金屬材料及熱處理基本知識

金屬材料及熱處理基本知識金屬材料及熱處理基本知識一、金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在外力作用下所反映出來的性能。金屬常用的力學(xué)性能有：1.彈性金屬材料在受到外力作用時(shí)發(fā)生變形，外力消除后其變形逐漸消失的性質(zhì)稱為彈性。①剛性是指材料或構(gòu)件在外力作用下抵抗彈性變形的能力。②剛度：k＝F/y2.塑性金屬材料在受到外力作用時(shí)，產(chǎn)生顯著的變形而不斷裂的性能稱為塑性。①伸長率δ②斷面收縮率ψ3.強(qiáng)度金屬材料在外力作用下，抵抗變形和破壞的能力稱為強(qiáng)度。由于各種機(jī)器零件或構(gòu)件因載荷作用形式和作用性質(zhì)不同，金屬材料所表現(xiàn)出的強(qiáng)度大小也不同。金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)：（1）屈服強(qiáng)度σs在拉伸試驗(yàn)中，載荷不增加而試樣仍能繼續(xù)伸長時(shí)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度。（2）抗拉強(qiáng)度σb材料在拉斷前所能承受的最大應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度。（3）疲勞強(qiáng)度σ-1材料試樣在疲勞試驗(yàn)過程中，在承受無數(shù)次（或給定次）對稱循環(huán)應(yīng)力作用仍不斷裂的最大應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度。4.硬度金屬表面抵抗硬物壓入的能力稱為硬度。最常用的硬度指標(biāo)：（1）布氏硬度HBS(HBW)布氏硬度是使用一定直徑的球體（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球），以規(guī)定的試驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，然后用測量表面壓痕直徑來計(jì)算硬度。使用淬火鋼球作硬度試驗(yàn)得到的硬度用HBS表示；使用硬質(zhì)合金球作硬度試驗(yàn)得到的硬度用HBW表示。（2）洛氏硬度HRC洛氏硬度C標(biāo)尺試驗(yàn)采用120°金剛石圓錐體加1471N總試驗(yàn)力測量的硬度值。5.沖擊韌性金屬材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力稱為沖擊韌性，其大小用沖擊韌度αK表示。二、鋼的分類、用途與牌號（一）鋼的分類1.按是否特意加入合金元素分類：（1）碳素鋼不含有特意加入合金元素的鋼，稱為碳素鋼。（2）合金鋼在碳素鋼的基礎(chǔ)上，為改善鋼的性能，在冶煉時(shí)有目的地加入一種或數(shù)種合金元素的鋼，稱為合金鋼。2.按含碳量分類（1）低碳鋼C≤0.25％；（2）中碳鋼0.25％＜C＜0.60％；（3）高碳鋼C≥0.60％；3.按質(zhì)量分類（1）普通鋼S≤0.050％，P≤0.045％（2）優(yōu)質(zhì)鋼S≤0.035％，P≤0.035％（3）高級優(yōu)質(zhì)鋼S≤0.025％，P≤0.025％4.按合金元素總量分類（1）低合金鋼合金元素總含量＜5％（2）中合金鋼合金元素總含量5％～10％（3）高合金鋼合金元素總含量＞10％5.按用途分類（1）結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造各種機(jī)械零件和工程構(gòu)件的鋼。（2）工具鋼主要用于制造各種刀具、模具和量具等用鋼。（3）特殊性能鋼具有某種特殊物理、化學(xué)性能的鋼，如不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。（二）碳素鋼的牌號表示方法、代號及符號1.碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼的雜質(zhì)和非金屬夾雜物較多，但冶煉容易，工藝性好，價(jià)格便宜，通常軋制成鋼板和各種型材，用于廠房、橋梁、船舶等結(jié)構(gòu)用鋼或一些受力不大的機(jī)械零件。牌號：Q×××注：Q后的三位數(shù)字表示其屈服強(qiáng)度的數(shù)值，單位是MPa。2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的硫、磷及非金屬夾雜物含量低，常用于制造重要的機(jī)械零件，使用前一般要進(jìn)過熱處理來改善力學(xué)性能。