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机 械 制 造 基 础,参考书目,金属工艺学（上、下册） 邓文英 主编 高等教育出版社 机械工程与技术 Serope Kalpakjian/ Steven R.Schmid 机械工业出版社 Manufacturing Engineering and Technology Hot processes Manufacturing Engineering and Technology Machining 制造技术 P N Rao 机械工业出版社 Manufacturing Technology Foundry, Forming and Welding Manufacturing Engineering and Technology Metal Cutting & Machine Tools,绪 论,一、本课程的性质和内容,二、机械制造技术的发展及其作用,三、本课程的学习目的和学习方法,一、本课程的性质和内容,1、本课程的性质,2、本课程的内容,机电类专业的主干专业基础课,机械制造：,将原材料制成零件的毛坯，将毛坯加工成机械零件，再将零件装配成机器的整个过程。,二、机械制造技术的发展及其作用,1、作用：,机械制造技术是国民经济的支柱产业，是衡量一个国家现代化程度的重要标志之一。,2、机械制造技术的发展史,（1）人类社会的划分是以材料为依据的,（2）我国古代在材料和机械制造方面的辉煌成就,三、本课程的学习目的和学习方法,1、目的,（1）了解和掌握常用的工程材料； （2）了解和掌握铸造、锻造、焊接、切削加工和特种加工； （3）熟悉机械制造全过程，并了解现代机械制造技术。,2、学习方法,1 工程材料导论,1.1工程材料的性能,1、工程材料的性能,使用性能：,指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性能、物理性能和化学性能。,工艺性能：,指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。,2、工程材料力学性能,包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。,指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。,1 强度与塑性,拉伸试验： F Fb：载荷下降，变形增加 Fk：断裂，强度极限载荷。,强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力 。,一、强度的指标,2、抗拉强度,指试样拉断前所承受的最大拉应力。 其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力。,1、屈服强度,当材料的内应力b时，材料将产生断裂。 b常用作脆性材料的选材和设计的依据。,s 材料产生屈服现象时的最小应力,Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N） A0 ：试样原始横截面积（mm）,1 强度与塑性,二、塑性指标,塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。评定指标是断后伸长率和断面收缩率。,1、断后伸长率,2、断面收缩率,指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。,指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。,=(L1-L)/L x 100%,L:标距 L1:拉断后的试件标距。将断口密合在一起，用卡尺直接量出。,=(A0-A1)/A0 x 100%,A0:试件原横截面积。 A1:断裂后颈缩处的横截面积，用卡尺直接量出。,1 强度与塑性,2 硬度,1、定义：指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。,2、硬度的测试方法 （1）布氏硬度 （2）洛氏硬度 （3）维氏硬度,1、布氏硬度试验（布氏硬度计）,原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。