机械制造基础 第一章 工程材料图文

机械制造基础机械制造基础 第一章第一章 工程材料图文工程材料图文 鸡西大学理工系机械制造基础系机械教研室鸡西大学理工系绪论1本 课程的性质和研究内容2机械制造业在国民经济中1本课程的性质和 研究内容2机械制造业在国民经济中系机械教研室的作用3本课程的 任务和要求的作用3本课程的任务和要求鸡西大学理工系 一 本课程的性质和内容 1 本课程的性质 2 本课程的内容数控 机械 模具类专业的主干专业基础课机械制 造将原材料制成零件的毛坯 将毛坯加工成机械零件再将零件装配 成机器的整个过程系机械教研室生产准备毛坯制造机械加工装配调 试 车铣 刨 磨 钻 镗等 组装 部装 总装 铸造 锻 造 焊接 冲压等 车铣 刨 磨 钻 镗等 组装 部装 总装 铸造 锻造 焊接 冲压等 械零件 再将零件装配成机 器的整个过程 市场调查 购买原材料 市场调查 购买原材料 鸡西大学理 工系 二 机械制造技术的发展及其作用 1 作用机械制造技术是国民经济的支柱产业 是衡量一个国家现代 化程度的重要标志之一 机械制造技术是国民经济的支柱产业 是衡量一个国家现代化程度 的重要标志之一 22 机械制造技术的发展史系机械教研室 22 机械制造技术的发展史 1 人类社会的划分是以材料为依据的 2 我国古代在材料和机械制造方面的辉煌成就 1 人类社会的划分是以材料为依据的 2 我国古代在材料和机械制造方面的辉煌成就鸡西大学理工系 三 本课程的学习目的和学习方法 1 目的 1 了解和掌握常用的工程材料 2 了解和掌握铸造 锻造 焊接 切削加工和特种加工 1 了解和掌握常用的工程材料 2 了解和掌握铸造 锻造 焊接 切削加工和特种加工 系机械 教研室 3 熟悉机械制造全过程 并了解现代机械制造技术 2 学习方法鸡西大学理工系 1 金属材料的性能使用性能指材料在使用过程中所表现的性能 主 要包括力学性能 物理性能和化学性能 指材料在使用过程中所表现的性能 主要包括力学性能 物理性能 和化学性能 第一章工程材料1 1金属材料的力学性能系机械教研室工艺性能指在 制造机械零件的过程中 材料适应各种冷 热加工和热处理的性能 指在制造机械零件的过程中 材料适应各种冷 热加工和热处理的 性能 2 金属材料力学性能包括铸造性能 锻造性能 焊接性能 冲压性 能 切削加工性能和热处理工艺性能铸造性能 锻造性能 焊接性 能 冲压性能 切削加工性能和热处理工艺性能等 指材料在外力作用下表现出来的性能 主要有强度 塑性 硬度 冲击韧度和疲劳强度强度 塑性 硬度 冲击韧度和疲劳强度等 鸡西大学理工系第一节强度与塑性 一 材料的拉伸曲线 1 oe段弹性变形阶段 2 es段塑性变形阶段系机械教研室 3 S点屈服点 4 b点出现缩颈现象 拉伸力达到最大值 试样即将断裂 3 S点屈服点 4 b点出现缩颈现象 拉伸力达到最大值 试样即将断裂 鸡西大学理工系强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力 二 强度 1 弹性极限F e试样产生弹性变形所承受的最大拉伸力A e F e A0 e金属材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值系机械 教研室 2 屈服强度 s材料产生屈服现象时的最小应力F s试样屈服时所承受的拉伸力A0试样原始横截面积0 ssFMPaA A0试 样原始横截面积鸡西大学理工系 3 抗拉强度0 bbFMPaA 指试样拉断前所承受的最大拉应力 试样在拉断前所承受的最大载荷指试样拉断前所承受的最大拉应力 试样在拉断前所承受的最大载荷 bbF0A试样原始截面积条件屈服极 限有些塑性较低的材料没有明显的屈服点 难于确定产生塑性变形 的最小应力故规定当试样产生系机械教研室难于确定产生塑性变形 的最小应力 故规定当试样产生0 2 的塑性变形时所对应的应力作为材料开始产 生明显塑性变形时的屈服强度 称为条件屈服极限 0 2 的塑性变形时所对应的应力作为材料开始产生明显塑性变形时 的屈服强度 称为条件屈服极限 2 0 零件设计时对塑性材料采用屈服强度 脆性材料采用 脆性材 料采用抗拉强度 鸡西大学理工系 三 塑性塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力 评定指标是的能力 评定指标是伸长率和断面收缩率 1 伸长率指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比 L L11 L L x100 系机械教研室 11 2 断面收缩率指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横 截面积的百分比 A00 A11 A00 x100 鸡西大学理工系硬度指金属材料抵抗外物压入其表面 的能力 也是衡量金属材料软硬程度的一种力学性能指标 