金属工艺学基础知识

金属工艺学基础知识1.弹性变形：材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。一、两种基本变形FFF2.塑性变形:材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称为塑性变形。FFF在低碳钢拉伸曲线中，把F-Δl坐标换成σ-ε（应力—应变）就可以直接在图上读出力学性能指标，并且不需要做成标准试样。二、低碳钢的拉伸曲线强度材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。工程上常用的金属材料的强度指标有屈服强度(σs)和抗拉强度(σb)等.不同的金属材料拉伸曲线低碳钢铸铁典型塑性材料的拉伸曲线典型脆性材料1.布氏硬度原理：布氏硬度试验是指用一定直径的球体（钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验。三、硬度材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。最常用的硬度指标有：布氏硬度（HB)和洛氏硬度(HRA-C)。布氏硬度和洛氏硬度试验原理和使用范围均不相同；使用刚球压头时布氏硬度值用符号HBS表示；使用硬质合金压头时用符号HBW表示。在实际测试时，不必用公式计算，一般用读数显微镜测出压痕直径d，然后根据d大小查表，即可求出所测的硬度值。应用：测量比较软的材料。测量范围HBS450、HBW650的金属材料。优缺点：压痕大，测量准确，但不能测量成品件。原理2.洛氏硬度加初载荷加主载荷卸除主载荷读硬度值应用范围20~671500N120°金刚石圆锥体HRC25~1001000N1.588mm钢球HRB70~85600N120°金刚石圆锥体HRA常用洛氏硬度标度的试验范围四、铁及铁碳合金组织1.纯铁的晶体结构三种常见的金属的晶格类型：体心立方面心立方密排六方晶体中的原子排列2.金属的同素异构转变1538cº1394ºc912ºc室温δ-Feγ-Feα-Fe体心立方面心立方体心立方金属的同素异构转变的慨念金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。金属的同素异构转变的意义可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性能的目的。3.铁碳合金组织（1）.铁素体F：C→α－Fe中形成的固溶体。单相、层片状、体心立方晶格。（2）.奥氏体A：C→γ－Fe中形成的固溶体。单相、层片状、面心立方晶格。（3）.渗碳体K：Fe3C，硬度极高，塑形、韧性极低，伸长率和冲击韧度近于零。（4）.珠光体P：F＋Fe3C两相，机械混合物。0.77％C。强度高、硬度较高。（5）.莱氏体Ld、Ld′：两相机械混合物，含碳量：4.3％C。Ld＝A＋Fe3C727～1148℃。（高温莱氏体）Ld′＝P＋Fe3C20～727℃。（低温莱氏体）总结：硬度最高的是渗碳体，强度最好的是珠光体，高温下奥氏体塑性最好，常温下铁素体塑性最好，莱氏体硬度较高。组织名称组织特点碳最大溶解度力学性能奥氏体A碳溶于Υ-Fe中所形成的固溶体2.11％质软、塑性好δ＝40％～50％，σb=400～850MPa，HBW＝170～220铁素体F碳溶于α-Fe中所形成的固溶体0.0218％塑性和韧性较好δ＝30％～50％，σb=100～240MPa，HBW＝50～80渗碳体K具有复杂斜方结构间隙化合物6.69％塑性、韧性几乎为零，脆、硬，HBW＝800珠光体PWC=0.77％的奥氏体同时析出F与Fe3C的机械混合物δ=20％～25％，σb=600～800MPa，HBW＝170～230表一钢的成分、组织与性能的关系五、铁碳合金状态图分析渗碳体的熔点共晶点共析线共析点纯铁的熔点共晶线ACD线—液相线AECF线—固相线碳在奥氏体中的最大溶解度A3线Acm铁碳合金相图中主要特性点的含义特性点的符号温度t/℃含碳量wc%含义ACDEGPSQ1538114812271148912727727室温04.36.692.1100.020.770.0008纯铁的熔点共晶点渗碳体的熔点碳在奥氏体中的最大溶解度α-Teγ-Te同素异晶转变点碳在铁素体中的最大溶解度共析点碳在铁素体中的溶解度相图中主要线的含义ACD线—液相线是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。