金属材料及热处理
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
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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。
金属材料与热处理
金属材料与热处理一、金属材料的性能：一般指使用性能和工艺性能。
使用性能——指为保证机械零件、工程构件或工具正常工作情况下，材料应具备的性能，它包括机械性能和物理性能、化学性能等。
工艺性能——指机械零件在冷加工或热加工的制造过程中，材料应具备的性能。
它包括铸造性能、锻造性能、热处理性能以及金属切削加工性能等。
（一）、工艺性能：1、金属的物理性能——包括：密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。
（1）、密度——表示某种物质单位体积的质量。
ρ=m/v 千克/米3（或kg/cm2）g/cm2m——质量v——体积常见金属材料的密度千克/米3（２）、熔点——金属或合金的熔程度叫熔点。
纯金属有固定的熔点，绝大多数合金的熔点是一个温度范围，从开始熔化到熔化终了的温度相差十到几百度。
如含碳3%的铸铁，其熔化温度范围为1148~1279℃。
熔点高低表示金属熔化难易程度。
熔点低的金属一般熔化后其液态流动性好，易铸造成型，且凝固后收缩量小。
熔点高的金属在温度高时，其工作性能变化较小，如高速钢、硬质合金钢就是利用这一特性。
（3）、热膨胀——固态金属或合金因温度变化而具有一定的温-度，在一定温度下，固体的各个线度是一定的。
当固休受热后，随着温度升高，它的各种线度都要增长。
工程上对金属的热膨胀大小常用线膨胀系数来表示。
线膨胀系数——单位长度每升高1℃所引起的延伸量。
即：αL=L1-L0//L0（t1-t0）厘米/厘米—℃（1/℃）式中：αL——线膨胀系数L1——升温后的长度t0——升温前的温度t1——升温后的温度体膨胀系数可用线膨胀系数的三倍近似计算，αV=3αL；面膨胀系数可用线膨胀系数的二倍近似计算，αS=2αL。
金属的热膨胀量虽然很微小，但会产生很大的内应力，使工件变形或断裂。
但工业上也常利用这一特性来装配组合件。
（4）、导热性——金属在加热或冷却时能够传导热量的性质称为导热性。
不同金属的导热性各有不同，导热性的好坏用热导率来表示。
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
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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
• 钢和铁的区别在于含碳量的多少： • 含碳量﹤0.02%为工业纯铁； • 含碳量在 0.02～2.06%为钢（共析 钢0.77%）； • 含碳量＞2.06%为生铁（铸铁） • 钢加热到高于723 ℃时出现A组织，则塑 性好的抗变形能力强。
1-3 钢的热处理
• • • • • • 一、概述 1．热处理的基本概念： 1）改善钢的性质，通常可以通过两种途径来实现： ①调整钢的化学成分； ②对钢进行热处理。 2）钢的热处理是指对钢在固态下加热，保温和冷 却，以改变其内部组织结构，从而改变钢的性能 的一种工艺法； • 3）目的在于充分发挥材料潜力、节约钢材、提高 产品质量、延长使用寿命；
临界
• 图中：V1— 相当于缓冷（退火）与“C”相交位置可以判断转变为P； • V2— 相当于空冷（正火）可判断转变为 氏体（细P） • V3— 相当于油冷（油淬）与“C”开始相交故一部分转变为T；另 一部分来不及转变，为过冷A最后转为Ms； • V4— 相当于水冷（水淬）不与“C”线相交，冷却时A来不及发生 分解，象马氏体转变。
例: 共析钢在冷却时的转变
• A等温转变曲线
过冷奥氏体 珠光体开始形成 珠光体形成中间 珠光体形成结束
珠光体形 马氏体形 贝氏体形
