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机械制造基础,第一篇 金属工艺学,1,t课件,绪 论,金属工艺学讲述有关制造金属零件的工艺方法的相关基础知识（材料和热处理）。加工方法铸造压力加工焊接热处理 切削加工,2,t课件,第一篇 金属材料导论,内容金属材料的主要性能不同温度下金属材料的结构及变化金属材料的种类铁碳合金钢的热处理,3,t课件,第一章 金属材料的主要性能,力学性能-重点（机械制造角度）物理性能化学性能工艺性能性能为什么要分为几类？每一类都包括哪些具体指标？具体指标是重点,4,t课件,第一章 金属材料的主要性能,金属材料的力学性能：材料在力的作用下所表现出来的性能，也称机械性能。强度塑性硬度韧性疲劳强度,静载荷下的力学性能,动载荷下的力学性能,衡量金属材料主要标志,5,t课件,学习要求： 常用的力学（机械）性能指标（名称、符号、含义、单位）学习方式： 结合对概念的理解去记忆。,6,t课件,强度和塑性,测定方法：拉伸试验原理 （1）试样两端缓慢施加轴向拉伸载荷。（2）载荷不断增加，试样被逐步拉长，直到拉断。（3）记录每一瞬间载荷F 和伸长量，并绘制出拉伸曲线。,7,t课件,强度和塑性,拉伸曲线特性Oe阶段弹性变形es阶段弹性塑性变形s点屈服点，出现“屈服”现象bk阶段出现“缩颈”k点断裂点,8,t课件,强度（名称）,定义：金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。判据：屈服强度、抗拉强度。（应用场合）屈服强度 拉伸试样产生屈服现象时的应力。符号、单位,无明显屈服现象的金属材料，以试样产生0.2塑性变形时的应力，作为该材料的屈服点，用 表示。,9,t课件,强度,判据抗拉强度 金属材料在拉断前所能承受的最大应力，以 表示。,机械零件或构件，通常不允许发生塑性变形，以屈服点作为判据。脆性材料，断裂前基本不发生塑性变形，以抗拉强度作为判据。,拉断前最大载荷,试样原始截面积,10,t课件,塑性,定义：金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力，以伸长率 或收缩率 表示：,11,t课件,硬度,定义：金属材料抵抗局部变形、压痕的能力，称为硬度。 它是金属材料在静载时所表现出的机械性能。内涵：硬度是衡量金属软硬的判据。测定方法：在硬度计上测定。布氏硬度法洛氏硬度法维氏硬度法,12,t课件,布氏硬度（HB）,测试原理：（1）以直径为D 的淬火钢球或硬质合金球，在载荷F的静压力下，压入被测材料的表面；（2）停留若干秒后，卸去载荷；（3）测出压痕直径d，并根据d的数值查出HB值。,d,13,t课件,布氏硬度（HB）,优点：硬度值较稳定，测试数据重复性好，准确度较洛氏硬度法高。缺点：测量费时，且因压痕较大，不适于成品检验，太薄太硬（450HB）的不适合。名称、符号、定义、方法、单位,14,t课件,洛氏硬度（HR）法,测试原理：（1）以顶角为120金刚石圆锥体（或1.588mm淬火球）为压头（根据材料不同情况），在规定的载荷下，垂直地压入被测金属表面；（2）卸载后依据压入深度h，由刻度盘上的指针直接指示出HR值。,15,t课件,优点：测试简单、迅速，压痕小，可用于成品检验。缺点：重复性较差，必须在不同部位测量数次。,16,t课件,韧性,定义：金属材料断裂前吸收的变形能量。评价指标：冲击韧度 。测定方法：采用摆锤式冲击试验机测定。,17,t课件,韧性,原理：（1）将带缺口的标准 冲击试样放在试验机上（2）用摆锤将其一次冲断（3）以试样缺口处单位截面积上所吸收的冲击功表示冲击韧度，即：,18,t课件,疲劳强度,疲劳断裂：当零件在疲劳载荷（周期性或非周期性动载荷）作用下发生断裂时，其应力往往大大低于该零件材料的强度极限，称该断裂为疲劳断裂。区别屈服、抗拉强度静载荷,19,t课件,疲劳强度,疲劳曲线：金属材料所承受的疲劳应力与其断裂前的应力循环次数的关系。疲劳极限或疲劳强度：金属材料在无数次循环载荷作用下不致引起断裂的最大应力。,当应力按正弦曲线对称循环时，疲劳强度以符号 表示。,原因：金属材料存在内部缺陷或零件局部应力集中产生裂纹。,20,t课件,思考： 1 疲劳曲线的水平部分说明什么？ 2 工业实际中，无数次循环载荷作用怎么体现？各种材料有相应的循环次数 3 通常的钢材是以多少次循环载荷来决定疲劳极限（疲劳强度）？,21,t课件,金属材料的物理、化学及工艺性能,物理性能密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。