第1章金屬材料與熱處理1.1金屬的晶體結構與結晶1.2合金與鐵碳合金1.3金屬材料熱處理1.4常用的金屬材料

1.1

金屬的晶體結構與結晶1.1.1

金屬的晶體結構1.晶體和非晶體自然界中的一切物質都是由原子組成的,根據固態物質內部原子的聚集狀態,固體分為晶體和非晶體兩大類。原子無規律地堆積在一起的物質稱為非晶體,如瀝青、玻璃、松香等;原子按一定幾何形狀作有規律的、重復排列的物質稱為晶體,如冰、結晶鹽、金剛石、石墨及固態金屬與合金等。晶體和非晶體的原子排列不同,進而顯示出不同的特性。晶體具有固定的熔點,性能具有各向異性;而非晶體沒有固定的熔點,性能具有各向同性。

2.金屬的晶體結構

金屬晶體是由許多金屬原子(或離子)在空間中按一定的幾何形式有規則地緊密排列而成的,如圖1-1(a)所示。為了便于研究各種晶體內部原子排列的規律及幾何形狀,可以把每一個原子假想為一個幾何結點,并用直線從其中心連接起來形成空間的格子,稱為結晶格子,簡稱晶格,如圖1-1(b)所示。晶格的結點為原子振動的平衡中心位置。晶格中各種方位的原子面稱為晶面。晶體是由層層的晶面堆砌而成的,晶格中由原子組成的任一直線都能代表晶體空間的一個方向,稱為晶向。晶格的最小幾何單元稱為晶胞,如圖1-1(c)所示。晶胞中各棱邊尺寸a、b、c稱為晶格常數,單位為?(埃,1?=10-8cm)。晶胞各棱邊之間的夾角分別以α、β、γ表示。當晶格常數a=b=c,棱邊夾角α=β=γ=90°時,這種晶胞稱為簡單立方。

圖1-1-晶格結構示意圖

3.常見金屬的晶體結構

在金屬原子中,約有90%以上的金屬晶體都屬于以下三種密排的晶格結構。

1)體心立方晶格

如圖1-2所示,體心立方晶格是一個正立方體。

圖1-2體心立方晶格示意圖

2)面心立方晶格

如圖1-3所示,面心立方晶格也是一個正立方體,原子位于立方體6個面的中心和8個頂點,頂點上的每個原子為相鄰8個晶胞所共有,面心的每個原子為其相鄰晶胞所共有,其晶格常數a=b=c,α=β=γ=90°。

圖1-3面心立方晶格示意圖

3)密排六方晶格

如圖1-4所示,密排六方晶格是一個正六方柱體,原子位于2個底面的中心處和12個頂點上,柱體內部還包含著3個原子,其晶格常數a=b≠c,α=β=90°,γ=120°。

圖1-4密排六方晶格示意圖

4.實際使用的金屬的晶體結構

上述討論的晶體中,原子排列規律相同,晶格位向完全一致,這種晶體稱為單晶體,見圖1-5(a)。生產中只有采用特殊的方法才能制成單晶體。單晶體材料只在特定情況下使用,如制造半導體硅元件所用的單晶硅。實際使用的金屬材料都是由許多小晶體組成的。由于每個小晶體外形不規則,且呈顆粒狀,因而稱為“晶粒”。每個晶粒內的晶格位向是一致的,但各個晶粒之間的彼此位向都不同(相差30°~40°),晶粒與晶粒之間的界面稱為“晶界”,如圖1-5(b)所示。

晶界是兩個相鄰晶粒的不同晶格位向的過渡區,其上的原子總是不規則排列的。由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體,金屬材料一般都是多晶體,雖然每個晶粒具有各向異性,但從不同方向測試出的金屬的性能是很多位向不同晶粒的平均性能,故可以認為金屬(多晶體)是各向同性的。

