机械制造基础 1-3终(本)

1、第一篇 金属材料导论钢的热处理 在机床制造中在机床制造中约约60-70%60-70%的零件的零件要经过热处理。要经过热处理。 在汽车、拖拉机制造业中在汽车、拖拉机制造业中需热需热处理的零件达处理的零件达70-80%70-80%。l热处理是一种重要的加工工艺，热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用在制造业被广泛应用. l模具、滚动轴承模具、滚动轴承100%需经过需经过热处理。热处理。l总之，重要零件总之，重要零件都需适当热处都需适当热处理后才能使用。理后才能使用。 2一、钢的热处理 所谓钢的所谓钢的热处理热处理 包括包括、和和三阶段。三阶段。时间温度临界温度临界温度 热热加加保温保温冷冷

2、 却却 主要参数：主要参数： 加 热 温 度 加 热 温 度 ： 到 Ac1,Ac3,Accm才能全化。 保温时间保温时间：使零件热透零件热透和相变完全相变完全以及成分均匀成分均匀化化，得到良好组织性能。 冷却速度冷：冷却速度冷： 冷却介质盐水、碱水、油、空气、水34 实质：在固态下加热、保温、冷却实质：在固态下加热、保温、冷却改善组织与性能改善组织与性能 区别：改变组织与性能，不改变形状与尺寸区别：改变组织与性能，不改变形状与尺寸 原因：同素异构转变；原因：同素异构转变；C C溶解度的变化溶解度的变化 注意：注意：A A1 1，A A3 3， A Acmcm， A Ac1c1， A Ac3c

3、3， A Accmccm， A Ar1r1， A Ar2r2， A Armrm钢在加热，冷却时的组织转变钢在加热，冷却时的组织转变热处理方法热处理方法钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变5亚共析钢亚共析钢 P+FA+F AP+FA+F A共析钢共析钢 PAPA过共析钢过共析钢P+FeP+Fe3 3C A+FeC A+Fe3 3CACAAc1Ac3Ac1Ac1AcmA的转变过程 A A形核并长大形核并长大 优先在优先在F F与与FeFe3 3C C 的相界面上形核的相界面上形核 A A中中FeFe3 3C C 残残继续溶解继续溶解 F AF A； Fe Fe3 3C A VC A V转转不同

4、不同 A A成分均匀化，成分均匀化， F F与与FeFe3 3C C 区域含碳量不同，区域含碳量不同，t t保保，T T加加 均匀化均匀化6原子扩散 A A转变特点转变特点7局部局部整体：整体：形核形核+ +长大长大保温（内外温差；成分均匀化）保温（内外温差；成分均匀化）A A起始晶粒很细，随起始晶粒很细，随t t保保T T加加A A晶粒粗化晶粒粗化钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变一一) 建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线 - TTT曲线曲线 ( C 曲线曲线 )T - timeT - temperatureT - transformation8连续冷却：

5、将连续冷却：将A A状态的钢以一定状态的钢以一定V V冷却至室温，使其冷却至室温，使其在温度连续下降的过程中发生组织转变。在温度连续下降的过程中发生组织转变。等温冷却：将等温冷却：将A A状态的钢迅速冷却至临界温度以下某状态的钢迅速冷却至临界温度以下某一温度进行保温，使其在恒温下发生组织转变。一温度进行保温，使其在恒温下发生组织转变。 共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图曲线建立过程示意图时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A19二二) 共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线的分析曲线的分析稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过

6、冷奥氏体区过冷奥氏体区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 A +产产 物物 区区产物区产物区A1550;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。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;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。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf10钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变 冷却是热处理更重要的工序冷却是热处理更

7、重要的工序。 一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程 处于临界点处于临界点A A1 1以下的奥氏体称以下的奥氏体称过冷奥氏体过冷奥氏体。过冷奥过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。随过冷度不随过冷度不同，过冷奥氏体将发生同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变马氏体转变三种类型转变。三种类型转变。 现以共析钢为例说明：现以共析钢为例说明： 11 珠光体转变（高温）珠光体转变（高温） 1 1、珠光体的组织形态及性能、珠光体的组织形态及性能 过冷奥氏体在过冷奥氏体在 A A1 1到到 55055

