《机械制造基础》PPT课件.ppt

《《机械制造基础》PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《机械制造基础》PPT课件.ppt（157页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、机械制造基础,第一篇 金属工艺学,绪 论,金属工艺学讲述有关制造金属零件的工艺方法的相关基础知识（材料和热处理）。 加工方法 铸造 压力加工 焊接 热处理 切削加工,第一篇 金属材料导论,内容 金属材料的主要性能 不同温度下金属材料的结构及变化 金属材料的种类 铁碳合金 钢的热处理,第一章 金属材料的主要性能,力学性能-重点（机械制造角度） 物理性能 化学性能 工艺性能 性能为什么要分为几类？每一类都包括哪些具体指标？具体指标是重点,第一章 金属材料的主要性能,金属材料的力学性能：材料在力的作用下所表现出来的性能，也称机械性能。 强度 塑性 硬度 韧性 疲劳强度,静载荷下的力学性能,动载荷下的

2、力学性能,衡量金属材料主要标志,学习要求： 常用的力学（机械）性能指标（名称、符号、含义、单位） 学习方式： 结合对概念的理解去记忆。,强度和塑性,测定方法：拉伸试验 原理 （1）试样两端缓慢施加轴向拉伸载荷。 （2）载荷不断增加，试样被逐步拉长，直到拉断。 （3）记录每一瞬间载荷F 和伸长量，并绘制出拉伸曲线。,强度和塑性,拉伸曲线特性 Oe阶段弹性变形 es阶段弹性塑性变形 s点屈服点，出现“屈服”现象 bk阶段出现“缩颈” k点断裂点,强度（名称）,定义：金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。 判据：屈服强度、抗拉强度。（应用场合） 屈服强度 拉伸试样产生屈服现象时的应力。 符

3、号、单位,无明显屈服现象的金属材料，以试样产生0.2塑性变形时的应力，作为该材料的屈服点，用 表示。,强度,判据 抗拉强度 金属材料在拉断前所能承受的最大应力，以 表示。,机械零件或构件，通常不允许发生塑性变形，以屈服点作为判据。脆性材料，断裂前基本不发生塑性变形，以抗拉强度作为判据。,拉断前最大载荷,试样原始截面积,塑性,定义：金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力，以伸长率 或收缩率 表示：,硬度,定义：金属材料抵抗局部变形、压痕的能力，称为硬度。 它是金属材料在静载时所表现出的机械性能。 内涵：硬度是衡量金属软硬的判据。 测定方法：在硬度计上测定。 布氏硬度法 洛氏硬度法 维氏硬度法,布氏

4、硬度（HB）,测试原理： （1）以直径为D 的淬火钢球或硬质合金球，在载荷F的静压力下，压入被测材料的表面； （2）停留若干秒后，卸去载荷； （3）测出压痕直径d，并根据d的数值查出HB值。,d,布氏硬度（HB）,优点：硬度值较稳定，测试数据重复性好，准确度较洛氏硬度法高。 缺点：测量费时，且因压痕较大，不适于成品检验，太薄太硬（450HB）的不适合。 名称、符号、定义、方法、单位,洛氏硬度（HR）法,测试原理： （1）以顶角为120金刚石圆锥体（或1.588mm淬火球）为压头（根据材料不同情况），在规定的载荷下，垂直地压入被测金属表面； （2）卸载后依据压入深度h，由刻度盘上的指针直接指示出

5、HR值。,优点：测试简单、迅速，压痕小，可用于成品检验。 缺点：重复性较差，必须在不同部位测量数次。,韧性,定义：金属材料断裂前吸收的变形能量。 评价指标：冲击韧度 。 测定方法：采用摆锤式冲击试验机测定。,韧性,原理： （1）将带缺口的标准 冲击试样放在试验机上 （2）用摆锤将其一次冲断 （3）以试样缺口处单位截面积上所吸收的冲击功表示冲击韧度，即：,疲劳强度,疲劳断裂：当零件在疲劳载荷（周期性或非周期性动载荷）作用下发生断裂时，其应力往往大大低于该零件材料的强度极限，称该断裂为疲劳断裂。 区别屈服、抗拉强度静载荷,疲劳强度,疲劳曲线：金属材料所承受的疲劳应力与其断裂前的应力循环次数的关系。

6、 疲劳极限或疲劳强度：金属材料在无数次循环载荷作用下不致引起断裂的最大应力。,当应力按正弦曲线对称循环时，疲劳强度以符号 表示。,原因：金属材料存在内部缺陷或零件局部应力集中产生裂纹。,思考： 1 疲劳曲线的水平部分说明什么？ 2 工业实际中，无数次循环载荷作用怎么体现？各种材料有相应的循环次数 3 通常的钢材是以多少次循环载荷来决定疲劳极限（疲劳强度）？,金属材料的物理、化学及工艺性能,物理性能 密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。 化学性能 主要是指在常温或高温时，抵抗各种介质侵袭的能力，如耐酸性、耐碱性和抗氧化性等。,金属材料的物理、化学及工艺性能,工艺性能 是金属材料物理、化