化学性能主要是指在常温或高温时，抵抗各种介质侵袭的能力，如耐酸性、耐碱性和抗氧化性等。,22,t课件,金属材料的物理、化学及工艺性能,工艺性能是金属材料物理、化学性能和力学性能在加工过程中的综合反映，是指是否易于进行冷、热加工的性能。按工艺方法的不同，可分为铸造性、可锻性、焊接性和切削加工性等。,23,t课件,小结,本章重点是金属材料的力学性能力学性能方面各种性能（强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度）的名称、定义、符号、单位拉伸曲线、硬度测试方法、疲劳曲线,24,t课件,第二章 铁碳合金,定义：合金以一种金属为基础加入其它金属或非金属，经过熔合而得到的具有金属特性的材料，称为合金。铁碳合金以铁、碳为主要组成的合金。如钢和铸铁都是以铁为基础的铁碳合金，其中铁的含量占95以上。,25,t课件,第二章 铁碳合金,主要内容：纯铁的晶体结构及其同素异晶转变铁碳合金的基本组织铁碳合金状态图工业用钢简介零件选材原则,26,t课件,第一节 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,对金属结晶过程的了解（液态转变为固态）金属结晶过程所涉及的几个基本概念 过冷、过冷度、自发晶核、非自发晶核、晶粒粗细（影响材料性能）对纯铁晶体结构的了解同素异晶的概念,27,t课件,纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,金属结晶的基本概念定义：金属原子的聚集状态由无规则的液态，转变为规则排列的固态晶体的过程，可用冷却曲线来表达。结晶温度：每种金属的固定熔点，即结晶温度t0，通常称理论结晶温度（特殊条件）。,28,t课件,金属结晶的基本概念,冷却曲线：表示金属冷却到某一温度时，冷却时间增加而温度不再下降，出现一个水平台阶， 其对应温度 为实际结晶 温度。,29,t课件,金属结晶的基本概念,过冷：实际结晶温度低于理论结晶温度（平衡结晶温度）的现象。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。为什么强调过冷和过冷度的概念？对金属结晶过程和晶粒的大小有重要影响。,冷却速度 实际结晶温度 过冷度,30,t课件,金属的结晶过程,金属的结晶过程：晶核的形成晶核的长大晶核的形成：液态金属冷却到一定温度时，部分原子开始按一定规则排列，形成细小的晶胚，部分尺寸较大的晶胚形成继续结晶的核心（晶核,晶核的成长,31,t课件,纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,晶核的形成方式：自发晶核：液态金属原子自发形成的晶核。非自发晶核：实际结晶过程中，金属液体中的某些杂质也能成为金属结晶核心而形成晶核。如人工加入非自发晶核物质，称人工晶核。材料中形成的晶核数量越多（原子数量一定）则结晶后的晶粒越细小。,32,t课件,金属的结晶过程,晶核的长大：晶核在冷却过程中不断集结液体中的原于而逐渐长大，同时新的晶核也不断形成和长大，直至由晶核长大形成的晶粒彼此接近，液态金属逐渐消失而完成结晶。,结晶过程示意图,33,t课件,纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,晶核长大的实质：液体原子向固态晶核表面集结迁移，形成晶粒。,结晶过程示意图,34,t课件,纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,晶粒的大小及其控制晶粒大好？小好？晶粒小、晶界多且方向各异、塑性变形阻力大、机械性能增高（强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度）,35,t课件,纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,晶粒的大小取决于：晶核形成的多少 单位时间内晶核的形成多，晶粒数量多，最终形成许多细小的晶粒。晶核的成长速度速度越快，晶粒越粗。过冷度增加，形核率与成长率增加，但形核率远大于成长率，晶粒细。,36,t课件,关注“过冷度”的原因是由于其与晶粒的大小相关，而晶粒大小又与材料的强度、硬度等机械性能相关。晶粒越小，晶粒之间晶界的强度越高，材料的力学越高，所以晶粒越小越好。哪些因素会影响晶粒的大小？,37,t课件,晶粒的大小及其控制,细化晶粒的方法加快冷却速度 冷却速度愈大，过冷度越大，晶核形成速度大于晶核的成长速度，晶粒细小。