金属工艺学全套教案

1、金 属 工 艺 学 什么叫金属工艺学？ 金属工艺学是一门研究有关制造金属机件的工艺方法的综合性技术学科。 它主要研究： 各种工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互联系； 金属机件的加工工艺过程和结构工艺性； 常用金属材料性能对加工工艺的影响； 工艺方法的综合比较等。 机械制造的基本工程 1、产品设计 总体设计 零部件设计 决定功能 选用材料 决定尺寸及结构细节 定出技术要求 绘出图纸 2、工艺准备 决定生产方案 制定工艺规程与工艺卡 设计并制造工艺装备 3、毛坯生产 铸件、 锻件、冲压件、焊接件、棒料、非金属材料、毛坯等。4、切削加工 粗加工、半精加工、精加工、外构件、外协件5、装配

2、与调试 组件装配、部件装配、总装、调试6、装箱出厂 机械制造的经济性原则 材料成本、工时成本 直接成本、间接成本 生产成本、利润、税金 现代先进加工工艺 1、采用物化知识的职能来代替人，使人从直接参加生产劳动变为主要负责控制生产。 2、采用先进工艺和高效专用设备，使工艺专业化。 3、机械加工技术柔性化，大量采用信息技术和计算机技术。 材料是可以直接制成成品的东西,如木料、石料、金属材料等。 工业生产中所使用的材料属于工程材料，主要包括金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料四大类。 金属材料是现代制造机械的最主要材料。 金属材料以合金为主，很少使用纯金属。 合金是以一种金属为基础，加

3、入其它金属或非金属，经过熔炼、烧结或其它方法制成的具有金属特性的材料。 最常用的合金，有以铁为基础的铁碳合金；有以铜或铝为基础的铜合金和铝合金。 用来制造机器零件的金属或合金应具有如下性能： 1、优良的工艺性能，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、机加工性能等。 2、较好的使用性能，包括物理性能、化学性能、力学性能等。1-1 材料的性能 材料的性能以金属材料为例包括力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能等。 一、金属材料的力学性能 力学性能是指金属材料在受外力作用时所反映出来的性能。 力学性能指标，是选择、使用金属材料的重要依据。 金属材料的力学性能主要有：强度、塑性、硬度、冲击韧度

4、和疲劳强度等。1、强度 强度是在外力作用下，材料抵抗塑性变形和断裂的能力。 按作用力性质不同，强度可分为屈服点（屈服强度）、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。 在工程上常用来表示金属材料强度的指标有屈服强度和抗拉强度。（1）屈服点 当载荷增达到Fs时，拉伸曲线出现了平台，即试样所承受的载荷几乎不变，但产生了不断增加的塑性变形，这种现象称为屈服。 屈服点是指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力。用s表示。 s= （MPa） 式中：Fs试样产生明显塑性变形时所受的最小载荷，即拉伸曲线中S点所对应的外力（N） Ao试样的原始截面积（mm2）（2）抗拉强度 抗拉强度是金属材料断裂前所承受

5、的最大应力，故又称强度极限。常用b来表示。 b= （MPa） 式中：Fb指试样被拉断前所承受的最大外力，即拉伸曲线上B点所对应的外力（N）。 Ao试样的原始横截面积（mm2） 屈服强度和抗拉强度在设计机械和选择、评定金属材料时有重要意义，因为金属材料不能在超过其s的条件下工作，否则会引起机件的塑性变形；金属材料也不能超过其 b的条件下工作，否则会导致机件的破坏。2、塑性 塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形而不致引起破坏的性能。在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫做塑性变形。 金属材料的塑性通常用伸长率和断面收缩率来表示。 (1)伸长率 = （L1-L0）/L0 100% 式中：

6、L0试样原标距的长度（mm） L1试样拉断后的标距长度（mm） (2) 断面收缩率 断面收缩率是指试样拉断后断面处横截面积的相对收缩值。 = （A0-A1）/A0 100% 式中：A0试样的原始截面积（mm2） A1试样断面处的最小截面积（mm2） 和愈大，则塑性愈好。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。3、硬度 金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力，叫硬度。 它是材料性能的一个综合的物理量。表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。 金属材料的硬度可用专门仪器来测试，常用的有布氏硬度机、洛氏硬度机等。（1）布氏硬度（HB） 用布氏硬度机测试出来的硬度叫布

7、氏硬度。 布氏硬度的特点： 布氏硬度因压痕面积较大，HB值的代表性较全面，而且实验数据的重复性也好，但由于淬火钢球本身的变形问题，不能试验太硬的材料，一般在HB450以上的就不能使用。 由于压痕较大，成品检验也有困难。 通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度。 (2) 洛氏硬度（HR） 在洛氏硬度机上测试出来的硬度叫洛氏硬度。 洛氏硬度的特点： 洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，而且压痕很小，几乎不损伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最多。 但洛氏硬度由于压痕较小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或组织不均的情况，则所测硬度值的重复性也差。4、冲击韧度（ak） 金属材料

