机械工程师职业培训三工程材料.ppt

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1、机械工程师职业培训(三),工程材料,机械工程师职业素质培训,第二部分 工程材料,2.0 基本要求熟悉常用金属材料的性能、试验方法及其选用。熟悉钢的热处理原理。掌握常用金属材料的热处理方法及选用。了解常用工程塑料、特种陶瓷、复合材料的种类及应用,2.1工程材料的分类和性能,2.1.1 工程材料的分类（P32）按功能和用途分：结构材料、功能材料按组成特点分：金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料,工程材料的性能 工程材料的性能主要包括工艺性能和使用性能。工艺性能是指材料使用某种工艺方法进行加工的难易程度（相对性）。使用性能是指材料在正常工作条件下所表现出来的力学性能、物理性能和化学性能。,2.1

2、.2.1 力学性能 材料的力学性能是指材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。简单地说，力学性能是指材料在外力作用下表现出来的性能。主要力学性能指标：硬度、强度、塑性、韧性、耐磨性和缺口敏感性等。材料力学性能主要取决于材料的组织成分和晶体结构。,1.硬度 硬度(hardness):是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。常用测量硬度的方法：,(1)布氏硬度 HB(Brinell-hardness),布氏硬度计,测量压痕球形面积,适用范围:,450HBS;,650HBW;,特别适用于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成

3、相的金属材料的硬度及钢件退火、正火和调质厚的硬度。不宜在产品上进行试验,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。,(2)洛氏硬度 HR(Rockwll hardness),10HRCHBS,压头：圆锥角1200的金刚石圆锥体小淬火滚球,测量压痕深度,广泛用于热处理质量检验，常用于检查淬火后的硬度。,操作迅速简单，可在工件上直接试验，但检测结果离散度较大,(3)维氏硬度 HV(diamond pene

4、trator hardness),测量压痕对角线比较长度,压头：两对面夹角1360的金刚石四棱锥体,特点：试验力任意选取，压痕测量精度高，硬度值准确，但需查表或计算效率低。,(4)肖氏硬度 HS 是一种动载荷试验法，较为方便，可在现场测量大型工件的硬度，缺点是精度较低。,(5)努氏硬度 HK 是一种显微硬度试验法，对表面淬火硬度或镀层、渗层等薄层区域硬度测定以及截面上的硬度分布的测定较为方便。,(6)里氏硬度 HL 是一种新型的反弹式硬度测量方法，便于携带，常用于测量大型铸锻件、永久组装部件等，精度较高，可自动转换成洛氏硬度、布氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度，并可直接打印结果。,2.强度指标,(1

5、)拉伸试样GB6397-86规定金属拉伸试样有：圆形、矩形、异型及全截面常用标准圆截面试样。长试样：L0=10d0;短试样：L0=5d0,拉伸试样,k,o,g,f,拉伸曲线,op段：比例弹性变形阶段；pe段：非比例弹性变形阶段；平台或锯齿（s段）：屈服阶段；sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。b点：形成了“缩颈”。bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。,屈服强度:产生明显塑性变形的最低应力值.,屈服强度(塑性变形量为0.2%，微量塑性变形),屈服点 s、屈服强度0.2是零件设计的主要依据；也是评定金属强度的重要指

6、标之一。,抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。,它表示材料抵抗断裂的能力。是零件设计的重要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。,3.塑性:是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。,(1)断面收缩率:是指试样拉断处横截面积的收缩量S与原始横截面积S0之比。,S0-S 1=-100%S0,(2)伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量 L 与原始标距L 0之比。,l 1-l0=-100%l0,l=lub=l/l0=lu/l0+lb/l0,10%属塑性材料,塑性指标不直接用于计算，但任何零件都需要一定塑性。防止过载断裂；塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。,4.冲击韧性(notch

7、toughness):材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。,冲击试验机,冲击试样和冲击试验示意图,5.疲劳强度(fatigue strength):表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。,6.刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。弹性模量：弹性下应力与应变的比值,表示材料抵抗弹性变形的能力。即：E=/材料的E越大，刚度越大；E对组织不敏感；零件的刚度主要决定于E，也与形状、截面等有关，一般用AE表示。,物理性能：密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等；化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等；工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理工艺性等。,例1

