工程材料与成型工艺PPT幻灯片课件

辽宁工程技术大学 liaoningTechnicalUniversity 工程材料与成型工艺 多媒体课件 金工教研室 1 工程材料与成型工艺 讲课人 孙方红 讲课学时 52 电话 3350537手机Q 26749612办公地址 二舍329 2 目录 3 工程材料与成形工艺 是研究从原材料到产品制造过程的学问 绪论 Introduction 工程材料 用于制造工程构件 机械零件 工具等 成形工艺 改变材料的形状 尺寸和性能的加工过程 一 工程材料及成形工艺的发展历史 用材料划分的人类历史 石器时代 陶器 铜器时代 铁器时代和人工复合材料时代 4 石器时代 StoneAge 石刀 石斧 石矛 燧石 神奇的石头 骨针 5 陶器时代 PotteryAge 中国名扬四海的时代 西安半坡人面网纹陶盆 战国陶制四通水管 6 铜器时代 BronzeAge 中国人最骄傲的时代 立人像铸于商代晚期 人像高172厘米 底座高90厘米 通高262厘米 是世界上最大的青铜立人像 被尊称为 世界铜像之王 突目面具铸于商代晚期 原件高64 5厘米 宽138厘米 眼球柱状外突长达13 5厘米 其造型在世界上亦属首见 7 铁器时代 IronAge 中国人最辉煌的时代 铁制车轮 铸铁 各种农具 8 人工复合材料 artificialcompositematerial 中国大发展时代 高分子材料 陶瓷 功能材料 纳米材料等 用扫描隧道显微镜搬动48个Fe原子到Cu表面上构成的量子围栏 在Au Pa 金 镤 薄膜上用AFM探针的纳米雕刻 北大 9 目前发展方向 目前定向凝固技术 快速成形技术 高速锤锻 精密模锻 激光焊 等离子焊等各种新的成形技术 以及自动线 加工中心 数控系统 柔性制造系统等已是屡见不鲜 未来正向着快速 精密 自动化的方向飞速发展 瓶盖自动线 10 正确选择原材料与成形方法 合理确定加工路线 关系到产品的质量 使用寿命 生产成本 生产周期与经济效益 二 工程材料及成形工艺在制造业中的应用 11 三 本课程的教学目标和学习方法 教学目标 一个过程 两个平台 熟悉一个过程 机械制造全过程 从选用材料到加工制造 会制订零件加工工艺路线构建两个平台 材料应用技术平台 以材料应用为目标 构建从分类 牌号到成分 热处理 组织 性能 用途为主线的工程材料应用技术平台 会正确选择使用工程材料及热处理工艺 制造技术基础平台 以材料成形为目标 构建从铸 锻 焊等毛坯生产和工艺设计为主线的制造技术基础平台 会选零件加工制造方法 12 机械零件工作条件 失效分析 性能 化学成分 制备与加工工艺 组织结构 贯穿全课程的 纲 13 学习方法 巧读 善听 勤记 质疑 反思 能说 会写 敢做 学会做人 四字秘诀 参考 诚 以诚为本 诚信做人心底无私天地宽信 树立自信 自强不息一定要有自信心勤 天道酬勤 机遇和幸运之神会主动去找那些勤奋的人韧 百折不挠 坚韧不拔 不被失败和挫折所打倒 14 要求 课堂 作业课程安排与考核 平时 20 考试 闭卷 80 答疑辅导 信箱 sfh1203 办公室电话 3350537办公地点 2舍329室金工教研室 15 参考资料 工程材料与成形技术基础 第2版 鞠鲁粤主编工程材料与成形工艺 杨红玉 刘长青主编Engineeringmaterialstechnology structures processing properties andselection 工程材料技术 JamesA Jacobs ThomasF Kilduff著 赵静等改编 工程材料及成形技术 艾云龙主编 工程材料与成形工艺 冀秀焕 唐建生主编中国材料网 网站 16 字迹工整 按时独立完成作业 课堂内不睡觉 不吃东西 关闭通信等能够发出声音的工具 做不到的是 不迟到 要求 17 第一章工程材料的分类及力学性能 Classificationandmechanicalpropertiesofengineeringmaterials 18 教学目的 为了后续课程的开展 简要介绍金属的力学性能测定原理及其常用力学性能指标 重点 强度 塑性 硬度 韧性等力学性能指标 难点 熟记常用指标并能在选材中初步应用 课堂练习 练习题 19 第一章工程材料的分类及力学性能 第一节工程材料的分类 Classificationofengineeringmaterials 分类 classification 工程材料种类繁多 常见分类方法 按成分分类 金属材料 高分子材料 MetallicMaterials PolymericMaterials 20 按成分分类 四者的关系 陶瓷材料 复合材料 CeramicMaterials CompositeMaterials 21 第二节工程材料的力学性能 mechanicalpropertiesofengineeringmaterials 一 金属材料的性能 二 金属材料的力学性能 定义 指材料在各种载荷 静载荷 动载荷 下表现出来的性能 铸造性可锻性可焊性切削加工性热处理性 金属材料的性能 使用性能 力学性能物理性能化学性能 工艺性能 22 23 1 强度 strength 和塑性 plasticity 金属材料的强度 塑性指标是在万能拉伸试验机上通过拉伸试验测定的 拉伸试验 动画 24 材料的拉伸曲线 以低碳钢为例 1 oe段 直线 弹性变性2 es段 曲线 微量塑性变形阶段 3 ss 段 屈服阶段 4 s b段 大量塑性变形阶段 5 bk段 缩颈阶段 e s s b k 伸长量 