金属工艺学第一篇金属材料的基础知识下.ppt

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1、五 铁碳合金状态图组织转变及应用,1、分析自液态冷却至室温时 合金的组织转变过程及室 温组织,室温组织:P,F,A,FA,A+,A,A,1）共析钢（T8钢）1点以上 L 12 LA 23 A 3点 AP 3点以下 P,A,共析钢的结晶过程,2）亚共析钢(45钢）,室温组织：F+P,亚共析钢的结晶过程,F,F,A,A,A,A,A,A,A,A,F,F,F,A,1点以上 L(12 L)23 A+L 34 A 45 A+F 5点 AP 5点以下 P+F,3）过共析钢（T10),室温组织：P+Fe3C（网状）,过共析钢的结晶过程,1点以上 L 12 L+A 23 A 34 A+Fe3CII 4点 AP

2、4点以下 P+Fe3CII,4）亚共晶白口生铁,1点以上 L 12 A+L 2点 共晶反应 23 A+Fe3CII+Ld 3点 共析反应 3点以下 P+Fe3CII+Ld 注明：Fe3CII二次渗碳体 Ld 高温莱氏体 Ld低温莱氏体,室温组织 P+Fe3CII+Ld,2、分析钢从室温加热转变至奥氏体状态(俗称奥氏体化)的组织变化,共 析 钢 PA,亚共析钢 F+PFAA,过共析钢 PFe3CIIA Fe3CII,钢和白口铸铁结晶过程分析,典型铁碳合金在相图中的位置,1钢,2生铁,共析钢:亚共析钢:过共析钢:,共晶生铁:亚共晶生铁:过共晶生铁:,铁碳合金的结晶过程及组织转变过程总结,复 习 题

3、,1.说明晶粒粗细对力学性能的影响2.何谓铁的同素异晶转变，并用反应式和冷却结晶曲线分别描述3.说明 F、A、Fe 3C、P的名称、含碳量、晶体类型及力学性能特征4.依Fe-C状态图分析缓慢冷却条件下45钢和T10钢的结晶过程与室温组织。,第三章 钢的热处理,1、概述,应用:机床制造中，热处理零件占 60%70%，汽车制造中，热处理零件占70%80%。刀具、模具和滚动轴承约占100%。,方法:通过对钢件重新加热，保温并在不同条件下的冷却获得所需组织和性能。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,意义:将钢件在固态下使之改善内部组织和提高其力学性能，但不允许改变形状

4、。,热处理工艺的包括加热、保温、和冷却三个基本阶段 由于各种热处理时起作用的主要因素是温度和时间，所以各种热处理都用温度时间坐标图的曲线来表示热处理工艺曲线。,临界温度,保温,冷却,加热,时间,温度,2.钢在加热时的组织转变,为了在热处理后获得所需的性能，大多数工艺（淬火、正火、退火）都要将钢加热到临界温度以上，获得全部或部分奥氏体组织，并使其成分均匀化，即进行奥氏体化组织转变,再以不同的冷却方式或速度转变成所需要的组织,已获得预期的性能。,转变温度,C%在加热（冷却）时FeFe3C状态图中各临界点的位置,根据相图，共析钢加热PSK线（A1）以上时，完全转变为奥氏体；而亚共析钢和过共析钢必须加

5、热到GS线（A3）和ES线（Acm)以上才能全部获得奥氏体。铁碳合金状态图中的组织转变的临界温度是A1、A3、Acm。实际加热时临界温度的位置用Ac1、Ac3、Accm表示；实际冷却时的位置A r1、Ar3、Arcm 表示。,奥氏体的形成,共析钢中奥氏体形成过程示意图,奥氏体的形成分四个步骤：奥氏体晶核的形成；奥氏体晶核的长大；剩余渗碳体的溶解；奥氏体成分的均匀化。,?亚共析钢A化过程,?过共析钢A化过程,加热温度和保温时间，温度越高，时间越长，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外大多数合金能阻碍A晶粒长大 一般采用快速高温加热的短时保温以获得细小A晶粒。,3.钢

