金属材料及热处理讲座

金属材料的力学性能铁碳合金钢的热处理三四一非铁材料碳素钢和结构钢二四五金属材料的性能分为使用性能和 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 性能。使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，它主要包括力学性能、物理性能和化学性能，本模块的重点主要介绍其力学性能；工艺性能是指金属材料在制造加工过程中反映出来的各种性能，如机加工性能、热处理性能、铸造性能、锻造性能和焊接性能等。一、强度强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。强度有多种，在通常情况下，大多以抗拉强度作为判别金属材料强度高低的依据。1、拉伸试样图1-1 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 拉伸试样2、力—伸长曲线拉伸试验过程中随着载荷的均匀增加，试样不断地由弹性伸长过渡到塑性伸长直至断裂。一般试验机都具有自动记录装置，可以把作用在试样上的力和伸长描绘成拉伸图，也叫拉伸曲线。如图1-2所示为低碳钢的拉伸曲线，图中纵坐标表示力F，单位为N；横坐标表示伸长量，单位为mm。图1-2中明显地表现出下面几个变形阶段。1）Op——弹性变形阶段2）p点后的水平或锯齿状线段——屈服阶段3）屈服后至m点——强化阶段4）mk——缩颈阶段（局部塑性变形阶段）图1-2低碳钢拉伸曲线3、强度指标（1）弹性极限σe（2）屈服强度σs（3）抗拉强度σb对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，而用抗拉强度作为其强度设计的依据。二、塑性塑性是指断裂前材料产生永久变形的能力。常用的塑性指标是断后伸长率和断面收缩率，也是通过拉伸试验来测定。断后伸长率又称延伸率，是试样被拉断时，标距的伸长量ΔL与原始标距L0的百分比，用符号A表示，即A=ΔL/L0×100%断面收缩率为试样被拉断时，缩颈处横截面的最大缩减量ΔS与原始横截面积S0的百分比，用符号Z表示，即Z=ΔS/S0×100%断后伸长率和断面收缩率的数值越大，表示金属材料的塑性越好。良好的塑性是材料进行压力加工的必要条件，也是保证零件工作安全，不致发生突然脆断的重要条件。三、硬度硬度是指材料表面上抵抗局部变形或破坏的能力。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。1.布氏硬度布氏硬度试验原理如图1-3所示。压头为硬质合金球，其在布氏硬度计上以规定的试验力和时间压入被测金属表面，卸除载荷后计算金属压痕单位面积承受的压力，即可确定被测金属材料的硬度值，用符号HBW表示，即：HBW=0.102F/πDh式中，F为试验力（N）；h为压痕深度（mm）；D为压头直径（mm）。压痕深度h不易测量，可由压痕直径d来换算。即在实际测定时，一般并不进行计算，而是用放大镜测量出压痕直径后，查表直接读出HBW值。符号HBW前面为硬度值，后面的数字依次表示压头球体直径D、试验力F和试验力保持时间t（当为10~15s时不标注）。例如，600HBW1/30/20表示用直径为1mm的硬质合金球在294.2N试验力下保持了20s所测得的硬度值为600。图1-3布氏硬度试验原理图2.洛氏硬度洛氏硬度用压入法测定，通过测量压痕深度大小来衡量材料的硬度高低。通常采用锥顶角为120°的金刚石圆锥体或淬火钢球作为压头。如图1-4所示，在初试验力F0作用下，试样压痕深度为h1，再加上主试验力F1后，总试验力为F0+F1，压头压入深度为h2，经过一定时间保持后撤去主试验力F1，仍保持初试验力F0，试样的弹性变形恢复，则压入试样深度为h3。图1-4洛氏硬度试验原理图3.维氏硬度维氏硬度试验是用两面夹角为136°的金刚石四棱锥体作为压头，在一定试验力下，经规定的保持时间后卸载，得到一个正四方锥形压痕，如图1-5所示。卸载后以试验力与压痕面积的比值关系作为维氏硬度，用HV表示。HV=F/S=1.8544F/d2式中，HV为维氏硬度（kgf/mm2）。HV=0.1891F/md2式中，HV为维氏硬度（MPa）。图1-5维氏硬度试验原理图4.冲击韧性冲击试样缺口底部单位横截面面积上的冲击吸收功称为冲击韧性。工程上常用摆锤冲击试验机来测定冲击韧性，如图1-6所示。图中，1—摆锤；2—试样；3—支座；4—底座；5—机身；6—刻度盘；7—指针图1-6冲击韧性试验原理图五、疲劳强度材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为疲劳。据统计，工作中破坏的机械零件，大部分是因为疲劳破坏失效。试样承受的交变应力S与断裂前应力循环次数Nf之间的关系曲线称为疲劳曲线。