金屬加工工藝學(xué)第一篇金屬材料的基礎(chǔ)知識(shí).ppt

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1、,第一篇 金屬材料的基礎(chǔ)知識(shí),主要內(nèi)容包括:, 金屬材料的主要性能 鐵碳合金 鋼的熱處理 工業(yè)用鋼,材料與性能要求,四大工程材料：鋼鐵、鋁及鋁合金、 塑料、水泥 力學(xué)性能 強(qiáng)度、塑性、 硬度、 沖擊韌性(度)、疲勞強(qiáng)度 物化性能密度、耐腐蝕性等 工藝性能加工成形的難易程度,第一節(jié) 金屬材料的力學(xué)性能一、強(qiáng)度和塑性,拉伸試驗(yàn)（GB6397-1986）,,低碳鋼拉伸試驗(yàn)圖分析,,,塑性變形階段 (屈服) 斷裂階段 (頸縮),變形階段的分析：,彈性變形階段,,F,,,N/mm2；MPa,應(yīng)變：試樣單位長(zhǎng)度上的伸長(zhǎng)量,應(yīng)力與應(yīng)變概念,應(yīng)力： 試樣單位橫截面上的拉力,,

2、0.2名義屈服強(qiáng)度 （名義屈服點(diǎn)）,低碳鋼拉伸試驗(yàn)圖,1.強(qiáng)度指標(biāo)，單位：MPa(N/mm2）,b 抗拉強(qiáng)度,s 屈服強(qiáng)度(屈服點(diǎn)）,,強(qiáng)度: 材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。,,F,,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度 在工程上常用屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度來表示金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)。其計(jì)算公式為： 屈服強(qiáng)度（屈服點(diǎn)）拉伸試樣產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力 s=Fs /A0 ( MPa ) 抗拉強(qiáng)度拉伸試樣在拉斷前所承受的最大應(yīng)力 b = Fb/ A0 ( M Pa ) Fs試樣產(chǎn)生屈服時(shí)所承受的最大載荷,N Fb-試樣在拉斷前所能承受 的最大載荷, N A0試樣原始截面積,mm 金屬不能在超過其

3、 s 、 b 的條件下工作。因此作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù).,2. 塑性指標(biāo),應(yīng)用中：10試樣 L0=10d0 5 試樣 L0=5d0, 伸長(zhǎng)率：試樣拉斷后,其標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比.,塑性: 材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不引起破壞的能力。,斷面收縮率: 試樣拉斷后,縮頸處截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比,說明：、值愈大，表明材料的塑性愈好。,式中 A0試樣的原始截面積，mm； A1試樣拉斷后,斷口處橫截面積，mm；,, =（A0 A1）/A0100%,二、硬度（HB、HR）,硬度:是材料抵抗更硬的物體壓入其內(nèi)的能力。 它是材料性能的一個(gè)綜合的物理量，表示金屬材料在

4、一個(gè)小的體積范圍內(nèi)抵抗彈性變形、塑性變形或破斷的能力。是衡量金屬軟硬的指標(biāo)。直接影響金屬材料的耐磨性。 常用的有布氏硬度和洛氏硬度,1. 布氏硬度HBS（以淬火鋼球?yàn)閴侯^） 用于測(cè)定軟材質(zhì)（HBS450） 測(cè)試原理圖：,HBS測(cè)定,,壓頭直徑:10mm、 5mm、 2.5mm 載荷: 30000N、 7500N 、1870N 特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量值較穩(wěn)定、準(zhǔn)確度較洛氏硬度高 缺點(diǎn)：測(cè)量費(fèi)時(shí)，且壓痕較大， 不適合成品檢驗(yàn)。 適用范圍：用于測(cè)定軟材質(zhì)（HBS450） 如:灰口鑄鐵、軟鋼和非鐵合金等。 HBW--- 以硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^的新型布氏硬度計(jì),HRC測(cè)定,2、洛

5、氏硬度HRC （120。金剛石壓頭、 140kgf ） 用于測(cè)定硬質(zhì)表面,材料（2070 HRC） 測(cè)試原理圖：,F,,壓頭直徑: 120。金剛石壓頭、 1.5875mm鋼球、 3.175mm鋼球 主載荷: 140kgf、50kgf、90kgf 、 特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn) 測(cè)試簡(jiǎn)便、迅速、因壓痕小、不損傷 零件，適合成品檢驗(yàn)。 缺點(diǎn) 測(cè)得的硬度值重復(fù)性較差，需在不同的 部位測(cè)量數(shù)次。 適用范圍：用于測(cè)定硬質(zhì)材質(zhì)（2070 HRC） 如:淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等。,,三、韌性 金屬在斷裂前吸收的變形能量的能力韌性。 其常用指標(biāo)為------沖擊韌度（ak ）,,計(jì)算公

6、式： ak =Ak/S(J / cm) 用單位面積上的沖擊功來表示 ak沖擊韌度 Ak沖斷試樣所消耗的沖擊功，J; S試樣缺口處的橫截面積，cm。 沖擊值一般作為選材的參考，不直接用于強(qiáng)度計(jì)算。 試驗(yàn)表明：在沖擊能量不大的情況下，金屬材料承受多次重復(fù)沖擊的能力，主要決定于強(qiáng)度，而不是要求過高的沖擊韌度。 ak 值 對(duì)組織缺陷很敏感，因此，沖擊試驗(yàn)在生產(chǎn)上用來檢驗(yàn)冶煉、熱加工、熱處理工藝質(zhì)量的有效方法。,四、 疲勞強(qiáng)度 （-1 ） （-10.5b） 金屬材料在無(wú)數(shù)次重復(fù)或交變載荷的作用下而不致引起斷裂的最大應(yīng)力疲勞強(qiáng)度。 在機(jī)械零件中有許多零件，如連桿、齒輪、彈簧、曲

