金属材料与热处理-2

授人以鱼不如授人以渔
选材思路： 1.由于有活塞的遮盖，工作环境温度场最高不大于 朱明工作室 zhubob@ 750℃；也由于有润滑油的润滑和冷却，连杆大、小头 温度场相差小于100℃，故不必作专门的温度影响考虑。 2.由于活塞的速度运动规律是“0→max→0”,故连 杆的受力形式是“规律性变幅循环应力”，要进行疲劳 强度的校核。 3.由于发动机有专门的配重设计，故不必考虑过多 振动问题，倒是要在连杆的截面形状上选取合理的高刚 度形状来解决扭转载荷问题。 4.设计时作“承受载荷较大的金属结构件”（各种 机械设计手册包括我们的课本的有关图表）考虑选材的 力学性能指标（主要是抗拉强度b ）。
表示方法：“T”＋碳平均含量的千分数，若为高级 优质碳素工具钢则在牌号后加“A”，如“T12A”。
4.铸钢
表示方法：“ZG”＋屈服点数值＋抗拉强度 （或旧标准：“ZG”＋碳平均含量的万 分数）。 授人以鱼不如授人以渔
三、那什么叫做“冶炼时的脱氧程度的不同”呢？ 这就要上溯到钢的铸锭工艺了。钢的浇注期或冶炼 朱明工作室 zhubob@ 末期，根据对钢的脱氧方法的不同，可生产出镇静钢、 沸腾钢和半镇静钢。 1.镇静钢—钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铝进行充 分的脱氧，使钢的含氧量＜0.01％，以至钢液在凝固 时不析出CO，得到成分比较均匀，组织比较致密的钢锭， 这种钢就叫镇静钢。 2.沸腾钢—在冶炼末期对钢液仅进行轻度脱氧，而 使相当数量的氧留在钢液中，则钢液注入钢模后，钢中 的氧与碳发生化学反应，析出大量的CO，引起钢液的沸 腾，这种钢就叫沸腾钢。 3.半镇静钢—脱氧程度介于镇静钢与沸腾钢之间。
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二、碳钢的分类（课本P49 ）
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1.碳素结构钢
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表示方法：“Q”＋屈服点数值（Ｍｐａ）＋质量等 级符号（A、B、C、D） ＋脱氧方法（F、b、Z、TZ）。
2.优质碳素结构钢 碳钢
表示方法：采用两位数字表示，代表该钢平均含碳 量的万分数。
3.碳素工具钢
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zhu钢成分比较均匀， 组织比较致密。虽然由于有 缩孔，使钢锭的成材率较半 镇静钢低，但切除缩孔的部 分能用于对机械性能要求高 的机材用料，也可用作重要 的焊接结构。
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4.如果两个恒温转变中有两个相同的相，那么在 这两条水平线之间一定是由这两个相组成的两相区。 朱明工作室
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简介“相律” 先介绍“平衡相”：将给定成分的合金在一定温度 朱明工作室 zhubob@ 下，停留足够长时间，使各相达到数量不变的动平衡状 态，这时存在的相，就叫做平衡相。 再介绍“自由度”：指在不改变系统平衡相的数目 的条件下，可以独立改变的、影响合金状态的因素，如 温度、平衡相成分等的数目。 相率以下式表示： f＝C－P＋1， 即“自由度数＝组元数－平衡相数＋1” 应用： 1.对纯金属来说，组元数C＝1，当自由度数f＝0时 平衡相具有最大值，代入，PMAX＝1－0＋1＝2，即纯金 属最多只能有两个平衡相共存。
沸腾钢一般是低碳钢，含硅量低，具有良好的塑性， 常用于冷冲压件，如汽车的油箱、蒙皮（08F钢）。由于 朱明工作室 zhubob@ 有气泡，故一般不会出现缩孔。轧成钢坯后，头部切除量 很小，成材率高，宜于轧薄板。但成分偏析大，组织不致 密，机械性能不均匀，冲击韧性值低，不适用于对机械性 能要求高的零件。
简介“相区接触法则” 1.两个单相区只能交于一点，而不能交成一条线。 朱明工作室
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Pb Sn
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2.两个单相区之间必定有一个由这两个单相组成的 两相区。 朱明工作室
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Pb Sn
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3.三相共存时必定是一条水平线，每一条水平线必 定和三个两相区相遇。 朱明工作室
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金属材料与热处理 ---4
主讲: 朱明
高级技师、经济师、工程师 高级技能专业教师 汽车维修高级考评员
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模块五 钢的热处理
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我们下面用一道实际的生产问题来重温钢的热处理 知识。 用一根冷拉钢丝绳吊装一大型工件进入热处理炉， 并随工件一起加热到1000℃保温，当出炉后再次吊装工 件时，钢丝绳发生断裂，试分析其原因。答案是这样的： 冷拉钢丝绳是利用加工硬化效应提高其强度的，在 这种状态下的钢丝中晶体缺陷密度增大，强度增加，处 于加工硬化状态。在1000℃时保温，钢丝将发生回复、 再结晶和晶粒长大过程，组织和结构恢复到软化状态。 在这一系列变化中，冷拉钢丝的加工硬化效果将消失， 强度下降，在再次起吊时，钢丝将被拉长，发生塑性变 形，横截面积减小，强度将比保温前低，所以发生断裂。
