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1、1.2.1 常用金属材料的力学性能,1.2.2 常用金属材料的牌号、性能和用途,1.2 常用金属材料及其热处理,1.2.3 金属热加工简介,1.2.4 钢的热处理方法简介,金属的力学性能：金属在外力或能的作用下所显示 出来的一系列力学特性。,金属的力学性能有：强度、塑性、硬度、冲击韧性 和疲劳强度等。,金属的力学性能,1、强度强度：材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。,2、塑性塑性：材料在外力作用下产生不可逆永久变形而不断裂的能力。,3、硬度硬度：金属材料抵抗比它更硬的物体压入其表面的能力。硬度是衡量材料软硬程度的一种性能指标。目前机械制造生产中应用最广泛的硬度指标有布氏硬度（HBS或H
2、BW）、洛氏硬度（HRC）和维氏硬度（HV）。,强度、塑性、硬度,（1）常用的分类方法 按钢的品质（有害杂质硫、磷的含量）不同，划分为普通质量 钢、优质钢、高级优质钢。,按钢中含碳量不同，可以不太严格地分为低碳钢（WC 0.25%）、中碳钢（WC=0.25%0.60%）和高碳钢（WC 0.60%）。,合金钢按钢中合金元素含量不同，可分为低合金钢、中合金钢 和高合金钢。,1、钢的分类,国家标准GB/T1330491钢分类是参照国际标准制定的。按化学成分分类 根据各种合金元素规定含量界限值，将钢分为非合金钢、低 合金钢及合金钢三大类。按主要质量等级、主要性能及使用特性分类非合金钢（碳素钢）的主要分
3、类 非合金钢按主要质量等级分类，可划分为普通质量非合金钢、优质非合金钢和特殊质量非合金钢。低合金钢的主要分类 低合金钢按主要质量等级分类，分为普通质量低合金钢、优质低合金钢和特殊质量低合金钢。按主要性能及使用特性分类，有可焊接的低合金高强度结构钢等。合金钢的主要分类 按主要质量等级分为优质合金钢和特殊质量合金钢。按主要性能及使用特性又可以划分为很多类。,（2）国标分类方法,我国钢铁产品牌号表示方法（GB22l79）规定，采用汉语拼音字母、化学符号与阿拉伯数字相结合的原则表示钢的牌号。碳素结构钢和低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音首位字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等部
4、分按顺序组成。质量等级用A,B,C,D,E表示硫、磷含量不同；脱氧方法用F（沸腾钢）、b（半镇静钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）表示，碳素结构钢是建筑及工程用非合金结构钢，价格低廉，工艺性能（焊接性、冷变形成形性）优良，用于一般工程结构及制造普通机械零件。,（1）非合金结构钢和低合金高强度结构钢的牌号及用途,Q195、Q215钢通常轧制成薄板、钢筋等供应，可用于制作铆钉、螺钉、地脚螺栓、轻负荷的冲压零件和焊接结构件等；Q235、Q255钢可用于制作螺栓、螺母、拉杆、销子、吊钩、不太重要的机械零件，以及建筑结构中的螺纹钢、工字钢、槽钢、钢筋等；Q235C、Q235D钢可作为重要焊接结构用钢
5、；Q275钢可部分代替优质碳素结构钢2535钢使用。,碳素结构钢的用途举例,优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字表示钢中平均碳的质量分数为万分之几。若钢中锰的含量较高，则在数字后面附化学元素符号Mn。优质碳素结构钢是用于制造重要机械结构零件的非合金结构钢，一般在经过热处理以后使用，以充分发挥其性能潜力。优质碳素结构钢的典型用途举例：08F钢一般轧制成高精度薄板或薄带供应，主要用于制作冷冲压件，如汽车外壳，仪器、仪表外壳等；1025钢常用于制作冲压件、焊接件、强度要求不高的零件及渗碳件，例如机罩、焊接容器、小轴、销子、法兰盘、螺钉、螺母、垫圈、渗碳凸轮及齿轮等3055钢调质后可获得良好
