金屬材料及其熱處理課件

機械制造基礎金屬材料及其熱處理第一講金屬材料及其熱處理金屬材料是現(xiàn)代機器制造的基礎性能決定工藝性好很少用純金屬，多用合金材料性能決定了解金屬材料，有助于理解工藝方法的實質合理選擇零件材料及其生產工藝一、金屬材料的主要性能物理性能密度、熔點、熱膨脹、導熱、導電、磁性等等化學性能耐酸、耐堿、抗氧化性等等力學性能強度與塑性硬度韌性疲勞強度工藝性能熱處理、鑄造、鍛造、焊接、切削加工性能使用性能？1.力學性能－強度其它塑性材料的拉伸曲線脆性材料的拉伸曲線1.力學性能－強度強度屈服強度：σs＝Fs/A0抗拉強度：σb＝Fb/A0條件屈服強度：σ0.2產生0.2％塑性變形時的應力值用于沒有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料強度是一般機器零件和構件設計選材的主要依據(jù)2.力學性能－塑性塑性金屬材料產生塑性變形而不破壞的能力伸長率δ

δ＝(L1-L0)/L0X100%斷面收縮率ψ

ψ=(S1-S0)/S0X100%塑性是承受動載荷（交變載荷）零件選材的依據(jù)之一為避免超載而引起的突然斷裂，要求其具有一定的塑性塑性是金屬材料進行各種壓力加工的必要條件(1)布氏硬度（HB）采用直徑為D的鋼球或硬質合金球作壓頭鋼球僅用于測量HB450以內的材料（HBS）硬質合金球用于測量HB650以內的材料（HBW）特點穩(wěn)定可靠零件表面被破壞，不用于成品應用各種退火狀態(tài)下的鋼材、鑄鐵、有色金屬等(2)洛氏硬度（HR）試驗原理特點（1）簡便，測量迅速（2）零件不被破壞應用：工業(yè)生產(3)維氏硬度（HV）HV=FPF金剛石HV＝

