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1、機械制造基礎,第一篇 金屬工藝學,緒 論,金屬工藝學講述有關制造金屬零件的工藝方法的相關基礎知識（材料和熱處理）。 加工方法 鑄造 壓力加工 焊接 熱處理 切削加工,,第一篇 金屬材料導論,內容 金屬材料的主要性能 不同溫度下金屬材料的結構及變化 金屬材料的種類 鐵碳合金 鋼的熱處理,第一章 金屬材料的主要性能,力學性能------重點（機械制造角度） 物理性能 化學性能 工藝性能 性能為什么要分為幾類？每一類都包括哪些具體指標？具體指標是重點,第一章 金屬材料的主要性能,金屬材料的力學性能：材料在力的作用下所表現出來的性能，也稱機械性能。 強度 塑性 硬度 韌性 疲勞強度,靜載荷下的力學性能
2、,,動載荷下的力學性能,,衡量金屬材料主要標志,,學習要求： 常用的力學（機械）性能指標（名稱、符號、含義、單位） 學習方式： 結合對概念的理解去記憶。,強度和塑性,測定方法：拉伸試驗 原理 （1）試樣兩端緩慢施加軸向拉伸載荷。 （2）載荷不斷增加，試樣被逐步拉長，直到拉斷。 （3）記錄每一瞬間載荷F 和伸長量，并繪制出拉伸曲線。,強度和塑性,拉伸曲線特性 Oe階段彈性變形 es階段彈性塑性變形 s點屈服點，出現“屈服”現象 bk階段出現“縮頸” k點斷裂點,強度（名稱）,定義：金屬材料在力的作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。 判據：屈服強度、抗拉強度。（應用場合） 屈服強度 拉伸試樣產生屈
3、服現象時的應力。 符號、單位,無明顯屈服現象的金屬材料，以試樣產生0.2塑性變形時的應力，作為該材料的屈服點，用 表示。,強度,判據 抗拉強度 金屬材料在拉斷前所能承受的最大應力，以 表示。,機械零件或構件，通常不允許發(fā)生塑性變形，以屈服點作為判據。脆性材料，斷裂前基本不發(fā)生塑性變形，以抗拉強度作為判據。,拉斷前最大載荷,試樣原始截面積,塑性,定義：金屬材料產生塑性變形而不被破壞的能力，以伸長率 或收縮率 表示：,硬度,定義：金屬材料抵抗局部變形、壓痕的能力，稱為硬度。 它是金屬材料在靜載時所表現出的機械性能。 內涵：硬度是衡量金屬軟硬的判據。 測定方法：在硬度計上測定。 布氏硬度法 洛氏
4、硬度法 維氏硬度法,布氏硬度（HB）,測試原理： （1）以直徑為D 的淬火鋼球或硬質合金球，在載荷F的靜壓力下，壓入被測材料的表面； （2）停留若干秒后，卸去載荷； （3）測出壓痕直徑d，并根據d的數值查出HB值。,d,布氏硬度（HB）,優(yōu)點：硬度值較穩(wěn)定，測試數據重復性好，準確度較洛氏硬度法高。 缺點：測量費時，且因壓痕較大，不適于成品檢驗，太薄太硬（450HB）的不適合。 名稱、符號、定義、方法、單位,洛氏硬度（HR）法,測試原理： （1）以頂角為120金剛石圓錐體（或1.588mm淬火球）為壓頭（根據材料不同情況），在規(guī)定的載荷下，垂直地壓入被測金屬表面； （2）卸載后依據壓入深度h，由
5、刻度盤上的指針直接指示出HR值。,,優(yōu)點：測試簡單、迅速，壓痕小，可用于成品檢驗。 缺點：重復性較差，必須在不同部位測量數次。,韌性,定義：金屬材料斷裂前吸收的變形能量。 評價指標：沖擊韌度 。 測定方法：采用擺錘式沖擊試驗機測定。,韌性,原理： （1）將帶缺口的標準 沖擊試樣放在試驗機上 （2）用擺錘將其一次沖斷 （3）以試樣缺口處單位截面積上所吸收的沖擊功表示沖擊韌度，即：,疲勞強度,疲勞斷裂：當零件在疲勞載荷（周期性或非周期性動載荷）作用下發(fā)生斷裂時，其應力往往大大低于該零件材料的強度極限，稱該斷裂為疲勞斷裂。 區(qū)別屈服、抗拉強度靜載荷,疲勞強度,疲勞曲線：金屬材料所承受的疲勞應力與
6、其斷裂前的應力循環(huán)次數的關系。 疲勞極限或疲勞強度：金屬材料在無數次循環(huán)載荷作用下不致引起斷裂的最大應力。,當應力按正弦曲線對稱循環(huán)時，疲勞強度以符號 表示。,原因：金屬材料存在內部缺陷或零件局部應力集中產生裂紋。,,思考： 1 疲勞曲線的水平部分說明什么？ 2 工業(yè)實際中，無數次循環(huán)載荷作用怎么體現？各種材料有相應的循環(huán)次數 3 通常的鋼材是以多少次循環(huán)載荷來決定疲勞極限（疲勞強度）？,金屬材料的物理、化學及工藝性能,物理性能 密度、熔點、熱膨脹性、導熱性、導電性和磁性等。 化學性能 主要是指在常溫或高溫時，抵抗各種介質侵襲的能力，如耐酸性、耐堿性和抗氧化性等。,金屬材料的物理、化學
