工程材料及成形技术基础复习(重点完整版)

一、二元相图的建立

合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析，相图是用来表示合金系中各金在缓冷条件下结晶过程的简明图解，又称状态图或平衡图。

合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。

组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。

多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于既不发生分解、又不发生任何反应的合物也可看作组元, 如Fe-C合金中的Fe3C。

相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L ，固相线以下为固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+ ）。

(3) 枝晶偏析

合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素(如Cu-Ni合金中的Ni), 后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素，如Cu-Ni合金中的Cu)。

在一个枝晶围或一个晶粒围成分不均匀的现象称作枝晶偏析。与冷速有关而且与液固相线的间距有关。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。

生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火。

2、二元共晶相图

当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。以 Pb-Sn 相图为例进行分析。

(1) 相图分析

①相：相图中有L、、三种相，是溶质Sn在 Pb中的固溶体，是溶质Pb在Sn中的固溶体。

②相区：相图中有三个单相区： L、、；三个两相区： L+、L+、+ 。

③液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B分别为Pb、Sn的熔点。

④固溶线: 溶解度点的连线称固溶线。相图中的CF、DG线分别为 Sn在 Pb中和 Pb 在 Sn中的固溶线。固溶体的溶解度随温度降低而下降。

⑤共晶线：水平线CED叫做共晶线。

在共晶线对应的温度下（183 ℃），E点成分的合金同时结晶出C点成分的固溶体和D点成分的固溶体，形成这两个相的机械混合物L E⇄ (C + D)在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作共晶转变或共晶反应。

一、铁碳合金的组元和相

1. 组元：Fe、 Fe3C

2. 相

⑴铁素体——碳在-Fe中的固溶体称铁素体，用F或表示碳在–Fe

中的固溶体用表示，体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低，在727℃时

最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁

相似。

(2) 奥氏体

碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。用A或表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%。

组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在区进行，碳钢室温组织中无奥氏体。

(3) 渗碳体(Fe3C)

含碳6.69%，用Fe3C或C m表示。Fe3C硬度高、强度低 ( b 35MPa)，脆性大，塑性几乎为零。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合

金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。

重要知识点

◆五个重要的成份点: P、S、E、C、F

◆四条重要的线: ECF、PSK、ES、GS

◆三个重要转变: 共晶转变反应式、共析转变反应式、包晶转变（本节略）

◆二个重要温度: 1148 ℃、727 ℃

第一节退火和正火

一般零件的工艺路线为：毛坯（铸造或锻造）→退火或正火→机械（粗）加工→淬火+

回火（或表面热处理）→机械（精）加工。

退火与正火常作为预备热处理，其目的是为消除毛坯的组织缺陷，或为以后的加工作准备；淬火和回火工艺配合可强化钢材，提高零件使用性能，作为最终热处理。

一、退火

将工件加热到适当温度，保温一定时间，缓慢冷却热处理工艺

【目的】根据不同情况，退火的作为可归纳为降低硬度，改善钢的成形和切削加工性能；均匀钢的化学成分和组织；消除应力等。

①调整硬度以便进行切削加工；

②消除残余应力，以防止钢件在淬火时产生变形或开裂;

③细化晶粒，改善组织，提高力学性能，为最终热处理作准备。

1、退火类型

(1) 完全退火

完全退火是将工件完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火工艺。

【工艺】加热温度为Ac3以上20℃~30℃，保温时间依工件的大小和厚度而定，使工件热透，保证全部得到均匀化的奥氏体，冷却方式可采用随炉缓慢冷却，实际生产时为提高生产率，退火冷却至600℃左右即可出炉空冷。

（2）球化退火

【工艺】球化退火的加热温度为Ac1以上20℃~30℃，采用随炉缓冷，至500℃~600℃后出炉空冷；

（3）去应力退火

去除工件塑性变形加工、切削加工或焊接造成的应力及铸件存在的残余应力而进行的退火工艺。

【工艺】去应力退火加热温度较宽，但不超过AC1点，一般在500℃~650℃之间，铸铁件去应力退火温度一般为500℃ ~ 550℃；焊接工件的去应力退火温度一般为500℃~600℃。去应力退火的保温时间也要根据工件的截面尺寸和装炉量决定。去应力退火后的冷却应尽量缓慢，以免产生新的应力。

（4）扩散退火

为减少铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线（固相线以

下 100℃～200℃）的温度，长时间保温(10h～15h)，并进行缓慢冷却的热处理工艺，称为扩散退火或均匀化退火。

二、正火

1、正火的概念

【工艺】正火处理的加热温度通常在Ac3或Accm以上30℃~50℃。对于含有V、Ti、Nb 等碳化物形成元素的合金钢，采用更高的加热温度（AC3 + 100℃~150℃）。

正火冷却方式常用的是将钢件从加热炉中取出在空气中自然冷却。对于大件也可采用吹风、喷雾和调节钢件堆放距离等方法控制钢的冷却速度，达到要求的组织和性能。

第二节钢的淬火

将亚共析钢加热到Ac3以上，共析钢与过共析钢加热到Ac1以上，低于Accm的温度，保温后以大于Vk的速度快速冷却，使奥氏体转变为马氏体或贝氏体的热处理工艺叫淬火。

马氏体强化是钢的主要强化手段，因此淬火的目的就是为了获得马氏体，提高钢的机械性能。淬火是钢的最重要的热处理工艺也是热处理中应用最广的工艺之一。

1、淬火温度的确定

淬火温度即钢的奥氏体化温度，是淬火的主要工艺参数之一。选择淬火温度的原则是获得均匀细小的奥氏体组织。

亚共析钢的淬火温度一般为Ac3以上30~50℃，淬火后获得均匀细小的马氏体组织。