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金屬熱處理理及工藝.doc

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?金屬熱處理原理及工藝緒 論這門課對咱們專業是很重要的。本課程的重要性從本專業研究《金屬材料及熱處理》的名稱上可想而知,雖然現在改了專業名稱,但熱處理仍是一門主要專業課。本課程既研究理論問題,又解決實際問題,學好本課對于以后的科研及生產都有益無窮。這里,講講什么是金屬熱處理,其地位和作用,本課內容及要求等等。一、 什么是金屬的熱處理簡單地說,金屬熱處理,就是把金屬加熱到預定溫度,并在此溫度保持一定時間,然后以適當的速度冷卻下來,從而改變其內部組織結構,得到預期性能(工藝性能,機械性能,物理和化學性能)的一種工藝方法。如果以溫度為縱坐標,以時間為橫坐標,則右圖中三條曲線即為熱處理工藝曲線,可分為三個階段;加熱——保溫——冷卻。加熱曲線的斜率表示加熱速度,冷卻也如此。根據加熱介質、方法、速度等的不同及冷卻的不同,熱處理又可分為若干類型。例如,退火、正火、淬火、回火,是四種不同的熱處理工藝,即傳統工藝的四把火,以后都要講到。這些方法看起來簡單,但其中有很深奧的道理。處理工藝有很大發展,僅了解這四種傳統工藝是遠不夠的。根據加熱方式不同,還可分為感應加熱表面淬火,火焰加熱表面淬火,離子轟擊熱處理,真空、激光熱處理。有些熱處理是要改變表面化學成分的,如表面增加C的含量為滲C,還有滲N,滲硼等??傊?,金屬熱處理工藝方法非常多,且還在不斷地發展。二、 熱處理在機械制造中的地位和作用各行各業的發展,如工業、農業、現代國防和現代科學技術的發展與金屬材料所占的比重越來越大?,F代工業,現代科學技術三大支柱:信息,能源,材料。而金屬仍然是基本材料,尤以鋼鐵為主。金屬材料制成的零件,在其加工過程中,要經過鑄造、鍛造、焊接、切削加工、熱處理等一系列工序,熱處理在其中擔負著改進工件性能、充分發揮材料潛力,以提高使用壽命的重要任務。就目前機械工業生產狀況而言,機床中要經過熱處理的工件占總重量的60~70%,汽車、拖拉機中占70~80%,而軸承和各種工、模具則百分之百全部需熱處理。近年來,隨著工業和科學技術的發展,對于金屬材料及其制件在強韌性、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損等性能方面的要求更加嚴格,采用熱處理零件的比重還將進一步增大,工藝方法將不斷改進和增多。以后會在工藝部分加以介紹。熱處理之所以在機械制造中占有重要地位,是由于熱處理是強化金屬的重要手段。強化金屬的三個重要手段:形變,合金化,熱處理。形變強化是通過變形提高位錯密度(在金屬的晶體點陣中引入大量缺陷)。合金化,改變化學成分,加入Me,形成固溶體,化合物,是通過固溶強化和第二相的彌散析出來強化的。固溶強化對于鋼鐵材料來說只能在體心結構產生強化。在體心結構中,C原子間隙在扁八面體間隙中,造成不均勻畸變(剪切分量不相等),有一較大的切變分量,可以和位錯產生較大的交互作用,從而造成強化。而面心結構中溶入C,C處于八面體中,只產生膨脹,而不產生及變,或說造成對稱畸變,無上述效果。從Fe-C相圖中可知,Fe-C合金在室溫下有鐵素體,F雖也可固溶強化(體心立方),但C的溶解量太少,效果不大,所以F是一軟相。此時可借助熱處理方法來強化。