模具材料與熱處理

1、緒 論0.1 模具工業(yè)的作用與地位0.2 模具材料應用、發(fā)展概況及展望0.3 本課程的性質(zhì)及要求0.1 模具工業(yè)的作用與地位模具是工業(yè)生產(chǎn)的基礎工藝裝備，在電子、汽車、電機、電器、儀表、家電和通信等產(chǎn)品中，60%80%的零部件都依靠模具成型，模具質(zhì)量的高低決定著產(chǎn)品質(zhì)量的高低，所有工業(yè)產(chǎn)品莫不依賴模具才得以規(guī)模生產(chǎn)、快速擴張，因此，模具工業(yè)被稱為“百業(yè)之母”，被歐美等發(fā)達國家譽為“磁力工業(yè)”。 現(xiàn)代模具行業(yè)是技術(shù)、資金密集型的行業(yè)。 0.2 模具材料應用、發(fā)展概況及展望1.國外模具材料發(fā)展現(xiàn)狀 主要有以下幾個特點: (1)研制出先進的各種類型的冷、熱作模具鋼，并有較完整的系列。(2)塑料模具鋼

2、高速發(fā)展并系列化。 (3)模具鋼的品種、規(guī)格迅速向多樣化、精料化、制品化方向發(fā)展。(4)模具鋼性能高級化。 (5)研究和開發(fā)新型模具材料。 2.我國模具材料生產(chǎn)現(xiàn)狀及展望 (1)鋼種系列化程度低 (2)鋼種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理 (3)模具鋼冶金質(zhì)量低、成材率低 (4)模具新材料宣傳和推廣力度不夠 0.3 本課程的性質(zhì)及要求本課程是以物理、化學、機械基礎、機械制造工藝為基礎的一門學科。學習時應該經(jīng)常聯(lián)系有關(guān)課程以加深理解。同時本課程又是模具制造專業(yè)的重要基礎課程，與熱加工、冷加工工藝聯(lián)系緊密，學習過程中要融會貫通、牢固掌握。本課程還是一門實踐性很強的課程， 與生產(chǎn)實踐聯(lián)系十分密切。因此建議在學習過程中

3、，應該安排學生參觀一些模具制造廠家和模具使用廠家，以增加感性知識。 本課程是模具制造專業(yè)的主要專業(yè)課程。學習本課程的目的是使學生了解現(xiàn)代模具制造業(yè)的發(fā)展狀況和趨勢，熟悉模具制造的一般工藝性問題。掌握各類模具材料的分類、特性 和強化方法及使用范圍。重點掌握模具的質(zhì)量、壽命、成本與模具鋼的選材及熱處理之間的關(guān)系，學會正確選用模具鋼及其熱處理方法。 模具材料與熱處理第1章 材料的種類與金屬材料的性能第2章 材料的結(jié)構(gòu)與組織第3章 材料的變形第4章 鋼的熱處理第5章 模具材料概述第6章 冷作模具鋼及其熱處理第7章 熱作模具鋼及其熱處理第8章 塑料模具鋼及其熱處理第9章 模具加工件材料概述第10章 模具

4、失效第11章 模具材料的標準及選用第12章 模具熱處理的缺陷及防止措施第1章 材料的種類與金屬材料的性能11 材料的種類 111 什么是材料 112 材料是如何分類的12 金屬材料的性能 121 物理性能 122 化學性能 123 力學性能 124 工藝性能什么是材料？材料是人類生產(chǎn)和生活所必須的物質(zhì)基礎。材料是人類進化的里程碑。由于材料的重要性，歷史學家根據(jù)人類所使用的材料來劃分時代。 石器時代 青銅器時代 鐵器時代1.1 材料的種類1.材料的分類方法2 材料的結(jié)合鍵金屬材料制品：不銹鋼制品、齒輪組、變速齒輪、鉆頭、銑刀、銅條軋輪、軋棍。傳統(tǒng)陶瓷又稱普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、長石

5、等)為原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。 特種陶瓷又稱精細陶瓷，是以人工合成材料為原料的陶瓷，常用作工程上的耐熱、耐蝕、耐磨零件。 高分子材料在機械、電氣、紡織、汽車、飛機、輪船等制造工業(yè)和化學、交通運輸、航空航天等工業(yè)中被廣泛應用。 綜上所述，根據(jù)結(jié)合鍵可將材料分為四類: 金屬材料主要以金屬鍵結(jié)合，其強韌性好，塑性變形能力強，導電、導熱性好，為主要的工程材料。高分子材料以分子鍵和共價鍵結(jié)合，耐蝕性、絕緣性好，密度小，加工成型性好，強度不高、硬度較低，耐熱性較差。陶瓷材料以離子鍵、共價鍵結(jié)合，熔點高，硬度高，耐熱，耐磨，脆性大，難以加工。復合材料可由多種結(jié)合鍵組成，強韌性好，比強度、比剛度高，

6、抗疲勞性好。 1.2 金屬材料的性能 物理性能 1.密度和熔點:(1)密度;(2)熔點 2.熱學性能:(1)導熱性;(2)比熱容;(3)熱膨脹系數(shù) 3.電學性能:(1)導電性;(2)介電常數(shù)與介電強度;(3)鐵電性能;(4)超導電性 4.磁學性能:(1)磁導率;(2)矯頑力 力學性能 1.強度 (1)拉伸試樣:拉伸試樣的形狀有圓形和矩形兩類。在國家標準(GB/T 2282002)金屬材料室溫拉伸試驗方法中，對試樣的形狀、尺寸及加工要求均有明確的規(guī)定。圖1-5所示為圓形拉伸試樣。 (2)力-伸長曲線:拉伸試驗中得出的拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線叫做力伸長曲線。 在拉伸試驗中具有屈服現(xiàn)象的金屬材料稱為

