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《机械工程材料》总复习*条件屈服强度
0.2—残余塑变为
0.2%时的应力*疲劳强度-1—无数次交变应力作用下不发生破坏的最大应力*⑶塑性材料断裂前承受最大塑性变形的能力指标为、*⑷硬度材料抵抗局部塑性变形的能力指标为HB、HRC*⑸冲击韧性材料抵抗冲击破坏的能力指标为αk.材料的使用温度应在冷脆转变温度以上*⑹断裂韧性材料抵抗内部裂纹扩展的能力指标为K1C*
2、化学性能*⑴耐蚀性材料在介质中抵抗腐蚀的能力*⑵抗氧化性材料在高温下抵抗氧化作用的能力*
3、耐磨性材料抵抗磨损的能力*㈡工艺性能*
1、铸造性能液态金属的流动性、填充性、收缩率、偏析倾向*
2、锻造性能成型性与变形抗力*
3、切削性能对刀具的磨损、断屑能力及导热性*
4、焊接性能产生焊接缺陷的倾向*
5、热处理性能淬透性、耐回火性、二次硬化、回火脆性
二、晶体结构*㈠纯金属的晶体结构*
1、理想金属*⑴晶体原子呈规则排列的固体*晶格表示原子排列规律的空间格架*晶胞晶格中代表原子排列规律的最小几何单元.⑵三种常见纯金属的晶体结构*⑶立方晶系的晶面指数和晶向指数*
①晶面指数晶面三坐标截距值倒数取整加()*
②晶向指数晶向上任一点坐标值取整加[]*立方晶系常见的晶面和晶向*⑷晶面族与晶向族*指数不同但原子排列完全相同的晶面或晶向*⑸密排面和密排方向——同滑移面与滑移方向*在立方晶系中,指数相同的晶面与晶向相互垂直
2、实际金属*⑴多晶体结构由多晶粒组成的晶体结构*晶粒组成金属的方位不同、外形不规则的小晶体.*晶界晶粒之间的交界面*⑵晶体缺陷—晶格不完整的部位*
①点缺陷*空位晶格中的空结点*间隙原子挤进晶格间隙中的原子*置换原子取代原来原子位置的外来原子*
②线缺陷——位错*晶格中一部分晶体相对另一部分晶体沿某一晶面发生局部滑移滑移面上滑移区与未滑移区的交接线.*
③面缺陷——晶界和亚晶界*亚晶粒组成晶粒的尺寸很小、位向差也很小的小晶块亚晶界亚晶粒之间的交界面*
④晶界的特点*原子排列不规则;阻碍位错运动;熔点低;耐蚀性低;产生内吸附;是相变的优先形核部位*金属的晶粒越细,晶界总面积越大,位错障碍越多;需要协调的具有不同位向的晶粒越多,使得金属塑性变形的抗力越高*晶粒越细,单位体积内同时参与变形的晶粒数目越多变形越均匀,在断裂前将发生较大塑性变形强度和塑性同时增加,在断裂前消耗的功大,因而韧性也好.*细晶强化通过细化晶粒来提高强度、硬度和塑性、韧性的方法*㈡合金的晶体结构*合金由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质如碳钢、合金钢、铸铁、有色合金*相金属或合金中凡成分相同、结构相同,并与其他部分有界面分开的均匀组成部分*
1、固溶体与组成元素之一的晶体结构相同的固相.*⑴置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格结点位置形成的固溶体多为金属元素之间形成的固溶体*⑵间隙固溶体溶质原子处于溶剂晶格间隙所形成的固溶体*为过渡族金属元素与小原子半径非金属元素组成*铁素体碳在-Fe中的固溶体*奥氏体碳在-Fe中的固溶体*马氏体碳在-Fe中的过饱和固溶体*固溶强化随溶质含量增加,固溶体的强度、硬度提高,塑性、韧性下降的现象*马氏体的硬度主要取决于其含碳量,并随含碳量增加而提高*⑵金属化合物与组成元素晶体结构均不相同的固相.*
①正常价化合物如Mg2Si*
②电子化合物如Cu3Sn*
③间隙化合物由过度族元素与C、N、H、B等小原子半径的非金属元素组成*分为结构简单的间隙相和复杂结构的间隙化合物*强碳化物形成元素Ti、Nb、V如TiC、VC*中碳化物形成元素W、Mo、Cr如Cr23C6*弱碳化物形成元素Mn、Fe如Fe3C*⑶性能比较强度固溶体纯金属*硬度化合物固溶体纯金属*塑性化合物固溶体纯金属*⑷金属化合物形态对性能的影响*
①基体、晶界网状强韧性低*
②晶内片状强硬度提高,塑韧性降低*
③颗粒状*弥散强化第二相颗粒越细,数量越多,分布越均匀合金的强度、硬度越高,塑韧性略有下降的现象*⑸固溶体与化合物的区别
①结构;
②性能;
③表达方式合金元素在钢中的作用*
1、强化铁素体;*
2、形成化合物——第二相强化*
3、扩大(CMnNiCo)或缩小(CrSiWMo)A相区*
4、使S、E点左移*
5、影响A化*
6、溶于A除Co外使C曲线右移Vk减小淬透性提高.*
7、除Co、Al外,使Ms、Mf点下降*
8、提高耐回火性(淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力)*
9、产生二次硬化含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时,由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A’转变为M回,使硬度不仅不下降,反而升高的现象*
10、防止第二类回火脆性W、Mo*回火脆性淬火钢在某些温度范围内回火时,出现的冲击韧性下降的现象
三、组织*㈠纯金属的组织*
1、结晶金属由液态转变为晶体的过程*⑴结晶的条件——过冷在理论结晶温度以下发生结晶的现象*过冷度理论结晶温度与实际结晶温度的差*⑵结晶的基本过程——晶核形成与晶核长大*形核——自发形核与非自发形核*长大——均匀长大与树枝状长大*⑶结晶晶粒度控制方法
①增加过冷度;
②变质处理;
③机械振动、搅拌*
2、纯金属中的固态转变*同素异构转变物质在固态下晶体结构随温度而发生变化的现象*固态转变的特点
①形核部位特殊;
②过冷倾向大;
③伴随着体积变化*
3、再结晶*⑴再结晶条件冷塑性变形*⑵加热时的变化回复→再结晶→晶粒长大*再结晶冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程.再结晶不是相变过程*⑶再结晶温度发生再结晶的最低温度*纯金属的最低再结晶温度T再
0.4T熔*⑷影响再结晶晶粒度的因素
①加热温度和时间;*
②预先变形程度*
4、塑性变形*金属塑性变形方式滑移和孪生*⑴滑移的特点*
①只能在切应力的作用下发生;*
②沿密排面和密排方向发生;*
③位移量是原子间距整数倍;*
④伴随着转动*滑移的机理通过位错运动实现*孪生特点*
①孪生使晶格位向发生改变;
②所需切应力比滑移大得多,变形速度极快,接近于声速;
③孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距*⑵冷热加工以再结晶温度划分*
①冷加工组织晶粒被拉长压扁、亚结构细化、*织构变形量大时,大部分晶粒的某一位向与外力趋于一致的现象*加工硬化随冷塑性变形量增加,金属的强度、硬度提高,塑性、韧性下降的现象*冷加工使内应力增加,耐蚀性下降,提高*
