金属材料及其热处理

金属材料及其热处理一、材料的性能材料的主要性能是指:（1）物理性能（2）化学性能（3）力学性能1.使用性能｛2.工艺性能：加工成形的性能1材料的物理化学性能物理性能物理性能物理性能物理性能物理性能物理性能物理性能物理性能密度熔点热膨胀性导热性导电性磁性化学性能耐腐蚀性高温抗氧化性工艺性能铸造性可锻性焊接性切削加工性2材料的工艺性能3.材料的力学性能材料的力学性能

工程材料制成的机械零部件在使用过程中要受到各种形式的力，材料在这些力的作用下所表现出的特性。包括：强度、塑性、硬度、韧性、抗疲劳性和耐磨性等。

材料的力学性能不仅取决于材料本身的化学成分，而且还和材料的微观组织结构有关。3.1强度与塑性

材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为材料的强度。根据外力的作用方式，材料的强度分为抗拉强度，抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。材料在外力作用下显现出的塑性变形能力称为材料的塑性。材料的强度和塑性是材料最重要的力学性能指标之一。单向拉伸试验及拉伸曲线大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静拉伸试样L0=10d0，L0=5d0弹性屈服强化局部变形断裂低碳钢试样拉伸时的各阶段特征

在拉伸过程中，拉伸试验机上的自动记录系统同时绘制出拉伸过程中的应力一应变曲线图，也称为σ(sigma)-ε(epsilon)曲线。图的纵坐标为应力σ(单位为Pa)，横坐标为应变ε(％)，σ和ε的定义可表示如下：式中

F—轴向拉力(N)；S—试样的横截面积(m2)式中

L0--试样标距长度(mm)；

L1--试样变形过程中和F对应的总伸长(mm)。拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义根据σ-ε曲线可以计算出材料的强度、塑性等力学性能指标。1．弹性模量E2．屈服点σS3．抗拉强度(强度极限)σb4.伸长率δ5．断面收缩率ψ(psi)

弹性模量E值表征材料产生弹性变形的难易程度。金属的弹性模量是一个对组织不敏感的参数，其大小主要取决于金属的本性，而与显微组织无关。因此，热处理、合金化、冷热变形等对它的影响很小。要想提高金属制品的刚度，只能更换金属材料、改变金属制品的结构形式或增加截面面积。式中

σ—应力；

ε—应变。1.弹性模量（刚度）E2．屈服点σS在拉伸过程中，载荷不增加而应变仍在增大的现象称为屈服。拉伸曲线上与此相对应的B点应力σS，称为材料的屈服点。对于在拉伸过程中屈服现象不明显的材料，规定以残余变形量为0.2％时的应力值作为它的条件屈服强度，记为σ0.2。机械零部件或构件在使用过程中一般不允许发生塑性变形，所以材料的屈服点是评价材料承载能力的重要力学性能指标。

拉伸曲线上c点的应力σb称为材料的抗拉强度，它表明了试样被拉断前所能承载的最大应力。抗拉强度是零部件设计和评定材料时的重要强度指标。尤其是对于脆性材料，由于拉伸时没有明显的屈服现象，这时一般用抗拉强度指标作为设计依据。强度σb与密度ρ（rou)之比称为比强度，它也是零件选材的重要指标。3．抗拉强度(强度极限)σb伸长率用δ表示：

式中

L0—拉伸试样标距原长；

Ll—试样拉断后标距长度。

伸长率的数值和试样标距长度有关，标准圆形试样有长试样(L0=10d0，d0为试样直径)和短试样(L0=5d0)两种。4.伸长率δ5．断面收缩率ψ(psi)断面收缩率ψ：式中

S0—试样原始横截面积；

S1—断口细颈处的横截面积。断面收缩率的数值不受试样尺寸的影响，用断面收缩率表示塑性更能接近材料的真实应变。

δ或ψ值愈大，说明材料的塑性愈好，良好的塑性是材料进行压力加工的必要条件。3.2硬度

材料抵抗其他硬物压人其表面的能力称为硬度，它是衡量材料软硬程度的力学性能指标。一般情况下，材料的硬度越高，其耐磨性就越好。硬度是材料最常见的性能指标之一。硬度试验方法比较简单快捷，而且材料的硬度与它的力学性能如强度、耐磨性以及工艺性能，如切削加工性、可焊性等之间存在着一定的对应关系，所以在一些零件图样上，硬度是检验产品质量的重要指标之一。工程上常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。不同测量方法得到的硬度值不能直接比较，必须通过表进行硬度换算。布氏硬度试验的优点是测量结果准确，缺点是压痕大，不适合成品检验。1、布氏硬度2、洛氏硬度洛氏硬度测量迅速简便，压痕小，可在成品零件上检测，也可测定较薄工件或表面有较薄硬化层的硬度，但由于压痕比较小，易受材料微区不均匀的影响，因而数据的重复性比较差。3、维氏硬度

