《金屬工藝學(xué)》高職配套教學(xué)課件

我國(guó)在材料生產(chǎn)及其成形加工工藝技術(shù)方面取得了輝煌的成就。原始社會(huì)后期開(kāi)始有陶器，距現(xiàn)在3000多年的殷商、西周時(shí)期，青銅冶煉達(dá)到了世界高峰。河南安陽(yáng)發(fā)掘出的“司母戊”大方鼎和湖北江陵楚墓中埋藏2000多年仍金光閃閃的越王勾踐寶劍，都反映了我國(guó)古代青銅冶煉和鑄造成形的高超技藝。

思母毋方鼎緒論古劍新材料的應(yīng)用新型聚合物改性水泥混凝土改善水泥混凝土脆性。它既具有有機(jī)材料的柔韌性，又具有無(wú)機(jī)材料的強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、抗老化性、耐久性好的優(yōu)點(diǎn)；既具有水泥混凝土路面的高強(qiáng)度，又具有瀝青路面的高柔韌性。用新型混合物改性水泥混凝土修筑的路面是一種既不同于普通水泥混凝土剛性路面，又不同于瀝青柔路面的新型路面，它綜合了水泥混凝土路面與瀝青路面的優(yōu)點(diǎn)又各去其缺點(diǎn)。車身新材料的種類高強(qiáng)度鋼板從前的高強(qiáng)度鋼板，拉延強(qiáng)度雖高于低碳鋼板，但延伸率只有后者的50％，故只適用于形狀簡(jiǎn)單、延伸深度不大的零件?，F(xiàn)在的高強(qiáng)度鋼板是在低碳鋼內(nèi)加入適當(dāng)?shù)奈⒘吭?，?jīng)各種處理軋制而成，其抗拉強(qiáng)度高達(dá)420N/mm2，是普通低碳鋼板的2-3倍，深拉延性能極好，可軋制成很薄的鋼板，是車身輕量化的重要材料。到2000年，其用量已上升到50%左右。中國(guó)奇瑞汽車公司與寶鋼合作，2001年在試制樣車上使用的高強(qiáng)度鋼用量為262kg，占車身鋼板用量的46%，對(duì)減重和改進(jìn)車身性能起到了良好的作用。輕量化疊層鋼板

疊層鋼板是在兩層超薄鋼板之間壓入塑料的復(fù)合材料，表層鋼板厚度為0.2-0.3mm，塑料層的厚度占總厚度的25％-65％。與具有同樣剛度的單層鋼板相比，質(zhì)量只有57％。隔熱防震性能良好，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋、車身底板等部件。

鋁合金

與汽車鋼板相比，鋁合金具有密度?。?.7g/cm3）、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、熱穩(wěn)定好、易成形、可回收再生等優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)成熟。德國(guó)大眾公司的新型奧迪A2型轎車，由于采用了全鋁車身骨架和外板結(jié)構(gòu)，使其總質(zhì)量減少了135kg，比傳統(tǒng)鋼材料車身減輕了43％，使平均油耗降至每百公里3升的水平。全新奧迪A8通過(guò)使用性能更好的大型鋁鑄件和液壓成型部件，車身零件數(shù)量從50個(gè)減至至29個(gè)，車身框架完全閉合。這種結(jié)構(gòu)不僅使車身的扭轉(zhuǎn)剛度提高了60%，還比同類車型的鋼制車身車重減少50%。由于所有的鋁合金都可以回收再生利用，深受環(huán)保人士的歡迎。根據(jù)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，采用激光束壓合成型工藝，將不同厚度的鋁板或者用鋁板與鋼板復(fù)合成型，再在表面涂覆防腐蝕材料使其結(jié)構(gòu)輕量化且具有良好的耐腐蝕性。

鎂合金

鎂的密度為1.8g/cm3，僅為鋼材密度的35％，鋁材密度的66％。此外它的比強(qiáng)度、比剛度高，阻尼性、導(dǎo)熱性好，電磁屏蔽能力強(qiáng)，尺寸穩(wěn)定性好，因此在航空工業(yè)和汽車工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。鎂的儲(chǔ)藏量十分豐富，鎂可從石棉、白云石、滑石中提取，特別是海水的成分中含3.7%的鎂。近年來(lái)鎂合金在世界范圍內(nèi)的增長(zhǎng)率高達(dá)20％。鑄造鎂合金的車門(mén)由成型鋁材制成的門(mén)框和耐碰撞的鎂合金骨架內(nèi)板組成。另一種鎂合金制成的車門(mén)，它由內(nèi)外車門(mén)板和中間蜂窩狀加強(qiáng)筋構(gòu)成，每扇門(mén)的凈質(zhì)量比傳統(tǒng)的鋼制車門(mén)輕10kg，且剛度極高。隨著壓鑄技術(shù)的進(jìn)步，已可以制造出形狀復(fù)雜的薄壁鎂合金車身零件，如前、后擋板、儀表盤(pán)、方向盤(pán)等。

泡沫合金板

泡沫合金板由粉末合金制成，其特點(diǎn)是密度小，僅為0.4-0.7g/cm3，彈性好，當(dāng)受力壓縮變形后，可憑自身的彈性恢復(fù)原料形狀。泡沫合金板種類繁多，除了泡沫鋁合金板外，還有泡沫鋅合金、泡沫錫合金、泡沫鋼等，可根據(jù)不同的需要進(jìn)行選擇。由于泡沫合金板的特殊性能，特別是出眾的低密度、良好的隔熱吸震性能，深受汽車制造商的青睞。目前，用泡沫鋁合金制成的零部件有發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋等。蜂窩夾芯復(fù)合板

蜂窩夾芯復(fù)合板是兩層薄面板中間夾一層厚而極輕的蜂窩組成。根據(jù)夾芯材料的不同，可分為紙蜂窩、玻璃布蜂窩、玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂蜂窩、鋁蜂窩等；面板可以采用玻璃鋼、塑料、鋁板和鋼板等材料。由于蜂窩夾芯復(fù)合板具有輕質(zhì)、比強(qiáng)度和比剛度高、抗震、隔熱、隔音和阻燃等特點(diǎn)，故在汽車車身上獲得較多應(yīng)用，如車身外板、車門(mén)、車架、保險(xiǎn)杠、座椅框架等。英國(guó)發(fā)明了一種以聚丙烯作芯，鋼板為面板的薄夾層板用以替代鋼制車身外板，使零件質(zhì)量減輕了50%-60%，且易于沖壓成型。工程塑料

與通用塑料相比，工程塑料具有優(yōu)良的機(jī)械性能、電性能、耐化學(xué)性、耐熱性、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性等特點(diǎn)，且比要取代的金屬材料輕、成型時(shí)能耗少。二十世紀(jì)七十年代起，以軟質(zhì)聚氯乙烯、聚氨酯為主的泡沫類、緩沖材料等塑料在汽車工業(yè)中被廣泛采用。高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料

高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料，特別是碳纖維復(fù)合材料（CFRP），因其質(zhì)量小，而且具有高強(qiáng)度、高剛性，有良好的耐蠕變與耐腐蝕性，因而是很有前途的汽車用輕量化材料。碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用，美國(guó)開(kāi)展的最好。第一章金屬的力學(xué)性能

1.1拉伸試驗(yàn)及強(qiáng)度和塑性1.2硬度1.3沖擊吸收功1.4疲勞極限1.5斷裂韌度1.1強(qiáng)度與塑性

1.1.1拉伸試驗(yàn)及拉伸曲線

最常用的力學(xué)性能試驗(yàn)方法之一。試驗(yàn)時(shí)所采用的力是靜拉力，而且這是一個(gè)拉斷性試驗(yàn)。測(cè)定試樣對(duì)外加試驗(yàn)力的抗力，求出強(qiáng)度值；測(cè)定試樣斷裂后的塑性變形的大小，求出塑性值。拉伸試樣圖拉伸曲線曲線分為以下幾個(gè)階段:彈性階段（oe）:試樣能完全恢復(fù)到原來(lái)的形狀和尺寸；屈服階段(es)：力不增加或微小增加，式樣繼續(xù)伸長(zhǎng)；均勻塑性變形階段(sb)：冷變形強(qiáng)化造成的；局部塑性變形階段(bk)：形成縮頸；斷裂點(diǎn)（k）。1.1.2常用強(qiáng)度判據(jù)

概念：強(qiáng)度是材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。常用的判據(jù)有：1.彈性極限：不產(chǎn)生塑性變形的最大應(yīng)力為材料的彈性伸長(zhǎng)應(yīng)力，通常稱為彈性極限，以e表示，e=Fe/S0；2.屈服點(diǎn)：拉伸時(shí)力不增加，試樣仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力稱為材料的屈服點(diǎn)，以s表示，s=Fs/S0；3.抗拉強(qiáng)度：拉伸過(guò)程中最大力Fb所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，以b表示，b=Fb/S0

。1.1.3塑性判據(jù)概念：斷裂前材料發(fā)生永久不可逆變形的能力叫塑性。1.斷后伸長(zhǎng)率：試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比叫之，以δ表示，δ=（L1-L0）/L0×100%；2.斷面收縮率：試樣拉斷后，橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比叫之，以ψ表示，ψ=（L1-L0）/L0×100%；1.2硬度

概念：是指一個(gè)小的金屬表面或很小的體積內(nèi)抵抗彈性變形、塑性變形或斷裂的一種抗力。1.2.1布氏硬度布氏硬度的測(cè)定原理：用一定大小的實(shí)驗(yàn)力F(N)，把直徑為D（mm）淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入被測(cè)金屬的表面保持規(guī)定時(shí)間后卸除實(shí)驗(yàn)力，用讀數(shù)顯微鏡測(cè)出壓痕平均直徑d(mm),然后按公式求出布氏硬度HB的值HBS(HBW)=0.102F／πDh，寫(xiě)作120HBS10/1000/30注意：壓痕中心距試樣邊緣距離不應(yīng)小于壓痕平均直徑的1.5倍。兩相鄰壓痕中心距離不應(yīng)小于壓痕平均直徑大倍。試樣厚度至少應(yīng)為壓痕深度的10倍。實(shí)驗(yàn)后，試樣支撐面應(yīng)無(wú)可見(jiàn)變形痕跡。優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)果準(zhǔn)確,主要用來(lái)測(cè)定鑄鐵、有色金屬以及經(jīng)退火、正火、調(diào)質(zhì)處理的鋼材等。缺點(diǎn)：不能測(cè)太薄件，因?yàn)閴汉圯^大。不能測(cè)HB>450的材料，否則使壓頭變形。1.2.2洛氏硬度原理：用頂角為120°金剛石錐體或直徑1.588mm的淬火鋼球作壓頭，，并施加初試驗(yàn)力F1，再加上主試驗(yàn)力F2，其總試驗(yàn)力F=F1+F2。圖中0-0為壓頭沒(méi)有與試樣接觸時(shí)的位置；1-1為壓頭受到初始試驗(yàn)力F1后壓入試樣的位置；2-2為壓頭受到總試驗(yàn)力F后壓入試樣的位置經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間，卸除主試驗(yàn)力F2，仍保留初試驗(yàn)力F1,試樣彈性變形的恢復(fù)使壓頭上升到3-3位置。此時(shí)壓頭受主試驗(yàn)力壓入的深度為h，則洛氏硬度值為HR=K-h/0.002。優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：方便，壓痕小，幾乎不損傷工件表面，可測(cè)較薄件及極軟、極硬件。缺點(diǎn)：不能準(zhǔn)確地測(cè)定微觀組織粗大的材料誤差較大。

