热处理讲义.docx

1、热处理讲义目 录第一章 金属材料的性能第一节 金属材料的物理性能2第二节 金属材料的化学性能3 第三节 金属材料的力学性能3第四节 金属材料的工艺性能14第二章 金属材料的分类及钢号的表示法第一节 钢的分类原则18第二节 钢的牌号及其意义22 第三节 常用有色金属的分类及其意义26第三章 常见金属材料的热处理及其特点第一节 钢的常规热处理简介29第二节 钢的化学热处理简介34第三节 金属材料的强化机理40第四章 我公司常用零件的热处理第一节 齿轮的热处理第二节 轴类零件的热处理第三节 叶轮的热处理第四节 其它零件的热处理金 属 材 料 及 热 处 理第一章 金属材料的性能由金属或合金组成的具有

2、金属特性的材料，统称为金属材料。现代生产和使用的金属材料品种很多。为了合理地使用金属材料，充分发挥金属材料本身的潜力，以达到提高产品质量，降低材料成本的目的，我们必须了解金属材料的性能。它包括使用性能和工艺性能。所谓使用性能是指产品在正常使用下，材料应具备的性能。它包括力学性能和物理、化学性能等。所谓工艺性能是指材料在热、冷加工过程中应具备的性能，它包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、热处理性能、切削加工性能等。第一节 金属材料的物理性能1、比重（密度）：单位体积金属材料的重量叫这种金属材料的比重。按比重的大小，可将金属分为轻金属和重金属。一般地将比重小于5的金属叫轻金属，如Al、Mg、Ti

3、；比重大于5的金属叫重金属，如Fe、Cu、Pd。金属材料的比重在工业上很重要，如果两种材料的强度相同，比重不同，则重量小的金属就可以制造出又轻又好的产品。2、熔点：金属或合金缓慢加热时，由固体变为液体时的温度叫做金属或合金的熔点。不同熔点的金属材料在工业上有不同的用途。如用高熔点的钨制造灯泡内的钨丝，用低熔点的铅、锡制造熔断器内的保险丝、低熔点焊料等。3、导电性：金属传导电流的性能叫做导电性。金属具有良好的导电性，其中银最好，铜、铝次之。因为银是贵重金属，所以银在工业上仅用于电器接头，而用铜、铝制作导电线。工业上有些地方还需要一些导电能力差的高电阻合金，如康铜、铁铬铝合金等，这些材料用于制造仪

4、表元件和电炉的加热元件。4、热膨胀性：金属或合金加热时体积增大的性质叫做热膨胀性。各种金属与合金具有不同的热膨胀性，用膨胀系数来表示。物体温度升高1所增加的长度与原来长度的比值，叫做线膨胀系数。热膨胀性在很多场合都要考虑。如测量工具要求用膨胀系数小的材料制造，以减少误差。某些设备、仪器在使用过程中也需要考虑热膨胀性。5、导热性：金属或合金传导热量的能力叫做导热性。这个性能很重要。金属或合金在加热或冷却过程中由于内外温度不同，因而内外具有的膨胀或收缩就不同，这会使金属材料内部产生内应力，当内应力超过金属材料的强度极限时，就会使材料开裂。金属材料的导热性愈差，这种开裂倾向愈大。例如高碳钢比低碳钢开

5、裂倾向性大，工具钢比调质钢开裂倾向性大，原因之一就在于导热性不一样。6、磁性：放入磁场中的物质，若其磁力线的密度显著增大，这种性质叫具有磁性。而具有磁性的物质叫做铁磁体。金属中的铁、钴、镍及其后进是具有显著磁性的铁磁体。在后面我们将谈到钢中的奥氏体不是铁磁性物质而是顺磁性物质；铁素体在770以下是铁磁性物质，而在770以上是顺磁性物质。第二节 金属材料的化学性能1、抗蚀性：金属或合金在周围介质（如空气或各种气体，水及各种酸、碱、盐类的溶液）的作用下，表面受到破坏的现象称为腐蚀。金属或合金抵抗周围介质的蚀腐作用的能力称为抗化学腐蚀性。简称抗蚀性。一般碳钢的抗蚀性都是比较差的。即易生锈或严重腐蚀。

