金属材料与热处理基础知识
金属材料及热处理基础知识
VS
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
金属材料热处理基础知识
热处理定义：钢的热处理就是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作。
热处理目的：1、消除毛坯中的缺陷，改善工艺性能，为切削加工或热处理做组织和性能上的准备。
2、提高金属材料的力学性能，充分发挥材料的潜力，节约材料延长零件使用寿命。
加热温度、保温时间和冷却方式是热处理最重要的三个基本工艺因素。
退火1、定义：将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却以达到接近平衡状态组织的热处理工艺。
2、目的：降低硬度，均匀化学成分、改善切削加工性能和冷塑性变形性能、消除或减少内应力、为零件最终热处理准备合适的内部组织。
3、分类球化退火：为使工件中的碳化物球状化而进行的退火。
去应力退火：为去除工件塑性变形加工、切削加工或焊接造成的内应力及铸件内存在的残余应力而进行退火。
正火1、定义：将钢材或钢件加热到一定温度，保温适当时间，使之完全奥氏体化，然后在空气中冷却，以得到珠光体组织的热处理工艺。
2、目的：改善切削性能，消除毛坯内应力，细化晶粒、提高硬度、获得比较均匀的组织和性能。
退火和正火的区别退火和正火属于预备热处理工艺，对于含碳量相同的工件，正火后的强度和硬度要高于的退火的。
例如：含碳量大于0.7%的碳钢和合金钢，为降低硬度便于切削加工采用退火处理；含碳量低于0.3%的低碳钢和低合金钢，为避免硬度过低切削时粘刀，而采用正火适当提高硬度。
一般用于锻件、铸件和焊接件。
退火一般安排在毛坯制造之后，粗加工之前进行。
渗碳1、定义：为提高工件表层的含碳量并在其中形成一定的碳含量梯度,在渗碳炉中将低碳钢在渗碳介质中加热、保温,使碳原子渗入工件表面，然后进行淬火的化学热处理工艺。
2、目的：使低碳钢的表面层含碳量增加到0.85～1.10%，然后再经淬火、低温回火处理以消除应力和稳定组织，使钢件表面层具有高硬度(HRc56～62)，增加耐磨性及疲劳强度等。
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表面热处理
改善钢的性能：1）、调整钢的化学成分、2）热处理 热处理：通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结 构发生变化，以获得所需性能的一种加工工艺。 退火和正火 退火和正火一般安排在铸造、锻造之后，机械加工之前。 目的：1）软化钢件以便切削加工；2）消除残余应力，防止 钢件变形开裂；3）细化晶粒，改善组织，提高钢的机型性 能；4）为最终热处理（淬火回火）作好组织上的准备。 退火分为：完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火。 完全退火：将亚共析钢工件加热至Ac3以上30-50℃，保温一 段时间后，随炉缓慢冷却至500℃以下在空气中冷却。 正火：将钢件加热至Ac3以上30-50℃，保温后从炉中取出在 空气中冷却。与退火的不同点是正火冷却速度稍快。
断裂韧性：
（ 2 ）金属材料的物理、化学和工艺性能 物理性能：比重、熔点、热膨胀性、导热性、导电性。
化学性能：抵抗活泼介质的化学侵蚀能力，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。
工艺性能：是物理、化学、机械性能的总和。可分为铸造性、可锻性、 可焊性、切削加工性能等。
2.钢铁材料 铁碳合金是以铁为基础的合金，也是钢和铁的统称。 铁碳合金固态下的组织：
（1）普通碳素钢：S、P含量分部≤0.055%和0.045% （2）优质碳素钢： S、P含量均应≤0.040% （3）高级优质碳素钢： S、P含量分别≤0.030%和0.035 % 3.按用途分类：分碳素结构钢和碳素工具钢两类。 （1）碳素结构钢：主要用于制造工程构件和机器零件。 （2）碳素工具钢：主要用于制造刀具、量具、模具。
1.金属材料的性能 （1）.金属材料的机械性能 弹性和塑性：延伸率越大，塑性加工的性能越好。 刚度：弹性模数是金属最稳定的性质之一。
