金属加工工艺学第一篇金属材料的基础知识.ppt

,第一篇 金属材料的基础知识,主要内容包括:, 金属材料的主要性能 铁碳合金 钢的热处理 工业用钢,材料与性能要求,四大工程材料：钢铁、铝及铝合金、 塑料、水泥 力学性能 强度、塑性、 硬度、 冲击韧性(度)、疲劳强度 物化性能密度、耐腐蚀性等 工艺性能加工成形的难易程度,第一节 金属材料的力学性能一、强度和塑性,拉伸试验（GB6397-1986）,低碳钢拉伸试验图分析,塑性变形阶段 (屈服) 断裂阶段 (颈缩),变形阶段的分析：,弹性变形阶段,F,N/mm2；MPa,应变：试样单位长度上的伸长量,应力与应变概念,应力： 试样单位横截面上的拉力,0.2名义屈服强度 （名义屈服点）,低碳钢拉伸试验图,1.强度指标，单位：MPa(N/mm2）,b 抗拉强度,s 屈服强度(屈服点）,强度: 材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。,F,屈服强度和抗拉强度 在工程上常用屈服强度和抗拉强度来表示金属材料的强度指标。其计算公式为： 屈服强度（屈服点）拉伸试样产生屈服时的应力 s=Fs /A0 ( MPa ) 抗拉强度拉伸试样在拉断前所承受的最大应力 b = Fb/ A0 ( M Pa ) Fs试样产生屈服时所承受的最大载荷,N Fb-试样在拉断前所能承受 的最大载荷, N A0试样原始截面积,mm 金属不能在超过其 s 、 b 的条件下工作。因此作为强度设计的依据.,2. 塑性指标,应用中：10试样 L0=10d0 5 试样 L0=5d0, 伸长率：试样拉断后,其标距的伸长与原始标距的百分比.,塑性: 材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。,断面收缩率: 试样拉断后,缩颈处截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比,说明：、值愈大，表明材料的塑性愈好。,式中 A0试样的原始截面积，mm； A1试样拉断后,断口处横截面积，mm；, =（A0 A1）/A0100%,二、硬度（HB、HR）,硬度:是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。 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。是衡量金属软硬的指标。直接影响金属材料的耐磨性。 常用的有布氏硬度和洛氏硬度,1. 布氏硬度HBS（以淬火钢球为压头） 用于测定软材质（HBS450） 测试原理图：,HBS测定,压头直径:10mm、 5mm、 2.5mm 载荷: 30000N、 7500N 、1870N 特点：优点：测量值较稳定、准确度较洛氏硬度高 缺点：测量费时，且压痕较大， 不适合成品检验。 适用范围：用于测定软材质（HBS450） 如:灰口铸铁、软钢和非铁合金等。 HBW- 以硬质合金球为压头的新型布氏硬度计,HRC测定,2、洛氏硬度HRC （120。金刚石压头、 140kgf ） 用于测定硬质表面,材料（2070 HRC） 测试原理图：,F,压头直径: 120。金刚石压头、 1.5875mm钢球、 3.175mm钢球 主载荷: 140kgf、50kgf、90kgf 、 特点：优点 测试简便、迅速、因压痕小、不损伤 零件，适合成品检验。 缺点 测得的硬度值重复性较差，需在不同的 部位测量数次。 适用范围：用于测定硬质材质（2070 HRC） 如:淬火钢、调质钢等。,三、韧性 金属在断裂前吸收的变形能量的能力韧性。 其常用指标为-冲击韧度（ak ）,计算公式： ak =Ak/S(J / cm) 用单位面积上的冲击功来表示 ak冲击韧度 Ak冲断试样所消耗的冲击功，J; S试样缺口处的横截面积，cm。 