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精密零件加工之热处理


                    精密零件加工之热处理

精密零件加工对热处理的理解包含于对冶金学较广泛的研究。冶金学是物理学、化学和涉及金属从矿石提炼到最后产物的工程学。热处理是将金属在固态加热和冷却以改变其物理性能的操作。按所采用的步骤,钢可以通过硬化来抵抗切削和磨损,也可以通过软化来允许机加工。

使用合适的热处理可以去除内应力、细化晶粒、增加韧性或在柔软材料上覆盖坚硬的表面。因为某些元素(尤其是碳)的微小百分比极大地影响物理性能,所以必须知道对钢的分析。合金钢的性质取决于其所含有的除碳以外的一种或多种元素,如镍、铬、锰、钼、钨、硅、钒和铜。由于合金钢改善的物理性能,它们被大量使用在许多碳钢不适用的地方。

  下列讨论主要针对被称为普通碳钢的工业用钢而言。热处理时冷却速率是控制要素,从高于临界温度快速冷却导致坚硬的组织结构,而缓慢冷却则产生相反效果。

简化铁碳状态图

   如果只把注意力集中于一般所说的钢上,经常要用到简化铁碳状态图。铁碳状态图中靠近三角区和含碳量高于2%的那些部分对工程师而言不重要,因此将它们删除。这对理解钢的性能和处理是十分有用的。描述的关键转变是单相奥氏体(γ) 随着温度下降分解成两相铁素体加渗碳体组织结构。控制这一由于奥氏体和铁素体的碳溶解性完全不同而产生的反应,使得通过热处理能获得很大范围的特性。为了理解这些过程,考虑含碳量为0.77%的共析钢, x-x’线慢慢冷却。在较高温度时,只存在奥氏体,0.77%的碳溶解在铁里形成固溶体。当钢冷却到727 (1341)时,将同时发生若干变化。铁需要从面心立方体奥氏体结构转变为体心立方体铁素体结构,但是铁素体只能容纳固溶体状态的0.02%的碳。被析出的碳与金属化合物Fe3C形成富碳的渗碳体。本质上,共析体的基本反应是奥氏体0.77%的碳→铁素体0.02%的碳+渗碳体6.67%的碳。

   由于这种碳成分的化学分离完全发生在固态中,产生的组织结构是一种细致的铁素体与渗碳体的机械混合物。通过打磨并在弱硝酸酒精溶液中蚀刻制备的样本显示出由缓慢冷却形成的交互层状的薄片结构。这种结构由两种截然不同的状态组成,但它本身具有一系列特性,且因与低倍数放大时的珠母层有类同之处而被称为珠光体。含碳量少于共析体(低于0.77%)的钢称为亚共析钢。现在来看这种材料沿着y-y’ 线冷却的转变情况。

在较高温度时,这种材料全部是奥氏体,但随着冷却就进入到铁素体和奥氏体稳定状态的区域。由截线及杠杆定律分析可知,低碳铁素体成核并长大,剩下含碳量高的奥氏体。

727(1341)时,奥氏体为共析组成(含碳量0.77%),再冷却剩余的奥氏体就转化为珠光体。作为结果的组织结构是初步的共析铁素体(在共析反应前的铁素体)和部分珠光体的混合物。过共析钢是含碳量大于共析量的钢。当这种钢冷却时, z-z’线所示,除了初步的共析状态用渗碳体取代铁素体外,其余类似亚共析钢的情况。

随着富碳部分的形成,剩余奥氏体含碳量减少,在727(1341)时达到共析组织。就像以前说的一样,当缓慢冷却到这温度时所有剩余奥氏体转化为珠光体。

   应该记住由状态图描述的这种转化只适合于通过缓慢冷却的近似平衡条件。如果缓慢加热,则以相反的方式发生这种转化。然而,当快速冷却合金时,可能得到完全不同的结果。因为没有足够的时间让正常的状态反应发生,在这种情况下对工程分析而言状态图不再是有用的工具。
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