材料及其熱處理方式和性能影響

1、金 屬 材 料一、金屬材料包括黑色金屬材料和有色金屬材料。二、黑色金屬是指鐵和碳的合金。如鋼、生鐵、鑄鐵等。 1、鋼和生鐵都是以鐵為基礎(chǔ)，以碳為主要添加元素的合金，統(tǒng)稱為鐵碳合金。 鋼是含碳量在0.04%-2.3%之間的鐵碳合金。為了保證其韌性和塑性，含碳量一般不超過1.7%生鐵是指把鐵礦石放到高爐中冶煉而成的產(chǎn)品，主要用來煉鋼和制造鑄件 。生鐵含碳量大于2 2、把鑄造生鐵放在熔鐵爐中熔煉，即得到鑄鐵（液狀），把液狀鑄鐵澆鑄成鑄件，這種鑄鐵叫鑄鐵件。三 、有色金屬材料有色金屬又稱非鐵金屬，指除黑色金屬外的金屬和合金，如銅、錫、鉛、鋅、鋁以及黃銅、青銅、鋁合金和軸承合金等。金屬材料在各種外力作用

2、下所表現(xiàn)出來的性能稱為機械性能。金屬的機械性能主要包括:強度、塑性、硬度、韌性及疲勞強度等。1.強度: 強度是金屬材料在靜載荷作用下，抵抗變形和破斷的能力。 A.彈性極限 : 材料在外力作用下只產(chǎn)生彈性變形時所能承受的最大應(yīng)力稱為彈性極限，符號e。B.屈服極限 : 材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的應(yīng)力稱為屈服極限或屈服強度,符號S。C.抗拉強度: 材料在拉斷前所能承受的最大應(yīng)力為抗拉強度 或強度極限，符號b。2.塑性:金屬材料在斷裂前發(fā)生塑性變形的能力稱為塑性。延伸率 ()和斷面收縮率()是衡量金屬材料塑性的指標(biāo)。3. 沖擊韌性:金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力，稱為沖擊韌性。4.疲勞強度:疲勞強度

3、又稱疲勞極限。減少零件的應(yīng)力集中，改善零件 表面質(zhì)量及使零件表面保留壓應(yīng)力均能有效地提高零件的疲勞強度。5.硬度:硬度即指材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，它是各種零件和工具必須具備的性能指標(biāo)之一，也是熱處理主要的質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)。 (1).檢測方法:就是用一定幾何形狀的壓頭，在一定載荷下，壓入被測金屬材料表面，根據(jù)被壓入程度來測定其硬度值。 (2).表示方法:壓入硬度測定法(如布氏硬度、洛氏硬度等);回跳硬度測定法(如肖氏硬度、里氏硬度)等，而在現(xiàn)場生產(chǎn)中常用的是壓入硬度測定法，即布氏硬度、洛氏硬度等。A.布氏硬度(HB):它是用一定直徑的球體(淬硬鋼球或硬質(zhì)合金球)，以相應(yīng)的

4、試驗力壓入被測鋼料表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除試驗力，用測量表面壓痕直徑來計算硬度的一種壓痕硬度方法。B.洛氏硬度(HRC):洛氏硬度值是用洛氏硬度相應(yīng)標(biāo)尺刻度滿量程(100)與殘余壓痕深度增量之差計算硬度值，HR值可直接從表盤顯示數(shù)字中得出。 金 屬 熱 處 理金屬熱處理：是將金屬工件放在一定的介質(zhì)中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定時間后，又以不同速度冷卻的一種工藝。金屬熱處理的意義：是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量，而這一般不是肉眼所能看到的。金屬熱處理過程：包括加熱、保溫、冷卻三個過程，有時只有加熱和冷卻兩個