,2、布氏硬度值 用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。 如：120HBS,4、测量范围 用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等.,一、布氏硬度,3、优缺点 （1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（2）可测的硬度值不高（3）不测试成品与薄件（4）测量费时，效率低,2 硬度,1、洛氏硬度试验（洛氏硬度计）,原理: 用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。,2、洛氏硬度值 用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出。根据所用压头计载荷的不同，分为HRA、HRB、HRC，其中HRC最为常用。如：50HRC,4、测量范围 用于测量淬火钢、硬质合金等材料.,二、洛氏硬度,3、优缺点 （1）试验简单、方便、迅速（2）压痕小，可测成品，薄件（3）数据不够准确，应测三点取平均值（4）不应测组织不均匀材料，如铸铁。,2 硬度,1、维氏硬度试验,原理:用夹角为136°的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力F（49.03-980.07N）压入试样表面，测出压痕对角线长度d。,2、维氏硬度值 用压痕对角线长度表示。如：640HV。,4、测量范围 常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。,三、维氏硬度,3、优缺点 （1）测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）（2）可测成品与薄件（3）试样表面要求高，费工。,2 硬度,3 韧性,定义：金属材料断裂前吸收的变形能量。,冲击韧度：缺口处单位截面积上所吸收的冲击功 式中： ak冲击韧度; Ak冲断试样所消耗的冲击功; A试样缺口处的截面积 cm²,冲击韧度,4 疲劳强度,疲劳强度曲线,实验证明，金属材料能承受的交变应力与断裂前应力循环次数 N 有如图1-6所示的规律。由图所知，当低于某一值时，曲线与横坐标平行，表示材料可经无限次循环而不断裂，这一应力称疲劳强度或疲劳极限。 用1表示光滑试样对称弯 曲疲劳强度。一般钢的循环次数为107，有色金属为108。,思考题：,1.将钟表发条拉成一条直线，这是弹性变形还是塑性变形？ 2.缩颈发生在拉伸图上那一点？如果式样没有出现缩颈现象，是否表示该式样没有塑性变形？ 3.下列情况应采用那种硬度法来检查其硬度？ 库存钢材 硬质合金刀头 锻件 台虎钳钳口 4.下列符号所表示的力学性能指标的名称和含义是什么？ b s r0.2 -1 k HRC HBS HBW 5. 硬度和抗拉强度之间有没有一定的关系？为什么？,金属溶液在凝固后一般都以晶质状态存在，即内部原子由不规则的排列转变到规则排列，形成晶体的过程。 金属的结晶过程是不断形成晶核和晶核不断长大的过程，即由晶核的产生和长大两个基本过程组成的。,1.2.1 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,1.2 铁碳合金,1.金属的结晶,金属的结晶,1.2.1 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,2.纯铁的晶体结构,将晶体中的每一个原子看成是一个点，再把相邻原子中心用假想的直线联接起来，使之形成晶格。从晶格中取出一个最基本的几何单元，这个单元称作晶胞。,体心立方晶格,属于体心立方晶格类型的金属有-Fe（912以下的纯铁）、铬、钼、钨等,面心立方晶格,属于面心立方晶格类型的金属有-Fe（1394912的纯铁）、铝、铜、银等。,2.纯铁的晶体结构,3.纯铁的同素异晶转变,1.2.2 铁碳合金的基本组织,a 、合金的基本概念,1、合金,合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。