7、塑性材料，而工程上使用的金屬材料，大多數(shù)沒有明顯的屈服現(xiàn)象，這類金屬材料稱為脆性材料。有些脆性材料，不僅沒有屈服現(xiàn)象，而且也不產(chǎn)生縮頸。 (3)強度指標:屈服點和抗拉強度屈服點:試樣在拉伸過程中力不增加(保持恒定)仍能繼續(xù)伸長(變形)時的應力稱為屈服點，其計算公式為 s=Fs/S0 （1-3） 式中 s屈服點，MPa; Fs試樣屈服時的載荷，N; S0試樣原始橫截面面積，mm2。 對于無明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，按GB/T 2282002規(guī)定可用規(guī)定殘余伸長應力0.2表示。0.2表示試樣卸除拉伸力后，其標距長度部分的殘余伸長率達到0.2%時的應力，也稱屈服強度。計算公式為 0.2=F0.2/S0

8、 （1-4）式中 0.2規(guī)定殘余伸長應力，MPa; F0.2殘余伸長率達到0.2%時的載荷，N; S0試樣原始橫截面面積，mm2。 抗拉強度:試樣拉斷前承受的最大標稱拉應力稱為抗拉強度。其計算公式為 b=Fb/S0 （1-5） 式中 b抗拉強度，MPa; Fb試樣承受的最大載荷，N; S0試樣原始橫截面面積，mm2。 抗拉強度表示材料在拉伸載荷作用下的最大均勻變形的抗力。零件在工作中所承受的 應力，不允許超過抗拉強度，否則會產(chǎn)生斷裂。抗拉強度b和屈服點s一樣，也是機械零件設計和選材的主要依據(jù)。在工程上把s/b稱為屈強比。屈強比高，則材料強度的有效利 用率高，但過高也不好，一般以0.75左右為宜

9、。 2.塑性 斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形的能力稱為塑性。常用的塑性判據(jù)是斷后伸長率和斷面收縮率。它們也是由拉伸試驗測得的。 試樣拉斷后標距長度的伸長量與原始標距長度的百分比稱為斷后伸長率，其計算公式為 =(l1- l0)/l0×100% （1-6） 式中 試樣斷后伸長率，%; l0試樣原始標距長度，mm; l1試樣拉斷后的標距長度，mm。 試樣拉斷后，縮頸處橫截面面積的最大縮減量與原始橫截面面積的百分比稱為斷面收 縮率，其計算公式為 =(S0-S1)/S0×100% （1-7） 式中 斷面收縮率，%; S0試樣原始橫截面面積，mm2; S1試樣拉斷后縮頸處的最小橫截面面積

10、，mm2。 3.硬度 抵抗外物壓入的能力，稱為硬度綜合性能指標。 (1) 布氏硬度HB ( Brinell-hardness ) (2)洛氏硬度 ( Rockwll hardness)定義：每0.002mm相當于洛氏1度。洛氏硬度常用標尺有：B、C、A三種HRB 輕金屬，未淬火鋼HRC 較硬，淬硬鋼制品HRA 硬、薄試件10HRCHBS(3)維氏硬度 維氏硬度的壓力一般可選5，10，20，30，50，100，120kg等，小于10kg的壓力可以測定顯微組織硬度。適用范圍：測量薄板類，HVHBS 4.韌性 金屬在斷裂前吸收變形能量的能力稱為韌性。 沖擊試驗: AK=GH1-GH2 =G(H1-H

11、2) (1-10) 式中 AK沖擊吸收功， J ; GH1擺錘初始勢能; GH2擺錘剩余勢能; G擺錘重量， N ; H1擺錘初始高度， m ; H2沖斷試樣后，擺錘回升高 度，m。 沖擊韌度是指沖擊試樣缺口處單位橫截面面積上的沖擊吸收功，其計算公式為 K= AK/ S0 (1-11) 式中 K沖擊韌度， J/cm2; AK沖擊吸收功， J ; S0試樣缺口處橫截面面積,cm2。 5.疲勞強度 疲勞現(xiàn)象：（80%的斷裂由疲勞造成） 承受載荷的大小和方向隨時間作周期性變化，交變應力作用下，往往在遠小于強度極限，甚至小于屈服極限的應力下發(fā)生斷裂。影響因素： 循環(huán)應力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜

12、物、表面狀態(tài)、殘余應力等。Titanic沉沒原因Titanic 含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，沖擊試樣是典型的脆性斷口。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當好的韌性。 工藝性能1.鑄造性能 (1)流動性 (2)收縮性 (3)偏析 2.壓力加工性能 3.焊接性能 4.切削加工性能 5.熱處理性能 思考題1-1 材料是如何分類的? 1-2 材料的使用性能與工藝性能有何區(qū)別? 1-3 舉例說明高熔點的金屬和低熔點的金屬各有什么用途? 1-4 簡述金屬材料的化學性能。 第2章 材料的結(jié)構(gòu)與組織21 金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織 211 純金屬的晶體結(jié)構(gòu) 212 金屬的實際晶體結(jié)構(gòu) 213 合金

13、的晶體結(jié)構(gòu)214 金屬材料的組織22 高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能 221 高分子材料的結(jié)構(gòu) 222 高分子材料的性能23 陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能 231 陶瓷材料的結(jié)構(gòu) 232 陶瓷材料的性能2.1 金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織 純金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1.晶格、晶胞與晶格常數(shù) 2.晶面與晶向 3.金屬晶體的類型 (1)體心立方晶格 (2)面心立方晶格(3)密排六方晶格 金屬的實際晶體結(jié)構(gòu) 1.單晶體和多晶體 2.實際金屬的晶體缺陷 (1)點缺陷 空位間隙原子(2)線缺陷 刃型位錯螺型位錯(3)面缺陷 面缺陷是指在兩個方向上尺寸很大，第三個方向上尺寸很小而呈面狀分布的缺陷。面缺陷主要是指金屬中的晶界和亞晶界。 晶

