常用金属材料及其热处理介绍

常用金属材料及其热处理介绍

2011年12月

第一部分：常用金属材料及材料选择

钢铁材料中，除了Fe元素以外，还有其他元素，不同元素对金属材料的性能影响是不同的，有时候，除了天然冶炼不可避免的元素以外，为了增强或改善钢材的某种性能，还在冶炼过程中添加一些合金元素。

元 素	益/害性质	来  源	详  细  性  能  介  绍
碳（C）	是对钢的性能影响最大的基本元素		不同的碳含量依据钢中杂质元素含量和轧后冷却条件的不同对于钢的性能影响是不同的，随着钢中碳含量的增加，碳钢在热轧状态下的硬度直线上升，塑性和韧性降低。在亚共析范围内，碳对抗拉强度的影响是，随着碳含量增加，抗拉强度不断提高，超过共析范围后，抗拉强度随碳含量的增加减缓，最后发展到随碳含量的增加抗拉强度降低。另外，含碳量增加时碳钢的耐蚀性降低，同时碳也使碳钢的焊接性能和冷加工（冲压、垃拔）性能变坏。
硅（Si）	硅也是钢中的有益元素	在沸腾钢中，含硅量很低，硅是作为脱氧元素加入到钢中	硅在碳钢的含量≤0.50％。硅也是钢中的有益元素。在沸腾钢中，含硅量很低，硅是作为脱氧元素加入到钢中。在镇静钢中硅的含量一般为0.12～0.37％。硅增大了钢液的流动性，除了形成非金属夹杂外，硅溶于铁素体中。随着硅含量的提高，钢的抗拉强度提高，屈服点提高，伸长率下降，钢的面缩率和冲击韧性显著降低。
锰（Mn）	在碳钢中，锰是有益元素	锰是作为脱氧除硫的元素加入到钢中的	锰是作为脱氧除硫的元素加入到钢中的。对于镇静钢来说，锰可以提高硅和铝的脱氧效果，可以同硫形成硫化锰，相当程度上降低硫在钢中的危害。锰对碳钢的力学性能有良好的影响，它能提高钢热轧后的硬度和强度，原因是锰溶入铁素体中引起固溶强化。因此，精炼过程中要按照技术要求严格稳定控制各炉次的锰含量。
磷（P）	一般来说，磷是钢中的有害元素	来源于矿石和生铁等炼钢原料	它来源于矿石和生铁等炼钢原料。磷能提高钢的强度，但使塑性和韧性降低，特别是使钢的脆性转折温度急剧上升，即提高钢的冷脆性（低温变脆）。由于磷的有害影响，同时考虑到磷有较大的偏析，因而对其含量要严格的控制。但是在含碳量比较低的钢种中，磷的冷脆危害比较小。在这种情况下，可以用磷来提高钢的强度，如鞍钢生产的高强度IF钢就需要加入磷。另外，在适当的情况下，还利用磷的其他一些有益作用，如增加钢的抗大气腐蚀能力，如集装箱用钢；提高磁性，如电工硅钢；改善钢材的易切削加工性，减少热轧薄板的粘结等。
硫（S）	一般来说，硫是有害元素	主要来自于炼铁、炼钢时加入的原材料和燃烧产物，二氧化硫	他主要来自于炼铁、炼钢时加入的原材料和燃烧产物，二氧化硫。硫最大的为危害是引起钢在热加工时开裂，即产生所谓的热脆。硫能提高钢材的切削加工性，这是硫的有益作用。
氮（N）	分钢种不同损益不同	来自炉料，同时，在冶炼、浇铸时钢液也会从炉气和大气中吸收氮	钢中的氮来自炉料，同时，在冶炼、浇铸时钢液也会从炉气和大气中吸收氮。氮引起碳钢的淬火时效和形变时效，从而对碳钢的性能发生显著的影响。由于氮的时效作用，钢的硬度、强度固然提高，但是塑性和韧性降低，特别是在形变时效的情况下，塑性和韧性的降低比较显著。因此，对于普通低合金钢来说，时效现象是有害的，因而氮是有害元素。但对于一些细晶粒钢以及含钒、铌钢，由于氮化物的强化细化晶粒作用，氮成为有益元素。另外，作为合金元素，氮在不锈耐酸钢中得到应用，此外，氮化处理方法能使机器零件获得极好的综合力学性能，从而使零件的使用寿命延长。
氢（H）	氢对钢的危害是很大的	钢中的氢是由锈蚀含水的炉料或从含有水蒸气的炉气中吸收的	钢中的氢是由锈蚀含水的炉料或从含有水蒸气的炉气中吸收的。氢对钢的危害是很大的。一是引起氢脆，即在低于钢材极限应力的作用下，经一定的时间后，在无任何预兆的情况下突然断裂，往往造成灾难性的后果。二是导致钢材内部产生大量细微裂纹缺陷——白点，在钢材纵端面上呈光滑的银白的斑点，在酸洗后的端面上呈较多的发丝状裂纹，白点使钢材的延伸率显著下降，尤其是端面收缩率和冲击韧性降低得更多，有时可能接近于零值。因此具有白点的钢是不能用的，这类缺陷主要发生在合金钢中。
氧（O）及其他非金属夹杂物	对于钢的塑性、韧性、疲劳强度和抗腐蚀性等危害很大	几乎全部以氧化物夹杂形式存在于钢中	氧在钢中的溶解度很低，几乎全部以氧化物夹杂形式存在于钢中，如FeO、AL2O3、MnO、CaO、MgO等。除此之外，钢中还存在FeS、MnS、硅酸盐、氮化物及磷化物等。这些夹杂物破坏了钢的基体的连续性，在静载荷和动载荷的情况下往往成为裂纹的起点。这些非金属夹杂物的各种状态不同程度的影响到钢的各种性能，尤其是对于钢的塑性、韧性、疲劳强度和抗腐蚀性等危害很大。因此，对于非金属夹杂物应严格控制。

