簡明金屬材料與熱處理

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1金屬材料與熱處理一、金屬材料及熱處理（一）硬度：是指金屬表面抵抗其它更硬物體壓入的能力。HB 鋼球印痕面積法=2P πD(D- )（單位面積上的力） ；dD2?HB>450 時(shí)不能用布氏方法；不能測太薄的金屬 δ>10h (壓坑深度)；HRC 測量淬火回火后的工件 （120 o 金鋼錐） ；HRB 測量較軟的退火件 銅、鋁 （ф1.588mm 鋼球） ；HRA 測量硬度很高或硬而薄的金屬，如硬質(zhì)合金表面處理工件等（120 o 金鋼錐） ；B 60—230HB φ1.588mm P:10+90Kg 25—100 HRBC 230—700 HB 10+140Kg 20—67 HRCA >700 HB120o 金鋼錐10+50Kg >70 HRAHR=k-h/0.002；H 壓痕深度（mm） ；K 常數(shù)，用鋼球時(shí)為 130，用金鋼石時(shí)為 100；0.002 為壓痕深，每 0.002 為洛氏硬度一度；高硬度時(shí) HRC 1/10HB；?HV 用頂角為 136o 金剛石四方角錐體，根據(jù)被測工件越薄，選用越小載荷;5、10、20、30、50、100、和 120Kg；HV=1.8544P/d2(1 公斤/mm2)；HV 可測量很薄的工件和滲碳層、氮化層、氰化層硬度。（二）強(qiáng)度：指材料抵抗外力作用而不被破壞的一種能力。? b =Pb/F0;?? s=PS/F0;? δ0.2 產(chǎn)生 0.2%永久變型量時(shí)的強(qiáng)度。（三）塑性：指材料發(fā)生永久變形而不被破壞的一種能力。? δ 伸長率：斷裂的長度增加量與原長度之比。δ＝（L 1-L0）/L 0×100％? 斷面收縮率：拉斷的橫截面積減小量與試樣原來橫截面積之比，百分?jǐn)?shù)。?? 硬度與強(qiáng)度的近似關(guān)系：軋制或鍛鋼件 b＝（0.34-0.36）HB?鑄鋼件 b＝（0.3－0.4）HB灰口鑄鐵件 b＝（HB-40）/62（四）韌性：指材料抵抗沖擊力的作用而不被破壞的一種能力。沖擊韌性 ak=Ak/F(1 公斤·米/厘米 2);脆性與韌性相反，脆性材料的破壞是突然發(fā)生，沒有顯著變形，斷口處很明亮并有金屬光澤。而韌性材料的破壞都有預(yù)兆，并且斷口呈灰色纖維狀。如 M24 螺栓斷裂表面呈灰色纖維狀，說明有一定韌性。材料晶粒越細(xì)，a k 值越高。二、熱處理基礎(chǔ)知識? 原子順續(xù)排列的狀態(tài)叫晶體，晶體顆粒組合在一起組織金屬材料。晶粒之間的結(jié)合面叫晶界。? 晶粒有體心立方晶格和面心立方晶格，晶格是組成晶粒的最小單元。? 體心立方體晶格的 8 個(gè)頂點(diǎn)各有一個(gè)原子，中心一個(gè)原子。? 面心立方體 晶格的 8 個(gè)頂點(diǎn)和 6 個(gè)平面各有一個(gè)原子。? 體心立方晶格組織材料較硬，抗力較大，不易鍛造。如 Cr、W 、Mo、Mn、V、αFe（常溫鐵） 。? 面心立方晶格較軟，易變形如 Al、Cu、Ni、Pb、γFe （奧氏體）3? 晶粒大小（或稱粗細(xì)）會(huì)直接影響到鋼材的質(zhì)量，晶粒愈細(xì)小，鋼材的性能越好，晶粒愈粗大，鋼材的性能就愈差，特別是 ak 就愈低。正火、淬火溫度控制就是為細(xì)化晶粒。此外，細(xì)晶粒的鋼材在熱處理淬火加熱與冷卻時(shí)，引起變形與開裂的傾向也小的多，所以細(xì)化晶粒的預(yù)先熱處理是最終熱處理的必備工序。? 具有體心立方晶格的純鐵叫 αFe;? 面心立方晶格的純鐵叫 γFe;? αFe 和 γFe 在 910oC 時(shí)發(fā)生較變；℃? 純鐵在 770oC 以下具有磁性，770 oC 以上沒有磁性。? 三、名詞：1、固溶體：固態(tài)下溶解有其它元素的組織叫做“固溶體” （αFe 和 γFe 對 C 的溶解能力是大小不一樣的）2、鐵素體：就是碳在 αFe 中的固溶體。室溫下可溶解 0.006％的碳，723 oC 時(shí)可溶解達(dá)到最大值 0.025％。3、奧氏體：就是碳在 γFe 中間隙式的固溶體。由于 γFe 的原子間的空隙較大， 723oC 時(shí)可溶解碳量為 0.8％（共析鋼） ，1130 oC 溶解量達(dá)到最大值2％。4、滲碳體：即 ΑFe3C（碳化鐵） ，ΑFe:C=3:1(原子數(shù)比 )，具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)的化合物稱為滲碳體，滲碳體中含碳量為 6.67％，其溶解度不隨溫度的變化（化合物） 。熔點(diǎn) 1600oC 左右，硬度很高;HB>800 ，很耐磨，但很脆，滲碳體和鐵素體混合在一起就是常用的鋼材，隨含碳量的增高，硬度強(qiáng)度增高，a k 下降。