8、.（25.2007单选2分）精度较高，便于携带，常用于测量大型铸锻件和永久组装件的硬度计A）洛氏硬度计 B）布氏硬度计 C）维氏硬度计 D）里氏硬度计例2.（8.2006单选1）测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度及钢件退火、正火及调质后的硬度常采用A）洛氏硬度试验 B）布氏硬度试验 C）维氏硬度试验 D）努氏硬度试验例3.(24.2005单选2）广泛用于钢件淬火后的硬度检测仪器是：A）洛氏硬度计 B）布氏硬度计 C）维氏硬度计 D）肖氏硬度计,例4（12.2011单选1分）常用于检测零件较薄硬化层（如0.1mm厚）硬度的仪器是：A）布氏硬度计 B）洛氏硬度计C）肖氏硬度

9、计 D）维氏硬度计例5.（7.2006单选1分）材料在无数次交变应力作用下而不致引起断裂的最大应力称为A）断裂强度 B）疲劳强度 C）抗拉强度 D）屈服强度,例6.（52.2004简答5分）金属材料力学性能的主要指标有哪些（至少列举5项）？用符号表示常规力学性能的五项指标。答：硬度、强度、塑性、韧性、刚度、耐磨性、缺口敏感性等。超常规力学性能的五项指标：b、e、a k,2.2 金属材料及其热处理,2.2.0 考核知识点（1）熟悉晶体的两大特性，金属最常见的三种晶体结构类型，实际金属材料中的晶体缺陷，常用的三种细化晶粒方法，纯金属在固体下的两种转变，合金相结构的三种类型；（2）熟悉铁碳合金相图中

10、固态下的几种基本组织，各主要点温度、碳的质量分数及意义，典型铁碳合金结晶过程分析，碳对铁碳平衡组织和性能的影响、相图的应用；,（3）熟悉金属材料常见的化学分析方法，金相分析方法，无损探伤方法及适用范围；（4）熟悉钢的热处理原理（铁碳合金平衡图、钢在加热、冷却、回火时的转变）（5）熟悉典型零件（轴类、弹簧、齿轮类、滚动轴承类、模具类、工具类、铸铁件类、有色金属类等）的热处理应用。（6）熟悉金属材料的选择和使用原则。,（7）掌握钢的常规热处理（退火、正火、淬火、回火、时效等）、表面淬火（火焰淬火、感应加热淬火）、化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗等）、铸铁（灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、合金

11、铸铁等）热处理、有色金属（铝合金、铜合金等）热处理方法的选用。（8）了解热处理设备（燃烧炉、电阻炉、真空炉、感应加热电源及淬火机床）。,金属的晶体结构,晶体的特性：熔点和各项异性 固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列。非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）,金属的晶体结构 由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于紧密排列的倾向，故大多数金属属于以下三种晶格类型。,1、体心立方晶格,2、面心立方晶格,81812（个）。,8186124（个）,3、密排六方晶格,晶体缺陷 晶体内部的某些局部区域

12、，原子的规则排列受到干扰而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。把这些区域称为晶体缺陷。,121621236（个）,这些缺陷的存在，对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）将产生显著影响，如钢的耐腐蚀性，实际金属的屈服强度远远低于通过原子间的作用力计算所得数值。根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三类：点缺陷 线缺陷 面缺陷,点缺陷空位和间隙原子和置换原子,线缺陷位错,晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错。其特征是在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。最常见最基本的位错是刃型位错和螺型位错 位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都

13、起着重要影响。如金属材料的塑性变形与位错的移动有关。冷变形加工后金属出现了强度提高的现象（加工硬化），就是由于位错密度的增加所致。,面缺陷晶界和亚晶界,实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域，该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。,金属的结晶,结晶：晶体物质由液态转变成固态的过程。凝固：非晶体由液态转变成固态的过程。结晶的一般过程：,过冷现象 过冷度 T=T0 T1过冷是结晶的必要条件。,结晶的一般规律,形核长大,形核、长大,实际金属的多晶粒结构,晶粒的粗细对

14、金属力学性能影响颇大。晶粒愈细，其强度、韧性和塑性也愈好。细化晶粒的三种途径：,金属在固态下的转变 纯金属在固态下的转变有两种：同素异晶转变磁性转变（纯铁磁性转变温度768度）,纯铁的同素异晶转变反应式:,纯铁的冷却曲线,合金的相结构,由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。1、固溶体 合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀相称为固溶体。,不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。,2、金属

15、化合物 金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶格类型完全不同，一般可用化学分子式表示。钢中渗碳体（Fe3C）是由铁原子和碳原子所组成的金属化合物，它具有复杂的晶格形式。金属化合物的性能不同于任一组元，其溶点一般较高、硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。,金属化合物在合金中常作为强化相存在，它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。3、金属混合物 绝大多数合金的组织都是固溶体与少量金属化合物组成的金属混合物，其性质取决于固溶体与金属化合物的数量、大小、形态和分布状况。,铁碳合金固态下的几种基本组织：,1.铁素体(F

