金属工艺学 2ppt课件

金属工艺学 金属工艺学 热加工工艺基础 冷加工工艺基础 工程材料导论 金属液态成形 金属塑性成形 金属连接成形 表面切削成形的基本方法 机械加工工艺的基本知识 金属切削加工基础 讲授内容 零件的生产工艺过程 选材 选毛坯 预先热处理 机械加工 最终热处理 检验 应根据零件的性能要求 受载情况 服役条件 工作环境等 选材 金属材料种类繁多 性能不一 根据零件的性能要求 服役条件的不相同 再加上材料的资源 价格等多方面考虑 毛坯选择 机械加工方法 轴 车削 传统的有 现代的有 有液态成形毛坯 塑性成形毛坯 连接成形毛坯 粉末冶金成形 型材等毛坯 车削 刨削 铣削拉削 镗削 磨削等 数控加工 电火花加工 激光加工等特种加工方法 预先热处理 为使切削加工能顺利进行 可通过预先热处理调整硬度 为切削加工做好组织准备 最终热处理 使材料的性能达到要求 材料 信息 能源 生物称为现代技术的四大支柱 复合材料 工程材料 金属材料 陶瓷材料 高分子材料 第一章金属材料的机械性能 一 教学目的和要求1 掌握强度和塑性指标的符号 单位及意义 2 掌握布氏硬度和洛氏硬度的测定原理 方法 符号及应用 3 了解拉伸试验方法和拉伸曲线图 4 了解冲击韧性和疲劳强度的概念 金属材料的性能直接关系到金属产品的质量 使用寿命和加工成本 以及生产工人的劳动强度和劳动安全 它包括使用性能和工艺性能 使用性能是指金属材料在使用过程中所表现出来的性能 包括金属材料的力学性能 物理性能 熔点 导电性 导热性 磁性等 及化学性能 耐腐蚀性 抗氧化性等 工艺性能是指金属材料在各种加工工艺过程中所表现出来的性能 包括铸造 锻造 焊接 热处理性能及切削加工性能等 金属材料的力学性能又称机械性能 是指金属材料在外力 即载荷 作用下所表现出的抵抗变形和破坏的能力 包括强度 塑性 硬度 冲击韧性和疲劳强度等 是机械零件和构件设计 选材的主要依据 一 强度 金属材料在外力作用下抵抗永久变形或断裂的能力称为强度 按外力性质不同划分 强度有抗拉强度 抗压强度 抗剪强度 抗扭强度和抗弯强度等 工程指标一般为屈服强度和抗拉强度 金属材料的屈服强度 抗拉强度以及塑性指标是在万能材料试验机上通过对金属材料进行拉伸试验测定的 构件在力的作用下 抵抗永久变形或断裂的能力 强度 既取决于承受的内力大小 又取决于构件的横截面的大小和形状 因而用应力值来衡量构件的强度 一般 把单位面积上的抵抗破坏的内力称为应力 即 其中 载荷F不增加而试件仍能继续伸长 即变形 处的应力值称为屈服强度 也叫屈服极限 用 s表示 对于屈服现象不明显的金属材料 以产生0 2 塑性变形时的应力值为屈服强度 用 0 2表示 这里解释一下材料受力变形 材料的变形分为弹性变形 外力撤销可以恢复原来形状 和塑性变形 外力撤销不能恢复原来形状 形状发生变化 图1 2屈服强度 当材料所受应力超过弹性极限后 变形增加较快 此时除了产生弹性变形外 还产生部分塑性变形 当应力达到一个值后 塑性应变急剧增加 曲线出现一个波动的小平台 这种现象称为屈服 这一阶段的最大 最小应力分别称为上屈服点和下屈服点 由于下屈服点的数值较为稳定 因此以它作为材料抗力的指标 称为屈服点或屈服强度 强度单位为MPa 兆帕 过去用N m2 彼此之间换算公式是 1Mpa 兆帕 1000KPa 千帕 1 000 000Pa 帕 1Pa 帕 1N m2试件拉断前所能承受的最大应力值称为抗拉强度 抗拉极限 用 b表示 金属材料和构件在工作时一般不允许产生明显的塑性变形 在设计机械零件是以 s或 0 2为依据 屈服强度与抗拉强度的比值称为屈强比 小于1 二 塑性 塑性变形 金属材料在外力作用下产生不可逆转的永久变形而不发生断裂的能力称为塑性 常用的塑性指标有断后伸长率 和断面收缩率 均通过试验测定 1 断后伸长率 又称延伸率 是指试件被拉断后 其标距长度的最大伸长量 l与原始标距l0的百分比 2 断面收缩率 是试件被拉断后 缩颈 断裂处横截面的最大缩减量 S与原始横截面积S0的百分比 三 硬度 金属材料抵抗局部变形 特别是局部塑性变形 压痕或划痕的能力称为硬度 常用的硬度指标有布氏硬度 HB 洛氏硬度 HR 和维氏硬度 HV 其中以布氏硬度和洛氏硬度最为常用 三者均通过硬度试验获得 布氏硬度HB标注方法 标准 130HBS10 1000 30 简写 HB130洛氏硬度HR标注方法 标准 55HRC 简写 HRC55维氏硬度HV标注方法 标准 640HV30 20 简写 HV640 四 冲击韧性与金属疲劳 动载荷 1 冲击韧性 金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力称为冲击韧性 简称韧性 导致冲击的因素主要有载荷或速度突然变化 惯性 2 金属疲劳 金属材料在指定循环基数的交变载荷作用下 不产生疲劳断裂所能承受的最大应力称为疲劳强度 疲劳极限 由于在疲劳断裂之前构件不产生明显的塑性变形 不容易引起注意 所以危险性很大 常常造成严重危害 机械零件的失效80 是由于疲劳破坏造成的 作业 一铜棒的最大拉应力为70MPa 若要承受2000kg的载荷 它的直径是多少 复习题一 填空题 1 金属的力学性能主要有 和等 2 金属材料的性能包括 性能 性能 性能和 性能 3 是材料抵抗变形和断裂的能力 4 是材料产生变形而又不破坏的性能 5 金属的塑性变形会导致其提高 