金属材料与金属切削加工原理

第一章 金属材料的性能第一节 金属材料的主要性能两大类：1 使用性能：机械零件在正常工作情况下应具备的性能。 包括：力学性能、物理、化学性能 2 工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削性能等。 、金属材料的力学性能： 力学性能-受外力作用反映出来的性能。 一 弹性和塑性： 1弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能。力和变形同时存在、同时消失。 如弹簧：弹簧靠弹性工作。 2 塑性：金属材料受外力作用时产生永久变形而不至于引起破坏的性能。（金属之间的连续性没破坏）塑性大小以断裂后的塑性变形大小来表示。塑性变形：在外力消失后留下的这部分不可恢复的变形。 3 拉伸图：金属材料在拉伸过程中弹性变形、塑性变形直到断裂的全部力学性能可用拉伸图形象地表示出来。 1）弹性阶段e 2）屈服阶段：过e点至水平段右端 s塑性极限，s屈服点，过s点水平段说明载荷不增加，式样仍继续伸长。（P一定，=P/F一定，但真实应力P/F1 因为变形，F1）发生永久变形 3）强化阶段：水平线右断至b点 P 变形，b强度极限，材料能承受的最大载荷时的应力。 4）局部变形阶段bk 过b点，试样某一局部范围内横向尺寸突然急剧缩小。 “缩颈” （试样横截面变小，拉力） 4 延伸率和断面收缩率：表示塑性大小的指标 1）延伸率： = l0试样原长，l1拉深后长 2）断面收缩率： F0原截面，F1拉断后截面 （1） 、越大，材料塑性越好 （2）与区别：拉伸图中 =弹+塑 ， =mas塑 （3）一般5%为塑性材料，5%为脆性材料。 5 条件屈服极限0。2 有些材料在拉伸图中没有明显的水平阶段。通常规定产生0.2塑性变形的应力作为屈服极限,称为条件屈服极限. 二 刚度： 金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。 1 材料本质 弹性模量在弹性范围内,应力与应变的比值.其大小主要决定材料本身. 相当于单位元元变形所需要的应力。=, =/=tg 2 几何尺寸、形状、受力 相同材料的E相同,但尺寸不同,则其刚度也不同.所以考虑材料刚度时要把E形状尺寸同时考虑.还要考虑受力情况. 三 强度： 强度指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。按作用力性质的不同,可分为:抗拉强度 + 抗压强度- 抗弯强度w 抗剪强度b 抗扭强度 常用来表示金属材料强度的指标: 屈服强度: (Pa N/m2) Ps-产生屈服时最大外力, F0-原截面 抗拉强度 (Pa N/m2) Pb-断裂前最大应力. s /b在设计机械和选择评定材料时有重要意义.因金属材料不能在超过s的条件下工作,否则会塑变.超过b工作,机件会断裂. s-b之间塑性变形,压力加工 四 硬度： 金属抵抗更硬的物体压入其内的能力是材料性能的综合物理量,表示金属材料在一个小的体积范围内的抵抗弹性变形、塑性变形或断裂的能力。1 布式硬度 HB 用直径D的淬火钢球或硬质合金球,在一定压力P下,将钢球垂直地压入金属表面,并保持压力到规定的时间后卸荷,测压痕直径d(用刻度放大镜测)则 HB=P/F (N/mm2) 单位一般不写. F-压痕面积. HBS压头用淬火钢球, HBW压头用硬质合金球 因钢球存在变形问题,不能测太硬的材料,适于HBS107 不疲劳破坏 2 疲劳破坏原因 材料有杂质,表面划痕,能引起应力集中,导致微裂纹,裂纹扩展致使零件不能承受所加载荷突然破坏. 3预防措施 改善结构形状,避免应力集中,表面强化-喷丸处理,表面淬火等. 、金属材料的物理,化学及工艺性能： 一 物理性能 比重: 计算毛坯重量,选材,如航天件 :轻熔点:铸造 锻造温度(再结晶温度)热膨胀性:铁轨 模锻的模具、量具、导热性: 铸造:金属型 锻造:加热速度、导电性: 电器元件 铜 铝磁性:变压器和电机中的硅钢片 磨床: 工作台 二 化学性能化学性能：指金属材料与周围介质扫触时抵抗发生化学或电化学反应的性能。耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。金属的化学性能,决定了不同金属与金属,金属与非金属之间形成化合物的性能,使有些合金机械性能高,有些合金抗腐蚀性好,有的金属在高温下组织性能稳定. 如耐酸,耐碱等，如化工机械,高温工作零件等 三 工艺性能 金属材料能适应加工工艺要求的能力. 