AECF线—固相线各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止线。ECF水平线—共晶线含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线时，在1148℃由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共晶反应。PSK水平线—共析线（A1线）含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此线时，在727℃同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应。GS线—（A3线）是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。ES线—称Acm线是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。典型合金结晶过程分析铁碳合金含碳量为2.11%—6.69%的铁碳合金。共晶生铁：含碳量为4.3%;亚共晶生铁：含碳量在2.11%—4.3%之间；过共晶生铁：含碳量在4.3%—6.69%之间；含碳量小于0.02%的铁碳合金。工业纯铁钢生铁含碳量为0.02%—2.11%的铁碳合金。根据金相组织的不同，可分为三种。共析钢：含碳量为0.77%;亚共析钢：含碳量在0.02%—0.77%之间；过共析钢：含碳量在0.77%—2.11%之间；铁碳合金状态图分析LL+AAA+Fe3CⅡF+AA+Fe3CⅡ+LdP+Fe3CⅡ+L'dP+Fe3CⅡPP+FLdL'dL+Fe3CLd+Fe3CL'd+Fe3CL'd＝P+Fe3CⅡ+Fe3C转变A—奥氏体P—珠光体F—铁素体共析钢和亚共析钢的结晶过程分析过共析钢结晶过程分析共晶生铁结晶过程分析L’d—变态莱氏体亚共晶、过共晶生铁结晶过程分析钢碳素钢碳素结构钢（0.38%C)优质碳素结构钢(0.2-0.7%C用途广)碳素工具钢(T8等)合金钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢不锈钢耐热钢耐磨钢其它量具钢模具钢刃具钢轴承钢弹簧钢调质钢渗碳钢低合金结构钢（1.5%C)16Mn、20Cr9Cr2、CrWMn2Cr13、1Cr18Ni9六、工业用钢分类、牌号、性能及其应用(非合金钢)根据炼钢时脱氧程度的不同，钢可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢三类。沸腾钢为脱氧不完全的钢。浇注时钢液在钢锭模内产生沸腾现象（气体逸出），钢锭凝固后，蜂窝气泡分布在钢锭中，在轧制过程中这种气泡空腔会被粘合起来。这类钢的特点是钢中含硅量很低，通常注成不带保温帽的上小下大的钢锭。优点是钢的收率高，生产成本低，表面质量和深冲性能好。缺点是钢的杂质多，成分偏析较大，所以性能不均匀。镇静钢为完全脱氧的钢。通常铸成上大下小带保温帽的锭型，浇注时钢液镇静不沸腾。由于锭模上部有保温帽（在钢液凝固时作补充钢液用），这节帽头在轧制开坯后需切除，故钢的收得率低，但组织致密，偏析小，质量均匀。优质钢和合金一般都是镇静钢。半镇静钢为脱氧较完全的钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，浇注时有沸腾现象，但较沸腾钢弱。这类钢具有沸腾钢和镇静钢的某些优点，在冶炼操作上较难掌握。碳素钢：含碳量1.4%,含碳量增加,强度和硬度增加,塑性和韧性下降.1)碳素结构钢:是s、p含量较高，C0.38%牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法四部分组成。其中质量等级分别用A、B、C、D表示。A的S、P量高，D的S、P量最低，且质量最好。第一节碳素钢2)、优质碳素结构钢——S、P含量较低，用于重要零件GB/T699—99规定：牌号用两位数字表示。其中两位数字表示含碳量万分之几。