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金属工艺学 金属工艺学是一门有关机械零件制造方法及其用材的综合性技术基础课 1 1 内容 1 系统介绍机械工程材料的性能 应用及改进材料性能的工艺方法 2 各种成形工艺方法及其在机械制造中的应用和相互联系 3 机械零件的加工工艺过程 2 2 生产方法 3 3 历史发展 4 4 制造技术的发展阶段 1 用机器代替手工 从作坊形成工厂 2 从单件生产方式发展到大量生产方式 3 柔性化 集成化 智能化和网络化的现代制造技术 5 5 现代制造技术的形成和发展特点 1 生产规模 少品种大批量 单件小批量 多品种变批量 2 生产方式 劳动密集型 设备密集型 信息密集型 知识密集型 3 制造设备的发展过程 手工 机械化 单机自动化 刚性自动线 柔性自动线 智能自动化 6 出土于河南安阳侯家庄武官村 此鼎形制雄伟 重达832 84公斤 高达133厘米 是迄今为止出土的最大最重的青铜器 司马戊大鼎 7 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 8 永乐大钟局部 上面载明大钟铸造的时间 9 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 10 葛洲坝水轮发电机转子最大直径18738毫米 高3639毫米 净重达1780吨 是目前世界上最大水轮发电机转子 2005 02 04吊装就位 11 九龙大鼎 广东肇庆市 高6 68米 宽5 58米 重量16吨 整座由青铜浇铸而成 12 越王勾践剑越王者旨於赐剑越王州句复合剑越王不寿剑 13 香港天坛大佛高34米 重250吨 由200块青铜铸件砌成 耗资2000万港元 14 无锡灵山大佛 1 灵山大佛通高88米 佛体79米 莲花瓣9米 2 灵山大佛佛体 不含莲花瓣 由1560块6 8毫米厚的铜壁板构成 焊缝长达30余公里 3 灵山大佛铸铜约700吨 铜板面积达九千多平方米 约一个半足球场大小 4 由于高科技的运用 灵山大佛能抵御14级台风和8级地震的侵袭 15 钢铁工业 16 6 基本要求 1 了解工程材料的种类 性能及其改性方法 初步掌握其应用范围和选择原则 2 掌握主要毛坯成形方法的基本原理和工艺特点 具有选择毛坯及工艺分析的初步能力 3 掌握机械制造生产过程 生产类型及其特点 掌握各种主要加工方法的实质 工艺特点 基本原理和设备 了解零件的加工工艺过程 并具有选择零件加工方法的能力 能制定简单的制造工艺规程 4 了解零件的结构工艺性 5 了解有关的新工艺 新技术及其发展趋势 17 第一章金属材料基本知识 1 1金属材料的主要性能使用性能 指材料在使用过程中表现出来的性能 工艺性能 指材料对各种加工工艺适应的能力 一 金属材料的使用性能力学性能 金属材料在外力 载荷 作用下 所表现的抵抗变形和破坏的能力 一 强度强度是指金属抵抗永久变形 塑性变形 和断裂的能力 18 拉伸试验动画 金工动画 拉伸曲线 swf 19 20 1 弹性极限 试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉应力 2 屈服点 试样在试验过程中力示增加 保持恒定 仍能继续伸长 变形 时的应力 3 抗拉强度 试样拉断前所能承受的最大应力值 21 二 塑性塑性是指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力 1 断后伸长率 试样拉断后标距的伸长时与原始标距的百分比 2 断面收缩率 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 22 三 硬度1 布氏硬度 1 试验原理 D F t S 2 符号 3 表示方法XXXHBS W XX XXX XX 4 应用范围 测定结果较稳定 准确 但不宜测薄件或成品件 HBS用于测小于450的材料 HBW用测小于650的材料 主要用来测灰铸铁 有色金属及经退火 正火和调质处理的钢材 23 布氏硬度试验原理图 24 详细说明主要技术参数 初试验力 N 29 4维氏硬度试验 N 49 98 196 294显微镜放大倍率 75倍 150倍试件允许最大高度 200mm表面洛氏硬度 mm 147 294 441压头中心到机身距离 200mm电源电压 AC220V50 60HZ布氏硬度试验 25 2 洛氏硬度 1 试验原理 用顶角为1200的金刚石圆锥或直径为1 588mm的淬火钢球作压头 在初始试验力F1 98N 及总试验力F作用下 将压头压入试样表面 按规定保持时间后卸除主试验力 用测量的残余压痕深度增量计算硬度 2 符号 3 表示方法在符号前写出硬度值 4 应用范围可直接测量成品或较薄工件 但结果不够准确 26 洛氏硬度试验原理图 27 28 四 冲击韧度冲击试样缺口底部横截面积上的冲击吸收功 29 将被测材料制成标准U型或V型试样 缺口背向摆锤冲击方向 摆锤举至H1高度 然后自由落下 冲断试样升至高度H2 摆锤冲断试样所消耗的能量 即试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功 A mgH1 mgH2 mg H1 H2 J冲击试样缺口底部处单位横截面积上的冲击吸收功 称为冲击韧度 k Ak SNJ cm2冲击吸收功Ak作为材料韧性判据 冲击吸收功与温度 试样形状 尺寸 表面粗糙度 内部组织和缺陷有关 30 31 五 疲劳强度材料在指定循环基数下不产生疲劳断裂所能承受的最大应力 32 实际的疲劳强度值 规定钢进行1 106 107次 有色金属进行1 107 1 108次交变循环而不发生疲劳破坏时的最大应力值 即为该材料的疲劳强度 1 疲劳强度与抗拉强度之间存在一定的比例关系 如碳素钢 1 0 4 0 55 b 灰铸铁 1 0 4 b 有色金属 1 0 3 0 4 b 疲劳破坏的原因 应力集中 微裂纹 扩展 断裂破坏 避免措施 改善内部组织 外部形状和表面状态 减小和避免应力集中 表面强化处理和减小表面粗糙度值 33 1 2金属与合金的结构和结晶一 金属材料的性能与结构晶体 原子杂乱无章堆砌起来 晶体 原子按一定几何图形有规则排列 特点 有固定的熔点 各向异性 一 金属的晶体结构基本知识1 晶格 描述原子在晶体中规则排列方式的空间几何图形 2 晶胞 能够反映晶格特征的最小几何单元 动画 金工动画 晶胞 swf3 常见金属的晶格类型 34 35 体心立方晶格动画 金工动画 体心 swf立方体晶胞 八个顶角和立方体中心各有一个原子 每个晶胞有原子 个 常见金属有 Cr W Mo V和 Fe等 36 面心立方晶格动画 金工动画 面心 swf立方体晶胞 八个顶角和六个面的中心各有一个原子 每个晶胞有原子 个 常见金属有 Al Cu Ni Au Ag和 Fe等 37 密排六方晶格动画 金工动画 密排 swf正六棱柱体晶胞 12个顶角和上下面中心各有一个原子 晶胞内还有 个 每个晶胞有原子6个 常见金属有 Mg Zn Be和Cd等 38 二 金属的实际晶体结构1 多晶体结构动画 金工动画 多晶体结构 swf单晶体 晶体内部的晶格位向完全一致 晶粒 外形不规则 呈颗粒状的小晶体 晶界 晶粒与晶粒之间的界面 多晶体 由许多晶粒组成的晶体 2 晶体缺陷 39 点缺陷动画 金工动画 点缺陷 SWF晶格空位和间隙原子强度和硬度增加 塑性和韧性降低 40 线缺陷动画 金工动画 刃型位错 SWF刃型位错强度 硬度增加 塑性 韧性下降 41 42 面缺陷晶界和亚晶界动画 金工动画 亚晶界 SWF动画 金工动画 晶界 SWF金属强度 硬度增高 塑性变形困难 细晶强化 43 44 二 金属与合金的结晶 一 金属的结晶金属原子的聚集状态由无规则的液态 转变为规则排列的固态晶体过程 动画 金工动画 冷却曲线 swf过冷度 理论结晶温度Tm与实际结晶温度To之差 45 1 冷却曲线 46 2 金属的结晶过程动画 金工动画 金属结晶过程 SWF 见图 1 晶核的形成 2 晶核的长大金属液的结晶过程是晶核产生和长大的过程 同时存在同时进行 金属结晶过程示意图 47 二 晶粒大小及其控制 1 晶粒大小对金属性能的影响一般情况下 晶粒越细小 金属的强度 塑性和韧性越好 晶粒大小主要取决于形核速率N和长大速率G 见图 48 过冷度对N G的影响 49 2 晶粒大小的控制 生产中细化晶粒的方法有 增加过冷度 变质处理 附加振动 50 三 金属的同素异构转变 概念 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 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 51 52 四 金属铸锭组织 53 1 表层细晶区过冷度大 形核率高 2 柱状晶粒区 3 中心等轴晶粒区 54 三 合金的晶体结构1 合金的基本概念 1 合金 两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素熔合 组成具有金属特性的物质 2 组元 组成合金最基本 能独立存在的物质 3 合金系 由给定的组元 按一定的比例配制成一系列的合金 4 相 具有成分 组织相同 与其他部分有界面的均匀组成部分 5 组织 用肉眼可直接观察的 或用放大镜 显微镜分辨和材料内部微观形貌图象 55 2 合金的相结构 1 固溶体 合金在固态下 组元之间能互相溶解而形成的均匀相 溶剂 与固溶体晶格类型相同 溶质 晶格类型消失的组元 置换固溶体 溶质的原子部分取代溶剂晶格上的原子 动画 金工动画 置换固溶体 SWF有限置换固溶体 按一定比例进行置换 无限置换固溶体 任意进行置换原子 条件 晶格类型相同 原子半径接近 间隙固溶体 溶质的原子溶入溶剂晶格之中形成的固溶体动画 金工动画 间隙固溶体 SWF固溶体 晶格畸变 强度 硬度增加 固溶强化 56 2 金属化合物 合金组元之间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相 特点 晶格类型不同于任一组元 有较高的熔点 硬而脆 动画 金工动画 Fe3C晶格结构 SWF金属化合物主要用来作为碳钢 各类合金钢 硬质合金及有色金属的重要组成相 3 多相复合组织 两种或两种以上的相按一定的质量百分数组合成的物质 特点 保持各组元的晶格类型 性能取决于各组成相的性能及分布状态 57 二元合金状态图 一 二元合金状态的建立1 概念研究材料从液态到固体转变过程而建立的图形成分 温度 组织关系图2 表示方法 58 A B B 59 3 绘制 60 动画 金工动画 二元相图建立 swf 61 62 63 64 65 66 67 1 3铁碳合金相图一 铁碳合金基本组织 