机械工程材料成型及工艺.ppt

本次课内容 塑性变形对金属组织和性能的影响 变形金属在加热时组织和性能的影响 一 塑性变形对金属组织和性能的影响 1 晶粒拉长 纤维组织 各向异性 沿纤维方向的强度 塑性最大 变形10 100 变形40 100 变形80 纤维组织100 工业纯铁不同变形度的显微组织 2 织构 形变织构 金属塑性变形到很大程度 70 以上 时 由于晶粒发生转动 使各晶粒的位向趋近于一致 形成特殊的择优取向 这种有序化的结构叫做形变织构 形变织构一般分两种 一种是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向 称为丝织构 例如低碳钢经高度冷拔后 其平行于拔丝方向 另一种是各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向 称为板织构 低碳钢的板织构为 001 晶粒拉长 但未出现织构 晶粒拉长 且出现织构 因形变织构造成深冲制品的制耳示意图 3 加工硬化 形变强化 加工硬化的原因 塑性变形 位错密度增加 相互缠结 亚晶界 运动阻力加大 变形抗力 晶粒破碎细化 金属在冷变形时 强度 硬度 塑性 韧性 P21 图1 17 加工硬化的实际意义 有效的强化机制 均匀塑性变形和压力加工的保证 零件安全的保证 4 形成亚结构 金属经大的塑性变形时 由于位错的密度增大和发生交互作用 大量位错堆积在局部地区 并相互缠结 形成不均匀的分布 使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块 而在晶粒内产生亚晶粒 金属经变形后的亚结构 6 残余内应力 外力去除后 残留于金属内部且平衡于金属内部的应力 由金属内部不均匀变形引起 残余应力分为第一类应力 第二类应力和第三类应力 残余内应力的危害 引起零件加工过程变形 开裂 耐蚀性 5 塑性变形可影响金属的物理 化学性能 如使电阻增大 耐腐蚀性降低 二 塑性变形后的金属在加热时组织和性能的变化 加热时冷变形金属组织和性能随温度的升高可分为三个阶段 1 回复2 再结晶3 晶粒长大 回复 变形后的金属在较低温度进行加热 会发生回复过程 产生回复的温度T回复为 T回复 0 25 0 3 T熔点式中 T熔点表示该金属的熔点 单位为绝对温度 K 由于加热温度不高 原子扩散能力不很大 只是晶粒内部位错 空位 间隙原子等缺陷通过移动 复合消失而大大减少 而晶粒仍保持变形后的形态 变形金属的显微组织不发生明显的变化 此时材料的强度和硬度只略有降低 塑性有增高 但残余应力则大大降低 工业上常利用回复过程对变形金属进行去应力退火 以降低残余内应力 保留加工硬化效果 再结晶 1 再结晶过程及其对金属组织 性能的影响变形后的金属在较高温度加热时 由于原子扩散能力增大 被拉长 或压扁 破碎的晶粒通过重新生核 长大变成新的均匀 细小的等轴晶 这个过程称为再结晶 变形金属进行再结晶后 金属的强度和硬度明显降低 而塑性和韧性大大提高 加工硬化现象被消除 此时内应力全部消失 物理 化学性能基本上恢复到变形以前的水平 再结晶生成的新的晶粒的晶格类型与变形前 变形后的晶格类型均一样 2 再结晶温度变形后的金属发生再结晶的温度是一个温度范围 并非某一恒定温度 一般所说的再结晶温度指的是最低再结晶温度 T再 通常用经大变形量 70 以上 的冷塑性变形的金属 经一小时加热后能完全再结晶的最低温度来表示 最低再结晶温度与该金属的熔点有如下关系 T再 0 35 0 4 T熔点式中的温度单位为绝对温度 K 最低再结晶温度与下列因素有关 预先变形度 金属再结晶前塑性变形的相对变形量称为预先变形度 预先变形度越大 金属的晶体积缺陷就越多 组织越不稳定 最低再结晶温度也就越低 当预先变形度达到一定大小后 金属的最低再结晶温度趋于某一稳定值 金属的熔点 熔点越高 最低再结晶温度也就越高 杂质和合金元素 由于杂质和合金元素特别是高熔点元素 阻碍原子扩散和晶界迁移 可显著提高最低再结晶温度 如高纯度铝 99 999 的最低再结晶温度为80 而工业纯铝 99 0 的最低再结晶温度提高到了290 加热速度和保温时间 再结晶是一个扩散过程 需要一定时间才能完成 提高加热速度会使再结晶在较高温度下发生 