金属材料及热处理技术99.doc

金属材料及其
热处理技术
第一节 概述
一、工程材料的分类
工程材料分为——金属材料、非金属材料,复合材料,以及纳米材料等。
※金属材料又分为:
·黑色金属——铁和铁的合金。如：钢、铸钢（铸铁）等。
·有色金属——即非铁金属及合金。如：铜及其合金、铝及其合金等。
金属材料是最重要的机械制造工程材料。
※非金属材料（除金属材料以外的材料）
包括：有机材料——如塑料、橡胶等。
无机材料——如陶瓷、玻璃等。
二、金属材料的机械性能（力学性能）
机械性能是机械零件设计和选材的重要依据。
机械性能（力学性能)—有强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度，及钢材的可焊性、可锻性、可铸性、可切削加工性等指标。
三、常用金属材料
1.钢:含碳量<2.11%铁碳合金——称为钢。在钢中特意加一种或几种合金元素——称为合金钢。
按照钢的用途不同，可分为：（1）结构钢
（2）工具钢
（3）特殊钢
（4）专业用钢
以上四种钢，在车工加工（切削）时，会出现连续削。
部分常用钢的牌号、性能及用途见表1—1

若需要详细钢的牌号等，可查《钢铁材料手册》。
2. 铸铁：含碳量>2.11%，并含有硅、锰和少量磷、硫等杂质的铁碳合金——称为铸铁。
它具有良好的——铸造性，切削（加工）性，及减振性、耐摩性、低的缺口敏感性。
根据铸铁中存在碳的形式及石墨形态的不同，分为：铸铁（灰口铸铁）
球墨铸铁
可锻铸铁
蠕墨铸铁
这些铸铁均以游离态的石墨为主，车工加工时出现短削。
部分常用铸铁的型号、性能及用途见表1-2
其牌号、性能及用途等详细可查《钢铁材料手册》。
四、在钢的热处理分类
1.保钢的热处理——将钢固态下进行加热、温、冷却，使钢得到预期的组织结构和性能指标的一种热处理工艺方法。
任何一种热处理工艺过程都包括：加热、保温、冷却三个阶段。
热处理的目的：主要是改变钢的内部组织结构和性能指标，而不是改变钢件的外部形状和尺寸大小。
因此，热处理在机械零件制造中占有重要的地位。
2.热处理分类：根据加热，冷却及组性能变化的特点不同。分为：(1)普通热处理——常用（生产中应用最广泛的热处理方法）；
(2)表面热处理；
(3)特殊热处理。
※临界点（或线）：钢在加热或冷却过程中发生组织转变的温度之后，状态图中的临界温度，其实际转变温度——称为临界点（或线）。

它是制定热处理工艺的重要依据之一。
五、钢的普通热处理工艺
1.退火
将钢加热到临界点以上的温度，保温一段时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却或埋入导热性差的介质中冷却）的一种热处理工艺。
主要目的：【1】便于切削加工;降低钢的硬度，
【2】消除内应力，以防止钢件的塑性变形与开裂;
【3】改善组织，细化晶粒，提高钢的机械性能;
【4】为淬火做好组织准备。
常用退火方法：完全退火
不完全退火
球化退火
去除应力退火
2.正火
将钢加热到临界点或Ac1，Accm以上30℃-50℃，保温一段时间后，在空气中冷却（自然冷却）的一种热处理工艺。
目的：【1】提高低碳钢的硬度；
【2】改善切削加工性能；
【3】改善组织，细化晶粒；
【4】为最后热处理做组织准备。
与退火相比，正火的冷却速度快。所以获得的组织较细，其强度、硬度稍高，塑性、韧性略有下降，消除内应力不如退火彻底，但生产周期短。
3.淬火
将钢加热到临界点（Ac3）或（Ac1）以上30℃-50℃，并保温一段时间，然后放入冷却介质中快速冷却，以得到马氏体组织的一种热处理工艺。
马氏体具有高硬度（高碳马氏体）或高强度（低碳马氏体），经淬火可显著提高零件和工模具、量具的硬度及耐磨性。所以，几乎所有的工模具和重要零件（部件）都需要进行淬火。因此，淬火是钢强化最有效、最重要的热处理工艺。