主載荷作用下所引起的塑性變形抗力為h=h3-h1，以此衡量，h增加，硬度減??；h減小，硬度增加。規(guī)定：常數(shù)K減去深度H的值作為洛氏硬度指標(biāo)當(dāng)壓頭為金剛石時(shí)：K=0.2（用于HRA，HRC）

當(dāng)壓頭為鋼球時(shí)：K=0.26（用于HRB）1.3韌性與疲勞機(jī)械零部件在服役過(guò)程中不僅受到靜載荷或變動(dòng)載荷作用，而且受到不同程度的沖擊載荷，所以必須考慮材料的沖擊吸收功或沖擊韌度。沖擊試樣消耗的沖擊功Ak=G（H-h）g---沖擊功沖擊韌度計(jì)算公式：ak=AK／SN式中：AK為沖擊吸收功，SN為試樣斷口處截面積ak的意義及用途：▲冷脆時(shí)的高低是金屬質(zhì)量的指標(biāo)之一；▲對(duì)缺陷敏感。1.3.1韌性1.3.2疲勞極限概念：材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，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)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過(guò)程稱為材料的疲勞。規(guī)定某一循環(huán)次數(shù)N0斷裂時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為疲勞極限。第2章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.2金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)2.3純金屬的結(jié)晶2.4合金的結(jié)晶2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)

2.1.1晶體結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)一.晶體的特點(diǎn)：1、基本質(zhì)點(diǎn)排列有規(guī)律；2、有一定的熔點(diǎn)；3、具有各向異性。所以金屬一般是晶體二、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念晶體結(jié)構(gòu)—晶體中原子（離子或分子）規(guī)則排列的方式。

晶格—假設(shè)通過(guò)原子（離子）結(jié)點(diǎn)的中心劃出許多空間直線所形成的空間格架。

晶胞—能反映晶格特征的最小組成單元

晶體學(xué)參數(shù)—a,b,c,α,β,γ

晶格常數(shù)—晶胞的三個(gè)棱邊的長(zhǎng)度a,b,c2.1.2三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)1、體心立方晶格（BCC—Body-CenteredCube）常見(jiàn)的BCC金屬有：鉬（Mo）、鎢（W）、釩（V）、鉻、鈮、α-Fe等晶胞原子數(shù)—是指在一個(gè)晶胞中所含的原子數(shù)目。為1/8×8+1=2個(gè)；原子半徑—

BCC為：r=√3/4a。致密度—

BCC為4/3πr3×2=0.68=68％2、面心立方晶格（FCC—Face-CenteredCube）

常見(jiàn)的面心立方晶格金屬有：鋁、銅、鎳、金、銀、γ-Fe等。晶胞原子數(shù)—FCC為4個(gè)。原子半徑—FCC為√2/4a。致密度—FCC為74％。3、密排六方晶胞（HCP—HexagonalClose-Packed）

常見(jiàn)的密排六方晶格金屬有：鎂、鎘（Cd）、鋅、鈹（Be）等。晶胞原子數(shù)—HCP為6個(gè)。原子半徑—HCP為1/2a。致密度—HCP為74％。

由以上分析可以看出原子密度不同，所以原子間結(jié)合力也就不同，這就是晶體具有各向異性的原因。2.2金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)一、單晶體和多晶體單晶體：晶格位向完全一致；實(shí)際使用的金屬都是多晶體。晶粒：外形呈多面體顆粒狀的小晶體稱之；多晶體：由許多晶粒組成的晶體稱之；二、晶體缺陷金屬由于結(jié)晶和其他加工等條件的影響，內(nèi)部原子排列存在大量的晶體缺陷，通常它們分為三大類：1.點(diǎn)缺陷：點(diǎn)缺陷是指以一個(gè)點(diǎn)為中心。在它的周圍造成原子排列的不規(guī)則，產(chǎn)生晶格的畸變和內(nèi)應(yīng)力的晶體缺陷。主要有間隙原子，置換原子，晶格空位三種。晶體中的點(diǎn)缺陷都是處在不斷的變化和運(yùn)動(dòng)中，其位置隨時(shí)在變。這是金屬原子擴(kuò)散的一種主要方式，也是金屬在固態(tài)下“相變”和化學(xué)熱處理工藝的基礎(chǔ)。

2、線缺陷：線缺陷主要是指各種形式的“位錯(cuò)”。所謂位錯(cuò)是指晶體中某一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。最簡(jiǎn)單直觀的一種稱為刃型位錯(cuò)。它象一個(gè)刀刃的切入，故稱刃型位錯(cuò)。3.面缺陷：主要是指前述的晶界和亞晶界。面缺陷處原子的位置處于兩晶格的取向所能適應(yīng)的折衷位置上。它是有一定厚度的原子排列不規(guī)則的過(guò)渡帶。對(duì)于金屬，過(guò)渡帶的厚度通常在幾個(gè)原子間距到幾百個(gè)原子間距大小的范圍內(nèi)變化。面缺陷處的晶格畸變較大，界面處能量高，因此，晶界具有與晶粒內(nèi)部不同的特性。金屬晶體缺陷的影響？

點(diǎn)缺陷造成局部晶格畸變，使金屬的電阻率、屈服強(qiáng)度增加，密度發(fā)生變化。線缺陷形成位錯(cuò)對(duì)金屬的機(jī)械性能影響很大，位錯(cuò)極少時(shí)，金屬?gòu)?qiáng)度很高，位錯(cuò)密度越大，金屬?gòu)?qiáng)度也會(huì)提高。面缺陷晶界和亞晶界越多，晶粒越細(xì)，金屬?gòu)?qiáng)度越高，金屬塑變的能力越大，塑性越好。2.3純金屬的結(jié)晶物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱為凝固，如通過(guò)凝固形成晶體結(jié)構(gòu)，則稱為結(jié)晶。結(jié)晶之后得到的金屬材料顯微組織稱為鑄態(tài)組織。下圖中虛線是以平衡狀態(tài)的冷卻速度冷卻的金屬冷卻曲線。實(shí)線是在某一實(shí)際冷卻速度冷卻的金屬冷卻曲線。理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差稱為過(guò)冷度。2.3.1結(jié)晶的基本概念2.3.2結(jié)晶時(shí)晶核的形成和長(zhǎng)大過(guò)程當(dāng)液態(tài)金屬的溫度降到一定的過(guò)冷度之后，在液態(tài)金屬中就開(kāi)始出現(xiàn)一些極細(xì)小的固相小晶體，這就是晶核。晶核不斷地從周圍的液態(tài)金屬中吸附原子使之不斷長(zhǎng)大。在一些晶核長(zhǎng)大的同時(shí)，還會(huì)有新的晶核不斷產(chǎn)生和長(zhǎng)大，直到全部液態(tài)金屬都凝固?？梢?jiàn)，金屬結(jié)晶的過(guò)程包括成核和長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程，而且，這兩個(gè)過(guò)程同時(shí)進(jìn)行。晶核的形成分為自發(fā)成核和非自發(fā)成核。絕大多數(shù)的純金屬及合金都是以樹(shù)枝狀的枝晶形式長(zhǎng)大。因?yàn)榻饘偈遣煌该鞯?，且晶粒又很小，所以平常難以用眼睛直接看到枝晶。但是，在某些特殊的情況下也是可以看到的。如鍍鋅鋼板表面上的鋅晶?；y以及水結(jié)晶成雪花等都是枝晶生長(zhǎng)的可見(jiàn)實(shí)例。2.3.3金屬結(jié)晶后的晶粒大小晶粒大小對(duì)材料的物理化學(xué)性能也有明顯的影響。如：硅鋼片中晶粒愈大磁滯損耗愈少；耐蝕不銹鋼中晶粒愈大耐腐蝕性愈好。晶粒的大小通常是指以晶粒度來(lái)表示。而晶粒度又是以單位界面內(nèi)晶粒數(shù)目的多少來(lái)劃分和標(biāo)定的。通常是晶粒愈小材料強(qiáng)度、塑性愈好。通過(guò)細(xì)化晶粒而使金屬材料力學(xué)性能提高的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化?？梢?jiàn)，按照材料的不同用途和種類應(yīng)合理的控制其晶粒大小。這就需要我們了解一些金屬結(jié)晶時(shí)影響晶粒大小的因素。金屬結(jié)晶時(shí)的成核率N和長(zhǎng)大率G與結(jié)晶后的晶粒大小有密切關(guān)系。而成核率與長(zhǎng)大率又與過(guò)冷度有直接關(guān)系，因此，結(jié)晶時(shí)冷卻速度越大，得到的晶粒也越小。另外，對(duì)于大體積的鑄錠與鑄件提高冷速是困難的。團(tuán)此，在實(shí)際鑄造生產(chǎn)中往往采用“變質(zhì)處理”，即在澆注之前向金屬液中加入某些物質(zhì)(變質(zhì)劑)來(lái)促進(jìn)晶粒細(xì)化。在金屬結(jié)晶時(shí)附加振動(dòng)，也能達(dá)到細(xì)化晶核的目的。2.4合金的結(jié)晶2.4.1概述組元：組成合金的基本物質(zhì)組織：指用肉眼或放大鏡、顯微鏡觀察到的材料內(nèi)部的形態(tài)結(jié)構(gòu)相：是金屬或合金中具有相同化學(xué)成分、相同結(jié)構(gòu)并以界面相互分開(kāi)的各個(gè)均勻的組成部分2.4.2合金的相結(jié)構(gòu)1、固溶體：溶質(zhì)原子溶于溶劑晶格中而仍保持溶劑晶格類型的合金相稱為固溶體。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑中的位置不同，可分為置換固溶體和間隙固溶體（有限固溶體）。由于溶質(zhì)原子的溶入，晶格畸變，合金的強(qiáng)度、硬度提高，引起固溶強(qiáng)化。2、金屬化合物：是合金元素間發(fā)生相互作用而生成的具有金屬性質(zhì)的新相，一般具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，硬而脆。2.4.3合金的組織合金組織中的組成相中，固溶體強(qiáng)度、硬度較低，塑性、韌性較好；金屬化合物硬度較高、脆性大；而固溶體和金屬化合物的混合物的性能往往介于二者之間，即強(qiáng)度硬度較高，塑性韌性較好。要了解合金的成分與性能的關(guān)系，除了以上知識(shí)，還必須掌握合金及固態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中形成的各個(gè)相的數(shù)量及其分布規(guī)律，這些要通過(guò)合金相圖來(lái)了解。a將鉛錫兩種金屬配置成一系列不同成分的合金;b測(cè)定每個(gè)合金的冷卻曲線，然后找出各冷卻曲線上的相變點(diǎn)溫度;c在溫度——成分坐標(biāo)圖上，將各個(gè)合金的相變點(diǎn)分別標(biāo)在相應(yīng)成分垂線上;d將各成分垂線上具有相統(tǒng)意義的點(diǎn)連接成線，并根據(jù)已知條件和分析結(jié)果在各區(qū)域內(nèi)寫(xiě)上相應(yīng)的相名稱符號(hào)，給曲線上重要點(diǎn)注上字母和數(shù)字，就得到一個(gè)完整的二元合金相圖。下面以pb-sn二元合金為例，示意二元相圖的測(cè)畫(huà)方法。2.4.4二元合金相圖的建立與分析第3章金屬的塑性變形與再結(jié)晶3.1金屬的塑性變形3.2變形金屬加熱后的再結(jié)晶3.3金屬的熱變形加工

