金屬與熱處理(1)

1、舞鋼公司檢修廠 李其拴工程材料與熱處理工程材料與熱處理提綱提綱 1. 工程材料常識 2. 金屬材料的性能 3. 鋼及熱處理一、 工程材料的概念和分類1.1什么是工程材料？ 能為人類制造有用器件的 物質(zhì)，統(tǒng)稱為工程材料. 1.2 工程材料怎樣分類？1.31.3常用金屬材料常用金屬材料金屬材料可分為鋼鐵材料(黑色金屬）和非鐵材料（有色金屬材料）兩大類，而鋼又可分為碳素鋼、合金鋼及鑄鋼等，鋼鐵以外的其他金屬稱為非鐵金屬材料或有色金屬材料。 一、鋼鐵材料(黑色金屬）鋼的分類方法很多，常用的是按鋼的用途分類，可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊性能鋼，鑄鋼等。 鑄鐵是含碳量大于2.11%的鉄碳合金。鑄鐵因為有良好

2、的鑄造性而被廣泛用于機械制造業(yè)中。 鑄鐵中根據(jù)碳存在的狀態(tài)不同，鑄鐵可以分為下列幾種：（1）白口鑄鐵 （2）灰鑄鐵碳（3）麻口鑄鐵通常，把鋼和鐵稱為黑色金屬，鋼鐵以外的其他金屬稱為有色金屬。有色金屬有許多特殊的性能，是現(xiàn)代工業(yè)不可缺少的金屬材料。常用的有色金屬有以下幾種：二、金屬材料的性能二、金屬材料的性能 機械工業(yè)生產(chǎn)中使用的金屬材料種類很多，為了能正確的加工和合理利用金屬材料，就必須充分的了解和掌握金屬的各項性能。金屬的性能，主要有物理性能，化學性能，機械性能和工藝性能。2.12.1金屬的機械性能金屬的機械性能 材料的機械性能材料的機械性能： 材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的特性。力學性能包括

3、強度、塑性、硬度、沖擊韌度及疲勞強度等。 1 1、強度 強度是指金屬材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的性能。 根據(jù)載荷作用形式的不同，強度可以分為抗拉、抗壓、抗剪、抗 扭和抗彎強度等，一般以抗拉強度作為最基本的強度指標。 金屬拉伸試驗 拉伸試驗來測定金屬抗拉強度，把標準拉伸試驗來測定金屬抗拉強度，把標準試樣裝夾在試驗機上，然后對試樣緩慢施加拉試樣裝夾在試驗機上，然后對試樣緩慢施加拉力，使之不斷變形直到拉斷為止。在此過程中，力，使之不斷變形直到拉斷為止。在此過程中，試驗機能自動繪制出載荷試驗機能自動繪制出載荷F和試樣變形量和試樣變形量L的關(guān)系曲線。此曲線叫做拉伸曲線。的關(guān)系曲線。此曲線叫做拉伸曲線

4、。從圖2-1中可以看出下面幾個變形階段：（1）Oe彈性變形階段 （2）es屈服階段 （3）sb強化階段 （4）bk縮頸階段1拉伸曲線拉伸曲線圖圖2-1為低碳鋼的拉伸曲線，為低碳鋼的拉伸曲線，圖中縱坐標表示載荷單位為圖中縱坐標表示載荷單位為N；橫坐橫坐標表示絕對伸長量標表示絕對伸長量L，單位為，單位為mm。材料受到外力作用會發(fā)生變形，同時在材料內(nèi)部產(chǎn)生一個抵抗變形的力稱為內(nèi)力。單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力，單位為Pa（帕），即N/m2工程上常用MPa(兆帕)，1MPa=106pa，或1Pa=1N/m2，或1MPa=1N/mm2。（1）屈服點s材料產(chǎn)生屈服時的最小應(yīng)力。單位為MPa。s= Fs/AO

5、（2-1）式中，F(xiàn)s是屈服時的最小載荷(N)；A0是試樣原始截面積。（2）抗拉強度b材料在拉斷前所承受的最大應(yīng)力，單位為MPa?？估瓘姸缺硎静牧系挚咕鶆蛩苄宰冃蔚淖畲竽芰?，也是設(shè)計機械零件和選材的主要依據(jù)。b= Fb/AO （2-3）式中，F(xiàn)b是試樣斷裂前所承受的最大載荷（N）。金屬材料在載荷的作用下，產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力稱為塑性。通過拉伸試驗測得 的常用塑性指標有：斷后延伸率和斷面收縮率。試樣拉斷后的標距伸長量和原始標距之比值的百分率。 =(L1L0)/L0100 （2-4） 式中，L1試樣原始標距長度。L0試樣拉斷后的標距長度。試樣拉斷處=100橫截面積的縮減量與原始橫截面積之比 =

