《金屬材料基礎(chǔ)知識(shí)》PPT課件.ppt

金屬材料基礎(chǔ)知識(shí) 金屬材料的基本定義 金屬材料 是由金屬元素或以金屬元素為主要材料構(gòu)成的并具有金屬特性的工程材料 純金屬金屬材料合金 金屬材料的性能 力學(xué)性能 物理性能 化學(xué)性能 工藝性能 金屬材料的性能 使用性能 力學(xué)性能 力學(xué)性能指金屬在力的作用下所顯示出的與彈性和非彈性反應(yīng)相關(guān)或涉及應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系的性能 如彈性 強(qiáng)度 硬度 塑性 韌性等 強(qiáng)度概念 金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力 通過拉伸試驗(yàn)測(cè)得大小 強(qiáng)度的大小通常用應(yīng)力來表示 F S 應(yīng)力Pa1Pa 1N m21MPa 106Pa按載荷的作用方式不同 強(qiáng)度可分為 抗拉強(qiáng)度 抗壓強(qiáng)度 抗彎強(qiáng)度 抗剪強(qiáng)度 和抗扭強(qiáng)度 注意 一般多以抗拉強(qiáng)度作為判別金屬強(qiáng)度高低的指標(biāo) 拉伸實(shí)驗(yàn) 金屬的抗拉強(qiáng)度和塑性都是通過拉伸試驗(yàn)測(cè)定 GB T228 1 2010 1 拉伸試樣 2 力 伸長(zhǎng)曲線 以低碳鋼試樣為例 3 脆性材料的拉伸曲線 1 拉伸試樣 GB6397 86 長(zhǎng)試樣 L0 10d0 短試樣 L0 5d0 萬能材料試驗(yàn)機(jī)a WE系列液壓式b WDW系列電子式 2 力 伸長(zhǎng)曲線 彈性變形階段0p 屈服階段ss 頸縮現(xiàn)象bz 拉伸試驗(yàn)中得出的拉伸力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系曲線 強(qiáng)化階段s b a 試樣 b 伸長(zhǎng) c 產(chǎn)生縮頸 d 斷裂 拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象 3 脆性材料的拉伸曲線 與低碳鋼試樣相對(duì)比 脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象 強(qiáng)度指標(biāo) 1 屈服點(diǎn) s材料產(chǎn)生屈服時(shí)的最小應(yīng)力 單位為MPa s Fs A0式中 Fs是屈服時(shí)的最小載荷 N A0是試樣原始截面積 對(duì)于無明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料 如高碳鋼 鑄鐵 測(cè)量屈服點(diǎn)很困難 工程上經(jīng)常采用殘余伸長(zhǎng)為0 2 原長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力 0 2作為屈服強(qiáng)度指標(biāo) 稱為規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力 0 2 F0 2 A0 2 抗拉強(qiáng)度 b材料在拉斷前所承受的最大應(yīng)力 單位為MPa 抗拉強(qiáng)度表示材料抵抗均勻塑性變形的最大能力 也是設(shè)計(jì)機(jī)械零件和選材的主要依據(jù) b Fb A0式中 Fb是試樣斷裂前所承受的最大載荷 N 強(qiáng)度的意義強(qiáng)度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力 一般鋼材的屈服強(qiáng)度在200 1000MPa之間 強(qiáng)度越高 表明材料在工作時(shí)越可以承受較高的載荷 當(dāng)載荷一定時(shí) 選用高強(qiáng)度的材料 可以減小構(gòu)件或零件的尺寸 從而減小其自重 因此 提高材料的強(qiáng)度是材料科學(xué)中的重要課題 稱之為材料的強(qiáng)化 塑性金屬材料在載荷的作用下 產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力稱為塑性 通過拉伸試驗(yàn)測(cè)得的常用塑性指標(biāo)有 斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率 主要指標(biāo) 1 斷后伸長(zhǎng)率 2 斷面收縮率 斷后伸長(zhǎng)率 由于同一材料用不同長(zhǎng)度的試樣測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率 數(shù)值不同 因此應(yīng)注明試樣尺寸比例 如 10 試樣L0 10d0 5 試樣L0 5d0 斷面收縮率 和 是用來判斷材料在斷裂前所能產(chǎn)生的最大塑性變形量大小 一般認(rèn)為 5 的材料為塑性材料 如低碳鋼 5 的為脆性材料 如灰鑄鐵 塑性對(duì)材料的意義 1 是金屬材料進(jìn)行壓力加工的必要條件 2 提高安全性 因?yàn)榱慵诠ぷ鲿r(shí)萬一超載 也會(huì)由于塑性變形使材料強(qiáng)化而避免突然斷裂 強(qiáng)度與塑性是一對(duì)相互矛盾的性能指標(biāo) 在金屬材料的工程應(yīng)用中 要提高強(qiáng)度 就要犧牲一部分塑性 反之 要改善塑性 就必須犧牲一部分強(qiáng)度 正所謂 魚和熊掌二者不能兼得 但通過細(xì)化金屬材料的顯微組織 可以同時(shí)提高材料的強(qiáng)度和塑性 硬度 硬度 硬度試驗(yàn)方法 壓入法 它是材料性能的一個(gè)綜合的物理量 表示金屬材料在一個(gè)小的體積范圍內(nèi)金屬材料抵抗局部變形 特別是塑性變形 壓痕或劃痕的能力 硬度是各種零件和工具必須具備的力學(xué)性能指標(biāo) 布氏硬度 HB 洛氏硬度 HR 維氏硬度 HV 材料抵抗表面局部塑性變形的能力 1 布氏硬度試驗(yàn) 布氏硬度計(jì) 原理 用一定直徑的球體 淬火鋼球或硬質(zhì)合金球 以相應(yīng)的試驗(yàn)力壓入待測(cè)材料表面 保持規(guī)定時(shí)間并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后卸除試驗(yàn)力 測(cè)量材料表面壓痕直徑 以計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn)方法 2 布氏硬度值用球面壓痕單位面積上所承受有平均壓力表示 如 120HBS500HBW 4 測(cè)量范圍用于測(cè)量灰鑄鐵 結(jié)構(gòu)鋼 非鐵金屬及非金屬材料等 布氏硬度 3 優(yōu)缺點(diǎn) 1 測(cè)量值較準(zhǔn)確 重復(fù)性好 可測(cè)組織不均勻材料 鑄鐵 2 可測(cè)的硬度值不高 3 不測(cè)試成品與薄件 4 測(cè)量費(fèi)時(shí) 效率低 1 洛氏硬度試驗(yàn) 洛氏硬度計(jì) 原理 用金剛石圓錐或淬火鋼球 在試驗(yàn)力的作用下壓入試樣表面 經(jīng)規(guī)定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力 用測(cè)量的殘余壓痕深度增量來計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn) 2 洛氏硬度值用測(cè)量的殘余壓痕深度表示 可從表盤上直接讀出 如 50HRC其中A B C為不同的標(biāo)尺 4 測(cè)量范圍用于測(cè)量淬火鋼 硬質(zhì)合金等材料 洛氏硬度 3 優(yōu)缺點(diǎn) 1 試驗(yàn)簡(jiǎn)單 方便 迅速 2 壓痕小 可測(cè)成品 薄件 3 數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確 