工程材料教學課件.ppt

大連交通大學工程材料課程,工程訓練中心,工程材料,金屬材料,非金屬材料,黑色金屬材料：鋼和鑄鐵,有色金屬材料,高分子材料,銅及銅合金,滑動軸承合金,陶瓷材料,復合材料,鋁及鋁合金,工程材料的分類,當今社會科學技術突飛猛進，新材料層出不窮，但到目前為止，在機械工業(yè)中使用最多的材料仍然是金屬材料，其主要原因是因為它具優(yōu)良的使用性能和加工工藝性能。,金屬材料的性能,使用性能,加工工藝性能,機械性能：強度、硬度、塑性、韌性等,鑄造性能：流動性、收縮性等,鍛造性能：壓力加工成型性等,切削加工性能：車、銑、刨、磨的切削量，光潔度等,物理性能：導電、導熱、電磁、膨脹等,化學性能：抗氧化性、耐腐蝕性等,焊接性能：熔焊性、焊縫強度、偏析等,熱處理性能：淬透性、回火穩(wěn)定性等,第1章鋼的熱處理,熱處理的概念1.1鋼在加熱時的轉變1.2鋼在冷卻時的轉變1.3鋼的普通熱處理1.4鋼的表面熱處理1.5鋼的化學熱處理,鋼的熱處理,把固態(tài)金屬材料在一定介質中的加熱、保溫和冷卻，以改變其組織和性能的一種工藝。,1.1鋼在加熱時的轉變,臨界溫度平衡時：A1、A3、Acm加熱時：Ac1、Ac3、Accm冷卻時：Ar1、Ar3、Arcm,1奧氏體的形成Fe，C原子擴散和晶格改變的過程。,共析鋼加熱到Ac1以上時，PA共析鋼A化過程形核、長大、Fe3C完全溶解、C的均勻化。,亞（過）析鋼的A化PA，首先是先共析F或Fe3C溶解。,影響A轉變速度的因素,加熱溫度和速度轉變快C%或Fe3C片間距界面多，形核多轉變快合金元素A化速度或,A晶粒度：起始晶粒度實際晶粒度本質晶粒度加熱溫度，保溫時間晶粒尺寸合金碳化物，C%晶粒尺寸,1.2鋼在冷卻時的轉變：,1過冷A的等溫轉變2過冷A的連續(xù)冷卻轉變,1.過冷A的等溫轉變,過冷A:TST,珠光體P，3800,索氏體S8000,屈氏體T8000,中溫轉變（550MS）C原子擴散，F(xiàn)e原子不擴散,過冷A貝氏體B（碳化物+含過飽和C的F）：上B，550350產物羽毛狀，小片狀Fe3C分布在F間。上B強度和韌性差,下B，350MS產物：下B韌性高，綜合機械性能好。,F針內定向分布著細小Fe2.4C顆粒電子顯微照片12000,T8鋼，下B，黑色針狀光學顯微照片400,馬氏體（M）轉變特點,1)無擴散Fe和C原子都不進行擴散，M是體心正方的C過飽和的F，固溶強化顯著。,2)瞬時性M的形成速度很快，溫度則轉變量,3)不徹底M轉變總要殘留少量A，A中的C%則MS、Mf，殘余A含量,4)M形成時體積，造成很大內應力。,M的形態(tài),C%1.0%時，為針狀M。,C%=0.251.0%時，為混合M。,M的性能,C%M硬度針狀M硬度高，塑韌性差。板條M強度高，塑韌性較好。,亞（過）共析鋼過冷A的等溫轉變,與共析鋼相比，C曲線左移，多一條過冷AF（Fe3C）的轉變開始線，且Ms、Mf線上（下）移。,2.過冷A的連續(xù)冷卻轉變,連續(xù)冷卻轉變(CCT)曲線,PsAP開始線PfAP終止線KKP型轉變終止線Vk上臨界冷卻速度Vk下臨界冷卻速度MSAM開始溫度MfAM終止溫度,連續(xù)冷卻轉變產物,CCT和TTT曲線的比較CCT位于TTT曲線右下方CCT中沒有AB轉變,爐冷P(V)空冷S(VVk)油冷T+M+A(VkVk)水冷M+A(VVk),亞共析鋼連續(xù)冷卻轉變,爐冷F+P空冷F+S油冷T+M水冷M,過共析鋼連續(xù)冷卻轉變,爐冷P+Fe3C空冷S+Fe3C油冷T+M+A水冷M+A,轉變溫度對共析鋼硬度和韌性的影響,按轉變溫度的高低，轉變產物分別是：P、S、T，上B、下B、M，其硬度依次增加。