1、金屬工藝學金屬工藝學是一門研究有關制造金屬機件的工藝方法的綜合性技術學科 . 主要內容 :1 常用金屬材料性能2 各種工藝方法本身的規律性和應用 .3 金屬機件的加工工藝過程、結構工藝性。 熱加工：金屬材料、鑄造、壓力加工、焊接 目的、任務：使學生了解常用金屬材料的性質和其加工工藝的基礎知識，為學習其它相 關課程和以后從事機械設計和制造方面的工作奠定必要的金屬工藝學的基礎。 以綜合為基礎，通過綜合形成能力 第一篇 金屬材料第一章 金屬材料的主要性能 兩大類： 1 使用性能：機械零件在正常工作情況下應具備的性能。包括：機械性能、物理、化學性能2 工藝性能：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能

2、、切削性能等。第一節 金屬材料的機械性能 指力學性能 -受外力作用反映出來的性能。一 彈性和塑性：1 彈性：金屬材料受外力作用時產生變形，當外力去掉后能恢復其原來形狀的性能。 力和變形同時存在、同時消失。 如彈簧：彈簧靠彈性工作。2 塑性：金屬材料受外力作用時產生永久變形而不至于引起破壞的性能。 (金屬之間的 連續性沒破壞) 塑性大小以斷裂后的塑性變形大小來表示。 塑性變形：在外力消失后留下的這部分不可恢復的變形。3 拉伸圖金屬材料在拉伸過程中彈性變形、 塑性變形直到斷裂的全部力學性能可用拉伸圖形象地 表示出來。以低碳鋼為例bokaso&( )將金屬材料制成標準式樣 在材料試驗機上對試

3、件軸向施加靜壓力 P,為消除試件尺寸對材料性能的影響， 分別以應力 b （即單位面積上的拉力 4P/ n2d和應變（單位長度上的伸長量 1/0 ）來代替P和，得 到應力應變圖1）彈性階段 oeb彈性極限2）屈服階段：過 e點至水平段右端 聲塑性極限，s屈服點過s點水平段一一說明載荷不增加，式樣仍繼續伸長。（P 一定，b =P/F 定，但真實應力 P/F1 T因為變形，F1/）發生永久變形3） 強化階段：水平線右斷至 b點 Pf變形f b強度極限，材料能承受的最大載荷時的應力。4）局部變形階段 bk過b點，試樣某一局部范圍內橫向尺寸突然急劇縮小。縮頸”（試樣橫截面變小，拉力 J）4 延伸率和斷面

4、收縮率： 表示塑性大小的指針1） 延伸率：S =o式樣原長，11拉深后長2） 斷面收縮率：-原截面，Fi 拉斷后截面* 1 ）& “越大，材料塑性越好2） £與S區別：拉伸圖中S =彈+ £塑，S = S mis3）一般8> 5%為塑性材料，S 5%為脆性材料。5條件屈服極限 b。2有些材料在拉伸圖中沒有明顯的水平階段。 通常規定產生 0.2塑性變形的應力作為屈服極限 稱為條件屈服極限 .二剛度金屬材料在受力時抵抗彈性變形的能力 1 材料本質彈性模量在彈性范圍內 ,應力與應變的比值.其大小主要決定材料本身. 相當于單位元元變形所需要的應力 .b = Es ,

5、E = b / s =tg a2 幾何尺寸形狀受力相同材料的 E 相同,但尺寸不同 ,則其剛度也不同 .所以考慮材料剛度時要把形狀尺寸同時考慮 .還要考慮受力情況 .三強度強度指金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力按作用力性質的不同，可分為：抗拉強度 0+抗壓強度0-抗彎強度ow抗剪強度T 抗扭強度6常用來表示金屬材料強度的指標：屈服強度：(Pa N/m2) P，產生屈服時最大外力,Fo-原截面抗拉強度(Pa N/m2) Pb-斷裂前最大應力.6 o在設計機械和選擇評定材料時有重要意義因金屬材料不能在超過6的條件下工作否則會塑變超過6工作，機件會斷裂.於-6之間塑性變形，壓力加工四硬度

6、金屬抵抗更硬的物體壓入其內的能力一是材料性能的綜合物理量，表示金屬材料在一個小的體積范圍內的抵抗彈性變形塑性變形或斷裂的能力1布式硬度HB用直徑D的淬火鋼球或硬質合金球，在一定壓力P下,將鋼球垂直地壓入金屬表面，并保持壓力到規定的時間后卸荷，測壓痕直徑d(用刻度放大鏡測)則HB=P/F (N/mm 2)單位一般不寫 F-壓痕面積HBS 壓頭用淬火鋼球，HBW 壓頭用硬質合金球I 因鋼球存在變形問題，不能測太硬的材料，適于HBS<450，如鑄鐵，有色金屬，軟鋼等.而 H EWV 6 5 0.l 特點：壓痕大，代表性全面l 應用：不適宜薄件和成品件2 洛式硬度HR用金剛石圓錐在壓頭或鋼球，在

7、規定的預載荷和總載荷下，壓入材料，卸載后，測其 深度h,由公式求出，可在硬度計上直接讀出，無單位.不同壓頭應用范圍不同如下表：HRBd= 1588淬火鋼球9807退火鋼灰鐵有色金屬HRC120°金剛石圓錐1471淬火回火件HRA5884硬質合金碳化物優點：易操作,壓痕小，適于薄件，成品件缺點:壓痕小，代表性不全面需多測幾點.*硬度與強度有一定換算關系，故應用廣泛根據硬度可近似確定強度，如灰鐵：b61HBS3顯微硬度(Hm)用于測定金屬組織中個別組成體，夾雜物等硬度顯微放大測量顯微硬度(查表)與HR有對應關系如:磨削燒傷表面，看燒傷層硬度變化五沖擊韌性ak材料抵抗沖擊載荷的能力常用一次

