金属工艺学课件.ppt

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1、金 属 工 艺 学,金属工艺学是一门有关机械零件制 造方法及其用材的综合性技术基础课。,1.内容： （1）系统介绍机械工程材料的性能、 应用及改进材料性能的工艺方法； （2）各种成形工艺方法及其在机械制 造中的应用和相互联系； （3）机械零件的加工工艺过程。,2.生产方法：,3. 历史发展：,4.制造技术的发展阶段： （1）用机器代替手工，从作坊形成工 厂 （2）从单件生产方式发展到大量生产 方式 （3）柔性化、集成化、智能化和网络 化的现代制造技术,5.现代制造技术的形成和发展特点： （1）生产规模：少品种大批量 单件小批量多品种变批量 （2）生产方式：劳动密集型设备 密集型信息密集型知识密

2、集型 （3）制造设备的发展过程：手工 机械化单机自动化刚性自动线 柔性自动线智能自动化,出土于河南安阳侯家庄武官村。此鼎形制雄伟，重达832.84公斤,高达133厘米,是迄今为止 出土的最大最重的青铜 器。,司马戊大鼎,永乐大钟 高6.75m、直径3.3m、重量46.5t的铜钟，是明朝永乐年间（约1420年）铸造的，在世界大钟之林中铸造年代最久远。钟身内外铸满了佛经，经文清晰，排列巧妙，总字数达230184个，是世界上铸字最多的大钟。撞击一下，钟声悠扬悦耳，可传4050km。,永乐大钟局部， 上面载明大钟 铸造的时间。,1996年我国钢产量超过一亿吨，变成世界 第一产钢大国。这是为纪念钢产量突

3、破一亿吨 而发行的邮票。,葛 洲 坝 水 轮 发 电 机 转 子 最大直径18738毫米，高3639毫米，净重达1780吨，是 目前世界上最大水轮发电机转子。（2005.02.04吊装就位）,九龙大鼎（广东肇庆市） 高6.68米,宽5.58米,重量16吨，整座由青铜浇铸而成。,越王勾践剑 越王者旨於赐剑 越王州句复合剑 越王不寿剑,香港天坛大佛 高34米，重250吨，由200块青铜铸件砌成。耗资2000万港元。,无锡灵山大佛,1、灵山大佛通高88米，佛体79米，莲花瓣9米。 2、灵山大佛佛体（不含莲花瓣）由1560块6-8毫米厚的铜壁板构成，焊缝长达30余公里。 3、灵山大佛铸铜约700吨，铜

4、板面积达九千多平方米，约一个半足球场大小。 4、由于高科技的运用，灵山大佛能抵御14级台风和8级地震的侵袭。,钢铁工业,6.基本要求： （1）了解工程材料的种类、性能及其改性方法， 初步掌握其应用范围和选择原则。 （2）掌握主要毛坯成形方法的基本原理和工艺 特点，具有选择毛坯及工艺分析的初步能力。 （3）掌握机械制造生产过程、生产类型及其特点； 掌握各种主要加工方法的实质、工艺特点、基本原理 和设备；了解零件的加工工艺过程，并具有选择零件 加工方法的能力，能制定简单的制造工艺规程。 （4）了解零件的结构工艺性。 （5）了解有关的新工艺、新技术及其发展趋势。,第一章 金属材料基本知识,1.1 金

5、 属 材 料 的 主 要 性 能 使用性能指材料在使用过程中表现出来的性 能。 工艺性能指材料对各种加工工艺适应的能力。 一、金属材料的使用性能 力学性能金属材料在外力（载荷）作用下， 所表现的抵抗变形和破坏的能力。 （一）强度 强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂 的能力。,拉伸试验动画金工动画拉伸曲线.swf,1.弹性极限试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉应力。 2.屈服点试样在试验过程中力示增加（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时 的应力。 3.抗拉强度试样拉断前所能承受的最大应力值。,（二）塑性 塑性是指断裂前材料发生不可逆永久变形 的能力。 1.断后伸长率 试样拉断后标距的伸

6、长时 与原始标距的百分比。 2.断面收缩率试样拉断后，缩颈处横截 面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。,（三）硬度 1.布氏硬度 （1）试验原理：D、F、t、S （2）符号 （3）表示方法 XXX HBS(W) XX / XXX / XX （4）应用范围： 测定结果较稳定、准确， 但不宜测薄件或成品件。 HBS用于测小于450 的材料；HBW用测小于650的材料。主要用来 测灰铸铁、有色金属及经退火、正火和调质处 理的钢材。,布氏硬度试验原理图,详细说明 主要技术参数： 初试验力（N）：29.4 维氏硬度试验（N）：49，98，196，294 显微镜放大倍率：75倍、150倍 试件允许最大