8、0间将转变间将转变为珠光体类型组织为珠光体类型组织，它是，它是铁素体与铁素体与渗碳体片层相间的机械混合渗碳体片层相间的机械混合物物，根，根据片层厚薄不同据片层厚薄不同,又细分为又细分为珠光体、珠光体、索氏体和屈氏体索氏体和屈氏体.组织组织形态形态HRC组织观察组织观察Ar1-650P层片较厚7-25500650-600S层片较薄25-35800-1500600-550T层片较薄35-40电子显微镜12光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌电镜形貌电镜形貌光镜形貌光镜形貌电镜形貌电镜形貌光镜形貌光镜形貌13 2 2、珠光体转变过程、珠光体转变过程 珠光体转变也是形核和长大的过程。珠光体转变也是

9、形核和长大的过程。渗碳体晶核首先渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥 长大，形成一个珠光体团。长大，形成一个珠光体团。l珠光体转变是扩散型转变。珠光体转变是扩散型转变。氏体的含碳氏体的含碳量下降，促量下降，促进了铁素体进了铁素体形核，两者形核，两者相间形核并相间形核并14 下贝氏体下贝氏体 形成温度为形成温度为350-Ms350-Ms。 在光镜下呈在光镜下呈竹叶状。竹叶状。光镜下光镜下 下贝氏体除了强度、硬度下贝氏体除了强度、硬度HRC43-HRC43-5858较高外，塑性、韧性也较好较高外，塑性、韧性也较好 上贝氏体上贝氏体 形成

10、温度为形成温度为550-350550-350。 在光镜下呈羽毛状在光镜下呈羽毛状. .光镜下光镜下 上贝氏体强度上贝氏体强度HRC40-45HRC40-45与塑与塑性都较低，无使用价值。性都较低，无使用价值。贝氏体转变（中温）贝氏体转变（中温）15马氏体转变（低温）马氏体转变（低温） 当奥氏体过冷到当奥氏体过冷到MsMs以下将转变为马氏体类型组织。以下将转变为马氏体类型组织。 马氏体转变是强化钢的重要途径之一。马氏体转变是强化钢的重要途径之一。 1 1、马氏体的晶体结构、马氏体的晶体结构 碳在碳在 -Fe-Fe中的过饱和固溶体称中的过饱和固溶体称马氏体马氏体，用用MM表示表示HBHB、 =0=

11、0 。l马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中.16V冷冷，T转转b、HB、k，但，但M的的HB、 k转变特点转变特点：钢的热处理工艺 钢的加热温度因热处理工艺目的及材料合金成分的钢的加热温度因热处理工艺目的及材料合金成分的不同而异；保温时间因工件的尺寸及形状的不同而不同而异；保温时间因工件的尺寸及形状的不同而异；冷却方式因热处理目的及冷却介质的不同而异。异；冷却方式因热处理目的及冷却介质的不同而异。这种差异导致热处理工艺的选择。这种差异导致热处理工艺的选择。热处理热处理 普通热处理普通热处理 表面热处理表面热处理退火退火;正火正火;表面淬火表

12、面淬火感应加热淬火感应加热淬火火焰加热淬火火焰加热淬火渗碳渗碳;渗氮渗氮;碳氮共渗碳氮共渗; 化学热处理化学热处理淬火淬火;回火回火;17保温加热随炉冷却温度时间临界温度空气冷却油冷水冷空气冷却保温缓慢加热18热处理加热温度范围 钢的热处理加热温度范围通常是在金相转变线之上3050的范围。如下图所示。191535910723C0.82.064.36.67SE0.8CADFKLGP1147A3Acm固相线液相线共晶线共析线 A1液相线固相线QS900700C2.110.81000QEGP50060080072711489120.77E20钢的退火21（）（）硬度，以利于切削加工（硬度，以利于切削

13、加工（HB170-250HB170-250，切削加工性，切削加工性，butbut高碳钢高碳钢）（）细化晶粒，均匀组织。（）细化晶粒，均匀组织。机性（锻件、铸件、焊件）机性（锻件、铸件、焊件）（）消除内应力（内应力（）消除内应力（内应力承载能力，产生变形）承载能力，产生变形）（）（）塑性和韧性，便于塑性加工（再结晶退火）塑性和韧性，便于塑性加工（再结晶退火） T T加热加热 组织组织 亚共析钢亚共析钢加热到加热到AcAc3 3（30305050） P+FP+F 过共析钢过共析钢加热到加热到AcAc1 1（20203030） P+FeP+Fe3 3C C 去应力退火去应力退火 加热到加热到5005

