金属材料与热处理基本知识
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一、金属材料的力学性能
金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所反映出来的性能。金属常用的力学性能有：
1.弹性 金属材料在受到外力作用时发生变形，外力消除后其变形逐渐消失的性质称为弹性。
① 刚性是指材料或构件在外力作用下抵抗弹性变形的能力。
② 刚度：k＝F/y
2.塑性 金属材料在受到外力作用时，产生显著的变形而不断裂的性能称为塑性。
① 伸长率δ
② 断面收缩率ψ
3.强度 金属材料在外力作用下，抵抗变形和破坏的能力称为强度。
由于各种机器零件或构件因载荷作用形式和作用性质不同，金属材料所表现出的强度大小也不同。
金属材料的强度指标：
（1）屈服强度σs 在拉伸试验中，载荷不增加而试样仍能继续伸长时的应力称为屈服强度。
（2）抗拉强度σb 材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度。
（3）疲劳强度σ-1 材料试样在疲劳试验过程中，在承受无数次（或给定次）对称循环应力作用仍不断裂的最大应力称为疲劳强度。
4.硬度 金属表面抵抗硬物压入的能力称为硬度。
最常用的硬度指标：
（1）布氏硬度HBS(HBW) 布氏硬度是使用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球），
以规定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，然后用测量表面压痕直径来计算硬度。使用淬火钢球作硬度试验得到的硬度用HBS表示；使用硬质合金球作硬度试验得到的硬度用HBW表示。
（2）洛氏硬度HRC 洛氏硬度C标尺试验采用120°金刚石圆锥体加1471N总试验力测量的硬度值。
5.冲击韧性 金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧性，其大小用冲击韧度αK表示。
二、钢的分类、用途与牌号
（一）钢的分类
1.按是否特意加入合金元素分类：
（1）碳素钢 不含有特意加入合金元素的钢，称为碳素钢。
（2）合金钢 在碳素钢的基础上，为改善钢的性能，在冶炼时有目的地加入一种或数种合金元素的钢，称为合金钢。
2.按含碳量分类
（1）低碳钢 C ≤ 0.25％；
（2）中碳钢 0.25％ ＜ C ＜ 0.60％；
（3）高碳钢 C ≥ 0.60％；
3.按质量分类
（1）普通钢 S ≤ 0.050％，P ≤ 0.045％
（2）优质钢 S ≤ 0.035％，P ≤ 0.035％
（3）高级优质钢 S ≤ 0.025％，P ≤ 0.025％
4.按合金元素总量分类
（1）低合金钢 合金元素总含量 ＜ 5％
（2）中合金钢 合金元素总含量 5％ ～ 10％
（3）高合金钢 合金元素总含量 ＞10％
5.按用途分类
（1）结构钢 主要用于制造各种机械零件和工程构件的钢。
（2）工具钢 主要用于制造各种刀具、模具和量具等用钢。
（3）特殊性能钢 具有某种特殊物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。
（二）碳素钢的牌号表示方法、代号及符号
1.碳素结构钢
碳素结构钢的杂质和非金属夹杂物较多，但冶炼容易，工艺性好，价格便宜，通常轧制成钢板和各种型材，用于厂房、桥梁、船舶等结构用钢或一些受力不大的机械零件。
牌号： Q×××
注：Q后的三位数字表示其屈服强度的数值，单位是MPa。
2.优质碳素结构钢
优质碳素结构钢的硫、磷及非金属夹杂物含量低，常用于制造重要的机械零件，使用前一般要进过热处理来改善力学性能。
牌号： ××
注：两位数字表示其平均含碳量的万分数。
3.碳素工具钢
碳素工具钢是用于制造刀具、模具和量具的钢。由于大多数工具都要求高硬度和高耐磨性，故碳素工具钢含碳量均在0.70％以上，都是优质钢或高级优质钢。
牌号： T× 或 T××
注：T后的一或两位数字表示其平均含碳量的千分数。如果该钢的质量等级是高级优质，则在数字后加一个A。
4. 铸造碳钢
铸造碳钢一般用于制造形状复杂、力学性能要求较高的零件，如轧机机架、水压机横梁、锻锤和砧座等。铸造碳钢的含碳量一般在0.20％～0.60％之间。如果含碳量过高，则塑性变差，而且铸造时易产生裂纹。