冲击值一般作为选材的参考，不直接用于强度计算。 试验表明：在冲击能量不大的情况下，金属材料承受多次重复冲击的能力，主要决定于强度，而不是要求过高的冲击韧度。 ak 值 对组织缺陷很敏感，因此，冲击试验在生产上用来检验冶炼、热加工、热处理工艺质量的有效方法。,四、 疲劳强度 （-1 ） （-10.5b） 金属材料在无数次重复或交变载荷的作用下而不致引起断裂的最大应力疲劳强度。 在机械零件中有许多零件，如连杆、齿轮、弹簧、曲轴等，是在交变载荷的作用下工作的。这种受交变应力的零件，发生断裂时的应力。远低于该材料的屈服强度，这种破坏现象叫做疲劳破坏。据统计，约有80%的机件失效都可归咎于疲劳破坏。 金属材料所承受循环应力（）与其断裂前的应力循环次数（N）有如图所示的疲劳曲线关系。,疲劳曲线,当应力降至某值后， 疲劳曲线成为水平， 即表示该材料可能经受无数次应力循环而仍不发生疲劳断裂，这个应力叫做疲劳强度极限。 用应力循环基数表示： 钢为107 非铁合金和某些高强为108,5、几种常用金属材料的力学性能,复习题,1. 解释应力与应变的概念 2. 说明S 、0.2 、b、1 、k、45-50HRC、300HBS的名称和含义 3. 查阅有关资料列表统计如下材料的力学性能指标值：Q215-A; 35; T10; HT300;QT450-10; ZG340-640(ZG55）;ZCuSn10Pb1(10-1锡青铜);ZAlSi7Mg(ZL101) 。,第二章 铁 碳 合 金,铁碳合金根据含碳量的不同可分为: 碳钢 ： C2.11%;,图3-3 40钢的显微组织 400 图3-4 60钢的显微组织 400 组织：F+P 组织：P（黑色）+F（白色网状,生铁： 2.11%C5%. （铸铁2.8%C4.0%),第一节 纯铁的晶体结构与同素异晶转变,金属（纯铁、铜、 铝等）都是晶体 晶体原子按一定的次序作有规则的排列。如金刚石、石墨等。 非晶体原子作不规则的排列。 如玻璃、沥青等。 晶格把每个原子看成一个点， 此点代表原子的振动中心,将这些点用直线连接起来，形成的空间格子。 晶胞晶格的最小单元。,晶胞,一、 金属的结晶： 金属由液态冷却变成固态，原子由不规则排列有规则的排列 无序 有序,金属结晶过程示意图,金属结晶过程 形核长大晶粒,金属和合金多为多晶体结构 晶粒间的接触面（边界）称为晶界。,细化晶粒的方法 （1）快速冷却，增加晶核数； （2）添加高熔点弥散质点 （孕育或变质处理） （3）热处理和压力加工,晶粒粗细对力学性能影响很 大。一般规律：晶粒愈细， 强度、硬度愈高，塑性、韧 性愈好。,纯金属结晶的 冷却曲线规律,2）纯金属结晶在恒温下进行，结晶冷却曲线出现 水平线段,1）金属实际结晶温度低于理论结晶温度；理论结 晶温度T 0 与实际结晶温度Tm之差称为过冷度， 即：T=T 0-Tm,二、纯铁的晶体结构形式,体心立方晶格Fe,面心立方晶格Fe,纯铁在晶体状态下的两种晶格类型：,1）体心立方晶格 在立方体的8个顶角上各有一个原子，在立方体中心还有一个原子。,体心立方晶格,2）面心立方晶格 在立方体8个顶角上各有一个原子，在立方体 的6个面的中心还各有一个原子。,面心立方晶格,三、纯铁的同素异晶转变,纯铁固态下, 在不同温度范围内将呈现出不同的晶格形态，这种现象称为同素异晶转变。,（液体） 1538 （体心） 1394 （面心） 912 （体心）,2）用反应式表示,1）用冷却曲线表示,L,合金：以一种金属为基础，加入其它金属或非金 属，所形成的具有金属特性的物质。 组元：组成合金的基本元素。 铁碳合金(Fe-Fe3C) 相：在合金组织中,凡是成分相同、晶体结构和物理性能相同的均匀组成部分。 