硬度，分析工艺对钢性能的影响。
结果分析:1.热处理条件加热温度、冷却速度、回温度等)对实验和性能的影响。
答：不同的条件下的材料组织和性能也会有所不同。
机械设备常用工程材料
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• 回火：将淬火后的零件再重新加热到 一定温度（低于淬火温度），保温一 段时间后，置于空气或油中冷却至室 温的处理过程。可以消除零件淬火时 产生的内应力，提高材料的综合力学 性能。高温回火又称调质。
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二、材料的基本性能特点 1、材料的机械性能 强度：屈服强度s、抗拉强度b、 屈强比s/ b。 对于常温用钢，静载时，考虑常温强度； 变载时，考虑持久极限D。对于温度超过 400℃的用钢，还应考虑蠕变极限n。
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塑性：延伸率、断面收缩率。 韧性：材料的冲击韧性(ak值）与冷脆性、 断裂韧性。 硬度：布氏硬度HBS、洛氏硬度HRC。
碳钢、合金钢、铸铁、有色金属 及其合金、非金属。 一、碳钢（碳素钢） 1、普通碳素钢 如：Q235-A、Q235-A· F
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2、优质碳素钢 低碳钢：含碳量≤0.25%。常用钢有08、 10、15、20、25号。 如：20R、20g 中碳钢：含碳量0.25～0.6%。常用钢有30、 35、40、45、50、55号。 高碳钢：含碳量≥0.6%。常用钢有60、 65、70号。
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三、铸铁 碳含量在2.5%～4.0%的铁碳合金 称为铸铁。 有：灰口铸铁，以HT表示； 球墨铸铁，以QT表示。
铸钢，用ZG表示。
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四、有色金属及其合金 1、铜：纯铜又称紫铜，塑性好；铜与锌 的合金叫黃铜，强度、耐腐蚀性高于 纯铜；铜与银、铝、铅等的合金称为 青铜，有极高的耐腐蚀性和耐磨性。 2、铝：纯铝，塑性好；硬铝是铝、铜、 镁的合金，强度高，耐腐蚀性好。
机械工程材料及热处理工艺
1、常用金属的晶格有（体心立方晶格）、（面心立方晶格）和（密排六方晶格）三种。
2、实际金属的晶体缺陷有（点缺陷）、（面缺陷）和（线缺陷）三种。
3、点缺陷包括（空位）、（置换原子）和（间隙原子）等；线缺陷有（刃型位错）和（螺型位错）两种；面缺陷通常指金属中的（晶界）和（亚晶界）。
4、在固态合金中的基本相结构为（固溶体）和（金属化合物）两种。
5、固溶体根据溶质原子在溶剂晶格中所占的位置不同,又可以分为（置换）固溶体和（间隙）固溶体。
1、金属结晶过程包括两个阶段：即（晶核的形成）和（晶核的长大）。
（过冷）是结晶的必要条件。
细化晶粒的方法有（增大过冷度）、（变质处理）、（机械振动）、（超声振动）、（电磁振动）等。
2、晶核的形成主要有（自发形核）和（非自发形核）两种形式3、合金状态图都是用实验的方法绘制的，常用（热分析法）来测定。
4、若结晶冷却速度较快，则须通过（扩散）退火来消除偏析。
5、一定成分的液相在一定温度下同时结晶出两个不同成分固相的过程称（共晶反应），反应式为（r=a+b ）；一个固相同时转变为两种不同的新固相的转变（反应）称（共析反应），反应式为（l=a+b ）1.影响晶粒度的因素主要有过冷度和异质晶核两个方面。
2.合金化强化主要途径有固溶强化和第二相强化（又称弥散强化）两种。
3.细晶强化：通过细化晶粒来同时提高金属的强度 .硬度. 塑性和韧性的方法称细晶强化。
1、单晶体塑性变形的基本形式有（滑移）和（孪生），其中（滑移）是金属中最主要的一种塑性变形方式。
