金属材料热处理教材

—1—目录—2—绪论纵观人类的文明史，从某种意义上说就是一部人类认识材料和使用材料的发展史。从远古到现代，人类从最初的石器时代已经发展到了当今的人工合成材料时代。在人类使用的众多材料中，金属材料由于其所特有的各种优异性能，被广泛地应用于生活和生产当中，是现代工业和科学技术领域不可缺少的重要材料。作为一名机械行业的技术工人，从手中的工具到加工的零件，每天都要与各种各样的金属材料打交道，为了能够正确地认识和使用金属材料，合理地确定不同金属材料的加工方法，充分发挥材料的潜力，就必须熟悉金属材料的牌号，了解它们的性能和变化规律。为此，我们需要比较深入地学习和了解金属材料的相关知识，金属材料与热处理正是这样一门研究金属材料的成分、组织、热处理与金属材料性能之间的关系和变化规律的学科。本课程的基本内容和学习特点如下：本课程的主要内容包括金属材料的基本知识、金属的性能、金属学基础知识和热处理的基本知识等。所谓金属，是指由单一元素构成的具有特殊的光泽、延展性、导电性、导热性的物质，如金、银、铜、铁、锰、锌、铝等。而合金是指由一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方法合成的具有金属特性的材料。金属材料是金属及其合金的总称，即指金属元素或以金属元素为主构成的，并具有金属特性的物质。金属材料的基本知识主要介绍金属的晶体结构及变形的相关知识；金属的性能主要介绍金属的力学性能和工艺性能；金属学基础知识讲述了铁碳合金的组织及铁碳合金相图；金属材料讲述了碳素钢、合金钢、铸铁、有色金属及硬质合金等金属材料的常用牌号、成分、组织、性能及用途。热处理基本知识讲述热处理的原理（钢在加热、保温、冷却时的组织转变）和热处理的工艺〔退火、正火、淬火、回火、表面热处理等）及常用材料的典型热处理工艺。金属材料与热处理是一门从生产实践中发展起来的，又直接为生产服务的专业基础课，具有很强的实践性；另一方面，由于金属材料的种类繁多，其性能又千变万化，学习起来有一定的难度。但只要弄清楚重要的概念和基本理论，按照材料的成分和热处理决定其组织，组织决定其性能，性能又决定其用途这一内在关系进行学习和记忆；注意理论联系实际，认真完成作业和实验等教学环节，是完全可以学好这门课程的。—3—第一章金属材料的性能材料的性能是零件设计中选材的主要依据，也是技术工人在加工过程中合理选择加工方法、正确刃磨刀具几何参数、合理选择切削用量的重要保证。§1—1金属材料的损坏与塑性变形在生产中，机器零件的性能往往达不到理想要求，许多零件在使用过程中会发生损坏，不但严重影响生产，甚至造成人身事故。机械零件在使用中常见的损坏形式有变形、断裂及磨损等，见表2—1。表2—1机械零件常见的損坏形式分类图样说明变形螺栓发生弯曲零件在外力作用下形状和尺寸所发生的变化称为变形。变形分为弹性变形和塑性变形。弹性变形是指外力消除后能够恢复的变形；塑性变形是指外力消除后无法恢复的永久性变形。造成零件损坏的变形，通常是指塑性变形断裂折断的螺栓零件在外力作用下发生开裂或折断称为断裂磨损螺纹前端齿牙磨损因摩擦而使零件尺寸、表面形状和表面质量发生变化的现象称为磨损—4—另外，塑性变形还有有利的一面，可以作为零件成形和强化的重要手段。工业上使用的大部分金属产品，一般都是先浇注成铸锭后，再经过压力加工制成的，如图2—1所示。扎制挤压冷拔锻压冷冲压图2-1压力加工方法示意图上述加工的目的不仅在于使产品成形，更重要的是为了改善其組织和性能。了解金属变形的規律对理解金属材料力学性能指标的物理意义，以及在生产中针对不同金展材料选择合理的强化手段，具有非常重要的意义。―、与变形相关的几个概念1.载荷金属材料的变形通常是在外力作用下发生的，金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。根据载荷作用性质的不同，载荷可分为静载荷、冲击载荷和交变载荷三种.（1）静载荷指大小不变或变化过程缓慢的载荷。（2）冲击载荷在短时问内以较髙速度作用于零件上的载荷。（3）交变载荷指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。根据作用形式不同，载荷又可分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷等，如图2—2所示。