《工程材料教學》PPT課件.ppt

大連交通大學工程材料課程,工程訓練中心,工程材料,金屬材料,非金屬材料,黑色金屬材料：鋼和鑄鐵,有色金屬材料,高分子材料,銅及銅合金,滑動軸承合金,陶瓷材料,復合材料,鋁及鋁合金,工程材料的分類,當今社會科學技術突飛猛進，新材料層出不窮，但到目前為止，在機械工業(yè)中使用最多的材料仍然是金屬材料，其主要原因是因為它具優(yōu)良的使用性能和加工工藝性能。,金屬材料的性能,使用性能,加工工藝性能,機械性能：強度、硬度、塑性、韌性等,鑄造性能：流動性、收縮性等,鍛造性能：壓力加工成型性等,切削加工性能：車、銑、刨、磨的切削量，光潔度等,物理性能：導電、導熱、電磁、膨脹等,化學性能：抗氧化性、耐腐蝕性等,焊接性能：熔焊性、焊縫強度、偏析等,熱處理性能：淬透性、回火穩(wěn)定性等,第1章 鋼的熱處理,熱處理的概念 1.1 鋼在加熱時的轉變 1.2 鋼在冷卻時的轉變 1.3 鋼的普通熱處理 1.4 鋼的表面熱處理 1.5 鋼的化學熱處理,鋼的熱處理,把固態(tài)金屬材料在一定介質中的加熱、保溫和冷卻，以改變其組織和性能的一種工藝。,1.1 鋼在加熱時的轉變,臨界溫度 平衡時：A1、 A3、Acm 加熱時：Ac1、 Ac3、Accm 冷卻時：Ar1、Ar3、Arcm,1奧氏體的形成 Fe，C原子擴散和晶格改變的過程。,共析鋼加熱到Ac1 以上時， P A 共析鋼A化過程 形核 、長大、 Fe3 C 完全溶解、C 的均勻化。,亞（過）析鋼的A化 P A ，首先是先共析 F 或 Fe3C 溶解。,影響A轉變速度的因素,加熱溫度和速度 轉變快 C%或 Fe3 C片間距 界面多，形核多 轉變快 合金元素 A化速度或,A 晶粒度：起始晶粒度 實際晶粒度 本質晶粒度 加熱溫度，保溫時間 晶粒尺寸 合金碳化物，C% 晶粒尺寸,1.2 鋼在冷卻時的轉變：,1過冷A的等溫轉變 2過冷A的連續(xù)冷卻轉變,1. 過冷A的等溫轉變,過冷A : T A1時，A不穩(wěn)定。 A等溫轉變曲線 (TTT 或 C 曲線),共析鋼的C 曲線,高溫轉變，A1 550 過冷A P 型組織 中溫轉變，550 MS 過冷A 貝氏體 ( B ) 低溫轉變，MS Mf 過冷A 馬氏體 ( M ),高溫P轉變過程 晶格改變和Fe，C原子擴散。,P 型組織 F + 層片狀 Fe3C,珠光體 P 索氏體 S 屈氏體 T,層片間距：P S T,珠光體 P ，3800,索氏體 S 8000,屈氏體 T 8000,中溫轉變（550 MS） C原子擴散， Fe原子不擴散,過冷A 貝氏體 B（碳化物 + 含過飽和C的F ）：上B，550 350產物 羽毛狀，小片狀Fe3C分布在F間。上B 強度和韌性差,下B， 350 MS 產物：下B 韌性高，綜合機械性能好。,F 針內定向分布著細小Fe2.4C顆粒 電子顯微照片 12000,T8鋼，下B，黑色針狀 光學顯微照片 400,馬氏體（M）轉變特點,1) 無擴散 Fe 和 C 原子都不進行擴散， M是體心正方的C過飽和的F，固溶強化顯著。,2) 瞬時性 M 的形成速度很快， 溫度則 轉變量,3) 不徹底 M 轉變總要殘留少量 A， A中的C% 則 MS、Mf ，殘余A含量,4) M形成時體積， 造成很大內應力。,M 的形態(tài),C% 0.25 % 時，為板條M（低碳M）。,板條M, 平行的細板條束組成,針狀M（凸透鏡狀）,C% 1.0 % 時，為針狀M 。,C% = 0.251.0 % 時，為混合M 。,M 的性能,C % M 硬度 針狀M 硬度高，塑韌性差。 板條M 強度高，塑韌性較好。,亞（過）共析鋼過冷A的等溫轉變,與共析鋼相比，C曲線左移， 多一條過冷AF （Fe3C）的轉變開始線，且Ms、Mf 線上（下）移。