最新-1-4機(jī)械基礎(chǔ)11-PPT課件

1、 山 東 勝 利 職 業(yè) 學(xué) 院 機(jī) 械 基 礎(chǔ) 張立勇第一章 金屬材料基本知識(shí) 1.1 金屬材料的性能材料的性能：使用性能：機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能。工藝性能：切削加工性能、鑄造性能、焊接性能、鍛造性能、熱處理性能.機(jī)械性能: 如強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度物理性能: 如密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性化學(xué)性能: 如抗腐蝕性、抗氧化性實(shí)踐證明，大部分的機(jī)械零件在使用過程中，用于傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)，因此在設(shè)計(jì)、制造和選材時(shí)，以機(jī)械性能為主要依據(jù)。 使用性能：材料在使用過程中表現(xiàn)出的性能。工藝性能：材料在制造產(chǎn)品的過程中表現(xiàn)出性能。 一、強(qiáng)度：材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。

2、由于材料承受外力形式不同，又分為抗拉、抗壓、抗扭、抗彎、抗剪等幾種強(qiáng)度. 抗拉強(qiáng)度是由拉伸試驗(yàn)測(cè)定的。金屬材料通過拉伸實(shí)驗(yàn)即可求得材料的比例極限（p）屈服強(qiáng)度（s）、和抗拉強(qiáng)度（b）。1、彈性極限(比例極限)：材料不產(chǎn)生塑性變形時(shí)所能承受的的最大應(yīng)力。2、屈服強(qiáng)度s：材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形時(shí)的最小應(yīng)力。3、抗拉強(qiáng)度b：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。4、條件屈服強(qiáng)度0.2：高碳鋼等無屈服點(diǎn)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以殘余變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力值作為它的條件屈服強(qiáng)度，以0.2來表示.注:脆性材料沒有屈服現(xiàn)象. 拉伸實(shí)驗(yàn):1.拉伸試樣長(zhǎng)試樣：L0=10d0短試樣L0=5d02.拉伸曲線： LF0低碳鋼拉伸曲

3、線脆性材料拉伸曲線二、塑性：材料產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。用延伸率和斷面收縮率來表示: 1、延伸率:2、斷面收縮率 ：拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象、值越大，表示材料的塑性越好。良好的塑性是壓力加工及焊接等工藝所需的重要條件，也是機(jī)械零件在使用過程中安全可靠的保證。三、硬度:抵抗更硬物體壓入其表面產(chǎn)生局部塑性變形或破壞的能力, 是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo).硬度的表示方法-布氏硬度HB; 洛氏硬度;維氏硬度.硬度的測(cè)定方法-壓入法: 一定形狀的壓頭，一定的靜載荷，壓入工件表面，根據(jù)壓痕的深度或直徑確定工件的硬度值。 1.布氏硬度HB:是用一定直徑D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，在規(guī)定的試驗(yàn)力F的作用下，壓入試

4、件表面，并保持一定時(shí)間(10-15s)，卸除力F，測(cè)量壓痕直徑d，以壓痕單位面積上的壓力表示材料的布氏硬度值. 在實(shí)際使用中，布氏硬度值并不計(jì)算，也不用標(biāo)注單位，只需測(cè)出壓痕直徑d，即可從布氏硬度表上查得。 壓頭為淬火鋼球時(shí)，用符號(hào)HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金時(shí)，用符號(hào)HBW表示，適用于布氏硬度在450650的材料。(1).標(biāo)注：符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。如120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的淬火鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為1

5、20。再如: 500HBW5/750表示直徑為5mm的硬質(zhì)合金鋼球在750kgf（9.807kN）載荷作用下保持(10-15)s測(cè)得的布氏硬度值為500。注: (10-15)s不標(biāo)注.(2).特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。 缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。 適于測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度。(3).材料的b與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系： 對(duì)于低碳鋼: b(MPa)3.6HB 對(duì)于高碳鋼：b(MPa)3.4HB 對(duì)于鑄鐵： b(MPa)1HB或0.6(HB-40)h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)2洛氏硬度:洛氏硬度試驗(yàn)是用頂角120的金剛石圓錐體或直徑1

6、.588的淬火鋼球作壓頭，加上一定載荷，使壓頭壓入工件表面，然后根據(jù)壓痕的深度確定其硬度值。硬度值可直接從試驗(yàn)機(jī)表盤上讀出,不需計(jì)算,也不用標(biāo)出單位.(1)常用標(biāo)尺有：B、C、A三種,即 HRA;HRB;HRC. HRA： 硬、薄試件.如硬質(zhì)合金、表面淬火層和滲碳層。 HRB ：輕金屬、未淬火鋼.有色金屬和退火、正火鋼等。 HRC ：較硬，淬硬鋼制品.如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。(2)標(biāo)注方法:如60HRC表示C標(biāo)尺測(cè)定的洛氏硬度值為60.(3)特點(diǎn):優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，壓痕小，適用范圍廣。 缺點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果分散度大。四、沖擊韌性: 是指金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。 用沖擊韌度來衡量.指標(biāo)為沖擊

