金属材料的性能

1、1 金属材料的性能金属材料的性能分为使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用过程中反映 出来的特性， 它决定金属材料的应用范围、 安全可靠性和使用寿命。 使用性能又分为机械性 能、物理性能和化学性能。工艺性能是指金属材料在制造加工过程中反映出来的各种特性， 是决定它是否易于加工或如何进行加工的重要因素。在选用金属材料和制造机械零件时， 主要考虑机械性能和工艺性能。 在某些特定条件下 工作的零件，还要考虑物理性能和化学性能。1.1 金属材料的机械性能各种机械零件或者工具，在使用时都将承受不同的外力，如拉力、压力、弯曲、扭转、 冲击或摩擦等等的作用。 为了保证零件能长期正常的使用， 金属材料

2、必须具备抵抗外力而不 破坏或变形的性能， 这种性能称为机械性能。 即金属材料在外力作用下所反映出来的力学性 能。金属材料的机械性能是零件设计计算、选择材料、工艺评定以及材料检验的主要依据。不同的金属材料表现出来的机械性能是不一样的。 衡量金属材料机械性能的主要指标有 强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。强度金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为强度。按外力作用的方式不同，可 分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗扭强度等。一般所说的强度是指抗拉强度。它是用 金属拉伸试验方法测出来的。1.1.2 刚性与弹性金属材料在外力作用下， 抵抗弹性变形的能力称为刚性。 刚性的大小可用材料的弹性模 量（

3、 E）表示。弹性模量是金属材料在弹性变形范围内的规定非比例伸长应力（ ）与规定非比例伸长率（ ）的比值。所以材料的弹性模量（ E）愈大，刚性愈大，材料愈不易 发生弹性变形。 但必须注意的是： 材料的刚性与零件的刚度是不同的， 零件的刚度除与材料 的弹性模量有关外，还与零件的断面形状和尺寸有关。例如，同一种材料的两个零件，弹性 模量 E 虽然相同，但断面尺寸大的零件不易发生弹性变形，而断面尺寸小的零件则易发生 弹性变形。零件在使用过程中， 一般处于弹性变形状态。 对于要求弹性变形小的零件， 如泵类主轴、 往复机的曲轴等， 应选用刚性较大的金属材料。 对于要求弹性好的零件， 如弹簧则可通过热 处理

4、和合金化的方法，达到提高弹性的目的。1.1.3 硬度金属材料抵抗集中负荷作用的性能称为硬度。 换句话说， 硬度是金属材料抵抗硬物压入 的能力。 材料的硬度是强度、 塑性和加工硬化倾向的综合反映。 硬度与强度之间往往有一定 的概略比例关系，并在很大程度上反映出材料的耐磨性能。此外，硬度测定方法简便，不需 制备特殊的试样， 可以直接在零件上进行测定， 而不损坏工件。 所以硬度通常在生产上作为 热处理质量检验的主要方法。1.1.4 冲击韧性有些机器零件在工作时，如齿轮换挡、设备起动、刹车等，往往受到冲击负荷的作用；还有 一些机器，如锻锤、冲床、凿岩机、气动舂砂锤等，它们本身就是利用冲击能量来工作的。

5、 金属抵抗冲击负荷的能力称为冲击韧性。对于承受小能量多次冲击的机器零件， 对材料要求高的强度， 又要求过高的塑性和冲击 韧性，并不能提高零件的寿命，相反却因牺牲了强度，不能发挥材料的潜力，反击会降低零 件的寿命。1.1.5 疲劳强度金属材料在重复或交变负荷的作用下，循环一定周次 Ni 后，断裂时所能承受的最大应力称 为疲劳强度。 材料的疲劳强度是通过各种条件下的疲劳试验确定的。 对称应力循环下的疲劳 极限通常是在旋转弯曲疲劳试验机上用光滑试样测定。材料的疲劳极限是材料机械性能中的一个重要性能。 凡承受交变负荷的机器零件在设计 时需用疲劳极限进行强度计算。 在断裂的零件中， 绝大多数是交变负荷下

6、工作的， 如往复机 的曲轴，各种机器的主轴、齿轮、弹簧等。它们的主要破坏形式是疲劳断裂，而且疲劳断裂 中大多数是突然发生的， 通常所承受的应力也小于材料的屈服强度。 因此， 疲劳断裂具有很 大的危险性。材料的疲劳极限是材料机械性能中最敏感的性能之一。 受各种内因和外因的影响。 例如 工作时的负荷性质、环境温度和介质；零件的几何尺寸、表面加工的质量及处理；材料的化 学成分、内部组织及缺陷等，都显著地影响疲劳极限。为了提高机械零件的疲劳强度，除了 根据强度要求正确选材外， 合理地设计零件的结构形状， 避免应力集中， 提高零件的表面质 量，避免各种损伤，以及采用表面淬火、化学热处理、喷丸处理等表面强

7、化方法，都能不同 程度地提高抗疲劳断裂的能力。1.1.6 断裂韧性金属材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能称为断裂韧性。 断裂韧性与其他韧性一样， 综合 地反映了材料的强度和塑性。按传统力学方法对零件进行强度设计时， 以材料的屈服强度为依据， 运用强度储备法确 定零件的许用应力和工作应力。照此设计的零件，一般认为是安全可靠的。但是，一些用高 强度钢和超高强度钢制造的零件， 以及中、 低强度钢制造的大型零件， 在工作应力低于屈服 强度的条件下，有时发生脆性断裂。这种在屈服强度以下产生的脆性断裂称为低应力脆断。大量断裂事故分析表明： 零件的低应力脆断是由宏观裂纹失稳扩展引起的。 为了防止低 应力脆断事故

