金屬材料及熱處理課件-zlp

金屬材料及熱處理常用金屬材料分類、牌號及用途；工程用鋼；熱處理原理、工藝及作用主要內(nèi)容最常用的金屬材料——鋼steel經(jīng)濟(jì)建設(shè)中使用最廣泛、用量最大的金屬材料。以Fe為主要元素、含碳量一般在2%以下，并含有其他元素的材料。(GB/T13304.1-2008)注：在鉻鋼中含碳量可能大于2%，但2%通常是鋼和鑄鐵的分界線。

鋼的分類按化學(xué)成分分類（GB/T13304.1-2008）可分為碳素鋼和合金鋼碳素鋼（含碳量）：低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼合金鋼（按合金元素）：合金鋼、中合金鋼和高合金鋼錳鋼、鉻鋼、硼鋼、鉻鎳鋼、硅錳鋼等

普通碳鋼低碳鋼（≤0.25%）

碳鋼中碳鋼（0.25~0.6%）優(yōu)質(zhì)碳鋼高碳鋼（＞0.6%）

鉻鋼

按合金元素分

鉬鋼

錳鋼合金鋼

低合金鋼＜5％

按合金元素總量

中合金鋼5～10％高合金鋼＞10％

按冶金質(zhì)量分類

按鋼中所含有害雜質(zhì)硫、磷的多少，可分為：普通鋼（S%≤0.055%，P%≤0.045%）優(yōu)質(zhì)鋼（S%、P%≤0.040%）高級優(yōu)質(zhì)鋼（S%≤0.030%，P%≤0.035%）

按冶煉時脫氧程度，可將鋼分為：沸騰鋼（脫氧不完全）、鎮(zhèn)靜鋼（脫氧較完全）和半鎮(zhèn)靜鋼三類。

結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊性能鋼結(jié)構(gòu)鋼又分為：

工程構(gòu)件用鋼和機(jī)器零件用工具鋼分為：

刃具鋼、量具鋼、模具鋼特殊性能鋼分為：

不銹鋼、耐熱鋼等

按用途分類（GB/T13304.2-2008）

工程結(jié)構(gòu)用鋼

（建筑，車輛，造船，橋梁）

機(jī)器結(jié)構(gòu)（零件）用鋼

工模具用鋼

特殊用途用鋼

普通碳素鋼低合金高強(qiáng)度鋼微合金化低合金高強(qiáng)度鋼滲碳鋼、氮化鋼調(diào)質(zhì)鋼彈簧鋼滾動軸承鋼刃具用鋼模具用鋼抗氧化鋼，熱強(qiáng)鋼不銹鋼耐酸鋼易切削用鋼等碳素工具鋼低合金工具鋼高速鋼冷變形模具鋼熱變形模具鋼塑料模具鋼小結(jié)：按用途分類

按金相組織分類

退火狀態(tài)正火狀態(tài)按加熱冷卻時有無相變和室溫組織分

a.亞共析鋼（鐵素體+珠光體）b.共析鋼（珠光體）c.過共析鋼（珠光體+滲碳體）a.珠光體鋼b.貝氏體鋼c.馬氏體鋼d.奧氏體鋼。a.鐵素體鋼

b.馬氏體鋼

c.奧氏體鋼d.雙相鋼鋼的牌號——GB/T221-2008通常采用大寫漢語拼音字母、化學(xué)元素符號和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的牌號。產(chǎn)品名稱、用途、特性和工藝方法等，一般用漢語拼音字母字頭表示。牌號中的主要化學(xué)元素含量(％)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采用阿拉伯?dāng)?shù)字表示。碳素結(jié)構(gòu)鋼及低合金結(jié)構(gòu)鋼牌號1.

