材料成型工藝基礎(chǔ)(第四版)課件 第1章

第1章金屬材料與熱處理1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1.2合金與鐵碳合金1.3金屬材料熱處理1.4常用的金屬材料

1.1

金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1.1.1

金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.晶體和非晶體自然界中的一切物質(zhì)都是由原子組成的,根據(jù)固態(tài)物質(zhì)內(nèi)部原子的聚集狀態(tài),固體分為晶體和非晶體兩大類。原子無規(guī)律地堆積在一起的物質(zhì)稱為非晶體,如瀝青、玻璃、松香等;原子按一定幾何形狀作有規(guī)律的、重復(fù)排列的物質(zhì)稱為晶體,如冰、結(jié)晶鹽、金剛石、石墨及固態(tài)金屬與合金等。晶體和非晶體的原子排列不同,進而顯示出不同的特性。晶體具有固定的熔點,性能具有各向異性;而非晶體沒有固定的熔點,性能具有各向同性。

2.金屬的晶體結(jié)構(gòu)

金屬晶體是由許多金屬原子(或離子)在空間中按一定的幾何形式有規(guī)則地緊密排列而成的,如圖1-1(a)所示。為了便于研究各種晶體內(nèi)部原子排列的規(guī)律及幾何形狀,可以把每一個原子假想為一個幾何結(jié)點,并用直線從其中心連接起來形成空間的格子,稱為結(jié)晶格子,簡稱晶格,如圖1-1(b)所示。晶格的結(jié)點為原子振動的平衡中心位置。晶格中各種方位的原子面稱為晶面。晶體是由層層的晶面堆砌而成的,晶格中由原子組成的任一直線都能代表晶體空間的一個方向,稱為晶向。晶格的最小幾何單元稱為晶胞,如圖1-1(c)所示。晶胞中各棱邊尺寸a、b、c稱為晶格常數(shù),單位為?(埃,1?=10-8cm)。晶胞各棱邊之間的夾角分別以α、β、γ表示。當(dāng)晶格常數(shù)a=b=c,棱邊夾角α=β=γ=90°時,這種晶胞稱為簡單立方。

圖1-1-晶格結(jié)構(gòu)示意圖

3.常見金屬的晶體結(jié)構(gòu)

在金屬原子中,約有90%以上的金屬晶體都屬于以下三種密排的晶格結(jié)構(gòu)。

1)體心立方晶格

如圖1-2所示,體心立方晶格是一個正立方體。

圖1-2體心立方晶格示意圖

2)面心立方晶格

如圖1-3所示,面心立方晶格也是一個正立方體,原子位于立方體6個面的中心和8個頂點,頂點上的每個原子為相鄰8個晶胞所共有,面心的每個原子為其相鄰晶胞所共有,其晶格常數(shù)a=b=c,α=β=γ=90°。

圖1-3面心立方晶格示意圖

3)密排六方晶格

如圖1-4所示,密排六方晶格是一個正六方柱體,原子位于2個底面的中心處和12個頂點上,柱體內(nèi)部還包含著3個原子,其晶格常數(shù)a=b≠c,α=β=90°,γ=120°。

圖1-4密排六方晶格示意圖

4.實際使用的金屬的晶體結(jié)構(gòu)

上述討論的晶體中,原子排列規(guī)律相同,晶格位向完全一致,這種晶體稱為單晶體,見圖1-5(a)。生產(chǎn)中只有采用特殊的方法才能制成單晶體。單晶體材料只在特定情況下使用,如制造半導(dǎo)體硅元件所用的單晶硅。實際使用的金屬材料都是由許多小晶體組成的。由于每個小晶體外形不規(guī)則,且呈顆粒狀,因而稱為“晶粒”。每個晶粒內(nèi)的晶格位向是一致的,但各個晶粒之間的彼此位向都不同(相差30°~40°),晶粒與晶粒之間的界面稱為“晶界”,如圖1-5(b)所示。

晶界是兩個相鄰晶粒的不同晶格位向的過渡區(qū),其上的原子總是不規(guī)則排列的。由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體,金屬材料一般都是多晶體,雖然每個晶粒具有各向異性,但從不同方向測試出的金屬的性能是很多位向不同晶粒的平均性能,故可以認為金屬(多晶體)是各向同性的。

圖1-5單晶體和多晶體示意圖

實驗證明,在每個晶粒內(nèi),其晶格位向并不像理想晶體那樣完全一致,而是存在著許多尺寸很小、位向差很小(一般小于2°)的小晶塊。這些小晶塊稱為亞晶粒,兩個相鄰亞晶