如图1-7所示，当S低于某一值时，曲线与横坐标平行，表示工程材料经无限次循环而不断裂，这一应力称为疲劳强度，用σ－1表示。图1-7疲劳曲线一、合金的基本概念常用的磁性材料1.合金：由一种金属与另一种或几种金属、非金属熔合组成的，具有金属特性的物质。如铁和碳组成的铁碳合金碳素钢、铸铁等。2.组元：是组成合金的最基本的、独立的物质，简称元。组元通常是组成合金的元素或某些稳定的化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，三个组元组成的称为三元合金，依此类推。3.相：指金属或合金中化学成分相同、结构相同或原子聚集状态相同，并与其他部分之间有明确界面的独立均匀的组成部分，如液态纯金属与结晶出的固态纯金属，即为液、固两相。4.组织：指用肉眼可直接观察的，或用放大镜、显微镜能观察分辨的材料内部微观形貌图像。通常又把借助金相显微镜、电子显微镜观测的内部微观形貌图专门称为“显微组织”。二、合金的相1.固溶体固态合金中，一组元的晶格中溶入另一种或多种其他组元而形成的均匀相，称为固溶体。保留晶格的组元称为溶剂，溶入晶格的组元称为溶质。根据溶质原子在溶剂中分布的位置不同，固溶体分为间隙固溶体和置换固溶体两类。1）间隙固溶体间隙固溶体是溶质原子溶入溶剂晶格的间隙而形成的固溶体，如图2-1（a）所示。2）置换固溶体置换固溶体是溶质原子置换溶剂晶格结点上部分原子而形成的固溶体，如图2-1（b）所示。图2-1固溶体的类型2.金属化合物合金组元间按一定比例组成，并形成新的晶格结构和明显金属特性的新相，这种新相称为金属化合物。金属化合物可用一定的分子式来表示，如Mg2Si、Fe3C、Fe4W2C等。金属化合物通常具有复杂的晶格结构，熔点高、硬度高、脆性大，在合金中金属化合物可提高硬度和强度，但会降低塑性和韧性，是金属材料中的重要强化相。3.多相复合组织合金中的组元相互作用，一般并非简单地形成一种固溶体或一种金属化合物，而可形成多种固溶体和金属化合物，最后组成多相复合组织。这种由两种以上相组成的多相组织合金，称为多相复合组织合金。多相复合组织合金的性能主要取决于各组成相的数量、形态、分布状况和性能。当组成相数量不变时，形态和分布等组织状况对性能影响很大。4、纯铁的同素异构转变金属在固态时随温度变化而晶格类型发生变化的现象，称为同素异晶转变，也称同素异构转变。通过研究纯铁的冷却结晶过程，发现纯铁具有典型的同素异晶转变特征。如图2-2所示为纯铁的冷却曲线，它表示了纯铁的结晶和同素异构转变的过程：纯铁熔液从高温冷却至1538℃以下，结晶成具有体心立方晶格的δ-Fe；固态的δ-Fe继续冷却至1394℃以下，铁原子重新排列，由体心立方晶格的δ-Fe转变为面心立方晶格的γ-Fe；再继续却冷却至912℃以下，面心立方晶格的γ-Fe又转变为体心立方晶格的α-Fe。再继续冷却，晶格类型不再发生变化，一直保持体心立方晶格的α-Fe至室温。如果将室温的纯铁进行加热，上述转变可逆向进行。即图2-2纯铁的冷却曲线常见金属的晶体结构简介：（1）体心立方晶格在立方体中心有一个原子，八个顶角各有一个原子。具有此类晶格的金属有α-Fe、W、Mo、Cr、V、β-Ti、δ-Fe等；（2）面心立方晶格在立方体六个面的中心有一个原子，八个顶角各有一个原子。具有此类晶格的金属有γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Pb等；（3）密排六方晶格在晶胞六方柱体的十二角和上、下的六边形底中心各排一个原子，晶胞中间还有3个原子。具有此类晶格的金属有Mg、Zn、Be、α-Ti等。图2-3(a)体心立方晶格图2-3(b)面心立方晶格图2-3(c)密排六方晶格三、铁碳合金的相1.铁素体铁素体是碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体，用F表示。铁素体在显微镜下观察，为均匀明亮的多边形晶粒，其显微组织如图2-4所示。铁素体保持α-Fe的体心立方晶格，在α-Fe中碳的溶解度很小，室温下接近于零。铁素体强度、硬度很低，塑性和韧性好，性能近似于工业纯铁。铁素体是单相固溶体，是铁碳合金组织中的重要基本相。图2-4铁素体显微组织2.奥氏体奥氏体是碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体，用A表示。用高温金相显微镜观察，奥氏体呈外观不规则的颗粒状结构，其显微组织如图2-5所示。奥氏体保持γ-Fe的面心立方晶格，碳溶解度较大，有一定的强度、硬度和良好的塑性、韧性，适于进行锻压加工。奥氏体也是单相固溶体，是铁碳合金组织中存在于727℃以上温度的重要高温相。图2-5奥氏体显微组织3.渗碳体渗碳体是铁和碳形成的具有复杂晶格的金属化合物，用Fe3C表示，其晶体结构如图2-6所示。