铸造性能：指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能，主要包括流性能、充满铸模能力；收缩性、铸件凝固时体积收缩的能力；偏析指化学成分不均性。焊接性能：指金属材料通过加热或加热和加压焊接方法，把两个或两个以上金属材料焊接到一起，接口处能满足使用目的的特性。冷弯性能：指金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂性能。弯曲程度一般用弯曲角度（外角）或弯心直径d 对材料厚度a 的比值表示，a 愈大或d/a 愈小，则材料的冷弯性愈好。冲压性能：金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。在常温进行冲压叫冷冲压。检验方法用杯突试验进行检验。锻造性能：金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能力。第二章 常用工程材料在机械、工程等工业领域中，采用的材料种类及品种繁多、涉及范围及其广泛。其分类如下：随着生产的迅速发展，特别是电子产业、航空航天技术的突飞猛进，不断地对材料的性能提出了愈来愈高的要求。而传统单一材料往往不能全面满足强度、韧性、重量和稳定性等方面的要求，为使各种材料之间的优点互补，获得性能更加优越的材料，人们研制出各种新型复合材料。就是由两种或两种以上不同材料的组合材料，其性能通常兼有组成材料的各种优点，有着非常广阔的发展前景。中国经过几十年的努力，钢铁工业已同过去的仅能生产100 多个钢种、400 多个品种的钢材发展到现在能生产1000 多个钢种、4 万多个品种的钢材，特别是国防工业和高精尖技术，包括原子弹、氢弹、导弹、核潜艇、通讯卫星、火箭等需要的关键金属材料。都已由国内自行研制开发成功，最大限度满足了其需要。第一节 合 金 钢2-1 概 述 合金钢为了改善钢的组织和性能，在碳钢的基础上，有目的地加入一些元素而制成的钢。加入的元素称为合金元素。常用的合金元素有锰、铬、镍、硅、钼、钨、钒、钛、锆、钴、铌、铜、铝、硼、稀土 (RE) 等。 根据我国的资源情况，富产的元素有硅、锰、钼、钨、钒、硼及稀土元素，而铬、镍，特别是钴稀缺。选用合金钢时，应在保证产品质量的前提下，优先考虑我国资源丰富的钢种。与碳钢相比，合金钢的性能显著提高，应用日益广泛，但价格高于碳钢。一、合金钢的分类 (一) 按用途分类 1、合金结构钢用于制造各种机械零件和工程结构的钢。主要包括低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢等。 2、合金工具钢用于制造各种工具的钢。主要包括合金刃具钢、合金模具钢和合金量具钢等。 3、特殊性能钢具有某种特殊物理或化学性能的钢。主要包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等等。 (二) 按合金元素的总含量分类 1、低合金钢。合金元素总含量Me 10。(三) 按正火后的组织分类 将一定截面的试样 (25mm) ，在静止空气中冷却后，按所得组织可分为珠光体钢、马氏体钢、奥氏体钢和铁素体钢等。二、合金钢的编号 (一) 合金结构钢 合金结构钢的牌号由三部分组成，即“两位数字+元素符号十数字”。前面两位数字代表钢中平均碳的质量分数的万倍；元素符号代表钢中所含的合金元素，其后面的数字表示该元素平均质量分数的百倍，当其平均质量分数Me 1.5时一般只标出元素符号而不标数字，当其Me 1.5、2.5、3.5时，则在元素符号后相应地标出2、3、4。例如60Si2Mn钢，表示平均c = 0.6，平均si 1.5，平均Mn 1.5的合金结构钢。如为高级优质钢，则在钢号后面加符号“A”。 （二) 合金工具钢 合金工具钢牌号的表示方法与合金结构钢相似，区别仅在于碳含量的表示方法不同。当平均c1，cr约为12，Mo、V都小于1.5的合金工具钢。 高速钢不论其碳含量多少，在牌号中都不予标出，但当合金的其它成分相同，仅碳含量不同时，则在碳含量高的牌号前冠以“C”字母，如W6M05Cr4V2钢和CW6M05Cr4V2钢，前者c =0.80.9，后者 c = 0.951.05，其余成分相同。 (三) 特殊性能钢 特殊性能钢的牌号表示方法与合金工具钢的基本相同，只是当其平均 c 0.03 和 c0.08 时，在牌号前分别冠以“00”及“0”。 如 0Crl9Ni9 钢表示平均c0.08，cr 19，Ni 9的不锈钢。 (四) 滚动轴承钢 高碳高铬轴承钢属于专用钢，为了表示其用途，在牌号前加以“G” (“滚”字的汉语拼音首字母) ，铬含量以其质量分数的千倍来表示，碳的含量不标出，其它合金元素的表示方法与合金结构钢同。例如 GCrl5SiMn 钢，表示平均c = 1.5，Si 和Mn 都小于1.5 的滚动轴承钢。2-2 合金元素在钢中的作用一、强化铁素体 大多数合金元素都能溶于铁素体，形成合金铁素体。合金元素溶入铁素体后，产生固溶强化作用，使其强度、硬度升高，塑性和韧性下降。二、形成合金碳化物 合金元素按其与钢中碳的亲和力的大小，可分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。 非碳化物形成元素有：镍、钴、铜、硅、铝、氮、硼等。它们不与碳形成碳化物而固溶于铁的晶格中，或形成其它化合物。 钢中形成的合金碳化物主要有以下两类： (1) 合金渗碳体。它是合金元素溶人渗碳体 (置换其中的铁原子) 所形成的化合物。合金渗碳体与Fe3C的晶体结构相同，但比Fe3C略为稳定，硬度也略高，是一般低合金钢中碳化物的主要存在形式。 (2) 特殊碳化物。它是中强或强碳化物形成元素与碳形成的化合物，其晶格类型与渗碳体完全不同。特殊碳化物，特别是间隙相碳化物，比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度与耐磨性，也更稳定，不易分解。在钢中存在弥散分布的特殊碳化物时，将显著提高钢的强度、硬度与耐磨性而不降低韧性，这对提高工具钢的使用性能极为有利。三、阻碍奥氏体晶粒长大 强碳化物形成元素钒、铌、锆、钛等容易形成特殊碳化物，铝在钢中常以AIN、Al2O3的细小质点存在，它们都弥散地分布在奥氏体晶界上，由于比较稳定，不易分解溶入奥氏体，从而对奥氏体晶粒长大起机械阻碍作用。 因此，合金钢 (除锰钢外) 在淬火加热时不易过热，有利于获得细马氏体组织，同时也有利于提高加热温度，使奥氏体中溶入更多的合金元素，以改善钢的淬透性和性能。这是合金钢的重要特点之一。四、提高钢的淬透性 合金元素(除钴外)溶入奥氏体后，都能降低原子扩散速度，增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线位置向右移动 (见图6-3) ，临界冷却速度减小，从而提高钢的淬透性。 注意：若合金元素未溶人奥氏体，将不能增加奥氏体的稳定性，因而也就不能提高钢的淬透性，反而会降低钢的淬透性。 五、提高淬火钢的回火稳定性 回火稳定性：淬火钢在回火时，抵抗软化(强度，硬度下降)的能力。 淬火钢的回火转变都是依靠原子的扩散进行的。由于合金元素溶人马氏体，使原子扩散速度减慢，因而在回火过程中，马氏体不易分解，残余奥氏体不易转变，碳化物不易析出，析出后也不易聚集长大。这就使淬火钢的强度、硬度下降缓慢，提高了钢抵抗软化的能力，即提高了钢的回火稳定性。 合金钢的回火稳定性高于碳钢，在相同的回火温度下，合金钢比相同含碳量的碳钢具有更高的强度和硬度；在达到相同硬度的情况下，合金钢可以在较高的温度下回火。 高的回火稳定性使钢在较高温度下仍能保持高的硬度和耐磨性。钢在高温 ( 550 ) 下保持高硬度 (60HRC) 的能力叫热硬性。这种性能对工具钢具有重要的意义。2-3 合金结构钢一、低合金结构钢 低合金结构钢的成分特点是低碳(c 0.20)、低合金元素(一般合金元素总量Me3) ，以锰为主加元素，并辅加以钒、钛、铌、硅、铜、磷等，有时还加入微量稀土元素。 性能特点： 1、具有高的屈服强度与良好的塑性和韧性。其屈服强度比碳钢提高3050以上，尤其是屈强比 (sb ) 提高得更明显。 2、良好的焊接性。由于这类钢的含碳量低，合金元素少，塑性好，不易在焊缝区产生淬火组织及裂纹，且成分中的碳化物形成元素钒、钛、铌可抑制焊缝区的晶粒长大，故它的焊接性良好。 3、较好的耐蚀性。加入铜、磷，提高了钢材抵抗海水、大气、土壤腐蚀的能力。 低合金结构钢一般在热轧空冷状态下使用，其组织为铁素体和珠光体。被广泛用于桥梁、船舶、车辆、建筑、锅炉、高压容器、输油输气管道等。 常用低合金结构钢的牌号、性能及用途可查表获得。其中16Mn（Q345）是我国发展最早、产量最大、各种性能配合较好的钢材，故应用最广。二、合金渗碳钢 渗碳钢通常是指经渗碳、淬火、低温回火后使用的钢。它主要用于制造表面承受强烈摩擦和磨损，同时承受动载荷特别是冲击载荷的机器零件。这类零件都要求表面具有高的硬度和耐磨性，心部具有较高的强度和足够的韧性。 渗碳钢可分为碳素渗碳钢和合金渗碳钢。碳素渗碳钢 (c=0.100.20%) 由于淬透性低，仅能在表面获得高的硬度，而心部得不到强化，故只适用于较小的渗碳件。 