维氏硬度所用载荷小，压痕深度浅，硬度测量精确度高于布氏硬度和洛氏硬度，适用于测量较薄的材料或表面硬化层、金属镀层的硬度。由于维氏硬度的压头是金刚石角锥．载荷可调范围大，所以维氏硬度可用于测量从软到硬的各种工程材料，测定范围0~1000HV。三种硬度3.3韧性

材料的韧性是指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力，它是材料塑性和强度的综合表现。材料的韧性与脆性是两个意义上完全相反的概念，根据材料的断裂形式可分为韧性断裂和脆性断裂。冲击韧度是指材料在冲击载荷的作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。材料的冲击韧度值常用一次摆锤冲击试验法测定，其试验原理如图1-6所示。

冲击试验示意图

a)试件b)试验示意图冲击韧度=冲击吸收功/试样的断口处截面积（cm2）3.3疲劳强度

力的大小和方向都随时间呈周期性的循环变化的应力称为交变应力。材料在交变应力作用下发生的断裂现象称为疲劳断裂。疲劳断裂可以在低于材料的屈服强度的应力下发生，断裂前也无明显的塑性变形，而且经常是在没有任何先兆的情况下突然断裂，因此疲劳断裂的后果是十分严重的。材料的疲劳曲线（σ-N）0~0.0218%c~2.11%c~6.69%c

纯铁钢铸铁

(熟铁）（生铁）

1、按用途分类：

结构钢、工具钢、特殊性能钢

2、按化学成份分类：

碳素钢：低碳钢C≤0.25%合金钢：低合金钢Me≤5%

中碳钢0.25～0.60%c

中合金钢5～

10%Me

高碳钢C＞

0.60%高合金钢Me＞

10%

二、钢铁材料的分类

3、按品质分类

普通钢：P≤0.045%、S≤0.055%

或P、S≤0.050%

优质钢：P、S≤0.040%

高级优质钢：p≤0.035%、S≤0.030%

4、按显微组织分类：

退火状态钢：亚共析钢正火状态钢：珠光体钢

共析钢贝氏体钢

过共析钢马氏体钢

莱氏体钢奥氏体钢铸铁的分类铸铁分为：普通铸铁和合金铸铁普通铸铁：灰铸铁：如HT200等。铸造流动性好，能承受较大弯曲应力，塑性与韧性差。可锻铸铁：如KTH370-12等。比灰铸铁强度高，塑性与韧性也较好，可承受冲击和扭转负荷，具有良好的耐腐蚀性，切削性能好。球墨铸铁：如QT400-15等。具有较高的强度和耐磨性，具有一定的韧性，可制作行星架等零件。几种典型钢材的特点45：非合金钢，为优质碳素结构钢，中碳钢，刚度、强度、韧性等机械性能都较好，加工性能良好，焊接性差，仍可焊接。使用极为广泛。常用热处理方法：调质，淬火。可获得更好的机械性能。可制作齿轮，轴等重要零件。40Cr：合金结构钢。调质后，具有良好的综合性能。淬透性好，焊接性差，仍可焊接。是使用最广泛的钢种之一。它的热处理效果，热处理变形都略好于45。几种典型钢材的特点Q235：碳素结构钢，是一般钢结构的主要使用材料，Q标示屈服，其点数值为235MPa，热处理没有效果。20CrMnTi：是应用广泛、用量很大的合金结构钢。淬火低温回火后，综合力学性能和低温冲击韧性良好，渗碳淬火后具有良好的耐磨性和抗弯强度。热处理工艺简单，热加工和冷加工性好。可制作重载、冲击耐磨且高速的各种重要零件。几种典型钢材的特点42CrMo：调质后有较高的疲劳强度和抗多次冲击能力，高温下具有高的持久强度和蠕变强度，低温冲击韧性良好，工作温度可达500℃~-110℃。在进行表面氮化处理后，可获得较高的表面硬度HV600（约HRC56）以上，且几乎不变形，可做为最后一道工序。制作典型零件：齿圈，轴等。几种典型钢材的特点GCr15：轴承钢，热处理后获得高硬度和高耐磨性，是制作轴承和密封套的优质材料。65Mn：高锰弹簧钢，具有高的强度和硬度，弹性良好，淬透性较好；经淬火及低温回火或调质、表面淬火处理，用于制造受摩擦、高弹性、高强度的机械零件。T8：碳素工具钢，经淬火，回火处理后，可得到较高的硬度和良好的耐磨性，但承受冲击载荷的能力低，可制造钻套，冲头等工具。还有一些工具材料如合金工具钢、粉末冶金材料、陶瓷刀具等不是我们常用材料，这里就不介绍了。