3.1金屬的塑性變形當(dāng)金屬所收應(yīng)力大于材料的彈性極限時(shí)，就要產(chǎn)生塑性變形。3.1.1單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形有兩種基本方式：滑移和孿生1、滑移：即晶體的兩部分之間沿一定晶面上的一定方向發(fā)生的相對(duì)滑動(dòng)。下圖為單晶體的拉伸示意圖通常滑移總是沿晶體中原子排列最緊密的晶面和晶向進(jìn)行?；剖蔷w間的相對(duì)滑動(dòng)，不引起晶格類型的變化，它是通過(guò)滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)逐步實(shí)現(xiàn)的。2、孿生：即晶體的一部分沿一定的晶面和晶向進(jìn)行剪切變形的現(xiàn)象。3.1.2多晶體的塑性變形1、晶界及晶粒取向的影響：晶界處原子排列比較紊亂，且常有雜質(zhì)，位錯(cuò)在晶界附近，會(huì)受到嚴(yán)重的阻礙而停止前進(jìn)；各個(gè)晶粒的取向不同，某些晶粒的位向有利于滑移，會(huì)首先發(fā)生滑移變形，而周圍的晶粒尚處于彈性變形階段，對(duì)已變形晶粒起著阻礙作用。2、晶粒大小對(duì)變形的影響：隨著晶粒變細(xì)，晶界的總數(shù)量增加，多晶體強(qiáng)度愈高，由于晶粒愈小，多晶體的宏觀變形的總量就可以分散到更多的晶粒中進(jìn)行，使每個(gè)晶粒所承擔(dān)的變形量相對(duì)減小，變形更均勻。另外晶界對(duì)裂紋的擴(kuò)展有阻擋的作用。3.1.3塑性變形后金屬的組織和性能1、位錯(cuò)密度增加，產(chǎn)生加工硬化：隨著金屬材料變形量的增加，材料的強(qiáng)度和硬度增加，塑性下降的現(xiàn)象稱為加工硬化。加工硬化還可以使零件在使用時(shí)增加安全性；有利于金屬塑性變形加工的變形均勻性；不利的方面主要是：降低塑性。2、冷塑性變形引起的各向異性（1）產(chǎn)生纖維組織：原因是金屬材料由原來(lái)的各向同性變形成各向異性。使沿著纖維方向的強(qiáng)度大于垂直纖維方向的。（2）產(chǎn)生變形織構(gòu)：當(dāng)塑性變形量很大時(shí)，各晶粒位向都大體上趨于一致，這種現(xiàn)象稱擇優(yōu)取向。這種由于塑性變形引起的各個(gè)晶粒的晶格位向趨于一致的晶粒結(jié)構(gòu)稱為變形織構(gòu)?？棙?gòu)的存在會(huì)使材料產(chǎn)生嚴(yán)重的各向異性。由于各方向上的塑性、強(qiáng)度不同會(huì)導(dǎo)致非均勻變形。使筒形零件的邊緣出現(xiàn)嚴(yán)重不齊的現(xiàn)象，稱為“制耳”。有制耳的零件質(zhì)量是不合格的。織構(gòu)也有可利用的一面。變壓器所用的硅鋼片就是利用織構(gòu)帶來(lái)的各向異性，使變壓器鐵心增加磁導(dǎo)率、降低磁滯損耗，從而提高變壓器的效率。（3）產(chǎn)生殘余的內(nèi)應(yīng)力：殘余的內(nèi)應(yīng)力就是指平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力，當(dāng)外力去除后而仍然留下來(lái)的內(nèi)應(yīng)力。根據(jù)殘余的內(nèi)應(yīng)力的作用范圍分為三類。3.2變形金屬在加熱后的再結(jié)晶金屬經(jīng)冷變形后，內(nèi)能升高，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，并存在向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。這種轉(zhuǎn)變只有在加熱時(shí)才能實(shí)現(xiàn)，隨加熱溫度的升高變形金屬相繼發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大。3.1.2再結(jié)晶3.1.1回復(fù)當(dāng)加熱溫度較低時(shí)原子活動(dòng)能力不高，只能進(jìn)行短距離運(yùn)動(dòng)。首先發(fā)生空位運(yùn)動(dòng)?？瘴慌c其它晶體缺陷，降低了點(diǎn)缺陷所引起的晶格畸變。接著發(fā)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使形晶粒中各種位錯(cuò)相互作用，降低位錯(cuò)密度。此階段金屬的纖維組織不發(fā)生顯著變化，力學(xué)性能基本不變，但殘余應(yīng)力大幅度下降。在工業(yè)生產(chǎn)中，使變形金屬保持回復(fù)階段，已多有應(yīng)用。其方法是去應(yīng)力退火。變形金屬再結(jié)晶后，顯微組織由破碎拉長(zhǎng)的晶粒變成新的細(xì)小等軸晶粒，殘余內(nèi)應(yīng)力全部消除、加工硬化現(xiàn)象也全部消失。金屬恢復(fù)到變形前的力學(xué)性能，物理化學(xué)等性能也恢復(fù)到變形前的水平。在金屬學(xué)中通常把能夠發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度稱為金屬的再結(jié)晶溫度。但是，在工程上通常又在一小時(shí)之內(nèi)能夠完成再結(jié)晶過(guò)程的最低溫度稱為再結(jié)晶溫度。在對(duì)金屬材料進(jìn)行塑性變形加工（拉深、冷拔等）時(shí)為了消除加工硬化需要進(jìn)行再結(jié)晶退火。3.1.3再結(jié)晶后晶粒長(zhǎng)大當(dāng)變形金屬再結(jié)晶完成之后，若繼續(xù)加熱保溫，則新生晶粒之間還會(huì)大晶粒吞并小晶粒，使晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大示意圖3.3金屬的熱變形加工3.3.1熱變形加工與冷變形加工的區(qū)別二者的區(qū)別是以再結(jié)晶溫度來(lái)劃分的。在生產(chǎn)中金屬材料的熱變形加工開(kāi)始溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其再結(jié)晶溫度，這樣塑性變形的加工硬化隨即被再結(jié)晶的軟化所抵消，因此熱變形加工可看作冷變形和再結(jié)晶過(guò)程相重疊的結(jié)果。3.3.2金屬熱變形加工時(shí)組織和性能的變化1、形成熱加工纖維組織：熱變形加工中可以使鑄態(tài)金屬的偏析和非金屬夾雜沿著變形的方向拉長(zhǎng)，形成所謂的“流線”，也就是熱變形加工的纖維組織。流線的存在使金屬材料產(chǎn)生各向異性。2、消除和改善鑄態(tài)金屬的組織缺陷：熱變形加工可以焊合鑄態(tài)金屬中的氣孔、顯微裂紋等。從而提高材料的致密度和力學(xué)性能。還可以破壞掉鑄態(tài)的大枝晶和柱狀晶。并發(fā)生再結(jié)晶使晶粒細(xì)化，從而也提高材料的力學(xué)性能。3、帶狀組織的形成：使金屬產(chǎn)生各向異性，切削加工性能惡化。只要熱變形加工的工藝條件適當(dāng)，熱變形加工的工件力學(xué)性能要高于鑄件。所以，受力復(fù)雜、負(fù)荷較大的重要工件一般都是選用鍛件，不用鑄件。但是，熱變形加工工藝參數(shù)不當(dāng)，也會(huì)降低熱變形加工工件的性能。例如，加熱溫度過(guò)高可能使熱變形后的工件晶粒粗大、強(qiáng)度和塑性下降；若熱變形加工停止的溫度過(guò)低可能帶來(lái)加工硬化、殘余應(yīng)力加大、甚至出現(xiàn)裂紋等問(wèn)題。第4章鐵碳相圖4.1鐵碳合金的組元和基本相4.2鐵碳相圖分析4.3典型合金的結(jié)晶過(guò)程及組織4.4含碳量與鐵碳合金組織及性能的關(guān)系4.5鐵碳相圖的應(yīng)用4.1鐵碳合金的組元和基本相4.1.1Fe的同素異晶轉(zhuǎn)變同素異晶轉(zhuǎn)變也是通過(guò)成核長(zhǎng)大的過(guò)程來(lái)完成原子重新排列的，也是一種結(jié)晶過(guò)程，也有結(jié)晶潛熱產(chǎn)生。但是，它是在固態(tài)下進(jìn)行的晶格類型的轉(zhuǎn)變，由于晶格類型不同，其原子排列的致密度也不同。因此，在同素異晶轉(zhuǎn)變時(shí)，會(huì)引起宏觀體積的變化和內(nèi)應(yīng)力的增加。由于同素異晶轉(zhuǎn)變時(shí)也有潛熱釋放，所以，在金屬冷卻曲線上也會(huì)以一個(gè)平臺(tái)形式表現(xiàn)出來(lái)。4.1.2鐵碳合金的基本相及其性能鐵碳合金的組元Fe與C相互作用可以形成幾種很重要的相。1、液相：鐵碳合金在熔化溫度以上形成的均勻液體稱為液相；2、鐵素體：鐵素體是碳原子固溶到-Fe中形成的間隙固溶體。代號(hào)為F或。鐵素體是一種強(qiáng)度不高但是塑性很好的相。鐵素體是鋼鐵材料在室溫室時(shí)的重要相，常作為基體相存在。3、奧氏體：它是碳原子固溶到Fe中所形成的間隙固溶體。代號(hào)為A或。奧氏體是一種強(qiáng)度不高塑性很好的高溫相。是熱變形加工所需要的相。一般情況奧氏體不存在于室溫。