,鋼的普通熱處理,1退火2正火3淬火4回火,1退火,加熱、保溫后，緩冷(爐冷)近平衡組織P（+F或Fe3CII）,完全退火（亞共析鋼）加熱溫度Ac3+2030緩冷F+P目的：細化晶粒，均勻化組織降低硬度切削性等溫退火：等溫轉變F+P，再緩冷球化退火（過共析鋼）在Ac+2030等溫，使Fe3C球化，再緩冷球狀P（F+球狀Cm）目的：硬度,切削性,韌性,擴散退火加熱至略低于固相線目的：使成分、組織均勻再結晶退火：加熱溫度TR+3050目的：消除加工硬化去應力退火加熱溫度Ac1，一般為500650目的：消除冷熱加工后的內應力,正火,應用：1)鋼的最終熱處理細化晶粒，組織均勻化，增加亞共析鋼中P(S)%強度、韌性、硬度2)預先熱處理淬火、球化退火前改善組織。3)增加低碳鋼的硬度，以改善切削加工性能。,加熱溫度Ac3(Accm)+3050，空冷S（+F或Fe3CII）,3淬火（蘸火）,加熱到Ac3、Ac1以上，保溫，快速冷卻M。,淬火溫度1)亞共析鋼Ac3+30502)過共析鋼Ac1+3050，M+Fe3CII+A，硬度大。A中C%M脆性，殘余A%淬火溫度低M細小，淬火應力小。,冷卻介質,冷卻速度：鹽水水鹽浴油,淬火方法單介質淬火：水、油冷雙介質淬火：水冷+油冷分級淬火：Ms鹽浴中均溫空冷等溫淬火（在鹽、堿浴中）下B,鋼的淬透性,淬火時得到M的能力，取決于臨界冷卻速度VK。,淬透性的應用按負載，選擇不同淬透性的材料。,淬硬性：淬火后獲得的最高硬度，C%淬硬性影響淬透性的因素除Co外，合金使VK,淬透性,(a)完全淬透(b)淬透較大厚度(c)淬透較小厚度淬透性不同的鋼調質后機械性能的比較,4回火,淬火后，加熱到Ac1以下，保溫，冷卻。目的：消除淬火應力，調整性能。,低溫回火（150250）回火M(過飽和F+薄片狀Fe2.4C)+A淬火應力，韌性，保持淬火后的高硬度。用于高C工具鋼等。中溫回火（350500）回火T(F+細粒狀Cm)彈性極限和屈服強度，韌性和硬度中等。用于彈簧等。高溫回火（500650）回火S(等軸狀F+粒狀Cm)綜合機械性能最好,即強度、塑性和韌性都較好。用于重要零件。調質處理淬火+高溫回火,回火產物的組織形態(tài)比較,回火M400,回火T7500,回火S7500,M低倍,T1000,S1000,回火時性能的變化,回火溫度硬度、強度，塑性,鋼的表面熱處理表面淬火,不改變心部組織，利用快速加熱將表層A化后進行淬火。目的：提高表面硬度，保持心部良好的塑韌性。,感應加熱表面淬火交變磁場感應表面電流表面加熱,特點1)加熱速度快，晶粒度小，硬度，脆性2)表層殘余壓應力提高疲勞強度3)不易氧化、脫碳、變形小。4)加熱溫度和淬硬層厚度容易控制。,火焰加熱表面淬火（乙炔氧等火焰）設備簡單，但生產率低。,鋼的化學熱處理,將工件置于特定的介質中加熱、保溫，使介質中的活性原子滲入工件表層，以改變表層的化學成分、組織和性能。分類滲C、N化、CN共滲、滲硼、滲鉻、滲Al等。,鋼的滲C氣體、固體滲C,低C鋼在高C介質中加熱到900950、保溫高碳表層（約1.0%）目的：表面硬度，耐磨性，心部保持一定的強度和塑韌性。,滲碳后的的熱處理,淬火直接淬火晶粒粗大，殘余A多，耐磨性低，變形大。一次淬火加熱溫度Ac3以上（心部性能）或Ac1以上（表面性能）二次淬火Ac3以上（心部性能）+Ac1以上（表面性能）,低溫回火,150200，消除淬火應力，提高韌性。,鋼的氮化,工件表面滲入N原子，以提高硬度、耐磨性，疲勞強度和耐蝕性。氮化溫度低(500600)，時間長（2050h），滲層薄。