常用金属材料及热处理

会计学1常用金属材料及热处理前言

Introduction

工程材料是构成机械的物质基础。机械的性能取决于其使用的材料.用于机械制造的材料有上千种,我们在选择材料时,既能保证使用性能、便于加工，又要有经济性，那就必须了解这些材料，认识这些材料。第1页/共70页

工程材料分类

金属非金属复合材料碳钢合金钢钢有色金属塑料橡胶陶瓷聚合物聚合物基复合材料金属基复合材料黑色金属重金属轻金属贵金属铸铁第2页/共70页

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。第3页/共70页工艺性能：指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。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.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。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α（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。

工艺性能第4页/共70页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。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。

化学性能化学性能：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。1.

耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。2.

抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。第5页/共70页腐蚀的概念金属表面受到外部介质作用而逐渐破坏的现象称为腐蚀或者锈蚀。腐蚀通常分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种类型。金属在电解质溶液中的腐蚀，称为电化学腐蚀；金属在非电解质中的腐蚀，称为化学腐蚀。大部分金属的腐蚀是电化学腐蚀。第6页/共70页电化学腐蚀示意图电化学腐蚀实际上是电池作用。-Fe+CuH2SO4e铁和铜在电解质H2SO4溶液中形成了一个电池，由于铁的电极电位低，为阳极，铜的电极电位高，为阴极，所以铁被溶解，而在阴极上就放出氢气。第7页/共70页化学腐蚀化学腐蚀就是金属与介质直接发生化学反应。在干燥环境下钢铁表面的红色锈蚀就是属于化学腐蚀：4Fe+3O2=2Fe2O3当氧气含量不足时，反应物为FeO(黑色）钢铁氧化发黑的成分是Fe3O4第8页/共70页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.抗拉强度：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/平方毫米（N/mm2

）表示。

2.

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/平方毫米（N/mm2

）表示。

机械性能（力学性能）第9页/共70页3.延伸率（δ）：材料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比。4.断面收缩率（Ψ）材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积与原断面积百分比。第10页/共70页第11页/共70页硬度硬度：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（HRA、HKB、HRC)和维氏硬度（HV)第12页/共70页布氏硬度原理：用一定直径的钢球以相应的试验力压入试样的表面，保持规定的时间后卸除试验力，在试样的表面留下球形痕迹，测量压痕直径的大小求得硬度值布氏硬度又两种：HBS和HBW,区别时钢球布同，HBS用的时淬火钢球，HBW是硬质合金球，HBS现在基本都不用，现在用的是HBW.布氏硬度计的优点：准确布氏硬度计的缺点：损伤大，不易测薄的工件第13页/共70页洛氏硬度原理：以顶角为120°的金刚石圆锥体或者直径时1.588mm的淬火钢球做压头，以规定的试验力压入试样的表面，根据压痕深度，确定硬度值。洛氏硬度有9种：HRA,HRB,HRC,HRD,HRE,HRF,HRG,HRH,HRK洛氏硬度计的优点：简单迅速，效率高，直接读数洛氏硬度计的缺点：不够准确第14页/共70页维氏硬度原理：原理与布氏相似，区别是采用锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体，测量压痕两对角线长度。优点：准确度高，压痕更小，是以微米单位来计缺点：效率低第15页/共70页冲击韧性

冲击韧性（Ak）：材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳/平方厘米（J/cm2）。韧性转变温度：冲击吸收功氏随着温度的降低而降低的，有些材料在低于某一温度时，冲击值显著下降，这一温度称为韧性转变温度普通碳素钢的韧性转变温度大约是在-20℃，这就是某些车辆、桥梁、管道等在东北等寒冷地区易发生脆断的原因。第16页/共70页

铁碳合金相图

。

铁碳合金相图：表示在平衡状态下铁碳合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。利用它可以研究钢和铸铁的内部组织及其变化规律，从而为更好的利用它们，并为制定热处理、压力加工等工艺规程打下基础。在工程中一般研究的铁碳合金状态图实际上都是铁与渗碳体两组元构成的状态图。第17页/共70页

铁碳合金的相图及组织转变工业纯铁碳钢白口铸铁亚共析钢共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁过共晶白口铁第18页/共70页工业纯铁含碳量小于0.0218%的铁碳合金，钢含碳量在0.0218%～2.11%的铁碳合金，

