质检技师金属材料与热处理

1、金属材料与热处理第一章 金属材料的性能金属材料是现代机械制造业的基本材料，广泛地应用于制造生产和生活用品。金属材料之所以获得广泛的应用，是由于它具有良 好的性能。金属材料的性能包含使用性能和工艺性能两方面。使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能， 它包括物理性能（如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（如耐腐蚀性、抗氧化性等）、力学性能。工艺性能是指金属在制造加工过程中反映出来的各种性能。§1-1 金属材料的力学性能力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的性能。力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳强度等。 金属材料在加工过程中所受的外力称为载荷。

2、 根据载荷作用性质的不同，它分为静载荷、冲击载荷及交变载荷。（1）静载荷 是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。（2）冲击载荷 在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。（3）交变载荷 是指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。金属材料受到载荷作用而产生的几何形状和尺寸的变化称为变形。变形一般分为弹性变形和塑性变形。金属受外力作用时，为保持其不变形，在材料内部作用着与外力相对抗的力，称为内力。单位面积上的内力称为应力。 s F / A 式中： s 应力，Pa。1 Pa 1N/m2。 当面积用mm2时，则应力用MPa为单位。 1 MPa 1N/mm2 106 Pa。 F 外力，N。 A 横

3、截面积， m2。一、强度 金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。强度的大小通常用应力来表示。 根据载荷作用方式不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等五种。 一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。 1、拉伸试样 2、力伸长曲线 3、强度指标 （1）屈服点 在拉伸试验过程中，载荷不增加（保持恒定），试样仍能继续伸长的应力称为屈服点。 用符号sS表示，计算公式如下：sS = FS / A0 式中 ： sS 屈服点 ， MPa FS试样屈服时的载荷，N A0试样原始横截面积， mm2 （2）抗拉强度 材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用

4、符号sb表示。计算公式如下： sb= Fb / A0 式中 ： sb 抗拉强度 ， MPa Fb试样拉断前承受的最大载荷，N A0试样原始横截面积，mm2 零件在工作中所承受的应力，不允许超过抗拉强度，否则会断裂。 sb 也是机械零件设计和选材的重要依据。 二、塑性 断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性。塑性指标常用伸长率和断面收缩率来表示。 1、伸长率 试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率 ，用符号d表示。其计算公式如下： d = （L1 L0） / L0×100% 式中： d伸长率 ，% L1试样拉断后的标距，mm L0试样的原始标距，mm2、断面收缩率 试样拉

5、断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率，用符号Æ表示。其计算公式如下： Æ = （A0 - A1） / A0×100% 式中： Æ断面收缩率，% A0 试样原始横截面积，mm2 A1试样拉断后缩颈处的横截面积，mm2 金属材料的伸长率（d）和断面收缩率（ Æ ）数值越大，表示材料的塑性越好，易于通过塑性变形加工成复杂形状的零件。下面举例说明强度、塑性的计算方法。 例：有一直径d0 = 10mm，L0=100mm的低 碳钢试样，拉伸时测得Fs = 21KN，Fb = 29KN，d1 = 5.65mm，L1 = 138mm

6、。 求：此试样的sS， sb， d ，Æ。 解 （1）计算A0，A1: A0= d20/4 =3.14×102/4 =78.5mm2A1= d12/4 =3.14×5.652/4 =25mm2 (2) 计算sS ，sb sS=Fs/Ao =21000/78.5 =267.5MPa sb=Fb/Ao =29000/78.5 =369.4MPa （3） d ，Æd = （L1 L0 ）/ L0×100% = （138100）/100×100% = 38% Æ = （A0 - A1） / A0×100% = （78.52

7、5）/78.5 × 100% = 68% 三、硬度 材料抵抗局部变形特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。最常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 1、布氏硬度 （1）测试原理（2）布氏硬度的表示方法 符号HBS或HBW之前的数字为硬度值，符号后面按以下顺序数字表示试验条件。 1）球体直径； 2）试验力； 3）试验力保持的时间（10 15秒不标注）。 例如170HBS10/1000/30表示用直径10mm的钢球，在9807N的试验力作用下，保持30秒时测得的布氏硬度值为170。530HBW5/750表示用直径5mm的硬质合金球，在7355N的试验力作用下，保持10 15秒时测

