第三章金属材料和热处理-pdf

第三章金属材料及热处理

金属材料是现代机械工业使用最广泛的材料，品类繁多，性能各不相同，合理选用金属 材料和正确运用热处理方法，可以充分发挥金属材料的机械性能，提高产品的质量。金属可 以分为黑色金属和有色金属，黑色金属主要是指钢和铸铁，以铁和碳为基本组成元素形成铁 碳合金，即碳素钢。在铁碳合金中加入一定量的合金元素，如铬、锰、镍、钴等成为合金钢。 有色金属是指非铁金属及其合金，如铝、铜、铅、锌等金属及其合金。

一、碳素钢的分类、编号和用途

碳素钢简称碳钢，是含碳量小于 2．11％的铁碳合金，具有较好的机械性能、良好的锻 压性能、焊接性能和切削加]：性能，价格比合金钢低，在机械工业中得到广泛使用。 (一)碳素钢的分类 1．按钢的含碳量分类 低碳钢——含碳量≤0．25％；

中碳钢——含碳量：0．30％-0．55％； 高碳钢——含碳量≥0．60％。 2．按钢的质量分类

普通碳素钢：硫、磷含量分别≤O．055％和 O．045％ 优质碳素钢：硫、磷含量均≤0．040％；

高级优质碳素钢：S、P含量 0．030％-0．035％。 3．按钢的用途分类

碳素结构钢：主要用于制造各种工程构件和机器件，这类钢一般属于低碳钢和中碳钢。 碳素工具钢：主要用于制造各种刀具、量具、模具，这类钢含碳量较高，一般属于高碳 钢。

(二)碳素钢牌号和用途 1．普通碳素结构钢

甲类钢：这类钢出厂时按保证机械性能供应，除硫、磷外不保征化学成分。甲类钢的牌 号以“甲”或“A”字加上阿拉伯序数表示，共 1-7级，即甲 l、甲 2、…、甲 7(或 A1、A2、…、 A7)，数字越大，强度越高，塑性越差，主要用来制造钢板、角钢、圆钢和工字钢等。

乙类钢：这类钢出厂时按化学成分供应，不保证机械性能。乙类钢的牌号用“乙”或“旷 加上阿拉伯数字表示，也分为 1-7级，即乙 1、乙 1、…、乙 7(或 Dl、u2、…、B7)，数字 越大，含碳量越高，主要用于制造不重要的零件，一般须经热处理。

2．优质碳素结构钢

优质碳素结构钢既要保证钢的化学成分，还要保证机械性能 其机械性能，用于制造比较重要的零什。 般都需经过热处理以提高

优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，以 o．01％为单位，含义是钢中平均含碳量的 万分之二，如果钢中含锰量较高，在钢号后面加“Mn\"：

含碳量较低的 08、lO、15、20、25等钢强度低，塑性好，可焊性也好，主要用来制造 各种容器、冲压什或焊接件。

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含碳量中等的 30、35、40、45、50等钢强度高，韧性和加工性也较好轮等，以 40、45钢应 用最广泛，通常须经淬火、回火等热处理后使用。

含碳量较高的 55、65、?O等钢，淬火后有较高的强度、硬度和弹性和钢丝绳。 3．碳素工具钢

碳素工具含碳量为 0．7％～1．35％，其牌号用“碳”或“T”的后面附以数字表示，

数字表示钢中的平均含碳量，以 0．10％为单位，如 T8、T12表示含碳量为 0．80％和 1．2 ％的碳素工具钢。

碳素工具钢淬火和低温回火后有很高的硬度和耐磨性，主要用于制造各种量具、刃具、 模具等。

二、合金钢的分类，编号和用途

合金钢是在铁碳合金中加入一定量的合金元素，如 Cr、Mn、Ni等，改变合金的组织 结构，使其具有特殊的机械性能或特殊的使用要求。

(一)合金钢的分类

合金钢的分类方法很多，通常按用途进行分类： (1)合金结构钢——用于制造工程构件和重要零件； (2)合金工具钢——用于制造工具；

(3)特殊性能钢——用于制造特殊性能的构件和零件。 (二)合金钢的编号和用途

1．合金钢的编号

(1)采用数字加元素符号加数字的方法，前面的数字表示钢的平均含碳量，以万分之几 表示，合金元素用化学符号表示，后面的数字表示合金元素的含量，以平均含量的百分之几 表示。若合金元素含量低于 1．5％时，编号中只标明元素，不标明含量，如 60Si2Mn，表 示含碳含量在

