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模具材料與熱處理金屬材料基礎知識材料熱處理基礎知識熱處理設備介紹表面及化學處理模具失效案例分析材料硬度標準化半導體材料熱處理內容綱要第一篇金屬材料基礎知識介紹篇•磁性能•電性能•熱性能•膨脹性•彈性•外觀1、金屬材料性能1.5•耐腐蝕•抗變色•抗時效物理性能化學性能•鑄造性能•鍛壓性能•熱處理性能•焊接性•切削加工性金屬材料性能•磨損•腐蝕•故障•斷裂•過量變形加工性能使用性能機械性能•強度(抗拉,屈服),塑性,硬度•衝擊韌性•疲勞強度材料力學性能解析工程構件在使用過程中最主要的功能是傳遞各種力和能，因此在設計﹑選材和工藝評定時，工程上最關心的是材料在外在作用時所表現出來的行為﹐即材料的力學性能。材料在加工及使用過程中所受的外力又稱載荷。按照載荷作用性質的不同﹐將其分為三種基本類型﹕靜載荷是指大小不變或變化極其緩慢的載荷﹔沖擊載荷是指以很高的速度突然增加的載荷﹔疲勞（循环）載荷是指大小﹑方向隨時間作周期性變化的載荷。l0-原标距长度；d0-试样原始直径；l1-拉断后标距离长度；d1-拉断后的直径。标准圆形拉伸试样機械性質拉伸壓縮疲勞潛變磨耗衝擊彎曲硬度拉伸斷裂疲勞斷裂潛變斷裂脆化斷裂材料力學性能機械性能指標化學成份+冷加工狀態+熱處理金屬材料機械性能材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力稱為強度。強度的大小通常用應力表示。材料受外力作用時﹐其內部所產生的與外力相對抗的力工程上稱為內力。材料單位截面積上的內力即為應力﹐用符號σ表示。強度特性的指標主要的彈性極限﹑屈服點和抗拉強度。材料機械性能-強度低碳钢的应力应变曲线材料試驗機彈性極限σe是材料產生完全彈性變形時所能承受的最大應力值。即Fs--試樣產生完全變形的最大試驗力；A0--試樣的原始截面積。由于彈性極限表征了金屬材料在不產生塑性變形時所能承受的最大應力值﹐故它是工作中不許有微量變形零件設計與選材的重要依據。彈性极限屈服极限低碳鋼拉伸曲線在S點產生波動﹐即表明在試驗力不增加情況下﹐試樣卻繼續伸長。似乎材料已經失去抵抗外力的能力而屈服了﹐故稱這一現象為屈服。我們把材料開始產生屈服現象時所對應的最小應力值稱為屈服點﹐用符號σS表示﹕FS--試樣屈服時的試驗力；A0--試樣的原始橫截面積。屈服點表征了材料抵抗微量塑性變形的能力。絕大多數機器零件在工作中都不允許產生塑性變形﹐因此屈服點是設計和選材的重要依據。σs=FSA0材料在斷裂前所能承受的最大應力值稱為抗拉強度。用符號σb表示﹕σb=FbA0Fb—試樣所能承受的最大試驗力﹔A0—試樣原始橫截面積。抗拉強度的物理意義在于它反映了材料最大均勻變形的抗力﹐表征了材料在拉伸條件下單位截面積上所能承受的最大載荷。顯然機器零件工作時﹐所能承受拉應力不允許超過σb﹐否則就會產生斷裂。所以它也是機械設計和選材的主要依據。抗拉強度塑性是材料在外力作用下產生塑性變形而不破壞的能力評定﹐材料塑性的指標是伸長率和斷面收縮率。伸長率是指試樣在拉伸斷列后標距長度的增量與顯示原標距長度之比值的百分率﹐稱為伸長率﹐以符號δ表示﹕l1_l0δ=l0l0—試樣原標距長度﹔l1—試樣斷裂后的標距長度。斷面收縮率是指試樣拉斷處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積之比值的百分率﹐用符號ψ表示，ψ可按下式計算﹕A0—試樣的原始橫截面積;A1–-試樣斷裂處的最小橫截面積.A0-A1A0Ψ=塑性衝擊韌性以很大速度作用于零件上的載荷稱為沖擊載荷。許多零件和工具在工作時會受到沖擊載荷的作用。工程實踐証明﹐瞬時高速加載的沖擊力作用使材料應力分布與變形極不均勻。通常表现﹕隨著加載速度增加﹐材料塑性下降﹐脆性增加。材料抵抗沖擊載荷作用而不被破壞的能力稱為沖擊韌度。疲勞概念承受交變應力的零件，在工作應力小於其屈服點的情況下發生斷裂﹐這种現象稱為疲勞斷裂。交變應力是指機械零件工作時受到大小、方向隨時間作周期性變化的交變應力作用。