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第一篇金属材料导论 教学内容 金属材料的性能及其实验方法 金属的晶体结构与结晶 合金的相结构与铁碳合金状态图 钢的热处理及其工艺 常用金属材料的分类和应用 目的要求 1 通过学习 金属材料的力学性能 一节 要求熟悉金属的五大性能指标 强度塑性硬度韧性和疲劳强度 的概念 要求掌握强度和塑性指标的符号 单位及意义 以及布氏硬度和洛氏硬度的应用 了解拉伸试验方法和拉伸曲线图 对金属材料的物理性能 化学性能特别是工艺性能要求应有一定的了解 第一篇金属材料导论 学习要求 2 金属的晶体结构与结晶过程的基本知识 重点了解常用的金属晶体结构类型 金属结晶过程金属的同素异构转变 合金的组织结构与性能特点 从而为学习铁碳合金等内容奠定必要的基础 铁碳合金是现代工业中应用最广泛的金属材料 要求掌握铁碳合金的基本组织铁素体 奥氏体 渗碳体 珠光体 莱氏体的定义 结构 形成条件及性能特点 掌握铁碳合金状态图的分析和应用 并学会分析几种典型铁碳合金组织结构的变化规律 第一篇金属材料导论 学习要求 3 热处理是改善金属材料性能的重要工艺方法 学习 钢的热处理 基本知识 要求在了解钢在加热和冷却过程中内部组织变换规律的基础上 熟悉钢的普通热处理工艺方法 退火 正火 淬火 回火 的工艺特点 性能及应用 对于钢在冷却时组织转变和金属表面热处理工艺也有一定的了解 4 学习常用金属材料的分类和应用 要求了解碳素钢和合金钢的分类 牌号 性能及用途 了解铸铁的分类 铸铁的石墨化及其影响因素 基本掌握灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁的成分 组织 牌号及用途 铝及铝合金 铜及铜合金的分类 特点 性能及用途 粉末冶金及纳米材料以自学为主 第一章金属材料的主要性能 金属材料主要性能 第一节金属材料的力学性能 金属材料受到外力作用时所反映出来的属性 如强度 刚度 弹性 塑性 硬度和韧性等 它是衡量金属材料 评价材料质量的重要参数 选用材料的重要依据 一 强度金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力 按作用力性质分为抗拉强度 抗压强度 抗弯强度 抗剪强度和抗扭强度等 工程上常用指标 屈服强度和抗拉强度 由拉伸试验测定 见p6图1 2为普通低碳钢的拉伸曲线 oe段 变形与外力成正比 试样只产生弹性变形 即当外力去除后 试样就恢复到原始长度 材料在弹性范围内所能承受的最大应力称为弹性极限 当载荷继续增大到ps时 拉伸曲线出现了平台 表示这时载荷不增加 试样仍将继续发生塑性变形 这种现象称为屈服 开始产生屈服现象时的应力称为屈服点 表征材料抵抗微量塑性变形的能力 用 s表示 通常规定产生0 2 塑性变形时的应力作为名义屈服强度 也叫条件屈服极限 用 0 2表示 当载荷继续增加超过s点后 变形量随载荷的增加而急剧增加 当载荷增大到b时 变形集中在试样的某一部位上 出现缩颈现象 由于承载面积减小 试样很快被拉断 试样在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度 用 b表示 二 刚度金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力 大小以材料在弹性范围内应力与应变的比值 弹性模数e来表示 在拉伸曲线上表现为oe段斜率 相当于引起单位变形时所需的应力 它是衡量金属材料刚度大小的指标 反映了材料弹性变形的难易程度 在相同外力作用下 材料的e愈大 则弹性变形愈小 e小则弹性变形大 对于一个机械零件来说 其刚度除与所用材料的e有关外 还与该零件的形状 尺寸和使用温度有关 