金属工艺学总结

硬度：指金属材料抵抗更硬物体压入其表面的能力，或者说是材料对局部塑性变形的抗力。

测量硬度的方法常见的有：1、布氏硬度 2、洛氏硬度

布氏硬度：

测定原理

在规定的载荷F（单位：N）作用下，把一定直径D的淬火钢球（或硬质合金球）压入试样的表面，保持一定时间t后卸载，试样上随即出现一个压痕。以压痕表面积S上所承受载荷的大小，作为所测金属的布氏硬度值。用符号HBS（或HBW）表示

实际试验方法：用专门的刻度放大镜测出压痕的平均直径d，再查布氏硬度值表，得到布氏硬度值

表示方法

数值1+HBS（HBW）+数值2+/+数值3+/+数值4

数值1------硬度值；

数值2------球体直径（mm）；

数值3------试验载荷（kgf）；

数值4------载荷保持时间（s）；若仅为10~15s时，可不标注；上述数值在表示时，其单位均不标出。

HBS------压头为钢球时；适于HB<450的材料。

HBW------压头为硬质合金球时；适于HB<650的材料。

特点与应用：测量准确，重复性强；但因压痕较大，有损表面，且工件过硬时，压头易变形，故不宜测量成品零件、薄片材料及高硬度的材料。通常用于测定退火、正火、调质处理后的钢件，以及铸铁和有色金属等材料的硬度

洛氏硬度

测定原理：洛氏硬度试验是用一定的载荷将顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1．588mm的淬火钢球压入被测试样表面，根据压痕的深度确定它的硬度值。洛氏硬度值可以从洛氏硬度计的刻度盘上直接读出。

实际试验方法：直接从洛氏硬度计上的刻度盘中读出，一般不需计算

压头的压痕越深，则刻度盘中的数值越小，材料越软。

常用的有A、B、C三种标尺，分别用HRA、HRB、HRC表示，其中HRC应用最广泛。

表示方法

数值+HR+标尺符号

数值------硬度值；

HR------洛氏硬度；

标尺符号------不同标尺的洛氏硬度。

特点与应用：操作简便、迅速，压痕较小，且测试硬度范围广，可测成品件或较薄的工件，以及从很软到很硬的材料；

但因压痕较小，当材料内部组织不均匀时，则测量值波动较大，不够精确，故在实际操作中，应在不同部位测量数次，然后取其平均值

一般生产中以HRC（用120 °金刚石圆锥体作压头，载荷为1500 N）用得最多，硬度值的有效范围为 20～70HRC

碳钢的分类

1、按钢的质量分类

钢类 P S

%，不大于

普通质量钢 0.050 0.045

优质钢 0.035 0.035

高级优质钢 0.025 0.025

特级优质钢 0.015 0.015

2按平均含碳量分

1）低碳钢：含碳量0.008％～0.25％，塑性好，多用作冲压、焊接和渗碳工件

2）中碳钢：含碳量0.25％～0.60％，强度和韧性都较高，热处理后有良好的综合学性能，多用作要求良好韧性的各种重要零件

3）高碳钢：含碳量0.60％～1.4％，硬度较高，多用作工具

3按用途分类

1）碳素结构钢2）碳素工具钢3）专用钢

4按钢液脱氧程度分类

1）沸腾钢（F）2） 镇静钢（Z）3）半镇静钢（b）4）特殊镇静钢（TZ）

优质碳素结构钢的编号方法

45——平均ωC为 0.45％

65Mn—— 较高含锰量 平均ωC为0.65％

两位数字表示钢的平均含碳量，以万分之几表示，化学元素符号Mn表示钢的含锰量较高

42、45号钢应用广

碳对钢的性能影响

含量高，强度、硬度高，塑性、韧性低，当碳含量大于》0.9%强度下降，当含碳量低的碳钢其焊接性能和锻压性好

常见的金属晶格类型

体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格

tn------实际结晶温度 tn < t0的现象，称为过冷 △t=t0—tn称为过冷度

一般而言，液态金属的冷却速度愈大，结晶时过冷现象愈显著，过冷度愈大。

结晶实质——形成晶核，晶核长大形成晶核，晶核继续长大成新晶核，结晶结束

晶核的形成------有自发晶核、非自发晶核

晶核的成长

※两者并存，交替进行

※所得金属材料为多晶体

细化晶粒的措施：通过控制晶核的形成与长大来实现。

1）、增加过冷度；

2）、添加适量杂质；

3）、震动破碎（机械、超声波、电磁等）；

4）、采取热处理等工艺手段。

纯金属的同素异构转变

纯金属的同素异构转变；冷却凝固后，由于温度（或压力）的变化，金属的晶格类型也发生变化的现象

包含晶核的形成与长大 长大时会放出潜热，因而是在恒温下进行的 有过冷现象

铁碳合金的基本组织

铁素体：碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体，通常用F表示。它仍保持α-Fe的体心立方晶格结构。

F中铁溶解碳的能力很小，随温度的不同而不同。

在室温时的溶解度仅有 0.0008％，

在600℃时的溶解度仅有 0.008％，

在 727 ℃时溶解度最大达 0.0218％

奥氏体：碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体。―A”表示。它仍保持γ-Fe的面心立方晶格结构

