金属材料热处理(全,相图好)

第一篇金属材料基本知识 本篇重点 1 金属材料的力学性能2 铁碳合金基本组织及状态图3 钢的热处理本篇难点 1 各力学性能指标的物理意义和测定方法2 铁碳合金状态图的分析3 钢的热处理 材料 可以用来制作产品的物质 材料按物质结构不同分 金属材料 非金属材料 有机高分子材料和陶瓷料 复合材料 材料按用途不同分 机械工程材料 土木工程材料 电工材料 电子材料 材料按功能不同分 结构材料 功能材料 磁性材料等 世界四大材料 钢铁 木材 塑料 水泥 常用工程材料按其化学成分 结合键的特点分 金属材料 非金属材料 复合材料 金属材料 指钢铁 有色金属等材料 非金属材料 无机高分子材料 陶瓷 水泥 木材等 有机高分子材料 如塑料 橡胶 复合材料 玻璃钢 碳纤维复合材料 硼纤维材料 现在新材料 纳米材料 智能材料 纳米材料 一般把分子粒径小于等于1 100nm 即10 9 10 7m 的材料称为纳米材料 广义地说 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围 1 100nm 或由他们作为基本单元构成的材料 智能材料 一种新型材料 由传感器或敏感元件等与传统材料结合而成 这种材料可以自我发现故障 自我修复 并根据实际情况作出优化反应 发挥控制功能 材料发展概括 石器时代 陶器时代 铜器时代 司母戊鼎 公元前11 16世纪 1130 780 1100 战国编钟 前475 221年 65个总重2500Kg 天然石 兽骨 树枝 泥巴 日晒 原始陶器 火烧 瓷器用具 铁器时代沧州大狮 公元953年 重50T 长5 3m 宽3m 人工复合材料 塑料 橡胶 陶瓷 钛合金 碳纤维 纳米等 智能材料 出土于河南安阳侯家庄武官村 此鼎形制雄伟 重达875公斤 高达133厘米 口长110厘米 口宽78厘米 是迄今为止出土的最大最重的青铜器 司母戊大鼎 1978年夏天出土于湖北随县 今湖北随州市 擂鼓墩战国早期曾国君王曾侯乙墓 这是一种打击乐器 供古代宗庙祭祀和宴请宾客时使用 全套编钟包括钮钟19件 甬钟45件 外加楚惠王赠送的一件钟 共65件 总重量二千五百多公斤 编钟以大小和音高为序编成8组 悬挂在铜木结构的三层钟架上 钟上均铸有篆书铭文 共二千八百余字 其内容全面地反映了战国时期我国乐律学达到的高度水平 这是我国迄今为止发现的数量最多 保存最完好的一套编钟 编钟音乐性能保存完好 音色优美 音域宽广 从最低音到最高音 共有五个八度 能演奏古今中外的乐曲 这套编钟的发现 对研究战国历史 音乐和冶铸技术等 都有着极高的价值 它的总用铜量达5吨之多 设计精巧 铸造瑰丽 出土时尚完整地悬挂在钟架上 音域宽广 音色优美 古今乐曲均能演奏 八鼓谐余韵绕梁令人惊叹叫绝 它是中国古代文化艺术的瑰宝 被誉为 世界第八奇迹 1983年湖北省博物馆等单位复制成功了28件编钟 演奏了 春江花月夜 等乐曲 抑扬顿挫和谐动听 湖北省歌舞团演出了历史歌舞 编钟乐舞 使观众听到了两千多年前的美妙声音 编钟的钟架称为钜 j 由245个构件组成 设计精巧 比例适宜 结构牢固 可以拆卸 虽然承受了二千多公斤重的全套编钟 历时二千多年 出土时仍矗立如故 是研究先秦音乐史与青铜铸造工艺的珍品 永乐大钟高6 75m 直径3 3m 重量46 5t的铜钟 是明朝永乐年间 约1420年 铸造的 在世界大钟之林中铸造年代最久远 钟身内外铸满了佛经 经文清晰 排列巧妙 总字数达230184个 是世界上铸字最多的大钟 撞击一下 钟声悠扬悦耳 可传40 50km 永乐大钟局部 上面载明大钟铸造的时间 沧州铁狮铸造于公元953年 铁狮子通高5 78米 身长6 5米 体宽3 17米 重约40吨 沧州铁狮子 当地又称作 镇海吼 它位于沧县旧州城内 坐落在原开元寺前 关于铁狮子的确实来历 有许多说法 古今不一 据 沧县志 记载 相传周世宗北征契丹罚罪人所铸 以镇州城 可是 后来的考据家分辩说 周世宗素不信佛 罚罪之说不足信 流传广泛又比较合乎情理的 是当地一个有名的传说 古时沧州一带滨临沧海 海水经常泛滥 海啸为害 民不聊生 当地人为清除这无情的水患 自动集资捐钱 请当时山东有名的铸造师李云铸此狮以镇遏海啸水患 并取名 镇海吼 狮身外面铸有捐钱者的姓名 一般认为此说比较可信 1996年我国钢产量超过一亿吨 变成世界第一产钢大国 这是为纪念钢产量突破一亿吨而发行的邮票 材料历史发展图片 陶器时代 第一章金属材料的主要性能 本章重点 金属材料的力学性能 主要内容 金属材料的力学性能 包括材料的强度 硬度 塑性 冲击韧性 疲劳强度等 本章难点 