工程材料教学课件

大连交通大学工程材料课程工程训练中心工程材料金属材料非金属材料黑色金属材料：钢和铸铁有色金属材料高分子材料铜及铜合金滑动轴承合金陶瓷材料复合材料铝及铝合金工程材料的分类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。金属材料的性能使用性能加工工艺性能机械性能：强度、硬度、塑性、韧性等铸造性能：流动性、收缩性等锻造性能：压力加工成型性等切削加工性能：车、铣、刨、磨的切削量，光洁度等物理性能：导电、导热、电磁、膨胀等化学性能：抗氧化性、耐腐蚀性等焊接性能：熔焊性、焊缝强度、偏析等热处理性能：淬透性、回火稳定性等第1章钢的热处理热处理的概念1.1钢在加热时的转变1.2钢在冷却时的转变1.3钢的普通热处理1.4钢的表面热处理1.5钢的化学热处理钢的热处理把固态金属材料在一定介质中的加热、保温和冷却，以改变其组织和性能的一种工艺。1.1钢在加热时的转变临界温度平衡时：A1、A3、Acm加热时：Ac1、Ac3、Accm冷却时：Ar1、Ar3、ArcmA1A3Acm1．奥氏体的形成——Fe，C原子扩散和晶格改变的过程。共析钢加热到Ac1以上时，P→A共析钢A化过程——形核、长大、Fe3C完全溶解、C的均匀化。亚（过）析钢的A化——P→A，首先是先共析F或Fe3CⅡ溶解。影响A转变速度的因素加热温度和速度↑→转变快C%↑或Fe3C片间距↓→界面多，形核多→转变快合金元素→A化速度↑或↓A晶粒度：起始晶粒度实际晶粒度本质晶粒度加热温度，保温时间↑→晶粒尺寸↓合金碳化物↑，C%↓→晶粒尺寸↓1.2钢在冷却时的转变：1．过冷A的等温转变2．过冷A的连续冷却转变1.过冷A的等温转变过冷A:TA1时，A不稳定。A等温转变曲线(TTT或C曲线)共析钢的C曲线高温转变，A1~550℃过冷A→P型组织中温转变，550℃~MS过冷A→贝氏体(B)低温转变，MS~Mf过冷A→马氏体(M)01时间/sT/℃M+A'A1100200300400500600700800-100100101010102345AMsMf过冷A过冷AA→MA→下BA→S转变开始转变结束A→上BA→TA→PM下B上BTSP5~25HRC25~35HRC35~40HRC40~50HRC50~60HRC60~65HRC高温P转变过程——晶格改变和Fe，C原子扩散。P型组织——F+层片状Fe3C珠光体P索氏体S屈氏体T层片间距：PST珠光体P，3800×索氏体S8000×屈氏体T8000×中温转变（550℃~MS）——C原子扩散，Fe原子不扩散过冷A→贝氏体B（碳化物+含过饱和C的F）：上B，550~350℃产物——羽毛状，小片状Fe3C分布在F间。上B强度和韧性差光学显微照片1300×电子显微照片5000×45钢，上B+下B，×400下B，350℃~MS产物：下B韧性高，综合机械性能好。F针内定向分布着细小Fe2.4C颗粒电子显微照片12000×T8钢，下B，黑色针状光学显微照片×400马氏体（M）转变特点1)无扩散Fe和C原子都不进行扩散，M是体心正方的C过饱和的F，固溶强化显著。2)瞬时性M的形成速度很快，温度↓则转变量↑3)不彻底M转变总要残留少量A，A中的C%↑则MS、Mf↓，残余A含量↑4)M形成时体积↑，造成很大内应力。M的形态C%0.25%时，为板条M（低碳M）。板条M,平行的细板条束组成针状M（凸透镜状）C%1.0%时，为针状M。C%=0.25~1.0%时，为混合M。Fe-1.8C，冷至-100℃Fe-1.8C，冷至-60℃M的性能C%↑→M硬度↑针状M硬度高，塑韧性差。板条M强度高，塑韧性较好。亚（过）共析钢过冷A的等温转变01时间/sT/℃A1100200300400500600700800-100100101010102345AA→BA→PBPM+A'MfMs01时间/sT/℃100200300400500600700800-100100101010234AA→BA→PBP+FM+A'A3A→FA+FMfMsA101时间/sT/℃A1100200300400500600700800-100100101010235AMsMfA→BA→PBP+Fe3CⅡM+A'AcmA→Fe3CⅡA+Fe3CⅡ104与共析钢相比，C曲线左移，多一条过冷AF（Fe3CⅡ）的转变开始线，且Ms、Mf线上（下）移。