在727 ℃时， ωC =0.77％。

在1148 ℃时， ωC最大达2.11％

稳定的奥氏体在钢内存在的最低温度是727 ℃

渗碳体：铁与碳形成稳定的金属化合物，―Fe3C‖。 ωC =

6.69％，复杂的晶格形式。渗碳体的硬度很高（HB= 800），而塑性极差，几乎为零，是一个硬而脆的组织

珠光体：由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。用―P‖表示。ωC =0.77％，呈层片状，即由硬的渗碳体片和软的铁素体片相间组成的混合物

铁碳合金状态图 铁碳合金分类

钢的热处理

钢的热处理：是将钢在固态下进行加热、保温和冷却，改变其内部组织，从而获得所需要性能的一种金属加工工艺。退火

把钢加热到高于临界点温度 Ac3 （亚共析钢）或 Ac1 （过共析钢）以上 20～30 C或低 于临界点温度（ Ac1 ）的某一温度，经保温后缓慢冷却（随炉冷却或在导热能力差的介质中冷却），以获得接近平衡组织(P)的工艺方法。

退火的目的：1、消除铸、锻件在冷却过程中由于冷速过快而形成的不平衡组织或硬皮；对过共析钢而言，是为了获得球化珠光体，均能达到降低硬度，便于切削加工的目的；

2提高塑性和韧性，以利于冷变形加工

3细化晶粒、均匀组织，以提高力学性能；

4消除工件加工过程中由于冷却不均、变形不均而造成的内应力，以防止变形或开裂。

正火

把工件加热到Ac3或Accm以上30℃～50℃，经适当的保温后，出炉空冷

正火的目的：1、提高机械性能2、改善切削性能3、为淬火做组织准备

正火与退火的选择

1、使用性能

【1】对低、中碳钢，正火后的力学性能较好，若零件的性能要求不高，可采用正火作为最终热处理；

【2】对于结构复杂的零件，因正火冷速较快，工件有开裂的危险，故宜用退火。

2、切削性能

【1】一般，低中碳钢应采用正火，高碳钢则应采用退火。

【2】实践证明，工件的硬度在 HB＝170～230时，对切削加工最为有 利。过高，加工难；过低，―粘刀‖

3、经济角度

正火较退火生产周期短，生产率高，成本低，故条件允许时应优先采用正火

淬火

将钢加热到临界温度以上，经过保温A化后，再以大于临界冷却速度的冷却速度急速冷却下来，获得M组织的热处理加工方法。

淬火的目的：一般是为了获得M组织，以提高钢的硬度、强度和耐磨性等。但淬火M的脆性很大，不能直接应用，还要通过回火来降低脆性，提高韧度。

回火

将淬火后的钢件重新加热到临界温度以下某一温度，保温一段时间后，以一定方式进行冷却的热处理工艺。淬火钢一般都要进行回火处理。

目的：1）减少和消除钢件淬火时产生的内应力，防止工件变形和开裂2）调整钢件的硬度，提高钢件的强度和韧性，以满足使用要求；3）稳定组织，以保证工件在使用过程中形状和尺寸不发生变化。

回火的种类与应用

低温回火

回火温度——在150～250℃之间

性能——经低温回火后能消除因淬火而产生的内应力，并保持淬火钢的高硬度 （56HRC～65HRC）、 高耐磨性，同时提高其韧性。

应用——主要适用于刀具、量具、模具以及其他耐磨零件、渗碳工件等。

中温回火

回火温度——在350～450℃之间

性能——经中温回火后能获得高的弹性和强度，并具有一定韧性，硬度一般为35HRC～50HRC。

应用——主要用于各种弹性零件及热锻模等。

高温回火

回火温度——在500～650℃之间。

性能——具有良好的综合力学性能，即具有理想的塑性、韧性和强度之间的配合。硬度可达25 HRC～40 HRC。

应用——各种重要零件，特别是在交变应力作用下的零件，必须进行调质处理，如汽车中的半轴、连杆、螺栓、齿轮等。

马氏体（M）——碳在α-Fe中的过饱和固溶体，它保留了奥氏体中溶解在γ –Fe中的所有碳。

合金钢的牌号

―数字十化学元素符号十数字‖

钢的平均含碳量 钢中的主要合金元素 平均百分含量少于1.5％时不标出

1、结构钢以万分之一为单位的数字（两位数

2、工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字（一位数）

工具钢的碳含量超过1％时，碳含量不标出。

特殊性能钢的碳含量小于0.08％时，标为0；碳含量小于0.03％时，标为00 。

铸铁分类

灰铸铁

定义：石墨的力学性能极差，使铸铁的抗拉强度比钢低很多，伸长率接近于零 片状石墨

铸铁中石墨含量愈多，愈粗大，力学性能愈差

性能：因为石墨存在，又使铸铁具有一些优点：

1）减振性比钢好

2）石墨能起润滑作用，提高了耐磨性和切削加工性

3）有良好的铸造性能，收缩小，不易产生铸造缺陷

球墨铸铁

定义：铁液经过球化处理，而不是在凝固后经过热处理，使石墨大部分或全部呈球状，少量为团絮状铸铁 石墨呈球状

性能：基体强度利用率高达 70％～90％，其抗拉强度、塑性、韧性高，可与钢相媲美

模样及芯盒 注意事项

分型面 必须使模样能从砂型中取出，使造型方便并能保证铸件的质量

起模斜度 起模方便 壁愈高，斜度愈小

加工余量 其大小依铸造方法、合金种类、加工精度、铸件的形状和尺寸决定。预先增加而在机械加工时切去的金属层厚度