三 塑性金属材料在外力作用下 产生永久变形而不致引起断裂的能力 在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形 叫做塑性变形 通常用伸长率和截面收缩率作为衡量材料塑性大小的指标 一 伸长率伸长率是试样拉断后标距长度的增量与原标距长度的百分比 用 表示 二 截面收缩率截面收缩率是试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比 和 的数值越大 说明金属材料的塑性越好 反之亦然 良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件 四 硬度金属材料抵抗外物压入其表面的能力 一般来说 硬度高的材料 耐磨性能好 强度也高 因此 硬度是机械零件设计要求的技术条件之一 生产中常用的有布氏硬度和洛氏硬度等 一 布氏硬度测定方法 用一定直径的淬火钢球或硬质合金球作压头 在一定的静载荷下压入试件表面 保持压力至规定的时间后卸载 根据所加载荷的大小和所得压痕表面积来计算 或查表 得压痕表面上的平均应力值 此平均应力值作为布氏硬度 并用hbs或hbw表示 由于布氏硬度测量时压痕面积较大 能反映较大范围内金属各组成物的平均性能 且试验数据的重复性好 因此广泛用于测定铸铁 有色金属 退火钢等小于450hbs的金属材料 二 洛氏硬度测定方法 其原理如图所示 用一定的载荷将顶角为120 的金刚石圆锥体或直径为1 588mm的淬火钢球压入试样 然后根据压痕的深度 h1一h2 确定硬度值 用hr表示 实测时 可以从硬度计刻度盘上直接读出洛氏硬度值 洛氏硬度分别用符号hra hrb和hrc表示 不同洛氏硬度的压头 负荷和适用范围如下表所列 符号压头类型负荷 kg 适用范围hra120 金刚石圆锥体测很硬或硬而薄的材料 如硬质合金 表面处理的工件 hrb直径1 588mm淬火钢球测软金属 如铜合金 退火钢件等 hrc120 金刚石圆锥体测如淬火工件 洛氏硬度试验操作简便 迅速 可测定各种金属材料的硬度 布氏硬度和洛氏硬度可以利用特制的表格互相进行换算 第一节金属材料的力学性能 三 维氏硬度维氏硬度也是根据压痕单位面积上的载荷来计算硬度值的 用hv表示 试验原理如图1 5所示 压头是金刚石的正四棱锥体 试验时在载荷p的作用下 试样表面压出一个四方锥形的压痕 测量压痕对角线长度d 就可算出压痕的表面积f 维氏硬度适用于测定极薄试样硬度 镀层硬度和覆层硬度 第一节金属材料的力学性能 五 冲击韧性有些机器零件和工具在工作时要受到冲击作用 如空气锤的锤杆 柴油机的曲轴 冲床的冲头等 山于瞬时的外力冲击作用所引起的变形和应力 比静载荷的大得多 因此 对承受冲击载荷的零件和工具 必须考虑所用金属材料承受冲击载荷的能力 这种金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性 用ak来表示 将一标准试样放置在摆锤冲击试验机的试验台上 然后抬起摆锤w 让它从一定高度 h1 落下 将试样击断 摆锤又摆至h2的高度 则击断试样所消耗的冲击功为ak w h1 h2 冲击功可以直接从试验机的刻度盘d上读出 第一节金属材料的力学性能 六 疲劳强度许多机械零件 如曲轴 齿轮 连杆 弹簧等 是在交变载荷下的作用下工作的 虽然零件所受的应力远低于材料的抗拉强度 甚至远低于屈服点 但在使用中往往会发生突然断裂 这种现象称为疲劳破坏 据统计 约有80 的机械零件的失效是属于疲劳造成的 金属材料在无数次重复交变载荷作用下不致引起断裂的最大应力称为疲劳强度 应力愈高 则断裂前所承受的循环次数愈低 应力愈低 则断裂前所承受的循环次数愈高 产生原因 一般认为是由于材料有杂质 表面划痕及其他能引起应力集中的缺陷而导致微裂纹的产生 