第二章 常用金属材料及热处理

第二章常用金属材料及热处理
金属材料是机械工程中应用最广泛的材料。

它具有良好的力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能，主要用于机械设备、港口建设、交通运输、建筑和军事工业等方面。

金属材料的机械性能又称力学性能，是金属材料在外力作用下表现出的能力，是我们机械产品设计与零部件选材的重要依据。

常用的机械性能指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。

金属材料的热处理是指金属材料在固态下加热到一定温度，保温一定时间，然后以设定的冷却速度冷却下来，以改变其内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。

根据热处理所获得的内部组织和机械性能的不同，可以分为退火，正火，淬火，调质（淬火+高温回火）、回火和表面热处理。

2.1常用金属材料及用途
金属材料是应用最广泛的材料，目前仍占据材料工业的主导地位。

包括黑色金属的型钢、钢板及钢带、钢管、钢丝、钢丝绳，有色金属的棒材、线材、板材、带材及箔材、管材等12大类。

黑色金属：如生铁、铁合金、铸铁、钢、合金钢等。

钢和生铁都是以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。

习惯上把碳含量＞2.11%的归类于铁，碳含量＜2.11%的归类于钢。

当铁中含C在0.03%~1.2%范围时则为钢，含C在1.2%~2.5%的铁缺乏实用性，一般不进行工业生产。

2.1.1 碳素钢
1 碳素钢的分类方法如下：
2 普通碳素结构钢牌号及其用途
常见碳素结构钢的牌号用“Q+数字”表示，其中“Q”为屈服点“屈”字的汉语拼音字首，数字表示屈服强度的数值。

例如，Q235表示屈服强度为235MPa。

若牌号后面标注字母A,B,C,D，则表示钢材质量等级不同，即硫，磷的质量分数不同。

其中A级钢含硫，磷的质量分数最高，D级钢含硫，磷的质量分数最低，即A,B,C,D表示钢材质量依次提高。

这类钢最典型的钢号是Q235A。

3 优质碳素结构钢的牌号和主要用途
优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示钢的平均含碳的质量分数的万分数，例如，20钢，45钢等，其平均的碳质量分数分别为0.2%和0.45%。

若钢中锰的质量分数较高，则在这类钢号后附加符号“Mn”，如，15Mn，45Mn等。

优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件。

常用碳素结构钢的牌号，机械性能及其用途见表2-1。

表2 -1 常用碳素结构钢牌号，机械性能及其用途
类别常用牌号
机械性能
用途屈服点
σa/MPa
抗拉强度
σb/MPa
伸长率
δ5/%
碳素结构
钢
Q195 (195) 315~390 33
塑性较好，有一定的强度，通常轧制成钢筋、
钢板、钢管等。

可作为桥梁、建筑物等的构
件，也可用做普通螺钉、螺帽、铆钉等
Q215 215 335~410 31
Q235A
235 375~460 26
Q235B
Q235C 可用于重要的焊接件
Q235D
强度较高，可轧制成型钢、钢板，作构件用Q255 255 410~510 24
Q275 275 490~610 20
优质碳素结构钢08F 175 295 35 塑性好，可制造冷冲压零件
10 205 335 31 冷冲压性与焊接性能良好，可用作冲压件及
焊接件，经过热处理（如渗碳）也可以制造
轴、销等零件
20 245 410 25
35 315 530 20
经调质处理后，可获得良好的综合机械性
能，用来制造齿轮、轴类、套筒等零件40 335 570 19
45 355 600 16
50 375 630 14
60 400 675 12
主要用来制造弹簧
65 410 695 10
2.1.2 合金钢
1.合金钢的分类方法如下
为了提高钢的性能，在碳素钢基础上特意加入合金元素所获得的钢种称为合金钢。

合金钢的分类如下
2 合金结构钢的牌号
用“两位数（平均碳质量分数的万分之几）+元素符号+数字（该合金元素质量分数小于1.5%不标出；1.5%~2.5%标2；2.5%~3.5%标3，其余依次类推）”表示。

