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金属工艺学基础知识,1.弹性变形：,材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。,一、两种基本变形,2.塑性变形:,材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称为塑性变形。,在低碳钢拉伸曲线中，把F-l坐标换成 -（应力应变）就可以直接在图上读出力学性能指标，并且不需要做成标准试样。,二、低碳钢的拉伸曲线 强度 材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的 能力。工程上常用的金属材料的强度指标有屈服强度(s)和抗拉强度(b)等.,不同的金属材料拉伸曲线,低碳钢,铸铁,典型塑性材料的拉伸曲线,典型脆性材料,1.布氏硬度原理：,布氏硬度试验是指用一定直径的 球体（钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验。,三、硬度 材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。最常用的硬度指标有：布氏硬度（HB)和洛氏硬度 (HRA-C)。布氏硬度和洛氏硬度试验原理和使用范围均不相同；,使用刚球压头时布氏硬度值用符号HBS表示；使用硬质合金压头时用符号HBW表示。 在实际测试时，不必用公式计算，一般用读数显微镜测出压痕直 径d，然后根据 d大小查表，即可求出所测的硬度值。 应用：测量比较软的材料。测量范围 HBS450、HBW650的金属材料。 优缺点：压痕大，测量准确，但不能测量成品件。,原理,2.洛氏硬度,应用范围,2067,1500N,120金刚石圆锥体,HRC,25100,1000N,1.588mm钢球,HRB,7085,600N,120金刚石圆锥体,HRA,常用洛氏硬度标度的试验范围,四、铁及铁碳合金组织 1.纯铁的晶体结构,三种常见的金属的晶格类型： 体心立方 面心立方 密排六方,晶体中的原子排列,2.金属的同素异构转变,金属的同素异构转变的慨念 金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。 金属的同素异构转变的意义 可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性 能的目的。,3.铁碳合金组织 （1）.铁素体F：CFe中形成的固溶体。 单相、层片状、体心立方晶格。 （2）.奥氏体A：CFe中形成的固溶体。 单相、层片状、面心立方晶格。 （3）.渗碳体K： Fe3C，硬度极高，塑形、韧性极低，伸长率和冲击韧度近于零。 （4）.珠光体P：FFe3C 两相，机械混合物。 0.77C。 强度高、硬度较高。 （5）.莱氏体Ld、Ld：两相机械混合物，含碳量：4.3C。 LdA Fe3C 7271148。（高温莱氏体） LdP Fe3C 20727。（低温莱氏体） 总结：硬度最高的是渗碳体，强度最好的是珠光体，高温下奥氏体塑性最好，常温下铁素体塑性最好，莱氏体硬度较高。,表一 钢的成分、组织与性能的关系,五、铁碳合金状态图分析,渗碳体的熔点,共晶点,共析线,共析点,纯铁的熔点,共晶线,ACD线液相线,AECF线固相线,碳在奥氏体中的最大溶解度,A3线,Acm,铁碳合金相图中主要特性点的含义,相图中主要线的含义,ACD线液相线 是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。 AECF线固相线 各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止线。 ECF水平线共晶线 含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线时，在1148 由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共晶反应。 PSK水平线共析线（A1线） 含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此线时，在727 同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应。 GS线（A3线） 是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。 ES线称Acm线 是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。,典型合金结晶过程分析,铁碳合金,含碳量为2.11%6.69%的铁碳合金。 共晶生铁： 含碳量为4.3%; 亚共晶生铁：含碳量在2.11%4.3%之间； 过共晶生铁：含碳量在4.3%6.69%之间；,含碳量小于0.02%的铁碳合金。,工业纯铁,钢,生铁,含碳量为0.02%2.11%的铁碳合金。