牌號的編號：由四部分組成（1）代表屈服點(diǎn)的屈字漢語拼音字母字頭：Q（2）屈服點(diǎn)的屈服強(qiáng)度數(shù)值：阿拉伯?dāng)?shù)字（3）質(zhì)量等級符號：A，B，C，D，E，F(xiàn)（4）脫氧方法符號：

F－沸騰鋼

b－半鎮(zhèn)靜鋼

Z－鎮(zhèn)靜鋼

TZ－特殊鎮(zhèn)靜鋼2.牌號的編號舉例

Q235A.F

表示碳素結(jié)構(gòu)鋼，屈服強(qiáng)度≥235MPa，質(zhì)量等級為A的沸騰鋼

Q345C表示低合金高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度≥345MPa，質(zhì)量等級為C

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素彈簧鋼牌號產(chǎn)品名稱采用的漢字及漢語拼音或英文單詞采用字母位置漢字漢語拼音英文單詞鍋爐和壓力容器用鋼容RONG——R牌號尾鍋爐用鋼（管）鍋GUO——G牌號尾低溫壓力容器用鋼低容DIRONG——DR牌號尾橋梁用鋼橋QIAO——Q牌號尾耐候鋼耐候NAI

HOU——NH牌號尾高耐候鋼高耐候GAONAIHOU——GNH牌號尾汽車大梁用鋼梁LIANG——L牌號尾高性能建筑結(jié)構(gòu)用鋼高建GAOJIAN——GJ牌號尾低焊接裂紋敏感性鋼低焊接裂紋敏感性——CrackFreeCF牌號尾保證淬透性鋼淬透性——HardenabilityH牌號尾礦用鋼礦KUANG——K牌號尾船用管采用國際符號牌號舉例

45：表示含碳量為0.45％的碳素結(jié)構(gòu)鋼。10，20，35，10F，50MnE，20R等均為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，65Mn為優(yōu)質(zhì)碳素彈簧鋼碳素工具鋼牌號碳素工具鋼都是高級優(yōu)質(zhì)鋼或特級優(yōu)質(zhì)鋼

1.編號方法

用“T”（碳）＋表示含碳量千分之幾的數(shù)值表示。錳含量高的加Mn元素符號2.舉例

T8－表示含碳量為0.8％的碳素工具鋼。

類似鋼號：

T7，T9，T10，T9A，T10A，T8MnA

A－表示高級優(yōu)質(zhì)鋼合金鋼的牌號合金元素采用國際化學(xué)符號（或元素中文名稱）表示，合金元素及其含量、碳元素及其含量表示方法如下：

1.含碳量

1)合金結(jié)構(gòu)鋼：一般以平均含碳量的萬分之幾表示，如40Cr，40CrNiMo等。2）合金工具鋼：含碳量小于1％時用千分之幾表示，如9SiCr，9Mn2V等。含碳量大于1％時不標(biāo)碳含量，如Cr12MoV，CrWMn等。

小結(jié)C%—結(jié)構(gòu)鋼，萬分之幾；工具鋼，千分之幾；Me%—一般為百分之幾；含Cr低的合金工具鋼和軸承鋼，用千分之幾。概述：用于制造大型結(jié)構(gòu)-橋梁,船舶,屋架,容器-工程用鋼。工作特點(diǎn)：不作相對運(yùn)動，承受靜載荷。有一定的使用溫度(高溫、低溫、大氣)。要求：構(gòu)件穩(wěn)定，有較高的剛度；較高的屈服和抗拉強(qiáng)度，塑韌性較好，較小冷脆性和好的耐蝕性。良好的工藝性能（冷變形性和可焊性很重要）。成分特點(diǎn)：低碳鋼(0.25%)，少量的合金元素，不熱處理，而是在熱軋空冷態(tài)使用，有時也正火或回火態(tài)使用。組織為鐵素體加少量的珠光體工程用鋼工程用鋼的力學(xué)性能特點(diǎn)（一）屈服現(xiàn)象（二）應(yīng)變實效和淬火實效（三）冷脆傾向性鎳：增加強(qiáng)韌性、耐蝕性、耐磨性、彈性細(xì)述和低溫沖擊抵抗性鉻：增加耐磨性、耐蝕性及高溫強(qiáng)度鎢：增加耐磨性及高溫強(qiáng)度、硬度硅：增加耐熱性、耐蝕性；低合金鋼之強(qiáng)度增加，增加電磁氣性質(zhì)錳：高溫之抗拉強(qiáng)度、硬度增加，防止因硫而產(chǎn)生的脆性鉬：作用與鎢相同，但效果大兩倍鈷：增加硬度與磁性釩：增加韌性、耐磨性、淬火性鈦：增加耐高溫強(qiáng)度及對海水的耐蝕性銅：增加在空氣中之抗氧化性及抗蝕性鋁：增加流動性磷：增加耐蝕性，但超過0.1％時會有熱脆性硫：增加鋼的切削性及熱脆性，但一般含量要少合金元素對工程用鋼的影響