6、在冷却时的组织转变,室温时钢的力学性能，不仅与加热、保温后所获得的奥氏体晶粒大小等有关，而且决定于奥氏体经冷却转变后所获得的组织，而冷却方式和冷却速度对奥氏体的组织转变有直接的关系。,冷却方式通常有两种：连续冷却使加热到奥氏体的钢，在温度连续下降的过程中发生组织转变。如在热处理生产上经常使用的，在水中、油中或空气中冷却等都是连续冷却方式。等温冷却使加热到奥氏体的钢，先以较快的冷却速度冷到A1线以下的一定的温度，这时奥氏体尚未转变，但成为过冷奥氏体。然后进行保温，使奥氏体等温下发生转变。转变完成后再冷却到室温。如等温退火属于等温冷却方式。,等温转变：是指进行一系列不同过冷度的等温冷却实验，可以测

7、出过冷奥氏体保温过程中开始转变时间和转变终了时间,标注在温度时间坐标系中，然后将开始转变时间和转变终了时间分别连接起来，这种曲线类似英文字母“C”又称“C”曲线。,共析钢奥氏体的等温转变曲线,共析钢奥氏体等温转变曲线,共析钢奥氏体等温转变曲线,珠光体转变区,高温转变产物（F+Fe3C）在Ar1550之间等温转变成片层状珠光体产物。珠光体（P)）Ar1650 粗片层索氏体（S)650600 细片托氏体（T）600550 极细片 都是由铁素体和渗碳体的片层所组成的机械混合物。,贝氏体转变区,中温转变产物（B）在550 230（MS）之间的等温转变产物为贝氏体。550 350 上贝氏体 350 23

8、0 下贝氏体由含碳过量的铁素体和微小的渗碳体混合而成。比珠光体的硬度更高。,马氏体转变区,低温转变产物（M）共析钢奥氏体过冷到230（MS）以下转变产物为马氏体。它实质上C在-Fe中的过饱和固溶体。,4、钢的退火和正火,1）退火 将钢件加热，保温至奥氏体化后随炉或埋入石灰中使其冷却(缓慢)的热处理工艺。,目的 细化晶粒，提高塑性和韧性；降低表层硬度，利于切削加工；消除内应力。,主要应用于铸钢件、锻件、焊件等多种毛坯加工前的预备热处理。,应用,退火按其钢种的应用不同，分为完全退火、球化退火和低温退火三种不同工艺,完全退火加热温度：Ac3+3050，完全奥氏体化；冷却：炉冷至500后开炉空冷 缓慢

9、冷却。应用：亚共析钢的铸钢件、锻、焊件。,球化退火,应用：过共析钢（刀具、刃具）,作用：降低硬度，利于切削加工，并为进一步淬火 做准备。,组织变化特征：,加热温度：Ac1+2030；冷却：随炉缓慢冷却；,低温退火(去应力退火)加热温度：500650以下(Ac1)冷却：保温后随炉缓慢冷却；作用：消除热应力。对冷拔、冷拉、冲压件则消除加工硬化，以利于进一步变形。,2）正火,正火是将钢加热到Ac3(亚共析钢）或Accm（过共析钢）以上3050C，保温后从炉内取出，空冷的热处理方工艺。正火主要应用在以下方面：用于普通结构件最终热处理；取代部分完全退火(低碳钢)用于过共析钢。可抑制和消除网状二次渗碳体的

10、形成 完全奥氏体化，加热，保温过程和目的同退火，只是放到空气中冷却，比退火冷却稍快，珠光体中的 Fe 3C片层薄，性能与退火相近。,温 度,时 间,几种退火和正火的工艺曲线,3）淬火加热温度：亚共析钢：t=Ac3+3050 过共析钢：t=Ac1+3050冷却条件：速冷（油或水中，水中冷却更快),组织变化特征 1）晶格转变：-Fe(面心）-Fe（体心）2）速冷下，原A中的过饱和碳难以向外扩散，形成了碳在-Fe中的过饱和固溶体。这类固 溶体即 称马氏体。以符号“M”表示。,“M”的特性1）因碳严重过饱和，晶格畸变，大大增加了变形抗力，故马氏体通常具有很高的硬度和耐磨性，但突显脆性，易开裂。2）M相

11、变伴随有体积膨胀，出现淬火内应力，产生淬火变形。,工艺上采取措施 1）严格控制淬火温度 2）合理选择淬火介质 3）正确选择淬火方法,4）回火 淬火钢因突显脆性，一般都要重新加热才能使用，其淬火后重新加热（Ac1以下）、保温并冷却至室温的热处理工艺称为回火。,回火意义 淬火后因“M”为不稳定组织，重新加热时，碳原子扩散能力增强，将以Fe 3C形式析出，致使b、HRC降低，%、k提高。,回火分类按淬火后重新加热温度不同，可分为三类：,1）低温回火（250 以下 150250）目的：减小内应力，降低脆性，保持良好的原淬 火硬度（5664HRC）和高的耐磨性。应用：工具、刃具、模具及其它耐磨件,2）中