8、得的布氏硬度值为530。（3）应用范围及优缺点 布氏硬度主要适用于测定灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不是很高的材料。 2、洛氏硬度 （1）洛氏硬度测试原理 洛氏硬度按下列公式计算： HR=(Ke)0.002 式中：HR洛氏硬度值 K常数。 用金刚石圆锥体积压头进行实验时K为0.2 mm；用钢球积压头进行实验时K 为0.26mm。 e压痕深度，mm（2）常用洛氏硬度标尺及适用范围 常用洛氏硬度标尺有A、B、C三种，其中C标尺应用最为广泛。 常用洛氏硬度标尺的试验条件及适用范围 硬 度 标 尺压头类 型 总试验 力（N） 硬度值 有效范围应用举例 HRC 1200金刚 石圆锥体 1471.020

9、 67HRC 一般淬火钢件 HRBÆ1.588mm钢球 980.7 25 100 HRB 软钢、退火钢 铜合金等 HRA 1200金刚 石圆锥体 588.4 60 85 HRA 硬质合金、表面 淬火钢等3、维氏硬度 维氏硬度原理基本上和布氏硬度试验相同，用符号HV表示。计算公式如下： HV=0.1891F/d2 式中：HV维氏硬度 F试验力 d压痕两对角线长度算术平均值 四、冲击韧性 金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。五、疲劳强度1、疲劳的概念在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳

10、。 疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。2、疲劳破坏的特征 1）疲劳断裂时没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有预兆，而是突然破坏。 2）引起疲劳断裂的应力很低，常低于材料的屈服点。 3）疲劳破坏的宏观断口由疲劳裂纹的策源地及扩展区（光滑部分）和最后断裂区（粗糙部分）。§1-2 金属材料的物理和化学性能一、金属材料的物理性能 金属材料的物理性能是指在重力、电磁力、热力（温度）等物理因素作用下，材料所表现的性能或固有属性。主要包括密度、熔点、导电性、热膨胀性、磁性等。 1、密度： 同一温度下单位体积物质的质量称为密度。单位(kg/m3)。 2、熔点：材料在缓慢加热时由固态转变为液态并有一

11、定潜热吸收或放出时的转变温度称为熔点。 3、导电性：材料传导电流的能力称为导电性。 4、导热性：材料传导热量的能力称为导热性。5、热膨胀性：材料因温度改变而引起的体积变化现象称为热膨胀性，一般用线膨胀系数来表示。 6、磁性：材料在磁场中能被磁化或导磁的能力称为导磁性或磁性。 二、金属材料的化学性能 1、耐蚀性：金属材料在常温下抵抗周围介质侵蚀的能力称为耐蚀性。包括化学腐蚀和电化学腐蚀两种类型。 2、热稳定性：金属材料在高温下抵抗氧化的能力称为热稳定性。§1-3 金属材料的工艺性能 工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力， 它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能等。

12、工艺性能直接影响到零件制造工艺和质量，是选材和制定零件工艺路线时必须考虑的因素之一。 一、铸造性能 金属及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力称为铸造性能。衡量铸造性能的主要指标有流动性、收缩性和偏析倾向等。 1、流动性 熔融金属的流动能力称为流动性，它主受金属化学成分和浇注温度等的影响。流动性好的金属容易充满铸型，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。2、收缩性 铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸精度，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力 、变形和开裂等缺陷，故用于铸造的金属其收缩率越小越好。 3、偏析倾向 金属凝固后，内部化学成分和组织的不均匀现

13、象称为偏析。偏析严重时能使铸件各部分的力学性能有很大的差异。 这对大型铸件的危害更大。 二、锻造性能 用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要 同金属的塑性和变形抗力有关。塑性越好、变形抗力越小，金属的锻造性能越好。三、焊接性能 指金属材料对焊接加工的适应性 ，也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。低碳钢具有良好的焊接性，高碳钢、铸件的焊接性较差。 四、切削加工性能 切削加工金属材料的难易程度称为切削加工性能。切削加工性能一般由工件切削后的表面粗糙度及刀具寿命等方面来衡量。其影响因素主要有工件的化学成分、组织状 态、硬度、塑性、导热性和形变强度等