2、加工硬化:材料的强度，硬度上升，而塑性韧性下降的现象，称为加工硬化。
3、随着加热温度的提高，变形后的金属将相继发生（回复）、（再结晶）和（晶粒长大）三个过程。
3.钢经正火后获得的组织是( 索氏体)，经调质处理后获得的组织是( 回火索氏体)。
1 用光学显微镜观察，上贝氏体组织呈（羽毛）状，下贝氏体呈（针）状。
2马氏体的硬度主要取决于其（含碳量）。
机械基础复习资料金属材料和热处理含习题答案
第二部分 机械基础第四章 金属材料和热处理本章重点1．掌握：强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度的含义。
2．了解：工艺性能的含义。
3．了解：热处理的概念及目的。
4．熟悉：退火、正火、淬火、回火，表面热处理的方法。
5．掌握：碳素钢的概念、分类、牌号的表示方法及性能。
6．掌握：合金钢的牌号及表示方法。
7．熟悉：铸铁分类牌号及用途。
本章内容提要一．金属材料的性能1．物理、化学性能物理性能是指金属材料的密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等具有物理特征的一些性能。
化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能。
如：耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性。
2．金属材料的机械性能金属材料在外力作用下所表现出来的性能就是力学性能。
主要有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。
（1）强度强度是材料在静载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。
可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度和抗扭强度。
常用的强度是抗拉强度。
工程上常用的强度指标是屈服点和抗拉强度。
（2）塑性塑性是金属材料在静载荷作用下产生永久变形的能力。
常用塑性指标是伸长率和断面收缩率。
伸长率：是指试样拉断后的伸长与原始标距的百分比。
式中，L 0表示试样原长度（mm ），L 1表示试样拉断时的长度（mm ）。
断面收缩率：是指试样拉断后，缩颈处横截面积（A 1）的最大缩减量与原始横截面积（A 0）的百分比。
（3）硬度硬度是金属材料表面抵抗比它更硬的物体压入时所引起的塑性变形能力；是金属表面局部体积内抵抗塑性变形和破裂的能力。
目前最常用的硬度是布氏硬度（HB ）、洛氏硬度（HRC 、HRB 、HRA ）和维氏硬度（HV ）。
（4）韧性1o o 100%L L L -=⨯δ010A A 100%A -=⨯ψ韧性是脆性的反意，指金属材料抵抗冲击载荷的能力。
工程技术上常用一次冲击弯曲试验来测定金属抵抗冲击载荷的能力。
（5）疲劳强度疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷作用下不发生断裂的最大应力。
一般规定，钢铁材料的应力循环次数取108，有色金属取107。
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气体渗碳法示意
第五节 表面精饰
表面精饰是指在金属零件的表面附上一层覆 盖层，以达到防蚀、装饰等目的。
种类 电镀：镀铬、镀镍、镀锌、镀镉、镀银 化学处理：氧化和磷化 涂漆
第六节 精密仪器材料选用原则
使用要求、工艺要求、经济要求
Fe－Fe3C相图
奥氏体连续冷却时的组织转变
火焰加热 感应加热
第一节 概述
金属 材料
机械工 程材料
黑色金属 有色金属
铸铁 钢 合金钢 铝合金 铜合金 其他有色合金
无机非金属材料 陶瓷
非金属 材料
有机材料
塑料 橡胶 合成纤维
应力极限
屈服点s 屈服阶段
弹性极限p 弹性阶段
第二节 金属材料的力学性能
强度极限b
