工程材料热能卓越班

第四章钢的热处理,提高性能延长寿命充分挖掘潜力,热处理：通过加热、保温、冷却使组织改变，从而使性能提高。,4-1概述,钢在热处理时组织转变临界温度：加热时(Ac1,Ac3,Accm)冷却时(Ar1,Ar3,Arcm),一.钢在加热时的组织转变,全部或部分的获得奥氏体(奥氏体化),1.奥氏体的形成(以共析钢为例),晶格改组和Fe，C原子的扩散过程，遵循形核、长大规律：F(bcc,0.0218)+Fe3C(6.69)-A(Fcc,0.77),4-2钢的热处理原理,基本过程：a.奥氏体形核（优先在相界（F，Fe3C）b.奥氏体晶核长大c.剩余渗碳体完全溶解d.碳的均匀化,2.奥氏体晶粒度及其影响因素,1）晶粒度:是衡量晶粒大小的尺度，通常采用与标准晶粒度等级图比较的方法表示。,2）奥氏体晶粒度的控制a.加热工艺加热温度，保温时间b.钢的成分合金化:MxC%阻止晶粒长大-碳化物形成元素细化晶粒-Al本质细晶钢-Mn、P促进长大A中C%晶粒长大,二.钢在冷却时的组织转变,A,？,锻造-预先热处理-切削加工-最终热处理,预先热处理：细化晶粒，使组织均匀化调整硬度切削性（中、高碳钢）消除内应力最终热处理：得到所需性能,4-3钢的普通热处理,钢铁热处理原理是基础与理论指导，而热处理工艺则是具体应用,重点掌握：普通热处理工艺的类别、目的、工艺特点（加热温度、冷却方式）、组织及适用钢。,一、退火（将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。）,加热温度：,冷却方式：,目的:,组织：,应用:,1）.完全退火,缓冷（炉冷）,Ac3+3050度,P+F,细化晶粒，使组织均匀化调整硬度切削性（中、高碳钢）消除内应力,亚共折钢，共析钢，不适用于过共析钢,2）.球化退火,加热温度：,目的:,组织：,应用:,Ac1+20-30度,P球,使Fe3C球化,HRC，切削性韧性，为淬火作准备，避免变形开裂,共析钢，过共析钢,（F+Fe3C球）,3）.低温退火（去应力退火）,加热温度：,目的:,组织：,应用:,（500650）Ac1以下,去除内应力,亚共析钢、共析钢，过共析钢（铸件、锻件、焊接件）,保持原有组织,4）扩散退火（均匀化退火）加热温度：1050-1150，10-20h,组织：P+F或P+Fe3CII目的：消除偏析后果：粗大晶粒（应用完全退火消除）5）再结晶退火加热温度：Ac1以下50-150，或T再+30-50目的：消除加工硬化,组织：,保持原有组织,加热温度：,冷却方式：,应用、目的:,组织：,空冷,Ac3或Accm+3050度,S+（F或Fe3C）,作最终热处理，普通结构钢零件目的：细化A晶粒，使组织均匀化；减了亚共析钢中F%P%，强度，韧性，硬度,二、正火（空冷）,预先热处理目的：a.细化晶粒为淬火、调质作准备b.使过共析钢中Fe3CII使其不形成连续网状，为球化退火作准备,调整硬度，改善切削加工性能（低碳钢）,退火、正火的选择正火：冷速快，材料组织细化，机械性能好1）切削加工低、中碳钢正火中高碳刚，合金工具钢完全退火，球化退火2）作为最终热处理正火3）为最终热处理提供良好的组织状态工具钢正火+球化退火结构钢正火返修件退火,（加热到Ac3、Ac1相变温度以上，保温，快速冷却M+A）,三、淬火,淬火目的:,提高强度，硬度,产物：马氏体M，碳在-Fe中的过饱和固溶体。C%1.0%，针状马氏体,M转变的特征，无扩散性瞬时性不恒温性（存在Ms,Mf）不完全性A(A残余)体积膨胀,1)淬火温度的决定亚共析钢：Ac3+30-50度共析钢：Ac1+30-50度过共析钢：Ac1+30-50度过共析钢选此温度淬火原因：a.保留一定的CemHRC，耐磨性b.A中C%M中C%M脆性c.A中C%M过饱和度残余A,1.淬火工艺,淬火温度过高A粗大M粗大,1.力学性能，,2.淬火应力变形，开裂,组织：,M或M+Fe3C,2)淬火介质(a:获得Mb:减小变形、开裂)6500C以上，慢，减小热应力650-4000C，快，避免C曲线4000C以下，慢，减轻相变应力,3)淬火方法单介质淬火双介质淬火分级淬火等温淬火,盐水水盐浴(碱浴、硝盐浴)油,2、钢的淬透性1)淬透性；淬火条件下获得M组织的能力，其大小用规定条件下淬火获得的淬透层深度表示。,淬透性：钢淬火时获得M的能力，它反映钢的过冷奥氏体稳定性，它取决于VK（上临界冷却速度）。过冷奥氏体越稳定，VK越小钢在一定条件下淬透层深度越深，则钢的淬透性越好。是钢的一种属性。淬硬性，钢在淬火后获得硬度的能力，用淬火马氏体可能得到的最高硬度表示，取决于M中C%，C%淬硬性如：T8,T12,20CrMnTi,2)概念区分,3)影响淬透性的因素VK，(C曲线),实际工件的淬透层深度，与钢的淬透性、工件尺寸、淬火介质有关。,4)淬透性的应用根据服役条件，确定对钢淬透性的要求选材的依据,1回火目的a.消除淬火应力，降低脆性b.稳定工件尺寸，由于M、残余A不稳定c.获得要求的强度、硬度、塑性、韧性。2钢的回火组织、性能,四.