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对钢在固态下施以不同的加热、保温和冷却，以改 变其组织，从而获得所需要性能的一种工艺。

热处理的目的：改变钢的性能 热处理的分类


普通热处理：退火、正火、淬火、回火 表面热处理：表面淬火、化学热处理

热处理在零件加工过程中的 作用

材料的物理和化学性能
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材料的物理性能是指材料的固有属性，它包括材料 的密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性 等。 材料的化学性能是指材料在化学介质的作用下所表 现出来的性能，如材料的耐腐蚀性、抗氧化性和化 学稳定性。
第二章 金属的晶体结构与结晶

晶体与非晶体
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固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非晶体两 大类。 晶体 (Crystal)：原子（或分子）按一定的几何规律作周期性 地排列 。 非晶体(Non-crystal) ：原子（或分子）则是无规则的堆积在 一起。（如松香、玻璃、沥青）
多晶体示意图
多晶体示意图

金属的结晶
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晶体物质由液态转变为固态的过程。 物质中的原子由不规则排列转变为规则排列的过程。

金属结晶的过程
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纯金属的冷却曲线 温 度 To T1
理论冷却曲线 实际冷却曲线
时间
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过冷现象 过冷度 ΔT = T0 – T1 过冷是结晶的必要条件。
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金属结晶的过程（形核、长大）

共晶相图
T(°C)
1200
L (liquid)
1000

L+
779°C 8.0
TE 800
600 400 200 0
71.9 91.2
L+b b
b
20 40 60 CE 80
100
Co , wt% Ag

共析相图

相图与合金物理、力学性能之间的关系
铁碳合金相图

铁碳合金的相结构及性能

本课程的研究内容
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主要研究机械工程上所用的结构材料，主要偏重于 金属材料。 研究金属材料的组织、结构及其与机械性能和工艺 性能之间的关系。
第一章 材料的性能(properties)

材料的力学性能(mechanical properties)
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定义：指材料在不同环境（温度、介质）下，承受 各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、 交变应力等）时所表现出的力学特征。 指标：弹性 、刚度、强度、塑性 、硬度、冲击韧 性 和疲劳强度等。

碳素工具钢 在“碳”或“T”后加一数字，数字表示钢含碳量的千分数， 如：T7, T8, T12等。 碳素工具钢都是优质钢，若为高级优质碳素工具钢，则在 钢号后面加一个“高”字或“A”，如：T12高，T12A。
–
碳钢机械性能与含碳量的关系
含碳量对钢力学性能的影响
第六章 钢热处理
第一节 概述

热处理的概念
1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 0
• 2 phases:
L (liquid)
L
(Liquid) (FCC solid solution)
(FCC solid solution)
• 3 phase fields: L L +
20 40 60 80 100 wt%
拉伸试验机 拉伸试验的颈缩现象
应力
应变
低碳钢的应力－应变曲线

弹性和刚度
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–
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弹性 (Elasticity)：金属材料受外力作用时产生变形, 当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。 弹性变形：随载荷撤除而消失的变形。 刚度：材料抵抗弹性变形的能力。 弹性模量 (Young’s modulus)：弹性下应力与应变的 比值，表示材料抵抗弹性变形的能力。
固溶体(solid solutions)

–
化合物(compound)



二元合金相图
–
基本概念


合金系 平衡 显微组织
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相图的建立

配制合金系 测定上述合金 的冷却曲线 找出上述合金 的临界点 将各临界点标 在以温度为纵 坐标，以成分 为横坐标的图 中，将同类临 界点连接。

晶格与晶胞

常见的金属晶格
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体心立方晶格
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面心立方晶格
–
密排六方晶格

晶格缺陷
刃型位错示意图 a) 晶 格 立 体 模 型 b) 平 面 图
晶界的过渡结构示意图
亚晶界结构示意图
点缺陷
线缺陷
面缺陷

单晶体与多晶体
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单晶体 多晶体

晶粒 (Grain) 晶界 (Grain boundary) 金属材料都是多晶体
晶核长大的方式——枝晶
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影响晶核的形核率和晶体长大率的因素

过冷度的影响

难熔杂质的影响
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细化晶粒的方法

晶粒度的概念及其对金属力学性能的影响 增大过冷度 变质处理

金属的同素异构性 (allotropy)
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一种金属具有两种或两种以上的晶体结构的性质。 纯铁的同素异构转变 1394 °C
金属的热加工(hot working)
–
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热加工的概念 热加工对金属组织和性能的影响

