金属材料及热处理知识(整理版)

1、金属材料及热处理硬度金属抵抗更硬物体压入表面的能力，称为硬度。硬度是反映金属材料局部塑性变形的抵抗能力。根据试验方法和测量范围的不同，硬度可分为布氏、洛氏、维氏等几种。1、布氏硬度（HB） 布氏硬度是用淬火硬化后的钢球（直径有：2.5、5、10毫米三种）作为压印器，以一定的压力P压入被测金属材料表面，这时在被测金属材料表面留下压坑。根据压坑面积的大小，可用下式计算出布氏硬度值，用符号HB表示为HB=P/F（公斤/毫米2）式中P钢球所加的负荷（公斤）；F压坑面积（毫米2）。布氏硬度是用单位压坑面积所受负荷的大小来表示的。一般硬度值都不需要经过计算，在生产中用放大镜测出压坑直径，再根据压印器钢球直

2、径D和压力负荷P直接查表，便可得出HB的值。布氏硬度在标注时不写单位，如HB=212。测量不同金属材料时所用的压印器和负荷等标准，也可以查表。用布氏硬度法测得的硬度值准确，因为压坑大，不会由于表面不平或组织不均匀而引起误差。但压坑太大有损表面，所以布氏硬度一般不宜作成品检验，只适合测量硬度不高的原材料，如毛坯、铸件、锻件、有色金属及合金等。2、洛氏硬度（HR） 洛氏硬度法是用金刚石做的呈120°的圆锥体，或直径为1.58毫米的淬火钢球，作为压印器，在一定的负荷下压入金属表面，根据压坑的深浅来测量金属材料的硬度，（根据压坑深度）可把硬度数值从表盘上直接读出来。根据测量硬度范围不同，洛氏

3、硬度可分为HRA、HRB、HRC三种。它们的适用范围与压印器、负荷的选定可根据下表查出，洛氏硬度的选用标准材料硬度范围（HB）压 印 器负荷（公斤）洛氏硬度符号602301.58毫米的淬火钢球100HRB(RB)230700顶角为120°的金刚石圆锥体150HRC(RC)700顶角为120°的金刚石圆锥体60HRA(RA)洛氏硬度没有单位，测量方法简单，压坑小，不影响零件表面质量，测量硬度范围广，但不如布氏硬度精确度高。HRA适宜测量高硬度材料；HRB适宜测量有色金属及硬度低的材料；HRC适宜测量淬火、回火后的金属材料。3、维氏硬度（HV） 维氏硬度试验的原理与布氏硬度法相

4、似，只不过它的压印器是136°的四棱锥金刚石，以一定的负荷压入平整的试样表面，然后测出四棱锥压坑的对角线长度d，算出压坑面积F，用单位面积所受负荷的大小来表示维氏硬度值，即HV= P/F（公斤/厘米2）维氏硬度测量精确、硬度测量范围大，尤其能很好地测量薄试样的硬度。维氏硬度所加载荷较小时，又称为显微硬度（用HM表示），可测量试样表面各种组成相的硬度。各种硬度值相互对照。它们是通过不同硬度测量法，测同一硬度金属材料时得到的不同硬度指标值。如HB=351，相当于HRC=38，HV=361。硬度是检验毛坯、成品等性能的重要指标。一般刃具的硬度要求HRC=6063，结构零件的硬度要求HRC=

5、2540，弹簧或弹性零件的硬度要求HRC=4048，切削加工零件的硬度要求HRC=2036。钢的硬度与其含碳量有关，随着钢中的含碳量的不断增加，硬度也不断增高。铁碳合金生铁是铁与碳的合金，含碳量一般为2.06.67，此外还含有少量的硅、锰、硫、磷等杂质。熔化的生铁流动性好，适宜铸造。但生铁质硬而脆，不便于轧制及焊接。一般生铁含碳量高于2，钢含碳量低于2。含碳量在2.0以上的铁碳合金叫做铁，因为可以铸造，故又称为铸铁。生产使用的铸铁的含碳量一般在2.53.5，最高可达4.5。碳钢是指含碳量小于2.0的铁碳合金，钢中除含有铁、碳外，还含有硅、锰、硫和磷等元素，但硅的含量不大于0.5，锰的含量不大于