6、为了提高钢的抗腐蚀性，以满足各种工业部门的需要，已研制了一批抗蚀性好的一类钢，统称为不锈耐酸钢。简称不锈钢。2、抗氧化性：许多金属材料能与氧化合生成氧化物。如在金属材料表面形成的氧化物层比较疏松，外界氧气就可以继续通过氧化物层与金属材料继续氧化，致使金属材料受到破坏。反之，如金属材料表面的氧化物层致密并牢固地附着在金属材料表面上，就会使氧气与金属材料隔离，使氧化过程中断，金属材料不再受到氧化。金属材料这种抵抗氧化作用的能力称为抗氧化性。在高温下，金属材料抗氧化性显得特别突出。为了解决这类问题，使钢能抗高温氧化，人们创造了耐热钢。第三节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能一般是指在外力作用下，

7、表现出来的特性。如弹性、强度、硬度、韧性和塑性等。以前将力学性能称为机械性能。任何金属材料，在外力作用下引起的变形过程都可分为三个阶段：（1）弹性变形阶段：在外力不大时，变形量随外力成正比例增长，当外力去掉后，变形完全消失，材料恢复原来情况。（2）弹性塑性变形阶段：当外力超过材料变形所能承担的最大外力时，在外力去掉后，变形不能完全消失，而有残留变形存在。这部分残留变形叫做塑性变形。这个阶段的变形通常都由弹性变形和塑性变形两部分组成。（3）断裂：当外力继续增大，金属大量塑性变形之后即发生断裂。脆性材料在断裂之前往往没有明显的塑性变形阶段，这种断裂称为脆性断裂。而大量塑性变形之后发生的断裂称为韧性

8、断裂。拉力试验可以说是机械性能试验中最基本的试验方法。它包括钢和其它金属材料在受单向静拉力作用下的正弹性模量E、比例极限p、弹性极限、e、屈服点s或屈服强度0.2、抗拉强度b、伸长率及断面收缩率等的测定。一、强度金属受外力作用时对于变形（弹性、塑性）和断裂的抵抗能力称为金属的强度。根据外力作用的性质不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度和抗弯强度等。金属材料强度的大小，可以通过强度试验（拉伸、压缩、弯曲等）来测定，而用强度极限（抗拉强度极限、抗压强度极限、抗弯强度极限、疲劳强度极限）、屈服强度、弹性极限和比例极限等指标来表示。强度极限：金属在外力作用下，单位原横截面上所受到的力称为应力。金属在断裂

9、前所承受的最大应力称为强度极限。抗拉强度极限用b表示，抗压强度极限用bc表示，抗弯强度极限用bb表示，单位都是N / mm2或Mpa。屈服极限（屈服点）：金属材料刚发生塑性变形时所承受的应力称为屈服极限。它表示金属材料抵抗微量塑性变形的能力，用s表示。但往往s是无法测量的，为了便于测量和比较，规定以残留变形量为0.10.5（一般用0.2）时的应力为标准。因此，用0. 2来表示在残余应变为0.2时的屈服极限（或称屈服强度）。弹性极限：金属材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，具有恢复原有形状和大小的能力称为弹性。表示材料最大弹性的指标称为弹性极限，用e表示，即在不产生塑性变形时，材料所能承受的

10、最大应力。e理解为塑性变形刚要出现而尚未出现时的正应力值。此值难测准确而且费事，故一般多不进行测定，而以规定比例极限代替之。比例极限：在弹性变形的一定范围内，其变形量与外力按正比例变形的最大应力，称为比例极限，用用p表示。比值也很难测准。为了便于测定起见，一般采取残留变形为0.0010.005时的应力值表示p 。这就是“规定比例极限”。从上述可见，同一材料的弹性极限比真正的比例极限大些，而和规定比例极限颇为接近；屈服极限和弹性极限，原则上是一致的；强度极限比屈服极限大。疲劳极限：在实际使用中，金属材料的受力总是比较复杂的，往往受力的大小和方向呈周期性的变化，如曲轴，半轴等都承受变动应力。在这种

