金属材料及热处理课件-zlp

金属材料及热处理常用金属材料分类、牌号及用途；工程用钢；热处理原理、工艺及作用主要内容最常用的金属材料——钢steel经济建设中使用最广泛、用量最大的金属材料。以Fe为主要元素、含碳量一般在2%以下，并含有其他元素的材料。(GB/T13304.1-2008)注：在铬钢中含碳量可能大于2%，但2%通常是钢和铸铁的分界线。

钢的分类按化学成分分类（GB/T13304.1-2008）可分为碳素钢和合金钢碳素钢（含碳量）：低碳钢、中碳钢和高碳钢合金钢（按合金元素）：合金钢、中合金钢和高合金钢锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、硅锰钢等

普通碳钢低碳钢（≤0.25%）

碳钢中碳钢（0.25~0.6%）优质碳钢高碳钢（＞0.6%）

铬钢

按合金元素分

钼钢

锰钢合金钢

低合金钢＜5％

按合金元素总量

中合金钢5～10％高合金钢＞10％

按冶金质量分类

按钢中所含有害杂质硫、磷的多少，可分为：普通钢（S%≤0.055%，P%≤0.045%）优质钢（S%、P%≤0.040%）高级优质钢（S%≤0.030%，P%≤0.035%）

按冶炼时脱氧程度，可将钢分为：沸腾钢（脱氧不完全）、镇静钢（脱氧较完全）和半镇静钢三类。

结构钢、工具钢和特殊性能钢结构钢又分为：

工程构件用钢和机器零件用工具钢分为：

刃具钢、量具钢、模具钢特殊性能钢分为：

不锈钢、耐热钢等

按用途分类（GB/T13304.2-2008）

工程结构用钢

（建筑，车辆，造船，桥梁）

机器结构（零件）用钢

工模具用钢

特殊用途用钢

普通碳素钢低合金高强度钢微合金化低合金高强度钢渗碳钢、氮化钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢刃具用钢模具用钢抗氧化钢，热强钢不锈钢耐酸钢易切削用钢等碳素工具钢低合金工具钢高速钢冷变形模具钢热变形模具钢塑料模具钢小结：按用途分类

按金相组织分类

退火状态正火状态按加热冷却时有无相变和室温组织分

a.亚共析钢（铁素体+珠光体）b.共析钢（珠光体）c.过共析钢（珠光体+渗碳体）a.珠光体钢b.贝氏体钢c.马氏体钢d.奥氏体钢。a.铁素体钢

b.马氏体钢

c.奥氏体钢d.双相钢钢的牌号——GB/T221-2008通常采用大写汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的牌号。产品名称、用途、特性和工艺方法等，一般用汉语拼音字母字头表示。牌号中的主要化学元素含量(％)为质量分数，采用阿拉伯数字表示。碳素结构钢及低合金结构钢牌号1.

牌号的编号：由四部分组成（1）代表屈服点的屈字汉语拼音字母字头：Q（2）屈服点的屈服强度数值：阿拉伯数字（3）质量等级符号：A，B，C，D，E，F（4）脱氧方法符号：

F－沸腾钢

b－半镇静钢

Z－镇静钢

TZ－特殊镇静钢2.牌号的编号举例

Q235A.F

表示碳素结构钢，屈服强度≥235MPa，质量等级为A的沸腾钢

Q345C表示低合金高强度钢，屈服强度≥345MPa，质量等级为C

优质碳素结构钢和优质碳素弹簧钢牌号产品名称采用的汉字及汉语拼音或英文单词采用字母位置汉字汉语拼音英文单词锅炉和压力容器用钢容RONG——R牌号尾锅炉用钢（管）锅GUO——G牌号尾低温压力容器用钢低容DIRONG——DR牌号尾桥梁用钢桥QIAO——Q牌号尾耐候钢耐候NAI

