第一章 工程材料与钢的热处理 教学目标及总要求： 重点：钢的分类、牌号及热处理方法 难点：几种热处理方法的应用

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1 第一章 工程材料与钢的热处理 教学目标及总要求： 重点：钢的分类、牌号及热处理方法 难点：几种热处理方法的应用
第一章 工程材料与钢的热处理 教学目标及总要求： 1. 掌握碳钢中常存元素对碳钢性能的影响； 2. 基本掌握碳钢的分类、牌号、性能和用途； 3. 了解选材的一般原则； 4. 掌握退火、正火、淬火、回火等普通热处理的工艺特点； 5. 掌握防止淬火开裂和减少变形的措施； 重点：钢的分类、牌号及热处理方法 难点：几种热处理方法的应用

2 章节目录 第一节：概述 第二节：钢的分类及选择 第三节、金属材料的性能 第四节、金属的晶体结构 第五节、金属热处理

3 材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。
第一节：概述 材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。 金属材料 陶瓷材料 高分子材料 复合材料

4 零件的生产工艺过程 预先热处理 机械加工 选毛坯 选材 检验 最终热处理 应根据零件的性能要求、受载情况、服役条 件、工作环境等：
其中选材：金属材料种类繁多，性能不一，而且材料的发展日新月异，而零件的性能要求、服役条件各不相同，再加上材料的资源、价格等多方面考虑。

5 数控加工、电火花加工、激光加工等特种加工方法
轴 毛坯选择 有液态成形毛坯 塑性成形毛坯 连接成形毛坯 粉末冶金成形 型材等毛坯 机械加工方法 传统的有 车削、刨 削、铣削拉削、镗削、磨削等 数控加工、电火花加工、激光加工等特种加工方法 现代的有 车削

6 一个具体零件的加工往往可用多种不同的加工方法，而每种加工方法所能达到的加工精度、加工质量、加工范围、加工效率是不同的。
预先热处理： 为使切削加工能顺利进行，可通过预先热处理调整硬度，为切削加工做好组织准备。 最终热处理： 使材料的性能达到要求。

7 第二节、钢的分类及选择 碳钢分类方法很多，比较常用的有三种，即按钢的含碳量、质量和用途分类。 （1）按含碳量分类
低碳钢：含碳量小于或等于0.25%的钢，0.01~0.25%C ≤0.25%C 中碳钢：含碳量为0.30~0.55%的钢 ~0.6%C 高碳钢：含碳量大于0.6%的钢 ~1.3%C ＞0.6%C

8 杂质对钢性能的影响 （2）按质量分类：即含有杂质元素S、P的多少分类： 普通碳素钢：S≤0.055% P≤0.045%
1、硅和锰的影响： 有益元素。不但可以溶于F中，产生强化作用，使钢的强度和硬度提高；而且Mn能消除硫对钢的危害。 2、磷的影响： 有害元素，使钢产生冷脆性。 3、硫的影响： 有害元素，使钢产生热脆性。

9 （3）按用途分类 碳素结构钢：用于制造各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等，及机器零件，如齿轮、轴、连杆、螺钉、螺母等。 碳素工具钢：用于制造各种刀具、量具、模具等，一般为高碳钢，在质量上都是优质钢或高级优质钢。

10 钛、钒等合金元素的加入提高了钢的强度和硬度，细 化了晶粒，也提高了塑性与韧性。
合金元素对钢性能的影响 （1）提高了钢的力学性能 钛、钒等合金元素的加入提高了钢的强度和硬度，细 化了晶粒，也提高了塑性与韧性。 （2）提高了钢的淬透性 铬、硅、镍、锰、硼等合金元素的加入提高钢的淬透性。 （3）使钢具有某些特殊性能 铬、锰等合金元素的加入使钢具有了耐高温、耐热、耐磨、不生锈等特殊性能。

11 碳钢的牌号和用途 （1）普通碳素结构钢： 主要保证机械性能，牌号体现机械性能。
用Q+数字表示，“Q”为屈服点，“屈”汉语拼音，数字表示屈服点数值。如：Q-275，表示屈服点为275MPa，若牌号后面标注字母A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同，即S、P含量不同。A、B、C、D质量依次提高，“F”表示沸腾钢，“b”为半镇静钢，不标“F”和“b”的为镇静钢。如：Q235-A·F表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢，Q235-C表示屈服点为235MPa的C级镇静钢。 普通碳素结构钢一般情况下都不经热处理，而是在供应状态下直接使用。

