金屬材料的主要性能

金屬材料的主要性能金屬材料性能一般分為工藝性能和使用性能兩類。所謂工藝性能是指機(jī)械零件加工制造過(guò)程中，金屬材料所定冷、熱加工條件下表現(xiàn)出來(lái)性能。金屬材料工藝性能好壞，決定了它制造過(guò)程中加工成形適應(yīng)能力。加工條件不同，要求工藝性能也就不同，如鑄造性能、可焊性、可鍛性、熱處理性能、切削加工性等。所謂使用性能是指機(jī)械零件使用條件下，金屬材料表現(xiàn)出來(lái)性能，它包括機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能等。金屬材料使用性能好壞，決定了它使用范圍與使用壽命。

機(jī)械制造業(yè)中，一般機(jī)械零件都是常溫、常壓和非強(qiáng)烈腐蝕性介質(zhì)中使用，且使用過(guò)程中各機(jī)械零件都將承受不同載荷作用。金屬材料載荷作用下抵抗破壞性能，稱為機(jī)械性能（或稱為力學(xué)性能）。

金屬材料機(jī)械性能是零件設(shè)計(jì)和選材時(shí)主要依據(jù)。外加載荷性質(zhì)不同（例如拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、沖擊、循環(huán)載荷等），對(duì)金屬材料要求機(jī)械性能也將不同。常用機(jī)械性能包括：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、多次沖擊抗力和疲勞極限等。下面將分別討論各種機(jī)械性能。

1．強(qiáng)度

強(qiáng)度是指金屬材料靜荷作用下抵抗破壞（過(guò)量塑性變形或斷裂）性能。載荷作用方式有拉伸、壓縮、彎曲、剪切等形式，強(qiáng)度也分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。各種強(qiáng)度間常有一定聯(lián)系，使用中一般較多以抗拉強(qiáng)度作為最基本強(qiáng)度指針。

2．塑性

塑性是指金屬材料載荷作用下，產(chǎn)生塑性變形（永久變形）而不破壞能力。

3．硬度

硬度是衡量金屬材料軟硬程度指針。目前生產(chǎn)中測(cè)定硬度方法最常用是壓入硬度法，它是用一定幾何形狀壓頭一定載荷下壓入被測(cè)試金屬材料表面，被壓入程度來(lái)測(cè)定其硬度值。

常用方法有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）和維氏硬度（HV）等方法。

4．疲勞

前面所討論強(qiáng)度、塑性、硬度都是金屬靜載荷作用下機(jī)械性能指針。實(shí)際上，許多機(jī)器零件都是循環(huán)載荷下工作，這種條件下零件會(huì)產(chǎn)生疲勞。

5．沖擊韌性

以很大速度作用于機(jī)件上載荷稱為沖擊載荷，金屬?zèng)_擊載荷作用下抵抗破壞能力叫做沖擊韌性。

退火---淬火---回火

一．退火種類

1．完全退火和等溫退火

完全退火又稱重結(jié)晶退火，一般簡(jiǎn)稱為退火，這種退火主要用于亞共析成分各種碳鋼和合金鋼鑄，鍛件及熱軋型材，也用于焊接結(jié)構(gòu)。一般常作為一些不重工件最終熱處理，或作為某些工件預(yù)先熱處理。

2．球化退火

球化退火主要用于過(guò)共析碳鋼及合金工具鋼（如制造刃具，量具，模具所用鋼種）。其主要目降低硬度，改善切削加工性，并為以后淬火作好準(zhǔn)備。

3．去應(yīng)力退火

去應(yīng)力退火又稱低溫退火（或高溫回火），這種退火主要用來(lái)消除鑄件，鍛件，焊接件，熱軋件，冷拉件等殘余應(yīng)力。這些應(yīng)力不予消除，將會(huì)引起鋼件一定時(shí)間以后，或隨后切削加工過(guò)程中產(chǎn)生變形或裂紋。

二．淬火時(shí)，最常用冷卻介質(zhì)是鹽水，水和油。鹽水淬火工件，容易到高硬度和光潔表面，不容易產(chǎn)生淬不硬軟點(diǎn)，但卻易使工件變形嚴(yán)重，發(fā)生開(kāi)裂。而用油作淬火介質(zhì)只適用于過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性比較大一些合金鋼或小尺寸碳鋼工件淬火。

三．鋼回火目

1．降低脆性，消除或減少內(nèi)應(yīng)力，鋼件淬火后存很大內(nèi)應(yīng)力和脆性，如不及時(shí)回火往往會(huì)使鋼件發(fā)生變形開(kāi)裂。