鋼的可焊接性是指在簡單可行的焊接條件下，鋼材焊接后不產(chǎn)生裂紋，并獲得良好的焊縫區(qū)的性能。熔化區(qū):鋼材或焊條中的S、P含量較高，在凝固過程中將產(chǎn)生熱裂紋。因而必須控制S、P的含量。熱影響區(qū)：冷卻時造成極大的過冷度，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，使硬度升高，塑性韌性明顯下降，出現(xiàn)裂紋，稱之為冷裂紋。

鋼的焊接性能:

取決于鋼的淬透性和淬硬性，含碳量及合金元素的本性和含量，碳及淬透性大，開裂傾向越大。通常用碳當(dāng)量的概念，碳當(dāng)量大于0.4～0.5％時，鋼就不具有良好的焊接性。合金元素對工程用鋼焊接性能的影響

[C]=ωc+ωMn/6+ωCr/5+ωMo/4+ωNi/15+ωSi/24+ωCu/13+ωP/2常用工程用鋼及其選擇

（一）普通碳素構(gòu)件用鋼簡稱普碳鋼，產(chǎn)量約占鋼總產(chǎn)量的70～80％，大部分作鋼結(jié)構(gòu)，少量作機(jī)器零件。易冶煉、價格低廉，性能也基本滿足了一般工程構(gòu)件的要求，所以工程上用量很大。為滿足工藝性能和使用性能要求，含碳量較低。國標(biāo)將普碳鋼分為甲類鋼、乙類鋼，特類三類。以熱軋狀態(tài)供應(yīng)，一般不經(jīng)熱處理強(qiáng)化。Q195/Q215/Q235/Q275常用工程用鋼及其選擇（二）普通低合金構(gòu)件用鋼

少量合金元素，具有較高強(qiáng)度的構(gòu)件鋼，強(qiáng)度高，1t普低鋼抵1.2～2.0t普碳鋼使用，減輕重量，提高可靠性并節(jié)約鋼材。

應(yīng)用：建筑、石油、化工、鐵道、造船、機(jī)車車輛、鍋爐容器、農(nóng)機(jī)農(nóng)具等許多部門。我國1957年試制第一個普低鋼16Mn，占鋼總產(chǎn)量的15％。

按照使用狀態(tài)下的組織分為三類，即鐵素體一珠光體鋼、貝氏體鋼和馬氏體鋼。常用的普低鋼見表11－5。

Q295/Q345/Q390/Q460金屬熱處理：將鋼放固態(tài)下加熱到預(yù)定的溫度，并在該溫度下保持一段時間，然后以一定的速度冷卻到室溫下保持一段時間，然后以一定的速度冷卻到室溫的一種熱加工工藝。金屬熱處理的作用：通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點(diǎn)是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量，消除鑄、鍛、焊等熱加工工藝造成的各種缺陷，細(xì)化晶粒，消除偏析，降低內(nèi)應(yīng)力，使鋼的組織和性能更加均勻。鋼的熱處理

熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個過程，有時只有加熱和冷卻兩個過程。這些過程互相銜接，不可間斷。加熱是熱處理的重要工序之一。●熱處理過程中四個重要因素:

在熱處理時，因工件的大小不同，形狀不同，材料的化學(xué)成分不同，所以在具體熱處理過程中，要用不同的加熱速度、最高的加熱溫度、保溫時間和冷卻速度。通常把加熱速度、最高加熱溫度、保溫時間和冷卻速度稱為工件熱處理的四個要素，也稱工藝參數(shù)。正確地確定和保證實施好工藝，就能獲得預(yù)期的效果，并將得到滿意的性能。