例如40Cr，表示碳的质量分数为0.40%，铬的质量分数<1.5%。

2.合金工具钢的牌号
1)碳的质量分数<1.0%时：用“一位数（表示碳质量分数的千分之几）+元素符号+数字”表示。

例如9Mn2V，第一位数表示碳质量分数为0.9%，锰的平均质量分数为2%，钒的平均质量分数<1.5%。

2)碳的质量分数>1.0%时，用“元素符号+数字”表示。

例如Cr12MoV，表示碳的平均质量分数>1.0%，铬的平均质量分数为12%，钼和钒的平均质量分数均<1.5%。

3)高速钢碳的平均质量分数小于1.0%时，其含碳量也不予标出，例如W18Cr4V钢，其碳的平均质量分数为0.7%~0.8%。

3.特殊钢性能钢的牌号
特殊性能钢的牌号和合金工具钢的表示方法相同，例如不锈钢2Cr13，其碳的平均质量分数为0.2%，铬的平均质量分数为13%。

某些特殊性能的钢的质量分数很小。

当其碳的质量分数《0.10%时，用0表示；碳的质量分数《0.03%时，用00表示，例如0Cr18Ni9、00Cr30Mo2等。

4.特殊专用钢的牌号
为表示钢的用途，在钢的牌号前面冠以汉语拼音字母字头，而不标含碳量。

合金元素含量的标注和上述也有所不同。

例如滚动轴承钢前面标“G”（“滚”字汉语拼音的第一个字母）。

如GCr15SiMn，牌号中铬元素后面的数字表示铬的质量分数为15%0，其他元素含量仍按百分数表示，即硅和锰的平均质量分数均<1.5%。

常用合金钢的牌号、机械性能及其用途见表2-2
表2-2 常用合金钢牌号、机械性能及其用途
2.1.3 铸钢
铸钢主要用于制造形状复杂，具有一定强度、塑性和韧性的零件，例如机车车辆、船舶和重型机械的齿轮、轴以及轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等。

碳素铸钢的成分、机械性能
及应用见表2-3。

表2 -3 碳素铸钢的成分、机械性能及应用
钢号
化学成分/%
（上限值）
机械性能
应用举例C Mn Si
σs/
MPa
σb/
MPa
δ5
/ %
ψ/
%
αk/
kJ/m2
ZG200-400 0.20 0.80 0.50 200 400 25 40 600 机座、变速箱壳ZG230-450 0.30 0.90 0.50 230 450 22 32 450 机座、锤轮、箱体
ZG270-500 0.40 0.90 0.50 270 500 18 25 350 飞轮、机架、蒸汽锤、水压机、工作缸、横梁
ZG310-570 0.50 0.90 0.60 310 570 15 21 300 联轴器、汽缸、齿轮、齿轮
圈
ZG340-640 0.60 0.90 0.60 340 640 10 18 200 起重运输机齿轮、联轴器等
机件
碳是影响铸钢件性能的主要元素，随着碳的质量分数的增加，屈服强度和抗拉强度均增加，而且抗拉强度比屈服强度增加的更快，但当碳的质量分数超过0.45%时，屈服强度很少增加，而塑性、韧性却显著下降。

从铸造性能来看，适当提高碳的质量分数，可降低钢的熔化温度，增加钢水的流动性，钢中气体和夹杂物也能减少。

所以，在生产中使用最多的是ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570三种。

2.1.4 铸铁
铸铁是碳质量分数大于2.11%，并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。

铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜，具有许多优良的使用性能和工艺性能，所以应用非常广泛，是工程上最常用的金属材料之一。

铸铁的分类如下：
其中，灰铸铁的应用最广泛。

常用灰铸铁的牌号和用途见表2-4。

表2-4 常用灰铸铁的牌号和用途
2.2 常用热处理设备
热处理设备主要指加热设备、辅助设备及检测设备。

加热设备的分类有以下几种方法。

按热能来源：有电阻炉、燃料炉。

按工作温度：有高温炉（>1000o C）、低温炉（<600 o C）。

按工作介质：有空气炉、淬火炉、回火炉、化学热处理炉。

按外形和炉膛形状：有箱式炉、井式炉、台车式炉。

一般热处理车间常用的设备有箱式电阻炉、盐浴炉、渗碳炉、真空热处理炉及温度检测设备、硬度计、金相显微镜等。

1.箱式电阻炉箱式电阻炉是利用在炉膛两侧及炉底的电热元件（铁铬、镍铬电热丝或硅碳棒）通电，将电能转化为热能，通过辐射和对流作用加热，它是加热设备中用的最广泛的设备。

箱式电阻炉适用中小型零件的淬火、回火、正火、及固体渗碳等加热，具有操作简便、控温明确、劳动条件好等优点。

图3-1是常用中温箱式电阻炉的结构示意图。

图2-1 箱式电阻炉结构图
1—电阻合金加热体 2—热电偶孔 3—工作室 4—炉底板 5—炉壳
6—重锤筒 7—炉门 8—手摇链轮 9—行程开关
2. 盐浴炉 盐浴炉是利用熔盐的对流作用加热工件，按加热方式，可将盐浴炉分为内热式和外热式两种。