,2. 過冷A的連續(xù)冷卻轉變,連續(xù)冷卻 轉變(CCT)曲線,Ps AP 開始線 Pf AP 終止線 KK P型轉變終止線 Vk 上臨界冷卻速度 Vk 下臨界冷卻速度 MS A M 開始溫度 Mf A M 終止溫度,連續(xù)冷卻 轉變產物,CCT 和 TTT曲線的比較 CCT 位于 TTT曲線 右下方 CCT中沒有 AB 轉變,爐冷 P (V ) 空冷 S (V Vk) 油冷 T+M+A (Vk Vk) 水冷 M+A (VVk),亞共析鋼 連續(xù)冷卻轉變,爐冷 F + P 空冷 F + S 油冷 T + M 水冷 M,過共析鋼 連續(xù)冷卻轉變,爐冷 P + Fe3C 空冷 S + Fe3C 油冷 T + M + A 水冷 M + A,轉變溫度 對共析鋼 硬度 和 韌性 的影響,按轉變溫度的高低， 轉變產物分別是： P、S、T，上B、下B、M， 其硬度依次增加。,鋼的普通熱處理,1退火 2正火 3淬火 4回火,1退火,加熱、保溫后，緩冷(爐冷) 近平衡組織 P（ + F 或 Fe3CII ）,完全退火（亞共析鋼） 加熱溫度 Ac3 + 2030 緩冷 F + P 目的： 細化晶粒，均勻化組織 降低硬度 切削性 等溫退火： 等溫轉變F + P，再緩冷 球化退火（過共析鋼） 在Ac+ 2030等溫， 使Fe3C球化，再緩冷 球狀P（F +球狀Cm） 目的： 硬度,切削性,韌性,擴散退火 加熱至略低于固相線 目的：使成分、組織均勻 再結晶退火： 加熱溫度 TR + 3050 目的：消除加工硬化 去應力退火 加熱溫度 Ac1 ， 一般為 500650 目的： 消除冷熱加工后的內應力,正火,應用： 1) 鋼的最終熱處理 細化晶粒，組織均勻化，增加亞共析鋼中P(S)% 強度、韌性、硬度 2) 預先熱處理 淬火、球化退火前改善組織。 3) 增加低碳鋼的硬度，以改善切削加工性能。,加熱溫度 Ac3 ( Accm ) + 3050， 空冷 S （ + F 或 Fe3CII ）,3淬火（蘸火）,加熱到Ac3、Ac1以上，保溫，快速冷卻 M 。,淬火溫度 1) 亞共析鋼 Ac3 + 3050 2) 過共析鋼 Ac1 + 3050 ， M + Fe3CII + A ，硬度大。 A中C% M 脆性 ，殘余A% 淬火溫度低 M細小，淬火應力小。,冷卻介質,冷卻速度： 鹽水 水 鹽浴 油,淬火方法 單介質淬火：水、油冷 雙介質淬火：水冷 + 油冷 分級淬火： Ms鹽浴中均溫空冷 等溫淬火（ 在鹽、堿浴中） 下B,鋼的淬透性,淬火時得到M的能力，取決于臨界冷卻速度VK 。,淬透性的應用 按負載，選擇不同淬透性的材料。,淬硬性：淬火后獲得的最高硬度，C%淬硬性 影響淬透性的因素 除Co外，合金使VK , 淬透性,(a)完全淬透 (b)淬透較大厚度 (c)淬透較小厚度 淬透性不同的鋼調質后機械性能的比較,4回火,淬火后，加熱到Ac1以下，保溫，冷卻。 目的：消除淬火應力，調整性能。,低溫回火（150250） 回火M ( 過飽和F +薄片狀Fe2.4C ) + A 淬火應力 ，韌性 ，保持淬火后的高硬度。 用于高C工具鋼等。 中溫回火（350500） 回火T (F +細粒狀Cm ) 彈性極限和屈服強度，韌性和硬度中等。 用于彈簧等。 高溫回火（500650） 回火S (等軸狀F +粒狀Cm ) 綜合機械性能最好, 即強度、塑性和韌性都較好。 用于重要零件。 調質處理 淬火 + 高溫回火,回火產物的組織形態(tài)比較,回火M 400,回火T 7500,回火S 7500,M 低倍,T 1000,S 1000,回火時性能的變化,回火溫度 硬度、強度 ， 塑性,鋼的表面熱處理表面淬火,不改變心部組織，利用快速加熱將表層A化后進行淬火。 目的 ： 提高表面硬度，保持心部良好的塑韌性。