各性能指标的物理意义和测定方法 金属材料应用最为广泛 1 地球上的储量丰富 2 具备制造机器的物理和化学性能 3 易于加工 金属材料的性能 使用性能 力学 物理 化学 工艺性能 铸造 锻压 焊接 切削加工 力学性能 受外力作用下所表现出的性能 判据如 强度 塑性 硬度 韧性 疲劳强度等 金属材料的性能对零件的使用和加工有重要作用 第一节材料的力学性能 力学性能 材料在外力作用下所表现出的特性 一 外力作用下材料的变形与失效 作用在机件上的外力 载荷 F F MPa 外力 内力 应力 静载荷 载荷不随时间变化或者变化极其平稳缓慢 并且使各部件的加速度为0 起重机以等速度吊起重物 动载荷 载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化 起重机加速度吊起重物 F S 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 1 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 b k s e 拉伸力F O 伸长量 L Fs Fb Fe 低碳钢的力 伸长曲线 Fe 弹性变形 Fs s点为屈服点 Fb b 缩颈 FK k 断裂 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 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 应用 强度是机械零件 或工程构件 在设计 加工 使用过程中的主要性能指标 特别是选材和设计的主要依据 L0 LK d0 拉断前试样 拉断后试样 试样按GB6397 86制取 分长试样L0 10d0 短试样L0 5d0 说明 b k s e 拉伸力F O 伸长量 L Fs Fb Fe 低碳钢的力 伸长曲线 F F 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 注意 1 室温2 静载荷3 材料类型 1 强度 当材料单位面积上所受的应力 e s时 材料将产生明显的塑性变形 条件屈服强度 0 2 F0 2 A0 MPa 材料在外力作用下 抵抗塑性变形和断裂的能力 1 屈服强度 S 指材料在外力作用下 产生屈服现象时的应力 S Fs A0 MPa 它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力 屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据 k b F e s 100 0 2 b b Fb A0 MPa 2 抗拉强度 b 抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力 它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力 抗拉强度 是脆性材料选材的依据 高碳钢 60 65强度高 用于制造钢丝绳 弹簧 发条等 2 塑性 常用 和 作为衡量塑性的指标 伸长率 材料在外力作用下 产生永久变形而不引起破坏的能力 断面收缩率 F F L 良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件 低碳钢 10 15 20 塑性好 用于拉拔 冲压 锻造和焊接 对于塑性差的材料 用 0 2来代替 s 1 使材料具有良好的成形性 2 受到外力变形时 有强化作用 GB T228 2002 金属材料室温拉伸试验方法 规定 断后伸长率A表示 断面收缩率Z表示 屈服强度Re表示 抗拉强度Rm表示 此规定代替GB228 87 从2002年7月执行 3 硬度材料抵抗更硬的物体压入其内的能力 决定金属材料的耐磨性 刀具 模具 耐磨表面等 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 布氏硬度原理 图1 3 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 使用钢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HBS 450 HBW 650的金属材料 优缺点 压痕大 测量准确 但不能测量成品件 广泛用于测定铸铁 有色金属 退火钢等小于450HBS的金属材料 金属布氏硬度试验方法标准1 概述GB T231 1 2002 金属布氏硬度试验第1部分 试验方法 