金屬工藝學(xué)第一篇金屬材料的基礎(chǔ)知識下.ppt

五 鐵碳合金狀態(tài)圖組織轉(zhuǎn)變及應(yīng)用,1、分析自液態(tài)冷卻至室溫時(shí) 合金的組織轉(zhuǎn)變過程及室 溫組織,室溫組織: P,F,A,FA,A+,A,A,1）共析鋼（T8鋼） 1點(diǎn)以上 L 12 LA 23 A 3點(diǎn) AP 3點(diǎn)以下 P,A,共析鋼的結(jié)晶過程,2）亞共析鋼(45鋼）,室溫組織：F+P,亞共析鋼的結(jié)晶過程,F,F,A,A,A,A,A,A,A,A,F,F,F,A,1點(diǎn)以上 L (12 L) 23 A+L 34 A 45 A+F 5點(diǎn) AP 5點(diǎn)以下 P+F,3）過共析鋼（T10),室溫組織：P+Fe3C（網(wǎng)狀）,過共析鋼的結(jié)晶過程,1點(diǎn)以上 L 12 L+A 23 A 34 A+Fe3CII 4點(diǎn) AP 4點(diǎn)以下 P+Fe3CII,4）亞共晶白口生鐵,1點(diǎn)以上 L 12 A+L 2點(diǎn) 共晶反應(yīng) 23 A+Fe3CII+Ld 3點(diǎn) 共析反應(yīng) 3點(diǎn)以下 P+Fe3CII+Ld 注明： Fe3CII二次滲碳體 Ld 高溫萊氏體 Ld低溫萊氏體,室溫組織 P+Fe3CII+Ld,2、分析鋼從室溫加熱轉(zhuǎn)變至奧氏體狀態(tài)(俗稱奧氏體化) 的組織變化,共 析 鋼 PA,亞共析鋼 F+PFAA,過共析鋼 PFe3CIIA Fe3CII,鋼和白口鑄鐵結(jié)晶過程分析,典型鐵碳合金在相圖中的位置,1鋼,2生鐵,共析鋼: 亞共析鋼: 過共析鋼:,共晶生鐵: 亞共晶生鐵: 過共晶生鐵:,鐵碳合金的結(jié)晶過程及組織轉(zhuǎn)變過程總結(jié),復(fù) 習(xí) 題,1.說明晶粒粗細(xì)對力學(xué)性能的影響 2.何謂鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變，并用反應(yīng)式和冷卻結(jié)晶曲線分別描述 3.說明 F、A、 Fe 3C、P的名稱、含碳量、晶體類型及力學(xué)性能特征 4.依Fe -C狀態(tài)圖分析緩慢冷卻條件下45鋼和T10鋼的結(jié)晶過程與室溫組織。,第三章 鋼的熱處理,1、概述,應(yīng)用:機(jī)床制造中，熱處理零件占 60%70%， 汽車制造中，熱處理零件占70%80%。 刀具、模具和滾動(dòng)軸承約占100%。,方法: 通過對鋼件重新加熱，保溫并在不同條件下的冷卻獲得所需組織和性能。 普通熱處理: 退火、正火、淬火、回火； 表面熱處理: 表面淬火、化學(xué)熱處理,意義: 將鋼件在固態(tài)下使之改善內(nèi)部組織和提高其力學(xué) 性能，但不允許改變形狀。,熱處理工藝的包括加熱、保溫、和冷卻三個(gè)基本階段 由于各種熱處理時(shí)起作用的主要因素是溫度和時(shí)間，所以各種熱處理都用溫度時(shí)間坐標(biāo)圖的曲線來表示熱處理工藝曲線。,臨界溫度,保溫,冷卻,加熱,時(shí)間,溫度,2. 鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變,為了在熱處理后獲得所需的性能，大多數(shù)工藝（淬火、正火、退火）都要將鋼加熱到臨界溫度以上，獲得全部或部分奧氏體組織，并使其成分均勻化，即進(jìn)行奧氏體化組織轉(zhuǎn)變,再以不同的冷卻方式或速度轉(zhuǎn)變成所需要的組織,已獲得預(yù)期的性能。, 轉(zhuǎn)變溫度,C% 在加熱（冷卻）時(shí)FeFe3C狀態(tài)圖中各臨界點(diǎn)的位置,根據(jù)相圖，共析鋼加熱PSK線（A1）以上時(shí)，完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；而亞共析鋼和過共析鋼必須加熱到GS線（A3）和ES線（Acm)以上才能全部獲得奧氏體。 