7、軸等，是在交變載荷的作用下工作的。這種受交變應(yīng)力的零件，發(fā)生斷裂時(shí)的應(yīng)力。遠(yuǎn)低于該材料的屈服強(qiáng)度，這種破壞現(xiàn)象叫做疲勞破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有80%的機(jī)件失效都可歸咎于疲勞破壞。 金屬材料所承受循環(huán)應(yīng)力（）與其斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（N）有如圖所示的疲勞曲線關(guān)系。,,疲勞曲線,,當(dāng)應(yīng)力降至某值后， 疲勞曲線成為水平， 即表示該材料可能經(jīng)受無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而仍不發(fā)生疲勞斷裂，這個(gè)應(yīng)力叫做疲勞強(qiáng)度極限。。 用應(yīng)力循環(huán)基數(shù)表示： 鋼為107 非鐵合金和某些高強(qiáng)為108,5、幾種常用金屬材料的力學(xué)性能,復(fù)習(xí)題,1. 解釋應(yīng)力與應(yīng)變的概念 2. 說明S 、0.2 、b、1 、、k、45-50HRC、300HB

8、S的名稱和含義 3. 查閱有關(guān)資料列表統(tǒng)計(jì)如下材料的力學(xué)性能指標(biāo)值：Q215-A; 35; T10; HT300;QT450-10; ZG340-640(ZG55）;ZCuSn10Pb1(10-1錫青銅);ZAlSi7Mg(ZL101) 。,第二章 鐵 碳 合 金,鐵碳合金根據(jù)含碳量的不同可分為: 碳鋼 ： C<2.11%;,圖3-3 40鋼的顯微組織 400 圖3-4 60鋼的顯微組織 400 組織：F+P 組織：P（黑色）+F（白色網(wǎng)狀,生鐵： 2.11%C<5%. （鑄鐵2.8%C4.0%),,,第一節(jié) 純鐵的晶體結(jié)構(gòu)與同素異晶轉(zhuǎn)變,金屬（純鐵、銅、 鋁

9、等）都是晶體 晶體原子按一定的次序作有規(guī)則的排列。如金剛石、石墨等。 非晶體原子作不規(guī)則的排列。 如玻璃、瀝青等。 晶格把每個(gè)原子看成一個(gè)點(diǎn)， 此點(diǎn)代表原子的振動(dòng)中心,將這些點(diǎn)用直線連接起來，形成的空間格子。 晶胞晶格的最小單元。,,晶胞,一、 金屬的結(jié)晶： 金屬由液態(tài)冷卻變成固態(tài)，原子由不規(guī)則排列有規(guī)則的排列 無(wú)序 有序,金屬結(jié)晶過程示意圖,金屬結(jié)晶過程 形核長(zhǎng)大晶粒,金屬和合金多為多晶體結(jié)構(gòu) 晶粒間的接觸面（邊界）稱為晶界。,細(xì)化晶粒的方法 （1）快速冷卻，增加晶核數(shù)； （2）添加高熔點(diǎn)彌散質(zhì)點(diǎn) （孕育或變質(zhì)處理） （3）熱處理和壓力加工,

10、晶粒粗細(xì)對(duì)力學(xué)性能影響很 大。一般規(guī)律：晶粒愈細(xì)， 強(qiáng)度、硬度愈高，塑性、韌 性愈好。,純金屬結(jié)晶的 冷卻曲線規(guī)律,2）純金屬結(jié)晶在恒溫下進(jìn)行，結(jié)晶冷卻曲線出現(xiàn) 水平線段,1）金屬實(shí)際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度；理論結(jié) 晶溫度T 0 與實(shí)際結(jié)晶溫度Tm之差稱為過冷度， 即：T=T 0-Tm,二、純鐵的晶體結(jié)構(gòu)形式,體心立方晶格Fe,面心立方晶格Fe,純鐵在晶體狀態(tài)下的兩種晶格類型：,1）體心立方晶格 在立方體的8個(gè)頂角上各有一個(gè)原子，在立方體中心還有一個(gè)原子。,體心立方晶格,2）面心立方晶格 在立方體8個(gè)頂角上各有一個(gè)原子，在立方體 的6個(gè)面的中心還各有一個(gè)原子。,面心立方晶格,三

11、、純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變,純鐵固態(tài)下, 在不同溫度范圍內(nèi)將呈現(xiàn)出不同的晶格形態(tài)，這種現(xiàn)象稱為同素異晶轉(zhuǎn)變。,（液體） 1538 （體心） 1394 （面心） 912 （體心）,2）用反應(yīng)式表示,1）用冷卻曲線表示,,L,合金：以一種金屬為基礎(chǔ)，加入其它金屬或非金 屬，所形成的具有金屬特性的物質(zhì)。 組元：組成合金的基本元素。 鐵碳合金(Fe-Fe3C) 相：在合金組織中,凡是成分相同、晶體結(jié)構(gòu)和物理性能相同的均勻組成部分。 例如： 單一的液相； 單一的固相； 液相、固相兩相共存；,問題： 水、油混裝在一個(gè)瓶子里，是幾個(gè)相？ 將奶粉加開水沖一杯牛奶又是幾個(gè)相？,,,第二節(jié)

