1、金属工艺学,184729980| 黄博,规格严格、功夫到家,课程体系,讲授金属零件工艺方法的技术基础课。 热加工，是在较高的温度下将金属软化或熔化处理后再冷却至常温的成形技术（再结晶温度） 对金属进行加热和冷却的过程可人为干预或控制，称为热处理。热加工常见的分类有：凝固成形（铸造）、连接技术（焊接）、塑性成形（锻造和冲压）。 热加工成形过程中，模具起着极其重要的作用，从而又衍生出了模具设计和加工技术。 冷加工，通常指金属的切削加工： 即用切削工具从金属材料（毛坯）或工件上切除多余的金属层，从而使工件获得一定形状、尺寸精度和表面粗糙度的加工方法。 车削、铣削、刨削、磨削、镗削、拉削、钻削和插削等
2、加工方法。,欲讲授的知识,1、金属材料基本知识 2、热加工： 铸造 塑性加工：锻、冲、轧等。 焊接 3、冷加工（切削加工）： 切削、机床、常用切削方法 特种加工 典型表面加工 工艺过程及零件结构工艺性分析,第一部分,金属材料基本知识,1.1 金属材料的主要性能,力学性能（机械性能） 强度与塑性(衡量材料的静载荷作用下力学性能） 硬度(衡量材料的静载荷作用下力学性能） 韧性(衡量材料的动载荷作用下力学性能） 疲劳强度(衡量材料的交变载荷作用下力学性能） 物理性能 密度、熔点、热膨胀、导热、导电、导磁性等 化学性能 耐酸、耐碱、耐腐蚀、耐高温 工艺性能 加工中的综合反应：铸造性、可锻性、焊接性、切
3、削加工性等,1.1.1 金属材料的力学性能,静载时材料的力学性能 静拉伸试验（弹性和刚度、也就是强度与塑性） 硬度（布氏硬度、洛氏硬度） 动载时材料的力学性能 冲击韧性（K） 疲劳强度 高温力学性能（蠕变、其它力学性能） 断裂韧性,7,1）力学性能之弹性和刚度(反之则塑性),标准拉伸试样,1.1.1 金属材料的力学性能,1线弹性阶段：拉伸曲线中OA段表示材料的线弹性阶段。 试样的变形随着载荷的增大而增大，两者成线性关系。 该阶段变形是完全弹性变形，无任何残余变形（塑性变形） 此阶段中材料的应力与应变关系呈线性关系。 2屈服阶段：当载荷增加到一定数值时，在低碳钢拉伸曲线上出现水平平台或锯齿现象。
4、 这种载荷保持不变或在一定范围内波动，而变形继续增加的现象称为屈服现象。 一些低碳钢材料存在上屈服极限和下屈服极限。一般屈服极限都是指下屈服极限。下屈服极限是屈服阶段中应力的最小值。 材料屈服时将产生不能消失的塑性变形，因此工程中将此定义为材料的破坏。 屈服应力称为屈服极限,用s表示，是表征材料抵抗破坏能力的重要强度指标 。,1.1.1 金属材料的力学性能,工程中利用冷作硬化工艺的例子很多(利弊参半，合理利用），把钢筋预拉超过屈服极限、构件表面进行喷丸处理等，均能提高材料屈服极限，亦即提高材料抵抗破坏的能力。 拉伸曲线最高点C点对应的载荷为材料的强度载荷，用b表示，此时对应的应力称为强度极限或
5、抗拉极限。 4颈缩阶段：拉伸曲线中的CD段表示材料的颈缩阶段。 载荷达到最大值后，变形多集中在局部，此处伸长和横向收缩的速度比其他地方要快，成为颈缩。 由于颈缩使横截面积减小，试样承载能力下降，最后导致断裂。 断裂后试样的弹性变形消失，塑性变形将永远保留在断裂的试样上。 材料的塑性性能通常用伸长率和面积收缩率来表示。,1.1.1 金属材料的力学性能,3强化阶段：拉伸曲线中的BC段表示材料的强化阶段。 材料屈服后，抵抗变形的能力有所增强。因此若使材料继续变形，就要不断增加载荷。 在强化阶段如果卸载，弹性变形会随之消失，但塑性变形将永久保留下来。若卸载后重新加载，材料的比例极限、屈服极限明显提高，
6、而塑性性能会相应下降。这种现象称之为形变硬化或冷作硬化。,10,弹性 E=/ Elastic Modulus， 又称 Young s Modulus（杨氏模量） 材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律）， 应力与应变的比例称为弹性模量 强度 Strength s、屈服点（yeild strength）b、抗拉强度（tensile strength） 塑性 Plasticity 越大相对越好 =(L1-L0)/L0（伸长率） =(F0-F1)/F0（断面收缩率）,1.1.1 金属材料的力学性能,.sigma .epsilon,.delta .psi,11,布氏硬度试验,1.
