金属材料和热处理基本知识
金属材料及热处理基础知识
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金属材料可以根据其晶体结构、相组 成、显微组织等特征进行分类。例如 ，根据晶体结构，金属材料可分为面 心立方晶格、体心立方晶格和密排六 方晶格等。根据相组成，金属材料可 分为单相合金和多相合金。根据显微 组织，金属材料可分为奥氏体、铁素 体、马氏体等。
金属材料的性质与用途
金属材料的性质包括物理性质、化学性质和机械性能等。物理性质包括密度、熔点、导热性、导电性 和磁性等。化学性质包括耐腐蚀性、抗氧化性和抗疲劳性等。机械性能包括强度、硬度、韧性、塑性 和耐磨性等。
金属材料及热处理基础知识
2023-11-08
contents
目录
• 金属材料概述 • 金属材料的结构与性能 • 金属材料热处理原理及工艺 • 常用金属材料及其热处理 • 金属材料及热处理的应用与发展 • 金属材料及热处理案例分析
01
金属材料概述
金属材料的定义与分类
金属材料是指具有金属特性的材料， 通常包括纯金属和合金。纯金属是由 同种元素组成的金属材料，如铁、铜 、铝等。合金是由两种或两种以上的 金属元素组成的金属材料，如不锈钢 、钛合金等。
热处理缺陷及防止措施
热处理过程中可能出现多种缺陷，如裂 纹、变形、氧化、脱碳等。
裂纹是热处理过程中最常见的缺陷之一 ，它主要是由于加热或冷却速度过快、和冷却速度、选
择合适的加热温度等。
变形是热处理过程中常见的缺陷之一， 它主要是由于加热或冷却过程中产生的 应力引起的。防止变形的措施包括采用 多阶段加热或冷却、合理安排工件的放
性能。
退火
将金属材料加热到适当温度后缓慢 冷却，以消除内应力、提高韧性等 。
正火
将金属材料加热到适当温度后保温 一定时间，然后空冷，使金属材料 内部结构更均匀、硬度更高。
金属热处理基本知识
金属热处理基本知识金属热处理是一种通过加热和冷却来改变金属结构和性能的工艺，广泛应用于工业制造过程中。
本文将介绍金属热处理的基本知识，包括常见的热处理方法、热处理的目的以及热处理对金属材料性能的影响。
一、常见的热处理方法1. 固溶处理固溶处理是一种通过加热金属至其固溶温度，然后迅速冷却以增加金属的硬度和强度的方法。
常见的固溶处理方法包括淬火和时效处理。
淬火是将金属加热至固溶温度，然后迅速冷却以形成固溶体，从而提高金属的硬度和强度。
时效处理是在淬火后，将金属加热至适当温度保持一段时间，以达到固溶体中的晶粒溶解和析出硬化相的目的，提高金属的综合性能。
2. 马氏体转变马氏体转变是一种通过加热金属至马氏体起始温度，然后迅速冷却以在金属中形成马氏体组织的方法。
马氏体转变可以显著提高金属的强度和硬度，同时还可以改善其耐磨性能和韧性。
常见的马氏体转变方法包括淬火和回火。
淬火是将金属加热至马氏体起始温度，然后迅速冷却以形成马氏体，进而提高金属的硬度和强度。
回火是在淬火后，将金属加热至适当温度保持一段时间，使马氏体转变为较为稳定的组织，从而提高金属的韧性。
3. 回火处理回火处理是一种通过加热金属至适当温度，然后保温一段时间以改善金属的组织和性能的方法。
回火处理可以降低金属的硬度和强度，提高其韧性和延展性。
不同的回火处理参数可以得到不同的金属组织和性能。
常见的回火处理方法包括低温回火、中温回火和高温回火，分别适用于不同的金属材料和应用需求。
二、热处理的目的金属热处理的主要目的是改善金属材料的组织和性能，以满足特定的工艺和使用要求。
具体来说，热处理可以实现以下几个方面的目标：1. 提高金属的硬度和强度：通过热处理，可以使金属中的晶体细化，晶体界面增多，从而提高金属的硬度和强度。
2. 改善金属的韧性和延展性：热处理可以消除金属中的内应力和缺陷，减少晶界的孔洞，从而提高金属的韧性和延展性。
3. 提高金属的耐磨性和耐蚀性：通过调整金属的组织和相态，热处理可以增加金属的耐磨性和耐蚀性，提高其在恶劣环境下的使用寿命。
金属材料和热处理基本概念及基础知识-热处理工艺
淬透性一般可用淬火临界直径、截面硬度分布曲 线和端淬硬度分布曲线等表示。由于钢中化学成分的 波动，表示钢淬透性硬度曲线有一个波动范围，被称 为淬透性带。 钢材的淬透性与淬硬性是两个完全不同的概念。 淬火硬度高的不一定淬透性好，而硬度低的钢材也可 能具有高的淬透性。 一般机械制造行业大多以心部获得50％ 马氏体为 淬火临界直径标准，对于重要机加及军工行业则以心 部获得90 ％马氏体作为临界直径标准，以保证零件整 个截面都获得较高力学性能。
2.加热与保温时间
五、钢的回火与回火工艺
