金属热处理技术

三、金属材料牌号 例：不锈钢
– 当含碳量上限大于0.1％时，以一位数字表示C 含量，其余合金元素按合金结构钢表示方法表 示。如1Cr18Ni9Ti 含碳量上限不超过0.08％时，前面加0 ，如： 0Cr18Ni9Ti
当含碳量上限不超过0.03％时，牌号前加00， 如00Cr17Ni14Mo2（316L）。 含碳量上限没有规定时，采用阿拉伯数字表示 含碳量上限，如2Cr13 。
■正火的目的 （1）对于力学性能要求不高的碳钢、低合金钢结构件，可 作最终热处理。 （2）对于低碳钢可用来调整硬度，避免切削加工中的粘刀 现象，改善切削加工性。 （3）对于共析、过共析钢，正火可消除网状二次渗碳体， 为球化退火作准备。 ■退火的目的 （1）降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形 加工。 （2）细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为 以后的的热处理做准备。 （3）消除钢中的残余内应力，以防止变形和开裂。
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四、金属元素的作用
• • • 钼(Mo) 钼在钢中能提高淬透性和热强性。防止回火脆性，增加剩磁 和矫顽力以及在某些介质中的抗蚀性。 在调质钢中，钼能使较大断面的零件淬深、淬透，提高钢的 抗回火性或回火稳定性，使零件可以在较高温度下回火，从而 更有效地消除（或降低）残余应力，提高塑性。 在渗碳钢中钼除具有上述作用外，还能在渗碳层中降低碳化 物在晶界上形成连续网状的倾向，减少渗碳层中残留奥氏体， 相对地增加了表面层的耐磨性。 在锻模钢中，钼还能保持钢有比较稳定的硬度，增加对变形 、开裂和磨损等的抗力。 在不锈耐酸钢中，钼能进一步提高对有抗酸（如蚁酸、醋酸 、草酸等）以及过氧化氢、硫酸，亚硫酸、硫酸盐、酸性染料 、漂白粉液等的抗蚀性。特别是由于钼的加入，防止了氯离子 存在所产生的点腐蚀倾向。
如铝及铝合金，铜及铜合金。
二、金属材料分类 • 按化学成分(黑色金属）
– 碳素钢分为：
• 普通碳素钢、优质碳素钢和高级碳素钢 。
– 合金钢分为：
• 低合金钢、中合金钢和高合金钢。
三、金属材料牌号 金属材料牌号的表示方法往往是根据 其含碳量、合金元素含量 、强度级别、
汉语拼音来表示。
汉语拼音一般表示材料的名称、用途 、特性和工艺方法。
■淬火的目的 获得金属材料内部马氏体或贝氏体组织。 ■回火的目的 ①提高组织稳定性，使工件在使用过程中不再发生组织转 变，从而使工件几何尺寸和性能保持稳定。 ②消除内应力，以便改善工件的使用性能并稳定工件几何 尺寸。 ③调整钢铁的力学性能以满足使用要求。 ④调整淬火硬度。 ■回火的种类 ①低温回火 ：工件在250℃以下进行的回火 。 ②中温回火：工件在250～500 ℃之间进行的回火。 ③高温回火：工件500℃以上进行的回火。
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四、金属元素的作用
• • 磷(P) 磷在钢中固溶强化和冷作硬化作用强，作为合金元素加入低 合金结构钢中，能提高其强度和钢的耐大气腐蚀性能，但降低 其冷冲压性能。磷与硫和锰联合使用，能增加钢的被切削性能 ，增加加工件的表面质量，用于易切钢，所以易切钢含磷也较 高。磷溶于铁素体，虽然能提高钢的强度和硬度，最大的害处 是偏析严重，增加回火脆性，显著降低钢的塑性和韧性，致使 钢在冷加工时容易脆裂，也即所谓”冷脆”现象。磷对焊接性 也有不良影响。磷是有害元素，应严加控制，一般含量不大于 0.030%-0.040%。
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四、金属元素的作用
• • 碳（C）： 钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性 降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接 的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢
的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳
能增加钢的冷脆性和时效敏感性。 典型的例子是低碳钢、高碳 钢、高碳钢力学性能变化。
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四、金属元素的作用
• • 钒(V) 钒是钢的优良脱氧剂。钢中加 0.5% 的钒可细化组织晶粒，提 高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗
氢腐蚀能力。在热处理应用中有二次硬化功能，抗回火回火能
力好，红硬性好。
四、金属元素的作用
• • 硅(Si) 硅能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，其作用仅 次于磷，较锰、镍、铬、钨、钼和钒等元素强。但含硅超过3% 时,将显著降低钢的塑性和韧性。硅能提高钢的弹性极限、屈服 强度和屈服比(σs/σb),以及疲劳强度和疲劳比(σ-1/σb)等,这是硅或 硅锰钢可作为弹簧钢种的缘故。 硅能降低钢的密度、热导率和电导率。能促使铁素体晶粒粗 化。降低矫顽力。有减小晶体的各向异性倾向，使磁化容易， 磁阻减小，可用来生产电工用钢，所以硅钢片的磁滞损耗较低 ，硅能提高铁素体的磁导率，使硅钢片在较弱磁场下有较高的 磁感强度。 含硅的钢在氧化气氛中加热时，表面将形成一层SiO2薄膜，从 而提高钢在高温时的抗氧化性。 硅能促使铸钢中的柱状晶成长，降低塑性。硅钢若加热或冷却 较快，由于热导率低，钢的内部和外部温差较大，因而易裂。
四、金属元素的作用
• • 铬(Cr) 铬能增加钢的淬透性并有二次硬化作用。可提高高碳钢的硬 度和耐磨性而不使钢变脆；含量超过12%时。使钢有良好的高温 抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀的作用。还增加钢的热强性，铬 为不锈耐酸钢及耐热钢的主要合金元素。 铬能提高碳素钢轧制状态的强度和硬度。降低伸长率和断面收 缩率。当铬含量超过15%时，强度和硬度将下 降，伸长率和断 面收缩率则相应地有所提高。含铬钢的零件经研磨容易获得较 高的表面加工质量。 铬在调质结构钢中的主要作用是提高淬透性。使钢经淬火回 火后具有较好的综合力学性能，在渗碳钢中还可以形成含铬的 碳化物，从而提高材料表面的耐磨性。
四、金属元素的作用
• • 硫(S) 提高硫和锰的含量，可改善钢的被切削性能，在易切削钢中 硫作为有益元素加入。硫在钢中偏析严重，恶化钢的质量。在 高温下，降低钢的塑性，是一种有害元素，它以熔点较低的FeS 的形式存在；单独存在的FeS的熔点只有1190℃ ，而在钢中与铁 形成共晶体的共晶温度更低，只有988℃ ，当钢凝固时，硫化铁 析集在原生晶界处。钢在1100-1200℃进行轧制时，晶界上的FeS 就将熔化，大大地削弱了晶粒之间的结合力，导致钢的热脆现 象。因此对硫应严加控制，一般控制在0.020%-0.050%。为了防 止因硫导致的脆性，应加入足够的锰，使其形成熔点较高的 MnS。
一、热处理相关定义
4. 退火：将亚共析钢工件加热至AC3以上20—40度，保温 一段时间后，随炉缓慢冷却至500度以下在空气中冷却的 热处理工艺。 5.球化退火：将钢加热到Ac1以上20～40℃，保温一段时 间，然后缓慢冷却到略低于Ac1的温度，并停留一段时间 ，使组织转变完成，得到在铁素体基体上均匀分布的球状 或颗粒状碳化物的组织。 （主要用于高C钢）
前 言
金属热处理涉及
1. 金属材料学/工程材料学； 2. 热能（简称为热加工）。
热处理加工的重要性
1.热处理是机械工业的重要组成部分； 2.现代制造业生产链上不可或缺的极其重要环节 ;
3.是促进金属材料潜力充分发挥、提高机械零件 内在质量和使用寿命的关键加工工序，是制造 业的基础技Biblioteka Baidu 。
第一章
要了解热处理加工技术 --------首先要了解金属材料
6.固溶处理：将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩 相充分溶解到固溶体中，然后快速冷却，以得到过饱和固 溶体的热处理工艺。
一、热处理相关定义
7.时效：合金经固溶热处理或冷塑性形变后，在室温放 置或稍高于室温保持时，其性能随时间而变化的现象。
8.调质处理：一般习惯将淬火加高温回火相结合的热处 理称为调质处理。调质处理广泛应用于各种重要的结构 零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、 螺栓、齿 轮及轴类等。
二、金属材料分类
在机械、工程等工业领域中，采用的金属材 料种类及品种繁多，其分类如下：
铁
黑色金属
金属材料
碳钢
合金钢
轻有色金属
有色金属
重有色金属
稀土金属
二、金属材料分类 • 黑色金属
– 通常以铁、锰、铬为基础的合金称黑色
金属。
以铁为基的合金称为钢。
• 有色金属
– 以其余合金为基的合金称有色金属。
有色金属通常按其元素名称命名。
一、金属材料相关定义
1.金属：具有不透明、金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减 小，富有延性和展性等特性的物质。金属内部原子具有规律性排列的固体（即晶体）。 2.合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。 3.相：合金中成份、结构、性能相同的组成部分。