一 纯铁的同素异晶转变在固态下 金属的晶格类型随温度 或压力 变化的特性 同素异晶转变 动画 金工动画 同素异构 swf Fe Fe Fe体心立方晶格面心立方晶格体心立方晶格铁的同素异构转变是钢铁材料能够进行热处理的依据 68 69 二 铁碳合金的基本组织1 铁素体 F 碳溶于 Fe中形成的间隙固溶体 用符号F 或 表示 600 溶碳量0 008 727 溶碳量0 0218 性能 与纯铁相似 强度 硬度低 而塑性和韧性好 组织 呈明亮的多边形晶粒 晶界曲折 70 铁素体的显微组织 71 2 奥氏体 A 碳溶于 Fe中形成的间隙固溶体 用符号A 或 表示 727 溶碳量0 77 1148 溶碳量2 11 性能 有一定的强度和硬度 塑性和韧性好 适于进行锻压加工 组织 与铁素体相似 晶粒呈多边形 但晶界较铁素体平直 72 奥氏体的显微组织 73 3 渗碳体 Fe3C 铁和碳形成的一种具有复杂斜方晶格的间隙化合物 用化学分子式Fe3C表示 c 6 69 熔点为1227 性能 硬度很高 脆性很大 塑性极差 组织 常以片状 球 粒 状和网状等不同形态存在 74 4 珠光体 铁素体和渗碳体组成的机械混合物 用符号P表示 c 0 77 性能 介于铁素体与珠光体之间 即综合性能良好 5 莱氏体 c 4 3 的合金 缓慢冷却到1148 时从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶组织 用符号Ld表示 性能 与渗碳体相似 即硬度高 塑性差 75 珠光体是铁素体和渗碳体呈层片状交替排列的机械混合物 呈块状分布的白亮部分即是铁素体 黑色部分为珠光体组织 45钢的显微组织 400 76 在亮白色渗碳体基底上相间地分布着暗黑色斑点及细条状珠光体莱氏体的显微组织 77 二 铁碳合金状态图的形式 Fe Fe3C合金相图 78 79 简化铁碳合金状态图 80 三 铁碳合金状态图的建立 合金状态图就是通过一系列实验测出不同成分的铁碳合金在缓慢冷却过程中的冷却曲线和组织转变 然后在成分与温度坐标图中标出临界点温度 结晶开始和结晶结束的温度 并把物理意义相同的点连成曲线 这样构成的完整图形便是铁碳合金状态图 81 各成分合金的临界点 82 四 铁碳合金状态图的分析1 特性点 83 2 特性线 ACD线 液相线 AECF线 固相线 ECF线 共晶线 AC线 奥氏体结晶开始线 AE线 奥氏体结晶终了线 GS线 A3 铁素体从A中析出开始线 PQ线 C在铁素体中的溶解度曲线 此线以右有Fe3C 析出线 84 ES线 Acm C在A中的溶解度曲线 此线以右有Fe3C 析出线 PSK线 共析线 CD线 一次渗碳体结晶开始线 85 3 铁碳合金的分类 工业纯铁 C 0 0218共析钢 C 0 77亚共析钢 0 0218 C 0 77过共析钢 0 77 C 2 11共晶白口铁 C 4 3亚共晶白口铁 2 11 C 4 3过共晶白口铁 4 3 C 6 69 86 4 合金结晶过程中的组织转变 共析钢 L L A A P亚共析钢 L L A A A F P F过共析钢 L L A A A Fe3C P Fe3C 共晶白口铁 L Ld Ld 亚共晶白口铁 L L A Ld A Fe3C Ld P Fe3C 过共晶白口铁 L L Fe3C Ld Fe3C Ld Fe3C 87 1 Wc 0 6 亚共析钢 室温组织 P FLL AAA FP Ft1以上t1 t2t2 t3t3 t4t4 室温 88 亚共析钢组织 F P 89 2 Wc 0 77 共析钢 室温组织 PLL AAPt1以上t1 t2t2 t3t3 室温 90 T8钢的室温平衡组织珠光体 91 92 93 3 Wc 1 2 过共析钢 室温组织 P Fe3C LL AAA Fe3C P Fe3C t1以上t1 t2t2 t3tt4 室温 94 95 材料共晶白口铸铁 X250 状态铸造浸蚀剂 酒精溶液组织变态莱氏体说明变态莱氏体中白色基体为渗碳体 共晶莱氏体和二次渗碳体 黑色圆柱及条状为珠光体 96 97 过共晶白口铁结晶过程示意图 98 5 含碳量对铁碳合金组织性能的影响 1 对平衡组织的影响 99 5 含碳量对铁碳合金组织性能的影响 2 对力学性能的影响含碳量越高 钢的强度和硬度越高 而塑性和韧性越低 这是由于含碳量越高 钢中的硬脆相 Fe3C越多的缘故 而当含碳量超过0 9 时 达到碳的过共析 在晶界析出网状二次渗碳体 使钢的强度有所降低 100 6 铁碳合金平衡相图的应用 1 1 选材的依据2 选择铸造合金成分和浇注温度的依据3 确定钢的锻造温度的依据4 研究焊缝区及近缝区组织和性能变化的理论依据5 确定各种热处理工艺的依据 根据对工件材料性能要求的不同 各种不同热处理方法的加热温度都是参考Fe Fe3C相图选定的 101 6 铁碳合金平衡相图的应用 2 1在选材上的应用低碳钢 塑性 韧性好 用于冲压件 焊接件 抗冲击件 中碳钢 综合力学性能较好 用于轴 齿轮等 高碳钢 强度 硬度 耐磨性好 用于各种工模具 白口铁 性硬而脆 但铸造性能好 用于不受冲击的铸件 2在铸造工艺上的应用根据Fe Fe3C相图的液相线可以找出不同成分的铁碳合金的熔点 从而确定合适的熔化 浇注温度 液相线以上50 100 还可以看到钢的熔化与浇注温度都要比铸铁高 如下图所示 此外 靠近共晶成分的铁碳合金不仅熔点低 而且凝固温度区间也较小 故具有良好的铸造性能 