圖1-5單晶體和多晶體示意圖

實驗證明,在每個晶粒內,其晶格位向并不像理想晶體那樣完全一致,而是存在著許多尺寸很小、位向差很小(一般小于2°)的小晶塊。這些小晶塊稱為亞晶粒,兩個相鄰亞晶

粒的交界處稱為亞晶界,亞晶界的原子排列不規則,會產生晶格畸變。因此,晶界和亞晶界的存在會使金屬的強度提高,同時還使塑性、韌性改善,這稱為細晶強化。

1.1.2純金屬的結晶

金屬由液態轉變為原子呈規則排列的固態晶體的過程稱為結晶,而金屬在固態下由一種晶體結構轉變為另一種晶體結構的過程稱為重結晶。結晶形成的組織,直接影響金屬的性能。

1.金屬結晶的溫度

1)理論結晶溫度

金屬結晶形成晶體過程中的溫度變化,可用熱分析法測定,即將液態金屬放在坩堝中以極其緩慢的速度進行冷卻,在冷卻過程中觀測并記錄溫度隨時間變化的數據,并將其繪制成如圖1-6所示的冷卻曲線。

圖1-6金屬結晶的冷卻曲線示意圖

2)實際結晶溫度

實際生產中,金屬不可能極其緩慢地由液體冷卻到固體,其冷卻速度是相當快的,金屬總是要在理論結晶溫度T0以下的某一溫度T1-才能開始結晶。如圖1-6中的曲線b所示,T1-稱為實際結晶溫度,T0和T1-之差稱為過冷度ΔT,其大小和冷卻速度、金屬性質及純度有關,冷卻速度越快,過冷度越大,實際金屬的結晶溫度也越低。

2.金屬結晶的規律

液態金屬冷卻到T0以下時,首先在液體中某些局部微小的體積內出現原子規則排列的細微小集團,這些細微小集團是不穩定的,時聚時散,有些穩定下來成為結晶的核心,稱為晶核。當溫度下降到T0時,晶核不斷吸收周圍液體中的金屬原子而逐漸長大,液態金屬不斷減少,新的晶核逐漸增多且長大,直到全部液體轉變為固態晶體為止,一個晶核長大成為一個晶粒,最后形成由許多外形不規則的晶粒所組成的晶體,如圖1-7所示。

圖1-7純金屬結晶過程示意圖

1)金屬晶核形成的方式

(1)自發形核:對于很純凈的液態金屬,加快其冷卻速度,使其在具有足夠大的過冷度下,不斷產生許多類似晶體中原子排列的小集團,形成結晶核心,即為自發形核。

(2)非自發形核:實際金屬中往往存在異類固相質點,并且在冷卻時金屬總會與鑄型內壁接觸,因此這些已有的固體顆粒或表面被優先依附,從而形成晶核,這種方式稱為非自發形核。

2)金屬晶核的長大方式

晶核形成后,液相原子不斷遷移到晶核表面而促使晶核長大形成晶粒。但晶核長大程度取決于液態金屬的過冷度,當過冷度很小時,晶核在長大過程中保持規則外形,直至長成晶粒并相互接觸時,規則外形才被破壞;反之,則以樹枝晶形態生長。這是因為隨著過冷度的增大,具有規則外形的晶核長大時需要將較多的結晶潛熱散發掉,而其棱角部位因具有優先的散熱條件,因而便得到優先生長,如樹枝一樣先長出枝干,再長出分枝,最后把晶間填滿。

3.金屬晶粒的細化方法

金屬結晶后變成由許多晶粒組成的多晶體,而晶粒大小是金屬組織的重要標志之一。金屬內部晶粒越細小,則晶界越多,晶界面也越多,晶界就越曲折,晶格畸變就越大,從而使金屬強度、硬度提高,并使變形均勻分布在許多晶粒上,塑性、韌性也好。

1.1.3金屬的同素異晶轉變

金屬經過結晶后都具有一定的晶格結構,且多數不再發生晶格變化。

金屬在固態下由一種晶格類型轉變為另一種晶格類型的變化稱為金屬的同素異晶(構)轉變。由金屬的同素異晶轉變所得到的不同類型的晶體稱為同素異晶體。金屬的同素異晶

轉變也是原子重新排列的過程,稱為重結晶或二次結晶。

鐵是典型的具有同素異晶轉變特性的金屬。圖1-8為純鐵的冷卻曲線圖,在1538℃時液態(Liquid,L)純鐵結晶成具有體心立方晶格的δ－Fe,繼續冷卻到1394℃時轉變為面心立方晶格的γFe,再繼續冷卻到912℃時又轉變為體心立方晶格的α－Fe,以后一直冷卻到室溫晶格類型,不再發生變化。