4、滲碳體：它是鐵與碳形成的間隙化合物。分子式是Fe3C。滲碳體是具有高硬度、高脆性、低強(qiáng)度和低塑性的相。滲碳體也是鋼鐵材料在室溫下的重要相。4.2鐵碳相圖分析一、相圖中的主要點(diǎn)二、相圖中的主要相變線ABCD線為液相線。溫度高于此線鐵碳合金均是液相。其中，AB線是L→δ開(kāi)始線，BC是L→A開(kāi)始線，CD是L→Fe3C開(kāi)始線。從液相直接結(jié)晶出來(lái)的Fe3C稱為一次滲碳體，標(biāo)記為Fe3CⅠ。AHJECF線為固相線。溫度降到次線之下鐵碳合金全部都結(jié)晶成固相。ECF線是共晶線。當(dāng)溫度達(dá)到這條線（1148℃）時(shí)，此線下2.11％＜wc＜6.69％的鐵碳合金均有共晶轉(zhuǎn)變發(fā)生。PSK線是共析線，代號(hào)為A1。當(dāng)溫度到達(dá)這條線（727℃）時(shí)此線下0.02％wc6.69％的鐵碳合金均會(huì)有共析轉(zhuǎn)變發(fā)生.ES線為固溶線,也稱溶解度線,代號(hào)為Acm.它是奧氏體中碳的溶解度隨溫度變化曲線.當(dāng)溫度降到此線,奧氏體中多余的碳以滲碳體的形式析出。從奧氏體中析出的滲碳體稱為二次滲碳體。記為Fe3CⅡ。PQ線也是固溶線。它是鐵素體中碳的溶解度隨溫度變化的曲線。當(dāng)溫度降到此線,鐵素體中多余的線也以滲碳體形式析出。從鐵素體中析出的滲碳體稱為三次滲碳體。記為Fe3CⅢ.GS線是奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始線，也是鐵素向奧氏體轉(zhuǎn)變的終了線。代號(hào)為A3。GP線是奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的終了線,也是鐵素向奧氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始線。實(shí)際上相圖中的這些線都是各個(gè)化學(xué)成分的合金隨溫度變化發(fā)生各種相轉(zhuǎn)變的溫度點(diǎn)(相變點(diǎn))的分類集合。3、Fe-Fe3C相圖中的相區(qū)單相區(qū)有四個(gè)：L、A、F、Fe3C。其中，F(xiàn)e3C相區(qū)因Fe3C有固定的化學(xué)成分（wc=6.69%），所以是wc=6.69%的一條垂線DFKL。雙相區(qū)有五個(gè)：A+L、L+Fe3C、A+Fe3C、A+F、F+Fe3C。三相共存區(qū)有二個(gè)，L+A+Fe3C(共晶線)、A+F+Fe3C（共析線）。4.3典型合金的結(jié)晶過(guò)程及組織按合金中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和顯微組織的不同，鐵碳合金可分為三大類：1、工業(yè)純鐵它是wc≤0.02%的鐵碳合金。2、碳素鋼它是0.02%＜wc≤2.11%的鐵碳合金。按起室溫下先微組織的不同又分為三種：共析鋼：wc=0.77%

亞共析鋼：0.02%＜wc＜0.77%

過(guò)共析鋼：0.77%＜wc≤2.11%3、白口鑄鐵它是2.11%＜wc＜6.69%的鐵碳合金。按其室溫下顯微組織的不同又分為三種：共晶白口鑄鐵：wc=4.3%

亞共晶白口鑄鐵：2.11%＜wc＜4.3%

過(guò)共晶白口鑄鐵：4.3%＜wc＜6.69%4.3.1共析鋼的結(jié)晶過(guò)程分析共析鋼在平衡態(tài)下的相變過(guò)程圖中合金Ⅰ的wc=0.77%，是共析成分的鐵碳合金——共析鋼。其相變過(guò)程見(jiàn)圖從相圖上可看到：在1點(diǎn)以上合金處于均勻的液相狀態(tài)。在1～2點(diǎn)之間是它的結(jié)晶溫度區(qū)間，是液相與奧氏體相的兩相共存區(qū)。即當(dāng)冷到1點(diǎn)以下從液相（L）中產(chǎn)生奧氏體（A）相晶核并長(zhǎng)大，冷卻直到2點(diǎn)時(shí)，全部液相都結(jié)晶成奧氏體。2～3點(diǎn)之間是奧氏體單相區(qū)，這個(gè)溫度區(qū)間沒(méi)有相變，只是A的簡(jiǎn)單冷卻。當(dāng)冷到3點(diǎn)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。A←→P(FP+Fe3C)。奧氏體相變成F和Fe3C的兩相機(jī)械混合物的珠光體（P）。珠光體中的F和Fe3C分別被稱為共析鐵素體和共析滲碳體。共析鋼的相變過(guò)程可簡(jiǎn)單的示意為：L→A→P(F十Fe3C)。室溫時(shí)共析鋼顯微組織的相組成物是F和Fe3C，組織組成物是P。4.3.2亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程分析圖中合金Ⅱ是亞共析鋼。

從相圖上可看到：在1點(diǎn)以上，合金處于均勻的液相狀態(tài)。在1～2點(diǎn)之間，和共析鋼相同是它的結(jié)晶溫度區(qū)間，2～3點(diǎn)之間是奧氏體單相區(qū)。當(dāng)合金冷至3點(diǎn)溫度時(shí)，開(kāi)始從奧氏體中析出鐵素體，稱為先析鐵素體。隨著溫度下降，鐵素體不斷析出，奧氏體含碳量逐漸增多鐵素體和奧氏體的含碳量分別沿GP線和GS線變化。當(dāng)冷到4點(diǎn)溫度時(shí)，剩余奧氏體的含碳量增加到共析點(diǎn)成分，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，生成珠光體。4.3.3過(guò)共析鋼結(jié)晶過(guò)程分析過(guò)共析鋼的冷卻過(guò)程如Ⅲ線所示。當(dāng)合金冷卻至ES線上3點(diǎn)溫度時(shí)，奧氏體中的含碳量達(dá)到飽和而開(kāi)始析出二次滲碳體。隨溫度下降奧氏體的含碳量不斷減少。當(dāng)冷卻至4點(diǎn)溫度時(shí)含碳量減至0.77%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，生成珠光體4.3.4共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程分析4.3.5亞共晶白口鐵結(jié)晶過(guò)程4.3.6過(guò)共晶白口鐵結(jié)晶過(guò)程4.4含碳量與鐵碳合金組織及性能的關(guān)系在室溫時(shí)隨著鐵碳合金中wc的增加，合金中的相組成物質(zhì)雖然都是F和Fe3C這兩個(gè)相。但是，其相對(duì)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)卻是逐漸變化的。鐵碳合金在室溫時(shí)顯微組織的組織組成物也隨著wc從0增加到6.69%而發(fā)生一系列變化，F(xiàn)→F+Fe3CⅢ→P+F+Fe3CⅢ→P→P+Fe3CⅡ→Ld`+P+Fe3CⅡ→Ld`→Ld`+Fe3CⅠ→Fe3CⅠ，如下圖所示。4.4.1鐵碳合金含碳量與組織的關(guān)系4.4.2鐵碳合金含碳量與力學(xué)性能的關(guān)系在室溫下，由于鐵碳合金的顯微組織隨wc的變化而變化，所以，它的力學(xué)性能也要隨wc變化而變化，見(jiàn)下圖。鐵碳合金隨含碳量增高，其組織發(fā)生如下變化：(沿F晶界分布的基片）→共析滲碳體（分布在鐵素體內(nèi)的片層狀）→（沿A晶界呈網(wǎng)狀分布）→共晶滲碳體（為萊氏體的基體）→（分布在萊氏體上的粗大片狀）。4.5鐵碳相圖的應(yīng)用Fe-Fe3C相圖給出了碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與鋼的組織與性能之間的關(guān)系。這便于根據(jù)零件所需的使用性能來(lái)合理選用適當(dāng)碳含量的鋼。顯然相圖可與指導(dǎo)我們對(duì)鋼材的合理選用。

Fe-Fe3C相圖還給出了各種鐵碳合金的溫度與組織之間的關(guān)系。這對(duì)指導(dǎo)鑄、鍛、熱處理工藝有直接意義。1.在鑄造方面的應(yīng)用根據(jù)相圖上的液相線可以確定鑄件的合理澆注溫度。一般選在液相線之上50℃～100℃。2.在鍛造方面的應(yīng)用從F-Fe3C相圖上可知，當(dāng)把鋼加熱到A3和Acm線之上都會(huì)變成單相奧氏體。奧氏體狀態(tài)的剛塑性好、強(qiáng)度較低，很適用于大變形量的熱變形加工。從工藝角度考慮既要易于變形加工又要避免晶粒粗大、過(guò)熱和嚴(yán)重氧化。所以，鍛造和熱軋的開(kāi)始溫度一般選在固相線以下200℃。

