材料及其熱處理方式和性能影響

材料及其熱處理方式和性能影響金屬材料一、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下所表現(xiàn)出來的性能稱為機(jī)械性能。金屬的機(jī)械性能主要包括:強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性及疲勞強(qiáng)度等。1.強(qiáng)度:強(qiáng)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σe。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(qiáng)度,符號σS。C.抗拉強(qiáng)度:材料在拉斷前所能承受的最大應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度或強(qiáng)度極限，符號σb。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(δ)和斷面收縮率(ψ)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(qiáng)度:疲勞強(qiáng)度又稱疲勞極限。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(qiáng)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。（1）低溫回火：回火溫度為150～250℃。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?，提高韌性，同時工件仍保持高硬度、高耐磨性，應(yīng)用于各種量具和刃具。（2）中溫回火：回火溫度為350～500℃。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500～650℃。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(qiáng)度、塑性、韌性等綜合機(jī)械性能，應(yīng)用于齒輪、連桿、曲軸等?；鼗鸱椒訜釡囟龋ā妫┝W(xué)性能特點應(yīng)用范圍硬度（HRC）低溫回火150～250高硬度、耐磨性刃具、量具、冷沖模等58～65中溫回火350～500高彈性、韌性彈簧、鋼絲繩等35～50高溫回火500～650良好的綜合力學(xué)性能連桿、齒輪及軸類20～305.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)質(zhì)處理。一般要求具有較高綜合機(jī)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(dá)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(xì)，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(jī)鹽、有機(jī)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(jìn)行長時間的保溫，再進(jìn)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(jìn)行長時間的保溫，再進(jìn)行冷卻。調(diào)質(zhì)淬火+回火獲得一定的強(qiáng)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(jìn)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(jī)器零件用工具鋼分為：刃具鋼、量具鋼、模具鋼特殊性能鋼分為：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γ-fe中的固溶體，仍保持γ-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(jī)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(qiáng)度低（軟剛）、耐磨性差。熱處理：通常情況下將其進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)韌性、耐蝕性、耐磨性、彈性細(xì)述和低溫沖擊抵抗性鉻：增加耐磨性、耐蝕性及高溫強(qiáng)度鎢：增加耐磨性及高溫強(qiáng)度、硬度硅：增加耐熱性、耐蝕性；低合金鋼之強(qiáng)度增加，增加電磁氣性質(zhì)錳：高溫之抗拉強(qiáng)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(qiáng)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。

化學(xué)熱處理由分解、吸收和擴(kuò)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(jìn)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(jìn)入晶格內(nèi)形成固溶體或形成化合物；

3）被吸附的滲入原子由鋼件的表層逐漸向內(nèi)擴(kuò)散，形成一定深度的擴(kuò)散層。

常用化學(xué)熱處理：滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲硅滲碳為提高工件表層碳的質(zhì)量分?jǐn)?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。滲碳所用鋼種一般是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%～0.25%的低碳鋼和低合金鋼，如15、20、20Cr、20CrMnTi等鋼。經(jīng)滲碳后的工件，都要進(jìn)行淬火和低溫回火，使工件表面獲得高硬度(56～64HRC)、高耐磨性和高疲勞強(qiáng)度，而心部仍保持一定的強(qiáng)度和良好的韌性滲碳被廣泛應(yīng)用于要求表面硬而心部韌的工件上，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?xì)浠衔镒鳛闈B碳劑，如：煤油、甲苯或含碳的氣體。

滲碳溫度T=900~950℃。

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=0.8~1.1%

滲層深度：0.5~2mm

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)后形成滲碳?xì)夥?，在高溫下分解出活性原子，即（二）滲氮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。滲氮劑通常用氨氣，氨氣在480~600℃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。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(qiáng)度。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(jī)床主軸、循環(huán)應(yīng)力作用下要求高疲勞強(qiáng)度零件(如高速柴油機(jī)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。鋼件滲氮后不需淬火就可達(dá)到68～72HRC的硬度，常用滲氮方法主要有氣體滲氮和離子滲氮兩種。特點

①滲氮層薄而脆，不能承受沖擊和振動。

②生產(chǎn)周期長，效率低，成本高。

③工件滲氮溫度低，氮化后又不需淬火處理，變形小。

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）碳氮共滲在奧氏體狀態(tài)下同時將碳、氮原子滲入工件表層，并以滲碳為主的化學(xué)熱處理工藝稱為碳氮共滲。

碳氮共滲的目的主要是提高工件表層的硬度和耐磨性。

根據(jù)共滲溫度不同，碳氮共滲可分為:

1）低溫碳氮共滲—