工程材料教学.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,.,工程训练中心,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,大连交通大学,工程训练中心,大连交通大学工程材料课程,工程训练中心,1,.,工程材料,金属材料,非金属材料,黑色金属材料：,钢和铸铁,有色金属材料,高分子材料,铜及铜合金,滑动轴承合金,陶瓷材料,复合材料,铝及铝合金,工程材料的分类,2,.,当今社会科学技术突飞猛进，新材料层出不穷，但到目前为止，在机械工业中使用最多的材料仍然是金属材料，其主要原因是因为它具优良的使用性能和加工工艺性能。,金属材料的性能,使用性能,加工工艺性能,机械性能：强度、硬度、塑性、韧性等,铸造性能：流动性、收缩性等,锻造性能：压力加工成型性等,切削加工性能：车、铣、刨、磨的切削量，光洁度等,物理性能：导电、导热、电磁、膨胀等,化学性能：抗氧化性、耐腐蚀性等,焊接性能：熔焊性、焊缝强度、偏析等,热处理性能：淬透性、回火稳定性等,3,.,第1章,钢的热处理,4,.,热处理的概念,1,.1,钢在加热时的转变,1,.2,钢在冷却时的转变,1,.3,钢的普通热处理,1,.4,钢的表面热处理,1,.5,钢的化学热处理,钢的热处理,5,.,把固态金属材料在一定介质中的加热、保温和冷却，以改变其组织和性能的一种工艺。,6,.,1,.1,钢在加热时的转变,临界温度,平衡时：,A,1,、A,3,、Acm,加热时：,Ac,1,、Ac,3,、Accm,冷却时：,Ar,1,、Ar,3,、Arcm,A,1,A,3,Acm,7,.,1,奥氏体的形成,Fe，C,原子扩散和晶格改变的过程。,共析钢加热到,Ac,1,以上时，,P A,共析钢,A,化过程,形核、长大、,Fe,3,C,完全溶解、,C,的均匀化。,亚（过）析钢的,A,化,P,A,，首先是,先共析,F,或,Fe,3,C,溶解,。,8,.,影响,A,转变速度的因素,加热温度和速度,转变快,C%,或,Fe,3,C,片间距,界面多，形核多 转变快,合金元素,A,化速度,或,A,晶粒度：起始晶粒度,实际晶粒度,本质晶粒度,加热温度，保温时间,晶粒尺寸,合金碳化物，,C%,晶粒尺寸,9,.,1,.2,钢在冷却时的转变：,1过冷,A,的等温转变,2过冷,A,的连续冷却转变,10,.,1.过冷,A,的等温转变,过冷,A,:T S T,珠光体,P，3800,索氏体,S 8000,屈氏体,T 8000,13,.,中温转变（550,M,S,）,C,原子扩散，,Fe,原子不扩散,过冷,A,贝氏体,B（,碳化物+含过饱和,C,的,F）,：上,B，550 350,产物,羽毛状，小片状,Fe,3,C,分布在,F,间。上,B,强度和韧性差,光学显微照片 1300,电子显微照片 5000,45钢，上,B+,下,B,，400,14,.,下,B，,350,MS,产物：下,B,韧性高，综合机械性能好。,F,针内定向分布着细小,Fe,2.4,C,颗粒,电子显微照片 12000,T8,钢，下,B,，,黑色针状,光学显微照片,400,15,.,马氏体（,M）,转变特点,1),无扩散,Fe,和,C,原子都不进行扩散，,M,是,体心正方,的,C,过饱和的,F，,固溶强化显著。,2),瞬,时性,M,的形成速度很快，温度则 转变量,3),不彻底,M,转变,总要残留少量,A，A,中的,C%,则,M,S,、M,f,，残余,A,含量,4),M,形成时体积,，造成很大内应力。,16,.,M,的形态,C%1.0%,时，为,针状,M,。,C%=0.251.0%,时，为,混合,M,。,Fe-1.8C,，冷至-100,Fe-1.8C,，冷至-60,17,.,M,的性能,C%M,硬度,针状,M,硬度高，塑韧性差。,板条,M,强度高，塑韧性较好。,18,.,亚,（过）,共析钢,过冷,A,的等温转变,与共析钢相比，,C,曲线左移，多一条过冷,A,F,（Fe,3,C,）,的转变开始线，且,M,s,、M,f,线上,（下）,移。,19,.,2.