金屬的熱處理論文范文.doc

9 金屬的熱處理 現(xiàn)代科技概論與知識(shí)產(chǎn)權(quán)課題名稱 金屬的熱處理 專 業(yè) 專業(yè)方向 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院2012年11月8日 金屬的熱處理摘要在人類的整個(gè)發(fā)展歷程中，金屬幾乎是和社會(huì)息息相關(guān)的?，F(xiàn)在我們?nèi)粘Ｉ钏玫母鞣N設(shè)備大部分都是金屬，想要符合社會(huì)的發(fā)展，就必須對(duì)材料進(jìn)行熱處理。通過(guò)不同的工藝處理得到我們所需的性能不同的金屬材料，對(duì)我們整個(gè)世界都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，小到我們縫衣服用的針、掏耳勺，大到飛機(jī)、火箭都離不開(kāi)金屬。因此熱處理對(duì)材料的重要性不言而喻，我們雖然是世界上最早對(duì)金屬進(jìn)行冶煉的國(guó)家，但現(xiàn)在由于種種原因，我們?cè)诮饘僦圃旆矫孢€是與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家存在較大的差距。我們大學(xué)生時(shí)祖國(guó)的未來(lái)，希望我們可以?shī)^發(fā)圖強(qiáng)，將來(lái)做祖國(guó)的棟梁之才。關(guān)鍵字金屬的性能，熱處理金屬的熱處理1摘要1關(guān)鍵字11.背景簡(jiǎn)介32.文獻(xiàn)綜述32.1金屬材料的性能32.2金屬的結(jié)晶和合金的構(gòu)造42.2.1金屬的結(jié)晶過(guò)程和同素異晶轉(zhuǎn)變42.2.2合金的相結(jié)構(gòu)42.3金屬材料強(qiáng)化的機(jī)理及基本途徑42.3.1金屬圍觀強(qiáng)化機(jī)構(gòu)的分類42.3.2工藝方法53.技術(shù)路線53.1退火53.1.1完全退火53.1.2低溫退火53.2正火63.2.1普通正火63.2.2等溫正火63.2.3水冷正火63.3淬火63.3.1完全淬火73.3.2不完全退火73.4回火73.4.1低溫回火73.4.2中溫回火83.4.3高溫回火84.結(jié)論8參考文獻(xiàn)91.背景簡(jiǎn)介自二十世紀(jì)以來(lái)，金屬物理的發(fā)展和其他新技術(shù)的移植應(yīng)用，使金屬熱處理工藝得到很大發(fā)展。其中比較有代表性的是19011925年，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用轉(zhuǎn)筒爐進(jìn)行氣體滲碳；30年代出現(xiàn)露點(diǎn)電位差計(jì)，使?fàn)t內(nèi)氣氛的碳勢(shì)達(dá)到可控，以后又研究出用二氧化碳紅外儀、氧探頭等進(jìn)一步控制爐內(nèi)氣氛碳勢(shì)的方法；60年代，熱處理技術(shù)運(yùn)用了等離子場(chǎng)的作用，發(fā)展了離子滲氮、滲碳工藝 ；激光、電子束技術(shù)的應(yīng)用，又使金屬獲得了新的表面熱處理和化學(xué)熱處理方法。2.文獻(xiàn)綜述 2.1金屬材料的性能 2.1.1 金屬材料的性能分為使用性能和工藝性能使用性能：是金屬材料在使用時(shí)所表現(xiàn)出的性能，包括物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能等。工藝性能：是指金屬材料對(duì)不同加工工藝方法的適應(yīng)能力，包括鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能等。2.1.2金屬的硬度硬度是材料局部抵抗其他更硬物質(zhì)壓入其表面的能力。它不僅抵抗塑性變形，還要抵抗彈性變形。它是衡量材料軟硬程度的重要指標(biāo)。硬度越高，材料的耐磨性越好。2.1.3金屬材料的沖擊韌度金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力稱為沖擊韌度。