例如： 单一的液相； 单一的固相； 液相、固相两相共存；,问题： 水、油混装在一个瓶子里，是几个相？ 将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？,第二节 铁碳合金的组织结构,组织：通常借助于放大镜、显微镜人眼观察到的材料内部的微观图像(各相的形态特征)统称组织.,组织是材料性能的决定因素。,合金的组织结构,机械混合物,固溶体,金属化合物,说明:铁碳合金的组织结构相当复杂,并随成分,温度和冷却速度而变化.以上是按铁和碳相互作用形式不同来分类的.,一、固溶体,溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体。,据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同,固溶体,固溶体的性能特点： 具有良好的塑性和韧性，强度、硬度相对较低。,置换固溶体,间隙固溶体,溶质原子,二、金属化合物,合金各组成元素之间相互作用而生成的一种新的具有金属特性的物质。 各组元按一定整数比结合而成，并具有金属性质的均匀物质，属于单相组织。,如： Fe3C、WC、TiC 等,金属化合物的性能特点： 脆性大、硬度高；强度低；塑性、韧性差；高的熔点。,三、机械混合物,合金的组成在固态下既不互相溶解又不形成化合物，而是按一定的重量比混合而成的新物质。,机械混合物既可以是纯金属、固溶体或金属化合物各自的混合，也可以是它们之间的混合。 如珠光体(F+Fe3C)和莱氏体(A+Fe3C),性能特点： 性能介于各组成物的性能之间。,第三节 铁碳合金的基本组织,部分碳溶于铁的晶格间隙，铁的晶格类型 不变。,奥氏体（A） 碳（C）溶入-Fe中所形成的固溶体,铁素体（F） 碳（C）溶入-Fe中所形成的固溶体,1）固溶体,铁素体（F） 体心立方晶格 600 0.006%C 727 0.0218%C 力学性能：b 250MPa； = 45%50%； HBS = 80。,奥氏体（A）面心立方晶格 1148 2.11%C 727 0.77% 力学性能： b 250 350MPa； = 40%45%。 HBS= 160200；,铁素体组织,奥氏体不锈钢组织,渗碳体 （Fe3C）,（石墨）,铸铁生产中,性能 800 HBW （用硬质合金头测定） 硬而脆，但塑性、韧性极低,伸长率 和冲击韧度近于零。,2）金属化合物各组元按一定整数比结合而成，并 具有金属性质的均匀物质，属于单相组织。,过共晶白口铸铁中 铁的一次渗碳体,过共析钢退火组织中 的二次渗碳体,3）机械混合物结晶过程所形成的两相混合组织,白色F基体中嵌入黑片状Fe 3C,良好的力学性能： b 750MPa ； HBS=180 =20 %25% ； k = 30-40（J/c）,成分：C 0.77 %,珠光体 P （F+Fe3C）,莱氏体（Ld ） C=4.3%C 727以上为高温Ld （A+ Fe3C）727以下为低温Ld （P+ Fe3C） 力学性能与 Fe3C 相似，硬而脆,由绿条状或粒状P和黄色Fe3C 基体组成,珠光体,莱氏体,三 、铁碳合金状态图,铁碳合金状态图是用实验方法作出的温度成分坐标图，图中横坐标仅标出了含碳量小于6.69%的合金部分，因为含碳量大于6.69%的铁碳合金，在工业上没有实用意义。当含碳量为6.69%时，铁和碳形成的Fe3C，可以看作是合金的一个组元，因此，这个状态图实际上是Fe-Fe3C的状态图。它是研究钢和铁的成分、温度和组织结构之间关系的重要工具。,铁碳合金状态图,显示各种不同碳量的铁碳合金在不同温度 下组织形态的热分析图形,铁碳合金状态图,1、 Fe C合金状态图的构成,1）两条水平线 ECF（1148） PSK（727）,2）4个基本相 液相(L)； 奥氏体(A)； 铁素体(F)； 渗碳体相( Fe 3C)。