《金属工艺学上》PPT课件.ppt

2023/8/2,1,金属工艺学讲义,2023/8/2,2,绪论 金属工艺学概览,一、学习和研究金属材料及其加工工艺的意义二、金属工艺学是一门综合性的学科，它系统地介绍了机械制造中所用原材料的性能，冷热加工的各种工艺方法以及他们之间相互联系的基础知识三、内容包括：钢铁冶炼、金属材料、热处理、铸造生产、压力加工、焊接、切削加工等四金属加工过程：铸造、压力加工或焊接、切削加工、热处理、装配。,2023/8/2,3,六、学习要求：（1）掌握常用金属材料的牌号、性能、应用范围和一般选用原则（2）了解主要加工方法和实质、工艺特点和应用范围（3）所有设备（工具）的工作原理和使用范围（4）初步掌握零件的结构工艺性（5）具有选择毛坯和零件加工方法的基础知识,绪论 金属工艺学概览,2023/8/2,4,第一章 钢铁冶炼,2023/8/2,5,1.1 炼铁,炼铁的过程就是从铁矿石中还原铁的化学变化过程。铁矿石的种类：赤铁矿Fe2O3、磁铁矿Fe3O4、菱铁矿FeCO3、褐铁矿Fe2O3.nH2O。矿石中含铁部分称含铁矿物，非铁氧化物部分（AL2O3、SiO2等）称为脉石。燃料-焦碳 溶剂-石灰石CaCO3、生石灰CaO,2023/8/2,6,1.1 炼铁,设备-高炉过程：物理和化学变化，炉料下降、炉气上升相对运动过程中进行，又是在各种炉料具备一定重量比例和适当温度的条件下进行。变化：燃料燃烧、铁的还原和增碳、其他元素的还原、去流和造渣。（1）燃料燃烧：C+O2 CO2，炉温18001900度，CO2+C CO，（2）铁还原、铁增碳：Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe 被CO还原；还原后的Fe称海绵铁，下降过程中吸收碳，变成Fe3C，形成铁水。,2023/8/2,7,（3）其他元素还原：MnO+CO Mn+CO2 SiO2+CO Si+CO2 Ca3O3.P2O5+CO P+CaCO3（4）去硫：主要是炉料含硫，其中焦碳含硫多，有害物质，降低机械性能。（硫矿石不能用于炼铁。）加CaCO3，FeS+CaO CaS+Fe+CO2,1.1 炼铁,2023/8/2,8,造渣：灰份主要是SiO2、Al2O3、CaO等,1.1 炼铁,2023/8/2,9,1.1 炼铁,高炉产品：（1）铸造生铁：在熔炼炉中（冲天炉）重新熔化后浇注成铸件。这种生铁中含硅量较高，碳大部分以石墨形态存在，断口呈灰色、硬度较低，易于切削加工，有很好的铸造性能。Z34：含Si 3.4%（2）炼钢生铁：碳以化合物Fe3C形态存在，断口成白色，硬度高，脆性大，很难切削加工。L04：含Si 0.4%（3）铁合金：是炼钢的原料之一。包括：硅铁、锰铁、铬铁。（4）炉气和炉渣：是副产品。炉气可作为燃料，碱性炉渣做水泥，酸性炉渣做渣砖和渣棉等。,2023/8/2,10,1.2炼钢,炼钢的实质：钢比生铁的杂质元素少，机械性能高。炼钢的过程就是减少生铁中C、Si、Mn、P、S含量的过程。减少杂质元素的方法就是在熔化的生铁中，利用氧气或氧化剂使这些杂质元素氧化成气体或炉渣而得以去除。,2023/8/2,11,1.3 钢的浇注,浇注的方法：（1）钢锭模铸法：上注法-用于锻造的大型钢锭；下注法-用于轧钢车间的小型钢锭。（2）连续铸锭法：是使钢水的结晶器里不断地形成一定断面形状和尺寸的钢坯，浇注工作是连续的。,2023/8/2,12,1.3 钢的浇注,镇静钢和沸腾钢 根据出钢时钢水脱氧程度不同，可得到镇静钢和沸腾钢。（1）镇静钢-用锰铁、硅铁、纯铝进行完全脱氧，在浇注过程中不再发生碳氧反应，钢水在模腔中平静地上升。钢水凝固后，除了钢锭上部有集中缩孔外，其他部分的组织都致密坚实。重要用途。（2）沸腾钢-仅用弱脱氧剂锰铁进行不完全脱氧，在钢水浇注过程中继续发生碳氧反应，生成大量的CO，使钢水出现沸腾的现象。凝固后，部分CO气体残留在钢锭内。钢锭内有小气孔，在以后的轧制时可以焊合。低碳钢型材。,2023/8/2,13,第二章 金属的机械性能及其试验方法,2023/8/2,14,机械性能概念,机械性能-金属材料受到各种不同性质载荷（外力）作用时，所表现出来的抵抗能力。机械性能分为：强度、塑性、硬度、韧性、抗疲劳等性能。机械性能分为：强度、塑性、硬度、韧性、抗疲劳等性能。,2023/8/2,15,2.1 强度和塑性,强度：金属在载荷（外力）作用下，抵抗塑性变形和破坏的能力称为强度。按载荷的类型分有拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等。拉伸试验法。