7、及工藝性能,工藝性能 是金屬材料物理、化學性能和力學性能在加工過程中的綜合反映，是指是否易于進行冷、熱加工的性能。 按工藝方法的不同，可分為鑄造性、可鍛性、焊接性和切削加工性等。,小結,本章重點是金屬材料的力學性能 力學性能方面 各種性能（強度、塑性、硬度、韌性、疲勞強度）的名稱、定義、符號、單位 拉伸曲線、硬度測試方法、疲勞曲線,第二章 鐵碳合金,定義： 合金以一種金屬為基礎加入其它金屬或非金屬，經過熔合而得到的具有金屬特性的材料，稱為合金。 鐵碳合金以鐵、碳為主要組成的合金。如鋼和鑄鐵都是以鐵為基礎的鐵碳合金，其中鐵的含量占95以上。,第二章 鐵碳合金,主要內容： 純鐵的晶體結構及其同素異
8、晶轉變 鐵碳合金的基本組織 鐵碳合金狀態(tài)圖 工業(yè)用鋼簡介 零件選材原則,第一節(jié) 純鐵的晶體結構及其同素異晶轉變,對金屬結晶過程的了解（液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)） 金屬結晶過程所涉及的幾個基本概念 過冷、過冷度、自發(fā)晶核、非自發(fā)晶核、晶粒粗細（影響材料性能） 對純鐵晶體結構的了解 同素異晶的概念,純鐵的晶體結構及其同素異晶轉變,金屬結晶的基本概念 定義：金屬原子的聚集狀態(tài)由無規(guī)則的液態(tài)，轉變?yōu)橐?guī)則排列的固態(tài)晶體的過程，可用冷卻曲線來表達。 結晶溫度：每種金屬的固定熔點，即結晶溫度t0，通常稱理論結晶溫度（特殊條件）。,金屬結晶的基本概念,冷卻曲線：表示金屬冷卻到某一溫度時，冷卻時間增加而溫度不再下降，出現
9、一個水平臺階， 其對應溫度 為實際結晶 溫度。,金屬結晶的基本概念,過冷：實際結晶溫度低于理論結晶溫度（平衡結晶溫度）的現象。 過冷度：理論結晶溫度與實際結晶溫度之差。 為什么強調過冷和過冷度的概念？ 對金屬結晶過程和晶粒的大小有重要影響。,冷卻速度 實際結晶溫度 過冷度,,,,,,金屬的結晶過程,金屬的結晶過程：晶核的形成晶核的長大 晶核的形成：液態(tài)金屬冷卻到一定溫度時，部分原子開始按一定規(guī)則排列，形成細小的晶胚，部分尺寸較大的晶胚形成繼續(xù)結晶的核心（晶核,晶核的成長,純鐵的晶體結構及其同素異晶轉變,晶核的形成方式： 自
10、發(fā)晶核：液態(tài)金屬原子自發(fā)形成的晶核。 非自發(fā)晶核：實際結晶過程中，金屬液體中的某些雜質也能成為金屬結晶核心而形成晶核。如人工加入非自發(fā)晶核物質，稱人工晶核。 材料中形成的晶核數量越多（原子數量一定）則結晶后的晶粒越細小。,金屬的結晶過程,晶核的長大：晶核在冷卻過程中不斷集結液體中的原于而逐漸長大，同時新的晶核也不斷形成和長大，直至由晶核長大形成的晶粒彼此接近，液態(tài)金屬逐漸消失而完成結晶。,結晶過程示意圖,純鐵的晶體結構及其同素異晶轉變,晶核長大的實質：液體原子向固態(tài)晶核表面集結遷移，形成晶粒。,結晶過程示意圖,純鐵的晶體結構及其同素異晶轉變,晶粒的大小及其控制 晶粒大好？小好？ 晶粒小、晶界多
11、且方向各異、塑性變形阻力大、機械性能增高（強度、塑性、硬度、韌性、疲勞強度）,純鐵的晶體結構及其同素異晶轉變,晶粒的大小取決于： 晶核形成的多少 單位時間內晶核的形成多，晶粒數量多，最終形成許多細小的晶粒。 晶核的成長速度 速度越快，晶粒越粗。 過冷度增加，形核率與成長率增加，但形核率遠大于成長率，晶粒細。,,關注“過冷度”的原因是由于其與晶粒的大小相關，而晶粒大小又與材料的強度、硬度等機械性能相關。 晶粒越小，晶粒之間晶界的強度越高，材料的力學越高，所以晶粒越小越好。 哪些因素會影響晶粒的大??？,晶粒的大小及其控制,細化晶粒的方法 加快冷卻速度 冷卻速度愈大，過冷度越大，晶核形成速度大于晶
12、核的成長速度，晶粒細小。 變質處理 在液態(tài)金屬內加入某種難熔雜質，直接形成晶核，或使晶核加速形成，晶核數量增加，細化晶粒。 促使結晶時液態(tài)金屬流動 電磁攪拌、機械振動和離心澆注等，液態(tài)金屬流動加快，晶核形成率提高，生長的晶體破壞，晶粒細化。,用細化晶粒強化金屬的方法，稱為細晶強化,,思考： 1 晶粒大小對材料性能有何影響？晶粒大好還是晶粒小好？ 2 在結晶過程中哪些因素能帶來小晶粒？ 3這些因素與過冷度有何關系？,純鐵的晶體結構及其同素異晶轉變,純鐵的晶體結構 晶體與非晶體 晶體是由原子按一定規(guī)則排列，如金屬及其合金及大多數礦物。 非晶體的原子排列較不規(guī)則， 如玻璃。,純鐵的晶體結構及其同