下降 这种现象称为加工硬化 二 单项选择题 1 金属材料表现出力学性能的是 A 导电性B 抗氧化性C 导热性D 硬度2 试件拉断前承受的最大标称拉应力称为 A 屈服强度B 抗拉强度C 塑性强度D 抗压强度3 常用金属的塑性判断依据是断后伸长率和 A 硬度B 强度C 断面收缩率D 屈服极限4 金属的韧性通常随温度降低 A 变好B 变差C 不变D 都不对5 在拉伸试验中 试样拉断前能承受的最大应力称为材料的 A 屈服极限B 抗拉强度C 弹性极限6 洛氏硬度C标尺所用的压头是 A 淬硬钢球B 金刚石圆锥体C 硬质合金球 第二章金属和合金的晶体结构 金属材料的强度 硬度 塑性和韧性等机械性能取决于材料的化学成分和内部组织结构 微观结构 按化学成分分 金属有纯金属和合金 自然界大多数金属都呈固态 按其组成原子 分子 离子 在内部的排列情况 可分为晶体和非晶体两大类 内部原子按一定次序有规则排列的物质称为晶体 内部原子在空间无规则排列的物质称为非晶体 其中固态金属及合金均为晶体结构 2 金属的结晶绝大多数零件要么由液态金属直接浇铸成型 要么先将液态金属浇注呈金属锭 然后轧制成型再加工而成 这种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的过程称为金属的结晶 金属的结晶过程可以用其冷却曲线来描述 如下图 由冷却曲线可见 开始时 金属的温度T随冷却时间t增加而下降 当散热液态金属的温度降低到T1时 开始结晶 由于结晶释放大量热量补偿了冷却过程中热量的散发 冷却曲线出现一个水平台阶段 此阶段恒温 金属液态与晶共存 之后结晶完成 温度随之继续下降 结晶温度实际上是一个平衡温度 是冷却散热和结晶潜热产生的动态平衡过程 过冷度是金属结晶过程自发进行的必要条件 3 合金由一种金属与另一种或几种金属 非金属熔合而成的具有金属特性的物质称为合金 例如钢 铸铁是铁与碳组成的合金 黄铜是铜与锌组成的合金 组成合金的最基本的 独立的物质单元 简称组元 它可以是纯金属和非金属的化学元素 也可以是某些稳定的化合物 例如钢是由铁 Fe FeC Fe2C Fe3C等组元组成的 由两种组元组成的合金称为二元合金 由三种组元组成的合金称为三元合金 由多种组元组成的合金称为多元合金 相同组元可按不同的比例配制呈一系列成分不同 性能不同的的合金 构成一个合金系统 简称合金系 金属或合金中化学成分相同 晶体结构相同或原子状态相同 并与其他部分之间有明确界面的独立均匀组成 称为相 如液态纯金属称为液相 结晶出的固态纯金属称为固相 复习题一 填空题 1 Fe是 立方晶格 2 合金在固态下 组元间仍能互相溶解而形成的均匀相称为 3 原子规则排列的物质叫 一般固态金属都属于 4 固态合金的相结构可分为 和 两大类 二 简答题 1 金属的晶粒大小对其力学性能有何影响 如何控制液态金属的结晶过程 以获得细小晶粒 三 名词解释 1 合金 第三章铁碳合金相图 钢 铁材料是工业生产中最为常用的金属材料 它们是以铁 碳作为基本元素的合金 包括普通碳钢 铸铁以及合金钢和合金铸铁 铁碳合金相图是人们在长期生产实践中总结和使用的一个非常重要的依据和工具 利用它 可以很好的研究在各种平衡条件下铁碳合金的成分 温度 组织结构和性能之间的关系 指导热加工生产 本章着重介绍铁碳合金基本组织相图 铁碳合金相图分析以及碳钢定义 组成成分 分类 牌号以及用途 要求 重点掌握碳钢定义 组成成分 分类 牌号以及用途 一 铁碳合金基本组织铁碳合金组成元素是铁 Fe 碳 C 在不同的条件下 不同比例的铁碳元素可以组成由铁原子 碳原子 FeC Fe2C Fe3C等不同组织 不同结构的铁碳合金 一般 含碳量超过5 的铁碳合金很脆 没有实用价值 含碳量低于2 11 的铁碳合金称为碳素钢 碳钢 钢 含碳量在2 11 5 的铁碳合金称为铸铁 铁 铁碳合金基本组织有铁素体 奥氏体 渗碳体 珠光体和莱氏体五种 1 铁素体 碳溶于 Fe 体心立方晶格 形成的间隙固溶体称为铁素体 用符号F表示 由于 Fe是体心立方晶格结构 铁素体的晶格间隙很小 因而溶碳能力极差 在727 时溶碳量最大 可达0 0218 随着温度的下降溶碳量逐渐减小 在600 时溶碳量约为0 0057 在室温时铁素体的溶碳量几乎等于零 因此可以把铁素体看作是纯铁 铁素体的强度 硬度都很低 但具有良好的塑性和韧性 铁碳合金中铁素体含量越多 硬度越低 塑性就越好 2 奥氏体 奥氏体是碳溶解在 Fe中的间隙固溶体 常用符号A表示 它仍保持 Fe的面心立方晶格 其溶碳能力较大 在727 时溶碳为0 77 1148 时可溶碳2 11 奥氏体是在大于727 高温下才能稳定存在的组织 奥氏体塑性好 强度较低 是绝大多数钢种在高温下进行压力加工时所要求的组织 奥氏体是没有磁性的 分辨奥氏体不锈钢刀具 常见的18 8型不锈钢 的方法之一就是用磁铁来看刀具是否具有磁性 古代铁匠打铁时烧红的铁块既处于奥氏体状态 3 渗碳体 碳在铁中的溶解能力是有限的 当碳的含量超过铁的溶解度时 多余的碳就会和铁按一定的比例进行化合 形成具有复杂晶格结构的金属化合物Fe3C 称为渗碳体 其含碳量为6 69 渗碳体是一种具有极高硬度 800HB以上 的脆性化合物 呈斜方结构 渗碳体的数量 形态和分布对钢和铸铁的性能影响很大 渗碳体是碳在退火和正火钢中以及白口铸铁中的一般存在形式 也是共析组织珠光体的组成之一 