14、00600600 钢的正火A AC3C3（亚共析钢）（亚共析钢）/A/ACCMCCM上上30 5030 50，空（风）冷空（风）冷。细化晶粒细化晶粒为球化退火做准备为球化退火做准备-过共析钢消除过共析钢消除网状二次渗碳体网状二次渗碳体改善切削加工性（改善切削加工性（HB，低碳钢），低碳钢）亚共析钢亚共析钢 S、T+F少少共析钢共析钢 S、T过共析钢过共析钢 S、T+Fe3C少少加工性加工性低碳钢：低碳钢：HBHB正火正火高碳钢：高碳钢：HBHB退火退火适用性适用性性能要求不高性能要求不高 正火正火( (最终热处理最终热处理) )零件形状复杂尺寸零件形状复杂尺寸 退火退火经济性经济性以正代退以正

15、代退( (低碳钢低碳钢) )22第三节 淬火与回火加热到加热到A AC3C3或或A AC1C1以上以上30 5030 50C C，保温后，保温后快速冷却快速冷却。 水、油、盐或碱水溶液、其它冷却介质等水、油、盐或碱水溶液、其它冷却介质等VV临界冷却临界冷却23稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf冷却速度冷却速度V1V2VkV3V4V1 = 5.5/s :炉冷炉冷 ; PV2 = 20/s :空冷空冷 ; S、TV3 = 33/s :油冷油冷;T+M+A残残V4 138/s :水冷水冷 ;

16、M+A残残24组织组织方法方法应用应用单液淬火单液淬火MM持续冷却持续冷却适用于形状简单的工件适用于形状简单的工件双介质淬火双介质淬火MM快冷快冷+ +慢冷（另一种介质）慢冷（另一种介质）适用于小件（适用于小件（应力）应力）马氏体分级淬火马氏体分级淬火MM快冷快冷+ +保温（保温（T T保保2-5min2-5min）+ +空冷空冷用于截面尺寸较小的工件用于截面尺寸较小的工件贝氏体等温淬火贝氏体等温淬火B B快冷快冷+ +保温（保温（T T保保，内，内应力应力）+ +空冷空冷用于形状复杂用于形状复杂, ,精度要求高精度要求高的小件的小件, ,高合金大截面零件高合金大截面零件25 回火回火 将钢重

17、新加热到Ac1 线以下某温度，保温后冷却钢的回火26（1）低温回火低温回火（150-250）-回火马氏体，降低M的饱和。目的：淬火钢的内应力和脆性，保持高硬度（56-64HRC)和耐磨性。如模具、刃具等。（2）中温回火中温回火（250-500）-进一步降低M的饱和。极细的球状Fe3C和F的机械混合物（T回）。目的：弹性和屈服，较高硬度（35-50HRC)和一定韧性。如弹簧、锻模。（3）高温回火高温回火（500-650）较细的球状Fe3C和F的机械混合物（S回）。调质处理调质处理（即淬火淬火+高温回火高温回火）硬度20-35HRC，强度及韧性等综合性能较好。如连杆、曲轴、齿轮等。 淬火、回火的选

18、用淬火、回火的选用 淬硬件（淬硬件（HRC35HRC35） 淬火淬火+ +低、中温回火低、中温回火 调质件（调质件（HRC35HRC35） 淬火淬火+ +高温回火高温回火 27目的目的：消除淬火内应力，防止产生裂纹。通过采用不同温度的回火温度来调整硬度，减小脆性，获得所需的塑性和韧性。稳定钢件组织和尺寸；钢的表面热处理工艺钢的表面热处理工艺 表面淬火表面淬火 化学热处理化学热处理工艺的核心工艺的核心:使零件具有使零件具有“表硬里韧表硬里韧” 的力学性能。的力学性能。28一一.表面淬火表面淬火( Surface hardening )区别：只改变材料表层的组织和性能，不改变心部的组织与性能区别：