工程上常用的有指金属材料抵抗外物压入其表面的能力 也是衡量 金属材料软硬程度的一种力学性能指标 工程上常用的有布氏硬度 洛氏硬度和维氏硬度布氏硬度 洛氏硬 度和维氏硬度 1 硬度 用钢球为压头S HBS常用范围HBS 450第二节硬度与韧性系机械教研室HBS 常用范围 HBS 450优缺点 1 测量值较准确 重复性好 可测组织不均匀材料 铸铁 测量 值较准确 重复性好 可测组织不均匀材料 铸铁 2 可测的硬度值不高 3 不测试成品与薄件 4 测量费时 效率低 用硬质合金为压头HBW表示 较少用 鸡西大学理工系优缺点 1 试验简单 方便 迅速 2 压痕小 可测成品 薄件 3 数据不够准确 应测三点取平均值数据不够准确 应测三点取 平均值 4 不应测组织不均匀材料 如铸铁系机械教研室如铸铁 鸡西大学理工系指金属材料抵抗冲击负荷的能力 可用摆锤冲击试 验机来测定金属材料的冲击值 冲击韧度值可用下式计算 指金属材料抵抗冲击负荷的能力 可用摆锤冲击试验机来测定金属 材料的冲击值 冲击韧度值可用下式计算 22 冲击韧度摆锤冲击试样h1指针FGh GHFAkk 冲击韧度 J cm2 系机械教研室试样底座图1 6冲击试验原理k 冲击韧度 J cm2 kA冲击吸收功 J G摆锤重 量 N H摆锤抬升高度 m h摆锤冲击后的高度 m F试样 缺口底部处横截面积 cm2 鸡西大学理工系 33 疲劳强度疲劳强度 33 疲劳强度疲劳强度 机械零件在周期性或非周期性动载荷 称为疲劳载荷 的作用下工 作发生断裂时的应力 用表示 机械零件在周期性或非周期性动载荷 称为疲劳载荷 的作用下工 作发生断裂时的应力 用表示 1 系机械教研室鸡西大学理工系1 2金属的晶体结构与结晶 一 金属的晶体结构 1 晶体 其内部原子在空间作有规则的排列 如食盐 金刚石等 纯金属及 合金均属于晶体 其内部原子在空间作有规则的排列 如食盐 金刚石等 纯金属及 合金均属于晶体 晶体的特点是 原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列 1 晶体与非晶体晶体的特点是 原子在三维空间呈有规则的周期性 重复排列 1 晶体与非晶体系机械教研室 2 非晶体 其内部原子杂乱无章地不规则的堆积 如玻璃 沥青等 其内部原子杂乱无章地不规则的堆积 如玻璃 沥青等 具有一定的熔点 如铁的熔点为1538 铜的熔点为1083 晶体的性能随着原子的排列方位而改变 即单晶体具有各向异性 非晶体的特点是 原子在三维空间呈不规则的排列 没有固定熔点 随着温度的升高将逐渐变软 最终变为有明显流 动性的液体 如塑料 玻璃 沥青等 各个方向上的原子聚集密集大致相同 即具有各向同性 具有一定的熔点 如铁的熔点为1538 铜的熔点为1083 晶体的性能随着原子的排列方位而改变 即单晶体具有各向异性 非晶体的特点是 原子在三维空间呈不规则的排列 没有固定熔点 随着温度的升高将逐渐变软 最终变为有明显流 动性的液体 如塑料 玻璃 沥青等 各个方向上的原子聚集密集大致相同 即具有各向同性 鸡西大学理工系 2 晶格与晶胞1 晶格 把晶体内的每一个原子看成一个小球 把这些小球用线条连接起来 形成一个空间格架 这种空间格架叫晶格 把晶体内的每一个原子看成一个小球 把这些小球用线条连接起来 形成一个空间格架 这种空间格架叫晶格 2 晶胞 晶格的最小几何组成单元 系机械教研室鸡西大学理工系 3 常见金属的晶格类型系机械教研室鸡西大学理工系 4 金属的实际晶体结构 单晶体与多晶体单晶体即原子排列得非常 整齐 晶格位向完全一致 且无任何缺陷存在 多晶体即由许多位向不同的晶体组成 且其内部还存在着多种晶体 缺陷 金属的晶体缺陷 单晶体与多晶体单晶体即原子排列得非常整齐 晶格位向完全一致 且无任何缺陷存在 多晶体即由许多位向不同的晶体组成 且其内部还存在着多种晶体 缺陷 金属的晶体缺陷系机械教研室 点缺陷 线缺陷 面缺陷 鸡西大学理工系 二 金属的结晶 CLa结晶开始点 CLT0理论结晶温度T1实际结晶温度 T TT0理论结晶温度T1实际结晶温度 T T00 T11 过冷度 1 纯金属的结晶系机械教研室T0LabS0a结晶开始点b结晶终了点 纯 金属的冷却曲线 理想状态 LT0T1S0 纯金属的冷却曲线 实际 鸡西大学理工系 CabLsL sa结晶开始点b结晶终了点合金的结晶是在 一个温度范围内完成 a结晶开始点b结晶终了点合金的结晶是在一个温度范围内完成 系机械教研室s0 合金的冷却曲线鸡西大学理工系 2 金属的结晶过程系机械教研室原子团形核晶核长大小晶粒晶粒 外形不规则的小晶体 原子团形核晶核长大小晶粒晶粒 外形不规 则的小晶体 增加过冷度 进行变质处理 附加振动 3 细化晶粒的方法金属晶粒的粗细对金属力学性能影响很大 一般 说 同一成分的金属晶粒越细 其强度越高 硬度也越高 塑性 韧性也越好 晶核越多 晶粒越细 