机械制造-工程材料.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,机械制造-工程材料ppt,1.1 金属材料的力学性能,一.定义:,力学性能是指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能。,二.指标:,弹性、塑性、韧性、强度、硬度和疲劳强度等。,1.1 金属材料的力学性能,1.1.1 强度,拉伸试验机,1.,拉伸试样：,长试样：,L,0,=,10,d,0,短试样：,L,0,=,5,d,0,1.1 金属材料的力学性能,2.拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线：,动画演示,低碳钢拉伸曲线,脆性材料拉伸曲线,L,F,0,1.1 金属材料的力学性能,纵坐标为应力 单位 MPa(MN/mm)，横坐标为应变,其中：=F/S 表示材料抵抗变形和断裂的能力,（L1-L0）/L0,3.曲线分为四阶段：,动画演示,1）阶段I（ope）弹性变形阶段,2）阶段II（ess）段屈服变形,3）阶段III（sb）段均匀塑性变形阶段,4）阶段IV(bK)段,局部集中塑性变形颈缩,铸铁、陶瓷：只有第I阶段,中、高碳钢：没有第II阶段,1.1 金属材料的力学性能,4.强度,强度是指金属材料在载荷作用下，抵抗塑形变形和断裂的能力。,（1）弹性极限,e=Fe/Ao,弹性极限：不产永久变形的最大抗力。,（2）,屈服强度,s：,s=Fs/Ao,材料发生微量塑性变形时的应力值。即,在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力。,条件屈服强度,0.2,：,高碳钢等无屈服点，国家标准规定以,残余变形量为0.2%时的,应力值作为它的条件屈服强度，以0.2来表示。,（3）,抗拉强度,b,：,b=,F,b/Ao,材料断裂前所承受的最大应力值。,1.1 金属材料的力学性能,1.1.2 塑性,定义：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。,1.,伸长率(延伸率),2.,断面收缩率,=,断裂后,拉伸试样的颈缩现象,1.1 金属材料的力学性能,1.1.3 硬度,是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。,布氏硬度HB 洛氏硬度HR 维氏硬度HV,常用测量硬度的方法,1.1 金属材料的力学性能,1.布氏硬度 HB(Brinell-hardness),动画演示,布氏硬度计,1.1 金属材料的力学性能,1.1 金属材料的力学性能,压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。,压头为硬质合金时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。,布氏硬度计,铣床,要用于在铣床上加工平面、台阶、沟槽、成形表面和切断工件等。铣刀按用途区分有多种常用的型式。圆柱形铣刀：用于卧式铣床上加工平面。刀齿分布在铣刀的圆周上，按齿形分为直齿和螺旋齿两种。按齿数分粗齿和细齿两种。螺旋齿粗齿铣刀齿数少，刀齿强度高，容屑空间大，适用于粗加工；细齿铣刀适用于精加工。面铣刀：用于立式铣床、端面铣床或、龙门铣床、上加工平面，端面和圆周上均有刀齿，也有粗齿和细齿之分。其结构有整体式、镶齿式和可转位式3种。立铣刀：用于加工沟槽和台阶面等，刀齿在圆周和端面上，工作时不能沿轴向进给。当立铣刀上有通过中心的端齿时，可轴向进给。三面刃铣刀：用于加工各种沟槽和台阶面，其两侧面和圆周上均有刀齿。角度铣刀：用于铣削成一定角度的沟槽，有单角和双角铣刀两种。锯片铣刀：用于加工深槽和切断工件，其圆周上有较多的刀齿。为了减少铣切时的摩擦，刀齿两侧有151的副偏角。此外，还有键槽铣刀 燕尾槽铣刀 T形槽铣刀和各种成形铣刀等。铣刀的结构分为4种。整体式：刀体和刀齿制成一体。整体焊齿式：刀齿用硬质合金或其他耐磨刀具材料制成，并钎焊在刀体上。镶齿式：刀齿用机械夹固的方法紧固在刀体上。这种可换的刀齿可以是整体刀具材料的刀头，也可以是焊接刀具材料的刀头。刀头装在刀体上刃磨的铣刀称为体内刃磨式；刀头在夹具上单独刃磨的称为体外刃磨式。可转位式：这种结构已广泛用于面铣刀、立铣刀和三面刃铣刀等。