这类合金适宜于铸造 在铸造生产中获得广泛的应用 102 6 铁碳合金平衡相图的应用 3 Fe Fe3C相图与铸 锻工艺的关系 3在塑性加工工艺上的应用钢材轧制或锻造的温度范围 多选择在单一奥氏体组织范围内 其选择原则是开始轧制或锻造的温度不得过高 以免钢材氧化严重 甚至发生奥氏体晶界部分熔化 使工件报废 而终止温度也不能过低 以免钢材塑性差 在锻造过程中导致产生裂纹 一般始锻温度在固相线以下100 200 终锻温度800 左右 各种碳素钢合适的轧制或锻造温度范围如图所示 103 3 1碳钢一 碳钢中的常存杂质元素及其作用 1 硅和锰 有益元素作用 脱氧剂 形成MnS 固溶强化 减少FeO的影响 2 硫和磷 有害元素危害 形成低熔点的FeS 使钢产生热脆 使钢产生冷脆 104 硅 Si 1 可清除钢中的FeO 脱氧能力比Mn强 它与钢液中的FeO能结成密度较小的硅酸盐以炉渣的形式被除去 从而消除FeO对钢的不良影响 2 硅能溶入铁素体中 使铁素体强化 从而提高钢的强度和硬度 但降低塑性和韧性 当含硅量不多时 其对钢的性能影响不大 3 总起来说 硅也是一种有益的元素 作为杂质其含量应小于0 4 105 锰 Mn 1 可清除钢中的FeO 改善钢的品质 锰从FeO中夺取氧形成MnO进入炉渣 从而把钢中的FeO还原成铁 改善钢的质量 2 减轻硫的有害作用 降低钢的脆性 改善钢的热加工性能 MnS在高温时有一定塑性 切削加工中MnS能起断屑作用 因此改善了钢的切削加工性 这类钢称作易切削钢 3 在室温下锰能大部分溶入铁素体中形成含锰铁素体的置换固溶体 使铁素体强化 提高钢的强度和硬度 4 锰在碳钢中的质量分数一般为0 25 0 80 最高可达1 2 总起来说 锰是一种有益的元素 106 2 硫 S 磷 P 是有害元素S是在炼钢时由矿石和燃料带入钢中的 热脆P是由矿石带入钢中的 冷脆衡量钢的质量的主要指标为含S P量 S一般控制在0 05 以下 P一般钢的含磷量控制在0 045 以下 107 P 1 硫 可与铁生成FeS FeS与Fe能形成低熔点 985 的共晶体 且分布在晶界上 当钢材在1000 1200 进行热压力加工时 由于共晶体熔化 从而导致热加工时开裂 这种金属在高温时出现脆裂的现象 称为 热脆 2 磷在钢中能全部溶于铁素体中 提高铁素体的强度和硬度 但在室温下却使钢的塑性和韧性急剧下降 Fe3P而使钢的脆性增加 产生低温脆性 这种现象称为冷脆 108 磷的有害作用在一定条件下可以转化 例如钢中加入适量的磷还可以提高钢材的耐大气腐蚀性能 在炮弹钢中加入较多磷 可增大钢的脆性 使炮弹在爆炸时碎片增多 从而增加了杀伤力 109 二 碳钢的分类 牌号和用途 一 碳钢的分类1 按碳的含量分类2 按质量分类 110 3 按用途分类 1 碳素结构钢主要用于建筑 桥梁等工程结构和各种机械零件 如齿轮 轴 螺柱 弹簧等 2 碳素工具钢主要用于种类刀具 量具和模具 如丝锥 板牙 刮刀 锯条 冲模等 3 专用钢包括锅炉钢 船用钢 易切削钢等 111 4 按钢液脱氧程度分类 1 沸腾钢 F 脱氧不完全 组织不致密 成分不均匀 性能较差 2 镇静钢 Z 脱氧完全 组织致密 成分较均匀 性能较好 3 半镇静钢 b 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间 112 二 碳钢的牌号 性能及主要用途1 普通碳素结构钢 GB T700 1988 表示方法 用Q 屈服数值 质量等级和脱氧方法组成 牌号Q235 D示例说明 Q 钢的屈服点 屈 字汉语拼音字头 235 最低屈服点值235MPa D 表示质量等级为D级 有时牌号后面还要分别附加下列符号 F 沸腾钢 b 半镇静钢 Z 镇静钢 TZ 特殊镇静钢 由于D级质量钢均为特殊镇静钢 故 TZ 符号可以省略 如Q235 D TZ可写为Q235 D 符号 Z 有时亦可省略 机械性能 113 常用碳素结构钢 表3 1 docQ195 Q215 Q235A Q235B塑性较好 有一定的强度 通常轧制成钢筋 钢板 钢管等 可用于做桥梁 建筑物等构件 也可用做普通螺钉 螺帽 铆钉等 Q235C Q235D可用于重要的焊接件 Q255 Q275强度较高 可轧制成型钢 钢板作构件用 这类钢常在热轧状态下使用 不再进行热处理 但对某些零件 也可以进行正火 调质 渗碳等处理 以提高其使用性能 表 表 114 常用碳素结构钢钢板钢筋建筑构件螺钉铆钉钢桥梁 115 2 优质碳素结构钢表示方法 用两位数字表示平均含碳量的万分数 较高含锰量再加Mn 如 45钢 碳的平均含量为万分之四十五 即0 45 含锰较高的优质碳素结构钢要标出Mn 例如 45Mn 优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件 优质碳钢 116 常用优质碳素结构钢 螺栓齿轮曲轴弹簧 117 常用优质碳素结构钢 表3 2 doc08F塑性好 可制造冷冲压零件 10 20钢冷冲压性与焊接性能良好 可用作冲压件及焊接件 经过热处理 如渗碳 也可以制造轴 销等零件 35 40 45 50钢经热处理后 可获得良好的综合机械性能 用来制造齿轮 轴类 套筒等零件 60 65钢主要用来制造弹簧 优质碳素结构钢使用前一般都要经过热处理 118 3 碳素工具钢碳素工具钢的碳质量分数在0 65 1 35 之间 表示方法 用 T 