5、過程。金屬加熱時，工件暴露在空氣中，常常發(fā)生氧化、脫碳，因而金屬通常應(yīng)在可控氣氛或保護氣氛中、熔融鹽中和真空中加熱。加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數(shù)之一。冷卻是熱處理工藝過程中不可缺少的步驟，冷卻方法因工藝不同而不同，主要是控制冷卻速度。一般退火的冷卻速度最慢，正火的冷卻速度較快，淬火的冷卻速度更快。熱處理普通（整體）熱處理表面熱處理退火正火淬火回火表面淬火表面化學(xué)熱處理感應(yīng)加熱表面淬火火焰加熱表面淬火激光加熱表面淬火等滲碳滲氮碳氮共滲滲金屬等常用熱處理方法的工藝曲線示意圖1. 退火退火是將金屬制件加熱到高于或低于這種金屬的臨界溫度，經(jīng)保溫一定時間，隨后在爐中或埋入導(dǎo)熱性較差的介質(zhì)中緩慢冷卻

6、，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的一種熱處理工藝。退火的目的： a. 降低硬度，以利于切削加工； b. 細化晶粒，改善組織，提高機械性能； c. 消除內(nèi)應(yīng)力，為下一道熱處理作好準(zhǔn)備； d. 提高金屬材料的塑性、韌性，便于進行冷沖壓或冷拉拔加工。退火的缺點：占用設(shè)備；生產(chǎn)率低。2. 正火正火是將金屬制件加熱到高于或低于這種金屬 的臨界溫度，經(jīng)保溫一定時間，隨后在空氣中冷卻，以獲得更細組織的一種熱處理工藝。正火的作用與退火相似，與退火不同之處是： a. 正火是在空氣中冷卻，冷卻速度快，所獲得的組織更細。 b. 正火后的強度、硬度較退火后的稍高，而塑性、韌性則稍低。 c. 不占用設(shè)備；生產(chǎn)率高。3. 淬火淬

7、火是將金屬制件加熱到這種金屬的臨界溫度以上3050，經(jīng)保溫一定時間，隨后在水或油中快速冷卻，以獲得高硬度組織的一種熱處理工藝。淬火的目的：提高金屬材料的強度和硬度，增加耐磨性，并在回火后獲得高強度和一定韌性相配合的性能。4. 回火回火是把淬火后的金屬制件重新加熱到某一溫度，保溫一段時間，然后置于空氣或油中冷卻的熱處理工藝?；鼗鸬哪康模簽榱讼慊饡r因冷卻過快而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，降低金屬材料的淬性，使它具有一定的韌性。根據(jù)加熱溫度的不同，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。（1）低溫回火：回火溫度為150250。低溫回火能消除一定的內(nèi)應(yīng)力，適當(dāng)?shù)亟档弯摰拇嘈裕岣唔g性，同時工件仍保持高硬度、高耐

8、磨性，應(yīng)用于各種量具和刃具。（2）中溫回火：回火溫度為350500。中溫回火可大大減小鋼的內(nèi)應(yīng)力，提高了彈性、韌性，但硬度有所降低，應(yīng)用于彈簧和熱鍛模等。（3）高溫回火：回火溫度為500650。高溫回火可以消除內(nèi)應(yīng)力，硬度有顯著的下降，可獲得具有強度、塑性、韌性等綜合機械性能，應(yīng)用于齒輪、連桿、曲軸等。回火方法 加熱溫度（） 力學(xué)性能 特點應(yīng)用范圍 硬度 （HRC）低溫回火150250 高硬度、耐磨性刃具、量具、冷沖模等5865中溫回火350500高彈性、韌性彈簧、鋼絲繩等3550高溫回火500650良好的綜合力學(xué)性能連桿、齒輪及軸類20305. 調(diào)質(zhì)處理淬火后再經(jīng)高溫回火的熱處理工藝，稱為調(diào)

9、質(zhì)處理。一般要求具有較高綜合機械性能的重要結(jié)構(gòu)零件，都要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。 熱處理中的“四把火”熱處理方式定義作用退火將金屬構(gòu)件加熱到高于或低于臨界點，保持一定時間，隨后緩慢冷卻。降低硬度，改善切削加工性；消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形與裂紋傾向使金屬內(nèi)部組織達到或接近平衡狀態(tài)。正火將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻。正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細，常用于改善材料的切削性能，也有時用于對一些要求不高的零件作為最終熱處理。淬火將工件加熱保溫后，在水、油或其他無機鹽、有機水溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻。使鋼件變硬，但同時變脆?；鼗饘⒋慊鸷蟮匿摷诟哂谑覝囟陀?50的某一適當(dāng)溫度進行長時間的

