机械加工中常用金属材料的工艺性能与热处理(正式版)

1机械加工中常用金属材料的工艺性能与热处理武昌造船厂陈德年一、常见金属材料的性能金属材料在机械制造和造船工业中占有相当大的部分，在船舶中可达90%以上。充分了解和掌握金属材料的性能，充分发挥材料的潜力，合理使用金属材料。提高产品质量。优良的机械性能金属材料具有性能优良的工艺性能优良的物理性能这些性能的优劣取决于金属材料的成分和内部组织结构。而利用热处理改善金属材料的组织结构满足一定的性能要求。值此科学地处理好金属材料的性能，内部结构与热处理相关联的问题就具有极大的意义。1、金属材料的机械性能机械性能：是指金属材料在外力作用下表现的抵抗能力。它包括：强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等。金属材料所制零件在加工和使用过程中根据载荷性质的不同有静载荷，冲击载荷、交变载荷。而根据载荷对金属材料的作用方式不同，又可分为拉伸、压缩、剪切、扭转和弯曲等。在工程设计上材料的机械性能数据一般是以该材料制成的试样进行机械性能试验测得的，以表明材料的性能高低。材料的强度与塑性一般都是通过静拉伸试验测得。L0=10d0L0=5d0d0=10mmD=20mmh=15mm拉伸试样——拉伸后试样——2缓缓地在试样两端施加拉力，随着轴向拉力的增加、试样不断地弹性伸长过渡到塑性伸长直到断裂。这样得到如图所示的外力——变形量曲线，使之反映材料的性能（强度与型性），将载荷值除以试样的载面积，即采用强度：金属材料对外力作用所引起的变形或断裂的抵抗能力。比例极限：oa段是直线应力与应变成正比例，相对于a点的应力为比例极限，在这范围内，材料处于弹性变形阶段。弹性极限：ab段还属于弹性变形阶段，变形的速度加快，应变与应力不再成正比例，上二者数值极为接近，实践中不将二者加以严格区分。屈服极限（屈服强度）：过了b点后材料进入塑性变形阶段，到了C点曲线上出现了近于水平的线段，此时应力几乎没有变化或变化很小但变形却显著增加，好象材料屈服于载荷而自行伸长，这一现象称为屈服现象。出现屈服现象的应力称作屈服极限，以s表示。如果没有明显的屈服现象当试样的残余变形量相当于试样原长的0.2%时的应力称作屈服极限并以2.0表示。抗拉强度（强度极限）：当应力超过屈服点外力继续增加试样就不断增长，一直到试样产生明显的局部变形（即缩颈）时应力达到最大值，此时以后，试样截面积急剧缩小，直到试样断裂，所以抗拉强度是指试样承受拉力载荷时，在断裂前的最大应力。用b表示。)(/20MPammNFPss20/mmNFP表示)(/20MPammNFPbb拉伸曲线图3屈强比=其比值越大，表示材料使用性能好。塑性：金属材料在外力作用下产生永久变形（即塑性变形）的性能叫塑性。金属材料的塑性大小用伸长率和断面收缩率来表示。伸长率：试样断裂后的伸长长度与原来长度之比叫做伸长率，用表示：L0——试样拉抻前的长度L0=10d0时用或10L0=5d0时，用5表示L——试样受拉抻断裂后的长度（mm）值的大小可以评定材料塑性，脆性的依据，当＞5%时为塑性材料，值＜5%时为脆性材料。断面收缩率：试样断裂后的断口面积收缩量与原来截面积之比称断面收缩率（简称面缩率）通常用表示。F0——试样原来截面积mm2FK——试样断裂后的截面积mm2和值越大，材料的塑性越好。硬度：金属抵抗其他更硬物体压入其表面的能力称为硬度。根据试验方法的不同，所得的硬度值也不一样，常用的有布氏硬度洛氏硬度和维氏硬度等。布氏硬度（HB）：从一定直径D的淬硬钢球（D为10mm、5mm或2.5mm）在规定载荷（3000、750、187.5kg力）作用下压于试件表面，保持一定时间，去除载荷后，必然在试件表面形成一凹痕，即以载荷P与压痕表面积F的比值FP表示其硬度值，以HB表示。D——钢球直径（mm）d——压痕直径（mm）bs%1004%100000LLLLL%10000FFFK2222/)(2/mmNdDDDPmmNPHB压痕面积4生产中测量出压痕直径后直接查表得出HB值。