11、复杂的交变应力的作用下，“材料承受的最高应力往往远抵于b，甚至低于s时就破坏了，而且这种破坏是突然的脆断，事先无明显的变形。这种现象称为“疲劳断裂”。金属材料抵抗疲劳断裂的能力，即材料在变交载荷作用下经无限次循环而不破坏的最大应力称为疲劳极限。用-1表示。单位是牛顿/毫米2。金属材料结构的不均匀性、非金属夹杂物的存在、不良表面状态及内部缺陷等，都会降低金属材料的疲劳强度。二、高温强度金属材料在高温下受外力作用时，对于变形和断裂的抵抗能力，称为高温强度。金属材料的高温强度以蠕变极限、持久强度和瞬时强度等指标来表示。蠕变极限：当金属材料在高温长期受外力作用时，尽管其应力远小于其屈服极限（或弹性极限

12、），也会随时间而缓慢地产生永久性的塑性变形，这种现象称为蠕变。在温度超过再结晶温度或重结晶温度时蠕变特别明显。使金属在某一温度下拉伸时，经过某一规定时间发生一定量变形的应力，称为材料的蠕变强度极限，简称蠕变极限，以x / y来表示。例如，ICr18Ni9Ti钢在650下经过10000小时发生1%变形的应力等于50 70牛顿/毫米2，则其蠕变极限表示为：在650下，1 / 10000 = 50 70牛顿/毫米2，或表示为： 持久强度：金属材料在一定温度下拉伸时，经过某一规定时间而发生断裂的应力，称为抗拉持久强度极限，简称持久强度，以b / x表示。例如，ICr18Ni9Ti钢在650下经过100

13、00小时发生断裂的应力为60 100牛顿/毫米2，则其持久强度表示为：在650下，b / 10000 = 60 100牛顿/毫米2或表示为： 瞬时强度：金属材料在某一温度下以一般拉伸（变形）速度得到的强度极限称为瞬时强度极限，简称瞬时强度。以b 表示。如，ICr18Ni9Ti钢，在650下经过一般拉伸速度拉伸断裂时的应力为320牛顿/毫米2，则瞬时强度表示为：在650下，b = 320牛顿/毫米2，或表示为：650b =320牛顿/毫米2。三、塑性 塑性：金属材料在外力作用下产生塑性变形，在破断前的塑性变形能力的大小称为塑性。如铜、铝、纯铁等金属的塑性良好。在工程上金属材料的塑性好坏用延伸率（

14、）和断面收缩率（）两个指标来表示。 延伸率：金属材料在外力作用下破断后，其伸长量与原来长度之比，称为延伸率。其值可用下式确定：式中：L0拉伸试样原始标距长度； L1拉伸试样断裂后标距间的长度。断面收缩率：金属材料在外力作用下破断后，其横截面积的收缩量与原来横截面积之比称为断面收缩率。其值可用下式确定：式中：F0拉伸试样原始横截面积； F1拉伸试样断裂后的横截面积。四、硬度金属材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力称为硬度。且“硬”是相对的，如铜比锉刀软，锉刀比砂轮软，铜比铝硬等等。我们用一个直径10毫米的淬火纲球，施加一定的力，分别去压一块铁和一块铜，结果铁和铜的表面都因被压而出现压坑。铜表面的

15、压坑比铁表面的压坑大，因此，我们就说铁比铜硬。根据这个道理，我们规定了几种压入物（即压头）作为标准，来定量地测定金属材料的硬度。这样，各种材料的同类型硬度值才可以比较，以显示各种材料的硬软之不同。硬度，实际上也是代表金属材料对塑性变形抵抗能力的大小。材料愈硬，对塑性变形的抵抗能力愈大，反之则小。所以材料的硬度大小和材料抵抗大量塑性变形的抗力b近似成正比。金属材料的硬度虽然没有确切的物理意义，但是它不仅与材料的静强度，疲劳强度存在近似的经验关系，还与冷成型性，切削性，焊接性等工艺性能间也存在某些联系。因此硬度值对于控制冷热加工工艺质量也有一定参考意义。对于玻璃、陶瓷等脆性材料，硬度还与材料的断裂

