常用金属材料及热处理
金属材料的热处理和表面处理
金属材料的热处理和表面处理金属材料在工业生产和制造过程中扮演着重要的角色。
为了提高金属材料的性能和延长其使用寿命，热处理和表面处理成为必不可少的工艺。
本文将介绍金属材料的热处理和表面处理的基本概念、工艺和应用。
一、热处理热处理是通过在一定温度范围内对金属材料进行加热、保温和冷却来改变其组织结构和性能的工艺。
常见的热处理方法包括退火、淬火、回火和正火。
1. 退火退火是最常见的热处理方法之一，通过将金属材料加热至一定温度，然后缓慢冷却至室温，以改善金属的塑性、韧性和机械性能。
退火过程中，金属材料的晶粒会长大并且组织结构得到调整，从而消除内部应力和缺陷。
2. 淬火淬火是将金属材料迅速冷却至室温的热处理方法。
淬火能使金属材料获得高硬度和较高的强度，但会增加脆性。
因此，通常需要通过回火来降低脆性。
3. 回火回火是将淬火后的金属材料加热至一定温度，然后以适当速度冷却的过程。
回火旨在降低金属材料的硬度和脆性，提高其韧性和塑性，以适应不同的使用要求。
4. 正火正火是将金属材料加热至临界点以上，然后冷却至室温的热处理过程。
正火能改善金属材料的硬度、强度和韧性，并且能提高金属材料的耐磨性能。
二、表面处理表面处理是通过对金属材料表面进行物理、化学或电化学处理，以提高金属材料的耐腐蚀性、耐磨性、装饰性和功能性。
常见的表面处理方法包括电镀、喷涂、热喷涂和阳极氧化。
1. 电镀电镀是利用电解质溶液中的金属离子，通过电解沉积在金属材料表面，形成一层金属膜的过程。
电镀可以改善金属材料的外观，提高其耐腐蚀性和耐磨性，同时也可以增加金属材料的导电性和焊接性。
2. 喷涂喷涂是将涂料通过喷枪均匀地喷洒在金属材料表面的过程。
喷涂能够形成一层保护膜，提供金属材料防锈、防腐蚀和装饰的功能。
常见的喷涂涂料有涂胶、烤漆和粉末涂料等。
3. 热喷涂热喷涂是将金属粉末或陶瓷粉末加热至熔点，然后通过喷枪喷射在金属材料表面形成涂层的过程。
热喷涂能够提高金属材料的抗腐蚀性、耐磨性和耐高温性，常用于航空航天和化工等领域。
常用金属材料热处理方法机械性能及应用范围
Y40Mn
≤50
-
-
＜207
18CrMnTi
≤50
≥7000
≥4300
-
160-207
18CrMnTi
1.900-950℃渗碳 渗碳，淬油 2.箱冷 3.加热至860-880℃淬油 4.180-200℃回火 正火 1.加热至880-900℃ 2.空气冷却 1.加热至860-880℃淬水 或油 2.490-510℃回火
≤70
≥10000 心部 46006000
≥8000 心部 30004000
心部 240-300
表面 58-62
20Cr
≤50
-
143-179 这种钢一般经渗碳淬火或调质后使用很少在正火状态下使用
20Cr
调质
≤50
≥7000
≥5000
-
179-212 用于制造高速中等冲击负荷的零件 这种钢经渗碳，淬火后的机械性能和18CrMnTi相似，但心部 ≥212 的强度销低，用于要求心部强度较高，表面耐磨，尺寸较大 的渗碳零件，如齿轮，齿轮轴，蜗杆，凸轮，柱塞，活塞 销，主轴，爪型，离合器等 抗拉强度与屈服强度比相应的碳素钢高20%，并具有良好的淬 180-230 透性， 很少在正火状态下使用。在许可条件下应尽量用45号缸代替 10Cr钢制造机床零件。 230-280 用于受交变负荷，中等连……负荷下的零件……齿轮， 用滚动轴的主轴和轴，顶夹套……轴等；
≤50
10000
8000
表面 56-58
用于中等负荷并要求耐磨的零件。定位和紧固螺钉，轴，梢子等
40
25
5700
3400
-
40钢是有较高的强度，用于制造要求较高的零件。如轴，连 杆，圆盘等。这种钢可焊接，但焊接前须预热至150℃
金属材料及热处理(最新版)
8、屈氏体：同上是珠光体的一种，更细片状铁素体+更细片状渗碳体叫之为屈氏体， 形成温度 600－550oC。HB330－400（HRC32－38）。
6
生产中防止回火脆性的方法主要有： z 回火后进行快速冷却（油或水冷）为消除重新产生的热应力，则在回火后可再进行
