金屬材料力學性能與熱處理工業知識

一、金屬材料力學性能基礎

（一）核心性能指標

1. 強度

   • 指材料抵抗永久變形和斷裂的能力，常用指標包括：

     • 屈服強度（σ_s）：材料開始產生明顯塑性變形時的應力，例如低碳鋼的屈服強度約為 235MPa，用于確定構件的安全承載上限。

     • 抗拉強度（σ_b）：材料在拉伸斷裂前能承受的最大應力，如鋁合金（6061）的抗拉強度約為 310MPa，是衡量材料抗拉能力的關鍵參數。

     
     

   
   

2. 塑性

   • 材料斷裂前產生永久變形的能力，主要指標：

     • 伸長率（δ）：試樣斷裂后標距長度的伸長量與原始標距的百分比，如純銅的伸長率可達 40%~50%，反映材料的延展性。

     • 斷面收縮率（ψ）：斷裂后試樣橫截面積的收縮量與原始橫截面積的比值，用于評估材料的塑性變形能力。

     
     

   
   

3. 硬度

   • 材料抵抗局部壓入變形或劃痕的能力，常用測試方法及應用：

     • 布氏硬度（HB）：適用于測量退火、正火等軟態金屬，如鑄鐵的 HB 值通常在 170~240 之間。

     • 洛氏硬度（HRC）：廣泛用于淬火鋼，如高速鋼刀具的 HRC 可達 62~65。

     • 維氏硬度（HV）：精度高，適用于薄件或表面硬化層，如滲氮層的硬度檢測。

     
     

   
   

4. 韌性

   • 材料在沖擊或振動載荷下吸收能量而不破壞的能力，指標為沖擊吸收功（A_K），如低碳鋼的 A_K值較高，抗沖擊性能好，而鑄鐵的韌性較差。

   
   

5. 疲勞強度

   • 材料在交變載荷下不發生疲勞斷裂的最大應力，例如汽車曲軸用鋼的疲勞強度需達到 300~400MPa，以保證長期循環使用。

   
   

（二）性能與組織結構的關系

• 金屬的力學性能本質由其晶體結構、晶粒大小、第二相分布等決定：

  • 晶粒細化：如通過合金化（添加 Ti、V 等）或熱處理細化晶粒，可同時提高強度和塑性（霍爾 - 佩奇效應）。

  • 第二相強化：如鋼中析出碳化物（Fe₃C），可顯著提高硬度，但可能降低韌性。

  
  

二、熱處理工藝原理與分類

（一）基本原理：固態相變與擴散

• 熱處理通過加熱 - 保溫 - 冷卻的工藝控制，利用金屬固態相變（如奧氏體化、馬氏體轉變）和原子擴散（如碳在鐵中的遷移），改變組織形態（如珠光體、馬氏體、回火索氏體等），從而調控性能。

（二）主要熱處理工藝及應用

1. 退火

   • 工藝：緩慢加熱至 Ac₃（亞共析鋼）或 Ac₁（共析 / 過共析鋼）以上，保溫后隨爐冷卻。

   • 目的：消除應力、細化晶粒、改善切削性能，如冷軋鋼板退火后硬度降低，塑性提高。

   • 典型應用：冷軋鋼板、鑄件消除應力退火。

   
   

2. 正火

   • 工藝：加熱至 Ac₃或 Accm 以上，空冷。

   • 特點：冷卻速度比退火快，得到細珠光體，強度、硬度略高于退火。

   • 應用：中碳鋼（45 鋼）毛坯正火后，切削性能更佳；用于消除過共析鋼的網狀碳化物。

   
   