材料經受相當循環次數不發生斷裂的最大應力稱為疲勞強度。硬度即指材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或划痕的能力，它是各種零件和工具必須具備的性能指標之一，也是熱處理主要的質量檢驗標準。(1).檢測方法:就是用一定幾何形狀的壓頭，在一定載荷下，壓入被測金屬材料表面，根據被壓入程度來測定其硬度值。(2).表示方法:壓入硬度測定法(如佈氏硬度、洛氏硬度等);回跳硬度測定法(如肖氏硬度、里氏硬度)等，而在現場生產中常用的是壓入硬度測定法，即佈氏硬度、洛氏硬度等。硬度A.布氏硬度(HB):它是用一定直徑的球體(淬硬鋼球或硬質合金球)，以相應的試驗力壓入被測鋼料表面，經規定保持時間后卸除試驗力，用測量表面壓痕直徑來計算硬度的一種壓痕硬度方法。B.洛氏硬度(HRC):洛氏硬度值是用洛氏硬度相應標尺刻度滿量程(100)與殘余壓痕深度增量之差計算硬度值，HR值可直接從表盤顯示數字中得出。常用洛氏硬度及適用範圍2、金屬的晶體結構及結晶晶體是指原子(或分子)按一定幾何形狀有規律地排列的固態物質。屬晶體的物質的有食鹽、天然金鋼石、鐵等，所有的固體金屬和合金都是晶體。晶體內部原子是有規則秩序地排列的。為了便於分析和描述金屬晶體中原子的排列情況，示意地將原子看成一個小球，(圖A是晶體中原子在空間作有規則排列的簡單模型)。用假想的線條將各原子的中心連結起來，這樣就得到一個抽象化了的空間格架(圖B)。這種用於描述原子在晶體排列形式的空間格架稱為結晶格子，簡稱晶格。晶胞就是在晶體中取出一個能完全代表晶體中原子排列特征的几何單位(圖C)。晶胞晶格原子堆垛模型體心立方晶格的晶胞是一個立方體﹐原子分佈於立方體的各個結點和中心處。屬於此晶格類型的金屬有鉻(Cr)、釩(V)、鉬(Mo)、(α-Fe)等。常見金屬的晶格類型(1)常見金屬的晶格類型(2)面心立方晶格的晶胞也是一個立方體﹐原子分布在立方體的各個結點和六個晶面的中心處。其中有鋁(Al)﹑銅(Cu)﹑金(Au)﹑銀(Ag)及(γ-Fe)等。常見金屬的晶格類型(3)密排六方晶格的晶胞是在正六方柱體的十二個結點和上﹑下兩底面中心處各排列一個原子，另外還有三個原子排列在柱體的中間，有镁（Mg）、铍（Be）、锌（Zn）等。實際金屬的晶體結構金屬的多晶體結構工業金屬其內部包含了許多顆粒狀的小晶體，這些外形不規則的小晶體稱為晶粒，由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。单晶体多晶体晶粒晶界實際金屬的晶體缺陷---點缺陷金屬晶體中的某些局部區域由於結晶條件或諸方面的影響，使原子的規則排列受影響，從而存在著各種各樣的晶體缺陷。金屬缺陷對性能和組織轉變均有很大的影響，根據晶體形態特殊，可分為以下三類：点缺陷、线缺陷、面缺陷。晶格的某些結構有時未被原子所占领﹐這种空着的位置稱為空位。在空位和間隙原子附近﹐由於原子间作用力的平衡被破壞﹐使其周圍的原子造成的畸變體積很小﹐故稱為點缺陷。间隙原子空位空位和間隙原子線缺陷---位錯晶體中某處有一列或若干列原子發生有規律的錯排現象稱為位錯。平面图立体图面缺陷---晶界與亞晶界晶界﹑亞晶界都是曲面形狀的缺陷﹐厚度很小﹐故稱為面缺陷。晶界的过度结构示意图亚晶界的结构示意图3、Fe-Fe3C平衡相圖及組織介紹AcmAc3Ac1碳溶于αFe中的間隙固溶體，稱為鐵素體。用符號“F”表示。由於碳和鐵的原子直徑和晶格類型等存在著很大差異，所以當它們以固溶體形式存在時，只能是間隙固溶體，并且其固溶度是有限的。由於鐵素體的晶格類型是體心立主，處於立方體中心的原子使立方體的空隙分散，不利於碳原子的溶入。因此鐵素體所能溶入碳的數量很少，其最大固溶度為含0.0218%(727℃)。室溫時鐵素體中碳的固溶度只有0.0008%。鐵碳合金的基本組織-鐵素體碳溶于γFe中的間隙固溶體，稱為奧氏體。用符號“A”表示。奧氏體的最大固溶度為含碳2.11%(1148℃)。奧氏體是鐵碳合金的高溫組織，在平衡條件下，它的最低存在溫度是727℃。