0．60％左右，硅含量为 2％左右，锰含量在 1．5％以下。

(2)钢号末尾加“A”，表示该钢为高级优质钢。如 60Si2MnA。

(3)若表示钢的特殊用途，在钢号前面加特殊字母，如 GCrl5中的“G”表示滚动轴承用 钢。

(4)合金钢中的含碳量，以平均含碳量的万分之几表示，如 40Cr表示平均含碳量为 o．4 ％。合金工具钢的含碳量，以千分之几表示，若超过 1％时，钢号中不标出其含碳量。如 9Mn2 √，表示含碳是为 0．9％，CrWMn表示碳含量大于 1％，高速钢中的含碳量一般不标出。 不锈钢的含碳量也是以千分之几表示，如 2Crl3，含碳量为 0．02％。

2．合金结构钢 (1)普通低合金钢：该钢是一种低碳结构用钢，合金元素含量较少，一般在 3％以下，这 类钢的强度显著高于相同碳量的碳素钢，同时还具有较好的韧性和塑性以及良好的焊接性和 耐蚀性，常用于制造锅炉、高压容器、船舶、桥梁等。常用的低合金钢有 09Mil2、16Mn、 15Mn√等。

(2)渗碳钢：渗碳钢的含碳量都较低，大约介于 o．1％-0．25％之间，属于低碳钢，这 类钢一般须经渗碳处理，提高其机械性能。合金渗碳钢中所含的合金元素有铬、镍、锰、硼 等，这些元素可提高钢的淬透性和高渗碳层的机械性能。常用的渗碳钢有 15Cr、20Cr、 20CrMn、20CrMnTi、20CrMo等。

(3)调质钢：调质钢大多属于碳钢，含碳量在 O．27％-0．50％之间，经调质处理后，具 有高

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强度与良好的塑性和韧性配合，即具有良好的综合机械性能，常用来制造工程机械中要求具 有良好的综合机械性能的各种重要零件。调质钢所包含的主要合金元素有 Cr、Ni、Si等， 以提高其淬透性。常用的调质钢有：40、45、35CrMn、40CrMn、42CrMo等。

(4)弹簧钢：弹簧钢的含碳量较高，通常在 O．6％～O．75％之间，因其具有较高的抗 拉强度、屈服比和疲劳强度，常用来制造各种机械和仪表中的弹簧』加入的合金元素有 Si、

Mn、Cr、√等，以提高钢的淬透性和回火稳定性。常用的弹簧钢有 65Mn、55Si2Mn、60Si2Mn。

(5)滚动轴承钢：通常所说的滚动轴承钢是指高碳铬钢，其含碳量在 o．95％～1．15％ 之间，含铬量为 0．4％～1．65％，具有高而均匀的硬度和耐磨性，高的弹性极限和接触疲 劳强度，常用来制造工程用滚动轴承。常用的滚动轴承钢有 GCr6、GCr9SiMn、GCrl5SiMn 等。

3．合金工具钢

合金工具钢按用途可以分为刃具钢、模具钢、量具钢。

(1)刃具钢：刃具钢主要是指制造车刀、铣刀、钻头等切削工具的钢种，含碳量在 0．6

％～1．5％之间，具有较高的硬度、耐磨性和热硬性。常用的刃具钢有 9SiCr、CrWMn、9Mn2 √等。

(2)模具钢：模具钢可分为冷作模具钢和热作模具钢。冷作模具钢具有较高的硬度和良 好的耐磨性和足够的强度和韧性，常用的有 9SiCr、Crl2、Crl2Mo√。热作模具钢具有较高 的强度和韧性，足够的硬度和耐磨性，同时必须具有抗热疲劳能力，常用的有 5CrMnMo、 5CrNiMo。

(3)量具钢：量具钢是有较高的硬度和耐磨性，热变形小，具有好的加工工艺性，制造 高精度的塞规、块规等，常用的钢有 CrMn、CrWM等。制造精度较低，形状简单的量具可 选用 9SiCr、60Mn等。

4．特殊性能钢

特殊性能钢主要是指不锈钢、耐热钢、耐磨钢等一些具有特殊化学和物理性能的钢，这 里只简单介绍不锈钢。

不锈钢：这类钢可以抵抗高温氧化和电化学腐蚀作用，故称为不锈钢，主要有铬不锈钢 和铬镍不锈钢两种类型。常用的铬不锈钢有 1Crl3、2Crl3、3Crl3、4Crl3、1Crl7等，常用的 铬镍不锈钢有 Crl8Nil9、ICrl8Nil9等。