加表示平均含碳量千分数的数字 较高质量再加 A 如T8 表示平均碳含量为0 80 的碳素工具钢 碳素工具钢均为优质钢 若含硫 磷更低 则为高级优质钢 在钢号后标注 A 字 例如 T12A表示碳质量分数为1 2 的高级优质碳素工具钢 碳素工具钢用来制造各种刃具 量具 模具等 工具钢 119 常用碳素工具钢 表3 3 docT7 T8硬度较高 韧性较高 可制造冲头 凿子 锤子等工具 T9 T10 T11硬度高 韧性适中 可制造钻头 刨刀 丝锥 手锯条等刃具及冷作模具等 T12 T13硬度很高 韧性较低 可制作锉刀 刮刀等刃具及量规 样套等量具 碳素工具钢使用前都要进行热处理 120 常用碳素工具钢 锉刀量规钻头 121 4 铸钢表3 4 doc表示方法 ZG 1 力学性能 用最小屈服数值 最小抗拉强度表示ZG200 400表示最小屈服强度200MPa 最小抗拉强度400MPa的铸钢 2 化学成分 用两位数字表示平均含碳量的万分数和化学元素符号及含量百分数表示 ZG45表示平均含碳量为0 45 的铸钢 铸钢 122 铸钢主要用于制造形状复杂 需要一定强度 塑性和韧性的零件 例如机车车辆 船舶 重型机械的齿轮 轴 以及轧辊 机座 缸体 外壳 阀体等 外壳轧辊重型机械齿轮 123 第二章钢的热处理 将固态金属或合金 采用适当的方式进行加热 保温和冷却 以获得所需组织结构与性能的工艺方法称热处理 按目的 加热条件和特点不同 热处理分为 整体热处理 表面热处理和化学热处理 热处理的工艺由加热 保温和冷却三个阶段组成 124 2 1钢的热处理基本原理一 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 125 126 一 奥氏体的形成1 奥氏体晶核的形成奥氏体的晶核易于在渗碳体相界面上形成 这是因为在两相的相界上为形核提供了良好的条件 127 2 奥氏体晶核的长大奥氏体形核后 由于奥氏体与Fe3C晶界处的含碳量不同 将引起奥氏体中碳的扩散 通过铁 碳原子的扩散和铁原子的晶格改组 奥氏体向铁素体和Fe3C两个方向长大 128 3 残余渗碳体溶解在奥氏体形成过程中 铁素体比渗碳体先消失 因此奥氏体形成之后 还残存未溶渗碳体 这部分未溶的残余渗碳体将随着时间的延长 继续不断地溶入奥氏体 直至全部消失 129 4 奥氏体均匀化渗碳体完全溶解后 开始时奥氏体中碳的浓度分布并不均匀 原先是渗碳体的地方碳浓度高 原先是铁素体的地方碳浓度低 必须继续保温 通过碳的扩散 使奥氏体成分均匀化 130 131 二 影响奥氏体转变的因素1 加热温度和加热速度的影响提高加热T 将加速A的形成 随着加热速度的增加 奥氏体形成温度升高 AC1越高 形成所需的时间缩短 2 化学成分的影响随着钢中含碳量增加 铁素体核渗碳体相界面总量增多 有利于奥氏体的形成 3 原始组织的影响由于奥氏体的晶核是在铁素体和渗碳体的相界面上形成 所以原始组织越细 相界面越多 形成奥氏体晶核的 基地 越多 奥氏体转变就越快 132 三 奥氏体晶粒大小及其控制1 奥氏体晶粒大小起始晶粒实际晶粒度 金属平均晶粒度测定法 2 奥氏体晶粒大小的控制 1 合理选择加热温度和保温时间随着温度升高晶粒度将之间长大 温度愈高 晶粒长大于愈明显 在一定温度下 保温时间愈长 奥氏体晶粒也越粗大 2 加入合金元素奥氏体中的含碳量增高时 晶粒长大的倾向增多 若碳以未溶的碳化物形式存在 则它有阻碍晶粒长大的作用 3 合理选择原始组织 133 134 135 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 136 137 138 共析钢过冷A的等温转变曲线图 139 140 2 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 A1 550 A1 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 45HRC350 Ms针状铁素体分布极细小碳化物50HRC 55HRC 141 共析钢过冷奥氏体等温转变包括二个转变区 1 高温转变在A1 550 之间 过冷奥氏体的转变产物为珠光体型组织 此温区称珠光体转变区 珠光体型组织是铁素体和渗碳体的机械混合物 渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上 转变温度越低 层间距越小 可将珠光体型组织按层间距大小分为珠光体 P 索氏体 S 和屈氏体 T 奥氏体向珠光体的转变为扩散型的生核 长大过程 是通过碳 铁的扩散和晶体结构的重构来实现的 142 143 a 珠光体3800倍 144 b 索氏体8000倍 145 c 屈氏体8000倍 146 2 中温转变在550 Ms之间 过冷奥氏体的转变产物为贝氏体型组织 此温区称贝氏体转变区 贝氏体是渗碳体分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物 奥氏体向贝氏体的转变属于半扩散型转变 铁原子不扩散而碳原子有一定扩散能力 过冷奥氏体在550 350 之间转变形成的产物称上贝氏体 上B 上B呈羽毛状 小片状的渗碳体分布在成排的铁素体片之间 147 a 光学显微照片500 b 电子显微照片5000 上贝氏体形态 148 过冷奥氏体在350 Ms之间的转变产物称下贝氏体 B下 