8、发生， 在选用材料时， 应根据材料的断裂韧性指标， 对零件允许的工作应力和 裂纹尺寸进行定量计算，提出明确的数据要求。1.2. 金属材料的其他性能1.2.1 物理性能金属材料的物理性能，有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性等。金属材料密度大于 5 的称为重金属； 小于 5 的称为轻金属。 对于某些工业部门 （如航空）， 密度对产品的重量具有重要的意义。金属材料的熔点影响到材料的使用和制造工艺。例如：电阻丝、锅炉零件、燃气轮机的 喷嘴等，要求材料有高的熔点，保险丝则要求熔点低。在制造工艺上，熔点低的共晶合金，流动性好，便于铸造成形。金属材料的热膨胀性主要是指它的线膨胀系数。 热膨胀性会带

9、来零件的变形、 开裂及改 变配合状态， 从而影响机器设备的精度和使用寿命。 高精度的机床和仪器， 要求在一定温度 下加工和测量产品，就是考虑了这个因素。金属材料的导热性影响加热和冷却的速度。 导热性差的材料在加热或冷却时， 工件内外 温差大，容易产生大的内应力。当内应力大于材料的强度时，则会产生变形或裂纹。金属材料的导电性和导磁性，对一些电机、电器产品是很重要的性能。如铜、铝导线要 求导电性好， 镍铬合金的电阻丝则要求有大的电阻， 变压器和电机的铁芯则采用磁性好的铁 磁材料。1.2.2 化学性能金属材料的化学性能主要是指金属抵抗活泼介质的化学侵蚀能力。在室温下金属材料抵抗周围介质（如大气、水气

10、等）侵蚀的能力称为耐蚀性。一般机器 零件为了不被腐蚀，常用热镀或电镀金属、发兰处理、涂油漆、烧搪瓷、加润滑油等方法来 进行保护。在易腐蚀环境工作的重要零件，有时需采用不锈钢制造。金属材料抵抗酸碱侵蚀的能力称为耐酸性。 在化工机械中受到酸碱盐等化学介质侵蚀的 零件，则需采用耐酸钢制造。金属材料在高温下保持足够的强度， 并能抵抗氧或水蒸气侵蚀的能力称为耐热性。 在锅 炉、汽轮机及化工、 石油等设备上的一些零件， 为了满足这一性能， 需采用耐热不锈钢制造。1.2.3 工艺性能金属材料的工艺性能是反映金属材料在各种加工过程中， 适应加工工艺要求的能力。 它 是物理性能、化学性能和机械性能的综合表现。工

11、艺性能主要有铸造性、可锻性、可焊性、 切削加工性和热处理性等。在机械设计和制造中，以及选择材料和工艺方法时，必须考虑材料的工艺性能。1.2.4 铸造性能金属材料的铸造性能主要是指流动性、 收缩性和产生偏析的倾向。 流动性是流体金属充 满铸型的能力。 流动性好能铸出细薄精致的复杂铸件， 能减少缺陷。 收缩性是指金属材料在 冷却凝固中，体积和尺寸缩小的性能。收缩是使铸件产生缩孔、缩松、内应力、变形、开裂 的基本原因。 偏析是指金属材料在凝固时造成零件内部化学成分不均匀的现象。 它使零件各 部分机械性能不一致，影响零件使用的可靠性。1.2.5 可锻性金属材料的可锻性是指它是否易于锻压的性能。 可锻性

12、常用金属的塑性和变形抗力来综 合衡量。可锻性好的金属材料，不但塑性好，可锻温度范围宽，再结晶温度低，变形时不易 产生加工硬化，而且所需的变形外力小。如中、低碳钢，低合金等都有良好的可锻性，高碳 钢、高合金钢的可锻性较差，而铸铁则根本不能锻造。1.2.6 可焊性金属材料的可焊性是指金属在一定条件下获得优质焊接接头的难易程度。对于易氧化、 吸气性强、导热性好（或差） 、膨胀系数大、塑性低的材料，一般可焊性差。可焊性好的金 属材料，在焊缝内不易产生裂纹、气孔、夹渣等缺陷，同时焊接接头强度高。如低碳钢具有 良好的可焊性，而铸铁、高碳钢、高合金钢、铝合金等材料的可焊性则较差。1.2.7 切削加工性金属材

13、料的切削加工性是指它被切削加工的难易程度。 切削加工性好的材料， 切削时消 耗的能量少，刀具寿命长，易于保证加工表面的质量，切削易于折断和脱落。金属材料的切 削加工性与它的强度、硬度、塑性、导热性等有关。如灰口铸铁、铜合金及铝合金等均有较 好的切削加工性，而高碳钢的切削性能则较差。1.2.8 热处理性金属材料在进行热处理时反映出来的性能，称为热处理性，如淬透性、淬硬性、淬火变 形开裂的倾向、氧化脱碳的倾向等。这些热处理性能将在本书有关章节中讨论。1.3. 零件失效与金属材料性能的关系金属材料制造的各种机器零件 （或构件） 都具有一定的功能。 若在服役条件下失去了最 初规定的功能， 则称为失效。

14、 零件失效是由于外界损害作用超过了材料抵抗损害能力的结果。 下面分别讨论零件失效的主要形式与金属材料性能之间的关系。1.3.1 过量变形各种机器零件受力后总要产生变形。 当变形量超过允许限度时， 就会影响零件之间的配 合关系，严重时可使零件最终失效，这种现象称为过量变形。过量变形有下面两种情况： 过量的弹性变形机器零件受力后发生的变形， 总是存在弹性变形。 在多数情况下， 机器零件的弹性变形 不能太大， 一般要限制过量的弹性变形， 要求零件有足够的刚度。 如果零件的弹性变形超过 了设计所允许的范围，将影响零件的使用，以致失效。例如，镗床的镗杆发生过量的弹性变 形，将影响加工的精度。此外，零件有