鐵碳合金狀態(tài)圖中的組織轉(zhuǎn)變的臨界溫度是A1、A3、Acm 。實(shí)際加熱時(shí)臨界溫度的位置用Ac1、Ac3、Accm表示；實(shí)際冷卻時(shí)的位置A r1、 Ar3 、Arcm 表示。, 奧氏體的形成,共析鋼中奧氏體形成過程示意圖,奧氏體的形成分四個(gè)步驟： 奧氏體晶核的形成； 奧氏體晶核的長大； 剩余滲碳體的溶解； 奧氏體成分的均勻化。,? 亞共析鋼A化過程,? 過共析鋼A化過程,加熱溫度和保溫時(shí)間，溫度越高，時(shí)間越長，A晶粒越粗大 碳含量：C%越大，A晶粒越粗大 合金含量：除Mn、P外大多數(shù)合金能阻礙A晶粒長大 一般采用快速高溫加熱的短時(shí)保溫以獲得細(xì)小A晶粒。,3. 鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變,室溫時(shí)鋼的力學(xué)性能，不僅與加熱、保溫后所獲得的奧氏體晶粒大小等有關(guān)，而且決定于奧氏體經(jīng)冷卻轉(zhuǎn)變后所獲得的組織，而冷卻方式和冷卻速度對奧氏體的組織轉(zhuǎn)變有直接的關(guān)系。,冷卻方式通常有兩種： 連續(xù)冷卻使加熱到奧氏體的鋼，在溫度連續(xù)下降的過程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變 。如在熱處理生產(chǎn)上經(jīng)常使用的，在水中、油中或空氣中冷卻等都是連續(xù)冷卻方式。 等溫冷卻使加熱到奧氏體的鋼，先以較快的冷卻速度冷到A1線以下的一定的溫度，這時(shí)奧氏體尚未轉(zhuǎn)變，但成為過冷奧氏體。然后進(jìn)行保溫，使奧氏體等溫下發(fā)生轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變完成后再冷卻到室溫。如等溫退火屬于等溫冷卻方式。,等溫轉(zhuǎn)變：是指進(jìn)行一系列不同過冷度的等溫冷卻實(shí)驗(yàn)，可以測出過冷奧氏體保溫過程中開始轉(zhuǎn)變時(shí)間和轉(zhuǎn)變終了時(shí)間,標(biāo)注在溫度時(shí)間坐標(biāo)系中，然后將開始轉(zhuǎn)變時(shí)間和轉(zhuǎn)變終了時(shí)間分別連接起來，這種曲線類似英文字母“C”又稱“C”曲線。,共析鋼奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線,共析鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線,共析鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線,珠光體轉(zhuǎn)變區(qū),高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（F+Fe3C） 在Ar1550之間等溫轉(zhuǎn)變成片層狀珠光體產(chǎn)物。 珠光體（P)） Ar1650 粗片層 索氏體（S) 650600 細(xì)片 托氏體（T）600550 極細(xì)片 都是由鐵素體和滲碳體的片層所組成的機(jī)械混合物。, 貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū),中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（B） 在550 230（MS）之間的等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為貝氏體。 