圖1-8純鐵的冷卻曲線圖

1.2合金與鐵碳合金

1.2.1-合金的基本概念和結構1.基本概念1)合金合金就是兩種或兩種以上的金屬元素(或金屬與非金屬元素)熔合在一起形成的具有金屬特征的物質。

2)組元

組元是指組成合金的最基本的、能獨立存在的物質。組元一般就是組成合金的元素。例如,普通黃銅的組元是銅和鋅;鐵碳合金中的組元是鐵和碳。合金中有幾種組元就稱之

為幾元合金,如普通黃銅是二元合金,硬鋁是由鋁、銅、鎂組成的三元合金。

3)合金系

合金系是指有相同組元,而成分比例不同的一系列合金。例如,各種碳素鋼,雖然碳的質量分數各不相同,卻都是鐵碳二元合金系中的一部分。按照組成合金的組元數不同,合金系可以分為二元系、三元系等。

4)相

相是指合金中具有同一化學成分和相同結晶結構的組成部分。合金中相與相之間有明顯的界面使之相互分開。

5)顯微組織

顯微組織是指在顯微鏡下看到的相和晶粒的形態、大小和分布。合金的顯微組織可以看作是由各個相所組成的,也可以看作是由基本組織所組成的。合金的基本組織是指由一

個單獨的相構成的單相組織或由兩個以上的相按一定的比例組成的機械混合物,機械混合物的性能取決于組成相的數量、形狀、大小和分布等,如鐵素體、珠光體等。

2.合金的相結構

合金的相結構是指合金組織中相的晶體結構。在合金中,相的結構和性質對合金性能起決定性作用。同時,合金中各相的相對數量、晶粒大小、形狀和分布情況對合金性能也會產生很大的影響。根據合金中各類組元的相互作用,合金中的相結構主要有固溶體和金屬化合物兩大類。

1)固溶體

當合金由液態結晶為固態時,組成元素之間可像液態合金一樣相互溶解,形成一種晶格結構與合金中某一組元晶格結構相同的新相,稱為固溶體。固溶體中晶格結構保持不變

的組元稱為溶劑,晶格結構消失的組元稱為溶質。固溶體按溶質原子的溶解度不同,可分為有限固溶體(溶質原子在固溶體中的濃度有一定的限度)和無限固溶體(溶質原子可以任意比例溶入溶劑晶格結構中)。根據溶質原子在溶劑晶格結構中所占位置的不同,又可將固溶體分為間隙固溶體與置換固溶體兩類。

2)金屬化合物

當溶質含量超過溶劑的溶解度時,溶質元素和溶劑元素相互作用形成一種不同于任一組元晶格的新物質,即金屬化合物。金屬化合物一般可用分子式來表示其組成,但往往不

符合化合價規律,具有比較復雜的晶體結構。

1.2.2鐵碳合金的基本組織

工業中應用最廣泛的鋼鐵材料屬于鐵碳合金。固態下的鐵碳合金中,鐵和碳的基本結合方式有兩種:一是碳原子溶解到鐵的晶格中形成固溶體;二是鐵和碳按一定比例相互化合成化合物。

鐵碳合金的基本組織有鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體。

1.鐵素體

碳溶于α－Fe形成的間隙固溶體稱為鐵素體,用符號F表示。它仍保持α－Fe的體心立方晶格。鐵素體的晶粒顯示出邊界比較平緩的多邊形特征。

2.奧氏體

碳溶于γ－Fe形成的間隙固溶體稱為奧氏體,用符號A表示。它仍保持γ－Fe的面心立方晶格。奧氏體晶粒顯示出邊界比較平直的多邊形特征。

3.滲碳體

滲碳體是鐵和碳相互作用形成的一種具有復雜晶格結構的間隙化合物,用符號Fe3C表示,其碳含量ωC=6.69%,熔點為1227℃,其硬度很高,約為800HBW,而塑性、韌性極差,幾乎為零。