珠光体10～20 转 变
2 1 1
索氏体25～30
转 变 终 始
3
屈氏体30～40
开
温度/
上贝氏体40～45 了
≈240℃Ms
下贝氏体 50～60
时间/ 图1-21 共析碳钢的奥氏体等温转变曲线
三、钢的热处理工艺 • 1．退火— 将钢件加热到AC1或AC3以上 某一温度，保温一定时间后随炉冷却，从 而得到近似平衡组织的热处理方法。 • 目的：降低硬度，细化晶粒，提高强度， 塑性和韧性，消除内应力等 • ① 完全退火（重结晶退火）：将钢加热到 AC3以上20～40 ℃使钢组织完全重结晶， 可细化晶粒、均匀组织、降低强度。
常用金属材料及热处理
常用金属材料及热处理金属材料是一类常用的工程材料，具有良好的导电性、导热性、机械性能和可塑性。
常见的金属材料包括铁、铝、铜、钢、锌等。
铁是一种常用的金属材料，常见的有铸铁和钢。
铸铁具有较高的硬度和脆性，适合用于制造机械零件和汽车零件。
而钢具有较好的韧性和可塑性，广泛应用于建筑、制造业等领域。
铝是一种轻质金属，具有良好的导电性和导热性，常用于航空航天、汽车制造和电子设备等行业。
铝也可以通过热处理来提高其强度和硬度。
铜具有良好的导电性和导热性，广泛用于电子电气、建筑和水管等领域。
铜也可以通过热处理来强化其力学性能。
钢是一种含有铁和碳的合金，具有高强度和韧性。
钢的热处理方法包括退火、淬火和回火，可以使钢具有不同的硬度和韧性，适用于不同的应用领域。
锌是一种蓝白色的金属，具有较好的防腐性和延展性。
常用于镀锌钢管、锌板等工业制品中。
锌也可以进行热处理来提高其力学性能和耐蚀性。
热处理是金属材料加工中的一项重要工艺，通过控制材料的加热和冷却过程，可以改变其组织结构和性能。
常见的热处理方法包括退火、淬火、回火、正火等。
这些热处理方法可以改变金属的硬度、韧性、强度、耐腐蚀性等性能，使金属材料更加符合特定的工程需求。
不同金属材料适用的热处理方法有所不同，需要根据具体材料的组织结构和性能来选择合适的热处理工艺。
总而言之，常见的金属材料如铁、铝、铜、钢、锌等具有广泛的应用领域，热处理可以改变金属材料的性能，使其更符合工程需求。
金属材料在工程领域中广泛应用，其性能常常可以通过热处理来改善。
热处理是一种通过控制材料的加热和冷却过程，使其发生组织和性能上的变化的工艺。
热处理通常分为退火、淬火、回火、正火等几种方式，每种方式都有不同的应用场景和效果。
退火是最基础的热处理方式之一，通过在适当温度下加热材料一段时间后缓慢冷却，以消除材料内部的应力和提高其延展性。
退火使金属材料结构上发生改变，晶粒变大并更加均匀，强度相对降低，但具有较好的塑性和韧性。
常用金属材料及热处理
常用金属材料及热处理金属是人类社会重要的材料之一，广泛应用于各行各业。
常见的金属材料包括铁、铝、铜、钢等。
在使用金属材料的过程中，为了改善其性能，常常需要对其进行热处理。
下面将介绍一些常用的金属材料和其热处理方法。
1.铁：铁是一种性能优良的金属材料，常用于制作建筑结构、机械零件等。
铁的热处理方法有退火、正火、淬火和回火等。
退火可以降低材料的硬度，提高其塑性和延展性；正火可以提高材料的韧性和强度；淬火可以使材料获得高硬度和耐磨性；回火可以降低材料的脆性，并改善其强度和韧性。
2.铝：铝是一种轻质金属，常用于制造飞机、汽车等产品。
铝的热处理方法有固溶处理、时效硬化等。
固溶处理可以改善铝的强度和塑性；时效硬化可以在固溶处理基础上，进一步提高铝的强度和硬度。
3.铜：铜是一种导电性能优良的金属材料，常用于制造导线、电路板等。
铜的热处理方法有退火、退火软化等。
退火可以消除铜材料中的应力，改善其韧性和延展性；退火软化可以使铜材料变得更加易加工。
4.钢：钢是一种优质的金属材料，常用于制造建筑结构、机械零件等。
钢的热处理方法有退火、正火、淬火和回火等。
不同的钢材在热处理时的温度和时间以及冷却速度等参数都有所差异，可以根据具体需要来选择合适的热处理方法，以获得理想的性能。
此外，还有许多其他金属材料也需要经过热处理来改善其性能，比如镍、锌、锡等。
热处理方法的选择应根据具体的金属材料以及使用要求来确定。