6、的综合力学性能，主要用于制作受力较大的机械零件，如曲轴、连杆、齿轮、机床主轴等；60以上的钢具有较高的强度、硬度和弹性，但焊接性、切削加工性差，主要用于制作各种弹簧、高强度钢丝、机车轮缘、低速车轮及其他耐磨件。,易切削结构钢的牌号是在同类结构钢牌号前冠以字母“Y”，以区 别其他结构用钢。碳素工具钢的牌号是在T（碳的汉语拼音字首）的后面加数字表 示，数字表示钢的平均碳的质量分数为千分之几。例如T9，表 示平均WC=0.9%的碳素工具钢。碳素工具钢都是优质钢，若钢 号末尾标A，则表示该钢是高级优质钢。碳素工具钢生产成本较低，加工性能良好，可用于制作低速、手动刀具及常温下使用的工具、模具、量具等。各
7、种牌号的碳素工具钢淬火后的硬度相差不大，但随含碳量增加，钢的耐磨性提高，韧性降低。因此，不同牌号的工具钢适用于不同用途的工具。,我国合金钢的编号是按照合金钢中的含碳量，以及所含合金元素的种类（元素符号）、含量来编制的。一般牌号的首位是表示碳的平均质量分数的数字，表示方法与优质碳素钢的编号是一致的。对于结构钢，平均质量分数以万分数计，对于工具钢，以千分数计。,（2）合金钢的牌号,工程用铸造碳钢的牌号前面是ZG（“铸钢”二字汉语拼音字首），后面第一组数字表示屈服点，第二组数字表示抗拉强度，若牌号末尾标字母H（焊），则表示该钢是焊接结构用碳素铸钢。GB/T56131995铸钢牌号表示方法规定，以化学
8、成分表示的铸钢牌号中“ZG”后面一组数字表示铸钢的名义万分碳含量，其后排列各主要合金元素符号及其名义百分含量。,（3）铸钢的牌号及用途,灰铸铁的牌号以“HT”和其后的一组数字表示。“HT”表示“灰铁”二字的汉语拼音字首，其后一组数字表示直径30mm试棒的最小抗拉强度值。球墨铸铁的牌号用“QT”及其后的两组数字表示。“QT”表示“球铁”二字的汉语拼音字首，后面的两组数字分别表示 最低抗拉强度和最低断后伸长率。可锻铸铁的牌号用“KTH”、“KTZ”和后面的两组数字表示。“KT”是“可铁”二字的汉语拼音字首；“H”、“Z”，分别为“黑”、“珠”二字的拼音字首；两组数字分别表示最低抗拉强度和最低断后伸
9、长率。铸铁具有良好的铸造性能、耐磨性能、吸震性能、切削加工性能及较低的缺口敏感性，而且生产工艺简单，成本低廉，经合金化后还具有良好的耐热性和耐蚀性等。,（4）灰铸铁的牌号及用途,铸造、锻压和焊接是机械制造中最常用的三种金属热加工方法。其产品大多是零件的毛坯。铸造：熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝 固后获得具有一定形状与性能的铸件的成形方法。铸件：用铸造方法得到的金属件。铸件一般作为毛坯使用，需要进行切削后才能成为零件。,1.铸造,铸造的适应性广。铸造工艺灵活性大，几乎不受零件尺寸大小及 形状结构复杂程度的限制。铸件的质量可由几克到数百吨，壁厚 可由0.3mm到1m以上。铸造有良好的
10、经济性。力学性能较低。铸造成形的方法很多，主要分为砂型铸造和特种铸造两类。目前砂型铸造应用最广。,铸造生产的特点：,锻压：对坯料施加外力，使其产生塑性变形，改变尺寸、形状及改 善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法，它是锻造和冲压的总称。大多数金属材料在冷态或热态下都具有一定的塑性，因此它们可以在室温或高温下进行各种锻压加工。常见的锻压方法：自由锻造、模锻、板料冲压、轧制、挤压和拉拔等。,2.锻压,锻压加工后，可使金属获得较细密的晶粒，能合理控制金属纤 维方向，使纤维方向与应力方向一致，提高零件的性能。锻压加工后，坯料的形状和尺寸发生改变而其体积基本不变，与切削加工相比，可节约金属
