常用金属材料及热处理

常用材料及热处理主讲:潘晓辉2012年12月前言Introduction工程材料是构成机械的物质基础。机械的性能取决于其使用的材料.用于机械制造的材料有上千种,我们在选择材料时,既能保证使用性能、便于加工，又要有经济性，那就必须了解这些材料，认识这些材料。工程材料分类金属非金属复合材料碳钢合金钢钢有色金属塑料橡胶陶瓷聚合物聚合物基复合材料金属基复合材料黑色金属重金属轻金属贵金属铸铁金属材料的性能为更合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能（使用性能）及其在冷热加工过程中材料应具备的性能（工艺性能）。材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（耐用腐蚀性、抗氧化性），力学性能（机械性能）。材料的工艺性能指材料适应冷、热加工方法的能力。工艺性能：指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。1.铸造性能：指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能，主要包括流动性能、充满铸模能力；收缩性、铸件凝固时体积收缩的能力；偏析指化学成分不均性。2.焊接性能：指金属材料通过加热或加热和加压焊接方法，把两个或两个以上金属材料焊接到一起，接口处能满足使用目的的特性。3.冷弯性能：指金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂性能。弯曲程度一般用弯曲角度α（外角）或弯心直径d对材料厚度a的比值表示，a愈大或d/a愈小，则材料的冷弯性愈好。工艺性能4.冲压性能：金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。在常温进行冲压叫冷冲压。检验方法用杯突试验进行检验。5.锻造性能：金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能力。化学性能化学性能：指金属材料与周围介质扫触时抵抗发生化学或电化学反应的性能。1.耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。2.抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。腐蚀的概念金属表面受到外部介质作用而逐渐破坏的现象称为腐蚀或者锈蚀。腐蚀通常分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种类型。金属在电解质溶液中的腐蚀，称为电化学腐蚀；金属在非电解质中的腐蚀，称为化学腐蚀。大部分金属的腐蚀是电化学腐蚀。电化学腐蚀示意图电化学腐蚀实际上是电池作用。-Fe+CuH2SO4e铁和铜在电解质H2SO4溶液中形成了一个电池，由于铁的电极电位低，为阳极，铜的电极电位高，为阴极，所以铁被溶解，而在阴极上就放出氢气。化学腐蚀化学腐蚀就是金属与介质直接发生化学反应。在干燥环境下钢铁表面的红色锈蚀就是属于化学腐蚀：4Fe+3O2=2Fe2O3当氧气含量不足时，反应物为FeO(黑色）钢铁氧化发黑的成分是Fe3O4机械性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的特性。1.抗拉强度：也叫强度极限指材料在拉断前承受最大应力值。单位用牛顿/平方毫米（N/mm2）表示。2.屈服强度：指材料在拉抻过程中，材料所受应力达到某一临界值时，载荷不再增加变形却继续增加或产生0.2%L时应力值，单位用牛顿/平方毫米（N/mm2）表示。机械性能（力学性能）3.延伸率（δ）：材料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比。4.断面收缩率（Ψ）材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积与原断面积百分比。硬度硬度：指材料抵抗其它更硬物压入其表面的能力，常用硬度按其范围测定分布氏硬度（HBS、HBW）和洛氏硬度（HRA、HKB、HRC)和维氏硬度（HV)布氏硬度原理：用一定直径的钢球以相应的试验力压入试样的表面，保持规定的时间后卸除试验力，在试样的表面留下球形痕迹，测量压痕直径的大小求得硬度值布氏硬度又两种：HBS和HBW,区别时钢球布同，HBS用的时淬火钢球，HBW是硬质合金球，HBS现在基本都不用，现在用的是HBW.