金屬材料及熱處理基本知識
一、金屬材料的力學性能
金屬材料的力學性能是指金屬材料在外力作用下所反映出來的性能。金屬常用的力學性能有：
1.彈性 金屬材料在受到外力作用時發生變形，外力消除後其變形逐漸消失的性質稱為彈性。
剛性是指材料或構件在外力作用下抵抗彈性變形的能力。
剛度：k＝F/y
2.塑性 金屬材料在受到外力作用時，產生顯著的變形而不斷裂的性能稱為塑性。
伸長率δ
斷面收縮率ψ
3.強度 金屬材料在外力作用下，抵抗變形和破壞的能力稱為強度。
由於各種機器零件或構件因載荷作用形式和作用性質不同，金屬材料所表現出的強度大小也不同。
金屬材料的強度指標：
（1）屈服強度σs 在拉伸試驗中，載荷不增加而試樣仍能繼續伸長時的應力稱為屈服強度。
（2）抗拉強度σb 材料在拉斷前所能承受的最大應力稱為抗拉強度。
（3）疲勞強度σ-1 材料試樣在疲勞試驗過程中，在承受無數次（或給定次）對稱循環應力作用仍不斷裂的最大應力稱為疲勞強度。
4.硬度 金屬表面抵抗硬物壓入的能力稱為硬度。
最常用的硬度指標：
（1）布氏硬度HBS(HBW) 布氏硬度是使用一定直徑的球體（淬火鋼球或硬質合金球），以規定的試驗力壓入試樣表面，經規定保持時間後卸除試驗力，然後用測量表面壓痕直徑來計算硬度。使用淬火鋼球作硬度試驗得到的硬度用HBS表示；使用硬質合金球作硬度試驗得到的硬度用HBW表示。
（2）洛氏硬度HRC 洛氏硬度C標尺試驗採用120°金剛石圓錐體加1471N總試驗力測量的硬度值。
5.衝擊韌性 金屬材料抵抗衝擊載荷而不破壞的能力稱為衝擊韌性，其大小用衝擊韌度αK表示。
二、鋼的分類、用途與牌號
（一）鋼的分類
1.按是否特意加入合金元素分類：
（1）碳素鋼 不含有特意加入合金元素的鋼，稱為碳素鋼。
（2）合金鋼 在碳素鋼的基礎上，為改善鋼的性能，在冶煉時有目的地加入一種或數種合金元素的鋼，稱為合金鋼。
2.按含碳量分類
（1）低碳鋼 C ≤ 0.25％；
（2）中碳鋼 0.25％ ＜ C ＜ 0.60％；
（3）高碳鋼 C ≥ 0.60％；
3.按質量分類
（1）普通鋼 S ≤ 0.050％，P ≤ 0.045％
（2）優質鋼 S ≤ 0.035％，P ≤ 0.035％
（3）高級優質鋼 S ≤ 0.025％，P ≤ 0.025％
4.按合金元素總量分類
（1）低合金鋼 合金元素總含量 ＜ 5％
（2）中合金鋼 合金元素總含量 5％ ～ 10％
（3）高合金鋼 合金元素總含量 ＞10％
5.按用途分類
（1）結構鋼 主要用於製造各種機械零件和工程構件的鋼。
（2）工具鋼 主要用於製造各種刀具、模具和量具等用鋼。
（3）特殊性能鋼 具有某種特殊物理、化學性能的鋼，如不鏽鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。
（二）碳素鋼的牌號表示方法、代號及符號
1.碳素結構鋼
碳素結構鋼的雜質和非金屬夾雜物較多，但冶煉容易，工藝性好，價格便宜，通常軋製成鋼板和各種型材，用於廠房、橋樑、船舶等結構用鋼或一些受力不大的機械零件。
牌號： Q×××
註：Q後的三位數字表示其屈服強度的數值，單位是MPa。
2.優質碳素結構鋼
優質碳素結構鋼的硫、磷及非金屬夾雜物含量低，常用於製造重要的機械零件，使用前一般要進過熱處理來改善力學性能。
牌號： ××
註：兩位數字表示其平均含碳量的萬分數。
3.碳素工具鋼
碳素工具鋼是用於製造刀具、模具和量具的鋼。由於大多數工具都要求高硬度和高耐磨性，故碳素工具鋼含碳量均在0.70％以上，都是優質鋼或高級優質鋼。
牌號： T× 或 T××
註：T後的一或兩位數字表示其平均含碳量的千分數。如果該鋼的質量等級是高級優質，則在數字後加一個A。
