qyf 质检员培训教案之金属材料与热处理

1 教学内容 第一节 纯金属的结构与结晶 本节重点：金属的同素异构转变。 本节难点：对晶格、晶胞、过冷度概念的理解。 本节了解：结晶的概念及过冷度的含义。 一 金属的晶体结构 金属在固态之下都是晶体。金属的性能、塑性变形和热处理相变都与晶体结构有关。因此，在学习金属学时，首先要从晶体结构开始。 （一） 基本概念 1 晶体 固态物质可分为晶体和非晶体两大类。晶体是指其原子（离子）在空间做有规则排列的物质。非晶体则相反，其原子是杂乱无章地堆砌在一起的。自然界当中除少数物质（如普通玻璃、松香、赛璐珞等）外，包括所有金属在内的绝大多数物质，在固态之下都是晶体。 晶体具有固定的熔点和各向异性，如，铜的熔点为1084.5℃，单晶体铜在不同方向上的抗拉强度可以在14～35公斤力/毫米2，范围内变化。再以石墨为例，简述晶体的各向异性。 2 晶格 是晶体中的原子在空间做有规则排列的简单模型。为了便于描述原子的排列方式，人为地将每个原子看成是一个几何点，并用假想的线把各点连接起来，使之成为一个空间格架。这种表示原子在晶体中排列方式的空间格架，叫做晶格。 在黑板上画简图示意说明。 3 晶胞 由于晶体中原子排列具有周期重复性，因此，可从晶格中选取一个具有代表性的最小几何单元来说明晶体中原子的排列规律和特点，这个最小的几何单元成为晶胞。 （二）三种常见的金属晶体结构 1 体心立方晶格。晶胞是一个立方体，在立方体的八个角和中心各有一个原子 2

的晶格，成为立方体晶格。如：α-Fe δ-Fe W Mo V等。 画简图示意讲解。 2 面心立方晶格。晶胞是一个立方体，在立方体的八个角和六个面的中心各有一个原子的晶格，成为面心立方晶格。如：γ-Fe Ni Cu Al等。 3 密排六方晶格。 （不做详细讲述） 二 金属的结晶 （一）结晶 金属从液体状态转变为固体状态的过程叫做金属的结晶。 （二）过冷度 实验表明，金属的实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度（平衡结晶温度）T0,这种现象叫做过冷。过冷是结晶的必要条件，T1与T0之间的差值叫做过冷度，即△T＝T0 －T1。过冷度不是恒定的，它与冷却速度有关，冷却越快，过冷度就越大。 （三）结晶过程 1晶核的形成 2 晶核的长大 做简单介绍 三 金属的同素异构转变 有些金属，如Fe Co Ti Mn Sn等，在结晶之后冷却时，还会发生晶体结构的变化，从一种晶格转变成另一种晶格。金属在固体下的这种晶格转变成为同素异构转变。有同素异构转变所得到的不同晶格的晶体成为同素异构体。 Fe在结晶以后具有体心立方晶格，成为δ-Fe；冷却到1394℃时，δ-Fe转变为面心立方的γ-Fe；继续冷却到912℃时，γ-Fe又转变为体心立方晶格的α-Fe.。铁的同素异构转变具有十分重要的意义，正是由于铁能够发生同素异构转变，才有可能对刚和铸铁进行热处理，从而达到改变其组织和性能的目的。 同素异构转变是原子的重新排列，形成另一种晶格的过程，实质上也是一种结晶过程。为了与液体结晶相区别，通常把它成为重结晶。 画简图示意进行讲解。 3

第二节 合金的结构与结晶 本节主要了解合金概念和特点。知道什么是铁素体、珠光体、奥氏体、渗碳体。了解工业纯铁、钢、白口铸铁的碳含量。 一 合金 由一种金属元素和一种或几种其它元素（金属或非金属）组成的具有金属特性的物质成为合金。例如，碳钢和铸铁是主要由铁和碳组成的合金。普通黄铜是由铜和锌组成的合金。与组成它的纯金属相比，合金具有更高的硬度、强度等机械性能外，有的还具有强磁性、耐蚀性等特殊的物理性能和化学性能。因此，工业上使用的金属材料绝大多数是合金。 二 合金的相结构 1 固溶体 当液态合金凝固后，组员之间仍能互相溶解，形成在某种元素的晶格中溶有其它元素原子的相，这种相称之为固溶体。固溶体中含量较多的元素叫溶剂，含量较少的元素叫溶质。固溶体的晶格与溶剂元素晶格相同。 2 固溶体的性能 （1）固溶体的强度和硬度较其溶剂金属的高。这是因为溶质原子的溶入，将使溶剂原子的晶格常数发生变化，晶格产生畸变，导致位错移动困难，塑性变形抗力增加，从而使溶剂的强度和硬度提高，这种现象称为固溶强化。 （2）当溶质浓度适当时，固溶体不仅具有较溶剂金属为高的强度和硬度，而且能保持良好的塑性和韧性。 （3）与纯金属相比，固溶体具有较高的电阻，而且电阻值与温度变化的关系不大。 3 金属化合物 金属化合物一般具有较复杂的晶体结构，熔点高、硬而脆。当它在合金中出现时，通常能提高合金的硬度、强度和耐磨性，但会降低塑性。金属化合物对金属的强化作用往往比固溶体强大，并随类型、数量、形态、大小和分布而改变。它可使合金的组织和性能在很大范围内变动，这正是合金可以通过热处理改变其 4

