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热加工锻造

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铁碳相图

iron-carbondiagramiron-

主要的内容

1.铁碳合金状态图1.铁碳合金状态图2.铁碳合金的结晶过程和组织变化2.铁碳合金的结晶过程和组织变化3.铁碳合金的成分铁碳合金的成分、3.铁碳合金的成分、组织与性能间的关系

Fe—CFeC合金概述

Steels）和铸铁和铸铁（irons）是现代机械制造工钢（Steels）和铸铁（Castirons）是现代机械制造工业中应用最广的金属材料，虽然种类很多，成分不一，业中应用最广的金属材料，虽然种类很多，成分不一，其基本组成都是铁（Fe）和碳C）两种元素故统称为铁碳和碳（两种元素，其基本组成都是铁（Fe）和碳（C）两种元素，故统称为铁碳合金（iron－system）合金（alloysoftheiron－carbonsystem）。

铁碳相图（irondiagram）描述了钢铁材料的铁碳相图（iron-carbondiagram）描述了钢铁材料的成分、温度与组织（之间的关系，成分、温度与组织（相）之间的关系，是了解钢铁材料的基础。

的基础。

Fe—CFeC合金概述

在铁碳合金中，Fe与可以形成一系列化合物：

Fe3在铁碳合金中，Fe与C可以形成一系列化合物：

Fe3C、FeC。

FeFeFe2C、FeC。

所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C,FeC和FeC-四个部分。

Fe3C-Fe2C,Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。

由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5因此，上使用的铁碳合金含碳量不超过5％），因此，通常所说的铁碳相图就是FeFe部分。

说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。

FeFe-Fe3C相图

1.Fe—C1.FeC合金中的组元铁碳合金中组元：

纯铁（铁碳合金中组元：

纯铁（Fe）渗碳体（渗碳体（Fe3C）

（1）

纯铁（Fe）纯铁（Fe）

纯铁（iron）纯铁（pureiron）纯铁固态下具有同素异构转变transformation）（allotropictransformation）纯铁具有磁性转变（770℃磁性转变、纯铁具有磁性转变（770℃磁性转变、transformation）magnetictransformation）。

纯铁的同素异构转变

纯铁的冷却曲线及晶体结构变化

概念

铁素体：

碳在a-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体。

奥氏体：

碳在γ-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。

渗碳体：

碳和铁形成的稳定化合物（Fe3c）。

珠光体：

铁素体和渗碳体组成的机械混合物（F+Fe3c含碳0.8%）莱氏体：

渗碳体和奥氏体组成的机械混合物（含碳4.3%）

渗碳体（Fe3C）－

（2）渗碳体（Fe3C）－A

渗碳体（cementite）Fe—C渗碳体（cementite）是FeC合金中碳以化合物（C）形式出现的形式出现的。

化合物（Fe3C）形式出现的。

Fe3C在230℃以下具有铁磁性，常用A0表230℃以下具有铁磁性，常用AFe3示这个临界点。

示这个临界点。

Fe3在钢和铸铁中呈现片状，粒状，Fe3C在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状。

状和板条状。

Fe—C2.FeC合金中的基本相

Fe—Fe3C相图中，Fe—CFe3C相图中在FeFe3C相图中，FeC合金在不同条件成分，温度）可有五个基本相：

（成分，温度）下，可有五（六）个基本相：

LFe3C相、（石墨石墨G相、δ相、γ相、α相、Fe3C相、（石墨G）。

液相（

（1）液相（L）Fe与在高温下形成的液体溶液。

ABCD线Fe与C在高温下形成的液体溶液。

（ABCD线以上）以上）高温铁素体（

（2）δ相[高温铁素体（hightemperatureferrite）ferrite）]

Fe—CFeC合金中的基本相

奥氏体（austenite）（3）奥氏体（austenite）奥氏体（A）是Fe形成的间奥氏体（γ或A）是C溶解于γ—Fe形成的间Fe隙固溶体称为奥氏体（austenite）。

隙固溶体称为奥氏体（austenite）奥氏体

Fe—CFeC合金中的基本相铁素体（ferrite）（4）铁素体（ferrite）铁素体（溶于αFe形成的铁素体（α或F）是C溶于α－Fe形成的间隙固溶体称为铁素体ferrite）铁素体（间隙固溶体称为铁素体（ferrite）。

（5）渗碳体（cementite）前面已讨论过cementite）石墨（（6）石墨（C）在一些条件下，碳可以以游离态石墨在一些条件下，碳可以以游离态石墨graphite）hcp）稳定相存在稳定相存在。