牌号：ZG×××-×××
注：ZG后的前三位数字表示其最低屈服强度，后三位数字表示其最低抗拉强度，单位均为MPa。
（二）合金钢的牌号表示方法
1.合金结构钢
（1）低合金结构钢
低合金结构钢含碳量一般为0.10％～0.25％，加入了少量合金，具有良好的塑性、韧性、耐蚀性和焊接性，广泛用于制造工程钢结构件。例如桥梁、船舶、车辆、锅炉、压力容器、输油管等。
牌号：Q×××
注：Q后的三位数字表示其屈服强度的数值，单位是MPa。
（2）合金结构钢（合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和滚动轴承钢）
牌号：两位数字（钢中平均含碳量的万分数）+ 合金元素符号 + 数字（合金元素平均含量的百分数）
注：当合金元素的平均含量＜1.5％时，只标元素符号，不标含量。
2.合金工具钢
牌号：数字（钢中平均含碳量的千分数）+ 合金元素符号 + 数字（合金元素平均含量的百分数）
注：① 当钢中平均含碳量＞1％时，不标含量。
② 当合金元素的平均含量＜1.5％时，只标元素符号，不标含量。
常用合金工具钢的种类：
（1）低合金刃具钢
（2）高速钢
3.特殊性能钢
牌号：数字（钢中平均含碳量的千分数）+ 合金元素符号 + 数字（合金元素平均含量的百分数）
注：① 当钢中平均含碳量＞1％时，不标含量。
② 当钢中平均含碳量为0.03％ ～ 0.10％时，含碳量用0表示，如0Cr18Ni9。
③ 当钢中平均含碳量≤0.03％时，含碳量用00表示，如00Cr30Mo2。
④ 当合金元素的平均含量＜1.5％时，只标元素符号，不标含量。
为了表示钢的特殊用途，有的在钢的牌号前面冠以汉语拼音首字母，而不标含碳量，如GCr15，G表示滚动轴承钢，但Cr元素后面的数字表示平均含铬量的千分数，而其他合金元素的平均含量仍用百分数表示。例如GCr15SiMn。
（1）不锈钢
① 铬不锈钢
常用牌号有：1Cr13、2Cr13、3Cr13等。其中1Cr13、2Cr13耐腐蚀能力和塑性、韧性很好，适用于制造在腐蚀条件下工作、受冲击载荷的零件，如汽轮机叶片、水压机阀门等。3Cr13的含碳量高，用于制造弹簧、轴承、医疗器械等。
② 铬镍不锈钢
常用牌号有：0Cr19Ni9、1Cr18Ni9等。铬镍不锈钢主要用于制造强腐蚀介质中工作的零件或构件，如化工设备中的零件或构件等。
（2）耐热钢
常用牌号有：4Cr9Si2、1Cr13Al、4CrNi14W2Mo等。4Cr9Si2、1Cr13Al可用于加热炉底板、渗碳箱等；4CrNi14W2Mo可用于制造汽轮机叶片、大型发动机排气阀等。
三、铸铁的分类、用途及牌号
1.白口铸铁
2.灰铸铁
牌号：HT×××
注：HT后的三位数字表示其最低抗拉强度的数值，单位MPa。
3.球墨铸铁
牌号：QT×××－××
注：QT后的前三位数字表示其最低抗拉强度数值，单位MPa，后两位数字表示最低伸长率。
4.可锻铸铁，
① 黑心可锻铸铁
牌号：KTH×××－××
② 珠光体可锻铸铁
牌号：KTZ×××－××
注：两组数字的意义与球墨铸铁相同。
5.蠕墨铸铁RUT×××
注：RUT后的数字的意义与灰铸铁相同。
四、钢的热处理
金属材料及热处理基本知识
1.退火 把钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）到室温的热处理工艺称为退火。常用的退火方法有：
（1）完全退火 把含碳量＜0.77％的钢（一般为中、低碳钢）加热到预定温度（完全奥氏体化），保温一定时间，然后随炉缓慢冷却的热处理方法。
完全退火的目的：降低钢的硬度，细化晶粒，增加塑性，消除钢中的不均匀组织和内应力。
（2）球化退火 把含碳量＞0.77％的钢（高碳钢）加热到750℃左右，保温一定时间，然后随炉缓慢冷却至500℃以下，最后在空气中冷却至室温的热处理方法。
球化退火的目的：使钢中的碳化物呈球状，降低钢的硬度，改善切削加工性能；也可作为高碳钢淬火处理前的预备热处理。
（3）去应力退火 又称低温退火。它是把钢加热到500～650℃，保温一定时间，随炉缓冷至300℃以下出炉的热处理方法。
去应力退火的目的：消除由于塑性变形、焊接、切削加工、铸造、锻造等形成的残余内应力。
2.正火 把钢加热到适当温度（完全奥氏体化），保温一定时间，然后在空气中冷却的热处
