金属材料与热处理-2

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朱明工作室
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金属材料与热处理 ---3
主讲: 朱明
高级技师、经济师、工程师 高级技能专业教师 汽车维修高级考评员
授人以鱼不如授人以渔
模块四 碳素钢
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碳素钢(简称碳钢)是指含碳量小于2.11%的铁碳 合金。在钢中除了铁、碳之外,还含有少量的锰、硅、 磷等杂质。碳素钢具有良好的力学性能和工艺性能,且 价格低廉,冶炼方便,加工容易,因而在机械制造、建 筑、交通运输等许多工业部门得到了广泛的应用。
简介“相区接触法则” 1.两个单相区只能交于一点,而不能交成一条线。 朱明工作室
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Pb Sn
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2.两个单相区之间必定有一个由这两个单相组成的 两相区。 朱明工作室
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Pb Sn
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3.三相共存时必定是一条水平线,每一条水平线必 定和三个两相区相遇。 朱明工作室
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4.如果两个恒温转变中有两个相同的相,那么在 这两条水平线之间一定是由这两个相组成的两相区。 朱明工作室
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简介“相律” 先介绍“平衡相”:将给定成分的合金在一定温度 朱明工作室 zhubob@21cn.com 下,停留足够长时间,使各相达到数量不变的动平衡状 态,这时存在的相,就叫做平衡相。 再介绍“自由度”:指在不改变系统平衡相的数目 的条件下,可以独立改变的、影响合金状态的因素,如 温度、平衡相成分等的数目。 相率以下式表示: f=C-P+1, 即“自由度数=组元数-平衡相数+1” 应用: 1.对纯金属来说,组元数C=1,当自由度数f=0时 平衡相具有最大值,代入,PMAX=1-0+1=2,即纯金 属最多只能有两个平衡相共存。
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金属材料与热处理 ---4
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模块五 钢的热处理
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我们下面用一道实际的生产问题来重温钢的热处理 知识。 用一根冷拉钢丝绳吊装一大型工件进入热处理炉, 并随工件一起加热到1000℃保温,当出炉后再次吊装工 件时,钢丝绳发生断裂,试分析其原因。答案是这样的: 冷拉钢丝绳是利用加工硬化效应提高其强度的,在 这种状态下的钢丝中晶体缺陷密度增大,强度增加,处 于加工硬化状态。在1000℃时保温,钢丝将发生回复、 再结晶和晶粒长大过程,组织和结构恢复到软化状态。 在这一系列变化中,冷拉钢丝的加工硬化效果将消失, 强度下降,在再次起吊时,钢丝将被拉长,发生塑性变 形,横截面积减小,强度将比保温前低,所以发生断裂。
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液相区 固相区
朱明工作室 共晶点 zhubob@21cn.com
(液+固)相区
C的溶解曲线 共晶转变线
共析点 C的溶解曲线 共析体
共析转变线
共晶体 过共析体 亚共晶体 过共晶体
亚共析体
铁素体+珠光体 珠光体
珠光体+二次渗碳体
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莱氏体+一次渗碳体 莱氏体+珠光体+二次 渗碳体 莱氏体
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选材思路: 1.由于有活塞的遮盖,工作环境温度场最高不大于 朱明工作室 zhubob@21cn.com 750℃;也由于有润滑油的润滑和冷却,连杆大、小头 温度场相差小于100℃,故不必作专门的温度影响考虑。 2.由于活塞的速度运动规律是“0→max→0”,故连 杆的受力形式是“规律性变幅循环应力”,要进行疲劳 强度的校核。 3.由于发动机有专门的配重设计,故不必考虑过多 振动问题,倒是要在连杆的截面形状上选取合理的高刚 度形状来解决扭转载荷问题。 4.设计时作“承受载荷较大的金属结构件”(各种 机械设计手册包括我们的课本的有关图表)考虑选材的 力学性能指标(主要是抗拉强度b )。