8、擺錘沖擊試驗來測定金屬材料的沖擊韌性，標準試樣一次擊斷，用試樣缺口處單位截面積上的沖擊功來表示akak=A k/F(J/m2) Ak=G(H-h)G-重量 F-缺口截面脆性材料一般不開口 ，因其沖擊值低，難以比較差別.1 aM沖擊韌性愈好.2 Ak不直接用于設計計算：在生產中，工件很少因受一次大能量沖擊載荷而破壞，多是小沖擊載荷，多次沖擊引起破壞，而此時，主要取決于強度，故設計時，ak只做校核.3 ak對組織缺陷很敏感，能夠靈敏地反映出材料品質，宏觀缺陷，纖維組織方面變化. 所以 ，沖擊試驗是生產上用來檢驗冶煉、熱加工、熱處理工藝質量的有效方法。（微裂紋 應力集中 沖擊 裂紋擴展）六 疲勞強度

9、： 問題提出：許多零件如曲軸、齒輪、連桿、彈簧等在交變載荷作用下，發生斷裂時的應力遠 低于該材料的屈服強度，這種現象 疲勞破壞。據統計， 80%機件失效是由于疲勞破壞。 疲勞強度 當金屬材料在無數次交變載荷作用下而不致于引起斷裂的最大應力。1 疲勞曲線 交變應力與斷裂前的循環次數 N 之間的關系。 例如：純彎曲，有色金屬 N108 鋼材 N>107 不疲勞破壞2 疲勞破壞原因材料有雜質 ，表面劃痕 ，能引起應力集中 ，導致微裂紋 ，裂紋擴展致使零件不能承受所加載荷 突然破壞 .3 預防措施改善結構形狀 ，避免應力集中 ，表面強化 -噴丸處理 ，表面淬火等 .第二節 金屬材料的物理 ，化學

10、和工藝性能一 物理性能比重： 計算毛坯重量 ，選材，如航天件 ：輕 熔點 ：鑄造 鍛造溫度 （再結晶溫度 ） 熱膨脹性 ：鐵軌 模鍛的模具 量具 導熱性 ： 鑄造 ：金屬型 鍛造 ：加熱速度 導電性 ： 電器元件 銅 鋁磁性 ：變壓器和電機中的硅鋼片 磨床 ： 工作臺二 化學性能金屬的化學性能 ，決定了不同金屬與金屬，金屬與非金屬之間形成化合物的性能，使有些合金機械性能高 ，有些合金抗腐蝕性好 ，有的金屬在高溫下組織性能穩定. 如耐酸 ，耐堿等如化工機械 ，高溫工作零件等三 工藝性能金屬材料能適應加工工藝要求的能力 .鑄造性 ，可鍛性 ，可焊性 ，切削加工形等思考題 ;1 什么是應力 ，應變（

11、線應變）?2 頸縮現象發生在拉伸圖上哪一點 ? 如果沒發生頸縮 ，是否表明該試樣沒有塑性變 形?3 0T2的意義？能在拉伸圖上畫出嗎？4 將鐘表發條拉成一直線 ，這是彈性變形還是塑性變形?如何判定變形性質 ?5 為什么沖擊值不直接用于設計計算 ?第二章 金屬和合金的晶體結構與結晶第一節 金屬的晶體結構基本概念 固體物質按原子排列的特征分為 : 晶體: 原子排列有序 ,規則,固定熔點 ,各項異性 . 非晶體 : 原子排列無序 ,不規則 ,無固定熔點 ,各項同性 如: 金屬 ,合金,金剛石 晶體 玻璃 ,松香 瀝青非晶體晶格 : 原子看成一個點 ,把這些點用線連成空間格子.結點 : 晶格中每個點

12、.晶胞 : 晶格中最小單元 ,能代表整個晶格特征 .晶面 : 各個方位的原子平面 晶格常數：晶胞中各棱邊的長度（和夾角）,以A（1A=10-8cm）度量 金屬晶體結構的主要區別在于晶格類型 ,晶格常數 .二 常見晶格類型201體心立方晶格：Cr ,W, -FaMo , V等，特點：強度大，塑性較好，原子數:1/8 X8 +1=2 多種2面心立方晶格：Cu Ag Au Ni Al Pb y Fe塑性好 原子數 ：420 多種4 密排六方晶格：Mg Zn Be0Cr -Ti Cd（鎘）純鐵在室溫高壓（130x108N/M2）成&Fe原子數=1/6 x12+1/2 x2+3=6 , 30 多

13、種三 多晶結構單晶體 - 晶體內部的晶格方位完全一致 .多晶體 許多晶粒組成的晶體結構 .各項同性 . 晶粒 外形不規則而內部晶各方位一致的小晶體 . 晶界 晶粒之間的界面 .第二節 金屬的結晶一 金屬的結晶過程 （初次結晶 ）1 結晶 ： 金屬從液體轉變成晶體狀態的過程 . 晶核形成 ： 自發晶核 ：液體金屬中一些原子自發聚集 ,規則排列 .外來晶核 ：液態金屬中一些外來高熔點固態微質點.晶核長大 ：已晶核為中心 ,按一定幾何形狀不斷排列 .*晶粒大小控制 ： 晶核數目 ： 多細 （晶核長得慢也細 ） 冷卻速度 ： 快細（因冷卻速度受限 ,故多加外來質點 ） 晶粒粗細對機械性能有很大影響 ,

14、若晶粒需細化 ,則從上述兩方面入手 結晶過程用冷卻曲線描述 !2 冷卻曲線 溫度隨時間變化的曲線 熱分析法得到理論結晶溫度 實際結晶溫度 時間 （s）TC)過冷 : 液態金屬冷卻到理論結晶溫度以下才開始結晶的現象2） 過冷度 :理論結晶溫度與實際結晶溫度之差 .（實際冷卻快 ,結晶在理論溫度下 ）二 金屬的同素異購轉變 （二次結晶 重結晶 ） 同素異構性 一種金屬能以幾種晶格類型存在的性質 . 同素異購轉變 金屬在固體時改變其晶格類型的過程 . 如: 鐵 錫 錳 鈦 鈷以鐵為例：孑e（1394 C ） -Fe（912 C ）伏Fe體心 面心 體心 因為鐵能同素異構轉變 ,才有對鋼鐵的各種熱處理