14、。一般认为金属材料具有适当硬度(170230HBS)和足够的脆性时较易切削。所以铸铁比钢切削加工性能好，一般碳钢比高合金钢切削加工性能好。改变钢的化学成分和进行适当的热处理，是改善钢切削加工性能 的重要途径。第二章 金属的晶体结构与结晶 不同的金属材料具有不同的力学性能，即使是同一种金属材料，在不同条件下其性能也是不同的。金属性能的这些差异，从本质上来说，是由其内部结构所决定的。因此，掌握金属的内部结构及其对金属性能的影响，对于选用和加工金属材料，具有非常重要的意义。 §2-1 金属的晶体结构 一、晶体与非晶体 在物质内部，凡原子呈无序堆积状况的，称为非晶体。例如：普通玻璃、松香、树

15、脂等。相反，凡原子呈有序、有规则排列的物体称为晶体。金属在固态下一般均属于晶体。 晶体与非晶体，由于原子排列方式不同，它们的性能也有差异。晶体具有固定的熔点，其性能呈各向异性；非晶体没有固定的熔点，而且表现为各向同性。 二、晶体结构的概念 1、晶格和晶胞 表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶格。晶格是由许多形状、大小相同的最小几何单元重复堆积而成的。能够完整地反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。2、晶面和晶向 在晶体中由一系列原子组成的平面，称为晶面。通过两个或两个以上原子中心的直线，可以代表晶格空间排列的一定方向，称为晶向。由于在同一晶格的不同晶面和晶向 上原子排列的疏密程度不同，因此原

16、子结合力也就不同，从而在不同晶面和晶向上显示出不同的性能，这也就是晶体具有各向异性的原因。 三、金属晶格的类型 金属晶格的类型很多，但绝大多数（占85%）金属属于下面三种晶格。 1、体心立方晶格它的晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心。属于这种晶体格类型的金属有Cr、V、W、Mo、及a-Fe等金属。 2、面心立方晶格 它的晶胞也是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的中心。属于这种晶体格类型的金属有Al、Cu、Pb、Ni、及g-Fe等金属。 3、密排六方晶格 它的晶胞是一个正六棱柱体，原子排列在棱柱体的每个顶角上和上、下底面的中心。属于这种晶体格类型的金属

17、有Mg、Be、Cd、及Zn等金属。§2-2 纯金属的结晶 金属材料通常需要经过熔炼和铸造，要经历由液态变成固态的凝固过程。金属由原子不规则排列转变为原子规则排列的固体的过程称为结晶。了解金属的结晶过程及规律，对于控制材料内部组织和性能是十分重要的。 一、纯金属的冷却曲线及过冷度 二、纯金属的结晶过程就是晶核的形成与长大的过程。（树枝晶长大） 三、晶粒大小对金属力学性能的影响 晶粒大小对金属力学性能有很重要的影响。一般在室温下，细晶粒金属具有较高的强度和韧性。金属晶粒的大小取决于结晶时的形核率（单位时间、单位体积内所形成的晶核数目）与晶核的长大速度。形核率越高、长大速度越小，则结晶后的

18、晶粒越细小。因此，细化晶粒的根本途径是控制形核率及长大速度。常用的细化晶粒方法有以下几种： 1、增加过冷度 适用与于中、小型铸件。 2、变质处理 在浇注前向液态金属中加入一些细小的形核剂（又称变质剂或孕育剂），使它分散在金属液中作为人工晶核，可使晶粒显著增加，或者降低晶核的长大速度，这种细化晶粒的方法称为变质处理 。钢中加入钛、硼、铝等，钛铁中加入硅铁、硅钙等均能起到细化晶粒的作用。 3、振动处理 在结晶时，对金属液加以机械振动、超声波振动和电磁振动等，使生长中的枝晶破碎，从而提供更多的结晶核心，达到细化晶粒的目的。四、金属晶体结构的缺陷 晶体中出现的各种不规则的原子堆积现象称为晶体缺陷。常见

