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1、第三章 常用材料与热处理知识1金属的性能2钢铁材料3钢铁材料的热处理4有色金属及非金属材料简介第一节第一节 金属的性能金属的性能n力学性能n强度n塑性n硬度n物理、化学性能n工艺性能1 强度n金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。n单位Pan1Pa1N/m2抗拉强度先将被测金属材料制成标准试样。测试时，将标准试样装夹在拉什试验机的两个夹头上，在试样两端缓慢施加拉力。随着拉力的增大，试样逐渐发生变形，直至被拉断为止。拉伸试验机自动的将每一瞬间试样所受拉力P及相应的伸长量L记录下来，绘制成拉伸曲线试样材料性能及基本特性抗拉强度抗拉强度低碳钢的拉伸曲线低碳钢的拉伸曲线0FL低碳钢的拉伸曲线低碳钢
2、的拉伸曲线当外力小于Fe时，试样产生的变形属于弹性变形，即外力去除后材料将恢复到初始状态。当外力大于Pe后，试样除产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。FeFs颈缩屈服点屈服点低碳钢的拉伸曲线低碳钢的拉伸曲线0PL低碳钢的拉伸曲线低碳钢的拉伸曲线 材料产生屈服现象时的应力，称为屈服点屈服点，可按下式计算：s =FsS0PePs颈缩屈服强度屈服强度，可按下式计算：s =F0。2S0 F0.2是残余伸长率为0.2%时的载荷。低碳钢的拉伸曲线低碳钢的拉伸曲线0PL低碳钢的拉伸曲线低碳钢的拉伸曲线试样在拉断前所能承受的最大应力称拉应力，称为抗拉强度抗拉强度，可通过下式计算：b =Fb/S0PePs颈缩F
3、b2.塑性n材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的性能，称为塑性。n断后伸长率n断面收缩率塑性或愈大，则材料的塑性愈好。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件0PL低碳钢的拉伸曲线低碳钢的拉伸曲线FeFs颈缩3.硬度n材料抵抗比其本身更硬的物体压入其内部的性能，称为硬度。n抵抗塑性变形、压痕或滑痕的能力。硬度(1)布氏硬度HBS，HBW。(2)洛氏硬度HRAHRK(3)维氏硬度HV。(4)肖氏硬度HS测量方法布氏布氏硬度硬度DdP标准硬度和一定直径的淬火钢球或硬质合金球压力/压痕面积布氏硬度n原理布氏硬度采用直径为D的淬火钢球或硬质合金球，在相应的试验力P的作用下垂直的压入试样表面，保持规
4、定的时间后卸载。以试验力P与压痕表面积的比值作为布氏硬度。压头为淬火钢球时用HBS，适用于布氏硬度值在450以下的材料压头为硬质合金球时用HBW，适用于布氏硬度值在650以下的材料适用于调质钢、正火钢、退火钢、铸铁、有色金属毛坯或半成品等硬度较低的材料，HBS（HBW）值越大，则材料的硬度越大举例n120HBS10/1000/30硬度为120直径为10mm的钢球9807N试验载荷载荷保持时间30s洛氏硬度n洛氏硬度计n采用不同的压头和载荷相配合，洛氏硬度有HRA、HRB、HRC等几种不同的标度P120h锥顶角为120的金刚石作压头，P1500N洛氏硬度HRC标度测量范围压头类型HRA60851
