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金属材料的定义、分类及应用
作者: 发布日期:2018/09/29 关注次数:497

金属材料的定义、分类及应用
金属材料的定义
由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等
人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代,均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代,种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础
种类金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。①黑色金属又称钢铁材料,包括含铁90%以上的工业纯铁,含碳2%~4%的铸铁,含碳小于2%的碳钢,以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。②有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金,通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高,并且电阻大、电阻温度系数小。③特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料,以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等;还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金,以及金属基复合材料等。
金属材料按生产成型工艺又分为铸造金属、变形金属、喷射成形金属,以及粉末冶金材料。①铸造金属通过铸造工艺成型,主要有铸钢、铸铁和铸造有色金属及合金。②变形金属通过压力加工如锻造、轧制、冲压等成型,其化学成分与相应的铸造金属略有不同。③喷射成形金属是通过喷射成形工艺制成具有一定形状和组织性能的零件和毛坯
性能特点
金属材料的性能可分为工艺性能和使用性能两种。工艺性能是保证生产出优质、高效、低成本产品的性能,主要包括液态金属的流动性、凝固收缩性和热裂性、最大塑性、变形温度范围、最大变形程度、再结晶温度、可焊性、残余应力以及淬透性(淬火时形成淬硬层)等。使用性能包括结构性能和功能性能。前者多为材料本身所具有的力学性能,如抗拉强度、屈服强度、疲劳强度、蠕变强度,以及延伸率、断面收缩率、冲击韧性、断裂韧性等。后者多为材料的化学、物理性能,如应力腐蚀、化学和电化学腐蚀、抗氧化、抗氢脆性能,、熔点、比热、线膨胀、光学效应、电学效应、磁学效应等。金属材料的各种性能指标通过材料物理试验、化学试验和工艺性能试验的方法获得
生产工艺
金属材料生产,一般是先提取和冶炼金属。有些金属需进一步精炼并调整到合适的成分,然后加工成各种规格和性能的产品。提炼金属,钢铁通常采用火法冶金工艺,即采用转炉、平炉、电弧炉、感应炉、冲天炉(炼铁)等进行冶炼和熔炼;有色金属兼用火法冶金和湿法冶金工艺;高纯金属以及要求特殊性能的金属还采用区域熔炼、真空熔炼和粉末冶金工艺。金属材料通过冶炼并调整成分后,经过铸造成型,或经铸造、粉末冶金成型工艺制成锭、坯,再经塑性加工制成各种形态和规格的产品。对有些金属制品,要求其有特定的内部组织和力学性能,还常采用热处理工艺。常用的热处理工艺有淬火、正火、退火、时效处理(将淬火后的金属制件置于室温或较高温度下保温适当时间,以提高其强度和硬度)等
发展趋势
金属材料的发展已从纯金属、纯合金中摆脱出来。随着材料设计、工艺技术及使用性能试验的进步,传统的金属材料得到了迅速发展,新的高性能金属材料不断开发出来。如快速冷凝非晶和微晶材料、高比强和高比模的铝锂合金、有序金属间化合物及机械合金化合金、氧化物弥散强化合金、定向凝固柱晶和单晶合金等高温结构材料、金属基复合材料以及形状记忆合金、钕铁硼永磁合金、贮氢合金等新型功能金属材料,已分别在航空航天、能源、机电等各个领域获得了应用,并产生了巨大的经济效益。
