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。 (3)疲劳强度σ-1 材料试样在疲劳试验过程中,在承受无数次(或给定次)对称循环应力作用仍不断裂的最大应力称为疲劳强度。 4.硬度 金属表面抵抗硬物压入的能力称为硬度。 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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