合金渗碳钢的平均c一般在0.10.25之间，以保证渗碳件心部有足够高的塑性与韧性。 合金渗碳钢的性能特点： 1、渗碳淬火后，渗碳层硬度高，具有优异的耐磨性和接触疲劳强度； 2、渗碳件心部具有高的韧性和足够高的强度； 3、具有良好的热处理工艺性能，在高的渗碳温度(900950)下奥氏体晶粒不易长大，淬透性也较好。 合金渗碳钢的热处理，一般是渗碳后直接淬火和低温回火。 热处理后渗碳层的组织由回火马氏体+粒状合金碳化物+少量残余奥氏体组成，表面硬度一般为5864HRC。心部组织与钢的淬透性及工件截面尺寸有关，完全淬透时为低碳回火马氏体，硬度为4048HRC；多数情况下，是由托氏体+回火马氏体+少量铁素体组成，硬度为2540HRC。 20CrMnTi 是应用最广泛的合金渗碳钢，可用来制造汽车、拖拉机的变速齿轮。为了节约铬，常用 20Mn2B 或 20MnVB 等钢代替20CrMnTi。三、合金调质钢 调质钢通常是指经调质处理后使用的钢，一般为中碳的优质碳素结构钢与合金结构钢。它主要用于制造承受多种载荷、受力复杂的零件，如机床主轴、连杆、汽车半轴、重要的螺栓和齿轮等。 合金调质钢的平均c在0.250.50之间。碳含量过低，不易淬硬，回火后达不到所需硬度；碳含量过高，则韧性不足。主加元素有铬、镍、锰、硅、硼等，以增加钢的淬透性，同时还强化铁素体。辅加元素有钼、钨、钒、钛等，主要是防止淬火加热产生过热现象，细化晶粒和提高回火稳定性，进一步改善钢的性能。 合金调质钢具有良好的淬透性、热处理工艺性及良好的综合力学性能。 合金调质钢的最终热处理一般为淬火后高温回火 （调质)，组织为回火索氏体，具有高的综合力学性能。 若零件表层要求有很高的耐磨性，可在调质后再进行表面淬火或化学热处理等。 40Cr钢是典型的合金调质钢，其强度比40钢高20，并有良好的塑性和淬透性，因此被广泛用于各类机械设备的主轴，汽车半轴、连杆及螺栓、齿轮等。四、合金弹簧钢 弹簧钢是指用来制造各种弹簧和弹性元件的钢。弹簧是利用其在工作时产生的弹性变形来吸收能量，以缓和振动和冲击，或依靠弹性储存能量，以驱动机件完成规定的动作。因此，要求弹簧材料具有高的弹性极限，尤其要具有高的屈强比，高的疲劳强度以及足够的塑性和韧性。合金弹簧钢的平均c在0.450.70之间，以保证高的弹性极限与疲劳强度。弹簧钢根据弹簧尺寸和成形方法的不同，其热处理方法也不同。 1、热成形弹簧 当弹簧丝直径或钢板厚度大于1015mm时，一般采用热成形。其热处理是在成形后进行淬火和中温回火，获得回火托氏体组织，具有高的弹性极限与疲劳强度，硬度为4045HRC。 2、冷成形弹簧 对于直径小于8-10mm的弹簧，一般采用冷拔钢丝冷卷而成。 若弹簧钢丝是退火状态的，则冷卷成形后还需淬火和中温回火；若弹簧钢丝是铅浴索氏体化状态或油淬回火状态，则在冷卷成形后不需再进行淬火和回火处理，只需进行一次200-300的去应力退火，以消除内应力，并使弹簧定形。 弹簧经热处理后，一般还要进行喷丸处理，使表面强化，并在表面产生残余压应力，以提高弹簧的疲劳强度和寿命。60Si2Mn钢是应用最广的合金弹簧钢，被广泛用于制造汽车、拖拉机上的板簧、螺旋弹簧以及安全阀用弹簧等。弹簧钢也可进行淬火及低温回火处理，用以制造高强度的耐磨件，如弹簧夹头、机床主轴等。五、滚动轴承钢 滚动轴承钢是用来制造滚动轴承的滚动体 (滚针、滚柱、滚珠) 、内外套圈的专用钢。滚动轴承在工作时，滚动体与内、外套圈之间是点接触或线接触，接触应力极大；滚动或滑动摩擦，易使轴承工作表面产生接触疲劳破坏与磨损，因而要求滚动轴承材料具有高的硬度和耐磨性、高的疲劳强度、足够的韧性和一定的耐蚀性。 滚动轴承钢是高碳铬钢，其平均c为0.951.15，以保证轴承钢具有高的强度、硬度和形成足够的碳化物以提高耐磨性。 合金元素铬的作用是提高淬透性，并形成细小均匀分布的合金渗碳体，以提高钢的硬度、接触疲劳强度和耐磨性。在制造大型轴承时，为了进一步提高淬透性，还向钢中加入硅、锰等合金元素。 滚动轴承钢的热处理主要为球化退火、淬火和低温回火。 球化退火为预先热处理，其目的是降低钢的硬度以利于切削加工，并为淬火作好组织上的准备。 淬火和低温退火是决定轴承钢性能的最终热处理，获得的组织为极细的回火马氏体、细小而均匀分布的粒状碳化物和少量的残余奥氏体，硬度为6165HRC。 对于精密轴承零件，为了保证尺寸的稳定性，可在淬火后进行一次冷处理，以减少残余奥氏体的量，然后低温回火、磨削加工，最后再进行一次人工时效，消除磨削产生的内应力，进一步稳定尺寸。GCrl5、GCrl5SiMn钢是应用最多的轴承钢。前者用作中、小型滚动轴承，后者用于较大型滚动轴承。