加入合金元素形成合金碳化物，其硬度還會(huì)更高，如碳化鎢（WC）碳化鈦（TiC）等。5、珠光體：珠光體是鐵素體和滲碳體兩者所組成的機(jī)械混合物，他存在于 723oC 以下，是鐵素體與滲碳體一層一層交替分布著，顯微鏡下白亮呈片狀為滲碳體中間較寬的白色間隔層為鐵素體。這種組織顯出珍珠表面相似的紋路和光澤，所以稱珠光體。純珠光體含碳量為 0.8%（共析鋼） 。粗片狀鐵素體加粗片狀滲碳體叫珠光體，等溫轉(zhuǎn)變 670－723度 HB170－250（HRC 0-24）通過熱處理方法（加熱到 Ac1 線略高保溫時(shí)間長）可以獲得一種滲碳體呈顆粒狀分布在鐵素體基體上的組織，這種組織叫做粒狀（或球狀）珠光體，以改善加工性能和熱處理變形開裂性能。46、網(wǎng)狀滲碳體：過共析鋼在 Acm 線以下奧氏體中析出的滲碳體分布在奧氏體晶界上或降到 A1 線以下滲碳體固化在珠光體晶界上即呈網(wǎng)狀分布。7、索氏體：在等溫轉(zhuǎn)變 C 形線鼻尖所得到的較細(xì)片狀鐵素體+較細(xì)片狀滲碳體叫之索氏體。等溫轉(zhuǎn)變溫度 600－670 oC（珠光體的一種）HB250－320，HRC24 －32。8、屈氏體：同上是珠光體的一種，更細(xì)片狀鐵素體+更細(xì)片狀滲碳體叫之為屈氏體，形成溫度 600－550 oC。HB330－400（HRC32 －38 ） 。珠光體、索氏體、屈氏體、都屬珠光體只是粗細(xì)不同，性能上有差異。9、上貝氏體：鐵素體形成密集面相互平行的扁片滲碳體呈短片狀斷斷續(xù)續(xù)地分布在鐵素體片層之間，上貝氏體在顯微鏡下呈羽毛形態(tài)，HRC45 左右，形成溫度 500—400oC。10、下貝氏體：鐵素體形成針狀，極為細(xì)小的滲碳體質(zhì)點(diǎn)呈彌散狀分布在針狀鐵素體內(nèi)，呈黑色針狀顯微形態(tài)。HRC55 左右，形成溫度 230—400oC。11、馬氏體：奧氏體快速冷卻不觸及 C 形線鼻尖直接降到 230oC 以下（共析鋼） ，即低于 Ms，γFe 轉(zhuǎn)變?yōu)?αFe，碳原子全部被保留在 αFe 中，形成一種過飽和的固溶體組織，這就是馬氏體。這種轉(zhuǎn)變也稱非擴(kuò)散形轉(zhuǎn)變。馬氏體金相顯微組織呈針狀，黑色針狀物為馬氏體，白色基體稱為殘余奧氏體。性能十分脆硬。HB 可達(dá) 600－700（HRC60 －65） 。淬火即可獲得這種組織。硬度取決于 C 含量，低 C 鋼淬不硬，含 C 量高于 0.8％，硬度幾乎不再增加了。馬氏體的轉(zhuǎn)變隨 C 含量增高而降低含碳量 0.5％時(shí) Mz 約 0oC，Ms290 oC 隨著含 C 增 Ms 下降，C 量小于 0.8％時(shí) Mz 也隨 C 而下降，0.9 以上時(shí) Mz 在-100 oC 附近?下降不大。奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變有一個(gè)很大的特點(diǎn)：奧氏體不能百分之百轉(zhuǎn)化為馬氏體總有較少的奧氏保留下來，稱保留下來的為殘氏奧氏體。因奧氏體為 γFe 面心產(chǎn)方晶格，比容（單位重量的體積）較小，約只有 0.122—0.125，而馬氏體為 αFe 過飽和固溶體，比容較大，約有 0.127－0.130，可見，在轉(zhuǎn)變過程中，在馬氏體形成的同時(shí)還伴隨著體積的膨脹，從而會(huì)對尚未轉(zhuǎn)變的奧氏體造成一內(nèi)壓力，合使其不易發(fā)生向馬氏體的轉(zhuǎn)變而被保留下來。Ms Mz 點(diǎn)越低剩余奧氏體量也就越多。12、過冷奧氏體：低于 A1 線溫度狀態(tài)下存在的奧氏體， C 形曲線鼻尖溫度處的過冷奧氏體最不穩(wěn)定，最容易發(fā)生分解。13、晶粒度：晶粒度就是用來表示晶粒大小的尺度，共分為 8 級;冶金部規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)測定方法將制成的試樣在放大 100 倍的顯微鏡下觀察與標(biāo)準(zhǔn)晶粒度作比較以確定實(shí)際晶粒的大小。凡在 1－4 級者為粗晶粒鋼，5－8 級者為細(xì)晶粒鋼。粗晶粒鋼溫度、韌性等變壞，所以熱處理時(shí)加熱溫度不能過高，時(shí)間不能過長，防止晶粒過大。5第二講14 退火：就是將鋼加熱到 Ac3 線（過共析鋼為 A1 線）以上，保溫一定時(shí)間為工件厚度（ ）小時(shí) ，合金鋼（ ）小時(shí)，隨爐冷卻，得到鐵素體加珠m25?? m20??光體（亞共析） ，珠光體（共析鋼） ，滲碳體加珠光體（過共析鋼）的方法，降低硬度，提高塑性，改善壓力和切削性能。15、正火：就是將鋼加熱到 Ac3 線和 Acm 以上 30－50 oC，保溫后出爐空冷，分別得到鐵素體加索氏體、索氏體，有細(xì)化晶粒、調(diào)整組織、削除前道鑄造、鍛造冷加工產(chǎn)生的缺陷，作為預(yù)先熱處理作用。