5、20O的金刚石圆锥体HRB25100直径1.588mm的淬火钢球HRC2067120O的金刚石圆锥体洛氏硬度洛氏硬度n标注n52HRCn70HRAP120h锥顶角为120的金刚石作压头，P1500N洛氏硬度HRCHR=k ee=h/0.002k=130维氏硬度n维氏硬度硬度计n136度的正四棱锥体的金刚石压头n优点：实验时所加载荷小，适合于测试零件表面淬硬层及化学表面层；同时HV是一个连续一致的标尺，载荷可以任意选择，而不影响其硬度值的大小，因此可测量极软到极硬的各种材料的硬度值。硬度和强度之间存在有一定的关系，通常材料的强度愈高，其硬度也愈高三种硬度之间可通过查表进行换算。维氏硬度n表示方法
6、n64HV30n适用范围n可测极软到极硬的各种金属材料，还可以测渗碳、渗氮层的硬度。4 冲击韧性n金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。材料性能及基本特性冲击实验冲击韧度4 冲击韧性冲击功：冲击功：AKG(H1-H2)G摆锤重力；H1初始高度；H2摆锤回升高度；冲击韧度冲击韧度，J/cm2。冲击功，J试样缺口处横截面积。5 疲劳强度n金属材料在多次交变应力的作用下，不发生破坏的最大应力称为疲劳强度疲劳强度。Mpa二、二、物理、化学物理、化学性能性能1 化学性能 成分、显微组织、结晶结构、抗腐蚀性。耐酸性、耐碱性、抗氧化性。2 物理性能 材料本质不发生变化所表现的性能。颜色、密度、熔点、折射率
7、、导热率、热膨胀率、热变形温度、吸水率、绝缘强度、电阻率、比热等三、工艺性能n是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力。n包括：n铸造性n锻造性n焊接性n切削加工性第二节第二节 钢铁材料钢铁材料n钢铁材料n钢 含碳量小于2.11%n碳素钢n合金钢n铸铁 含碳量大于2.11%一、碳素钢n简称碳钢,Wc1.5,并含有少量Si,Mn,S,P等杂质元素的铁碳合金.n碳含量对碳钢的力学性能影响最大,以0.09 为界.nSi,Mn 使钢强化.nS使钢热脆,P导致钢冷脆.含碳量对含碳量对碳钢力学性能的影响碳钢力学性能的影响碳素钢分类分类按含碳量分:n低碳钢-Wc0.60 n按质量分:n普通碳素钢-Wp 0.
8、045,Ws0.050 n优质碳素钢-Wp 0.035,Ws0.035 n高级优质碳素钢-Wp 0.0255,Ws0.025 n按用途分:n碳素结构钢-工程构件(桥梁)和机器零件(轴),一般为低碳钢和中碳钢，Wc0.70.普通碳素结构钢类别编号方法主要特点应用：工程结构及普通零件示例说明常用牌号用途举例碳素结构钢Q235A.F 或Q235A.F“Q”为“屈屈”的汉语拼音字首，“235”为屈服点屈服点数值，(Nmm2)，A、B、C、D为质量等级，由A到D依次提高；F、BZ、TZ分别表示脱氧方法。含碳量较低，含S,P杂质较多，硬度较低，塑性较好，价格便宜195、Q215AQ215B薄板、焊接钢管、
9、铁丝、钉、结构面板、烟囱等235A、Q235BQ235C、Q235D薄板、中板、钢筋、条钢、钢管、焊接件、铆钉、小轴、螺栓、连杆、拉杆、外壳、法兰等Q255A、Q255BQ275拉杆、连杆、键、轴、销钉、要求强度较高的某些结构件优质碳素结构钢类别编号方法主要特点应用：制造重要的机械零件制造重要的机械零件示例说明常用牌号用途举例优质碳素结构钢4565Mn以平均含碳量含碳量的的万分数万分数(不足千分之一时，数前加零)后附“Mn”表示含P、S有害杂质较少，化学成分控制较严，力学性能较高，价格较低08F、08、10F 10、15F、15 20、25属低碳钢低碳钢，塑性、韧性好，焊接性好，用作冲压板、焊
