金属学及热处理讲解
金属学及热处理
时效处理工艺
总结词
时效处理是一种通过长时间放置或加热使金属内部发生沉淀 或析出反应的过程，主要用于提高金属的强度和稳定性。
详细描述
时效处理工艺通常将金属加热至较低的温度，并保持一定时 间，使金属内部的原子或分子的分布发生变化，形成更加稳 定的结构。通过时效处理，金属的强度和稳定性可以得到提 高。
表面热处理工艺
总结词
表面热处理是一种仅对金属表面进行 加热和冷却的过程，主要用于改善金 属表面的耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化 性等。
详细描述
表面热处理工艺通常仅对金属表面进行加热 和冷却，而内部保持不变。通过表面热处理 ，可以改变金属表面的晶格结构、化学成分 和组织结构等，从而改善其表面的性能。
04 热处理设备与工具
热处理炉应定期进行维护和保养，确保设备的正常运行 和使用寿命。
在操作过程中，应定期检查炉温和炉压是否正常，防止 超温或超压。
在使用过程中，应保持炉膛的清洁，防止杂物和积炭对 加热元件和金属材料的影响。
热处理工具的选择与使用
01
02
03
04
根据不同的热处理工艺和金属 材料，选择合适的热处理工具
。
在使用过程中，应注意工具的 材质和尺寸是否符合要求，防 止工具损坏或金属材料表面损
金属学及热处理
contents
目录
• 金属学基础 • 热处理原理 • 热处理工艺技术 • 热处理设备与工具 • 热处理的应用与发展趋势
01 金属学基础
金属材料的分类与特性
钢铁材料
根据碳含量和用途，钢铁材料可分为生铁、铸铁和钢 材。其特性包括高强度、耐磨性和耐腐蚀性。
有色金属
如铜、铝、锌等，具有良好的导电性、导热性和延展 性。
金属学与热处理课件-09-钢的热处理ppt.ppt
——专指溶入 A 中的Me，或者说成 分均匀化的。
0.5C
T
0.9C+0.5Mn 0.9C+1.2Mn
0.9+2.8Mn
Mn%↑ ，C曲线右移
τ
0.5C+2%Cr
0.5C+4%Cr
0.5C+8%Cr
τ
Cr%↑ ，C曲线右移
非碳化物形成元素：只改变C曲线位置 Co，Al，Ni，Cu，Si
T
Si
Co,Al Co, Al 外所有合金元素
例：球化退火，要求获得粒状珠光体 → 要求A 中 C 不均匀 → 控制第三、四阶段
三 奥氏体晶粒度及影响因素
1. 奥氏体晶粒度
奥氏体晶粒度表示奥氏体晶粒大小，工业上一般分为8级。 1 - 4 粗; 5 - 8 细，
8级以上 极细;
