机械工艺.docx
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机械工艺
表面热处理分为两大类,一类是表面淬火回火热处理,另一类是化学热处理,其硬度检验方法如下:
1、表面淬火回火热处理
表面淬火回火热处理通常用感应加热或火焰加热的方式进行。
主要技术参数是表面硬度、局部硬度和有效硬化层深度。
硬度检测可采用维氏硬度计,也可采用洛氏或表面洛氏硬度计。
试验力(标尺)的选择与有效硬化层深度和工件表面硬度有关。
维氏硬度计、表面洛氏硬度计和洛氏硬度计试验的选择可参照表1、表2和表3。
表1 维氏试验力的选择
最小有效硬化层深度
/mm
最低表面硬度(HV)
400~500
>500~600
>600~700
>700
0.05
0.07
0.08
0.09
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.4
0.45
0.5
0.55
0.65
0.7
0.75
0.8
0.9
1.0
-
HV0.5
HV0.5
HV0.5
HV1
HV3
HV5
HV5
HV10
HV10
HV10
HV10
HV30
HV30
HV50
HV50
HV50
HV50
HV100
HV0.5
HV0.5
HV0.5
HV1
HV1
HV3
HV5
HV5
HV10
HV10
HV10
HV30
HV30
HV50
HV50
HV50
HV100
HV100
HV100
HV0.5
HV0.5
HV1
HV1
HV1
HV3
HV5
HV10
HV10
HV10
HV30
HV30
HV50
HV50
HV50
HV50
HV100
HV100
HV100
HV0.5
HV1
HV1
HV1
HV1
HV3
HV5
HV10
HV10
HV30
HV30
HV50
HV50
HV50
HV50
HV100
HV100
HV100
HV100
表2 表面洛氏硬度标尺的选择
最小有效硬化层深度/mm
最低表面硬度(以HR…N表示)
82~85
HR15N
>85~88
HR15N
>88
HR15N
60~68
HR30N
>68~73
HR30N
>73~78
HR30N
>78
HR30N
44~45
HR45N
>54~61
HR45N
>61~67
HR45N
>67
HR45N
0.1
0.15
0.2
0.25
0.35
0.4
0.5
>0.55
—
—
HR15N
HR15N
HR15N
HR15N
HR15NHR15N
—
HR15N
HR15N
HR15N
HR15N
HR15N
HR15N
HR15N
HR15N
HR15N
HR15N
HR15N
HR15N
HR15N
HR15N
HR15N
—
—
—
—
—
HR30N
HR30N
HR30N
—
—
—
—
HR30N
HR30N
HR30N
HR30N
—
—
—
HR30N
HR30N
HR30N
HR30N
HR30N
—
—
HR30N
HR30N
HR30N
HR30N
HR30N
HR30N
—
—
—
—
—
—
—
HR45N
—
—
—
—
—
—
HR45N
HR45N
—
—
—
—
—
HR45N
HR45N
HR45N
—
—
—
—
HR45N
HR45N
HR45N
HR45N
表3洛氏硬度标尺的选择
最小有效硬化层深度/mm
最低表面硬度
HRA
HRC
70~75
>75~78
>78~81
>81
40~49
>49~55
>55~60
>60
0.4
0.45
0.5
0.6
0.8
0.9
1.0
1.2
—
—
—
HRA
HRA
HRA
HRA
HRA
—
—
HRA
HRA
HRA
HRA
HRA
HRA
—
HRA
HRA
HRA
HRA
HRA
HRA
HRA
HRA
HRA
HRA
HRA
HRA
HRA
HRA
HRA
—
—
—
—
—
—
—
HRC
—
—
—
—
—
—
HRC
HRC
—
—
—
—
—
HRC
HRC
HRC
—
—
—
—
HRC
HRC
HRC
HRC
表1~表3分别是采用维氏硬度计、表面洛氏硬度计和洛氏硬度计时,对应于不同的热处理工件表面硬化层深度和热处理工件表面硬度值维氏硬度试验力和洛氏、表面洛氏硬度标尺的选择表。
由表1~表3可知:
1.1维氏硬度计是测试热处理工件表面硬度的重要手段,它可选用0.5~100kg的试验力,测试薄至0.05mm厚的表面硬化层,它的精度是最高的,可分辨出热处理工件表面硬度的微小差别。
另外,有效硬化层浓度也要由维氏硬度计来检测,所以,对于进行表面热处理加工或大量使用表面热处理工件的单位,配备一台维氏硬度计是有必要的。
1.2表面洛氏硬度计也是十分适于测试表面淬火工件硬度的,表面洛氏硬度计有三种标尺可以选择。