所谓应力：指金属材料受到载荷作用时，在材料内部产生其大小与外力相等的抵抗力（或称内力），单位横截面积上的内力称为应力。弹性极限、屈服极限、强度极限,2023/8/2,16,2.1 强度和塑性,塑性：金属在载荷（外力）作用下，产生塑性变形而不发生破坏的能力称为塑性。拉伸式样来测定延伸率和断面收缩率塑性好的金属材料容易进行轧制、锻压、冲压和焊接等，且工艺过程简单，质量容易保证；塑性好的零件在使用时，万一超载，也能由于塑性变形而避免突然断裂，故在静载荷作用下使用的机械零件，要求有一定的塑性是比较安全的。,2023/8/2,17,2.2 硬 度,硬度是金属材料的重要机械性能之一。随着试验方法的不同，其含义也不同。压入法的硬度值是指金属抵抗比它更硬物体压入时所引起塑性变形能力；刻划法硬度值表示金属抵抗表面局部破裂的能力；而回跳法硬度值是表示金属表面弹性变形功的大小。因此，硬度值实际上是一种工程量或技术量而不是物理量。一般可以认为，硬度是指金属表面上局部体积内抵抗塑性变形和破裂的能力。静载荷压入法硬度试验：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度。,2023/8/2,18,2.3 冲击韧性,冲击韧性-金属抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力称为冲击韧性。为了确定各种金属材料的冲击韧性值，必须进行冲击试验。与温度、形状、光洁度、内部组织等因素影响。,2023/8/2,19,2.4 金属疲劳的概念,许多机械零件，如：轴、齿轮、连杆、弹簧等，在工作过程中受到大小、方向随时间，呈周期性变化的应力作用，此应力称为交变应力。在交变应力作用下的零件，发生断裂时的应力，远低于该材料的强度极限，有时甚至低于屈服极限，这种现象称为金属的疲劳（疲劳断裂）。疲劳断裂时不产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的。因此，疲劳断裂具有很大的危险性。金属材料在无数次重复交变载荷作用下，而不破坏的最大应力，称为疲劳强度。金属弯曲疲劳试验法,2023/8/2,20,2.4 金属疲劳的概念,疲劳断裂产生的原因：一般认为是由于材料有夹杂、表面划痕及其他能引起应力集中的缺陷，而导致微裂纹的产生。这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，致使零件不能承受所加载荷而突然断裂。为了提高零件的疲劳强度，除了改善结构形状，避免应力集中外，还可以提高零件表面加工光洁度和采取各种表面强化的方法来达到，如对零件表面进行喷丸处理、表面淬火等。,2023/8/2,21,第三章 金属的晶体结构与结晶,2023/8/2,22,绪论,1、化学成分不同的金属具有不同的性能，如：纯铁比纯铝硬，但导电性和导热性却不如纯铝。2、成分相同的金属，在工艺条件或状态不同，其性能也会存在很大差异，如：硬度、脆性、可加工性等。3、不同的金属和合金具有不同的性能，其原因从本质上来说是由于金属与合金的内部构造不同而造成的。,2023/8/2,23,3.1 金属的晶体结构,1、晶体和非晶体：固体物质按其原子排列的规律，可分为晶体和非晶体两种。非晶体的原子作不规则排列，如：玻璃、沥青、松香等；晶体的原子是有规则地、按一定的几何形状排列，如：金刚石、石墨及一切固态的金属和合金。晶体具有一定的熔点，并具各向异性的特征。2、晶体结构（1）晶格：原子在晶体中规则排列方式的空间几何图形称为结晶格子，简称晶格。晶格中的每个点叫结点。（2）晶胞：晶格能一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元，被称为晶胞。实际上晶格是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成。,2023/8/2,24,（3）常见的晶格类型 体心立方晶格：Cr、W、Mo、V等，这类金属具有相当高的强度和较好的塑性；面心立方晶格：Al、Cu、Ni等，这类金属的塑性都很好；密排六方晶格：Mg、Zn、Be、Ti等，具有一定的塑性。,3.1 金属的晶体结构,2023/8/2,25,3.2 金属的实际晶体结构,1、单晶体：一块晶体中的晶格方位完全一致，我们称其为单晶体。2、多晶体：实际上，金属材料都不是这样的，金属中也包含有许许多多的小晶体，每个小晶体内部虽然晶格方位基本一致，但小晶体之间彼此方位却不同。由于每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，故通常把它们叫做晶粒。晶粒与晶粒之间的界面叫做晶粒界，简称晶界。