钢铁热处理知识

（一）金属和合金的性能
  在自然界里至今已经发现的103种元素中，具有良好的导电、导热和可煅性能的元素称为金属，如铁、锰、铝、铜、铬、镍、钨等。而合金则是由两种或两种以上的金属元素，或者金属元素与非金属元素所组成的具有金属性质的物质，如钢是由铁和碳所组成的合金；黄铜是铜和锌的合金；青铜是铜和锡的合金等。这些合金在使用过程中的某些性能远比组成它的金属要好，所有现代工业中，合金已经成为应用很广泛的金属材料，特别是钢和铁应用得更为广泛。
1.比重  
  比重是一个物体的重量与同等体积水的重量的比值。在相同体积下，比重愈大的物体其重量愈大。根据比重大小，可将金属分为轻金属和重金属。凡是比重在“5”以下的金属叫做轻金属，而把超过“5”的金属叫做重金属。例如，镁和铝是轻金属；铁、铜、铅为重金属。
2.熔点  
  金属和合金从固体状态向液体状态转变时的熔化温度，称为熔点。每种金属和合金都有它自己的熔点，钢是铁碳合金，其熔点受钢中碳含量的影响。
3. 导电性  
  金属能导电的性能称为导电性。金属是良好的导电体，但各种金属的导电性也各有不同。银的导电性最高，其次为铜和铝。如果以银的导电性当作100，那么铜的导电性为94，铝为55，铁为2，而钛的导电性仅为0.3。当材料截面大小及其他条件相同时，导电性愈高的金属，电流通过时产生的热量就愈小，所以在电气工程上多采用铜和铝作为输电用的导体。这样在送电过程中，电能的损失较小。与导电性相反的性能称为电阻。电阻愈大的金属，电流通过它们所产生的热量就愈大。比如电炉的电热元件，像电阻丝、电阻带等，就可以选用电阻大的金属材料，如镍铬合金和铁铬合金等。
4. 导热性   
  金属能传热的性能称为导热性。一般情况下，金属在导热方面的能力，比非金属大得多；善于导电的金属，一般也善于导热，反之亦然。导热的能力，以银为最好，铜次之。例如，合金元素较高的合金钢其导热性比碳钢差，所以对它们加热时速度应比碳钢慢些，这样才能保证内外温度均匀一致。
5. 热膨胀系数  
  金属在温度升高时，产生体积膨胀的现象称为热膨胀性。各种金属的热膨胀性能也不相同。通常用线膨胀系数来表示金属的热膨胀性，它的单位是毫米/毫米•℃或1℃，即金属在温度升高1℃时其单位长度所伸长的大小（毫米）。
6.磁性  
  在冶金工厂原料场地上的电磁吊车，它没有吊钩，而是用一块纯铁板绕了许多线圈，通电时，则能牢牢吸住成吨的钢材料，并把它们吊起来。这是因为在通电线圈的周围产生了磁场，使铁板强烈地被磁化而显示出磁性。
  如果把纯铁板换成其他的金属板，如铝板或铜板，则它们在外加磁场的作用下，有的磁化程度很微弱，有的还抗拒磁化。这样，根据金属材料在磁场中受到磁化程度的影响，可把它们分为：铁磁性材料，即在外加磁场中，能强烈地被磁化到很大程度，如铁、钴、镍、轧等；顺磁性材料，即在外加磁场中，只是微弱地被磁化，如锰、铬、钼等；抗磁性材料，即抗拒或削弱外加磁场对材料本身的磁化作用，如铜、金、银、铅、锌等。
  铁磁性材料在现代电力工业中占有重要的地位。根据使用中对电磁性能的要求不同，又有软磁材料和硬磁材料之分。软磁材料是当外加磁场去除后，剩磁易被消除，同时在反复磁化和退磁时，电能损耗最小，材料也不易发热。变压器、电机、测量仪表等用的铁心—硅钢片便属于软磁材料。硬磁材料是当外加磁场去除后，材料本身留存有很高的磁性，并且不易消除，直流发电机、电话机中的永久磁铁便属于硬磁材料。
  顺磁性和抗磁性材料统称为弱磁或无磁性材料。高合金奥斯体钢即所谓的无磁钢，是用来制造要求磁化程度很弱，或避免干扰电磁场的零件和结构材料，如电机转子的护环、甲板室、罗盘盒、仪表壳，以及变压器或电器的零件等。
（二）金属和合金的化学性能