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一、常存元素对钢性能的影响(课本P47） 1.硅—钢中的有益元素，溶入铁素体而使钢的强度 朱明工作室 zhubob@ 和硬度提高，还能提高钢液的流动性，有利于铸造成型， 但含量不超过0.5％。 2.锰—也是钢中的有益元素，也能溶入铁素体而使 钢的强度和硬度提高，还能与硫形成MnS，从而减轻硫 的有害作用,但含量应控制在0.25～0.8％之间。 3.硫—钢中的杂质元素，硫↑，钢的脆性↑。特别是 FeS与Fe形成共晶体造成“热脆”。含量控制在＜0.05 ％。 4.磷—钢中的杂质元素，使钢的焊接性能变坏。特 别是磷结晶时会形成脆性很大Fe3P，使钢在室温下出现 的塑性和韧性急剧下降（“冷脆”）。含量控制在＜ 0.045％。
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任务一选择制造发动机连杆的材料
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发动机连杆的作用是把发动机活塞的往复直线运动 转变为旋转的扭矩输出，可以说，五种形式的载荷就有 了三种（拉伸、压缩和扭转），服役条件也算是苛刻了。 连杆正常使用应为25×104Km，因此，必须具有较高的 强度和韧性，才能使之达到的寿命设计。因此，为其选 择合适的材料是至关重要。 说明：金属材料的“服役时间”单位一般取小时， 但也视材料应用时的受力状态而言，如有时取“次数” （受弯状态），这里取汽车的行走里程（Km),数据也很 保守。
一、钢的临界温度 朱明工作室 zhubob@ A1、A3、Acm各相变点是固态下铁碳合金的组织转变线， 是在极其缓慢加热和冷却条 件下得到的。 在实际生产中，固态相变时都有不同程度的过热度或 过冷度（见右图）。为便于区别，将加热时各相变点用ACl、 AC3、ACcm表示，冷却时各相变点用Arl、Ar3、Arcm表示。
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二、钢的奥氏化过程 钢在热处理时，必须将钢加热到一定的温度，其目 朱明工作室 zhubob@ 的是使钢的组织转变为奥氏体组织，通常把这种加热转 变过程称为钢的奥氏体化过程。 从铁碳相图中看到，钢加热到727℃（状态图的PSK 线，又称A1温度）以上的温度珠光体转变为奥氏体。这 个加热速度十分缓慢，实际热处理的加热速度均高于这 个缓慢加热速度，实际珠光体转变为奥氏体的温度高于 A1，定义实际转变温度为Ac1。Ac1高于A1，表明出现热滞 后，加热速度愈快，Ac1愈高，同时完成珠光体向奥氏体 转变的时间亦愈短。 共析碳钢（含0.77%C）加热前为珠光体组织，一般 为铁素体相与渗碳体相相间排列的层片状组织，加热过 程中奥氏体转变过程可分为五步进行，见下图。
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谈谈钢的热处理的历史沿革
在从石器时代进化到铜器时代和铁器时代的过程中， 朱明工作室 zhubob@ 热处理的作用逐渐为人们所认识。早在公元前770～前 222年，中国人在生产实践中就已发现，铜和铁的性能 会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处 理就是当时制造农具的重要工艺。
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液相区 固相区
朱明工作室 共晶点 zhubob@
（液＋固）相区
C的溶解曲线 共晶转变线
共析点 C的溶解曲线 共析体
共析转变线
共晶体 过共析体 亚共晶体 过共晶体
亚共析体
铁素体＋珠光体 珠光体
珠光体＋二次渗碳体
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莱氏体＋一次渗碳体 莱氏体＋珠光体＋二次 渗碳体 莱氏体
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综合上述，制造发动机连杆的材料有优质碳素结构 钢（课本P49表4－2)和铸钢（课本P50表4－3）。对于 朱明工作室 zhubob@ 速度高、受力较大的连杆，应选择优质碳素钢，如45﹟ 钢等。当然，也可使用40﹟、50﹟、45Mn、35CrMo、 42CrMo、40Cr合金钢用模锻工艺制造 （课本P51 ） 。 实际生产中的一般情况是（考虑到相当大的安全系 数），受力小使用状态下选用铸钢，受力大使用状态下 则选用高标号优质碳素结构钢锻打成型（模锻）；两种 选材都采用零件的截面为“工”字型，这是除了“箱型” 的截面外，抗弯和抗扭能力最好的截面形状了。 顺便说说，连杆螺栓及螺母、曲轴轴瓦盖螺栓使用 材料为：40CrA,35CrMo,40MnB（调质）；正常使用寿命 为10×104Km。
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讨论：害与利的转化 “热脆之‘害’”——从铁—硫相图上知道，这是 朱明工作室 zhubob@ 因为钢在结晶接近完成时生成（989℃）的硫化物共晶 体在钢锻造（1000℃以上）时熔化且被压裂，造成钢的 晶界碎裂的危害。但这种有害作用在一定的条件下可以 转化，比如：有意增加硫的含量的同时适当增加锰的含 量，可以用于生产易削钢（比如钢的旧标准中的“A型 钢”，这种钢只检验力学性能而不检验化学成分），用 途很广。 “冷脆之‘害’”——钢中含磷量高引至冷脆是表 层原因，从铁—磷相图可以看出，铁磷合金的结晶温度 范围很宽，磷具有严重的偏析倾向才是深层原因。因此， 可以变害为利：比如在炮弹钢中加入较多的磷，可使钢 的脆性增大，爆炸时破片增多而增大杀伤力；还可以利 用磷的固溶强化作用和抗腐蚀性，炼成铁路钢轨钢等。