性能的原因之一。 三 铁碳合金的基本组织 1 铁素体 代号F 碳在Fe中的间隙固溶体。 2 奥氏体 代号A 碳在Fe中的间隙固溶体。 3 渗碳体 代号Fe3C 铁与碳的化合物。 4 珠光体 代号P 共析转变形成的铁素体与渗碳体的机械混合物。 5 莱氏体 代号Ld 共晶转变形成的奥氏体与渗碳体的机械混合物。 四 铁碳合金碳含量 1 工业纯铁 ＜0.0218％ 2 钢 0.0218～2.11％ 3 白口铸铁 2.11～6.69％

第三节 马氏体型转变 重点：马氏体的形态、性能。 难点：马氏体的形成及结构 当奥氏体快速过冷到Ms点以下温度时，将发生马氏体转变，形成马氏体。这种操作在热处理上称之为淬火。马氏体是淬火钢的基本组织。钢件淬火可以大幅度地提高钢的强度、硬度，而降低塑性、韧性，这与淬火得到马氏体组织密切相关。 一 马氏体的组织形态 1 板条马氏体 主要在低碳钢、马氏体实效和不锈钢淬火组织中存在。板条马氏体的组织特征是以细长的条状马氏体作为组织单元。 2 片状马氏体 片状马氏体的立体形态为双凸透镜状。在光镜下观察时，片状马氏体呈针状或竹叶状。相邻的马氏体片互不平行，而成一定角度（60℃或100℃）.马氏体片的尺寸相差悬殊。最先形成的马氏体片常横贯整个奥氏体晶粒，其尺寸较大。随后形成的马氏体片，只能在已被分割的奥氏体中形成，故尺寸较小，而且越到后来，尺寸越小。 5

二 马氏体的晶体结构 X射线结构分析证明，钢中的马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。钢中马氏体晶体结构有两种类型：一种是体心正方晶格，出现在含碳较高的（C>0.25％）钢中；另一种是体心立方晶格，出现在低碳钢（C<0.25％）或无碳铁合金中。 …… 板条马氏体的含碳量低（C<0.2％），正方度很小，故有体心立方晶格。片状马氏体的含碳量高（C>1.0％），正方度大，因此具有体心正方晶格，而晶格畸变严重。 三 马氏体的性能 1 马氏体的硬度和强度 马氏体的机械性能特点，是具有高的硬度。马氏体的硬度主要取决于其含碳量，随着含碳量的增加，马氏体硬度急速升高，当钢的含碳量增至0.6％～0.7％后，其硬度变化趋于平缓。因为，随着含碳量增加，残余奥氏体增加，故硬度增加变缓。 2 马氏体的塑性和韧性 板条马氏体具有高度强度和硬度，但韧性和塑性低，宜用于工作时受冲击较小且抗磨损的零件。板条马氏体具有高度强度和韧性，因此，采取措施尽可能多的获得板条马氏体，将进一步材料的性能潜力。

第四节 钢的退火与正火 掌握退火与正火的概念。熟悉退火与正火的目的。 一 退火 是将钢件加热到一定温度，经保温后缓慢冷却，以获得接近于平衡组织的热处理工艺方法。 二 正火 是将钢件加热到全部奥氏体化温度，经保温后在空中或用其它适当方式冷却，以获得细珠光体组织的热处理工艺方法。 三 退火与正火的目的 一般把热处理工艺分为最终热处理和预先热处理两大类。最终热处理的目的 6

是使零件达到设计使用的性能要求，而预先热处理的目的则是消除或改善前工序引起的缺陷，为后续工序做好性能与组织准备。 退火与正火用于毛坯预先热处理，可以达到以下目的： 1 消除和改善坯料制备时所造成的各种组织缺陷。 2 获得最利于切削加工的组织与硬度。 3 改善组织中相的形态与分布，细化晶粒，为最终热处理做好组织准备。 用于中间热处理的目的是： 1 消除或降低内应力，以减小后继工序加工后变形或开裂倾向。 2消除冷作硬化，软化金属，以利于冷塑性变形的继续进行。 四 正火与退火的选用 1 低碳钢。 这类钢主要应解决塑性过高造成粘刀而不易切削加工的问题，故采用正火为宜。 2 中碳钢。 为满足切削加工要求，含碳量不超过0.45％的钢选用正火是合适的。含碳量超过0.45％的钢和一些合金含量较高的中碳结构钢，因正火硬度过高，故宜采用退火。 3 高碳钢。 从切削加工或最终热处理淬火的需要来看，采用退火为宜。

第五节 钢的淬火与回火 熟悉淬火、回火的概念，重点学习淬火、回火的工艺要素以及淬火回火的目的。 把钢加热到奥氏体化温度，保持一定时间，然后大于临界冷却速度冷却，这种热处理操作成为淬火。大部分零件淬火的目的是起到强化作用。淬火后获得马氏体或下贝氏体，通过回火得到预期的机械性能。 一 钢的淬火加热 淬火加热温度，主要根据钢的化学成分，结合具体工艺因素进行确定。 1 钢的化学成分 一般情况下，亚共析钢淬火温度为Ac3+30～50℃；共析钢或过共析钢的淬火