金属材料的分类及应用

含碳量小于2%并含有某些其他元素的铁碳合金。钢具有强度高、韧性好、易于加工成形、原材料资源丰富、冶炼容易、价格便宜等优点,是应用最广泛的一种金属材料。
简史中国在春秋末期(前476年以前)已出现人工锻炼的钢。到东汉时期已掌握了炒钢技术。钢的工业生产最早采用坩埚法,产量低、成本高,难于满足工业发展的需要。1856年,英国的h.贝塞麦发明了转炉炼钢法,1856~1864年,英国的k.w.西门子和法国的p.e.马丁发明了平炉炼钢法。1899年,法国的p.l.t.埃鲁发明了电弧炉炼钢法。20世纪50年代后,先后出现了真空除气、电渣重熔、钢包精炼、真空熔炼等精炼技术,使电炉钢的品质更好,各种新钢种也相继出现。钢是现代社会生产和生活所必需的基本材料,而钢和钢材的产量、品种、质量已作为衡量一个国家工业、农业、国防和科学技术现代化的一个重要标志
钢的组织和特性铁是钢的基本组成元素。铁在固态有两种晶体结构,一是体心立方结构(存在于两个温度范围内,912℃以上称α铁,1394℃以上称δ铁);另一是面心立方结构(存在于912~1394℃之间,称γ铁)。碳是钢中另一主要元素,对钢的组织和性能起重要作用,通常随着含碳量的增加,钢的强度增加、塑性下降。碳在钢中主要有两种存在形式,一是溶入铁中与铁形成固溶体(两种以上化学组分互相溶解而形成的均匀固相);另一是与铁形成铁碳化合物,称渗碳体(fe3c),其硬度高、脆性大。碳溶于α铁中形成的固溶体称铁素体;溶于γ铁中形成的固溶体称奥氏体,其最大溶解度为2.11%。钢在冷却过程中,过饱和的奥氏体将发生分解,形成铁素体和渗碳体。铁素体和渗碳体组成的呈片状相间排列的混合物称珠光体。一般碳素钢在室温下的金相组织由铁素体、珠光体和渗碳体组成
在碳素钢基础上加入各种合金元素,可制成各种合金钢。加入不同的合金元素,可使合金钢具有耐热、耐腐蚀、耐磨、高强度等特殊性能。合金元素按其与碳的亲和力不同分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素;按其对钢的组织转变影响不同分为扩大奥氏体区元素和缩小奥氏体区元素。合金元素还影响铁碳相图中特征点位置、相变、碳的扩散及钢的淬透性等。除加入合金元素外,通过热处理工艺,也可改变钢的组织结构和性能,如提高钢的强度、增加韧性、获得良好的加工工艺性能等
分类钢的分类方法有多种。按冶炼方法分为平炉钢、转炉钢和电炉钢。平炉炼钢脱除硫、磷和氧的条件比转炉好,故平炉钢的品质优于转炉钢。转炉钢将空气直接吹入钢液中,以使碳、锰、硅等元素被氧化脱除。该法冶炼速度快、能耗少、成本低,所炼出的钢可满足工业上的一般应用。但转炉钢含氧、氮量高,品质较差,不能适应重要产品的要求。电弧炉炼钢脱除硫、磷和氧的条件好,合金成分调整容易,冶炼速度比平炉炼钢快,适于生产各种优质钢。按化学成分分为碳素钢和合金钢。按品质分为普通钢(磷≤0.045%、硫≤0.055%)、优质钢(磷、硫≤0.035%)和高级优质钢(磷、硫≤0.03%)。按用途分为结构钢,用以制造各种承力结构件和机械零件;工具钢,用以制造各种切削刀具、量具、模具和其他耐磨工具;特殊钢,包括耐热钢、耐磨钢、不锈钢、电工钢、低温钢、易切削钢等。按金相组织分为亚共析钢(铁素体加珠光体组织)、共析钢(珠光体组织)、过共析钢(碳化物加珠光体组织),或分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢和铁素体钢等。按供货方式又分为轧钢、锻钢和铸钢