15、 . （晶格轉變時 ,體積會變化 ,以原子排列不同 ）第三節 合金的晶體結構一 合金概念合金 ： 由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬組成的具有金屬特性的物質.組元：組成合金的基本物質 .如化學元素 （黃銅：二元 ）金屬化合物 相： 在金屬或合金中 ,具有相同成分且結構相同的均勻組成部分.相與相之間有明顯的界面 .如： 純金屬 一個相 ,溫度升高到熔點 ,液固兩相 . 合金液態組元互不溶 ,幾個組元 ,幾個相 . 固體合金中的基本相結構為固溶體和金屬化合物， 還可能出現由固溶體和金屬化合物組成的 混合物。二 合金結構1 固溶體 溶質原子溶入溶劑晶格而仍保持溶劑晶格類型的金屬晶體。 根據溶質

16、在溶劑晶格中所占的位置不同，分為：1 ）置換固溶體溶質原子替代溶劑原子而占據溶劑晶格中的某些結點位置，所形成的固溶體。 *溶質原子，溶劑原子直徑相差不大時，才能置換 如： Cu Zn Zn 溶解度有限。 Cu Ni 溶解度無限 晶格畸變 固溶強化： 畸變時塑性變形阻力增加，強， 硬增加。這是提高合金機械性能的 一個途徑。2）間隙固溶體溶質原子嵌入各結點之間的空隙，形成固溶體。溶質原子小，與溶劑原子比為0.59 。溶解度有限。也固溶強化。2 金屬化合物 合金各組成元素之間相互作用而生成的一種新的具有金屬性質， 可用分子式表示的物質。 如 Fe3C WC 特點：（ 1 ）較高熔點、較大脆性、較高硬

17、度。（2）在合金中作強化相，提高強度、硬度、耐磨性，而塑性、韌性下降，如WC、TiC。可通過調整合金中的金屬化合物的數量、形態、分布來改變合金的性能3 機械混合物 固溶體 +金屬化合物、固 +固 綜合性能§4 二元合金狀態圖的構成這些合金組成一個合金系統合金系：由給定的組元可以配制成一系列成分含量不同的合金， 為研究合金系的合金成分、溫度、結晶組織之間的變化規律、建立合金狀態圖來描述。 合金狀態圖合金系結晶過程的簡明圖解。 實質：溫度成分作標圖，是在平衡狀態下（加熱冷卻都極慢的條件下）得到的。二、二元合金狀態圖的建立以Pb （鉛）-Sb （銻）合金為例：1 配置幾種 Pb-Sb 成分

18、不同的合金。2 做出每個合金的冷卻曲線Pb-Sb3 將每個合金的臨界點標在溫度 成分坐標上，并將相通意義的點連接起來，即得到 合金的狀態圖。液相線： ACB 固相線： DCE 單相區：只有一個相。兩相區：兩個相。 ACD、BCE。 c共晶點*作業：第三章鐵碳合金§1 鐵碳合金的基本組織 液態： Fe、C 無限互溶 。固態：固溶體 金屬化合物t C1538 -Fe+C鐵素體F1394 YFe+C奧氏體A912 a-Fe+C鐵素體 Fs一鐵素體碳溶于a-Fe形成的固溶體一一鐵素體F體心立方，顯微鏡下為均勻明亮的多邊形晶粒。性能：韌性很好（因含 C少），強、硬不高。S =4550% HBS

19、=d）=250Mpa 含碳： 727 C, 0.02%二奧氏體碳溶于YFe中形成的固溶體一“ A”面心立方 ,顯微鏡下多邊形晶粒 ,晶界較 F 平直 .性能:塑性好，壓力加工所需要組織含碳最高；1147C ,2.11% HBS=170220 三滲碳體金屬化合物 Fe3C復雜晶格，含碳669%.性能:硬高HB(sw)>800”脆，作強化相 在一定條件下會分解成鐵和石墨,這對鑄造很有意義 .四 珠光體 PF+Fe3C 機械混合物，含碳0.77% 組織:兩種物質相間組成 ，性能:介于兩者之間 .強度較高 : 硬度 HBS=250五 萊氏體>727 C A+Fe3C Ld高溫萊氏體<

20、727 C P+Fe3C Ld '低溫萊氏體性能 : 與 Fe3C 相似 HBS>700 塑性極差 .§2 鐵碳合金狀態圖是表明平衡狀態下含 C 不大于 6.69%的鐵碳合金的成分 ，溫度與組織之間關系 ，是研究鋼鐵的 成分 ，自治和性能之間關系的基礎 ，也是制定熱加工工藝的基礎.含C>6.69在工業上午實際意義，而含C6.69%時,Fe與C形成Fe3C,故可看成一個組元，即鐵 碳合金狀態圖實際為 Fe-Fe3C 的狀態圖 .一鐵碳合金狀態圖中點線面的意義1 各特性點的含義1)A:純鐵熔點 含 C: 0%1538C2)C:共晶點4.3%11483)D:Fe3C 熔

21、點6.6916004)E:C在A中最大溶解度2.11 11485)F:Fe3C 成分點6.6911486)G:-Fe與丫Fe轉變點 0%9127)K:Fe 3C 成分點6.697278)P:C在a-Fe中最大溶解度0.027279)S:共析點0.7772710) Q: C在a-Fe中溶解度0.0008 室溫2 主要線的意義1) ACD: 液相線 ，液體冷卻到此線開始結晶 .2) AECF: 固相線 此線下合金為固態3) ECF:生鐵固相線，共晶線，液體一Ld4) AE: 鋼的固相線 ，液態到此線 A5) GS:”A” A此線開始析出F6) ES: ” Am” A此線開始析出 Fe367) PS