許多機(jī)械零件在工作中往往要受到?jīng)_擊載荷的作用，如活塞銷(xiāo)、鍛錘桿、沖模、鍛模等。制造此類零件所用材料必須考慮其抗沖擊載荷能力。 2.1.4金屬材料的疲勞強(qiáng)度 彈簧、曲軸、齒輪等機(jī)械零件在工作過(guò)程中所承受載荷的大小、方向隨時(shí)間變化做周期性變化，在金屬材料內(nèi)部就會(huì)引起應(yīng)力發(fā)生周期性的波動(dòng)。此時(shí)，由于所承受的載荷為交變載荷，零件承受的應(yīng)力雖然低于材料的屈服強(qiáng)度，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)問(wèn)的工作后，仍會(huì)產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂，這就叫做疲勞斷裂1。2.2金屬的結(jié)晶和合金的構(gòu)造2.2.1金屬的結(jié)晶過(guò)程和同素異晶轉(zhuǎn)變金屬結(jié)晶過(guò)程：一、金屬的結(jié)昌過(guò)程液態(tài)金屬冷卻到凝固溫度時(shí)，原子由無(wú)序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘匆欢ǖ膸缀涡螤钭饔行虻呐帕?。金屬的這種由液體轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的現(xiàn)象叫做結(jié)晶。液態(tài)金屬的結(jié)晶過(guò)程就是凝固過(guò)程，大致可分為兩個(gè)階段：即晶核(結(jié)晶中心)的形成和晶核的成長(zhǎng)。晶核的澎成，一方面可能是由于液態(tài)金屬中有一些原子自發(fā)的聚集在一起。按金屬晶體的固有規(guī)律排列起來(lái)而形成，這叫做自發(fā)晶繭；另一方面也可能是電量液態(tài)金屬中一些外來(lái)的微細(xì)固態(tài)質(zhì)點(diǎn)而形成，這叫做外來(lái)晶核。這兩種結(jié)晶全都是結(jié)晶過(guò)程中晶核發(fā)展和生長(zhǎng)的基礎(chǔ)2。2.2.2合金的相結(jié)構(gòu)固體物質(zhì)一般分為晶體和非晶體，晶體原子一般呈周期性有規(guī)則的排列，而非晶體的原子一般不規(guī)則雜亂排列。金屬材料通常都是晶體，為了便于分析晶體中原子的排列規(guī)律，通常用假想的線條將各原子中心連接起來(lái)，使之構(gòu)成一個(gè)空間格架，這種三維的空間格架，稱作“晶格”(或稱空間點(diǎn)陣)取晶格中一個(gè)最基本的幾何單元來(lái)表明原子排列的規(guī)律性，這個(gè)最小的幾何單元，稱為“晶胞”。常見(jiàn)的三種晶體結(jié)構(gòu)：體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格3。2.3金屬材料強(qiáng)化的機(jī)理及基本途徑2.3.1金屬圍觀強(qiáng)化機(jī)構(gòu)的分類以鋼鐵材料為例，其強(qiáng)化機(jī)理可分為晶界強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、沉淀和彌散強(qiáng)化、相變強(qiáng)化、Spindal(調(diào)幅分解和有序化強(qiáng)化七類。實(shí)際強(qiáng)化大多為復(fù)合作用的結(jié)果，要嚴(yán)格地孤立出來(lái)討論是困難的，且絕大部分鋼種的強(qiáng)化增量至今尚不能定量計(jì)算，故只能對(duì)強(qiáng)化機(jī)理的基本特點(diǎn)和本質(zhì)有大致的了解。2.3.2工藝方法基于晶界強(qiáng)化的機(jī)理，在熱處理工藝方法上采用超細(xì)化熱處理工藝，即細(xì)化奧氏體晶?；蛱蓟锵啵咕Я６燃?xì)化到10級(jí)以上。由于超細(xì)化作用，使晶界面積增加，從而對(duì)金屬塑性變形的抗力增加，反映在機(jī)械性能方面其金屬?gòu)?qiáng)韌性大為提高。