如前所述,熱處理通過加熱和冷卻,發生固態相變或組織狀態變化,以達到強化,如共析成分的Fe-C合金(T8鋼),室溫平衡組織為P,HB 170~230,若采用淬火熱處理工藝手段(加熱——冷卻),得到M組織,則使硬度提高至HB 650~720,M是體心結構,不過飽和地固溶了相當多的C院子,甚至對共析鋼來說,全部C原子 ,這就產生了極顯著的強化效果。所以,熱處理相變強化是一種很有效的強化手段,而其中又以馬氏體相變強化效果最好,所以金屬中相變理論研究以馬氏體相變研究發展最為迅速。當然實際上金屬強化往往是幾種手段綜合起來,互相滲透,互相促進,如在Fe-C合金中,加入Me,成為合金鋼。合金鋼不經過熱處理,其強化成都是有限的,通過熱處理可以達到最好的強烈配合,即合金化與熱處理的相變強化結合起來,形變與熱處理也可結合,互相促進,如現在發展了形變熱處理,可有效地改善性能。根據熱處理在工藝路線中的位置,又可分為預先熱處理和最終熱處理。預先熱處理:為后續工藝(冷、熱加工)作準備。最終熱處理:賦予零件最后使用性能。如銼刀,一般用T12,含C 1.2%工藝流程為:坯料à熱軋(后空冷,相當于正火態,為片狀P+Fe3C,硬度較高)à球化退火(預先熱處理)à機加工(剁齒)à淬火+回火(最終熱處理)。對性能要求較多的零件都要經過這兩道熱處理工序。熱處理工藝的判選是否合理,工藝操作是否正確,直接影響到零件壽命?!案愫脽崽幚?,零件一頂幾”,“向熱處理要鋼”。如日本高速鋼的產量 W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2與外國差不多,而我國每年高速鋼不夠用,要進口,而日本要出口。熱處理的重要作用由此可見一斑。三、 本課程內容本課程分為原理及工藝兩部分。工藝后面講。a 原立課的內容:1、固態相變的基本規律及特征2、成分——組織結構——性能之間的關系3、工藝因素的改進對上述規律的影響工藝課是原理的具體應用,講一般規律、共性的東西。原理部分基本按教科書的順序講,但第一章“金屬固態相變概論”不講,兩個原因:一是一開始就講許多抽象的相變理論不易被接受,不如在以后各章學到哪部分講哪部分,二是學時很緊張。四、 本課程的基本要求 原理部分1、 掌握金屬固態相變的基本規律,其中包括組織轉變規律,轉變動力學以及影響轉變的因素;2、 了解各種組織與常規力學性能的基本關系;3、 熟悉常用鋼經不同熱處理后的組織特征,掌握用光學顯微鏡識別金屬材料不平衡組織的基本方法。學習方法:每個同學都由自己的學習方法,有些同學學習方法還是很不錯的,針對本門課的特點,提出兩點讓大家注意:注意理論結合實際,這門課是理論性實踐性都很強的課,沒有實際經驗,較難,主要要重視實驗課,實驗課將接觸到許多實際問題。對實驗課要重視,實驗課是很重要的環節,上實驗課前,要看實驗指導書,之后認真寫好實驗報告。按規定,三次實驗報告布鞋,不能參加考試,相信本班沒有三次不交的,不會出現這種情況。要及時復習此門課根據前幾屆的情況看來,有些同學不適應,這門課跟以前學過的課不太一樣,不是嚴密的邏輯推理,實驗性的東西較多,有些問題尚未搞清,假設的推論,提法很多,再加上各種影響因素,一條條的,顯得繁雜散亂,不好學,解決的方法,就是要及時復習,學完一部分就掌握一部分,不能等到考試前才進行復習,為了督促學生學習,可能進行提問。設想:講課時,基本的原理,概念可反復講。 第一章 (奧氏體的形成)鋼的加熱轉變 ——A的形成在實際生產中,鋼的熱處理工藝方法繁多,如正火、淬火、回火及時效表面淬火,化學熱處理,形變熱處理等。但不管哪一種熱處理,都是將工件加熱到一定溫度,保溫一定時間,然后以某種速度冷卻下來,可見,加熱是鋼進行熱處理的第一步工序。