4. 鑄造碳鋼
鑄造碳鋼一般用於製造形狀複雜、力學性能要求較高的零件，如軋機機架、水壓機橫樑、鍛錘和砧座等。鑄造碳鋼的含碳量一般在0.20％～0.60％之間。如果含碳量過高，則塑性變差，而且鑄造時易產生裂紋。
牌號：ZG×××-×××
註：ZG後的前三位數字表示其最低屈服強度，後三位數字表示其最低抗拉強度，單位均為MPa。
（二）合金鋼的牌號表示方法
1.合金結構鋼
（1）低合金結構鋼
低合金結構鋼含碳量一般為0.10％～0.25％，加入了少量合金，具有良好的塑性、韌性、耐蝕性和焊接性，廣泛用於製造工程鋼結構件。例如橋樑、船舶、車輛、鍋爐、壓力容器、輸油管等。
牌號：Q×××
註：Q後的三位數字表示其屈服強度的數值，單位是MPa。
（2）合金結構鋼（合金滲碳鋼、合金調質鋼、合金彈簧鋼和滾動軸承鋼）
牌號：兩位數字（鋼中平均含碳量的萬分數）+ 合金元素符號 + 數字（合金元素平均含量的百分數）
註：當合金元素的平均含量＜1.5％時，只標元素符號，不標含量。
2.合金工具鋼
牌號：數字（鋼中平均含碳量的千分數）+ 合金元素符號 + 數字（合金元素平均含量的百分數）
註： 當鋼中平均含碳量＞1％時，不標含量。
當合金元素的平均含量＜1.5％時，只標元素符號，不標含量。
常用合金工具鋼的種類：
（1）低合金刃具鋼
（2）高速鋼
3.特殊性能鋼
牌號：數字（鋼中平均含碳量的千分數）+ 合金元素符號 + 數字（合金元素平均含量的百分數）
註： 當鋼中平均含碳量＞1％時，不標含量。
當鋼中平均含碳量為0.03％ ～ 0.10％時，含碳量用0表示，如0Cr18Ni9。
當鋼中平均含碳量≤0.03％時，含碳量用00表示，如00Cr30Mo2。
當合金元素的平均含量＜1.5％時，只標元素符號，不標含量。
為了表示鋼的特殊用途，有的在鋼的牌號前面冠以漢語拼音首字母，而不標含碳量，如GCr15，G表示滾動軸承鋼，但Cr元素後面的數字表示平均含鉻量的千分數，而其他合金元素的平均含量仍用百分數表示。例如GCr15SiMn。
（1）不鏽鋼
鉻不鏽鋼
常用牌號有：1Cr13、2Cr13、3Cr13等。其中1Cr13、2Cr13耐腐蝕能力和塑性、韌性很好，適用於製造在腐蝕條件下工作、受衝擊載荷的零件，如汽輪機葉片、水壓機閥門等。3Cr13的含碳量高，用於製造彈簧、軸承、醫療器械等。
鉻鎳不鏽鋼
常用牌號有：0Cr19Ni9、1Cr18Ni9等。鉻鎳不鏽鋼主要用於製造強腐蝕介質中工作的零件或構件，如化工設備中的零件或構件等。
（2）耐熱鋼
常用牌號有：4Cr9Si2、1Cr13Al、4CrNi14W2Mo等。4Cr9Si2、1Cr13Al可用於加熱爐底板、滲碳箱等；4CrNi14W2Mo可用於製造汽輪機葉片、大型發動機排氣閥等。
三、鑄鐵的分類、用途及牌號
1.白口鑄鐵
2.灰鑄鐵
牌號：HT×××
註：HT後的三位數字表示其最低抗拉強度的數值，單位MPa。
3.球墨鑄鐵
牌號：QT×××－××
註：QT後的前三位數字表示其最低抗拉強度數值，單位MPa，後兩位數字表示最低伸長率。
4.可鍛鑄鐵，
黑心可鍛鑄鐵
牌號：KTH×××－××
珠光體可鍛鑄鐵
牌號：KTZ×××－××
註：兩組數字的意義與球墨鑄鐵相同。
5.蠕墨鑄鐵RUT×××
註：RUT後的數字的意義與灰鑄鐵相同。
四、鋼的熱處理
1.退火 把鋼加熱到適當溫度，保溫一定時間，然後緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）到室溫的熱處理工藝稱為退火。常用的退火方法有：