,2、组元,组成合金的基本的物质称为组元。,3、相,相是指在金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组分。,4、组织,组织泛指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相构成的总体。,b 、合金的组织,根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的组织可分为固溶体、金属化合物和机械混合物。,1、固溶体,溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型，称为固溶体。,2、奥氏体（A）：碳与-Fe形成的间隙固溶体。高温组织，在大于727时存在。 性能-塑性好，强度和硬度高于F。在锻造、 轧制时常要加热到A，可提高塑性，易于加工。,1、铁素体（F）：碳与-Fe形成的间隙固溶体 性能-强度和硬度低，塑性和韧性好。,铁素体,奥氏体,2、金属化合物,金属化合物是合金组元之间相互发生作用而形成具有金属特性的一种组织。,渗碳体（ Fe3C ）：铁与碳形成的金属化合物。 性能-硬度高，脆性大。,3、机械混合物,机械混合物是合金中的一类复相混合物组织，不同的相均可互相组合形成机械混合物。,珠光体（ P ）：F与Fe3C组成的机械混合物。 性能-力学性能介于两者之间。,莱氏体（ Ld ）：A与Fe3C组成的机械混合物。 性能-硬度高，塑性差。,珠光体,1.2.3 铁碳相图分析,1、概念：表示铁碳合金在不同成分和温度下的组织、 性能以及它们之间相互关系的图形。又称铁碳合金相图或铁碳合金平衡图。是通过实验的方法建立起来的。 2、作用：是研制新材料，制定合金熔炼、铸造、压力加工和热处理等工艺的重要工具。,3.铁碳合金相图,1、相图的坐标 纵坐标：代表温度。 横坐标：代表含碳量。 2、几个概念 纯铁 钢 铸铁 共析钢 亚共析钢 过共析钢 共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁,3、特性点 A点：纯铁的熔点 1538 C点：共晶点 1148 D点：渗碳体的熔点 1227 S点：共析点 727 G点：纯铁的同素异晶转变点 912 E点：C在-Fe中最大溶解度 1148 P点：C在-Fe中最大溶解度 727 Q点：室温时C在-Fe中最大溶解度,4、特性线 ACD：液相线，液相冷却至此开始析出固相，固相加热至此全部转化为液相。 AECF：固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，固相加热至此开始转化。 GS：A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A，又称A3线。 ES：C在A中的溶解度曲线，又称Acm线。 ECF：共晶线，含C量2.11 % -6.69%的铁碳合金至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物-莱氏体Ld。 PSK：共析线，含C量在0.0218 % -6.69%的铁碳合金至此反生共析反应，产生珠光体P ，又称A1线。,亚共析钢结晶过程,4 铁碳相图的应用,1、选用材料： 由铁碳相图可知，合金中随着含碳量的不同，其组织各不相同，从而导致其力学性能不同。因此，我们就可以根据机器零件所要求的性能来选择不同含碳量的材料。 2、判断切削加工性能： 低碳钢中铁素体较多，塑性好，加工性不好；中碳钢中铁素体含量比例适当，钢的硬度适当，易于加工。 3、制定热加工工艺： 在铸造工艺方面，根据相图可以确定合适的熔化温度和浇注温度，含碳量为4.3%的铸铁铸造性最好；在锻造工艺方面，可以选择钢材的轧制和锻造的温度范围应在奥氏体区。 4、应用于热处理生产： 由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有组织的变化，可以进行热处理。并且可以正确选择加热温度。,思考题：,1.如果结晶时晶核不多而生长速度较快，则凝固后的晶粒是粗还是细？为什么？ 2.晶粒的粗细对金属的机械性能有什么影响？ 3.什么是同素异晶转变？室温和1100时的纯铁晶格有什么不同？ 