一、钢的临界温度 朱明工作室 zhubob@21cn.com A1、A3、Acm各相变点是固态下铁碳合金的组织转变线, 是在极其缓慢加热和冷却条 件下得到的。 在实际生产中,固态相变时都有不同程度的过热度或 过冷度(见右图)。为便于区别,将加热时各相变点用ACl、 AC3、ACcm表示,冷却时各相变点用Arl、Ar3、Arcm表示。
表示方法:“T”+碳平均含量的千分数,若为高级 优质碳素工具钢则在牌号后加“A”,如“T12A”。
4.铸钢
表示方法:“ZБайду номын сангаас”+屈服点数值+抗拉强度 (或旧标准:“ZG”+碳平均含量的万 分数)。 授人以鱼不如授人以渔
三、那什么叫做“冶炼时的脱氧程度的不同”呢? 这就要上溯到钢的铸锭工艺了。钢的浇注期或冶炼 朱明工作室 zhubob@21cn.com 末期,根据对钢的脱氧方法的不同,可生产出镇静钢、 沸腾钢和半镇静钢。 1.镇静钢—钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铝进行充 分的脱氧,使钢的含氧量<0.01%,以至钢液在凝固 时不析出CO,得到成分比较均匀,组织比较致密的钢锭, 这种钢就叫镇静钢。 2.沸腾钢—在冶炼末期对钢液仅进行轻度脱氧,而 使相当数量的氧留在钢液中,则钢液注入钢模后,钢中 的氧与碳发生化学反应,析出大量的CO,引起钢液的沸 腾,这种钢就叫沸腾钢。 3.半镇静钢—脱氧程度介于镇静钢与沸腾钢之间。
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综合上述,制造发动机连杆的材料有优质碳素结构 钢(课本P49表4-2)和铸钢(课本P50表4-3)。对于 朱明工作室 zhubob@21cn.com 速度高、受力较大的连杆,应选择优质碳素钢,如45﹟ 钢等。当然,也可使用40﹟、50﹟、45Mn、35CrMo、 42CrMo、40Cr合金钢用模锻工艺制造 (课本P51 ) 。 实际生产中的一般情况是(考虑到相当大的安全系 数),受力小使用状态下选用铸钢,受力大使用状态下 则选用高标号优质碳素结构钢锻打成型(模锻);两种 选材都采用零件的截面为“工”字型,这是除了“箱型” 的截面外,抗弯和抗扭能力最好的截面形状了。 顺便说说,连杆螺栓及螺母、曲轴轴瓦盖螺栓使用 材料为:40CrA,35CrMo,40MnB(调质);正常使用寿命 为10×104Km。
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谈谈钢的热处理的历史沿革
在从石器时代进化到铜器时代和铁器时代的过程中, 朱明工作室 zhubob@21cn.com 热处理的作用逐渐为人们所认识。早在公元前770~前 222年,中国人在生产实践中就已发现,铜和铁的性能 会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处 理就是当时制造农具的重要工艺。
沸腾钢一般是低碳钢,含硅量低,具有良好的塑性, 常用于冷冲压件,如汽车的油箱、蒙皮(08F钢)。由于 朱明工作室 zhubob@21cn.com 有气泡,故一般不会出现缩孔。轧成钢坯后,头部切除量 很小,成材率高,宜于轧薄板。但成分偏析大,组织不致 密,机械性能不均匀,冲击韧性值低,不适用于对机械性 能要求高的零件。
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一、常存元素对钢性能的影响(课本P47) 1.硅—钢中的有益元素,溶入铁素体而使钢的强度 朱明工作室 zhubob@21cn.com 和硬度提高,还能提高钢液的流动性,有利于铸造成型, 但含量不超过0.5%。 2.锰—也是钢中的有益元素,也能溶入铁素体而使 钢的强度和硬度提高,还能与硫形成MnS,从而减轻硫 的有害作用,但含量应控制在0.25~0.8%之间。 3.硫—钢中的杂质元素,硫↑,钢的脆性↑。特别是 FeS与Fe形成共晶体造成“热脆”。含量控制在<0.05 %。 4.磷—钢中的杂质元素,使钢的焊接性能变坏。特 别是磷结晶时会形成脆性很大Fe3P,使钢在室温下出现 的塑性和韧性急剧下降(“冷脆”)。含量控制在< 0.045%。
公元前六世纪,钢铁兵器逐渐被采用,为了提高钢 的硬度,淬火工艺得到迅速发展。中国河北省易县燕下 都出土的两把剑和一把戟,其显微组织中都有马氏体存 在,说明是经过淬火的。