这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展 致使零件不能承受所加载荷而突然破坏 提高疲劳强度措施 改善其结构形状 避免应力集中 表面强化 如表面淬火 喷丸处理 和减小表面粗糙度数值等 第二节金属材料的物理 化学和工艺性能 一 物理性能金属材料的物理性能是指不发生化学反应就能表现出来的一些性能 如密度 熔点 导电性 导热性 磁性和热膨胀性等 二 化学性能金属材料的化学性能是指其抵抗各种化学作用的能力 主要是抵抗活泼性介质的化学侵蚀能力 如耐酸性 耐碱性和抗氧化性等 三 工艺性能金属材料的工艺性能是指金属材料适应加工工艺要求的能力 是物理 化学 力学性能的综合指标 在设计机械零件和选择其加工方法时 都要考虑金属材料的工艺性能 按工艺方法不同 工艺性能可分为铸造性能 可锻性能 焊接性能和切削加工性等 如低碳钢的可锻性和可焊性都很好 而高碳钢则较差 切削加工性也不好 思考和练习题 1 什么叫强度 什么叫硬度 它们有无关系 2 金属材料随所受外力的增加 其变形过程一般分为几个阶段 各阶段的特点是什么 3 0 2的含义是什么 为什么低碳钢不用此指标 4 ak代表什么指标 为什么ak不直接用于设计计算 5 金属材料力学性能指标有哪几项 说明它们各自的代表符号和物理意义 6 本章思考与练习题 第二章铁碳合金 概述 第一节纯铁的晶体结构及同素异构转变 一 晶体结构 为了便于分析比较各种晶体的内部结构 把每个原子看成一个点 把这些点用直线连接起来 便形成一个空间格子 叫做晶格 如图1 9 b 所示 晶格中每个点叫做结点 各个方位的原子平面叫做晶面 具有代表性的最小单元称为晶胞 图1 9 c 晶胞中各棱边的长度叫做晶格常数 其大小以埃来度量 第一节纯铁的晶体结构及同素异构转变 最常见的有下面三种类型 见p14图 一 体心立方晶格图1 10 a 原子分布在立方体的各结点和中心处 cr mo v w及 fe等属于这种晶格形式 有较大的强度和较好的塑性 二 面心立方晶格图1 10 b 原子分布在立方体的各结点和各面的中心处 属于这类晶格的金属有a1 pb ag cu ni和 fe等 具有很好的塑性 另外 还有密排六方晶胞 不作要求 第一节纯铁的晶体结构及同素异构转变 二 纯铁的同素异构转变1 结晶的概念金属由液体状态转变为固态晶体的过程就叫结晶 结晶过程可用热分析法研究 得到冷却曲线 即温度随时间而变化的曲线 如图1 7所示 冷却曲线有一水平线段 表示该金属在此温度下由液体状态转变为固体状态产生的结晶潜热补偿了它向环境散失的热量 因此 线段是水平的 在实际结晶过程中 金属液都是冷却到理论结晶温度t0以下某个温度tn时才结晶 这一现象叫过冷 理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度 用 t表示 即 t t0 tn 第一节纯铁的晶体结构及同素异构转变 2 同素异构转变 金属在固态下随着温度变化晶体结构也改变的现象叫同素异构转变 以纯铁为例 1538 1394 体心立方晶格 叫做 铁 1394 912 面心立方晶格 叫做 铁 912 以下 又为体心立方晶格 叫做 铁 第二节铁碳合金的基本组织 第二章 一 fe和c的结合方式 一 形成固溶体例如碳的原子就能溶解到铁的晶格里 这时铁是溶剂 碳是溶质 这种溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的合金相结构叫做固溶体 根据固溶体晶格中溶剂与溶质原子的相互位置不同 固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体 第二节铁碳合金的基本组织 第二章 1 置换固溶体 