氮化前調質處理、氮化后無須淬火。,小結,重點要求1.A等溫冷卻曲線，轉變溫度與轉變產物的組織形態(tài)、性能間的關系。2.A連續(xù)冷卻轉變曲線的特點，冷卻速度對組織和性能的影響。3.四種常規(guī)熱處理的目的、工藝特點及應用。一般要求1.A晶粒長大的影響因素及控制方法。2.非共析鋼C曲線的特點；淬透性的概念。3.鋼的表面淬火；化學熱處理。,第3章合金鋼,3.1概述3.2合金鋼的分類和編號3.3合金元素在鋼中的作用3.4合金結構鋼3.5合金工具鋼,合金鋼,碳素鋼品種齊全，冶煉、加工成型比較簡單，價格低廉。經過一定的熱處理后，其力學性能得到不同程度的改善和提高，可滿足工農業(yè)生產中許多場合的需求。但是碳素鋼的淬透性比較差，強度、屈強比、高溫強度、耐磨性、耐腐蝕性、導電性和磁性等也都比較低，它的應用受到了限制。因此，為了提高鋼的某些性能，滿足現(xiàn)代工業(yè)和科學技術迅猛發(fā)展的需要，人們在碳素鋼的基礎上，有目的地加人了錳、硅、鎳、釩、鎢、鉬、鉻、鈦、硼、鋁、銅、氮和稀土等合金元素，形成了合金鋼。合金元素的加入，不但會對鋼中的基本相、FeFe，C相圖和鋼的熱處理相變過程產生較大的影響，同時還改變了鋼的組織結構和性能，合金元素在鋼中的作用是一個非常復雜的物理、化學過程。,3.2合金鋼的分類和編號,3.2.1合金鋼的分類,3.2.1.1按合金鋼的用途分類(1)合金結構鋼主要用于制造重要的機械零部件和工程結構件的鋼。包括普通低合金鋼、易切削鋼、滲碳鋼、調質鋼、彈簧鋼、滾動軸承鋼等。(2)合金工具鋼主要用于制造重要工具的鋼，包括刃具鋼、模具鋼、量具鋼等。(3)特殊性能鋼主要用于制造有特殊物理、化學、力學性能要求的鋼，包括不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。,3.2.1.2按合金元素的含量分類,碳鋼：(1)低碳鋼:0.25c(2)中碳鋼:0.25-0.6c(3)高碳鋼:0.6c合金鋼：(1)低合金鋼：鋼中合金元素總的質量分數(shù)WMe5。(2)中合金鋼：鋼中合金元素總的質量分數(shù)Wme：510。(3)高合金鋼：鋼中合金元素總的質量分數(shù)WMe10。,3.2.1.3按平衡狀態(tài)或退火組織分類,可以分為:亞共析鋼共析鋼過共析鋼和萊氏體鋼,3.2.2合金鋼的牌號表示方法,3.2.2.1合金結構鋼的牌號表示方法,根據(jù)國家標準的規(guī)定，合金結構鋼的牌號用“兩位數(shù)字+元素符號十數(shù)字”表示。元素符號前兩位數(shù)字表示鋼的平均碳質量分數(shù)wC，以萬分之一為單位計。元素符號用合金元素的符號表示，其后面的數(shù)字表示該合金元素的質量分數(shù)，以百分之一為單位計。當wMe1.5時，只標明元素名稱，不標明質量分數(shù)；當wMe(1.52.4)，(2.53.4)，時，則在元素符號后相應地標上2、3、4。如15MnV，表示碳的平均質量分數(shù)為0.15C，錳、釩的平均質量分數(shù)均小于1.5的合金結構鋼。若為高級優(yōu)質鋼，則在鋼的牌號末尾加上“A”，如18Cr2Ni4WA。,對屬于合金結構鋼的滾動軸承鋼，則采用另外的方法來表示其牌號。滾動軸承鋼牌號的首位用“滾”或滾字的漢語拼音字首“G”來表示其用途，后面緊跟的是滾動軸承的常用元素“Cr”，其后數(shù)字則表示鉻的質分數(shù)，以千分之一為單位計。如GCrl5，表示鋼中鉻的平均質量分數(shù)為15。