综上所述，金属材料在使用过程中，经常需要进行热处理来改善其性能。
不同的金属材料有不同的热处理方法，通常包括退火、正火、淬火和回火等。
通过热处理可以改变金属材料的组织结构和性能，使其达到更加理想的状态。
热处理技术在金属材料的应用中起着重要的作用，对于提高产品质量和使用寿命具有重要意义。
金属材料热处理
金属材料热处理金属材料热处理是指通过控制金属材料在一定温度下的加热和冷却过程，改变其组织结构和性能的方法。
这种处理方法在金属材料制备和加工过程中起着至关重要的作用。
下面是关于金属材料热处理的一些相关内容的介绍。
1.热处理的目的金属材料热处理的主要目的是改变金属材料的组织结构和性能，使其达到特定的要求。
具体包括以下几个方面：(1)改变金属材料的晶粒尺寸和形态，以调整材料的强度、硬度和韧性等力学性能。
(2)改变金属材料的相组成和比例，以提高材料的耐腐蚀性能和耐磨损性能。
(3)改变金属材料的残余应力状态，以提高材料的机械性能和使用寿命。
(4)改变金属材料的导电性、磁性和热传导性等电磁性能，以满足特定的工程要求。
2.常用的热处理方法金属材料热处理中常用的方法包括退火、正火、淬火和回火等。
其基本原理如下：(1)退火：将金属材料加热到一定温度，在恒温下保温一段时间，然后缓慢冷却，以改善材料的塑性、韧性和可加工性等性能。
(2)正火：将金属材料加热到一定温度，保温一段时间，然后快速冷却，以提高材料的硬度和强度等力学性能。
(3)淬火：将金属材料加热到一定温度，保温一段时间，然后快速冷却，以在材料中形成淬火组织，提高材料的硬度和耐磨性能等。
(4)回火：将淬火后的金属材料再次加热到一定温度，保温一段时间，然后冷却，以消除淬火过程中的残余应力和脆性，并调整材料的力学性能。
3.常见的金属材料与热处理方法的应用各种金属材料的组织结构和性能特点不同，因此在热处理过程中需要选择不同的方法和参数。
以下是一些常见金属材料的热处理方法及其应用：(1)碳钢：通过正火和淬火处理，可以提高碳钢的硬度、强度和耐磨性能，广泛应用于机械加工和制造业。
(2)不锈钢：通过固溶和沉淀硬化处理，可以改善不锈钢的耐腐蚀性能和耐磨损性能，常见于化工和海洋工程。
(3)铝合金：通过固溶处理和时效处理，可以改善铝合金的强度、韧性和耐腐蚀性能，常用于航空和汽车制造业。
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二、铝合金的分类及热处理
1、分类： 铝合金一般具有有限固溶型共晶相图。
可将铝合金分
铝合金分类示意图
为变形铝合金
和铸造铝合金
两大类。
变形铝合金又 分为可热处理 强化和不可热 处理强化两类.
2、铝合金的热处理(退火、固溶处理和时效）
（1） 退火 再结晶退火再结晶温度以上保温一段时间后空冷，用 于消除变形工件的加工硬化，提高塑性，以便继续进 行成形加工。 低温退火消除内应力，适当增加塑性，通常在180～ 300℃保温后空冷。 均匀化退火消除铸锭或铸件的成分偏析及内应力，提 高塑性，通常在高温长时间保温后空冷。
Mn和Mg主要作用是
卫星天线 （LF2）
提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。
防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体，抗蚀性、 焊接性能好，易于变形加工，但切削性能差。
不能进行热处理强化，常利用形变强化提高其强度。
常用的Al-Mn系合金有 LF21（ 3A21 ），其抗蚀性 和强度高于纯铝，用于制造油罐、油箱、管道、铆 钉等需要弯曲、冲压加工的零件。
时效强化效果超过硬铝合金.
热态塑性好，但耐蚀性差。
常用合金有 LC4 (7A04 )、 飞
LC9 (7A09 )等，主要用于工机Biblioteka 主作温度较低、受力较大的结
起 落
构件, 如飞机大梁、起落架等. 架
④ 锻铝合金（热塑性好，适 于生产锻件）
Al-Cu-Mg-Si系可锻性好， 力学性能高，用于形状复杂 的锻件和模锻件，如喷气发 动机压气机叶轮、导风轮等.