②热加工形成纤维组织、带状组织*纤维组织使热加工金属产生各向异性,加工零件时应考虑使流线方向与拉应力方向一致㈡合金的组织*
1、相图匀晶L共晶L+共析+包晶L+*杠杆定律只适用于两相区*枝晶偏析在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象*
2、合金中的固态相变*⑴固溶体转变AF*⑵共析转变APF+Fe3C*⑶二次析出AFe3CⅡ*⑷奥氏体化*⑸过冷奥氏体转变*⑹固溶处理+时效*固溶处理是指将合金加热到固溶线以上,保温并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理*时效是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温,以析出弥散强化相的热处理
3、铁碳合金相图*点符号、成分、温度典型合金的结晶过程(以共析钢为例)杠杆定律的应用
四、钢的热处理*㈠热处理原理*
1、加热时的转变*奥氏体化步骤A形核;A晶核长大;残余渗碳体溶解;A成分均匀化*奥氏体化后的晶粒度*初始晶粒度奥氏体化刚结束时的晶粒度*实际晶粒度给定温度下奥氏体的晶粒度*本质晶粒度加热时奥氏体晶粒的长大倾向
2、冷却时的转变*⑴等温转变曲线及产物⑵用C曲线定性说明连续冷却转变产物*根据与C曲线交点位置判断转变产物*
3、回火时的转变*碳钢马氏体的分解;残余奥氏体分解;-碳化物转变为Fe3C;Fe3C聚集长大和铁素体多边形化*W18Cr4V钢560℃三次回火析出W、Mo、V的碳化物,产生二次硬化回火冷却时,A’转变为M每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火*强化钢铁材料最经济有效的热处理工艺是淬火+回火它包含了四种基本强化方法㈡热处理工艺热处理工艺(续)
五、工业用金属材料*㈠工业用钢工业用钢(续)工业用钢(续)㈡铸铁*石墨化铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程㈢有色金属及其合金一.填空题(共30分,每空1分)1.液态金属结晶的基本过程是形核与晶核长大2.铁素体(F)是碳溶于 α-Fe 所形成的间隙固溶体,其晶格类型是 体心立方
3.检测淬火钢件的硬度一般用洛氏(HRC)硬度;而检测退火和正火钢件的硬度常用 布氏(HRB) 硬度4.GCr15钢是 滚动轴承钢 ,其Cr的质量分数是
1.5% 5.16Mn钢是 合金结构钢,其碳的质量分数是
0.16% 6.QT600-03中的“03”的含义是 最低伸长率为3%
7.钢与铸铁含碳量的分界点是
2.11% 8.贝氏体的显微组织形态主要有B上和B下 两种,其中 B下 的综合性能好9.钢的淬火加热温度越高,淬火后马氏体中含碳量越 高 ,马氏体晶粒越 粗大 ,残余奥氏体的量越 越多 10.钢加热时A的形成是由A晶核的形成 、A晶核向F和Fe3C两侧长大 、残余Fe3C的溶解 、 A的均匀化 等四个基本过程所组成的11.一般表面淬火应选 中碳成分 钢,调质件应选用 中碳成分 钢13.碳钢常用的淬火介质是 水 ,而合金钢是 油 14.T10钢(Ac1≈727℃,Accm≈800℃)退火试样经700℃、780℃、860℃加热保温,并在水中冷却得到的组织分别是 P+Fe3C,Fe3C+M+Ar , M+Ar 15.渗碳钢在渗碳后缓慢冷却,由表面向心部的组织分布依次为P+Fe3CⅡ(网状) , P , P+F 得分二.判断题(共10分,每小题1分) (正确 √ 错误 ×, 答案填入表格)12345678910×√√×××√√××1. 在其他条件相同时,砂型铸造比金属型铸造的铸件晶粒更细2. 固溶强化是指因形成固溶体而引起的合金强度、硬度升高的现象3. 珠光体、索氏体、屈氏体都是铁素体和渗碳体组成的机械混合物4. 碳的质量分数对碳钢力学性能的影响是随着钢中碳的质量分数的增加,硬度、强度增加,塑性、韧性也随着增加5.淬火临界冷却速度是钢获得马氏体的最小冷却速度6.淬透性好的钢,其淬硬性也一定好7.大部分合金钢的淬透性比碳钢好8.正火的冷却速度比退火快,故同一钢种经正火处理后的组织较细,其强度、硬度比退火高9.由于淬火钢回火时的加热温度在A1以下,所以淬火钢在回火时没有组织变化10.可锻铸铁具有一定的塑性,可以进行锻造加工三.单项选择题(共15分,每小题1分) (请将答案填入表格)123456789101112131415bbabbbabaacaaab1.表示金属材料屈服点的符号是a.σe b.σS c.σb2.引起钢的冷脆性的有害杂质元素是a.硫 b.磷 c.硫和磷3.固溶体的晶体结构特点是a.与溶剂相同 b.与溶质相同 c.形成新的晶体类型4.钢在淬火后获得M组织的粗细主要取决于a.A的本质晶粒度 b.A的实际晶粒度 c.A的起始晶粒度5.高速钢的红硬性取决于a.马氏体的多少 b. 淬火加热时溶于奥氏体中的合金元素的量c.钢的含碳量6.室温下金属的晶粒越细,则a.强度越高,塑性越差 b.强度越高,塑性越好 c.强度越低,塑性越好7.反复弯折铁丝,铁丝会越来越硬,最后会断裂,这是由于产生了a.加工硬化现象 b.再结晶现象 c.去应力退火8.为了改善碳素工具钢的切削加工性,常采用的热处理是a.完全退火 b.球化退火 c.再结晶退火9.形状简单的工件淬火应选用a. 单液淬火 b.双液淬火 c.分级淬火10.回火索氏体与索氏体相比a.塑性韧性好 b.强度硬度高 c.塑性韧性差11.灰铸铁具有良好的抗压、减震性能,常用于制造a.曲轴 b.管接头 c.机床床身、底座、箱体12.绑扎物件宜选用a.低碳钢 b.中碳钢 c.高碳钢13.灰铸铁的石墨形态是a.片状 b.团絮状 c.球状14.钢的淬硬性主要取决于a. 含碳量 b.冷却介质 c.合金元素15.下列说法错误的是a.金属材料的强度、塑性等可通过拉伸试验来测定b.调质处理是淬火+低温回火c.布氏硬度实验测定的数据准确、稳定、数据重复性好得分四.综合分析题(共25分)1.(4分)根据Fe-Fe3C相图,分析下列现象
(1)wC=
1.2%的钢比wC=
0.8%的钢强度低;
(2)加热到1100℃,wC=
0.4%的钢能进行锻造,wC=4%的铸铁不能锻造;答
(1)wC=
0.8%的钢的室温平衡组织为100%P而wC=
1.2%的钢的室温平衡组织为P+Fe3CⅡ,Fe3CⅡ硬而脆、呈网状使合金强度降低
(2)1100℃时,wC=
0.4%的钢为单相A,塑性好,变形抗力低,能进行锻造;wC=4%的铸铁为P+Fe3CⅡ+L’d,脆性大,不能锻造机械工程材料期末迎考复习题2010-10-0817:20:04标签马氏体铁素体奥氏体不锈钢灰口铸铁淬透性分类学习、娱乐、电影、电视
一、填空
1.纯金属常见的晶体结构有面心 结构,体心 结构和密排 _____ 结构金属中常见的点缺陷为 ,线缺陷为 ,面缺陷为 ;工程实践中,通常采用 晶体缺陷数量的方法强化金属