,2、Fe C合金状态图的特性分析,1）共晶线ECF （C点共晶点）,说明：含2.11%6.69%C的 Fe C合金(生铁)都将在1148 时发生莱氏体转变，即共晶转变。,1148,表示共晶反应：,2）共析线PSK （S点共析点）,说明：各种成分的 Fe C合金(钢)都将在727时发生珠光体转变，即共析转变。在热处理中，该线温度常以A1表示，冷却时用Ar1，加热时用Ac1。,727,表示共析反应：,3）两条固溶线GS、ES,ES 自高碳奥氏体冷却过 程中析出 Fe3C的起始线。 温度常以 Acm表示。 （冷却：Arm；加热：Acm）,GS 自低碳奥氏体冷却过程中析出铁素体晶粒的起始 线，该温度常以 A3表示。 （冷却：Ar3；加热：Ac3）,铁碳合金住状态图中主要线的含义,ACD线液相线，液体合金冷却到此线时开始结晶。 在此线以上的区域是液相区。 AECF线固相线 ，在此线以下的合金为固体状态。 ( AE线 钢的固相线。当液体合金冷却到此线时全部结晶为 奥氏体，反之，加热到此线时，钢开始溶化。) ECF线生铁的固相线，又叫共晶线。因在此线上发生共晶转变生成莱氏体。 GS线（A3线）奥氏体冷却到此线时，开始析出铁素体。 ES线（Acm线）奥氏体冷却到此线时开始析出渗碳体。 PSK（A1线）此线又叫共析线，当奥氏体冷却到此线时，同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物。其反应产物为珠光体。,铁碳合金状态图中主要点的含义,四 铁碳合金分类(据C%不同分),以E点（2.11% C）为界，分为钢和生铁两类。生铁结晶时有莱氏体转变，组织中有莱氏体。,钢以S点（0.77%C）为界， 分为： 亚共析钢 C 0.77%； 共析钢 C0.77%； 过共析钢 C0.77%。,生铁以C点（4.3%C）为界，分为： 亚共晶生铁 2.11%C4.3%； 共晶生铁 C4.3% ； 过共晶生铁 C4.3%6.69。,铸铁：一般是指用来制造 铸件的生铁，为亚共晶生 铁。C2.8 % 4.0 % 。,五 铁碳合金状态图组织转变及应用,1、分析自液态冷却至室温时 合金的组织转变过程及室 温组织,室温组织: P,F,A,FA,A+,A,A,1）共析钢（T8钢） 1点以上 L 12 LA 23 A 3点 AP 3点以下 P,A,共析钢的结晶过程,2）亚共析钢(45钢）,室温组织：F+P,亚共析钢的结晶过程,F,F,A,A,A,A,A,A,A,A,F,F,F,A,1点以上 L (12 L) 23 A+L 34 A 45 A+F 5点 AP 5点以下 P+F,3）过共析钢（T10),室温组织：P+Fe3C（网状）,过共析钢的结晶过程,1点以上 L 12 L+A 23 A 34 A+Fe3CII 4点 AP 4点以下 P+Fe3CII,4）亚共晶白口生铁,1点以上 L 12 A+L 2点 共晶反应 23 A+Fe3CII+Ld 3点 共析反应 3点以下 P+Fe3CII+Ld 注明： Fe3CII二次渗碳体 Ld 高温莱氏体 Ld低温莱氏体,室温组织 P+Fe3CII+Ld,2、分析钢从室温加热转变至奥氏体状态(俗称奥氏体化) 的组织变化,共 析 钢 PA,亚共析钢 F+PFAA,过共析钢 PFe3CIIA Fe3CII,钢和白口铸铁结晶过程分析,典型铁碳合金在相图中的位置,1钢,2生铁,共析钢: 亚共析钢: 过共析钢:,共晶生铁: 亚共晶生铁: 过共晶生铁:,铁碳合金的结晶过程及组织转变过程总结,复 习 题,1.说明晶粒粗细对力学性能的影响 2.何谓铁的同素异晶转变，并用反应式和冷却结晶曲线分别描述 3.说明 F、A、 Fe 3C、P的名称、含碳量、晶体类型及力学性能特征 4.