4.什么叫做铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体？它们各有什么特点？ 5.A1.A3和Acm各表示什么意义？ 6.试描述在缓慢冷却的条件下,液态的0.3碳素钢从开始凝固到温室之间的组织变化。,1.3 金属材料,A typical automobile may contain the following materials:,1.3.1 钢,1. 钢的分类 (1) 按化学成分 碳素钢 合金钢 (2) 按用途 结构钢 工具钢 特殊性能钢 (3) 按质量 普通钢 S0.055% P0.045% 优质钢 S0.045% P0.04% 高级优质钢 S0.03% P0.03%,2. 碳素钢,含碳量小于2.11%的铁碳合金。,化学成分对碳素钢性能的影响,a. 碳的影响 强度、硬度增加 塑性、韧性下降 根据含碳量，碳素钢可分为三类： 低碳钢 0.6C,b、硅和锰的影响： 有益元素。不但可以溶于F中，产生强化作用，使钢的强度和硬度提高；而且Mn能消除硫对钢的危害。 c、磷的影响： 有害元素，使钢产生冷脆性。 d、硫的影响： 有害元素，使钢产生热脆性。,化学成分对碳素钢性能的影响,(2) 碳素钢的分类、牌号,a. 碳素结构钢 牌号： Q215-AF Q235-B 用途：工程结构（薄钢板，钢筋， 钢管，各种型材）； 要求不高的机器零件（螺钉，螺栓，手柄，小轴）； 特点：塑韧性优良。,b. 优质碳素结构钢 牌号：08, 10, 1575, 80, 85 用途：用来制造较重要的机器零件，一般都经过热处理。 0825：强度低，但塑性、韧性好，并具有良好的焊接性能。常做冲压件、焊接件、渗碳件。用来制造螺钉、螺母、垫圈等,冲压件,3050：调质后有良好的综合机械性能。用作轴、连杆、丝杠、键。,轴,连杆,丝杠,5585：热处理后有良好的弹性。用作弹簧、轧辊、钢丝绳。,弹簧,钢丝绳,c. 碳素工具钢,牌号：T7，T7A 用途：各种刀具、刃具、量具。 T7, T8：中等硬度，高韧性工具。冲头、凿子、锻造工具、錾子、锤子。 T9T11：高硬度、中等韧性工具。钻头、丝锥、钢锯条、小冲模。 T12T13：高硬度、耐磨性而韧性要求不高的工具。量具、锉刀、刮刀。 碳素工具钢回火稳定性低，当温度大于200250时，硬度急剧下降。因此只用作手动切削工具。,锉刀,锤子,锯条,碳素钢的缺点： 硬度低 高温下强度、硬度低 耐磨性、耐腐蚀性差,3 合金钢,（1）合金元素对钢性能的影响,a、提高了钢的力学性能,b、提高了钢的淬透性,c、使钢具有某些特殊性能,钛、钒等合金元素的加入提高了钢的强度和硬度，细化了晶粒，也提高了塑性与韧性。,铬、硅、镍、锰、硼等合金元素的加入提高钢的淬透性。,铬、锰等合金元素的加入使钢具有了耐高温、耐热、耐磨、不生锈等特殊性能。,（2）合金钢的分类与牌号,（3）合金钢的牌号,a、合金结构钢的牌号,b、合金工具钢的牌号,两位数字+合金元素符号+数字,前两位数字表示平均含碳量的万倍，后面数字表示合金元素的百倍。若合金元素含量小于1.5，则不标其含量。如60Si2Mn,40Cr等。,其牌号表示方法与合金结构钢类似，但其含碳量超过1%时不标出；当含碳量小于1%前面数字表示含碳量的千倍。 如：9SiCr, Cr12,5CrMnMo等。,但高速钢不标含碳量，只写出合金元素符号及其含量。,如:W18Cr4V, W6Mo5Cr4V2,a 、合金结构钢,1、普通低合金结构钢,低碳，合金含量小于3%。主加元素为Mn其强化了铁素体，提高了强度；V，Ti等元素使晶粒细化，使韧性提高。 在建筑、桥梁、车辆、船舶中应用广泛。以16Mn为最广。,船舶,桥梁,2、合金渗碳钢,含碳量为0.1%-0.2%,以保障心部具有足够的韧性，合金含量小于3%。主加元素为Cr、Mn、钛、钒，提高了淬透性，使晶粒细化，耐磨性提高。,主要用于表面要求硬而耐磨，心部具有足够强度和韧性的零件，如：汽车变速箱的齿轮等。 以20Cr、20CrMnTi为最广。,变速齿轮,拨叉,3、合金调质钢,含碳量为0.25%-0.5%,主加元素为Cr、Mn、Si、Ni等以提高淬透性和强化铁素体.调质钢具有良好的综合力学性能。,合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆等。