19、的晶体缺陷有以下几种： 1、空位、间隙原子和置代原子（点缺陷） 空 位 晶格上应该有原子的地方没有原子，在那里就会出现“空洞”的缺陷。 间隙原子 在晶格的某些空隙处出现多余的原子或挤入外来原子的缺陷。 置代原子 异类原子占据晶格结点位置的缺陷。 2、位错 晶体中某处有一列或若干列原子有规律的错排现象。位错有刃型位错、螺型位错等。（线缺陷） 3、晶界和亚晶界（面缺陷）晶体中存在的结构缺陷会造成晶格畸变，引起塑性变形抗力的增大，从而使金属的强度提高。§2-3 金属的同素异构转变 金属在固态下，随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构转变。具有同素异构转变的金属有铁、钴、钛

20、、锡、锰等。以不同晶格形式存在的同一金属元素的晶体称为该金属的同素异晶体。同一金属的同素异晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用下了希腊字母a、b、g、d等表示。参见纯铁的冷却曲线。 液态纯铁在15380C进行结晶，得到具有体心立方晶格的dFe，继续冷却到13940C时发生同素异构转变， dFe转变为面心立方晶格的 gFe ，再冷却到9120C时又发生同素异构转变， gFe 转变为体心立方的aFe ，如再进继续冷却到室温，晶格的类型不再发生变化。这些转变可以用下式表示： 13940C 9120C d Fe gFe aFe （体心立方） （面心立方） （体心立方） 金属同素异构转变与液态金属

21、的结晶过程有许多相似之处：有一定的转变温度，转变时有过冷现象；放出和吸收潜热；转变过程也是一个形核和 晶 核长大的过程。另一方面，同素异构转变属于固态相变，又具有本身的特点。例如：同素异构转变 时新晶格的晶核优先在原来晶粒的晶界处形核；转变需要较大的过冷度；晶格的变化伴随着金属体积 的变化，转变时会产生较大的内应力。例如gFe 转变为aFe 时，铁的体积会膨胀约1%，这是钢热处理时引起应力，导致工件变形和开裂的重要原因。 第三章 金属的塑性变形与再结晶 §3-1 金属的塑性变形一、单晶体的塑性变形 单晶体的塑性变形主要是以滑移的方式进行的，即晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一

22、部分发生滑动。 二、多晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形主要具有下列特点： 1、晶粒位向的影响 2、晶界的作用 3、晶粒大小的影响 §3-2 冷塑性变形对金属性能与组织的影响 一、冷塑性变形对金属性能的影响冷塑性变形对金属性能的影响是造成形变强化，也称加工硬化。即随塑性变形程度的增加，金属的强度、硬度提高，而塑性、韧性下降。 二、冷塑性变形对金属组织结构的影响 金属塑性变形时，在外形变化的同时，晶粒的形状也发生变化。通常是晶粒沿变形方向压扁或拉长。冷塑性变形除了使晶粒外形变化外，还会使晶粒内部的亚晶粒尺寸碎化，位错密度增加，晶格畸变加剧，因而增加了滑移阻力，这就是形变强化产生的原因。

23、§3-3 回复与再结晶 一、回复 当加热温度不太高时，原子活动能力有所增加，原子已能作短距离的运动，所以晶格畸变程度大为减轻，从而使内应力有所降低，这个阶段称为回复。二、再结晶 当冷塑性变形金属加热到较高温度时，由于原子活动能力增加，原子可以离开原来的位置重新排列。由畸变晶粒通过形核及晶核长大而形成新的无畸变的等轴晶粒的过程称为再结晶。（产生再结晶现象的最低温度称为再结晶温度。）T=t+273（00C 相当于273K） 三、晶粒长大 §3-4 金属的热塑性变形 一、热加工与冷加工 金属的冷塑性变形加工和热塑性变形加工是以再结晶温度来划分的，凡在金属的在结晶温度以上进行的加工

24、称为热加工，而在结晶温度以下进行的加工称为冷加工。热加工时，由于金属原子的结合力减小，而且形变强度过程随时被再结晶过程所消除，从而使金属的强度、 硬度降低，塑性增强，因此其塑性变形要比冷加工时容易得多。 二、热加工对金属组织和性能的影响 1、消除铸态金属的组织缺陷 通过热加工，可使钢锭中的气孔大部分焊合，铸态的疏松被消除，提高了金属的致密度，使金属的力学性能得到提高。 2、细化晶粒 热加工的金属经过塑性变形和再结晶作用，一般可以提高金属的力学性能。 3、形成锻造流线在热加工过程中，铸态组织中的夹杂物在高温下具有 一定的塑性，它们会沿着变形方向伸长而形成锻造流线（又称纤维组织）。 4、形成带状组