7、高度：200mm 表面洛氏硬度（mm）：147，294，441 压头中心到机身距离：200mm 电源电压：AC220V 50/60HZ 布氏硬度试验,2.洛氏硬度 （1）试验原理：用顶角为1200的金刚石圆锥或直径为1.588mm的淬火钢球作压头，在初始试验力F1（98N）及总试验力F作用下，将压头压入试样表面，按规定保持时间后卸除主试验力，用测量的残余压痕深度增量计算硬度。 （2）符号 （3）表示方法 在符号前写出硬度值。 （4）应用范围 可直接测量成品或较薄工件，但结果不够准确。,洛氏硬度试验原理图,（四）冲击韧度 冲击试样缺口底部横截面积上的冲击吸收功。,将被测材料制成标准U型或V型试样

8、，缺 口背向摆锤冲击方向，摆锤举至H1 高度，然 后自由落下，冲断试样升至高度 H2 。摆锤冲 断试样所消耗的能量，即试样在冲击试验力一 次作用下折断时所吸收的功。 A = m g H1 - m g H2 = m g （H1 - H2） J 冲击试样缺口底部处单位横截面积上的冲 击吸收功，称为冲击韧度。 k = Ak /SN J/cm2 冲击吸收功 Ak 作为材料韧性判据。 冲击吸收功与温度、试样形状、尺寸、表 面粗糙度、内部组织和缺陷有关。,（五）疲劳强度 材料 在指定循 环基数下 不产生疲 劳断裂所 能承受的 最大应 力。,实际的疲劳强度值，规定钢进行1106 107次，有色金属进行110

9、71108次交变循 环而不发生疲劳破坏时的最大应力值，即为该 材料的疲劳强度-1。疲劳强度与抗拉强度之间 存在一定的比例关系，如碳素钢-1 （0.40.55） b ，灰铸铁-1 0.4b ，有色金属-1 （0.30.4） b。 疲劳破坏的原因：应力集中微裂纹 扩展断裂破坏。 避免措施：改善内部组织、外部形状和表 面状态，减小和避免应力集中，表面强化处理 和减小表面粗糙度值。,1.2 金 属 与 合 金 的 结 构 和 结 晶 一、金属材料的性能与结构 晶体原子杂乱无章堆砌起来。 晶体原子按一定几何图形有规则排列。 特点：有固定的熔点，各向异性 （一）金属的晶体结构基本知识 1.晶格描述原子在晶

10、体中规则排列方 式的空间几何图形。 2.晶胞能够反映晶格特征的最小几何 单元。动画金工动画晶胞.swf 3.常见金属的晶格类型,（）体心立方晶格动画金工动画体心.swf 立方体晶胞，八个顶角和立方体中心各有一 个原子，每个晶胞有原子个。 常见金属有：Cr、W、Mo、V和-Fe等。,（）面心立方晶格动画金工动画面心.swf 立方体晶胞，八个顶角和六个面的中心各有一个 原子，每个晶胞有原子个。 常见金属有：Al、Cu、Ni、Au、Ag和-Fe等。,（）密排六方晶格动画金工动画密排.swf 正六棱柱体 晶胞，12个 顶角和上下 面中心各有 一个原子， 晶胞内还有 个，每个 晶胞有原子 6个。 常见金

11、属 有：Mg、 Zn、Be和 Cd等。,（二） 金属的实际晶体结构 1.多晶体结构动画金工动画多晶体结构.swf 单晶体晶体内部的晶格位向完 全一致。 晶粒外形不规则，呈颗粒状的 小晶体。 晶界晶粒与晶粒之间的界面。 多晶体由许多晶粒组成的晶体。 2.晶体缺陷,（）点缺陷动画金工动画点缺陷.SWF 晶格空位和间隙原子 强度和硬度增加，塑性和韧性降低,（）线缺陷动画金工动画刃型位错.SWF 刃型 位错 强度、 硬度增加， 塑性、韧 性下降。,（）面缺陷 晶界和亚晶界动画金工动画亚晶界.SWF动画金工动画晶界.SW F 金属强度、硬度增高，塑性变形困难“细晶强化”。,二、金属与合金的结晶 （一）金

12、属的结晶 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过程。动画金工动画冷却曲线.swf 过冷度理论结晶温度Tm与实际结晶温度To之差。,1.冷却曲线,2. 金属的结晶过程动画金工动画金属结晶过程.SWF(见图) （1）晶核的形成 （2）晶核的长大 金属液的结晶过程是晶核产生和长大的过程，同 时存在同时进行。,金属结晶过程示意图,（二） . 晶粒大小及其控制,（1）晶粒大小对金属性能的影响 一般情况下，晶粒越细小，金属的强度、塑性和 韧性越好。 晶粒大小主要取决于形核速率N和长大速率G。（见图）,过冷度对N、G的影响,（2）晶粒大小的控制,生产中细化晶粒的方法有： 增加过冷度；