3.在熱處理方面的應(yīng)用F-Fe3C相圖中的A1、A2、A3、Acm三條相變現(xiàn)實(shí)確定碳素鋼熱處理工加熱溫度的依據(jù)。4.為選材提供成分依據(jù)若零件要求塑性，韌性好，如建筑結(jié)構(gòu)和容器等，應(yīng)選用低碳鋼（0.10~0.25%C）；若零件要求強(qiáng)度、塑性、韌性都較好，如軸等，應(yīng)選用中碳鋼（0.25~0.60%C）；若零件要求硬度高、耐磨性好，如工具等，應(yīng)選用高碳鋼（0.6~1.3%C）。白口鐵具有很高的硬度和脆性，應(yīng)用很少，但因其具有很高的抗磨損能力，可應(yīng)用于少數(shù)需要耐磨而不受沖擊的零件，如：拔絲模、軋輥和球磨機(jī)的鐵球等。5.在焊接方面的應(yīng)用根據(jù)相圖來(lái)分析碳鋼焊縫組織，并用適當(dāng)熱處理方法來(lái)減輕或消除組織不均勻性。第5章鋼的熱處理5.1剛在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變5.2剛在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變5.3剛的常用熱處理方法5.4熱處理新工藝簡(jiǎn)介5.5熱處理工藝的編制5.1剛在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變改變鋼性能的主要途徑，一是合金化，加入合金元素，調(diào)整鋼的化學(xué)成分；二是進(jìn)行熱處理。鋼的熱處理是指在固態(tài)下通過(guò)對(duì)鋼進(jìn)行不同的加熱、保溫、冷卻來(lái)改變鋼的組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需要性能的一種工藝。加熱是熱處理的第一道工序，目的是獲得奧氏體。共析鋼、亞共析鋼和過(guò)共析鋼分別被加熱到PSK線、GS線、ES線以上，為了方便，則相應(yīng)用A1、A3、Acm來(lái)表示。5.1.1奧氏體的形成過(guò)程形核、長(zhǎng)大、殘余奧氏體溶解、奧氏體均勻化。如下圖所示：5.1.2奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其影響因素1、晶粒大小的表示方法：晶粒度級(jí)別指數(shù)、單位體積晶粒數(shù)、晶粒公稱直徑等2、晶粒度：起始晶粒度：指珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變剛剛完成時(shí)奧氏體晶粒的大??；實(shí)際晶粒度：指鋼在某一具體加熱條件下實(shí)際獲得的奧氏體晶粒的大小；本質(zhì)晶粒度：鋼在規(guī)定的加熱條件下，奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向。3、影響因素：溫度太高，保溫時(shí)間太長(zhǎng)奧氏體晶粒長(zhǎng)大越明顯；合金元素能生成穩(wěn)定的碳化物，阻礙奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，錳和磷促進(jìn)奧氏體晶粒長(zhǎng)大；原始組織。5.2剛在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變?

室溫時(shí)鋼的力學(xué)性能，不僅與經(jīng)過(guò)加熱、保溫后獲得的A晶粒大小有關(guān)，而且決定于A經(jīng)冷卻轉(zhuǎn)變后所獲得的組織。而冷卻方式、

冷卻速度對(duì)A組織的轉(zhuǎn)變有直接影響。A鋼冷卻至室溫有兩種方式：連續(xù)冷卻:

就是使奧氏體化后的鋼，在溫度連續(xù)下降的過(guò)程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。水冷、油冷、爐冷、空冷。

等溫冷卻：將奧氏體化后的鋼迅速冷卻到A1以下某一溫度，恒溫停留一段時(shí)間，在這段保溫時(shí)間內(nèi)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，然后再冷卻下來(lái)。

5.2.1過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變

以共析鋼為例，共析鋼A的等溫轉(zhuǎn)變曲線的建立是通過(guò)一系列不同過(guò)冷的等溫冷卻實(shí)驗(yàn)建立的。由于過(guò)冷溫度和等溫時(shí)間不同，過(guò)冷A的等溫轉(zhuǎn)變過(guò)程及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也不相同，表示過(guò)冷A不同的等溫冷卻溫度、等溫時(shí)間與轉(zhuǎn)變過(guò)程及產(chǎn)物之間關(guān)系的曲線—C曲線。1、共析鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)等溫轉(zhuǎn)變曲線呈C形，通常稱為C曲線。在曲線中左邊的一條為過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始線，右邊的一條為過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變終了線，在轉(zhuǎn)變開(kāi)始線的左方是過(guò)冷奧氏體區(qū)，在轉(zhuǎn)變終了線的右方是轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)，兩條線之間是轉(zhuǎn)變區(qū)。C曲線下部有兩條水平線，一條是馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始線，一條是馬氏體轉(zhuǎn)變終了線。由C曲線可以看出：（1）在A1溫度以上，奧氏體處于穩(wěn)定狀態(tài)；（2）在A1溫度以下，過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變都要經(jīng)過(guò)一段“孕育期”，孕育期越長(zhǎng)，過(guò)冷奧氏體越穩(wěn)定，在約550°C時(shí)孕育期最短，此處過(guò)冷奧氏體最不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)變較快。（3）過(guò)冷奧氏體在A1溫度以下不同溫度范圍內(nèi)，可發(fā)生三種不同類型的轉(zhuǎn)變，珠光體類型（高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物）、貝氏體形轉(zhuǎn)變（中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物）、馬氏體型轉(zhuǎn)變（低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物）。2、共析鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能共析鋼A過(guò)冷到723℃—550℃之間A等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物屬于P型組織。組織名稱符號(hào)轉(zhuǎn)變溫度范圍℃硬度放大倍數(shù)珠光體PAc1～650170～200HB＜500×索氏體S650～60025～35HRC＞1000×屈氏體T600～55035～40HRC＞2000×珠光體P，3800×索氏體S8000×屈氏體T8000×珠光體P

索氏體S

托氏體T貝氏體形轉(zhuǎn)變（中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物

）：550℃～350℃為上貝氏體。上B呈羽毛狀，強(qiáng)度和韌性都較差。350℃～Mf為下貝氏體。為黑色針狀，硬度高，韌性好，具有較高的綜合機(jī)械性能。

低溫轉(zhuǎn)變—Ms點(diǎn)以下，（過(guò)冷奧氏體冷卻到Ms點(diǎn)以下后發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變）

馬氏體M—碳溶于α—Fe中的過(guò)飽和固溶體。過(guò)冷A轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體是一種非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。3、影響奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的因素

?

（1）碳的影響：

ωc增加，亞共析鋼的C曲線右移；過(guò)共析鋼的C曲線左移。（2）合金元素的影響：初CO外，所有合金元素如入奧氏體后會(huì)增加過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，

使C曲線右移。（3）加熱溫度和保溫時(shí)間的影響：加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，晶粒大，晶界少，形核率低，奧氏體穩(wěn)定性增加，C曲線右移。5.2.2過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變1、共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖分析：共析鋼連續(xù)冷卻時(shí)，只有珠光體轉(zhuǎn)變而無(wú)貝氏體轉(zhuǎn)變。亞共析鋼可以產(chǎn)生貝氏體組織。合金鋼可以有珠光體及貝氏體轉(zhuǎn)變，有珠光體無(wú)貝氏體?；蛴胸愂象w而無(wú)珠光體轉(zhuǎn)變等多種情況。

Ps——A→P開(kāi)始線Pf——A→P終止線KK'——P型轉(zhuǎn)變終止線Vk——上臨界冷卻速度Vk'——下臨界冷卻速度

MS——A→M開(kāi)始溫度

Mf

——A→M終止溫度連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物爐冷→

P (V

≈０)空冷→

S (V

≤Vk')油冷→

T+M+A'(Vk'

～Vk)水冷→

M+A'(V≥Vk)2、馬氏體型轉(zhuǎn)變：

馬氏體的形態(tài)有板條狀和針狀(或稱片狀)兩種.C%<0.25%時(shí)，為板條M（低碳M）。C%=0.25~1.0%時(shí)，為混合C%>1.0%時(shí)，為針狀馬氏體的硬度很高，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，馬氏體的硬度越高。

馬氏體（M）轉(zhuǎn)變特點(diǎn)1)無(wú)擴(kuò)散 Fe和C原子都不進(jìn)行擴(kuò)散，M是體心正方的C過(guò)飽和的F，

固溶強(qiáng)化顯著。2)瞬時(shí)性

M的形成速度很快，溫度↓則轉(zhuǎn)變量↑3)不徹底

M轉(zhuǎn)變總要?dú)埩羯倭緼，A中的C%↑則MS、Mf↓，殘余A含量↑4)M形成時(shí)體積↑，造成很大內(nèi)應(yīng)力。5.2.3過(guò)冷A的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變與等溫冷卻曲線比較和應(yīng)用

與等溫冷卻曲線相比，連續(xù)冷卻曲線都處于右下方，說(shuō)明轉(zhuǎn)變溫度低，孕育期長(zhǎng)。?

共析鋼連續(xù)冷卻時(shí)，只有珠光體轉(zhuǎn)變而無(wú)貝氏體轉(zhuǎn)變。亞共析鋼可以產(chǎn)生貝氏體組織。合金鋼可以有珠光體及貝氏體轉(zhuǎn)變，有珠光體無(wú)貝氏體?；蛴胸愂象w而無(wú)珠光體轉(zhuǎn)變等多種情況。?

當(dāng)連續(xù)冷卻速度達(dá)到某一值時(shí)，冷卻曲線與C曲線相切，不發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，而在低溫區(qū)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，通常稱為臨界冷卻速度。冷速小時(shí)，得到珠光體與馬氏體混合組織，更小時(shí)，得到珠光體組織。3、過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖的應(yīng)用過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖是選擇鋼種及制訂熱處理工藝的基本依據(jù)之一。（1）不同成分的鋼具有不同的轉(zhuǎn)變圖，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)要求合理選擇適用而廉價(jià)的材料。（2）制定熱處理工藝規(guī)程，選擇冷卻介質(zhì)。（3）估計(jì)零件在熱處理?xiàng)l件下各部位可能得到的組織。

5.3剛的常用熱處理方法5.3.1退火

將組織偏離平衡狀態(tài)的鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間，然后緩冷卻（一般為隨爐冷卻）的熱處理工藝叫做退火。根據(jù)處理的目的和要求不同，剛的退火可分為完全退火、等溫退火、球化退火、擴(kuò)散退火和去應(yīng)力退火等等。1.完全退火

又稱重結(jié)晶退火，是把鋼加熱至以上20℃~30℃，保溫一定時(shí)間后緩慢冷卻（隨爐冷卻或埋入石灰和砂中冷卻）。以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。

目的:通過(guò)完全重結(jié)晶，使熱加工造成的粗大、不均勻的組織均勻化和細(xì)化，以提高性能。由于冷卻速度緩慢，還可能消除內(nèi)應(yīng)力。

應(yīng)用：主要用于亞共析鋼，過(guò)共析鋼不宜采用。2.等溫退火

是將鋼件或毛坯加熱到高于Acэ的溫度保溫適當(dāng)時(shí)間后，較快地冷卻到珠光體區(qū)的某一溫度，并等溫保持，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。

目的：與完全退火相同但轉(zhuǎn)變較易控制，能獲得均勻的預(yù)期組織；對(duì)于奧氏體較穩(wěn)定的合金鋼，長(zhǎng)可大大縮短退火時(shí)間。應(yīng)用：奧氏體較穩(wěn)定的合金鋼，尤其高合金鋼。

3.球化退火

使鋼中碳化物球狀化的熱處理工藝

目的:是使二次滲碳體及珠光體中的滲碳體球狀化(退火前正火將網(wǎng)狀滲碳體破碎),以降低硬度,改善切學(xué)加工性能;并為以后的淬火作組織準(zhǔn)備.