易切削鋼牌號的表示方法與相似，用“易”或“易”字的漢語拼音宇首“Y”開頭，后面和合金結構鋼牌號表示方法無異，如(易40錳或40Mn)，表示wC0.40，wMn15的易切削鋼。,3.2.2.2合金工具鋼的牌號表示方法,與合金結構鋼的牌號表示方法相比，合金工具鋼中合金元素的表示方法未變，如CrWMn表示合金元素平均質量分數(shù)wCr、wW、wMn均小于1.5，合金工具鋼的碳含量表示方法則有所不同，當C%1.0，不標出碳質量分數(shù)，如CrWMn鋼。當wC1.0時，用一位數(shù)字在最前面表示碳質量分數(shù)，以千分之一為單位計，其后緊隨合金元素，如9SiCr表示碳質量分數(shù)平均為0.9C，wSi、wCr皆小于1.5。高速工具鋼的碳的平均質量分數(shù)無論是多少，都不標出。如W18Cr4V鋼碳的平均質量分數(shù)在(0.7一0.8)C之間。,3.2.2.3特殊性能鋼的牌號表示方法,特殊性能鋼牌號的表示方法與合金工具鋼基本相同，如9Crl8鋼表示鋼中碳的平均質量分數(shù)為0.9C，鉻的平均質量分數(shù)為18Cr。但是不銹鋼、耐熱鋼在碳質量分數(shù)很低時，表示方法有所不同，當碳平均質量分數(shù)C0.03或C0.08時，分別在第一個合金元素符號前冠“00”或“0”表示其碳平均質量分數(shù)，如00Crl7Nil4M02、0Crl8Ni9鋼等。由于耐磨鋼零件經常是鑄造成型后就使用，其牌號最前面是“ZG”，表示鑄鋼，緊隨其后是元素符號，然后是該元素的平均質量分數(shù)，以百分之一計，橫杠后數(shù)字表示序號。如ZGMnl31表示鑄造高錳鋼，含錳平均為13Mn，序號為1。,3.3合金元素在鋼中的作用,3.3.1合金元素在鋼中存在的形式（1）一部分合金元素可溶于鐵素體中形成合金鐵素體（2）一部分合金元素則會溶于滲碳體中形成合金滲碳體（3）與碳相互作用形成碳化物一般將合金元素分為非碳化物形成元素和碳化物形成元素兩類：碳化物形成元素有（按強弱次序排列）：鈦、鋯、鈮、釩、鎢、鉬、鉻、錳、鐵。非碳化物形成元素有：鎳、硅、鋁、鈷等，（4）以游離形式存在（Cu、Pb等）,3.3.1.1合金元素對鐵素體的影響,由于合金元素與鐵在原子尺寸和晶格類型等方面存在著一定的差異，所以當合金元素溶人時，會使鐵素體的晶格發(fā)生不同程度的畸變，使其塑性變形抗力明顯增加，強度和硬度提高。合金元素與鐵的原子尺寸和晶格類型相差愈大，引起的晶格畸變愈大，產生的固溶強化效應愈大。此外，合金元素常常分布在位錯附近，降低了位錯的可動性，增大了位錯的滑移抗力，也提高了強度和硬度。,兩圖反映了合金元素對鐵素體硬度和沖擊韌性的影響,3.3.1.2合金元素對滲碳體和特殊碳化物的影響,合金元素是溶人滲碳體，還是形成特殊碳化物，是由它們與碳親和能力的強弱程度所決定的。（1）強碳化物形成元素鈦、鋯、鈮、釩等，傾向于形成特殊碳化物。（2）中強碳化物形成元素鎢、鉬、鉻等，可形成滲碳體類型碳化物，又可形成特殊碳化物。（3）弱碳化物形成元素錳，一般形成合金滲碳體,3.3.2合金元素對FeFe3C相圖的影晌,3.3.2.1合金元素對r相區(qū)的影響,合金元素對r相區(qū)的影響(a)擴大r相區(qū)；(b)縮小r相區(qū),擴大r相區(qū)元素(能使r相區(qū)擴大):鎳、錳、鈷、碳、氮、銅等,使A3，點下降，A4點上升?？s小r相區(qū)元素(能使r相區(qū)縮小):鉻、釩、鉬、鎢、鈦、鋁、硅、硼、鈮、鋯等,使A3點上升，A4點下降。