10000，為標準度量各種硬度值之間沒有直接的換算公式，需要時可查表進行換算5.力學性能－疲勞強度疲勞強度材料在周期性/非周期性動載荷作用下，經(jīng)受無數(shù)次應力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的能力斷裂破壞應力遠低于強度極限疲勞斷裂的主要原因內部缺陷雜質微裂紋表面劃痕缺陷擴展“剛性”是什么？二、金屬的晶體結構與結晶晶體固定的熔點、沸點為什么會有固定的熔點、沸點？金屬是不是晶體？水、CO2、O2、NaCl晶體的三個特征：(1)晶體有整齊規(guī)則的幾何外形(2)晶體有固定的熔點(3)晶體有各向異性的特點1.金屬的晶格結構內部原子（或分子）在三維空間呈規(guī)則的周期性重復排列的固態(tài)物質晶體與晶格常見的晶格類型體心立方晶胞屬于此類晶格的有：α－Fe、δ－Fe、Cr、W、Mo、V、鈮等約30種金屬常見的晶格類型面心立方晶胞屬于此類晶格的有：γ－Fe、Cu、Au、Al、Ag、Ni、Pt等約20種金屬常見的晶格類型密排六方晶胞屬于此類晶格的有：α－Ti、Zn、Cd、Mg、Be等金屬2.金屬的結晶金屬結晶過程“形核”與“長大”晶核的形成自發(fā)形核：因過冷度而形成的短程有序的原子團異質形核：外來固態(tài)質點晶核的長大平面長大：緩冷；金屬液較純凈樹枝狀長大：冷速大；有雜質晶粒大小對金屬力學性能的影響力學性能：越細越好細化晶粒的措施：晶核多則細快冷孕育處理金屬結晶過程3.金屬（純鐵）的同素異構轉變同素異構轉變1538：液態(tài)－固態(tài)δ－Fe（體心）1394：固態(tài)－固態(tài)γ－Fe（面心）912：固態(tài)－固態(tài)α－Fe（體心）實質二次結晶（重結晶）固態(tài)下的結晶過程遵循結晶過程的一般規(guī)律三、鐵碳合金制造機器設備的主要金屬材料：鋼、鑄鐵鐵（Fe）＋碳（C）鐵含量>95％，但是決定性能的是碳我們學習：鐵碳合金組織常用鋼材及其選用原則鐵碳合金中的“相”鐵素體奧氏體珠光體珠光體＆二次滲碳體（1）固溶體間隙固溶體置換固溶體關于合金強度的認識晶粒粗細影響強度越細強度硬度越高細化晶粒是冶金和熱處理的目標固溶強化晶格中混入雜質，增加變形抗力位錯強化位錯是晶體內部的一種缺陷增加變形抗力位錯強化示意圖兩種線缺陷－位錯刃型位錯的形成過程鐵碳合金中的固溶體鐵素體α－Fe中溶碳600°C－0.006%727°C－0.021%強度硬度低250MPa80HBS塑性好45％～50％與純鐵近似鐵碳合金中的固溶體奧氏體γ－Fe中溶碳1148°C－2.11%727°C－0.77%強度硬度不高塑性優(yōu)良40％～50％易于塑性變形壓力加工時加熱形成奧氏體（2）化合物金屬化合物與非金屬化合物金屬化合物具有復雜晶格、硬而脆FeS、MnS：非金屬雜質鐵碳合金中的化合物滲碳體（Fe3C）鐵碳合金中的強化相硬度高（800HBW）、塑性韌性很低呈片狀、球狀、網(wǎng)狀920-980°C可分解：Fe3C→3Fe＋C石墨（3）混合物鐵碳合金中的機械混合物珠光體（P＝F+Fe3C）鐵素體＋滲碳體C＝0.77％σb＝750MPa180HBSδ＝20％～25％呈片狀（3）混合物鐵碳合金中的機械混合物萊氏體（Ld）C%=4.3%與滲碳體性能相近：硬而脆Ld＝A+Fe3C存在于727℃以上Ld’＝P+Fe3C727℃以下轉變?yōu)橹楣怏w與滲碳體的機械混合物2.二元合金相圖鐵碳合相圖的建立鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖分析鐵碳合金相圖（簡化）鐵碳合金相圖（全圖3）鐵碳合金相圖分析ACD：液相線AECF：固相線（ECF－共晶線）GS（A3）：奧氏體中析出鐵素體ES（Acm）：奧氏體中析出滲碳體（II）PSK（A1）：共析線PQ：鐵素體中析出滲碳體（III）查看鐵碳合金相圖查看查看查看鐵碳合金相圖查看查看查看鐵碳合金相圖（全圖2）鐵碳合金相圖（全圖4）ACD－液相線鐵碳合金相圖（全圖5）AECF：固相線ECF－共晶線鐵素體珠光體滲碳體萊氏體鋼鐵分界線兩個單相之間是混合相鐵碳合金相圖（全圖6）GS（A3）：奧氏體中開始析出鐵素體鐵碳合金相圖（全圖7）ES（Acm）：奧氏體中析出二次滲碳體（II）鐵碳合金相圖（全圖8）PSK（A1）：共析線鐵碳合金相圖（全圖9）PQ：鐵素體中析出三次滲碳體（III）鐵碳合金相圖（全圖2）均勻、沒有明顯晶界鐵碳合金相圖（全圖2）珠光體外面有明顯的鐵素體相鐵碳合金相圖（全圖2）珠光體外面有明顯的網(wǎng)狀滲碳體3.典型鐵碳合金組織轉變鋼：C%<2.11％C%<0.77%：亞共析鋼C%=0.77%：共析鋼C%>0.77%：過共析鋼鑄鐵：C%＝【2.11％～6.69%】C%<4.3%：亞共晶鑄鐵C%=4.3%：共晶鑄鐵C%>4.3%：過共晶鑄鐵共析鋼的組織轉變（S）共析鋼顯微組織（珠光體）亞共析鋼的組織轉變亞共析鋼顯微組織（C＝0.2%）過共析鋼的組織轉變過共析鋼的顯微組織4.工業(yè)用鋼按化學成分碳素鋼、合金鋼按用途結構鋼、工具鋼、特殊性能鋼按質量普通鋼、優(yōu)質鋼、高級優(yōu)質鋼按脫氧程度鎮(zhèn)靜鋼、沸騰鋼工業(yè)用鋼種類匯總碳素鋼碳素鋼結構鋼優(yōu)質碳素鋼結構鋼碳素工具鋼合金鋼合金結構鋼特殊性能鋼合金工具鋼低合金結構鋼滲碳鋼調質鋼彈簧鋼滾動軸承鋼刃具鋼模具鋼量具鋼不銹鋼耐熱鋼耐磨鋼其它（1）碳素鋼（C%<1.5%）C的影響如圖P冷脆性0.045%以下S熱脆性0.05%以下P、S衡量質量Si、Mn有益碳素結構鋼C%<0.38%（0.25%以下常用）牌號（GB700-88）：Q215/Q235/Q255A:屈服極限215/235/255MpaA－普通；B/C/D－優(yōu)質，含P/S較少未完全脫氧－F（沸騰鋼）完全脫氧－Z（鎮(zhèn)靜鋼）Q215-A·FQ235（A3）最常用優(yōu)質碳素結構鋼(P/S)％<0.035%，用于重要機件牌號（GB699－88）：20：C%=0.20%20F：沸騰鋼08－25：低碳鋼30－55：中碳鋼，淬火后強度硬度較高60－75：高碳鋼，淬火后可作彈簧