2-4 合金工具钢 合金工具钢按主要用途分为刃具钢、模具钢和量具钢三大类。一、合金刃具钢 合金刃具钢主要用来制造刀具，如车刀、铣刀、钻头、丝锥等。对刃具钢的性能要求是：高的硬度和耐磨性，高的热硬性，足够的强度、塑性和韧性。 合金刃具钢分为低合金刃具钢和高速钢两类。 (一) 低合金刃具钢 低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素的钢。其c = 0.751.5的范围内，以保证钢的淬硬性和形成合金碳化物的需要。由于合金元素的加入量不大，故钢的热硬性仍不太高，一般工作温度不得高于300。 9SiCr是最常用的低合金刃具钢，被广泛用来制造各种薄刃工具，如板牙、丝锥、铰刀等。 低合金刃具钢的热处理与碳素工具钢基本相同。刃具毛坯锻造后的预先热处理采用球化退火，切削加工后的最终热处理采用淬火和低温回火。最终热处理后的组织为细回火马氏体、粒状合金碳化物及少量的残余奥氏体，一般硬度可达6065HRC。 (二) 高速钢 用高速钢制作的刃具在使用时，能以比低合金刃具钢刀具更高的切削速度进行切削，因而被称为高速钢。它的特点是热硬性高达600，切削时能长时间保持刃口锋利，故又称为“锋钢”，并且还具有高的强度、硬度和淬透性。淬火时在空气中冷却即可得马氏体组织，因此，又俗称为“风钢”、“白钢”。 1高速钢的成分特点 高速钢的含碳量较高，c在0.751.60的范围内，高的碳含量是为了在淬火后获得高碳马氏体，并保证形成足够的碳化物，从而保证其高硬度、高的耐磨性和良好的热硬性。 铬在高速钢淬火加热时，几乎全部溶人奥氏体中，增加了奥氏体的稳定性，从而显著提高钢的淬透性和回火稳定性。钒是强碳化物形成元素，其碳化物VC非常稳定，极难溶解，硬度极大 (可达8385HRC) ，从而提高钢的硬度和耐磨性。未溶的VC能显著阻碍奥氏体长大。 2高速钢的锻造 高速钢铸态组织中含有大量的鱼骨状碳化物 (见图6-4)，分布很不均匀，显著降低了钢的力学性能，特别是韧性。而且用热处理方法不能根本改变碳化物的分布状态，只能用反复锻造的方法将碳化物打碎，并使其尽可能均匀分布。锻造比最好大于10，锻后 必须缓冷，以免开裂。 3高速钢的热处理 高速钢的热处理包括退火、淬火和回火，其特点是退火温度低，淬火温度高，回火温度高且次数多。 (1) 退火。为了消除坯料在锻造时产生的内应力，降低硬度，细化晶粒，为切削加工和淬火作准备，高速钢在锻后必须及时进行球化退火。退火温度为 Acl+3050，退火后的组织为索氏体和粒状合金碳化物，硬度为 207255HBW。 (2) 淬火。高速钢的淬火加热温度很高(12001300)，目的是为了使碳化物尽可能多地溶人奥氏体，从而提高淬透性、回火稳定性和热硬性。 由于高速钢的导热性较差，故淬火加热时必须进行一至二次预热。 (3) 回火。高速钢淬火后应立即回火，一般在550570回火三次。 在此温度范围内回火时，钨、钼、钒的碳化物从马氏体和残余奥氏体中析出，呈弥散分布，使钢的硬度明显上升；同时由于残余奥氏体转变成马氏体，也使硬度上升，从而形成二次硬化，保证了钢的高硬度、高耐磨性及热硬性。进行多次回火，其目的是为了逐步减少残余奥氏体的量和消除内应力。高速钢回火后的组织为回火马氏体、粒状碳化物和少量残余奥氏体，硬度可达63 66HRC。 4常用的高速钢 常用的高速钢有 W18Cr4V、W6M05Cr4V2 和 W9M03Cr4V 三种。 W18Cr4V 是我国发展最早的高速钢，其特点是热硬性较高，过热敏感性较小，加工性好。 W6M05Cr4V2 钢是用钼代替一部分钨而发展起来的，其特点是具有良好的热塑性，碳化物分布较均匀，耐磨性和韧性也较好，正在逐步取代 W18Cr4V 钢。 W9M03Cr4V 钢是近几年发展起来的通用型高速钢，具有上述两种钢的共同优点，比 W18Cr4V 钢的热塑性好，比W6M05Cr4V2 钢的脱碳倾向小，硬度高，因此得到了愈来愈广泛的应用。二、合金模具钢 模具钢可分为冷作模具钢和热作模具钢。 (一) 冷作模具钢 冷作模具钢用于制造使金属在冷态下产生变形的模具，如冷冲模、冷挤压模、冷镦模、拉丝模等。 这些模具在工作中要承受很大的压力、弯曲力、冲击力和强烈的摩擦，要求具有高的硬度 (5862HRC) 和耐磨性，足够的强度和韧性，同时要求热处理变形小。冷作模具钢的化学成分、热处理特点基本上与刃具钢相似。对于小型冷作模具，可用碳素工具钢和低合金刃具钢制造。如T10A、9SiCr、CrWMn、9Mn2V 等。 其热处理一般也是球化退火、淬火和低温回火。 对于大型模具常用 Cr12 型钢制造。