变质处理 在液态金属内加入某种难熔杂质，直接形成晶核，或使晶核加速形成，晶核数量增加，细化晶粒。促使结晶时液态金属流动 电磁搅拌、机械振动和离心浇注等，液态金属流动加快，晶核形成率提高，生长的晶体破坏，晶粒细化。,用细化晶粒强化金属的方法，称为细晶强化,38,t课件,思考：1 晶粒大小对材料性能有何影响？晶粒大好还是晶粒小好？2 在结晶过程中哪些因素能带来小晶粒？3这些因素与过冷度有何关系？,39,t课件,纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,纯铁的晶体结构晶体与非晶体 晶体是由原子按一定规则排列，如金属及其合金及大多数矿物。非晶体的原子排列较不规则， 如玻璃。,40,t课件,纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,晶格、晶胞和晶格常数晶格：假设将原子抽象为一个结点，用假想的直线连接结点，形成空间格架。晶胞：把晶格中具有空间排列特征的最小几何单元,41,t课件,纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,晶格常数：晶胞三个棱边的长度称为晶格常数，用a、b、c表示，棱边之间的夹角用 来表示。,42,t课件,常见金属的晶格类型,体心立方立方体8个顶角和立方体中心各有1个原子，晶胞实有原子数为2个，致密度68。面心立方8个顶角和6个面的中心都各有1个原子，晶胞实有原子数为4个，致密度74有什么意义？同样材料有不同结构，密度不同，结构转化时有体积变化。,43,t课件,纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,纯铁的同素异晶转变定义：随着温度的改变，固态金属晶格由一种转变为另一种晶格的变化。晶体结构改变结晶过程温度不变,纯铁的同素异晶转变,44,t课件,纯铁的同素异晶转变,纯铁冷却曲线（三个平台）1538 ，纯铁由液态到固态的结晶阶段，体心立方晶格， 铁1394 ，晶格转变为面向立方晶格， 铁912 ，晶格再次转变为体心立方晶格， 铁,纯铁的同素异晶转变,45,t课件,铁的同素异晶转变-固态下原子重新排列的过程（重结晶）,实质：遵循晶核形成和长大的结晶过程，为了区别由液态转变为固态的初次结晶，将同素异晶转变称作二次结晶或重结晶（固态下的转变）。实验中发现温度变化过程中，体积发生改变，进而研究内部分子结构变化，发现金属的同素异晶转变。,46,t课件,铁的同素异晶转变-固态下原子重新排列的过程,与结晶（液态下进行）的区别：同素异晶转变时，其新相的晶核在特定的晶面上形成。固态转变比结晶转变具有较大的过冷倾向。后者低于20度，前者达几百度。同素异晶转变易于造成较大的内应力（晶体结构不同，引起密度变化，引起体积变化）。,47,t课件,小结过冷的概念及对材料性能的影响结晶过程晶粒的概念及其大小对材料性能的影响细化晶粒的方法铁的同素异构转变的概念及其特点,48,t课件,铁碳合金的基本组织,概念较多基本脉络：铁碳合金的组织分为三类：固溶体、金属化合物、机械混合物每一类又分为若干的“体”,49,t课件,铁碳合金的基本组织,合金的基本概念合金两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素熔合在一起，构成具有金属特性的物质，称为合金。如铁和碳组成的铁碳合金有碳素钢、铸铁等；铜和锌组成的合金有黄铜等。,50,t课件,铁碳合金的基本组织,合金的基本概念组元组成合金的最简单、最基本、能独立存在的物质称作组元。合金中的稳定化合物（如Fe3C）也可称作组元。相在合金中，凡化学成分和晶格构造相同、并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。,51,t课件,铁碳合金的基本组织合金的基本概念,同种金属的同素异构体之间属同一种相吗？合金中由成分、结构相同的同一种晶粒组成的多晶体组织，虽然晶粒间有界面，仍为同一种相。（区分界面的概念，多晶体有许多晶粒，每个晶粒的化学成分、内部晶体结构相同）,52,t课件,铁碳合金的基本组织,合金的基本概念组织用肉眼或用放大镜、显微镜能观察分辩的材料内部微观形貌图象。组织可分为三大类：固溶体金属化合物机械混合物,53,t课件,铁碳合金的基本组织,铁碳合金的组织固溶体：溶质原子溶入溶剂晶格而保持溶剂晶格类型的金属晶体。（借用液体概念）金属化合物：各组元按一定的整数比结合而成、并具有金属性质的均匀物质，属于单相组织。