550 350 上貝氏體 350 230 下貝氏體 由含碳過量的鐵素體和微小的滲碳體混合而成。比珠光體的硬度更高。,馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū),低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（M） 共析鋼奧氏體過冷到230 （MS） 以下轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體。 它實(shí)質(zhì)上C在-Fe中的過飽和固溶體。,4、鋼的退火和正火,1）退火 將鋼件加熱，保溫至 奧氏體化后隨爐或埋入 石灰中使其冷卻(緩慢) 的熱處理工藝。,目的 細(xì)化晶粒，提高塑性和韌性； 降低表層硬度，利于切削加工； 消除內(nèi)應(yīng)力。,主要應(yīng)用于鑄鋼件、鍛件、焊件等多種毛坯加工前的預(yù)備熱處理。,應(yīng)用,退火按其鋼種的應(yīng)用不同，分為完全退火、球化退火和低溫退火三種不同工藝, 完全退火 加熱溫度：Ac3+3050， 完全奧氏體化； 冷卻：爐冷至500后開爐空冷 緩慢冷卻。 應(yīng)用：亞共析鋼的鑄鋼件、鍛、焊件。 。,球化退火,應(yīng)用：過共析鋼（刀具、刃具）,作用：降低硬度，利于切削加工，并為進(jìn)一步淬火 做準(zhǔn)備。,組織變化特征：,加熱溫度：Ac1 +2030； 冷卻：隨爐緩慢冷卻；,低溫退火(去應(yīng)力退火) 加熱溫度：500650以下( Ac1) 冷卻：保溫后隨爐緩慢冷卻； 作用：消除熱應(yīng)力。對冷拔、 冷拉、沖壓件則消除加工硬化， 以利于進(jìn)一步變形。,2）正火,正火是將鋼加熱到Ac3(亞共析鋼）或Accm（過共析鋼）以上3050C，保溫后從爐內(nèi)取出，空冷的熱處理方工藝。 正火主要應(yīng)用在以下方面： 用于普通結(jié)構(gòu)件最終熱處理； 取代部分完全退火(低碳鋼) 用于過共析鋼?？梢种坪拖W(wǎng)狀二次滲碳體的形成 完全奧氏體化，加熱，保溫過程和目的同 退火，只是放到空氣中冷卻，比退火冷卻 稍快，珠光體中的 Fe 3C片層薄，性能與 退火相近。, 溫 度,時(shí) 間 ,幾種退火和正火的工藝曲線,3）淬火 加熱溫度： 亞共析鋼： t = Ac3 + 3050 過共析鋼： t = Ac1 + 3050 冷卻條件：速冷（油或水中，水中冷卻更快),組織變化特征 1）晶格轉(zhuǎn)變：-Fe(面心）-Fe（體心） 2）速冷下，原A中的過飽和碳難以向外擴(kuò)散， 形成了碳在-Fe中的過飽和固溶體。這類固 溶體即 稱馬氏體。以符號“M”表示。,“M”的特性 1）因碳嚴(yán)重過飽和，晶格畸變，大大增加了變形抗力，故馬氏體通常具有很高的硬度和耐磨性，但突顯脆性，易開裂。 2）M相變伴隨有體積膨脹，出現(xiàn)淬火內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)生淬火變形。,工藝上采取措施 1）嚴(yán)格控制淬火溫度 2）合理選擇淬火介質(zhì) 3）正確選擇淬火方法,4）回火 淬火鋼因突顯脆性，一般都要重新加熱才能使用，其淬火后重新加熱（ Ac1以下）、保溫并冷卻至室溫的熱處理工藝稱為回火。,回火意義 淬火后因“M”為不穩(wěn)定組織，重新加熱時(shí)， 碳原子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，將以Fe 3C形式析出，致使 b、HRC降低， %、k提高。,回火分類 按淬火后重新加熱溫度不同，可分為三類：,1）低溫回火（250 以下 150250） 目的：減小內(nèi)應(yīng)力，降低脆性，保持良好的原淬 火硬度（5664HRC）和高的耐磨性。 