载荷F 0 Fe Fs Fb 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 25 1 弹性极限 elasticlimit 定义 指材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值 用 e表示 单位MPa e Fe S0式中Fe弹性极限载荷 N S0试样原始横截面积 mm2 2 弹性模量 elasticmodulus 定义 指材料在弹性变形阶段内 直线的斜率 以E来表示 单位为MPa 强度 strength 定义 材料抵抗外力作用下变形和断裂的能力 26 3 屈服强度 yieldstrength 定义 表示材料发生明显塑性变形时的最低应力值 用 s表示 单位为MPa N mm2 1MPa 对于没有明显屈服强度的材料 如铸铁 高碳钢等 测定 困难 通常规定产生0 2 塑性变形时的应力作为条件屈服强度 用 0 2表示 对于一般机械零件而言 一般不允许发生塑性变形 s Fs S0式中 Fs为屈服时的最小载荷 N S0为试样原始截面积 mm2 国标规定 应区分为上屈服强度 su和下屈服强度 sL 27 大炮长时间发射 若炮膛材料发生塑性变形 影响炮弹发射的精度和易发生自爆 4 抗拉强度 tensilestrength 定义 指材料在拉断前所承受的最大应力 用 b表示 单位MPa 注 s和 b是设计和选材时的主要依据 举例 塑性 plasticity 定义 在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力 判据 断后伸长率 断面收缩率 b Fb S0式中 Fb 最大外力 N S0 试样横截面积 mm2 28 1 断后伸长率 elongationafterfracture 定义 指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比 用 表示 无单位 2 断面收缩率 reductionofarea 定义 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 用 表示 无单位 长试样 10 L0 10d0短试样 5 L0 5d0 L1 L0 L0 100 式中 L1 断后标距 L0 原始标距 29 S0 Su S0 100 式中 S0 原始横截面积 Su 断后最小横截面积 材料的 和 数值越大 表示材料塑性越好 可用锻压等压力加工方法成形 表达材料塑性时 通常用断后伸长率 表示 某工厂买回一批材料 要求 s 230MPa b 410MPa 5 23 50 做短试样 0 5 0 0 10mm 拉伸试验 结果如下 Fs 19KN Fb 34 5KN l1 63 1mm d1 6 3mm 问买回的材料合格吗 举例 解 根据试验结果计算如下 s Fs s0 19x1000 3 14x52 242 230MPa b Fb s0 34 5x1000 3 14x52 439 5 410MP 5 l l0 x100 63 1 50 50 x100 26 2 23 S S0 x100 60 31 50 30 目前金属材料室温拉伸试验方法采用GB T228 2002新标准 由于目前原有的金属材料力学性能数据是采用旧标准进行测量和标注的 所以 原有旧标准仍然沿用 关于金属材料强度与塑性的新 旧标准名词和符号对照见表1 1 31 2 硬度 hardness 定义 指材料抵抗局部变形的能力 硬度是衡量材料软硬程度的判据 最常用的硬度指标有 布氏硬度和洛氏硬度 1 布氏硬度 Brinellhardness 1 试验原理 布氏硬度试验机 32 2 表示方法 HBS 选用淬火钢球压头 适用范围 小于450 HBW 选用硬质合金压头 适用范围 450 650 表示法 数字在前 字母在后 如200HBS I50HBS 175HBS 标注时不要写成HBS 200 或HBS 150 175 或500HBS 不要出现单位 数值差不要超过30 3 特点 优点 测量误差小 数据稳定 重复性强 缺点 压痕较大 操作慢 不适用成品件和薄形件 4 应用范围 常用于测量较软材料 灰铸铁 有色金属 退火正火钢材的硬度 33 2 洛氏硬度 RockwallHardness 1 试验原理 洛氏硬度试验机 动画 34 2 表示方法 数字在前 字母在后 如45HRC 35HRC 38HRC HRC适用范围数值20 67 小于或大于这个范围均为标注错误 如17HRC HRC 15 19等 在图纸标注时注意数值差应 5 否则为标注错误 3 常用标尺 有A B C三种 HRA 硬质合金 表面淬火层或渗碳层 HRB 有色金属和退火 正火钢等 HRC 调质钢 淬火钢等 注意 HRA HRB HRC分别测得的硬度 不可直接比较大小例如 50HRC40HRC 35 5 应用范围 可用于成品和薄件 但不宜测量组织粗大不均匀的材料 适用于测量硬度较高的材料 如淬火钢件 硬质合金等材料 4 特点 优点 测量迅速 简便 压痕小 测量范围大 能测较薄工件 缺点 压痕小 硬度波动大 为提高精度通常测定三个不同点取平均值 注 布氏硬度值和洛氏硬度值之间的关系大致为10HBS 1HRC 36 3 冲击韧度 韧性 impacttoughness 定义 材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力 