12 （2）优质碳素结构钢： 同时保证钢的化学成分和机械性能。其牌号是采用两位数字表示的，表示钢中平均含碳量的万分之几。如45钢表示钢中含碳量为0.45%；08钢表示钢中含碳量为0.08%。若钢中含锰量较高，须将锰元素标出，如0.45%C，Mn0.70~1.00%的钢即45Mn。 优质碳素结构钢主要用于制造机械零件。一般都要经过热处理以提高机械性能。

13 （3）碳素工具钢： 这类钢的牌号是用“碳”或“T”字后附数字表示。数字表示钢中平均含碳量的千分之几。T8、T10分别表示钢中平均含碳量为0.80%和1.0%的碳素工具钢，若为高级优质碳素工具钢，则在钢号最后附以“A”字。如T12A。 碳素工具钢用于制造各种量具、刃具、模具等。 碳素工具钢经热处理（淬火+低温回火）后具有高硬度，用于制造尺寸较小要求耐磨性的量具、刃具、模具等。

14 低碳，合金含量小于3%。主加元素为Mn其强化了铁素体，提高了强度；V，Ti等元素使晶粒细化，使韧性提高。
一、合金结构钢 1、普通低合金结构钢 低碳，合金含量小于3%。主加元素为Mn其强化了铁素体，提高了强度；V，Ti等元素使晶粒细化，使韧性提高。 在建筑、桥梁、车辆、船舶中应用广泛。以16Mn为最广。 桥梁 船舶

15 2、合金渗碳钢 拨叉 主要用于表面要求硬而耐磨，心部具有足够强度和韧性的零件，如：汽车变速箱的齿轮等。 变速齿轮
含碳量为0.1%--0.2%,以保障心部具有足够的韧性，合金含量小于3%。主加元素为Cr、Mn、钛、钒，提高了淬透性，使晶粒细化，耐磨性提高。 主要用于表面要求硬而耐磨，心部具有足够强度和韧性的零件，如：汽车变速箱的齿轮等。 以20Cr、20CrTiMn为最广。 变速齿轮 拨叉

16 3、合金调质钢 含碳量为0.25%--0.5%,主加元素为Cr、Mn、Si、Ni等以提高淬透性和强化铁素体.调质钢具有良好的综合力学性能。
曲轴 连杆 合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆等。

17 4、合金弹簧钢 它具有高的弹性、疲劳强度及冲动韧度。含碳量为0.5%--0.7%,主加元素为Cr、Mn、Si等以提高淬透性和弹性极限。
合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。 拉力弹簧 离合器弹簧

18 5、滚动轴承钢 主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等，属专用结构钢。 如：GCr15
碳质量分数一般为0.95%--1.10%，以保证其高硬度、高耐磨性和高强度。铬为基本合金元素 ，铬含量为0.40%--1.65%。高碳低铬。

19 二、合金工具钢 合金工具钢是制造刃具、量具和模具的钢种。不仅有更高的硬度和耐磨性,还具有更高的红硬性。 1、合金刃具钢 铣刀
用途：主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、钻头等。 性能： （1）高硬度，60HRC以上； （2）高的耐磨性； （3）高热硬性 ； （4）足够的塑性和韧性 。 英制模板刀

20 2、合金量具钢 用途：量具用钢用于制造各种测量工具，如卡尺、千分尺、块规。 游标卡尺 千分尺
性能要求：(1) 高硬度（大于56 HRC）和高耐磨性；     (2) 高尺寸稳定性，在存放和使用过程中，尺寸不发生变化。

21 3、合金模具钢 如：9Mn2V、CrWMn 如：5CrMnMo、5CrNiMo 冷作模具钢 热作模具钢
合金模具钢按其用途分为冷作模具钢和热作模具钢两大类。 冷作模具钢 用途：冷模具用于制造各种冷冲模、冷镦模、冷挤压模和拉丝模等，工作温度不超过200 ℃～300 ℃。 如：9Mn2V、CrWMn 热作模具钢 性能要求： ① 高硬度，58～62 HRC; ② 高耐磨性; ③ 足够的韧性和疲劳抗力 用途：热作模具钢用于制造各种热锻模、热压模、热挤压模和压铸模等，工作时型腔表面温度可达600 ℃以上。 如：5CrMnMo、5CrNiMo

