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平面长大和树枝状长大，其中树枝状长大得到树枝晶。

金属容易过冷，一般均以树枝状长大方式结晶

③Fe的同素异构转变（二次结晶、重结晶）：

体心（1538-1394℃）→面心（1394-912℃）→体心（912℃以下）

2、合金的结晶：

①匀晶反应、共晶反应、包晶反应、共析反应

匀晶反应冷却较快会发生枝晶偏析，应用扩散退火消除。

3、铁碳合金相图：

钢类

①共析钢（W（C）=0.77%）

过程：

L→（L+A）→A→A+P（F+Fe3C）→P

组织组成物：

全为P（珠光体：

铁素体与渗碳体的共析混合物）

组成相：

F+Fe3C

典型钢种：

T8钢

②亚共析钢（0.0218<

W（C）<

0.77）

L→（L+δ）→（L+δ+A）→（L+A）→A→（A+F）→（A+F+P）→（F+P）

F+P

45钢

③过共析钢（0.77<

2.11）

L→（L+A）→A→（A+Fe3CⅡ）→（A+Fe3CⅡ+P）→（P+Fe3CⅡ）

Fe3CⅡ+P

T10钢

白口铸铁类

①共晶白口铸铁（W（C）=4.3）

L→（L+Le（A+Fe3C））→Le（A+Fe3C+Fe3CⅡ）→Le（A+P+Fe3C+Fe3CⅡ）→Le’（P+Fe3C+Fe3CⅡ）

全为Le’

②亚共晶白口铸铁（2.11<

4.3）

L→L+A→L+Le→Le+A→Le+A+Fe3CⅡ→Le+A+P+Fe3CⅡ→Le’+P+Fe3CⅡ

P+Fe3CⅡ+Le’

③过共晶白口铸铁（4.3<

6.69）

L→L+Fe3CⅠ→L+Fe3CⅠ+Le→Fe3CⅠ+Le→Fe3CⅠ+Le（A、P共存）→Fe3CⅠ+Le（有P无A）

总结：

含碳量小于0.0218%的合金组织全为F；

含碳量为0.77%时全为P；

含碳量为4.3%时全为Le’；

含碳量为6.69%时全为Fe3C。

例题：

①T12钢加热到A+Fe3CⅡ相区保温，A中碳质量分数小于钢中碳质量分数。

②45号钢加热到F+A相区保温，A中碳质量分数大于钢中碳质量分数。

附：

δ相：

又称高温F，是碳在δ-Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格

α相：

铁素体F，是碳在α-Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格

γ相：

奥氏体A，是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，面心立方晶格

莱氏体：

Le，A与Fe3C的共晶混合物，Le中的渗碳体称为共晶渗碳体

珠光体：

P，F与Fe3C的共析混合物

共晶反应温度：

1148℃

共析反应温度：

727℃

4、金属的塑性加工

①金属的塑性变形：

滑移和孪生

滑移的本质：

晶体内部位错在切应力作用下运动的结果

面心立方晶格比体心立方晶格塑性好的原因：

滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大，虽然滑移系相同，但是面心立方晶格的滑移方向比体心立方晶格的多，所以面心立方晶格的塑性更好。

②塑性变形（冷加工）对金属组织和性能的影响：

Ⅰ、对组织的影响

1）晶粒变形，形成纤维组织；

2）亚结构形成，细化晶粒；

3）形成形变织构（丝织构和板织构P89）；

Ⅱ、对性能的影响

1）加工硬化：

随形变度的增大，金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降。

也叫形变强化。

2）产生各向异性：

由于纤维组织和形变织构的形成，使金属的性能产生各向异性。

例如：

用有织构的板材冲制筒型零件时，由于在不同方向上塑性差别很大，零件的边缘出现“制耳”。

3）金属的物理、化学性能发生变化。

4）产生残余内应力：

金属内部形变不均匀，位错、空位等晶体缺陷增多，导致金属内部产生残余内应力。

5、塑性变形和再结晶的工程应用

①金属的热加工（钢材的热锻和热轧）

在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工称为热加工。

对组织性能的影响：

使铸态金属中的气孔、疏松、微裂纹压合，提高金属的致密度，减轻甚至消除树枝晶偏析和改善夹杂物、第二相分布等。

明显提高金属的强度、韧性和塑性；

破碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，并通过再结晶获得等轴细晶粒，使金属的力学性能全面提高。