HOU——NH牌号尾高耐候钢高耐候GAONAIHOU——GNH牌号尾汽车大梁用钢梁LIANG——L牌号尾高性能建筑结构用钢高建GAOJIAN——GJ牌号尾低焊接裂纹敏感性钢低焊接裂纹敏感性——CrackFreeCF牌号尾保证淬透性钢淬透性——HardenabilityH牌号尾矿用钢矿KUANG——K牌号尾船用管采用国际符号牌号举例

45：表示含碳量为0.45％的碳素结构钢。10，20，35，10F，50MnE，20R等均为优质碳素结构钢，65Mn为优质碳素弹簧钢碳素工具钢牌号碳素工具钢都是高级优质钢或特级优质钢

1.编号方法

用“T”（碳）＋表示含碳量千分之几的数值表示。锰含量高的加Mn元素符号2.举例

T8－表示含碳量为0.8％的碳素工具钢。

类似钢号：

T7，T9，T10，T9A，T10A，T8MnA

A－表示高级优质钢合金钢的牌号合金元素采用国际化学符号（或元素中文名称）表示，合金元素及其含量、碳元素及其含量表示方法如下：

1.含碳量

1)合金结构钢：一般以平均含碳量的万分之几表示，如40Cr，40CrNiMo等。2）合金工具钢：含碳量小于1％时用千分之几表示，如9SiCr，9Mn2V等。含碳量大于1％时不标碳含量，如Cr12MoV，CrWMn等。

小结C%—结构钢，万分之几；工具钢，千分之几；Me%—一般为百分之几；含Cr低的合金工具钢和轴承钢，用千分之几。概述：用于制造大型结构-桥梁,船舶,屋架,容器-工程用钢。工作特点：不作相对运动，承受静载荷。有一定的使用温度(高温、低温、大气)。要求：构件稳定，有较高的刚度；较高的屈服和抗拉强度，塑韧性较好，较小冷脆性和好的耐蚀性。良好的工艺性能（冷变形性和可焊性很重要）。成分特点：低碳钢(0.25%)，少量的合金元素，不热处理，而是在热轧空冷态使用，有时也正火或回火态使用。组织为铁素体加少量的珠光体工程用钢工程用钢的力学性能特点（一）屈服现象（二）应变实效和淬火实效（三）冷脆倾向性镍：增加强韧性、耐蚀性、耐磨性、弹性细述和低温冲击抵抗性铬：增加耐磨性、耐蚀性及高温强度钨：增加耐磨性及高温强度、硬度硅：增加耐热性、耐蚀性；低合金钢之强度增加，增加电磁气性质锰：高温之抗拉强度、硬度增加，防止因硫而产生的脆性钼：作用与钨相同，但效果大两倍钴：增加硬度与磁性钒：增加韧性、耐磨性、淬火性钛：增加耐高温强度及对海水的耐蚀性铜：增加在空气中之抗氧化性及抗蚀性铝：增加流动性磷：增加耐蚀性，但超过0.1％时会有热脆性硫：增加钢的切削性及热脆性，但一般含量要少合金元素对工程用钢的影响

钢的可焊接性是指在简单可行的焊接条件下，钢材焊接后不产生裂纹，并获得良好的焊缝区的性能。熔化区:钢材或焊条中的S、P含量较高，在凝固过程中将产生热裂纹。因而必须控制S、P的含量。热影响区：冷却时造成极大的过冷度，发生马氏体转变，热应力和组织应力，使硬度升高，塑性韧性明显下降，出现裂纹，称之为冷裂纹。

钢的焊接性能:

取决于钢的淬透性和淬硬性，含碳量及合金元素的本性和含量，碳及淬透性大，开裂倾向越大。通常用碳当量的概念，碳当量大于0.4～0.5％时，钢就不具有良好的焊接性。合金元素对工程用钢焊接性能的影响