计算式： n = 2 N-1
N：晶粒度级别
n：1平方英寸视场中所包含的平均晶粒数(100X)。
1 高温转变产物 ——Fe、C均扩散 亚共析钢： F+P; 共析钢： P； 过共析钢： P+Fe3C
┗ 珠光体（Pearlite）类型
化学成分与晶格类型的转变均靠扩散实现 ——扩散类型
2 中温转变产物
——Fe不扩散，C部分扩散 α(C过饱和的）+Fe3C的机械混合物 ┗ 贝氏体类型( B) 化学成分的变化靠扩散实现 晶格类型的转变非扩散性 ——半扩散性
** 实际中由于CCT曲线测量难，可用TTT曲线代替CCT曲线作定性 分析，判断获得M的难易程度。
** 连续冷却的VC值是等温冷却C曲线中与鼻点相切的VC的1.5倍，故 可用等温冷却C曲线中VC代替或估算.
钢的珠光体转变
1 珠光体的组织形态
《金属学与热处理》课件
本课程将介绍金属学基础、金属热力学、金属相变、金属缺陷与强化、金属 热处理以及金属表面处理，让您掌握金属材料与加工的基本知识。
第一章 金属学基础
1
金属的组成
金属是由原子或离子通过共用自由电子结合而成，是导热、导电、延展、可塑性 极强的物质。
2
金属的晶体结构
金属是具有整齐排列、具有规律性的晶体结构。晶格是六面体密排结构。
3
金属的晶界和位错
晶界是晶体内部不同晶粒相交界面。位错是晶粒中原子或离子排列存在的缺陷。
第二章 金属热力学
热力学第一定律
能量可以从一种形式转换成 另一种形式，但能量总量不 变。
热力学第二定律
热量不会自己从低温转移到 高温物体，只有在做功或吸 收外界热量的情况下才可以。
热力学第三定律
在温度绝对零度的情况下， 能量变为零。
2 热处理设备
有固体加热炉、电阻炉、气体加热炉、水加热炉等。
3 热处理工艺控制
包括加热速度、加热温度、保温时间、冷却速度等控制参数。
第六章 金属表面处理
金属表面处理方法
包括化学处理、机械加工、电 化学处理、热处理、电镀等多 种方法。
金属表面处理工艺流程
表面清洁、表面活化、表面处 理、表面涂装等环节组成。
产生于晶体生长、切割、变形等过程中。
包括薄亚晶带、位错、蠕变加工硬化带。
3
面缺陷
是金属晶体的缺陷，其形状是哑铃、孔
强化机理
4
等。表现为晶界、裂纹等。
金属材料经过不同的加工或处理过程， 可以获得不同的强度、硬度、延展性等
性能。
第五章 金属的热处理
1 热处理工艺
是在一定的加热、保温和冷却条件下，对金属材料进行组织和性能控制的工艺。
金属学及热处理基础知识
第一章金属学及热处理基础知识一、金属的基本结构金属材料的化学成分不同，其性能也不同。
但是对于同一种成分的金属材料，通过不同的加工处理工艺，改变材料内部的组织结构，也可以使其性能发生极大的变化，可见，金属的内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素。
金属和合金在固态下通常都是晶体，因此首先要了解其晶体结构。
1、金属的原子结构及原子的结合方式（1）金属原子的结构特点最外层的电子数很少，一般为1～2个，最多不超过4个，这些外层电子与原子核的结合力很弱，很容易脱离原子核的束缚而变成自由电子，此时的原子即变为正离子，而对于过渡族金属元素来说，除具有以上金属原子的特点外，还有一个特点，即在次外层尚未填满电子的情况下，最外层就先填充了电子。
因此，过渡族金属的原子不仅容易丢失最外层电子，而且还容易丢失次外层的1～2个电子，这就出现了过渡族金属化合价可变的现象。
当过渡族金属的原子彼此相互结合时，不仅最外层电子参与结合，而且次外层电子也参与结合。
因此，过渡族金属的原子间结合力特别强，宏观表现为熔点高。
强度高。
由此可见，原子外层参与结合的电子数目，不仅决定着原子间结合键的本质，而且对其化学性能和强度等特性也具有重要影响。
（2）金属键处以集聚状态的金属原子，全部或大部将它们的价电子贡献出来，为其整个原子集体所公有，称之为电子云或电子气。
这些价电子或自由电子，已不再只围绕自己的原子核转动，而是与所有的价电子一起在所有原子核周围按量子力学规律运动着。
贡献出价电子的原子，则变为正离子，沉浸在电子云中，它们依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式叫做金属键，它没有饱和性和方向性。
（3）结合力与结合能固态金属中两原子之间的相互作用力包括：正离子与周围自由电子间的吸引力，正离子与正离子以及电子与电子间的排斥力。
结合能是吸引能与排斥能的代数和，当形成原子集团比分散孤立的原子更稳定，即势能更低时，在吸引力的作用下把远处的原子移近所做的功是使原子的势能降低，所以吸引能是负值，相反，排斥能作用下把远处的原子移近平衡距离d 0时，其结合能最低，原子最稳定。
金属学与热处理