4.珠光體

奧氏體從高溫穩定狀態緩慢冷卻到727℃時,將分解為鐵素體和滲碳體呈均勻分布的兩相混合物,其立體形態為鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層狀機械混合物,稱為珠光體組織,用符號P表示。

5.萊氏體

碳含量為4.3%的液態合金,緩冷到1148℃時,同時結晶出奧氏體和滲碳體呈均勻分布的混合物,稱為高溫萊氏體組織,用符號Ld表示。在727℃以下,萊氏體中的奧氏體將轉變為珠光體,由珠光體和滲碳體組成的萊氏體稱為低溫萊氏體,用符號L'd表示。萊氏體的性能與滲碳體相似,硬度很高,塑性、韌性極差。

1.2.3鐵碳合金相圖

相圖是表示合金在緩慢冷卻的平衡狀態下,相或組織與溫度、成分間關系的圖形,又稱狀態圖或平衡圖。一般用熱分析法作出合金系中一系列不同成分合金的冷卻曲線,并確

定冷卻曲線上的結晶轉變溫度(臨界點),然后把這些臨界點畫在“溫度成分”坐標圖上,最后把坐標圖上的各相應點連接起來,就得出該合金的相圖。圖1-9為簡化的鐵碳合金相圖,即

Fe－Fe3C相圖。

圖1-9簡化的FeFe3C相圖

1.Fe－Fe3C相圖分析

1)相圖中的特征點

相圖中的重要特征點——溫度、成分及其說明如表1-1所示。

2)相圖中的特征線

相圖中的重要特征線如表1-2所示。

3)相圖中的合金分類

根據相圖上的P、E兩點,可將鐵碳合金分為工業純鐵、碳鋼和白口鑄鐵三類。其中碳鋼和白口鑄鐵又可分為三種,因此,相圖上共有七種典型合金,其各自的碳含量和室溫組織如表1-3所示。

2.典型合金平衡結晶過程及組織

1)共析鋼的結晶

圖1-10所示的合金Ⅰ為共析鋼,其結晶過程的示意圖如圖1-11所示。合金Ⅰ在液相線以上處于液體狀態,緩冷至1點時,液相(L)開始結晶出奧氏體(A)晶粒,在1~2點區間的基本組織為L+A,冷到2點時,結晶完畢,全部為單相均勻奧氏體晶粒。2~3點是單相奧氏體,緩冷到3點(727℃)時,將發生共析轉變形成珠光體(P),即A→P(F+Fe3C)。圖1-10典型鐵碳合金結晶過程分析

圖1-11-共析鋼結晶過程示意圖

2)亞共析鋼的結晶

如圖1-10所示,合金Ⅱ為亞共析鋼,其結晶過程如圖1-12所示。圖1-12亞共析鋼結晶過程示意圖

3)過共析鋼的結晶

如圖1-10所示,合金Ⅲ為過共析鋼,其結晶過程如圖1-13所示。圖1-13過共析鋼結晶過程示意圖

4)共晶白口鑄鐵的結晶

圖1-10中合金Ⅳ為共晶白口鑄鐵,其結晶過程如圖1-14所示。圖1-14共晶白口鑄鐵結晶過程示意圖

5)亞共晶白口鑄鐵的結晶

圖1-10中的合金Ⅴ為亞共晶白口鑄鐵,結晶過程如圖1-15所示。圖1-15亞共晶白口鑄鐵結晶過程示意圖

6)過共晶白口鑄鐵的結晶

圖1-10中合金Ⅵ為過共晶白口鑄鐵,其結晶過程如圖1-16所示。圖1-16過共晶白口鑄鐵結晶過程示意圖

3.碳對鐵碳合金平衡組織和機械性能的影響

1)對平衡組織的影響

由上面的分析可知,隨著碳的質量分數增高,鐵碳合金的組織發生了如下變化:

當碳的質量分數增大時,不僅其組織中滲碳體數量增加,而且滲碳體的分布和形態發生了如下變化:

2)對機械性能的影響

圖1-17為含碳量對碳鋼力學性能的影響。圖1-17碳對鋼的力學性能的影響

4.Fe－Fe3C相圖的應用

Fe－Fe3C相圖(見圖1-9)在生產中具有很大的實際意義,主要應用在鋼鐵材料的選用和熱加工工藝的制定兩個方面。

1)在選材方面的應用

2)為制定熱加工工藝提供依據

(3)在熱處理工藝方面的應用:Fe－Fe3C相圖對于制定熱處理工藝有著特別重要的意義。

(4)在焊接工藝方面的應用:Fe－Fe3C相圖可以指導焊接的選材及焊后熱處理等工藝措施,如焊后正火、退火工藝的制定,從而改善焊縫組織,提高機械性能,得到優質焊縫。

在運用Fe－Fe3C相圖時應注意以下兩點:

(1)Fe－Fe3C相圖只反映鐵碳二元合金中相的平衡狀態,如含有其他元素,相圖將發生變化。

(2)Fe－Fe3C相圖反映的是平衡條件下鐵碳合金中相的狀態,若冷卻或加熱速度較快,其組織轉變就不能只用相圖來分析了。

1.3金屬材料熱處理

熱處理方法很多,但任何一種熱處理工藝都是由加熱、保溫和冷卻三個階段組成的,通常采用所謂的熱處理工藝曲線來表示,見圖1-18。

圖1-18熱處理曲線

根據熱處理的目的及加熱和冷卻方式的不同,熱處理可以分為以下幾種類型:

1.3.1-鋼在加熱時的組織轉變

為了使鋼件在熱處理后獲得所需的性能,對于大多數熱處理工藝,都要將鋼加熱到相變溫度以上,使其組織發生變化,對于碳素鋼來說,在緩慢加熱和冷卻過程中,相變溫度可以根據Fe－Fe3C相圖來確定。然而由于Fe－Fe3C相圖中的相變溫度A1、A3、Acm是在極其緩慢的加熱和冷卻條件下測定的,與實際熱處理的相變溫度有一些差異,加熱時相變溫度因有過熱現象而偏高,冷卻時因有過冷現象而偏低,隨著加熱和冷卻速度的增加,這一偏離現象愈加嚴重,因此,常將實際加熱時偏離的相變溫度用Ac1、Ac3、Accm表示,將實際冷卻時偏離的相變溫度用Ar1、Ar3、Arcm表示,如圖1-19所示。

圖1-19加熱(或冷卻)時相變溫度變化

1.3.2鋼在冷卻時的組織轉變

熱處理后鋼的力學性能主要取決于奧氏體經冷卻轉變后所獲得的組織,而冷卻方式和冷卻速度對奧氏體的組織轉變有直接關系。實際生產中常用的冷卻方式有以下兩種。

1.等溫冷卻

使奧氏體化的鋼先以較快的冷卻速度降到相變點(A1-線)以下一定的溫度,這時奧氏體尚未轉變,但成為過冷奧氏體。然后進行保溫,使過冷奧氏體在等溫下發生組織轉變,轉變完成后再冷卻到室溫。例如等溫退火、等溫淬火等均屬于等溫冷卻方式。

等溫冷卻方式對研究冷卻過程中的組織轉變較為方便。以共析碳鋼為例,將奧氏體化的共析碳鋼以不同的冷卻速度急冷至A1-線以下不同溫度保溫,使過冷奧氏體在等溫條件

下發生相變。測出不同溫度下過冷奧氏體發生相變的開始時間和終了時間,并分別畫在溫度時間坐標上,然后將轉變開始時間和轉變終了時間分別連接起來,即得到共析碳鋼的過冷奧氏體等溫轉變曲線,如圖1-20所示。

圖1-20共析鋼過冷奧氏體的等溫轉變曲線

共析鋼過冷奧氏體等溫轉變產物可分為如下三個類型:

(1)高溫轉變產物:在727~550℃之間等溫轉變的產物屬珠光體組織,都是由鐵素體和滲碳體的層片組成的機械混合物。過冷度越大,層片越細小,鋼的強度和硬度也越高。依據組織中層片的尺寸,又把727~650℃之間等溫轉變的組織稱為粗片狀珠光體;在650~600℃之間等溫轉變的組織稱為索氏體(S);在600~500℃之間等溫轉變的組織稱為屈氏體(T)。

