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金属材料及热处理课件

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金属材料及热处理课件的内容简介:

主要内容:
第一章:金属材料材料的性能
第二章:碳素钢
第三章:合金钢
第四章:铸铁
第五章:有色金属金属材料
第六章:金属学的基本知识
第七章:钢的热处理
第八章:铸铁的热处理
第九章:我厂热处理常用设备、性能及用途
第一章金属材料材料的性能

任何一台机器都是由许多机械零件组成的。用以制造机械零件的金属材料种类很多,这就要求合理地选择使用材料,满足机械的使用性能和零件所要求的各项技术要求,达到既节省金属又保证产品质量的目的。现就机械工业中常用金属材料的各种性能简单介绍如下。

第一节金属的物理性能和化学性能
一、物理性能
金属的物理性能主要包括:比重、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。
1、比重
比重是物体重量和其体积的比值。它的单位为g/㎜3或㎏/dm3。在体积相同的情况下,物体的比重越大,重量也越大。
按照比重的大小,金属材料可分为轻金属和重金属。比重小于5g/㎜3的金属叫做轻金属;比重大于5g/㎜3的金属叫做重金属。例如,铜的比重为8.9g/㎜3,铁的比重为7.8g/㎜3,属于重金属;铝的为2.7g/㎜3,属于轻金属。
比重是金属材料的一个重要物理性能,特别是在航空工业和汽车工业中,为了增加有效载重量,比重更是需要考虑的因素,例如:飞机零件的一半以上是用比重小、强度高的铝和铝合金铸造的。在热加工(如铸造、焊接)中,为了去除金属溶液里的杂质,常添加一些溶剂,和杂质作用生成比重较金属液轻的熔渣上浮,以与金属分离。
2、熔点
金属从固体状态向液体状态转变时的熔化温度称为熔点。熔点一般用摄氏温度(℃)表示。
每种金属和合金都有自己的熔点。钢和生铁虽然都是由铁和碳这两种元素组成的合金,但是由于钢和生铁的含碳量不同,所以它们的熔点也不同。
熔点对于热加工,尤其是冶炼、铸造、焊接、配制合金等很重要。如果金属的熔点低,就可以大大改善铸造和焊接工艺,使铸造和焊接都较容易进行。工业上还常将易熔合金用来制造熔断器和防火安全阀等零件,难熔合金则用来制造要求耐高温的零件,广泛用于火箭、导弹、燃气轮机、喷气飞机。
3、热膨胀性
热膨胀性是指金属材料受热时,它的体积会增大,冷却时则收缩的一种性能。热膨胀性也是金属材料的一个重要性能。例如,一些精密的测量工具,象千分尺、快规等,为了保持其高度正确性,就要用线膨胀系数很小的金属材料来制造。在使用不同的金属材料制成零件时,如异种金属焊接时,就要考虑它们的热膨胀系数是否接近。否则会因热膨胀量不等,而使零件变形甚至损坏。

第二节钢的退火与正火
1、退火
按钢的充分和不同的处理目的,通常的退火工艺可分为完全退火、扩散退火、等温退火、球化退火和去应力退火等。
1)完全退火
完全退火又称重结晶退火,一般简称为退火。完全退火主要用于亚共析钢的铸件、锻件、热轧型材及焊接件等。
完全退火的工艺是将钢件加热至Ac3以上30~50℃,保温一定时间后,随炉缓慢冷却(可在缓冷坑中或埋在砂中冷却)至500℃以下,然后在空气中冷却。
由于加热温度超过Ac3,使钢的组织完全重结晶,形成细而均匀的奥氏体,达到细化晶粒和均匀组织的目的。在加热、保温过程中,可消除由于热加工造成的内应力,缓冷避免产生新的内应力,并能得到接近平衡状态的组织,故钢的硬度很低。亚共析钢完全退火后的组织为铁素体加珠光体。亚共析钢的完全退火常作为淬火前的预处理。
2)扩散退火
扩散退火是把钢加热至高温Ac3+150~250℃(1050~1150℃),保温10~20小时,然后缓冷,目的是使钢的充分均匀化。由于钢在高温停留时间长,晶粒十分粗大,因此扩散退火后,要进行一次完全退火来细化晶粒,提高机械性能。
3)等温退火
某些奥氏体比较稳定的合金钢,其退火工艺往往需要几十小时。如果钢件退火不用随炉冷却的办法,而是打开炉门,冷到A1以下的某一温度,保温足够时间,使过冷奥氏体完成等温分解,温度降至500~600℃时即可出炉空冷,这种方法称为等温退火。等温退火与普通退火(随炉缓冷)比较,退火时间短,组织均匀,硬度可控制在较窄的范围内。
等温退火多用于高碳钢、高碳合金钢。
4)球化退火
球化退火是使钢获得球状组织的工艺方法。所谓球状组织是指球状小颗粒的渗碳体,均匀地分布在铁素体基体中的显微组织。
共析钢和过共析钢经轧制、锻造后空冷,一般为细片状珠光体组织,硬度较高,其渗碳体呈片层状,切削加工时刀具容易磨损,淬火加热时易产生过热、淬火变形与开裂现象。为了克服这一缺点,用球化退火的方法,能改善工件的切削加工性(如T10钢硬度可从HB255~321下降至HB≤197);球状渗碳体比片状渗碳体难溶入奥氏体,所以有可能阻止奥氏体晶粒长大,使钢的过热倾向减小,淬火加热温度范围宽,容易控制,淬火时变形开裂倾向减少,淬火后获得细针状马氏体加粒状渗碳体,机械性能好,零件寿命延长。因此,工具钢、轴承钢等锻压后必须进行球化退火。
球化退火的加热温度略高于Ac110~20℃。例如,T8~T13钢为750~770℃,保温足够时间后,随炉缓冷或采用等温退火的冷却方法。
5)去应力退火
去应力退火也称低温退火,主要用于消除铸件、锻件、焊接件、热轧件和冷挤压件的内应力。
内应力是指存在于物体内部的应力。一般当加热、冷却不均匀度变形时,都能引起内应力。
零件在铸造、焊接或切削加工等生产过程中,都会造成内应力。如机床床身、导轨铸造后,如果不消除内应力,切削加工之后会因内应力重新分布而发生变形,影响机床的精度。
去应力退火,一般是加热到500~650℃,经保温一段时间后,随炉冷至300℃以下出炉。由于退火温度低于A1,所以钢件在去应力退火过程中,并无组织变化,内应力主要是通过钢件在500~650℃加热、保温及缓冷过程中消除的。
去应力退火有时也称“时效”。通常把在室温下放置的叫做自然时效,在一定温度下保温的叫做人工时效。