内热式盐浴炉中又以电极盐浴炉用的最多。

图2-2为埋入式电极盐浴炉的结构示意图。

电极盐浴炉与其他加热炉相比，具有加热速度快、生产率高、加热温度均匀、工件变形小、氧化脱碳少、便于细长轴类工件悬挂加热或局部加热等优点，是中小型工件的主要加热设备。

同时，调配盐浴中的氧化物、氧化钡等绿化盐的比例，可得到不同的熔点，可用于不同的适用温度。

图2-3 井式气体渗碳炉结构图
1—风扇机架 2—炉盖 3—炉封 4—油泵 5—滴油器 6—炉盖架 7—油管 8—接地 9—炉壳 10—马弗罐 11—加热体 12—料框
13—保温层
图2-2 埋入式电极盐浴炉 1— 炉壳 2—炉封 3—电极
4—接变压器铜排 5—电机上连接启动电阻
在操作盐浴炉时，欲加热的工件必须先烘干，以免将带有水汽的工件放入盐浴中时由于水汽的急剧膨胀发生高温盐浴的飞溅。

3.渗碳炉渗碳炉是对低碳钢、低合金钢进行表层渗碳的专用设备。

气体渗碳炉的风扇处要求密封性能好，以保证渗碳时的炉压。

如进一步改善炉子的密封性，该炉还可以用于滴注式可控气氛渗碳，碳、氮共渗，气体软氮化及多元共渗等方面。

图2-3为井式气体渗碳炉的结构图。

4.测温仪器测温仪表是感温元件（热电偶）和温度显示调节仪表的统称。

温度显示调节仪表是由温度显示和温度调节两部分构成的。

1)数显调节仪生产中使用较广的XCT系列毫伏计正在被更先进的XMT数显调节仪所取代。

数显调节仪外形见图2-4，它在毫伏计控温更准确、温度显示更直观。

2)电子电位差计这是一种精度可靠的仪表，能显示、记录和控制炉温，在热处理生产中应用广泛。

其外形如图2-5，电子电位差计现在用的较多的是XW系列，其中以XWB型仪表应用最为普遍。

这种型号的电子电位差计带有位式调节器或可实现高精度连续控制的电动调节器。

装在仪表板托盘上的圆形记录纸，每24h转一圈。

记录纸上的同心圆表示温度分度，同一圆周上的温度为定值。

记录纸上与同心圆相交的辐射状弧线表示时间分度，一大格相当于1h。

根据记录笔画出的墨线便可知道炉温的高低和加热时间的长短。

图2-4 XMT数显调节仪
图2-5 电子电位差计外形
3)热电偶热电偶为测量温度的传感器，在各种加热设备上广泛应用。

两种化学成分不同的金属丝的一端相互焊接，作为热电偶的热端（工作端）直接感知温度变化；另一端为冷端（自由端），通过补偿导线分别与温度显示和控制仪表相连接。

热端因温度变化产生热电势经补偿导线进入仪表放大后，带动仪表指示并按仪表的设置自动控制温度。

热电偶的种类很多，一般热处理设备的温度测控要求兼顾低、中、高温度范围。

热电偶自身的长度有限，外补偿导线起到与温度显示和控制仪表的连接作用，补偿导线的工作温度在-20~100o C的范围内，在这样的温度范围里，补偿导线与所配的热电偶有相同的温度和热电势关系。

热处理设备常用的几种热电偶见表2-5
表2-5 热处理设备常用的几种热电偶
热电偶名称分度
号
热电极材料使用温度范围
误差
（≤）（o C）
主要特点极
性
化学成份
（质量分
数，%）
长期
（o C）
短期
（o C）
铂铑10-铂S
+ Pt90、Rh10
0~1300 0~1600
0~1600 o C范围内
为±1.5
高温抗氧化性好，不宜
在还原气氛中使用- Pt100
铂铑-铂铑B
+ Pt70、Rh30
0~1600 0~1800
0~1600 o C范围内
为±4
同上、冷端在-40 oC以
下不用修正- Pt100
镍铬-镍硅K
+
Cr9~10
Si0.4、Ni90
-40~900 -40~1100
-40~1200 o C范围
内为±2.5
宜在氧化性、中性气氛
及真空中使用-
Si2.5~3.0
Cr≤0.6
Ni97
铜-镍铜T
+ Cu100
-40~350 -40~400
-40~350 o C范围内
为±1.5
宜在氧化性、中性气氛
及真空中使用- Cu55、Ni45
内抵抗变形的能力。