修改采用国际标准ISO6506 1 1999 金属材料布氏硬度试验第1部分 试验方法 是对GB T231 1984 金属布氏硬度试验方法 的修订 并于2002年12月31日发布 2003年6月1日实施 从实施之日起代替GB T231 1984 2 取消用钢球压头进行布氏硬度试验按旧标准规定 布氏硬度试验可以采用钢球压头或硬质合金球压头两种 压头为钢球时 用符号 HBS 或 HB 表示 压头为硬质合金球时 用符号 HBW 表示 钢球压头的布氏硬度试验适用于450HBS以下的材料 硬质合金球压头的布氏硬度试验适用于650HBW以下的材料 由于淬火钢球相对硬质合金球压头容易产生变形 当布氏硬度值超过350时 用钢球和硬质合金球得到的试验结果明显不同 因此 为了统一起见 新标准只规定了硬质合金球压头一种 因此 本标准实施后 硬度计应全部采用硬质合金球压头 技术文件应一律标注符号 HBW 补充说明 1 原理 洛氏硬度 应用范围 20 70 1500N 120 金刚石圆锥体 HRC 20 100 1000N 1 588mm钢球 HRB 60 85 600N 120 金刚石圆锥体 HRA 常用洛氏硬度标度的试验范围 硬质合金 表面淬火钢等 软钢 退火钢 铜合金等 淬火钢 调质钢等 4 冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力 常用的指标有冲击韧度 Ak 试验原理 试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功 Ak 等于摆锤冲击试样前后的势能差 冲击韧度 ak 冲击吸收功除以试样缺口处截面积 试验过程如图所示 计算公式Ak GH1 GH2 G H1 H2 在冲击载荷下工作的零件 很少是受大能量一次冲击而破坏的 往往是受小能量多次重复冲击而破坏的 材料的断裂前塑性变形的能力 与脆性相反 材料在断裂前有较大形变 断裂时断面常呈现外延形变 此形变不能立即恢复 其应力 形变关系成非线性 消耗的断裂能很大的材料 通常以冲击强度的大小 晶状断面率来衡量 韧性越好 则发生脆性断裂的可能性越小 5 疲劳强度金属材料抵抗交变载荷的作用而不破坏的能力 常用的指标有疲劳强度 1 零件发生疲劳破坏是没有预兆而突然断裂 此时发生疲劳破坏的应力远远小于抗拉强度 甚至比屈服强度还小 非常危险 有许多机械零件 如轴 齿轮 连杆和弹簧等 在工作过程中受到大小 方向随时间呈周期性变化的载荷作用 这种载荷称为交变载荷 材料在无数次重复或交变载荷作用下不引起破坏的最大应力 循环基数 钢 受交变载荷作用的零件 在其所受应力远远低于该材料的屈服强度时 会发生突然的断裂 而且是脆性断裂 据统计 约80 的机件失效为疲劳破坏 有色金属 疲劳强度是指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限 实际上 金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验 一般试验时规定 钢在经受10 7次 非铁 有色 金属材料经受10 8次交变载荷作用时不产生断裂时的最大应力称为疲劳强度 当施加的交变应力是对称循环应力时 所得的疲劳强度用 1表示 许多机械零件 如轴 齿轮 轴承 叶片 弹簧等 在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化 这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力 也称循环应力 在交变应力的作用下 虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点 但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳 疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一 据统计 在机械零件失效中大约有80 以上属于疲劳破坏 而且疲劳破坏前没有明显的变形 所以疲劳破坏经常造成重大事故 所以对于轴 齿轮 轴承 叶片 弹簧等承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造 金属内部结构并不均匀 从而造成应力传递的不平衡 有的地方会成为应力集中区 与此同时 金属内部的缺陷处还存在许多微小的裂纹 在力的持续作用下 裂纹会越来越大 材料中能够传递应力部分越来越少 直至剩余部分不能继续传递负载时 金属构件就会全部毁坏 金属疲劳的破坏作用 