《工程材料教學(xué)》PPT課件.ppt

大連交通大學(xué)工程材料課程,工程訓(xùn)練中心,工程材料,金屬材料,非金屬材料,黑色金屬材料：鋼和鑄鐵,有色金屬材料,高分子材料,銅及銅合金,滑動(dòng)軸承合金,陶瓷材料,復(fù)合材料,鋁及鋁合金,工程材料的分類(lèi),當(dāng)今社會(huì)科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，新材料層出不窮，但到目前為止，在機(jī)械工業(yè)中使用最多的材料仍然是金屬材料，其主要原因是因?yàn)樗邇?yōu)良的使用性能和加工工藝性能。,金屬材料的性能,使用性能,加工工藝性能,機(jī)械性能：強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等,鑄造性能：流動(dòng)性、收縮性等,鍛造性能：壓力加工成型性等,切削加工性能：車(chē)、銑、刨、磨的切削量，光潔度等,物理性能：導(dǎo)電、導(dǎo)熱、電磁、膨脹等,化學(xué)性能：抗氧化性、耐腐蝕性等,焊接性能：熔焊性、焊縫強(qiáng)度、偏析等,熱處理性能：淬透性、回火穩(wěn)定性等,第1章 鋼的熱處理,熱處理的概念 1.1 鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變 1.2 鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變 1.3 鋼的普通熱處理 1.4 鋼的表面熱處理 1.5 鋼的化學(xué)熱處理,鋼的熱處理,把固態(tài)金屬材料在一定介質(zhì)中的加熱、保溫和冷卻，以改變其組織和性能的一種工藝。,1.1 鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變,臨界溫度 平衡時(shí)：A1、 A3、Acm 加熱時(shí)：Ac1、 Ac3、Accm 冷卻時(shí)：Ar1、Ar3、Arcm,1奧氏體的形成 Fe，C原子擴(kuò)散和晶格改變的過(guò)程。,共析鋼加熱到Ac1 以上時(shí)， P A 共析鋼A化過(guò)程 形核 、長(zhǎng)大、 Fe3 C 完全溶解、C 的均勻化。,亞（過(guò)）析鋼的A化 P A ，首先是先共析 F 或 Fe3C 溶解。,影響A轉(zhuǎn)變速度的因素,加熱溫度和速度 轉(zhuǎn)變快 C%或 Fe3 C片間距 界面多，形核多 轉(zhuǎn)變快 合金元素 A化速度或,A 晶粒度：起始晶粒度 實(shí)際晶粒度 本質(zhì)晶粒度 加熱溫度，保溫時(shí)間 晶粒尺寸 合金碳化物，C% 晶粒尺寸,1.2 鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變：,1過(guò)冷A的等溫轉(zhuǎn)變 2過(guò)冷A的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變,1. 過(guò)冷A的等溫轉(zhuǎn)變,過(guò)冷A : T A1時(shí)，A不穩(wěn)定。 A等溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn) (TTT 或 C 曲線(xiàn)),共析鋼的C 曲線(xiàn),高溫轉(zhuǎn)變，A1 550 過(guò)冷A P 型組織 中溫轉(zhuǎn)變，550 MS 過(guò)冷A 貝氏體 ( B ) 低溫轉(zhuǎn)變，MS Mf 過(guò)冷A 馬氏體 ( M ),高溫P轉(zhuǎn)變過(guò)程 晶格改變和Fe，C原子擴(kuò)散。,P 型組織 F + 層片狀 Fe3C,珠光體 P 索氏體 S 屈氏體 T,層片間距：P S T,珠光體 P ，3800,索氏體 S 8000,屈氏體 T 8000,中溫轉(zhuǎn)變（550 MS） C原子擴(kuò)散， Fe原子不擴(kuò)散,過(guò)冷A 貝氏體 B（碳化物 + 含過(guò)飽和C的F ）：上B，550 350產(chǎn)物 羽毛狀，小片狀Fe3C分布在F間。上B 強(qiáng)度和韌性差,下B， 350 MS 產(chǎn)物：下B 韌性高，綜合機(jī)械性能好。,F 針內(nèi)定向分布著細(xì)小Fe2.4C顆粒 電子顯微照片 12000,T8鋼，下B，黑色針狀 光學(xué)顯微照片 400,馬氏體（M）轉(zhuǎn)變特點(diǎn),1) 無(wú)擴(kuò)散 Fe 和 C 原子都不進(jìn)行擴(kuò)散， M是體心正方的C過(guò)飽和的F，固溶強(qiáng)化顯著。,2) 瞬時(shí)性 M 的形成速度很快， 溫度則 轉(zhuǎn)變量,3) 不徹底 M 轉(zhuǎn)變總要?dú)埩羯倭?A， A中的C% 則 MS、Mf ，殘余A含量,4) M形成時(shí)體積， 造成很大內(nèi)應(yīng)力。,M 的形態(tài),C% 0.25 % 時(shí)，為板條M（低碳M）。,板條M, 平行的細(xì)板條束組成,針狀M（凸透鏡狀）,C% 1.0 % 時(shí)，為針狀M 。,C% = 0.251.0 % 時(shí)，為混合M 。,M 的性能,C % M 硬度 針狀M 硬度高，塑韌性差。 板條M 強(qiáng)度高，塑韌性較好。