金屬材料與熱處理知識

1、一、材料的分類工程材料金屬鋼鐵有色金屬非金屬二、金屬材料 金屬材料是現(xiàn)代機械制造中最主要的材料，在農(nóng)機零部件中通常占到90%以上。 合金：以一種金屬為基礎(chǔ)，加入其它金屬或非金屬，經(jīng)過熔煉、燒結(jié)或其它方法而制成的具有金屬特性的材料。最常用的合金：以鐵為基礎(chǔ)的鐵碳合金，如碳素鋼、合金鋼、灰口鑄鐵等。以銅或鋁為基礎(chǔ)的銅合金和鋁合金，如青銅、黃銅、硅鋁明等。1.金屬材料的性能（1）.金屬材料的機械性能彈性和塑性：延伸率越大，塑性加工的性能越好。剛度：彈性模數(shù)是金屬最穩(wěn)定的性質(zhì)之一。強度：常用指標有屈服強度和抗拉強度。硬度：常用硬度指標有布氏硬度和洛氏硬度沖擊韌性：作為選擇材料的參考，不直接用于強度計算

2、。疲勞強度： 80%的機件失效都可歸咎于疲勞破壞。斷裂韌性：（2）金屬材料的物理、化學(xué)和工藝性能物理性能：比重、熔點、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性?；瘜W(xué)性能：抵抗活潑介質(zhì)的化學(xué)侵蝕能力，如耐酸性、耐堿性、抗氧化性等。工藝性能：是物理、化學(xué)、機械性能的總和。可分為鑄造性、可鍛性、 可焊性、切削加工性能等。2.鋼鐵材料鐵素體：韌性好，強度和硬度均不高。奧氏體：是絕大多數(shù)鋼種在高溫壓力加工時要求的組織。滲碳體：硬度很高，塑性很差。鐵碳合金固態(tài)下的組織：鐵碳合金是以鐵為基礎(chǔ)的合金，也是鋼和鐵的統(tǒng)稱。珠光體：鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。萊氏體：由奧氏體和滲碳體組成的機械混合物。鉄碳合金鉄碳合金 鋼鐵是現(xiàn)

3、代機械制造工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的金屬材料。普通碳鋼和鋼鐵是現(xiàn)代機械制造工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的金屬材料。普通碳鋼和鑄鐵均屬鉄碳合金范疇，合金鋼和合金鑄鐵是加入合金元素的鉄碳合鑄鐵均屬鉄碳合金范疇，合金鋼和合金鑄鐵是加入合金元素的鉄碳合金。因此，碳和鐵是鋼鐵材料的兩個最基本的元素。金。因此，碳和鐵是鋼鐵材料的兩個最基本的元素。 為保證鉄碳合金（鋼）具有足夠的強度，并具有一定的塑性和韌性，為保證鉄碳合金（鋼）具有足夠的強度，并具有一定的塑性和韌性，其含碳量一般不超過其含碳量一般不超過1.31.4%。含碳量大于。含碳量大于2.11%稱為鑄鐵，硬而稱為鑄鐵，硬而脆。強度、塑性、韌性較差，但耐磨性、切削加工性

4、好。脆。強度、塑性、韌性較差，但耐磨性、切削加工性好。碳鋼碳鋼實際使用的碳鋼并不是單純的鉄碳合金，其中包含一些雜質(zhì)元素如實際使用的碳鋼并不是單純的鉄碳合金，其中包含一些雜質(zhì)元素如：SiSi、MnMn、S S、P P。SiSi在鋼中是有益元素，主要提高鋼的強度、硬度。在鋼中是有益元素，主要提高鋼的強度、硬度。MnMn在鋼中是有益元素，主要提高鋼的強度。在鋼中是有益元素，主要提高鋼的強度。S S在鋼中是有害雜質(zhì)，會提高鋼的熱脆性。在鋼中是有害雜質(zhì)，會提高鋼的熱脆性。P P在鋼中是有害雜質(zhì)，會降低鋼的塑性和韌性，增加冷脆性。在鋼中是有害雜質(zhì)，會降低鋼的塑性和韌性，增加冷脆性。所以，判定鋼材質(zhì)量的好壞

