金属材料及热处理基本知识
一、金属材料的力学性能
金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所反映出来的性能。金属常用的力学性能有：
1.弹性 金属材料在受到外力作用时发生变形，外力消除后其变形逐渐消失的性质称为弹性。
① 刚性是指材料或构件在外力作用下抵抗弹性变形的能力。
② 刚度：k＝F/y
2.塑性 金属材料在受到外力作用时，产生显著的变形而不断裂的性能称为塑性。
① 伸长率δ
② 断面收缩率ψ
3.强度 金属材料在外力作用下，抵抗变形和破坏的能力称为强度。
由于各种机器零件或构件因载荷作用形式和作用性质不同，金属材料所表现出的强度大小也不同。
金属材料的强度指标：
（1）屈服强度σs 在拉伸试验中，载荷不增加而试样仍能继续伸长时的应力称为屈服强度。
（2）抗拉强度σb 材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度。
最常用的硬度指标：
（1）布氏硬度HBS(HBW) 布氏硬度是使用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球），以规定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，然后用测量表面压痕直径来计算硬度。使用淬火钢球作硬度试验得到的硬度用HBS表示；使用硬质合金球作硬度试验得到的硬度用HBW表示。
（2）洛氏硬度HRC 洛氏硬度C标尺试验采用120°金刚石圆锥体加1471N总试验力测量的硬度值。
5.冲击韧性 金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧性，其大小用冲击韧度αK表示。
二、钢的分类、用途与牌号
（一）钢的分类
1.按是否特意加入合金元素分类：
（1）碳素钢 不含有特意加入合金元素的钢，称为碳素钢。
（2）合金钢 在碳素钢的基础上，为改善钢的性能，在冶炼时有目的地加入一种或数种合金元素的钢，称为合金钢。
2.按含碳量分类
（1）低碳钢 C ≤ 0.25％；
（2）中碳钢 0.25％ ＜ C ＜ 0.60％；
（3）高碳钢 C ≥ 0.60％；
3.按质量分类
（1）普通钢 S ≤ 0.050％，P ≤ 0.045％
（2）优质钢 S ≤ 0.035％，P ≤ 0.035％
（3）高级优质钢 S ≤ 0.025％，P ≤ 0.025％
4.按合金元素总量分类
（1）低合金钢 合金元素总含量 ＜ 5％
（2）中合金钢 合金元素总含量 5％ ～ 10％
（3）高合金钢 合金元素总含量 ＞10％
5.按用途分类
（1）结构钢 主要用于制造各种机械零件和工程构件的钢。
（2）工具钢 主要用于制造各种刀具、模具和量具等用钢。
（3）特殊性能钢 具有某种特殊物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。
（二）碳素钢的牌号表示方法、代号及符号
1.碳素结构钢
碳素结构钢的杂质和非金属夹杂物较多，但冶炼容易，工艺性好，价格便宜，通常轧制成钢板和各种型材，用于厂房、桥梁、船舶等结构用钢或一些受力不大的机械零件。
牌号： Q×××
注：Q后的三位数字表示其屈服强度的数值，单位是MPa。
2.优质碳素结构钢
优质碳素结构钢的硫、磷及非金属夹杂物含量低，常用于制造重要的机械零件，使用前一般要进过热处理来改善力学性能。
牌号： ××
注：两位数字表示其平均含碳量的万分数。
3.碳素工具钢
碳素工具钢是用于制造刀具、模具和量具的钢。由于大多数工具都要求高硬度和高耐磨性，故碳素工具钢含碳量均在0.70％以上，都是优质钢或高级优质钢。
牌号： T× 或 T××