應(yīng)測(cè)三點(diǎn)取平均值 4 不應(yīng)測(cè)組織不均勻材料 如鑄鐵 1 維氏硬度試驗(yàn) 原理 用夾角為136 的金剛石四棱錐體壓頭 使用很小試驗(yàn)力F 49 03 980 07N 壓入試樣表面 測(cè)出壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d 2 維氏硬度值用壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度表示 如 640HV 4 測(cè)量范圍常用于測(cè)薄件 鍍層 化學(xué)熱處理后的表層等 維氏硬度 3 優(yōu)缺點(diǎn) 1 測(cè)量準(zhǔn)確 應(yīng)用范圍廣 硬度從極軟到極硬 2 可測(cè)成品與薄件 3 試樣表面要求高 費(fèi)工 沖擊韌性 強(qiáng)度 硬度 塑性等力學(xué)性能指標(biāo)都是材料在靜載荷作用下的表現(xiàn) 材料在工作時(shí)還經(jīng)常受到動(dòng)載荷的作用 沖擊載荷就是常見的一種 在設(shè)計(jì)和制造受沖擊載荷的零件和工具 如鍛錘 沖床 鉚釘槍等 時(shí) 必須考慮所用材料除具有足夠的靜載荷作用下得力學(xué)性能指標(biāo)外 還必須具有足夠的抵抗沖擊載荷的能力 沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別在于加載時(shí)間短 加載速率高 應(yīng)力集中 由于加載速率提高 金屬形變速率也隨之增加 沖擊載荷對(duì)材料的作用效果或破壞效應(yīng)大于靜載荷 材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力 稱為沖擊韌性 示例 玻璃在沖擊載荷作用下非常容易破裂 說明其沖擊韌性很低 沖擊試驗(yàn) 沖擊試樣沖擊試驗(yàn)原理沖擊韌性的表示方法 如不能制備標(biāo)準(zhǔn)試佯 可采用寬度7 5mm或5mm等小尺寸試祥 試樣的其他尺寸及公差與相應(yīng)缺口的標(biāo)準(zhǔn)試樣相同 缺口應(yīng)開在試樣的窄面上 其中5mm 10mm 55mm試樣常用于薄板材料的檢驗(yàn) 焊接接頭沖擊試樣的形狀和尺寸與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)試樣相同 但其缺口軸線應(yīng)當(dāng)垂直焊縫表面 原理 沖擊韌性可以通過一次擺錘沖擊試驗(yàn)來測(cè)定 試驗(yàn)時(shí)將帶有U型或V型缺口的沖擊試樣放在試驗(yàn)機(jī)架的支座上 將擺錘升至高度H1 使其具有勢(shì)能mgH1 然后使擺錘由此高度自由下落將試樣沖斷 并向另一方向升高至H2 這時(shí)擺錘的勢(shì)能為mgH2 所以 擺錘用于沖斷試樣的能量AK mg H1 H2 即為沖擊功 焦耳 J 材料沖擊韌性的表示方法 按照國(guó)標(biāo)GB T229 2007 U型缺口試樣和V型缺口試樣的沖擊能量分別表示為KU和KV 并用下標(biāo)數(shù)字2或8表示擺錘刀刃半徑 如KU2 其單位是焦耳 J 沖擊吸收能量的大小直接由試驗(yàn)機(jī)的刻度盤上直接讀出 沖擊吸收能量的值越大 材料的韌性越大 越可以承受較大的沖擊載荷 沖擊吸收能量K或沖擊韌性值K越大 材料的韌性越大 越可以承受較大的沖擊載荷 一般把沖擊吸收能量低的材料稱為脆性材料 沖擊吸收能量高的材料稱為韌性材料 缺口沖擊試驗(yàn)最大的優(yōu)點(diǎn)就是測(cè)量迅速簡(jiǎn)便用于控制材料的冶金質(zhì)量和鑄造 鍛造 焊接及熱處理等熱加工工藝的質(zhì)量 用來評(píng)定材料的冷脆傾向 測(cè)定韌脆轉(zhuǎn)變溫度 設(shè)計(jì)時(shí)要求機(jī)件的服役溫度高于材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度 沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用 沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用 缺口沖擊試驗(yàn)由于其本身反映一次或少數(shù)次大能量沖擊破斷抗力 因此對(duì)某些特殊服役條件下的零件 如彈殼 裝甲板 石油射孔槍等 有一定的參考價(jià)值 通過一次擺錘沖擊試驗(yàn)測(cè)定的沖擊吸收吸收能量K是一個(gè)由強(qiáng)度和塑性共同決定的綜合性力學(xué)性能指標(biāo) 不能直接用于零件和構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算 但它是一個(gè)重要參考 所以將材料的沖擊韌性列為金屬材料的常規(guī)力學(xué)性能 ReL Rr0 2 Rm A Z和K被稱為金屬材料常規(guī)力學(xué)性能的五大指標(biāo) 低溫脆性 隨溫度降低 材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象 冷脆 材料因溫度降低導(dǎo)致沖擊韌性的急劇下降并引起脆性破壞的現(xiàn)象 對(duì)壓力容器 橋梁 汽車 船舶的影響較大 低溫脆性 沖擊韌性與溫度有密切的關(guān)系 溫度降低 沖擊韌性隨之降低 當(dāng)?shù)陀谀骋粶囟葧r(shí)材料的韌性急劇下降 材料將由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài) 這一溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度 Tt 轉(zhuǎn)變溫度 Tt 越低 表明材料的低溫韌性越好 對(duì)于在寒冷地區(qū)使用的材料要十分重要 金屬材料的成分對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響很大 一般的碳素鋼 其韌脆轉(zhuǎn)變溫度 Tt 大約為 20 某些合金鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度 Tt 可達(dá) 40 以下 TITANIC 建造中的Titanic號(hào) TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān) 1912年4月號(hào)稱永不沉沒的泰坦尼克號(hào) Titanic 首航沉沒于冰海 成了20世紀(jì)令人難以忘懷的悲慘海難 20世紀(jì)80年代后 材料科學(xué)家通過對(duì)打撈上來的泰坦尼克號(hào)船板進(jìn)行研究 回答了80年的未解之謎 由于Titanic號(hào)采用了含硫高的鋼板 韌性很差 特別是在低溫呈脆性 所以 當(dāng)船在冰水中撞擊冰山時(shí) 脆性船板使船體產(chǎn)生很長(zhǎng)的裂紋 海水大量涌入使船迅速沉沒 下圖中左面的試樣取自海底的Titanic號(hào) 沖擊試樣是典型的脆性斷口 右面的是近代船用鋼板的沖擊試樣 提高沖擊韌性的途徑 沖擊韌性是一個(gè)對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)相當(dāng)敏感的量 所以提高材料的沖擊韌性的途徑有 改變材料的成分 如加入釩 鈦 鋁 氮等元素 通過細(xì)化晶粒來提高其韌性 尤其是低溫韌性 提高材料的冶金質(zhì)量 減少偏析 夾渣 氣泡等缺陷 疲勞強(qiáng)度 疲勞概念 在交變應(yīng)力作用下 零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn) 但經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的工作后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象稱為金屬的疲勞 1998年6月3日 德國(guó)發(fā)生了戰(zhàn)后最慘重的一起鐵路交通事故 