常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定 测得试样冲击吸收功 用符号Ak表示 Ak mgH mgh J 冲击韧度值ak就是试样缺口处单位面积上所消耗的冲击功 ak AK S 单位J cm2 37 ak值低 脆性材料 断裂时无明显变形 金属光泽 ak值高 韧性材料 明显塑变 断口呈灰色纤维状 无光泽 38 Titanic 含硫高的钢板 韧性很差 特别是在低温呈脆性 所以 冲击试样是典型的脆性断口 近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性 Titanic号钢板 左图 和近代船用钢板 右图 的冲击试验结果 Titanic沉没原因 39 2008年12月1日 南方大部分地区发生雪灾 造成直接经济损失1111亿元 40 4 疲劳强度 fatiguestrength 疲劳强度 指材料经无数次交变载荷作用而不断裂的最大应力值 对于对称循环交变应力的疲劳强度用用 1表示 单位为MPa 国标规定 对于钢铁材料 一般规定疲劳极限对应的应力循环次数为107 有色金属及合金为108 41 合理选材 注意其结构形状 避免应力集中 减少缺陷 提高表面光洁度和表面强化等方法 那么怎样提高零件的疲劳强度呢 1 0 45 0 55 b 碳素钢的疲劳强度和抗拉强度关系 42 本章小结 43 44 第二章金属学基础 metallographybase 45 教学目的 为了后续课程的开展 简要介绍金属的晶体结构 结晶和合金的结构 相图 重点 掌握金属的晶体结构及同素异构转变 金属的结晶过程及合金的结构 难点 金属的结晶过程 课堂练习 练习题 46 第二章金属学基础 第一节金属的晶体结构CrystalStructureofMetals 结构 物质内部原子的在空间的分布和排列情况 一 晶体与非晶体 crystalandnon crystal 固态物质的存在形式 晶体和非晶体 为什么要研究金属的结构 晶体 crystal 原子 离子 分子 在三维空间作有规则的周期性重复排列所构成的物体 47 非晶体 non crystal 原子在三维空间呈无序排列的固体 如普通玻璃 石蜡 松香等 区别 晶体具有固定的熔点 各向异性 anisotropy 非晶体无固定的熔点 各向同性 isotropy 注意 晶体和非晶体在一定条件下可以互相转化 二 晶体结构的基本概念 basicconceptofcrystalstructure 晶格 crystallattice 用假想的几何线条把抽象成为一个点的各原子中心连接起来而形成的几何空间格架 48 晶胞 Unitecells 从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的 最小的几何单元 晶格常数 latticeconstant 晶胞中各棱边的长度a b c 在晶体学中 通常以棱边长度a b c和棱面夹角 来表示晶胞的形状和大小 如图c所示 49 三 典型金属的晶体结构 crystalstructureofthemetal 常见金属的晶体结构 1 体心立方晶格 body centeredcubicbcc 体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格 50 2 面心立方晶格 face centeredcubicfcc 3 密排六方晶格 HexagonalClosed Packedhcp 51 52 四 金属的同素异构转变 allotropictransformationofmetal 现象 加热时铁丝伸长 到912 开始收缩 若冷却时从1000 到912 出现伸长现象 53 举例 定义 同一种元素在固态下由于温度变化而发生晶体结构的变化 如铁 铬 锡 典故 钴 钛等 1394 1534 912 Fe Fe Fe 纯铁的同素异构转变 54 性能变化 当晶体结构改变时 金属的性能 如体积 强度 塑性 磁性 导电性等 往往要发生突变 钢铁材料之所以能通过热处理来改变性能 原因之一就是因其具有同素异构转变 五 实际金属的晶体结构 crystalstructureofmetal 读书破万卷 下笔如有神 55 1 金属的多晶体结构 polycrystalstructuralofmetal 实际使用的金属大都是多晶体结构 即它是由许多不同位向的小晶体组成 如图所示 晶粒 grain 外形不规则 呈颗粒状的小晶体 晶界 grainboundary 晶粒与晶粒之间的界面 56 2 晶体的缺陷 crystaldefects 定义 偏离晶体完整性的微观区域 按缺陷的几何形状 点缺陷 pointdefect 线缺陷 linedefect 面缺陷 planedefect 金属的实际晶体结构和理想晶体结构区别 实际晶体结构不仅是多晶体 而且还有各种缺陷 这些缺陷对金属的物理 化学和力学性能影响很大 特别对塑性 强度 硬度等起着决定性作用 人生的价值 并不是用时间 而是用深度去衡量的 列夫 托尔斯泰 57 1 点缺陷 常见有空位 置换原子 间隙原子 空位 置换原子 间隙原子 58 2 线缺陷 就是位错 dislocation 有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象 钛合金中的位错线 59 3 面缺陷 呈面状分布的缺陷 面缺陷通常是指晶界和亚晶界 工业纯铁的晶界 晶体缺陷对性能的影响 使实际金属强度远远小于理想金属的强度 对实际金属来说 