布氏硬度计的优点：准确布氏硬度计的缺点：损伤大，不易测薄的工件洛氏硬度原理：以顶角为120°的金刚石圆锥体或者直径时1.588mm的淬火钢球做压头，以规定的试验力压入试样的表面，根据压痕深度，确定硬度值。洛氏硬度有9种：HRA,HRB,HRC,HRD,HRE,HRF,HRG,HRH,HRK洛氏硬度计的优点：简单迅速，效率高，直接读数洛氏硬度计的缺点：不够准确维氏硬度原理：原理与布氏相似，区别是采用锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体，测量压痕两对角线长度。优点：准确度高，压痕更小，是以微米单位来计缺点：效率低冲击韧性冲击韧性（Ak）：材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳/平方厘米（J/cm2）。韧性转变温度：冲击吸收功氏随着温度的降低而降低的，有些材料在低于某一温度时，冲击值显著下降，这一温度称为韧性转变温度普通碳素钢的韧性转变温度大约是在-20℃，这就是某些车辆、桥梁、管道等在东北等寒冷地区易发生脆断的原因。铁碳合金相图。铁碳合金相图：表示在平衡状态下铁碳合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。利用它可以研究钢和铸铁的内部组织及其变化规律，从而为更好的利用它们，并为制定热处理、压力加工等工艺规程打下基础。在工程中一般研究的铁碳合金状态图实际上都是铁与渗碳体两组元构成的状态图。铁碳合金的相图及组织转变工业纯铁碳钢白口铸铁亚共析钢共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁过共晶白口铁工业纯铁含碳量小于0.0218%的铁碳合金，钢含碳量在0.0218%～2.11%的铁碳合金，共析钢含碳量等于0.77%，亚共析钢含碳量小于0.77%，过共析钢含碳量位于0.77%～2.11%，白口铸铁含碳量在2.11%～6.69%的铁碳合金共晶白口铸铁含碳量等于4.3%，亚共晶白口铸铁含碳量位于2.11%~4.3%过共晶白口铸铁含碳量位于4.3%～6.69%1.铁素体（F）碳溶于中的固溶体，它保持体心立方晶格结构。其显微组织如图1-15，溶解度（0.008%∼0.02%），故性质接近纯铁，强度、硬度低，塑性、韧性好。Feα2.奥氏体（A）碳溶于中的固溶体，保持面心立方晶格结构。其显微组织如图1-16，溶解度（0.77%∼2.11%），其强度和硬度略高于铁素体，塑性、韧性较好，奥氏体氏没有磁性的。Feγ3.渗碳体（Fe3C）铁和碳组成的金属化合物，复杂斜方晶体结构。含碳量为6.69%，其硬度很高，塑性、韧性几乎为零，脆性极大，在一定条件下分解为铁和石墨。图1-15铁素体的显微组织图1-16奥氏体的显微组织4.珠光体P珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。其显微组织如图1-17，珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。图1-17珠光体的显微组织5.莱氏体Ld莱氏体在727℃以上，由奥氏体与渗碳体组成的机械混合物，称为高温莱氏体Ld；在727℃以下，该组织转变为由珠光体与渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体Ld’。其力学性能与渗碳体相似，硬度较高，脆性较大。常用金属材料工业用钢铸铁有色金属4.6.1钢（含碳量小于2.11%的铁碳合金）钢的分类：1）以含碳量分（按碳的质量分数ωC%）低碳钢(ωc≤0.25%)中碳钢(0.25%≤ωc≤0.6%)高碳钢(0.6%ωc≤2.11%)2）以化学成份分（按合金成份）碳素钢（以Fe、C成份为主）合金钢（除Fe、C外，还有其它合金元素）3）以钢的品质分（按有害杂质S、P含量）普通钢（ωs≤0.05%;ωp≤0.045%）优质钢（ωs≤0.04%;ωp≤0.04%）高级优质钢（ωs≤0.03%；ωp≤0.035%）4）以钢的用途分（按行业使用）结构钢（建筑、机械制造用）工具钢（工具、刀具、模具等用）特殊性能钢（防腐蚀、高温、导磁等场合用）5）按冶炼时脱氧程度分沸腾钢（不脱氧F）镇静钢（脱氧完全Z）半镇静钢（脱氧不完全b）钢中各元素的影响1.