15、过量的弹性变形，还可能与其他零件相碰，或引起震 动，对于薄壁零件甚至使整个结构丧失稳定。实际生产中， 制造弹簧等零件则要选用弹性材料， 并要求材料的弹性模量小， 弹性极限 高，使之能产生较大的弹性变形。材料弹性模量与比重的比值称为比模量。 是近代工程材料的一个重要参数。 例如铝的弹 性模量小于钢，但它的比模量大于钢，因此被大量用作航空材料。过量塑性变形零件卸载后不能恢复的变形都是塑性变形。塑性变形产生后，零件在不受力的状态下， 也会偏离设计的形状， 这对一般机器来说是不允许的。 因此， 过量塑性变形是机器零件失效 的一种形式。例如，齿轮发生塑性变形后，会啮合不好，甚至卡死、断齿。塑性变形与材料

16、本身的组织结构和外部各种因素都十分敏感。 不但材料的成分、 组织结 构不同，会有不同的塑性变形能力，而且温度、加载速度、表面状态和应力状况等外界条件 也会对塑性变形能力产生很大的影响。例如：室温下的塑性材料，在低温则可能呈脆性；静 载下呈塑性的材料， 在冲击负荷下， 由于塑性变形速度滞后于加载速度而呈脆性； 材料在单 向拉伸时呈塑性， 而在三向拉伸时则可能呈脆性。 这些特点在防止过量塑性变形时必须予以 注意。1.3.2 断裂机器零件发生断裂， 是一种最严重的失效形式。 特别在没有明显塑性变形的情况下， 突 然发生的脆性断裂，往往会造成不应有的经济损失和伤亡事故。为防止脆性断裂， 其传统方法是：

17、 正确分析零件所承受的应力， 再考虑应力集中的情况， 即可选择强度能够满足要求，又有一定塑性和韧性的材料制造。近代研究表明： 断裂是一个物理过程， 由裂纹的萌生和扩展两个基本阶段所组成， 断裂 力学就是研究材料裂纹的萌生、 扩展直到断裂的规律， 并提出的新的断裂判断理论。 用断裂 韧性 Kic 表征材料抵抗裂纹扩展能力。 这个认识对断裂分析是个重大的进展， 具有极大的实 用价值。1.3.3 过量磨损任何一台运转的机器设备， 在接触状态下有相对运动的零件， 都会产生摩擦， 引起磨损。 磨损超过一定的数量，机器运行情况就会恶化，使效率和精度降低，甚至报废。磨损不仅消 耗材料，损坏机器，而且耗费大量

18、的能源。根据磨损的破坏机理，磨损可以分以下四种。1.3.4 磨粒磨损磨粒磨损也称为磨料磨损，一般是指硬的磨粒或凸出物在对零件表面的摩擦过程中，使 材料表面发生损耗的现象。 其实质是微量切削与疲劳破坏的综合。 这种磨粒或凸出物一般是 非金属磨料，如石英、矿岩、砂土等，但也包括硬金属与软金属表面的磨损。所以磨粒磨损 在矿山、土建、国防、农业等部门应用的机器上大量存在。研究表明，当材料表面硬度大于 或等于磨粒硬度的 0.91.4 倍时，就能有效地减少磨损。1.3.5 疲劳磨损零件接触表面在接触压应力的长期反复作用后， 使表面或次表面形成裂纹， 裂纹再沿着 与表面平行或垂直的方向扩展，导致表层材料成细

19、片状剥落，这种损坏现象称为疲劳磨损， 表层材料剥落将使机器工作时的噪音加大，振动增加，温度上升，磨损加剧，以至失效而不 能工作。 例如， 在齿轮和滚动轴承中产生的疲劳磨损是典型的例子。 生产上提高抗疲劳磨损 的方法有： 选择具有较高疲劳强度和表面硬度的材料； 通过热处理使零件具有合适的组织结 构；降低零件表面加工的粗糙度；提高机器的装配精度；改善机器的润滑条件等。1.3.6 粘着磨损粘着磨损又称为咬合磨损，它是两个互相接触的零件在相对运动时，接触表面局部发生 粘着， 在粘着处分开时， 材料从一个表面转移到另一个表面造成磨损。 这种磨损也可能转变 成磨粒磨损。例如，在蜗轮与蜗杆的啮合中，内燃机的

20、活塞在缸套内的运行中，均可看到粘 者磨损的现象，粘者磨损可能使机器产生咬死，焊合、擦伤、胶合等故障，致使相对运动突 然停止，造成事故；或者造成漏气、漏油，使机器功率下降，油耗增加。实践证明，摩擦偶 件材料的互溶性、硬度、组织结构、表面加工的粗糙度、接触压力、滑动速度、表面温度以 及润滑状态，对粘着磨损都有较大的影响。1.3.7 腐蚀磨损摩擦表面在流体或气体的环境腐蚀磨损是机械磨损和化学腐蚀同时起作用的一种磨损。 中， 或在润滑剂中发生化学或电化学反应， 使零件表面形成腐蚀产物， 这些产物往往粘附不 牢， 在摩擦过程中被剥离下来， 而后新的表面又继续与介质发生反应， 这种腐蚀与磨损重复 的过程，

21、称为腐蚀磨损。腐蚀磨损是极为复杂的，工作的环境、温度、滑动速度、载荷、或润滑条件稍有变化， 都会使腐蚀磨损发生很大的变化。1.3.8 腐蚀金属材料在周围环境介质的作用下， 所产生的化学、 电化学反应， 或物理溶解而逐渐产 生的损坏或变质称为腐蚀。 金属材料的腐蚀是一个十分复杂的过程。 因为零件工作环境介质 的组成、浓度、压力、温度、 PH 值千差万别；材料本身的化学成分、组织结构、表面状态 各种各样；零件的受力状态各不相同，因此存在各种不同的腐蚀。金属材料的腐蚀问题， 遍及国民经济各个领域， 并给人们带来巨大的经济损失。 据统计， 每年有 10 20%的金属被腐蚀掉；设备因腐蚀使用寿命大为缩短