可以测试有效硬化深度超过0.1mm的各种表面硬化工件。
尽管表面洛氏硬度计的精度没有维氏硬度计高,但是作为热处理工厂质量管理和合格检查的检测手段,已经能够满足要求。
况且它还具有操作简单、使用方便、价格较低,测量迅速、可直接读取硬度值等特点,利用表面洛氏硬度计可对成批的表面热处理工件进行快速无损的逐件检测。
这一点对于金属加工和机械制造工厂具有重要意义。
1.3当表面热处理硬化层较厚时,也可采用洛氏硬度计。
当热处理硬化层厚度在0.4~0.8mm时,可采用HRA标尺,当硬化层厚度超过0.8mm时,可采用HRC标尺。
1.4维氏、洛氏和表面洛氏三种硬度值可以方便地进行相互换算,转换成标准、图纸或用户需要的硬度值。
相应的换算表在国际标准ISO、美国标准ASTM和中国标准GB/T中都已给出。
在沈阳天星网站的技术资料栏目中这三种换算表都可以找到。
2、化学热处理
化学热处理是使工件表面渗入一种或几种化学元素的原子,从而改变工件表面的化学成分、组织和性能。
经淬火和低温回火后,工件表面具有高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度,而工件的芯部又具有高的强韧性。
化学热处理工件的主要技术参数是硬化层深度和表面硬度。
硬化层深度还是要用维氏硬度计来检测。
检测从工件表面到硬度降到50HRC那一点的距离。
这就是有效硬化深度。
化学热处理工件的表面硬度检测与表面淬火热处理工件的硬度检测相近,都可以用维氏硬度计、表面洛氏硬度计或洛氏硬度计来检测,只是渗氮厚的层度较薄,一般不大于0.7mm,这时就不能再采用洛氏硬度计了。
3、局部热处理
零件如果局部硬度要求较高,可用感应加热等方式进行局部淬火热处理,这样的零件通常要在图纸上标出局部淬火热处理的位置和局部硬度值。
零件的硬度检测要在指定区域内进行。
硬度检测仪器可采用洛氏硬度计,测试HRC硬度值,如热处理硬化层较浅,可采用表面洛氏硬度计,测试HRN硬度值。
2007-12-2722:
01
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我的日记2007-12-2722:
00
淬火应力与裂纹
淬火应力与裂纹淬火残余力是指工件经淬火后最终残存下来的应力,对工件的形状,尺寸和性能都有极为重要的影响。
当它超过材料的屈服强度时,便引起工件的变形,超过材料的强度极限时就会使工件开裂,这是它有害的一面,应当减少和消除。
但在一定条件下控制应力使之合理分布,就可以提高零件的机械性能和使用寿命,变害为利。
分析钢在淬火过程中应力的分布和变化规律,使之合理分布对提高产品质量有着深远的实际意义。
关于表层残余压应力的合理分布对零件使用寿命的影响已经引起了人们的广泛重视。
一、钢的淬火应力
工件在加热和冷却过程中,由于表层和心部的冷却速度和时间的不一致,形成温差,就会导致体积膨胀和收缩不均而产生应力,即热应力。
在热应力的作用下,由于表层开始温度低于心部,收缩也大于心部而使心部受拉,当冷却结束时,由于心部最后冷却体积收缩不能自由进行而使表层受压心部受拉。
即在热应力的作用下最终使工件表层受压而心部受拉。
这种现象受到冷却速度,材料成分和工艺等因素的影响。
当冷却速度愈快,含碳量和合金成分愈高,冷却过程中在热应力作用下产生的不均匀塑性变形愈大,最后形成的残余应力就愈大。
另一方面钢在淬火过程中由于组织的变化即奥氏体向马氏体转变时,比容的增大会伴随工件体积的膨胀,工件各部位先后相变,造成体积长大不一致而产生组织应力。
组织应力变化的最终结果是表层受拉应力,心部受压应力,恰好与热应力相反。
组织应力的大小与工件在马氏体相变区的冷却速度,形状,材料的化学成分等因素有关。
实践证明,任何工件在淬火过程中的相变,热应力和组织应力都会发生。
只不过热应力在组织转变以前就已经产生了,而组织应力则是在组织转变过程中产生的,在整个冷却过程中,热应力与组织应力综合作用的结果,就是工件中实际存在的应力。
这两种应力综合作用的结果是十分复杂的,受着许多因素的影响,如成分、形状、工艺参数等。
就其发展过程来说只有两种类型,即热应力和组织应力,作用方向相反时二者抵消,作用方向相同时二者相互迭加。
不管是相互抵消还是相互迭加,两个应力应有一个占主导因素,热应力占主导地位时的作用结果是工件心部受拉,表面受压。
组织应力占主导地位时的作用结果是工件心部受压表面受拉。
二、应力对淬火裂纹的影响
存在于淬火件不同部位上能引起应力集中的因素(包括冶金缺陷在内),对淬火裂纹的产生都有促进作用,但只有在拉应力场内(尤其是在最大拉应力下)才会表现出来,若在压应力场内并无促裂作用。