金属疲劳原理 金属在一定振幅下能承受多少次的震动 超过这个次数就超过了金属的疲劳极限 就会发生变形 如果振幅很大 就直接产生变形了 如果振幅很小 次数就可达到无限次 机械零件在交变压力作用下 经过一段时间后 在局部高应力区形成微小裂纹 再由微小裂纹逐渐扩展以致断裂 疲劳破坏具有在时间上的突发性 在位置上的局部性及对环境和缺陷的敏感性等特点 故疲劳破坏常不易被及时发现且易于造成事故 应力幅值 平均应力大小和循环次数是影响金属疲劳的三个主要因素 小结金属材料的力学性能是在外力作用下表现出的力学性能 在实际生产中应用相当广泛 三 材料的工艺性能 加工性能 第二节材料的物理 化学及工艺性能 自学 一 材料的物理性能 比重 密度 熔点 导电性 导热性 磁性 热膨胀系数 二 材料的化学性能 耐酸性 耐碱性 抗氧化性 思考题 1将钟表发条拉成一直线 问这是弹性变形还是塑性变形 怎样判断它的变形性质 2疲劳破坏有什么危害 在什么情况下发生疲劳破坏 产生原因是什么 如何提高零件的疲劳强度 第二章铁碳合金 本章重点 金属的晶体结构及同素异晶转变铁碳合金的基本组织铁碳合金状态图难点 状态图的分析 金属的晶体结构 金属的性能是由其组织结构决定的 其中结构指的就是晶体结构 金属的晶体结构就是其内部原子的排列方式 因为金属是晶体 所以称为晶体结构 原子作无序排列 没有固定的熔点 各向同性 所有的金属和合金都是晶体 原子作有序排列 有固定的熔点 各向异性 晶格 原子排列形成的空间格子 晶胞 组成晶格最基本的单元 第一节纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 一 金属的结晶 原子由无序状态向有序状态转变的过程 有晶体形成 结晶 液态金属凝结成固态金属的现象 理论结晶温度 金属在无限缓冷冷却下结晶得到的结晶温度To 计算出来的 实际结晶温度 金属以实际冷却速度冷却结晶得到的结晶温度Tn 实际测量出来的 平时浇注的温度 金属结晶的过冷现象 金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度 Tn To 过冷度 To Tn T 变量 冷却速度越快 过冷度越大 金属的结晶 纯金属的冷却曲线 理想状态 金属的结晶 纯金属的冷却曲线 实际 金属的结晶 结晶的必要条件 过冷度 金属的结晶过程 原子团 形核 晶核长大 小晶粒 晶粒 外形不规则的小晶体 晶核 自身晶核 外来晶核 晶核长大方式 树枝状方式 晶界 晶粒间的分界面 形核 长大 形成多晶体 两个过程重叠交织 细化晶粒的方法 增加冷却速度 增大过冷度 增加外来晶核 热处理或塑性加工 采用机械 超声波振动 电磁搅拌等 晶粒粗细对材料力学性能的影响 同一成分的金属 晶粒越细 强度越高 塑性和韧性也越好 二 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 Cr Mo W V Fe Fe Cu Ni Ag Au Mg Be Zn Ti Cr 晶体中的原子排列 三 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 第二节铁碳合金的基本组织 合金 由两种或两种以上的元素通过熔炼后所获得的新的物质仍然具有金属特性 组元 组成合金的最基本的 最独立的元素 相 凡是成分相同 结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分 例如 单一的液相 单一的固相 液相 固相两相共存 组织 借助于放大镜 显微镜下观察到具有某种形态 形貌特征的组成部分 一 固溶体 由两种组元相互溶解后所组成的新的物质仍然保持其中某一组元的晶体结构 置换固溶体 A组元的原子取代了B组元的原子 当A B两个组元的原子直径相差不大时 两个组元可以以任何比例溶解 形成无限固溶体 反之则为有限固溶体 间隙固溶体 A组元溶入B组元的的间隙中 只能形成有限固溶体 例如 C溶入 Fe或 Fe所形成的铁素体 奥氏体 置换固溶体和间隙固溶体的区别 固溶强化 晶格畸变 强度 硬度上升的现象 1 铁素体F C Fe中形成的固溶体 912 纯铁 单相 层片状 体心立方晶格 727 时最大C的溶量为0 0218 2 奥氏体A C Fe中形成的固溶体 1394 912 纯铁 单相 层片状 面心立方晶格 1148 时最大C的溶量为2 11 727 时最大C的溶量为0 77 轧制 锻造等加热到高温 呈A状态 二 化合物A B两组元相互溶解后所形成的新的物质既不是A组元的结构 也不是B组元的结构 而是自身的一种独立的结构 