2.铁素体的强度高于纯铁,是由于发生了 强化;孕育铸铁的强度高于普通灰口铸铁,是由于发生了 强化;冷变形钢丝的强度高于退火态钢丝,是由于发生了 强化;珠光体的强度高于铁素体,是由于发生了 强化
3.石墨为片状的灰口铸铁称为 铸铁,石墨为团絮状的灰口铸铁称为 __ 铸铁,石墨为球状的灰口铸铁称为 铸铁其中, 铸铁的韧性最 ,因而可以锻造
4.高分子材料中分子链的形状有三种,其中的 型具有热固性,而 具有热 性按照物理状态,室温下处于 态的高分子材料称为塑料,处于 __ 态的称为橡胶高分子材料的加工成型是在其 态下进行的
5.滑动轴承材料的显微组织特征是 粒子分布在软 中,或 粒子分布在硬 中,前者的承载能力 于后者
6.陶瓷材料中的气相是指 ,它是在 过程中形成的,它 了陶瓷的强度7.根据采用的渗碳剂的不同,将渗碳分为__________、__________和__________三种
8、普通灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁中石墨的形态分别为__________、__________、__________和__________
9、陶瓷材料中的气相是指 __ ,它是在 ________过程中形成的,它 了陶瓷的强度
10、工程中常用的特殊性能钢有_________、_________、_________等
11、金属的断裂形式有__________和__________两种
12、按冶炼浇注时脱氧剂与脱氧程度分,碳钢分为_________、_________、_________和_________
13、金属元素在钢中形成的碳化物可分为_________、_________两类
14、常见的金属晶体结构有____________、____________和____________三种
15、合金常见的相图有__________、__________、__________和具有稳定化合物的二元相图
16、感应表面淬火的技术条件主要包括__________、_________及__________
二、判断
1.回火托氏体和托氏体皆由铁素体和渗碳体两个相构成的组织,因而其性能相同
2.冷却速度越快,钢的淬透性越高
3.钢的淬透性越高,产生焊接裂纹的倾向越大
4.铝合金也可以象钢那样通过淬火明显提高其硬度
5.所有强化金属的手段,都在提高强度的同时降低了韧性
6.可锻铸铁中的团絮状石墨是浇注球墨铸铁时石墨球化不良的结果
7.一定加热温度下,奥氏体晶粒长大倾向小的钢称为本质细晶粒钢
8.所谓过量弹性变形,是指零件发生了塑性变形
9.铝极易氧化,故铝制品的抗氧化失效能力极差
10.弹簧钢淬火后采用中温回火是想提高钢的弹性模量
1.40钢钢锭在1000℃左右轧制,有时会发生开裂,最可能的原因是a温度过低;b温度过高;c钢锭含磷量过高;d钢锭含硫量过高
2.下列碳钢中,淬透性最高的是a20钢;b40钢;cT8钢;dT12钢
3.Ni在1Cr18Ni9Ti钢中的主要作用是a提高淬透性;b固溶强化;c扩大Fe-Fe3C相图中的γ相区;d细化晶粒;
三、选择
4.W18Cr4V钢锻造后,在机械加工之前应进行a完全退火;b球化退火;c去应力退火;d再结晶退火
5.下列材料中,最适合制造机床床身的是a40钢;bT12钢;cHT300;dKTH300-
066.下列材料中,最适合制造气轮机叶片的是a1Cr13钢;b1Cr17钢;c3Cr13钢;d4Cr13钢
7.
7.下列材料中,最适合制造飞机蒙皮的是aZAlSi12;b2A50旧牌号LD5;cZAlMg10;d2A12旧牌号LY
128.下列材料中,最适合制造盛放氢氟酸容器的是a1Cr17;b1Cr18Ni9Ti;c聚四氟乙烯;dSiO
29.下列材料中,最适合制造汽车板弹簧的是a60Si2Mn;b5CrNiMo;cCr12MoV;dGCr
1510.下列材料中,最适合制造汽车火花塞绝缘体的是aAl2O3;b聚苯乙烯;c聚丙烯;d饱和聚酯
11、铜只有通过冷加工并经随后加热才能使晶粒细化,而铁则不需冷加工,只需加热到一定温度即使晶粒细化,其原因是()A铁总是存在加工硬化,而铜没有B铜有加工硬化现象,而铁没有C铁在固态下有同素异构转变,而铜没有D铁和铜的再结晶温度不同
12、常用不锈钢有铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢和()A铁素体-奥氏体不锈钢B马氏体-奥氏体不锈钢C莱氏体不锈钢D贝氏体不锈钢
13、以下哪种铸铁的断口呈灰黑色?()A马口铁B白口铸铁C麻口铸铁D灰铸铁
14、用于制造渗碳零件的钢称为()A结构钢B合金钢C渗碳钢D工具钢
15、马氏体组织有两种形态()A板条、树状B板条、针状C树状、针状D索状、树状
16、实际生产中,金属冷却时()A理论结晶温度总是低于实际结晶温度B理论结晶温度总是等于实际结晶温度C理论结晶温度总是大于实际结晶温度D实际结晶温度和理论结晶温度没有关系
17、零件渗碳后,一般需经过()才能达到表面硬度高而且耐磨的目的A淬火+低温回火B正火C调质D淬火+高温回火
18、C曲线右移使淬火临界冷却速度(),淬透性()A减小、增大B减小、减小C增大、减小D、增大、增大
19、机械制造中,T10钢常用来制造()A容器B刀具C轴承D齿轮
20、钢经表面淬火后将获得()A一定深度的马氏体B全部马氏体C下贝氏体D上贝氏体
21、GCrl5SiMn钢的含铬量是()A15%B1.5%C
0.15%D
0.015%
22、铅在常温下的变形属A冷变形B弹性变形C热变形D既有冷变形也有热变形
23、黄铜是以()为主加元素的铜合金A铅B铁C锡D锌
24、在Fe-Fe3C和图中,奥氏体冷却到ES线时开始析出()A铁素体B珠光体C二次渗碳体D莱氏体
25、从金属学的观点来看,冷加工和热加工是以()温度为界限区分的A结晶B再结晶C相变D25℃
四、名词解释
1、加工硬化
2、回复
3、固溶体
4、自然时效
5、结晶
6、稀有金属
五、简答
1、简述奥氏体晶粒对钢在室温下组织和性能的影响
2、写出下列牌号数字及文字的含意:1Q235-F;2KTZ450-06;3H68;4LF5;
3、轴承钢应满足哪些性能要求?
4、试述耐磨钢的耐磨原理
5、简述回火的目的
6.何谓碳钢中的铁素体、渗碳体、珠光体?他们的力学性能各有何特点?
7.写出碳质量分数为
1.2%的碳钢室温时的相组成物和组织组成物,并计算各相组成物和组织组成物的质量分数
8.示意画出平衡态碳钢的强度随钢的碳质量分数变化曲线,并定性解释该曲线
六、综合
1、欲用20CrMnTi钢制造汽车变速齿轮
(1)定性分析该齿轮的受力情况及常见失效方式
(2)该齿轮应当具有怎样的力学性能特点?
(3)写出该齿轮的制造工艺路线,并说明工艺路线中各热处理工序的作用及热处理加热温度和冷却方式
2、用20CrMnTi制造汽车变速箱齿轮,要求齿面硬度HRC58-60,中心硬度HRC30-
45.
(1)试写出加工工艺路线.