粒的交界處稱為亞晶界,亞晶界的原子排列不規(guī)則,會產(chǎn)生晶格畸變。因此,晶界和亞晶界的存在會使金屬的強度提高,同時還使塑性、韌性改善,這稱為細晶強化。

1.1.2純金屬的結(jié)晶

金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵映室?guī)則排列的固態(tài)晶體的過程稱為結(jié)晶,而金屬在固態(tài)下由一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的過程稱為重結(jié)晶。結(jié)晶形成的組織,直接影響金屬的性能。

1.金屬結(jié)晶的溫度

1)理論結(jié)晶溫度

金屬結(jié)晶形成晶體過程中的溫度變化,可用熱分析法測定,即將液態(tài)金屬放在坩堝中以極其緩慢的速度進行冷卻,在冷卻過程中觀測并記錄溫度隨時間變化的數(shù)據(jù),并將其繪制成如圖1-6所示的冷卻曲線。

圖1-6金屬結(jié)晶的冷卻曲線示意圖

2)實際結(jié)晶溫度

實際生產(chǎn)中,金屬不可能極其緩慢地由液體冷卻到固體,其冷卻速度是相當(dāng)快的,金屬總是要在理論結(jié)晶溫度T0以下的某一溫度T1-才能開始結(jié)晶。如圖1-6中的曲線b所示,T1-稱為實際結(jié)晶溫度,T0和T1-之差稱為過冷度ΔT,其大小和冷卻速度、金屬性質(zhì)及純度有關(guān),冷卻速度越快,過冷度越大,實際金屬的結(jié)晶溫度也越低。

2.金屬結(jié)晶的規(guī)律

液態(tài)金屬冷卻到T0以下時,首先在液體中某些局部微小的體積內(nèi)出現(xiàn)原子規(guī)則排列的細微小集團,這些細微小集團是不穩(wěn)定的,時聚時散,有些穩(wěn)定下來成為結(jié)晶的核心,稱為晶核。當(dāng)溫度下降到T0時,晶核不斷吸收周圍液體中的金屬原子而逐漸長大,液態(tài)金屬不斷減少,新的晶核逐漸增多且長大,直到全部液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體為止,一個晶核長大成為一個晶粒,最后形成由許多外形不規(guī)則的晶粒所組成的晶體,如圖1-7所示。

圖1-7純金屬結(jié)晶過程示意圖

1)金屬晶核形成的方式

(1)自發(fā)形核:對于很純凈的液態(tài)金屬,加快其冷卻速度,使其在具有足夠大的過冷度下,不斷產(chǎn)生許多類似晶體中原子排列的小集團,形成結(jié)晶核心,即為自發(fā)形核。

(2)非自發(fā)形核:實際金屬中往往存在異類固相質(zhì)點,并且在冷卻時金屬總會與鑄型內(nèi)壁接觸,因此這些已有的固體顆?；虮砻姹粌?yōu)先依附,從而形成晶核,這種方式稱為非自發(fā)形核。

2)金屬晶核的長大方式

晶核形成后,液相原子不斷遷移到晶核表面而促使晶核長大形成晶粒。但晶核長大程度取決于液態(tài)金屬的過冷度,當(dāng)過冷度很小時,晶核在長大過程中保持規(guī)則外形,直至長成晶粒并相互接觸時,規(guī)則外形才被破壞;反之,則以樹枝晶形態(tài)生長。這是因為隨著過冷度的增大,具有規(guī)則外形的晶核長大時需要將較多的結(jié)晶潛熱散發(fā)掉,而其棱角部位因具有優(yōu)先的散熱條件,因而便得到優(yōu)先生長,如樹枝一樣先長出枝干,再長出分枝,最后把晶間填滿。

3.金屬晶粒的細化方法

金屬結(jié)晶后變成由許多晶粒組成的多晶體,而晶粒大小是金屬組織的重要標志之一。金屬內(nèi)部晶粒越細小,則晶界越多,晶界面也越多,晶界就越曲折,晶格畸變就越大,從而使金屬強度、硬度提高,并使變形均勻分布在許多晶粒上,塑性、韌性也好。

1.1.3金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變

金屬經(jīng)過結(jié)晶后都具有一定的晶格結(jié)構(gòu),且多數(shù)不再發(fā)生晶格變化。

金屬在固態(tài)下由一種晶格類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格類型的變化稱為金屬的同素異晶(構(gòu))轉(zhuǎn)變。由金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變所得到的不同類型的晶體稱為同素異晶體。金屬的同素異晶