11、材料和加工工时。除自由锻造外，其他锻压方法如模锻、冲压等，都具有较高的 劳动生产率。能加工各种形状、质量的零件，使用范围广。,（1）金属锻压加工的特点,轧制：材料在旋转轧辊的压力作用下产生连续塑性变形，获得要求的截面形状并改变其性能的加工方法。通过合理设计轧辊上的各种不同的孔形，可以轧制出不同截面的原材料，如钢板、各种型材、无缝管材等，也可以直接轧制出毛坯或零件。挤压：坯料在三向不均匀压应力作用下从模具的模孔挤出，使其横截面积减小，长度增加，成为所需制品的加工方法。按挤压温度可分为冷挤、温挤、热挤，适用于加工有色金属和低碳钢等金属材料。,（2）锻压的基本生产方式,拉拔：坯料在牵引力作用下通过模
12、孔拉出，使其横截面积减小、长度增加的加工方法。拉拔生产主要用于制造各种细线、棒、薄壁管等型材。自由锻：只用简单的通用性工具或在锻造设备的上、下砧铁间，直接使坯料变形而获得所需的几何形状及内部质量的锻件的加工方法。模锻：在模锻设备上，利用锻模使坯料变形而获得锻件的锻造方 法。冲压：使板料经分离或成形而得到制件的工艺。由于冲压多数是 在常温下进行的，所以又称为冷冲压。,定义：焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，借助于金属原子的扩散和结合，使分离的材料牢固地连接在一起的加工方法。焊接方法：（1）熔化焊 把焊接局部连接处加热至熔化状态形成熔池，待其冷却结晶后形成焊缝，将 两部分材料
13、连接成一个整体。（2）压力焊 在焊接过程中对焊件施加压力（加热或不加热）的焊接方法。（3）钎焊 利用熔点比母材低的填充金属（称为钎料）熔化后，填入接头间隙并与固态的母材通过扩散实现连接的焊接方法。,3.焊接,焊接有连接性能好，省工省料，成本低，重量轻，可简化工艺等优点，所以应用广泛。但同时它也存在一些不足之处，如结构不可拆，更换修理不方便；焊接接头组织性能变坏；存在焊接应力，容易产生焊接变形；容易出现焊接缺陷等。有时焊接质量成为突出问题，焊接接头往往是锅炉压力容器的薄弱环节，实际生产中应特别注意。,主要的焊接方法分类,钢的热处理是将钢在固态范围内，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需
14、要的组织结构与性能的工艺方法。热处理工艺方法较多，但其过程都得由加热、保温和冷却三个阶段组成。根据加热和冷却方法的不同，热处理大致分类。,钢的热处理,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。目的：降低硬度，以利切削加工；消除残余应力，以防变形、开裂；细化晶粒，改善组织，以提高力学性能，并为最后热处理 作好组织准备。钢的退火方法很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火和去应力退火等。,1.钢的退火,正火是将钢加热到一定的温度，保温后在空气中冷却的热处理工艺。目的：细化晶粒，调整硬度，消除网状渗碳体，并为后续加工和球化退火、淬火等热处理作好组织准备。特
15、点：冷速较快，所以组织较细密，力学性能也较高，操作简便，费时少，效率高，成本较低，故应用广泛。,2.钢的正火,：（1）改善切削加工性 这主要是针对低碳钢和低合金钢退火后硬度偏低，切削加工时易“黏刀”。通过正火可使硬度适当提高，改善其切削加工性能。（2）预备热处理 常用做中碳钢和合金结构钢重要零件的球化热处理等之前的预备热处理，以保证良好的组织和性能。（3）最终热处理 对于性能要求不很高的普通结构钢工件和形状复杂、大型工件的淬火易变形开裂，可用正火作为最终热处理，以获得晶粒较细、力学性能较高的组织。,正火的用途,淬火是将钢加热到一定的温度，保温后快速冷却的热处理工艺。一般淬火后都配合进行一定的回