图1-2热处理工艺曲线
淬火介质：常用冷却介质水和油。
淬火方法：液单淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火等。
4. 回火
将淬火后的钢加热到临界温度（点）AC1，以下某个温度，保温一段时间后冷却至室温的热处理工艺。
淬火后的钢虽然强度和硬度显著提高，单韧性往往降低很多。此外淬火时急剧冷却将使钢产生很大的内应力，内应力可导致零件变形甚至开裂。因此，钢淬火后一般都要进行回火处理。
回火的目的：
【1】减少或消除淬火的内应力
【2】使钢的强度、硬度、塑性和韧性达到所需要的机械性能
【3】稳定钢件的组织和尺寸
淬火的方法：
(1)低温回火（150—250度）得到的组织是回火马氏体和残余奥氏体。
（2）中温回火（350---500度）得到的组织是回火屈氏体和残余奥氏体。
（3）高温回火（500---650度）得到的组织是回火索氏体和残余奥氏体。
六、钢的表面热处理方法
分为：表面淬火和化学热处理两种方法
钢的表面淬火—是将零件表层以极快的速度加热到临界点以上，发生奥氏体组织转变，而心部受热较少还未达到临界点，尚未发生组织转变，就快速冷却，使表层获得马氏体，心部仍然保持淬火前的组织。这样便得到表面层硬而耐磨，心部具有良好的组织和韧性的性能。
一般钢件表面淬火后，还需要进行低温回火，以降低内应力，提高表层的韧性和耐磨性。
根据加热方法的不同，表面淬火可分为:
（1）感应加热表面淬火（2）火焰加热表面淬火
（3）盐浴和铅浴快速加热表面淬火
（4）电接触加热表面淬火（5）激光加热表面淬火
1.感应加热表面淬火——是将工件置于不同频率的磁场中，依靠工件表面产生感应电流，使工件表面瞬间达到淬火温度，随后按规定时间冷却，仅使表面发生马氏体相变而达到表面淬硬的一种表面热处理工艺。
此种工艺方法淬火质量稳定，易于实现自动化、机械化，生产率高，对于单件小批量生产设备复杂，成本高，适合于成批大量生产。
2.火焰加热表面淬火—是利用温度可达到3100度的氧气+乙炔火焰或（2000度以上的氧气+焦煤气火焰）快速将工件表面加热到临界点以上30—50度使工件表面淬硬的一种热处理工艺。
与感应加热表面淬火相比火焰加热表面淬火设备简单操作方便，成本低，但质量不够稳定适用于中碳钢和中碳合金钢的单件或少量生产的大型耐磨零件。如轴类零件、大模数齿轮等。
3.盐浴或铅浴快速加热表面淬火—是将工件置于比正常淬火温度高的盐浴或铅浴炉中，进行不烧透短时间快速加热，随后快速冷却，以达到表面淬火的热处理工艺。
这种方法适用于模数2—8的齿轮和其他要求表面淬火的耐磨零件等。
4.电接触加热表面淬火—是将以一定速度移动的电极（石磨棒或紫铜滚轮）与工件紧密接触并通过低压强电流，利用电极与工件接触的电阻热来迅速加热工件表面，由于已加热处工件本身导热而获得快速冷却。从而实现表面淬火目的的一种表面热处理方法工艺。
此方法适用于大型铸件的表面淬火，如机床导轨表面、内燃机气缸套内壁等。