22、；石油、化工、农药等工 业部门中，因腐蚀造成设备的跑、冒、滴、漏，使有害物质泄漏，污染环境、危害人们的健 康；更为严重的因腐蚀酿成的灾难性事故，也是屡见不鲜。为此，在设计、制造和使用设备 时，应根据环境的腐蚀特性，采取相适应的防腐技术。2.钢的热处理在机械制造中，所有工具及重要零件都必须进行热处理。例如 45 钢制主轴，其制造工 艺过程为： 锻造正火粗机加工调质半精机加工表面淬火及低温回火 （轴颈处）磨削，其中都属于热处理工序。对钢件进行热处理的基本目的是使其组织结构与性能达到使用要求， 这一目的通常由排 在粗机加工之后的热处理工序 （一般称为最终热处理） 达到， 例如上述主轴经调质处理可使

23、钢的综合机械性能明显提高， 轴颈经表面淬火及低温回火后显著提高了耐磨性， 这样就使主 轴具有了良好的使用性能。 由此可见， 热处理是充分发挥金属材料内在潜力、 提高机械产品 质量、 延长使用寿命的重要措施； 进行热处理的另一目的是改善钢的切削加工性能， 并为最 终热处理作组织上的准备， 这类热处理通常安排在粗机加工前进行， 如上例中的正火 （一般 称为预备热处理） 。热处理是将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。通常用工艺曲线来表达其热处理规范。热处理所以能使钢的性能发生变化， 是因为钢的组织发生了变化的结果。 在热处理过程 中，钢的组织变化

24、有严格的规律性， 在加热及冷却过程中组织的变化规律是热处理原理的基 本内容， 根据热处理原理制订的加热温度及冷却速度等具体参数， 则是热处理工艺的基本内 容。根据热处理规范及组织性能变化的特点，通常将热处理分为：普通热处理 包括退火、正火、淬火和回火。表面热处理 包括表面淬火和化学热处理（渗碳、氮化、碳氮共渗等）其它方法热处理 如形变热处理等。2.1 钢的退火与正火在制造机器零件的工艺过程中， 退火、 正火通常安排在粗加工工序前进行， 某些零 件还多次安排退火工序。 退火或正火的基本目的， 是消除前道工序所造成的某些缺陷， 改善 切削加工性，并为后续热处理（例如淬火）作好组织上的准备。对于性能

25、要求不高的零件， 也可作为最终热处理。2.1.1 退火将钢加热到适当的温度， 保温后经缓慢冷却 （一般为随炉冷却） 的热处理工艺称为 退火。退火态组织基本上接近于平衡组织。钢的退火方法有完全退火、 扩散退火、 球化退火、 再结晶退火及低温退火等多种， 它们的加热温度范围及工艺范围如图所示。2.1.1.1 完全退火 1 规范 将钢件加热到 Ac3 以上 30 50，保温（一般以工件每毫米厚保温 1.5 2 分钟计）后随炉缓冷到 500 左右出炉。其“完全”是指加热达到完全奥氏体化。（ 2）应用 主要用于亚共析钢的铸件、锻件及重要焊接件。铸钢件进行完全退火的目的， 是消除其粗大晶粒及对机械性能有害

26、的魏氏组织， 以提高 其机械性能。例如某含碳量为 0.20%的碳钢铸件，铸态抗拉强度仅为 383N/mm2 ，完全退火 后提高到 437N/mm2 ，韧性也显著改善。2.1.1.2 球化退火规范 将钢件加热到 Ac1 以上 1020，保温后随炉以很缓慢的速度（ 2060 /h） 冷却到 500出炉。应用 适用于共析钢、 过共析钢的锻轧件， 以及结构钢的冷挤压件等， 使钢中碳化物球 化，球化退火也因此得名。其目的在于降低硬度、改善切削加工性、改善组织、提高塑性， 并为后续的淬火处理作好组织上的准备。2.1.1.3 扩散退火规范 将钢件加热到很高的温度（熔点以下200左右）并经 815 小时的长时

27、间保温后缓慢冷却下来。应用 用于高合金钢铸锭及大型铸件。目的是使成分均匀。2.1.1.4 低温退火规范 将钢件加热到 Ac1 以下某一温度保温后缓冷。应用 消除铸件和焊接件的内应力，通常加热到500 650；在某些零件加工过程中，为消除前道工序造成的内应力， 也穿插进行低温退火， 退火温度视情况而定。 低温退火又称 为消除内应力退火。2.2.1 正火2.2.1.1 规范将钢件加热到 Ac3 或 ACcm 以上 50 70，保温后在空气中冷却。2.2.1.2 应用作为最终热处理 对机械性能要求不很高的零件， 在选用碳素结构钢制造时， 通常选用正火 作为其最终热处理。 通过正火可在一定程度上提高其

28、使用性能， 因为正火的冷却速度比退火 快，所得到的晶粒较细，强度有所提高。2.2.1.3 退火与正火的选用钢件是选用正火还是退火，应根据其化学成分确定，一般为：含碳量 C< 0.3%用正火。可细化晶粒，改善切削加工性能。含碳量 C 0.3%0.5%的碳钢用正火。可使加工表面光洁、生产率高，因而降低成本。但 复杂零件尚须进行消除内应力的退火。含碳量 C0.5% 0.75%的碳钢应采用完全退火以降低硬度，便于切削。含碳量 C 0.75%1%的碳钢应采用球化退火，改善加工性能。含碳量 C1% 1.3%的碳钢应先正火消除网状渗碳体，再球化退火改善加工性能。高合金钢应采用退火，而不用正火，因正火后

29、硬度高，有时甚至变为马氏体，不易加工。2.3 钢的淬火与回火如前所述，淬火是将钢加热到相变温度上，保温后以大于 V 临的速度冷却下来，得到 以马氏体（ M ）为主要组织的热处理工艺。淬火是使钢强化的最重要的方法。由于淬火态马氏体是一种不稳定的组织， 淬火应力一般比较大， 同时在许多情况下， 对 强度与韧性的匹配还要作进一步的调整。因此，要对淬火钢重新加热到 Ac1 以下某一温度 并保温，使马氏体转变为相对较稳定的组织，然后再冷却下来，以消除或降低内应力，并获 得所需的性能， 对淬火钢进行的这种处理称为回火。 回火是淬火处理后必须进行的后续处理。2.3.1 钢淬火及回火的目的对钢件进行淬火及回火

