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目錄第1章金屬材料基礎(chǔ)知識第2章鋼的熱處理第3章常用金屬材料及選用第4章鑄造成形第5章鍛壓成形第6章焊接成形第7章尺寸公差及檢測第8章幾何公差及檢測第9章表面粗糙度及其測量第10章金屬切削原理與刀具基礎(chǔ)第11章常見金屬切削加工機床與加工方法第12章其他金屬切削加工機床與加工方法第13章機械加工工藝與機械裝配工藝基礎(chǔ)第1章金屬材料基礎(chǔ)知識1.1金屬材料的性能1.2金屬材料的結(jié)構(gòu)1.3金屬材料的結(jié)晶1.4鐵碳合金相圖本章小結(jié)習題

1.1金屬材料的性能

材料是人類生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料的種類很多,其中用于機械制造的各種材料為機械工程材料。機械工程材料是用以制造各種機械零件的材料的統(tǒng)稱,通常分為金屬材料和非金屬材料兩大類。

金屬材料包括黑色金屬(鐵金屬)材料和有色金屬(非鐵金屬)材料。有色金屬用量雖只占金屬材料的5%,但由于它具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性,以及優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和高的比強度等,因而在機械工程中占有重要的地位。非金屬材料又可分為無機非金屬材料、有機高分子材料和復(fù)合材料。其中,屬于無機非金屬材料的有耐火材料、陶瓷、磨料、碳和石墨材料、石棉等;屬于有機高分子材料的有合成橡膠、合成樹脂、合成纖維等;此外,還有由兩種或多種不同材料組合而成的復(fù)合材料,這種材料由于復(fù)合效應(yīng)具有比單一材料優(yōu)越的綜合性能,現(xiàn)已成為一類新型的工程材料。

1.1.1材料的力學性能

材料常用的力學性能指標有強度、塑性、硬度、沖擊韌度、疲勞極限等。

1.材料的強度

強度是材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。工程上常用的靜拉伸強度判據(jù)有比例極限σp(彈性極限σe)、屈服點極限σs和強度極限σb等。

材料在外力作用下其強度和變形方面所表現(xiàn)出的力學性能,是強度計算和材料選用的重要依據(jù)。在不同的溫度和加載速度下,材料的力學性能將發(fā)生變化。

圖1－1拉伸試件

低碳鋼是工程上應(yīng)用最廣泛的材料,同時,低碳鋼試件在拉伸試驗中所表現(xiàn)出來的力學性能最為典型。將試件裝上試驗機后,緩慢加載,直至拉斷,試驗機的繪圖系統(tǒng)可自動繪出試件在試驗過程中工作段的變形和拉力之間的關(guān)系曲線圖。以ε和σ分別為橫坐標與縱坐標,這樣得到的曲線稱為應(yīng)力應(yīng)變圖或σ－ε曲線。圖1－2為Q235鋼的σ－ε曲線,從圖中可見,整個拉伸過程可分為以下四個階段:圖1－2低碳鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變圖

第1階段彈性階段。

在試件拉伸的初始階段,σ與ε的關(guān)系表現(xiàn)為直線OA,σ與ε成正比,直線的斜率為

所以有

這就是著名的胡克定律,式中E為彈性模量,為材料的剛度性能指標。

第2階段屈服階段。

當應(yīng)力超過彈性極限時,σ－ε曲線上將出現(xiàn)一個近似水平的鋸齒形線段(見圖1－2中的BC段),這表明應(yīng)力在此階段基本保持不變,而應(yīng)變卻明顯增加。此階段稱為屈服階段或流動階段。若試件表面光滑,則可看到其表面有與軸線大約呈45°的條紋,稱為滑移線,如圖1－3(a)所示。在屈服階段中,對應(yīng)于曲線最高點與最低點的應(yīng)力分別稱為上屈服點應(yīng)力和下屈服點應(yīng)力。通常,下屈服點應(yīng)力值較穩(wěn)定,故一般將下屈服點應(yīng)力作為材料的屈服點極限,用σs表示。Q235鋼的屈服點極限σs≈240MPa。圖1－3屈服階段縮頸階段

第3階段強化階段。

經(jīng)過屈服階段后,圖1－2中CD段曲線又逐漸上升,表示材料恢復(fù)了抵抗變形的能力,且變形迅速加大,這一階段稱為強化階段。強化階段中的最高點D對應(yīng)的是材料所能承受的最大應(yīng)力,稱為強度極限,用σb

表示。強化階段中,試件的橫向尺寸明顯縮小。Q235鋼的強度極限σb≈400MPa。

第4階段縮頸階段。

在強化階段,試件的變形基本是均勻的。過D點后,變形集中在試件的某一局部范圍內(nèi),橫向尺寸急劇減少,形成縮頸現(xiàn)象,如圖1－3(b)所示。由于在縮頸部分橫截面面積明顯減少,使試件繼續(xù)伸長所需要的拉力也相應(yīng)減少,故在σ－ε曲線中,應(yīng)力由最高點下降到E點,最后試件在縮頸段被拉斷,這一階段稱為縮頸階段或局部變形階段。

上述拉伸過程中,材料經(jīng)歷了彈性、屈服、強化和縮頸四個階段。對應(yīng)前三個階段的三個特征點,其相應(yīng)的應(yīng)力值依次為比例極限σp、屈服點極限σs和強度極限σb。對低碳鋼來說,屈服點極限和強度極限是衡量材料強度的主要指標。

2.材料的塑性

試件拉斷后,材料的彈性變形消失,塑性變形則保留下來,試件長度由原長l變?yōu)閘1,試件拉斷后的塑性變形量與原長之比以百分比表示,即

式中:δ為斷后伸長率;l為試件原始標距;l1為試件拉斷后的標距。

衡量材料塑性變形程度的另一個重要指標是斷面收縮率ψ。設(shè)試件拉伸前的橫截面面積為A,拉斷后斷口橫截面面積為A1,以百分比表示的比值,即

稱為斷面收縮率。斷面收縮率越大,材料的塑性越好,Q235鋼的斷面收縮率約為50%。

3.材料的硬度

硬度實際上是指一個小的金屬表面或很小的體積內(nèi)抵抗彈性變形、塑性變形或破裂的一種抗力。因此,硬度不是一個單純的確定的物理量,不是基本的力學性能指標,而是一個由材料的彈性、強度、塑性、韌性等一系列不同力學性能組成的綜合性能指標,所以硬度所表示的量不僅取決于材料本身,而且取決于試驗方法和試驗條件。

硬度試驗方法很多,一般可分為三類,有:壓入法,如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、顯微硬度;劃痕法,如莫氏硬度;回跳法,如肖氏硬度等。目前機械制造生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的硬度試驗方法是布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。

1)布氏硬度

布氏硬度的測定原理是用一定大小的試驗力F(N),把直徑為D(mm)的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入被測金屬的表面(見圖1－4),保持規(guī)定時間后卸除試驗力,用讀數(shù)顯微鏡測出壓痕平均直徑d(mm),然后按公式求出布氏硬度HB值,或者根據(jù)d從已備好的布氏硬度表中查出HB值。布氏硬度的計算公式為

由于金屬材料有硬有軟,被測工件有厚有薄、有大有小,如果只采用一種標準的試驗力F和壓頭直徑D,就會出現(xiàn)對某些材料和工件不適應(yīng)的現(xiàn)象。因此,在生產(chǎn)中進行布氏硬度試驗時,要求能使用不同大小的試驗力和壓頭直徑。當對同一種材料采用不同的F和D進行試驗時,能否得到同一布氏硬度值,關(guān)鍵在于壓痕幾何形狀的相似性,即可建立F和D的某種選配關(guān)系,以保證布氏硬度的不變性。

用淬火鋼球作壓頭測得的硬度值以符號HBS表示,用硬質(zhì)合金球作壓頭測得的硬度值以符號HBW表示。符號HBS和HBW之前的數(shù)字為硬度值,符號后面依次用相應(yīng)數(shù)值注明壓頭球體直徑(mm)、試驗力(0.102N)、試驗力保持時間(s)(10~15s不標注)。例如:500HBW5/750表示用直徑5mm硬質(zhì)合金球在7355N試驗力作用下保持10~15s測得的布氏硬度值為500;120HBS10/1000/30表示用直徑10mm的鋼球壓頭在9807N試驗力作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。布氏硬度試驗規(guī)范見表1－1。

2)洛氏硬度

洛氏硬度試驗是目前應(yīng)用最廣的性能試驗方法,它是采用直接測量壓痕深度來確定硬度值的方法。洛氏硬度試驗原理如圖1－5所示。它是用頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm(1/16英寸)的淬火鋼球作壓頭,先施加初試驗力FF2,其總試驗力為F=F1+F2(588N、980N、1471N)。圖1－5洛氏硬度試驗原理示意圖

為了能用一種硬度計測定從軟到硬的材料硬度,采用了不同的壓頭和總試驗力組成幾種不同的洛氏硬度標度,每一個標度用一個字母在洛氏硬度符號HR后加以注明。我國常用的洛氏硬度是HRA、HRB、HRC三種,試驗條件(GB/T230.1-2004)及應(yīng)用范圍見表1－2。洛氏硬度值標注方法為在硬度符號前面注明硬度數(shù)值,例如52HRC、70HRA等。

洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材料,操作簡便迅速,而且壓痕很小,幾乎不損傷工件表面,故在鋼件熱處理質(zhì)量檢查中應(yīng)用最多。但由于它的壓痕小,因此硬度值代表性差些。若材料有偏析或組織不均勻的情況,則所測硬度值的重復(fù)性較低,故需在試樣不同部位測定三點,取其算術(shù)平均值。