轉(zhuǎn)變也是原子重新排列的過程,稱為重結(jié)晶或二次結(jié)晶。

鐵是典型的具有同素異晶轉(zhuǎn)變特性的金屬。圖1-8為純鐵的冷卻曲線圖,在1538℃時液態(tài)(Liquid,L)純鐵結(jié)晶成具有體心立方晶格的δ－Fe,繼續(xù)冷卻到1394℃時轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦摩肍e,再繼續(xù)冷卻到912℃時又轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格的α－Fe,以后一直冷卻到室溫晶格類型,不再發(fā)生變化。

圖1-8純鐵的冷卻曲線圖

1.2合金與鐵碳合金

1.2.1-合金的基本概念和結(jié)構(gòu)1.基本概念1)合金合金就是兩種或兩種以上的金屬元素(或金屬與非金屬元素)熔合在一起形成的具有金屬特征的物質(zhì)。

2)組元

組元是指組成合金的最基本的、能獨立存在的物質(zhì)。組元一般就是組成合金的元素。例如,普通黃銅的組元是銅和鋅;鐵碳合金中的組元是鐵和碳。合金中有幾種組元就稱之

為幾元合金,如普通黃銅是二元合金,硬鋁是由鋁、銅、鎂組成的三元合金。

3)合金系

合金系是指有相同組元,而成分比例不同的一系列合金。例如,各種碳素鋼,雖然碳的質(zhì)量分數(shù)各不相同,卻都是鐵碳二元合金系中的一部分。按照組成合金的組元數(shù)不同,合金系可以分為二元系、三元系等。

4)相

相是指合金中具有同一化學(xué)成分和相同結(jié)晶結(jié)構(gòu)的組成部分。合金中相與相之間有明顯的界面使之相互分開。

5)顯微組織

顯微組織是指在顯微鏡下看到的相和晶粒的形態(tài)、大小和分布。合金的顯微組織可以看作是由各個相所組成的,也可以看作是由基本組織所組成的。合金的基本組織是指由一

個單獨的相構(gòu)成的單相組織或由兩個以上的相按一定的比例組成的機械混合物,機械混合物的性能取決于組成相的數(shù)量、形狀、大小和分布等,如鐵素體、珠光體等。

2.合金的相結(jié)構(gòu)

合金的相結(jié)構(gòu)是指合金組織中相的晶體結(jié)構(gòu)。在合金中,相的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對合金性能起決定性作用。同時,合金中各相的相對數(shù)量、晶粒大小、形狀和分布情況對合金性能也會產(chǎn)生很大的影響。根據(jù)合金中各類組元的相互作用,合金中的相結(jié)構(gòu)主要有固溶體和金屬化合物兩大類。

1)固溶體

當(dāng)合金由液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)時,組成元素之間可像液態(tài)合金一樣相互溶解,形成一種晶格結(jié)構(gòu)與合金中某一組元晶格結(jié)構(gòu)相同的新相,稱為固溶體。固溶體中晶格結(jié)構(gòu)保持不變

的組元稱為溶劑,晶格結(jié)構(gòu)消失的組元稱為溶質(zhì)。固溶體按溶質(zhì)原子的溶解度不同,可分為有限固溶體(溶質(zhì)原子在固溶體中的濃度有一定的限度)和無限固溶體(溶質(zhì)原子可以任意比例溶入溶劑晶格結(jié)構(gòu)中)。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格結(jié)構(gòu)中所占位置的不同,又可將固溶體分為間隙固溶體與置換固溶體兩類。

2)金屬化合物

當(dāng)溶質(zhì)含量超過溶劑的溶解度時,溶質(zhì)元素和溶劑元素相互作用形成一種不同于任一組元晶格的新物質(zhì),即金屬化合物。金屬化合物一般可用分子式來表示其組成,但往往不

符合化合價規(guī)律,具有比較復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。

1.2.2鐵碳合金的基本組織

工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的鋼鐵材料屬于鐵碳合金。固態(tài)下的鐵碳合金中,鐵和碳的基本結(jié)合方式有兩種:一是碳原子溶解到鐵的晶格中形成固溶體;二是鐵和碳按一定比例相互化合成化合物。