晶体缺陷越多 尤其位错 强度硬度越高 塑韧性越差 60 第二节纯金属的结晶 crystallizationofpuremetal 凝固 solidification 液体 固体 晶体或非晶体 结晶 crystallization 液体 晶体 液态金属结构 固态金属结构 61 一 金属结晶的基本规律 basiclawofmetalcrystallization 1 冷却曲线与过冷现象 冷却曲线 coolingcurve 通过热分析的方法 测得液体金属在结晶时的温度 时间曲线 62 纯金属结晶时的冷却曲线 63 过冷度 T degreeofsupercooling 理论结晶温度与实际结晶温度的差值 即T0 Tn T 过冷是结晶的必要条件 影响过冷度的因素 金属种类不同 过冷度的大小也不同 金属的纯度越高 则过冷度越大 对于同一种金属而言 过冷度的大小主要取决于冷却速度 冷却速度越大 过冷度越大 过冷现象 supercoolingphenomena 金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现象 64 2 结晶的一般过程 结晶 65 形核方式 自发形核 均质形核 非自发形核 非均质形核 注意 自发形核和非自发形核在金属结晶时是同时进行的 但非自发形核常起优先和主导作用 66 晶体的生长方式 实际金属结晶时 晶体多以树枝状长大方式长大 二 金属结晶后的晶粒大小 grainsizeaftermetalcrystallization 一般来说 在常温下工作的金属 晶粒越细小 其强度 硬度 塑性 韧性越高 67 两组大小不同的鸡蛋受力情况 举例 结果 小鸡蛋不易碎 大鸡蛋容易碎 F F 68 金属结晶后晶粒大小取决于形核率N 晶核形成数目 m3 s 和长大率G m s 的比值 工业上常用细化晶粒方法 1 增加过冷度 晶粒细小 冷速过快 变形 开裂 只适用于小铸件 简单件 69 2 变质处理 inoculation 在液体金属中加入变质剂 modifyingagent 以细化晶粒和改善组织的工艺措施 常用于大铸件 实际效果较好 3 振动或搅拌 机械振动 超声振动 或电磁搅拌等 振动的作用 使树枝晶破碎 晶核数增加 晶粒细化 变质剂的作用 作为非自发形核的核心或阻碍晶粒长大 70 第三节合金的结构 microstructureofthealloy 一 合金的基本概念 basicconceptofthealloy 合金 alloy 由两种或两种以上金属元素或者金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质 如 黄铜等 组元 component 组成合金最基本的 独立的物质 如 黄铜Cu Zn 硬铝Al Cu都称二元合金 一般来说 组元可以是组成合金的元素 也可以是稳定的化合物 合金系 有两个或两个以上的组元按不同配比 配制出一系列不同成分 不同性能的合金 这一系列合金构成了一个合金系统 简称合金系 业精于勤荒于嬉 行成于思毁于随 韩愈 71 相 phase 成分相同 结构相同 与其他部分有界面分开的部分 如均匀的液体称为单相 液相和固相同时存在称为两相 组织 structure 指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌 它是相的集合 二 合金的相结构 phasestructureofthealloy 定义 指合金中相的晶体结构 分类 固溶体金属化合物 72 1 固溶体 solidsolution 定义 指溶质原子溶入固态溶剂中 并保持溶剂晶格类型而形成的相 工业中使用的金属材料 绝大部分是以固溶体为基体的 分类 动画 特征 总是以一种金属元素为溶剂 另一种或多种元素为溶质 保有溶剂的晶格结构 成分可在一定范围内变化 性能随成分变化而变化 产生晶格畸变 73 固溶体的形成对金属性能的影响固溶强化 solutionstrengthening 通过溶质原子的溶入形成固溶体以提高合金强度和硬度的现象 固溶强化是金属强化 弱 的重要方式之一 2 金属化合物 compound 定义 是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相 特征 可以用化学式表示 但与普通化学物不同 不一定遵守化合价规律 可分为正常价化合物 电子化合物 间隙化合物 一定程度上具有金属的性质 晶格结构完全不同于任一组元 性能 熔点高 硬而脆 74 例如Fe与C Fe3C 渗碳体 cementite 对合金性能的影响 当合金中出现适当的金属化合物时 通常能提高合金的强度 硬度和耐磨性 但塑性和韧性会降低 所以 金属化合物是各类合金钢 硬质合金和许多有色金属合金的重要强化相 3 机械混合物 mechanicalmixture 定义 指由两种固溶体或固溶体和金属化合物所组成的混合物 如铁碳合金中铁素体和渗碳体结合形成珠光体 特征 各相保持自己的晶格类型和性能特点 强度 硬度适中 目前钢铁材料中大部分都是这种组织 如铁碳合金中珠光体 P 莱氏体 Ld 75 第四节合金相图 alloyphasediagram 定义 相图是利用图解方法表示合金的状态与温度 成分间的关系的图解 是表示合金系在平衡条件下 在不同温度 成分下的各相关系的图解 也称为平衡图或状态图 一 相图的建立 phasediagramestablishing 如 Cu Ni合金 二元合金相图是通过热分析实验法建立的 动画 