14、界處的主要特征： 原子排列不規(guī)則，因此對金屬的塑性變形起著阻礙作用，晶界越多，其作用越明顯。 顯然，晶粒越細，晶界總面積就越大，金屬的強度和硬度也就越高。所以在常溫下使用的金 屬材料，一般總是力求獲得細小的晶粒。 晶界處原子具有較高的能量，且雜質(zhì)（往往是一些低熔點的雜質(zhì)）較多，因此其熔點較低，有時還未加熱到金屬的熔點，晶界處就已先熔化了。 晶界處原子能量較高而容易滿足固態(tài)相變所需要的能量起伏，因此新相往往在舊相晶界處形核。晶粒越細小，晶界越多，新相的形核率就越高。晶界處有較多的空位，因此原子沿晶界的擴散速度較快。 晶界處電阻較高，且易被腐蝕。 總之，實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)不是理想完整的，而是存在著

15、各種晶體缺陷，并且這些缺陷在不斷地運動變化著，金屬中的許多重要變化過程，都是依靠晶體缺陷的運動來進行的，并且金屬的許多性能也都與晶體缺陷密切相關(guān)。 合金的晶體結(jié)構(gòu) 1.合金的基本概念 （1）合金 （2）組元 （3）相 2.固溶體 根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑中所處位置不同，固溶體可分為間隙固溶體和置換固溶體兩大類。 (1)間隙固溶體 (2)置換固溶體 金屬材料的組織 1.組織的概念2.組織的決定因素 3.組織與性能的關(guān)系 不同組織結(jié)構(gòu)的材料具有不同的性能，綜上所述，金屬材料的成分、工藝、組織結(jié)構(gòu)和性能之間有著密切的關(guān)系。2.2 高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能 高分子材料的結(jié)構(gòu) 1.大分子鏈的構(gòu)成 (1)化學組成

16、 組成大分子鏈的化學元素，主要是碳、氫、氧，另外還有氮、氯、氟、硼、硅、硫等，其中碳是形成大分子鏈的主要元素。大分子鏈根據(jù)組成元素不同可分為三類，即碳鏈大分子、雜鏈大分子和元素鏈大分子。(2)形態(tài)大分子鏈呈現(xiàn)不同的幾何形狀，主要有線型、支化型和體型三類， 線型分子鏈；支化型分子鏈；體型(網(wǎng)型或交聯(lián)型)。 (3)空間構(gòu)型 2.大分子鏈的構(gòu)象及柔性 3.高分子材料的聚集態(tài) 高分子材料的性能 1.高分子材料的物理性能和化學性能特點 (1)絕緣性 (2)耐熱性 (3)耐蝕性 (4)老化 2.高分子材料的力學性能 (1)高聚物的物理、力學狀態(tài) 線型非晶態(tài)高聚物的三種力學狀態(tài)為玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)。(2

17、)高分子材料的力學性能特點 高聚物的性能由硬脆、強硬、強韌、柔韌而緩慢地發(fā)生變化。 黏彈性:應變與應力同步發(fā)生，或應變與應力同時達到平衡。應變不僅決定于應力，而且決定于應力作用的速率。即應變不隨作用力即時建立平衡，而有所滯后。蠕變：應力松弛：滯后與內(nèi)耗：高聚物受周期性載荷時，產(chǎn)生伸-縮的循環(huán)應變。2.3 陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能 陶瓷材料的結(jié)構(gòu) 按照組織形態(tài)陶瓷材料分為三類。 無機玻璃即硅酸鹽玻璃微晶玻璃即玻璃陶瓷，是單個晶體分布在非晶態(tài)的玻璃基體上的一類陶瓷材料。陶瓷（晶體陶瓷），陶瓷的典型組織結(jié)構(gòu)包括：晶體相（莫來石和石英），玻璃相，氣相 。1.晶體相（1）硅酸鹽 硅酸鹽基本結(jié)構(gòu)具有以下特點:

18、 構(gòu)成硅酸鹽的基本單元為硅氧四面體結(jié)構(gòu)。 硅氧四面體只能通過共用頂角而相互結(jié)合; Si4+通過O2-結(jié)合，SiOSi的結(jié)合鍵在氧上的鍵角接近于145° ; 穩(wěn)定的硅酸鹽結(jié)構(gòu)中，硅氧四面體采取最高空間維數(shù)互相結(jié)合; 硅氧四面體采取比較緊密的結(jié)構(gòu)結(jié)合; 同一結(jié)構(gòu)中硅氧四面體最多只相差1個氧原子。 (2)氧化物 (3)非氧化合物 2.玻璃相 玻璃相的作用包括: 黏連晶體相，填充晶體相間空隙，提高材料致密度; 降低燒結(jié)溫度，加快燒結(jié)速度; 阻止晶體轉(zhuǎn)變，抑制其長大; 獲得透光性等玻璃特性; 不能成為陶瓷的主導相3.氣相 氣相是陶瓷內(nèi)部殘留的孔洞，其成因復雜，影響因素多。陶瓷根據(jù)氣孔率分為致密

19、陶瓷、無開孔陶瓷和多孔陶瓷。除多孔陶瓷外，氣孔對陶瓷的性能不利，它降低了陶瓷的強度，常常是造成裂紋的根源(圖2-28)，所以應盡量降低氣孔率。一般普通陶瓷的氣孔率為5 %10% ;特種陶瓷在5 %以下;金屬陶瓷則要求低于0.5 %。 陶瓷材料的性能 1.陶瓷的物理和化學性能 (1)熱膨脹性能 (2)導熱性(3)熱穩(wěn)定性 (4)化學穩(wěn)定性 (5)導電性 陶瓷材料的性能 2.陶瓷的力學性能 (1)剛度 (2)硬度 (3)強度：晶界使陶瓷實際強度比理論值低得多(11%)?？傊?，陶瓷材料的性能特點是:具有不可燃燒性、高耐熱性、高化學穩(wěn)定性、不老化性、高硬度和良好的抗壓能力，但脆性很高，溫度急變抗力很低