硬度和其他力学性能之间有一定的内在关系，因此一般情况下金属材料硬度的高低，也间接反映了金属材料的其他力学性能。

此外，硬度越高的材料，塑性变形抗力也越大。

在热处理车间，工件每完成一道热处理工序，或完成全部热处理工序后，均应按工艺规
程的要求，进行相应项目的质量检验。

生产现场最常用的检验手段之一就是工件的硬度检测。

硬度检测方法很多，最常用的是布氏硬度和洛氏硬度检测。

图2-6为布氏·铬·维硬度计真实图。

图2-6布氏·铬·维硬度计真实图图2-7 布氏硬度HBS测量原理图
1)布氏硬度目前常用的布氏硬度计的压头是用淬火的高碳钢制成的钢球。

操作原理是将一直径为D的钢球，在一定加载压力的作用下，压入所要测试的金属材料表面，并保持数秒钟，达到稳定状态，然后将实验压力卸除。

带有标尺的低倍显微镜测量表面压痕的直径（d），再从换算表上换算成布氏硬度值。

布氏硬度测量原理如图2-7。

材料越硬，压痕的直径越小，布氏硬度值越大；反之，材料越软，压痕的直径越大，布氏硬度值就越小。

布氏硬度用HBS表示。

2)洛氏硬度洛氏硬度是利用杠杆传递压力，一方面将重锤压力压至被测的材料上，另一方面利用杠杆把受试材料的压痕深度传递到读数百分表上，直接读出硬度的数值。

常用的洛氏硬度计为HRC，其原理见图2-8。

洛氏硬度计的压头是一个顶角为120o的金刚石锥体。

测试时先加预载荷100N，使压头压入试件表面，深度为h，此时，将硬度计上的刻度盘指针对准零点，如图2-8a,再加主载荷1400N（合计总载荷1500N），压头压入工件表层；深度为h2，如图2-8b，停留一定时间后，卸除主载荷，压头略微提高，深度为h3，如图2-8c所示。

因此在主载荷作用下，压头压入试件的深度为h=(h3-h1),就是测定硬度的依据。

将硬度HRC值用公式HRC=100-h/0.002表示。

在硬度计表盘上每一格相当于0.002mm 的深度。

h值越大，材料硬度值越低；反之，h值越小，材料的硬度值越大。

图2-8 洛氏硬度HBS测量原理图
3)维氏硬度计维氏硬度计的工作原理基本上与布氏硬度计相同，但所加载的载荷较小，使用的压头是金刚石正棱角锥体，在载荷作用下测量出方形印痕的对角线长度，再查表得到硬度值。

该硬度计适用于金属薄镀层、经化学热处理和感应淬火的表面薄硬层、较薄零件的硬度测试等。

目前，实际生产中使用的一般均为布洛维三用硬度计。

2.3 热处理工艺规程
热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。

这些过程互相衔接，不可间断。

根据加热和冷却方法的不同，热处理工艺大致分类如下：
a)退火
将工件加热到适当温度，保温一段时间，然后缓慢冷却的工艺方法称为退火。

其目的是
使金属内部组织比较接近平衡状态，以获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。

退火又分为完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火等。

b)正火
将工件加热到适当的温度，保温一定时间后在空气中冷却的工艺方法称为正火。

正火的效果与退火相似，只是得到的组织更细密。

常用于改善材料的切削性能，有时也用于对一些要求不高的零件作最终热处理。

c)淬火
将工件加热到适当温度，保温一定时间后在水、油或其它无机盐溶液等介质中快速冷却，以获得淬硬组织的工艺方法，成为淬火。

d)回火
淬火后钢件变硬、变脆。

为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于727o C 的某一适当温度进行较长时间的保温，再进行冷却的工艺方法，成为回火。

退火、正火、淬火、回火是普通热处理中的“四把火”。

“四把火”随着加热温度和冷却方式的不同，又演变出不同的热处理工艺。

e)调质处理
一般习惯将淬火加高温回火的复合热处理工艺成调质处理。

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。

f)表面热处理
表面热处理是只加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。

为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源需具有较高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较大的热能，使工件表层或局部能在短时或瞬时达到淬火温度。

表面热处理的主要方法有火焰淬火、感应加热淬火和激光淬火等。

常用的热源有氧—乙炔或氧—丙烷等火焰、感应电流和激光等。

g)化学热处理
化学热处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。

它是将工件放在含碳、氮或其他原色的介质（气体、液体、固体）中加热，保温较长时间，从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。