硬而脆 例如 Fe和C所形成的化合物Fe3C 就是一种典型的金属化合物 三 机械混合物 定义 两个或两个以上的相按照一定比例混合而成的物质 固溶体 固溶体 金属化合物 金属化合物 机械混合物中各相仍保持自己原有的晶格类型和性能 其性能主要取决于各组成相的性能以及相的数量 形状 大小和分布状态等 例如 钢铁 铝合金 铜合金 钛合金等 1 珠光体P F Fe3C两相 机械混合物 0 77 C 强度高 硬度较高 2 莱氏体Ld Ld 两相机械混合物 含碳量 4 3 C Ld A Fe3C727 1148 高温莱氏体 Ld P Fe3C20 727 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 第三节铁碳合金状态图 一 铁碳合金状态图的建立 1 配制不同成分的铁碳合金 用热分析法测定各合金的冷却曲线 2 从各冷却曲线上找出临界点 并将各临界点分别画到成分 温度坐标中 3 将意义相同的临界点连接起来 二 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 Fe Fe3C简化状态图 L 1 状态图作用 1 研究钢铁的成分 组织和性能之间关系理论基础 2 制定热加工工艺的依据 简化Fe Fe3C状态图 2 基本组织 铁素体FFerrite 碳在 Fe中所形成的间隙固溶体 特点 塑性 韧性好 强度 硬度低 奥氏体A austenite英国金相学家 碳在 Fe中的间隙固溶体 特点 塑性较好 强度较低 渗碳体Fe3C 是Fe与C的化合物 特点 硬度很高 很脆 塑性几乎等于零 在钢中起强化作用 cementite 珠光体P pearlite 日本 是F与Fe3C机械混合物 WC 0 77 特点 有一定的强度 塑性 层片状 莱氏体Ld Ledeburite 德国金相学家 特点 硬而脆 不能进行压力加工 是高温下A与Fe3C的机械混合物 共晶反应的产物 Wc 4 3 反应式 L4 3 Ld A Fe3C 1148 注 随温度降低至727 时 A转变为P 室温下变成 P Fe3C共晶组织 称为低温莱氏体L d L d P Fe3C F A Fe3C是单相组织 P Ld是混合物 3 状态图中的特性点 线 区域组织 工业纯铁 碳钢 白口铸铁 亚共析钢 共析钢 过共析钢 亚共晶白口铸铁 共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁 力学性能变化 随碳含量增加 其强度 硬度 塑性 韧性 但当WC 0 9 后 其HB b ak 特性点 A 1538 含C0 纯铁熔点 C 1148 4 3 共晶点 D 1227 6 69 渗碳体熔点 E 1148 2 11 C在 Fe中最大溶解度 F 1148 6 69 Fe3C的成分点 S 727 0 77 共析点 特性线 1 ACD线 2 AECF线 固相线 液相线 AE线是碳钢固相线 5 ECF线 共晶转变线L Ld 4 GS线 A3线 3 ES线 Acm线 6 PSK线 共析转变线 A p A1线 4 合金的结晶过程分析 亚共析钢 共析钢 过共析钢 A F A L E A Fe3C L A 5 合金的结晶过程分析 A E G P Q S Fe L A L A F F A F P P P Fe3C A Fe3C 0 77 2 11 共析钢WC 0 77 1 2 3 P 亚共析钢 1 2 3 4 1 2 3 4 4 L L A A F A A P P F 冷却曲线 过共析钢WC 1 0 二 钢在结晶过程中的组织转变 1 共析钢 S点成分的合金 图1 18共析钢结晶示意图 室温组织是 P 2点 结晶终点 A 3点 共析点 P 图1 20亚共析钢结晶示意图 1 亚共析钢 S点成分左的合金 沿GS线 A的含C量增大至S点 3 4点 F A 2点 结晶终点 A 3点 析出点 F 4点 共析 A P 室温组织是 F P 图1 22过共析钢结晶示意图 S点成分右的合金 沿ES线 A的含C量降低至S点 3 4点 A Fe3C 2点 结晶终点 A 3点 析出点 Fe3C 4点 共析 A P 室温组织是 P Fe3C 1点 凝固点 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 L d 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 第四章工业用钢分类 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 