提高鋼材加工性能（最好 HB200－250 時(shí)）提高加工面光潔度，不粘刀，加工表面光滑。比如管路密封膠圈結(jié)合面，O 型圈溝槽，缸、泵接口平面。16、等溫退火：鋼加熱到 Ac3 以上 30-50oC,保溫后較快冷卻到略低于 Ar1 的溫度（或轉(zhuǎn)入略低于 Ar1 的爐中）在此溫度下奧氏體金部轉(zhuǎn)變完成，主要用于合金鋼退火。17、球化退火：目的在于過共析鋼得到球狀珠光體，便于加工，也是熱處理的前處理。球化退火的工藝是加熱到溫度略高于 Ac1 以上 10－20 oC，保溫后緩慢冷卻到略低于Ar1 的溫度并停留一段時(shí)間，使組織轉(zhuǎn)變?nèi)客瓿桑缓罄渲?500oC 以下再空冷。加熱溫度超過 Ac1 越高，則冷卻以后得到的片狀珠光體會(huì)愈多。若超過 Acm 時(shí)，則冷卻下來所得到的全部為片狀珠光體。球化退火所以能形成球狀珠光體，是因?yàn)殇撛诩訜岬铰愿哂?Ac1 時(shí)呈現(xiàn)一不均勻的組織。即除了奧氏體的濃度不均勻外，還有大量未溶解的滲碳體存在。其中片狀滲碳體在較長時(shí)間的保溫過程中會(huì)自發(fā)地趨于球狀（因后者最為穩(wěn)定） 。當(dāng)鋼隨后冷卻下來時(shí)，由奧氏體分解而形成的 ΑFe3C 也逐漸球狀化因而最終便獲得在鐵素體基體上分布著許多顆粒狀滲碳體，這就是球狀珠光體。18、低溫退火：為消除鑄、鍛、焊接、切削冷沖壓過程的內(nèi)應(yīng)力，緩慢速度加熱到6500－650 oC，經(jīng)適當(dāng)保溫，再緩冷下來的過程，又叫去應(yīng)力退火。鋼的顯微組織不發(fā)生改變。19、淬火：將鋼加熱到 Ac3 線或 Ac1 線上 30－50 oC，保溫一段時(shí)間（均勻化）快速冷卻下來，以得到高硬度馬氏體組織的方法。細(xì)晶粒奧氏體得到細(xì)晶粒馬氏體組織。過共析鋼有網(wǎng)狀 ΑFe3C 時(shí)，應(yīng)先正火細(xì)化晶粒再淬火。合金鋼加熱溫度相對較高。20、顯微裂紋：工件淬火后得到馬氏體組織，此時(shí)的組織中存在著極大的內(nèi)應(yīng)力，如果不及時(shí)回火，則會(huì)由于淬火應(yīng)力的作用容易在工件內(nèi)部產(chǎn)生顯微裂紋，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致工件的脆性增大而開裂。21、回火：工件淬火后一般都要進(jìn)行回火，淬火后得到馬氏體性能很脆，并存在很大應(yīng)力，不及時(shí)予以回火，時(shí)間久了可能會(huì)引起工件發(fā)生開裂，回火就是將淬火后的工件重新加熱到A1 以下某溫度保溫一段時(shí)間，然后取出工件以一定的方式冷卻下來。22、回火馬氏體（低溫回火）：馬氏體是一種過飽和 ΑFe 固溶體，從室溫加熱到?300oC 左右，隨著升溫原子活力增加，C 原子開始以某種碳化物的形式從馬氏體中析出，因溫度不高，析出的碳化物未全部脫離原馬氏體組織，仍處在一定的過飽和狀態(tài)，這種組織稱為回火馬氏體。對硬度影響不大，但內(nèi)應(yīng)力清除了一部分。23、第一類回火脆性：馬氏體中 C 的過飽和度大時(shí)，淬火后內(nèi)存較多的殘余奧氏體，大約在 250－350 oC 時(shí)，殘余奧氏體也發(fā)生向較為穩(wěn)定的回火馬氏體轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的結(jié)果可使硬度有增加（1－2HRC） ，這種現(xiàn)象在高碳鋼中尤為明顯，與此同時(shí)沖擊韌性卻略有下7降，稱為第一類回火脆性。24、第二類回火脆性：主要發(fā)生在合金鋼 450－650 oC 含 Cr、Ni、Mn、Si 等; 在此溫度回火后進(jìn)行緩冷時(shí)，有極其細(xì)小的片狀硬脆物。如：碳化物、氮化物、或磷化物沿鐵素體晶界析出所致?？焖倮鋮s會(huì)使溶于鐵素體中的硬脆物來不及析出。隨溫度升高， k 提?高是因所析出的化合物球化的結(jié)果。我們常用的 40Cr 有二類回火脆性的傾向，一般談到回火脆性主要指第二類回火脆性。生產(chǎn)中防止回火脆性的方法主要有：? 回火后進(jìn)行快速冷卻（油或水冷）為消除重新產(chǎn)生的熱應(yīng)力，則在回火后可再進(jìn)行一次溫度低于發(fā)生回火脆性溫度的補(bǔ)充回火。? 加入少量防止回火脆性的合金元素 Mo 和 W 等。25、中溫回火屈氏體：將馬氏體回?zé)岬?300—400oC 左右，過飽和的 C 原子析出與鐵原子結(jié)合生成顆粒狀碳化物，馬氏體組織中碳濃度減少，晶格改組轉(zhuǎn)變成鐵素體組織，形成由極細(xì)小的顆粒狀滲碳體分布在鐵素體基體上這種機(jī)械混合物稱之為回火屈氏體。26、高溫回火索氏體：馬氏體加熱到 400－650 oC 左右細(xì)小 ΑFe3C 顆粒聚集成較大顆粒（自發(fā)合并長大）得到較大滲碳體與鐵素體所組成的機(jī)械化合物。