20、，抗拉、抗彎性能差。 思考題2-1 什么叫晶體?什么叫非晶體? 2-2 什么叫晶格?什么叫晶胞? 2-3 常見的金屬晶體有哪幾種? 2-4 鐵有哪幾種同素異晶體? 2-5 晶體缺陷有哪幾種?它們對力學性能有什么影響? 2-6 什么叫固溶體?什么叫固溶強化現(xiàn)象? 2-7 什么叫金屬化合物?它有何特征? 2-8 什么叫金屬的組織? 2-9 試述晶粒大小與力學性能的關(guān)系。 2-10 什么叫高分子材料?簡述高分子材料的結(jié)構(gòu)。 第3章 材料的變形31 金屬的塑性變形與再結(jié)晶 311 金屬的塑性變形 312 冷塑性變形對金屬性能與組織的影響 313 回復與再結(jié)晶 314 金屬的熱塑性變形32 高分子材料的

21、變形特點 321 高聚物的彈性變形 322 高聚物的粘彈性變形 323 線型高聚物的變形特點 324 體型高聚物的變形特點33 陶瓷材料的變形 331 陶瓷材料的彈性變形 332 陶瓷材料的塑性變形及蠕變 333 陶瓷材料的強度、硬度和斷裂3.1 金屬的塑性變形與再結(jié)晶 金屬的塑性變形1.單晶體的塑性變形 滑移變形具有以下特點: 滑移在切應力作用下產(chǎn)生?；蒲卦用芏茸畲蟮木婧途虬l(fā)生。 滑移時兩部分晶體的相對位移是原子間距的整數(shù)倍?；频耐瑫r伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動?；频臋C理2.多晶體的塑性變形 (1)晶粒取向的影響 (2)晶界的影響 (3)晶粒大小的影響 因此，一般在室溫使用的結(jié)構(gòu)材料都希望獲

22、得細小而均勻的晶粒。因為細晶粒不僅使材料具有較高的強度、硬度，而且也使它具有良好的塑性和韌性，即具有良好的綜合力學性 能。故生產(chǎn)中總是盡可能地細化晶粒。 冷塑性變形對金屬性能與組織的影響 1.冷塑性變形對金屬顯微組織的影響 2.亞結(jié)構(gòu)的變化 3.形變織構(gòu)的產(chǎn)生 形變織構(gòu)有兩種類型: 拔絲時形成的形變織構(gòu)稱為絲織構(gòu)，其主要特征為各晶粒的某一晶向趨于平行于拉 拔方向。 軋板時形成的形變織構(gòu)稱為板織構(gòu)，其主要特征為各晶粒的某一晶面和晶向分別趨 于平行于軋制面和軋制方向。 4.塑性變形對金屬性能的影響 塑性變形后金屬性能變化最顯著的是力學性能。隨著塑性變形的增加，金屬的強度、硬度提高，而塑性、韌性下降

23、的現(xiàn)象稱為加工硬化或形變強化。 5.殘余應力 內(nèi)應力分為三類: 宏觀殘余應力:是由工件不同部分的宏觀變形不均引起的。 微觀殘余應力:是由晶?；騺喚ЯＶg的變形不均產(chǎn)生的。 點陣畸變:是由工件在塑性變形中形成的大量點陣缺陷(如空位、間隙原子、位錯等)引起的。內(nèi)應力的產(chǎn)生使材料變脆，耐蝕性降低。 回復與再結(jié)晶 1.回復 2.再結(jié)晶 對于工業(yè)用純金屬(純度大于99.9%)，其再結(jié)晶溫度與熔點間的關(guān)系可按下列經(jīng) 驗公式計算: T再=（0.350.4）T熔 式中 T再金屬的再結(jié)晶溫度，K; T熔金屬的熔點，K。   實際生產(chǎn)中，為了消除加工硬化，必須進行中間退火。經(jīng)冷變形后的金屬加熱到再結(jié)晶溫

24、度以上100200，保溫適當時間，使變形晶粒重新結(jié)晶為均勻的等軸晶粒，以消除加工硬化和殘余應力的退火，稱為再結(jié)晶退火。 3.晶粒長大 金屬的熱塑性變形 1.熱加工與冷加工的本質(zhì)區(qū)別 金屬的冷塑性變形加工和熱塑性變形加工是以再結(jié)晶溫度來劃分的。凡在金屬的再結(jié)晶溫度以上進行的加工，稱為熱加工，如鍛造熱軋等;在再結(jié)晶溫度以下進行的加工稱為冷加工，如冷軋冷拉等。2.熱加工對金屬組織和性能的影響 (1)消除鑄態(tài)金屬的組織缺陷 (2)細化晶粒 (3)形成纖維組織 (4)形成帶狀組織3.2 高分子材料的變形特點 高聚物的彈性變形 高聚物的黏彈性變形 線型高聚物的變形特點 體型高聚物的變形特點 3.3 陶瓷材