C 0 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 T699 99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 当Mn 0 7 1 3 标出 3 碳素工具钢 含碳量0 7 1 3 GB T1298 86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 质量 优质S 0 035 P 0 035 高级S 0 02 P 0 03 碳素工具钢的性能 硬度高 塑性和韧性低 淬透性与红硬性差 淬火 低温回火后硬度为58 62HRC 碳素工具钢的应用 多用于制造低速刃具 手用工具和量具 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 MnSiCrNiMoWVTiB 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 1 可焊接的高强度结构钢 规定的屈服强度大于360MPa而小于420MPa的一般用途低合金结构钢 如GB T1591规定的Q295B Q345B Q345C Q345D Q345E Q390A Q390B Q390C Q390D Q390E 2 低合金耐候钢 如GB T417l规定的09CuPCrNi A 09CuPCrNi B 09CuP GB T4172规定的16CuCr 12MnCuCr 15MnCuCr 15MnCuCr QT 3 低合金钢筋钢 如GB1499规定的20MnSi 20MnTi 20MnSiV 25MnSi 20MnNbb 4 铁道用低合金钢 如GB2585规定的低合金重轨钢U71Cu U71Mn U70MnSi U71MnSiCu YB T5055规定的起重机用低合金钢轨钢U71Mn 5 矿用低合金钢 如GB T3414规定的M510 M540 M565热轧钢 表1 7低合金高强钢的牌号 化学成分 力学性能和用途 P33 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 MnSiCrNiMoWVTiB 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 60Si2Mn0 6 C 2 Si 1 5 Mn18Cr2Ni4WA0 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 CrCrWMn 长铰刀 丝锥 拉刀 精密丝杠 高速钢含C 1 0也不标W18Cr4V0 7 0 8 C 18 W 4 Cr 1 5 V应用 刃具 模具 量具等 高速钢HighSpeedSteels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10 25 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860 880 淬火时由于它的导热性差一般分两阶段进行 先在800 850 预热 以免引起大的热应力 然后迅速加热到淬火温度1190 1290 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2 3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 1Cr131Cr18Ni9Ti等耐热钢 1Cr132Cr13 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HB450 550 表面耐磨 心部为A 奥氏体 水韧处理 钢加热到临界点以上 1000 1100 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 1 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 55HRC 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 第三章钢的热处理 1 热处理的理论依据 912 金属铁 Fe 高温下 Fe同素异构转变面心立方体心立方 塑性高 无磁性 耐蚀性好 磁性 热处理基础知识 2 钢的成分 组织及性能 钢的成分 C 0 0218 2 11 热处理基础知识 简化的铁碳合金状态图 钢的基本组织 奥氏体A 铁素体F 渗碳体K 珠光体P 表一钢的成分 