,编辑本段检验事项,检验标准 铣床,主要有：GB6477.9-86金属切削机床术语铣床，ZBJ54017-89及JB/T5599-91升降台铣床参数及系列型谱，GB3933-83升降台铣床精度，JB/T2800-92升降台铣床技术条件，ZBJ54014-88数控立式升降台铣床精度，ZBJ54015-90数控立式升降台铣床技术条件，JB3696-84摇臂铣床精度，JB/T3697-96摇臂铣床技术条件，JB/T2873-91、JB/T5600-91万能工具铣床参数及系列型谱，JB/T2874-94万能工具铣床精度，JB/T2875-92万能工具铣床技术条件，JB/Z135-79床身铣床参数及系列型谱，GB3932-83床身铣床精度，ZBJ54010-88数控床身铣床精度，JB/T3027-93龙门铣床参数，JB/T3028-93龙门铣床精度，JB/T3029-93龙门铣床技术条件，JB3311-83，JB/Z195-83平面铣床参数及系列型谱，JB3312-83平面铣床精度，JB/T3313-94平面铣床技术条件，ZBJ54013-88刻模铣床参数，JB/GQ1059-85立体仿形铣床参数，JB/GQ1060-85立体仿形铣床精度，JB/GQ1061-85立体仿型铣床技术条件，ZBJ54007-88立式立体仿形铣床精度，JB/T7414-94立式立体仿形铣床技术条件等。检验项目相关标准检验项目与其他金属切削机床大体相同，专用标准包括精度和性能，大体可概括为：安装刀具的孔（或心轴）的精度，刀架、滑枕(或摇臂)工作台的精度，安装刀具与工作台的相互位置精度，对规定工件的加工精度等。检验还须参照JB2670-82金属切削机床检验通则，出口产品不得低于一等品。,编辑本段操作规程,专用铣床操作规程 适用机型：铣床,1、龙门铣床：X245（A662），X209（6642），X2010，X2012A，FRM5，6642H1，92001。2双柱铣床：FX03，564H1，273-11A，535H2，459，544H1，571H1，529H1，FXZ-001，462C1。3单柱铣床：447H1，456H1458H1，461HX458C，459C1，459HX。4平面仿形铣床：XB4326，XF736，P-90A。5立体仿形铣床：6441，P-105，P-93。6立式圆工作台铣床：TZX16，X5216，449H1621M，621H5621C1H29，623，623H7，623H9，623H11，623H12，623BH6，623BH10623CH2，621H6，623H10，623CH2，621H6，623H10，623H6，621MCH29。7鼓形铣床：490，6021BH1。8回转式端面铣床：K389-24一、认真执行金属切削机床通用操作规程有关规定。二、认真执行下述有关补充规定。1夹具或大型工件的实置(安装)，应使工作台受力均匀，避免受力不均导致工作台变形。2横梁或主轴箱根工件加工要求调正好后，应锁紧牢靠方可工作。3不准加工余量或重量超过规定的毛坯件。,4工作后应将龙门、双柱、单柱、平面仿形铣床的工作台：置于床身导轨的中间位置。普通铣床操作规程 适用机型：1、卧式铣床：X6012、X60（6H80）、X60W（6H80）、X602、X61（6H81）、X6H81、X6030、X6130、X2、（6H82）、X62W（6H82）、X6232、X6232A、X63、（6H83）X63W、6H83Y、6H83、B1-169A、6H81A、FU2A、4FWA、FA5H、FA5U、IAE、X3810。2立式铣床：X50、X51（6H11）、X52、X52k（6H12）、X53、X53k（6H13）、X53T（FA5V）、X5430A、X50T、X5350、XS5040、X518、610、F1-250、F2-250、FA4AV、652、VF222、FSS、FB40V、6H13，FYA41M、4MK-V、UF/05-135、6A54、300、173M-12。3数控立式铣床：XsK5040。4键槽铣床：x920（692A）、4205、XZ9006、60A。5万能工具铣：x8119（678M）、x8126（679）、x8140、680。一、认真执行金属切削机床通用操作规程有关规定。二、认真执行下述有关铣床通用规定：（一）工作中认真做到 1铣削不规则的工件及使用虎钳、分度头及专用夹具持工件时，不规则工件的重心及虎钳、分度头、专用夹具等应尽可能放在工作台的中间部位，避免工作台受力不匀，产生变形。2在快速或自动进给铣削时，不准把工作台走到两极端，以免挤坏丝杆。3不准用机动对刀，对刀应的动进行。铣床,4、工作台换向时，须先将换向手柄停在中间位置，然后再换向，不准直接换向。5铣削键槽轴类或切割薄的工件时，严防铣坏分度头或工作台面。6、铣削平面时，必须使用有四个刀头以上的刀盘，选择合适的切削用量，防止机床在铣削中产生震动。（二）工作后将工作台停在中间位置，升降台落到最低的位置上。三、认真执行下述有关特殊的规定 XSK5040数控立式铣床，工作前应根据工艺要求进行有关工步程序，主轴转速、刀具进给量、刀具运动轨迹和连续越位等项目的预选。将电气旋钮置于调正位置进行试车，确认无问题后，再将电气旋钮置于自动或半自动位置进行工作。,编辑本段包装储运,精品课件文档，欢迎下载，下载后可以复制编辑。,更多精品文档，欢迎浏览。,1.1 金属材料的力学性能,符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。