25、料的變形 陶瓷材料的彈性變形 材料在靜拉伸載荷下，一般都要經(jīng)過彈性變形、塑性變形及斷裂三個階段。 陶瓷材料的塑性變形及蠕變 陶瓷材料的強度、硬度和斷裂 目前主要采用以下幾種方法提高陶瓷材料的實際強度及改善其脆性: 制造顆粒細的、致密度高的、均勻的、較純凈的陶瓷，以盡量減少組織中的各種雜質(zhì)和缺陷。 將陶瓷制成纖維，甚至晶須，可以大大減小各種缺陷產(chǎn)生的幾率，能使強度提高12個數(shù)量級。 在陶瓷表面造出一個殘余應力層。思考題 3-1 什么是滑移? 3-2 單晶體塑性變形的最基本方式是什么?在實際晶體中，它是通過什么來實現(xiàn)的? 3-3 多晶體的塑性變形比單晶體復雜，它的不同點主要表現(xiàn)在哪幾個方面? 3-

26、4 塑性變形對金屬性能的影響有哪些? 3-5 什么是加工硬化?它在生產(chǎn)中有何利弊?如何消除加工硬化? 3-6 簡述加熱溫度對冷塑性變形金屬的組織和性能的影響。 3-7 實際生產(chǎn)中，金屬的再結(jié)晶溫度是如何確定的? 3-8 熱加工與冷加工的本質(zhì)區(qū)別是什么?它對金屬的組織和性能有何影響? 3-9 簡述高聚物的變形特點。 3-10簡述陶瓷的變形特點。第4章 鋼的熱處理4.1 鐵碳合金相圖的分析及應用4.2 鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變4.3 鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變4.4 鋼的整體熱處理工藝4.5 鋼的表面熱處理和化學熱處理 純金屬的結(jié)晶過程及鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象 1.純金屬的結(jié)晶過程 (1)純金屬的冷卻曲線及過冷度

27、(2)純金屬的結(jié)晶過程(3)晶粒大小對金屬力學性能的影響2.鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象 (1)純金屬的冷卻曲線及過冷度綜上所述，純金屬的結(jié)晶有兩個特點:一是結(jié)晶總是在一定的過冷度條件下進行;二是結(jié)晶的整個過程是在一恒溫(T1)情況下由開始到結(jié)束的。前者也是合金結(jié)晶以及其他固態(tài)下組織轉(zhuǎn)變的共同特點。 (2)純金屬的結(jié)晶過程 (3)晶粒大小對金屬力學性能的影響常用的細化晶粒方法有: 增加過冷度 變質(zhì)處理 振動處理 2.鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象 1394 912-Fe -Fe -Fe （4-1） 鐵碳合金相圖的分析 1.鐵碳合金的基本組織 （1）鐵素體 （2）奧氏體 （3）滲碳體（4）珠光體 （5）萊氏體 鐵碳合金相

28、圖的分析 Fe-Fe3C相圖中的特性點: 1148 LwC4.30% Ld wC4.30%（AwC2.11%+Fe3C） （4-2） 共晶轉(zhuǎn)變 1148或 LwC4.30% LdwC4.30% （4-3） 共晶轉(zhuǎn)變 727AwC0.77% PwC0.77%（FwC0.021 8% +Fe3C） （4-4） 共析轉(zhuǎn)變 727或 AwC0.77% PwC0.77% （4-5） 共析轉(zhuǎn)變 Fe-Fe3C相圖中的特性線:二元相圖中的線條都是一些具有共同特征的點的連線。綜上所述，滲碳體可以有三個來源，從液態(tài)合金中直接結(jié)晶出來、從奧氏體中析出和從鐵素體中析出。 Fe-Fe3C相圖中的相區(qū): 簡化后的Fe-

29、Fe3C相圖共有12個相區(qū)（5個單相區(qū);5個兩相區(qū);2個三相區(qū)）。 (2)鐵碳合金的分類 根據(jù)Fe-Fe3C相圖中鐵碳合金的碳質(zhì)量分數(shù)wC、組織轉(zhuǎn)變的特點及室溫組織，我們可將鐵碳合金分為以下幾類: 工業(yè)純鐵: wC 0.021 8%的鐵碳合金稱為工業(yè)純鐵。 鋼:0.021 8%< wC <2.11%的鐵碳合金稱為鋼。根據(jù)其室溫組織和碳質(zhì)量分數(shù)wC的不同，又可分為 亞共析鋼0.021 8%< wC <0.77%; 共析鋼wC=0.77%; 過共析鋼0.77%< wC <2.11%。 白口鑄鐵:2.11% wC <6.69%的鐵碳合金稱為白口鑄鐵。根據(jù)其室

30、溫組織和碳質(zhì)量分數(shù)wC的不同，又可分為 亞共晶白口鑄鐵2.11% wC <4.3%; 共晶白口鑄鐵 wC=4.3%; 過共晶白口鑄鐵4.3%< wC <6.69%。 (3)Fe-Fe3C相圖的應用 根據(jù)Fe-Fe3C相圖判斷鐵碳合金的力學性能作為選用鋼鐵材料的依據(jù): 制定鑄、鍛和熱處理等熱加工工藝的依據(jù):在熱處理工藝上的應用4.2 鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變熱處理是由加熱、保溫和冷卻三個基本環(huán)節(jié)組成的。在大多數(shù)熱處理工藝中，鋼加熱的主要目的是獲得奧氏體組織。 奧氏體的形成機理 1.奧氏體形成的熱力學條件 2.奧氏體的形成過程 （1）奧氏體晶核形成（2）奧氏體晶核長大 （3）殘余滲碳

31、體溶解 （4）奧氏體成分均勻化 奧氏體的晶粒長大及其控制 1.奧氏體晶粒度的概念 2.奧氏體晶粒長大及其影響因素 （1）加熱溫度 （2）保溫時間 （3）加熱速度 （4）化學成分 鋼中的碳含量和合金元素都會對奧氏體晶粒長大產(chǎn)生顯著影響。 碳含量: 合金元素: 3.控制奧氏體長大的措施 (1)合理選擇加熱溫度和保溫時間 (2)合理選擇鋼的原始組織 (3)加入一定量的合金元素 4.3 鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變 過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 鋼在冷卻時，主要的冷卻方式有兩種: 一種是等溫冷卻，另一種是連續(xù)冷卻。1.過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線 2.影響奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的因素 影響C曲線形狀、位置的因素很多，主要有下面

