金属工艺学第一篇金属材料的基础知识下.ppt

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 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,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。,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 350 230 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%的高速钢,3、特殊性能钢,包括不锈钢，耐热钢，耐磨钢，磁钢