共析钢含碳量等于0.77%，

亚共析钢含碳量小于0.77%，

过共析钢含碳量位于0.77%～2.11%，白口铸铁含碳量在2.11%～6.69%的铁碳合金

共晶白口铸铁含碳量等于4.3%，

亚共晶白口铸铁含碳量位于2.11%~4.3%

过共晶白口铸铁含碳量位于4.3%～6.69%第19页/共70页1.铁素体（F）

碳溶于中的固溶体，它保持体心立方晶格结构。其显微组织如图1-15，溶解度（0.008%∼0.02%），故性质接近纯铁，强度、硬度低，塑性、韧性好。2.奥氏体（A）

碳溶于中的固溶体，保持面心立方晶格结构。其显微组织如图1-16，溶解度（0.77%∼2.11%），其强度和硬度略高于铁素体，塑性、韧性较好，奥氏体氏没有磁性的。3.渗碳体（Fe3C）

铁和碳组成的金属化合物，复杂斜方晶体结构。含碳量为6.69%，其硬度很高，塑性、韧性几乎为零，脆性极大，在一定条件下分解为铁和石墨。第20页/共70页图1-15铁素体的显微组织图1-16奥氏体的显微组织第21页/共70页4.珠光体P

珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。其显微组织如图1-17，珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。图1-17珠光体的显微组织第22页/共70页5.莱氏体Ld

莱氏体在727℃以上，由奥氏体与渗碳体组成的机械混合物，称为高温莱氏体Ld；在727℃以下，该组织转变为由珠光体与渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体Ld’。其力学性能与渗碳体相似，硬度较高，脆性较大。第23页/共70页

常用金属材料工业用钢

铸铁

有色金属第24页/共70页4.6.1钢（含碳量小于2.11%的铁碳合金）钢的分类：1）以含碳量分（按碳的质量分数ωC%）低碳钢(ωc≤0.25%)中碳钢(0.25%≤ωc≤

0.6%)高碳钢(0.6%<ωc≤

2.11%)2）以化学成份分（按合金成份）碳素钢（以Fe、C成份为主）合金钢（除Fe、C外，还有其它合金元素）第25页/共70页3）以钢的品质分（按有害杂质S、P含量）普通钢（ωs≤0.05%;ωp≤0.045%）优质钢（ωs≤0.04%;ωp≤0.04%）高级优质钢（ωs≤0.03%；ωp≤0.035%）4）以钢的用途分（按行业使用）结构钢（建筑、机械制造用）工具钢（工具、刀具、模具等用）特殊性能钢（防腐蚀、高温、导磁等场合用）

5）按冶炼时脱氧程度分沸腾钢（不脱氧F）镇静钢（脱氧完全Z）半镇静钢（脱氧不完全b）第26页/共70页钢中各元素的影响

1.碳的作用钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。第27页/共70页2.硅的影响硅能溶解于铁素体中，使铁素体强化，从而提高钢的强度。3.锰的影响锰能与硫化合成MnS，减少硫对钢的有害影响。在室温下，锰大部分溶于铁素体，对钢有一定的强化作用。4.磷和硫的影响磷和硫都是有害元素，一般情况下含量越低越好，要严格的控制其含量。第28页/共70页介绍钢的成份、使用特点及应用、牌号：（一）结构钢牌号：1、普通碳素结构钢字母Q+屈服点数值(Mpa)+质量等级。表示普碳结构钢共分195、215、235、255、275五种。共有A,B,C,D四个级别，A级最差。如：Q235A；Q215B；第29页/共70页2、优质碳素结构钢牌号：由两位数字组成表示碳的平均万分含量（常用：08∼85）如45（表示ωC≤0.45%的优质碳素结构钢）当ωMn=0.7∼1.2%时，在数字后加Mn如65Mn（表示ωc=0.65%,ωMn=0.7∼1.2%的优质碳钢）。第30页/共70页2、合金结构钢牌号：数字+元素符号+数字表示碳的平均万分含量元素平均百分含量：<1.5%不标记，表示所含合金元素的名称如：20Cr（表示ωc=0.2%,ωCr<1.5%的合金结构钢)如：38CrMnAl（表示ωc=0.38%,ωCr、ωMnωAl的含量均<1.5%的合金结构钢)如：60Si2Mn（表示ωc=0.6%,ωSi=1.5∼2.49%，的ωMn<1.5%的合金结构钢)第31页/共70页*滚动轴承钢