5、，主要是根據(jù)鋼中所以，判定鋼材質(zhì)量的好壞，主要是根據(jù)鋼中S S、P P的含量來判斷的的含量來判斷的。碳鋼的分類：碳鋼的分類：1 1、按鋼的含碳量分類、按鋼的含碳量分類低碳鋼低碳鋼-0.25%C-0.25%C中碳鋼中碳鋼-0.30-0.300.55%C0.55%C高碳鋼高碳鋼-0.60%C-0.60%C2 2、按鋼的質(zhì)量分類：主要是根據(jù)鋼中所含有害雜質(zhì)、按鋼的質(zhì)量分類：主要是根據(jù)鋼中所含有害雜質(zhì)S S、P P的多少來分的多少來分，通常分為：普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼三類。，通常分為：普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼三類。（1）普通碳素鋼：S、P含量分部0.055%和0.045%

6、（2）優(yōu)質(zhì)碳素鋼： S、P含量均應(yīng)0.040%（3）高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼： S、P含量分別0.030%和0.035 %3.按用途分類：分碳素結(jié)構(gòu)鋼和碳素工具鋼兩類。（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼：主要用于制造工程構(gòu)件和機器零件。（2）碳素工具鋼：主要用于制造刀具、量具、模具。 碳鋼的編號和用途碳鋼的編號和用途1 1、普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、普通碳素結(jié)構(gòu)鋼這類鋼主要保證力學(xué)性能，故其牌號體現(xiàn)其力學(xué)性能，用Q+數(shù)字表示，其中“Q”為屈服點“屈”字的漢語拼音字首，數(shù)字表示屈服點數(shù)值，例如Q275表示屈服點為275Mpa。若牌號后面標注字母A、B、C、D，則表示剛才質(zhì)量等級不同，含S、P的量依次降低，鋼材質(zhì)量依次提高。若在牌號后

7、面標注字母“F”則為沸騰鋼，標注“b”為半鎮(zhèn)靜鋼，不標注“F”或“b”者為鎮(zhèn)靜鋼。例如Q235-AF表示屈服點為235Mpa的A級沸騰鋼，Q235-C表示屈服點為235Mpa的C級鎮(zhèn)靜鋼 碳素結(jié)構(gòu)鋼一般情況下都不經(jīng)熱處理，而在供應(yīng)狀態(tài)下直接使用。通常Q195、Q215、Q235鋼碳的質(zhì)量分數(shù)低，焊接性能好，塑性、韌性好，有一定強度，常軋制成薄板、鋼筋、焊接鋼管等，用于橋梁、建筑等結(jié)構(gòu)和制造普通螺釘、螺母等零件。Q255和Q275鋼碳的質(zhì)量分數(shù)稍高，強度較高，塑性、韌性較好，可進行焊接，通常軋制成型鋼、條鋼和鋼板作結(jié)構(gòu)件以及制造簡單機械的連桿、齒輪、聯(lián)軸節(jié)、銷等零件。 2 2、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)

8、質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼必須具備良好的機械性能，必須具備良好的機械性能，S S、P P含量較少（含量較少（0.040%0.040%）。）。表示方法：平均含碳量用兩位數(shù)來表示，以表示方法：平均含碳量用兩位數(shù)來表示，以0.01%0.01%為單位。為單位。如：如：2020鋼，表示平均含碳量為鋼，表示平均含碳量為0.2%0.2% 45 45鋼，表示平均含碳量為鋼，表示平均含碳量為0.45%0.45%3 3、碳素工具鋼、碳素工具鋼編號原則在編號原則在“碳碳”或或“T”“T”后面附以數(shù)字表示，數(shù)字表示鋼中平均含碳量后面附以數(shù)字表示，數(shù)字表示鋼中平均含碳量，以，以0.1%0.1%為單位。為單位。如：如：T8T8表示平均

9、含碳量為表示平均含碳量為0.8% 0.8% T12 T12表示平均含碳量為表示平均含碳量為1.2%1.2%如果高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，在鋼號后面加如果高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，在鋼號后面加“A”A”，如，如T12AT12A，碳素工具鋼主，碳素工具鋼主要用于量具、刃具、模具。要用于量具、刃具、模具。 合金鋼合金鋼 在冶煉時特意往鋼中加入一些合金元素，使鋼具有耐高溫、耐低溫在冶煉時特意往鋼中加入一些合金元素，使鋼具有耐高溫、耐低溫、耐腐蝕、高韌性、高耐磨性等性能，稱為合金鋼。、耐腐蝕、高韌性、高耐磨性等性能，稱為合金鋼。 合金鋼的分類合金鋼的分類按用途分為三類：合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼、特殊性能鋼。按用途分為