(2)说明各热处理的作用和目的机械工程材料复习第一部分基本知识
一、概述⒈目的掌握常用工程材料的种类、成分、组织、性能和改性方法的基本知识(性能和改性方法是重点)具备根据零件的服役条件合理选择和使用材料;具备正确制定热处理工艺方法和妥善安排工艺路线的能力⒉复习方法以“材料的化学成分→加工工艺→组织、结构→性能→应用”之间的关系为主线,掌握材料性能和改性的方法,指导复习
二、材料结构与性能⒈材料的性能
①使用性能机械性能(刚度、弹性、强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性);
②工艺性能热处理性能、铸造性能、锻造性能、机械加工性能等⒉材料的晶体结构的性能纯金属、实际金属、合金的结构(第二章);纯金属体心立方()、面心立方(),各向异性、强度、硬度低;塑性、韧性高实际金属晶体缺陷(点间隙、空位、置换;线位错;面晶界、压晶界)→各向同性;强度、硬度增高;塑性、韧性降低合金多组元、固溶体与化合物力学性能优于纯金属单相合金组织合金在固态下由一个固相组成;纯铁由单相铁素体组成多相合金组织由两个以上固相组成的合金多相合金组织性能较单相组织合金有更高的综合机械性能,工程实际中多采用多相组织的合金⒊材料的组织结构与性能⑴结晶组织与性能F、P、A、Fe3C、Ld;1)平衡结晶组织平衡组织在平衡凝固下,通过液体内部的扩散、固体内部的扩散以及液固二相之间的扩散使使各个晶粒内部的成分均匀,并一直保留到室温2)成分、组织对性能的影响
①硬度HBS随C﹪↑硬度呈直线增加,HBS值主要取决于组成相的相对量
②抗拉强度C﹪<
0.9%范围内,先增加,C﹪>
0.9~
1.0%后,值显著下降
③钢的塑性、韧性随着C﹪↑呈非直线形下降3)硬而脆的化合物对性能的影响第二相强化硬而脆的化合物,若化合物呈网状分布则使强度、塑性下降;若化合物呈球状、粒状(球墨铸铁)降低应力集中程度及对固溶体基体的割裂作用,使韧性及切削加工性提高;呈弥散分布于基体上则阻碍位错的移动及阻碍晶粒加热时的长大,使强度、硬度增加,而塑性、韧性仅略有下降或不降即弥散强化;呈层片状分布于基体上则使强度、硬度提高,而塑性、韧性有所下降⑵塑性变形组织与性能1)组织与性能的变化金属塑性变形后产生晶格畸变,晶粒破碎现象,处于组织不稳定状态的非平衡组织,非平衡组织向平衡组织转变可通过再结晶、时效及回火实现加工硬化,物电阻增大、耐蚀性降低等,各向异性产生纤维状组织;晶粒破碎、位错密度增加;织构现象的产生;残余内应力2变形金属在加热过程中组织和性能的变化回复(去应力退火)强度和硬度略有下降,塑性略有提高电阻和内应力等理化性能显著下降再结晶形成细小的等轴晶粒加工硬化消失,金属的性能全部恢复金属的强度和硬度明显↓,而塑性和韧性显著↑,性能完全恢复到变形前的水平⑶热处理组织与性能1贝氏体的机械性能上贝氏体铁素体片较宽.塑性变形抗力较低;同时,渗碳体分布在铁素体片之间,容易引起脆断.因此,强度和韧性都较差下贝氏体铁素体针细小,碳化物分布均匀,所以硬度高,韧性好,综合机械性能好2马氏体的形态及机械性能
①.板条马氏体(又称位错马氏体)碳含量<
0.23%;机械性能不存在显微裂纹,淬火应力小,强度高,塑性、韧性好
②.针状马氏体碳含量>
1.0%;(显微镜下呈针状)机械性能存在大量显微裂纹,较大的淬火应力,塑性和韧性均很差;
③.混合组织马氏体碳含量在
0.23%一
1.0%之间时.为板条和片状马氏体的混合组织
④.马氏体的硬度含碳最增加,硬度升高.含碳量达到
0.6%以后,其硬度的变化趋于平缓
⑤合金元素对钢中马氏体的硬度影响不大3)回火组织与性能回火类型回火温度组织性能及应用组织形态低温回火150~250回火M(M’)保持高硬度,降低脆性及残余应力,用于工模具钢,表面淬火及渗碳淬火件过饱和+碳化物中温回火350-500回火屈氏体(T’)硬度下降,韧性、弹性极限和屈服强度↑,用于弹性元件保留马氏体针形F+细粒状Fe3C高温回火500-650回火索氏体(S’)强度、硬度、塑性、韧性、良好综合机械性能,优于正火得到的组织中碳钢、重要零件采用多边形F+粒状Fe3C⒋材料组织结构变化实现的性能强化固溶强化通过合金化加入合金元素组成固溶体,使金属材料得到强化称为固溶强化;细晶强化强度、硬度越高;其塑性、韧性越好晶界处原子排列混乱,使其熔点低,易受腐蚀由结晶过程、冷热塑性变形、合金化、热处理实现加工硬化使晶粒碎化、晶粒拉长、位错密度增加,从而使强度、硬度增加,塑性、韧性、耐蚀性等下降,并产生各向异性冷塑性变形实现第二相强化硬而脆的化合物(Fe3C),若呈网状分布则使强度、塑性下降;若呈球状、粒状(球墨铸铁)使韧性及切削加工性提高;呈弥散分布于基体上使强度、硬度增加,塑性、韧性仅略有下降或不降即弥散强化;呈层片状分布于基体上强度、硬度提高,而塑性、韧性有所下降形变强化金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度;相变强化通过热处理等手段发生固态相变,获得需要的组织结构,使金属材料得到强化
三、材料热处理、合金化与性能⒈改善材料成形加工组织与性能的热处理工艺(预先热处理)⑴退火完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火退火加热+保温+缓冷获得接近平衡状态组织退火目的改善铸、锻、焊粗大不均匀的组织,降硬度,提高塑性,改善冷加工工艺性消除成分不均匀,内应力1)完全退火(加热Ac3+(20~30℃)温度,保温、缓冷组织P+F目的
①细化,均匀化粗大、的原始组织;
②降低硬度→切削性↑;
③消除内应力;消除组织缺陷;应用(C%=
0.3~
0.6%)亚共折钢,共析钢和合金钢铸、锻、轧2)球化退火加热Ac1+(10~30℃),保温、缓冷(或Ar1-(20~30℃)等温)应用过,共析钢、高碳合金钢组织球状P(F+球状Cem)目的
①Fe3CII及Fe3C共析球化→HRC↓,韧性↑→切削性↑
②为淬火作准备;球化退火前,正火处理,消除网状碳化物,以利于球化进行3)扩散退火加热1050~1150℃,保温10~20h冷却炉冷组织P+F或P+Fe3CII目的消除偏析后果粗晶、魏氏组织、带状组织,韧性、塑性较差,需完全退火或正火来细化晶粒4)去应力退火(再结晶退火)加热Ac1-(100~200)℃;保温+炉冷;目的消除加工硬化,消除残余应力⑵正火正火亚共析加热Ac3+(30~50℃)、过共析钢加热Accm+(30~50℃)保温+空冷,得到P类工艺组织S或P(F+Fe3C)正火与完全退火的区别冷速较快,组织较细,得更高的强度和硬度;生产周期较短,成本较低目的及应用预先热处理、最终热处理、改善切削加工性能⒉预先热处理工艺应用工具钢球化退火;结构钢正火,完全退火表面强化处理的零件调质处理正火⑴改善冷塑性加工性能再结晶退火恢复变形前的组织与性能,恢复塑性,以便继续变形⑵改善机加工性能C%<