回火,1)组织a回火马氏体M回（1500C-2500C）极细的碳化物和低过饱和度a固溶体，形态基本不变b回火屈氏体T回（350-5000C）马氏体形F+细粒状Fe3C,400,材料：T12钢组织：M回+Fe3C白色颗粒为Fe3C,材料：45钢组织：T回(F+极细粒状Fe3C),500,7500,材料：45钢组织：S回(F+细粒状Fe3C),500,7500,c回火索氏体S回（500-6000C）再结晶等轴F+粗粒状Fe3C,2)性能高碳回火马氏体：强度、硬度高、塑性、韧性差低碳回火马氏体：高的强度与韧性，硬度、耐磨性也较好回火屈氏体：屈服强度与弹性极限高回火索氏体：综合机械性能。,3回火工艺及其应用,淬火+高温回火调质处理,4回火脆性,回火脆性：指随回火温度升高时，在某些温度区间（250400和450-650）回火后出现韧性明显下降的脆化现象。,1).低温回火脆性（第一类回火脆性，250400）原因：碳化物-Fe3C和-Fe3C沿着M条或片的界面呈薄片状析出，这种硬而脆的碳化物薄膜割裂了马氏体，使脆性大大提高。是不可逆的。避免：避开此温度回火2).高温回火脆性（第二类回火脆性，450650）（常见于合金钢中）,思考：区分M和M回，T和T回，S和S回（组织特征，性能，热处理工艺）参考P129。,400,材料：20钢组织：低碳M,400,材料：T12钢组织：高碳M,500,材料：45钢组织：中碳M,3000,1、表面淬火的定义表面淬火：是将工件表面快速加热到淬火温度，在热量尚未传到心部时立即迅速冷却，使工件表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。表面淬火不改变表面化学成分，只改变其表面组织。钢经表面淬火后，其表层组织为极细马氏体(隐晶M)，而心部则为原始组织，一般为回火索氏体或正火索氏体。,4-4钢的表面热处理,表面热处理强化（包括表面淬火、化学热处理等）是为了满足表硬内韧的性能要求。,一、表面淬火,2、感应加热表面淬火1）基本原理,交流电交变磁场感应电流，工件电阻加热，集肤效应表面加热,“电磁感应”、“集肤效应”,2）分类通过频率的选定，可以得到不同的淬硬层深度：a.高频200-300KHz，淬硬深度0.5-2mm小工件b.中频2500-8000Hz淬硬深度2-5mm尺寸较大的工件c.工频50Hz淬硬深度10-15mm大型工件,3）适用钢种中碳钢和中碳低合金钢（45，40Cr）（太高-降低心部塑性和韧性，增大表层脆性和开裂倾向；太低-降低表面硬度和耐磨性。）预先热处理：正火、调质,4）工艺特点a.加热速度快（几秒几十秒），加热时A实际晶粒度小，淬火得到极细隐晶马氏体，硬度，脆性b.残余压应力提高寿命c.不易氧化、脱碳、变形小d.工艺易控制，生产效率高、便于实现机械化。e.设备成本高5）工艺路线锻造退火或正火粗加工调质或正火精加工表面淬火+低温回火（粗磨时效精磨）（时效：以稳定工件尺寸，消除内应力）,二、钢的化学热处理（渗碳）,化学热处理：将工件置于一定介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分和组织，从而使工件表面具有某些特殊的机械或物理化学性能的一种热处理工艺。与表面淬火相比，其主要特点是：表面层不仅有组织的变化，而且有成分的变化。渗碳，渗氮，碳氮共渗,分解：2COC+CO2，CH42H2+C，CO+H2C+H2O吸收：吸附，吸收固溶体进而形成化合物扩散：在浓度梯度作用下，由表及里扩散层,1.基本过程,2目的提高表面硬度，耐磨性，而使心部仍保持一定的强度和良好的塑性和韧性3.适用钢种低碳钢，低碳合金钢碳含量一般为0.10%0.25%，随碳含量提高，将降低工件心部的韧度。4渗碳工艺-组织加热温度，保温时间渗碳层厚度渗碳层表面碳含量约为1.0%。,渗碳缓冷后的组织,5.渗碳后的热处理、组织、性能,渗碳+淬火+低温回火,6渗碳件的加工工艺路线:锻造正火切削加工渗碳直接淬火（一次淬火，二次淬火）低温回火精加工,渗碳+淬火+低温回火后组织：,表层：高碳M回+碳化物+少量A心部：铁素体+低碳M回（或铁素体+屈氏体）（依淬透性）,性能：表层高硬度、高耐磨，疲劳强度高；心部韧性好、硬度低,2。综合分析题）有一个钢制的变速箱齿轮，其加工工序为：下料锻造正火粗机加工调质精机加工高频表面淬火低温回火磨加工成品，试说明其中各热处理工序的目的及使用状态下的组织。）用钢制作一要求耐磨的小轴（直径mm），其工艺路线为：下料锻造正火机加工渗碳淬火低温回火磨加工。说明热处理工序的目的及使用状态下的组织。,碳钢的优缺点优点：易冶炼，价格廉，可通过C%的增减及热处理得到不同性能。缺点：1.强度低，区强比低(s/b)淬透性低回火稳定性差（回火抗力差）不能满足特殊性能要求,5-2合金钢,一、合金元素在钢中的存在方式1.溶入Fe，形成固溶体(合金铁素体、合金奥氏体）2.形成碳化物K（1）非碳化物形成元素,Ni,Co,Cu,Si,Al,N,B，几乎全部溶入F或A中（2）碳化物形成元素,Mn,Cr,Mo,W,V,Nb,Zr,Ti（弱强）（稳定性，硬度，熔点，弥散度）,5.2.1钢的合金化,合金渗碳体例如，(Fe、Mn)3C,(Fe,Cr)3C,(Fe,W)3C等。合金渗碳体通式为(Fe,Me)3C，由于合金元素固溶而使其硬度、稳定性及熔点等均有所提高。因此，合金渗碳体较难溶于奥氏体，较难聚集长大，可提高钢的硬度，强度和耐磨性等。特殊碳化物中强碳化物形成元素Cr、W、Mo等与C可形成如r23C6、Cr7C3、W2C、Mo2C等特殊碳化物，它们属于具有复杂晶格的间隙化合物。