金属材料与热处理

金属材料与热处理•学习目的：1、掌握金属材料的性能及指标。2、了解常用钢、铁材料的分类、牌号、性能和用途。3、了解钢的热处理方式和目的。4、了解常用有色金属材料的分类、牌号、性能和用途。5、认识非金属材料的主要种类和用途。第一章常用金属材料•在机械、工程等工业领域中，采用的材料种类及品种繁多、涉及范围及其广泛。随着生产的迅速发展，特别是电子产业、航空航天技术的突飞猛进，不断地对材料的性能提出了愈来愈高的要求。而传统单一材料往往不能全面满足强度、韧性、重量和稳定性等方面的要求，为使各种材料之间的优点互补，获得性能更加优越的材料，人们研制出各种新型复合材料。就是由两种或两种以上不同材料的组合材料，其性能通常兼有组成材料的各种优点，有着非常广阔的发展前景。•中国经过几十年的努力，钢铁工业已同过去的仅能生产100多个钢种、400多个品种的钢材发展到现在能生产1000多个钢种、4万多个品种的钢材，特别是国防工业和高精尖技术，包括原子弹、氢弹、导弹、核潜艇、通讯卫星、火箭等需要的关键金属材料。都已由国内自行研制开发成功，最大限度满足了其需要。1、1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。1）机械性能（力学性能）：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、1强度：材料在外力（载荷）作用下，抵抗变形和断裂的能力。材料单位面积受载荷称应力。1、2屈服点（бs）：称屈服强度，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/毫米（N/mm）表示。1、3抗拉强度（бb）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/毫米（N/mm）表示。•1、4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。•1、5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。•1、6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（HKA、HKB、HRC）•1、7冲击韧性（Ak）：材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳/厘米（J/cm）.•2）工艺性能：指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。•2、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、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。•2、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。•2、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。•2、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。•3）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。•3、1耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。•3、2抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。1、2金属材料•金属材料是应用最广泛的材料，目前仍占据材料工业的主导地位。包括黑色金属的型钢、钢板及钢带、钢管、钢丝、钢丝绳，有色金属的棒材、线材、板材、带材及箔材、管材等9大类。•黑色金属：如生铁、铁合金、铸铁、钢、合金钢等。钢和生铁都是以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。