12、 鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu),組織：通常借助于放大鏡、顯微鏡人眼觀察到的材料內(nèi)部的微觀圖像(各相的形態(tài)特征)統(tǒng)稱組織.,組織是材料性能的決定因素。,,,合金的組織結(jié)構(gòu),,機(jī)械混合物,固溶體,金屬化合物,說明:鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜,并隨成分,溫度和冷卻速度而變化.以上是按鐵和碳相互作用形式不同來分類的.,一、固溶體,溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格而仍保持溶劑晶格類型的金屬晶體。,據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)位置的不同,固溶體,,,固溶體的性能特點(diǎn)： 具有良好的塑性和韌性，強(qiáng)度、硬度相對(duì)較低。,置換固溶體,間隙固溶體,,溶質(zhì)原子,,,二、金屬化合物,合金各組成元素之間相互作用而生成的一種新的具有金屬特性的物質(zhì)

13、。 各組元按一定整數(shù)比結(jié)合而成，并具有金屬性質(zhì)的均勻物質(zhì)，屬于單相組織。,如： Fe3C、WC、TiC 等,,金屬化合物的性能特點(diǎn)： 脆性大、硬度高；強(qiáng)度低；塑性、韌性差；高的熔點(diǎn)。,三、機(jī)械混合物,合金的組成在固態(tài)下既不互相溶解又不形成化合物，而是按一定的重量比混合而成的新物質(zhì)。,,機(jī)械混合物既可以是純金屬、固溶體或金屬化合物各自的混合，也可以是它們之間的混合。 如珠光體(F+Fe3C)和萊氏體(A+Fe3C),性能特點(diǎn)： 性能介于各組成物的性能之間。,第三節(jié) 鐵碳合金的基本組織,部分碳溶于鐵的晶格間隙，鐵的晶格類型 不變。,奧氏體（A） 碳（C）溶入-Fe中所形成的固溶體,鐵素體（F）

14、 碳（C）溶入-Fe中所形成的固溶體,1）固溶體,鐵素體（F） 體心立方晶格 600 0.006%C 727 0.0218%C 力學(xué)性能：b 250MPa； = 45%50%； HBS = 80。,奧氏體（A）面心立方晶格 1148 2.11%C 727 0.77% 力學(xué)性能： b 250 350MPa； = 40%45%。 HBS= 160200；,,鐵素體組織,奧氏體不銹鋼組織,,滲碳體 （Fe3C）,（石墨）,鑄鐵生產(chǎn)中,性能 800 HBW （用硬質(zhì)合金頭測(cè)定） 硬而脆

15、，但塑性、韌性極低,伸長(zhǎng)率 和沖擊韌度近于零。,2）金屬化合物各組元按一定整數(shù)比結(jié)合而成，并 具有金屬性質(zhì)的均勻物質(zhì)，屬于單相組織。,,,過共晶白口鑄鐵中 鐵的一次滲碳體,過共析鋼退火組織中 的二次滲碳體,,3）機(jī)械混合物結(jié)晶過程所形成的兩相混合組織,白色F基體中嵌入黑片狀Fe 3C,良好的力學(xué)性能： b 750MPa ； HBS=180 =20 %25% ； k = 30-40（J/c）,成分：C 0.77 %,珠光體 P （F+Fe3C）,萊氏體（Ld ） C=4.3%C 727以上為高溫Ld （A+ Fe3C）727以下為低溫Ld （P+ Fe3C） 力學(xué)性能與 Fe3C

16、相似，硬而脆,由綠條狀或粒狀P和黃色Fe3C 基體組成,,珠光體,萊氏體,三 、鐵碳合金狀態(tài)圖,鐵碳合金狀態(tài)圖是用實(shí)驗(yàn)方法作出的溫度成分坐標(biāo)圖，圖中橫坐標(biāo)僅標(biāo)出了含碳量小于6.69%的合金部分，因?yàn)楹剂看笥?.69%的鐵碳合金，在工業(yè)上沒有實(shí)用意義。當(dāng)含碳量為6.69%時(shí)，鐵和碳形成的Fe3C，可以看作是合金的一個(gè)組元，因此，這個(gè)狀態(tài)圖實(shí)際上是Fe-Fe3C的狀態(tài)圖。它是研究鋼和鐵的成分、溫度和組織結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的重要工具。,鐵碳合金狀態(tài)圖,顯示各種不同碳量的鐵碳合金在不同溫度 下組織形態(tài)的熱分析圖形,,,,,鐵碳合金狀態(tài)圖,,1、 Fe C合金狀態(tài)圖的構(gòu)成,1）兩條水平線 ECF

