金屬材料與熱處理課件

金屬材料與熱處理一、常用碳素鋼金屬材料與熱處理一、常用碳素鋼11．碳素結構鋼碳素結構鋼的牌號是由屈服點字母、屈服點數(shù)值、質量等級、脫氧方法等四部分按順序組成。其中屈服點的數(shù)值以鋼材厚度(或直徑)不大于16mm鋼的屈服點表示；質量等級分A、B、C、D四級，A級質量最低，D級質量最高；屈服點的字母以“屈’’字漢語拼音字母“Q”表示；沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼分別以“沸”、“鎮(zhèn)”二字的漢語拼音字首“F”、“z”表示；半鎮(zhèn)靜鋼用字母b表示，“z”可以省略。例如Q235—A·F表示σs（屈服強度）=235MPa的A級碳素結構鋼，F(xiàn)表示沸騰鋼。碳素結構鋼塑性、韌性好。適于制作鋼筋、鋼板等建筑用材料和一般機械構件。1．碳素結構鋼2

2．優(yōu)質碳素結構鋼優(yōu)質碳素結構鋼牌號由兩位數(shù)字構成，數(shù)字值表示鋼的平均碳的質量分數(shù)的萬分之幾。例如45鋼，表示平均碳的質量分數(shù)為0．45％的優(yōu)質碳素結構鋼。若鋼中錳含量較高，但不是特意加入的，則在兩位數(shù)字之后加“Mn”。如65Mn鋼表示平均碳的質量分數(shù)為0．65％且錳含量較高的優(yōu)質碳素結構鋼。若為沸騰鋼，則在表示牌號的兩位數(shù)字之后寫上“F”，如08F表示平均碳的質量分數(shù)為0．08％的優(yōu)質碳素結構沸騰鋼。金屬材料與熱處理課件310、15、20等鋼屬于低碳鋼，具有良好的冷沖壓性能及可焊性，常用來制造用力不大、韌性要求較高的機械零件，如螺釘、螺帽、法蘭盤、拉桿及化工機械中的焊接容器等。經過滲碳淬火處理后，其表面硬而耐磨，心部保持高的塑性和韌性，常用于制造承受沖擊載荷的耐磨零件，如凸輪、摩擦片等。10、15、20等鋼屬于低碳鋼，具有良好的冷沖壓性能及可焊性430、45、50等鋼屬于中碳鋼，經調質處理(即淬火后高溫回火)后，有良好的綜合力學性能，是受力較大的機器零件理想的原材料。主要用來制造截面尺寸不大的齒輪、連桿及軸類零件。60以上的鋼屬于高碳鋼，經熱處理后，有高強度和良好的彈性，適于制造彈簧、鋼繩、軋輥等彈性零件及耐磨零件。30、45、50等鋼屬于中碳鋼，經調質處理(即淬火后高溫回火5易切削鋼也是結構鋼的一種。其特點是易于切削加工。這種材料適用于自動機床上加工。它是向鋼中加入一種或幾種易生成脆性夾雜物的元素(硫和磷等)，使鋼中形成有利于斷屑的夾雜物，從而改善了鋼的切削加工性能。易切削鋼也是結構鋼的一種。其特點是易于切削加工63．碳素工具鋼碳素工具鋼的牌號以“碳”字漢語拼音字首“T”與其后面的一組數(shù)字組成，數(shù)字表示鋼中平均碳的質量分數(shù)為千分之幾。含錳較高的在數(shù)字后標注“Mn”，高級優(yōu)質鋼在鋼號后標注“A”。如T10A表示平均碳的質量分數(shù)為1．0％的高級優(yōu)質碳素工具鋼。3．碳素工具鋼碳素工具鋼的牌號以“碳”字漢語拼音字首“7碳素工具鋼隨著碳的質量分數(shù)的增加，其硬度和耐磨性漸增，而韌性則逐漸下降，應用場合也因之不同。T7、T8一般用于要求韌性稍高的工具如：沖頭、鏨子、簡單模具、木工工具等。T9、T10、T11用于要求中等韌性、高硬度的工具，如手用鋸條、絲錐、板牙等，也可用作要求不高的模具。T12、T13具有高的硬度及耐磨性，但韌性低，用于制造量具、銼刀、鉆頭、刮刀等。碳素工具鋼隨著碳的質量分數(shù)的增加，其硬度和耐磨8鑄鋼的牌號用“ZG+兩組數(shù)字”表示，ZG是“鑄鋼”二字漢語拼音首位字母，兩組數(shù)字分別表示最低屈服點和最低抗拉強度的值，單位是MPa。如ZG200—400，表示屈服點不小于200MPa，抗拉強度不小于400MPa的鑄鋼。鑄鋼的牌號用“ZG+兩組數(shù)字”表示，ZG是“鑄鋼”二字漢語拼9鋼的熱處理一、概述