（graphite）（hcp）稳定相存在。

所以石墨在于Fe合金铸铁中也是一个基本相。

Fe—C在于FeC合金铸铁中也是一个基本相。

Fe—Fe3CFe3C相图分析3.FeFe3C相图分析

如图为FeFe3C如图为Fe—Fe3C相图FeFe3C相图全貌。

全貌。

根据分析围绕三条水平线可把FeFe3C相图Fe—Fe3C水平线可把FeFe3C相图分解为三个部分考虑：

分解为三个部分考虑：

左上角的包晶部分，上角的包晶部分，右边的共晶部分，共晶部分，左下角的共析部分。

部分。

分析点、分析点、线、区特别是重要的点、别是重要的点、三条水平恒温转变线、重要的相界线

Fe3C相图的点

（1）Fe—Fe3C相图的点FeFe3C

Fe—Fe3FeFe3C相图相图中Fe的各特性点所对应的温度、温度、成分和意义如下表：

下表：

A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、各点（S、Q各点（表2-1）

（2）Fe—Fe3C相图的线2FeFe3CFe3C相图的线。

A.三条水平线A.三条水平线

①HJB--包晶转变线：

HJB-1459℃（1459℃）L0.53+δ0.09γ0.17（LB+δHγJ）

转变产物为奥氏体（austenit）强度低，强度低，塑性好

A.三条水平线A.三条水平线

ECF-②ECF--共晶转变线：

1148℃（1148℃），L4.3γ2.11+Fe3C（LCγE+Fe3C）转变产物为莱氏体ledeburite）（ledeburite），用Ld表示。

表示。

硬、脆、无法加工

A.三条水平线A.三条水平线

PSK--共析转变线（--共析转变线③PSK--共析转变线（A1线）:

727℃（727℃）γ0.77α0.0218+Fe3C（γSαP+Fe3C）

转变产物为α转变产物为α和Fe3C组成的机械混合物称为珠光体机械混合物称为珠光体pearlite），），用表示。

（pearlite），用P表示。

塑性、韧性、塑性、韧性、硬度介于Fe3C之间之间。

α和Fe3C之间。

B.两条磁性转变线

虚线）①A0线（虚线）:

渗碳体的磁渗碳体的磁性转变线，230℃以上无磁性，230℃以下铁磁性。

230℃以下铁磁性。

②MO（A2线）：

铁素体的磁性转变线。

铁素体的磁770℃以上无磁性，770℃以下铁磁体。

770℃以下铁磁体。

温度又称居里点又称居里点。

A2温度又称居里点。

A0、A1、A2、A3、Acm线温度依次升高。

几条重要的相界线（固态转变线）C.几条重要的相界线（固态转变线）①GS线（A3线）：

GS线冷却时从γ冷却时从γ中开始析出或加热时α全部溶入γ加热时α全部溶入γ中的转变线.转变线.②ES线（Acm线）：

ES线Acm线碳在γ中的溶解度曲线。

碳在γ中的溶解度曲线。

冷却时从γ中开始析出或加热时FeFe3CⅡ或加热时Fe3CⅡ全部溶入γ中的转变线.溶入γ中的转变线.

几条重要的相界线（固态转变线）C.几条重要的相界线（固态转变线）

PQ线③PQ线：

碳在α中的溶解度冷却时从α线.。

冷却时从α中开始析出Fe开始析出Fe3CⅢ或加热时Fe热时Fe3CⅢ全部溶入中的转变线.α中的转变线.