13、素異晶轉變,晶格、晶胞和晶格常數 晶格：假設將原子抽象為一個結點，用假想的直線連接結點，形成空間格架。 晶胞：把晶格中具有空間排列特征的最小幾何單元,純鐵的晶體結構及其同素異晶轉變,晶格常數：晶胞三個棱邊的長度稱為晶格常數，用a、b、c表示，棱邊之間的夾角用 來表示。,常見金屬的晶格類型,體心立方立方體8個頂角和立方體中心各有1個原子，晶胞實有原子數為2個，致密度68。 面心立方8個頂角和6個面的中心都各有1個原子，晶胞實有原子數為4個，致密度74 有什么意義？同樣材料有不同結構，密度不同，結構轉化時有體積變化。,純鐵的晶體結構及其同素異晶轉變,純鐵的同素異晶轉變 定義：隨著溫度的改變
14、，固態(tài)金屬晶格由一種轉變?yōu)榱硪环N晶格的變化。 晶體結構改變 結晶過程溫度不變,純鐵的同素異晶轉變,純鐵的同素異晶轉變,純鐵冷卻曲線（三個平臺） 1538 ，純鐵由液態(tài)到固態(tài)的結晶階段，體心立方晶格， 鐵 1394 ，晶格轉變?yōu)槊嫦蛄⒎骄Ц瘢?鐵 912 ，晶格再次轉變?yōu)轶w心立方晶格， 鐵,純鐵的同素異晶轉變,鐵的同素異晶轉變------固態(tài)下原子重新排列的過程（重結晶）,實質：遵循晶核形成和長大的結晶過程，為了區(qū)別由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的初次結晶，將同素異晶轉變稱作二次結晶或重結晶（固態(tài)下的轉變）。 實驗中發(fā)現溫度變化過程中，體積發(fā)生改變，進而研究內部分子結構變化，發(fā)現金屬的同素異晶轉變。,鐵的同素
15、異晶轉變------固態(tài)下原子重新排列的過程,與結晶（液態(tài)下進行）的區(qū)別： 同素異晶轉變時，其新相的晶核在特定的晶面上形成。 固態(tài)轉變比結晶轉變具有較大的過冷傾向。后者低于20度，前者達幾百度。 同素異晶轉變易于造成較大的內應力（晶體結構不同，引起密度變化，引起體積變化）。,,小結 過冷的概念及對材料性能的影響 結晶過程 晶粒的概念及其大小對材料性能的影響 細化晶粒的方法 鐵的同素異構轉變的概念及其特點,鐵碳合金的基本組織,概念較多 基本脈絡： 鐵碳合金的組織分為三類：固溶體、金屬化合物、機械混合物 每一類又分為若干的“體”,鐵碳合金的基本組織,合金的基本概念 合金兩種或兩種以上的金屬元素，或
16、金屬與非金屬元素熔合在一起，構成具有金屬特性的物質，稱為合金。 如鐵和碳組成的鐵碳合金有碳素鋼、鑄鐵等；銅和鋅組成的合金有黃銅等。,鐵碳合金的基本組織,合金的基本概念 組元組成合金的最簡單、最基本、能獨立存在的物質稱作組元。合金中的穩(wěn)定化合物（如Fe3C）也可稱作組元。 相在合金中，凡化學成分和晶格構造相同、并與其它部分有界面分開的均勻組成部分。,鐵碳合金的基本組織合金的基本概念,同種金屬的同素異構體之間屬同一種相嗎？ 合金中由成分、結構相同的同一種晶粒組成的多晶體組織，雖然晶粒間有界面，仍為同一種相。（區(qū)分界面的概念，多晶體有許多晶粒，每個晶粒的化學成分、內部晶體結構相同）,鐵碳合金的基本組
17、織,合金的基本概念 組織用肉眼或用放大鏡、顯微鏡能觀察分辯的材料內部微觀形貌圖象。 組織可分為三大類： 固溶體 金屬化合物 機械混合物,鐵碳合金的基本組織,鐵碳合金的組織 固溶體：溶質原子溶入溶劑晶格而保持溶劑晶格類型的金屬晶體。（借用液體概念） 金屬化合物：各組元按一定的整數比結合而成、并具有金屬性質的均勻物質，屬于單相組織。(原子數量有一定比例關系) 機械混合物：由結晶過程所形成的兩相混合組織，可以是純金屬、固溶體或化合物各自的混合，也可以是它們之間的混合。,固溶體（單相組織）,種類：根據溶質原子在溶劑晶格中所占據位置的不同，分為置換固溶體和間隙固溶體。,固溶體（單相組織）,置換固溶體：當