16、韧度存在一定的经验关系。此外表面硬度和显微镜硬度试验反映了金属表面及其局部范围内的力学行为，因此可以用于检验材料表面处理或微区组织鉴别。硬度试验大致可分为三类：1）、压入法，主要有布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度，显微硬度，努氏硬度。2）、回跳式，如肖氏硬度。3）、刻划法，如莫氏硬度。上述硬度试验法均在不同的工业生产领域中得到了广泛的应用。1、布氏硬度布氏法于1900年由瑞典Brinell最先提出而得名。布氏法采用纲球压头（直径为D），加载（P）后压入试样表面（如图1-3-1），根据单位压痕表面积上所受的载荷大小来确定布氏硬度值（用符号HB表示）：式中 F凹 表面压痕的凹陷面积；F 1 压痕凹陷深

17、度；HB 布氏硬度值符号，单位为kgf/mm2，若单位采用Mpa（或MN/m2）时，则 上式右边应乘以0.102，才是所求HB值。在实际测定时，由于测定t较困难，而测定压痕凹陷直径d却比较容易。因此，要将上式中的t换成d，这一换算可以从图1-3-1中oab中看出，即可得由上式可见，式中只有d是变数，故试验时只要量出d即可计算出HB值，或根据d值查表得出HB值。 图1-3-1 布氏硬度试验原理示意图由于布氏硬度的压头是淬火钢球，因此它只适用于硬度较低尺寸较大的金属材料。一般钢的HB和b有如下关系：当HB175时，b0.36 HB；当HB175时，b0.35HB。布氏硬度的优点是其硬度值代表性全面

18、，数据稳定，测量精度较高。因为其压痕面积较大，能反映金属表面较大范围内各组成相综合平均的性能数值，故特别适宜于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或粗大组成相的金属材料。其缺点是试验操作时间较长，对不同材料的试样需要更换压头及载荷，压痕测量也较费时间。在进行高硬度材料测试时，由于钢球本身的变形，会使测量结果不准确，因此一般对硬度450 HB以上（若采用硬质合金压头时硬度650 HBW以上）材料便不能使用。由于压痕较大 ，成品检验和薄件试验有困难。布氏硬度通常用于测定铸铁、非铁金属、低合金结构钢等原材料以及结构钢调质件的硬度。2、洛氏硬度洛氏法于1919年由P.Rockwell最早提出而得名，洛氏

19、硬度试验是目前应用最广的试验方法，和布氏硬度一样,也是一种压入硬度试验.但它不是测定压痕的直径,而是测量压痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值.因洛氏硬度是以压痕凹陷深度t作为计量硬度值指标,金属愈硬则压痕深度t愈小，反之则t愈大,如果直接以t的大小作为硬度指标将与人们对硬度大小的概念相矛盾,为此人们取一常数K减去压痕深度t，即(K t)作为硬度值的指标，并规定每0.002mm为一个洛氏硬度单位，用符号HR表示，则洛氏硬度硬度值为：这样便可在表盘上直接读出洛氏硬度硬度值。为了能用同一硬度计测定从极软到极硬材料的硬度，可采用不同的压头和载荷，组成15种不同的洛氏硬度标尺，见下表：表1-3-1各

20、种洛氏硬度标尺的试验条件和应用标尺符号所用压头预载荷（kgf）总载荷（kgf）测量范围应 用 举 例HRA金刚石圆锥106070硬质合金、炭化物、表面淬火钢、硬化薄钢板HRB1/16钢球1010025100钢合金、退火钢、铝合金、可锻铸铁等HRC金刚石圆锥101502067淬火钢、冷硬铸铁、球光体可锻铸铁、钛合金等HRD 金刚石圆锥101004077薄钢板、表面硬化层为中等厚度的钢、球光体可锻铸铁HREHRF1 / 8钢球1/16钢球1010100607010040100铸铁、铝、镁合金、轴承合金等退火铜合金、薄软钢板等HRG1/16钢球101503194磷青铜、铍青铜和可锻铸铁RH1 / 8