钢的牌号实际应用中,各种类型的钢分别以各自的牌号来表示。钢的牌号命名,各国均有自己的规则和方法。中国国家标准采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。通常,用汉语拼音第一个字母表示钢的名称、用途、特性和工艺方法,如氧气转炉钢用y,沸腾钢用f。普通碳素钢分甲、乙、特3种质量,分别用a、b、c表示,并以数字表示其含碳量;如ay2f、ay3f表示甲类氧气转炉沸腾钢,后者比前者含碳量高。优质碳素结构钢用数字或数字加元素符号表示,高级优质钢在数字后加a,数字表示其平均含碳量(以千分之几计);如20a表示平均含碳量0.2%的高级优质钢。碳素工具钢用字母t、数字(表示千分之几计的平均含碳量)和高级优质符号a表示,如t9a。合金钢用元素符号和阿拉伯数字表示,其含碳量放在最前边。合金结构钢的含碳量以万分之几计,不锈钢、耐热钢等以千分之几计。合金钢中的合金元素含量用元素符号后边的数字表示,含量小于1.5%的不予标出;如30crmnsi表示平均含碳量为0.3%,合金元素含量均小于1.5%的合金结构钢,铸钢用汉语拼音符号zg和数字表示,如zg45,表示含碳量为0.45%的铸钢
不锈钢
耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢。又称不锈耐酸钢。实际应用中,常将耐弱腐蚀介质腐蚀的钢称为不锈钢,而将耐化学介质腐蚀的钢称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异,前者不一定耐化学介质腐蚀,而后者则一般均具有不锈性。不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素。铬是使不锈钢获得耐蚀性的基本元素,当钢中含铬量达到12%左右时,铬与腐蚀介质中的氧作用,在钢表面形成一层很薄的氧化膜(自钝化膜),可阻止钢的基体进一步腐蚀。除铬外,常用的合金元素还有镍、钼、钛、铌、铜、氮等,以满足各种用途对不锈钢组织和性能的要求。不锈钢通常按基体组织分为:
①铁素体不锈钢。含铬12%~30%。其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高耐氯化物应力腐蚀性能优于其他种类不锈钢。
②奥氏体不锈钢。含铬大于18%,还含有8%左右的镍及少量钼、钛、氮等元素。综合性能好,可耐多种介质腐蚀。
③奥氏体;铁素体双相不锈钢。兼有奥氏体和铁素体不锈钢的优点,并具有超塑性。④马氏体不锈钢。强度高,但塑性和可焊性较差
碳素钢
含碳量小于1.35%,除铁、碳和限量以内的硅、锰、磷、硫等杂质外,不含其他合金元素的钢。碳素钢的性能主要取决于含碳量。含碳量增加,钢的强度、硬度升高,塑性、韧性和可焊性降低。与其他钢类相比,碳素钢使用最早,成本低,性能范围宽,用量最大。通常按含碳量分为低碳钢(碳含量为0.04%~0.25%)、中碳钢(碳含量为0.25%~0.6%)、高碳钢(碳含量为0.6%~1.35%)。按质量分为普通碳素钢,其有害杂质磷、硫含量均小于0.05%,包括甲类钢(a类钢,保证力学性能)、乙类钢(b类钢,保证化学成分)和特类钢(c类钢,保证力学性能和化学成分);优质碳素钢,有害杂质磷、硫含量均小于0.04%;高级优质碳素钢,有害杂质磷、硫含量小于。按用途又分为碳素结构钢和碳素工具钢,前者主要用于制造各种结构件和机器零件,一般属低碳钢和中碳钢;后者用于制造刀具、量具、模具等,一般属高碳钢
合金钢
在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金。根据添加元素的不同,并采取适当的加工工艺,可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。其中钒、钛、铌、锆等在钢中是强碳化物形成元素,只要有足够的碳,在适当条件下,就能形成各自的碳化物,当缺碳或在高温条件下,则以原子状态进入固溶体中;锰、铬、钨、钼为碳化物形成元素,其中一部分以原子状态进入固溶体中,另一部分形成置换式合金渗碳体;铝、铜、镍、钴、硅等是不形成碳化物元素,一般以原子状态存在于固溶体中。合金钢种类很多,通常按合金元素含量多少分为低合金钢(含量<5%),中合金钢(含量5%~10%),高合金钢(含量>10%);按质量分为优质合金钢、特质合金钢;按特性和用途又分为合金结构钢、不锈钢、耐酸钢、耐磨钢、耐热钢、合金工具钢、滚动轴承钢、合金弹簧钢和特殊性能钢(如软磁钢、永磁钢、无磁钢)等
工具钢