,3.3.2.2合金元素對S點和E點的影響,擴大r區(qū)元素錳、鎳等會使S點和E點向左下方移動；縮r區(qū)元素鉻、硅等會使S點和E點向左上方移動，,3.3.3合金元素對鋼在加熱和冷卻時轉變的影響,3.3.3.1合金元素對鋼在加熱轉變時的影響(1)對奧氏體化的影響強碳化物形成元素鈦、鈮、鋯延緩奧氏體化過程。非碳化物形成元素鎳、鈷等促進奧氏體轉變。(2)對奧氏體晶粒尺寸的影響除錳以外的大多數(shù)合金元素都有阻礙奧氏體晶粒長大的趨勢強碳化物形成元素鈦、鋯、鈮、釩的作用尤為明顯非碳化物形成元素硅、鎳、銅等對奧氏體晶粒長大影響不大,3.3.3.2含金元素對過冷奧氏體轉變的影響,（1）對“C”曲線的影響：除鈷以外的大多數(shù)合金元素都不同程度地使C曲線右移，增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，提高鋼的淬透性（只有當合金元素完全溶人奧氏體中才會產生以上的作用）。（2）對Ms點的影響：除鈷、鋁以外，大多數(shù)合金元素溶人奧氏體中會降低鋼的Ms點，增加了鋼中的殘余奧氏體的數(shù)量,3.4合金結構鋼,3.4.1普通低合金結構鋼3.4.2易切削鋼3.4.3滲碳鋼3.4.4調質鋼3.4.5彈簧鋼3.4.6滾動軸承鋼,3.4.1普通低合金結構鋼,普通低合金結構鋼(簡稱普低鋼):在低碳碳素結構鋼的基礎上加入少量合金元素(總wMe3)得到的鋼。,化學成分：普低鋼中碳的平均質量分數(shù)一般不大于0.2C主加合金元素為Mn,熱處理特點：普低鋼通常是在熱軋或正火狀態(tài)下使用，一般不再進行熱處理。,3.4.2易切削鋼,為了提高鋼的切削加工性能，常常在鋼中加入一種或數(shù)種合金元素，形成了易切削鋼，常用的合金元素有硫、鉛、鈣、磷等。,3.4.3滲碳鋼,用來制造滲碳零件的鋼稱為滲碳鋼,化學成分：C:0.100.25加入合金元素Ni、Cr、Mn、B、Ti、V等.典型鋼號：20Cr、20CrMnTi、20CrNiW,熱處理特點:預先熱處理一般采用正火工藝，滲碳后熱處理一般是淬火+低溫回火，或是滲碳后直接淬火。性能要求：內軟外硬應用：齒輪、模具、軸類工藝流程：下料鍛造正火粗加工淬火+低溫回火精加工,3.4.4調質鋼,調質鋼:經調質處理后使用的鋼稱為調質鋼，根據(jù)是否含合金元素分為碳素調質鋼和合金調質鋼。,化學成分：調質鋼一般是中碳鋼，鋼中碳的質量分數(shù)在(0.300.50)C之間。合金調質鋼的主加元素是Cr、Ni、Si、Mn、B、V、Ti、Nb.典型鋼號：40Cr、35CrMo、30CrMnSi熱處理特點:預先熱處理采用退火或正火工藝，最終熱處理是淬火十高溫回火性能特點：整體綜合機械性能好應用：軸、螺栓、傳動件等工藝流程：下料鍛造完全退火粗加工調質處理精加工,3.4.5彈簧鋼,彈簧鋼:用來制造各種彈性零件如板簧、螺旋彈簧、鐘表發(fā)條等的鋼稱為彈簧鋼。化學成分：彈簧鋼的碳質量分數(shù)在(0.400.70)C之間，合金彈簧鋼中的主加合金元素是Si、Mn、Cr。典型鋼號：60Si2Mn、65Mn、熱處理特點:熱處理是淬火十中溫回火性能特點：彈性好應用：彈性元件工藝流程：下料成型熱處理成品,3.4.6滾動軸承鋼,滾動軸承鋼用來制作各種滾動軸承零件如軸承內外套圈，滾動體(滾珠、滾柱、滾針等)的專用鋼稱為滾動軸承鋼。化學成分：滾動軸承鋼碳的質量分數(shù)較高，一般在(0.951.10)C之間。鉻是滾動軸承鋼的基本合金元素，其質量分數(shù)為(0.41.05)Cr。典型鋼號：GCr15、GCr9熱處理特點：滾動軸承的預先熱處理采用球化退火，最終熱處理一般是淬火+低溫回火。