低的强度（轧成箔片 ） 铸、压力加工、焊和切削加工性俱佳 无同素异构转变，无磁性。
纯铝的应用（1）代替较贵的铜作导线（2）配制铝合金 （3）制作质轻、导热或抗大气腐蚀强度要求低的器件。 铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性 。 铝合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn 等，此外还有Cr、Ni、Ti、Zr 等辅加元素。
GB 3190-82中的代号仍可 继续使用，表示方法为: • 防锈铝合金：LF+序号 • 硬铝合金： LY +序号 • 超硬铝合金：LC +序号 • 锻铝合金： LD +序号
铝是可以回收利用的金属
铝 合 金 制 品 铝合金波纹管
⑵ 常用变形铝合金 ① 防锈铝合金
主要是Al-Mn和Al-Mg 系合金。
（2）固溶处理 + 时效 是可热处理强化变形铝
合金的强化方法。 固溶处理是指将合金加
热到固溶线以上，保温
加热固溶 时效析出 淬火过饱和
并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。 时效是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温
度保温，以析出弥散强化相的热处理。
铝
合
金
的
热
屈服强度
处
理
时效峰
欠时效
第十章 有色金属 及其合金
在工业生产中，通 常把铁及其合金称 为黑色金属，把其 他非铁金属及其合 金称为有色金属。
有色金属的产量和用量不如黑色金属多，但由于其具
有许多优良的特
占汽车净重比
性，如特殊的电、
磁、热性能，耐
蚀性能及高的比
强度(强度与密度 之比)等，已成为 现代工业中不可 缺少的金属材料.
压气机叶片
Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金 常用牌号有LD7 (2A70)、LD8(2A80)、LD9(2A90)等 。用于制造150 ~225℃下的零件，如压气机叶片、超音速飞机蒙皮等。
热处理：固溶处理+人工时效（力学性能与硬铝相当）
美F-117隐身战斗机
(所用材料大部分是铝合金)
聚
塑
橡 胶 其
磁 材 料
玻 璃
碳 酸
酯 Ti
碳 纤 维
Al Fe 料 它
材料
各种材料在先进汽车中占的重量百分比
第一节 铝及铝合金
一、铝及铝合金性能特点
纯铝具有银白色金属光泽，密度小 铝合金制造的机翼 (2.72 )，熔点低(660.4℃), 导电、导热 性能优良。
耐大气腐蚀性能优良。 具有面心立方晶格，极好的塑性和较
过时效
时效时间
四、铝合金的牌号、性能及用途
1、变形铝合金 ⑴ 变形铝及铝合金牌号表示方法 根据国标规定 ，变形铝及铝合金可直接引用国际四
位数字体系牌号或采用国标规定的四位字符牌号。
全世界铝的用量
一次生产量
二次回收量
总用量
变形铝及其合金牌号——国际四位数字体系
数数数数 字字字字
XXXX
纯铝：表示铝质量百分数小数点后的两位数 铝合金：用来识别同一组中不同铝合金 纯铝：表示杂质元素的控制情况 铝合金：表示改型情况（“0”为原始合金；“19”为改型合金，允许与原始合金有一定的成分偏 表示差组）别：1-纯铝，2-铝铜合金，3-铝锰合金，4铝硅合金，5-铝镁合金，6-铝镁硅合金，7-铝锌合 金，8-其他铝合金，9-备用
强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。
常用硬铝合金如LY11 (2A11)、 LY12 (2A12)等， 广泛用于航空和仪表制造
飞机翼梁(腹板 为硬铝合金)
业，制造冲压件、模锻件和
铆接件，如飞机蒙皮、螺
旋桨、梁、铆钉等.
③ 超硬铝合金
属Al-Zn-Mg-Cu系合金，并 含有少量Cr和Mn。
变形铝及其合金—国标四位字符体系
数字数数 字符字字
XXXX
纯铝：表示铝质量百分数小数点后的两位数 铝合金：用来识别同一组中不同铝合金 A-表示原始铝或铝合金，B-Y表示改型合金(允许 与原始合金有一定的成分偏差)
表示组别：1-纯铝，2-铝铜合金，3-铝锰合金，4铝硅合金，5-铝镁合金，6-铝镁硅合金，7-铝锌合 金，8-其他铝合金，9-备用
高比强铝合金机翼
2、铸造铝合金 包括： Al- Si系： 代号为ZL1+两位数字顺序号 Al-Cu系：代号为ZL2+两位数字顺序号 Al-Mg系：代号为ZL3+两位数字顺序号 Al-Zn系： 代号为ZL4+两位数字顺序号
⑴ Al-Si系铸造铝合金
又称硅铝明。其中
常用的Al-Mg系合金有 LF5（ 5A05 ），其密度比纯
铝 小 ， 强 度 比 Al-Mn
汽化
合金高，在航空工业
器(热 交换
中得到广泛应用，如
管为 LF21)
制造管道、容器、铆
钉及承受中等载荷的
零件。
② 硬铝合金 主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。
可进行时效强化，也可进行变形强化。