30、处理的目的， 总得来说是使其性能达到使用要求， 至于各类钢件 的具体目的，大致有如下几种情况：2.3.1.1 提高钢件的硬度及耐磨性对于要求硬度及耐磨性的钢件（例如刀具、滚动轴承） ，通常采用工具钢，滚动轴承钢 等制造，并采用淬火加低温回火处理。2.3.1.1 提高钢件的综和机械性能要求综合机械性能良好的钢件（例如齿轮、轴） ，通常采用中碳钢或中碳合金结构钢制 造，并经淬火加高温回火处理（既调质处理） ；在某些情况下，也可采用低碳钢或低碳和金 结构钢制造，并经淬火加低温回火处理。2.3.1.2 提高钢件的弹性极限与疲劳极限要求有较高弹性极限、 疲劳极限并有一定韧性匹配的钢件 （例如弹簧） ，常

31、采用含碳较高 的亚共析碳钢或合金结构钢制造，并经淬火加中温回火处理。2.3.1.3 钢的淬透性钢的淬透性是指在规定条件下， 决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性， 即钢在规定条件 下， 经受淬火形成马氏体的能力。 淬透性的好坏是评定钢材质量的基本依据之一， 在选用钢 材及确定其热处理工艺上有重要意义 .2.3.2 钢的回火回火是钢经淬火处理后必须的后续处理， 其目的是消除或降低淬火应力； 稳定工件 的组织和尺寸；以及把钢的机械性能调整到符合使用性能的要求。钢淬火后得到的组织是不稳定的， 有自发转变为较稳定组织的倾向。 淬火钢在不同的回 火温度下将转变成不同的回火组织，即回火温度与回火组织之间存在着

32、一定的关系。2.3.2.1 回火的种类及应用（ 1）低温回火（ 150250） 主要应用于各种高碳钢工模具、滚动轴承以及渗碳零 件和表面淬火零件， 其目的是在保持淬火所得到的高硬度和高耐磨性的前提下， 降低淬火应 力和提高韧性。（ 2）中温回火 （350 500）由于中温回火组织是回火托氏体，具有高的和，同时 还具有一定的韧性。因此，主要用于处理用弹簧钢制造的弹簧等零件。（ 3）高温回火（ 500）如前所述，淬火后再高温回火称为调质处理。钢经调质处理 后的机械性能比正火状态高， 因此齿轮、 轴等重要零件一般都采用调质处理， 也常作为氮化 零件和重要表面淬火零件的预备热处理。表 钢（ 20-40

33、mm）调质和正火状态下机械性能比较工艺机械性能金相组织 b(N/mm2)(%) k(N.m/cm2)HBS正火700-80010-2050-80163-220S+F调质750-85020-2580-120210-250S回2.4 钢的表面淬火在各种机器中， 齿轮、 轴和销子等许多零件都在动载荷和摩擦条件下工作。 它们在性能 上不仅要求齿部和轴颈等处表面硬而耐磨， 还要求心部有足够的强度和韧性， 以传递很大的 扭矩和承受相当大的冲击负荷，即要求“表硬心韧” 。采用前述几种热处理工艺难以兼顾这 两方面的要求，为此生产中广泛采用表面热处理的方法来满足这些工件的性能。所谓表面热处理， 是指只对工件表层

34、进行热处理以改变其组织 （化学热处理还改变成分） 和性能的工艺。所谓表面淬火是仅对工件表层进行淬火的工艺， 通过快速加热的方法来实施， 把工件表 面快速加热到淬火温度后迅速冷却下来。 钢件表面淬火后， 表层为马氏体组织， 心部则保持 表面淬火前的调质或正火组织。 此法在工业生产上， 特别是成批大量生产中得到广泛的应用。2.5 钢的化学热处理化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层， 以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。根据渗入元素的不同，化学热处理有渗碳、 氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铬、渗铝等多种。它们分别应用于不同的工件，可以达到提高钢 件的耐磨性、疲

35、劳强度、或耐蚀性等目的。因此，在工业生产中有重要意义。例如，某些工 件要求有较高的耐蚀性， 需采用价格昂贵的高合金钢制造， 若改用一般钢材制造， 再经过渗 氮或渗铬等处理，既能满足使用要求，又能降低成本。2.6 钢的渗碳2.6.1 渗碳的目的及应用渗碳是将含碳量为 0.1% 0.25%的低碳钢或低碳合金钢工件置于渗碳介质中加热和保 温，使碳原子渗入表层，以得到含碳量为1.0%左右，并使渗碳层具有一定深度的热处理工艺。 一般规定， 由表面向内至过渡层的一半处的垂直距离称为渗碳层深度， 更便捷的测定方 法是在渗碳淬火后由表及里测定试棒的维氏硬度（载荷 1 公斤），以硬度等于 550 HV1 处的

36、垂直距离为有效渗碳硬化层深度。低碳钢件经渗碳处理后再经淬火及低温回火，就能使工件变得“表硬心韧” ，表层硬度 可达 HRC58 62，超过中碳钢表面淬火件的表层硬度，心部韧性通常也比表面淬火件好。 因此，凡是要求“表硬心韧”的工件，如高速齿轮、凸轮轴、活塞销等都可采用渗碳处理。2.7 钢的渗氮（氮化）2.7.1 氮化的特点及应用氮化是在一定温度下（一般在 Ac1 温度以下）使活性氮原子渗入工件表面的化学热处 理工艺。经氮化处理后的钢件在性能上有如下特点：（ 1）表面硬度高 38CrMoAl 钢氮化后表面硬度达 10001100HV （相当于 HRC65 72），耐磨性比渗碳件更好。试验指出，在