•习惯上把碳含量＞2.11%的归类于铁，碳含量＜2.11%的归类于钢。当铁中含C在0.03%~1.2%范围时则为钢，含C1.2%~2.5%的铁缺乏实用性，一般不进行工业生产。•1）铸铁：铸铁是以铁-碳-硅为主的多元铁基合金。普通铸铁的化学成分一般为2～4％碳，1～3％硅，0.02～0.25％硫，0.05～1.0％磷。•铸铁的铸造性能优良，因而通常采用铸造的方法制造成铸件使用，故称之为铸铁。•铸铁是人类使用最早的金属材料之一。到目前为止，铸铁仍是一种被广泛使用的金属材料。•铸铁中的碳主要是以石墨的形态存在，所以，铸铁的组织是由金属基体和石墨所组成的。•铸铁的金属基体有珠光体、铁素体、铁素体＋珠光体，经热处理后有马氏体、贝氏体等组织，它们相当于钢的组织。•铸铁中石墨的形态可分为六种:•Ⅰ型为片状石墨;Ⅱ型为蟹状石墨;Ⅲ型为蠕虫状石墨;Ⅳ型为聚集状(团絮状)石墨;Ⅴ型为不规则或开裂状石墨;Ⅵ型为球状石墨。•总之，铸铁的组织特点，是在钢的基体上分布着不同形状的石墨见图1-1。图1-1铸铁中石墨的六种形态2)、铸铁的性能特点铸铁的性能取决于铸铁的组织和成分。因此，铸铁的机械性能主要取决于铸铁基体组织以及石墨的数量、形状、大小及分布特点。石墨机械性能很低，硬度仅为HB3～5，抗拉强度为20Mpa，延伸率接近零石墨珠光体铁素体抗拉强度MPa20800～1000350～400•石墨与基体相比，其强度和塑性都要小得多，石墨减小铸铁件的有效承载截面积，同时石墨尖端易使铸件在承载时产生应力集中，形成脆性断裂。•因此，铸铁的抗拉强度、塑性和韧性要比碳钢低，•一般说来，石墨的数量越少，分布越分散，形状越接近球形，则铸铁的强度、塑性和韧性越高。看出钢在断裂前，有明显的屈服阶段，其延伸率较高，而铸铁则没有明显的屈服阶段，铁素体加球状石墨铸铁的延伸率为25％，片状石墨的普通铸铁由于石墨边缘尖端产生应力集中，从而容易造成脆性断裂，延伸率约在1％以下。图1-2铸铁与钢的应力-应变曲线的比较示意图•虽然铸铁的机械性能不如钢，但由于石墨的存在，却赋予铸铁许多为钢所不及的性能。如良好的耐磨性、高的消振性、低的缺口敏感性以及优良的切削加工性。此外，铸铁的碳含量高，其成分接近共晶成分，因此，铸铁的熔点低，约为1200℃左右，铁水流动性好；石墨结晶时体积膨胀，所以铸造收缩率小，其铸造性能优于钢。•3)、铸铁的分类及牌号•3、1铸铁的分类:•铸铁是碳含量大于2.11％的铁碳合金，其中的碳有以化合态的渗碳体Fe3C析出,也有以游离态的石墨析出。根据铸铁中的碳在结晶过程中的析出状态以及凝固后断口颜色的不同，状态可分为三大类：白口铸铁；麻口铸铁；灰口铸铁•白口铸铁－碳除少量溶于铁素体外，其余全部以化合物状态的渗碳体析出,凝固后断口呈白亮的颜色，故称白口铸铁。•麻口铸铁－碳既以化合状态的渗碳体析出，又以游离状态的石墨析出.凝固后断口夹杂着白亮的渗碳体和暗灰色的石墨，故称为麻口铸铁。•灰口铸铁－碳全部或大部分以游离状态的石墨析出，凝固后断口呈灰色，故称为灰口铸铁。•白口铸铁的性质硬而脆，所以，工业上应用较少。•工业上大量使用的是通过控制化学成分与铸造工艺，或者借助于热处理方法，使铸铁中的碳全部或大部分呈游离态的石墨存在的灰口铸铁。•灰口铸铁性能与成分及基体组织有关外，还取决于石墨的形状、大小、数量及分布。•灰口铸铁按石墨的形状和大小又可分为：•灰铸铁－石墨为片状；(常被称为灰口铸铁)球墨铸铁－石墨为球状；可锻铸铁－石墨为团絮状；蠕墨铸铁－石墨为蠕虫状。3、2铸铁牌号:•各种铸铁代号，由表示该铸铁特征的汉语拼音字母的第一个大写正体字母组成。当两种铸铁名称的代号字母相同时，可在该大写正体字母后加小写正体字母来区别。同一名称铸铁，需要细分时，取其细分特点的汉语拼音第一个大写正体字母，排列在后面。•牌号中代号后面的一组数字，表示抗拉强度值；有两组数字时，第一组表示抗拉强度值，第二组表示延伸率值。两组数字中间用“一”隔开。•合金元素用国际元素符号表示，含量大于或等于1%时，用整数表示：小于1%时一般不标注。常规元素（C、Si、Mn、S、p）一般不标注，有特殊作用时，才标注其元素符号及含量。