金屬加工工藝學(xué) 第一篇 金屬材料的基礎(chǔ)知識(shí)

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

2、——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,,σ0.2——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：M

3、Pa(N/mm2）,σb —— 抗拉強(qiáng)度,σs —— 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(lái)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/ A

4、0 ( 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,mm² 金屬不能在超過(guò)其? 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：δ10——試樣 L0=10d0 δ5 ——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

5、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(shuō)明：δ、ψ值愈大，表明材料的塑性愈好。,式中 A0—試樣的原始截面積，mm²； A1—試樣拉斷后,斷口處橫截面積，mm²；,,? =（A0 –A1）/A0×100%,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

6、料性能的一個(gè)綜合的物理量，表示金屬材料在一個(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)（HBS≤450） 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

7、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)（HBS≤450） 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、洛氏硬度HRC （120。金剛石壓頭、 140kgf ）用于測(cè)定硬質(zhì)表面,材料（2

8、0－70 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

9、 部位測(cè)量數(shù)次。 適用范圍：用于測(cè)定硬質(zhì)材質(zhì)（20－70 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)算公式： ak =Ak/S(J / cm?) 用單位面積上的沖擊功來(lái)表示 ak—沖擊韌度

10、 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(guò)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(lái)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 ——（σ-1 ） （σ-1≈0.5

11、σb） 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

12、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(shuō)明σS 、σ0.2 、σb、σ－1 、δ％、αk、45-50HRC、300HBS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：

13、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

14、 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%≤C≤4.0%),,,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。

15、 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(lái)，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(guò)程示意圖,金屬結(jié)晶過(guò)程

16、 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,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

17、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(guò)冷度， 即：ΔT=T 0-Tm,二、純鐵的晶體結(jié)構(gòu)形式,體心立方晶格α－Fe,面心立方晶格γ－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

18、6個(gè)面的中心還各有一個(gè)原子。,面心立方晶格,三、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。

19、 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(wèn)題： 水、油混裝在一個(gè)瓶子里，是幾個(gè)相？ 將奶粉加開(kāi)水沖一杯牛奶又是幾個(gè)相？,,,第二節(jié) 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

20、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(shuō)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(lái)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

21、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)。 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。

22、 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γ-Fe中所形成的固溶體,鐵素體（F）— 碳（C）溶入α-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

23、.0218%C 力學(xué)性能：σb ≈ 250MPa； δ= 45%~50%； HBS = 80。,奧氏體（A）——面心立方晶格 1148℃ 2.11%C 727℃ 0.77%℃

24、 力學(xué)性能： σb ≈ 250 ~ 350MPa； δ= 40%~45%。 HBS= 160~200；,,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，但塑

25、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(guò)共晶白口鑄鐵中鐵的一次滲碳體,過(guò)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(guò)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： σb ≈750MPa ； HBS=180 δ=20 %－25%

26、 ； αk = 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 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

27、.69%的合金部分，因?yàn)楹剂看笥?.69%的鐵碳合金，在工業(yè)上沒(méi)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

28、水平線 ECF（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(shuō)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

29、－PSK （S點(diǎn)－共析點(diǎn)）,說(shuō)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(guò)程中析出 Fe3C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(guò)程中析出鐵素體晶粒的起始線，該溫度常以 A3表示。（冷卻：

30、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(kāi)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(kāi)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)

31、，開(kāi)始析出鐵素體。 ES線（Acm線）——奧氏體冷卻到此線時(shí)開(kāi)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：

32、 亞共析鋼 C ＜ 0.77%； 共析鋼 C＝0.77%； 過(guò)共析鋼 C＞0.77%。,生鐵以C點(diǎn)（4.3%C）為界，分為： 亞共晶生鐵 2.11%＜C＜4.3%； 共晶生鐵 C＝4.3% ； 過(guò)共晶生鐵 C＞4.3%～6.69％。,鑄鐵：一般是指用來(lái)制造 鑄件的生鐵，為亞共晶生 鐵。C＝2.8 % ~4.0 % 。,五 鐵碳合金狀

33、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(guò)程及室 溫組織,室溫組織: P,,,,,,F,,A,F＋A,A+,,A,A,1）共析鋼（T8鋼） 1點(diǎn)以上 L 1～2 L＋A 2～3 A 3點(diǎn) A→P 3點(diǎn)以下 P,,A,共析鋼的結(jié)晶過(guò)程,,2）亞共析鋼(45鋼）,室溫組織：F+P,亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程,,,,,,,,F,F,A,

34、A,A,,,,,A,A,A,A,A,,,F,F,,F,,A,1點(diǎn)以上 L (1～2 L＋δ) 2～3 A+L 3～4 A 4~5 A+F 5點(diǎn) A→P 5點(diǎn)以下 P+F,3）過(guò)共析鋼（T10),室溫組織：P+Fe3C（網(wǎng)狀）,過(guò)共析鋼的結(jié)晶過(guò)程,1點(diǎn)以上 L

35、 1~2 L+A 2~3 A 3~4 A+Fe3CII 4點(diǎn) A→P 4點(diǎn)以下 P+Fe3CII,4）亞共晶白口生鐵,1點(diǎn)以上 L 1~2 A+L 2點(diǎn) 共晶反應(yīng) 2~3

36、 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,共 析

37、鋼 P→A,亞共析鋼 F+P→F＋A→A,過(guò)共析鋼 P＋Fe3CII→A＋ Fe3CII,,,鋼和白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)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(guò)共析鋼:,共晶生鐵: 亞共晶生鐵: 過(guò)共晶生鐵:,鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程及組織轉(zhuǎn)變過(guò)程總結(jié),復(fù) 習(xí) 題,1.說(shuō)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

