金属材料与热处理基础知识

一、金属材料

1-1、金属材料的定义

（无法准确的直接定义，只有通过其特性间接描述）

1-2、金属材料表现在物理范畴内的性能：密度、熔点、热膨胀性、导热性      导电性、磁性

•密度

单位体积物质所具有的质量成为密度。其单位是Kg/m3

•熔点

金属材料从固体转变成液态时的温度称为熔点，不同的金属熔点不同。当一种金属加入一种或多种其他元素时，其熔点一般比纯金属要低，加入元素越多熔点也更低

•热膨胀性

金属材料受热时，其体积膨胀而变大的性能叫热膨胀性。热膨胀性有两个特点：

一是可逆的，热涨量与冷缩量相同；二是不可逆的，最终导致永久变形。

•导热性

金属材料传到热量的能力称为导热性，各种金属材料的导热性是不同的。

•导电性

金属材料传到电流的性能称为导电性。一般用电导率表示，银的导电性最好，其次是铜、铝

•磁性

金属材料能够被磁铁吸引的性能称为磁性。在众多的金属材料中，只有铁、镍、钴具有明显的磁性。

1-3、金属材料的化学性能

金属材料在室温或高温下抵抗各种腐蚀性介质对其进行化学侵蚀的能力。

•抗氧化性

金属材料在高温下抵抗产生氧化的能力称为抗氧化性。提高抗氧化性的主要途径是合金化，即加入合金元素Cr、Al、Si、Ni等，在钢表面形成致密的氧化物，以保护其表面不再继续氧化。

1-4、金属材料的机械性能

机械性能是指金属材料对外力作用的抵抗能力，以弹性、塑性、韧性、强度、硬度、疲劳、断裂韧性等指标衡量

•弹性

金属材料在外力作用下产生变形，当外力取消后又恢复到原来的形状和大小的一种特性，一般用弹性模量、弹性极限的衡量。

•塑性

金属材料在外力作用下产生变形而不破坏，当外力取消保留其变形的的特性，一般用伸长率和断面收缩率衡量，数字越大越有利于压力加工。

•强度

金属材料受外力作用时，对变形和断裂的抵抗能力称为强度。

•硬度

硬度金属材料抵抗其他更应物体压入其表面的能力。硬度是通过试验机测定的，常用的有布氏、洛氏、维氏等硬度。

•硬度

硬度金属材料抵抗其他更应物体压入其表面的能力。硬度是通过试验机测定的，常用的有布氏、洛氏、维氏等硬度。

•疲劳

金属材料在极限强度下，长期承受交变载荷（即大小、方向反复变化的载荷）的作用，在不发生明显变形的情况下抵抗断裂的能力，用疲劳极限衡量。

•断裂韧性

金属材料在裂纹存在的情况下抵抗脆性开裂的能力，是强度和塑性的综合指标。

1-5、金属材料的机械性能

金属材料是否易于加工的性能称为工艺性能，包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能、热处理工艺性能等。

•铸造性能

金属材料的铸造性能包括流动性、收缩性和偏析倾向等。

•锻压性能

金属材料受锻压后，形状改变而不产生破裂的能力。

•焊接性能

金属材料是否易于用焊接的方法焊成优良的接头的性能。用接头强度与母材强度相比来衡量可焊接性能。

1-5、金属材料的工艺性能

•热处理性能

金属材料能否通过加热、保温、冷却的方法以改变内部组织的性能。衡量的指标为：淬硬性、淬透性、淬火变形和开裂的趋势、表面氧化和脱碳趋势、过热及过烧敏感性、回火稳定性、回火脆性等等。