,而强碳化物形成元素V、Nb、Ti等与C可形成如VC、NbC、TiC等熔点极高，硬度极高的特殊碳化物，它们属于间隙相。,二、Me对铁碳相图的影响,1。扩大A相区元素（A稳定化元素）A3线下移，E、S点左下移Mn,Ni作用最强，如：Cr18Ni9和ZGMn13，室温下单相A,2.扩大F相区元素（F稳定化元素）A3提高，E、S点左上移典型元素：Cr1Cr17Ti高铬铁素体不锈钢,三、Me对钢热处理的影响,1合金元素对钢加热时组织转变的影响（奥氏体形成速度，奥氏体晶粒大小）大多数合金元素都不同程度地阻止奥氏体晶粒长大，尤以强碳化物形成元素Ti、V、Zr、Nb及Al的阻碍作用最大，它们在钢中分别形成Ti、VC、ZrC、NbC和AiN等细微质点，强烈阻止奥氏体晶粒长大并细化奥氏体晶粒，使淬火后获得细小均匀马氏体组织。(除Mn外),2.合金元素对冷却时转变的影响：（除Co外）使C曲线右移提高淬透性；（除Co，Al外）使Ms（Mf）点下降A量增加。,四。合金元素对淬火钢回火转变的影响1.提高回火稳定性回火稳定性：指淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力，即抵抗回火软化的能力,由于合金元素阻碍原子扩散，推迟淬火钢的回火转变过程（M分解，A转变，F再结晶，碳化物聚集长大），使回火后硬度降低得比较缓慢，从而提高回火稳定性。因而在淬火回火状态下，相同碳含量的合金钢比碳钢具有较高的强度和韧性。2.产生二次硬化一些Mo、W、V含量较高的钢回火时，硬度并不随回火温度的升高单调降低，而是在某一温度（约4000C）后反而开始增大，并在另一更高温度（5500C）达到峰值。,这是由于在400以上回火时，钢中Cr、W、Mo、V等较强碳化物形成元素会形成弥散分布的特殊碳化物(如VC、Mo2C、W2C等)，使硬度重新升高，直至500600硬度达到最高值，出现所谓的二次硬化现象。也可由二次淬火引起。二次硬化现象对高合金工具钢十分重要。,3.增大第二类回火脆性,第一类回火脆性(250-400)无论在碳钢或合金钢中均存在。加入合金元素只是使脆性区向高温移动，如Si元素影响最为显著。第二类回火脆性(450650)存在于某些含Cr、Mn、Ni、Si等合金元素的合金钢中。原因：杂质元素及合金元素在原A晶界上严重偏聚。避免：可采用回火后快冷(在油中或水中冷却)，或在合金钢中加入W、Mo元素能抑制此类脆性。是可逆回火脆性,1.钢经淬火后为何必须立即回火？2.回火时，淬火钢中组织与性能究竟发生了哪些变化？3.回火共分为哪三种，其相应的组织与适用范围如何？4.何谓回火脆性，第一、二类回火脆性的温度范围与避免措施分别是什麽？,合金钢的分类,1.按用途,结构钢工具钢特殊性能钢,刃具钢模具钢量具用钢,低合金结构钢合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢滚动轴承钢,低合金刃具钢,高速钢,热模具钢,冷模具钢,5.2.2合金结构钢,2.按合金元素含量,低合金钢（wMe5%）、中合金钢（wMe5%10%）高合金钢（wMe10%）,3.按所含合金元素,铬钢铬镍钢锰钢硅锰钢,1.首部数字含碳量,结构钢两位数字（碳的万分含量）,一位数字（碳的千分含量,1.0%,工具钢,2.化学元素符号主加合金元素化学元素符号后数字该元素百分含量,化学元素符号后无数字含量小于1.5%,合金钢的编号,3.专用钢用其用途的汉语拼音首字母标出,例：16Mn,60Si2Mn,9SiCr,Cr12,例：GCr15,Y40Mn,4.特殊性能钢,钢号中碳含量以千分之几表示,钢中wC0.03%钢号前冠以“00wC0.08%者，钢号前冠以“0”,例：1Cr13,1Cr18Ni9Ti,如:0Cr18Ni9,4.特例,W18Cr4VC%0.7%0.8%GCr15Cr%=1.5%，结构钢,5.2.2合金结构钢,用途性能要求成份特点(C%,Me)合金元素作用（主加元素，辅加元素）典型钢号最终热处理工艺、组织,1、低合金高强度结构钢,用途：桥梁,船舶,压力容器,性能要求：高强度:s300MPa高韧性良好焊接性能和冷成形性能,成份特点(C%,Me)及合金元素作用：低C:0.2%Me以Mn为主、Mn和Si固溶强化加入V,Nb,Ti等元素细化F晶粒和细化k而沉淀强化加入Cu抗腐蚀,典型钢号：Q345（16Mn）,最终热处理：供应状态(热轧空冷)下直接使用,不热处理,组织：P细F,2、合金调质钢,用途：齿轮,轴，曲轴,连杆.,性能要求：1）高水平综合机械性能,能满足多种和较复杂的工作条件；2）良好淬透性,成份特点(C%,Me)及合金元素作用：中C：0.25%0.50%以0.4左右为主加入提高淬透性元素Cr,Ni,Mn,Si,B加入Mo,W消除回火脆性,典型钢号：40Cr,35CrMo,预先热处理：完全退火最终热处理：油淬+高温回火（调质）（后表面淬火）,组织：S回（回火索氏体）,3、合金弹簧钢,用途：汽车、拖拉机的板簧和螺旋弹簧,性能要求：高e和s,高屈强比高疲劳抗力足够塑韧性,能承受震动,冲击有较好淬透性,成份特点(C%,Me)及合金元素作用：中高C:0.45%0.70%加入Si,Mn为主要元素:提高淬透性也提高屈强比加入Cr,W,V提高淬透性,细化晶粒，回火稳定性高。