碳素工具鋼C%=[0.7%~1.35%]淬火硬度>60HRC淬透性、熱硬性很差牌號：T8A：含碳0.8％，A：含PS很少的優(yōu)質鋼常用的碳素工具鋼：T8、T10、T10A、T12（2）合金鋼合金結構鋼含碳量的萬分數(shù)＋元素符號＋百分數(shù)合金含量<1.5%不標高級優(yōu)質鋼＋A16Mn20Cr40Mn230CrMnSi38CrMoAlA合金工具鋼含碳量含碳量的千分數(shù)＋元素符號＋百分數(shù)含碳量>1%不標：9Cr2CrWMn9SiCrW18Cr4V特殊性能鋼：不銹鋼（2Cr13、1Cr18Ni9）（3）零件選材的一般原則滿足工作要求物理性能化學性能機械性能滿足工藝性能要求重視經(jīng)濟性四、鋼的熱處理目的：改善金屬材料的強度、硬度、韌性、彈性、工藝性現(xiàn)代機器制造中的熱處理主要針對：機床的：主軸、齒輪、床身汽車的：發(fā)動機缸體、缸蓋、凸輪軸、聯(lián)接軸、變速箱齒輪等其他：刃具、量具、磨具組織決定性能演示1.熱處理基本工藝溫度時間臨界溫度保溫冷卻加熱基本工藝：加熱-保溫-冷卻2.常用熱處理工藝普通熱處理“四火”：退火、正火、淬火、回火表面熱處理表面淬火化學熱處理滲碳、滲氮、碳氮共滲工藝原理退火和正火退火作用組織室溫下的平衡組織種類完全退火球化退火去應力退火正火作用組織：索氏體硬度強度比珠光體高韌性相同淬火與回火淬火作用組織：馬氏體（M）C原子來不及從A中滲出,過飽和C使晶格嚴重畸變。硬度高，脆性大回火低溫回火（150－250oC）回火馬氏體中溫回火（350－500oC）回火屈氏體高溫回火（500－650oC）回火索氏體表面淬火與化學熱處理特殊性能要求的零件表面耐磨，內部堅韌表面淬火工藝原理用途設備：感應線圈、火焰、激光化學熱處理化學介質中加熱保溫表層滲碳、滲氮發(fā)藍堅韌的基體堅硬的外殼總結金屬材料的性能力學性能工藝性能物理、化學性能金屬材料的組織和性能鐵碳合金的組織和性能的關系選材原則鋼的熱處理“四火”、表面熱處理鐵碳合金相圖：隨手畫1148－7274.3－2.11－0.