Cr12 型钢是最常用的冷作钢，牌号有 Cr12 和 Cr12MoV 等。 Cr12 型钢的最终热处理有两种方法： 1、低温淬火和低温回火法 (一次硬化法) 这种方法可使模具获得高硬度和高耐磨性，淬火变形小。一般承受较大载荷和形状复杂的模具采用此法处理。 2、高温淬火和高温 (510520) 多次回火法 (二次硬化法)这种方法能使模具获得高的热硬性和耐磨性，但韧性较差。一般承受强烈摩擦，在400450条件下工作的模具适用此法。Cr12 型钢经淬火及回火后的组织为回火马氏体、粒状碳化物和少量残余奥氏体。 (二) 热作模具钢 热作模具钢用于制造在受热状态下对金属进行变形加工的模具，如热锻模、热挤压模、压铸模等。 这类模具在工作中除承受较大的冲击载荷、很大的压力、弯曲力外，还受到炽热金属在模腔中流动所产生的强烈摩擦力，同时还受到反复的加热和冷却。因此，要求热作模具钢应具有高的热硬性和高温耐磨性，良好的综合力学性能，高的热疲劳强度和较好的抗氧化能力，同时还要求具有高的淬透性、导热性。 热作模具钢一般是中碳合金钢，其c = 0.30.6，以保证钢具有高强度、高韧性、较高的硬度(3552HRC)和较高的热疲劳强度。热锻模具钢的最终热处理与调质钢相似，淬火后高温 (550左右) 回火，以获得回火索氏体回火托氏体组织。 热压模具钢的热处理是淬火后在略高于二次硬化峰值的温度 (600左右) 回火23次，获得的组织为回火马氏体和粒状碳化物，以保证模具的热硬性。 制作热锻模的典型钢种有5CrMnMo和5CrNiMo钢。 制作热压模的常用钢为3Cr2W8V钢。三、合金量具钢 量具在使用过程中经常受到磨损和碰撞。因此，要求量具钢必须具备高硬度 (6265HRC) 、高耐磨性、高的尺寸稳定性及足够的强度和韧性，同时还要求热处理变形小等。对于形状简单、尺寸较小、精度要求不高的量具(如简单卡规、低精度量块等)，可用碳素工具钢T10A、T12A制造；或用渗碳钢(20、15Cr等) 制造，并经渗碳淬火处理；或用中碳钢 (50、60钢等) 制造，并经高频表面淬火处理。 精度要求高或形状复杂的量具，一般用合金工具钢或滚动轴承钢 (如9SiCr、Cr2、CrWMn、GCrl5等) 制造。 量具的最终热处理主要是淬火和低温回火，目的是获得高硬度和高耐磨性。 对于精度要求高的量具，为保证尺寸稳定性，常在淬火后立即进行一次冷处理，以降低组织中的残余奥氏体量。 在低温回火后还应进行一次稳定化处理 (100150、2436h) ，以进一步稳定组织和尺寸，并消除淬火内应力。有时在磨削加工后，还要在120150保温8h进行二次稳定化处理，以消除磨削产生的残余内应力，从而进一步稳定尺寸。2-5 特殊性能钢一、不锈钢 (一) 马氏体不锈钢 这类钢的c = 0.110.4，cr = 1214，属于铬不锈钢。马氏体不锈钢只在氧化性介质中耐腐蚀，在非氧化性介质中耐蚀性很低，而且随钢中含碳量的增多，耐蚀性下降。 钢中碳含量较低的1Cr13、2Cr13钢，具有良好的抗大气、海水、蒸汽等介质腐蚀的能力，且有较好的塑性和韧性，用于制造耐腐蚀的结构零件。如汽轮机叶片、水压机阀和医疗器械等。碳含量较高的3Cr13、3Cr13Mo钢，热处理后硬度可达50HRC左右，强度也较高，用于制造防锈的医用手术工具及刃具、不锈钢轴承、弹簧等。 马氏体不锈钢的热处理：用作高强零件时进行调质处理，如1Crl3、2Crl3；用作弹性元件时进行淬火和中温回火处理；用作工具和刃具时进行淬火和低温回火处理。 (二) 铁素体不锈钢 常用铁素体不锈钢的 c 0.12，cr = 1230，也属于铬不锈钢，典型钢种是 Cr17 型不锈钢。 这类钢由于碳含量降低，铬含量又较高，使钢从室温加热到高温 (9601100) ，其组织始终是单相铁素体，故其耐腐蚀性(对硝酸、氨水等) 和抗氧化性 (在700以下) 均较好。但其强度低，不能用热处理强化。因此，主要用于要求较高耐腐蚀性而受力不大的构件，如化工设备中的容器、管道，食品工厂的设备等。 (三) 奥氏体不锈钢 奥氏体不锈钢是应用最广的不锈钢，典型钢种是18-8型不锈钢，属于铬镍不锈钢。这类钢含碳量很低 (c0.12) ，cr = 1719，Ni = 812。有时还向钢中加入钛、铌、钼等，以防晶界腐蚀。 这类钢在室温下为单相奥氏体组织，加热时没有相变发生，故奥氏体不锈钢具有很好的塑性、韧性和焊接性，强度、硬度低、无磁性，耐腐蚀性和耐热性很好，但切削加工性较差，易粘刀和产生加工硬化。这类钢广泛用于在强腐蚀介质 (硝酸、磷酸及碱水溶液等)中工作的设备、管道、贮槽等，还广泛用于要求无磁性的仪表、仪器元件等。 