7、韌度值A(chǔ)k.沖擊韌度:是沖斷式樣時(shí)在缺口處單位面積所消耗的功. Ak可直接從試驗(yàn)機(jī)刻度 盤上讀出.Ak值低的材料叫脆性材料AK值高的材料叫韌性材料應(yīng)用:1、評(píng)定材料的低溫變脆傾向2、反映原材料的冶金質(zhì)量和熱加工產(chǎn)品的質(zhì)量及材料對(duì)于缺口的敏感性.五、疲勞強(qiáng)度(疲勞極限):材料經(jīng)無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應(yīng)力值。（80%的斷裂由疲勞造成） 1、疲勞現(xiàn)象：承受交變應(yīng)力作用下，往往在遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限，甚至小 于屈服極限的應(yīng)力下,經(jīng)過多次應(yīng)力循環(huán)發(fā)生斷裂。疲勞斷裂過程：裂紋萌生2、疲勞曲線與疲勞極限。裂紋擴(kuò)展突然斷裂3、提高疲勞強(qiáng)度的措施：(1)避免尖角、缺口和截面變化;(2)降低零件表面粗糙度

8、;(3)采用各種表面強(qiáng)化措施.思考題:1.金屬材料的性能一般分幾類? 各包括哪些性能?2.常用機(jī)械性能指標(biāo)有幾種?他們?nèi)绾味x? 有何特點(diǎn)?有何區(qū)別?第二節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶 不同牌號(hào)的鋼材，具有不同的機(jī)械性能，例如45鋼的強(qiáng)度、硬度值比20鋼高，但韌性、塑性值不如20鋼。即使同一牌號(hào)的鋼材，在不同狀態(tài)下機(jī)械性能也不同,如一塊含碳量為0.8%的T8鋼，從鋼廠出廠時(shí)硬度約為20HRC，而加工成工具并進(jìn)行熱處理后，其硬度可達(dá)60HRC以上。這是由于鋼材內(nèi)部具有不同的組織結(jié)構(gòu)或在熱處理過程中使內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了轉(zhuǎn)變。 一、金屬的晶體結(jié)構(gòu) 自然界中的固態(tài)物質(zhì)，根據(jù)其原子排列特征，可分為兩大類: 晶體:

9、原子有序地按一定形式和規(guī)則排列的物質(zhì)稱為晶體.如金剛石、石墨、金屬及合金等。 非晶體:原子是雜亂無序排列的物質(zhì)稱為非晶體.如普通玻璃、松香等。 注:在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。 晶格：用于描述原子在晶體中排列形式的幾何空間格架。晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元.金屬中常見的晶格:1.體心立方晶格:它的晶胞是一個(gè)立方體，在立方體的八個(gè)頂角和立方體的中心，各排列一個(gè)原子.常見金屬： -Fe、Cr、 W、 Mo、V、Nb等. 2.面心立方晶格:它的晶胞也是一個(gè)立方體，在立方體八個(gè)頂角和六個(gè)面的中心各排列一個(gè)原子. 常見金屬： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb等 3.密排六方晶格:它的

10、晶胞是一個(gè)六方柱體，在柱體的每個(gè)頂角上，以及上、下底面的中心各排列一個(gè)原子，在晶胞中間還排列有三個(gè)原子. 常見金屬：Mg、Zn、Be等.二、金屬的結(jié)晶過程金屬由液體轉(zhuǎn)變成為晶體的過程稱為結(jié)晶。1.冷卻曲線:金屬結(jié)晶時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線稱冷卻曲線。(1)結(jié)晶階段: a、b二點(diǎn)之間.(2)理論結(jié)晶溫度T0:。水平線段.(曲線結(jié)晶時(shí)放出結(jié)晶潛熱引起的。)(3)過冷:金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度（T1）總是要低于理論結(jié)晶溫度（T0），這種現(xiàn)象稱為過冷.(4)過冷度:理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差（T0T1）稱為過冷度，用T表示. 注:過冷度不是一個(gè)恒定值，它與冷卻速度有關(guān)。冷卻速度愈大，過冷度也愈大，則金屬的