增加过冷度 进行变质处理 附加振动 3 细化晶粒的方法金属晶粒的粗细对金属力学性能影响很大 一般 说 同一成分的金属晶粒越细 其强度越高 硬度也越高 塑性 韧性也越好 晶核越多 晶粒越细 细晶强化 鸡西大学理工系 三 纯铁的同素异构转变纯铁固态下 在不同温度范围内将呈现出不 同的晶格形态 这种现象称为同素异晶转变 在不同温度范围内将呈现出不同的晶格形态 这种现象称为同素异 晶转变 系机械教研室 液体 1538 体心 1394 面心 912 体心 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 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 鸡西大学理工系1 3铁碳合金 一 合金的基本概念 1 合金合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素 组成的具有金属特性的物质 合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的 具有金属特性的物质 2 组元组成合金的基本的物质称为组元 系机械教研室组成合金的基本的物质称为组元 3 合金系给定组元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金 构 成一个合金系 4 相相是指在金属组织中化学成分 晶体结构和物理性能相同的组 分 5 组织组织泛指用金相观察方法看到的由形态 尺寸不同和分布方 式不同的一种或多种相构成的总体 组织泛指用金相观察方法看到的由形态 尺寸不同和分布方式不同 的一种或多种相构成的总体 鸡西大学理工系 二 合金的相根据构成合金各组元之间相互作用的不同 固态合金 的相可分为根据构成合金各组元之间相互作用的不同 固态合金的 相可分为固溶体和金属化合物两大类 1 固溶体溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的合金相 称为固溶体 溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的合金相 称为固 溶体 固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体系机械教研室固溶体可分为 置换固溶体和间隙固溶体 置换固溶体 溶质原子代替了一部分溶剂原子 占据了溶剂的某些节点 溶质原子代替了一部分溶剂原子 占据了溶剂的某些节点 间隙固溶体 溶质的原子进入溶剂晶格空隙部分 不占据节点的位置 溶质的原子进入溶剂晶格空隙部分 不占据节点的位置 例如C溶入 Fe或 Fe所形成的铁素体 奥氏体 铁碳合金都是间隙固溶体 碳的溶解度是有限的 属于有限固溶体 碳在铁中的溶解度主要取 决于铁的晶格类型 并随温度的升高而增加 铁碳合金都是间隙固溶体 碳的溶解度是有限的 属于有限固溶体 碳在铁中的溶解度主要取 决于铁的晶格类型 并随温度的升高而增加 鸡西大学理工系机械教研室 固溶强化 形成固溶体时 溶剂的晶格产生不同程度的畸变 这种畸变使塑性 变形阻力增加 表现为固溶体的强度 硬度增加 这种现象称为固 溶强化 形成固溶体时 溶剂的晶格产生不同程度的畸变 这种畸变使塑性 变形阻力增加 表现为固溶体的强度 硬度增加 这种现象称为固 溶强化 鸡西大学理工系 2 金属化合物金属化合物 各组元按一定的整数比结合而成 并具有金属性质的均匀物质 属 单相组织 金属化合物一般具有复杂的晶格 且和各组元的晶格不 相同 其性能特征是并具有金属性质的均匀物质 属单相组织 金 属化合物一般具有复杂的晶格 且和各组元的晶格不相同 其性能 特征是硬而脆 例如渗碳体Fe 例如渗碳体Fe33C是金属化合物 硬度极高800HBS可以划玻璃 塑性 韧性极低 伸长率和冲击韧性近于系机械教研室以划玻璃 塑性韧 性极低 伸长率和冲击韧性近于零 渗碳体是强化相 其组织呈片状 球状 网状等不同形状 渗碳体 的数量 形态 和分布对钢的性能影响很大 渗碳体在一定条件下可发生分解Fe零 渗碳体是强化相 其组织呈片状 球状 网状等不同形状 渗碳体 的数量 形态 和分布对钢的性能影响很大 渗碳体在一定条件下可发生分解Fe33C 3Fe C石墨鸡西大学理工系 3 机械混合物 机械混合物是在结晶过程中形成的两相组织 例如 可以是纯金属 固溶体 或化合物的混合物 各相保持原有的晶格 混合物的性能介于各组成相之间 和各相的形状 大小 和分布 有关 铁碳合金中的机械混合物有机械混合物是在结晶过程中形成的两相 组织 例如可以是纯金属 固溶体 或化合物的混合物 各相保持 原有的晶格 混合物的性能介于各组成相之间 和各相的形状 大 小 和分布有关 铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体 