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【热坛学习】钢铁材料的强化理论《美国金属学会热处理手册》 D卷 《钢铁材料的热处理》机械工业出版社.2018

更新时间:2021-11-25 03:36:08点击:

【热坛学习】钢铁材料的强化理论《美国金属学会热处理手册》 D卷 《钢铁材料的热处理》机械工业出版社.2018(图1)

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内容简介
本书主要介绍了各类典型钢铁材料的热处理工艺,深入探讨了钢铁材料的热处理与性能的关系,详细介绍了整体淬火钢和表面强化钢的选材过程与步骤。本书将热处理工艺作为整个产品生产过程中的一个环节加以综合考虑,为热处理工程技术人员和产品设计人员提供了大量的实用技术资料。本书由世界上钢铁材料热处理各研究领域的专家撰写而成,反映了当代热处理工艺技术水平,具有先进性、全面性和实用性。
【热坛学习】钢铁材料的强化理论《美国金属学会热处理手册》 D卷 《钢铁材料的热处理》机械工业出版社.2018(图2)
目录
译者序

前言
使用计量单位说明
第1章概论1
1.1钢的选材和热处理设计问题1
1.1.1简介1
1.1.2热处理零件的钢种选择4
1.1.3残余应力6
1.1.4变形9
1.1.5尺寸变形计算12
1.1.6变形控制技术15
1.1.7脱碳17
1.1.8加热中的问题19
1.1.9热处理裂纹20
1.1.10与材料相关的问题22
1.1.11与设计相关的问题23
1.1.12热处理设计实例24
参考文献29
1.2淬火钢的选择30
1.2.1合金化31
1.2.2合金的选择35
1.2.3淬火硬化层深度39
1.2.4拉伸力学性能43
1.2.5硬度和淬透性与耐磨性45
1.3钢的淬火开裂倾向模拟48
1.3.1淬火开裂的早期研究48
1.3.2淬火开裂的分析和模拟54
1.3.3淬火开裂模拟实例57
1.3.4使用模拟预防淬火开裂61
参考文献62
1.4表面硬化钢的选择64
1.4.1渗碳钢65
1.4.2碳氮共渗钢71
1.4.3渗氮钢72
1.4.4感应或火焰淬火钢73
参考文献74
1.5渗碳钢的选择75
1.5.1渗碳钢的淬透性75
1.5.2淬火冷却介质76
1.5.3渗碳应力分析76
1.5.4渗碳层深度和类型77
1.5.5热处理工艺79
1.5.6渗碳齿轮钢81
参考文献85
1.6渗碳钢的微观组织和性能85
1.6.1渗碳浓度和硬度梯度86
1.6.2马氏体和残留奥氏体86
1.6.3合金元素的影响88
1.6.4奥氏体晶间断裂89
1.6.5渗碳钢中的微裂纹91
1.6.6过多的残留奥氏体和碳化物91
1.6.7残余应力93
1.6.8表面和内氧化94
1.6.9疲劳机制95
参考文献96
1.7渗氮层组织和性能99
1.7.1渗氮层99
1.7.2渗氮钢类型99
1.7.3渗氮工艺及其对组织和性能的
影响101
1.7.4展望106
参考文献106
第2章碳钢和低合金钢的热处理108
2.1碳钢的热处理108
2.1.1统一编号系统(UNS)110
2.1.2热处理工艺112
2.1.3碳钢的热处理分类115
2.1.4组织转变图116
2.1.5碳钢的淬透性122
2.1.6回火127
2.1.7热处理指导128
2.1.8易切削钢132
2.1.9铸造碳钢133
参考文献135
选择阅读135
2.2低合金钢的热处理136
2.2.1低合金钢的分类136
2.2.2合金元素的作用145
2.2.3锰系低合金钢156
2.2.4钼系低合金钢161
2.2.5铬钼系低合金钢168
2.2.6镍铬钼系低合金钢175
2.2.7镍钼系低合金钢187
2.2.8铬系低合金钢192