三、铸铁

铸铁是指含碳量大于 2．11％的铁碳合金，其硫、磷、锰、硅等杂质元素的含量较钢多。 由于含碳量高，大大降低丁强度、塑性和韧性，同时熔点下降，但铸铁具有良好的铸造性， 耐磨性和切削性能，生产方便，价格低廉，因此应用十分广泛，是机械制造的主要金属材料。 铸铁根据碳在铸铁中的存在形式和形态分为灰口铸铁、可缎铸铁和球墨铸铁。

(一)灰口铸铁 灰口铸铁中碳大部分以片状形式存在，断口显暗灰色。灰口铸铁具有切削加工性、耐磨 性、减震性、铸造性及缺口敏感性小的特点。其牌号表示方法由：“灰铁”二字的汉语拼音 字母“Hr”及后面加一组数字组成，数字表示其最低抗拉强度，单位“兆帕” (MPa)，如 HT250表示抗拉强度不低于 250MPa的灰口铸铁。

(二)可锻铸铁 可锻铸铁是由白口铸铁在固态下经长时间石墨化退火而得到的具有团絮状石墨的一种 铸铁。由于石墨呈团絮状，对金属机件的割裂作用和应力集中现象较小，所以它的强度、塑 性和韧性都比灰口铸铁高，町用来制造形状较复杂，强度和硬度较高的零件。其牌号表示方 法是：由三个字母和两组数字组成，其中前两个字母“KT\"足“可锻铸铁”的意思，第三个 字母表示不

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同的类别，“H”表示黑可锻铸铁，“z”表示珠光体可锻铸铁，后面两组数字表示最低抗拉

强度(MPa)和延伸率，如 KTH350—10表示最低抗拉强度不小于 350MPa，延伸率不小于 10 ％的可锻铸铁。

(三)球墨铸铁

球墨铸铁中石墨以球状形式存在，由于球状石墨对基体的割裂作用小，故其机械性能比灰 口铸铁和可锻铸铁都高，同时具有切削加工性、耐磨性、减震性和铸造性好的特点，通过热 处理可使其性能在较大的范围内变化，因此得到广泛应用。球墨铸铁的牌号由“球铁”二字 的汉语拼音字首“QT”及两组数字组成，两组数字分别表示其最低抗拉强度(MPa)和延伸率， 如 QT450—18表示最低抗拉强度不小于 450MPa，延伸率不小于 18％的球墨铸铁。

四、热处理 随着科学技术的不断进步，对金属材料性能的要求也越来越高。提高金属材料性能的途 径有两个：一是调整钢的化学成分，加入合金元素；二是对金属材料进行热处理。可见对金 属材料进行热处理，对提高其机械性能具有重要意义。

所谓钢的热处理是指通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结构发生变化，以 获得所需性能的一种加工工艺。根据加热和冷却的方法不同，热处理可以分为普通热处理和 表面热处理。普通热处理包括退火、正火、淬火、回火。表面热处理包括表面淬火和化学热 处理。

(一)退火和正火

退火是指将工件加热到一定温度，保温一定时间后缓慢冷却至室温的热处理：工艺。退 火的目的是：(1)软化钢件以便进行切削加工。(2)消除残余应力，以防钢件的变形、开裂。 (3)细化晶粒，改善组织以提高钢的机械性能。(4)为最终热处理做组织上的准备。常用的退 火方法有：完全退火、球化退火和去应力退火等。

(1)完全退火：完全退火主要用于含碳量小于 o．77％的中碳结构钢及低、中碳合金结构 的铸锻及焊接件等。根据钢的成分不同选择加热温度，一般在 810～880~C，保温一定的时 间后，缓慢冷却，细化内部组织，降低硬度，改善切削加工性能。

(2)球化退火：球化退火主要用于含碳量大于 o．77％的工具钢、轴承钢等，改善其加工 性能，为后续的热处理工艺作准备，加热温度一般在 760—780~C，保温后缓慢冷却。

(3)去应力退火：去应力退火是为了消除经过冷、热加工的锻件、铸件、焊接件等的残 余应力而进行的退火处理方法，一般加热到 550～65PC左右，缓慢冷却到 300～200％以下 出炉空冷。

正火处理与退火类似，保温后从炉中取出在空气冷却，冷却速度稍快，主要目的是：(1) 改善切削加工性能。(1)用于普通结构钢零件提高强度和硬度，可作为最终热处理。(3)为其 他后续热处理做准备。