系机械教研室鸡西大学理工系 三 铁碳合金的基本组织1 铁素体 F 碳溶于中的固溶体 它保持 体心立方晶格结构 溶解度 0 008 碳溶于中的固溶体 它保持体心立方晶格结构 溶解度 0 008 0 02 故性质接近纯铁 强度 硬度低 塑性 韧性好 0 02 故性质接近纯铁 强度 硬度低 塑性 韧性好 Fe 系机械教研室铁素体的显微组织力学性能铁素体的显微组织力 学性能 b 250MPa 45 50 HBS 80 鸡西大学理工系2 奥氏体 A 碳溶于中的固溶体 保持面心立方晶 格结构 溶解度 0 77 碳溶于中的固溶体 保持面心立方晶格结构 溶解度 0 77 2 11 其强度和硬度略高于铁素体 塑性 韧 性较好 2 11 其强度和硬度略高于铁素体 塑性 韧性较好 Fe 力学性能2030系机械教研室图1 16奥氏体的显微组织 b 250 350MPa HBS 160 200 40 45 鸡西大学理工系3 渗碳体 Fe33C 铁和碳组成的金属化合物 复杂 斜方晶体结构 含碳量为6 69 其硬度很高 塑性 韧性几乎为零 脆性极大 在 一定条件下分解为铁和石墨 铁和碳组成的金属化合物 复杂斜方晶体结构 含碳量为6 69 其硬度很高 塑性 韧性几乎为零 脆性极大 在 一定条件下分解为铁和石墨 P4 珠光体P F Fe3C 珠光体是铁素体和渗碳系机械教研室珠光体 是铁素体和渗碳体的机械混合物 其显微组织珠光体强度较高 塑性 韧性和硬度介于渗碳体和铁素 体之间 体的机械混合物 其显微组织珠光体强度较高 塑性 韧性和硬度介于渗碳体和铁素 体之间 良好的力学性能 b 750MPa 20 25 k 30 40 J cm2 鸡西大学理工系727 以上为高温Ld A Fe3C 727 以下为低温Ld P Fe3C 力学性能与 力学性能与Fe3C相似 硬而脆5 莱氏 体Ld系机械教研室鸡西大学理工系LL AAF AA Fe3C IIA Fe3C II LdLdL Fe3C ILd Fe3C I 四 铁碳合金相图系机械教研室图1 19铁碳合金相图F AFF P PP Fe3C IIP Fe3C II Ld A Fe3C IILd Ld Fe3C I鸡西大学理工系相图上的特性线和点如下2 AECF线 固相线 当合金冷却到此线时 金属液全部结晶为固相 在此线以下区域为 固相 当合金冷却到此线时 金属液全部结晶为固相 在此线以下区域为 固相 1 ACD线 液相线 当金属液冷却到此线时开始结晶 在此线以上区域为液相 当金属液冷却到此线时开始结晶 在此线以上区域为液相 3 A点 纯铁的熔点 1538 4 D点 渗碳体的熔点 1227 系机械教研室5 C点 共晶点 温度114800C 成分4 3 C 共晶指合金在一定的条件 温度 成分 下 由液体合金中同时结晶 出两种不同的晶体 而形成一种特殊的共晶体组织的转变 即指合金在一定的条件 温度 成分 下 由液体合金中同时结晶出 两种不同的晶体 而形成一种特殊的共晶体组织的转变 即 6 69 C32 11 C4 3 CC11484 3 CC FeA LdL0 鸡西大学理工系6 ECF线 共晶线 含碳量在2 11 6 69 的铁碳合金 冷却到此线时 1148度 将 发生共晶反应 同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶混合物莱氏体 含碳量在2 11 6 69 的铁碳合金 冷却到此线时 1148度 将 发生共晶反应 同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶混合物莱氏体 7 ES线 是碳在中的溶解度曲线 E点表示在1148 是碳在中的溶解度曲线 E点表示在114800C时碳在中的最大溶解度 为2 11 随着温度降低 溶解度下降 即含碳量大于0 77 的奥氏体冷却过程 中都将从奥氏体中析出渗碳体 次生渗碳体 常称为C时碳在中的 最大溶解度为2 11 随着温度降低 溶解度下降 即含碳量大于0 77 的奥氏体冷却过程 中都将从奥氏体中析出渗碳体 次生渗碳体 常称为线Fe Fe 系机械教研室A A cm线8 GS线 是冷却过程不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的转变线 常称为A 是冷却过程不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的转变线 常称为A33 线 鸡西大学理工系10 PSK线 共析线 含碳量在0002 6669 的铁碳 9 S点 共析点 温度72700C 成分0 77 共析转变指合金在一定条件下 由一种固相转变成两个固相的机械 混合物的过程 即指合金在一定条件下 由一种固相转变成两个固相的机械混合物 的过程 即 6 69 C30 02 C0 77 C7270 77 CC FeF PA0 C系机械教研室10 