将淬火钢重新加热到A1以下某一温度，保温后冷 却到室温的热处理工艺称回火。
1、回火的目的
• ⑴ 降低淬火钢的脆性，消除或减少淬火钢的内应力。 • ⑵ 提高钢的塑性和韧性，获得所要求的性能。
• ⑶ 稳定工件尺寸，降低硬度，便于切削加工。
第四节 钢的表面淬火
将钢加热到临界点以上（某些退火也可在临界点以下） 保温一定时间，随炉缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的 热处理工艺。主要用于铸、锻、焊件毛坯的热处理。
• 1、退火的目的 • 1）降低钢件硬度，便于切削加工。 • 2）消除工件内应力，稳定尺寸。
• 3）细化晶粒，改善组织，提高钢的机械性能。 • 4）为最终热处理做好组织准备。
一、钢的渗碳 渗碳是将钢件加热到奥氏体状态下，于富碳介质 中长时间加热，使碳原子渗入表层，增加钢件表层的 含碳量，然后通过淬火获得高硬度的马氏体组织，达 到提高强度、耐磨性及疲劳强度的目的。 渗碳一般用含碳0.1～0.25%的低碳钢。 渗碳—淬火+低温回火
1、渗碳方法
⑴ 气体渗碳（煤油、苯、甲醇+丙酮） 渗碳介质的分解—吸收—扩散三个基本过程。 主要应控制好加热温度（930 º C）和保温时间。 温度越高，渗速越大，扩散层越厚，但晶粒越大，使 钢变脆。保温时间取决于渗层厚度，但时间越长，扩 散速度减慢。钢件渗碳几小时到几十小时，可得到 0.5~2mm的渗碳层深度。 ⑵ 固体渗碳 ⑶ 液体渗碳
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2 .洛氏硬度
以顶角为120度的金刚石圆锥体或直径1．588mm的淬火 钢球作为压头，以一定的压力使其压入材料表面，测量压痕 深度来确定其硬度，即为洛氏硬度。被测材料硬度，可直接 在硬度计刻盘读出。
洛氏硬度常用的有三种，分别以HRA、HRB、HRC来表示。 洛氏硬度符号、试验条件和应用表
下贝氏体：无方向性的针状铁素体上弥散分布着细小颗粒的 渗碳体
7、魏氏组织
魏氏组织是在比较大的过冷度下形成的。奥氏体过冷到这 一温度区内，便会形成魏氏组织。魏氏组织铁索体是以切变机 理形成的其生长往往都是由晶界网状铁索体分枝，许多铁赢体 片平行地向晶粒内部长大。铁素体片之间的奥氏体随后变成珠 光体。魏氏组织会降低钢的塑性和韧性，尤其是冲击韧性。
3．维氏硬度 测定维氏硬度的原理基本上和布氏硬度相同，区别在于压头
采用锥面夹角为136度的金刚石正四棱锥体，压痕是四方锥形。 维氏硬度值用HV表示。
压痕面
4. 里氏硬度
原理：当材料被一个冲击体撞击时，较硬材料使冲击体产生 的反弹速度大于较软者。
5. 硬度与强度值的对应关系 由于硬度值综合反映了材料在局部范围内对塑性变形等 的抵抗能力，故它与强度值也有一定关系。 工程上：
冷却速度对晶粒大小的影响
快速冷却，形核点多，晶粒细小 冷却速度慢，均匀长大，晶粒粗大
1.2.2 铁碳合金的基本组织 铁 碳含量>2%--弱而脆
铁碳合金
铁素体—碳熔于α铁或δ铁中的固溶体 F
钢 奥氏体—碳熔于γ铁中的固溶体 A 强而韧 碳含量 0.02%-2%
渗碳体—铁碳金属化合物含碳6.67% Fe3C
许用应力 o
n
安全系数
金属材料及热处理的基本知识
金属材料及热处理的基本知识金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。
金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。
其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。
为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。
钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。
另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。
在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。
早在公元前770～前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。
白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。
公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。