2.連續冷卻

經奧氏體化的鋼,使其在溫度連續下降的過程中發生組織轉變。例如在熱處理生產中經常使用的水中、油中或空氣中冷卻等都是連續冷卻方式。

1.3.3鋼的熱處理工藝

常用的熱處理工藝大致分為兩類:預先熱處理和最終熱處理。預先熱處理是為了消除前一道工序所造成的某些缺陷,細化均勻組織,通常安排在鑄造、鍛造、焊接等工藝之后、

機加工之前。最終熱處理是為了滿足成品的使用性能。退火、正火屬于預先熱處理,對于使用性能要求不高的零件,也可只做最終熱處理。

退火的目的主要有以下幾個方面:降低硬度,利于切削加工(適于切削加工的硬度為160~230HB);細化晶粒,改善組織,提高力學性能;消除內應力,防止變形和開裂,并為下道淬火工序做好準備;提高鋼的塑性和韌性,便于冷加工的進行

根據工件鋼材的成分和退火目的的不同,常用退火工藝可分為以下幾種。

1)完全退火

將亞共析鋼加熱到Ac3以上30~50℃,保溫一定時間后,隨爐緩慢冷卻到室溫,即為完全退火。所謂“完全”,是指退火時鋼件被加熱到奧氏體化溫度以上獲得完全的奧氏體組

織,并在冷至室溫時獲得接近平衡狀況的鐵素體和片狀珠光體組織。完全退火的目的是降低硬度以提高切削性能,細化晶粒和消除內應力以改善機械性能。

2)球化退火

共析或過共析鋼加熱至Ac1-以上20~50℃,保溫一定時間,再冷卻至Ar1-以下20℃左右等溫一定時間,然后爐冷至600℃左右出爐空冷,即為球化退火。在其加熱保溫過程中,網狀滲碳體因不完全溶解而斷開,成為許多細小點狀滲碳體彌散分布在奧氏體基體上。在隨后的緩冷過程中,以細小滲碳體質點為核心,形成顆粒狀滲碳體,均勻分布在鐵素體基體上,成為球狀珠光體。

3)等溫退火

將亞共折鋼加熱到Ac3以上或將共析鋼和過共析鋼加熱到Ac1-以上30~50℃,保溫后較快地冷卻到稍低于Ar1-的溫度,進行等溫保溫,使奧氏體轉變成珠光體,轉變結束后,取出鋼件在空氣中冷卻,即為等溫退火。等溫退火與完全退火目的相同,但可將整個退火時間縮短大約一半,而且所獲得的組織也比較均勻。等溫退火主要用于奧氏體,如比較穩定的合金工具鋼和高合金鋼等。

4)去應力退火

去應力退火也稱低溫退火,它是將鋼件隨爐緩慢加熱(100~150℃/h)至500~650℃,保溫一定時間后,隨爐緩慢冷卻(50~100℃/h)至300~200℃以下再出爐空冷。去應力退火主要用于消除鑄件、鍛件、焊接件、冷沖壓件及機加工件中的殘余應力,以穩定尺寸、減少變形;或防止形狀復雜和截面變化較大的工件在淬火中產生變形或開裂。由于鋼件在低溫退火過程中的加熱溫度低于Ac1,因此鋼件無組織變化。經去應力退火,鋼件可消除50%~80%的殘余應力。

5)再結晶退火

把經過冷變形的低碳鋼(或有色金屬)制件加熱到再結晶溫度以上100~200℃,在650~750℃范圍內保溫后爐冷,通過再結晶使鋼材的塑性恢復到冷變形以前的狀況,即為再結晶退火。這種退火也是一種低溫退火,主要用于消除經冷軋、冷拉、冷壓等加工而產生鋼材硬化的情況。