38、曲線分別描述3.說(shuō)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(guò)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(guò)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。

39、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(lái)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

40、織轉(zhuǎn)變,為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。,① 組織轉(zhuǎn)變的臨界溫度,C%在加熱（冷卻）時(shí)Fe—Fe3C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(guò)共析鋼必須加熱到GS線（A3）和ES線（Ac

41、m)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、 Ar3 、Arcm 表示。,② 奧氏體的形成,,共析鋼中奧氏體形成過(guò)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(guò)

42、程,,??? 過(guò)共析鋼A化過(guò)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)奧氏體的組織轉(zhuǎn)

43、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(guò)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(guò)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

44、同過(guò)冷度的等溫冷卻實(shí)驗(yàn)，可以測(cè)出過(guò)冷奧氏體保溫過(guò)程中開(kāi)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(kāi)始轉(zhuǎn)變時(shí)間和轉(zhuǎn)變終了時(shí)間分別連接起來(lái)，這種曲線類似英文字母“C”又稱“C”曲線。分四個(gè)區(qū):穩(wěn)定A;過(guò)冷A; A→P組織共存區(qū); 過(guò)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,①珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)(高溫區(qū)),高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（F+Fe3C）

45、在Ar1—550℃之間等溫轉(zhuǎn)變成片層狀珠光體產(chǎn)物。珠光體（P)） Ar1—650℃ 粗片層索氏體（S) 650℃—600℃ 細(xì)片托氏體（T）600℃—550℃ 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。,② 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℃ 下貝氏體

46、由含碳過(guò)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。,③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(guò)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(guò)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 ???

47、 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+30~50

48、℃， 完全奧氏體化；冷卻：爐冷至500℃后開(kāi)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(guò)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 +20~30℃；冷卻：隨爐緩慢冷卻；,●低溫退火(去應(yīng)力退火)加熱溫度：500~650℃以下(< Ac1

49、)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,等溫退火,,去應(yīng)力退火,Ac3線以上30-50°C,Ac1線以上20-３0°C,,Ac3線以上30-50°C,Ac1線以下500-650°C,緩慢冷卻,緩冷至500°C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Fe3C

50、II變?yōu)榍驙頕e3CII,獲得均勻組織,消除殘余應(yīng)力,亞共析鋼,過(guò)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(guò)共析鋼）以上30~50ºC， 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 +30~50℃ 過(guò)共析鋼： t = Acm30~50℃

51、 冷卻條件：空冷,正火的作用 ☆ 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(guò)共析鋼?？梢种坪拖W(wǎng)狀二次滲碳體的形成 完全奧氏體化，加熱，保溫過(guò)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 + 30~50℃

52、 過(guò)共析鋼： t = Ac1 + 30~50℃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：γ-Fe(面心）→α-Fe（體心） 2）速冷下，原A中的過(guò)飽和碳難以向外擴(kuò)散， 形成了碳在α-Fe中的過(guò)飽和固溶體。這類固 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(guò)飽和，晶格畸變，大大增加了變形抗力，故馬氏

53、體通常具有很高的硬度和耐磨性，但突顯脆性，易開(kāi)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)，

54、將以Fe 3C形式析出，致使σb、HRC降低， δ%、αk提高。消除淬火內(nèi)應(yīng)力.,回火分類按淬火后重新加熱溫度不同，可分為三類：,1）低溫回火（250 ℃以下 ——150~250℃） 目的：減小內(nèi)應(yīng)力，降低脆性，保持良好的原淬 火硬度（56~64HRC）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（250~500℃） 目的：獲得高彈性，保持表面較高硬

55、度 （35~50HRC），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——500~650℃） 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)?。硬?20~35HRC。,淬火后高溫回火也稱為

56、調(diào)質(zhì)熱處理。中碳鋼（0.4％～0.6％C）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+30~50℃），當(dāng)高溫來(lái)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

57、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(guò)加熱、保溫， 通過(guò)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：900～950℃，保溫，使表層達(dá)到1%C，淬火后再低溫回火，可達(dá)56～64HR

58、C，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，

59、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多，因而硬度愈高，塑性愈低，當(dāng)含碳量超過(guò)共析成分時(shí)，因出現(xiàn)了網(wǎng)狀Fe3CⅡ,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985ºC 的共晶體（Fe+FeS），沿晶界分布。當(dāng)鋼的含硫量較多，在800

60、ºC ~1200 ºC 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)鋼中含磷量≤0.035%

61、 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（Wc＜0.38%) 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

62、。 Q235為低碳鋼，應(yīng)用最廣。用途見(jiàn)P31表1-5。,,,（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 （S、P ＜0.035%） 用來(lái)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)，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

63、鋼中含碳量在0.12~0.19%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(lái)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(guò)淬火、回火等熱處理，這類鋼多用來(lái)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(lái)制造各種

64、彈簧、鋼絲繩等。,,根據(jù)含碳量的不同，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(guò)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，

65、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(jiàn)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、鋼筋、礦用設(shè)備等 分類：可焊接低合金高強(qiáng)度鋼、

66、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(jiàn)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(lái)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

67、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%、3.5%，則相應(yīng)的用2、3、4….表示，如：含0 .37~0.45%C、0.8~1.1%Cr的鉻鋼——40Cr,當(dāng)鋼中合金元素超過(guò)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

68、：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0.70~0.80%， W、Cr、V平均含量分別為18%、、4%、 < 1.5%的高速鋼,3、特殊性能鋼,

69、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(jiàn)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