21金属材料导论-课件.ppt

1、冷冲模结构零件的选材熟悉纯铁、鉄碳合金的结晶；熟悉纯铁、鉄碳合金的结晶；了解铁碳合金的相结构；了解铁碳合金的相结构；熟悉铁碳合金的相图及分类；熟悉铁碳合金的相图及分类；了解铁碳合金平衡组织的性能；了解铁碳合金平衡组织的性能；冷冲模的结构卸料板卸料板下模座下模座凸模固凸模固定板定板上模座上模座典型结构零件的选材 选材的一般种类选材的一般种类 45 Q235 HT250 铁碳合金铁铁(ferrite)渗碳体渗碳体(Cementite)铁碳合金的基本组织1.铁素体铁素体(F)(Ferrite)碳溶于碳溶于Fe中中形成的间隙固形成的间隙固溶体。溶体。铁碳合金的基本组织2.奥氏体奥氏体 (A)-Aust

2、enite 碳溶碳溶于于-Fe中形成中形成的间隙固溶的间隙固溶体。体。铁碳合金的基本组织3.渗碳体渗碳体 (Fe3C)-Cementite 铁与碳铁与碳形成的金属形成的金属化合物。化合物。铁碳合金的基本组织4.珠光体珠光体 (P)-Pearite 铁素体和渗碳体组成的机械混合物。铁素体和渗碳体组成的机械混合物。铁碳合金的基本组织5.莱氏体莱氏体 (Ld)-Ledeburite 奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。铁碳合金相图Fe Fe3C TACDEFGSPQ1148727LAL+A4.3%C2.11%CLdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FP0.77%CLd

3、K(P+Fe3C)P+Ld+Fe3CLd+Fe3CP+FP+Fe3C(F+Fe3C)A+Fe3CL+Fe3C(A+Fe3C)0.0218%C6.69%C铁碳合金相图五个五个重要的成份点重要的成份点:P、S、E、C、K。四条重要的线四条重要的线:EF、ES、GS、FK。三个重要转变三个重要转变:包晶转变反应式、共晶包晶转变反应式、共晶 转变反应式、共析转变反应式。转变反应式、共析转变反应式。二个重要温度二个重要温度:1148 、727 。纯铁的特性-Fe-Fe-Fe 固态下，一种元固态下，一种元素的晶体结构随温度素的晶体结构随温度发生变化的现象发生变化的现象 同素异构转同素异构转变变 共析钢共析

4、钢(Wc=0.77%)亚共析钢亚共析钢 (Wc=0.45%)过共析钢过共析钢 (Wc=1.2%)共晶白口铁共晶白口铁 (Wc=4.3%)亚共晶白口铁亚共晶白口铁 (Wc=3.0%)过共晶白口铁过共晶白口铁 (Wc=5.0%)碳的质量分数对铁碳碳的质量分数对铁碳 合金组织、性能的影响合金组织、性能的影响对平衡组织的影响对平衡组织的影响对力学性能的影响对力学性能的影响对工艺性能的影响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平衡组织的影响碳的质量碳的质量分数对力分数对力学性能的学性能的影响影响碳的质量分数对工艺性能的影响碳的质量分数对工艺性能的影响对铸造性能的影响对铸造性能的影响对

5、锻造性能的影响对锻造性能的影响对焊接性能的影响对焊接性能的影响对切削加工性能的影响对切削加工性能的影响Fe-Fe3C 相图的应用相图的应用选择材料方面的应用选择材料方面的应用制定热加工工艺方面的应用制定热加工工艺方面的应用选择材料方面的应用选择材料方面的应用1.分析零件的工作条件分析零件的工作条件,根据铁碳合金根据铁碳合金 成分、组织、性能之间的变化规律进成分、组织、性能之间的变化规律进 行选择材料。行选择材料。2.根据铁碳合金成分、组织、性能之间根据铁碳合金成分、组织、性能之间 的变化规律的变化规律,确定选定材料的工作范确定选定材料的工作范 围。围。热加工工艺方面的应用热加工工艺方面的应用钢