如：08F、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75。如:45钢是WC=0.45%20Mn、65Mn等称含锰量较高的优质碳素结构钢。3)、碳素工具钢——含碳量0.7％－1.3％GB/T1298—86规定：牌号用“碳”字汉语拼音字首“T”+数字表示。数字表示WC的千分之几。如：T7、T8、T9、T10、T10A、T12等。如T10钢WC=1%；T10A中的“A”表示为高级优质碳素工具钢。第二节低合金钢合金钢：碳钢中加入一种或几种合金元素常加合金元素:MnSiCrNiMoWVTiB(硼)稀土元素(Xt)等低合金钢:合金总含量较低(3%),含碳量也较低的合金结构钢.性能:较高的强度、塑性、韧性和耐蚀性，大多有良好的焊接性。应用很广泛。分类：1.可焊接低合金高强钢2.低合金耐候钢3.低合金钢筋钢4.铁道用低合金钢5.矿用低合金钢牌号同碳素结构钢第三节合金钢合金钢：碳钢中加入一种或几种合金元素常加合金元素:MnSiCrNiMoWVTiB(硼)稀土元素(Xt)等1）合金结构钢“数+元素符号+数”表示数—含碳万分之几,符号—合金元素,符号后面数表示含合金%,1.5%不标,=1.5%标2若为高级优质钢,后加A如:60Si2Mn0.6%C,2%Si1.5%Mn18Cr2Ni4WA0.18%C,2%Cr,4%Ni,1.5%W高级优质应用:工程结构件,机械零件主要包括:低合金钢,合金渗碳钢,合金调质钢,合金弹簧钢,滚动轴承钢等2）合金工具钢:数+元素符号+数与结构钢同数—一位数,含C千分之几,含C=1.0%不标如:9SiCr(板牙,丝锥)0.9%C1.5%Si1.5%CrCrWMn(长铰刀,丝锥,拉刀,精密丝杠)*高速钢含C1.0也不标W18Cr4V0.7~0.8%C,18%W,4%Cr,1.5%V应用:刃具,模具,量具等。高速钢HighSpeedSteels又名风钢或锋钢，意思是淬火时即使在空气中冷却也能硬化，并且很锋利。它是一种成分复杂的合金钢，含有钨、钼、铬、钒、钴等碳化物形成元素。合金元素总量达10～25%左右。它在高速切削产生高热情况下(约500℃)仍能保持高的硬度，HRC能在60以上。这就是高速钢最主要的特性——红硬性。而碳素工具钢经淬火和低温回火后，在室温下虽有很高的硬度，但当温度高于200℃时，硬度便急剧下降，在500℃硬度已降到与退火状态相似的程度，完全丧失了切削金属的能力，这就限制了碳素工具钢制作切削工具用。而高速钢由于红硬性好，弥补了碳素工具钢的致命缺点，可以用来制造切削工具。高速钢的热处理工艺较为复杂，必须经过退火、淬火、回火等一系列过程。退火的目的是消除应力，降低硬度，使显微组织均匀，便于淬火。退火温度一般为860～880℃。淬火时由于它的导热性差一般分两阶段进行。先在800～850℃预热(以免引起大的热应力)，然后迅速加热到淬火温度1190～1290℃（不同牌号实际使用时温度有区别），后油冷或空冷或充气体冷却。工厂均采用盐炉加热，现真空炉使用也相当广泛。淬火后因内部组织还保留一部分(约30%)残余奥氏体没有转变成马氏体，影响了高速钢的性能。为使残余奥氏体转变，进一步提高硬度和耐磨性，一般要进行2～3次回火，回火温度560℃，每次保温1小时。(1)生产制造方法：通常采用电炉生产，近来曾采用粉末冶金方法生产高速钢，使碳化物呈极细小的颗粒均匀地分布在基体上，提高了使用寿命。(2)用途：用于制造各种切削工具。如车刀、钴头、滚刀、机用锯条及要求高的模具等。3）特殊性能钢不锈钢:1Cr131Cr18Ni9Ti等耐热钢:1Cr132Cr13400℃工作耐磨钢:高锰钢水韧处理,冲击下工作,表面产生加工硬化.并有马氏体在滑移面形成,表面硬度达HB450~550,表面耐磨,心部为A（奥氏体）.水韧处理:钢加热到临界点以上(1000~1100℃)保温,碳化物全容于A,水冷,因冷速快,无法析出碳化物,成单一A组织.(由于锰的存在，使Ms与Mf下移到室温以下，故得到奥氏体)常用碳素结构钢钢板钢筋建筑构件螺钉铆钉钢桥梁常用优质碳素结构钢：螺栓齿轮曲轴弹簧常用碳素工具钢：锉刀量规钻头容器船舶车辆桥梁储气罐齿轮曲轴汽车万向节连杆常用不锈钢不锈钢船用螺旋桨不锈钢剪刀燃气轮机耐热钢拖拉机履带耐磨钢铁轨分道岔挖掘机斗齿耐磨钢小榔头锻造—预先热处理—切削加工—钳工—最终热处理。选45钢其工艺流程为：预