1、授人以鱼不如授人以渔,金属工艺学 -2,主讲: 朱明 高级技师、经济师、工程师 高级技能专业教师 汽车维修高级考评员,第二章 金属材料的基本知识 三、纯金属的结晶 什么叫结晶？前面我们已经知道：金属在固态下一般都是晶体，其原子在空间呈有规律排列；而在液态下，则原子的排列并不规则。因此，金属的结晶就是金属液体转变为晶体的过程，亦即金属原子有无序到有序的排列过程。这里有两个知识点：一是什么是理论结晶温度和实际结晶温度，理论结晶温度和实际结晶温度之差称为“过冷度”；二是结晶的两个过程。下面请先看描述理论结晶温度和实际结晶温度的“纯金属的冷却曲线”。,时间,温度,理论结晶温度,实际结晶温度,0,纯金属
2、的冷却曲线,规律：冷却速度愈快，实际结晶温度愈低，过冷度就愈大。,过冷度,液固区,固相区,液相区,开始结晶,结晶完毕,金属结晶时随时间的增长，温度逐渐降低，为什么到实际结晶温度时会出现一个平台呢？原因是：1.这时虽然液体金属向外散热，但其温度并没下降，这是由于在这一温度液体开始结晶，其结晶释放潜热，补偿了液体对外的热量散失。2.温度的平衡就出现了水平台阶，这台阶对应的温度正是实际结晶温度。3.台阶的开始时间即结晶的开始，终了时间即结晶的终了，结晶终了后就没有结晶潜热来补偿热量的散失，所以温度又开始下降。,再看结晶的过程，它实际上分为“晶核的形成”和“晶核的长大”两个过程。1.晶核的形成当液态金
3、属温度下降到实际结晶温度时，在某些局部微小的体积内，原子自发的聚集在一起，并按金属晶体的固有规律排列成有规则的原子集合体，形成结晶的核心，称为晶核。实际生产中，金属液体内常存在各种固态的杂质微粒。金属结晶时，依附于这些杂质的表面形成晶核比较容易。比如，铸造发动机活塞的铝合金ZL103时，加入Ti（钛）和B（硼）比不加这两种元素，晶核数增加了22.525倍！这种依附于杂质表面而形成晶核的过程称为非自发形核（外来形核），它在生产中所起的作用更为重要。,授人以鱼不如授人以渔,2.晶核的长大晶核形成后，它可以吸附周围液体中的原子，向晶核靠拢，使晶核不断长大(见下图）。,晶粒以树枝状方式长大：晶核长出棱
4、角树枝状的一次晶轴二次晶轴三次晶轴四次晶轴相邻的晶轴相遇晶轴变粗再生出新的晶轴,纯金属结晶过程示意图,可以看到，每个晶核长成的晶体就是晶粒。晶粒的粗细对金属的力学性能影响很大。同一成分的金属，晶粒愈细，其强度、硬度愈高，而且塑性和韧性也愈好。(当然，晶粒粗也有其特性，比如，粗晶粒的金属的耐蚀性好；作为软磁材料的纯铁，晶粒越粗大，则导磁率越大，磁滞损耗减少。)就利用金属的力学性能而言，促使和保持晶粒细化是金属冶炼和热加工过程中的一项重要任务。细化铸态金属晶粒的主要途径有：1.加快冷却速度，以增加晶核数目。2.在金属浇注之前，向金属液内加入变育剂（孕育剂）进行变质处理，以增加外来晶核。3.附加机械
5、振动、超声波振动、电磁振动等措施，输入能量，促进均匀形核，打碎枝晶，增加形核率。,纯铁晶粒度与力学性能的关系：,形核率和长大速率与过冷度的关系曲线,金属结晶后，晶粒大小取决于形核率N和长大率G。N越大，G越小，则晶粒越细：,冷却速度不同形成的晶粒度不同示意图,加入孕育剂进行变质处理得到不同的晶粒大小：,四、铁碳合金（一）纯铁的同素异构转变就像碳有同素异构转变：木炭、石墨、金刚石一样，铁及锡、钛、锰等金属在结晶之后，会在不同温度范围内将呈现出不同的晶格，如纯铁就可以形成体心立方和面心立方两种晶格。这种随着温度的改变，固体金属晶格也将随之改变的现象，称为“同素异构转变”，也称“同素异晶转变”，属于