13、 变质处理； 附加振动。,（三）、金属的同素异构转变,概念： 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。 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。,（ 四）金属铸锭组织,（1）表层细晶区 过冷度大，形核率高 （2）柱状晶粒区 （3）中心等轴晶粒区,三、合金的晶体结构 1.合金的基本概念 （1）合金两种或两种以上的金属元素或金属 元素与非金属元素熔合，组成具有金属特性的物质。 （2）组元组成合金最基本、能独立存在的物 质。 （3）合金系由给定的组元，按一定的比例配 制成一系列的合金。 （4）相具有成分、组织相同，与其他部分有 界

14、面的均匀组成部分。 （5）组织用肉眼可直接观察的，或用放大镜、 显微镜分辨和材料内部微观形貌图象。,2.合金的相结构 （1）固溶体合金在固态下，组元之间能互相溶 解而形成的均匀相。 溶剂与固溶体晶格类型相同。 溶质晶格类型消失的组元。 置换固溶体溶质的原子部分取代溶剂晶格 上的原子。动画金工动画置换固溶体.SWF 有限置换固溶体按一定比例进行置换。 无限置换固溶体任意进行置换原子。 条件：晶格类型相同，原子半径接近。 间隙固溶体溶质的原子溶入溶剂晶格之中 形成的固溶体动画金工动画间隙固溶体.SWF 固溶体晶格畸变强度、硬度增加固溶强化,（2）金属化合物合金组元之间发生相 互作用而形成的具有金属

15、特性的一种新相。 特点：晶格类型不同于任一组元，有较高 的熔点，硬而脆。动画金工动画Fe3C晶格结构.SWF 金属化合物主要用来作为碳钢、各类合金 钢、硬质合金及有色金属的重要组成相。 （3）多相复合组织两种或两种以上 的相按一定的质量百分数组合成的物质。 特点：保持各组元的晶格类型。 性能取决于各组成相的性能及分布状态。,二元合金状态图,一、二元合金状态的建立 1.概念 研究材料从液态到固体转变过程而建立的图形 成分-温度-组织关系图 2.表示方法,A,B,B%,3.绘制,动画金工动画二元相图建立.swf, 1.3 铁 碳 合 金 相 图 一、铁碳合金基本组织 （一）纯铁的同素异晶转变 在固

16、态下，金属的晶格类型随温度（或 压力）变化的特性同素异晶转变。动画金工动画同素异构.swf Fe Fe Fe 体心立方晶格 面心立方晶格 体心立方晶格 铁的同素异构转变是钢铁材料能够进行 热处理的依据。,（二）铁碳合金的基本组织 1.铁素体（F） 碳溶于Fe中形成的间隙固溶体，用 符号F（或）表示。 600 溶碳量0.008% 727 溶碳量0.0218% 性能：与纯铁相似，强度、硬度低，而 塑性和韧性好。 组织：呈明亮的多边形晶粒，晶界曲折。,铁素体的显微组织,2.奥氏体（A） 碳溶于Fe中形成的间隙固溶体，用符 号A（或）表示。 727 溶碳量0.77% 1148 溶碳量2.11% 性能：

17、有一定的强度和硬度，塑性和韧性 好，适于进行锻压加工。 组织：与铁素体相似，晶粒呈多边形，但 晶界较铁素体平直,奥氏体的显微组织,3.渗碳体（ Fe3 C ） 铁和碳形成的一种具有复杂斜方晶格的间 隙化合物，用化学分子式Fe3 C 表示。 c =6.69% 熔点为1227 性能：硬度很高，脆性很大，塑性极差。 组织：常以片状、球（粒）状和网状等不 同形态存在。,4.珠光体铁素体和渗碳体组成的机械 混合物，用符号P表示。 c =0.77% 性能：介于铁素体与珠光体之间，即综合 性能良好。 5.莱氏体 c=4.3%的合金，缓慢冷却 到1148时从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳 体的共晶组织，用符号L

18、d表示。 性能：与渗碳体相似，即硬度高，塑性差。,珠光体是铁 素体和渗碳体呈 层片状交替排列 的机械混合物 。 呈块状分布的白 亮部分即是铁素 体 ，黑色部分为 珠光体组织 。 45钢的显微组织（400）,在亮白色 渗碳体基底上 相间地分布着 暗黑色斑点及 细条状珠光体 莱氏体的显微组织,二、铁碳合金状态图的形式,Fe -Fe3C 合金相图,简化铁碳合金状态图,三、铁碳合金状态图的建立,合金状态图就是通过一系列实验测出不同成分的铁碳合金在缓慢冷却过程中的冷却曲线和组织转变，然后在成分与温度坐标图中标出临界点温度（结晶开始和结晶结束的温度），并把物理意义相同的点连成曲线，这样构成的完整图形便是铁

