金屬材料、表面處理及熱處理概述

1、1.11.1常用金屬材料常用金屬材料金屬材料可分為鋼鐵材料和非鐵材料（有色金屬材料）兩大類，而鋼又可分為碳素鋼碳素鋼和合金鋼合金鋼，鋼鐵以外的其他金屬稱為非鐵金屬材料或有色金屬材料。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。 (1)低碳鋼 （碳含量0.25%） 碳素鋼 （2）中碳鋼 （碳含量0.25%-0.6%）（3）高碳鋼 （碳含量0.6%-2.11%）鑄鐵中的碳主要以滲碳體和石墨兩種形式存在，根據(jù)碳的存在形式不同，鑄鐵可以分為下列幾種：（1）白口鑄鐵 （2）灰鑄鐵碳（3）麻口鑄鐵根據(jù)鑄鐵中石墨形態(tài)不同，鑄鐵又可分為：灰鑄鐵中的石墨呈片狀；可鍛鑄鐵中的石墨呈

2、團(tuán)絮狀；球墨鑄鐵中的石墨呈球狀，蠕墨鑄鐵中的石墨呈蠕蟲狀。1.21.2金屬的力學(xué)性能金屬的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能是指材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的特性。力學(xué)性能包括強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度及疲勞強(qiáng)度等。強(qiáng)度是指金屬材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。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。材料在外力作用下(如拉伸、沖擊等)僅產(chǎn)生很小的變形即斷裂破壞的性質(zhì)。硬度是指材料表面抵抗局部塑性變形、壓痕或劃痕的能力。常用來測定硬度的方法有布氏硬度試驗(yàn)法和洛氏硬度試驗(yàn)法。如圖2-2所示采用直徑為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，

3、測定壓痕直徑，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。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圖2-3所示。試驗(yàn)時先施加初載荷，使壓頭與試樣表面接觸良好，保證測量準(zhǔn)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。 對于承受沖擊載荷的材料，如汽車發(fā)動機(jī)中的活塞，不僅要求具有高的強(qiáng)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。沖擊韌度的測定方法，如圖2

4、-4所示。是將被測材料制成標(biāo)準(zhǔn)缺口試樣，在沖擊試驗(yàn)機(jī)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aKV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。六在汽車上的許多零件中，比如各種軸、齒輪、彈簧、連桿等，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(qiáng)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(xiǎn)性。疲勞強(qiáng)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

5、大應(yīng)力，其大小與應(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。為了提高金屬的疲勞強(qiáng)度，可以通過改善零件的結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中，減小表面粗糙度值，進(jìn)行表面熱處理和強(qiáng)化處理等方法。熱處理是將固態(tài)金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。根據(jù)熱處理的目的和工藝方法的不同，熱處理可分為：2鋼的熱處理常識鋼的熱處理常識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(biāo)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

6、奧氏體，奧氏體是鋼在高溫狀態(tài)時的組織，其強(qiáng)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性能有重要影響。因此，鋼在加熱時，為了得到細(xì)小均勻的奧氏體晶粒，必須嚴(yán)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(xué)性能，見表2-1。熱處理中的臨界溫度熱處理中的臨界溫度應(yīng)該是指相變臨界點(diǎn)的溫度，鐵碳合金相圖中碳鋼在非常緩慢加熱活冷卻過程中，固態(tài)組織轉(zhuǎn)變的臨界溫度可由鐵碳合金相圖中A1線（PSK）、A3線(GS)、Acm(ES)線來確定， A1、A3、Acm都是平衡臨界點(diǎn)，即新

7、相與舊相平衡的溫度。但在熱處理時，實(shí)際加熱活冷卻的速度不可能是非常緩慢的，因此，組織的轉(zhuǎn)變都偏離平衡臨界點(diǎn)出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象，即鋼中各相的轉(zhuǎn)變溫度在加熱時要稍高于相圖所指出的相變溫度，在冷卻時要稍低于相圖所指出的相變溫度，因此，鋼在實(shí)際臨界點(diǎn)在加熱時附以小寫字母c，冷卻時附以小寫字母r以示區(qū)別。鋼的臨界點(diǎn)含義如下： Ac1（727）：加熱時，珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度 Ac3：亞共析鋼加熱時，鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的終了溫度， ACcm：過共析鋼加熱時，二次滲碳體向奧氏體溶入的終了溫度， Ar1：冷卻時，奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的溫度 Ar3：亞共析鋼冷卻時，奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的起始溫度， Arcm：過共析鋼冷

8、卻時，二次滲碳體由奧氏體析出的起始溫度。 這些臨界點(diǎn)是鋼在熱處理的加熱和冷卻時組織發(fā)生變化的溫度的主要依據(jù)。退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的四種基本工藝，稱為 “四把火”，其中的淬火與回火關(guān)系密切，常常配合使用，缺一不可。 1、退火：是將工件加熱到適當(dāng)溫度，根據(jù)材料和工件尺寸采用不同的保溫時間，然后進(jìn)行緩慢冷卻，目的是使金屬內(nèi)部組織達(dá)到或接近平衡狀態(tài)，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進(jìn)一步淬火作組織準(zhǔn)備。 2、正火；是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細(xì)，常用于改善材料的切削性能，也有時用于對一些要求不高的零件作為最終熱處理。 3、淬火：是將

