金属材料及热处理基础1.docx
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金属材料及热处理基础1
金属材料及热处理基础
第一章金属材料基础知识
一、金属材料分类
（一）有色金属：
除铁、铬、锰之外的其他金属属有色金属。
包括铜及铜合金、铝及铝合金、其他合金（镁合金、钛合金、镍合金、铅合金、锌合金、硬质合金、锡合金等）。
（二）黑色金属：
铁、铬、锰属此类，主要包括铸铁与钢两大类。
一般含碳量在0.0218C%以下的Fe-C合金称为纯铁；含碳量在0.0218C%-2.11C%之间的Fe-C合金称为钢；含碳量在2.11C%-4.33C%之间的Fe-C合金称为铸铁。
二、钢的分类
（一）按用途分：
包括建筑用钢、结构用钢（渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢等）、工具钢（碳素工具钢、低合金工具钢、高合金工具钢等）、特殊用钢（不锈钢、耐热钢、抗磨钢、磁钢等）。
（二）按化学成分分：
1、碳素钢（低碳钢：
碳含量≤0.25%；中碳钢：
碳含量在0.25%-0.60%/0.45%之间；高碳钢：
碳含量>0.60%/0.45%）；
2、合金钢（微合金化钢：
合金元素含量在0.1%/B-0.001%；低合金钢：
合金元素含量≤5%；中合金钢：
合金元素含量在5-10%范围内；高合金钢：
合金元素含量>10%）。
（此划分无严格的规定）
（三）按质量分：
1、普通质量钢（P≤0.040%，S≤0.050%）；
2、质量钢（P≤0.035%，S≤0.035%）；
3、优质钢（P≤0.025%，S≤0.025%）；
4、高级优质钢（P≤0.025%，S≤0.015%）。
三、钢的编号
（一）碳钢的编号
1、碳素结构钢
以钢材直径（或厚度）不大于16mm钢的屈服点（σs）数值划分，牌号由屈服点字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四个部分按顺序组成。
例：
Q235-A.F，表示屈服点数值为235N/mm2的A级沸腾钢。
（1）、符号、代号的意义
Q：
钢屈服点；
A、B、C、D：
质量等级。
A、B、C为普通级，硫、磷含
量依次降低；D为优质级；
F：
沸腾钢；
b:
半镇静钢；Z：
镇静钢；TZ：
特殊镇静钢。
（Z、TZ省略）
（2）、新旧牌号对照。
A6、A7、B6、B7新标准已无相应的钢材与之对应；
Q195不分等级，其成分和力学性能分别与B1、A1相同；
Q215分A、B两级。
与A2、C2相当；
Q235分A、B、C、D四级。
A、B级分别与A3、C3相当；
Q255分A、B两级。
与A4、C4相当；
Q275不分等级，成分和力学性能与C5相当。
2、优质碳素结构钢：
一般用两位数字表示，代表平均碳含量，以万分之一（0.01%）表示。
例：
45钢，表示平均碳含量为0.45%左右。
3、碳素工具钢：
在“碳”或“T”字的后面附以数字，表示钢中的平均碳含量，以千分之一（0.1%）表示。
若为高级优质碳素工具钢，则在数字后面附加以“高”或“A”。
例如T10A，表示高级优质碳素工具钢，碳含量1.0%左右。
（二）、合金钢编号
1、合金结构钢：
以两位数字加元素符号再加数字的方法表示。
前面的两位数字代表平均碳含量，以万分之一（0.01%）表示；元素符号后的数字表示该元素的含量，以百分之一表示，当元素含量小于1.5%时，后面数字不写。
35CrMo：
表示该钢碳含量为0.35%左右，Cr含量在1.0%左右（0.8-1.2%），Mo含量小于1.5%（0.2-0.4%）；
40Cr：
表示该钢碳含量为0.40%左右，Cr含量在1.0%左右；
20MnTiB：
表示该钢碳含量为0.20%左右,Mn含量在1.0%（1.3-1.6%）左右,Ti含量在0.08%左右,B含量在0.001%以上。
2、合金工具钢：
以一位数字加化学元素符号，再加数字的方法表示。
前一位数字表示平均碳含量，以千分之一（0.1%）表示。