另一为铁素体 4 珠光体 珠光体是奥氏体 奥氏体是碳溶解在 Fe中的间隙固溶体 发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体 其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物 也称片状珠光体 用符号P表示 含碳量为0 77 在珠光体中铁素体占88 渗碳体占12 由于铁素体的数量大大多于渗碳体 所以铁素体层片要比渗碳体厚得多 在球化退火条件下 珠光体中的渗碳体也可呈粒状 这样的珠光体称为粒状珠光体 珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间 强度较高 硬度适中 塑性和韧性较好 5 莱氏体 莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体 其含碳量为4 3 当温度高于727 时 莱氏体由奥氏体和渗碳体组成 用符号Ld表示 在低于727 时 莱氏体是由珠光体和渗碳体组成 用符号Ld 表示 称为变态莱氏体 因莱氏体的基体是硬而脆的渗碳体 所以硬度高 塑性很差 分为高温莱氏体和低温莱氏体两种 奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称高温莱氏体 用符号Ld或表示 由于其中的奥氏体属高温组织 因此高温莱氏体仅存于727 以上 高温莱氏体冷却到727 以下时 将转变为珠光体和渗碳体机械混合物 称低温莱氏体 用Ld 表示 由于莱氏体中含有的渗碳体较多 故性能与渗碳体相近 即极为硬脆 二 铁碳合金状态图铁碳合金状态图是指在极其缓慢加热 或冷却 条件下 各种成分的铁碳合金在不同温度下所处的组织状态或组织构成图形 在铁碳合金状态图中 有实用价值的只有含碳量为0 6 69 的Fe Fe3C状态图部分 它是研究铁碳合金金相转变规律 正确分析组织及性能的基础 也是制定热加工工艺的依据 在Fe Fe3C状态图中 若用相来描述铁碳合金的组织状态 则称之为Fe Fe3C相图 由于状态图中的组织是在极其缓慢加热 冷却 得到的 接近平衡状态 故又称Fe Fe3C平衡图 1 Fe Fe3C状态图中的主要特性点ABCD线 液相线 任何成分的铁碳合金在此线以上都处于液相 液体 含碳量在BC之间的液态金属缓冷至BC线时 出液相中开始结晶出奥氏体 大于4 35的液态合金缓冷至CD线时 开始结晶出渗碳体 AHJECF线 固相线 任何成分的铁碳合金缓冷至此线时全部结晶为固相 固体 ECF线 共晶线 冷却至1148 时 含碳量为2 11 的铁碳合金在恒温下由液态会同时结晶出奥氏体和渗碳体发生共晶反应 生成高温莱氏体Ld PSK线 共析线 奥氏体冷却时 在727 恒温下会同时析出铁素体和渗碳体 发生共析反应 生成珠光体 凡含碳量在0 0218 6 69 之间的铁碳合金均可发生此反应 PSK线常称为A1线 GS线 含碳量 0 77 的铁碳合金冷却到从奥氏体析出铁素体的开始线 也是加热时铁素体转变为奥氏体的终了线 常称为A3线 ES线 碳在奥氏体中的溶解度曲线 常称Acm线 在1148 时 奥氏体溶碳能力最大 达到2 11 随着温度的降低 溶解度也沿此线降低 在727 时 溶碳量为0 77 图中 A 奥氏体F 铁素体P 珠光体Fe3C 渗碳体Ld 莱氏体 2 铁碳合金的成分 组织 性能之间的关系在铁碳合金中 渗碳体是强化相 总的趋势 渗碳体含量越多 材料越硬 塑性及冲击韧性越差 当含碳量小于0 9 时 随着钢中含碳量增加 渗碳体含量相应增加 钢的强度上升 当含碳量超过0 9 时 随着钢中含碳量增加 渗碳体含量相应增加 钢的强度明显下降 工业上使用的碳钢一般要求具有足够的强度和韧性 其含碳量大多数不超过1 3 1 4 铁碳合金成分 组织与性能关系图 图中 c含碳量 延伸率 收缩率 b抗拉强度ak冲击韧度HB硬度F铁素体P珠光体Fe3C 二次渗碳体Ld 低温莱氏体Fe3C 一次渗碳体 3 铁碳合金相图的应用 铁碳合金相图在金属材料的研究和生产实践中均有重要实用价值 一般主要表现在以下几个方面 1 在选材方面的应用根据铁碳合金相图可以推断铁碳合金的组织随成分 温度的变化规律 依据工件的工作条件及对性能的要求 可以借助相图合理的选择材料 2 在铸造方面的应用根据铁碳合金相图 可以确定合适的熔化浇注温度 3 在锻造方面的应用根据铁碳合金相图 可以正确选择锻 轧工艺温度规范 4 在热处理方面的应用根据铁碳合金相图 可以各种热处理工艺的加热温度规范 三 碳钢碳素钢简称碳钢 是指含碳量低于2 11 的铁碳合金 并含有少量的磷 P 硫 S 硅 SI 锰 Mn 等杂质 碳钢冶炼方便 价格低廉 产量大而且具有良好的力学性能和工艺性能 能够满足一般机械工业用钢要求 其应用十分广泛 磷 硫是碳钢中的有害杂质 其中磷是由生铁带入的 可以提高钢的强度和硬度 但在在低温条件下对碳钢的塑性和韧性影响很大 冷脆性 硫是由生铁和燃料带入的 在高温条件下会使各个晶粒分离 使钢沿晶界分离 热脆性 必须严格控制 硅和锰都来自生铁和脱氧剂 在室温下可以提高钢的强度和硬度 锰还可以降低硫的危害 是以两者是钢中的有益元素 碳钢的分类 1 按钢的含碳量分类 低碳钢 0 25 中碳钢0 25 0 6 高碳钢 0 6 2 按钢的质量分类根据钢中S P含量分为 普通钢 S 