,感應加熱表面淬火 交變磁場 感應表面電流 表面加熱,特點 1) 加熱速度快，晶粒度小，硬度，脆性 2) 表層殘余壓應力 提高疲勞強度 3) 不易氧化、脫碳、變形小。 4) 加熱溫度和淬硬層厚度容易控制。,火焰加熱表面淬火（乙炔氧等火焰） 設備簡單，但生產率低。,鋼的化學熱處理,將工件置于特定的介質中加熱、保溫，使介質中的活性原子滲入工件表層，以改變表層的化學成分、組織和性能。 分類 滲 C、N化、C N共滲、滲硼、滲鉻、滲Al等。,鋼的滲 C 氣體、固體滲 C,低C鋼在高C介質中加熱到900950、保溫 高碳表層（約1.0%） 目的：表面硬度，耐磨性 ，心部保持一定的強度和塑韌性。,滲碳后的的熱處理,淬火 直接淬火 晶粒粗大，殘余A多，耐磨性低，變形大。 一次淬火 加熱溫度Ac3以上（心部性能 ）或 Ac1以上（表面性能 ） 二次淬火 Ac3以上（心部性能 ）+ Ac1以上（表面性能 ）,低溫回火, 150200， 消除淬火應力，提高韌性。,鋼的氮化,工件表面滲入N原子，以提高硬度、耐磨性，疲勞強度和耐蝕性。 氮化溫度低(500600)，時間長（2050h），滲層薄。 氮化前調質處理、氮化后無須淬火。,小結,重點要求 1. A等溫冷卻曲線，轉變溫度與轉變產物的組織形態(tài) 、性能間的關系。 2. A連續(xù)冷卻轉變曲線的特點，冷卻速度對組織和性能的影響。 3. 四種常規(guī)熱處理的目的、工藝特點及應用。 一般要求 1. A晶粒長大的影響因素及控制方法。 2. 非共析鋼C曲線的特點；淬透性的概念。 3. 鋼的表面淬火；化學熱處理。,第3章 合金鋼,3.1 概述 3.2 合金鋼的分類和編號 3.3 合金元素在鋼中的作用 3.4 合金結構鋼 3.5 合金工具鋼,合金鋼,碳素鋼品種齊全，冶煉、加工成型比較簡單，價格低廉。經過一定的熱處理后，其力學性能得到不同程度的改善和提高，可滿足工農業(yè)生產中許多場合的需求。但是碳素鋼的淬透性比較差，強度、屈強比、高溫強度、耐磨性、耐腐蝕性、導電性和磁性等也都比較低，它的應用受到了限制。因此，為了提高鋼的某些性能，滿足現(xiàn)代工業(yè)和科學技術迅猛發(fā)展的需要，人們在碳素鋼的基礎上，有目的地加人了錳、硅、鎳、釩、鎢、鉬、鉻、鈦、硼、鋁、銅、氮和稀土等合金元素，形成了合金鋼。合金元素的加入，不但會對鋼中的基本相、FeFe，C相圖和鋼的熱處理相變過程產生較大的影響，同時還改變了鋼的組織結構和性能，合金元素在鋼中的作用是一個非常復雜的物理、化學過程。,3.2 合金鋼的分類和編號,3.2.1 合金鋼的分類,3.2.1.1按合金鋼的用途分類 (1)合金結構鋼 主要用于制造重要的機械零部件和工程結構件的鋼。包括普通低合金鋼、易切削鋼、滲碳鋼、調質鋼、彈簧鋼、滾動軸承鋼等。 (2)合金工具鋼 主要用于制造重要工具的鋼，包括刃具鋼、模具鋼、量具鋼等。 (3)特殊性能鋼 主要用于制造有特殊物理、化學、力學性能要求的鋼，包括不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。,3.2.1.2 按合金元素的含量分類,碳鋼： (1)低碳鋼: 0.25c (2)中碳鋼: 0.25-0.6c (3)高碳鋼: 0.6c 合金鋼： (1)低合金鋼：鋼中合金元素總的質量分數WMe5。 (2)中合金鋼：鋼中合金元素總的質量分數Wme：510。 (3)高合金鋼：鋼中合金元素總的質量分數WMe10。,3.2.1.3 按平衡狀態(tài)或退火組織分類,可以分為: 亞共析鋼 共析鋼 過共析鋼和萊氏體鋼,3.2.2 合金鋼的牌號表示方法,3.2.2.1 合金結構鋼的牌號表示方法,根據國家標準的規(guī)定，合金結構鋼的牌號用“兩位數字+元素符號十數字”表示。