PSK线 共析线 含碳量在00 02 66 69 的铁碳合金 冷却到此线时 72700C 将发生共析反应 从奥氏体中同时结晶出铁素体和渗碳体的共 析混合物珠光体 即AC 将发生共析反应 从奥氏体中同时结晶出铁素体和渗碳体 的共析混合物珠光体 即A11线 鸡西大学理工系根据含碳量的不同 铁碳合金可分为钢和铸铁两大 类第一类钢含碳量小于两大类第一类钢含碳量小于2 11 的铁碳合 金 按室温组织不同又可分为三类 以 的铁碳合金 按室温组织 不同又可分为三类 以0 77 为界 亚共析钢 含碳量 0 77 共析钢 含碳量 0 77 过共析钢 含碳量 0 77 五 铁碳合金分类 五 铁碳合金分类 据C 不同分 系机械教研室第二类铸铁即生铁 含碳量为2 11 6 69 的铁碳合金 安室温组织的不同 分为三 类 的铁碳合金 安室温组织的不同 分为三类 亚共晶铸铁 含碳量 4 3 共晶铸铁 含碳量 4 3 过共晶铸铁 含碳量 4 3 鸡西大学理工系 六 铁碳合金的组织转变1 钢的结晶过程1 共析钢 T8钢 1上点 以上L1 2L A2 3A3点A P3下点以下P系机械教研室3下点以下P亚 共析钢的结晶过程室温组织 P鸡西大学理工系1点以上L1 2L 2 3A L3 4A4 5A F5点A P5下点以下P F2 亚共析钢 45钢 系机械教研室室温组织F P亚共析钢的结晶过 程5下点以下P F鸡西大学理工系1点以上L1 2L A2 3A3 4A Fe3C II4点A P4点以下P Fe3C II3 过共析钢 T10 系机械教研室室温组织P Fe3C 网状 过共析 钢的结晶过程4点以下P Fe3C II鸡西大学理工系2 白口铸铁的结晶过程系机械教研室鸡西大学理 工系机械教研室过共晶白口铁的室温组织鸡西大学理工系 七 铁碳相图的应用 1 选用材料由铁碳相图可知 合金中随着含碳量的不同 其组织各 不相同 从而导致其力学性能不同 因此 我们就可以根据机器零件所要求的性能来选择不同含碳量的 材料 由铁碳相图可知 合金中随着含碳量的不同 其组织各不相同 从 而导致其力学性能不同 因此 我们就可以根据机器零件所要求的性能来选择不同含碳量的 材料 2 叛断切削加性能低碳钢中铁素体较多 塑性好 加工性不好 中 碳钢中铁素体含量比例适当 钢的硬度适当 易于加工 系机械教研室 3 制定热加工工艺在铸造工艺方面 根据相图可以确定合适的熔化 温度和浇注温度 含碳量为工艺方面 根据相图可以确定合适的熔 化温度和浇注温度 含碳量为4 3 的铸铁铸造性最好 在锻造工艺 方面 可以选择钢材的轧制和锻造的温度范围应在奥氏体区 工艺方面 可以选择钢材的轧制和锻造的温度范围应在奥氏体区 4 应用于热处理生产由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有 组织的变化 可以进行热处理 并且可以正确选择加热温度由相图可知合金在固态加热和冷却过程 中均有组织的变化 可以进行热处理 并且可以正确选择加热温度鸡西大学理工系1 4钢的热处理热处理将 固态金属或合金在一定介质中加热 保温和冷却 以改变其整体或 表面组织 从而获得所需性能的工艺方法 热处理的三个阶段将固态金属或合金在一定介质中加热 保温和冷 却 以改变其整体或表面组织 从而获得所需性能的工艺方法 热处理的三个阶段加热 保温 冷却 如图1 2 如图1 299所示是最基本的热处理工艺曲线 系机械教研室99所示是最基本的热处理工艺曲线 温度加热保温冷却时间温度加热保温冷却时间热处理工艺曲线鸡西 大学理工系 一 热处理过程中的组织转变1 加热和冷却时的转变温度要使钢的 组织发生变化 必须加热到相变温度以上 相变温度可由要使钢的 组织发生变化 必须加热到相变温度以上 相变温度可由Fe C相图来确定 但在实际加热和冷却时 合金有过冷相图来确定 但在实际加热和冷却时 合金有过冷系机械教研室和过热现象 加 热时实际相变温度偏高 冷却时偏低 加热和冷却速度越快 偏离越严重 常用和过热现象 加热时实际相变温度偏高 冷却时偏低 加热和冷却速度越快 偏离越严重 常用Ac 1 Ac 3 Ac cm表示加热时偏离的相变温度 用表示加热时偏离的相变温度 用Ar 1 Ar 3 Ar cm表示冷却时偏离的相变温度 表示冷却时偏离的相变温度 鸡西大学理工系2 钢在加热时的组织转变奥氏体化为使热处理获得 所需的性能 将钢加热到临界温度以上 使室温组织转变为均匀的 奥氏体的过程 为使热处理获得所需的性能 将钢加热到临界温度以上 使室温组 织转变为均匀的奥氏体的过程 奥氏体的形成以共析钢为例 共析钢的组织室温时为珠光体 F Fe 以共析钢为例 共析钢的组织室温时为珠光体 F Fe33C 当加热 到以上时 珠光体转变为奥氏体 其过程如下c1A系机械教研室其过程如下1 奥氏体晶核形成 首先在铁素体和渗碳体的晶界上出现奥氏体晶核 因为相界面的原 子排列紊乱 晶体缺陷较多 易于形核 