当溶质原子代替了一部分溶剂原子而占据溶剂晶格的某些结点位置时 所形成的固溶体叫做置换固溶体 2 间隙固溶体 当溶质原子在溶剂晶格中不是占据结点位置 而是嵌入各结点之间的空隙时 所形成的固溶体叫做间隙固溶体 第二节铁碳合金的基本组织 第二章 由于原子尺寸相差大 化学性质不同 当溶质原子 如c n b等 溶解在溶剂 如fe 晶体中时 并不改变原晶格类型 但引起溶剂的晶格发生畸变 结果使合金的强度 硬度和电阻增高 这种现象叫做固溶强化 第二节铁碳合金的基本组织 第二章 二 形成金属化合物它是两组元相互作用而形成的一种新的晶体结构 其结构与原两组元都不同且具有金属特性 例如碳钢中的fe3c 这种硬而脆的化合物少量均匀分布在金属基体中 会引起金属的强度 硬度增高 我们称此现象为弥散强化 三 形成机械混合物既有固溶体又有金属化合物共同形成金属的机械混合物 如 珠光体 莱氏体等 p18 第三节铁碳合金状态图 第二章 二 铁碳合金状态图中主要点和线的意义 见p18图1 16 三 几种基本组织 1 f 铁素体 碳溶解于 fe中的固溶体 用符号f表示 碳在 fe中的溶解度很小 在727 时溶解度最大也才0 0218 强度和硬度均不高 2 a 奥氏体 碳溶解于 fe中的固溶体 用符号a表示 碳在奥氏体中的溶解度在1148 时的溶解度达2 11 塑性很好 是绝大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的组织 第三节铁碳合金状态图 第二章 3 fe3c 渗碳体 由铁和6 69 的碳形成的金属化合物 其分子式为fe3c 硬而脆 4 p 珠光体 铁素体和渗碳体组成的机械混合物 用符号p表示 强度较高 莱氏体 由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物 用符号le来表示 力学性能与渗碳体相似 硬度很高 hb 700 塑性极差 第二章铁碳合金思考与练习题 1 概念 晶体 晶格 晶胞 过冷度 同素异构转变 固溶强化和弥散强化 2 分析在缓慢冷却条件下 0 4 c 0 77 c和1 3 c的结晶过程和室温组织 第三章工业常用钢简介 常用金属材料 第一节常用金属材料的分类和应用 第三章工业常用钢简介 一 钢的分类 一 按钢的质量来分根据钢中所含有害元素硫 磷量的多少 钢材分成三类 普通质量钢 p 0 045 s 0 50 优质钢 p o 35 0 04 s 0 03 o 04 高级优质钢 p o 03 o 035 s 0 02 o 03 二 按钢的化学成分来分根据化学成分 钢材分为碳素钢和合金钢两类 1 碳素钢按含碳量多少分成四类 工业纯铁 c 0 0218 低碳钢 o 0218 0 6 第一节常用金属材料的分类和应用 第三章工业常用钢简介 2 合金钢按合金元素含量分为 1 低合金钢 合金元素含量 5 2 中合金钢 合金元素含量5 10 3 高合金钢 合金元素含量 10 第一节常用金属材料的分类和应用 第三章工业常用钢简介 三 按钢的用途来分1 结构钢2 工具钢3 特殊性能钢 四 按冶炼方法来分根据炉的种类和脱氧的程度将冶炼钢材分为两大类 1 按炉的种类分 平炉钢 转炉钢 电炉钢 2 按脱氧程度分 特殊镇静钢 镇静钢 半镇静钢和沸腾钢 第一节常用金属材料的分类和应用 第三章工业常用钢简介 二 钢中常存元素的影响1 主要元素c的影响 见p31图1 29 2 有害杂质元素s p的影响 固态下 s形成化合物fes fes fe 共晶体 钢加热到1000 1200 进行塑性成型加工时熔化 导致钢沿晶界开裂 这种现象叫钢的 热脆 fe在固态 液态时都能溶解p 固态时p全部溶入铁素体中 p能使铁素体的 但 k 引起钢的冷脆 第一节常用金属材料的分类和应用 第三章工业常用钢简介 3 有益杂质元素si