Fe3C相图中的区（3）Fe—Fe3C相图中的区FeFe3C

Fe—Fe3相图中的区：

FeFe3C相图中的区：

Fe·5个单相区：

L、δ、γ、个单相区：

Fe3α、Fe3C个两相区：

L+δ、L+γ、·7个两相区：

L+δ、L+γ、L+Fe3δ+γ、γ+Fe3L+Fe3C、δ+γ、γ+Fe3C、γ+α、α+Fe3Cγ+α、Fe3·3个三相共存区：

个三相共存区：

Fe3C（ECF线L+γ+Fe3C（ECF线）、L+δ+γ（HJB线L+δ+γ（HJB线）、Fe3C（PSK线γ+α+Fe3C（PSK线）

Fe—C4.FeC合金分类

Fe、合金通常按其含碳量（Wc）及其室温平Fe、C合金通常按其含碳量（Wc）及其室温平衡组织分为三大类：

衡组织分为三大类：

iron）工业纯铁（pureiron）、碳钢（carbonsteel）铸铁（iron）steel）、铸铁（castiron）。

根据碳钢和铸铁的相变、组织特征可把二者细分。

即：

的相变、组织特征可把二者细分。

工业纯铁：

Wc<0.0218%）显微组织为固

（1）工业纯铁：

（Wc<0.0218%）显微组织为固溶体。

溶体。

（2）钢

steel）是含碳量在（Wc=00218～11%钢（steel）是含碳量在（Wc=0.0218～2.11%）之间的FeFe、合金。

其特点是：

之间的Fe、C合金。

其特点是：

高温组织为单相的γ具有很好的塑性。

高温组织为单相的γ，具有很好的塑性。

因而可以进行锻造、轧制等压力加工。

可以进行锻造、轧制等压力加工。

根据其室温组织的不同，碳钢（steel）又可分为：

组织的不同，碳钢（carbonsteel）又可分为：

共析钢（steel）Wc=077%共析钢（eutectoidsteel）：

Wc=0.77%steel）亚共析钢（hypoeutectoidsteel）：

Wc=00218～77%Wc=0.0218～0.77%steel）过共析钢（hypereutectoidsteel）：

Wc=077～11%Wc=0.77～2.11%

（3）白口铸铁白口铸铁（whitecastiron）是含碳量在iron）Wc=211～69%之间的FeFe、合金。

Wc=2.11～6.69%之间的Fe、C合金。

其特点液态合金结晶时都发生共晶反应，金结晶时都发生共晶反应，液态时有良好的流动因而铸铁都具有良好的铸造性能。

性，因而铸铁都具有良好的铸造性能。

但因共晶产物是以Fe为基的莱氏体组织，所以性能硬、Fe3产物是以Fe3C为基的莱氏体组织，所以性能硬、脆，不能锻造。

其断口呈银白色，故称为白口铸不能锻造。

其断口呈银白色，铁。

上述Wc=11%具有重要的意义，它是钢和铸铁（Wc=2上述Wc=2.11%具有重要的意义，它是钢和铸铁（生的理论分界线。

铁）的理论分界线。

Wc对铁碳合金机械性能的影响Wc对铁碳合金机械性能的影响

为软韧相，Fe3为硬脆相，FeF为软韧相，Fe3C为硬脆相，故Fe-C合金的力学性能取决于相对量及它们的相互分布特征。

Fe3两相的相对量及它们的相互分布特征α和Fe3C两相的相对量及它们的相互分布特征。

硬度（HB）延伸率δ塑性、韧性）强度（Mpa）硬度（HB）延伸率δ（塑性、韧性）强度（Mpa）5030％50％180铁素体50-8030％-50％180-230渗碳体80003020％35％珠光体18020％-35％770

Wc对铁碳合金工艺性能的影响Wc对铁碳合金工艺性能的影响

切削加工性：

●切削加工性：

●可锻性：

金属经受压力加工改变形状但不产生裂可锻性：

纹的性能。

铁碳相图的应用

在生产中具有很大的实际意义，主要应用在钢铁材料的在生产中具有很大的实际意义，选用和加工工艺的制订两个方面。

选用和加工工艺的制订两个方面。

（1）在选材方面

（2）在铸造工艺方面（3）在热锻热轧工艺方面（4）在热处理工艺方面

锻压常识及相关知识

主要涉及的内容绪论锻造用原材料锻造的热规范自由锻主要工序分析锻后热处理性能热处理金属材料的机械性能

绪论

锻造工艺学及其性质锻造生产的特点及其在国民经济中的作用我国锻造生产的历史，我国锻造生产的历史，现状及发展趋势锻造生产方法的分类

一、锻造工艺学及其性质

锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，使其产生塑性变形，以获得具有一定机械性一定形状和尺寸的锻件的加工方法。

能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。

锻造和冲压同属塑性加工性质，锻造和冲压同属塑性加工性质，统称锻压

锻造生产的特点及其在国民经济中的作用

特点地位

大型锻件主要应用于以下方面

1、轧钢设备轧钢设备2、锻压设备锻压设备3、矿山设备矿山设备4、火力发电设备火力发电设备5、水力发电设备水力发电设备6、核能发电设备核能发电设备7、石油、化工设备石油、石油8、船舶制造工业船舶制造工业9、军工产品制造军工产品制造：

军工产品制造

实例（核反应堆中主要锻件M140）实例（核反应堆中主要锻件M140）M140

Closurehead（monobloc）VesselflangeInlet（outlet）nozzleNozzleshellCoreshellTransitionringLowerdome

实例

EllipticalheadUppershell（Ⅰ、Ⅱ）ConicalshellIntermediateshell（lower）（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）TubesheetPrimaryhead（channelhead）