11、實(shí)際結(jié)晶溫度也愈低。 實(shí)際金屬總是在過冷情況下進(jìn)行結(jié)晶,所以過冷是金屬結(jié)晶的一個(gè)必要條件.圖1-5 金屬的冷卻曲線2.金屬結(jié)晶的基本過程：結(jié)晶過程由晶核的形成和晶核的長(zhǎng)大兩個(gè)基本過程組成。 (1)晶核:液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團(tuán)，它們時(shí)聚時(shí)散，稱為晶核。在T0以下，經(jīng)一段時(shí)間后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯將會(huì)長(zhǎng)大，稱為晶核。 晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)，又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長(zhǎng)大，直到液體完全消失。每個(gè)晶核最終長(zhǎng)成一個(gè)晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。(2)晶粒:構(gòu)成晶體的外形不規(guī)則的小晶體。而晶粒是由一個(gè)晶核成長(zhǎng)形成的。(3)單晶體:如果金屬冷卻結(jié)晶后的金屬晶體只是

12、由一個(gè)晶粒組成稱為單晶體。(4)多晶體:普通的金屬都是由許多晶粒組成的。(5)晶界:晶粒與晶粒之間的分界面叫做晶界。3.晶體中的缺陷:原子排列的不規(guī)則性的部分。 理想晶體:晶體中原子完全為規(guī)則排列.否則,為實(shí)際晶體. (1)點(diǎn)缺陷空位和間隙原子 空位:晶格結(jié)點(diǎn)處無原子 間隙原子:原子占據(jù)晶格間隙 注:點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變。 從而強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。空位間隙原子(2)線缺陷(位錯(cuò))：有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律地錯(cuò)排現(xiàn)象。有刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)兩種類型。刃型位錯(cuò)：當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多余原子面的

13、邊緣就是刃型位錯(cuò).位錯(cuò)對(duì)性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起，因此提高位錯(cuò)密度是強(qiáng)化金屬的主要途徑。 刃型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò)(3)面缺陷:一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯(cuò)排區(qū)域。分為晶界、亞晶界等。晶界:是不同位向晶粒的過度部位. 亞晶界:亞晶粒之間的交界面,也可看作位錯(cuò)壁。晶粒越細(xì)小，金屬的強(qiáng)度硬度越高。4.細(xì)化晶粒的方法 晶粒的粗細(xì)對(duì)金屬的機(jī)械性能影響很大，一般地說，細(xì)晶粒金屬的強(qiáng)度高，塑性、韌性好。這是因?yàn)榫ЯＳ?xì)，晶界越多，雜質(zhì)越分散，它們對(duì)機(jī)械性能的危害也就越小，再者晶粒越細(xì)，晶粒數(shù)目就越多，晶粒與晶粒之間犬牙相錯(cuò)的機(jī)會(huì)愈多，彼此互相緊固，增加了強(qiáng)度，提高了韌性。所以生產(chǎn)中，

14、控制晶粒的粗細(xì)就成為改善金屬性能的主要措施之一。（1）提高過冷度:當(dāng)過冷度增大時(shí)，生核率可大大增加，而長(zhǎng)大速度增加較少，因而使晶粒細(xì)化。 （2）變質(zhì)處理又稱孕育處理:有意向液態(tài)金屬內(nèi)加入非均勻形核物質(zhì)從而細(xì)化晶粒的方法。所加入的非均勻形核物質(zhì)叫質(zhì)劑（或稱孕育劑).（3）振動(dòng)，攪拌等:對(duì)正在結(jié)晶的金屬進(jìn)行振動(dòng)(機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)、電磁振動(dòng))或攪動(dòng)，一方面可靠外部輸入的能量來促進(jìn)形核，另一方面也可使成長(zhǎng)中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。4.金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變:金屬在固態(tài)下，隨著溫度的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格，稱為同素異晶轉(zhuǎn)變（亦稱同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變） 。自然界中大多數(shù)金屬，結(jié)晶后晶格類型保持不

15、變，只有少數(shù)金屬（如鐵、錫、鈦、錳等）結(jié)晶后，在不同溫度下有不同的晶格類型。 由圖可知，液態(tài)純鐵在1538進(jìn)行結(jié)晶，得到具有體心立方晶格的-Fe，繼續(xù)冷卻到1394，發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦?Fe，繼續(xù)冷卻到912時(shí)，又發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格的-Fe，如再繼續(xù)冷卻時(shí)，晶格類型不再發(fā)生變化.固態(tài)同素異晶轉(zhuǎn)變與液體金屬結(jié)晶的異同：相同點(diǎn)：遵循結(jié)晶的一般規(guī)律，有過冷現(xiàn)象，有結(jié)晶潛熱.不同點(diǎn)：固態(tài)下結(jié)晶，晶核是在原來晶粒的晶界上形成的.需要較大的過冷度，伴隨體積改變,引起組織應(yīng)力,造成零件變形甚至裂紋 .770是磁性轉(zhuǎn)變溫度（居里點(diǎn)）.重結(jié)晶:實(shí)際上同素異晶轉(zhuǎn)變是原子重新排