3. 淬火 + 回火

   • 淬火：加熱至 Ac₃或 Ac₁以上，快速冷卻（水淬或油淬），獲得馬氏體組織，顯著提高硬度（如 45 鋼淬火后 HRC 可達 50~55），但脆性大。

   • 回火：淬火后加熱至低于 Ac₁的溫度，保溫后冷卻，消除淬火應力，調整性能：

     • 低溫回火（150~250℃）：保持高硬度，用于刀具、量具（HRC58~62）。

     • 中溫回火（350~500℃）：獲得強韌性匹配，如彈簧鋼回火后屈服強度達 1000MPa 以上。

     • 高溫回火（500~650℃）：“調質處理”，綜合性能優良，用于軸類（如 40Cr 調質后 σ_b≥785MPa）。

     
     

   
   

4. 表面淬火

   • 對零件表面快速加熱（如感應加熱）后淬火，使表層獲得高硬度（HRC55~60），心部保持韌性，適用于齒輪、曲軸等表面磨損的零件。

   
   

5. 化學熱處理

   • 通過滲入碳、氮、硼等元素，提高表面硬度和耐磨性：

     • 滲碳：低碳鋼（20Cr）滲碳后淬火 + 低溫回火，表層硬度達 HRC58~62，用于活塞銷、齒輪。

     • 滲氮：向鋼表面滲入氮，形成硬脆的氮化物層（如 38CrMoAl 滲氮后硬度 HV≥900），耐磨性和耐蝕性優異，用于精密零件（如鏜床主軸）。

     
     

   
   

三、典型金屬材料的熱處理與性能調控

（一）鋼鐵材料

• 碳素鋼：

  • 低碳鋼（C≤0.25%）：退火或正火改善塑性，滲碳后提高表面硬度。

  • 中碳鋼（0.25%~0.6%）：調質處理獲得綜合性能，如 45 鋼調質后 σ_b≈600MPa，δ≈16%。

  • 高碳鋼（C>0.6%）：淬火 + 低溫回火，用于刀具（如 T10 鋼淬火后 HRC60~62）。

  
  

• 合金鋼：

  • 合金結構鋼（如 20CrMnTi）：滲碳淬火后表面耐磨，心部強韌，用于汽車齒輪。

  • 合金工具鋼（如 Cr12MoV）：淬火 + 多次回火，消除殘留奧氏體，提高模具耐磨性。

  • 高速鋼（W18Cr4V）：“淬火 + 三次回火”，形成彌散碳化物，紅硬性（600℃保持 HRC60）優異，用于切削刀具。

  
  

（二）非鐵金屬

• 鋁合金：

  • 可熱處理強化合金（如 2A12 硬鋁）：固溶處理 + 時效（自然時效或人工時效），析出強化相（θ' 相），提高強度（σ_b從固溶態的 250MPa 提升至時效后的 420MPa）。

  
  

• 銅合金：

  • 黃銅（Cu-Zn）：退火消除冷變形應力，改善塑性；特殊黃銅（如加 Al、Si）可通過淬火 + 時效強化。

  
  

四、工業應用中的關鍵要點

1. 工藝參數控制：

   • 溫度精度：如淬火加熱溫度需控制在 ±5℃，避免過熱（晶粒粗大）或欠熱（未完全奧氏體化）。

   • 冷卻介質：水淬冷卻速度快，適用于碳鋼；油淬冷卻溫和，用于合金鋼避免開裂。

   
   

2. 質量檢測：

   • 硬度檢測：抽樣測量 HRC/HB，確保熱處理效果。

   • 金相分析：觀察組織是否均勻（如馬氏體粗細、碳化物分布）。

   
   

3. 節能環保：

   • 推廣真空熱處理、低溫滲氮等少無氧化工藝，減少能耗和污染；利用電加熱替代燃煤爐，提高控溫精度。

   
   

五、前沿趨勢

• 智能化熱處理：通過計算機模擬（如 JMatPro 預測相變動力學）優化工藝，結合 PLC 自動控溫系統實現精準調控。

• 復合熱處理：如 “淬火 + 表面納米化”，進一步提高材料疲勞強度；激光表面合金化，實現局部高性能改性。