元素符號前兩位數字表示鋼的平均碳質量分數wC，以萬分之一為單位計。元素符號用合金元素的符號表示，其后面的數字表示該合金元素的質量分數，以百分之一為單位計。當wMe1.5時，只標明元素名稱，不標明質量分數；當wMe(1.52.4)，(2.53.4)，時，則在元素符號后相應地標上2、3、4。如15MnV，表示碳的平均質量分數為0.15C，錳、釩的平均質量分數均小于1.5的合金結構鋼。若為高級優(yōu)質鋼，則在鋼的牌號末尾加上“A”，如18Cr2Ni4WA。,對屬于合金結構鋼的滾動軸承鋼，則采用另外的方法來表示 其牌號。滾動軸承鋼牌號的首位用“滾”或滾字的漢語拼音字 首“G”來表示其用途，后面緊跟的是滾動軸承的常用元素 “Cr”，其后數字則表示鉻的質分數，以千分之一為單位計。 如GCrl5，表示鋼中鉻的平均質量分數為15。易切削鋼牌號 的表示方法與相似，用“易”或“易”字的漢語拼音宇首“Y”開頭 ，后面和合金結構鋼牌號表示方法無異，如(易40錳或40Mn) ，表示wC0.40，wMn15的易切削鋼。,3.2.2.2 合金工具鋼的牌號表示方法,與合金結構鋼的牌號表示方法相比，合金工具鋼中合金元素的表示方法未變，如CrWMn表示合金元素平均質量分數wCr、wW、wMn均小于1.5，合金工具鋼的碳含量表示方法則有所不同，當C%1.0，不標出碳質量分數，如CrWMn鋼。當wC1.0時，用一位數字在最前面表示碳質量分數，以千分之一為單位計，其后緊隨合金元素，如9SiCr表示碳質量分數平均為0.9C，wSi、wCr皆小于1.5。高速工具鋼的碳的平均質量分數無論是多少，都不標出。如W18Cr4V鋼碳的平均質量分數在(0.7一0.8)C之間。,3.2.2.3 特殊性能鋼的牌號表示方法,特殊性能鋼牌號的表示方法與合金工具鋼基本相同，如9Crl8鋼表示鋼中碳的平均質量分數為0.9C，鉻的平均質量分數為18Cr。但是不銹鋼、耐熱鋼在碳質量分數很低時，表示方法有所不同，當碳平均質量分數C0.03或C0.08時，分別在第一個合金元素符號前冠“00”或“0”表示其碳平均質量分數，如00Crl7Nil4M02、0Crl8Ni9鋼等。 由于耐磨鋼零件經常是鑄造成型后就使用，其牌號最前面是“ZG”，表示鑄鋼，緊隨其后是元素符號，然后是該元素的平均質量分數，以百分之一計，橫杠后數字表示序號。如ZGMnl31表示鑄造高錳鋼，含錳平均為13Mn，序號為1。,3.3 合金元素在鋼中的作用,3.3.1 合金元素在鋼中存在的形式 （1）一部分合金元素可溶于鐵素體中形成合金鐵素體 （2）一部分合金元素則會溶于滲碳體中形成合金滲碳體 （3）與碳相互作用形成碳化物 一般將合金元素分為非碳化物形成元素和碳化物形成元素兩類： 碳化物形成元素有（按強弱次序排列）：鈦、鋯、鈮、釩、鎢、 鉬、鉻、錳、鐵。 非碳化物形成元素有：鎳、硅、鋁、鈷等， （4）以游離形式存在（Cu、Pb等）,3.3.1.1 合金元素對鐵素體的影響,由于合金元素與鐵在原子尺寸和晶格類型等方面存在 著一定的差異，所以當合金元素溶人時，會使鐵素體 的晶格發(fā)生不同程度的畸變，使其塑性變形抗力明顯 增加，強度和硬度提高。合金元素與鐵的原子尺寸和 晶格類型相差愈大，引起的晶格畸變愈大，產生的固 溶強化效應愈大。此外，合金元素常常分布在位錯附 近，降低了位錯的可動性，增大了位錯的滑移抗力， 也提高了強度和硬度。,兩圖反映了合金元素對鐵素體硬度和沖擊韌性的影響,3.3.1.2 合金元素對滲碳體和特殊碳化物的影響,合金元素是溶人滲碳體，還是形成特殊碳化物，是由它們與碳親和 能力的強弱程度所決定的。 （1）強碳化物形成元素鈦、鋯、鈮、釩等，傾向于形成特殊碳化 物。 （2）中強碳化物形成元素鎢、鉬、鉻等，可形成滲碳體類型碳化 物，又可形成特殊碳化物。 （3）弱碳化物形成元素錳，一般形成合金滲碳體,3.3.2 合金元素對FeFe3C相圖的影晌,3.3.2.1 合金元素對r相區(qū)的影響,合金元素對r相區(qū)的影響 (a)擴大r相區(qū)；(b)縮小r相區(qū),擴大r相區(qū)元素(能使r相區(qū)擴大):鎳、錳、鈷、碳、氮、銅 等,使A3，點下降，A4點上升。 縮小r相區(qū)元素(能使r相區(qū)縮小):鉻、釩、鉬、鎢、鈦、鋁、硅、硼、鈮、鋯等,使A3點上升，A4點下降。,3.3.2.2 合金元素對S點和E點的影響,擴大r區(qū)元素錳、鎳等會使S點和E點向左下方移動； 縮r區(qū)元素鉻、硅等會使S點和E點向左上方移動，,3.3.3 合金元素對鋼在加熱和冷卻時轉變的影響,3.3.3.1 合金元素對鋼在加熱轉變時的影響 (1)對奧氏體化的影響 強碳化物形成元素鈦、鈮、鋯延緩奧氏體化過程。 非碳化物形成元素鎳、鈷等促進奧氏體轉變。 (2)對奧氏體晶粒尺寸的影響 除錳以外的大多數合金元素都有阻礙奧氏體晶粒長大的趨勢 強碳化物形成元素鈦、鋯、鈮、釩的作用尤為明顯 非碳化物形成元素硅、鎳、銅等對奧氏體晶粒長大影響不大,3.3.3.2 含金元素對過冷奧氏體轉變的影響,（1）對“C”曲線的影響： 除鈷以外的大多數合金元素都不同程度地使C曲線右移，增大過冷 奧氏體的穩(wěn)定性，提高鋼的淬透性（只有當合金元素完全溶人奧 氏體中才會產生以上的作用）。 （2）對Ms點的影響： 除鈷、鋁以外，大多數合金元素溶人奧氏體中會降低鋼的Ms點， 增加了鋼中的殘余奧氏體的數量,3.4 合金結構鋼,3.4.1 普通低合金結構鋼 3.4.2 易切削鋼 3.4.3 滲碳鋼 3.4.4 調質鋼 3.4.5 彈簧鋼 3.4.6 滾動軸承鋼,3.4.1 普通低合金結構鋼,普通低合金結構鋼(簡稱普低鋼) : 在低碳碳素結構鋼的基 礎上加入少量合金元素(總wMe3)得到的鋼。,化學成分：普低鋼中碳的平均質量分數一般不大于0.2C 主加合金元素為Mn,熱處理特點：普低鋼通常是在熱軋或正火狀態(tài)下使用，一般 不再進行熱處理。,3.4.2 易切削鋼,為了提高鋼的切削加工性能，常常在鋼中加入一種或數種合金元素，形成了易切削鋼，常用的合金元素有硫、鉛、鈣、磷等。,3.4.3 滲碳鋼,用來制造滲碳零件的鋼稱為滲碳鋼,化學成分 ：C:0.100.25 加入合金元素Ni、Cr、Mn、B、Ti、V等 .典型鋼號：20Cr、20CrMnTi、20CrNiW,熱處理特點: 預先熱處理一般采用正火工藝，滲碳后熱處理一般是 淬火+低溫回火，或是滲碳后直接淬火。 性能要求：內軟外硬 應用：齒輪、模具、軸類 工藝流程：下料鍛造正火粗加工淬火+低溫回火精加工,3.4.4 調質鋼,調質鋼: 經調質處理后使用的鋼稱為調質鋼，根據是否含合金元素分為碳素調質鋼和合金調質鋼。,化學成分 ： 調質鋼一般是中碳鋼，鋼中碳的質量分數在(0.300.50)C之間。合金調質鋼的主加元素是Cr、Ni、Si、Mn、B、V、Ti、Nb.典型鋼號：40Cr、35CrMo、30CrMnSi 熱處理特點: 預先熱處理采用退火或正火工藝 ，最終熱處理是淬火十高溫回火 性能特點：整體綜合機械性能好 應用：軸、螺栓、傳動件等 工藝流程：下料鍛造完全退火粗加工調質處理精加工,3.4.5 彈簧鋼,彈簧鋼: 用來制造各種彈性零件如板簧、螺旋彈簧、鐘表發(fā)條等的鋼稱為彈簧鋼。 化學成分：彈簧鋼的碳質量分數在(0.40 0.70)C之間，合金彈簧鋼中的主加合金元素是Si、Mn、Cr。典型鋼號：60Si2Mn、65Mn、 熱處理特點: 熱處理是淬火十中溫回火 性能特點：彈性好 應用：彈性元件 工藝流程：下料成型熱處理成品,3.4.6 滾動軸承鋼,滾動軸承鋼 用來制作各種滾動軸承零件如軸承內外套圈，滾動體(滾珠、滾柱、滾針等)的專用鋼稱為滾動軸承鋼。 