性能特點：高硬度、高耐磨性能應用：滾動軸承、工模具等工藝流程：下料鍛造球化退火粗加工最終熱處理精加工冷處理,3.5合金工具鋼,在碳素工具鋼基礎上加人一定種類和數(shù)量的合金元素，用來制造各種刃具、模具、量具等用鋼就稱為合金工具鋼。與碳素工具鋼相比，合金工具鋼的硬度和耐磨性更高，而且還具有更好的淬透性、紅硬性和回火穩(wěn)定性。因此常被用來制作截面尺寸較大、幾何形狀較復雜、性能要求更高的工具。,分類：刃具鋼模具鋼量具鋼,3.5.1刃具鋼,用來制造車刀、銑刀、銼刀、絲錐、鉆頭、板牙等刃具的鋼統(tǒng)稱為刃具鋼。,低合金刃具鋼：低合金刃具鋼碳的平均質量分數(shù)大都在(0.75-1.5)C之間，合金元素：Cr、Si、Mn、W。典型鋼號：9SiCr、9Mn2V、CrWMn熱處理特點：預先熱處理采用球化退火，最終熱處理一般是淬火+低溫回火。性能特點：高硬度高鋒利度、高耐磨性能應用：制造車刀、銑刀、銼刀、絲錐、鉆頭、板牙等刃具工藝流程：下料鍛造球化退火粗加工最終熱處理精加工,高合金工具鋼（高速鋼）,高速鋼的碳含量較高，一般為(0.70-1.50)C。合金含量超過15%。典型鋼號：W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2熱處理特點：高速鋼淬火后要在560回火三次。淬火溫度接近熔點性能特點：高硬度高紅硬性、高耐磨性能應用：制造車刀、銑刀、拉刀等刃具工藝流程：下料鍛造球化退火粗加工最終熱處理精加工,3.5.2模具鋼,用作冷沖壓模、熱鍛壓模、擠壓模、壓鑄模等模具的鋼稱為模具鋼。分為冷作模具鋼和熱作模具鋼兩大類。,低合金冷作模具鋼,低合金工具鋼：低合金工具鋼碳的平均質量分數(shù)大都在(0.75-1.5)C之間，合金元素：Cr、Si、Mn、W。典型鋼號：9SiCr、9Mn2V、CrWMn、GCr15熱處理特點：預先熱處理采用球化退火，最終熱處理一般是淬火+低溫回火。性能特點：高硬度、高耐磨性能應用：制造形狀簡單，承載小的冷作模具工藝流程：下料鍛造球化退火粗加工最終熱處理精加工,高合金冷作模具鋼,高合金工具鋼：高合金工具鋼碳的平均質量分數(shù)大都在(0.75-1.5)C之間，合金元素：Cr、V、Mo。典型鋼號：Cr12、Cr12MoV熱處理特點：預先熱處理采用球化退火，最終熱處理一般是淬火+低溫回火。性能特點：高硬度、高耐磨性能應用：制造形狀復雜，承載大的冷作模具工藝流程：下料鍛造球化退火粗加工最終熱處理精加工,低合金熱作模具鋼,低合金熱作模具：平均質量分數(shù)大都在(0.4-0.5)C之間，合金元素：Cr、Ni、Mn、Mo。典型鋼號：5CrNiMo、5CrMnMo熱處理特點：預先熱處理采用退火，最終熱處理一般是淬火+高溫回火。性能特點：高強度、高熱疲勞性能應用：制造熱鍛模具工藝流程：下料鍛造退火粗加工最終熱處理精加工,3.5.3量具鋼,用于制造卡尺、千分尺、樣板、塞規(guī)、塊規(guī)、螺旋測微儀等各種測量工具的鋼被稱為量具鋼。,3.6特殊性能鋼,6.6.1不銹鋼不銹鋼是指某些在大氣和一般介質中具有較高化學穩(wěn)定性的鋼馬氏體不銹鋼（通過熱處理可以調整其力學性能的不銹鋼）鐵素體不銹鋼（這類鋼從室溫加熱到高溫，始終都是單相鐵素體組織）奧氏體不銹鋼（這類鋼有較高質量分數(shù)的鎳，擴大了奧氏體區(qū)域，室溫下能夠保持單相奧氏體組織）,不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等具有特殊物理、化學性能的鋼被統(tǒng)稱為特殊性能鋼。,3.6.2耐熱鋼,耐熱鋼是指具有良好的高溫抗氧化性和高溫強度的鋼。