机制工艺学(热处理)

苏州工业园区职业技术学院机制工艺学主讲人：陈慧萍苏州工业园区职业技术学院一、课程性质数控专业的专业课二、课程目标学会编制一般产品零件的工艺规程三、考核方法20%+10%+70%苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院需要学习的知识点：热处理方法与原理；机械加工工艺过程；机床知识（车床）；机床夹具的知识；切削原理（切削参数、刀具知识等）；工艺规程的概念、作用及其制定步骤等；加工阶段划分与工序的安排；加工余量、切削用量及时间定额等的确定。苏州工业园区职业技术学院第一部分热处理知识一、金属材料的力学性能（一）静载时金属的力学性能拉伸试验图1低碳钢的应力－伸长率曲线单位长度上的伸长量0LL苏州工业园区职业技术学院1.弹性(Oe阶段）和刚度不产生永久变形的性能称为弹性，变形为弹性变形。刚度Oe的斜率,为弹性模量，工程材料称为刚度（金属材料最稳定的性能之一）苏州工业园区职业技术学院3.强度任一时刻的力除以试样原始横截面积之商——应力，工程材料称强度（材料抵抗塑性变形和断裂的能力）⑴屈服强度es段应力未增加，但变形仍在进行，这种现象称为“屈服”。不能恢复的残余变形叫塑性变形⑵抗拉强度金属材料在被拉断前所能承受的最大应力，称为抗拉强度。强度为设计依据mR苏州工业园区职业技术学院3.塑性金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力。%10000LLLAu%10000SSSZuA、Z数值越大，材料的塑性越好。苏州工业园区职业技术学院（二）硬度材料抵抗外物压入的能力称为硬度。1.布氏硬度（HB）图布氏硬度的测定布氏硬度的测定F/Sd，载荷除以压痕的表面积苏州工业园区职业技术学院布氏硬度法硬度值较稳定，但因压痕较大，不适于成品检验。常用于HB值小于450的材料符号HBS表示钢球压头测得的硬度值，符号HBW表示硬质合金压头测得的硬度值。苏州工业园区职业技术学院洛氏硬度的测定2.洛氏硬度（HR）图洛氏硬度的测定`从刻度盘直接读取洛氏硬度测试简单，且压痕小，可用于成品检验。但是重复性差。苏州工业园区职业技术学院（二）动载荷时金属的力学性能1.韧性一种是载荷以较高的速度作用于零件上，形成冲击，称为冲击载荷；另一种是载荷的大小或方向呈周期性或非周期性变化地作用于零件上，称为循环载荷。金属材料抵抗冲击载荷的能力称作韧性。冲击试验常用金属材料断裂前所吸收的冲击功与断口横截面积的比值作为韧性的指标，称为冲击韧度。苏州工业园区职业技术学院2.疲劳强度当应力低于某一值时，材料可经无数次应力循环而不发生疲劳断裂，这个应力值称为材料的疲劳极限或疲劳强度。改善其结构形状、减小应力集中、进行表面强化以及控制材料的内部质量等措施苏州工业园区职业技术学院高温长时间应力下工作的金属材料，即使所加应力小于该温度下的屈服强度，也会产生明显的塑性变形直至发生断裂，这种现象称为金属材料的蠕变。（三）高温下金属材料的机械性能以上性能外，金属材料还具有一定的物理性能、较好的化学稳定性以及优良的工艺性能苏州工业园区职业技术学院固态物质按其原子（或分子）的聚集状态不同分为晶体与非晶体。非晶体的原子是无规则杂乱地堆积的，没有固定的熔点，各向同性。晶体的原子是按一定的几何形状作有规律的排列，有固定的熔点，各向异性。钢和铸铁等固态金属一般都是晶体。1.晶体与非晶体2.常见的金属晶格类型用于描述原子在晶体中规律排列方式的空间格子称为晶格。晶格中直线的交点称为结点。晶格中能代表原子排列规律的基本几何单元称为晶胞。纯铁的晶格类型：体心立方晶格、面心立方晶格二、铁碳合金（一）纯铁的晶体结构苏州工业园区职业技术学院晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和立方体中心各有一个原子。⑴体心立方晶格：3.纯铁的晶格苏州工业园区职业技术学院晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面中心各有一个原子。⑵面心立方晶格：苏州工业园区职业技术学院在固态下，随温度的变化，其晶格类型会发生转变，这种现象称为金属的同素异晶转变。纯铁的同素异晶转变可用下式表示：（二）纯铁的同素异晶转变苏州工业园区职业技术学院金属的同素异晶转变是通过原子的重新排列来完成的，实质上是一个重结晶过程。