实例

UpperheadCoreshellLowerhead

我国锻造生产的历史，我国锻造生产的历史，现状及发展趋势

历史现状趋势

锻造生产方法的分类

按所用工具不同，按所用工具不同，锻造可以分为自由锻和模锻两大类按坯料在加工时的温度可分为冷锻和热锻。

按坯料在加工时的温度可分为冷锻和热锻。

第二、第二、锻造用原材料

金属材料按加工状态

锻造用钢锭

钢锭及其冶炼钢锭的结构钢锭的内部缺陷实例（接管段炼钢的简要流程）实例（接管段炼钢的简要流程）

钢锭及其冶炼

冶炼工艺的主要任务冶炼工艺的主要方法

钢锭的结构

钢锭是由冒口、锭身、底部组成

钢锭的内部缺陷

激冷结晶区（细小等轴结晶区）激冷结晶区（细小等轴结晶区）没问题柱状结晶区没多大问题树枝状结晶区多产生负V型偏析,因此这部分多产生偏析线、夹渣、多产生负V型偏析,因此这部分多产生偏析线、夹渣、气泡等缺陷自由结晶区（粗大等轴结晶区）自由结晶区（粗大等轴结晶区）多产生V型偏析,常产生偏析线、夹渣、金属夹杂物、渣孔、气泡等缺陷,多产生V型偏析,常产生偏析线、夹渣、金属夹杂物、渣孔、气泡等缺陷,呈所谓疏松组织淀淀结晶区常产生夹渣类缺陷

偏析

定义：

指各处成分与杂质分不的不均匀现象，定义指各处成分与杂质分不的不均匀现象，包括枝晶偏析和区域偏析等成因：

由于选择性结晶、溶解度变化、成因：

由于选择性结晶、溶解度变化、比重差异和流速不同造成的。

差异和流速不同造成的。

危害：

危害：

造成力学性能不均匀和裂纹缺陷

夹杂

定义：

主要是指冶炼时产生的氧化物，定义：

主要是指冶炼时产生的氧化物，硫化硅酸盐等非金属夹杂。

物、硅酸盐等非金属夹杂。

成因：

冶炼产物，成因：

冶炼产物，及外来夹渣物危害：

对热锻过程和锻件质量均有不良影响，危害：

对热锻过程和锻件质量均有不良影响，它破坏金属的连续性，它破坏金属的连续性，在应力的作用下在夹杂处产生应力集中，引发微裂纹，杂处产生应力集中，引发微裂纹，成为疲劳源

气体

定义：

主要指钢中的有害气体，如氢、氧等。

定义：

主要指钢中的有害气体，如氢、氧等。

危害：

容易产生白点缺陷，还会引起脆性，危害：

容易产生白点缺陷，还会引起脆性，热锻工艺性将明显下降。

热锻工艺性将明显下降。

白点对钢的机械性尤其对塑性和韧性有影响，能，尤其对塑性和韧性有影响，是许多重要用途的合金钢不允许有的低倍缺陷

气泡

它主要产生在钢锭的冒口、底部、它主要产生在钢锭的冒口、底部、及中心部位。

缩孔

它主要在最后凝固的冒口区形成，它主要在最后凝固的冒口区形成，由于冷凝结晶时没有钢液补充面形成孔洞性缺陷组织，结晶时没有钢液补充面形成孔洞性缺陷组织，同时含有大量杂质，同时含有大量杂质，因此必须切除

疏松

它主要集中在钢锭中心部位，它主要集中在钢锭中心部位，产生的原因与缩孔相同。

缩孔相同。

影响钢锭冶金缺陷的条件

综上所述，钢锭的冶金缺陷与冶炼、综上所述，钢锭的冶金缺陷与冶炼、浇注过冷凝结晶条件、钢锭模具设计、程、冷凝结晶条件、钢锭模具设计、耐火材料质量等有关。

料质量等有关。

实例（实例（接管段锻件用钢生产方案）

采用双真空处理的工艺进行生产。

采用双真空处理的工艺进行生产。

.1、冶炼浇注方案、采用电炉（、、）冶炼温度较高、采用电炉（3#、4#、5#）冶炼温度较高、成份合适的粗炼钢水，分别热兑到130t和90t精炼炉内进行适的粗炼钢水，分别热兑到和精炼炉内进行精炼及一次真空处理。