B下在光学显微镜下为黑色针状 在电子显微镜下可看到在铁素体针内沿一定方向分布着细小的碳化物 Fe2 4C 颗粒 上贝氏体中铁素体片较宽 塑性变形抗力较低 同时渗碳体分布在铁素体片之间 容易引起脆断 因此强度和韧性都较差 下贝氏体中铁素体针细小 无方向性 碳的过饱和度大 位错密度高 且碳化物分布均匀 弥散度大 所以硬度高 韧性好 具有较好的综合机械性能 149 a 光学显微照片500倍 b 电子显微照片12000倍下贝氏体形态 150 151 152 153 二 过冷奥氏体的连续冷却转变 154 为了便于比较 同时在图上表示了这个钢的奥氏体等温转变曲线图 虚线表示 由图可以看出 连续冷却转变曲线比等温转变曲线略微偏右下一点 同时在转变曲线 上没有转变区 连续冷却转变曲线的测定 在技术上要比等温转变曲线困难 也不易达到准确 这就给使用带来不方便 但从图中可以看出 钢的冷却转变曲线与等温转变曲线的上半部分基本上是一致的 特别在高温时转变产物和性能差别不明显 所以目前生产中常根据等温转变曲线定性地 近似地分析连续冷却时的奥氏体转变的组织 155 156 157 158 159 160 161 2 2钢的普通热处理一 退火和正火1 退火加热到适当的温度 保温后缓慢冷却 第一类退火 扩散退火 再结晶退火 去应力退火 是不以组织转变为目的的工艺方法 由不平衡状态过渡到平衡状态 第二类退火 完全退火 不完全退火 等温退火 球化退火 是以改变组织和性能为目的 改变钢中珠光体 铁素体和碳化物等组织形态及分布 162 2 正火加热到AC3 或ACcm 以上30 50 保温后在空气中冷却 区别 冷却速度比退火稍快 组织较细 强度硬度稍有提高 目的 亚共析钢细化晶粒 提高硬度 过共析钢消除二次渗碳体网 应用 一般作为预备热处理 也可作大型或形状复杂零件的终热处理 163 164 165 166 167 二 淬火将钢加热到AC3或AC1以上某一温度 保温后以适当速度冷却 获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺 1 淬火温度及冷却介质 1 淬火温度亚共析钢AC1 30 50 全部奥氏体淬火后为细小马氏体共析钢和过共析钢AC3 30 50 全部奥氏体或奥氏体和渗碳体淬火后为细小马氏体和少量渗碳体 168 2 淬火冷却介质理想的淬火介质 在A1 650 冷却慢 在600 400 快速冷却 在300 200 缓慢冷却 水及水溶液在650 400 相对冷却速度较小 常用作碳钢的淬火 油在300 200 间冷却速度比水小 用于合金钢的淬火 169 170 2 淬火方法 1 单液淬火 形状简单的碳钢件在水中淬火 合金钢和小尺寸碳钢件在油中淬火 2 双液淬火 形状复杂的高碳钢工件和尺寸较大的合金钢件 3 分级淬火 尺寸较小 形状复杂工件的淬火 4 等温淬火 形状复杂 尺寸要求较精确 强韧性要求较高的小型工模具及弹簧等的淬火 171 172 173 174 3 淬硬性与淬透性淬硬性是钢在理想条件下淬火硬化所能达到的最高硬度 淬透性是指在规定条件下 决定钢淬硬深度和硬度分布的特性 动画 金工动画 末端淬火法 swf影响淬透性的因素是 奥氏体成分 淬火加热温度 钢的原始组织 175 176 177 三 回火回火是将钢淬硬后 再加热到AC1点以下某一温度 保温后冷却到室温的热处理工艺 目的 减少残余应力和脆性 稳定组织和尺寸 获得所要求的使用性能 1 低温回火 150 250 组织 回火马氏体目的 减少应力和脆性 保持高硬度和耐磨性 应用 刃具 量具 模具 滚动轴承 以及渗碳 表面淬火的零件 178 2 中温回火 350 500 组织 回火托氏体目的 高的弹性极限 屈服点和较好的韧性 应用 各种弹簧 锻模 3 高温回火 500 650 调质组织 回火索氏体目的 强度 塑性和韧性都较好的综合力学性能应用 各种重要结构件 如连杆 齿轮 179 4 回火脆性淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓冷通过该温度区间时 出现脆化现象称为回火脆性 第一类回火脆性300 左右回火 不可逆避免在250 350 回火第二类回火脆性500 650 或更高温回火缓冷合金元素偏聚 180 2 3钢的表面热处理一 表面淬火仅对工件表面层进行热处理 以改变其组织和性能的工艺 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 181 感应加热表面淬火示意图 182 183 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 184 感应加热表面淬火 185 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 186 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 187 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 188 189 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 2 4其他热处理工艺简介一 形变热处理二 真空热处理三 激光热处理 190 激光热处理技术简介激光表面处理技术是近二十年来发展起来的一种新兴材料表面处理技术 