10、接件、渗碳件、一般螺钉、铆钉、轴、垫圈等30、35、40、45 50、55属中碳钢中碳钢，综合力学性能好，机械加工性较好，用作各种受力较大的零件(如连杆、齿轮等)，也用于制造具有一定耐磨性的零件(50、55用作凸轮等)60、65、70、75 80、85属高碳钢高碳钢、强度、硬度较高，弹性较好，用作各种弹性元件(如弹簧垫圈等)和耐磨零件(如凸轮、轧辊等)5Mn70Mn性能与相应正常含锰量的各号钢基本相同，强度稍高，淬透性稍好，应用范围亦基本相同，宜制造截面尺寸较大，强度要求较高的零件碳素工具钢类别编号方法主要特点应用：工具工具示例说明常用牌号用途举例碳素工具钢T10T10A“T”为为“碳碳”的汉
11、语拼音字首，后面的数值为碳的平均碳的平均质量分数的千分数质量分数的千分数，当为高级优质碳素工具钢(Wp0.02，Ws0.3)时，其牌号后加“A”碳的质量分数较高(065135)，含P、S较低属高碳优质钢，热处理可获得较高硬度和耐磨性T7、T7A、T8、T8A韧性较高，用作要求有较高韧性的工具，如木工工具、冲头等T9、T9A、T10 T10A、Tll、TllA用作要求中等韧性、较高硬度的工具，如丝锥、铰刀、板牙等T12、T12A、T13、T13A用作要求耐磨性好，但韧性可较低的工具，如量具、锉刀、刻字刀等铸造碳钢nZG270500n用于制造形状复杂、力学性能要求较高的重型机械零件，如轧钢机机架、
12、水压机横梁、锻锤等。屈服点屈服点抗拉强度抗拉强度n含碳量在0.20%0.60%之间。合金钢提高强度、改善磁性，提高耐腐蚀性和耐热性，提高淬透性减轻热脆性，提高强度，硬度、淬透性，是高锰耐磨钢的主要元素。提高强度、韧性、淬透性、抗氧化性和耐磨性提高强度、韧性、耐腐蚀性、耐热性、淬透性提高淬透性，改善高温强度，红硬性，提高耐腐蚀性提高硬度、耐磨性，改善高温强度，红硬性提高耐磨性，改善强度和韧性提高强度、硬度、耐热性提高淬透性阻止晶粒长大，耐高温氧化（Al2O3）增加强度，耐大气腐蚀改善耐热、耐蚀、抗氧化性，提高冲击韧性、塑性nSi nMn nCrnNi nMo nW nV nTi nB nAl n
13、Cu nRE 合金钢n合金钢的分类n按用途分:n合金结构钢-低合金结构钢,合金结构钢n合金工具钢-合金刃具钢,合金模具钢,量具钢n特殊性能钢-不锈钢,耐热钢,耐磨钢n按合金元素的含量分:n低合金钢:合金元素总的质分数10 类别编号方法主要性能特点应用示例说明常用牌号用途举例合金结构钢低低合合金结金结构钢构钢60Si2MnGCr15SiMn前面的数字为前面的数字为钢中碳的平均质钢中碳的平均质量分数的万分数量分数的万分数，其后依次为合金元素符号及其平均质量分数的百分数(合金元素的平均质量分数1.5时，数字略去)滚动轴承钢编号“G”为“滚”的汉语拼音字首，其后为铬的元素符号Cr及其平均质量分数的千分
14、数，以后依次为其余合金元素的符号及其平均质量分数的百分数(合金元素的平均质量分数15时，数字略去)较好的强度，较好的塑性和耐磨性，通常可在热轧状态下直接使用Q295、Q345、Q390广泛用于制造锅炉、船舶、桥梁、压力容器、建筑结构、车辆等的各种构件合合金金结结构构钢钢合合金金渗渗碳碳钢钢属低碳低合金钢碳低合金钢，通过渗碳，整体强度高，“表硬内韧”20Cr、20MnV、20CrMnTi、20MnVB、12CrNi用于制造要求表面硬度高，耐窘，且受冲击的零件，如汽车、矿用运输机上的齿轮，内燃机凸轮、活塞销等合合金金调调质质钢钢属中碳低合金钢中碳低合金钢，经调质处理后，综合力学性能和切削加工性好4