7、1.1 金属材料力学性能硬度,硬度：材料表面抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕、划痕的能力 硬度直接影响材料的耐磨性，所以刀具、量具、模具等要求高硬度。 硬度过高则切削困难，所以一般都是“先加工，后热处理提高最终硬度”工艺。,传统的布氏硬度计： 淬火钢球压头、HBS、450HBS以下材料； 新型布氏硬度计： 硬质合金球压头、HBW、650HBW,12,洛氏硬度试验Rockwell Hardness,维氏硬度HV 主要用于薄工件或薄表面硬化层的硬度测试，参照GB4340-84 显微硬度HV 用于材料微区硬度(如单个晶粒、夹杂物)的测试，参照GB4342-84 莫氏硬度 一种刻划硬度，用于陶瓷和矿
8、物的硬度测定，如金刚石对应于莫氏硬度10级,1.1.1 金属材料力学性能硬度,当被测样品过小或者布氏硬度（HB）大于450时，就改用洛氏硬度（HR）计量。 试验方法是用一个顶角为120度的金刚石圆锥体或直径为1.59mm/3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕深度求出材料的硬度。 根据实验材料硬度的不同，可分为三种不同标度来表示： HRA采用60Kg载荷和钻石锥，用于硬度较高的材料。例如：硬质合金。 HRB采用100Kg载荷1.58mm钢球用于硬度较低的材料。例如：退火钢、 铸铁等。 HRC 是采用150Kg载荷和钻石锥，用于硬度很高的材料。例如：淬火钢等 HRC适用范围HR
9、C 2067，相当于HB225650； 若硬度高于此范围则用洛式硬度A标尺HRA。 若硬度低于此范围则用洛式硬度B标尺HRB。,1.1.1 金属材料力学性能硬度,14,KUA/S（J/cm2） A为冲断试样的冲击功；S缺口处横截面积 A=(GH1-GH2)9.8 单位：H（m）、A（J）、G（kg）,1.1.1 力学性能冲击韧度KU,15,1.1.1 力学性能疲劳强度,钢铁材料：107次 非铁合金：108次,疲劳强度机械零件在周期性或非周期性动载荷（称为疲劳载荷）的作用下工作发生断裂时的应力，用 表示，该应力往往低于屈服点，这种断裂称为疲劳断裂（约为抗拉强度的一半）,1.1.1 力学性能常用材
10、料,17,高温下： s 、 b 、 E、HRC 降低 屈服强度、抗拉强度、弹性模量、洛氏硬度C等强度指标 、 、 KU 升高 伸长率、断面收缩率、冲击韧度等塑性指标 发生蠕变现象,1.1.1 力学性能高温下,2018年9月23日星期日,18,物理性能： 对工程材料的选用有重要意义； 也对材料的加工工艺产生一定的影响。 （一）密度 （二）热学性能 熔点； 热容； 热膨胀； 热传导 （三）电学性能 电阻率 ； 电阻温度系数； 介电性 （四）磁学性能 磁导率； 饱和磁化强度Ms和磁矫顽力c,1.1.2 金属材料的物理性能,2018年9月23日星期日,19,化学性能： 材料在生产、加工和使用时，均会与
11、环境介质发生化学反应，从而使其性能恶化或功能丧失。 （一）化学腐蚀 （二）电化学腐蚀(三）提高零件耐蚀性的主要措施 工艺性能：易于进行冷、热加工的性能（物理、化学、力学综合反映）分为： 铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性等。,1.1.2 金属材料化学及工艺性能,小结,力学性能（机械性能） 强度与塑性 硬度 韧性 疲劳强度 物理性能 密度、熔点、热膨胀、导热、导电、导磁性等 化学性能 耐酸、耐碱、耐腐蚀、耐高温 工艺性能 上述性能在加工中的综合反应：铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性等,1.2 铁碳合金应用最普遍,纯铁 结晶 晶体结构 铁碳合金基本组织 固溶体 化合物 机械混合物 铁碳合金状态图
12、 状态图的分析 钢在结晶过程中的组织转变,学习“铁碳合金”的思路：铁为什么加碳？铁是什么样？铁和碳在一起有什么形式？铁加多少碳会怎么样？（不同的碳含量在合金中会体现成什么形式？不同温度又会如何？）,1.2.1纯铁的晶体结构及转变,金属在固态下一般都是晶体； 晶体原子在空间呈规律性排列： 在固态时呈规律性排列， 而在液态时金属原子的排列并不规律。 金属的结晶就是金属液转变为晶体的过程。 纯金属的结晶是在一定温度下进行的，在冷却曲线上出现一段水平段， 见图：时间变化，固体增加，但金属的温度并不下降，这是由于金属结晶时放出热量，致使温度不下降。,1.2.1 纯铁结晶若干概念,过冷度： 理论结晶温度和