10、保溫，再進行冷卻，這種工藝稱為回火。為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650的某一適當(dāng)溫度進行長時間的保溫，再進行冷卻。調(diào)質(zhì)淬火+回火獲得一定的強度和韌性表面熱處理和化學(xué)熱處理一、表面淬火 表面淬火是僅對工件表層進行淬火的工藝。目的：為了獲得高硬度的表面層和有利的殘余應(yīng)力分布，提高工件的硬度和耐磨性。表面淬火加熱的方法很多，如感應(yīng)加熱、火焰加熱、電接觸加熱、激光加熱等。二、化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理是將金屬和合金工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。常用的有滲碳、滲氮、碳氮共滲和滲金屬元素等。鋼的分類按化學(xué)成分分類可

11、分為:碳素鋼和合金鋼碳素鋼按含碳量多少可分為:低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼合金鋼按合金元素的含量又可分為低合金鋼 、中合金鋼和高合金鋼合金鋼按合金元素的種類可分為錳鋼、鉻鋼、硼鋼、鉻鎳鋼、硅錳鋼等按冶金質(zhì)量分類按鋼中所含有害雜質(zhì)硫、磷的多少，可分為：普通鋼（S%0.055%，P%0.045%）優(yōu)質(zhì)鋼（S%、P%0.040%）高級優(yōu)質(zhì)鋼（S%0.030%，P%0.035%）按冶煉時脫氧程度，可將鋼分為：沸騰鋼（脫氧不完全）、鎮(zhèn)靜鋼（脫氧較完全）和半鎮(zhèn)靜鋼三類。 按用途分類 按鋼的用途可分為：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊性能鋼結(jié)構(gòu)鋼又分為：工程構(gòu)件用鋼和機器零件用工具鋼分為：刃具鋼、量具鋼、模具鋼 特殊性能鋼分

12、為：不銹鋼、耐熱鋼等 按金相組織分類按退火態(tài)的金相組織可分為：亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼三種。按正火態(tài)的金相組織可分為：珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼、奧氏體鋼等四種。奧氏體 碳與合金元素溶解在-fe中的固溶體，仍保持-fe的面心立方晶格。晶界比較直，呈規(guī)則多邊形；淬火鋼中殘余奧氏體分布在馬氏體間的空隙處   珠光體鐵碳合金中共析反應(yīng)所形成的鐵素體與滲碳體的機械混合物。 碳 鋼 分 類按鋼中含碳量多少分：低碳鋼 Wc < 0.25%中碳鋼 Wc = 0.25%0.6%高碳鋼 Wc > 0.6%低碳鋼特點：塑性好、韌性好、硬度強度低（軟剛）、耐磨性差。熱處理：通常情

13、況下將其進行滲碳，然后淬火，再低溫回火后使用。中碳鋼特點：熱加工及切削性能良好，強度硬度比低碳鋼高，韌性塑性低于低碳鋼，焊接性能較差。熱處理：通常采用完全（加熱到單相奧氏體區(qū)得到單相均勻奧氏體）淬火加中溫或高溫回火的熱處理工藝。高碳鋼特點：具有高硬度和高耐磨性，焊接性能差。熱處理：1.預(yù)先熱處理采用球化退火；2.采用不完全（加熱到兩相區(qū)得到奧氏體加未溶碳化物）淬火加低溫回火的熱處理工藝。合金元素在鋼中的作用鎳：增加強韌性、耐蝕性、耐磨性、彈性細述和低溫沖擊抵抗性鉻：增加耐磨性、耐蝕性及高溫強度鎢：增加耐磨性及高溫強度、硬度硅：增加耐熱性、耐蝕性；低合金鋼之強度增加，增加電磁氣性質(zhì)錳：高溫之抗拉