4.材料的沖擊韌度

機械零部件在使用過程中不僅受到靜載荷或變動載荷的作用,而且會受到不同程度的沖擊載荷作用,如鍛錘、沖床、鉚釘槍等。在設(shè)計和制造受沖擊載荷的零件和工具時,還必須考慮所用材料的沖擊吸收功或沖擊韌度。

目前最常用的沖擊試驗方法是擺錘式一次沖擊試驗,其試驗原理如圖1－6所示。圖1－6沖擊試驗原理圖

將待測定的材料先加工成標準試樣,然后放在試驗機的機架上,試樣缺口背向擺錘沖擊方向;將具有一定重量W的擺錘舉至一定高度H1,使其具有勢能(WH1),然后擺錘落下沖擊試樣;試樣斷裂后擺錘上擺到H2高度。在忽略摩擦和阻尼等條件下,擺錘沖斷試樣所做的功,稱為沖擊吸收功,以AK表示,則有AK=WH1-WH2=W(H1-H2),用試樣的斷口處截面積SN去除AK即得到?jīng)_擊韌度,用aK表示,單位為J/cm2,表達式為

試驗表明,對一般常用鋼材來說,所測沖擊吸收功AK越大,材料的韌性越好。試驗還表明,沖擊韌度值aK隨溫度的降低而減小,在某一溫度范圍內(nèi)材料的aK值急劇下降。材料由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

長期生產(chǎn)實踐證明AK、aK

值對材料的組織缺陷十分敏感,能靈敏地反映材料品質(zhì)、宏觀缺陷和顯微組織方面的微小變化,因而沖擊試驗是生產(chǎn)上用來檢驗冶煉和熱加工質(zhì)量的有效辦法之一。

5.材料的疲勞極限

許多機械零件(如軸、齒輪、彈簧等)和許多工程結(jié)構(gòu)都是在交變應(yīng)力作用下工作的,它們工作時所承受的應(yīng)力通常都低于材料的屈服強度。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)生完全斷裂的過程稱為材料的疲勞。

在交變載荷下,金屬材料承受的交變應(yīng)力(σ)和斷裂時應(yīng)力循環(huán)次數(shù)(N)之間的關(guān)系,通常用疲勞曲線來描述,如圖17所示。若金屬材料承受的最大交變應(yīng)力σ越大,則斷裂時應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N越小;反之若σ越小,則N越大。當應(yīng)力低于某值時,應(yīng)力循環(huán)到無數(shù)次也不會發(fā)生疲勞斷裂,此應(yīng)力值稱為材料的疲勞極限,以σD表示。圖1－7疲勞曲線示意圖

常用鋼鐵材料的疲勞曲線形狀有明顯的水平部分,如圖1－8(a)所示。其他大多數(shù)金屬材料的疲勞曲線上沒有水平部分,如圖1－8(b)所示,在這種情況下,規(guī)定某一循環(huán)次數(shù)N0斷裂時所對應(yīng)的應(yīng)力作為條件疲勞極限,以σN表示。

圖1－8兩種類型疲勞曲線

通常材料疲勞性能的測定是在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實驗機上進行的,具體試驗方法請參閱GB/T4337-2008《金屬材料疲勞試驗旋轉(zhuǎn)彎曲方法》。試驗規(guī)范規(guī)定各種金屬材料指定壽命(循環(huán)基數(shù))N0(如合金鋼的循環(huán)基數(shù)為107,低碳鋼的循環(huán)基數(shù)為5×106),應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達到N0次仍不發(fā)生疲勞破壞,此時的最大應(yīng)力可作為疲勞極限。通常這種在對稱應(yīng)力循環(huán)條件下的純彎曲疲勞極限用σ-1表示。

由于疲勞斷裂通常是從機件最薄弱的部位或內(nèi)、外部缺陷所造成的應(yīng)力集中處發(fā)生的,因此疲勞斷裂對許多因素很敏感。例如,循環(huán)應(yīng)力特性、環(huán)境介質(zhì)、溫度、機件表面狀態(tài)、內(nèi)部組織缺陷等,這些因素導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生或加速裂紋擴展而降低疲勞壽命。

為了提高機件的疲勞抗力,防止疲勞斷裂事故的發(fā)生,在進行機件設(shè)計和加工時,應(yīng)選擇合理的結(jié)構(gòu)形狀,防止表面損傷,避免應(yīng)力集中。由于金屬表面是疲勞裂紋易于產(chǎn)生的地方,而實際零件大部分都承受交變彎曲或交變扭轉(zhuǎn)載荷,表面處應(yīng)力最大,因此,表面強化處理就成為提高疲勞極限的有效途徑。

1.1.2材料的物理性能

金屬材料的物理性能主要包括比重、熔點、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性等。由于機械零件的用途不同,因此對金屬材料的物理性能要求也有所不同。例如,飛機零件是用比重小、強度高的鋁合金制造而成的,這樣可以增加有效載重量;制造內(nèi)燃機的活塞,要求材料具有較小的熱膨脹系數(shù);制造變壓器用的硅鋼片,要求具有良好的磁性。

金屬材料的一些物理性能,對熱加工工藝也有一定的影響。例如,導(dǎo)熱性對熱加工具有十分重要的意義。在進行鑄造、鍛造、焊接或熱處理時,由于導(dǎo)熱性的緣故,金屬材料在加熱或冷卻過程中產(chǎn)生內(nèi)外溫度差,導(dǎo)致各部位不同的膨脹或收縮量,產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,從而引起金屬材料的變形和裂紋。因此,對于導(dǎo)熱性差的金屬材料(如合金鋼,尤其是高合金鋼),應(yīng)采取適當?shù)拇胧?避免急劇的加熱或冷卻,防止材料產(chǎn)生裂紋;在鑄造中,對于熔點不同的材料,所選擇的澆注溫度也應(yīng)有所不同。

1.1.3材料的化學性能

化學性能是指金屬材料在常溫或高溫條件下,抵抗外界介質(zhì)對其化學侵蝕的能力。它主要包括耐酸性、耐堿性、抗氧化性等。

一般金屬材料的耐酸性、耐堿性和抗氧化性都是很差的,為了滿足化學性能的要求,必須使用特殊的合金鋼及某些有色金屬,或者使之與介質(zhì)隔離。例如,化工設(shè)備、醫(yī)療器械等采用不銹鋼,工業(yè)用的鍋爐、噴氣發(fā)動機、汽輪機葉片等選用耐熱鋼。

1.1.4材料的工藝性能

金屬材料加工成形常用的四種基本加工方法是:鑄造、鍛壓、焊接和切削加工。通常前三種加工方法稱為熱加工,而切削加工稱為冷加工。

金屬材料的工藝性能包括加工工藝性能和熱處理工藝性能。其中,加工工藝性能是指材料加工成形的難易程度。按照加工工藝的不同,加工工藝性能又分為鑄造性、鍛造性、焊接性、切削加工性等。工藝性能往往是由物理性能、化學性能和力學性能綜合作用所決定的,不能簡單用一個物理參數(shù)來表示。

1.鑄造性

鑄造性是指金屬熔化成液態(tài)后,在鑄造成形時所具有的特性。衡量金屬鑄造性的指標有:流動性、收縮性和偏析傾向。金屬材料中,鋁合金、青銅的鑄造性優(yōu)于鑄鐵和鑄鋼,鑄鐵的鑄造性優(yōu)于鑄鋼;鑄鐵中,灰鑄鐵的鑄造性能最好。

2.鍛造性

鍛造性是指金屬材料在鍛壓加工時的難易程度。若材料的塑性好,變形抗力小,則鍛造性好;反之,則鍛造性差。鍛造性不僅與金屬材料的塑性和塑性變形抗力有關(guān),而且與材料的成分和加工條件有關(guān)。如銅合金和鋁合金在冷態(tài)下具有很好的鍛造性;鋼在高溫下的鍛造性也比較好,碳鋼比合金鋼的鍛造性好,低碳鋼比高碳鋼的鍛造性好;青銅、鑄鋁、鑄鐵等幾乎不能鍛造。

3.焊接性

焊接性是指金屬材料是否容易用焊接的方法形成優(yōu)良接頭的性能。焊接性好的金屬易獲得沒有裂紋、氣孔、夾渣等缺陷的焊縫,并且焊接接頭具有一定的力學性能。導(dǎo)熱性好、收縮小的金屬材料焊接性都比較好,低碳鋼和低合金高強度鋼具有良好的焊接性,碳與合金元素含量越高,焊接性越差。

4.切削加工性

切削加工性是指金屬材料在切削加工時的難易程度。切削加工性好的金屬材料對切削刀具的磨損量小,切削用量大,加工表面的粗糙度數(shù)值小。切削加工性能的好壞與金屬材料的成分、硬度、導(dǎo)熱性、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、加工硬化等因素有關(guān),尤其與硬度關(guān)系較大。材料的硬度值在170~230HBS最容易進行切削加工。一般鑄鐵、銅合金、鋁合金及中碳鋼都具有較好的切削加工性,而高合金鋼的切削加工性差。

5.熱處理工藝性

材料的熱處理工藝性是指材料的淬透性、淬硬性、變形開裂傾向、熱處理介質(zhì)的滲透能力等。熱處理能夠提高和改善鋼的力學性能,因此應(yīng)充分利用熱處理技術(shù)來發(fā)揮材料的潛力。一般碳鋼的淬透性差,淬火時易變形開裂,而合金鋼的淬透性優(yōu)于碳鋼。

1.2金屬材料的結(jié)構(gòu)

工程材料的各種性能,尤其是力學性能,與其微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。物質(zhì)都是由原子組成的,原子的排列方式和空間分布稱為結(jié)構(gòu)。物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。大固體物質(zhì)根據(jù)其原子排列情況分為兩種形式,即晶體與非晶體。物質(zhì)的結(jié)構(gòu)可以通過外界條件加以改變,這種改變?yōu)楦纳撇牧系男阅芴峁┝丝赡堋?/p>