7、学性能和力学性能在加工过程中的综合反映，是指是否易于进行冷、热加工的性能。 按工艺方法的不同，可分为铸造性、可锻性、焊接性和切削加工性等。,小结,本章重点是金属材料的力学性能 力学性能方面 各种性能（强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度）的名称、定义、符号、单位 拉伸曲线、硬度测试方法、疲劳曲线,第二章 铁碳合金,定义： 合金以一种金属为基础加入其它金属或非金属，经过熔合而得到的具有金属特性的材料，称为合金。 铁碳合金以铁、碳为主要组成的合金。如钢和铸铁都是以铁为基础的铁碳合金，其中铁的含量占95以上。,第二章 铁碳合金,主要内容： 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 铁碳合金的基本组织 铁碳合金状态

8、图 工业用钢简介 零件选材原则,第一节 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,对金属结晶过程的了解（液态转变为固态） 金属结晶过程所涉及的几个基本概念 过冷、过冷度、自发晶核、非自发晶核、晶粒粗细（影响材料性能） 对纯铁晶体结构的了解 同素异晶的概念,纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,金属结晶的基本概念 定义：金属原子的聚集状态由无规则的液态，转变为规则排列的固态晶体的过程，可用冷却曲线来表达。 结晶温度：每种金属的固定熔点，即结晶温度t0，通常称理论结晶温度（特殊条件）。,金属结晶的基本概念,冷却曲线：表示金属冷却到某一温度时，冷却时间增加而温度不再下降，出现一个水平台阶， 其对应温度 为实际结晶

9、温度。,金属结晶的基本概念,过冷：实际结晶温度低于理论结晶温度（平衡结晶温度）的现象。 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。 为什么强调过冷和过冷度的概念？ 对金属结晶过程和晶粒的大小有重要影响。,冷却速度 实际结晶温度 过冷度,金属的结晶过程,金属的结晶过程：晶核的形成晶核的长大 晶核的形成：液态金属冷却到一定温度时，部分原子开始按一定规则排列，形成细小的晶胚，部分尺寸较大的晶胚形成继续结晶的核心（晶核,晶核的成长,纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,晶核的形成方式： 自发晶核：液态金属原子自发形成的晶核。 非自发晶核：实际结晶过程中，金属液体中的某些杂质也能成为金属结晶核心而形成晶核。如人

10、工加入非自发晶核物质，称人工晶核。 材料中形成的晶核数量越多（原子数量一定）则结晶后的晶粒越细小。,金属的结晶过程,晶核的长大：晶核在冷却过程中不断集结液体中的原于而逐渐长大，同时新的晶核也不断形成和长大，直至由晶核长大形成的晶粒彼此接近，液态金属逐渐消失而完成结晶。,结晶过程示意图,纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,晶核长大的实质：液体原子向固态晶核表面集结迁移，形成晶粒。,结晶过程示意图,纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,晶粒的大小及其控制 晶粒大好？小好？ 晶粒小、晶界多且方向各异、塑性变形阻力大、机械性能增高（强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度）,纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,晶粒的大小取

11、决于： 晶核形成的多少 单位时间内晶核的形成多，晶粒数量多，最终形成许多细小的晶粒。 晶核的成长速度 速度越快，晶粒越粗。 过冷度增加，形核率与成长率增加，但形核率远大于成长率，晶粒细。,关注“过冷度”的原因是由于其与晶粒的大小相关，而晶粒大小又与材料的强度、硬度等机械性能相关。 晶粒越小，晶粒之间晶界的强度越高，材料的力学越高，所以晶粒越小越好。 哪些因素会影响晶粒的大小？,晶粒的大小及其控制,细化晶粒的方法 加快冷却速度 冷却速度愈大，过冷度越大，晶核形成速度大于晶核的成长速度，晶粒细小。 变质处理 在液态金属内加入某种难熔杂质，直接形成晶核，或使晶核加速形成，晶核数量增加，细化晶粒。 促

12、使结晶时液态金属流动 电磁搅拌、机械振动和离心浇注等，液态金属流动加快，晶核形成率提高，生长的晶体破坏，晶粒细化。,用细化晶粒强化金属的方法，称为细晶强化,思考： 1 晶粒大小对材料性能有何影响？晶粒大好还是晶粒小好？ 2 在结晶过程中哪些因素能带来小晶粒？ 3这些因素与过冷度有何关系？,纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,纯铁的晶体结构 晶体与非晶体 晶体是由原子按一定规则排列，如金属及其合金及大多数矿物。 非晶体的原子排列较不规则， 如玻璃。,纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,晶格、晶胞和晶格常数 晶格：假设将原子抽象为一个结点，用假想的直线连接结点，形成空间格架。 晶胞：把晶格中具有空间排列特