16、列的過程，是一種結(jié)晶過程。由于鐵能夠發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變，所以生產(chǎn)中才有可能對(duì)鋼鐵進(jìn)行熱處理，以改變其組織和性能。三、合金的相結(jié)構(gòu)合金: 是指兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素熔合在一起，所得到的具有金屬特性的物質(zhì)。組元: 組成合金最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元.組元可以是元素或化合物( 例如鋼是由鐵和碳兩種元素組成的合金，鐵和碳就是組元.有二元合金、三元合金、多元合金).相: 在合金體系中，具有相同的物理和化學(xué)性能，并與該體系中其它部分有明顯界面的部分稱為相。 (在結(jié)晶過程中，固態(tài)和液態(tài)為兩個(gè)不同的相 )合金系：組元按不同比例配制出一系列成分不同的合金。顯微組織：是指在顯微鏡下觀察到的

17、具有某種形貌特征的部分。 固態(tài)合金中的相分為固溶體和金屬化合物兩類。1.固溶體:合金在固態(tài)下，一種組元溶解到另一種組元中形成一種均勻的固相稱為固溶體. 溶劑：保留晶格形式的組元. 溶質(zhì): 晶格類型消失的組元. 根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所處的位置不同。固溶體可分為二類：間隙固溶體和置換固溶體。 （1）間隙固溶體:只有溶質(zhì)原子直徑很小。溶劑原子間的間隙較大的條件下，才能形成間隙固溶體。如C、N、B等非金屬元素，溶入鐵中，形成的固溶體即屬于這種類型。間隙固溶體所溶解的溶質(zhì)數(shù)量是有限的。 置換固溶體：兩種組元的原子直徑相差不大，在形成固溶體時(shí)，溶劑晶格上的部分原子，被溶質(zhì)原子所置換。固溶強(qiáng)化：無論是間

18、隙固溶體還是置換固溶體，都因溶質(zhì)原子的加入，使溶劑晶格發(fā)生歪扭和畸變，使合金的變形抗力增加，從而提高了合金的強(qiáng)度和硬度。這種因形成固溶體而使合金的強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化. 在實(shí)際生產(chǎn)中，廣泛利用固溶強(qiáng)化提高金屬材料的機(jī)械性能.2.金屬化合物：合金兩組元相互作用而形成的具有金屬特性的固相。金屬化合物特點(diǎn)： （1）晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同。 （2）可用分子式表示其組成。 （3）具有高的熔點(diǎn)和硬度，脆性大。例如鐵和碳組成的滲碳體就是一種金屬化合物。金屬化合物也是合金的重要組成相。 鐵碳合金中的Fe3CFe3C的晶格3、機(jī)械混合物： 純金屬、固溶體、金屬化合物都是組成合金的基本相

19、。機(jī)械混合物就是兩種以上的相混合而成的。機(jī)械混合物中各相仍保持各自的晶格類型和性能，因而機(jī)械混合物的性能取決于各相的性能、數(shù)量、形態(tài)、大小和分布情況。思考題：1.什么叫過冷度？液態(tài)金屬發(fā)生結(jié)晶的必要條件是什么？怎樣獲得細(xì)晶粒？2.什么是晶體、晶胞、晶粒、晶界、固溶體、化合物、機(jī)械混合物、固溶強(qiáng)化？第三節(jié) 鐵碳合金狀態(tài)圖 鐵碳合金相圖(狀態(tài)圖):是研究鐵碳合金最基本工具，是研究碳鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織及性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，是制定熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等工藝的依據(jù). 一、鐵碳合金的基本相 鐵碳合金在液態(tài)時(shí)鐵和碳可以無限互溶;在固態(tài)時(shí),碳可以溶解在鐵中形成固溶體,也可與鐵形成化合物,或者

20、形成固溶體與化合物組成的機(jī)械混合物. 1. 鐵素體：碳溶于-Fe中形成的間隙固溶體，稱為鐵素體。用F表示.都是體心立方的間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低，在727時(shí)最大為0.0218%，室溫下僅為0.0008%。鐵素體鐵素體 由于體心立方晶格原子間的空隙較小.鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似。塑性和韌性較好，強(qiáng)度和硬度較低。2、奧氏體:碳在 -Fe中的固溶體稱奧氏體。用A或表示。是面心立方晶格的間隙固溶體,間隙較大,溶碳能力比鐵素體強(qiáng).1148時(shí)最大為2.11%,727時(shí)最大為0.77%,由于-Fe比-Fe溶碳量多，所以奧氏體的強(qiáng)度和硬度較鐵素體高。奧氏體仍是單一的固溶體,塑性好，變形