化學成分 ：滾動軸承鋼碳的質量分數較高，一般在(0.95 1.10)C之間 。鉻是滾動軸承鋼的基本合金元素，其質量分數為(0.41.05)Cr。典型鋼號：GCr15、GCr9 熱處理特點 ：滾動軸承的預先熱處理采用球化退火，最終熱處理一般是淬火+低溫回火。 性能特點：高硬度、高耐磨性能 應用：滾動軸承、工模具等 工藝流程：下料鍛造球化退火粗加工最終熱處理精加工冷處理,3.5 合金工具鋼,在碳素工具鋼基礎上加人一定種類和數量的合金元素，用來制 造各種刃具、模具、量具等用鋼就稱為合金工具鋼。與碳素工具鋼相比，合金工具鋼的硬度和耐磨性更高，而且還具有更好的淬透性、紅硬性和回火穩(wěn)定性。因此常被用來制作截面尺寸較大、幾何形狀較復雜、性能要求更高的工具。,分類： 刃具鋼 模具鋼 量具鋼,3.5.1 刃具鋼,用來制造車刀、銑刀、銼刀、絲錐、鉆頭、板牙等刃具的鋼統(tǒng)稱為刃具鋼。,低合金刃具鋼 ：低合金刃具鋼碳的平均質量分數大都在(0.75-1.5)C之間，合金元素：Cr、Si、Mn、W 。典型鋼號：9SiCr、9Mn2V、CrWMn 熱處理特點 ：預先熱處理采用球化退火，最終熱處理一般是淬火+低溫回火。 性能特點：高硬度高鋒利度、高耐磨性能 應用：制造車刀、銑刀、銼刀、絲錐、鉆頭、板牙等刃具 工藝流程：下料鍛造球化退火粗加工最終熱處理精加工,高合金工具鋼 （高速鋼）,高速鋼的碳含量較高，一般為(0.70-1.50)C。合金含量超過15%。典型鋼號：W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2 熱處理特點 ：高速鋼淬火后要在560回火三次。淬火溫度接近熔點 性能特點：高硬度高紅硬性、高耐磨性能 應用：制造車刀、銑刀、拉刀等刃具 工藝流程：下料鍛造球化退火粗加工最終熱處理精加工,3.5.2 模具鋼,用作冷沖壓模、熱鍛壓模、擠壓模、壓鑄模等模具的鋼稱為模具鋼。 分為冷作模具鋼和熱作模具鋼兩大類。,低合金冷作模具鋼,低合金工具鋼 ：低合金工具鋼碳的平均質量分數大都在(0.75-1.5)C之間，合金元素：Cr、Si、Mn、W 。典型鋼號：9SiCr、9Mn2V、CrWMn、GCr15 熱處理特點 ：預先熱處理采用球化退火，最終熱處理一般是淬火+低溫回火。 性能特點：高硬度、高耐磨性能 應用：制造形狀簡單，承載小的冷作模具 工藝流程：下料鍛造球化退火粗加工最終熱處理精加工,高合金冷作模具鋼,高合金工具鋼 ：高合金工具鋼碳的平均質量分數大都在(0.75-1.5)C之間，合金元素：Cr、V、Mo 。典型鋼號：Cr12、Cr12MoV 熱處理特點 ：預先熱處理采用球化退火，最終熱處理一般是淬火+低溫回火。 性能特點：高硬度、高耐磨性能 應用：制造形狀復雜，承載大的冷作模具 工藝流程：下料鍛造球化退火粗加工最終熱處理精加工,低合金熱作模具鋼,低合金熱作模具 ：平均質量分數大都在(0.4-0.5)C之間，合金元素：Cr、Ni、Mn、Mo 。典型鋼號：5CrNiMo、5CrMnMo 熱處理特點 ：預先熱處理采用退火，最終熱處理一般是淬火+高溫回火。 性能特點：高強度、高熱疲勞性能 應用：制造熱鍛模具 工藝流程：下料鍛造退火粗加工最終熱處理精加工,3.5.3 量具鋼,用于制造卡尺、千分尺、樣板、塞規(guī)、塊規(guī)、螺旋測微儀等各種測量工具的鋼被稱為量具鋼。,3.6 特殊性能鋼,6.6.1不銹鋼 不銹鋼是指某些在大氣和一般介質中具有較高化學穩(wěn)定性的鋼 馬氏體不銹鋼 （通過熱處理可以調整其力學性能的不銹鋼） 鐵素體不銹鋼（這類鋼從室溫加熱到高溫，始終都是單相鐵素體組織） 奧氏體不銹鋼（這類鋼有較高質量分數的鎳，擴大了奧氏體區(qū)域 ，室溫下能夠保持單相奧氏體組織）,不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等具有特殊物理、化學性能的鋼被統(tǒng)稱為特殊性能鋼。