25、织 如果钢在铸态组织中存在比较严重的偏析，或热加工终锻（终轧）温度过低时，钢内会出现与热形变加工方向大致平行的条带所组成的偏析组织，这种组织称为带状组织。它的存在是一种缺陷，它会引起金属力学性能的各向异性。带状组织一般可用热处理方法加以消除。（减少或消除带状组织的主要措施P42）第四章 铁碳合金 合金是一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的材料。与组成合金的纯金属相比，合金除具有更好的力学性能外，还可以调整组成元素之间的比例，以获得一系列性能各异的合金，从而满足工业生产对不同性能的合金的要求。 组成合金的最基本的独立物质称为组元，简称为元。组元可以是金

26、属元素、非金属元素或稳定化合物。根据组元数目的多少，合金可分为二元合金、三元合金和多元合金。 在合金中成分、结构及性能相同的组成部分称为相。 §4-1 合金的组织 根据合金中各组元之间结合方式的不同，合金的组织可分为固溶体、金属化合物和混合物三类。 一、固溶体 固溶体是一种组元的原子溶入另一组元的晶格中所形成的均匀固相。溶入的元素称为溶质，而基体元素称为溶剂。固溶体仍然保持溶剂的晶体类型。根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置的不同，固溶体分为间隙固溶体和置换固溶体两类。 1、间隙固溶体 溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中而形成的固溶体，称为间隙固溶体。由于溶剂晶格的空隙尺寸很小，故能够形成间

27、隙固溶体的溶质原子，通常都是一些原子半径小于1A0的非金属元素。 2、置换固溶体 溶质原子置换了溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体，称为置换固溶体。 在固溶体中由于溶质原子的溶入而使溶剂晶格发生畸变，从而使合金对塑性变形的抗力增加。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。它是提高金属力学性能的重要途径之一。 二、金属化合物 合金组元发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。其组成一般可用化学式来表示。其晶格类型不同于任一组元，一般具有复杂的晶格结 构。其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的硬度和耐磨性

28、，但塑性和韧性会降低。金属化合物是许多合金的重要组成相。 三、混合物两种或两种以上的相按一定质量分数组成的物质称为混合物。混合物中的组成部分可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合，也可以是它们之间的混合。混合物中各相仍保持自己原来的晶格。在显微镜下可以明显辨别出各组成相的形貌。 混合物的性能取决于各自组成相的性能，以及它们分布的形态、数量及大小。§4-2 二元合金相图 一、二元合金相图的建立 二、铅锑二元合金相图的分析§4-3 铁碳合金相图 一、铁碳合金的相及组织 在铁碳合金中，碳可以与铁组成化合物，也可以形成固溶体，还可以形成混合物。在铁碳合金中有以下几种基本组织： 1、

29、铁素体 碳溶解在aFe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。碳在aFe中在溶解度很小。由于铁素体的含碳量低，所以铁素体的性能与纯铁相似，即具有良好的塑性和韧性，而强度和硬度较低。 2、奥氏体 碳溶解在gFe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体的溶碳能力较强。其强度和硬度不高，但具有良好的塑性，是绝大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的组织 。3、渗碳体 渗碳体是含碳量为6.69%的铁与碳的金属化合物，其化学式为Fe3C。渗碳体具有复杂的斜方晶体结构，与铁和碳的晶体结构完全不同。其熔点为12270C，硬度很高，塑性很差，伸长率和冲击韧性几乎为零，是一个硬而脆的组织。在钢中，渗

30、碳体以不同形态和大小的晶体出现于组织中，对钢的力学性能影响很大。渗碳体在适当条件能分解为铁和石墨。 4、珠光体 珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，用符号P表示。它是渗碳体和铁素体片层相间、交替排列形成的混合物。其含碳量为0.77%，其力学性能是渗碳体和铁素体的平均值，强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。5、莱氏体 它是含碳量为4.3%的液态铁碳合金，在11480C 时从液相中同时结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物，用符号Ld表示。莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。 二、铁碳合金相图 铁碳合金相图是表示在缓慢冷却（或缓慢加热）的条件下，不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形。