19、碳合金状态图。,各成分合金的临界点,四、 铁碳合金状态图的分析 1特性点：,2特性线：,ACD线液相线 AECF线固相线 ECF线共晶线 AC线奥氏体结晶开始线 AE线奥氏体结晶终了线 GS线（A3)铁素体从A中析出开始线 PQ线C在铁素体中的溶解度曲线，此线以右有Fe3C析出线,ES线（Acm)C在A中的溶解度曲线，此线以右有Fe3C析出线 PSK线共析线 CD线一次渗碳体结晶开始线,3.铁碳合金的分类,工业纯铁：C%0.0218 共析钢：C%=0.77 亚共析钢：0.0218C%0.77 过共析钢：0.77C%=2.11 共晶白口铁：C%=4.3 亚共晶白口铁：2.11C%4.3 过共晶白

20、口铁：4.3C%6.69,4.合金结晶过程中的组织转变,共析钢()：LL+AAP 亚共析钢()：LL+AAA+FP+F 过共析钢()： LL+AAA+Fe3C P+Fe3C 共晶白口铁：LLdLd 亚共晶白口铁： LL+ALd+A+Fe3C Ld+P+Fe3C 过共晶白口铁： LL+Fe3CLd+Fe3C Ld +Fe3C,1、Wc=0.6% 亚共析钢,室温组织：P+F L L+A A A+F P+F t1以上 t1t2 t2t3 t3t4 t4室温,亚共析钢组织：F+P,2、Wc=0.77% 共析钢,室温组织：P L L+A A P t1以上 t1t2 t2t3 t3室温,T8钢的室温平衡组

21、织 珠光体,3、Wc=1.2% 过共析钢,室温组织：P+Fe3C L L+A A A+Fe3C P+ Fe3C t1以上 t1t2 t2t3 t t4室温,材 料 共晶白口铸铁（X250 ） 状 态 铸造 浸蚀剂 酒精溶液 组 织 变态莱氏体 说 明 变态莱氏体中白色基体为渗碳体（共晶莱氏体和二 次渗碳体），黑色圆柱及条状为珠光体,过共晶 白口 铁结 晶过 程示 意图,5.含碳量对铁碳合金组织性能的影响,(1) 对平衡组织的影响,5.含碳量对铁碳合金组织性能的影响,(2)对力学性能的影响 含碳量越高，钢的强度和硬度越高，而塑性和韧性越低。这是由于含碳量越高，钢中的硬脆相-Fe3C越多的缘故。而

22、当含碳量超过0.9时，达到碳的过共析，在晶界析出网状二次渗碳体，使钢的强度有所降低。,6.铁碳合金平衡相图的应用（1）,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、确定各种热处理工艺的依据：根据对工件材料性能要求的不同，各种不同热处理方法的加热温度都是参考Fe-Fe3C相图选定的。,6.铁碳合金平衡相图的应用（2）,1 在选材上的应用 低碳钢：塑性、韧性好，用于冲压件、焊接件、抗冲击件。 中碳钢: 综合力学性能较好，用于轴、齿轮等。 高碳钢：强度、硬度、耐磨性好，用于各种工模具。 白口铁：性硬而脆，但铸造

23、性能好，用于不受冲击的铸件。 2 在铸造工艺上的应用 根据Fe-Fe3C相图的液相线可以找出不同成分的铁碳合金的熔点，从而确定合适的熔化、浇注温度(液相线以上50100 )。还可以看到钢的熔化与浇注温度都要比铸铁高，如下图所示。此外，靠近共晶成分的铁碳合金不仅熔点低，而且凝固温度区间也较小，故具有良好的铸造性能。这类合金适宜于铸造，在铸造生产中获得广泛的应用。,6.铁碳合金平衡相图的应用（3）,Fe-Fe3C相图与铸、锻工艺的关系,3 在塑性加工工艺上的应用 钢材轧制或锻造的温度范围，多选择在单一奥氏体组织范围内。其选择原则是开始轧制或锻造的温度不得过高，以免钢材氧化严重，甚至发生奥氏体晶界部