第一步 先测定不同成分合金的冷却曲线 第二步 确定冷却曲线上的结晶转变温度 临界点 然后把这些点标注在温度 成分坐标图上 第三步 把坐标图上的各相应点连接起来 就可得出该合金的相图 76 二 匀晶相图 定义 当两组元在液态和固态均无限互溶的相图 如Cu Ni Au Ag Au Pt W Mo等 1 相图分析 以Cu Ni为例 特点 匀晶转变 Cu Ni 0 100 温度 A B 1083 1453 L L WNi 点 纯Cu熔点 纯Ni熔点 线 液相线 固相线 相区 单相区L 两相区L 77 结晶过程分析 1 2 L L 2 合金结晶过程分析 1 平衡结晶过程 定义 指合金在结晶过程中冷却速度无限缓慢 原子扩散能够充分进行结晶过程 78 2 不平衡结晶过程 定义 实际生产条件下 液态合金的结晶是在较快的冷却速度下进行的 原子得不到充分扩散 称为非平衡结晶 所得组织称为非平衡组织 出现的现象 晶内偏析 又称枝晶偏析 对合金性能的影响 恶化合金的性能 处理办法 均匀化退火或扩散退火 即把有枝晶偏析的合金加热到固相线以下100 200 进行长时间保温 使原子充分扩散 实现成分均匀化 未来的文盲不再是不识字的人 而是没有学会学习的人 本生 79 三 共晶相图 eutecticphasediagram 定义 当两组元在液态下完全互溶 在固态下有限互溶 并发生共晶反应时所构成的相图 如Pb Sn Al Si等相图 1 相图分析 Pb Sn合金相图 特征 共晶反应 eutecticreaction 点 A点 纯Pb熔点 B点 纯Sn熔点线 AEB 液相线 AMENB 固相线 MEN 共晶转变线 MF NG 溶解度曲线 相区 单相区 L 两相区 L L 三相平衡 L 80 2 典型合金平衡结晶过程分析 相组成物 合金在不同状态下由哪些基本相组成 该组成物称为相组成物 如 等 组织组成物 指的是构成显微组织的独立部分 可以是单相 也可以是两相或者多相混合物 如 等 Pb Sn合金相图 1 81 四 共析相图 eutectoidphasediagram 定义 一定成分的固相在恒温下生成另外两个与母相成分不同的固相的转变称为共析转变 发生共析转变的相图 特征 共析反应 82 五 合金性能与相图的关系 使用性能与相图的关系 83 工艺性能与相图的关系 84 本章小结 体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格 结晶条件 过冷结晶过程 过冷细化变质处理振动或搅拌 点缺陷线缺陷面缺陷 固态相变 同素异构转变 晶粒细化 晶体缺陷 晶体结构 结晶 纯金属 85 合金的结构 固溶体 金属化合物 机械混合物 间隙固溶体 置换固溶体 合金相图 匀晶相图 共晶相图 共析相图 合金 86 第三章铁碳合金 ironcarbonalloy 87 教学目的 为了后续课程的开展 简要介绍铁碳合金相图及应用 重点 掌握铁碳合金相图 及组织和相图分析 难点 铁碳合金结晶过程分析课堂练习 练习题 88 第三章铁碳合金 第一节铁碳合金相图 ironcarbonphasediagram Fe与C可形成一系列化合物 Fe3CFe2CFeC Wc 6 69 Wc 9 3 Wc 17 8 Fe C Fe3C Fe2C FeC 含碳量大于5 的铁碳合金脆性极大 没有使用价值 89 Fe Fe3C A C D E F G Q P S K 温度 L A F L A L Fe3C A Fe3C F A F Fe3C 铁碳合金相图 D 90 铁碳合金的相 一 铁碳合金的基本组织和相 91 1 铁素体F 定义 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 显微组织 呈现均匀明亮 边界平缓的多边形特征 92 2 奥氏体 austenite A 定义 碳在 Fe中的间隙固溶体 特点 塑性较好 强度较低 显微组织 显微镜下为边界较平直的多边形特征 93 3 渗碳体 cementite Fe3C 定义 是Fe与C的化合物 特点 b 30MPa HB 800 0 0 在钢中起强化作用 Fe3C 3Fe C 石墨 94 4 珠光体 pearlite P 定义 F与Fe3C组成的机械混合物 WC 0 77 特点 其性能介于铁素体和渗碳体之间 强度较高 硬度适中 有一定的塑性 组织特性 是铁素体薄层 片 与碳化物 包括渗碳体 薄层 片 交替重叠组成的 95 5 莱氏体 ledeburite Ld 定义 由A 或其转变的产物 与渗碳体组成的混合物 高温莱氏体 由A与渗碳体的组成共晶混和物 用Ld表示 低温莱氏体 在727 以下 高温莱氏体中的A 将转变P 形成了P和渗碳体的混合物 用 Ld 表示 特点 硬而脆 不能进行压力加工 组织特征 为蜂窝状 可以看成是在渗碳体的基本上分布着颗粒状的A 或P 96 二 相图分析 phasediagramanalysis 1 特征点 featurepoints 注 相图中的符号为国际通用 不能随便改动 动画 97 2 特征线 FeatureLines ACD 液相线 液相冷却至此开始析出固相 固相加热至此全部转化为液相 AECF 固相线 液态合金至此线全部结晶为固相 固相加热至此开始转化 GS A开始析出F的转变线 加热时F全部溶入A 又称A3线 ES C在A中的溶解度曲线 实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线 又称Acm线 ECF 共晶线 