8、抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧度。常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧度。 ak = AK/A0 （Jcm-2） 式中：Ak折断试样所消耗的冲击功（J） Ao试样断口处的原始截面积（mm2）5、疲劳强度 当金属材料在无数次重复或交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力，叫做疲劳强度。 材料的疲劳强度通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测定。 无数次应力循环，对于钢材为107，有色金属和某些超高强度钢常取108。 产生疲劳破坏的原因，一般认为是由于材料有杂质、表面划痕及其它能引起应力集中的缺陷。二、金属材料的物理、化学及工艺性能1、物理性能 金属材料的物理性能主要有：密度、熔点、热膨胀性

9、、导电性和导热性等。2、化学性能 它是金属材料在室温或高温时抵抗各种化学作用的能力，主要是指抵抗活泼介质的化学侵蚀能力，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。3、工艺性能 工艺性能是物理、化学、力学性能的综合。按工艺方法的不同，可分为铸造性能、可锻性、焊接性和切削加工性等1-2 金属的结构与结晶一、晶体与晶格固体物质按其原子排列的特征，可分为晶体和非晶体。非晶体的原子作不规则的排列，如松香、玻璃、沥青等。 晶体的原子则按一定次序作有规则的排列，如金刚石、石墨及固态金属和合金。 两者的性能差异：晶体具有一定的凝固点和熔点，非晶体没有；晶体具有各向异性，非晶体各向同性等。 采用骤冷的工艺可将一些特殊成分的

10、液态金属制成非晶体金属。它没有通常的晶体结构、没有晶界、枝晶等，也完全避免偏析，而具有高的强度、硬度和一定的韧性，还有优异的耐腐蚀性。晶体中原子排列情况 晶体中原子在空间中是按一定规律堆砌在一起的。 晶格 为了便于表明晶体内部原子排列的规律，有必要把原子抽象化，把每个原子看成一个点，这个点代表原子的振动中心。把这些点用直线连接起来，便形成一个空间格子，叫做晶格。 结点 晶格中每个点叫结点。 晶胞 晶格的最小单元叫做晶胞，它能代表整个晶格的原子排列规律。 在研究各种金属的晶体结构时，一般取出它的晶胞来研究就可以了。 晶格常数 晶胞中各棱边的长度叫做晶格常数，其大小用来度量（1 =10-8cm）。

11、 最常见的晶格类型： 1、体心立方晶格 a）其晶胞形状为立方体，a=b=c，=90 b）原子分布在立方晶体的各个结点及中心。 c）每个体心立方晶胞中仅包含2个原子。 属于这类金属的有： -Fe、Mn、Cr、V、W、Mo、K、Na等。 2、面心立方晶胞 a）其晶胞为立方体。 b）原子分布在立方体的各个结点及各面的中心处。 c）每个晶胞中含有4个原子。 3、密排六方晶格 a）其晶胞形状为六方柱体。 b）原子分布在各个结点及上下两个正六方面的中心，另外在六方柱体中心还有三个原子。 属于这类金属的有：Mg、Zn、Cd、Be等。二、多晶体结构与晶体缺陷 1、多晶体结构 工业上使用的金属都是由许多小晶体组

12、成的多晶体，每个小晶体称为晶粒。 如果一整块金属仅由一个晶粒组成，则称为单晶体。 晶界：晶粒与晶粒之间的界面。 显微组织：在显微镜下观察到的晶粒的大小、形态和分布。 2、晶体缺陷 金属晶体中，原子排列或多或少地存在偏离上述理想结构的区域，称为晶体缺陷。 这些缺陷对金属的许多性能有着极重要的影响。 根据缺陷的几何形状，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类。 1）点缺陷：空位和间隙原子 空位和间隙原子的运动， 是金属晶体中原子扩散的主 要方式之一。金属的固态相 变和化学热处理过程均依赖 于原子的扩散。 2）线缺陷：即位错，在晶体中，有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象， 最简单的位错是刃型位错和

13、螺型位错。 位错对金属的性能有着重要影响。 3）面缺陷：主要指晶界和亚晶界 a）在常温下，晶界对滑移起阻碍作用，即表现为晶界强度高。 b）容易满足固态相变所需的能量起伏，新相往往在晶界处形核。 c）晶界处有许多的空位，原子沿晶界扩散速度快。 d）抗腐蚀性能差，电阻较高和熔点较低等。三、金属的结晶与铸锭组织1、纯金属的结晶过程 结晶是液态金属转变为固态晶体的过程，这一转变的关键是液态金属的冷却。 液态金属 温度降至熔点附近 自发形核核心长大 液态金属消失 枝晶：实际上，金属在结晶过程中晶核沿各个方向生长的速度是不一样的，晶核主要是沿着生长速度最大的某几个方向发展，所以晶体实际上为树枝状结晶体。2