而保温时间越长 再结晶温度越低 晶粒长大 变形80 工业纯铁再结晶退火显微照片100 变形80 600 退火8小时 变形80 400 退火8小时 再结晶后的晶粒度 影响因素 1 加热温度T 保温时间t 晶粒直径D 2 预变形度的影响 2 10 金属材料塑性变形的加工 热加工和冷加工 1 冷 热加工的划分的标准 再结晶温度来划分 2 金属热加工时组织和性能的变化 形成流线 锻造曲轴 切削加工曲轴 细化晶粒 焊合气孔 疏松 消除成分不均匀 热加工时金属塑性好 热加工时金属表面有氧化 对某些金属不易加工 对薄壁或细的轧件不易保温 加工后的强度和硬度不及冷变形加工 三 材料的同素异构现象 把 种金属具有两种或两种以上的晶格结构称为同素异构性 这种金属的晶格结构随温度变化而改变的现象 称为同素异构转变 同素异构转变与液态金属结晶存在着明显区别 主要表现在 同素异构转变时晶界处能量较高 新的晶核往往在原晶界上形成 固态下原子扩散比较困难 固态转变需要较大的过冷 固态转变时会产生体积变化 在金属中引起较大的内应力 纯铁的同素异构转变 同位素 同素异构体 同分异构体的差别 同位素 研究同种元素的不同原子 它们的中子数不同 比如碳12和碳14 同素异构体 元素相同 晶体结构不同 如铁的三种同素异构体 同分异构体 研究分子式相同的分子的不同结构 同分异构体原子的连接顺序 方式不同 如基团位置 官能团的差异 比如乙醇和甲醚 思考题 某车间用冷拉钢丝绳吊装工件随炉加热到700 保温1h后起吊出炉 钢丝绳突然断裂 试分析其原因 一曲线尺 纯锡材料 经反复弯曲发现其逐渐变硬 在房间内放置一段时间后 其性能恢复如初 试分析其原因 材料的同素异构现象 第三章二元合金相图及其应用 一 基本概念在介绍合金的结晶之前 先介绍几个基本的概念 1 合金是指由两种或两种以上元素经熔炼 烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的材料 2 组元组成合金的最基本的 独立的物质称为组元 组元可以是元素 也可以是稳定的化合物 如Fe3C 在铁 碳合金中它也可以作为组元3 相合金中具有同一聚集状态 同一晶体结构 成分基本相同并有明确界面与其它部分分开的均匀组成部分 这个界面称为相界面 4 组织是指用肉眼或显微镜所观察到的不同组成相的形状 分布及各相之间的组合状态称为组织5 合金系由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金 称为合金系 由两个组元组成的合金系叫二元合金系 三个组元组成的合金系叫三元合金系 三个以上组元组成的合金系叫多元合金系 如铁 碳二元合金中 铁和碳可以以不同的比例 配制成若干种Fe C二元合金 所以 对于Fe C二元合金来说 不是一种 而是由不同配比组成的一系列不同成分的合金 所以叫Fe C二元合金系 不同成分的合金具有不同的性能 相图的建立 1 匀晶相图 相图 平衡图 状态图 平衡条件下 合金的相状态与温度 成份间关系的图形 铜 镍合金匀晶相图 1083 1455 L L 纯铜熔点 纯镍熔点 液相线 固相线 液相区 固相区 液固两相区 匀晶合金的结晶过程 a b c d T C t L L L 匀晶转变L 冷却曲线 匀晶合金与纯金属不同 它没有一个恒定的熔点 而是在液 固相线划定的温区内进行结晶 杠杆定律 1 2 a c b a1 b1 c1 T1 T2 1 在两相区内 对应每一确定的温度 两相的成分是确定的 2 随着温度的降低 两相的成分分别沿液相线和固相线变化 杠杆定律 在两相区内 对应每一确定的温度T1 两相质量的比值是确定的 即QL Q b1c1 a1b1 杠杆定律推论 在两相区内 对应温度T1时两相在合金b中的相对质量各为QL QH b1c1 a1c1Q QH a1b1 a1c1 1 QL QH 例 求30 Ni合金在1280 时 相的相对量 a c 30 a1 b1 c1 1280 C 解 作成分线和温度线如图 66 18 根据杠杆定律推论 Q QH a1b1 a1c1 12 48 1 4 答 所求合金在1280 时 相的相对质量为1 4 2 共晶相图 Pb Sn Sn T C 铅 锡合金共晶相图 液相线 L 固相线 L L 固溶线 固溶线 