,3.6.3耐磨鋼,耐磨鋼主要是指在強烈沖擊載荷作用下發(fā)生硬化的高錳鋼。,第4章鑄鐵,4.1概述4.2常用鑄鐵,鑄鐵,4.1概述,7.1.1鑄鐵的特點及分類1.特點(1)成分：C2.11%wt的鐵碳合金稱為鑄鐵，特點是含有較高的C和Si，同時也含有一定的Mn、P、S等雜質元素。常用鑄鐵的成分為：2.54.0%C，1.03.0%Si0.51.4%Mn，0.010.50%P，0.020.20%S。為提高鑄鐵性能，常加入合金元素Cr、Mo、V、Cu、Al等形成合金鑄鐵。,（2）組織：鑄鐵中C、Si含量較高，C大部分、甚至全部以游離狀態(tài)石墨（G）形式存在。,（3）性能：鑄鐵的缺點是由于石墨的存在，使它的強度、塑性及韌性較差，不能鍛造，優(yōu)點是其接近共晶成分，具有良好的鑄造性；由于游離態(tài)石墨存在，使鑄鐵具有高的減摩性、切削加工性和低的缺口敏感性。目前，許多重要的機械零件能夠用球墨鑄鐵來代替合金鋼。,2.分類根據(jù)C的存在形式，可以將鑄鐵分為：（1）白口鑄鐵：C全部以滲碳體形式存在，如共晶鑄鐵組織為Ld，斷口白亮，硬而脆，很少應用；（2）灰口鑄鐵：C大部分或全部以石墨形式存在，如共晶鑄鐵組織為F+G、F+P+G、P+G，斷口暗灰，廣泛應用；（3）麻口鑄鐵：C大部分以滲碳體形式存在，少部分以石墨形式存在，如共晶鑄鐵組為Ld+P+G，斷口灰白相間，硬而脆，很少應用。,根據(jù)石墨形態(tài)，灰口鑄鐵可以分為：（1）普通灰口鑄鐵：G呈片狀；（2）孕育鑄鐵：G呈細片狀；（3）可鍛鑄鐵：G呈團絮狀；（4）蠕墨鑄鐵：G呈蠕蟲狀；（5）球墨鑄鐵：G呈球狀。根據(jù)金屬基體組織不同，灰口鑄鐵又可分為：F、F+P及P灰口鑄鐵。,1.影響鑄鐵石墨化因素主要化學成分、冷卻速度及鐵水處理等因素。（1）化學成分合金元素可以分為促進石墨化元素和阻礙石墨化元素，順序為：Al、C、Si、Ti、Ni、P、Co、Zr、Nb、W、Mn、S、Cr、V、Fe、Mg、Ce、B等。其中，Nb為中性元素，向左促進程度加強，向右阻礙程度加強。C和Si是鑄鐵中主要的強烈促進石墨化元素，為綜合考慮它們的影響，引入碳當量CE=C%+1/3Si%，一般CE4%，接近共晶點。S是強烈阻礙石墨化元素，降低鑄鐵的鑄造和力學性能，控制其含量。,（2）冷卻速度冷速越快，不利于鑄鐵的石墨化，這主要取決于澆注溫度、鑄型材料的導熱能力及鑄件壁厚等因素。冷速過快，第二階段石墨化難以充分進行。右圖給出C、Si總量和冷卻速度對鑄鐵組織的影響，稱為Greiner組織圖，分析之。,4.2常用鑄鐵,4.2.1灰口鑄鐵灰口鑄鐵中的G呈片狀分布，分為普通灰口鑄鐵和孕育鑄鐵。,1.灰口鑄鐵的牌號、成分與組織（1）牌號：新標準GB5612-85，HT（灰鐵）+三位數(shù)字（最低b），表7-1。其中，HT100為F基，HT150為F+P基，HT200250為P基，HT250350為孕育鑄鐵。（2）成分：2.53.6%C，1.12.5%Si，0.61.2%Mn及少量S和P。（3）組織：G呈片狀，按基體分為F、F+P及P灰口鑄鐵，分別適用于低、中、較高負荷，如下圖。,2.灰口鑄鐵的性能與應用由于粗大片狀的G存在，灰口鑄鐵的抗拉強度、塑性及韌性低，但其鐵水流動性好、凝固收縮小、缺口敏感性小、抗壓強度高、切削加工性好，并且具有減摩及消震作用。,3.灰口鑄鐵的孕育處理加入0.30.8%硅鐵，經孕育劑處理的孕育鑄鐵具有更高的性能，用于制造承受高載荷的另構件。,4.灰口鑄鐵的熱處理只能改變基體，而不能改變G的形態(tài)和分布，強化效果不如鋼和球墨鑄鐵。