如奧氏體晶粒細(xì)化10級(jí)以上，強(qiáng)韌性大為提高，其方法有3種：(1)利用極高加熱速度的能源進(jìn)行快速加熱（2）利用奧氏體的遞轉(zhuǎn)變（3）采用兩相區(qū)交替加熱淬火法4。3.技術(shù)路線3.1退火3.1.1完全退火將偏離平衡狀態(tài)的金屬加熱至較高溫度，保持一定時(shí)間然后緩慢冷卻，以得到接近于平衡狀態(tài)組織的各種工藝方法統(tǒng)稱為退火。退火的目的在于均勻化學(xué)成分、改善力學(xué)性能及工藝性能、消除或減小內(nèi)應(yīng)力，并為零件最終熱處理準(zhǔn)備合適的內(nèi)部組織。鋼的退火工藝種類很多，按加熱溫度可分為兩大類：臨界溫度(Ac1或Ac3)以上的退火(相變重結(jié)晶退火)，包括完全退火、不完全退火、晶粒粗化退火、均勻化退火和球化退火等；臨界溫度以下的退火，包括軟化退火、再結(jié)晶退火及去應(yīng)力退火等。將亞共析鋼加熱到Ac3以上的溫度，并在此保溫足夠時(shí)間，完成奧氏體化并使成分基本均勻之后緩慢冷卻(控速冷卻、爐冷、埋于砂或耐火土粉中)至600C左右出爐空冷，以得到鐵素體及珠光體組織的熱處理工藝，成為完全退火。3.1.2低溫退火將鋼件加熱到略低于Ac1的溫度，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝稱為低溫退火，低溫退火由于沒(méi)有重結(jié)晶過(guò)程，所以不能使鋼的晶粒和組織細(xì)化，但卻能消除或降低鋼中的內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，從而改善切削加工性能。低溫退火加熱時(shí)間短，成本低，而且鋼材表面氧化脫碳損失較少，所以在某些情況下可以取代完全退火或不完全退火。再結(jié)晶退火、中間退火(軟化退火)、去應(yīng)力退火等皆屬于低溫退火范疇。3.2正火3.2.1普通正火亞共析鋼加熱到Ac3+(3050 C)，共析鋼和過(guò)共析鋼加熱到ACm+（3050），均溫后在空氣中冷卻，得到珠光體組織的熱處理工藝，成為普通正火。低碳鋼正火后，可得到較細(xì)的片狀珠光體，硬度較退火略高，利于切削加工。由于所得鐵素體晶粒較細(xì)，鋼的韌性較好，可以保證較好的力學(xué)性能組合。3.2.2等溫正火等溫正火是將普通碳鋼材加熱奧氏體化，加熱溫度及保溫時(shí)間與普通正火相同。保溫完了后鋼材冷至某一溫度并等溫保持，使過(guò)冷奧氏體在此溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變完畢，得到較細(xì)(相對(duì)于等溫退火而言)的珠光體組織，然后空冷，以獲得較好的加工性能和力學(xué)性能的熱處理工藝。3.2.3水冷正火含碳量極低的大型鑄鋼件用水冷代替空冷進(jìn)行正火，可以得到較少量的鐵素體及較細(xì)較多數(shù)量的珠光體組織，而使強(qiáng)度塑性等均得到改善。水冷正火還常用于高碳鋼球化退火之前，可更有效地抑制滲碳體網(wǎng)的形成，獲得均勻一致的組織，以穩(wěn)定球化質(zhì)量和獲得更細(xì)小、更均勻分布的碳化物。水冷正火時(shí)鋼材的加熱溫度與保溫時(shí)間與普通正火相同。3.3淬火淬火是將鋼或合金加熱到一定溫度，保溫適當(dāng)?shù)臅r(shí)間獲得相應(yīng)的高溫相，然后快速冷卻，以獲得遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的不穩(wěn)定組織的熱處理工藝總稱。淬火是使鋼或合金強(qiáng)化的主要工藝(或工序)。鋼件淬火主要是為了獲得馬氏體組織，以便在適當(dāng)溫度的回火后具有所需要的力學(xué)性能組合。合金淬火則是為了得到單一均勻的固溶體，為下工序的時(shí)效強(qiáng)化或形變加工做好組織上的準(zhǔn)備。鋼的淬火工藝種類很多，可根據(jù)加熱溫度、加熱方式、加熱介質(zhì)以及冷卻介質(zhì)和冷卻方式的不同，可分為以下幾種。按加熱溫度的不同可分為：完全淬火、不完全淬火、亞共析鋼的亞溫淬火(臨界區(qū)淬火)、低溫(低于臨界溫度)淬火等。