在該溫度下奧氏體的成份是一固定值:含碳0.77%。鐵碳合金的基本組織-奧氏體滲碳體是鐵和碳形成的間隙化合物。用符號“Fe3C”表示。它的含碳量為6.69%，是一個固定值。滲碳體具有復雜的晶體結構，很硬、很脆、幾乎沒有塑性，它是鐵碳合金中的強化相。因此滲碳體的形態、大小、多少及分佈對鐵碳合金的性能有直接影響。通過不同的熱處理方法，可以改變滲碳體在鐵碳合金中的形態、大小、多少及分佈，從而改變材料的性能。鐵碳合金的基本組織-滲碳體珠光體是鐵素體和滲碳體的機械混合物。用符號“P”表示。珠光體是平衡條件下含碳量為0.77%的奧氏體在727℃進行共析轉變的產物，當珠光體中鐵素體和滲碳體是片層相間的形態時，稱片狀珠光體。經過一定的熱處理，可以得到鐵素體基體分佈著顆粒狀的滲碳體，稱為粒狀珠光體。鐵碳合金的基本組織-珠光體萊氏體是奧氏體與滲碳體的機械混合物，即碳的質量分數(含碳量)為4.3%的液態鐵碳合金。在727℃以上是奧氏體和滲碳體的機械混合物，稱為高溫萊氏體，用“Ld”表示;低於727℃則是珠光體和滲碳體的機械混合物，稱為低溫萊氏體，用“L`d”表示。鐵碳合金的基本組織-萊氏體4、鋼材分類、性能及公司常用材料4.1.材料分類低合金鋼高合金鋼鋼鐵鑄鐵鐵系合金銅合金超合金貴金屬耐火金屬鋁合金鎂合金鈦合金輕金屬非鐵系合金金屬合金鑄鐵:2.0wt%碳.0.06wt%~2.0wt%碳金屬塑膠陶瓷玻璃複合材料公司常用金屬材料:鋼材、銅材、鋁合金、鎂合金、鈦合金、五金零件、模具材料等;4.2、鋼材分類1.按用途分類:(1).結構鋼:A.工程構件用鋼;B.機器零件用鋼:B-1.調質鋼;B-2.彈簧鋼;B-3.滲碳、氮化鋼;B-4.滾動軸承鋼。(2).工具鋼:A.刃具鋼;B.量具鋼;C.模具鋼:C-1.冷作模具鋼;C-2.熱作模具鋼;(3).特殊性能鋼:A.耐蝕鋼;B.耐熱鋼;C.耐磨鋼;2.按鋼的化學成份分類:(1).碳素鋼;(2).合金鋼:A.低合金鋼(合金元素≦5%);B.中合金鋼(合金元素5~10%);C.高合金鋼(合金元素≧10%)D.其它如錳鋼、鉻鋼等。3.按碳含量分類:(1).低碳鋼(C≦0.25%);(2).中碳鋼(C≦0.25~0.6%);(3).高碳鋼(C≧0.6%)。根據模具鋼的工作條件可以將它分為兩大類，即使金屬在冷狀態下變形的冷作模具鋼和使金屬在熱狀態下變形的熱作模具鋼。一、冷作模具鋼:這類模具在工作過程中，刃口受到強烈的摩擦和擠壓作用，有此模具還受到較大的衝擊力，因此冷作模具鋼應具備如下基本性能:1.高的硬度和耐磨性。2.高的強度和足夠的韌性。3.良好的工藝性能。4.3、模具鋼及其性能熱作模具是用來使熱態金屬或液態金屬獲得所需形狀的模具，這种模具往往反復的激冷激熱，容易形成熱疲勞裂紋(龜裂)，因此，對熱鍛模鋼的基本性能要求是:1.一定的硬度和足夠的耐磨性。2.在高溫下保持高強度和良好的衝擊韌性。3.高的淬透性，使模具整體得到均勻的機械性能。4.良好的導熱性。5.優良的耐熱疲勞性。6.良好的工藝性能和抗氧化能力。熱作模具鋼性能特點壓鑄模是在高壓下熔融金屬壓鑄成形的模具。由於模具反复與液態金屬接觸，其受熱程度比熱鍛模要高，故壓鑄模表面易產生熱疲勞裂紋。此外，還受金屬液流的衝擊和腐蝕作用。因此對壓鑄模鋼提出以下性能要求。1.高淬透性。2.高的導熱性。3.良好的高溫機械性能。4.優良的耐熱疲勞性。5.較好的耐腐蝕和抗氧化性，以及良好工藝性能。返回壓鑄模具性能特點5、各類鋼材使用性能特點一﹑調質鋼一﹑調質鋼的基本性能要求:1.良好的綜合機械性能:綜合機械性能是指強度與韌性的配合，即滿足韌性的情況下，爭取盡可能高的強度。2.足夠的淬透性:才能保證零件獲得回火索氏體組織，具有良好的綜合機械性能。3.良好的工藝性能，價格便宜。二﹑化學成分特點:1.含碳量0.25~0.50%;2.合金元素:(1).提高淬透性:主加元素有Mn1~2%，Cr1~2%，其它有Ni、Mo;(2).提高回火穩定性:V、W、Mo、Cr;(3).細化奧氏體晶粒:V、Ti;(4).抑制第二類回火脆性:Mo、W。42三﹑常用調質鋼的分類:1.低淬透性調質鋼:油