鋼的熱處理是通過鋼在固態(tài)下的加熱、保溫和冷卻，改變鋼的內部組織，從而得到所需要的性能的工藝方法。

熱處理在機械制造中應用十分廣泛，它不僅能提高材料的使用性能，以充分發(fā)揮其潛力，還能提高機械零件的壽命，并能提高產品質量，節(jié)約金屬材料。此外，熱處理還可用來改善工件的加工工藝性能，提高勞動生產率。鋼的熱處理一、概述10根據加熱、保溫和冷卻的方式不同，熱處理可分為退火、正火、淬火、回火及化學熱處理等基本方法。熱處理工藝過程中的加熱、保溫和冷卻一個階段。通?？捎脺囟取獣r間坐標圖形表示，稱為熱處理工藝曲線，如圖6—5所示。由于加熱溫度、保溫時間和冷卻速度的不同，將使鋼產生不同的組織轉變。

根據加熱、保溫和冷卻的方式不同，熱處理可分為退火、正火、淬火11金屬材料與熱處理課件12二、鋼的普通熱處理

1．退火退火是將鋼加熱到工藝預定的某一溫度，經保溫后緩慢冷卻下來的熱處理方法。常用的退火方法有完全退火、球化退火和去應力退火等。二、鋼的普通熱處理1．退火132．正火正火是將鋼加熱到工藝規(guī)定的某一溫度，使鋼的組織完全轉變?yōu)閵W氏體，經保溫一段時間后，在空氣中冷卻到室溫的工藝方法。正火的冷卻速度比退火稍快，過冷度稍大。因此，正火后所獲得的組織較細，強度、硬度較高。2．正火14正火與退火的工藝和目的相似，在實際生產中，正火主要應用于下列幾個方面：第一，凡碳的質量分數(shù)低于0．45％的碳鋼，都用正火替代退火；第二，過共折鋼常用正火來消除網狀滲碳體，給球化退火作組織上的準備；第三，對使用性能要求不高的工件，常用正火代替調質。正火與退火的工藝和目的相似，在實際生產中，正火主要應用于下列153．淬火淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac1或Ac3以上，保溫一段時間，然后快速冷卻下來的一種熱處理方法。淬火的目的是提高鋼的硬度和耐磨性，使結構零件獲得良好的綜合力學性能。3．淬火16

4．回火鋼件淬火后必須經過回火?；鼗鹁褪菍⒋慊痄撝匦录訜岬焦に囶A定的某一溫度(低于臨界溫度)，經保溫后再冷卻到室溫的熱處理工藝。淬火鋼回火的目的在于消除淬火內應力，調整鋼的力學性能，穩(wěn)定鋼件的組織和尺寸。根據零件的力學性能要求和回火溫度不同，回火方法有以下三種：

(1)低溫回火的溫度為150～250℃，得到的組織為回火馬氏體。目的是降低淬火鋼的脆性及內應力，保持高硬度和高耐磨性。低溫回火適用于量具、切削工具、沖模等以及滾動軸承和滲碳淬火零件。4．回火17

(2)中溫回火的溫度為350～450℃，得到的組織為回火托氏體。這種組織不僅具有一定的韌性和硬度，而且具有高的彈性和屈服強度。中溫回火常用于各種彈簧和鍛模的回火。

(3)高溫回火的溫度為500～650℃，得到的組織為回火索氏體，它具有較高的強度和沖擊韌度的力學性能。高溫回火常用于傳動件和重要的緊固件，如曲軸、連桿、氣缸、螺栓等。在生產中常把淬火后進行高溫回火的熱處理，稱為調質處理。回火是熱處理的最后一道工序，它直接影響成品的質量，因此回火溫度必須嚴加控制。(2)中溫回火的溫度為350～450℃，得到的組織為回火托18三、鋼的表面熱處理