  金属因介质的侵蚀作用受到破坏的现象，称为金属的腐蚀。金属抵抗各种介质（大气、水蒸气、有害气体、酸、碱、盐等）侵蚀的能力，称为金属的耐腐蚀性能，也叫做金属的化学性能。在我们日常生活与工作环境中，常常会看到金属材料受到周围介质的作用而发生破坏的现象。譬如，潮湿的铁生了绣；盛了盐的铝制器皿长了斑痕；在高温下锻造的钢坯，有一层层氧化铁皮的剥落……等等。
  钢的耐腐蚀性能与许多因素有关，例如，钢的化学成分，加工性质、热处理条件、组织状态以及介质和温度条件等，所以选用金属材料时，必须综合考虑这些因素，否则达不到耐腐蚀的效果。
（三）金属和合金的机械性能
  金属材料在进行加工时，以及被制成为机器零件或工具在使用时，都要受到外力的作用。通常把这种外力叫做载荷。载荷有大有小，方向也不尽相同。作用的情形有静止的、冲击、变化的、不变化的。按照这些特点，可以把载荷区分为：压缩、拉伸、扭转、剪切和弯曲。金属和合金的机械性能主要包括：强度、塑性、硬度和韧性等。
1. 强度   
  强度就是材料在外力作用下，能抵抗变形和不受损坏的一种能力。材料的强度可用其横断面上的单位面积（1平方毫米）所能承受的载荷（千克）来表示，单位为千克/毫米2。
2.塑性   
  塑性是金属材料受力后发生永久变形而不破坏的能力。金属材料塑性的高低用两种指标来表示的，即伸长率和断面收缩率（又叫做面缩率）。它们的数值也是通过拉伸试验，计算得来的。
3. 硬度：   
  硬度是材料抵抗另一种更硬物体压入的性能。它是金属材料性能的一个重要指标。某种金属材料是否能制造各种不同的机器零件或工具，也要看此种材料的硬度怎样而定。比如一些切削工具、量具就要求一定的硬度，这样才能在使用中不致很快的磨钝、磨损。硬度可采用不同的仪器进行测定，但硬度计的种类很多，常用的有如下几种。
① 布氏硬度   
  在布氏硬度仪上确定材料硬度大小的原理是这样的，用一定的外力（3000kg）将一定大小的钢珠（直径为10mm）使其压入被试验金属磨光的表面，除去外力和钢珠后，在金属表面留下钢珠的印痕，然后根据印痕直径大小来测定金属的硬度值。这一硬度称为布氏硬度，用HB来表示。金属愈硬，印痕的直径愈小，布氏硬度值（HB）愈大。布氏硬度主要用来测定铸件、锻件、有色金属制件、热轧坯料及退火件的硬度，测定范围≯HB450。
布氏硬度值可根据施加的外力与印痕面积之比计算而得。为了省掉每次试验后的数学计算，布氏硬度值可根据印痕直径的数值在专门的硬度换算表上查出，这一硬度换算表附设在有关金属或机械手册中。例如：在某种钢的表面上，测得印痕直径为420mm。根据硬度换算表查出该钢的硬度为207kg/mm2，它可写成：HB=207。当测定硬度时，一般不将硬度值单位（kg/mm2）列出。
② 洛氏硬度  
  当材料硬度超过HB450以上，或者试样过小，均不能采用布氏硬度试验，而改用洛氏硬度计。洛氏硬度试验是用一个顶角为120°的金刚石锥或直径为1.59、3.18的钢球，在一定载荷下压入被试材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。在实际测量时，可从洛氏硬度试验机的刻度盘中直接读出硬度数值。压坑愈深，刻度盘指示的硬度值愈小，即材料愈软；压坑愈浅，刻度盘指示的硬度值愈大，即材料愈硬。洛氏硬度试验简便迅速，同时因压痕不大，可用来测定试样和成品。
洛氏硬度试验时，根据材料可能的硬度，采用不同的压头与载荷，所得的硬度分别用三种不同的标度来表示：HRA、HRB、HRC。
  “HRA”采用60kg负荷和圆锥形金刚石压入器求得的硬度。主要用于高硬度试件，测定硬度高于HRC67以上的材料和表面硬度，如硬质合金、氮化钢等，测量范围HRA＞70.