,曲轴,连杆,4、合金弹簧钢,它具有高的弹性、疲劳强度及冲击韧度。含碳量为0.5%-0.7%,主加元素为Cr、Mn、Si等以提高淬透性和弹性极限。,合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。,拉力弹簧,离合器弹簧,5、滚动轴承钢,主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等，属专用结构钢。,碳质量分数一般为0.95%-1.10%，以保证其高硬度、高耐磨性和高强度。铬为基本合金元素 ，铬含量为0.40%-1.65%。高碳低铬。,如：GCr15,b 、合金工具钢,合金工具钢是制造刃具、量具和模具的钢种。不仅有更高的硬度和耐磨性,还具有更高的红硬性。,1、合金刃具钢,用途：主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、钻头等。,性能： （1）高硬度，60HRC以上； （2）高的耐磨性； （3）高热硬性 ； （4）足够的塑性和韧性 。,铣刀,英制模板刀,合金刃具钢的种类及牌号,(1) 低合金刃具钢,(2) 高速钢,最高工作温度不超过300 。 高碳：碳质量分数为0.9%-1.1%，以保证高硬度和高耐磨性。 Cr、Mn、Si主要是提高钢的淬透性，Si还能提高钢的回火稳定性； W、V能提高硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持细小的晶粒。,高速钢是高合金刃具钢，具有很高的热硬性，高速切削中刃部温度达600 时，其硬度无明显下降。 高碳：碳质量分数在0.70%以上，最高可达1.5%左右， 加入Cr、W、Mo、V等合金元素： Cr 提高淬透性。 W、Mo 保证高的热硬性。 V 提高耐磨性，细化晶粒。,（如：9SiCr 、9Mn2V）,（如：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2 ）,2、合金量具钢,用途：量具用钢用于制造各种测量工具，如卡尺、千分尺、块规。,性能要求：(1) 高硬度（大于56 HRC）和高耐磨性； (2) 高尺寸稳定性，在存放和使用过程中，尺寸不发生变化。,螺纹规,游标卡尺,千分尺,量具用钢的选用举例,3、合金模具钢,合金模具钢按其用途分为冷作模具钢和热作模具钢两大类。,冷作模具钢,用途：冷模具用于制造各种冷冲模、冷镦模、冷挤压模和拉丝模等，工作温度不超过200 300 。,热作模具钢,如：9Mn2V、CrWMn,用途：热作模具钢用于制造各种热锻模、热压模、热挤压模和压铸模等，工作时型腔表面温度可达600 以上。,如：5CrMnMo、5CrNiMo,性能要求： 高硬度，5862 HRC; 高耐磨性; 足够的韧性和疲劳抗力,C 、特殊性能钢,特殊性能钢是指具有特殊物理和化学性能的一种高合金钢.它主要包括不锈钢,耐磨钢等.,1、不锈钢,能抵抗大气,酸,咸或其它介质腐蚀的钢。,不锈钢在石油化工、国防工业和一些尖端科学技术及日常生活中都得到广泛应用，例如化工装置中的各种管道、阀门和泵，医疗手术器械，防锈刃具和量具等。,根据不锈钢室温下组织的不同,常用的不锈钢可分三种:,马氏体型不锈钢,铁素体型不锈钢,奥氏体型不锈钢,马氏体型不锈钢,如：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13,不锈钢船用螺旋桨,不锈钢剪刀,含碳为0.1%-0.4%,含铬为12%-13%.主要用于力学性能要求不高,耐蚀性要求较低的零件.如:,铁素体型不锈钢,这类钢的铬质量分数为17%30%，碳质量分数低于0.15%.主要用作耐蚀性要求很高而强度要求不高的构件，例如容器和管道等。,奥氏体型不锈钢,这类不锈钢属铬镍不锈钢,碳含量很低（约0.1%），耐蚀性很好。,如：1Cr17、1Cr17Ti等,如： 0Cr18Ni9, 1Cr18Ni9等,2、耐磨钢 （就是高锰钢 如:ZGMn13）,坦克、拖拉机履带,铁轨分道叉,破碎机颚板,挖掘机斗齿,1.3.2 铸 铁,铸铁是碳质量分数大于2.11%、并常含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。