《金属材料及热处理》PPT课件.ppt

金屬材料基礎 鋼材分類 材料熱處理基礎 熱處理設備介紹 熱處理基本工藝,內容綱要,第一章,金屬材料基礎,一、材料機械性能,金屬材料在各種外力作用下所表現出來的性能稱為机械性能。 強度: 金屬材料在靜載荷作用下，抵抗變形和破斷的能力。 彈性极限 ,符號e; 屈服极限 ,符號S; 抗拉強度，符號b。,塑性: 延伸率 ()和斷面收縮率()。 衝擊韌性: 抵抗衝擊載荷作用而不破壞的能力。 疲勞性能: 疲勞极限。應力集中，表面質量，壓應力均。,硬度: 指材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或划 痕的能力。壓入硬度測定法(如佈氏硬度、洛氏硬度等);回跳 硬度測定法(如肖氏硬度、里氏硬度)等，,晶體是指原子(或分子)按一定幾何形狀有規律地排列的固態物質。屬晶體的物質的有食鹽、天然金鋼石、鐵等。 示意地將原子看成一個小球，(圖A是晶體中原子在空間作有規則排列的簡單模型)。用假想的線條將各原子的中心連結起來，這樣就得到一個抽象化了的空間格架(圖B)。這種用於描述原子在晶體排列形式的空間格架稱為結晶格子，簡稱晶格。,晶胞：在晶體中取出一個能完全代表晶體中原子排列特征的几何單位(圖C)。,金屬的結晶： 晶核的形成及晶核長大兩個過程。 金屬的同素異構轉變： 每種金屬都有一定的晶格類型，但在不同溫度下，同一種金屬可能具有不同類型的晶格。金屬在固態下隨溫度的改變，由一種晶格轉變為另一晶格。由同素異構轉變所得的不同晶體，稱為同素異構體，一般用希腊字母、等表示。如純鐵的同素異構轉變表示:,重結晶：金屬的同素異構轉變與液態金屬的結晶有相似之處一定的轉變溫度晶核形成和晶核長大結晶潛熱的放出和過冷現象。 合金： 由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素熔合而成，具有金屬特性的物質。 合金的結構： 固溶體、金屬化合物和多種晶體的机械混合物。,固溶體: 組成合金的組元在液態相互溶解，結晶時，以一組元為基體保持其原有的晶格類型，其它組元的原子均勻地分布在基體組元的晶格里，形成均勻一致的固體，此合金就稱為固溶體。根椐溶質原子在溶濟晶格中所占據的位置不同，可分為間隙固溶體和置換固溶體。,金屬化合物: 組成合金的各組元，按照一定的原子數量比，相互化合而成的一種完全不同於原組元晶格的固體物質，稱為金屬化合物。金屬化合物可用分子式表示，如Fe3C、CuAl2等。 機械化合物: 組成合金的組元既不是純組元，也不是固溶體或化合物， 而是兩種或兩種以上的純組元、固溶體、化合物以彌散的混合物的形式組成在一起的固體物質，稱為機械混合物。,三、Fe-Fe3C平衡相圖,鐵素體: 碳溶于Fe中的間隙固溶體, 用 “F”表示。 立方體中心的原子使立方體的空隙分散，不利於碳原子 的溶入。故鐵素體其最大固溶度為0.0218%(727)。室溫時只有0.0008%。,2 鐵碳合金的基本組織,奧氏體: 碳溶于Fe中的間隙固溶體， 以“A”表示。 奧氏體的最大固溶度為含碳2.11%(1148)。 奧氏體是鐵碳合金的高 溫組織，在平衡條件下，它的最低存在溫度是727(含碳0.77%)。