模型锻造工艺基础（ 2 ）

模型锻造工艺基础（2） 常州精棱铸锻有限公司　　　人力资源部

模型锻造工艺基础（2） 第四章　锻件的热处理 1.金属及合金的性能 2.金属的结构与结晶 3.铁碳合金 4.钢的热处理 5.钢的退火、正火、淬火、回火、调质 6.热处理自动调质线及自动正火线操作 1

锻件的热处理 • 控制金属材料的加热温度和冷却速度能改变金属的晶粒和碳（石墨）元素的形态、大小与分布，从而改变金属的组织结构与性能。一般晶粒越细分布均匀、材料性能好，反之性能差。一般材料中碳元素呈球状比片状强度高。 • 　　基于以上原因，工程上常用控制金属加热温度或冷却速度的方法改变金属材料的组织和性能，以达到所需要的使用目的。这就是金属热处理的原理和目的。

金属及合金的性能 1、力学性能（强度、硬度、冲击韧性及疲劳强度） 2、工艺性能（铸造性能、锻造性能、焊接性、切削加工性能） 1 金属的结构与结晶体心立方、面心立方、密排六方金属的同素异构转变 δ铁 г铁 α铁 2 铁碳合金 1、合金的组织：固溶体、金属化合物、机械混合物 2、铁碳合金相图 3 锻件的热处理

钢的热处理 钢在加热时的转变：奥氏体，钢的奥氏体化，奥氏体晶粒的长大，过热，过烧。钢在冷却时的转变：铁素体，渗碳体Fe3C，珠光体（索氏体、屈氏体），贝氏体，马氏体 4 • 钢的退火、正火、淬火、回火、调质、表面热处理、 • 化学热处理 • 热处理淬火介质及淬火方法 5 • 热处理自动调质线及自动正火线操作 • 抛丸 6 锻件的热处理

第一节金属及合金的性能 性能是进行设计、选材和制定工艺的依据。力学性能//物理性能//化学性能//工艺性能 1.力学性能：金属材料在外力作用下表现出来的特性，如强度、塑性、弹性、硬度和冲击韧性等。 • 1.1 强度与拉伸试验强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力； • 常用抗拉强度、屈服强度等表征金属材料的性能。

第一节金属及合金的性能 • 1.1 强度与拉伸试验国家标准GB/T228-2002 《金属材料 -室温拉伸试验方法》2002年颁布实施 F与ΔL关系曲线 —— 拉伸曲线图1-2所示

第一节金属及合金的性能 1.1 强度与拉伸试验拉伸曲线 OE段：弹性变形阶段； ES段：屈服阶段（除产生弹性变形外，还产生部分塑性变形）； SB段：均匀塑性变形,强化阶段（屈服后，试棒开始产生塑性变形）； B 点：形成了“缩颈”（继续变形所需的拉力减小，变形量增加）； BK段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。图1-1 拉伸试棒图1-2 低碳钢的拉伸曲线

第一节金属及合金的性能 1.1 强度与拉伸试验应力：金属强度指标，即单位面积上的外力。常用的强度指标：（1）屈服强度：材料产生塑性变形的最低应力；（2）抗拉强度：材料在拉断前所承受最大应力。应力应变

第一节金属及合金的性能 1.2 塑性金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏能力。（1）伸长率：试样拉断后标距伸长量与原始标距之比。（2）断面收缩率：试样拉断处横截面积收缩量与原始截面积之比。

第一节金属及合金的性能 1.3 硬度: 材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度值的物理意义随其试验方法的不同而不同。工程上常用的有：布氏硬度洛氏硬度 HBS或HBW HRA 、 HRC、HRB

第一节金属及合金的性能 布氏硬度计洛氏硬度计布氏硬度试验是用一定的载荷F，将直径为D的淬火钢球或硬质合金球，在一定压力作用下，压入被测材料的表面，保持一定的时间后卸去载荷，以载荷与压痕表面积的比值作为布氏硬度值。洛氏硬度试验是用一定的载荷将顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球压人被测试样表面，根据压痕的深度确定它的硬度值。