13、征的最小几何单元,纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,晶格常数：晶胞三个棱边的长度称为晶格常数，用a、b、c表示，棱边之间的夹角用 来表示。,常见金属的晶格类型,体心立方立方体8个顶角和立方体中心各有1个原子，晶胞实有原子数为2个，致密度68。 面心立方8个顶角和6个面的中心都各有1个原子，晶胞实有原子数为4个，致密度74 有什么意义？同样材料有不同结构，密度不同，结构转化时有体积变化。,纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,纯铁的同素异晶转变 定义：随着温度的改变，固态金属晶格由一种转变为另一种晶格的变化。 晶体结构改变 结晶过程温度不变,纯铁的同素异晶转变,纯铁的同素异晶转变,纯铁冷却曲线（三个平台

14、） 1538 ，纯铁由液态到固态的结晶阶段，体心立方晶格， 铁 1394 ，晶格转变为面向立方晶格， 铁 912 ，晶格再次转变为体心立方晶格， 铁,纯铁的同素异晶转变,铁的同素异晶转变-固态下原子重新排列的过程（重结晶）,实质：遵循晶核形成和长大的结晶过程，为了区别由液态转变为固态的初次结晶，将同素异晶转变称作二次结晶或重结晶（固态下的转变）。 实验中发现温度变化过程中，体积发生改变，进而研究内部分子结构变化，发现金属的同素异晶转变。,铁的同素异晶转变-固态下原子重新排列的过程,与结晶（液态下进行）的区别： 同素异晶转变时，其新相的晶核在特定的晶面上形成。 固态转变比结晶转变具有较大的过冷倾

15、向。后者低于20度，前者达几百度。 同素异晶转变易于造成较大的内应力（晶体结构不同，引起密度变化，引起体积变化）。,小结 过冷的概念及对材料性能的影响 结晶过程 晶粒的概念及其大小对材料性能的影响 细化晶粒的方法 铁的同素异构转变的概念及其特点,铁碳合金的基本组织,概念较多 基本脉络： 铁碳合金的组织分为三类：固溶体、金属化合物、机械混合物 每一类又分为若干的“体”,铁碳合金的基本组织,合金的基本概念 合金两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素熔合在一起，构成具有金属特性的物质，称为合金。 如铁和碳组成的铁碳合金有碳素钢、铸铁等；铜和锌组成的合金有黄铜等。,铁碳合金的基本组织,合金的基本

16、概念 组元组成合金的最简单、最基本、能独立存在的物质称作组元。合金中的稳定化合物（如Fe3C）也可称作组元。 相在合金中，凡化学成分和晶格构造相同、并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。,铁碳合金的基本组织合金的基本概念,同种金属的同素异构体之间属同一种相吗？ 合金中由成分、结构相同的同一种晶粒组成的多晶体组织，虽然晶粒间有界面，仍为同一种相。（区分界面的概念，多晶体有许多晶粒，每个晶粒的化学成分、内部晶体结构相同）,铁碳合金的基本组织,合金的基本概念 组织用肉眼或用放大镜、显微镜能观察分辩的材料内部微观形貌图象。 组织可分为三大类： 固溶体 金属化合物 机械混合物,铁碳合金的基本组织,铁碳合

17、金的组织 固溶体：溶质原子溶入溶剂晶格而保持溶剂晶格类型的金属晶体。（借用液体概念） 金属化合物：各组元按一定的整数比结合而成、并具有金属性质的均匀物质，属于单相组织。(原子数量有一定比例关系) 机械混合物：由结晶过程所形成的两相混合组织，可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合，也可以是它们之间的混合。,固溶体（单相组织）,种类：根据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同，分为置换固溶体和间隙固溶体。,固溶体（单相组织）,置换固溶体：当溶质原子代替了一部分溶剂原子、占据溶剂晶格的某些结点位置时。 间隙固溶体：当溶质原子在溶剂晶格中不是占据结点位置，而是嵌入各结点之间的空隙时，所形成的固溶体。,固

18、溶体,固溶强化：由于形成固溶体而引起强度提高的现象。 固溶强化实质：溶质原子溶入溶剂晶格，使晶格发生畸变提高合金的强度、硬度。,思考： 工业上通过工件表面的渗碳、渗氮等强化表面的强度、硬度，其原理是什么？,固溶体（学习两类）,铁素体 定义：溶解于 中形成 的固溶体，呈体心立方晶格 通常以符号 F 表示。 特点：溶碳能力极小，固溶强化作用甚微。其强度、硬度低，塑性、韧性好。,晶格示意图,固溶体,奥氏体 定义：碳溶入 中 形成的固溶体为奥氏体， 呈面心立方晶格（A） 特点：溶碳能力较铁素体高，但还不能很有效提升强度和硬度。一般来说，其强度、硬度不高；但塑性优良（热变形加工）。,晶格示意图,金属化合