一列高速列車脫軌 造成100多人遇難 事故的原因已經(jīng)查清 是因?yàn)橐还?jié)車廂的車輪 內(nèi)部疲勞斷裂 引起的 首先是一個(gè)車輪的輪箍發(fā)生斷裂 導(dǎo)致車輪脫軌 進(jìn)而造成車廂橫擺 此時(shí)列車正好過橋 橫擺的車廂以其巨大的力量將橋墩撞斷 造成橋梁坍塌 壓住了通過的列車車廂 并使已通過橋洞的車頭及前5節(jié)車廂斷開 而后面的幾節(jié)車廂則在巨大慣性的推動(dòng)下接二連三地撞在坍塌的橋體上 從而導(dǎo)致了這場(chǎng)近50年來德國(guó)最慘重的鐵路事故 變動(dòng)載荷和循環(huán)應(yīng)力 1 變動(dòng)載荷 引起疲勞破壞的外力 指載荷大小 甚至方向均隨時(shí)間變化的載荷 其在單位面積上的平均值即為變動(dòng)應(yīng)力 變動(dòng)應(yīng)力可分為規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力 也稱循環(huán)應(yīng)力 和無規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力兩種 金屬疲勞產(chǎn)生的原因 a 應(yīng)力大小變化b c 應(yīng)力大小和方向都變化d 應(yīng)力大小和方向無規(guī)則變化 1 平均應(yīng)力 2 應(yīng)力幅 疲勞斷裂零件在循環(huán)應(yīng)力作用下 在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷 經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后突然產(chǎn)生斷裂的過程 稱為疲勞斷裂 疲勞斷裂由疲勞裂紋產(chǎn)生 擴(kuò)展 瞬時(shí)斷裂三個(gè)階段組成 盡管疲勞失效的最終結(jié)果是部件的突然斷裂 但實(shí)際上它們是一個(gè)逐漸失效的過程 從開始出現(xiàn)裂紋到最后破斷需要經(jīng)過很長(zhǎng)的時(shí)間 疲勞斷裂的宏觀斷口一般由三個(gè)區(qū)域組成 即疲勞裂紋產(chǎn)生區(qū) 裂紋源 裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū) 疲勞斷口 3 疲勞斷口 當(dāng)應(yīng)力低于某值時(shí) 材料經(jīng)受無限次循環(huán)應(yīng)力也不發(fā)生疲勞斷裂 此應(yīng)力稱為材料的疲勞極限 記作 R R為應(yīng)力比 就是S N曲線中的平臺(tái)位置對(duì)應(yīng)的應(yīng)力 通常 材料的疲勞極限是在對(duì)稱彎曲疲勞條件下 R 1 測(cè)定的 對(duì)稱彎曲疲勞極限記作 1 4 疲勞強(qiáng)度 疲勞曲線 實(shí)驗(yàn)證明 一般鋼鐵材料所受交變應(yīng)力最大值 max與其失效前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 疲勞壽命 N的曲線關(guān)系 若疲勞曲線上沒有水平部分 常以規(guī)定斷裂循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為條件疲勞極限 對(duì)一般低 中強(qiáng)度鋼 107周次對(duì)高強(qiáng)度鋼 108周次對(duì)鋁合金 不銹鋼 108周次對(duì)鈦合金 107周次 在工程中 有時(shí)根據(jù)零件壽命的要求 在規(guī)定的某一循環(huán)周次下 測(cè)出 max 并稱之為疲勞強(qiáng)度 實(shí)際上就是條件疲勞極限 在工程中 有時(shí)根據(jù)零件壽命的要求 在規(guī)定的某一循環(huán)周次下 測(cè)出 max 并稱之為疲勞強(qiáng)度 實(shí)際上就是條件疲勞極限 提高疲勞極限的途徑 1 在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量避免尖角 缺口和截面突變 2 提高零件表面加工質(zhì)量 3 對(duì)材料表面進(jìn)行強(qiáng)化處理 物理性能 密度熔點(diǎn)導(dǎo)熱性導(dǎo)電性熱膨脹性磁性 化學(xué)性能 耐蝕性抗氧化性化學(xué)穩(wěn)定性 金屬的工藝性能 工藝性能是指金屬材料對(duì)不同加工工藝方法的應(yīng)能力 金屬 材料 及合金在鑄造工藝中獲得優(yōu)良鑄件的能力稱為鑄造性能 1 流動(dòng)性 熔融金屬的流動(dòng)能力稱為流動(dòng)性 主要受金屬化學(xué)成份和澆注溫度等的影響 2 收縮性 鑄件在凝固和冷卻過程中 其體積和尺寸減小的現(xiàn)象稱為引縮性 3 偏析傾向 金屬凝固后 內(nèi)部化學(xué)成分和組織的不均勻現(xiàn)象稱為偏析 鑄造性能 鍛造性能 用鍛壓成形方法獲得優(yōu)良鍛件的難易程度稱為鍛造性能 鑄鐵不能鍛壓 焊接性能 大量接性能是指金屬材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性 切削加性能 切削加工 性能 金屬材料的難易程度稱為切削加工性能 金屬的晶體結(jié)構(gòu)1 晶體與非晶體 固體物質(zhì)按其原子排列的特征 可分為晶體和非晶體 非晶體的原子作不規(guī)則的排列 如松香 玻璃 瀝青等 晶體的原子則按一定次序作有規(guī)則的排列 如金剛石 石墨及固態(tài)金屬和合金 性能差異 晶體具有一定的凝固點(diǎn)和熔點(diǎn) 非晶體沒有 晶體具有各向異性 非晶體各向同性等 簡(jiǎn)單總結(jié) 原子作有序排列 有固定的熔點(diǎn) 各向異性 原子作無序排列 沒有固定的熔點(diǎn) 各向同性 固態(tài)的金屬和合金都是晶體 晶格 原子排列形成的空間格子 晶胞 組成晶格最基本的單元 晶格常數(shù) a b c單位 埃 2 晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí)1 晶格 把每個(gè)原子看成一個(gè)點(diǎn) 結(jié)點(diǎn) 把這些點(diǎn)用直線連接起來 所形成一個(gè)空間格子 2 晶胞 能代表整個(gè)晶格中原子排列規(guī)律的最小單元 3 晶格常數(shù) 晶胞中各棱邊的長(zhǎng)度 及夾角 簡(jiǎn)單立方晶格與晶胞示意圖 a 晶體中原子排列 b 晶格 c 晶胞簡(jiǎn)單立方晶格與晶胞示意圖 原子在晶格中的位置關(guān)系可以用晶面和晶向來表示 4 晶面 通過原子中心的平面 5 晶向 通過原子中心的直線所指的方向 3 常見的金屬晶格類型1 體心立方晶格 a b c 90 常見金屬 Fe Cr W Mo V Nb等 體心立方晶胞模型 晶胞 晶胞原子數(shù) 2 面心立方晶格 常見金屬 Fe Ni Al Cu Pb Au等 面心立方晶胞模型 晶胞 晶胞原子數(shù) 3 密排六方晶格 常見金屬 Mg Zn Be Cd等 密排六方晶胞模型 晶胞 晶胞原子數(shù) 4 金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)1 晶體缺陷 金屬晶體中 原子排列或多或少地存在偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域 稱為晶體缺陷 1 點(diǎn)缺陷 點(diǎn)缺陷示意圖 2 線缺陷 線缺陷就是晶格中的位錯(cuò)現(xiàn)象 常見的位錯(cuò)類型有刃型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò)等 如圖所示 位錯(cuò)也引起晶格畸變 金屬強(qiáng)度與位錯(cuò)密度的關(guān)系是 位錯(cuò)的存在可降低理想晶體的強(qiáng)度 大量的位錯(cuò)又可使其強(qiáng)度提高 生產(chǎn)中一般采用增加位錯(cuò)的辦法提高材料的強(qiáng)度 