为了适应两个晶粒之间不同晶格方位的过渡，晶界处的原子排列总是不规则的，这种由多晶粒组成的晶体结构称为多晶体。,2023/8/2,26,3.2 金属的实际晶体结构,3、金属晶体中的缺陷 实际上金属由于结晶及其他加工等条件的影响，内部总是存在着大量缺陷。缺陷的存在对金属的性能有着很大的影响。例如对理想完整的金属晶体进行理论计算所得的屈服强度，要比实际晶体测得的数值高出千倍左右。（1）点缺陷：最常见的是晶格空位和间隙原子，在晶格的某些结点往往未被原子所占有称为晶格空位，同时又有可能在个别晶格空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处于晶格空隙中的原子称为间隙原子。由于作用力的平衡发生破坏，使其周围的其他原子发生靠拢或撑开的现象。因此，晶格发生歪扭（晶格畸变），影响金属的机械性能，使金属的强度提高，塑性降低。（2）线缺陷：在晶体的某一平面上，沿着某一方向伸展呈线状分布的一种缺陷。主要是有各种错位造成。在实际晶体中存在大量的位错，通常退火的金属每平方厘米面积上大约有10 610 8个位错，经过冷加工塑性变形后，位错数目可达到每平方厘米面积上有10 12个。位错数目的增加可使金属强度大大提高。,2023/8/2,27,（3）面缺陷：晶界和亚晶界 晶界是不同位向晶粒之间原子排列无规则的过渡层，由于过渡层原子排列不规则，偏离了理想晶体结构，使晶格处于歪扭畸变状态。晶粒越细小，晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用愈大，金属强度、硬度也就越高。亚晶界是指晶粒内部的晶界现象。,3.2 金属的实际晶体结构,2023/8/2,28,3.3 纯金属的结晶,1、结晶的概念（1）液态金属冷却到凝固温度时，金属原子便由无规则运动状态转变为按一定几何形状作有序排列的状态，这种由液态转变为固态金属的过程称为金属的结晶。（2）冷却曲线、理论/实际结晶温度、过冷现象、过冷度,时间.h,温度.C,2023/8/2,29,3.3 纯金属的结晶,2.金属的结晶过程（1）形成晶核，长大，不断产生不断长大，形成无数的小晶体（晶粒），直到液态金属全部凝固成固体。两个过程是同时进行的。（2）晶粒大小与形核率N（1/mm3.s）、成长率G（mm/s）有密切关系。冷却速度越大，N、G随之增大，结晶速度越快，晶粒越细小。冷却速度大到一定值是，N、G反而下降，因在低温下原子的扩散能力大为降低，反而限制了结晶速度。,2023/8/2,30,（3）研究金属结晶的过程，是为了找到控制晶粒大小的途径。晶核越多，晶粒越细小，机械性能越好。获得细晶粒组织的途径有两个：A、增大金属的过冷度，加快液体金属的冷却；B、进行变质处理。在浇注之前，向液体中人为地加入少量某种物质，由它形成的微粒，起到非自发结晶核心的作用，从而使晶核数增多，晶粒变细。C、另外，采用机械振动、超声波振动和电磁振动，也能使晶核增多，细化晶粒。,3.3纯金属的结晶,2023/8/2,31,3、晶粒大小对机械性能的影响（1）晶粒越细小，强度和硬度愈高，同时塑性和韧性也愈好。（2）细化晶粒对于提高金属常温下的机械性能有很大作用，因此金属材料的晶粒愈细愈好。但在高温下工作的金属材料，晶粒过大或过小都不好，要求晶粒度适中。而在制造电动机和变压器的硅钢片时，总希望晶粒越大越好。可见，晶粒的大小对性能的影响是多方面的！,3.3纯金属的结晶,2023/8/2,32,4、金属的同素异构转变 大多数金属结晶完成后晶格不再发生变化，如铝、铜等。但也有少数金属，如：铁、钴、钛等，在结晶成固态后继续冷却时，还会发生晶格的变化。这种金属在固态下的晶体结构随温度发生变化的现象称为同素异构转变。同素异构的转变也是通过原子的重新排列来完成的，通常称为重结晶。（1）在固态下进行，这是钢铁能够进行热处理的内因和根据，也是钢铁材料性能多种多样，用途广泛的主要原因之一。（2）也是钢在淬火时引起工件内应力，导致变形开裂的因素之一。（3）当改变温度引起铁的同素异构转变时，会有碳化物的析出和溶解，这就有可能通过不同的热处理工艺来改善钢的组织结构，从而改变钢铁零件的各项性能。（4）在快速冷却的情况下，实际转变的温度将大为降低，即过冷度较大。（5）转变时，由于晶格不同，原子排列密度不同，因而金属的体积将会发生变化。（6）金属与合金在加热（或冷却）时，发生组织结构转变的温度称为临界温度（或临界点）。,3.3纯金属的结晶,2023/8/2,33,3.4 铸锭的组织和缺陷,1、铸锭的组织（1）表面细晶粒区（2）柱状晶粒区（3）中心等轴晶粒区三种组织由表及里分布，改变钢液成分和凝固时的条件，可以改变这三层晶区的相对大小和晶粒的粗细，甚至获得只有两层或单独一个晶区的铸锭。