14、、冷却曲线与过冷度3、影响晶粒大小的因素及细化晶粒的方法 一般来说，晶粒愈细，强度和硬度愈高，同时塑性和韧性也愈好。 1、过冷度的影响：冷却速度愈大，过冷度愈大，晶粒愈细。 2、变质处理：在实际生产中，有意向金属液中加入某些物质（称为变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，这种处理方法称为变质处理。 3、振动：对正在结晶的金属施以机械振动、超声波振动和电磁振动，均可使树枝晶尖端破碎而增加新的核心，提高形核率，使晶粒细化。4、铸锭组织（1）表面细晶粒层（2）柱状晶粒层（3）中心等轴晶粒区 5、金属的同素异构转变 一种金属能以几种晶格类型存在的性质，叫做

15、同素异构性。 金属在固态时改变其晶格类型的过程，称为金属的同素异构转变。 如纯铁：1394912-Fe -Fe -Fe1-3 合金的结构和二元合金相图一、基本概念 1、合金 合金是指由一种金属元素与另外一种或多种金属或非金属元素通过熔炼或烧结等方法所形成的具有金属性质的新金属材料。2、组元 组元是指组成合金的最基本的、能独立存在的物质。3、合金系 合金系是指有相同组元，而成分比例不同的一系列合金。4、相 相是指在合金中，凡成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。一、合金中的相 合金中常见的相有：液相、纯金属、固溶体和金属化合物。1、固溶体 溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金

16、。 特点：其点阵结构仍保持溶剂金属的结构，只是由于溶质原子的溶入引起晶格参数发生改变。 置换固溶体：溶质原子置换溶剂在晶格结点上的原子。固溶体 间隙固溶体：溶质原子在固溶体中处于溶剂晶体结构的间隙位置。 固溶强化 由于各原子大小不一，化学性质也不尽相同，无论组成置换固溶体还是间隙固溶体，都造成固溶体的晶格扭曲。结果，固溶体的强度和硬度升高。2、金属化合物 合金元素间相互作用而形成的新相。 特点： 1）其晶格类型和性能不同于任一组元； 2）一般具有更复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆； 3）能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但降低合金的塑性。二、二元合金相图2、二元合金相图的建立1）配置各种成分的合金

17、；2）测定每一种合金在缓冷条件下的冷却曲线，得到临界点；3）建立一个以温度为纵坐标、成分为横坐标的直角坐标系。自横坐标上的成分向上作成分垂线，把临界点分别标注在成分垂线上；4）把开始转变点和转变终了点分别用光滑的曲线连接起来，并根据已知条件和实际分析结果写上数字、字母和各区内的相或组织名称。二、二元匀晶相图 二元匀晶相图分析 凡是在液态和固态都能完全互溶、固态下又形成无限固溶体的二元合金，均形成二元匀晶相图。 1）合金的结晶在平衡条件下进行； 2）枝晶内部化学成分不均匀枝晶偏析； 3）结晶过程中的杠杆原理 4）合金的性能与成分的关系1-4 铁碳合金相图一、铁碳合金的基本组织1、铁素体（F）铁素

18、体是碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。由于-Fe晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最大溶碳量只有0.0218%（727）所以是几乎不含碳的纯铁。 性能： b =180230MPa HB=5080 =3050% =7080%ak=156196Jcm-2显微镜下观察，铁素体呈灰色并有明显大小不一的颗粒形状。2、渗碳体（Fe3C）渗碳体是铁与碳形成的稳定化合物。含碳量为6.69%性能：HB=800，硬度很高，脆性极大，是钢中的强化相。显微镜下观察，渗碳体呈银白色光泽。渗碳体在一定条件下可以分解出石墨，3、奥氏体（A）奥氏体是碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。-Fe的溶碳能力较高，最大为2.11%（114

19、8）。由于-Fe一般存在于7271394之间，所以奥氏体也只出现在高温区域内。显微镜观察，奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结构，并有明显的界限。性能： =4050%，具有良好的塑性和低的变形抗力。是绝大多数钢种在高温进行压力加工所需的组织。4、珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体组成的共析体。珠光体的平均含碳量为0.77%，在727以下温度范围内存在。显微镜观察，珠光体呈层片状特征，表面具有珍珠光泽，因此得名。 性能： b =750MPa HB=160180 较高 =2025% =3040% 适中5、莱氏体（Ld）莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的共晶体。铁碳合金中含碳量为4.3%的液体冷却到1148时