在目前的金属结构及机构设计中，我们最常用到的材料均是黑色金属，只有小部分轴瓦用铸铜件，还有部分结构框架用到角铝。黑色金属按其合金元素含量和含碳量等可以划分为碳素结构钢、低合金结构钢、优质碳素结构钢、优质碳素弹簧钢、合金结构钢、合金弹簧钢、工具钢、轴承钢、不锈钢、易切削钢和硅钢等。目前在起重机的钢结构和机构中，主要用到的材料为碳素结构钢（GB700）、低合金结构钢(GB1591)、优质碳素结构钢(GB699)、合金结构钢(GB3077)。简言之，常用的Q195~Q275为碳素结构钢，Q295~Q460属于低合金结构钢，20、25、35、45、40Mn等属于优质碳素结构钢，而40Cr、42CrMo、35CrMo等属于合金结构钢。具体材料的分类可以参照《机械设计手册》第一卷，第三篇。

一、钢铁产品牌号的表示方法及含义：

1、碳素结构钢，以Q235为例：

2、低合金结构钢的表示方法同碳素结构钢，只是其脱氧方式均为镇定或特殊镇定钢，无脱氧方法符号。

3、优质碳素结构钢的数字表示含碳量的万分之几，如45钢，表示含碳量为0.45%的优质碳素钢，钢号后加Mn，表示含Mn量较高的优质碳素钢。

4、合金结构钢的表示方法，前面两位表示含碳量的万分之几，合金元素的含量表示规则为用阿拉伯数字表示，如平均含量小于1.5%的，牌号仅表明元素即可，平均含量为1.5%~2.49%，2.5%~3.49%，3.5%~4.49%，4.5%~5.49%......分别在合金元素后写成2、3、4、5……，例如20Cr2Ni4，表示含碳量为0.2%，铬含量1.5%，Ni含量3.5%。

二、材料的选用方法：

1、用于金属结构焊接的材料一般为碳素结构钢（Q235）或低合金钢(Q345)，这类钢材具有良好的综合机械性能，塑性和焊接性能良好，冷弯性较好。同时根据使用场合还可以选用B、C、D、E等质量等级的钢，以满足低温冲击性能及寒冷地区使用。这类钢材一般是在热轧或正火状态交货，不需要特殊处理，直接使用。目前，随着冶金技术的发展，一些高强度的合金材料也得到了应用，如目前3600T浮吊臂架的主肢管材料采用的就是Q690D.