中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。
随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。
三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。
这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和尿的冷却能力。
中国出土的西汉(公元前206～公元24)中山靖王墓中的宝剑,心部含碳量为0.15～0.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。
但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。
1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。
金属材料及热处理基本知识
• 硬度
• 定义：是指材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。
• 试验：通常有以下几种试验形式：布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV、里 氏硬度HL。
• 应用：
• 布氏硬度试验是指用一定直径的（球体钢球或硬质合金球）以相应的试验 压力压入被测材料或零件表面，经规定保持时间后卸除试验力，通过测量 表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验方法。
• σ相：是在研究Fe-Cr合金变脆时发现的一种合金相 。
• 从铁碳合金状态图中可知:
含碳量为0.77％的铁碳合金只发生共析转变，其组织是100％珠光体，称为 共析钢;
含碳量＞0.77％的铁碳合金称为过共析钢，其组织是珠光体P＋渗碳体Fe3C ；
含碳量＜0.77％的铁碳合金称为亚共析钢，其组织是铁素体F＋珠光体P。组 织中铁素体F的含量越多，表明碳含量越低，则材料的塑性和韧性就越好，但强 度和硬度就随之降低。
• 苛性脆化 由于介质内具有含量很高的苛性钠（NaOH）促使钢材腐蚀加 剧而引起的脆化现象（一般都发生在受压元件的铆接等处）。
苛性脆化 的破坏形式是在肉眼可看到的主裂纹上有大量肉眼看不
到的分支细裂纹。元件发生苛性脆化时，裂纹附近的钢材仍具有良好的塑 性及脆性性能。
• 应力腐蚀脆性断裂 断裂。
由拉应力与腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆性
• 含碳量0.2%的铁碳合金的结晶过程：
液态金属随着温度的降低开始结晶，冷却至AB线以下时析出б-Fe；至HJB线 （14950C）发生包晶反应，液相和б-Fe一起转变，形成奥氏体；继续冷至GS线 ，奥氏体开始向铁素体转变，同时引起母相奥氏体（A）中碳浓度的变化。随着 温度降低，奥氏体（A）中的含碳量沿GS线逐渐增加而趋近于S点，即合金冷却 至7270C时，奥氏体（A）中的含碳量增为0.77%，故当合金再冷却至稍低于7270C 时，其组织中剩余的奥氏体（A）便按共析反应而转变为珠光体，最终的显微组 织为F+P。
金属材料与热处理基本知识
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/y2.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δ②断面收缩率ψ3.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。
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2、常用的细化晶粒的方法：
A、增加过冷度
B、变质处理 C、振动处理。
三、同素异构转变
1、金属在固态下，随温度的改变有一种晶格转变为另一晶格的现象称为 同素异构转变。
2、具有同素异构转变的金属有：铁、钴、钛、锡、锰等。同一金属的同素 异构晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母α，β，γ， δ等表示。
用HBS（HBW）表示，S表示钢球、W表示硬质合金球 当F、D一定时，布氏硬度与d有关，d越小，布氏硬度值越大，硬度越高。 （2）布氏硬度的表示方法：符号HBS之前的数字为硬度值符号后面按以下顺 序用数字表示条件：1）球体直径；2）试验力；3）试验力保持的时间 （10~15不标注）。