6、金属的二次结晶或重结晶。下面请看“纯铁的同素异构转变”图。,时间,温度,1538,1394,912,密度小的体心立方晶体,密度大的面心立方晶体,密度小的体心立方晶体,700,1600,纯铁的同素异晶转变（二次结晶、重结晶）,Fe,Fe,Fe,A（液状的奥氏体）,770,无磁性区,有磁性区,（居里点）,（二）铁碳合金的基本组织(P11),基本组织,固溶体,化合物渗碳体 Fe3C，（硬度极高，塑性、韧性极低，伸长率和冲击韧性为零） 属单相均匀组织,机械混合物， 属两相混合组织,珠光体 P（抗拉强度高、硬度较高且仍有一定的塑性和韧性，由铁素体和渗碳体组成）,莱氏体 Le（由珠光体和渗碳体组成，硬度很
7、高、塑性极差）,铁素体 F（含碳量少，强度和硬度不高，但韧性好）,奥氏体 A（力学性能与含碳量有关，强度、硬度不高，但塑性优良）,铁素体F,奥氏体A,渗碳体,珠光体P,莱氏体Le,二次渗碳体,三次渗碳体,铁碳合金基本组织：,（三）铁碳合金状态图从 1868 年俄国学者切尔諾夫注意到只有把钢加热到某一溫度以上再快冷才能使钢淬硬从而有了临界点的概念起，到1899年罗伯茨-奧斯汀制定了第一张铁碳相图，随着科学技术的发展铁碳平衡图得到不断的修订日臻完善。铁碳平衡图相当复杂，但它也很有规律：遵循“相区接触法则”、“相律”和“杠杆定律”。对机械热加工有重要的指导意义，与“C曲线”和“CCT曲线”合称冶炼和
8、热处理工艺的“三盏明灯”。显然，要一下子弄懂不容易，但又是学习好金属工艺学者必须跨过的门槛。下面我只做一个简介。我们就以“钢和铁的区别指标：C2.11的深度解释是什么？”这个问题讲起。,钢与铁的组织区别：1.铁为共晶转变的产物莱氏体或莱氏体渗碳体；钢则为共析转变的产物珠光体或珠光体渗碳体。2.C2.11位于E点，即碳在rFe中的最大溶解度。在E点之右（铸铁），碳已析出为两相机械混合物；在E点之左（钢），碳仍然为单相化合物。,共析体,共晶体,过共析体,过共晶体,亚共析体,亚共晶体,（液固）相区,液相区,固相区,C的溶解曲线,共晶转变线,共析转变线,C的溶解曲线,莱氏体渗碳体,莱氏体,珠光体渗碳体
9、,珠光体,铁素体珠光体,莱氏体珠光体渗碳体,共晶点,共析点,授人以鱼不如授人以渔,共析钢,共晶铸铁,工业纯铁,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,钢与铁的显微组织：,五、钢的热处理钢的热处理，是将钢在固态下进行加热、保温和冷却，改变其内部组织，从而获得所需性能的一种金属加工工艺。热处理按目的、加热条件和特点不同，分为以下三类：1.整体热处理，常用有：退火、正火、淬火和回火；2.表面热处理，常用有：火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火；3.化学热处理，常用有渗碳、渗氮、碳氮共渗。,(一）钢的热处理的基本原理1.转变温度的表示方法实际加热转变温度（冷却转变温度）
10、奥氏体组织Ac1(Ar1)共析钢Ac3(Ar3)亚共析钢和过共析钢Accm(Arcm)2.热处理的两种冷却方式：等温冷却将奥氏体迅速冷却至Ar1以下某个温度，等温停留一段时间，再继续冷却，见“共析钢过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）图”。连续冷却将奥氏体以一定的冷却速度冷却，如油冷、水冷、空冷、炉冷等，“热处理工艺曲线图”。,授人以鱼不如授人以渔,热处理工艺曲线图,温度,时间,加热,保温,临界温度,淬火,（水油冷）,正火,（空冷）,退火,（炉冷）,共析钢过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）图,过冷区,过冷区,转变区,产物区,马氏体转变开始线,马氏体转变终了线,温度,时间,加温,保温,淬火,退火,正火