过冷,A,的连续冷却转变,连续冷却 转变,(,CCT,),曲线,P,s,AP,开始线,P,f,AP,终止线,KK P,型转变终止线,Vk,上临界冷却速度,Vk,下临界冷却速度,M,S,A M,开始温度,M,f,A M,终止温度,20,.,连续冷却 转变产物,CCT,和,TTT,曲线的比较,CCT,位于,TTT,曲线 右下方,CCT,中没有,AB,转变,炉冷,P (V,),空冷,S (V,Vk),油冷,T+M+A (Vk,Vk),水冷,M+A (VVk),21,.,亚共析钢,连续冷却转变,炉冷,F+P,空冷,F+S,油冷,T+M,水冷,M,22,.,过共析钢,连续冷却转变,炉冷,P,+Fe,3,C,空冷,S+Fe,3,C,油冷,T+M,+A,水冷,M,+A,23,.,转变温度,对共析钢,硬度,和,韧性,的影响,按转变温度的高低，,转变产物分别是：,P、S、T，,上,B、,下,B、M,，,其硬度依次增加。,24,.,钢的普通热处理,1,退火,2,正火,3,淬火,4,回火,25,.,1退火,加热、保温后，缓冷,(,炉冷,),近平衡组织,P（+F,或,Fe,3,C,II,）,完全退火,（亚共析钢）,加热温度,Ac,3,+,2030,缓冷,F,+P,目的：细化晶粒，均匀化组织,降低硬度 切削性,等温退火：,等温转变,F,+P，,再缓冷,球化退火,（过共析钢）,在,Ac,+,2030,等温，使,Fe,3,C,球化，,再缓冷,球状,P（F,+,球状,Cm）,目的：,硬度,切削性,韧性,26,.,扩散退火,加热至略低于固相线,目的：使成分、组织均匀,再结晶退火：,加热温度,TR+3050,目的：消除加工硬化,去应力退火 加热温度,Ac1,，一般为 500650,目的：,消除冷热加工后的内应力,27,.,正火,应用：,1)钢的最终热处理,细化晶粒，组织均匀化，增加亚共析钢中,P(S),%强度、韧性、硬度,2)预先热处理 淬火、球化退火前改善组织。,3)增加低碳钢的硬度，以改善切削加工性能。,加热温度,Ac,3,(Accm),+3050，,空冷,S（+F,或,Fe,3,C,II,）,28,.,3,淬火,（蘸火）,加热到,Ac,3,、Ac,1,以上，保温，快速冷却,M。,淬火温度,1)亚共析钢,Ac,3,+3050,2),过共析钢,Ac,1,+3050，,M+Fe,3,C,II,+A，,硬度大。,A,中,C%,M,脆性，残余,A%,淬火温度低,M,细小，淬火应力小。,29,.,冷却介质,冷却速度：,盐水,水,盐浴,油,淬火方法,单介质淬火：水、油冷,双介质淬火：水冷+油冷,分级淬火：,Ms,盐浴中均温空冷,等温淬火（在盐、碱浴中）,下,B,30,.,钢的淬透性,淬火时得到,M,的能力，取决于临界冷却速度,V,K,。,淬透性的应用,按负载，选择不同淬透性的材料。,淬硬性,：淬火后获得的最高硬度，,C%,淬硬性,影响淬透性的因素,除,Co,外，合金使,V,K,淬透性,(,a),完全淬透 (,b),淬透较大厚度 (,c),淬透较小厚度,淬透性不同的钢调质后机械性能的比较,31,.,4,回火,淬火后，加热到,Ac,1,以下，保温，冷却。,目的：消除淬火应力，调整性能。,低温回火（150250）,回火,M,(,过饱和,F+,薄片状,Fe,2.4,C),+A,淬火应力，韧性，保持淬火后的高硬度。,用于高,C,工具钢等。,中温回火（350500）,回火,T(F+,细粒状,Cm),弹性极限和屈服强度,，韧性和硬度中等,。,用于,弹簧等。,高温回火（500650）,回火,S(,等轴状,F+,粒状,Cm),综合机械性能最好,即强度、塑性和韧性都较好,。,用于,重要零件。,调质处理,淬火+高温回火,32,.,回火产物的组织形态比较,回火,M 400,回火,T 7500,回火,S 7500,M,低倍,T 1000,S 1000,33,.,回火时性能的变化,回火温度,硬度、强度，塑性,34,.,钢的表面热处理,表面淬火,不改变心部组织，利用快速加热将表层,A,化后进行淬火。,目的：提高表面硬度，保持心部良好的塑韧性。,感应加热表面淬火,交变磁场 感应表面电流 表面加热,特点,1)加热速度快，晶粒度小，硬度，脆性,2)表层残余压应力 提高疲劳强度,3)不易氧化、脱碳、变形小。,4)加热温度和淬硬层厚度容易控制。,火焰加热表面淬火,（乙炔氧等火焰）,设备简单，但生产率低。,35,.,钢的化学热处理,将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组织和性能。,分类,渗,C、N,化、,C,N,共渗、渗硼、渗铬、渗,Al,等,。,36,.,钢的渗,C,气体、固体渗,C,低,C,钢在高,C,介质中加热到900950、保温 高碳表层（约1.0%）,目的：表面硬度，耐磨性，心部保持一定的强度和塑韧性。,37,.,渗碳后的的热处理,淬火,直接淬火 晶粒粗大，残余,A,多，耐磨性低，变形大。