,亞（過(guò)）共析鋼過(guò)冷A的等溫轉(zhuǎn)變,與共析鋼相比，C曲線(xiàn)左移， 多一條過(guò)冷AF （Fe3C）的轉(zhuǎn)變開(kāi)始線(xiàn)，且Ms、Mf 線(xiàn)上（下）移。,2. 過(guò)冷A的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變,連續(xù)冷卻 轉(zhuǎn)變(CCT)曲線(xiàn),Ps AP 開(kāi)始線(xiàn) Pf AP 終止線(xiàn) KK P型轉(zhuǎn)變終止線(xiàn) Vk 上臨界冷卻速度 Vk 下臨界冷卻速度 MS A M 開(kāi)始溫度 Mf A M 終止溫度,連續(xù)冷卻 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物,CCT 和 TTT曲線(xiàn)的比較 CCT 位于 TTT曲線(xiàn) 右下方 CCT中沒(méi)有 AB 轉(zhuǎn)變,爐冷 P (V ) 空冷 S (V Vk) 油冷 T+M+A (Vk Vk) 水冷 M+A (VVk),亞共析鋼 連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變,爐冷 F + P 空冷 F + S 油冷 T + M 水冷 M,過(guò)共析鋼 連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變,爐冷 P + Fe3C 空冷 S + Fe3C 油冷 T + M + A 水冷 M + A,轉(zhuǎn)變溫度 對(duì)共析鋼 硬度 和 韌性 的影響,按轉(zhuǎn)變溫度的高低， 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物分別是： P、S、T，上B、下B、M， 其硬度依次增加。,鋼的普通熱處理,1退火 2正火 3淬火 4回火,1退火,加熱、保溫后，緩冷(爐冷) 近平衡組織 P（ + F 或 Fe3CII ）,完全退火（亞共析鋼） 加熱溫度 Ac3 + 2030 緩冷 F + P 目的： 細(xì)化晶粒，均勻化組織 降低硬度 切削性 等溫退火： 等溫轉(zhuǎn)變F + P，再緩冷 球化退火（過(guò)共析鋼） 在A(yíng)c+ 2030等溫， 使Fe3C球化，再緩冷 球狀P（F +球狀Cm） 目的： 硬度,切削性,韌性,擴(kuò)散退火 加熱至略低于固相線(xiàn) 目的：使成分、組織均勻 再結(jié)晶退火： 加熱溫度 TR + 3050 目的：消除加工硬化 去應(yīng)力退火 加熱溫度 Ac1 ， 一般為 500650 目的： 消除冷熱加工后的內(nèi)應(yīng)力,正火,應(yīng)用： 1) 鋼的最終熱處理 細(xì)化晶粒，組織均勻化，增加亞共析鋼中P(S)% 強(qiáng)度、韌性、硬度 2) 預(yù)先熱處理 淬火、球化退火前改善組織。 3) 增加低碳鋼的硬度，以改善切削加工性能。,加熱溫度 Ac3 ( Accm ) + 3050， 空冷 S （ + F 或 Fe3CII ）,3淬火（蘸火）,加熱到Ac3、Ac1以上，保溫，快速冷卻 M 。,淬火溫度 1) 亞共析鋼 Ac3 + 3050 2) 過(guò)共析鋼 Ac1 + 3050 ， M + Fe3CII + A ，硬度大。 A中C% M 脆性 ，殘余A% 淬火溫度低 M細(xì)小，淬火應(yīng)力小。,冷卻介質(zhì),冷卻速度： 鹽水 水 鹽浴 油,淬火方法 單介質(zhì)淬火：水、油冷 雙介質(zhì)淬火：水冷 + 油冷 分級(jí)淬火： Ms鹽浴中均溫空冷 等溫淬火（ 在鹽、堿浴中） 下B,鋼的淬透性,淬火時(shí)得到M的能力，取決于臨界冷卻速度VK 。,淬透性的應(yīng)用 按負(fù)載，選擇不同淬透性的材料。,淬硬性：淬火后獲得的最高硬度，C%淬硬性 影響淬透性的因素 除Co外，合金使VK , 淬透性,(a)完全淬透 (b)淬透較大厚度 (c)淬透較小厚度 淬透性不同的鋼調(diào)質(zhì)后機(jī)械性能的比較,4回火,淬火后，加熱到Ac1以下，保溫，冷卻。 目的：消除淬火應(yīng)力，調(diào)整性能。,低溫回火（150250） 回火M ( 過(guò)飽和F +薄片狀Fe2.4C ) + A 淬火應(yīng)力 ，韌性 ，保持淬火后的高硬度。 用于高C工具鋼等。 中溫回火（350500） 回火T (F +細(xì)粒狀Cm ) 彈性極限和屈服強(qiáng)度，韌性和硬度中等。 用于彈簧等。 高溫回火（500650） 回火S (等軸狀F +粒狀Cm ) 綜合機(jī)械性能最好, 即強(qiáng)度、塑性和韌性都較好。 用于重要零件。 調(diào)質(zhì)處理 淬火 + 高溫回火,回火產(chǎn)物的組織形態(tài)比較,回火M 400,回火T 7500,回火S 7500,M 低倍,T 1000,S 1000,回火時(shí)性能的變化,回火溫度 硬度、強(qiáng)度 ， 塑性,鋼的表面熱處理表面淬火,不改變心部組織，利用快速加熱將表層A化后進(jìn)行淬火。 目的 ： 提高表面硬度，保持心部良好的塑韌性。,感應(yīng)加熱表面淬火 交變磁場(chǎng) 感應(yīng)表面電流 表面加熱,特點(diǎn) 1) 加熱速度快，晶粒度小，硬度，脆性 2) 表層殘余壓應(yīng)力 提高疲勞強(qiáng)度 3) 不易氧化、脫碳、變形小。 4) 加熱溫度和淬硬層厚度容易控制。