6、的分类 按用途分：结构钢、工具钢、特殊性能钢按用途分：结构钢、工具钢、特殊性能钢 普通质量钢（普通质量钢（0.045%P0.045%P，0.05%S0.05%S）按品质分：按品质分：优质钢（优质钢（0.035%P 0.035%P，0.035%S 0.035%S）高级优质钢（高级优质钢（0.025%P 0.025%P，0.025%S 0.025%S）低碳钢（低碳钢（0.25%0.6%0.6%C C）低合金钢（低合金钢（5%10%10%）碳素钢的编号及用途碳素钢的编号及用途 1.碳素结构钢碳素结构钢:Q 235 A F屈服强度屈服强度235 MPaA等级等级沸腾钢沸腾钢碳素钢的编号及用途碳素钢的编

7、号及用途2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢*45-Wc=45%00*较高锰质量分数的优质碳素结构钢较高锰质量分数的优质碳素结构钢 45Mn-Wc=45%00;WMn=0.7%1.0%碳素钢的编号及用途碳素钢的编号及用途3.碳素工具钢碳素工具钢T 12 A碳素工具钢碳素工具钢 Wc=12%0高级优质高级优质冷冲模结构零件的热处理1.热处理的定义热处理的定义:时间时间温度温度临界温度临界温度 热热加加保温保温冷冷 却却加热及冷却的转变温度加热时奥氏体的形成F FFeFe3 3C CA AA形成形成A长大长大A A未溶未溶FeFe3 3C C加热时奥氏体的形成A A残余残余FeFe3 3C C残余残余

8、Fe3C溶解溶解A均匀化均匀化A A奥氏体晶粒大小对钢的奥氏体晶粒大小对钢的 力学性能的影响力学性能的影响1.奥氏体晶粒均匀细小奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力热处理后钢的力 学性能提高。学性能提高。2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起 工件产生较大的变形甚至开裂。工件产生较大的变形甚至开裂。钢在热处理时的冷却方式钢在热处理时的冷却方式时间温度临界温度临界温度等温冷却等温冷却连续冷却连续冷却保温保温 热热加加过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的等温冷却转变一一)建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转 变曲线变曲线-TTT曲线曲线(C 曲线

9、曲线)T-timeT-temperatureT-transformation时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMfA1550;高温转变区高温转变区;扩散型转变扩散型转变;P 转变区。转变区。230-50;低温转低温转变区变区;非扩散型转变非扩散型转变;马氏体马氏体(M)转变区。转变区。550230;中温转变中温转变区区;半扩散型转变半扩散型转变;贝氏体贝氏体(B)转变区转变区;稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过冷奥氏体区过冷奥氏体区 A+产产 物物 区区A向产向产物转变开始线物转变开始线A向产物向产物转变终止线转变终止线产

10、物区产物区共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线的分析曲线的分析转变产物的组织与性能转变产物的组织与性能1.珠光体型珠光体型(P)转变转变(A1550):A1650:P;525HRC;片间距为片间距为0.60.7m(500)。650600:细片状细片状P-索氏体索氏体(S);片间距为片间距为0.20.4m(1000);2536HRC。600550:极细片状极细片状P-屈氏体屈氏体(T);片间距为片间距为0.2m(电镜电镜);3540HRC。转变产物的组织与性能转变产物的组织与性能2.贝氏体型贝氏体型(B)转变转变(550230):550350:B上上;4045HRC;B上上=过饱和碳过饱和碳-Fe条状