,用于制造机床的床身、床头箱,发动机的汽缸体、机器的底座等，是工程上最常用的金属材料之一。,箱体,启动阀,1.铸铁分类,根据碳在铸铁中存在形式不同，可分三大类：,（1）白口铸铁,（2）灰口铸铁,（3）麻口铸铁,C的存在形式：渗碳体(Fe3C)，断口为白色。,性能硬而脆，难以切削加工。主要用作炼钢原料，高耐磨零件（如轧辊、犁铧等）。,C的存在形式：石墨，断口为灰黑色。,C的存在形式：石墨+渗碳体，断口为黑白色。,灰铸铁是铸造性能最好，应用最广泛的铸铁材料。,性能：脆性大，很少使用。,根据石墨（G）在铸铁中存在形态，可分为：,普通灰铸铁：石墨呈片状,可锻铸铁：石墨呈团絮状,蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状,球墨铸铁：石墨呈球状,2、灰口铸铁的种类,一、灰铸铁的组织,灰铸铁有铁素体、珠光体、(铁素体+珠光体)+石墨三种基本组织。,F+片状石墨,（F+P）+片状石墨,P+片状石墨,a 灰铸铁,由于石墨片对钢基体产生的割裂作用，破坏了钢基体的连续性、完整性，减少了钢基体的有效面积，使其抗拉强度低于钢、而塑性和韧性近于零，属于脆性材料。 灰铸铁的性能： 抗拉强度低 优异的铸造性能 优良的减振性 耐磨性好 缺口敏感性小 切削加工性能优良,二、灰铸铁的性能与应用,但其抗压强度与钢相近，因此普通灰铸铁广泛用于作承受压力载荷的零件和结构，如机座、机床床身、轴承等。,叶轮,发动机飞轮,三、灰铸铁的牌号,HT+三位数字，数字表示最低抗拉强度。,b 、可锻铸铁,一、可锻铸铁的组织,可锻铸铁有铁素体和珠光体两种基体，石墨呈团絮状。,二、可锻铸铁的牌号,三、可锻铸铁的性能及应用,可锻铸铁较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。可锻铸铁不可锻。,铁素体可锻铸铁以“KT”表示，珠光体可锻铸铁以“KTZ”表示。其后的两组数字表示最低抗拉强度和延伸率。,如：KT350-10、KTZ600-3,可锻铸铁的牌号和机械性能,c 、球墨铸铁,一、球墨铸铁的组织,二、球墨铸铁的牌号,三、球墨铸铁的和机械性能,用“QT”标明，其后两组数值表示最低抗拉强度和延伸率。,QT420-10、QT600-2、QT800-2,如:,五、球墨铸铁调质和正火后的组织性能,四、球墨铸铁的应用,具有与钢相近的力学性能，可代替钢和合金钢 使用。,球墨铸铁管道接口,d 、蠕墨铸铁,一、蠕墨铸铁的组织,蠕墨铸铁的石墨具有介于片状和球状之间的中间形态，其石墨片的长厚比较小，端部较钝。呈蠕虫状。,蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料。它的强度接近于球墨铸铁，并且有一定的韧性、较高的耐磨性；同时又有和灰口铸铁一样的良好的铸造性能和导热性。,二、蠕墨铸铁的牌号、性能和应用,蠕墨铸铁以“RuT”表示，其后的数字表示最低抗拉强度。,RuT300、RuT420,如：,蠕墨铸铁已成功地用于高层建筑中高压热交换器、内燃机汽缸和缸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸件。,牌号：,性能：,应用：,排气管,进气管,特殊性能铸铁,在铸铁中加入某些合金元素，得到一些具有各种特殊性能的合金铸铁。,1、耐磨铸铁（加铬）,2、耐热铸铁 （Al、Si、Cr ）,扇形扩散器,托架,衬板,弯管,石墨呈片状,石墨呈团絮状,石墨呈球状,石墨呈蠕虫状,何为石墨？,石墨是游离状态的碳，其强度、硬度、塑性、韧性很低，硬度仅为35HBS，伸长率近于零。,铸铁的组织可以看成是在铁或钢的基体上夹杂着石墨，石墨对基体产生割裂作用。,因此，石墨的存在使铸铁的力学性能下降，其性能比钢低，不能锻造，且石墨的数量越多，越粗大，分布越不均匀，铸铁的力学性能越差。,但石墨的存在也赋予铸铁许多钢所不及的优良性能，如铸造性能、减振性和减摩性等。,铸铁的石墨化,铸铁组织的类型取决于石墨化的程度。,（1）铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化。,石墨化若能充分或大部分进行，则能获得灰口铸铁，反之将得到白口铸铁。,石墨既可以从液体和奥氏体中析出，也可以通过渗碳体分解来获得。 