應(yīng)用：用于過(guò)共析鋼,如工具鋼,滾珠軸承鋼等說(shuō)明：退火加熱時(shí)，組織沒(méi)有完全A化，所以又稱不完全退火。

4.擴(kuò)散退火(均勻化退火)

將其加熱到略低于固相線的溫度，長(zhǎng)時(shí)間保溫并進(jìn)行緩慢冷卻的熱處理工藝，擴(kuò)散退火的加熱溫度一般選定在鋼的熔點(diǎn)以下100℃~200℃，保溫時(shí)間一般為10h~15h。加熱溫度提高時(shí)，擴(kuò)散時(shí)間可以縮短。擴(kuò)散退火后鋼的晶粒很大，因此一般再進(jìn)行完全退火或正火處理。

目的和應(yīng)用：為減少鋼錠、鑄件或鍛坯的化學(xué)成分和組織不均勻性。

5.去應(yīng)力退火

為消除鑄造、鍛造、焊接和機(jī)加工、冷變形等冷熱加工在工件中造成的殘留內(nèi)應(yīng)力而進(jìn)行的低溫退火，去應(yīng)力退火是將鋼件加熱至低于的某一溫度（一般為500℃~650℃），保溫，然后隨爐冷卻，這種處理可以消除約50%~80%的內(nèi)應(yīng)力，不引起組織變化。6.再結(jié)晶退火用于經(jīng)冷變形的鋼5.3.2鋼的正火鋼材或鋼件加熱到Acэ和Accm以上３０℃～５０℃，保溫適當(dāng)時(shí)間后，在空氣中均勻冷卻的熱處理稱為正火。正火與完全退火的主要差別在與冷卻速度快些，目的是使鋼的組織正?；?，所以亦稱常化處理，一般應(yīng)用于以下方面：

1.作為最終熱處理

正火可以細(xì)化晶粒，使組織組織均勻化，減少亞共析鋼中鐵素體含量，使珠光體含量增多并細(xì)化，從而提高鋼的強(qiáng)讀、硬度和韌性。對(duì)于普通結(jié)構(gòu)鋼零件，機(jī)械性能要求不很高時(shí)，可以正火作為最終熱處理。2.作為預(yù)先熱處理截面較大的合金結(jié)構(gòu)鋼件，在淬火或調(diào)質(zhì)處理前長(zhǎng)進(jìn)行正火，以消除魏氏組織和帶狀組織，并獲得細(xì)小而均勻的組織。對(duì)于過(guò)共析鋼可減少二次滲碳體量，并使其不形成連續(xù)網(wǎng)狀，為球化退火作組織準(zhǔn)備。3.改善切削加工性能

低碳鋼或低碳合金鋼退火后硬度太低，不便于切削加工。正火可提高其硬度，改善其切學(xué)加工性能。

5.3.3鋼的淬火將鋼加熱到相變溫度以上，保溫一定時(shí)間，然后快速冷卻以獲得馬氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。淬火是鋼的最重要的強(qiáng)化方法。1、淬火溫度的選定

一般情況下，亞共析鋼的淬火加熱溫度為Acэ以上３０℃～５０℃，如果選擇Ac1～Acэ之間，淬火組織中有先析鐵素體，降低鋼的硬度。

共析鋼和過(guò)共析鋼的淬火加熱溫度為Ac1以上３０℃～５０℃。過(guò)共析鋼加熱溫度在Ac1～Accm之間，是為了細(xì)化晶粒，以提高耐磨性；另外也可以防止奧氏體過(guò)多溶解，使馬氏體中碳的過(guò)飽和度過(guò)大，增大了淬火應(yīng)力和變形與開(kāi)裂的傾向，并使鋼中殘余奧氏體增多，降低了鋼的硬度和耐磨性。2、常用淬火冷卻方法（1）淬火冷卻介質(zhì)水、鹽水—適用于形狀簡(jiǎn)單、截面較大的碳鋼零件的淬火。機(jī)油和柴油—一般用作為合金鋼的淬火介質(zhì)。鹽浴、堿浴和硝鹽浴—常用于處理形狀復(fù)雜、尺寸較小、變形要求嚴(yán)格的工具等。（2）淬火方法單介質(zhì)淬火法采用一種介質(zhì)冷卻，操作簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，應(yīng)用較廣。缺點(diǎn)是水淬變形開(kāi)裂傾向大；油淬冷卻速度小，淬透直徑小，大件淬不硬。

雙介質(zhì)淬火將A化的鋼先放進(jìn)水中冷卻到300~200度在迅速移到油中（甚至放到空氣中）的冷卻操作方法。即可淬硬又可避免開(kāi)裂和變形。但操作困難。分級(jí)淬火將A化的鋼放進(jìn)稍高于Ms點(diǎn)的鹽浴槽中停留2~5分鐘，然后取出在空氣中冷卻。應(yīng)力小，避免開(kāi)裂和變形。但鹽浴冷卻能力有限，只適用于形狀復(fù)雜，尺寸較小的零件。等溫淬火將A化的鋼放進(jìn)稍高于Ms點(diǎn)的鹽浴槽中保溫足夠時(shí)間，使過(guò)冷A轉(zhuǎn)變?yōu)锽下，然后取出空冷方法。B下硬度較高，韌性較好，變形又小。適于形狀復(fù)雜、尺寸精度要求的零件。局部淬火避免工件其他部分產(chǎn)生變形和開(kāi)裂，適合于局部硬度要求高的工件。3、鋼的淬透性⑴淬透性的概念：鋼在淬火冷卻時(shí)，獲得馬氏體組織深度的能力。⑵影響因素：過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，即Vk。⑶淬硬性和淬透性及淬硬深度的區(qū)別淬硬性：鋼在正常淬火條件下，淬火形成的馬氏體所能達(dá)到的最高硬度。淬硬性取決于馬氏體的含碳量，含碳量越高，碳的過(guò)飽和度就越大，硬度越高。淬硬深度：淬透性是鋼本身所固有的屬性，同一鋼種不同截面的工件在同樣奧氏體條件下淬火，其淬透性相同；但其淬硬深度卻因工件的形狀、尺寸和冷卻介質(zhì)的不同而異。5.3.4回火鋼件淬火后，為了消除內(nèi)應(yīng)力并獲得所要求的組織和性能，將其加熱到Ac1以下某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝叫回火。

淬火綱一般不宜直接使用，必須進(jìn)行回火。這是因?yàn)榈谝淮慊鸷蟮玫降氖切阅芎艽嗟鸟R氏體，并存在有內(nèi)應(yīng)力，容易產(chǎn)生變形和開(kāi)裂；第二，淬火馬氏體和殘余奧氏體艘是不穩(wěn)定組織，在工作中會(huì)發(fā)生分解，導(dǎo)致零件尺寸的變化，而這對(duì)精密零件是不允許的，第三，為了獲得要求的強(qiáng)度，硬度，塑性和韌性，以滿足零件的使用要求。1、淬火鋼在回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變第一階段（80℃～200℃）：馬氏體分解第二階段（200℃～300℃）：殘余奧氏體分解第三階段（300℃～400℃）：馬氏體分解完成和滲碳體形成

第四階段（400℃以上）：固溶體的再結(jié)晶與滲碳體的聚集長(zhǎng)大

2、回火的分類及其應(yīng)用淬火后，加熱到Ac1以下，保溫，冷卻。（1）低溫回火（150～250℃）

低溫回火的目的—是降低淬火應(yīng)力，提高工件的韌性，保證淬火后的高硬度和高耐磨性。應(yīng)用—主要用于處理各種高碳鋼工具、模具、滾動(dòng)軸承以及滲碳和表面淬火的零件。（2）中溫回火（350℃-500℃）

得到鐵素體基體與大量彌散分布的細(xì)粒狀的混合組織，叫做回火（托）屈氏體。中溫回火的目的—獲得回火屈氏體。因?yàn)榛鼗鹎象w具有高的彈性極限和屈服強(qiáng)度，同時(shí)也具有一定的韌性，硬度一般為35HRC-45HRC。應(yīng)用—主要用于處理各種彈簧及需要高屈服強(qiáng)度的零件。（3）高溫回火（500℃-650℃）

組織為再結(jié)晶等軸F+粗粒狀Fe3C，稱為回火索氏體S。高溫回火的目的：獲得良好的綜合機(jī)械性能。

淬火+高溫回火→調(diào)質(zhì)處理應(yīng)用—適用于承受各種復(fù)雜載荷的重要的機(jī)械零件。如軸類件、齒輪類件等

回火溫度與機(jī)械性能的關(guān)系：

200℃以下，HRC不變。200-300℃，M分解，殘余A轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，硬度降低不大，高碳鋼硬度有一定的升高。>300℃，HRC降低。韌性：400度開(kāi)始升高，600℃最高。

彈性極限：在300-400℃最高。塑性：在600-650℃最高。3、回火脆性一類250－400℃避免在此溫度回火二類500－600℃（CrNiMn）加Mo可推遲，快冷可避免。練習(xí)：1．45、T8和T12鋼淬火溫度如何確定？說(shuō)明原因？2．指出下列工件的淬火、回火溫度及回火后獲得的組織和大致的硬度。