共晶转变分析 Pb Sn T C L L L 共晶反应线表示从c点到e点范围的合金 在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应 c e 共晶点表示d点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变 d Ld c e 共晶反应要点 共晶转变在恒温下进行 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相 存在一个确定的共晶点 在该点凝固温度最低 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变 X1合金结晶过程分析 c e f g X1 T C t L L L L 冷却曲线 1 2 3 4 X1合金结晶特点 T C t L L L L 冷却曲线 1 没有共晶反应过程 而是经过匀晶反应形成单相 固相 2 要经过脱溶反应 室温组织组成物为 组织组成物组织中 由一定的相构成的 具有一定形态特征的组成部分 X2合金结晶过程分析 共晶合金 X2 T C t L L L L 共晶体 冷却曲线 X3合金结晶过程分析 亚共晶合金 X3 T C t L L 1 2 标注了组织组成物的相图 3 包晶相图 包晶转变 Ld c e Pt Ag Ag T C 铂 银合金包晶相图 L L L c e d f g T C t L L L 4 共析相图 共析转变 共析体 A B T C c e d L L 相图与性能的关系 合金的使用性能与相图的关系 固溶体中溶质浓度 强度 硬度 组织组成物的形态对强度影响很大 组织越细密 强度越高 2 合金的工艺性能与相图的关系 铸造性能液固相线距离愈小 结晶温度范围愈小 如接近共晶成分的合金 则流动性好 不易形成分散缩孔 锻造 轧制性能单相固溶体合金 变形抗力小 变形均匀 不易开裂 1 铁碳相图2 结晶过程3 成分 组织 性能关系4 Fe Fe3C相图的应用 铁碳合金的结晶 第七讲 1 铁碳相图 Fe Fe3C相图 1 Fe Fe3C相图的组元 Fe Fe Fe bcc 和 Fe fcc 强度 硬度低 韧性 塑性好 Fe3C 熔点高 硬而脆 塑性 韧性几乎为零 2 Fe Fe3C相图的相 Fe3C Cem Cm 渗碳体 复杂晶体结构 液相L 相 高温铁素体 Fe C 固溶体 相 A 奥氏体 Fe C 固溶体 相 F 铁素体 Fe C 固溶体 3 相图中重要的点和线 液相线ABCD 固相线AHJECF 包晶线HJB 包晶点J 共晶线ECF 共晶点CL4 3 A2 11 Fe3C 高温莱氏体 Le或Ld 共析线PSK 共析点SA0 77 F0 02 Fe3C 珠光体 P ES线 C在A中的固溶线 PQ线 C在F中的固溶线 2 铁碳合金的平衡结晶过程 Fe C合金分类 工业纯铁 C 0 0218 钢 0 0218 C 2 11 亚共析钢 0 77 共析钢 0 77 过共析钢 0 77 白口铸铁 2 11 C 6 69 亚共晶白口铁 4 3 共晶白口铁 4 3 过共晶白口铁 4 3 几种常见碳钢 1 工业纯铁 C 0 0218 结晶过程 室温组织F Fe3C 微量 500 第八讲 2 共析钢 C 0 77 结晶过程 室温组织 层片状P F 共析Fe3C 500 3 亚共析钢 C 0 4 结晶过程 室温组织 F P 500 4 过共析钢 C 1 2 结晶过程 室温组织 P Fe3CII400 5 共晶白口铁 C 4 3 结晶过程 室温组织 低温 莱氏体Le P Fe3CII 共晶Fe3C 500 莱氏体Le 的性能 硬而脆 标注了组织组成物的相图 3 铁碳合金的成分 组织 性能关系 含碳量与相的相对量关系 C F Fe3C 含碳量与组织关系 图 a 和 b 含碳量与性能关系HB 取决于相及相对量强度 C 0 9 时最大塑性 韧性 随C 而 4 铁碳相图的应用 钢铁选材 相图 性能 用途 局限性相图反映的是平衡状态 与实际情况有较大差异 铸件选材和确定浇注温度 确定锻造温度 在A区 制定热处理工艺 复习 相与组织 相 有一定的化学成分和晶体结构的均匀组成部分 合金中有两类基本相 固溶体和化合物 组织 材料内部的微观形貌 