淬火冷却速度是一个能影响淬火质量并决定残余应力的重要因素,也是一个能对淬火裂纹赋于重要乃至决定性影响的因素。
为了达到淬火的目的,通常必须加速零件在高温段内的冷却速度,并使之超过钢的临界淬火冷却速度才能得到马氏体组织。
就残余应力而论,这样做由于能增加抵消组织应力作用的热应力值,故能减少工件表面上的拉应力而达到抑制纵裂的目的。
其效果将随高温冷却速度的加快而增大。
而且,在能淬透的情况下,截面尺寸越大的工件,虽然实际冷却速度更缓,开裂的危险性却反而愈大。
这一切都是由于这类钢的热应力随尺寸的增大实际冷却速度减慢,热应力减小,组织应力随尺寸的增大而增加,最后形成以组织应力为主的拉应力作用在工件表面的作用特点造成的。
并与冷却愈慢应力愈小的传统观念大相径庭。
对这类钢件而言,在正常条件下淬火的高淬透性钢件中只能形成纵裂。
避免淬裂的原则是设法尽量减小截面内外马氏体转变的不等时性。
仅仅实行马氏体转变区内的缓冷却不足以预防纵裂的形成。
一般情况下只能产生在非淬透性件中的裂纹,虽以整体快速冷却为必要的形成条件,可是它的真正形成原因,却不在快速冷却(包括马氏体转变区内)本身,而是淬火件局部位置(由几何结构决定),在高温临界温度区内的冷却速度显著减缓,因而没有淬硬所致。
产生在大型非淬透性件中的横断和纵劈,是由以热应力为主要成份的残余拉应力作用在淬火件中心,而在淬火件末淬硬的截面中心处,首先形成裂纹并由内往外扩展而造成的。
为了避免这类裂纹产生,往往使用水--油双液淬火工艺。
在此工艺中实施高温段内的快速冷却,目的仅仅在于确保外层金属得到马氏体组织;而从内应力的角度来看,这时快冷有害无益。
其次,冷却后期缓冷的目的,主要不是为了降低马氏体相变的膨胀速度和组织应力值,而在于尽量减小截面温差和截面中心部位金属的收缩速度,从而达到减小应力值和最终抑制淬裂的目的.
2007-12-2722:
00
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我的日记2007-12-2721:
58
钢的名词解释
钢
含碳量小于2%并含有某些其他元素的铁碳合金。
钢具有强度高、韧性好、易于加工成形、原材料资源丰富、冶炼容易、价格便宜等优点,是应用最广泛的一种金属材料。
简史中国在春秋末期(前476年以前)已出现人工锻炼的钢。
到东汉时期已掌握了炒钢技术。
钢的工业生产最早采用坩埚法,产量低、成本高,难于满足工业发展的需要。
1856年,英国的H.贝塞麦发明了转炉炼钢法,1856~1864年,英国的K.W.西门子和法国的P.E.马丁发明了平炉炼钢法。
1899年,法国的P.L.T.埃鲁发明了电弧炉炼钢法。
20世纪50年代后,先后出现了真空除气、电渣重熔、钢包精炼、真空熔炼等精炼技术,使电炉钢的品质更好,各种新钢种也相继出现。
钢是现代社会生产和生活所必需的基本材料,而钢和钢材的产量、品种、质量已作为衡量一个国家工业、农业、国防和科学技术现代化的一个重要标志
钢的组织和特性铁是钢的基本组成元素。
铁在固态有两种晶体结构,一是体心立方结构(存在于两个温度范围内,912℃以上称α铁,1394℃以上称δ铁);另一是面心立方结构(存在于912~1394℃之间,称γ铁)。
碳是钢中另一主要元素,对钢的组织和性能起重要作用,通常随着含碳量的增加,钢的强度增加、塑性下降。
碳在钢中主要有两种存在形式,一是溶入铁中与铁形成固溶体(两种以上化学组分互相溶解而形成的均匀固相);另一是与铁形成铁碳化合物,称渗碳体(Fe3C),其硬度高、脆性大。
碳溶于α铁中形成的固溶体称铁素体;溶于γ铁中形成的固溶体称奥氏体,其最大溶解度为2.11%。
钢在冷却过程中,过饱和的奥氏体将发生分解,形成铁素体和渗碳体。
铁素体和渗碳体组成的呈片状相间排列的混合物称珠光体。
一般碳素钢在室温下的金相组织由铁素体、珠光体和渗碳体组成
在碳素钢基础上加入各种合金元素,可制成各种合金钢。
加入不同的合金元素,可使合金钢具有耐热、耐腐蚀、耐磨、高强度等特殊性能。
合金元素按其与碳的亲和力不同分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素;按其对钢的组织转变影响不同分为扩大奥氏体区元素和缩小奥氏体区元素。
合金元素还影响铁碳相图中特征点位置、相变、碳的扩散及钢的淬透性等。
除加入合金元素外,通过热处理工艺,也可改变钢的组织结构和性能,如提高钢的强度、增加韧性、获得良好的加工工艺性能等
分类钢的分类方法有多种。
按冶炼方法分为平炉钢、转炉钢和电炉钢。
平炉炼钢脱除硫、磷和氧的条件比转炉好,故平炉钢的品质优于转炉钢。
转炉钢将空气直接吹入钢液中,以使碳、锰、硅等元素被氧化脱除。
该法冶炼速度快、能耗少、成本低,所炼出的钢可满足工业上的一般应用。
但转炉钢含氧、氮量高,品质较差,不能适应重要产品的要求。