,一次淬火 加热温度,Ac,3,以上（心部性能）或,Ac,1,以上（表面性能）,二次淬火,Ac,3,以上（心部性能）+,Ac,1,以上（表面性能）,低温回火,150200，,消除淬火应力，提高韧性。,38,.,钢的氮化,工件表面渗入,N,原子，以提高硬度、耐磨性，疲劳强度和耐蚀性。,氮化温度低(500600)，时间长（20,50h），,渗层薄。,氮化前调质处理、氮化后无须淬火。,39,.,小结,重点要求,1.,A,等温冷却曲线，转变温度与转变产物的组织形态、性能间的关系。,2.A,连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对组织和性能的影响。,3.四种常规热处理的目的、工艺特点及应用。,一般要求,1.,A,晶粒长大的影响因素及控制方法。,2.非共析钢,C,曲线的特点；淬透性的概念。,3.钢的表面淬火；化学热处理。,40,.,第,3,章,合金钢,41,.,3,.1,概述,3,.2,合金钢的分类和编号,3,.3,合金元素在钢中的作用,3,.4,合金结构钢,3,.5,合金工具钢,合金钢,42,.,碳素钢品种齐全，冶炼、加工成型比较简单，价格低廉。经过一定的热处理后，其力学性能得到不同程度的改善和提高，可满足工农业生产中许多场合的需求。但是碳素钢的淬透性比较差，强度、屈强比、高温强度、耐磨性、耐腐蚀性、导电性和磁性等也都比较低，它的应用受到了限制。因此，为了提高钢的某些性能，满足现代工业和科学技术迅猛发展的需要，人们在碳素钢的基础上，有目的地加人了锰、硅、镍、钒、钨、钼、铬、钛、硼、铝、铜、氮和稀土等合金元素，形成了合金钢。合金元素的加入，不但会对钢中的基本相、,Fe,Fe,，,C,相图和钢的热处理相变过程产生较大的影响，同时还改变了钢的组织结构和性能，合金元素在钢中的作用是一个非常复杂的物理、化学过程。,43,.,3.2,合金钢的分类和编号,3.2.1,合金钢的分类,3.2.1.1,按合金钢的用途分类,(1),合金结构钢,主要用于制造重要的机械零部件和工程结构件的钢。包括普通低合金钢、易切削钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。,(2),合金工具钢,主要用于制造重要工具的钢，包括刃具钢、模具钢、量具钢等。,(3),特殊性能钢,主要用于制造有特殊物理、化学、力学性能要求的钢，包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。,44,.,3.2.1.2,按合金元素的含量分类,碳钢：,(1),低碳钢,:0.25,c,(2),中碳钢,:0.25-0.6,c,(3),高碳钢,:0.6,c,合金钢：,(1),低合金钢：钢中合金元素总的质量分数,WMe5,。,(2),中合金钢：钢中合金元素总的质量分数,Wme,：,5,10,。,(3),高合金钢：钢中合金元素总的质量分数,WMe10,。,45,.,3.2.1.3,按平衡状态或退火组织分类,可以分为,:,亚共析钢,共析钢,过共析钢和莱氏体钢,46,.,3.2.2,合金钢的牌号表示方法,3.2.2.1,合金结构钢的牌号表示方法,根据国家标准的规定，合金结构钢的牌号用,“,两位数字,+,元素符号十数字,”,表示。元素符号前两位数字表示钢的平均碳质量分数,wC,，以万分之一为单位计。元素符号用合金元素的符号表示，其后面的数字表示该合金元素的质量分数，以百分之一为单位计。当,wMe1.5,时，只标明元素名称，不标明质量分数；当,wMe,(1.5,2.4,),，,(2.5,3.4,),，,时，则在元素符号后相应地标上,2,、,3,、,4,。如,15MnV,，表示碳的平均质量分数为,0.15,C,，锰、钒的平均质量分数均小于,1.5,的合金结构钢。若为高级优质钢，则在钢的牌号末尾加上,“,A,”,，如,18Cr2Ni4WA,。,47,.,对属于合金结构钢的滚动轴承钢，则采用另外的方法来表示,其牌号。滚动轴承钢牌号的首位用,“,滚,”,或滚字的汉语拼音字,首,“,G,”,来表示其用途，后面紧跟的是滚动轴承的常用元素,“,Cr,”,，其后数字则表示铬的质分数，以千分之一为单位计。,如,GCrl5,，表示钢中铬的平均质量分数为,15,。易切削钢牌号,的表示方法与相似，用,“,易,”,或,“,易,”,字的汉语拼音宇首,“,Y,”,开头,，后面和合金结构钢牌号表示方法无异，如,(,易,40,锰或,40Mn),，表示,wC,0.40,，,wMn15,的易切削钢,。