從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)看，熱處理的質(zhì)量是溫度和時間的函數(shù)，所以工件的熱處理工藝規(guī)范可用時間一溫度為坐標(biāo)表示出來，任何工件的熱處理，都應(yīng)包括。鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變熱處理的第一道工序是加熱，將鋼加熱到Ａ1以上，Ｐ→Ａ，加熱是個重要的環(huán)節(jié)，加熱好壞直接影響著熱處理的質(zhì)量；影響因素：加熱溫度、加熱速度、保溫時間、原始組織、化學(xué)成分實際生產(chǎn)中，奧氏體只有通過冷卻得到室溫組織才能獲得一定的使用性能。鋼的冷卻有兩種方式，一種是等溫冷卻，一種是連續(xù)冷卻，見圖９－１３所示。鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變

過冷奧氏體：在臨界點(diǎn)以下存在的，不穩(wěn)定的，處于過冷態(tài)，將要發(fā)生轉(zhuǎn)變的奧氏體稱為過冷奧氏體。過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變類型：

高溫、緩冷（鐵、碳均擴(kuò)散）—爐冷或空冷—退火或正火—珠光體轉(zhuǎn)變。（擴(kuò)散型）共析鋼過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線（Ｃ曲線；TTT圖）

２、曲線分析①由圖中可以看出:孕育期：轉(zhuǎn)變開始后轉(zhuǎn)變速度逐漸加快，當(dāng)A轉(zhuǎn)變體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時轉(zhuǎn)變速度最大。②TTT圖中的線：A1線：奧氏體和珠光體的平衡溫度；Ms線：奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的開始線；Mf線：奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的終了線；轉(zhuǎn)變開始線，轉(zhuǎn)變終了線；珠光體轉(zhuǎn)變/馬氏體轉(zhuǎn)變/貝氏體轉(zhuǎn)變

實際的熱加工和熱處理過程并不是等溫冷卻過程，而是連續(xù)冷卻過程，所以要研究過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的過程，要研究ＣＣＴ曲線。

過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（ＣＣＴ曲線）及其應(yīng)用通常用膨脹法、金相法和磁性法測定，一般常用膨脹法來測定，其速度快，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。具體過程是將鋼試樣奧氏體化→測定不同冷速下的膨脹曲線→在膨脹曲線上確定臨界點(diǎn)→將轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)和終了點(diǎn)連接起來形成了冷卻轉(zhuǎn)變曲線。連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線的應(yīng)用１、從ＣＣＴ曲線上獲得鋼真實的臨界淬火冷速Ｖｃ，２、是制定鋼正確的冷卻規(guī)范的依據(jù)，３、可以估算淬火以后鋼的組織與性能。熱處理普通（整體）熱處理表面熱處理退火正火淬火回火表面淬火表面化學(xué)熱處理感應(yīng)加熱表面淬火火焰加熱表面淬火激光加熱表面淬火等滲碳滲氮碳氮共滲滲金屬等金屬熱處理工藝熱處理中的“四把火”熱處理方式定義作用退火將金屬構(gòu)件加熱到高于或低于臨界點(diǎn)，保持一定時間，隨后緩慢冷卻。降低硬度，改善切削加工性；消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形與裂紋傾向使金屬內(nèi)部組織達(dá)到或接近平衡狀態(tài)。正火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。淬火將工件加熱保溫后，在水、油或其他無機(jī)鹽、有機(jī)水溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻。使鋼件變硬，但同時變脆?；鼗饘⒋慊鸷蟮匿摷诟哂谑覝囟陀?50℃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。為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650℃的某一適當(dāng)溫度進(jìn)行長時間的保溫，再進(jìn)行冷卻。調(diào)質(zhì)淬火+回火獲得一定的強(qiáng)度和韌性常用熱處理方法的工藝曲線示意圖