5.激光加热表面淬火—这是一种新型高能量密度表面强化方法。它利用激光快速扫描工件表面，使工件表面迅速加热到钢的临界点以上，当激光速离开工件表面时由于基体金属大量吸收热量而表面迅速冷却。因此,无需冷却介质。
激光加热可对拐点、沟槽、不通孔底部、深沟内壁等进行加热，使一般热处理工艺难以解决的强化问题得以解决。
※表面热处理适用于什么样的部件呢？
如：齿轮 、机床导轨、 曲轴、 主轴、 凸轮轴等。
七、化学热处理
—将工件置于某种化学成分介质中加热并保温，使介质种的某些化学元素的原子在高温下渗入工件表面，以改变表层组织和性能的热处理工艺。
常用的化学热处理分类：渗碳 渗氮 渗硼 渗铝和渗铬等，还有同时渗入两种以上元素的二元共渗，三元共渗等。
1钢的渗碳（适用于低碳钢制造的零部件）—是向钢的表层渗入碳原子的化学热处理工艺。一般在920度进行，他是把工件放入渗碳剂中加热保温，再利用渗碳剂分解出的活性炭原子使之渗入工件表层，从而提高表层含碳量的方法。渗碳一般在920度左右进行。要渗透的零件一般用低碳钢制造，渗碳后零件表层含碳量可达0.8—1.0％，但还必须淬火并低温回火才能是钢件表面具有高的硬度和耐磨性，心部有良好的机械性能。渗碳层厚度一般为0.5—2mm，淬火后硬度可达HRC60（洛氏硬度）左右。
渗碳的方法一般有：1气体渗碳 2固体渗碳 3液体渗碳 ，在这里就不一一讲解了。
2钢的渗氮—是向钢的表层渗入氮原子的化学热处理工艺，又可称为氮化。
氨气（NH3）是常用的渗氮剂，可在高温下分解出氮原子渗入钢件。钢件在渗氮后不再淬火，表面可达到很高的硬度（＞HRC70）而且具有一定的抗腐蚀性，耐磨性和疲劳强度也很高，而且变形小，但渗氮层很薄（＜0.55mm)而且呈脆性。要渗氮的零部件一般用中碳钢制造，要进行调质处理。
渗氮方法：1强化渗氮2抗蚀渗氮3离子渗氮4氮碳共渗 ，不详细介绍。
3氮碳共渗—同时向工件表层渗入碳原子和氮原子的化学热处理工艺。
分类：气体 、液体和固体、 氮碳共渗，三种形式，其中气体氮碳共渗应用最广泛。
氮碳共渗：是在具有渗碳、渗氮能力的混合气体（氨气 甲烷）中，将工件加热到一定温度，将工件表面同时渗入氮碳两种原子的化学热处理工艺。其作用是提高工件表面的硬度，耐磨性 抗腐蚀性和疲劳强度，兼有渗碳渗氮的共同作用。其中,高温气体碳氮共渗通常在800℃～900℃温度范围的进行，基本以渗碳为主，渗层含氮量较低。它主要用于一般碳素钢和合金钢制造的结构件，适用于机体零件的大批量生产，可用于代替渗碳。低温气体碳氮共渗通常在500℃～600℃温度范围内进行，基本以渗氮为主，渗层含氮量较低。用于高速钢和高铬钢制造的切削刀具及其它工模具的表面化学处理。
①45﹟钢常用热处理工艺（鸭嘴鎯頭的淬火）
②热处理实验数据表（见掛图）
※铁碳相图（铁碳合金相图；金相图：Fe—Fe3C相图）
相图又称为：状态图或平衡图，是用来表示材料的状态与温度及成分关系的综合图形，其所表示的相的状态是平衡状态。铁碳合金相图（Fe—Fe3C相图）揭示了钢铁材料的内部成分、温度、组成之间的关系，是研究铁碳合金的基本工具，也是制定各种热加工工艺的依据。