牌號：××注：兩位數(shù)字表示其平均含碳量的萬分?jǐn)?shù)。3.碳素工具鋼碳素工具鋼是用于制造刀具、模具和量具的鋼。由于大多數(shù)工具都要求高硬度和高耐磨性，故碳素工具鋼含碳量均在0.70％以上，都是優(yōu)質(zhì)鋼或高級優(yōu)質(zhì)鋼。牌號：T×或T××注：T后的一或兩位數(shù)字表示其平均含碳量的千分?jǐn)?shù)。如果該鋼的質(zhì)量等級是高級優(yōu)質(zhì)，則在數(shù)字后加一個(gè)A。4.鑄造碳鋼鑄造碳鋼一般用于制造形狀復(fù)雜、力學(xué)性能要求較高的零件，如軋機(jī)機(jī)架、水壓機(jī)橫梁、鍛錘和砧座等。鑄造碳鋼的含碳量一般在0.20％～0.60％之間。如果含碳量過高，則塑性變差，而且鑄造時(shí)易產(chǎn)生裂紋。牌號：ZG×××-×××注：ZG后的前三位數(shù)字表示其最低屈服強(qiáng)度，后三位數(shù)字表示其最低抗拉強(qiáng)度，單位均為MPa。（二）合金鋼的牌號表示方法1.合金結(jié)構(gòu)鋼（1）低合金結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼含碳量一般為0.10％～0.25％，加入了少量合金，具有良好的塑性、韌性、耐蝕性和焊接性，廣泛用于制造工程鋼結(jié)構(gòu)件。例如橋梁、船舶、車輛、鍋爐、壓力容器、輸油管等。牌號：Q×××注：Q后的三位數(shù)字表示其屈服強(qiáng)度的數(shù)值，單位是MPa。（2）合金結(jié)構(gòu)鋼（合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、合金彈簧鋼和滾動(dòng)軸承鋼）牌號：兩位數(shù)字（鋼中平均含碳量的萬分?jǐn)?shù)）+合金元素符號+數(shù)字（合金元素平均含量的百分?jǐn)?shù)）注：當(dāng)合金元素的平均含量＜1.5％時(shí)，只標(biāo)元素符號，不標(biāo)含量。2.合金工具鋼牌號：數(shù)字（鋼中平均含碳量的千分?jǐn)?shù)）+合金元素符號+數(shù)字（合金元素平均含量的百分?jǐn)?shù)）注：①當(dāng)鋼中平均含碳量＞1％時(shí)，不標(biāo)含量。②當(dāng)合金元素的平均含量＜1.5％時(shí)，只標(biāo)元素符號，不標(biāo)含量。常用合金工具鋼的種類：（1）低合金刃具鋼（2）高速鋼3.特殊性能鋼牌號：數(shù)字（鋼中平均含碳量的千分?jǐn)?shù)）+合金元素符號+數(shù)字（合金元素平均含量的百分?jǐn)?shù)）注：①當(dāng)鋼中平均含碳量＞1％時(shí)，不標(biāo)含量。②當(dāng)鋼中平均含碳量為0.03％～0.10％時(shí)，含碳量用0表示，如0Cr18Ni9。③當(dāng)鋼中平均含碳量≤0.03％時(shí)，含碳量用00表示，如00Cr30Mo2。④當(dāng)合金元素的平均含量＜1.5％時(shí)，只標(biāo)元素符號，不標(biāo)含量。為了表示鋼的特殊用途，有的在鋼的牌號前面冠以漢語拼音首字母，而不標(biāo)含碳量，如GCr15，G表示滾動(dòng)軸承鋼，但Cr元素后面的數(shù)字表示平均含鉻量的千分?jǐn)?shù)，而其他合金元素的平均含量仍用百分?jǐn)?shù)表示。例如GCr15SiMn。（1）不銹鋼①鉻不銹鋼常用牌號有：1Cr13、2Cr13、3Cr13等。其中1Cr13、2Cr13耐腐蝕能力和塑性、韌性很好，適用于制造在腐蝕條件下工作、受沖擊載荷的零件，如汽輪機(jī)葉片、水壓機(jī)閥門等。3Cr13的含碳量高，用于制造彈簧、軸承、醫(yī)療器械等。②鉻鎳不銹鋼常用牌號有：0Cr19Ni9、1Cr18Ni9等。鉻鎳不銹鋼主要用于制造強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中工作的零件或構(gòu)件，如化工設(shè)備中的零件或構(gòu)件等。（2）耐熱鋼常用牌號有：4Cr9Si2、1Cr13Al、4CrNi14W2Mo等。4Cr9Si2、1Cr13Al可用于加熱爐底板、滲碳箱等；4CrNi14W2Mo可用于制造汽輪機(jī)葉片、大型發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥等。三、鑄鐵的分類、用途及牌號1.白口鑄鐵2.灰鑄鐵牌號：HT×××注：HT后的三位數(shù)字表示其最低抗拉強(qiáng)度的數(shù)值，單位MPa。