17、（1148） PSK（727）,,,2）4個(gè)基本相 液相(L)； 奧氏體(A)； 鐵素體(F)； 滲碳體相( Fe 3C)。,2、Fe C合金狀態(tài)圖的特性分析,1）共晶線ECF （C點(diǎn)共晶點(diǎn)）,說明：含2.11%6.69%C的 Fe C合金(生鐵)都將在1148 時(shí)發(fā)生萊氏體轉(zhuǎn)變，即共晶轉(zhuǎn)變。,1148,表示共晶反應(yīng)：,2）共析線PSK （S點(diǎn)共析點(diǎn)）,說明：各種成分的 Fe C合金(鋼)都將在727時(shí)發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，即共析轉(zhuǎn)變。在熱處理中，該線溫度常以A1表示，冷卻時(shí)用Ar1，加熱時(shí)用Ac1。,727,表示共析反應(yīng)：,3）兩條固溶線GS、ES,ES 自高碳奧氏體冷卻過 程中析出 F

18、e3C的起始線。 溫度常以 Acm表示。 （冷卻：Arm；加熱：Acm）,GS 自低碳奧氏體冷卻過程中析出鐵素體晶粒的起始 線，該溫度常以 A3表示。 （冷卻：Ar3；加熱：Ac3）,鐵碳合金住狀態(tài)圖中主要線的含義,ACD線液相線，液體合金冷卻到此線時(shí)開始結(jié)晶。 在此線以上的區(qū)域是液相區(qū)。 AECF線固相線 ，在此線以下的合金為固體狀態(tài)。 ( AE線 鋼的固相線。當(dāng)液體合金冷卻到此線時(shí)全部結(jié)晶為 奧氏體，反之，加熱到此線時(shí)，鋼開始溶化。) ECF線生鐵的固相線，又叫共晶線。因在此線上發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變生成萊氏體。 GS線（A3線）奧氏體冷卻到此線時(shí)，開始析出鐵素體。 ES線（Acm線）奧氏體冷卻到

19、此線時(shí)開始析出滲碳體。 PSK（A1線）此線又叫共析線，當(dāng)奧氏體冷卻到此線時(shí)，同時(shí)析出鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物。其反應(yīng)產(chǎn)物為珠光體。,鐵碳合金狀態(tài)圖中主要點(diǎn)的含義,,,,,,,,,,,,,,,,四 鐵碳合金分類(據(jù)C%不同分),以E點(diǎn)（2.11% C）為界，分為鋼和生鐵兩類。生鐵結(jié)晶時(shí)有萊氏體轉(zhuǎn)變，組織中有萊氏體。,鋼以S點(diǎn)（0.77%C）為界， 分為： 亞共析鋼 C 0.77%； 共析鋼 C0.77%； 過共析鋼 C0.77%。,生鐵以C點(diǎn)（4.3%C）為界，分為： 亞共晶生鐵 2.11%C4.3%； 共晶生鐵 C4.3% ； 過共晶生鐵 C4.3%6.69。,鑄鐵：一般

20、是指用來制造 鑄件的生鐵，為亞共晶生 鐵。C2.8 % 4.0 % 。,五 鐵碳合金狀態(tài)圖組織轉(zhuǎn)變及應(yīng)用,1、分析自液態(tài)冷卻至室溫時(shí) 合金的組織轉(zhuǎn)變過程及室 溫組織,室溫組織: P,,,,,,F,,A,FA,A+,,A,A,1）共析鋼（T8鋼） 1點(diǎn)以上 L 12 LA 23 A 3點(diǎn) AP 3點(diǎn)以下 P,,A,共析鋼的結(jié)晶過程,,2）亞共析鋼(45鋼）,室溫組織：F+P,亞共析鋼的結(jié)晶過程,,,,,,,,F,F,A,A,A,,,,,A,A,A,A,A,,,F,F,,F,,A,1點(diǎn)以上 L (12 L) 23 A+L 34 A 45 A+F 5點(diǎn) AP 5點(diǎn)

21、以下 P+F,3）過共析鋼（T10),室溫組織：P+Fe3C（網(wǎng)狀）,過共析鋼的結(jié)晶過程,1點(diǎn)以上 L 12 L+A 23 A 34 A+Fe3CII 4點(diǎn) AP 4點(diǎn)以下 P+Fe3CII,4）亞共晶白口生鐵,1點(diǎn)以上 L 12 A+L 2點(diǎn) 共晶反應(yīng) 23 A+Fe3CII+Ld 3點(diǎn) 共析反應(yīng) 3點(diǎn)以下 P+Fe3CII+Ld 注明： Fe3CII二次滲碳體 Ld 高溫萊氏體 Ld低溫萊氏體,,,,室溫組織 P+Fe3CII+Ld,2、分析鋼從室溫加熱轉(zhuǎn)變至奧氏體狀態(tài)(俗稱奧氏體化) 的組織變化,

22、共 析 鋼 PA,亞共析鋼 F+PFAA,過共析鋼 PFe3CIIA Fe3CII,,,鋼和白口鑄鐵結(jié)晶過程分析,,,典型鐵碳合金在相圖中的位置,1鋼,2生鐵,共析鋼: 亞共析鋼: 過共析鋼:,共晶生鐵: 亞共晶生鐵: 過共晶生鐵:,鐵碳合金的結(jié)晶過程及組織轉(zhuǎn)變過程總結(jié),復(fù) 習(xí) 題,1.說明晶粒粗細(xì)對(duì)力學(xué)性能的影響 2.何謂鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變，并用反應(yīng)式和冷卻結(jié)晶曲線分別描述 3.說明 F、A、 Fe 3C、P的名稱、含碳量、晶體類型及力學(xué)性能特征 4.依Fe -C狀態(tài)圖分析緩慢冷卻條件下45鋼和T10鋼的結(jié)晶過程與室溫組織。,第三章 鋼的熱處理,1、概述,應(yīng)用:機(jī)床制造中，熱處理

