金属与热处理(1)

1、舞钢公司检修厂 李其拴工程材料与热处理工程材料与热处理提纲提纲 1. 工程材料常识 2. 金属材料的性能 3. 钢及热处理一、 工程材料的概念和分类1.1什么是工程材料？ 能为人类制造有用器件的 物质，统称为工程材料. 1.2 工程材料怎样分类？1.31.3常用金属材料常用金属材料金属材料可分为钢铁材料(黑色金属）和非铁材料（有色金属材料）两大类，而钢又可分为碳素钢、合金钢及铸钢等，钢铁以外的其他金属称为非铁金属材料或有色金属材料。 一、钢铁材料(黑色金属）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，铸钢等。 铸铁是含碳量大于2.11%的鉄碳合金。铸铁因为有良好

2、的铸造性而被广泛用于机械制造业中。 铸铁中根据碳存在的状态不同，铸铁可以分为下列几种：（1）白口铸铁 （2）灰铸铁碳（3）麻口铸铁通常，把钢和铁称为黑色金属，钢铁以外的其他金属称为有色金属。有色金属有许多特殊的性能，是现代工业不可缺少的金属材料。常用的有色金属有以下几种：二、金属材料的性能二、金属材料的性能 机械工业生产中使用的金属材料种类很多，为了能正确的加工和合理利用金属材料，就必须充分的了解和掌握金属的各项性能。金属的性能，主要有物理性能，化学性能，机械性能和工艺性能。2.12.1金属的机械性能金属的机械性能 材料的机械性能材料的机械性能： 材料在外力作用下所表现出来的特性。力学性能包括

3、强度、塑性、硬度、冲击韧度及疲劳强度等。 1 1、强度 强度是指金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的性能。 根据载荷作用形式的不同，强度可以分为抗拉、抗压、抗剪、抗 扭和抗弯强度等，一般以抗拉强度作为最基本的强度指标。 金属拉伸试验 拉伸试验来测定金属抗拉强度，把标准拉伸试验来测定金属抗拉强度，把标准试样装夹在试验机上，然后对试样缓慢施加拉试样装夹在试验机上，然后对试样缓慢施加拉力，使之不断变形直到拉断为止。在此过程中，力，使之不断变形直到拉断为止。在此过程中，试验机能自动绘制出载荷试验机能自动绘制出载荷F和试样变形量和试样变形量L的关系曲线。此曲线叫做拉伸曲线。的关系曲线。此曲线叫做拉伸曲线

4、。从图2-1中可以看出下面几个变形阶段：（1）Oe弹性变形阶段 （2）es屈服阶段 （3）sb强化阶段 （4）bk缩颈阶段1拉伸曲线拉伸曲线图图2-1为低碳钢的拉伸曲线，为低碳钢的拉伸曲线，图中纵坐标表示载荷单位为图中纵坐标表示载荷单位为N；横坐横坐标表示绝对伸长量标表示绝对伸长量L，单位为，单位为mm。材料受到外力作用会发生变形，同时在材料内部产生一个抵抗变形的力称为内力。单位面积上的内力称为应力，单位为Pa（帕），即N/m2工程上常用MPa(兆帕)，1MPa=106pa，或1Pa=1N/m2，或1MPa=1N/mm2。（1）屈服点s材料产生屈服时的最小应力。单位为MPa。s= Fs/AO

5、（2-1）式中，Fs是屈服时的最小载荷(N)；A0是试样原始截面积。（2）抗拉强度b材料在拉断前所承受的最大应力，单位为MPa。抗拉强度表示材料抵抗均匀塑性变形的最大能力，也是设计机械零件和选材的主要依据。b= Fb/AO （2-3）式中，Fb是试样断裂前所承受的最大载荷（N）。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。通过拉伸试验测得 的常用塑性指标有：断后延伸率和断面收缩率。试样拉断后的标距伸长量和原始标距之比值的百分率。 =(L1L0)/L0100 （2-4） 式中，L1试样原始标距长度。L0试样拉断后的标距长度。试样拉断处=100横截面积的缩减量与原始横截面积之比 =

6、 =(A0A1)/AO 100（2-5）式中，Ao是试样的原始横截面积；A是试样断口处的横截面积。拉伸试样变形图拉伸实验指标计算 有一根钢试棒，原标距长为100mm。在拉伸试验时，拉伸载荷增加到26690N时出现屈服现象，载荷达到47100N时，试样产生缩颈，随后拉断。断裂后测得的标距长度是116mm,断裂处直径是7.75mm.试求此钢材的屈服极限、抗拉强度、延伸率和断面收缩率。金属材料表面抵抗其它更硬物体压入的能力称为硬度。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、维氏硬度实验法。直径为D的淬火钢球或硬质合金球，在规定载荷F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