,如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120,。,布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。,缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头,还硬的材料。,适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。,材料的,b,与HB之间的经验关系：,对于低碳钢:,b,(MPa),3.6HB,对于高碳钢：,b,(MPa),3.4HB,对于铸铁：,b,(MPa),1HB或0.6(HB-40),1.1 金属材料的力学性能,定义：,HR=,k,-(,h,1-,h,0)/0.002,常用标尺有：B、C、A三种,HRA 硬、薄试件，,如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。,HRB 轻金属，未淬火钢，,如有色金属和退火、正火钢等。,HRC 较硬，淬硬钢制品；,如调质钢、淬火钢等。,洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。,缺点：测量结果分散度大。,2洛氏硬度,动画演示,h,1,-,h,0,洛氏硬度测试示意图,洛氏硬度计,洛,氏,硬,度,实,验,原,理,洛,氏,硬,度,实,验,计,h,1,-,h,0,洛氏硬度测试示意图,洛氏硬度计,洛,氏,硬,度,实,验,原,理,1.1 金属材料的力学性能,3.维氏硬度,动画演示,维,氏,硬,度,试,验,原,理,维,氏,硬,度,计,维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点：既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。,维,氏,硬,度,试,验,原,理,维,氏,硬,度,计,1.1 金属材料的力学性能,1.1.4 冲击韧性,动画演示,材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。,冲击实验原理,1.1 金属材料的力学性能,冲击试验机,冲击试样和冲击试验示意图,1.1 金属材料的力学性能,试样冲断时所消耗的冲击功A k为:,A,k,=m g H m g h(J),冲击韧性值,k,就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。,ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。,ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。,注意：,材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。,1.1 金属材料的力学性能,1.1.5 疲劳强度,（80%的断裂由疲劳造成）,疲劳：承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。,1.1 金属材料的力学性能,疲劳强度-1：,材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。,条件疲劳极限：,经受10,7,应力循环而不致断裂的最大应力值。陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高，纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。,影响因素：,循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。,1.1 金属材料的力学性能,轴的疲劳断口,疲劳辉纹（扫描电镜照片）,通过改善,材料的形状结构,，,减少表面缺陷,，,提高表面光洁度,，,进行表面强化,等方法可提高材料疲劳抗力。,疲劳断口,1.1 金属材料的力学性能,1943年美国T-2油轮发生断裂,1.2 铁碳合金,1.2.1,金属的晶体结构与结晶,1.晶体,的基本概念,（1）晶体：,指原子呈规则、,周期性,排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。,非晶体：,原子,呈,无规则堆积，和液体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。,在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。,区别：,(a)是否具有周期性、对称性,(b)是否长程有序,(c)是否有确定的熔点,(d)是否各向异性,金属的结构,晶态,非晶态,Si,2,O的结构,1.2 铁碳合金,晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（即原子中心）称结点。