强度：常用指标有屈服强度和抗拉强度。
金属材料及热处理基本知识
冲击韧性 定义：是指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗 能量大小的特性。 试验：通常是在摆式冲击试验机上测定的。冲击韧 性α Kv（α ku）＝Ak／SN 。 应用：材料冲击韧性的高低，取决于材料有无迅速 塑性变形的能力，冲击韧性高的一般都有较高的塑 性，但塑性较高的材料却不一定都有较高的冲击韧 性。冲击韧性是对材料的化学成分、冶金质量、组 织状态、内部缺陷以及试验温度等比较敏感的一个 质量指标，同时也是衡量材料脆性转变和断裂特性 的重要指标。
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： HB主要用于测定硬度较低的材料，如退火、正 火、调质处理的钢材。 HR主要用于测定硬度较高的材料，其中HRB测 定同HB，HRA和HRC用于测定淬火钢、硬质合 金、渗碳层等。 HV主要用于测定金属表面硬度，如测定金相组 织中不同区域的硬度，测定焊缝不同区域的硬 度。 HL主要用于现场构件材料表面硬度的测定，测 后可以直接读出硬度值，并能及时转换为布、 洛、维等各种硬度值。
锅炉压力容器压力管道用钢 常用的热处理工艺
退火 定义：将钢试件加热到适当的温度，保温一定的时 间后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理 工艺，称为退火。根据材料化学成分和热处理的目 的的不同，退火又可分为完全退火、不完全退火、 消除应力退火、等温退火、球化退火等。 完全退火又称重结晶退火，其方法是将工件加热到 Ac3以上30～50℃，保温后在炉内缓慢冷却。 不完全退火是将工件加热到Ac1以上30～50℃，保 温后缓慢冷却的方法。消除应力退火是将工件加热 到Ac1以下100～200℃，保温后缓慢冷却使工件产 生塑性变形或蠕变变形带来的应力松弛的方法。
金属材料和热处理基本知识(培训内容)
第四章金属材料的基础知识和热处理的基本知识1、钢的分类：|（1）-碳钢:含碳量低于2%的铁碳合金;-合金钢:在钢中特意加入一种或几种其它合金元素组成的钢;-生铁:含碳量高于2%的铁碳合金.,可通过铸造方法制造零件,所以又称铸铁.（2）按化学成分分类：碳钢-低碳钢:含碳量小于0.25%;-中碳钢:含碳量为0.25~0.55%;-高碳钢:含碳量大于0.55%.合金钢-低合金钢:合金元素总含量小于3.5%;-中合金钢:合金元素总含量 3.5~10%;-高合金钢:合金元素总含量大于10%;2、洛氏硬度与布氏硬度值近似关系：HRC≈1/10HB3、热处理及其常用工艺方法热处理的定义-利用钢在固态下的组织转变,通过加热和冷却获得不同组织结构,从而得到所需性能的工艺方法统称热处理.常用热处理工艺方法：退火-将钢加热到一定温度,保温一段时间,然后随炉一起缓慢冷却下来,以期得到接近平衡状态组织的一种热处理方法.4、完全退火:AC3以上30~50℃,用于消除钢的某些组织缺陷和应力,改善切削加工性能;等温退火:加热到AC3,以上30~50℃,较快的冷却到略低于Ar1的温度,并在此温度下等温到奥氏体全部分解为止,然后出炉空冷.适用于亚共析钢、共析钢，尤其广泛用于合金钢的退火。
优点是周期短，组织和硬度均匀。
5、正火-正火和退火加热方法相似，只是冷却速度比退火稍快（空冷），得到的是细片状珠光体（索氏体），强度、硬度比退火的高，与退火相比，工艺周期短，设备利用率高。
主要用于低碳钢获得满意的机械性能和切削性能、过共析工具钢消除网状渗碳体、中碳钢代替退火或作为淬火前的预先热处理。
6、淬火-将钢加热到AC1以上30~50℃(共析钢、过共析钢）或AC3以上30~50℃（亚共析钢），保温一段时间，然后快冷得到高硬度的马氏体组织的工艺方法。
用以提高工件的耐磨性。
7、回火-将淬火后的工件加热到A1以下某一温度，保温一段时间，然后以一定的方式冷却（炉冷、空冷、油冷、水冷等）-目的：1）降低淬火工件的脆性，消除内应力（热应力和组织应力），使淬火组织趋于稳定，同时也使工件尺寸趋于稳定；2）获得所需的硬度和综合机械性能。