15、0Cr，40MnB、40MnVB、30CrMnSi、35CrMo、40CrMnMo用于制造承受较大交变载荷、冲击载荷及在复杂应力条件下工作的重要零件，如重要轴、连杆、齿轮、阀杆等合合金金弹弹簧簧钢钢弹性好，屈服点、疲劳强度高，塑性、韧性好，成形性能好65Mn,60Si2Mn50CrVA用于制造各种弹性元件，如各种螺旋弹簧、板弹簧滚滚动动轴轴承承钢钢强度、硬度高，耐磨性好，韧性、疲劳强度、耐腐蚀性较好GCrl5,GCr9.GCr9SiMn、GCrl5SiMn等用于制造各种滚动轴承元件(钢球、滚杆、滚针、轴承套等)、各类工具及耐磨零件合金结构钢的编号合金结构钢的编号弹簧类别编号方法主要性能特点应用
16、示例说明常用牌号用途举例合金工具钢合金刃具钢低合金刃具钢 9Mn2VCrl2前面的数字表示碳的平均质量分数的千分数(平均wc1时，不标出)，其后为合金元素符号及其平均质量分数的百分数(平均质量分数1.5时，数字不标出)，注意：高合金刃具钢(高速钢)的含碳量均不注出 高的硬度，耐磨性、红硬性；良好的强度、塑性、冲击韧性9SiCr，9Mn2V，CrWMn，Cr2用于制造各种低速切削刀具低速切削刀具，如丝锥、板牙、刮刀等高合金刃具钢18CriV，W6MoSCr4V2，W9M03Cr4V其红硬性高于低合金刃具钢，又称为高速钢高速钢、锋钢，用于较高速度的切削刀具如车刀，铣刀、钻头等合金模具钢冷作模具钢高
17、的硬度和耐磨性，较好的强度和韧性9SiCr，9Mn2V，CrWMn，Crl2，Crl2MoV，W18Cr4V用于制造在室温下进行工作的模具，如冷冲模、冲镦模、冷挤压模、拉丝模等热作模具钢良好的抗疲劳能力、导热能力，抗氧化能力，较高的强度、硬度、韧性、耐磨性5CrMnMo，5CrNiMo，3Cr2W8V等用制造在受热状态下进行工作的模具，如热锻模、热镦模、热挤压模等合金量具钢高的硬度、耐磨性，良好的尺寸稳定性、加工工艺性9SiCr，CrWMn，GCrl5用于制造各种测量用具，如块规、卡尺、塞规、样板等合金工具钢的编号合金工具钢的编号类别编号方法主要性能特点应用示例说明常用牌号用途举例特殊性能钢不
18、锈钢铬不锈钢 2Crl3，00Crl2，0Crl9Ni9编号方法同合金工具钢，但当平均含碳量0.03时，钢号前加“00”，平均含碳量0.08时，钢号前加“0”表示是不锈钢和耐酸钢的总称，前者可抗大气腐蚀，后者可耐化学介质腐蚀1Crl3、2Crl3、3Crl3用于制造耐大气腐蚀，能承受冲击载荷的零件，如汽轮机叶片、量具、刃具等铬镍不锈钢1Crl7可耐酸，耐大气腐蚀，通用性好，用于建筑装饰、家电、工厂设备等Crl8Ni9，1Crl8Ni9Ti耐酸，用于制作耐酸设备零件，及建筑装饰、医疗器械等耐热钢抗氧化钢具有良好的抗高温氧化能力3Crl8Mnl2Si2V,0CrlgNi9，2Cr20Mn9Ni各种
19、受力不大的炉用构件，如锅炉炉罩等热强钢高温下具有良好的抗氧化能力和较高强度1Crl8Ni9Ti，3Cr9Si2，4Crl4Nil4W2Mo用于制造各种高温下受较大载荷的零件，如内燃机排气门、化工高压容器、螺栓等耐磨钢耐磨钢又称高锰钢，在强烈冲击、高压或摩擦条件下，具有高的硬度和耐磨性，一般是铸造成形ZGMnl3用于制造耐磨且耐强烈冲击的零件，如坦克和拖拉机的履带、挖掘机铲齿、铁路道岔等特殊性能钢的编号特殊性能钢的编号三、铸铁n铸铁是以铁、碳、硅为主要元素组成的，碳的质量分数大于2.11的铁碳合金。铸铁中所含杂质较钢多。n铸铁具有许多优良的性能，且生产简便，成本价廉，是工程上常用的一类金属材料。