②金属的冷加工（低碳钢的冷轧、冷拔、冷冲）

冷加工会使金属材料的强度和硬度升高，塑性和韧性下降，产生加工硬化现象。

钢材的切削加工也属于冷加工，也会产生加工硬化。

由于加工硬化而使奥氏体不锈钢的切削较为困难。

③喷丸强化

④再结晶退火（消除加工硬化现象）

为了缩短时间，实际采用的再结晶退火温度比该金属的最低再结晶温度要高100~200℃。

6、钢的热处理

钢在加热时的转变

①奥氏体化：

将钢加热到临界温度以上，获得全部或部分奥氏体组织。

共析钢必须加热到727℃（A1）以上时，完全转变成奥氏体；

亚共析钢必须加热到GS（A3）以上；

过共析钢必须加热到ES（Acm）线以上。

②影响奥氏体转变速度的因素：

1）加热温度：

温度越高，转变越快；

2）加热速度：

加热速度越快，转变越快；

3）钢中碳质量分数：

碳质量分数越大，渗碳体越多，相界面增大，奥氏体核心增多，转变速度越快；

4）合金元素：

钴、镍增大碳在奥氏体中的扩散速度，加快奥氏体化；

铬、钼、钒减小碳在奥氏体中的扩散速度，减慢奥氏体化；

硅、铝、锰对碳在奥氏体中的扩散速度影响不大，不影响奥氏体化过程。

5）原始组织

③奥氏体的晶粒度及其影响因素

某一具体热处理或热加工条件下的奥氏体的晶粒度叫做实际晶粒度。

钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向用本质晶粒度来表示。

本质晶粒度：

钢加热到（930±

10）℃，保温8h，冷却后测得的晶粒度叫做本质晶粒度。

如果测得的晶粒细小，则该钢成为本质细晶粒钢，反之为本质粗晶粒钢。

影响因素：

1）加热温度和保温时间

温度越高，晶粒长大越明显，A也越粗大

2）钢的化学成分

钢中加入能形成稳定碳化物的元素和能生成氧化物和氮化物的元素，有利于获得本质细晶粒钢，因为碳化物、氧化物。

氮化物分布在晶界上，阻碍晶粒长大。

Mn和P使促进晶粒长大的元素。

钢在冷却时的转变

①等温处理：

将钢迅速冷却到临界点以下的给定温度，进行保温，在该温度恒温转变。

②连续冷却：

将钢以某种速度连续冷却，使其在临界点以下变温连续转变。

1）过冷奥氏体的等温转变

A、共析钢过冷奥氏体的两个转变区：

Ⅰ、高温转变（也称珠光体转变区（A1~550℃））扩散型转变。

转变产物：

P（ST）。

PST均为Fe和Fe3C的机械混合物，只是层片粗细不同，转变温度越低，层间距越小。

Ⅱ、中温转变（也称贝氏体转变区（550~Ms℃））半扩散型转变。

贝氏体组织（铁碳化合物分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物）

上贝氏体（350~550℃）：

羽毛状，小片状渗碳体分布在成排的铁素体之间。

强度和韧性较差。

下贝氏体（350~Ms℃）：

黑色针状，硬度高，韧性好，有较好的综合力学性能。

B、亚共析钢过冷奥氏体的等温转变

亚共析钢随着碳质量分数的增加，C曲线的位置往右移，Ms、Mf线往下移。

Ⅰ、高温转变（与共析钢类似，只是先有一部分转变为F，其余的过冷A再转变为P）

F+P（ST）

45钢过冷A在600~650℃等温转变后，产物为F+S。

C、过共析钢过冷奥氏体的等温转变

过共析钢随着碳质量分数的增加，C曲线的位置往左移，Ms、Mf线往下移。

Ⅰ、高温转变（与共析钢类似，只是先析出二次渗碳体，其余的过冷A在转变为P）