21、抗力較低， 因此,鋼材進(jìn)行壓力加工時(shí),都要加熱至奧氏體區(qū)域。 硬度：170220HBS.奧氏體奧氏體3、滲碳體：當(dāng)碳的含量超過碳在鐵中的溶解度時(shí)，多余的碳就會(huì)和鐵以一定的比例化合，形成Fe3C，稱為滲碳體 . 含碳6.69%，具有復(fù)雜的晶格 .硬度高,塑性幾乎為零,脆性很大，硬度:800HBW 。Fe3C在一定條件下可發(fā)生分解：Fe3C3Fe+C（石墨），該反應(yīng)對(duì)鑄鐵有重要意義。 由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常溫下碳在鐵碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。 4、珠光體：鐵素體與滲碳體組成的機(jī)械混合物，稱為珠光體，用P表示。 珠光體是奧氏體在727的恒溫下同時(shí)析出滲碳體和鐵素體后所形成

22、的機(jī)械混合物。珠光體的含碳量為0.77%，由于它是硬的滲碳體和軟的鐵素體相間組成的機(jī)械混合物，所以機(jī)械性能介于鐵素體和滲碳體之間，強(qiáng)度較高，硬度適中，有一定的塑性。5、萊氏體：奧氏體與滲碳體組成的機(jī)械混合物，稱為萊氏體，用Ld表示. 萊氏體是含碳量為4.3%的鐵碳合金，在1148時(shí)，從液體中同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體后形成的混合物。由于奧氏體在727時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，所以在室溫時(shí)，萊氏體由珠光體和滲碳體組成。為區(qū)別起見，將727以上的萊氏體稱為高溫萊氏體(A+ Fe3C) ；在727以下的萊氏體，稱為低溫萊氏體(P(F+ Fe3C)+ Fe3C) 。萊氏體的性能和滲碳體相似，硬度很高（HBW700

23、），塑性很差。 萊氏體珠光體二、鐵碳合金狀態(tài)圖:鐵碳合金狀態(tài)圖是表示鋼鐵材料的成分、溫度與組織之間的關(guān)系及其變化規(guī)律的圖形。它是研究鋼鐵材料的重要理論基礎(chǔ)，是制定熱加工及熱處理工藝的重要依據(jù)。含碳量高的鐵碳合金強(qiáng)度低，脆性很大，加工困難，沒有實(shí)用價(jià)值，因此現(xiàn)在的鐵碳合金狀態(tài)圖。只研究Fe-Fe3C部分，實(shí)際上是Fe-Fe3C狀態(tài)圖.圖中縱坐標(biāo)軸表示溫度，橫坐標(biāo)軸表示含碳量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，由左向右表明含碳量由0增加到6.69%。1、Fe-Fe3C狀態(tài)圖的主要點(diǎn)、線：ACD液相線AECF固相線ECF共晶線.共晶反應(yīng)：一定成分的液體，在一定溫度下，同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的反應(yīng)。共晶產(chǎn)物是A與Fe3C

24、的機(jī)械混合物，稱作萊氏體，用Ld表示。P+ Fe3C的機(jī)械混合物，稱作變態(tài)萊氏體，用 Ld 表示，以Fe3C為基，性能硬而脆。560HBW.PSK共析線.共析反應(yīng)：一定成分的奧氏體，在727溫度下，同時(shí)析出鐵素體和滲碳體的反應(yīng)。共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是F與Fe3C的機(jī)械混合物，稱作珠光體，用P表示。其組織特點(diǎn)是兩相呈片層相間分布，性能介于兩相之間。 PSK線又稱A1線.抗拉強(qiáng)度：750900MPa, 180280HBS,伸長(zhǎng)率：2025%.GS冷卻時(shí)，從奧氏體中析出鐵素體的開始線,又稱A3 線。ES 碳在奧氏體中的溶解度曲線，又稱Ac m線。析出網(wǎng)狀二次滲碳體（Fe3C）PQ碳在-Fe中的最大溶解度曲

25、線。析出三次滲碳體（Fe3C） 2、鐵碳合金典型成分結(jié)晶過程分析： 鐵碳合金狀態(tài)圖上的各種成分合金（除工業(yè)純鐵外），按其含碳量和組織不同，分為兩大類，即：工業(yè)純鐵（C%0.0218%） L-L+A-A-A+F-F+Fe3CIII相組成物：F+Fe3C C%0.0008% ; F C%L+A-A-A+P-P相組分：F和Fe3C 組織組分:P (2)亞共析鋼 亞共析鋼的室溫組織：P+F，隨著含碳量的增加，珠光體的量逐漸增加，鐵素體的量逐漸減少.含0.45%C鋼的組織含0.20%C鋼的組織含0.60%C鋼的組織(3)過共析鋼L-L+A-A-A+Fe3CII-P+Fe3CII相組成物：F，F(xiàn)e3C組織

