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助你理解铁碳合金、钢的热处理以及工业用钢等知识

 草虫gg 2020-04-27

不管在学习课程还是在面试相关岗位时,这些知识点都可能用得上。尤其是工科机械类学生,肯定的学金属工艺学。机械就是理论结合经验,话不多说,直接上干货。全文约3800字,主要讲了铁碳合金、钢的热处理以及工业用钢(非合金钢与合金钢)等知识点,可收藏学习。想了解金属材料的主要性能-强度、塑性、硬度、疲劳强度等请看上一篇文章。感谢您的阅读!

1、金属结晶相关

金属的结晶就是金属液态转变为晶体的过程,亦即金属原子由无序到有序的排列过程。液态金属的结晶过程是遵循“晶核不断形成和长大”这个结晶基本规律进行的。金属的冷却速度愈快,自发晶核愈多。金属晶粒的粗细对其力学性能影响很大。

一般来说,同一成分的金属,晶粒愈细,其强度、硬度愈高,而且塑性和韧性也愈好。影响晶粒粗细的因素很多,但主要取决于晶核的数目。

2、在实际生产中,金属结晶时为什么常以枝晶的方式长大

金属结晶时,很多时候由于有些元素的扩散速度跟不上冷却速度,所以就局部结晶出来,出现主轴和次轴成分不一样的现象,即主干和枝干成分不同,故此说是以枝晶方式结晶。

3、细化铸态金属晶粒的主要途径

提高冷却速度,以增加晶核的数目。在金属浇铸之前,向金属液内加入变质剂(孕育剂)进行变质处理,以增加外来晶核。此外,还可采用招牌理或塑性加工方法,使固态金属晶粒细化。

4、晶格

晶体内部原子排列的具体形式一般称之为晶格,不同的晶体内部原子排列称为具有不同的晶格结构。所谓的晶体晶格是可以经由平移或其他对称操作后,仍可得到自己本身的晶格。

钝铁的晶格有体心立方和面心立方两种。

铁及锡、钛,锰等金属在结晶之后,在不同温度范围内将呈现出不同的晶格。这种随着温度的改变,固态金属的晶格也随之改变的现象称为同素异晶转变。

5、铁碳合金

合金:两种或两种以上的金属元素,或金属与非金属元素熔合在一起,构成具有金属特性的物质称为合金。组成合金的元素称为组元,简称元。

按照铁和碳相互作用形式的不同,铁碳合金的组织可分为碳溶于铁中形成的固溶体;碳与铁形成的化合物;固溶体和化合物组成混合物(机械混合物)三种类型。

铁碳合金中的基本组织有:铁素体,渗碳体,珠光体,莱氏体,奥氏体等

固溶体:溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体,称为固溶体。

铁素体F:碳溶解于α-Fe中形成的固溶体称为铁素体,呈体心立方晶格。力学性能与纯铁相近。铁素体在显微镜下为明亮的多边形晶粒,得晶界曲折。

奥氏体A:碳溶入γ-Fe中形成的固溶体称为奥氏体,呈面心立方晶格。力学性能与其溶碳量有关。一般来说,其强度、硬度不高,但塑性优良。在显微镜下,奥氏体也是呈多边形晶粒,但晶界较铁素体平直,并存有双晶带。

化合物:是各组元按照一定整数比结合而成、并具有金属性质的均匀物质,属于单相组织。

金属化合物一般具有复杂的晶格,且与构成人物的各组元晶格皆不相同,其性能特征是硬而脆。渗碳体Fe3C是钢铁中的强化相,其组织可呈片状、球状、网状等不同形状。它的硬度,可以刻划玻璃,而塑性、韧性极低,伸长率和冲击韧度近于零。

渗碳体:含碳量为6.69%的铁与碳的金属化合物,分子式Fe3C用符号Cm表示。硬度高,塑性差,硬而脆,钢中渗碳体数量增多,强度和硬度提高而塑性下降。在一定条件下可发生分解,形成石墨。

机械混合物:是由结晶过程所形成的两相混合组织。铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。

珠光体:铁素体和渗碳体组成的机械混合物称为珠光体。显微镜下渗碳体和铁素体片层相间,交替排列。在平衡条件下珠光体的含碳量为0.77%,它的强度高,塑性、韧性和硬度介于渗碳体与铁素体之间。

莱氏体:奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称高温莱氏体,当冷却到727℃以下时,将转变为珠光体和渗碳体的机械混合物,称为低温莱氏体。莱氏体的机械性能与渗碳体相似,硬度很高,塑性很差。

补充:钢:它是指含碳量小于2.11%的铁碳合金。铸铁:即生铁,它是指含碳量为2.11%~6.69%的铁碳合金。

6、钢的热处理

在固态下,通过回执、保温和冷却,以获得预期组织和性能的工艺。它只改变金属材料的组织和性能而不以改变形状和尺寸为目的。

1.退火和正火

退火:退火是将钢加热、保温,然后随炉或埋入灰中使其缓慢冷却的热处理工艺。常用的有完全退火,球化退火,去应力退火。

正火:正火是将钢加热到亚共析钢或过共析钢,保温后在空气中冷却的热处理工艺。

正火主要用于:1.取代部分完全退火。但中碳合金钢、高碳钢及复杂件仍以退火为宜。2.用于普通件的最终热处理。3.用于过共析钢,以减少或消除二次渗碳体呈网状析出。

2.淬火和回火是强化钢最常用的工艺

淬火:是将钢加热到一定温度,保温后在淬火介质中快速冷却,以获得马氏体组织的热处理工艺。注意:1.严格控制淬火加热温度。2.合理选择淬火介质使其冷却速度略大于临界冷却速度。3.正确选择淬火方法。