T10钢过冷A在A1~650℃等温转变后，产物为Fe3CⅡ+P。

2）过冷奥氏体的连续冷却转变（实际生产中较多的情况）

A、共析钢

（一）转变产物

炉冷：

过冷A转变为P，粗片状组织，硬度为170~220HB

空冷：

过冷A转变为S，细片状组织，硬度为25~35HRC

油冷：

过冷A先有一部分转变为T，剩余的过冷A冷却到Ms以下转变为M，冷却到室温时，残留一部分A。

（T+M+剩余A）硬度为45~55HRC。

水冷：

过冷A将直接转变为M，冷却到室温时，残留一部分A。

（M+A）

a、过冷A转变为M为低温转变过程（非扩散型转变），转变温度在Ms~Mf之间，该温区称为马氏体转变区。

马氏体（M）：

碳在α—Fe中的过饱和固溶体

b、马氏体形成速度很快

c、马氏体转变是不彻底的，总要残留下少量A

d、马氏体形成时体积膨胀，在钢中造成很大的内应力，严重时将使被处理零件开裂

（2）马氏体分类

板条状（低碳）马氏体（碳质量分数小于0.25%），由于板条状M内有大量位错缠结的亚结构，所以低碳M也称位错M；

针状（高碳）马氏体（碳质量分数大于1.0%），由于针状M内有大量孪晶，因此高碳M也称孪晶M。

（三）马氏体性能特点

1、硬度很高，碳质量分数越大，硬度越高

2、比容比A大，当A转变为M时，体积会膨胀

3、M是是一种铁磁相，在磁场中呈现磁性；

A是一种顺磁相，在磁场中无磁性

4、晶格畸变导致电阻率高

B、亚共析钢

（1）转变产物（无剩余A）

F+P；

空冷F+S；

T+M；

M

与共析钢不同，亚共析钢过冷A在高温时有一部分将转变为F；

在中温转变区会有少量贝氏体（上B）产生。

如油冷产物为：

F+T+上B+M，F和上B量少，有时也忽略不计。

C、过共析钢

（1）转变产物（有剩余A）

P+Fe3CⅡ；

S+Fe3CⅡ；

T+M+剩余A；

M+剩余A

钢的普通热处理

热处理：

将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。

①退火：

将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺叫做退火。

A、完全退火：

1、又称重结晶退火，主要用于亚共析钢。

是把钢加热到Ac3以上20~30℃，保温一定时间后缓慢冷却（随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却），以获得接近平衡组织的热处理工艺。

2、产物：

3、目的：

通过重结晶，使加工造成的粗大、不均匀组织均匀化和细化，以提高性能；

或使中碳以上的碳钢和合金钢得到近平衡状态的组织，以降低硬度，改善切削加工性能。

由于冷却速度缓慢，还可消除内应力。

B、等温退火

1、等温退火是把钢件或毛坯加热到Ac3（或Ac1）的温度，保温后，较快的冷却到珠光体转变区的某一温度，并等温保持，奥氏体等温转变，然后缓慢冷却的热处理工艺。

主要为P

与完全退火相同，但转变较易控制，能获得均匀组织，对于A较稳定的合金钢可短退火时间。

C、球化退火

1、球化退火是使钢中碳化物球状化的热处理工艺。

主要用于过共析钢、共析钢，如工具钢、滚珠轴承钢等。

2、目的：

使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（退火前需先进行正火使网状二次渗碳体破碎），以降低硬度，改善切削加工性能，为以后的淬火组织做准备。