用于制造切削工具、量具、模具及抗高温软化弹簧、各类轴承和一些耐磨零件等的钢。通常分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢(见高速钢)。①碳素工具钢。简称碳工钢。为一种优质高碳钢(含碳0.65%~1.35%)。其特点是冷、热加工性能好,淬火后硬度为hrc66~67,耐磨性好,价格低廉,用途广,使用量约占全部工具钢的一半。但其淬透性、耐热性较差,一般只限制在200℃以下使用。②合金工具钢。在碳工钢中加入合金元素构成。合金元素的作用是提高钢的强度、硬度、韧性、耐热性和耐磨性,以满足不同的使用要求。合金工具钢按用途分为量具刃具钢、耐冲击工具钢和合金模具钢。后者包括冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢等(见模具钢)。量具刃具钢含碳量较高,含有少量的铬、钨、钒、硅和锰等合金元素,其淬透性好(淬火时形成深厚的淬硬层),耐磨性和热稳定性显著高于碳工钢,并具有一定的强度和冲击韧性。耐冲击工具钢含碳量0.35%~0.65%,主要合金元素是铬、钨和硅,热处理后的冲击韧性、疲劳强度和耐磨性均较高,故适于制造受冲击载荷大的工具
模具钢
用于制造各种类型模具的钢。按成分分为碳素钢和合金钢。按用途又分为:①冷作模具钢。用于制造冷冲模、冷挤压模、冷拉丝模、压弯模、滚丝模、冷成形模、搓丝板等。其硬度高,耐磨性和韧性好。常采用高碳工具钢,当模具尺寸大时,也采用高碳低合金钢。②热作模具钢。用于制造热锻模、热挤压模、精密铸造和金属压铸的铸型。由于模具都是在较高温度下工作,因此多采用合金钢,其高温性能、韧性和抗热疲劳性能好,等向性好。③塑料模具钢。用于制造塑料成型模。其工艺性能好,如热处理变形小,加工性、研磨性、抛光性能好,光洁度高,图案花纹刻蚀性好等。根据使用条件可采用碳素钢或合金钢。④基体钢。其化学成分相当于高速工具钢淬火后基体组织的化学成分,故而得名。用于制造工作温度在600~680℃的热模具和耐磨性要求高的冷模具。⑤无磁模具钢。用于制造磁性材料成型的模具。其硬度高、耐磨性好,在磁场中使用不会被磁化
高速钢
硬度高,耐磨性、耐热性好,并有适当的韧性的钢。高速工具钢的简称。主要用于制造高速切削工具,也可用于制造高温轴承、模具及一些要求高硬度、耐磨性好的机械零件等。高速钢的碳含量(0.70%~1.65%)和合金元素总含量(10%~25%)均较高。主要合金元素是钨、钼,此外还有铬、钒、钴、硅、铝、氮等。碳和合金元素以碳化物形态存在于钢组织中。随着含碳量的增加,钢的硬度增加。当碳含量达到平衡值(钢中的合金元素形成相应碳化物所需碳量)时,钢的淬火、回火硬度值最高。高速钢按用途分为普通高速钢和特种高速钢两种。前者硬度可达hrc63以上,综合性能好,广泛用于制造各类切削刀具。后者又分为高钒高速钢、粉末高速钢、含钴高速钢和超硬高速钢,主要用于制造难切削加工等特殊用途刀具
弹簧钢
用于制造各类弹簧和弹性元件的钢。有高的弹性极限和疲劳极限,足够的冲击韧性和塑性、良好的抗应力松弛性能以及一定的冷热成型性能。按化学成分分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢。前者含碳0.6%~0.8%,还含有少量的锰及其他合金元素,其强度高,加工性能好,但淬透性不高,仅适于制作小弹簧或性能要求不高的大弹簧。后者含碳0.4%~0.7%,合金元素含量不超过5%,其淬透性好(淬火时淬硬层深厚),综合力学性能优良,可制作截面尺寸大、性能要求高、工作温度高的弹簧。按生产方法又分为:①热轧弹簧钢。可制造截面尺寸较大的弹簧,如各种车辆的减振弹簧等。②冷轧弹簧钢。有冷轧钢带和冷拉钢丝,用以制造小型高精度弹簧,如钟表发条、仪表中的簧片等。其中冷拉钢丝又分为铅浴等温淬火钢丝、油淬火回火钢丝和退火态钢丝3种。
金属热处理
将固态金属放在一定的介质中加热到特定的温度并保持一段时间后,再以不同的冷却方式冷却的工艺。热处理与其他加工工艺(如锻压、铸造、焊接、切削加工等)不同的是,它只改变金属材料的内部组织结构或表面的化学成分,就可获得所需要的使用性能,而不改变其形状和大小及整体化学成分。钢铁是工业上应用最广的金属,且其组织结构也非常复杂,因而钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。
