热处理技术培训.doc

热处理技术培训提纲

前 言
一、什么是热处理
“钢的热处理”就是将钢件（固态的金属和合金）在一定的介质中加热、保温和冷却以改变其整体或表面的组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。
零件用钢——性能要求——热工艺——组织——性能

（简述历史上的热处理）
二、培训的目的要求：
学员应逐步掌握以下六条内容：
1．在机械制造中，热处理是影响产品内在质量的重要过程（工序）,是特殊过程。
干好热处理要具备：（1）责任心。（2）技术。（3）经验。
2．影响热处理质量的主要因素：
（1）原材料及辅料。（2）工艺、工装、设备。（3）监控手段。（4）检验和试验。（5）相关加工过程的配合。（6）操作技能等。
3．掌握一般产品质量事故的分析方法 , 找出原因，提出改进和预防措施。 操作、工艺、再找其他原因
4．在基本理论指导下操作，从实践中自己总结经验，逐步提高理论水平和实际操作水平。
5．熟练地掌握各种设备，包括辅助设施、工装、检测、监控设施的安全操作。预防人身和设备事故的发生。
6．结合产品实际，探讨新工艺、新方法，以达到提高质量（或稳定质量），降低成本的目的。
三、主要学习内容：
（1）内在质量的重要标志——机械性能。
（2）钢铁内部结构。
（3）热处理方法。（详细内容见培训大纲）
讲课、议论、实验、实践相结合。

第一章 金属材料的机械性能

引子：锁接头（标准）、钻杆接头（图纸）内在质量要求：

金属材料的机械性能是指金属材料（工件）在各种不同性质的外力作用下所表现出来的抵抗能力。这些性能指标是机械设计、选择材料、工艺评定及检验的主要依据。常用的机械性能有：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳等。
代用性能指标

§1. 强度
材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度。由于外力的不同而分为拉伸（σb ）、压缩（σbc ）、弯曲（σbb）扭转、剪切等。
通常指抗拉强度。
一、抗拉强度（强度极限）
材料在拉力作用下，断裂前所承受的最大负荷与材料断面积的比值，称为抗拉强度。或者说，材料在拉力作用下断裂前所承受的最大拉应力叫抗拉强度。用σb表示。单位MPa。
σb = （Mpa）
式中：——拉断试样的最大负荷，N
——试样原始截面积，mm2
例如：45钢正火后做成Ф10拉伸试样

拉断前的最大负荷为4800N（480Kgf）
σb= =610MPa （610N/ mm2，61 Kgf/ mm2）
（因为1 Kgf =9.80665N, 近似1 Kgf =10N）
二、屈服极限（屈服点强度）
材料在外力作用下，开始产生明显塑性变形时的应力，称为屈服极限。以σs或σ0。2表示，单位MPa
σS = （Mpa）
式中： ——屈服现象时的负荷，N
——试样的原始截面积，mm2
例如：45钢正火后的上述试样
=2800N，则σs = = 360MPa
除低碳钢、中碳钢及少数合金钢有屈服现象外，大多数金属材料没有明显的屈服现象。标准规定以产生试样标长的0.2%残余变形时的应力,作为屈服极限，以σ0。2表示。人们又常称为条件屈服极限。
三、简介弹性极限
四、屈强比：之比叫屈强比。屈强比愈小，可靠性愈大。
万一超载也能由于塑性变形，使强度提高而不致立刻断裂。但此值太低，材料的利用率太低。普通碳结构钢为0.5～0.6，低合金结构钢为0.65～0.75，合金结构钢为0.7～0.8，弹簧钢为0.85～0.9。
五、抗压强度σbc，抗弯强度σbb，其单位与σb相同，它们都与σb有一定关系。
§2.塑性
一、什么叫塑性
材料在外力作用下产生残余变形（永久变形）而不破坏的能力叫塑性。
二、表示塑性指标的方法

1．延伸率——试样被拉断后的伸长量与原始长度比值的百分率。用δ表示。
δ=×100%
式中：—— 试样原标距长度，mm
—— 试样拉断后的标距长度，mm
δ5和δ10分别表示试样标距长度为直径的5倍和10倍，同样的材料δ5 大于δ10 ，一般δ5 =（1.2-1.5）δ10 ,目前标准中优先选用短试样。δ5 或δ10 数值愈大表明材料的塑性越好。
例如：45钢做拉伸试验时
=50 ，=58，δ5 =×100% = 16%
2．断面收缩度——试样被拉断后的截面积缩小量与原截面积比值。用Ψ表示。
Ψ=×100%
式中：——试样的原断面积，mm2
——试样断裂处的断面积，mm2
例如：45钢做拉伸试验时试样原始直径Ф10 =78.5 mm2
断裂处的直径Ф7.75 =47.1 mm2
Ψ=×100%=40%
Ψ的数值愈大表明材料的塑性愈好。
3．塑性好的材料适于做冷压成型的产品。
材料良好的塑性是压力加工及焊接等加工工艺的重要条件，也是机械零件在使用过程中安全的保证。