(原子数量有一定比例关系)机械混合物：由结晶过程所形成的两相混合组织，可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合，也可以是它们之间的混合。,54,t课件,固溶体（单相组织）,种类：根据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同，分为置换固溶体和间隙固溶体。,55,t课件,固溶体（单相组织）,置换固溶体：当溶质原子代替了一部分溶剂原子、占据溶剂晶格的某些结点位置时。间隙固溶体：当溶质原子在溶剂晶格中不是占据结点位置，而是嵌入各结点之间的空隙时，所形成的固溶体。,56,t课件,固溶体,固溶强化：由于形成固溶体而引起强度提高的现象。固溶强化实质：溶质原子溶入溶剂晶格，使晶格发生畸变提高合金的强度、硬度。,57,t课件,思考：工业上通过工件表面的渗碳、渗氮等强化表面的强度、硬度，其原理是什么？,58,t课件,固溶体（学习两类）,铁素体定义：溶解于 中形成 的固溶体，呈体心立方晶格 通常以符号 F 表示。特点：溶碳能力极小，固溶强化作用甚微。其强度、硬度低，塑性、韧性好。,晶格示意图,59,t课件,固溶体,奥氏体定义：碳溶入 中 形成的固溶体为奥氏体， 呈面心立方晶格（A）特点：溶碳能力较铁素体高，但还不能很有效提升强度和硬度。一般来说，其强度、硬度不高；但塑性优良（热变形加工）。,晶格示意图,60,t课件,金属化合物,定义：各组元按一定的整数比结合而成、并具有金属性质的均匀物质，属于单相组织。特点：具有复杂的晶格，熔点高，硬而脆。,61,t课件,金属化合物（只学习一类）,渗碳体特点：硬度极高，而塑性、韧性极低。伸长率和冲击韧度接近于零。渗碳体在一定条件下可发生分解，形成石墨。其反应式为：,62,t课件,铁碳合金的基本组织,比较固溶体和金属化合物的特点，其机械性能差异很大，占据两极端（极软、极硬）。那么第三类，机械混合物又有着怎样的特点呢？,63,t课件,机械混合物（学习两类）,定义：由结晶过程所形成的两相混合组织，可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合，也可以是它们之间的混合。（混合比例不同）特点：性能介于各组成相之间，它不仅取决于各相的性能和比例，还与各相的形状、大小和分布有关。,64,t课件,机械混合物（学习两类）,珠光体定义：铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P或（FFe3C）表示。特点：抗拉强度高、硬度较高，且仍有一定的塑性和韧性。在显微镜下呈片状。FFe3C混合后形成了中和的性能。,65,t课件,35钢的显微组织中，黑色部分即为固溶体与Fe3C组成的机械混合物，珠光体（P）组织。将黑色部分放大，其中白色基体是Fe与C形成的固溶体铁素体（F）， 黑色条纹为渗碳体（Fe3C）,66,t课件,机械混合物,莱氏体Ld定义：奥氏体（高温存在）和渗碳体组成的机械混合物称高温莱氏体，用符号或（A+ Fe3C ）表示。特点：性能与渗碳体相近，即极为硬脆。,67,t课件,机械混合物,低温莱式体 Ld高温莱氏体冷却到727C以下时，其中 A 将转变为珠光体（ P FFe3C ） 和（原有）渗碳体机械混合物（PFe3C ）。特点：性能与渗碳体相近，即极为硬脆。,68,t课件,思考：1 铁碳合金的三类组织：固溶体、金属化合物、机械混合物有硬有软，“谁”硬“谁”软？2 铁碳合金的组织有哪些？性能如何？之间有何联系？3 机械混合物中的“体”分别是“谁”和“谁”的混合？,69,t课件,小结合金的基本概念（合金、相、组元、组织）合金组织的基本类型（固溶体、化合物、机械混合物）固溶强化概念与作用铁碳合金的基本组织（名称、类型、特点）,70,t课件,第三节 铁碳合金状态图,状态图表示不同成分和温度时的组织状态关系的图形。根据前面所学铁碳合金的基本组织类型和特点，根据此图可以知道在什么温度和成分条件下，可以获得什么样的组织和性能的材料。坐标含义：温度、成分。,71,t课件,状态图不同成分的铁碳合金在缓慢加热、冷却条件下，不同温度时的组织状态。,72,t课件,73,t课件,铁碳合金状态图的分析重点：,4个基本相：液相（L）奥氏体相（A）铁素体相（F）渗碳体相（Fe3C）,L,A,F,Fe3C,74,t课件,铁碳合金状态图6条特性线的分析ACD线：即液态线，当铁碳合金冷却到此线开始结晶，在此线以上是液相区。AECF线：即固态线，当铁碳合金冷却到此线将全部结晶为固态，在此线以下是固相区。,75,t课件,ES线：A cm线，是碳在奥氏体中的溶解度曲线。