11、,230,550,马氏体区,珠光体转型区,贝氏体转型区,硬度,开始,开始,临界,奥氏体区,Ms线,Mf线,用两种曲线近似说明不同热处理得到的钢的不同组织,开始,C曲线在连续冷却中的应用,V1缓慢的随炉冷却 V2 静止空气中冷却 V3 油中冷却 V4 水中快速冷却 Vk 临界冷却速度,共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线(CCT曲线）,(二）钢的退火与正火1.退火将工件加热、保温后，随炉缓慢冷却。目的是提高钢的塑性，降低硬度，细化晶粒，均匀组织，消除应力。常用有三种方法：完全退火主要用于亚共析钢，加热温度为Ac3 2030。使之完成：奥氏体铁素体珠光体。球化退火主要用于过共析钢，加热温度为Ac120
12、30。使退火后成为以铁素体为基体，分布着细小的渗碳体颗粒的钢组织，有较低的硬度和较大的韧性。去应力退火加热温度为500650。经保温后，以200300出炉空冷。由于是在A1以下进行，组织并未发生变化，内应力却消除了。,2.正火把工件加热到Ac3或Accm以上3050，经适当的保温后，出炉在空气中冷却。主要目的是提高机械性能，改善切削性能，为淬火做组织准备。讨论：退火与正火的选用原则：从改善切削性能上考虑，中低碳钢要用正火，否则硬度太低时切削会粘刀，切屑不断；而高碳钢则正火显得硬度仍然偏高。从使用性能上考虑，当零件形状较复杂时，由于正火冷却速度较快，可能会使零件产生较大的内应力和变形，甚至开裂，
13、这时则采用退火为宜。从生产成本上考虑，正火比退火生产周期短，设备利用率高，工艺操作简便，成本低，比较经济，在满足性能要求的前提下应优先采用正火。,钢的热处理与硬度（阴影部分为合适切削加工的硬度范围）,维氏硬度,（三）钢的淬火与回火1.淬火将工件加热、保温后，进行快速冷却。主 要目的是提高钢的硬度，增加工件的耐磨性。冷却速度是淬火工艺的关键。冷却速度慢，奥氏体会分解而得不到马氏体；冷却速度快，对于某些钢材和工件又容易淬裂。一种正好能获得全部马氏体所必需的最低冷却速度，称为“临界冷却速度”，见下面“理想淬火冷却曲线”示意图。淬火的临界冷却速度随钢种的不同而异。合金钢的临界冷却速度较低，可以在油中淬
14、火以防淬裂；高碳钢的临界速度较高，需在水中淬火；至于低碳钢，由于临界速度太高，一般无法淬硬。,授人以鱼不如授人以渔,“理想淬火冷却曲线”示意图,保证得到马氏体,降低冷却速度防止淬裂,用末端淬火试验测量钢的淬透性：图b.40Cr钢和45钢的淬透性对比； 图c.钢的半马氏区（50M）硬度与钢的含碳量的关系。,淬火得到的马氏体的显微组织,板条状,针状,讨论：1.工厂常见有“淬透性与淬硬性是一个指标的两种理解”的说法这个问题不能似是而非：淬透性是一种热处理工艺指标，表征为工件淬火后生成马氏体的深（厚）度，因此单位为长度单位；淬硬性则表征为工件淬火后的硬度，单位自然是硬度单位。两者不能混淆。例如低碳合金