1.2.1金屬材料的結(jié)合方式

1.結(jié)合鍵

組成物質(zhì)的質(zhì)點(原子、分子或離子)之間通過某種相互作用而聯(lián)系在一起,這種作用力稱為鍵。結(jié)合鍵對物質(zhì)的性能有重大影響。通常結(jié)合鍵分為結(jié)合力較強的離子鍵、共價鍵、金屬鍵和結(jié)合力較弱的分子鍵與氫鍵。

絕大多數(shù)金屬元素是以金屬鍵結(jié)合的。金屬原子結(jié)構(gòu)的特點是外層電子少,金屬中容易失去。當金屬原子相互靠近時,這些外層電子就脫離原子,成為自由電子,為整個金屬所共有。它們在整個金屬內(nèi)部運動,形成電子氣。這種由金屬正離子和自由電子之間相互作用而結(jié)合的方式稱為金屬鍵,其模型如圖1－9所示。圖1－9金屬鍵模型

2.晶體與非晶體

當原子或分子通過結(jié)合鍵結(jié)合在一起時,依鍵性的不同以及原子或分子的大小可在空間組成不同的排列,即形成不同的結(jié)構(gòu)?；瘜W鍵相同而結(jié)構(gòu)不同時,材料的性能可以有很大差別。原子或分子在空間有秩序地排列即形成晶體,而無序排列就是非晶體。

1)晶體

幾乎所有的金屬、大部分陶瓷以及一些聚合物在其凝固時都要發(fā)生結(jié)晶,形成原子本身在三維空間按一定幾何規(guī)律重復(fù)排列的有序結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)稱為晶體。晶體具有固定熔點、各向異性等特性。

2)非晶體

某些工程上常用的材料,包括玻璃、絕大多數(shù)的塑料和少數(shù)從液態(tài)快速冷卻下來的金屬,還包括人們所熟悉的松香、瀝青等,其內(nèi)部原子無規(guī)則地堆垛在一起,這種結(jié)構(gòu)為非晶體。非晶體材料的共同特點是:結(jié)構(gòu)無序,物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性;沒有固定的熔點;導(dǎo)熱率和熱膨脹性均小;塑性形變大。

3)晶體與非晶體的轉(zhuǎn)化

非晶體結(jié)構(gòu)從整體上看是無序的,但在有限的小范圍內(nèi)觀察,還具有一定的規(guī)律性,即近程有序的;而晶體盡管從整體上看是有序的,但由于有缺陷,在很小的尺寸范圍內(nèi)也存在著無序性。所以,兩者之間尚有共同特點且可互相轉(zhuǎn)化。物質(zhì)在不同條件下,既可形成晶體結(jié)構(gòu),又可形成非晶體結(jié)構(gòu)。例如,金屬液體在高速冷卻下可以得到非晶態(tài)金屬,玻璃經(jīng)適當熱處理可形成晶體玻璃。有些物質(zhì),可看成是有序和無序的中間狀態(tài),如塑料、液晶等。

1.2.2金屬材料的結(jié)構(gòu)特點

1.晶體結(jié)構(gòu)的基本概念

實際晶體中的各類質(zhì)點(包括離子、電子等)雖然都是在不停地運動著,但是通常在討論晶體結(jié)構(gòu)時,把構(gòu)成晶體的原子看成是一個個固定的小球,這些原子小球按一定的幾何形式在空間緊密堆積,如圖1－10(a)所示。圖1－10簡單立方晶格與晶胞示意圖

為了便于描述晶體內(nèi)部原子排列的規(guī)律,將每個原子視為一個幾何質(zhì)點,并用一些假想的幾何線條將各質(zhì)點連接起來,便形成一個空間幾何格架。這種抽象的用于描述原子在晶體中排列方式的空間幾何格架稱為晶格,如圖1－10(b)所示。由于晶體中原子做周期性規(guī)則排列,因此可以在晶格內(nèi)取一個能代表晶格特征的、由最少數(shù)目的原子構(gòu)成的最小結(jié)構(gòu)單元來表示晶格,稱為晶胞,如圖1－10(c)所示,并用棱邊長度a、b、c和棱邊夾角α、β、γ來表示晶胞的幾何形狀及尺寸。不難看出,晶格可以由晶胞不斷重復(fù)堆砌而成。通過對晶胞的研究可找出該種晶體中原子在空間的排列規(guī)律。晶格類型不同,呈現(xiàn)出的力學性能、物理性能和化學性能也就不同。

2.三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)

在金屬晶體中,約有90%屬于三種常見的晶格類型,即體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。體心立方晶格的晶胞是一個立方體,在立方體的八個角上和晶胞中心各有一個原子,如圖1－11所示,屬于這種晶格類型的金屬有α－Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等。圖1－11體心立方晶胞示意圖

面心立方晶格和密排六方晶格示意圖如圖1－12和圖1－13所示,屬于面心立方晶格類型的金屬有γ－Fe、Cu、Al、Ni、Ag、Pb等,屬于密排六方晶格類型的金屬有Mg、Zn、Be等。圖1－12面心立方晶胞示意圖圖1－13密排六方晶胞示意圖

1.2.3純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

1.單晶體和多晶體

如果一塊金屬晶體,其內(nèi)部的晶格位向完全一致,則稱為單晶體。金屬的單晶體只能靠特殊的方法制得。實際使用的金屬材料都是由許多晶格位向不同的微小晶體組成的,稱為多晶體,如圖1－14所示。圖1－14多晶體的晶粒與晶界示意圖

2.晶體缺陷

根據(jù)晶體缺陷存在形式的幾何特點,通常將它們分為點缺陷、線缺陷和面缺陷三大類。

1)點缺陷

點缺陷是指在空間三個方向上晶格尺寸都很小的缺陷。最常見的點缺陷是晶格空位和間隙原子,如圖1－15所示。晶格中某個原子脫離了平衡位置,形成了空結(jié)點,稱為空位。某個晶格間隙中擠進了原子,稱為間隙原子。缺陷的出現(xiàn),破壞了原子間的平衡狀態(tài),使晶格發(fā)生扭曲,稱為晶格畸變。晶格畸變將使晶體性能發(fā)生改變,如強度、硬度和電阻增加。圖1－15晶格點缺陷示意圖

2)線缺陷

線缺陷的特征是在晶體空間兩個方向上晶格尺寸很小,而第三個方向的晶格尺寸很大。屬于這一類缺陷的主要是各種類型的位錯。位錯是一種很重要的晶體缺陷,它是晶體中一列或數(shù)列原子發(fā)生有規(guī)律錯排的現(xiàn)象。

圖1－16為簡單立方晶體中的刃形位錯幾何模型,在晶體的ABC平面以上,多出一個垂直半原子面,這個多余半原子面像刀刃一樣垂直切入晶體,使晶體中刃部周圍上下的原子產(chǎn)生了錯排現(xiàn)象。多余半原子面底邊(EF線)稱為位錯線。在位錯線周圍引起晶格畸變,離位錯線越近,畸變越嚴重。晶體中的位錯不是固定不變的。當晶體中的原子發(fā)生熱運動或晶體受外力作用而發(fā)生塑性變形時,位錯在晶體中能夠進行不同形式的運動,致使位錯密度及組態(tài)發(fā)生變化。位錯的存在及其密度的變化對金屬很多性能會產(chǎn)生重大影響。圖1－16刃形位錯幾何模型

圖1－17定性地表達了金屬強度與位錯密度之間的關(guān)系。圖中的理論強度是根據(jù)原子結(jié)合力計算出的理想晶體的強度值。如果用特殊方法制成幾乎不含位錯的晶須,其強度接近理論計算值。一般金屬的強度由于位錯的存在較理論值約低兩個數(shù)量級,此時金屬易于進行塑性變形。但隨著位錯密度的增加,位錯之間的相互作用和制約使位錯運動變得困難起來,金屬的強度會逐步提高。當缺陷增至趨近百分之百時,金屬將失去規(guī)則排列的特征,而成為非晶態(tài)金屬,這時金屬也顯示出很高的強度?？梢?增加或降低位錯密度都能有效提高金屬的強度。目前,在生產(chǎn)中一般是采用增加位錯密度的方法(如冷塑性變形)等來提高金屬強度的。圖1－17金屬強度與位錯密度的關(guān)系

3)面缺陷

面缺陷特征是在一個方向上晶格尺寸很小,而另兩個方向上晶格尺寸很大,主要指晶界和亞晶界。晶界處的原子排列與晶內(nèi)是不同的,晶界處的原子要同時受到其兩側(cè)晶粒不同位向的綜合影響,所以晶界處原子排列是不規(guī)則的,是從一種取向到另一種取向的過渡狀態(tài),如圖1－18(a)所示。在一個晶粒內(nèi)部,還可能存在許多更細小的晶塊,它們之間晶格位向差很小,通常小于2°~3°,這些小晶塊稱為亞晶粒。亞晶粒之間的界面稱為亞晶界,如圖1－18(b)所示。圖1－18面缺陷示意圖

1.2.4合金的晶體結(jié)構(gòu)

由于純金屬的力學性能較低,所以工程上應(yīng)用最廣泛的是各種合金。合金是由兩種或兩種以上的金屬元素,或金屬和非金屬元素組成的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)。如黃銅是銅和鋅的合金,鋼是鐵和碳等的合金。對合金而言,其結(jié)構(gòu)及影響性能的因素更為復(fù)雜。下面以合金中的基本相為重點介紹合金的結(jié)構(gòu)。

組成合金的最基本的獨立物質(zhì)稱為組元。組元可以是金屬元素、非金屬元素和穩(wěn)定的化合物。根據(jù)組元數(shù)的多少,可分為二元合金、三元合金等。