20、发生共晶转变，生成高温莱氏体。合金继续冷却到727时，其中的奥氏体转变为珠光体，故室温时由珠光体和渗碳体组成，叫低温莱氏体。统称莱氏体。5-2 铁碳合金相图 各主要线的意义相图中的线是把具有相同转变性质的各个成分合金的开始点和终了点，分别用光滑曲线连接起来得到的，代表了铁碳合金内部组织发生转变的界限。ACD线液相线AECF线固相线AC线奥氏体结晶开始线AE线奥氏体结晶终了线GS线铁素体析出开始线GP线铁素体析出终了线PQ线Fe3C析出线ES线Fe3C析出线PSK线共析线CD线一次渗碳体结晶开始线ECF线共晶线总结：1、相区与相区内的组织不一样；2、对于每个相区，不论温度成分怎么变，其组织种类不

21、变，但相的成分和相对量可能变化；3、相图左侧两个单相固溶体： -Fe、 -Fe ；相区右侧一个单相Fe3C，之间为上述固溶体组成的两相共存区；4、共析点、共析线5、共晶点、共晶线 典型铁碳合金的组织转变过程及其显微组织1、Wc=0.6% 室温组织：P+F L L+A A A+F P+F t1以上 t1t2 t2t3 t3t4 t4室温2、Wc=0.77% 室温组织：P L L+A A P t1以上 t1t2 t2t3 t3室温3、Wc=1.2% 室温组织：P+Fe3C L L+A A A+Fe3C P+ Fe3Ct1以上 t1t2 t2t3 t t4室温4、Wc=3.0% 室温组织：P+ Fe

22、3C +LdL L+A A+ Fe3C +Ld(A+ Fe3C) P+ Fe3C +Ld(P+ Fe3C)t1以上 t1t2 t2t3 t3t4 铁碳合金分类1、工业纯铁（Wc0.0218%）性能特点：塑性韧性好，硬度强度低。2、钢（0.0218%Wc2.11%）共析钢：Wc=0.77%，室温组织为P。亚共析钢： 0.0218% Wc0.77%，室温组织为F+P。过共析钢： 0.77% Wc 2.11%，室温组织为P+ Fe3C3、生铁（2.11% Wc 6.69%）共晶生铁： Wc=4.3%，室温组织为Ld亚共晶生铁： 2.11% Wc 4.3%，室温组织为P+Fe3C+Ld。过共晶生铁：

23、4.3% Wc 6.69%，室温组织为Ld+Fe3C 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响 铁碳合金相图的应用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、确定各种热处理加热温度的依据第二章 钢的热处理一、钢的热处理定义： 把钢在固态下加热到一定温度，进行必要的保温，并以适当的速度冷却到室温，以改变钢的内部组织，从而得到所需性能的工艺方法。三、钢的热处理目的：1、消除毛坯中的缺陷，改善工艺性能，为切削加工或热处理做组织和性能上的准备。叫预先热处理。 2、提高金属材料的力学性能，充分发挥材料的潜力，节约材料延长零件使用寿

24、命。叫最终热处理。 四、热处理的方法（按工艺方法不同分） 退火：完全退火、球化退火、去应力退火等正火淬火：回火：低温回火、中温回火、高温回火固溶处理整体热处理表面热处理表面淬火：火焰加热、感应加热、激光加热物理气相沉积化学气相沉积等离子化学气相沉积渗碳渗氮碳氮共渗其它：渗其它金属或非金属、多元共渗化学热处理第一节 热处理基本原理 热处理之所以能够使钢的性能发生很大变化，主要是由于在加热和冷却过程中，钢的内部组织发生了变化造成的一、钢在加热时的转变 大多数热处理工艺需要将钢加热到临界温度以上（A区域）才能进行，所以加热转变主要包括A的形成和晶粒长大两个过程。 1、奥氏体的形成 以共析钢为例（c=

25、0.77%）影响奥氏体形成的因素： 温度：温度越高，原子扩散能力越大，加速奥氏体形成。 原始组织：原始组织越细，相界面越多，提供的奥氏体晶核就愈多，碳原子的扩散距离也越短，加速奥氏体形成。 钢的成分：含碳量增加，F和Fe3C相界面越多，加速奥氏体形成。加入合金元素后不改变A形成的基本过程，但会减缓A的形成速度2、奥氏体晶粒的长大（粗化） 随着温度的升高，奥氏体晶粒会逐渐长大。 晶粒度：表示晶粒大小的尺度。 分为十个等级。一级最粗，十级最细。 粗大的A晶粒冷却后得到粗大的晶粒组织力学性能和工艺性能差合理选择加热温度和保温时间。一、钢在冷却时的转变 室温时钢的力学性能，不仅与经过加热、保温后获得的

26、A晶粒大小有关，而且决定于A经冷却转变后所获得的组织。而冷却方式、 冷却速度对A组织的转变有直接影响。A钢冷却至室温有两种方式：连续冷却: 就是使奥氏体化后的钢，在温度连续下降的过程中发生组织转变。水冷、油冷、炉冷、空冷。 等温冷却：将奥氏体化后的钢迅速冷却到A1以下某一温度，恒温停留一段时间，在这段保温时间内发生组织转变，然后再冷却下来。1、过冷A的等温转变 以共析钢为例： 过冷A的等温转变曲线：由于过冷温度和等温时间不同，过冷A的等温转变过程及转变产物也不相同，表示过冷A不同的等温冷却温度、等温时间与转变过程及产物之间关系的曲线C曲线。（1）建立C曲线 共析钢A的等温转变曲线的建立是通过一