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。
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只有在为了满足机器上的某些特殊性能的要求时，才考 虑使用纯金属来制造机器零件。
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1.1、金属材料的性质：
制造机器零件的金属及合金的性质：
力学性能
使用性能
物理性能 化学性能
D） 例如：T10A——含碳量1.0%,A级
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2.2、合金钢
（1）合金结构钢：
牌号：数字+化学元素符号+数字+质量等级
例如：
对应元素的质量分数的百分数， 当其平均质量分数<1.5%不标出
钢中所含合金元素的化学符号
钢中平均碳的质量分数，以0.01%（万分之一）为单位。
灰铸铁特性:
抗压性好，耐磨性和减振性能好； 抗拉极限较低，塑性和韧性几乎等于零； 既有良好的铸造工艺性和切削加工性能。
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2.3、铸铁
（3）球墨铸铁（QT500）：
球墨铸铁中的碳大部分以球状石墨形态存在。 球墨铸铁特性:
抗拉强度不亚于碳钢； 减磨性和减振性好； 塑性、韧性比其他铸铁好； 具有良好的铸造性能、切削加工性能。故可以代替钢材制造形状复杂而承载
伸长率δ或断面收缩率Ψ值越大表示材料塑性越好。
一般：δ < 2 ~ 5% 属脆性材科
δ ≈ 5 ~ 10% 属韧性材料
δ > 10%
属塑性材料
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1.2.4、硬度的基本概念
硬度：是指材料抵抗其他更硬物体压入其内的能力。 一般材料的硬度越高，耐磨性越好，强度也较好．
常用测量硬度的方法
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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位错强化：位错密度↑→强度、硬度↑
意义 1）一种强化手段 2）冷加工成形得以顺利进行 3）具有过载能力，使用安全 4）↓塑性，↑切削性能 不利：塑性变形困难→中间退火→消除
2．纤维组织 晶粒拉长，纤维组织→各同异性
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• 力学性能 • 晶体结构 • 金属材料的塑性变形 • 铁－碳平衡图 • 过冷奥氏体的转变 • 常用热处理工艺 • 碳钢 • 合金钢分类及用途 • 材料选用原则
金属材料力学性能
• 静载单向静拉伸应力―应变曲线 • 材料的强度 • 塑性 • 刚度和弹性 • 硬度 • 冲击韧性 • 断裂韧性
1. 晶粒位向：晶粒位向不一致 2. 晶界： ⅰ.滑移的主要障碍：晶界原子排列较不规则→缺陷多→滑
移阻力大→变形抗力大。 ⅱ.协调变形：晶界自身变形→处于不同变形量的相邻晶粒
保持连续。 （2）细晶强化
Hall-Pitch关系：σ s=σ 0+Kyd-1/2 晶粒小→晶界面积大→变形抗力大→强度大 晶粒小→晶界附近位错密度小→应力集中小→滑移由这晶粒
到另外一个晶粒机会少→变形困难→屈服强度↑ 晶粒小→单位体积晶粒多→变形分散→减少应力集中 晶粒小→晶界多→不利于裂纹的传播→断裂前承受较大的塑
性变形 细晶强化：晶粒细化→强度提高、塑性提高、韧性提高，硬
度提高。
冷塑性变形对金属组织性能的影响 1．加工硬化（形变硬化）（冷作硬化）
金属在冷态下进行塑性变形时，随着变形度的增加，其强度、 硬度提高，塑性、韧性下降——加工硬化
静载单向静拉伸应力―应变曲线
低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线分为四阶段：
金属材料热处理基础培训知识
1、合金元素符号最前的数字表示含碳量 低合金钢、合金结构钢、合金弹簧钢用二位数字表
