金属材料与热处理工艺

一、金属材料性能：
金属材料在冷、热加工过程中所表现的性能称为加工工艺性能，包括：铸造性能、锻造性能、
焊接性能、热处理性能、切削加工性能。

金属材料在使用条件下所表现的性能称为使用性能，包括材料的物理、化学和机械性能。

强度：材料在静载荷的作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。

看一个材料的强度高低，一般来说用屈服点和抗拉强度来衡量它的大小，和材料的强度成正比，即：（1）抗拉强度。

金属试样拉伸时，在拉断前所承受的最大应力，称为抗拉强度。

它表示金属材料在拉力作用下抵抗塑性变形的和破坏的能力。

σb=Fa/A0
式中σb ——抗拉强度（MPa）
Fa ——试样拉断前的最大载荷（N）
A0 ——试样原截面积（mm2）
（2）屈服强度。

当材料试样所受载荷增大到某一数值时，试样发生连续伸长的现象，叫屈服现象。

产生屈服现象时的应力称作屈服强度或屈服点，用σs表示，单位MPa。

对某些屈服现象不明显的金属材料，测定屈服点比较困难，常把0.2%永久变形的应力值定为屈服点，称为条件屈服强度。

用σ0.2表示，单位MPa。

一般机械零件和工程构件都不允许产生塑性变形，否则会失效而发生事故。

所以屈服强度σs也是机械设计和工程设计中的重要依据。

材料的许用应力［σ］=σs /S
S ——安全系数
抗拉强度和屈服强度是金属材料的重要强度指标。

二．金属热处理
1.退火
操作方法：将钢件加热到Ac3+30~50度或Ac1+30~50度或Ac1以下的温度（500—600℃）后，一般随炉温缓慢冷却。

目的：1).降低硬度，提高塑性，改善切削加工与压力加工性能；
2).细化晶粒，改善力学性能，为下一步工序做准备；
3).消除冷、热加工所产生的内应力，防止工件变形和开裂。

应用要点：1).适用于合金结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、高速钢的锻件、焊接件以及供应状态不合格的原材料；2).一般在毛坯状态进行退火。

2.正火
操作方法：将钢件加热到Ac3或Acm 以上30~50度，保温后以稍大于退火的冷却速度冷却（空冷）。

目的：同退火
应用要点：正火通常作为锻件、焊接件以及渗碳零件的预先热处理工序。

对于性能要求不高的低碳的和中碳的碳素结构钢及低合金钢件，也可作为最后热处理。

退火与正火的选择
1）从切削加工性能考虑：含碳量<0.50％低中碳钢、低合金结构钢以正火为宜；
共析钢、过析钢及中、高合金钢退火为宜。

2）从使用性能考虑：亚共析钢正火比退火机械性能好，可用正火作为最终热处理。

对杂质多、大型铸件防止开裂，退火为宜。

3）从经济上考虑：正火为宜。

3.淬火
淬火是热处理工艺过程中最重要，也是最复杂的一种方法，常常是决定着零件或工具最终性能和质量的关键。

淬火，是将金属加热到相变温度以上，保温一段时间，使其相结构稳定后，快速冷却（水冷、油冷），使其具有高温时的组织结构，并产生大量位错，使金属达到很高的硬度。

比如做一个锤子，不淬火直接用，那钉不了几个钉子那锤子上就满是坑要是用火烧一会，再迅速放到冷水中冷却（这个过程就是淬火），那这个锤子砸东西就不会出现坑，就是增强了硬度。

简单地说，淬火工艺就是：加热至高温+保温+快速冷却
将钢件加热到淬火温度Ac3或Ac1以上30—50℃，保温一段时间，然后在水、硝盐、油中快速冷却。

冷却是淬火的关键，冷却的好坏直接决定了钢淬火后的组织和性能。

冷却介质:水、硝盐、油。

冷却介质必须具有成分稳定，在使用过程中不易变质老化、粘度小、流动性好，并且不易腐蚀工件，淬火后工件表面清洁，便于清洗以及来源方便、价格低廉、无公害、安全可靠等特点。

1）水是应用最广的淬火介质。

它具有来源广、价格低、成分稳定且不易变质、无毒、无臭，又不燃烧，水冷却能力较强，属于激冷淬火介质。

2）油是一种广泛使用的淬火介质。

油在淬火冷却过程中，相对水而言，能在较高温度进入冷却速度较缓慢的对流阶段，有利于减少工件的淬火变形和开裂倾向。

3）硝盐主要用于工件等温及分级淬火，截面较小形状复杂，变形要求很严的碳素工具钢以及渗碳钢、弹簧钢、合金工具钢工件。

硝盐浴在高温区冷却速度快于油，低温区冷却速度则比油要慢，在硝盐浴中加入少量的水能显著提高冷却能力，所以，工件在硝盐浴中淬火能获得高硬度，且工件的变形小，又不易开裂。