27、系列不同过冷的等温冷却实验建立的。 通过实验测出：不同过冷A在恒温下开始转变和转变终了的时间，画到温度时间坐标系中，然后把开始时间和转变终了时间分别连接起来，即得共析钢C曲线。（2）共析钢过冷A等温转变产物组织和性能 珠光体类型（高温转变产物）：共析钢A过冷到723550之间A等温转变产物属于P型组织。 分类如图。 贝氏体形转变（中温转变产物 ）：A在550-230保温转变为贝氏体型转变，其组织类型为贝氏体组织。它是由含碳过饱和的F+3两相混合物。分类如图。 马氏体型转变（低温转变产物）：230 -60保温转变为马氏体型转变，其组织类型为马氏体组织。分为板状和片状马氏体，图3-9。马氏体是碳在

28、-中的过饱和固溶体。 （3）影响过冷奥氏体等温转变的因素 碳的影响： c增加，亚共析钢的C曲线右移；过共析钢的C 曲线左移。 合金元素的影响：初CO外，所有合金元素如入奥氏体后会增加过冷奥氏体的稳定性， 使C曲线右移。2、过冷A的连续冷却转变 与等温冷却曲线相比，连续冷却曲线都处于右下方，说明转变温度低，孕育期长。 共析钢连续冷却时，只有珠光体转变而无贝氏体转变。亚共析钢可以产生贝氏体组织。合金钢可以有珠光体及贝氏体转变，有珠光体无贝氏体。或有贝氏体而无珠光体转变等多种情况。 当连续冷却速度达到某一值时，冷却曲线与C曲线相切，不发生珠光体转变，而在低温区发生马氏体转变，通常称为临界冷却速度。冷

29、速小时，得到珠光体与马氏体混合组织，更小时，得到珠光体组织。3、过冷奥氏体转变图的应用过冷奥氏体转变图是选择钢种及制订热处理工艺的基本依据之一。（1）不同成分的钢具有不同的转变图，设计时可根据要求合理选择适用而廉价的材料。（2）制定热处理工艺规程，选择冷却介质。（3）估计零件在热处理条件下各部位可能得到的组织。第二节 钢的整体热处理一、钢的退火概念：将钢加热、保温后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的工艺过程。 完全退火 :普通退火、等温退火 球化退火 去应力退火 再结晶退火等 1、完全退火 工艺：加热Ac3以上3050保温随炉冷到500度以下空冷室温。 目的：细化晶粒，均匀组织 ，提高塑韧性，消除

30、内应力，便于机械加工。2、等温退火 工艺：加热Ac3以上保温快冷至珠光体转变温度等温停留转变为P出炉空冷 目的：同上。但时间短，易控制，脱氧、脱碳小。（适用于过冷A比较稳定的合金钢及大型碳钢件）3、球化退火 概念：是使钢中的渗碳体球化的工艺过程。 对象：共析钢和过共析钢 工艺：(1)等温球化退火加热Ac1以上2030度保温迅速冷却到Ar1以下20度等温随炉冷至600度左右出炉空冷。 （2）普通球化退火加热Ac1以上2030度保温极缓慢冷却至600度左右出炉空冷。（周期长，效率低，不适用） 目的：降低硬度、提高塑韧性，便于切削加工。 机理：使片状或网状渗碳体变成颗粒状（球状） 说明：退火加热时，

31、组织没有完全A化，所以又称不完全退火。4、去应力退火 工艺：加热到Ac1以下某一温度（500650度）保温缓冷至室温。 目的：消除铸件、锻件、焊接件等的残余内应力，稳定工件尺寸。二、钢的正火 工艺：加热到Ac3或Accm以上3050度保温出炉空冷。 目的：亚共析钢中自由铁素体减少，过共析钢中网状渗碳体消失 。 低碳钢：提高硬度，克服粘刀现象，改善切削加工性。 中碳钢：细化晶粒，为淬火做好组织准备，对性能要求不高的零件，可作为最终热处理。 高碳钢：消除网状Fe3C。三、钢的淬火 工艺：将钢加热到Ac3或Ac1以上30-50度 ，保温快速冷却（vk）以获得马氏体的工艺方法。 目的：提高钢的硬度和耐