21、钢球1060 / 铝、锌、铅等HRKHRLHRMHRPHRRHRSHRV1 / 8钢球1 / 4钢球1 / 4钢球1 / 4钢球1 / 2钢球1 / 2钢球1 / 2钢球10101010101010150601001506010015040100轴承合金和其它很薄很软的材料15N30N45N金刚石圆锥金刚石圆锥金刚石圆锥333153045709243822572表面硬化钢、硬薄钢板15T30T45T1/16钢球1/16钢球1/16钢球33315304572933983773铜、黄铜、青铜的薄板一般老式洛氏硬度计只有前三种表盘，即HRA、HRB、HRC。HRA是检验又薄又硬的材料。HRB是检验特

22、别软的退火钢。HRC也是最常用的是检验淬硬钢件。洛氏硬度试验具有以下优点：因洛氏硬度有许多不同的标尺，压头有硬质、软质多种，可以测出从极软到极硬材料的硬度，不存在压头变形问题；压痕小，对一般工件不造成损伤；操作简单迅速，立即得出数据，生产效率高，适用于大量生产中的产品检验。缺点是采用不同的硬度级测得的硬度值无法统一进行比较，不象布氏硬度从小到大可以统一比较。此外，因压痕小，对于具有粗大组织结构的材料（如灰铸铁和粗晶材料等），缺乏代表性，因此不宜采用此法进行试验。3、维氏硬度、显微硬度和努氏硬度1）维氏硬度由于布氏硬度试验法存在钢球变形问题，限制它不能用于测定高硬度材料（450HB），洛氏硬度试

23、验法虽可测定各种金属的硬度，但需采用不同的标度，不同标度测定的硬度值又不能直接换算，因此1925年Vickers提出维氏硬度试验法。维氏硬度测定原理基本上和布氏硬度相同，也是根据单位压痕凹陷面积上承受的载荷，即应力值作为硬度值的计量指标。所不同的是维氏硬度采用了锥面夹角为136o的金刚石四方角锥体。这时由于压入角恒定不变，使得载荷改变时，压痕的几何形状相似，因此在维氏硬度试验中，载荷可以任意选择，而所得硬度值相同，这是维氏硬度试验最主要的特点，也是最大的优点。四方角锥之所以选取 图1-3-2 维氏硬度压头锥面136o，是为了所测数据与HB值能得到最好的配合。 夹角的确定 因为一般布氏硬度试验时

24、压痕直径d多半在（0.250.5）D之间，取平均值为0.375D，这时布氏硬度的压入角=44o，而面角为136o的正四棱锥形压痕的压入角也等于44o。所以在中低硬度范围内，维氏硬度与布氏硬度值很接近（见图1-3-2）。此外，采用金刚石四方角锥后，压痕为一具有轮廓清晰的正方形，在测量压痕对角线长度d时误差小，同时不存在压头变形问题，适用于任何硬度材料。维氏硬度值以符号HV标志，其值可表示为：由上式可以看出，只要量出压痕对角线长度d，即可求出HV值。一般根据载荷的不同，压痕直径与硬度的关系可查表得出。维氏硬度试验法的优点是不存在布氏硬度试验时要求载荷P和压头直径D所规定条件的约束，以及压头变形问题

25、，也不存在洛氏硬度法那种硬度值无法统一的问题，不仅载荷可以任意选取，材质不论软硬，测量数据稳定可靠，精度高。唯一缺点是硬度值需通过测量对角线长度后才能计算（或查表）出来，因此测量效率不及洛氏高。基于上述优点，维氏硬度法广泛应用于材料试验研究工作中，在热处理工艺质量检验中常用低负荷硬度测定表面淬火时硬化层硬度和化学热处理（如渗氮）件表面硬度以及小件和薄件硬度等。 2）显微硬度由于维氏硬度的负荷可以任意选择而不影响硬度的测定。因此不难想象，若将维氏硬度试验载荷不是以kgf为单位，而是减小到千分之一的gf为单位，那么便可测定在一个极小范围内，如个别夹杂物或其它组成相的维氏硬度值，这就是微观维氏硬度试