19、物,定义：各组元按一定的整数比结合而成、并具有金属性质的均匀物质，属于单相组织。 特点：具有复杂的晶格，熔点高，硬而脆。,金属化合物（只学习一类）,渗碳体 特点：硬度极高，而塑性、韧性极低。伸长率和冲击韧度接近于零。 渗碳体在一定条件下可发生分解，形成石墨。其反应式为：,铁碳合金的基本组织,比较固溶体和金属化合物的特点，其机械性能差异很大，占据两极端（极软、极硬）。 那么第三类，机械混合物又有着怎样的特点呢？,机械混合物（学习两类）,定义：由结晶过程所形成的两相混合组织，可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合，也可以是它们之间的混合。（混合比例不同） 特点：性能介于各组成相之间，它不仅取决于各

20、相的性能和比例，还与各相的形状、大小和分布有关。,机械混合物（学习两类）,珠光体 定义：铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P或（FFe3C）表示。 特点：抗拉强度高、硬度较高，且仍有一定的塑性和韧性。在显微镜下呈片状。 FFe3C混合后形成了中和的性能。,35钢的显微组织中，黑色部分即为固溶体与Fe3C组成的机械混合物，珠光体（P）组织。 将黑色部分放大，其中白色基体是Fe与C形成的固溶体铁素体（F）， 黑色条纹为渗碳体（Fe3C）,机械混合物,莱氏体Ld 定义：奥氏体（高温存在）和渗碳体组成的机械混合物称高温莱氏体，用符号或（A+ Fe3C ）表示。 特点：性能与渗碳体相近，即极为硬脆。

21、,机械混合物,低温莱式体 Ld 高温莱氏体冷却到727C以下时，其中 A 将转变为珠光体（ P FFe3C ） 和（原有）渗碳体机械混合物（PFe3C ）。 特点：性能与渗碳体相近，即极为硬脆。,思考： 1 铁碳合金的三类组织：固溶体、金属化合物、机械混合物有硬有软，“谁”硬“谁”软？ 2 铁碳合金的组织有哪些？性能如何？之间有何联系？ 3 机械混合物中的“体”分别是“谁”和“谁”的混合？,小结 合金的基本概念（合金、相、组元、组织） 合金组织的基本类型（固溶体、化合物、机械混合物） 固溶强化概念与作用 铁碳合金的基本组织（名称、类型、特点）,第三节 铁碳合金状态图,状态图表示不同成分和温度时

22、的组织状态关系的图形。 根据前面所学铁碳合金的基本组织类型和特点，根据此图可以知道在什么温度和成分条件下，可以获得什么样的组织和性能的材料。 坐标含义：温度、成分。,状态图不同成分的铁碳合金在缓慢加热、冷却条件下，不同温度时的组织状态。,铁碳合金状态图的分析重点：,4个基本相： 液相（L） 奥氏体相（A） 铁素体相（F） 渗碳体相（Fe3C）,L,A,F,Fe3C,铁碳合金状态图6条特性线的分析 ACD线：即液态线，当铁碳合金冷却到此线开始结晶，在此线以上是液相区。 AECF线：即固态线，当铁碳合金冷却到此线将全部结晶为固态，在此线以下是固相区。,ES线：A cm线，是碳在奥氏体中的溶解度曲线

23、。随着温度的下降，碳在奥氏体中的溶解度减小，将由奥氏体中析出渗碳体。 GS线：A 3线，是从奥氏体中析出铁素体的开始线。,PSK线：也叫共析线，铁碳合金冷却到此线时，在恒温(727 C)下，珠光体P析出，称为共折反应。,A,F,727 C,ECF线：铁碳合金冷却到此线时，在恒温(1147C)下，将从液体中结晶出莱氏体Ld，称共晶反应。,学习重点：,铁碳合金的分类（根据含碳量不同） 要求：记住具体的分界点处的含碳量 掌握铁碳合金相图分界点的含义。 不同成分，组织、性能不同。,铁碳合金状态图铁碳合金的分类（按含碳量不同）,钢：含碳量小于2.11的铁碳合金 亚共析钢0.77,铸铁：含碳量2.116.