2.正火

正火是將亞共析鋼加熱至Ac3、將共析鋼加熱至Ac1-或將過共析鋼加熱至Accm以上30~50℃,經保溫后從爐中取出,在空氣中冷卻的熱處理工藝。

正火與完全退火的作用相似,都可得到珠光體型組織。但二者的冷卻速度不同,退火冷卻速度慢,得到的是接近平衡狀態的珠光體組織;而正火冷卻速度稍快,過冷度較大,得到的是珠光體類組織,組織較細,即索氏體。因此,同一鋼件在正火后的強度與硬度較退火后高。

正火的主要目的是細化晶粒,提高機械性能和切削加工性能,消除加工造成的組織不均勻及內應力。

3.淬火

淬火是將亞共析鋼加熱到Ac3或將共析或過共析鋼加熱到Ac1-以上30~50℃,保溫一定時間使其奧氏體化,然后在冷卻介質中迅速冷卻的熱處理工藝。淬火的主要目的是得到馬氏體,提高鋼的硬度和耐磨性,例如各種工具、模具、量具、滾動軸承等,都需要通過淬火來提高硬度和耐磨性。

淬火得到的組織是馬氏體,但馬氏體硬度高,而且組織很不穩定,還存在很大的內應力,極易變形和開裂。

4.回火

回火是將淬火后的鋼加熱到Ac1-以下溫度,保溫一段時間,然后置于空氣或水中冷卻的熱處理工藝。回火總是在淬火之后進行的,通常也是零件進行熱處理的最后一道工序,

因而它對產品的最終性能有決定性的影響。

回火的目的是:消除淬火鋼中馬氏體和殘留奧氏體的不穩定性及冷卻過快而產生的內應力,防止變形和開裂;促使馬氏體轉變為其他合適的組織,從而穩定零件的組織及尺寸;調整硬度,提高鋼的韌性。

根據加熱溫度的不同,可將碳鋼回火分為以下三類:

(1)低溫回火(150~250℃):回火后的組織主要為回火馬氏體,其組織與馬氏體組織相近,基本上保持了鋼淬火后的高硬度(如共析碳鋼的低溫回火硬度達58~62HRC)和高耐磨性。低溫回火的主要目的是降低淬火應力和脆性,保留淬火后的高硬度。

(2)中溫回火(350~500℃):回火后的組織為回火屈氏體,回火屈氏體的硬度比回火馬氏體低,如共析碳鋼的中溫回火硬度為40~50HRC,具有較高的彈性極限和屈服強度,并有一定的韌性。

(3)高溫回火(500~650℃):回火后的組織為回火索氏體,回火索氏體具有良好的綜合力學性能,硬度為25~35HRC。淬火加高溫回火的熱處理方法又稱為調質處理,適用于處理承受復雜載荷的重要零件,如曲軸、連桿、軸類、齒輪等。

1.3.4鋼的表面熱處理

1.鋼的表面淬火

表面淬火是一種不改變鋼的表面化學成分,但改變其組織的局部熱處理方法,即將鋼件表層快速加熱至奧氏體化溫度,就立即予以快速冷卻,使表層獲得硬而耐磨的馬氏體組

織,而心部仍保持原來塑性和韌性較好的退火、正火或調質狀態組織。按加熱方式的不同,表面淬火可分為感應加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火和激光加熱表面淬火等。

2.鋼的化學熱處理

化學熱處理是將工件置于特定介質中加熱和保溫,使介質中的活性原子滲入工件表層,以改變表層的化學成分和組織,從而達到使工件表層具有某些特殊力學性能或物理化

學性能的一種熱處理工藝。與表面淬火相比,化學熱處理的主要特點是:表面層不僅有化學成分的變化,而且還有組織的變化。按照滲入元素的不同,化學熱處理有滲碳、滲氮、碳

氮共滲、滲硼、滲硫、滲金屬等。

1.4常用的金屬材料

1.4.1-鋼1.鋼的分類與編號1)鋼的分類鋼的分類方式很多,常用的有按鋼的化學成分分類和按鋼的用途分類。(1)按鋼的化學成分分類:分為碳素鋼和合金鋼兩大類。(2)按鋼材的用途分類:分為結構鋼、工具鋼、特殊性能鋼三大類。