26、組成物：P，F(xiàn)e3CII含1.4%C鋼的組織 (4)共晶白口鐵 白口生鐵中的共晶（C=4.3%）、亞共晶（C4.3%） L-Ld (A+Fe3C共晶)-Ld(A+Fe3C共晶+Fe3CII)-Ld(P+Fe3CII+Fe3C) 室溫下的相組成物：F，F(xiàn)e3C.室溫下的組織組成物：Ld 共晶白口鐵金相 (5)亞共晶白口鑄鐵 2.11%C%4.3% 組織組成物：P+Ld+Fe3CII 相組成物：F+Fe3C亞共晶白口鐵金相 (6)過共晶白口鑄鐵組織組成物：Ld+Fe3C;相組成物 ：F+Fe3C過共晶白口鐵金相 小結(jié)：標(biāo)注組織的鐵碳相圖 3、鐵碳合金中含碳量、組織、性能之間的關(guān)系： (1)含碳量對(duì)

27、鋼的力學(xué)性能的影響： 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。當(dāng)含碳量0.9%，隨著含碳量的升高，強(qiáng)度下降, 但硬度仍上升，塑性、韌性繼續(xù)下降。含碳量對(duì)鑄鐵的力學(xué)性能的影響：硬而脆，沒有使用價(jià)值。 (2)含碳量對(duì)室溫平衡組織的影響: 隨含碳量增加，組織中Fe3C不僅數(shù)量增加，而且形態(tài)也在變化，由分布在F 基體內(nèi)(片狀Fe3C)變?yōu)榉植荚贏晶界上(網(wǎng)狀Fe3C)，最后形成萊氏體時(shí)，F(xiàn)e3C已作為基體出現(xiàn)。 (3)含碳量對(duì)工藝性能的影響1)切削性能：經(jīng)切削加工成工件的難易程度。中碳鋼比較合適。 2)可鍛性能：金屬壓力加工時(shí)，能改變形狀而不產(chǎn)生裂紋的性能。低碳鋼比高碳鋼好。 3

28、)鑄造性能：共晶成分附近的合金鑄造性能好。 4)焊接性能：低碳鋼好于高碳鋼。 5)熱處理性能：下章介紹。第四節(jié) 鋼的熱處理概述 熱處理：是指將鋼在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻，以改變鋼的組織結(jié)構(gòu)，獲得所需要性能的一種工藝。 熱處理是一種重要的加工工藝，在制造業(yè)被廣泛應(yīng)用。 在機(jī)床制造中約60-70%的零件要經(jīng)過熱處理。 在汽車、拖拉機(jī)制造業(yè)中需熱處理的零件達(dá)70-80%。 至于模具、滾動(dòng)軸承則要100%經(jīng)過熱處理。 總之，重要的零件都要經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚聿拍苁褂? 熱處理特點(diǎn)：熱處理區(qū)別于其他加工工藝如鑄造、壓力加工等的特點(diǎn)是只通過改變工件的組織來改變性能，而不改變其形狀。 熱處理適用范圍：只適用于固

29、態(tài)下發(fā)生相變的材料，不發(fā)生固態(tài)相變的材料不能用熱處理強(qiáng)化。 鑄造軋制分類：根據(jù)加熱和冷卻的方法： 一、鋼在加熱和冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 1、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變： 加熱是熱處理的第一道工序。 目的是獲得均勻的奧氏體組織。 鋼的臨界溫度（相變點(diǎn)）鐵碳相圖中PSK、GS、ES線分別用A1、A3、Acm表示。 由于實(shí)際加熱或冷卻時(shí)存在過冷或過熱現(xiàn)象，因此，將鋼加熱時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度分別用Ac1、Ac3、Accm表示，冷卻時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度分別用Ar1、Ar3、Arcm表示. 鋼的奧氏體化:加熱到相變點(diǎn)以上,獲得奧氏體組織的過程. （1）鋼的奧氏體化 奧氏體的形成的基本過程（現(xiàn)以共析鋼為例說明）： 1）.奧氏體

30、晶核形成和長(zhǎng)大：首先在F與Fe3C相界形核。A 晶核通過鐵、碳原子的擴(kuò)散，F(xiàn)的晶格改組和Fe3C的溶解。 2）.殘余Fe3C溶解：鐵素體在成分、結(jié)構(gòu)上比Fe3C更接近于奧氏體，因而先于Fe3C消失，而殘余Fe3C則隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)不斷溶解直至消失。 3）奧氏體的均勻化。Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通過長(zhǎng)時(shí)間保溫使奧氏體成分趨于均勻。 保溫的目的：工件熱透、奧氏體成分的均勻化。 亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體化過程與共析鋼基本相同。但由于先共析F 或二次Fe3C的存在，要獲得全部奧氏體組織，必須相應(yīng)加熱到Ac3或Accm以上。(2)奧氏體晶粒大小及控制 1)奧氏體晶粒度:將鋼加熱到相變點(diǎn)以