0.40%中低碳钢正火,提高硬度C%=
0.4O%~
0.60%完全退火;C%>
0.6%的高碳钢球化退火,获得粒状珠光体合金钢退火铸铁件白口层加热850~950℃+保温+(炉冷+空冷)⑶消除材料的加工应力去应力退火没有组织变化工艺缓慢加热500~650℃+保温+缓冷,⒊钢铁的淬火⑴淬火原则与淬透性目的提高硬度、强度、耐磨性原则
①淬硬,获尽量完全的M;
②淬透,M组织表里如一;
③保证淬硬条件下,用缓冷介质,以防开裂⑴.淬透性在规定淬火条件下得到M多少的能力,决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性;是钢的属性由A过稳定性决定,表现为的大小淬透性评定用标准试样在规定条件下淬火,能淬透的深度或全部淬透的最大直径表示⑵.淬透层深度从表面至半M区的距离与钢的淬透性及外在因素有关影响因素I.越小,淬透层越深;II.工件体积越小,淬火时的冷速越快,淬透层越深;Ⅲ水淬比油淬的淬透层深;⑶.淬硬性由M中C%↑,钢的淬硬性越好⒋淬火工艺⑴淬火加热温度
①亚共析碳钢+(30~50℃),组织均匀细小M组织温度太高,M粗大,淬火应力,变形和开裂倾向增大加热温度<时,硬度降低
②共析和过共析碳钢加热+(30~50℃)组织M+Fe3CII+Ar,若在~Acm以上淬火,→A粗大→高碳M粗大→力学性能↓,变形开裂↑
③合金钢加热温度>碳钢⑵淬火方法
①单介质淬简单碳钢及合金钢工件碳钢水、合金钢、小碳钢油
②双介质淬火先水,后油冷却复杂高碳钢及大型合金钢工件
③分级淬火稍高于Ms的盐浴或碱浴中保温,再取空冷用于小尺寸工件及刀具
④贝氏体等温淬火稍高Ms温度的盐浴或碱浴中冷却+保温,获得B下用于形状复杂和性能较高的较小零件
⑤深冷处理在0℃以下的介质中冷却的热处理工艺目的减少Ar获最大数量M,提高硬度、耐磨性,稳定尺寸用于精密工件,量具⒌表面淬火⑴原理(交变磁场→感应电流→工件电阻→加热,集肤效应→表面加热)工艺水(乳化液)喷射淬火+(180~200℃)低温回火,⑵感应加热表面淬火的分类1高频淬火淬硬层深度
0.5~
2.5㎜;中小零件2中频淬火淬硬层深度2~10㎜;大中模数齿轮较大轴类零件等3工频淬火淬硬层深度10~20㎜;大直径零件⑶适用钢种
①中碳钢和中碳低合金钢
②碳素工具钢和低合金工具钢
③球铁、灰铸铁⑷表面淬火的特点
①加热速度快
②淬火组织为细隐晶马氏体(极细马氏体)表面硬度↑2~3HRC,脆性↓
③显著提高钢件的疲劳强度⒍钢的化学热处理化学热处理在加热和保温中使活性原子渗入其表面,改变表面的化学成分和组织,改善表面性能目的提高表面硬度,耐磨性,心部仍保持一定的强度和良好的塑性和韧性;提高钢件的疲劳强度;抗蚀性和耐热性等⑴渗碳1)碳浓度表面C
0.15%~
0.30%→C
1.0%,机械性能经淬火+回火,提高表面硬度、耐磨性及疲劳强度,心部仍保持良好的韧性和塑性用途各种齿轮、活塞销、套筒等渗碳工艺主要用于低碳钢、低碳低合金渗碳钢2)渗碳工艺温度900~950℃;(渗碳加热到以上)渗碳时间900~950℃温度下,
0.2~
0.3mm/h3)低碳钢渗碳缓冷组织表层P+Fe3CII过共析相心部亚共析组织P+F,中间过渡组织;4)渗碳后的热处理
①渗碳后淬火+低温回火淬火后组织M+A残,⒎钢的合金化合金元素在钢中的作用提高钢的淬透性,细化晶粒,提高钢的回火稳定性,防止回火脆性,二次硬化,固溶强化,第二相强化(弥散强化),增加韧性,提高钢的耐蚀性或耐热性⑴形成固溶体、产生固溶强化⑵形成含部分金属键的金属(间)化合物,产生弥散强化(或第二相强化)⑶溶入奥氏体,提高钢的淬透性⑷提高钢的热稳定性,增加钢在高温下的强度、硬度和耐磨性⑸细化晶粒.产生细晶强韧化⑹形成钝化保护膜⑺对奥氏体和铁素体存在范围的影响
四、常用机械工程材料(工业用钢、铸铁)与合理选材(表四-1)钢种典型钢号及其应用性能特点成分特点与合金化原则热处理特点使用态组织⒈低合金高强钢按σs分6级:
①低强度级别:16Mn一般工程结构
②中等强度级别:15MnVN大型桥梁锅炉船舶焊接结构.
③高强度级别:18MnMoNb高压锅炉高压容器
①高强度:σs>300Mpa
②高韧性δ=15%~20%,室温ak>600kJ/m2~800kJ/m2
③良好焊接性能和冷成形性能
①低C:<
0.2%
②Me以Mn为主、Mn和Si固溶强化
③加入V、NbTi等元素细化F晶粒
④加入P细化珠光体
⑤加入Cu抗腐蚀一般供应状态使用不热处理焊接结构可进行一次正火改善焊区性能铁素体+索氏体⒉合金渗碳钢
①低淬透性:20Cr15Cr小冲击载荷耐磨件如活塞销小齿轮.
②中淬透性:20CrMnTi高速较高载有冲击的耐磨件重要齿轮连轴器
③高淬透性:18Cr2Ni4WA重载大截面重要耐磨件如柴油机曲轴连杆
①渗层硬度高耐磨抗接触疲劳且有适当塑性韧性
②心部高韧性和足够强度
③良好的热处理工艺性能
①低C:
0.1%~
0.25%
②加入提高淬透性元素Cr、Ni、Mn、B
③加入MoWVNbTi等阻碍A晶粒长大和形成稳定的合金碳化物提高耐磨性预先热处理(改善切削加工性能)锻压后→正火最终热处理渗碳后淬火(直接或一次、二次淬火)+低温回火20CrMnTi齿轮工艺路线下料→锻造→正火→加工齿形→渗碳930℃,淬火830℃→低温回火200℃→磨齿表层高碳M+粒状Cem+A心部淬透低碳M′
②未淬透T+M+F少量钢种典型钢号及其应用性能特点成分特点与合金化原则热处理特点使用态组织⒊合金调质钢低淬性:40Cr40MnB一般尺寸重要零件Do=30~40中淬透性:40CrNiDo=40~60
③高淬透性:40CrNiMoA大截面重载重要零件Do=60~160高水平综合机械性能能满足多种和较复杂的工作条件
①中C
0.25%~
0.50%以
0.4左右为主
②加入提高淬透性元素CrNiMnSiB
③加入MoW消除回火脆一般:油淬+高温回火调质若要求表面耐磨调质后可进行表面淬火或氮化处理
①表面淬火;
②专门化学热处理如氮化38CrMoAl氮化钢S⒋合金弹簧钢
①以SiMn合化:65Mn60Si2Mn用于汽车拖拉机机车的板簧和螺旋弹簧
②以CrVW合金化:50CVA350℃~400℃以下重载较大型弹簧如高速柴油机气门弹簧.