是合金结构钢中的一类专门用钢。牌号：字母G+合金元素+数字表示滚动轴承用钢表示所含主要合金元素的名称如：GCr9（表示ωCr=0.9%的滚动轴承钢)只标出铬元素平均千分含量，其它不标记，如：GCr15SiMn（表示ωCr=1.5%的滚动轴承钢)成份：ωC=1∼1.15%,加入了Mn、Si等合金元素，热处理后使用。第32页/共70页（二）工具钢1、碳素工具钢牌号：字母T+数字+质量级别表示工具钢表示碳的平均千分含量（7∼13）

末尾标，表示是高级优质如T7（表示含碳量为ωC≈0.7%的碳素工具钢）；如T10（表示含碳量为ωC≈1.0%的碳素工具钢）；第33页/共70页2、合金工具钢数字+元素符号+数字表示碳的平均千分含量,>1%不标记表示所含合金的名称元素平均百分含量：<1.5%不标记，第34页/共70页（三）特殊性能钢1、不锈钢（主要合金元素为Cr和Ni）牌号：数字+元素符号+数字表示碳的平均千分含量，<0.08%时用0表示表示所含合金的名称元素平均百分含量如：1Cr13（表示ωc≈0.1%,ωCr≈13%的不锈钢)；如：1Cr18Ni9（表示ωc≈0.1%,ωCr≈18%，ωNi≈9%的不锈钢)；如：2Cr13（表示ωc≈0.2%,ωCr≈13%的不锈钢)；第35页/共70页2、耐热钢牌号：数字+元素符号+数字表示碳的平均千分含量，<0.08%时用0表示表示所含合金的名称元素平均百分含量<1.5%不标记，如：4Cr10Si2Mo（表示ωc≈0.4%,ωCr≈10%，ωSi≈2%，ωMo<1.5%的耐热钢)；如：5Cr2Mn9Ni4N（表示ωc≈0.5%,ωCr≈2%，ωMn≈9%，ωNi≈

4,ωN<1.5%的耐热钢)；如：0Cr13Al（表示ωc<0.08%,ωCr≈13%，ωAl<1.5%的耐热钢)；第36页/共70页（四）铸钢牌号：字母ZG+数字—数字表示铸钢表示抗拉强度σb（Mpa）表示屈服点σs（Mpa）如ZG230—450（表示含碳量屈服点为σs=230MPa,抗拉强度为的σb=450Mpa的碳素铸钢）；第37页/共70页4.6.2铸铁（含碳量大于2.11%的铁碳合金）1、白口铸铁牌号：无牌号标记成份：ωC=2.11∼6.69%,碳以Fe3C（化合物）的形式存在，并含有Si、Mn、P、S等杂质特点与应用：断面呈白色，性能硬而脆，不能切削加工，一般不用来制造机械零件，主要用作炼钢的原料。第38页/共70页2、灰口铸铁牌号：字母HT+数字表示灰口铸铁表示最低抗拉强度σb（Mpa）如：HT150(表示最低抗拉强度为σb=150MPa的灰口铸铁）；第39页/共70页3、可锻铸铁牌号：字母KTH(KTZ)+数字—数字KTH表示“黑心”可锻铸铁KTZ表示“珠光体”可锻铸铁表示最低抗拉强度σb（Mpa）表示最低伸长率δ（%）如：KTH300—06(表示最低抗拉强度为σb=300MPa，δ=6%的黑心可锻铸铁）；第40页/共70页4、球墨铸铁牌号：字母QT+数字—数字表示球墨铸铁表示最低抗拉强度σb（Mpa）表示最低伸长率δ（%）如：QT400—18(表示最低抗拉强度为σb=400MPa，δ=18%的球墨铸铁）；第41页/共70页4.6.3有色金属——除钢铁（黑色金属）以外的其它金属材料。1、铝及铝合金（1）纯铝旧牌号：L1、L2、L3、L4、----序号越大，纯度越低新牌号：1070、1060、1050、1040、----纯度依次降低特点及应用：轻，密度低→配置铝合金导电导热性好→导线、电容抗大气腐蚀→包覆材料加工性能好→包装材料强度低→不能作为承受载荷的结构材料应用第42页/共70页（2）铝合金牌号：LF2（防锈）、LY11（硬铝）、LC3（超硬铝）LD5（锻铝）----（旧）变形铝合金（新）变形铝合金5A02（防锈）、2A11（硬铝）、7A03（超硬铝）2A50（锻铝）----铸造铝合金ZL╳╳╳铝合金组别（表示除铝以外的主要合金）A表示原始合金,其它字母为改型合金区分同组的不同合金表示所含合金成分第43页/共70页2、铜及铜合金（1）纯铜（紫铜）牌号：T1、T2、T3、T4、----序号越大，纯度越低特点及应用：玫瑰红色,表面形成氧化膜后呈紫色,故一般称为紫铜。有良好的导电性、导热性、极好的塑性和耐蚀性。主要用于电线、电缆、电子元件及导热器件等。（2）铜合金第44页/共70页（a）黄铜（铜锌合金）牌号：普通黄铜：H××平均含铜量的百分数特点及应用：对海水和大气有良好的耐蚀性，一般用于制造弹壳、散热器、垫片、油管等器件。（b）青铜（铜锡、铜铝、铜硅、铜铅等合金的总称）牌号：对压力加工的锡青铜：QSn××Sn含量的百分数对铸造青铜：ZCu××除铜外其它元素的符号和含量的百分数第45页/共70页——含碳量小于2.11%的铁碳合金1）以含碳量ωC%<0.25%（低），0.25~0.6%（中），>0.6%（高）2）以化学成份碳素钢，合金钢3）以钢的品质