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三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把 刀,相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代 朱明工作室 zhubob@21cn.com 就注意到不同水质的冷却能力了,同时也注意了油和尿 的冷却能力。中国出土的西汉(公元前206年~公元24年) 中山靖王墓中的宝剑,心部含碳量为0.15~0.4%,而表 面含碳量却达0.6%以上,说明已应用了渗碳工艺。但 当时作为个人“手艺”的秘密,不肯外传,因而发展很 慢。 1863年,英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显 微镜下的六种不同的金相组织,证明了钢在加热和冷却 时,内部会发生组织改变,钢中高温时的相在急冷时可 转变为一种较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素 异构理论,以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图,为 现代热处理工艺初步奠定了理论基础。
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镇静钢成分比较均匀, 组织比较致密。虽然由于有 缩孔,使钢锭的成材率较半 镇静钢低,但切除缩孔的部 分能用于对机械性能要求高 的机材用料,也可用作重要 的焊接结构。
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讨论:害与利的转化 “热脆之‘害’”——从铁—硫相图上知道,这是 朱明工作室 zhubob@21cn.com 因为钢在结晶接近完成时生成(989℃)的硫化物共晶 体在钢锻造(1000℃以上)时熔化且被压裂,造成钢的 晶界碎裂的危害。但这种有害作用在一定的条件下可以 转化,比如:有意增加硫的含量的同时适当增加锰的含 量,可以用于生产易削钢(比如钢的旧标准中的“A型 钢”,这种钢只检验力学性能而不检验化学成分),用 途很广。 “冷脆之‘害’”——钢中含磷量高引至冷脆是表 层原因,从铁—磷相图可以看出,铁磷合金的结晶温度 范围很宽,磷具有严重的偏析倾向才是深层原因。因此, 可以变害为利:比如在炮弹钢中加入较多的磷,可使钢 的脆性增大,爆炸时破片增多而增大杀伤力;还可以利 用磷的固溶强化作用和抗腐蚀性,炼成铁路钢轨钢等。
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二、钢的奥氏化过程 钢在热处理时,必须将钢加热到一定的温度,其目 朱明工作室 zhubob@21cn.com 的是使钢的组织转变为奥氏体组织,通常把这种加热转 变过程称为钢的奥氏体化过程。 从铁碳相图中看到,钢加热到727℃(状态图的PSK 线,又称A1温度)以上的温度珠光体转变为奥氏体。这 个加热速度十分缓慢,实际热处理的加热速度均高于这 个缓慢加热速度,实际珠光体转变为奥氏体的温度高于 A1,定义实际转变温度为Ac1。Ac1高于A1,表明出现热滞 后,加热速度愈快,Ac1愈高,同时完成珠光体向奥氏体 转变的时间亦愈短。 共析碳钢(含0.77%C)加热前为珠光体组织,一般 为铁素体相与渗碳体相相间排列的层片状组织,加热过 程中奥氏体转变过程可分为五步进行,见下图。
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任务一选择制造发动机连杆的材料
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发动机连杆的作用是把发动机活塞的往复直线运动 转变为旋转的扭矩输出,可以说,五种形式的载荷就有 了三种(拉伸、压缩和扭转),服役条件也算是苛刻了。 连杆正常使用应为25×104Km,因此,必须具有较高的 强度和韧性,才能使之达到的寿命设计。因此,为其选 择合适的材料是至关重要。 说明:金属材料的“服役时间”单位一般取小时, 但也视材料应用时的受力状态而言,如有时取“次数” (受弯状态),这里取汽车的行走里程(Km),数据也很 保守。
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二、碳钢的分类(课本P49 )
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1.碳素结构钢
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表示方法:“Q”+屈服点数值(Mpa)+质量等 级符号(A、B、C、D) +脱氧方法(F、b、Z、TZ)。
2.优质碳素结构钢 碳钢
表示方法:采用两位数字表示,代表该钢平均含碳 量的万分数。
3.碳素工具钢
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复习一下热处理方法知识:
退火 正火 普通热处理 淬火 回火 表面淬火 热处理 表面热处理
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火焰加热 感应加热(高、中、低频)
化学热处理 形变 特殊热处理 真空 其他
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渗碳 氮化 碳氧共渗 其他
任务一:分析钢在加热时的组织转变过程
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