含C量2 11 6 69 的铁碳合金至此发生共晶反应 结晶出A与Fe3C混合物 莱氏体Ld 98 PSK 共析线 含C量在0 0218 6 69 的铁碳合金至此反生共析反应 产生珠光体P 又称A1线 PQ线 碳在 Fe中的溶解度曲线 也是三次Fe3C的析出线 根据生成条件的不同 渗碳体可分为一次渗碳体 二次渗碳体 三次渗碳体 共晶渗碳体 共析渗碳体五种 它们的不同形态与分布 除对铁碳合金性能有不同影响外 就其本身来讲 并无本质区别 补充 99 一次渗碳体 Fe3C 从液相中结晶出的渗碳体 二次渗碳体 Fe3C 从奥氏体中析出的渗碳体 三次渗碳体 Fe3C 从铁素体中析出的渗碳体 共晶渗碳体 经共晶反应生成的Fe3C 即莱氏体中的Fe3C 共析渗碳体 经共析反应生成的Fe3C 即珠光体中的Fe3C 3 主要相区 mainphaseregion 4个单相区 液相L 铁素体F 奥氏体A 渗碳体Fe3C 5个两相区 L A L Fe3C A Fe3C A F F Fe3C 2个三相区 L A Fe3C A F Fe3C 100 铁碳合金 共晶生铁亚共晶生铁过共晶生铁 工业纯铁 钢 生铁 共析钢 eatectoidstee 亚共析钢 HypoeutectoidSteel 过共析钢 hypereutectoidsteel 三 典型合金的结晶过程分析 101 方法和步骤 在相图的横坐标上找出给定的成分点 过该点作成分线 在成分线与相图的各条线的交点作标记 一般用1 2 3 4等 根据每条线表示的转变 写出每两个点之间或者重要点上发生的转变 由液相分析至室温 室温下该成分线所在的相区 合金室温下就具有那个相 组织组成物则取决于冷却过程中发生的转变 102 P P 共析钢 P A F Fe3C 103 亚共析钢 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 1 2 3 4 1 2 3 4 4 L L A A F A A P P F 冷却曲线 104 G P 过共析钢 105 共晶白口铸铁 106 亚共晶白口铸铁wC 3 0 A Fe3CII L d P Fe3CII 107 过共晶白口铸铁wC 5 0 d Fe3C 108 A C D E F G S P Q 1148 727 L A L A L Fe3C 6 69 C A Fe3C Ld Ld Fe3C A Ld Fe3C F A F A Fe3C F Fe3C P P F P Fe3C Ld Ld Fe3C P Ld Fe3C K 共晶相图 共析相图 匀晶相图 P Fe3C Fe Fe3C相图 109 第二节铁碳相图的应用 ApplicationofFe Cphasediagram 一 铁碳合金成分 组织 性能的关系 1 含碳量对铁碳合金平衡组织的影响 玉不琢 不成器 人不学 不知道 礼记 110 2 含碳量对性能的影响 对钢的影响 C 硬度 塑 韧性 强度 先升后降 当C 0 9 时 Fe3C 呈连续网状 工业上使用的钢含碳量一般不超过1 4 111 二 铁碳相图的应用 1 在钢铁材料选用方面的应用 2 制定热加工工艺的依据 在铸造方面的应用 在锻压加工方面的应用 在热处理方面的应用 情况是在不断的变化 要使自己的思想适应新的情况 就得学习 112 本章小结 113 第四章钢的热处理 heattreatmentofsteel 114 教学目的 为了后续课程的开展 简要介绍钢在加热冷却时的转变和钢的热处理方法 重点 掌握退火 正火 淬火与回火工艺及应用难点 钢在加热冷却时的转变 课堂练习 练习题 115 第四章钢的热处理 定义 将固态金属或合金通过加热 Heating 保温 InsulationWork 和冷却 Cooling 使其内部组织结构发生变化 获得所需要性能的工艺 目的 一是改善材料工艺性能 确保后续加工顺利进行 这种热处理称为预先热处理 二是提高材料使用性能 延长零件使用寿命 这种热处理称为最终热处理 上帝造人 分类 普通热处理 四火 退火 正火 淬火 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 形变热处理等 热处理 应用 动画 116 第一节钢在加热冷却时的组织转变 一 钢在加热时的组织转变 TransformationOfSteelsBeingHeated P 1 滞后现象 hysteresis 117 2 奥氏体的形成 formationofaustenite 以共析钢为例 室温P F Fe3C混合物 F 体心立方WC 0 0218 Fe3C 密排六方WC 6 69 A面心立方WC 0 77 实质 奥氏体形成的过程就是铁晶格改组和Fe C原子的扩散过程 A的形成过程可以分为四个阶段 学习永远不晚 高尔基 118 奥氏体晶核的形成 色难 有事 弟子服其劳 有酒食 先生馔 曾足以为孝乎 119 奥氏体晶核的长大 学而时习之 不亦说乎 有朋自远方来 不亦乐乎 120 残余渗碳体溶解 天地不仁 以万物为刍狗 圣人不仁 以百姓为刍狗 121 奥氏体均匀化 道 可道 非恒道 名 可名 非恒名 加热保温的目的 获得成分均匀 晶粒细小A 122 3 奥氏体晶粒度及其控制 晶粒度 grainsize 在单位面积或单位体积中晶粒数量的多少 GB6394 86规定 晶粒度分为10级 1级最粗 10级最细 起始晶粒度 initiativegrainsize 珠光体向奥氏体的转变刚刚完成时奥氏体晶粒的大小 实际晶粒度 