4.固溶体：是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保 持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。
第二章 金属热处理加工 ----简称热加工
热处理过程通俗讲就是 加热、保温及冷却过程
一、热处理相关定义
1.淬火：是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（ 过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或 部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到 Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转 变的热处理工艺。 2.回火：将经过淬火的工件加热到临界点AC1以下的适当 温度保持一定时间，随后用符合要求的方法冷却，以获 得所需要的组织和性能的热处理工艺。 3.正火：将钢材或钢件加热到临界点AC3或ACM以上的适 当温度保持一定时间后在空气中冷却，得到珠光体类组 织的热处理工艺。
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四、金属元素的作用
• • 锰(Mn) 锰是良好的脱氧剂和脱硫剂 。钢中一般都含有一定量的锰， 它能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热 加工性能。 锰和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度 ；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子 。锰在钢中由于降低临界转变温度。起到细化珠光体的作用。 也间接地起到提高珠光体钢强度的作用；锰稳定奥氏体组织的 能力仅次于镍，也强烈增加钢的淬透性。已用含量不超过2%的 锰与其他元素配合制成多种合金钢。 锰具有资源丰富、效能多样的特点，获得了广泛的应用，如 含锰较高的碳素结构钢、弹簧钢。 在高碳高锰耐磨钢中。锰含量可达10%一14% ，经固溶处理后 有良好的韧性，当受到冲击而变形时，表面层将因变形而强化 ，具有高的耐磨性。
5.固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬 度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。 6.化合物：合金组元间发生化合作用，生成一种具有金属性能的新的晶体固态结构。 7.机械混合物：由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两面种晶体，却是一种组 成成分，具有独立的机械性能。
二、金属热处理的种类
■整体热处理：零件整体硬化。 淬火/正火/调质/固溶/时效/退磁等。
■表面热处理：表面强化。
高中频淬火/火焰淬火/高束能淬火/激光淬火等。
■化学热处理： 发黑/渗碳/氮化/碳氮共渗/氧化/电镀/涂层等。
二、金属热处理的种类
■钎焊加工：焊接加工 铜基钎焊/银基钎焊/镍基钎焊等
一、金属材料相关定义
8.铁素体：碳在a-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体。
9.奥氏体：碳在g-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。 10.渗碳体：碳和铁形成的稳定化合物（Fe3c）。
11.珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物（F+Fe3c 含碳0.8%）。
12.莱氏体：渗碳体和奥氏体组成的机械混合物（含碳4.3%）。 13.马氏体：是黑色金属材料的一种组织名称。马氏体马氏体（M）是碳溶于 α -Fe的过饱和的固溶体，是奥氏体通过无扩散型相变转变成的亚稳定相 。其比容大于奥氏体、珠光体等组织，这是产生淬火应力，导致变形开裂 的主要原因。
一、金属材料相关定义
14.Ac1：加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度。 15.Ac3：加热时先共析铁素体全部转变成奥氏体的终了温度。 16.Ar1：冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度。
17.Ar3：铁碳合金冷却时自A（奥氏体）中开始析出F的临界温度线。
18. Ms：马氏体转变开始温度 。 19. Mf：马氏体转变终了温度。