31、1、铁碳合金相图的组成 2、铁碳合金相图中点、线的含义（1）铁碳合金相图中几个主要特性点的温度、含碳量及物理含义 点的 符号 温度 （0C）含碳量（%） 含 义 A 1538 0 纯铁的熔点 C 1148 4.3 共晶点Lc (A+ Fe3C) D 1227 6.69 渗碳体的熔点 E 1148 2.11 碳在gFe中的最大溶解度 G 912 0 纯铁的同素异构转变点 S 727 0.77 共析点As （F+Fe3C)(2)FeFe3C相图的特性线 1）ACD线 液相线。 2）AECF线 固相线。 3）GS线 常称A3线。冷却时，从不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的开始线（或加热时铁素体转变成奥

32、氏体的终止线）。 4）ES线 常称Acm线。碳在奥氏体在溶解度线。 5）ECF线 共晶线。 6）PSK线 共析线，用符号A1表示。 3、铁碳合金的分类 根据含碳量、组织转变的特点及室温组织，铁碳合金可以分为以下几类：（1）钢 含碳量从0.0218% 2.11%的铁碳合金称为钢。根据其含碳量及室温组织的不同，又可以分为： 亚共析钢 0.0218% C 0.77% 共析钢 C = 0.77% 过共析钢 0.77% C 2.11% （2）白口铸铁 含碳量从2.11% 6.69%的铁碳合金称为白口铸铁。根据其含碳量及室温组织的不同，又可以分为： 亚共晶白口铸铁 2.11% C 4.3% 共晶白口铸铁

33、C = 4.3% 过共晶白口铸铁 4.3% C 6.69% 三、铁碳合金相图 的应用第五章 碳素钢 含碳量大于0.0218%小于2.11%且不含有特意加入合金元素的铁碳合金，称为碳素钢，简称碳钢。碳素钢具有良好的力学性能和工艺性能，且冶炼方面，价格便宜，故在机械制造、建筑、交通运输等许多工业部门中的到广泛的应用。 §5-1 常存元素对钢性能的影响 碳素钢中除铁和碳两种元素外，还含有少量的硅、锰、硫、磷等元素，它们的存在会对钢的性能产生影响。 一、硅 硅是冶炼后期以硅铁作脱氧剂进行脱氧反应后残留在钢中的元素。残留在钢中的硅能溶于铁素体，形成含硅铁素体，可提高钢的强度和硬度，所以硅是钢中

34、的有益元素。由于其含量小，故其强化作用不大。二、锰 锰主要来自炼钢脱氧剂。脱氧后残留在钢中的锰可溶于铁素体和渗碳体中，使钢的强度和硬度提高。此外，锰能与硫形成MnS，从而减轻硫对钢的危害，所以锰也是钢中的有益元素。 三、硫 硫主要由生铁带入钢中的有害元素，它在钢中与生铁生成化合物FeS。 FeS与铁形成共晶体（ Fe + FeS），其熔点较低（9850C），当钢材加热到1000 12000C 进行轧制或锻造时，沿晶界分布的FeS+Fe共晶体已经熔化，各晶粒间的连接被破坏，导致钢材开裂，这种现象称为热脆。 四、磷 磷也是由生铁带入的有害元素。磷部分溶解在铁素体中形成固溶体，部分在结晶时形成脆性很

35、大的化合物（ Fe3P），使钢在室温下（一般为1000C以下）的塑性和韧性急剧下降，这种现象称为冷脆。§5-2 碳素钢的分类 一、按钢的含碳量分类 1、低碳钢：C0.25% 2、中碳钢：C 0.25% 0.60% 3、高碳钢：C 0.60% 二、按钢的质量分类 根据钢中S、P含量分为： 1、普通钢：S0.050%，P0.045% 2、优质钢：S0.035%，P0.035% 3、高级优质钢：S0.025%，P0.025%三、按钢的用途分类 1、结构钢：主要用于制造各种机械零件和工程构件，其含碳量 一般小于0.70%。 2、工具钢：主要用于制造各种刀具、模具和量具等，其含碳量一般大于0.

