热处理基本知识

金属材料的机械性能及工艺性能金属材料的机械性能金属材料的机械性能主要是指在外力作用下表现出来的特性。如：强度、刚度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。第二页，共35页。强度强度：是指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。强度极限和屈服极限是表征强度的主要性能指标。屈服极限是材料发生塑性变型时的应力；强度极限是材料发生断裂时的应力。第三页，共35页。刚度刚度：是指材料抵抗弹性变形的能力。弹性模量E:在弹性变形范围内，应力与应变的比值E为常数，称为弹性模量；

弹性模量E是表征材料刚度的主要性能指标。第四页，共35页。塑性塑性：是指在外力作用下，金属产生塑性变型而不产生断裂的能力。工程上一般用材料被拉断后所留下的剩余变形来表示材料的塑性，一般用两个指标来表示：延伸率：收缩率：第五页，共35页。硬度硬度：材料抵抗压入物压陷的能力，即材料对局部塑性变形的抵抗能力。工程上常用的洛氏硬度和布氏硬度分别为：HRC和HBC。第六页，共35页。韧性和疲劳强度材料抵抗冲击载荷和变载荷的能力。韧性：在冲击载荷作用下，材料抵抗破坏的能力。疲劳强度：金属材料受到交变载荷作用时会产生交变应力，即使其应力未超过屈服极限，但当应力循环次数增加到某一数值N后，材料也会发生断裂，这种现象，叫金属的疲劳。第七页，共35页。疲劳曲线材料承受交变或重复应力与其断裂前的应力循环次数N之间的关系曲线，称为疲劳曲线。循环次数N应力107第八页，共35页。金属材料的工艺性能是指金属材料所具有的能够适应各种加工工艺要求的能力。金属材料常用的加工工艺方法：铸造、压力加工、焊接、切削加工等。第九页，共35页。各种工艺方法对材料提出的要求铸造：将熔融金属浇注、压射或吸入铸型型腔中，待其凝固后而得到的一定形状和性能的铸件的方法。铸造性：是指浇注时液态金属的流动性、凝固时的收缩性和偏析倾向等。灰口铸铁和青铜有良好的铸造性能。第十页，共35页。锻造性：是指材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。低碳钢的锻造性好，铸铁没有锻造性。第十一页，共35页。焊接性：是指材料在通常的焊接方法和焊接工艺条间下，能否获得良好焊缝的性能。低碳钢的焊接性能好，铸铁的焊接性能差。第十二页，共35页。切削加工性：是指对材料进展切削加工的难易程度。灰口铸铁具有良好的切削加工性。第十三页，共35页。金属材料的热处理与零件的外表处理钢的热处理：将钢在固态范围内施以不同形式的加热、保温和冷却，从而改变〔或改善〕其组织构造，以到达预期性能的操作工艺。热处理不改变工件形状，只改变内部组织构造，以获得不同的机械性能。钢的热处理可以改善钢的加工工艺性能、提高钢的机械性能、增加寿命、耐磨性等。第十四页，共35页。热处理方法：1、退火：将钢件加热到临界温度以上20－30度，经保温一段时间后随热处理炉〔或埋入石灰石、沙中冷却〕缓慢冷却至500度以下，然后在空气中冷却。目的：降低钢的硬度，改善切削性能；细化钢的晶粒，减少组织的不均匀性，消去工件在锻造、铸造中出现的内应力。第十五页，共35页。2、正火：将钢件加热到临界温度以上30－50度，保温一段时间后从炉中取出在空气中冷却。目的：正火和退火相似，但正火后机械强度略高。第十六页，共35页。3、淬火和回火淬火是将工件加热到临界温度以上30－50度，保温一定时间，然后在水或盐水或油中急速冷却。目的：提高钢的硬度和强度。但急速冷却引起内应力，使钢变脆，所以淬火后必须回火，以得到较高的强度、硬度和韧性。第十七页，共35页。回火：将淬火后的工件加热到临界温度以下，保温一定时间后在空气或水或油中冷却。目的：硬度、强度略有降低，但消除了内应力和脆性。调质：淬火＋高温回火，可以使钢材获得良好的综合机械性能。第十八页，共35页。