§3.硬度
一、什么叫硬度
材料表面抵抗比它更硬物体压入的能力用硬度表示。或者说硬度是材料表面局部弹性变形、塑性变形的抗力。
硬度是机械性能的代用指标，它与其他性能有一定的关系。
二、布氏硬度
1．测量原理：用一定直径大小的淬火钢球或硬质合金钢球，在规定试验力的作用下，压入被测材料的表面，保持一段时间，卸除试验力，测量压痕的直径d，以压痕球面积上所产生的抗力，表示硬度值。（不标注单位）
2．表示方法：用淬火钢球时以HBS表示，用硬质合金球时以HBW表示。符号前面的数值为硬度值。例如：220HBS，500HBW等。淬火钢球用于测量硬度＜450HBS的材料，硬质合金球可测量＜650HBW的材料。我国目前布氏硬度机主要是淬火钢球。所以又习惯用HB表示。
3．应用方法：不用计算，用刻度放大镜测出压痕直径d，查表得知布氏硬度值。
三、洛氏硬度
1．测量原理：用顶角120o金刚石锥体，或直径Ф1.588mm淬火钢球作为压头，在规定载荷的作用下，压入被测金属的表面，然后根据压痕深度来确定硬度值。

（1）当压头到被测工件的表面a点时，加预负荷，压头到b点。ab之间的距离ho是预负荷的压入深入，这是为了消除表面光洁度对硬度的影响。
（2）加主负荷，压头从b到c，bc之间的距离h+h2是主负荷压入的深度。
（3）当卸除主负荷后，由于金属的弹性变形，压头从c弹回到d，cd之间的距离h2是金属弹性变形恢复的深度。
（4）bd之间的距离h，是计量硬度值的基础。金属越硬则h越浅，金属越软则h越深。
2．照顾到习惯上数值越大硬度越高的特点，采用一常数减去h的方法。并规定每0.002毫米压痕深度为一硬度单位，用符号HR表示。
HR= （从表盘直接读数，此值无单位）
式中K是一规定常数。
3．洛氏硬度的三种尺标及应用范围
标尺符号
压头类型
总负荷（Kgf）
应用范围
应用举例
HRA
金刚石锥体
60
70-85
碳化物、表面硬化钢
HRB
Ф1588钢球
100
25-100
软钢、铜合金等
HRC
金刚石锥体
150
20-67
淬火钢、调质钢等
注：注意三种硬度值的标注方法是不一样的。

4.影响洛氏硬度测量准确度的因素分析
（课堂听讲，课后查找）

四、维氏硬度
（右图）

压头是夹角136°的金刚石四棱锥体，压力负荷大小不等，可根据被测试样的条件选择。硬度值是根据压痕对角线的长度查表得知。维氏硬度用符号HV表示，它测量的范围广，从105HV到1037HV，但应用不方便。查硬度对照表得知：105HV相当于60HRB。211HV相当于17HRC。1037HV相当于70HRC86.6HRA）。
五、肖氏硬度

用一定重量的标准冲头（底端镶有金刚石圆柱体），从一定高度自由落于被测金属的表面，以冲头回跳的高度来测量硬度。回跳越高，硬度就越高。以符号HS表示。
肖式硬度可以检验大型工件，但准确性较差。
六、黑色金属硬度及强度换算表
可参阅热处理手册，第二版（1992年10月）第四卷147-151页
例如： 1、45HRC，73.2HRA，424HBS，碳钢σb≈148.8Kgf/ mm22、2、由表中可以看出1HRC=1/10HBS，即25HRC≈250HBS。3、σb与HBS近似关系为σb≈1/3HBS（Kgf/ mm2）。
如：424HBS，σb≈1/3×424=141Kgf/ mm2（碳钢）