32、磨性。 分类（方法）：1、单液淬火；2、双液淬火；3、分级淬火；4、等温淬火；5、冷处理 亚共析钢： Ac3+3050OC 过高：淬火后M粗大，严重变形 过低：淬火后组织出现F，硬度、强度不足，不均。 过共析钢： Ac1+3050OC 过高：淬火后M粗大，脆性增大，易变形，开裂。残余A增多，硬度、耐磨性降低。 过低： A化不均匀。 一般过共析钢，淬火前需要正火或球化退火，消除网状渗碳体。3、淬火方法 单液淬火：将A化的钢放进水或者油等淬火介质中连续冷却至室温的操作方法。 如：碳钢件水冷，合金钢油冷，厚大碳钢件盐水冷等。 特点：操作简便，易实现自动、机械化。 双液淬火：将A化的钢先放进水中冷却到

33、300200度在迅速移到油中（甚至放到空气中）的冷却操作方法。 特点：即可淬硬又可避免开裂和变形。但操作困难。 分级淬火：将A化的钢放进稍高于Ms点的盐浴槽中停留25分钟，然后取出在空气中冷却。 特点：应力小，避免开裂和变形。但盐浴冷却能力有限，只适用于形状复杂，尺寸较小的零件。等温淬火：将A化的钢放进稍高于Ms点的盐浴槽中保温足够时间，使过冷A转变为B下 ，然后取出空冷方法。 特点： B下 硬度较高，韧性较好，变形又小。适于形状复杂、尺寸精度要求的零件。 冷处理：使残余A转化为 M。提高硬度和耐磨性。稳定尺寸。需专门设备成本高。4、淬硬性和淬透性 淬硬性：钢在正常淬火条件下，淬火形成的马氏体

34、所能达到的最高硬度。 淬硬性取决于马氏体的含碳量，含碳量越高，碳的过饱和度就越大，硬度越高。 淬透性：钢在规定淬火条件下，可以达到的淬硬层深度。 影响因素：过冷奥氏体的稳定性，即Vk。 末端淬火法测定淬透性。2、钢的回火 工艺：将淬火后的钢重新加热到A1以下某一温度保温，然后冷却（一般空冷)至室温。 目的：消除淬火产生的内应力，稳定工件尺寸，降低脆性，改善切削加工性能。 力学性能：随着回火温度的升高，硬度、强度下降，塑性韧性升高。1、低温回火：150-250 ，M回，减少内应力和脆性，提高塑韧性，有较高的硬度和耐磨性。用于制作量具、刀具和滚动轴承等。2、中温回火：350-500 ，T回，具有较

35、高的弹性，有一定的塑性和硬度。用于制作弹簧、锻模等。3、高温回火：500-650 ，S回，具有良好的综合力学性能。用于制作齿轮、曲轴等。 淬火后再高温回火称为调质处理。第三节 钢的表面热处理和化学热处理 一、表面淬火 工艺（概念）：对零件进行快速加热，使表面迅速达到淬火温度，而心部来不及被加热的情况下立即冷却，使表面得到高硬度的马氏体，而心部仍保持原来组织的一种热处理工艺。 分类： （1）感应加热表面淬火：高频，中频、低频。 （2）火焰加热表面淬火二、化学热处理 工艺（概念）：将零件放入一定的活性介质中，经加热、保温，使介质的活性原子渗入零件表层中，从而改变表层化学成分、组织和性能的工艺方法。

36、 分类： （1）渗碳：气体渗碳、固体渗碳 （2）渗氮：气体氮化、离子氮化 （3）碳氮共渗 （4）其它渗入法1、化学热处理的基本过程1）化学渗剂在温度（加热）及催化剂作用下分解出能渗入工件表面的活性元素。2）活性原子被工件表面吸附。3）在一定温度下工件表面的活性原子向金属内部扩散，形成一定的扩散层。2、渗碳 渗碳是向钢的表面渗入碳原子，使其表面达到高碳钢的含碳量，增加耐磨性。1）气体渗碳工艺及组织 气体渗碳是采用液体或气体碳氢化合物作为渗碳剂，（如：煤油、甲苯或含碳的气体）。 渗碳温度是900950。时间取决于要求的渗碳层深度，从几小时到十几小时不等。 渗碳以后，零件表面含碳量约为0.81.0%

37、，由表面到中心含碳量逐渐降低。2）渗碳后的热处理 为使渗碳件具有高的力学性能，渗碳后须进行淬火及回火处理。渗碳层的组织为细小针状马氏体和粒状分布的渗碳体组织。3、渗氮（氮化） 渗氮是将氮原子渗入钢件表面，形成以氮化物为主的渗氮层，以提高渗层的硬度、耐磨、耐蚀和耐疲劳强度等多种性能。1）渗氮工艺特点 渗氮剂为氨气，氨气在480600 分解出具有活性的氮原子渗入工件中，形成富氮层而完成氮化。 渗氮温度600 ，此时铁具有最好的吸氮能力。2）组织和性能 氮与铁等金属形成氮化物可显著地强化渗氮层。4、碳氮共渗 又称氰化，钢件表面同时渗入碳原子和氮原子，形成碳氮共渗层，以提高工件的耐磨性和疲劳强度的处理