有一定的转变温度；转变时需要过冷；有潜热释放；转变过程也是通过形核和晶核长大来完成的。苏州工业园区职业技术学院合金就是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。（三）铁碳合金的基本组织合金中凡是结构、成分和性能相同并且与其它部分有界面分开的均匀组成部分称为相。组织是指用肉眼或借助显微镜能观察到的具有某种形态特征的合金组成物。其实质是一种或多种相按一定的方式相互结合所构成的整体的总称。它直接决定合金的性能。苏州工业园区职业技术学院铁素体是碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格。碳在α-Fe中的溶解度很小，727℃时0.0218%；室温时为0.0008%,几乎为零。其强度和硬度很低，塑性、韧性好。显微组织是明亮的多边形晶粒。1、铁素体（F或α）2、奥氏体（A或γ）奥氏体是碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格。碳在γ-Fe中的溶碳量较高，1148℃时2.11%；727℃时为0.77%。其强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性也好。其晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直。苏州工业园区职业技术学院渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，碳含量是6.69％，具有复杂的晶体结构。其硬度很高，塑性和韧性很差，δ、Ak接近于零，脆性很大。3、渗碳体（Fe3C）4、珠光体（P）珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。是奥氏体冷却时，在727℃恒温下发生共析转变的产物。显微组织是铁素体与渗碳体片层状交替排列。性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。5、莱氏体（Ld或Ld'）莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。是在1148℃恒温下发生共晶转变的产物，平均碳含量4.3%。苏州工业园区职业技术学院（四）铁碳合金状态图苏州工业园区职业技术学院1、主要特性点1）A点纯铁的熔点，温度1538℃,Wc=02）G点纯铁的同素异晶转变点，冷却到912℃时,发生γ-F→α-Fe3）Q点600℃时,碳在α-Fe中的溶解度,Wc=0.0057%4）D点渗碳体熔点,温度1227℃,Wc=6.69%苏州工业园区职业技术学院5）C点共晶点，温度1148℃，Wc=4.3%成分为C的液相，冷却到此温度时，发生共晶反应：Lc→Ld（AE+Fe3C）6）E点碳在γ-Fe中的最大溶解度,温度1148℃，Wc=2.11%7）S点共析点，温度727℃，Wc=0.77%成分为S点的奥氏体，冷却到此温度时，发生共析反应：As→P（Fp+Fe3C）8）P点碳在α-Fe中的最大溶解度,温度727℃，Wc=0.0218%苏州工业园区职业技术学院2、特性线1）ACD线液相线，由各成分合金开始结晶温度点所组成的线，铁碳合金在此线以上处于液相。2）AECF线固相线，由各成分合金结晶结束温度点所组成的线。在此线以下，合金完成结晶，全部变为固体状态。3）ECF水平线共晶线，Wc＞2.11%的铁碳合金，缓冷至该线（1148℃）时，均发生共晶转变，生成莱氏体。苏州工业园区职业技术学院4）ES线碳在奥氏体中的溶解度曲线，通常称为Acm线。碳在奥氏体中最大溶解度是E点（wC＝2.11％），随着温度的降低，碳在奥氏体中的溶解度减小，将由奥氏体中析出二次渗碳体Fe3CⅡ。5）GS线奥氏体冷却时开始向铁素体转变的温度线，通常称为A3线。6）PSK水平线共析线，通常称为A1线。奥氏体冷却到共析线温度（727℃）时，将发生共析转变生成珠光体（P），wC＞0.0218%的铁碳合金均会发生共析转变。苏州工业园区职业技术学院7）GP线0＜Wc＜0.0218%的铁碳合金，缓冷时，由奥氏体中析出铁素体的终了线。8）PQ线碳在铁素体中的溶解度曲线。在727℃时，Wc=0.0218%，溶碳量最大，在600℃时，Wc=0.0057%。