示平均含碳量(以万分之几计)。不锈耐酸钢、耐热钢等， 一般用一位数字表示平均含碳量(以千分之几计)；平均 含碳量小于千分之一的用“0”表示，含碳量不大于 0.03%的用“00”表示。 合金工具钢一般C≥1.0%时不标出含碳量数字；若平均 含碳量小于1.0%时，可用一位数字表示含碳量(以千分 之几计)。但高速钢C<1.0%也不标出。
二、优质碳素结构钢： 牌号：用两位数字表示钢中平均含碳量的十分之几。 分类： 1）、08~25钢，属于低碳钢 性能：强度、硬度较低、塑性、韧性及焊接性良好；
用途：冲压件、、30~55钢 属于中碳钢
性能：较高的强度和硬度，是塑性和韧性随含碳量
的增加而逐步降低。 用途：制作受力较大的机械零件。 如：连杆、曲
三． 按质量分类
按钢材中有害杂质磷、硫的含量可分为 普通钢（含磷量≤0.045%、含硫量≤ 0.055%；或磷、硫含量均 ≤0.050%）； 优质钢（磷、硫含量均≤0.040%）； 高级优质钢（含磷量≤0.035%、含硫 量≤0.030%）。
钢厂在给钢的产品命名时，往往将用途、 成分、质量这三种分类方法结合起来。 如将钢称为普通碳素结构钢、优质碳素 结构钢、碳素工具钢、高级优质碳素工 具钢、合金结构钢、合金工具钢等
机械零件。
第三节 合金钢 一、 合金元素在钢中的主要作用
1、强化铁素体 2、形成合金碳化物 3、 细化晶粒 4、 提高钢的淬透性 5、 提高钢的回火稳定性 二、合金结构钢分类和牌号
按用途分为：合金结构钢、合金工具钢、特殊性 能钢。
按合金元素含量分为：低合金钢、中合金钢、高 合金钢。
金属材料与热处理(全)精选全文
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。
金属材料及热处理基础知识
目录
• 金属材料概述 • 金属材料的热处理 • 金属材料的力学性能 • 金属材料的腐蚀与防护 • 金属材料的选择与应用
01
金属材料概述
金属材料的定义与分类
金属材料的定义
金属材料是指以金属 元素或以金属元素为 主要成分，具有金属 特性的材料统称为金 属材料。
金属材料的分类
区域受到腐蚀的现象。
金属腐蚀的原理与影响因素
总结词
金属腐蚀的原理是金属原子失去电子成为正离子，而环境中的阴离子获得电子成为原子或负离子。影响因素包括 环境因素和金属本身的因素。
详细描述
金属腐蚀的原理是金属原子失去电子成为正离子，而环境中的阴离子获得电子成为原子或负离子。这个过程通常 涉及到电化学反应。影响因素包括环境因素和金属本身的因素。环境因素如湿度、温度、氧气、二氧化碳、污染 物等，而金属本身的因素包括合金成分、微观结构、表面状态等。
详细描述
热处理是金属材料加工过程中的一个重要环节，主要通过控制温度和时间来改变 金属材料的内部结构，从而改善其物理、化学和机械性能。根据不同的加热温度 和冷却方式，热处理可以分为多种类型，如退火、正火、淬火和回火等。
热处理的基本原理
总结词
热处理的基本原理是利用金属在加热和冷却过程中的相变现象，通过控制相变 过程来改变材料的内部组织结构，从而达到改善其性能的目的。
• 详细描述：退火是将金属加热到适当温度后保温一段时间，然后缓慢冷却至室温的过程，主要用于消除内应力、降低硬 度、提高塑性和韧性等。正火是将金属加热到适当温度后保温一段时间，然后空冷至室温的过程，主要用于细化晶粒、 提高强度和韧性等。淬火是将金属加热到适当温度后迅速冷却至室温的过程，主要用于提高金属的硬度和耐磨性等。回 火则是将淬火后的金属加热到适当温度后保温一段时间，然后冷却至室温的过程，主要用于消除淬火产生的内应力、稳 定组织结构和提高韧性等。
金属材料及热处理
疲劳强度
01
金属材料在无数次重复交变载荷作用下，而不致破坏的最大应力，称为疲劳强度。实际上并不可能作无数次交变载荷试验,所以一般试验时规定,钢在经受106~107次,有色金属经受107~108次交变载荷作用时不产生破裂的最大应力,称为疲劳强度。
02
蠕变 在长期固定载荷作用下,即使载荷小于屈服强度,金属材料也会逐渐产生塑性变形的现象称蠕变。蠕变极限值越大,材料的使用越可靠。温度越高或蠕变速度越大,蠕变极限就越小。