38、方法。1）高温（820920 ）碳氮共渗，以渗碳为主，气氛中含有一定氮时，碳的渗入速度比相同温度下单独渗碳的速度要高，厚度更深。2）低温（520580 ）碳氮共渗，以渗氮为主，共渗后表面形成白亮层，可大大提高工件的耐磨性和抗咬卡、抗擦伤的性能。第三章 机械工程材料第一节 工业用钢钢铁材料又称黑色金属材料，是以铁和碳元素为主要化学成分的一系列金属材料钢、生铁、铸铁和铸钢的总称。各行各业都用钢，为了保证钢的质量，国家及有关部门对各种钢作了规格和标准。GB-国家规定的标准；YB冶金部规定的标准。一、钢的分类根据合金元素含量可分为：1、非合金钢：普通质量非合金钢优质非合金钢特殊质量非合金钢2、低合金钢

39、： 普通质量低合金钢优质低合金钢特殊质量低合金钢3、合金钢：优质合金钢 特殊质量合金钢二、杂质元素和合金元素在钢钟的影响钢中基本元素为：Fe 、C；杂质元素主要有：Si、Mn、S、P。1. Si、Mn 在碳钢中si0.37% mn=0.25%-0.8%对力学性能影响不大。 但作为合金元素，可提高钢的力学性能。2. S、 P S: Fe在固态时几乎不溶，液态时溶解大量的S，凝固时FeS析出（熔点1190）当钢加热到1000-1200 进行塑性成型加工时，FeS 熔化导致钢沿晶界开裂这种现象叫钢的“热脆”。P： Fe在固态、液态时都能溶解P，固态时P全部溶入铁素体中，P能使铁素体的，但.ak。当p

40、=0.3% 时钢室温下的ak0这种现象叫钢的“冷脆”。S热脆 P冷脆，是有害元素越少越好，因此衡量钢的质量的主要指标为含S、 P量。3. 气体与非金属夹杂物1）氢脆：氢分子大的气压白点氢脆2）氮的时效：来不及逸出的氮，放置一段时间后，以氮化物的形式析出，使钢变脆。3）氧以氧化物的形式存在于钢中，形成非金属夹杂物，如SiO2、MnO、Al2O3等，降低钢的塑性、冲击韧性和疲劳强度等。4、合金元素在钢中的作用为了提高钢的性能，在炼钢时有意识地向钢中加入一些合金元素，这样获得的钢称为合金钢。钢中常加合金元素有：Mn、Si、Cr、Ni、Mo、V、Ti、Nb、Zr、Co、B、Re等。1）对钢的基本相及其

41、性能的影响（1）渗入铁素体，总的趋势：随着合金元素的增加，强度硬度上升，塑性韧性下降。（2）渗入渗碳体（a）形成合金渗碳体，如Mn、Cr、Mo、W等。（b）形成复杂碳化物，如Mn、Cr、Mo、W等。（c）形成简单碳化物，如Ti、Zr、Nb、V等。以上三类碳化物比渗碳体稳定性高，熔点和硬度也更高。如经热处理，使碳化物呈颗粒状，强度硬度上升，而冲击韧性不下降。3）对热处理的影响（1）加热温度、加热速度、保温时间及晶粒度的影响。（2）淬透性提高。（3）提高回火稳定性，产生二次硬化及回火脆性。钢在回火时的组织转变主要是马氏体分解及碳化物形成、析出和聚集的过程，这个过程是依靠元素的扩散来完成的。（a）弥

42、散硬化或沉淀硬化（b）A残向马氏体转变产生的硬化。（c）回火脆性：当温度在250350和500650回火时，钢的冲击韧性不但不升高反而下降的现象。第一类回火脆性（250350）一旦形成，无法消除。办法就是避开该温度。第二类回火脆性（500650）消除办法：将工件重新加热至600以上，然后快速冷却。避免办法：a）保温后快速冷却；（b）加入Mo0.3%或W1%，缓冷也不会出现回火脆性。4）合金元素对Fe-Fe3C相图的影响（1）使奥氏体区扩大的元素有Mn、Ni、Co、Cu等。其中Mn13、Ni9的室温组织为单一的奥氏体组织。（2）使奥氏体区缩小的元素有Cr、Mo、W、V、Ti、Si等。其中Cr17

43、的室温组织为单一的铁素体组织。（3）使S点、E点左移，如W18（W18%、C0.70.8%）高速工具钢，铸态组织中有莱氏体组织。三、常用非合金钢按照钢的用途和质量可分为：碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢。1、碳素结构钢1）化学成分： c=0.09%-0.33% Mn=0.37%-0.65% si=0.30% s0.035-0.05% p0.035%-0.045%2）牌号：由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四个部分按顺序组成。 Q235AF3）组织：较多的F+较少的P4）性能：因为碳低，焊接性能好5）用途：适合于扎制成钢板、钢带型钢等。用于制做不需热处理的焊接、铆接、

