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常用金属材料及热处理工艺介绍河南省力神机械有限公司2014年2月新进厂员工培训内容简介一、金属材料的基础知识二、金属材料的性能三、金属的晶体结构与结晶四、铁碳合金五、碳素钢六、钢的热处理七、铸铁八、粉末冶金技术一、金属材料的基本知识钢铁材料钢（含碳量小于2.11%的铁碳合金）铸铁（含碳量大于2.11%的铁碳合金）根据含碳量的不同分为钢铁材料的生产方式炼钢炼铁钢材生产钢材种类型材：圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、槽钢、螺纹钢等板材：中厚钢板、薄钢板、钢带和硅钢片管材：无缝钢管和焊接钢管（又称有缝钢管）线材：直径为6～9mm的圆钢和直径在10mm以下的螺纹钢1.炼铁铁在自然界中以各各种各样的化合物的形式存在，并同其他化合物混在一起形成铁矿石。炼铁的实质是把铁从铁矿石中还原出来。炼铁的主要原料有铁矿石、焦碳、和石灰石，并按一定的比例配合后熔炼。1.2炼铁的基本过程:高炉是现代炼铁的主要设备，高炉炼铁如图所示：炉料不断从进料口2加入炉内，空气经热风炉预热后从进风口吹入炉中，在冶炼的过程中炉料充满高炉，并不断下降，吹入高炉的空气与化学反应生成的气体组成的炉气并沿着炉料的逢隙上升，经一段时间的冶炼后，先打开出渣口排渣，再打开出铁口出铁，从炉顶排出的的废气（高炉煤气）经煤气出口回收。炼铁高炉示意图进料口进风口出渣口出铁口煤气出口1.3高炉产品高炉出铁口流出铁为生铁，生铁含有碳、硅、锰、磷、硫等元素，按含硅量的不同，分为炼钢生铁（wsi1.25%）和铸造生铁，（wsi=1.25%-3.2%）。副产品有炉渣和高炉煤气。炉渣可以制造水泥，高炉煤气经净化成为然料，广泛用于加热风炉，及民用管道煤气。1.4炼钢炼钢的本质是得用氧化的办法降低生铁中的硅、锰、磷、硫等杂质和过量的碳，使化学成分达到标准规定的成分。从而改善其性能。材料Wc*%Wsi*%WMn*%Wp%Ws%炼钢生铁4-4.40.085-1.250.50.25-0.400.05-0.07低碳钢0.14-0.220.12-0.30.1-0.650.050.0551.5炼钢的基本过程1.5.1氧化过程生铁中的碳、硅、锰、磷等在高温条件下，与氧的亲和力比铁强，炼铁时加入氧化剂（氧气、铁矿石等）将优先与这些杂质发生化学反应，生成各种氧化物，生成的CO气体容易逸出，并且对钢液有搅拌作用，促使冶炼过程顺利进行，生成硅、锰、磷等的氧化物及混入铁中的硫，将与熔剂CaO等发生一系列的反应生成炉渣。1.5.2.脱氧过程在氧化过程中，大量的铁也被氧化成FeO。钢中存在FeO将使其力学性能下降，高温时易脆断，因此，在冶炼后期必须往钢液中加入脱氧剂（硅铁、锰铁、金属铝等），脱氧剂与FeO生成反应，生成炉渣。1.6炼钢的方法1.6.1转炉炼钢法炉体可以绕转轴转动，每炼完一炉钢都要把炉体倾到，倒出钢液。冶炼时以纯氧作为氧化剂，直接利用吹风管从炉顶向炉中吹入氧化，依靠化学反应产生产热量就可以冶炼，不需要外加热源。转炉炼钢生产率高，几直分钟就能炼一炉钢，但必须以液态为主要原料。杂质被氧化产生的热量不仅能能使生铁液温度提高到钢的溶点，还能使加入的废钢溶化，重新冶炼成好钢，废钢的加入量甚至可达每炉钢的35%。氧气顶吹转炉炼钢通常用于炼各种碳钢。1.6.2电炉炼钢冶炼时以铁矿石或纯氧为氧化剂，以转炉或废钢为原材料，以电弧为热源，电炉炼钢法的冶炼温度高，炉料比较纯净，化学成分易于控制，冶炼过程可以调节，电炉能冶炼高级优质钢，和含高熔点的金属元素（钨、钼、钛等）的合金钢。炼钢示意图1.7镇静钢和沸腾钢炼好的钢常浇注成钢锭或注成钢坯，浇注时，钢液在一个用水冷却的铸型中凝固，再用夹辊夹持移动并按要求的长度切断。在炼钢脱氧过程中，通过控制脱氧剂的种类和加入量可以控制脱氧的程度，按脱氧是否完全可以把钢分为镇静钢和沸腾钢。1.7.1镇静钢镇静钢是脱氧（脱氧剂主要是硅铁或铝）完全的钢，浇注时不发生氧化反应，钢液在空中平静的上升，凝固后在钢锭头部倒锥形的缩孔，镇静钢钢锭组织致密，但轧制钢材时必须切除具有缩孔部分，故成材率低。1.7.2沸腾钢沸腾钢是脱氧（脱氧剂主要是锰铁）不完全的钢，浇注时有碳化反应，生成大量的CO气体，呈沸腾现象，通常是盖上铁板，使上层钢液先凝固成薄壳才停止沸腾。