如：•HT100灰铸铁•RuT400蠕墨铸铁•QT400-17球墨铸铁•KHT300-06黑心可锻铸铁•KBT350-04白心可锻铸铁•KZT450-06珠光体可锻铸铁•MTCu1PTi-150耐磨铸铁•KmBTMn5Mo2Cu抗磨白口铸铁•KmQTMn6抗磨球墨铸铁•LTCrMoR冷硬铸铁•STSi15R耐蚀铸铁•SQTAl15Si5耐蚀球墨铸铁•RTCr2耐热铸铁•RQTA16耐热球墨铸铁•4）、工业用钢:•重要的金属材料:•碳素钢:价格低、易加工、可热处理、可塑变。•合金钢：在碳钢的基础上有意地加入一种或几种合金元素。机械性能（如强度、塑性、淬透性、冲击韧性等）和特殊性能（耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性、电磁性等）改善，但价格高。4、1钢的分类和编号•一、钢的分类•（一）按用途分类•（1）结构钢：•工程用钢或构件用钢—分甲、乙、特及普通低合金钢；•机器零件用钢—渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢。•（2）工具钢：刃具钢、模具钢、量具钢。•（3）特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢、电工用钢。•（二）按化学成分分类•（1）碳素钢—低碳钢（≤0.25%）、中碳钢（0.25-0.6%)；高碳钢（＞0.6%)；•（2）合金钢—低合金钢（≤5%）、中合金钢（5-10%）、高合金钢（＞10%）合金钢；•（3）锰钢、铬钢、铬镍钢、硼钢等。（三）按显微组织分类（1）按平衡组织或退火组织分类—亚共析、共析、过共析和莱氏体钢。（2）按正火组织分类—珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢。（3）按加热冷却时有无相变和室温时的组织—铁素体钢、奥氏体钢、复相钢。（四）按品质分类（按钢中的P、S等有害杂质的含量）（1）普通钢—P含量≤0.045%，S含量≤0.055%；（2）优质钢—P含量≤0.040%，S含量≤0.040%；（3）高级优质钢—P含量≤0.035%，S含量≤0.030%；二、钢的编号原则—国际化学元素符号和汉语拼音并用化学元素—如Si、Mn、Cr、W、RE等。产品名称、用途、冶浇和铸炼方法—拼音。（一）普通碳素结构钢（GB700-79）甲类钢—按性能要求供货，用甲YX或AYX表示，X为0、1、2……、7。数字越大含碳量越大，强度越高，塑、韧性降低。Y表示冶炼方法。如J、D。如为沸腾钢最后加“F”，半镇静钢加b，镇静钢不加，如A3F，AJ3。乙类钢—按成分要求供货，用乙YX或BYX表示，BD3，BJ3b。特类钢—按成分和性能要求供货，用特YX或CYX表示。•新国标（GB700-88）•用碳素结构钢取代普通碳素结构钢•Q195—成分同B1，性能同A1；•Q215A—同A2，Q215B—同C2；•Q235A—A3，Q235B—C3，Q235C—焊接；•Q255A—A4，Q255B—C4；•Q275不分等级—C5•数字表示钢的屈服强度（Mpa）（二）优质碳素结构钢两位数字（含碳万分之几）+合金元素+专门用途标记。例如20g、50Mn等。（三）碳素工具钢碳（T）+数字（含碳量的千分之几）+合金元素（Mn）+A（表示高级优质），例如：T8A、T10MnA等。（四）合金结构钢•数字（含碳量万分之几）+元素（化学元素符号）+数字（合金元素的百分之几）。例如：20MnVBA、36Mn2Si、40CrNiMo等。（五）合金工具钢含碳量+元素+数字，含碳量≥1.0%时不标，＜1.0%时用千分之几表示,例如CrMn、9Mn2V等。含铬量低时，用千分之几表示，并在数字前加0，如Cr06。高速钢中不标含碳量，如W18Cr4v，W6Mo5Cr4V2等。（六）铬滚动轴承钢滚或G+Cr+数字（Cr含量的千分之几）,例如：GCr15(七)不锈钢与耐热钢数字+元素+数字第一个数字表示含碳量的千分之几,第二个数字表示合金元素的百分之几。起重要作用的微量元素也要标出。例如：9Cr18，00Cr18Ni10（≤0.03%)，0Cr18(≤0.08%)