(二)淬火

淬火是将工件加热到某一温度(温度范围与退火类似)，保温后迅速冷却至常温的热处理 方法。冷却的方法是把出炉的工件迅速投入水或油冷却介质中快速冷却，目的是为了提高钢 的强度和硬度，因淬火后工件的强度和硬度显著提高，脆性增大，所以淬火后一般须经回火 处理。

常用的淬火方法是单液淬火，即将加热后的工件投入冷却介质中冷却至室温，操作方法 简单，一般碳钢在水中冷却，合金钢在油中冷却。有时也采用双液淬火，即加热后的工件先 放入水中快速冷却到 300~C左右，再从水中取出转入油中冷却，可提高：[件的强度和硬度， 又可减少内应力，主要用于为保证高硬度必须淬火而用水冷却又易变形再裂的工件。

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(三)回火

回火是将淬火后的工件重新加热到某一温度，保温一段时间，然后再冷却到室温的热处 理操作方法，其目的主要是：(1)降低脆性，消除或减少内应力。(2)调整工件硬度，提高韧 性和塑性，调整和改善钢的性能，获得所需的机械性能。(3)稳定工件组织和尺寸。

根据钢件的不同性能要求，按回火温度范围，可将回火分为低温回火、中温回火和高温 回火。

(1)低温回火：回火温度 150～250~C，目的是在保护淬火硬度和高耐磨性的情况下，适 当提高韧性，消除内应力，一般用于碳钢、模具钢、量具钢等。

(2)中温回火：回火温度 350 500~C，目的是获得高的弹性极限和足够的强度和硬度， 保持一定的韧性，主要用于弹簧的处理。

(3)高温回火：回火温度 500-650~C，目的是为了得到强度、塑性、韧性都较好的综合机 械性能。习惯上将淬火和高温回火相结合的热处理称为调质处理。调质处理广泛应用于各种 重要的结构零件，特别是在交变负荷下工作的连杆、齿轮、轴类等。

(四)表面淬火 表面淬火是对在扭转、弯曲等交变负荷作用下的零部件进行的一种热处理方式，对其表 面进行淬火，使其表面具有高的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限，而心部仍保持足够的塑性 和韧性。故表面淬火是对零件表面机械性能强化的一种热处理。表面淬火包括表面加热淬火 (用乙炔一氧气火焰进行加热)和感应加热淬火。

(五)表面化学热处理

表面化学热处理是将工件置于一定介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗人工件表 面，改变表层的化学组织和成分，使其表面具有某些特殊的机械或物理化学性能的一种热处 理工艺，主要有渗碳、渗氮和碳氮共渗等，表面化学热处理能提高零件表面的硬度和强度， 增强耐磨性，内部仍保持良好的韧性。

五、金属的硬度

硬度通常指金属材料抵抗外物压人而引起塑性变形的能力。硬度越高表明金属抵抗塑性 变形的能力越大，产生塑性变形越困难。对机器零件而言，其工作条件不同，常要求其具有 一定的硬度，以保证其有足够的强度、耐磨性和使用寿命，因此硬度是金属材料重要的机械 性能指标之一。

硬度的表示方法很多，应用较多的是布氏硬度和洛氏硬度。 (一)布氏硬度

布氏硬度的试验方法是用一个直径为 0的钢球作压头，在规定载荷户的作用下压人被测 金属的表面保持一定时间，如图 1-3—1所示，卸去载荷，测量钢球在被测金属表面的压痕 直径，据此计‘算出压痕球面积 5，计算出压痕单位面积上所承受的平均压力尸，即为硬度 的数值，如压力值户为 200，表示该金属硬度值为 200，标记为 HB200。

布氏硬度试验因压痕面积较大，能反映被测金属材料的平均硬度，试验结果较精确，但 若被测金属过硬，超过 HB450，N1J易损伤压头而影响试验结果的准确性，所以对硬度超过 HB450的试样不采用布氏硬度表示，而改用洛氏硬度。

(二)洛氏硬度 洛氏硬度试验法是用一锥顶角为 1200的金刚石锥体或一定直径(φ1．588mm)的淬火钢 球作压头，在规定载荷的作用下压入被测金属的表面，根据压头在金属表面所形成的压痕深 度来确定其硬度值，如图 1—3-2所示。表 1-3—1为常用的三种洛氏硬度试验规范。

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