22 量具用钢的选用举例 量 具 钢 号 平样板或卡板 10、20或50、55、60、60Mn、65Mn 一般量规与块规
量 具 钢 号 平样板或卡板 10、20或50、55、60、60Mn、65Mn 一般量规与块规 T10A、T12A、9SiCr 高精度量规与块规 Cr（刃具钢）、CrMn、GCr15 高精度且形状复杂的量规与块规 CrWMn(低变形钢) 抗蚀量具 4Cr13, 9Cr18(不锈钢)

23 三、特殊性能钢 1、不锈钢 能抵抗大气,酸,咸或其它介质腐蚀的钢。
特殊性能钢是指具有特殊物理和化学性能的一种高合金钢.它主要包括不锈钢,耐磨钢等. 1、不锈钢 能抵抗大气,酸,咸或其它介质腐蚀的钢。 不锈钢在石油化工、国防工业和一些尖端科学技术及日常生活中都得到广泛应用，例如化工装置中的各种管道、阀门和泵，医疗手术器械，防锈刃具和量具等。 根据不锈钢室温下组织的不同,常用的不锈钢可分三种: 马氏体型不锈钢 铁素体型不锈钢 奥氏体型不锈钢

24 如：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13 马氏体型不锈钢
含碳为0.1%--0.4%,含铬为12%--13%.主要用于力学性能要求不高,耐蚀性要求较低的零件.如: 不锈钢船用螺旋桨 不锈钢剪刀

25 铁素体型不锈钢 奥氏体型不锈钢 如：1Cr17、1Cr17Ti等
这类钢的铬质量分数为17%～30%，碳质量分数低于0.15%.主要用作耐蚀性要求很高而强度要求不高的构件，例如容器和管道等。 如： 0Cr18Ni9, 1Cr18Ni9等 奥氏体型不锈钢 这类不锈钢属铬镍不锈钢,碳含量很低（约0.1%），耐蚀性很好。

26 2、耐磨钢 （就是高锰钢 如:ZGMn13） 铁轨分道叉 履带 挖掘机斗齿 破碎机颚板

27 生铁、熟铁、钢的区别 生铁与钢的区别在那里呢？我们知道，生铁、熟铁和钢的主要区别在于含碳量上，含碳量超过2％的铁，叫生铁；含碳量低于0.02％的铁，叫熟铁或纯铁 ；含碳量在0.02％－2％当中的铁，称为钢。熟铁软，塑性好，容易变形，强度和硬度均较低，用途不广；生铁含碳很多，硬而脆，几乎没有塑性；钢具有生铁和熟铁两种优点，为人类广泛利用。 铸剑选材时通常选用材料是生铁。但是，铸剑时候则必须是炼好的钢。用没炼透的碳钢制造的刀，虽然比较锋利，但仍然达不到能够“斩金断玉，削铁如泥”的程度。因为这种钢的质量还不够好，炼这种钢碳渗进多少，分布是否均匀，杂质除掉的程度，都非常难掌握，而且生产效率极低。为了提高钢的质量，中国古代工匠从西汉中期起发明了“百炼钢”的新工艺。北宋著名科学家沈括在《梦溪笔谈》里叙述磁州百炼钢的过程，就是连续烧锻百余次，至斤两不减为止。所谓“百炼钢”，就是将块炼铁反复加热折叠锻打，使钢的组织致密、成份均匀，杂质减少，从而提高钢的质量。用百炼钢制成的刀剑质量很高。

28 〈 主要内容：金属材料的力学性能和工艺性能,包括材料的强度 、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳强度等。 第三节、金属材料的性能
使用性能—力学、物理、化学 金属材料的性能 工艺性能—铸造、锻压、焊接、切削加工