14、強度、硬度增加，防止因硫而產(chǎn)生的脆性鉬：作用與鎢相同，但效果大兩倍鈷：增加硬度與磁性釩：增加韌性、耐磨性、淬火性鈦：增加耐高溫強度及對海水的耐蝕性銅：增加在空氣中之抗氧化性及抗蝕性鋁：增加流動性磷：增加耐蝕性，但超過0.1時會有熱脆性硫：增加鋼的切削性及熱脆性，但一般含量要少鋼的化學(xué)熱處理將工件置于適當(dāng)?shù)幕钚越橘|(zhì)中加熱、保溫、使一種或幾種元素滲入到它的表面，以改變其化學(xué)成分、組織和性能。 Ø 化學(xué)熱處理由分解、吸收和擴散三個基本過程所組成。 1）滲入介質(zhì)在高溫下通過化學(xué)反應(yīng)進行分解，形成滲入元素的活性原子； 2）滲入元素的活性原子被鋼件的表面吸附，進入晶格內(nèi)形成固溶體或形成化合物；

15、3）被吸附的滲入原子由鋼件的表層逐漸向內(nèi)擴散，形成一定深度的擴散層。 Ø 常用化學(xué)熱處理： 滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲硅滲碳Ø 為提高工件表層碳的質(zhì)量分數(shù)并在其中形成一定的碳含量梯度，將工件在滲碳介質(zhì)中加熱、保溫，使碳原子滲入的化學(xué)熱處理工藝稱為滲碳。 Ø 滲碳所用鋼種一般是碳的質(zhì)量分數(shù)為0.10%0.25%的低碳鋼和低合金鋼，如15、20、20Cr、20CrMnTi等鋼。Ø 經(jīng)滲碳后的工件，都要進行淬火和低溫回火，使工件表面獲得高硬度(5664HRC)、高耐磨性和高疲勞強度，而心部仍保持一定的強度和良好的韌性Ø 滲碳被廣泛應(yīng)用于要求表面硬

16、而心部韌的工件上，如齒輪、凸輪軸、活塞銷。根據(jù)滲碳時介質(zhì)的物理狀態(tài)不同，滲碳可分為氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳，其中氣體滲碳應(yīng)用最廣泛?！練怏w滲碳工藝 】 · 采用液體或氣體碳氫化合物作為滲碳劑，如：煤油、甲苯或含碳的氣體。 · 滲碳溫度 T=900950。 · 保溫時間取決于要求的滲碳層深度，從幾小時到十幾小時不等。 · 零件表面含碳量 Wc=0.81.1% · 滲層深度：0.52mm Ø 滲碳零件的加工工藝路線一般如下： 毛坯鍛造（或軋材下料）正火粗加工、半精加工滲碳淬火+低溫回火精加工（磨削加工）。1)氣體滲碳法滲碳劑甲醇等揮發(fā)

17、后形成滲碳氣氛，在高溫下分解出活性原子，即（二） 滲氮 Ø 在一定溫度下于一定介質(zhì)中，使氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝稱為滲氮。Ø 滲氮劑通常用氨氣，氨氣在480600 分解出具有活性的氮原子滲入工件中，形成富氮層而完成氮化。用于氮化處理的合金鋼常用 38CrMoAIA、35CrAl、 35CrMo等。Ø 滲氮的目的是為了提高工件表層的硬度、耐磨性、熱硬性、耐腐蝕性和疲勞強度。Ø 滲氮處理廣泛應(yīng)用于各種高速傳動的精密齒輪、高精度機床主軸、循環(huán)應(yīng)力作用下要求高疲勞強度零件(如高速柴油機曲軸)以及要求變形小和具有一定耐熱、抗腐蝕能力的耐磨零件(如閥門)等。Ø 鋼件滲氮后不需淬火就可達到6872HRC的硬度，常用滲氮方法主要有氣體滲氮和離子滲氮兩種。Ø 特點 滲氮層薄而脆，不能承受沖擊和振動。 生產(chǎn)周期長，效率低，成本高。 工件滲氮溫度低，氮化后又不需淬火處理，變形小。 Ø 滲氮工件的加工工藝路線一般如下： 毛坯鍛造退火粗加工調(diào)質(zhì)加工去應(yīng)力退火粗磨鍍錫(非滲氮面)滲氮精磨或研磨。（三）碳氮共滲Ø 在奧氏體狀態(tài)下同時將碳、氮原子滲入工件表層，并以