金屬材料及熱處理基本知識(shí)

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/y

2.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δ

② 斷面收縮率ψ

3.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σ_s 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σ_b 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(duì)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(cè)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(cè)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α_K表示。

二,、鋼的分類,、用途與牌號(hào)

（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(jí)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(hào)表示方法,、代號(hào)及符號(hào)

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(hào)： 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(hào)： ××

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(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。

牌號(hào)： 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(jí)是高級(jí)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(hào)：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(hào)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(hào)：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(hào)：兩位數(shù)字（鋼中平均含碳量的萬分?jǐn)?shù)）+ 合金元素符號(hào) + 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(hào)，不標(biāo)含量,。

2.合金工具鋼

牌號(hào)：數(shù)字（鋼中平均含碳量的千分?jǐn)?shù)）+ 合金元素符號(hào) + 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(hào),，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(hào)：數(shù)字（鋼中平均含碳量的千分?jǐn)?shù)）+ 合金元素符號(hào) + 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(hào),，不標(biāo)含量,。

為了表示鋼的特殊用途，有的在鋼的牌號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)

1.白口鑄鐵

2.灰鑄鐵

牌號(hào)：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(hào)：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(hào)：KTH×××－××

② 珠光體可鍛鑄鐵

牌號(hào)：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(duì)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,。

回火的目的：

① 減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,。

回火的種類：

（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(duì)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(hào)：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)切削加工。

2.鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金YT（表示“硬”,、“鈦”——碳化鈦）

牌號(hào)：YT + 數(shù)字（碳化鈦平均含量的百分?jǐn)?shù)）

碳化鈦含量越高,，硬度越高，耐磨性越好,，但強(qiáng)度和韌性越低,。YT類適用于塑性材料（如鋼等）的連續(xù)切削加工。

3.通用硬質(zhì)合金YW

通用硬質(zhì)合金是以碳化鉭（Tan）或碳化鈮取代YT類硬質(zhì)合金中的一部分碳化鈦制成的,。由于碳化鉭（碳化鈮）可顯著提高合金的熱硬性,，常用來加工不銹鋼、耐熱鋼,、高錳鋼等難加工材料,。

牌號(hào)：YW + 序號(hào) 如TW1、TW2,。