Fe3C 3Fe C 灰口铸铁和球墨铸铁中的石墨主要是从液体中析出；可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间退火，由渗碳体分解而得到。,（2）影响石墨化的因素,冷却速度：缓慢冷却有利于石墨化；,合金元素：C和Si强烈促进，S强烈阻碍，Mn阻碍，P微弱促进。,1.3.3 铸钢,铸造碳钢/铸造合金钢,铸钢的性能： 强度高，优良的塑性和韧性； 焊接性能好； 铸造性能较差。,应用： ZGMnl3; ZGlCr18Ni9 强度、塑性、韧性要求较高的机器零件，受冲击载荷较大的工件,坦克、拖拉机履带,破碎机颚板,1.3.4 铜、铝铸造合金,常用的有色金属有Al、Cu、Zn、Pb、Mg等，它们的强度较低，主要是为了获得某些特殊的物理、化学性能。 (1) 铸造铜合金 黄铜(Zn)；青铜；锡青铜，铝青铜 优良的导电性和导热性；良好的耐磨性和耐蚀性 轴套，蜗轮，泵体，管道配件,(2) 铸造铝合金 铝硅合金; 铝铜合金 流动性好，线收缩率低，气密性好 内燃机缸体，化油器，活塞，汽缸头等,思考题：,1.填表： 2.仓库中混存了相同规格的20钢、45钢和T10钢，请提出一种最为简便的区分方法。 3.现拟制造如下产品，请从碳素钢中选出适用的钢号： 六角螺钉 车床主轴 钳工錾子 液化石油气罐 活搬手 脸盆 自行车弹簧 钢锉 门窗合页,钢的热处理,引言：,1、热处理的概念,2、热处理的目的,将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织与性能的工艺。,（1）提高钢的力学性能 （2）改善钢的工艺性能,钢的热处理原理,根据工艺类型、工艺名称和实现工艺的加热将热处理分为：,1、整体热处理,2、表面热处理,表面淬火、气相沉积,3、化学热处理：渗碳、氮化、碳氮共渗,退火、正火、淬火、回火,钢的热处理,热处理的理论依据,钢的热处理,第一节 钢的退火与正火,1、概念：将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后在炉中缓慢地冷却的热处理工艺。,2、目的： 1）降低硬度，提高塑性，改善加工性能； 2）细化晶粒，消除组织缺陷； 3）消除内应力 。,一、钢的退火,钢的热处理,3、分类： 根据钢的成分和处理目的的不同，可分为完全退火、球化退火和去应力退火。 （1）完全退火 1、定义：将钢加热Ac3以上3050ºC,完全奥氏体后，保温一定时间随之缓慢冷却到500ºC以下，出炉空冷。 2、目的：细化晶粒，消除内应力，降低硬度，以利于切削加工。 3、适用范围：亚共析钢型材。,钢的热处理,（2）球化退火 1、定义：将钢加热到Ac1以上2030 ºC,保温后随炉缓冷至600 ºC，出炉空冷。 2、目的：降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能。 3、适用范围：主要用于过共析钢及合金工具钢。,钢的热处理,（3）去应力退火 1、定义：将钢加热到500-600 ºC,保温后随炉缓冷至200-300 ºC出炉空冷。又称低温退火。 2、目的：消除铸件、锻件和焊接件的内应力 。（没有发生组织变化） 3、适用范围：用于所有的钢。,钢的热处理,二、钢的正火,1、概念： 将钢件加热到Ac3或Accm线以上3050 ºC ，保温适当的时间后，在空气中冷却的热处理工艺。,2、目的： 1）对低碳钢，可细化晶粒，提高硬度，改善加 工性能； 2）对中碳钢，可提高硬度和强度，作为最终热处理； 3）对高碳钢，可为球化退火作准备 。,钢的热处理,退火与正火的加热温度范围,钢的热处理,第二节 钢的淬火与回火,2、目的： 提高钢的硬度、强度和耐磨性并保持足够的韧性。,1、概念： 将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间后，快速冷却的热处理工艺。,一、钢的淬火,钢的热处理,3、淬火剂：水、矿物油、盐水和碱水等。,为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和开裂，必须采用已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决。