鐵碳合金的基本組織有鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體。

1.鐵素體

碳溶于α－Fe形成的間隙固溶體稱為鐵素體,用符號F表示。它仍保持α－Fe的體心立方晶格。鐵素體的晶粒顯示出邊界比較平緩的多邊形特征。

2.奧氏體

碳溶于γ－Fe形成的間隙固溶體稱為奧氏體,用符號A表示。它仍保持γ－Fe的面心立方晶格。奧氏體晶粒顯示出邊界比較平直的多邊形特征。

3.滲碳體

滲碳體是鐵和碳相互作用形成的一種具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物,用符號Fe3C表示,其碳含量ωC=6.69%,熔點為1227℃,其硬度很高,約為800HBW,而塑性、韌性極差,幾乎為零。

4.珠光體

奧氏體從高溫穩(wěn)定狀態(tài)緩慢冷卻到727℃時,將分解為鐵素體和滲碳體呈均勻分布的兩相混合物,其立體形態(tài)為鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層狀機械混合物,稱為珠光體組織,用符號P表示。

5.萊氏體

碳含量為4.3%的液態(tài)合金,緩冷到1148℃時,同時結(jié)晶出奧氏體和滲碳體呈均勻分布的混合物,稱為高溫萊氏體組織,用符號Ld表示。在727℃以下,萊氏體中的奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w,由珠光體和滲碳體組成的萊氏體稱為低溫萊氏體,用符號L'd表示。萊氏體的性能與滲碳體相似,硬度很高,塑性、韌性極差。

1.2.3鐵碳合金相圖

相圖是表示合金在緩慢冷卻的平衡狀態(tài)下,相或組織與溫度、成分間關(guān)系的圖形,又稱狀態(tài)圖或平衡圖。一般用熱分析法作出合金系中一系列不同成分合金的冷卻曲線,并確

定冷卻曲線上的結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度(臨界點),然后把這些臨界點畫在“溫度成分”坐標圖上,最后把坐標圖上的各相應(yīng)點連接起來,就得出該合金的相圖。圖1-9為簡化的鐵碳合金相圖,即

Fe－Fe3C相圖。

圖1-9簡化的FeFe3C相圖

1.Fe－Fe3C相圖分析

1)相圖中的特征點

相圖中的重要特征點——溫度、成分及其說明如表1-1所示。

2)相圖中的特征線

相圖中的重要特征線如表1-2所示。

3)相圖中的合金分類

根據(jù)相圖上的P、E兩點,可將鐵碳合金分為工業(yè)純鐵、碳鋼和白口鑄鐵三類。其中碳鋼和白口鑄鐵又可分為三種,因此,相圖上共有七種典型合金,其各自的碳含量和室溫組織如表1-3所示。

2.典型合金平衡結(jié)晶過程及組織

1)共析鋼的結(jié)晶

圖1-10所示的合金Ⅰ為共析鋼,其結(jié)晶過程的示意圖如圖1-11所示。合金Ⅰ在液相線以上處于液體狀態(tài),緩冷至1點時,液相(L)開始結(jié)晶出奧氏體(A)晶粒,在1~2點區(qū)間的基本組織為L+A,冷到2點時,結(jié)晶完畢,全部為單相均勻奧氏體晶粒。2~3點是單相奧氏體,緩冷到3點(727℃)時,將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變形成珠光體(P),即A→P(F+Fe3C)。圖1-10典型鐵碳合金結(jié)晶過程分析

圖1-11-共析鋼結(jié)晶過程示意圖

2)亞共析鋼的結(jié)晶

如圖1-10所示,合金Ⅱ為亞共析鋼,其結(jié)晶過程如圖1-12所示。圖1-12亞共析鋼結(jié)晶過程示意圖

3)過共析鋼的結(jié)晶

如圖1-10所示,合金Ⅲ為過共析鋼,其結(jié)晶過程如圖1-13所示。圖1-13過共析鋼結(jié)晶過程示意圖

4)共晶白口鑄鐵的結(jié)晶

圖1-10中合金Ⅳ為共晶白口鑄鐵,其結(jié)晶過程如圖1-14所示。圖1-14共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程示意圖

5)亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶

圖1-10中的合金Ⅴ為亞共晶白口鑄鐵,結(jié)晶過程如圖1-15所示。圖1-15亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程示意圖

6)過共晶白口鑄鐵的結(jié)晶

圖1-10中合金Ⅵ為過共晶白口鑄鐵,其結(jié)晶過程如圖1-16所示。圖1-16過共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程示意圖

3.碳對鐵碳合金平衡組織和機械性能的影響

1)對平衡組織的影響

由上面的分析可知,隨著碳的質(zhì)量分數(shù)增高,鐵碳合金的組織發(fā)生了如下變化:

當(dāng)碳的質(zhì)量分數(shù)增大時,不僅其組織中滲碳體數(shù)量增加,而且滲碳體的分布和形態(tài)發(fā)生了如下變化:

2)對機械性能的影響

圖1-17為含碳量對碳鋼力學(xué)性能的影響。圖1-17碳對鋼的力學(xué)性能的影響

4.Fe－Fe3C相圖的應(yīng)用

Fe－Fe3C相圖(見圖1-9)在生產(chǎn)中具有很大的實際意義,主要應(yīng)用在鋼鐵材料的選用和熱加工工藝的制定兩個方面。

1)在選材方面的應(yīng)用

2)為制定熱加工工藝提供依據(jù)

(3)在熱處理工藝方面的應(yīng)用:Fe－Fe3C相圖對于制定熱處理工藝有著特別重要的意義。

(4)在焊接工藝方面的應(yīng)用:Fe－Fe3C相圖可以指導(dǎo)焊接的選材及焊后熱處理等工藝措施,如焊后正火、退火工藝的制定,從而改善焊縫組織,提高機械性能,得到優(yōu)質(zhì)焊縫。

在運用Fe－Fe3C相圖時應(yīng)注意以下兩點:

(1)Fe－Fe3C相圖只反映鐵碳二元合金中相的平衡狀態(tài),如含有其他元素,相圖將發(fā)生變化。

(2)Fe－Fe3C相圖反映的是平衡條件下鐵碳合金中相的狀態(tài),若冷卻或加熱速度較快,其組織轉(zhuǎn)變就不能只用相圖來分析了。

1.3金屬材料熱處理

熱處理方法很多,但任何一種熱處理工藝都是由加熱、保溫和冷卻三個階段組成的,通常采用所謂的熱處理工藝曲線來表示,見圖1-18。

圖1-18熱處理曲線

根據(jù)熱處理的目的及加熱和冷卻方式的不同,熱處理可以分為以下幾種類型:

1.3.1-鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變

為了使鋼件在熱處理后獲得所需的性能,對于大多數(shù)熱處理工藝,都要將鋼加熱到相變溫度以上,使其組織發(fā)生變化,對于碳素鋼來說,在緩慢加熱和冷卻過程中,相變溫度可以根據(jù)Fe－Fe3C相圖來確定。然而由于Fe－Fe3C相圖中的相變溫度A1、A3、Acm是在極其緩慢的加熱和冷卻條件下測定的,與實際熱處理的相變溫度有一些差異,加熱時相變溫度因有過熱現(xiàn)象而偏高,冷卻時因有過冷現(xiàn)象而偏低,隨著加熱和冷卻速度的增加,這一偏離現(xiàn)象愈加嚴重,因此,常將實際加熱時偏離的相變溫度用Ac1、Ac3、Accm表示,將實際冷卻時偏離的相變溫度用Ar1、Ar3、Arcm表示,如圖1-19所示。

圖1-19加熱(或冷卻)時相變溫度變化

1.3.2鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變

熱處理后鋼的力學(xué)性能主要取決于奧氏體經(jīng)冷卻轉(zhuǎn)變后所獲得的組織,而冷卻方式和冷卻速度對奧氏體的組織轉(zhuǎn)變有直接關(guān)系。實際生產(chǎn)中常用的冷卻方式有以下兩種。

1.等溫冷卻

使奧氏體化的鋼先以較快的冷卻速度降到相變點(A1-線)以下一定的溫度,這時奧氏體尚未轉(zhuǎn)變,但成為過冷奧氏體。然后進行保溫,使過冷奧氏體在等溫下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變完成后再冷卻到室溫。例如等溫退火、等溫淬火等均屬于等溫冷卻方式。

等溫冷卻方式對研究冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變較為方便。以共析碳鋼為例,將奧氏體化的共析碳鋼以不同的冷卻速度急冷至A1-線以下不同溫度保溫,使過冷奧氏體在等溫條件

下發(fā)生相變。測出不同溫度下過冷奧氏體發(fā)生相變的開始時間和終了時間,并分別畫在溫度時間坐標上,然后將轉(zhuǎn)變開始時間和轉(zhuǎn)變終了時間分別連接起來,即得到共析碳鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線,如圖1-20所示。

圖1-20共析鋼過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線

共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物可分為如下三個類型:

(1)高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物:在727~550℃之間等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物屬珠光體組織,都是由鐵素體和滲碳體的層片組成的機械混合物。過冷度越大,層片越細小,鋼的強度和硬度也越高。依據(jù)組織中層片的尺寸,又把727~650℃之間等溫轉(zhuǎn)變的組織稱為粗片狀珠光體;在650~600℃之間等溫轉(zhuǎn)變的組織稱為索氏體(S);在600~500℃之間等溫轉(zhuǎn)變的組織稱為屈氏體(T)。

2.連續(xù)冷卻

經(jīng)奧氏體化的鋼,使其在溫度連續(xù)下降的過程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。例如在熱處理生產(chǎn)中經(jīng)常使用的水中、油中或空氣中冷卻等都是連續(xù)冷卻方式。

1.3.3鋼的熱處理工藝

常用的熱處理工藝大致分為兩類:預(yù)先熱處理和最終熱處理。預(yù)先熱處理是為了消除前一道工序所造成的某些缺陷,細化均勻組織,通常安排在鑄造、鍛造、焊接等工藝之后、

機加工之前。最終熱處理是為了滿足成品的使用性能。退火、正火屬于預(yù)先熱處理,對于使用性能要求不高的零件,也可只做最終熱處理。

退火的目的主要有以下幾個方面:降低硬度,利于切削加工(適于切削加工的硬度為160~230HB);細化晶粒,改善組織,提高力學(xué)性能;消除內(nèi)應(yīng)力,防止變形和開裂,并為下道淬火工序做好準備;提高鋼的塑性和韌性,便于冷加工的進行

根據(jù)工件鋼材的成分和退火目的的不同,常用退火工藝可分為以下幾種。

1)完全退火

將亞共析鋼加熱到Ac3以上30~50℃,保溫一定時間后,隨爐緩慢冷卻到室溫,即為完全退火。所謂“完全”,是指退火時鋼件被加熱到奧氏體化溫度以上獲得完全的奧氏體組

織,并在冷至室溫時獲得接近平衡狀況的鐵素體和片狀珠光體組織。完全退火的目的是降低硬度以提高切削性能,細化晶粒和消除內(nèi)應(yīng)力以改善機械性能。

2)球化退火

共析或過共析鋼加熱至Ac1-以上20~50℃,保溫一定時間,再冷卻至Ar1-以下20℃左右等溫一定時間,然后爐冷至600℃左右出爐空冷,即為球化退火。在其加熱保溫過程中,網(wǎng)狀滲碳體因不完全溶解而斷開,成為許多細小點狀滲碳體彌散分布在奧氏體基體上。在隨后的緩冷過程中,以細小滲碳體質(zhì)點為核心,形成顆粒狀滲碳體,均勻分布在鐵素體基體上,成為球狀珠光體。

3)等溫退火

將亞共折鋼加熱到Ac3以上或?qū)⒐参鲣摵瓦^共析鋼加熱到Ac1-以上30~50℃,保溫后較快地冷卻到稍低于Ar1-的溫度,進行等溫保溫,使奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體,轉(zhuǎn)變結(jié)束后,取出鋼件在空氣中冷卻,即為等溫退火。等溫退火與完全退火目的相同,但可將整個退火時間縮短大約一半,而且所獲得的組織也比較均勻。等溫退火主要用于奧氏體,如比較穩(wěn)定的合金工具鋼和高合金鋼等。

4)去應(yīng)力退火

去應(yīng)力退火也稱低溫退火,它是將鋼件隨爐緩慢加熱(100~150℃/h)至500~650℃,保溫一定時間后,隨爐緩慢冷卻(50~100℃/h)至300~200℃以下再出爐空冷。去應(yīng)力退火主要用于消除鑄件、鍛件、焊接件、冷沖壓件及機加工件中的殘余應(yīng)力,以穩(wěn)定尺寸、減少變形;或防止形狀復(fù)雜和截面變化較大的工件在淬火中產(chǎn)生變形或開裂。由于鋼件在低溫退火過程中的加熱溫度低于Ac1,因此鋼件無組織變化。經(jīng)去應(yīng)力退火,鋼件可消除50%~80%的殘余應(yīng)力。

5)再結(jié)晶退火

把經(jīng)過冷變形的低碳鋼(或有色金屬)制件加熱到再結(jié)晶溫度以上100~200℃,在650~750℃范圍內(nèi)保溫后爐冷,通過再結(jié)晶使鋼材的塑性恢復(fù)到冷變形以前的狀況,即為再結(jié)晶退火。這種退火也是一種低溫退火,主要用于消除經(jīng)冷軋、冷拉、冷壓等加工而產(chǎn)生鋼材硬化的情況。