18、溶質原子代替了一部分溶劑原子、占據溶劑晶格的某些結點位置時。 間隙固溶體：當溶質原子在溶劑晶格中不是占據結點位置，而是嵌入各結點之間的空隙時，所形成的固溶體。,固溶體,固溶強化：由于形成固溶體而引起強度提高的現象。 固溶強化實質：溶質原子溶入溶劑晶格，使晶格發(fā)生畸變提高合金的強度、硬度。,,思考： 工業(yè)上通過工件表面的滲碳、滲氮等強化表面的強度、硬度，其原理是什么？,固溶體（學習兩類）,鐵素體 定義：溶解于 中形成 的固溶體，呈體心立方晶格 通常以符號 F 表示。 特點：溶碳能力極小，固溶強化作用甚微。其強度、硬度低，塑性、韌性好。,晶格示意圖,固溶體,奧氏體 定義：碳溶入
19、 中 形成的固溶體為奧氏體， 呈面心立方晶格（A） 特點：溶碳能力較鐵素體高，但還不能很有效提升強度和硬度。一般來說，其強度、硬度不高；但塑性優(yōu)良（熱變形加工）。,晶格示意圖,金屬化合物,定義：各組元按一定的整數比結合而成、并具有金屬性質的均勻物質，屬于單相組織。 特點：具有復雜的晶格，熔點高，硬而脆。,,金屬化合物（只學習一類）,滲碳體 特點：硬度極高，而塑性、韌性極低。伸長率和沖擊韌度接近于零。 滲碳體在一定條件下可發(fā)生分解，形成石墨。其反應式為：,,鐵碳合金的基本組織,比較固溶體和金屬化合物的特點，其機械性能差異很大，占據兩極端（極軟、極硬）。 那么第三類，機械
20、混合物又有著怎樣的特點呢？,,機械混合物（學習兩類）,定義：由結晶過程所形成的兩相混合組織，可以是純金屬、固溶體或化合物各自的混合，也可以是它們之間的混合。（混合比例不同） 特點：性能介于各組成相之間，它不僅取決于各相的性能和比例，還與各相的形狀、大小和分布有關。,機械混合物（學習兩類）,珠光體 定義：鐵素體和滲碳體組成的機械混合物，用符號P或（FFe3C）表示。 特點：抗拉強度高、硬度較高，且仍有一定的塑性和韌性。在顯微鏡下呈片狀。 FFe3C混合后形成了中和的性能。,35鋼的顯微組織中，黑色部分即為固溶體與Fe3C組成的機械混合物，珠光體（P）組織。 將黑色部分放大，其中白色基體是Fe與C
21、形成的固溶體鐵素體（F）， 黑色條紋為滲碳體（Fe3C）,機械混合物,萊氏體Ld 定義：奧氏體（高溫存在）和滲碳體組成的機械混合物稱高溫萊氏體，用符號或（A+ Fe3C ）表示。 特點：性能與滲碳體相近，即極為硬脆。,機械混合物,低溫萊式體 Ld 高溫萊氏體冷卻到727C以下時，其中 A 將轉變?yōu)橹楣怏w（ P FFe3C ） 和（原有）滲碳體機械混合物（PFe3C ）。 特點：性能與滲碳體相近，即極為硬脆。,,思考： 1 鐵碳合金的三類組織：固溶體、金屬化合物、機械混合物有硬有軟，“誰”硬“誰”軟？ 2 鐵碳合金的組織有哪些？性能如何？之間有何聯系？ 3 機械混合物中的“體”分別是“誰”和“誰
22、”的混合？,,小結 合金的基本概念（合金、相、組元、組織） 合金組織的基本類型（固溶體、化合物、機械混合物） 固溶強化概念與作用 鐵碳合金的基本組織（名稱、類型、特點）,第三節(jié) 鐵碳合金狀態(tài)圖,狀態(tài)圖表示不同成分和溫度時的組織狀態(tài)關系的圖形。 根據前面所學鐵碳合金的基本組織類型和特點，根據此圖可以知道在什么溫度和成分條件下，可以獲得什么樣的組織和性能的材料。 坐標含義：溫度、成分。,,狀態(tài)圖不同成分的鐵碳合金在緩慢加熱、冷卻條件下，不同溫度時的組織狀態(tài)。,鐵碳合金狀態(tài)圖的分析重點：,4個基本相： 液相（L） 奧氏體相（A） 鐵素體相（F） 滲碳體相（Fe3C）,,L,A,F,Fe3C,,鐵碳合
23、金狀態(tài)圖6條特性線的分析 ACD線：即液態(tài)線，當鐵碳合金冷卻到此線開始結晶，在此線以上是液相區(qū)。 AECF線：即固態(tài)線，當鐵碳合金冷卻到此線將全部結晶為固態(tài)，在此線以下是固相區(qū)。,,ES線：A cm線，是碳在奧氏體中的溶解度曲線。隨著溫度的下降，碳在奧氏體中的溶解度減小，將由奧氏體中析出滲碳體。 GS線：A 3線，是從奧氏體中析出鐵素體的開始線。,,PSK線：也叫共析線，鐵碳合金冷卻到此線時，在恒溫(727 C)下，珠光體P析出，稱為共折反應。,A,F,727 C,ECF線：鐵碳合金冷卻到此線時，在恒溫(1147C)下，將從液體中結晶出萊氏體Ld，稱共晶反應。,,學習重點：,鐵碳合金的分類（根
