常用材料与热处理

合金钢-----在碳素钢的基础上，加入其它合金元素，如：铬、镍、钨、 钼、钒、钛等，如果碳素钢中，锰的含量超过1.0%或硅的含量超过 0.5%时，这种钢也可以认为是合金钢。 3.按用途分：
结构钢-----指做机器零件、建筑结构等用的钢。 工具钢-----指做刀具、模具、量具等用的钢。 特殊用途钢（或称特殊性能钢）-----如不锈钢、耐热钢等材料。 下表为钢的简要综合分类：
第一部分 钢的基本知识
钢是由生铁（或生铁和废钢）炼成的
一般铁碳合金中含碳量在0.1~2%范围内的，通称为钢。若铁碳合金中， 含碳量不超过0.1%成为熟铁。若铁碳合金中，含碳量大于2%称为生 铁。
但生铁的种类很多，有的是专为炼钢使用的，有的为铸造机械零件使 用的，为了区别起见，通常把铸造机械零件用的生铁称为铸铁。
冷却的速度比退火快。
将工件加热到临界温度以上，保温 一段时间，然后在水、盐水或油中急 冷下来。
将淬硬的钢加热到临界温度以下，保 温一段时间，然后在空气或油中冷却 下来
目的
1.使钢降低硬度，改善加工性能。 2.增加塑性和韧性。 3.消除内应力。 4.改善内部组织，为淬火做准备。 1.得到细密的组织结构。 2.提高硬度、强度、韧性。 3.减少内应力。 4 .改善加工性能。 1.提高硬度和强度。 2.增高耐磨性。 3.得到要求的其它机械性能。 （淬火时会引起内应力，使钢变脆， 淬火后必须回火） 1.消除淬火后的脆性和内应力。 2.提高塑性和冲击韧性。
第二部分 一般热处理知识
一.钢的热处理
大部分零件在制造时要经过热处理。经过热处理的钢件，归纳起来可 以获得下列几点作用。 1.提高硬度与强度（硬化），增强零件的耐磨性，充分发挥钢材的机 械性能潜在能力。 2.降低硬度（软化），提高塑性和韧性，改善钢的切削加工性。 3.改善钢件的内部组织，消除因受加工外力的作用所引起的内部应力。 4.提高钢件表面的耐磨性、耐热性、耐蚀性以及耐疲劳、承受冲击等 性能（化学处理后）。
收缩率=原断面积-试件断裂 处面积/试件原来的断面积
韧性
冲击韧性αk
冲断试件后，单位面积上所消
公斤·米/厘米² 耗的功
应用
δ和ψ的数值越大， 塑性就越好
αk数值越大，韧性越好 αk不作设计计算的数据
硬度
布氏硬度HB 洛氏硬度HRB 洛氏硬度HRc
公斤/毫米² 无 无
利用直径D的钢球在一定压力下， 测定软钢、灰生铁和有
金属材料具有抵抗外力作用的能力，通称为金属材料的机械性能。 机械性能包括很多，主要有强度、硬度、塑性、冲击韧性等，如下表：
机械性能 的名称
符号
强度
屈服强度σS
（Sigma）
抗拉强度σb
（Sigma）
单位
获得方法和含义
应用
公斤/毫米²
金属试件不再增加负荷的 情况下，也出现显著变形 时的应力
工具和零件所承 受的应力都不得
名称
操作方法
目的
1.获得高的韧性。
调 质 淬火后高温回火，称为调质。
2.获得高的强度。 3.消除内应力。
4.减少变形。
时效
天然时效：在空气中长期的存放 人工时效：加热到0~200℃，保温 10~20小时或更多的时间。
1.使淬火后的零件慢慢消除残余内 应力。
2.减少变形。
高频表面 用电流感应使工件表面迅速加热至 1. 使钢表层具有高的硬度和耐磨性。 淬火 淬火温度，然后喷水或浸入油中冷却。 2.使钢内部保持原有的强度和韧性。
1.低碳非淬火钢，提高表面硬度和
渗 使工件表面饱和碳元素。
碳
耐磨性。
2.提高抗疲劳强度。 化
学 氮
热 化
处
氮化使工件表面饱和氮元素。
1.用于含铬、钼、铝的特种钢增加 表面硬度和耐磨性。
2.增加耐蚀性、疲劳强度。
理
1.提高硬度、耐磨性和疲劳强度。
氰 使工件表面饱和碳和氮元素，即碳
化 氮共渗。
2.提高机械性能、工具的切削能力
2.在钢号后面的字母：
A-----表示高级优质钢
E-----表示特级优质钢
各种合金钢都是采用“数字加元素加数字”的表示方法。牌号前面的数 字表示平均含碳量。元素后面的数字表示合金元素平均含量的百分数。
下面我们举例说明各种钢号的表示法的特点及含义：
种类
牌号举例
代号 汉字牌号