24、69的铁碳合金 亚共晶铁含碳量4.3（主要分界点要记住）,铁碳合金相图应用,材料组织及性能的分析,含碳量与铁碳合金组织及性能的关系,铁碳合金室温组织由F和Fe3C两相组成，含碳量不同，组织中两相的相对数量、分布及形态不同，所以不同成分的铁碳合金具有不同的性能。 1. 铁碳合金含碳量与组织的关系 在铁碳合金中，碳主要以渗碳体的形式存在。 含碳量增加，渗碳体相对量随之增加。渗碳体类型、形态和分布不同，从而组成了不同的组织。,室温铁 碳合金 含碳量 与相和 组织的 关系,1. 铁碳合金含碳量与组织的关系,2. 铁碳合金含碳量与力学性能的关系,随含碳量增加，钢的强度和硬度增加，塑性韧性下降。但当c =

25、 0.9%时，由于网状渗碳体的出现使钢的强度开始降低。,铁碳合金相图的应用,1. 选材,根据机械零件性能要求，选择合适的材料。,要求塑性好、韧性高的材料，可选用低碳钢； 例：冲压件通常使用含碳量小于0.25%的钢板。,要求强度、硬度、塑性都好的材料，选用中碳钢； 例：重要的轴类零件通常使用含碳0.4%左右的钢。,要求硬度高、耐磨性好的材料可选用高碳钢； 例：各种工具、刃具、模具常采用共析或过共析钢。,2.铸造,由FeFe3C相图可知，共晶成分的铁碳合金的熔 点最低，结晶温度范围最小，因此， 具有良好的 铸造性能。,在实际铸造生产中，常选用接近共晶成分的铸铁来生产铸件。,3. 压力加工,钢材的锻

26、压、轧制均选择在奥氏体区范围进行。 一般始锻（轧）温度控制在固相线以下100 200。,白口铸铁因含有大量的共晶渗碳体硬而脆，且无 法得到单一的A组织，不能锻压成型。,4.焊接,低碳钢具有良好的焊接性能 ，高碳钢和铸铁会在焊接中形成脆硬的组织而出现裂纹。,通常用于焊接的钢材是低碳钢。,5.热处理,利用FeFe3C相图制定热处理工艺中退火、正火、淬火温度 。,小结,铁碳合金相图的概念和分析 铁碳合金的分类 铁碳合金含碳量与组织关系 含碳量对材料组织和性能的影响 铁碳合金相图的应用,第四节 工业用钢简介,学习要求： 钢的基本分类 碳素结构钢牌号的含义 对钢中的有害元素及有益元素的了解,第四节 工业

27、用钢简介,工业用钢简介,碳钢 含碳量小于2.11的铁碳合金，实际中含碳量都小于1.5。 合金钢 含有合金元素的钢。常用元素有锰、硅、铬、镍、钼、钛等。（含碳吗？）,工业用钢简介,碳钢中的常存杂质元素及其作用 硅和锰 有益元素。益于脱氧和合金化，人为加入，含量低，影响小。 硫和磷 有害元素。使材料脆化。通常以硫、磷含量来划分钢的质量等级。 氧、氢和氮 有害元素，使钢的塑性、韧性和疲劳强度急剧降低，严重时会造成裂纹、脆断。（渗氮降低塑性，表面一层高的硬度）,思考： 1哪些元素有益，哪些元素有害？ 2有害元素影响材料何种性能？,工业用钢简介,碳钢 碳钢的分类、牌号和用途 按质量分类（主要按元素硫和磷

28、含量） 普通钢S=0.050，P=0.045% 优质钢S=0.035，P=0.035% 高级优质钢S （P） =0.030,碳钢的分类、牌号和用途 按含碳量（形成性能与含碳量关系的概念） 低碳钢0.080.25，塑性好，冲压、焊接和渗碳工件； 中碳钢0.250.60，强度、韧度较高，热处理后性能良好，各种重要结构零件。 高碳钢0.601.5，硬度较高，工具、模具和量具工件。（超过1.5%，脆，无使用价值）,碳钢 碳钢的分类、牌号和用途 按用途 碳素结构钢，建筑、化工等工程结构和各种机械零件； 碳素工具钢，刀具、量具和模具等； 专用钢，如压力容器钢等。,按钢液脱氧程度（氧为有害元素） 沸腾钢（F

29、）脱氧不完全，组织不致密，成分不均匀，性能较差； 镇静钢（Z）脱氧完全，组织致密，成分均匀，性能较好； 半镇静钢（b）介于沸腾钢和镇静钢之间,工业用钢简介,碳钢 碳钢的分类、牌号和用途 碳素结构钢，Q屈服强度， 如Q235,碳钢碳钢的分类、牌号和用途,优质碳素结构钢，两位数字（平均含碳量的万分数），如08； 低碳钢如08等，塑性好，焊接性好，强度、硬度低，焊接结构件和容器等。 碳含量0.150.25的渗碳钢，承受冲击载荷、表面要求耐磨而强度要求不太高的零件，如活塞销等。渗碳后需淬火、回火处理。,碳钢碳钢的分类、牌号和用途,优质碳素结构钢，两位数字（平均含碳量的万分数），如08； 中碳钢0.30