24、據含碳量不同） 要求：記住具體的分界點處的含碳量 掌握鐵碳合金相圖分界點的含義。 不同成分，組織、性能不同。,鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金的分類（按含碳量不同）,鋼：含碳量小于2.11的鐵碳合金 亞共析鋼0.77,鑄鐵：含碳量2.116.69的鐵碳合金 亞共晶鐵含碳量4.3（主要分界點要記?。?鐵碳合金相圖應用,材料組織及性能的分析,含碳量與鐵碳合金組織及性能的關系,鐵碳合金室溫組織由F和Fe3C兩相組成，含碳量不同，組織中兩相的相對數量、分布及形態(tài)不同，所以不同成分的鐵碳合金具有不同的性能。 1. 鐵碳合金含碳量與組織的關系 在鐵碳合金中，碳主要以滲碳體的形式存在。 含碳量增加，滲碳體相對量隨之增
25、加。滲碳體類型、形態(tài)和分布不同，從而組成了不同的組織。,,室溫鐵 碳合金 含碳量 與相和 組織的 關系,1. 鐵碳合金含碳量與組織的關系,2. 鐵碳合金含碳量與力學性能的關系,,隨含碳量增加，鋼的強度和硬度增加，塑性韌性下降。但當c = 0.9%時，由于網狀滲碳體的出現使鋼的強度開始降低。,鐵碳合金相圖的應用,1. 選材,根據機械零件性能要求，選擇合適的材料。,要求塑性好、韌性高的材料，可選用低碳鋼； 例：沖壓件通常使用含碳量小于0.25%的鋼板。,要求強度、硬度、塑性都好的材料，選用中碳鋼； 例：重要的軸類零件通常使用含碳0.4%左右的鋼。,要求硬度高、耐磨性好的材料可選用高碳鋼； 例：各種
26、工具、刃具、模具常采用共析或過共析鋼。,2.鑄造,由FeFe3C相圖可知，共晶成分的鐵碳合金的熔 點最低，結晶溫度范圍最小，因此， 具有良好的 鑄造性能。,在實際鑄造生產中，常選用接近共晶成分的鑄鐵來生產鑄件。,3. 壓力加工,鋼材的鍛壓、軋制均選擇在奧氏體區(qū)范圍進行。 一般始鍛（軋）溫度控制在固相線以下100 200。,白口鑄鐵因含有大量的共晶滲碳體硬而脆，且無 法得到單一的A組織，不能鍛壓成型。,4.焊接,低碳鋼具有良好的焊接性能 ，高碳鋼和鑄鐵會在焊接中形成脆硬的組織而出現裂紋。,通常用于焊接的鋼材是低碳鋼。,5.熱處理,利用FeFe3C相圖制定熱處理工藝中退火、正火、淬火溫度 。,小結
27、,鐵碳合金相圖的概念和分析 鐵碳合金的分類 鐵碳合金含碳量與組織關系 含碳量對材料組織和性能的影響 鐵碳合金相圖的應用,第四節(jié) 工業(yè)用鋼簡介,學習要求： 鋼的基本分類 碳素結構鋼牌號的含義 對鋼中的有害元素及有益元素的了解,第四節(jié) 工業(yè)用鋼簡介,工業(yè)用鋼簡介,碳鋼 含碳量小于2.11的鐵碳合金，實際中含碳量都小于1.5。 合金鋼 含有合金元素的鋼。常用元素有錳、硅、鉻、鎳、鉬、鈦等。（含碳嗎？）,工業(yè)用鋼簡介,碳鋼中的常存雜質元素及其作用 硅和錳 有益元素。益于脫氧和合金化，人為加入，含量低，影響小。 硫和磷 有害元素。使材料脆化。通常以硫、磷含量來劃分鋼的質量等級。 氧、氫和氮 有害元素
28、，使鋼的塑性、韌性和疲勞強度急劇降低，嚴重時會造成裂紋、脆斷。（滲氮降低塑性，表面一層高的硬度）,,思考： 1哪些元素有益，哪些元素有害？ 2有害元素影響材料何種性能？,工業(yè)用鋼簡介,碳鋼 碳鋼的分類、牌號和用途 按質量分類（主要按元素硫和磷含量） 普通鋼S<=0.050，P<=0.045% 優(yōu)質鋼S<=0.035，P<=0.035% 高級優(yōu)質鋼S （P） <=0.030,,碳鋼的分類、牌號和用途 按含碳量（形成性能與含碳量關系的概念） 低碳鋼0.080.25，塑性好，沖壓、焊接和滲碳工件； 中碳鋼0.250.60，強度、韌度較高，熱處理后性能良好，各種重要結構零件。 高碳鋼0.601.5
29、，硬度較高，工具、模具和量具工件。（超過1.5%，脆，無使用價值）,,碳鋼 碳鋼的分類、牌號和用途 按用途 碳素結構鋼，建筑、化工等工程結構和各種機械零件； 碳素工具鋼，刀具、量具和模具等； 專用鋼，如壓力容器鋼等。,,按鋼液脫氧程度（氧為有害元素） 沸騰鋼（F）脫氧不完全，組織不致密，成分不均勻，性能較差； 鎮(zhèn)靜鋼（Z）脫氧完全，組織致密，成分均勻，性能較好； 半鎮(zhèn)靜鋼（b）介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間,,工業(yè)用鋼簡介,碳鋼 碳鋼的分類、牌號和用途 碳素結構鋼，Q屈服強度， 如Q235,碳鋼碳鋼的分類、牌號和用途,優(yōu)質碳素結構鋼，兩位數字（平均含碳量的萬分數），如08； 低碳鋼如08等，塑性