在絕大多數情況下,鋼熱處理時總要。省略部分。形成速度均比粒狀Fe3C的大。這在轉變溫度低時更為顯著。粒狀P組織與片狀P相比,殘余K的溶解和A均勻化都比較慢。2、 合金元素的影響(P24)在共析鋼中加入Me并不改變A形成機制。但由于Me的加入可以改變臨界點的位置,影響C在A中的擴散速度,還可與C形成各種穩定性不同的K,故將影響A的形成速度。轉變溫度一定時,臨界點的改變意味著過熱度的改變,如Ni,Mn等元素可以降低臨界點,這就增加了過熱度,使A形成速度加快。固溶于A中的Me可以改變C在A中的擴散速度。Cr,Mo,W等K形成元素降低C在A中的擴散系數,故使轉變速度變慢。Co,Ni等提高C在A中的擴散系數,故使轉變速度加快。Si,Ae等對在A中的擴散影響不大,故對轉變速度無大影響。Me對A形成速度的影響,也受到合金K向A中溶解難易程度的牽制。鋼中加入W,Mo等強K形成元素時,由于形成的特殊K不易溶解,將使A形成速度慢。另外,鋼中的Me在原始組織各相中的分配是不均勻的。在退火狀態下,K形成元素主要集中在K相中,而非K形成元素則主要集中在F中,合金元素的這種不均勻分布,一直到K溶解完畢后,還顯著地保留在鋼中。因而合金鋼A形成后,除了C的均勻化外,還進行著Me的均勻化。由于Me的擴散比C困難(其擴散速度比C小103~104倍),因而合金鋼均勻化所需的時間常常比碳鋼長。二、 過共析鋼與亞共析碳鋼A等溫形成圖過共析碳鋼經普通完全退火后的組織是P+先共析網狀Fe3C(經球化退火的組織是F+粒狀Fe3C)。這類鋼中Fe3C的數量比共析碳鋼中多。因此,當加熱溫度在Ac1~Accm之間P剛剛轉變為A時,鋼中仍由大部分先共析Fe3C和部分共析Fe3C未溶解。只有在溫度超過Accm,并經一定時間的保溫后,Fe3C才能完全溶解。所需時間當然比共析鋼的長,同樣,在Fe3C溶解以后,需延長時間才能使C在A中均勻分布。亞共析鋼經普通退火后的組織是P+先共析F。而其中P的數量隨鋼的碳含量降低而減少。對于這類鋼,當加熱到Ac1以上某一溫度P轉變為A后,如果保溫時間不太長,可能有部分F(必然存在的)和Fe3C被殘留下來。保溫時間足夠時,Fe3C趨于溶解。對于碳含量比較高的亞共析鋼,在Fe3C以上,當F全部轉變為A后不久,有可能仍有部分Fe3C殘留。再繼續保溫,才能使殘留Fe3C溶解和使A成分均勻化。圖2-11(P23)a、b是實測的過共析碳鋼(1.2%C)及亞共析碳鋼(0.45%C)的A等溫形成圖。途中的曲線完全證實了以上論述。比較a、b兩圖可知,共析過共析及亞共析三類鋼的A等溫形成圖基本上一樣,都是由A的形成、殘留Fe3C的溶解及成分均勻化幾個階段組成。不同的是亞共析鋼多了一條先共析F溶解“完了”曲線。與共析鋼相比,過共析鋼的K溶解及A成分均勻化需要的時間加長。但是對于C含量比較少且K為細片狀的亞共析碳鋼,其A等溫形成圖并不總是象圖b)所表示的那樣。在A化過程中K或F哪一個是殘留相的問題,往往和加熱條件有很大關系。當加熱到Ac1 ~Ac3之間,P轉變為A,如果保溫時間足夠長,K溶入A后尚有部分先共析F存在。此時如Fe~Fe3C相圖所表明的那樣,在Ac1 ~Ac3之間,鋼是由A+F兩相所組成。圖c)就是這種情況下的A等溫形成圖。圖中曲線4表示快速加熱到Ac3以上某一溫度時,F以無擴散方式全部轉變為A的溫度。從圖中可以看出,如果A的形成溫度在圖中曲線4以上,即使鋼的C含量很低,當F剛剛轉變為A后Fe3C也可以殘留?!? 連續加熱時A的形成(P23)鋼件實際熱處理時,在絕大多數(如高頻感應加熱,火焰表面加熱,鹽溶加熱等)情況下,A的形成是(屬于外等溫的或)連續加熱轉變。