[C]=ωc+ωMn/6+ωCr/5+ωMo/4+ωNi/15+ωSi/24+ωCu/13+ωP/2常用工程用钢及其选择

（一）普通碳素构件用钢简称普碳钢，产量约占钢总产量的70～80％，大部分作钢结构，少量作机器零件。易冶炼、价格低廉，性能也基本满足了一般工程构件的要求，所以工程上用量很大。为满足工艺性能和使用性能要求，含碳量较低。国标将普碳钢分为甲类钢、乙类钢，特类三类。以热轧状态供应，一般不经热处理强化。Q195/Q215/Q235/Q275常用工程用钢及其选择（二）普通低合金构件用钢

少量合金元素，具有较高强度的构件钢，强度高，1t普低钢抵1.2～2.0t普碳钢使用，减轻重量，提高可靠性并节约钢材。

应用：建筑、石油、化工、铁道、造船、机车车辆、锅炉容器、农机农具等许多部门。我国1957年试制第一个普低钢16Mn，占钢总产量的15％。

按照使用状态下的组织分为三类，即铁素体一珠光体钢、贝氏体钢和马氏体钢。常用的普低钢见表11－5。

Q295/Q345/Q390/Q460金属热处理：将钢放固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却到室温下保持一段时间，然后以一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺。金属热处理的作用：通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒，消除偏析，降低内应力，使钢的组织和性能更加均匀。钢的热处理

热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。加热是热处理的重要工序之一。●热处理过程中四个重要因素:

在热处理时，因工件的大小不同，形状不同，材料的化学成分不同，所以在具体热处理过程中，要用不同的加热速度、最高的加热温度、保温时间和冷却速度。通常把加热速度、最高加热温度、保温时间和冷却速度称为工件热处理的四个要素，也称工艺参数。正确地确定和保证实施好工艺，就能获得预期的效果，并将得到满意的性能。

从数学的观点看，热处理的质量是温度和时间的函数，所以工件的热处理工艺规范可用时间一温度为坐标表示出来，任何工件的热处理，都应包括。钢在加热时的转变热处理的第一道工序是加热，将钢加热到Ａ1以上，Ｐ→Ａ，加热是个重要的环节，加热好坏直接影响着热处理的质量；影响因素：加热温度、加热速度、保温时间、原始组织、化学成分实际生产中，奥氏体只有通过冷却得到室温组织才能获得一定的使用性能。钢的冷却有两种方式，一种是等温冷却，一种是连续冷却，见图９－１３所示。钢在冷却时的转变

过冷奥氏体：在临界点以下存在的，不稳定的，处于过冷态，将要发生转变的奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体的转变类型：

高温、缓冷（铁、碳均扩散）—炉冷或空冷—退火或正火—珠光体转变。（扩散型）共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线（Ｃ曲线；TTT图）

２、曲线分析①由图中可以看出:孕育期：转变开始后转变速度逐渐加快，当A转变体积分数达到50%时转变速度最大。②TTT图中的线：A1线：奥氏体和珠光体的平衡温度；Ms线：奥氏体向马氏体转变的开始线；Mf线：奥氏体向马氏体转变的终了线；转变开始线，转变终了线；珠光体转变/马氏体转变/贝氏体转变