2.2.9铬钒系低合金钢199
2.2.10硅锰系低合金钢200
参考文献202
2.3空冷淬火高强度结构钢的热处理202
2.3.1空冷淬火钢的热处理原理203
2.3.2空冷淬火高强度结构钢的热处理
实践204
2.3.3空冷淬火马氏体不锈钢的热处理
实践211
参考文献215
2.4硼钢的热处理215
2.4.1硼钢的淬透性215
2.4.2硼钢的热处理工艺217
2.4.3硼钢热处理模拟223
2.4.4硼钢的应用224
参考文献226
2.5铜析出强化钢的热处理226
2.5.1概述227
2.5.2应用227
2.5.3美国材料和试验协会标准227
2.5.4铜析出强化钢的相组织229
2.5.5铜析出强化钢的成分和合金元素
作用230
2.5.6形变热处理231
2.5.7热处理工艺231
2.5.8热处理工艺、微观组织和力学性能
之间的关系239
致谢241
参考文献241
2.6钢制齿轮的热处理245
2.6.1齿轮热处理的概述246
2.6.2大型齿轮的热处理257
2.6.3工艺过程建模与设计优化258
2.6.4综合计算材料工程和设计优化261
参考文献262
2.7轴承的热处理264
2.7.1轴承类型264
2.7.2轴承的设计参数、性能特点和
材料要求265
2.7.3金相组织要求和热处理工艺
选择265
2.7.4整体淬火266
2.7.5马氏体热处理266
2.7.6热处理变形控制266
2.7.7整体淬火轴承钢尺寸的稳定性267
2.7.8整体淬火轴承钢晶粒尺寸268
2.7.9影响整体淬火轴承钢的淬火
问题268
2.7.1052100轴承钢系列中的高淬
透性钢270
2.7.11贝氏体热处理(贝氏体等温
淬火)270
2.7.12特殊用途整体淬火轴承钢272
2.7.13复合强化277
2.7.14渗碳277
2.7.15专用渗碳钢279
2.7.16专用钢的渗碳和渗氮281
2.7.17碳氮共渗283
2.7.18感应淬火285
参考文献286
2.8锻造直接热处理工艺与技术288
2.8.1锻热淬火和直接热处理的定义和
用途288
2.8.2直接热处理的微合金钢291
2.8.3控制轧制技术生产细晶组织棒材和
线材294
2.8.4碳含量对微合金直接热处理(DHT)
钢韧性的影响294
2.8.5微合金钢生产典型汽车零部件的
应用297
2.8.6连杆298
2.8.7锻热直接热处理设备299
参考文献300
2.9粉末冶金钢的热处理301
2.9.1粉末冶金工艺概述302
2.9.2粉末冶金钢的牌号命名305
2.9.3粉末冶金钢热处理简介307
2.9.4孔隙率对粉末冶金钢热处理的
影响307
2.9.5合金元素含量对粉末冶金钢淬透性
的影响310
2.9.6原料粉对均质性的影响312
2.9.7淬火和回火313
2.9.8烧结硬化316
2.9.9温压成形317
2.9.10粉末锻造317
2.9.11表面硬化318
2.9.12渗氮319
2.9.13蒸汽处理320
2.9.14发黑处理320
2.9.15感应淬火321
致谢322
参考文献322
第3章工具钢的热处理324
3.1工具钢热处理简介324
3.1.1工具钢的分类324
3.1.2工具钢的生产330
3.1.3工具钢的热处理330
参考文献337
3.2工具钢热处理过程与设备337
3.2.1工具钢奥氏体化、淬火和回火的
设备337
3.2.2工具钢渗氮和气体氮碳共渗
设备347
参考文献350
扩展阅读350
3.3工具钢的变形351
3.3.1变

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【热坛学习】钢铁材料的强化理论《美国金属学会热处理手册》 D卷 《钢铁材料的热处理》机械工业出版社.2018(图3)