13、实际结晶温度不一样，实际结晶温度低一些，这种现象叫过冷，温度差叫过冷度 金属结晶过程的基本规律： 晶核不断的形成和长大。 自发晶核形成晶粒 原子自发地聚集在一起形成自发晶核，金属的冷却速度越快，自发的晶核越多 外来晶核形成晶粒 金属液中高熔点杂质起晶核的作用 晶轴晶核形成后会长大，但各方向速度不一样，会形成晶轴，晶轴有一次晶轴，两次晶轴等，呈树枝状长大。,1.2.1 纯铁结晶若干概念,晶粒： 每个晶核长成的晶体称为晶粒； 晶粒的外形是不规则的，晶粒的内部原子排列的位向也各不相同； 晶粒之间的接触面叫晶界（薄弱环节）。 金属晶粒的粗细对金属力学性能影响很大： 一般说，同一成分的金属晶粒越细，其强
14、度越高，硬度也越高，塑性韧性也越好。 晶核越多，晶粒越细。 细化铸态金属晶粒的主要途径： 加快冷却速度，以增加晶核； 变质处理（加孕育剂），以增加外来晶核。 细化固态金属晶粒途径： 热处理、或塑性加工的方法,晶格 晶体中原子用点表示，原子的中心用假想的直线连接，形成的格子。 晶胞晶格中最基本的几何单元。晶胞的边长称为晶格常数，用（埃）度量，110-8cm 金属晶体结构的主要差别是晶格类型和晶格常数的不同。,1.2.1 纯铁的晶体结构抽象化,1.2.1 纯铁结晶若干概念,纯铁的晶格有体心立方和面心立方两种： 体心立方晶格 面心立方晶格,结晶类型 大多数金属：结晶后直至室温，晶格类型不变； 铁及锡
15、、钛、锰等：不同温度下，呈现不同的晶格。 同素异晶转变 随着温度的改变，固态金属晶格也随之改变的现象。 纯铁在1394和912发生同素异晶转变。 重结晶（两次结晶）就是同素异晶转变。 是在固态下原子重新排列的过程，也遵循晶核形成和晶核长大的结晶规律，也在一定的过冷度下进行，也产生结晶热效应。 组织应力 同素异晶转变时，原子的排列密度随之改变，金属的体积也发生改变，这种金属的体积改变使金属内部产生的内应力称组织应力。,1.2.1 纯铁结晶同素异晶转变,1.2.1 纯铁结晶同素异晶转变,912度的面心体心 对热处理极为重要：铁比铁致密，转换时将伴随体积膨胀或收缩， 将产生组织应力（内应力）,153
16、8：液态-体心（） 1394：体心-面心（） 912度：面心-体心（）,1.2.1 小结,金属的结晶 结晶过程。 晶粒大小。 纯铁的晶体结构 面心&体心。纯铁的同素异晶转变 （1538） （1394） （912） 第一堂课的收获总结（请几个同学来说说）,1.2.2 铁碳合金的基本组织,合金：两种或两种以上的金属元素，或金属和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。 机械中大量使用合金的原因： 合金比纯金属强度、硬度高，且成本低。 可以改变合金的成分和进行不同的热处理，在很大的范围内调节其性能。 组元：组成合金的元素，称为组元。合金中的稳定化合物也可作组元，例如Fe3C 相：在合
17、金中，凡化学成分和晶格构造相同、并与其他部分有界面分开的均匀组成部分，称为相。例如：钢液与固体钢是两个相。 铁碳合金的组织：按显微镜下各相的形态特征，又可分成不同的组织：固溶体、金属化合物，和机械混合物。,溶剂和溶质对铁碳合金，一部分碳原子溶入到铁的晶格内，保持铁的晶格，则铁是溶剂，碳是溶质。 固溶体溶质原子进入溶剂晶格，仍保持溶剂晶格类型的金属晶体，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。 置换固溶体溶质原子代替了一部分溶剂原子，占据了溶剂的某些节点。溶剂和溶质原子直径相差不大，一般在15%以内时，易于形成置换固溶体，铜镍二元合金即形成置换固溶体 间隙固溶体溶质的原子进入溶剂晶格空隙部分，不占据
18、节点的位置。 溶质原子与溶剂原子直径之比小于0.59，所以一般都是碳、氢等非金属小原子 铁碳合金的固溶体都是间隙固溶体，碳的溶解度是有限的，属于有限固溶体，碳在铁中的溶解度主要取决于铁的晶格类型，并随温度的升高而增加。 固溶体强化 形成固溶体时，溶剂的晶格产生不同程度的畸变，这种畸变使塑性变形阻力增加，表现为固溶体的强度、硬度增加，这种现象称为固溶体强化。,1.2.2 铁碳合金固溶体（1）,1.2.2 铁碳合金固溶体（1）,铁素体F（ ferrite ）： 碳溶解于Fe中形成的固溶体 600时溶碳量为0.006，727时0.0218 铁素体溶碳量少，故固溶体强化作用甚微，其力学性能和纯铁相近，