24、分熔化，使工件报废。而终止温度也不能过低，以免钢材塑性差，在锻造过程中导致产生裂纹。一般始锻温度在固相线以下100200，终锻温度800左右。各种碳素钢合适的轧制或锻造温度范围如图所示。,3.1 碳 钢 一、碳钢中的常存杂质元素及其作用 （1）硅和锰有益元素 作用：脱氧剂，形成MnS，固溶强化， 减少FeO的影响。 （2）硫和磷有害元素 危害：形成低熔点的FeS，使钢产生热脆； 使钢产生冷脆。,硅（Si）,（1）可清除钢中的FeO，脱氧能力比Mn强。 它与钢液中的FeO能结成密度较小的硅酸盐以炉渣的形式被除去。从而消除FeO对钢的不良影响。 （2）硅能溶入铁素体中，使铁素体强化，从而提高钢的强

25、度和硬度，但降低塑性和韧性。当含硅量不多时，其对钢的性能影响不大。 （3）总起来说，硅也是一种有益的元素。作为杂质其含量应小于0.4%。,锰（Mn）,（1）可清除钢中的FeO，改善钢的品质。 锰从FeO中夺取氧形成MnO进入炉渣，从而把钢中的FeO还原成铁，改善钢的质量 。 （2）减轻硫的有害作用，降低钢的脆性，改善钢的热加工性能。（MnS在高温时有一定塑性，切削加工中MnS能起断屑作用，因此改善了钢的切削加工性，这类钢称作易切削钢) （3）在室温下锰能大部分溶入铁素体中形成含锰铁素体的置换固溶体，使铁素体强化，提高钢的强度和硬度。 （4）锰在碳钢中的质量分数一般为0.25%0.80%，最高可

26、达1.2%。总起来说，锰是一种有益的元素。,2. 硫（S）、磷（ P）,是有害元素 S是在炼钢时由矿石和燃料带入钢中的 热脆 P是由矿石带入钢中的冷脆 衡量钢的质量的主要指标为含S、 P量。S一般控制在0.05%以下,P一般钢的含磷量控制在0.045%以下。,P,（1）硫：可与铁生成FeS， FeS与Fe能形成低熔点（985）的共晶体，且分布在晶界上。当钢材在10001200 进行热压力加工时，由于共晶体熔化，从而导致热加工时开裂。这种金属在高温时出现脆裂的现象，称为“热脆”。 （2）磷在钢中能全部溶于铁素体中，提高铁素体的强度和硬度。但在室温下却使钢的塑性和韧性急剧下降（Fe3P而使钢的脆性

27、增加 ），产生低温脆性，这种现象称为冷脆。,磷的有害作用在一定条件下可以转化，例如钢中加入适量的磷还可以提高钢材的耐大气腐蚀性能。 在炮弹钢中加入较多磷，可增大钢的脆性，使炮弹在爆炸时碎片增多，从而增加了杀伤力。,二、碳钢的分类、牌号和用途 （一）碳钢的分类 1.按碳的含量分类 2.按质量分类,3.按用途分类 （1）碳素结构钢 主要用于建筑、桥 梁等工程结构和各种机械零件（如齿轮、轴、 螺柱、弹簧等）。 （2）碳素工具钢 主要用于种类刀具、 量具和模具。如丝锥、板牙、刮刀、锯条、 冲模等。 （3）专用钢 包括锅炉钢、船用钢、 易切削钢等。,4.按钢液脱氧程度分类 （1）沸腾钢（F） 脱氧不完全

28、，组织 不致密，成分不均匀，性能较差。 （2）镇静钢（Z）脱氧完全，组织致 密，成分较均匀，性能较好。 （3）半镇静钢（b） 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间。,（二）碳钢的牌号、性能及主要用途 1.普通碳素结构钢(GB/T7001988) 表示方法：用Q、屈服数值、质量等级和脱氧 方法组成。 牌号Q235D示例说明： Q钢的屈服点“屈”字汉语拼音字头； 235最低屈服点值235MPa; D表示质量等级为D 级。 有时牌号后面还要分别附加下列符号： F沸腾钢； b 半镇静钢； Z镇静钢； TZ特殊镇静钢。 由于D级质量钢均为特殊镇静钢，故“TZ”符号 可以省略。如Q235DTZ可写为Q235-D

29、。符号“Z” 有时亦可省略。 机械性能,常用碳素结构钢：表3.1.doc Q195、Q215、Q235A、Q235B 塑性较好，有一 定的强度，通常轧制成钢筋、钢板、钢管等，可用于 做桥梁、建筑物等构件，也可用做普通螺钉、螺帽、 铆钉等。 Q235C、Q235D 可用于重要的焊接件。 Q255、Q275 强度较高，可轧制成型钢、钢板作 构件用。 这类钢常在热轧状态下使用，不再进行热处理。 但对某些零件，也可以进行正火、调质、渗碳等处 理，以提高其使用性能。 表表,常用碳素结构钢 钢板钢筋 建筑构件 螺钉铆钉 钢桥梁,2.优质碳素结构钢 表示方法：用两位数字表示平均含碳量 的万分数，较高含锰量再