26、验，一般称显微硬度试验。显微硬度值以符号Hm表示，由于其测定原理和维氏一样，故由于显微硬度加荷与压痕很小，故要求金刚石四方锥压头的制造精度和对角线的测量精度比维氏硬度高得多，对试样应按金相试样要求精心制备，为消除加工硬化影响，最好采用电解抛光或化学抛光。 3）努氏硬度努氏（Knoop）硬度试验与维氏硬度一样，只是压头采用了对角棱为172.5o及130o的四角金刚石锥，在被测试样表面得到长对角线比短对角线长度大7.11倍的菱形压痕（见图1-3-3）。只需测量长对角线的长度l，便可按下式算出努氏硬度值：努氏硬度一般采用轻载荷，负荷P在530000g范围内选取，HK的单位为kgf/mm2。努氏硬度由

27、于压痕细长，而且只需测量长对角线的长度l，因而精度高。见图：1-3-4努氏硬度值与维氏硬度值大致相等，但随载荷小于100gf以下，二者会出现较大的差别如图1-3-5所示。努氏硬度值与维氏硬度值的关系曲线如图1-3-6所示。 a）压头 b）压痕 图1-3-3 努氏硬度压头及压痕示意图 图1-3-4 努氏硬度与维氏硬度压痕对比 图1-3-5 努氏、维氏硬度值与载荷的关系 图1-3-6 努氏硬度与洛氏硬度的关系努氏硬度试验一般用于薄层（表面淬火或化学渗镀层）和合金组成相的硬度。4肖氏硬度肖氏硬度试验法是美国肖氏（Shore）于1906年最早提出，是一种回跳式硬度试验法。它是以一定重量的冲头，从一定高

28、度自由下落到试样表面上。冲头的动能一部分消耗于试样表面的塑性变形，另一部分则以弹性变形方式瞬间储存在试样内。由于弹性回复，后一部分能量重新释放出来时，使冲头回跳。硬度与回跳高度成正比，回跳的越高，则硬度越大。设冲头下落前的高度为h1，回跳的高度为h2，则肖氏硬度值HS可表示为：式中 K常数，等于140，在实测中一般不用公式计算，可直接目测或从表盘显示的数 值得出。 肖氏硬度是以完全淬硬的高碳钢作为标准样品，以回跳的平均高度定为100单位，然后把刻度盘等分为100度，考虑到此钢的硬度值更高的材料试验，从100再向上外推到140。 肖氏硬度计有目测式（C型、SS型）及表盘自动记录式（D型）两种。它

29、们的技术参数列于1-3-2中。肖氏硬度的最佳测量范围为2090HS，即相当于112 HB、72HRB开始一直到65HRC范围内的各种各种金属材料的硬度。表1-3-2 各种肖氏硬度计的技术参数项 目C型SS型D型重锤重量（g）落下高度（mm）冲击速度（m/s）100 HS的回跳高度（mm）读数方法 2.36 254 2.33 165 目 测 2.50 255 2.24 165.76 目 测 36.2 19 0.61 12.35 表 盘肖氏硬度计是一种轻便手提式硬度计，便于流动性工作和巡回检测，而且操作方便，结构简单、测试效率高，特别适用于很多大型冷轧辊及大的冷硬铸铁辊、曲轴等高硬度大零件。但肖氏

30、硬度误差来源多，试验结果准确性较差，对于弹性系数相差大的材料其试验结果不能相互比较。对大型零件，因难于保证零件的光洁度和冲头垂直下落，试验误差较大。5、理氏硬度理氏硬度的概念是Dietmer Leeb博士首先提出而命名，1978年引入硬度测量技术，该硬度值的定义为冲击体反弹速度（vB）与冲击速度（vA）之比乘以1000，即 材料越硬，其反弹速度也越大。 理氏硬度计的构造如图1-3-7所示，在进行测试时，具有碳化钨测量头的冲击体借弹簧力打向被测试件表面，冲击后反弹。由于冲击体上组装有永久磁铁，当冲击体通过线圈时，它向前和弹回时均使线圈内感应出电压，这些电压值正比于速度，图1-3-8示出了冲击前后电压信号的变化曲线。经计算机处理后在显示装置上便显示出理氏硬度值HL。进行理氏硬度试验时，首先用弹簧力加载，将冲击装置定位于测试位置，然后启动冲击便可从计算机打字系统读出硬度值。