a)b)c)d)e)图2-2载荷的作用形式a)拉抻载荷b)压缩载荷c)弯曲载荷d)剪切载荷e)扭转载荷2.内力工件或材料在受到外部载荷作用时.为使其不变形，在材料内部产生的一种与外力相对抗的力，称为内力。这种内力的大小与外力相等，并作用于材料内部（注意：外力和内力有别于作用力与反作用力）。3.应力同样材料、不同直径的螺栓在相同拉力作用下，细的可能拉断，粗的则可能没有拉断。—5—因此，金属材料的力学性能只凭外力的大小是无法判定的。为此，在假设作用在零件横截面上的内力大小是均匀分布的情况下，采用单位横截面面积上的内力——应力来加以判定。材料受拉伸或压缩载荷作用时，其应力按下式计算：SFR式中R——应力，Pa，2N/m1Pa1，当面积以2mm为单位时，则应力可以MPa为单位，Pa10N/mm1MPa162；F——外力，N；S——横截面面积，2m。二、金属的变形金属在外部载荷作用下，首先发生弹性变形，载荷增加到一定值后，除了发生弹性变形外，还发生塑性变形，即弹——塑性变形。继续增加载荷，塑性变形也将逐渐增大，直至金属发生断裂。即金属在外力作用下的变形可分为弹性变形、弹——塑性变形和断裂三个连续的阶段。弹性变形后，当外力消除后变形消失，金属恢复到原来的形状，因此，金厲弹性变形后其组织和性能将不发生变化。三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化金属材料的冷塑性变形，在外形变化的同时，晶粒的形状也会发生变化。通常晶粒会沿变形方向压扁或拉长，如图2—3所示。冷塑性变形除了使晶粒的外形发生变化外，还会使晶粒内部的位错密度增加，晶格畸变加剧，从而使金属随着变形量的增加，其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为“形变强化”或“加工硬化”。图2-3塑性变形后的金属组织—6—形变强化是一种重要的金属强化手段，对那些不能用热处理强化的金属尤为重要：此外，它还可使金属具有偶然抗超载的能力。塑性较好的金属材料在发生变形后，由于形变强化的作用，必须承受更大的外部载荷才会发生破坏，这在一定程度上提高了金属构件在使用中的安全性。如压力容器的灌底总是做成向内凸起的形状，其目的就是当内部压力过大时，可在灌底先产生塑性变形而不致突然破裂。但另一方面金属发生加工硬化也会给金属的切削加工或进一步变形加工带来困难。为了改善发生加工硬化金属的加工条件，生产中必须进行中间热处理，以消除加工硬化带来的不利影响。如变形量较大的冷拉成形容器，在拉伸过程中要通过多次拉伸、再结晶退火和再拉伸，就足为了避免塑性变形过程中的加工硬化而造成开裂。§1—2金属的力学性能任何机械零件或工具在使用过程中往往要受到各种形式外力的作用。如起重机上的钢索受到悬吊物拉力的作用；柴油机上的连杆在传递动力时，不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用，轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等。这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不破坏的能力，这种能力就是材料的力学性能。金属表现出来的诸如强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等特征，就是金厲材料在外力作用下表现出的力学性能指标.提示塑性变形除了影响力学性能外，还会使金属的物理性能和化学性能发生变化，如电阻增加，化学活性増大，耐蚀性降低等。阅读日常生活中的许多金属结构件，都是通过形变强化来提高其性能的。如汽车、洗衣机、电器箱的外壳等，在通过冲压成形的同时也提高了其强度、安全性和使用寿命。—7—―、强度金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。强度的大小用应力表示。根据载荷的作用方式不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗扭强度和抗弯强度。通常以抗拉强度代表材料的强度指标。抗拉强度是通过拉伸实验測定的。