体现相的形态 数量 大小和分布 金属材料性能由组织决定 而组织由化学成分和工艺过程决定 过共析钢x400 第四章金属热处理及材料改性 热处理的概念 把固态金属材料在一定介质中的加热 保温和冷却 以改变其组织和性能的一种工艺 热处理的分类 根据加热 冷却方式及钢组织性能变化特点的不同 将热处理工艺分类 普通热处理 退火 正火 淬火和回火 表面热处理 表面淬火 化学热处理 其他热处理 真空热处理 形变热处理 控制气氛热处理 激光热处理 加热和冷却对临界转变温度的影响 1 奥氏体的形成 Fe C原子扩散和晶格改变的过程 共析钢加热到Ac1以上时 P A共析钢A化过程 形核 长大 Fe3C完全溶解 C的均匀化 亚 过 析钢的A化 P A后 先共析F或Fe3C 溶解 影响A转变速度的因素 加热温度和速度 转变快C 或Fe3C片间距 界面多 形核多 转变快合金元素 A化速度 或 A晶粒度加热温度 保温时间 晶粒尺寸 合金碳化物 C 晶粒尺寸 1 过冷A的等温转变 过冷A T A1时 A不稳定 A等温转变曲线 TTT或C曲线 共析钢的C曲线 高温转变 A1 550 过冷A P型组织中温转变 550 MS过冷A 贝氏体 B 低温转变 MS Mf过冷A 马氏体 M P型组织 F 层片状Fe3C 珠光体P索氏体S屈氏体T 层片间距 P S T 珠光体P 3800 索氏体S8000 屈氏体T8000 高温转变过程 晶格改变和Fe C原子扩散 中温转变 550 MS C原子扩散 Fe原子不扩散 过冷A 贝氏体B 碳化物 含过饱和C的F 上B 550 350 产物 羽毛状 小片状Fe3C分布在F间 上B强度和韧性差 下B 350 MS产物 下B韧性高 综合机械性能好 亚 过 共析钢过冷A的等温转变 与共析钢相比 C曲线左移 多一条过冷A F Fe3C 的转变开始线 且Ms Mf线上 下 移 连续冷却转变产物 CCT和TTT曲线的比较CCT位于TTT曲线右下方CCT中没有A B转变 炉冷 P V 空冷 S V Vk 油冷 T M A Vk Vk 水冷 M A V Vk 马氏体 M 转变特点 1 无扩散Fe和C原子都不进行扩散 M是体心正方的C过饱和的F 固溶强化显著 2 瞬时性M的形成速度很快 温度 则转变量 3 不彻底M转变总要残留少量A A中的C 则MS Mf 残余A含量 4 M形成时体积 造成很大内应力 M的形态 C 0 25 时 为板条M 低碳M 板条M 平行的细板条束组成 针状M 凸透镜状 C 1 0 时 为针状M C 0 25 1 0 时 为混合M M的性能 C M硬度 针状M硬度高 塑韧性差 板条M强度高 塑韧性较好 亚共析钢连续冷却转变 炉冷 F P空冷 F S油冷 T M水冷 M 过共析钢连续冷却转变 炉冷 P Fe3C 空冷 S Fe3C 油冷 T M A 水冷 M A 转变温度对共析钢硬度和韧性的影响 按转变温度的高低 转变产物分别是 P S T 上B 下B M 其硬度依次增加 2 4 3钢的普通热处理 1 退火2 正火3 淬火4 回火 1 退火 加热 保温后 缓冷 炉冷 近平衡组织P F或Fe3CII 完全退火 亚共析钢 加热温度Ac3 20 30 缓冷 F P目的 细化晶粒 均匀化组织降低硬度 切削性 等温退火 等温转变 F P 再缓冷球化退火 过共析钢 在Ac 20 30 等温 使Fe3C 球化 再缓冷 球状P F 球状Cm 目的 硬度 切削性 韧性 扩散退火加热至略低于固相线目的 使成分 组织均匀再结晶退火 加热温度TR 30 50 目的 消除加工硬化去应力退火加热温度 Ac1 一般为500 650 目的 消除冷热加工后的内应力 图4 11碳钢各种退火的工艺规范示意图 正火 应用 1 钢的最终热处理细化晶粒 组织均匀化 增加亚共析钢中P S 强度 韧性 硬度 2 预先热处理 淬火 球化退火前改善组织 3 增加低碳钢的硬度 以改善切削加工性能 加热温度Ac3 Accm 30 50 空冷 S F或Fe3CII 3 淬火 蘸火 加热到Ac3 Ac1以上 保温 快速冷却 M 淬火温度1 亚共析钢Ac3 30 50 2 过共析钢Ac1 30 50 M Fe3CII A 硬度大 A中C M脆性 残余A 淬火温度低 M细小 淬火应力小 冷却介质 冷却速度 盐水 水 