碳的作用钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。2.硅的影响硅能溶解于铁素体中，使铁素体强化，从而提高钢的强度。3.锰的影响锰能与硫化合成MnS，减少硫对钢的有害影响。在室温下，锰大部分溶于铁素体，对钢有一定的强化作用。4.磷和硫的影响磷和硫都是有害元素，一般情况下含量越低越好，要严格的控制其含量。介绍钢的成份、使用特点及应用、牌号：（一）结构钢牌号：1、普通碳素结构钢字母Q+屈服点数值(Mpa)+质量等级。表示普碳结构钢共分195、215、235、255、275五种。共有A,B,C,D四个级别，A级最差。如：Q235A；Q215B；2、优质碳素结构钢牌号：由两位数字组成表示碳的平均万分含量（常用：08∼85）如45（表示ωC≤0.45%的优质碳素结构钢）当ωMn=0.7∼1.2%时，在数字后加Mn如65Mn（表示ωc=0.65%,ωMn=0.7∼1.2%的优质碳钢）。2、合金结构钢牌号：数字+元素符号+数字表示碳的平均万分含量元素平均百分含量：1.5%不标记，表示所含合金元素的名称如：20Cr（表示ωc=0.2%,ωCr1.5%的合金结构钢)如：38CrMnAl（表示ωc=0.38%,ωCr、ωMnωAl的含量均1.5%的合金结构钢)如：60Si2Mn（表示ωc=0.6%,ωSi=1.5∼2.49%，的ωMn1.5%的合金结构钢)*滚动轴承钢是合金结构钢中的一类专门用钢。牌号：字母G+合金元素+数字表示滚动轴承用钢表示所含主要合金元素的名称如：GCr9（表示ωCr=0.9%的滚动轴承钢)只标出铬元素平均千分含量，其它不标记，如：GCr15SiMn（表示ωCr=1.5%的滚动轴承钢)成份：ωC=1∼1.15%,加入了Mn、Si等合金元素，热处理后使用。（二）工具钢1、碳素工具钢牌号：字母T+数字+质量级别表示工具钢表示碳的平均千分含量（7∼13）末尾标，表示是高级优质如T7（表示含碳量为ωC≈0.7%的碳素工具钢）；如T10（表示含碳量为ωC≈1.0%的碳素工具钢）；2、合金工具钢数字+元素符号+数字表示碳的平均千分含量,1%不标记表示所含合金的名称元素平均百分含量：1.5%不标记，（三）特殊性能钢1、不锈钢（主要合金元素为Cr和Ni）牌号：数字+元素符号+数字表示碳的平均千分含量，0.08%时用0表示表示所含合金的名称元素平均百分含量如：1Cr13（表示ωc≈0.1%,ωCr≈13%的不锈钢)；如：1Cr18Ni9（表示ωc≈0.1%,ωCr≈18%，ωNi≈9%的不锈钢)；如：2Cr13（表示ωc≈0.2%,ωCr≈13%的不锈钢)；2、耐热钢牌号：数字+元素符号+数字表示碳的平均千分含量，0.08%时用0表示表示所含合金的名称元素平均百分含量1.5%不标记，如：4Cr10Si2Mo（表示ωc≈0.4%,ωCr≈10%，ωSi≈2%，ωMo1.5%的耐热钢)；如：5Cr2Mn9Ni4N（表示ωc≈0.5%,ωCr≈2%，ωMn≈9%，ωNi≈4,ωN1.5%的耐热钢)；如：0Cr13Al（表示ωc0.08%,ωCr≈13%，ωAl1.5%的耐热钢)；（四）铸钢牌号：字母ZG+数字—数字表示铸钢表示抗拉强度σb（Mpa）表示屈服点σs（Mpa）如ZG230—450（表示含碳量屈服点为σs=230MPa,抗拉强度为的σb=450Mpa的碳素铸钢）；4.6.2铸铁（含碳量大于2.11%的铁碳合金）1、白口铸铁牌号：无牌号标记成份：ωC=2.11∼6.69%,碳以Fe3C（化合物）的形式存在，并含有Si、Mn、P、S等杂质特点与应用：断面呈白色，性能硬而脆，不能切削加工，一般不用来制造机械零件，主要用作炼钢的原料。2、灰口铸铁牌号：字母HT+数字表示灰口铸铁表示最低抗拉强度σb（Mpa）如：HT150(表示最低抗拉强度为σb=150MPa的灰口铸铁）；3、可锻铸铁牌号：字母KTH(KTZ)+数字—数字KTH表示“黑心”可锻铸铁KTZ表示“珠光体”可锻铸铁表示最低抗拉强度σb（Mpa）表示最低伸长率δ（%）如：KTH300—06(表示最低抗拉强度为σb=300MPa，δ=