渗碳体硬度高而塑性、韧性极低，熔点为1227℃，是铁碳合金中性能硬脆的重要强化相，能以片状、球状和网状等不同大小形态，不同数量和不同分布状况存在于铁碳合金组织中，对铁碳合金性能有重大影响。渗碳体是亚稳定金属化合物，在一定条件下可分解为铁和石墨，对铸铁石墨化有重要意义。图2-6渗碳体晶体结构4.珠光体珠光体是由铁素体和渗碳体组成的两相复合组织，用P表示。其转变过程是从单相固溶体奥氏体中，同时析出两种互不相溶的组织，即铁素体和渗碳体，组成两相复合组织，这一转变称为共析转变，相应的温度和成分称为共析温度和共析成分，产物（珠光体）称为共析体。共析转变过程可表示为：图2-7珠光体显微组织5.莱氏体莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的两相复合组织，用Ld表示。其转变过程是从熔液中同时结晶出固态的奥氏体和渗碳体，组成两相复合组织，这种转变称为共晶转变，相应的成分、温度和产物，分别称为共晶成分、共晶温度和共晶体。莱氏体的共晶转变过程可表示为：随着温度下降至727℃（共析温度），莱氏体组织转变为珠光体和渗碳体，这种莱氏体称为低温莱氏体或变态莱氏体，用Ld′表示。图2-8低温莱氏体显微组织四、典型铁碳合金的结晶过程图2-96种典型铁碳合金结晶过程示意图6种典型铁碳合金结晶过程1）共析钢的结晶。图2-9中合金Ⅰ为wC=0.77％的共析钢，其结晶过程如图2-10所示。共析钢的室温组织为珠光体。共析钢的显微组织见图2-10（d），其中白色部分为铁素体，黑色部分为渗碳体。图2-10共析钢结晶过程示意图6种典型铁碳合金结晶过程2）亚共析钢的结晶。图2-9中合金Ⅱ为wC=0.45％的亚共析钢，其结晶过程如图2-11所示。亚共析钢的显微组织见图2-11（e），其中白色部分为铁素体，黑白相间部分为珠光体。所有亚共析钢的冷却过程均相似，其室温组织均由铁素体和珠光体组成。所不同的是随碳的质量分数的增加，组织中珠光体量增多，铁素体量减少。图2-11亚共析钢结晶过程示意图6种典型铁碳合金结晶过程3）过共析钢的结晶。图2-9中合金Ⅲ为wC=1.2％的过共析钢，其结晶过程如图2-12所示。过共析钢的显微组织见图2-12（e），其中呈片状黑白相间的组织为珠光体，白色网状组织为二次渗碳体。所有的过共析钢的室温组织均由珠光体和网状二次渗碳体组成。图2-12过共析钢结晶过程示意图6种典型铁碳合金结晶过程4）共晶白口铸铁的结晶。图2-9中合金Ⅳ为wC=4.3%的共晶白口铸铁，其结晶过程如图2-13所示。共晶白口铸铁的室温组织是由珠光体和渗碳体（二次渗碳体和共晶渗碳体）组成的两相组织，即低温莱氏体，用Ld′表示。其显微组织见图2-13（c），其中黑色部分为珠光体，白色基体为渗碳体（其中共晶渗碳体与二次渗碳体混在一起，无法分辨）。图2-13共晶白口铸铁结晶过程示意图6种典型铁碳合金结晶过程5）亚共晶白口铸铁的结晶。图2-9中合金V为wC=3.0%的亚共晶白口铸铁，其结晶过程如图2-14所示。亚共晶白口铸铁的室温组织为珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体。其显微组织见图2-14（d），其中黑白相间层片状组织为珠光体，黑白相间的基体为低温莱氏体。图2-14亚共晶白口铸铁结晶过程示意图6种典型铁碳合金结晶过程6）过共晶白口铸铁的结晶。图2-9中合金Ⅵ为wC=5.0%的过共晶白口铸铁，其结晶过程如图2-15所示。过共晶白口铸铁的室温组织为一次渗碳体和低温莱氏体。其显微组织见图2-15（d），其中白色条状组织为一次渗碳体，黑白相间的基体为低温莱氏体。图2-15过共晶白口铸铁结晶过程示意图五、铁碳相图的应用15432选择材料方面铸造方面锻造方面焊接方面热处理方面利用铁碳合金成分、组织和性能的变化规律，可以根据零件的要求来选择材料。在铁碳合金相图中，共晶成分附近的合金结晶温度低，流动性好，分散缩孔少，铸造性能良好。处于奥氏体状态下的钢，其强度较低，塑性较好，便于锻造。一般把钢加热到高温单相奥氏体区进行压力加工对于钢材而言，碳的质量分数越低，焊接性能越好。因此，低碳钢比高碳钢易于焊接。可根据铁碳合金相图来确定钢的各种热处理工艺的加热温度。图2-16铁碳相图与铸锻工艺的关系钢的热处理一、钢的热处理概述1钢的热处理定义所谓钢的热处理，就是把钢在固态下加热到一定温度，进行必要的保温，并以适当的速度冷却到室温，以改变钢的内部组织，从而得到所需性能的工艺方法。其特点是改变钢的内部组织，而不改变其形状和尺寸。钢的热处理目的主要有以下两种：(1)预先热处理。消除毛坯中的缺陷，改善工艺性能，为切削加工或最终热处理做组织和性能上的准备。(2)最终热处理。提高金属材料的力学性能，充分发挥材料的潜力，节约材料，延长零件的使用寿命。2、钢的热处理分类3热处理工艺曲线尽管钢的热处理种类很多，但最基本的热处理工艺曲线如图3-1所示。不同的热处理方法，都是由加热、保温和冷却三个阶段组成。