0 050 P 0 045 优质钢 S 0 035 P 0 035 高级优质钢 S 0 025 P 0 025 3 按钢的用途分类 结构钢 主要用于制造各种机械零件和工程构件 其含碳量一般小于0 70 工具钢 主要用于制造各种刀具 模具和量具等 其含碳量一般大于0 70 4 按冶炼时脱氧程度的不同分类 沸腾钢 脱氧程度不完全的钢 用F表示 镇静钢 脱氧程度完全的钢 用Z表示 半镇静钢 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间 用b表示 碳钢的牌号及用途 1 碳素结构钢这类钢材汉硫 磷杂质多 一般都制成型材 板材 及槽钢 圆钢 方钢 扁钢 螺纹钢 角钢 盘条 钢管 工字钢等 价格便宜 在能满足性能要求的情况下优先选用 牌号表示 由Q 数字 质量等级符号 脱氧方法符号组成 它的钢号冠以 Q 代表钢材的屈服点 后面的数字表示屈服点数值 单位是MPa 如Q195 AF表示屈服点为195MPa的质量为A级的碳素结构沸腾钢 2 优质碳素结构钢 主要的机械制造用钢 这类钢材含硫 磷等有害杂质少 质量较好 一般要经过热处理以提高其力学性能 常用来制造各种重要的机械零件 根据含碳量的不同 又可分为正常含锰量 0 25 0 8 和较高含锰量 0 7 1 2 两种 牌号表示 钢号开头的两位数字表示钢的碳含量 以平均碳含量的万分之几表示 例如平均碳含量为0 45 的钢 钢号为 45 它不是顺序号 所以不能读成45号钢 锰含量较高的优质碳素结构钢 应将锰元素标出 例如50Mn 沸腾钢 半镇静钢及专门用途的优质碳素结构钢应在钢号最后特别标出 例如平均碳含量为0 1 的半镇静钢 其钢号为10b 3 碳素工具钢 这类钢材的含碳量一般在0 65 1 35 经适当的热处理后 可获得很高的硬度和耐磨性 但热硬性差 主要用于制造一般温度下工作的工具 量具和模具等 如冲头 手锯锯条 丝锥 量规 锉刀 手锤等 牌号表示 钢号冠以 T 以免与其他钢类相混 钢号中的数字表示碳含量 以平均碳含量的千分之几表示 例如 T8 表示平均碳含量为0 8 锰含量较高者 在钢号最后标出 Mn 例如 T8Mn 高级优质碳素工具钢的磷 硫含量 比一般优质碳素工具钢低 在钢号最后加注字母 A 以示区别 例如 T8MnA 总结 常用的碳钢牌号及编号方法 作业 仓库中混存了相同规格的20钢 45钢和T10钢 请提出一种最为简便的区分方法 复习题一 填空题 1 铁碳合金的基本组织有 和 等 2 常见碳素钢按含碳量分为 3 珠光体是 和 的机械混合物 4 含碳量处于0 0218 2 11 的铁碳合金称为 5 分别填出下列铁碳合金组织的符号 奥氏体 铁素体 珠光体 6 45钢按用途分类属于 7 共析钢的含碳量是 其组织全部由组成 二 单项选择题 1 铁碳合金相图中 ECF线是 A 液相线B 共析线C 固相线D 共晶线2 钢是以铁为主要元素的铁碳合金 一般含碳量小于 A 0 77 B 2 11 C 4 3 D 6 69 3 碳钢中常有杂质存在 其中有害元素是 A 硅B 锰C 硫D 碳4 钢号45的优质碳素结构钢 其平均含碳量是 A 45 B 4 5 C 0 45 D 0 045 5 对铸钢ZG200 400说法正确的是 A 200是屈服点的最低值B 200是抗拉强度最低值C 400是屈服点最低值D 400是抗拉强度最高值6 对40Gr的说法正确的是 A 渗碳钢B 调质钢C 工具钢D 高速钢7 下列用于制造弹簧的优质碳素结构钢为 A Q195B 08FC 35D 658 T12中含碳量平均为 A 12 B 0 12 C 1 2 D 0 012 9 铁碳合金相图中PSK线为共析线 其共析产物是 A 铁素体B 珠光体C 奥氏体D 莱氏体10 在铁碳合金相图中AECF线以下任意成分的铁碳合金均为 A 固体B 液体C 液 固共存D 都不对 11 碳素钢中含碳量为20 时 这种钢是 A 低碳钢B 中碳钢C 高碳钢D 碳素工具钢12 纯铁在700摄氏度时称为 A 铁素体B 奥氏体C 珠光体D 渗碳体13 铁素体为 晶格A 面心立方B 体心立方C 密排六方D 复杂的人面体14 铁碳合金状态图上的共析线是 A ECF线B ACD线C PSK线15 从奥氏体中析出的渗碳体为 A 一次渗碳体B 二次渗碳体C 芫晶渗碳体16 在下列三种钢中 钢弹性最好 A T10B 20C 65Mn17 选择齿轮的材料为 A 08FB 45钢C 65Mn18 过冷奥氏体是指冷却到 温度下 尚未转变的奥氏体 A MsB MfC A1 第四章钢的热处理 改善钢的性能 可以通过两种途径 一是调整钢的化学成分 如加入适量的合金元素 二是对钢进行热处理 所谓钢的热处理 是指将钢在固态下进行加热 保温和冷却三个基本过程 以改变钢的内部结构 从而获得所需性能的一种加工工艺 不同的加热温度 保温时间 冷却速度 所获得钢的性能各不相同 热处理区别于其他加工工艺如铸造 压力加工等的特点是不改变工件的形状 只改变其组织 通过改变组织来改变性能 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 钢的热处理类型 本章重点 钢的普通热处理工艺 图中A1 A3 Acm平衡条件下钢的临界温度Ac1 Ac3 Accm加热时钢的临界温度Ar1 Ar3 Arcm冷却时钢的临界温度 一 钢的普通热处理 一 钢的退火 