22、K:”A”共析線.A同時析出P(F+Fe3C)3 主要區域1) ACE:兩相區 L+A 2) DCF:兩相區 L+Fe3Ci3) AESG: 單相區 A 4) GPS: A+F 兩相區二鋼鐵分類1工業純鐵：含C<0.0218% 組織:F2 鋼:含碳: 0.02182.11共析鋼含 C=0.77%P亞共析鋼含 C<0.77%P+F過共析鋼含 C>0.77%P+Fe3C113 鐵 含 C:2.11%6.69%共晶生鐵 4.3% CLd'亞共晶生鐵< 4.3% CP+Ld'+ Fe3C11過共晶生鐵> 4.3% CLd'+ Fe3C1三典型合金結

23、晶過程分析1 共析鋼LL+AA-P2 亞共析鋼LA+L AA+FF+P3過共析鋼LL+A AA+ Fe 3C11- Fe3C1+P4 共晶鐵LLdLd'5 亞共晶鐵L 1 點一L+A A+Ld P+Ld'6 過共晶鐵L 1 點一L+Fe3C12 點一Ld+ Fe3C1 3 點-Fe3C1+Ld四鐵碳合金狀態圖的應用1 鑄造 確定澆鑄溫度 選材: 共晶點附近鑄造性能好2 鍛造鍛造溫度區間 A3 焊接 焊接缺陷用熱處理改善 .根據狀態圖制定熱處理工藝§3鋼的分類和應用按化學成分：碳鋼：<2.11%C少量Si Mn S P等雜質合金鋼 :加入一種或幾種合金元素 一碳鋼

24、1 含碳量對碳鋼性能的影響<0.9%C Cf強，硬f塑，韌J FeC強化相>0.9%C Cf硬f，強,塑,韌J FeC分布晶界,脆性f2 鋼中常見雜質對性能的影響Si:溶于F，強化F,強，硬f塑，韌J 含量<0.030.4%有益作用不明顯Mn: 1）溶于F,Fe3C.引起固溶強化 2）與FeS反應一MnS比重輕，進入熔渣，如量少，有益作用不 明顯S: FeS （FeS+Fe）共晶體，熔點985 C ,分布晶界，引起脆性”熱脆”P：溶于F,是強度，硬度f但室溫塑性，韌性JJ 冷脆”3 碳鋼的分類1 ） 按含碳量分低碳鋼 <0.25%C 中碳鋼：0.250.6%C,高碳鋼&

25、gt;0.6%C2）按質量分（含S,P多少分）普通鋼 S<=0.055%,P<=0.045%優質鋼 S,P<=0.04%高級優質鋼 S<=0.03%P<=0.035%3）按用途分碳素結構鋼，碳素工具鋼>0.6%C4 碳鋼的編號和用途1）普通碳素結構鋼 :Q235 數字表示屈服強度 單位 Mpa2）優質碳素結構鋼正常含錳量的優質碳素結構鋼：0.250.8%M n較高含錳量 0.150.6%C 0.71.0% Mn , >0.6%C 0.91.2%M n08 10 15 20 25 強J塑f沖壓件 焊件30 35 40 45 50 55 60強f硬f彈簧，

26、軸，齒輪 耐磨件65 70 75 80 85 耐磨件數字表示含 C 萬分 8 之幾3）碳素工具鋼T7T8T13 數字表示含 C 千分之幾高級優質鋼加 A 含 Mn 高，加 MnT8MnA二合金鋼常加合金元素：Mn Si Cr Ni Mo W V Ti B（硼）稀土元素（Xt）等1 合金結構鋼“數 +元素符號 +數”表示 數含碳萬分之幾 ， 符號合金元素 ，符號后面數表示含合金 %, <1.5%不標，=1.5%標2 若為高級優質鋼 ，后加 A如：60Si2M n 0.6%C, 2%Si <1.5% Mn18Cr2Ni4WA 0.18%C, 2%Cr, 4%Ni,<1.5%W 高

27、級優質應用： 工程結構件 ， 機械零件主要包括 ：低合金鋼 ,合金滲碳鋼 ,合金調質鋼 ,合金彈簧鋼 ,滾動軸承鋼等2 合金工具鋼 :數 +元素符號 +數與結構鋼同數一一位數,含C千分之幾，含 0=1.0%不標如: 9SiCr （板牙 , 絲錐 ）0.9%C <1.5%Si <1.5%CrCrWMn （長鉸刀 ,絲錐 ,拉刀, 精密絲杠 ）*高速鋼 含 C<1.0 也不標 W18Cr4V 0.70.8%C,18%W,4%Cr,<1.5%V應用 :刃具,模具,量具等3 特殊性能鋼不銹鋼 : 1Cr13 1Cr18Ni9Ti 等耐熱鋼：1Cr132Cr13>400 C

28、 工作耐磨鋼 : 高錳鋼水韌處理 ,沖擊下工作 ,表面產生加工硬化 .并有馬試體在滑移面形成 ,表面硬 度達 HB450550, 表面耐磨 ,心部為 A.水韌處理：鋼加熱到臨界點以上（10001100 C ）保溫,碳化物全容于A,水冷，因冷速快，無法析 出碳化物 ,成單一 A 組織 .§5 常用非金屬材料一 高分子材料天然 ： 羊毛 橡膠人工合成 ： 塑料 人工橡膠 粘結劑等有機玻璃 尼龍 丙綸 氯綸 -商品名工程塑料 ： 環氧樹脂 聚甲醛 ： 塑料手表中零件 聚酰亞胺 ： 絕緣二 陶瓷耐磨 耐蝕 脆 刀片 砂輪三 復合材料磨削軟片 ： 聚酰亞胺 +金剛石§4 金屬零件選材