30、0.55，珠光体含量增多，强度和韧度较好，热处理后性能好，广泛用作重要机械零件，如齿轮等。 高碳钢0.600.70，弹簧、弹性垫圈等弹性零件。,碳钢的分类、牌号和用途,碳素工具钢 T数字（含碳量千分数）如T8 含碳量高达0.71.35，共析或过共析钢，淬火后高硬度和耐磨性，常用作锻工、木工、钳工工具和小型模具。,碳钢的分类、牌号和用途,铸钢 ZG（含碳量万分数数字）屈服强度抗拉强度，如ZG200400，含碳量高达0.150.6 。 应用：形状较复杂而难于锻压成形，但对强度、韧度要求又较高的工件，如压力机械机座等。,合金钢（加入合金元素，改进钢组织、性能）,合金元素在钢中的作用 强化 溶入铁素体

31、，形成固溶强化； 生成合金碳化物，形成强化相； 细化晶粒，形成细晶强化，提高合金钢强度、硬度等。,钢铁材料及其在汽车上的应用,碳素结构钢,特点：较高的强度，良好的塑性和韧性，优良的工艺性能（焊接性、冷变形成形性）。 应用：通常用于桥梁建筑等工程构件及机械零件。在汽车零部件中的有螺钉、螺母圈、车厢板件、发电机支架等。,优质碳素结构钢,10、10F：制造机械零件。 20、15F：拉杆、轴套、螺钉、起重钩等；不重要的轴、齿轮、链轮等 35：如转轴、曲轴、轴销、拉杆、连杆、横梁、轮圈、垫圈、螺钉、螺母、飞轮等 40：轴、曲柄销、传动轴、活塞杆、连杆等 45：齿轮、轴等零件,优质碳素结构钢,55：齿轮、

32、连杆、扁弹簧及轧辊等 65：制造气门弹簧、弹簧圈、轴、轧辊、各种垫圈、凸轮及钢丝绳等 70：用于制造弹簧,碳素工具钢几种常用碳素工具钢性能及用途,T7：扁铲、手钳、大锤、改锥 T8：冲头 T10、T10A：凿岩工具 T11、T11A：车刀、刨刀、冲头、丝锥、钻头、手锯条 T12、T12A：锉刀、刮刀、量具 T13、T13A：刮刀、剃刀,铸造碳素钢几种常用铸钢的性能和用途,ZG200400：机座、变速器壳体等 ZG230450：外壳、轴承座、底板、箱体等 ZG270500：轴承座、连杆、箱体、曲轴、缸体、飞轮等,合金钢（加入合金元素，改进钢组织、性能）,合金元素在钢中的作用 稳定组织、细化晶粒

33、合金元素溶入铁素体或奥氏体，提高其稳定性；抑制奥氏体晶粒长大。 提高淬透性 可在较低的冷却速度下获得马氏体，提高淬透性。,合金结构钢 数字（碳含量万分数）元素符号（合金元素）数字（元素含量百分数，小于1.5不标），如60Si2Mn。 合金工具钢 数字（碳含量千分数，大于1不标） 元素符号数字（合金含量百分数，小于1.5不标），如9Mn2V。 特殊性能钢（不锈钢、耐热钢、耐磨钢），数字（碳含量千分数，大于1不标） 元素符号数字（合金含量百分数，小于1.5不标），如1Cr13等。,合金钢的分类、牌号,低合金结构钢 低碳钢加合金元素，强度提高1030，塑性韧性足够，不用热处理。如09MnV、16Mn

34、等，广泛用于石油、化工、建筑等。 较高合金结构钢，主要用于重要的机械零件、承受冲击载荷和摩擦磨损、弹性件、轴承等。,合金钢合金钢的用途,合金钢合金钢的用途,特殊性能钢（不锈钢、耐热钢、耐磨钢），数字（碳含量千分数，大于1不标） 元素符号数字（合金含量百分数，小于1.5不标），如1Cr13等。 不锈钢（耐酸、碱、盐、活性气体等腐蚀，化工设备） 耐热钢（高温时抗氧化、热强性，化工设备广泛使用）,第五节 零件选材的一般原则,应能满足零件的工作要求 应能满足工艺性能要求 必须重视材料的经济性,小结 工业用钢的分类 钢中杂质元素的作用 合金元素在钢中的作用 各类钢的名称、牌号、特点、应用,第三章钢的热处

35、理,学习要求： 热处理的实质（三段）与目的（改变性能） 几种典型的热处理的定义及作用 回火的三种类型的各自效果,第三章钢的热处理,定义：将钢在固态下通过不同的加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。,加热温度？ 保温作用？ 冷却方式？,钢的热处理常用方法,普通热处理,表面热处理,碳氮共渗,渗氮,渗碳,化学热处理,表面淬火,回火,淬火,正火,退火,热处理,钢的热处理,热处理时各临界点位置 铁碳合金状态图中的各临界点是理论值（极其缓慢的冷却或加热下测定）。,钢的热处理,实际中，钢的加热和冷却在一定的速度下进行，有过冷或过热现象。实际临界点加注小写字母“c”或“r”。,钢