将钢件加热至适当温度 保温一定时间后缓慢冷却的一种热处理工艺 根据目的和要求不同 又可以分为完全退火 等温退火 球化退火和去应力退火 一般来说 加热温度高于Ac3的退火称为完全退火 加热温度在Ac1与Accm之间的称为不完全退火或球化退火 加热温度在AC1以下称为低温退火或去应力退火 1 完全退火 A 工艺 Ac3 30 50 保温后随炉缓慢冷却到500 以下后在空气中继续冷却 B 特点 加热过程中获得完全的奥氏体组织 冷却后组织接近平衡组织 C 目的 使热加工过程中的造成的粗大晶粒细化 不均匀组织均匀化 或使中碳以上的碳钢及合金钢降低硬度 改善切削加工性能 同时消除残余应力 D 适用范围 用于亚共析成分的碳钢及合金钢的铸件 锻件以及热轧型材 Ac3 Ac1 完全退火 2 等温退火 A 工艺 Ac3 30 50 保温后快冷到Ar1之下某一温度等温 使A在恒温下转变为P 然后出炉空冷 B 特点 转变在恒温下进行 组织均匀 可大大缩短退火时间 C 目的 同完全退火 D 适用范围 用于降低硬度的碳钢及合金钢 500 以下空冷 Ac3 Ac1 炉冷 完全退火 等温退火 Ar1 3 球化退火 A 工艺 Ac1 20 40 保温后随炉缓冷至600 以下出炉空冷 B 特点 加热过程中片状渗碳体发生不完全溶解而断开 形成细小渗碳体 冷却过程中以球粒状析出弥散分布在铁素体基体上 C 目的 使热轧 锻造空冷后组织中的网状二次渗碳体和珠光体中片层状的渗碳体球化 降低硬度 改善切削性能 并为后续的淬火做好组织准备 D 适用范围 过共析钢 合金工具钢 3 球化退火 A 工艺 Ac1 20 40 保温后随炉缓冷至600 以下出炉空冷 B 特点 加热过程中片状渗碳体发生不完全溶解而断开 形成细小渗碳体 冷却过程中以球粒状析出弥散分布在铁素体基体上 C 目的 使热轧 锻造空冷后组织中的网状二次渗碳体和珠光体中片层状的渗碳体球化 降低硬度 改善切削性能 并为后续的淬火做好组织准备 D 适用范围 过共析钢 合金工具钢 Ac3 Ac1 完全退火 等温退火 4 去应力退火 A 工艺 A1以下某一温度 500 650 保温后随炉缓冷至200 以下出炉空冷 B 特点 低温退火 无组织变化 C 目的 消除铸 锻 焊件等的残余应力 D 适用范围 所有碳钢 Ac3 Ac1 完全退火 等温退火 球化退火 二 钢的正火 将钢件加热至单相奥氏体区 Ac3 Ac1或Accm以上 保温后出炉空冷的热处理工艺 A 工艺 Ac3 Ac1或Accm 30 50 空冷 B 特点 冷却速度快 组织较细 钢的强度和硬度有所提高 C 目的 细化组织 适当提高硬度和强度 用于普通结构件作为最终热处理 亚共析钢正火后细化晶粒 消除组织缺陷 获得合适的硬度 改善切削加工性 过共析钢正火的目的是抑制或消除网状渗碳体 有利于球化退火的进行 D 适用范围 所有碳钢 A A1 A3 Acm 与退火相比具有以下特点 1 由于冷却速度较退火快 所得组织比退火时要细 2 正火后的零件的强度和硬度比退火时高 且含碳量越高 差别越大 3 低碳钢经正火处理后的强度与硬度 与退火处理的差别不多 但正火处理是在炉外进行 不占用设备 生产率高 所以低碳钢多采用正火代替退火处理 4 中碳钢的正火可替代调质处理 为高频淬火作准备 5 高碳钢可消除网状渗碳体 为球化退火做准备 三 钢的淬火 将钢件加热到Ac3或Ac1以上30 50 保温一定时间 然后在冷却液 水或油 中快速冷却 以获得马氏体 或下贝氏体 组织的一种热处理工艺 1 钢的淬火工艺 1 加热温度的选择亚共析钢 Ac3 30 50 共析钢和过共析钢 Ac1 30 50 2 加热保温时间的确定根据钢的化学成分 工件尺寸形状 加热炉类型等因素按照经验公式估算 淬火后组织为细小均匀的M 淬火后组织为细小均匀的M 未溶粒状渗碳体 A 3 冷却速度 大于淬火临界冷却速度 A1 Ms Mf 钢的理想冷却淬火速度 理想冷却速度应在C曲线鼻尖处快冷 而在650 以上以及Ms点以下缓慢冷却 这样即可以得到马氏体组织 同时尽量避免淬火应力 a 淬火介质的选择 水 便宜 冷却速度大 但容易造成组织应力 导致工件变形 开裂 一般碳素钢多采用水做冷却液 油 冷却能力较小 合金钢多采用 熔融盐浴和碱浴 b 淬火方法的选择 2 淬火的目的 获得马氏体或下贝氏体 充分发挥材料性能潜力 1 提高钢的硬度和耐磨性例如T8钢 切削刀具 退火后硬度为163 187HBS 小于20HRC 经淬火 低温回火 硬度可达60 64HRC 且具有高的耐磨性 2 获得优异的综合性能例如45钢 轴类 正火后力学性能为 250HBS s 320MPa b 750MPa 18 k 70J cm2 经淬火 高温回火后 250HBS s 450MPa b 800MPa 23 k 100J cm2 四 钢的回火 钢的回火就是将淬火后的钢重新加热到A1点以下的某一温度 保温一段时间 然后冷却到室温的热处理工艺 1 工艺 A1以下某一温度 150 650 保温后出炉空冷 2 目的 1 通过回火 使马氏体发生转变 并控制转变程度获得不同的回火组织 使钢具有所需要的性能 2 降低或消除淬火应力 减小变形 防止开裂 3 通过不同的回火温度来调整硬度 减小脆性 4 使淬火组织稳定化 避免工件在使用过程中发生尺寸和形状的变化 3 回火的分类及应用 1 低温回火 150 200 组织为M回 钢具有高硬度和高耐磨性 