碳钢的热处理及性能分析常用钢铁材料的组织观察

c. 不占用设备；生产率高。
3. 淬火
度的变化
接头区域一 般为性能薄
弱区
热 处 理
在加热设备中使工件 达到规定温定，使工 件可能发生内部组织
的变化
工件于加热炉内在 规定温度下保温规 定时间，使工件热 透，或使内部发生
组织转变
以不同方式或速 度冷却，使工件 获得所需要的组
织和性能
非成 形加
工
同种材料经过不同 的热处理可得到不
同的组织
根据不同的 使用要求选 用不同的热 处理的方法
工业纯铁 共析钢
亚共析钢 过共析钢
2. 铸铁的室温平衡组织
铸铁由于含碳量高，碳的存在形态发生了变化。 在钢中碳是以化合态的 Fe3C（渗碳体）存在，而在 铸铁中碳不仅以化合态的 Fe3C存在，同时出现了 游 离态的石墨 。铸铁的组织可以认为是在铁素体或珠 光体，或铁素体＋珠光体的基体上分布着不同形态 的石墨。根据石墨形态的不同，常用铸铁可分为：
五、Fe-C合金基本组织
1. 铁素体 F 2. 渗碳体 Fe3C 3. 珠光体 P（ F+ Fe3C ）
六、钢铁的组织和性能
1. 碳钢的室温平衡组织
碳钢的室温平衡组织由铁素体、渗碳 体和珠光体三种基本组织组成。随碳钢含 碳量的不同，基本组织的含量也相应发生 变化。碳钢按室温组织的不同根据含碳量 可分为三类。
铸锭宏观组织示意图
焊接接头宏观组织 示意图
七、热处理的概念及常用工艺
热处理是将金属在固态下通过加热、保温 和冷却过程，改变其内部组织，从而获得所需 性能的一种工艺方法。它的特点是：只改变金 属材料内部组织结构，获得所需性能，尽量避 免改变零件的形状。同样的材料经过不同的热 处理方法，可以得到不同的内部组织，因此， 热处理工艺可以最大限度地发挥材料的潜力。
灰 铸 铁 — 石墨以片状存在 可锻铸铁 — 石墨以团絮状存在 球墨铸铁 — 石墨以球状或近似球状存在
可锻铸铁（铁素体基体）
灰铸铁（珠光体基体）
球墨铸铁 （铁素体＋珠光体基体）
3. 铸铁与碳钢的性能比较
铸铁与碳钢比较（在同一种基体下），由于铸 铁中石墨的强度和伸长率都极低 （σb<20Mpa ，δ→0 ）,而且 石墨的存在对基体起割裂 作用，所以，铸铁的力学性能（抗拉强度、塑性、韧 性）较差，不如碳钢，尤以灰铸铁（片状石墨）最差， 球墨铸铁因球状石墨的割裂作用最轻，具有较好的力 学性能。
常用热加工工艺方法特点
工
热过程
艺
及其特点
成形 特点
组织 特点
性能或 应用
在熔化设备中熔化金
铸 造
属炉料（熔点以上约 短时间保温静置， 在铸型中较为缓
100℃），使满足化 使金属熔体中气体、 慢地冷却凝固，
学成分要求的金属液
夹杂物上浮
获得铸件
液态 凝固 成形
体具有流动性
非平衡结晶，一般 为粗大的柱状晶。 冷却速度越大，晶
实验五 碳钢的热处理及性能分析 实验六 常用钢铁材料的组织观察
清华大学基础工业训练中心 金属工艺学教研室
一、金属的概念
二、金属材料的力学性能
三、金属的结晶和组织
1. 金属的结晶过程 2. 金属的组织 （1）室温平衡组织 （2）非平衡组织
四、钢铁的分类和异同
钢和铸铁所含的主要合金元素都是铁 和碳，所以也称钢和铸铁为Fe-C 合金，它 们的不同点在于含碳量，钢的含碳量小于 2.11% ，铸铁的含碳量大于2.11% 。
冲压或冷拉拔加工。 退火的缺点：占用设备；生产率低。
2. 正火
正火 是将金属制件加热到高于或低于这种金属 的临界温度，经保温一定时间，随后在空气中冷 却，以获得更细组织的一种热处理工艺。
正火的作用与退火相似，与退火不同之处是：
a. 正火是在空气中冷却，冷却速度快，所获 得的组织更细。
b. 正火后的强度、硬度较退火后的稍高，而 塑性、韧性则稍低。
粒越细小
受力不大的 形状复杂件
锻 造
在加热设备中加热工 件，使其具有良好的 塑性，并降低变形抗
力
在始锻和终锻温度 范围内对工件施以 冲击力或压力，使 其发生塑性变形， 并改善内部组织
在终锻温度以下 冷却，得到锻件
固态 塑性 变形 成形
使俦锭原来粗大的 晶粒细化，并沿变 形方向呈现方向性 的特点，减小甚至 消除铸锭内部缺陷
受力复杂的 形状简单件
在空气或保护气氛中 焊 高能量加热，使构件 接 连接区域快速熔化，
形成熔池
基本没保温过程
在熔渣或保护气 氛保护下快速冷 却凝固，形成焊 缝，焊缝以及附 近母材冷却速度
很不均匀
不可 拆卸 的连 接成
形
非平衡结晶特点更 为明显，使得焊缝 组织的柱状晶的特 点更为明显，同时 焊缝附近母材金属 组织也发生不同程
铸铁具有优良的减震性、耐磨性、铸造性能和切 削加工性能，而且生产成本低廉，因而在工业生产中 得到广泛的应用。
六、热加工工艺对碳钢组织的影响
在材料加工工程中存在着如下关系： 设备 → 工艺 ↘ ↑↓ 组织→性能→应用
原材料 → 成分 ↗ 这个关系在实际生产过程中，表现为设备、工艺条 件等的不同决定了热过程的非平衡程度的不同，使得金 属结晶和转变过程不同，最终使金属材料的组织呈现多 样性，即使同一种金属材料的组织也可呈现不同的形态。 可见，正是非平衡过程的多样性，使得工程材料得到不 同的组织，具备不同的性能，从而满足各种使用要求。 此外，相同的金属组织，晶粒越细小、分布越均匀，其 力学性能越高。
钢的常用热处理方法有：退火、正火、淬 火和回火。
常用碳钢 热处理工艺示意图
退火
正火
淬火
碳钢淬火后 回火示意图
1. 退火
退火是将金属制件加热到高于或低于这种金 属的临界温度，经保温一定时间，随后在炉中或 埋入导热性较差的介质中缓慢冷却，以获得接近 平衡状态组织的一种热源自文库理工艺。
退火的目的： a. 降低硬度，以利于切削加工； b. 细化晶粒，改善组织，提高机械性能； c. 消除内应力，为下一道热处理作好准备； d. 提高金属材料的塑性、韧性，便于进行冷
项目 含碳量 室温平衡组织
种类
（% ）
备
注
亚共析钢
＜0.77
铁素体＋珠光体 随含碳量的增加，组织中珠 光体的量增多。
共 析 钢 ＝0.77 全部是珠光体
过共析钢
＞0.77
珠光体＋渗碳体
渗碳体分布于珠光体晶粒的 周围（即晶界），在金相显 微镜下观察呈网状结构，故 又称网状渗碳体。含碳量越 高，渗碳体层越厚。