19、只改变材料表层的组织和性能，不改变心部的组织与性能表面淬火工艺特征表面淬火工艺特征: :快速加热快速加热急冷急冷表层形成马氏体组织表层形成马氏体组织, ,而心部仍保持不变。而心部仍保持不变。 表面淬火加工的方法表面淬火加工的方法: :感应加热感应加热( ( 高、中、工频高、中、工频 ) )：线圈感应磁场：线圈感应磁场- -涡流涡流- -T-T-喷喷水冷却水冷却火焰加热火焰加热：煤气：煤气+ +氧氧大型零件、轴类零件、大型零件、轴类零件、电接触加热法：电极（低电压、强电流）直接与工件接电接触加热法：电极（低电压、强电流）直接与工件接触，迅速加热，迅速移动，靠传导散热冷却触，迅速加热，迅速移动，靠

20、传导散热冷却机床导机床导轨轨29应用：中碳钢应用：中碳钢二、化学热处理二、化学热处理 ( Chemical Heat Treatment )定义定义: :将零件置于一定的化学介质中将零件置于一定的化学介质中 , , 通过加热、通过加热、保温保温, ,使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层, ,以改变钢表层的化学成分和组织的热处理以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。工艺。 化学热处理进行的条件化学热处理进行的条件: :1. 1. 渗入元素的原子渗入元素的原子必须是活性原子必须是活性原子, , 而且而且具有较大的具有较大的扩散能力扩散能力。2. 2. 零

21、件本身具有零件本身具有吸收渗入原子的能力吸收渗入原子的能力, ,即对渗入原子即对渗入原子有一定的有一定的溶解度溶解度或能与之化合或能与之化合, , 形成化合物形成化合物。30钢的渗碳钢的渗碳 ( Carburize of steel )( Carburize of steel )1) 1)定义定义: : 把钢置于渗碳介质中进行增碳，随后淬火把钢置于渗碳介质中进行增碳，随后淬火的过程。（的过程。（0.5-2mm0.5-2mm，渗碳层含碳量，渗碳层含碳量0.8-1.1%0.8-1.1%）2) 2)目的目的: : 获得具有获得具有表硬里韧性能表硬里韧性能的零件。的零件。3) 3)方法方法: : 固体

22、、固体、气体气体、液体渗碳。、液体渗碳。3131工艺工艺: : 900900950;950; 3 39 9小时小时; ; 后应进行淬火和回火处理后应进行淬火和回火处理4) 4)用钢用钢: : 低碳钢和低碳合金钢。如汽车齿轮、凸轮、低碳钢和低碳合金钢。如汽车齿轮、凸轮、摩擦片摩擦片 渗碳法示意图渗碳法示意图32零件零件渗碳剂渗碳剂试棒试棒盖盖泥封泥封渗碳箱渗碳箱钢的渗氮钢的渗氮 ( Nitridation of steel )( Nitridation of steel )定义定义: :向钢的向钢的表面渗入氮原子表面渗入氮原子的过程的过程。3333工艺工艺: :加热温度加热温度550550570

23、;570; 保温时间保温时间0.30.30.5mm/200.5mm/2050h50h深度：深度：0.6-0.7mm0.6-0.7mm热处理特点热处理特点: : 渗氮前需调质处理渗氮前需调质处理; ;渗氮后不需热处理。渗氮后不需热处理。渗氮处理后的组织渗氮处理后的组织 表层表层 : : Fe4NFe4N、Fe2NFe2N、AlNAlN、CrNCrN、MoNMoN、TiNTiN、VNVN。 心部心部 : : S S回。回。常用的钢种常用的钢种 : : 35 35 CrMoCrMo、18CrNiW18CrNiW、38 38 CrMoAlACrMoAlA ( ( 氮化氮化王牌钢王牌钢 ) ) 等。等。

24、34目的目的: :获得具有获得具有表硬里韧及抗蚀表硬里韧及抗蚀性能的零件性能的零件应用应用: :用于承受冲击、交变载荷和强烈摩擦用于承受冲击、交变载荷和强烈摩擦的中碳钢重要精密零件，如精密机床丝杆的中碳钢重要精密零件，如精密机床丝杆、主轴、汽轮机的阀门等。、主轴、汽轮机的阀门等。钢的分类钢的分类按按化学成分化学成分分类：分类： 碳素钢碳素钢（以铁、碳为主要合金元素） 合金钢合金钢（除铁碳外还人为加入其它元素10）按按用途用途分：分： 结构钢结构钢 工具钢工具钢 特殊钢特殊钢按按质量质量分类：分类： 普通钢普通钢（P 0.045%，S 0.050%） 优质钢优质钢（P、S均 0.035%） 高级