代号含义
特点
Q235 普通碳素钢
一、钢的分类简要介绍
我们工厂中常使用的材料，例如45号钢，有的人叫它“45碳钢”，有 的称为“45中碳钢”，“调质钢”，“碳素结构钢”，这是怎么一回 事呢？这里面有的是根据材料的化学成分叫的，有的是按用途分的。 钢的分类方法很多，通常是按冶炼方法、化学成分和用途等来区分。 这里仅就常用的几种分类方法作一介绍。
（A3）
例： Q235-A
甲3
屈服极限
235Mpa
质量等级
碳 优质碳素 结构钢
钢
20 45 65Mn
20 45 65锰
例：20
含碳量0.65%
含碳量0.2% 65Mn
含锰量1%
碳素工具钢
T8A T10A T12A
碳8高 碳10高 碳12高
例： T 8 A
碳素工
具钢代号
高级优质
含碳量0.8%
种类
牌号举例
和耐久性。
下表为常用热处理方法及其应用
常用热处理方法及应用表
热处理方法
加热与冷却
适于处理零件或钢材
目的
1.降低硬度
完全退火 加热高于AC330~50℃缓冷 含碳量﹤0.8%的各种钢材 退
2.消除应力
3.细化晶粒、均匀组 织
火
不完全退
加热在AC1与AC3（ACm） 各种钢，主要用于高碳钢
高速钢
1Cr13
1铬13
例：
1Cr18Ni9Ti 1铬18镍9钛
含碳量
W18Cr4V 钨18铬4钒 0.1%
W9Cr4V5 钨9铬4钒5
1Cr13
含锰量 1%
含铬量 13%
当平均含碳量大 于或等于1%时， 含碳量不予标出； 含碳量小于1%时， 以千分之几表示
不锈钢，耐热 钢，高速钢含 碳量不予标出； 如有重复钢号 存在时，则应 标出含碳量， 以千分之几表 示。
钢
碳钢 合金钢
结构钢
工具用钢
有特殊物理 性质的钢
普通碳素 优质结构
钢
钢
工具钢
高速钢
不锈钢
耐热钢
二、钢号表示法
我国钢铁产品牌号的命名，根据GB221-2000的规定，除化学元素按国 际化学符号表示外，产品用途，冶炼方法和浇注方法，采用汉字和汉 语拼音字母代号并用的原则。汉字牌号容易记忆和识别，汉语拼音字 母代号容易书写和标记。在标准化中将两种符号同时列入，相互对照。
150公斤压力下，压入制品表面， 的热处理后的各种钢的
然后根据硬度机上指示表读出 半成品和成品
硬度值
四、铸铁和铸钢
1.铸铁 （1）灰口铸铁：灰口铸铁与钢一样，也是一种铁（Fe）和碳（C）的合
金，含碳量在2.5~3.5%，含硅量在1.1~2.5%范围。碳和硅是影响铸铁 的主要因素，铸铁中含碳量越高，越容易进行石墨化（即石墨的析 出），硅是促进石墨化的主要元素。例如含碳量为3.4%，含硅量在 0.5%的铸铁是白口铸铁，如果含碳量不变，含硅量增加至2.5%时，可 得到灰口铸铁。因此，保持铸铁中碳量不变，要控制铸铁中石墨数量， 应当调整硅的含量。灰口铸铁是机械工业和夹具上应用最广泛的材料 之一，例如夹具上的底座、支架、圆盘、平台和其他零件等，都是用 铸铁制造的。
削，吸震性能好。
2.球墨铸铁 在灰口铸铁中的石墨成片状，片状的石墨好像把铁一处处的割裂了，
因此抗拉强度较低。目前工业中有一种含有球状石墨的特种铸铁，叫 做球墨铸铁。它像灰口铸铁一样熔铸，只是在浇铁水中加入一定数量 的镁或铈等金属，以及适当的硅铁和硅钙等合金。加入镁或铈金属， 能促使碳素球化，所以叫它球化剂，硅铁和硅钙等合金能使碳析出， 所以叫它墨化剂。球墨铸铁中的石墨结成球状，跟铁的接触面积减小， 于是就大大提高了铸铁的强度和韧性。球墨铸铁的性质跟铸钢相近， 有的甚至有过之无不及，而且成本比铸钢低，在某些情况下，可以代 替大部分韧性铸铁和一部分铸钢或钢锻件，用来制造承受冲击而又耐 磨铸铁件。可做抗磨和高强度的零件，如曲轴、齿轮、汽缸套、连杆 等的材料。
热处理根据其不同的要求和目的，可以将它分成：退火、正火、淬火、 回火和化学热处理（如渗碳、氮化、氰化）
下表为钢的主要热处理种类：
名称
退火 正火 淬火 回火
操作方法
将钢件加热到临界温度以上，保温 一段时间，然后在炉中或绝热物中缓 慢的冷却下来。
将工件加热到临界温度以上，保温 一段时间，然后在空气中冷却。
常用的铸铁与钢的界限，如下表：