30、加Mn。 如：45钢，碳的平均含量为万分之四十 五，即0.45%。 含锰较高的优质碳素结构钢要标出Mn， 例如：45Mn。 优质碳素结构钢主要用来制造各种机器 零件。 优质碳钢,常用优质碳素结构钢： 螺栓 齿轮 曲轴 弹簧,常用优质碳素结构钢：表3.2.doc 08F 塑性好，可制造冷冲压零件； 10、20钢 冷冲压性与焊接性能良好， 可用作冲压件及焊接件，经过热处理（如渗 碳）也可以制造轴、销等零件； 35、40、45、50钢 经热处理后，可获 得良好的综合机械性能，用来制造齿轮、轴 类、套筒等零件； 60、65钢 主要用来制造弹簧。 优质碳素结构钢使用前一般都要经过热 处理。,3.碳素工具

31、钢 碳素工具钢的碳质量分数在0.65%1.35%之 间。 表示方法：用“T”加表示平均含碳量千分数的 数字，较高质量再加“A”。 如T8，表示平均碳含量为0.80%的碳素工具钢。 碳素工具钢均为优质钢，若含硫、磷更低，则 为高级优质钢，在钢号后标注“A”字。例如，T12A 表示碳质量分数为1.2%的高级优质碳素工具钢。 碳素工具钢用来制造各种刃具、量具、模具 等。 工具钢,常用碳素工具钢：表3.3.doc T7、T8 硬度较高、韧性较高，可制造冲 头、凿子、锤子等工具。 T9、T10、T11硬度高，韧性适中，可制 造钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作 模具等。 T12、T13 硬度很高，韧性

32、较低，可制 作锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。 碳素工具钢使用前都要进行热处理。,常用碳素工具钢： 锉刀 量规 钻头,4.铸钢表3.4.doc 表示方法：ZG （1）力学性能用最小屈服数值、最 小抗拉强度表示 ZG200400表示最小屈服强度200MPa、 最小抗拉强度400MPa的铸钢。 （2）化学成分用两位数字表示平均含 碳量的万分数和化学元素符号及含量百分数 表示。 ZG45表示平均含碳量为0.45的铸钢。 铸钢,铸钢主要用于制造形状复杂，需要一定强度、塑性和 韧性的零件，例如机车车辆、船舶、重型机械的齿轮、轴， 以及轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等。 外壳 轧辊 重型机械齿轮,第二章

33、 钢 的 热 处 理,将固态金属或合金，采用适当的方式进行加热、 保温和冷却，以获得所需组织结构与性能的工艺方 法称热处理。 按目的、加热条件和特点不同，热处理分为： 整体热处理、表面热 处理和化学热处理。 热处理的工艺由加热、 保温和冷却三个阶段组成。,2.1 钢 的 热 处 理 基 本 原 理 一、钢在加热和冷却时的组织转变 在实际生产中，由于加热和冷却不是很缓慢，因 此实际发生组织转变的 温度与相图的A1、A3、 Acm 有一定的偏离。通 常加热用 Ac1、Ac3、 Accm 表示，冷却用Ar1、 Ar3、Arcm表示。 将钢加热至Ac3或 Ac1以上，获得完全或部 分奥氏体组织的操作称

34、 为奥氏体化。,（一）奥氏体的形成 1.奥氏体晶核的形成 奥氏体的晶核易于在渗碳体相界面上形 成。这是因为在 两相的相界上为 形核提供了良好 的条件。,2.奥氏体晶核的长大 奥氏体形核后，由于奥氏体与Fe 3 C晶 界处的含碳量不 同，将引起奥氏 体中碳的扩散。 通过铁、碳原子 的扩散和铁原子 的晶格改组，奥 氏体向铁素体和 Fe 3 C两个方向长 大。,3.残余渗碳体溶解 在奥氏体形成过程中，铁素体比渗碳体先 消失，因此奥氏体 形成之后，还残存 未溶渗碳体。这部 分未溶的残余渗碳 体将随着时间的延 长，继续不断地溶 入奥氏体，直至全 部消失。,4.奥氏体均匀化 渗碳体完全溶解后，开始时奥氏体