25、优质钢高级优质钢（P 0.035%，S 0.030%） 按含碳量分：按含碳量分：低碳钢（低碳钢（0.6%C)35化学成分对碳钢性能的影响化学成分对碳钢性能的影响 钢中基本元素为：Fe 、C； 杂质元素主要有：Si、Mn、S、P。第一节 碳素钢36 碳素钢是含碳量在碳素钢是含碳量在1.5%以下，并含有硅、锰、硫、以下，并含有硅、锰、硫、磷等杂质的金属材料。磷等杂质的金属材料。 1. 1.含碳量含碳量对力学性能的影响对力学性能的影响 亚共析钢亚共析钢随含碳量增加，随含碳量增加，P P 量增加，量增加，钢的强度、硬度升高，塑钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。性、韧性下降。l0.77%C时，时，组织

26、为组织为100% P, 钢钢的性能即的性能即P的性能。的性能。l0.9%C，Fe3C为晶界连续网为晶界连续网状，状，强度下降强度下降, 但硬度仍上升。但硬度仍上升。l2.11%C，组织中有以组织中有以Fe3C为为基的基的Ld,合金太脆合金太脆.2022年5月19日星期四37p硫、磷均为钢中残存的有害杂质元素有害杂质元素。pS是在炼钢时由矿石和燃料带入钢中的 热脆热脆 。pP是由矿石带入钢中的冷脆冷脆。p因此衡量钢质量的主要指标为钢中的钢中的S、 P含量含量。S一般控制在0.065%以下，P一般控制在0.045%以下。383. Si、Mn 硅、锰硅、锰均为钢中均为钢中有益杂质元素有益杂质元素。（

27、1）Si、Mn均可固溶在铁素体中，强化钢的力学性能，提高钢的强度和硬度。（2）Si、Mn均可作为脱氧剂，还原FeO。（3）Mn还能作为脱硫剂，与S作用形成MnS，从而消除S造成的部分热脆。39 1） wc 0.38%。ws0.035-0.05% wp0.035%-0.045% 2）牌号：由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四个部分等级符号、脱氧方法等四个部分按顺序组成。 Q235AF即屈服极限235MPa的A级沸腾钢 3）组织：F+P 4）强度高，塑性好 5）用途：适合于扎制成钢板、钢带、型钢等。用于制做不需热处理的焊接、铆接、栓接构件及螺

28、栓螺母等零件 。40优质碳素结构钢 1）化学成分：化学成分： Ws,p0.60%（b）组织：F+P或P+Fe3C（c）性能：在淬火+中温回火后，具有较高的和良好弹性也叫弹簧钢。具有较好的耐磨性和中等硬度。（d）用途：主要用于制作弹簧和易磨损的零件。 43碳素工具钢碳素工具钢 1）化学成分wc=0.7%1.3%2）牌号：T+数字表示 T碳 其后数字表示千分含量千分含量。对于硫、磷含量较低的优质碳素工具钢，则在数字后面加A。 例：T10A含碳量为含碳量为1.0%的高级优质碳素工具钢的高级优质碳素工具钢3)组织：P+F或P+Fe3C4)性能：具有很高的硬度和耐磨性，但淬透性差，热硬性差。5)用途：用

29、于制作手动和低速切削的工具和要求不高的量具和模具等 44第二节 低合金钢 为了改善钢的某些性能，特意加入一种或几种合金元素所炼成的钢。 化学成分： C0.2%，合金元素3%， 常加合金元素：Mn、Si、V、Nb、Ti、Re、Cu、N等。 合金钢的性能特点：（a）具有较高的强度、塑性和冲击韧性，特别是低温冲击韧性。（b）具有良好的焊接性。（c）具有较高的抗腐蚀性。45 低合金钢分类（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460.8-1.8%Mn0.8-1.8%Mn为主要合为主要合金化元素金化元素+ +少量少量TiTi、V V、NbNb、CrCr、NiNi、RE,RE,强度、韧性强度、韧性一、合金结构钢 合金结构钢是优质钢，其的牌号表示方法：合金结构钢是优质钢，其的牌号表示方法：数字数字+元素符号元素符号+数字数字 25 Cr2 Ni4 W （分之几）分之几）wS.P0.035%，与优质结与优质结构钢相同构钢相同元素符号及含量元素符号及含量（百分之几）（百分之几）含量含量1.5%1.5%不标数字不标数字47第三节 合金钢根据性能用途不同优质