,48,.,3.2.2.2,合金工具钢的牌号表示方法,与合金结构钢的牌号表示方法相比，合金工具钢中合金元素的表示方法未变，如,CrWMn,表示合金元素平均质量分数,wCr,、,wW,、,wMn,均小于,1.5,，合金工具钢的碳含量表示方法则有所不同，当,C%1.0,，不标出碳质量分数，如,CrWMn,钢。当,wC1.0,时，用一位数字在最前面表示碳质量分数，以千分之一为单位计，其后紧随合金元素，如,9SiCr,表示碳质量分数平均为,0.9,C,，,wSi,、,wCr,皆小于,1.5,。高速工具钢的碳的平均质量分数无论是多少，都不标出。如,W18Cr4V,钢碳的平均质量分数在,(0.7,一,0.8,)C,之间。,49,.,3.2.2.3,特殊性能钢的牌号表示方法,特殊性能钢牌号的表示方法与合金工具钢基本相同，如,9Crl8,钢表示钢中碳的平均质量分数为,0.9,C,，铬的平均质量分数为,18,Cr,。但是不锈钢、耐热钢在碳质量分数很低时，表示方法有所不同，当碳平均质量分数,C0.03,或,C0.08,时，分别在第一个合金元素符号前冠,“,00,”,或,“,0,”,表示其碳平均质量分数，如,00Crl7Nil4M02,、,0Crl8Ni9,钢等。,由于耐磨钢零件经常是铸造成型后就使用，其牌号最前面是,“,ZG,”,，表示铸钢，紧随其后是元素符号，然后是该元素的平均质量分数，以百分之一计，横杠后数字表示序号。如,ZGMnl3,1,表示铸造高锰钢，含锰平均为,13,Mn,，序号为,1,。,50,.,3.3,合金元素在钢中的作用,3.3.1,合金元素在钢中存在的形式,（,1,）一部分合金元素可溶于铁素体中形成合金铁素体,（,2,）一部分合金元素则会溶于渗碳体中形成合金渗碳体,（,3,）与碳相互作用形成碳化物,一般将合金元素分为非碳化物形成元素和碳化物形成元素两类：,碳化物形成元素有（按强弱次序排列）：钛、锆、铌、钒、钨、,钼、铬、锰、铁。,非碳化物形成元素有：镍、硅、铝、钴等，,（,4,）以游离形式存在（,Cu,、,Pb,等）,51,.,3.3.1.1,合金元素对铁素体的影响,由于合金元素与铁在原子尺寸和晶格类型等方面存在,着一定的差异，所以当合金元素溶人时，会使铁素体,的晶格发生不同程度的畸变，使其塑性变形抗力明显,增加，强度和硬度提高。合金元素与铁的原子尺寸和,晶格类型相差愈大，引起的晶格畸变愈大，产生的固,溶强化效应愈大。此外，合金元素常常分布在位错附,近，降低了位错的可动性，增大了位错的滑移抗力，,也提高了强度和硬度,。,52,.,两图反映了合金元素对铁素体硬度和冲击韧性的影响,53,.,3.3.1.2,合金元素对渗碳体和特殊碳化物的影响,合金元素是溶人渗碳体，还是形成特殊碳化物，是由它们与碳亲和,能力的强弱程度所决定的。,（,1,）强碳化物形成元素钛、锆、铌、钒,等，倾向于形成特殊碳化,物。,（,2,）中强碳化物形成元素钨、钼、铬等，可形成渗碳体类型碳化,物，又可形成特殊碳化物。,（,3,）弱碳化物形成元素锰，一般形成合金渗碳体,54,.,3.3.2,合金元素对,Fe,Fe3C,相图的影晌,3.3.2.1,合金元素对,r,相区的影响,合金元素对,r,相区的影响,(a),扩大,r,相区；,(b),缩小,r,相区,55,.,扩大,r,相区元素,(,能使,r,相区扩大,):,镍、锰、钴、碳、氮、铜,等,使,A3,，点下降，,A4,点上升。,缩小,r,相区元素,(,能使,r,相区缩小,):,铬、钒、钼、钨、钛、铝、硅、硼、铌、锆等,使,A3,点上升，,A4,点下降。,56,.,3,.3.2.2,合金元素对,S,点和,E,点的影响,扩大,r,区元素锰、镍等会使,S,点和,E,点向左下方移动；,缩,r,区元素铬、硅等会使,S,点和,E,点向左上方移动，,57,.,3.3.3,合金元素对钢在加热和冷却时转变的影响,3.3.3.1,合金元素对钢在加热转变时的影响,(1),对奥氏体化的影响,强碳化物形成元素钛、铌、锆,延缓奥氏体化过程。,非碳化物形成元素镍、钴等促进奥氏体转变。,(2),对奥氏体晶粒尺寸的影响,除锰以外的大多数合金元素都有阻碍奥氏体晶粒长大的趋势,强碳化物形成元素钛、锆、铌、钒的作用尤为明显,非碳化物形成元素硅、镍、铜等对奥氏体晶粒长大影响不大,58,.,3,.3.3.2,含金元素对过冷奥氏体转变的影响,（,1,）对“,C”,曲线的影响：,除钴以外的大多数合金元素都不同程度地使,C,曲线右移，增大过冷,奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性（,只有当合金元素完全溶人奥,氏体中才会产生以上的作用）。