应用要点：1).一般用于含碳量大于百分之零点三的碳钢和合金钢；
2).淬火能充分发挥钢的强度和耐磨性潜力，但同时会造成很大的内应力，降低钢的塑性和
冲击韧度，故要进行回火以得到较好的综合力学性能。

4.回火
将淬火后的钢件重新加热到Ac1以下某一温度，经保温后，于空气或油、水中冷却到室温。

回火是淬火后紧接着进行的一项操作，通常也是工件进行热处理的最后一道工序。

因此，把淬火和回火的联合工艺称为最终热处理。

回火的目的：合理的调整力学性能，使工件满足使用要求；
稳定组织，使工件在使用过程中不发生组织转变，从而保证工件的形状；
降低或消除内应力，减少工件的变形并防止开裂。

回火的种类一般是根据回火温度分为三类：
1）低温回火将淬硬工件加热到150~250℃回火，可得到回火马氏体组织。

主要用于刀具、量具、拉丝模、滚动轴承以及其他要求硬而耐磨的工件。

低温回火后硬度一般大于55HRC.
2）中温回火将淬硬工件加热到250~500℃回火，可获得回火托氏体组织。

主要用于弹性工件及热锻模等。

中温回火后硬度一般在35~50HRC.
3）高温回火将淬硬工件加热到500~700℃回火，习惯上将淬火加高温回火的工艺称为调质处理，调质处理广泛应用于受力构件，如螺栓、连杆、齿轮、曲轴等工件，还可作为工件表面淬火、渗
氮前的预先热处理。

高温回火后硬度一般在25~40HRC。

应用要点：1）保持钢在淬火后的高硬度和耐磨性时用低温回火；
保持一定韧度的条件下提高钢的弹性和屈服强度时用中温回火；
保持高的冲击韧度和塑性为主，又有足够的强度时用高温回火；
2）一般钢尽量避免在230~280度、不锈钢在400~450度之间回火，以免产生一次回火脆性。

5.调质
淬火后高温回火称调质，即将钢件加热到比淬火时高10~20度的温度，保温后进行淬火，然后在400~720度的温度下进行回火。

目的：1）改善切削加工性能，提高加工表面光洁程度；
2）减小淬火时的变形和开裂；
3）获得良好的综合力学性能。

应用要点：1）适用于淬透性较高的合金结构钢、合金工具钢和高速钢；
2）不仅可以作为各种较为重要结构的最后热处理，而且还可以作为某些紧密零件，如丝杠等的预先热处理，以减小变形。

6.时效
某些合金淬火形成过饱和固溶体后，将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间，以提高合金的硬度、强度或电磁性等。

将钢件加热到80~200度，保温5~20小时或更长时间，然后随炉取出在空气中冷却。

应用要点：1）适用于经淬火后的各钢种；
2）常用于要求形状不再发生变化的紧密工件，如紧密丝杠、测量工具、床身机箱等。

7.冷处理
将淬火后的钢件，在低温介质（如干冰、液氮）中冷却到－60～－80度或更低，温度均匀一致后取出均温到室温。

目的：1）提高钢件的硬度、强度、耐磨性和疲劳极限；
2）稳定钢的组织，以稳定钢件的形状和尺寸。

应用要点：1）钢件淬火后应立即进行冷处理，然后再经低温回火，以消除低温冷却时的内应力；
2）冷处理主要适用于合金钢制的紧密刀具、量具和紧密零件。

8. 感应加热表面淬火
将钢件放入感应器中，使钢件表层产生感应电流，在极短的时间内加热到淬火温度，然后喷水冷却。

根据所用电流频率的不同，感应加热表面淬火可分为三类：
1) 高频感应加热表面淬火：电流频率为100～500kHz，最常用频率为200～300kHz，可获淬硬层浓度为0.5～2.0mm，主要适用于中、小模数齿轮及中、小尺寸轴类零件的表面淬火。

2) 中频感应加热表面淬火：电流频率为500～10000Hz，最常用频率为2500～8000Hz。

可获淬硬层深度为3～5mm。

主要用于要求淬硬层较深的较大尺寸的轴类零件及大中模数齿轮的表面淬火。

3) 工频感应加热表面淬火：电流频率为50Hz，不需要变频设备。

可获得淬硬层深度为10～15mm。

适用于轧辊、火车车轮等大直径零件的表面淬火。

感应加热速度极快，一般不进行加热保温，为保证奥氏体化质量，感应加热表面淬火可采用较高的淬火加热温度，一般可比普通淬火温度高100～200℃。