16、)：碳溶于Fe中的间隙固溶体。,铁碳合金相图,2.奥氏体(A)碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体。,奥氏体组织金相图,3.渗碳体(Fe3C)铁与碳形成的金属化合物。,渗碳体组织金相图,4.珠光体(P),铁素体和渗碳体组成的机械混合物。,5.莱氏体(Ld),奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。,Fe-Fe3C 相图,Fe-Fe3C 相图,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,6.69%C,Ld,Ld+Fe3C,A+Ld+Fe3C,F,A+F,P,Ld,K,(P+Fe3C),P+Ld+Fe3C,Ld+Fe3C,P+F,P+Fe3C,(F+Fe3C),A+Fe3C,L+Fe3

17、C,(A+Fe3C),铁碳合金相图各主要线的意义：,ABCD为液相线，AHJECF为固相线。三条水平线：,包晶反应：在一定温度下，由一固定成份的液相与一个固定成份的固相作用，合成另一个成份固定的固相反应。液固固共晶反应：由某一成份的液相在一定温度下同时结晶出两种不同成份的固相反应。液固固共析反应：在一定温度下，一固定成份的固相同时分解成两种成份与结构均不相同的固相反应。固固固,四条重要的线:GS是冷却过程中由相析出 相的开始线ES是C在 Fe中的溶解度曲线PQ是C在 Fe中的溶解度曲线HN是C在 Fe中的溶解度曲线。重要的成份点:如下表,五个单相区：ABCD以上液相L区AHNA 相区NJESG

18、N 相区GPQ以左 相区DFKFe3C相区七个两相区：分别存在于相邻两个单相区之间：L、LA、L Fe3C、A、AF、A Fe3C、F Fe3C,典型铁碳合金相图过程分析,(ingot iron)共析钢(eutectoid steel)亚共析钢(hypoeutectoid steel)过共析钢(hypereutectoid steel)共晶白口铁(eutectoid white iron)亚共晶白口铁(hypoeutectoid white iron)过共晶白口铁(hypereutectoid white iron),钢,生铁,工业纯铁,1.工业纯铁(Wc 0.0218%),2.共析钢(Wc=

19、0.77%),共析钢组织金相图,3.亚共析钢(Wc=0.45%),亚共析钢组织金相图,4.过共析钢(Wc=1.2%),过共析钢组织金相图,5.共晶白口铁(Wc=4.3%),共晶白口铁组织金相图,6.亚共晶白口铁(Wc=3.0%),亚共晶白口铁组织金相图,7.过共晶白口铁(Wc=5.0%),过共晶白口铁组织金相图,碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响,碳的质量分数对平衡组织的影响。碳的质量分数对力学性能的影响。碳的质量分数对工艺性能的影响。,碳的质量分数对平衡组织的影响,碳的质量分数对力学性能的影响 低碳钢组织多为铁素体，强度、硬度较低，而塑性、韧性很高。随含碳量的增加，铁素体不断减少，珠光体不断增

20、加，导致强度、硬度提高，塑性、韧性下降，0.9时，组织中主要是珠光体，强度达到最大值。当大于1.0%时由于网状Fe3CII出现，导致钢强度下降。工业用钢一般不超过1.3%1.4%.,碳的质量分数对力学性能的影响,2.2.2.3Fe-Fe3C相图的应用,1.为选择材料提供依据,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。(P30)低碳钢（0.10%0.25%）:塑性、韧性好中碳钢（0.25%0.60%）：综合性能好高碳钢（0.60%1.30%）：硬度高、耐磨性好,2.制定热加工工艺方面的应用 Fe-Fe3C相图总结了不同成份铁碳合金在缓慢冷却时组织随温度变化的规律

21、，为制定铸造、锻造、热处理、焊接工艺提供了依据。,金属材料化学成分分析和金相分析,化学成份分析（P42-43）常用方法有：化学分析法、火花鉴别法、光频分析法和看谱镜法，最传统较准确的方法是化学分析法。气体容量定碳法（P42）,金相分析（P43-44）原材料缺陷的低倍检验（宏观检验）：用肉眼或低倍放大镜断口分析：宏观观察、光镜分析、电镜分析显微组织检验：光镜分析、电镜分析、金相图像自动分析仪,无损检测（P44）射线检测超声检测涡流检测磁粉探伤等,2.2.4 金属材料热处理,2.2.4.1 钢的热处理,热处理的定义：将钢在固态下加热到预定温度并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却，以改变钢