Ms， γ Fe转变为α Fe，碳原子全部被保留在α Fe中，形成一种过饱和的固溶体组织，这就
是马氏体。这种转变也称非扩散形转变。马氏体金相显微组织呈针状，黑色针状物为马氏 体，白色基体称为残余奥氏体。性能十分脆硬。HB可达 600－700（HRC60－65）。淬火即可 获得这种组织。硬度取决于C含量，低C钢淬不硬，含C量高于 0.8％，硬度几乎不再增加了。 马氏体的转变随C含量增高而降低含碳量 0.5％时Mz约 0oC，Ms290oC随着含C增Ms下降，C量 小于 0.8％时Mz也随C ↑ 而下降，0.9 以上时Mz在-100oC附近下降不大。奥氏体向马氏体的转 变有一个很大的特点：奥氏体不能百分之百转化为马氏体总有较少的奥氏保留下来，称保 留下来的为残氏奥氏体。因奥氏体为γ Fe面心产方晶格，比容（单位重量的体积）较小，约 只有 0.122—0.125，而马氏体为α Fe过饱和固溶体，比容较大，约有 0.127－0.130，可见， 在转变过程中，在马氏体形成的同时还伴随着体积的膨胀，从而会对尚未转变的奥氏体造 成一内压力，合使其不易发生向马氏体的转变而被保留下来。Ms Mz点越低剩余奥氏体量也 就越多。
金属材料与热处理
一、金属材料及热处理
第5章金属材料及热处理概论
第5章金属材料及热处理概论 （3）热膨胀性。金属在温度升高时体积膨胀的现象称 为热膨胀性，用线膨胀系数α表示，其单位是1／℃或1／K， 即温度每升高1℃，其单位长度的膨胀量。α值越大，金属的 尺寸或体积随温度变化而变化的程度就越大。
第5章金属材料及热处理概论
2.金属材料的化学性能
金属材料的化学性能是指金属材料在室温或高温条件下
全性，因此必须同时考虑金属材料的冲击韧度。 目前，工程上一般用金属夏比冲击试验来测定金属材料 的冲击韧度值αk。 金属夏比冲击试验是先将被测的金属材料制成一定形状
和尺寸的试样(图5－1(a)为u形缺口冲击试样)，将其安放在冲
击试验机上，把具有一定重量G的摆锤提到h1高度后，使摆锤 自由下落(见图5－1(b))。
第5章金属材料及热处理概论 3）塑性 塑性是指金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致
破裂的能力。
许多零件或毛坯是通过塑性变形而成形的，要求材料有
较高的塑性，并且为防止零件工作时脆断，也要求材料有一
定的塑性。塑性也是金属材料的主要力学性能指标之一，常 用的塑性指标有断后伸长率δ 和断面收缩率ψ 。关于塑性
第5章金属材料及热处理概论 （2）收缩性。收缩性是指铸件在冷却凝固时，体积和线 性尺寸收缩的程度。收缩不利于金属铸造，它将使铸件产生
缩孔、缩松、变形等缺陷。
金属材料与热处理(最全)
典型铁碳合金的平衡结晶过程 及组织
A F+A F
L L+A
A+Fe3C
F+Fe3C
L+Fe3C
1.纯铁(﹤0.0218%C） 2.钢（0.0218%～2.11%C）
亚共析钢（ 0.0218%～0.77%C） 共析钢（0.77%C） 过共析钢（0.77%C ～2.11%C ）
3.5 铁碳相图在工业中的应用
1、在选材方面的应用 ： 根据零件的不同性能要求 来合理地选择材料。 2、在铸造生产上的应用： 参照铁碳相图可以确定钢 铁的浇注温度，通常浇注 温度在液相线以上 50－ 60℃。纯铁和共晶白口铸 铁的铸造性能最好。 3、在锻压生产上的应用： 锻扎温度控制在单相奥氏 体区。 4、在热处理生产上的应用 ：热处理工艺的加热温度 依据铁碳相图确定。
金属材料与热处理(最全)
工程材料的分类
工程材料
黑色金属材料：钢和铸铁
金属材料
有色金属材料
铝及铝合金 铜及铜合金 滑动轴承合金
高分子材料
非金属材料 陶瓷材料 复合材料
当今社会科学技术突飞猛进，新材料层出不穷，但到目前为止，在 机械工业中使用最多的材料仍然是金属材料，其主要原因是因为 它具优良的使用性能和加工工艺性能。
F（％）＝(6.69-0.77)÷6.69 ×100％＝88％
Fe3C（％）＝1－88％＝12％
主要转变线
GS线－不同含碳量的合金，有奥氏体开始析出铁素 体（冷去时）或铁素体全部溶于奥氏体（加热时 ）的转变线，常用A3表示