实际的热加工和热处理过程并不是等温冷却过程，而是连续冷却过程，所以要研究过冷奥氏体的连续冷却转变的过程，要研究ＣＣＴ曲线。

过冷奥氏体连续冷却转变曲线（ＣＣＴ曲线）及其应用通常用膨胀法、金相法和磁性法测定，一般常用膨胀法来测定，其速度快，数据准确。具体过程是将钢试样奥氏体化→测定不同冷速下的膨胀曲线→在膨胀曲线上确定临界点→将转变开始点和终了点连接起来形成了冷却转变曲线。连续冷却转变曲线的应用１、从ＣＣＴ曲线上获得钢真实的临界淬火冷速Ｖｃ，２、是制定钢正确的冷却规范的依据，３、可以估算淬火以后钢的组织与性能。热处理普通（整体）热处理表面热处理退火正火淬火回火表面淬火表面化学热处理感应加热表面淬火火焰加热表面淬火激光加热表面淬火等渗碳渗氮碳氮共渗渗金属等金属热处理工艺热处理中的“四把火”热处理方式定义作用退火将金属构件加热到高于或低于临界点，保持一定时间，随后缓慢冷却。降低硬度，改善切削加工性；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向使金属内部组织达到或接近平衡状态。正火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。淬火将工件加热保温后，在水、油或其他无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。使钢件变硬，但同时变脆。回火将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃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。为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却。调质淬火+回火获得一定的强度和韧性常用热处理方法的工艺曲线示意图

一、退火1.退火

退火是将金属制件加热到高于或低于这种金属的临界温度，经保温一定时间，随后在炉中或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的一种热处理工艺。

退火的作用：

a.降低硬度，以利于切削加工；

b.细化晶粒，改善组织，提高机械性能；

c.消除内应力，为下一道热处理作好准备；

d.提高金属材料的塑性、韧性，便于进行冷冲压或冷拉拔加工。注意事项：占用设备；生产率低。种类：

按加热温度分如图重结晶退火完全退火扩散退火不完全退火球化退火低温退火再结晶退火去应力退火

按冷却方式分：等温退火和连续退火2.正火

正火是将金属制件加热到高于或低于这种金属的临界温度，经保温一定时间，随后在空气中冷却，以获得更细组织的一种热处理工艺。正火的作用与退火相似，与退火不同之处是：

a.正火是在空气中冷却，冷却速度快，所获得的组织更细。

b.正火后的强度、硬度较退火后的稍高，而塑性、韧性则稍低。

c.不占用设备；生产率高。

退火和正火的选取原则

（１）Ｗｃ＜0.25％的低碳钢，采用正火，利于切削加工；防止游离三次渗碳体的析出，提高工件的冷变形性。（２）Ｗｃ＝0.25～0.5％的中碳钢，也采用正火，因成本低；（３）Ｗｃ＝０.5～０.75%的中高碳钢，一般采用完全退火；（４）Ｗｃ＞０.75%的高碳钢，一般采用球化退火，便于降低硬度，改善切削加工性。（5）含碳量、合金元素高，奥氏体稳定高，缓冷得到马氏体和贝氏体，应高温回火。3.淬火

淬火是将金属制件加热到这种金属的临界温度以上30～50℃，经保温一定时间，随后在水或油中快速冷却，以获得高硬度组织的一种热处理工艺。淬火的目的：提高金属材料的强度和硬度，增加耐磨性，并在回火后获得高强度和一定韧性相配合的性能。4.回火

回火是把淬火后的金属制件重新加热到某一温度，保温一段时间，然后置于空气或油中冷却的热处理工艺。回火的目的：为了消除淬火时因冷却过快而产生的内应力，降低金属材料的淬性，使它具有一定的韧性。根据加热温度的不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。

（1）低温回火：回火温度为150～250℃。低温回火能消除一定的内应力，适当地降低钢的脆性，提高韧性，同时工件仍保持高硬度、高耐磨性，应用于各种量具和刃具。（2）中温回火：回火温度为350～500℃。中温回火可大大减小钢的内应力，提高了弹性、韧性，但硬度有所降低，应用于弹簧和热锻模等。（3）高温回火：回火温度为500～650℃。高温回火可以消除内应力，硬度有显著的下降，可获得具有强度、塑性、韧性等综合机械性能，应用于齿轮、连杆、曲轴等。回火方法

加热温度（℃）

力学性能特点应用范围

硬度（HRC）低温回火150～250高硬度、耐磨性刃具、量具、冷冲模等58～65中温回火350～500高弹性、韧性弹簧、钢丝绳等35～50高温回火500～650良好的综合力学性能连杆、齿轮及轴类20～30淬火后再经高温回火的热处理工艺，称为调质处理