mn的影响si消除o的影响 能提高强度 硬度和弹性 塑性下降 mn消除o s的影响 提高强度 硬度 第一节常用金属材料的分类和应用 第三章工业常用钢简介 下面详细介绍钢按用途分类的常用钢种 三 碳素钢分为 碳素结构钢和碳素工具钢 一 碳素结构钢 1 普通碳素结构钢 2 优质碳素结构钢 第一节常用金属材料的分类和应用 第三章工业常用钢简介 1 普通碳素结构钢 例 q235 a f q 屈服点 屈 字汉语拼音字的字头 a b c d 质量等级 f 沸腾钢 b 半镇静钢 z 镇静钢 tz 特殊镇静钢 在牌号中z tz符号予以省略 主要用于一般机械零件或热轧钢板 圆钢 扁钢 角钢和槽钢等型材 供焊接 铆接和螺栓连接的构件 不重要轴类零件 表1 5 第一节常用金属材料的分类和应用 第三章工业常用钢简介 2 优质碳素结构钢例如 45钢表示平均含碳量为0 45 的优质碳素结构钢 低碳的强度不高但塑性好 可制造薄钢板来制造容器 中碳的经热处理制成轴 齿轮 连杆等零件 高碳的经热处理使其塑韧性好制造弹簧 钢丝绳等 第一节常用金属材料的分类和应用 第三章工业常用钢简介 二 碳素工具钢例 t13表示平均含碳量为1 3 的碳素工具钢 若为优质钢 则在牌号后面加 a 如t13a 0 7 一1 35 c 大多属于共析和过共析钢 淬火后有高的硬度 60hrc 和良好的耐磨性 常用来制造一般用途的工具和小型模具 p32表1 6 第一节常用金属材料的分类和应用 第三章工业常用钢简介 四 合金钢 一 合金结构钢 二 合金工具钢 三 特殊性能用钢 第一节常用金属材料的分类和应用 第三章工业常用钢简介 一 合金结构钢 第一节常用金属材料的分类和应用 第三章工业常用钢简介 二 合金工具钢编号方法与合金结构钢相似 只是碳含量的表示方法不同 当平均含碳量大于或等于1 0 时 碳量不标出 平均含碳量小于l 0 时 一般以千分之几表示 第一节常用金属材料的分类和应用 第三章工业常用钢简介 三 特殊性能钢包括不锈钢 耐热钢 磁钢 耐磨钢等 常用的几种特殊性能钢的牌号 性能及应用见表4 6 第一节常用金属材料的分类和应用 第三章工业常用钢简介 五 铸铁 将这部分内容放在第二篇铸造中学习 第三章工业常用钢简介思考与练习题 1 钢中常存杂质元素主要有哪些 对钢的性能有何影响 衡量钢质量的主要标准是什么 2 随着含碳量的增加 碳素钢的强度 硬度 塑性和韧性怎样变化 3 下列钢的牌号 q235 a 20 40cr 9sicr 16mn 45 w18cr4v t10a 60si2mna 1crl8ni9ti 试分辨什么钢种 数字和元素符号代表什么意思 牌号中的碳素钢在使用时需进行什么样的热处理 4 见p35复习题 第四章钢的热处理 知识点 第一节钢在加热和冷却时的组织转变 第四章钢的热处理 一 钢在加热时的转变温度对于大多数热处理工艺 都要将钢加热到临界温度a1 a3 acm以上 使其组织发生变化 因为 过热 实际转变温度比相图中所规定的相变温度有一些差异 通常将加热时实际临界温度的位置用ac1 ac3 accm表示 如图1 24所示 第一节钢在加热和冷却时的组织转变 第四章钢的热处理 二 钢在加热时的组织转变以共析钢为例 说明钢在加热叫的组织转变 加热到 ac1以上时 p向a的转变 在p中f与fe3c片层的交界上出现大量的a晶核 随着时间的延续 不断地溶解f和fe3c而逐渐长大 形成a晶粒 这样一来 晶粒数量小而多 机械性能提高 但随保温时间延长或升高温度 奥氏体晶粒长大变粗 为了控制奥氏体晶粒大小 一定要控制钢在加热时的温度和保温时间 第一节钢在加热和冷却时的组织转变 第四章钢的热处理 冷却方式和冷却速度与奥氏体冷却组织转变有直接关系 热处理工艺中有两种冷却方式 一 连续冷却将已奥氏体化的钢 在连续冷却过程中 使奥氏体发生组织转变 