23、零件占 60%70%， 汽車制造中，熱處理零件占70%80%。 刀具、模具和滾動(dòng)軸承約占100%。,方法: 通過對(duì)鋼件重新加熱，保溫并在不同條件下的冷卻獲得所需組織和性能。 普通熱處理: 退火、正火、淬火、回火； 表面熱處理: 表面淬火、化學(xué)熱處理,意義: 將鋼件在固態(tài)下使之改善內(nèi)部組織和提高其力學(xué) 性能，但不允許改變形狀。,熱處理工藝的包括加熱、保溫、和冷卻三個(gè)基本階段 由于各種熱處理時(shí)起作用的主要因素是溫度和時(shí)間，所以各種熱處理都用溫度時(shí)間坐標(biāo)圖的曲線來表示熱處理工藝曲線。,,,,,,,,,,,,,,,,,臨界溫度,保溫,冷卻,加熱,時(shí)間,溫度,2. 鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變,為

24、了在熱處理后獲得所需的性能，大多數(shù)工藝（淬火、正火、退火）都要將鋼加熱到臨界溫度以上，獲得全部或部分奧氏體組織，并使其成分均勻化，即進(jìn)行奧氏體化組織轉(zhuǎn)變,再以不同的冷卻方式或速度轉(zhuǎn)變成所需要的組織,已獲得預(yù)期的性能。, 組織轉(zhuǎn)變的臨界溫度,C% 在加熱（冷卻）時(shí)FeFe3C狀態(tài)圖中各臨界點(diǎn)的位置,根據(jù)相圖，共析鋼加熱PSK線（A1）以上時(shí)，完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；而亞共析鋼和過共析鋼必須加熱到GS線（A3）和ES線（Acm)以上才能全部獲得奧氏體。 鐵碳合金狀態(tài)圖中的組織轉(zhuǎn)變的臨界溫度是A1、A3、Acm 。實(shí)際加熱時(shí)臨界溫度的位置用Ac1、Ac3、Accm表示；實(shí)際冷卻時(shí)臨界溫度的位置A r1、

25、 Ar3 、Arcm 表示。, 奧氏體的形成,,共析鋼中奧氏體形成過程示意圖,奧氏體的形成分四個(gè)步驟： 奧氏體晶核的形成； 奧氏體晶核的長(zhǎng)大； 剩余滲碳體的溶解； 奧氏體成分的均勻化。,,??? 亞共析鋼A化過程,,??? 過共析鋼A化過程,加熱溫度和保溫時(shí)間，溫度越高，時(shí)間越長(zhǎng)，A晶粒越粗大 碳含量：C%越大，A晶粒越粗大 合金含量：除Mn、P外大多數(shù)合金能阻礙A晶粒長(zhǎng)大 一般采用快速高溫加熱的短時(shí)保溫以獲得細(xì)小A晶粒。,3. 鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變,室溫時(shí)鋼的力學(xué)性能，不僅與加熱、保溫后所獲得的奧氏體晶粒大小等有關(guān)，而且決定于奧氏體經(jīng)冷卻轉(zhuǎn)變后所獲得的組織而冷卻方式和冷卻速度對(duì)奧氏體

26、的組織轉(zhuǎn)變有直接的關(guān)系。,冷卻方式通常有兩種： 連續(xù)冷卻使加熱到奧氏體的鋼，在溫度連續(xù)下降的過程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變 。如在熱處理生產(chǎn)上經(jīng)常使用的，在水中、油中或空氣中冷卻等都是連續(xù)冷卻方式。 等溫冷卻使加熱到奧氏體的鋼，先以較快的冷卻速度冷到A1線以下的一定的溫度，這時(shí)奧氏體尚未轉(zhuǎn)變，但成為過冷奧氏體。然后進(jìn)行保溫，使奧氏體等溫下發(fā)生轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變完成后再冷卻到室溫。如等溫退火屬于等溫冷卻方式。,等溫轉(zhuǎn)變曲線：是指進(jìn)行一系列不同過冷度的等溫冷卻實(shí)驗(yàn)，可以測(cè)出過冷奧氏體保溫過程中開始轉(zhuǎn)變時(shí)間和轉(zhuǎn)變終了時(shí)間,標(biāo)注在溫度時(shí)間坐標(biāo)系中，然后將開始轉(zhuǎn)變時(shí)間和轉(zhuǎn)變終了時(shí)間分別連接起來，這種曲線類似英文字母“C

27、”又稱“C”曲線。 分四個(gè)區(qū):穩(wěn)定A;過冷A; AP組織共存區(qū); 過冷A轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū);(高溫區(qū),中溫區(qū),低溫區(qū)),共析鋼奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線,共析鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線,共析鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線,珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)(高溫區(qū)),高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（F+Fe3C） 在Ar1550之間等溫轉(zhuǎn)變成片層狀珠光體產(chǎn)物。 珠光體（P)） Ar1650 粗片層 索氏體（S) 650600 細(xì)片 托氏體（T）600550 極細(xì)片 都是由鐵素體和滲碳體的片層所組成的機(jī)械混合物。, 貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)(中溫區(qū)),中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（B） 在550 230（MS）之間的等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為貝氏體。 550 350 上貝氏體 350 230 下貝氏