31、上某一溫度并保溫給定時(shí)間所得的奧氏體化晶粒的大小。2)奧氏體晶粒長(zhǎng)大起始晶粒度：奧氏體化剛結(jié)束時(shí)的晶粒度.實(shí)際晶粒度：在給定溫度下奧氏體的晶粒度。本質(zhì)晶粒度：加熱時(shí)奧氏體晶粒的長(zhǎng)大傾向。 通常將鋼加熱到94010奧氏體化后，設(shè)法把奧氏體晶粒保留到室溫來判斷。 前者晶粒長(zhǎng)大傾向大，后者晶粒長(zhǎng)大傾向小。 3)奧氏體晶粒度的控制 A.加熱溫度和保溫時(shí)間： 加熱溫度高、保溫時(shí)間長(zhǎng)，A晶粒粗大。 B.加熱速度： 加熱速度越快，過熱度越大，形核率越高，晶粒越細(xì)?？焖偌訜?，短時(shí)保溫（高頻感應(yīng)淬火）. C.合金元素： 阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的元素：Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等，多為碳化物和氮

32、化物形成元素。 促進(jìn)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的元素：Mn、P、C、N。 D.原始組織：平衡狀態(tài)的組織有利于獲得細(xì)晶粒。 奧氏體晶粒粗大，冷卻后的組織也粗大，降低鋼的常溫力學(xué)性能，尤其是塑性。因此加熱得到細(xì)而均勻的奧氏體晶粒是熱處理的關(guān)鍵問題之一2.鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變處于臨界點(diǎn)A1以下的奧氏體稱過冷奧氏體。過冷奧氏體是非穩(wěn)定組織，遲早要發(fā)生轉(zhuǎn)變。過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變方式有等溫轉(zhuǎn)變和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變兩種 隨過冷度不同，過冷奧氏體將發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變?nèi)N類型轉(zhuǎn)變。 以共析鋼為例說明： (1)珠光體轉(zhuǎn)變 1）珠光體的組織形態(tài)及性能 過冷奧氏體在A1到550間將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類型組織，它是鐵素體與滲碳

33、體片層相間的機(jī)械混合物，根據(jù)片層厚薄不同，又細(xì)分為珠光體、索氏體和托氏體.珠光體索氏體托氏體2) 珠光體： 形成溫度為A1-680，片層較厚，500倍光鏡下可辨，用符號(hào)P表示。光鏡下形貌電鏡下形貌3)索氏體形成溫度為680-600，片層較薄，800-1000倍光鏡下可辨，用符號(hào)S 表示。光鏡形貌電鏡形貌4)屈氏體 形成溫度為600-550，片層極薄，電鏡下可辨，用符號(hào)T 表示。電鏡形貌光鏡形貌珠光體、索氏體、屈氏體三種組織無本質(zhì)區(qū)別，只是形態(tài)上的粗細(xì)之分，因此其界限也是相對(duì)的。片間距越小，鋼的強(qiáng)度、硬度越高，而塑性和韌性略有改善 (2)貝氏體轉(zhuǎn)變（550- Ms) 貝氏體：含碳過飽和的鐵素體和

34、滲碳體組成的機(jī)械混合物。 過冷奧氏體在550- 230 (Ms)間將轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w類型組織，貝氏體用符號(hào)B表示。 根據(jù)其組織形態(tài)不同，貝氏體又分為上貝氏體(B上)和下貝氏體（B下）。上貝氏體下貝氏體A.上貝氏體:形成溫度為550-350。在光鏡下呈羽毛狀。在電鏡下為不連續(xù)棒狀的滲碳體分布于自奧氏體晶界向晶內(nèi)平行生長(zhǎng)的鐵素體條之間。光鏡下電鏡下B.下貝氏體:形成溫度為350- 230(Ms)。 在光鏡下呈竹葉狀。在電鏡下為細(xì)片狀碳化物分布于鐵素體針內(nèi)，并與鐵素體針長(zhǎng)軸方向呈55-60角。光鏡下電鏡下上貝氏體強(qiáng)度與塑性都較低，無實(shí)用價(jià)值。下貝氏體除了強(qiáng)度、硬度較高外，塑性、韌性也較好，即具有良好的綜