【热坛学习】钢铁材料的强化理论《美国金属学会热处理手册》 D卷 《钢铁材料的热处理》机械工业出版社.2018(图4)

【热坛学习】钢铁材料的强化理论《美国金属学会热处理手册》 D卷 《钢铁材料的热处理》机械工业出版社.2018(图5)

【热坛学习】钢铁材料的强化理论《美国金属学会热处理手册》 D卷 《钢铁材料的热处理》机械工业出版社.2018(图6)

    【热坛学习】钢铁材料的强化理论

    钢铁材料微观组织决定其宏观力学性能,微观组织的尺度有电子层次,原子层次、晶体层次和多晶相结构层次。成分固然决定强度,组织类型、晶粒尺寸和第二相等对强度都有决定性的影响。因此,钢铁材料的强度可归纳为固溶强化(间隙固溶与置换固溶)、细晶强化(有效晶粒)、析出强化(纳米析出相)、相位错强化(贝氏体、马氏体)。简单地从成分和微观组织的角度去预测强度是比较难的,由于因素太复杂,完整的物理冶金理论模型还有待发展。不过已经发展了一些经验性和半经验性的公式和方法,如Hall-Petch公式可以建立晶粒尺寸与强度的线性关系,适用于更加复杂回火马氏体或贝氏体组织经验和半经验性公式也在发展。

    各类强化机制大致如下:

    1、固溶强化。即往金属基体中加入合金元素,使金属发生一定的晶格畸变,从而产生合金强度提升的现象。强化程度取决于原始金属元素和添加合金元素原子之间的尺寸差异,也取决于添加的合金元素的量。

      2、细晶强化。即通过特定的热处理工艺、热加工工艺或加入特定细化晶粒组分,使材料内部的晶粒尺寸产生显著变化,使其强度提升的方式。

      3、第二相强化。第二相粒子以细小弥散的颗粒均匀分布于基体金属时,会产生明显的强化效果,根据第二相的特性,可分为弥散强化和固溶强化。另外,通过加入合金元素,采用特殊的热处理工艺,可以使钢铁材料形成两相或多相的结构,提高材料的强度,这种方式可以称为多相强化。

      4、位错强化。通过特定的加工工艺或热处理工艺,使钢铁材料内部产生大量位错,从而提高材料的强度。

       固溶强化

    固溶强化是钢铁材料最早、最广泛应用的强化手段。一般来说,在钢铁材料里添加溶质元素会导致强度的提升,而这种提升的程度取决于两方面:

       ① 溶剂原子和溶质原子的尺寸差异。溶质原子的加入使基体金属的晶格产生畸变,从而产生的应力场同原位错产生的弹性应力场相互作用,阻碍了位错的运动,从而实现了强化作用。

       ② 电子结构的互相干扰,这直接由溶质和溶剂在剪切模量上的差别表现出来。通常来说,溶质原子的加入,会导致基体金属晶格对称性的改变,从而产生一定的强化效果。另外,溶剂原子和溶质原子的电子差价也会导致固溶强化,这是因为溶质原子的加入必然使其周围的溶剂原子的电子结构发生变化。尤其处于位错部分的原子,其电子结构发生变化,产生相应的溶质原子、位错处的溶剂原子的相互作用,强化基体。

      在溶质原子的添加量较小时,固溶强化的效果与溶质原子添加量的正平方根呈线性关系。只要溶质原子和溶剂原子在原子质量上的差异不显著,那么强化程度同添加溶质的质量呈线性关系。

     最常用的置换固溶强化元素有Mn、Si、Cr、Mo、Ni等。其中,Mn是最廉价的固溶强化合金,其强化效果十分明显;Cr与Mn有类似的强化作用,并且也比较廉价;Mo、Ni等合金元素有综合作用,但合金化成本较高。

    引入间隙原子和添加置换溶质原子,都会改变钢铁材料的晶体结构,产生非对称的晶格。但间隙溶质原子的引入(如C和N等),对于钢铁材料的强化作用要远远大于置换溶质原子对钢铁材料的强化作用。这是因为间隙溶质原子和位错之间有着强烈的相互作用关系,而且溶质原子对位错具有拖曳作用。