,滲碳體: 鐵和碳形成的間隙化合物,用“Fe3C”表示, 含碳量固定為6.69%。 滲碳體具有復雜的晶體結構，很硬、很脆，它是強化相, 其形態、大小、 多少及分佈對鐵碳合金的性能有直接影響。,珠光體: 鐵素體和滲碳體的機械混合物。用符號“P”表示。 當珠光體中鐵素體和滲碳體是片層相間的形態時，稱片狀珠光體。經過 一定的熱處理，可以得到鐵素體基體分佈著顆粒狀 的滲碳體，稱為粒狀珠光體。,萊氏體: 奧氏體與滲碳體的機械混合物，即含碳量為4.3%的液態鐵碳合金。 在727以上是奧氏體和滲碳體的機械混合物，稱為高溫萊氏體，用“Ld”表示; 低於727則是珠光體和滲碳體的機械混合物，稱為低溫萊氏體，用“Ld”表示。,3 基本組織示意圖,第二章,鋼材類別,1.按用途分類: (1).結構鋼: A.工程構件用鋼; B.機器零件用鋼: B-1.調質鋼; B-2.彈簧鋼; B-3.滲碳、氮化鋼; B-4.滾動軸承鋼。,(2).工具鋼: A.刃具鋼; B.量具鋼; C.模具鋼: C-1.冷作模具鋼; C-2.熱作模具鋼;,(3).特殊性能鋼: A.耐蝕鋼; B.耐熱鋼; C.耐磨鋼;,2.按鋼的化學成份分類: (1).碳素鋼; (2).合金鋼: A.低合金鋼(合金元素5%); B.中合金鋼(合金元素510%); C.高合金鋼(合金元素10%) D.其它如錳鋼、鉻鋼等。,3.按碳含量分類: (1).低碳鋼(C0.25%); (2).中碳鋼(C0.250.6%); (3).高碳鋼(C0.6%)。,在鋼材化學成分中添加入合金元素，用以保證一定的生產和加工工藝以及所需求的組織與性能的鐵基合金稱為合金鋼。,淬硬性 鋼材在正常淬火條件下，可能得到的最高硬度值的大小，是表示鋼淬火時獲得硬度高低的能力。 淬透性 指鋼淬火時得到淬硬層深度大小的能力。,根據模具鋼的工作條件可以將它分為兩大類，即使金屬在冷狀態下變形的冷作模具鋼和使金屬在熱狀態下變形的熱作模具鋼。 1、冷作模具鋼: 這類模具在工作過程中，刃口受到強烈的摩擦和擠壓作用，有此模具還受到較大的衝擊力，因此冷作模具鋼應具備如下基本性能: 1.高的硬度和耐磨性。 2.高的強度和足夠的韌性。 3.良好的工藝性能。,三、模具鋼及其性能,2、熱作模具鋼: 熱作模具是用來使熱態金屬或液態金屬獲得所需形狀的 模具，這种模具往往反復的激冷激熱，容易形成熱疲勞裂紋(龜裂)，因此，對熱鍛模鋼的基本性能要求是: 1.一定的硬度和足夠的耐磨性。 2.在高溫下保持高強度和良好的衝擊韌性。 3.高的淬透性，使模具整體得到均勻的機械性能。 4.良好的導熱性。 5.優良的耐熱疲勞性。 6.良好的工藝性能和抗氧化能力。,3、壓鑄模具: 壓鑄模是在高壓下熔融金屬壓鑄成形的模具。由於模具反复與液態金屬接觸，其受熱程度比熱鍛模要高，故壓鑄模表面易產生熱疲勞裂紋。此外，還受金屬液流的衝擊和腐蝕作用。因此對壓鑄模鋼提出以下性能要求。 1.高淬透性。 2.高的導熱性。 3.良好的高溫機械性能。 4.優良的耐熱疲勞性。 5.較好的耐腐蝕和抗氧化性，以及良好工藝性能。,第三章,鋼材熱處理基礎,一、熱處理基本概念,鋼的熱處理就是將鋼在固態下施以不同的加熱、保溫和冷卻，以改變其內部組織結構，獲得所需性能的一種加工工藝。 鋼加熱的目的主要是獲得奧氏體組織，因此習慣上把鋼從室溫組織加熱到奧氏體狀態的過程稱為鋼的奧氏體化。 