2、在起重机中还有一大部分轴、齿轮、车轮等零件，由于这类零件要求较高的强度、良好的加工性能，有时候还必须通过热处理措施使其得到良好的芯部强度及表面硬度等特殊性能要求，所以一般会选用有良好热处理性能的优质碳素结构钢或合金结构钢，即：按热处理及工作条件区分的的调质钢钢种。如45、42CrMo、40Cr、35 CrMo等。

3、根据零件的尺寸及形状复杂程度及使用状况，还应规定零件是否需要采用锻件或铸件毛坯。一般情况下，轴类、圆盘类零件直径如果大于300mm，厚度大于200mm，建议采用锻件或铸件。如果零件形状复杂，用锻件毛坯或钢板、圆钢毛坯制造需要加工量大且形状为曲线或曲面的优先选用铸件，但仅为单件或小批量时，出于成本和供货周期考虑，优先选择组合焊件。

相同牌号的钢材，其综合机械性能锻件最优、热轧材料次之、铸件最差（由钢材内部金相组织决定的），因此，铸件材料一般用于基座等对强度要求高，而对韧性、塑性要求相对低的场合。但这不是绝对的，经过计算后满足要求，大车行走车轮、传递力矩较小的联轴器等也可以采用铸件。

同时，轧制钢材，在生产过程中均采用了批量的超声波探伤检查，会选择性去除不符合相关标准的材料，同时由于其是有固定的生产线生产，质量较稳定，所以无特殊要求时，可不额外提探伤要求。但对铸、锻件，由于其人为因素和不可控因素较多，一般需规定毛坯的验收级别，尤其尺寸较大的毛坯件更应该增加探伤要求，必要时还需要添加机械性能的要求。

选用铸件或锻件毛坯时，需要注明交货热处理状态，一般情况下为退火或正火就可以了，因为在这种热处理状态下，毛坯内部晶粒已经得到细化，由铸造或锻造产生的冷却不均等产生的应力也得到释放，工件硬度降低，便于切削，可以满足直接使用的状态，如果后续还需要进行热处理，在这种热处理状态下也可以为其打下基础。

三、材料的可焊接性

金属的可焊性，是指金属在某种焊接方法和工艺参数等条件下，获得优质焊接接头的难易程度，同一金属，采用不同的焊接方法或工艺参数等，其焊接性能有很大差别。

影响钢材的焊接性能的最主要元素是碳，其他任何合金成分对焊接均有不同程度的影响，一般通过碳当量公式估算钢在焊接时产生冷裂纹倾向及脆化倾向。

碳钢和低合金钢常用的碳当量公式：

对合金成分为：C≤0.5%，Mn≤1.6%，Cr≤1%，Ni≤3.5%，Mo≤0.6%。Cu≤1%的合金钢，其碳当量公式推荐如下：

根据经验：

（1）当C＜0.4%时，钢材的淬硬性不明显，可焊性优良，焊接时不必预热；

（2）当C=0.4%~0.6%时，钢材的淬硬性逐渐明显，需要采取适当预热，控制线能量等工艺措施；

（3）当C＞0.6%时，淬硬倾向强，属于较难焊的钢材，需采取较高的预热温度和严格的工艺措施。

在焊接结构选材时，要考虑到材料的可焊性，尽量选择可焊性良好的材料，避免选用焊接性一般或较差的材料。按照经验，一般的低碳钢（碳含量小于0.25%，其他元素可以忽略）、低合金钢的焊接性能较好，其余钢种则较差。