透射電鏡觀察鈦合金中的位錯(cuò)線 高分辨率電鏡觀察刃位錯(cuò) 白點(diǎn)為原子 3 面缺陷 表面 界面晶界是不同位向晶粒的過度部位 寬度為5 10個(gè)原子間距 晶界的過渡層結(jié)構(gòu)示意圖 面缺陷示意圖 面缺陷 孿晶 雙晶 2 多晶體結(jié)構(gòu)單晶體 晶體內(nèi)部的晶格方位完全一致 晶粒 外形不規(guī)則而內(nèi)部晶格方位一致的小晶體 晶界 晶粒之間的界面 多晶體 許多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu) 工業(yè)上使用的金屬都是 由許多小晶體 晶粒 組成的多晶體 多晶體的晶粒和晶界示意圖 二 金屬的結(jié)晶過程和同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1純金屬的結(jié)晶 1 結(jié)晶的概念 液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過程 2 純金屬的冷卻曲線 過冷現(xiàn)象過冷是結(jié)晶的必要條件 過冷度 T T0 T12 純金屬的結(jié)晶過程 純金屬結(jié)晶過程示意圖液態(tài)金屬 溫度降至熔點(diǎn)附近 自發(fā)形核 核心長(zhǎng)大 液態(tài)金屬消失 基本過程 形核 長(zhǎng)大 即晶核的生成和晶核的長(zhǎng)大 3 金屬結(jié)晶后晶粒的大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響一般來說 晶粒愈細(xì) 晶界愈多 晶格排列方向犬牙交錯(cuò) 相互咬合 增強(qiáng)金屬結(jié)合力 因此金屬的強(qiáng)度和硬度愈高 同時(shí)塑性和韌性也愈好 細(xì)化晶粒的途徑1 增加過冷度 冷卻速度愈大 過冷度愈大 形核數(shù)量愈多 晶粒愈細(xì) 2 變質(zhì)處理 在實(shí)際生產(chǎn)中 通過向金屬液中加入某些物質(zhì) 稱為變質(zhì)劑 在金屬液中形成大量分散的人工的非自發(fā)晶核 從而獲得細(xì)小的鑄造晶粒 這種處理方法稱為變質(zhì)處理 3 振動(dòng) 對(duì)正在結(jié)晶的金屬施以機(jī)械振動(dòng) 超聲波振動(dòng)和電磁振動(dòng) 均可使樹枝晶尖端破碎而增加新的核心 提高形核率 使晶粒細(xì)化 4 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變一種金屬能以幾種晶格類型存在的性質(zhì) 叫做同素異構(gòu)性 如Fe Co Ti等 固態(tài)金屬隨溫度不同而改變其晶格類型的過程 稱為金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 4 熱處理 5 壓力加工 因?yàn)殇撹F發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 因而可以對(duì)鋼鐵進(jìn)行熱處理 鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 金屬鑄錠的組織特點(diǎn) 細(xì)等軸晶區(qū)液體金屬注入錠模時(shí) 由于錠模溫度不高 傳熱快 外層金屬受到激冷 過冷度大 生成大量的晶核 同時(shí)模壁也能起非自發(fā)晶核的作用 結(jié)果 在金屬的表層形成一層厚度不大 晶粒很細(xì)的細(xì)晶區(qū) 金屬鑄錠的組織特點(diǎn) 柱狀晶區(qū)細(xì)晶區(qū)形成的同時(shí) 錠模溫度升高 液體金屬的冷卻速度降低 過冷度減小 生核速率降低 但此時(shí)長(zhǎng)大速度受到的影響較小 結(jié)晶時(shí) 優(yōu)先長(zhǎng)大方向 即一次晶軸方向 與散熱最快方向 一般為往外垂直模壁的方向 的反方向一致的晶核向液體內(nèi)部平行長(zhǎng)大 結(jié)果形成柱狀晶區(qū) 金屬鑄錠的組織特點(diǎn) 粗等軸晶區(qū)隨著柱狀晶區(qū)的發(fā)展 液體金屬的冷卻速度很快降低 過冷度大大減小 溫度差不斷降低 趨于均勻化 散熱逐漸失去方向性 所以在某個(gè)時(shí)候 剩余液體中被推來和漂浮來的 以及從柱狀晶上被沖下的二次晶枝的碎塊 可能成為晶核 向各個(gè)方向均勻長(zhǎng)大 最后形成一個(gè)粗大的等軸晶區(qū) 三 合金的晶體 相 結(jié)構(gòu)1合金的基本概念1 合金 由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬組成的具有金屬特性的物質(zhì) 2 組元 指組成合金的最基本的 能獨(dú)立存在的物質(zhì) 如化學(xué)元素 金屬化合物 3 合金系 指有相同組元 而成分比例不同的一系列合金 4 相 在金屬或合金中 具有相同成分且晶格結(jié)構(gòu)相同 并與其他部分有界面分開的均勻組成部分 相與相之間有明顯的界面 合金中常見的相有 液相 純金屬 固溶體和金屬化合物等 2合金組織1 固溶體 溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格而仍保持溶劑晶格類型的晶體 1 置換固溶體 溶質(zhì)原子替代溶劑原子的某些位置 所形成的固溶體 溶質(zhì)原子與溶劑原子直徑相差不大時(shí) 才能置換 可形成無限固溶體 2 間隙固溶體 溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格的空隙中形成固溶體 溶質(zhì)原子小 與溶劑原子直徑比為 0 59 溶解度有限 固溶體的兩種類型 a 置換固溶體 b 間隙固溶體 3 固溶體的力學(xué)性能不論形成置換固溶體還是間隙固溶體 由于溶質(zhì)原子和溶劑原子大小不一 化學(xué)性質(zhì)也不盡相同 都造成固溶體的晶格畸變 導(dǎo)致固溶體的強(qiáng)度和硬度升高 即發(fā)生固溶強(qiáng)化 2 金屬化合物 合金各組成元素之間相互作用 并按一定的整數(shù)比化合而成的一種新的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì) 可用分子式表示 如Fe3C WC等 特點(diǎn) 1 其晶格類型和性能不同于任一組元 2 一般具有更復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu) 熔點(diǎn)高 硬而脆 3 能提高合金的強(qiáng)度 硬度和耐磨性 但降低合金的塑性 3 機(jī)械混合物 各組元既不相互溶解 又不形成化合物 而是按一定的重量比以混合方式存在 機(jī)械混合物既可以是純金屬 固溶體或金屬化合物各自的混合物 也可以是它們之間的混合物 Fe C相圖 Fe C相圖 表示在緩慢冷卻 或緩慢加熱 的條件下 不同成分的鐵碳合金的狀態(tài)或組織隨溫度變化的圖形 鐵素體 F 碳原子溶入 Fe中形成的間隙固溶體 稱做鐵素體 由于體心立方格的 Fe的晶體格間隙半徑只有0 036nm 而碳原子半徑為0 077nm 所以鐵素體對(duì)碳的溶解度很小 在727 時(shí)最大固溶度為0 02 而在室溫時(shí)固溶度幾乎降為零 鐵素體的力學(xué)性能與純鐵相近 由此可見 鐵素體有優(yōu)良的塑性和韌性 但強(qiáng)度 硬度較低 在鐵碳合金中是軟韌相 鐵素體是912 以下的平衡相 也稱做常溫相 在鐵碳相圖中用符號(hào)F表示 奧氏體 A 碳原子溶入 Fe中形成的間隙固溶體 稱做奧氏體 具有面心立方格的 Fe的間隙半徑為0 052nm 比 Fe的間隙稍大 在1148 時(shí)碳原子在其中的最大固溶度為2 11 隨著溫度的降低 碳在 Fe中的固溶度下降 在727 時(shí)是0 77 奧氏體是727 以上的平衡相 也稱高溫相 在高溫下 面心立方格晶體的奧氏體具有極好是塑性 所以碳鋼具有良好的軋 鍛等熱加工工藝性能 在鐵碳相圖中 奧氏體通常用符號(hào)A表示 奧氏體 滲碳體 