6、 =(A0A1)/AO 100（2-5）式中，Ao是試樣的原始橫截面積；A是試樣斷口處的橫截面積。拉伸試樣變形圖拉伸實驗指標計算 有一根鋼試棒，原標距長為100mm。在拉伸試驗時，拉伸載荷增加到26690N時出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，載荷達到47100N時，試樣產(chǎn)生縮頸，隨后拉斷。斷裂后測得的標距長度是116mm,斷裂處直徑是7.75mm.試求此鋼材的屈服極限、抗拉強度、延伸率和斷面收縮率。金屬材料表面抵抗其它更硬物體壓入的能力稱為硬度。常用來測定硬度的方法有布氏硬度試驗法和洛氏硬度試驗法、維氏硬度實驗法。直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，在規(guī)定載荷F的作用下，壓入被測金屬表面，保持一定時間后卸除載荷，測定

7、壓痕直徑，求出壓痕球形的表面積，壓痕單位表面積上所承受的平均壓力（F/A）即為布氏硬度值，壓頭為淬火鋼球時用HBS表示，壓頭為硬質(zhì)合金球用時HBW表示。例如120HBS，450HBW。布氏硬度的特點及應(yīng)用范圍：布氏硬度的特點及應(yīng)用范圍： 測量誤差小數(shù)據(jù)穩(wěn)定，壓痕大不能用于太薄件及成品件，適用于正火、退火及調(diào)質(zhì)鋼、有色金屬的測試。 采用頂角為120的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球作為壓頭如下圖所示。試驗時先施加初載荷，使壓頭與試樣表面接觸良好，保證測量準確，再施加主載荷，保持到規(guī)定的時間后再卸除主載荷，依據(jù)壓痕的深度來確定材料的硬度值。洛氏硬度用符號HR表示，根據(jù)壓頭類型和主載荷不

8、同，分為九個標尺，常用的標尺為A、B、C。 HRA用于測量高硬度材料, 如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層 HRB用于測量低硬度材料, 如有色金屬和退火、正火鋼等。 HRC用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。 洛氏硬度的優(yōu)點：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。 缺點：測量結(jié)果分散度大。 3.維氏硬度維氏硬度 維氏硬度用符號HV表示，符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點。 對于承受沖擊載荷的材料，如汽車發(fā)動機中的活塞，不僅要求具有高的強度和一定的塑性，還必須具備足夠的沖擊韌度。金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力稱為沖擊韌度。沖擊

9、韌度的測定方法，如圖2-4所示。是將被測材料制成標準缺口試樣，在沖擊試驗機上由置于一定高度的重錘自由落下而一次沖斷。沖斷試樣所消耗的能量稱為沖擊功，其數(shù)值為重錘沖斷試樣的勢能差。沖擊韌度值aK就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功，這個值越大，則韌性越好，受沖擊時，越不容易斷裂。圖片示例 很多機械零件，要受到大小和方向呈周期性變化的載荷作用。這種交變載荷雖然小于材料的強度極限，甚至小于其彈性極限，但經(jīng)多次循環(huán)后，在沒有明顯的外觀變形時也會發(fā)生斷裂，這種破壞稱作疲勞破壞或疲勞斷裂。這種破壞都是突然發(fā)生的，具有很大的危險性。疲勞強度-1是表示材料以周期性交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應(yīng)力，其大

10、小與應(yīng)力變化的次數(shù)有關(guān)。對于黑色金屬規(guī)定循環(huán)次數(shù)為107次，有色金屬循環(huán)次數(shù)為108次。 金屬在無數(shù)次交變載荷的作用下，而不破壞的最大應(yīng)力，稱為疲勞極限。圖片示例二、金屬材料的性能2.2 物理性能： 密度 熔點 膨脹系數(shù) 導熱性導電性等。2.3 化學性能： 耐腐蝕性 抗氧化性等。2.4 金屬工藝性能： 指金屬材料是否易于加工 或成型的性能，主要 包括鑄造性、鍛造性、可焊性、切削加工性等。 三鋼及熱處理三鋼及熱處理3.2 認識碳素鋼認識碳素鋼 碳素鋼是工業(yè)中使用最早、用量最大的基本材料。世界各工業(yè)國家，在努力增加低合金高強度鋼和合金鋼產(chǎn)量的同時，也非常注意改進碳素鋼質(zhì)量，擴大品種和使用范圍。目前

11、碳素鋼的產(chǎn)量在各國鋼總產(chǎn)量中的比重，約保持在80%左右，廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、鐵道、車輛、船舶和各種機械制造工業(yè)。 1、碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素結(jié)構(gòu)鋼 用途：各類工程。通常熱軋后空冷供貨，用戶一般不需 進行熱處理而直接使用。這類鋼共分五個強度等級。命名：Q235-AF等級符號：A、B、C、D（D級達到了優(yōu)質(zhì)鋼水平）2、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼用途：重要機件?？梢酝ㄟ^熱處理調(diào)整零件的力學 性能。出廠狀態(tài)可以是熱軋后空冷，也可以 是退火、正火等狀態(tài)。隨用戶需要而定。命名：用兩位數(shù)字表示，兩位數(shù)字表示鋼中含碳量 的萬分之幾。 如：45鋼 WC=0.45%常用牌號：08F、15、45、60、60Mn等。3.3 認識合金