,（,2,）对,Ms,点的影响：,除钴、铝以外，大多数合金元素溶人奥氏体中会降低钢的,Ms,点，,增加了钢中的残余奥氏体的数量,59,.,3.4,合金结构钢,3.4.1,普通低合金结构钢,3.4.2,易切削钢,3.4.3,渗碳钢,3.4.4,调质钢,3.4.5,弹簧钢,3.4.6,滚动轴承钢,60,.,3.4.1,普通低合金结构钢,普通低合金结构钢,(,简称普低钢,),:,在低碳碳素结构钢的基,础上加入少量合金元素,(,总,wMe3,),得到的钢。,化学成分,：,普低钢中碳的平均质量分数一般不大于,0.2,C,主加合金元素为,Mn,热处理特点：,普低钢通常是在热轧或正火状态下使用，一般,不再进行热处理。,61,.,3.4.2,易切削钢,为了提高钢的切削加工性能，常常在钢中加入一种或数种合金元素，形成了易切削钢，常用的合金元素有硫、铅、钙、磷等。,62,.,3.4.3,渗碳钢,用来制造渗碳零件的钢称为渗碳钢,化学成分：,C:0.10,0.25,加入合金元素,Ni,、,Cr,、,Mn,、,B,、,Ti,、,V,等,.,典型钢号：,20Cr,、,20CrMnTi,、,20CrNiW,热处理特点:,预先热处理一般采用正火工艺，渗碳后热处理一般是,淬火,+,低温回火,，或是渗碳后直接淬火。,性能要求：,内软外硬,应用：,齿轮、模具、轴类,工艺流程：,下料锻造正火粗加工淬火,+,低温回火精加工,63,.,3.4.4,调质钢,调质钢:,经调质处理后使用的钢称为调质钢，根据是否含合金元素分为碳素调质钢和合金调质钢,。,化学成分：,调质钢一般是中碳钢，钢中碳的质量分数在,(0.30,0.50,)C,之间。合金调质钢的主加元素是,Cr,、,Ni,、,Si,、,Mn,、,B,、,V,、,Ti,、,Nb.,典型钢号：,40Cr,、,35CrMo,、,30CrMnSi,热处理特点:,预先热处理采用退火或正火工艺，最终热处理是,淬火十高温回火,性能特点：,整体综合机械性能好,应用：,轴、螺栓、传动件等,工艺流程：,下料锻造完全退火粗加工调质处理精加工,64,.,3.4.5,弹簧钢,弹簧钢:,用来制造各种弹性零件如板簧、螺旋弹簧、钟表发条等的钢称为弹簧钢。,化学成分,：,弹簧钢的碳质量分数在,(0.40,0.70,)C,之间，合金弹簧钢中的主加合金元素是,Si,、,Mn,、,Cr,。典型钢号：,60Si2Mn,、,65Mn,、,热处理特点:,热处理是,淬火十中温回火,性能特点：,弹性好,应用：,弹性元件,工艺流程：,下料成型热处理成品,65,.,3.4.6,滚动轴承钢,滚动轴承钢,用来制作各种滚动轴承零件如轴承内外套圈，滚动体,(,滚珠、滚柱、滚针等,),的专用钢称为滚动轴承钢。,化学成分：,滚动轴承钢碳的质量分数较高，一般在,(0.95,1.10,)C,之间。铬是滚动轴承钢的基本合金元素，其质量分数为,(0.4,1.05,)Cr,。典型钢号：,GCr15,、,GCr9,热处理特点：,滚动轴承的预先热处理采用球化退火，最终热处理一般是,淬火,+,低温回火,。,性能特点：,高硬度、高耐磨性能,应用：,滚动轴承、工模具等,工艺流程：,下料锻造球化退火粗加工最终热处理精加工冷处理,66,.,3.5,合金工具钢,在碳素工具钢基础上加人一定种类和数量的合金元素，用来制 造各种刃具、模具、量具等用钢就称为合金工具钢。与碳素工具钢相比，合金工具钢的硬度和耐磨性更高，而且还具有更好的淬透性、红硬性和回火稳定性。因此常被用来制作截面尺寸较大、几何形状较复杂、性能要求更高的工具。,分类：刃具钢 模具钢 量具钢,67,.,3.5.1,刃具钢,用来制造车刀、铣刀、锉刀、丝锥、钻头、板牙等刃具的钢统称为刃具钢。,低合金刃具钢：,低合金刃具钢碳的平均质量分数大都在,(0.75,-1.5,)C,之间，合金元素：,Cr,、,Si,、,Mn,、,W,。典型钢号：,9SiCr,、,9Mn2V,、,CrWMn,热处理特点：,预先热处理采用球化退火，最终热处理一般是淬火,+,低温回火。,性能特点：,高硬度高锋利度、高耐磨性能,应用,：制造车刀、铣刀、锉刀、丝锥、钻头、板牙等刃具,工艺流程：,下料锻造球化退火粗加工最终热处理精加工,68,.,高合金工具钢（高速钢）,高速钢的碳含量较高，一般为,(0.70,-1.50,)C,。合金含量超过,15%,。