,3.6.2 耐熱鋼,耐熱鋼是指具有良好的高溫抗氧化性和高溫強度的鋼。,3.6.3 耐磨鋼,耐磨鋼主要是指在強烈沖擊載荷作用下發(fā)生硬化的高錳鋼。,第4章 鑄 鐵,4.1 概 述 4.2 常用鑄鐵,鑄 鐵,4.1 概 述,7.1.1 鑄鐵的特點及分類 1.特點 (1)成分：C2.11%wt的鐵碳合金稱為鑄鐵，特點是含有較高的 C和Si，同時也含有一定的Mn、P、S等雜質元素。 常用鑄鐵的成分為：2.54.0%C，1.03.0%Si0.51.4%Mn，0.010.50%P，0.020.20%S。為提高鑄鐵性能，常加入合金元素Cr、Mo、V、Cu、Al等形成合金鑄鐵。,（2）組織：鑄鐵中C、Si含量較高，C大部分、甚至全部以游離狀態(tài)石墨（G）形式存在。,（3）性能：鑄鐵的缺點是由于石墨的存在，使它的強度、塑性及韌性較差，不能鍛造，優(yōu)點是其接近共晶成分，具有良好的鑄造性；由于游離態(tài) 石墨存在，使鑄鐵具有高的減摩性、切削加工性和低的缺口敏感性。目前，許多重要的機械零件能夠用球墨鑄鐵來代替合金鋼。,2.分類 根據C的存在形式，可以將鑄鐵分為： （1）白口鑄鐵：C全部以滲碳體形式存在，如共晶鑄鐵組織為Ld，斷口白亮，硬而脆，很少應用； （2）灰口鑄鐵：C大部分或全部以石墨形式存在，如共晶鑄鐵組織為F+G、F+P+G、P+G，斷口暗灰，廣泛應用； （3）麻口鑄鐵：C大部分以滲碳體形式存在，少部分以石墨形式存在，如共晶鑄鐵組為Ld+P+G，斷口灰白相間，硬而脆，很少應用。,根據石墨形態(tài)，灰口鑄鐵可以分為： （1）普通灰口鑄鐵：G呈片狀； （2）孕育鑄鐵：G呈細片狀； （3）可鍛鑄鐵：G呈團絮狀； （4）蠕墨鑄鐵：G呈蠕蟲狀； （5）球墨鑄鐵：G呈球狀。 根據金屬基體組織不同，灰口鑄鐵又可分為：F、F+P及P灰口鑄鐵。,1. 影響鑄鐵石墨化因素 主要化學成分、冷卻速度及鐵水處理等因素。 （1）化學成分 合金元素可以分為促進石墨化元素和阻礙石墨化元素，順序為 ：Al、C、Si、Ti、Ni、P、Co、Zr、Nb、W、Mn、S、Cr、V、 Fe、Mg、Ce、B等。其中，Nb為中性元素，向左促進程度加強， 向右阻礙程度加強。C和Si是鑄鐵中主要的強烈促進石墨化元素 ，為綜合考慮它們的影響，引入碳當量CE = C% + 1/3Si%，一 般CE4%，接近共晶點。S是強烈阻礙石墨化元素，降低鑄鐵的 鑄造和力學性能，控制其含量。,（2）冷卻速度 冷速越快，不利于鑄鐵的 石墨化，這主要取決于澆注 溫度、鑄型材料的導熱能力 及鑄件壁厚等因素。冷速過 快，第二階段石墨化難以充 分進行。 右圖給出C、Si總量 和冷卻速度對鑄鐵組織的影 響，稱為Greiner組織圖， 分析之。,4.2 常用鑄鐵,4.2.1灰口鑄鐵 灰口鑄鐵中的G呈片狀分布，分為普通灰口鑄鐵和孕育鑄鐵。,1.灰口鑄鐵的牌號、成分與組織 （1）牌號：新標準GB5612-85，HT（灰鐵）+三位數字（最低b），表7-1。其中，HT100為F基，HT150為F+P基，HT200250為P基，HT250350為孕育鑄鐵。 （2）成分：2.53.6%C，1.12.5%Si，0.61.2%Mn及少量S和P。 （3）組織：G呈片狀，按基體分為F、F+P及P灰口鑄鐵，分別適用于低、中、較高負荷，如下圖。,2.灰口鑄鐵的性能與應用 由于粗大片狀的G存在，灰口鑄鐵的抗拉強度、塑性及韌性低，但其鐵水流動性好、凝固收縮小、缺口敏感性小、抗壓強度高、切削加工性好，并且具有減摩及消震作用。