最终钢锭内充满气孔，但头部不出现大的缩孔，沸腾钢钢锭组织疏松，但轧制钢材时不必切除较大的头部，故成材率高。1.7.3半镇静钢介于镇静钢和沸腾钢之间的钢种。这种钢内部气体少，结构接近于镇静钢。半镇静钢浇铸初期不产生气泡，当顶部自然凝固封顶后（可采用瓶口模促进封顶），由于钢液中碳和氧的富集和温度降低，促使在钢锭顶部产生少量一氧化碳气泡，填充整个钢液的凝固收缩空间。因此，可得到与沸腾钢相近的钢锭成坯率。半镇静钢主要用于中等碳含量和中等质量的结构钢，所用铸模一般为敞开式上小下大型。1.8钢材的种类1.8.1型材圆钢、三角钢、方钢、槽钢、工字钢1.8.2板材中厚钢板、薄钢板、钢带和硅钢片1.8.3管材通过成形辊把带钢弯成管形，再能过焊接辊焊接成有缝管材；也可先用斜轧穿孔机在实心管坯上穿孔，然后用一种特殊的方法轧制所需尺寸的管材，通常称无缝钢管。1.8.4线材直径为6～9mm的圆钢和直径在10mm以下的螺纹钢，直径在6mm以下的线材多采用拉丝机生产，拉丝时使坯料通过一个带漏斗形模型的拉丝模拉拔成所需尺寸的线材，拉丝时材料会硬化，常通过中间加热使之软化钢材应用广泛，板材可通过直接加工成零件或产品，型材如圆钢，可通过切销加工成机械零件或煅造成零件毛坯，角钢、槽钢、工字钢、广泛用于建筑、桥梁、车辆等，管材主要用于输送水、气、油等管道。型材示意图二、材料的性能2.1金属材料的性能使用性能：指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。2.2、金属材料力学性能包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。2.3拉伸实验与拉伸曲线2.3.1拉伸试样GB6397-86规定《金属拉伸试样》有：圆形、矩形、异型及全截面．常用标准圆截面试样。长试样：L0=10d0;短试样：L0=5d0拉伸试样拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机2.3.2拉伸试验•op段：比例弹性变形阶段；•pe段：非比例弹性变形阶段；•平台或锯齿（s段）：屈服阶段；•sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。•b点：形成了“缩颈”。•bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。•断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。ΔlFΔlbΔluΔlFbbkFssogfeFepFp2.3.3拉伸曲线强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。2.4强度的指标2.4.1、屈服点符号：σs材料产生屈服现象时的最小应力σs=Fs/S0Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N）S0：试样原始横截面积（mm）σs2.4.2抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。用符号：b表示它表示材料抵抗断裂的能力。σbσsσeMPaSFbb0注：s、b是设计与选材的重要依据另：e表示弹性极限。在外力作用下产生弹性变形时所承受的最大拉应力。符号：σb:试样断裂前承受最大标称拉应力Fb：试样所承受的最大拉伸力（N）S0：试样原始横截面积（mm）2.4.3、塑性指标塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。评定指标是断后伸长率和断面收缩率。2.4.3.1断后伸长率2.4.3.2断面收缩率指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。δ=(L1-L)/Lx100%L:标距（本实验L=100）L1:拉断时的试件标距。用卡尺直接量出。Ψ=(A0-A1)/A0x100%A0:试件原横截面积。A1:断裂后颈缩处的横截面积，用卡尺直接量出。2.5硬度2.5.1、定义：指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。