,2023/8/2,34,2、铸锭的缺陷（1）缩孔和疏松：由于液态金属凝固时发生体积收缩，在铸锭的上部最后凝固部分，往往因为得不到液态金属的补充，形成了收缩孔洞，称为缩孔；除集中缩孔外，在钢锭中也可能出现许多分散的小孔洞，这些分散的小孔洞成为疏松。（2）偏析：在凝固过程中，由于钢锭的柱晶间往往存在含杂质（硫、碳、磷等）较多的钢水。这些含杂质多的钢水因熔点较低，比重小而上浮，因此造成上下成分不均匀的现象，这种现象称为偏析。（3）气泡和裂纹：气泡是由于液态金属凝固时，其中所溶解的某些气体的溶解度降低，以及钢水中某些化学反应所形成的气体来不及逸出而形成的。而裂纹则是由于铸锭在冷却时的收缩不均匀而引起的。,3.4 铸锭的组织和缺陷,2023/8/2,35,第四章 合金的结构与二元合金状态图,2023/8/2,36,4.1 合金的结构,1、一般来说，纯金属都具有优良的导电、导热等性能，但机械性能都比较低，而且价格较高，因此应用上受到限制。实际上大量使用的金属材料都是合金，如：碳钢、合金钢、铸铁、铝合金、铜合金等。2、基本概念合金：由两种或两种以上的金属元素（或金属与非金属元素）组成的具有金属特性的新的物质。钢和生铁是铁与碳等元素组成的合金，黄铜是铜与锌等元素组成。组元：组成合金最基本的、独立的物质称为组元。根据组元数目的多少，将合金分为二元合金、三元合金等。相：在金属或合金中，凡是成分相同、结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀组成部分称为相。,2023/8/2,37,4.1 合金的结构,3、合金的结构：合金结构分三种：固溶体、金属化合物、机械混合体（1）固溶体：溶质原子溶入溶剂的晶格中，并保持溶剂晶格类型而形成的一种金属晶体。如：碳溶入铁。使合金强度、硬度和电阻升高，称固溶强化，是提高金属材料机械性能的重要途径。,2023/8/2,38,4.1 合金的结构,（2）金属化合物：合金组元间发生相互作用而生成的一种新相，期晶格类型和性能完全不同于组成它的任一组元，一般可用分子式来表示。如：铁碳合金中常见的化合物Fe3C。有较高的熔点、硬度和较大的脆性，它是各类合金、硬质合金及其它有色金属合金的重要组成相，它能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性及韧性。（3）机械混合物：由两相或多相组成的组织称为机械混合物，其中各相仍保持着它们原来各自的晶格和性能。整个机械混合物的性能，则取决于组成它的各相性能以及各相的形状、数量、大小和分布状况等。通常具有更高的强度和硬度，但塑性和可锻性较差。,2023/8/2,39,第五章 铁 碳 合 金,2023/8/2,40,5.1 铁碳合金的基本组织,1、铁素体（F）：碳与-Fe形成的间隙固溶体。性能-强度和硬度低，塑性和韧性好。2、奥氏体（A）：碳与-Fe形成的间隙固溶体。高温组织，在大于727时存在。性能-塑性好，强度和硬度高于F。在锻造、轧制时常要加热到A，可提高塑性，易于加工。3、渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成的金属化合物。性能-硬度高，脆性大。4、珠光体（P）：F与Fe3C组成的机械混合物。性能-力学性能介于两者之间。5、莱氏体（Ld）：A与Fe3C组成的机械混合物。性能-硬度高，塑性差。,2023/8/2,41,2023/8/2,42,珠光体,2023/8/2,43,渗碳体,莱氏体,2023/8/2,44,5.2 铁碳相图分析,引言：关于铁碳合金状态图 1、概念：表示铁碳合金在不同成分和温度下 的组织、性能以及它们之间相互关系的图形。又称铁碳合金相图或铁碳合金平衡图。是通过实验的方法建立起来的。2、作用：是研制新材料，制定合金熔炼、铸造、压力加工和热处理等工艺的重要工具。,2023/8/2,45,5.2 铁碳相图分析,2023/8/2,46,5.2 铁碳相图分析,2023/8/2,47,5.2 铁碳相图分析,2023/8/2,48,2023/8/2,49,5.2 铁碳相图分析,3、特性点 A点：纯铁的熔点 1538 C点：共晶点 1148 D点：渗碳体的熔点 1227 S点：共析点 727 G点：纯铁的同素异晶转变点 912 E点：C在-Fe中最大溶解度 1148 P点：C在-Fe中最大溶解度 727 Q点：室温时C在-Fe中最大溶解度,2023/8/2,50,5.2 铁碳相图分析,4、特性线 ACD：液相线，液相冷却至此开始析出固相，固相加热至此全部转化为液相。