①高σe和σs高屈强比
②高疲劳抗力
③足够塑韧性能承受震动冲击
④有较好淬透性不易脱C易绕卷成形
①中高C:
0.45%~
0.70%
②加入SiMn提高淬透性也提高屈强比
③加入CrWV也提高淬透性加入Si-Cr不易脱C加入Cr-V细化晶粒耐冲击高温强度好
①热成形法制弹簧热轧钢丝钢板→卷弯曲成型→淬火+中温回火→喷丸
②冷成形法制弹簧钢丝钢板→淬火+中温回火→冷卷弯曲成型→去应力→喷丸T钢种典型钢号及其应用性能特点成分特点与合金化原则热处理特点使用态组织⒌滚珠轴承钢
①Cr轴承钢:GCr15中小型轴承冷冲模量具丝锥.
②添加MnSiMoV的钢:GCr15SiMoGSiMnMoV制造大型轴承.
①高接触疲劳强度
②高硬度和耐磨性
③足够的韧性和淬透性
④一定耐蚀能力和良好尺寸稳定性
①高C:
0.95%~
1.10%
②Cr基本元素:提高淬透性;细化Cem;提高耐磨性和接触疲劳抗力;Cr≈
0.4%~
1.65%
③加入SiMn提高淬透性;加入V耐磨性防止过热
④纯度要求极高S<
0.02%,P<
0.027%预先热处理(球化退火)
①正火:消除Cem网
②球化退火:便于切削使k细小均匀为淬火作准备最终热处理(淬火(800~840℃)+低温回火(150~170℃))冷处理:精密零件尺寸稳定M′+粒状Cem+少量A残余⒍低合金刃具钢Si-Cr系:9SiCr低速切削刃具Cr系:CrCr06如铰刀刮刀锉刀等.Cr-W-Mn系:CrWMn如拉刀冲模样板量规W和Cr-W系:小麻花钻低速切削刃具
①高硬度:HRC>60
②高耐磨性
③高热硬性
④足够塑性和韧性高C:
0.9%~
1.1%加入CrMnSi提高淬透性加入Si提高回火稳定性加入WV提高耐磨性并防止加热时过热,保持晶粒细小预备热处理锻造后进行球化退火最终热处理淬火+低温回火工艺路线锻造+球化退火+机加工+淬火+低温回火M′+粒状Cem+少量A残余与碳素工具钢相比较,淬透性提高,可采用油淬火变形和开裂倾向小钢种典型钢号及其应用性能特点成分特点与合金化原则热处理特点使用态组织⒎高速钢(高速工具速钢)W系:W18Cr4V
②W-Mo系:W6Mo5Cr4V2作高速切削刃具铸造组织有鱼骨状共晶高硬度:HRC>60高耐磨性高热硬性
④足够塑性和韧性高C:
0.7%~
1.5%要保证能与W、Cr、V等形成足够数量的Cem;有一定数量的C溶于A中,以保证M的高硬度)加入Cr提高淬透性铬的碳化物Cr2C6在淬火加热时几乎全部溶于奥氏体中,增加A过冷的稳定性,钢的淬透性还提高抗氧化、脱碳能力加入WMo提高热硬性(提高回火稳定性和热硬性的主要元素)加入V提高耐磨性V形成的碳化物vC或V4C3非常稳定,极难溶解,硬度较高属于莱氏体钢,锻造共晶莱氏体呈鱼骨胳状,热处理不能消除,只能热变形破碎,预热处理等温退火,消除内应力,改善切削,组织准备最终热处理1270℃淬火+560℃~580℃回火三次若冷处理只需一次回火回火三次消除内应力消除A残余齿轮铣刀生产过程的工艺路线如下下料→锻造→退火→机械加工→淬火+回火→喷砂→磨加工→成品M′+少量A残余+Cem第二部分考试知识第一章金属的机械性能(了解)1.低碳钢的拉伸图2.材料的性能强度、刚度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性第2章材料的组成和内部结构特征⒈掌握概念(名词解释)固溶体、固溶强化、枝晶偏析、A、F、P、Fe3C;⒉合金中的基本相结构固溶体和金属间化合物⑴固溶体产生晶格畸变,增加晶体位错移动的阻力,使滑移变形难以进行,使金属得到强化⑵金属化合物熔点、硬度高、脆性大碳钢中的Fe3C对钢的强度和耐磨性有重要的作用⑶金属化合物对固溶体基体的强化作用弥散硬化当金属间化合物以极小的粒子均匀分布在固溶体基体上通常能提高合金的强度、硬度以及耐磨性,但会降低合金的塑性和韧性⒊掌握铁碳相图基本知识⑴正确填写铁碳相图的相组成物相图⑵两条水平线是什么线,能写出反应式,解释共晶、共析反应⑶正确填写铁碳相图的组织组成物相图第3章工程材料成型过程中的行为与性能变化掌握概念冷加工、热加工、回复、再结晶,加工硬化⒈掌握金属的凝固⑴纯金属的结晶由晶核的形成和长大这两个基本过程组成;晶核的形成存在有两种方式,即自发形核和非自发形核;晶体长大的形态有平面推进、树枝状生长两种;金属结晶过程缺陷的产生缩孔和疏松,液体供应不充分,最后凝固的树枝晶之间的间隙不能被填满,将形成缩孔和疏松等缺陷⑵合金结晶的特点合金结晶时有相的变化、成分变化,有成分偏析,它将引起铸件力学性能恶化和抗腐蚀性能降低⑶晶粒大小和控制控制过冷度、加入形核剂、机械方法(振动与搅拌)⒉掌握铸造过程中的材料行为及性能变化⑴铸锭组织表面细晶粒层、柱状晶粒层、中心等轴晶粒区⑵铸锭结构中主要的缺陷
①缩孔与缩松集中的缩孔金属凝固时体积要收缩,如果得不到液体的补充,就会形成缩孔缩松(分散性缩孔)树枝晶结晶时不能保证液体的补给而在枝晶间和枝晶内形成细小而分散的缩孔
②气孔
③非金属夹杂物外来非金属夹杂物由冶炼、浇铸过程中炉衬、型壁材料等脱落进人铸锭带来;金属内部各种化学反应生成,非金属夹杂物很大的脆性,破坏金属晶体的连续性,促进裂纹的萌生和扩展削弱金属的机械性能
④成分偏析枝晶偏析(微观偏析)局限于一个或几个晶粒尺寸范围内的偏析可用扩散退火的方法来消除宏观偏折(或域偏析)同一铸件中,表面和中心、上层和下层的化学成分也可能存在不均匀,这种较大尺寸范围内出现的偏析消除枝晶偏析扩散退火或均匀化退火→把有枝晶偏析的合金加热到高温,长时间保温,使固溶体中原子充分扩散.以达到成分的均匀化⒊掌握冷塑性变形过程中的材料行为及性能变化冷塑性变形对金属组织与性能的影响冷塑性变形金属加热时组织与性能的变化⒋掌握热塑性变形过程中的材料行为及性能变化金属的热加工和冷加工热塑性变形对金属组织和性能的影响第4章改善材料性能的热处理、合金化及改性⒈掌握概念P、S、T、B、M、S回、T回、M回、、完全退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、正火、淬火、淬透性、淬硬性、表面淬火、渗碳、调质⒉掌握金属材料在加热与冷却过程中的主要变化⑴钢在加热时的转变(奥氏体的形成)⒈)转变温度共析钢加热超过PSK线(A1)时,完全转变为奥氏体,平衡状态下亚共析钢必须加热到GS线(A3)以上过共析钢必须加热到ES线(ACM)以上,才能全部获得奥氏体⒉)奥氏体的形成晶核形成、晶核长大、剩余渗碳体溶解、奥氏体成分均匀化四个基本过程⒊)影响奥氏体转变的因素