2）抗拉强度 拉伸试验时，材料在拉断前所承受的最大应力,称为抗拉强度,以符号бb表示。计算式如下： σb =Fb/So（N/mm2 ） 式中 Fb一试样拉断前承受的最大载荷〈N〉 So---试样原始横截面积(mm2) σb一抗拉强度〈MPa〉。 抗拉强度是材料重要的力学性能指标,当材料所受应力达到σb时,将引起破坏。工程上不仅希望材料具有较高的屈服点,而且要求бb比бs大一些,即具有适当的屈强比〈бs /σb〉。屈强比小,说明材料的塑性贮备较高,即使应力超过бs，也不会马上断裂破坏。但屈强比过小，则会降低材料的有效利用率
第二节 常用金属材料的牌号、性能和用途 一、钢 1．钢的分类 钢的分类方法很多,可以按化学成分、冶炼方法、品质、用途及金相组织等进行分类。 1）按化学成分分类：碳钢、合金钢 ①碳钢：（非合金钢） 含碳和铁两种基本元素，还存在其他少量元素Mn、Si、S、P、O、N、H等，不是特意加入的而是由于冶炼需要加入Mn铁、Si铁或无法去除的称杂质元素。按含碳量分： ⅰ 低碳钢：含C ≤0.25% ⅱ 中碳钢：含C 0.25～0.6% ⅲ 高碳钢：含C＞0.6%
半镇静钢为半脱氧钢。脱氧程度介于上述两者之间,用符号"b"表示。
按品质分类
1
金属材料与热处理(最全)
热处理的应用与效果
应用
热处理广泛应用于各种金属材料，如钢铁、有色金属、合金 等。通过合理的热处理工艺，可以显著提高金属材料的机械 性能、物理性能和化学性能，满足各种工程应用的需求。
效果
热处理可以改变金属材料的硬度、韧性、强度、耐磨性、耐 腐蚀性等机械性能，提高其抗疲劳性能和抗腐蚀性能，延长 使用寿命。同时，热处理还可以改善金属材料的加工性能和 焊接性能，提高生产效率和产品质量。
04 金属材料与热处理的关系
金属材料的性能与热处理的关系
金属材料的性能
金属材料的性能包括力学性能、物理性能和化学性能等，这些性能在很大程度上取决于 其内部结构和相组成。
热处理对金属材料性能的影响
通过控制加热、保温和冷却等热处理工艺参数，可以改变金属材料的内部结构和相组成，从而显著提 高或改善其各种性能。例如，热处理可以细化金属材料的晶粒，提高其强度和韧性；可以改变金属材
时间，可以改变金属材料内部的相组成。
金属材料的缺陷与热处理的关系
要点一
金属材料的缺陷
要点二
热处理对金属材料缺陷的影响
金属材料的缺陷包括裂纹、气孔、夹杂物和未熔合等，这 些缺陷可能会降低金属材料的性能。
通过适当的热处理工艺，可以减少或消除金属材料的缺陷 ，提高其性能。例如，通过退火处理可以软化金属材料， 减少其内应力，从而减少裂纹的产生；通过固溶处理可以 溶解金属材料中的杂质和气体，提高其纯净度。
03 金属材料的热处理工艺
退火工艺
总结词
退火是热处理工艺中的一种，通过加热和缓慢冷却金属材料，以消除内应力、 提高塑性和韧性，达到改善材料性能的目的。
详细描述
退火工艺通常包括将金属材料加热到再结晶温度以下，保持一段时间，然后缓 慢冷却至室温。退火可以细化晶粒、消除内应力、降低硬度、提高塑性和韧性， 改善金属材料的加工性能和综合力学性能。
金属材料与热处理基本知识
金属材料与热处理基本知识一、铁碳合金的基本组织1、铁素体碳在α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，用F表示。
强度和硬度很低，塑韧性好。
2、奥氏体碳在γ-Fe中的间隙固溶体称为奥氏体，用A表示。
塑性好，在锻造、轧制时常要加热到A区域，易于加工。
3、渗碳体铁与碳形成的金属化合物称为渗碳体，用Fe3C表示。
硬度高，脆性大。
4、珠光体F与Fe3C混合物,用P表示。
强、韧性介于两者之间。
5、莱氏体A与Fe3C混合物（P+Fe3C）用Ld表示。
硬度高，塑性差。
二、铁碳合金状态图1、状态图主要点、线ABCD线：液相线，液相冷却至此开始析出，加热至此全部转化。
AHJECF线：固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，加热至此开始转化GS线：A3线，A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入AES线：Acm线，C在A中溶解度曲线，Fe3CⅡ析出线加热时Fe3CⅡ全部溶入AECF线：共晶线，含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物，莱氏体。