颈缩阶段强化阶段第二节 Fra bibliotek属材料的力学性能
3、铸铁： 良好的铸造性能、减摩性能、吸振性能、
切削加工性能、低的缺口敏感性，生产工艺 简单、成本低廉。
灰铸铁：C－自由状态的片状石墨形式 球墨铸铁：C－球状石墨形式，较高的强 度 ，良好的塑性和韧性。
第三节 常用工程材料
有色金属 1、铜及其合金：
工业纯铜、 黄铜（铜锌二元合金）、 青铜（锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青 铜、锰青铜等） 2、铝及其合金： 纯铝、硬铝、铸铝 3、钛及其合金：纯钛、钛合金
第三节 常用工程材料
钢铁材料（黑色金属） 1、非合金钢（碳钢）
含碳2％以下的铁碳合金、少量杂质 按质量分数分类：
低碳钢、中碳钢、高碳钢 按质量等级分类：
普通质量、优质和特殊质量 按用途分类：
碳素结构钢、碳素工具钢
第三节 常用工程材料
2、合金钢 人为加入Cr、Mn、Ni、Ti、Mo等，具有
高的强度、韧性、硬度，以及某些特殊性能 （如耐腐蚀性、高温强度等）。
钢的热处理 加热、保温、冷却改变金属整体或表面
组织，获得所需性能。 种类
1、普通热处理：退火、正火、淬火、回火 2、表面热处理和化学热处理：
感应加热、火焰加热、电接触加热、电 解加热、渗碳、氮化、碳氮共渗 3、其他热处理
第四节 钢的热处理
退火：加热、保温、随炉冷却 目的：降低硬度、细化晶粒、消除内应力，
预先热处理 正火：加热、保温、空气冷却 目的：同退火，更高的力学性能 淬火：加热，保温，水、油或盐水冷却 目的：提高零件的硬度和耐磨性，强化材料。
但淬火后，出现内应力，材料变脆，须回火。 方法：单介质淬火；双介质淬火
第四节 钢的热处理
回火：零件淬火后，加热至临界温度之下， 保温，以一定速度冷却。
第三节 常用工程材料
非金属 1、工程塑料
－特点：密度小，比强度高，良好的抗蚀 型，优良的电绝缘性，耐磨、减摩、自润滑 性好，工艺性好 －分类：热固性塑料、热塑性塑料 2、橡胶：高弹性、绝缘性－密封件、缓冲件、 绝缘件
上述二者易老化，难回收（污染） 3、人工合成矿物：刚玉、石英
第四节 钢的热处理
目的：达到设计图纸要求的硬度，消除内应 力。
回火工艺的种类： 1、低温回火（150～250C） 2、中温回火（350～500C） 3、高温回火（500～650C） 调质处理－淬火＋高温回火
第四节 钢的热处理
表面热处理：仅对钢的表面进行加热和冷却 而不改变其成分的热处理工艺。 目的：提高零件的表层硬度、抗磨损性能。 方式： 感应加热：利用交流电的集肤效应，对零件 进行加热，并通过控制电流频率得到不同的 淬硬层深度。 火焰加热：利用火焰加热工件表面，然后立 即用水喷射冷却。调节烧嘴的位置和移动速 度即可得到不同厚度的淬硬层。 。
第四节 钢的热处理
化学热处理 将钢件置于一定温度的活性介质中保温，
使一种或几种元素渗入其表面，改变其化学 成分和组织，达到改进表面性能、满足技术 要求的热处理过程。 目的：提高钢件表层的耐磨性、耐蚀性、抗 氧化性和疲劳强度等力学性能。 按表面渗入元素的不同，分为渗碳、氮化、 碳氮共渗、渗硼、渗铝等种类。
强度：材料抵抗破坏的能力 刚度：材料抵抗变形的能力（E、G） 塑性：材料破坏时，遗留变形的大小
伸长率、断面收缩率
硬度：材料抵抗硬物压入的能力 布氏硬度HBW、洛氏硬度HRC、 维氏硬度HV
第二节 金属材料的力学性能
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
第二章 机械工程常用材料及钢的热处理
参考文献
史美堂，《金属材料及热处理》，上海科学 技术出版社，2003
齐宝森等，《机械工程材料》，哈尔滨工业 大学出版社，2003
戈晓岚等，《工程材料》，东南大学出版社， 2004
其他与金属材料及热处理的相关书籍
主要内容
第一节 概述 第二节 金属材料的力学性能 第三节 常用的工程材料 第四节 钢的热处理 第五节 表面精饰 第六节 精密仪器材料选用原则