15、钢淬透性好，但其淬硬性却不高；高碳非合金钢的淬硬性高，但其淬透性却差。2.工厂经常也有“由于低碳钢里碳的成分太少，所以淬不硬”的说法，刚才已指出淬不硬的原因是由于低碳钢的临界速度太高，所以是错误的。,2.回火把马氏体组织的淬火钢重新加热，经适当的保温后冷却，称为回火。目的是降低淬火钢的脆性、调整内应力和稳定淬火钢的结晶组织，以获得不同要求的机械性能。因此，工件淬火后，都要及时进行回火。回火的分类：低温回火加热温度是150250，得到的组织是回火马氏体，常用于刀具、模具、量具和滚动轴承等；中温回火加热温度是350500，得到的组织是极细的渗碳体和铁素体的混合物，有较高的弹性和屈服强度，常用于弹簧
16、、刀杆、轴套等；高温回火加热温度是500650，得到的组织是细粒的渗碳体和铁素体的混合物，并有适当的强度与较高的塑性、韧性相配合的综合机械性能。高温回火又叫“调质”，常用于受力复杂的重要零件如轴类、齿轮、连杆等。,珠光体组织珠光体的基本组织是铁素体和渗碳体以片状层相间的形式存在，依片层间距不同分为：粗珠光体、珠光体、索氏体和屈氏体，其片层间距减少时，强度、硬度升高而塑性、韧性下降。,低温回火,中温回火,高温回火（调质）,抗拉强度,屈服强度,讨论： 钢的韧性与回火温度的关系（所谓“回火禁区”）,第一回火禁区,第二回火禁区,（四）表面淬火是一种通过快速加热将钢件表面层很快达到淬火温度，在热量来不及
17、传到中心时就立即迅速冷却，实现局部淬火的淬火方法。常用较多的有感应加热表面淬火法和火焰加热表面淬火法两种（见下图）。感应加热表面淬火法的基本原理有两个：一是电磁感应现象，由电产生了涡流，此涡流将电能转变成热量；二是“集肤效应”，涡流在被加热工件内沿截面的分布是不均匀的，由表层至心部呈指数规律衰减。集肤效应的经验公式：集肤深度500600（频率） 2。加热深度与频率的图示见下面“感应加热表面淬火示意图”。,感应加热表面淬火示意图,火焰加热表面淬火示意图,授人以鱼不如授人以渔,由于感应加热淬火的淬硬层深度与电流频率有关电流频率越高，淬火后工件淬硬层越薄，工厂一般根据常用电流频率，把感应加热分为三种
18、：高频感应加热常用频率200300kHz，脆硬层深度0.52.5mm，适用于中小尺寸轴类零件及中小模数的齿轮等。中频感应加热常用频率25008000Hz，脆硬层深度38mm，适用于较大尺寸的轴和大中模数的齿轮等。工频感应加热电流频率50kHz，脆硬层深度1020mm，适用于大直径轧辊、火车车轮等的表面淬火。,火焰加热表面淬火生产现场,（五）化学热处理是把工件放在一定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，改变表层化学成分和组织，从而达到使工件表面具有某些特殊的机械性能或物理化学性能的热处理工艺。化学热处理依照渗入的元素的不同，有渗碳（分气、液、固体法：甲烷、苯、煤油等）、渗氮（分气
19、、液、离子法：常用氨气）、碳氮共渗（又称“氰化”，其中以渗氮为主、渗碳为次称为“软氮化”）等。任何化学热处理过程，都是通过分解、吸收和扩散三个基本过程。其中，扩散是最慢的一个过程，整个化学热速度受扩散速度所控制。,1.渗碳工艺：加热通入介质（煤油）保温淬火低温回火。可获得工件表面高硬度和耐磨性。2.渗氮工艺：加热通入氨气形成“白层” 保温。可获得的硬度、耐磨性更高，特别是提高疲劳强度，工件也不必再热处理，变形也小，但渗层薄而脆。3.氰化工艺：加热（高温适用于低碳和低合金钢，高温适用于中碳和高速钢）加入氨气和渗碳气体保温。,渗碳工艺生产车间,渗氮工艺生产车间,气体渗碳时渗层厚度与保温时间的关系,