所謂相,是金屬或合金中具有相同成分、相同結(jié)構(gòu),并以界面相互分開的各個均勻組成部分。若合金是由成分、結(jié)構(gòu)都相同的同一種晶粒構(gòu)成的,則各晶粒雖由界面分開,卻屬于同一種相;若合金是由成分、結(jié)構(gòu)互不相同的幾種晶粒所構(gòu)成的,則它們將屬于不同的幾種相。金屬與合金的一種相在一定條件下可以變?yōu)榱硪环N相,叫做相變。例如,純銅在熔點溫度以上或以下,分別為液相或固相,而在熔點溫度時為液、固兩相共存。

用金相觀察方法,在金屬及合金內(nèi)部看到的組成相的種類、大小、形狀、數(shù)量、分布及相間結(jié)合狀態(tài)稱為組織。只有一種相組成的組織為單相組織;由兩種或兩種以上相組成的組織為多相組織。

合金的基本相結(jié)構(gòu)可分為固溶體和金屬化合物兩大類。

1.固溶體

溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中仍保持溶劑晶格類型的合金相稱為固溶體。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中占據(jù)的位置,可將固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體,如圖1－19所示。

由于溶質(zhì)原子的溶入,會引起固溶體晶格發(fā)生畸變,使合金的強度、硬度提高。這種通過溶入原子,使合金強度和硬度提高的方法叫固溶強化。固溶強化是提高材料力學性能的重要強化方法之一。圖119固溶體結(jié)構(gòu)示意圖

2.金屬化合物

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)的一種新相,其晶格類型和性能不同于合金中的任一組成元素,一般可用分子式來表示。金屬化合物一般具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu),熔點高,硬而脆。當合金中出現(xiàn)金屬化合物時,通常能提高合金的強度、硬度和耐磨性,但會降低塑性和韌性。以金屬化合物作為強化相強化金屬材料的方法,稱為第二相強化。金屬化合物是各種合金鋼、硬質(zhì)合金及許多非鐵金屬的重要組成相。金屬化合物也可以溶入其他元素的原子,形成以金屬化合物為基的固溶體。Fe3C是鐵與碳相互作用形成的一種金屬化合物,稱為滲碳體。圖1－20是滲碳體的晶體結(jié)構(gòu),碳質(zhì)量分數(shù)wC=6.69%。圖1－20滲碳體結(jié)構(gòu)示意圖

合金組織可以是單相的固溶體組織,但由于其強度不高,應(yīng)用受到了一定的限制,因此多數(shù)合金是由固溶體和少量金屬化合物組成的混合物。人們可以通過調(diào)整固溶體的溶解度和分布于其中的化合物的形狀、數(shù)量、大小和分布來調(diào)整合金的性能,以滿足不同的需要。

1.3金屬材料的結(jié)晶

1.3.1結(jié)晶的基本概念物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固,如果通過凝固形成晶體結(jié)構(gòu),則又稱為結(jié)晶。晶體物質(zhì)都有一個平衡結(jié)晶溫度(熔點),液體低于這一溫度時才能結(jié)晶,固體高于這一溫度時便發(fā)生熔化。在平衡結(jié)晶溫度,液體與晶體同時共存,處于平衡狀態(tài)。非晶體物質(zhì)無固定的凝固溫度,凝固總是在某一溫度范圍內(nèi)逐漸完成。

純金屬的實際結(jié)晶過程可用冷卻曲線來描述。冷卻曲線是溫度隨時間而變化的曲線,是用熱分析法測繪的。從圖1－21冷卻曲線可以看出,液態(tài)金屬隨時間冷卻到某一溫度時,在曲線上出現(xiàn)一個平臺,這個平臺所對應(yīng)的溫度就是純金屬的實際結(jié)晶溫度。因為結(jié)晶時放出結(jié)晶潛熱,補償了此時向環(huán)境散發(fā)的熱量,使溫度保持恒定,結(jié)晶完成后,溫度繼續(xù)下降。圖1－21純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線

由熱力學第二定律可以證明,在等溫等容(體積不變)條件下,一切自發(fā)變化過程都是朝著自由能降低的方向進行。自由能是受溫度、壓力、容積多因素影響的物質(zhì)狀態(tài)函數(shù),從其物理意義來說,是指在一定條件下物質(zhì)中能夠自動向外界釋放做功的那一部分能量。由于液體和晶體的結(jié)構(gòu)不同,同一物質(zhì)的液體和晶體在不同溫度下的自由能變化是不同的,如圖1－＊22所示。當溫度為T0時,液體和晶體自由能相等,二者處于平衡狀態(tài)。T0就是平衡結(jié)晶溫度,即理論結(jié)晶溫度。當溫度低于T0時,即有一定過冷度,晶體的自由能低于液體,這時結(jié)晶可以自發(fā)進行。過冷度ΔT越大,液體和晶體的自由能差的絕對值ΔE越大,結(jié)晶傾向越大。圖1－22液體和晶體自由能E隨溫度變化曲線

1.3.2晶核的形成及長大過程

科學實驗證明,結(jié)晶是晶體在液體中從無到有(晶核形成),由小變大(晶核長大)的過程。在從高溫冷卻到結(jié)晶溫度的過程中,液體內(nèi)部在一些微小體積中原子由不規(guī)則排列向晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)則排列逐漸過渡,即隨時都在不斷產(chǎn)生許多類似晶體中原子排列的小集團。這些小集團的特點是尺寸較小、極不穩(wěn)定、時聚時散;溫度越低,尺寸越大,存在的時間越長。這種不穩(wěn)定的原子排列小集團是結(jié)晶中產(chǎn)生晶核的基礎(chǔ)。

如圖1－23所示,當?shù)谝慌Ш诵纬珊?晶核的形成與長大這兩個過程是同時進行著的,直至每個晶核長大到互相接觸,而每個長大了的晶核也就成為一個晶粒。圖1－23金屬結(jié)晶過程示意圖

晶核長大受過冷度影響,當過冷度較大時,金屬晶體常以樹枝狀方式長大。在晶核開始成長初期,因其內(nèi)部原子規(guī)則排列的特點,故外形大多是比較規(guī)則的。但隨著晶核的長大,形成了棱角,棱角處的散熱條件優(yōu)于其他部位,因而可以優(yōu)先長大,如樹枝一樣先長出枝干,稱此為一次晶軸。在一次晶軸伸長和變粗的同時,在其側(cè)面棱角處會長出二次晶軸,隨后又可出現(xiàn)三次晶軸、四次晶軸。圖1－24示意地表示樹枝狀晶體的形狀。相鄰的樹枝狀骨架相遇時,樹枝骨架停止擴展,每個晶軸不斷變粗,長出新的晶軸,直到枝晶間液體全部消失,每一枝晶成長為一個晶粒。圖1－24樹枝狀晶體示意圖

1.3.3晶粒大小

金屬結(jié)晶后,獲得由許多晶粒組成的多晶體組織。晶粒的大小對金屬的力學性能、物理性能和化學性能均有很大影響。細晶粒組織的金屬強度高、塑性和韌性好,而粗晶粒金屬的耐蝕性好。作為軟磁材料的純鐵,其晶粒越粗大,則磁導(dǎo)率越大,磁滯損耗減少。

為了提高金屬材料的力學性能,必須了解晶粒大小的影響因素及控制方法。

在實際生產(chǎn)中,對于鑄錠或大鑄件,由于散熱慢,要獲得較大的過冷度很困難,而且過大的冷卻速度往往導(dǎo)致鑄件開裂而造成廢品。為了獲得細晶粒組織,澆注前在液態(tài)金屬中加入少量的變質(zhì)劑,促使形成大量非自發(fā)晶核,提高形核率N,這種細化晶粒的方法稱為變質(zhì)處理。變質(zhì)處理在冶金和鑄造生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛,如鋼中加入鋁、鈦、釩、硼等,鑄鐵中加入硅鈣等,鑄造鋁硅合金中加入鈉鹽等。

另外,在金屬結(jié)晶時,對液態(tài)金屬采取機械振動、超聲波振動、電磁波振動等措施,造成枝晶破碎,使晶核數(shù)量增大,也能使晶核細化。

1.4鐵碳合金相圖

鋼鐵材料是工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中應(yīng)用最廣泛的金屬材料,鋼鐵材料的主要組元是鐵和碳,故稱鐵碳合金。鐵碳相圖是研究在平衡狀態(tài)下鐵碳合金成分、組織和性能之間的關(guān)系及其變化規(guī)律的重要工具。掌握鐵碳相圖對于制訂鋼鐵材料的加工工藝具有重要的指導(dǎo)意義。

1.4.1鐵碳合金的基本組元與基本相

1.純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

大多數(shù)金屬在結(jié)晶后晶格類型不再發(fā)生變化,但少數(shù)金屬,如鐵、鈦、鈷等在結(jié)晶后晶格類型會隨溫度的變化而發(fā)生變化。這種同一種元素在不同條件下具有不同的晶體結(jié)構(gòu),當溫度等外界條件變化時晶格類型發(fā)生轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是一種固態(tài)轉(zhuǎn)變。圖1－25是純鐵在常壓下的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化。圖1－25純鐵的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化

2.鐵碳合金的基本相及其性能

在液態(tài)下,鐵和碳可以互溶成均勻的液體。在固態(tài)下,碳可有限地溶于鐵的各種同素異構(gòu)體中,形成間隙固溶體。當含碳量超過相應(yīng)溫度固相的溶解度時,會析出具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的金屬化合物———滲碳體。鐵碳合金的相結(jié)構(gòu)及性能介紹如下:

(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,常以符號L表示。

(2)鐵素體。碳溶于α－Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體,通常以符號F表示。碳在α－Fe中的溶解度很低,在727℃時溶解度最大,為0.0218%,在室溫時幾乎為零(0.0008%)。鐵素體的力學性能幾乎與純鐵相同,其強度和硬度很低,但具有良好的塑性和韌性。其力學性能為:σb=180~280MPa,δ=30%~50%,αk=160~200J/cm2,50~80HBS。工業(yè)純鐵(wC<0.02%)在室溫時的組織即由鐵素體晶粒組成。