但若钢中的碳含量大于等于1%时，前面的数字可不必标出；后面的数字代表相临前面元素的含量，以1%表示。
当元素含量小于1.5%时，后面数字可不标。
9Mn2V：
表示该钢碳含量为0.9%左右，Mn为2%左右，V小于等于1%；
CrWMn：
表示该钢碳含量大于等于1%，Cr、W、Mn含量均在1%左右。
3、例外：
高速钢、不锈钢、耐热钢的碳含量一般不标出，但如果几个钢的合金元素相同，仅碳含量不同时，碳含量用千分之几（0.1%）表示。
高级优质钢在钢号后标以“高”或“A”。
如38CrMoAlA。
（三）、其他牌号
1、SAE编号：
碳钢10XX。
如1006A、1008K、1022、1038、1038H等材质，其中06、08、22、38表示含碳量在0.06%、0.08%、0.22%、0.38%左右，A表示Al脱氧钢，K表示SI脱氧钢，H表示保证淬透性钢；
硼钢XXBXX。
如10B21、10B30等，其中21、30表示含碳量在0.21%、0.30%左右，B表示加入了硼元素，其含量在0.0005%以上；
铬钼钢41XX。
如4135、4140等，其中35、40表示含碳量在0.35%、0.40%左右，最前面的数字4表示铬含量约0.95%左右，钼含量约0.20%左右。
2、JIS编号：
碳钢SXXC。
如S45C、SWRCH22A等，其中45、22表示含碳量在0.45%、0.22%左右，CH表示冷打钢；
铬钼钢SCMXXX。
如SCM435、SCM415等，其中35、15表示含碳量在0.35%、0.15%左右，S表示STELL（钢），C、M表示铬、钼合金元素，4表示铬含量约1.0%左右，钼含量约0.20%左右。
四、常用合金元素在钢中的作用。
碳（C）：
提高钢件强度，提高耐磨性。
钨（W）：
提高红硬性。
铬（Cr）：
提高淬透性、耐磨性。
钒（V）：
细化晶粒。
钼（Mo）：
提高二次硬化。
钴（Co）：
提高红硬性尤甚。
锰（Mn）：
提高强度，并在一定程度上提高可淬性。
镍（Ni）：
提高强度，减小氢脆。
硼（B）：
提高淬透性。
硅（Si）：
保证钢件的强度，适当的含量改善钢件塑韧性。
铝（AL）：
与氮（N）结合成ALN阻止奥氏体晶粒长大。
第二章热处理基本概念
金属热处理是将金属材料（其中包括黑色金属材料和有色金属材料及其加工后的工件）在固态范围内，通过一定的加热，保温和冷却，使金属或合金的内部组织发生变化，从而获得预期的性能（如力学性能、加工性能、物理和化学性能）、组织和结构的工艺过程的总称。
一、退火
（一）、概念：
把钢加热到适当温度（一般Ac1以上），保温一定的时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡状态的组织的热处理方法。
（二）、目的：
降低硬度，以利于切削加工；
提高钢的塑性和韧性，以便于冷变形加工；
改善或消除钢在铸造、轧制、锻造和焊接等过程中所造成的各种组织缺陷；
细化晶粒，改善钢中碳化物的形态及分布，为最终热处理做好组织准备；
消除内应力，以减少变形和防止开裂。
二、淬火
（一）、概念：
将钢加热到临界温度（Ac3或Ac1）以上，保温一定时间使之奥氏体化后，以大于临界冷却速度的冷速进行冷却，以得到高硬度的马氏体或下贝氏体的热处理工艺方法。
（二）、目的：
提高工件的硬度和耐磨性；
提高工件的综合力学性能或使工件获得较高的弹性；
获得特殊的物理化学性能（磁性、耐蚀性、耐热性等）。
三、回火
（一）、概念：
将工件加热到钢的A1以下某一温度，保温一段时间，然后进行冷却（一般冷至室温）的热处理工艺。
（二）、目的：
使工件获得所要求的力学性能；
减少或消除残余应力；
稳定工件的组织和尺寸。
（三）、分类：
低温回火（150~250℃），如渗碳和碳氮共渗件，低合金超高强度钢等；
中温回火（300~450℃），如各种弹簧钢等；
高温回火（500~650℃），如螺栓、轴等。
四、正火
（一）、概念：
将钢加热到Ac3或Acm以上适当温度，保温一定时间，使奥氏体均匀化，然后出炉空冷或以其它适当的冷却方式冷却的热处理工艺。