由结点形成的空间的阵列称空间点阵。,晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。,晶胞常数：用来描述晶胞大小与形状的几何参数。,（2）晶格、晶胞、晶格常数,1.2 铁碳合金,2.常见金属的晶体结构,（1）体心立方晶格,晶胞是一个立方体，立方体的八个角上和立方体的中心各有一个原子，如右图所示：,属于这类晶格的金属有铬、钒、Fe等。,1.2 铁碳合金,（2）面心立方晶格,晶胞是一个立方体，立方体的八个角上和立方体的六个面的中心各有一个原子，如右图所示：,属于这类晶格的金属有铝、铜、Fe等。,1.2 铁碳合金,（2）密排六方晶格,晶胞是一个正六方柱体，在六方柱体的十二个角上和上、下底面的中心各有一个原子，在上、下底面之间还均匀分布着三个原子，如右图所示：,属于这类晶格的金属有铍、锌、钛等。,1.2 铁碳合金,3.金属的实际晶体结构,（1）单晶体与多晶体的概念,单晶体：结晶后，每个晶核长成为一个晶体，各向异性。,多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成，故宏观上看就显示出各向同性。,（2）晶体中的缺陷,晶体缺陷：实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分。,1）点缺陷晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化。,空位,间隙原子,大置换原子,小置换原子,1.2 铁碳合金,2）线缺陷(位错）,位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。有刃型位错和螺型位错两种类型。,刃型位错 螺型位错,1.2 铁碳合金,透射电镜下钛合金中的位错线(黑线),高分辨率电镜下的刃位错（白点为原子）,1.2 铁碳合金,3)面缺陷分为晶界、亚晶界等,。,1.2 铁碳合金,4.纯金属的结晶,动画演示,（,1）,纯金属的冷却曲线和过冷现象,纯金属的冷却曲线,金属结晶时温度与时间的关系曲线称,冷却曲线。,曲线上水平阶段所对应的温度称,实际结晶温,T1,。,曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。,液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。,理论结晶温度与实际结晶温度的差,T称过冷,度。,T=,T0 T1,过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。,1.2 铁碳合金,（,2）,金属的结晶过程,播放,结晶由晶核的形成和晶核 的长大两个基本过程组成。,晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。,1.2 铁碳合金,晶核的长大方式有两种，即平面长大和树枝状长大。,实际金属的结晶主要以树枝状长大。这是由于晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴，树枝间最后被填充。,平面长大,1.2 铁碳合金,金属的树枝晶,金属的树枝晶,金属的树枝晶,冰的树枝晶,树枝状结晶,1.2 铁碳合金,(3)晶粒大小与金属力学性能的关系,在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑形和韧性。,生产中，细化晶粒的方法如下：,增加过冷度,过冷度 T提高，N提高、G提高,过冷度 T太高，D降低N降低、G降低,所以，过冷度 T，N，GN/G增大，细化,1.2 铁碳合金,变质处理,又称孕育处理。,即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而,细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫,变质剂（或称孕育剂）。,振动，搅拌等,对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可,靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可,使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。,1.2 铁碳合金,1.2.2 合金的晶体结构,合金,是指由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素，通过熔化或其它方法结合而成的具有金属特性的物质。,组元,是组成合金的最基本的、独立的单元。组元可以是金属、非金属或化合物（如渗碳体）。,合金的晶体结构大致可归纳为3类，即固溶体、金属化合物和机械混合物。,1.