,典型钢号：65Mn,60Si2Mn（230以下）50CrVA（300以下）,最终热处理：热成形法制弹簧热轧钢丝钢板卷弯曲成型淬火+中温回火喷丸冷成形法制弹簧钢丝钢板淬火+中温回火冷卷弯曲成型去应力喷丸,组织：T回,4、合金渗碳钢,用途：活塞销,变速齿轮,性能要求：渗层硬度高,耐磨,抗接触疲劳,且有适当塑性,韧性心部高韧性和足够强度良好的热处理工艺性能（淬透性、细晶粒）,成份特点(C%,Me)及合金元素作用：低C:0.1%0.25%加入提高淬透性元素Cr,Ni,Mn,B加入Mo,W,V,Nb,Ti等阻碍A晶粒长大,典型钢号：20Cr,20CrMnTi,预先热处理：正火最终热处理：渗碳+淬火+低温回火,组织：表层：M回碳化物颗粒心部：淬透：低CM回未淬透：TMF(少量),变速齿轮,5、滚动轴承钢,用途：中小型轴承,冷冲模,量具,丝锥,性能要求：高接触疲劳强度高硬度和耐磨性足够的韧性和淬透性,成份特点(C%,Me)及合金元素作用：高C:0.95%1.10%Cr为基本元素:提高淬透性;提高耐磨性和接触疲劳抗力加入Si,Mn提高淬透性;加入V耐磨性,防止过热GCr15中含C%1.5%,典型钢号：GCr15,预先热处理：球化退火最终热处理：淬火+低温回火,组织：M回细碳化物颗粒,滚珠,滚珠轴承,5.2.3合金工具钢,1、低合金刃具钢,用途：板牙,丝锥,冷冲模,低速切削刃具,性能要求：高硬度:HRC60高耐磨性足够塑性和韧性回火稳定性,成份特点(C%,Me)及合金元素作用：高C:0.9%1.1%加入Cr,Mn,Si提高淬透性加入Si提高回火稳定性加入W,V提高耐磨性,细化晶粒,典型钢号：9SiCr,CrWMn,预先热处理：球化退火最终热处理：淬火低温回火,组织：M回碳化物颗粒,2、高速钢,用途：高速切削刃具,性能要求：高硬度:HRC60高耐磨性高热硬性足够塑性和韧性,成份特点(C%,Me)及合金元素作用：高C:0.7%1.5%加入Cr提高淬透性加入W,Mo提高热硬性加入V提高硬度耐磨性,典型钢号：W18Cr4V,热处理：反复锻造；高温加热淬火淬火560580回火(三次)：,组织：M回合金碳化物,W18Cr4V淬火+回火组织：M回碳化物,W18Cr4V淬火组织：隐晶M碳化物+A,5.2.4不锈钢,1、金属腐蚀的概念,金属腐蚀类型:i化学腐蚀ii电化学腐蚀,i提高基体的电极电位；ii形成钝化膜；iii形成单相组织（A,F）,2、防腐蚀的途径,1)碳含量：以低碳为主（随碳含量增加，其耐蚀性下降）2)合金元素作用：,3、化学成分特点,电极电位跃升(如M不锈钢)单相F(如F不锈钢)钝化,加入Ni单相A(如A不锈钢)加入Ti、Nb、B晶界腐蚀,加入Cr,1）马氏体不锈钢（1Cr13，2Cr13，3Cr13，4Cr13）-耐蚀性低：只用铬进行合金化，只在氧化性介质中耐蚀，在非氧化性介质中不能达到良好的钝化。-强度高、耐磨性好应用：对力学性能要求较高的弱腐蚀介质中工作的零件或工具，汽轮机叶片、医疗手术刀,4、常用不锈钢,不锈钢船用螺旋桨,不锈钢剪刀,2）铁素体不锈钢（如1Cr17）-耐蚀性比Cr13型钢更好-强度较低、塑性很好，在退火或正火状态下使用，可用形变强化提高强度。应用：耐蚀性要求很高而强度要求不高的构件，例如化工设备、容器和管道等,3）奥氏体不锈钢(1Cr18Ni9Ti,1Cr18Mn8Ni5N）(即18-8型不锈钢）-耐蚀性很好，较Cr13型更好-强度、硬度低，塑性、韧性较Cr13型更好-无磁性,1Cr18Ni9Ti不锈钢表带,不锈钢容器,5.3铸铁,一.铸铁分类（按碳的存在形式）,碳(C)在铸铁中的存在形式：,固溶于铁中形成铁素体(F)极少量0%C,形成化合物Fe3C(渗碳体)6.69%C,形成石墨(G)100%C,1.铸铁,白口铸铁灰口铸铁麻口铸铁,(普通)灰口铸铁(HT)片状,可锻铸铁(KT)团絮状,球墨铸铁(QT)球状,2.灰口铸铁,（按G形态）,F+G片,F+P+G片,P+G片,球墨铸铁的显微组织,球墨铸铁的显微组织,二.影响铸铁石墨化的因素,（数量，形态）,石墨化：铸铁中的碳以石墨的形式析出的过程,石墨化程度，G数量，基体中P数量，所以，石墨化程度决定了铸铁的组织：,基体、G的数量、形态,(1).化学成分：,Fe-C合金的五大元素：C,Si,Mn,P,S,C,Si：:,Si能抑制Fe3C的形成，促进Fe3C分解,强烈促进石墨化，（C%，G化）,Mn,S:S是阻碍G化的元素,Mn0.20.4%时，形成合金渗碳体(Fe,Mn)3C,G化。,P：对石墨化影响不明显。,灰铸铁中的碳、硅质量分数一般控制在以下范围：2.5%4.0%C;1.0%2.0%Si。,(2).冷却速度(V冷),G化是靠原子扩散进行的，需要温度、时间,V冷，G化，Fe3C量，G片细小、量少。,V冷，G化停止，无石墨形成，CFe3C,即形成白口铸铁。,V冷取决于：,金属型V冷湿砂型V冷干砂型V冷,铸件的壁厚V冷,铸型材料：导热、蓄热能力V冷,不同C+Si含量，不同壁厚（冷却速度）铸件的组织,三.灰口铸铁,1.性能特点,(1)机械性能：差,塑性()、韧性(ak)0，是脆性材料。,原因：大量G片割裂了基体降低了有效承载面积;G片边缘(尖角处)应力集中。,G片分布越不均匀，灰口铸铁的机械性能越差。,但是，其抗压强度仍接近钢,(2)工艺性能：,铸造性能极好：,切削性能好，,流动性好，充型能力强；收缩率小，石墨膨胀抵消了部分收缩。