22、的内部组织，提高钢的性能，延长机器使用寿命的热加工工艺。(加热保温冷却),热处理的主要目的:提高钢的性能。,热处理的应用范围:整个制造业。,热处理的原理:钢中组织变化规律,热处理的分类：,1.热处理的原理(1)铁碳合金平衡图 FeFe3C平衡图中的临界点（A1、A3、Acm）是加热和冷却温度选择的主要依据。,(2)钢在加热时的组织变化 钢通过加热到奥氏体，而是否得到完全的奥氏体，以及奥氏体的均匀程度和晶粒大小，对随后奥氏体冷却时的转变产物的性能有很大影响。珠光体向奥氏体的转变是通过奥氏体晶核的产生（形核）和长大两个过程实现的。为了获得均匀一致的奥氏体，必须加热到足够高的温度和保持一定时间，才能

23、使奥氏体均匀化。奥氏体晶粒的大小决定了冷却时奥氏体转变产物晶粒的大小。奥氏体晶粒度:起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏体的晶粒大小。,A,A 形核,A 长大,残余Fe3C溶解,A 均匀化,奥氏体的形成,实际晶粒度:是指在具体的加热条件下所得到的奥氏体晶粒度。本质晶粒度:在93010 保温38h后奥氏体的晶粒大小。是度量钢本身晶粒随温度升高,晶粒长大的程度。加热速度愈快，加热温度愈高，过热度也愈大，这时钢在较高温度下转变，得到的奥氏体起始晶粒度比较细小。实际生产中采用高温、短时的加热方法就可以获得较高力学性能的晶粒组织。钢中进入微量铝、钛、钒、钨、钼、镍、硅、铜等都会阻碍奥氏体晶粒长大；锰和磷有促

24、使晶粒长大的倾向。,钢的本质晶粒度示意图,(3)钢在冷却时的组织变化 钢加热转变为奥氏体后，冷却方式和速度不同，所得到的组织和性能就大不一样，所以采用什么冷却方式来控制钢的组织和性能具有决定性意义。,钢在热处理时的冷却方式：等温、连续过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变,1)钢在热处理时的冷却方式,共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图,A1,2)过冷奥氏体的等温冷却转变,转变产物的组织与性能,珠光体型(P)转变(A1550):,A1650:P;525HRC;片间距为0.60.7m(500)。,650600:细片状P-索氏体(S);片间距为0.20.4m(1000);2536HRC。

25、,600550:极细片状P-屈氏体(T);片间距为0.2m(电镜);3540HRC。,转变产物的组织与性能,贝氏体型(B)转变(550230):,550350:B上;4045HRC;,转变产物的组织与性能,贝氏体型(B)转变(550230):,350230:B下;5060HRC;,转变产物的组织与性能,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

26、和作 用,使 Fe晶格由体心立方变成体心正方晶格。,4马氏体的组织形态:板条状-低碳马氏体(0.2%C);3050HRC;=917%。,4马氏体的组织形态:针、片状-高碳马氏体(1%C);66HRC左右;1%。,5马氏体的性能:主要取决于马氏体中的碳浓度。,亚共析钢的TTT曲线,P+F,S+F,T,B,M+A残,过共析钢的TTT曲线,P+Fe3C,S+Fe3C,T,B,M+A残,影响 TTT 曲线形状位置的因素,1奥氏体中含碳量的影响:,2奥氏体中含合金元素的影响:除Co、Al(2.5%)外,所有合金元 素溶入奥氏体中,会引起:,3加热温度和保温时间的影响:加热温度越高,保温时间越长,碳化物溶

27、解充分,奥氏体成分均匀,提高了过冷奥氏体的稳定性,从而 使 TTT曲线向右移。,3)过冷奥氏体的连续冷却转变,共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图,Pf,Ps,A+P,K,Ms,Mf,共析碳钢 TTT 曲线与CCT曲线的比较,在连续冷却过程中 TTT 曲线的应用,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,4.钢的整体热处理,预备热处理:退火;正火,最终热处理:淬火;回火,一般零件生产的工艺路线:,（1）钢的退火,1)定义:把零件加温到适当温度,保温一段时间,然后缓慢冷却（随炉冷却）。,2)目的:消除应力;降低硬度