首先在铁素体和渗碳体的晶界上出现奥氏体晶核 因为相界面的原 子排列紊乱 晶体缺陷较多 易于形核 2 奥氏体晶核长大 通过原子扩散 使渗碳体不断溶解和铁素体晶格由体心立方晶格改 组为面心立方晶格 通过原子扩散 使渗碳体不断溶解和铁素体晶格由体心立方晶格改 组为面心立方晶格 鸡西大学理工系 3 残余渗碳体的溶解 铁素体先消失 渗碳体继续向奥氏体溶解完 铁素体先消失 渗碳 体继续向奥氏体溶解完 4 奥氏体均匀化 残余渗碳体溶解完后 碳的浓度并不均匀 在原来渗碳体的地方碳 含量高 铁素体处低 保温一定时间 碳原子扩散 得到均匀的奥 氏体组织 残余渗碳体溶解完后 碳的浓度并不均匀 在原来渗碳体的地方碳 含量高 铁素体处低 保温一定时间 碳原子扩散 得到均匀的奥 氏体组织 系机械教研室亚共析钢和过共析钢 加热到时 只有珠光体转变为 奥氏体 随着加热温度升高 铁素体和二次渗碳体才不断向奥氏体 转变 到加热温度超过或时 才全部转变成奥氏体 珠光体组织比较细密 形成奥氏体的晶核较多 因而珠光体刚转变 成奥氏体时 其晶粒比较细小 但若升高温度或保温时间过长 晶粒将长大 亚共析钢和过共析钢 加热到时 只有珠光体转变为奥氏体 随着 加热温度升高 铁素体和二次渗碳体才不断向奥氏体转变 到加热 温度超过或时 才全部转变成奥氏体 珠光体组织比较细密 形成奥氏体的晶核较多 因而珠光体刚转变 成奥氏体时 其晶粒比较细小 但若升高温度或保温时间过长 晶粒将长大 c1Ac3AmA鸡西大学理工系影响奥氏体化因素共析钢1 加热温度和加 热速度 加热温度高 转变较快加热速度快 转变起始温度高 终了温度也 高2 含碳量含碳量高渗碳体也较多F与Fe3C的界面也系机械教研室 含碳量高 渗碳体也较多 F与Fe3C的界面也多 利于A形成3 钢原 始组织原始组织愈细愈有利于A的形成鸡西大学理工系3 钢在冷却时 的组织转变钢经奥氏体化后 冷却条件不同 转变产物的组织结构 性能均不同 钢经奥氏体化后 冷却条件不同 转变产物的组织结构 性能均不 同 热处理工艺中常用的冷却方式连续冷却 等温冷却 1 连续冷却 将已奥氏体化的钢以某种速度连续冷却 使其在临界点以下变温连 续转变系机械教研室使其在临界点以下变温连续转变 2 等温冷却 将已奥氏体化的钢迅速冷却到相变点以下的某个温度 进行保温 使过冷奥氏体在该温度下恒温转变 将已奥氏体化的钢迅速冷却到相变点以下的某个温度 进行保温 使过冷奥氏体在该温度下恒温转变 鸡西大学理工系 二 钢的热处理工艺钢的热处理可分为普通热处理 如退火 正火 淬火 回火退火 正火 淬火 回火等 和表面热处理 1 退火退火是1 退火退火是将组织偏离平衡状态的金属或合金加热 到适当温度 保持一定时间 然后将组织偏离平衡状态的金属或合 金加热到适当温度 保持一定时间 然后缓慢冷却得到接近平衡状 态组织的热处理工艺系机械教研室热处理工艺 退火的目的1 降低钢的硬度 提高塑性 以利于切削加工及冷变形 加工 2 消除钢中的残余内应力 以防工件变形和开裂 3 改善 组织 细化晶粒 改变钢的性能或为以后热处理做准备 1 降低钢的硬度 提高塑性 以利于切削加工及冷变形加工 2 消除钢中的残余内应力 以防工件变形和开裂 3 改善组织 细化 晶粒 改变钢的性能或为以后热处理做准备 鸡西大学理工系退火的分类1 完全退火 加热到A c3以上20 30以上20 3000C 保温 缓冷至600C 保温 缓冷至60 000C以下 再空冷 得到接近平衡状态组织 主要用于亚共析C以下 再空冷 得到接近平衡状态组织 主要用于亚共析系机械教研室钢和共析钢的锻件 轧件 铸件 使 晶粒细化 组织均匀和消除残余应力 提高钢件的性能 过共析钢不宜完全退火 因析出网状渗碳体 降低钢的力学性能 钢和共析钢的锻件 轧件 铸件 使晶粒细化 组织均匀和消除残 余应力 提高钢件的性能 过共析钢不宜完全退火 因析出网状渗碳体 降低钢的力学性能 鸡西大学理工系2 球化退火使钢中的碳化物呈球状而进行的退火 将工件加热到A使钢中的碳化物呈球状而进行的退火 将工件加热到A c1以上20 3000C 保温 然后缓慢冷却 主要用于过共析钢 C 保温 然后缓慢冷却 主要用于过共析钢 系机械教研室使钢中二次渗碳体和珠光体中的 片状渗碳体球状化 以降低硬度提高韧性 改善切削加工性能 使钢中二次渗碳体和珠光体中的片状渗碳体球状化 以降低硬度提 高韧性 改善切削加工性能 鸡西大学理工系3 去应力退火 为消除形变加工 锻造 焊接等以及铸件内存在的残余应力而进行 的退火 铸钢件为消除形变加工 锻造 焊接等以及铸件内存在的残余应力 而进行的退火 铸钢件的温度为600 65000C C 系机械教研室的温度为6000650C C 铸铁件为500 550 保温后在炉内缓慢冷却 组织不发生变化 只消除内应力 减少变形 稳定尺寸 铸铁件为500 550 保温后在炉内缓慢冷却 组织不发生变化 只消除内应力 减少变形 