3 铁 含C:2.11%~6.69% 共晶生铁 4.3% C Ld’
亚共晶生铁 < 4.3% C P+Ld’+ Fe3C11 过共晶生铁 > 4.3% C Ld’+ Fe3C1
三 典型合金结晶过程分析
1共析钢 L—L+A—A--P
2亚共析钢
L—A+L—A—A+F—F+P
3过共析钢
L—L+A—A—A+ Fe3C11-- Fe3C1+P
4 共晶铁 L—Ld—Ld’
5 亚共晶铁
L—1点—L+A—A+Ld—P+Ld’
6 过共晶铁
L—1点—L+Fe3C1—2点—Ld+ Fe3C1—3点--- Fe3C1+Ld’
四 铁碳合金状态图的应用 1 铸造
确定浇铸温度 选材: 共晶点附近铸造性能好 2 锻造 锻造温度区间 A
3焊接 焊接缺陷用热处理改善.根据状态图制定热处理工艺
§3钢的分类和应用
按化学成分:碳钢: <2.11%C 少量Si Mn S P等杂质 合金钢:加入一种或几种合金元素 一 碳钢
1 含碳量对碳钢性能的影响
<0.9%C C↑强,硬↑ 塑,韧↓ FeC 强化相
>0.9%C C↑ 硬↑, 强, 塑,韧↓ FeC分布晶界,脆性↑ 2 钢中常见杂质对性能的影响
Si: 溶于F ,强化F, 强,硬↑ 塑,韧↓. 含量<0.03~0.4% 有益作用不明显
Mn: 1)溶于F,Fe3C.引起固溶强化. 2)与FeS反应—MnS 比重轻,进入熔渣,如量少,有益作用不明显.
—(FeS+Fe)共晶体,熔点985℃,分布晶界,引起脆性‖热脆‖ P: 溶于F,是强度,硬度↑,但室温塑性,韧性↓↓ ―冷脆‖ 3 碳钢的分类 1 ) 按含碳量分
低碳钢 <0.25%C 中碳钢: 0.25~0.6%C, 高碳钢>0.6%C 2) 按质量分(含S,P多少分) 普通钢 S<=0.055%,P<=0.045% 优质钢 S,P<=0.04%
高级优质钢 S<=0.03% P<=0.035%
3)按用途分 碳素结构钢, 碳素工具钢 >0.6%C 4 碳钢的编号和用途 1)普通碳素结构钢:
Q235 数字表示屈服强度 单位Mpa
2)优质碳素结构钢
正常含锰量的优质碳素结构钢: 0.25~0.8%Mn
较高含锰量 0.15~0.6%C 0.7~1.0%Mn , >0.6%C 0.9~1.2%Mn 08 10 15 20 25 强↓ 塑↑ 冲压件 焊件
30 35 40 45 50 55 60 强↑硬↑ 弹簧,轴,齿轮 耐磨件 65 70 75 80 85 耐磨件 数字表示含C 万分8之几 3)碳素工具钢
T7T8 T13 数字表示含C千分之几
高级优质钢加 A 含Mn高,加Mn T8MnA 二 合金钢
常加合金元素: Mn Si Cr Ni Mo W V Ti B(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: 60Si2Mn 0.6%C, 2%Si <1.5%Mn
18Cr2Ni4WA 0.18%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%C <1.5%Si <1.5%Cr
CrWMn (长铰刀,丝锥,拉刀, 精密丝杠)
*高速钢 含C<1.0也不标 W18Cr4V 0.7~0.8%C,18%W,4%Cr,<1.5%V 应用:刃具,模具,量具等 3 特殊性能钢
不锈钢: 1Cr13 1Cr18Ni9Ti 等 耐热钢: 1Cr13 2Cr13 >400℃ 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.并有马试体在滑移面形成,表面硬度达HB450~550,表面耐磨,心部为A.
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.
§5 常用非金属材料 一 高分子材料 天然: 羊毛 橡胶
人工合成: 塑料 人工橡胶 粘结剂等 有机玻璃 尼龙 丙纶 氯纶---商品名 工程塑料: 环氧树脂 聚甲醛: 塑料手表中零件 聚酰亚胺: 绝缘 二 陶瓷
耐磨 耐蚀 脆 刀片 砂轮 三 复合材料
磨削软片: 聚酰亚胺+金刚石 §4 金属零件选材的一般原则
产品的质量和生产成本如何,与材料选择的是否恰当有直接关系,机械零件进行选材时,主要考虑零件的工作条件,材料的工艺性能和产品的成本. 基本原则如下:
1 满足零件工作条件:
受力状态—机械性能,基本 ζ δ αk 等
工作温度环境介质—使用环境 ,高温—耐热,抗腐蚀—不锈钢 高硬度—工具钢 2 材料的工艺性能
零件的生产方法不同,直接影响其质量和生产成本. 如:灰口铁,铸造性能 切削加工性很好,可锻性差. 3 经济性
价值=功能/成本
如: 耐腐蚀容器: 1)普通碳素钢:5000元 用一年 2)奥氏体不锈钢: 40000元 用10年 3)铁素体不锈钢: 15000元 用6年 1):2):3) =1:1.25:2
第四章 钢的热处理 §1 概述
一 钢的热处理: 把钢在固态下加热到一定的温度进行必要的保温,并以适当的速度冷却到室温,以改变钢的内部组织,从而得到所需性能的工艺方法
* 只改变组织和性能,而不改变其形状和大小.热处理是改善材料性能的重要手段之一,能提高产品质量,延长机件寿命,节约金属材料,所以,重要机件都要经过热处理. (提问:前面学过的改善金属材料性能的手段—固溶强化)
热处理工艺曲线: 各种热处理都可以用温度—时间的坐标图形表示.