,焊接性能很差，,不能用于锻造。,(4)耐磨性好：石墨本身就是良好的固体润滑剂，又可储存润滑油。,(5)缺口敏感性低,(3)减振性好,2.组织,钢基体（F，F+P，P）,+石墨(G),3.灰口铸铁的孕育处理,目的和作用：细化石墨，避免铸件表层出现白口，提高机械性能,方法：向铁水中加入孕育剂(Fe-75%Si),GB5612-85,共分为：HT100,HT150,HT200,HT250,HT300,HT350六个牌号,如：HT150灰口铸铁，b150Mp,注意：选择牌号时要看铸件的壁厚,HT+三位数字,最低抗拉强度,灰口铸铁,4.牌号、用途：(P.47表2-3),箱体,发动机飞轮,叶轮,1.组织：(F,F+P,P)+团絮状G,四.可锻铸铁(玛钢，玛铁),2.生产特点：,白口铸铁高温、长时,间退火可锻铸铁。,Fe3CFe+C,C原子聚集形成团絮状G,C,Si含量低，冷却速度,大，以首先获得白口铸铁。,用于形状复杂、承受冲击载荷的薄壁小件。,如：KTH350-10可锻铸铁(黑心),b350Mp，10%,3.牌号、用途(P.48表2-4)GB5679-85,KT+三位数字+两位数,最低抗拉强度,灰口铸铁,最低延伸率,G呈团絮状，对基体的割裂作用大大减轻，应力集中也明显降低。所以强度，塑性显著提高。,4.特点：,可锻铸铁不再是脆性材料,但仍不可锻造。,C,Si含量低：C2.42.7%,Si1.41.8%；,铸件小，壁薄；,生产周期长，成本高。,五.球墨铸铁,1.组织与性能：(F,F+P,P)+球状G,G球对基体的割裂、应力集中减小到最低程度，所以，机械性能大大提高。,铁素体基体,珠光体基体,石墨球,机械性能指标：高,b:4001200Mpa,一般：400600Mpa,:117%,一般：1.510%,k:3060J/cm2,一般815J/cm2可满足使用,铸造性能：良好,（介于灰口铸铁和铸钢之间，比铸钢好）,减振性、切削加工性能：良好,耐磨性好：优于表面淬火钢,机械性能优于可锻铸铁，可与钢媲美,铸造工艺比铸钢简便，比铸钢成本低。,2.生产过程及其特点：,铁水出炉孕育处理球化处理浇注铸件,球化剂：稀土镁合金,化学成分：高C(3.64.0%),低Mn,S,P,3.可通过各种热处理改善机械性能(P.63表2-6),4.牌号、用途(P.49表2-5)GB1348-78,QT420-10球铁，b420Mp，10%,应用：以铁代钢，如发动机的曲轴等。,球墨铸铁管道接口,第五章有色金属及合金,5-1铝及铝合金,一.铝及铝合金的特性,（1）比重小，比强度高；纯铝=2.7g/cm3（2）优良的物理、化学性能；i导电性好，仅次于Ag,Cu,Au；ii极好的抗大气腐蚀能力；“钝化”iii非磁性，即磁化率极低。,（3）加工性能良好：i塑性好，可冷成形；ii切削性能好；iii超高强度铝合金成形后热处理，会有很多的；iiii铸造铝合金铸造性能极好。,（一）高纯铝L01,L02,L03,L04,由1-4，Al的含量由99.93-99.99%.（二）工业高纯铝L0,L00，Al的含量由98.85-99.9%.,二、纯铝（Fcc）,(三)工业纯铝：L5,L4,L3,L2,L1,由5-1，Al的含量由98.0-99.0%.,三、铝合金,（一）铝合金的分类,形变铝合金铸造铝合金,可热处理强化不能热处理强化,（二）时效强化,时效强化：固溶处理后的合金随时间延续而发生进一步强化的现象，是铝合金强化的主要途径。,固溶处理：,原理：过饱和固溶体在第二相（，即CuAl2）脱溶过程中出现某些中间状态，具有特殊的组织结构而使合金强度，硬度提高。（在固溶体的一定晶面上出现一个原子层厚度的铜或其它原子的偏聚区，偏聚区边缘发生晶格略变，阻碍位错运动，因而合金强度，硬度提高。）,回归处理,自然时效200250短时（几秒至几分钟）加热、迅速水冷，使合金性能又回到接近固溶处理状态的水平，即可重新变软，这种现象称为“回归”。常采用回归处理，使铝合金软化，以便进行冷变形加工和修复工作。在室温放置一段时间，硬度和强度又重新上升，即会产生自然时效。,（三）铝合金的分类与牌号,形变铝合金LF+数字：防锈铝合金(不能热处理强化)；LY+数字：硬铝合金；LC+数字：超硬铝合金；LD+数字：锻铝合金；2.ZL+数字：铸造铝合金；,(可热处理强化),ZL1：Al-Si合金；ZL2：Al-Cu合金；ZL3：Al-Mg合金；ZL4：Al-Zn合金。,防锈铝合金（LF）：Al-Mn,Al-Mg系合金，不可热处理强化。具有优良的抗蚀性，良好的塑性、焊接性、冷压加工性能，可加工硬化。硬铝（LY），又称杜拉铝:(CuAl2)、S（CuMgAl2）。超硬铝（LC）:Al-Zn-Mg-Cu系列合金。、S、（MgZn2）、T(Al2Mg3Zn3)。锻铝（LD）:Al-Mg-Si-Cu系列合金。由于每种元素的含量较少，具良好热塑性。,（四）形变铝合金,i标准（中强度）硬铝：LY11ii低合金（低强度）硬铝：LY1（LY10）iii高合金（高强度）硬铝：LY11（LY6）,（以硬铝合金为例）,（五）铸造铝合金（铝硅合金为例）,简单硅铝明（ZL102）：成分：1113%Si；性能：铸造、焊接性好，耐热耐蚀性好，比重小，强度低；变质处理：钠及钠盐(提高冷速)；用途：仪表、水泵壳体。