细化晶粒，改善机械性能 消除铸态组织缺陷 形成“锻造流线”
二元合金相图

合金的相结构
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基本概念

合金(alloy)、组元(component)、相(phase)
晶格结构与溶剂相同 间隙固溶体、置换固溶体 固溶体的溶解度 组元间以化合键结合，晶格类型与组元不同 熔点高、硬度高、脆性大

塑性 (Plasticity)
–
– –
在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。 伸长率δ：是指试样拉断后的标距伸长量与原始标距之比。 断面收缩率ψ：试样拉断处横截面积的收缩量与原始横截面积 之比。

硬度试验
–
–
硬度 (Hardness)：是指材料抵抗其他硬物体压入其表 面的能力。 常用测量硬度的方法包括布氏硬度HB、洛氏硬度 HRC、维氏硬度HV。
布氏硬度计
布氏硬度
洛氏硬度测试示意图
洛氏硬度计
h1-h0
洛氏硬度
维氏硬度

冲击韧性 ku , kv (Impact toughness)
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材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。

疲劳强度(Fatigue strength )
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表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的 最大应力值。
钢材的交变载荷循环次数
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再结晶(Recrystallisation)
再结晶的定义 变形组织、性能完全消失， 硬度、强度显著下降，塑性、韧性 明显提高，内应力基本消除 再结晶温度 T 再 0 . 4 T 熔

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影响再结晶晶粒度的因素 加热温度越高，晶粒越大 变形度越大，变形越均匀，晶粒越细小
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晶粒长大


陶瓷材料
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实际上是各种无机非金属材料的通称。陶瓷在机械性 能上表现出突出的硬而脆的特点，即硬度高、脆性大、 塑性几乎为零；在热性能上表现出高熔点、高热硬性、 高抗氧化性；此外还具有很好的耐蚀性、绝缘性，是 有发展前途的高温材料。

高分子材料
–
又称聚合物，包括天然高分子材料（木材、棉、麻 等）和合成高分子材料（塑料，合成橡胶等）。其 主要组分高分子化合物是有许多结构相同的结构单 元相互连接而成。它具有较高的强度、良好的塑性、 较强的耐腐蚀性、绝缘性和低密度等优良性能。高 分子材料发明虽晚，但异军突起，因其物美价廉， 在工程材料中应用越来越广。
名称 晶格类型 熔点 合金1 合金2 合金3 …….. 合金9 合金10 合金11
A金属 bcc 高 100% 90% 80% …….. 20% 10% 0%
B金属 bcc 低 0% 10% 20% ……. 80% 90% 100%
温 度
温 度
温 度
时间
A 90 70 50
30
B B

匀晶相图
T(°C)

静拉伸试验 (Tensile test)
– –
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测量材料抵抗缓慢增加的拉力作用时表现出来的性 能，包括弹性、刚度、强度以及塑性。 应力 (stress)：单位面积上试样承受的载荷，用试样 承受的载荷除以试样的原始横截面积表示，单位： 帕斯卡。 应变 (strain)：单位长度的伸长量，用试样的伸长量 除以试样的原始标距表示。
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亚共晶白口铁( Wc = 3.0% )

碳的质量分数对平衡组织的影响
常用工程材料

碳钢
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含碳量在0.0218% - 2.11%之间的铁碳合金。 分类

按钢的含碳量：低碳钢（含碳量≤0.25%）、中碳钢（含碳 量在0.25% - 0.6%之间）、高碳钢（含碳量＞ 0.6% ） 按钢的质量（钢中硫、磷的含量）：普通碳钢、优质碳钢、 高级优质碳钢。 按用途分：碳素结构钢（主要用于制造各种工程构件和机 器零件，一般属于低碳和高碳钢）、碳素工具钢（主要用 于制造各种刀具、量具、模具，属于高碳钢）。
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碳钢的编号

碳素结构钢
Q X X X
钢屈服点 “屈”字汉 语拼音首位 字母

钢材厚度不大于 16mm钢的屈服强度 数值，单位：兆帕
如Q215, Q235, Q255 等 优质碳素结构钢 以含碳量的万分数表示，如20, 35, 45 等。 钢中有害杂质及非金属夹杂物含量较少，塑性和韧性较高， 多用于制造较重要的零件。