2、正火
将钢加热到Ac3或Accm以上30~50℃,保温一定时间后从炉中取出,在空气中冷却的方法,称为正火。由于正火的冷却速度较退火快,所以得到的珠光体组织较细,强度和硬度都有提高。
正火工艺简单、经济,应用很广,如:
1)含铁量小于0.5%的钢件,常用正火代替退火,以改善组织结构和切削加工性能;
2)对机械性能要求不高的零件,常用正火作为最终处理;
3)过共析钢常用正火来消除网状渗碳体,为球化退火作组织准备;
4)亚共析钢在淬火前先进行正火,可使组织细化,能减少淬火时的变形和开裂倾向。

3、常用的淬火冷却方法
1)单液淬火法将高温的钢件放入一种淬火介质中冷却至转变结束,称为单液淬火,如图中的曲线1所示。
水淬和油淬都属于单液淬火法,此法操作简便,容易实现机械化,然而都存在一定的局限性。水淬可得到较深的淬硬层与高的硬度,但变形和开裂倾向大。油淬的淬硬层薄,在一般情况下,碳钢淬火采用水淬,合金钢淬火采用油淬。
2)双液淬火法
为了克服单液淬火的缺点,常将高温钢件先放入水中急冷,冷却到一定温度再放入油中冷却,此法称为双液淬火法。如图曲线2所示。钢件转变成奥氏体后,先放入水中在C曲线“鼻部”快速冷却,避免发生珠光体类型的转变,待钢件温度降至300℃左右时,迅速转入油中,使钢的组织在缓慢的冷却速度下转变为马氏体。使钢件既能淬硬,又能显著减小淬火应力。这种淬火法常用于淬透性不高的碳钢所制成的工模具,以及要求得到较大淬硬层的合金钢大件。双液淬火要正确判断由水转入油中的温度,过早地转入油中将使零件的冷却曲线绕不过C曲线的“鼻部”,过迟转入油中则在低温区冷速过大,达不到双液淬火的目的,容易出现变形、开裂等缺陷。
3)分级淬火
将高温钢件直接放入温度为150~260℃的盐液或碱液内淬火,在该温度下,停留一定时间,以减少零件表面与心部的温差,然后取出在空气中冷却,这种淬火方法叫做分级淬火法,如图曲线3所示。这样既避免高温时奥氏体的分解,又达到低温时缓慢冷却的目的,减小淬火应力,且硬度均匀。分级淬火是防止变形和开裂的有效的淬火方法。
分级淬火在工业上虽然比较理想,操作容易,但由于它在盐或碱液中的冷却速度较慢,大型零件往往达不到钢的临界冷却速度,所以只适用于尺寸比较小的工件。
4)等温淬火
将高温钢件放入稍高于Ms的硝盐液中,停留较长时间,使其获得下贝氏体组织,再把钢件取出在空气中冷却,这种工艺称为等温淬火法,如图中曲线4所示。
下贝氏体组织中的碳化物弥散度大,具有高硬度和良好的韧性。等温淬火处理的内应力显著下降,变形量小,适合处理小型的精密零件,如冷、热冲模,精密齿轮等。另外,由于下贝氏体组织结构均匀,产生微裂纹的可能性小,因此各种弹簧经等温淬火处理后,疲劳强度大为增加,能显著延长弹簧的寿命。

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