2.过冷A的连续冷却转变连续冷却转变(CCT)曲线Ps——A→P开始线Pf——A→P终止线KK'——P型转变终止线Vk——上临界冷却速度Vk'——下临界冷却速度MS——A→M开始温度Mf——A→M终止温度连续冷却转变产物CCT和TTT曲线的比较CCT位于TTT曲线右下方CCT中没有A→B转变炉冷→P(V≈０)空冷→S(V≤Vk')油冷→T+M+A'(Vk'～Vk)水冷→M+A'(V≥Vk)亚共析钢连续冷却转变炉冷→F+P空冷→F+S油冷→T+M水冷→M过共析钢连续冷却转变炉冷→P+Fe3CⅡ空冷→S+Fe3CⅡ油冷→T+M+A'水冷→M+A'转变温度对共析钢硬度和韧性的影响按转变温度的高低，转变产物分别是：P、S、T，上B、下B、M，其硬度依次增加。钢的普通热处理1．退火2．正火3．淬火4．回火1．退火加热、保温后，缓冷(炉冷)→近平衡组织P（+F或Fe3CII）完全退火（亚共析钢）加热温度Ac3+20～30℃缓冷→F+P目的：细化晶粒，均匀化组织降低硬度→切削性↑等温退火：等温转变→F+P，再缓冷球化退火（过共析钢）在Ac１+20～30℃等温，使Fe3CⅡ球化，再缓冷→球状P（F+球状Cm）目的：硬度↓,切削性↑,韧性↑•扩散退火•加热至略低于固相线目的：使成分、组织均匀•再结晶退火：•加热温度TR+30～50℃•目的：消除加工硬化•去应力退火加热温度＜Ac1，一般为500～650℃•目的：•消除冷热加工后的内应力２．正火应用：1)钢的最终热处理细化晶粒，组织均匀化，增加亚共析钢中P(S)%→强度、韧性、硬度↑2)预先热处理——淬火、球化退火前改善组织。3)增加低碳钢的硬度，以改善切削加工性能。加热温度Ac3(Accm)+30～50℃，空冷→S（+F或Fe3CII）3．淬火（蘸火）加热到Ac3、Ac1以上，保温，快速冷却→M。淬火温度1)亚共析钢Ac3+30～50℃2)过共析钢Ac1+30～50℃，→M+Fe3CII+A'，硬度大。A中C%↓→M脆性↓，残余A%↓淬火温度低→M细小，淬火应力小。冷却介质冷却速度：盐水＞水＞盐浴＞油淬火方法单介质淬火：水、油冷双介质淬火：水冷+油冷分级淬火：＞Ms盐浴中均温＋空冷等温淬火（在盐、碱浴中）→下B钢的淬透性淬火时得到M的能力，取决于临界冷却速度VK。淬透性的应用按负载，选择不同淬透性的材料。淬硬性：淬火后获得的最高硬度，C%↑→淬硬性↑影响淬透性的因素除Co外，合金使VK↓,淬透性↑(a)完全淬透(b)淬透较大厚度(c)淬透较小厚度淬透性不同的钢调质后机械性能的比较4．回火淬火后，加热到Ac1以下，保温，冷却。目的：消除淬火应力，调整性能。低温回火（150～250℃）→回火M(过饱和F+薄片状Fe2.4C)+A'淬火应力↓，韧性↑，保持淬火后的高硬度。用于高C工具钢等。中温回火（350～500℃）→回火T(F+细粒状Cm)弹性极限和屈服强度↑，韧性和硬度中等。用于弹簧等。高温回火（500～650℃）→回火S(等轴状F+粒状Cm)综合机械性能最好,即强度、塑性和韧性都较好。用于重要零件。调质处理——淬火+高温回火回火产物的组织形态比较回火M×400回火T×7500回火S×7500M低倍T×1000S×1000回火时性能的变化回火温度↑→硬度、强度↓，塑性↑钢的表面热处理表面淬火不改变心部组织，利用快速加热将表层A化后进行淬火。目的：提高表面硬度，保持心部良好的塑韧性。感应加热表面淬火交变磁场→感应表面电流→表面加热特点1)加热速度快，晶粒度小，硬度↑，脆性↓2)表层残余压应力→提高疲劳强度3)不易氧化、脱碳、变形小。4)加热温度和淬硬层厚度容易控制。火焰加热表面淬火（乙炔－氧等火焰）设备简单，但生产率低。