稳定尺寸 鸡西大学理工系4 扩散退火 均匀化退火 4 扩散退火 均匀化退火 将钢加热到略低于固相线温度 长时间保温 随炉冷却 使化将钢 加热到略低于固相线温度 长时间保温 随炉冷却 使化系机械教 研室学成分和组织均匀化 主要用于质量要求高的合金钢铸锭 铸件或锻件 学成分和组织均匀化 主要用于质量要求高的合金钢铸锭 铸件或锻件 鸡西大学理工系2 正火正火是将工件加热到A c3 亚共析钢 或A m 过共析钢 以上30 50 过共析钢 以上30 5000C 保温适当 时间 在自由流通的空气中冷却 得到珠光体类组织的热处理工艺 C 保温适当时间 在自由流通的空气中冷却 得到珠光体类组织的 热处理工艺 正火主要应用于1 对不太重要的零件 可细化晶粒 组织均匀 提 高机械性能 作为最终热处理 系机械教研室高机械性能 作为最 终热处理 2 对低碳钢或低碳合金钢 可提高硬度 改善切削加工 性 3 对于过共析钢或工具钢 可减少二次渗碳体 并使其不呈连 续网状碳化物 便于球化退火 2 对低碳钢或低碳合金钢 可提高硬度 改善切削加工性 3 对 于过共析钢或工具钢 可减少二次渗碳体 并使其不呈连续网状碳 化物 便于球化退火 鸡西大学理工系3 淬火淬火是将钢加热到相变温度以上 保温一定 时间 然后快速冷却以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺 淬火可提高工件的硬度和耐磨性 一般淬火后的工件再配合适当温 度的回火 可获得较好的综合力学性能 如刀具 模具 轴和齿轮 淬火质量取决于加热温度和冷却方式 将钢加热到相变温度以上 保温一定时间 然后快速冷却以获得马 氏体或下贝氏体组织的热处理工艺 淬火可提高工件的硬度和耐磨性 一般淬火后的工件再配合适当温 度的回火 可获得较好的综合力学性能 如刀具 模具 轴和齿轮 淬火质量取决于加热温度和冷却方式 1 淬火加热温度 根据钢材的化学成分决定 亚共析钢在A A以上305000C C此时钢的组织为细颗粒的奥氏体系机械教研室析钢在A A c3以上30 5000C C 此时钢的组织为细颗粒的奥氏体 淬火后获得细小的马氏体 若温度低于A 淬火后获得细小的马氏体 若温度低于Ac3 将出现自由铁素体 若温度过高 得到粗大的马氏体 性能变坏 共析钢和过共析钢加热温度在 将出现自由铁素体 若温度过高 得到粗大的马氏体 性能变坏 共析钢和过共析钢加热温度在A Ac1以上30 5000C C 得到细小的马氏体和小颗粒的渗碳体组织 得到细小的马氏体和小颗粒的渗碳体组织 鸡西大学理工系2 淬火冷却方法 冷却介质对淬火效果有很大影响 常用的有水 油和盐 碱的水溶 液 水用于形状简单 截面较大的碳素钢工件 油用于合金钢和复杂的碳素钢 冷却介质对淬火效果有很大影响 常用的有水 油和盐 碱的水溶 液 水用于形状简单 截面较大的碳素钢工件 油用于合金钢和复杂的碳素钢 3 淬透性和淬硬性 淬透性钢在淬火后获得淬透层 淬硬层 深系机械教研室淬透性钢 在淬火后 获得淬透层 淬硬层 深度的能力 淬硬性钢淬火时能达到的最高硬度 鸡西大学理工系4 回火回火是为了消除淬火引起的残余应力及获得 要求的组织和性能 将淬火后的工件加热到A为了消除淬火引起的残 余应力及获得要求的组织和性能 将淬火后的工件加热到Ac1以下某 一温度 保温一定时间 然后冷却到室温的热处理工艺 以下某一温度 保温一定时间 然后冷却到室温的热处理工艺 回火目的淬火后得到性能很脆的马氏体组织 而且淬火马氏体是不 稳定的组织 它有变为稳定状态的趋势 而使零件尺寸变化 并存 在内应力 零件容易变形和开裂 为此淬火后得到性能很脆的马氏体组织 而且淬火马氏体是不稳定 的组织 它有变为稳定状态的趋势 而使零件尺寸变化 并存在内 应力 零件容易变形和开裂 为此系机械教研室利用回火来达到以下目的1 减少和消除淬火应力 2 稳定工件尺寸 防止变形和开裂 3 获得工件所需的组织和 性能 即获得要求的强度 硬度和韧性 3 获得工件所需的组织和性能 即获得要求的强度 硬度和韧性 鸡西大学理工系回火的种类及应用 1 低温回火 加热温度为150 25000C 得到碳的过饱和程度稍小的固溶体C 得 到碳的过饱和程度稍小的固溶体 回火马氏体 硬度较高 在HRC58 64之间 高耐磨性 可消除一定的残余应力 韧性有所改善 用于各类高碳钢的工具 模具 量具 回火马氏体 硬度较高 在HRC58 64之间 高耐磨性 可消除一定的残余应力 韧性有所改善 用于各类高碳钢的工具 模具 量具 2 中温回火 加热温度为350 50000C 得到极细颗粒状渗碳体和铁素体的混合物 C 得到极细颗粒状渗碳体和铁素体的混合物 回火托氏体 有极高的弹性极限和屈服强度也有较好的韧性硬度在H RC35 45 系机械教研室性极限和屈服强度 也有较好的韧性 硬度在HRC35 45 用于各种弹簧 弹簧夹头及锻模 3 高温回火 加热温度为500 