通常的淬火方法包括单液淬火、双液淬火、分级淬火等，如图所示。,4. 淬火方法:,钢的热处理,4、淬火方法： （1）单液淬火：将加热后的零件投入一种 冷却 剂中冷却至室温。 特点：操作简单，容易实现自动化。 （2）双液淬火：先水后油，或先油后空气。 特点：可防止变形与开裂。 （3）分级淬火：先放入一定温度的盐浴或碱浴中，再空冷。 特点：有效减小内应力，防止变形与开裂； 但只适于小尺寸工件。,钢的热处理,三、钢的回火,1、回火的概念： 将淬火后钢件再加热到Ac1以下的某一温度，保 温一定时间后，然后冷却到室温的热处理工艺 。,2、回火的目的： 降低淬火钢的脆性，提高韧性，调整硬度，消除内应力，稳定工件的尺寸，获得所需要的力学性能。,钢的热处理,3、回火的种类 按回火温度的不同，回火可分以下三种： 低温回火：150 ºC 250 ºC 中温回火：350 ºC 500 ºC 高温回火：500 ºC 650 ºC,钢的热处理,1、低温回火（150250）ºC 目的：保持淬火钢的高硬度和高耐磨性，降低淬火应 力,减少钢的脆性。硬度为58-64HRC。 主要用于：刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳淬火 件和表面淬火件。 2、中温回火（350500）ºC 目的：获得高的弹性极限、屈服点和较好的韧性。 又称弹性处理。硬度为35-45HRC. 主要用于：弹性零件及热锻模具等。 3、高温回火（500650）ºC 目的：获得良好的综合力学性能。 又称调质处理。硬度为25-35HRC. 主要用于：各种重要结构零件如螺栓、齿轮及轴承。,钢的热处理,第四节 钢的表面热处理,引言: 为了兼顾零件表面和心部两种不同性能要求,生产中广泛采用表面热处理的方法,即表面淬火和化学热处理. 一、表面淬火 1、概念：指仅改变钢的表层组织的局部热处理工艺。,钢的热处理,2、种类 火焰加热表面淬火 ： 用氧乙炔火焰喷射到工件表面，使其被快速加热到淬火温度，并立即喷水冷却的操作方法。 适用于含C 0.35%0.7%的中碳钢和中碳合金钢，如45，40Cr。 感应加热表面淬火 ： 用一定频率的感应电流使工件表面被快速加热到淬火温度，并立即喷水冷却的操作方法。 适用于含C 0.4%0.5%的中碳钢和中碳合金钢，如40，40Cr。,钢的热处理,动画： 电接触加热表面火,第五节 钢的化学热处理,引言 1、概念：将钢置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入其表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。 2、分类：渗碳、渗氮、 碳氮共渗,钢的热处理,第六节 钢的渗碳,概念：将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。,目的：通过渗碳及随后的淬火和低温回火，使表面具有高的硬度、耐磨性和抗疲劳性能，而心部具有一定的强度和良好的韧性配合。,渗碳方法：渗碳方法有气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。目前广泛应用的是气体渗碳法。,渗碳用钢：含碳量为0.1%0.25%的低碳钢和低碳合 金钢。,钢的热处理,第七节 钢的渗氮,概念：渗氮俗称氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的热处理工艺。,目的：是提高零件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等。,渗氮方法：气体渗氮、离子渗氮等。生产中应用较多的是气体渗氮。,渗氮用钢：优质碳素结构钢，如20，40等；一般合金结构钢，如40Cr等；渗氮专用钢，如38CrMoAlA。,钢的热处理,第八节 其它化学热处理方法,碳氮共渗：碳氮同时渗入工件表层。提高表面硬度、抗疲劳性和耐磨性，并兼具渗碳和渗氮的优点。,渗铬：有较好的耐蚀性和优良的抗氧化性、硬度和耐磨性，可代替不锈钢和耐热钢用于机械和工具制造。,渗硼：十分优秀的耐磨性、耐腐蚀磨损和泥浆磨损的能力，耐磨性明显优于渗氮、碳和碳氮共渗层，但不耐大气和水的腐蚀。主要用于泥浆泵零部件、热作模具和工件夹具。,钢的热处理,