Fe3C 滲碳體是鐵與碳原子結(jié)合形成的具有金屬性質(zhì)的復(fù)雜間隙化合物 它的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜 屬于復(fù)雜八面體結(jié)構(gòu) 分子式為Fe3C 含碳量6 69 滲碳體的硬度很高 HV800 但極脆 塑性和韌性幾乎是零 強(qiáng)度Rm 30Mpa左右 在鐵碳合金中 它是硬脆相 是碳鋼的主要強(qiáng)化相 滲碳體在碳鋼中的含量和形態(tài)對(duì)鋼的性能有很大影響 它在鐵碳合金中可以呈片狀 粒狀 網(wǎng)狀和板狀形態(tài)存在 在高溫時(shí) 鋼和鑄鐵中的滲碳體在一定時(shí)間會(huì)發(fā)生下面的分解反應(yīng) 析出石墨態(tài)的碳 Fe3C 3Fe C 石墨 過共晶白口鐵 共析鋼 珠光體是鐵素體與碳光體的混合物 符號(hào) P 是鐵素體和滲碳體片層相間 交替排列 溶碳能力 在727 時(shí) C 0 77 性能特點(diǎn) 取決于鐵素體和滲碳體的性能 強(qiáng)度較高 硬度適中 具有一定的塑性 珠光體 P 萊氏體 Ld 萊氏體是含碳量為4 3 的液態(tài)鐵碳合金在11480C時(shí)從液體上中間結(jié)晶出的奧氏體和滲碳體的混合物 符號(hào) Ld 高溫萊氏體 溫度 727 由于奧氏體在727 時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w 所以在室溫下的萊氏體由珠光體和滲碳體組成叫低溫萊氏體 L d表示 溶碳能力 C 4 3 性能特點(diǎn) 硬度很高 塑性很差 Fe Fe3C相圖 A C D E F G S P Q 1148 727 L A L A L Fe3C 6 69 C A Fe3C Ld Ld Fe3C A Ld Fe3C F A F A Fe3C F Fe3C P P F P Fe3C Ld Ld Fe3C P Ld Fe3C K 共晶相圖 共析相圖 勻晶相圖 P Fe3C 鐵碳合金狀態(tài)圖的分析 特性點(diǎn) 3 鋼 鐵分界點(diǎn)E 2 11 C 1 共晶點(diǎn)C1148 4 3 C共晶成分反應(yīng)式 Lc AE Fe3C 共晶體 即高溫萊氏體Ld 2 共析點(diǎn)S727 0 77 C共析成分反應(yīng)式 As Fp Fe3C共析 共析體 即珠光體 特征線 液相線 ABCD 固相線 AHJECF 三條水平線 727 其它相線GS GP 固溶體轉(zhuǎn)變線 GS又稱A3線 HN JN 固溶體轉(zhuǎn)變線 ES 碳在 Fe中的固溶線 又稱Acm線 PQ 碳在 Fe中的固溶線 三個(gè)三相區(qū) 即HJB L ECF L Fe3C PSK Fe3C 三條水平線 相區(qū) 五個(gè)單相區(qū) L Fe3C 七個(gè)兩相區(qū) L L L Fe3C Fe3C Fe3C 典型鐵碳合金的結(jié)晶過程 珠光體 1 共析鋼的結(jié)晶過程 室溫組織為 P F Fe3C 2 亞共析鋼的結(jié)晶過程 L L A A A F先共析AS 0 77 C P室溫組織為 P F 亞共析鋼室溫下的組織為F P 在0 0218 0 77 C范圍內(nèi)珠光體的量隨含碳量增加而增加 20鋼組織 40鋼組織 60鋼組織 3 過共析鋼的結(jié)晶過程 室溫組織 P Fe3C T12鋼組織 一 含碳量對(duì)碳鋼室溫平衡組織的影響含碳量與緩冷后相及組織組成物之間的定量關(guān)系為 含碳量對(duì)碳鋼組織與性能的影響 二 含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響亞共析鋼隨含碳量增加 P量增加 鋼的強(qiáng)度 硬度升高 塑性 韌性下降 0 77 C時(shí) 組織為100 P 鋼的性能即P的性能 0 9 C Fe3C 為晶界連續(xù)網(wǎng)狀 強(qiáng)度下降 但硬度仍上升 2 11 C 組織中有以Fe3C為基的Ld 合金太脆 三 含碳量對(duì)工藝性能的影響 切削性能 中碳鋼合適 可鍛性能 低碳鋼好 焊接性能 低碳鋼好 鑄造性能 共晶合金好 熱處理性能 第四章介紹 四 鐵碳合金相圖的應(yīng)用 1 選材料方面的應(yīng)用 2 制定熱加工工藝方面的應(yīng)用 在鑄造生產(chǎn)方面 根據(jù)相圖可以確定鑄鋼和鑄鐵的澆注溫度 在鍛造生產(chǎn)方面 可確定始鍛 終鍛溫度 在焊接方面 可分析碳鋼的焊接組織 對(duì)熱處理來說 可確定加熱范圍 鋼的熱處理 熱處理是將固態(tài)金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱 保溫和冷卻以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝 熱處理的原理及分類 現(xiàn)象 放在水中冷卻的一根鋼絲硬而脆 很容易折斷 放在空氣中冷卻的一根較軟 有較好的塑性 可以卷成圓圈而不斷裂 實(shí)驗(yàn)說明 雖然鋼的成分相同 加熱的溫度也相同 但采用不同的冷卻方法 卻得到了不同的力學(xué)性能 這主要是因?yàn)樵诓煌鋮s速度的情況下 鋼的內(nèi)部組織發(fā)生了不同的變化 熱處理的分類 熱處理方法雖然很多 但任何一種熱處理工藝都是由加熱 保溫 和冷卻三個(gè)階段所組成的 熱處理工藝過程可用在溫度一時(shí)間坐標(biāo)系中的曲線圖表示 這種曲線稱為熱處理工藝曲線 鋼在加熱及冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 一 鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變二 鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 一 鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 1 鋼在加熱和冷卻時(shí)的相變溫度 在加熱時(shí)鋼的轉(zhuǎn)變溫度要高于平衡狀態(tài)下的臨界點(diǎn) 在冷卻時(shí)要低于平衡狀態(tài)下的臨界點(diǎn) 加熱時(shí)的各臨界點(diǎn) Ac1 Ac3和Accm冷卻時(shí)的各臨界點(diǎn) Ar1 Ar3和Arcm 2 奧氏體的形成 鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 主要包括奧氏體的形成和晶粒長(zhǎng)大兩個(gè)過程 形核 長(zhǎng)大 殘余滲碳體溶解 均勻化 3 奧氏體晶粒的長(zhǎng)大 晶粒的長(zhǎng)大是依靠較大晶粒吞并較小晶粒和晶界遷移的方式進(jìn)行 二 鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 兩種冷卻方式 等溫處理連續(xù)冷卻 1 奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 奧氏體在A1線以上是穩(wěn)定相 當(dāng)冷卻到A1線以下而又尚未轉(zhuǎn)變的奧氏體稱為過冷奧氏體 這是一種不穩(wěn)定的過冷組織 只要經(jīng)過一段時(shí)間的等溫保持 它就可以等溫轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的新相 這種轉(zhuǎn)變就稱為奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 共析鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線圖 1 高溫等溫轉(zhuǎn)變 珠光體型轉(zhuǎn)變區(qū) 2 中溫等溫轉(zhuǎn)變 貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū) 3 低溫連續(xù)轉(zhuǎn)變 馬氏體型轉(zhuǎn)變區(qū) 