金属学与热处理---第3章钢的热处理热处理就是将钢在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式，改变金属内部组织结构，从而获得所需性能的操作工艺，作用:它不改变工件的形状和尺寸，只改变工件的性能，如提高材料的强度和硬度，增加耐磨性，或者改善材料的塑性、韧性和加工性等。
第一节热处理的基本原理一、钢在加热时的组织转变(一)钢在加热和冷却时的相变温度铁碳合金相图中的A1、A3和Acm 线是反映不同含碳量的钢在极为缓慢加热或冷却时的相变温度。
但钢在实际加热和冷却时不可能非常缓慢，因此，钢中的相转变不能完全按铁碳合金相图中的A1、A3和Acm线，而有一定的滞后现象，即出现过热(加热时)或过冷(冷却时)现象。
加热或冷却时的速度越大，组织转变偏离平衡临界点的程度也越大。
为区别起见，把冷却时的临界点记作Ar1、Ar3 、Arcm；加热时的临界点记作Ac1、A1c3、Accm。
例如，共析钢在平衡状态下珠光体和奥氏体的转变温度为A1；冷却时奥氏体转变为珠光体的温度为Ar1；加热时珠光体转变为奥氏体的温度为Ac1。
这些临界点是正确选择钢在热处理时的加热温度和冷却时结构发生变化的温度的主要依据。
(二)奥氏体的形成共析钢在常温时具有珠光体组织，加热到Ac1以上温度时，珠光体开始转变为奥氏体。
只有使钢呈奥氏体状态，才能通过不同的冷却方式转变为不同的组织，从而获得所需要的性能。
钢在加热时的组织转变，主要包括奥氏体的形成和晶粒长大两个过程。
在铁素体和渗碳体的相界面上首先出现许多奥氏体晶核。
这是因为铁素体与渗碳体是两个具有不同晶体结构的相，在二相界面上有晶格扭曲或原子排列紊乱等缺陷，原子处于高能量状态，有利于奥氏体核形成。
奥氏体晶核形成后，便开始长大。
它是依靠铁素体向奥氏体继续转变和渗碳体不断溶入而进行的。
铁素体向奥氏体转变的速度比渗碳体溶解快，因此，铁素体消失后，仍有部分残余渗碳体，它将随着时间的延长，继续不断地向奥氏体溶解直至全部消失。
金属学与热处理知识点总结
金属学与热处理知识点总结金属学是研究金属材料的物理特性、化学特性和力学特性，以及金属原材料的加工工艺的学科。
热处理是指将金属材料通过加热、保温和冷却等工艺过程来改变金属材料的性能，改善金属材料的加工性能。
本文结合实例，从金属学和热处理两个方面对相关知识点进行总结。
一、金属学1、金属的性质金属的性质是由元素的原子结构和组成决定的，因此，金属的物理性质、化学性质和力学性质均受它的原子结构和组成的影响。
金属的主要性质有导电性、导热性、耐腐蚀性等。
它们的性质决定了金属在工业生活中的重要作用。
2、金属的加工工艺金属加工是指采用机械、热处理、电子和化学等不同类型的加工方法，改变金属原材料的形状、性能和结构，以达到使用和生产需要的加工工艺。
常见的金属加工工艺有冲压、锻造、焊接、切削等。
二、热处理1、热处理的种类热处理是指通过加热、保温和冷却等技术，改变金属材料的组织结构，以改善材料性能的一种技术手段。
热处理的分类很多，其中包括：硬化、回火、淬火、正火、调质等。
2、热处理的作用热处理的主要作用是改变金属材料的组织结构，从而改善金属材料的性能。
热处理可以增加材料的强度、耐磨性、耐腐蚀性，同时热处理还可以改变材料的尺寸、形状和外观等。
热处理是衡量金属材料质量的关键性步骤之一，因此，热处理技术的发展有助于提高金属材料的使用性能。
综上所述，金属学是研究金属材料的物理特性、化学特性和力学特性，及其原材料加工工艺的学科，金属加工工艺可以改变金属原材料的形状、性能和结构，以达到使用和生产需要。
热处理是通过加热、保温、冷却等技术，改变金属材料的组织结构，以改善材料性能的技术手段，可以改变材料的性能、尺寸、形状和外观等。
正确运用金属学和热处理知识，可以有效提高金属材料的使用性能。
0804第一章材料的结构及性能(三)金属学及热处理
钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:
σ-1 = (0.45—0.55)σb
金属疲劳极限的影响因素：工作条件、表面状态、 材质、残余内应力等。
§1.2.2 金属材料的机械性能
六、断裂韧性
桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低 应力脆断，发生这种断裂时，其断裂应力低于材 料的屈服强度。尽管在设计时保证了足够的延伸 率、韧性和屈服强度安全系数，但仍不免破坏。 究其原因是构件或零件内部存在着或大或小、或 多或少的裂纹和类似裂纹的缺陷造成的。裂纹在 应力作用下可失稳而扩展，导致构件破断。
改变钢的化学成分（加入少量、P等） 和进行适当热处理可提高其切削加工性能。
教材31页表1-8 列出几种金属材料的切
§1.2.1 金属材料的工艺性能
五、热处理工艺性能 钢的热处理工艺性能主要考虑其淬
透性， 即钢接受淬火时形成马氏体的 能力。
含、、等合金元素的合金钢淬透性比 较好，碳钢的淬透性较差。