盐浴 油 淬火方法单介质淬火 水 油冷双介质淬火 水冷 油冷分级淬火 Ms盐浴中均温 空冷等温淬火 在盐 碱浴中 下B 钢的淬透性 淬火时得到M的能力 取决于临界冷却速度VK 淬透性的应用按负载 选择不同淬透性的材料 淬硬性 淬火后获得的最高硬度 C 淬硬性 影响淬透性的因素除Co外 合金使VK 淬透性 a 完全淬透 b 淬透较大厚度 c 淬透较小厚度淬透性不同的钢调质后机械性能的比较 4 回火 淬火后 加热到Ac1以下 保温 冷却 目的 消除淬火应力 调整性能 低温回火 150 250 回火M 过饱和F 薄片状Fe2 4C A 淬火应力 韧性 保持淬火后的高硬度 用于高C工具钢等 中温回火 350 500 回火T F 细粒状Cm 弹性极限和屈服强度 韧性和硬度中等 用于弹簧等 高温回火 500 650 回火S 等轴状F 粒状Cm 综合机械性能最好 即强度 塑性和韧性都较好 用于重要零件 调质处理 淬火 高温回火 回火产物的组织形态比较 回火M 400 回火T 7500 回火S 7500 M低倍 T 1000 S 1000 回火时性能的变化 回火温度 硬度 强度 塑性 2 4 4钢的表面热处理 表面淬火 不改变心部组织 利用快速加热将表层A化后进行淬火 目的 提高表面硬度 保持心部良好的塑韧性 感应加热表面淬火交变磁场 感应表面电流 表面加热 特点1 加热速度快 晶粒度小 硬度 脆性 2 表层残余压应力 提高疲劳强度3 不易氧化 脱碳 变形小 4 加热温度和淬硬层厚度容易控制 火焰加热表面淬火 乙炔 氧等火焰 设备简单 但生产率低 2 4 5钢的化学热处理 将工件置于特定的介质中加热 保温 使介质中的活性原子渗入工件表层 以改变表层的化学成分 组织和性能 分类 渗C N化 CN共渗 渗硼 渗铬 渗Al等 钢的渗C 气体 固体渗C 低C钢在高C介质中加热到900 950 保温 高碳表层 约1 0 目的 表面硬度 耐磨性 心部保持一定的强度和塑韧性 渗碳后的的热处理 淬火直接淬火 晶粒粗大 残余A多 耐磨性低 变形大 一次淬火 加热温度Ac3以上 心部性能 或Ac1以上 表面性能 二次淬火 Ac3以上 心部性能 Ac1以上 表面性能 低温回火 150 200 消除淬火应力 提高韧性 钢的氮化 工件表面渗入N原子 以提高硬度 耐磨性 疲劳强度和耐蚀性 氮化温度低 500 600 时间长 20 50h 渗层薄 氮化前调质处理 氮化后无须淬火 第五章金属材料 3 1 1碳钢的成分和分类3 1 2碳钢的牌号及用途 3 1碳钢 3 1 1碳钢的成分和分类 成分 w C 2 11 Mn Si 固溶强化S 热脆P 冷脆O N H 强度 塑性 韧性 分类1 按C含量分低C钢w C 0 25 中C钢0 25 w C 0 6 高C钢w C 0 6 2 按质量分 S P含量 普通碳素钢 优质碳素钢 高级优质碳素钢 3 按用途分 碳素结构钢 碳素工具钢 3 1 2碳钢的牌号及用途 1 碳素结构钢2 优质碳素结构钢3 碳素工具钢 用途 钢板 钢筋 型钢等 作桥梁 建筑等构件 热处理 热轧空冷组织 S F 多边型角钢 螺钉 铆钉 钢筋 螺纹钢 2 优质碳素结构钢 牌号 如45钢 含C量为45 10000 0 45 摘自GB T699 1999 用途 较重要的零件 如齿轮 轴 连杆 弹簧等 汽车曲轴 热处理 渗碳 淬火 回火等 3 碳素工具钢 牌号 如T12A钢 含C量为12 1000 1 2 A表示高级优质 w S 0 020 w P 0 030 摘自GB T1298 1986 用途 冲头 凿子 钻头 锉刀 量规等 热处理 淬火 低温回火组织 回火M 粒状Fe3C A 3 2 1概论3 2 2合金结构钢3 2 3合金工具钢3 2 4特殊性能钢 3 2合金钢 3 2 1概论 合金钢的分类 按用途分类 合金结构钢 低合金结构钢 渗C钢 调质钢 弹簧钢 轴承钢等 合金工具钢 刃具 模具 量具钢 特殊性能钢 不锈钢 耐热钢 耐磨钢 合金钢的编号结构钢 如60Si2Mn w C 0 6 w Si 2 w Mn 1 5 工具钢 特殊性能钢 如9SiCr w C 0 9 w Si w Cr 均 1 5 而CrWMn中 w C 1 0 专用钢 如 滚动轴承钢GCr15 w C 1 0 w Cr 1 