固溶体,合金在固态下溶质原子溶入溶剂，仍保持溶剂晶格。根据固溶体晶格中溶剂与溶质原子的相互位置的不同，可分为,置换固溶体,（如黄铜）和,间隙固溶体,(如铁素体和奥氏体)，,如图1-3,和,图1-4,所示。,动画演示,1.2 铁碳合金,固溶强化：,当溶质原子溶解在溶剂晶体中时，溶剂的晶格将发生畸变，晶格常数发生变化，,如图1-5所示,。原子尺寸相差大，化学性质不同，都使畸变增大，结果合金的强度、硬度和电阻增高，塑性，韧性下降。溶入的溶质原子越多，引起的晶格畸变也越大。这种由于溶质原子的溶入，使基体金属（溶剂）的强度、硬度升高的现象就叫固溶强化。,2.金属化合物,组成合金的元素相互化合形成一种新的晶格组成的物质。它的晶体结构与性能，和原两组元都不同，如渗碳体 就是铁和碳组成的晶格复杂的碳化物，一般具有高硬度和高脆性。,3.机械混合物,由两种或两种以上的组元、固溶体或金属化合物按一定重量比例组成的均匀物质称为机械混合物。,混合物中各组成部分仍按自己原来的晶格形式结合成晶体，如铁素体和渗碳体形成珠光体。混合物的性能取决于组成混合物的各部分的性能，及其数量、大小、分布和形态。,1.2 铁碳合金,1.2 铁碳合金,1.2.3 铁碳合金相图,1.铁的同素异晶转变,金属在固态下发生的晶格结构的转变叫同素异晶（构）转变。金属的同素异构转变也是一种结晶过程，有一定的转变温度和过冷度；也有晶核的形成和长大两个阶段。故同素异构转变又称为重结晶。铁的同素异构转变如下所示。,（体心立方晶格）,（面心立方晶格）,（体心立方晶格）,1.2 铁碳合金,2.铁碳合金基本相,（1）铁素体（F）,碳溶于 中的固溶体，它保持体心立方晶格结构。其显微组织,如图1-6,，,溶解度（0.008%0.02%），故性质接近纯铁，强度、硬度低，塑性、韧性好。,（2）奥氏体（A）,碳溶于 中的固溶体，保持面心立方晶格结构。其显微组织,如图1-7,，溶解度（0.77%2.11%），其强度和硬度略高于铁素体，塑性、韧性较好。,（3）渗碳体（Fe,3,C）,铁和碳组成的金属化合物，复杂斜方晶体结构。含碳量为6.69%，其硬度很高，塑性、韧性几乎为零，脆性极大，在一定条件下分解为铁和石墨。,1.2 铁碳合金,（5）莱氏体Ld,莱氏体,在727,0,C以上，由奥氏体与渗碳体组成的机械混合物，称为高温莱氏体Ld；在727,0,C以下，该组织转变为由珠光体与渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体Ld,。其显微组织,如图1-9，,其力学性能与渗碳体相似，硬度较高，脆性较大。,（4）珠光体P,珠光体,是铁素体和渗碳体的机械混合物。其显微组织,如图1-8，,珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。,1.2 铁碳合金,3.铁碳合金相图分析,铁碳合金相图的建立过程见图,1-10,。,L,J,N,G,+Fe,3,C,+Fe,3,C,L,+Fe,3,C,L+,+,1.2 铁碳合金,五个重要的成份点:P、S、E、C、K。,四条重要的线:EF、ES、GS、FK。,三个重要转变:包晶转变反应式、共晶转变反应式、共析转变反应式。,二个重要温度:1148 、727,1.共晶转变反应式:,L,C,(,A,E,+,Fe,3,C,),Le,1148,2.共析转变反应式:,A,S,(,F,P,+,Fe,3,C,),P,727,（1）铁碳合金相图分析,1.2 铁碳合金,（2）铁碳合金的分类,工业纯铁,含碳量小于0.0218%的铁碳合金,钢,含碳量在0.0218%2.11%的铁碳合金,共析钢,含碳量等于,0.77%,亚共析钢,含碳量小于,0.77%,过共析钢,含碳量位于,0.77%2.11%,白口铸铁,含碳量在,2.11%,6.69%,的铁碳合金,共晶白口铸铁,含碳量等于,4.3%,亚共晶白口铸铁,含碳量位于,2.11%4.3%,过共晶白口铸铁,含碳量位于,4.3%,6.69%,1.2 铁碳合金,4.典型铁碳合金的结晶过程及其组织,1.钢的结晶过程,为方便起见，按照铁碳合金的分类，把相图分为钢和白口铁两部分；如图1-11为经过简化的钢的铁碳合金相图。下面分析其结晶过程：,1）共析钢,（如图I号合金）的结晶过程,其室温组织为,珠光体,，为层片状组织，具有较高的强度 =800MPa，硬度HBS=230,塑性较低 =12%。,(,如图1-12所示,),图1-11 钢的铁碳合金相图,0.77,2.11,C%,1.2 铁碳合金,2）亚共析钢,（如图II号合金）的结晶过程,其室温组织为,铁素体加珠光体,，其显微组织,如图1-12,；其性能介于铁素体和珠光体之间；随含碳量升高，珠光体量增多，故强度硬度增加，塑性韧性下降。,3）过共析钢,（如图III号合金）的结晶过程,其室温组织为,渗碳体加珠光体,，其显微组织,如图1-12,；随含碳量升高，渗碳体量增多，故硬度增加，韧性下降,。