35、中碳的 浓度分布并不均匀 , 原先是渗碳体的地方 碳浓度高，原先是铁 素体的地方碳浓度低。 必须继续保温，通过 碳的扩散，使奥氏体 成分均匀化。,（二）影响奥氏体转变的因素 1.加热温度和加热速度的影响 提高加热T,将加速A的形成。 随着加热速度的增加,奥氏体形成温度升高（A C1 越高），形成所需的时间缩短。 2.化学成分的影响 随着钢中含碳量增加,铁素体核渗碳体相界面总量 增多，有利于奥氏体的形成。 3.原始组织的影响 由于奥氏体的晶核是在铁素体和渗碳体的相界面 上形成,所以原始组织越细，相界面越多，形成奥氏体 晶核的“基地”越多，奥氏体转变就越快。,（三）奥氏体晶粒大小及其控制 1.奥氏

36、体晶粒大小 起始晶粒 实际晶粒度金属平均晶粒度测定法 2.奥氏体晶粒大小的控制 （1）合理选择加热温度和保温时间 随着温度升高晶粒度将之间长大。温度愈高，晶 粒长大于愈明显。在一定温度下，保温时间愈长，奥 氏体晶粒也越粗大。 （2）加入合金元素 奥氏体中的含碳量增高时，晶粒长大的倾向增多。 若碳以未溶的碳化物形式存在，则它有阻碍晶粒长大 的作用。 （3）合理选择原始组织,二、钢在冷却时的组织转变 过冷奥氏体暂时保留在A1以下的奥氏体。 连续冷却转变 使加热到奥氏体 化的钢连续降温进行 组织转变 等温冷却转变 使加热到奥氏体 化的钢以较快的冷却 速度冷到A1以下某温 度保温，在等温下发 生组织转

37、变。,共析钢过冷A的等温转变曲线图,2.过冷奥氏体的等温转变产物组织和性能 （1）珠光体型转变高温转变（A1 550 ） A1 650 片层珠光体 25HRC 650 600 细珠光体（索氏 体 S） 25HRC30HRC 600 550 极细珠光体（托氏体 T） 35HRC40HRC （2）贝氏体型转变中温转变（550 Ms ） 550350 平行条状铁素体上分布细微渗碳 体 40HRC45HRC 350Ms 针状铁素体分布极细小碳化物 50HRC55 HRC,共析钢过冷奥氏体等温转变包括二个转变区。 （1）高温转变 在A1550 之间，过冷奥 氏体的转变产物为珠光体型组织， 此温区称珠 光

38、体转变区。 珠光体型组织是铁素体和渗碳体的机械混 合物，渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上， 转变温度越低，层间距越小，可将珠光体型组 织按层间距大小分为珠光体（P）、索氏体（S） 和屈氏体（T）。奥氏体向珠光体的转变为扩 散型的生核、长大过程， 是通过碳、铁的扩散 和晶体结构的重构来实现的。,(a)珠光体 3800倍,(b) 索氏体 8000倍,(c)屈氏体 8000倍,（2）中温转变 在550 Ms之间, 过冷奥氏体的转变产物 为贝氏体型组织, 此温区称贝氏体转变区。 贝氏体是渗碳体分布在碳过饱和的铁素体 基体上的两相混合物。奥氏体向贝氏体的转变 属于半扩散型转变，铁原子不扩散而碳原子有 一

39、定扩散能力。 过冷奥氏体在550 350 之间转变形 成的产物称上贝氏体（上B)。上B呈羽毛状，小 片状的渗碳体分布在成排的铁素体片之间。,(a)光学显微照片 500 (b) 电子显微照片 5000 上贝氏体形态,过冷奥氏体在350 Ms之间的转变产物 称下贝氏体（B下）。B下在光学显微镜下为黑 色针状，在电子显微镜下可看到在铁素体针内 沿一定方向分布着细小的碳化物（Fe2.4C）颗 粒。 上贝氏体中铁素体片较宽，塑性变形抗 力较低；同时渗碳体分布在铁素体片之间，容 易引起脆断，因此强度和韧性都较差。下贝氏 体中铁素体针细小，无方向性，碳的过饱和度 大，位错密度高，且碳化物分布均匀、弥散度 大

40、，所以硬度高，韧性好，具有较好的综合机 械性能。,(a)光学显微照片 500倍 (b) 电子显微照片 12000倍 下贝氏体形态,（二）过冷奥氏体的连续冷却转变,为了便于比较，同时在图上表示了这个钢的奥 氏体等温转变曲线图（虚线表示），由图可以看出， 连续冷却转变曲线比等温转变曲线略微偏右下一点， 同时在转变曲线上没有转变区。 连续冷却转变曲线的测定，在技术上要比等温 转变曲线困难，也不易达到准确，这就给使用带来 不方便。但从图中可以看出，钢的冷却转变曲线与 等温转变曲线的上半部分基本上是一致的，特别在 高温时转变产物和性能差别不明显，所以目前生产 中常根据等温转变曲线定性地，近似地分析连续冷