组织与性能的关系 热处理基础知识 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 普通热处理 表面热处理 退火 正火 淬火 回火 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 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 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 第一节钢在加热和冷却时的组织转变 在实际生产中 由于加热和冷却不是很缓慢 因此实际发生组织转变的温度与相图的A1 A3 Acm有一定的偏离 通常加热用Ac1 Ac3 Accm表示 冷却用Ar1 Ar3 Arcm表示 将钢加热至Ac3或Ac1以上 获得完全或部分奥氏体组织的操作称为奥氏体化 奥氏体化 工件加热奥氏体组织 图1 24钢在加热和冷却时各临界点的位置 过热 Ac1 Ac3 Accm 过冷 Ar1 Ar3 Arcm AC1 加热时 珠光体转变为奥氏体的温度 Ar1 冷却时 奥氏体转变为珠光体的温度 AC3 加热时 铁素体转变为奥氏体 Ar3 冷却时 奥氏体转变为铁素体的开始温度 ACCm 加热时 二次渗碳体在奥氏体中的溶解的终了温度 ArCm 冷却时 二次渗碳体从奥氏体中析出的终了温度 钢号 10253050T10T12AC1 727735732727730730AC3 876840813774Ar3 850824796755Ar1 710710714718718713ACCm 800820加热 冷却时的理想温度 A1 A3 ACm实际加热温度 AC1 AC3 ACCm 0 20 实际冷却温度 Ar1 Ar3 ArCm 0 20 一 钢在加热时的组织转变形成晶粒细小 成分均匀的A 加热保温 奥氏体化过程示意图 二 钢在冷却时的组织转变过冷奥氏体 暂时保留在A1以下的奥氏体 连续冷却转变 使加热到奥氏体化的钢连续降温进行组织转变等温冷却转变 使加热到奥氏体化的钢以较快的冷却速度冷到A1以下某温度保温 在等温下发生组织转变 掌握A在什么冷却条件下向什么组织的转变 以便正确地选择合适的冷却方法来控制钢的组织和性能 这便是各种热处理操作方法的主要理论依据 共析钢过冷A的等温转变曲线图 亚共析碳钢与过共析碳钢过冷奥氏体的等温转变 过冷奥氏体的等温转变产物组织和性能 1 珠光体型转变 高温转变 Ar1 550 Ar1 650 片层珠光体 25HRC650 600 细珠光体 索氏体S 25HRC 30HRC600 550 极细珠光体 托氏体T 35HRC 40HRC 2 贝氏体型转变 中温转变 550 Ms 550 350 平行条状铁素体上分布细微渗碳体40HRC 45HRC强度和韧性都较差350 Ms针状铁素体分布极细小碳化物50HRC 55HRC硬度高 韧性好 具有较好的综合机械性能 3 马氏体型转变 低温转变 Ms以下低温区 马氏体 硬度高 韧性差 三 过冷奥氏体等温转变曲线在连续冷却中的应用 过冷奥氏体的连续冷却转变 临界冷却速度vk 过冷奥氏体转变为M 少量A 的最低冷却速度 第二节退火和正火 一 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30 50 保温后缓慢冷却 2 球化退火 将过共析钢加热到Ac1线以上20 30 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150 250 降低硬度 恢复塑性 完全退火 亚共析钢Ac3 30 50oC 保温 炉冷目的 a 使热加工造成的粗大 不均匀的组织细化b 消除内应力和组织缺陷c 降低硬度 改善切削加工性能 球化退火 过共析钢Ac1 10 20oC 保温 缓冷目的 a 使网状的二次渗碳体球状化 为以后的热处理作组织准备b 降低硬度 改善切削加工性能应先正火 再球化退火 去应力退火 低温退火 100 200oC h至 500 650oC A1 保温 炉冷 50 100oC h至300 200oC 空冷 目的 消除残余应力 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 二 正火 将钢加热到Ac3线以上30 50 亚共析钢 或Accm以上30 50 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 第三节淬火和回火 淬火 将钢加热到Ac3或Ac1线以上30 50 