外表化学热处理化学热处理是将钢件放在某种化学介质中，通过加热、保温、冷却的方法使介质中的某些元素渗入钢件外表，改变了外表层的化学成分，从而使其外表具有与内部不同的特殊性能。一般都是使外表获得高硬度、高疲劳极限，以及耐磨、防腐蚀性能。第十九页，共35页。渗碳将低碳钢工件放在大量含碳的固体〔木炭粉和碳酸盐〕或气体〔天然气、煤气等〕介质中，加热到850~950℃，保温一段时间，使碳扩散到钢外表层内，使外表层的含碳量到达0.8%~1.2%。再经淬火和低温回火，从而获得高硬度和耐磨性。第二十页，共35页。氮化将钢件放入含有氮的介质或利用氨气加热分解的氮气中，加热到500~620℃，持续保温20~50小时，使氮扩散渗入钢件外表层内。经氮化处理的钢件不再经淬火便具有很高的外表层硬度及耐磨性，并大大提高疲劳极限、耐腐蚀性能及耐热性。第二十一页，共35页。金属零件的外表处理外表处理是在金属外表附上一层覆盖层，以到达防腐、改善性能及装饰的作用。通常分电镀、化学处理和涂漆三种。第二十二页，共35页。电镀电镀是应用电解原理在某些金属〔或非金属〕外表镀上一薄层其它金属或合金的过程。分为：镀铬、镀镍、镀锌第二十三页，共35页。化学处理金属零件外表的化学处理主要有氧化和磷化。氧化是零件外表形成该金属的氧化膜，以保护金属不受侵蚀，并起美化作用；磷化是在金属外表生成一层不溶于水的磷酸盐薄膜，可以保护金属。第二十四页，共35页。常用金属材料铸铁碳素钢合金钢有色金属材料第二十五页，共35页。常用金属材料1、铸铁：铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。性能：具有良好的铸造性、耐磨性、吸振性及切削加工性能，而且价格低廉，生产设备简单。因此，它是应用最多的一种金属材料。分类：〔1〕灰口铸铁；〔2〕可锻铸铁；〔3〕球墨铸铁；〔4〕合金铸铁第二十六页，共35页。碳素钢通常把含碳量在0.02%~2.11%之间的铁碳合金称为钢〔碳素钢〕。碳素钢可以轧制成板材和型材，也可以锻造成各种形状的锻件，但锻件的形状一般比铸件简单。分类〔1〕普通碳素构造钢：Q195、Q215等〔2〕优质碳素构造钢：30、45号钢等〔3〕碳素铸钢：ZG310－570等〔4〕碳素工具钢；T10等第二十七页，共35页。合金钢为了改善钢的性能，专门在钢中参加一种或数种合金元素的钢叫做合金钢。合金元素的种类：铬〔Cr〕、锰〔Mn〕、镍〔Ni〕、硅〔Si〕、硼〔B〕、钨〔W〕、钼〔Mo〕、钒〔V〕、钛〔Ti〕、锆〔Zr〕和稀土元素〔Re〕等。目的：使钢获得一般碳素钢达不到的性能，如硬度、强度、塑性和韧性等；提高耐磨、防腐、防酸性能；获得高弹性、高抗磁或导磁性等。第二十八页，共35页。合金钢分类合金钢按用途来分一般可分为三大类：合金构造钢：调质钢、弹簧钢、轴承钢合金工具钢：刃具钢、磨具钢、量具钢特殊性能钢：不锈钢、耐热钢等。第二十九页，共35页。有色金属材料与钢、铁相比，有色金属的强度较低。应用它的目的，主要是利用其某些特殊的物理化学性能：如铝、镁、钛及其合金密度小；铜、铝及其合金导电性好；镍、钼及其合金能耐高温等。因此，工业上除大量使用黑色金属外，有色金属也得到广泛的应用。有色金属及其合金种类繁多。第三十页，共35页。常用非金属材料工程塑料：聚酰胺、尼龙、等。工业陶瓷：普通陶瓷、特种陶瓷等。复合材料：玻璃纤维树脂基复合材料、层合复合材料。第三十一页，共35页。选择材料的一般原则1、使用性原则假设零件尺寸取决于强度，且尺寸和重量又有所限制时，则应选用强度较高的材料；假设零件尺寸取决于刚度，则应选用弹性模量较大的材料〔如调质钢、渗碳钢等〕；在滑动摩擦下工作的零件，应选用减摩性能好的材料；在高温下工作的零件应选用耐热材料；在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料等。第三十二页，共35页。2、工艺性原则用金属制造零件的方法根本上有四种：铸造、压力加工〔锻造、冲压〕、焊接和机械切削加工〔车、铣、刨、磨、钻等〕。不同加工方法使用的材料不同：比方铸铁具有很好的铸造工艺性，但不能锻