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金属工艺学基础知识 1 弹性变形 材料受外力作用时产生变形 当外力去除后恢复其原来形状 这种随外力消失而消失的变形 称为弹性变形 一 两种基本变形 2 塑性变形 材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形 称为塑性变形 在低碳钢拉伸曲线中 把F l坐标换成 应力 应变 就可以直接在图上读出力学性能指标 并且不需要做成标准试样 二 低碳钢的拉伸曲线强度材料在外力作用下 抵抗塑性变形和断裂的能力 工程上常用的金属材料的强度指标有屈服强度 s 和抗拉强度 b 等 不同的金属材料拉伸曲线 低碳钢 铸铁 典型塑性材料的拉伸曲线 典型脆性材料 1 布氏硬度原理 布氏硬度试验是指用一定直径的球体 钢球或硬质合金球 以相应的试验力压入试样表面 经规定保持时间后卸除试验力 用测量的表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验 三 硬度材料抵抗更硬的物体压入其内的能力 最常用的硬度指标有 布氏硬度 HB 和洛氏硬度 HRA C 布氏硬度和洛氏硬度试验原理和使用范围均不相同 使用刚球压头时布氏硬度值用符号HBS表示 使用硬质合金压头时用符号HBW表示 在实际测试时 不必用公式计算 一般用读数显微镜测出压痕直径d 然后根据d大小查表 即可求出所测的硬度值 应用 测量比较软的材料 测量范围HBS 450 HBW 650的金属材料 优缺点 压痕大 测量准确 但不能测量成品件 原理 2 洛氏硬度 应用范围 20 67 1500N 120 金刚石圆锥体 HRC 25 100 1000N 1 588mm钢球 HRB 70 85 600N 120 金刚石圆锥体 HRA 常用洛氏硬度标度的试验范围 四 铁及铁碳合金组织1 纯铁的晶体结构 三种常见的金属的晶格类型 体心立方面心立方密排六方 晶体中的原子排列 2 金属的同素异构转变 金属的同素异构转变的慨念金属在固态下 随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象 金属的同素异构转变的意义可以用热处理的方法即可通过加热 保温 冷却来改变材料的组织 从而达到改善材料性能的目的 3 铁碳合金组织 1 铁素体F C Fe中形成的固溶体 单相 层片状 体心立方晶格 2 奥氏体A C Fe中形成的固溶体 单相 层片状 面心立方晶格 3 渗碳体K Fe3C 硬度极高 塑形 韧性极低 伸长率和冲击韧度近于零 4 珠光体P F Fe3C两相 机械混合物 0 77 C 强度高 硬度较高 5 莱氏体Ld Ld 两相机械混合物 含碳量 4 3 C Ld A Fe3C727 1148 高温莱氏体 Ld P Fe3C20 727 低温莱氏体 总结 硬度最高的是渗碳体 强度最好的是珠光体 高温下奥氏体塑性最好 常温下铁素体塑性最好 莱氏体硬度较高 表一钢的成分 组织与性能的关系 五 铁碳合金状态图分析 渗碳体的熔点 共晶点 共析线 共析点 纯铁的熔点 共晶线 ACD线 液相线 AECF线 固相线 碳在奥氏体中的最大溶解度 A3线 Acm 铁碳合金相图中主要特性点的含义 相图中主要线的含义 ACD线 液相线是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线 AECF线 固相线各种成分的合金均处在固体状态 结晶温度终止线 ECF水平线 共晶线含碳量为4 3 的液态合金冷却到此线时 在1148 由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物 此反应称为共晶反应 PSK水平线 共析线 A1线 含碳量为0 77 的奥氏体冷却到此线时 在727 同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物 