第一节金属及合金的性能 测量布氏硬度时，由于F和D都是定值，所以，一般是先测得压痕直径d，根据d查表确定材料的布氏硬度值。布氏硬度值越大，材料越硬。用布氏硬度试验测材料的硬度值，其测试数据比较准确，但不能测太薄的试样和硬度较高的材料。用洛氏硬度计可以测量从软到硬的各种不同材料，这是因为它采用了不同的压头和载荷，组成各种不同的洛氏硬度标尺。硬度和强度一样，都反映了材料对塑性变形的抗力。硬度还影响到材料的耐磨性，在一般情况下，硬度高，其耐磨性能也较好。

第一节金属及合金的性能 • 1.4 冲击韧性：材料抵抗冲击载荷的能力。 Akv—冲击功，J ak —冲击韧性值，J/cm2 Akv = G(H1 - H2) J A—试样断口处截面积冲击试验机

第一节金属及合金的性能 1.5 疲劳强度材料在多次交变载荷作用下而不引起断裂的最大应力。疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，机械零件失效中大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故，所以对于轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造。

第一节金属及合金的性能 2.物理性能和化学性能物理性能：密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等；化学性能：耐腐蚀性能（酸、氧化）；耐蚀性：金属材料对周围介质（如大气、水汽及各种电介质）侵蚀的抵抗能力。

第一节金属及合金的性能 3. 工艺性能金属材料适应加工工艺要求的能力。铸造性能锻压性能焊接性能切削性能按照工艺方法不同划分由材料的物理性能、化学性能、力学性能综合决定。

第二节：金属的结构与结晶 1、晶体：物质内部的原子作有序、有规则的排列非晶体：在物质内部的原子呈无序堆积状况。 * 一般固态金属都是晶体。 2、晶格：表示晶体中原子排列形式的空间格子 3、晶胞：能够完整反映晶格特征最小几何单元。

晶格类型： 1、体心立方晶格：晶胞是一个立方体，金属原子排列在立方体的中心和八个顶角上。 **金属有α-Fe、Cr、Mo、V等。

晶格类型： 2、面心立方晶格：晶胞是一个立方体，金属原子排列在立方体的六个面的中心和八个顶角上。金属有γ-Fe、Cu、Al、Ni、Au等。

常见的金属晶格结构： 体心立方晶格面心立方晶格 • 密排六方晶格晶胞的形式

金属的同素异构转变 第二节金属的结构与结晶同素异构转变：金属在固态下，随着温度改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象。

温度 1538℃ 1600 1500 δ - Fe 1394℃ 1400 1300 γ - Fe 1200 1100 1000 912℃ 900 800 α - Fe 700 600 500 时间第二节金属的结构与结晶 • 纯铁的 • 同素异构转变 • 纯铁在770℃时，发生磁性转变，770℃以下具有磁性， 770℃以上无磁性。 • δ – Fe：体心立方晶格 • γ – Fe：面心立方晶格 • α – Fe：体心立方晶格无磁性 770℃ 有磁性

金属的同素异晶转变 第二节金属的结构与结晶 1538 ℃ 1394 ℃ 912 ℃ 同素异晶转变——在固态下，随着温度的变化，金属的晶体结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。 Fe、Sn、Ti、Mn Fe 温度℃ 1538 ℃ 体心 1394 ℃ L 面心 912 ℃ 一种金属能以几种晶格类型存在的性质 —称为同素异晶性。体心时间

第三节铁碳合金 • 3.1 基本概念 • 1）合金：有两种或两种以上金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属性质的物质。 • 2）相：在物质中，凡是成分相同，结构相同，并与其他部分以晶界分开的均匀组成部分，称为相。 • 3）组织：一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体。相的相对数量、形状、尺寸和分布的不同，形成了不同的组织，不同的组织使合金具有不同的力学性能。