12、鋼認識合金鋼 合金鋼：合金鋼： 在普通碳素鋼基礎(chǔ)上添加適量的一種或多種合金元素而構(gòu)成的鐵在普通碳素鋼基礎(chǔ)上添加適量的一種或多種合金元素而構(gòu)成的鐵碳合金。根據(jù)添加元素的不同，并采取適當?shù)募庸すに?，可獲得高強度、高韌性碳合金。根據(jù)添加元素的不同，并采取適當?shù)募庸すに?，可獲得高強度、高韌性、耐磨、耐腐蝕、耐低溫、耐高溫、無磁性等特殊性能。合金鋼的主要合金元素、耐磨、耐腐蝕、耐低溫、耐高溫、無磁性等特殊性能。合金鋼的主要合金元素有硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、鈮、鋯、鈷、鋁、銅、硼、稀土等。有硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、鈮、鋯、鈷、鋁、銅、硼、稀土等。1. 合金鋼的牌號：合金鋼的牌號： 合金鋼的

13、編號原則是采用合金鋼的編號原則是采用“二位數(shù)字二位數(shù)字+化化學元素符號學元素符號+數(shù)字數(shù)字”的方法。合金鋼的含碳量、的方法。合金鋼的含碳量、各類合金元素的含量均在牌號中體現(xiàn)出來。各類合金元素的含量均在牌號中體現(xiàn)出來。例：合金彈簧鋼例：合金彈簧鋼 60Si2Mn 含碳量含碳量 0.6%；硅含量；硅含量 2%； 錳含量錳含量 Mn1%。 2. 合金鋼的分類合金鋼的分類 1）合金結(jié)構(gòu)鋼）合金結(jié)構(gòu)鋼 主要包括（低合金結(jié)構(gòu)鋼（16MnR 、14CrMn)、低合金滲碳鋼 40Cr）合金調(diào)質(zhì)鋼、合金彈簧鋼、滾動軸承鋼等） 2）合金工具鋼 主要包括（刃具鋼 （高速鋼 W18Cr4V、量具鋼、 磨具鋼等） 3）

14、特種鋼 主要包括（不銹耐酸鋼Cr13、耐熱鋼4Cr9Si2、耐磨鋼等） 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(nèi)部組織，從而改變性能的一種工藝方法。根據(jù)加熱和冷卻方式的不同，熱處理可以分為退火、正火、淬火、回火及表面熱處理等.3.2 鋼及熱處理鋼及熱處理1.熱處理方法雖然很多，但任何一種熱處理工藝都是由加熱、保溫、和冷卻三個階段所組成的。熱處理工藝過程可用在溫度一時間坐標系中的曲線圖表示，這種曲線稱為熱處理工藝曲線，見圖2-5。在熱處理工藝中，鋼的加熱目的是為了獲得奧氏體，奧氏體是鋼在高溫狀態(tài)時的組織，其強度及硬度高，塑性良好，晶粒的大小、成分及其均勻化程度，對鋼冷卻后的組織和

15、性能有重要影響。因此，鋼在加熱時，為了得到細小均勻的奧氏體晶粒，必須嚴格控制加熱溫度和保溫時間，以求在冷卻后獲得高性能的組織。冷卻是熱處理的關(guān)鍵工序，成分相同的鋼經(jīng)加熱獲得奧氏體組織后，以不同的速度冷卻時，將獲得不同的力學性能，見表2-1。退火是將鋼加熱到適當溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）的熱處理工藝。 退火的目的：降低鋼的硬度，提高塑性；細化晶粒改善組織；消除內(nèi)應(yīng)力。正火是指把鋼加熱到組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的臨界溫度以上保溫，使其完全奧氏體化，在空氣中冷卻的熱處理工藝。3 3淬火是將鋼的組織加熱到轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的臨界溫度以上，保溫一定時間，以大于臨界冷卻速度快速冷卻的熱處理工藝。4回火回火 鋼的回火是指將淬火后的鋼，在組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的臨界溫度以下加熱，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。 回火的目的：1.獲得所需要的機械性能；2.穩(wěn)定組織，穩(wěn)定尺寸；3.消除內(nèi)應(yīng)力。 調(diào)質(zhì)處理：淬火+高溫回火稱為調(diào)質(zhì)處理。經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的鋼與正火鋼比，不僅強度高，而且塑性、韌性好，常用作特別重要的結(jié)構(gòu)零件。三三常用的表面熱處理方法有表面淬常用的表面熱處理方法有表面淬火及化學熱處理兩種。火及化學熱處理兩種。（1 1）火焰加熱表面淬火（如）火焰加熱表面淬火（如圖圖