28、，以改变切削性能;细化晶粒，均匀成分，为最终热处理作好组织准备。,3)种类,(2)钢的正火,1)定义:把零件加温到临界温度(Ac3或Acm)以上 3050,保温一段时间,然后在空气中冷却。把零件加热到 Ac3线以上1001500C的正火称为高温正火。,2)目的:消除应力;调整硬度;细化晶粒，均匀成分，为最终热处理作好组织准备。常用于消除过析钢中网状渗碳体,3)工艺参数:,4)热处理后的组织:S(Wc=0.61.4%)S+F(Wc0.6%),5)应用范围:1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬 度;消除过共析钢中的Fe3C（网状）。2.最终热处理:用于力学性能要求不 高的普通零件。,（3）钢的淬火,

29、1)定义:把零件加温到临界温度以上 30 50,保温一段时间,然 后快速冷却(水冷)。,2)目的:为了获得马氏体组织,提高钢 的硬度和耐磨性。,3)工艺参数:,3)工艺参数:,4)热处理后的组织:,6)淬火冷却介质,1理想淬火冷却介质,2常用的淬火冷却介质,7)常用的淬火方法,8)钢的淬硬性(Hardening of steel),1定义:是指钢在淬火后所能达到的最 高硬度。,2影响钢的淬硬性的因素:主要取决于 马氏体的含碳量。,9)钢的淬透性(Hardenability of steel),1定义:是指钢在淬火时所能得到的淬 硬层(马氏体组织占50%处)的 深度。,2影响钢的淬透性的因素:主

30、要是临界 淬火冷却速度VK 的大小,VK 越 大,钢的淬透性越小。,工件淬硬层与冷却速度的关系,3淬硬性与淬透性之间的关系:,4淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响,(4)钢的回火,1)定义:把淬火后的零件重新加温到 Ac1线以下某个温度,保温一段时间,然后冷却（一般空冷，也水冷或油冷）到室温。,2)目的:消除淬火应力,降低脆性;稳定工件尺寸;调整淬火零件的力学性能。,3)工艺参数,淬火+高温回火=调质处理,淬火+高温回火=调质处理,3.钢的表面淬火,1)定义:是一种不改变钢表层化学成 分,但改变表层组织的局部热 处理工艺。,2)工艺特征:通过快速加热使钢的表 层奥氏体化,然后急冷,使表

31、层 形成马氏体组织,而心部仍保 持不变。,3)表面淬火用钢:,选用中碳或中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。,4)表面淬火加工的方法:感应加热(高、中、工频)、火 焰加热、电接触加热法等。,1感应加热表面淬火,1)感应加热的基本原理:,*感应电流-涡流,*集肤效应,2)工艺要求:*表面淬火前,必须对零件进行正火 或调质处理,以保证零件有良好的 基体。*表面淬火后,必须对零件进行低温 回火处理,以降低淬火应力和脆性。,3)生产特点:淬火件的质量好;工件变 形小;不易氧化及脱碳;淬火层容易 控制;生产率高。设备投资大,不适 于复杂形状零件和小批量生产。,2火焰加热表面淬火,1)火焰加

32、热表面淬火的基本方法,2)火焰加热表面淬火的特点:,*设备简单,操作方便,成本低。*淬火质量不稳定。*适于单件、小批量及大型零件的生产。,时效处理,目的：进一步消除内应力，稳定工件尺寸。方法：高温时效、低温时效，自然时效,4.化学热处理(Chemical Heat Treatment),1)定义:将零件置于一定的化学介质 中,通过加热、保温,使介质 中一种或几种元素原子渗入 工件表层,以改变钢表层的化 学成分和组织的热处理工艺。,2)化学热处理的基本过程:,2吸收:活性原子被零件表面吸收和溶 解。,3扩散:活性原子由零件表面向内部扩 散,形成一定的扩散层。,3)化学热处理进行的条件:,1 渗入

33、元素的原子必须是活性原子,而 且具有较大的扩散能力。,2零件本身具有吸收渗入原子的能力,即对渗入原子有一定的溶解度或能 与之化合,形成化合物。,4)化学热处理的种类:渗碳;渗氮;碳氮 共渗;渗硼;渗铝;渗硫;渗硅;渗铬等。,1.钢的渗碳(Carburize of steel),1)定义:向钢的表面渗入碳原子的过程。,2)目的:获得具有表硬耐磨里韧性能的零件。,3)用钢:,低碳钢和低碳合金钢。如20、20Cr,4)方法:固体、气体(常见)、液体渗碳。,5)设备:井式渗碳炉、可控气氛炉、真空炉。,18CrMnMo、12Cr2Ni4A、20CrMnMo,6)工艺:加热温度为900950;渗碳时间一般