65000C 得到细而均匀的颗粒状渗碳体和铁素体的 混合物 回火索氏体 有较高的强度和硬度 又有较好的韧性和塑性 工厂一般把C 得到细而均匀的颗粒状渗碳体和铁素体的混合物 回火索氏体 有较高的强度和硬度 又有较好的韧性和塑性 工厂一般把淬火和高温回火叫调质处理淬火和高温回火叫调质处理 用于重要的零件如轴 齿轮 连杆和螺栓 用于重要的零件如轴 齿轮 连杆和螺栓 鸡西大学理工系5 表面热处理表面热处理是使工作表面具有高的硬 度和耐磨性 心部有足够的韧性和塑性的热处理 常用的有表面淬火及化学热处理 使工作表面具有高的硬度和耐磨性 心部有足够的韧性和塑性的热 处理 常用的有表面淬火及化学热处理 1 化学热处理 将工件置于一定温度的活性介质中加热和保温 使介质中的活性原 子渗入它的表面 改变其表面的化学成分 组织和性能的热处理 使表面具有耐磨 将工件置于一定温度的活性介质中加热和保温 使介质中的活性原子渗入它的表面 改变其表面的化学成分 组织 和性能的热处理 使表面具有耐磨 耐腐蚀耐热等性能分为渗碳渗氮碳氮共渗 氰系 机械教研室 2 表面淬火 对工件表层迅速加热至淬火温度 而心部温度仍保持在临界温度以 下 然后快速冷却 使钢的表面至一定深度的组织为马氏体 心部 仍为原始组织的热处理工艺 对工件表层迅速加热至淬火温度 而心部温度仍保持在临界温度以 下 然后快速冷却 使钢的表面至一定深度的组织为马氏体 心部 仍为原始组织的热处理工艺 耐腐蚀 耐热等性能 分为渗碳 渗氮 碳氮共渗 氰化 渗硼 渗铬等金属 多元共 渗等 鸡西大学理工系1 火焰加热表面淬火 使用氧 乙炔火焰喷向工件表面 立即喷水冷却的淬火方法 如图所示 使用氧 乙炔火焰喷向工件表面 立即喷水冷却的淬火方法 如图所示 2 感应加热表面淬火 利用感应电流产生的热效应莱加热工件表面 喷水冷却的方法 如图1 35所示 利用感应电流产生的热效应莱加热工件表面 喷水冷却的方法 如图1 35所示 系机械教研室火焰加热表面淬火示意图感应加热表面淬火示意图鸡 西大学理工系1 5常用工程材料 一 常用工程材料的分类金属材料碳素钢合金钢碳素钢合金钢碳素 结构钢碳素工具钢碳素结构钢碳素工具钢合金结构钢合金工具钢合 金结构钢合金工具钢特殊性能钢钢系机械教研室工程材料工程材料 特殊性能钢铸铁灰铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁 可锻铸铁有色金属 铜合金 铝合金等非金属材料高分子材料塑料 橡胶 复合材料等 陶瓷材料普通瓷 氧化铝陶瓷 氧化硅陶瓷 碳化硅陶瓷 氮化硼 陶瓷普通瓷 氧化铝陶瓷 氧化硅陶瓷 碳化硅陶瓷 氮化硼陶瓷 鸡西大学理工系 1 碳素钢分类1 按钢的含碳量分类低碳钢中碳钢 25 0 04 0 cw 60 250 w 二 常用金属材料系机械教研室中碳钢高碳钢 6 0 25 0 cwcw 6 02 按钢的质量分类有害杂质硫 磷的含量普通碳素钢优质碳素钢 高级优质碳素钢硫 磷的含量普通碳素钢优质碳素钢高级优质碳素 钢 050 0 045 0 s pww 035 0 035 0 s pww 030 0 035 0 s pww鸡西大学理工系杂质对钢的性能的影响 杂质对钢的性能的影响 磷 是有害杂质 使钢的塑性韧性下降 具有冷脆性 是有害杂质 使钢的塑性韧性下降 具有冷脆性 硫 是有害杂质 可造成钢的热脆 原因是硫在晶界处形成低熔点的共 晶体 是有害杂质 可造成钢的热脆 原因是硫在晶界处形成低熔点的共 晶体 硅 是有益元素 可提高钢的强度和硬度 是作系机械教研室 硅是有 益元素 可提高钢的强度和硬度 是作为脱氧剂进入钢的 为脱氧剂进入钢的 锰 是有益元素 可提高钢的强度和硬度 可抵消硫的有害作用 是作 为脱氧剂进入钢的 是有益元素 可提高钢的强度和硬度 可抵消硫的有害作用 是作 为脱氧剂进入钢的 鸡西大学理工系3 按用途分为A 碳素结构钢 含碳量小于0 38 常用小于0 25 即以低碳钢为主 结构钢的牌号 含碳量小于0 38 常用小于0 25 即以低碳 钢为主 结构钢的牌号三 Q Q 三位数字表示 例Q215 A A A A F FQQF FQQ 屈服点的首字母215 屈服点的数值 MpaA A屈服点的数值 MpaA A 质量等级 分为A A B B C C D D 其中A A是普通级 D D是优等级别 硫磷含量较低F F质量等级 分为A A B B C C D D 其中A A是普通级 D D是优等级别 硫磷含量较低F F F Z Z脱氧程度 F F是沸腾钢 Z Z是镇静钢 ZZ可不标 常见的牌号有系机械教研室Q195A Q195BQ215A Q215BQ235A Q235B Q235C Q235DQ255A Q255BQ275Q195A Q195BQ215A Q215BQ235A Q235B Q235C Q235DQ255A Q255BQ275 是 Q235是用途最广的碳素结构钢 属低碳钢