铝合金的热处理要求较严，它进行固 溶处理时加热温度离熔点很近。
2、断面收缩率（ψ） 试样拉断后，缩颈处截面积的最大缩减量与原横
断面积的百分比称为断面收缩率。
式中：S1－ 试 样S 拉S 断0 后颈S 缩0 处S 1 最小S 截0 面1 积(2% )0 ， S0 0
－试样原始横截面积(2)， △S－试样颈缩处截面积的最大缩减量(2) 金属材料的δ和ψ越大，则其塑性越好，越易塑性
金刚石 圆锥
1470
黑线
20－67
淬火钢、调制 钢等
(3)维氏硬度 ()
适用范围: ➢ 测量薄板类 ; ➢≈;
§1.2.2 金属材料的机械性能
显微硬度一般为维氏硬度。 各种不同方法测得的硬度值之间可通过查表得 方法进行互换。 例如：61＝82＝627＝80330
金属学与热处理
金属：具有正的电阻温度特性的物质。
晶体：物质的质点（原子、分子或离子）在三维空间作有规则的周期性重复排列的物质叫晶体。
原子排列规律不同，性能也不同。
点阵或晶格：从理想晶体的原子堆垛模型可看出，是有规律的，为清楚空间排列规律性，人们将实际质点（原子、分子或离子）忽略，抽象成纯粹几何点，称为阵点或节点。
为便于观察，用许多平行线将阵点连接起来，构成三维空间格架。
这种用以描述晶体中原子（分子或离子）排列规律的空间格架称为空间点阵，简称点阵或晶格。
晶胞：由于排列的周期性，简便起见，可从晶格中取出一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元来分析原子排列的规律性。
这个用以完全反映晶格特征最小的几何单元称为晶胞。
多晶型转变或同素异构转变：当外部条件（如温度和压强）改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异构转变。
空位：某一温度下某一瞬间，总有一些原子具有足够能量克服周围原子约束，脱离原平能位置迁移到别处，在原位置上出现空节点，形成空位。
到晶体表面，称为肖脱基空位；到点阵间隙中，称弗兰克尔空位；位错：它是晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象，使长达几百至几万个原子间距、宽约几个原子间距范围内原子离开平衡位置，发生有规律的错动，所以叫做位错。
基本类型有两种：即刃型位错和螺型位错。
晶界：晶体结构相同但位相不同的晶粒之间的界面称为晶粒间界，简称晶界。
小角度晶界位相差小于10°，基本上由位错组成。
大角度晶界相邻晶粒位相差大于10°，晶界很薄。
亚晶界和亚结构：分别泛指尺寸比晶粒更小的所有细微组织及分界面。
柯氏气团：刃型位错的应力场会与间隙及置换原子发生弹性交互作用，吸引这些原子向位错区偏聚。
小的间隙原子如C、N 等，往往钻入位错管道；而大置换原子，原来处的应力场是受压的，正位错下部受拉，由相互吸引作用，富集在受拉区域；小的置换原子原来受拉，易于聚集在受压区域，即位错的上部。
金属学与热处理
金属学与热处理金属学是研究金属及其合金的科学，涉及金属的结构、性质、制备和应用等方面。
热处理是金属学中一种常用的工艺，通过对金属材料的加热和冷却来改变其微观结构和性能。
下面将分为几个段落回答您的问题。
第一段：金属学的基本概念和研究内容金属学是一门学科，研究金属及其合金的结构、性质、制备和应用等方面。
金属由金属原子组成，具有特定的晶体结构和导电性能。
金属学的研究内容包括金属的晶体结构和晶体缺陷、金属的力学性能、热处理和变形加工等。
第二段：金属的热处理工艺和目的热处理是金属学中一种重要的工艺，通过对金属材料的加热和冷却来改变其微观结构和性能。
常见的热处理工艺包括退火、淬火、回火和固溶处理等。
热处理的目的是改善金属材料的力学性能、耐腐蚀性能和加工性能，使其适应不同的应用需求。
第三段：退火和淬火的作用和原理退火是通过加热和缓慢冷却金属材料，使其晶体结构发生变化，从而改善其韧性和可加工性。
退火的原理是在加热过程中，金属的晶体缺陷和应力得到消除，晶粒的尺寸和形态发生变化。
淬火是迅速冷却金属材料，使其形成硬脆的组织，提高其硬度和强度。
淬火的原理是通过快速冷却，使金属的晶体结构变为马氏体或贝氏体，从而实现硬化效果。
第四段：回火和固溶处理的意义和方法回火是在淬火后将金属材料加热至适当温度后冷却，通过消除淬火产生的残余应力和改善组织结构，来调整金属材料的硬度和韧性。
回火的方法包括单次回火、多次回火和复杂回火等。
固溶处理是将金属材料加热至固溶温度，然后快速冷却，以改善合金的强度和耐腐蚀性。
固溶处理的方法包括快速固溶处理和时效处理等。
以上便是对金属学与热处理的问题的回答，希望对您有所帮助。
如有其他问题，请随时提问。
金属学及热处理
金属学及热处理金属学及热处理是材料学的一个重要分支，主要研究的是金属材料的组织结构、性质以及热处理工艺等方面的知识。