金属材料越软，其压痕面积越大，布氏硬度值越低。反之则布氏硬度值越高。当材料较硬时（HB＞450）就不用布氏硬度测量。由于压痕成几毫米的凹面对最终的成品表面有影响，不适于测成品。对于大件的硬度测量无法用台式硬度计现用锤击式或里氏硬度计。HB值与静拉伸所得之强度极限b之间有着正比关系（经验公式）轧钢、锻钢件：b≈（3.4~3.6）HB铸钢件：b≈（3~4）HB值，灰口铸铁：洛氏硬度：是用顶角为1200金刚石圆锥作为压印头，压入试件表面，以压痕深度来判断材料的硬度。材料越软，压痕h越深。为了测量从软到硬材料的硬度采用了不同压头和载荷的组合，生产上最常用的是A、B和C标R。HRA：压头为金刚石圆锥体，总载荷60kg力测量较薄硬化层HRB：压头为1/16〃直径的淬硬钢球，总载荷为100kg力，测量较软的材料的硬度。HRC：压头为金刚石圆锥体，总载荷为150kg力，多于用淬火工件的高硬度的测量。洛氏硬度测量迅速简便，可直接读数，压痕小、精确度高可测量成品。维氏硬度：测定方法基本上是采用了布氏硬度试验法的原理，但所加载荷较小（5、10、20、30、50、100公斤等6级，压头是用相对两面夹角为136°金刚石四棱锥作为压头。在载荷P的作用下，在被测金属表面上压出一对角线长度为d的方形压痕。在生产中根据测得压痕两对角线的平均值d，可以从有关表格查出维氏硬度值，d值越大，材料硬度越低。适用于测量很薄的材料和表层硬度较薄的硬度层如渗铬层、渗氮层。)(6.040MpaHBbFPHV洛氏硬度维氏硬度5冲击韧性：金属材料抵抗冲击载荷的能力，叫冲击韧性。冲击韧性的测量通常是在摆锤式冲击试验机上进行的。试验时利用摆锤落下击断中央有缺口的标准试样，测量此时所消耗的功，即冲击功Ak。Ak的大小就代表了材料的韧性高低。所以定义为试样冲断时所消耗的功称冲击韧性。而将冲击功与试样缺口处断面积F0的比值称作材料的冲击值，（也叫冲击韧性）以aK表示，单位焦耳（J）。现行标准去除aK值。生产中常用以鉴定材质和控制工艺质量。在炼冶时控制钢中磷的含量，磷（P）含量增高，脆性增大。特别是冷脆性。金属材料的韧性是随着温度而改变的，特别是在低温下，ak值会显著下降而使材料呈脆性断裂。冷脆性现象。例如：Q345钢：分为：Q345A、B、C、D、E其含磷量分别为0.045%，B为0.040%，C为0.035%，D为0.030%，E为0.025%，其温度（冲击试验）A、B常温20℃，C为0℃，D为-20℃，E为-40℃。Akv34J，Q345E为27J。疲劳强度：金属材料对交变载荷的抗力。在交变载荷作用下，其最大工作应力远低于材料在静载荷下的极限强度。但经过很多次重复作用后仍会造成零件的破断。例45#钢，经淬火550℃回火后静拉伸时b=900mPa，但在交变弯曲载荷下应力1为460mPa经过250000次反复后发生断裂。一般钢铁材料定为循环数达到107次而不断裂的最大应力为疲劳极限，这个次数为基数。有色金属，高强度钢基数为5×107或者108次而不断裂的最大应力为疲劳极限。2、金属材料的尺寸效应钢材的截面大小不同时，其机械性能也会产生差异。即使给予相同的热处理，其机械性能也会产生差异，有时甚至是很大的差异。这种现象叫做钢材的尺寸效应。如Q345D低合金高强度结构钢，s随着板厚而变化。板厚（mm）≤16＞16-35＞35-50b470-630Mpa屈服强度s（Mpa）345325295冲击试样6ZG42CrMo热处理工艺原则相同，都用淬火+高温回火（调质）截面尺寸mmsMpabMpa%AKJHB~30540740~8801227220~26030~100490690~8301121200~250100~150450690~8301016200~250150~250400650~8001012195~240250~400350650~80089195~240钢材的尺寸效应主要由材料的淬透性而定，对淬透性好的材料淬火时能使其整个截面全部形成马氏体而淬透，就可沿整个截面获得均匀一致的性能。