尤其是进入八十年代以来 大功率工业激光器和辅助设备的制造技术日益提高 各种激光表面处理技术日益成熟 使得激光表面处理技术的工业应用和深入研究异常活跃 在欧美和日本 大功率激光器商业化程度很高 发展非常迅速 是工业发达国家非常瞩目的一项新技术 激光表面处理技术可以解决其他表面处理方法无法解决或不好的材料强化问题 激光表面处理技术是利用激光束对金属表面进行瞬间淬头处理 经激光处理后 铸铁表层强度可达到HRC60以上 中碳及高碳的碳钢 合金钢的表层硬度可达HRC70以上 从而提 191 高其抗磨损 抗疲劳 耐腐蚀 防氧化等性能 延长其使用寿命 激光热处理技术与其他热处理如高频感淬头 渗碳 渗氮等传统工艺相比 具有以下特点 1 无需使用外加材料 仅改变被处理材料表面层的组织结构 处理后的改性层具有足够的厚度 可根据需要调整深浅一般可达0 1 0 8mm 2 处理层和基体结合强度高 激光表面处理的改性层和基体材料之间是致密的冶金结合 而且处理层本身是致密的冶金组织 具有较高的硬度和耐磨性 192 3 被处理件变形极小 由于激光功率密度高 与零件的作用时间很短 10 2 10秒 零件的热影响区和整体变化都很小 故适合于高精度零件处理 作为材料和零件的最后处理工序 4 加工柔性好 适用面广 利用灵活的导光系统可随意将激光导向处理部位 从而可方便地处理深孔 内孔 盲孔和凹槽等 可进行选择性的局部处理 工艺简单优越 激光表面处理均在大气环境中进行 免除了镀膜工艺中漫长的抽真空时间 没有明显的机械作用力和工具损耗 无噪音 无污染 无公害 劳动条件好 再加上激光器配以微机控制系统 很容易实现自动化生产 易于批量生产 产品成品率极高 几乎达到100 效率很高 经济效益显著 193 一 过冷奥氏体等温冷却转变1 亚共析钢过冷奥氏体的等温转变亚共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线与共析钢C曲线不同的是 在其上方多了一条过冷奥氏体转变为铁素体的转变开始线 亚共析钢随着含碳量的减少 C曲线位置往左移 同时Ms Mf线住上移 亚共析钢的过冷奥氏体等温转变过程与共析钢类似 只是在高温转变区过冷奥氏体将先有一部分转变为铁素体 剩余的过冷奥氏体再转变为珠光体型组织 194 45钢过冷A等温转变曲线 195 2 过共析钢过冷奥氏体的等温转变过共析钢过冷奥氏体的C曲线的上部为过冷奥氏体中析出二次渗碳体 Fe3CII 开始线 当加热温度为AC1以上30 50 时 过共析钢随着含碳量的增加 C曲线位置向左移 同时Ms Mf线往下移 过共析钢的过冷奥氏体在高温转变区 将先析出Fe3CII 其余的过冷奥氏体再转变为珠光体型组织 196 T10钢过冷A的等温转变曲线 197 二 过冷奥氏体的连续冷却转变1 共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 1 转变产物在共析钢过冷奥氏本的连续冷却转变曲线 CCT曲线 中 共析钢以大于Vk 上临界冷却速度 的速度冷却时 得到的组织为马氏体 冷却速度小于Vk 下临界冷却速度 时 钢将全部转变为珠光体型组织 共析钢过冷奥氏体在连续冷却转变时得不到贝氏体组织 与共析钢的TTT曲线相比 共析钢的CCT曲线稍靠右靠下一点 表明连续冷却时 奥氏体完成珠光体转变的温度较低 时间更长 198 199 共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变组织 200 2 马氏体转变特点过冷奥氏体转变为马氏体是低温转变过程 转变温度在Ms Mf之间 该温区称马氏体转变区 过冷奥氏体转变为马氏体是一种非扩散型转变 铁和碳原子都不能进行扩散 铁原子沿奥氏体一定晶面 集体地 不改变相互位置关系 作一定距离的移动 不超过一个原子间距 使面心立方晶格改组为体心正方晶格 碳原子原地不动 过饱和地留在新组成的晶胞中 增大了其正方度c a 马氏体就是碳在 Fe中的过饱和固溶体 过饱和碳使 Fe的晶格发生很大畸变 产生很强的固溶强化 201 马氏体的形成速度很快奥氏体冷却到Ms点以下后 无孕育期 瞬时转变为马氏体 随着温度下降 过冷奥氏体不断转变为马氏体 是一个连续冷却的转变过程 马氏体转变是不彻底的总要残留少量奥氏体 残余奥氏体的含量与MS Mf的位置有关 奥氏体中的碳含量越高 则MS Mf越低 残余A含量越高 只在碳质量分数少于0 6 时 残余奥氏体可忽略 马氏体形成时体积膨胀体积膨胀在钢中造成很大的内应力 严重时导致开裂 202 奥氏体碳质量分数对残余奥氏体含量的影响 203 3 马氏体的形态与特点 马氏体形态碳质量分数在0 25 以下时 基本上是板条马氏体 亦称低碳马氏体 板条马氏体在显微镜下为一束束平行排列的细板条 在高倍透射电镜下可看到板条马氏体内有大量位错缠结的亚结构 所以也称位错马氏体 当碳质量分数大于1 0 时 则大多数是针状马氏体 针状马氏体在光学显微镜中呈竹叶状或凸透镜状 在空间形同铁饼 马氏体针之间形成一定角度 60 高倍透射电镜分析表明 针状马氏体内有大量孪晶 因此亦称孪晶马氏体 204 低碳马氏体的组织形态 205 碳质量分数在0 25 1 0 之间时 为板条马氏体和针状马氏体的混和组织 高碳马氏体的组织形态 206 a 硬度很高 碳质量分数对马氏体硬度的影响 207 b 马氏体的塑性和韧性与其碳含量 