34、为39小时;,7)渗碳后的组织:,8)渗碳后的热处理工艺,淬火,9)热处理后的组织,低碳M回+F,M回+Cm+A残,低碳合金钢,F+P,M回+Fe3C+A残,低碳钢,2.钢的渗氮(Nitridation of steel),2)目的:获得具有表硬、耐疲劳和耐蚀性以及热硬性里韧性能的零件。,3)用钢:,中碳合金钢。,4)方法:气体渗氮、液体渗氮、离子渗氮。（常用）,1)定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。,5)工艺:加热温度500600;保温时间0.30.5mm/2050h。,6)热处理特点:渗氮前需调质处理;渗氮后不需热处理。,7)渗氮处理后的组织 表层:Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、Mo

35、N、TiN、VN。心部:S回。,8)常用的钢种:35 CrMo、18CrNiW、38 CrMoAlA(氮化王牌钢)等。,渗碳与渗氮的工艺特点,3.钢的碳氮共渗-氰化处理(Carbonitriding of steel),1)定义:向钢的表面同时渗入碳和氮原 子的过程。,3)方法:,固体碳氮共渗,气体碳氮共渗,液体碳氮共渗,高温,中温,低温,2)目的:获得具有表硬里韧性能的零件。,4)工艺:,铸铁热处理 铸铁的力学性能主要受基本组织和石墨所控制，因此强化铸铁时，一方面要改变石墨的数量大小、形状和分布，尽量减少石墨的有害作用；另一方面又要通过合金化、热处理或表面处理方法调整基本组织，提高基体性能，

36、以改善铸铁的强韧性。,1.灰铸铁的热处理（简单热处理）（1）消除内应力退火（人工实效）1）目的:消除铸铁件铸造后产生的很大的内应力。2）工艺方法：将铸件缓慢加热到500560 适当保温（每10mm截面保温2h）后，随炉缓慢冷却至150200 出炉空冷。（2）消除铸件白口、降低硬度的退火或正火 1）退火工艺：800950 14h，随炉缓冷，使部分渗碳体分解，最终得到铁素体珠光体的基体组织。2）正火工艺：800950 14h空冷,（3）表面淬火 1）目的:提高灰铸铁件表速度面强度、耐磨性和疲劳强度。2）工艺方法：感应加热、火焰加热、电接触加热等工艺。2.可锻铸铁热处理（产生）1）目的:可锻铸铁本身

37、就是白口铸铁通过石墨化退火得到的。2）工艺方法：9501000 3040h，然后以200300/h炉速冷却到770后，再以极缓慢的冷却23/h冷却至720 左右再空冷，得到珠光体可锻铸铁；也可从高温加热后缓冷至680，长时间（1530h）等温保持，使珠光体中渗碳体,分解为铁素体石墨出炉空冷得铁素体可锻铸铁。3.球墨铸铁（可以象钢一样进行各种热处理）（1）退火 1）消除内压力退火（工艺与灰铸铁同）2）高温退火：消除白口，得高韧性的铁素体球铁 3）低温退火：用于基体组织中无共晶渗碳体且珠光体含量较高，要求具有较高塑性、韧性的铸件。（2）正火：目的是细化组织，提高球铁的强度、硬度和韧性。（3）调质处

38、理：提高球铁的强度和韧性（比正火高）。（4）等温淬火：提高球铁的综合性能。,有色金属热处理1.铝合金热处理（1）变形铝合金热处理 1）扩散退火：消除合金铸锭中的晶内偏析。2）再结晶退火：消除各种加工应力、提高塑性。3）去应力退火：在150360 内低于再结晶温度下退火，消除应力保持强度。4)回归处理：仅用于经淬火和自然实效处理过的零件，将零件在硝盐中迅速加热到200250 23min后在水中冷却。目的是恢复得到过饱和固溶体淬火相，便于校正、加工。5)淬火、时效：2AI2、2Al4、2B11合金：5005 2090min，淬水，室温自然时效96144h。,（2）铸造铝合金热处理 1）退火：290

39、10 35h，消除内应力稳定铸件尺寸。2）淬火、时效：ZL104铝合金缸体：5355 4h固溶处理，1755 9h时效。2.铜合金热处理 只有一部分铜合金提高热处理可以得到强化。（1）去应力退火（2）再结晶退火：去除冷作硬化，恢复塑性（3）均匀化退火：去除铸件内应力（4）淬火时效（5）淬火回火,2.2.4.4 热处理设备1.燃料炉：以重油、煤气、煤（或焦炭）等为燃料的加热炉2.电阻炉：以电阻体为加热器的电炉。1）空气炉：加热工件易氧化脱碳，已逐渐淘汰2)盐浴炉：以熔盐作为加热介质的电子炉。适合于小批量、多品种的产品零件淬火（特别是高速钢刀具高合金小模具）。盐浴炉分为：碱浴炉、硝盐炉、高速钢分级