但内应力和脆性降低 主要用于高碳钢和高碳合金钢制造的工模具和滚动轴承 以及经渗碳和表面淬火的零件 回火后的硬度一般为58 64HRC 2 中温回火 350 500 组织为T回 主要用于含碳量在0 5 0 7 的碳钢和合金钢制造的各类弹簧 其硬度为35 45HRC 具有一定的韧性和高的弹性极限和屈服强度 3 高温回火 500 650 组织为S回 主要用于含碳量在0 3 0 5 的碳钢和合金钢制造的各类连接和传动的结构零件 如轴 齿轮 连杆以及螺栓等等 其硬度为25 35HRC 具有适当的强度与足够的塑性和韧性 即良好的综合力学性能 淬火后高温回火也称为调质处理 一 钢的表面淬火表面淬火是将工件表面快速加热到奥氏体区 在热量尚未传递到心部时立即迅速冷却 使表面得到一定深度的淬硬层 而心部仍保持原始组织的一种局部热处理方法 1 火焰加热表面淬火 氧 乙炔2 感应加热表面淬火 感应电流3 激光加热表面淬火 激光束 二 钢的表面热处理 钢的表面热处理是使零件表面获得高的硬度和耐磨性 而心部仍保持原来良好的韧性和塑性的一类热处理方法 二 表面化学热处理 化学热处理是工件在特定的介质中加热保温 使一种或几种元素渗入工件表面 以改变表层的化学成分和组织 从而获得所需机械性能和化学性能的工艺过程 化学热处理过程 1 由介质中分解出渗入元素的活性原子 2 工件表面对活性原子的吸收 3 吸收原子在工件中的扩散 化学热处理工艺 渗碳 氮化 碳氮共渗 渗硼 渗铝等 三 热处理新工艺简介1 形变热处理 形变热处理是将材料塑性变形与热处理有机地结合起来 同时发挥材料形变强化和相变强化作用的综合热处理工艺 这种方式不仅可以获得比普通热处理更优异的强韧效果 而且能省去热处理时重新加热工艺 简化生产流程 节约能源 设备 减少工件氧化他脱碳 从而提高经济效益和产品质量 2 离子渗扩热处理 离子渗扩热处理是利用阴极 工件 和阳极的辉光放电产生的等离子体轰击工件 使工件表层的成分 组织及性能发生变化的热处理工艺 3 真空热处理真空热处理是在环境压力低于正常大气压以下的减压空间中进行加热 保温的热处理工艺 一 填空题 1 钢的普通热处理有 等 2 钢的淬透性是指钢在淬火时获得能力 3 钢的热处理工艺一般由 三个阶段组成 4 奥氏体转变为马氏体 需要很大过冷度 其冷却速度应 而且必须过冷到 温度以下 二 单项选择题 1 淬火后主要获得的室温组织为 A 奥氏体B 渗碳体C 贝氏体D 马氏体或下贝氏体2 对完全退火说法正确的是 A 能降低硬度B 主要用于共析钢C 退火后组织为奥氏体D 不利于切削加工3 合金钢淬火时一般选用的冷却介质为 A 水B 油C 盐水D 石灰水 4 以提高钢件表面耐蚀力为目的 可选 A 渗碳B 淬火C 高频加热表面淬火D 渗氮5 正火与退火比正确的是 A 正火成本高B 正火时间长C 正火硬度高D 正火后强度低6 过冷奥氏体是指冷却到 温度下 尚未转变的奥氏体 A MsB MfC A17 过共折钢的淬火加热温度应选择在 A Ac1 30 50 B Ac3 30 50 C Accm以上8 调质处理就是 A 淬火 低温回火B 淬火 中温回火C 淬火 高温回火9 为提高低碳钢的切削加工性 通常采用 处理A 完全退火B 正火C 球化退火三 简答题 1 什么是淬火 淬火的目的是什么 第五章合金钢合金钢是在碳素钢中添加一些合金元素而炼制的一类钢 以改善碳素钢的性能 为什么要发展合金钢 因为碳钢不能满足要求 一 碳素钢的缺陷1 综合机械性能差虽然碳素钢的强度 硬度随着含碳量的增加而提高 但塑性 韧性却随之下降 不能在同一成分中得到配合完善的综合机械性能 2 热稳定性差碳钢在使用温度超过200 后 软化变形 机械性能 强度 韧性 急剧下降 不能用于高温场合 3 耐腐蚀性差碳钢在大多数介质中的耐腐蚀性很差 尤其对酸几乎没有任何抵御能力 4 淬透性差碳钢不能用于制作大截面尺寸的重要零件 淬火时 急冷易变形 开裂 缓冷 又淬不上火或淬透层很浅 5 不能满足某些特殊性能要求如 耐低温 高磁性 无磁性等 碳钢的冷脆性转变温度较高 20 30 故碳钢的使用温度应 20 二 合金元素的作用合金元素加入钢中 与铁形成固溶体 或者与碳形成碳化物 并且少量存在于氧化物 氮化物 硫化物 硅酸盐等夹杂物中 在高合金钢中还能形成金属间化合物 1 合金元素固溶于铁素体合金元素固溶于铁素体后 会使 Fe晶格产生畸变 固溶强化 使铁素体强度提高 当合金元素配比适当时 在提高强度的同时 并不降低塑性 且有的合金元素 Cr Ni 含量较低时 Cr 2 Ni 5 就既能提高强度 又增加塑 韧性 2 合金元素溶于奥氏体合金元素溶于奥氏体 除一定程度上起固溶强化 提高钢的强度作用外 最重要的是增加了奥氏体的稳定性 使C曲线显著右移 故合金钢的淬透性很好 如 45最大淬透直径15mm 加入1 8 Mn后可达60mm 3 合金元素形成碳化物 金属化合物合金渗碳体 Fe Cr 3C Fe W 3C复杂碳化物 Cr Fe 23C6 Fe4W2C VC MoC NbC TiC AlN SiO2 TiO2 TiN Al2O3 这些化合物都是硬而脆的强化相 具有相当高的热稳定性 在钢中呈弥散分布时 可以显著的强化钢 且可以抑制高温奥氏体晶粒长大 细化晶粒 减少 降低 或消除钢的热敏感性 提高回火抗力 三 合金元素对铁碳合金相图的影响合金元素加入到钢中 使钢的平衡状态发生变化 