  “HRB”采用100kg负荷和直径1.59mm淬硬钢球求得的硬度。主要用于测量硬度较低的材料，如退火钢、灰铸铁、有色金属。
  “HRC” 采用150kg负荷和圆锥形金刚石压入器求得的硬度。主要用于钢制件（如碳钢、工具钢、合金钢等）淬火或回火后的硬度测定，测定范围HRC20～67。
③ 维氏硬度：
  采用相对两面成136°角的金刚石正四棱锥作为压头，采用负荷为5，10，20，30，50和100kg时求得的硬度。主要用来测定薄件和钢板制件的硬度，也可以用来测定渗碳、氰化、氮化等表面硬化制件的硬度。其代号为 “HV”。
④ 肖氏硬度：
  用一定重量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定高度上落于金属试样的表面，根据钢球回跳的高度所求得的硬度。
（四） 热处理
  把金属和合金加热到给定温度并保持一段时间，然后用选定的速度和方法使之冷却，以得到所需要的显微组织和性能的操作工艺，被称为热处理。温度和时间是热处理发生作用的基本因素。
1.退火
  将工件加热到临界点以上某一温度，停留一定的时间（保温），然后进行缓慢冷却（同一炉子一起冷却），这种操作过程叫做退火（注：不同钢号临界温度是不同相同的。一般为710～750℃，个别合金钢达到800～900℃）。进行退火的目的是：
  ① 降低硬度，为了使工件易于加工；
  ② 改善铸钢和过热钢的组织及机械性能；
  ③ 改善组织结构为以后的淬火作好准备；
  ④消除内应力；
  ⑤ 得到细小的晶粒，用来消除铸锻件的内应力和组织不均匀及晶粒粗大等现象，消除冷轧坯件的冷硬现象和内应力，降低硬度，以便切削。
2. 正火
  正火是将工件加热到Ac3或Acm以上30～50℃，经保温后，从炉中取出放在空气中冷却的一种热处理操作。正火的冷却速度要比退火快得多。正火用来处理低碳和中碳结构钢件及渗碳机件，使其组织细化，增加强度与韧性，减少内应力，改善切削性能。
3. 淬火
  淬火是将工件加热到临界点（Ac3或Acm）以上，经保温后急速冷却获得马氏体组织（当然也包括一定量的残余奥氏体），这种热处理的方法称为淬火。钢经过淬火后在性能上的突出特点是硬度很高而塑性很低。淬火的主要要素有：淬火加热温度、加热速度和保温时间、淬火剂、淬透性。
  淬火方法有：单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火等。淬火的主要目的是用来提高钢的硬度和强度极限。但淬火时会引起内应力使钢变得很脆，所以，淬火后必须回火。
4. 回火
  回火是将淬硬的钢件加热到临界点以下的温度，保温一段时间，然后在空气中或油中冷却下来。回火有低温回火、中温回火和高温回火。回火的目的是为了减少或消除工件在淬火时造成的内应力，提高塑性和韧性，以得到工件在使用时所要求的和可能达到的机械性能。
5. 调质
  淬火后高温回火，称为调质。主要用来使钢获得高的韧性和足够的强度。很多重要零件都是经过调质处理的。
（五）表面热处理
  有很多机器零件要求表面具有高硬度、耐磨损或其他特殊的性质，而中心部分仍保持较高的韧性，采用表面热处理可以达到这一目的。表面热处理包括表面淬火和化学热处理。
1.表面淬火
  表面淬火是通过将钢快速加热，使工件的表面层很快达到淬火温度，随之立即淬火，使钢的表层淬成马氏体组织，提高硬度，而中心仍保持未淬火的组织，有着足够的塑性和韧性。表面淬火必须快速加热，使表面的热量来不及传到内部，以保证只有表面实现淬火。为此，通常采用火焰加热表面淬火或高频电热表面淬火等方法。表面淬火常用来处理齿轮等。
2. 化学热处理
  化学热处理，基本上都是使零件表层有高的硬度和耐磨性，而心部保持原有的强度和韧性的热处理方法。常用的化学热处理方法有渗碳、氮化、氰化以及渗入金属等。
（1）用碳渗入低碳钢表面，使其表面硬度及耐磨性增高，同时中心部分仍保持很好的韧性，这种处理过程称为渗碳法。常用的渗碳法有固体渗碳法和气体渗碳法两种。渗碳用于低碳非淬火钢；
（2） 使钢的表面同时渗入碳和氮的操作过程，称为氰化法。氰化具有与渗碳和氮化同样的目的，即提高工作表面层的硬度和耐磨性。常用的氰化法有液体氰化和气体氰化两种。氮化用于某些含铬、钼或铝的特种钢。
（3）化学热处理的除了上述的渗碳、氮化、氰化以外，还有渗金属法，即将铝、铬、硅等元素渗入钢的表面，使钢的表面得到高的硬度、耐磨性、耐蚀性等，以满足零件对各种性能的要求，如耐腐蚀、抗氧化、耐磨损等。

工艺太复杂。