表面淬火常用于机床主轴、发动机曲轴、齿轮等。快速加热法有多种,如电感应、火焰、电接触、激光等,目前应用广泛的是电感应加热法。

回火:将淬火的钢重新加热到Ac1以下某温度,保温后冷却到室温的热处理工艺,称为回火。回火的主要目的是消除淬火内应力,以降低钢的脆性,防止产生裂纹,同时也使钢获得所需的力学性能。

总的趋势是回火温度愈高、析出的碳化物愈多,钢的强度、硬度下降,而塑性、韧性升高。

3.将钢的回火分为如下三种:

1.低温回火250度以下目的是降低淬火钢的内应力和脆性,但基本保持淬火所获得的高硬度和高耐磨性。用途最广,如各种刀具、模具、流动轴承和耐磨件等。

2.中温回火250~500度目的是使钢获得高弹性,保持较高硬度和一定的韧性。中温回火主要用于弹簧、发条、锻模等。

3.高温回火500度以上它广泛用于承受循环应力的中碳钢重要件,如连杆、曲轴、主轴、齿轮、重要螺钉等。经调质处理的钢可获得强度及韧性都好的综合力学性能。

7、工业用钢

1.非合金钢

碳素钢即“非合金钢”,简称碳钢。碳素钢的含碳量在1.5%以下,除碳之外,还含有硅、锰、磷、硫等杂质。

磷和硫是钢中的有害杂质。磷可使钢的塑性、韧性下降,特别是在低温时脆性急剧增加,这种现象称为冷脆性。

硫在钢的晶界处可形成低熔点的共晶体,致使含硫较高的钢在高温变回工时 容易产生裂纹,这种现象称为热脆性。

硅和锰是炼钢后期作为脱氧剂加入钢液中残存的。硅和锰可提高钢的强度和硬度,锰还能与硫形成MnS,从而抵消硫的部分有害作用。显然,它们都是钢中的有益元素。

碳素钢通常分为如下三类:碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢。

(1)碳素结构钢的牌号以代表屈服点的“屈”字汉语拼音首字母Q和后面三位数字来表示,每个牌号中的数字表示该钢种厚度小于16mm时的最低(Mpa)。在钢号尾部A、B为普通级别,C、D为磷、硫低的优等级别,可用于较重要的焊接结构。

Q315塑性好通常轧制成薄板、钢管、型材制造钢结构,也用于制作铆钉、螺钉、冲压件、开口销等。

Q235强度较高,塑性也较好,常轧制成各种型钢、钢管、钢筋等制成各种钢构件、冲压件、焊接件及不重要的轴类、螺钉、螺母等。

Q255强度更高,用做键、轴、俏、齿轮、撙、连杆、销钉等。

(2)优质碳素结构钢的硫、磷含量较低,供货时既保证化学成分,又保证力学性能,主要用于制造机器零件。

优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示,这两位数字即是钢中平均含碳量的万分数。例如,20钢表示平均含碳量为0.20%的优质结构钢。

08、10、15、20等牌号属于低碳钢。20钢用途最广,常用于制造螺钉、螺母、垫圈、小轴,焊接件,有时也用于渗碳件。

40、45等牌号属于中碳钢。45钢常用来制造主轴、丝杠、齿轮、连杆、、套筒、键和重要螺钉等。

60、65等牌号属于高碳钢。它们经过淬火、回火后,不仅强度、硬度显著提高,且弹性优良,常用弹簧、发条、钢丝绳、轧辊、凸轮等。

(3)碳素工具钢的含碳量高达0.7%~1.3%,淬火、回火后有高的硬度和耐磨性,常用于制造锻工、钳工工具和小型模具。

碳素工具钢一般均为优质钢。对于硫、磷含量更低的高级优质碳素工具钢,则在数字后面增加“A”表示,例如,T10A表示平均含碳量为1.05的高级优质碳素工具钢。

T8 冲头、錾子、锻工工具、木工工具、台钳钳口等。

T10,T10A 硬度较高、但仍要求一定韧性的工具,如手锯条、小冲模、丝锥、板牙等。

T12 适用于不受冲击的耐磨工具,如钢锉、刮刀、绞刀等。

2.合金钢

合金钢:当钢中合金元素超过低钢的限度时,即为合金钢。合金钢不仅合金元素含量高,且严格控制硫、磷等有害杂质的含量,属于优质钢或高级优质钢。

合金钢可分为合金结构钢(常用于制造机器零件用的合金钢),合金工具钢(主要用于制造刀具、量具、模具等,含碳量甚高),特殊性能钢(包括不锈钢,耐磨钢,耐蚀钢及具有软磁,永磁,无磁等特殊性能的钢)

合金钢是为了改善钢的某些性能,在钢的基础上加入某些合金元素所炼成的钢。如果钢中的含硅量大于0.5%,或者含锰量大于1.0%,也属于合金钢。

低合金钢是指合金总含量较低(小于3%)、含碳量也较低的合金结构钢。

可焊接低合金高强钢(简称合金高强钢)应用最为广泛。低合金高强钢的牌号表示方法与碳素钢相同,即以字母“Q”开始,后面以三们数字表示其最像屈服点,最后以符号表示其质量等级。如Q345A表示不小于345Mpa的A级低合金高强钢。

Q295低压容器、输油管道、车辆等

Q345桥梁、船舶、压力容器、车辆等

Q390桥梁、船舶、起重机、压力容器等

Q420高压容器、牺牲、桥梁、锅炉等

文章来源:头条@学思而勤行

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