2.5.2硬度的测试方法（1）布氏硬度（2）洛氏硬度（3）维氏硬度（4）肖氏硬度1、布氏硬度试验（布氏硬度计）原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。2、布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受的平均压力表示。如：120HBS500HBW（一）布氏硬度(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度计适用范围:＜450HBS;＜650HBW;4、测量范围用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等.（一）布氏硬度3、优缺点（1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（2）可测的硬度值不高（3）不测试成品与薄件（4）测量费时，效率低1、洛氏硬度试验（洛氏硬度计）原理:用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。2、洛氏硬度值用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出。如：50HRC（二）洛氏硬度(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度测试示意图4、测量范围用于测量淬火钢、硬质合金等材料.（二）洛氏硬度3、优缺点（1）试验简单、方便、迅速（2）压痕小，可测成品，薄件（3）数据不够准确，应测三点取平均值（4）不能测组织不均匀材料，如铸铁。2.6韧性2.6.1冲击韧度αK材料抵抗大能量一次冲击的能力原理:冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:Ak=mgH–mgh(J)冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。AKak=(J/cm²)S02.6.2多冲抗力材料抵抗小能量原理:多次冲击的能力。材料抵抗大能量一次冲击的能力主要取决于材料的塑性，而抵抗小能量多次冲击的能力主要取决于材料的强度。韧性与环境温度直接关联。低温度下—冷脆。2.7疲劳强度疲劳概念：承受交变应力的零件，在工作应力低于材料的屈服强度的情况下长时间工作时，会产生裂纹或突然断裂，这种现象称为疲劳失效（破坏）。疲劳强度：材料抵抗疲劳断裂的能力疲劳强度指标：σ-1通过疲劳试验，绘制疲劳曲线进行测定。疲劳失效具有隐蔽性和突发性，会造成灾难性事故。机械零件失效中有80％以上属于疲劳破坏，也是汽车零件中最常见的一种失效形式。2.8机械零部件的失效形式与选材•一、零件的失效分析•概念：零件由于某种原因丧失原设计所规定的功能称为零件失效。•零件未达到预期寿命的失效称为早期失效。•1．零件失效的判断•1)零件已遭到完全破坏，不能继续工作。•2)零件受到严重损伤，已不能安全工作。•3)零件仍能安全工作，但不能完成规定的功能。•以上三种情况中只要有一种情况发生，即可判断零件已经失效。2．常见的失效形式与成因零件失效的类型可归纳为变形、断裂与表面损伤三种。失效的具体原因大体可以分为设计、材料、加工、安装使用四个方面的原因。一般机械零件常见的失效形式见表l-4。如表1-5所示。金属材料在不同的使用场合下，所要求的力学性能、物理性能、化学性能以及工艺性能各不相同。虽然都是金属材料，不同成分和不同状态下的性能差异也非常大。造成金属材料性能差异的主要原因是由于金属材料内部结构的不同。三金属的晶体结构与结晶非晶体中的质点，是杂乱无章地堆积在一起，无规则可循。3.1晶体及其特点根据内部原子堆积的情况固态物质分类晶体：如纯铝、纯铁、纯铜等非晶体：玻璃、沥青、松香、石蜡等晶体中的原子或分子，在三维空间中是按照一定的几何规则作周期性地重复排列。晶体和非晶体的根本区别1、具有规则的外形。2、晶体具有固定的熔点。3、晶体具有在不同方向上有不同的性能即各向异性。晶体的特点晶格与晶胞：为了描述晶体的原子排列规律，把原子看成是钢性小球，则晶休可以看成是由许多钢性小球堆积成的物体，若把原子视