从而使铁碳合金相图中的相区 相变温度及临界点的位置发生变化 四 合金元素对钢热处理的影响由于合金元素的加入 对钢热处理时的加热温度 加热时间 加热速度以及保温时间等都会产生明显影响 值得注意的是 钢中加入合金元素后 提高了合金钢的强度 硬度 淬透性 热硬性 抗氧化和耐腐蚀能力 但合金钢的铸造性能 冷加工性能 焊接性能 切削加工性能都有所下降 四 合金钢的分类1 按合金元素含量 合金元素总量 a 低合金钢1 5 b 中合金钢5 10 c 高合金钢 10 2 按钢的金相组织铁素体钢Cr17 Cr25 Cr28奥氏体钢1Cr18Ni9 0Cr19Ni9 Mn13马氏体钢3Cr13 4Cr13 1Cr11MoV 1Cr12WmoV珠光体钢15CrMo 12CrMoV贝氏体钢12MoVWBSiRE3 按钢中S P杂质含量a 普通合金钢S 0 050 P 0 045 b 优质合金钢S 0 035 P 0 035 c 高级优质合金钢S 0 025 P 0 025 d 特级优质合金钢S 0 015 P 0 020 4 按合金组元a 二元合金钢 锰钢 硅钢 铬钢 b 三元合金钢Cr Mn Si Cr Si Mn Cr Nic 多元合金钢Cr Mn Ti Ni Cr Mo V5 按用途合金结构钢合金工具钢特殊性能钢 不锈钢 耐热钢 超强钢 五 合金结构钢 在碳素结构钢中添加Cr Ni Mn Si Mo W V Ti等合金元素 使其具有较高强度 韧性 淬透性 一 合金结构钢的分类及牌号 1 分类合金结构钢分为 普通低合金钢 易切钢 调质钢 渗碳钢 弹簧钢 滚动轴承钢 2 牌号表示方法数字 化学元素 数字合金元素含量的百分之几 1 5 不标出合金元素平均含C量的万分之几 如 40Cr表示含C量 0 40 0 37 0 45 含Cr量 0 8 1 1 60Si2Mn表示含C量 0 57 0 65 含Si量 1 5 2 0 含Mn量 0 6 0 9 若为高级优质钢 则在钢号后加 A 若有专门用途 则在钢号前表明 如 20Cr2Ni4A 45CrNiMoVA GCr15SiMn 二 普通低合金结构钢1 用途这类钢属于建造用钢 主要用于制造桥梁 船舶 车辆 锅炉 高压容器 石油化工管道 大型钢结构件等 用它来代替碳素结构钢 可大大减轻结构重量 节省钢材 降低费用 保证使用的可靠性 延长构件使用寿命 增大钢材的使用范围 2 特点 良好的综合机械性能 良好的焊接性能和冷成形性能 良好的耐蚀性 化学成分及热处理 c 0 2 合金元素 3 主要加入Mn Si Ti Nb Cu N等合金元素 其中Mn是主要强化元素 普通低合金钢一般在热轧退火或正火状态下使用 不需专门进行热处理 3 常用钢种工程实际中最常用的有Q295 旧钢号09MnV Q345 旧钢号16Mn Q390 旧钢号16MnNb Q420 旧钢号15MnVN 三 合金渗碳钢 低碳钢 1 用途 合金渗碳钢主要用于制造汽车 拖拉机中的变速齿轮 运输机械的齿轮轴 内燃机上的凸轮轴 活塞销等机器零件 这类零件在工作中既要承受强烈的摩擦磨损 又要经常承受较大的交变载荷 特别是冲击载荷 2 特点 机械性能经表面渗碳 淬火和低温回火处理的合金渗碳钢工件 其表面获得高硬度的渗碳层 而心部的强度得到提高 因而合金渗碳钢具有表面高硬度 高耐磨性 高抗疲劳强度 心部具有良好的塑性和韧性 高的抗冲击性 化学成分及热处理渗碳钢属于低碳钢 含碳量0 1 0 25 通过渗碳工件表面的含碳量可达0 8 1 05 加入一定量的合金元素Cr Mn Ni等可以提高淬透性和心部强度 加入微量合金元素Ti V W Mo等可以形成稳定的合金碳化物 阻止奥氏体晶粒长大 细化晶粒 提高耐磨性 3 常用钢种 低淬透性合金渗碳钢 中淬透性合金渗碳钢 高淬透性合金渗碳钢 常用的有20Cr 20Mn2 20CrMnTi 20MnVB 18Cr2Ni4WA等 四 合金调质钢 中碳钢 1 用途 合金调质钢广泛用于制造汽车 拖拉机 机床和其他机器上的各种重要零件 如齿轮 轴 连杆 曲轴 高强度螺柱等 2 特点 机械性能 具有优良的综合机械性能 经调质处理 即淬火后高温回火处理 后具有高的强度和良好的塑性 韧性 其工件能承受多种工作载荷和复杂的外力 保证机械设备工作运转时的可靠性 合金调质钢中加入的合金元素 提高了钢的强度 韧性和淬透性 保证了零件整个截面机械性能的均匀性和高的强韧性 使其能承受较大的交变载荷 化学成分和热处理 一般含碳量在0 25 0 50 之间 加入Mn Si Cr B Mo Ni等 提高淬透性和强度 加入Mo W V Ti等 阻止奥氏体晶粒长大 细化晶粒提高回火稳定性 采用淬火加高温回火 调质 的热处理方法 3 常用钢种 低淬透性合金调质钢 中淬透性合金调质钢 高淬透性合金调质钢 常用的有40Cr 40MnVB 40CrNiMo 38CrMoAlA等 五 合金弹簧钢 高碳钢 1 用途 合金弹簧钢是一种专门结构钢 主要用于制造各种各样的弹簧和弹性元件 承受冲击 振动和周期的交变应力 合金弹簧钢广泛应用于各行各业和我们的日常生活中 2 特点 机械性能含碳量高 具有高的弹性极限 屈强比和疲劳强度 有足够的塑性 冲击韧性和良好的表面质量 化学成分及热处理含碳量在0 50 0 70 加入Mn Si Cr B Mo V W等元素 提高淬透性及屈强比 3 常用钢号 65Mn 60Si2Mn 50CrVA 