29 塑性 材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的性能。表示材料的塑性指标是：伸长率δ和断面收缩率Ψ；对于塑性差的材料，用σ0
塑性 材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的性能。表示材料的塑性指标是：伸长率δ和断面收缩率Ψ；对于塑性差的材料，用σ0.2来代替σs；1）使材料具有良好的成形性； 2）受到外力变形时，有强化作用。 　　硬度 材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。最常用的硬度指标有：布氏硬度（HB)和洛氏硬度 (HRA-C)。布氏硬度和洛氏硬度试验原理和使用范围均不相同； 　　 HBS（布氏硬度）是硬度指标。根据试验方法和适用范围不同，硬度又可分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度、显微硬度和高温硬度等。

30 冲击韧度 金属材料抵抗冲击载荷的作用而不破坏的 能力。常用的指标有冲击韧度(Ak)。
疲劳强度 金属材料抵抗交变载荷的作用而不 破坏 的能力。常用的指标有疲劳强度(σ-1) 。 零件发生疲劳破坏是没有预兆而突然断裂，此时发生疲劳破坏的应力远远小于抗拉强度，甚至比屈服强度还小，非常危险。 小结：金属材料的力学性能是在外力作用下表现出的力学性能，在实际生产中应用相当广泛。

31 金属材料的工艺性能 工艺性能—铸造、锻压、焊接、切削加工
（1）铸造性能；流动性、收缩性来衡量。铸铁中，灰铸铁好。 （2）锻造性能；塑性变形抗力衡量。低碳钢性能优于高碳钢。 （3）焊接性能；铝、铜合金焊接性差，铸铁基本不能焊，钢材可焊。 （4）切削加工性能；硬度是否在170HBS—230HBS内，高速钢、耐热钢差。 （5）热处理工艺；淬透性，淬火是否变形、开裂。合金钢好于碳钢。一定按工艺要求操作，如加热温度高或低的问题。

32 第四节、金属热处理 影响力学性能的主要因素 含碳量： 合金元素： 温度： 热处理工艺：改变力学性能 碳，强度和硬度，塑性
改善综合性能，得到特殊性能 温度，强度和硬度，塑性 1、热处理的概念 将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织与性能的工艺。 2、热处理的目的 （1）提高钢的力学性能 （2）改善钢的工艺性能

33 根据工艺类型、工艺名称和实现工艺的加热将钢的热处理分为：
　 根据工艺类型、工艺名称和实现工艺的加热将钢的热处理分为： 加热 保温 冷却 临界温度 热处理工艺曲线 T ℃ 普通热处理 退火 正火 淬火 回火 表面热处理 表面淬火 化学热处理 渗碳 渗氮 碳氮共渗 其它热处理 形变 真空 激光

34 一、钢的退火 1、概念：将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后在炉中缓慢地冷却的热处理工艺。 2、目的：
1）降低硬度，提高塑性，改善加工性能； 2）细化晶粒，消除组织缺陷； 3）消除内应力 。

35 根据钢的成分和处理目的的不同，可分为完全退火、球化退火和去应力退火。
3、分类： 根据钢的成分和处理目的的不同，可分为完全退火、球化退火和去应力退火。 （1）完全退火 1、定义：将钢加热Ac3以上30~50ºC,完全奥氏体后，保温一 定时间随之缓慢冷却到500ºC以下，出炉空冷。 2、目的：细化晶粒，消除内应力，降低硬度，以利于切削加工。 3、适用范围：亚共析钢型材。

36 1、定义：将钢加热到Ac1以上20~30 ºC,保温后随炉缓冷至600 ºC，出炉空冷。
（2）球化退火 1、定义：将钢加热到Ac1以上20~30 ºC,保温后随炉缓冷至 ºC，出炉空冷。 2、目的：降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能。 3、适用范围：主要用于过共析钢及合金工具钢。 （3）去应力退火 1、定义：将钢加热到 ºC,保温后随炉缓冷至 ºC出炉空冷。又称低温退火。 2、目的：消除铸件、锻件和焊接件的内应力 。（没有发生组织变化） 3、适用范围：用于所有的钢。