10、三類：合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼、特殊性能鋼。 合金鋼的編號合金鋼的編號 合金結(jié)構(gòu)鋼包括：普通低合金鋼、易切削鋼、調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼包括：普通低合金鋼、易切削鋼、調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼、彈簧鋼、滾動軸承鋼。彈簧鋼、滾動軸承鋼。 編號原則：數(shù)字編號原則：數(shù)字+ +化學(xué)元素化學(xué)元素+ +數(shù)字，前面的數(shù)字表示數(shù)字，前面的數(shù)字表示“平均含碳量平均含碳量”，以萬分子幾表示；合金元素直接用化學(xué)符合表示；后面的數(shù)字表示合以萬分子幾表示；合金元素直接用化學(xué)符合表示；后面的數(shù)字表示合金元素的含量，以平均含量的百分子幾表示。合金元素含量低于金元素的含量，以平均含量的百分子幾表示。合金元素含量低于1.5%1.5%時，只

11、表元素，不標含量，合金元素含量等于或大于時，只表元素，不標含量，合金元素含量等于或大于1.5%1.5%時，用時，用2 2、3 3、44表示。表示。如：如：40Cr40Cr表示：含碳量表示：含碳量0.4%0.4%左右、鉻鋼、含鉻量小于左右、鉻鋼、含鉻量小于1.5%1.5%。 60Si2Mn60Si2Mn表示：含碳量表示：含碳量0.6%0.6%左右、硅錳鋼、含鉻量左右、硅錳鋼、含鉻量2%2%左右，含錳量左右，含錳量小于小于1.5%1.5%。 20Cr2Ni420Cr2Ni4表示含碳量表示含碳量0.2%0.2%左右、鉻鎳鋼，含鉻量左右、鉻鎳鋼，含鉻量2%2%左右，含鎳量左右，含鎳量4%4%左右左右1

12、 1）普通低合金鋼：低碳結(jié)構(gòu)鋼、合金元素含量較少，一般在）普通低合金鋼：低碳結(jié)構(gòu)鋼、合金元素含量較少，一般在3%3%以下。以下。如：如：16Mn16Mn含碳量含碳量0.16%0.16%左右，含錳量左右，含錳量1.5%1.5%左右左右2 2）易切鋼：容易被切削加工的鋼，附加元素有）易切鋼：容易被切削加工的鋼，附加元素有S S、PbPb、CaCa、P P表示方式：鋼號前冠以表示方式：鋼號前冠以“Y”Y”以區(qū)別非易切鋼。以區(qū)別非易切鋼。如：如：Y12Y12、Y40CrSCaY40CrSCa3)3)滲碳鋼：滲碳鋼含碳量較低，一般含量滲碳鋼：滲碳鋼含碳量較低，一般含量0.1-0.25%0.1-0.25%

13、。如：。如：20CrMnTi20CrMnTi4)4)調(diào)質(zhì)鋼：一般為中碳鋼，含碳量調(diào)質(zhì)鋼：一般為中碳鋼，含碳量0.3-0.55%0.3-0.55%，調(diào)質(zhì)后鋼具有高強度與，調(diào)質(zhì)后鋼具有高強度與良好的塑性和韌性，即綜合機型性能好。如：良好的塑性和韌性，即綜合機型性能好。如：40Cr40Cr、42CrMn42CrMn。5 5）彈簧鋼：一般為高碳鋼）彈簧鋼：一般為高碳鋼0.6-0.75%0.6-0.75%，必須具有抗拉強度強、屈服強度，必須具有抗拉強度強、屈服強度、疲勞強度，同時具有良好的塑性和韌性。如：、疲勞強度，同時具有良好的塑性和韌性。如：6565、65Mn65Mn、55Si2Mn55Si2Mn6

14、 6）滾動軸承鋼：一般為高碳鋼。要求高硬度、高耐磨性、高強度、抗腐）滾動軸承鋼：一般為高碳鋼。要求高硬度、高耐磨性、高強度、抗腐蝕性。常用：蝕性。常用：GCr15GCr15、GCr9GCr9。G G代表代表”滾滾“，加入，加入CrCr為提高淬透性，為提高淬透性，1515表示含碳量在表示含碳量在1.5%1.5%左右。左右。鋼的熱處理熱處理整體熱處理表面熱處理化學(xué)熱處理退火正火淬火淬火和回火調(diào)質(zhì)穩(wěn)定化處理固溶處理和水韌處理固溶處理和時效整體熱處理表面熱處理表面淬火和回火物理氣相沉積化學(xué)氣相沉積等離子體化學(xué)氣相沉積化學(xué)熱處理滲碳滲氮碳氮共滲氮碳共滲滲其他非金屬滲 金 屬多元共滲熔滲改善鋼的性能：改善