图2—1铁碳合金相图
铁碳合金相图中的点、线、区域分别称为特性点、特性线和特性区域，它们均有明确的物理意义，利用它们可以分析某一种成分的铁碳合金在加热和铁碳合金过程中组织转化过程。这里仅强调以下两点：
①共析转变
—具有共析成分的单一母相，在一定条件下分解生成两个或多个结构与成分不同的新向的过程。
铁碳合金相图中的S点个PSK线分别称为：共析点（S）和共析线（PSK）。
铁碳合金冷却过程中在S点发生由单相奥氏体相两相的铁素体和渗碳体的转变。各种成分的铁碳合金在铁碳合金至PSK线时均有共析钢转变发生。对于钢材，S点左侧为亚共析区，右侧为过共析区。
②共晶转变
—某一定化学成分的合金在一定温度下，同时由液相中结晶出两种不同成分和不同晶体结构的固相的过程，称为共晶转变。
铁碳合金相图中的C点和ECF线，分别称为共晶点、共晶线。铁碳合金冷却过程中在C点发生由单一液相向两相的奥氏体和渗碳体的转变。各种成分的铁碳合金在冷却至ECF线时均有共晶转变发生。
铁碳合金相图阐释了各种成分的铁碳合金的温度与组织之间的关系，对于指导选材铸造锻压及热处理有直接意义。在选材方面，由于相图指明了材料碳的质量分数与性能之间的关系，因此可根据不同使用性能的设计要求，选择和合适的材料，在铸造方面，可根据相图上的液线度确定铸件的合理浇注温度，一般选在液相线之上50—100度。在锻造方面，从相图上可知当把钢加热到临界点之上会变成单相奥氏体。奥氏体状态的塑性好，强度低，适合热变形加工。从工艺角度考虑既要易于变形又要避免晶粒粗大，过热和严重氧化，可以锻造和热轧的开始温度一般选在固相线以下200度，在热处理方面利用相图可以确定钢材热处理工艺加热温度规范。
铁碳合金相图的分析：
1.含义：ABCD为液相线，AHJECF为固相线，相图中存在五个单通相区和七个两相区。
2.三条水平线：(三个恒温转变)
HJB水平线：1495度 发生色晶转变
‚ECF水平线：1148度 发生共晶转变
转变产物为奥氏体与渗碳体的机械混合物—→莱氏体
③PSK水平线：727度 发生共析转变
由一定成分的固相在恒温下生成另外两个一定成分的固相。
共析转变的相图特征与共晶转变的非常相似，所不同的是反应相不是液相而是固相。转变产物为铁素体与渗碳体的机械混合物—→珠光体
3.三条曲线：相图中还有三条重要的固态转变线
⑴ GS线：此线是奥氏体析出铁素体的起始温度或铁素体全部转变为奥氏体的终了温度又称为A3线
⑵ ES线：碳在奥氏体中的溶解度曲线，当温度低于此曲线时，就要从奥氏体中析出渗碳体，通常称为二次渗碳体，称为FE3CⅡ。ES线也叫ACM线
⑶ PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线，当温度低于此曲线时，要从铁素体中析出渗碳体，称为三次渗碳体，称为FE3CⅢ
八、热处理常用设备
箱式电阻炉、井式电阻炉、感应加热熔炉及设备等。
在实验室实用的是像是电阻炉
箱式电阻炉—由布置在炉膛内的电热元件通电后产生的热量，通过对流和辐射来进行加热。
优点：操作简单，控温准确，可通入保护性气体防止工件加热时的氧化，劳动强度低条件好等优点。
缺点：升温慢、热效率低，炉膛内温度不均没，温差大，工件易氧化脱碳。大型炉在工件进出炉时，劳动强度大等缺点。
九、冷却设备及冷却介质
常用冷却设备：水槽 油槽 盐熔炉 缓冷坑。
冷却介质包括：自来水 盐水 机油 锭子油 碱水溶液和硝酸盐溶液等。
一、教学目的
1.了解热处理的作用
2.了解钢的常用热处理方法的工艺过程和主要应用范围
3.了解钢的淬透性和淬硬性的概念
设备的准备：温控炉 水 材料的准备等
二、热处理的内容
1、 热处理的实质和作用
2、 热处理的设备
3、 钢的淬火
4、 钢的回火
5、 钢的退火
6、 钢的正火
●热处理工艺的基本概念讨论
热处理是一种对金属材料进行“义务在教育”的工艺方法
退火、正火-----“软化教育”
淬火---------- “硬化教育”
回火---------- “韧化教育”
热处理的表面特征是：
1.在一种物质状态下，进行的热处理。
2.经历两个不改变后：化学成分不改变、几何形态不改变。
3.通过内部组织结构和力学性能的改变（只是达到一种改变）。
·轻金属：铝 镁 钠 钾 钙 锶等。
·重金属：金 银 铜 铅 锌 镍 铬 钴 汞 镉等。
·贵金属：金 银 铂 钯 等。
·稀有金属：钨 钛 稀土 钒 锂 锆 铍等。
·半金属：性质——介于金属和非金属之间的元素，一般呈脆性、呈金属光泽。如：硼 硅 砷 硒 鍺 等。

