金属材料与热处理教学课件PPT.ppt

常用金属材料性能与热处理,1、介绍金属材料的性能及指标。 2、介绍常用钢、铁材料的分类、牌号、性能和用途。 3、介绍钢的热处理方式和目的。,1、1金属材料的性能,为更合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能（使用性能）及其在冷热加工过程中材料应具备的性能（工艺性能）。 材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（耐用腐蚀性、抗氧化性），力学性能（机械性能）。材料的工艺性能指材料适应冷、热加工方法的能力。,1）机械性能（力学性能）：机械性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的特性。 1、1 强度：材料在外力（载荷）作用下，抵抗变形和断裂的能力。材料单位面积受载荷称应力。 1、2 屈服点（s）：称屈服强度，指材料在拉抻过程中，材料所受应力达到某一临界值时，载荷不再增加变形却继续增加或产生0.2%l时应力值，单位用牛顿/毫米 （n/mm ）表示。 1、3 抗拉强度（b）也叫强度极限指材料在拉断前承受最大应力值。单位用牛顿/毫米 （n/mm ）表示。,1、4 延伸率（）：材料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比。 1、5 断面收缩率（）材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积与原断面积百分比。 1、6 硬度：指材料抵抗其它更硬物压入其表面的能力，常用硬度按其范围测定分布氏硬度（hbs、hbw）和洛氏硬度（hka、hkb、hrc） 1、7 冲击韧性（ak）：材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳/厘米 （j/cm ）. 2）工艺性能：指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。 2、1 铸造性能：指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能，主要包括流动性能、充满铸模能力；收缩性、铸件凝固时体积收缩的能力；偏析指化学成分不均性。,2、2 焊接性能：指金属材料通过加热或加热和加压焊接方法，把两个或两个以上金属材料焊接到一起，接口处能满足使用目的的特性。 2、3 冷弯性能：指金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂性能。弯曲程度一般用弯曲角度（外角）或弯心直径 d对材料厚度 a的比值表示，a愈大或 d/a愈小，则材料的冷弯性愈好。 2、4 冲压性能：金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。在常温进行冲压叫冷冲压。检验方法用杯突试验进行检验。 2、5 锻造性能：金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能力。,3）化学性能：指金属材料与周围介质扫触时抵抗发生化学或电化学反应的性能。 3、1 耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。 3、2 抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。,1、2金属材料,金属材料是应用最广泛的材料，目前仍占据材料工业的主导地位。包括黑色金属的型钢、钢板及钢带、钢管、钢丝、钢丝绳，有色金属的棒材、线材、板材、带材及箔材、管材等9大类。 黑色金属：如生铁、铁合金、铸铁、钢、合金钢等。钢和生铁都是以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。 习惯上把碳含量2.11%的归类于铁，碳含量2.11%的归类于钢。当铁中含c在0.03%1.2%范围时则为钢，含c1.2%2.5%的铁缺乏实用性，一般不进行工业生产。,1）铸铁 ：铸铁是以铁-碳-硅为主的多元铁基合金。 普通铸铁的化学成分一般为24碳，13硅，0.020.25硫，0.051.0磷。 铸铁的铸造性能优良，因而通常采用铸造的方法制造成铸件使用，故称之为铸铁。 铸铁是人类使用最早的金属材料之一。到目前为止，铸铁仍是一种被广泛使用的金属材料。,铸铁中的碳主要是以石墨的形态存在，所以，铸铁的组织是由金属基体和石墨所组成的。 铸铁的金属基体有珠光体、铁素体、铁素体珠光体，经热处理后有马氏体、贝氏体等组织，它们相当于钢的组织。 铸铁中石墨的形态可分为六种: 型为片状石墨; 型为蟹状石墨; 型为蠕虫状石墨; 型为聚集状(团絮状)石墨; 型为不规则或开裂状石墨; 型为球状石墨。