渗入元素后，有时还要进行其他后续热处理工艺（如淬火及回火）。

化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、渗金属、复合渗等，它与表面热处理的不同之处在于后者改变了工件表层的化学成分。

2.4 实训内容：火花鉴别材料
1.钢铁材料鉴别方法
现场鉴别钢铁材料最简易的方法是火花鉴别法、色标鉴别法等。

火花鉴别法
图2-9 火花束
钢材在砂轮上磨削时所射出的火花由根部火花、中部火花和尾部火花构成火花束。

如图2-9 所示。

磨削时由灼热粉末形成的线条状火花称为流线。

流线在飞行途中爆炸而发出稍粗而明亮的点称为节点。

火花在爆裂时所射出的线条称为芒线。

芒线所组成的火花称为节花。

节花分一次花、二次花、三次花不等。

芒线附近呈现明亮的小点称为花粉。

火花束的构成如图2-10 所示。

图2-10 火花束的组成
由于钢材的化学成分不同，流线尾部出现不同的尾部火花，称为尾花。

尾花有苞状尾花、菊状尾花、狐尾花、羽状尾花等。

如图2-11 所示。

图2-11 各种尾花形状
a)苞状尾花b)狐尾花c)菊状尾花d)羽状尾花
2.不同材料的火花特征：
1)20#钢的火花特征：流线不很多，带红色，火束长，芒线稍粗，花量不多，有多根分叉，一次花爆裂，尾端呈明显的枪尖形，色泽呈草黄色，如图2-12。

图2-12 20#钢火花特征示意图
2)20Cr 钢火花特征：与20#钢的火花比较，色泽白亮，辉光度高，爆花大而整齐，流线粗而长，一次多叉爆花，且有少量二次花，花型较大，芒线粗而稀，爆花核心有明亮节点，如图2-13。

图2-13 20Cr 钢火花特征示意图
3)45#钢火花特征：火束较短，流线较多而稍细，光辉度较亮，爆裂为多分叉三次花，有小花及花粉，尾尖端有分叉，如图2-14。

图2-14 45#钢火花示意图
4)T10钢火花特征：流线多而细，火束比中碳钢更短而粗，三次花占5/6以上，爆花光辉度稍弱，如图2-15。

图2-15 T10钢的火花示意图
5)GCr15钢火花特征：火束粗而短，整个火束呈橙黄色，芒线多而细，三次花占5/6以上，尾部细而长，碎花及小花和花粉极多，如图2-16。

图2-16 GCr15钢的火花示意图
6)W18Cr4V钢火花特征：火束细长，整个火花呈极暗红色，无火花爆裂，仅在尾端略有三四根分叉爆花，芒线长而尖端秃，常呈断续流线或波状流线，尾端膨胀而下垂呈狐尾花，如图2-17。

图2-17 W18Cr4V钢的火花示意图
7)灰口铸铁火花特征：灰口铸铁中因含有碳量和硅量较高，有游离的石墨碳存在，因此流线尾端有羽毛状尾花，火束短而细，流线呈暗红色，光辉度在尾部增强，如图2-18。

图2-18 灰口铸铁的火花特征示意图
使用的设备及安全操作
热处理车间的生产条件和环境比较特殊，热处理操作人员必须熟悉热处理设备和工艺的安全技术，注重安全文明生产，才能保证安全生产，并不断提高劳动生产率和产品质量。

热处理实训过程中应该掌握的主要安全与文明生产技术如下：
1)进入热处理车间实训前必须首先穿戴好必要的劳动防护用品，如工作服、牛皮工作鞋、手套、防护眼镜等。

2)热处理操作前必须熟悉零件的热处理技术要求和所要使用的热处理设备的操作规程，严格按照热处理工艺规程进行操作。

3)热处理操作前必须熟悉零件的热处理技术要求和所要使用的热处理设备的操作规程，严格按照热处理工艺规程进行操作。

4)使用电炉加热时，工件装炉、出炉时都必须先切断电源，然后才能送、取工件，以免发生触电事故。

5)热处理后的工件在未完全冷透之前，不能用手去触摸，以免造成烫伤。

6)热处理工件在放入盐浴前一定要烘干，以免发生爆炸事故。

7)热处理车间所有电气设备、测温仪表等，必须有可靠的绝缘及接地，以防触电。

8)热处理车间使用的酸、碱、盐等化学药剂及易燃易爆物品，必须由专人保管发放。

9)实训用工具应当实行定置管理，不得使用残破的或不合适的工具。