金属
钢和铸铁的化学成分%
碳
锰
硅wk.baidu.com
硫
磷
钢
0.1~2.0 0.1~1.2 0.17~0.37 0.02~0.07 0.02~0.09
铸铁
2.2~3.8 0.4~1.3 0.8~3.0 ~0.2
~0.2
从表中可以看出，钢和铸铁同是铁碳合金，只是由于成分的不同，铸 铁比钢的含碳量大，同时含的杂质也比较多，它们的性质也截然不同。 钢可以进行锻造加工，而铸铁制品只能用浇注的方法制得，所以这种 铸造用的生铁又叫做铸铁。关于铸铁的性质和用途，以后再讲述它
我国钢中常加入的化学成分，用化学元素符号表示如下：
钢号中合金元素的表示符号
锰硅铬镍钨钼钒钛铝钴硼铌
Mn Si Cr Ni W Mo V Ti Al Co B Nb
1.在钢号前面的字母： A-----代表平炉炼的普通碳素钢的甲类钢 T-----代表碳素工具钢 G-----代表滚珠轴承钢 ZG----代表铸钢
代号
汉字牌号
代号含义
特点
20Cr
40Cr 合金结构钢
30CrMnSi
50CrVA
20铬 40铬 30铬锰硅 50铬钒高
例： 20Cr
含碳量 0.2%
50CrVA
含碳量 0.5% 含铬1%
含铬1%
高级优质
含钒1%
合 合金工具钢
金
CrMn CrWMn
铬锰 铬钨锰
例： CrMn
含铬量 1%
钢 不锈钢与 耐热钢
1.按含碳量分： 低碳钢-----含碳量在0.25%以下的钢。 中碳钢-----含碳量在0.25%~0.6%范围内的钢。 高碳钢-----含碳量在0.6~1.7%范围内的钢。
但碳素钢的含碳量很少超过1.4%，唯有少数的合金钢，可使含碳量增 加到2%左右。 2.按化学成分分： 碳素钢-----钢中除铁外，主要有碳、锰、硅、硫、磷等。碳素钢又分 为普通碳素结构钢、优质碳素结构钢和碳素工具钢。
球墨铸件的热处理，常施行正火处理，使其机械性能进一步提高， 然后再进行回火处理，以消除内应力。正火温度为840±10℃，回火温 度为600℃左右。
3.铸钢
碳素钢的铸件一般含碳量范围在0.1~0.5%，由于铸钢晶粒较粗，机 械性能差，加工性能也不好，但对于有些大型体座而尺寸大，形状复 杂，又需能经受震动较厉害的零件，由于锻造困难，用铸铁件又不合 适，就有时需采用铸钢件，铸钢件在机械加工前一般要经正火处理， 以消除铸造时残余应力和硬度不均，以利切削加工。
超过σS
金属试件抵抗拉断时所承 σb是设计零件的
受的最大应力
重要依据
机械性能 的名称
符号
单位
获得方法和含义
塑性
延伸率δ（Delta）
断面收缩率ψ （Psi）
以百分数表示 %
试件拉断后的长度比原来的 长度相对伸长量
延伸率=伸长后的长度-原来 的长度/试件原来的长度
试件拉断后的截面比原截面 的相对收缩量
铸铁的特点：
（a）硬度较低，一般约为HB176~207，但是铸件表面往往有些型砂的硬 皮和氧化层，这层表皮硬度很高。另外毛坯边缘有时可能出现白口铸 铁，这时硬度极高，约为HB600。
（b）强度低（指抗拉，抗弯强度），而抗压强度和耐磨性较高。 （c）脆性大，不耐冲击。
（d）可塑性好，容易铸成复杂的形状，加工容易，成本低。 （e）组织比较粗松，并含有石墨，减少了材料的塑性和强度，有利于切
滚珠轴承钢 GCr15
滚铬15
例： GCr15
含碳量不予标出。 含铬量以千分之
轴承钢代号
含铬量1.5% 几表示。
三、金属材料的机械性能
在生产实践中，经常要应用到各种金属材料来制造机器零件和工装夹 具。这些零件在工作过程中受到各种力的作用：拉力、压力、弯曲力、 冲击力、磨损等。为了使金属材料在力的作用下不致破坏，必须选择 适当的金属材料来制造，以达到发挥材料的应有作用，也就是要考虑 材料的机械性能。
压入金属材料表面，测量压坑 色金属、铝、铜及其合
直径d然后查表获得硬度值
金的原材料
利用直径为1.58毫米钢球在100 公斤压力下，压入制品表面， 然后根据硬度机上的指示数， 读出硬度值
测定HB60~230范围内的 有色金属和退火碳钢等 半成品和成品
利用顶角120°的金刚石椎体在 测定HB230~700范围内