ES线－碳在奥氏体中的固溶体。常用A cm表示，含 碳量大于0.77％的铁碳合金，自1148°冷至727° 从奥氏体析出渗碳体，称二次渗碳体
常用金属材料的热处理
Ar1
Ar1
温度 温度
时间 等温冷却
时间
图5 两种冷却方式 连续冷却
示意图 18
a)等温冷却
一、过冷奥氏体等温转变
（一）共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线建立
将不同等温转变过程中奥氏体转变开始和终结时 间，标注在温度时间坐标系中，分别连接开始转变点 和终结点，所得的图即为等温转变图，共析钢的等温 转变图如图6所示。
的平衡临界点是在极缓慢的加
热或冷却时的转变温度。 ▪ 在实际生产中，加热速度和
冷却速度都比较快，因此组织 转变都有一定的滞后现象，也 就是通常所说的过冷或过热。
Ac3、加热Ac时cm来的表临示界；点用：Ac1、 Ar3、冷却Ar时cm来的表临示界。点用：Ar1、
A+Fe3C A+F
F+P
P+Fe3C
a)显微组织（羽毛状）（600×） b)形成示意图
23
图9 下贝氏体（B下） a)显微组织（黑色针状）（600×） b)形成示意图
24
3.马氏体转变（低温转变）
在Ms以下，得到碳在α-Fe中的过饱和固 溶体，即马氏体。马氏体转变速度极快，瞬 间完成。马氏体量随温度下降而增加，但总 有一部分奥氏体残留下来，称为残余奥氏体， 它将降低钢的硬度，影响零件形状、尺寸的 稳定性。
(2)等温冷却
• 奥氏体化的钢 较快地冷却 A1线以下，产生过冷奥氏体 保温 奥氏体转变 冷却到室温 得所需组织发生P向A转变。
• 过冷奥氏体，被冷却到A1温度以下，尚未发生转变而暂时 存在的奥氏体。
17
▪ 同一种钢在相同的奥氏体化条件下，若采 用不同的冷却方法，可获得不同的组织和性能， 即钢热处理后的组织和性能是由冷却过程决定 的，故奥氏体的冷却过程是钢热处理的关键工 序。
常用金属材料与热处理
标准
名称
牌号
说明
应用举例
GB/T
9439-1988
灰
铸
铁
HT150
“HT”为灰铸铁的汉语拼音的首位字母，后面的数字表示抗拉强度。如HT200表示抗拉强度为200N/mm²的灰铸铁
用于小负荷和对耐磨性无特殊要求的零件，如端盖、外罩、手轮、一般机床底座、床身及其复杂零件，滑台、工作台和低压管等
ZL202表示铜的质量分数为9-11%、余量为铝的铝铜合金
耐磨性中上等，用于制造负荷不大的薄壁零件
GB/T3190-1996
硬铝
ZA12(LY12)
LY12表示铜的质量分数为3.8%-4.9%、美的质量分数为1.2%-1.8%、锰的质量分数为0.3%-0.9%、余量为铝的硬铝
焊接性能好，适用于制造中等强度的零件
标准
名称
牌号
说明
应用举例
GB/T
5676-1985
铸钢
ZG230-450
“ZG”为铸钢汉语拼音的首位字母，后面数字表示屈服点和抗拉强度。如ZG230-450表示屈服点230N/mm²、抗拉强度450N/mm²
轧机机架、铁道车辆摇枕、侧梁、铁铮台、机座、箱体、锤轮、450摄氏度以下的管路附件等
ZG310-570
较高硬度
中等硬度
可在-30到+100摄氏度、且压力不大的条件下，于热空气、蒸汽介质中工作，用作冲制各种垫圈和隔热垫板
常用金属热处理名词解释
名词代号及标注示例源自说明应用退火5111
将钢件加热到临界温度以上，
保温一段时间，
然后缓慢冷却（一般在炉中冷却）
用来消除铸、锻、焊、零件的内应力，降低硬度，便于切削加工，细化金属晶粒，改善组织，增加韧性
常用金属材料热处理规范
常用金属材料热处理规范热处理是指通过加热、保温和冷却等工艺方法，使金属材料在固态下发生化学、物理或机械性能变化的过程。
热处理可以提高金属材料的硬度、强度、韧性、耐磨性等性能，从而满足具体的应用要求。
下面将介绍几种常用金属材料的热处理规范。
1.碳钢的退火处理碳钢是最常见的金属材料之一，经过退火处理后可以提高其塑性和韧性。
通常将碳钢加热至800-900°C，保温时间由材料厚度决定，通常是每25mm厚度增加1小时。
然后将材料冷却到室温，这样可以得到具有良好塑性和韧性的碳钢。
2.不锈钢的固溶处理不锈钢具有优良的耐腐蚀性能，但在焊接后会出现晶间腐蚀的问题。