9、工件加熱保溫后，在水、油或其它無機(jī)鹽、有機(jī)水溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時變脆。4、回火：為了降低淬火鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于710的某一適當(dāng)溫度進(jìn)行長時間的保溫，再進(jìn)行冷卻，這種工藝稱為回火回火。 1.退火概念: 所謂退火，就是將金屬或合金加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時間， 然后隨 爐緩慢冷卻的熱處理工藝，其實(shí)質(zhì)是將鋼加熱奧氏體化后進(jìn)行珠光體轉(zhuǎn)變。 退火目的和作用: (1)降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷變形加工; (2)細(xì)化晶粒，消除因鍛、焊等引起的組織缺陷，均勻鋼的組織成分，改善 鋼的性能或?yàn)橐院蟮臒崽幚碜鳒?zhǔn)備; (3)消除鋼中的內(nèi)應(yīng)力，以防止變

10、形或開裂。 退火、正火、淬火、回火對比和區(qū)別 2.淬火概念: 淬火就是將鋼加熱到Ac3或Ac1點(diǎn)以上某一溫度，保持一定時間，然后 以適當(dāng)速度冷卻獲得馬氏體和(或)貝氏體組織的熱處理工藝。 淬火目的和作用: 淬火的目的是使過冷奧氏體進(jìn)行馬氏體(或貝氏體)轉(zhuǎn)變，得到馬氏體（或 貝氏體）組織，然后配合以不同溫度的回火，獲得所需的力學(xué)性能。 注: 淬火態(tài)工件不允許直接投入現(xiàn)場使用，通常在此之后必須實(shí)時進(jìn)行12 次或以上之回火加工，以調(diào)整其組織及應(yīng)力等。 3.回火概念： 回火就是鋼件淬硬后，再加熱到低于點(diǎn)以下某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。 回火目的和作用： (1)合理地調(diào)整力學(xué)性能

11、，使工件滿足使用要求； (2)穩(wěn)定組織，使工件在使用過程中不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，從而保證工件的尺寸、 形狀不變； (3)降低或消除淬火內(nèi)應(yīng)力，以減少工件的變形并防止開裂。調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì) 操作方法：淬火后高溫回火稱調(diào)質(zhì)，即將鋼件加熱到比淬火時高1020度的溫度，保溫后進(jìn)行淬火，然后在400720度的溫度下進(jìn)行回火。 目的：1.改善切削加工性能，提高加工表面光潔程度；2.減小淬火時的變形和開裂；3.獲得良好的綜合力學(xué)性能。 應(yīng)用要點(diǎn)：1.適用于淬透性較高的合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼和高速鋼；2. 不僅可以作為各種較為重要結(jié)構(gòu)的最后熱處理，而且還可以作為某些緊密零件，如絲杠等的預(yù)先熱處理，以減小變形。 時效時效 操

12、作方法：將鋼件加熱到80200度，保溫520小時或更長時間，然后隨爐取出在空氣中冷卻。 目的：1. 穩(wěn)定鋼件淬火后的組織，減小存放或使用期間的變形；2.減輕淬火以及磨削加工后的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定形狀和尺寸。 應(yīng)用要點(diǎn)：1. 適用于經(jīng)淬火后的各鋼種；2.常用于要求形狀不再發(fā)生變化的緊密工件，如緊密絲杠、測量工具、床身機(jī)箱等。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(xué)熱處理兩種?；鸺盎瘜W(xué)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2-82-8所示）所示） （2 2）感應(yīng)加熱表面淬火（如）感應(yīng)加熱表面淬火（如圖圖2-92-9所示）所示）火焰加熱表面淬火火焰加熱

13、表面淬火操作方法：用氧乙炔混合氣體燃燒的火焰，噴射到鋼件表面上，快速加熱，當(dāng)達(dá)到淬火溫度后立即噴水冷卻。 目的：提高鋼件表面硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，心部仍保持韌性狀態(tài)。 應(yīng)用要點(diǎn)：1多用于中碳鋼制件，一般淬透層深度為26mm；2適用于單件或小批量生產(chǎn)的大型工件和需要局部淬火的工件。感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火 操作方法：將鋼件放入感應(yīng)器中，使鋼件表層產(chǎn)生感應(yīng)電流，在極短的時間內(nèi)加熱到淬火溫度，然后噴水冷卻。 目的：提高鋼件表面硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，心部保持韌性狀態(tài)。 應(yīng)用要點(diǎn)：1多用于中碳鋼和中堂合金結(jié)構(gòu)鋼制件；2 由于肌膚效應(yīng)，高頻感應(yīng)淬火淬透層一般為12mm，中頻淬火一般為35mm，