,总之，铸铁的组织特点，是在钢的基体上分布着不同形状的石墨见图1-1。,图1-1 铸铁中石墨的六种形态,2)、铸铁的性能特点 铸铁的性能取决于铸铁的组织和成分。因此，铸铁的机械性能主要取决于铸铁基体组织以及石墨的数量、形状、大小及分布特点。石墨机械性能很低，硬度仅为hb35，抗拉强度为20mpa，延伸率接近零 石墨 珠光体 铁素体 抗拉强度mpa 20 8001000 350400,石墨与基体相比，其强度和塑性都要小得多，石墨减小铸铁件的有效承载截面积，同时石墨尖端易使铸件在承载时产生应力集中，形成脆性断裂。 因此，铸铁的抗拉强度、塑性和韧性要比碳钢低， 一般说来，石墨的数量越少，分布越分散，形状越接近球形，则铸铁的强度、塑性和韧性越高。,看出钢在断裂前，有明显的屈服阶段，其延伸率较高，而铸铁则没有明显的屈服阶段，铁素体加球状石墨铸铁的延伸率为25，片状石墨的普通铸铁由于石墨边缘尖端产生应力集中，从而容易造成脆性断裂，延伸率约在1以下。,图1-2 铸铁与钢的应力-应变曲线的比较示意图,虽然铸铁的机械性能不如钢，但由于石墨的存在，却赋予铸铁许多为钢所不及的性能。如良好的耐磨性、高的消振性、低的缺口敏感性以及优良的切削加工性。此外，铸铁的碳含量高，其成分接近共晶成分，因此，铸铁的熔点低，约为1200左右，铁水流动性好；石墨结晶时体积膨胀，所以铸造收缩率小，其铸造性能优于钢。,3)、铸铁的分类 及牌号、用途 3、1铸铁的分类: 铸铁是碳含量大于2.11的铁碳合金，其中的碳有以化合态的渗碳体fe3c析出,也有以游离态的石墨析出。根据铸铁中的碳在结晶过程中的析出状态以及凝固后断口颜色的不同，状态可分为三大类： 白口铸铁；麻口铸铁；灰口铸铁,白口铸铁碳除少量溶于铁素体外，其余全部以化合物状态的渗碳体析出,凝固后断口呈白亮的颜色，故称白口铸铁。 麻口铸铁碳既以化合状态的渗碳体析出，又以游离状态的石墨析出.凝固后断口夹杂着白亮的渗碳体和暗灰色的石墨，故称为麻口铸铁。 灰口铸铁碳全部或大部分以游离状态的石墨析出，凝固后断口呈灰色，故称为灰口铸铁。 白口铸铁的性质硬而脆，所以，工业上应用较少。,工业上大量使用的是通过控制化学成分与铸造工艺，或者借助于热处理方法，使铸铁中的碳全部或大部分呈游离态的石墨存在的灰口铸铁。 灰口铸铁性能与成分及基体组织有关外，还取决于石墨的形状、大小、数量及分布。 灰口铸铁按石墨的形状和大小又可分为： 灰铸铁 石墨为片状；(常被称为灰口铸铁) 球墨铸铁石墨为球状； 可锻铸铁石墨为团絮状； 蠕墨铸铁石墨为蠕虫状。,3、2铸铁牌号及用途 :,各种铸铁代号，由表示该铸铁特征的汉语拼音字母的第一个大写正体字母组成。当两种铸铁名称的代号字母相同时，可在该大写正体字母后加小写正体字母来区别。 牌号中代号后面的一组数字，表示抗拉强度值；有两组数字时，第一组表示抗拉强度值，第二组表示延伸率值。两组数字中间用“一”隔开。 合金元素用国际元素符号表示，含量大于或等于1%时，用整数表示：小于1 %时一般不标注。常规元素（c、si、mn、s、p）一般不标注，有特殊作用时，才标注其元素符号及含量。 如：,ht100 灰铸铁 rut400 蠕墨铸铁 qt400-17 球墨铸铁 kht300-06 黑心可锻铸铁 kbt350-04 白心可锻铸铁 kzt450-06 珠光体可锻铸铁 mt cu1pti-150 耐磨铸铁 kmbtmn5mo2cu 抗磨白口铸铁 kmqtmn6 抗磨球墨铸铁 ltcrmor 冷硬铸铁 stsi15r 耐蚀铸铁 sqtal15si5 耐蚀球墨铸铁 rtcr2 耐热铸铁 rqta16 耐热球墨铸铁,表11常见灰铸铁的牌号及其用途,4）、工业用钢 重要的金属材料。 碳素钢:价格低、易加工、可热处理、可塑变。 合金钢:在碳钢的基础上有意地加入一种或几种合金元素。机械性能（如强度、塑性、淬透性、冲击韧性等）和特殊性能（耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性、电磁性等）改善，但价格高。,4、1 钢的分类和编号及用途,一、钢的分类 （一）按用途分类 （1）结构钢： 工程用钢或构件用钢分甲、乙、特及普通低合金钢； 机器零件用钢渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢。 （2）工具钢： 刃具钢、模具钢、量具钢。 （3）特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢、电工用钢。,（二）按化学成分分类 （1）碳素钢低碳钢（0.25%）、中碳钢（0.25-0.6%)；高碳钢（0.6%)； （2）合金钢低合金钢（ 5%）、中合金钢（5-10%）、高合金钢（ 10%）合金钢 ； （3）锰钢、铬钢、铬镍钢、硼钢等。,（三）按显微组织分类 （1）按平衡组织或退火组织分类亚共析、共析、过共析和莱氏体钢。 （2）按正火组织分类珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢。 （3）按加热冷却时有无相变和室温时的组织铁素体钢、奥氏体钢、复相钢。,（四）按品质分类 （按钢中的p、s等有害杂质的含量）（1）普通钢 p含量0.045%，s含量0.055%； （2）优质钢 p含量0.040%，s含量0.040%； （3）高级优质钢 p含量0.035%，s含量0.030%；,二、钢的编号,原则国际化学元素符号和汉语拼音并用 化学元素如si、mn、cr、w、re等。 产品名称、用途、冶浇和铸炼方法拼音。 （一）普通碳素结构钢（gb700-79） 甲类钢按性能要求供货，用甲yx或ayx表示， x为0、1、2、7。数字越大含碳量越大，强度越高，塑、韧性降低。y表示冶炼方法。如j、d。如为沸腾钢最后加“f”，半镇静钢加b，镇静钢不加，如a3f，aj3。 乙类钢按成分要求供货，用乙yx或byx表示，bd3，bj3b。 特类钢按成分和性能要求供货，用特yx或cyx表示。,新国标（gb700-88） 用碳素结构钢取代普通碳素结构钢 q195成分同b1，性能同a1； q215a同a2，q215b同c2； q235aa3，q235bc3，q235c焊接； q255aa4，q255bc4； q275不分等级c5 数字表示钢的屈服强度（mpa）,（二）优质碳素结构钢 两位数字（含碳万分之几）+合金元素+专门用途标记。例如 20g、50mn等。 （三）碳素工具钢 碳（t）+数字（含碳量的千分之几）+合金元素（mn）+a（表示高级优质），例如：t8a、t10mna等。 （四）合金结构钢 数字（含碳量万分之几）+元素（化学元素符号）+数字（合金元素的百分之几）。 例如：20mnvba、36mn2si、40crnimo等。,（五）合金工具钢 含碳量+元素+数字，含碳量1.0%时不标，1.0%时用千分之几表示,例如crmn、9mn2v等。含铬量低时，用千分之几表示，并在数字前加0，如cr06。高速钢中不标含碳量，如w18cr4v，w6mo5cr4v2等。 （六）铬滚动轴承钢 滚或g+cr+数字（cr含量的千分之几）,例如：gcr15,(七) 不锈钢与耐热钢 数字+元素+数字 第一个数字表示含碳量的千分之几, 第二个数字表示合金元素的百分之几。起重要作用的微量元素也要标出。 例如：9cr18，00cr18ni10（ c 0.03%)，0cr18(c 0.08%) 等。,(八) 铸钢 铸钢主要用于制造形状复杂，具有一定强度、塑性和韧性的零件。碳是影响铸钢性能的主要元素，随着碳质量分数的增加，屈服强度和抗拉强度均增加，而且抗拉强度比屈服强度增加得更快，但当碳的质量分数大于0.45%时，屈服强度很少增加，而塑性、韧性却显著下降。所以，在生产中使用最多的是zg230-450、zg270-500、zg310-570三种。,表12常见碳素结构钢的牌号、机械性能及其用途,表13常见合金钢的牌号、机械性能及其用途,表14常见碳素铸钢的成分、机械性能及其用途,金属热处理基础知识,何为热处理：,热处理是通过改变材料的组织结构从而大幅度改变材料性能的工艺环节，是提高产品的内在质量、保证整机使用性能和可靠性的关键。在制造业中有着十分重要的作用。 热处理工艺方法有：正火、退火、淬火、渗碳、氮化、高频感应加热淬火、离子氮化。为了实现以上工艺，我们配备的设备有：电阻炉、多用炉、真空炉、盐浴炉、高频感应设备、气体氮化炉、固溶炉、及各种冷却设备等。 金属热处理是在固态下将金属和合金加热到一定温度，保温一段时间，然后以冷却速度冷却，通过加热速度、保温温度、保温时间和冷却速度四个基本要素有机配合，使金属和合金内部组织结构发生转变，从而获得一定性能的工艺方法。,金属热处理工艺分类,热处理,整体热处理,表面热处理,化学热处理,退火,正火,淬火,回火,感应加热淬火,火焰表面加热淬火,渗碳,碳氮共渗,渗氮,氮碳共渗,将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却(一般随炉冷却)的热处理工序称为退火。 退火的主要目的: 1、降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。 2、细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的的热处理做准备。 3、消除钢中的残余内应力，以防止变形和开裂。 退火分为：完全退火、球化退火、等温退火、再结晶退火、石墨退火、扩散退火、去应力退火、焊后退火。,退火的目的和应用,退火,完全退火 用以细化中、低碳钢经铸造、锻压和焊接后出现的力学性能不佳的粗大过热组织。将工件加热到铁素体全部转变为奥氏体的温度以上3050，保温一段时间，然后随炉缓慢冷却，在冷却过程中奥氏体再次发生转变，即可使钢的组织变细。 