actualgrainsize 具体热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小 本质晶粒度 inherentgrainsize 某种钢在规定的加热条件下 奥氏体晶粒长大的倾向性 分类 根据A形成过程和晶粒长大的情况分为 123 影响奥氏体晶粒长大的因素 加热温度和保温时间加热速度钢的组织及成分 二 钢在冷却时的组织转变 目的及重要性 决定了钢热处理后的组织和性能 同一种钢 加热温度和保温时间相同 冷却方法不同 热处理后的性能截然不同 奥氏体的冷却转变 奥氏体在临界点A1以上是稳定相 冷却至A1以下就成了不稳定相 要发生组织转变 124 冷却方式 连续冷却和等温冷却 过冷A supercooledaustenite 在A1线以下 未发生转变的不稳定奥氏体 125 1 过冷A的等温转变 以共析钢为例 1 过冷奥氏体等温转变曲线 TTT Temperature Time Transformation A1 126 共析碳钢C曲线的分析 稳定的奥氏体区 过冷奥氏体区 A向产物转变开始线 A向产物转变终止线 A 产物区 产物区 M A M 127 2 过冷奥氏体的转变产物及转变过程 1 珠光体型转变 又称高温转变 发生温度 A1 550 转变产物 珠光体 A1 6500C 珠光体片层较粗 P 珠光体 pearlite 6500C 6000C 珠光体层片较细 S 索氏体 sorbite 6000C 5500C 珠光体层片极细 T 屈氏体 troolstite 珠光体的铁素体和渗碳体层片粗细与转变温度有关 温度越低 珠光体的层片越细 层片变细 强度硬度增加 塑性韧性有所增加 128 2 贝氏体型转变 又称中温转变 转变温度 550 Ms 230 转变产物 贝氏体 bainite 由过饱和F和渗碳体组成的混合物 用符号B表示 分类 按组织形态不同分为 上贝氏体 upperbainite B上 550 350 羽毛状组织 硬度高 塑性 韧性差 不用 129 下贝氏体 lowerbainite B下 350 Ms 针片状组织 高强度 硬度 塑性韧性较好 工业中应用于中碳钢和中碳合金钢制造的零件中 针叶状 130 3 马氏体转变 又称低温转变 转变温度 Ms 230 C Mf转变产物 马氏体 martensite A residualaustenite 马氏体 碳在 Fe中形成的过饱和固溶体 用M表示 分类 低碳马氏体 lowcarbonmartensite 呈板条状 具有较高的强度和塑韧性 也称板条M lathmartensite 高碳马氏体 highcarbonmartensite 呈透镜状 片状 中间有脊线 其强度很高 但塑韧性差 脆性大 低碳马氏体 高碳马氏体 131 共析钢C曲线及转变产物 132 P F S F T B M A 亚共析钢的C曲线 133 P Fe3C S Fe3C T Fe3C B M A 过共析钢的C曲线 134 Pf P转变终了线 Ps P转变开始线 A P K P转变中止线 Ms Mf 2 过冷A连续转变冷却曲线 CCT曲线 ContinuousCoolingTransformation 过冷A区 产物区 M A M 100 0 230 135 3 等温转变曲线在连续冷却曲线中的应用 P S T M A M A 136 共析钢加热到相变点以上 如下图所示的冷却曲线冷却 各应得到什么组织 各属于何种热处理方法 举例 137 毛坯 预先热处理 粗加工 最终热处理 精加工 成品 第二节钢的退火与正火 重要零部件制造工艺中路线 铸造锻造 预先热处理 退火或正火 最终热处理 淬火和回火 138 目的 软化 稳定化 细化 均匀化 一 退火 annealing 动画 分类 将相本无种 男儿当自强 定义 P 钢 临界温度以上或以下 退火 完全退火等温退火球化退火去应力退火扩散退火再结晶退火 139 1 完全退火 fullannealing 工艺 Ac3 30 50 随炉冷至500 以下出炉空冷 室温组织 F P 目的 细化组织 降低硬度 细化 软化 适用范围 亚共析成分的碳钢和合金钢的铸件 锻件 AC3 30 50 140 2 等温退火 isothermalannealing 工艺 Ac1 或Ac3 30 50 保温后 迅速冷却至Ar1以下某一温度 待A P类组织 出炉空冷 组织 P类 目的 细化 软化 省时 应用 奥氏体较稳定的合金钢 尤其高合金钢 141 3 球化退火 spheroidizingannealing 工艺 Ac1 20 30 随炉冷至500 600 空冷 组织 球状珠光体 目的 使网状或片状Fe3C 球化 软化 适用范围 用于过共析钢 如工具钢 滚珠轴承钢等 轴承 刀具 模具 142 4 去应力退火 reliefannealing 工艺 500 600 随炉缓冷至200 再出炉冷却 目的 去除残余应力 稳定化 应用 消除铸件 锻件 焊接件等的残余内应力 5 均匀化退火 扩散退火 工艺 AC3 150 250 保温10 20h 组织 亚共析钢为P F 目的 消除偏析 均匀成分 组织 均匀化 应用 主要用于质量要求高的合金钢铸锭 铸件 锻件 床身 143 6 再结晶退火 recrystallizationannealing 工艺 Ac1以下50 150 或T再 30 50 缓冷 目的 消除加工硬化 恢复钢材的塑韧性 软化 应用 冷加工后的工件消除加工硬化 二 正火 normalizing 定义 将工件加热到Ac3或Accm以上30 