這種組織叫回火索氏體，強(qiáng)度、硬度降低，塑性、韌性增加。與正火索氏體相比，滲碳體呈球狀而不是呈片狀。27、魏氏體組織：鐵素體沿晶界分布并呈針狀插入珠光體內(nèi)，使鋼材的塑性和韌性大大下降（ΑFe 從 P 中析出時(shí)未形成清晰的晶界，冷卻凝固成的組織）28、萊氏體：Y→ A+ΑFe3CⅠ → L(P+ΑFe3CⅡ + ΑFe3CⅠ )29、一次滲碳體ΑFe3CⅠ ：過共析鋼從液體轉(zhuǎn)變?yōu)?A+ΑFe3C 時(shí)的 ΑFe3CⅠ 叫一次滲碳體。30、二次滲碳體ΑFe3CⅡ ：隨溫度降低，從 A 中析出的 ΑFe3C 叫8二次滲碳體 ΑFe3CⅡ 。31、三次滲碳體 ΑFe3CⅢ ：含碳量小于 0.02％的鐵素體，溫度降到 PQ 線以下時(shí)，析出的滲碳體叫三次滲碳體 ΑFe3CⅢ32、淬透性：材料淬火能夠得到淬透層深度的能力稱為“淬透性” ，與化學(xué)成分和尺寸有關(guān)。33、淬透深度：是指由鋼的表面測量到馬氏體占 50％，珠光體占 50％的組織深度。34、淬硬性：鋼經(jīng)過淬火后得到的最大硬度值，含 C 越高淬硬性越大，反之越小。一、 鋼的加熱與冷卻 基本組織（一）加熱溫度與奧氏體的晶粒度當(dāng)共析鋼加熱到 Ac1 亞共析鋼加熱到 Ac3，過共析鋼加熱到 Acm 線以上不多時(shí)，便產(chǎn)生了室溫時(shí)的珠光體，全部轉(zhuǎn)變成為奧氏體組織，此時(shí)鋼形成的奧氏體的起始晶粒是很細(xì)小的，它與轉(zhuǎn)變前原來珠光體組織晶粒的大小無關(guān)，如果此時(shí)的細(xì)晶粒的奧氏體再冷卻下來，則所得到的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物珠光體，索氏體、屈氏體或馬氏體的晶粒也必須是細(xì)小的，這就是說，高溫奧氏體（高于轉(zhuǎn)變線溫度的 A）晶粒的大小，決定了轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物的晶粒的大小，而與以后工件的水冷、油冷、空冷的等方式無關(guān)；對得到什么金相組織與冷卻速度，冷卻相變溫度有關(guān)。亞共析鋼和過共析鋼在加熱到Ac1 以上不多時(shí)，室溫時(shí)的珠光體全部轉(zhuǎn)化為細(xì)小晶粒的奧氏體 A。與共析鋼不同的是在 Ac1 以上繼續(xù)加熱時(shí)，亞共析鋼鐵素體和過共析鋼中的滲碳體 ΑFe3C 逐步溶解到奧氏體組織去，不過溶解過程并不影響奧氏體 A 晶粒的大小，直到 Ac3 以上不多時(shí)，аΑFe 和 ΑFe3C 全部溶入 A 中，A 仍能保持細(xì)小的晶粒，所以熱處理加熱溫度均為 Ac1 或 Ac3 以上30～50℃。當(dāng)加熱溫度繼續(xù)升了，經(jīng)過Ac3 或 Acm 以上很多時(shí)，及保溫時(shí)的不恰當(dāng)延長，均會(huì)促使奧氏體 A 晶粒的長大，這種“ 長大 ”經(jīng)過是靠大晶粒吞并（或聚集）小晶粒來實(shí)現(xiàn)的，粗大的 A 晶粒在以后冷卻下來時(shí)會(huì)得到是粗大晶粒的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，從而使鋼的性能，特別是 аk 值顯著下降，引起淬9火過程中變型與開裂傾向也增大，這種由于加熱溫度過高，引起 A 晶粒粗大的現(xiàn)象稱為“過熱”，一旦產(chǎn)生這種情況，可采用重新退火或正火，控制最高加熱溫度加 m 消除；若加熱溫度更高（接近于固相線 AE 線）這時(shí)不只是晶粒的粗大，而且還會(huì)造成 A 體晶粒邊界嚴(yán)重氧化和低熔點(diǎn)組成物的溶化。 （如 ΑFeS 熔點(diǎn) 985℃） ，破壞了晶粒間的相互聯(lián)系，以致使工件報(bào)廢，這種現(xiàn)象稱作“過燒” 或叫“燒毀”。鋼材的晶粒度分為 1－8 級 YB27－64。規(guī)定，加熱到 930℃奧氏體的晶粒度分線，測定方法是將制成試樣在放大 100 倍的顯微鏡下觀察，并與標(biāo)準(zhǔn)晶粒度做比較，以確定 A 氏體實(shí)際晶粒大小，因 A 晶粒度決定了室溫組織的晶粒度，所以以室溫樣塊作對照；有兩種分發(fā)一可認(rèn)為 1－3 級為粗晶粒，4－6 級為中等晶粒，7－8 級為細(xì)晶粒，在評定鋼材時(shí)一般加熱到 930℃時(shí)，具有 1－4 級晶粒的稱為“本質(zhì)粗晶粒鋼” 而 5－8 級晶粒度的稱為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，增加合金元素可以調(diào)整同種加熱溫度的鋼材晶粒度。