注：T后的一或两位数字表示其平均含碳量的千分数。如果该钢的质量等级是高级优质，则在数字后加一个A。
4. 铸造碳钢
铸造碳钢一般用于制造形状复杂、力学性能要求较高的零件，如轧机机架、水压机横梁、锻锤和砧座等。铸造碳钢的含碳量一般在0.20％～0.60％之间。如果含碳量过高，则塑性变差，而且铸造时易产生裂纹。
牌号：ZG×××-×××
注：ZG后的前三位数字表示其最低屈服强度，后三位数字表示其最低抗拉强度，单位均为MPa。
（二）合金钢的牌号表示方法
1.合金结构钢
（1）低合金结构钢
低合金结构钢含碳量一般为0.10％～0.25％，加入了少量合金，具有良好的塑性、韧性、耐蚀性和焊接性，广泛用于制造工程钢结构件。例如桥梁、船舶、车辆、锅炉、压力容器、输油管等。
牌号：Q×××
注：Q后的三位数字表示其屈服强度的数值，单位是MPa。
（2）合金结构钢（合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和滚动轴承钢）
牌号：两位数字（钢中平均含碳量的万分数） 合金元素符号 数字（合金元素平均含量的百分数）
注：当合金元素的平均含量＜1.5％时，只标元素符号，不标含量。
2.合金工具钢
牌号：数字（钢中平均含碳量的千分数） 合金元素符号 数字（合金元素平均含量的百分数）
注：① 当钢中平均含碳量＞1％时，不标含量。
② 当合金元素的平均含量＜1.5％时，只标元素符号，不标含量。
常用合金工具钢的种类：
（1）低合金刃具钢
（2）高速钢
3.特殊性能钢
牌号：数字（钢中平均含碳量的千分数） 合金元素符号 数字（合金元素平均含量的百分数）
注：① 当钢中平均含碳量＞1％时，不标含量。
② 当钢中平均含碳量为0.03％ ～ 0.10％时，含碳量用0表示，如0Cr18Ni9。
③ 当钢中平均含碳量≤0.03％时，含碳量用00表示，如00Cr30Mo2。
④ 当合金元素的平均含量＜1.5％时，只标元素符号，不标含量。
为了表示钢的特殊用途，有的在钢的牌号前面冠以汉语拼音首字母，而不标含碳量，如GCr15，G表示滚动轴承钢，但Cr元素后面的数字表示平均含铬量的千分数，而其他合金元素的平均含量仍用百分数表示。例如GCr15SiMn。
（1）不锈钢
① 铬不锈钢
常用牌号有：1Cr13、2Cr13、3Cr13等。其中1Cr13、2Cr13耐腐蚀能力和塑性、韧性很好，适用于制造在腐蚀条件下工作、受冲击载荷的零件，如汽轮机叶片、水压机阀门等。3Cr13的含碳量高，用于制造弹簧、轴承、医疗器械等。
② 铬镍不锈钢
常用牌号有：0Cr19Ni9、1Cr18Ni9等。铬镍不锈钢主要用于制造强腐蚀介质中工作的零件或构件，如化工设备中的零件或构件等。
（2）耐热钢
常用牌号有：4Cr9Si2、1Cr13Al、4CrNi14W2Mo等。4Cr9Si2、1Cr13Al可用于加热炉底板、渗碳箱等；4CrNi14W2Mo可用于制造汽轮机叶片、大型发动机排气阀等。
三、铸铁的分类、用途及牌号
1.白口铸铁
2.灰铸铁
牌号：HT×××
注：HT后的三位数字表示其最低抗拉强度的数值，单位MPa。
3.球墨铸铁
牌号：QT×××－××
注：QT后的前三位数字表示其最低抗拉强度数值，单位MPa，后两位数字表示最低伸长率。
4.可锻铸铁，
① 黑心可锻铸铁
牌号：KTH×××－××
② 珠光体可锻铸铁
牌号：KTZ×××－××
注：两组数字的意义与球墨铸铁相同。
5.蠕墨铸铁RUT×××
注：RUT后的数字的意义与灰铸铁相同。
四、钢的热处理
1.退火 把钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）到室温的热处理工艺称为退火。常用的退火方法有：