●小结
介绍了钢材的退火、正火、淬火和回火，以及表面热处理和钢材火花鉴别的方法，同时对热处理常用设备进行了扼要讲解。对热处理实践中常见的问题和缺陷原因进行了深入剖析。重点介绍了淬火、回火等热处理工艺，并以工程实例介绍了常见零件的热处理工艺规程。通过热处理相目的技能操作训练，可掌握基本热处理方法。同学们可利用拓展训练，了解复杂零件的热处理工艺，并根据实际条件加以训练，熟悉和掌握热处理操作方法。

【思考与练习】
一、 复习思考题
1.常用的工程材料有哪些？金属材料如何分类？
2.金属材料有哪些性能指标？金属材料的工艺性能包括哪些具体内容？
3.材料的强化手段主要有哪些？在加工过程中如何消除加工硬化？
4.何谓调质？一般调质处理用于哪些场合？
5.举例说明一些常用标准零部件的选材和热处理工艺。
6.钢材的退火、正火、淬火和回火的目的是什么？各种热处理加热温度范围和冷却方法如何选择？热处理后形成的组织是什么？
7.为什么要进行表面淬火？常用的表面淬火方法有哪些？
8.常用化学热处理方法有哪些？各自的目的何在？
9.在进行钢材火花鉴别时,如何根据火花特征区别T8钢与45#钢？
10.热处理常见缺陷有哪些？如何防止？
【技能训练题】
1.试分析9Mn2V螺纹磨床丝杠的热处理工艺。
2.试分析齿轮淬火裂纹产生的原因与防止方法？
【讨论内容及发言题目】
1.通过各车间、实验室的工程实践和训练，有那 些体会、认识和感想等？
2.在以后的专业技术基础课和专业课当中,如何把握好每学期课堂和课余的有限时间去学习？
3.每位同学的想法·梦想·幻想及其理想有那些？
4.大学四年毕业后有多条出路(继续深造考研或出国;参军入伍服兵役;支援西部大开发锻炼自己;自主创业办经济实体开公司(或称为:自由职业者、自由企业家);回家乡发展干一翻事业;还是在沿海开放城市经济发达地区就业等等)?
5.十年或二十年后同学们再相见时,会有多少感慨、感想，甚至是遗憾、后悔、留恋和惋惜？到那时有多少成才、成功者；有多少在学习年代，因碌碌无为而懊悔？