20、六、常用的金属材料（一）碳钢的分类（课本P20 ）,碳钢,1.碳素结构钢表示方法：“Q”屈服点数值（）质量等级符号（A、B、C、D） 脱氧方法（F、b、Z、TZ）。,3.碳素工具钢表示方法：“T”碳平均含量的千分数，若为高级优质碳素工具钢则在牌号后加“A”，如“T12A”。,4.铸钢表示方法：“ZG”屈服点数值抗拉强度（或旧标准：“ZG”碳平均含量的万 分数）。,2.优质碳素结构钢表示方法：采用两位数字表示，代表该钢平均含碳量的万分数。,那什么叫做“钢的脱氧方法”呢？这就要上溯到钢的铸锭工艺了。钢的浇注期或冶炼末期，根据对钢的脱氧方法的不同，可生产出镇静钢、沸腾钢和半镇静钢。1.镇静钢钢液在浇
21、注前用锰铁、硅铁和铝进行充分的脱氧，使钢的含氧量0.01，以至钢液在凝固时不析出CO，得到成分比较均匀，组织比较致密的钢锭，这种钢就叫镇静钢。2.沸腾钢在冶炼末期对钢液仅进行轻度脱氧，而使相当数量的氧留在钢液中，则钢液注入刚模后，钢中的氧与碳发生化学反应，析出大量的CO，引起钢液的沸腾，这种钢就叫沸腾钢。,镇静钢成分比较均匀，组织比较致密。虽然有缩孔，但切除缩孔能满足对机械性能要求高的机材用料，也可用作重要的焊接结构。,沸腾钢一般是低碳钢，含硅量低，具有良好的塑性，常用于冷冲压件，如汽车的油箱、蒙皮（08F钢）。由于有气泡，故一般不会出现缩孔。轧成钢坯后，头部切除量很小，成材率高，宜于轧薄板。
22、但成分偏析大，组织不致密，机械性能不均匀，冲击韧性值低，不适用于对机械性能要求高的零件。,（二）合金钢的分类（课本P23 ）,合金钢,合金结构钢,合金工具钢,特殊性能钢,不锈钢(1Cr13,1Cr17,2Cr13,3Cr13等）,耐热钢(15CrMo,1Cr13Mo等）,耐磨钢(GZMn13等）,低合金结构钢(16Mn,15MnMO,14MnNb等),合金渗碳钢(20CrMnTi,20Cr等）,合金调质钢(40Cr,35CrMo等）,合金弹簧钢(60Si62Mn.50CrVA等）,滚动轴承钢(GCr15,GCr9等）,合金刃具钢,合金模具钢,合金量具钢(CrMn,CrWMn,GCr15等）,低
23、合金刃具钢(9SiCr等）,高速钢(w18Cr4V等）,冷作模具钢,热作模具钢,授人以鱼不如授人以渔,授人以鱼不如授人以渔,授人以鱼不如授人以渔,授人以鱼不如授人以渔,授人以鱼不如授人以渔,(三）铸铁的分类1.灰铸铁碳分以片状石墨形式存在，由于片状的尖端成为割裂基体的裂缝，故其抗拉强度很低，但具有自润滑性，良好的耐磨性和减振性以及切削加工性；还有良好的铸造性能，而且成本低，所以用途最广。2.球墨铸铁冶炼过程中加入孕育剂，使石墨成球状，综合性能好，牌号高的可接近钢的机械性能，50年代曾经“以铸代钢”，曾为中国的冶炼事业出过大力。3.可锻铸铁其实并不可锻。生产工艺分两步，比较复杂。石墨呈团絮状，适
24、宜制造形状复杂、承受冲击的薄壁铸件及在潮湿环境下工作的零件。4.蠕墨铸铁近十几年来发展起来的新型铸铁，通过加入蠕化剂，获得石墨形态介于片状与球状之间，其力学性能也介于灰铸铁和球铸铁之间。在工业中广泛应用于制造大功率柴油机气缸盖、气缸套、电动机外壳、机座等。,授人以鱼不如授人以渔,第一次作业：1.请写出“疲劳强度”的概念及其预防的三种方法。（P5）2.请写出结晶的概念和结晶的两个基本过程。（P10）,铁素体基灰口铸铁的显微组织,球墨铸铁的显微组织a.珠光体铁素体基球墨铸铁b.铁素体基球墨铸铁,授人以鱼不如授人以渔,金属工艺学 请续-3,主讲: 朱明 高级技师、经济师、工程师 高级技能专业教师 汽车维修高级考评员,