4）组元：组成合金的最简单、最基本，能够独立存在的物质，元素或稳定化合物（Fe3C）。4）组元：组成合金的最简单、最基本，能够独立存在的物质，元素或稳定化合物（Fe3C）。 5）固溶体合金在固态时，组元间会互相溶解，形成一种在某一组元晶格中包含有其他组元的新相，这种新相称为固溶体。晶格与固溶体相同的组元为固溶体的溶剂；其他组元为溶质。按溶质原子在溶剂晶格中所占的位置　　置换固溶体间隙固溶体固溶体是固态下C原子溶进了铁原子晶格或把Fe原子置换出来。控制温度，就能控制C原子的溶进数量和位置，从而改变金属材料的组织与性能。第三节铁碳合金

第三节铁碳合金 • （1）置换固溶体：溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置而形成的固溶体。由于溶入了溶质原子，造成晶格的畸变，改变晶格常数。硬度、强度增加，发生固溶强化。

第三节铁碳合金 置换固溶体 • 溶质原子取代溶剂原子而占据晶格中某些结点位置而形成的固溶体称为置换固溶体。

第三节铁碳合金 • （2）间隙固溶体： • 溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体。溶质原子溶入溶剂晶格间隙后，将使溶剂晶格发生畸变，晶格常数增大，合金的强度、硬度增加。

第三节铁碳合金 间隙固溶体 • 溶质原子较小，如碳、氢等，它们位于溶剂晶格间隙形成的固溶体称为间隙固溶体。

第三节铁碳合金 • 固溶强化概念： • 晶格畸变导致金属塑性变形阻力增大，从而使其强度和硬度提高，这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。 • 固溶强化机理： • 溶质原子溶入→晶格畸变→位错运动阻力上升→金属塑性变形困难→强度、硬度升高。

第三节铁碳合金 • (3) 钢铁材料主要是由铁（Fe）元素与碳（C）元素组成的铁碳合金，在合金中Fe、C原子以机械混合物（如砂子和米）、化合物（即按严格比例化合成另一种性能的物质如 Fe3C ）、固溶体三种状态存在。 • 钢中的基本组织　 • 铁素体F　　渗碳体Fe3C　珠光体P • 奥氏体A　　马氏体M贝氏体B

第三节铁碳合金 铁素体 F： C在—Fe 中的固溶体 α – Fe：体心立方晶格

奥氏体 A 碳溶于γFe中的间隙固溶体 C在—Fe 中的固溶体最大溶解度 E 2.11% 1148℃ S 0.77% 727 ℃ γ – Fe：面心立方晶格第三节铁碳合金

第三节铁碳合金 • 渗碳体 Fe3C 是复杂晶格的间隙化合物分子式为Fe3C。 C%：6.69% 硬、脆（800HBW，HV=950~1050， αk≈0，δ≈0）， T熔点高（1227℃），属于亚稳相：高温 Fe3C 3Fe+G（石墨）形状：片、网、条状；不易受硝酸酒精腐蚀，在显微镜下呈白亮色。

第三节铁碳合金 珠光体 P • F和Fe3C的机械混合物含0.77%C， • (F和Fe3C成层片状分布) 没有内在的联系，只是相互接触而已。珠光体索氏体屈氏体

第三节铁碳合金 • 马氏体 M • C在—Fe 中的过饱和固溶体。 • α – Fe：体心立方晶格

溶入 α-Fe 溶入 γ-Fe 与Fe化合混合混合混合第三节铁碳合金五种基本组织的关系 C F A Fe3C Ld P Ld’

铁碳合金平衡状态图 1、相图（状态图） 2、相图的组成（1）纵坐标：温度；（2）横坐标：成分；（3）图中的每一条相变线；（4）每一相变线组成的相区。第三节铁碳合金

温度℃ 温度℃ 1538 ℃ 体心 1394 ℃ 面心 912 ℃ 体心时间第三节铁碳合金状态图(相图） ——表示合金系的成分、温度、组织、状态之间关系的图表。 1538 ℃ 状态图的作用 1394 ℃ ——是研究合金的成分、温度、组织、状态之间变化规律的工具。 ——--制定热加工工艺的依据。 912 ℃ 成分