(3)奧氏體。碳溶于γ－Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體,通常以符號A表示。碳在γ－Fe中的溶解度也很有限,但比在α－Fe中的溶解度大得多。在1148℃時,碳在奧氏體中的溶解度最大,可達2.11%,隨著溫度的降低,溶解度也逐漸下降,在727℃時,奧氏體的含碳量wC=0.77%。奧氏體的硬度不高,易于塑性變形。

(4)滲碳體。滲碳體是一種具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的金屬化合物。它的分子式為Fe3C,滲碳體的含碳量為6.69%。在Fe－Fe3C相圖中,滲碳體既是組元,又是基本相。滲碳體的硬度很高,約為800HBW,而塑性和韌性幾乎等于零,是一個硬而脆的相。滲碳體是鐵碳合金中主要的強化相,它的形狀、大小與分布對鋼的性能有很大影響。

1.4.2Fe－Fe3C合金相圖分析

Fe－Fe3C相圖如圖1－26所示。圖中左上角部分實際應(yīng)用較少,為了便于研究和分析,將此部分作以簡化。簡化的Fe－Fe3C相圖如圖1－27所示。圖1－26Fe－Fe3C相圖

簡化的Fe－Fe3C相圖可視為由兩個簡單相圖組合而成。圖1－27中的右上半部分為共晶轉(zhuǎn)變(在一定條件下,一種液相同時結(jié)晶出兩種固相的轉(zhuǎn)變)類型的相圖,左下半部分為共析轉(zhuǎn)變(在一定條件下,一種固相同時析出兩種固相的轉(zhuǎn)變)類型的相圖。圖1－27簡化后的FeFe3C相圖

1.主要特點

(1)A點和D點。A點是鐵的熔點(1538℃);D點是滲碳體的熔點(1227℃)。

(2)G點。G點是鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點,溫度為912℃。鐵在該點發(fā)生面心立方晶格與體心立方晶格的相互轉(zhuǎn)變。

(3)E點和P點。E點是碳在γ－Fe中的最大溶解度點,wC=2.11%,溫度為1148℃;P點是碳在α－Fe中的最大溶解度點,wC=0.0218%,溫度為727℃。

(4)Q點。Q點是室溫下碳在α－Fe中的溶解度,wC=0.0008%。

(5)C點。C點為共晶點,液相在1148℃同時結(jié)晶出奧氏體和滲碳體,此轉(zhuǎn)變稱為共晶轉(zhuǎn)變。共晶轉(zhuǎn)變的表達式為

共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為萊氏體,它是奧氏體和滲碳體組成的機械混合物,用符號Ld表示。

(6)S點。S點為共析點,奧氏體在727℃同時析出鐵素體和滲碳體,此轉(zhuǎn)變稱為共析轉(zhuǎn)變。共析轉(zhuǎn)變的表達式為

共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為珠光體,它是鐵素體和滲碳體組成的機械混合物,用符號P表示。

2.主要特性線

(1)ACD線和AECF線。ACD線是液相線,該線以上為完全液相;AECF線是固相線,該線以下是完全固相。

(2)ECF線。ECF線是共晶線(1148℃),相圖中,凡是wC=2.11%~6.69%的鐵碳合金都要發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。

(3)PSK線。PSK線是共析線(727℃),相圖中,凡是wC=0.0218%~6.69%的鐵碳合金都要發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。PSK線又稱為A1線。

(4)GS線。GS線是冷卻時奧氏體開始析出鐵素體,或加熱時鐵素體全部溶入奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度線。GS線又稱為A3線。

(5)ES線。ES線是碳在奧氏體中的溶解度曲線。隨溫度的降低,碳在奧氏體中的溶解度沿ES線從2.11%變化至0.77%。由于奧氏體中含碳量的減少,將從奧氏體中沿晶界析出滲碳體,稱為二次滲碳體(Fe3CⅡ)。ES線又稱為Acm線。

(6)PQ線。PQ線是碳在鐵素體中的溶解度曲線。隨溫度的降低,碳在鐵素體中的溶解度沿PQ線從0.0218%變化至0.0008%。由于鐵素體中含碳量的減少,將從鐵素體中沿晶界析出滲碳體,稱為三次滲碳體(Fe3CⅢ)。因其析出量極少,在含碳量較高的鋼中可以忽略不計。

由于生成條件的不同,滲碳體可以分為Fe3CⅠ、Fe3CⅡ、Fe3CⅢ、共晶Fe3C和共析Fe3C五種。其中Fe3CⅠ是含碳量大于4.3%的液相緩冷到液相線(CD線)對應(yīng)溫度時所直接結(jié)晶出的滲碳體。盡管它們是同一相,但由于形態(tài)與分布不同,對鐵碳合金的性能有著不同的影響。

3.相區(qū)

(1)單相區(qū)。簡化的Fe－Fe3C相圖中有F、A、L和Fe3C四個單相區(qū)。

(2)兩相區(qū)。簡化的Fe－Fe3C相圖中有五個兩相區(qū),即L+A兩相區(qū)、L+Fe3C兩相區(qū)、A+Fe3C兩相區(qū)、A+F兩相區(qū)和F+Fe3C兩相區(qū)。

1.4.3含碳量與鐵碳合金組織及性能的關(guān)系

鐵碳合金室溫組織雖然都是由鐵素體和滲碳體兩相組成的,但是當含碳量不同時,組織中兩個相的相對數(shù)量、分布及形態(tài)不同,因而不同成分的鐵碳合金具有不同的性能。

1.鐵碳合金含碳量與組織的關(guān)系

根據(jù)對鐵碳合金結(jié)晶過程中組織轉(zhuǎn)變的分析,已經(jīng)了解了在不同含碳量情況下鐵碳合金的組織構(gòu)成。圖1－28表示了室溫下鐵碳合金中含碳量與平衡組織組成物及相組成物間的定量關(guān)系。從圖中可以清楚地看出鐵碳合金組織變化的基本規(guī)律:隨含碳量的增加,鐵素體相逐漸減少,滲碳體相逐漸增多;組織構(gòu)成也在發(fā)生變化,如亞共析鋼中的鐵素體量減少,而珠光體量在增多,到共析鋼就變?yōu)橥耆闹楣怏w了。這些必將極大地影響鐵碳合金的力學性能。圖1－28室溫下鐵碳合金的含碳量與相和組織的關(guān)系

2.鐵碳合金含碳量與力學性能的關(guān)系

在鐵碳合金中,碳的含量和存在形式對合金的力學性能有直接的影響。鐵碳合金組織中的鐵素體是軟韌相,滲碳體是硬脆相,因此鐵碳合金的力學性能取決于鐵素體與滲碳體的相對量及它們的相對分布。圖1－29表示含碳量對緩冷狀態(tài)鋼力學性能的影響。圖1－29含碳量對緩冷鋼力學性能的影響

白口鑄鐵中都存在萊氏體組織,具有很高的硬度和脆性,既難以切削加工,也不能進行鍛造,因此白口鑄鐵的應(yīng)用受到限制。但是由于白口鑄鐵具有很高的抗磨損能力,對于表面要求高硬度和耐磨的零件,如犁鏵、冷軋輥等,常用白口鑄鐵制造。

必須指出,以上所述是鐵碳合金平衡組織的性能,隨冷卻條件和其他處理條件的不同,鐵碳合金的組織、性能會大不相同。

1.4.4鐵碳合金相圖的應(yīng)用

鐵碳合金相圖對生產(chǎn)實踐具有重要意義,除了作為材料選用的參考外,還可作為制訂鑄造、鍛造、焊接、熱處理等熱加工工藝的重要依據(jù)。

1.在選材方面的應(yīng)用

鐵碳相圖總結(jié)了鐵碳合金組織和性能隨成分的變化規(guī)律,這樣,就可以根據(jù)零件的服役條件和性能要求來選擇合適的材料。例如,若需要塑性好、韌性高的材料,則可選用低碳鋼;若需要強度、硬度、塑性等都好的材料,則可選用中碳鋼;若需要硬度高、耐磨性好的材料,則可選用高碳鋼;若需要耐磨性高,不受沖擊的工件用材料,則可選用白口鑄鐵。

2.在鑄造方面的應(yīng)用

由相圖可見,共晶成分的鐵碳合金熔點最低,結(jié)晶溫度范圍要最小,具有良好的鑄造性能。在鑄造生產(chǎn)中,經(jīng)常選用接近共晶成分的鑄鐵。根據(jù)相圖中液相線的位置,可確定各種鑄鋼和鑄鐵的澆注溫度,如圖1－30所示,為制訂鑄造工藝提供依據(jù)。與鑄鐵相比,鋼的熔化溫度和澆注溫度要高得多,其鑄造性能較差,易產(chǎn)生收縮,因而鋼的鑄造工藝比較復(fù)雜。圖1－30鐵碳相圖與鑄鍛工藝的關(guān)系

3.在壓力加工方面的應(yīng)用

奧氏體的強度較低,塑性較好,便于塑性變形,因此鋼材的鍛造、軋制均選擇在單相奧氏體區(qū)適當溫度范圍進行。

4.在焊接方面的應(yīng)用

焊接時由焊縫到母材各區(qū)域的溫度是不同的,由Fe－Fe3C相圖可知,受不同加熱溫度加熱的各區(qū)域在隨后的冷卻中可能會出現(xiàn)不同的組織與性能。這就需要在焊接后采用熱處理方法加以改善。

Fe－Fe3C相圖對制訂熱處理工藝有著特別重要的意義。

本章小結(jié)