随着温度的下降，碳在奥氏体中的溶解度减小，将由奥氏体中析出渗碳体。GS线：A 3线，是从奥氏体中析出铁素体的开始线。,76,t课件,PSK线：也叫共析线，铁碳合金冷却到此线时，在恒温(727 C)下，珠光体P析出，称为共折反应。,A,F,727 C,77,t课件,ECF线：铁碳合金冷却到此线时，在恒温(1147C)下，将从液体中结晶出莱氏体Ld，称共晶反应。,78,t课件,79,t课件,学习重点：,铁碳合金的分类（根据含碳量不同） 要求：记住具体的分界点处的含碳量掌握铁碳合金相图分界点的含义。不同成分，组织、性能不同。,80,t课件,铁碳合金状态图铁碳合金的分类（按含碳量不同）,钢：含碳量小于2.11的铁碳合金亚共析钢0.77,铸铁：含碳量2.116.69的铁碳合金亚共晶铁含碳量4.3（主要分界点要记住）,81,t课件,铁碳合金相图应用,材料组织及性能的分析,82,t课件,含碳量与铁碳合金组织及性能的关系,铁碳合金室温组织由F和Fe3C两相组成，含碳量不同，组织中两相的相对数量、分布及形态不同，所以不同成分的铁碳合金具有不同的性能。 1. 铁碳合金含碳量与组织的关系在铁碳合金中，碳主要以渗碳体的形式存在。含碳量增加，渗碳体相对量随之增加。渗碳体类型、形态和分布不同，从而组成了不同的组织。,83,t课件,室温铁碳合金含碳量与相和组织的关系,1. 铁碳合金含碳量与组织的关系,84,t课件,2. 铁碳合金含碳量与力学性能的关系,随含碳量增加，钢的强度和硬度增加，塑性韧性下降。但当c = 0.9%时，由于网状渗碳体的出现使钢的强度开始降低。,85,t课件,铁碳合金相图的应用,1. 选材,根据机械零件性能要求，选择合适的材料。,要求塑性好、韧性高的材料，可选用低碳钢；例：冲压件通常使用含碳量小于0.25%的钢板。,要求强度、硬度、塑性都好的材料，选用中碳钢；例：重要的轴类零件通常使用含碳0.4%左右的钢。,要求硬度高、耐磨性好的材料可选用高碳钢；例：各种工具、刃具、模具常采用共析或过共析钢。,86,t课件,2.铸造,由FeFe3C相图可知，共晶成分的铁碳合金的熔点最低，结晶温度范围最小，因此， 具有良好的铸造性能。,在实际铸造生产中，常选用接近共晶成分的铸铁来生产铸件。,87,t课件,3. 压力加工,钢材的锻压、轧制均选择在奥氏体区范围进行。一般始锻（轧）温度控制在固相线以下100200。,白口铸铁因含有大量的共晶渗碳体硬而脆，且无法得到单一的A组织，不能锻压成型。,88,t课件,4.焊接,低碳钢具有良好的焊接性能 ，高碳钢和铸铁会在焊接中形成脆硬的组织而出现裂纹。,通常用于焊接的钢材是低碳钢。,5.热处理,利用FeFe3C相图制定热处理工艺中退火、正火、淬火温度 。,89,t课件,小结,铁碳合金相图的概念和分析铁碳合金的分类铁碳合金含碳量与组织关系含碳量对材料组织和性能的影响铁碳合金相图的应用,90,t课件,第四节 工业用钢简介,学习要求：钢的基本分类碳素结构钢牌号的含义对钢中的有害元素及有益元素的了解,91,t课件,第四节 工业用钢简介,92,t课件,工业用钢简介,碳钢 含碳量小于2.11的铁碳合金，实际中含碳量都小于1.5。合金钢含有合金元素的钢。常用元素有锰、硅、铬、镍、钼、钛等。（含碳吗？）,93,t课件,工业用钢简介,碳钢中的常存杂质元素及其作用硅和锰 有益元素。益于脱氧和合金化，人为加入，含量低，影响小。硫和磷 有害元素。使材料脆化。通常以硫、磷含量来划分钢的质量等级。氧、氢和氮 有害元素，使钢的塑性、韧性和疲劳强度急剧降低，严重时会造成裂纹、脆断。（渗氮降低塑性，表面一层高的硬度）,94,t课件,思考：1哪些元素有益，哪些元素有害？2有害元素影响材料何种性能？,95,t课件,工业用钢简介,碳钢 碳钢的分类、牌号和用途按质量分类（主要按元素硫和磷含量）普通钢S=0.050，P=0.045%优质钢S=0.035，P=0.035%高级优质钢S （P） =0.030,96,t课件,碳钢的分类、牌号和用途按含碳量（形成性能与含碳量关系的概念） 低碳钢0.080.25，塑性好，冲压、焊接和渗碳工件；中碳钢0.250.60，强度、韧度较高，热处理后性能良好，各种重要结构零件。高碳钢0.601.5，硬度较高，工具、模具和量具工件。（超过1.5%，脆，无使用价值）,97,t课件,碳钢 碳钢的分类、牌号和用途按用途 碳素结构钢，建筑、化工等工程结构和各种机械零件；碳素工具钢，刀具、量具和模具等；专用钢，如压力容器钢等。