根据金相 组织的不同，可分为三种。 共析钢： 含碳量为0.77%; 亚共析钢：含碳量在0.02%0.77%之间； 过共析钢：含碳量在0.77%2.11%之间；,铁碳合金状态图分析,A奥氏体,P珠光体,F铁素体,共析钢和亚共析钢的结晶过程分析,过共析钢结晶过程分析,共晶生铁结晶过程分析,Ld变态莱氏体,亚共晶、过共晶生铁结晶过程分析,钢,碳素钢,碳素结构钢（0.38%C),优质碳素结构钢 (0.2-0.7%C用途广),碳素工具钢 (T8等),合金钢,合金结构钢,合金工具钢,特殊性能钢,不锈钢,耐热钢,耐磨钢,其它,量具钢,模具钢,刃具钢,轴承钢,弹簧钢,调质钢,渗碳钢,低合金结构钢,（1.5%C),16Mn、20Cr,9Cr2、CrWMn,2Cr13、1Cr18Ni9,六、工业用钢分类、牌号、性能及其应用,(非合金钢),根据炼钢时脱氧程度的不同，钢可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢三类。 沸腾钢为脱氧不完全的钢。浇注时钢液在钢锭模内产生沸腾现象（气体逸出），钢锭凝固后，蜂窝气泡分布在钢锭中，在轧制过程中这种气泡空腔会被粘合起来。这类钢的特点是钢中含硅量很低，通常注成不带保温帽的上小下大的钢锭。优点是钢的收率高，生产成本低，表面质量和深冲性能好。缺点是钢的杂质多，成分偏析较大，所以性能不均匀。 镇静钢为完全脱氧的钢。通常铸成上大下小带保温帽的锭型，浇注时钢液镇静不沸腾。由于锭模上部有保温帽（在钢液凝固时作补充钢液用），这节帽头在轧制开坯后需切除，故钢的收得率低，但组织致密，偏析小，质量均匀。优质钢和合金一般都是镇静钢。 半镇静钢为脱氧较完全的钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，浇注时有沸腾现象，但较沸腾钢弱。这类钢具有沸腾钢和镇静钢的某些优点，在冶炼操作上较难掌握。,碳素钢：含碳量1.4%,含碳量增加,强度和硬度增加,塑性和韧性下降. 1)碳素结构钢:是s、p含量较高，C0.38%,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。,第一节 碳素钢,2)、优质碳素结构钢S、P含量较低，用于重要零件,GB/T69999规定：牌号用两位数字表示。其中两位数字表示含碳量万分之几。,如：08F、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75。 如: 45钢是WC=0.45%,20Mn、65Mn等称 含锰量较高的优质碳素结构钢。,3)、碳素工具钢含碳量0.71.3,GB/T129886规定：牌号用“碳”字汉语拼音字首“T”+数字表示。数字表示WC的千分之几。,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。,第二节 低合金钢,合金钢：碳钢中加入一种或几种合金元素 常加合金元素: Mn Si Cr Ni Mo W V Ti B(硼) 稀土元素(Xt)等 低合金钢:合金总含量较低(3%),含碳量也较低的合金结构钢. 性能:较高的强度、塑性、韧性和耐蚀性，大多有良好的焊接性。 应用很广泛。,分类： 1.可焊接低合金高强钢 2.低合金耐候钢 3.低合金钢筋钢 4.铁道用低合金钢 5.矿用低合金钢 牌号同碳素结构钢,第三节 合金钢,合金钢：碳钢中加入一种或几种合金元素 常加合金元素: Mn Si Cr Ni Mo W V Ti B(硼) 稀土元素(Xt)等,1 ）合金结构钢 “数 +元素符号+数”表示 数含碳万分之几, 符号合金元素, 符号后面数表示含合金%, 1.5%不标, =1.5% 标2 若为高级优质钢,后加A 如: 60Si2Mn 0.6%C, 2%Si 1.5%Mn 18Cr2Ni4WA 0.18%C, 2%Cr, 4%Ni, 1.5%W 高级优质 应用: 工程结构件, 机械零件 主要包括:低合金钢,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: 数+元素符号+数 与结构钢同 数一位数, 含C千分之几,含C=1.0%不标 如: 9SiCr (板牙, 丝锥) 0.9%C 1.5%Si 1.5%Cr CrWMn (长铰刀,丝锥,拉刀, 精密丝杠) *高速钢 含C1.0也不标 W18Cr4V 0.70.8%C,18%W,4%Cr,1.5%V 应用:刃具,模具,量具等。,高速钢High Speed Steels 又名风钢或锋钢，意思是淬火时即使在空气中冷却也能硬化，并且很锋利。它是一种成分复杂的合金钢，含有钨、钼、铬、钒、钴等碳化物形成元素。合金元素总量达1025%左右。它在高速切削产生高热情况下(约500)仍能保持高的硬度，HRC能在60以上。这就是高速钢最主要的特性红硬性。而碳素工具钢经淬火和低温回火后，在室温下虽有很高的硬度，但当温度高于200时，硬度便急剧下降，在500硬度已降到与退火状态相似的程度，完全丧失了切削金属的能力，这就限制了碳素工具钢制作切削工具用。而高速钢由于红硬性好，弥补了碳素工具钢的致命缺点，可以用来制造切削工具。 