15、鋼的性能：1 1）、調(diào)整鋼的化學(xué)成分、）、調(diào)整鋼的化學(xué)成分、2 2）熱處理）熱處理熱處理：通過加熱、保溫、冷卻的操作方法，使鋼的組織結(jié)熱處理：通過加熱、保溫、冷卻的操作方法，使鋼的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，以獲得所需性能的一種加工工藝。構(gòu)發(fā)生變化，以獲得所需性能的一種加工工藝。 退火和正火退火和正火退火和正火一般安排在鑄造、鍛造之后，機械加工之前。退火和正火一般安排在鑄造、鍛造之后，機械加工之前。目的：目的：1 1）軟化鋼件以便切削加工；）軟化鋼件以便切削加工；2 2）消除殘余應(yīng)力，防止）消除殘余應(yīng)力，防止鋼件變形開裂；鋼件變形開裂；3 3）細化晶粒，改善組織，提高鋼的機型性）細化晶粒，改善組織，提高

16、鋼的機型性能；能；4 4）為最終熱處理（淬火回火）作好組織上的準備。）為最終熱處理（淬火回火）作好組織上的準備。退火分為：完全退火、等溫退火、球化退火、去應(yīng)力退火。退火分為：完全退火、等溫退火、球化退火、去應(yīng)力退火。完全退火：將亞共析鋼工件加熱至完全退火：將亞共析鋼工件加熱至Ac3Ac3以上以上30-5030-50，保溫一，保溫一段時間后，隨爐緩慢冷卻至段時間后，隨爐緩慢冷卻至500500以下在空氣中冷卻。以下在空氣中冷卻。正火：將鋼件加熱至正火：將鋼件加熱至Ac3Ac3以上以上30-5030-50，保溫后從爐中取出在，保溫后從爐中取出在空氣中冷卻。與退火的不同點是正火冷卻速度稍快。空氣中冷卻

17、。與退火的不同點是正火冷卻速度稍快。 淬淬 火火淬火：將鋼加熱到淬火：將鋼加熱到Ac3Ac3或或Ac1Ac1以上以上30305050，保溫后快速冷卻的，保溫后快速冷卻的一種操作。一種操作。目的：獲得馬氏體組織，提高鋼的硬度和耐磨性。目的：獲得馬氏體組織，提高鋼的硬度和耐磨性。如何既能得到馬氏體組織又能減小零件變形呢如何既能得到馬氏體組織又能減小零件變形呢？與與淬火介質(zhì)和淬火介質(zhì)和淬火的冷卻方法有關(guān)。淬火的冷卻方法有關(guān)。淬火冷卻介質(zhì)，按淬冷能力依次：鹽水、水、油淬火冷卻介質(zhì)，按淬冷能力依次：鹽水、水、油常用的淬火方法：單液淬火法、雙液淬火法、分級淬火法、等常用的淬火方法：單液淬火法、雙液淬火法、

18、分級淬火法、等溫淬火法、局部淬火法、冷處理。溫淬火法、局部淬火法、冷處理。 淬淬 透透 性性淬透性：鋼在淬火后能獲得淬硬層深度的一種性質(zhì)叫淬透性。淬透性：鋼在淬火后能獲得淬硬層深度的一種性質(zhì)叫淬透性。淬硬性越深，表明鋼的淬透性越好。淬透性與淬硬性不一樣淬硬性越深，表明鋼的淬透性越好。淬透性與淬硬性不一樣，淬透性與淬硬性都與鋼的含碳量有關(guān)。，淬透性與淬硬性都與鋼的含碳量有關(guān)。為提高鋼的淬透性通常增加一些合金元素如：為提高鋼的淬透性通常增加一些合金元素如：Mn/Mo/Cr/AI/SiMn/Mo/Cr/AI/Si等。等。 回火回火回火：將淬火后的鋼加熱到不超過回火：將淬火后的鋼加熱到不超過Ac1Ac1臨界溫度進行保溫，而臨界溫度進行保溫，而后冷卻下來的一種熱處理操作。后冷卻下來的一種熱處理操作。目的：目的：1 1）降低脆性，消除或減少內(nèi)應(yīng)力。）降低脆性，消除或減少內(nèi)應(yīng)力。2)2)獲得工件所要求的機械性能獲得工件所要求的機械性能3 3）穩(wěn)定工件尺寸）穩(wěn)定工件尺寸4 4）對于退火難以軟化的某些合金鋼，采用高溫回火，降低硬）對于退火難以軟化的某些合金鋼，采用高溫回火，降低硬度，易于切削。度，易于切削?；鼗穑旱蜏鼗鼗?、中溫回火、高溫回火回火：低溫回火、中溫回火、高溫回火 鋼的表面淬火