,如ZL101，ZL104ZL108，ZL109“活塞合金”,特殊硅铝明（加入Cu、Mg、Mn等时效硬化）,(六)、常用铝合金选用原则：（1）考虑机械性能特点：比强度高（强度与相对密度之比）可用于机构件；良好的塑性加工性能可用于挤压件；小的弹性模量可用于搞震性好的工件；低温性能好可用于低温构件；等等。,（2）考虑其使用性能特点：熔点为600，使用温度不能过高；良好的耐蚀性，导电导热性及抛光性能宜做腐蚀环境零件及导电及某些电器材料。（3）考虑其工性能特点：熔点低、熔炼和铸造方便，以及好的加工性能和铸造性能等,5-2铜及铜合金,一、铜及铜合金的特性（1）优异的物理化学性能：导电性、导热性好；抗蚀能力高；铜（紫铜）抗磁性；（2）良好的加工性能：塑性好，铸造性能好；（3）特殊机械性能：减摩性耐磨性好，高的弹性极限和疲劳极限；（4）色泽美观。,二.紫铜（纯铜）Fcc无磁性，无同素异构转变，熔点1083。工业纯铜:T1,T2,T3,T4,由14，含Cu为99.95-99.50%,三.铜合金,（一）铜合金的主要强化方式（1）固溶强化最常用的固溶强化元素为Zn、Si、Al、Ni等，形成置换固溶体。,（2）第二相强化当铜中加入合金元素超过最大溶解度以后，便会出现过剩相，它们多为硬而脆的金属化合物，数量适当时可使强度和硬度有较好的配合，以满足机器零件对性能多种多样的要求，但超过一定量后，其数量的增加会使强度和塑性同时大大降低。（3）热处理强化大多数合金元素在铜中的溶解度随温度的降低而变化较少，或是其溶解度超过该合金的加入量。因而在加热和冷却过程中并没有发生溶解度的变化，故热处理并不能有效地提高其力学性能。只有Be、Si等几种元素在Cu中的溶解度随温度的降低而减小，因此它们加入铜中后，可通过热处理途径大大提高其力学性能。,（二）黄铜（Cu-Zn）,黄铜分普通黄铜和复杂黄铜两种。,是以Cu为基的固溶体，是以CuZn为基的无序固溶体,是有序固溶体,1.普通黄铜：如：H96,H80,H70,H68,H59等。H70称：“三七黄铜”，大量用于作弹壳、套管和复杂深冲零件。,H90150倍组织：,H59150倍组织：+,2.复杂黄铜：在Cu-Zn二元合金基础上加入其它合金元素形成的。如Pb黄铜，Sn黄铜，Al黄铜，Si黄铜等。编号方法：H+主加元素符号+Cu含量+主加元素含量；如：HPb60-1,表示含60%Cu、1%Pb的复杂黄铜。,（三）青铜（Sn.Al.Si.Pb.Be,Mn）,包括：锡青铜，铝青铜，铍青铜等等。分类：压力加工青铜和铸造青铜。编号方法：Q+主加元素符号+主加元素含量+其它元素含量；如：QSn4-3,表示含4%Sn、3%Zn，其余为Cu的锡青铜。铸造青铜在编号前加“Z”字，如：ZQSn10-5。,(四)、铜合金选用原则（1）充分考虑其导电导热性能特点，可制：导体及散热器片、线材、管材、薄板材、电缆等。（2）考虑其机械性能及耐磨，耐蚀性能等，对于一些耐蚀件、散热器件、减摩零件及弹性元件等，可选用铜合金。（3）考虑其工艺性能特点，塑性好：冲压或锻轧成型件可选用之；铸造性能好：普通铸件和压铸件可用之；切削加工性好和光洁度高：大量生产的切削成型件可用之；但是Cu的储量小，价格较贵，应节约使用,小结1.碳钢可按成份、质量、用途和冶炼方法来分类。碳钢通常分为普通碳素结构钢Q215、Q235等优质碳素结构钢20、45、60等碳素工具钢T8、T10、T12等不同牌号的钢材其应用领域不同。2.合金钢分为合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢。常用钢号有：低合金结构钢Q345(16Mn)、Q420(15MnVN)调质钢40Cr、40CrB、40CrNiMo、38CrSi渗碳钢20Cr、20MnVB、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA弹簧钢65Mn、50CrV、60Si2Mn轴承钢GCr9、GCr15、GCr15SiMn低合金刃具钢9SiCr、CrWMn高速钢W18Cr4V不锈钢1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、1Cr17、1Cr18Ni9Ti冷模具钢Cr12MoV热模具钢5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V,合金结构钢可用于制造各种结构件、机械零件、齿轮、轴承、弹簧等。合金工具钢可用于制造各种刃具、模具、量具；特殊性能钢有不锈钢、耐磨钢、耐高温钢等,分别用于制造要求耐蚀、耐磨、耐高温零件。通过各种热处理方法可调整合金钢的性能。3.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。铸铁是碳质量分数大于2.11%铁碳合金。铸铁中石墨形态、基体组织对铸铁的性能有很大的影响。铸铁分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁几类。可通过加入合金元素和热处理来改善其性能。常用铸铁：HT150、HT250、KT350-10、KT450-5、QT420-10、QT800-2等。4.铝合金、铜合金有特殊的机械性能和理化性能。