材料及其热处理方式和性能影响教学内容.docx

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材料及其热处理方式和性能影响教学内容

材料及其热处理方式和性能影响

金属材料

一、金属材料包括黑色金属材料和有色金属材料。

二、黑色金属是指铁和碳的合金。

如钢、生铁、铸铁等。

1、钢和生铁都是以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。

钢是含碳量在0.04%-2.3%之间的铁碳合金。

为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%生铁是指把铁矿石放到高炉中冶炼而成的产品，主要用来炼钢和制造铸件。

生铁含碳量大于2％

2、把铸造生铁放在熔铁炉中熔炼，即得到铸铁（液状），把液状铸铁浇铸成铸件，这种铸铁叫铸铁件。

三、有色金属材料

有色金属又称非铁金属，指除黑色金属外的金属和合金，如铜、锡、铅、锌、铝以及黄铜、青铜、铝合金和轴承合金等。

金属材料在各种外力作用下所表现出來的性能称为机械性能。

金属的机械性能主要包括:

強度、塑性、硬度、韧性及疲劳強度等。

1.強度:

強度是金属材料在靜载荷作用下，抵抗变形和破断的能力。

A.弹性极限:

材料在外力作用下只产生弹性变形时所能承受的最大应力称为弹性极限，符号σe。

B.屈服极限:

材料产生屈服现象时的应力称为屈服极限或屈服強度,符号σS。

C.抗拉強度:

材料在拉断前所能承受的最大应力为抗拉強度或強度极限，符号σb。

2.塑性:

金属材料在断裂前发生塑性变形的能力称为塑性。

延伸率（δ）和断面收缩率（ψ）是衡量金属材料塑性的指标。

3.冲击韧性:

金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力，称为冲击韧性。

4.疲劳強度:

疲劳強度又称疲劳极限。

減少零件的应力集中，改善零件表面质量及使零件表面保留压应力均能有效地提高零件的疲劳強度。

5.硬度:

硬度即指材料抵抗局部变形，特別是塑性变形、压痕或划痕的能力，它是各种零件和工具必须具备的性能指标之一，也是热处理主要的质量检验标准。

（1）.检测方法:

就是用一定几何形狀的压头，在一定载荷下，压入被测金属材料表面，根据被压入程度來测定其硬度值。

（2）.表示方法:

压入硬度测定法（如布氏硬度、洛氏硬度等）;回跳硬度测定法（如肖氏硬度、里氏硬度）等，而在现場生产中常用的是压入硬度测定法，即布氏硬度、洛氏硬度等。

A.布氏硬度（HB）:

它是用一定直径的球体（淬硬钢球或硬质合金球），以相应的试验力压入被测钢料表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量表面压痕直径來计算硬度的一种压痕硬度方法。

B.洛氏硬度（HRC）:

洛氏硬度值是用洛氏硬度相应标尺刻度滿量程（100）与残余压痕深度增量之差计算硬度值，HR值可直接从表盘显示数字中得出。

金属热处理

金属热处理：

是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。

金属热处理的意义：

是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。

其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。

金属热处理过程：

包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。

金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳，因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热。

加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一。

冷却是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。

一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。

常用热处理方法的工艺曲线示意图

1.退火

退火是将金属制件加热到高于或低于这种金属的临界温度，经保温一定时间，随后在炉中或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的一种热处理工艺。