第二部分：钢材的热处理

        钢材要想获得良好的综合机械性能，有两种办法可以实现，一种是在冶炼过程中添加合金元素，一种是通过热处理来改变金属内部的金相组织来获取。有人做过比喻，钢厂生产的钢材好比是优良的食材，而热处理则是这个食材的烹饪过程，只有它们两个结合好了，才有可能有美味佳肴产生，由此可见，热处理对钢材性能的重要性。

         钢材的热处理过程实际上就是通过对钢材进行加热、保温的控制来改变碳元素在钢材中的存在形态，从而改变钢材的金相组织，由此获得不同的性能要求。（铁-碳平衡图是热处理的基本依据）

     常用的热处理方法有退火、正火、回火、淬火等。淬火后的高温回火则是我们通常所说的调质处理。不同的热处理手段是根据铁-碳平衡图将钢材加热到不同温度并通过不同的冷却方式以获得不同的组织，如珠光体、马氏体、铁素体、奥氏体等，这个属于热处理工艺的范畴，需要进行更深入的研究。在结构设计中，我们更应该关注的是，在什么工作状态下需要怎样的热处理，以及各种材料适合什么热处理手段才可以使其达到满足使用的要求。

   一、常用热处理方法的特点及目的和应用

    1、退火

    退火后的组织，硬度较低，比较方便加工，对材料进行退火处理的目的是：降低硬度，提高塑性，改善切削性能和压力加工性能（如需要进行冷加工的零件）；细化晶粒，调整组织，使其均匀化，改善力学性能，为下一步工作做准备；消除铸、锻、焊、轧、冷加工等所产生的内应力。

2、正火

正火又叫正常化或明火，它相对退火来讲，冷却速度较快，获得比退火处理更细的珠光体组织，从而获得较高的机械性能，同时具备生产周期短，设备利用率高，成本较低的优点，但是劳动强度较高。正火的目的和退火相似，它的主要应用场合为：用于含碳量低于0.25%的低碳钢，直接代替退火，有利于钢的切削加工；对于某些大型、巨型的钢件以及形状复杂、截面有急剧变化的钢件应用正火处理代替淬火，以免严重变形及开裂（正火后钢件的硬度较退火高）；对性能要求不高的普通结构零件，可以用正火作为最终热处理来提高力学性能。

3、淬火

淬火时将钢材加热到相变温度以上，保温一定时间后，而后快速冷却下来的一种热处理方法，一般有单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火等。淬火一般是为了得到高硬度的马氏体组织，但对某些高合金钢，如不锈钢、耐磨钢淬火时，则是为了获得单一均匀的奥氏体组织，以分别提高其耐蚀性和耐磨性。淬火的目的：提高硬度和耐磨性；淬火后加中温或高温回火以获得良好的综合力学性能。

在常用的结构设计和材料应用中，很少将整体淬火作为最后的热处理工序，而是为了淬火后高温或中温回火（调质处理）获得优良的综合性能。

目前我们使用的一些零件，如齿轮、轴类、车轮等有硬度要求的零件，实际上均是表面或接触面的硬度要求，对于这类要求，热处理工艺的安排则是表面淬火或物理处理，这样做即可以获得局部的硬度，也可以避免了零件产生变形和应力开裂的可能。

4、回火

回火是将淬火后的工件重新加热到AC1以下的某种温度，保温一段时间，然后取出，以某种方式冷却下来。由于钢淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体，是一种不稳定的晶体状态，所以要通过回火使其趋于稳定状态。随着回火温度升高，硬度、强度下降，而塑性、韧性提高。回火的主要目的：降低脆性，消除内应力，减少工件的变形和开裂；调整硬度，提高塑性和韧性，获得工件所要求的力学性能；稳定工件尺寸。

在实际应用中，我们常用的热处理方式为调质，就是淬火后高温回火，其目的就是调整钢材的硬度，使其适合加工，并获得综合的力学性能。例如45钢，直接加工对刀具的要求很高，由于材料较硬、脆，需要刀具材料较硬，且加工过程中形成粒状切屑，刀具受力不稳定，会出现崩刀现象。