50 保温后从炉中取出在空冷的热处理工艺 动画 F P A Fe3C P Fe3C F P 正火 Accm Ac3 30 50 144 低碳钢或低碳合金钢 提高硬度 利于切削 过共析钢 消除网状Fe3C 为球化退火作准备 中碳钢和中碳低合金钢 受力不大 性能要求不高可作为最终热处理 对某些大型或形状复杂的工件 在保证性能的前提下 可用正火代替淬火 防止变形和开裂 目的 退火与正火的区别 加热温度几乎相同 但正火温度稍高 退火冷却速度小于正火 145 退火与正火的选择 1 从切削加工性方面考虑 低碳钢 中碳钢 过共析钢 退火 正火 146 2 从使用性能方面考虑 一些受力不大 性能要求不高的零件 形状复杂 尺寸大或重要的零件 退火 正火 147 3 从经济性方面考虑 与退火相比 正火生产周期短 工艺简单 成本低 在满足钢质量的前提下 应尽可能用正火代替退火 退火 正火 148 指出下列钢件坯料 应选择退火还是正火 并说出该工艺的主要目的及冷却后的组织 1 20钢齿轮 2 T12钢锉刀 3 性能要求不高的45钢轴承 举例 149 第三节钢的淬火 Quenching 定义 一 淬火的目的 获得M或B下组织 提高钢的的硬度和耐磨性 二 淬火温度和加热时间的选择 1 淬火温度的选择 亚共析钢 AC3 30 50 共析钢及过共析钢 AC1 30 50 动画 150 为什么亚共析钢不在两相区 A F 加热 为什么过共析钢必须在两相区 A Fe3C 加热 如果过共析钢T淬火 Accm会有什么后果 2 加热时间的确定 三 淬火冷却 quenchcooling 淬火冷却是决定淬火质量的关键 理想的冷却速度应是如图所示的速度 加热时间 保温时间 升温时间 151 但到目前为止还没有找到十分理想的冷却介质能符合这一理想的冷却速度的要求 650 以上 慢 减小热应力650 400 快 避免C曲线400 以下 慢 减轻相变应力 152 1 常用的淬火介质 quenchingmedium 目前生产中常用的冷却介质有油 盐浴 碱浴 水 盐水 其冷却能力依次增加 动画 2 常见的淬火冷却方法 quenchcoolingmethod 碳钢及低合金结构钢 小而简单的碳钢件 小而复杂 变形要求小的重要零件 合金钢淬火 153 1 单液淬火 Single stageQuenching 定义 将加热的工件放入一种淬火介质中一直冷到室温 应用 适用于形状简单的碳钢和合金钢工件 形状简单 尺寸较大的碳钢工件多采用水淬 小尺寸碳钢件和合金钢件一般用油淬 2 双液淬火 DoubleQuenching 定义 工件先在一种冷却能力强的介质中冷却 在Ms点以下转入另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法 应用 主要用于形状复杂的碳钢工件及大型合金钢工件 154 3 分级淬火 BrokenHardening 定义 A化后的钢 稍低于Ms点 150 260 的盐浴或碱浴 保温2 5min 取出空冷 应用 适用于变形要求严格且尺寸不大的工件 4 等温淬火 IsothermalHardening 定义 A化后的钢 稍高于Ms点的盐浴或碱浴 保温足够长时间 获得B下 应用 适于形状复杂 截面不大 要求精度高并具有良好强韧性的零件 人非生而知之 孰能无惑 惑而不从师 其为惑也 终不解矣 韩愈 155 5 冷处理 coldtreatment 定义 淬火后的钢 室温以下某一温度 70 80 保温一定时间 使A 转变为M 恢复到室温的工艺 应用 主要用于要求高硬度高耐磨及要求精密度高的零件 如精密轴承 精密模具 量具等 精密轴承 156 时间 A1 Ms 1 2 3 4 1 单液淬火2 双液淬火3 分级淬火4 等温淬火 不同淬火方法示意图 温度 157 四 钢的淬透性 Hardenabilityofsteel 1 钢的淬透性和淬硬性 淬透性 hardenability 表示钢在淬火后能获得淬硬层的深度 淬硬性 hardenability 表示钢在淬火后能达到的最高硬度 取决于WC的含量 C 淬硬性 区别 淬透性是钢本身的固有属性 取决于Vk或C曲线位置 实际淬硬层深度与工件形状 大小 冷却介质等有关 淬硬性主要取决于M的含碳量 淬硬层深度 depthofhardeningzone 表面到半M组织的距离 158 2 淬透性的测定 常用末端淬火法测定 天才免不了有障碍 因为障碍会创造天才 罗曼 罗 159 160 3 影响淬透性的因素 4 淬透性的应用 161 第四节回火 Tempering 定义 一 回火的主要目的 消除内应力 降低脆性 稳定组织和工件尺寸 降低硬度 提高塑性 动画 注意 未经淬火的钢回火无意义 而淬火钢不回火在放置使用过程中易变形或开裂 钢经淬火后应立即进行回火 读书而不思考 等于吃饭而不消化 波尔克 162 二 回火的组织和性能变化 淬火钢回火时的组织转变主要发生在加热阶段 随加热温度升高 淬火钢的组织发生四个阶段变化 1 马氏体的分解 回火阶段 100 回火时 组织无变化 100 200 加热时 马氏体将发生分解 获得组织 回火马氏体M回 过饱和 固溶体 碳化物 性能变化 内应力逐渐减小 性能基本不变 2 残余奥氏体分解 回火阶段 200 300 A 分解 转变为B下 获得组织 M回 TemperedMartensite 表示 性能变化 应力进一步降低 强度和硬度略有下降 163 3 马氏体分解完成和渗碳体的形成 回火阶段 300 400 碳化物转