3.3.1完全淬火將亞共析鋼加熱到Ac3以上溫度保溫以后大于臨界冷卻速度的冷卻速度急速冷卻，得到馬氏體組織，以提高強(qiáng)度、硬度及耐磨性的熱處理稱為完全淬火。3.3.2不完全退火國(guó)共析鋼以及共析鋼加熱到某一溫度，保溫后急速冷卻的熱處理工藝成為不完全淬火，不完全淬火有以下有點(diǎn)：淬火加熱溫度低，保留了一定數(shù)量未溶的顆粒狀碳化物，使鋼在淬火后具有最高的硬度和耐磨性。由于加熱溫度低，使奧氏體含碳及合金元素?cái)?shù)量不致過(guò)高，保證淬火后殘余奧氏體數(shù)量不致過(guò)多，有利于提高硬度及耐磨性。加熱溫度低，奧氏體晶粒細(xì)小，淬火后可獲得較優(yōu)的力學(xué)性能。不完全淬火主要用于碳素工具鋼及低合金工具鋼3.4回火將淬火后的鋼，在AC1以下加熱、保溫后冷卻下來(lái)的熱處理工藝?；鼗鹗菍⒋慊痄摷訜岬綂W氏體轉(zhuǎn)變溫度以下，保溫1到2小時(shí)后冷卻的工藝?；鼗鹜桥c淬火相伴，并且是熱處理的最后一道工序。經(jīng)過(guò)回火，鋼的組織趨于穩(wěn)定，淬火鋼的脆性降低，韌性與塑性提高，消除或者減少淬火應(yīng)力，穩(wěn)定鋼的形狀與尺寸，防止淬火零件變形和開(kāi)裂，高溫回火還可以改善切削加工性能?；鼗鹗枪ぜ阌埠蠹訜岬紸C1以下的某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。3.4.1低溫回火回火溫度范圍為150-250攝氏度，回火后的組織為回火馬氏體。鋼具有高硬度和高耐磨性，但內(nèi)應(yīng)力和脆性降低。主要應(yīng)用于高碳鋼和高碳合金鋼制造的工具模和滾動(dòng)軸承，以及經(jīng)滲碳和表面淬火的零件，回火后的硬度一般為58-64HRC。 3.4.2中溫回火中溫回火常在250500溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，主要用途是對(duì)淬火后的各種彈簧及鍛模回火。其目的是為了獲得較高的彈性極限和屈服點(diǎn)，同時(shí)使塑性及韌性得到改善3.4.3高溫回火高溫回火常在500650區(qū)間進(jìn)行，多應(yīng)用于結(jié)構(gòu)鋼制造的工件。其目的主要是在降低強(qiáng)度、硬度及耐磨性的情況下大幅度提高塑性及韌性，以便得到良好的綜合力學(xué)性能。含Cr、Mo、W、V、Ti等元素較多的合金鋼(結(jié)構(gòu)鋼及工具鋼)在高溫回火過(guò)程常因析出彌散分布的特殊碳化物而產(chǎn)生二次硬化現(xiàn)象，而使硬度略有升高。淬透性較大或截面較小的工件，正火后硬度可能偏高而塑性偏低，也需進(jìn)行高溫回火以改善之5。4.結(jié)論金屬材料之所以獲得如此廣泛的應(yīng)用，不僅是因?yàn)橐睙掕T鐵和鋼的鐵礦石在地殼中儲(chǔ)量豐富，而且滿足知道機(jī)器所需要的物理、化學(xué)性能，并且還可用簡(jiǎn)便的工藝方法加工成為適用的機(jī)器零件，也即具有所需的工藝性能。機(jī)械知道中所用的金屬材料以合金為主，很少使用純金屬。原因是合金比純金屬具有更好的力學(xué)性能和工藝性能，且價(jià)格低廉。合金是一種以金屬為基礎(chǔ)，加入其它金屬或非金屬，經(jīng)過(guò)熔煉制成的具有金屬特性的材料。最常用的合金是以鐵為基礎(chǔ)的鐵碳合金，如碳素鋼、合金鋼、灰鑄鐵等，還有以銅為基礎(chǔ)的黃銅、青銅，以鋁為基礎(chǔ)的鋁硅合金等。金屬的熱處理在我們生活中的重要性也不言而喻，通過(guò)對(duì)金屬進(jìn)行一定的工藝處理，就會(huì)獲得我們所需要性能的金屬。雖然我國(guó)這幾年金屬加工制造業(yè)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但不能否認(rèn)與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定的差距，我們這一代青年務(wù)必要夯實(shí)自己的基礎(chǔ)，爭(zhēng)取縮短與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。參考文獻(xiàn)1呂海，糜留芳，張