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金属材料与热处理一、常用碳素钢1．碳素结构钢碳素结构钢的牌号是由屈服点字母、屈服点数值、质量等级、脱氧方法等四部分按顺序组成。其中屈服点的数值以钢材厚度(或直径)不大于16mm钢的屈服点表示；质量等级分A、B、C、D四级，A级质量最低，D级质量最高；屈服点的字母以“屈’’字汉语拼音字母“Q”表示；沸腾钢、镇静钢分别以“沸”、“镇”二字的汉语拼音字首“F”、“z”表示；半镇静钢用字母b表示，“z”可以省略。例如Q235—A·F表示σs（屈服强度）=235MPa的A级碳素结构钢，F表示沸腾钢。碳素结构钢塑性、韧性好。适于制作钢筋、钢板等建筑用材料和一般机械构件。2．优质碳素结构钢优质碳素结构钢牌号由两位数字构成，数字值表示钢的平均碳的质量分数的万分之几。例如45钢，表示平均碳的质量分数为0．45％的优质碳素结构钢。若钢中锰含量较高，但不是特意加入的，则在两位数字之后加“Mn”。如65Mn钢表示平均碳的质量分数为0．65％且锰含量较高的优质碳素结构钢。若为沸腾钢，则在表示牌号的两位数字之后写上“F”，如08F表示平均碳的质量分数为0．08％的优质碳素结构沸腾钢。10、15、20等钢属于低碳钢，具有良好的冷冲压性能及可焊性，常用来制造用力不大、韧性要求较高的机械零件，如螺钉、螺帽、法兰盘、拉杆及化工机械中的焊接容器等。经过渗碳淬火处理后，其表面硬而耐磨，心部保持高的塑性和韧性，常用于制造承受冲击载荷的耐磨零件，如凸轮、摩擦片等。30、45、50等钢属于中碳钢，经调质处理(即淬火后高温回火)后，有良好的综合力学性能，是受力较大的机器零件理想的原材料。主要用来制造截面尺寸不大的齿轮、连杆及轴类零件。60以上的钢属于高碳钢，经热处理后，有高强度和良好的弹性，适于制造弹簧、钢绳、轧辊等弹性零件及耐磨零件。易切削钢也是结构钢的一种。其特点是易于切削加工。这种材料适用于自动机床上加工。它是向钢中加入一种或几种易生成脆性夹杂物的元素(硫和磷等)，使钢中形成有利于断屑的夹杂物，从而改善了钢的切削加工性能。3．碳素工具钢碳素工具钢的牌号以“碳”字汉语拼音字首“T”与其后面的一组数字组成，数字表示钢中平均碳的质量分数为千分之几。含锰较高的在数字后标注“Mn”，高级优质钢在钢号后标注“A”。如T10A表示平均碳的质量分数为1．0％的高级优质碳素工具钢。碳素工具钢随着碳的质量分数的增加，其硬度和耐磨性渐增，而韧性则逐渐下降，应用场合也因之不同。T7、T8一般用于要求韧性稍高的工具如：冲头、錾子、简单模具、木工工具等。T9、T10、T11用于要求中等韧性、高硬度的工具，如手用锯条、丝锥、板牙等，也可用作要求不高的模具。T12、T13具有高的硬度及耐磨性，但韧性低，用于制造量具、锉刀、钻头、刮刀等。铸钢的牌号用“ZG+两组数字”表示，ZG是“铸钢”二字汉语拼音首位字母，两组数字分别表示最低屈服点和最低抗拉强度的值，单位是MPa。如ZG200—400，表示屈服点不小于200MPa，抗拉强度不小于400MPa的铸钢。钢的热处理一、概述钢的热处理是通过钢在固态下的加热、保温和冷却，改变钢的内部组织，从而得到所需要的性能的工艺方法。热处理在机械制造中应用十分广泛，它不仅能提高材料的使用性能，以充分发挥其潜力，还能提高机械零件的寿命，并能提高产品质量，节约金属材料。此外，热处理还可用来改善工件的加工工艺性能，提高劳动生产率。根据加热、保温和冷却的方式不同，热处理可分为退火、正火、淬火、回火及化学热处理等基本方法。热处理工艺过程中的加热、保温和冷却一个阶段。通常可用温度—时间坐标图形表示，称为热处理工艺曲线，如图6—5所示。由于加热温度、保温时间和冷却速度的不同，将使钢产生不同的组织转变。二、钢的普通热处理1．退火退火是将钢加热到工艺预定的某一温度，经保温后缓慢冷却下来的热处理方法。常用的退火方法有完全退火、球化退火和去应力退火等。