常用铝合金有：LF5、LY11、LC4、ZL102等常用铜合金有：H80、H62、QSn6.5-0.1、QAl9-4、QBe2等锡基轴承合金：ZChSnSb11-6,5.5典型工件的选材及工艺路线设计,一、齿轮选材,齿轮的工作条件（1)由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；(2)换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击载荷；(3)齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力及摩擦力的作用。,齿轮材料的性能要求高的弯曲疲劳强度；高的接触疲劳强度和耐磨性；(3)较高的强度和冲击韧性。此外，还要求有较好的热处理工艺性能，如热处理变形小等。,典型齿轮选材举例,一、机床齿轮机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和方向的任务。工作条件较好，转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击。因此，一般可选中碳钢(45钢)制造，为了提高淬透性，也可选用中碳合金钢(40Cr钢)。,机床变速箱齿轮,工艺路线为：下料-锻造-正火-粗加工-调质-精加工-高频淬火及低温回火-精磨。冲击载荷小的低速齿轮也可采用HT250、HT350、QT500-5、QT600-2等铸铁制造。,二、汽车齿轮,汽车齿轮主要分装在变速箱和差速器中。汽车齿轮受力较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等，均要求比机床齿轮高。一般用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi制造。渗碳齿轮的工艺路线为：下料-锻造-正火-切削加工-渗碳、淬火及低温回火-喷丸-磨削加工。,轴类零件选材,轴类零件的工作条件:,(1)工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用；(2)轴与轴上零件有相对运动,相互间存在摩擦和磨损；(3)轴在高速运转过程中会产生振动,使轴承受冲击载荷；(4)多数轴会承受一定的过载载荷。,直升飞机螺旋桨驱动齿轮轴扭断,转轴弯曲疲劳断口形貌,轴颈被埋嵌在轴承中的硬粒子磨损,轴类零件的性能要求：,(1)良好的综合机械性能，足够强度、塑性和一定韧性,以防过载断裂、冲击断裂；(2)高疲劳强度,对应力集中敏感性低,以防疲劳断裂；(3)足够淬透性,热处理后表面要有高硬度、高耐磨性,以防磨损失效；(4)良好切削加工性能,价格便宜。,轴类零件材料及选材方法,一、材料经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造（兼顾强度和韧性，同时考虑疲劳抗力）；一般轴类零件使用碳钢（便宜，有一定综合机械性能、对应力集中敏感性较小），如35、40、45、50钢，经正火、调质或表面淬火热处理改善性能；载荷较大并要限制轴的外形、尺寸和重量，或轴颈的耐磨性等要求高时采用合金钢，如40Cr、40MnB、40CrNiMo、20Cr、20CrMnTi等；也可以采用球墨铸铁和高强度灰铸铁作曲轴的材料。二、选择原则根据载荷大小、类型等决定。主要受扭转、弯曲的轴，可不用淬透性高的钢种；受轴向载荷轴，因心部受力较大，应具有较高淬透性。,典型轴的选材：,一、机床主轴选材以C620车床主轴为例进行选材。该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速均不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合机械性能即可满足要求。但大端的轴颈、锥孔与卡盘、顶尖之间有摩擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。,载荷较大的主轴用40Cr钢制造。承受较大冲击载荷和疲劳载荷的主轴用合金渗碳钢（20Cr或20CrMnTi）制造。,制定工艺路线：车床主轴用45钢制造，整体硬度要求为220HB250HB；轴颈和锥孔硬度要求为52HRC。请设计工艺路线：1.锻造2.正火3.粗加工4.调质5.精加工6.表面淬火7.低温回火8.磨削加工,二、内燃机曲轴选材1.曲轴的工作条件、性能要求、材料（1）工作条件曲轴受弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击等交变应力，还可造成曲轴的扭转和弯曲振动，产生附加应力；应力分布不均匀；曲轴颈与轴承有滑动摩擦。（2）性能要求曲轴的失效形式主要是疲劳断裂和轴颈严重磨损。因此材料要有高强度、一定的冲击韧性、足够弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈表面有高硬度和耐磨性。（3）曲轴材料锻钢曲轴：优质中碳钢和中碳合金钢，如35、40、45、35Mn2、40Cr,35CrMo钢等；铸造曲轴：铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸铁等,如ZG25、QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4等。