32、幾個方面: (1)碳含量 (2)合金元素 (3)加熱溫度和保溫時間 過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的近似分析 過冷奧氏體的組織轉(zhuǎn)變類型 1.珠光體型轉(zhuǎn)變 (1)珠光體的組織形態(tài)及力學性能 (2)珠光體的形成機理 珠光體的形成過程，包含兩個同時進行的過程: 一個是碳的擴散，生成高碳的滲碳體和低碳的鐵素體;另一個是晶體的點陣重構(gòu)，由面心立方的奧氏體轉(zhuǎn)變成體心立方的鐵素體和 復雜斜方的滲碳體。 2.貝氏體型轉(zhuǎn)變（1）貝氏體的組織形態(tài)和力學性能 （2）貝氏體的形成機理 3.馬氏體型轉(zhuǎn)變 （1）馬氏體的組織形態(tài)及力學性能 （2）馬氏體的形成條件 （3）馬氏體型轉(zhuǎn)變的特點 鋼中馬氏體型轉(zhuǎn)變有著許多不同于珠光體型轉(zhuǎn)

33、變的特點: 轉(zhuǎn)變的非擴散性: 轉(zhuǎn)變的非等溫性: 轉(zhuǎn)變的非徹底性: 比容增大: 4.4 鋼的整體熱處理工藝 退火 所謂退火，就是將金屬或合金加熱到適當溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火的實質(zhì)是將鋼加熱奧氏體化后進行珠光體型轉(zhuǎn)變。退火后的組織，對亞共析鋼是鐵素體加片狀珠光體;對共析或過共析鋼則是粒狀珠光體?？傊嘶鸾M織是接近平衡狀態(tài)的組織。 1.退火的目的 降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷變形加工。 細化晶粒，消除因鑄、鍛、焊引起的組織缺陷，均勻鋼的組織及成分，改善鋼的性能或為以后的熱處理做準備。 消除鋼中的內(nèi)應力，以防止變形和開裂。 2.常用的退火工藝及應用 （1）完

34、全退火 （2）球化退火 （3）去應力退火（4）再結(jié)晶退火 （5）擴散退火 正火 將鋼加熱到Ac3(或Accm)以上3050，保溫適當時間后，在靜止的空氣中冷卻的熱 處理工藝稱為正火。由于正火將鋼加熱到完全奧氏體化狀態(tài)，使鋼中原始組織的缺陷基本消除，然后再控制以適當?shù)睦鋮s速度，所以正火得到以索氏體為主的組織。 正火與退火兩者的目的基本相同，但正火的冷卻速度比退火稍快，故正火鋼組織比較細，它的強度、硬度比退火鋼高。 1.正火工藝的應用 （1）低碳鋼 （2）中碳結(jié)構(gòu)鋼 （3）過共析鋼 2.退火與正火的選擇 （1）切削加工性 （2）使用性能 （3）經(jīng)濟性 淬火 1.鋼的淬火工藝及種類 鋼的淬火就是將鋼

35、加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度，保持一定時間，然后以適當速度冷卻獲得馬氏體和(或)下貝氏體組織的熱處理工藝。 淬火的目的是使過冷奧氏體進行馬氏體(或下貝氏體)型轉(zhuǎn)變，得到馬氏體或下貝氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，獲得所需的力學性能。 (1)淬火加熱溫度 在具體選擇鋼的淬火加熱溫度時，除了遵循一般原則外，還應考慮工件的化學成分、技術(shù)要求、尺寸形狀、原始組織以及加熱設備、冷卻介質(zhì)等諸多因素的影響，對加熱溫度予以適當調(diào)整。 (2)淬火介質(zhì)生產(chǎn)中實際使用的淬火介質(zhì)可分為兩大類:一類是工件在冷卻過程中會發(fā)生物態(tài)變化的介質(zhì);另一類是不發(fā)生物態(tài)變化的介質(zhì)。其冷卻特性的不同，直接影響了工件的冷卻速度。

36、 蒸氣膜階段沸騰階段 對流階段 常用的淬火介質(zhì)：常用的淬火介質(zhì)有水、鹽水和堿水、油、熔鹽和熔堿等。 新型淬火介質(zhì):主要有聚乙烯醇水溶液和三硝水溶液等。 (3)淬火冷卻方法 單液淬火；雙介質(zhì)淬火；馬氏體分級淬火；下貝氏體等溫淬火；延遲淬火冷卻；局部淬火；深冷處理；2.鋼的淬硬性和淬透性 淬硬性和淬透性是表示鋼接受淬火能力的兩項性能指標。它們是選材、用材的重要依據(jù)，也是熱處理技師必須了解的材料的重要性能。 淬硬性淬透性 回火 1.淬火鋼在回火時的組織和性能轉(zhuǎn)變 回火就是鋼淬硬后，再加熱到低于Ac1以下的某一溫度，保溫一定的時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。 回火的目的是:合理調(diào)整力學性能，使工件滿

37、足使用要求;穩(wěn)定組織，使工件在使用過程中不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，從而保證工件的形狀、尺寸不變;降低或消除內(nèi)應力，以減少工件的變形并防止開裂。 (1)回火時的組織轉(zhuǎn)變 淬火鋼回火時的組織轉(zhuǎn)變大致包括以下幾個過程: 碳原子的偏聚和聚集；馬氏體的分解；殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變；碳化物的析出、轉(zhuǎn)化和長大；鐵素體的回復與再結(jié)晶；總之，淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變是由以上五個過程綜合作用的結(jié)果，難以用明確的溫度范圍將 它們截然分開，它們有時互相交錯，有時同時進行。 (2)回火后的力學性能 淬火鋼回火時力學性能總的變化趨勢是：隨著回火溫度的上升，硬度、強度降低，塑性、 韌性升高。 回火對淬火鋼硬度的影響回火對鋼的強度、塑性和韌性的影響