AECF：固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，固相加热至此开始转化。GS：A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A，又称A3线。ES：C在A中的溶解度曲线，又称Acm线。ECF：共晶线，含C量2.11%-6.69%的铁碳合金至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物-莱氏体Ld。PSK：共析线，含C量在0.0218%-6.69%的铁碳合金至此反生共析反应，产生珠光体P，又称A1线。,2023/8/2,51,5.2 铁碳相图分析,几个概念 纯铁 钢 铸铁 共析钢 亚共析钢 过共析钢 共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁,2023/8/2,52,共析钢,共晶白口铁,2023/8/2,53,A,E,G,P,Q,S,Fe,L,A,L+A,F,F+A,F+P,P,P+Fe3C,A+Fe3C,0.8,2.06,.共析钢0.8%,1,2,3,P,.亚共析钢0.020.8（-0.8）,1,2,3,4,1,2,3,4,4,L,L+A,A,F+A,AP,P,冷却曲线,过共析钢0.82.06,亚共晶白口铸铁2.064.3%,共晶白口铸铁4.3%,过共晶白口铸铁4.36.67%,2023/8/2,54,5.3 铁碳相图的应用,1、选用材料：由铁碳相图可知，合金中随着含碳量的不同，其组织各不相同，从而导致其力学性能不同。因此，我们就可以根据机器零件所要求的性能来选择不同含碳量的材料。2、叛断切削加性能：低碳钢中铁素体较多，塑性好，加工性不好；中碳钢中铁素体含量比例适当，钢的硬度适当，易于加工。3、制定热加工工艺：在铸造工艺方面，根据相图可以确定合适的熔化温度和浇注温度，含碳量为4.3%的铸铁铸造性最好；在锻造工艺方面，可以选择钢材的轧制和锻造的温度范围应在奥氏体区。4、应用于热处理生产：由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有组织的变化，可以进行热处理。并且可以正确选择加热温度。,2023/8/2,55,工业用钢的选择,钢以铁为主元素，含C2以下，并含有其它元素的材料。钢：可形变加工的铁碳合金。一、碳钢分类（掌握内容）钢从不同角度可以有不同分类：,本内容重点是常见牌号的含义、性能、应用。,二、碳素钢 简称：碳钢 carbon-steel 常存元素对碳钢性能的影响（了解）,1.碳C 碳钢中的碳对钢的组织和性能影响很大。如图所示,一般钢的含碳量1.2%;在个别情况下，钢的含碳量可达2.3,总趋势是：状态图中自左向右，含碳量增加，Fe3C增加，硬度直线上升，塑韧性急速下降，强度先升后降。,2.锰 Mn作用：脱氧，FeO还原Fe；与S作用MnS降低,2023/8/2,56,2023/8/2,57,2023/8/2,58,热脆性；提高强度、硬度。属有益元素。,3.硅 Si：与钢液中FeO生成炉渣，提高钢质量；溶于F中，固溶强化。有益元素。,4.硫 S 作用：形成FeS(熔点1190），在晶界 处，在1100 1200 时，压力加工，产生脆裂。“热脆”。有害元素。,5.磷P 作用：全部溶于F中，固溶强化；Rm、HB，在低温下引起脆断“冷脆”。有害元素.,碳钢一般分为：1.碳素结构钢 GB7001988 牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法四部分组成。其中质量等级分别用A、B、C、D表示。A的S、P量高，D的S、P量最低，且质量最好。,2023/8/2,59,如：Q235A.F,Q“屈”字汉语拼音字首,235Rm235MPa,A质量等级 A级,F脱氧方法，指“沸腾钢”制造的钢材，一般不标出。,牌号：Q195；Q215；Q235；Q255；Q275五类。,用途：用于制作螺钉、螺栓、螺母、角钢、垫圈、焊接钢管、齿轮、轴等。,2.优质碳素结构钢S、P含量较低，用于重要零件，刀具量具模具。,GB：牌号用两位数字表示，表示含碳量万分之几（十）。,如：08F、10、15、20、25，为低碳钢，塑性好，耐冲、好焊；30、35、40、45、50、55，中碳钢含P多，强硬适中，多做重要件；60、65、70、75，高碳钢。多需淬火回火，制作弹性耐磨件。,3.碳素工具钢。,牌号用“碳”字汉语拼音字首“T”+数字表示Wc的千分之几。,20Mn、65Mn等称 含锰量较高的优质碳素结构钢。,2023/8/2,60,如：T7、T8、T9、T10、T10A、T12等。