11、条状+Fe3C细条状细条状过饱和碳过饱和碳-Fe条状条状 Fe3C细条状细条状羽毛状羽毛状转变产物的组织与性能转变产物的组织与性能2.贝氏体型贝氏体型(B)转变转变(550230):350230:B下下;5060HRC;B下下=过饱和碳过饱和碳-Fe针叶状针叶状+Fe3C细片状细片状过饱和碳过饱和碳-Fe针叶状针叶状Fe3C细片状细片状针叶状针叶状转变产物的组织与性能转变产物的组织与性能3.马氏体型马氏体型(M)转变转变(230-50):1)定义定义:马氏体是一种碳在马氏体是一种碳在 Fe中的中的 过饱和过饱和固溶体固溶体。2)转变特点转变特点:在一个温度范围内在一个温度范围内连续冷却完成连续

12、冷却完成;转变速度极快转变速度极快,即即瞬间形核与长大瞬间形核与长大;无扩散转变无扩散转变(Fe、C原子均不扩散原子均不扩散),M与原与原A的成分相同的成分相同,造成晶格畸变。造成晶格畸变。转变不完全性转变不完全性,QM=f(T)马氏体的性能1 高硬度高硬度 C%HB，马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量 即母相奥氏体的含碳量即母相奥氏体的含碳量2 塑韧性塑韧性 低碳低碳 M 塑韧性好塑韧性好 高碳高碳 M塑韧性差塑韧性差 因此，因此，低碳低碳 M 强韧性好强韧性好 高碳高碳 M 必须回火必须回火3 比容大比容大 （高碳（高碳）M 易变形、开裂易变形、开裂影

13、响影响C曲线的形状与位置的因素曲线的形状与位置的因素1.奥氏体中含碳量的影响奥氏体中含碳量的影响:亚亚共共析钢析钢过过共共析钢析钢共共析析 钢钢时间温度A12.奥氏体中含合金元素的影响奥氏体中含合金元素的影响:除除Co、Al(2.5%)外外,所有合金所有合金元元 素溶入奥氏体中素溶入奥氏体中,会引起会引起:MsA1向右移向右移向下移向下移A1Ms含含Cr合金钢合金钢3.加热温度和保温时间的影响加热温度和保温时间的影响:加热温度越高加热温度越高,保温时间越长保温时间越长,碳化物溶解充分碳化物溶解充分,奥氏体成分均匀奥氏体成分均匀,提高了过冷奥氏体的稳定性提高了过冷奥氏体的稳定性,从而从而 使使

14、TTT曲线向右移。曲线向右移。钢的普通热处理一般零件生产的工艺路线一般零件生产的工艺路线:毛坯生产毛坯生产 预备热处理预备热处理 机械加机械加工工 最终热处理最终热处理 机械精加工机械精加工预备热处理预备热处理:退火退火;正火正火最终热处理最终热处理:淬火淬火;回火回火钢的退火钢的退火(Annealing of steel)定义定义:把零件加温到把零件加温到临界温度以上临界温度以上 3050,保温一段时间保温一段时间,然后然后 随炉冷却随炉冷却。目的目的:消除应力消除应力;降低硬度降低硬度;细化晶细化晶 粒粒;均匀成分均匀成分;为最终热处理为最终热处理 作好组织准备。作好组织准备。钢的退火钢的

15、退火(Annealing of steel)退火后的组织热处理后的组织热处理后的组织:原始组织。原始组织。钢的正火钢的正火(Normalizing of steel)定义定义:把零件加温到把零件加温到临界温度以上临界温度以上 3050,保温一段时间保温一段时间,然后然后 在空气中冷却在空气中冷却。目的目的:消除应力消除应力;调整硬度调整硬度;细化晶细化晶 粒粒;均匀成分均匀成分;为最终热处理为最终热处理 作好组织准备。作好组织准备。钢的正火钢的正火(Normalizing of steel)钢的正火钢的正火(Normalizing of steel)热处理后的组织热处理后的组织:S(Wc=0.