37 将钢件加热到Ac3或Accm线以上30～50ºC ，保温适当的时间后，在空气中冷却的热处理工艺。
二、钢的正火 1、概念： 将钢件加热到Ac3或Accm线以上30～50ºC ，保温适当的时间后，在空气中冷却的热处理工艺。 2、目的： 1）对低碳钢，可细化晶粒，提高硬度，改善加工性能； 2）对中碳钢，可提高硬度和强度，作为最终热处理； 3）对高碳钢，可为球化退火作准备 。

38 将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间后，快速冷却的热处理工艺。
三、 钢的淬火 1、概念： 将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间后，快速冷却的热处理工艺。 2、目的： 提高钢的硬度、强度和耐磨性并保持足够的韧性。

39 3、淬火剂：水、矿物油、盐水和碱水等。 4. 淬火方法:
为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和开裂，必须采用已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决。通常的淬火方法包括单液淬火、双液淬火、分级淬火等，如图所示。

40 （1）单液淬火：将加热后的零件投入一种 冷却 剂中冷却至室温。
4、淬火方法： （1）单液淬火：将加热后的零件投入一种 冷却 剂中冷却至室温。 特点：操作简单，容易实现自动化。 （2）双液淬火：先水后油，或先油后空气。 特点：可防止变形与开裂。 （3）分级淬火：先放入一定温度的盐浴或碱浴中，再空冷。 特点：有效减小内应力，防止变形与开裂； 但只适于小尺寸工件。

41 四、钢的回火 1、回火的概念： 2、回火的目的： 3、回火的种类
将淬火后钢件再加热到Ac1以下的某一温度，保 温一定时间后，然后冷却到室温的热处理工艺 。 2、回火的目的： 降低淬火钢的脆性，提高韧性，调整硬度，消除内应力，稳定工件的尺寸，获得所需要的力学性能。 3、回火的种类 按回火温度的不同，回火可分以下三种： 低温回火：150 ºC ~250 ºC 中温回火：350 ºC ~500 ºC 高温回火：500 ºC ~650 ºC

42 为了兼顾零件表面和心部两种不同性能要求,生产中广泛采用表面热处理的方法,即表面淬火和化学热处理.
钢的表面热处理 为了兼顾零件表面和心部两种不同性能要求,生产中广泛采用表面热处理的方法,即表面淬火和化学热处理. 一、表面淬火 1、概念：指仅改变钢的表层组织的局部热处理工艺。

43 2、种类 火焰加热表面淬火 ： 用氧—乙炔火焰喷射到工件表面，使其被快速加热到淬火温度，并立即喷水冷却的操作方法。
适用于含C 0.35%~0.7%的中碳钢和中碳合金钢，如45，40Cr。 感应加热表面淬火 ： 用一定频率的感应电流使工件表面被快速加热到淬火温度，并立即喷水冷却的操作方法。 适用于含C 0.4%~0.5%的中碳钢和中碳合金钢，如40，40Cr。

44 钢的化学热处理 1、概念：将钢置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入其表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。
2、分类：渗碳、渗氮、 碳氮共渗

45 钢的渗碳 概念：将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。
目的：通过渗碳及随后的淬火和低温回火，使表面具有高的硬度、耐磨性和抗疲劳性能，而心部具有一定的强度和良好的韧性配合。 渗碳方法：渗碳方法有气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。目前广泛应用的是气体渗碳法。 渗碳用钢：含碳量为0.1%—0.25%的低碳钢和低碳合 金钢。

46 钢的渗氮 概念：渗氮俗称氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的热处理工艺。
目的：是提高零件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等。 渗氮方法：气体渗氮、离子渗氮等。生产中应用较多的是气体渗氮。 渗氮用钢：优质碳素结构钢，如20，40等；一般合金结构钢，40Cr等；渗氮专用钢，如38CrMoAlA。

47 其它化学热处理方法 碳氮共渗：碳氮同时渗入工件表层。提高表面硬度、抗疲劳性和耐磨性，并兼具渗碳和渗氮的优点。
渗铬：有较好的耐蚀性和优良的抗氧化性、硬度和耐磨性，可代替不锈钢和耐热钢用于机械和工具制造。 渗硼：十分优秀的耐磨性、耐腐蚀磨损和泥浆磨损的能力，耐磨性明显优于渗氮、碳和碳氮共渗层，但不耐大气和水的腐蚀。主要用于泥浆泵零部件、热作模具和工件夹具。