5、时效处理

有时候根据需要零件还应该进行时效处理，时效处理是为了进一步消除内应力，稳定工件尺寸。主要应用于不适合做退火处理的零部件，例如大型的钢结构，经过最终热处理后切削量较大的零件等。时效处理可以是高温时效、低温时效、自然时效、振动时效等。

6、常用的表面热处理方法

6.1火焰表面淬火

用乙炔-氧或煤气-氧的混合气体燃烧的火焰，喷射到零件表面上，快速加热，当达到淬火温度后，立即喷水或乳化液冷却。淬透层深度一般为2~6mm，过深往往引起零件表面严重过热，易产生淬火裂纹。这种方法的优点在于简单，无需特殊设备，但易过热，淬火效果不稳定。适用于单件小批量的大型零件和需要局部淬火的零件。

6.2感应加热表面淬火

将工件放入感应器重，使工件表面产生感应电流，在极短的时间内加热到淬火温度，立即喷水冷却。使工件表层淬火，得到非常细小的针状马氏体组织。根据电流频率不同，感应加热表面淬火可以分为高频淬火（电流100~1000Hz），中频淬火（电流1~10Hz），工频淬火（50Hz）。感应淬火比普通淬火硬度高2~3HRC，并具有较低的脆性，疲劳强度、冲击韧性都有所提高，一般工件可提高20%~30%；淬火变形小，是优先选择的表面淬火方式。同时淬火的质量容易控制。生产效率较高。一般情况下，电流频率月高，淬透层越薄。高频淬火一般1~2mm，中频淬火3~5mm，工频淬火能达到10~15mm。感应淬火的缺点是，如果零件表面形状较复杂，感应器不易制作，比较困难。

6.3渗入介质表面处理

由于钢材的含碳量是决定其是否可以淬硬的关键因素，对于某些含碳量较低，但表面必须有硬度要求的低碳钢零件，可采用渗入介质的办法来提高零件的表面硬度。

常用的渗入介质有渗碳、渗氮、碳、氮共渗等。

渗碳是将工件放入渗碳介质中，在900~950℃加热、保温，是钢材表层增碳的过程。渗碳后，必须淬火表面才可以获得马氏体，提高硬度。

渗氮是将工件放入渗氮气氛中，加热到500~600℃，使工件表面渗入氮原子，形成氮化物的过程。为了保证工件芯部的力学性能，氮化前应进行调质等热处理。工件氮化后不需要再进行淬火处理。同时氮化处理的零件表面硬度具有耐热性，达到500~600℃仍可以保持较高的硬度。

碳、氮共渗则是同时向工件表面渗碳和渗氮。碳、氮共渗避免了单纯渗碳或渗氮的缺点，发挥了它们的优点。

对于表面渗入介质的零件，如果局部不需要硬度，可采取提前镀铜的方式进行保护。

二、常用材料选择热处理需要考虑的因素

虽然金属材料可以进行上述的热处理，但并不是所有材料都适合进行所有的热处理，或者说通过热处理使其发挥最优良的性能。在选择热处理方式时必须综合考虑各种因素，如淬透性、淬硬性、过热敏感性、回火稳定性等等。只有综合考虑钢材的性能及使用要求，才可以决定零件是更倾向于得到更好的韧性而降低硬度，或是增加耐磨性而提高强度和硬度而适当降低材料的塑性的韧性。有时候还要考虑成本、加工难易程度等。

1、淬透性

是指钢材接受淬火的能力，不同钢种接受淬火的能力不同，因而得到马氏体组织的深度也不一样，钢的淬透层深度越大，表明材料的淬透性越好。钢的淬透性大小主要取决于钢材的化学成分。