38、 2.回火的分類及回火工藝的制定 1）回火的分類 低溫回火: 中溫回火: 高溫回火: （2）回火工藝的制定 制定回火工藝的主要參數(shù)有:回火溫度、回火時間、回火后的冷卻速度。 4.5 鋼的表面熱處理和化學熱處理 鋼的表面熱處理 1.感應加熱表面淬火 (1)基本原理 (2)特點及其在熱處理中的應用 感應加熱能夠在一定范圍內(nèi)控制加熱層深度。 加熱速度快，生產(chǎn)效率高。 工件的熱處理質(zhì)量高而穩(wěn)定。 熱效率高。 易實現(xiàn)局部加熱和連續(xù)加熱。 便于實現(xiàn)機械化和自動化。 (4)感應加熱表面淬火后的組織及性能感應加熱表面淬火后的組織:感應加熱表面淬火后的力學性能: 硬度； 疲勞強度； 耐磨性；(5)工藝 感應加熱

39、表面淬火的工藝參數(shù)分為熱參數(shù)和電參數(shù)兩種。 感應加熱表面淬火方法:同時加熱淬火法；連續(xù)加熱淬火法。 淬火溫度和加熱速度的選擇 感應加熱設備的選擇:應根據(jù)工件的淬硬層深度要求選擇電流頻率。 感應加熱后的冷卻：噴射冷卻；浸液冷卻；埋油冷卻。 感應加熱表面淬火后的回火通?；鼗鸱椒ㄓ腥N: 爐中回火；自回火；感應加熱回火。 2.火焰加熱表面淬火 (1)基本原理和特點 (2)方法 固定法；旋轉(zhuǎn)法；前進法；聯(lián)合法。 鋼的化學熱處理 1.化學熱處理的基本原理 (1)化學熱處理的概念 (2)化學熱處理的基本過程 2.滲碳 (1)滲碳概述 (2)氣體滲碳 (3)滲碳后的熱處理及其性能 滲碳后的熱處理: 滲碳淬火

40、后的組織:一類是從表面到心部組織依次為馬氏體+殘余奧氏體馬氏體心部組織;另一類是馬氏體+殘余奧氏體+碳化物馬氏體+殘余奧氏體馬氏體心部組織。 氣體滲碳工藝過程通?？蓜澐譃樯郎嘏艢?、滲碳(包括強滲和擴散)、降溫冷卻三個階段。3.滲氮 (1)滲氮概述 (2)氣體滲氮原理 (3)滲氮前的熱處理 (4)氣體滲氮工藝 氣體滲氮的工藝曲線見圖4-32。 4.碳氮共滲及氮碳共滲 (1)碳氮共滲 (2)氮碳共滲 5.其他化學熱處理簡介 (1)滲硼 (2)其他多元共滲 (3)滲鋁 3.滲氮（1）滲氮概述 （2）氣體滲氮原理 （3）滲氮前的熱處理 （4）氣體滲氮工藝4.碳氮共滲及氮碳共滲 （1）碳氮共滲 （2）氮

41、碳共滲 5.其他化學熱處理簡介 （1）滲硼 （2）其他多元共滲 （3）滲鋁 思考題 4-1 鐵碳合金的基本組織有哪幾種?分別說明它們的性能特征。 4-2 Fe-Fe3C相圖中各特性點、特性線有何意義? 4-3 試述e-Fe3C相圖的運用。 4-4 什么叫熱處理?熱處理的目的是什么? 4-5 通常熱處理工藝分為哪幾個階段? 4-6 何為奧氏體化?其經(jīng)歷了哪幾個階段? 4-7 奧氏體晶粒大小對鋼熱處理后的性能有什么影響?如何才能獲得細小、均勻的奧氏體晶粒? 4-8 過冷奧氏體在不同溫度下等溫時其最終產(chǎn)物分別是什么?它們的組織形態(tài)和性能如何? 4-9 過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變與連續(xù)轉(zhuǎn)變有何區(qū)別? 4-10

42、 簡述馬氏體型轉(zhuǎn)變的特點。 第5章 模具材料概述51 模具材料的分類 511 冷作模具材料 514 其他模具材料52 模具材料的性能要求 521 使用性能 522 模具鋼力學性能指標的評述523 工藝性能 53 模具材料的選用原則 531 滿足使用性能要求 532 滿足工藝性能要求 533 滿足經(jīng)濟性要求5.1 模具材料的分類 冷作模具材料1.火焰淬火鋼 2.基體鋼 3.高韌性低合金冷作模具鋼 4.高碳中鉻耐磨模具鋼 熱作模具材料 塑料模具材料 1.預硬鋼 2.時效硬化鋼 3.冷擠壓成型塑料模具鋼 其他模具材料 在三大類模具材料之外，還有鑄造模具鋼、有色合金模具材料、玻璃模具材料等。 5.2

43、模具材料的性能要求 冷沖壓模具要求其材料具有高的強度，良好的塑性和韌性，高的硬度及耐磨性; 冷擠壓模具要求其材料具有高強度、高韌性、高淬透性以及良好的耐磨性、熱穩(wěn)定性和切削加工性; 熱作模具用鋼要求在工作溫度下保持高的強度和韌性、良好的抗腐蝕性、熱穩(wěn)定性和優(yōu)良的熱疲勞抗力。 使用性能 對各類模具鋼提出的性能要求主要包括硬度、強度和韌性等。1.硬度 硬度表示了鋼對變形和接觸應力的抗力，而且是很容易測定的一種性能，同時硬度與強度也有一定關(guān)系，可通過二者的換算關(guān)系得到材料硬度值。可按硬度范圍劃定模具類別，如高硬度（5260HRC），一般用于冷作模具;中等硬度（4052HRC），一般用于熱作模具。 2