一、退火1.退火

退火是將金屬制件加熱到高于或低于這種金屬的臨界溫度，經(jīng)保溫一定時間，隨后在爐中或埋入導(dǎo)熱性較差的介質(zhì)中緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的一種熱處理工藝。

退火的作用：

a.降低硬度，以利于切削加工；

b.細(xì)化晶粒，改善組織，提高機(jī)械性能；

c.消除內(nèi)應(yīng)力，為下一道熱處理作好準(zhǔn)備；

d.提高金屬材料的塑性、韌性，便于進(jìn)行冷沖壓或冷拉拔加工。注意事項：占用設(shè)備；生產(chǎn)率低。種類：

按加熱溫度分如圖重結(jié)晶退火完全退火擴(kuò)散退火不完全退火球化退火低溫退火再結(jié)晶退火去應(yīng)力退火

按冷卻方式分：等溫退火和連續(xù)退火2.正火

正火是將金屬制件加熱到高于或低于這種金屬的臨界溫度，經(jīng)保溫一定時間，隨后在空氣中冷卻，以獲得更細(xì)組織的一種熱處理工藝。正火的作用與退火相似，與退火不同之處是：

a.正火是在空氣中冷卻，冷卻速度快，所獲得的組織更細(xì)。

b.正火后的強(qiáng)度、硬度較退火后的稍高，而塑性、韌性則稍低。

c.不占用設(shè)備；生產(chǎn)率高。

退火和正火的選取原則

（１）Ｗｃ＜0.25％的低碳鋼，采用正火，利于切削加工；防止游離三次滲碳體的析出，提高工件的冷變形性。（２）Ｗｃ＝0.25～0.5％的中碳鋼，也采用正火，因成本低；（３）Ｗｃ＝０.5～０.75%的中高碳鋼，一般采用完全退火；（４）Ｗｃ＞０.75%的高碳鋼，一般采用球化退火，便于降低硬度，改善切削加工性。（5）含碳量、合金元素高，奧氏體穩(wěn)定高，緩冷得到馬氏體和貝氏體，應(yīng)高溫回火。3.淬火

淬火是將金屬制件加熱到這種金屬的臨界溫度以上30～50℃，經(jīng)保溫一定時間，隨后在水或油中快速冷卻，以獲得高硬度組織的一種熱處理工藝。淬火的目的：提高金屬材料的強(qiáng)度和硬度，增加耐磨性，并在回火后獲得高強(qiáng)度和一定韌性相配合的性能。4.回火

回火是把淬火后的金屬制件重新加熱到某一溫度，保溫一段時間，然后置于空氣或油中冷卻的熱處理工藝。回火的目的：為了消除淬火時因冷卻過快而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，降低金屬材料的淬性，使它具有一定的韌性。根據(jù)加熱溫度的不同，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。

（1）低溫回火：回火溫度為150～250℃。低溫回火能消除一定的內(nèi)應(yīng)力，適當(dāng)?shù)亟档弯摰拇嘈?，提高韌性，同時工件仍保持高硬度、高耐磨性，應(yīng)用于各種量具和刃具。（2）中溫回火：回火溫度為350～500℃。中溫回火可大大減小鋼的內(nèi)應(yīng)力，提高了彈性、韌性，但硬度有所降低，應(yīng)用于彈簧和熱鍛模等。（3）高溫回火：回火溫度為500～650℃。高溫回火可以消除內(nèi)應(yīng)力，硬度有顯著的下降，可獲得具有強(qiáng)度、塑性、韌性等綜合機(jī)械性能，應(yīng)用于齒輪、連桿、曲軸等?；鼗鸱椒?/p>

加熱溫度（℃）

力學(xué)性能特點(diǎn)應(yīng)用范圍

硬度（HRC）低溫回火150～250高硬度、耐磨性刃具、量具、冷沖模等58～65中溫回火350～500高彈性、韌性彈簧、鋼絲繩等35～50高溫回火500～650良好的綜合力學(xué)性能連桿、齒輪及軸類20～30淬火后再經(jīng)高溫回火的熱處理工藝，稱為調(diào)質(zhì)處理