28、體 由含碳過量的鐵素體和微小的滲碳體混合而成。比珠光體的硬度更高。,馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)(低溫區(qū)),低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（M） 共析鋼奧氏體過冷到230 （MS） 以下轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體。 它實(shí)質(zhì)上C在-Fe中的過飽和固溶體。,共析鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線在連續(xù)冷卻中的應(yīng)用如P26圖1-26 了解 v1 ??? v2 ??? V3 ??? Vk ???,4、鋼的退火和正火,1）退火 將鋼件加熱、保溫，然 后隨爐或埋入石灰中使其 冷卻(緩慢) 的熱處理工藝。,目的 細(xì)化晶粒，提高塑性和韌性； 降低表層硬度，利于切削加工； 消除內(nèi)應(yīng)力。,主要應(yīng)用于鑄鋼件、重要鍛件等多種毛坯加工前的預(yù)備

29、熱處理。,應(yīng)用,退火按其鋼種的應(yīng)用不同，分為完全退火、球化退火和低溫退火三種不同工藝, 完全退火 加熱溫度：Ac3+3050， 完全奧氏體化； 冷卻：爐冷至500后開爐空冷 緩慢冷卻。 應(yīng)用：亞共析鋼的鑄鋼件、重要鍛件 。,球化退火,應(yīng)用：過共析鋼（刀具、刃具）,作用：降低硬度，利于切削加工，并為進(jìn)一步淬火 做準(zhǔn)備。,組織變化特征：,加熱溫度：Ac1 +2030； 冷卻：隨爐緩慢冷卻；,低溫退火(去應(yīng)力退火) 加熱溫度：500650以下(< Ac1) 冷卻：保溫后隨爐緩慢冷卻； 作用：消除熱應(yīng)力。對(duì)冷拔、 冷拉、沖壓件則消除加工硬化， 以利于進(jìn)一步變形。,完全退火,球化退火,

30、等溫退火,,去應(yīng)力退火,Ac3線以上 30-50C,Ac1線以上 20-0C,,Ac3線以上 30-50C,Ac1線以下 500-650C,緩慢冷卻,緩冷至 500C空冷,快冷至A1線 下保溫,緩慢冷卻,消除粗晶和 不均勻組織,將網(wǎng)狀Fe3CII變 為球狀Fe3CII,獲得均勻組織,消除殘余應(yīng)力,亞共析鋼,過共析鋼,合金鋼,鑄、鍛、焊件,,2）正火,正火是將鋼加熱到Ac3(亞共析鋼） 或Accm（過共析鋼）以上3050C， 保溫后從爐內(nèi)取出，空冷的熱處理工藝。 加熱溫度： 亞共析鋼： t = Ac3 +3050 過共析鋼： t = Acm3050 冷卻條件：空冷,正火的

31、作用 用于普通結(jié)構(gòu)件最終熱處理； 取代部分完全退火(低碳鋼) 用于過共析鋼。可抑制和消除網(wǎng)狀二次滲碳體的形成 完全奧氏體化，加熱，保溫過程和目的同 退火，只是放到空氣中冷卻，比退火冷卻 稍快，珠光體中的 Fe 3C片層薄，性能與 退火相近。, 溫 度,,時(shí) 間 ,幾種退火和正火的工藝曲線,3）淬火 加熱溫度： 亞共析鋼： t = Ac3 + 3050 過共析鋼： t = Ac1 + 3050 冷卻條件：速冷（油或水中，水中冷卻更快),組織變化特征 1）晶格轉(zhuǎn)變：-Fe(面心）-Fe（體心） 2）速冷下，原A中的過飽和碳難以向外擴(kuò)散， 形成了碳在-Fe中的過飽和固溶體。這類固

32、 溶體即 稱馬氏體。以符號(hào)“M”表示。,“M”的特性1）因碳嚴(yán)重過飽和，晶格畸變，大大增加了變形抗力，故馬氏體通常具有很高的硬度和耐磨性，但突顯脆性，易開裂。2）M相變伴隨有體積膨脹，出現(xiàn)淬火內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)生淬火變形。,工藝上采取措施 1）嚴(yán)格控制淬火溫度 2）合理選擇淬火介質(zhì) 3）正確選擇淬火方法,4）回火 淬火鋼因突顯脆性，一般都要重新加熱才能使用，其淬火后重新加熱（ Ac1以下）、保溫后并冷卻至室溫的熱處理工藝稱為回火。,回火意義 淬火后因“M”為不穩(wěn)定組織，重新加熱時(shí)， 碳原子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，將以Fe 3C形式析出，致使 b、HRC降低， %、k提高。消除淬火內(nèi)應(yīng)力.,回火分類按淬火后

33、重新加熱溫度不同，可分為三類：,1）低溫回火（250 以下 150250） 目的：減小內(nèi)應(yīng)力，降低脆性，保持良好的原淬 火硬度（5664HRC）和高的耐磨性。 應(yīng)用：工具、刃具、模具及其它耐磨件,2）中溫回火（250500） 目的：獲得高彈性，保持表面較高硬度 （3550HRC），獲得一定的韌性。 應(yīng)用：彈簧、發(fā)條、鍛模板。,3）高溫回火（500以上500650） 目的：獲得高強(qiáng)度，高塑性和高的沖擊韌性，即良 好的綜合力學(xué)性能。 應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于承受疲勞載荷的中碳鋼重要件， 如連桿、主軸、齒輪、重力螺釘?shù)取Ｓ捕? 2035HRC。,淬火后高溫回火也稱為 調(diào)質(zhì)