37、同样的工作条件（压力为200Pa、转动线速度为5m/s 、润滑良好）下， 20Cr 钢渗碳件每 60 小时磨损 0.037mm，而 38CrMoAl 钢氮化件仅磨 损 0.008mm 。氮化层不仅硬度高，且热硬性好，即高硬度可维持到相当高的温度（500左右）不明显下降，这一特性对在较高温度下工作的耐磨零件有重要意义。（ 2）疲劳强度高 由于氮化层的体积增大，使钢件表层形成压应力，可使钢件的疲劳 强度比氮化前提高 15% 35%（渗碳也有此作用，但较小 ）（ 3） 耐蚀性良好 这是由于氮化件表面形成了一层薄的致密的化学稳定性高的氮化 物的缘故。氮化件在水中、过热蒸汽中和碱性溶液中均具有高的耐蚀性

38、。（ 4）抗“咬卡”性良好由于氮化层的常温及高温硬度高，可避免相对运动的两表面间由于短时间缺乏润滑和过热而产生卡死、擦伤或焊合现象。此外，由于氮化温度低（ 600），钢件经氮化处理后变形很小，且心部能保持预先热 处理（调质）所得到的良好综合机械性能。鉴于以上特点，氮化广泛应用于各种叶轮口环、 轴套、活塞杆、曲轴、螺杆，及高速钢刃具等工件。3. 工业用钢3.1 钢的分类 钢是经济建设中极为重要的材料，用途非常广泛。为了满足各种使用要求，钢的种类繁多。 随着科学技术的发展，新的钢种还不断涌现，要能合理地选用钢材，应了解钢的分类方法。钢的分类方法很多，主要有以下几种：3.1.1 按化学成分分类按化学

39、成分钢分为碳素钢和合金钢两大类。（ 1） 碳素钢钢中除铁、 碳外， 只含有硅、 锰、磷、硫，而且硅的含量少于 0.4% 、锰的含量少于 0.8%， 这类钢称为碳素钢。钢中的含碳量少于0.25%的称为低碳钢，大于 0.6% 的称为高碳钢，介于两者之间的称为中碳钢。（2）合金钢在碳钢的基础上，还加入了铬、镍、钨、钼、钒、钛、硅（0.4% ）、锰（ 0.8%）等元素的钢称为合金钢。 当合金元素总量少于 5%时称为低合金钢， 超过 10%的称为高合金钢， 介于两者之间的称为中合金钢。合金钢通常还以所含主要合金元素的名称命名，如锰钢、铬钢、硅锰钢、铬镍钢等。3.1.2 按质量等级分类钢中的磷、硫是有害元

40、素，它们的含量都不允许超过0.05%。按磷、硫的实际含量，把钢分为普通钢 （磷、 硫均 0.05%）、优质钢 （磷、硫均 0.04%）及高级优质钢 （磷 0.035%、 硫 0.03% ）。3.1.3 按金相组织分类3.1.3.1 按退火组织分类分为亚共析钢、 共析钢、 过共析钢及莱氏体钢。 某些高合金钢在铸造状态的全相组织中 有莱氏体存在，故称为莱氏体钢。3.1.3.2 按空冷组织分类分为珠光体类、贝氏体类、马氏体类及奥氏体类钢。此外，还有些高合金钢，在固态下 只有铁素体组织，称为铁素体钢。3.1.4 按用途分类分为结构钢、工具钢与特殊性能钢三大类。（ 1）结构钢 是用于制造各种机器零件及工

41、程结构的钢材。结构钢又可分为普通碳素结构 钢、普通低合金钢、优质碳素结构钢、合金结构钢等多种。（ 2）工具钢 是用于制造各种刃具、模具及量具的钢材。因此又可分为刃具钢、模具钢及 量具钢。按成分可分为碳素工具钢与合金工具钢等多种。（ 3）特殊性能钢 是指具有某种特殊物理性能或化学性能的钢，例如不锈钢、耐热钢、耐 磨钢等。 它们通常都是高合金钢。 此外， 根据炼钢炉的不同， 分为转炉钢、 平炉钢及电炉钢； 根据炼钢末期脱氧程度的不同，分为沸腾钢及镇静钢；根据钢成形方法的不同，分为铸钢、 锻钢及轧材等多种。3.1.5 结构钢结构钢是品种最多、用途最广、使用量最大的一类钢。按照化学成分，这类钢可分为碳

42、 素结构钢和合金结构钢。 其中碳素结构钢按照钢的质量和成形方法， 又可分为普通碳素结构 钢、 优质碳素结构钢和碳素铸钢三个类别； 合金结构钢按照用途和热处理特点， 又可分为普 通低合金钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、易切钢六个类别。3.1.6 碳素结构钢3.1.6.1 普通碳素结构钢普通碳素结构钢是磷、硫含量较高（ P0.045%， S0.055%）的碳钢。其产量约占钢 总产量的 70%，大部分用于工程结构，少部分用于机械零件。普通碳素结构钢按照供货条件不同分为三类：甲类钢、乙类钢、特类钢。甲类钢是保证 机械性能符合国家有关标准的钢； 乙类钢是保证化学成分的钢； 特类钢是保证机械性能和化

43、学成分。普通碳素结构钢的钢号一般由四个符号构成。 首位符号是汉语拼音字母， 表示钢的类别， 甲、 乙、特类钢分别用 A、B、C 表示；第二位符号也是汉语拼音字母，表示钢的冶炼方法（平 炉钢无此位符号） ；第三位符号是数字，表示钢的序号，数字越大，钢的含碳量就越高，其 强度和硬度也越高，塑性和韧性则越低；第四位符号是汉语拼音字母，表示钢的脱氧制度， F 表示沸腾钢， b 表示半镇静钢，无此位符号的钢是镇静钢。沸腾钢冶炼时没有进行脱氧或 者只进行了部分脱氧，浇注后钢液会产生沸腾，造成钢的化学成分不均匀。普通碳素结构钢中， 甲类钢的用量最大， 应用范围也最广。 A1 、A2 强度低， 但塑性高、 可