在工业生产中，金属材料是不可或缺的基础材料之一，因此金属学及热处理的研究对于提高金属材料的性能、延长材料的使用寿命和提高材料的成品率等方面都具有重要的作用。
本文将从金属学和热处理工艺这两个方面进行详细介绍。
1. 金属学金属学是一门研究金属材料组织结构及性质的学科，其主要研究范围包括金属的晶体结构、非晶态金属、金属的缺陷结构、金属的力学性能、电学性能、热学性能以及金属的腐蚀等方面。
在金属学中，晶体学是其中最重要的分支，它主要研究金属晶体的结构和形貌，而晶体缺陷则是研究晶体中缺陷结构的学科。
晶体缺陷包括点缺陷、线缺陷和平面缺陷等，这些缺陷结构直接影响着金属的物理和化学性质。
2. 热处理工艺热处理工艺是金属学的一个重要分支，它是通过控制金属材料的加工温度、时间和工艺条件等，改变其微观结构和性能的一种加工方法。
热处理工艺主要分为退火、淬火、回火和正火等过程，这些工艺过程可以使金属材料的组织结构得到控制，进而改善材料的力学性能、导电性能、热导性能等性能指标。
退火是最常用的热处理方法之一，它是将金属材料加热到一定温度，保持一段时间后再冷却，以改变其晶体结构和性能的方法。
退火可以消除材料的应力和焊接缺陷，改善材料的塑性和韧性等性能。
淬火是将金属材料迅速冷却，使其达到马氏体状态，从而改变其组织结构和性能的一种方法。
淬火可以提高材料的硬度和强度等性能，但缺点是易产生裂纹和变形，需要注意加工工艺。
总之，金属学及热处理是材料学科中的重要领域，对于改善金属材料的性能、提高其使用寿命和降低制造成本都有积极的作用。
在金属材料的生产和加工中，应该根据实际需要合理采用不同的加工工艺，以使金属材料的性能得到最佳的发挥。
金属学与热处理
（四） 纯金属结晶时的生长形态 • 1．在正的温度梯度下生长的界面形态 (1)光滑界面的情况：光滑界面其显微界面为某一晶 体学小平面，这种情况有利于形成规则形状的晶 体，其生长形态呈台阶状。 (2)粗糙界面的情况：具有粗糙界面的晶体，在正的 温度梯度下成长时，晶体在生长时界面只能随着 液体的冷却而均匀一致地向液相推移，一旦局部 偶有突出，它便进入低于临界过冷度甚至熔点Tm 以上的温度区域，成长立刻减慢下来，甚至被熔 化掉。所以固液界面始终保持平面。在这种条件 下，晶体界面的移动完全取决于散热方向和散热 条件，具有平面状的长大形态，称为平面长大方 式。
欢迎进入下一节学习
（三） 固液界面前沿液体中的温度梯度 • 1．正温度梯度 • 正温度梯度是指液相中的温度随至界面距离的增 加而提高的温度分布状况，其结晶前沿液体中的 过冷度随至界面距离的增加而减小。一般的液态 金属均在铸型中凝固，金属结晶时放出的结晶潜 热通过型壁传导做出，故靠近型壁处的液体温度 最低，结晶最早发生，而越接近熔液中心的温度 越高，这种温度的分布情况即为正温度梯度 • 2．负温度梯度 • 负温度梯度是指液相中的温度随至界面距离的增 加而降低的温度分布状况，也就是说，过冷度随 至界面距离的增加而增大。此时所产生的结晶潜 热既可通过已结晶的固相和型壁散失，也可通过 尚未结晶的液相散失。
五、晶核的形成 液态金属内部生成一些极小的晶体作为结晶的核 心，叫做晶核。形核有两种方式。 1、自发（均匀）形核 在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序的原 子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原 子集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心。这个过 程叫自发形核。这种由液态金属内部由金属原子自发 形成的晶核叫自发晶核。 2、 非自发（非均匀）形核 实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金属 降到一定温度后，有些杂质可附着金属原子，成为结 晶核心，这个过程叫非自发形核。这种依附于外来固 态杂质而形成的晶核叫做非自发晶核。例如在钢液 中加铝、铝合金中加钛、铜合金中加铁等。
金属学与热处理讲稿
主要内容一、金属的热处理及热处理的基本类型目的：改变金属内部组织结构，以满足加工和使用性能的要求。
工艺：将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。
热处理包括普通热处理、表面热处理和化学热处理。
普通热处理里面包括：退火、正火、淬火和回火。
表面热处理是只加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。
为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较大的热能，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。