右圖為共析碳鋼在連續加熱時A形成圖。圖中各轉變曲線是將一系列不同加熱速度下測出的相變開始點及終了點分別連結而成的。圖中各加熱曲線與轉變曲線的交點,表示不同加熱速度下轉變開始及轉變的各階段終了的時間和溫度。曲線清楚的表明,連續加熱時A形成的基本過程和等溫轉變相似,也是由A的(形成)形核及長大(包括成核及長大),殘留K溶解和A成分均勻化幾個階段組成。業已證明,影響這些過程的因素也大概與等溫形成時相同。但因A的形成是在連續加熱條件下進行的,所以(在相變動力學及相變機理上)常常會出現一些等溫轉變所沒有的特點。一、相變是在一個溫度范圍內完成的鋼在連續加熱時,A形成的各階段分別在一個溫度范圍內完成,而且加熱速度越大,A形成溫度范圍愈寬,對于共析碳鋼,當加熱速度為103℃/S時,P開始轉變為A的溫度在800℃左右,轉變終了溫度在930℃左右,其形成溫度間隔約為130℃。而當加熱速度為107℃/S時,A開始形成溫度提高到830℃左右,而終了溫度越為1070℃,其溫度間隔大約240℃。(日本:林口信澤的文章)由此可知,加熱速度越快,A形成溫度越高,即隨加熱速度增大,A形成溫度范圍向高溫推移、擴大,也即過熱度↑,這就是造成了它的第二個特點。二、轉變速度隨加熱速度的增大而增大由共析碳鋼連續加熱時的A形成圖可知,加熱速度越快,轉變開始和終了溫度越高,轉變所需的時間越短,即A形成速度越快。三、 隨加熱速度的提高,A成分不均勻性增大前面已講過,鋼在連續加熱時,隨加熱速度的增大,相變溫度也相應提高,轉變溫度范圍增大,因此接觸相之間的平衡C濃度產生了顯著變化。與F相平衡的AC濃度隨A形成溫度升高而減小,與Fe3C相平衡的AC濃度,則隨A形成溫度升高而增大。因此,在快速加熱的條件下,因K來不及充分溶解,C原子及Me來不及充分擴散,而使A中C及Me濃度很不均勻。例如,含0.4%C的鋼,當以130℃/S加熱到900℃時,A中存在著碳濃度可達1.6%的高C區,而當以230℃/S加熱到960℃時,A中則有1.7%C的高碳區存在,見右圖。由右圖可知,隨加熱速度的提高,高碳區內最高碳濃度也增大,并向等溫方向移動。當然也必然存在貧C區。(當淬火加熱溫度一定時,隨著加熱速度增大,相變時間縮短,因而使原為P和F區域內的AC含量差別增大,并且剩余K數量增多,導致A基體的平均碳量降低。)在實際生產中,可能因為加熱速度快,保溫時間短,而導致亞共析鋼淬火后得到C含量低于平均成分的M和尚未完全轉變的F及K。這種情況常常是應當避免的,可通過細化原始組織使其減輕。在高碳鋼中,則會出現碳含量低于共析成分的低、中碳M及剩余K,這有助于使高C鋼獲得韌化,常常是有益的,應當加以利用。四、A起始晶粒隨加熱速度提高而細化在快速度加熱時,因相變過熱度大,A成核率急劇增大,加之加熱時間短,A晶粒來不及長大,(經適時淬火)可以獲得超細化的A晶粒。例如,采用超高頻脈沖加熱(時間為10-3S)淬火后,在兩萬倍的顯微鏡下也難辨其A晶粒大小。但應指出,在快速加熱到高溫獲得細晶粒后,如不立即冷卻,則細小的A晶粒將很快發生長大。綜上所述,在連續加熱時,隨加熱速度的增大,A形成溫度升高可引起A起始晶粒細化;同時,由于剩余K數量隨加熱速度加快而增多,故A基體的平均碳含量降低,這兩個因素都可使高C鋼的淬火M獲得韌化和強化。近年來發展起來的快速加熱,超快速加熱淬火均是依據這個原理而達到強韌化處理的目的。
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