2．獲工件所要求機(jī)械性能，工件經(jīng)淬火后硬度高而脆性大，滿足各種工件不同性能要求，可以適當(dāng)回火配合來(lái)調(diào)整硬度，減小脆性，到所需要韌性，塑性。

3．穩(wěn)定工件尺寸

4．退火難以軟化某些合金鋼，淬火（或正火）后常采用高溫回火，使鋼中碳化物適當(dāng)聚集，將硬度降低，以利切削加工。

爐型選擇

爐型應(yīng)依據(jù)不同工藝要求及工件類型來(lái)決定

1．不能成批定型生產(chǎn)，工件大小不相等，種類較多，要求工藝上具有通用性、

多用性，可選用箱式爐。

2．加熱長(zhǎng)軸類及長(zhǎng)絲桿，管子等工件時(shí)，可選用深井式電爐。

3．小批量滲碳零件，可選用井式氣體滲碳爐。

4．大批量汽車、拖拉機(jī)齒輪等零件生產(chǎn)可選連續(xù)式滲碳生產(chǎn)線或箱式多用爐。

5．對(duì)沖壓件板材坯料加熱大批量生產(chǎn)時(shí)，最好選用滾動(dòng)爐，輥底爐。

6．對(duì)成批定型零件，生產(chǎn)上可選用推桿式或傳送帶式電阻爐（推桿爐或鑄帶爐）

7．小型機(jī)械零件如：螺釘，螺母等可選用振底式爐或網(wǎng)帶式爐。

8．鋼球及滾柱熱處理可選用內(nèi)螺旋回轉(zhuǎn)管爐。

9．有色金屬錠坯大批量生產(chǎn)時(shí)可用推桿式爐，而對(duì)有色金屬小零件及材料可用空氣循環(huán)加熱爐。

加熱缺陷及控制

一、過(guò)熱現(xiàn)象

我們知道熱處理過(guò)程中加熱過(guò)熱最易導(dǎo)致奧氏體晶粒粗大，使零件機(jī)械性能下降。

1.一般過(guò)熱：加熱溫度過(guò)高或高溫下保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，引起奧氏體晶粒粗化稱為過(guò)熱。粗大奧氏體晶粒會(huì)導(dǎo)致鋼強(qiáng)韌性降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，增加淬火時(shí)變形開(kāi)裂傾向。而導(dǎo)致過(guò)熱原因是爐溫儀表失控或混料（常為不懂工藝發(fā)生）。過(guò)熱組織可經(jīng)退火、正火或多次高溫回火后，正常情況下重新奧氏化使晶粒細(xì)化。

2.斷口遺傳：有過(guò)熱組織鋼材，重新加熱淬火后，雖能使奧氏體晶粒細(xì)化，但仍出現(xiàn)粗大顆粒狀斷口。產(chǎn)生斷口遺傳理論爭(zhēng)議較多，一般認(rèn)為曾因加熱溫度過(guò)高而使MnS之類雜物溶入奧氏體并富集于晶接口，而冷卻時(shí)這些夾雜物又會(huì)沿晶接口析出，受沖擊時(shí)易沿粗大奧氏體晶界斷裂。

3.粗大組織遺傳：有粗大馬氏體、貝氏體、魏氏體組織鋼件重新奧氏化時(shí)，以慢速加熱到常規(guī)淬火溫度，再低一些，其奧氏體晶粒仍然是粗大，這種現(xiàn)象稱為組織遺傳性。要消除粗大組織遺傳性，可采用中間退火或多次高溫回火處理。

二、過(guò)燒現(xiàn)象

加熱溫度過(guò)高，引起奧氏體晶粒粗大，晶界局部出現(xiàn)氧化或熔化，導(dǎo)致晶界弱化，稱為過(guò)燒。鋼過(guò)燒后性能嚴(yán)重惡化，淬火時(shí)形成龜裂。過(guò)燒組織無(wú)法恢復(fù)，只能報(bào)廢。工作中要避免過(guò)燒發(fā)生。

三、脫碳和氧化

鋼加熱時(shí)，表層碳與介質(zhì)（或氣氛）中氧、氫、二氧化碳及水蒸氣等發(fā)生反應(yīng)，降低了表層碳濃度稱為脫碳，脫碳鋼淬火后表面硬度、疲勞強(qiáng)度及耐磨性降低，表面形成殘余拉應(yīng)力易形成表面網(wǎng)狀裂紋。