,火焰加熱表面淬火（乙炔氧等火焰） 設(shè)備簡(jiǎn)單，但生產(chǎn)率低。,鋼的化學(xué)熱處理,將工件置于特定的介質(zhì)中加熱、保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表層，以改變表層的化學(xué)成分、組織和性能。 分類(lèi) 滲 C、N化、C N共滲、滲硼、滲鉻、滲Al等。,鋼的滲 C 氣體、固體滲 C,低C鋼在高C介質(zhì)中加熱到900950、保溫 高碳表層（約1.0%） 目的：表面硬度，耐磨性 ，心部保持一定的強(qiáng)度和塑韌性。,滲碳后的的熱處理,淬火 直接淬火 晶粒粗大，殘余A多，耐磨性低，變形大。 一次淬火 加熱溫度Ac3以上（心部性能 ）或 Ac1以上（表面性能 ） 二次淬火 Ac3以上（心部性能 ）+ Ac1以上（表面性能 ）,低溫回火, 150200， 消除淬火應(yīng)力，提高韌性。,鋼的氮化,工件表面滲入N原子，以提高硬度、耐磨性，疲勞強(qiáng)度和耐蝕性。 氮化溫度低(500600)，時(shí)間長(zhǎng)（2050h），滲層薄。 氮化前調(diào)質(zhì)處理、氮化后無(wú)須淬火。,小結(jié),重點(diǎn)要求 1. A等溫冷卻曲線(xiàn)，轉(zhuǎn)變溫度與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài) 、性能間的關(guān)系。 2. A連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)的特點(diǎn)，冷卻速度對(duì)組織和性能的影響。 3. 四種常規(guī)熱處理的目的、工藝特點(diǎn)及應(yīng)用。 一般要求 1. A晶粒長(zhǎng)大的影響因素及控制方法。 2. 非共析鋼C曲線(xiàn)的特點(diǎn)；淬透性的概念。 3. 鋼的表面淬火；化學(xué)熱處理。,第3章 合金鋼,3.1 概述 3.2 合金鋼的分類(lèi)和編號(hào) 3.3 合金元素在鋼中的作用 3.4 合金結(jié)構(gòu)鋼 3.5 合金工具鋼,合金鋼,碳素鋼品種齊全，冶煉、加工成型比較簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。經(jīng)過(guò)一定的熱處理后，其力學(xué)性能得到不同程度的改善和提高，可滿(mǎn)足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中許多場(chǎng)合的需求。但是碳素鋼的淬透性比較差，強(qiáng)度、屈強(qiáng)比、高溫強(qiáng)度、耐磨性、耐腐蝕性、導(dǎo)電性和磁性等也都比較低，它的應(yīng)用受到了限制。因此，為了提高鋼的某些性能，滿(mǎn)足現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的需要，人們?cè)谔妓劁摰幕A(chǔ)上，有目的地加人了錳、硅、鎳、釩、鎢、鉬、鉻、鈦、硼、鋁、銅、氮和稀土等合金元素，形成了合金鋼。合金元素的加入，不但會(huì)對(duì)鋼中的基本相、FeFe，C相圖和鋼的熱處理相變過(guò)程產(chǎn)生較大的影響，同時(shí)還改變了鋼的組織結(jié)構(gòu)和性能，合金元素在鋼中的作用是一個(gè)非常復(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程。,3.2 合金鋼的分類(lèi)和編號(hào),3.2.1 合金鋼的分類(lèi),3.2.1.1按合金鋼的用途分類(lèi) (1)合金結(jié)構(gòu)鋼 主要用于制造重要的機(jī)械零部件和工程結(jié)構(gòu)件的鋼。包括普通低合金鋼、易切削鋼、滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、滾動(dòng)軸承鋼等。 (2)合金工具鋼 主要用于制造重要工具的鋼，包括刃具鋼、模具鋼、量具鋼等。 (3)特殊性能鋼 主要用于制造有特殊物理、化學(xué)、力學(xué)性能要求的鋼，包括不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。,3.2.1.2 按合金元素的含量分類(lèi),碳鋼： (1)低碳鋼: 0.25c (2)中碳鋼: 0.25-0.6c (3)高碳鋼: 0.6c 合金鋼： (1)低合金鋼：鋼中合金元素總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)WMe5。 (2)中合金鋼：鋼中合金元素總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wme：510。 (3)高合金鋼：鋼中合金元素總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)WMe10。,3.2.1.3 按平衡狀態(tài)或退火組織分類(lèi),可以分為: 亞共析鋼 共析鋼 過(guò)共析鋼和萊氏體鋼,3.2.2 合金鋼的牌號(hào)表示方法,3.2.2.1 合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)表示方法,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)用“兩位數(shù)字+元素符號(hào)十?dāng)?shù)字”表示。