这类钢的热处理主要是固溶处理。奥氏体不锈钢在退火状态下是奥氏体和少量的碳化物组织。为了获得单相奥氏体组织，提高钢的耐蚀性，并使钢软化，将钢加热到1100左右，使所有碳化物都溶人奥氏体，然后水淬快冷至室温，即得单相奥氏体组织。这种处理方法称为固溶处理。 对于含钛或铌的钢，在固溶处理后还应进行稳定化处理，以防晶界腐蚀的发生。二、耐热钢 在高温下具有一定的热稳定性和热强性的钢称为耐热钢。 按照性能，耐热钢可分为：抗氧化钢：在高温下具有较好的抗氧化及抗其它介质腐蚀的性能； 热强钢：在高温时具有较高的强度和良好的抗氧化、抗腐蚀性能。 按照组织类型，耐热钢可分为珠光体耐热钢、铁素体耐热钢、奥氏体耐热钢及马氏体耐热钢等。 (一) 珠光体耐热钢 珠光体耐热钢是低合金耐热钢，钢中含的合金元素总量不超过35。故耐热性不高。主要用于工作温度在600以下，承受载荷不大的耐热零件，如锅炉钢管、汽轮机转子、耐热紧固件、石油热裂装置等。 常用钢号有 15CrMo、12CrMoV、35CrMoV 等。这类钢一般在正火、回火状态下使用，组织为细珠光体或索氏体+部分铁素体。 (二) 铁素体耐热钢 铁素体耐热钢的碳含量较低 (c 0.20)、铬含量高(cr11)，并含有一定量的硅、铝等，以提高钢的抗氧化能力，加入少量的氮，主要是提高钢的强度。 这类钢的抗氧化性能高(铬含量越高，抗氧化性越高)，但高温强度仍较低，焊接性较差，主要用于制造工作温度较高、受力不大的构件，如退火炉罩、吊挂、热交换器、喷嘴、渗碳箱等。常用钢号有0Cr13Al、2Cr25N等。主要热处理是退火，其目的是消除钢在冷加工时产生的内应力。 (三) 马氏体耐热钢 马氏体耐热钢含有大量的铬，并含有钼、钨、钒等合金元素，以提高钢的再结晶温度和形成稳定的碳化物，加入硅以提高钢的抗氧化能力和强度。 这类钢的抗氧化性、热强性均高，硬度和耐磨性良好，淬透性也很好。广泛用于制造工作温度在650以下、承受较大载荷且要求耐磨的零件，如汽轮机叶片、汽车发动机的排气阀等。常用钢号有1Cr13Mo、4Cr9Si2、1Crl2WMoV等。马氏体耐热钢一般在调质状态下使用，组织为回火索氏体。 (四) 奥氏体耐热钢 奥氏体耐热钢与奥氏体不锈钢一样，含有大量的铬和镍，以保证钢的抗氧化性和高温强度，并使组织稳定。加入钛、钼、钨等元素是为了形成弥散分布的碳化物，以进一步提高钢的高温强度。 这类钢的耐热性优于珠光体耐热钢和马氏体耐热钢，并具有很好的冷塑性变形性能和焊接性能，塑性、韧性也较好，但切削加工性较差。这类钢广泛用于汽轮机、燃气轮机、航空、舰艇、电炉等工业部门。如加热炉管、炉内传送带、炉内支架、汽轮机叶片、内燃机重负荷排气阀等。 常用钢号有 0Cr18NillTi、4Cr14Ni14W2Mo 等。 这类钢与奥氏体不锈钢一样，需经过固溶处理等才能使用。若零件的工作温度超过700，则应考虑选用镍基、铁基、钼基耐热合金及陶瓷合金等。三、耐磨钢 耐磨钢是指在强大冲击和挤压条件下才能硬化的高锰钢，其典型钢种是ZGMn13型。它的主要成分为c = 0.91.45，Mn = 1114。这种钢极易产生加工硬化，使切削加工困难。因此，大多数高锰钢零件都是铸造成形的。 高锰钢的铸态组织为奥氏体和粗大的碳化物(沿晶界析出)，力学性能低，尤其是韧性和耐磨性低。只有使高锰钢获得单相奥氏体组织，才能使钢在使用时显示出良好的耐磨性和韧性。使高锰钢获得单相奥氏体组织的方法是“水韧处理”，即将钢加热到10501100保温，使碳化物全部溶人奥氏体，然后在水中快冷以防止碳化物析出，使钢在室温下获得均匀单一的奥氏体组织。 当高锰钢零件在工作中受到强烈冲击或强大挤压力作用时，表面因塑性变形会产生强烈的加工硬化，而使表面硬度显著提高到500550HBW，因而获得高的耐磨性，心部仍保持原来的高韧性状态。 当旧表面磨损后，新露出的表面又可在冲击和摩擦作用下形成新的耐磨层。因此，这种钢具有很高的耐磨性和抗冲击能力。 高锰钢在一般机器零件的工作条件下并不耐磨。因此，高锰钢主要用于制造车辆履带、破碎机颚板、球磨机衬板、挖掘机铲斗、铁路道岔、防弹钢板等。 第3章 金属切削加工原理主要内容3-1、金属切削加工的基本概念3-2、金属切削过程3-3、提高生产率的途径3-4、金属切削机床的基本知识本章重难点1、金属切削过程中的各种物理现象2、刀具角度的标注3-1 金属切削加工 用切削工具将坯料或工件上的多余材料切除，以获得所要求的尺寸、形状、位置精度和表面质量的加工方法。3.1.1 切削运动与工件上形成的表面 机床为实现切削加工所必需具有的加工工件与工件间的相对运动。包括主运动和进给运动。 