钢的化学热处理将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组织和性能。分类——渗C、N化、CN共渗、渗硼、渗铬、渗Al等。钢的渗C——气体、固体渗C低C钢在高C介质中加热到900～950℃、保温→高碳表层（约1.0%）目的：表面硬度，耐磨性↑，心部保持一定的强度和塑韧性。渗碳后的的热处理淬火直接淬火——晶粒粗大，残余A多，耐磨性低，变形大。一次淬火——加热温度Ac3以上（心部性能↑）或Ac1以上（表面性能↑）二次淬火——Ac3以上（心部性能↑）+Ac1以上（表面性能↑）低温回火,150～200℃，消除淬火应力，提高韧性。钢的氮化工件表面渗入N原子，以提高硬度、耐磨性，疲劳强度和耐蚀性。氮化温度低(500～600℃)，时间长（20～50h），渗层薄。氮化前调质处理、氮化后无须淬火。小结重点要求1.A等温冷却曲线，转变温度与转变产物的组织形态、性能间的关系。2.A连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对组织和性能的影响。3.四种常规热处理的目的、工艺特点及应用。一般要求1.A晶粒长大的影响因素及控制方法。2.非共析钢C曲线的特点；淬透性的概念。3.钢的表面淬火；化学热处理。第3章合金钢3.1概述3.2合金钢的分类和编号3.3合金元素在钢中的作用3.4合金结构钢3.5合金工具钢合金钢碳素钢品种齐全，冶炼、加工成型比较简单，价格低廉。经过一定的热处理后，其力学性能得到不同程度的改善和提高，可满足工农业生产中许多场合的需求。但是碳素钢的淬透性比较差，强度、屈强比、高温强度、耐磨性、耐腐蚀性、导电性和磁性等也都比较低，它的应用受到了限制。因此，为了提高钢的某些性能，满足现代工业和科学技术迅猛发展的需要，人们在碳素钢的基础上，有目的地加人了锰、硅、镍、钒、钨、钼、铬、钛、硼、铝、铜、氮和稀土等合金元素，形成了合金钢。合金元素的加入，不但会对钢中的基本相、Fe—Fe，C相图和钢的热处理相变过程产生较大的影响，同时还改变了钢的组织结构和性能，合金元素在钢中的作用是一个非常复杂的物理、化学过程。3.2合金钢的分类和编号3.2.1合金钢的分类3.2.1.1按合金钢的用途分类(1)合金结构钢主要用于制造重要的机械零部件和工程结构件的钢。包括普通低合金钢、易切削钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。(2)合金工具钢主要用于制造重要工具的钢，包括刃具钢、模具钢、量具钢等。(3)特殊性能钢主要用于制造有特殊物理、化学、力学性能要求的钢，包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。3.2.1.2按合金元素的含量分类碳钢：(1)低碳钢:≤0.25％c(2)中碳钢:0.25-0.6％c(3)高碳钢:≥0.6％c合金钢：(1)低合金钢：钢中合金元素总的质量分数WMe≤5％。(2)中合金钢：钢中合金元素总的质量分数Wme：5％～10％。(3)高合金钢：钢中合金元素总的质量分数WMe≥10％。3.2.1.3按平衡状态或退火组织分类可以分为:亚共析钢共析钢过共析钢和莱氏体钢3.2.2合金钢的牌号表示方法3.2.2.1合金结构钢的牌号表示方法根据国家标准的规定，合金结构钢的牌号用“两位数字+元素符号十数字”表示。元素符号前两位数字表示钢的平均碳质量分数wC，，以万分之一为单位计。元素符号用合金元素的符号表示，其后面的数字表示该合金元素的质量分数，以百分之一为单位计。当wMe1.5％时，只标明元素名称，不标明质量分数；当wMe＝(1.5％～2.4％)，(2.5％～3.4％)，……时，则在元素符号后相应地标上2、3、4……。如15MnV，表示碳的平均质量分数为0.15％C，锰、钒的平均质量分数均小于1.5％的合金结构钢。若为高级优质钢，则在钢的牌号末尾加上“A”，如18Cr2Ni4WA。对属于合金结构钢的滚动轴承钢，则采用另外的方法来表示