12、温回火（250500）目的：获得高弹性，保持表面较高硬度（3550HRC），获得一定的韧性。应用：弹簧、发条、锻模板。,3）高温回火（500以上500650）目的：获得高强度，高塑性和高的冲击韧性，即良 好的综合力学性能。应用：广泛应用于承受疲劳载荷的中碳钢重要件，如连杆、主轴、齿轮、重力螺钉等。硬度 2035HRC。,淬火后高温回火也称为 调质热处理。中碳钢（0.40.6C）亦称 为调质钢。,4、表面淬火和化学热处理,1）表面淬火 钢件表层淬火到一定深度，心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。工艺 钢件表层快速加热到淬火温度（Ac3+3050），当高温来不及传递到心部而立即喷水冷却，实现表

13、层局部淬火。,表面火焰淬火,快速加热方法：电感应，火焰，激光等。目的 获得表层高硬度、高耐磨性，心部仍保持淬火以前的良好韧性。应用 机床主轴、阶梯轴、汽车发动机曲轴、齿轮的齿形表层等,表面电感应淬火,2）化学热处理 工件置于化学介质中，并通过加热、保温，通过原子扩散和化学反应，改变其表层的 化学成分和组织，达到工件表层改性的目的。常用工艺：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。,渗碳 低碳钢工件进入密闭渗碳炉中，通入煤油（气体渗碳）。加热：900950，保温，使表层达到1%C，淬火后再低温回火，可达5664HRC，如汽车变速箱齿轮、车桥齿轮、活塞销等。,热处理在模具制造中的综合应用,第四章 工业用钢简介,按

14、化学成分分为：非合金钢（碳素钢）、低合金钢 合金钢,一、碳素钢 碳钢,碳对钢的力学性能的影响,1、化学成分对碳钢性能的影响 碳素钢的含碳量在1.5%以下，其中还含有少量的Si、Mn、P、S 等杂质，碳是碳素钢中最重要的成分，其含量对碳素钢的组织和性能影响极大，钢中含碳量愈多，则珠光体和渗碳体愈多，因而硬度愈高，塑性愈低，当含碳量超过共析成分时，因出现了网状Fe3C,强度反而降低。,冷脆磷在铁中会形成固溶体，可使钢的强度和 硬度有所增加，但使塑性和韧性显著降低，特别在低温时钢的脆性急剧增加，这种现象叫冷脆。热脆硫和铁化合成FeS,FeS又与铁形成熔点仅为985C 的 共晶体（Fe+FeS），沿晶

15、界分布。当钢的含硫量较多，在800 C 1200 C 进行压力加工时由于共晶体熔化，会使钢的各个晶体分离，从而引起钢的破裂。,由于磷、硫是钢中的有害杂质，按质量分类时要规 定钢中的磷、硫含量。在普通钢中允许含磷量 0.045%，含硫量 0.055%。在优质结构钢中含磷量0.035%，含硫量 0.035%；在工具钢中磷、硫含量分别 0.035%在高级优质钢中磷、硫的含量分别 0.03%。,2.碳素钢的牌号和用途,（1）碳素钢结构钢（Wc0.38%)牌号：Q215-A，Q235-A，Q255-A 数字表示板厚小于16mm的最低屈服点；A、B、C、D表示钢的质量等级，A、B为普通级；C、D表示硫、磷

16、含量低的优等钢。Q235为低碳钢，应用最广。用途见P31表1-5。,（2）优质碳素结构钢（S、P 0.035%）用来制造比较重要的零件，一般都要进行热处理以提高其力学性能，扩大其应用范围。因此冶金厂供应时，不仅要保证它的化学成分，还要保证其力学性能 牌号用用二位数表示，二位数表示钢中平均含碳量的万分之几。如：15号钢表示平均含碳量为0.15%的优质钢，但实际上钢中含碳量在0.120.19%的范围内。,08，10，15，20，25（低碳钢）强度小而塑性好，制造螺钉、螺母、垫圈和需要渗碳的零件等。30，35，40，45，50，55（中碳钢）强度较高，韧性和加工性也较好。应用时通常要经过淬火、回火等