这种冷却方式叫连续冷却 例如在热处理生产中经常使用的在水中 油中或空气中冷却等都是连续冷却方式 二 等温冷却将已奥氏体化的钢 先以较快的冷却速度冷到a1线以下一定的温度 这时奥氏体尚未转变 称其为过冷奥氏体 然后进行保温 使过冷奥氏体在等温下发生组织转变 转变完成后再冷却到室温 现以共析钢为例 进行一系列不同过冷度的等温冷却实验 第一节钢在加热和冷却时的组织转变 第四章钢的热处理 一 缓慢冷却即随炉冷 高温转变产物 又称珠光体型转变产物 它是指过冷奥氏体在727 550 间等温转变 组织是由一层铁素体和一层渗碳体组成的机械混合物 过冷度越大 层片越薄 硬度也越高 727 650 珠光体p 650 600 细珠光体 又称做索氏体s 600 550 极细珠光体 又称做屈氏体t 第一节钢在加热和冷却时的组织转变 第四章钢的热处理 二 较快冷却即空冷 中温转变产物 又称贝氏体 b 型转变产物 它是指过冷奥氏体在550 230 之间等温转变 组织是由含碳过量的铁素体和微小的渗碳体混合而成 贝氏体比珠光体的硬度更高 550 350 上贝氏体 350 230 下贝氏体 下贝氏体较上贝氏体有较高的强度和硬度 塑性和韧性也较好 第一节钢在加热和冷却时的组织转变 第四章钢的热处理 三 快速冷却即水或油冷或先水后油 低温转变产物 又称马氏体型转变 它指过冷奥氏体在230 以下的等温转变 由于转变温度较低 碳原子已不能扩散 只发生铁的晶格重构 由面心立方晶格变成体心立方晶格 形成了碳在 fe中的过饱和固溶体 称为马氏体 用符号m来表示 马氏体通常具有高的硬度和耐磨性 但塑性和韧性很差 随着温度的降低 马氏体数量不断增加 直至冷却到马氏体转变终了温度 50 时 过冷奥氏体才能全部转变成马氏体 第二节钢的热处理工艺 第四章钢的热处理 钢的热处理工艺种类很多 本节主要讨论普通热处理 表面淬火和化学热处理 一 普通热处理普通热处理在钢的热处理工艺中应用最广泛 它包括退火 正火 淬火和回火 第二节钢的热处理工艺 第四章钢的热处理 一 退火退火是将钢加热到合适温度 保温一定时间后 在加热炉中或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却 从而获得接近平衡组织的一种热处理工艺 1 退火目的各种钢在退火时目的不同 其主要有 1 降低硬度 以利于切削加工或其他种类加工 2 细化晶粒 提高钢的塑性和韧性 3 消除内应力 并为淬火工序做好准备 第二节钢的热处理工艺 第四章钢的热处理 2 退火分类由于钢的成分和退火目的不同 主要的退火工艺有 1 完全退火把工件加热到ac3以上30 50 p27图1 27 保温后缓慢冷却下来的热处理工艺 称为完全退火 又叫重结晶退火 完全退火是应用最广泛的退火方法 主要用于亚共析钢和共析钢的锻件 轧件和铸件的退火 通过重结晶退火使晶粒细化 组织均匀和消除残余应力 用以提高钢件性能 第二节钢的热处理工艺 第四章钢的热处理 2 球化退火使钢中碳化物呈球状化而进行的退火 称为球化退火 退火时将工件加热到ac1以上30 50 见p27图1 27 然慢慢冷却 球化退火主要用于过共析钢 使钢中二次渗碳体和珠光体中的片状渗碳体球状化 以降低硬度和提高韧性 改善切削加工性能 第二节钢的热处理工艺 第四章钢的热处理 3 去应力退火为了消除钢件在铸造 锻造 焊接或切削加工过程中残留的内应力而进行的退火 称为去应力退火 去应力退火加热温度是低于ac1 以下 保温后缓冷 第二节钢的热处理工艺 第四章钢的热处理 二 正火正火是将钢加热到ac3或accm以上30 50 见p27图1 27 保温合适时间后 在空气中冷却的热处理工艺 正火与退火的目的相似 但是 正火的加热温度稍高 正火是在空气中冷却 冷却速度比退火快 得到的组织 b 的片层间距比退火时要小 