（二）碳及合金元素對加熱轉(zhuǎn)變的影響在加熱亞共析或過共析鋼時(shí)，其奧氏體的形成過程是在珠光體 P 轉(zhuǎn)變成 A 的還有鐵素體 аΑFe 或二次滲碳體繼續(xù)向 A 轉(zhuǎn)變或溶解的過程。合金元素對奧氏體形成的影響，大致歸納為如下兩點(diǎn)：（1）除個(gè)別合金元素如 Mn、Ni 造成臨界點(diǎn)降低處， TiMo、W、SiCr 由強(qiáng)至弱，均在不同程度上提高了鋼的臨界點(diǎn) Ac1、Ac3 、Acm。（2）除 CO 等外，大多數(shù)合金元素都會(huì)減慢碳在 A 中的擴(kuò)散速度也較小，所以溫度較高外必須進(jìn)行較長的保溫時(shí)間，或采取二次加熱。（3）碳及合金元素對 A 晶粒的影響a、共析鋼加熱時(shí) A 晶粒最易長大。b、過共析鋼加熱到 Ac1 以上不太高時(shí)由于大量二次 ΑFe3CII 的存在，可以得到比較細(xì)的晶粒。c、各種合金鋼中，除了個(gè)別合金元素如：Mn、P 等外，大多數(shù)合金元素使鋼不同程度的細(xì)化，尤其是強(qiáng)烈形成碳化物的元素 Ti、V、Al、Nb、W、Mo 、Cr 由強(qiáng)到弱，均能阻止奧氏體晶粒長大，從而細(xì)化晶粒，原因是合金元素在鋼中形成難于溶解于 A 的碳化物及氮化物分布在 A 的晶界上，會(huì)阻止 A 晶粒長大，影響較弱的元素 Si 和 Ni，只有 Mn 元素起到促進(jìn)奧氏體晶粒長大，Ti、V、Al 常作為細(xì)化晶粒元素加入鋼中，減少加熱時(shí)的過熱傾向。因此，合金鋼淬火加熱溫度稍高，仍可獲得細(xì)晶粒奧氏體，只有錳鋼熱敏感性較大，應(yīng)選擇較低的淬火加熱溫度。（三）鋼在高溫 A 狀態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變（1）鐵碳圖、C 形線、自熱冷卻轉(zhuǎn)變的幾個(gè)圖表。10鐵碳合金平衡圖11δΑFe 體心立方晶格 1390℃～1534℃ C 0.1％以下γΑFe 面心立方晶格 910℃～1390℃аΑFe 體心立方晶格 910℃以下實(shí)際加熱臨界點(diǎn) 實(shí)際冷卻臨界點(diǎn)A3 亞共析鋼 A 轉(zhuǎn)變線 Ac3 Ar3Acm 過共析鋼 A 轉(zhuǎn)變線 Accm ArcmA1 珠光體→A 轉(zhuǎn)變線 Ac1 Ar112代號 P 珠光體、 S 索氏體、 T 屈氏體、B 貝氏體、M 馬氏體、F 鐵素體、ΑFe 3C 滲碳體、A 奧氏體、Y 液體、L 萊氏體、δΑFe 高溫鐵素體、γΑFe 中溫鐵素體。аΑFe 低溫鐵素體。13M 馬氏體叫過飽和 аΑFe 固溶體M 體積大，A 體積?。ㄍ|(zhì)量） ，A→M，體積膨脹，因此過冷 A 可能出現(xiàn)殘余 A，是個(gè)不穩(wěn)定，造成內(nèi)應(yīng)力開裂、變形、硬度低等。珠光體和殘余 A 含量反應(yīng)熱處理水平。消除殘余 A，采取冷處理-50～-80℃，再做一次回火處理消除殘 A。高碳鋼，淬火 560℃，回火三次，每次保溫 1 小時(shí)，應(yīng)能消除殘 A。隨碳量增加，飽和度增加，m 硬度增加14（2）碳在鋼中含量對 C 形成形狀位置的影響與共析鋼比較，亞共析和過共析鋼，都會(huì)造成 A 穩(wěn)定性變差，即在含 C 量高于 0.8％或低于 0.8％范圍的材料，C 形線發(fā)生左移，在 A 向 P 轉(zhuǎn)變前還分別有下貝氏體和滲碳體析出，析出量過冷量的增加而減少。合金元素對 A 分解有推遲作用，使 C 曲線右移，故合金鋼采用油淬，空氣淬火，一些碳化物元素，如 Cr、Mo、W、V 還會(huì)使 C 曲線形狀發(fā)生改變使 A→P ，A→B 分開。C 曲線除受 A 成分影響外還同 A 的晶粒度、均勻度及不溶于 A 的質(zhì)點(diǎn)有關(guān)，A 晶粒越大，C 形曲線右移，成分越均勻，越難分解，也會(huì)右移。凡不溶于 A 的質(zhì)點(diǎn)（如碳化物、氮化物）越多，A 發(fā)生分解時(shí)成為天然核心，使 C左移，即加熱溫度愈高，A 成分愈均勻，晶粒越大，碳化物溶入奧氏體中量就愈多，使 A穩(wěn)定性增加，結(jié)果使 C 曲線右移，只有當(dāng)合金碳化物溶入奧氏體時(shí)，才能減慢 A 分解速度，如果在 A 的晶界未被溶入，反而會(huì)加快奧氏體分解速度，使 C 曲線左移。（3）合金元素對 M 點(diǎn)的影響除 Al、Co 外，A 中的合金元素都會(huì)使 M 點(diǎn)降低，依次 Mn、Mo 、Cr、Ni、Cu 對 M點(diǎn)降的越厲害，測淬火后殘余 A 量也就越多。15合金元素對馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度 Ms 點(diǎn)的影響 合金元素對殘余奧氏體量的影響（4）合金元素對回火的影響合金鋼的回火穩(wěn)定性比相應(yīng)的 C 鋼來的好，其原因在于回火時(shí)，合金元素不僅自動(dòng)擴(kuò)散速度較慢，還起到了阻礙碳原子從馬氏體中析出和阻礙碳化物聚集的緣故。