如T10钢WC=1%；T10A中的“A”表示为高级优质碳素工具钢(适用各类高级优质钢）。,其中：T7钢（WC=0.7%）主要用于制造手钳、剪刀、凿子、手锤等；,T10钢（WC=1%）用于制作手用钢锯条、简单冷作模具等；,T12钢用于制作铰刀、锉刀、量具等。,三、合金钢,合金钢按用途分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。,1.合金结构钢，钢号：数字元素符号数字（平均百分数）,如20CrMnTi、40Cr、60Si2Mn、38CrMoAlA等；用于制造机械零件和工程构件,为了提高钢的力学性能、工艺性能、物理性能、化学性能、淬透性等，在碳钢的基础上加入某些合金元素，这种钢称为合金钢。,4、碳素铸钢,“ZGXX”表示，含碳0.150.6%，S、P控制在0.05%以下。,2023/8/2,61,低合金高强度结构钢 在碳素结构钢基础上加入少量锰、硅等合元制成的。通常在热轧、正火状态下使用，产品同时保证力学性能和化学成份。牌号表达同碳素结构钢，Q295、Q345、Q390、Q420、Q460.低合金高强度结构钢成本与碳素结构钢相近，但性能有较大的提高，在工程结构中应用极为广泛。,2023/8/2,62,2.合金工具钢 用于制造刃具、模具、量具等工具，如 9SiCr、Cr12、CrMn、GCr15等；其中GCr15有专用名称：“滚动轴承钢”，实为“名专用途广”。,高速钢 又称：锋钢、白钢。特点是高热硬性、耐磨性、淬透性，常用牌号：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等，制造形状复杂的高速切削工具，如：麻花钻、铣刀、拉刀、齿轮刀具和其他成形刀具。,3.特殊性能钢,不锈钢（不锈钢又多为耐热钢！）（1）铬不锈钢：马氏体型不锈钢，其牌号有：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13（2）铬镍不锈钢：奥氏体型不锈钢，其牌号：1Cr18Ni9（Ti）、0Cr18Ni9（3）铁素体不锈钢：1Cr17容器，日用品。,2023/8/2,63,耐磨钢 GB568098 又称“高锰钢”，强烈冲击力作用下发生硬化现象 如牌号：ZGMn131、ZGMn132 等，应用 铁道叉、履带板、颚板、铲斗、保险箱等。磁钢（略）,2023/8/2,64,零件选材的一般原则,1.满足工作要求是关键；含有受力状态、工作条件等等。,2.满足工艺要求是效益；,在熟悉各种工艺方法的基础上，选择材料；如：机床上的复杂箱体一般选铸铁，因为复杂零件只能铸造成形。,3.性价比分析促竞争力；,4.立足国内，讲符合国标,2023/8/2,65,第六章 钢 的 热 处 理,2023/8/2,66,6、钢 的 热 处 理,将固态金属或合金，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织结构与性能的工艺方法称热处理。,2023/8/2,67,6、钢 的 热 处 理,实质：在加热、保温和冷却过程中，钢的组织结构发生了变化，从而改变了其性能；目的：改善钢（工件）的力学性能或工艺性能；作用：充分发挥材料的性能潜力，提高零件质量，延长零件寿命；应用十分广泛。,2023/8/2,68,6、钢 的 热 处 理,按目的、加热条件和特点不同，热处理分为：整体热处理 表面热处理 化学热处理 其它热处理,2023/8/2,69,热处理的工艺参数有：加热温度 保温时间 冷却方式,2023/8/2,70,目的：通过加热使原始组织转变为奥氏体；将钢加热至Ac3或Ac1以上，获得完全或部分奥氏体组织的操作称为奥氏体化。钢热处理加热的临界温度为727。,1、钢在加热时的组织转变,2023/8/2,71,1、钢在加热时的组织转变,在实际生产中，由于加热和冷却不是很缓慢，因此实际发生组织转变的温度与相图的A1、A3、Acm 有一定的偏离。通常加热用 Ac1、Ac3、Accm 表示，冷却用Ar1、Ar3、Arcm表示。,2023/8/2,72,2023/8/2,73,2.贝氏体型转变,贝氏体：F和Fe3C的机械混合物，在F基体上分布着Fe3C,2023/8/2,74,“鼻尖”（560）Ms点温度范围内的过冷A转变产物仍然为F与Fe3C的混合物。但其形态不同于P，称Bainite，B，贝氏体。B转变也是B形核与长大的过程。首先沿A晶界形成C过饱和的F晶核并长大，随后在这种F中析出细小的渗碳体。不同温度下产生的B的形态不同。560 350 形成的B称为B上；350Ms形成的B称为B下。,2023/8/2,75,上贝氏体,B上呈羽毛状，由互相平行的过饱和F和分布在片间的断续细小的渗碳体组成。