图3-1热处理工艺曲线二、钢在加热时的组织转变图3-2铁碳合金实际加热（冷却）时相变温度变化图1.钢的奥氏体化过程奥氏体化遵循形核和长大的基本规律，其过程可分为四个阶段，即奥氏体晶核形成、奥氏体晶核长大、残余渗碳体溶解和奥氏体成分均匀化。以共析钢为例，其奥氏体化过程如图3-2所示。图3-2共析钢的奥氏体化过程1）.奥氏体晶核形成将钢加热到Ac1以上时，珠光体处于不稳定状态，首先在铁素体与渗碳体的相界形成奥氏体晶核。这是因为铁素体与渗碳体是两个不同晶体结构的相，在两相界面上原子排列不规则，此外奥氏体中碳的质量分数介于铁素体和渗碳体之间，为奥氏体的形核提供了良好的条件。2）.奥氏体晶核长大奥氏体晶核形成后，其碳的质量分数分布不均匀，与渗碳体相接触的碳的质量分数高，与铁素体相接触的碳的质量分数低，在奥氏体中出现了碳浓度的不平衡，使碳原子由高浓度向低浓度扩散，这样必然使得铁素体向奥氏体转变以及渗碳体溶解，直至铁素体全部转变为奥氏体。3）.残余渗碳体溶解铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失，而残余的渗碳体随保温时间延长继续溶解直至消失。4）.奥氏体成分均匀化渗碳体溶解后，其所在部位碳的质量分数仍很高，继续保温，通过碳原子扩散，奥氏体的碳浓度逐渐趋于均匀化，最后得到成分均匀的奥氏体。2.奥氏体晶粒的长大及其影响因素1）.奥氏体晶粒度晶粒度是表示晶粒大小的参数，可用晶粒的平均面积或平均直径表示，工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。如图4-5所示，晶粒度分为8级，1～4级为本质粗晶粒钢，5～8级为本质细晶粒钢。图3-3标准晶粒号示意图2）.影响奥氏体晶粒长大的因素奥氏体化的速度，取决于奥氏体的形核率和长大率，主要的影响因素有以下几种。（1）加热温度、保温时间和加热速度加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。加热速度越快，过热度越大，形核率越高，奥氏体晶粒越细。但当快速加热时，若保温时间过长，会造成晶粒迅速长大而使晶粒粗大。（2）碳的质量分数在一定的碳的质量分数范围内，随着奥氏体中碳的质量分数的增加，碳在奥氏体中的扩散速度及铁的扩散速度增大，因而晶粒长大的倾向增大。但当碳的质量分数超过其奥氏体中的溶解度后，残余渗碳体产生机械阻碍作用，使晶粒长大的倾向减小。（3）化学成分钢中加入强碳化物的形成元素、能生成氧化物和氮化物的元素，如钛、钒、铌、钨、钼、铬、铝等元素，有利于减小奥氏体晶粒长大的倾向。而不形成碳化物的合金元素，如锰、磷、碳、氮等元素，溶入奥氏体后，削弱γ-Fe原子间的结合力，加速Fe原子的自由扩散，从而促进奥氏体晶粒长大。三、钢在非平衡冷却时的转变过冷奥氏体冷却到室温有两种方式：连续冷却：把奥氏体化的钢置于某种冷却介质（如空气、水、油）中，连续冷却到室温。等温冷却：把奥氏体化的钢快速冷却到Ar1点以下的某一温度，保持恒温，使过冷奥氏体发生等温组织转变，待转变结束后再连续冷却到室温。1、过冷奥氏体等温转变图（C曲线）过冷奥氏体的等温冷却转变曲线是表示奥氏体急速冷却到临界温度线A1以下，在各不同温度下的保温过程中，转变量与转变时间的关系曲线，一般简称为TTT曲线或C曲线。等温冷却转变曲线是选择热处理冷却 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 的依据，共析钢的等温冷却转变曲线如图3-4所示。图3-4共析钢的等温冷却转变曲线2.过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能由等温冷却转变图可知，奥氏体在不同的过冷度有不同的等温转变过程，相应有不同的转变产物。以共析钢为例，根据转变产物的不同特点，可划分为珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。1)珠光体转变过冷奥氏体在550℃～A1将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物，根据片层厚薄不同，又细分为珠光体、索氏体和托氏体。过冷奥氏体在650℃～A1转变，形成片层厚大的珠光体，用P表示，如图3-5（a）所示；过冷奥氏体在600～650℃转变，形成片层较薄的索氏体，用S表示，如图3-5（b）所示；过冷奥氏体在550～600℃转变，形成片层极薄的托氏体，用T表示，如图3-5（c）所示。1)珠光体转变(a)珠光体(b)索氏体(c)托氏体图3-5三种珠光体显微形态珠光体转变是晶核形成和晶核长大的过程，如图3-6所示。图3-6珠光体转变过程示意图2)贝氏体转变过冷奥氏体在230～550℃时，将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用B表示。