金属材料及热处理基本知识

金属材料及热处理基本知识金属材料及热处理基本知识一、金属材料的力学性能金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所反映出来的性能。金属常用的力学性能有：1.弹性金属材料在受到外力作用时发生变形，外力消除后其变形逐渐消失的性质称为弹性。①刚性是指材料或构件在外力作用下抵抗弹性变形的能力。②刚度：k＝F/y2.塑性金属材料在受到外力作用时，产生显著的变形而不断裂的性能称为塑性。①伸长率δ②断面收缩率ψ3.强度金属材料在外力作用下，抵抗变形和破坏的能力称为强度。由于各种机器零件或构件因载荷作用形式和作用性质不同，金属材料所表现出的强度大小也不同。金属材料的强度指标：（1）屈服强度σs在拉伸试验中，载荷不增加而试样仍能继续伸长时的应力称为屈服强度。（2）抗拉强度σb材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度。（3）疲劳强度σ-1材料试样在疲劳试验过程中，在承受无数次（或给定次）对称循环应力作用仍不断裂的最大应力称为疲劳强度。4.硬度金属表面抵抗硬物压入的能力称为硬度。最常用的硬度指标：（1）布氏硬度HBS(HBW)布氏硬度是使用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球），以规定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，然后用测量表面压痕直径来计算硬度。使用淬火钢球作硬度试验得到的硬度用HBS表示；使用硬质合金球作硬度试验得到的硬度用HBW表示。（2）洛氏硬度HRC洛氏硬度C标尺试验采用120°金刚石圆锥体加1471N总试验力测量的硬度值。5.冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧性，其大小用冲击韧度αK表示。二、钢的分类、用途与牌号（一）钢的分类1.按是否特意加入合金元素分类：（1）碳素钢不含有特意加入合金元素的钢，称为碳素钢。（2）合金钢在碳素钢的基础上，为改善钢的性能，在冶炼时有目的地加入一种或数种合金元素的钢，称为合金钢。2.按含碳量分类（1）低碳钢C≤0.25％；（2）中碳钢0.25％＜C＜0.60％；（3）高碳钢C≥0.60％；3.按质量分类（1）普通钢S≤0.050％，P≤0.045％（2）优质钢S≤0.035％，P≤0.035％（3）高级优质钢S≤0.025％，P≤0.025％4.按合金元素总量分类（1）低合金钢合金元素总含量＜5％（2）中合金钢合金元素总含量5％～10％（3）高合金钢合金元素总含量＞10％5.按用途分类（1）结构钢主要用于制造各种机械零件和工程构件的钢。（2）工具钢主要用于制造各种刀具、模具和量具等用钢。（3）特殊性能钢具有某种特殊物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。（二）碳素钢的牌号表示方法、代号及符号1.碳素结构钢碳素结构钢的杂质和非金属夹杂物较多，但冶炼容易，工艺性好，价格便宜，通常轧制成钢板和各种型材，用于厂房、桥梁、船舶等结构用钢或一些受力不大的机械零件。牌号：Q×××注：Q后的三位数字表示其屈服强度的数值，单位是MPa。2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢的硫、磷及非金属夹杂物含量低，常用于制造重要的机械零件，使用前一般要进过热处理来改善力学性能。牌号：××注：两位数字表示其平均含碳量的万分数。3.碳素工具钢碳素工具钢是用于制造刀具、模具和量具的钢。由于大多数工具都要求高硬度和高耐磨性，故碳素工具钢含碳量均在0.70％以上，都是优质钢或高级优质钢。牌号：T×或T××注：T后的一或两位数字表示其平均含碳量的千分数。如果该钢的质量等级是高级优质，则在数字后加一个A。4.铸造碳钢铸造碳钢一般用于制造形状复杂、力学性能要求较高的零件，如轧机机架、水压机横梁、锻锤和砧座等。铸造碳钢的含碳量一般在0.20％～0.60％之间。如果含碳量过高，则塑性变差，而且铸造时易产生裂纹。牌号：ZG×××-×××注：ZG后的前三位数字表示其最低屈服强度，后三位数字表示其最低抗拉强度，单位均为MPa。（二）合金钢的牌号表示方法1.合金结构钢（1）低合金结构钢低合金结构钢含碳量一般为0.10％～0.25％，加入了少量合金，具有良好的塑性、韧性、耐蚀性和焊接性，广泛用于制造工程钢结构件。例如桥梁、船舶、车辆、锅炉、压力容器、输油管等。牌号：Q×××注：Q后的三位数字表示其屈服强度的数值，单位是MPa。（2）合金结构钢（合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和滚动轴承钢）牌号：两位数字（钢中平均含碳量的万分数）+合金元素符号+数字（合金元素平均含量的百分数）注：当合金元素的平均含量＜1.5％时，只标元素符号，不标含量。2.合金工具钢牌号：数字（钢中平均含碳量的千分数）+合金元素符号+数字（合金元素平均含量的百分数）注：①当钢中平均含碳量＞1％时，不标含量。②当合金元素的平均含量＜1.5％时，只标元素符号，不标含量。