36、70%。 四、按冶炼时脱氧程度的不同分类 1、沸腾钢：脱氧程度不完全的钢。 2、镇静钢：脱氧程度完全的钢。 3、半镇静钢：脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间。§5-3 碳素钢的牌号及用途分类 我国钢材的牌号用国际通用的化学元素符号、汉语拼音字母和阿拉伯数字相结合的方法来表示。一、碳素结构钢 碳素结构钢的杂质和非金属夹杂物较多，但冶炼容易，工艺性好，价格便宜，产量大，在性能上能够满足一般工程结构及普通零件的要求，因而应用普遍。碳素结构钢的牌号由代表屈服点的汉语字母“Q”、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号四个部分按顺序组成。质量等级符号用字母A，B，C，D表示，其中A级的硫、磷含量最高

37、，D级的硫、磷含量最低。脱氧方法符号用字母F，b，Z，TZ表示，F是沸腾钢，b是半镇静钢，Z是镇静钢，TZ是特殊镇静钢。Z与TZ符号在钢号组成表示方法在予以省约。例如Q235A·F，为屈服235MPa的A级沸腾钢。 二、优质碳素结构钢 优质碳素结构钢是按化学成分和力学性能供应的，钢中所含硫、磷及非金属夹杂物较少，常用来制造重要 的机械零件，使用前一般都要经过热处理来改善力学性 能。 优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字表示该钢的平均含碳量的万分数。例如45表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢；08表示平均含碳量为0.08%的优质碳素结构钢。优质碳素结构钢根据钢中含锰量

38、的不同，分为普通含锰量钢（Mn=0.35 0.80%）和较高含锰量钢（Mn=0.7 1.2%）。较高含锰量钢在牌号后面标出元素符号“Mn”。 08 25钢的含碳量较低，属低碳钢。30 55钢属中碳钢。60钢以上的牌号属高碳钢。三、碳素工具钢 碳素工具钢是用于制造刀具、模具和量具的钢。由于大多数工具都要求高硬度和高耐磨性，故碳素工具钢钢含碳量均在0.70%以上，都是优质钢或高级优质钢。 碳素工具钢的牌号以汉字“碳”的汉语字母头“T”及后面的阿拉伯数字表示，其数字表示钢中平均含碳量的千分数，例如：T8表示平均含碳量为0.80%的碳素工具钢。若为高级优质碳素工具钢，则在牌号后面标以字母A，如：T12

39、A表示平均含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。 四、铸造碳钢 铸造碳钢的含碳量一般在0.20%0.60%之间。铸造碳钢的牌号用“铸钢”两汉字的汉语拼音字母字头“ZG”后面加两组数字组成：第一组数字代表屈服点，第二组数字代表抗拉强度值。如ZG270 500表示屈服点不小于270MPa，抗拉强度不小于500MPa的铸造碳钢。 §5-4 钢的火花鉴别 火花鉴别的应用范围如下：鉴别钢号混杂的钢材；鉴别碳素钢的含碳量；检查钢材表层的脱碳情况；鉴别合金元素类别。 一、火花鉴别的原理及火花组成 1、火花鉴别的原理 2、火花的组成 （1）火束 钢试件在砂轮上磨削时所产生的全部火花称为火束。火束分根

40、部、中部、尾部三部分。（2）流线 火束中明亮的线条称为流线。 （3）节点与芒线 流线中途暴裂的地方称为节点。由节点发射出来的细流线称为芒线。 （4）爆花与花粉 在流线上由节点、芒线所组成的火花称为爆花。分散在爆花之间的点状火花，称为花粉。 （5）尾花 火束尾部的火花称为尾花。 二、火花鉴别方法 1、火花鉴别的设备及操作方法 火花鉴别的主要设备是砂轮机。 2、常用钢的火花特征 （1）低碳钢 （2）中碳钢 （3）高碳钢 （4）高速钢 第六章 钢的热处理 热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。钢的热处理方法分为退火、正火、淬火、回火及表面热处理