根据其显微形态不同，贝氏体可分为上贝氏体和下贝氏体。（1）上贝氏体的晶核形成温度为350～550℃，在光学显微镜下呈羽毛状，在电子显微镜下为不连续棒状的渗碳体，分布于奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间，如图3-7（a）所示。（2）下贝氏体的晶核形成温度为230～350℃，在光学显微镜下呈竹叶状，在电子显微镜下为细片状碳化物，分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向呈55°～60°角，如图3-7（b）所示。图3-7(a)上贝氏体图3-7(b)下贝氏体3)马氏体转变根据形态的不同，马氏体可分为板条马氏体和针状马氏体两类。（1）板条马氏体。板条马氏体在光学显微镜下为一束束的细条组织，其显微形态如图3-8所示。(a)光学显微镜下形貌(b)电子显微镜下形貌图3-8板条马氏体显微形态（2）针状马氏体。针状马氏体的立体形态为双凸透镜形片状，显微组织为针状，如图3-9所示。(a)光学显微镜下形貌(b)电子显微镜下形貌图3-9针状马氏体显微形态四、钢的常用热处理热处理工艺中有三大基本要素：加热、保温、冷却。这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。1、钢的退火和正火钢的退火与正火是常用的两种基本热处理工艺，主要用来处理工件毛坯，为以后切削加工及最终热处理做准备。因此，退火与正火通常又称为预备热处理。对一般铸件及性能要求不高的工件，退火和正火可作为最终热处理。图3-10碳钢的退火、正火加热温度范围（1）退火退火是将钢加热到适当温度，保温后缓冷，以获得接近于平衡组织的热处理工艺。退火的目的主要是：降低硬度，以利于切削加工；消除残余应力，以防止变形、开裂；细化晶粒、改善组织，以提高力学性能，并为最终热处理做好组织准备。退火工艺从物理冶金过程的角度可分为两类：第一类退火(扩散退火、再结晶退火、去应力退火等)和第二类退火(完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火等)。（2）正火将亚共析碳钢加热到Ac3以上30～50℃，过共析碳钢加热到Accm以上30～50℃，保温数小时后，将工件出炉在空气中冷却的方法称为正火。此方法适用于碳素钢及中、低合金钢。对于低碳钢、低碳低合金钢，正火能细化晶粒，提高硬度（140～190HBS），改善切削加工性能；对于过共析钢，则能消除二次网状渗碳体，有利于球化退火的进行。2、钢的淬火淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于临界冷却速度vk的速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理。它的目的是获得马氏体组织，提高钢的性能。它是钢最重要的强化方法，是应用最广的热处理之一。该工艺的选择对淬火钢的质量影响很大，如果选择不当，容易使淬火钢力学性能不足，严重的会造成报废。加热时间也是影响淬火质量的因素之一。若加热时间太短，则会使奥氏体成分不均匀，甚至使奥氏体转变不完全，使淬火后的钢出现软点；若加热时间过长，则将助长氧化、脱碳和晶粒粗大的倾向。所以确定使用的加热时间是非常重要的，但加热时间的确定受到加热速度、加热温度、钢材成分、工件尺寸的影响。1)淬火温度和加热时间碳钢的淬火加热温度范围如图3-11所示。亚共析钢的淬火加热温度为Ac3以上30～50℃。过共析钢的淬火加热温度为Ac1以上30～50℃。合金钢的淬火加热温度要相对高一些，一般高于临界点50～100℃。图3-11碳钢的淬火加热温度范围2)常用的淬火方法为了保证淬火效果，减少淬火变形和开裂，应根据钢的材料、大小和质量要求，选用不同的淬火冷却方法。常用的淬火方法包括单介质淬火法、双介质淬火法、分级淬火法和等温淬火法四种，如图3-12所示。图3-12碳钢的淬火加热温度范围1-单介质淬火法2-双介质淬火法3-分级淬火法4-等温淬火法3)钢的淬透性(1)淬透性的概念和意义淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力，其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。其他条件相同时，淬硬层越深，表明钢的淬透性越好。淬透性好的钢与同硬度的淬透性较差的钢相比，其屈服强度较好，冲击韧性较高。淬透性越好，越容易得到马氏体组织，因而在淬火冷却时可以使用冷却较缓慢的冷却介质，有利于减少淬火内应力、变形和避免开裂。(2)影响淬透性的因素钢的淬透性取决于临界冷却速度，而临界冷却速度与过冷奥氏体的稳定性有关。因此，影响过冷奥氏体稳定性的因素，如过冷奥氏体的化学成分，过冷奥氏体的均匀化程度及晶粒大小等将影响其淬透性。