《工程材料学》课件：Chapter 11 Processing performance of Metal materials

1、1Chapter 11 Processing performance of Metal materials2Contentsn铸造性能 Cast Performancen锻造性能 Forged Performancen焊接性能 Welding performancen可切削性能 Cutting performancen热处理工艺性能 Heat Treatment Process Performance 30 Introduction制备过程：n铸造+压力加工(焊接)+切削加工+热处理+精加工+装配成机器铸造、锻造、焊接、热处理、切削加工等工艺。41 Casting properties Cas

2、ting：将熔炼好的金属浇注到与零件相适应的铸型空腔中，冷却凝固后获得铸件的方法。铸铁、铸钢和铸造有色金属。Properties：流动性Fluidity 、收缩shrinkage 、铸造应力casting stress 、偏析segregation 、冷热裂纹hot and cold cracking等。铸造铝、铜合金铸铁（灰口）铸钢（共晶点附近最好）51 Casting properties 1.1 Factors affecting fluidity Good fluidity ：易于铸造复杂形状，利于气体及夹杂物上浮，利于补缩，防止铸件出现铸造缺陷。Factors：合金化学成分、浇注温度

3、和铸型填充条件61 Casting properties 1.1 Factors affecting fluidityChemical composition：灰铸铁和铝硅合金流动性好，铸钢流动性最差n纯铁流动性好，%C，流动性，%C=2%，最差。亚共晶铸铁越接近共晶成分，流动性越好；n形成夹杂物的熔点：MnS(1620), P共晶体(950)71 Casting properties 1.2 Shrinkage of casting alloys 合金从液态到固态的冷却过程中发生的体积和尺寸减小的现象。缩孔缩松Shrinkage 、热应力thermal stress 、变形deformati

4、on及裂纹crack81 Casting properties 1.2 Shrinkage of casting alloys (1)缩孔及缩松Shrinkage金属凝固收缩，内部产生孔洞，大的集中孔洞叫缩孔，小的金属凝固收缩，内部产生孔洞，大的集中孔洞叫缩孔，小的分散孔洞叫缩松。分散孔洞叫缩松。降低铸件承载能力和气密性消除：对亚共晶灰铸铁，增加碳当量；球铁易产生缩松，降低镁含量；91 Casting properties 1.2 Shrinkage of casting alloys (2)铸件的裂纹crack铸件内应力超过强度极限时，铸件会产生裂纹。热裂纹和冷裂纹n灰铸铁和球铁不易形成热裂

5、纹，可锻铸铁和碳钢易形成热裂纹；nS、P增加，易产生裂纹；101 Casting properties 1.2 Shrinkage of casting alloys(2)铸件的裂纹cracknSi、Mn增加抗裂能力，O、N、H使抗裂能力下降n微合金化及变质处理碳钢及合金钢，抗裂能力增加；V、Ti、Nb、Zr等nC、Cr、Ni提高钢强度，降低了导热系数，增大钢的冷裂倾向；P冷脆n脱氧不足或非金属夹杂物；n112 锻造性能Forged Performance塑性加工，利用材料的可塑性，借助外力的作用产生变形。多种牌号的钢及高温合金，及有色金属金属的可锻性金属材料在外力作用下产生塑性变形的难易程度

6、。塑性和变形抗力综合衡量有色金属低碳钢中碳钢（低合金钢）高碳钢（高合金钢）铸铁不可锻压122 Forged Performance一、莱氏体高合金工具钢的可锻性包括高速钢 (W18Cr4V) 和铬12型 (Cr12MoV) 冷作模具钢。组织：粗大鱼骨状碳化物锻造目的：击碎粗大碳化物，使其分布均匀，反复锻造。防止锻造裂纹，锻后缓慢均匀冷却，必要时炉冷。132 Forged Performance二、不锈钢的可锻性A、M、F不锈钢始锻温度和终锻温度比结构钢略低宜在保护性气氛中加热锻后要求：M不锈钢缓冷至600后空冷（以免发生M相变）；F不锈钢和A不锈钢在475及450-815范围内应快冷，以抑制4