29、的一般原則產品的質量和生產成本如何 ,與材料選擇的是否恰當有直接關系,機械零件進行選材時 ,主要考慮零件的工作條件 ,材料的工藝性能和產品的成本.基本原則如下 ：1 滿足零件工作條件 ：受力狀態一機械性能,基本（T 3等k工作溫度環境介質 使用環境 ,高溫耐熱,抗腐蝕不銹鋼 高硬度 工具鋼2 材料的工藝性能零件的生產方法不同 ,直接影響其質量和生產成本 . 如： 灰口鐵 ,鑄造性能 切削加工性很好 ,可鍛性差 .3 經濟性 價值 =功能 /成本如: 耐腐蝕容器 : 1)普通碳素鋼 :5000 元 用一年2) 奧氏體不銹鋼 : 40000 元 用 10 年3) 鐵素體不銹鋼 : 15000元 用

30、 6年1) :2):3) =1:1.25:2第四章 鋼的熱處理§1 概述一 鋼的熱處理 : 把鋼在固態下加熱到一定的溫度進行必要的保溫, 并以適當的速度冷卻到室溫 ,以改變鋼的內部組織 ,從而得到所需性能的工藝方法* 只改變組織和性能 , 而不改變其形狀和大小 .熱處理是改善材料性能的重要手段之一, 能提高產品質量 ,延長機件壽命 ,節約金屬材料 ,所以 ,重要機件都要經過熱處理 .(提問:前面學過的改善金屬材料性能的手段固溶強化 )熱處理工藝曲線 : 各種熱處理都可以用溫度 時間的坐標圖形表示 .溫度保溫臨界溫度加熱 冷卻時間應用廣泛 :機械制造業中 70%零件需熱處理 .汽車 拖

31、拉機 制造業 7080% 量具 刃具 模具 滾動軸承等 100%二 目的1 冶金 鍛 鑄 焊毛坯或成品 ,消除缺陷 , 改善工藝性能 .為后續加工 ( 如機加 ) 做好組織 ,性能 , 準備 . 退火 正火2 是鋼件的機械性能提高 ,達到鋼件的最終使用性能指標,以滿足機械零件或工具使用性能要求 . 淬火 +回火 表面淬火 化學處理l依據 :狀態圖§2 熱處理過程中的組織轉變一 鋼在加熱時的組織轉變1 臨界溫度 :狀態圖上A1 : 共析線 (P-A)臨界溫度 : A3 : A 析出 F(F-A) 極緩慢冷卻Acm : A 析出 Fe3C"()實際加熱臨界溫度 A c1Ac3A

32、 “過熱”Accm實際冷卻臨界溫度 AriPAr3A 析出 F “過冷”Arcm析出Fe3S2 組織轉變1) 共析鋼 : P(F+Fe3C)-A(1) A 晶核形成 :F 和 Fe3C 界面上先形成 A 晶核 (因界面原子排列不規則 ,缺陷多 ,能量低 )A晶核長大:F晶格轉變，Fe3C不斷溶入A, A晶核不斷生成，長大.F轉變快，先消失.殘余滲碳體的溶解：隨保溫時間加長,殘余Fe3C逐漸溶入A(4)A 成分均勻化 : A 轉變完成后 ，各處含 C 濃度不均勻 ，繼續保溫 ，C 充分擴散 ，得到單一的均勻A這個過程是 A 重結晶的過程 .2) 亞共析鋼 ： F+P Ac1 F+A Ac 3-A

33、3) 過共析鋼：P+ Fe3C-AciA+ Fe3C-Accm-A(晶粒粗化)二鋼在冷卻時的組織轉變(鋼在室溫時的機械性能不僅與加熱 ，保溫有關 ，與冷卻過程也有關 )1 冷卻方式1) 連續冷卻 ： 時加熱到 A 的鋼，在溫度連續下降的過程中發生組織轉變.水冷 油冷 空冷 (正火) 爐冷(退火 )2)Ar 1(2)(1)等溫冷卻：使加熱到A的鋼,先以較快的速度冷卻到Ari線下某一溫度，成為過冷 A,保溫，使A在等溫下發生組織轉變，轉變完,再冷卻到室溫.等溫退火 等溫淬火2 共析鋼冷卻時的等溫轉變以共析鋼為例 ，進行一系列不同過冷度的等溫冷卻實驗，可以測出過冷奧氏體在恒溫下開始轉變和轉變終了的時

34、間 ，畫到”溫度時間”坐標系中 ，然后，把開始轉變的時間和轉變終了 的時間分別連接起來，即得到共析鋼的奧氏體等溫轉變曲線 又叫C曲線.i) 高溫產物 ：Ari /7 650 CP 層片較厚500X顯微鏡 HRCi0-20650 -600 C細珠光體 索氏體 SHRC2535層片較薄 800i000X600 -550 C極細珠光體屈氏體T HRC3040層片極薄Ia)以上三種均為F+ Fe3C層片相間的珠光體，只是層片厚度不同。Ib)由于過冷度從小到大，原子活動能力由強到弱，致使析出的滲碳體和鐵素體 層片越來越來薄。l c）珠光體層片越薄，塑變抗力越大，強，硬越大。2）中溫產物550350 C

35、上貝氏體 B上電鏡下觀察，滲碳體不連續，短桿狀，分布于許多平行而密集 的鐵素體條之間。350 230C 下貝氏體 B下比B上有較高強、硬、韌、塑。片狀過飽和F和其內部沉淀的碳化物組織（因為過飽和 F 有析出 Fe3C 傾向，但過冷度太大，導致碳原子沒能擴散超出 F 片，只是在片內沿一定晶面聚集，沉淀出碳化物粒子）3）低溫轉變產物：230 -50 C 馬氏體（M ） +殘余A 馬氏體：過飽和的a固溶體“ M（由于溫度低，原子活動能力低，晶格轉變完成，但是，C 原子不能從面心中擴散出來，仍留在體心中，形成過飽和a固溶體）晶格嚴重畸形， M硬f HRC65塑 韌 t 03 共析鋼連續冷卻轉變連續冷卻