它利用拉伸试验机（图2—4)产生的静拉力，对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量变化的载荷和试样的伸长量，直至断裂，并根据测得的数据计箅出有关的力学性能指标。1.拉伸试样拉伸试样有圆形、矩形、六方等形状，在国家标准（GB/T228—2002）中规定了试样的形状、尺寸及加工要求等，图2—5所示为圆形拉伸试样。图2-4拉伸试验机图2-5拉伸试样a）拉伸b）拉伸后图中，d为试样直径，0L为标距长度。标准拉伸比例试样的比例系数0(65.5Lk)0Sk，即dL50；当以此比例系数获得的原始标距长度0L小于15mm时，应优先选用3.11k的比例试样)10(0dL2.力一伸长曲线拉伸实验中，依据拉力F与伸长量L之间的关系在直角坐标系中绘出的曲线称为力——伸长曲线，拉伸过程可分为弹性变形阶段、屈服阶段、强化阶段和缩颈阶段，如图2—6所示。二、硬度材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。它是衡量材料软硬程度的指标。硬度越高，材料的耐磨性越好。机械加工中所用的刀具、量具、模具以及大多数机械零件都应具备足够的硬度，以保证使用性能和寿命，否则容易因磨损而失效。因此硬度是金属材料一项重要的力学性能。通常，硬度是通过在专用的硬度试猃机上实验测得的，如图2一7所示，常用的硬度实验法有布氏硬度实验法、洛氏硬度实验法和维氏硬度实验法。—8—图2—6低碳钢的力——伸长曲线图2—7硬度试验机a)布氏硬度试验机b)洛氏硬度试验机c)维氏硬度试验机1．布氏硬度（1）布氏硬度的定义使用一定直径的硬质合金球体，以规定实验力压人试样表面，并保持规定时间后卸除实验力，然后用测量表面压痕直径来计算硬度，如图2—8所示。布氏硬度值是用球面压痕单位面积上所承受的平均压力来表示，所以布氏硬度是有单位的，其单位为MPa，但―般均不标出，用符号HBW表示，即：—9—)(2102.0HBW22dDDDFSF式中S——球面压痕表面积，2mm；F——实验力，N；D——压头直径，mm；d——压痕平均直径，mm。在实际应用中，布氏硬度值一般不需要计算，而是用专用的刻度放大镜量出压痕直径，再从压痕与硬度对照表中査出相应的布氏硬度值。详见附录I。图2—8布氏硬度的定义（2）布氏硬度的表示方法布氏硬度用硬度值、硬度符号、压头直径、实验力及实验保持时间表示。当保持时间为10〜15s时可不标。例如170HBW10/1000/30表示用直径为10mm的压头，在9807N（1000kg）实验力作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为170；又如600HBW1/30/20表示用直径为1mm的压头，在294.2N（30kg）实验力作用下，保持20s时测得的布氏硬度值为600。进行布氏硬度实验时，应根据被测材料种类、厚度及硬度值范围选择实验力、压头直径和实验保持时间。（3）应用范围及优缺点布氏硬度主要用于测定铸铁、有色金属及退火、正火、调质处理后的各种软钢等硬度较低的材料。布氏硬度实验法，压痕直径较大，能较准确地反映材料的平均性能。由于强度和硬度间有一定的近似比例关系（参见附录II），因而在生产中较为常用。但由于测压痕直径费时费力，操作时间长，而且不适于测髙硬度材料，压痕较大，所以只适宜对毛坯和半成品进行测试，而不宜对成品及薄壁零件进行测试。2．洛氏硬度（1）洛氏硬度的定义洛氏硬度实验是目前应用范围最广的硬度实验方法。它是采用直接测量压痕深度来确定硬度值的，如图2—9所示。压头是120°金刚石圆锥体或直径为）61/1（1.588mm的淬火钢圆球。在初始实验力0F作用下，试样压痕深度为1h,压头位置为1—1，再加上主实验力1F后，总实验力为10FF，压头压人深度为2h，压头位置为2—2，阅读布氏硬度与抗拉强度的近似关系如下：低碳钢的3.53HBWmR；高碳钢的3.33HBWmR。合金钢的3.19HBWmR；灰铸铁的0.98HBWmR。—10—经一定时间保持后撤去主实验力1F，仍保留初始实验力0F，试样的弹性变形恢复，压头上升到3—3位置，而压头在主实验力作用下，压入试样深度为3h。当压头为120°金刚石圆锥体时，洛氏硬度计算式如下：002.0-100HR3h洛氏硬