金属材料与热处理基本知识

金属材料与热处理基本知识一、铁碳合金的基本组织1、铁素体碳在α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，用F表示。强度和硬度很低，塑韧性好。2、奥氏体碳在γ-Fe中的间隙固溶体称为奥氏体，用A表示。塑性好，在锻造、轧制时常要加热到A区域，易于加工。3、渗碳体铁与碳形成的金属化合物称为渗碳体，用Fe3C表示。硬度高，脆性大。4、珠光体F与Fe3C混合物,用P表示。强、韧性介于两者之间。5、莱氏体A与Fe3C混合物（P+Fe3C）用Ld表示。硬度高，塑性差。二、铁碳合金状态图1、状态图主要点、线特性点温度℃含义A1538纯铁熔点C1147共晶点D1227渗碳体熔点E1147C在γ-Fe中最大溶解度G910纯铁的同素异晶转变点P727C在α-Fe中最大溶解度S727共析点Q室温室温时C在α-Fe中最大溶解度ABCD线：液相线，液相冷却至此开始析出，加热至此全部转化。AHJECF线：固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，加热至此开始转化GS线：A3线，A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入AES线：Acm线，C在A中溶解度曲线，Fe3CⅡ析出线加热时Fe3CⅡ全部溶入AECF线：共晶线，含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物，莱氏体。PSK线：共析线（A1线），含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反应，产生出珠光体GP线—铁素体析出终了线PQ线—Fe3CⅢ析出线2、典型铁碳合金的结晶过程（1）、60钢1点以上L→1～2点L+A→2～3点A→3～4点A+F→4点室温P+F(2)、T7钢1点以上L→1～2点L+A→2～3点A→3点室温P(3)、T12钢1点以上L→1～2点L+A→2～3点A→3～4点A+Fe3CⅡ→4点室温P+Fe3CⅡ3、铁碳合金分类钢是含C量0.0218～2.11%的铁碳合金。亚共析钢含C量0.0218-0.77%；共析钢：含C量0.77%；过共析钢含C量0.77-2.11%4、铁碳合金相图的应用铸造方面：选择合适的浇铸温度，流动性好。煅造方面：选择合适的温度区，奥氏体区。热处理方面：退火、正火、淬火、回火等。三、钢的热处理1、钢在加热或冷却时的组织转变Fe--Fe3C相图中的A1，A3，Acm线是反映不同含碳量的钢在缓慢加热和冷却时的相变温度。实际生产中，加热和冷却速度不可能很慢，总有过冷和过热现象。加热和冷却速度越大，相变温度偏离平衡点的程度也越大，即过冷度和过热度越大。通常用Ac1，Ac3和Accm表示加热时偏离后的相变温度；用Ar1，Ar3和Arcm表示冷却时偏离后的相变温度。大多数热处理工艺都是将钢加热至相变温度以上，使其室温组织转变为均匀奥氏体，即“奥氏体化”。2、热处理常用术语（1）退火：把钢加热到一定温度，保温一段时间，随后在炉中缓慢冷却。目的：调整钢的硬度消除内应力（2）正火：将钢加热到Ac3或Accm以上30-50℃，适当保温后，从炉中取出在静止的空气中冷却至室温。目的：①降低钢的硬度，改善切削加工性。②提高钢的塑韧性，便于成形加工。③细化晶粒。④也可用作最终热处理。（3）淬火：是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织。（4）回火：将淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度，保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的热处理。根据不同的要求可采用低温回火、中温回火或高温回火。通常随着回火温度的升高，硬度和强度降低，延性或韧性逐渐增高。回火的作用：①提高组织稳定性，使工件在使用过程中不再发生组织转变。②消除内应力，以便改善工件的使用性能并稳定工件几何尺寸。③调整钢铁的力学性能以满足使用要求。（5）马氏体（M）:C在α-Fe中的过饱和固溶体。高强度，高硬度和耐磨性（6）贝氏体(B):含饱和碳的F和碳化物组成的混合物。上贝氏体，下贝氏体（高强韧）（7）淬火+高温回火称为调质处理（回火索氏体S）四、金属材料的力学性能力学性能是指金属材料在受外力作用时所反映出来的性能。主要有：强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。1、屈服点当载荷增达到Fs时，拉伸曲线出现了平台，即试样所承受的载荷几乎不变，但产生了不断增加的塑性变形，这种现象称为屈服。用ós表示。2、抗拉强度抗拉强度是金属材料断裂前所承受的最大应力，故又称强度极限。常用ób来表示。屈服强度和抗拉强度在设计机械和选择、评定金属材料时有重要意义，因为金属材料不能在超过其ós的条件下工作，否则会引起机件的塑性变形；金属材料也不能超过其ób的条件下工作，否则会导致机件的破坏。3、塑性金属材料的塑性通常用伸长率和断面收缩率来表示。(1)伸长率δδ=（L1-L0）/L0×100%式中：L0—试样原标距的长度（mm）L1—试样拉断后的标距长度（mm）(2)断面收缩率Ψ断面收缩率是指试样拉断后断面处横截面积的相对收缩值。Ψ=（A0-A1）/A0×100%式中：A0—试样的原始截面积（mm2）A1—试样断面处的最小截面积（mm2）δ和Ψ愈大，则塑性愈好。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。4、硬度金属表面一个小体积内抵抗其它硬物体压入其内的能力，叫硬度。金属材料的硬度可用专门仪器来测试，常用的有布氏硬度、洛氏硬度等。（1）布氏硬度（HB）计算压痕球形表面积上承受的平均压力，叫布氏硬度。(2)洛氏硬度（HRC）测量金刚石圆锥压痕深度，叫洛氏硬度。Ⅱ五、钢的分类1、碳钢（1）普通碳素结构钢Q235，钢板，角钢等（2）优质碳素结构钢10、20、45含碳量低：钢板、容器、螺钉、螺母含碳量中：齿轮、轴含碳量高：弹簧、钢丝绳2、碳素工具钢T7、T12高硬度和耐磨性，制造刀具、量具、模具3、合金结构钢：(1)调质钢40Cr42CrMo轴、汽车前桥(2)渗碳钢20CrMnTi20Cr20CrMo齿轮4、弹簧钢60Si2Mn汽车板簧5、轴承钢GCr15轴承内外套、滚珠、滚柱、滚针六、20CrMnTi端淬操作注意事项1、确保正火、淬火加热温度和保温时间的准确。2、淬火前调整好水柱的自由喷水高度并盖好喷水孔。3、快速将端淬样从炉中取出放在端淬架上，然后迅速打开盖并喷水冷却15分钟以上。