普通钢，优质钢，高级优质钢4）以钢的用途结构钢，工具钢，特殊性能钢*常用钢种的牌号及识别：钢第46页/共70页结构钢普通碳素结构钢：Q235A；Q215B；优质碳素结构钢：45；65Mn；合金结构钢：20Cr;38CrMnAl;60Si2Mn;(GCr9)工具钢碳素工具钢：T7；T10；合金工具钢：9CrSi；3CrWMn；5CrNiMo；（W18Cr4V）第47页/共70页特殊性能钢不锈钢：1Cr13；2Cr13；1Cr18Ni9耐热钢：4Cr10Si2Mo;0Cr13Al软磁钢（硅钢片）:JDR540—50;DQ133—30铸钢铸造碳钢：ZG230—450；ZG270—500；第48页/共70页——含碳量大于2.11%的铁碳合金白口铸铁无牌号标记灰口铸铁HT150；HT200；可锻铸铁KTH300—06；KTZ450—04；球墨铸铁QT400—18；QT600—3铸铁第49页/共70页钢铁材料热处理是通过加热、保温和冷却方式借以改变合金的组织与性能的一种工艺方法，其基本内容包括热处理原理及热处理工艺两大方面。

钢的热处理钢铁材料的强韧化重要有两个途径：一是对钢铁材料实施热处理；二是通过调整钢的化学成分，加入合金元素（亦即钢的合金化原理），以改善钢的性能。第50页/共70页钢的热处理原理钢的热处理相变温度钢在加热时，实际转变温度往往要偏离平衡的临界温度，冷却时也是如此。随着加热和冷却速度的增加，滞后现象将越加严重。通常把加热时的临界温度标以字母“C”，如AC1、AC3、ACm等；把冷却时的临界温度标以字母“r”，如Ar1、Ar3、Arm。第51页/共70页

钢的普通热处理一、退火将钢加热到一定温度进行保温，缓冷至600℃以下，再空冷至室温的热处理工艺。各种退火和正火的一般加热范围第52页/共70页名称目的工艺制度组织应用完全退火细化晶粒，消除铸造偏析，降低硬度，提高塑性加热到AC3＋20～50℃，炉冷至550℃左右空冷

