金属材料、表面处理及热处理概述

1、 1.11.1常用金属材料常用金属材料 金属材料可分为钢铁材料和非铁材料（有色金属材料）两大类， 而钢又可分为碳素钢碳素钢和合金钢合金钢，钢铁以外的其他金属称为非铁金属 材料或有色金属材料。 钢的分类方法很多，常用的是按钢的用途分类，可分为结构钢、 工具钢和特殊性能钢。 (1)低碳钢 （碳含量0.25%） 碳素钢 （2）中碳钢 （碳含量0.25%-0.6%） （3）高碳钢 （碳含量0.6%-2.11%） 铸铁中的碳主要以渗碳体和石墨两种形式存在，根据碳的存在 形式不同，铸铁可以分为下列几种：（1）白口铸铁 （2）灰铸铁碳 （3）麻口铸铁 根据铸铁中石墨形态不同，铸铁又可分为：灰铸铁中的石墨呈

2、片状；可锻铸铁中的石墨呈团絮状；球墨铸铁中的石墨呈球状，蠕 墨铸铁中的石墨呈蠕虫状。 1.21.2金属的力学性能金属的力学性能 材料的力学性能是指材料在外力作用下所表现出来的特性。力学 性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧度及疲劳强度等。 强度是指金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。 金属材料在载荷的作用下，产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。 材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏 的性质。 硬度是指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。 常用来测定硬度的方法有布氏硬度试验法和洛氏硬度试验法。 如图2-2所示采用 直径为D的淬火钢球或 硬质合金球，在规定载 荷F

3、的作用下，压入被 测金属表面，保持一 定时间后卸除载荷，测 定压痕直径，求出压痕 球形的表面积，压痕单 位表面积上所承受的平 均压力（F/A）即为布 氏硬度值，压头为淬火 钢球时用HBS表示，压 头为硬质合金球用时 HBW表示。例如120HBS， 450HBW。 采用顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球作 为压头如图2-3所示。试验时先施加初载荷，使压头与试样表面接 触良好，保证测量准确，再施加主载荷，保持到规定的时间后再卸除 主载荷，依据压痕的深度来确定材料的硬度值。 对于承受冲击载荷的材料，如汽车 发动机中的活塞，不仅要求具有高的强 度和一定的塑性，还必须具备足够的冲

4、 击韧度。金属材料抵抗冲击载荷作用而 不破坏的能力称为冲击韧度。 冲击韧度的测定方法，如图2-4所 示。是将被测材料制成标准缺口试样， 在冲击试验机上由置于一定高度的重锤 自由落下而一次冲断。冲断试样所消耗 的能量称为冲击功，其数值为重锤冲断 试样的势能差。冲击韧度值aKV就是试 样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功， 这个值越大，则韧性越好，受冲击时， 越不容易断裂。 六 在汽车上的许多零件中，比如各种轴、齿轮、弹簧、连杆等，要 受到大小和方向呈周期性变化的载荷作用。这种交变载荷虽然小于材 料的强度极限，甚至小于其弹性极限，但经多次循环后，在没有明显 的外观变形时也会发生断裂，这种破坏称作疲劳

5、破坏或疲劳断裂。这 种破坏都是突然发生的，具有很大的危险性。 疲劳强度-1是表示材料以周期性交变载荷作用而不致引起断裂 的最大应力，其大小与应力变化的次数有关。对于黑色金属规定循环 次数为107次，有色金属循环次数为108次。 为了提高金属的疲劳强度，可以通过改善零件的结构形状，避免 应力集中，减小表面粗糙度值，进行表面热处理和强化处理等方法。 热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却 以获得所需要的组织结构与性能的工艺。 根据热处理的目的和工艺方法的不同，热处理可分为： 2钢的热处理常识钢的热处理常识 热处理 方法虽然很 多，但任何 一种热处理 工艺都是由 加热、保温、 和

6、冷却三个 阶段所组成 的。热处理 工艺过程可 用在温度一 时间坐标系 中的曲线图 表示，这种 曲线称为热 处理工艺曲 线，见图2-5。 在热处理工艺中，钢的加热目的是为了获得奥氏体，奥氏体是钢在 高温状态时的组织，其强度及硬度高，塑性良好，晶粒的大小、成分及 其均匀化程度，对钢冷却后的组织和性能有重要影响。因此，钢在加热 时，为了得到细小均匀的奥氏体晶粒，必须严格控制加热温度和保温时 间，以求在冷却后获得高性能的组织。 冷却是热处理的关键工序，成分相同的钢经加热获得奥氏体组织后， 以不同的速度冷却时，将获得不同的力学性能，见表2-1。 热处理中的临界温度热处理中的临界温度 应该是指相变临界点的