典型钢号：,W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2,热处理特点：,高速钢,淬火后要在,560,回火三次。,淬火温度接近熔点,性能特点：,高硬度高红硬性、高耐磨性能,应用,：,制造车刀、铣刀、拉刀等刃具,工艺流程：,下料锻造球化退火粗加工最终热处理精加工,69,.,3.5.2,模具钢,用作冷冲压模、热锻压模、挤压模、压铸模等模具的钢称为模具钢。,分为,冷作模具钢,和,热作模具钢,两大类。,70,.,低合金冷作模具钢,低合金工具钢：,低合金工具钢碳的平均质量分数大都在,(0.75,-1.5,)C,之间，合金元素：,Cr,、,Si,、,Mn,、,W,。典型钢号：,9SiCr,、,9Mn2V,、,CrWMn,、,GCr15,热处理特点：,预先热处理采用球化退火，最终热处理一般是,淬火,+,低温回火,。,性能特点：,高硬度、高耐磨性能,应用,：制造形状简单，承载小的冷作模具,工艺流程：,下料锻造球化退火粗加工最终热处理精加工,71,.,高合金冷作模具钢,高合金工具钢：,高合金工具钢碳的平均质量分数大都在,(0.75,-1.5,)C,之间，合金元素：,Cr,、,V,、,Mo,。典型钢号：,Cr12,、,Cr12MoV,热处理特点：,预先热处理采用球化退火，最终热处理一般是,淬火,+,低温回火,。,性能特点：,高硬度、高耐磨性能,应用,：制造形状复杂，承载大的冷作模具,工艺流程：,下料锻造球化退火粗加工最终热处理精加工,72,.,低合金热作模具钢,低合金热作模具：,平均质量分数大都在,(0.4,-0.5,)C,之间，合金元素：,Cr,、,Ni,、,Mn,、,Mo,。典型钢号：,5CrNiMo,、,5CrMnMo,热处理特点：,预先热处理采用退火，最终热处理一般是,淬火,+,高温回火,。,性能特点：,高强度、高热疲劳性能,应用,：制造热锻模具,工艺流程：,下料锻造退火粗加工最终热处理精加工,73,.,3.5.3,量具钢,用于制造卡尺、千分尺、样板、塞规、块规、螺旋测微仪等各种测量工具的钢被称为量具钢。,74,.,3.6,特殊性能钢,6.6.1,不锈钢,不锈钢是指某些在大气和一般介质中具有较高化学稳定性的钢,马氏体不锈钢（通过热处理可以调整其力学性能的不锈钢）,铁素体不锈钢（这类钢从室温加热到高温，始终都是单相铁素体组织）,奥氏体不锈钢（这类钢有较高质量分数的镍，扩大了奥氏体区域,，室温下能够保持单相奥氏体组织）,不锈钢、耐热钢、耐磨钢等具有特殊物理、化学性能的钢被统称为特殊性能钢。,75,.,3.6.2,耐热钢,耐热钢是指具有良好的高温抗氧化性和高温强度的钢。,76,.,3.6.3,耐磨钢,耐磨钢主要是指在强烈冲击载荷作用下发生硬化的高锰钢。,77,.,第,4,章,铸 铁,78,.,4.1,概 述,4.2,常用铸铁,铸 铁,79,.,4.1,概 述,7.1.1,铸铁的特点及分类,1.,特点,(1),成分：,C2.11%wt,的铁碳合金称为铸铁，特点是含有较高的,C,和,Si,，同时也含有一定的,Mn,、,P,、,S,等杂质元素。,常用铸铁的成分为：,2.54.0%C,，,1.03.0%Si0.51.4%Mn,，,0.010.50%P,，,0.020.20%S,。为提高铸铁性能，常加入合金元素,Cr,、,Mo,、,V,、,Cu,、,Al,等形成合金铸铁。,80,.,（,2,）组织：,铸铁中,C,、,Si,含量较高，,C,大部分、甚至全部以游离状态石墨（,G,）形式存在。,81,.,（,3,）性能：,铸铁的缺点是由于石墨的存在，,使它的强度、塑性及韧性较差，不能锻造，优点是其接近共晶成分，具有良好的铸造性；由于游离态 石墨存在，使铸铁具有高的减摩性、切削加工性和低的缺口敏感性。目前，许多重要的机械零件能够用球墨铸铁来代替合金钢。,82,.,2.,分类,根据,C,的存在形式，可以将铸铁分为：,（,1,）白口铸铁：,C,全部以渗碳体形式存在，如共晶铸铁组织为,Ld,，断口白亮，硬而脆，很少应用；,（,2,）灰口铸铁：,C,大部分或全部以石墨形式存在，如共晶铸铁组织为,F+G,、,F+P+G,、,P+G,，断口暗灰，广泛应用；,（,3,）麻口铸铁：,C,大部分以渗碳体形式存在，少部分以石墨形式存在，如共晶铸铁组为,Ld+P+G,，断口灰白相间，硬而脆，很少应用。,83,.,根据石墨形态，灰口铸铁可以分为,：,（,1,）普通灰口铸铁：,G,呈片状；,（,2,）孕育铸铁：,G,呈细片状；,（,3,）可锻铸铁：,G,呈团絮状；,（,4,）蠕墨铸铁：,G,呈蠕虫状；,（,5,）,球墨铸铁：,G,呈球状。