主运动：是指在切削加工中形成机床切削速度或消耗主要动力的工作运动。进给运动：是指在切削加工中，时工件的多余材料不断被去除的工作运动。注释:1、主运动可以使旋转运动，也可以是往复运动；2、主运动可以是工件来实现（车外圆）,主运动 也可以是刀具来实现（切断、刨、铣加工）;3、主运动只有一个，进给运动可以一个以上。3.1.2 切削用量切削三要素切削速度进给量切削深度指在主运动一个循环内，刀具与工件在进给方向上的相对位移指在单位时间内工件和刀具沿主运动方向的相对位移待加工表面到已加工表面间的垂直距离3.1.3 刀具结构与材料一、刀具材料 刀具材料刀具上切削部分的材料。 1刀具材料应具备的性能 (1) 高的硬度和耐磨性。刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，一般要求在60HRC以上。 (2) 足够的强度与韧性。主要是指刀具承受切削力和冲击而不发生脆性断裂和崩刃的能力。 (3) 良好的耐热性（热硬性）。指刀具材料在高温下保持高的硬度、好的耐磨性和较高的强度等综合性能。耐热性愈好，刀具材料允许的切削速度愈高。 (4) 较好的化学稳定性。包括抗氧化、抗粘结能力，化学稳定性愈高，刀具磨损越慢，加工表面质量越好。(5) 良好的工艺性。2常用刀具材料 (1) 碳素工具钢。含碳量为0.71.2的优质高碳钢。常用于制造低速、简单的钳工手用工具。 (2) 合金工具钢。在碳素工具钢中加入少量的Cr、W、Mn等元素，形成合金工具钢。常用于制造低速、复杂的刀具。 (3) 高速工具钢。因钢中含有大量高硬度的碳化物，其热硬性和耐磨性都有显著提高，淬火硬度达6265HRC，热硬性达550600，被广泛用于制造较复杂的刀具。(4) 硬质合金。它是用硬度及熔点都很高的碳化钨、碳化钛以及粘结剂钴，采用粉末冶金的方法制成的。有很高的硬度 ( 8792HRA) 和热硬性 (9001000C) 。但它的抗弯强度低，冲击韧性差，生产中常将硬质合金刀片用焊接或机械夹固的方法固定在刀体上使用。常用的硬质合金有钨钴类 (YG) 、钨钴钛类 (YT) 和通用类 (YW)三大类。 （5）其它刀具材料。陶瓷、人造金刚石和立方氮化硼也可作为刀具材料，它们的硬度、耐磨性、热硬性均高于前述各种材料，但这些材料的脆性大，抗弯强度和冲击韧性很差，主要用于高硬度材料的半精加工和精加工。二、刀具的组成1.刀具切削部分的组成要素刀杆：起夹持作用刀头:(三面) 前刀面：切屑流过的表面 主后刀面：刀具上与加工表面相对的表面 副后刀面：刀具上与已加工表面相对的表面 (两刃) 主切削刃：刀具上前刀面与主后刀面的交线 副切削刃：刀具上前刀面与副后刀面的交线 (一尖) 主切削刃与副切削刃的交点 车刀切削角度的坐标平面基面：通过主切削刃上的某一点，与主运动方向相垂直的平面切削平面：通过主切削刃上的某一点，于加工表面相切并垂直于基面的平面正交平面：通过主切削刃上的某一点，并同时垂直于基面和切削平面的平面 3. 刀具的标注角度正交平面内前角后角主偏角副偏角主切削刃与进给方向间的夹角前刀面与基面间的夹角主后刀面与切削平面间的夹角副切削刃与进给方向的夹角切削平面内刃倾角主切削刃与基面间的夹角主偏角r主切削刃与进给方向间的夹角 影响切削层的形状，切削刃的工作长度和单位切削刃上的负荷。减少r，主切削刃单位长度上的负荷减少，刀具磨损小，耐用。副偏角r副切削刃与进给方向间的夹角 影响已加工表面的粗糙度和刀尖强度，减少r，减少表面的粗糙度的数值，还可提高刀具强度。过小，会使副切削刃与已加工面的摩擦增加，引起震动，降低表面质量。前角0前刀面与基面间的夹角 前角大，刃口锋利，切屑变小，切削力小，切削轻快。但易产生崩刃。后角0主后刀面与切削平面间的夹角 增大后角可减少摩擦，提高工件加工质量和刀具耐用度，并使切削刃锋利。刃倾角-主切削刃与基面之间夹角。它主要影响刀头的强度和排屑方向4刀具结构3-2 金属的切削过程金属在切削过程中，会出现一系列物理现象，如金属变形、切削力、切削热、刀具磨损等，这些都是以切屑形成过程为基础而生产中出现的许多问题，如积屑瘤、振动、卷屑、断屑等，都与切削过程密切相关。3.2.1 切屑的形成过程及切屑种类1. 切屑的种类节状切屑切屑背面呈较大的锯齿状，底面有不贯穿的裂纹一般加工中等硬度钢材时，切削速度较低，切削深度和进给量较大时产生带状切屑呈连绵不断的带状或螺旋状,与刀具接触的底层光滑，背面呈毛绒在状切削过程平稳，切削力变化小，工件表面光洁; 必须采取断屑措施粒状切屑在节状切屑的整个剪切面上，切应力超过了材料的破裂强度时，整个单元被切离形成粒状切屑在加工塑性较差的材料时，采用较小