許多零件，如齒輪、凸輪、曲輪等，不僅要求表面具有高的硬度和耐磨性，還要求心部具有足夠的韌性。若要滿足這些要求，僅僅依靠選材和采用一般熱處理方法是難以實現(xiàn)的，而采用表面熱處理工藝則能滿足上述要求。表面熱處理是僅對工件表層進行熱處理，以改善其組織和力學性能的工藝，它包括表面淬火和化學熱處理兩類。三、鋼的表面熱處理許多零件，如齒輪、凸輪、曲輪等，不僅要求191．表面淬火表面淬火是指使工件表面迅速加熱到淬火溫度，而不等熱量傳到中心就迅速冷卻。表面淬火后，工件的表層獲得硬而耐磨的馬氏體組織，而心部仍保持原來的韌性較好的組織。為了使淬火工件的表面耐磨，鋼中的碳的質量分數(shù)應大于0．3％。表面淬火用鋼一般是中碳或中碳合金鋼。1．表面淬火表面淬火是指使工件表面迅速加熱到淬火溫度，而20加熱工件的方法主要有感應加熱和火焰加熱兩種。感應加熱是利用感應線圈中的交變電磁場，使工件表面產生感應電流，依靠電熱效應使表面金屬溫度迅速升高至淬火溫度，然后進行淬火冷卻?；鹧婕訜崾抢醚酢胰惭嬷苯蛹訜峁ぜ蛊浔砻嫜杆偕郎刂链慊饻囟?。然后進行淬火冷卻。表面淬火常應用于齒輪、曲軸軸頸、凸輪等零件的表面硬化處理。加熱工件的方法主要有感應加熱和火焰加熱兩種。感應加熱是利用感212．化學熱處理化學熱處理是將零件置于化學介質中加熱保溫，使零件表面滲入某種元素以改變其化學成分組織和力學性能的熱處理工藝?；瘜W熱處理包含分解(化學介質在一定溫度下分解出活性原子)、吸收(活性原子被工件表面吸收并滲入工件表面)和擴散(滲入的活性原子由表及里的滲透形成擴散層)三個基本過程?；瘜W熱處理方法有滲碳和滲氮兩種。2．化學熱處理化學熱處理是將零件置于化學介質中加熱保溫，22(1)滲碳是使介質分解出的活性碳原子滲入工件表層，提高表層組織中的碳的質量分數(shù)經淬火及低溫回火，使工件表層具有高的硬度和耐磨性，而心部仍保持原來的組織和性能的熱處理工藝方法。滲碳主要用于低碳鋼和低碳合金鋼，滲碳后工件表層碳的質量分數(shù)為0．85％～1．05％，經淬火與低溫回火后表面硬度為56～64HRC，而心部仍保持良好的塑性、韌性。按所用的滲碳劑不同，滲碳的方法分為固體滲碳法和氣體滲碳法等，目前生產中廣泛應用的是氣體滲碳法。(1)滲碳是使介質分解出的活性碳原子滲入工件表層，提高表層23(2)滲氮是使化學介質分解出的活性氮原子，滲入工件表層形成氮化層的熱處理工藝方法。滲氮后的工件表面生成的滲氮物，由于結構致密，硬度高，所以能抵抗化學介質的侵蝕并具有比滲碳更高的表面硬度、耐磨性、熱硬性和疲勞強度，不再需要淬火強化。目前，常用的滲氮方法是氣體滲氮，氣體滲氮用鋼以中碳合金鋼為主，使用最廣泛的鋼為38CrMoAlA。(2)滲氮是使化學介質分解出的活性氮原子，滲入工件表層形成氮24四、鋼的表面處理在生產實際中，許多零件和工具為了防止其使用時，表面產生腐蝕及增加表面的美觀，常對其進行適當?shù)奶幚?，使零件和工具的表面生成一層均勻而致密的氧化膜。這不僅提高了表面的抗蝕性能，而且氧化膜所具有的光澤也增加了美觀。目前常用的表面處理方法有氧化、發(fā)黑和磷化等。四、鋼的表面處理25合金鋼合金鋼就是在碳素鋼的基礎上，為了改善鋼的性能，在冶煉時有目的地加入一些元素的鋼，加入的元素稱合金元素。合金鋼常用的合金元素有錳、硅、鉻、鎳、鎢、釩、鈦、硼、稀土等。合金鋼合金鋼就是在碳素鋼的基礎上，為了改善鋼的性能，在冶煉26一．合金鋼牌號的表示方法合金結構鋼的牌號是采用“二位數(shù)字+化學元素符號+數(shù)字”的方法來表示的。前面的數(shù)字表示鋼的碳的平均質量分數(shù)的萬分之幾，合金元素直接用化學元素符號表示，后面的數(shù)字表示合金元素平均質量分數(shù)的百分之幾。凡合金元素平均質量分數(shù)ωMe

<1．5％時，牌號中只標明元素，一般不標明質量分數(shù)；如果平均質量分數(shù)ωMe

≥1．5％、2．5％、3．5％……則相應地以2、3、4……等表示。如果為高級優(yōu)質鋼，則在鋼號后加“A”。例如：60Si2MnA

一．合金鋼牌號的表示方法27

60Si2MnAA——高級優(yōu)質鋼Mn——平均錳質量分數(shù)ωMn<1．5％Si2——平均硅質量分數(shù)ωsi=2％60——平均碳質量分數(shù)ωC=0.60％合金工具鋼牌號的表示方法與合金結構鋼大體相同，所不同的是碳的質量分數(shù)的表示方法。當平均碳的質量分數(shù)≥1．0%時，在牌號中不標出；當平均碳的質量分數(shù)<1．0％時，則在牌號前以千分之幾表示。例如：60Si2MnA289Mn2VV——釩的平均質量分數(shù)<1．5％Mn2——錳的平均質量分數(shù)為2％9——碳的平均質量分數(shù)為0．9％Cr12Cr12——鉻的平均質量分數(shù)為12％不寫數(shù)字，碳的平均質量分數(shù)≥1．0％一些特殊專用鋼，為表明其用途，在牌號前需附加字母。如滾動軸承鋼(GCr15)，其牌號前面加“滾”字漢語拼音大寫字“G”表示。9Mn2V29