固溶处理是为了解决晶间腐蚀问题而进行的热处理过程。
通常将不锈钢加热至1050-1150°C，保温时间取决于材料的厚度。
然后将材料迅速冷却到室温，这样可消除晶界处的过饱和元素，减少晶界的碳化物析出，从而提高不锈钢的耐腐蚀性能。
3.铸铁的正火处理铸铁是一种含碳量较高的金属材料，通过正火处理可以提高其硬度和强度。
通常将铸铁加热至850-950°C，保温时间由材料的厚度决定，通常是每25mm厚度增加1小时。
然后将材料冷却到室温。
正火处理可以改善铸铁的组织和性能，提高其机械性能。
4.铝合金的时效处理铝合金具有良好的强度和韧性，但在加工过程中可能会出现软化现象。
时效处理是为了提高铝合金的强度和稳定性的热处理过程。
通常将铝合金加热至150-200°C，保温时间由材料的合金组成决定，通常是几小时至几十小时。
然后将材料迅速冷却到室温。
以上是几种常用金属材料的热处理规范，不同的金属材料可能需要不同的热处理工艺。
在进行热处理时，需要严格控制加热温度、保温时间和冷却速度等参数，以保证热处理的效果。
同时，需要根据具体应用要求选择适当的热处理工艺，以获得期望的材料性能。
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常用金属材料及热处理
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模块一常用金属材料及热处理项目二钢的热处理任务一：钢的普通热处理一、实验目的1、了解碳钢的基本热处理（退火、正火、淬火及回火）工艺方法。
2、研究冷却条件对碳钢性能的影响。
3、分析淬火及回火温度对碳钢性能的影响。
二、实验原理1、钢的淬火所谓淬火就是将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1(过共析钢)以上30～50℃，保温后放入各种不同的冷却介质中（V冷应大于V临），以获得马氏体组织。
碳钢经淬火后的组织由马氏体及一定数量的残余奥氏体所组成。
为了正确地进行钢的淬火，必须考虑下列三个重要因素：淬火加热的温度、保温时间和冷却速度。
（1）淬火温度的选择选定正确的加热温度是保证淬火质量的重要环节。
淬火时的具体加热温度主要取决于钢的含碳量，可根据相图确定（如图4所示）。
对亚共析钢，其加热温度为＋30～50℃，若加热温度不足（低于），则淬火组织中将出现
铁素体而造成强度及硬度的降低。
对过共析钢，加热温度为＋30～50℃，淬火后可得到细小的马氏体与粒状渗碳体。
后者的存在可提高钢的硬度和耐磨性。
（2）保温时间的确定淬火加热时间是将试样加热到淬火温度所需的时间及在淬火温度停留保温所需时间的总和。
加热时间与钢的成分、工件的形状尺寸、所需的加热介质及加热方法等因素有关，一般可按照经验公式来估算，碳钢在电炉中加热时间的计算如表1所示。
表1碳钢在箱式电炉中加热时间的确定加热圆柱形工件形状方形板形温度(℃)分钟/每毫米直径70080090010001.51.00.80.4保温时间分钟/每毫米厚度2.21.51.20.6分钟/每毫米厚度321.60.8（3）冷却速度的影响冷却是淬火的关键工序，它直接影响到钢淬火后的组织和性能。
冷却时应使冷却速度大于临界冷却速度，以保证获得马氏体组织；在这个前提下又应尽量缓慢冷却，以减少钢中的内应力，防止变形和开裂。
为此，可根据c曲线图（如图2所示），使淬火工作在过冷奥氏体最不稳定的温度范围（650～550℃）进行快冷（即与c曲线的“鼻尖”相切），而在较低温度（300～100℃）时冷却速度则尽可能小些。
为了保证淬火效果,应选用合适的冷却方法（如双液淬火、分级淬火等).不同的冷却介质在不同的温度范围内的冷却速度有所差别。
各种冷却介质的特性见表2.表2几种常用淬火介质的冷却能力在下列温度范围内的冷却速度（℃/秒）冷却介质650～550℃18℃的水50℃的水10％nacl 水溶液（18℃）10％naoh水溶液（18℃）10％naoh水溶液（18℃）蒸馏水（50℃）硝酸盐（200℃）菜籽油（50℃）矿务机油（50℃）6001001100120XX0025035020XX50300～