加熱方式: 冷卻方式:,二、鋼加熱時的轉變,鋼加熱的目的主要是獲得奧氏體組織。 1.奧氏體形成過程: 奧氏體晶核的形成奧氏體晶核的長大殘餘滲碳體的溶解奧氏體成份的均勻化。,Fe3C Fe,珠光體向奧氏體轉變過程,2.奧氏體晶粒度: 晶粒的大小. A. 實際晶粒度: 鋼加熱到臨界點以上，奧氏體形成剛剛結束時的晶粒是非常細小的(起始晶粒度)，但是隨著加熱溫度升高或時間延長就會出現晶粒長大現象。所謂實際晶粒度就是指在具體加熱溫度下所得到的奧氏體晶粒的大小。 B.本質晶粒度 它是表示在一定的溫度範圍內(即930以下)保溫一定的時間(即38小時)，奧氏體晶粒長大的傾向。 本質晶粒度是鋼的熱處理工藝性能的一個重要指標。 對本質細晶粒鋼來說，晶粒不易因溫度過高而長大，所以淬火加熱溫度較寬，滲碳件滲碳后可直接淬火。 而本質粗晶粒鋼，則必須很好控制加熱溫度，防止因過熱而引起奧氏體晶粒粗化，使鋼性能變坏。,合金工具鋼淬火晶粒度,三、鋼冷卻時的轉變,冷卻方式: 連續冷卻與等溫冷卻,鋼冷卻時在不同等溫溫度轉變產物,第四章,熱處理設備,真空熱處理技術具有無氧化、無脫碳、脫脂、表面質量好、變形微 小、 熱處理零件綜合力學性能優異、使用壽命長、無污染、無公害、自動化 程度高等一系列突出優點。真空淬火的工件具有良好的表面狀態和較高 的力學性能,同時其壽命也比常規工藝處理的工件壽命長。,真 空 爐,台 車 爐,井 式 爐,高溫箱式爐主要用於高合金鋼的模具、刀具及其它機械零件的淬火，其最高使用溫度為1300，傳導方式主要靠輻射傳熱。,箱 式 爐,適用範圍: 精密零件-80-190之深冷處理。,深 冷 處 理 設 備,冷卻油槽/水槽/鹽槽等,洛 氏 硬 度 計,HT-1000型里氏硬度計,SH-6A型超音波硬度計,第五章,熱處理工藝,1淬火 淬火就是將鋼加熱到Ac3或Ac1點以上某一溫度，保持 一定時間，然後 以適當速度冷卻獲得馬氏體和(或)貝 氏體組織的熱處理工藝。 淬火目的: 淬火的目的是使過冷奧氏體進行馬氏體(或貝氏體)轉變， 得到馬氏體（或貝氏體）組織，然後配合以不同溫度的 回火，獲得所需的力學性能。,2、回火： 回火就是鋼件淬硬后，再加熱到低於Ac1點以下某一溫度， 保溫一定時間，然後冷卻到室溫的熱處理工藝。 (1).回火目的： A.合理地調整力學性能，使工件滿足使用要求； B.穩定組織，使工件在使用過程中不發生組織轉變，從而 保證工件的尺寸、形狀不變； C.降低或消除淬火內應力，以 減少工件的變形並防止開裂。,(2).回火分類: A.低溫回火：250，回火后的組織為 回火馬氏體+殘餘奧氏體； B.中溫回火：350500，回火后組織為回火托氏體+殘餘奧氏體； C.高溫回火：調質處理(淬火+高溫回火)，500650， 回火后組織為回火索氏體+殘餘奧氏體。,3、退火: 所謂退火，就是將金屬或合金加熱到適當溫度，保溫一 定時間， 然後隨爐緩慢冷卻的熱處理工藝，其實質是將 鋼加熱奧氏體化后進行珠光體轉變。 (1).退火目的: A.降低鋼的硬度，提高塑性，以利於切削加工及冷變形 加工; B.細化晶粒，消除因鍛、焊等引起的組織缺陷，均勻鋼的 組織成分，改善鋼的性能或為以后的熱處理作準備; C.消除鋼中的內應力，以防止變形或開裂。 (2).