常用合金工具钢的种类：（1）低合金刃具钢（2）高速钢3.特殊性能钢牌号：数字（钢中平均含碳量的千分数）+合金元素符号+数字（合金元素平均含量的百分数）注：①当钢中平均含碳量＞1％时，不标含量。②当钢中平均含碳量为0.03％～0.10％时，含碳量用0表示，如0Cr18Ni9。③当钢中平均含碳量≤0.03％时，含碳量用00表示，如00Cr30Mo2。④当合金元素的平均含量＜1.5％时，只标元素符号，不标含量。为了表示钢的特殊用途，有的在钢的牌号前面冠以汉语拼音首字母，而不标含碳量，如GCr15，G表示滚动轴承钢，但Cr元素后面的数字表示平均含铬量的千分数，而其他合金元素的平均含量仍用百分数表示。例如GCr15SiMn。（1）不锈钢①铬不锈钢常用牌号有：1Cr13、2Cr13、3Cr13等。其中1Cr13、2Cr13耐腐蚀能力和塑性、韧性很好，适用于制造在腐蚀条件下工作、受冲击载荷的零件，如汽轮机叶片、水压机阀门等。3Cr13的含碳量高，用于制造弹簧、轴承、医疗器械等。②铬镍不锈钢常用牌号有：0Cr19Ni9、1Cr18Ni9等。铬镍不锈钢主要用于制造强腐蚀介质中工作的零件或构件，如化工设备中的零件或构件等。（2）耐热钢常用牌号有：4Cr9Si2、1Cr13Al、4CrNi14W2Mo等。4Cr9Si2、1Cr13Al可用于加热炉底板、渗碳箱等；4CrNi14W2Mo可用于制造汽轮机叶片、大型发动机排气阀等。三、铸铁的分类、用途及牌号1.白口铸铁2.灰铸铁牌号：HT×××注：HT后的三位数字表示其最低抗拉强度的数值，单位MPa。3.球墨铸铁牌号：QT×××－××注：QT后的前三位数字表示其最低抗拉强度数值，单位MPa，后两位数字表示最低伸长率。4.可锻铸铁，①黑心可锻铸铁牌号：KTH×××－××②珠光体可锻铸铁牌号：KTZ×××－××注：两组数字的意义与球墨铸铁相同。5.蠕墨铸铁RUT×××注：RUT后的数字的意义与灰铸铁相同。四、钢的热处理1.退火把钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）到室温的热处理工艺称为退火。常用的退火方法有：（1）完全退火把含碳量＜0.77％的钢（一般为中、低碳钢）加热到预定温度（完全奥氏体化），保温一定时间，然后随炉缓慢冷却的热处理方法。完全退火的目的：降低钢的硬度，细化晶粒，增加塑性，消除钢中的不均匀组织和内应力。（2）球化退火把含碳量＞0.77％的钢（高碳钢）加热到750℃左右，保温一定时间，然后随炉缓慢冷却至500℃以下，最后在空气中冷却至室温的热处理方法。球化退火的目的：使钢中的碳化物呈球状，降低钢的硬度，改善切削加工性能；也可作为高碳钢淬火处理前的预备热处理。（3）去应力退火又称低温退火。它是把钢加热到500～650℃，保温一定时间，随炉缓冷至300℃以下出炉的热处理方法。去应力退火的目的：消除由于塑性变形、焊接、切削加工、铸造、锻造等形成的残余内应力。2.正火把钢加热到适当温度（完全奥氏体化），保温一定时间，然后在空气中冷却的热处理工艺称为正火。正火的目的与退火基本相同，但正火的冷却速度比退火快，成本比退火低，得到的组织较细，硬度、强度比退火高。缺点是：因冷却速度较退火快，对现状较复杂的零件，有引起开裂的危险。高碳钢在球化退火前应安排正火处理，以消除网状碳化物。3.淬火把钢加热到一定温度，经保温后快速在水（或油）中冷却的热处理方法称为淬火。淬火的目的：获得马氏体组织，提高钢的强度、硬度和耐磨性。4.回火将淬火后的钢重新加热到某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理方法称为回火。回火的目的：①减少或消除工件淬火时产生的内应力，防止工件在使用过程中的变形和开裂。②适当降低钢的强度和硬度，提高钢的韧性。③消除残余奥氏体，稳定钢的组织和工件尺寸。回火的种类：（1）低温回火（150～250℃）：降低内应力、脆性，保持淬火的高硬度和高耐磨性。（2）中温回火（350～500℃）：提高弹性、强度，获得较好的韧性。（3）高温回火（500～600℃）：“淬火+高温回火”称为调质，可获得良好的综合机械性能。5.钢的表面淬火仅对工件表层进行淬火的工艺称为表面淬火。表面淬火的目的是提高零件表面的硬度和耐磨性，保持心部的塑性和韧性。常用的部门淬火有：（1）火焰加热表面淬火（2）感应加热表面淬火感应加热表面淬火的加热方式分高频感应加热、中频感应加热和工频感应加热三种。随感应电流频率的降低，加热速度逐次降低，热传导深度逐次增大，因此淬硬层深度逐次增加。6.化学热处理（1）渗碳（2）渗氮（3）碳氮共渗五、硬质合金（一）硬质合金的性能特点硬质合金是将难熔的高硬度的WC、TiC、TaC粉末与钴、镍等金属粘接剂粉末混合、压制成形，再在高温下烧结而成的。其特点是：1.硬度高、热硬性高、耐磨性好。2.抗压强度高、韧性差。硬质合金一般不能制成形状复杂的整体刀具，只能以刀片的形式用焊接、粘接或机械夹紧的方法固定在刀体上。（二）常用硬质合金1.钨钴类硬质合金YG（表示“硬”、“钴”——粘接剂）牌号：YG+数字（平均含钴量的百分数）钴的含量越高，韧性越好，抗冲击能力越高。YG类硬质合金适用于脆性材料（如铸铁、青铜等）的加工以及断续切削