34、熱處理。中碳鋼（0.40.6C）亦稱 為調(diào)質(zhì)鋼。,,4、表面淬火和化學(xué)熱處理,1）表面淬火 鋼件表層淬火到一定深度，心部仍保持未淬火狀態(tài)的一種局部淬火方法。工藝 鋼件表層快速加熱到淬火溫度（ Ac3+3050），當(dāng)高溫來不及傳遞到心部而立即噴水冷卻，實(shí)現(xiàn)表層局部淬火。,表面火焰淬火,快速加熱方法：電感應(yīng)，火焰，激光等。目的 獲得表層高硬度、高耐磨性，心部仍保持淬火以前的良好韌性。 應(yīng)用 機(jī)床主軸、階梯軸、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、齒輪的齒形表層等,表面電感應(yīng)淬火,2）化學(xué)熱處理 工件置于化學(xué)介質(zhì)中，并通過加熱、保溫， 通過原子擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，改變其表層的 化學(xué)成分和組織，達(dá)到工件表層改性的目

35、的。 常用工藝：滲碳、滲氮、碳氮共滲等。,滲碳 低碳鋼工件進(jìn)入密閉滲碳爐中，通入煤油（氣體滲碳）。加熱：900950，保溫，使表層達(dá)到1%C，淬火后再低溫回火，可達(dá)5664HRC，如汽車變速箱齒輪、車橋齒輪、活塞銷等。,熱處理在模具制造中的綜合應(yīng)用,第四章 工業(yè)用鋼簡(jiǎn)介,按化學(xué)成分分為： 非合金鋼（碳素鋼）、 低合金鋼 合金鋼,,,一、碳素鋼 碳鋼,碳對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響,1、化學(xué)成分對(duì)碳鋼性能的影響 碳素鋼的含碳量在1.5%以下，其中還含有少量的Si、Mn、P、S 等雜質(zhì)，碳是碳素鋼中最重要的成分，其含量對(duì)碳素鋼的組織和性能影響極大，鋼中含碳量愈多，則珠光體和滲碳體愈

36、多，因而硬度愈高，塑性愈低，當(dāng)含碳量超過共析成分時(shí)，因出現(xiàn)了網(wǎng)狀Fe3C,強(qiáng)度反而降低。,冷脆磷在鐵中會(huì)形成固溶體，可使鋼的強(qiáng)度和 硬度有所增加，但使塑性和韌性顯著降低，特別在低溫時(shí)鋼的脆性急劇增加，這種現(xiàn)象叫冷脆。 熱脆硫和鐵化合成FeS, FeS又與鐵形成熔點(diǎn)僅為985C 的共晶體（Fe+FeS），沿晶界分布。當(dāng)鋼的含硫量較多，在800 C 1200 C 進(jìn)行壓力加工時(shí)由于共晶體熔化，會(huì)使鋼的各個(gè)晶體分離，從而引起鋼的破裂。,由于磷、硫是鋼中的有害雜質(zhì)，按質(zhì)量分類時(shí)要規(guī) 定鋼中的磷、硫含量。 在普通鋼中允許含磷量 0.045% 含硫量 0.055% 在優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼

37、中含磷量0.035% 含硫量 0.035% 在工具鋼中磷、硫含量分別 0.035% 在高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼中磷、硫的含量分別 0.03%,2. 碳素鋼的牌號(hào)和用途,（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼（Wc0.38%) 牌號(hào)：Q215-A，Q235-A，Q255-A 數(shù)字表示該鋼種板厚小于16mm時(shí)的最低屈服點(diǎn)； A、B、C、D表示鋼的質(zhì)量等級(jí)， A、B為普通級(jí)；C、D表示硫、磷含量低的優(yōu)等鋼。 Q235為低碳鋼，應(yīng)用最廣。用途見P31表1-5。,,,（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 （S、P 0.035%） 用來制造比較重要的零件，一般都要進(jìn)行熱處理以提高其力學(xué)性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。因此冶金廠供應(yīng)時(shí)

38、，不僅要保證它的化學(xué)成分，還要保證其力學(xué)性能 牌號(hào)用用二位數(shù)表示，二位數(shù)表示鋼中平均含碳量的萬(wàn)分之幾。 如：15號(hào)鋼表示平均含碳量為0.15%的優(yōu)質(zhì)鋼，但實(shí)際上鋼中含碳量在0.120.19%的范圍內(nèi)。,08，10，15，20，25（低碳鋼）強(qiáng)度小而塑性好，易于拉拔、沖壓、鍛造和焊接。常用來制造螺釘、螺母、墊圈和需要滲碳的零件等。 30，35，40，45，50，55（中碳鋼）強(qiáng)度較高，韌性和加工性也較好。應(yīng)用時(shí)通常要經(jīng)過淬火、回火等熱處理，這類鋼多用來制造軸類、齒輪、絲杠、連桿、套筒等。 60，65，70，75（高碳鋼）淬火后有較高的彈性，可用來制造各種彈簧、鋼絲繩等。,,根據(jù)含