早在公元前770~前222年,中国人在生产实践中发现钢铁的性能会因温度和加压变形的影响发生变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。公元前6世纪,钢铁兵器逐渐被采用,为了提高其硬度,淬火工艺得到迅速发展。随着淬火技术的发展,人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。中国出土的西汉中山靖王墓中的宝剑应用了渗碳工艺。1863年,英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的不同金相组织,证明钢在加热和冷却时,内部会发生组织改变。法国人f.奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论以及英国人r.奥斯汀制定的铁碳相图,为现代热处理工艺奠定了理论基础。20世纪以来,金属物理的发展和其他新技术的移植应用,使金属热处理工艺得到更大发展。;加热和冷却是热处理工艺的两个重要环节。保温的作用是使得零件内外温度趋于一致,并使晶粒均匀细化。根据热源不同,加热的方法有燃料燃烧加热法(如燃油加热、气体燃料加热、燃煤加热等)、电加热法(如加热介质电阻加热、电热元件加热、工件感应加热等)、高能量密度能源加热法(如电子束加热、激光束加热、太阳能加热等)三大类。冷却方式主要有气体冷却、液体冷却等。金属热处理大体上可分为整体热处理(钢铁整体热处理包括退火、正火、淬火和回火)和表面热处理(包括表面淬火和化学热处理,后者是将工件放在含碳、氮或其他合金元素的介质中加热,保温较长时间,从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素)。由于同一种金属经过不同的热处理工艺后,获得的组织结构不同,其性能也不同,因而必须根据零件的使用条件、技术要求、经济合理性等,正确地选择合适的热处理工艺。
热处理在机械零件加工制造过程中的作用有两个方面:①保证和提高工件的某些性能。②改善毛坯的组织和应力状态,以利于各种冷、热加工。因此,热处理可以是一个中间工序,如为改变锻、铸、轧毛坯组织而进行的退火或正火,以及为消除应力,降低零件硬度、改善切削加工性能而进行的退火等;也可以是使加工零件性能达到规定技术指标的最终工序,如经过淬火加高温回火,使零件获得良好的综合机械性能等
淬火
将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间,随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺。常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气等。淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性,因而广泛用于各种工、模、量具及要求表面耐磨的零件(如齿轮、轧辊、渗碳零件等)。通过淬火与不同温度的回火配合,可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度,并可获得这些性能之间的配合(综合机械性能)以满足不同的使用要求。另外淬火还可使一些特殊性能的钢获得一定的物理化学性能,如淬火使永磁钢增强其铁磁性、不锈钢提高其耐蚀性等。淬火工艺主要用于钢件。常用的钢在加热到临界温度以上时,原有在室温下的组织将全部或大部转变为奥氏体。随后将钢浸入水或油中快速冷却,奥氏体即转变为马氏体。与钢中其他组织相比,马氏体硬度最高。钢淬火的目的就是为了使它的组织全部或大部转变为马氏体,获得高硬度,然后在适当温度下回火,使工件具有预期的性能。淬火时的快速冷却会使工件内部产生内应力,当其大到一定程度时工件便会发生扭曲变形甚至开裂。为此必须选择合适的冷却方法。根据冷却方法,淬火工艺分为单液淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火和贝氏体等温淬火4类。
正火