珠光體型轉(zhuǎn)變區(qū) 貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū) 馬氏體型轉(zhuǎn)變區(qū) 1 珠光體型轉(zhuǎn)變區(qū) 高溫等溫轉(zhuǎn)變 共析鋼的過冷奧氏體在A1 550 溫度范圍內(nèi) 過冷奧氏體將發(fā)生奧氏體向珠光體型的轉(zhuǎn)變 即轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和滲碳體 珠光體粗片層狀鐵素體和滲碳體的混合物 片層間距大于0 4 m一般在500倍以下的光學(xué)顯微鏡下即可分辨 索氏體索氏體為細(xì)片狀珠光體 片層較薄間距在0 4 0 2 m 一般在800 1000倍的光學(xué)顯微鏡下才可分辨 屈氏體屈氏體是極細(xì)片狀的珠光體 片層極薄間距小于0 2 m 只有在電子顯微鏡下 5000倍 才能分辨出它們呈片狀 2 貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū) 中溫等溫轉(zhuǎn)變 在550 Ms溫度范圍內(nèi) 因轉(zhuǎn)變溫度較低 原子的活動(dòng)能力較弱 轉(zhuǎn)變后得到的組織為含碳量具有一定過飽和程度的鐵素體和分散的滲碳體 或碳化物 所組成的混合物 稱為貝氏體 用符號(hào)B表示 貝氏體有上貝氏體 B上 和下貝氏體 B下 之分 3 馬氏體型轉(zhuǎn)變區(qū) 低溫連續(xù)轉(zhuǎn)變 當(dāng)鋼從奧氏體區(qū)急冷到MS以下時(shí) 奧氏體便開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體 由于轉(zhuǎn)變溫度低 原子擴(kuò)散能力小 在馬氏體轉(zhuǎn)變過程中 只有 Fe向 Fe的晶格改變 而不發(fā)生碳原子的擴(kuò)散 因此 溶解在奧氏體中的碳 轉(zhuǎn)變后原封不動(dòng)地保留在鐵的晶格中 形成碳在 Fe中的過飽和固溶體 稱為馬氏體 用符號(hào)M表示 2 奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 v1 隨爐冷卻 退火 v2 空冷 正火 v3 油冷 油冷淬火 v4 水冷 水冷淬火 熱處理的基本方法 一 退火與正火二 淬火與回火 一 退火與正火 機(jī)械零件一般的加工工藝順序 作用 消除前一工序所造成的某些組織缺陷及內(nèi)應(yīng)力 可以改善材料的切削性能 為隨后的切削加工及熱處理 淬火 回火 做好組織準(zhǔn)備 1 退火 退火 將鋼加熱到適當(dāng)溫度 保持一定時(shí)間 然后緩慢冷卻 一般隨爐冷卻 的熱處理工藝 常用退火方法 完全退火球化退火去應(yīng)力退火 退火目的 降低硬度 提高塑性 以利于切削加工和冷變形加工細(xì)化晶粒 均勻組織 為后續(xù)熱處理作好組織上的準(zhǔn)備消除殘余內(nèi)應(yīng)力 防止工件的變形與開裂 2 正火 正火 將鋼加熱到 c3或 ccm以上30 50 保溫適當(dāng)?shù)臅r(shí)間后 在空氣中冷卻的工藝方法 亞共析鋼 正火目的是細(xì)化晶粒 均勻組織 提高機(jī)械性能 力學(xué)性能要求不高的普通結(jié)構(gòu)零件 正火可作為最終熱處理 低 中碳結(jié)構(gòu)鋼 調(diào)整硬度 改善切削加工性能 高碳過共析鋼 正火的目的是消除網(wǎng)狀滲碳體 有利于球化退火 為淬火做好組織準(zhǔn)備 加熱溫度范圍 熱處理工藝曲線 1 完全退火2 球化退火3 去應(yīng)力退火4 正火 二 淬火與回火 1 鋼的淬火 淬火 將鋼件加熱到Ac3或Ac1以上的適當(dāng)溫度 經(jīng)保溫后快速冷卻 冷卻速度大于v臨 以獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝 目的 獲得馬氏體組織 提高鋼的強(qiáng)度 硬度和耐磨性 1 淬火加熱溫度的選擇 碳鋼淬火溫度范圍 亞共析鋼 Ac3以上30 50 過 共析鋼 Ac1以上30 50 2 淬火冷卻介質(zhì)的選擇 淬火的冷卻速度必須大于該鋼種的臨界冷卻速度 冷卻中要避免引起鋼件的變形和開裂 冷卻介質(zhì)對(duì)鋼的理想淬火冷卻速度應(yīng)是 慢 快 慢 3 常用的淬火方法 單液淬火法雙介質(zhì)淬火馬氏體分級(jí)淬火貝氏體等溫淬火 4 鋼的淬透性與淬硬性 淬透性 規(guī)定條件下 鋼在淬火冷卻時(shí)獲得馬氏體組織深度的能力 淬硬性 鋼在理想的淬火條件下 獲得馬氏體后所能達(dá)到的最高硬度 取決于鋼的臨界冷卻速度 臨界冷卻速度越低 則鋼的淬透性越好 鋼的臨界冷卻速度又主要取決于其化學(xué)成份 取決于含碳量的高低 低碳鋼淬火的最高硬度低 淬硬性差 高碳鋼淬火的最高硬度高 則淬硬性好 5 鋼的淬火缺陷 氧化與脫碳過熱和過燒變形與開裂硬度不足軟點(diǎn) 2 鋼的回火 回火 將淬火后的鋼重新加熱到Ac1點(diǎn)以下的某一溫度 保溫一定時(shí)間 然后冷卻到室溫的熱處理工藝 降低淬火鋼的脆性和內(nèi)應(yīng)力 防止變形或開裂 調(diào)整和穩(wěn)定淬火鋼的結(jié)晶組織以保證工件不再發(fā)生形狀和尺寸的改變 獲得不同需要的機(jī)械性能 目的 1 回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 鋼 45鋼 的回火組織 回火馬氏體 回火屈氏體 回火索氏體 40鋼的力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系 隨著加熱溫度的升高 鋼的強(qiáng)度 硬度下降 而塑性 韌性提高 回火鋼的性能只與加熱溫度有關(guān) 而與冷卻速度無關(guān) 2 回火的分類及應(yīng)用 低溫回火中溫回火高溫回火 調(diào)質(zhì) 生產(chǎn)中淬火及高溫回火相結(jié)合的熱處理工藝 鋼的表面熱處理 一 表面淬火二 化學(xué)熱處理 汽車變速齒輪 傳動(dòng)齒輪軸 一 表面淬火 表面淬火 僅對(duì)工件表層進(jìn)行淬火的熱處理工藝 原理 通過快速加熱 使鋼的表層奧氏體化 在熱量尚未充分傳到零件中心時(shí)就立即予以冷卻淬火 適用 中碳鋼 中碳合金鋼 方法 火焰加熱表面淬火 感應(yīng)加熱表面淬 電接觸加熱表面淬火 激光加熱表面淬火 1 火焰加熱表面淬火 應(yīng)用氧 乙炔 或其他可燃?xì)怏w 火焰對(duì)零件表面進(jìn)行快速加熱并隨之快速冷卻的工藝 特點(diǎn) 加熱溫度及淬硬層深度不易控制 易產(chǎn)生過熱和加熱不均勻 淬火質(zhì)量不穩(wěn)定 不需要特殊設(shè)備 適用于單件或小批量生產(chǎn) 2 感應(yīng)加熱表面淬火 利用感應(yīng)電流通過工件所產(chǎn)生的熱效應(yīng) 使工件表面受到局部加熱 并進(jìn)行快速冷卻的淬火工藝 特點(diǎn) 1 加熱速度快 2 淬火質(zhì)量好 3 淬硬層深度易于控制 易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化 適用于大批量生產(chǎn) 二 化學(xué)熱處理 化學(xué)熱處理 將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫 使一種或幾種元素滲入它的表層 以改變其化學(xué)成分 組織和性能的熱處理工藝 不僅改變了鋼的組織 而且表面層的化學(xué)成分也發(fā)生了變化 因而能更有效地改變零件表層的性能 根據(jù)滲入元素分 滲碳 滲氮 碳氮共滲 滲硼 滲金屬等 1 鋼的滲碳 鋼的滲碳 將鋼件置于滲碳介質(zhì)中加熱并保溫 使碳原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝 目的 提高鋼件表層的含碳量 滲碳后處理 淬火及低溫回火 工藝路線 鍛造 正火 機(jī)械加工 滲碳 淬火 低溫回火 分類 固體滲碳 鹽浴滲碳 氣體滲碳 氣體滲碳 將工件置于氣體滲碳劑中進(jìn)行滲碳的工藝 低碳鋼滲碳后緩冷的滲碳層顯微組織 由表面向中心 過共析組織 共析組織 亞共析組織 過渡層 中心仍為原來的亞共析組織 2 鋼的滲氮 滲氮 在一定溫度下 使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝 目的 提高零件表面的硬度 耐磨性 耐蝕性及疲勞強(qiáng)度 1 滲氮與滲碳相比具有以下特點(diǎn) 滲氮層具有很高的硬度和耐磨性滲氮層具有滲碳層所沒有的耐蝕性滲氮比滲碳溫度低 工件變形小 滲氮工件的工藝路線 2 滲氮方法 氣體滲氮 工件在氣體介質(zhì)中進(jìn)行滲氮 它將工件放入密閉的爐內(nèi) 加熱到500 600 通入氨氣 NH3 氨氣分解出活性氮原子 離子滲氮 在低于一個(gè)大氣壓的滲氮?dú)夥罩?