或形态 密切相关 高碳马氏体由于过饱和度大 内应力高和存在孪晶结构 所以硬而脆 塑性 韧性极差 但晶粒细化得到的隐晶马氏体却有一定的韧性 而低碳马氏体 由于过饱和度小 内应力低和存在位错亚结构 则不仅强度高 塑性 韧性也较好 c 马氏体的比容比奥氏体大 当奥氏体转变为马氏体时 体积会膨胀 马氏体是铁磁相 而奥氏体为顺磁相 马氏体晶格畸变严重 因此电阻率高 208 2 亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变亚共析钢过冷奥氏体在高温时有一部分将转变为铁素体 在中温转变区会有少量贝氏体 B上 产生 如油冷的产物为F T B上 M 但铁素体和B上量很少 有时可忽略 亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 209 3 过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变过共析钢过冷A在高温区 将首先析出二次渗碳体 而后转变为其它组织 由于奥氏体中碳含量高 所以油冷 水冷后的组织中应包括残余奥氏体 与共析钢一样 其冷却过程中无贝氏体转变 过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 210 共析钢不同转变温度转变产物的硬度和冲击韧度 211 3 1碳钢一 碳钢中的常存杂质元素及其作用 1 硅和锰 有益元素作用 脱氧剂 形成MnS 固溶强化 减少FeO的影响 2 硫和磷 有害元素危害 形成低熔点的FeS 使钢产生热脆 使钢产生冷脆 212 二 碳钢的分类 牌号和用途 一 碳钢的分类1 按碳的含量分类2 按质量分类 213 3 按用途分类 1 碳素结构钢主要用于建筑 桥梁等工程结构和各种机械零件 如齿轮 轴 螺柱 弹簧等 2 碳素工具钢主要用于种类刀具 量具和模具 如丝锥 板牙 刮刀 锯条 冲模等 3 专用钢包括锅炉钢 船用钢 易切削钢等 214 4 按钢液脱氧程度分类 1 沸腾钢 F 脱氧不完全 组织不致密 成分不均匀 性能较差 2 镇静钢 Z 脱氧完全 组织致密 成分较均匀 性能较好 3 半镇静钢 b 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间 215 二 碳钢的牌号 性能及主要用途1 普通碳素结构钢 GB T700 1988 表示方法 用Q 屈服数值 质量等级和脱氧方法组成 牌号Q235 D示例说明 Q 钢的屈服点 屈 字汉语拼音字头 235 最低屈服点值235MPa D 表示质量等级为D级 有时牌号后面还要分别附加下列符号 F 沸腾钢 b 半镇静钢 Z 镇静钢 TZ 特殊镇静钢 由于D级质量钢均为特殊镇静钢 故 TZ 符号可以省略 如Q235 D TZ可写为Q235 D 符号 Z 有时亦可省略 机械性能 216 常用碳素结构钢 表3 1 docQ195 Q215 Q235A Q235B塑性较好 有一定的强度 通常轧制成钢筋 钢板 钢管等 可用于做桥梁 建筑物等构件 也可用做普通螺钉 螺帽 铆钉等 Q235C Q235D可用于重要的焊接件 Q255 Q275强度较高 可轧制成型钢 钢板作构件用 这类钢常在热轧状态下使用 不再进行热处理 但对某些零件 也可以进行正火 调质 渗碳等处理 以提高其使用性能 表 表 217 常用碳素结构钢钢板钢筋建筑构件螺钉铆钉钢桥梁 218 2 优质碳素结构钢表示方法 用两位数字表示平均含碳量的万分数 较高含锰量再加Mn 如 45钢 碳的平均含量为万分之四十五 即0 45 含锰较高的优质碳素结构钢要标出Mn 例如 45Mn 优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件 优质碳钢 219 常用优质碳素结构钢 螺栓齿轮曲轴弹簧 220 常用优质碳素结构钢 表3 2 doc08F塑性好 可制造冷冲压零件 10 20钢冷冲压性与焊接性能良好 可用作冲压件及焊接件 经过热处理 如渗碳 也可以制造轴 销等零件 35 40 45 50钢经热处理后 可获得良好的综合机械性能 用来制造齿轮 轴类 套筒等零件 60 65钢主要用来制造弹簧 优质碳素结构钢使用前一般都要经过热处理 221 3 碳素工具钢碳素工具钢的碳质量分数在0 65 1 35 之间 表示方法 用 T 加表示平均含碳量千分数的数字 较高质量再加 A 如T8 表示平均碳含量为0 80 的碳素工具钢 碳素工具钢均为优质钢 若含硫 磷更低 则为高级优质钢 在钢号后标注 A 字 例如 T12A表示碳质量分数为1 2 的高级优质碳素工具钢 碳素工具钢用来制造各种刃具 量具 模具等 工具钢 222 常用碳素工具钢 表3 3 docT7 T8硬度较高 韧性较高 可制造冲头 凿子 锤子等工具 T9 T10 T11硬度高 韧性适中 可制造钻头 刨刀 丝锥 手锯条等刃具及冷作模具等 T12 T13硬度很高 韧性较低 可制作锉刀 刮刀等刃具及量规 样套等量具 碳素工具钢使用前都要进行热处理 223 常用碳素工具钢 锉刀量规钻头 224 4 铸钢表3 4 doc表示方法 ZG 1 力学性能 用最小屈服数值 最小抗拉强度表示ZG200 400表示最小屈服强度200MPa 最小抗拉强度400MPa的铸钢 2 化学成分 用两位数字表示平均含碳量的万分数和化学元素符号及含