44、.強度 強度是指鋼在服役過程中，抵抗變形和斷裂的能力。對于模具來說則是整個型面或各個部位在服役過程中抵抗拉伸力、壓縮力、彎曲力、扭轉(zhuǎn)力或綜合力的能力。 3.韌性 在工作過程中，模具承受著沖擊載荷，為了減少在使用過程中的折斷、崩刃等形式的損壞，要求模具鋼具有一定的韌性。韌性是模具鋼的一種重要性能指標，它決定了材料在沖擊試驗力作用下對破裂的抗斷能力。材料的韌性越高，脆斷的危險性越小，熱疲勞強度也越高。對于衡量模具脆斷傾向，沖擊韌度試驗具有重要意義。 4.耐磨性 模具在工作中承受相當大的壓應力和摩擦力，要求模具能夠在強烈摩擦下仍保持其尺寸精度。5.抗熱疲勞性能 熱作模具鋼在服役條件下除了承受載荷的周

45、期性變化之外，還受到高溫及周期性的急冷急熱的作用，抗熱疲勞性能反映材料在熱疲勞裂紋萌生之前的工作壽命。因此，熱作模具如要獲得高的壽命，模具材料應具備高的抗熱疲勞性能、低的裂紋擴展速率和高的斷裂韌性值。 6.咬合抗力 咬合抗力實際上就是發(fā)生“冷焊”時的抵抗力。該性能對于模具材料較重要。試驗時通常在干摩擦條件下，把被試驗的工具鋼試樣與具有咬合傾向的材料（如奧氏體鋼）進行恒速對偶摩擦運動，以一定的速度逐漸增大載荷，此時，轉(zhuǎn)矩也相應增大，該載荷稱為“咬合臨界載荷”，咬合臨界載荷愈高，標志著咬合抗力愈強。7.耐蝕性 金屬材料在腐蝕性介質(zhì)中所具有的抵抗介質(zhì)侵蝕的能力，稱為金屬的耐蝕性。 提高模具材料的耐蝕

46、性，通常采用合金化方法獲得一系列耐蝕合金，主要包括: （1）提高金屬或合金的熱力學穩(wěn)定性 （2）加入易鈍化合金元素 （3）加入能促使合金表面生成致密腐蝕產(chǎn)物保護膜的合金元素 不同的服役條件對模具材料主要力學性能要求不同：對熱作模具鋼要考慮其抗熱疲勞性能;對壓鑄模具應考慮其耐融熔金屬的沖蝕性能;對于高溫下工作的熱作模具應考慮其在工作溫度下的抗氧化性能;對于在腐蝕介質(zhì)中工作的模具，應注意其耐蝕性;對高載荷下工作的模具應該考慮其抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度、疲勞強度及斷裂韌度等。 工藝性能 在模具生產(chǎn)成本中，材料費用一般占10%20%，而機械加工、熱處理、裝配和管理費用占80%以上。 所以模具材料的

47、工藝性能是影響模具的生產(chǎn)成本和制造難易程度的主要因素之一。改善模具的工藝性能，不僅可以使模具生產(chǎn)工藝簡單、易于制造，而且可以有效地降低模具的制造費用。 模具材料的工藝性能主要包括可加工性，淬透性和淬硬性，淬火溫度和熱處理變形，氧化、脫碳敏感性及其他因素。 1.可加工性 （1）可加工性概述 模具的可加工性包括：熱加工性能（熱塑性、加工溫度范圍等）；冷加工性能（切削、磨削、拋光、冷拔等）； 特種加工（如電火花加工）。毛 坯預先熱處理模具零件切削加工最終熱處理粉末冶金焊接塑性成形鑄造 模具零件的加工工藝路線2.淬透性和淬硬性 淬透性主要取決于鋼的化學成分和淬火前的原始組織狀態(tài);淬硬性則主要

48、取決于鋼中的碳含量。對于大部分的冷作模具鋼，淬硬性往往是主要的考慮因素。對于熱作模具鋼和塑料模具鋼，一般模具尺寸較大，尤其是制造大型模具，其淬透性更為重要。 3.淬火溫度和熱處理變形 為了便于生產(chǎn)，要求模具鋼淬火溫度范圍盡可能放寬一些，特別是當模具采用火焰加熱局部淬火時，由于難以準確地測量和控制溫度，所以要求模具鋼有更寬的淬火溫度范圍。 模具在熱處理時，尤其在淬火過程中，要產(chǎn)生體積變化、形狀翹曲、畸變等，為保證模具質(zhì)量，要求模具鋼的熱處理變形小。 4.氧化、脫碳敏感性 模具在加熱過程中，如果發(fā)生氧化、脫碳現(xiàn)象，就會使其硬度、耐磨性、使用性能和使用壽命降低。因此，要求模具鋼的氧化、脫碳敏感性好。對于鉬含量較高的模具鋼，由于氧化、脫碳敏感性強，需要采用特種熱處理，如真空熱處理、可控氣氛熱處理、鹽浴熱處理等。 5.其他因素 在選擇模具鋼時，除了必須考慮使用性能和工藝性能之外，還必須考慮模具鋼的通用性和價格。從技術(shù)、經(jīng)濟方面全面分析，以最終選定合理的模具材料。 5.3 模具材料的選用原則模具材料的選用有三個原則一是使用性能原則 材料的使用性能應滿足模具的使用要求。對大量機器工件和工程構(gòu)件，主要是機械性能;對一些特殊條件下工作的工件，則必