,图1-11 钢的铁碳合金相图,0.77,2.11,C%,1.2 铁碳合金,铸铁根据含碳量的不同可分为共晶白口铸铁（4.3%C）、亚共晶白口铸铁（4.3%C）；其简化的铁碳合金相图如图1-13所示，下面分别分析其结晶过程。,2.白口铸铁的结晶过程,1）共晶白口铸铁,（如图V）的结晶过程,其室温组织为,莱氏体,。,图1-13 生铁的铁碳合金相图,2.11,4.3,6.69,0,C,1.2 铁碳合金,其室温组织为珠光体加莱氏体。显微组织,如图1-12,。,2）亚共晶白口铸铁,（如图IV）的结晶过程,3）过共晶白口铸铁,（如图IIV）的结晶过程,其室温组织为渗碳体加莱氏体。显微组织,如图1-12,。,图1-13 生铁的铁碳合金相图,2.11,4.3,6.69,0,C,1.2 铁碳合金,5、含碳量对铁碳合金组织和性能的影响,（1）、含碳量对室温平衡组织的影响,根据杠杆定律的计算结果，可求出含碳量与缓冷后的相及组织组成物之间的定量关系：,1.2 铁碳合金,（2）、含碳量对力学性能的影响,亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度升,高，塑性、韧性下降。,0.77%C时，组织为100%P，,钢的性能即P的性能。,0.9%C,Fe3C为,晶界连续网状,强度下降,但硬度仍上升。,2.11%C,组织中有以Fe3C为基的Le，合金太脆。,1.2 铁碳合金,（3）、含碳量对工艺性能的影响,切削性能：,中碳钢比较合适。,可锻性能：,低碳钢比高碳钢好。,铸造性能：,共晶成分附近的合金铸造性能好。,焊接性能：,低碳钢好于高碳钢。,热处理性能：,第三节介绍,。,1.2 铁碳合金,选择材料方面的应用,制定热加工工艺方面的应用,6、铁碳合金相图的应用,1.2 铁碳合金,（1）.选择材料方面的应用,a.,分析零件的工作条件,根据铁碳合金,成分、组织、性能之间的变化规律进,行选择材料。,b.根据铁碳合金成分、组织、性能之间,的变化规律,确定选定材料的工作范,围。,1.2 铁碳合金,(2).制定热加工工艺方面的应用,1.2 铁碳合金,1.2.4 碳素钢、铸铁,1.碳素钢,1）按钢的含碳量分类：,低碳钢,中碳钢,高碳钢,2）按钢的质量分类,：有害杂质硫、磷的含量,普通碳素钢,优质碳素钢,高级优质碳素钢,(1).碳素钢分类,播放,1.2 铁碳合金,3,）,按用途分为：,碳素结构钢：,制造各种机器零件及工程构件，大都是低碳钢、中碳钢，属普通,碳素钢或优质碳素钢。,碳素工具钢：,制造各种刃具、量具和模具等，大都是高碳钢，属优质钢或高级优质钢。,4）按冶炼时脱氧程度的不同分类,沸腾钢：不脱氧的钢；,镇静钢：完全脱氧钢；,半镇静钢：半脱氧钢。,5）按金相组织分,亚共析钢、共析钢、过共析钢。,1.2 铁碳合金,1）.普通碳素结构钢,(2).钢的编号,Q,235,A,F,沸腾钢,A质量等级,235 MPa,屈服强度,1.2 铁碳合金,*,45-Wc=45%,00,*,较高锰质量分数的优质碳素结构钢,45Mn-Wc=45%,00,;,W,Mn,=0.7%1.0%,2）.优质碳素结构钢,1.2 铁碳合金,T,12,A,高级优质,Wc=12%,0,碳素工具钢,3）.碳素工具钢,1.2 铁碳合金,ZG,200,-400,b,400MPa,s,200MPa,铸钢,4）.铸造碳钢,1.2 铁碳合金,2.铸铁,铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。,铸铁具有许多优良的性能及生产简便、成本低廉等优点，因而是应用最广泛的材料之一。,例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都是由铸铁制造的。,铸铁曲轴,1.2 铁碳合金,铸铁的分类与牌号表示方法,铸铁,名称,石墨,形态,基体,组织,编 号 方 法,牌号实例,灰 铸 铁,片,状,F,HT+一组数字,数字表示最低抗拉强度值，单位MPa。,“HT”表示灰铸铁代号。,HT100,F+P,HT150,P,HT200,可,锻铸,铁,团,絮,状,F,KTH+,两组数字,KTB+,两组数字,KTZ+,两组数字,KTH300-06,表F,心P,KTB350-04,P,KTZ450-06,1.2 铁碳合金,铸铁,名称,石墨,形态,基体,组织,编 号 方 法,牌号实例,球 墨 铸 铁,球,状,F,QT+两组数字,第一组数字表示最低抗拉强度值，MPa；,第二组数字表示最低延伸率值，%。,“QT”表示 球墨铸铁代号,QT400-15,F+P,QT600-3,P,QT700-2,蠕 墨,铸 铁,蠕,虫,状,F,RuT+一组数字,数字表示最低抗拉强度值,MPa。,“RuT”表示蠕墨铸铁代号,RuT260,F+P,RuT300,P,RuT420,铸铁的分类与牌号表示方法,1.3 钢的热处理,1、,热处理,：,是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。,为简明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度,时间坐标绘出,热处理工艺曲线,。