临界冷却速度取决于等温冷却转变曲线的位置，等温冷却转变曲线越靠右，临界冷却速度越小。因而凡是影响等温冷却转变曲线的因素都是影响淬透性的因素。3、钢的回火回火是指将淬火钢加热到Ac1以下的某一温度，保温一段时间，然后冷却至室温的热处理。1）回火的目的淬火后的零件必须回火。回火的目的如下：（1）减少或消除淬火内应力,降低脆性，防止变形或开裂。（2）获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整钢的强度、硬度，获得所需要的塑性和韧性。（3）稳定组织，稳定尺寸和形状。淬火马氏体和残余奥氏体都是非平衡组织，有自发向平衡组织转变的倾向。回火可使马氏体与残余奥氏体转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。2）回火的种类及应用（1）低温回火在150～250℃进行回火；组织为回火马氏体，如图3-13（a）所示；目的是降低内应力，保持高硬度和高耐磨性；可在刃具、量具、模具、滚动轴承等的热处理工艺中使用。（2）中温回火在350～500℃进行回火；组织为回火托氏体，如图3-13（b）所示；目的是获得高的弹性极限和屈服强度，并具有一定的韧性和抗疲劳能力；可在各种弹簧和锻模等的热处理工艺中使用。（3）高温回火在500～650℃进行回火；组织为回火索氏体，如图3-13（c）所示；目的是获得较高强度、较好的塑性和韧性；可在各种重要零件，特别是受交变载荷作用的连杆、曲轴、齿轮和机床主轴等的热处理工艺中使用。（a）回火马氏体（b）回火托氏体（c）回火索氏体图3-13钢的回火显微形态五、钢的表面热处理表面热处理是指为改变工件表面的组织和性能，仅对表面进行热处理的一种工艺。钢经过表面热处理后，能使工件的表面性能得到改善，表面硬度、耐磨性提高，心部具有足够的强度和韧性。其中，表面淬火是最常用的一种表面热处理方式。表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，通过快速加热将其表层奥氏体化后进行淬火，以强化零件表面的热处理方法。它的目的是使钢的表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限，同时使钢的心部具有足够的塑性和韧性，即表硬里韧。其可在承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件的热处理工艺中使用。1、表面淬火（1）感应加热表面淬火感应加热表面淬火是利用交变电流在钢表面感应巨大涡流，使钢表面迅速加热的表面淬火方法，如图3-14所示。根据电流频率不同，感应加热表面淬火可分为高频感应加热表面淬火、中频感应加热表面淬火和低频感应加热表面淬火三类。图3-14感应加热表面淬火示意图1—钢；2—感应线圈；3—淬火喷水管；4—加热淬火层2）火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是用乙炔—氧火焰或煤气—氧火焰直接加热钢表面的方法。淬硬层深度一般为2～6mm，适用于单件小批量生产以及大型零件的表面淬火。其特点是设备简单、成本低、灵活性大但质量不易控制。3）激光加热表面淬火激光加热表面淬火是以高能量激光束快速扫描钢表面，使钢表面快速加热到钢的临界点以上，利用钢基体的热传导自冷淬火，实现表面硬化的方法。特点是加热速度快、效率高，所得产品质量好，但设备较为昂贵。2、化学热处理化学热处理是将钢置于特定的介质中加热保温，使介质中的活性原子渗入钢表层，从而改变其表层的化学成分和组织，进而改变其性能的热处理。与表面淬火相比，化学热处理不仅可改变钢的表层组织，还可改变其化学成分。化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。根据渗入的元素不同，常用的化学热处理可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗等。1.钢的渗碳渗碳是指向钢的表面渗入碳原子的过程。它的目的是提高钢的表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。它一般适用于碳的质量分数为0.1%～0.25%的低碳钢。图3-15气体渗碳示意图1-风扇电动机2-废气火焰3-炉盖4-砂封5-电阻丝6-耐热罐7-工件8-炉体2.钢的渗氮渗氮是指在一定温度下向钢的表面渗入活性氮原子的化学热处理。渗氮后钢的性能主要取决于合金元素形成的氮化物，因此，渗氮钢为含铬、钼、铝、钛、钒的中碳钢。渗氮的氮化温度为500～570℃，氮化层厚度一般不超过0.6mm。常用渗氮方法为气体渗氮法与离子渗氮法。渗氮后的钢表面硬度高，耐磨性好，疲劳强度高。