2.正火

正火是將亞共析鋼加熱至Ac3、將共析鋼加熱至Ac1-或?qū)⑦^共析鋼加熱至Accm以上30~50℃,經(jīng)保溫后從爐中取出,在空氣中冷卻的熱處理工藝。

正火與完全退火的作用相似,都可得到珠光體型組織。但二者的冷卻速度不同,退火冷卻速度慢,得到的是接近平衡狀態(tài)的珠光體組織;而正火冷卻速度稍快,過冷度較大,得到的是珠光體類組織,組織較細,即索氏體。因此,同一鋼件在正火后的強度與硬度較退火后高。

正火的主要目的是細化晶粒,提高機械性能和切削加工性能,消除加工造成的組織不均勻及內(nèi)應(yīng)力。

3.淬火

淬火是將亞共析鋼加熱到Ac3或?qū)⒐参龌蜻^共析鋼加熱到Ac1-以上30~50℃,保溫一定時間使其奧氏體化,然后在冷卻介質(zhì)中迅速冷卻的熱處理工藝。淬火的主要目的是得到馬氏體,提高鋼的硬度和耐磨性,例如各種工具、模具、量具、滾動軸承等,都需要通過淬火來提高硬度和耐磨性。

淬火得到的組織是馬氏體,但馬氏體硬度高,而且組織很不穩(wěn)定,還存在很大的內(nèi)應(yīng)力,極易變形和開裂。

4.回火

回火是將淬火后的鋼加熱到Ac1-以下溫度,保溫一段時間,然后置于空氣或水中冷卻的熱處理工藝?；鼗鹂偸窃诖慊鹬筮M行的,通常也是零件進行熱處理的最后一道工序,

因而它對產(chǎn)品的最終性能有決定性的影響。

回火的目的是:消除淬火鋼中馬氏體和殘留奧氏體的不穩(wěn)定性及冷卻過快而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,防止變形和開裂;促使馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌线m的組織,從而穩(wěn)定零件的組織及尺寸;調(diào)整硬度,提高鋼的韌性。

根據(jù)加熱溫度的不同,可將碳鋼回火分為以下三類:

(1)低溫回火(150~250℃):回火后的組織主要為回火馬氏體,其組織與馬氏體組織相近,基本上保持了鋼淬火后的高硬度(如共析碳鋼的低溫回火硬度達58~62HRC)和高耐磨性。低溫回火的主要目的是降低淬火應(yīng)力和脆性,保留淬火后的高硬度。

(2)中溫回火(350~500℃):回火后的組織為回火屈氏體,回火屈氏體的硬度比回火馬氏體低,如共析碳鋼的中溫回火硬度為40~50HRC,具有較高的彈性極限和屈服強度,并有一定的韌性。

(3)高溫回火(500~650℃):回火后的組織為回火索氏體,回火索氏體具有良好的綜合力學(xué)性能,硬度為25~35HRC。淬火加高溫回火的熱處理方法又稱為調(diào)質(zhì)處理,適用于處理承受復(fù)雜載荷的重要零件,如曲軸、連桿、軸類、齒輪等。

1.3.4鋼的表面熱處理

1.鋼的表面淬火

表面淬火是一種不改變鋼的表面化學(xué)成分,但改變其組織的局部熱處理方法,即將鋼件表層快速加熱至奧氏體化溫度,就立即予以快速冷卻,使表層獲得硬而耐磨的馬氏體組

織,而心部仍保持原來塑性和韌性較好的退火、正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)組織。按加熱方式的不同,表面淬火可分為感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火和激光加熱表面淬火等。

2.鋼的化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是將工件置于特定介質(zhì)中加熱和保溫,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)成分和組織,從而達到使工件表層具有某些特殊力學(xué)性能或物理化

學(xué)性能的一種熱處理工藝。與表面淬火相比,化學(xué)熱處理的主要特點是:表面層不僅有化學(xué)成分的變化,而且還有組織的變化。按照滲入元素的不同,化學(xué)熱處理有滲碳、滲氮、碳

氮共滲、滲硼、滲硫、滲金屬等。

1.4常用的金屬材料

1.4.1-鋼1.鋼的分類與編號1)鋼的分類鋼的分類方式很多,常用的有按鋼的化學(xué)成分分類和按鋼的用途分類。(1)按鋼的化學(xué)成分分類:分為碳素鋼和合金鋼兩大類。(2)按鋼材的用途分類:分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊性能鋼三大類。