,根据金属基体组织不同，灰口铸铁又可分为：,F,、,F+P,及,P,灰口铸铁。,84,.,1.,影响铸铁石墨化因素,主要化学成分、冷却速度及铁水处理等因素。,（,1,）化学成分,合金元素可以分为促进石墨化元素和阻碍石墨化元素，顺序为,：,Al,、,C,、,Si,、,Ti,、,Ni,、,P,、,Co,、,Zr,、,Nb,、,W,、,Mn,、,S,、,Cr,、,V,、,Fe,、,Mg,、,Ce,、,B,等。其中，,Nb,为中性元素，向左促进程度加强，,向右阻碍程度加强。,C,和,Si,是铸铁中主要的强烈促进石墨化元素,，为综合考虑它们的影响，引入碳当量,CE=C%+1/3Si%,，一,般,CE4%,，接近共晶点。,S,是强烈阻碍石墨化元素，降低铸铁的,铸造和力学性能，控制其含量。,85,.,（,2,）冷却速度,冷速越快，不利于铸铁的,石墨化，这主要取决于浇注,温度、铸型材料的导热能力,及铸件壁厚等因素。冷速过,快，第二阶段石墨化难以充,分进行。,右图给出,C,、,Si,总量,和冷却速度对铸铁组织的影,响，称为,Greiner,组织图，,分析之。,86,.,4.2,常用铸铁,4.2.1,灰口铸铁,灰口铸铁中的,G,呈片状分布，分为普通灰口铸铁和孕育铸铁。,87,.,1.,灰口铸铁的牌号、成分与组织,（,1,）,牌号：新标准,GB5612-85,，,HT,（灰铁）,+,三位数字（最低,b,），表,7-1,。其中，,HT100,为,F,基，,HT150,为,F+P,基，,HT200250,为,P,基，,HT250350,为孕育铸铁。,（,2,）成分：,2.53.6%C,，,1.12.5%Si,，,0.61.2%Mn,及少量,S,和,P,。,（,3,）组织：,G,呈片状，按基体分为,F,、,F+P,及,P,灰口铸铁，分别适用于低、中、较高负荷，如下图。,88,.,2.,灰口铸铁的性能与应用,由于粗大片状的,G,存在，灰口铸铁的抗拉强度、塑性及韧性低，但其铁水流动性好、凝固收缩小、缺口敏感性小、抗压强度高、切削加工性好，并且具有减摩及消震作用。,89,.,3.,灰口铸铁的孕育处理,加入,0.30.8%,硅铁，经孕育剂处理的孕育铸铁具有更高的性能，用于制造承受高载荷的另构件。,90,.,4.,灰口铸铁的热处理,只能改变基体，而不能改变,G,的形态和分布，强化效果不如钢和球墨铸铁。,（,1,）,消除内应力退火（人工时效）,为消除内应力引起的变形或开裂，将铸件缓慢加热（,60100/h,）至,500550,保温一点时间（每,10mm,保温,2h,），然后随炉缓冷（,2040/h,）至,150200,出炉空冷。,（,2,）,高温石墨化退火,为消除表面或薄壁处的白口组织，降低硬度，改善切削加工性，将铸件加热至,850950,保温,14h,（,A+G,），使部分渗碳体分解为,G,，然后随炉缓冷至,400500,以下出炉空冷。高温退火得到,F,或,F+P,基灰口铸铁。,91,.,（,3,）正火,为消除白口和提高强度、硬度及耐磨性，将铸件加热至,850950,，保温,13h,，然后出炉空冷，最后得到,P,基灰口铸铁。,（,4,）,表面淬火,为提高表面强度、硬度、耐磨性及疲劳强度，通过表面淬火使铸件表层得到细,M,和石墨的硬化层。一般选用孕育铸铁，基体最好为,P,组织。,92,.,4.2.2,可锻铸铁,由一定成分的白口铸铁经石墨化退火使渗碳体分解为团絮状,G,的一种高强度灰口铸铁，分为黑心可锻铸铁（,F,基）、珠光体可锻铸铁（,P,基）及白心可锻铸铁（表层氧化脱碳，少用）。可锻铸铁的强度、韧性，特别是塑性高于普通灰口铸铁，实际不能锻造。,93,.,1.,可锻铸铁的牌号、成分与组织,（,1,）牌号：,按,GB978-67,，,KT,（可铁）,+H,、,Z,、,B,（黑心、珠光体、白心）,+,三位数字（最低,b,）,+,二位数字（最低,）。,（,2,）成分：,可锻铸铁由两个矛盾的工艺组成，即先得到白口铁，再经石墨化退火得到可锻铸铁。因此，要适当降低石墨化元素,C,、,Si,和增加阻碍石墨化元素,Mn,、,Cr,，化学成分为：,2.42.8%C,，,0.81.4%Si,，,0.30.6%Mn,（珠光体可锻铸铁,1.01.2%,）。,94,.,（,3,）组织：基体为,F,和,P,，,G,为团絮状，如下图,95,.,2.,可锻铸铁的石墨化退火,（,1,）黑心可锻铸铁：,将白口铁加热至,9501000,，保温约,15h,，共晶,Fe3CA+,团絮状,G,。