此反应称为共析反应 GS线 A3线 是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线 ES线 称Acm线是碳在奥氏体中的溶解度线 实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线 典型合金结晶过程分析 铁碳合金 含碳量为2 11 6 69 的铁碳合金 共晶生铁 含碳量为4 3 亚共晶生铁 含碳量在2 11 4 3 之间 过共晶生铁 含碳量在4 3 6 69 之间 含碳量小于0 02 的铁碳合金 工业纯铁 钢 生铁 含碳量为0 02 2 11 的铁碳合金 根据金相组织的不同 可分为三种 共析钢 含碳量为0 77 亚共析钢 含碳量在0 02 0 77 之间 过共析钢 含碳量在0 77 2 11 之间 铁碳合金状态图分析 A 奥氏体 P 珠光体 F 铁素体 共析钢和亚共析钢的结晶过程分析 过共析钢结晶过程分析 共晶生铁结晶过程分析 L d 变态莱氏体 亚共晶 过共晶生铁结晶过程分析 钢 碳素钢 碳素结构钢 0 38 C 优质碳素结构钢 0 2 0 7 C用途广 碳素工具钢 T8等 合金钢 合金结构钢 合金工具钢 特殊性能钢 不锈钢 耐热钢 耐磨钢 其它 量具钢 模具钢 刃具钢 轴承钢 弹簧钢 调质钢 渗碳钢 低合金结构钢 1 5 C 16Mn 20Cr 9Cr2 CrWMn 2Cr13 1Cr18Ni9 六 工业用钢分类 牌号 性能及其应用 非合金钢 根据炼钢时脱氧程度的不同 钢可分为沸腾钢 镇静钢和半镇静钢三类 沸腾钢为脱氧不完全的钢 浇注时钢液在钢锭模内产生沸腾现象 气体逸出 钢锭凝固后 蜂窝气泡分布在钢锭中 在轧制过程中这种气泡空腔会被粘合起来 这类钢的特点是钢中含硅量很低 通常注成不带保温帽的上小下大的钢锭 优点是钢的收率高 生产成本低 表面质量和深冲性能好 缺点是钢的杂质多 成分偏析较大 所以性能不均匀 镇静钢为完全脱氧的钢 通常铸成上大下小带保温帽的锭型 浇注时钢液镇静不沸腾 由于锭模上部有保温帽 在钢液凝固时作补充钢液用 这节帽头在轧制开坯后需切除 故钢的收得率低 但组织致密 偏析小 质量均匀 优质钢和合金一般都是镇静钢 半镇静钢为脱氧较完全的钢 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间 浇注时有沸腾现象 但较沸腾钢弱 这类钢具有沸腾钢和镇静钢的某些优点 在冶炼操作上较难掌握 碳素钢 含碳量 1 4 含碳量增加 强度和硬度增加 塑性和韧性下降 1 碳素结构钢 是s p含量较高 C 0 38 牌号由代表屈服点的字母Q 屈服点数值 质量等级符号 脱氧方法四部分组成 其中质量等级分别用A B C D表示 A的S P量高 D的S P量最低 且质量最好 第一节碳素钢 2 优质碳素结构钢 S P含量较低 用于重要零件 GB T699 99规定 牌号用两位数字表示 其中两位数字表示含碳量万分之几 如 08F 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 如 45钢是WC 0 45 20Mn 65Mn等称含锰量较高的优质碳素结构钢 3 碳素工具钢 含碳量0 7 1 3 GB T1298 86规定 牌号用 碳 字汉语拼音字首 T 数字表示 数字表示WC的千分之几 如 T7 T8 T9 T10 T10A T12等 如T10钢WC 1 T10A中的 A 表示为高级优质碳素工具钢 第二节低合金钢 合金钢 碳钢中加入一种或几种合金元素常加合金元素 MnSiCrNiMoWVTiB 硼 稀土元素 Xt 等低合金钢 合金总含量较低 3 含碳量也较低的合金结构钢 性能 较高的强度 塑性 韧性和耐蚀性 大多有良好的焊接性 应用很广泛 分类 1 可焊接低合金高强钢2 低合金耐候钢3 低合金钢筋钢4 铁道用低合金钢5 矿用低合金钢牌号同碳素结构钢 第三节合金钢 合金钢 碳钢中加入一种或几种合金元素常加合金元素 MnSiCrNiMoWVTiB 