44、焊性好，通常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管或拉制成低碳钢丝（俗称铁丝） ，用于制作钉 子、铆钉、钢丝网、地脚螺栓、垫圈、炉体部件及其它轻载荷的冲压件及焊接件等；A3 、A4 有一定的强度和塑性，可焊性好，常轧制成型钢、钢筋、钢管、钢板，用于制作一般金 属构件和不重要的机械零件，如桥梁、门窗、支架、压力容器、螺栓、螺母、拉杆、钩、销 轴等； A5 、A6 强度较高，塑性和焊接性能较差，可用于不重要的转轴、心轴、链轮、齿轮、 键等； A7 强度高，塑性低，可焊性差，可用于制造农机具轴类零件。特类钢一般用于比较 重要的零件，但应用较少，多为优质碳素结构钢所替代。3.1.6.2 优质碳素结构钢优质碳素结构

45、钢是磷、硫含量较低（ P 0.04%， S0.04%）的碳素结构钢。这类钢必 须同时保证化学成分和机械性能，冶炼上控制较严。钢的纯洁度、均匀性及表面质量较好， 塑性和韧性较高。 虽然生产成本高于普通碳素结构钢， 但与合金钢相比价格还是低廉的。 其 产量仅次于普通碳素结构钢。 凡是淬透性、 强韧性要求不高的较重要的机械零件， 一般都可 以用这类钢制造。优质碳素结构钢有普通含锰量和较高含锰量之分。 普通含锰量的优质碳素结构钢， 含碳 量小于 0.24%的，含锰量为 0.35% 0.65%；含碳量大于 0.22%的，含锰量为 0.5% 0.8%。 其钢号一般由两位数字构成，表示钢的平均含碳量，以0.

46、01%为单位。例如 45，平均含碳量为 0.45%的普通含锰量的优质碳素结构钢。 个别钢号后面标有汉语拼音字母 F 时，表示该 钢是沸腾钢，例如 08F、20F。较高含锰量的优质碳素结构钢，含碳量为0.12% 0.65%时，含锰量为 0.7% 1.0%；含碳量大于 0.62%时，含锰量为 0.9%1.2%。其钢号的表示是在两 位数字之后再标上化学元素符号“ Mn ”，例如 15 Mn、45 Mn、70 Mn 。较高含锰量的优质碳 素结构钢的用途与普通含锰量的优质碳素结构钢基本相同，前者的淬透性和强度高于后者， 可制作尺寸稍大或强度要求略高的零件。3.1.6.3 碳素铸钢碳钢铸钢是冶炼后直接铸造

47、成毛坯或零件的碳钢。 为了防止铸件在内应力作用下因塑性 较差而产生裂纹， 这类钢的含碳量不超过 0.60% 。碳素铸钢的牌号由两个汉语拼音字母和两 组数字构成，例如 ZG310 570。“ZG”系铸钢二字汉语拼音的第一个字母，后面的数字第 一组表示钢的屈服强度，第二组表示钢的抗拉强度。3.2 合金结构钢合金结构钢是在碳素结构钢的基础上加入一种或数种合金元素获得的。 常用的合金元素 有 Si、Mn、 Cr、 Ni 、 W 、Mo 、V、Ti、B 等。合金结构钢的价格比较高，因此，其用量远比碳素结构钢少。但是，合金结构钢在机械 上所起的作用很大，淬透性、强韧性要求高的零件都需要用这类钢制造。合金结

48、构钢的种类较多， 相互之间性能差异很大， 应用范围也各不相同。 要想比较灵活 的应用它们， 需掌握其化学成分的特点、 所含合金元素的主要作用、 性能特点和热处理特点。合金结构钢的钢号由数字和化学元素符号构成。 前面两位数字表示钢的平均含碳量， 以 万分之一为单位， 随后的化学元素符号表示钢中所含合金元素。 化学元素后面的数字表示该 元素的含量，以百分之一为单位，含量低于1.5%时不标数字。轴承钢为特殊，钢号冠有字母“ G”，含碳量不标，铬含量以千分之一为单位。例如：40Cr,60Si2Mn,GCr15 等。3.2.1 普通低合金钢普通低合金钢是具有较高强度，主要用于工程结构的低合金钢。简称普低

49、钢。 普通低合金钢的含碳量一般不大于0.2% 。低碳使这类钢有良好的塑性和可焊性，能够经受冷拉、冷弯、冷卷等变形加工，并能满足大型构件的焊接要求。大多数普通低合金钢都含有 0.8%1.8%的 Mn 。Mn 是这类钢的主加元素。加入 Mn 的 目的是提高强度。 Mn 在钢中溶入铁素体，起固溶强化作用。此外， Mn 降低钢的 A1 温度， 使共析转变在较低的温度下进行，钢中的珠光体得到细化，钢的强度则相应提高。普通低合金钢的辅加元素有 V、Ti 、Nb 、Al 、Cu、P、Xt 等。加入量一般小于 0.5%。V、 Ti 、Nb、Al 的主要作用是细化晶粒，进一步提高钢的强度或保持低温韧性。Cu、P

50、 主要是提高钢的抗大气腐蚀能力。 Xt 可以改善钢的韧性。渗碳钢 许多零件在工作中既承受强烈的摩擦，又承受较大的冲击载荷。例如汽车的变速齿轮、 柴油机的凸轮轴、 自行车的链条等。 这类零件表层应具有高硬度和高耐磨性， 从而减轻零件 表面的磨损， 延长零件的使用寿命； 心部则应有良好的韧性和塑性， 以免零件受冲击时发生 脆性断裂。如果载荷较大，心部还应有较高的强度。为满足上述“表硬里韧“的性能要求， 这类零件须进行渗碳处理，通常统称为渗碳件。主要用来制造渗碳件的钢称为渗碳钢。（ 1）渗碳钢的化学成分渗碳钢的含碳量在 0.1% 0.25%之间。含碳量低是为了保证零件心部具有良好的韧性和 塑性。即使