从高温冷却至,720750,，,AG,，在这个温度区间以,35/h,速度通过共析温区，,AF+,团絮状,G,；也可在略低于共析温度保温,1520h,，共析,Fe3CF+,团絮状,G,，最后得到,F,可锻铸铁。,96,.,（,2,）,P,可锻铸铁：,加热后冷却至,800860,，,AG,，然后出炉空冷使共析,Fe3C,不分解，最后得到,P,可锻铸铁，如下图,97,.,3.,可锻铸铁的性能与应用,F,可锻铸铁塑性及韧性较好，,P,可锻铸铁强度、硬度及耐磨性较高。,98,.,4.2.3,球墨铸铁,始于,1948,年，我国于,1950,年开始研制镁石墨铸铁。由于,G,呈球状分布，球墨铸铁的性能远优于其他铸铁，应用甚广。,1.,球墨铸铁的牌号、成分与组织,（,1,）牌号：,按,GB1348-78,，,QT,（球铁）,+,三位数字（最低,b,）,+,两位数字（最低,）。,99,.,（,2,）成分：,强烈石墨化元素,C,、,Si,含量较高，,CE4.54.7%,，属于过共晶，含碳量过低，球化不良，含碳量过高，,G,漂浮。一般采取,“,高碳低硅原则,”,。阻碍石墨化元素,Mn,，有利与形成,P,基体，含量较低。,S,、,P,限制很严。由球化剂残留的微量,Mg,及,RE,。化学成分一般为：,3.63.9%C,，,2.03.0%Si,，,0.60.7%Mn,。,100,.,（,3,）组织：,G,呈球状分布于金属基体中，每个球是由若干个锥形石墨单晶体组成，这些单晶体是由共同的结晶核心沿径向生长而成。基体有,F,、,F+P,、,P,或通过热处理得到,S,、,T,、下,B,、,M,等，如下图。,101,.,2.,球墨铸铁的球化处理与孕育处理,将球化剂加入铁水中（一般放入浇包底部）的操作过程称为球化处理。常用的球化剂有镁、稀土及稀土镁合金。镁和稀土为强烈阻碍石墨化元素，为防止白口，同时进行孕育处理，孕育剂一般选用硅铁。,3.,球墨铸铁的性能与应用,球铁具有优良的机械性能，,G,的圆整度好、球径小、分布均匀，性能越高。在,“,以铸代锻，以铁代钢,”,方面有广泛应用。,102,.,4.,球墨铸铁的热处理,球铁的机械性能除与,G,有关外，主要取决于基体。通过热处理可以改变基体组织，提高性能。由于球铁中含有较多的,C,、,Si,、,Mn,等元素，决定了其热处理具有如下特点：,（,1,）,G,参与了相变过程；,（,2,）共晶（析）温度高于碳钢，奥氏体化温度和时间均高于碳钢；,（,3,）可以大幅度调整,F,和,A,的相对量，得到不同比例的,F,和,P,基体组织。,103,.,（,1,）退火,（,a,）消除内应力退火：如前。,（,b,）高温石墨化退火：将铸件加热至,900950,保温,14h,（第一阶段石墨化），然后炉冷至,600650,出炉空冷。,（,c,）低温石墨化退火：将铸件加热至,720760,保温,36h,，然后炉冷至,600,出炉空冷。,目的是消除自由渗碳体（高温退火）或共析渗碳体（低温退火），,得到,F,球铁，降低硬度，提高切削加工性。,104,.,（,2,）正火,（,a,）高温正火（完全,A,化正火）：将铸件加热至,Afc1+5070,（,880900,）保温,13h,，使基体全部,A,化，然后出炉空冷，获得,P,球铁。冷却时产生内应力，采用,550600,保温,24h,空冷的回火消除，图,7-8,。,（,b,）低温正火（不完全,A,化正火）：将铸件加热至共析温度区间,Asc1Afc1,（,820860,）保温,13h,，使基体部分,A,化，然后出炉空冷，获得,P+F,球铁。若内应力较大，采用同样的回火消除。,目的是细化组织，提高强度、硬度及耐磨性。,105,.,（,3,）调质,将铸件加热至,Afc1+3050,（,860900,）保温,24h,，然后油淬，再经,550600,回火,46h,，获得回火,S,基体,+,球状,G,组织。,目的是提高综合机械性能。,106,.,（,4,）等温淬火,将铸件加热至,Afc1+3050,（,860900,）保温一段时间，然后淬入,Ms,以上某一温度的盐浴中等温一段时间（一般,250350,，,3090min,），使过冷,A,转变为下,B,基体组织。,目的是提高综合力学性能。,107,.,4.2.4,特殊性能铸铁,在普通铸铁基础上加入某些合金元素，形成具有特殊性能的合金铸铁。,1.,耐磨铸铁,（,1,）无润滑条件下使用的耐磨铸铁（抗磨铸铁）,（,a,）白口铸铁，强度和韧性差，不能直接使用；,（,b,）