7、温度，铁碳合金相图中 碳钢在非常缓慢加热活冷却过程中，固态组织转变的临界温度可由 铁碳合金相图中A1线（PSK）、A3线(GS)、Acm(ES)线来确定， A1、A3、Acm都是平衡临界点，即新相与旧相平衡的温度。但在 热处理时，实际加热活冷却的速度不可能是非常缓慢的，因此，组 织的转变都偏离平衡临界点出现迟滞现象，即钢中各相的转变温度 在加热时要稍高于相图所指出的相变温度，在冷却时要稍低于相图 所指出的相变温度，因此，钢在实际临界点在加热时附以小写字母 c，冷却时附以小写字母r以示区别。钢的临界点含义如下： Ac1（727）：加热时，珠光体向奥氏体转变的温度 Ac3：亚共析钢加热时，铁素体向

8、奥氏体转变的终了温度， ACcm：过共析钢加热时，二次渗碳体向奥氏体溶入的终了温度， Ar1：冷却时，奥氏体向珠光体转变的温度 Ar3：亚共析钢冷却时，奥氏体向铁素体转变的起始温度， Arcm：过共析钢冷却时，二次渗碳体由奥氏体析出的起始温度。 这些临界点是钢在热处理的加热和冷却时组织发生变化的温度的主 要依据。 退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的四种基本工艺，称为 “四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。 1、退火：是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不 同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或 接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能

9、，或者为进一步淬 火作组织准备。 2、正火；是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效 果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能， 也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。 3、淬火：是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水 溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。 4、回火：为了降低淬火钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温 而低于710的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这 种工艺称为回火回火。 1.退火概念: 所谓退火，就是将金属或合金加热到适当温度，保温一定时间， 然 后随 炉缓慢冷却的热处理工艺，其实质是将钢加热奥氏体化后进行

10、珠光 体转变。 退火目的和作用: (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，消除因锻、焊等引起的组织缺陷，均匀钢的组织成分， 改善 钢的性能或为以后的热处理作准备; (3)消除钢中的内应力，以防止变形或开裂。 退火、正火、淬火、回火对比和区别 2.淬火概念: 淬火就是将钢加热到Ac3或Ac1点以上某一温度，保持一定时间， 然后 以适当速度冷却获得马氏体和(或)贝氏体组织的热处理工艺。 淬火目的和作用: 淬火的目的是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，获得所需的 力学性能。 注: 淬火态工件不允许直接

11、投入现场使用，通常在此之后必须实时 进行12 次或以上之回火加工，以调整其组织及应力等。 3.回火概念： 回火就是钢件淬硬后，再加热到低于点以下某一温度，保温 一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。 回火目的和作用： (1)合理地调整力学性能，使工件满足使用要求； (2)稳定组织，使工件在使用过程中不发生组织转变，从而保证 工件的尺寸、 形状不变； (3)降低或消除淬火内应力，以减少工件的变形并防止开裂。 调质调质 操作方法：淬火后高温回火称调质，即将钢件加热到比淬火时高1020度的 温度，保温后进行淬火，然后在400720度的温度下进行回火。 目的：1.改善切削加工性能，提高加工表面光洁程度

12、；2.减小淬火时的变形 和开裂；3.获得良好的综合力学性能。 应用要点：1.适用于淬透性较高的合金结构钢、合金工具钢和高速钢；2. 不 仅可以作为各种较为重要结构的最后热处理，而且还可以作为某些紧密零件， 如丝杠等的预先热处理，以减小变形。 时效时效 操作方法：将钢件加热到80200度，保温520小时或更长时间，然后随炉 取出在空气中冷却。 目的：1. 稳定钢件淬火后的组织，减小存放或使用期间的变形；2.减轻淬火 以及磨削加工后的内应力，稳定形状和尺寸。 应用要点：1. 适用于经淬火后的各钢种；2.常用于要求形状不再发生变化的 紧密工件，如紧密丝杠、测量工具、床身机箱等。 常用的表面热处理方法

13、有表面淬常用的表面热处理方法有表面淬 火及化学热处理两种。火及化学热处理两种。 （1 1）火焰加热表面淬火（如）火焰加热表面淬火（如 图图2-82-8所示）所示） （2 2）感应加热表面淬火（如）感应加热表面淬火（如 图图2-92-9所示）所示） 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火 操作方法：用氧乙炔混合气体燃烧的火焰，喷射到钢件表面上，快 速加热，当达到淬火温度后立即喷水冷却。 目的：提高钢件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，心部仍保持韧性状态。 应用要点：1多用于中碳钢制件，一般淬透层深度为26mm； 2适用于单件或小批量生产的大型工件和需要局部淬火的工件。 感应加热表面淬火感应加热表面淬火 操作