依Fe -C状态图分析缓慢冷却条件下45钢和T10钢的结晶过程与室温组织。,第三章 钢的热处理,1、概述,应用:机床制造中，热处理零件占 60%70%， 汽车制造中，热处理零件占70%80%。 刀具、模具和滚动轴承约占100%。,方法: 通过对钢件重新加热，保温并在不同条件下的冷却获得所需组织和性能。 普通热处理: 退火、正火、淬火、回火； 表面热处理: 表面淬火、化学热处理,意义: 将钢件在固态下使之改善内部组织和提高其力学 性能，但不允许改变形状。,热处理工艺的包括加热、保温、和冷却三个基本阶段 由于各种热处理时起作用的主要因素是温度和时间，所以各种热处理都用温度时间坐标图的曲线来表示热处理工艺曲线。,临界温度,保温,冷却,加热,时间,温度,2. 钢在加热时的组织转变,为了在热处理后获得所需的性能，大多数工艺（淬火、正火、退火）都要将钢加热到临界温度以上，获得全部或部分奥氏体组织，并使其成分均匀化，即进行奥氏体化组织转变,再以不同的冷却方式或速度转变成所需要的组织,已获得预期的性能。, 组织转变的临界温度,C% 在加热（冷却）时FeFe3C状态图中各临界点的位置,根据相图，共析钢加热PSK线（A1）以上时，完全转变为奥氏体；而亚共析钢和过共析钢必须加热到GS线（A3）和ES线（Acm)以上才能全部获得奥氏体。 铁碳合金状态图中的组织转变的临界温度是A1、A3、Acm 。实际加热时临界温度的位置用Ac1、Ac3、Accm表示；实际冷却时临界温度的位置A r1、 Ar3 、Arcm 表示。, 奥氏体的形成,共析钢中奥氏体形成过程示意图,奥氏体的形成分四个步骤： 奥氏体晶核的形成； 奥氏体晶核的长大； 剩余渗碳体的溶解； 奥氏体成分的均匀化。,? 亚共析钢A化过程,? 过共析钢A化过程,加热温度和保温时间，温度越高，时间越长，A晶粒越粗大 碳含量：C%越大，A晶粒越粗大 合金含量：除Mn、P外大多数合金能阻碍A晶粒长大 一般采用快速高温加热的短时保温以获得细小A晶粒。,3. 钢在冷却时的组织转变,室温时钢的力学性能，不仅与加热、保温后所获得的奥氏体晶粒大小等有关，而且决定于奥氏体经冷却转变后所获得的组织而冷却方式和冷却速度对奥氏体的组织转变有直接的关系。,冷却方式通常有两种： 连续冷却使加热到奥氏体的钢，在温度连续下降的过程中发生组织转变 。如在热处理生产上经常使用的，在水中、油中或空气中冷却等都是连续冷却方式。 等温冷却使加热到奥氏体的钢，先以较快的冷却速度冷到A1线以下的一定的温度，这时奥氏体尚未转变，但成为过冷奥氏体。然后进行保温，使奥氏体等温下发生转变。转变完成后再冷却到室温。如等温退火属于等温冷却方式。,等温转变曲线：是指进行一系列不同过冷度的等温冷却实验，可以测出过冷奥氏体保温过程中开始转变时间和转变终了时间,标注在温度时间坐标系中，然后将开始转变时间和转变终了时间分别连接起来，这种曲线类似英文字母“C”又称“C”曲线。 分四个区:稳定A;过冷A; AP组织共存区; 过冷A转变产物区;(高温区,中温区,低温区),共析钢奥氏体的等温转变曲线,共析钢奥氏体等温转变曲线,共析钢奥氏体等温转变曲线,珠光体转变区(高温区),高温转变产物（F+Fe3C） 在Ar1550之间等温转变成片层状珠光体产物。 珠光体（P)） Ar1650 粗片层 索氏体（S) 650600 细片 托氏体（T）600550 极细片 都是由铁素体和渗碳体的片层所组成的机械混合物。, 贝氏体转变区(中温区),中温转变产物（B） 在550 230（MS）之间的等温转变产物为贝氏体。 550 350 上贝氏体 350 230 下贝氏体 由含碳过量的铁素体和微小的渗碳体混合而成。比珠光体的硬度更高。