39、碳量的不同，適于制造各種不同的零件。,（3）碳素工具鋼（ C=0.7%1.3% ）,屬于共析鋼和過共析鋼 熱處理：淬火、回火后有高硬度（60HRC） 用途：做小型工、模具 牌號(hào)：用 “ T”表示，其后面的一位或兩位表示 鋼中平均含碳量的千分之幾。 如：T8，T10，T10A，T12；后面A表示高級(jí)優(yōu)質(zhì) 碳素工具鋼一般均為優(yōu)質(zhì)鋼。見P32表1-6,二、低合金鋼,低合金鋼指合金總含量低（3%）、含碳量也較低 的合金結(jié)構(gòu)鋼。 熱處理：退火或正火 性能：較高的強(qiáng)度、塑性、韌性和耐蝕性、 良好的焊接性。 用途：橋梁、汽車、鐵路、船舶、鍋爐、高 壓容器、鋼

40、筋、礦用設(shè)備等 分類：可焊接低合金高強(qiáng)度鋼、低合金耐候鋼、 低合金鋼筋鋼、鐵路用低合金鋼、礦用低合金鋼 應(yīng)用最廣是可焊接低合金高強(qiáng)度鋼， 其牌號(hào)表示方法與碳素結(jié)構(gòu)鋼相同。見P33表1-7,三、合金鋼,1、合金結(jié)構(gòu)鋼分類及用途：低碳合金結(jié)構(gòu)鋼用于滲碳件；中碳合金結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)、滲氮件； 高碳合金結(jié)構(gòu)鋼用于制造彈簧。 牌號(hào)：采用“數(shù)字+元素符號(hào)+數(shù)字” 來表示。 前面的數(shù)字表示鋼的平均含碳量，以萬(wàn)分之幾表示，如：平均含碳量為0.25%，以25表示； 后面的數(shù)字表示合金的含量，以平均含量的百分之幾表示， 合金元素小于1 .5%時(shí)，編號(hào)中只標(biāo)明元素，不標(biāo)明含量如果平均含量等于和大于1.5%、2.5

41、%、3.5%，則相應(yīng)的用2、3、4.表示，如：含0 .370.45%C、0.81.1%Cr的鉻鋼40Cr,當(dāng)鋼中合金元素超過低合金鋼的限度時(shí)合金鋼 屬于優(yōu)質(zhì)鋼和高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼,2、合金工具鋼,用途：制造刀具、量具、模具等，工作溫度達(dá)600。C 分類：刀具、量具用鋼、耐沖擊工具用鋼、 冷作模具鋼、熱作模具鋼 牌號(hào)：平均含碳量1.0%時(shí)，不標(biāo)出，1.0%， Cr、Mn平均含量<1.5%的合金工具鋼， 9SiCr表示平均含碳量為0.9%， Si 、 Cr平均含量<1.5%的合金工具鋼， W18Cr4V表示含碳量為0.700.80%， W、Cr、V平均含量分別為18%、、4%、 < 1.5%

42、的高速鋼,3、特殊性能鋼,包括不銹鋼，耐熱鋼，耐磨鋼，磁鋼等。如：3Cr13，1Cr18Ni9等 不銹鋼在石油、化工、食品、醫(yī)藥、裝飾 應(yīng)用最廣。 合金鋼的各種化學(xué)成分、熱處理、用途 見P35表1-8,選材的一般原則 1. 材料的力學(xué)性能 在設(shè)計(jì)零件并進(jìn)行選材時(shí)，應(yīng)根據(jù)零件的工作條件和損壞形式找出所選材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)，這是保證零件經(jīng)久耐用的先決條件。 2. 材料的工藝性能 材料的工藝性能的好壞對(duì)加工生產(chǎn)有直接的影響，因此，應(yīng)選用其工藝性能優(yōu)良的材料，以便降低制造成本，減少?gòu)U品的產(chǎn)生。 幾種重要的工藝性能如下： 鑄造性能：包括流動(dòng)性能、收縮、偏析等。 鍛造性能：包括可鍛性、抗氧化性等

43、 機(jī)械加工性：包括光潔度、切削加工性等,一般來說，碳鋼的鍛造、切削加工性能較好，其機(jī)械性能可以滿足一般零件的工作條件要求，因此碳鋼的用途較廣。但其強(qiáng)度還不夠高，淬透性差。制造大面積形狀復(fù)雜零件，常選用合金鋼。 3. 材料的經(jīng)濟(jì)性 在滿足使用性能的前提下，選用材料時(shí)還應(yīng)注意降低零件的總成本。零件的總成本包括材料本身的價(jià)格和與生產(chǎn)有關(guān)的一些費(fèi)用。 在金屬材料中，碳鋼和鑄鐵的價(jià)格是比較低廉的，因此在滿足零件力學(xué)性能的前提下選用碳鋼和鑄鐵，不僅具有較高的加工工藝性能，而且可降低成本。 立足于國(guó)內(nèi)資源，盡力采用國(guó)產(chǎn)鋼材，此外，選用材料的牌號(hào)要符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，品種盡量少而集中。,復(fù)習(xí)題,1.何謂退火和正火？?jī)烧叩奶攸c(diǎn)和用途有什么不同？ 2.鋼淬火后所獲得的馬氏體組織與鐵素體有何相同和不同之處？鋼中的馬氏體組織表現(xiàn)出什么特性？ 3.鋼在淬火后為什么要回火？三種類型回火的加熱溫度規(guī)范、目的和應(yīng)用有什么不同？ 4.說明鋸條、汽車鋼板彈簧、車床主軸、變速箱齒輪、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的最終熱處理工藝。,