①40鋼小軸（要求綜合機(jī)械性能）

②65鋼彈簧

③T12A鋼銼刀第四節(jié)剛的表面熱處理和化學(xué)熱處理一、表面淬火1.感應(yīng)加熱表面熱處理

⑴感應(yīng)加熱的基本原理

感應(yīng)線圈通以交流電時(shí)，即在其內(nèi)部和周圍產(chǎn)生一與電流相同頻率的交變磁場(chǎng)。把工件置于磁場(chǎng)中，則在工件內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，產(chǎn)生電阻熱。由于交流電的集膚效應(yīng)，感應(yīng)電流，靠近表面的電流密度大，而中心幾乎為零。電流滲入工件表層的深度，與電流頻率有關(guān)。對(duì)于碳鋼：δ=500/√f

式中，δ為電流透入深度（mm），f為電流頻率（Hz）。f愈大，電流透入深度愈小，加熱層也愈薄，不同頻率，可得到不同的淬硬層深度。

⑵感應(yīng)加熱淬火方法種類

高頻淬火（10～50KHz）:適用于淬硬層0.5mm~2mm的小工件，如：機(jī)床齒輪，小銷等。

中頻淬火（1000～10000Hz）：適用于淬硬層2mm~15mm的中大型工件，如軸類件。

工頻淬火（50Hz）：適用于淬硬層15mm以上的大型工件，如軋輥等。⑶感應(yīng)加熱適用的鋼種中碳鋼和中碳低合金鋼，如45、40Cr、40MnB鋼等。這類鋼經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)后表面淬火，心部保持較高的綜合機(jī)械性能，而表面具有較高的硬度（﹤50HRC）和耐磨性。2.火焰加熱表面熱處理

火焰加熱表面淬火，是用乙炔-氧或煤氣-氧等火焰加熱工件表面，進(jìn)行淬火。

火焰加熱表面淬火設(shè)備簡(jiǎn)單，操作靈活，成本低等優(yōu)點(diǎn)。但生產(chǎn)率低，零件表面存在不同程度的過(guò)熱，質(zhì)量不穩(wěn)定。因此主要適用于單件、小批量生產(chǎn)及大型零件（如大型齒輪、軸、軋錕等）的表面淬火。二、化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理—是將鋼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面，改變其化學(xué)成分和組織，達(dá)到改進(jìn)表面性能，滿足技術(shù)要求的熱處理過(guò)程。種類：滲碳、氮化、碳氮共滲、滲硼、滲鋁等。作用：提高鋼件表層的耐磨性、耐蝕性、抗氧化性能以及疲勞強(qiáng)度等?；瘜W(xué)熱處理基本過(guò)程：①介質(zhì)的分解－加熱時(shí)介質(zhì)分解，釋放出欲滲入元素的活性原子；②表面吸收—分解出的活性原子在鋼件表面被吸收并溶解，超過(guò)溶解度時(shí)還能形成化合物；③原子擴(kuò)散—溶入元素的原子在濃度梯度的作用下由表及里擴(kuò)散，形成一定厚度的擴(kuò)散層。滲碳—鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱和保溫，使碳原子滲入表層工藝稱為滲碳。⑴滲碳目的：增加低碳鋼表層的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和獲得一定碳濃度梯度，（碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約1.0%）,再經(jīng)過(guò)淬火和回火處理。提高表面的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，而使心部仍保持良好的韌性和塑性。（2）應(yīng)用：用于承受大的交變接觸應(yīng)力、嚴(yán)重磨損和較大沖擊載荷的零件，例如各種齒輪、活塞銷、套筒等。

（3）氣體滲碳將工件在密封的滲碳爐中，加熱到900℃~950℃，向爐內(nèi)滴入易分解的有機(jī)液體（如煤油、苯、甲醇等），或直接通入滲碳?xì)怏w（如煤氣、石油液化氣等），通過(guò)下列反應(yīng)產(chǎn)生活性碳原子，使鋼件表面滲碳：

2CO→CO2+[C]

CO2+H2→H2O+[C]

CnH2n→nH2+n[C]

CnH2n+2→（n+1）H2+n[C]氣體滲碳的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，勞動(dòng)條件好，滲碳過(guò)程中可以控制，滲碳層的質(zhì)量和機(jī)械性能較好。此外，還可進(jìn)行直接淬火。滲碳工藝

滲碳溫度一般采用900℃~950℃。滲碳時(shí)間則決定于滲層厚度的要求。在900℃滲碳，保溫1h，滲碳厚度為0.5mm，保溫4h，滲層厚度可達(dá)1mm。零件的滲碳層厚度，決定于其尺寸及工件條件，一般為0.5mm~2.5mm。

（4）滲碳后的熱處理

直接淬火—工藝簡(jiǎn)單，效率高，成本低，脫碳傾向小，淬火馬氏體較粗，殘余奧氏體也較多，耐磨性較低，變形較大，適用于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼和耐磨性要求不太高和承載低的零件。

一次淬火—滲碳緩慢冷卻后，重新加熱淬火。對(duì)于心部組織要求高的合金滲碳鋼，一次淬火的加熱溫度略高于心部的Ac3使其晶粒細(xì)化，并得到低碳馬氏體組織；適用于受載不大但表面性能要求較高的零件。

二次淬火—只用于表面高耐磨性和心部高韌性的零件。滲碳、淬火后進(jìn)行低溫（150℃~200℃）回火，以消除淬火應(yīng)力和提高韌性。

2.滲氮—氮化是向鋼件表面滲入氮的工藝。氮化的目的—在于更大地提高鋼件表面的硬度和耐磨性，提高疲勞強(qiáng)度和抗蝕性。氣體氮化工藝

原理—氨被加熱分解出活性氮原子（2NH→3H2+2[N]），氮原子被鋼吸收并溶入表面，在保溫過(guò)程中向內(nèi)擴(kuò)散，形成滲氮層

工藝特點(diǎn)—①氮化溫度低，一般為500℃~600℃。工件變形小

。②氮化具有很高的硬度（1000HV~1100HV），在600℃~650℃下保持不下降，所以具有很高的耐磨性和熱強(qiáng)性。耐蝕性好。③鋼氮化后，滲層體積增大，造成表面壓應(yīng)力，使疲勞強(qiáng)度大大提高。④氮化工藝復(fù)雜，時(shí)間長(zhǎng)，成本高。應(yīng)用：用于耐磨性和精度都要求較高的零件，或要求抗熱、抗蝕的耐磨件，例如發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸、排氣閥、精密機(jī)床絲杠、鏜床主軸、氣輪機(jī)閥門(mén)、閥桿等。

5.4熱處理新工藝簡(jiǎn)介第六節(jié)熱處理工藝的應(yīng)用一、熱處理技術(shù)條件5××××5熱處理工藝類型工藝名稱加熱方法附加分類號(hào)二、熱處理工序位置的確定1、工藝過(guò)程鍛造正火機(jī)加工（粗）調(diào)質(zhì)機(jī)加工（半精）高頻感應(yīng)淬火+低溫回火磨削2.熱處理工序位置的確定①確定熱處理工序位置的實(shí)例車床主軸是傳遞力的重要零件，它承受交變載荷，軸頸處要求耐磨。一般選用中碳非合金鋼（如45鋼）制造。熱處理技術(shù)條件為：整體調(diào)質(zhì)處理，硬度220HBS～250HBS；軸頸及錐孔表面淬火，硬度50HRC～52HRC。主軸制造工藝路線：鍛造→正火→切削加工（粗）→調(diào)質(zhì)→切削加工（半精）→高頻感應(yīng)加熱表面淬火→低溫回火→磨削高頻感應(yīng)加熱表面淬火+低溫回火作為最終熱處理，高頻感應(yīng)加熱表面淬火是為了使軸頸及錐孔表面得到高硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度；低溫回火是為了消除應(yīng)力，防止磨削時(shí)產(chǎn)生裂紋，并保持高硬度和耐磨性.②熱處理工序位置確定的一般規(guī)律預(yù)備熱處理（正火、退火、調(diào)質(zhì)等）工序一般安排在毛坯生產(chǎn)之后，切削加工之前，或粗加工之后，精加工之前。最終熱處理（淬火、回火、化學(xué)熱處理等）后硬度較高，除可以磨削加工外，一般不適宜其他切削加工，故其工序位置一般均安排在半精加工之后，磨削加工（精加工）之前。在生產(chǎn)過(guò)程中，由于零件選用的毛坯和工藝過(guò)程不同，熱處理工序會(huì)有所增減。因此，工序位置的安排必須根據(jù)具體情況靈活運(yùn)用。三、熱處理零件結(jié)構(gòu)的工藝性1.避免截面厚薄懸殊；2.避免尖角和棱角；3.采用封閉、對(duì)稱結(jié)構(gòu)；4.采用組合結(jié)構(gòu)第6章工業(yè)用鋼6.1鋼的分類與牌號(hào)6.1.1鋼的分類1.按品質(zhì)分類

：1)普通鋼（P≤0.045%，S≤0.050%）2)優(yōu)質(zhì)鋼（P、S均≤0.035%）3)高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼（P≤0.035%，S≤0.030%）

2.按化學(xué)成份分類：

1）非合金鋼（碳鋼），2）低合金鋼，3）合金鋼3.按成形方法分類：

1)鍛鋼，2)鑄鋼，3)熱軋鋼，4)冷拉鋼。

4.按金相組織分類：1）退火狀態(tài)的：亞共析鋼（鐵素體+珠光體）；共析鋼（珠光體）；過(guò)共析鋼（珠光體+滲碳體）；萊氏體鋼（珠光體+滲碳體）。2）正火狀態(tài)的：珠光體鋼；貝氏體鋼；馬氏體鋼；奧氏體鋼。3）無(wú)相變或部分發(fā)生相變的。5.按用途分類：

1)建筑及工程用鋼：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼；低合金結(jié)構(gòu)鋼；鋼筋鋼。2）結(jié)構(gòu)鋼，3）工具鋼，4）特殊性能鋼，（5）專業(yè)用鋼

6.綜合分類

1)普通鋼

(1)碳素結(jié)構(gòu)鋼，(2)低合金結(jié)構(gòu)鋼，(3)特定用途的普通結(jié)構(gòu)鋼。2)優(yōu)質(zhì)鋼（包括高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼）