30、好，焊接性好，強度、硬度低，焊接結構件和容器等。 碳含量0.150.25的滲碳鋼，承受沖擊載荷、表面要求耐磨而強度要求不太高的零件，如活塞銷等。滲碳后需淬火、回火處理。,碳鋼碳鋼的分類、牌號和用途,優(yōu)質碳素結構鋼，兩位數字（平均含碳量的萬分數），如08； 中碳鋼0.300.55，珠光體含量增多，強度和韌度較好，熱處理后性能好，廣泛用作重要機械零件，如齒輪等。 高碳鋼0.600.70，彈簧、彈性墊圈等彈性零件。,碳鋼的分類、牌號和用途,碳素工具鋼 T數字（含碳量千分數）如T8 含碳量高達0.71.35，共析或過共析鋼，淬火后高硬度和耐磨性，常用作鍛工、木工、鉗工工具和小型模具。,碳鋼的分類、牌號
31、和用途,鑄鋼 ZG（含碳量萬分數數字）屈服強度抗拉強度，如ZG200400，含碳量高達0.150.6 。 應用：形狀較復雜而難于鍛壓成形，但對強度、韌度要求又較高的工件，如壓力機械機座等。,合金鋼（加入合金元素，改進鋼組織、性能）,合金元素在鋼中的作用 強化 溶入鐵素體，形成固溶強化； 生成合金碳化物，形成強化相； 細化晶粒，形成細晶強化，提高合金鋼強度、硬度等。,鋼鐵材料及其在汽車上的應用,,碳素結構鋼,特點：較高的強度，良好的塑性和韌性，優(yōu)良的工藝性能（焊接性、冷變形成形性）。 應用：通常用于橋梁建筑等工程構件及機械零件。在汽車零部件中的有螺釘、螺母圈、車廂板件、發(fā)電機支架等。,,優(yōu)質碳
32、素結構鋼,10、10F：制造機械零件。 20、15F：拉桿、軸套、螺釘、起重鉤等；不重要的軸、齒輪、鏈輪等 35：如轉軸、曲軸、軸銷、拉桿、連桿、橫梁、輪圈、墊圈、螺釘、螺母、飛輪等 40：軸、曲柄銷、傳動軸、活塞桿、連桿等 45：齒輪、軸等零件,,優(yōu)質碳素結構鋼,55：齒輪、連桿、扁彈簧及軋輥等 65：制造氣門彈簧、彈簧圈、軸、軋輥、各種墊圈、凸輪及鋼絲繩等 70：用于制造彈簧,,,碳素工具鋼幾種常用碳素工具鋼性能及用途,T7：扁鏟、手鉗、大錘、改錐 T8：沖頭 T10、T10A：鑿巖工具 T11、T11A：車刀、刨刀、沖頭、絲錐、鉆頭、手鋸條 T12、T12A：銼刀、刮刀、量具 T13、T
33、13A：刮刀、剃刀,,,,鑄造碳素鋼幾種常用鑄鋼的性能和用途,ZG200400：機座、變速器殼體等 ZG230450：外殼、軸承座、底板、箱體等 ZG270500：軸承座、連桿、箱體、曲軸、缸體、飛輪等,合金鋼（加入合金元素，改進鋼組織、性能）,合金元素在鋼中的作用 穩(wěn)定組織、細化晶粒 合金元素溶入鐵素體或奧氏體，提高其穩(wěn)定性；抑制奧氏體晶粒長大。 提高淬透性 可在較低的冷卻速度下獲得馬氏體，提高淬透性。,合金結構鋼 數字（碳含量萬分數）元素符號（合金元素）數字（元素含量百分數，小于1.5不標），如60Si2Mn。 合金工具鋼 數字（碳含量千分數，大于1不標） 元素符號數字（合金含量百分數，小
34、于1.5不標），如9Mn2V。 特殊性能鋼（不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼），數字（碳含量千分數，大于1不標） 元素符號數字（合金含量百分數，小于1.5不標），如1Cr13等。,合金鋼的分類、牌號,低合金結構鋼 低碳鋼加合金元素，強度提高1030，塑性韌性足夠，不用熱處理。如09MnV、16Mn等，廣泛用于石油、化工、建筑等。 較高合金結構鋼，主要用于重要的機械零件、承受沖擊載荷和摩擦磨損、彈性件、軸承等。,合金鋼合金鋼的用途,合金鋼合金鋼的用途,特殊性能鋼（不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼），數字（碳含量千分數，大于1不標） 元素符號數字（合金含量百分數，小于1.5不標），如1Cr13等。 不銹鋼（耐酸、堿、
35、鹽、活性氣體等腐蝕，化工設備） 耐熱鋼（高溫時抗氧化、熱強性，化工設備廣泛使用）,第五節(jié) 零件選材的一般原則,應能滿足零件的工作要求 應能滿足工藝性能要求 必須重視材料的經濟性,,小結 工業(yè)用鋼的分類 鋼中雜質元素的作用 合金元素在鋼中的作用 各類鋼的名稱、牌號、特點、應用,第三章鋼的熱處理,學習要求： 熱處理的實質（三段）與目的（改變性能） 幾種典型的熱處理的定義及作用 回火的三種類型的各自效果,第三章鋼的熱處理,定義：將鋼在固態(tài)下通過不同的加熱、保溫和冷卻，以改變其內部組織，從而獲得所需性能的一種工藝方法。,加熱溫度？ 保溫作用？ 冷卻方式？,鋼的熱處理常用方法,,普通熱處理,表面熱處理,