3.球墨鑄鐵牌號：QT×××－××注：QT后的前三位數(shù)字表示其最低抗拉強(qiáng)度數(shù)值，單位MPa，后兩位數(shù)字表示最低伸長率。4.可鍛鑄鐵，①黑心可鍛鑄鐵牌號：KTH×××－××②珠光體可鍛鑄鐵牌號：KTZ×××－××注：兩組數(shù)字的意義與球墨鑄鐵相同。5.蠕墨鑄鐵RUT×××注：RUT后的數(shù)字的意義與灰鑄鐵相同。四、鋼的熱處理1.退火把鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）到室溫的熱處理工藝稱為退火。常用的退火方法有：（1）完全退火把含碳量＜0.77％的鋼（一般為中、低碳鋼）加熱到預(yù)定溫度（完全奧氏體化），保溫一定時(shí)間，然后隨爐緩慢冷卻的熱處理方法。完全退火的目的：降低鋼的硬度，細(xì)化晶粒，增加塑性，消除鋼中的不均勻組織和內(nèi)應(yīng)力。（2）球化退火把含碳量＞0.77％的鋼（高碳鋼）加熱到750℃左右，保溫一定時(shí)間，然后隨爐緩慢冷卻至500℃以下，最后在空氣中冷卻至室溫的熱處理方法。球化退火的目的：使鋼中的碳化物呈球狀，降低鋼的硬度，改善切削加工性能；也可作為高碳鋼淬火處理前的預(yù)備熱處理。（3）去應(yīng)力退火又稱低溫退火。它是把鋼加熱到500～650℃，保溫一定時(shí)間，隨爐緩冷至300℃以下出爐的熱處理方法。去應(yīng)力退火的目的：消除由于塑性變形、焊接、切削加工、鑄造、鍛造等形成的殘余內(nèi)應(yīng)力。2.正火把鋼加熱到適當(dāng)溫度（完全奧氏體化），保溫一定時(shí)間，然后在空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。正火的目的與退火基本相同，但正火的冷卻速度比退火快，成本比退火低，得到的組織較細(xì)，硬度、強(qiáng)度比退火高。缺點(diǎn)是：因冷卻速度較退火快，對現(xiàn)狀較復(fù)雜的零件，有引起開裂的危險(xiǎn)。高碳鋼在球化退火前應(yīng)安排正火處理，以消除網(wǎng)狀碳化物。3.淬火把鋼加熱到一定溫度，經(jīng)保溫后快速在水（或油）中冷卻的熱處理方法稱為淬火。淬火的目的：獲得馬氏體組織，提高鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。4.回火將淬火后的鋼重新加熱到某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理方法稱為回火?；鼗鸬哪康模孩贉p少或消除工件淬火時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，防止工件在使用過程中的變形和開裂。②適當(dāng)降低鋼的強(qiáng)度和硬度，提高鋼的韌性。③消除殘余奧氏體，穩(wěn)定鋼的組織和工件尺寸?；鼗鸬姆N類：（1）低溫回火（150～250℃）：降低內(nèi)應(yīng)力、脆性，保持淬火的高硬度和高耐磨性。（2）中溫回火（350～500℃）：提高彈性、強(qiáng)度，獲得較好的韌性。（3）高溫回火（500～600℃）：“淬火+高溫回火”稱為調(diào)質(zhì)，可獲得良好的綜合機(jī)械性能。5.鋼的表面淬火僅對工件表層進(jìn)行淬火的工藝稱為表面淬火。表面淬火的目的是提高零件表面的硬度和耐磨性，保持心部的塑性和韌性。常用的部門淬火有：（1）火焰加熱表面淬火（2）感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火的加熱方式分高頻感應(yīng)加熱、中頻感應(yīng)加熱和工頻感應(yīng)加熱三種。隨感應(yīng)電流頻率的降低，加熱速度逐次降低，熱傳導(dǎo)深度逐次增大，因此淬硬層深度逐次增加。6.化學(xué)熱處理（1）滲碳（2）滲氮（3）碳氮共滲五、硬質(zhì)合金（一）硬質(zhì)合金的性能特點(diǎn)硬質(zhì)合金是將難熔的高硬度的WC、TiC、TaC粉末與鈷、鎳等金屬粘接劑粉末混合、壓制成形，再在高溫下燒結(jié)而成的。其特點(diǎn)是：1.硬度高、熱硬性高、耐磨性好。2.抗壓強(qiáng)度高、韌性差。硬質(zhì)合金一般不能制成形狀復(fù)雜的整體刀具，只能以刀片的形式用焊接、粘接或機(jī)械夾緊的方法固定在刀體上。（二）常用硬質(zhì)合金1.鎢鈷類硬質(zhì)合金YG（表示“硬”、“鈷”——粘接劑）牌號：YG+數(shù)字（平均含鈷量的百分?jǐn)?shù)）鈷的含量越高，韌性越好，抗沖擊能力越高。YG類硬質(zhì)合金適用于脆性材料（如鑄鐵、青銅等）的加工以及斷續(xù)切削