5 高级优质钢 如 20Cr2Ni4A 3 2 2合金结构钢 1 低合金结构钢2 渗碳钢3 调质钢4 弹簧钢5 滚动轴承钢 1 低合金结构钢 成分 w C 0 2 主加元素Mn 附加V Ti Nb 性能 强度 韧性高 焊接 冷成形性能好 摘自GB T1591 1994 热处理 组织 热轧空冷 S F 高压容器 桥梁 船舶 车辆 应用 2 渗碳钢 成分 w C 0 1 0 25 韧性好 合金元素提高淬透性 耐磨性 细化晶粒 性能 渗层硬度高 耐磨 抗接触疲劳 心部韧性高 强度大 热处理 组织 表层 回火M 碳化物 A 心部 低C的回火M T F 应用 耐磨件20Cr 小轴 活塞销 小齿轮 20CrMnTi 汽车齿轮 18Cr2Ni4WA 如曲轴 连杆 渗碳 淬火 低温回火 3 调质钢 成分 w C 0 25 0 50 合金元素消除回火脆性 提高回火抗力 强化F 性能 综合机械性能高 热处理 组织 表层 回火S 应用40Cr 一般尺寸重要零件 如齿轮 主轴 35CrMo 较大截面零件 如曲轴 连杆 40CrNiMo 大截面重载零件 如汽轮机主轴和叶轮 调质 可附加表面淬火或氮化 38CrMoAl 汽车曲轴 4 弹簧钢 成分 w C 0 45 0 70 Si Mn为主要元素 提高屈强比 性能 e s 屈强比和疲劳抗力高 塑性大 耐震动 冲击 摘自GB T1222 1985 应用65Mn 60Si2Mn 汽车 拖拉机 机车的板簧和螺旋弹簧 热处理 热轧弹簧 热成型 淬火 中温回火 喷丸冷轧弹簧 淬火 中温回火 冷成型 去应力 喷丸组织 回火T 5 滚动轴承钢 成分 w C 0 95 1 10 主加元素是Cr 形成细小的碳化物 性能 高接触疲劳强度 高硬度和耐磨性 韧性 淬透性好 摘自GB T18254 2002 应用GCr15 中小型轴承 冷冲模 量具 丝锥 热处理 球化退火 淬火 低温回火冷处理 时效 120 140 10 20h 稳定尺寸 去应力 组织 回火M 细碳化物 少量A 1 合金刃具钢2 合金模具钢3 量具用钢 3 2 3合金工具钢 1 合金刃具钢 性能要求高硬度 机加工刀具HRC 60高耐磨性 刀具寿命和生产率 组织要求 硬而细小的碳化物 均匀分布在强而韧的钢基体中 高的热硬性 红硬性 高温下保持高硬度的能力 与回火稳定性有关 足够的韧性 以承受冲击载荷 低合金刃具钢 成分 w C 0 9 1 5 合金元素 5 性能 HRC 60 使用温度200 300 摘自GB T1299 2000 热处理 球化退火 机加工 淬火 低温回火 最终组织 回火M 合金碳化物 少量A 应用 如9SiCr 做板牙 丝锥等 高速钢 成分 w C 0 7 1 2 合金元素 10 性能高硬度 耐磨性 VC等弥散硬化高热硬性 600 时HRC 62 W2C等提高热硬性 高淬透性 尺寸不大时可空冷淬火 Cr等元素提高淬透性 热处理 锻造 球化退火 机加工 淬火 回火锻造目的 成型 使铸态粗大碳化物破碎 细化 分布均匀 淬火 1280 增加A M中合金含量 提高热硬性 淬火组织 左图 M 碳化物 A 最终组织 右图 回火M 粒状碳化物 少量A 回火 560 三次 W2C VC弥散硬化 二次淬火基本消除A 应用 高速车刀 钻头 铣刀等 热模具钢 热锻 热挤压 压铸模等 性能 耐热性 热疲劳抗力高 应用中小型模具 5CrMnMo等 大型模具 3Cr2W8V等 淬透性好 最终热处理 淬火 高温回火最终组织 回火T或回火S 3 量具用钢 卡尺 千分尺 塞规等 性能 高的硬度和耐磨性 良好的尺寸稳定性 应用简单量具 T10A T12A等 高精度量具 GCr15 CrWMn等 最终热处理 淬火 70 80 冷处理 低温回火 时效处理时效处理 120 130 保温几 几十小时 使M A 稳定 消除内应力 最终组织 回火M 碳化物 少量A 1 不锈钢2 耐热钢3 耐磨钢 3 2 4特殊性能钢 1 不锈钢 钢的抗腐蚀措施形成单相组织 加入Cr 降低两相的电极电位差 加入Cr Al等 生成致密的表面氧化膜 常用不锈钢F型 如1Cr17 化工设备 食品工业 M型 如1Cr13用于汽轮机叶片 3Cr13做手术器具及刀具 A型 如1Cr18Ni9Ti用于化工 食品 医疗行业 不锈钢的成分 热处理 性能 