3、产物：

T12钢球化退火后，铁素体基体上分布着细小均匀的球状渗碳体，叫球化体。

D、扩散退火

1、为了减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织的不均匀性，将其加热到略低于固相线温度，长时间保温并进行缓慢冷却的热处理工艺，也称均匀化退火。

2、加热温度：

钢的熔点以下100~200℃，保温时间一般为10~15h。

加热温度提高时，扩散时间可以缩短

3、扩散退火后钢的晶粒很粗大，因此一般再进行完全退火或正火处理。

E、去应力退火

1、为消除铸造、锻造和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残余应力而进行的低温退火。

2、将工件加热至低于Ac1的某一温度（一般为500~650℃），保温，然后随炉冷却

3、可以消除50%~80%的内应力，不引起组织变化

②正火：

钢材或钢件加热到Ac3（对于亚共析钢）、Ac1（对于共析钢）、Acm（对于过共析钢）以上30~50℃，保温适当时间后，在自由流动的空气中均匀热处理称为正火。

1、正火后的产物：

亚共析钢为F+S；

共析钢为S；

过共析钢为S+Fe3CⅡ

2、正火的目的：

A、作为最终热处理：

正火可以细化晶粒，使组织均匀化，减少亚共析钢中F的含量，使P含量增多并细化，从而提高钢的强度、硬度和韧性。

对于普通结构钢零件，力学性能要求不很高时，可把正火作为最终热处理。

B、作为预先热处理：

截面较大的合金结构钢件，在淬火或调质处理（淬火+高温回火）前进行正火，以消除魏氏组织和带状组织，并获得细小而均匀的组织。

对于过共析钢可减少二次渗碳体，并使其避免形成连续网状，为球化退火做组织准备。

C、改善切削加工性能：

低碳钢或低碳合金钢退火后硬度太低，不便于切削加工。

正火后可提高其硬度，改善其切削加工性能。

③淬火：

将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以得到马氏体组织的热处理工艺成为淬火。

淬火是钢的最重要的强化方法。

A、淬火温度的选定

1、亚共析钢：

Ac3以上30~50℃；

亚共析钢加热到Ac3温度以下时，淬火组织中会保留铁素体，使钢的硬度降低。

2、共析钢和过共析钢：

Ac1以上30~50℃；

过共析钢加热到Ac1以上时，组织中保留少量二次渗碳体，而有利于提高钢硬度和耐磨性，此时奥氏体中的碳含量不太高，可降低马氏体的脆性，还能减少残余A的含量。

3、如果淬火温度太高，会形成粗大的马氏体，使力学性能恶化，同时也会增大淬火应力，使变形和开裂倾向增大。

B、加热时间的选定：

升温和保温两个阶段

1、加热时间：

以装炉后炉温达到淬火温度所需时间为升温阶段

2、一般保温时间为15分钟/mm

C、淬火冷却介质：

常用介质为水和油

D、淬火方法：

单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火

1、单介质淬火：

工件在一种介质（水或油）中冷却

优点：

操作简单，易于实现机械化，应用广泛

缺点：

水中淬火应力大，工件容易变形开裂；

在油中淬火，冷却速度小，淬透直径小，大件淬不硬。

2、双介质淬火：

工件先在较强冷却能力介质中冷却至300℃左右，再在一种冷却能力较弱的介质中冷却，如先油淬后水淬。

可有效减少热应力和相变应力，减小工件变形开裂的倾向。

难以掌握双液转换时刻，转换过早易淬不硬，转换过时易淬裂。

用于：

形状复杂、截面不均匀的工件淬火。

3、分级淬火：

工件迅速放入盐浴或碱浴炉（温度略高于或略低于Ms点）保温2~5min，然后取出空冷进行马氏体转变。

大大减小淬火应力，防止变形开裂；

适用范围：

分级温度略高于Ms点的分级淬火适合小件的处理（如刀具）；

分级温度略低于Ms点的分级淬火适合大件的处理，在Ms点以下分级的效果更好。

高碳模具钢在160℃碱浴中分级淬火，既能淬硬，变形又小。

4、等温淬火：

工件迅速放入盐浴（盐浴温度在贝氏体区的下部，稍高于Ms点）中，等温停留较长时间，直到贝氏体转变结束，取出空冷，获得下贝氏体组织。

中碳以上的钢，目的是为了获得下B组织，以提高强度、硬度、韧性和耐磨性。

低碳钢一般不采用等温淬火

E、钢的淬透性：

钢在淬火时形成马氏体的能力

1、测定方法：

末端淬火法

2、钢的淬硬性：

钢淬火后所能达到的最高硬度，主要取决于马氏体的碳质量分数，碳质量分数越高，淬硬性越高。

3、影响淬透性的因素

a、碳质量分数

亚共析钢：

随着C质量分数减小，淬透性降低

过共析钢：

随着C质量分数增加，淬透性降低

所以，三者中共析钢的淬透性最好（T8钢）

b、合金元素

除Co以外，其余合金元素溶于A之后，降低临界冷却温度，使C曲线右移，提高钢的淬透性。

所以，合金钢的淬透性比碳钢的要好

c、奥氏体化温度

提高奥氏体化温度，将使奥氏体晶粒长大，成分均匀，可减少珠光体的生核率，降低钢的临界冷却温度，提高淬透性。

d、钢中未溶第二相

未溶入钢的杂质会成为奥氏体分解的非自发核心，使临界冷却速度增大，降低淬透性。

④回火：

钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的组织和性能，将其加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。