,马氏体转变区(低温区),低温转变产物（M） 共析钢奥氏体过冷到230 （MS） 以下转变产物为马氏体。 它实质上C在-Fe中的过饱和固溶体。,共析钢奥氏体等温转变曲线在连续冷却中的应用如P26图1-26 了解 v1 ? v2 ? V3 ? Vk ?,4、钢的退火和正火,1）退火 将钢件加热、保温，然 后随炉或埋入石灰中使其 冷却(缓慢) 的热处理工艺。,目的 细化晶粒，提高塑性和韧性； 降低表层硬度，利于切削加工； 消除内应力。,主要应用于铸钢件、重要锻件等多种毛坯加工前的预备热处理。,应用,退火按其钢种的应用不同，分为完全退火、球化退火和低温退火三种不同工艺, 完全退火 加热温度：Ac3+3050， 完全奥氏体化； 冷却：炉冷至500后开炉空冷 缓慢冷却。 应用：亚共析钢的铸钢件、重要锻件 。,球化退火,应用：过共析钢（刀具、刃具）,作用：降低硬度，利于切削加工，并为进一步淬火 做准备。,组织变化特征：,加热温度：Ac1 +2030； 冷却：随炉缓慢冷却；,低温退火(去应力退火) 加热温度：500650以下( Ac1) 冷却：保温后随炉缓慢冷却； 作用：消除热应力。对冷拔、 冷拉、冲压件则消除加工硬化， 以利于进一步变形。,完全退火,球化退火,等温退火,去应力退火,Ac3线以上 30-50C,Ac1线以上 20-0C,Ac3线以上 30-50C,Ac1线以下 500-650C,缓慢冷却,缓冷至 500C空冷,快冷至A1线 下保温,缓慢冷却,消除粗晶和 不均匀组织,将网状Fe3CII变 为球状Fe3CII,获得均匀组织,消除残余应力,亚共析钢,过共析钢,合金钢,铸、锻、焊件,2）正火,正火是将钢加热到Ac3(亚共析钢） 或Accm（过共析钢）以上3050C， 保温后从炉内取出，空冷的热处理工艺。 加热温度： 亚共析钢： t = Ac3 +3050 过共析钢： t = Acm3050 冷却条件：空冷,正火的作用 用于普通结构件最终热处理； 取代部分完全退火(低碳钢) 用于过共析钢。可抑制和消除网状二次渗碳体的形成 完全奥氏体化，加热，保温过程和目的同 退火，只是放到空气中冷却，比退火冷却 稍快，珠光体中的 Fe 3C片层薄，性能与 退火相近。, 温 度,时 间 ,几种退火和正火的工艺曲线,3）淬火 加热温度： 亚共析钢： t = Ac3 + 3050 过共析钢： t = Ac1 + 3050 冷却条件：速冷（油或水中，水中冷却更快),组织变化特征 1）晶格转变：-Fe(面心）-Fe（体心） 2）速冷下，原A中的过饱和碳难以向外扩散， 形成了碳在-Fe中的过饱和固溶体。这类固 溶体即 称马氏体。以符号“M”表示。,“M”的特性1）因碳严重过饱和，晶格畸变，大大增加了变形抗力，故马氏体通常具有很高的硬度和耐磨性，但突显脆性，易开裂。2）M相变伴随有体积膨胀，出现淬火内应力，产生淬火变形。,工艺上采取措施 1）严格控制淬火温度 2）合理选择淬火介质 3）正确选择淬火方法,4）回火 淬火钢因突显脆性，一般都要重新加热才能使用，其淬火后重新加热（ Ac1以下）、保温后并冷却至室温的热处理工艺称为回火。,回火意义 淬火后因“M”为不稳定组织，重新加热时， 碳原子扩散能力增强，将以Fe 3C形式析出，致使 b、HRC降低， %、k提高。消除淬火内应力.,回火分类按淬火后重新加热温度不同，可分为三类：,1）低温回火（250 以下 150250） 目的：减小内应力，降低脆性，保持良好的原淬 火硬度（5664HRC）和高的耐磨性。 应用：工具、刃具、模具及其它耐磨件,2）中温回火（250500） 目的：获得高弹性，保持表面较高硬度 （3550HRC），获得一定的韧性。 应用：弹簧、发条、锻模板。,3）高温回火（500以上500650） 目的：获得高强度，高塑性和高的冲击韧性，即良 好的综合力学性能。 