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、金屬材料的力學性能金屬材料的力學性能是指金屬材料在外力作用下所反映出來的性能。金屬常用的力學性能有：1.彈性金屬材料在受到外力作用時發(fā)生變形，外力消除后其變形逐漸消失的性質稱為彈性。①剛性是指材料或構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，產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.強度金屬材料在外力作用下，抵抗變形和破壞的能力稱為強度。由于各種機器零件或構件因載荷作用形式和作用性質不同，金屬材料所表現(xiàn)出的強度大小也不同。金屬材料的強度指標：（1）屈服強度σs在拉伸試驗中，載荷不增加而試樣仍能繼續(xù)伸長時的應力稱為屈服強度。（2）抗拉強度σb材料在拉斷前所能承受的最大應力稱為抗拉強度。（3）疲勞強度σ-1材料試樣在疲勞試驗過程中，在承受無數(shù)次（或給定次）對稱循環(huán)應力作用仍不斷裂的最大應力稱為疲勞強度。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：（1）布氏硬度HBS(HBW)布氏硬度是使用一定直徑的球體（淬火鋼球或硬質合金球），以規(guī)定的試驗力壓入試樣表面，經規(guī)定保持時間后卸除試驗力，然后用測量表面壓痕直徑來計算硬度。使用淬火鋼球作硬度試驗得到的硬度用HBS表示；使用硬質合金球作硬度試驗得到的硬度用HBW表示。（2）洛氏硬度HRC洛氏硬度C標尺試驗采用120°金剛石圓錐體加1471N總試驗力測量的硬度值。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上，為改善鋼的性能，在冶煉時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.按質量分類（1）普通鋼S≤0.050％，P≤0.045％（2）優(yōu)質鋼S≤0.035％，P≤0.035％（3）高級優(yōu)質鋼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）結構鋼主要用于制造各種機械零件和工程構件的鋼。（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.碳素結構鋼碳素結構鋼的雜質和非金屬夾雜物較多，但冶煉容易，工藝性好，價格便宜，通常軋制成鋼板和各種型材，用于廠房、橋梁、船舶等結構用鋼或一些受力不大的機械零件。牌號：Q×××注：Q后的三位數(shù)字表示其屈服強度的數(shù)值，單位是MPa。2.優(yōu)質碳素結構鋼優(yōu)質碳素結構鋼的硫、磷及非金屬夾雜物含量低，常用于制造重要的機械零件，使用前一般要進過熱處理來改善力學性能。牌號：××注：兩位數(shù)字表示其平均含碳量的萬分數(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)質鋼或高級優(yōu)質鋼。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數(shù)。如果該鋼的質量等級是高級優(yōu)質，則在數(shù)字后加一個A。4.鑄造碳鋼鑄造碳鋼一般用于制造形狀復雜、力學性能要求較高的零件，如軋機機架、水壓機橫梁、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，而且鑄造時易產生裂紋。牌號：ZG×××-×××注：ZG后的前三位數(shù)字表示其最低屈服強度，后三位數(shù)字表示其最低抗拉強度，單位均為MPa。（二）合金鋼的牌號表示方法1.合金結構鋼（1）低合金結構鋼低合金結構鋼含碳量一般為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構件。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)字表示其屈服強度的數(shù)值，單位是MPa。（2）合金結構鋼（合金滲碳鋼、合金調質鋼、合金彈簧鋼和滾動軸承鋼）牌號：兩位數(shù)字（鋼中平均含碳量的萬分數(shù)）+合金元素符號+數(shù)字（合金元素平均含量的百分數(shù)）注：當合金元素的平均含量＜1.5％時，只標元素符號，不標含量。2.合金工具鋼牌號：數(shù)字（鋼中平均含碳量的千分數(shù)）+合金元素符號+數(shù)字（合金元素平均含量的百分數(shù)）注：①當鋼中平均含碳量＞1％時，不標含量。②當合金元素的平均含量＜1.5％時，只標元素符號，不標含量。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數(shù)）+合金元素符號+數(shù)字（合金元素平均含量的百分數(shù)）注：①當鋼中平均含碳量＞1％時，不標含量。②當鋼中平均含碳量為0.03％～0.10％時，含碳量用0表示，如0Cr18Ni9。③當鋼中平均含碳量≤0.03％時，含碳量用00表示，如00Cr30Mo2。④當合金元素的平均含量＜1.5％時，只標元素符號，不標含量。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，而不標含碳量，如GCr15，G表示滾動軸承鋼，但Cr元素后面的數(shù)字表示平均含鉻量的千分數(shù)，而其他合金元素的平均含量仍用百分數(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，如汽輪機葉片、水壓機閥門等。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腐蝕介質中工作的零件或構件，如化工設備中的零件或構件等。（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可用于制造汽輪機葉片、大型發(fā)動機排氣閥等。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溫度，保溫一定時間，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）加熱到預定溫度（完全奧氏體化），保溫一定時間，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，細化晶粒，增加塑性，消除鋼中的不均勻組織和內應力。（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備熱處理。（3）去應力退火又稱低溫退火。它是把鋼加熱到500～650℃，保溫一定時間，隨爐緩冷至300℃以下出爐的熱處理方法。去應力退火的目的：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應力。2.正火把鋼加熱到適當溫度（完全奧氏體化），保溫一定時間，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，硬度、強度比退火高。缺點是：因冷卻速度較退火快，對現(xiàn)狀較復雜的零件，有引起開裂的危險。高碳鋼在球化退火前應安排正火處理，以消除網狀碳化物。3.淬火把鋼加熱到一定溫度，經保溫后快速在水（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產生的內應力，防止工件在使用過程中的變形和開裂。②適當降低鋼的強度和硬度，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℃）：降低內應力、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、強度，獲得較好的韌性。（3）高溫回火（500～600℃）：“淬火+高溫回火”稱為調質，可獲得良好的綜合機械性能。5.鋼的表面淬火僅對工件表層進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）感應加熱表面淬火感應加熱表面淬火的加熱方式分高頻感應加熱、中頻感應加熱和工頻感應加熱三種。隨感應電流頻率的降低，加熱速度逐次降低，熱傳導深度逐次增大，因此淬硬層深度逐次增加。6.化學熱處理（1）滲碳（2）滲氮（3）碳氮共滲五、硬質合金（一）硬質合金的性能特點硬質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，再在高溫下燒結而成的。其特點是：1.硬度高、熱硬性高、耐磨性好。2.抗壓強度高、韌性差。硬質合金一般不能制成形狀復雜的整體刀具，只能以刀片的形式用焊接、粘接或機械夾緊的方法固定在刀體上。（二）常用硬質合金1.鎢鈷類硬質合金YG（表示“硬”、“鈷”——粘接劑）牌號：YG+數(shù)字（平均含鈷量的百分數(shù)）鈷的含量越高，韌性越好，抗沖擊能力越高。YG類硬質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