200℃27027030030027020XX03530变压器油（50℃）120252、钢的回火钢经淬火后得到的马氏体组织硬而脆，并且工件内部存在很大的内应力，如果直接进行磨削加工往往会出现龟裂；一些精密的零件在使用过程中将会由于变形引起尺寸变化而失去精度，甚至开裂。
因此钢淬火后必须进行回火处理。
不同的回火工艺可以使钢获得所需的性能。
表4－2为45钢淬火后经不同温度回火后的组织及性能。
表345钢经淬火及不同温度回火后的组织合和性能类型低温回火中温回火高温回火回火温度（℃)150～250350～500500～650回火后的组织回火马氏体＋残余奥氏体＋碳化物回火屈氏体回火索氏体回火后硬度（hRc）60～5735～4520～33性能特点硬度高，内应力减小硬度适中，又较高的弹性具有良好塑性、韧性和一定强度相配合的综合性能对碳钢来说，回火工艺的选择主要是考虑回火温度和保温时间这两个因素。
回火温度：在实际生产中通常以图纸上所要求的硬度要求作为选择回火温度的依据。
各种钢材的回火温度与硬度之间的关系曲线可从有关手册中查阅。
几种常用的碳钢（45、T8、T10和T12钢）回火温度与硬度的关系如表4所示。
表4各种不同温度回火后的硬度值（hRc）回火温度（℃）150～200℃200～300℃300～400℃400～500℃500～600℃45钢60～5450～4050～4040～3333～24T8钢64～6055～4555～4545～3535～27T10钢64～6256～4756～4747～3838～27T12钢65～6262～5757～4949～3838～28也可以采用经验公式近似地估算回火温度。
例如45钢回火温度的经验公式为：T（℃）≈200＋K（60－χ）式中：K——系数，当回火后要求的硬度值＞hRc30时，K=11；＜hRc
时，K=12。
χ——所要求的硬度值（hRc）。
保温时间：回火保温时间与工件材料、尺寸及工艺条件等因素有关，通常采用1～3小时。
由于实验所用试样较小，故回火保温时间可为30分钟，回火后在空气中冷却。
三、实验内容及步骤1、淬火、正火部分的内容及具体步骤：①根据淬火条件不同，分五个小组进行，见表5。
②加热前先对所有试样进行硬度测定。
为便于比较，一律用洛氏硬度测定。
③根据试样钢号,按照相图确定淬火加热温度及保温时间（可按1分钟/每毫米直径计算)。
④各组将淬火及正火后的试样表面用砂纸（或砂轮）磨平,并测出硬度值（hRc）填入表5中。
表5不同钢淬火及正火前后的硬度值20钢处理后的硬度45钢T12钢组别12345淬火加热冷却方式处理前温度（℃）硬度1000℃750℃860℃860℃860℃水冷水冷空冷油冷水冷处理前处理后处理前处理后硬度硬度硬度硬度2、回火部分的内容及具体步骤：①根据回火温度不同，分为五个小组进行，见表4－5。
各小组将已经正常淬火并测定过硬度的45钢试样分别放入指定温度的炉内加热，保温30分钟，然后取出空冷；②用砂纸磨光表面，分别在洛氏硬度机上测定硬度值；③将测定的硬度值分别填入表6中。
表645钢不同温度回火后的硬度组别回火温度回火前hRc回火后hRc四、实验设备及材料1200℃2300℃3400℃4500℃5600℃1、箱式电炉及控温仪表；2、洛氏硬度机；3、冷却介质：水、油（使用温度约20℃）；4、试样材料：20钢，45钢，T12钢。
五、注意事项1、本实验加热所用设备为电炉，电炉一定要接地，在放、取试样时必须先切断电源。
2、往炉中放，取试样必须使用夹钳，夹钳必须擦干，不得
沾有油和水。
3、试样由炉中取出淬火时，动作要迅速，以免温度下降，影响淬火质量。
4、试样在淬火液中应不断搅动，以免试样表面由于冷却不均而出现软化点。
5、淬火时水温应保持20～30℃左右，水温过高要及时换水。
6、淬火或回火后的试样均要用砂纸打磨表面，去掉氧化皮后再测定硬度值。
六、实验报告要求1、实验目的。
2、分析加热温度与冷却速度对钢性能的影响。
3、绘制出45钢回火温度与硬度的关系曲线图。
4、分析实验中存在的问题。
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