7、75脆性和晶间腐蚀。142 Forged Performance三、高温合金的可锻性高温合金高温下较大的变形抗力、较低的塑性，比合金钢难锻。必须采用功率较大的设备和特别坚固的模具锻后冷却：中小型锻件，堆放空冷；镍基高温合金锻件放进比合金再结晶温度高50-100的炉中保温5-7min，空冷152 Forged Performance四、有色金属的可锻性可锻性好注意锻造温度的选择。163 Welding performance是指被焊金属材料在一定的焊接条件下获得优质焊接头的难易程度。评价指标：n焊接接头产生缺陷的倾向性；n焊接接头使用可靠性。碳当量及合金元素：越小，可焊性越好低碳钢中碳钢（低合金

8、钢）高碳钢（高合金钢）铜、铝合金173 Welding performance一、碳钢及合金钢的焊接低碳钢焊接性能最好，适于各种焊接方法，但焊件板后75mm，预热+后热处理，改善接头组织并消除焊接应力中高碳钢，含碳量增加，焊接性能变坏。预热+焊后热处理厚板或更高含碳构件，焊前预热温度150-200或250-400。合金钢焊接性能差，一般采用焊前预热或焊后去应力退火的方法。183 Welding performance二、不锈钢的焊接A不锈钢：良好的可焊性焊接材料选用不当或焊接工艺不正确时，会产生晶间腐蚀、热裂纹和气泡等缺陷。焊后固溶处理。193 Welding performance二、不锈钢

9、的焊接M不锈钢：焊缝区在空冷条件下易得到M组织。焊前预热+焊后热处理；F不锈钢：易在热影响区产生裂纹；焊前预热+焊后热处理，消除残余应力，避免开裂。203 Welding performance三、有色金属的焊接铜及铜合金：焊接性能差，易产生裂纹、气孔等缺陷，及变形应力，变形大；紫铜和青铜采用氩弧焊，或气焊和钎焊；黄铜采用气焊和钎焊或电阻焊。213 Welding performance三、有色金属的焊接铝及铝合金：主要是工业纯铝和防锈铝合金焊接（不能热处理强化的铝合金）；其他铝合金：焊后热影响区变脆，焊接性能差，一般用铆接形式连接焊接方法：氩弧焊，或电阻焊、钎焊、气焊。223 Welding

10、 performance三、有色金属的焊接钛及钛合金：焊接时易产生裂纹，易与O、N、H、C等发生作用，要保护焊接区。可采用氩弧焊、等离子弧焊和真空电子束焊。234 Cutting performance可切削性：工件材料进行切削加工时的难易程度。切削Cu、Al等有色金属，切削力小，速度快；切削碳钢比合金钢容易；切削不锈钢和耐热合金困难，刀具磨损严重。因素：化学成分、硬度、韧性、导热性、金相组织和加工硬化等。刀具形状、耐磨性、切削速度等244 Cutting performance一、化学成分%C：碳素钢的强度、硬度随%C增加而增加，塑韧性降低：低碳钢塑韧性高，高碳钢强度和硬度高，切削困难；中碳

11、钢强度、硬度、塑韧性居中，切削性能好。254 Cutting performance一、化学成分S：改善切削性能；Al？Cr、Mn、W、Mo、V等：使强度、硬度提高，切削困难；耐热钢和不锈钢加工困难；游离石墨：铸铁。能促进石墨化的元素，Si、Al、P等改善铸铁切削性能；S、Mn等降低。264 Cutting performance二、显微组织及热处理工艺组织切削性能： P S M球状珠光体较片状和针状珠光体切削性能好。热处理工艺：低碳钢：正火处理提高硬度、降低塑性；2Cr13不锈钢：调质处理，降低硬度、提高塑性；白口铸铁：高温退火变为可锻铸铁后，易于切削。275 热处理工艺性能主要包括：淬透性