36、,碳氮共滲,滲氮,滲碳,化學熱處理,表面淬火,回火,淬火,正火,退火,,,熱處理,鋼的熱處理,熱處理時各臨界點位置 鐵碳合金狀態(tài)圖中的各臨界點是理論值（極其緩慢的冷卻或加熱下測定）。,鋼的熱處理,實際中，鋼的加熱和冷卻在一定的速度下進行，有過冷或過熱現象。實際臨界點加注小寫字母“c”或“r”。,鋼的熱處理,鋼在熱處理中的組織轉變 加熱時的轉變奧氏體（A）的形成； 冷卻時的轉變（等溫冷卻）奧氏體（A）的分解； 冷卻時的轉變（連續(xù)冷卻）奧氏體（A）轉變?yōu)轳R氏體（M）； 淬火鋼在回火時的轉變。,鋼的熱處理原理,鋼在加熱時的組織轉變（一般性了解） 奧氏體的形成（再結晶） 機理：共析鋼加熱到Ac1或Ac
37、1以上，珠光體向奧氏體轉變。,鋼的熱處理原理,奧氏體的形成階段： 奧氏體晶核的形成鐵素體相與滲碳體相的交界面上。 奧氏體晶粒的長大晶核附近的鐵素體逐漸向奧氏體轉變，滲碳體也同時向奧氏體中溶解，奧氏體長大。,奧氏體的形成階段： 剩余滲碳體的溶解滲碳體溶解較慢，鐵素體全部轉變?yōu)閵W氏體后，奧氏體晶粒內有少量未溶滲碳體，并最終溶入奧氏體。 奧氏體的均勻化由鐵素體轉變的部分含碳量較低，原滲碳體含碳量較高，奧氏體中碳原子由高碳向低碳擴散，逐漸均勻。,鋼的熱處理原理奧氏體等溫轉變曲線,鋼的熱處理原理,鋼在連續(xù)冷卻時的組織轉變 較等溫曲線沒有貝氏體組織,退火 正火 淬火,鋼的熱處理原理,鋼在連續(xù)冷卻時的組織轉
38、變（以共析鋼為例）過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉變產物 爐冷轉變?yōu)橹楣怏w 空冷轉變?yōu)樗魇象w（細小珠光體） 油冷轉變?yōu)榍象w（更細小珠光體）和馬氏體 Vk臨界冷卻速度，= Vk（如水冷）抑制珠光體，轉變?yōu)轳R氏體。,,小結 熱處理工藝過程 熱處理目的、原理和實質 熱處理工藝過程的組織轉變,退火和正火,退火 定義：將鋼加熱、保溫，然后隨爐冷卻或埋入灰中使其緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。,退火和正火,退火 目的：降低硬度、消除殘余應力、細化晶粒、預備熱處理。 工藝方法 完全退火 球化退火 低溫退火,退火和正火,完全退火 方法：將亞共析鋼加熱到Ac3以上3050，保溫后緩慢冷卻。 原理：加熱到Ac3
39、以上，呈完全奧氏體狀態(tài)。經過緩慢冷卻時，重結晶獲得細小晶粒，并清除內應力。,退火和正火,完全退火 熱處理后組織：得到平衡組織鐵素體奧氏體。 應用場合：用于亞共析鋼和合金鋼的鑄、鍛件，目的是細化品粒，消除應力，軟化鋼。 缺點：費時、效率低，常被正火替代。,,退火和正火,球化退火 方法：將過共析鋼加熱到Ac1以上 2030 ，保溫后隨爐冷卻到700左右，再出爐空氣冷卻。 原理：鋼加熱到Ac1以上時，初始形成的奧氏體及其晶界上存有少量未熔滲碳體。在冷卻中，滲碳體呈球狀析出，分布在鐵素體基體上，稱為球化體。,退火和正火,球化退火 熱處理后組織： 在鐵素體基體上均勻分布球狀滲碳體組織。 應用場合： 用于
40、共析和過共析成分的碳鋼和合金鋼，消除粗片珠光體，球狀滲碳體形成，能降低硬度，改善切削加工性能。,退火和正火,低溫退火（去應力退火） 方法：將鋼加熱到Ac1以下，保溫后緩冷。 熱處理后組織：由于加熱溫度低于臨界溫度，鋼未發(fā)生組織變化，目的是消除內應力。,,退火和正火,低溫退火（去應力退火）應用場合： 當退火用于消除工件內應力時，稱去應力退火。用于部分鑄件、鍛件及焊件和去除粗加工所產生的內應力。 當退火用于消除冷變形所產生的加工硬化時，稱再結晶退火?？梢垣@得均勻細小的等軸晶粒，從而降低硬度，恢復塑性，以便繼續(xù)冷變形。,,退火和正火,正火 定義：將鋼加熱到Ac3以上3050 或Acm 以上3050
41、 ，保溫后在空氣中冷卻的熱處理工藝。 原理：將鋼加熱到奧氏體區(qū)，使鋼進行重結晶（細化晶粒），從而解決鑄鋼件、鍛件的粗大晶粒和組織不均問題。正火比退火的冷卻速度稍快，所形成的（FeFe3C）機械混合物比退火得到的珠光體片層更薄，稱為萊式體。,退火和正火,正火 熱處理后組織：可細化普通結構鋼晶粒；使共析鋼獲得萊氏體組織；對過共析鋼，可以消除二次滲碳體網。 應用場合： 取代部分完全退火。 用于普通結構件的最終熱處理。 用于過共析鋼，以減少或消除網狀二次滲碳體，為球化退火準備。,,思考： 退火與正火在冷卻方式上的區(qū)別是什么？ 三種退火方式適用于不同的目的，從對材料性能的影響方面有什么共同效應？ 正火使