元素符號(hào)前兩位數(shù)字表示鋼的平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC，以萬(wàn)分之一為單位計(jì)。元素符號(hào)用合金元素的符號(hào)表示，其后面的數(shù)字表示該合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以百分之一為單位計(jì)。當(dāng)wMe1.5時(shí)，只標(biāo)明元素名稱(chēng)，不標(biāo)明質(zhì)量分?jǐn)?shù)；當(dāng)wMe(1.52.4)，(2.53.4)，時(shí)，則在元素符號(hào)后相應(yīng)地標(biāo)上2、3、4。如15MnV，表示碳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15C，錳、釩的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于1.5的合金結(jié)構(gòu)鋼。若為高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，則在鋼的牌號(hào)末尾加上“A”，如18Cr2Ni4WA。,對(duì)屬于合金結(jié)構(gòu)鋼的滾動(dòng)軸承鋼，則采用另外的方法來(lái)表示 其牌號(hào)。滾動(dòng)軸承鋼牌號(hào)的首位用“滾”或滾字的漢語(yǔ)拼音字 首“G”來(lái)表示其用途，后面緊跟的是滾動(dòng)軸承的常用元素 “Cr”，其后數(shù)字則表示鉻的質(zhì)分?jǐn)?shù)，以千分之一為單位計(jì)。 如GCrl5，表示鋼中鉻的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15。易切削鋼牌號(hào) 的表示方法與相似，用“易”或“易”字的漢語(yǔ)拼音宇首“Y”開(kāi)頭 ，后面和合金結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)表示方法無(wú)異，如(易40錳或40Mn) ，表示wC0.40，wMn15的易切削鋼。,3.2.2.2 合金工具鋼的牌號(hào)表示方法,與合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)表示方法相比，合金工具鋼中合金元素的表示方法未變，如CrWMn表示合金元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)wCr、wW、wMn均小于1.5，合金工具鋼的碳含量表示方法則有所不同，當(dāng)C%1.0，不標(biāo)出碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如CrWMn鋼。當(dāng)wC1.0時(shí)，用一位數(shù)字在最前面表示碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以千分之一為單位計(jì)，其后緊隨合金元素，如9SiCr表示碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為0.9C，wSi、wCr皆小于1.5。高速工具鋼的碳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)論是多少，都不標(biāo)出。如W18Cr4V鋼碳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)在(0.7一0.8)C之間。,3.2.2.3 特殊性能鋼的牌號(hào)表示方法,特殊性能鋼牌號(hào)的表示方法與合金工具鋼基本相同，如9Crl8鋼表示鋼中碳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9C，鉻的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18Cr。但是不銹鋼、耐熱鋼在碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低時(shí)，表示方法有所不同，當(dāng)碳平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)C0.03或C0.08時(shí)，分別在第一個(gè)合金元素符號(hào)前冠“00”或“0”表示其碳平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如00Crl7Nil4M02、0Crl8Ni9鋼等。 由于耐磨鋼零件經(jīng)常是鑄造成型后就使用，其牌號(hào)最前面是“ZG”，表示鑄鋼，緊隨其后是元素符號(hào)，然后是該元素的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以百分之一計(jì)，橫杠后數(shù)字表示序號(hào)。如ZGMnl31表示鑄造高錳鋼，含錳平均為13Mn，序號(hào)為1。