金属工艺学精品课程－金属工艺学

金属工艺学精品课程－金属工艺学内容摘要：

=%不标 如 : 9SiCr (板牙 , 丝锥 ) %C %Si %Cr CrWMn (长铰刀 ,丝锥 ,拉刀 , 精密丝杠 ) *高速钢 含 C 也不标 W18Cr4V ~%C,18%W,4%Cr,%V 应用 :刃具 ,模具 ,量具等 3 特殊性能钢 不锈钢 : 1Cr13 1Cr18Ni9Ti 等 耐热钢 : 1Cr13 2Cr13 400℃ 工作 耐磨钢 : 高锰钢水韧处理 ,冲击下工作 ,表面产生加工硬化 .并有马试体在滑移面形成 ,表面硬度达HB450~550,表面耐磨 ,心部为 A. 水韧处理 : 钢加热到临界点以上 (1000~1100℃ )保温 ,碳化物全容于 A,水冷 ,因冷速快 ,无法析出碳化物 ,成单一 A组织 . 167。 5 常用非金属材料 一 高分子材料 天然 : 羊毛 橡胶 人工合成 : 塑料 人工橡胶 粘结剂等 有机玻璃 尼龙 丙纶 氯纶 商品名 工程塑料 : 环氧树脂 聚甲醛 : 塑料手表中零件 聚酰亚胺 : 绝缘 二 陶瓷 耐磨 耐蚀 脆 刀片 砂轮 三 复合材料 磨削软片 : 聚酰亚胺 +金刚石 167。 4 金属零件选材的一般原则 产品的质量和生产成本如何 ,与材料选择的是否恰当有直接关系 ,机械零件进行选材时 ,主要考虑零件的工作条件 ,材料的工艺性能和产品的成本 . 基本原则如下 : 1 满足零件工作条件 : 受力状态 — 机械性能 ,基本 σ δ α k 等 工作温度环境介质 — 使用环境 ,高温 — 耐热 ,抗腐蚀 — 不锈钢 高硬度 — 工具钢 2 材料的工艺性能 零件的生产方法不同 ,直接影响其质量和生产成本 . 如 :灰口铁 ,铸造性能 切削加工性很好 ,可锻性差 . 3 经济性 价值 =功能 /成本 如 : 耐腐蚀容器 : 1)普通碳素钢 :5000 元 用一年 2)奥氏体不锈钢 : 40000 元 用 10 年 3)铁素体不锈钢 : 15000 元 用 6 年 1):2):3) =1::2 第四章 钢的热处理 167。 1 概述 一 钢的热处理 : 把钢在固态下加热到一定的温度进行必要的保温 ,并以适当的速度冷却到室温 ,以改变钢的内部组织 ,从而得到所需性能的工艺方法 * 只改变组织和性能 ,而不改变其形状和大小 .热处理是改善材料性能的重要手段之一 ,能提高产品质量 ,延长机件寿命 ,节约金属材料 ,所以 ,重要机件都要经过热处理 . (提问 :前面学过的改善金属材料性能的手段 — 固溶强化 ) 热处理工艺曲线 : 各种热处理都可以用温度 — 时间的坐标图形表示 . 温度 保温 临界温度 加热 冷却 时间 应用广泛 :机械制造业中 70%零件需热处理 .汽车 拖拉机 制造业 70~80% 量具 刃具 模具 滚动轴承等 100% 二 目的 1 冶金 锻 铸 焊毛坯或成品 ,消除缺陷 ,改善工艺性能 .为后续加工 (如机加 )做好组织 ,性能 ,准备 . 退火 正火 2 是钢件的机械性能提高 ,达到钢件的最终 使用性能指标 ,以满足机械零件或工具使用性能要求 . 淬火 +回火 表面淬火 化学处理 l 依据 :状态图 167。 