硼 稀土元素 Xt 等 1 合金结构钢 数 元素符号 数 表示数 含碳万分之几 符号 合金元素 符号后面数表示含合金 1 5 不标 1 5 标2若为高级优质钢 后加A如 60Si2Mn0 6 C 2 Si 1 5 Mn18Cr2Ni4WA0 18 C 2 Cr 4 Ni 1 5 W高级优质应用 工程结构件 机械零件主要包括 低合金钢 合金渗碳钢 合金调质钢 合金弹簧钢 滚动轴承钢等 2 合金工具钢 数 元素符号 数与结构钢同数 一位数 含C千分之几 含C 1 0 不标如 9SiCr 板牙 丝锥 0 9 C 1 5 Si 1 5 CrCrWMn 长铰刀 丝锥 拉刀 精密丝杠 高速钢含C 1 0也不标W18Cr4V0 7 0 8 C 18 W 4 Cr 1 5 V应用 刃具 模具 量具等 高速钢HighSpeedSteels又名风钢或锋钢 意思是淬火时即使在空气中冷却也能硬化 并且很锋利 它是一种成分复杂的合金钢 含有钨 钼 铬 钒 钴等碳化物形成元素 合金元素总量达10 25 左右 它在高速切削产生高热情况下 约500 仍能保持高的硬度 HRC能在60以上 这就是高速钢最主要的特性 红硬性 而碳素工具钢经淬火和低温回火后 在室温下虽有很高的硬度 但当温度高于200 时 硬度便急剧下降 在500 硬度已降到与退火状态相似的程度 完全丧失了切削金属的能力 这就限制了碳素工具钢制作切削工具用 而高速钢由于红硬性好 弥补了碳素工具钢的致命缺点 可以用来制造切削工具 高速钢的热处理工艺较为复杂 必须经过退火 淬火 回火等一系列过程 退火的目的是消除应力 降低硬度 使显微组织均匀 便于淬火 退火温度一般为860 880 淬火时由于它的导热性差一般分两阶段进行 先在800 850 预热 以免引起大的热应力 然后迅速加热到淬火温度1190 1290 不同牌号实际使用时温度有区别 后油冷或空冷或充气体冷却 工厂均采用盐炉加热 现真空炉使用也相当广泛 淬火后因内部组织还保留一部分 约30 残余奥氏体没有转变成马氏体 影响了高速钢的性能 为使残余奥氏体转变 进一步提高硬度和耐磨性 一般要进行2 3次回火 回火温度560 每次保温1小时 1 生产制造方法 通常采用电炉生产 近来曾采用粉末冶金方法生产高速钢 使碳化物呈极细小的颗粒均匀地分布在基体上 提高了使用寿命 2 用途 用于制造各种切削工具 如车刀 钴头 滚刀 机用锯条及要求高的模具等 3 特殊性能钢不锈钢 1Cr131Cr18Ni9Ti等耐热钢 1Cr132Cr13 400 工作耐磨钢 高锰钢水韧处理 冲击下工作 表面产生加工硬化 并有马氏体在滑移面形成 表面硬度达HB450 550 表面耐磨 心部为A 奥氏体 水韧处理 钢加热到临界点以上 1000 1100 保温 碳化物全容于A 水冷 因冷速快 无法析出碳化物 成单一A组织 由于锰的存在 使Ms与Mf下移到室温以下 故得到奥氏体 常用碳素结构钢钢板钢筋建筑构件螺钉铆钉钢桥梁 常用优质碳素结构钢 螺栓齿轮曲轴弹簧 常用碳素工具钢 锉刀量规钻头 容器船舶车辆桥梁储气罐 齿轮 曲轴 汽车万向节 连杆 常用不锈钢 不锈钢船用螺旋桨不锈钢剪刀 燃气轮机 耐热钢 拖拉机履带 耐磨钢 铁轨分道岔 挖掘机斗齿耐磨钢 小榔头 锻造 预先热处理 切削加工 钳工 最终热处理 选45钢其工艺流程为 预先热处理 正火 最终热处理 淬火 回火 要求 50 55HRC 选用45 钢 其加工工艺过程为 锻造 正火 切削加工 调质 精加工 高频淬火 低温回火 喷丸 精磨 机床用齿轮 七 钢的热处理 钢的热处理 热处理的概念 将金属或者合金在固态范围内 通过加热 保温 冷却的有机配合 改变其内部组织而得到所需要的性能的一种工艺过程 特点 只改变材料的组织和性能热处理的目的 一类是为了消除冶金 铸造 塑性成型 焊接等生产过程中材料所产生的缺陷 改善其工艺性能 为以后切削加工或热处理做组织和性能准备 中间热处理或预先热处理另一类是为了提高金属材料的力学性能 充分发挥材料的潜力 节约材料 延长零件的使用寿命 