,3.3 合金元素在鋼中的作用,3.3.1 合金元素在鋼中存在的形式 （1）一部分合金元素可溶于鐵素體中形成合金鐵素體 （2）一部分合金元素則會(huì)溶于滲碳體中形成合金滲碳體 （3）與碳相互作用形成碳化物 一般將合金元素分為非碳化物形成元素和碳化物形成元素兩類(lèi)： 碳化物形成元素有（按強(qiáng)弱次序排列）：鈦、鋯、鈮、釩、鎢、 鉬、鉻、錳、鐵。 非碳化物形成元素有：鎳、硅、鋁、鈷等， （4）以游離形式存在（Cu、Pb等）,3.3.1.1 合金元素對(duì)鐵素體的影響,由于合金元素與鐵在原子尺寸和晶格類(lèi)型等方面存在 著一定的差異，所以當(dāng)合金元素溶人時(shí)，會(huì)使鐵素體 的晶格發(fā)生不同程度的畸變，使其塑性變形抗力明顯 增加，強(qiáng)度和硬度提高。合金元素與鐵的原子尺寸和 晶格類(lèi)型相差愈大，引起的晶格畸變愈大，產(chǎn)生的固 溶強(qiáng)化效應(yīng)愈大。此外，合金元素常常分布在位錯(cuò)附 近，降低了位錯(cuò)的可動(dòng)性，增大了位錯(cuò)的滑移抗力， 也提高了強(qiáng)度和硬度。,兩圖反映了合金元素對(duì)鐵素體硬度和沖擊韌性的影響,3.3.1.2 合金元素對(duì)滲碳體和特殊碳化物的影響,合金元素是溶人滲碳體，還是形成特殊碳化物，是由它們與碳親和 能力的強(qiáng)弱程度所決定的。 （1）強(qiáng)碳化物形成元素鈦、鋯、鈮、釩等，傾向于形成特殊碳化 物。 （2）中強(qiáng)碳化物形成元素鎢、鉬、鉻等，可形成滲碳體類(lèi)型碳化 物，又可形成特殊碳化物。 （3）弱碳化物形成元素錳，一般形成合金滲碳體,3.3.2 合金元素對(duì)FeFe3C相圖的影晌,3.3.2.1 合金元素對(duì)r相區(qū)的影響,合金元素對(duì)r相區(qū)的影響 (a)擴(kuò)大r相區(qū)；(b)縮小r相區(qū),擴(kuò)大r相區(qū)元素(能使r相區(qū)擴(kuò)大):鎳、錳、鈷、碳、氮、銅 等,使A3，點(diǎn)下降，A4點(diǎn)上升。 縮小r相區(qū)元素(能使r相區(qū)縮小):鉻、釩、鉬、鎢、鈦、鋁、硅、硼、鈮、鋯等,使A3點(diǎn)上升，A4點(diǎn)下降。,3.3.2.2 合金元素對(duì)S點(diǎn)和E點(diǎn)的影響,擴(kuò)大r區(qū)元素錳、鎳等會(huì)使S點(diǎn)和E點(diǎn)向左下方移動(dòng)； 縮r區(qū)元素鉻、硅等會(huì)使S點(diǎn)和E點(diǎn)向左上方移動(dòng)，,3.3.3 合金元素對(duì)鋼在加熱和冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變的影響,3.3.3.1 合金元素對(duì)鋼在加熱轉(zhuǎn)變時(shí)的影響 (1)對(duì)奧氏體化的影響 強(qiáng)碳化物形成元素鈦、鈮、鋯延緩?qiáng)W氏體化過(guò)程。 非碳化物形成元素鎳、鈷等促進(jìn)奧氏體轉(zhuǎn)變。 (2)對(duì)奧氏體晶粒尺寸的影響 除錳以外的大多數(shù)合金元素都有阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的趨勢(shì) 強(qiáng)碳化物形成元素鈦、鋯、鈮、釩的作用尤為明顯 非碳化物形成元素硅、鎳、銅等對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大影響不大,3.3.3.2 含金元素對(duì)過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響,（1）對(duì)“C”曲線(xiàn)的影響： 除鈷以外的大多數(shù)合金元素都不同程度地使C曲線(xiàn)右移，增大過(guò)冷 奧氏體的穩(wěn)定性，提高鋼的淬透性（只有當(dāng)合金元素完全溶人奧 氏體中才會(huì)產(chǎn)生以上的作用）。 （2）對(duì)Ms點(diǎn)的影響： 除鈷、鋁以外，大多數(shù)合金元素溶人奧氏體中會(huì)降低鋼的Ms點(diǎn)， 增加了鋼中的殘余奧氏體的數(shù)量,3.4 合金結(jié)構(gòu)鋼,3.4.1 普通低合金結(jié)構(gòu)鋼 3.4.2 易切削鋼 3.4.3 滲碳鋼 3.4.4 調(diào)質(zhì)鋼 3.4.5 彈簧鋼 3.4.6 滾動(dòng)軸承鋼,3.4.1 普通低合金結(jié)構(gòu)鋼,普通低合金結(jié)構(gòu)鋼(簡(jiǎn)稱(chēng)普低鋼) : 在低碳碳素結(jié)構(gòu)鋼的基 礎(chǔ)上加入少量合金元素(總wMe3)得到的鋼。,化學(xué)成分：普低鋼中碳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不大于0.2C 主加合金元素為Mn,熱處理特點(diǎn)：普低鋼通常是在熱軋或正火狀態(tài)下使用，一般 不再進(jìn)行熱處理。,3.4.2 易切削鋼,為了提高鋼的切削加工性能，常常在鋼中加入一種或數(shù)種合金元素，形成了易切削鋼，常用的合金元素有硫、鉛、鈣、磷等。,3.4.3 滲碳鋼,用來(lái)制造滲碳零件的鋼稱(chēng)為滲碳鋼,化學(xué)成分 ：C:0.100.25 加入合金元素Ni、Cr、Mn、B、Ti、V等 .典型鋼號(hào)：20Cr、20CrMnTi、20CrNiW,熱處理特點(diǎn): 預(yù)先熱處理一般采用正火工藝，滲碳后熱處理一般是 淬火+低溫回火，或是滲碳后直接淬火。 