36、的热处理,钢在热处理中的组织转变 加热时的转变奥氏体（A）的形成； 冷却时的转变（等温冷却）奥氏体（A）的分解； 冷却时的转变（连续冷却）奥氏体（A）转变为马氏体（M）； 淬火钢在回火时的转变。,钢的热处理原理,钢在加热时的组织转变（一般性了解） 奥氏体的形成（再结晶） 机理：共析钢加热到Ac1或Ac1以上，珠光体向奥氏体转变。,钢的热处理原理,奥氏体的形成阶段： 奥氏体晶核的形成铁素体相与渗碳体相的交界面上。 奥氏体晶粒的长大晶核附近的铁素体逐渐向奥氏体转变，渗碳体也同时向奥氏体中溶解，奥氏体长大。,奥氏体的形成阶段： 剩余渗碳体的溶解渗碳体溶解较慢，铁素体全部转变为奥氏体后，奥氏体晶粒内有

37、少量未溶渗碳体，并最终溶入奥氏体。 奥氏体的均匀化由铁素体转变的部分含碳量较低，原渗碳体含碳量较高，奥氏体中碳原子由高碳向低碳扩散，逐渐均匀。,钢的热处理原理奥氏体等温转变曲线,钢的热处理原理,钢在连续冷却时的组织转变 较等温曲线没有贝氏体组织,退火 正火 淬火,钢的热处理原理,钢在连续冷却时的组织转变（以共析钢为例）过冷奥氏体的连续冷却转变产物 炉冷转变为珠光体 空冷转变为索氏体（细小珠光体） 油冷转变为屈氏体（更细小珠光体）和马氏体 Vk临界冷却速度，= Vk（如水冷）抑制珠光体，转变为马氏体。,小结 热处理工艺过程 热处理目的、原理和实质 热处理工艺过程的组织转变,退火和正火,退火 定义

38、：将钢加热、保温，然后随炉冷却或埋入灰中使其缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。,退火和正火,退火 目的：降低硬度、消除残余应力、细化晶粒、预备热处理。 工艺方法 完全退火 球化退火 低温退火,退火和正火,完全退火 方法：将亚共析钢加热到Ac3以上3050，保温后缓慢冷却。 原理：加热到Ac3以上，呈完全奥氏体状态。经过缓慢冷却时，重结晶获得细小晶粒，并清除内应力。,退火和正火,完全退火 热处理后组织：得到平衡组织铁素体奥氏体。 应用场合：用于亚共析钢和合金钢的铸、锻件，目的是细化品粒，消除应力，软化钢。 缺点：费时、效率低，常被正火替代。,退火和正火,球化退火 方法：将过共析钢加热到A

39、c1以上 2030 ，保温后随炉冷却到700左右，再出炉空气冷却。 原理：钢加热到Ac1以上时，初始形成的奥氏体及其晶界上存有少量未熔渗碳体。在冷却中，渗碳体呈球状析出，分布在铁素体基体上，称为球化体。,退火和正火,球化退火 热处理后组织： 在铁素体基体上均匀分布球状渗碳体组织。 应用场合： 用于共析和过共析成分的碳钢和合金钢，消除粗片珠光体，球状渗碳体形成，能降低硬度，改善切削加工性能。,退火和正火,低温退火（去应力退火） 方法：将钢加热到Ac1以下，保温后缓冷。 热处理后组织：由于加热温度低于临界温度，钢未发生组织变化，目的是消除内应力。,退火和正火,低温退火（去应力退火）应用场合： 当退

40、火用于消除工件内应力时，称去应力退火。用于部分铸件、锻件及焊件和去除粗加工所产生的内应力。 当退火用于消除冷变形所产生的加工硬化时，称再结晶退火。可以获得均匀细小的等轴晶粒，从而降低硬度，恢复塑性，以便继续冷变形。,退火和正火,正火 定义：将钢加热到Ac3以上3050 或Acm 以上3050 ，保温后在空气中冷却的热处理工艺。 原理：将钢加热到奥氏体区，使钢进行重结晶（细化晶粒），从而解决铸钢件、锻件的粗大晶粒和组织不均问题。正火比退火的冷却速度稍快，所形成的（FeFe3C）机械混合物比退火得到的珠光体片层更薄，称为莱式体。,退火和正火,正火 热处理后组织：可细化普通结构钢晶粒；使共析钢获得莱