利用工件 陰極 和陽極之間產(chǎn)生的輝光放電現(xiàn)象進(jìn)行滲氮的工藝 滲氮層及HV測(cè)痕 滲氮層中致密的針狀氮化物 白色 4 碳氮共滲 碳氮共滲 在一定溫度下 將碳 氮原子同時(shí)滲入工件表層奧氏體中 并以滲碳為主的化學(xué)熱處理工藝 零件的熱處理分析 一 熱處理的技術(shù)條件二 熱處理的工序位置三 典型零件熱處理分析 一 熱處理的技術(shù)條件 工件在熱處理后組織 應(yīng)當(dāng)達(dá)到的力學(xué)性能 精度和工藝性能等要求 統(tǒng)稱為熱處理技術(shù)條件 二 熱處理的工序位置 1 預(yù)備熱處理 包括退火 正火 調(diào)質(zhì)等 2 最終熱處理 包括淬火 回火及表面熱處理等 三 典型零件熱處理分析 1 銼刀 2 汽車變速齒輪 3 汽車傳動(dòng)齒輪軸 鋼的分類 工業(yè)用鋼按化學(xué)成分分為碳素鋼和合金鋼兩大類 碳素鋼是指含碳量低于2 11 的鐵碳合金 合金鋼是指為了提高鋼的性能 在碳鋼基礎(chǔ)上有意加入一定量合金元素所獲得的鐵基合金 鋼的分類及編號(hào) 一 鋼的分類1 按化學(xué)成分分 2 按質(zhì)量分鋼的質(zhì)量是以磷 硫的含量來劃分的 分為普通質(zhì)量鋼 優(yōu)質(zhì)鋼 高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼和特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼 根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn) 各質(zhì)量等級(jí)鋼的磷 硫含量如下 3 按冶煉方法分 4 按用途分 二 鋼的編號(hào)我國(guó)鋼材的編號(hào)是采用漢語拼音字母 化學(xué)元素符號(hào)和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的方法 采用漢語拼音字母表示鋼產(chǎn)品的名稱 用途 特性和工藝方法時(shí) 一般從代表鋼產(chǎn)品名稱的漢字的漢語拼音中選取第一個(gè)字母 常用鋼產(chǎn)品的名稱 用途 特性和工藝方法表示符號(hào) GB T221 2000 1 碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度鋼Q 最低屈服強(qiáng)度值 質(zhì)量等級(jí)符號(hào) 脫氧方法符號(hào)Q表示 屈服強(qiáng)度 屈服強(qiáng)度值單位是MPa 質(zhì)量等級(jí)符號(hào)為A B C D E 由A到E 其P S含量依次下降 質(zhì)量提高 脫氧方法符號(hào) 沸騰鋼 F 鎮(zhèn)靜鋼 Z 半鎮(zhèn)靜鋼 b 特殊鎮(zhèn)靜鋼 TZ 如碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)表示為Q235AF Q235BZ 鋼板 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼都是鎮(zhèn)靜鋼或特殊鎮(zhèn)靜鋼 其牌號(hào)中沒有表示脫氧方法的符號(hào) 如Q345C 根據(jù)需要 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)也可以采用兩位阿拉伯?dāng)?shù)字 表示平均含碳量的萬分之幾 和化學(xué)元素符號(hào) 按順序表示 如16Mn 說明 通常情況下 屈服強(qiáng)度值小于300MPa時(shí)為碳素結(jié)構(gòu)鋼 大于300MPa時(shí)為低合金高強(qiáng)度鋼 熱連軋鋼板 2 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)用兩位數(shù)字表示 這兩位數(shù)字表示鋼平均含碳量的萬分之幾 如45鋼 平均含碳量為萬分之四十五 即0 45 的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 鋼帶 說明 含Mn量為0 7 1 0 時(shí) 在兩位數(shù)字后加元素符號(hào) Mn 如40Mn 對(duì)于沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼 在鋼號(hào)后分別加字母F和b 如08F 10b 高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼在鋼號(hào)后加字母A 如20A 鋼管 3 合金結(jié)構(gòu)鋼和合金彈簧鋼兩位數(shù)字 表示平均含碳量的萬分之幾 合金元素符號(hào) 該元素百分含量數(shù)字 當(dāng)合金元素的平均含量小于1 50 時(shí) 只標(biāo)元素符號(hào) 不標(biāo)含量 當(dāng)合金元素的平均含量為1 50 2 49 2 50 3 49 3 50 4 49 4 50 5 49 時(shí) 在相應(yīng)的合金元素符號(hào)后標(biāo)2 3 4 5 等數(shù)字 如20CrNi3 高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼在牌號(hào)后加字母A 如60Si2MnA 特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼在牌號(hào)后加字母E 如30CrMnSiE 不銹鋼制管板式換熱器 所有合金鋼的合金元素量標(biāo)法相同 4 工具鋼 碳素工具鋼T 數(shù)字T表示 碳素工具鋼 數(shù)字表示平均含碳量的千分之幾 如T8 其平均含碳量為千分之八 0 8 C 說明 碳素工具鋼都是優(yōu)質(zhì)以上質(zhì)量的 高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼在鋼號(hào)后加 A 如T8A 絲錐 銼刀 合金工具鋼含碳量 合金元素符號(hào) 該元素百分含量 當(dāng)含碳量小于1 00 時(shí) 含碳量用一位數(shù)字標(biāo)明 這一位數(shù)字表示平均含碳量的千分之幾 如8MnSi 當(dāng)含碳量大于1 00 時(shí) 不標(biāo)含碳量 高速鋼不標(biāo)含碳量 如W6Mo5Cr4V2 含0 85 C 銑刀 5 軸承鋼G Cr 鉻含量 不標(biāo)含碳量 G 表示 滾動(dòng)軸承鋼 鉻含量以千分之一為單位 如 GCr15 的平均含鉻量為1 5 滲碳軸承鋼牌號(hào)的表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相同 僅在牌號(hào)頭部加字母 G 如 G20CrNiMo 6 不銹鋼和耐熱鋼含碳量 合金元素符號(hào) 該元素百分含量 含碳量以千分之一為單位 含碳量的表示方法為 當(dāng)平均含碳量 1 00 時(shí) 用兩位數(shù)字表示 如11Cr17 平均含碳量為1 10 渦輪葉片 當(dāng)1 0 平均含碳量 0 1 