（1）消除內應力退火（人工時效）為消除內應力引起的變形或開裂，將鑄件緩慢加熱（60100/h）至500550保溫一點時間（每10mm保溫2h），然后隨爐緩冷（2040/h）至150200出爐空冷。（2）高溫石墨化退火為消除表面或薄壁處的白口組織，降低硬度，改善切削加工性，將鑄件加熱至850950保溫14h（A+G），使部分滲碳體分解為G，然后隨爐緩冷至400500以下出爐空冷。高溫退火得到F或F+P基灰口鑄鐵。,（3）正火為消除白口和提高強度、硬度及耐磨性，將鑄件加熱至850950，保溫13h，然后出爐空冷，最后得到P基灰口鑄鐵。（4）表面淬火為提高表面強度、硬度、耐磨性及疲勞強度，通過表面淬火使鑄件表層得到細M和石墨的硬化層。一般選用孕育鑄鐵，基體最好為P組織。,4.2.2可鍛鑄鐵由一定成分的白口鑄鐵經石墨化退火使?jié)B碳體分解為團絮狀G的一種高強度灰口鑄鐵，分為黑心可鍛鑄鐵（F基）、珠光體可鍛鑄鐵（P基）及白心可鍛鑄鐵（表層氧化脫碳，少用）。可鍛鑄鐵的強度、韌性，特別是塑性高于普通灰口鑄鐵，實際不能鍛造。,1.可鍛鑄鐵的牌號、成分與組織（1）牌號：按GB978-67，KT（可鐵）+H、Z、B（黑心、珠光體、白心）+三位數(shù)字（最低b）+二位數(shù)字（最低）。（2）成分：可鍛鑄鐵由兩個矛盾的工藝組成，即先得到白口鐵，再經石墨化退火得到可鍛鑄鐵。因此，要適當降低石墨化元素C、Si和增加阻礙石墨化元素Mn、Cr，化學成分為：2.42.8%C，0.81.4%Si，0.30.6%Mn（珠光體可鍛鑄鐵1.01.2%）。,（3）組織：基體為F和P，G為團絮狀，如下圖,2.可鍛鑄鐵的石墨化退火（1）黑心可鍛鑄鐵：將白口鐵加熱至9501000，保溫約15h，共晶Fe3CA+團絮狀G。從高溫冷卻至720750，AG，在這個溫度區(qū)間以35/h速度通過共析溫區(qū)，AF+團絮狀G；也可在略低于共析溫度保溫1520h，共析Fe3CF+團絮狀G，最后得到F可鍛鑄鐵。,（2）P可鍛鑄鐵：加熱后冷卻至800860，AG，然后出爐空冷使共析Fe3C不分解，最后得到P可鍛鑄鐵，如下圖,3.可鍛鑄鐵的性能與應用F可鍛鑄鐵塑性及韌性較好，P可鍛鑄鐵強度、硬度及耐磨性較高。,4.2.3球墨鑄鐵始于1948年，我國于1950年開始研制鎂石墨鑄鐵。由于G呈球狀分布，球墨鑄鐵的性能遠優(yōu)于其他鑄鐵，應用甚廣。1.球墨鑄鐵的牌號、成分與組織（1）牌號：按GB1348-78，QT（球鐵）+三位數(shù)字（最低b）+兩位數(shù)字（最低）。,（2）成分：強烈石墨化元素C、Si含量較高，CE4.54.7%，屬于過共晶，含碳量過低，球化不良，含碳量過高，G漂浮。一般采取“高碳低硅原則”。阻礙石墨化元素Mn，有利與形成P基體，含量較低。S、P限制很嚴。由球化劑殘留的微量Mg及RE?；瘜W成分一般為：3.63.9%C，2.03.0%Si，0.60.7%Mn。,（3）組織：G呈球狀分布于金屬基體中，每個球是由若干個錐形石墨單晶體組成，這些單晶體是由共同的結晶核心沿徑向生長而成?；w有F、F+P、P或通過熱處理得到S、T、下B、M等，如下圖。,2.球墨鑄鐵的球化處理與孕育處理將球化劑加入鐵水中（一般放入澆包底部）的操作過程稱為球化處理。常用的球化劑有鎂、稀土及稀土鎂合金。鎂和稀土為強烈阻礙石墨化元素，為防止白口，同時進行孕育處理，孕育劑一般選用硅鐵。3.球墨鑄鐵的性能與應用球鐵具有優(yōu)良的機械性能，G的圓整度好、球徑小、分布均勻，性能越高。在“以鑄代鍛，以鐵代鋼”方面有廣泛應用。,4.球墨鑄鐵的熱處理球鐵的機械性能除與G有關外，主要取決于基體。通過