耐热钢 抗氧化性 金属在高温下的抗氧化能力热强性 热强性是指钢在高温下的强度 用途 锅炉 燃气轮机等 耐磨钢ZGMn13 热处理 1000 1100 保温 水冷 A 硬度低 韧性高 性能 工件在工作中受到冲击变形时 表层产生加工硬化 及M转变 硬度显著提高 心部保持高韧性 用途 履带 铁道岔道 第9章机械零件失效分析及选材 机械零件的失效分析 选材的一般原则 选材的实际过程 失效的概念和失效分析的目的 失效的基本概念 任何零件都具有一定的设计功能与寿命 当其在使用过程中 因零件的外部形状尺寸和内部组织结构发生变化而失去原有的设计功能 使其低效工作或无法工作或提前退役的现象称为失效 失效分析的目的 就是要分析零件失效的原因并提出相应的防止和改进措施 其结论对零件的设计 选材 加工与使用都有重大的指导意义 失效的形式 失效的主要原因 失效分析的工具 肉眼及光学显微镜 OM 扫描电子显微镜 SEM 透射电子显微镜 TEM X射线荧光镜 X射线衍射及立体显微镜 失效分析的基本步骤 调查取证 整理分析 断口分析 成分组织性能的分析与测试 综合分析得出结果 选材的一般原则 使用性能 工艺性能 经济性能 使用性能选材原则 第二十二讲 2 按使用性能选材的方法与步骤 分析零件的工作条件 确定其使用性能 进行失效分析 将零件的使用性能要求转化为对材料性能指标和具体数值的要求 典型零件按使用性能分析 按力学性能选材需注意的问题 材料性能与零件性能的关系 力学性能指标在选材中的应用意义 材料强度与塑性 韧性的合理配合 注意提高零件的结构效率 工艺性能的选材原则 金属材料的工艺性能 高分子材料的工艺性能 陶瓷材料 经济性能选材原则 产品价值分析 产品的总成本分析 材料成本分析 第10章铸造 前言铸造的概念 铸造的特点 铸造的缺点 铸造成形的理论基础 合金的铸造性能 液态合金的充型能力 收缩 偏析 氧化和吸气等 合金的流动性 影响合金流动性的因素 成分 物理性质 温度 杂质和气体 充型能力的影响因素 铸型条件 铸型的发气 铸型温度 铸件结构 铸造合金的收缩 收缩的概念 收缩的阶段 1 液态收缩 2 凝固收缩 3 固态收缩 影响收缩的因素 合金成分 浇注温度 铸件结构和铸型 铸件中的缩松和缩孔 缩孔 存在于铸件上部或最后凝固的部位 缩孔的外形特征 多呈倒锥形 内表面不光滑 缩孔的形成过程见书图10 4 缩松 多分布于铸件的轴线区域 内浇口附近甚至厚大铸件的整个断面 它分布面广 难于控制 其形成过程见书图10 5 铸造应力及铸件的变形 裂纹 热应力 机械应力 铸件的变形及其防止 变形 铸件厚的部分受拉应力 薄的部分受压应力 内应力超过合金的屈服极限时 铸件就会产生变形 防止 采用同时凝固 反变形法 加强筋 铸件的裂纹及防止 热裂 凝固后期高温下形成的 主要是由于收缩受到机械阻碍作用而形成的 冷裂 在较低温度下形成的 常出现在铸件受拉伸部位 砂型铸造 砂型铸造的生产过程及其特点砂型铸造的生产工艺流程见书图10 14 手工造型 操作灵活 生产效率低 铸件质量不高 机器造型 生产量大 但是不能生产厚壁和大型铸件 砂型铸造工艺过程简介 造型 熔炼和浇注 落砂与清理 铸造工艺图 浇注位置的选择 铸型分型面的选择 工艺参数的确定 铸造工艺图 特种铸造 熔模铸造 金属型铸造 压力铸造 离心铸造 常用合金铸件生产特点 1 铸铁件灰铸铁 主要采用冲天炉熔炼 砂型铸造 容易铸造薄壁铸件 一般不设置补缩手段 小件可采用湿型铸造 2 球墨铸铁球化处理见图10 32所示 3 可锻铸铁可锻铸铁是用低C低Si的铁水浇注出的白口组织的铸件毛坯 然后经长时间的高温石墨化退火使白口铸件中的渗碳体分解为团絮状石墨 从而得到由团絮状石墨和不同基体组成的铸铁 特点 收缩大 流动性差 4 蠕墨铸铁生产过程和球墨铸铁相似 特点 流动性好 可以浇铸出复杂铸件和薄壁铸件 一般浇注后不进行热处理 铸态时直接使用 铸钢件 铸钢分为铸造碳钢和铸造合金钢 铸钢的特点 综合力学性能高于各类铸铁 不仅强度高 且有优良的塑性和韧性 焊接性好 缺点 晶粒粗大 组织不均匀 常存在一些残余应力 需进行热处理 铸钢的熔炼 三相电弧炉 感应电炉 平炉 铸钢的铸造工艺特点 熔点高 约1500 流动性差 收缩率高 达到2 在熔炼过程中易吸气和氧化 在浇注过程中易产生粘砂 