41、等五种。任何一种热处理工艺都由加热、保温和冷却三个阶段所组成。§6-1 钢在加热时的转变 一、钢的奥氏体化 热处理时须将钢加热到一定温度，使其组织全部或部分转变为奥氏体，这种通过加热获得奥氏体组织的过程称为奥氏体化。 （1）奥氏体晶核的形成及长大 （2）残余渗碳体的溶解 （3）奥氏体的均匀化二、奥氏体晶粒的长大§6-2 钢在冷却时的转变 在热处理工艺中，常采用等温转变和连续转变两种冷却方式。 一、过冷奥氏体的等温转变 奥氏体临界点A1以下是不稳定的，组织要发生转变，但并不是一冷却到A1温度以下立即发生转变。在共晶温度以下存在的奥氏体称为过冷奥氏体。 1、等温转变图的建立 2

42、、过冷奥氏体等温转变产体物的组织和性能 （1）珠光体型转变 （2）贝氏体型转变 3、马氏体型转变马氏体转变的特点： （1）转变是在一定温度范围内连续冷却过程中进行的，马氏体的数量随转变温度的下降而不断增多，如果冷却在中途停止，则奥氏体向马氏体转 变也停止。 （2）转变速度极快。 （3）转变时体积发生膨胀，因而产生很大应力。 （4）转变不能进行到底。 二 、过冷奥氏体等温转变图的应用 1、在等温转变图上估计连续冷却转变产 物 2、确定马氏体临界冷却速度§6-3 钢的退火与正火 一、退火 将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺称为退火。退火的主要目的是

43、： （1）降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷却加工。 （2）细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的热处理作准备。 （3）消除钢中的残余内应力，以防止变形和开裂。 常用的退火方法有完全退火、球化退火、去应力退火等几种。 （1）完全退火 完全退火是将钢加热到完全奥氏体化（Ac3以上30 500C），随之缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的工艺方法。 完全退火主要用于中碳钢及低、中碳合金钢的锻件、铸件、热轧型材等，有时也用于焊接结构件。 （2）球化退火 球化退火是将钢加热到Ac1以上30 500C，保温一定时间，以不大于500C/h的冷却速度随 炉冷却下来，使钢中碳化物呈球状的工

44、艺方法。 球化退火适用于共析钢及过共析钢。 （3）去应力退火 去应力退火是将钢加热到约低于A1的温度（一般取500 6500C），保温一定时间后缓慢冷却的工艺方法。其目的是消除由于塑性变形、焊接、切削加工、铸造等形成的残余应力。 二、正火 正火是将钢加热到Ac3或Accm以上30 500C，保温适当的时间，在空气中冷却的工艺方法。 正火与退火的目的基本相同，但正火的冷却速度比退火稍慢，故正火后得到的珠光体比较细，强度、硬度比退火钢高。 正火主要用于如下场合：（1）改善低碳钢和低合金钢的切削加工性。 （2）正火可细化晶粒，其组织力学性能较高，所以当力学性能要求不太高时，正火可作最终热处理，也能满

45、足普通结构零件的性能要求。 （3）消除过共析钢的网状渗碳体，改善钢的力学性能，并为球化退火作组织准备。 （4）代替中碳钢和低合金钢的退火，改善它们的组织结构和切削加工性能。§6-4 钢的淬火 将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保温一定时间，然后以适当速度冷却，获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火的主要目的是为了获得马氏体，提高钢的强度和硬度。 一、淬火加热温度 钢的淬火加热温度可根据FeFe3C相图来选择。 二、淬火冷却介质 常用的淬火冷却介质有油、水、盐水、碱水等，其冷却能力依次增加。 三、淬火方法 1、单液淬火法 将钢件奥氏体化后，在单一淬火介质中冷却到室温处理，称为单液淬火法。 2、双介质淬火 将钢件奥氏体化后，先浸入一种冷却能力强的介质中，冷却到接近Ms点温度即钢的组织还未开始转变时迅速取出，马上浸入另一种冷却能力弱的介质中使之发生马氏体转变的淬火，称为双介质淬火。 3、马氏体分级淬火 钢材料奥氏体化后，随之浸入温度稍高或稍低于钢的Ms点的液态介质中，保温适当时间，待工件内外层均达到介质温度后取出空冷或油冷，从而获得马氏体组织的热处理工艺，称为马氏体分级淬火。 4、贝氏体等温淬火 钢