二、常用合金鋼1．合金結構鋼合金結構鋼是在碳素結構鋼的基礎上加入適量的合金元素的鋼。按照用途不同，合金結構鋼可分為：普通低合金結構鋼、滲碳鋼、調質鋼、彈簧鋼、滾動軸承鋼等。(1)普通低合金結構鋼常用的普通低合金結構鋼有09Mn2、16Mn、15MnV等。主要取代碳素結構鋼，用以制造各種要求強度較高的工程結構件，例如：船舶、車輛、高壓容器、管道、大型橋梁、大型屋架等。二、常用合金鋼30

(2)合金滲碳鋼

常用的滲碳鋼有20Cr、20Mn2B、20CrMnTi、20MnVB。

適于制造易磨損而又承受較大沖擊載荷的零件，如汽車、拖拉機的齒輪、凸輪軸、氣門頂桿等。

(3)合金調質鋼常用的合金調質鋼有40Cr、40Mn2、35CrMnSi和40MnB等。適用于制造性能要求高及截面尺寸較大的重要零件，如承受交變載荷、中等轉速、中等載荷的軸類、桿類、齒輪等零件。

(2)合金滲碳鋼31(4)合金彈簧鋼

常用的合金彈簧鋼有60Si2Mn、50CrVA等。重要的或大斷面的彈簧，都采用合金彈簧鋼制造，如機車車輛、汽車、拖拉機上的螺旋彈簧及板彈簧、閥門彈簧等。

(5)滾動軸承鋼常用的滾動軸承鋼有GCr6、GCr9、GCr15、GCr15SiMn等。適用于制造滾動軸承的內圈、外圈和滾動體的專用鋼，也可用于制造工具、量具和模具等。(4)合金彈簧鋼322．合金工具鋼合金工具鋼與碳素工具鋼相比，合金工具鋼具有淬透性好、耐磨性好、熱硬性高和熱處理變形小的優(yōu)點。按用途可分為刃具鋼、量具鋼和模具鋼三類。

(1)刃具鋼主要用來制造金屬切削刀具。

根據合金元素含量的不同，刃具鋼一般為低合金刃具鋼和高速鋼兩類。1)低合金刃具鋼

常用的低合金刃具鋼有9SiCr、9Mn2V、CrMn、CrWMn、CrW5和Cr2等，用于制造要求變形小的鉸刀、銑刀、低切削量的拉刀，并可用于制造量具和模具。2．合金工具鋼332)高速鋼是一種高合金鋼

高速鋼的品種繁多，主要有鎢系高速鋼和鎢鉬系高速鋼。鎢系高速鋼以w18Cr4V為代表，主要用于制造工作溫度在600℃以下結構復雜的成形刀具和普通麻花鉆等。

鎢鉬系高速鋼以W6Mo5Cr4V2為代表，它是在鎢系高速鋼的基礎上，以鉬代替部分鎢而制成的。除可代替W18Cr4V制造麻花鉆、滾刀、銑刀、插齒刀和擴孔刀等外，還適合制造薄棱刃及大截面的刀具。

2)高速鋼是一種高合金鋼34(2)量具鋼：量具是用來度量和檢驗成品尺寸的工具。因此，要求它的工作部分應具有高的硬度和耐磨性。精度要求較低、形狀簡單的量具，可采用T10A、T12A制造。高精度量規(guī)和量塊等，采用熱處理變形小的Cr12、9Mn2v、GCr15SiMn和CrWMn等制造。(2)量具鋼：量具是用來度量和檢驗成品尺寸的工具。因此，要求35(3)模具鋼：按模具工作條件不同，可分為：冷作模具和熱作模具。冷作模具鋼是用來制造冷沖模、下料模、剪切模、拉絲模等冷態(tài)工作的模具。通?？梢圆捎肨10A、T12A、9Mn2V和9SiCr等。對于形狀復雜，要求高精度、高耐磨性的模具，則選用Cr12和Cr12MoV等來制造。熱作模具鋼(如熱鍛模、熱壓模)在工作過程中常常受到加熱和冷卻的交替作用，因此要求模具有足夠的室溫強度和韌性外，還應具有高的高溫強度和耐熱疲勞性。目前，常用的熱作模具鋼有5Cr