41、 却时的奥氏体转变的组织。,2.2 钢 的 普 通 热 处 理 一、退火和正火 1.退火 加热到适当的温度，保温后缓慢冷却。 第一类退火（扩散退火、再结晶退火、去 应力退火）是不以组织转变为目的的工艺方法， 由不平衡状态过渡到平衡状态。 第二类退火（完全退火、不完全退火、等 温退火、球化退火）是以改变组织和性能为目 的，改变钢中珠光体、铁素体和碳化物等组织 形态及分布。,2 .正火 加热到AC3（或ACcm ）以上3050， 保温后在空气中冷却。 区别：冷却速度比退火稍快，组织较细， 强度硬度稍有提高。 目的：亚共析钢细化晶粒，提高硬度；过 共析钢消除二次渗碳体网。 应用：一般作为预备热处理，

42、也可作大型 或形状复杂零件的终热处理。,二、淬火 将钢加热到AC3或AC1以上某一温度，保温 后以适当速度冷却，获得马氏体或贝氏体组织 的热处理工艺。 1.淬火温度及冷却介质 （1）淬火温度 亚共析钢 AC1+（3050） 全部奥氏体 淬火后为细小马氏体 共析钢和过共析钢 AC3+（3050） 全部奥氏体或奥氏体和渗碳体 淬火后为细小马氏体和少量渗碳体,（2）淬火冷却介质 理想的淬火介质：在A1 650冷却慢， 在600400快速冷却，在300200缓 慢冷却。 水及水溶液 在650400相对冷却速度较小，常用 作碳钢的淬火。 油 在300200间冷却速度比水小， 用于合金钢的淬火。,2.淬火

43、方法 （1）单液淬火 形状简单的碳钢件 在水中淬火，合金钢和 小尺寸碳钢件在油 中淬火。 （2）双液淬火形状复杂的高碳钢 工件和尺寸较大的合金钢件。 （3）分级淬火尺寸较小、形状复 杂工件的淬火。 （4）等温淬火形状复杂，尺寸要 求较精确，强韧性要求较高的小型工模具 及弹簧等的淬火。,3.淬硬性与淬透性 淬硬性是钢在理想条件下淬火硬化所 能达到的最高硬度。 淬透性是指在规定条件下，决定钢淬 硬深度和硬度分布的特性。动画金工动画末端淬火法.swf 影响淬透性的因素是：奥氏体成分、 淬火加热温度、钢的原始组织,三、回火 回火是将钢淬硬后，再加热到AC1点以下 某一温度，保温后冷却到室温的热处理工艺

44、。 目的：减少残余应力和脆性，稳定组织和 尺寸，获得所要求的使用性能。 1.低温回火（150 250） 组织：回火马氏体 目的：减少应力和脆性，保持高硬度和耐 磨性。 应用：刃具、量具、模具、滚动轴承，以 及渗碳、表面淬火的零件。,2.中温回火（350500） 组织：回火托氏体 目的：高的弹性极限、屈服点和较好的 韧性。 应用：各种弹簧、锻模。 3.高温回火（500 650）调质 组织：回火索氏体 目的：强度、塑性和韧性都较好的综合 力学性能 应用：各种重要结构件，如连杆、齿轮。,4.回火脆性 淬火钢在某些温度区间回火或从回火温 度缓冷通过该温度区间时，出现脆化现象称 为回火脆性。 第一类回火

45、脆性 300左右回火，不可逆 避免在250350回火 第二类回火脆性 500650或更高温回火缓冷 合金元素偏聚,2.3 钢 的 表 面 热 处 理 一、表面淬火 仅对工件表面层进行热处理，以改变其组 织和性能的工艺。 1.感应加热表面淬火 A.感应加热表面淬火基本原理 （1）高频感应加热表面淬火 频率50KHz300KHz，淬硬层深度0.5mm2.0mm。 应用：中小模数齿轮和中小尺寸的轴类 零件。,感 应 加 热 表 面 淬 火 示 意 图,（2）中频感应加热表面淬火 频率1KHz10KHz，淬硬层深度2mm10mm 应用：大、中模数齿轮和较大直径轴类零 件。 （3）工频感应加热表面淬火

46、频率50Hz，淬硬层深度10mm20mm 应用：大直径轧辊、火车车轮等零件 B.感应加热表面淬火特点及应用 适用于中碳钢和中碳合金钢的成批大量生产。,感应加热表面淬火,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。,二、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。 （1）气体渗碳 加热到 900950，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。 （2）固体渗碳 颗粒状的木炭为渗碳剂，平均速度为0.1mm / h. （3）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0.5mm2.5mm。 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。 （1）气体渗氮 （2）离子渗氮（离子氮化） 3.碳氮共渗 2.4 其他热处