最终热处理 热处理工艺曲线 由于热处理时起作用的主要因素是温度和时间 所以各种热处理都可以用温度 时间为坐标的热处理工艺曲线来表示 热处理 普通热处理 表面热处理 退火 软化 正火 细化 淬火 硬化 回火 韧化 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 热处理的分类 按其工艺方法不同分 常用热处理方法工艺曲线 退火 正火 淬火 回火和表面热处理 常用的热处理基本工艺方法 1 退火 将钢加热 保温 然后随炉冷却或埋入灰中缓慢冷却 目的 降低硬度 便于机加工 细化晶粒 提高塑性和韧性 消除应力 应用 铸件 锻件 焊接及其它毛坯的热处理 1 完全退火 将亚共析钢加热到Ac3线以上30 50 保温后缓慢冷却 2 球化退火 将过共析钢加热到Ac1线以上20 30 保温后缓慢冷却 3 低温退火 将钢加热到Ac1线以下 保温后缓慢冷却 4 再结晶退火 消除冲压件冷变形所产生的加工硬化 再结晶温度以上150 250 降低硬度 恢复塑性 应用 1 取代部分完全退火 2 用于普通结构件的最终热处理 3 用于过共析钢 减少或消除网状二次渗碳体 为球化处理作准备 2 正火 将钢加热到Ac3线以上30 50 亚共析钢 或Accm以上30 50 过共析钢 保温后在空气中冷却 得到的是细珠光体组织 索氏体 3 淬火 将钢加热到Ac3或Ac1线以上30 50 保温后在淬火介质中快速冷却 Fe向a Fe同素异晶转变 以获得马氏体 M 组织 碳在a Fe中的严重过饱和固溶体 作用 马氏体具有高的硬度和耐磨性 但塑性和韧性很差 4 回火 将淬火钢重新加热到Ac1线以下某温度 保温后冷却的热处理工艺 目的 主要是消除淬火内应力 降低钢的脆性 防止产生裂纹 回火三种形式 1 低温回火 150 250 目的是降低淬火钢的内应力和脆性 并保持高硬度 56 64HRC 和耐磨性 如模具 刃具等 2 中温回火 350 500 目的是使钢获得高弹性 并保持较高硬度 35 50HRC 和一定的韧性 如弹簧 锻模等 3 高温回火 调质处理 500 650 硬度20 35HRC 强度及韧性等综合性能较好 如连杆 曲轴 齿轮等 5 表面淬火 将钢件的表面层淬透到一定的深度 而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法 目的 获得高硬度 高耐磨性的表层 而心部仍保持原有的良好韧性 1 感应加热表面淬火基本原理 a 高频感应加热表面淬火频率50KHz 300KHz 淬硬层深度0 5mm 2 0mm 应用 中小模数齿轮和中小尺寸的轴类零件 b 中频感应加热表面淬火频率1KHz 10KHz 淬硬层深度2mm 10mm应用 大 中模数齿轮和较大直径轴类零件 c 工频感应加热表面淬火频率50Hz 淬硬层深度10mm 20mm应用 大直径轧辊 火车车轮等零件特点及应用 适用于中碳钢和中碳合金钢的成批大量生产 2 火焰加热表面淬火利用氧 乙炔 或其他可燃气 火焰对零件表面进行加热 随之冷却的工艺 适用于单件小批生产 6 化学热处理将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温 使一种或几种元素渗入它的表层 以改变其化学成分 组织和性能的热处理工艺 基本过程 活性介质分解 表面吸收 向内部扩散 1 钢的渗碳目的 提高表层的硬度的耐磨性 并保持心部良好的韧性 分类 气体渗碳 固体渗碳和液体渗碳 a 气体渗碳加热到900 950 工件在井式渗碳炉中 滴入易于热分解和气化的液体进行渗碳 b 固体渗碳颗粒状的木炭为渗碳剂 平均速度为0 1mm h c 渗碳后的组织和热处理表层含碳量0 85 1 05 渗碳层厚度为0 5mm 2 5mm 渗碳后进行淬火和低温回火 2 钢的渗氮 氮化 目的 提高硬度 耐磨性 疲劳强度和耐蚀性 a 气体渗氮b 离子渗氮 离子氮化 3 碳氮共渗 八 常见的符号HT 表示灰铁 HT200 b 200MPaQT 表示球铁