PSK线：共析线（A1线），含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反应，产生出珠光体GP线—铁素体析出终了线PQ线—Fe3CⅢ析出线2、典型铁碳合金的结晶过程（1）、60钢1点以上 L → 1～2 点 L+A → 2～3点A → 3～4点A+F → 4点室温P+F(2)、 T7钢1点以上 L → 1～2 点 L+A → 2～3点A → 3点室温P(3)、T12钢1点以上 L → 1～2 点 L+A → 2～3点A → 3～4点A+ Fe3CⅡ→ 4点室温P+ Fe3CⅡ3、铁碳合金分类钢是含C量0.0218～2.11%的铁碳合金。
亚共析钢含C量0.0218-0.77%；共析钢：含C量 0.77%；过共析钢含C量0.77-2.11%4、铁碳合金相图的应用铸造方面：选择合适的浇铸温度，流动性好。
煅造方面：选择合适的温度区，奥氏体区。
热处理方面：退火、正火、淬火、回火等。
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五、疲劳强度
在汽车上的许多零件中，比如各种轴、齿轮、弹簧、连杆等，要 受到大小和方向呈周期性变化的载荷作用。这种交变载荷虽然小于材 料的强度极限，甚至小于其弹性极限，但经多次循环后，在没有明显 的外观变形时也会发生断裂，这种破坏称作疲劳破坏或疲劳断裂。这 种破坏都是突然发生的，具有很大的危险性。
1．拉伸曲线 图2-1为低碳钢的拉伸曲线，图中纵坐标表示载荷单位为N；横坐 标表示绝对伸长量△L，单位为mm。
2
从图2-1中可以看出下面几个变形阶段： （1）Oe———弹性变形阶段 （2）es———屈服阶段 （3）sb———强化阶段 （4）bk———缩颈阶段
3
2．强度指标
材料受到外力作用会发生变形，同时在材料内部产生一个抵抗变形 的力称为内力。单位面积上的内力称为应力，单位为Pa（帕），即N/m2 工程上常用MPa(兆帕)，1MPa=106pa，或1Pa=1N/m2，或1MPa=1N/mm2。
均压力（F/A）即为布
氏硬度值，压头为淬火
钢球时用HBS表示，压
头为硬质合金球用时
HBW表示。例如120HBS，试验法 采用顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球作 为压头．如图2-3所示。试验时先施加初载荷，使压头与试样表面接 触良好，保证测量准确，再施加主载荷，保持到规定的时间后再卸除 主载荷，依据压痕的深度来确定材料的硬度值。
第二章 金属材料与热处理基础
学习目的：
通过本章的学习具备所必需的汽车所使用的金属材料基本知 识。
学习要求：
掌握金属的力学性能指标及常用数据。 掌握钢的热处理的基本知识及常用的热处理方法、工艺特点和 应用范围。 掌握常用的机械工程材料类型、牌号、力学性能及用途。 初步具有选择工程材料的能力。
1
第一节 金属的力学性能
1．断后伸长率δ
试样拉断后的标距伸长量和原始标距之比
δ=(L1—L0)/L0×100％
（2-4）
式中，L1试样原始标距长度。L0试样拉断后的标距长度。
2．断面收缩率ψ
试样拉断处ψ=×100％横截面积的缩减量与原始横截面积之比
ψ= =(A0—A1)/AO ×100％
（2-5）
式中，Ao是试样的原始横截面积；A．是试样断口处的横截面积。
材料的力学性能是指材料在外力作用下所表现出来的特性。力学 性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧度及疲劳强度等。
一、强度
强度是指金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。 强度指标一般可以通过金属拉伸试验来测定。把标准试样装夹在 试验机上，然后对试样缓慢施加拉力，使之不断变形直到拉断为止。 在此过程中，试验机能自动绘制出载荷F和试样变形量AL的关系曲线。 此曲线叫做拉伸曲线。
（1）屈服点σs材料产生屈服时的最小应力。单位为MPa。
σs= Fs/AO （2-1）
式中，Fs是屈服时的最小载荷(N)；A0是试样原始截面积。
对于无明显屈服现象的金属材料（如高碳钢、铸铁），测量屈服点 很困难，工程上经常采用残余伸长为0.2％原长时的应力σ0.2作为屈服 强度指标，称为规定残余伸长应力。