時(shí) 用一位數(shù)字表示 如2Cr13 平均含碳量為0 20 當(dāng)0 1 含碳量上限 0 03 時(shí) 以 0 表示 如0Cr18Ni9 含碳量上限為0 08 當(dāng)0 03 含碳量上限 0 01 時(shí) 超低碳 以 03 表示 如03Cr19Ni10 含碳量上限為0 03 當(dāng)含碳量上限 0 01 時(shí) 極低碳 以 01 表示 如01Cr19Ni11 含碳量上限為0 01 汽輪機(jī)葉片 珠光體耐熱鋼含碳量的標(biāo)注同結(jié)構(gòu)鋼 如15CrMo注 舊標(biāo)準(zhǔn)含碳量表示方法為 當(dāng)含碳量 0 08 時(shí) 以 0 表示 如0Cr18 當(dāng)含碳量 0 03 時(shí) 以 00 表示 如00Cr18Ni10 7 鑄鋼ZG 兩位數(shù)字ZG表示 鑄鋼 兩位數(shù)字表示平均含碳量的萬分之幾 如ZG25 鋼中的雜質(zhì)及合金元素 1 Mn 0 8 時(shí)為雜質(zhì) 是有益元素 作用為 強(qiáng)化鐵素體 消除硫的有害作用 一 雜質(zhì)元素對(duì)性能的影響 鋼中的雜質(zhì)一般是指Mn Si P S 是由原料帶入或脫氧殘留的元素 強(qiáng)化鐵素體 增加鋼液流動(dòng)性 3 S 是有害元素常以FeS形式存在 易與Fe在晶界上形成低熔點(diǎn)共晶 985 熱加工時(shí) 1150 1200 由于其熔化而導(dǎo)致開裂 稱熱脆性 鋼中的硫應(yīng)控制在0 045 以下 2 Si 0 5 時(shí)為雜質(zhì) 是有益元素 作用為 合金晶界的低熔點(diǎn)硫化物共晶 Mn可消除硫的有害作用 FeS Mn Fe MnS MnS熔點(diǎn)高 1600 4 P 也是有害元素能全部溶入鐵素體中 使鋼在常溫下硬度提高 塑性 韌性急劇下降 稱冷脆性 P一般控制在0 045 以下 5 氣體元素 N 室溫下N在鐵素體中溶解度很低 鋼中過飽和N在常溫放置過程中以FeN Fe4N形式析出使鋼變脆 稱時(shí)效脆化 加Ti V Al等元素可使N固定 消除時(shí)效傾向 O 氧在鋼中以氧化物的形式存在 其與基體結(jié)合力弱 不易變形 易成為疲勞裂紋源 H 常溫下氫在鋼中的溶解度也很低 當(dāng)氫在鋼中以原子態(tài)溶解時(shí) 降低韌性 引起氫脆 當(dāng)氫在缺陷處以分子態(tài)析出時(shí) 會(huì)產(chǎn)生很高內(nèi)壓 形成微裂紋 其內(nèi)壁為白色 稱白點(diǎn)或發(fā)裂 對(duì)鋼中基本相的影響1 溶于鐵素體 起固溶強(qiáng)化作用非碳化物形成元素及過剩的碳化物形成元素都溶于鐵素體 形成合金鐵素體 Si Mn對(duì)強(qiáng)度 硬度提高顯著 Cr Ni在適當(dāng)范圍內(nèi)提高韌性 二 合金元素在鋼中的作用 對(duì)鐵素體沖擊韌性影響 2 形成碳化物 起強(qiáng)化相作用合金元素與碳的親和力從大到小的順序?yàn)?Ti Nb V W Mo Cr Mn Fe Ti Nb V為強(qiáng)碳化物形成元素 碳化物的穩(wěn)定性 熔點(diǎn) 硬度 耐磨性高 如TiC VC等 鋼中碳化物 W Mo Cr為中碳化物形成元素 碳化物的穩(wěn)定性 熔點(diǎn) 硬度 耐磨性較高 如W2C等 Mn Fe為弱碳化物形成元素 碳化物的穩(wěn)定性 熔點(diǎn) 硬度 耐磨性較低 如Fe3C等 結(jié)構(gòu)鋼 對(duì)結(jié)構(gòu)鋼的性能要求為 使用性能以強(qiáng)韌性為主 工藝性能以可焊性 淬透性為主 合金結(jié)構(gòu)鋼除少量為中高合金鋼外 都是低合金鋼 銅陵長(zhǎng)江公路大橋 1 成分 0 4 C P S量及非金屬夾雜較多 2 性能 可焊性 塑性好 3 熱處理 不進(jìn)行專門熱處理 熱軋空冷態(tài)下使用 4 使用狀態(tài)下組織 F P 一 碳素結(jié)構(gòu)鋼 5 用途常以熱軋板 帶 棒及型鋼使用 用量約占鋼材總量的70 用于建筑結(jié)構(gòu) 適合焊接 鉚接 栓接等 1 性能要求 高強(qiáng)度及足夠韌性 良好的焊接性能 良好的耐蝕性及低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度 2 成分特點(diǎn) 低碳 0 2 C 合金元素 主要是Mn 還有少量V Ti Nb等 二 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 3 熱處理 大多數(shù)熱軋空冷后使用 少數(shù)可用正火 高溫回火處理 4 使用狀態(tài)下組織 F P 低合金高強(qiáng)鋼合金元素細(xì)化晶粒作用 Mn的作用是強(qiáng)化鐵素體 增加珠光體的量 V Ti Nb等起細(xì)化晶粒和彌散強(qiáng)化作用 另外加Cu P可提高耐蝕性 加RE可提高韌性 疲勞極限 降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度 5 用途 Q345鋼 16Mn 綜合性能好 用于船舶 橋梁 車輛等大型鋼結(jié)構(gòu) Q390鋼含V Ti Nb 強(qiáng)度高 用于中等壓力的壓力容器 Q460鋼含Mo B 正火組織為貝氏體 強(qiáng)度高 用于石化中溫高壓容器 南京長(zhǎng)江大橋 制造滲碳零件的鋼種 1 性能要求 表面具有高硬度 高耐磨性 心部具有足夠的韌性和強(qiáng)度 即表硬里韌 良好的熱處理性能 如淬透性和滲碳能力 三 滲碳鋼 2 成分特點(diǎn) 低碳 0 1 0 25 C 合金元素作用 提高淬透性 Cr Mn Ni B 強(qiáng)化鐵素體 Cr Mn Ni 細(xì)化晶粒 W Mo Ti V 滲碳淬火后的表層組織 3 熱處理特點(diǎn)滲碳件的加工工藝路線為 下料 鍛造 正火 機(jī)加工 滲碳 淬火 低溫回火正火目的為調(diào)整硬度 便于切削加工 淬火溫度一般為Ac1 30 50 4 使用狀態(tài)下組織心部 M回 F表層 M回 顆粒狀碳化物 A 少量 5 常用鋼號(hào)及用途低淬透性鋼 20 20Cr 用于受力小的耐磨件 如柴油機(jī)的活塞銷 凸輪軸等 中淬透性鋼 20CrMnTi 用于中等載荷的耐磨件 如變速箱齒輪 高淬透性鋼 18Cr2Ni4WA 用于大載荷的耐磨件 如柴油機(jī)曲軸 調(diào)質(zhì)件 螺桿 調(diào)質(zhì)后使用的鋼種 1 性能要求 良好的綜合力學(xué)性能 良好的淬透性 四 調(diào)質(zhì)鋼 2 成分特點(diǎn) 中碳 0 3 0 5 C 合金元素作用 提高淬透性 Mn Si Cr Ni B 強(qiáng)化鐵素體 Mn Si Cr Ni 細(xì)化晶粒 Ti V 防止第二類回火脆性 W Mo 3 熱處理及組織特點(diǎn)調(diào)質(zhì)件的加工工藝路線為 下料 鍛造 退火 粗加工 調(diào)質(zhì) 精加工 裝配調(diào)質(zhì)目的 獲得良好綜合力學(xué)性能使用狀態(tài)下的組織為 S回 為提高表面耐磨性 調(diào)質(zhì)后可進(jìn)行表面淬火或氮化 回火索氏體 調(diào)質(zhì)處理車間 柴油機(jī)凸輪軸 4 常用鋼號(hào)及用途低淬透性鋼 D0油 30 40mm 常用45 40Cr 用于制造較小的齒輪 軸 螺栓等 中淬透性鋼 D0油 40 60mm 常用40CrNi 用于制造大中型零件 高淬透性鋼 D0油 60mm 常用40CrNiMo 用于制造大截面重載荷零件 如曲軸等 制造彈簧或類似性能零件的鋼種 1 性能要求彈簧是利用彈性變形儲(chǔ)存能量或緩和沖擊的零件 高的 s s b 高的 1 足夠的韌性 高的淬透性 五 彈簧鋼 2 成分特點(diǎn) 中高碳 碳素彈簧鋼為0 6 0 9 C合金彈簧鋼為0 45 0 7 C 合金元素作用 提高淬透性 強(qiáng)化鐵素體 Mn Si Cr 提高 s b Si 細(xì)化晶粒 V 3 熱處理及組織特點(diǎn) 冷成型彈簧 冷拔 冷成型 定型處