,98,t课件,按钢液脱氧程度（氧为有害元素）沸腾钢（F）脱氧不完全，组织不致密，成分不均匀，性能较差；镇静钢（Z）脱氧完全，组织致密，成分均匀，性能较好；半镇静钢（b）介于沸腾钢和镇静钢之间,99,t课件,工业用钢简介,碳钢 碳钢的分类、牌号和用途碳素结构钢，Q屈服强度，如Q235,100,t课件,碳钢碳钢的分类、牌号和用途,优质碳素结构钢，两位数字（平均含碳量的万分数），如08；低碳钢如08等，塑性好，焊接性好，强度、硬度低，焊接结构件和容器等。碳含量0.150.25的渗碳钢，承受冲击载荷、表面要求耐磨而强度要求不太高的零件，如活塞销等。渗碳后需淬火、回火处理。,101,t课件,碳钢碳钢的分类、牌号和用途,优质碳素结构钢，两位数字（平均含碳量的万分数），如08；中碳钢0.300.55，珠光体含量增多，强度和韧度较好，热处理后性能好，广泛用作重要机械零件，如齿轮等。高碳钢0.600.70，弹簧、弹性垫圈等弹性零件。,102,t课件,碳钢的分类、牌号和用途,碳素工具钢 T数字（含碳量千分数）如T8含碳量高达0.71.35，共析或过共析钢，淬火后高硬度和耐磨性，常用作锻工、木工、钳工工具和小型模具。,103,t课件,碳钢的分类、牌号和用途,铸钢 ZG（含碳量万分数数字）屈服强度抗拉强度，如ZG200400，含碳量高达0.150.6 。应用：形状较复杂而难于锻压成形，但对强度、韧度要求又较高的工件，如压力机械机座等。,104,t课件,合金钢（加入合金元素，改进钢组织、性能）,合金元素在钢中的作用强化 溶入铁素体，形成固溶强化；生成合金碳化物，形成强化相；细化晶粒，形成细晶强化，提高合金钢强度、硬度等。,105,t课件,钢铁材料及其在汽车上的应用,106,t课件,碳素结构钢,特点：较高的强度，良好的塑性和韧性，优良的工艺性能（焊接性、冷变形成形性）。应用：通常用于桥梁建筑等工程构件及机械零件。在汽车零部件中的有螺钉、螺母圈、车厢板件、发电机支架等。,107,t课件,优质碳素结构钢,10、10F：制造机械零件。20、15F：拉杆、轴套、螺钉、起重钩等；不重要的轴、齿轮、链轮等35：如转轴、曲轴、轴销、拉杆、连杆、横梁、轮圈、垫圈、螺钉、螺母、飞轮等40：轴、曲柄销、传动轴、活塞杆、连杆等45：齿轮、轴等零件,108,t课件,优质碳素结构钢,55：齿轮、连杆、扁弹簧及轧辊等65：制造气门弹簧、弹簧圈、轴、轧辊、各种垫圈、凸轮及钢丝绳等70：用于制造弹簧,109,t课件,碳素工具钢几种常用碳素工具钢性能及用途,T7：扁铲、手钳、大锤、改锥T8：冲头T10、T10A：凿岩工具T11、T11A：车刀、刨刀、冲头、丝锥、钻头、手锯条T12、T12A：锉刀、刮刀、量具T13、T13A：刮刀、剃刀,110,t课件,铸造碳素钢几种常用铸钢的性能和用途,ZG200400：机座、变速器壳体等ZG230450：外壳、轴承座、底板、箱体等ZG270500：轴承座、连杆、箱体、曲轴、缸体、飞轮等,111,t课件,合金钢（加入合金元素，改进钢组织、性能）,合金元素在钢中的作用稳定组织、细化晶粒 合金元素溶入铁素体或奥氏体，提高其稳定性；抑制奥氏体晶粒长大。提高淬透性 可在较低的冷却速度下获得马氏体，提高淬透性。,112,t课件,合金结构钢 数字（碳含量万分数）元素符号（合金元素）数字（元素含量百分数，小于1.5不标），如60Si2Mn。合金工具钢 数字（碳含量千分数，大于1不标） 元素符号数字（合金含量百分数，小于1.5不标），如9Mn2V。特殊性能钢（不锈钢、耐热钢、耐磨钢），数字（碳含量千分数，大于1不标） 元素符号数字（合金含量百分数，小于1.5不标），如1Cr13等。,合金钢的分类、牌号,113,t课件,低合金结构钢 低碳钢加合金元素，强度提高1030，塑性韧性足够，不用热处理。如09MnV、16Mn等，广泛用于石油、化工、建筑等。较高合金结构钢，主要用于重要的机械零件、承受冲击载荷和摩擦磨损、弹性件、轴承等。,合金钢合金钢的用途,114,t课件,合金钢合金钢的用途,特殊性能钢（不锈钢、耐热钢、耐磨钢），数字（碳含量千分数，大于1不标） 元素符号数字（合金含量百分数，小于1.5不标），如1Cr13等。不锈钢（耐酸、碱、盐、活性气体等腐蚀，化工设备）耐热钢（高温时抗氧化、热强性，化工设备广泛使用）,115,t课件,第五节 零件选材的一般原则,应能满足零件的工作要求应能满足工艺性能要求必须重视材料的经济性,116,t课件,小结工业用钢的分类钢中杂质元素的作用合金元素在钢中的作用各类钢的名称、牌号、特点、应用,117,t课件,第三章钢的热处理,学习要求：热处理的实质（三段）与目的（改变性能）几种典型的热处理的定义及作用回火的三种类型的各自效果,118,t课件,第三章钢的热处理,定义：将钢在固态下通过不同的加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。