16、61.4%)S+F(Wc0.6%)应用范围应用范围:1.预备热处理预备热处理:调整低、中碳钢的硬调整低、中碳钢的硬 度度;消除过共析钢中的消除过共析钢中的Fe3C。2.最终热处理最终热处理:用于力学性能要求不用于力学性能要求不 高的普通零件。高的普通零件。钢的淬火钢的淬火(Quenching of steel)定义定义:把零件加温到把零件加温到临界温度以上临界温度以上 30 50,保温一段时间保温一段时间,然然 后后快速冷却快速冷却(水冷水冷)。目的目的:为了获得马氏体组织为了获得马氏体组织,提高钢提高钢 的硬度和耐磨性。的硬度和耐磨性。钢的淬火钢的淬火(Quenching of steel)

17、淬火后的组织 M+Fe3C+A残残 Ac1+3050过共析钢过共析钢 M+A残残 Ac1+3050 共析钢共析钢 M+A残残 Ac3+3050亚共析钢亚共析钢Wc0.5%M Ac3+3050亚亚共析钢共析钢Wc0.5%最终组织最终组织淬火温度淬火温度()钢种钢种常用的淬火冷却介质常用的淬火冷却介质 名名 称称 最大冷却速度时最大冷却速度时平均冷却速度平均冷却速度/(s-1)所在温度所在温度/冷却速度冷却速度 /(s-1)650550 300200 20静止水静止水34077513545040静止水静止水28554511041060静止水静止水2202758018510%NaCl 溶液溶液580

18、20001900100010%NaOH 溶液溶液560283027507752010号机油号机油43023060658010号机油号机油4302307055203号号锭子油锭子油50012010050常用的淬火方法常用的淬火方法时间时间温度MsA1等温淬火等温淬火双液淬火双液淬火分级淬火分级淬火单液淬火单液淬火钢的淬硬性钢的淬硬性(Hardening of steel)1.定义定义:是指钢在淬火后所能达到的是指钢在淬火后所能达到的最最 高硬度。高硬度。2.影响钢的淬硬性的因素影响钢的淬硬性的因素:主要取决于主要取决于 马氏体的马氏体的含碳量。含碳量。钢的淬透性钢的淬透性(Hardenabili

19、ty of steel)1.定义定义:是指钢在淬火时所能得到的是指钢在淬火时所能得到的淬淬 硬层硬层(马氏体组织占马氏体组织占50%处处)的的 深度。深度。2.影响钢的淬透性的因素影响钢的淬透性的因素:主要是主要是临界临界 淬火冷却速度淬火冷却速度VK 的大小的大小,VK 越越 大大,钢的淬透性越小。钢的淬透性越小。淬硬性与淬透性之间的关系淬硬性与淬透性之间的关系:淬透性淬透性淬淬硬性硬性钢钢 种种小小低低碳素结构钢碳素结构钢(20)小小高高碳素碳素工具钢工具钢(T12A)大大低低低碳低碳合金结构钢合金结构钢(20Cr2Ni4A)大大高高高碳高高碳高合金工具钢合金工具钢(W18Cr4V)钢的回

20、火钢的回火(Tempering of steel)一一)定义定义:把把淬火后淬火后的零件重新加温到的零件重新加温到 A1线以下某个温度线以下某个温度,保温一段保温一段 时间时间,然后冷却到窒温。然后冷却到窒温。二二)目的目的:消除淬火应力消除淬火应力,降低脆性降低脆性;稳定稳定 工件尺寸工件尺寸;调整淬火零件的力调整淬火零件的力 学性能。学性能。钢的回火钢的回火(Tempering of steel)耐磨件耐磨件M回回=0.3%C+150250低温回火低温回火弹簧等弹簧等T回回=F针针+Fe3C粒粒350500中温回火中温回火调质件调质件S回回=F多多+Fe3C球球500650高温回火高温回火高高合金钢合金钢P回回=F多多+Fe3C粒粒650A1高温软化高温软化用途用途组组 织织温度温度()名名 称称淬火淬火+高温回火高温回火=调质处理调质处理