①加热温度提高加热温度,加速了奥氏体的形成
②加热速度加热速度越快,缩短奥氏体的形成时间
③.钢中碳含量碳含量增加时,转变速度加快
④.合金元素大部分合余元素加入钢中,减慢了奥氏体的形成速度
⑤.原始组织片状珠光体奥氏体形核长大快>粒状珠光体⑵、钢的冷却转变(等温冷却)共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和特性1)珠光体类转变组织高温转变区,在A1~550℃之间2)贝氏体转变中温转变转变温度在550℃~Ms之间,550℃~350℃上贝氏体半扩散型,Fe不扩散,C原子有一定的扩散能力羽毛状碳化物在F间,韧性差350℃~MS下贝氏体C原子有一定的扩散能力针状碳化物在F内,韧性高,综合机械性能好3).低温转变(马氏体转变)温度Ms~Mf,马氏体转变区⑷、钢的冷却转变(连续冷却)1)转变产物
①冷却速度>时,钢将转变为M+A残
②冷却速度<时,钢将全部转变为P类
③冷却速度≈~之间例如油冷时M+A残+T⒊掌握钢在回火时的转变1)回火目的
①获得所需要的机械性能,
②稳定组织和尺寸
③消除内应力2)回火后组织低温回火150~250℃,得M回目的降低内应力和脆性,保持淬火后的高硬度中温回火350~500℃回火组织为T回,目的较高的弹性极限和屈服强度,并有一定的韧性硬度高温回火500~650℃回火组织S回,性能特点保持较高的强度同时,具有良好的塑性和韧性用于各种重要的结构零件调质处理淬火+高温回火用于重要结构件高速钢需要进行2-3次回火,使组织充分转变第5章常用金属材料及性能基本要求熟悉工业用钢、铸铁的分类和编号方法,从其牌号即可判断其种类、大致化学成分、主要性能特点、常用热处理工艺选择、使用态组织、典型用途及相应组织,⒈ 熟悉碳钢 普通碳素结构钢Q
215、Q235等;优质碳素结构钢
20、
45、60等;碳素工具钢T
8、T
10、T12等 1)熟悉合金钢主要钢种 低合金结构钢Q34516Mn、Q42015MnVN;渗碳钢20Cr、20MnVB、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA;调质钢40Cr、40CrB、40CrNiMo、38CrSi;弹簧钢65Mn、50CrV、60Si2Mn;轴承钢GCr
9、GCr
15、GCr15SiMn ;冷模具钢Cr12MoV;热模具钢5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V低合金刃具钢9SiCr、CrWMn ;工具钢T
8、T
10、T12;高速钢W18Cr4V ;不锈钢1Cr
13、2Cr
13、3Cr
13、4Cr
13、1Cr
17、 1Cr18Ni9Ti; 常用铸铁HT
150、HT
250、KT350-
10、KT450-
5、QT420-
10、QT800-2等 ⒉工业用钢、铸铁的分类、要性能特点、常用热处理工艺选择、使用态组织、典型用途及相应组织见(表四-1)⒊重点复习题型⑴.要制造轻载齿轮、热锻模具、冷冲压模具、滚动轴承、高速车刀、重载机床床身、传动轴、后桥壳、量具、弹簧、汽轮机叶片、等零件,试从下列牌号中分别选出合适的材料,及选择对应的热处理方法(淬火、低温回火、中温回火、高温回火、退火) ⑴T12⑵HT300⑶W18Cr4V⑷GCr15⑸40Cr⑹20CrMnTi⑺Cr12MoV⑻5CrMnMo⑼9SiCr⑽1Cr13⑾60Si2Mn⑿QT400-15⒀45⒁Q235答轻载齿轮量具冷冲压模具滚动轴承高速车刀重载机床床身材料⒀45⑴T12⑺Cr12MoV⑷GCr15⑶W18Cr4V⑵HT300钢种调质钢炭素工具钢冷冲模具钢滚动轴承钢高速工具钢灰铸铁热处理淬火+高温回火淬火+低温回火淬火+中温回火淬火+低温回火淬火+高温回火三次退火⑵.有一个45号钢制的变速箱齿轮,其加工工序为下料→锻造→正火→粗机加工→调质→精机加工→高频表面淬火+低温回火→磨加工→成品,试说明其中各热处理工序的工艺、目的及使用状态下的组织目的工艺组织正火作为预先热处理改善切削加工性能加热到Ac3+(30~50℃)+保温+空冷S或P(F+Fe3C)调质在保持较高的强度同时,具有良好的塑性和韧性淬火+高温回火S回高频表面淬火提高表面硬度与高耐磨性,心部具有足够塑、韧性感应加热+水、乳化液喷射淬火+低温回火淬火后表面为细隐晶马氏体(极细马氏体),心部为原始组织低温回火降低钢的淬火内应力和脆性,同时保持钢在淬火后的高硬度一般为HRC58~64和耐磨性加热150~250℃+保温+冷却M回⑶.某型号柴油机的凸轮轴要求凸轮表面有高的硬度(HRC>50),心部具有良好的韧性(Ak>40))原采用45钢调质处理再在凸轮表面进行高频淬火,最后低温回火现因工厂库存的45钢已用完,只剩下15钢,拟用15钢代替试说明⑴原45钢各热处理工序的作用⑵改用15钢后,仍按原热处理工序进行能否满足性能要求?为什么?⑶改用15钢后为达到所要求的性能,在心部强度足够的前提下应采用何种热处理工艺?答⑴调质处理获得回火索氏体,以保证工件心部的强度和韧性凸轮表面进行高频淬火承受弯曲交变载荷或扭转交变载荷,提高耐磨性和承受冲击低温回火是为了降低钢的淬火内应力和脆性,同时保持钢在淬火后的高硬度一般为HRC58~64和耐磨性⑵不能满足性能要求;因为高频淬火适用与中碳钢;中合金钢碳钢;工具钢;不能对低碳钢高频淬火、因碳量低,表面硬度难以提高⑶调质(淬火+高温回火)→渗碳→淬火+低温回火第七章工程设计、制造与材料选择⒈掌握零件失效与失效类型⑴.过量变形失效材料的变形量和变形特性超过原来规定的程度,而致影响构件的规定功能
①弹性变形失效与选材材料力学指标弹性模量选材易发生弹性变形失效时,应选用具有高弹性模量的材料
②塑性变形失效与选材材料力学指标屈服强度
③过量蠕变变形失效属材料在长时间恒温、恒应力作用下,即使应力低于屈服点也会缓慢产生塑性变形⑵断裂失效断裂是金属材料在应力的作用下分为互不相连的两个部分或两个以上部分材料力学指标冲击韧性、断裂韧性
①韧性断裂失效零件所受应力大于断裂强度,断裂前产生显著宏观塑性变形的断裂
②低应力脆断构件所受名义应力低于屈服极限,在于明显塑性变形的情况下,产生的突然断裂脆断的原因低温环境、焊接质量、工作介质、预防低应力脆断的措施