渗氮一般用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨、耐蚀的零件。3.碳氮共渗碳氮共渗也称为氰化，是在一定温度下同时将碳、氮渗入钢表层奥氏体中的化学热处理。碳氮共渗钢一般为低碳钢和低碳合金钢，共渗温度为820～860℃。碳氮共渗可分为气体碳氮共渗和液体碳氮共渗。六、热处理新技术简介1.形变热处理形变热处理是将塑性变形和热处理有机结合，使金属材料同时受到形变强化和相变强化，以提高材料力学性能的复合工艺。形变热处理按形变温度，分为低温形变热处理和高温形变热处理。2.真空热处理在真空中进行的热处理称为真空热处理，它包括真空退火、真空淬火、真空回火、真空化学热处理等。3.可控气氛热处理工件在炉气可以控制的炉内进行的热处理，称为可控气氛热处理。主要目的是防止氧化和脱碳，提高工件质量；控制碳浓度，进行工件的渗碳、碳氮共渗及脱碳工件的复碳等。4.激光热处理激光是一种具有极高能量密度、高亮度和方向性的强光源。利用激光作为热源的热处理称为激光热处理。一、、杂质对钢性能的影响1.锰的影响2.硅的影响3.硫的影响4.磷的影响能把钢中的FeO还原成铁，改善钢的品质；降低硫对钢的危害，改善钢的热加工性；提高钢的强度和硬度。使钢液中的FeO变成炉渣脱离钢液，提高钢的品质。硅能够溶于铁素体，提高钢的强度、硬度，但会降低钢的塑性和韧性。硫通常以FeS的形式存在于钢材中。FeS塑性差，导致晶界开裂，引起钢的热脆现象，对钢的焊接不利，易引起焊缝热裂。钢材中的磷能全部溶于铁素体中，使其在室温下的强度升高，塑性降低，产生冷脆现象。但是，磷对钢材有很高的强化作用。5.氢的影响在钢水的结晶过程中，如果冷却速度太快，氢来不及扩散到金属外部而只能聚集在晶体的缺陷处（如空位、滑移线、晶界），聚集的氢将产生很大的压力，使钢材内部出现裂纹(白点)。二、钢的分类1.按碳的质量分数分类按碳的质量分数划分，碳素钢主要分为以下三种：（1）低碳钢。wC≤0.25%，塑性好，多用作冲压、焊接和渗碳工件。（2）中碳钢。wC=0.25%～0.60%，强度和韧性都较高，热处理后有良好的综合力学性能，多用作要求良好韧性的各种重要零件。（3）高碳钢。wC≥0.60%，硬度较高，多用作工具、模具和量具等工件。2.按质量等级分类质量等级主要按有害杂质元素硫和磷的质量分数划分，主要有以下三种：（1）普通钢。wS≤0.05%，wP≤0.045%。（2）优质钢。wS≤0.035%，wP≤0.035%。（3）高级优质钢。wS≤0.030%，wP≤0.030%。3.按质量、性能和用途综合分类碳素钢按质量、性能和用途综合划分，主要有碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、一般工程用铸造碳钢和易切削结构钢等。4.按钢液脱氧程度分类碳素钢按钢液脱氧程度划分，主要有以下三种：（1）沸腾钢。沸腾钢脱氧不完全，组织不致密，成分不均匀，性能较差。（2）镇静钢。镇静钢脱氧完全，组织致密，成分较均匀，性能较好。优质钢和高级优质钢多为镇静钢，通常不再标注镇静钢代号。（3）半镇静钢。半镇静钢脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间。三、碳素钢的牌号及用途根据GB/T221—2008《钢铁产品牌号表示方法》的规定，分别就碳素结构钢、优质碳素结构钢和碳素工具钢进行 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 。1.碳素结构钢碳素结构钢的牌号通常由四部分组成：第一部分：代表屈服点的字母“Q”；第二部分（必要时）：钢的质量等级，分A、B、C、D、…表示；第三部分（必要时）：脱氧方式表示符号，即沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢分别用“F”、“b”、“Z”、“TZ”表示。镇静钢、特殊镇静钢表示符号通常可以省略；第四部分（必要时）：产品用途、特性和工艺方法表示符号。2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢牌号通常由五部分组成:第一部分：以两位阿拉伯数字表示碳的平均质量分数(以万分之几计)；第二部分(必要时)：较高锰含量优质碳素结构钢，加锰元素符号Mn；第三部分(必要时)：钢材冶金质量，即高级优质钢、特级优质钢分别以A、E表示，优质钢不用字母表示；第四部分(必要时)：脱氧方式表示符号，即沸腾钢、半镇静钢、镇静钢分别以“F”、“b”、“Z”表示，但镇静钢表示符号通常可以省略；第五部分（必要时）：产品用途、特性或工艺方法表示符号。3.碳素工具钢碳素工具钢牌号通常由四部分组成：第一部分：碳素工具钢表示符号“T”；第二部分：阿拉伯数字表示碳的平均质量分数(以千分之几计)；第三部分(必要时)：锰的质量分数较高的碳素工具钢，加锰元素符号Mn；第四部分(必要时)：钢材冶金质量，即高级优质碳素工具钢以A表示，优质钢不用字母表示。