§4.冲击韧性

材料抵抗冲击负荷而不破裂的能力称为冲击韧性。
一、单次冲击试验
1．试验原理和方法
冲击
工作台
试样

试样是按标准制作的带缺口的长方体样，放在试验机的工作台上，用试验机的摆锤在规定的高度自由落下冲断试样。
冲击韧性就是冲断试样时，在试样缺口处单位面积上所消耗的功来表示。
AKu = W（H1-H2）
式中：W——摆锤的重量
H1——摆锤抬起的高度
H2——摆锤冲断试样后升到的高度
AK——冲击功
aku = (、Kgf·m/cm2 、公斤·米/厘米2)
式中：A——试样缺口处原始横截面积cm2
aku——冲击韧性 J/ cm2
2．单次冲击试验的适用范围
冲击试验用于结构钢材，对于脆性大的材料（如铸铁）和塑性好的材料（如铜、低碳钢等）一般不作冲击试验。因前者aku极小，后者又往往不能冲断。另外，aku与试验温度有关。有些材料在室温时不显示脆性。在较低温度下可能发生脆断。对于在寒冷地区和低温下工作的机械结构尤为重要。
3．生产实例：相同材料、相同硬度、不同热处理方法aku不同。
（1）例一：45钢，Ф25试样，正火后170-229HBS
aku≥ 8 Kg·m/ cm （80J/ cm）
45钢，Ф25试样，调质后220HBS
aku= 16.2 Kg·m/ cm （162J/ cm）
（2）例二：“煤截齿”，经不同的热处理方法，在硬度相同的情况下，aku差别很大。
二、多次冲击试验
不少受冲击的零件，如锤杆、活塞杆等，在工作中受多次（＞103）冲击后才会断裂，所受的冲击能量也远远小于一次冲断的能量。把这种冲击称为小能量的多次冲击。这种冲击裂纹是每次冲击损伤的累积和发展的结果。
多次冲击抗力的指标是用开始出现裂纹和最后破断的冲击次数来表示。

多次冲击试验示意图
多次抗力是一个取决于材料强度与塑性的综合机械性能。当冲击能量高时，材料的多次抗力主要取决于塑性。冲击能量低时，则主要取决于强度。
§5.金属的疲劳概念
一、金属的疲劳
机械零件在运转时所受的力，往往随时间的变化，常在小于σb甚至小于σs的应力下，经多次循环后，在无显著外观变形的情况下，突然断裂，这种现象叫“金属的疲劳”或“疲劳断裂”。
无论是脆性材料还是塑性材料，都不产生明显的外观变形，而是突然发生的，具有很大的危险性。
二、疲劳极限
材料经无限次数的应力循环仍不发生疲劳断裂的最大应力称为疲劳极限。光滑试样对称弯曲疲劳极限用σ-1表示。
钢铁材料经过107次应力循环，可称为无限次数应力循环。钢的σ-1约为σb 的一半。
三、提高疲劳强度的方法
设计时考虑零件形状结构，避免应力集中，加工零件时，减小表面粗糙度，采用表面喷丸、滚压、表面淬火、化学热处理等方法，使表面产生残留压应力等措施。
附 录
一、金属的蠕变
金属材料在高温下长时间工作时，虽然所受的应力远远小于σs，但也逐渐产生明显塑性变形的现象称为“蠕变”。
二、断裂韧性
学习金属材料的力学性能都是假定材料内部是完整、连续的。实际上的材料内部不可避免地会存在各种缺陷（夹杂、气孔等）。由于缺陷的存在使材料内部不连续，这可以看成是材料中的小裂纹。在裂纹有尖端前沿有应力集中产生，形成一个裂纹尖端的应力场。
断裂韧性用KⅠC表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。它是评定阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。断裂韧性是强度和塑性的综合体现。

思考题
1．为什么说在机械制造中热处理是影响产品内在质量的重要因素？
2．为什么称热处理是特殊过程？
3．说明σb、σs、σ0。2、δ5、δ10、Ψ、σ-1、HRA、HRB、HRC. HBS、HBW、HV、HS、aku 各符号的含义和应用单位。
4．影响测量硬度（各种硬度）准确性的因素有哪些？应如何避免这些因素的不利影响？
5．为什么说不同的材料有不同的机械性能，相同的材料不同的热加工方法有不同的机械性能，相同的材料不同的热处理方法有不同的机械性能（举例说明）
6．什么叫屈强比？它对选用材料有什么指导意义？
7．从拉伸图上找出强度极限、屈服极限和弹性极限的位置，并说明为什么在该位置？
F——拉伸时加的负荷
ΔL——试样的伸长量
ΔL
F

低碳刚的拉伸图

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