2 热处理过程中的组织转变 一 钢在加热时的组织转变 1 临界温度 : 状态图上 A1 : 共析线 (PA) 临界温度 : A3 : A 析出 F(FA) 极缓慢冷却 Acm : A 析出 Fe3CⅡ ( ) 实际加 热临界温度 Ac1 Ac3 A “过热” Accm 实际冷却临界温度 Ar1 P Ar3 A 析出 F “过冷” Arcm 析出 Fe3CⅡ 2组织转变 1) 共析钢 : P(F+Fe3C)A (1) A 晶核形成 :F和 Fe3C 界面上先形成 A晶核 (因界面原子排列不规则 ,缺陷多 ,能量低 ) (2) A 晶核长大 :F晶格转变 ,Fe3C不断溶入 A, A 晶核不断生成 ,长大 .F 转变快 , 先消失 . (3) 残余渗碳体的溶解 :随保温时间加长 , 残余 Fe3C逐渐溶入 A (4)A 成分均匀化 : A 转变完成后 ,各处含 C浓度不均匀 ,继续保温 ,C充分扩散 ,得到单一的均匀 A 这个过程是 A重结晶的过程 . 2) 亚共析钢 : F+P— Ac1— F+A— Ac3A 3) 过共析钢 : P+ Fe3CⅡ Ac1— A+ Fe3CⅡ AccmA(晶粒粗化 ) 二 钢在冷却时的组织转变 (钢在室温时的机械性能不仅与加热 ,保温有关 ,与冷却过程也有关 ) 1 冷却方式 1) 连续冷却 : 时加热到 A的钢 ,在温度连续下降的过程中发生组织转变 . 水冷 油冷 空冷 (正火 ) 炉冷 (退火 ) 2) Ar1 (2) (1) 等温冷却 : 使加热到 A的钢 ,先以较快的速度冷却到 Ar1线下某一温度 ,成为过冷 A,保温 ,使 A在等温下发生组织转变 ,转变完 ,再冷却到室温 . 等温退火 等温淬火 2 共析钢冷却时的等温转变 以共析钢为例 ,进行一系列不同过冷度的等温冷却实验 ,可以测出过冷奥氏体在恒温下开始转变和转变终了的时间 ,画到”温度 — 时间”坐标系中 ,然后 ,把开始转变的时间和转变终了的时间分别连接起来 ,即得到共析钢的奥氏体等温转变曲线 .又叫 C 曲线 . 1) 高温产物 : Ar1 ～ 650℃ P 层片较厚 500X 显微镜 HRC1020 650～ 600℃ 细珠光体 索氏体 S HRC25~35 层片较薄 800~1000X 600～ 550℃ 极细珠光体 屈氏体 T HRC30~40 层片极薄 l a）以上三种均为 F+ Fe3C 层片相间的珠光体，只是层片厚度不同。 l b）由于过冷度从小到大，原子活动能力由强到弱，致使析出的渗 碳体和铁素体层片越来越来薄。 l c）珠光体层片越薄，塑变抗力越大，强，硬越大。 2）中温产物 550~350℃ 上贝氏体 B 上 电镜下观察，渗碳体不连续，短杆状，分布于许多平行而密集的铁素体条之间。 350 ~ 230℃ 下贝氏体 B 下 比 B 上 有较高强、硬、韧、塑。 片状过饱和 F和其内部沉淀的碳化物组织（因为过饱和 F有析出 Fe3C倾向，但过冷度太大，导致碳原子没能扩散超出 F片，只是在片内沿一定晶面聚集，沉淀出碳化物粒子） 3）低温转变产物： 230 ~ 50℃ 马氏体（ M） +残余 A 马氏体：过饱和的α固溶体“ M” （由于温度低，原子活动能力低，晶格转变完成，但是， C原子不能从面心中扩散出来，仍留在体心中，形成过饱和α固溶体） ∵ 晶格严重畸形，∴ M 硬↑ HRC65 塑 韧 → 0 3 共析钢连续冷却转变 连续冷却可能发生几种转变，很复杂。 共析钢连续冷却，只有珠光体转变区和马氏体转变区。 