硬度高，可达4045HRC，但因F片粗且平行分布，同时晶间有脆性的渗碳体，故塑、韧性差。,2023/8/2,76,B上10000羽毛状,F（深色），大体平行分布,Fe3C（白色），细条或短杆状断续分布,2023/8/2,77,下贝氏体,B下呈针叶状，由针叶状过饱和F和弥散分布在其中的极细小的渗碳体组成。硬度高5060 HRC，强度高，耐磨性好，塑性、韧性高，具有良好的综合力学性能。,生产中“等温淬火”的目的就是为了得到B下组织,2023/8/2,78,B下500,B下10000,针叶状,Fe3C（白色）弥散分布于F晶内,2023/8/2,79,3、M型转变,转变温度：MsMf,温度低，Fe、C不能扩散。A F，C完全保留在-Fe中，引起过饱和。M又称碳过饱和铁素体。晶格歪扭成体心正方，随wC，正方度。,2023/8/2,80,A M伴随有体积膨胀,淬火应力残余A M转变结束时，总有少量的A被保留下来，称为残余A。,2023/8/2,81,片状马氏体：呈双凸透镜状，显微镜下呈针片状，高碳、孪晶M 强度高，塑韧性低板条马氏体：呈细长板条状，低碳 强度高，塑韧性好。,M形态,2023/8/2,82,片状M,长大速度非常快，先形成的M片较大，后形成的M片不能穿越已形成的M，故较小。显微镜下为长短不一，互成一定角度的M片。,2023/8/2,83,片状M 500,2023/8/2,84,片状的孪晶亚结构20000,2023/8/2,85,板条M,截面呈椭圆形的细长条状，许多尺寸大致相同的定向相互平行排列，构成一个群（束），显微组织为一束束细长板条状组织。,2023/8/2,86,板条500,2023/8/2,87,wC 1.0%的钢淬火后,几乎全部为片M；wC 0.2%的钢淬火后,基本上全部为板条M；0.2%wC 1.0%的钢淬火后，为两种M的混合物。,2023/8/2,88,45钢淬火M形态 500,2023/8/2,89,500,80000,500,500,板条M,片状M,混合M,2023/8/2,90,（四）影响TTT曲线的主要因素,含量合金元素,含量的影响,亚共析钢及过共析钢的过冷A的等温转变与共析钢一样，亦可分为高温P型转变、中温B型转变和低温M型转变。但在P型转变之前，亚共析钢有F的析出，过共析钢有Fe3C析出。,2023/8/2,91,亚共析钢,过共析钢,亚、过共析钢的TTT曲线,2023/8/2,92,2023/8/2,93,共析钢过冷A最稳定（C曲线最靠右）wC0.77%:wC，C曲线右移wC0.77%:wC，C曲线左移,2023/8/2,94,2.合金元素的影响,合金元素对C曲线的影响是复杂的，几乎除Co外，所有溶入A中的合金元素均使曲线右移。除Co、Al外，溶入A的合金元素都使C曲线上的Ms、Mf点降低。,2023/8/2,95,残余奥氏体A,在M相变时，由于体积膨胀，使尚未发生相变的过冷A受压，而停止相变，这部分A称为残余奥氏体A，只有当温度进一步下降时，A才会发生分解。当温度达到Mf点以下时，A才会全部分解完毕。共析钢Mf-50，淬火至室温下仍有36%的A；过共析钢Mf=-100时，淬火至室温下仍有815%A。A会降低钢的硬度，并带来钢件尺寸的不稳定，“冷处理”,2023/8/2,96,二、过冷A的连续冷却转变,过冷A的连续冷却转变曲线,简称CCT图,Continuous Cooling Transformation Diagram,2023/8/2,97,转变是一个连续过程，符合生产实际，所以CCT图比C曲线更切合实际，应用范围更大。但CCT图的测试比C曲线困难，所以经常需要利用C曲线来分析过冷A的连续冷却转变过程.,2023/8/2,98,CCT Diagram of Eutectoid Steel,2023/8/2,99,CCT Diagram of Eutectoid Steel,2023/8/2,100,2023/8/2,101,CCT曲线与C曲线的比较,CCT曲线位于C曲线右下方，P转变温度更低，时间更长；共析钢及过共析钢的CCT曲线中无B型转变，而多了一条P转变终止线；亚共析钢在连续冷却时在一定温度范围内过冷A会部分转变为B。,2023/8/2,102,由于CCT曲线测定比较困难，许多钢至今仍无，实际热处理中常参照C曲线来定性估计连续冷却转变过程。,时间,温度,TA,A,Ms,Mf,AM,AP,AB,粗P退火,S（细P）正火,T+M油淬,MA水淬,2023/8/2,103,3.3 钢的普通热处理,退火 Annealing,正火 Normalizing,淬火 Quenching,回火 Tempering,2023/8/2,104,普通热处理是零件制造过程中非常重要的不可缺少的工序。