③疲劳断裂失在交变载荷作用下,经过一定的周期后所发生的断裂
④蠕变失效与选材⑶表面损伤主要指腐蚀失效及磨损失效、接触疲劳失效
①磨损失效相互接触的两个零件做相对运动时,由于摩擦力的作用,零件表面材料逐渐脱落,使表面状态和尺寸改变而引起的失效
②接触疲劳失效两个零件做相对滚动或周期性接触,由于压应力或接触应力的反复作用所引起的表面疲劳破坏现象
③腐蚀失效金属零件或构件的表面在介质中发生的化学或化学作用而逐渐损坏的现象⒉掌握失效的原因
(1)设计与失效
①结构或形状不合理,即在零件的高应力处存在明显的应力集中源
②零件的工作条件估计错误(应力计算错误)
③热处理结构工艺性不合理
(2)选材与热处理
①选材不当设计者选定指标不能反映材料对所发生的那种类型失效的抗力所选材料的性能数据不合要求,因而导致了失效材料本身的缺陷也是导致零件失效的一个重要原因,材料的的缺陷是夹杂物过多,过大,杂质元素太多,或者有夹层、折叠等宏观缺陷
②热处理工艺不当热处理不良能造成过热、脱碳、淬火裂纹、回火不足等;
③冶金缺陷夹杂、成分偏析、不良组织等⑶加工缺陷冷加工有刀痕深、粗糙度大、圆角小、精度低;热加工缺陷回火软化、应力等⑷装配与使用零件安装时配合过紧、过松、对中不准、固定不紧等均可造成失效或事故对机器的维护保养不好,没有遵守操作规程及工作时有较大幅度的过载等也可以造成零件的失效⒊掌握零件设计中的材料选择⑴选材三原则1)使用性能原则,使用性能力学性能、物理性能、化学性能2)工艺性原则工艺性---材料经济地适应各种加工工艺而获得规定使用性能或形状的能力是一个辅助性原则3)经济性原则⒋掌握热处理加工工艺路线中的位置1热处理在工艺路线中的位置的安排原则1最终热处理一般安排在半精加工之后,磨削精加工之前;2最终热处理可进行不止一次;3整体淬火和表面淬火在工艺路线中位置相同;4渗碳与淬火、回火在工艺路线上是近邻的;5局部渗碳方法不同,工艺不同;6零件表面软氮化和表面渗硫的减摩处理,渗C后不能进行任何切削处理;7高精度零件可增加去应力退火,精密零件甚至进行冷处理;8调质一般放在粗加工之后,半精加工之前2热处理在工艺路线中的位置教材表
7.2第八章常用零件选材⒈掌握轴类零件选材⑴轴常用材料调质钢(
45、…)、合金调质钢(40Cr、40MnB、…)、合金渗碳(20CrMnTi、…)、专用氮化钢(38CrMoAlA)、…等⑵机床轴按工作条件分为三类1)轻载主轴低工作载荷+小冲击载荷+轴颈部位磨损不严重,普通车床的主轴45钢、调质或正火处理,耐磨的部位高频表面淬火强化2)中载主轴中等载荷+磨损较严重+有一定冲击载荷,例如铣床主轴合金调质钢,如40Cr钢,经调质处理,耐磨部位进行表面淬火强化3)重载主轴工作载荷大+磨损严重+冲击载荷都严重,组合机床主轴20CrMnTi钢制造,经渗碳、淬火处理4)高精度主轴精密镗床的主轴一般用38CrMoAlA专用氮化钢制造,经调质处理后,进行氮化及尺寸稳定化处理⑶重点掌握轴类零件加工工艺路线CM6140车床主轴轻载主轴工作载荷小,冲击载荷不大,轴颈部位磨损不严重,普通车床的主轴45钢、调质或正火处理,耐磨的部位高频表面淬火强化选材45钢热处理技术条件整体调质、硬度220~250HBS;轴颈和锥孔进行表面淬火,硬度52~58HRC加工工艺路线下料→锻造→正火→粗加工→调质→半精加工→表面淬火及低温回火→磨削加工主轴45钢采取各种热处理工艺锻造---热加工,可以改善铸态组织,提高材料致密度和力学性能正火目的---在于得到合适的硬度,便于切削加工;改善锻造组织,为调质做准备调质---淬火+高温回火,得到的组织为回火索氏体,使主轴得到较高的综合机械性能和疲劳强度,还为最终的高频表面淬火做准备安排在粗加工之后,半精加工之前轴颈和锥孔进行表面淬火+低温回火,目的在于提高硬度,增加耐磨性⒉重点掌握齿轮类零件材料选择材料的要求高的接触疲劳强度、高的抗弯强度、良好的切削性能、淬火性能齿轮常用材料锻钢、优质碳素钢
45、合金调制合金钢40Cr、合金渗碳钢20CrMnTi、…1)轻载齿轮低工作载荷+小冲击载荷+轴颈部位磨损不严重,普通车床的主轴
45、45钢、调质或正火处理,耐磨的部位高频表面淬火强化2)中载齿轮中等载荷+磨损较严重+有一定冲击载荷,例如铣床主轴合金调质钢,如40Cr钢,经调质处理,耐磨部位进行表面淬火强化3)重载齿轮工作载荷大+磨损严重+冲击载荷都严重,组合机床主轴20CrMnTi钢制造,经渗碳、淬火处理4)高精度齿轮精密镗床的主轴一般用38CrMoAl专用氮化钢制造,经调质处理后,进行氮化及尺寸稳定化处理热处理软齿面大轮或大小轮硬度≤350HB正火+调质硬齿面硬度350HB渗碳淬火+氮化采用材料A20CrMnTi钢渗碳B40Cr碳氮共渗⑴20CrMnTi钢、渗碳热处理技术条件表层WC
0.8~
1.05%,渗碳层深度
0.8~
1.3mm,齿面硬度58~62HRC,心部硬度33~45HRC加工工艺路线下料→锻造→正火→粗加工、半精加工→渗碳、淬火及低温回火→喷丸→磨削加工各种热处理工艺正火—950~970℃,空冷,179~217HBS,目的是为了得到合适的硬度,便于切削加工,改善锻造组织渗碳及淬火—920~940℃,保温4~6h,预冷至830~850℃,油淬渗碳通过渗入碳原子可以同时改变零件化学成分和组织,达到从这两方面来提高零件硬度、耐磨性和高疲劳强度淬火是为了获得高硬度的马氏体回火—低温回火180±10℃,保温2h,得到回火马氏体,保持高硬度、高耐磨性,消除应力,降低脆性⑵40Cr进行碳氮共渗热处理技术条件表层WC
0.65~
0.9%,碳氮总质量分数
1.0~
1.25%,渗层深度
0.2~
0.4mm,齿面硬度58~63HRC,心部硬度37~42HRC加工工艺路线下料→锻造→正火→粗加工、半精加工→碳氮共渗、淬火及低温回火→喷丸→磨削加工热处理方法正火—840~870℃,空冷,187~241HBS碳氮共渗及淬火—830~850℃,保温1~2h,直接油淬回火—低温回火180±10℃,保温2h⒊选材举例汽车齿轮镗床镗杆车辆缓冲弹簧机床床身高速车刀冷冲压模具材料20CrMnTi40Cr50CrVHT200W18Cr4VCr12MoV普通车床主轴滚动轴承自行车车架铣刀热作模具自来水管弯头材料45GCr1516Mn9SiCr5CrMnMoKTH300-06 。