(1)材料強度指標:材料經(jīng)歷了彈性、屈服、強化和縮頸四個階段。對應(yīng)前三個階段的三個特征點,其相應(yīng)的應(yīng)力值依次為比例極限σp、屈服點極限σs和強度極限σb。對低碳鋼來說,屈服點極限和強度極限是衡量材料強度的主要指標。

(2)塑性指標:斷后伸長率δ是衡量材料塑性變形程度的重要指標之一。設(shè)l為試樣原始標距,l1為試樣拉斷后的標距,則斷后伸長率δ的表達式為

工程上將δ≥5%的材料稱為塑性材料,如低碳鋼、鋁合金、青銅等均為常見的塑性材料;將δ<5%的材料稱為脆性材料,如鑄鐵、高碳鋼、混凝土等均為脆性材料。

衡量材料塑性變形程度的另一個重要指標是斷面收縮率ψ。設(shè)試件拉伸前的橫截面面積為A,拉斷后斷口橫截面面積為A1,以百分比表示的比值即為斷面收縮率,即

斷面收縮率越大,材料的塑性越好。

(3)硬度指標:硬度實際上是指一個小的金屬表面或很小的體積內(nèi)抵抗彈性變形、塑性變形或抵抗破裂的一種抗力。目前機械制造生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的硬度試驗方法是布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。

(4)沖擊韌度:在設(shè)計和制造受沖擊載荷的零件和工具時,還必須考慮所用材料的沖擊吸收功或沖擊韌度。沖擊吸收功以AK表示,有

用試樣的斷口處截面積SN去除AK即得到?jīng)_擊韌度,用aK表示,單位為J/cm2,表達式為

對一般常用鋼材來說,所測沖擊吸收功AK越大,材料的韌性越好。

(5)疲勞極限:若金屬材料承受的最大交變應(yīng)力σ越大,則斷裂時應(yīng)力交變的次數(shù)N越小;反之若σ越小,則N越大。當應(yīng)力低于某值時,應(yīng)力循環(huán)到無數(shù)次也不會發(fā)生疲勞斷裂,此應(yīng)力值稱為材料的疲勞極限,以σD表示。

(6)三種典型晶體結(jié)構(gòu)形式:在金屬晶體中,約有90%屬于三種常見的晶格類型,即體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。

(7)點缺陷:點缺陷是指在空間三個方向上晶格尺寸都很小的缺陷。最常見的點缺陷是晶格空位和間隙原子。晶格中某個原子脫離了平衡位置,形成了空結(jié)點,稱為空位。某個晶格間隙中擠進了原子,稱為間隙原子。

(8)線缺陷:線缺陷的特征是在晶體空間兩個方向上晶格尺寸很小,而第三個方向的晶格尺寸很大。屬于這一類的缺陷主要是各種類型的位錯。

(9)面缺陷:面缺陷的特征是在一個方向上晶格尺寸很小,而另兩個方向上晶格尺寸很大,主要指晶界和亞晶界。

(10)Fe－Fe3C合金相圖的主要特性點:A點、D點、G點、E點、P點、Q點、C點、S點。

(11)Fe－Fe3C合金相圖的主要特性線:ACD線、AECF線、ECF線、PSK線、GS線、ES線、PQ線。

(12)Fe－Fe3C合金相圖的主要相區(qū):單相區(qū)和兩相區(qū)。

(13)鐵碳合金由于成分的不同,室溫下將得到不同的組織。根據(jù)鐵碳合金的含碳量及組織的不同,可將鐵碳合金分為工業(yè)純鐵、鋼及白口鑄鐵三類。其中:工業(yè)純鐵的含碳量為wC<0.0218%,鋼的含碳量為0.0218%<wC<2.11%,白口鑄鐵的含碳量為2.11%<wC<6.69%。

習題

1.1什么叫做應(yīng)力?什么叫做應(yīng)變?低碳鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線可分為哪幾個變形階段?這些階段各具有什么明顯的特征?1.2由拉伸試驗可以得出哪些力學性能指標?在工程上這些指標是怎樣定義的?1.3有一直徑d0=10.0mm、長度l=50mm的低碳鋼試樣,拉伸試驗時測得Fs=20.5kN,Fb=31.5kN,d1=6.25mm,l1=66mm,試確定此鋼材的σs、σb、ψ、δ。

1.4在生產(chǎn)中,沖擊試驗有何重要作用?什么叫韌脆轉(zhuǎn)變溫度?1.15什么叫疲勞極限?為什么表面強化處理能有效地提高疲勞極限?

1.6試述三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)形式及特點。

1.7晶體缺陷有哪些?它對金屬材料的力學性能有什么影響?1.8合金的結(jié)構(gòu)與純金屬的結(jié)構(gòu)有什么不同?合金的力學性能為什么優(yōu)于純金屬?

1.9金屬結(jié)晶的基本規(guī)律是什么?晶體的形核率及長大速度受到哪些因素的影響?

1.10細晶粒組織為什么具有較好的綜合力學性能?細化晶粒的基本途徑有哪些?

1.11畫出簡化的Fe－Fe3C合金相圖,說明圖中主要點、線的意義,填出各相區(qū)的相和組織組成物。

1.12根據(jù)FeFe3C合金相圖,解釋下列現(xiàn)象:

(1)在室溫下,wC=0.8%的碳鋼比wC=0.4%碳鋼硬度高,比wC=1.2%的碳鋼強度高;

(2)鋼鉚釘一般用低碳鋼制造;

(3)綁扎物件一般用鐵絲(鍍鋅低碳鋼絲),而起重機吊重物時都用鋼絲繩(用60鋼、65鋼等制成);

(4)在1100℃時,wC=0.4%的鋼能進行鍛造,而wC=4.0%的鑄鐵不能進行鍛造;

(5)鉗工鋸削T8、T10、T12等退火鋼料比鋸削10、20鋼費力,且鋸條易磨鈍;

(6)鋼適宜壓力加工成形,而鑄鐵適宜鑄造成形。第2章鋼的熱處理2.1鋼的普通熱處理2.2鋼的表面熱處理2.3鋼的熱處理新技術(shù)2.4鋼的熱處理工藝應(yīng)用本章小結(jié)習題

2.1鋼的普通熱處理

鋼的最基本的熱處理工藝有退火、正火、淬火、回火等,本節(jié)介紹這些熱處理工藝過程。

2.1.1鋼的退火

退火是將鋼加熱到適當溫度,保溫一定時間,然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火主要用于鑄、鍛、焊毛坯或半成品零件,為預(yù)備熱處理。退火后獲得珠光體組織。退火的主要目的是:軟化鋼材以利于切削加工;消除內(nèi)應(yīng)力以防止工件變形;細化晶粒,改善組織,為零件的最終熱處理做好準備。

根據(jù)鋼的成分和退火目的不同,常用的退火方法有完全退火、等溫退火、球化退火、均勻化退火、去應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火等。

1.完全退火與等溫退火

完全退火是把鋼加熱到Ac3以上30~50℃,保溫一定時間,隨爐冷至600℃以下,出爐空冷。完全退火可獲得接近平衡狀態(tài)的組織,主要用于亞共析鋼的鑄、鍛件,有時也用于焊接結(jié)構(gòu)。完全退火的目的在于細化晶粒、消除過熱組織、降低硬度和改善切削加工性能。

過共析鋼不宜采用完全退火,以避免二次滲碳體以網(wǎng)狀形式沿奧氏體晶界析出,給切削加工和以后的熱處理帶來不利影響。

完全退火很費工時,生產(chǎn)中常采用等溫退火來代替。

2.球化退火

球化退火是將鋼加熱到Ac1以上20~30℃,充分保溫后,隨爐冷卻到600℃以下出爐空冷。球化退火主要用于過共析鋼,其目的是使鋼中的滲碳體球狀化,以降低鋼的硬度,改善切削加工性,并為以后的熱處理工序做好組織準備。若鋼的原始組織中有嚴重的滲碳體網(wǎng),則在球化退火前應(yīng)進行正火消除,以保證球化退火效果。

3.去應(yīng)力退火

去應(yīng)力退火又稱低溫退火,是將鋼加熱到Ac1以下某一溫度(一般為500~600℃),保溫一定時間,然后隨爐冷卻。去應(yīng)力退火過程中不發(fā)生組織的轉(zhuǎn)變,目的是為了消除鑄件、鍛件、焊件和冷沖壓件的殘余應(yīng)力。

2.1.2鋼的正火

將鋼加熱到Ac3(或Accm)以上30~50℃,保溫適當時間,出爐后在空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。正火主要有以下幾方面的應(yīng)用:

(1)加工要求不高的結(jié)構(gòu)、零件。對力學性能要求不高的結(jié)構(gòu)、零件,可用正火作為最終熱處理,以提高其強度、硬度和韌性。

(2)加工低、中碳鋼。對于低、中碳鋼,可用正火作為預(yù)備熱處理,以調(diào)整硬度,改善切削加工性。

(3)加工過共析鋼。對于過共析鋼,正火可抑制滲碳體網(wǎng)的形成,為球化退火做好組織準備。

與退火相比,正火的生產(chǎn)周期短,節(jié)約能量,而且操作簡便,冷卻速度較快,得到的組織比較細小,強度和硬度也稍高一些。生產(chǎn)中常優(yōu)先采用正火工藝。常用退火和正火的加熱溫度范圍及工藝曲線如圖2－1所示。圖2－1碳鋼的各種退火、正火的加熱溫度范圍及工藝曲線

2.1.3鋼的淬火

將鋼加熱到Ac3或Ac1以上,保溫一定時間,冷卻后獲得馬氏體和(或)貝氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。淬火是鋼的最經(jīng)濟、最有效的強化手段之一。