,一般零部件制造工艺中路线,铸造锻造,退火正火,切削加工,成品,2023/8/2,105,预先热处理,重要零部件制造工艺中路线,铸造锻造,退火正火,粗加工,淬火,回火,精加工,成品,2023/8/2,106,一、钢的退火,将钢件加热到临界温度（A1、A3、Acm）以上（有时以下）保温一定时间，然后缓冷（炉冷、坑冷、灰冷）以得到平衡状态的组织的热处理工艺称退火。,2023/8/2,107,退火工艺,2023/8/2,108,分类,2023/8/2,109,低温,扩散,退火温度,球化,完全,2023/8/2,110,1、完全退火,主要用于亚共析钢和合金钢的铸、锻、及热轧型材。也可以用于焊件。细化晶粒，消除应力和组织缺陷，硬度，塑性。,2023/8/2,111,加热保温 Ac3+2030冷却 缓慢冷却（随炉或者埋在砂中或石灰中冷却）到500以下，在空气中冷却。目的 细化晶粒，消除应力和组织缺陷，降低硬度，提高塑性，为机加工及后续热处理（淬火）作组织准备。,2023/8/2,112,完全退火工艺,保温Ac3+20 30,炉冷,空冷,500,2023/8/2,113,完全退火的局限性,需要时间很长，特别对于某些A比较稳定的合金钢，需要十几个小时甚至几天，为了生产效率，产生了等温退火。,2023/8/2,114,2、等温退火,与完全退火工艺相同，所不同的是钢件经过A化后，以较快的速度冷却到某一T，保温一定时间AP，然后以较快的速度冷却到室温。,2023/8/2,115,等温退火工艺,保温Ac3+20 30,快冷,空冷,Tp,AP,2023/8/2,116,3、球化退火,T=Ac1+2040，进行较长时间的保温，使钢的Fe3C（碳化物）趋于球化，然后缓慢冷却到600550再出炉冷却。使Fe3C网变成球，以降低硬度，改善切削加工性能，并为淬火作组织准备。,2023/8/2,117,球化退火工艺,保温Ac1+20 40,缓冷,空冷,2023/8/2,118,4、扩散退火,把钢加热到固相线以下100 200，并保温缓冷。目的是消除钢中的枝晶偏析。所以也叫均匀化退火。,2023/8/2,119,扩散退火工艺,Ts-100 200保温1015 h,缓冷,2023/8/2,120,5、去应力退火,去应力退火又称低温退火或高温回火；把钢件加热到Ac1以下，一般500600随炉冷却至300200出炉；目的：消除残余应力，防止零件变形或开裂，保证精度。,2023/8/2,121,去应力退火工艺,保温500 600,炉冷,空冷,2023/8/2,122,二、钢的正火 Normalizing,Ac3、Accm+30 80，保温后空冷。,2023/8/2,123,正火工艺,Ac3(Accm)+30 80,空冷,2023/8/2,124,应用范围,对普通结构件为最终热处理，以细化组织，提高其强度和韧性；使中、低碳结构钢组织正常化，改善切削加工性能；为淬火作组织准备；抑制或消除过共析钢的网状渗碳体，为球化退火作组织准备。,2023/8/2,125,退火与正火的选择,改善切削加工性能低碳钢：硬度低，粘刀，正火；高碳钢：硬度高，难切削，退火；中碳钢：退火、正火。经济性正火周期短，耗能少，操作简便，尽量以正火代替退火。,2023/8/2,126,使用性能普通结构件，以正火作为最终热处理，以细化晶粒，提高力学性能；形状复杂的结构件，采用退火作为最终热处理，以削除应力防止裂纹。,2023/8/2,127,三、钢的淬火 Quenching,将钢加热到临界温度以上，保温后快速冷却获得M的热处理工艺。淬火是钢强化的最重要手段之一。,2023/8/2,128,淬火温度,亚共析钢Ac3+30 50 过共析钢Ac1+30 50,2023/8/2,129,冷却速度,(1)理想冷却速度高温T650,慢冷,可以减少热应力。中温650400,快冷,避开C曲线的鼻尖,保证全部获得M。低温400以下，特别是300200 发生M转变时要求慢冷，M转变时的组织应力,2023/8/2,130,(2)理想冷却速度示意图,2023/8/2,131,淬火介质,到目前为止，在实际生产中还没有找到符合这一理想曲线的冷却介质。现有淬火介质有：水、含盐水溶液、油、盐浴、碱浴、淬火液等等。,2023/8/2,132,水,是最普通的淬火介质。在650500冷速大，但在320 200冷速也大。,2023/8/2,133,含盐水溶液,是水的改进，和水性能类似。但淬火后表面硬度高、性能均匀、表面光滑。,2023/8/2,134,油,是另一种特别通用的淬火介质。在650500冷速小，但在320200冷速也小。,2023/8/2,135,淬火方法,单