應(yīng)用：工具、刃具、模具及其它耐磨件,2）中溫回火（250500） 目的：獲得高彈性，保持表面較高硬度 （3550HRC），獲得一定的韌性。 應(yīng)用：彈簧、發(fā)條、鍛模板。,3）高溫回火（500以上500650） 目的：獲得高強(qiáng)度，高塑性和高的沖擊韌性，即良 好的綜合力學(xué)性能。 應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于承受疲勞載荷的中碳鋼重要件， 如連桿、主軸、齒輪、重力螺釘?shù)取Ｓ捕?2035HRC。,淬火后高溫回火也稱為 調(diào)質(zhì)熱處理。中碳鋼（0.40.6C）亦稱 為調(diào)質(zhì)鋼。,4、表面淬火和化學(xué)熱處理,1）表面淬火 鋼件表層淬火到一定深度，心部仍保持未淬火狀態(tài)的一種局部淬火方法。 工藝 鋼件表層快速加熱到淬火溫度（ Ac3+3050），當(dāng)高溫來不及傳遞到心部而立即噴水冷卻，實(shí)現(xiàn)表層局部淬火。,表面火焰淬火,快速加熱方法：電感應(yīng)，火焰，激光等。 目的 獲得表層高硬度、高耐磨性，心部仍保持淬火以前的良好韌性。 應(yīng)用 機(jī)床主軸、階梯軸、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、齒輪的齒形表層等,表面電感應(yīng)淬火,2）化學(xué)熱處理 工件置于化學(xué)介質(zhì)中，并通過加熱、保溫， 通過原子擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，改變其表層的 化學(xué)成分和組織，達(dá)到工件表層改性的目的。 常用工藝：滲碳、滲氮、碳氮共滲等。,滲碳 低碳鋼工件進(jìn)入密閉滲碳爐中，通入煤油（氣體滲碳）。加熱：900950，保溫，使表層達(dá)到1%C，淬火后再低溫回火，可達(dá)5664HRC，如汽車變速箱齒輪、車橋齒輪、活塞銷等。,熱處理在模具制造中的綜合應(yīng)用,第四章 工業(yè)用鋼簡介,按化學(xué)成分分為： 非合金鋼（碳素鋼）、 低合金鋼 合金鋼,一、碳素鋼 碳鋼,碳對鋼的力學(xué)性能的影響,1、化學(xué)成分對碳鋼性能的影響 碳素鋼的含碳量在1.5%以下，其中還含有少量的Si、Mn、P、S 等雜質(zhì)，碳是碳素鋼中最重要的成分，其含量對碳素鋼的組織和性能影響極大，鋼中含碳量愈多，則珠光體和滲碳體愈多，因而硬度愈高，塑性愈低，當(dāng)含碳量超過共析成分時(shí)，因出現(xiàn)了網(wǎng)狀Fe3C,強(qiáng)度反而降低。,冷脆磷在鐵中會形成固溶體，可使鋼的強(qiáng)度和 硬度有所增加，但使塑性和韌性顯著降低，特別在低溫時(shí)鋼的脆性急劇增加，這種現(xiàn)象叫冷脆。 熱脆硫和鐵化合成FeS, FeS又與鐵形成熔點(diǎn)僅為985C 的 共晶體（Fe+FeS），沿晶界分布。當(dāng)鋼的含硫量較多，在800 C 1200 C 進(jìn)行壓力加工時(shí)由于共晶體熔化，會使鋼的各個(gè)晶體分離，從而引起鋼的破裂。,由于磷、硫是鋼中的有害雜質(zhì)，按質(zhì)量分類時(shí)要規(guī) 定鋼中的磷、硫含量。 在普通鋼中允許含磷量 0.045%， 含硫量 0.055%。 在優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼中含磷量0.035%， 含硫量 0.035%； 在工具鋼中磷、硫含量分別 0.035% 在高級優(yōu)質(zhì)鋼中磷、硫的含量分別 0.03%。,2. 碳素鋼的牌號和用途,（1）碳素鋼結(jié)構(gòu)鋼（Wc0.38%) 牌號：Q215-A，Q235-A，Q255-A 數(shù)字表示板厚小于16mm的最低屈服點(diǎn)； A、B、C、D表示鋼的質(zhì)量等級， A、B為普通級；C、D表示硫、磷含量低的優(yōu)等鋼。 