1.淬火加熱溫度

鋼的淬火加熱溫度主要根據(jù)其相變點來確定,如圖2－2所示。亞共析鋼一般采用完全奧氏體化淬火,淬火加熱溫度為Ac3+(30~50℃)。如果加熱溫度選擇為Ac1~Ac3,則在淬火組織中將有先析出鐵素體存在,使鋼的強度降低。圖2－2碳鋼淬火加熱溫度范圍

應(yīng)當指出的是,在確定具體零件熱處理溫度時,需全面考慮各種因素(如工件形狀、尺寸等)的影響。對于高合金鋼加熱溫度的選擇,還應(yīng)考慮合金碳化物的溶解、合金元素均勻化等問題。淬火加熱與保溫時間的確定,需綜合考慮鋼的成分、原始組織、工件形狀和尺寸、加熱介質(zhì)、裝爐量等因素的影響,生產(chǎn)中常用有關(guān)經(jīng)驗公式估算。

2.常用淬火冷卻方法

理想的冷卻應(yīng)是既保證工件淬火后得到馬氏體,又要保證淬火質(zhì)量,減小淬火應(yīng)力和變形與開裂的傾向,這樣采用適宜的淬火介質(zhì)和適當?shù)拇慊鸱椒ň秃苤匾?。常用的冷卻介質(zhì)有水、鹽或堿的水溶液和油等。常用的淬火方法有以下幾種:

(1)單液淬火。將加熱至淬火溫度的工件,投入單一一種淬火介質(zhì)中連續(xù)冷卻至室溫。例如,碳鋼在水中淬火,合金鋼在油中淬火等。單液淬火操作簡便,易于實現(xiàn)機械化和自動化,但也有不足之處,即易產(chǎn)生淬火缺陷。水中淬火易產(chǎn)生變形和裂紋,油中淬火易產(chǎn)生硬度不足或硬度不均勻等現(xiàn)象。

(2)雙介質(zhì)淬火。將加熱的工件先投入一種冷卻能力強的介質(zhì)中冷卻,然后在Ms(馬氏體轉(zhuǎn)變溫度點)點區(qū)域轉(zhuǎn)入冷卻能力小的另一種介質(zhì)中冷卻。例如,形狀復(fù)雜的非合金鋼工件采用水淬油冷法,合金鋼工件采用油淬空冷法等。雙介質(zhì)淬火可使低溫轉(zhuǎn)變時的內(nèi)應(yīng)力減小,從而有效防止工件的變形與開裂。

(3)馬氏體分級淬火。將加熱的工件先放入溫度在Ms點附近(150~260℃)的鹽浴或堿浴中,稍加停留2~5min,等工件整體溫度趨于均勻時,再取出空冷以獲得馬氏體。分級淬火可更為有效地避免變形和裂紋的產(chǎn)生,而且比雙介質(zhì)淬火易于操作,一般適用于形狀較復(fù)雜、尺寸較小的工件。

(4)貝氏體等溫淬火。將加熱的工件放入稍高于Ms點溫度的鹽浴或堿浴中,保溫足夠的時間,使其發(fā)生下貝氏體轉(zhuǎn)變后出爐空冷。等溫淬火的內(nèi)應(yīng)力很小,工件不易變形與開裂,而且具有良好的綜合力學性能。等溫淬火常用于處理形狀復(fù)雜,尺寸要求精確,并且硬度和韌性都要求較高的工件,如各種冷、熱沖模,成形刃具和彈簧等。

(5)局部淬火。若有些工件按其工件條件只是局部要求高硬度,則可進行局部加熱淬火,以避免工件其他部分產(chǎn)生變形與裂紋。

2.1.4鋼的淬透性

1.淬透性的概念

鋼的淬透性是鋼在淬火冷卻時,獲得馬氏體組織深度的能力。工件在淬火后,整個截面的冷卻速度不同,工件表層的冷卻速度最大,中心層的冷卻速度最小,如圖2－3(a)所示。冷卻速度大于該鋼vc的表層部分,淬火后得到馬氏體組織,圖2－3(b)中的影線區(qū)域表示獲得馬氏體組織的深度。一般規(guī)定:由鋼的表面至內(nèi)部馬氏體組織占50%處的距離為有效淬硬深度。圖2－3鋼的有效淬硬深度與冷卻速度的關(guān)系

淬透性是鋼的一種重要的熱處理工藝性能,其高低以鋼在規(guī)定的標準淬火條件下能夠獲得的有效淬硬深度來表示。用不同鋼種制造的相同形狀和尺寸的工件,在同樣條件下淬火,淬透性好的鋼有效淬硬深度較大。

2.影響淬透性的因素

影響淬透性的因素很多。鋼的淬透性主要取決于鋼的馬氏體臨界冷卻速度的大小,實質(zhì)是取決于過冷奧氏體的穩(wěn)定性,即C曲線的位置。鋼的C曲線越靠右,其淬透性越好。因此,鋼的化學成分和奧氏體化條件是影響淬透性的主要因素。

3.淬透性的實際應(yīng)用

鋼的淬透性是在機械設(shè)計制造過程中合理選材和正確制訂熱處理工藝的重要依據(jù)。淬透性對鋼件熱處理后的力學性能影響很大,如圖2－4所示。若整個工件淬透,經(jīng)高溫回火后,則其力學性能沿截面是均勻一致的;若工件未淬透,高溫回火后,則雖然截面上硬度基本一致,但未淬透部分的屈服點和沖擊韌度卻顯著降低。圖2－4淬硬層深度與力學性能的關(guān)系(陰影部分表示淬透層)

在淬透性的實際應(yīng)用中還須注意以下兩點區(qū)別:

(1)淬透性與實際工件有效淬硬深度的區(qū)別。同一鋼種不同截面的工件在同樣奧氏體化條件下淬火,其淬透性是相同的。但是其有效淬硬深度卻因工件的形狀、尺寸和冷卻介質(zhì)的不同而異。淬透性乃是鋼本身所固有的屬性,對于一種鋼,它是確定的,可用于不同鋼種之間的比較。實際工件的有效淬硬深度,它除了取決于鋼的淬透性外,還與工件的形狀、尺寸及采用的冷卻介質(zhì)等外界因素有關(guān)。

(2)鋼的淬透性與淬硬性是兩個不同的概念。淬硬性是指鋼淬火后能達到的最高硬度,它主要取決于馬氏體的含碳量。淬透性好的鋼其淬硬性不一定高。例如,低碳合金鋼淬透性相當好,但其淬硬性卻不高;高碳非合金鋼的淬硬性高,但其淬透性卻差。

2.1.5鋼的回火

回火是將淬火鋼加熱到Ac1以下某一溫度,保溫一定時間,然后冷卻至室溫的熱處理工藝?；鼗鹗谴慊鸬暮罄m(xù)工序,其主要目的是:減少或消除淬火應(yīng)力;防止工件變形與開裂;穩(wěn)定工件尺寸及獲得工件所需的組織和性能。

1.淬火鋼在回火時的組織轉(zhuǎn)變

淬火后鋼的組織是不穩(wěn)定的,具有向穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變的自發(fā)傾向?；鼗鸺铀倭俗园l(fā)轉(zhuǎn)變的過程。淬火鋼在回火時,隨著溫度的升高,組織轉(zhuǎn)變可分為四個階段。

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的形成。

第四階段(400℃以上):固溶體的再結(jié)晶與滲碳體的聚集長大。

必須指出,以上四個階段是在不同溫度范圍內(nèi)進行的,但四個溫度范圍有交叉,所以鋼在回火以后所表現(xiàn)出的性能是這些變化的綜合結(jié)果。

2.回火的分類及其應(yīng)用

實際生產(chǎn)中,根據(jù)鋼件的性能要求,按其回火溫度范圍,回火可以分為以下三類:

(1)低溫回火(150~250℃):回火后的組織是回火馬氏體,它基本保持馬氏體的高硬度和耐磨性,鋼的內(nèi)應(yīng)力和脆性有所降低。低溫回火主要用于各種工具、滾動軸承、滲碳件和表面淬火件。

(2)中溫回火(350~500℃):回火后的主要組織為回火托氏體,具有較高的彈性極限和屈服強度,具有一定的韌性和硬度。中溫回火主要用于各種彈簧、模具等。

(3)高溫回火(500~650℃):回火后的組織為回火索氏體,它具有強度、硬度、塑性和韌性都較好的綜合力學性能。高溫回火廣泛用于汽車、拖拉機、機床等機械中的重要結(jié)構(gòu)零件,如各種軸、齒輪、連桿、高強度螺栓等。

通常將淬火與高溫回火相結(jié)合的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)處理一般作為最終熱處理,但也可作為表面淬火和化學熱處理的預(yù)備熱處理。應(yīng)指出,工件回火后的硬度主要與回火溫度和回火時間有關(guān),而回火后的冷卻速度對硬度影響不大。實際生產(chǎn)中,回火件出爐后通常采用空冷。

3.回火脆性

回火過程中,沖擊韌度不一定總是隨回火溫度的升高而不斷提高。有些鋼在某一溫度范圍內(nèi)回火時,其沖擊韌度比在較低溫度回火時反而顯著下降,這種脆化現(xiàn)象稱為回火脆性。如圖2－5所示,在250~400℃的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)的回火脆性稱為第一類回火脆性,防止的辦法常常是避免在此溫度范圍內(nèi)回火。在500~600℃溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)的回火脆性稱為第二類回火脆性,部分合金鋼易產(chǎn)生這類回火脆性,回火后快冷可避免這類回火脆性產(chǎn)生。圖2－5鋼的沖擊韌度與回火溫度的關(guān)系

2.2鋼的表面熱處理

2.2.1表面淬火表面熱處理是僅對工件表層進行熱處理以改變其組織和性能的工藝,其中最常用的是表面淬火。表面淬火是對鋼的表面快速加熱至淬火溫度,并立即冷卻,使表層獲得馬氏體強化的熱處理。表面淬火不改變鋼表層的成分,僅改變表層的組織,且心部組織不發(fā)生變化。