※珍惜时间就是珍惜生命、珍惜生命就是珍惜知识、珍惜知识就是珍惜财富；充分利用好时间，再加上付出、抓住机遇和努力拼搏，你肯定能成功、成才……！

热处理与锻造实习(实验)报告
一、 填空题
1.金属固态成形的方法有锻造、冲压、拉拔、轧制和挤压等。
2.可锻性是材料锻造过程中表现出来的工艺性能，常用塑性和变形抗力来综合衡量金属材料的可锻性。
3.金属材料的强化手段有固溶、形变、细晶强化。
4.整体热处理包括退火、正火、淬火、回火、调质等，表面热处理包括表面淬火和化学热处理。
二、简答题
1.自由锻的主要工序有哪些？
答：完全镦粗、局部镦粗、拔长、冲孔、扩孔、切割、弯曲等。
2. 何谓调质处理？一般调质处理用于哪些场合？
答：调质处理是利用淬火和高温回火双重处理，使金属获得强度与韧性配合良好的综合力学性能的热处理方法。
一般调质处理用于：承受较大负荷和受一定冲击的场合，如：齿轮、连杆等。
3. 钢材的退火、正火、淬火和回火的工艺和目的是什么？
答：※退火工艺—将钢加热到临界温度（点）以上某个温度，保温一段时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却或埋入导热性差的介质中冷却）的一种热处理工艺。
退火目的—①降低钢的硬度，便于切削加工；②消除内应力，以防止钢件的塑性变形与开裂；③改变组织，细化晶粒，提高钢材的机械性能。
※正火工艺—将钢加热到临界温度（点）以上30℃━50℃，保温一段时间，在空气中冷却（自然冷却）的一种热处理工艺。
正火目的—①提高低碳钢的硬度；②改善切削加工性；③细化晶粒，改善组织结构。
※淬火工艺—将钢加热到临界温度（点）以上30℃━50℃，保温一段时间，然后放入冷却介质中快速冷却，以得到马氏体组织的一种热处理工艺。
淬火目的—是提高钢的硬度和耐磨性，以得到高硬度（高碳马氏体）或高强度（低碳马氏体），经淬火可显著提高零件和工模具、量具的硬度及耐磨性。所以，淬火是热处理中使用最普遍和最广泛的一种方法。
※回火工艺—将淬火后的钢加热到临界温度（点）以下某个温度，保温一段时间后冷却至室温的一种热处理工艺。
回火目的—①减少或消除淬火后的内应力；②使钢件的强度、硬度、塑性、和韧性达到所需要的机械性能；③稳定钢件的内部组织结构和其外形尺寸等。
4. 为什么要进行表面淬火?
答：为了提高钢件硬度、耐磨性和延长其使用寿命，一般的钢件（机械零件）在加工完成后都应进行表面淬火处理。表面淬火常用于调质后的零件。表面淬火的实质是通过不同的热源对工件表面进行快速加热，使一定厚度的工件表层加热到临界温度以上，心部仍保持原来组织，具有足够的强度和韧性。
常用的表面淬火方法有哪些?
①高频加热淬火（或称感应加热淬火）；
②火焰加热淬火；
③盐浴和铅浴快速加热淬火；
④电接触加热淬火；
⑤激光加热淬火等。

三、填表题
根据实习所学知识及教材内容填写下表。
（仅限于机械类专业的同学完成）
表1材料及热处理工艺选择
零件名称
性能要求
选材
热处理工艺
组织
机床传动齿轮
承受较大负荷和一定冲击：
综合机械性能
‚淬透性
〖齿面较高的硬度和耐磨性，
心部较好的强韧性〗
45#
45MnB
40Cr
35CrMnSi
淬火＋高温回火（调质处理）
〖860～900℃高频加热，水冷，350～370℃回火〗

1. 硬度要求：40～50HRC
2. 使钢件获得较高的硬度和耐磨性。
3. 使钢件在回火以后得到某种特殊性能，
载重汽车动力齿轮
齿面高硬度、耐磨性及疲劳强度，心部高的强韧性

铣刀
高硬度、耐磨性及良好的热硬性

装载机铲斗齿
抗强烈冲击磨损

耐酸容器
耐酸浸蚀

汽车连杆螺栓
承受交变载荷，较好的强韧性

汽车板弹簧
高的屈服强度和疲劳强度

手锯条
较高的硬度和耐磨性

车床主轴
轴颈部较高的硬度和耐磨性，整体好的综合机械性能

车床主轴箱
铸造性能和切削加工性能良好

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