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文檔簡介
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
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