2)鋼的編號

(1)普通碳素結(jié)構(gòu)鋼:普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表屈服強度的字母、屈服強度的數(shù)值、質(zhì)量等級符號和脫氧方法符號等四個部分組成,例如Q235A.F。其中,Q—屈服點,

取“屈”字漢語拼音字母的字頭;A、B、C、D—質(zhì)量等級;F—沸騰鋼,Z—鎮(zhèn)靜鋼,TZ—特殊鎮(zhèn)靜鋼。

普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1-4所示。

(2)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼:優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號采用兩位數(shù)字表示,這兩位數(shù)字表示該鋼號的平均含碳量的萬分數(shù)。如45鋼表示含碳量為0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、成分、性能及其用途如表1-5所示。

(3)碳素工具鋼:其牌號由字母T和數(shù)字組成。T表示碳素工具鋼,數(shù)字表示平均含碳量的千分數(shù)。如T10表示平均含碳量為1%的碳素工具鋼。這類鋼都是優(yōu)質(zhì)鋼。高級優(yōu)質(zhì)鋼在牌號的數(shù)字后加A表示,如T10A。HBW表示布氏硬度,HRC表示洛氏硬度。碳素工具鋼的牌號、性能及用途如表1-6所示。

(4)合金結(jié)構(gòu)鋼:采用兩位數(shù)+元素符號+數(shù)字表示。前面兩位數(shù)字表示鋼的含碳量的萬分位,元素符號后的數(shù)字表示該元素含量的百分數(shù)。如果合金元素為1%左右則不標其含量,如20Cr、18Cr2Ni4W、30CrMnSi、40Cr等。常用合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號、性能及用途如表1-7所示。

(5)合金工具鋼和特殊性能鋼:編號形式與合金結(jié)構(gòu)鋼相似,只是碳含量的表示方法不同。當(dāng)平均含碳量大于或等于1.0%時,碳量不標出;當(dāng)平均含碳量小于1.0%時,以其千分數(shù)表示,如9SiCr、W18Cr4V、1Cr18Ni9等。常用合金工具鋼的牌號、性能及用途如表1-8所示。

2.結(jié)構(gòu)鋼

結(jié)構(gòu)鋼可分成工程構(gòu)件用鋼和機械制造用鋼兩類。其中,工程構(gòu)件用鋼一般使用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼。這類鋼的強度較低,塑性、韌性和焊接性較好,價格低廉,一般在熱軋態(tài)下使用,必要時可進行正火處理以提高強度。機械制造用鋼多使用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼,按其組織和性能特點可分為以下幾種主要類型。

1)調(diào)質(zhì)鋼

使用調(diào)質(zhì)鋼來制造零件時,要求有較高的強度和良好的塑性、韌性。

(1)滲碳鋼:這類鋼的含碳量低(0.15%~0.25%),以保證工件心部獲得低碳馬氏體,有較高的強度和韌性,而表層經(jīng)滲碳后,硬度高且耐磨,熱處理方式為滲碳后淬火加低溫回火。

(2)滲氮鋼:這類鋼的含碳量中等(0.3%~0.5%)。滲氮前經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,工件心部為回火索氏體,有良好的強度和韌性。

3)彈簧鋼

彈簧鋼具有高的彈性極限和高的疲勞強度,含碳量在0.5%~0.85%之間,經(jīng)淬火、中溫回火后可獲得回火屈氏體組織。

3.工具鋼

工具鋼要求具有高的硬度和耐磨性以及足夠的強度和韌性。這類鋼的含碳量均很高,通常為0.6%~1.3%。按合金元素的含量不同可分為以下幾種類型。

1)碳素工具鋼

碳素工具鋼經(jīng)淬火、低溫回火后,組織為高碳回火馬氏體加球狀碳化物。這類鋼有很好的硬度和良好的耐磨性,價格低廉,但淬透性差,工作溫度低,主要適用于低速切削的刀具和尺寸較小的簡單模具。

2)低合金工具鋼

低合金工具鋼的熱處理方式和組織與碳素工具鋼的相同。由于合金元素的加入,提高了淬透性和工作溫度,這類鋼適用于較高速度切削的刀具和形狀復(fù)雜的模具。常用鋼種有

9SiCr和CrWMn等。

3)高合金工具鋼

高合金工具鋼由于合金元素的加入,淬透性很高,工作溫度也大大提高,按性能特點

的不同,又可分為以下幾種類型:

(1)高速鋼:在高溫時,仍有很高的硬度,適于高速切削。其最終熱