球化退火 用以降低工具钢和轴承钢锻压后的偏高硬度。将工件加热到钢开始形成奥氏体的温度以上2040，保温后缓慢冷却，在冷却过程中珠光体中的片层状渗碳体变为球状，从而降低了硬度。,退火,等温退火 用以降低某些镍、铬含量较高的合金结构钢的高硬度，以进行切削加工。一般先以较快速度冷却到奥氏体最不稳定的温度，保温适当时间，奥氏体转变为托氏体或索氏体，硬度即可降低。 再结晶退火 用以消除金属线材、薄板在冷拔、冷轧过程中的硬化现象（硬度升高、塑性下降）。加热温度一般为钢开始形成奥氏体的温度以下50150 ，只有这样才能消除加工硬化效应使金属软化。 石墨退火 用以使含有大量渗碳体的铸铁变成塑性良好的可锻铸铁。工艺操作是将铸件加热到950左右，保温一定时间后适当冷却，使渗碳体分解形成团絮状石墨。,退火,扩散退火 用以使合金铸件化学成分均匀化，提高其使用性能。方法是在不发生熔化的前提下，将铸件加热到尽可能高的温度，并长时间保温，待合金中各种元素扩散趋于均匀分布后缓冷。 去应力退火 用以消除钢铁铸件和焊接件的内应力。对于钢铁制品加热后开始形成奥氏体的温度以下100200，保温后在空气中冷却，即可消除内应力。 不完全退火 加热温度在ac1accm之间，冷却速度：在500600以上时，碳钢是100200/h，合金钢是50100/h，高合金钢是2060/h，主要用于过共析钢。,退火,退火,定义： 将工件加热至ac3(ac是指加热时自由铁素体全部转变为奥氏体的终了温度)或acm(acm是实际加热中过共析钢完全奥氏体化的临界温度线 )以上3050，保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化。 与退火相比： 正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而正火组织要比退火组织更细一些，其机械性能也有所提高。另外，正火炉外冷却不占用设备，生产率较高，因此生产中尽可能采用正火来代替退火。对于含碳量低于0.25%的低碳钢，正火后达到的硬度适中，比退火更便于切削加工，一般均采用正火为切削加工作准备。对含碳量为0.250.5%的中碳钢，正火后也可以满足切削加工的要求。,正火的目的：,正火,用于低碳钢，正火后硬度略高于退火，韧性也较好，可作为切削加工的预处理。 用于中碳钢，可代替调质处理作为最后热处理，也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预备处理。 用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等，可以消降或抑制网状碳化物的形成，从而得到球化退火所需的良好组织。 用于铸钢件，可以细化铸态组织，改善切削加工性能。 用于大型锻件，可作为最后热处理，从而避免淬火时较大的开裂倾向。 用于球墨铸铁，使硬度、强度、耐磨性得到提高，如用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件。 过共析钢球化退火前进行一次正火，可消除网状二次渗碳体，以保证球化退火时渗碳体全部球粒化。,正火主要应用：,正火,普通结构零件的最终热处理 ，由于正火后工件比退火状态具有更好的综合力学性能，对于一些受力不大、性能要求不高的普通结构零件可将正火作为最终热处理，以减少工序、节约能源、提高生产效率。此外，对某些大型的或形状较复杂的零件，当淬火有开裂的危险时，正火往往可以代替淬火、回火处理，作为最终热处理。,正火,定义： 将钢加热到临界温度ac3（亚共析钢）或ac1（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到ms以下（或ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。 目的： 使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。 ms:为马氏体转变的起始温度,是奥氏体和马氏体两相自由能之差达到相变所需的最小驱动力(临界驱动力)时的温度. mf:为马氏体转变终了温度 马氏体转变开始温度(ms)和终了温度(mf)分别为353和333,淬火,淬火冷却的方式：,淬火冷却的方式：,淬火冷却操作方法：,常用钢的正火、淬火参数：,回火,定义： 是将淬火钢加热到奥氏体转变温度以下，保温1到2小时后冷却的工艺。回火往往是与淬火相伴，并且是热处理的最后一道工序。 目的： 减少或消除淬火内应力，防止工件变形或开裂。 获得工艺要求的力学性能。 稳定工件尺寸。 对于某些高淬透性的钢，空冷即可淬火，如采用退火则软化周期太长，而采用回火软化则既能降低硬度，又能缩短软化周期。 对于未经淬火的钢，回火是没有意义的，而淬火钢不经回火一般也不能直接