2)鋼的編號

(1)普通碳素結構鋼:普通碳素結構鋼的牌號由代表屈服強度的字母、屈服強度的數值、質量等級符號和脫氧方法符號等四個部分組成,例如Q235A.F。其中,Q—屈服點,

取“屈”字漢語拼音字母的字頭;A、B、C、D—質量等級;F—沸騰鋼,Z—鎮靜鋼,TZ—特殊鎮靜鋼。

普通碳素結構鋼的牌號、化學成分和力學性能如表1-4所示。

(2)優質碳素結構鋼:優質碳素結構鋼的牌號采用兩位數字表示,這兩位數字表示該鋼號的平均含碳量的萬分數。如45鋼表示含碳量為0.45%的優質碳素結構鋼。優質碳素結構鋼的牌號、成分、性能及其用途如表1-5所示。

(3)碳素工具鋼:其牌號由字母T和數字組成。T表示碳素工具鋼,數字表示平均含碳量的千分數。如T10表示平均含碳量為1%的碳素工具鋼。這類鋼都是優質鋼。高級優質鋼在牌號的數字后加A表示,如T10A。HBW表示布氏硬度,HRC表示洛氏硬度。碳素工具鋼的牌號、性能及用途如表1-6所示。

(4)合金結構鋼:采用兩位數+元素符號+數字表示。前面兩位數字表示鋼的含碳量的萬分位,元素符號后的數字表示該元素含量的百分數。如果合金元素為1%左右則不標其含量,如20Cr、18Cr2Ni4W、30CrMnSi、40Cr等。常用合金結構鋼的牌號、性能及用途如表1-7所示。

(5)合金工具鋼和特殊性能鋼:編號形式與合金結構鋼相似,只是碳含量的表示方法不同。當平均含碳量大于或等于1.0%時,碳量不標出;當平均含碳量小于1.0%時,以其千分數表示,如9SiCr、W18Cr4V、1Cr18Ni9等。常用合金工具鋼的牌號、性能及用途如表1-8所示。

2.結構鋼

結構鋼可分成工程構件用鋼和機械制造用鋼兩類。其中,工程構件用鋼一般使用普通碳素結構鋼和低合金鋼。這類鋼的強度較低,塑性、韌性和焊接性較好,價格低廉,一般在熱軋態下使用,必要時可進行正火處理以提高強度。機械制造用鋼多使用優質碳素結構鋼和合金結構鋼,按其組織和性能特點可分為以下幾種主要類型。

1)調質鋼

使用調質鋼來制造零件時,要求有較高的強度和良好的塑性、韌性。

(1)滲碳鋼:這類鋼的含碳量低(0.15%~0.25%),以保證工件心部獲得低碳馬氏體,有較高的強度和韌性,而表層經滲碳后,硬度高且耐磨,熱處理方式為滲碳后淬火加低溫回火。

(2)滲氮鋼:這類鋼的含碳量中等(0.3%~0.5%)。滲氮前經調質處理,工件心部為回火索氏體,有良好的強度和韌性。

3)彈簧鋼

彈簧鋼具有高的彈性極限和高的疲勞強度,含碳量在0.5%~0.85%之間,經淬火、中溫回火后可獲得回火屈氏體組織。

3.工具鋼

工具鋼要求具有高的硬度和耐磨性以及足夠的強度和韌性。這類鋼的含碳量均很高,通常為0.6%~1.3%。按合金元素的含量不同可分為以下幾種類型。

1)碳素工具鋼

碳素工具鋼經淬火、低溫回火后,組織為高碳回火馬氏體加球狀碳化物。這類鋼有很好的硬度和良好的耐磨性,價格低廉,但淬透性差,工作溫度低,主要適用于低速切削的刀具和尺寸較小的簡單模具。

2)低合金工具鋼

低合金工具鋼的熱處理方式和組織與碳素工具鋼的相同。由于合金元素的加入,提高了淬透性和工作溫度,這類鋼適用于較高速度切削的刀具和形狀復雜的模具。常用鋼種有

9SiCr和CrWMn等。

3)高合金工具鋼

高合金工具鋼由于合金元素的加入,淬透性很高,工作溫度也大大提高,按性能特點

的不同,又可分為以下幾種類型:

(1)高速鋼:在高溫時,仍有很高的硬度,適于高速切削。其最終熱