51、零件完全淬透，心部得到的是低碳马氏体，仍具有良好的韧性和塑性。零件表层 通过渗碳淬火后，得到的是高碳马氏体，则具有高的硬度和耐磨性。渗碳钢中常加入 Si、Mn 、Cr、Ni 等元素。加入这些合金元素，主要是为了提高钢的淬 透性，从而提高零件心部的强韧性。有些薄件或形状复杂的渗碳件，使用淬透性较好的钢， 可降低淬火冷却速度，减小淬火应力，避免产生淬火裂纹。有些渗碳钢还加入 V、Ti、Mo 、W 等元素，主要目的是在高温长时间的渗碳过程中， 抑制钢的晶粒长大，以便渗碳后直接淬火。（2）常用渗碳钢按淬透性和强度高低，渗碳钢可分为四类：（a）低淬透性碳钢主要有 15、20、 20 Mn、25 Mn 等

52、。其水淬临界直径15mm ，抗拉强度约为500-800N/mm2, 只适于制造小截面、轻载荷、形状简单的渗碳件。其中使用较多的是20 钢，（ b ）中淬透性渗碳钢主要有 20 Cr 、 20Mn2B 、 15CrMn 、 20CrV 等。水淬临界直径约为 1540mm， 油淬临界直径为 10 25mm ，抗拉强度约为 800 1000 N/mm2 ，广泛用于截面尺寸较小，心 部强度要求不高的一般中、小型渗碳件。这类钢应用较多的是 20Cr。20Cr 与 20钢相比较。加入了 0.7.%-1.00% 的铬，淬透性和 强度都明显提高，油淬临界直径为920mm ，可达 850 N/mm2（ c）较高

53、淬透性渗碳钢这类钢有 20CrMnTi 、20CrMnMo 、20CrNiMo 、20MnVB 等。 它们的合金元素总量较高， 而且几种合金元素起复合作用， 因此有较高的淬透性和强度， 水淬临界直径约为 30 70mm， 油淬临界直径约为 15 50mm，。（ d）高淬透性渗碳钢这类钢有 12Cr2Ni4A 、18Cr2Ni4W A 、20Cr2Ni4A 等。它们的合金元素含量高，故 有很好的淬透性，小尺寸零件在空气中冷却就可淬硬，油淬临界直径为45200 mm， b可达 1100 1200N/mm2 。主要用于承受重载荷的重要大型零件，曲轴、连杆及缸头精密螺 栓等。3.2.2.3 调质钢 各

54、种机械设备上，几乎都有承受动载荷、要求综合机械性能良好的零件。例如车床的主轴， 工作时承受较大的扭矩和弯矩， 开车、 停车及运转过程中的载荷变化和振动， 又使其受到冲 击，要求既有较高的强度又有较好的韧性。 这类零件一般在调质状态下使用， 常称为调质件。主要用来制造调质件的钢称为调质钢。调质钢的化学成分调质钢的含碳量一般在 0.3% 0.5%之间。碳量过低，钢的强度不够；碳量过高，又会使钢 的韧性不足。调质钢中常加入 Si、Mn、Cr、Ni 等元素。 它们在调质钢中所起的主要作用， 是提高淬透性。 同（2）常用调质钢（a）低淬透性调质钢主要有 35、 45、 45Mn、 50 Mn 等。相对来

55、说，这类钢淬透性差、强度低。水淬临界直径约为 10 30mm ，油淬临界直径约为 5 20mm ，调质后的约为 s300 600N/mm2 ， b 约为 500 800N/mm2 。 k 值约为 40 100J/cm2，只适用于小尺寸、轻载荷的调质零件。这类钢最常用的是 45 钢，其水淬临界直径约为 1317mm，油淬临界直径约为 5.5 9mm， 调质后 s为 450 550N/mm2 ， k 为 4048J/ cm2。可用来制造车床主轴、 减速器高速轴、 汽车凸轮轴以及机床上的许多齿轮、丝杆和蜗杆等。（ b）中淬透性调质钢主要有 40Cr、 40Mn2 、 40SiMn 、40MnVB 等

56、。其水淬临界直径约为 2560mm，油淬临界 直径约为 15 40mm ，调质后为 s 600 800N/mm2 ， k 约为 70100J/ cm2。适用于中等 截面、承受中等载荷的调质件，如内燃机的连杆、齿轮、中轴，机床上较重要的轴、齿轮、 套筒，汽车的半轴、转向节等。这类钢最常用的是 40Cr。它的水淬临界直径约为 3742mm，油淬临界直径约为 19 38mm， 强度和韧性均比 45 钢高，主要用于较为重要的中小型调质件。（ c）较高淬透性调质钢主要有 等。其油淬临界直径约为 2560mm ，调质后 s约为 700 900 N/mm2 ，k约为 70100 J/cm2 ，适用于制造截面

57、较大，载荷较重的调 质件和较为重要的中型调质件。例如汽轮机的转子、叶轮、连杆，重型汽车的曲轴、半轴、 连杆等。（d）高淬透性调质钢主要有 等。它们的油淬临界直径约为 60 100mm，有 的可达 150200mm。s约为 9001000 N/mm2 ，k 约为 80120 J/cm2。适宜于制作重 载、大截面的重要调质件，如卷板机轴、轧机齿轮轴、挖掘机传动轴等。（e）氮化钢最常用的是 38CrMoAlA 。该钢经氮化处理后有很高的表面硬度（1000 1200HV ），无回火脆性，综合机械性能良好。但钢的淬透性不高，油淬只能淬透 30mm。主要用于制造尺寸精确、表面耐磨性要求很高的中小型调质件，如精密磨床主轴、精密镗床丝杆、滚齿机分度 蜗杆等。滚动轴承钢主要用来制造滚动轴承的钢称为滚动轴承钢。 除滚动轴承外， 这类钢还可以制造冷冲模、 冷 轧辊、精密量具、精密偶件、机床丝杠、球磨机磨球等。常用的滚动轴承钢有GCr6 、GCr9、GCr15 、 GCr15SiMn 等。它们的含碳量为 0.95%-1.15% ，含铬量为 0.40%-1.65% 。高的含 碳量