主要方法：火焰淬火和感应加热热处理，常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。
化学热处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。
化学热处理与表面热处理不同之处是前者改变了工件表层的化学成分。
化学热处理是将工件放在含碳、氮或其它合金元素的介质(气体、液体、固体)中加热，保温较长时间，从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。
渗入元素后，有时还要进行其它热处理工艺如淬火及回火。
机械零件加工的一般工艺流程：铸（锻）造成形→预先（备）热处理→粗加工→最终热处理→精加工。
适当的热处理可以显著提高金属的机械性能，延长零件的使用寿命。
此外，通过热处理还可使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能。
1.1金属热处理的工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却。
金属热处理的加热方法：木炭、煤、石油、天然气和电。
利用这些热源可直接加热，也可通过熔融的盐或金属间接加热。
加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。
因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热。
温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。
加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。
金属学与热处理
一，金属的热加工与冷加工热加工在工业生产中，热加工通常是指将金属材料加热至高温进行锻造、热轧等的压力加工过程几乎所有的金属材料都要进行热加工和进一步加工：除了一些铸件和烧结件之外，几乎所有的金属材料都要进行热加工，其中一部分成为成品，在热加工状态下使用,另一部分为中间制品，尚需进一步加工无论是成品还是中间制品，它们的性能都受热加工过程所形成组织的影响热加工和冷加工的定义：从金属学的角度来看，所谓热加工是指在再结晶温度以上的加工过程；在再结晶温度以下的加工过程称为冷加工。
例如铅的再结晶温度低于室温，因此，在室温下对铅进行加工属于热加工。
钨的再结晶温度约为1200度，即使在1000度拉制钨丝也属于冷加工。
热加工过程中存在加工硬化和回复再结晶软化两个相反的过程：如前所述，只要有塑性变形，就会产生加工硬化现象，而只要有加工硬化，在退火时就会发生回复再结品。
由于热加工是在高于再结晶温度以上的塑性变成过程，所以因塑性变形引起硬化过程和回复再结晶引起的软化过程几乎同时存在。
图7-26示意地表示了动静态再结晶的概念1.不过，这时的回复再结晶是边加工边发生的，因此称为动态回复和动态再结晶，而把变形中断或终止后的保温过程中，或者是在随后的冷却过程中所的回复于再结晶称为静态回复和静态再结晶2.它们与前面讨论的回复与再结晶（也属于静态回复和静态再结品）一致，唯一不同的地方是它们利用热加工的余热进行，而不需要重新加热金属材料热加工后的组织与性能受着热加工时的硬化过程和软化过程的影响1.由此可见，金属材料热加工后的组织与性能受着热加工时的硬化过程和软化过程的影响，而这个过程又受着变形温度、应变速率、变形程度以及金属本身性质的影响。
2.例如当变形程度大而加热温度低时，由变形引起的硬化过程占优势，随着加工过程的进行，金属的强度和硬度上升而塑性逐渐下降，金属内部的品格畸变得不到完全恢复，变形阻力越来越大，甚至会使金属断裂。
3.反之当金属变形程度较小而变形温度较高时，由于再结晶和晶粒长大占优势，金属的晶粒会越来越粗大，这时虽然不会引起金属断裂，也会使金属的性能恶化。
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W18Gr4V圆板牙课程设计圆板牙是一种螺纹刀具，工作部分是位于板牙内部的螺纹部分，刃口比较薄，加工或修正外螺纹的螺纹加工工具。
板牙相当于一个具有很高硬度的螺母，螺孔周围制有几个排屑孔，一般在螺孔的两端磨有切削锥。
对圆板牙的热处理变形要求非常严格，一般选用淬火温度较低、变形较小的低合金刃具钢制造。
为了提高圆板牙的综合机械性能，采用80年代末国内钢厂生产的低合金高性能高速钢新钢种一W4Mo3Cr4VSi，制成ＭＳ圆板牙，研究了热处理工艺对变形和性能的影响，获得了较佳的热处理工艺，为生产高速钢板牙奠定基础。
目前,工具行业做板牙主要是W18Gr4V工具钢和CCr15轴承钢两种,但这种工具热处理工序很关健,现大都采用盐浴炉淬火和在回火油中回火,放在网带炉上热处理的很少。
板牙按外形和用途分为圆板牙、方板牙、六角板牙和管形板牙（见图板牙的类型）。