五、结构钢1、普通碳素结构钢普通碳素结构钢又称普通碳素钢，其产量约占钢总产量的近70％，含碳量一般以小于0.25％居多。2、合金结构钢1）普通低合金结构钢在碳素结构钢的基础上加入少量合金元素就形成了低合金结构钢。常加入的合金元素有锰、硅、钛、铌、钒等。其碳的质量分数较低，一般在0.10%～0.25%范围内。含碳量低是为了使其具有高的塑性和良好的焊接性。加入锰和硅是为了对铁素体起固化强化作用，以提高钢的硬度。加入钛、铌、钒是为了细化晶粒，提高钢的韧性。2）合金渗碳钢渗碳钢通常是指需经渗碳处理后使用的钢，经渗碳处理后具有表硬里韧的性能，用来制造既有优良的耐磨性和耐疲劳性、又能承受冲击载荷作用的零件，如汽车和拖拉机中的变速齿轮、内燃机中的凸轮和活塞销等。合金渗碳钢中碳的质量分数为0.10%~0.25%，可保证心部有足够的塑性和韧性；加入铬、镍、锰、硅、硼等合金元素可提高钢的淬透性，使零件在热处理后，表层和心部均得到强化；加入钒、钛等合金元素，主要是为了防止在高温长时间渗碳过程中的晶粒长大。3）合金调质钢调质钢一般是指经淬火加高温回火后其组织为回火索氏体的碳素结构钢和合金结构钢。合金调质钢中碳的质量分数一般为0.25%～0.50%，如果碳的质量分数过低，硬度不足；碳的质量分数过高，则韧性不好。合金调质钢中常加入少量铬、锰、硅、镍、硼等合金元素以提高钢的淬透性；加入少量钼、钒、钨、钛等碳化物形成元素，可阻止奥氏体晶粒长大和提高钢的回火稳定性，以进一步改善钢的性能。合金调质钢具有高的强度和良好的塑性和韧性，即具有良好的综合力学性能，是结构钢中应用最广泛的一类钢。4）合金弹簧钢弹簧是各种机器和仪表中不可缺少的重要零件，按其外形可分为板簧及螺旋弹簧两类，它主要是利用弹簧变形吸收能量以缓和振动和冲击，或依靠弹性储存能量以起到驱动作用。因此，弹簧的材料应具有高的强度、高的疲劳极限、足够的塑性和韧性、良好的加工工艺性能和良好的表面质量。根据加工方法不同，弹簧可分为热成形弹簧和冷成形弹簧两类。滚动轴承钢滚动轴承钢主要用来制造各种滚动轴承的内外圈及滚动体，也可用来制造各种工具和耐磨零件。滚动轴承钢在工作时，承受着较大且集中的交变应力，同时在滚动体和套圈之间还会产生滚动和滑动摩擦。因此滚动轴承钢必须具有高的硬度和耐磨性、高的弹性极限和接触疲劳强度、足够的韧性和一定的耐蚀性。由于滚动轴承钢的化学成分和主要性能与低合金工具钢相近，故一般工艺常用它来制造刀具、冷冲模、量具及性能要求与滚动轴承相似的耐磨零件。六、工具钢1.低合金刃具钢低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素得到的钢。钢中主要加入铬、锰、硅等元素，其目的是为了提高钢的淬透性，同时还能提高钢的强度。加入钨、钒等强碳化物形成元素，是为了提高钢的硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持晶粒细小。低合金刃具钢与碳素工具钢相比提高了淬透性，能制造尺寸较大的刀具，可在冷却较缓慢的介质中（如油）淬火，使变形倾向减小。这类钢的强度和耐磨性也比碳素工具钢高。2.高速钢高速钢是一种具有高红硬性、高耐磨性的高合金工具钢。钢中含有较多的碳和大量的钨、铬、钒、钼等强碳化物形成元素。高速钢的红硬性可达600℃，切削时能长期保持刃口锋利，故又称为锋钢。高速钢只有经过适当的热处理以后才能获得较好的组织和性能。如图4-1所示为高速钢热处理工艺曲线。图4-1高速钢热处理工艺曲线2、合金模具钢1）冷作模具钢冷作模具钢用于制造使金属在冷状态下变形的模具，如冲裁模、拉丝模、弯曲模、拉深模等。这类模具工作时的实际温度一般不超过200~300℃。冷作模具的工作温度不高，被加工材料的变形抗力较大，模具的刃口部分受到强烈的摩擦和挤压，所以模具钢应具有高的硬度、耐磨性和强度。模具在工作时受到冲击，故模具也要求具有足够的韧性。另外，形状复杂、精密、大型的模具，还要求具有较高的淬透性和小的热处理变形。2）热作模具钢热作模具钢是用来制造使金属在高温下成型的模具，如热锻模、热挤压模、压铸模等。这类模具工作时型腔温度可达600℃。热作模具钢是在受热和冷却的条件下工作，反复受热应力和机械应力的作用。因此，热作模具钢要具备较高的强度、韧性、高温耐磨性及热稳定性，并具有较好的抗热疲劳性和导热性。3合金量具钢量具是 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 工件尺寸的工具，如游标卡尺、量规和样板等，它们的工作部分一般要求高硬度、高耐磨性、高的尺寸稳定性和足够的韧性。制造量具没有专用钢种，碳素工具钢、合金工具钢和滚动轴承钢均可用来制造量具。精度要求较高的量具，一般均采用微变型合金工具钢制造，如CrWMn、CrMn、GCr15等。