浇不足 冷隔 缩孔 变形 裂纹 夹渣和气孔 铸钢所用型砂须有良好的透气性 耐火性 强度和退让性 一般应遵守顺序凝固的原则 设置冒口和冷铁 对薄壁件应遵循同时凝固的原则 第11章压力加工 金属的塑性成形又称为压力加工 是指在外力的作用下 使金属坯料产生塑性变形 从而获得具有一定形状 尺寸和力学性能的型材 毛坯或零件的成形加工方法 塑性加工的产品主要有原材料 毛坯和零件三大类 压力加工的方法 轧制 挤压 拉拔 自由锻造 模型锻造和板料冲压 压力加工的优缺点 压力加工的理论基础 金属的纤维组织及锻造比金属的锻造性能金属的变形规律 金属的纤维组织及锻造比 金属的锻造性能 金属的变形规律 常用锻造方法 自由锻自由锻造 简称自由锻 它是利用锻压设备上下砧块和一些简单通用工具 使坯料在压力作用下产生塑性变形 根据锻造设备类型不同 自由锻可分为锻锤自由锻和水压机自由锻二种 前者用于锻造中 小锻件 后者用于锻造大型锻件 自由锻造具有以下三个特点 自由锻造具有以下三个特点 自由锻使用工具简单 通用性强 灵活性大 因此适合单件小批锻件的生产 自由锻件是由坯料逐步变形而成 工具只与坯料部分接触 故所需设备功率比模锻要小得多 所以自由锻适于锻造大型锻件 如万吨模锻水压机只能模锻几百公斤重的锻件 而万吨自由锻水压机却可锻造重达百吨以上的大型锻件 可见 对于大型锻件 只能采用自由锻成型 自由锻是靠人工操作来控制锻件的形状和尺寸 所以锻件的精度差 锻造生产率低 劳动强度较大 1 自由锻设备根据施加在锻件上作用力的性质 自由锻设备可分为锻锤 空气锤 蒸汽 空气锤 和液压机 水压机 油压机 两大类 锻锤产生冲击力 液压机产生静压力使金属变形 1 空气锤空气锤的规格以落下部分重量来表示 一般为50 1000 空气锤的特点是 锤头速度可达到7 8m s 不需要辅助设备 操作方便 但结构较复杂 锤击能力有限 广泛应用于中小型锻件的生产 2 水压机水压机的优点在于它以静压力代替锻锤的冲击力 上抵铁速度约为0 1 0 3m s 从而避免了对地基及建筑物的震动 工作环境噪音小 也比较安全 水压机的压力在整个冲程中都是不变的 故能充分利用有效冲程进行锻造 它比锤上锻造容易达到较大的锻透深度 锻件的整个截面可获得细晶粒组织 水压机的缺点是设备庞大 并需一套供水系统和操纵系统 造价较高 水压机的规格用压力来表示 也称吨位 水压机施加的压力可达800 12000吨 所锻钢锭的重量由1吨到300吨 广泛用于碳素钢 合金钢 高合金钢及特殊钢等大型锻件的单件小批生产中 自由锻件的结构工艺性 板料冲压 板料冲压是指利用冲模使板料产生分离或变形 从而获得制件的加工方法 板料冲压的特点 生产率高 操作简单 工艺过程易于实现机械化 自动化 冲压件质量好 尺寸精度高 互换性好 可冲制形状复杂的零件 材料利用率高 废品率低 冲模结构复杂 材料和制造成本高 只有在大批量生产的条件下 才能显示出它的优越性 常用的冲压设备主要有剪床和冲床 剪床的用途是将板料切成一定宽度的条料 供冲压用 冲床则是冲压加工的基本设备 可用于切断 落料 冲孔 弯曲 拉深和其它冲压工序 板料冲压的基本工序可分为分离工序和成形工序两大类 分离工序分离工序是将一块完整板料按要求分成两部分 如落料 冲孔 切断和修整等 1 冲裁变形过程 2 凸凹模间隙凸凹模间隙不仅严重影响冲裁件的断面质量 而且影响模具寿命 卸料力 推件力 冲裁力和冲裁件的尺寸精度 3 凸 凹模刃口尺寸的确定 4 冲裁力的计算 2 修整修整是利用修整模沿冲裁件外缘或内孔刮削一薄层金属 以切掉普通冲裁时在冲裁件断面上存留的剪裂带和毛刺 从而提高冲裁件的尺寸精度和降低表面粗糙度3 切断切断是指用剪刃或冲模将板料沿不封闭轮廓进行分离的工序 成形工序 成形工序是使坯料的一部分相对于另一部分产生位移而不破裂的工序 如拉深 弯曲 翻边 胀形等 1 拉深 1 拉深过程利用模具使落料后得到的平板坯料变形成开口空心零件的成形工序 图10 10 其变形过程为 把直径是D的平板坯料放在凹模上 在凸模作用下 板料通过塑性变形 被拉入凸模和凹模的间隙中 形成空心零件 拉深件的底部一般不变形 只起传递拉力的作用 厚度基本不变 零件直壁由坯料外径D减去内径d的环形部分所形成 主要受拉力作用 厚度有所减小 而直壁与底