各種合金元素對材料強(qiáng)度、塑性、高溫強(qiáng)度、過熱傾向、淬透性、回火穩(wěn)定性、回火脆性的影響。（5）鋼在回火中的組織與性能的變化①馬氏體分解：淬火 M 是過飽和 а 固溶體，20～150℃回火時(shí)，M 內(nèi)部不斷析出細(xì)小碳化物，從而使碳化物周圍局部區(qū)域的 M 的含碳量下降 ;在 150～350℃時(shí)，M 的含碳量繼續(xù)下降，直到 350℃時(shí)，M 分解結(jié)束，а 固溶體中含碳量接近于正常的飽和狀態(tài)，內(nèi)應(yīng)力減少大為下降。②殘余 A 的轉(zhuǎn)變，殘余 A 在 200～300℃回火分解為過飽和的 а 固溶體+碳化物，過飽和的 а 固溶體的含碳量與回火至同樣溫度的 M 一樣。碳化物為薄片狀，以后在繼續(xù)加熱時(shí)，滲碳體將逐漸球化。③碳化物的形成和長大，實(shí)驗(yàn)證明，在 350℃以下回火時(shí)，由馬氏體中最初分解出的碳化物并非滲碳體（是什么？） ，而是一種呈薄片狀的極不穩(wěn)定的鐵碳化合物，隨溫度的升高，將轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀的比較穩(wěn)定的滲碳體，溫度繼續(xù)上升，滲碳體顆粒不斷聚集長大。性能的溫升變化：200℃以上時(shí)↑ 硬度↓ 內(nèi)應(yīng)力↓ аk↑ δb↑16300℃左右時(shí) ， δb 隨硬度 ↓而下降， 而 Ψ↑ аk↑，650℃左右時(shí)， Ψ 和 аk 達(dá)到最大值，>650℃ 較多時(shí)， Ψ 和 аk 因晶粒的粗化而有所降低。合金鋼碳鋼中特意加入一些合金元素的鋼，常用的合金元素鉻 Cr、錳 Mn、硅 Si、鋁 Al、硼B(yǎng)、鎢 W、鉬 Mo、釩 V、鈦 Ti、鈮 Nb 鋯 Zr 和稀土元素 Re 等。合金鋼分三大類：1、合金結(jié)構(gòu)鋼；2、合金工具鋼；3、特殊性能鋼（一）合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼是在碳鋼的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)丶尤胍环N或樹種合金元素，如Cr、Mn 、Si 、Ni、Mo、V 、Ti 等，使之具有好的強(qiáng)度，足夠地韌性和好的淬透性，好地17回火穩(wěn)定性，奧氏體穩(wěn)定性。合金結(jié)構(gòu)鋼分類：1、普通低合金結(jié)構(gòu)鋼（含碳量低）：含碳量在 0.10～0.25％之間的并含有少量多元合金元素（Si、 Mn、Cu、Ni 、Nb、Re ）的低碳結(jié)構(gòu)鋼，主要用于焊接鉚合結(jié)構(gòu)。如：16Mn、 09M2、16MnCu 、 15MnTi、15MnV、10MnSiCu 等。2、機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼：a、滲碳鋼：含碳量 0.15～0.25％之間，主要有 15＃ 、20 ＃ 、20Cr、20 Cr MnTi、20 Cr Mn Mo、20 Mo B、25 MnTiB、12 CrNi3A、20Cr 2Ni4A、18 Cr2 Ni4WA。經(jīng)滲碳淬火及低溫回火，用于表面耐磨的受力件，如齒輪花鍵軸等。b、調(diào)質(zhì)鋼： 含碳量在 0.25～0.5％之間，主要用于淬火加高溫回火（調(diào)質(zhì)） ，高強(qiáng)度高韌性零件，也有為到達(dá)更高的強(qiáng)度采用淬火加中溫或低溫回火的。常用材料40＃ 、45 ＃ 、45Mn 2、40Cr、35 Cr Mo、40 CrMn Mo、 40MnB、40 MnVB、40 Cr Ni Mo A、38 Cr MoAlA。注意：防止二類回火脆性的回火冷卻方法和次數(shù)、c、彈簧鋼： 含碳量在 0.60～0.70％之間，經(jīng)淬火和中溫回火的彈性零件，常用材料65＃、65Mn 、60Si 2Mn、70Si 3MnA、50CrVA、60Si 2CrVA、65 Si2MnWA、55 SiMnMoVNb、55 SiMnMoV 。d、軸承鋼： 含碳量在 0.95～1.10％之間，經(jīng)淬火加低溫回火使用的軸承件，主要有GCr9、GCr15、GCr15SiMn 、GMnMoVRe、GSiMnV、 GSiMnMoV。合金鋼編號方法：數(shù)字+化學(xué)元素+ 數(shù)字+化學(xué)元素+數(shù)字+……合金元素含量小于 1.5％時(shí)，只標(biāo)元素，不標(biāo)明含量（數(shù)值） ，如果平均含量等于或大于 1.5％、2.5％、3.5％……則相應(yīng)也以 2、3、4……等表示。