40、盐浴炉、中温盐浴炉、高温盐浴炉等3)井式气体渗碳炉（碳氮共渗）、井式气体氮碳共渗炉,4)保护气氛加热电炉保护气氛装置：甲醇低温催化裂解装置、氨燃烧发生装置，广泛用于淬火、正火、化学热处理；保护气氛加热炉：为了满足各种零件淬火、回火需要有各式各样的设备，可以连续生产，劳动强度低，效率高质量好。具有广阔发展前途。5)真空炉：按用途分为：真空退火炉、真空淬火炉、真空回火炉、真空渗碳炉、真空钎焊炉、真空烧结炉等。是热处理的主要设备。6)全固态高频、中频、超音频感应加热电源,典型零件热处理应用举例(1)轴类零件(2)弹簧类零件(3)齿轮类零件(4)轴承类零件(5)模具类(6)工具类(7)铸铁、铸钢件(8

41、)有色金属,材料分类及选择常用金属材料分类 常用金属材料分为：钢、铸铁、有色金属等。1.钢：碳素钢、合金钢碳素钢：普通碳素结构钢 碳素结构钢（低碳钢、中碳钢）优质碳素结构钢 碳素工具钢（高碳钢）,（1）普通碳素结构钢:其冶炼容易、价廉，力学性能上能满足一般工程结构及普通机器零件的性能要求。一般不热处理，直接使用。通常一板材、带材及各种型材来供应。Q195、Q215、Q235塑性好，焊接性能高，强度较低，一般用于工程结构和受力不大的机器零件；Q255、Q275可用于制造受力中等的机器零件。,（2）优质碳素结构钢：主要用于制造机器零件，一般要用热处理提高力学性能。*45-Wc=45%0008、08

42、F、10、10F：韧性、塑性高,优良冷成型和焊接性能，常冷轧成薄板。15、20、25：韧性、塑性高,优良冷成型和焊接性能，适宜制作冷冲压件、焊接件以及小型渗碳件，如活塞销、样板30、35、40、45、50调质后具有优良的综合力学性能，如轴类件。50、55、65：经淬火中温回火有高弹性，常用作小载荷小尺寸弹簧。,（3）碳素工具钢,T7、T7A经淬火低温回火制造承受振动与冲击载荷要求高韧性的工具如凿子、锤子、木工工具等。T8、T8A 经热处理后制造承受振动与冲击载荷，要求足够韧性和较高硬度的各种工具如简单模子、冲头、剪金属剪子、木工工具、煤矿用凿等。,T10、T10A制造不受振动，在刃口有少许韧性

43、的工具如刨刀、冲模、丝锥、板牙等。T12、T12A制造不受振动、要求极高硬度的工具，如钻头、丝锥、锉刀、刮刀等。,合金结构钢：主要用于制造重要工程结构和机器零件，它是工业上应用最广泛、用量最多的钢种。,合金结构钢：主要用于制造重要工程结构和机器零件，它是工业上应用最广泛、用量最多的钢种。,（4）低合金结构钢,Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。14CrMnMoVB钢经调质处理后，强度高（屈服强度大于650），用于石化中温（低于6500）高压容器。,2.牌号:Q 345 C,(5)合金渗碳钢,1）对渗碳钢的性能要求:表硬里韧,2）对渗碳钢的含碳量的要求:低碳,3）

44、渗碳钢的热处理特点:,低淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量3%15Cr、20Cr、20Mn2。用 于受力小的耐磨件，如柴 油机的活塞销、凸轮轴等。,活塞销(20Cr),中淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在4%左 右。20 CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷 的耐磨件，如变速箱齿轮。,柴油机凸轮轴,高淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在 4%6%。18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。用于大载荷 的耐磨件，如柴油机曲轴。,柴油机曲轴,(6)合金调质钢,1）对调质钢的性能要求:,既强又韧,良好的综合力学性能,2）对调质钢的含碳量的要求:,中碳,3）调质钢的热处理特点:

