金属工艺学 2.ppt

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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12 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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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、 Fe

12、3C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

13、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

14、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2.115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

15、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188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

16、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

17、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

18、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06.69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F

19、e-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

20、，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0.02186.69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

21、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1.31.4。,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

22、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

23、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0.250.6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：S0.050%，P0.045% 优质钢：S0.035%，P0.035% 高级优质钢：S0.02

24、5%，P0.025% 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

25、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-A F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（0.250.8）和较高含锰量（0.71.2）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，

26、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0.651.35，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

27、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

28、. 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ZG200400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.

29、 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. Q195 B. 08F C. 35 D. 65 8、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7

30、00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. T10 B. 20 C. 65Mn 17、选择齿轮的材料为 （ ） A. 08F B. 45钢 C. 65Mn 18、过冷奥氏体是指冷却到（ ）温度下，尚未转变的奥氏体。 A . Ms B.

31、Mf C. 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

32、,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+（3050），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

33、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+（3050），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,Ar

34、1,3、球化退火：,A）工艺： Ac1+（2040），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+（2040），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

35、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（500650 ），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

36、Accm） +（3050），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，

37、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3050，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+（3050） 共析钢和过共析钢：Ac1 +（3050）,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

38、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163187HBS（小于20HRC），经淬火+低温回火，硬度可达6064HRC，且具有高的耐磨性。 2）获得优异的综合性能

39、例如45钢（轴类），正火后力学性能为：250 HBS， s =320 MPa， b=750 MPa， =18%，k=70 J/cm2，经淬火+高温回火后， 250 HBS，s =450 MPa， b=800 MPa， =23%，k=100 J/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（150650 ），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

40、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（150200）：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5864HRC。,2）中温回火（350500 ）：组织为T回，主要用于含碳量在0.50.7%的碳钢和合金钢制造的各类弹簧。其硬度为3545HRC，具有一定的韧性和高的弹性极限和屈服强度。,3）高温回火（500650 ）：组织为S回，主要用于含碳量在0.30.5%的碳钢和合金钢制造的各类连接和传动

41、的结构零件，如轴、齿轮、连杆以及螺栓等等。其硬度为2535HRC，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

42、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

43、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

44、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 . Ms B. Mf C. A1 7、过共折钢的淬火加热温度应选择在 （ ） A. Ac1+3050 B. Ac3+305

45、0 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

46、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，

47、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：Cr2%，Ni5%，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60 mm。 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、

48、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

49、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 12MoVWBSiRE 3、按钢中S、P杂质含量 a、普通合金钢 S0.050% P0.045% b、优质合金钢 S0.035% P0.035% c、高级优质合金钢 S0.02

50、5% P0.025% d、特级优质合金钢 S0.015% P0.020% 4、 按合金组元 a、二元合金钢： 锰钢、硅钢、铬钢。 b、三元合金钢 CrMn、Si-Cr、Si-Mn、 Cr-Ni c、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 +

51、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

52、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 c0.2，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

53、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0.10.25，通过渗碳工件表面的含碳量可达0.81.05。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

54、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

55、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0.250.50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

56、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0.500.70，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0.951.10，热处理后硬度可达到6264HRC。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