温度℃ Fe3C C% 第三节铁碳合金铁碳相图中的特性点及意义 1538 ℃ A—纯铁的熔点。 A L D D—Fe3C的熔点。 C 1148℃ E—C在γ-Fe中的最大溶解度点。1148℃ 2.11%C 钢和铁的分界点。 A E F Ld 912℃ S G 727℃ P F K P Q 4.3 6.69 0.02 2.11 0.77

727℃ A（0.77%C） F（0.002%C ）+ Fe3C（6.69%C ） P 第三节铁碳合金 S—共析点。 727℃ 0.77%℃ 共析点 —发生共析反应的点。共析反应—在一定的温度下，由一定成分的固相同时结晶出一定成分的另外两个固相的反应。共析反应的产物 —共析体—机械混合物

第三节铁碳合金 铁碳合金图各相区的组织（1）单相区：L、F、A、Fe3C （2）两相区：L+A、L+ Fe3C、A+F、F+ Fe3C （3）三相区：L+A+ Fe3C、A+F+ Fe3C

ES线 — C在γ-Fe中的溶解度曲线。析出二次Fe3CⅡ 第三节铁碳合金 GS线 —溶解度曲线 A—F GP线 — F析出终了线。 PQ线 —碳在α-Fe中的溶解度曲线。 PSK线 —共析线 727℃

第三节铁碳合金 ES线 — C在γ-Fe中的溶解度曲线。析出二次Fe3CⅡ GS线 —溶解度曲线 A—F GP线 — F析出终了线。 PQ线 —碳在α-Fe中的溶解度曲线。 PSK线 —共析线 727℃

第三节铁碳合金 • 钢 0.0218%＜wc＜2.11%，又可分为： • 亚共析钢 0.0218%＜wc＜0.77%； • 共析钢 wc=0.77%； • 过共析钢 0.77%q＜wc＜2.11%。

第三节铁碳合金 • 铁碳合金根据其在Fe—Fe3C状态图上的位置可分为共析钢（含碳量为0.77％），相当于Fe—Fe3C状态图S点（0.77％C）的成分；亚共析钢，即含碳量小于0.77％的钢，一般为低、中碳钢；过共析钢，即含碳量大于0.77％小于2.11％的钢，一般为高碳钢（含碳量大于2.11％以上为使用价值不大的硬而脆的白口生铁）。

由Fe—Fe3C状态图可知，A1、A3、Acm分别是共析钢、亚共析钢、过共析钢在极缓慢加热或冷却时的组织转变温度线，称为临界温度。在实际生产中，加热和冷却的速度都很快。因此，实际热处理过程中，加热时组织转变要高于这些温度线，冷却时要低于这些温度线，就是说，要在一定的过热度或过冷度下才能进行。所以，实际上发生组织转变的温度线和状态图所示的临界温度线A1、A3和Acm有一定的偏差.由Fe—Fe3C状态图可知，A1、A3、Acm分别是共析钢、亚共析钢、过共析钢在极缓慢加热或冷却时的组织转变温度线，称为临界温度。在实际生产中，加热和冷却的速度都很快。因此，实际热处理过程中，加热时组织转变要高于这些温度线，冷却时要低于这些温度线，就是说，要在一定的过热度或过冷度下才能进行。所以，实际上发生组织转变的温度线和状态图所示的临界温度线A1、A3和Acm有一定的偏差. 第三节铁碳合金

第三节铁碳合金 • 通常把共析钢、亚共析钢和过共析钢加热时的各实际临界温度线分别用Ac1、Ac3和Accm表示；冷却时的各实际临界温度线分别用Ar1、Ar3和Arcm表示。Ac1与A1的温度差就是所谓过热度。Ar1与A1的温度差就是所谓过冷度。当加热速度越快时过热度越大，这种温度偏差也越大。反之，冷却速度越大时过冷度越大，实际临界温度也可以理解为在实际热处理过程中，钢件发生组织转变时所对应的具体温度。

第三节铁碳合金 平衡转变非平衡转变过热过冷

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