17、热处理这类钢多用来制造轴类、齿轮、丝杠、连杆、套筒等。60，65，70，75（高碳钢）淬火后有较高的弹性，可用来制造各种弹簧、钢丝绳等。,根据含碳量的不同，适于制造各种不同的零件。,（3）碳素工具钢（C=0.7%1.35%）,属于共析钢和过共析钢 热处理：淬火、回火后有高硬度（60HRC）用途：做小型工、模具 牌号：用“T”表示，其后面的一位或两位表示 钢中平均含碳量的千分之几。如：T8，T10，T10A，T12；后面A表示高级优质 碳素工具钢一般均为优质钢。见P32表1-6,二、低合金钢,低合金钢指合金总含量低（3%）、含碳量也较低的合金结构钢。热处理：退火或正火 性能：较高的强度、塑性、韧

18、性和耐磨性、良好的焊接性。用途：桥梁、汽车、铁路、船舶、锅炉、高 压容器、钢筋、矿用设备等 分类：可焊接低合金高强度钢、低合金耐火钢、低合金钢筋钢、铁路用低合金钢、矿用低合金钢 应用最广是低合金高强度钢，其牌号表示方法与碳素结构钢相同。见P33表1-7,三、合金钢,1、合金结构钢分类及用途：低碳合金结构钢用于渗碳件；中碳合金结构钢调质、渗氮件；高碳合金结构钢用于制造弹簧。牌号：采用“数字+元素符号+数字”来表示。前面的数字表示钢的平均含碳量，以万分之几表示，如：平均含碳量为0.25%，以25表示；后面 的数字表示合金的含量，以平均含量的百分之几表示，合金元素小于1.5%时，编号中只标明元素，不

19、标明含量如果平均含量等于和大于1.5%、2.5%、3.5%，则相应的用2、3、4.表示，如：含0.370.45%C、0.81.1%Cr的铬钢40Cr,当钢中合金元素超过低合金钢的限度时合金钢 属于优质钢和高级优质钢,2、合金工具钢,用途：制造刀具、量具、模具等，工作温度达600。C分类：刀具、量具用钢、耐冲击工具用钢、冷作模具钢、热作模具钢牌号：平均含碳量1.0%时，不标出，1.0%，Cr、Mn平均含量1.5%的合金工具钢，9SiCr表示平均含碳量为0.9%，Cr、Mn平均含量1.5%的合金工具钢，W18Cr4V表示含碳量为0.700.80%，W、Cr、V平均含量分别为18%、4%、1.5%的

20、高速钢,3、特殊性能钢,包括不锈钢，耐热钢，耐磨钢，磁钢等。如：2Cr13，1Cr18Ni9等 不锈钢在石油、化工、食品、医药、装饰 应用最广。合金钢的各种化学成分、热处理、用途见P35表1-8,选材的一般原则1.材料的力学性能 在设计零件并进行选材时，应根据零件的工作条件和损坏形式找出所选材料的主要力学性能指标，这是保证零件经久耐用的先决条件。2.材料的工艺性能 材料的工艺性能的好坏对加工生产有直接的影响，几种重要的工艺性能如下：铸造性能：包括流动性能、收缩、偏析等。锻造性能：包括可锻性、抗氧化性等机械加工性：包括光洁度、切削加工性等热处理工艺性：淬透性、回火脆性、氧化脱碳倾向等,一般来说，

21、碳钢的锻造、切削加工性能较好，其机械性能可以满足一般零件的工作条件要求，因此碳钢的用途较广。但其强度还不够高，淬透性差。制造大面积形状复杂零件，常选用合金钢。3.材料的经济性 在满足使用性能的前提下，选用材料时还应注意降低零件的总成本。零件的总成本包括材料本身的价格和与生产有关的一些费用。在金属材料中，碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件力学性能的前提下选用碳钢和铸铁，不仅具有较高的加工工艺性能，而且可降低成本。,复习题,1.何谓退火和正火？两者的特点和用途有什么不同？2.钢淬火后所获得的马氏体组织与铁素体有何相同和不同之处？钢中的马氏体组织表现出什么特性？3.钢在淬火后为什么要回火？三种类型回火的加热温度规范、目的和应用有什么不同？4.说明锯条、汽车钢板弹簧、车床主轴、变速箱齿轮、发动机曲轴的最终热处理工艺。,