应用：广泛应用于承受疲劳载荷的中碳钢重要件， 如连杆、主轴、齿轮、重力螺钉等。硬度 2035HRC。,淬火后高温回火也称为 调质热处理。中碳钢（0.40.6C）亦称 为调质钢。,4、表面淬火和化学热处理,1）表面淬火 钢件表层淬火到一定深度，心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。工艺 钢件表层快速加热到淬火温度（ Ac3+3050），当高温来不及传递到心部而立即喷水冷却，实现表层局部淬火。,表面火焰淬火,快速加热方法：电感应，火焰，激光等。目的 获得表层高硬度、高耐磨性，心部仍保持淬火以前的良好韧性。 应用 机床主轴、阶梯轴、汽车发动机曲轴、齿轮的齿形表层等,表面电感应淬火,2）化学热处理 工件置于化学介质中，并通过加热、保温， 通过原子扩散和化学反应，改变其表层的 化学成分和组织，达到工件表层改性的目的。 常用工艺：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。,渗碳 低碳钢工件进入密闭渗碳炉中，通入煤油（气体渗碳）。加热：900950，保温，使表层达到1%C，淬火后再低温回火，可达5664HRC，如汽车变速箱齿轮、车桥齿轮、活塞销等。,热处理在模具制造中的综合应用,第四章 工业用钢简介,按化学成分分为： 非合金钢（碳素钢）、 低合金钢 合金钢,一、碳素钢 碳钢,碳对钢的力学性能的影响,1、化学成分对碳钢性能的影响 碳素钢的含碳量在1.5%以下，其中还含有少量的Si、Mn、P、S 等杂质，碳是碳素钢中最重要的成分，其含量对碳素钢的组织和性能影响极大，钢中含碳量愈多，则珠光体和渗碳体愈多，因而硬度愈高，塑性愈低，当含碳量超过共析成分时，因出现了网状Fe3C,强度反而降低。,冷脆磷在铁中会形成固溶体，可使钢的强度和 硬度有所增加，但使塑性和韧性显著降低，特别在低温时钢的脆性急剧增加，这种现象叫冷脆。 热脆硫和铁化合成FeS, FeS又与铁形成熔点仅为985C 的共晶体（Fe+FeS），沿晶界分布。当钢的含硫量较多，在800 C 1200 C 进行压力加工时由于共晶体熔化，会使钢的各个晶体分离，从而引起钢的破裂。,由于磷、硫是钢中的有害杂质，按质量分类时要规 定钢中的磷、硫含量。 在普通钢中允许含磷量 0.045% 含硫量 0.055% 在优质结构钢中含磷量0.035% 含硫量 0.035% 在工具钢中磷、硫含量分别 0.035% 在高级优质钢中磷、硫的含量分别 0.03%,2. 碳素钢的牌号和用途,（1）碳素结构钢（Wc0.38%) 牌号：Q215-A，Q235-A，Q255-A 数字表示该钢种板厚小于16mm时的最低屈服点； A、B、C、D表示钢的质量等级， A、B为普通级；C、D表示硫、磷含量低的优等钢。 Q235为低碳钢，应用最广。用途见P31表1-5。,（2）优质碳素结构钢 （S、P 0.035%） 用来制造比较重要的零件，一般都要进行热处理以提高其力学性能，扩大其应用范围。因此冶金厂供应时，不仅要保证它的化学成分，还要保证其力学性能 牌号用用二位数表示，二位数表示钢中平均含碳量的万分之几。 如：15号钢表示平均含碳量为0.15%的优质钢，但实际上钢中含碳量在0.120.19%的范围内。,08，10，15，20，25（低碳钢）强度小而塑性好，易于拉拔、冲压、锻造和焊接。常用来制造螺钉、螺母、垫圈和需要渗碳的零件等。 30，35，40，45，50，55（中碳钢）强度较高，韧性和加工性也较好。应用时通常要经过淬火、回火等热处理，这类钢多用来制造轴类、齿轮、丝杠、连杆、套筒等。 60，65，70，75（高碳钢）淬火后有较高的弹性，可用来制造各种弹簧、钢丝绳等。,根据含碳量的不同，适于制造各种不同的零件。