Q235為低碳鋼，應(yīng)用最廣。用途見P31表1-5。,（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 （S、P 0.035%） 用來制造比較重要的零件，一般都要進(jìn)行熱處理以提高其力學(xué)性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。因此冶金廠供應(yīng)時(shí)，不僅要保證它的化學(xué)成分，還要保證其力學(xué)性能 牌號用用二位數(shù)表示，二位數(shù)表示鋼中平均含碳量的萬分之幾。 如：15號鋼表示平均含碳量為0.15%的優(yōu)質(zhì)鋼，但實(shí)際上鋼中含碳量在0.120.19%的范圍內(nèi)。,08，10，15，20，25（低碳鋼）強(qiáng)度小而塑性好， 制造螺釘、螺母、墊圈和需要滲碳的零件等。 30，35，40，45，50，55（中碳鋼）強(qiáng)度較高，韌性和加工性也較好。應(yīng)用時(shí)通常要經(jīng)過淬火、回火等熱處理這類鋼多用來制造軸類、齒輪、絲杠、連桿、套筒等。 60，65，70，75（高碳鋼）淬火后有較高的彈性，可用來制造各種彈簧、鋼絲繩等。,根據(jù)含碳量的不同，適于制造各種不同的零件。,（3）碳素工具鋼（ C=0.7%1.35% ）,屬于共析鋼和過共析鋼 熱處理：淬火、回火后有高硬度（60HRC） 用途：做小型工、模具 牌號：用 “ T”表示，其后面的一位或兩位表示 鋼中平均含碳量的千分之幾。 如：T8，T10，T10A，T12；后面A表示高級優(yōu)質(zhì) 碳素工具鋼一般均為優(yōu)質(zhì)鋼。見P32表1-6,二、低合金鋼,低合金鋼指合金總含量低（3%）、含碳量也較低 的合金結(jié)構(gòu)鋼。 熱處理：退火或正火 性能：較高的強(qiáng)度、塑性、韌性和耐磨性、 良好的焊接性。 用途：橋梁、汽車、鐵路、船舶、鍋爐、高 壓容器、鋼筋、礦用設(shè)備等 分類：可焊接低合金高強(qiáng)度鋼、低合金耐火鋼、 低合金鋼筋鋼、鐵路用低合金鋼、礦用低合金鋼 應(yīng)用最廣是低合金高強(qiáng)度鋼， 其牌號表示方法與碳素結(jié)構(gòu)鋼相同。見P33表1-7,三、合金鋼,1、合金結(jié)構(gòu)鋼 分類及用途：低碳合金結(jié)構(gòu)鋼用于滲碳件；中碳合金結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)、滲氮件； 高碳合金結(jié)構(gòu)鋼用于制造彈簧。 牌號：采用“數(shù)字+元素符號+數(shù)字” 來表示。 前面的數(shù)字表示鋼的平均含碳量，以萬分之幾表示，如：平均含碳量為0.25%，以25表示； 后面 的數(shù)字表示合金的含量，以平均含量的百分之幾表示， 合金元素小于1 .5%時(shí)，編號中只標(biāo)明元素，不標(biāo)明含量如果平均含量等于和大于1.5%、2.5%、3.5%，則相應(yīng)的用2、3、4.表示，如：含0 .370.45%C、0.81.1%Cr的鉻鋼40Cr,當(dāng)鋼中合金元素超過低合金鋼的限度時(shí)合金鋼 屬于優(yōu)質(zhì)鋼和高級優(yōu)質(zhì)鋼,2、合金工具鋼,用途：制造刀具、量具、模具等，工作溫度達(dá)600。C 分類：刀具、量具用鋼、耐沖擊工具用鋼、 冷作模具鋼、熱作模具鋼 牌號：平均含碳量1.0%時(shí)，不標(biāo)出，1.0%， Cr、Mn平均含量1.5%的合金工具鋼， 9SiCr表示平均含碳量為0.9%，Cr、Mn平均含量1.5%的合金工具鋼， W18Cr4V表示含碳量為0.700.80%， W、Cr、V平均含量分別為18%、4%、 1.5%的高速鋼,3、特殊性能鋼,包括不銹鋼，耐熱鋼，耐磨鋼，磁鋼