将工件加热到适当温度,保温一段时间后从炉中取出在空气中冷却的金属热处理工艺。正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快,因而正火组织要比退火组织更细一些,其机械性能也有所提高。另外,正火炉外冷却不占用设备,生产率较高,因此生产中尽可能采用正火来代替退火。正火的主要应用范围有:①用于低碳钢,正火后硬度略高于退火,韧性也较好,可作为切削加工的预处理。②用于中碳钢,可代替调质处理作为最后热处理,也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预备处理。③用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等,可以消降或抑制网状碳化物的形成,从而得到球化退火所需的良好组织。④用于铸钢件,可以细化铸态组织,改善切削加工性能。⑤用于大型锻件,可作为最后热处理,从而避免淬火时较大的开裂倾向。⑥用于球墨铸铁,使硬度、强度、耐磨性得到提高,如用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件
退火
将工件加热到预定温度,保温一定的时间后缓慢冷却的金属热处理工艺。退火的目的在于:①改善或消除钢铁在铸造、锻压、轧制和焊接过程中所造成的各种组织缺陷以及残余应力,防止工件变形、开裂。②软化工件以便进行切削加工。③细化晶粒,改善组织以提高工件的机械性能。④为最终热处理(淬火、回火)作好组织准备。常用的退火工艺有:①完全退火。用以细化中、低碳钢经铸造、锻压和焊接后出现的力学性能不佳的粗大过热组织。将工件加热到铁素体全部转变为奥氏体的温度以上30~50℃,保温一段时间,然后随炉缓慢冷却,在冷却过程中奥氏体再次发生转变,即可使钢的组织变细。②球化退火。用以降低工具钢和轴承钢锻压后的偏高硬度。将工件加热到钢开始形成奥氏体的温度以上20~40℃,保温后缓慢冷却,在冷却过程中珠光体中的片层状渗碳体变为球状,从而降低了硬度。③等温退火。用以降低某些镍、铬含量较高的合金结构钢的高硬度,以进行切削加工。一般先以较快速度冷却到奥氏体最不稳定的温度,保温适当时间,奥氏体转变为托氏体或索氏体,硬度即可降低。④再结晶退火。用以消除金属线材、薄板在冷拔、冷轧过程中的硬化现象(硬度升高、塑性下降)。加热温度一般为钢开始形成奥氏体的温度以下50~150℃,只有这样才能消除加工硬化效应使金属软化。⑤石墨化退火。用以使含有大量渗碳体的铸铁变成塑性良好的可锻铸铁。工艺操作是将铸件加热到950℃左右,保温一定时间后适当冷却,使渗碳体分解形成团絮状石墨。⑥扩散退火。用以使合金铸件化学成分均匀化,提高其使用性能。方法是在不发生熔化的前提下,将铸件加热到尽可能高的温度,并长时间保温,待合金中各种元素扩散趋于均匀分布后缓冷。⑦去应力退火。用以消除钢铁铸件和焊接件的内应力。对于钢铁制品加热后开始形成奥氏体的温度以下100~200℃,保温后在空气中冷却,即可消除内应力
回火
将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度,保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理。钢铁工件在淬火后具有以下特点:①得到了马氏体、贝氏体、残余奥氏体等不平衡(即不稳定)组织。②存在较大内应力。③力学性能不能满足要求。因此,钢铁工件淬火后一般都要经过回火。作用回火的作用在于:①提高组织稳定性,使工件在使用过程中不再发生组织转变,从而使工件几何尺寸和性能保持稳定。②消除内应力,以便改善工件的使用性能并稳定工件几何尺寸。③调整钢铁的力学性能以满足使用要求。回火之所以具有这些作用,是因为温度升高时,原子活动能力增强,钢铁中的铁、碳和其他合金元素的原子可以较快地进行扩散,实现原子的重新排列组合,从而使不稳定的不平衡组织逐步转变为稳定的平衡组织。内应力的消除还与温度升高时金属强度降低有关。一般钢铁回火时,硬度和强度下降,塑性提高。回火温度越高,这些力学性能的变化越大。有些合金元素含量较高的合金钢,在某一温度范围回火时,会析出一些颗粒细小的金属化合物,使强度和硬度上升。