保温后在淬火介质中快速冷却 Fe向a Fe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 马氏体形成过程中将伴随着体积膨胀 造成淬火内应力 应采取以下措施 1 严格控制淬火加热温度温度低 硬度低 温度高 晶粒粗大 应力大 易产生裂纹 2 合理选择淬火介质淬透性好 选油淬 3 正确选择淬火方法采用水油双介质淬火法 淬硬性 钢在正常淬火条件下淬火形成的M所能达到的高硬度 淬透性 钢在规定淬火条件下可以达到的淬硬层深度 淬透性 hardenability 表示钢在一定条件下淬火时获得淬透层深度的能力 主要受奥氏体中的碳含量和合金元素的影响 淬透性 指在规定条件下 决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性 即钢淬火时得到淬硬层深度大小的能力 它表示钢接受淬火的能力 钢材淬透性好与差 常用淬硬层深度来表示 淬硬层深度越大 则钢的淬透性越好 钢的淬透性是钢材本身所固有的属性 它只取决于其本身的内部因素 而与外部因素无关 钢的淬透性主要取决于它的化学成分 特别是含增大淬透性的合金元素及晶粒度 加热温度和保温时间等因素有关 淬透性好的钢材 可使钢件整个截面获得均匀一致的力学性能以及可选用钢件淬火应力小的淬火剂 以减少变形和开裂 淬透性主要取决于其临界冷却速度的大小 而临界冷却速度则主要取决于过冷奥氏体的稳定性 影响奥氏体的稳定性主要是 1 化学成分的影响碳的影响是主要的 当C 小于1 2 时 随着奥氏体中碳浓度的提高 显著降低临界冷却速度 C曲线右移 钢的淬透性增大 当C 大于1 2 时 钢的冷却速度反而升高 C曲线左移 淬透性下降 其次是合金元素的影响 除钴外 绝大多数合金元素溶入奥氏体后 均使C曲线右移 降低临界冷却速度 从而提高钢的淬透性 2 奥氏体晶粒大小的影响奥氏体的实际晶粒度对钢的淬透性有较大的影响 粗大的奥氏体晶粒能使C曲线右移 降低了钢的临界冷却速度 但晶粒粗大将增大钢的变形 开裂倾向和降低韧性 3 奥氏体均匀程度的影响在相同冷度条件下 奥氏体成分越均匀 珠光体的形核率就越低 转变的孕育期增长 C曲线右移 临界冷却速度减慢 钢的淬透性越高 4 钢的原始组织的影响钢的原始组织的粗细和分布对奥氏体的成分将有重大影响 5 部分元素 例如Mn Si等元素对提高淬透性能起到一定作用 但同时也会对钢材带来其他不利的影响 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 150 250 目的是降低淬火钢的内应力和脆性 并保持高硬度 56 64HRC 和耐磨性 如模具 刃具等 2 中温回火 350 500 目的是使钢获得高弹性 并保持较高硬度 35 50HRC 和一定的韧性 如弹簧 锻模等 3 高温回火 调质处理 500 650 硬度20 35HRC 强度及韧性等综合性能较好 如连杆 曲轴 齿轮等 第四节钢的表面热处理仅对工件表面层进行热处理 以改变其组织和性能的工艺 一 表面淬火概念 目的 应用 方法 1 感应加热表面淬火A 感应加热表面淬火基本原理 1 高频感应加热表面淬火频率50KHz 300KHz 淬硬层深度0 5mm 2 0mm 应用 中小模数齿轮和中小尺寸的轴类零件 2 中频感应加热表面淬火频率1KHz 10KHz 淬硬层深度2mm 10mm应用 大 中模数齿轮和较大直径轴类零件 3 工频感应加热表面淬火频率50Hz 淬硬层深度10mm 20mm应用 大直径轧辊 火车车轮等零件B 感应加热表面淬火特点及应用适用于中碳钢和中碳合金钢的成批大量生产 2 火焰加热表面淬火利用氧 乙炔 或其他可燃气 火焰对零件表面进行加热 随之冷却的工艺 适用于单件小批生产 二 化学热处理将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温 使一种或几种元素渗入它的表层 以改变其化学成分 组织和性能的热处理工艺 基本过程 活性介质分解 表面吸收 向内部扩散 1 钢的渗碳目的 提高表层的硬度的耐磨性 并保持心部良好的韧性 分类 气体渗碳 固体渗碳和液体渗碳 1 气体渗碳加热到900 950 工件在井式渗碳炉中 滴入易于热分解和气化的液体进行渗碳 2 固体渗碳颗粒状的木炭为渗碳剂 平均速度为0 1mm h 3 渗碳后的组织和热处理表层含碳量0 85 1 05 渗碳层厚度为0 5mm 2 5mm 渗碳后进行淬火和低温回火 2 钢的渗氮 氮化 目的 提高硬度 耐磨性 疲劳强度和耐蚀性 1 气体渗氮 2 离子渗氮 离子氮化 3 碳氮共渗其他热