A、低温回火

回火温度：

150~250℃

产物：

回火马氏体+残余奥氏体

目的：

降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度和高耐磨性。

用途：

各种高碳钢工具、模具、滚动轴承及渗碳和表面淬火的零件。

B、中温回火

300~500℃

回火屈氏体（铁素体仍保持马氏体的形态，渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗）

获得具有高的弹性极限和屈服强度，同时具有一定韧性的回火屈氏体。

主要用于各类弹簧

C、高温回火

500~650℃

回火索氏体

获得强度、塑性和韧性都比较好的回火S

调质处理：

淬火+高温回火

各种重要的机器结构件，如：

连杆、轴、齿轮等受交变载荷的零件。

也可作为某些精密工件如量具、模具等的预先热处理。

第3章碳钢、合金钢

碳钢

①碳钢的成分及分类

A、碳钢的成分：

主要由Fe、C、Mn、Si、S、P6种元素组成。

Mn、Si有利于改善钢的力学性能；

S易使钢发生热脆（高温锻轧时开裂）；

P易使钢发生冷脆（室温脆性增加）

B、按碳的质量分数分类：

低碳钢——W（C）≤0.25%

中碳钢——0.25%＜W（C）≤0.6%

高碳钢——W（C）＞0.6

C、按钢的质量分类：

普通碳素钢——W（S）≤0.040%；

W（P）≤0.040%

优质碳素钢——W（S）≤0.035%；

W（P）≤0.035%

高级优质碳素钢——；

W（S）≤0.030%；

W（P）≤0.030%

②碳钢的牌号及用途

A、碳素结构钢（普通碳素钢）

1、符号：

Q+屈服强度；

牌号后面标注字母ABCD表示钢材质量等级不同，D最高；

F、Z、TZ分别表示沸腾钢（脱氧程度最低）、镇静钢（脱氧程度中等）、特殊镇静钢（脱氧程度最高）

2、用途：

Q195、215、235A、235B通常轧制成钢筋、钢板、钢管等，可用于桥梁、建筑物等构件，也可用作普通螺钉、螺帽、铆钉等；

Q235C、235D可用于重要的焊接件；

Q235、275强度较高，可轧制成钢、钢板做构件用。

3、热处理：

一般不需进行热处理，在热轧状态下使用。

但对某些零件，也可进行正火、调质、渗碳等处理，以提高其使用性能。

B、优质碳素结构钢

平均碳质量分数的万分数的数字表示，例如20钢即表示碳质量分数为0.20%；

若钢中Mn的质量分数较高，则在钢号后加Mn；

高级优质钢、特级优质钢分别以A、E表示；

保证淬透性用钢用H表示

10、20钢可做冲压件及焊接件，热处理后也可制造轴、销等零件；

35、40、45、50钢经热处理后，用来制造齿轮、轴类、套筒等零件；

60、65钢主要用来制造弹簧。

实例：

教材P142实例123（包括热处理工艺，仔细看）

优质碳素结构钢使用前一般要经过热处理

C、碳素工具钢

碳素工具钢的碳质量分数在0.65%~1.35%之间，用平均碳质量分数的千分数来表示，数字前加“T”。

制造各种刃具、；

量具、模具等

T78钢硬度高、韧性较高，可制造冲头、凿子、锤子等工具；

T91011钢硬度高、韧性适中，可制造钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具；