常用的感應(yīng)加熱表面淬火的基本原理如圖2－6所示。將工件放在銅管繞制的感應(yīng)圈內(nèi),當感應(yīng)圈通以一定頻率的電流時,感應(yīng)圈內(nèi)部和周圍產(chǎn)生同頻率的交變磁場,于是工件中相應(yīng)產(chǎn)生了自成回路的感應(yīng)電流。由于集膚效應(yīng),感應(yīng)電流主要集中在工件表層,使工件表面迅速加熱到淬火溫度,隨即噴水冷卻,使工件表層淬硬。根據(jù)所用電流頻率的不同,感應(yīng)加熱可分為高頻(200~300kHz)加熱、超音頻(20~40kHz)加熱、中頻(2.5~8kHz)加熱、工頻(50Hz)加熱等,用于各類中小型、大型機械零件。感應(yīng)電流頻率越高,電流集中的表層越薄,加熱層也越薄,淬硬層深度越小。圖2－6感應(yīng)加熱表面淬火示意圖

感應(yīng)加熱表面淬火零件宜選用中碳鋼和中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼,目前應(yīng)用最廣泛的是汽車、拖拉機、機床和工程機械中的齒輪、軸類等,也可運用于高碳鋼、低合金鋼制造的工具和量具,以及鑄鐵冷軋輥等。經(jīng)感應(yīng)加熱表面淬火的工件,表面不易氧化、脫碳,變形小,淬火層深度易于控制。該熱處理方法生產(chǎn)效率高,易于實現(xiàn)生產(chǎn)機械化,多用于大批量生產(chǎn)的形狀較簡單的零件。

2.2.2化學熱處理

鋼的化學熱處理是將工件置于一定的活性介質(zhì)中保溫,使一種或幾種元素滲入工件表層,以改變其化學成分,從而使工件獲得所需組織和性能的熱處理工藝。其目的主要是為了表面強化和改善工件表面的物理、化學性能,即提高工件的表面硬度、耐磨性、疲勞強度、熱硬性和耐腐蝕性?；瘜W熱處理的種類很多,一般以滲入的元素來命名?；瘜W熱處理有滲碳、滲氮、碳氮共滲(氰化)、滲硫、滲硼、滲鉻、滲鋁及多元共滲等。

1.滲碳

滲碳是將工件置于富碳的介質(zhì)中,加熱到高溫(900~950℃),使碳原子滲入表層的過程。其目的是使增碳的表面層經(jīng)淬火和低溫回火后,獲得高的硬度、耐磨性和疲勞強度,適用于低碳非合金鋼和低碳合金鋼,常用于汽車齒輪、活塞銷、套筒等零件。生產(chǎn)中廣泛采用的氣體滲碳是將工件置于密封的滲碳爐中(見圖2－7),加熱到900~950℃,通入滲碳氣體(如煤氣、石油液化氣、丙烷等)或易分解的有機液體(如煤油、甲苯、甲醇等),在高溫下通過反應(yīng)分解出活性碳原子,活性碳原子滲入高溫奧氏體中,并通過擴散形成一定厚度的滲碳層。滲碳的時間主要由滲碳層的深度決定。工件滲碳后必須進行淬火和低溫回火。圖2－7氣體滲碳示意圖

滲碳淬火工藝有以下三種:

(1)直接淬火法:工件滲碳后出爐經(jīng)預(yù)冷直接淬火和低溫回火。

(2)一次淬火法:工件滲碳后出爐緩冷,然后重新加熱,進行淬火和低溫回火。

(3)兩次淬火法:性能要求較高的滲碳件采用此方法。第一次淬火(加熱到850~900℃)目的是細化心部組織。第二次淬火(加熱到750~800℃)是為了使表層獲得細片狀馬氏體和粒狀滲碳體組織。

2.滲氮

將氮原子滲入工件表層的過程稱為滲氮(氮化),目的是提高工件表面硬度、耐磨性、疲勞強度、熱硬性和耐蝕性。常用的滲氮方法主要有氣體滲氮、液體滲氮及離子滲氮等。

氣體滲氮是將工件置于通入氨氣的爐中,加熱至500~600℃,使氨分解出活性氮原子,滲入工件表層,并向內(nèi)部擴散形成氮化層。氣體滲氮的特點如下:

(1)與滲碳相比,滲氮工件的表面硬度較高,可達1000~1200HV(相當于69~72HRC)。

(2)滲氮溫度較低,并且滲氮件一般不再進行其他熱處理(如淬火等),因此工件變形很小。

(3)滲氮后工件的疲勞強度可提高15%~35%。

(4)滲氮層具有高耐蝕性,這是由于氮化層是由致密的、耐腐蝕的氮化物所組成的,能有效地防止某些介質(zhì)(如水、過熱蒸氣、堿性溶液等)的腐蝕作用。

滲氮雖有上述特點,但由于其工藝復(fù)雜,生產(chǎn)周期長,成本高,氮化層薄而脆,不宜承受集中的重載荷,并需要專用的滲氮用鋼,所以只用于要求高耐磨性和高精度的零件,如精密機床的絲杠、鏜床主軸、重要的闊門等。．

為了克服滲氮周期長的缺點,近十幾年在原滲氮的基礎(chǔ)上發(fā)展了液體氮碳共滲、離子滲氮等先進滲氮方法。

2.3鋼的熱處理新技術(shù)

隨著工業(yè)及科學技術(shù)的發(fā)展,熱處理工藝在不斷改進,近20多年發(fā)展了新的熱處理工藝,如可控氣氛熱處理、真空熱處理、形變熱處理、化學熱處理和新的表面熱處理(激光熱處理、電子束表面淬火等)。近幾年計算機技術(shù)已應(yīng)用于熱處理工藝控制。

2.3.1可控氣氛熱處理

在爐氣成分可控制在預(yù)定范圍內(nèi)的熱處理爐中,進行的熱處理稱為可控氣氛熱處理。其目的是為了有效地進行控制表面碳濃度的滲碳、碳氮共滲等化學熱處理,或防止工件在加熱時的氧化和脫碳,還可用于實現(xiàn)低碳鋼的光亮退火及中、高碳鋼的光亮淬火。該爐氣可分為滲碳性、還原性和中性氣氛等。

目前我國常用的可控氣氛有吸熱式氣氛、放熱式氣氛、放熱吸熱式氣氛、有機液滴注式氣氛等,其中以放熱式氣氛的制備最便宜。

2.3.2真空熱處理

在真空中進行的熱處理稱為真空熱處理。它包括真空淬火、真空退火、真空回火和真空化學熱處理(真空滲碳、滲鉻等)。

真空熱處理是在0.0133~1.33Pa真空度的真空介質(zhì)中加熱工件。真空熱處理可以減少工件變形,使鋼脫氧、脫氫和凈化表面,使工件表面無氧化、不脫碳、表面光潔,可顯著提高耐磨性和疲勞極限。

真空熱處理的工藝操作條件好,有利于實現(xiàn)機械化和自動化,而且節(jié)約能源,減少污染,因而真空熱處理目前發(fā)展較快。

2.3.3形變熱處理

形變熱處理是將塑性變形同熱處理有機結(jié)合在一起,獲得形變強化和相變強化綜合效果的工藝方法。這種工藝方法不僅可提高鋼的強韌性,還可以大大簡化金屬材料或工件的生產(chǎn)流程。

形變熱處理的方法很多,有高溫形變熱處理、低溫形變熱處理、等溫形變淬火、形變時效、形變化學熱處理等。

1.高溫形變熱處理

高溫形變熱處理是將鋼加熱到穩(wěn)定的奧氏體區(qū)內(nèi),在該狀態(tài)下進行塑性變形,隨即進行淬火、回火的綜合熱處理工藝,又稱為高溫形變淬火。與普通熱處理比較,某些鋼材經(jīng)高溫形變淬火能提高抗拉強度10%~30%,提高塑性40%~50%。一般碳鋼、低合金鋼均可采用這種熱處理。

2.低溫形變熱處理

低溫形變熱處理是將鋼加熱到奧氏體狀態(tài)后,快速冷卻到Ar1以下,進行大量(50%~70%)的變形,隨即淬火、回火的工藝,又稱為亞穩(wěn)奧氏體的形變淬火。與普通熱處理比較,低溫形變熱處理能在保持塑性不變的情況下,提高抗拉強度30~70MPa,有時甚至提高100MPa。這種工藝適用于某些珠光體與貝氏體之間有較長孕育期的合金鋼。

形變熱處理主要受設(shè)備和工藝條件限制,應(yīng)用還不普遍,對形狀比較復(fù)雜的工件進行形變熱處理尚有困難,形變熱處理后對工件的切削加工和焊接也有一定影響。這些問題都將有待進一步研究解決。

2.3.4化學熱處理

1.電解熱處理

電解熱處理是將工件和加熱容器分別接在電源的負極和正極上,容器中裝有滲劑,利用電化學反應(yīng)使欲滲元素的原子滲入工件表層。電解熱處理可以進行電解滲碳、電解滲硼、電解滲氮等。

2.離子化學熱處理

離子化學熱處理是在真空爐中進行的,爐內(nèi)通入少量與熱處理目的相適應(yīng)的氣體,在高壓直流電場作用下,通過稀薄的氣體放電、起輝來加熱工件。與此同時,欲滲元素從通入的氣體中離解出來,滲入工件表層。離子化學熱處理比一般化學熱處理速度快,在滲層較薄的情況下尤為顯著。離子化學熱處理可進行離子滲氮、離子滲碳、離子碳氮共滲、離子滲硫和滲金屬等。

2.3.5激光熱處理和電子束表面淬火

激光熱處理是利用專門的激光器發(fā)出能量密度極高的激光,以極快速度加熱