,（3）碳素工具钢（ C=0.7%1.3% ）,属于共析钢和过共析钢 热处理：淬火、回火后有高硬度（60HRC） 用途：做小型工、模具 牌号：用 “ T”表示，其后面的一位或两位表示 钢中平均含碳量的千分之几。 如：T8，T10，T10A，T12；后面A表示高级优质 碳素工具钢一般均为优质钢。见P32表1-6,二、低合金钢,低合金钢指合金总含量低（3%）、含碳量也较低 的合金结构钢。 热处理：退火或正火 性能：较高的强度、塑性、韧性和耐蚀性、 良好的焊接性。 用途：桥梁、汽车、铁路、船舶、锅炉、高 压容器、钢筋、矿用设备等 分类：可焊接低合金高强度钢、低合金耐候钢、 低合金钢筋钢、铁路用低合金钢、矿用低合金钢 应用最广是可焊接低合金高强度钢， 其牌号表示方法与碳素结构钢相同。见P33表1-7,三、合金钢,1、合金结构钢分类及用途：低碳合金结构钢用于渗碳件；中碳合金结构钢调质、渗氮件； 高碳合金结构钢用于制造弹簧。 牌号：采用“数字+元素符号+数字” 来表示。 前面的数字表示钢的平均含碳量，以万分之几表示，如：平均含碳量为0.25%，以25表示； 后面的数字表示合金的含量，以平均含量的百分之几表示， 合金元素小于1 .5%时，编号中只标明元素，不标明含量如果平均含量等于和大于1.5%、2.5%、3.5%，则相应的用2、3、4.表示，如：含0 .370.45%C、0.81.1%Cr的铬钢40Cr,当钢中合金元素超过低合金钢的限度时合金钢 属于优质钢和高级优质钢,2、合金工具钢,用途：制造刀具、量具、模具等，工作温度达600。C 分类：刀具、量具用钢、耐冲击工具用钢、 冷作模具钢、热作模具钢 牌号：平均含碳量1.0%时，不标出，1.0%， Cr、Mn平均含量1.5%的合金工具钢， 9SiCr表示平均含碳量为0.9%， Si 、 Cr平均含量1.5%的合金工具钢， W18Cr4V表示含碳量为0.700.80%， W、Cr、V平均含量分别为18%、4%、 1.5%的高速钢,3、特殊性能钢,包括不锈钢，耐热钢，耐磨钢，磁钢等。如：3Cr13，1Cr18Ni9等 不锈钢在石油、化工、食品、医药、装饰 应用最广。 合金钢的各种化学成分、热处理、用途 见P35表1-8,选材的一般原则 1. 材料的力学性能 在设计零件并进行选材时，应根据零件的工作条件和损坏形式找出所选材料的主要力学性能指标，这是保证零件经久耐用的先决条件。 2. 材料的工艺性能 材料的工艺性能的好坏对加工生产有直接的影响，因此，应选用其工艺性能优良的材料，以便降低制造成本，减少废品的产生。 几种重要的工艺性能如下： 铸造性能：包括流动性能、收缩、偏析等。 锻造性能：包括可锻性、抗氧化性等 机械加工性：包括光洁度、切削加工性等,一般来说，碳钢的锻造、切削加工性能较好，其机械性能可以满足一般零件的工作条件要求，因此碳钢的用途较广。但其强度还不够高，淬透性差。制造大面积形状复杂零件，常选用合金钢。 3. 材料的经济性 在满足使用性能的前提下，选用材料时还应注意降低零件的总成本。零件的总成本包括材料本身的价格和与生产有关的一些费用。 在金属材料中，碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件力学性能的前提下选用碳钢和铸铁，不仅具有较高的加工工艺性能，而且可降低成本。 立足于国内资源，尽力采用国产钢材，此外，选用材料的牌号要符合国家标准，品种尽量少而集中。,复习题,1.何谓退火和正火？两者的特点和用途有什么不同？ 2.钢淬火后所获得的马氏体组织与铁素体有何相同和不同之处？钢中的马氏体组织表现出什么特性？ 3.钢在淬火后为什么要回火？三种类型回火的加热温度规范、目的和应用有什么不同？ 4.说明锯条、汽车钢板弹簧、车床主轴、变速箱齿轮、发动机曲轴的最终热处理工艺。,