44、栓接构件及螺栓螺母等零件 2、优质碳素结构钢1）化学成分：Wc=0.08%-0.85% Wsi=0.17%-0.37% Wsp0.035%2）牌号：两位数字+符号表示 数字表示含碳量万分之几，符号如果是F则表示是沸腾钢。例：08F 15F3）分类： （1）低碳钢（a）化学成分：WC0.25%（b）组织：退火状态下，组织为较多的F和较少P（c）性能：和HBS低，而.ak好，焊接性好。（d）用途：08F、10F、15F 冷变形加工成型件。机壳、容器。 1025钢 各种标准件、轴套、容器等。（2）中碳钢（a）化学成分：WC=0.30%0.6%（b）组织：F+P，（c）性能：、HBS比低碳钢略高，而、

45、ak略低。具有良好的综合力学性能，切削加工性好，但焊接性一般。（d）用途：用于制作齿数、主轴及连杆等重要的机械零件。（3）高碳钢（a）化学成分：WC0.60%（b）组织：T回 （淬火+中温回火）（c）性能：在淬火+中温回火后，具有较高的和良好弹性也叫弹簧钢。具有较好的耐磨性和中等硬度。（d）用途：主要用于制作弹簧和易磨损的零件。 3、碳素工具钢1）化学成分：Wc=0.65%-1.35%2）牌号：T+数字表示 T碳 数字表示千分含量。若是特殊质量则数字后面加A。例：T8A0.8%的特殊质量的碳素工具钢3)组织：M回（淬火+低温回火处理）4)性能：具有很高的硬度和耐磨性，但淬透性差，热硬性差。5)

46、用途：用于制作手动和低速切削的工具和要求不高的量具和模具等 四、常用低合金钢1、化学成分： C0.2%，合金元素5%常加合金元素：Mn、Si、V、Nb、Ti、Re、Cu、N等。2、牌号表示方法：与碳素结构钢基本相同。3、低合金钢的性能特点（a）具有较高的强度、塑性和冲击韧性，特别是低温冲击韧性。（b）具有良好的焊接性。（c）具有较高的抗大气腐蚀性。五、常用合金结构钢化学成分特点：C0.150.45%主加合金元素Si、Mn、Cr、Ni等。附加合金元素：Ti、V、Mo、W、Al等。牌号表示方法：数字+元素符号+数字1、合金渗碳钢1）化学成分特点：wc=0.100.25%主加合金元素：Cr、Mn辅加

47、合金元素：Ni、B、W、Mo、V、Ti等。2）金相组织：表层为高碳回火马氏体心部为低碳马氏体或珠光体+铁素体3）典型零件：变速箱齿轮、齿轮等常用的20CrMnTi钢。2、合金调质钢1）化学成分特点：wc=0.250.55%主加合金元素：Mn、Cr、Si、Ni辅加合金元素：V、Mo、Ti、W2）调质后的金相组织：回火索氏体3）典型零件：受冲击载荷较大的齿轮常用40Cr、40CrMnMo等3、弹簧钢1）化学成分：WC=0.450.70%常加合金元素：Si、Mn、Cr辅加合金元素：W、Mo、V、B等。2）金相组织： 回火托氏体3）性能特点：（a）较高的弹性极限；（b）屈强比高（s/b）；（c）疲劳强

48、度高；（d）足够的冲击韧性；（e）良好的表面质量。4）典型零件：汽车减振弹簧常用55Si2Mn六、特殊性能钢1、不锈钢在腐蚀性介质（如水、海水、酸、碱等）中具有抗腐蚀性能的钢，称为不锈钢。1）金属有两种基本腐蚀形式： 化学腐蚀和电化学腐蚀。2）提高金属耐腐蚀性的一般途径：（1）提高金属的电极电位；（2）使金属在常温下成为单一组织，避免形成原电池；（3）使金属表面形成致密的保护模（即金属的钝化），阻止腐蚀介质继续向金属内部侵蚀。3）提高耐腐蚀性的措施：（a）在钢中加入一定量（13%）的铬。铬的作用：一是在金属表面形成一层富铬的氧化物保护模；二是提高其电极电位。（b）在钢中加入一定量（9%）的镍，使钢在室温下成为单一奥使体组织。4）不锈钢的化学成分特点：（1）含碳量低。大多数C=0.10.2%，而且腐蚀性要求越高，含碳量越低，只有制造刃具和滚动轴承的不锈钢 C=0.850.95%，但同时必须提高含Cr量。（2）铬含量大于13%（3）对腐蚀性要求高的不锈钢，还要加入一定量的镍。 5）不锈钢的分类：按基体组织的组成不同分为：（1）铁素体型（2）奥氏体型（3）奥氏体-铁素体型（4）马氏体型等。2、耐热钢耐热钢是制造在高温下工作的零件或构件。金属的耐热性是一个包含高温抗氧化性和高温强度两方