19、特征是强度、硬度低，塑性、韧性好。 铁素体显微图像为明亮多边形晶粒；晶界曲折； 奥氏体A（ austenitic ）： 碳溶入-Fe中形成的固溶体，呈面心立方。 1148时最大溶碳量2.11， 在727时溶碳量为0.77，奥氏体为高温组织（727以上）。 力学性能和溶碳量有关，一般强度及硬度不高，塑性优良。 锻造轧制时，通常将钢加热到高温，使之呈奥氏体状态。 奥氏体呈多边形晶粒，但晶界较平直，存有双晶带。,1.2.2 铁碳合金化合物（2）,金属化合物：（含碳量多少？12.01、55.85） 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，属单相组织。 金属化合物一般具有复杂的晶格，且和
20、各组元的晶格不相同，其性能特征是硬而脆。 渗碳体Fe3C是金属化合物（ cementite ）。 硬度极高800HBS可以划玻璃，塑性韧性极低，伸长率和冲击韧性近于零。 渗碳体是强化相，其组织呈片状、球状、网状等不同形状； 渗碳体的数量、形态、和分布对钢的性能影响很大。 渗碳体在一定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C石墨,三次渗碳体,1.2.2 铁碳合金机械混合物（3）,机械混合物： 在结晶过程中形成的两相组织，可以是纯金属、固溶体、或化合物的混合物，各相保持原有的晶格，混合物的性能介于各组成相之间，和各相的形状、大小、和分布有关。 铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。 1.珠光体P或（
21、F+Fe3C；铁素体+渗碳体pearlite ） 珠光体的含碳量为0.77； 由于渗碳体的强化作用，珠光体有良好的力学性能。 2.莱氏体（奥氏体+渗碳体Ld；珠光体+渗碳体Ld Ledeburite) 莱氏体含碳量为4.3，性能和渗碳体相近，即极为硬、脆。 高温莱氏体Ld或（A+Fe3C），727以上。 低温莱氏体Ld或（P+Fe3C），727以下。,1.2.2 总结,固溶体 铁碳合金都是间隙固溶体 铁素体F ferrite ：铁基，低温，含碳量低，塑性好 奥氏体Aaustenitic ：铁基，较高温，含碳量较高，塑性较好，锻造常用 化合物 渗碳体Fe3C : 硬而脆 机械混合物 珠光体P：
22、F+Fe3C，0.77C，力学性能好，塑性韧性一般 莱氏体Ledeburite，含碳4.3%，渗碳体含量多，硬脆 高温莱氏体奥氏体+渗碳体Ld（ A+Fe3C），727C以上 低温莱氏体珠光体+渗碳体Ld（P +Fe3C），727 C以下,稍事休息 思考： 碳往哪里去？去路！（铁碳合金的不同形式） 碳在常温下的稳定存在形式？ 铁素体、奥氏体、渗碳体的含碳量各自多少？ 为什么会有“特殊的混合物”？,1.2.3 铁碳合金状态图,铁碳合金的结晶过程复杂；不同含碳量结晶过程差别很大； 配置不同含碳量的合金，加热后缓慢冷却，记录数据，并绘制它们的冷却曲线（温度、时间) 从冷却曲线上找出临界点，并画到图1
23、-16的成分温度坐标中; 相同意义的点连接起来，形成状态图,1.2.3 铁碳合金状态图,1.2.3 铁碳合金状态图-分析,ACD线液相线，用L表示，此线以上是液体，温度降至此线开始结晶。 AECF线固相线，合金温度降至此线全部结晶成固态。 ACE区域：L+A CDF区域：L+Fe3CI C点：温度为1148C含碳量为4.3，发生共晶反应结晶出奥氏体和渗碳体，是一种机械混合物，称为莱氏体，Ld（A+Fe3C） ECF线又称共晶线，含碳量为2.116.639得所有合金（即铸铁）经此线都要发生共晶反应，形成一定量的莱氏体，只有C点全部结晶为莱氏体。 GS线常用A3表示，温度降至此线奥氏体析出铁素体，
24、这是同素异晶转变的结果。 ES线碳在奥氏体中的溶解度曲线，常用Acm表示，温度越低，奥氏体的溶碳量越小，过饱和的碳将以渗碳体的形式析出 PSK线共析线，当S点成分的奥氏体冷却到PSK线时，发生共析反应，同时析出铁素体和渗碳体，合称珠光体PP(F+Fe3C)。 PQ线碳在铁素体中的溶解度曲线铁素体冷却到此线，将以Fe3C形式析出过饱和的碳，形成的渗碳体，称为三次渗碳体Fe3CIII，三次渗碳体数量极少，对钢铁性能影响一般可忽略不计。,1.2.3 状态图合金分类,根据含碳量的不同，铁碳合金可分为钢和铸铁两大类： 钢 含碳量小于2.11的铁碳合金 铸铁 即生铁 含碳量为2.116.69的铁碳合金,工