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二、退火与正火
1．退火
退火是将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却 （一般随炉冷却）的热处理工艺。
2．正火
正火是指把钢加热到组织转变为奥氏体的临界温度以上保温， 使其完全奥氏体化，在空气中冷却的热处理工艺。
疲劳强度σ-1是表示材料以周期性交变载荷作用而不致引起断裂 的最大应力，其大小与应力变化的次数有关。对于黑色金属规定循环 次数为107次，有色金属循环次数为108次。
为了提高金属的疲劳强度，可以通过改善零件的结构形状，避免 应力集中，减小表面粗糙度值，进行表面热处理和强化处理等方法。
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第二节 钢的热处理常识
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2．钢在加热时的转变 在热处理工艺中，钢的加热目的是为了获得奥氏体，奥氏体是钢在 高温状态时的组织，其强度及硬度高，塑性良好，晶粒的大小、成分及 其均匀化程度，对钢冷却后的组织和性能有重要影响。因此，钢在加热 时，为了得到细小均匀的奥氏体晶粒，必须严格控制加热温度和保温时 间，以求在冷却后获得高性能的组织。 3．钢在冷却时的转变 冷却是热处理的关键工序，成分相同的钢经加热获得奥氏体组织后， 以不同的速度冷却时，将获得不同的力学性能，见表2-1。
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四、冲击韧度
对于承受冲击载荷的材料，如汽车 发动机中的活塞，不仅要求具有高的强 度和一定的塑性，还必须具备足够的冲 击韧度。金属材料抵抗冲击载荷作用而 不破坏的能力称为冲击韧度。
冲击韧度的测定方法，如图2-4所 示。是将被测材料制成标准缺口试样， 在冲击试验机上由置于一定高度的重锤 自由落下而一次冲断。冲断试样所消耗 的能量称为冲击功，其数值为重锤冲断 试样的势能差。冲击韧度值aKV就是试 样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功， 这个值越大，则韧性越好，受冲击时， 越不容易断裂。
一、钢的热处理原理
1．概述 热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却 以获得所需要的组织结构与性能的工艺。 根据热处理的目的和工艺方法的不同，热处理可分为：
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热处理 方法虽然很 多，但任何 一种热处理 工艺都是由 加热、保温、 和冷却三个 阶段所组成 的。热处理 工艺过程可 用在温度一 时间坐标系 中的曲线图 表示，这种 曲线称为热 处理工艺曲 线，见图2-5。
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三、硬度
硬度是指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。 常用来测定硬度的方法有布氏硬度试验法和洛氏硬度试验法。
1．布氏硬度试验法
如图2-2所示采用
直径为D的淬火钢球或
硬质合金球，在规定载
荷F的作用下，压入被
测金属表面，保持一
定时间后卸除载荷，测
定压痕直径，求出压痕
球形的表面积，压痕单
位表面积上所承受的平
σ0.2= F0.2/AO （2-2）
（2）抗拉强度σb材料在拉断前所承受的最大应力，单位为MPa。 抗拉强度表示材料抵抗均匀塑性变形的最大能力，也是设计机械零件和 选材的主要依据。
σb= Fb/AO （2-3）
式中，Fb是试样断裂前所承受的最大载荷（N）。
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二、塑性
金属材料在载荷的作用下，产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。 通过拉伸试验测得 的常用塑性指标有：断后伸长率和断面收缩率。