珠光体转变区：三条线构成：开始，终了，终止线 冷却速度过“开始”“终了”线，组织为珠光体 冷却速度过“开始”“终止”线，组织为珠光体和马氏体 冷却速度不过珠光体区，则为 M 167。 3 钢的热处理工艺 热处理 : 整体热处理 : 退火 正火 淬火 回火 表面热处理 : 表面淬火 化学热处理 — 渗碳 渗氮 一 退火 将钢件加热到高于或低于钢的临界点 ,保温一定时间 ,随后在炉内或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却 ,以获得接近平衡的组织 ,这种工艺叫 — 目的 : 1) 降低硬度 — 切削加工 2) 细化晶粒 ,改善组织 — 提高机械性能 3) 消除内应力 — 淬火准备 4) 提高塑性 ,韧性 — 冷冲压 , 冷拉拔 1 完全退火 :将钢加热到 Ac3以上 30~50℃ ,保温一定时间后 ,缓慢冷却以获得接近平衡状态组织(P+F)的热处理工艺 . 目的 :通过完全重结晶 ,使锻 ,铸 ,焊件降低硬度 ,便于切削加工 ,同时可消除内应力 ,使 A充分转变成正常的 F和 P. 应用 : 亚共析钢 * 不能用于共析钢 ,∵在 Accm 以上缓冷 ,会析出网状渗碳体 (Fe3CⅡ ),脆性↑ 2 不 完全退火 :将共析钢或过共析钢加热到 Ac1 以上 20~30℃ ,适当保温 ,缓慢冷却的热处理工艺 又叫球化退火 . 目的 :使珠光体组织中的片状渗碳体转变为粒状或球状 ,这种组织能将低硬度 ,改善切削加工性 .并为以后淬火做准备 .减小变形和开裂的倾向 . 应用 :共析钢 ,过共析钢 (球化退火 ) 3 等温退火：将钢件加热到 Ac3A（亚共析钢）或 Ac1(共析钢或过共析钢 )以上 ,保温后较快地冷却到稍低于 Ar1的温度 ,再等温处理 ,A 转变成 P 后 ,出炉空冷 . 目的 : 节省退火时间 ,得到更均匀的组织 ,性能 . 应用 : 合金工具钢 ,高合金钢 4 去应力退火 :将钢加热到 Ac1以下某一温度 (约 500~650℃ )保温后缓冷 . (又叫低温退火 ) 目的 :消除内应力 应用 :铸 ,锻 ,焊 *不发生相变 ,重结晶 例子 :杯裂 5 再结晶退火 :将钢件加热到再结晶温度以上 150~250℃ ,即 650~750℃ ,保温 ,空冷 . 目的 : 发生再结晶 ,消除加工硬化 . 应用 : 冷扎 ,冷拉 ,冷压等 * 可能相变 6 扩散退火 : 均匀化退火 ,高温进行 目的 :消除偏析 ,应用 :铸件 二 正火 钢件加热到 Ac3(亚 )或 Accm(过共 )以上 30~50℃ ,保温 ,空冷 * 正火作用 与退火相似 ,区别是正火冷速快 ,得到非平衡的珠光体组织 ,细化晶粒 ,效果好 ,能得到片层间距较小的珠光体组织 . 与退火对比 含碳量 工艺 碳素结构钢 (HB) 碳素工具钢 (HB) ≤ ~% ~% ~% 退火 ≤ 150 150220 220229 187217(球化 ) 正火 ≤ 156 156228 230280 229341 实践表明 :工件硬度 HB170230 时 ,对切削有利 正火目的 :1 提高机械性能 2 改善切削加 工性 3 为淬火作组织准备 — 大晶粒易开裂 对于过共析钢 ,正火能减少二次渗碳体的析出 ,使其不形成连续的网状结构 ,有利于缩短过共析钢的球化退火过程 ,经正火和球化退火的过共析钢有较高的韧性 ,。