（二）、目的：
碳含量小于0.5%的钢件常用正火代替退火，这样既节约能源，又提高生产效率；
力学性能要求不高的零件，可用正火作为最终处理；
对于过共析钢若有网状碳化物存在，必须进行正火处理，消除网状碳化物，再进行球化退火；
消除切削加工后的硬化现象和去除内应力；
细化晶粒，均匀组织。
五、深冷处理
高碳合金工具钢和经渗碳或碳氮共渗的结构钢零件，为提高其硬度和耐磨性，或为保证其尺寸的稳定性，将淬火后已冷到室温的工件继续深冷至零下温度，使淬火后保留下来的残余奥氏体继续向马体转变的工艺。
一般情况下，冷处理的温度达到-60~-80℃即可满足要求。
六、淬透性与淬硬性
（一）、淬硬性：
钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。
主要取决于淬火马氏体的碳含量，碳含量越高，钢的淬硬性越好。
淬硬性与钢中合金元素的含量关系不大。
（二）、淬透性：
钢能获得淬硬层深度的能力。
在同一淬火条件下，获得淬硬层愈深，表示钢的淬透性愈好。
淬透深度标准：
人为规定自工件表面到半马氏体组织区的深度作为淬透深度。
如果工件淬火后心部获得了50%的马氏体，就认为被淬透了。
影响淬透性的主要因素：
淬透性是钢的固有属性，主要取决于临界冷速的大小，临界冷速越小，钢的淬透性越好；除Co和AL外，所有溶入奥氏体的合金元素都提高钢的淬透性（如Cr、Mo、Mn、B、V等）；适当提高淬火加热温度，使奥氏体晶粒长大及钢的成分均匀化，也能增加过冷奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性。
质量效果：
因尺寸不同而使热处理效果不同者，称为质量效果。
一般碳钢之质量效果大，其淬透性较差，导致大规格之螺栓与螺帽淬硬层深度浅，故需考虑添加B、Mn、Cr等合金元素，或用合金钢来取代碳钢。
如10B21、35ACR，20MnTiB、SCM435等。
七、淬火工艺参数的确定
（一）、淬火加热温度
确定钢的淬火加热温度时，应考虑钢的化学成分、工件尺寸和形状、技术要求、奥氏体的晶粒长大倾向，以及淬火介质与淬火方法等。
根据实践经验，淬火加热温度选定原则如下：
亚共析钢为：
AC3+30-50℃；
共析钢与过共析钢：
AC1+30-50℃；
低合金钢：
AC3（或AC1）+50-100℃
但在实际生产中，需根据具体情况作适当调整。
如对工件较大，装炉量较大或要增大淬硬层深度的工件，可适当提高淬火加热温度；如对尺寸较小、形状复杂、容易变形或开裂的工件，淬火温度应适当降低。
附表一：
几种常用钢临界点、淬火加热温度
牌号
AC1（℃）
AC3（℃）
淬火加热温度（℃）
淬火介质质
15
725
870
890-920
水
40
724
790
830-880
水或油
45
724
780
780-860
水或油
20MnTiB
720
843
860-890
油
35CrMo
755
800
820-840
水
830-850
油
40Cr
743
782
830-860
油
T10
730
800
770-790
水
GCr15
745
900
820-850
油
（二）、淬火保温时间
淬火保温时间是指工件装炉后，从炉温升到淬火温度时起算，直到出炉为止所需要的时间。
包括工件透热时间和组织转变所需的时间。
影响淬火保温时间的因素很多，主要有：
1、钢的成分。
钢中碳及合金元素含量增多，将使钢的导热性下
降，故保温时间应增加。
1、工件的形状与尺寸。
对相同材料与形状的工件，保温时间将随有效厚度的增大而延长；对于形状复杂或尺寸较大的碳素工具钢及合金工具钢工件，常在淬火加热前采取预热；
2、加热介质。
3、装炉情况。
4、炉温。
提高炉温，可缩短加热保温时间。
（三）、冷却方式
工件淬火冷却可以采取不同的方法，主要有单液淬火法（直接淬火法）
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