,弹簧选材：,弹簧是一种重要的机械零件。它的基本作用是利用材料的弹性和弹簧本身的结构特点，在载荷作用产生下变形时，把机械功或动能转变为形变能；在恢复变形时，把形变能转变为动能或机械功。弹簧按形状分主要有螺旋弹簧(压缩、拉伸、扭转弹簧)、板弹簧、片弹簧和蜗卷弹簧几种。,(a)压缩螺旋弹簧,(b)拉伸螺旋弹簧,(c)扭转螺旋弹簧,(d)板弹簧,(e)片弹簧,弹簧有下列用途：(1)缓冲或减振如汽车、拖拉机、火车中使用的悬挂弹簧。(2)定位如机床及其夹具中利用弹簧将定位销(或滚珠)压在定位孔(或槽)中。(3)复原外力去除后自动恢复到原来位置，如汽车发动机中的气门弹簧。(4)储存和释放能量如钟表、玩具中的发条。(5)测力如弹簧称、测力计中使用的弹簧。,弹簧的工作条件：,(1)弹簧在外力作用下压缩、拉伸、扭转时，材料将承受弯曲应力或扭转应力。(2)缓冲、减振或复原用的弹簧承受交变应力和冲击载荷的作用。(3)某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用。,弹簧材料的性能要求:,(1)高的弹性极限e和高的屈强比s/b弹簧工作时不允许有永久变形，因此要求弹簧的工作应力不超过材料的弹性极限。弹性极限越大，弹簧可承受的外载荷越大。对于承受重载荷的弹簧，如汽车用板簧、火车用螺旋弹簧等，其材料需要高的弹性极限。当材料直径相同时，碳素弹簧钢丝和合金弹簧钢丝的抗拉强度相差很小，但屈强比差别较大。65钢为0.7，60Si2Mn钢为0.75、50CrVA钢为0.9。屈强比高，弹簧可承受更高的应力。(2)高的疲劳强度弯曲疲劳强度-1和扭转疲劳强度-1越大，则弹簧的抗疲劳性能越好。(3)好的材质和表面质量夹杂物含量少，晶粒细小，表面质量好，缺陷少，对于提高弹簧的疲劳寿命和抗脆性断裂十分重要。(4)某些弹簧需要材料有良好的耐蚀性和耐热性保证在腐蚀性介质和高温条件下的使用性能。,刃具的选材:,制造刃具的材料有碳素工具钢、低合金刃具钢、高速钢、硬质合金和陶瓷等，根据刃具的使用条件和性能要求不同进行选用。一、简单的手用刃具手锯锯条、锉刀、木工用刨刀、凿子等简单、低速的手用刃具红硬性和强韧性要求不高，主要的使用性能是高硬度、高耐磨性。因此可用碳素工具钢制造。如T8、T10、T12钢等。碳素工具钢价格较低,但淬透性差。二、低速切削、形状较复杂的刃具丝锥、板牙、拉刀等可用低合金刃具钢9SiCr、CrWMn制造。因钢中加入了Cr、W、Mn等元素,使钢的淬透性和耐磨性大大提高,耐热性和韧性也有所改善,可在300C的温度下使用。,三、高速切削用的刃具(1)用高速钢(W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等)制造高速钢具有高硬度、高耐磨性、高的红硬性、好的强韧性和高的淬透性的特点,因此在刃具制造中广泛使用,用来制造车刀、铣刀、钻头和其它复杂、精密刀具。高速钢的硬度为62HRC68HRC,切削温度可达500C550C,价格较贵。(2)硬质合金制造硬质合金是由硬度和熔点很高的碳化物(TiC、WC)和金属用粉末冶金方法制成,常用硬质合金的牌号有YG6、YG8、YT6、YT15等。硬质合金的硬度很高(89HRA94HRA),耐磨性、耐热性好,使用温度可达1000C。它的切削速度比高速钢高几倍。硬质合金制造刀具时的工艺性比高速钢差。一般制成形状简单的刀头,用钎焊的方法将刀头焊接在碳钢制造的刀杆或刀盘上。硬质合金刀具用于高速强力切削和难加工材料的切削。硬质合金的抗弯强度较低,冲击韧性较差,价格贵。,刃具选材举例：,一、板锉,板锉,1.性能要求、材料及工艺(1)用途及性能要求板锉是钳工常用的工具,用于锉削其他金属。其表面刃部要求有高的硬度(64HRC67HRC),柄部要求硬度35HRC。,(2)材料T12钢(3)制造工艺热轧钢板(带)下料锻(轧)柄部球化退火机加工淬火低温回火。2.主要工艺说明(1)球化退火使钢中碳化物呈粒状分布,细化组织,降低硬度,改善切削加工性能。同时为淬火准备好适宜的组织,使最终成品组织中含有细小的碳化物颗粒,提高钢的耐磨性。锉刀通常采用普通球化退火工艺。将毛坯加热到760770,保温一定时间(2h4h)，然后以3050/h的速度冷却到550600，出炉后空冷。处理后组织为球化体，硬度为180HB200HB。,(2)机加工刨、磨和剁齿,使锉刀成形。(3)淬火温度为770780,可用盐溶加热或在保护气氛炉中加热,以防止表面脱碳和氧化。也可采用高频感应加热。加热后在水中冷却。由于锉刀柄部硬度要求较低,在淬火时先将齿部放在水中冷却,结柄部颜色变成暗红色时才全部浸入水中。当锉刀冷却到150200时，提出水面。若锉刀有弯曲变形，可用木锤将其校直。(4)回火温度为160180，时间45min60min。若柄部硬度太高，可将柄部浸入500的浴盐中进行回火，或用高频加热回火，降低柄部硬度。,二、齿轮滚刀,齿轮滚刀,1.性能要求、材料及工艺(1)用途生产齿轮的常用刃具,用于加工外啮合的直齿和斜齿渐开线园柱齿轮。其形状复杂,精度要求高。,(2)材料高速钢(W18Cr4V)(3)工艺路线热轧棒材下料锻造退火机加工淬火回火精加工表面处理2.主要工艺说明(1)锻造W18Cr4V钢的始锻温度为11501200,终锻温度为900950。锻造的目的一是成形