依据炉前快速分析的结果，精炼及一次真空处理。

依据炉前快速分析的结果，适时调整钢水成份，直至达到目标值。

适时调整钢水成份，直至达到目标值。

当精炼炉钢水成份、温度合适时，分别采用200t当精炼炉钢水成份、温度合适时，分别采用天车吊包出钢，真空室（真空室真空室）及250t天车吊包出钢，在250t真空室（1#真空室）、天车吊包出钢真空室利用真空浇注及中间包芯杆吹氩（利用真空浇注及中间包芯杆吹氩（LB3），在浇注）过程中对钢水进行二次真空处理。

过程中对钢水进行二次真空处理。

钢锭在浇注完并冷凝一定时间后，脱模，钢锭在浇注完并冷凝一定时间后，脱模，用300t送送锭车热送至水锻

实例（接管段锻件用钢生产方案）实例（接管段锻件用钢生产方案）

130tLF出钢3#+4#+5#精炼（VD）热兑精炼粗炼

250t天车天车

2、工艺流程图、

3#+5#粗炼

出钢90tLF精炼（VD）热兑精炼

200t天车天车

1#真空室真空室浇注（LB3）

300t送锭送锭车热送

第三锻造的热规范

金属的锻前加热金属加热时产生的缺陷及防止措施锻造温度范围的确定金属的加热规范

金属的锻前加热

目的：

提高金属的塑性，降低变形抗力，目的：

提高金属的塑性，降低变形抗力，使其易于流动成形并获得良好的锻后组织方法：

火焰加热，方法：

火焰加热，电加热金属加热时产生的缺陷及防止措施

1、氧化2、脱碳3、过热4、过烧5、裂纹

锻造温度范围的确定

锻造温度范围是指始锻温度和终锻温度之间的温度范围。

的温度范围。

1、始锻温度的确定必须保证无过烧现象，必须保证无过烧现象，2、终锻温度的确定防止晶粒粗大，防止晶粒粗大，应稍高于再结晶温度

金属的加热规范

加热规范制定的原则及方法1、装炉温度2、加热温度3、均热保温4、加热时间

第四、第四、自由锻主要工序分析

自由锻的定义自由锻的目的自由锻的工序分类大型锻件的特殊锻造方法锻件的主要缺陷

自由锻的定义

自由锻造是利用金属的塑性在锤或液压机上采用简单通用工具，控制金属流动，采用简单通用工具，控制金属流动，将金属坯料锻造成型的方法

自由锻的目的

（1）使金属坯料成为一定的形状和尺寸锻合金属坯料内部疏松、

（2）锻合金属坯料内部疏松、缩孔等冶金缺陷去除钢锭的夹杂（切除水口、冒口）（3）去除钢锭的夹杂（切除水口、冒口）或改善夹杂物的分布（4）使锻件得到均匀的组织为锻后热处理创造良好的条件

自由锻的工序分类

1、基本工序：

镦粗、拔长、冲孔、芯棒拔长、基本工序：

镦粗、拔长、冲孔、芯棒拔长、马杠扩孔，弯曲、切断、错移、扭转、马杠扩孔，弯曲、切断、错移、扭转、锻接辅助工序：

钢锭倒棱、2、辅助工序：

钢锭倒棱、预压钳口等修整工序：

滚圆、平整、3、修整工序：

滚圆、平整、

大型锻件的特殊锻造方法

（1）、FM法（FreeFromMannesmanneffect）避免产生曼内斯曼效应，即锻件心部不产生拉应力的锻造方法，因此又可以叫作：

毛坯中心部位免除了轴向拉应力的锻造法

（2）WHF法（widedieheavyblowforgingmethod）,WHF法是宽砧强力压下锻造法。

一般与JTS法并用（3）JTS法即中心压实法（或温间锻造法、硬壳锻造法）（4）KD法（V型钻锻造法）用途很广泛。

锻件的主要缺陷

（1）

（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）横向裂纹纵向裂纹表面龟裂内部微裂局部粗晶表面折叠中心偏移机械性能不能满足要求

自由锻工艺要点

水冒口要除量变形过程的选择锻造比的选择压实过程

12500t自由锻水压机

第五锻后热处理

锻后热处理的目的与作用锻后热处理常用方法实例（锻后热处理曲线）实例（锻后热处理曲线）

锻后热处理的目的与作用

消除锻造应力，降低锻件的表面硬度，

（1）消除锻造应力，降低锻件的表面硬度，提高其切削加工性能。

提高其切削加工性能。

满足机械性能要求。

（2）满足机械性能要求。

调整与改善组织。

（3）调整与改善组织。

防止和消除白点的问题。

（4）防止和消除白点的问题。

锻后热处理常用方法

方法：

方法：

退火annealing退火正火normalizing正火normalizing回火tempering回火淬火quenching