25、业纯铁,共析钢,亚共析钢,过共析钢,亚共晶白口铸铁,过共晶白口铸铁,共晶白口铸铁,1.2.3 钢结晶过程中组织转变,1 共析钢,2 亚共析钢 结晶过程如下： L1点L+A2点A3点A+F4点F+P 注意合金成分的变化，例如3.4点之间，当温度下降到3点后奥氏体中析出铁素体，铁素体中含碳量很低，使奥氏体中的碳沿着GS线变化，到4点后发生共析反应，形成珠光体。,1.2.3 钢结晶过程中组织转变,3 过共析钢 结晶过程如下：L1点L+A2点A3点A+Fe3CII4点P+Fe3CII 注意成分的变化：过3点后，奥氏体的溶碳能力不断地下降，将以渗碳体的形式沿着晶界析出碳，称为二次渗碳体，Fe3CII,渗
26、碳体的含碳量较高，剩余的奥氏体的含碳量将沿着它的溶解度曲线ES降低最后，达共析成分，转变为珠光体P。*,1.2.3 钢结晶过程中组织转变,1.2.3 铁碳合金状态图,铸铁 铸铁中有白口铸铁和灰铸铁 白口铸铁有相当比例的莱氏体，性能硬而脆，难以切削加工，少用于机械零件； 机械制造广泛应用的是灰铸铁： 是第一阶段石墨化过程充分进行而得到的铸铁，其中碳主要以石墨形式存在，断口呈灰暗色，因此得名，现称为灰铸铁。 化学成分：C% =2.54.0 Si%=1.02.5 Mn%=0.51.4 微量S、P 获得方法：将上述成分的铁水缓慢冷却即可获得,不经过热处理。 显微组织：片状石墨基体组织（F、F+P、P)
27、 铁碳合金状态图学习本课程和其他课程的基础。,小结,铁碳合金（回顾与整理思路）,钢的分类 按化学成分分： 碳素钢、合金钢两大类。 按用途分： 结构钢、工具钢、特殊性能钢 按质量分： 普通钢、优质钢、高级优质钢 按脱氧程度分： 镇静钢，沸腾钢等,1.3 工业用钢简介,1.3 工业用钢简介,碳素钢 碳钢，Wc1.54以下，并有硅、锰、磷、硫等杂质。 碳对钢的组织和性能影响很大，见图1-23：,1.3 碳素钢,亚共析钢: 随含碳量的增加,珠光体增加铁素体减少，表现为钢的强度增加，硬度增加，而塑性、韧性下降， 含碳量超过共析成分时: 出现网状两次渗碳体，含碳量增加，硬度增加，但由於脆性增加，强度反而下
28、降。,杂质对钢的性能的影响： 磷有害杂质 使钢的塑性韧性下降，具有冷脆性。 硫有害杂质 可造成钢的热脆，硫在晶界处形成低熔点的共晶体。 硅有益元素 可提高钢的强度和硬度，是作为脱氧剂进入钢的。 锰有益元素 可提高钢的强度和硬度，可抵消硫的有害作用，是作为脱氧剂进入钢的。,1.3 碳素钢,碳素钢可分为三类： 1.碳素结构钢 *含碳量小于0.38，常用小于0.25，即以低碳钢为主。 *结构钢的牌号：Q + 三位数字表示， 例：Q215AFQ屈服点的首字母、215屈服点的数值，Mpa，这里是215MPaA质量等级，分为A、B、C、D，其中A是普通级，D是优等，硫磷含量较低F脱氧程度，F是沸腾钢，Z是
29、镇静钢。Z可不标 *常见的牌号有：Q195A Q195B、Q215A Q215B、Q235A Q235B Q235C Q235D、Q255A Q255B、Q275 *Q235是用途最广的碳素结构钢,属低碳钢,通常经热轧成钢板、型钢、钢管、棒材等供应,因铁素体较多故塑性和韧性优良,常用于建筑构件,不重要的轴类,螺钉,螺母,冲压件,焊接件锻件等。 *Q235C 及Q235D还可用于重要的焊接件。,1.3 碳素钢,2.优质碳素结构钢 *含硫磷量较低（0.035%)，主要用来制造较重要的机件。 *结构钢的牌号：用二位数字表示 例 20表示含碳量为0.2 数字20是钢中平均含碳量的万分数10F表示含碳量
30、为0.1，沸腾钢 *常用结构钢的牌号08、10、15、20、25等牌号属低碳钢，其塑性好易于拉拔、冲压、挤压、锻造和焊接,其中20钢用途最广,常用于制造螺钉，螺母，垫圈，小轴，冲压件,焊接件;有时用于渗碳件。30、35、40、45、50、55等牌号属于中碳钢，因钢中珠光体增多，强度硬度提高，淬火后硬度显著增加，其中45钢的强度、硬度、塑性、韧性都较好，即综合性能优良，应用最广，常用于制造轴，丝杠，齿轮，重要的螺钉，螺母等。60、65、70、75等牌号属高碳钢，经淬火，回火后强度硬度提高，弹性优良，常用于制造小弹簧，钢丝绳轧辊等。,1.3 碳素钢,3.碳素工具钢 碳素工具钢的含碳量为0.71.3