    溶质原子的置换作用对钢铁材料产生的强化作用,同溶质原子浓度的正平方根成正比,但是相比之下,间隙溶质原子产生的强化作用要强于置换作用10~100倍。

    固溶强化作用固然是提高钢铁材料强度性能的重要方法,但强化作用会相应地导致韧性和塑性下降,因此,不能一味地通过固溶强化去增强钢铁材料的强度。

      细晶强化

     钢铁材料重要的力学性能(如屈服强度、硬度、韧脆转变温度,甚至包括环境断裂敏感性等)均能通过晶粒细化的手段使之改善可与晶粒尺寸的一1/2次方建立定量的关系,即Hall-Petch关系。

    Hall- Petch关系表明,在常规的晶粒范围内,随着晶粒尺寸的减小,材料的强度将升高,韧脆转变温度降低。

    在常规钢铁材料的生产过程中,细化晶粒始终是提高材料性能的主要手段,特别是20世纪60年代以后,微合金原理的发展以及控轧控冷技术的应用为钢铁材料的晶粒细化奠定了工业化基础,目前控轧、控冷技术(或称热机械处理,TMCP)主要从以下几方面细化晶粒:首先使高温奥氏体在再结晶温度范围逐级变形,利用奥氏体反复再结晶细化奥氏体晶粒,其次通过在奥氏体非再结晶温度区变形,增加缺陷密度,从而增加铁素体形核位置,然后利用加速冷却,增加铁素体相变的驱动力。按照常规再结晶热轧工艺,普碳钢晶粒一般能控制在20-14μm(相当于ASTM8~9级),而采用TMCP工艺,对于微合金钢的晶粒尺寸能细化到10μm。上述铁素体晶粒细化结果应该说是20世纪钢铁工业所取得的出色成就。

    当晶粒尺寸进一步细化以后,韧脆转变温度也符合Hall- Petch关系。当晶粒尺寸细化到1μm时,韧脆转变温度可降低到液氮温度以下。20Mn-Si在超细晶的条件下(1~2μm),比同炉钢常规工艺条件下(晶粒尺寸15~20μm)的低温冲击功提高近一个数量级。

    由于钢铁材料内部产生的大量晶界,使得在晶界处较为容易产生塑性变形,产生应力集中来维持细小晶粒本身所具有的连续性。晶粒变形的时候,位错是不能穿越晶界的,因此晶界成为位错运动的阻碍。如果钢铁材料中的晶粒尺寸足够小,晶界内的位错运动中运动到晶界处将不再前进,因此改变晶粒尺寸会影响到钢铁材料的强度。

【热坛学习】钢铁材料的强化理论《美国金属学会热处理手册》 D卷 《钢铁材料的热处理》机械工业出版社.2018(图7)

【热坛学习】钢铁材料的强化理论《美国金属学会热处理手册》 D卷 《钢铁材料的热处理》机械工业出版社.2018(图8)

【热坛学习】钢铁材料的强化理论《美国金属学会热处理手册》 D卷 《钢铁材料的热处理》机械工业出版社.2018(图9)

【热坛学习】钢铁材料的强化理论《美国金属学会热处理手册》 D卷 《钢铁材料的热处理》机械工业出版社.2018(图10)免责声明:除注明原创及明确标注来源外,文章系网络转载,版权归原作者所有。但因转载众多,或无法确认真正原始作者,故仅标明转载来源,如标错来源,涉及作品版权问题,请与我们联系,我们将在第一时间协商版权问题或删除内容!

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【热坛学习】钢铁材料的强化理论《美国金属学会热处理手册》 D卷 《钢铁材料的热处理》机械工业出版社.2018(图11)

【热坛学习】钢铁材料的强化理论《美国金属学会热处理手册》 D卷 《钢铁材料的热处理》机械工业出版社.2018(图12)