若含硫、磷量較低（S≤0.02％ P≤0.03％）的高級優(yōu)質(zhì)鋼，在鋼號后加 “A”或“高”。工具鋼的編號方法：1、合金工具含碳量：平均含量 C≥1％，不標(biāo)出，C20 ％。且與普結(jié)鋼有更低的冷淬臨界溫度。一般規(guī)定要求在-40 。 C 時(shí)的 ak 不低于室溫的 50％?？珊感院茫? 。 C 以上時(shí)一般不用預(yù)熱，因加入 Mn、Si 等元素，主要是起到對鐵素體的固溶強(qiáng)化及細(xì)化晶粒等作用，為了提高耐蝕性能，還加入了適量的銅（0.2～0.5％）和磷（0.05～0.10％） 。低碳結(jié)構(gòu)鋼大多在正火狀態(tài)下使用，他們在正火狀態(tài)下的組織應(yīng)為鐵素體+索氏體。（三）滲碳鋼為得到高的表面硬度和耐磨性，而心部要求有較高的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)捻g性 ak 值，在結(jié)構(gòu)鋼中加入一定量的合金元素，如 Cr、Mn、Ni、 Mo、W、Ti、B 等，其中 Cr、Mn 、Ni所起的主要作用是增加合金滲碳鋼淬透性，并使淬火和低溫回火后表面和心部組織得到強(qiáng)化，其余如 Mo、W、Ti、B 等合金元素在合金滲碳鋼中含量一般是少的， B 的含量是極微量的，僅為 0.001～0.004％。Mo、W、Ti 所起的作用是形成穩(wěn)定的合金碳化物，阻礙 A晶粒長大，并使鋼在淬火和低溫回火后表層和心部組織強(qiáng)化，特別是增加表層的耐磨性，微量的 B 能強(qiáng)烈的 增加合金滲碳鋼的淬透性。心部為低碳淬火組織，保證了高的 ak 和足夠的強(qiáng)度 бb，表層含碳 0.85～1.05％，經(jīng)淬火后硬度高達(dá) HRC>60，有良好的耐磨性。如齒輪常用材料：20 Cr MnTi（原 18 Cr MnTi） ，鍛造后 950～970℃正火，硬度為HB170～210，加工性能良好，930～940℃滲碳 6-8 小時(shí)，預(yù)冷 870～880℃時(shí)油淬后160～200℃低溫回火，2-3 小時(shí)，強(qiáng)度、韌性、塑性都有升高，表面硬度 HRC58～60，心部硬度 HRC35～45，表面得到回火馬氏體，殘 A 和碳化物，心部為鐵素體+Pt 低碳回火M，б b≈100 公斤/㎜ 2，ψ≈50 ，a k≈80 公斤·米/㎝ 2，200℃回火強(qiáng)度最高。19（四）調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼主要用于受力情況復(fù)雜的重要零部件，最為良好的機(jī)械性能，既強(qiáng)又韌，調(diào)質(zhì)鋼的含碳量一般在 0.25～0.50％之間，碳素調(diào)質(zhì)鋼的含碳量應(yīng)控制在 0.50％以下，而合金調(diào)質(zhì)鋼的含碳量 0.25％以上。合金調(diào)質(zhì)鋼中主要的合金元素又 Cr、Ni、Mn、Si，主要作用是增加淬透性，調(diào)質(zhì)后內(nèi)部組織為回火索式體（實(shí)際上這些元素大多溶入鐵素體中，使鐵素體得到強(qiáng)化，與滲碳鋼心部組織相似） ，其余 Mo、V、B 等元素，他們在合金調(diào)質(zhì)鋼中很少，B 的含量極微（與合金滲碳鋼相同） ，Mo 所起的主要作用是防止二類回火脆性現(xiàn)象 （與合金滲碳鋼有區(qū)別） ，而 V 所起的主要做用是阻礙高溫 A 晶粒長大，Al 是加速鋼的氮化，細(xì)化晶粒（為什么？） 。微量的 B 能強(qiáng)烈的使 C 行曲線向右移動(dòng)，從而顯著增加鋼的淬透性。即滯后開始轉(zhuǎn)變時(shí)間，對對結(jié)束時(shí)間影響不大。注意：1、調(diào)質(zhì)回火后，要使得回火索氏體不允許有塊狀鐵素體出現(xiàn)，否則會(huì)降低強(qiáng)度和韌性；2、回火保溫后要注意二類回火脆性，可以用水冷或油冷，甚至再去應(yīng)力回火，對于大截面件內(nèi)部快速冷卻越過 500～650℃是困難的，普遍加入抑制二類回火脆性的合金元素，最有效的是 Mo 和 W，Mo 在鋼中的含量 0.3～0.4％；W0.8～1.2％。3、調(diào)質(zhì)鋼也可在中低溫回火下使用，金相為回火屈式體或回火馬氏體，用于高強(qiáng)度的工具耐磨件。20（五）彈簧鋼含碳 0.6～0.9％ 高的 бs/бbSi、Mn 作為主合金，強(qiáng)化鐵素體， Si、Mn 熱處理易于石墨化加入少量 W、V 、Cr 碳化物形成元素來防止。D10 或熱成形彈簧，淬火加中溫回火，獲回火屈氏體 T，中溫回火溫度 350～520℃淬火溫度一般不超過 900℃，防止過熱（錳）和脫碳（Si 有促進(jìn)脫碳作用） ，表面噴丸強(qiáng)化，表層增加殘余壓應(yīng)力，壽命提高 5～6 倍。