31、5 淬火后硬度高（60HRC）耐磨性良好。工作温度250，否则硬度迅速下降。 牌号： T + 一或二位数字表示，例T7A 其中： T表示碳素工具钢7表示平均含碳量为0.7 A表示高级优质 常用：T8、T10、T10A、T12T8属共析钢，上述牌号中韧性最好，多用于制造受冲击的工具，例如錾子，锻工工具T10,T10A硬度较高，且有一定的韧性，常用来制造锯条，小冲模等T12 硬度最高耐磨性好，但脆性大，适于制造不受冲击的耐磨工具，如，钢锉，刮刀等表 14 常用碳素钢的化学成分和力学性能,1.3 碳素钢,合金钢 为改善钢的某些性能，特意加入一种或几种合金元素所炼成的钢。 钢中的硅含量大于0.5，或含
32、锰量大于1.0，也属于合金钢。 合金元素加入钢后，通常使钢的强度，硬度增加，合金元素超过一定量时，可能使韧性下降。 大多数合金元素可提高合金钢的回火稳定性，即抗回火软化能力高。 当含W、Mo、V、Ti量较高时，合金钢有回火时硬度升高的现象，称为二次硬化。 低合金钢 合金总含量较低（3%),含碳量也较低的合金结构钢。与同等含碳量碳素钢相比，强度及塑性均好 通常在退火或正火状态下使用，成型后不再进行淬火、调质等热处理。 以Q*（屈服强度）表示牌号，具体种类： 可焊接低合金高强钢，应用最广，含碳量0.2%，Mn为主要合金(0.8-1.8),Ti,V、Nb、Cr、Ni、RE等（钛、钒、铌、铬、镍、铼）
33、 低合金耐候钢、低合金钢筋钢、铁道用低合金钢、矿用低合金钢,1.3 合金钢,化学元素表,1.合金结构钢 常用Mn、Cr、Si、Ni、W、V、Ti、B等增加钢的淬透性，并使晶粒细化，使大截面零件调质处理后获得更好的强、韧结合力学性能。可采用油类淬火，从而减少淬火裂纹及变形倾向 合金结构钢：低碳用于渗碳件；中碳用于调质及渗碳件；高碳用于大弹簧 性能比碳素钢有更好的力学性能，特别是热处理性能优良， 因此便于制造尺寸较大、形状复杂或要求淬火变形小的零件。 合金钢的牌号数字+元素符号+数字,钢的平均含碳量的万分数,合金元素的平均含量的百分数，小于1.5时，不标数字。,1.3 合金钢分类：3种,2.合金工
34、具钢 主要用来制造刃具，模具，和量具。 合金元素作用是增加钢的淬透性（Si、Cr、Mn），耐磨性及红硬性（W、Mo、V）。 适于制造形状复杂，尺寸较大，切削速度较高或工作温度较高的工具和模具。 工具钢的牌号：数字+元素符号+数字例 9Cr2平均含碳量为0.9；CrWMn-平均含碳量为1.0 9SiCr、9Mn2V常用的低合金刃具钢，制造切削速度不高的工具和小的模具。例如丝锥，等W18Cr4V-是高速工具钢，制造钻头铣刀，拉刀等，600时仍保持高硬度，故可用较高切削速度切削。,1.3 合金钢分类,合金元素的平均含量的百分数， 小于1.5时，不标数字。,用一位数字表示平均含碳量的千分数，超过1.0
35、时不标。,3.特殊性能钢 不锈钢，耐热钢，耐磨钢等，常用的不锈钢牌号是2Cr13、1Cr18Ni9、0Cr18Ni11Ti,1.应满足零件的工作要求 例如：受力状态，工作温度，环境介质等 2.应能满足工艺性能要求 金属材料的基本加工方法有铸造，锻造，冲压，焊接，切削加工和热处理，各种加工工艺 对材料均有其工艺性能要求。 例如焊接选用低碳钢或低碳合金钢，冲压件选用低碳沸腾钢，冲模选用淬透性优良的合金工具钢。 3.必须重视材料的经济性 一般说，优先选用价格低的材料，例如优先选用碳素钢或灰铸铁， 难以满足要求时，选用合金钢，球墨铸铁，铸钢或其它材料。 16Mn比Q235成本略高，但强度高46，可减少
36、用量 材料的牌号应符核国家标准，品种少而集中。,1.3 零件选材的一般原则,1.4 钢的热处理,钢的热处理： 将钢在固态下，通过加热、保温和冷却，以改变钢的组织，从而获得所需性能的工艺方法。 只改变金属材料的组织和性能，不以形状与尺寸改变为目的。 可提高零件的强度、硬度、韧性、弹性等；改变切削加工性能。 分为： 普通热处理：退火、正火、淬火、回火等； 表面热处理：表面淬火、化学热处理（渗碳、氮化等）,热处理工艺曲线,1.4.1 常用热处理的热冷方式,1.4.1 钢加热时组织转变,多数情况，钢加热至临界温度以上，使原有组织转变成奥氏体后，再以不同的冷却方式和速度转变成所需的组织，达到预期性能。
37、实际临界温度曲线存在如右图所示 误差Ac1，Ac3，Accm ，Ar1，Ar3，Arcm 必须加热到红线以上温度，方能完全变为奥氏体； 初始奥氏体晶粒细小，很好； 加热温度过高或保温时间过长，都将引起晶粒急剧增大； 因此，需根据状态图及含碳量合理选定加热时间及保温时间,加热时奥氏体形成,共析钢,加热到Ac1时，发生P向A转变。 A晶核首先在F与Fe3C交界面上形成 这是因为F的含碳量低，Fe3C含碳量高， A的含碳量介于两者之间。 形成晶核后，A晶核不断合并相邻的F，且Fe3C不断溶解于A中，以供给碳分。 A不断长大，直至P全部转变为A。这是因为F的含碳量低，Fe3C含碳量高，A的含碳量介于两