在727℃缓冷时，铁素体随着温度降低，溶碳量减少，铁素体中多余的碳将以渗碳体（三次渗碳体Fe3CⅢ）的形式析出。一般情况下，忽略Fe3CⅢ的存在。以上各特性线的含义，均是指合金缓慢冷却过程中的相变。若是加热过程，则相反。苏州工业园区职业技术学院4、铁碳合金的分类苏州工业园区职业技术学院改善钢的质量；提高钢的强度和硬度；减轻硫的危害；是有益元素，一般WMn＝0.25%～0.80%。1、锰的影响2、硅的影响消除FeO对钢的不良影响；产生固溶强化；是钢中有益元素，一般Wsi＜0.4%。（五）杂质元素的影响苏州工业园区职业技术学院使钢的强度、硬度增加，但塑性和韧性显著降低；使钢低温时脆性严重（冷脆）；是有害元素，应严格控制磷含量。3、磷的影响4、硫的影响与铁形成化合物FeS，使钢变脆（热脆）；是钢中有害元素，应严格控制硫含量。苏州工业园区职业技术学院分为低碳钢(Wc＜0.25%)、中碳钢(0.25≤Wc≤0.60%)和高碳钢(Wc＞0.60%)。1、按含碳量分类2、按质量分类1）普通质量碳钢（Ws＞0.045%、Wp＞0.045%）不需要特别控制质量的钢种，包括一般碳素结构钢、碳素钢筋钢、铁道用一般碳素钢等。2）优质碳钢需要特别严格控制质量的碳钢。主要包括：机械结构用优质碳钢、工程结构用优质碳钢、冲压薄板的低碳结构钢、锅炉和压力容器用碳钢、优质铸造碳钢等。（六）碳钢的分类苏州工业园区职业技术学院3、按用途分类1）碳素结构钢主要用于制造各种工程构件和机器零件。一般属于低碳钢和中碳钢。2）碳素工具钢主要用于制造各种刃具、量具、模具等。一般属于高碳钢。此外，钢按冶炼时脱氧方法不同，分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢等苏州工业园区职业技术学院1、碳素结构钢牌号：由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四部分顺序组成。质量等级有：A表示Ws≤0.050%、Wp≤0.045%；B表示Ws≤0.045%、Wp≤0.045%；C表示Ws≤0.040%、Wp≤0.040%；D表示Ws≤0.035%、Wp≤0.035%。脱氧方法有F（沸腾钢）、b（半镇静钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）四种，通常Z和TZ可省略。例：Q235－AF。（七）碳钢的牌号和应用苏州工业园区职业技术学院2、优质碳素结构钢牌号：用两位数字表示钢平均含碳量的万分数。例：45钢。又分为普通含锰量（WMn≤0.7%）和较高含锰量（WMn=0.7%～1.2%）两类。含锰量较高的钢在两位数字后面加“Mn”字。例：65Mn钢。脱氧方法表示法同碳素结构钢。高级优质钢，加“A”；特级优质钢，加“E”。苏州工业园区职业技术学院3、碳素工具钢牌号：用“碳”的汉语拼音字首“T”加数字（钢的平均Wc的千分数）表示。例：T12。碳素工具钢含碳量高，硫、磷杂质含量较少，一般经淬火，低温回火后硬度比较高，耐磨性好，但塑性较低。主要用于要求不很高的刃具、量具和模具。苏州工业园区职业技术学院4、铸钢牌号：用“ZG”表示。牌号有两种表示方法：以强度表示时,在“ZG”后面有两组数字，第一组数字表示该牌号屈服点的最低值，第二组数字表示其抗拉强度的最低值，两组数字间用“－”隔开。例：ZG230－450。以化学成分表示铸钢牌号时，在“ZG”后面的数字表示铸钢平均碳含量的万分数。平均碳含量＞1％时不标出,平均碳含量＜0.1％时,其第一位数字为“0”。在含碳量后面排列各主要合金元素符号,每个元素符号后面用整数标出含量的百分数。例：ZG15Cr1MolV。苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院钢的热处理是采用适当的方式对固态钢进行加热、保温和冷却，使钢的内部组织改变，以获得所需性能的工艺方法。热处理的目的是改变金属材料的组织和性能，而不是改变形状和尺寸。（八）钢的热处理苏州工业园区职业技术学院退火就是将工件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火主要用于铸、锻、焊毛坯或半成品零件。退火的目的：降低钢的硬度，提高塑性，改善其切削加工性能；均匀钢的成分，细化晶粒，改善组织与性能；消除工件的内应力，防