,加热温度？保温作用？冷却方式？,119,t课件,钢的热处理常用方法,普通热处理,表面热处理,碳氮共渗,渗氮,渗碳,化学热处理,表面淬火,回火,淬火,正火,退火,热处理,120,t课件,钢的热处理,热处理时各临界点位置铁碳合金状态图中的各临界点是理论值（极其缓慢的冷却或加热下测定）。,121,t课件,钢的热处理,实际中，钢的加热和冷却在一定的速度下进行，有过冷或过热现象。实际临界点加注小写字母“c”或“r”。,122,t课件,钢的热处理,钢在热处理中的组织转变加热时的转变奥氏体（A）的形成；冷却时的转变（等温冷却）奥氏体（A）的分解；冷却时的转变（连续冷却）奥氏体（A）转变为马氏体（M）；淬火钢在回火时的转变。,123,t课件,钢的热处理原理,钢在加热时的组织转变（一般性了解）奥氏体的形成（再结晶）机理：共析钢加热到Ac1或Ac1以上，珠光体向奥氏体转变。,124,t课件,钢的热处理原理,奥氏体的形成阶段：奥氏体晶核的形成铁素体相与渗碳体相的交界面上。奥氏体晶粒的长大晶核附近的铁素体逐渐向奥氏体转变，渗碳体也同时向奥氏体中溶解，奥氏体长大。,125,t课件,奥氏体的形成阶段：剩余渗碳体的溶解渗碳体溶解较慢，铁素体全部转变为奥氏体后，奥氏体晶粒内有少量未溶渗碳体，并最终溶入奥氏体。奥氏体的均匀化由铁素体转变的部分含碳量较低，原渗碳体含碳量较高，奥氏体中碳原子由高碳向低碳扩散，逐渐均匀。,126,t课件,钢的热处理原理奥氏体等温转变曲线,127,t课件,钢的热处理原理,钢在连续冷却时的组织转变较等温曲线没有贝氏体组织,退火正火淬火,128,t课件,钢的热处理原理,钢在连续冷却时的组织转变（以共析钢为例）过冷奥氏体的连续冷却转变产物炉冷转变为珠光体空冷转变为索氏体（细小珠光体）油冷转变为屈氏体（更细小珠光体）和马氏体Vk临界冷却速度，= Vk（如水冷）抑制珠光体，转变为马氏体。,129,t课件,小结热处理工艺过程热处理目的、原理和实质热处理工艺过程的组织转变,130,t课件,退火和正火,退火定义：将钢加热、保温，然后随炉冷却或埋入灰中使其缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。,131,t课件,退火和正火,退火目的：降低硬度、消除残余应力、细化晶粒、预备热处理。工艺方法完全退火球化退火低温退火,132,t课件,退火和正火,完全退火方法：将亚共析钢加热到Ac3以上3050，保温后缓慢冷却。原理：加热到Ac3以上，呈完全奥氏体状态。经过缓慢冷却时，重结晶获得细小晶粒，并清除内应力。,133,t课件,退火和正火,完全退火热处理后组织：得到平衡组织铁素体奥氏体。应用场合：用于亚共析钢和合金钢的铸、锻件，目的是细化品粒，消除应力，软化钢。缺点：费时、效率低，常被正火替代。,134,t课件,135,t课件,退火和正火,球化退火方法：将过共析钢加热到Ac1以上 2030 ，保温后随炉冷却到700左右，再出炉空气冷却。原理：钢加热到Ac1以上时，初始形成的奥氏体及其晶界上存有少量未熔渗碳体。在冷却中，渗碳体呈球状析出，分布在铁素体基体上，称为球化体。,136,t课件,退火和正火,球化退火热处理后组织： 在铁素体基体上均匀分布球状渗碳体组织。应用场合： 用于共析和过共析成分的碳钢和合金钢，消除粗片珠光体，球状渗碳体形成，能降低硬度，改善切削加工性能。,137,t课件,退火和正火,低温退火（去应力退火） 方法：将钢加热到Ac1以下，保温后缓冷。热处理后组织：由于加热温度低于临界温度，钢未发生组织变化，目的是消除内应力。,138,t课件,退火和正火,低温退火（去应力退火）应用场合： 当退火用于消除工件内应力时，称去应力退火。用于部分铸件、锻件及焊件和去除粗加工所产生的内应力。当退火用于消除冷变形所产生的加工硬化时，称再结晶退火。可以获得均匀细小的等轴晶粒，从而降低硬度，恢复塑性，以便继续冷变形。,139,t课件,退火和正火,正火 定义：将钢加热到Ac3以上3050 或Acm 以上3050 ，保温后在空气中冷却的热处理工艺。原理：将钢加热到奥氏体区，使钢进行重结晶（细化晶粒），从而解决铸钢件、锻件的粗大晶粒和组织不均问题。正火比退火的冷却速度稍快，所形成的（FeFe3C）机械混合物比退火得到的珠光体片层更薄，称为莱式体。,140,t课件,退火和正火,正火热处理后组织：可细化普通结构钢晶粒；使共析钢获得莱氏体组织；对过共析钢，可以消除二次渗碳体网。应用场合： 取代部分完全退火。用于普通结构件的最终热处理。用于过共析钢，以减少或消除网状二次渗碳体，为球化退火准备。