应用范围：主要适于灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不高的材料。
2、洛氏硬度
（1）测试原理：
采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头，压入金属表面后，经规定保持时间后即 除主试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。
表示符号：HR
（2）标尺及其适用范围：
每一标尺用一个字母在洛氏硬度符号HR后面加以注明。常用的洛氏硬度标 尺是A、B、C三种，其中C标尺应用最为广泛。
见表：P21 2-2
§2-2金属的力学性能
学习目的：★了解疲劳强度的概念。 ★ 掌握布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度的概念、硬
度测试及表示的方法。 ★掌握冲击韧性的测定方法。 教学重点与难点 ★布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度的概念、硬度测
试及表示的方法。
§2-2金属的力学性能 教学过程：
复习：强度、塑性的概念及测定的方法。
2、 非晶体：在物质内部，凡原子呈无序堆积状态的（如普通玻璃、松 香、树脂等）。 非晶体的原子则是无规律、无次序地堆积在一起的。
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• 以正火、退火或淬火回火（含调质）作最终热处理状态的 零件，一般仅标注硬度要求，通常以布氏硬度或洛氏硬度 表示：
• • • • • • • •
示例1：材料45#零件正火处理可表示为： 热处理：正火180HBW－210HBW 示例2：材料45#零件调质处理可表示为： 热处理：调质220HBW~250HBW 示例3：材料40Cr零件调质处理可表示为： 热处理：调质220HBW~280HBW 示例4：材料45#、40Cr零件淬火回火处理可表示为： 热处理：淬火48HRC~53HRC
常用热处理工艺术语及钢的常用热处理方法
局部热处理——仅对工件的某一部位或几个部位进行热处理的工艺。
退火——工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。 正火——工件加热奥氏体后在空气中冷却的热处理工艺。 淬火——工件加热奥氏体后以适当方式冷却获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。 局部淬火——仅对工件需要硬化的局部进行的淬火。 火焰淬火——利用氧－乙炔（或其它可燃气）火焰使工件表层加热并快速冷却的淬火。 感应淬火——利用感应电流通过工件所产生的热量，使工件表层、局部或整体加热并 快速冷却的淬火。 回火——工件淬硬后加热到AC1以下的某一温度，保持一定时间然后冷却到室温的热 处理工艺。 调质——工件淬火并高温回火的复合热处理工艺。
热处理：是指通过对工件的加热、保温和冷却，使金属或 合金的组织结构发生变化，从而获得预期的性能的操作工 艺称为热处理。 热处理目的 通过热处理，能够充分挖掘材料的潜力，最大限度的节省原 材料；降低材料的硬度，提高塑性，改善切削加工性能，可
以消除铸、锻、焊、轧、冷加工所产生的应力。
常用测量硬度的方法： 布氏硬度HB 洛氏硬度HR 维氏硬度HV 肖氏硬度HS 锉刀法
淬火目的： 提高材料的硬度、强度等力学性 能，提高零件使用寿命 各种工具、模具、量具、滚动轴 承等都需要淬火处理提高硬度和 耐磨性。
表面淬火是一种不改变钢表层化学成分，但改面表 层组织的局部热处理工艺。 方法：是通过快速加热，使钢件表面层很快达到淬 火温度，在热时来不及传递到中心就立即迅速冷却， 实现局部淬火。
正火：将钢加热到一定温度（亚 共析钢A3、共析钢A1、过共析钢 A线上30-50度）保温一定时间， 出炉在空气中冷却的热处理工艺 方法。 正火目的： 正火作用类似退火 消除内应力，但没有退火彻底 为淬火做好组织准备
）
淬火是将钢加热到一定温度（亚 共析钢A3、共析钢A1、过共析钢 A线上30-50度），保温后在冷水 或油中迅速冷却的热处理工艺方 法。
铁碳合金相图
面心立方
体方立方
• 热处理的基本过程 • 加热——保温——冷却
热处理的方法和应用
退火：工件加热到适当 温度，保持一定时间， 然后缓慢冷却的热处理 工艺
退火的目的： 1、降低硬度，有利于切削加工 2、细化晶粒，改善组织和性能 3、增强塑性和韧性 4、消除内应力 5、为淬火作好组织准备