36、可能發生幾種轉變，很復雜。共析鋼連續冷卻，只有珠光體轉變區和馬氏體轉變區。珠光體轉變區：三條線構成：開始，終了，終止線 冷卻速度過“開始”終“了”線，組織為珠光體冷卻速度過“開始”“終止”線，組織為珠光體和馬氏體 冷卻速度不過珠光體區，則為 M§3 鋼的熱處理工藝熱處理 : 整體熱處理 : 退火 正火 淬火 回火表面熱處理 : 表面淬火 化學熱處理滲碳 滲氮一退火將鋼件加熱到高于或低于鋼的臨界點,保溫一定時間 ,隨后在爐內或埋入導熱性較差的介質中緩慢冷卻 ,以獲得接近平衡的組織 ,這種工藝叫目的: 1） 降低硬度切削加工2）細化晶粒 ,改善組織提高機械性能3）消除內應力淬火準備4）提

37、高塑性 ,韌性冷沖壓 , 冷拉拔1完全退火：將鋼加熱到 AC3以上3050 C,保溫一定時間后，緩慢冷卻以獲得接近平衡狀 態組織（P+F）的熱處理工藝.目的：通過完全重結晶 ,使鍛 ,鑄,焊件降低硬度 ,便于切削加工 ,同時可消除內應力 ,使 A 充分轉 變成正常的 F 和 P.應用： 亞共析鋼*不能用于共析鋼，：在Accm以上緩冷，會析出網狀滲碳體（Fe3Cn），脆性f2不完全退火：將共析鋼或過共析鋼加熱到Ac1以上2030 C，適當保溫,緩慢冷卻的熱處理工藝 - 又叫球化退火 .目的 ：使珠光體組織中的片狀滲碳體轉變為粒狀或球狀，這種組織能將低硬度 ，改善切削加工性.并為以后淬火做準備 .

38、減小變形和開裂的傾向 .應用：共析鋼，過共析鋼（球化退火）3等溫退火：將鋼件加熱到Ac3A （亞共析鋼）或 Ac1（共析鋼或過共析鋼）以上,保溫后較快地冷卻到稍低于 Ar1的溫度，再等溫處理，A轉變成P后，出爐空冷.目的：節省退火時間，得到更均勻的組織，性能. 應用：合金工具鋼，高合金鋼4去應力退火：將鋼加熱到Ac1以下某一溫度（約500650C ）保溫后緩冷.（又叫低溫退火）目的:消除內應力應用:鑄，鍛,焊*不發生相變，重結晶例子:杯裂5再結晶退火：將鋼件加熱到再結晶溫度以上150250 C,即650750 C ,保溫,空冷.目的：發生再結晶，消除加工硬化應用：冷扎，冷拉,冷壓等*可能相變6

39、擴散退火：均勻化退火，高溫進行目的：消除偏析，應用:鑄件二正火鋼件加熱到 Ac3（亞）或Accm（過共）以上3050 C保溫，空冷*正火作用與退火相似，區別是正火冷速快，得到非平衡的珠光體組織，細化晶粒，效果好，能得 到片層間距較小的珠光體組織與退火對比含碳量 工藝碳素結構鋼（HB）碳素工具鋼（HB）< 02025065%0.650.85%0.71.3%退火< 150150-220220-229187-217（球化）正火< 156156-228230-280229-341實踐表明：工件硬度HB170-230時，對切削有利 正火目的：1提高機械性能2改善切削加工性3為淬火作組織

40、準備一大晶粒易開裂對于過共析鋼，正火能減少二次滲碳體的析出，使其不形成連續的網狀結構，有利于 縮短過共析鋼的球化退火過程 ，經正火和球化退火的過共析鋼有較高的韌性，淬火就不易開裂用于生產過共析鋼的工具的工藝路線:鍛造一正火一球化退火一切削加工一淬火，回火一磨 低碳鋼，正火代替退火，中C鋼：正火代調質（但晶粒不均）三淬火將鋼件加熱到 Ac3（亞）或Ac1（過）以上30-50 C，經過保溫，然后在冷卻介質中迅速冷卻，以獲得高硬度組織的一種熱處理工藝目的:提高硬度，耐磨性應用：工具，模具，量具,滾動軸承組織:馬氏體下貝氏體 淬火冷卻：決定質量，理想冷卻速度兩頭慢中間快.減少內應力.1常用淬火法：1）

41、單液淬火（普通淬火）:在一種淬火介質中連續冷卻至室溫如碳鋼水冷缺點：水冷,易變形，開裂油冷:易硬度不足，或不均優點：易作，易自動化2）雙液淬火：先在冷卻能力較強的介質中冷卻到300C左右，再放入冷卻到冷卻能力較弱的介質中冷卻，獲得馬氏體對于形狀的碳鋼件 ,先水冷 ,后空冷 .優點: 防低溫時 M 相變開裂 .3）分級淬火 :工件加熱后迅速投入溫度稍高于 Ms 點的冷卻介質中 ,（如言浴火堿浴槽中 ） 停 2-5 分 （待表面與心部的溫差減少后再取出）取出空冷 .應用:小尺寸件（如刀具淬火） 防變形,開裂優點 : 工藝理想 ,操作容易缺點：在鹽浴中冷卻，速度不夠大只適合小件4）等溫淬火 :將加熱

42、后的鋼件放入稍高于 Ms 溫度的鹽浴中保溫足夠時間 , 使其發生下貝 氏體轉變 ，隨后空冷 .應用： 形狀復雜的小零件 ，硬度較高 ，韌性好，防變形，開裂.例子:螺絲刀（T7鋼制造） 用淬火+低溫回火 HRC55， 韌性不夠 ，扭 10°時易斷 如用等溫淬火 ， HRC5558 韌性好 ， 扭 90 °不斷等溫淬火后如有殘余 A， 需回火 ， A-F. 如沒有殘余 A， 不需回火 缺點 :時間長2 鋼的淬透性與淬硬性淬透性 :鋼在淬火時具有獲得淬硬層深度的能力.淬硬性 :在淬火后獲得的馬氏體達到的硬度，它的大小取決于淬火時溶解在奧氏體中的碳含量.四 回火將淬火后的鋼加熱到