退火的目的：

a.降低硬度，以利于切削加工；

b.细化晶粒，改善组织，提高机械性能；

c.消除内应力，为下一道热处理作好准备；

d.提高金属材料的塑性、韧性，便于进行冷冲压或冷拉拔加工。

退火的缺点：

占用设备；生产率低。

2.正火

正火是将金属制件加热到高于或低于这种金属的临界温度，经保温一定时间，随后在空气中冷却，以获得更细组织的一种热处理工艺。

正火的作用与退火相似，与退火不同之处是：

a.正火是在空气中冷却，冷却速度快，所获得的组织更细。

b.正火后的强度、硬度较退火后的稍高，而塑性、韧性则稍低。

c.不占用设备；生产率高。

3.淬火

淬火是将金属制件加热到这种金属的临界温度以上30～50℃，经保温一定时间，随后在水或油中快速冷却，以获得高硬度组织的一种热处理工艺。

淬火的目的：

提高金属材料的强度和硬度，增加耐磨性，并在回火后获得高强度和一定韧性相配合的性能。

4.回火

回火是把淬火后的金属制件重新加热到某一温度，保温一段时间，然后置于空气或油中冷却的热处理工艺。

回火的目的：

为了消除淬火时因冷却过快而产生的内应力，降低金属材料的淬性，使它具有一定的韧性。

根据加热温度的不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。

（1）低温回火：

回火温度为150～250℃。

低温回火能消除一定的内应力，适当地降低钢的脆性，提高韧性，同时工件仍保持高硬度、高耐磨性，应用于各种量具和刃具。

（2）中温回火：

回火温度为350～500℃。

中温回火可大大减小钢的内应力，提高了弹性、韧性，但硬度有所降低，应用于弹簧和热锻模等。

（3）高温回火：

回火温度为500～650℃。

高温回火可以消除内应力，硬度有显著的下降，可获得具有强度、塑性、韧性等综合机械性能，应用于齿轮、连杆、曲轴等。

回火方法

加热温度（℃）

力学性能特点

应用范围

硬度（HRC）

低温回火

150～250

高硬度、耐磨性

刃具、量具、冷冲模等

58～65

中温回火

350～500

高弹性、韧性

弹簧、钢丝绳等

35～50

高温回火

500～650

良好的综合力学性能

连杆、齿轮及轴类

20～30

5.调质处理

淬火后再经高温回火的热处理工艺，称为调质处理。

一般要求具有较高综合机械性能的重要结构零件，都要经过调质处理。

热处理中的“四把火”

热处理方式

定义

作用

退火

将金属构件加热到高于或低于临界点，保持一定时间，随后缓慢冷却。

降低硬度，改善切削加工性；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向使金属内部组织达到或接近平衡状态。

正火

将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却。

正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。

淬火

将工件加热保温后，在水、油或其他无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。

使钢件变硬，但同时变脆。

回火

将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。

为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却。

调质

淬火+回火

获得一定的强度和韧性

表面热处理和化学热处理

一、表面淬火

表面淬火是仅对工件表层进行淬火的工艺。

目的：

为了获得高硬度的表面层和有利的残余应力分布，提高工件的硬度和耐磨性。

表面淬火加热的方法很多，如感应加热、火焰加热、电接触加热、激光加热等。

二、化学热处理

化学热处理是将金属和合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。

常用的有渗碳、渗氮、碳氮共渗和渗金属元素等。

钢的分类

按化学成分分类可分为:

碳素钢和合金钢

碳素钢按含碳量多少可分为:

低碳钢、中碳钢和高碳钢

合金钢按合金元素的含量又可分为低合金钢、中合金钢和高合金钢

合金钢按合金元素的种类可分为锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、硅锰钢等

按冶金质量分类

按钢中所含有害杂质硫、磷的多少，可分为：

普通钢（S%≤0.055%，P%≤0.045%）

优质钢（S%、P%≤0.040%）

高级优质钢（S%≤0.030%，P%≤0.035%）

按冶炼时脱氧程度，可将钢分为：

沸腾钢（脱氧不完全）、镇静钢（脱氧较完全）和半镇静钢三类。

按用途分类

按钢的用途可分为：

结构钢、工具钢和特殊性能钢

结构钢又分为：

工程构件用钢和机器零件用

工具钢分为：

刃具钢、量具钢、模具钢

特殊性能钢分为：

不锈钢、耐热钢等

按金相组织分类

按退火态的金相组织可分为：

亚共析钢、共析钢、过共析钢三种。

按正火态的金相组织可分为：

珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢等四种。

奥氏体－碳与合金元素溶解在γ-fe中的固溶体，仍保持γ-fe的面心立方晶格。

晶界比较直，呈规则多边形；淬火钢中残余奥氏体分布在马氏体间的空隙处  

珠光体－铁碳合金中共析反应所形成的铁素体与渗碳体的机械混合物。

碳钢分类

按钢中含碳量多少分：

低碳钢Wc<0.25%

中碳钢Wc=0.25%—0.6%

高碳钢Wc>0.6%

低碳钢

特点：

塑性好、韧性好、硬度强度低（软刚）、耐磨性差。

热处理：

通常情况下将其进行渗碳，然后淬火，再低温回火后使用。

中碳钢

特点：

热加工及切削性能良好，强度硬度比低碳钢高，韧性塑性低于低碳钢，焊接性能较差。

热处理：

通常采用完全（加热到单相奥氏体区得到单相均匀奥氏体）淬火加中温或高温回火的热处理工艺。

高碳钢

特点：

具有高硬度和高耐磨性，焊接性能差。

热处理：

1.预先热处理采用球化退火；

2.采用不完全（加热到两相区得到奥氏体加未溶碳化物）淬火加低温回火的热处理工艺。

合金元素在钢中的作用

镍：

增加强韧性、耐蚀性、耐磨性、弹性细述和低温冲击抵抗性

铬：

增加耐磨性、耐蚀性及高温强度

钨：

增加耐磨性及高温强度、硬度

硅：

增加耐热性、耐蚀性；低合金钢之强度增加，增加电磁气性质

锰：

高温之抗拉强度、硬度增加，防止因硫而产生的脆性

钼：

作用与钨相同，但效果大两倍

钴：

增加硬度与磁性

钒：

增加韧性、耐磨性、淬火性

钛：

增加耐高温强度及对海水的耐蚀性

铜：

增加在空气中之抗氧化性及抗蚀性

铝：

增加流动性

磷：

增加耐蚀性，但超过0.1％时会有热脆性

硫：

增加钢的切削性及热脆性，但一般含量要少

钢的化学热处理

将工件置于适当的活性介质中加热、保温、使一种或几种元素渗入到它的表面，以改变其化学成分、组织和性能。

Ø化学热处理由分解、吸收和扩散三个基本过程所组成。

1）渗入介质在高温下通过化学反应进行分解，形成渗入元素的活性原子；

2）渗入元素的活性原子被钢件的表面吸附，进入晶格内形成固溶体或形成化合物；

3）被吸附的渗入原子由钢件的表层逐渐向内扩散，形成一定深度的扩散层。

Ø常用化学热处理：

渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗硅

渗碳

Ø为提高工件表层碳的质量分数并在其中形成一定的碳含量梯度，将工件在渗碳介质中加热、保温，使碳原子渗入的化学热处理工艺称为渗碳。

Ø渗碳所用钢种一般是碳的质量分数为0.10%～0.25%的低碳钢和低合金钢，如15、20、20Cr、20CrMnTi等钢。

Ø经渗碳后的工件，都要进行淬火和低温回火，使工件表面获得高硬度（56～64HRC）、高耐磨性和高疲劳强度，而心部仍保持一定的强度和良好的韧性

Ø渗碳被广泛应用于要求表面硬而心部韧的工件上，如齿轮、凸轮轴、活塞销。

根据渗碳时介质的物理状态不同，渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳，其中气体渗碳应用最广泛。

【气体渗碳工艺】

∙采用液体或气体碳氢化合物作为渗碳剂，如：

煤油、甲苯或含碳的气体。

∙渗碳温度T=900~950℃。

∙保温时间—取决于要求的渗碳层深度，从几小时到十几小时不等。

∙零件表面含碳量Wc=0.8~1.1%

∙渗层深度：

0.5~2mm

Ø渗碳零件的加工工艺路线一般如下：

毛坯锻造（或轧材下料）→正火→粗加工、半精加工→渗碳→淬火+低温回火→精加工（磨削加工）。

1）气体渗碳法

渗碳剂甲醇等挥发后形成渗碳气氛，

在高温下分解出活性原子，即

（二）渗氮

Ø在一定温度下于一定介质中，使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺称为渗氮。

Ø渗氮剂通常用氨气，氨气在480~600℃分解出具有活性的氮原子渗入工件中，形成富氮层而完成氮化。

用于氮化处理的合金钢常用38CrMoAIA、35CrAl、35CrMo等。

Ø渗氮的目的是为了提高工件表层的硬度、耐磨性、热硬性、耐腐蚀性和疲劳强度。

Ø渗氮处理广泛应用于各种高速传动的精密齿轮、高精度机床主轴、循环应力作用下要求高疲劳强度零件（如高速柴油机曲轴）以及要求变形小和具有一定耐热、抗腐蚀能力的耐磨零件（如阀门）等。

Ø钢件渗氮后不需淬火就可达到68～72HRC的硬度，常用渗氮方法主要有气体渗氮和离子渗氮两种。

Ø特点

①渗氮层薄而脆，不能承受冲击和振动。

②生产周期长，效率低，成本高。

③工件渗氮温度低，氮化后又不需淬火处理，变形小。

Ø渗氮工件的加工工艺路线一般如下：

毛坯锻造→退火→粗加工→调质→加工→去应力退火→粗磨→镀锡（非渗氮面）→渗氮→精磨或研磨。

（三）碳氮共渗

Ø在奥氏体状态下同时将碳、氮原子渗入工件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺称为碳氮共渗。

Ø碳氮共渗的目的主要是提高工件表层的硬度和耐磨性。

Ø根据共渗温度不同，碳氮共渗可分为:

1）低温碳氮共渗—520～580℃→提高碳钢、合金钢、铸铁零件表面耐磨性和抗咬合性。

2）中温碳氮共渗—760～880℃→比渗碳有更好的耐磨性，抗疲劳性能。

3）高温碳氮共渗——900～950℃→用于中碳结构钢、工具钢的冷拉模、冷冲模等，提高工件表层的硬度和耐磨性。

【特点】

①比渗碳淬火后，有稍高的硬度、疲劳强度、耐磨性、耐腐蚀性。

②由于氮的渗入，使加热温度降低，工件不易过热、变形。

③渗入速度快，生产周期短，成本低。