2．正火正火是将钢加热到工艺规定的某一温度，使钢的组织完全转变为奥氏体，经保温一段时间后，在空气中冷却到室温的工艺方法。正火的冷却速度比退火稍快，过冷度稍大。因此，正火后所获得的组织较细，强度、硬度较高。正火与退火的工艺和目的相似，在实际生产中，正火主要应用于下列几个方面：第一，凡碳的质量分数低于0．45％的碳钢，都用正火替代退火；第二，过共折钢常用正火来消除网状渗碳体，给球化退火作组织上的准备；第三，对使用性能要求不高的工件，常用正火代替调质。3．淬火淬火是将钢加热到临界温度Ac1或Ac3以上，保温一段时间，然后快速冷却下来的一种热处理方法。淬火的目的是提高钢的硬度和耐磨性，使结构零件获得良好的综合力学性能。4．回火钢件淬火后必须经过回火。回火就是将淬火钢重新加热到工艺预定的某一温度(低于临界温度)，经保温后再冷却到室温的热处理工艺。淬火钢回火的目的在于消除淬火内应力，调整钢的力学性能，稳定钢件的组织和尺寸。根据零件的力学性能要求和回火温度不同，回火方法有以下三种：(1)低温回火的温度为150～250℃，得到的组织为回火马氏体。目的是降低淬火钢的脆性及内应力，保持高硬度和高耐磨性。低温回火适用于量具、切削工具、冲模等以及滚动轴承和渗碳淬火零件。(2)中温回火的温度为350～450℃，得到的组织为回火托氏体。这种组织不仅具有一定的韧性和硬度，而且具有高的弹性和屈服强度。中温回火常用于各种弹簧和锻模的回火。(3)高温回火的温度为500～650℃，得到的组织为回火索氏体，它具有较高的强度和冲击韧度的力学性能。高温回火常用于传动件和重要的紧固件，如曲轴、连杆、气缸、螺栓等。在生产中常把淬火后进行高温回火的热处理，称为调质处理。回火是热处理的最后一道工序，它直接影响成品的质量，因此回火温度必须严加控制。三、钢的表面热处理许多零件，如齿轮、凸轮、曲轮等，不仅要求表面具有高的硬度和耐磨性，还要求心部具有足够的韧性。若要满足这些要求，仅仅依靠选材和采用一般热处理方法是难以实现的，而采用表面热处理工艺则能满足上述要求。表面热处理是仅对工件表层进行热处理，以改善其组织和力学性能的工艺，它包括表面淬火和化学热处理两类。1．表面淬火表面淬火是指使工件表面迅速加热到淬火温度，而不等热量传到中心就迅速冷却。表面淬火后，工件的表层获得硬而耐磨的马氏体组织，而心部仍保持原来的韧性较好的组织。为了使淬火工件的表面耐磨，钢中的碳的质量分数应大于0．3％。表面淬火用钢一般是中碳或中碳合金钢。加热工件的方法主要有感应加热和火焰加热两种。感应加热是利用感应线圈中的交变电磁场，使工件表面产生感应电流，依靠电热效应使表面金属温度迅速升高至淬火温度，然后进行淬火冷却。火焰加热是利用氧—乙炔焰直接加热工件，使其表面迅速升温至淬火温度。然后进行淬火冷却。表面淬火常应用于齿轮、曲轴轴颈、凸轮等零件的表面硬化处理。2．化学热处理化学热处理是将零件置于化学介质中加热保温，使零件表面渗入某种元素以改变其化学成分组织和力学性能的热处理工艺。化学热处理包含分解(化学介质在一定温度下分解出活性原子)、吸收(活性原子被工件表面吸收并渗入工件表面)和扩散(渗入的活性原子由表及里的渗透形成扩散层)三个基本过程。化学热处理方法有渗碳和渗氮两种。(1)渗碳是使介质分解出的活性碳原子渗入工件表层，提高表层组织中的碳的质量分数经淬火及低温回火，使工件表层具有高的硬度和耐磨性，而心部仍保持原来的组织和性能的热处理工艺方法。渗碳主要用于低碳钢和低碳合金钢，渗碳后工件表层碳的质量分数为0．85％～1．05％，经淬火与低温回火后表面硬度为56～64HRC，而心部仍保持良好的塑性、韧性。按所用的渗碳剂不同，渗碳的方法分为固体渗碳法和气体渗碳法等，目前生产中广泛应用的是气体渗碳法。(2)渗氮是使化学介质分解出的活性氮原子，渗入工件表层形成氮化层的热处理工艺方法。渗氮后的工件表面生成的渗氮物，由于结构致密，硬度高，所以能抵抗化学介质的侵蚀并具有比渗碳更高的表面硬度、耐磨性、热硬性和疲劳强度，不再需要淬火强化。