43、Ac1 以下某一溫度 ，保溫一定時間 ，后冷卻到室溫的熱處理工藝.目的:消除淬火后因冷卻快而產生的內應力，降低脆性 ，使其具有韌性 ，防止變形 ，開裂，調整機械性能 .1低溫回火：加熱溫度150250 C組織：回火馬氏體一過飽和度小的 a-固溶體，片狀上分布細小&碳化物目的 : 消除內應力 ，硬度不降 .HRC5864應用： 量具 ，刃具低碳鋼 ： 高塑性 ，韌性 ，較高強度配合2中溫回火：加熱溫度350500 C組織：極細的球（粒）狀Fe3C和F機械混合物.（回火屈氏體）目的 ：減少內應力 ，提高彈性 ，硬度略降 . 應用：（0.450.9%）彈簧，模具 高強度結構鋼3高溫回火：50

44、0650 C組織：回火索氏體一較細的球（粒）狀Fe3C和F機械混合物.目的 ： 消除內應力 ，較高韌性 ，硬度更低 .應用 ： 齒輪 ，曲軸，連桿等 （受交變載荷 ） 淬火 +高溫回火 -調質五 表面淬火表面層淬透到一定深度而中心部仍保持原狀態 應用 ：既受摩擦 ，又受交變 ，沖擊載荷的件 .目的:提高表面的硬度 ,有利的殘余應力 .提高表面耐磨性 ,疲勞強度 加熱方法 :1 火焰: 單間小批局部 ,質量不穩2 感應加熱 : 質量不穩 六化學熱處理 工件放在某種化學介質中加熱,保溫,使化學元素滲入工件表面,改善工件表面性能 .應用: 受交變載荷 ,強烈磨損 ,或在腐蝕 ,高溫等條件下工作的工件

45、 .滲 C: 表面成高碳鋼 ,細針狀高碳馬氏體 （0.851.05%）,心部又有高韌性的受力較大的齒輪,軸類件固體滲碳,液體滲碳，氣體滲碳（常用:滲碳劑如甲醇+丙酮900930 C ） 如：低碳鋼，表層:P+Fe3S內部:P+F熱處理：淬火+低溫回火 得到回火M（細小片狀）+ Fe3C n表面含C: 0.851.05% 若表面含C低得到低含C的回火M,硬度低 含C高,網狀或大量塊狀滲 C體，脆性f 滲N:表面硬度，耐磨性，耐蝕性,疲勞強度f溫度：500570 C最后工序.為保證內部性能，氮化前調質 優點：氮化后不淬火，硬度高（HV850）,氮化層殘余壓應力，疲勞強度f 氮化物抗腐蝕 . 溫度低

46、 ，變形小 .碳氮共滲 : 硬度高 ，滲層較深 ，硬度變化平緩 ，具有良好的耐磨性 ，較小的表面脆性 .第二篇鑄造概述一什么是鑄造 ?將液體金屬澆鑄到與零件形狀相適應的鑄造空腔中 ，待其冷卻凝固后 ，以獲得零件或毛坯的 方法.二特點1 優點:1）可以生產形狀復雜的零件 ，尤其復雜內腔的毛坯 （如暖氣 ）2）適應性廣 ，工業常用的金屬材料均可鑄造 . 幾克幾百噸 .3）原材料來源廣泛 .價格低廉 . 廢鋼，廢件，切屑4）鑄件的形狀尺寸與零件非常接近 ，減少切削量 ，屬少無切削加工 .應用廣泛：農業機械4070% 機床:7080%重量鑄件2 缺點:1）機械性能不如鍛件 （組織粗大 ，缺陷多等 ）2

47、）砂性鑄造中 ，單件，小批，工人勞動強度大 .3）鑄件質量不穩定 ，工序多 ，影響因素復雜 ，易產生許多缺陷 .鑄造的缺陷對鑄件質量有著重要的影響,因此 ,我們從鑄件的質量入手 ,結合鑄件主要缺陷的形成與防止 ,為選擇鑄造合金和鑄造方法打好基礎.第一章鑄造工藝基礎§1 液態合金的充型充型: 液態合金填充鑄型的過程 .充型能力 : 液態合金充滿鑄型型腔 ,獲得形狀完整 ,輪廓清晰的鑄件的能力 充型能力不足 :易產生 : 澆不足 : 不能得到完整的零件 .冷隔:沒完整融合縫隙或凹坑 , 機械性能下降 .一合金的流動性液態金屬本身的流動性 合金流動性1 流動性對鑄件質量影響1) 流動性好

48、,易于澆出輪廓清晰 ,薄而復雜的鑄件 .2) 流動性好 ,有利于液態金屬中的非金屬夾雜物和氣體上浮,排除.3) 流動性好 ,易于對液態金屬在凝固中產生的收縮進行補縮.2 測定流動性的方法 :以螺旋形試件的長度來測定：如 灰口鐵：澆鑄溫度1300C試件長1800mm.鑄鋼:1600 C 100mm3 影響流動性的因素 主要是化學成分 ：1) 純金屬流動性好 ：一定溫度下結晶 ,凝固層表面平滑 ,對液流阻力小2) 共晶成分流動性好 ：恒溫凝固 ,固體層表面光滑 ,且熔點低 ,過熱度大 .3) 非共晶成分流動性差 ： 結晶在一定溫度范圍內進行 ,初生數枝狀晶阻礙液流二澆注條件1澆注溫度：t合金粘度下