•切削加工性能

金属材料是否容易被刀具切削的性能称为切削加工性。它与材料的组织成分、硬度、强度、塑性、韧性、表面硬化程度等有关。（适宜的硬度、足够的脆性）

2、金属学基础

•晶体

构成物质的原子按一定的几何形状有规则地排列的，称为晶体，所有固体金属和合金都是晶体。

晶体的特点：具有一定的熔点、各项异性。

•晶格

用于描述原子在晶体中排列形式的空间格架称为晶格

•晶胞

为简化起见，从晶格中取出一个能完整反映晶格结构特征的最小单元，称为晶胞。

•晶粒

外部形状不规则的而内部晶体排列方向一致的每个微小晶体称为晶粒。

•单晶体

•多晶体

•铁的同素异构现象

铁在固态下，其晶体结构会随温度的变化而发生改变，由一种晶格转变成另一种晶格的现象，这种现象称为同素异构转变。

•合金

有两种或以上的金属元素或金属元素与非金属原素融合而成具有金属特性的物质。

•铁碳合金

钢和铁都是以铁和碳两种元素为主所组成的铁碳合金。

纯铁----含碳量小于0.02%；

钢   -----含碳量与0.02%~2.11%

铸铁-----含碳量大于2.11%

3、热处理基础知识

相

基础相：奥氏体、铁素体、渗碳体

衍生相：珠光体、贝氏体、马氏体、莱氏体

•热处理

热处理是指金属或合金在固态范围内，通过一定的加热、保温、冷却等方法，以改变金属或合金的内部组织，而得到所需要性能的一种工艺操作。

•热处理工艺介绍

热处理的“四”火：退火---  正火---    淬火---   回火---

•退火

目的：降低硬度，便于加工

•正火（等温正火）

目的：调整硬度，便于加工，改善组织，细化晶粒

•淬火

目的：提高硬度、强度和耐磨性

•回火

目的：减小应力和脆性，调整机械性能，稳定工件尺寸。

•调质=淬火+高温回火

目的：具有一定的强度和韧性，获得良好的综合机械性能

•气体渗碳（碳氮共渗）

目的：获得高碳表面层，提高零件表面的硬度和耐磨性；心部保持原有的高韧性和高塑性。 -------“内柔外刚”

•气体渗氮（氮碳共渗）

目的：获得高氮表面层，大大提高零件表面的硬度和耐磨性；心部保持原有的高韧性和高塑性。-------“内柔外刚”

4、热处理质量控制与检验

•根据使用性能确定检验项目

•根据项目对性能的影响程度确定检验项目

•根据控制的难易程度检验项目

•根据检验的可操作性决定检验项目

•根据可能达到的实际水平确定检验控制精度

•还要考虑就检验成本

•特点

•热处理质量遵从“正态分布”

•大多数为“破坏性”检验

•抽样检验

齿轮渗碳淬火热处理检验：表面硬度、有效硬化层深、心部硬度、组织

5、失效分析

齿轮实效主要形式：压溃、折断、磨损、点蚀（断爪）                      

齿压溃：硬化层深不足、心部硬度偏低

齿断裂：脆性断裂、疲劳断裂

齿磨损：表面硬度偏低、硬度不匹配、润滑不良（ 磨料磨损）、滑动系数过大

崩齿：硬度梯度太陡、组织中碳化物严重

齿面点蚀形成过程：

6、齿面改善方法

6-1、控制表面非马氏体

6-2、提高表面微观硬度

6-3、表面预应力处理，改变表面应力状态

6-4、适当提高次表层残余奥氏体含量

断爪：大应力冲击脆断、换档不平稳、相互干涉；制造缺陷：凸爪等分误差，受力不均；存在原裂纹、裂纹疲劳扩展

7、轴的主要失效形式

7-1、扭转------扭转应力断裂----呈45度螺形断口

7-2、弯曲------拉应力断裂-----脆性断裂

7-3、疲劳-------疲劳断裂-----有疲劳特征

8、加工（控制）过程介绍

㈠、原材料控制

1、原材料供应商选择：与钢厂签订特殊的技术协议

2、确定稳定的供应商       

钢材进厂检验

    钢材的检验控制指标很多，我们主要控制对后续加工和性能有影响的指标

化学成分（主要元素和杂质元素） （使用D.I值控制）

低倍缺陷检查 ：白点、缩孔、分层、裂纹、气泡、夹杂、翻皮、晶间裂纹、偏析、中心疏松

晶粒度：本质细晶粒钢

带状偏析：

淬透性：末端淬火试验

表面质量：压力加工用钢表面不得有裂纹、结疤、折叠及夹杂。如有上述缺陷必须清除，清除深度从钢材实际不超过尺寸公差之半，清除宽度不小于深度的5倍，同一截面达到最大清除深度不应多于一处，允许有从实际尺寸算起不超过尺寸公差之半的个别细小化痕、压痕、麻点及深度不超过0.2mm的裂纹存在 

几何尺寸控制

热顶锻试验（个别）

㈡、锻造控制

钢材进厂检验                

加热：中频加热，出口端全部加装红外测温控制装置

锻造：金属流线检查

成型：几何精度金属流线检查

硬度和金相组织检查

毛坯预处理

正火（等温正火）、连续等温正火炉、等温正火标准

渗碳淬火     碳氮共渗淬火     渗氮     氮碳共渗、

主要设备：渗氮、氮碳共渗多用炉生产线；    BBH预抽真空多用炉生产线；连续渗碳（碳氮共渗）淬火生产线；艾协林渗碳多用炉淬火生产线；渗氮、氮碳共渗多用炉生产线

9、热处理检验

9-1、渗碳淬火     碳氮共渗淬火     渗氮     氮碳共渗、

主要检验设备：全洛氏硬度计；显微硬度计；金相显微镜（奥林巴斯、蔡司）；立体显微镜；

9-2、对常用热处理指标的理解