退火方法: 常用的退火方法有完全退火、球化退火、去應力退 火、 再結晶退火、擴散退火和等溫退火等幾種。,4、正火: 正火就是將鋼材或鋼件加熱到Ac3(或Accm)上3050， 保溫適當時間后，在靜止的空氣中冷卻的熱處理工 藝。 正火目的: A.可消除過共析鋼中的网狀碳化物，改善鋼的切削加工性能 B.細化過熱鑄、鍛件晶粒和消除內應力; C.對含C量0.4%的中、低碳鋼可用正火代替退火作預先熱處理; D.含C量在0.40.7%的不太重要的工件可在正火狀態下使用。,5、深冷處理： 深冷處理就是鋼件淬火冷卻到室溫后，繼續在以下的介質中冷卻的熱處理工藝，也稱為冷處理，是淬火過程的繼續。 深冷處理目的是為了最大限度的減少殘余奧氏體(常溫下不穩定組織，容易引起尺吋變吋等)，以進一步提高工件淬火后的硬度和防止在使用過程中因殘余奧 氏體的分解而引起的變形，同時強度、硬度和 耐磨性都可得到不同程度的提高。,鴻 准 熱 處 理,四、熱處理加工缺陷,1.氧化與脫碳: 就是鋼表面的鐵被氧或某些氧化物所氧化而在 表層形成氧化鐵皮。而脫碳則是鋼表面的碳被氧化物奪去，從而使此層的含碳量降低。 2. 過熱與過燒: 由於加熱溫度過高或高溫下加熱時間過長,引起晶粒粗化的現象,稱為”過熱”。 如果加熱溫度遠遠超過了正常的加熱溫度,以致沿晶界出現熔化和氧化的現象,叫做”過燒”。,SLD鋼的過熱組織500,SLD鋼的嚴重過燒組織500,3. 硬度不足: A. 原材料中出現組織缺陷:如碳工鋼中出現石墨碳; B. 加熱溫度低,或保溫時間不足; C. 冷卻速度不夠，不能形成足夠數量馬氏体; D. 加熱時的表面脫碳; E. 回火時溫度過高。 4. 變形與開裂: (1). 變形: A.尺寸變化; B.形狀變化;,3. 硬度不足: A. 原材料中出現組織缺陷:如碳工鋼中出現石墨碳; B. 加熱溫度低,或保溫時間不足; C. 冷卻速度不夠，不能形成足夠數量馬氏体; D. 加熱時的表面脫碳; E. 回火時溫度過高。 4. 變形與開裂: (1). 變形: A.尺寸變化; B.形狀變化;,(2). 裂紋: 縱向裂紋: 大多產生於全部淬透的工件上，裂紋較平直且較深，產生的原因是：后期冷卻過快、組織應力過大；材料中原有的裂紋、大塊非金屬夾雜物、嚴重的碳化物帶狀偏析等缺陷。 橫向裂紋: 這類裂紋往往出現在末淬透的截面較大的高、中碳鋼柱狀零件上，以及工件的尖角、凹槽或銷孔處。橫向裂紋一般呈弧形，裂紋較深，常出現在工件端部，有時會導致斷裂。 网狀裂紋 :网狀裂紋是較淺的，呈任意方向的、互相聯結成網狀的表面裂紋。與工件的外形無關。這種裂紋是多次加熱導致工件表面脫碳引起的，常在返修工件上產生。 應力集中裂紋: 這類裂紋發生在工件的應力集中部位，如凹角、切口、過深的凹槽、切削刀痕、尺寸相差懸殊的截面交界處等。 淬火過熱裂紋: 是由於淬火加熱溫度過高引起的。,第六章,表面熱處理簡介,表面淬火是指被處理工件在表面有限深度範圍內加熱至相變點以上，然后迅速冷卻，在工件表面一定深度範圍內達到淬火目的的熱處理工藝。 1.表面淬火的目的 在工件一定深度範圍內獲得馬氏體組織，而其心部仍保 持著表面火前的組織狀態，以獲得表面層硬而耐磨，心部又 有足夠塑性、韌性的工件。 2.表面淬火的應用: 感應加熱表面淬火與火焰淬