,1.3 钢的热处理,热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。,在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。,在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。,至于模具、滚动轴承则要100%经过热处理。,总之，重要的零件都要经过适当的热处理才能使用。,1.3 钢的热处理,2、热处理特点,：,热处理,区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是,只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。,铸造,轧制,3、热处理适用范围：,只适用于固态下发生相变的材料,，,不发生固态相变的材料不能用热处理强化。,1.3 钢的热处理,4、根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将,热处理工艺分类如下,：,其他热处理,普通热处理,表面热处理,热处理,退火正火淬火回火,真空热处理形变热处理激光热处理,表面淬火感应加热、火焰加热、,电接触加热等,化学热处理渗碳、氮化、碳氮,共渗、渗其他元素等,1.3 钢的热处理,重点掌握,1.钢在加热时组织转变的过程中及影响因素；,2.本质晶粒度与实际晶粒度的含义，控制晶粒度大小的因素；,3.共析钢奥氏体等温冷却曲线中各条线的含义。C曲线中各种温度区域内奥氏体转变产物的组织形貌，性能特点。,4.非共析钢C曲线与共析钢C典线的差别及影响C典线的因素；,5.奥氏体连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对钢的组织变化和最终性能的影响；,6.各种热处理的定义、目的、组织转变过程，性能变化，用途和使用的钢种、零件的范围。,1.3 钢的热处理,1.3.1 钢在加热时的组织转变,铁碳相图中,PSK、GS、ES线分别用A,1,、A,3,、A,cm,表示。,由于实际加热或冷却时存在过冷或过热现象，因此，将,1.3 钢的热处理,1.,奥氏体的形成,动画演示,1.,奥氏体的形成的基本过程,奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现以,共析钢为例说明：,第一步：奥氏体晶核形成：首先在,与Fe3C相界形核。,第二步：奥氏体晶核长大：,晶核通过碳原子的扩散向,和Fe3C方向长大。,第三步：残余Fe,3,C溶解：铁素体在成分、结构上比Fe,3,C更接近于奥氏体，因而先于Fe,3,C消失，而残余Fe,3,C则随保温时间延长不断溶解直至消失。,第四步：奥氏体均匀化。Fe,3,C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。,1.3 钢的热处理,2.奥氏体晶粒度的长大及影响因素,（1)奥氏体晶粒度:,1.起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥体的晶粒大小。,2.实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。,3.本质晶粒度:度量钢本身晶粒在930以下,随温度升高,晶粒长大的程度。,钢的本质晶粒度示意图,1.3 钢的热处理,(2)影响奥氏体晶粒度的因素,2）钢的成分：,1）加热温度和保温时间：,加热温度高、保温时间长，,晶粒粗大。,合金元素：,阻碍奥氏体晶粒长大的元素：,Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等,，多为碳化物和氮化物形成元素。,促进奥氏体晶粒长大的元素：,Mn、P、C、N。,原始组织：,平衡状态的组织有利于获得细晶粒。,奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。,1.3 钢的热处理,1.3.2 钢在冷却时的组织转变,钢在热处理时的冷却方式,热,加,保温,连续冷却,等温冷却,保温,热,加,时间,温度,临界温度,1.3 钢的热处理,1.过冷奥氏体的等温冷却转变(1)共析钢C曲线图,动画演示,。,稳定的奥氏体区,过冷奥氏体区,产物区,A1550;高温转变区;,扩散型转变;P 转变区。,550230;中温转变,区;半扩散型转变;,贝氏体(B)转变区,;,230-50;低温转,变区;非扩散型转变;,马氏体(M)转变区。,时间(s),300,10,2,10,3,10,4,10,1,0,800,-,100,100,200,500,600,700,0,400,A1,Ms,Mf,A,+,产,物,区,1.3 钢的热处理,(2)过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能,动画演示,1).