其中以圆板牙应用最广，规格范围为M 0 .25 ～M68毫米。
当加工出的螺纹中径超出公差时，可将板牙上的调节槽切开，以便调节螺纹的中径。
板牙可装在板牙扳手中用手工加工螺纹，也可装在板牙架中在机床上使用。
板牙加工出的螺纹精度较低，但由于结构简单、使用方便，在单件、小批生产和修配中板牙仍得到广泛应用。
一、设计任务圆板牙在工作时受扭矩较大，则须保证材料有良好的强韧性配合。
板牙相当于一个具有很高硬度的螺母，螺孔周围制有几个排屑板牙孔，一般在螺孔的两端磨有切削锥。
板牙按外形和用途分为圆板牙、方板牙、六角板牙和管形板牙（见图板牙的类型）。
其中以圆板牙应用最广，规格范围为M 0 .25 ～M68毫米。
当加工出的螺纹中径超出公差时，可将板牙上的调节槽切开，以便调节螺纹的中径。
板牙可装在板牙扳手中用手工加工螺纹，也可装在板牙架中在机床上使用。
板牙加工出的螺纹精度较低，但由于结构简单、使用方便，在单件、小批生产和修配中板牙仍得到广泛应用。
2012年12月二、工件环境及服役条件分析受力状态：①用圆片板牙加工螺纹时，呈半切削半挤压状态。
板牙的内径和中径为切削部分，尤其是板牙内径要承受较大的切削力，因此必须具有一定的强度和切削能力②尽可能减小螺栓坯料的直径，即确保与螺栓大径有关的公差靠近下限，这样可把攻丝时产生的切削力降至最低。
③为防止工件上的孔或模具型腔成为裂纹的策源地，孔与孔之间应有一定的距离，冲模型腔与模边之间的距离也应足够大。
载荷性质①考虑到板牙切削出的螺钉与螺孔配合时应有一定的间隙，并考虑到磨损量，故设计板牙时，应使内径和中径小于螺纹内径、中径的标称尺寸②螺纹的外径是通过切削时金属在板牙的挤压作用下塑性变形而得到。
为了不使金属发生阻塞致使工件折断，板牙的外径不应参加工作，它与被切削之间要留有间隙③先在螺栓坯料的端部加工出 45 度的倒角，以防止在板牙的导向刃上产生突然加载现象2012年12月④确保圆板牙或六角板牙垂直地切入螺栓坯料。
⑤圆板牙在工作时受扭矩较大，则须保证材料有良好的强韧性配合。
⑥工具的越高，耐磨性就越好，刀尖要承受挤压应力和弯曲应力，还要承受不同程度的冲击力，因此工具必须具备较高的抗弯强度和挤压强度，还应有较高的冲击韧度。
工作场（如温度场、电磁场等）①作为刃具，硬度要求60-63HRC，则必须具有较高的淬透性，并保证圆板牙内部刃口部位淬硬②环境介质螺孔中径、螺距及内孔的精度涉及到加工后螺纹的精度，因此材料在热处理过程中要保证变形很小；环境介质①采用正确的冷却液，并把足量的冷却液对准切削加工区域②由于刃口较薄且在内部，所以要求该材料组织中碳化物细小均匀，以保证在工作时刃口不崩刃、耐磨性好，寿命长截面急剧变化的工件③淬火时易引起过量变形或开裂，一般应采用平滑过渡或圆弧过渡④工具必须具备高温硬度和热硬性，特别是高速切削和加工难切削材料时热硬性尤为重要。
四、失效分析及性能要求2012年12月（一）疲劳断裂的分析：疲劳断裂是机械零件在循环应力作用下，将会出现的疲劳断裂。
切削工具由于承受较大的冲击力或因工具本身的脆性较大有时会产生整体断裂或破碎现象，如钻头的扭断、折断、拉刀的拉断，锯条的折断等。
工具的断裂，破碎与工具本身的韧性不足有关，但这种失效不完全是由于韧性不足引起的。
如拉刀的断裂就是由于强度不足或有内裂纹引起的。
所有机械零件在工作过程中的实效疲劳断裂与断裂失效的50%~90%时，疲劳断裂一般会发生突然，危害性大，疲劳断裂是发生在零件的局部应力区，某些晶粒在变力作用下形成微裂纹，随着循环数增加，裂纹继续扩展，导致最终疲劳断裂。
针对疲劳断裂的特点，可以采用各种强化方法来提高零件的抗疲劳能力。
（二）磨损失效的分析：磨损是在正常使用情况下，切削工具最常见的失效形式。
磨损是相互接触的零件间存在滑动时，接触表面会因发生摩擦损坏而引起形状变化的现象，它是一种可以看到的，渐发生的破坏形式。
主要有磨粒磨损和黏着磨损。
工具在产生严重磨损时会发出尖叫声或严重震动，甚至无法切削。
磨损大都是由于工具与被加工工件或切屑之间的磨粒磨损之间造成的，有时也可能是由于工件表面形成切屑瘤而形成的粘合磨损所造成的。
磨粒磨损是由于相对运动的物体接触时，滑动表面高低不平，凸出的硬质点将轴的接触面刨出沟槽或划伤而产生的破坏。
常见的磨粒磨损有：与切削、磨削加工类似的和有高强度、高硬度的磨粒进入两个接触面间的沟槽。
黏着磨损是在两个相对运动的物体直接接触中，由于接触应力很高而引起塑性变形，导致物体接触，温度升高并发生黏着、焊合现象，分离时黏合处撕开，从而将小块料撕去，造成表面损伤。
提高耐磨性，一是要材料有高硬度，若材料中存在耐磨硬颗粒，更有利。
二是材料具有小的摩擦系数，降低配对材料间的原子结合力，此外，改善润滑条件，细化表面粗糙度，使机械零件保持清洁等，均有利于减少摩擦磨变形失效的分析变形失效主要有弹性和塑性变形失效。