目前，常用的渗氮方法是气体渗氮，气体渗氮用钢以中碳合金钢为主，使用最广泛的钢为38CrMoAlA。四、钢的表面处理在生产实际中，许多零件和工具为了防止其使用时，表面产生腐蚀及增加表面的美观，常对其进行适当的处理，使零件和工具的表面生成一层均匀而致密的氧化膜。这不仅提高了表面的抗蚀性能，而且氧化膜所具有的光泽也增加了美观。目前常用的表面处理方法有氧化、发黑和磷化等。合金钢合金钢就是在碳素钢的基础上，为了改善钢的性能，在冶炼时有目的地加入一些元素的钢，加入的元素称合金元素。合金钢常用的合金元素有锰、硅、铬、镍、钨、钒、钛、硼、稀土等。一．合金钢牌号的表示方法合金结构钢的牌号是采用“二位数字+化学元素符号+数字”的方法来表示的。前面的数字表示钢的碳的平均质量分数的万分之几，合金元素直接用化学元素符号表示，后面的数字表示合金元素平均质量分数的百分之几。凡合金元素平均质量分数ωMe1．5％时，牌号中只标明元素，一般不标明质量分数；如果平均质量分数ωMe≥1．5％、2．5％、3．5％……则相应地以2、3、4……等表示。如果为高级优质钢，则在钢号后加“A”。例如：60Si2MnA60Si2MnAA——高级优质钢Mn——平均锰质量分数ωMn1．5％Si2——平均硅质量分数ωsi=2％60——平均碳质量分数ωC=0.60％合金工具钢牌号的表示方法与合金结构钢大体相同，所不同的是碳的质量分数的表示方法。当平均碳的质量分数≥1．0%时，在牌号中不标出；当平均碳的质量分数1．0％时，则在牌号前以千分之几表示。例如：9Mn2VV——钒的平均质量分数1．5％Mn2——锰的平均质量分数为2％9——碳的平均质量分数为0．9％Cr12Cr12——铬的平均质量分数为12％不写数字，碳的平均质量分数≥1．0％一些特殊专用钢，为表明其用途，在牌号前需附加字母。如滚动轴承钢(GCr15)，其牌号前面加“滚”字汉语拼音大写字“G”表示。二、常用合金钢1．合金结构钢合金结构钢是在碳素结构钢的基础上加入适量的合金元素的钢。按照用途不同，合金结构钢可分为：普通低合金结构钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。(1)普通低合金结构钢常用的普通低合金结构钢有09Mn2、16Mn、15MnV等。主要取代碳素结构钢，用以制造各种要求强度较高的工程结构件，例如：船舶、车辆、高压容器、管道、大型桥梁、大型屋架等。(2)合金渗碳钢常用的渗碳钢有20Cr、20Mn2B、20CrMnTi、20MnVB。适于制造易磨损而又承受较大冲击载荷的零件，如汽车、拖拉机的齿轮、凸轮轴、气门顶杆等。(3)合金调质钢常用的合金调质钢有40Cr、40Mn2、35CrMnSi和40MnB等。适用于制造性能要求高及截面尺寸较大的重要零件，如承受交变载荷、中等转速、中等载荷的轴类、杆类、齿轮等零件。(4)合金弹簧钢常用的合金弹簧钢有60Si2Mn、50CrVA等。重要的或大断面的弹簧，都采用合金弹簧钢制造，如机车车辆、汽车、拖拉机上的螺旋弹簧及板弹簧、阀门弹簧等。(5)滚动轴承钢常用的滚动轴承钢有GCr6、GCr9、GCr15、GCr15SiMn等。适用于制造滚动轴承的内圈、外圈和滚动体的专用钢，也可用于制造工具、量具和模具等。2．合金工具钢合金工具钢与碳素工具钢相比，合金工具钢具有淬透性好、耐磨性好、热硬性高和热处理变形小的优点。按用途可分为刃具钢、量具钢和模具钢三类。(1)刃具钢主要用来制造金属切削刀具。根据合金元素含量的不同，刃具钢一般为低合金刃具钢和高速钢两类。1)低合金刃具钢常用的低合金刃具钢有9SiCr、9Mn2V、CrMn、CrWMn、CrW5和Cr2等，用于制造要求变形小的铰刀、铣刀、低切削量的拉刀，并可用于制造量具和模具。2)高速钢是一种高合金钢高速钢的品种繁多，主要有钨系高速钢和钨钼系高速钢。钨系高速钢以w1