加熱時(shí)，鋼表層鐵及合金與元素與介質(zhì)（或氣氛）中氧、二氧化碳、水蒸氣等發(fā)生反應(yīng)生成氧化物膜現(xiàn)象稱為氧化。高溫（一般570度以上）工件氧化后尺寸精度和表面光亮度惡化，具有氧化膜淬透性差鋼件易出現(xiàn)淬火軟點(diǎn)。

防止氧化和減少脫碳措施有：工件表面涂料，用不銹鋼箔包裝密封加熱、采用鹽浴爐加熱、采用保護(hù)氣氛加熱（如凈化后惰性氣體、控制爐內(nèi)碳勢(shì)）、火焰燃燒爐（使?fàn)t氣呈還原性）

四、氫脆現(xiàn)象

高強(qiáng)度鋼富氫氣氛中加熱時(shí)出現(xiàn)塑性和韌性降低現(xiàn)象稱為氫脆。出現(xiàn)氫脆工件除氫處理（如回火、時(shí)效等）也能消除氫脆，采用真空、低氫氣氛或惰性氣氛加熱可避免氫脆。

幾種常見(jiàn)熱處理概念

1．正火：將鋼材或鋼件加熱到臨界點(diǎn)AC3或ACM以上適當(dāng)溫度保持一定時(shí)間后空氣中冷卻，到珠光體類組織熱處理工藝。

2．退火annealing：將亞共析鋼工件加熱至AC3以上20—40度，保溫一段時(shí)間后，隨爐緩慢冷卻（或埋砂中或石灰中冷卻）至500度以下空氣中冷卻熱處理工藝

3．固溶熱處理：將合金加熱至高溫單相區(qū)恒溫保持，使過(guò)剩相充分溶解到固溶體中，然后快速冷卻，以到過(guò)飽和固溶體熱處理工藝

4．時(shí)效：合金經(jīng)固溶熱處理或冷塑性形變后，室溫放置或稍高于室溫保持時(shí)，其性能隨時(shí)間而變化現(xiàn)象。

5．固溶處理：使合金中各種相充分溶解，強(qiáng)化固溶體并提高韌性及抗蝕性能，消除應(yīng)力與軟化，繼續(xù)加工成型

6．時(shí)效處理：強(qiáng)化相析出溫度加熱并保溫，使強(qiáng)化相沉淀析出，以硬化，提高強(qiáng)度

7．淬火：將鋼奧氏體化后以適當(dāng)冷卻速度冷卻，使工件橫截面內(nèi)全部或一定范圍內(nèi)發(fā)生馬氏體等不穩(wěn)定組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變熱處理工藝

8．回火：將淬火工件加熱到臨界點(diǎn)AC1以下適當(dāng)溫度保持一定時(shí)間，隨后用符合要求方法冷卻，以獲所需要組織和性能熱處理工藝

9．鋼碳氮共滲：碳氮共滲是向鋼表層同時(shí)滲入碳和氮過(guò)程。習(xí)慣上碳氮共滲又稱為氰化，目前以中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體碳氮共滲（即氣體軟氮化）應(yīng)用較為廣泛。中溫氣體碳氮共滲主要目是提高鋼硬度，耐磨性和疲勞強(qiáng)度。低溫氣體碳氮共滲以滲氮為主，其主要目是提高鋼耐磨性和抗咬合性。

10．調(diào)質(zhì)處理quenchingandtempering：一般習(xí)慣將淬火加高溫回火相結(jié)合熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)處理廣泛應(yīng)用于各種重要結(jié)構(gòu)零件，特別是那些交變負(fù)荷下工作連桿、螺栓、齒輪及軸類等。調(diào)質(zhì)處理后到回火索氏體組織，它機(jī)械性能均比相同硬度正火索氏體組織為優(yōu)。它硬度取決于高溫回火溫度并與鋼回火穩(wěn)定性和工件截面尺寸有關(guān)，一般HB200—350之間。

11．釬焊：用釬料將兩種工件粘合一起熱處理工藝

回火種類及應(yīng)用

工件性能要求不同，按其回火溫度不同，可將回火分為以下幾種：

（一）低溫回火（150－250度）

低溫回火所組織為回火馬氏體。其目是保持淬火鋼高硬度和高耐磨性前提下，降低其淬火內(nèi)應(yīng)力和脆性，以免使用時(shí)崩裂或過(guò)早損壞。它主要用于各種高碳切削刃具，量具，冷沖模具，滾動(dòng)軸承以及滲碳件等，回火后硬度一般為HRC58－64。

（二）中溫回火（350－500度）

中溫回火所組織為回火屈氏體。其目是獲高