温度
保温
临界温度 加热 冷却
时间
应用广泛:机械制造业中70%零件需热处理.汽车 拖拉机 制造业70~80% 量具 刃具 模具 滚动轴承等100% 二 目的
1 冶金 锻 铸 焊毛坯或成品,消除缺陷,改善工艺性能.为后续加工(如机加)做好组织,性能,准备. 退火 正火 2 是钢件的机械性能提高,达到钢件的最终使用性能指标,以满足机械零件或工具使用性能要求. 淬火+回火 表面淬火 化学处理 l 依据:状态图 §2 热处理过程中的组织转变 一 钢在加热时的组织转变 1 临界温度:
状态图上 A1 : 共析线(P-A)
临界温度: A3 : A析出F(F-A) 极缓慢冷却 Acm : A 析出Fe3CⅡ( )
实际加热临界温度 Ac1 Ac3 A ―过热‖ Accm
实际冷却临界温度 Ar1 P Ar3 A 析出F ―过冷‖ Arcm 析出Fe3CⅡ
2组织转变
1) 共析钢: P(F+Fe3C)---A
(1) A晶核形成:F和Fe3C界面上先形成A晶核
因界面原子排列不规则,缺陷多,能量低)
(2) A晶核长大:F晶格转变,Fe3C不断溶入A, A晶核不断生成,长大.F转变快, 先消失. (3) 残余渗碳体的溶解:随保温时间加长, 残余Fe3C逐渐溶入A
(4)A成分均匀化: A转变完成后,各处含C浓度不均匀,继续保温,C充分扩散,得到单一的均匀A 这个过程是A重结晶的过程.
2) 亚共析钢: F+P—Ac1—F+A—Ac3---A
3) 过共析钢: P+ Fe3CⅡ--Ac1—A+ Fe3CⅡ--Accm---A(晶粒粗化) 二 钢在冷却时的组织转变
(钢在室温时的机械性能不仅与加热,保温有关,与冷却过程也有关) 1 冷却方式
1) 连续冷却: 时加热到A的钢,在温度连续下降的过程中发生组织转变. 水冷 油冷 空冷(正火) 炉冷(退火)
2)
Ar1 (2) (1)
等温冷却: 使加热到A的钢,先以较快的速度冷却到Ar1线下某一温度,成为过冷A,保温,使A在等温下发生组织转变,转变完,再冷却到室温.
等温退火 等温淬火
2 共析钢冷却时的等温转变
以共析钢为例,进行一系列不同过冷度的等温冷却实验,可以测出过冷奥氏体在恒温下开始转变和转变终了的时间,画到‖温度—时间‖坐标系中,然后,把开始转变的时间和转变终了的时间分别连接起来,即得到共析钢的奥氏体等温转变曲线.又叫C曲线. 1) 高温产物: Ar1 ～650℃ P 层片较厚 500X 显微镜 HRC10-20 650～600℃ 细珠光体 索氏体S HRC25~35 层片较薄 800~1000X 600～550℃ 极细珠光体 屈氏体T HRC30~40 层片极薄
l a）以上三种均为F+ Fe3C 层片相间的珠光体，只是层片厚度不同。
l b）由于过冷度从小到大，原子活动能力由强到弱，致使析出的渗 碳体和铁素体层片越来越来薄。 l c）珠光体层片越薄，塑变抗力越大，强，硬越大。 2）中温产物 550~350℃ 上贝氏体 B上 电镜下观察，渗碳体不连续，短杆状，分布于许多平行而密集的铁素体条之间。 350 ~ 230℃ 下贝氏体 B下 比B上 有较高强、硬、韧、塑。片状过饱和F和其内部沉淀的碳化物组织（因为过饱和F有析出Fe3C倾向，但过冷度太大，导致碳原子没能扩散超出F片，只是在片内沿一定晶面聚集，沉淀出碳化物粒子）
3）低温转变产物： 230 ~ -50℃ 马氏体（M）+残余A 马氏体：过饱和的α固溶体―M‖
（由于温度低，原子活动能力低，晶格转变完成，但是，C原子不能从面心中扩散出来，仍留在体心中，形成过饱和α固溶体） ∵ 晶格严重畸形，∴ M硬↑ HRC65 塑 韧 →0 3 共析钢连续冷却转变
连续冷却可能发生几种转变，很复杂。
共析钢连续冷却，只有珠光体转变区和马氏体转变区。 珠光体转变区：三条线构成：开始，终了，终止线
布氏硬度和洛氏硬度对照表