性能要求：內(nèi)軟外硬 應(yīng)用：齒輪、模具、軸類(lèi) 工藝流程：下料鍛造正火粗加工淬火+低溫回火精加工,3.4.4 調(diào)質(zhì)鋼,調(diào)質(zhì)鋼: 經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后使用的鋼稱(chēng)為調(diào)質(zhì)鋼，根據(jù)是否含合金元素分為碳素調(diào)質(zhì)鋼和合金調(diào)質(zhì)鋼。,化學(xué)成分 ： 調(diào)質(zhì)鋼一般是中碳鋼，鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在(0.300.50)C之間。合金調(diào)質(zhì)鋼的主加元素是Cr、Ni、Si、Mn、B、V、Ti、Nb.典型鋼號(hào)：40Cr、35CrMo、30CrMnSi 熱處理特點(diǎn): 預(yù)先熱處理采用退火或正火工藝 ，最終熱處理是淬火十高溫回火 性能特點(diǎn)：整體綜合機(jī)械性能好 應(yīng)用：軸、螺栓、傳動(dòng)件等 工藝流程：下料鍛造完全退火粗加工調(diào)質(zhì)處理精加工,3.4.5 彈簧鋼,彈簧鋼: 用來(lái)制造各種彈性零件如板簧、螺旋彈簧、鐘表發(fā)條等的鋼稱(chēng)為彈簧鋼。 化學(xué)成分：彈簧鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在(0.40 0.70)C之間，合金彈簧鋼中的主加合金元素是Si、Mn、Cr。典型鋼號(hào)：60Si2Mn、65Mn、 熱處理特點(diǎn): 熱處理是淬火十中溫回火 性能特點(diǎn)：彈性好 應(yīng)用：彈性元件 工藝流程：下料成型熱處理成品,3.4.6 滾動(dòng)軸承鋼,滾動(dòng)軸承鋼 用來(lái)制作各種滾動(dòng)軸承零件如軸承內(nèi)外套圈，滾動(dòng)體(滾珠、滾柱、滾針等)的專(zhuān)用鋼稱(chēng)為滾動(dòng)軸承鋼。 化學(xué)成分 ：滾動(dòng)軸承鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，一般在(0.95 1.10)C之間 。鉻是滾動(dòng)軸承鋼的基本合金元素，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(0.41.05)Cr。典型鋼號(hào)：GCr15、GCr9 熱處理特點(diǎn) ：滾動(dòng)軸承的預(yù)先熱處理采用球化退火，最終熱處理一般是淬火+低溫回火。 性能特點(diǎn)：高硬度、高耐磨性能 應(yīng)用：滾動(dòng)軸承、工模具等 工藝流程：下料鍛造球化退火粗加工最終熱處理精加工冷處理,3.5 合金工具鋼,在碳素工具鋼基礎(chǔ)上加人一定種類(lèi)和數(shù)量的合金元素，用來(lái)制 造各種刃具、模具、量具等用鋼就稱(chēng)為合金工具鋼。與碳素工具鋼相比，合金工具鋼的硬度和耐磨性更高，而且還具有更好的淬透性、紅硬性和回火穩(wěn)定性。因此常被用來(lái)制作截面尺寸較大、幾何形狀較復(fù)雜、性能要求更高的工具。,分類(lèi)： 刃具鋼 模具鋼 量具鋼,3.5.1 刃具鋼,用來(lái)制造車(chē)刀、銑刀、銼刀、絲錐、鉆頭、板牙等刃具的鋼統(tǒng)稱(chēng)為刃具鋼。,低合金刃具鋼 ：低合金刃具鋼碳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)大都在(0.75-1.5)C之間，合金元素：Cr、Si、Mn、W 。典型鋼號(hào)：9SiCr、9Mn2V、CrWMn 熱處理特點(diǎn) ：預(yù)先熱處理采用球化退火，最終熱處理一般是淬火+低溫回火。 性能特點(diǎn)：高硬度高鋒利度、高耐磨性能 應(yīng)用：制造車(chē)刀、銑刀、銼刀、絲錐、鉆頭、板牙等刃具 工藝流程：下料鍛造球化退火粗加工最終熱處理精加工,高合金工具鋼 （高速鋼）,高速鋼的碳含量較高，一般為(0.70-1.50)C。合金含量超過(guò)15%。典型鋼號(hào)：W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2 熱處理特點(diǎn) ：高速鋼淬火后要在560回火三次。淬火溫度接近熔點(diǎn) 性能特點(diǎn)：高硬度高紅硬性、高耐磨性能 應(yīng)用：制造車(chē)刀、銑刀、拉刀等刃具 工藝流程：下料鍛造球化退火粗加工最終熱處理精加工,3.5.2 模具鋼,用作冷沖壓模、熱鍛壓模、擠壓模、壓鑄模等模具的鋼稱(chēng)為模具鋼。 分為冷作模具鋼和熱作模具鋼兩大類(lèi)。,低合金冷作模具鋼,低合金工具鋼 ：低合金工具鋼碳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)大都在(0.75-1.5)C之間，合金元素：Cr、Si、Mn、W 。典型鋼號(hào)：9SiCr、9Mn2V、CrWMn、GCr15 熱處理特點(diǎn) ：預(yù)先熱處理采用球化退火，最終熱處理一般是淬火+低溫回火。 性能特點(diǎn)：高硬度、高耐磨性能 應(yīng)用：制造形狀簡(jiǎn)單，承載小的冷作模具 工藝流程：下料鍛造球化退火粗加工最終熱處理精加工,高合金冷作模具鋼,高合金工具鋼 ：高合金工具鋼碳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)大都在(0.75-1.5)C之間，合金元素：Cr、V、Mo 。