45、,淬火+高温回火(500650),合金调质钢的牌号:,40Cr40Mn40MnB35CrMo38 Cr Mo Al A25Cr2Ni4WA,低淬透性调质钢,钢含合金元素总量3%。,40Cr、40MnB(硼)等。,中淬透性调质钢,钢含合金元素总量在4%左右。,38 CrSi、35 CrMo 等。,常用于制造截面尺寸较大的火车发动机曲轴、连杆等零件。,常用于制造截面尺寸较小或载荷较小的连杆、螺栓、机床主轴等零件。,高淬透性调质钢,钢含合金元素总量在4%10%。,制造大截面重载荷零件，如汽轮机主轴、航空发动机曲轴、连杆零件等。,38 Cr Mo Al A、40 Cr Mn Mo、25 Cr2 Ni4

46、 W A等。,（7）合金弹簧钢,1）对弹簧钢的性能要求:,2）对弹簧钢含碳量的要求:,中、高碳。,3）热成型弹簧钢的热处理特点:,淬火+中温回火(450550),高的e、高的s/b、高的-1、良好的韧性。,合金弹簧钢的牌号：,65、65 Mn、55 Si 2 Mn、60 Si 2 Mn、50 Cr V A、50 Cr Mn A、55 Si Mn Mo V Nb,65、65 Mn、60 Si 2 Mn、70Si 3 MnA制造截面小于25mm的各种螺旋弹簧、板弹簧等,50 Cr V A、50 Cr Mn A、55 Si Mn Mo V Nb、60 Si 2 MnBRe、65 Si 2 MnWA制

47、造截面小于等于30mm，并在350400高温工作的重载弹簧如阀门弹簧、内燃机气阀弹簧等,(8)滚动轴承钢(bearing steel),1）性能要求:,高的硬度强度和耐磨性;高的接触疲劳强度;足够的韧性和耐蚀性;高的纯净度;,2）化学成分特点:,高碳,Wc=0.91.1%。主加Cr,0.41.65%辅加Si、Mn。优质钢材。,3）热处理特点:,球化退火+淬火+低温回火,极细回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体,4）滚动轴承钢的牌号,G Cr9 Si Mn,5）铬轴承钢制造轴承的工艺路线,锻造 球化退火 机加工 淬火+冷处理(60 80;1h)低温回火 磨削加工 稳定化处理(120 130；

48、5 10h),性能要求:,高硬度、高耐磨性,足够的强度和韧性，对刃口或型腔温度高的工具还要有一定热稳定型或耐疲劳性。,（9）合金工具钢,9Mn2V、9CrSi、9Cr2、9CrWMn等高碳低合金工具钢，主要用于制作低速、中速切削刀具、中等负荷的冷成型模具及量具；5CrMnMo、5CrNiMo制作热锻模；3Cr2W8V制作高压力压模、铆钉或螺钉热压模、压铸模等；Cr12MoV钢制作冷切剪刀、圆锯、切边模、标准工具与量具等；高速钢：W18Cr4V、W6Mn5Cr4V2制作车刀、铣刀、刨刀、钻头等，还广泛应用于冷、热变形模具。（10）其它特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢等,(1)性能要求:,高硬度

49、、高耐磨性、高的红硬性(600时,HRC63以上)、有一定的强度和韧性。,高速钢-锋钢、风钢;18 4 1 钢,(2)化学成分特点:,高碳 0.71.5%:,钨 18%:,钼 5%:,铬 4%:,钒1.5%:,保证高硬度,退火状态下形成M6C碳化物,在560左右回火时,弥散析出W2C,造成二次硬化,提高钢的红硬性。,1%Mo的作用等同于2%W。,形成Cr23C6碳化物;提高钢的淬透性。,形成VC,硬度极高,提高钢的硬度和耐磨性,产生二次硬化。,(3)W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点,铸造:高速钢属于莱氏体钢,铸态组织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物M6C,钢的韧性大 幅下降。,锻造

50、:鱼骨状碳化物不能用热处理来消除,只能依 靠反复多次锻打来击碎。,球化退火:消除应力,调整组织,便于机加工,为淬火作好组织准备。,球化退火后的组织:S+粒状 Cm,淬火:1280;淬火后的组织:M+Cm+A残(2025%),三次570回火 在570回火时,产生二次硬化。,三次570回火,*淬火后A残约2025%。,*第一次回火后A残约剩1518%。,*第二次回火后A残约剩35%。,*第三次回火后A残约剩12%。,回火后的组织:M回+Cm+A残(1 2%),组织硬度为65HRC以上。,2.铸铁 铸铁是指一系列主要由铁、碳和硅组成的合金总称，与钢相比，虽然较低抗拉强度、塑性、韧性，但都具有优良的铸