35、合力學(xué)性能，生產(chǎn)中常用的等溫淬火獲得。(3)馬氏體轉(zhuǎn)變當(dāng)奧氏體過冷到Ms 以下將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體類型組織。馬氏體轉(zhuǎn)變是強(qiáng)化鋼的重要途徑之一。1)馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)碳在-Fe中的過飽和固溶體稱馬氏體。用符號(hào)M 表示。馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，奧氏體中的碳全部保留到馬氏體中。2)馬氏體的組織形態(tài) 馬氏體的形態(tài)分板條和針狀兩類。A.板條馬氏體 立體形態(tài)為細(xì)長(zhǎng)的扁棒狀 在光鏡下板條馬氏體為一束束的細(xì)條組織。光鏡下電鏡下B.針狀馬氏體 立體形態(tài)為雙凸透鏡形的片狀。顯微組織為針狀。電鏡下電鏡下光鏡下3)馬氏體的形態(tài)主要取決于其含碳量C%小于0.2%時(shí)，組織幾乎全部是板條馬氏體。C%大于1.0%時(shí)則幾乎全部是針狀馬氏體。C%

36、在0.21.0%之間為板條與針狀的混合組織。4)馬氏體的性能A.馬氏體的硬度與強(qiáng)度：馬氏體的硬度主要取決于其含碳量。 含碳量增加，其硬度增加。當(dāng)含碳量大于0.6%時(shí)，其硬度趨于平緩。合金元素對(duì)馬氏體硬度的影響不大。B.馬氏體的塑性和韌性 針狀馬氏體脆性大，板條馬氏體具有較好的塑性和韌性。C.馬氏體的比容 單位質(zhì)量的體積。馬氏體的比容最大，轉(zhuǎn)變時(shí)體積發(fā)生膨脹，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。二.鋼的熱處理工藝 機(jī)械零件的一般加工工藝為：毛坯（鑄、鍛）預(yù)備熱處理機(jī)加工最終熱處理。 預(yù)備熱處理：消除前道工序的某些缺陷，為隨后的切削加工和最終熱處理作好準(zhǔn)備的熱處理。 最終熱處理：滿足工件使用性能的熱處理。退火與正火工藝主

37、要用于預(yù)備熱處理，只有當(dāng)工件性能要求不高時(shí)才作為最終熱處理。 1、退火工藝 退火的種類很多，常用的有完全退火、等溫退火、球化退火、均勻化退火、去應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火。1)完全退火主要用于亞共析成分的碳鋼和合金鋼。 加熱溫度：Ac3+30 50 。 組織：F+P 目的：細(xì)化晶粒、消除內(nèi)應(yīng)力、降低硬度，為隨后的切削加工和淬火作好準(zhǔn)備。2)等溫退火亞共析鋼加熱溫度 Ac3+3050,共析、過共析鋼加熱溫度Ac1+3050保溫后快冷到略低于Ar1的溫度停留，待相變完成后出爐空冷。等溫退火可縮短工件在爐內(nèi)停留時(shí)間。 3)球化退火球化退火是將鋼中滲碳體球狀化的退火工藝。主要用于共析和過共析成分的碳鋼和合金

38、鋼。加熱溫度 Ac1+ 30-50目的：降低硬度，改善切削加工性，為淬火作好準(zhǔn)備。4)均勻化退火用途：合金鋼鑄錠和鑄件加熱溫度：AC3+150200（10001200）目的：消除枝晶偏析，使成分均勻化。完全退火或正火消除過熱缺陷。5)去應(yīng)力退火 將工件緩慢加熱到Ac1一下100200，保溫一定時(shí)間，然后隨爐緩慢冷卻的熱處理工藝。 無組織轉(zhuǎn)變，消除殘余內(nèi)應(yīng)力。 2.正火:正火是將鋼加熱到Ac3或Accm以上30 50，保溫后空冷的工藝。 正火比退火冷卻速度大。 正火后的組織： 0.6%C時(shí)組織 F+S 0.6%C時(shí)組織 S 正火的目的: 作為普通結(jié)構(gòu)零件的最終熱處理。 改善低碳鋼和低碳合金鋼的切

39、削加工性能： 160230HBS (3)消除過共析鋼中網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火作組織準(zhǔn)備。（4）特定情況代替淬火、回火。（5)作為中碳結(jié)構(gòu)鋼較重要零件的預(yù)備熱處理。正火溫度3.鋼的淬火:淬火是將鋼加熱到AC3或AC1以上，保溫后以大于Vc速度冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的熱處理工藝。淬火是應(yīng)用最廣的熱處理工藝之一。淬火的目的： 獲得馬氏體組織，為回火作準(zhǔn)備淬火介質(zhì):常用淬火介質(zhì)是水和油。 水的冷卻能力強(qiáng)，但低溫卻能力太大，只用于形狀簡(jiǎn)單的碳鋼件。油在低溫區(qū)冷卻能力較理想，但高溫區(qū)冷卻能力太小，用于合金鋼和小尺寸的碳鋼件。 熔鹽作為淬火介質(zhì)稱鹽浴，冷卻能力在水和油之間，用于形狀復(fù)雜件的分級(jí)淬火和