将固态的金属通过加热

保温冷却的方法，改

变其内部的组织结构，从而获得使用性能的一种工艺方法。三、钢的热处理

1、铁碳合金的基本组织

①铁素体：铁素体是碳在α-Fe中的固溶体，用符号“F”表示。

②奥氏体：奥氏体是碳在γ-Fe中的固溶体，用符号“A”表示。

③渗碳体：渗碳体是铁和碳的化合物，碳含量为6.69%，用“Fe3C”表示。

④珠光体：珠光体是由渗碳体和铁素体共同组成的组织，用“P”表示。

2、铁碳平衡相图：

实际转变点的物理意义：

PSK线：A1线：共析转变线:加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度线：

GS线：A3线：加热时铁素体全部转变为奥氏体的终了温度线；

SG线：Acm线：加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度线3、热处理的种类

热处理的工艺种类很多，主要包括以下几个方面：

1）普通热处理：退火、正火、淬火、回火；

2）表面热处理：包括“表面淬火”与“化学热处理”两部分；

3）特殊热处理：如形变热处理、磁场热处理等。4、钢的退火与正火

1）退火：退火是将钢加热到奥氏体转变温度以上某一温

度，保温一定时间,然后随炉冷却500℃以下出炉空冷，以获得接近于平衡状态组织的一种工艺方法。

2）正火：正火是钢加热到Ac3或Accm以上某一温度，保温一定时间，使钢的组织全部奥氏体化，然后从炉中取出，在空气中冷却的一种工艺法。

退火与正火通常用于毛坯另件的预备热处理。其目在于：①改善或消除钢在铸造、轧制、锻造、焊接过程中所造成的各种组织缺陷。

②细化晶粒，为最终热处理做好组织准备。

③降低硬度，改善组织，便于切削加工。退火后组织正火后组织5、钢的淬火与回火

1）淬火:

淬火是将钢或合金加热到临界温度Ac1或Ac3以上30～50℃，保温一定时间，使钢的组织全部或大部分奥氏体化，然后在水或油等介质中快速冷却，以得到高硬度的淬火马氏体组织的一种工艺方法。

目的：

①提高硬度和耐磨性；②提高弹性；

③提高强韧性；④提高耐蚀性和耐热性。

总之，钢的强度、硬度、耐磨性、弹性、韧性、疲劳强度等等，都可以利用淬火与回火使之大大提高，所以，淬火是强化钢铁的主要手段之一。淬火温度的选择：

选择淬火温度的原则是获得均匀细小的奥氏体。

亚共析钢：t=Ac3+（30～50）℃，组织为马氏体。

共析钢和过共析钢：t=Ac1+（30～50）℃，组织为细马氏体加颗粒状渗碳体和少量残余奥氏体。

合金钢：一般淬火温度为临界点以上50～100℃。提高淬火温度有利于合金元素在奥氏体中充分溶解和均匀。

以下介绍几种常用淬火加热温度

钢号354540Cr30CrMnSi淬火温度℃

840～880780～860850900钢号T8～T129CrSiCrWMnGCr15淬火温度℃780～810860840800～860保温时间的确定：

经验公式:t=k×D

k为加热时间系数D为工件有效厚度

生产中常采用电断和盐溶炉对碳钢进行保温，

其计算保温时间的方法为：

箱式电炉：

碳钢：t=1′/mm+(10′～30′)

合金钢：t=1.2′/mm+(30′～60′)

盐浴炉：

碳钢：t=0.3′/mm+(3′～10′)

合金钢：t=0.5′/mm+(2′～10′)

淬火介质：

常用的淬火介质有水、盐水、碱水、油等。

水：一般只适用于截面尺寸不大、形状简单，不重要的碳钢工件的淬火；

盐水：在水中加入5～10%的盐，即成食盐水溶液；

碱水：在水中加入5～10%的碱，即成苛性钠水溶液，一般用于淬透性较低的碳钢。

油：也是一种常用的淬火介质，有植物油和矿物油两类。植物油，如豆油、芝麻油等，冷却特性都比较理想，但容易老化，寿命短，价格高，故目前几乎全部被矿物油所代替。淬火方法：

常用的淬火操作方式有六种：

预冷淬火、单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火和表面淬火。

①预冷淬火：是工件从加热炉取出，先预冷到定一定温度再淬火，这样可以减小激冷程度，减小工件内外温差，从而减小淬火内应力，防止变形开裂。

②单液淬火：将钢加热到奥氏体后，在一种淬火介质中冷却的淬火称为单液淬火。一般情况下，碳钢采用水淬（包括各种水溶液）。合金钢采用油淬（包括冷却能力与油相近似的其它介质），直径小于5毫米的碳钢零件也可采用油淬。

③双液淬火：将钢加热到奥氏体化后，先在冷却能力较强的介质（如水）中，待其冷却到Ms点稍上，即300～400℃时，立即转入另一种冷却速度较弱的淬火介质（如油或空气）中进行冷却，以降低马氏体区的冷速，从而减小淬火应力，防止开裂变形，直至马氏体转变结束，称为双液淬火。

生产中常用是水—油双液淬火（水淬油冷），有时也用水—空气双液淬火（水淬空冷)。

低温回火（150~250）ºC

目的：保持淬火钢的高硬度和高耐磨性，降低淬火应力,减少钢的脆性。硬度为58--64HRC。主要用于：刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳淬火件和表面淬火件。中温回火（350~500）ºC

目的：获得高的弹性极限、屈服点和较好的韧性。又称弹性处理。硬度为35--45HRC.

主要用于：弹性零件及热锻模具等。高温回火（500~650）ºC

目的：获得良好的综合力学性能。又称调质处理。硬度为25--35HR