高速钢的热处理工艺较为复杂，必须经过退火、淬火、回火等一系列过程。退火的目的是消除应力，降低硬度，使显微组织均匀，便于淬火。退火温度一般为860880。淬火时由于它的导热性差一般分两阶段进行。先在800850预热(以免引起大的热应力)，然后迅速加 热到淬火温度11901290（不同牌号实际使用时温度有区别），后油冷或空冷或充气体冷却。工厂均采用盐炉加热，现真空炉使用也相当广泛。淬火后因内部组织还保留一部分(约30%)残余奥氏体没有转变成马氏体，影响了高速钢的性能。为使残余奥氏体转变，进一步提高硬度和耐磨性，一般要进行23次回火，回火温度560，每次保温1小时。 (1)生产制造方法：通常采用电炉生产，近来曾采用粉末冶金方法生产高速钢，使碳化物呈极细小的颗粒均匀地分布在基体上，提高了使用寿命。 (2)用途：用于制造各种切削工具。如车刀、钴头、滚刀、机用锯条及要求高的模具等。,3） 特殊性能钢 不锈钢: 1Cr13 1Cr18Ni9Ti 等 耐热钢: 1Cr13 2Cr13 400 工作 耐磨钢: 高锰钢水韧处理,冲击下工作,表面产生加工硬化.并有马氏体在滑移面形成,表面硬度达HB450550,表面耐磨,心部为A（奥氏体）. 水韧处理: 钢加热到临界点以上(10001100)保温,碳化物全容于A,水冷,因冷速快,无法析出碳化物,成单一A组织.(由于锰的存在，使Ms与Mf下移到室温以下，故得到奥氏体 ),常用碳素结构钢 钢板钢筋 建筑构件 螺钉铆钉 钢桥梁,常用优质碳素结构钢： 螺栓 齿轮 曲轴 弹簧,常用碳素工具钢： 锉刀 量规 钻头,容器 船舶 车辆 桥梁 储气罐,齿轮,曲轴,汽车万向节,连杆,常用不锈钢,不锈钢船用螺旋桨 不锈钢剪刀,燃气轮机,耐热钢,拖拉机履带,耐磨钢,铁轨分道岔,挖掘机斗齿 耐磨钢,小榔头,锻造预先热处理切削加工钳工最终热处理。,选45钢 其工艺流程为：,预先热处理：正火,最终热处理：淬火回火,要求：50-55 HRC。选用45#钢，其加工工艺过程为：锻造正火切削加工调质精加工高频淬火+低温回火喷丸精磨。,机床用齿轮,七、 钢的热处理,钢的热处理,热处理的概念：将金属或者合金在固态范围内，通过加热、保温、冷却的有机配合，改变其内部组织而得到所需要的性能的一种工艺过程。 特点：只改变材料的组织和性能 热处理的目的： 一类是为了消除冶金、铸造、塑性成型、焊接等生产过程中材料所产生的缺陷，改善其工艺性能，为以后切削加工或热处理做组织和性能准备。 中间热处理或预先热处理 另一类是为了提高金属材料的力学性能，充分发挥材料的潜力，节约材料，延长零件的使用寿命。 最终热处理,热处理工艺曲线： 由于热处理时起作用的主要因素是温度和时间，所以各种热处理都可以用温度时间为坐标的热处理工艺曲线来表示。,热处理,普通热处理,表面热处理,退火：软化,正火：细化,淬火：硬化,回火：韧化,表面淬火,化学热处理,渗碳,渗氮,碳氮共渗,其它热处理,形变,真空,激光,热处理的分类：按其工艺方法不同分,常用热处理方法工艺曲线,退火、正火、淬火、回火和表面热处理。,常用的热处理基本工艺方法,1、退火： 将钢加热、保温，然后随炉冷却或埋入灰中缓慢冷却。,目的： 降低硬度，便于机加工。 细化晶粒，提高塑性和韧性。 消除应力。,应用：铸件、锻件、焊接及其它毛坯的热处理。,（1）、完全退火：将亚共析钢加热到Ac3线以上3050，保温后缓慢冷却. （2）、球化退火: 将过共析钢加热到Ac1线以上2030，保温后缓慢冷却. （3）、低温退火: 将钢加热到Ac1线以下，保温后缓慢冷却. （4）、再结晶退火：消除冲压件冷变形所产生的加工硬化（再结晶温度以上150250），降低硬度，恢复塑性。,应用：（1）取代部分完全退火； （2）用于普通结构件的最终热处理； （3）用于过共析钢，减少或消除网状二次渗碳体，为球化处理作准备。,2、正火： 将钢加热到Ac3 线以上3050 （亚共析钢）或Accm以上3050 （过共析钢），保温后在空气中冷却。得到的是细珠光体组织（索氏体）。,3、淬火： 将钢加热到Ac3或Ac1 线以上3050 ，保温后在淬火介质中快速冷却（Fe向aFe同素异晶转变），以获得马氏体（M）组织（碳在a Fe中的严重过饱和固溶体）。 作用：马氏体具有高的硬度和耐磨性，但塑性和韧性很差。,4、回火： 将淬火钢重新加热到Ac1 线以下某温度，保温后冷却的热处理工艺。,目的：主要是消除淬火内应力，降低钢的脆性，防止产生裂纹。,回火三种形式： （1）低温回火（150250），目的是降低淬火钢的内应力和脆性，并保持高硬度（5664HRC)和耐磨性。如模具、刃具等。 （2）中温回火（350500），目的是使钢获得高弹性，并保持较高硬度（3550HRC)和一定的韧性。如弹簧、锻模等。 （3）高温回火调质处理（500650），硬度2035HRC，强度及韧性等综合性能较好。如连杆、曲轴、齿轮等。,5、表面淬火： 将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。 目的：获得高硬度、高耐磨性的表层，而心部仍保持原有的良好韧性。,（1）.感应加热表面淬