（1）完全退火 把含碳量＜0.77％的钢（一般为中、低碳钢）加热到预定温度（完全奥氏体化），保温一定时间，然后随炉缓慢冷却的热处理方法。
完全退火的目的：降低钢的硬度，细化晶粒，增加塑性，消除钢中的不均匀组织和内应力。
（2）球化退火 把含碳量＞0.77％的钢（高碳钢）加热到750℃左右，保温一定时间，然后随炉缓慢冷却至500℃以下，最后在空气中冷却至室温的热处理方法。
球化退火的目的：使钢中的碳化物呈球状，降低钢的硬度，改善切削加工性能；也可作为高碳钢淬火处理前的预备热处理。
（3）去应力退火 又称低温退火。它是把钢加热到500～650℃，保温一定时间，随炉缓冷至300℃以下出炉的热处理方法。
去应力退火的目的：消除由于塑性变形、焊接、切削加工、铸造、锻造等形成的残余内应力。
2.正火 把钢加热到适当温度（完全奥氏体化），保温一定时间，然后在空气中冷却的热处理工艺称为正火。
正火的目的与退火基本相同，但正火的冷却速度比退火快，成本比退火低，得到的组织较细，硬度、强度比退火高。缺点是：因冷却速度较退火快，对现状较复杂的零件，有引起开裂的危险。高碳钢在球化退火前应安排正火处理，以消除网状碳化物。
3.淬火 把钢加热到一定温度，经保温后快速在水（或油）中冷却的热处理方法称为淬火。
淬火的目的：获得马氏体组织，提高钢的强度、硬度和耐磨性。
4.回火 将淬火后的钢重新加热到某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理方法称为回火。
回火的目的：
① 减少或消除工件淬火时产生的内应力，防止工件在使用过程中的变形和开裂。
② 适当降低钢的强度和硬度，提高钢的韧性。
③ 消除残余奥氏体，稳定钢的组织和工件尺寸。
回火的种类：
（1）低温回火（150～250℃）：降低内应力、脆性，保持淬火的高硬度和高耐磨性。
（2）中温回火（350～500℃）：提高弹性、强度，获得较好的韧性。
（3）高温回火（500～600℃）：“淬火 高温回火”称为调质，可获得良好的综合机械性能。
5.钢的表面淬火 仅对工件表层进行淬火的工艺称为表面淬火。表面淬火的目的是提高零件表面的硬度和耐磨性，保持心部的塑性和韧性。
常用的部门淬火有：
（1）火焰加热表面淬火
（2）感应加热表面淬火
感应加热表面淬火的加热方式分高频感应加热、中频感应加热和工频感应加热三种。随感应电流频率的降低，加热速度逐次降低，热传导深度逐次增大，因此淬硬层深度逐次增加。
6.化学热处理
（1）渗碳
（2）渗氮
（3）碳氮共渗
五、硬质合金
（一）硬质合金的性能特点
硬质合金是将难熔的高硬度的WC、TiC、TaC粉末与钴、镍等金属粘接剂粉末混合、压制成形，再在高温下烧结而成的。其特点是：
1.硬度高、热硬性高、耐磨性好。
2.抗压强度高、韧性差。
硬质合金一般不能制成形状复杂的整体刀具，只能以刀片的形式用焊接、粘接或机械夹紧的方法固定在刀体上。
（二）常用硬质合金
1.钨钴类硬质合金YG（表示“硬”、“钴”——粘接剂）
牌号：YG 数字（平均含钴量的百分数）
钴的含量越高，韧性越好，抗冲击能力越高。YG类硬质合金适用于脆性材料（如铸铁、青铜等）的加工以及断续切削加工。
2.钨钴钛类硬质合金YT（表示“硬”、“钛”——碳化钛）
牌号：YT 数字（碳化钛平均含量的百分数）
碳化钛含量越高，硬度越高，耐磨性越好，但强度和韧性越低。YT类适用于塑性材料（如钢等）的连续切削加工。
3.通用硬质合金YW
通用硬质合金是以碳化钽（Tan）或碳化铌取代YT类硬质合金中的一部分碳化钛制成的。由于碳化钽（碳化铌）可显著提高合金的热硬性，常用来加工不锈钢、耐热钢、高锰钢等难加工材料。
牌号：YW 序号 如TW1、TW2。
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