55SiMnVB等 六 滚动轴承钢1 用途 用来制造滚动轴承的滚动体 内外套圈的专用结构钢 2 特点 机械性能高强度 高硬度 高耐磨性 高疲劳强度 一定的韧性和抗腐蚀性 化学成分及热处理含碳量高 在0 95 1 10 热处理后硬度可达到62 64HRC 常加入Cr Mn Si V Mo等元素 其中Cr为基本元素 主要热处理是球化退火 淬火及低温回火 3 常用钢种 GCr9 GCr15 GCr15SiMn等 其中G表示钢的用途为滚动轴承用钢 六 合金工具钢用于制造各种各样的刃具 模具和量具 一 分类及牌号1 分类 按合金元素和合金量多少分 低合金工具钢 高合金工具钢 按用途分 合金刃具钢 合金模具钢 合金量具钢 2 牌号表示方法 一位数字 符号 数字 含碳量 合金元素 合金含量 含碳量 平均含C量大于或等于1 0 不标出 平均含C1 0 均不标出 如 9SiCr 表示含碳量为0 9 0 85 0 94 Cr Si平均含量小于1 5 Cr 0 95 1 25 Si 1 2 1 6 W18Cr4V高速钢 平均含碳量0 70 0 80 W 18 Cr 4 V 1 5 二 合金刃具钢1 用途 主要用于制造各种形状复杂的机用金属切削刀具 如车刀 铣刀 钻头 铰刀 拉刀 丝锥 板牙等 分低合金刃具钢和高速钢 2 特点 机械性能要求具有高的硬度 高的耐磨性 高的热硬性 高的尺寸稳定性 足够的强度 塑性和冲击韧性 化学成分及热处理含碳量0 75 1 5 以保证高的硬度和耐磨性 加入Cr Mn Si V等合金元素 提高淬透性和回火稳定性 加入W Mo等合金元素 是钢在高温下保持高的硬度 从而提高刃具的硬度 耐磨性和使用寿命 热处理一般采用球化退火 淬火并低温回火处理 3 常用钢种 低合金刃具钢有9SiCr 9Mn2V等 高速钢有W18Cr4V W6Mo5Cr4V2等 三 合金量具用钢用于制造各种各样测量工具 如游标卡尺 千分尺 螺旋测微仪 块规 塞规等 要求量具用钢在测量过程中测量精度高 数据准确可靠 不能因磨损或尺寸不稳定影响测量精度 因此 量具用钢制作的测量工具经热处理后具有高硬度 高耐磨性 高尺寸稳定性 并且热处理变形小的特点 量具用钢的化学成分与低合金刃具钢相同 其热处理的关键是减少量具变形和提高量具尺寸的稳定性 常采用淬火后立即进行 70 80 的深冷处理 然后进行低温回火 精度要求高的量具还要在120 130 之间进行几小时至几十小时的时效处理 跑合 以稳定组织 消除残余应力 可以制作量具的钢种很多 常见的有低合金刃具钢 滚动轴承钢 碳素工具钢 渗碳钢 不锈钢 模具钢等 四 合金模具钢合金模具钢按其用途分为冷作模具钢和热做模具钢 1 冷作模具钢用于制造工作温度不超过200 300 的各种冷冲模 冷镦模 冷挤压模和拉丝模等冷变形模具 要求经淬火并低温回火后具有高强度 高耐磨性 高的尺寸稳定性 足够的强度 冲击韧性和抗疲劳强度 并且热变形小 含碳量在1 0 2 0 加入Cr Mo W V等合金元素后 形成难熔碳化物 既提高了淬透性 又保证模具钢高的硬度和高的耐磨性 常用的冷作模具钢有Cr12MoV Cr12 9Mn2V等 2 热作模具钢用于制造工作时型腔表面温度大600 以上的各种热锻模 热压模 精锻模 热挤压模和压铸模等热变形模具 要求经淬火后高温回火后具有高的热硬性 高温耐磨性 高的抗氧化性 高的热强性 高的抗疲劳强度 高的导热性和足够的冲击韧性 含碳量在0 30 0 6 加入Cr Mo W V Ni等合金元素 常用的热作模具钢有5CrNiMo 5CrMnMo 4Cr2W8V等 七 特殊性能钢通常把具有特殊物理性能和化学性能的合金钢称为特殊性能钢 包括不锈钢 耐热钢 耐磨钢 磁钢等 1 不锈钢是指在空气 水 酸 碱等介质中具有高抗腐蚀能力的合金钢 其抗腐蚀机理是主要加入了铬 Cr 工具用途不同还可以加入Ni Mo Cu Ti Mn N Nb等合金元素 常见的不锈钢有马氏体不锈钢 Cr12 18 铁素体不锈钢 Cr17 30 奥氏体不锈钢 Cr17 19 和奥氏体 铁素体不锈钢 2 耐热钢是指在高温下具有优良抗氧化性和高强度的特殊钢 用于在高温下工作的零件和结构件 其耐热机理是加入了Cr Si Al等合金元素 形成高熔点的氧化膜来提高钢的高温抗氧化能力 接入Mo W V Ti等合金元素 形成细小的碳化物来提高钢的高温强度 耐热钢的含碳量一般不高 常见的耐热钢有珠光体耐热钢 马氏体耐热钢和奥氏体耐热钢 3 耐磨钢是指能承受强烈冲击载荷和激烈摩擦磨损的高锰合金钢 主要用于拖拉机和坦克的履带 挖掘机铲斗 破碎机颚板 铁轨分道叉和防弹装甲等 耐磨钢含碳量0 9 1 3 含锰量高达11 14 通过水韧处理使耐磨钢心部具有良好的塑性 韧性 其表面具有一定的强度和硬度 难以切削 通常采用铸造的方法获得 常用的高锰钢有ZGMn13 1 ZGMn13 2 ZGMn13 3 ZGMn13 4等 4 磁钢是电力 电信 电子仪器仪表工业的重要基础材料 通常分为硬磁材料 永磁材料 和软磁材料 通常把具有钢的特征的磁性材料称为磁钢 包括硬磁钢和软磁钢 其中硬磁钢又叫永磁钢 即一般的高碳工具钢 软磁钢是指电工硅钢 它是一种含碳很低 含硅量较高 0 5 4 8 的硅铁合金 其产品硅钢片在机电设备中的使用量约占磁性材料使用总量的90 由于硅钢片硬度高 机械加工困难 通常由轧钢厂轧制成薄片 带 然后再由加工厂冲裁成形使用 包括热轧硅钢片