12、：决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。回火稳定性：淬火钢对回火过程中发生的各种软化倾向的抵抗能力。 （如马氏体的分解，碳化物的析出等）回火脆性：淬火钢回火后出现韧性下降的现象。氧化脱碳性淬火变形开裂倾向性28考试相关n考试时间：考试时间：15周周三下午周周三下午1:30-3:30;n地点：待定地点：待定；n试题类型：试题类型：q填空；名词解释；（填空；名词解释；（50分）问答题（分）问答题（50分）分）n答疑时间：答疑时间：14周一、三下午周一、三下午2:00，制造学院，制造学院319n考试要求：考试要求：严格遵守考场纪律。严格遵守考场纪律。考试期间不得上厕所考试期间不得上厕所29钢的合金化n钢

13、中合金元素与钢中合金元素与Fe和和C的相互作用的相互作用n钢的强化机制钢的强化机制n改善钢的塑性和韧性的基本途径改善钢的塑性和韧性的基本途径n合金元素对钢相变（淬火回火阶段）的影响合金元素对钢相变（淬火回火阶段）的影响30构件用钢1、力学性能特点：、力学性能特点：屈服、冷脆、时效现象屈服、冷脆、时效现象2、工艺性能：、工艺性能：良好的冷变形和焊接能力良好的冷变形和焊接能力3、化学性能：、化学性能：耐大气腐蚀原因及措施耐大气腐蚀原因及措施4、普碳钢：、普碳钢：低碳，快冷正火工艺低碳，快冷正火工艺5、低合金高强度钢、低合金高强度钢低碳、合金化时以低碳、合金化时以Mn为基础，加入为基础，加入Al,

14、V, Ti, Nb、Cu, P及稀土元素及稀土元素31零件用钢零件用钢调质钢调质钢弹簧钢弹簧钢渗碳钢渗碳钢轴承钢轴承钢失效形失效形式式疲劳断裂、过疲劳断裂、过量变形、局部量变形、局部磨损磨损疲劳断裂和由于疲劳断裂和由于塑性变形而失去塑性变形而失去弹簧作用弹簧作用齿面磨损和剥落齿面磨损和剥落以及齿牙断裂以及齿牙断裂磨损和疲劳破磨损和疲劳破坏坏热处理热处理淬火淬火+高温回火高温回火淬火淬火 + 中温回火中温回火 表面渗碳表面渗碳 + 淬淬火火 + 低温回火低温回火球化退火球化退火 + 淬淬火火 + 低温回火低温回火成成 %C分分特特点点 合金合金 元素元素中碳中碳0.3-0.5%C Mn, Cr,

15、 Si, Ni, B；Mo, W, V, Ti0.80.9%C或或0.50.7%CSi, Mn，Cr, W, V心部心部0.1-0.25表层表层0.8%C Cr、Mn、Ni、B；W、Mo、V、Ti高碳高碳0.95-1.15%Cr, Mn, Si组织组织结构结构回火索氏体回火索氏体回火屈氏体回火屈氏体表面和心部不同表面和心部不同 大部分组织：回大部分组织：回火火M+T+少量少量FM(80%)+残余残余A(10%)+ 碳碳化物化物(10%)常用牌常用牌号号45、40MnVB60Si2Mn20CrMnTiGCr1532工具钢n主要掌握刃具钢的种类主要掌握刃具钢的种类性能特点性能特点元素作用元素作用热

16、热处理工艺及最终组织处理工艺及最终组织. 特别是特别是高速钢高速钢,掌握常用掌握常用高速钢的牌号、热处理、组织等高速钢的牌号、热处理、组织等.33不锈钢nC、Cr、Ni含量对不锈钢基体组织的影响。含量对不锈钢基体组织的影响。n不锈钢中合金元素的作用不锈钢中合金元素的作用n各种不锈钢的牌号、主要性能特点及热处理工各种不锈钢的牌号、主要性能特点及热处理工艺。艺。n奥氏体不锈钢的主要合金元素作用及热处理具奥氏体不锈钢的主要合金元素作用及热处理具体工艺。体工艺。34耐热钢n初步掌握耐热钢热强性的影响因素。初步掌握耐热钢热强性的影响因素。n掌握提高钢的热强性的途径。掌握提高钢的热强性的途径。q基体强化基体强化q第二相强化第二相强化q晶界强化晶界强化35铸铁n铸铁的石墨化：化学成分及冷却速度铸铁的石