典型鋼號(hào)：Cr12、Cr12MoV 熱處理特點(diǎn) ：預(yù)先熱處理采用球化退火，最終熱處理一般是淬火+低溫回火。 性能特點(diǎn)：高硬度、高耐磨性能 應(yīng)用：制造形狀復(fù)雜，承載大的冷作模具 工藝流程：下料鍛造球化退火粗加工最終熱處理精加工,低合金熱作模具鋼,低合金熱作模具 ：平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)大都在(0.4-0.5)C之間，合金元素：Cr、Ni、Mn、Mo 。典型鋼號(hào)：5CrNiMo、5CrMnMo 熱處理特點(diǎn) ：預(yù)先熱處理采用退火，最終熱處理一般是淬火+高溫回火。 性能特點(diǎn)：高強(qiáng)度、高熱疲勞性能 應(yīng)用：制造熱鍛模具 工藝流程：下料鍛造退火粗加工最終熱處理精加工,3.5.3 量具鋼,用于制造卡尺、千分尺、樣板、塞規(guī)、塊規(guī)、螺旋測(cè)微儀等各種測(cè)量工具的鋼被稱(chēng)為量具鋼。,3.6 特殊性能鋼,6.6.1不銹鋼 不銹鋼是指某些在大氣和一般介質(zhì)中具有較高化學(xué)穩(wěn)定性的鋼 馬氏體不銹鋼 （通過(guò)熱處理可以調(diào)整其力學(xué)性能的不銹鋼） 鐵素體不銹鋼（這類(lèi)鋼從室溫加熱到高溫，始終都是單相鐵素體組織） 奧氏體不銹鋼（這類(lèi)鋼有較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鎳，擴(kuò)大了奧氏體區(qū)域 ，室溫下能夠保持單相奧氏體組織）,不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等具有特殊物理、化學(xué)性能的鋼被統(tǒng)稱(chēng)為特殊性能鋼。,3.6.2 耐熱鋼,耐熱鋼是指具有良好的高溫抗氧化性和高溫強(qiáng)度的鋼。,3.6.3 耐磨鋼,耐磨鋼主要是指在強(qiáng)烈沖擊載荷作用下發(fā)生硬化的高錳鋼。,第4章 鑄 鐵,4.1 概 述 4.2 常用鑄鐵,鑄 鐵,4.1 概 述,7.1.1 鑄鐵的特點(diǎn)及分類(lèi) 1.特點(diǎn) (1)成分：C2.11%wt的鐵碳合金稱(chēng)為鑄鐵，特點(diǎn)是含有較高的 C和Si，同時(shí)也含有一定的Mn、P、S等雜質(zhì)元素。 常用鑄鐵的成分為：2.54.0%C，1.03.0%Si0.51.4%Mn，0.010.50%P，0.020.20%S。為提高鑄鐵性能，常加入合金元素Cr、Mo、V、Cu、Al等形成合金鑄鐵。,（2）組織：鑄鐵中C、Si含量較高，C大部分、甚至全部以游離狀態(tài)石墨（G）形式存在。,（3）性能：鑄鐵的缺點(diǎn)是由于石墨的存在，使它的強(qiáng)度、塑性及韌性較差，不能鍛造，優(yōu)點(diǎn)是其接近共晶成分，具有良好的鑄造性；由于游離態(tài) 石墨存在，使鑄鐵具有高的減摩性、切削加工性和低的缺口敏感性。目前，許多重要的機(jī)械零件能夠用球墨鑄鐵來(lái)代替合金鋼。,2.分類(lèi) 根據(jù)C的存在形式，可以將鑄鐵分為： （1）白口鑄鐵：C全部以滲碳體形式存在，如共晶鑄鐵組織為L(zhǎng)d，斷口白亮，硬而脆，很少應(yīng)用； （2）灰口鑄鐵：C大部分或全部以石墨形式存在，如共晶鑄鐵組織為F+G、F+P+G、P+G，斷口暗灰，廣泛應(yīng)用； （3）麻口鑄鐵：C大部分以滲碳體形式存在，少部分以石墨形式存在，如共晶鑄鐵組為L(zhǎng)d+P+G，斷口灰白相間，硬而脆，很少應(yīng)用。,根據(jù)石墨形態(tài)，灰口鑄鐵可以分為： （1）普通灰口鑄鐵：G呈片狀； （2）孕育鑄鐵：G呈細(xì)片狀； （3）可鍛鑄鐵：G呈團(tuán)絮狀； （4）蠕墨鑄鐵：G呈蠕蟲(chóng)狀； （5）球墨鑄鐵：G呈球狀。 根據(jù)金屬基體組織不同，灰口鑄鐵又可分為：F、F+P及P灰口鑄鐵。,1. 影響鑄鐵石墨化因素 主要化學(xué)成分、冷卻速度及鐵水處理等因素。 （1）化學(xué)成分 合金元素可以分為促進(jìn)石墨化元素和阻礙石墨化元素，順序?yàn)?：Al、C、Si、Ti、Ni、P、Co、Zr、Nb、W、Mn、S、Cr、V、 Fe、Mg、Ce、B等。其中，Nb為中性元素，向左促進(jìn)程度加強(qiáng)， 向右阻礙程度加強(qiáng)。C和Si是鑄鐵中主要的強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化元素 ，為綜合考慮它們的影響，引入碳當(dāng)量CE = C% + 1/3Si%，一 般CE4%，接近共晶點(diǎn)。S是強(qiáng)烈阻礙石墨化元素，降低鑄鐵的 鑄造和力學(xué)性能，控制其含量。,（2）冷卻速度 冷速越快，不利于鑄鐵的 石墨化，這主要取決于澆注 溫度、鑄型材料的導(dǎo)熱能力 及鑄件壁厚等因素。冷速過(guò) 快，第二階段石墨化難以充 分進(jìn)行。 右圖給出C、Si總量 和冷卻速度對(duì)鑄鐵組織的影 響，稱(chēng)為Greiner組織圖， 分析之。,4.2 常用鑄鐵,4.2.1灰口鑄鐵 灰口鑄鐵中的G呈片狀分布，分為普通灰口鑄鐵和孕育鑄鐵。,1.