（1）完全退火 把含碳量＜0.77％的鋼（一般為中、低碳鋼）加熱到預定溫度（完全奧氏體化），保溫一定時間，然後隨爐緩慢冷卻的熱處理方法。
完全退火的目的：降低鋼的硬度，細化晶粒，增加塑性，消除鋼中的不均勻組織和內應力。
（2）球化退火 把含碳量＞0.77％的鋼（高碳鋼）加熱到750℃左右，保溫一定時間，然後隨爐緩慢冷卻至500℃以下，最後在空氣中冷卻至室溫的熱處理方法。
球化退火的目的：使鋼中的碳化物呈球狀，降低鋼的硬度，改善切削加工性能；也可作為高碳鋼淬火處理前的預備熱處理。
（3）去應力退火 又稱低溫退火。它是把鋼加熱到500～650℃，保溫一定時間，隨爐緩冷至300℃以下出爐的熱處理方法。
去應力退火的目的：消除由於塑性變形、焊接、切削加工、鑄造、鍛造等形成的殘餘內應力。
2.正火 把鋼加熱到適當溫度（完全奧氏體化），保溫一定時間，然後在空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。
正火的目的與退火基本相同，但正火的冷卻速度比退火快，成本比退火低，得到的組織較細，硬度、強度比退火高。缺點是：因冷卻速度較退火快，對現狀較複雜的零件，有引起開裂的危險。高碳鋼在球化退火前應安排正火處理，以消除網狀碳化物。
3.淬火 把鋼加熱到一定溫度，經保溫後快速在水（或油）中冷卻的熱處理方法稱為淬火。
淬火的目的：獲得馬氏體組織，提高鋼的強度、硬度和耐磨性。
4.回火 將淬火後的鋼重新加熱到某一溫度，保溫一定時間，然後冷卻到室溫的熱處理方法稱為回火。
回火的目的：
減少或消除工件淬火時產生的內應力，防止工件在使用過程中的變形和開裂。
適當降低鋼的強度和硬度，提高鋼的韌性。
消除殘餘奧氏體，穩定鋼的組織和工件尺寸。
回火的種類：
（1）低溫回火（150～250℃）：降低內應力、脆性，保持淬火的高硬度和高耐磨性。
（2）中溫回火（350～500℃）：提高彈性、強度，獲得較好的韌性。
（3）高溫回火（500～600℃）：「淬火+高溫回火」稱為調質，可獲得良好的綜合機械性能。
5.鋼的表面淬火 僅對工件表層進行淬火的工藝稱為表面淬火。表面淬火的目的是提高零件表面的硬度和耐磨性，保持心部的塑性和韌性。
常用的部門淬火有：
（1）火焰加熱表面淬火
（2）感應加熱表面淬火
感應加熱表面淬火的加熱方式分高頻感應加熱、中頻感應加熱和工頻感應加熱三種。隨感應電流頻率的降低，加熱速度逐次降低，熱傳導深度逐次增大，因此淬硬層深度逐次增加。
6.化學熱處理
（1）滲碳
（2）滲氮
（3）碳氮共滲
五、硬質合金
（一）硬質合金的性能特點
硬質合金是將難熔的高硬度的WC、TiC、TaC粉末與鈷、鎳等金屬粘接劑粉末混合、壓製成形，再在高溫下燒結而成的。其特點是：
1.硬度高、熱硬性高、耐磨性好。
2.抗壓強度高、韌性差。
硬質合金一般不能製成形狀複雜的整體刀具，只能以刀片的形式用焊接、粘接或機械夾緊的方法固定在刀體上。
（二）常用硬質合金
1.鎢鈷類硬質合金YG（表示「硬」、「鈷」——粘接劑）
牌號：YG + 數字（平均含鈷量的百分數）
鈷的含量越高，韌性越好，抗衝擊能力越高。YG類硬質合金適用於脆性材料（如鑄鐵、青銅等）的加工以及斷續切削加工。
2.鎢鈷鈦類硬質合金YT（表示「硬」、「鈦」——碳化鈦）
牌號：YT + 數字（碳化鈦平均含量的百分數）
碳化鈦含量越高，硬度越高，耐磨性越好，但強度和韌性越低。YT類適用於塑性材料（如鋼等）的連續切削加工。
3.通用硬質合金YW
通用硬質合金是以碳化鉭（Tan）或碳化鈮取代YT類硬質合金中的一部分碳化鈦製成的。由於碳化鉭（碳化鈮）可顯著提高合金的熱硬性，常用來加工不鏽鋼、耐熱鋼、高錳鋼等難加工材料。
牌號：YW + 序號 如TW1、TW2。