这种现象称为二次硬化;要求用途不同的工件应在不同温度下回火,以满足使用中的要求。①刀具、轴承、渗碳淬火零件、表面淬火零件通常在250℃以下进行低温回火。低温回火后硬度变化不大,内应力减小,韧性稍有提高。②弹簧在350~500℃下中温回火,可获得较高的弹性和必要的韧性。③中碳结构钢制作的零件通常在500~600℃进行高温回火,以获得适宜的强度与韧性的良好配合。淬火加高温回火的热处理工艺总称为调质。钢在300℃左右回火时,常使其脆性增大,这种现象称为第一类回火脆性。一般不应在这个温度区间回火。某些中碳合金结构钢在高温回火后,如果缓慢冷至室温,也易于变脆。这种现象称为第二类回火脆性。在钢中加入钼,或回火时在油或水中冷却,都可以防止第二类回火脆性。将第二类回火脆性的钢重新加热至原来的回火温度,便可以消除这种脆性
表面热处理
对工件表面进行强化的金属热处理工艺。它不改变零件心部的组织和性能。广泛用于既要求表层具有高的耐磨性、抗疲劳强度和较大的冲击载荷,又要求整体具有良好的塑性和韧性的零件,如曲轴、凸轮轴、传动齿轮等。表面热处理分为表面淬火和化学热处理两大类
表面淬火
通过不同的热源对工件进行快速加热,当零件表层温度达到临界点以上(此时工件心部温度处于临界点以下)时迅速予以冷却,这样工件表层得到了淬硬组织而心部仍保持原来的组织。为了达到只加热工件表层的目的,要求所用热源具有较高的能量密度。根据加热方法不同,表面淬火可分为感应加热(高频、中频、工频)表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光加热表面淬火、电子束表面淬火等。工业上应用最多的为感应加热和火焰加热表面淬火。
表面热处理车间
化学热处理将工件置于含有活性元素的介质中加热和保温,使介质中的活性原子渗入工件表层或形成某种化合物的覆盖层,以改变表层的组织和化学成分,从而使零件的表面具有特殊的机械或物理化学性能。通常在进行化学渗的前后均需采用其他合适的热处理,以便最大限度地发挥渗层的潜力,并达到工件心部与表层在组织结构、性能等的最佳配合。根据渗入元素的不同,化学热处理可分为渗碳、渗氮、渗硼、渗硅、渗硫、渗铝、渗铬、渗锌、碳氮共渗、铝铬共渗等
锻压
利用锻压机械的锤头、砧块、冲头或通过模具对坯料施加压力,使之产生塑性变形而获得所需形状和尺寸制件的成形加工方法。锻造和冲压的合称。锻压使工件成形的同时,也提高了其机械性能。锻压主要用于加工金属材料,也可以加工某些非金属材料(如橡胶、塑料、陶瓷等)以及复合材料的成形;人类利用锻压的历史可以追溯到新石器时代。约公元前2000多年,中国已开始应用冷锻工艺制造工具。商代中期,中国利用陨铁制造武器时采用了加热锻造工艺。最初,锻造是用人力、畜力和水力来进行的。1842年,英国的j.内史密斯制成第一台蒸汽锤。随后,锻造水压机、夹板锤、空气锻锤、机械压力机、蒸汽模锻锤等相继问世。20世纪以后,热模锻、热挤压、冷锻、冷挤压、冷镦等现代锻造工艺得到发展。早期的冲压是利用铲、剪、冲头、手锤、砧座等简单工具,通过手工加工使金属板材成型。19世纪中期,冲压加工开始向机械化方向迈进。1905年,美国开始生产成卷的热连轧窄带钢,1926年开始生产宽带钢,以后又出现冷连轧带钢;锻压种类很多,按成形方式可分为:锻造和冲压。按变形温度则可分为:①热锻压。工件加热到再结晶温度以上的锻压。提高温度能改善金属的塑性,使之不易开裂。当金属有足够的塑性和变形量不大时,或变形总量大而所用的锻压工艺有利于金属塑性变形时,常改用冷锻压。②温锻压。工件加热到超过常温但又低于再结晶温度的锻压。其精度较高,表面较光洁,变形抗力不大。③冷锻压。工件在常温下的锻压。冷锻压成形的工件,形状和尺寸精度高,表面光洁,加工工序少,便于自动化生产。当加工工件大、厚,材料强度高、塑性低时,都采用热锻压。④等温锻压。工件在整个成形过程中温度保持不变。等温锻压是为了充分利用某些金属在某一温度下所具有的高塑性,或为了获得特定的组织和性能,所需费用较高,仅用于特殊的锻压工艺,如超塑成形。

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