20、n根据铸铁中碳的存在形态不同，铸铁可分为白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁五类。n铸铁还可在加入一定数量的合金元素或经特殊处理后，获得特殊性能，称为合金铸铁。耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁均属这类铸铁。灰铸铁类别编号方法主要特点应用示例说明常用牌号用途举例灰铸铁HT200“HT”为“灰铁”汉语拼音字首，其后数字为抗拉强度最低值(Nmm2)力学性能较低，铸造性、切削加工性、减振性、耐磨性好，缺口敏感性低HTl00低载荷，不重要零件，如手轮、防护罩等HTl50中等载荷零件，如机座、变速箱体、支架等HT200、HT250较大载荷的重要零件，如机体、床身、轴承座等HT300，HT350高载荷
21、、高耐磨的重要件，如凸轮、齿轮、重要机座等灰铸铁n组织n铁素体灰铸铁n铁素体珠光体灰铸铁n珠光体灰铸铁n孕育处理n在浇注前往铁水中加入少量孕育剂(硅铁)，使石墨片及基体组织得到细化。n强度有很大提高，塑性、韧性有所改善。灰口铸铁的显微组织 可锻铸铁类别编号方法主要特点应用示例说明常用牌号用途举例可锻铸铁KTH300-06KTZ450-06KTB450一07“KT”为“可铁”汉语拼音字首，“H”、“Z”、“B”分别为黑心的“黑”、珠光体的“珠”、白心的“白”汉语拼音字首，其后第一组数字为抗拉强度的最低值(Nmm2)，第二组数字为伸长率的最低值()力学性能优于灰铸铁，适于制作薄壁、形状复杂的小型铸
22、件，但生产工艺复杂。应当指出可锻铸铁并不可锻KTH30006受低的动载荷及静载荷，要求气密性好的零件，如中、低压阀门等KTH330一08受中等动载荷及静载荷的零件，如扳手、钢丝绳轧头等KTH35010KTH35012受较大冲击、振动及扭转负荷的零件，如差速器壳KTZ45006KTZ55004KTZ65002KTZ70002受较大载荷，要求耐磨并有一定韧性的重要零件，如曲轴、凸轮轴、连杆、万向接头、棘轮等KTB35004KTB38004KTB40005KTB45007焊接性好，强度和耐磨性较差，应用较少，用作厚度在15mm以下的薄壁铸件和焊后不需热处理的零件可锻铸铁n含碳量：2.2%2.8n组织
23、n珠光体团絮状石墨n铁素体团絮状石墨n性能n珠光体可锻铸铁具有一定的强度和一定的塑性和韧性n铁素体可锻铸铁具有较高的强度、硬度和耐磨兴，塑性和韧性较低。球墨铸铁类别编号方法主要特点应用示例说明常用牌号用途举例球墨铸铁QT40015“QT”为“球铁”汉语拼音字首，其后第一组数字为抗拉强度最低值(Nmm2)，第二组数字为伸长率最低值()力学性能远远超过灰铸铁，某些指标接近钢，保持灰铸铁优良的铸造性、切削加工性、耐磨性和低的缺口敏感性QT400一18QT400一15QT40010强度要求较低的零件，如泵壳、阀体、机壳齿轮箱等QT5007中等强度的零件，如机座、机架、齿轮、飞轮等QT6003QT700
