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1、 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2.1
2、1%，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
3、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
4、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
5、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，
6、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（150250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
7、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
8、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3050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28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
9、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？
10、 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0.81.0，
11、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0.52mm，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
12、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800900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500600温度范围内进行
13、，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。 45钢常用热处理工艺（鸭嘴鎯頭的淬火） 热处理实验数据表（见掛图） 铁碳相图（铁碳合金相图；金相图：FeFe3C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（FeFe3C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21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：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。