14、高頻淬火一般大于10mm化學(xué)熱處理是指將鋼件放入一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其表層化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝?；瘜W(xué)熱處理種類很多，最常用的是滲碳和滲氮。（1）鋼的滲碳將工件置于滲碳介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝，如圖2-10所示。滲碳操作方法：將鋼件放入滲碳介質(zhì)中，加熱至900950度并保溫，使鋼件便面獲得一定濃度和深度的滲碳層。 目的：提高鋼件表面硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，心部仍然保持韌性狀態(tài)。 應(yīng)用要點(diǎn)：1用于含碳量為015025的低碳鋼和低合金鋼制件，一般滲碳層深度為0525mm；2滲碳后必須進(jìn)行淬火，使表面得到馬氏體，才能實(shí)

15、現(xiàn)滲碳的目的。氮化 操作方法：利用在5600度時氨氣分解出來的活性氮原子，使鋼件表面被氮飽和，形成氮化層。 目的：提高鋼件表面的硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及抗蝕能力。 應(yīng)用要點(diǎn)：多用于含有鋁、鉻、鉬等合金元素的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，以及碳鋼和鑄鐵，一般氮化層深度為002508mm 氮碳共滲 操作方法：向鋼件表面同時滲碳和滲氮。 目的：提高鋼件表面的硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及抗蝕能力。 應(yīng)用要點(diǎn)：1多用于低碳鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼以及工具鋼制件，一般氮化層深0023mm；2氮化后還要淬火和低溫回火。3.3.金屬的表面處理金屬的表面處理發(fā)藍(lán)：發(fā)藍(lán)是將鋼在空氣中加熱或直接浸於濃氧化性溶液中，使其表面產(chǎn)生極薄的氧化

16、物膜的材料保護(hù)技術(shù)，也稱發(fā)黑。 發(fā)藍(lán)膜的成分為磁性氧化鐵，厚度為0.51.5微米，顏色與材料成分和工藝條件有關(guān)，有灰黑、深黑、亮藍(lán)等。無電解鍍鎳：無電解鍍鎳是化學(xué)鍍鎳，也叫化學(xué)沉鎳，是由添加的還原劑提供催化動力發(fā)生鎳層的沉積。鍍液常常要加主鹽，穩(wěn)定劑，還原劑，絡(luò)合劑，緩沖劑等。電解鍍鎳：電鍍鎳是在指在電場的作用下使離子發(fā)生定向遷移沉積成鍍層的過程。鍍液除了主鹽等主要成分外還要加各種電鍍添加劑和各種助劑，主要是使鍍層出光，整平，細(xì)化結(jié)晶，防止針孔，促進(jìn)陰極極化等等。（化學(xué)過程、物理變化）鍍鎳的作用：鎳可以提高鋼的機(jī)械性能，增加鋼的強(qiáng)度、韌性、耐熱性，增加鋼的防腐蝕、抗酸性及其導(dǎo)磁性等。鎳還能夠細(xì)

17、化晶粒、提高鋼的淬透性和增加鋼的硬度。此外，在鋼的熱加工中，鎳又有防止銅對金屬表面產(chǎn)生有害影響之功能。鍍鉻的作用：鍍鉻主要有三個作用:1.增加表面的光潔度;2.增加軸表面的防腐蝕性能;3.增加軸表面的耐磨性鍍鋅的作用：主要起表面防腐的作用。綜上所述：都是用在金屬表面。鍍鉻主要是提高表面硬度，美觀，防銹。鉻鍍層具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在堿、硫化物、硝酸和大多數(shù)有機(jī)酸中均不發(fā)生作用，但能溶于氫鹵酸(如鹽酸)和熱的硫酸中。 因鉻不變色，使用時能長久保持其反射能力而優(yōu)于銀和鎳。 工藝一般都是電鍍鍍鎳主要是耐磨，防腐蝕，防銹，一般厚度較薄，工藝的話分電鍍和化學(xué)兩類鍍鋅主要是美觀 防銹。zn是活潑金屬，能與酸反應(yīng)，所以耐腐蝕性較差，但三種中最便宜。噴砂：利用高速砂流的沖擊作用清理和粗化基體表面的過程。采用壓縮空氣為動力，以形成高速噴射束將噴料（銅礦砂、石英砂、金剛砂、鐵砂、海南砂）高速噴射到需要處理的工件表面，使工件表面的外表面的外表或形狀發(fā)生變化，由于磨料對工件表面的沖擊和切削作用，使工件的表面獲得一定的清潔度和不同的粗糙度，使工件表面的機(jī)械性能得到改善，因此提高了工件的抗疲勞性，增加了它和涂層之間的附著力，延長了涂膜的耐久性，也有利于涂料的流平和裝飾。 陽極氧化：所謂鋁的