16、火工艺，以保证钢的强度、硬度、耐磨性和综合力学性能得到提高，改善钢的使用性能。4.钢的回火 回火是淬火后进行的热处理工艺，其目的是稳定组织，消除应力，调整硬度和提高塑性、韧度。回火通常是工件的最终热处理，对工件的组织和性能有决定性的作用。根据不同的回火温度，分为低温回火、中温回火和高温回火三种。淬火与回火是钢的重要强化手段。,3.钢的淬火,在生产中，某些零件要求表面具有较高的硬度和耐磨性，而心部却要求有一定的强度和足够的韧性。这时就需要对零件进行表面热处理，以达到强化表面的目的。表面热处理分为两类：一类是只改变工件表面组织而不改变表面化学成分的热处理，称为表面热处理；另一类是同时改变表面化学成
17、分及组织的热处理，称为化学热处理。,5.钢的表面热处理和化学热处理,感应加热淬火。利用感应电流通过工件而产生的热效应，使工件表面局部或整体加热并进行快速冷却的淬火工艺称为感应加热淬火。根据电流频率不同，感应加热淬火分为高频加热、中频加热和工频加热。如表所示为感应加热表面淬火的应用。,（1）钢的表面热处理,火焰加热表面淬火。火焰加热表面淬火是利用乙炔氧或其他可燃气体燃烧的火焰，喷射到工件表面上，使它快速加热到淬火温度，然后迅速喷水冷却，从而获得预期硬度和淬硬层深度的一种表面淬火方法。火焰加热表面淬火操作简便，不需要特殊设备，成本低。但其生产率低，工件表面容易过热，质量难以控制，因此使用受到一定限
18、制。火焰加热表面淬火主要用于单件或小批量生产的各种齿轮、轴等。,钢的化学热处理是将工件置于一定温度的化学活性介质中保温，使一种或几种元素渗入到它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。这种热处理与表面热处理相比，其特点是表层不仅有组织的变化，而且有成分的变化。最常用的化学热处理有渗碳、渗氮和碳氮共渗。,（2）化学热处理,渗碳：为了增加钢的表层含碳量，将钢件在含碳的介质中加热并保温，使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。低碳钢和低碳合金钢可以用渗碳处理，如15,20,20Cr钢等。渗碳件经淬火和低温回火后，表面具有高硬度、高耐磨性及较高的疲劳强度，而心部仍保持良好的韧性和塑性。渗氮：在一定
19、温度下，使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。其目的是为了提高工件表层的硬度、耐磨性、红硬性、耐蚀性和疲劳强度。渗氮处理广泛应用于各种高速传动的精密齿轮、高精度机床主轴、交变载荷下要求疲劳强度高的零件（如高速柴油机曲轴），以及要求变形小且具有一定耐热、抗蚀能力的耐磨零件（如阀门）等。但是氮化层薄而脆，不能承受冲击和震动；而且渗氮处理生产周期长，生产成本较高。,碳氮共渗：在一定温度下，同时将碳、氮原子渗入工件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺。根据共渗温度不同，可分为低温（520580）、中温（760880）和高温（900950）碳氮共渗。低温碳氮共渗也称为软氮化，是工件表层渗入氮和碳，并以渗氮为主的化学热处理工艺。它多用于提高各种碳钢、合金钢和铸铁等工件及模具的表面硬度和耐磨性，从而提高其使用寿命。中温碳氮共渗的目的与渗碳相似，主要用于提高各种结构件的表面硬度。由于共渗层具有更好的耐磨性和抗疲劳性能，所以碳氮共渗可在一定范围内代替渗碳。,