49、降,過熱度高.合金在鑄件中保持流動的時間長, t f提高充型能力但過高，易產生縮孔，粘砂，氣孔等,故不宜過高2充型壓力：液態合金在流動方向上所受的壓力f充型能力f如砂形鑄造 -直澆道 ，靜壓力 . 壓力鑄造 ，離心鑄造等充型壓力高 .三鑄型條件1鑄型結構：若不合理，如壁厚小，直澆口低，澆口小等 充J2鑄型導熱能力：導熱f金屬降溫快，充J如金屬型3鑄型溫度：t充f如金屬型預熱4鑄型中氣體：排氣能力f充f減少氣體來源，提高透氣性，少量氣體在鑄型與金屬液之間 形成一層氣膜 ，減少流動阻力 ，有利于充型 .§2 鑄件的凝固和收縮123鑄件的凝固過程如果沒有合理的控制 ，鑄件易產生縮孔 ，縮松

50、鑄件的凝固1 凝固方式 :鑄件凝固過程中 ,其斷面上一般分為三個區: 1固相區 2凝固區 3液相區對凝固區影響較大的是凝固區的寬窄 ,依此劃分凝固方式 .1) 逐層凝固 :純金屬 ,共晶成分合金在凝固過程中沒有凝固區 ,斷面液 ,固兩相由一條界限清楚分開,隨溫度下降,固相層不斷增加 ,液相層不斷減少 ,直達中心 .2) 糊狀凝固合金結晶溫度范圍很寬 ,在凝固某段時間內 ,鑄件表面不存在固體層,凝固區貫穿整個斷面 ,先糊狀,后固化 .故-3) 中間凝固 大多數合金的凝固介于逐層凝固和糊狀凝固之間 .2 影響鑄件凝固方式的因素1) 合金的結晶溫度范圍范圍小 : 凝固區窄 ,愈傾向于逐層凝固如: 砂

51、型鑄造 , 低碳鋼 逐層凝固 , 高碳鋼 糊狀凝固2) 鑄件的溫度梯度 合金結晶溫度范圍一定時,凝固區寬度取決于鑄件內外層的溫度梯度.溫度梯度愈小 ,凝固區愈寬 .(內外溫差大 ,冷卻快 ,凝固區窄 )二合金的收縮液態合金從澆注溫度至凝固冷卻到室溫的過程中,體積和尺寸減少的現象 -.是鑄件許多缺陷(縮孔,縮松 ,裂紋,變形,殘余應力 )產生的基本原因 .1 收縮的幾個階段1) 液態收縮 : 從金屬液澆入鑄型到開始凝固之前 . 液態收縮減少的體積與澆注溫度質開 始凝固的溫度的溫差成正比 .2) 凝固收縮 : 從凝固開始到凝固完畢 . 同一類合金 ,凝固溫度范圍大者 ,凝固體積收縮率大 . 如:

52、35 鋼,體積收縮率 3.0%, 45 鋼 4.3%3) 固態收縮 : 凝固以后到常溫 . 固態收縮影響鑄件尺寸 ,故用線收縮表示 .2 影響收縮的因素1) 化學成分：鑄鐵中促進石墨形成的元素增加，收縮減少如：灰口鐵C, Si 1收J ,S收f.因石墨比容大 ,體積膨脹 ,抵銷部分凝固收縮 .2) 澆注溫度：溫度1液態收縮13) 鑄件結構與鑄型條件鑄件在鑄型中收縮會受鑄型和型芯的阻礙實際收縮小于自由收縮'鑄型要有好的退讓性3 縮孔形成在鑄件最后凝固的地方出現一些空洞，集中一縮孔.純金屬，共晶成分易產生縮孔 *產生縮孔的基本原因 ： 鑄件在凝固冷卻期間,金屬的液態和凝固受縮之和遠遠大于固

53、態收縮4 影響縮孔容積的因素 (補充)1) 液態收縮 ,凝固收縮1 縮孔容積12) 凝固期間，固態收縮1縮孔容積J3) 澆注速度J縮孔容積J4) 澆注速度1液態收縮1 易產生縮孔5 縮松的形成由于鑄件最后凝固區域的收縮未能得到補足,或者 ,因合金呈糊狀凝固 ,被樹枝狀晶體分隔開的小液體區難以得到補縮所至 .1) 宏觀縮松肉眼可見 ,往往出現在縮孔附近 ,或鑄件截面的中心 .非共晶成分 ,結晶范圍愈寬 ,愈易形成縮松2) 微觀縮松凝固過程中 ,晶粒之間形成微小孔洞 -凝固區 ,先形成的枝晶把金屬液分割成許多微小孤立部分, 冷凝時收縮 ,形成晶間微小孔洞 . 凝固區愈寬 ,愈易形成微觀縮松 ,對鑄

54、件危害不大 ,故不列為缺陷 ,但對氣密性 ,機械性能等 要求較高的鑄件 ,則必須設法減少 .(先凝固的收縮比后凝固的小 ,因后凝固的有液 ,凝 ,固三個 收縮 ,先凝固的有凝 ,固二個收縮區 這也是形成微觀縮松的基本原因 .與縮孔形成基本原因類似)6 縮孔 ,縮松的防止辦法基本原則 : 制定合理工藝 補縮 , 縮松轉化成縮孔 .順序凝固 : 冒口 補縮同時凝固 : 冷鐵厚處 . 減小熱應力 ,但心部縮松 ,故用于收縮小的合金 .l 安置冒口 , 實行順序凝固 ,可有效的防止縮孔 ,但冒口浪費金屬 ,浪費工時 ,是鑄件成本增加而且，鑄件內應力加大，易于產生變形和裂紋主要用于凝固收縮大，結晶間隔小的合金l 非共晶成分合金 ,先結晶樹枝晶 ,阻礙金屬流動 ,冒口作用甚小 .l 對于結晶溫度范圍甚寬的合金 ，由于傾向于糊狀凝固 ，結晶開始之后 ，發達的樹枝狀骨狀布滿整個截面 ，使冒口補縮道路受阻 ，因而難避免顯微縮松的產生 .顯然 ，選用近共晶成分和 結晶范圍較窄的合金生產鑄件是適宜的 .§3 鑄造內應力 ，變形和裂紋凝固之后的繼續冷卻過程中 ，其固態收縮若受到阻礙 ，鑄件內部就發生內應力 ，