灰口鑄鐵的牌號(hào)、成分與組織 （1）牌號(hào)：新標(biāo)準(zhǔn)GB5612-85，HT（灰鐵）+三位數(shù)字（最低b），表7-1。其中，HT100為F基，HT150為F+P基，HT200250為P基，HT250350為孕育鑄鐵。 （2）成分：2.53.6%C，1.12.5%Si，0.61.2%Mn及少量S和P。 （3）組織：G呈片狀，按基體分為F、F+P及P灰口鑄鐵，分別適用于低、中、較高負(fù)荷，如下圖。,2.灰口鑄鐵的性能與應(yīng)用 由于粗大片狀的G存在，灰口鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、塑性及韌性低，但其鐵水流動(dòng)性好、凝固收縮小、缺口敏感性小、抗壓強(qiáng)度高、切削加工性好，并且具有減摩及消震作用。,3.灰口鑄鐵的孕育處理 加入0.30.8%硅鐵，經(jīng)孕育劑處理的孕育鑄鐵具有更高的性能，用于制造承受高載荷的另構(gòu)件。,4.灰口鑄鐵的熱處理 只能改變基體，而不能改變G的形態(tài)和分布，強(qiáng)化效果不如鋼和球墨鑄鐵。 （1）消除內(nèi)應(yīng)力退火（人工時(shí)效） 為消除內(nèi)應(yīng)力引起的變形或開(kāi)裂，將鑄件緩慢加熱（60100/h）至500550保溫一點(diǎn)時(shí)間（每10mm保溫2h），然后隨爐緩冷（2040/h）至150200出爐空冷。 （2）高溫石墨化退火 為消除表面或薄壁處的白口組織，降低硬度，改善切削加工性，將鑄件加熱至850950保溫14h（A+G），使部分滲碳體分解為G，然后隨爐緩冷至400500以下出爐空冷。高溫退火得到F或F+P基灰口鑄鐵。,（3）正火 為消除白口和提高強(qiáng)度、硬度及耐磨性，將鑄件加熱至850950，保溫13h，然后出爐空冷，最后得到P基灰口鑄鐵。 （4）表面淬火 為提高表面強(qiáng)度、硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，通過(guò)表面淬火使鑄件表層得到細(xì)M和石墨的硬化層。一般選用孕育鑄鐵，基體最好為P組織。,4.2.2可鍛鑄鐵 由一定成分的白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火使?jié)B碳體分解為團(tuán)絮狀G的一種高強(qiáng)度灰口鑄鐵，分為黑心可鍛鑄鐵（F基）、珠光體可鍛鑄鐵（P基）及白心可鍛鑄鐵（表層氧化脫碳，少用）?？慑戣T鐵的強(qiáng)度、韌性，特別是塑性高于普通灰口鑄鐵，實(shí)際不能鍛造。,1.可鍛鑄鐵的牌號(hào)、成分與組織 （1）牌號(hào)： 按GB978-67，KT（可鐵）+ H、Z、B（黑心、珠光體、白心）+ 三位數(shù)字（最低b）+ 二位數(shù)字（最低）。 （2）成分： 可鍛鑄鐵由兩個(gè)矛盾的工藝組成，即先得到白口鐵，再經(jīng)石墨化退火得到可鍛鑄鐵。因此，要適當(dāng)降低石墨化元素C、Si和增加阻礙石墨化元素Mn、Cr，化學(xué)成分為：2.42.8%C，0.81.4%Si，0.30.6%Mn（珠光體可鍛鑄鐵1.01.2%）。,（3）組織：基體為F和P，G為團(tuán)絮狀，如下圖,2.可鍛鑄鐵的石墨化退火 （1）黑心可鍛鑄鐵： 將白口鐵加熱至9501000，保溫約15h，共晶Fe3CA+團(tuán)絮狀G。從高溫冷卻至720750，AG，在這個(gè)溫度區(qū)間以35/h速度通過(guò)共析溫區(qū)，AF+團(tuán)絮狀G；也可在略低于共析溫度保溫1520h，共析Fe3CF+團(tuán)絮狀G，最后得到F可鍛鑄鐵。,（2）P可鍛鑄鐵：加熱后冷卻至800860，AG，然后出爐空冷使共析Fe3C不分解，最后得到P可鍛鑄鐵，如下圖,3.可鍛鑄鐵的性能與應(yīng)用 F可鍛鑄鐵塑性及韌性較好，P可鍛鑄鐵強(qiáng)度、硬度及耐磨性較高。,4.2.3球墨鑄鐵 始于1948年，我國(guó)于1950年開(kāi)始研制鎂石墨鑄鐵。由于G呈球狀分布，球墨鑄鐵的性能遠(yuǎn)優(yōu)于其他鑄鐵，應(yīng)用甚廣。 1.球墨鑄鐵的牌號(hào)、成分與組織 （1）牌號(hào)： 按GB1348-78，QT（球鐵）+ 三位數(shù)字（最低b）+ 兩位數(shù)字（最低）。,（2）成分： 強(qiáng)烈石墨化元素C、Si含量較高，CE4.54.7%，屬于過(guò)共晶，含碳量過(guò)低，球化不良，含碳量過(guò)高，G漂浮。一般采取“高碳低硅原則”。阻礙石墨化元素Mn，有利與形成P基體，含量較低。S、P限制很?chē)?yán)。由球化劑殘留的微量Mg及RE?；瘜W(xué)成分一般為：3.63.9%C，2.03.0%Si，0.60.7%Mn。,（3）組織： G呈球狀分布于金屬基體中，每個(gè)球是由若干個(gè)錐形石墨單晶體組成，這些單晶體是由共同的結(jié)晶核心沿徑向生長(zhǎng)而成?；w有F、F+P、P或通過(guò)熱處理得到S、T、下B、M等，如下圖。,2. 球墨鑄鐵的球化處理與孕育處理 將球化劑加入鐵水中（一般放入澆包底部）的操作過(guò)程稱(chēng)為球化處理。常用的球化劑有鎂、稀土及稀土鎂合金。鎂和稀土為強(qiáng)烈阻礙石墨化元素，為防止白口，同時(shí)進(jìn)行孕育處理，孕育劑一般選用硅鐵。 3. 球墨鑄鐵的性能與應(yīng)用 球鐵具有優(yōu)良的機(jī)械性能，G的圓整度好、球徑小