F＋P亚共析钢的铸、锻、轧件，焊接件球化退火降低硬度，改善切削性能，提高塑性韧性，为淬火作组织准备加热到AC1＋20～40℃，然后缓冷片状珠光体和网状渗碳体组织转变为球状共析、过共析钢及合金钢的锻件、轧件等扩散退火改善或消除枝晶偏析，使成分均匀化加热到Tm-100～200℃，先缓冷，后空冷粗大组织（组织严重过烧）合金钢铸锭及大型铸钢件或铸件再结晶退火消除加工硬化，提高塑性加热到再结晶温度，再空冷变形晶粒变成细小的等轴晶冷变形加工的制品去应力退火消除残余应力，提高尺寸稳定性加热到500～650℃缓冷至200℃空冷无变化铸、锻、焊、冷压件及机加工件常用退火工艺制度小结第53页/共70页二、正火正火将钢加热到AC3以上温度并保温，出炉空冷至室温的热处理工艺。由于正火比退火加热温度略高，冷却速度大，故珠光体的分散度大，先共析铁素体的数量少，因而正火后强度、硬度较高。正火的应用：①

用正火作为性能要求的一般结构件的最终热处理。②

亚共析钢采用正火来调整硬度，改切削加工性能。③

过共析钢的正火可消除网状碳化物。第54页/共70页三、淬火1、定义：淬火是将钢加热到AC1或AC3以上温度并保温，出炉快速冷却，使奥氏体转变成为马氏体的热处理工艺。2、淬火的必要性经过退火或正火的工件只能获得一般的强度和硬度，对于许多需要高强度、高耐磨条件下工作的零件则必须淬火与回火处理。第55页/共70页3.淬火加热温度淬火加热温度的选择应以得到细而均匀的奥氏体晶粒为原则，以便冷却后获得细小的马氏体组织。亚共析钢的淬火加热温度通常为Ac3以上30～50℃；过共析钢的淬火加热温度通常为Ac1以上30～50℃。

第56页/共70页2）淬火保温时间淬火保温时间主要根据钢的成分特点、加热介质和零件尺寸来确定。

（a）含碳量越高，含合金元素越多，导热性越差，则保温时间就越长；（b）零件尺寸越大，保温时间越长；（c）生产中常根据经验确定保温时间，根据经验，一般条件下25.4mm以下的工件的保温时间是1小时，大于25.4mm时，按照每增加1mm保温时间延长2.36分钟来确定。第57页/共70页3）淬火冷却速度淬火冷却介质选择的原则：（a）为保证获得马氏体组织，要求V冷却≥V临界；（b）为保证零件不因淬火应力而开裂，要求V冷却不应太大，应该选择合适的冷却介质。水：

主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。油：一般用作合金钢和某些小型复杂碳素钢件的淬火。盐浴：为了减少零件淬火时的变形，盐浴也常用作淬火介质，主要用于分级淬火和等温淬火。第58页/共70页6、钢的淬透性和淬硬性

钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其大小通常用规定条件下淬火获得淬透层的深度（又称有效淬硬深度）的距离作为淬透层深度。

生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。所谓临界淬火直径，是指圆棒试样在某介质中淬火时所能得到的最大淬透直径（即心部被淬成半马氏体的最大直径），用Do表示。在相同冷却条件下，Do越大，钢的淬透性越好。第59页/共70页淬透性的应用：（1）淬透性大的工件易淬透，组织和性能均匀一致；（2）淬火性大的工件在淬火时，可选用冷却能力较小的淬火介质以减小淬火应力。（3）对受力大而复杂的工件，为确保组织性能均匀一致，可选用淬透性大的钢。（4）当要求工件表面硬度高，而心部韧性好时，可选用低淬透性钢。钢的淬硬性是指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，淬硬性主要决定于马氏体的碳含量。

第60页/共70页四、回火1、定义：回火是把淬火后的钢件，重新加热到A1以下某一温度，经保温后空冷至室温的热处理工艺。2、目的：淬火钢件经回火可以减少或消除淬火应力，稳定组织，提高钢的塑性和韧性，从而使钢的强度、硬度和塑性、韧性得到适当配合，以满足不同工件的性能要求。第61页/共70页回火的目的是降低应力和脆性，获得回火马氏体组织，使钢具有高的硬度、强度和耐磨性。低温回火一般用来处理要求高硬度和高耐磨性的工件，如刀具、量具、滚动轴承和渗碳件等。（HRC≥60）4、回火的种类：1）低温回火（150～250℃）2）中温回火（350～500