（六）軸承鋼鍛造——球化退火 HB1.0％，含錳 13％1000～1100℃，碳化物能全部溶到 A 中，淬水冷卻，碳化物析不出，形成單-A，HB －180～220，沖擊下 HB450～550 耐磨，必須全部獲得全部 A 組織，才表現(xiàn)最良好的韌性和抗磨性，但必須是沖擊使用狀態(tài)，表面硬化現(xiàn)象。22合金元素在鋼中的作用一、 合金元素對鋼的強(qiáng)度、硬度、沖擊強(qiáng)度的影響。合金元素在鋼中，以原子固溶體狀態(tài)（A、F、M）引起晶格變形強(qiáng)化，主要發(fā)生在弱碳化元素 Mn、Cr、Mo、W 外圍電子數(shù)量多，靠近碳的弱堿金屬。和強(qiáng)碳化物形成元素如：V、Ti、Nb、Zr 外層電子較少，強(qiáng)堿金屬與碳合力較強(qiáng)在缺少碳的情況下才不能溶入固溶體。碳化物在高溫時(shí)能夠溶入 A,弱碳化物在較低溫度下就開始溶入 A，強(qiáng)碳化物溶入 A的溫度高，如:VC 只有在 950℃時(shí)才開始溶入 A，碳化物本身一般都具有硬而脆的特性，強(qiáng)碳化物尤其嚴(yán)重，鋼中存在碳化物時(shí)能夠提高硬度，可是并不一定增加脆性，只有當(dāng)有粗大、網(wǎng)狀或帶狀碳化物存在，在提高硬度的同時(shí)， k 會(huì)降低。?合金鋼中碳化物，在最終熱處理后大多呈細(xì)晶粒均有分布，在鐵素體基礎(chǔ)上（回火S、回火 T 的基本都是鐵素體）不會(huì)降低 аk，還能強(qiáng)化鐵素體（固溶晶格變形強(qiáng)化）提高鋼的強(qiáng)度。在合金工具鋼中，碳化物呈顆粒狀均有分布在 M 基體上，碳化物提高了硬度、耐磨性而脆性并沒有增加。所有合金 P、 Si、Mn、Ni 、Mo、V、W、Cr 含量增加 HB↑，1％以下時(shí)Ni、Cr、Mn、а k↑，Mo、W、Si、а k↓。二、合金元素對熱處理的影響（一）對本質(zhì)晶粒度的影響除 Mn 外，幾乎所有合金元素都能細(xì)化 A 晶粒，最強(qiáng)烈的是碳化物形成元素，從弱到強(qiáng)的排列順序是 Cr、Mo、V、Ti、Nb、Zr 等，越容易缺電子的元素，細(xì)化能力越強(qiáng)，碳化物形成元素 Si、Ni、Co 等影響較小， （ΑFe 的右側(cè)）但 AI 特殊，它能強(qiáng)烈細(xì)化晶粒，往往加入少量 V、Ti、Nb 強(qiáng)碳化物元素或加入 AI 脫氧，或用 V-Ti-Ai 混合脫氧、細(xì)化作用更強(qiáng)， （鑄鋼件）合金中有 Mn 往往容易過熱，晶粒變大，加入強(qiáng)碳化物元素形成碳化物很穩(wěn)定，高溫穩(wěn)定性，不易分解和溶入 A 晶粒，在 A 晶界阻礙 A 晶粒長大，如20CrMnTi 中的 Ti，滲碳體在 930~950℃的高溫進(jìn)行長時(shí)間加熱，而 Mn 又是促進(jìn) A 長大元素，Ti 的碳化物分布在晶界上阻止 A 長大，使晶粒細(xì)化，滲碳后不需正火可直接淬火。（二）對淬透性的影響23除 Co 外，所有溶入 A 的合金元素都能提高淬透性（50%M 厚度） 。如Si、 Mn、Ni、Mo、W 、V 、B、Ti、Cr 等。他們?nèi)苋?A 內(nèi)，提高 A 的穩(wěn)定性，減慢 A 分解速度，使 C 曲線右移，只有當(dāng)他溶于 A 中才有作用。如未溶入只在 A 晶界（溫度低、時(shí)間短）將加快分解，使 C 曲線左移。Co 使 C 曲線左移的元素，他降低了鋼的淬透性。V、Ti、Nb 和部分 W，很難完全溶于 A。造成 C 曲線左移，如果提高淬火溫度，這些元素的碳化物深入 A，則顯著增加淬透性。B 的作用非常強(qiáng)烈，僅僅 0。001~0。004%的 B，就能使鋼的淬透性顯著增加。（三）對殘 A 的影響馬氏體 Ms 越低 Mz 也越低，與冷卻速度無關(guān)，與 A 成分有關(guān)，與淬透性有對應(yīng)關(guān)系的是 Co，是降低淬透性元素，同時(shí)提高 Ms 和 Mz 能減少殘余 A。其它合金增大 A 穩(wěn)定性，提高淬透性，另一方面又都降低 Ms 和 Mz。Al 和 Co 與其它元素相反，能升高 Ms 和 Mz，減少殘 A。Al 能增強(qiáng)細(xì)化晶粒度和降低殘 A，但對淬透性有何影響尚不知曉。鋁不能單原子存在也不與碳化合，不能與淬透性元影響（不明顯） 。（四）對回火穩(wěn)定性的影響回火時(shí)對馬氏體分解和回火軟化的推遲作用，影響顯著合金有V、W、Ti 、Cr、Mo、Co 、Si 影響不明顯的有 Al、Mn 、Ni，要達(dá)到內(nèi)一回火硬度時(shí)，合金鋼的回火溫度比碳鋼高，時(shí)間比碳鋼長，內(nèi)應(yīng)力小，α k 比碳鋼高。 （五）合金元素對回火脆性的影響含 Cr、Mn、Ni 的鋼對第二類回火脆性最敏感，Mo、W 能減少這種敏感性，因此大截面工件選用含 Mo、W 的鋼，避免二類回火脆性。