14、方法：将钢件放入感应器中，使钢件表层产生感应电流，在极短 的时间内加热到淬火温度，然后喷水冷却。 目的：提高钢件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，心部保持韧性状态。 应用要点：1多用于中碳钢和中堂合金结构钢制件；2 由于肌肤效 应，高频感应淬火淬透层一般为12mm，中频淬火一般为35mm， 高频淬火一般大于10mm 化学热处理是指将钢件放入一定 温度的活性介质中保温，使一种或几 种元素渗入它的表层，以改变其表层 化学成分、组织和性能的热处理工艺。 化学热处理种类很多，最常用的 是渗碳和渗氮。 （1）钢的渗碳将工件置于渗碳 介质中加热并保温，使碳原子渗入工 件表层的化学热处理工艺，如图2-10 所示。

15、 渗碳 操作方法：将钢件放入渗碳介质中，加热至900950度并保温，使钢件便 面获得一定浓度和深度的渗碳层。 目的：提高钢件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，心部仍然保持韧性状态。 应用要点：1用于含碳量为015025的低碳钢和低合金钢制件， 一般渗碳层深度为0525mm；2渗碳后必须进行淬火，使表面得到 马氏体，才能实现渗碳的目的。 氮化 操作方法：利用在5600度时氨气分解出来的活性氮原子，使钢件表 面被氮饱和，形成氮化层。 目的：提高钢件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度以及抗蚀能力。 应用要点：多用于含有铝、铬、钼等合金元素的中碳合金结构钢，以及碳 钢和铸铁，一般氮化层深度为002508mm 氮碳

16、共渗 操作方法：向钢件表面同时渗碳和渗氮。 目的：提高钢件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度以及抗 蚀能力。 应用要点：1多用于低碳钢、低合金结构钢以及工具 钢制件，一般氮化层深0023mm；2氮化后还要 淬火和低温回火。 3.3.金属的表面处理金属的表面处理 发蓝：发蓝是将钢在空气中加热或直接浸於浓氧化性溶液中， 使其表面产生极薄的氧化物膜的材料保护技术，也称发黑。 发蓝膜的成分为磁性氧化铁，厚度为0.51.5微米，颜色 与材料成分和工艺条件有关，有灰黑、深黑、亮蓝等。 无电解镀镍：无电解镀镍是化学镀镍，也叫化学沉镍，是由 添加的还原剂提供催化动力发生镍层的沉积。镀液常常要 加主盐，稳定剂，还原剂

17、，络合剂，缓冲剂等。 电解镀镍：电镀镍是在指在电场的作用下使离子发生定向迁 移沉积成镀层的过程。镀液除了主盐等主要成分外还要加 各种电镀添加剂和各种助剂，主要是使镀层出光，整平， 细化结晶，防止针孔，促进阴极极化等等。（化学过程、 物理变化） 镀镍的作用：镍可以提高钢的机械性能，增加钢的强度、韧 性、耐热性，增加钢的防腐蚀、抗酸性及其导磁性等。镍 还能够细化晶粒、提高钢的淬透性和增加钢的硬度。 此外，在钢的热加工中，镍又有防止铜对金属表面产生有 害影响之功能。 镀铬的作用：镀铬主要有三个作用:1.增加表面的光洁度;2.增 加轴表面的防腐蚀性能;3.增加轴表面的耐磨性 镀锌的作用：主要起表面防腐

18、的作用。 综上所述：都是用在金属表面。镀铬主要是提高表面硬度， 美观，防锈。铬镀层具有良好的化学稳定性，在碱、硫化 物、硝酸和大多数有机酸中均不发生作用，但能溶于氢卤 酸(如盐酸)和热的硫酸中。 因铬不变色，使用时能长久保 持其反射能力而优于银和镍。 工艺一般都是电镀 镀镍主要是耐磨，防腐蚀，防锈，一般厚度较薄，工艺的话 分电镀和化学两类 镀锌主要是美观 防锈。zn是活泼金属，能与酸反应，所 以耐腐蚀性较差，但三种中最便宜。 喷砂：利用高速砂流的冲击作用清理和粗化基体表面的过程。 采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料（铜矿砂、 石英砂、金刚砂、铁砂、海南砂）高速喷射到需要处理的 工件表面，使工件表面的外表面的外表或形状发生变化， 由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，使工件的表面获 得一定的清洁度和不同的粗糙度，使工件表面的机械性能 得到改善，因此提高了工件的抗疲劳性，增加了它和涂层 之间的附着力，延长了涂膜的耐久性，也有利于涂料的流 平和装饰。 阳极氧化：所谓