24、2QT8002较高强度和耐磨性的零件，如曲轴、缸体、缸套、连杆等QT9002高强度、高耐磨性的零件，如曲轴、凸轮轴、齿轮等球墨铸铁的显微组织 球墨铸铁n热处理n退火n正火n调质n等温淬火第三节 钢铁材料的热处理n热处理是指金属在固态下通过改变温度、保温和随后调整至室温，实现改变金属组织，从而获得所需性能的工艺方法。金属内部组织转变目的组织转变的进行得彻底保温调整至室温是热处理的重要阶段方法一、热处理概述n目的：n提高零件的使用性能，充分发挥钢材的潜力，延长零件的使用寿命。n改善工件的工艺性能，提高加工质量，减小刀锯磨损。n分类n普通热处理n表面热处理铁碳合金状态图说明合金成分、温度和组织三者关
25、系的图形2.11%钢铸铁0.77%共析钢亚共析钢过共析钢BACDEFHJGSPKA3AcmA1一、普通热处理n1、退火n把钢加热到某一温度，经保温后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的方法。n目的：降低硬度；提高塑性；细化晶粒；消除应力；n1 完全退火：用于亚共析钢的铸、锻、焊件。n2 球化退火：用于过共析钢。n3去应力退火：加热到 Ac1线以下某个温度，炉冷，用于消除铸、锻、焊件及冷冲压件的残余应力。n4 扩散退火n5等温退火n6 再结晶退火2、正火n把钢加热到A3线(对亚共析钢)或Acm线(过共析钢)以上3050，保温后，在静止空气中冷却。n冷却速度比退火快，退火后钢的性能因钢种不同而有很大的差
26、别。n改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性；n细化晶粒；n消除过共析钢中的网状渗碳体，改善钢的力学性能，为球化退火做组织准备；n代替中碳钢和低碳合金结构钢的退火，改善组织结构和切削加工性。3、淬火n把钢加热到组织转变温度(A3或A1)以上3050，保温后快速冷却的处理工艺。目的在于获得马氏体组织，使钢具有高硬度和高耐磨性。n冷却介质n水、油、盐或碱的溶液n方法：单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火n淬透性n淬火时能得到的淬硬层深度。n淬硬性n淬火后能达到的最高硬度值。实质是马氏体的硬度，其硬度取决于它的含碳量。4、回火n是把淬火后的钢加热到A1线以下某一温度，保温后冷却到室温的处理工艺。是淬火
27、工件必须进行的一个工序。n低温回火n淬火后的钢加热至150200 保温后冷却至室温n中温回火n淬火后的钢加热至350500 保温后冷却至室温n高温回火（调质）n淬火后的钢加热至500650 保温后冷却至室温n获得了回火索氏体组织HRC20，综合力学性能很高。三、表面热处理方法三、表面热处理方法n仅对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的工艺方法。n一）表面淬火n1 感应加热表面淬火n2 火焰加热表面淬火n二）化学热处理n1 渗碳n2 渗氮n3 碳氮共渗 表面淬火n钢件快速加热，使其表面迅速达到淬火温度，而心部仍低于Ac1温度，表面喷水快速冷却，使得零件“外硬内韧”。n适合于中碳钢和中碳合金钢。火焰加热表面淬火1 烧嘴 2喷水管 3加热层 4工件 5淬硬层例如齿轮 化学表面热处理n渗碳n向低碳钢或低碳合金钢工件表层渗入碳原子的过程。n表面具有高的硬度和耐磨性，心部具有一定的强度和较高的韧性。齿轮、活塞销。n渗氮n钢件表层渗入氮原子的过程。提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳强度以及热硬性。n适于在交变载荷下工作，要求耐磨和尺寸精度高的零件。如高精密机床的主轴、柴油机曲轴、n碳氮共渗气体渗碳法1 风扇电动机 2 排出废气火焰 3 炉盖 4 砂封 5 电炉丝 6 耐热罐 7 工件