珠光体型(P)转变(A1550):,A1,650:P;5,25HRC;,片间距为,0.6,0.7,m(500),。,650,600:,细片状,P-,索氏体,(S);,片间距为,0.2,0.4,m(1000);,25,36HRC,。,600,550:,极细片状,P-,屈氏体,(T);,片间距为,0.2,m(,电镜,);35,40HRC,。,珠光体,索氏体,托氏体,1.3 钢的热处理,光镜下形貌,电镜下形貌,珠 光 体 形 貌 像,1.3 钢的热处理,光镜形貌,电镜形貌,索 氏 体 形 貌 像,1.3 钢的热处理,屈 氏 体 形 貌 像,电镜形貌,光镜形貌,1.3 钢的热处理,2).贝氏体型(P)转变(A1550):,550,350:B,上,;40,45HRC;,B,上,=过饱和碳,-Fe,条状,+Fe,3,C,细条状,过饱和碳,-Fe,条状,Fe,3,C,细条状,羽毛状,1.3 钢的热处理,上贝氏体组织金相图,1.3 钢的热处理,2).贝氏体型(P)转变(A1550):,350,230:B,下,;50,60HRC;,B,下,=过饱和碳,-Fe,针叶状,+Fe,3,C,细片状,过饱和碳,-Fe,针叶状,Fe,3,C,细片状,针叶状,下贝氏体组织金相图,1.3 钢的热处理,3).马氏体型(M)转变(230-50):,1)定义:马氏体是一种碳在,Fe中的,过饱和固溶体。,2)转变特点:,在一个温度范围内连续冷却完成,;,转变速度极快,即,瞬间形核与长大,;,无扩散转变,(Fe,、,C,原子均不扩散,),M,与原,A,的成分相同,造成晶格畸变。,转变不完全性,QM=,f,(T),3)马氏体的晶体结构:由于碳的过饱和作 用,使,Fe晶格由体心立方变成体心正 方晶格。,FCC,BCT,铁原子,马氏体的形成,碳原子,1.3 钢的热处理,1.3 钢的热处理,4)马氏体的组织形态:,板条状,-,低碳马氏体,(,0.2%C);,30,50HRC;,=9,17%,。,1.3 钢的热处理,低碳板条状马氏体组织金相图,1.3 钢的热处理,4)马氏体的组织形态:,针、片状,-,高碳马氏体,(,1%C);,66HRC,左右,;,1%,。,1.3 钢的热处理,高碳针片状马氏体组织金相图,1.3 钢的热处理,马氏体的碳浓度 Wc,100,50,70,40,60,20,30,10,0.1,0.3,0.2,0.4,0,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,硬度(HRC),2000,抗拉强度,b,(Mpa),1800,1400,1000,600,200,5)马氏体的性能:主要取决于马氏体中的碳浓度。,1.3 钢的热处理,稳定的奥氏体区,时间(s),300,10,2,10,3,10,4,10,1,0,800,-,100,100,200,500,600,700,温度,(),0,400,A1,Ms,Mf,（3）在连续冷却过程中 C 曲线的应用,V1,V2,Vk,V3,V4,V1=5.5/s:,炉冷;P,V2=20/s:,空冷;S,V3=33/s:,油冷;T+M+A残,V4 138/s:,水冷;M+A残,1.3 钢的热处理,1.3.3 钢的退火与正火,一)定义:把零件加温到临界温度以上3050,保温一段时间,然后 随炉冷却。,二)目的:消除应力;降低硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。,1.钢的退火(Annealing of steel),动画演示,三)种类,1.3 钢的热处理,退火,重结晶,退 火,低温,退火,完全退火,扩散退火,球化退火,再结晶退火,去应力退火,普通退火,等温退火,普通球化,退 火,等温球化,退 火,1.3 钢的热处理,四）、退火工艺,退火的种类很多，常用的有,完全退火,、,等温退火,、,球化退火,、,扩散退火,、,去应力退火,、,再结晶退火,。,完全退火,主要用于,亚共析钢,。,加热温度,Ac,3,+30 50,。,组织：,F+P,1.3 钢的热处理,等温退火,亚共析钢,加热温度,Ac,3,+3050,共析、过共析钢,加热温度,Ac,1,+3050,保温后快冷到略低于,Ar,1,的温度停留，待相变完成后出,炉空冷。,等温退火可缩短工件在炉内停留时间。,高速钢等温退火与普通退火的比较,1.3 钢的热处理,球化退火,球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。,主要用于共析钢和过共析钢。,加热温度,Ac,1,+30-50,通过缓冷或者冷却到略低于,Ar,1,的温度下保温，使珠光体中的渗碳体球化后出炉空冷。,1.3 钢的热处理,球化退火的组织：,在铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体，称球状珠光体，用P,球,表示。,对于有网状二次渗碳体的