38、者之间。,亚共析钢,加热到Ac1以上时，P A，此时组织为FA 继续升温，F向A转变，超过Ac3时，F消失，组织为细而0单一A。,过共析钢,转变情况与上述相似，只是晶粒较粗大。,1.4.1 钢加热时奥氏体形成,影响奥氏体化因素（共析钢而言） 1）加热温度和加热速度。加热温度高，转变较快加热速度快，转变起始温度高，终了温度也高 2）含碳量含碳量高，渗碳体也较多，F与Fe3C的界面也多，利于A形成 3）钢原始组织原始组织愈细愈有利于A的形成,1.4.1 钢加热时奥氏体形成,室温时钢的机械性能，与加热、保温获得的奥氏体晶粒大小有关，决定于奥氏体经冷却后所获得组织。奥氏体的组织转变与冷却方式、冷却速度
39、有直接关系。 钢的热处理工艺有两种冷却方式(1)连续冷却方式加热 A 温度连续下降到室温例如水冷、油冷、空冷等。(2)等温冷却,1.4.1 钢冷却时组织转变,奥氏体化的钢 A1线以下，产生过冷奥氏体奥氏体转变 得所需组织，发生A向P转变。 过冷奥氏体：被冷却到A1温度以下，尚未发生转变而暂时存在的奥氏体。,较快地冷却,保温,冷却到室温,珠光体转变区（Ar1-550度） 珠光体P，粗片状；Ar1-650度 索氏体S，细片状；650-600度 托氏体T，极细片；600-550度 贝氏体B，550-Ms中温区 马氏体转变区，Ms以下低温区 若过冷奥氏体快速冷却至Ms以下，则由于铁快速转变为铁，钢中的
40、碳难以从溶铁能力低的铁中扩散出去，形成了铁过饱和固溶体，即马氏体， 由于马氏体严重畸变，因此硬度高，韧性差。,1.4.1 钢冷却时组织转变,1.4.1 钢冷却时的产物及效果,45钢经840加热在不同条件冷却后的力学性能,1.4.1 不同冷却终了的产物,炉冷V1：它分别与C曲线的转变开始和转变终了线相交于1、2点，这两点位于C曲线上部珠光体转变区域，它的转变产物为珠光体，硬度170220HBS。 空冷V2：它分别与C曲线的转变开始线和转变终了线相交于3、4点，位于C曲线珠光体转变区域中下部分，故可判断其转变产物为索氏体，硬度2535HRC。 油冷V3：与C曲线的转变开始线交于5、6点，没有与转变
41、终了线相交，所以仅有一部分过冷奥氏体转变为托氏体，其余部分在冷却至Ms线以下转变为马氏体组织。因此，转变产物应是托氏体和马氏体的混合组织，硬度4555HRC。 水冷V4：它不与C曲线相交，过冷奥氏体将直接冷却至Ms以下进行马氏体转变。最后得到马氏体和残余奥氏体组织，硬度5565HRC。,1.4.1 索氏体&托氏体,索氏体(细片珠光体）: 在光学金相显微镜下放大600倍以上才能分辨片层的细珠光体，其实质是一种珠光体，具有良好的综合机械性能，是片层的铁素体与渗碳体的双相混合组织，其层片间距较小（3080nm），碳在铁素体中已无过饱和度，是一种平衡组织。 将淬火钢在450-600进行回火，所得到的索
42、氏体称为回火索氏体（tempered sorbite）。回火索氏体中的碳化物分散度很大，呈球状。故回火索氏体比索氏体具有更好的机械性能。这就是为什么多数结构零件要进行调质处理（淬火+高温回火）的原因。 托氏体(tempered martensite)(极细片珠光体)（也译做屈氏体） 是一种最细的珠光体类型组织，其组织比索氏体组织还细。 600-550范围内奥氏体等温转变形成，片层间距平均小于0.1m，只有电子显微镜才能分辨出层片。 钢经淬火后在300450回火所得到的屈氏体称为回火屈氏体。,1.4.1 贝氏体,贝氏体;贝茵体;bainite 30年代初美国人ECBain等发现 钢过冷奥氏体的中
43、温(350550)转变产物 -Fe和Fe3C 的复相组织。 贝氏体转变温度介于珠光体转变与马氏体转变之间。 在贝氏体转变温度偏高区域转变产物叫上贝氏体(up bai-nite)，其外观形貌似羽毛状，冲击韧性较差，生产上应力求避免。（因F片粗且平行分布，同时晶间有脆性的渗碳体，故塑、韧性差） 在贝氏体转变温度下端偏低温度区域转变产物叫下贝氏体。（由针叶状过饱和F和弥散分布在其中的极细小的渗碳体组成）其冲击韧性较好。为提高韧性，生产上应通过热处理控制获得下贝氏体。 在硬度相同的情况下贝氏体组织的耐磨性明显优于马氏体，因此在钢铁材料中基体组织获得下贝氏体是人们追求的目标。 贝氏体等温淬火：是将钢件奥