,3.灰口鑄鐵的孕育處理 加入0.30.8%硅鐵，經孕育劑處理的孕育鑄鐵具有更高的性能，用于制造承受高載荷的另構件。,4.灰口鑄鐵的熱處理 只能改變基體，而不能改變G的形態(tài)和分布，強化效果不如鋼和球墨鑄鐵。 （1）消除內應力退火（人工時效） 為消除內應力引起的變形或開裂，將鑄件緩慢加熱（60100/h）至500550保溫一點時間（每10mm保溫2h），然后隨爐緩冷（2040/h）至150200出爐空冷。 （2）高溫石墨化退火 為消除表面或薄壁處的白口組織，降低硬度，改善切削加工性，將鑄件加熱至850950保溫14h（A+G），使部分滲碳體分解為G，然后隨爐緩冷至400500以下出爐空冷。高溫退火得到F或F+P基灰口鑄鐵。,（3）正火 為消除白口和提高強度、硬度及耐磨性，將鑄件加熱至850950，保溫13h，然后出爐空冷，最后得到P基灰口鑄鐵。 （4）表面淬火 為提高表面強度、硬度、耐磨性及疲勞強度，通過表面淬火使鑄件表層得到細M和石墨的硬化層。一般選用孕育鑄鐵，基體最好為P組織。,4.2.2可鍛鑄鐵 由一定成分的白口鑄鐵經石墨化退火使?jié)B碳體分解為團絮狀G的一種高強度灰口鑄鐵，分為黑心可鍛鑄鐵（F基）、珠光體可鍛鑄鐵（P基）及白心可鍛鑄鐵（表層氧化脫碳，少用）。可鍛鑄鐵的強度、韌性，特別是塑性高于普通灰口鑄鐵，實際不能鍛造。,1.可鍛鑄鐵的牌號、成分與組織 （1）牌號： 按GB978-67，KT（可鐵）+ H、Z、B（黑心、珠光體、白心）+ 三位數字（最低b）+ 二位數字（最低）。 （2）成分： 可鍛鑄鐵由兩個矛盾的工藝組成，即先得到白口鐵，再經石墨化退火得到可鍛鑄鐵。因此，要適當降低石墨化元素C、Si和增加阻礙石墨化元素Mn、Cr，化學成分為：2.42.8%C，0.81.4%Si，0.30.6%Mn（珠光體可鍛鑄鐵1.01.2%）。,（3）組織：基體為F和P，G為團絮狀，如下圖,2.可鍛鑄鐵的石墨化退火 （1）黑心可鍛鑄鐵： 將白口鐵加熱至9501000，保溫約15h，共晶Fe3CA+團絮狀G。從高溫冷卻至720750，AG，在這個溫度區(qū)間以35/h速度通過共析溫區(qū)，AF+團絮狀G；也可在略低于共析溫度保溫1520h，共析Fe3CF+團絮狀G，最后得到F可鍛鑄鐵。,（2）P可鍛鑄鐵：加熱后冷卻至800860，AG，然后出爐空冷使共析Fe3C不分解，最后得到P可鍛鑄鐵，如下圖,3.可鍛鑄鐵的性能與應用 F可鍛鑄鐵塑性及韌性較好，P可鍛鑄鐵強度、硬度及耐磨性較高。,4.2.3球墨鑄鐵 始于1948年，我國于1950年開始研制鎂石墨鑄鐵。由于G呈球狀分布，球墨鑄鐵的性能遠優(yōu)于其他鑄鐵，應用甚廣。 1.球墨鑄鐵的牌號、成分與組織 （1）牌號： 按GB1348-78，QT（球鐵）+ 三位數字（最低b）+ 兩位數字（最低）。,（2）成分： 強烈石墨化元素C、Si含量較高，CE4.54.7%，屬于過共晶，含碳量過低，球化不良，含碳量過高，G漂浮。一般采取“高碳低硅原則”。阻礙石墨化元素Mn，有利與形成P基體，含量較低。S、P限制很嚴。由球化劑殘留的微量Mg及RE?；瘜W成分一般為：3.63.9%C，2.03.0%Si，0.60.7%Mn。,（3）組織： G呈球狀分布于金屬基體中，每個球是由若干個錐形石墨單晶體組成，這些單晶體是由共同的結晶核心沿徑向生長而成?；w有F、F+P、P或通過熱處理得到S、T、下B、M等，如下圖。,2. 球墨鑄鐵的球化處理與孕育處理 將球化劑加入鐵水中（一般放入澆包底部）的操作過程稱為球化處理。常用的球化劑有鎂、稀土及稀土鎂合金。鎂和稀土為強烈阻礙石墨化元素，為防止白口，同時進行孕育處理，孕育劑一般選用硅鐵。 3. 球墨鑄鐵的性能與應用 球鐵具有優(yōu)良的機械性能，G的圓整度好、球徑小