强度和硬度比退火后的为高 亚共析钢正火的目的主要是细化晶粒 提高其力学性能 过共析钢正火使钢中渗碳体沿晶界析出不能成网状 而是呈断续的链条状分布 这就有利于进一步的球化退火 所以 在生产中 常在球化退火之前进行一次正火 来消除钢中的网状渗碳体 正火优点 在炉外冷却 不占用加热设备 生产效率高 工艺简单 经济 所以 低碳钢多采用正火来代替退火 第二节钢的热处理工艺 第四章钢的热处理 三 淬火淬火是将钢加热到ac3或acl以上30 50 见p27图1 28 保温后快速冷却以获得不稳定组织的热处理工艺 目的 提高钢的硬度和耐磨性 并与回火相配合获得所需要的力学性能 以共析钢为例 分析淬火时钢的组织转变 如前所述 共析钢被加热到acl以上 将全部转变为奥氏体 由于淬火时的冷却速度极快 奥氏体仅能发生 fe向 fe的同素异构转变 而 fe中的过饱和碳原子在低温下却难以从晶格内扩散出去 这样就形成了碳在 fe中的过饱和固溶体 第二节钢的热处理工艺 第四章钢的热处理 马氏体的比容比奥氏体大 致使形成马氏体过程中将伴随着体积膨胀 于是造成淬火内应力 为防止因内应力过大使工件产生变形或开裂 在工艺上应采取如下措施 1 严格控制淬火加热温度亚共析钢的加热温度 ac3以上30 50 得到细颗粒的奥氏体 淬火后获得细小的马氏体组织 如果加热温度低于ac3 则淬火组织中将会出现自由铁素体 使钢的硬度不足 如果加热温度过高 增加了淬火应力 得到粗大马氏体组织 淬火后使钢的脆性增大 易使工件产生裂纹和变形 共析钢和过共析钢的加热温度 ac1以上30 50 淬火后获得均匀细小的马氏体和小颗粒的渗碳体组织 如果淬火温度在accm以上 由于渗碳体的溶解 反而会降低淬火后钢的耐磨性 再者由于温度过高 同样也会得到粗大马氏体组织 引起钢的严重变形 甚至开裂 第二节钢的热处理工艺 第四章钢的热处理 2 合理选择淬火介质常用的淬火介质有油 水 盐水等 油中冷却较慢 水中冷却快 盐水中冷却更快 要根据钢的化学成分及对工件的技术要求 选用不同的冷却介质 水的冷却能力较强 碳钢多用它来淬火 油的冷却能力较低 合金钢多用它来淬火 第二节钢的热处理工艺 第四章钢的热处理 四 回火 消除内应力 调整其机械性能 将淬火后的钢重新加热到ac1以下某温度 保温合适时间后 冷却 一般空冷 到室温的热处理工艺称为回火 根据加热温度和工件所要求的性能 回火分为下面3种 1 低温回火回火温度 150 250 组织 碳的过饱和程度稍小的 fe固溶体 少量碳化物 称为回火马氏体 目的 降低钢的内应力和脆性 保持钢在淬火后得到的高硬度和耐磨性 用途 各类高碳钢的工具 模具 量具 渗碳及表面淬火件的处理 第二节钢的热处理工艺 第四章钢的热处理 2 中温回火回火温度为350 450 组织 极细颗粒状渗碳体和铁素体的混合物 称为回火屈氏体 目的 提高弹性极限和屈服极限 韧性 用途 主要用于弹簧 发条及锻模的处理上 3 高温回火回火温度为500 650 组织 细而均匀的颗粒状渗碳体和铁素体的混合物 称为回火素氏体 目的 有一定的强度和硬度 又有好的韧性和塑性 工厂中习惯把淬火和高温回火相结合的热处理工艺称为调质处理 简称调质 用途 各种重要结构零件如轴 齿轮 连杆和螺栓等的处理 第二节钢的热处理工艺 第四章钢的热处理 二 表面淬火表面淬火是对零件进行快速加热 使表面迅速达到淬火温度 而中心部来不及被加热的情况下立即冷却 使表面得到高硬度的马氏体 而心部仍保持原来组织的一种热处理工艺 目的 获得高硬度 高耐磨性的表层 而心部仍保持原有良好韧性 即 表硬心韧 用途 机床主轴 齿轮 发动机曲轴等承受弯曲 扭转 摩擦或冲击的零件 注意 表面淬火后须要进行低温回火消除表面淬火产生的内应力 第二节钢的热处理工艺 第四章钢的热处理 表面淬火主要有两种 1 火焰加热表面淬火