42、鋼重結晶，細化晶粒，降低硬度，調整材料的塑性韌性。 退火降低硬度，增加塑性韌性。,淬火和回火,淬火 定義：將鋼加熱到Ac3以上3050 ，保溫后在淬火介質中快速冷卻以獲得馬氏體（碳在F中過飽和固溶體，使鐵素體晶格發(fā)生嚴重的畸變，提高強度，耐磨性提升）組織的熱處理工藝。,淬火和回火,淬火 原理：共析鋼加熱到Ac1以上，全部轉化為奧氏體?？焖倮鋮s時，奧氏體發(fā)生-Fe向-Fe的同素異晶轉變，而-Fe中的過飽和碳原子在低溫下卻難以從晶格內擴散出去，形成碳在-Fe中的嚴重過飽和固熔體，稱馬氏體（M）。M不穩(wěn)定組織，具有重新轉變?yōu)榉€(wěn)定組織的趨勢。,淬火和回火,淬火 熱處理后組織：亞共析鋼為細小馬氏體組織；
43、過共析鋼為馬氏體和顆粒狀二次滲碳體組織。 應用場合：提高鋼件的硬度和耐磨性，是強化鋼材最重要的熱處理方法。,淬火,降低淬火內應力措施（馬氏體比容比奧氏體大） 淬火溫度：溫度不足，未完全形成奧氏體，轉化馬氏體后，殘余鐵素體，硬度不足；溫度過高，奧氏體晶粒大，馬氏體晶粒也大，鋼的脆性增加，易產生裂紋、變形。,淬火,淬火介質：水，冷卻能力強，易獲得馬氏體，但內應力大，易產生裂紋、變形；油，冷卻能力較低，不易裂紋、變形，但馬氏體轉變不充分。碳鋼，水冷；合金鋼，油冷。,淬火,淬火方法： 單介質淬火，一種冷卻介質中冷卻至相變結束，操作簡便，易實現機械化和自動化，但淬火應力較大，變形開裂傾向大； 雙介質淬火
44、，先入冷卻力強的介質中，快冷至稍高于馬氏體轉變溫度時，立即轉入冷卻力較弱的另一介質中，在較低冷速下進行馬氏體轉變，難以控制轉換介質的溫度或時間；,淬火,淬火方法： 單介質淬火 雙介質淬火 分級淬火，先放入接近馬氏體轉變溫度的熔鹽或熔堿中，保溫后再在空氣中冷卻。具有雙級淬火的優(yōu)點，又易于控制和操作，應力和變形也較小，但受熔鹽冷卻能力的限制，工件尺寸不能太大。,淬火和回火,回火 定義：將淬火鋼加熱到Ac1以下某溫度，保溫后冷卻的熱處理工藝。淬火的后續(xù)工序。 原理：淬火所形成的馬氏體是在快速冷卻條件下強制形成的不穩(wěn)定組織，具有重新轉變成穩(wěn)定組織的自發(fā)趨勢。回火時，重新加熱，原子活動能力加強，隨溫度升
45、高，馬氏體中過飽和的碳以碳化物形式析出。,淬火和回火,回火 應用場合： 低溫回火（150250），各種工模具及滲碳或表面淬火的工件。 中溫回火（350500），各種彈簧等。 高溫回火（500650），“調質處理”，各種工模具及滲碳或表面淬火的工件。,思考： 1材料淬火后為什么會有內應力？（從奧氏體變?yōu)轳R氏體，材料體積有變化） 2淬火后為什么都需要回火？（M不穩(wěn)定，用回火獲得穩(wěn)定組織，低溫回馬式體硬度高、中溫回曲式體韌性好、高溫回索式體綜合性能） 3不同的回火各自的用途是什么？硬度、強度，塑性、韌性的要求。,表面淬火,表面淬火 定義：將鋼件的表面層淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火狀態(tài)的一種局
46、部淬火方法。 原理：通過快速加熱，使鋼件表面層很快達到淬火溫度，在熱量來不及傳到工件心部就立即冷卻，實現局部淬火。,表面淬火,表面淬火 應用場合： 表面耐磨，不易產生疲勞破壞，而心部承受沖擊載荷，要求有足夠的塑性和韌性的工件。 熱處理后組織：表層獲得硬而耐磨的馬氏體組織，心部保持原來塑性、韌性較好的遲火、正火或調質狀態(tài)的組織。,化學熱處理,定義：將工件置于一定的化學介質中加熱和保溫（目的區(qū)別于熱處理），使介質中的活性原子滲入工件表層，以改變工件表層的化學成分和組織，從而獲得所需的力學性能和理化性能。 主要種類： 滲碳 滲氮,化學熱處理,滲碳：向鋼表層滲入碳原子。即把工件放入滲碳氣氛中在900950加熱、保溫，使鋼件表面層增碳的過程。 目的是使工件在熱處理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定強度和較高的韌性。 滲氮：向鋼表層滲入氮原子。其目的是提高工件表面硬度和耐磨性，以及提高疲勞強度和耐腐蝕性。,,思考： 1化學熱處理有冷卻過程嗎？ 2化學熱處理與固溶強化有何關系？固溶強化原理在工業(yè)生產中的實際應用。,
《機械制造基礎》PPT課件.ppt