电弧炉炼钢脱除硫、磷和氧的条件好,合金成分调整容易,冶炼速度比平炉炼钢快,适于生产各种优质钢。
按化学成分分为碳素钢和合金钢。
按品质分为普通钢(磷≤0.045%、硫≤0.055%)、优质钢(磷、硫≤0.035%)和高级优质钢(磷、硫≤0.03%)。
按用途分为结构钢,用以制造各种承力结构件和机械零件;工具钢,用以制造各种切削刀具、量具、模具和其他耐磨工具;特殊钢,包括耐热钢、耐磨钢、不锈钢、电工钢、低温钢、易切削钢等。
按金相组织分为亚共析钢(铁素体加珠光体组织)、共析钢(珠光体组织)、过共析钢(碳化物加珠光体组织),或分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢和铁素体钢等。
按供货方式又分为轧钢、锻钢和铸钢.
钢的牌号实际应用中,各种类型的钢分别以各自的牌号来表示。
钢的牌号命名,各国均有自己的规则和方法。
中国国家标准采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。
通常,用汉语拼音第一个字母表示钢的名称、用途、特性和工艺方法,如氧气转炉钢用Y,沸腾钢用F。
普通碳素钢分甲、乙、特3种质量,分别用A、B、C表示,并以数字表示其含碳量;如AY2F、AY3F表示甲类氧气转炉沸腾钢,后者比前者含碳量高。
优质碳素结构钢用数字或数字加元素符号表示,高级优质钢在数字后加A,数字表示其平均含碳量(以千分之几计);如20A表示平均含碳量0.2%的高级优质钢。
碳素工具钢用字母T、数字(表示千分之几计的平均含碳量)和高级优质符号A表示,如T9A。
合金钢用元素符号和阿拉伯数字表示,其含碳量放在最前边。
合金结构钢的含碳量以万分之几计,不锈钢、耐热钢等以千分之几计。
合金钢中的合金元素含量用元素符号后边的数字表示,含量小于1.5%的不予标出;如30CrMnSi表示平均含碳量为0.3%,合金元素含量均小于1.5%的合金结构钢,铸钢用汉语拼音符号ZG和数字表示,如ZG45,表示含碳量为0.45%的铸钢
金属材料
由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。
包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等
人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。
继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代,均以金属材料的应用为其时代的显著标志。
现代,种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础
种类金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。
①黑色金属又称钢铁材料,包括含铁90%以上的工业纯铁,含碳2%~4%的铸铁,含碳小于2%的碳钢,以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。
广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。
②有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金,通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。
有色合金的强度和硬度一般比纯金属高,并且电阻大、电阻温度系数小。
③特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。
其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料,以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等;还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金,以及金属基复合材料等。
钢铁材料
金属材料按生产成型工艺又分为铸造金属、变形金属、喷射成形金属,以及粉末冶金材料。
①铸造金属通过铸造工艺成型,主要有铸钢、铸铁和铸造有色金属及合金。
②变形金属通过压力加工如锻造、轧制、冲压等成型,其化学成分与相应的铸造金属略有不同。
③喷射成形金属是通过喷射成形工艺制成具有一定形状和组织性能的零件和毛坯
性能特点金属材料的性能可分为工艺性能和使用性能两种。