(1)結(jié)構(gòu)鋼，(2)工具鋼，(3)特殊性能鋼：不銹耐酸鋼；耐熱鋼；電熱合金鋼；電工用鋼；高錳耐磨鋼。7.按冶煉方法分類

1)按爐種分

(1)平爐鋼，(2)轉(zhuǎn)爐鋼，(3)電爐鋼。2)按脫氧程度和澆注制度分

沸騰鋼；半鎮(zhèn)靜鋼；鎮(zhèn)靜鋼；特殊鎮(zhèn)靜鋼1、碳鋼牌號(hào)的表示方法

1）碳素結(jié)構(gòu)鋼

表示方法：由屈服點(diǎn)Q（“屈”字漢語(yǔ)拼音字首）、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)和脫氧方法四部分組成。牌號(hào)：如Q235AF

2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

表示方法：采用兩位阿拉伯?dāng)?shù)字(以萬(wàn)分之幾表示平均含碳量)和元素符號(hào)、相關(guān)規(guī)定的其它符號(hào)組合成牌號(hào)。牌號(hào)：60Mn

3）碳素工具鋼

表示方法：用“碳”的漢語(yǔ)拼音字首“T”，其后標(biāo)以數(shù)字（表示鋼中平均含碳量的千分?jǐn)?shù)）表示。牌號(hào)：T9

6.1.2我國(guó)工業(yè)用鋼的牌號(hào)表示方法2、低合金鋼牌號(hào)的表示方法1）低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

表示方法：低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)表示方法與碳素結(jié)構(gòu)鋼相同。例如：Q345。2）易切削結(jié)構(gòu)鋼

表示方法：以“易”字漢語(yǔ)拼音字首“Y”為首，其后數(shù)字表示平均含碳量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)，若鋼中含錳量較高時(shí)標(biāo)出“Mn”。例如：Y40Mn。3.合金鋼牌號(hào)的表示方法1）合金結(jié)構(gòu)鋼（1）調(diào)質(zhì)處理合金結(jié)構(gòu)鋼、表面硬化合金結(jié)構(gòu)鋼、合金彈簧鋼表示方法：采用兩位數(shù)字和標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)元素符號(hào)表示。例如，“30CrMnSiE”。

（2）高錳耐磨鋼

表示方法：以“ZG”為首（“ZG”即“鑄鋼”的漢語(yǔ)拼音字首），其后為合金元素符號(hào)“Mn”加數(shù)字，數(shù)字表示平均含錳量的百分?jǐn)?shù)。例如，ZGMn13—12）軸承鋼

3）合金工具鋼（量具刃具用鋼、冷作和熱作模具鋼）2）軸承鋼

表示方法：以“G”（“G”即“滾”的漢語(yǔ)拼音字首），其后為合金元素符號(hào)“Cr”加數(shù)字，Cr后面數(shù)字表示平均含鉻量的千分?jǐn)?shù)，若再加其它元素時(shí)，表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相同。例如，GCr15SiMn。

3）合金工具鋼（量具刃具用鋼、冷作和熱作模具鋼）表示方法：與合金結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)表示方法相似，區(qū)別在于，若鋼中平均ωc≤1%時(shí)，其牌號(hào)以一位數(shù)字為首，表示平均含碳量的千分?jǐn)?shù)。若鋼中平均ωc≥1%時(shí)，則不標(biāo)數(shù)字。例如，Cr12MoV。4）高速工具鋼

表示方法：與合金工具鋼相似，其主要區(qū)別是不論含碳量多少，均不用數(shù)字標(biāo)出。例如，W18Cr4V。5）不銹鋼和耐熱鋼

表示方法：與合金工具鋼相似，只是當(dāng)ωc≤0.03%或ωc≤0.08%時(shí)，在牌號(hào)首位分別冠以“00”與“0”。例如，4Cr13。6.2雜質(zhì)元素和合金元素在鋼中的作用一、主要常存元素在非合金鋼中的作用1.硅（Si）：在碳鋼中ωSi≤0.37%；硅能溶于鐵素體產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，提高鋼的強(qiáng)度和硬度，但降低鋼的塑性和韌性。錳（Mn）：在碳鋼中ωMn=0.25%～0.8%。錳有一定的脫氧能力；錳能溶于鐵素體中，使鐵素體強(qiáng)化，也能溶于滲碳體中形成合金滲碳體。錳還可與硫化合，生成MnS，減輕硫的危害，降低鋼的脆性，改善鋼的熱加工性能。2.硫（S）：硫是有害雜質(zhì)元素，以FeS的形式存在，使鋼變脆，這種現(xiàn)象叫做鋼的“熱脆”。另外硫?qū)︿摰暮附有阅芤灿胁涣加绊?，容易?dǎo)致焊縫產(chǎn)生熱裂、氣孔和疏松，因此硫是鋼中的有害元素，含量需嚴(yán)格控制。。

磷（P）：

也是一種有害元素。磷能全部溶于鐵素體中，使強(qiáng)度和硬度增加，會(huì)導(dǎo)致塑性和沖擊韌性的顯著降低。在低溫變脆，產(chǎn)生“冷脆”現(xiàn)象。6.2.2合金元素對(duì)鋼基本相的影響1、強(qiáng)化鐵素體溶于鐵素體，使晶格畸變，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化。2、形成合金碳化物隨碳化物數(shù)量的增加，鋼的硬度、強(qiáng)度提高，塑性、韌性下降。6.2.3合金元素對(duì)鐵碳相圖的影響1．?dāng)U大奧氏體相區(qū) 使奧氏體區(qū)擴(kuò)大的元素有Mn、Ni、Co、Cu等。2．縮小奧氏體相區(qū) 使奧氏體區(qū)縮小的元素有Cr、Mo、W、V、Ti、Si等。3．對(duì)Fe—Fe3C合金狀態(tài)圖中S、E點(diǎn)成分的影響大多數(shù)合金元素使S、E點(diǎn)左移，如圖6-2所示，致使S、E點(diǎn)含碳量降低，使含碳量相同的碳鋼與合金鋼有不同的組織和性能。6.2.4合金元素對(duì)鋼熱處理的影響1．合金元素對(duì)奧氏體化的影響大多數(shù)合金元素能顯著減慢碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度，且合金元素本身的擴(kuò)散速度較慢，因此大大減慢了奧氏體均勻化過(guò)程。加之低合金鋼與合金鋼中的碳化物比碳鋼中的滲碳體穩(wěn)定，不易分解，故也減慢了奧氏體均勻化過(guò)程。所以大多數(shù)合金鋼都需要加熱到較高的溫度并延長(zhǎng)保溫的時(shí)間。2．合金元素對(duì)過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響大多數(shù)合金元素都能不同程度地延緩?qiáng)W氏體向珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變，這是由于它們?nèi)苋電W氏體后增大了其穩(wěn)定性，使“C”曲線向右下方移動(dòng)，馬氏體臨界冷卻速度減小，因而提高了淬透性，合金元素硅、鎳、錳可使C曲線右移而形狀不變，碳化物形成元素鉻、鉬、鎢等不但使Ｃ曲線右移，而且使珠光體轉(zhuǎn)變曲線和貝氏體轉(zhuǎn)變曲線出現(xiàn)了分離。3．合金元素對(duì)淬火鋼回火轉(zhuǎn)變的影響1）提高了回火穩(wěn)定性（耐回火性）由于合金元素溶入馬氏體，使原子的擴(kuò)散速度減慢，因而在回火過(guò)程中，延緩了馬氏體分解、殘余奧氏體分解以及碳化物析出聚集長(zhǎng)大的速度，并將這些過(guò)程推向更高溫度，這就提高了回火穩(wěn)定性。2）產(chǎn)生二次硬化

某些含有較多Cr、Mo、W、V、Ti等碳化物形成元素的合金鋼，在500℃～600℃回火時(shí)，會(huì)從馬氏體中析出特殊碳化物，如Cr7C3、Mo2C、W2C、VC等。這類碳化物硬度高、數(shù)量多、顆粒小、分散均勻，使鋼在回火后硬度有所提高，稱為二次硬化。6.3非合金鋼一、碳素結(jié)構(gòu)鋼

碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)：由代表屈服點(diǎn)的字母（Q）、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)、脫氧方法四個(gè)部分按順序組成，如Q235AF碳素結(jié)構(gòu)組織：為較多的鐵素體（F）+較少的珠光體（P）。用途：因?yàn)楹剂枯^低，故焊接性能好，適合于扎制成鋼板、鋼帶、型鋼等。用于制做不需熱處理的焊接、鉚接、栓接構(gòu)件及螺栓螺母等零件。

Q235-B、Q255-B可作為建筑工程中質(zhì)量要求較高的焊接構(gòu)件。在機(jī)械中可用作一般的轉(zhuǎn)動(dòng)軸、吊鉤、自行車架等。

Q235-C、Q235-D質(zhì)量較好，可作一些較重要的焊接構(gòu)件及機(jī)件。Q255、Q275強(qiáng)度較高，可作摩擦離合器、剎車鋼帶等建筑構(gòu)件鋼橋梁6.3.2優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)：由兩位數(shù)字表示數(shù)字表示含碳量的萬(wàn)分之幾（以0.01%為單位），如45鋼，表示平均含碳量為0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。組織：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼在退火狀態(tài)下，組織為較多的鐵素體（F）+較少珠光體（P）。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分、力學(xué)性能見(jiàn)表6-3。10～25等低碳鋼焊接性和冷沖壓工藝性好，可用來(lái)制造各種標(biāo)準(zhǔn)件、軸套、容器等。也可通過(guò)適當(dāng)熱處理（滲碳、淬火、回火）制成表面高硬度、心部有較高韌度和強(qiáng)度的耐磨損耐沖擊的零件。如齒輪、凸輪、銷軸摩擦片、水泥釘?shù)取?5等中碳鋼通過(guò)適當(dāng)熱處理（調(diào)質(zhì)、表面淬火等）可獲得良好的綜合力學(xué)性能的機(jī)件及表面耐磨、心部韌性好的零件。如傳動(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、機(jī)床齒輪等。高碳碳素結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)適當(dāng)熱處理后可獲得高的σe和屈強(qiáng)比，以及足夠的韌性和耐磨性?？捎糜谥圃煨【€徑的彈簧、重鋼軌、軋輥、鐵鍬、鋼絲繩等。汽車曲軸6.3.3碳素工具鋼

碳素工具鋼的牌號(hào)：用“碳”的漢語(yǔ)拼音字首“T”，其后標(biāo)以數(shù)字（表示鋼平均碳含量的千分?jǐn)?shù)）表示。碳素工具鋼熱處理后的組織：