弹性变形失效是零件过量弹性变形产生的失效。
主要是指失去弹性的能力，属于功能失效。
引起弹性变形的原因零件刚度不够，除结构因素外，还取决与材料的弹性模量，因此，要预防弹性变形失效，因选择弹性模量高的材料来制作零件。
塑性变形失效是零件因过量塑性变形产生的失效，主要由于应力过大造成的。
2012年12月（三）零件产生塑性变形，是由于实际工作应力超过了这种材料的屈服强度。
在设计装配使用正常情况下，应考虑选用高屈服强度材料。
钢对形成碳化物网比较敏感，这种网的存在，就使工具刃部有剥落的危险，从而使工具的使用寿命缩短，因此，有碳化物网的钢，必须根据其严重程度进行锻压和正火。
这种钢用来制造在工作时切削刃口不剧烈变热的工具和淬火时要求不变形的量具和刃具，例如制作刀、长丝锥、长铰刀、专用铣刀、板牙和其他类型的专用工具，以及切削软的非金属材料的刀具。
五、初步选材板牙是加工或修正外螺纹的螺纹加工工具。
板牙相当于一个具有很高硬度的螺母，螺孔周围制有几个排屑孔，一般在螺孔的两端磨有切削锥。
板牙按外形和用途分为圆板牙、方板牙、六角板牙和管形板牙。
其中以圆板牙应用最广，规格范围为M 0 .25 ～M68毫米。
本课程设计主要说明圆板牙的热处理工艺。
圆板牙是用来加工外螺纹的专用工具，在切削过程中其切削锥部分必须有高的硬度、耐磨性，同时有要具有良好的韧性和强度。
圆板牙属于薄刃工具，其韧部所受的冲击力不大，制造的材料组织中含有均匀分布的细小合金碳化物颗粒，淬透性好，淬火应力和变形小，只有这样才能保证上述技术要求。
以下是几种合金钢的性能特点：（一）T12是碳素工具钢，含1.15-1.24%C。
这样的高C能保证淬火后有高的硬度和较多的碳化物，以满足耐磨性和淬硬性的要求。
根据圆板牙的性能要求知，T12钢不能满足热处理变形小（由于其淬透性差，需急冷而变形大）和韧度较好的要求。
因此，T12钢不符合要求。
（二）W18Cr4V是高速钢。
含有Cr、Si的加入，提高了淬透性；因为Cr、Si的作用，使钢种的碳化物细小均匀。
使用时刃口不易崩刃; Si低温回火是组织转变非常有效，所以该钢的低温回火稳定性很好，热处理变形也很小。
其缺点是脱碳敏感性较大。
最主要的特点是红硬性高，适用于在600℃工作温度下仍能保持其切削性能的高速切削场合。
该钢的碳化物比较多，并且相对来说比较 2012年12月均匀性也难以达到最佳状态。
对圆板牙这样薄刃的工具，刃口部位容易崩刃，并且该钢的加工工艺性比较复杂，成本高。
所以选用该钢也是不合适的。
根据该钢的特点，如采取合适的工艺措施，控制其脱碳现象，（三）CrWMn ：由于Cr、W、Mn的复合加入，使其有较高的淬透性；Cr、W、Mn都是碳化物形成元素，使钢中有较多的碳化物，淬火后硬度高，可达到64-66HRC，因此有较高的耐磨性；W能细化碳化物，改善了韧度；由于Mn的存点，该钢淬火后的残余奥氏体比较多，淬火变形也较小；但该在大为降低了MS钢的碳化物多且易形成网状，如果碳化物粗大且不均匀，则制造薄刃后，刃部有崩刃的危险。
CrWMn钢主要用于制造断面尺寸较大、淬火变形要求小、耐磨性要求较高的工具。
所以，如果采取有效工艺，使碳化物细小均匀，该钢是能满足要求的。
（四）9SiCr ：Cr、Si的加入，提高了淬透性；因为Cr、Si的作用，使钢中的碳化物细小均匀。
使用时刃口部位不易崩刃；Si抑制低温回火时的组织转变非常有效，所以该钢的低温回火稳定性较好，热处理时的变形也很小。
其缺点是脱C敏感性比较大。
根据该钢的特点，如采取合适的工艺措施，控制其脱C现象，9SiCr钢是制造薄刃圆板牙的理想材料。
（五）GCr15 ：是典型的滚动轴承钢，也可以制造工具。
Cr的加入增加了钢的淬透性，并能形成较稳定的细小均匀的碳化物，它的冶金质量比一般钢要高。
在淬火低温回火后可获得高而均匀的硬度。
热处理变形比较小，尺寸很稳定。
但是该钢和9SiCr 相比，回火稳定性比较差。
因此，对刃口要求高且在内部的圆板牙来说，GCr15不如9SiCr更适合。
六、材料性能对比及最佳材料确定W18Gr4V的化学成分：碳 C ：0.7～0.8 钨 W：17.5 ～19铬 Gr：3.84 ～4.4 钼 Mo ：≤0.3 2012年12月磷 P ：≤0.3 钒V：1.0～1.4锰 Mn：≤0.4 硅Si: ≤0.4硫S:≤0.3Si 、Mn 、Cr的作用是提高钢的淬透性。
W18Gr4V性能特点1钢中加入Cr.Si元素主要是为了提高钢的淬透性。
Cr.Si元素溶入基体中可强化基体组织，同时改善钢的回火稳定性。
2另外cr元素溶入Fe3c中形成复合可提高其硬度，增加钢的硬度与耐磨性。
3因Cr元素的加入和低Bs点，使得贝氏体和珠光体转变温度之间出现过冷奥氏体稳定区，形成两个C曲线，而Si元素的加入又推迟贝氏体转变，所以该钢种宜于进行分级淬火或等温淬火。
4由于Cr,Si元素的加入，引起临界点AC3升高，淬火后残余奥氏体较少。