41、氏体组织；对过共析钢，可以消除二次渗碳体网。 应用场合： 取代部分完全退火。 用于普通结构件的最终热处理。 用于过共析钢，以减少或消除网状二次渗碳体，为球化退火准备。,思考： 退火与正火在冷却方式上的区别是什么？ 三种退火方式适用于不同的目的，从对材料性能的影响方面有什么共同效应？ 正火使钢重结晶，细化晶粒，降低硬度，调整材料的塑性韧性。 退火降低硬度，增加塑性韧性。,淬火和回火,淬火 定义：将钢加热到Ac3以上3050 ，保温后在淬火介质中快速冷却以获得马氏体（碳在F中过饱和固溶体，使铁素体晶格发生严重的畸变，提高强度，耐磨性提升）组织的热处理工艺。,淬火和回火,淬火 原理：共析钢加热到Ac

42、1以上，全部转化为奥氏体。快速冷却时，奥氏体发生-Fe向-Fe的同素异晶转变，而-Fe中的过饱和碳原子在低温下却难以从晶格内扩散出去，形成碳在-Fe中的严重过饱和固熔体，称马氏体（M）。M不稳定组织，具有重新转变为稳定组织的趋势。,淬火和回火,淬火 热处理后组织：亚共析钢为细小马氏体组织；过共析钢为马氏体和颗粒状二次渗碳体组织。 应用场合：提高钢件的硬度和耐磨性，是强化钢材最重要的热处理方法。,淬火,降低淬火内应力措施（马氏体比容比奥氏体大） 淬火温度：温度不足，未完全形成奥氏体，转化马氏体后，残余铁素体，硬度不足；温度过高，奥氏体晶粒大，马氏体晶粒也大，钢的脆性增加，易产生裂纹、变形。,淬火

43、,淬火介质：水，冷却能力强，易获得马氏体，但内应力大，易产生裂纹、变形；油，冷却能力较低，不易裂纹、变形，但马氏体转变不充分。碳钢，水冷；合金钢，油冷。,淬火,淬火方法： 单介质淬火，一种冷却介质中冷却至相变结束，操作简便，易实现机械化和自动化，但淬火应力较大，变形开裂倾向大； 双介质淬火，先入冷却力强的介质中，快冷至稍高于马氏体转变温度时，立即转入冷却力较弱的另一介质中，在较低冷速下进行马氏体转变，难以控制转换介质的温度或时间；,淬火,淬火方法： 单介质淬火 双介质淬火 分级淬火，先放入接近马氏体转变温度的熔盐或熔碱中，保温后再在空气中冷却。具有双级淬火的优点，又易于控制和操作，应力和变形也

44、较小，但受熔盐冷却能力的限制，工件尺寸不能太大。,淬火和回火,回火 定义：将淬火钢加热到Ac1以下某温度，保温后冷却的热处理工艺。淬火的后续工序。 原理：淬火所形成的马氏体是在快速冷却条件下强制形成的不稳定组织，具有重新转变成稳定组织的自发趋势。回火时，重新加热，原子活动能力加强，随温度升高，马氏体中过饱和的碳以碳化物形式析出。,淬火和回火,回火 应用场合： 低温回火（150250），各种工模具及渗碳或表面淬火的工件。 中温回火（350500），各种弹簧等。 高温回火（500650），“调质处理”，各种工模具及渗碳或表面淬火的工件。,思考： 1材料淬火后为什么会有内应力？（从奥氏体变为马氏体，

45、材料体积有变化） 2淬火后为什么都需要回火？（M不稳定，用回火获得稳定组织，低温回马式体硬度高、中温回曲式体韧性好、高温回索式体综合性能） 3不同的回火各自的用途是什么？硬度、强度，塑性、韧性的要求。,表面淬火,表面淬火 定义：将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。 原理：通过快速加热，使钢件表面层很快达到淬火温度，在热量来不及传到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。,表面淬火,表面淬火 应用场合： 表面耐磨，不易产生疲劳破坏，而心部承受冲击载荷，要求有足够的塑性和韧性的工件。 热处理后组织：表层获得硬而耐磨的马氏体组织，心部保持原来塑性、韧性较好的迟火、正火

46、或调质状态的组织。,化学热处理,定义：将工件置于一定的化学介质中加热和保温（目的区别于热处理），使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变工件表层的化学成分和组织，从而获得所需的力学性能和理化性能。 主要种类： 渗碳 渗氮,化学热处理,渗碳：向钢表层渗入碳原子。即把工件放入渗碳气氛中在900950加热、保温，使钢件表面层增碳的过程。 目的是使工件在热处理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定强度和较高的韧性。 渗氮：向钢表层渗入氮原子。其目的是提高工件表面硬度和耐磨性，以及提高疲劳强度和耐腐蚀性。,思考： 1化学热处理有冷却过程吗？ 2化学热处理与固溶强化有何关系？固溶强化原理在工业生产中的实际应用。,