常用金属材料及热处理.ppt

常用材料及热处理 主讲 潘晓辉 2012年12月 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 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 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 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 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 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 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 电化学腐蚀示意图 电化学腐蚀实际上是电池作用 Fe Cu H2SO4 e 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 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 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 3 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 4 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 图1 15铁素体的显微组织 图1 16奥氏体的显微组织 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 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 常用金属材料 工业用钢 铸铁 有色金属 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 C 低碳钢 c 0 25 中碳钢 0 25 c 0 6 高碳钢 0 6 c 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 3 以钢的品质分 按有害杂质S P含量 普通钢 s 0 05 p 0 045 优质钢 s 0 04 p 0 04 高级优质钢 s 0 03 p 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 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 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 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 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 C 0 45 的优质碳素结构钢 当 Mn 0 7 1 2 时 在数字后加Mn 如65Mn 表示 c 0 65 Mn 0 7 1 2 的优质碳钢 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 c 0 2 Cr 1 5 的合金结构钢 如 38CrMnAl 表示 c 0 38 Cr Mn Al的含量均 1 5 的合金结构钢 如 60Si2Mn 表示 c 0 6 Si 1 5 2 49 的 Mn 1 5 的合金结构钢 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 Cr 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 Cr 1 5 的滚动轴承钢 成份 C 1 1 15 加入了Mn Si等合金元素 热处理后使用 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 C 0 7 的碳素工具钢 如T10 表示含碳量为 C 1 0 的碳素工具钢 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 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 c 0 1 Cr 13 的不锈钢 如 1Cr18Ni9 表示 c 0 1 Cr 18 Ni 9 的不锈钢 如 2Cr13 表示 c 0 2 Cr 13 的不锈钢 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 c 0 4 Cr 10 Si 2 Mo 1 5 的耐热钢 如 5Cr2Mn9Ni4N 表示 c 0 5 Cr 2 Mn 9 Ni 4 N 1 5 的耐热钢 如 0Cr13Al 表示 c 0 08 Cr 13 Al 1 5 的耐热钢 四 铸钢 牌号 字母ZG 数字 数字 表示铸钢 表示抗拉强度 b Mpa 表示屈服点 s Mpa 如ZG230 450 表示含碳量屈服点为 s 230MPa 抗拉强度为的 b 450Mpa的碳素铸钢 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 C 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 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 b Mpa 如 HT150 表示最低抗拉强度为 b 150MPa的灰口铸铁 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 b Mpa 表示最低伸长率 如 KTH300 06 表示最低抗拉强度为 b 300MPa 6 的黑心可锻铸铁 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 b Mpa 表示最低伸长率 如 QT400 18 表示最低抗拉强度为 b 400MPa 18 的球墨铸铁 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 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 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 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 含碳量小于2 11 的铁碳合金 1 以含碳量 C 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 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 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 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 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 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 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 常用退火工艺制度小结 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 用正火作为性能要求的一般结构件的最终热处理 亚共析钢采用正火来调整硬度 改切削加工性能 过共析钢的正火可消除网状碳化物 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 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 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 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 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 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