7、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。布氏硬度的特点及应用范围：布氏硬度的特点及应用范围： 测量误差小数据稳定，压痕大不能用于太薄件及成品件，适用于正火、退火及调质钢、有色金属的测试。 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下图所示。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。洛氏硬度用符号HR表示，根据压头类型和主载荷不

8、同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。 HRA用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗碳层 HRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等。 HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。 洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。 缺点：测量结果分散度大。 3.维氏硬度维氏硬度 维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。 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

9、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aK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。图片示例 很多机械零件，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

10、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。 金属在无数次交变载荷的作用下，而不破坏的最大应力，称为疲劳极限。图片示例二、金属材料的性能2.2 物理性能： 密度 熔点 膨胀系数 导热性导电性等。2.3 化学性能： 耐腐蚀性 抗氧化性等。2.4 金属工艺性能： 指金属材料是否易于加工 或成型的性能，主要 包括铸造性、锻造性、可焊性、切削加工性等。 三钢及热处理三钢及热处理3.2 认识碳素钢认识碳素钢 碳素钢是工业中使用最早、用量最大的基本材料。世界各工业国家，在努力增加低合金高强度钢和合金钢产量的同时，也非常注意改进碳素钢质量，扩大品种和使用范围。目前

11、碳素钢的产量在各国钢总产量中的比重，约保持在80%左右，广泛应用于建筑、桥梁、铁道、车辆、船舶和各种机械制造工业。 1、碳素结构钢、碳素结构钢 用途：各类工程。通常热轧后空冷供货，用户一般不需 进行热处理而直接使用。这类钢共分五个强度等级。命名：Q235-AF等级符号：A、B、C、D（D级达到了优质钢水平）2、优质碳素结构钢用途：重要机件。可以通过热处理调整零件的力学 性能。出厂状态可以是热轧后空冷，也可以 是退火、正火等状态。随用户需要而定。命名：用两位数字表示，两位数字表示钢中含碳量 的万分之几。 如：45钢 WC=0.45%常用牌号：08F、15、45、60、60Mn等。3.3 认识合金

12、钢认识合金钢 合金钢：合金钢： 在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金。根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性碳合金。根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。合金钢的主要合金元素、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。1. 合金钢的牌号：合金钢的牌号： 合金钢的

13、编号原则是采用合金钢的编号原则是采用“二位数字二位数字+化化学元素符号学元素符号+数字数字”的方法。合金钢的含碳量、的方法。合金钢的含碳量、各类合金元素的含量均在牌号中体现出来。各类合金元素的含量均在牌号中体现出来。例：合金弹簧钢例：合金弹簧钢 60Si2Mn 含碳量含碳量 0.6%；硅含量；硅含量 2%； 锰含量锰含量 Mn1%。 2. 合金钢的分类合金钢的分类 1）合金结构钢）合金结构钢 主要包括（低合金结构钢（16MnR 、14CrMn)、低合金渗碳钢 40Cr）合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢等） 2）合金工具钢 主要包括（刃具钢 （高速钢 W18Cr4V、量具钢、 磨具钢等） 3）

14、特种钢 主要包括（不锈耐酸钢Cr13、耐热钢4Cr9Si2、耐磨钢等） 钢的热处理是通过钢在固态下的加热、保温和冷却，改变钢的内部组织，从而改变性能的一种工艺方法。根据加热和冷却方式的不同，热处理可以分为退火、正火、淬火、回火及表面热处理等.3.2 钢及热处理钢及热处理1.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

15、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。退火是将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺。 退火的目的：降低钢的硬度，提高塑性；细化晶粒改善组织；消除内应力。正火是指把钢加热到组织转变为奥氏体的临界温度以上保温，使其完全奥氏体化，在空气中冷却的热处理工艺。3 3淬火是将钢的组织加热到转变为奥氏体的临界温度以上，保温一定时间，以大于临界冷却速度快速冷却的热处理工艺。4回火回火 钢的回火是指将淬火后的钢，在组织转变为奥氏体的临界温度以下加热，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。 回火的目的：1.获得所需要的机械性能；2.稳定组织，稳定尺寸；3.消除内应力。 调质处理：淬火+高温回火称为调质处理。经过调质处理的钢与正火钢比，不仅强度高，而且塑性、韧性好，常用作特别重要的结构零件。三三常用的表面热处理方法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