,141,t课件,思考：退火与正火在冷却方式上的区别是什么？三种退火方式适用于不同的目的，从对材料性能的影响方面有什么共同效应？正火使钢重结晶，细化晶粒，降低硬度，调整材料的塑性韧性。退火降低硬度，增加塑性韧性。,142,t课件,淬火和回火,淬火 定义：将钢加热到Ac3以上3050 ，保温后在淬火介质中快速冷却以获得马氏体（碳在F中过饱和固溶体，使铁素体晶格发生严重的畸变，提高强度，耐磨性提升）组织的热处理工艺。,143,t课件,淬火和回火,淬火原理：共析钢加热到Ac1以上，全部转化为奥氏体。快速冷却时，奥氏体发生-Fe向-Fe的同素异晶转变，而-Fe中的过饱和碳原子在低温下却难以从晶格内扩散出去，形成碳在-Fe中的严重过饱和固熔体，称马氏体（M）。M不稳定组织，具有重新转变为稳定组织的趋势。,144,t课件,淬火和回火,淬火热处理后组织：亚共析钢为细小马氏体组织；过共析钢为马氏体和颗粒状二次渗碳体组织。应用场合：提高钢件的硬度和耐磨性，是强化钢材最重要的热处理方法。,145,t课件,淬火,降低淬火内应力措施（马氏体比容比奥氏体大）淬火温度：温度不足，未完全形成奥氏体，转化马氏体后，残余铁素体，硬度不足；温度过高，奥氏体晶粒大，马氏体晶粒也大，钢的脆性增加，易产生裂纹、变形。,146,t课件,淬火,淬火介质：水，冷却能力强，易获得马氏体，但内应力大，易产生裂纹、变形；油，冷却能力较低，不易裂纹、变形，但马氏体转变不充分。碳钢，水冷；合金钢，油冷。,147,t课件,淬火,淬火方法：单介质淬火，一种冷却介质中冷却至相变结束，操作简便，易实现机械化和自动化，但淬火应力较大，变形开裂倾向大；双介质淬火，先入冷却力强的介质中，快冷至稍高于马氏体转变温度时，立即转入冷却力较弱的另一介质中，在较低冷速下进行马氏体转变，难以控制转换介质的温度或时间；,148,t课件,淬火,淬火方法：单介质淬火双介质淬火分级淬火，先放入接近马氏体转变温度的熔盐或熔碱中，保温后再在空气中冷却。具有双级淬火的优点，又易于控制和操作，应力和变形也较小，但受熔盐冷却能力的限制，工件尺寸不能太大。,149,t课件,淬火和回火,回火 定义：将淬火钢加热到Ac1以下某温度，保温后冷却的热处理工艺。淬火的后续工序。原理：淬火所形成的马氏体是在快速冷却条件下强制形成的不稳定组织，具有重新转变成稳定组织的自发趋势。回火时，重新加热，原子活动能力加强，随温度升高，马氏体中过饱和的碳以碳化物形式析出。,150,t课件,淬火和回火,回火应用场合：低温回火（150250），各种工模具及渗碳或表面淬火的工件。中温回火（350500），各种弹簧等。高温回火（500650），“调质处理”，各种工模具及渗碳或表面淬火的工件。,151,t课件,思考：1材料淬火后为什么会有内应力？（从奥氏体变为马氏体，材料体积有变化）2淬火后为什么都需要回火？（M不稳定，用回火获得稳定组织，低温回马式体硬度高、中温回曲式体韧性好、高温回索式体综合性能）3不同的回火各自的用途是什么？硬度、强度，塑性、韧性的要求。,152,t课件,表面淬火,表面淬火 定义：将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。原理：通过快速加热，使钢件表面层很快达到淬火温度，在热量来不及传到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。,153,t课件,表面淬火,表面淬火应用场合： 表面耐磨，不易产生疲劳破坏，而心部承受冲击载荷，要求有足够的塑性和韧性的工件。热处理后组织：表层获得硬而耐磨的马氏体组织，心部保持原来塑性、韧性较好的迟火、正火或调质状态的组织。,154,t课件,化学热处理,定义：将工件置于一定的化学介质中加热和保温（目的区别于热处理），使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变工件表层的化学成分和组织，从而获得所需的力学性能和理化性能。主要种类：渗碳渗氮,155,t课件,化学热处理,渗碳：向钢表层渗入碳原子。即把工件放入渗碳气氛中在900950加热、保温，使钢件表面层增碳的过程。目的是使工件在热处理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定强度和较高的韧性。渗氮：向钢表层渗入氮原子。其目的是提高工件表面硬度和耐磨性，以及提高疲劳强度和耐腐蚀性。,156,t课件,思考：1化学热处理有冷却过程吗？2化学热处理与固溶强化有何关系？固溶强化原理在工业生产中的实际应用。,157,t课件,