T1213钢硬度高、韧性较低，可制造锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。

碳素工具钢使用前都要经过热处理！

教材P143实例12（包括热处理工艺，仔细看）

合金钢

Ⅰ合金钢的分类

我国采用按用途来分类：

合金结构钢、合金工具钢、（特殊性能钢不做要求）

Ⅱ合金钢的编号

1、结构钢：

万分之一为单位的数字（两位数），例如：

40Cr，平均碳质量分数为0.40%；

2、工具钢：

千分之一为单位的数字（一位数），当碳质量分数超过1%时，碳质量分数不标出，例如：

5CrMnMo，平均碳质量分数为0.5%，CrWMn，平均碳质量分数大于1.0%

Ⅲ合金结构钢

A、低合金高强度结构钢（代表钢种Q295、Q345、Q420）

1）、用途：

制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。

2）、性能要求：

高强度、高韧性、良好的冷成型性能和焊接性能、低的冷脆转变温度、良好的耐蚀性。

3）、成分特点：

低碳（不超过0.20%）、加入Mn为主的合金元素、加入铌、钛、钒等辅加元素、加入少量Cu和P可提高耐腐蚀性能、加入少量稀土元素可脱硫。

4）、热处理特点：

一般在热轧（相当于正火）空冷状态下使用；

在有特殊需要时，如为了改善焊接区性能，可进行一次正火处理。

5）组织组成物：

使用状态下一般为铁素体+细珠光体（S）

B、合金渗碳钢

主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。

2）性能要求：

表面渗碳层硬度高、心部具有足够高的韧性和强度、有良好的热处理工艺性能（在较高的渗碳温度下，A晶粒不易长大，并具有良好的淬透性）

3）成分特点：

①低碳：

碳质量分数一般在0.10%~0.25%之间，以保证零件心部有足够的塑性和韧性

②加入提高淬透性的合金元素（Cr、Ni、Mn）

③加入阻碍A晶粒长大的元素（Ti、V、W、Mo）

4）、钢种及用途：

①低淬透性：

20Cr，淬透性低，心部强度较低，只适用于制造受冲击载荷较小的耐磨件，如小轴、活塞销、小齿轮等。

②中淬透性：

20CrMnTi，淬透性较高，有良好的力学性能和工艺性能，因此大量用于制造承受高速中载、要求抗冲击和耐磨损的零件，特别是汽车、拖拉机上的重要零件。

③高淬透性：

18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A，不但淬透性很高，还具有很好的韧性。

主要用于只在大截面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克中的曲轴及重要齿轮等。

5）、热处理工艺：

渗碳后直接淬火（900~950℃）+低温回火

6）、热处理后的组织：

表面渗碳层为合金渗碳体+回火马氏体+少量残余A

心部组织完全淬透时为低碳回火马氏体；

多数情况下是T+回火M+少量F。

C、合金调质钢

广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其他机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。

高强度、良好的