工艺性能是保证生产出优质、高效、低成本产品的性能,主要包括液态金属的流动性、凝固收缩性和热裂性、最大塑性、变形温度范围、最大变形程度、再结晶温度、可焊性、残余应力以及淬透性(淬火时形成淬硬层)等。
使用性能包括结构性能和功能性能。
前者多为材料本身所具有的力学性能,如抗拉强度、屈服强度、疲劳强度、蠕变强度,以及延伸率、断面收缩率、冲击韧性、断裂韧性等。
后者多为材料的化学、物理性能,如应力腐蚀、化学和电化学腐蚀、抗氧化、抗氢脆性能,密度、熔点、比热、线膨胀、光学效应、电学效应、磁学效应等。
金属材料的各种性能指标通过材料物理试验、化学试验和工艺性能试验的方法获得
生产工艺金属材料生产,一般是先提取和冶炼金属。
有些金属需进一步精炼并调整到合适的成分,然后加工成各种规格和性能的产品。
提炼金属,钢铁通常采用火法冶金工艺,即采用转炉、平炉、电弧炉、感应炉、冲天炉(炼铁)等进行冶炼和熔炼;有色金属兼用火法冶金和湿法冶金工艺;高纯金属以及要求特殊性能的金属还采用区域熔炼、真空熔炼和粉末冶金工艺。
金属材料通过冶炼并调整成分后,经过铸造成型,或经铸造、粉末冶金成型工艺制成锭、坯,再经塑性加工制成各种形态和规格的产品。
对有些金属制品,要求其有特定的内部组织和力学性能,还常采用热处理工艺。
常用的热处理工艺有淬火、正火、退火、时效处理(将淬火后的金属制件置于室温或较高温度下保温适当时间,以提高其强度和硬度)等
发展趋势金属材料的发展已从纯金属、纯合金中摆脱出来。
随着材料设计、工艺技术及使用性能试验的进步,传统的金属材料得到了迅速发展,新的高性能金属材料不断开发出来。
如快速冷凝非晶和微晶材料、高比强和高比模的铝锂合金、有序金属间化合物及机械合金化合金、氧化物弥散强化合金、定向凝固柱晶和单晶合金等高温结构材料、金属基复合材料以及形状记忆合金、钕铁硼永磁合金、贮氢合金等新型功能金属材料,已分别在航空航天、能源、机电等各个领域获得了应用,并产生了巨大的经济效益。
不锈钢
耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢。
又称不锈耐酸钢。
实际应用中,常将耐弱腐蚀介质腐蚀的钢称为不锈钢,而将耐化学介质腐蚀的钢称为耐酸钢。
由于两者在化学成分上的差异,前者不一定耐化学介质腐蚀,而后者则一般均具有不锈性。
不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素。
铬是使不锈钢获得耐蚀性的基本元素,当钢中含铬量达到12%左右时,铬与腐蚀介质中的氧作用,在钢表面形成一层很薄的氧化膜(自钝化膜),可阻止钢的基体进一步腐蚀。
除铬外,常用的合金元素还有镍、钼、钛、铌、铜、氮等,以满足各种用途对不锈钢组织和性能的要求。
不锈钢通常按基体组织分为:
①铁素体不锈钢。
含铬12%~30%。
其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高耐氯化物应力腐蚀性能优于其他种类不锈钢。
②奥氏体不锈钢。
含铬大于18%,还含有8%左右的镍及少量钼、钛、氮等元素。
综合性能好,可耐多种介质腐蚀。
③奥氏体;铁素体双相不锈钢。
兼有奥氏体和铁素体不锈钢的优点,并具有超塑性。
④马氏体不锈钢。
强度高,但塑性和可焊性较差
淬火
将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间,随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺。
常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气等。
淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性,因而广泛用于各种工、模、量具及要求表面耐磨的零件(如齿轮、轧辊、渗碳零件等)。
通过淬火与不同温度的回火配合,可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度,并可获得这些性能之间的配合(综合机械性能)以满足不同的使用要求。
另外淬火还可使一些特殊性能的钢获得一定的物理化学性能,如淬火使永磁钢增强其铁磁性、不锈钢提高其耐蚀性等。
淬火工艺主要用于钢件。
常用的钢在加热到临界温度以上时,原有在室温下的组织将全部或大部转变为奥氏体。
随后将钢浸入水或油中快速冷却,奥氏体即转变为马氏体。
与钢中其他组织相比,马氏体硬度最高。
钢淬火的目的就是为了使它的组织全部或大部转变为马氏体,获得高硬度,然后在适当温度下回火,使工件具有预期的性能。
淬火时的快速冷却会使工件内部产生内应力,当其大到一定程度时工件
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