相同的材料热处理工艺不同，得不同的组织获得不同的性能。以45号钢为例：b（Mpa）sMpa%%ak740~760℃退火珠光体560~690400~48018~2260~685~8850℃正火640℃回火细珠光体700~760420~48018~2258~646~9840℃淬火650℃回火索氏体780~850600~70015~1663~6714~16以球墨铸铁为例QT400-17石墨呈球状+铁素体b400Mpa=17QT500-5石墨呈球状+珠光体b500Mpa=5综上所叙，在设计零件并选材时，应根据零件的工作条件，损坏形式找出该零件所选材料的主要机械性能指标，通过热处理达到零件的技术要求，保证零件经久耐用，也可以归结为金属材料是讨论材料成分、内部组织构造，性能三者之间的关系。零件服役形式机械性能要求（s、b、、、AkHB）组织结构（珠光体、索氏体、屈氏体、奥氏体、铁素体、莱氏体等）选择金属材料热处理例如：齿轮：材料45号钢、经正火本体细珠光体或索氏体，硬度为HB200左右，便于加工插齿，齿面表面淬火+回火后得回火马氏体组织，齿面硬度HRC45-50。弹簧：材料60Si2Mn热处理后组织为下贝氏体HRC48-52轴承：材料GCr15热处理后组织为回火马氏体，HRC58-63铰刀：材料W18Cr4V热处理后组织为回火马氏体，HRC63以上手工锉刀：T12高碳工具钢热处理后组织为回火马氏体，HRC62以上车床床身：材料HT20035CrMo钢热处理工艺不同得到的组织性能不一样。7bMPasMpaδΨakHB组织退火860℃66035322.55519179珠光体淬火880℃淬火87776922.56619.3267索氏体650℃回火二、金属材料的工艺性能金属材料制造零件的基本加工方法通常有：铸造、压力加工、焊接、机械加工、热处理则是为了改善机械加工和零件得到所要求的性能而安排在有关工序之间的。几种主要的工艺性能如下：铸造性：包括流动性、（液体金属易填满型腔得到要求的形状铸件）收缩性要小、凝固时如果收缩大，则应力大以至形成裂纹缩孔倾向就大，偏析小和吸气性极小等，避免形成气孔，疏松等。锻造性：包括可锻性（塑性与变形抗力的综合）冷镦性、要求热塑性好，受压力加工性好，不产生破裂，压力加工所需外力小。锻后冷却、抗氧化性等。焊接性：在焊接接头处，形成冷裂或热裂的倾向要小，形成气孔夹渣的倾向小等。切削加工性：即材料切削加工的难易程度，根据一定条件下刀具所能达到的切削速度，易进行切削加工，则切削时消耗动力少，切削加工性好，被加工件表面光洁度好，对刀具的使用寿命长，不易磨损刀具。热处理工艺性：包括淬硬性、淬透性、变形开裂倾向，过热敏感性、回火脆性、氧化脱碳倾向、冷脆性。机械制造中钢制零件一般都是经过锻造或铸造，切削加工和热处理等几种加工方法，因此在选材时对材料的工艺性加以注意，在小批量的生产条件下，工艺性能的好坏并不显得突出，对某些重要产品件、如火箭、卫星、军舰中的零件，首先考虑的是材料的使用性能，可靠性。工艺加工性能处在从属地位，对于成批大量生产的条件下，工艺性能的好坏成为决定的因素。例如：某厂原试制零件用24SiMnWV钢，虽然机械性能较18CrMnTi优，但因正火后硬度较高，切削加工性较差，不能适应大量生产的要求而未被采用，而采用18CrMnTi。如普通螺钉螺母的需要量大，而机械性能的要求不太高，为了提高螺钉螺母的生产率就一定要选用切削加工性优良的钢材。所以常用易切削钢制造。汽车发动机箱体，其机械性能不高，几乎大多数一般的材料都能满足，但由于其结构复杂，制定方法的选择成了保证质量的主要问题，因此通常用铸造的方法制造箱体，工艺简单又经济。在设计零件时也要考虑热处理的工艺性，如某结构形状复杂的应选用淬透性较好的钢。其要求淬火冷却速度较慢的、油淬火的钢，它的变形较小