2、淬硬性

是指钢在正常的淬火条件下获得马氏体组织的最高硬度。淬硬性主要取决钢材的含碳量，一般含碳量高的钢种淬硬性较好。

3、过热敏感性

指钢在淬火加热过程中，促进奥氏体晶粒长大，发生过热瑕疵的敏感性。钢材的奥氏体晶粒长大往往使钢材在冷却后力学性能降低，特别是冲击韧性降低，甚至产生裂纹，或者在淬火过程中就会有裂纹产生。

4、回火稳定性

指回火时减慢钢的组织和性能变化，使淬火钢在较高温度回火后仍能保持较高硬度的能力。回火稳定性好的钢，可在较高温度回火，使韧性增加，内应力消除更完善，一般情况下合金钢的回火稳定性比碳钢好。

同时，材料在选择热处理方式时，还应该考虑其合金元素的种类和含量，他们在钢材中的存在，一般均是相辅相成或相互制约的。此部分的详细介绍可以参看《机械设计手册》。

三、常用材料的热处理方式

常用材料按其工作条件和热处理方式还可以分为渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、不锈钢、耐热钢、耐磨钢、碳素结构钢等。

港口机械中常用的为碳素结构钢、渗碳钢、调质钢。

碳素结构钢，这类钢是指GB700规定的钢种，一般不经热处理直接使用，塑性较高，有一定的强度，一般用于金属结构或不太重要的普通零件。

渗碳钢是指含碳量0.1%~0.25%，合金元素总量在0.3%以下的合金结构钢和优质碳素结构钢，如15、20、20Gr，20Mn2等，这类钢材一般用于受力不大，芯部强度要求不高的零件，如需热处理，仅为获得较高的表面硬度，其热处理过程一般为渗碳-淬火-回火。

调质钢是指含碳量在0.25%~0.5%的优质碳素结构钢和添加了合金元素Cr、Mn、Ni、Si等合金元素的合金结构钢，常用材料为40、45、42CrMo、40Cr、35CrMo、35SiMn等。调质钢一般需要经过调质处理后获得强度、塑性、硬度、韧性等良好配合的综合力学性能。一般用于承受动载荷的重要零件，如轴类、齿轮、螺栓等。这类钢材制造零件为改善表面耐磨性，还可以在调质后进行表面淬火或氮化处理。

四、热处理零件的图纸标注要求

零件的热处理分为普通热处理和表面热处理两种。

普通热处理零件对一般零件只需标注热处理方式和硬度波动范围即可。（硬度和机械性能有大致的对应关系），对重要零件，还需要标注热处理后需达到的金相组织或机械性能值。

表面处理一般要标明热处理方式（表面淬火、渗碳、渗氮、碳、氮共渗等）、硬度、深度、热处理部位。对重要零件必要时还需要标明预先热处理的方式、变形要求、表面硬度及芯部硬度值。

五、需要进行热处理零件的结构设计要点及工艺安排

零件工艺性设计在机械设计手册中有详细的介绍，在实际中，特别要注意的就是，首先要避免零件截面、壁厚的突然变化，这样在热处理过程中由于零件冷却不均匀容易产生裂纹；其次，不管是否需要热处理的零件，除配合上有特别要求的，不得设计有尖角和棱角，容易产生应力集中。关于孔的布置，尽量避免布置在应力集中的位置等。

热处理工序的安排一般根据零件的形状确定，如果零件为简单、近似的截面形状，且毛坯与成品间加工量不大且加工量均匀，就可以在毛坯状态下进行调质处理。但对铸件、锻件毛坯或截面变化较大的零件，由于其毛坯状态差，且一般毛坯到成品间加工量较大，则需要对毛坯退火后，进行粗加工，然后再调质处理。

如果零件还需要最终的表面硬度，如果对零件的尺寸和形状精度要求不高的话，可以完成全部加工后进行最后热处理，如果要求较高，则需要预留0.5mm左右的磨削余量，在表面处理后，对零件进行磨削处理，以满足使用要求。

对重要零件，既需要热处理，也需要探伤，可以根据材料的可焊性以及相关要求进行安排。必要时需要在热处理前和热处理后分别探伤。