44、氏体化，使之快冷到贝氏体转变温度区间（260400）等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺，有时也叫等温淬火。一般保温时间为3060min。,上贝氏体*10000倍；（羽毛状） 下贝氏体*500倍（针叶状）,1.4.1 马氏体,马氏体 最先由德国冶金学家 Adolf Martens(1850-1914)于19世纪90年代在钢（中、高碳钢）中发现的：将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。 马氏体的三维组织形态通常有片状或者板条状，但在金相观察中（二维）通常表现为针状，这是一些地方通常描述为针状的原因。 马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT
45、）,高强度和硬度是钢中马氏体的主要特征之一。 20世纪以来，又相继发现在某些纯金属和合金中也具有马氏体相变。 片状马氏体(plate)强度高，塑韧性低 长大速度非常快，先形成的M片较大，后形成的M片不能穿越已形成的M，故较小。显微镜下为长短不一，互成一定角度的M片。 板条状马氏体(lath)强度高，塑韧性低 截面呈椭圆形的细长条状，许多尺寸大致相同的定向相互平行排列，构成一个群（束），显微组织为一束束细长板条状组织。,片状马氏体*500倍； 板条状马氏体*500倍,例：较慢的冷却速度，相当于炉冷，对应退火，组织P稍快些冷却，相当于空冷，对应正火，组织S，硬度HRC2535更快冷却，相当于油冷，
46、油淬，组织(M+T)，硬度HRC4555再更快冷却，相当于水冷，水淬，M+A,HRC5565 马氏体硬度决定于马氏体中含碳量，含碳量高，硬度也增高，晶格畸变大，淬火内应力也大，往往有显微裂纹，所以塑性、韧性很差。,又称C曲线。 将共析钢加热到A1温度以上，以不同过冷度测出过冷奥氏体在恒温下开始转变和转变终了时，画在时间-温度坐标中去，可得C曲线。,1.4.1共析钢奥氏体等温转变曲线,1.4.2 退火和正火,退火： 将钢加热保温，然后随炉冷却或埋入灰中缓慢冷却。 退火目的 奥氏体化后重结晶，细化晶粒，提高钢的塑性和韧性 降低钢的硬度，以利于切削等加工（冲冷拉） 消除内应力，并为淬火作准备,正火：
47、 将亚共析钢加热到Ac3以上30-50，过共析钢Accm以上30-50 ，保温后空冷。 正火用途： 对低碳钢和低碳合金钢尽量以正火代退火，可提高硬度(140190HBS)，改善切削加工 对中碳合金钢、高碳钢复杂件仍以退火为宜， 对过共析钢，减少或消除网状二次渗碳体为球化退火作准备。 作普通结构体的最终热处理； 作为有淬火开裂危险的零件作最终热处理,1.4.2 退火的种类,完全退火： 亚共析钢加热到Ac3以上30-50-保温-炉冷 或 炉冷+空冷 主要用于具有亚共析组织的碳钢、合金钢的铸件、锻件、热轧型材等，有时也用于淬火返修件。 “完全”是退火件加热获得完全的奥氏体组织，以解决原有：晶粒组大，
48、组织不匀，内应力，塑性、韧性差，易裂，变形等问题；但应严格控制退火温度，否则，晶粒仍然粗大。,低温退火（去应力退火） 加热到Ac1以下，保温，冷却。钢未发生组织转变。 用于消除工件内应力时，称去应力退火。500-650 ，主要用于部分铸件、锻件、焊件去除内应力，有时也用于精密切削加工，以去除粗加工所产生内应力。 用于消除冷变形产生的加工硬化时，称再结晶退火。 650750 ,球化退火 加热到Ac1以上20-30，保温，再冷却。 主要用于过共析钢，经球化退火后，把珠光体中片状渗碳体和网状渗碳体组织都转变为球状。 降低硬度，改善切削加工性，并为淬火做好准备，以减少最终热处理时工件变形和开裂倾向。,
49、1.4.2热处理温度,1.4.3 淬火,将钢加热到Ac3或Ac1以上3050，保温后在淬火介质中快速冷却，以获得马氏体组织。 由于过冷度很大，铁碳原子都不能进行扩散，仅能发生Fe向Fe的同素异晶转变，而形成含碳过饱和的固溶体马氏体M。(碳在铁中溶解度和温度有关) 马氏体中的碳在Fe的晶格中严重过饱和，致使晶格发生严重的畸变(见P13)，增加了变形抗力，因此，马氏体通常具有高的硬度、耐磨性，但塑性、韧性很差。 通常含碳量愈高，晶格畸变加大，钢的硬度愈高。因此要求高硬度和耐磨性工件多采用中碳钢或高碳钢。马氏体硬度提高的主要原因是过饱和的碳引起晶格畸变，及马氏体转变过程中产生大量晶格缺陷(位错，变晶等)造成。 奥氏体向马氏体转变是不完全的，总有少量残余奥氏体留下。当冷却速度较快时，工件内外不能同时向马氏体转变，造成组织应力。 马氏体含碳量愈高，脆性愈大，易产生裂纹，变形。,