6、1.2。钢中的含硫量应严格控制在0.05以下，含磷量严格控制在不大于0.1。铁碳合金的分类按含碳量的多少，铁碳合金可分为生铁（含碳量大于2.0）和钢（含碳量小于2.0）。含碳量为0.8的钢，称为共析钢；含碳量小于0.8的钢，称为亚共析钢；含碳量大于0.8而小于2.0的钢称为过共析钢。含碳量为4.3的生铁，称为共晶生铁；含碳量小于4.3的生铁，称为亚共晶生铁；含碳量大于4.3而小于6.67的生铁，称为过共晶生铁。钢的热处理钢的热处理在机械零件及工具制造过程中是一个很重要的工序。热处理就是将钢加热到一定的温度，保温一定时间，然后再以一定的速度冷却来改变其内部组织结构（一般不改变化学成分及形状），从

7、而达到改变钢的性能的一种工艺方法。其操作过程分三个基本阶段：加热、保温和冷却。热处理的主要目的是：1、提高硬度、强度和增加耐磨性；2、降低硬度，提高塑性便于切削加工；3、消除钢在各种加工过程中所引起的内应力；4、改善钢件的内部组织和性能，满足工艺要求；5、提高金属材料表面的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性。钢的退火与正火对铸件、锻件或经过粗加工后的零件，为了改善组织性能及切削加工性，一般都要经过退火或正火处理。一、钢的退火退火是将钢加热到一定温度，在此温度保温一定时间，然后进行缓慢冷却（又叫随炉冷却）得到近似于平衡状态时的组织的热处理方法。按照退火的目的和钢的成分不同，可分为完全退火、不完全退火、等温

8、退火、球化退火、低温退火和扩散退火等。1、完全退火完全退火是将钢加热到Ac3以上2050，经过一定保温时间，然后随炉冷却的热处理方法。它使原有组织发生完全相变，故能达到以下几个目的：（1）降低硬度，提高塑性，便于切削加工；（2）细化晶粒，均匀组织，为淬火作组织准备；（3）消除内应力。完全退火适用于亚共析钢和共析钢。退火后的组织为珠光体（或铁素体珠光体）。过共析钢在缓慢冷却时，将沿晶界析出二次渗碳体，使钢的性能变坏，所以一般不采用完全退火。2、不完全退火不完全退火是将钢加热到高于Ac1以上2050，经过一定保温时间，然后进行缓慢冷却的热处理方法。不完全退火时，原组织中的铁素体或二次渗碳体不发生转

9、变，只是珠光体转变为奥氏体。退火后得到片层间距较大的珠光体，从而降低了钢的硬度。不完全退火主要应用于过共析钢。其目的在于消除锻轧内应力，降低硬度和提高韧性。采用不完全退火的零件，必须无网状渗碳体或消除了网状渗碳体。3、球化退火球化退火就是将钢加热到略高于Ac1 的温度，一般在Ac1以上1020，经过一定保温时间，然后随炉冷却到550600时，在空气中冷却，从而获得球状珠光体及球状碳化物。球化退火的目的，主要是将片状珠光体和二次渗碳体转变为球状珠光体和球状渗碳体，从而降低了钢的硬度，便于切削和其它机械加工。球化退火主要用于共析钢和过共析钢，不适用于亚共析钢。4、扩散退火扩散退火是将钢加热到110

10、01200的高温，经1020小时保温，然后随炉冷却的热处理方法。扩散退火的主要目的是，消除铸钢件内由于化学成分不均匀所产生的偏析。扩散退火由于加热温度高使晶粒粗大，所以在扩散退火后必须进行一次完全退火或正火处理来细化晶粒。5、等温退火上述各种退火工艺都是采用连续冷却进行的，而等温退火则是将钢加热到Ac1、Ac3以上3050，经保温后较快地冷却到A1以下2030的恒温炉内，在恒温下使奥氏体全部转变为珠光体，然后出炉在空气中冷却。等温温度越低，得到的珠光体就越细，其硬度也就越高。等温退火适用于亚共析钢、共析钢和合金钢，特变适用于合金钢和工具钢。等温后在空气中冷却可提高生产效率，降低成本，获得均匀的

11、组织和较好的性能。6、低温退火和再结晶退火低温退火是将跟钢加热到低于Ac1的某一温度（500650），保温后缓慢冷却。低温退火的目的是，消除铸件、锻件、焊接件及零件在切削加工过程中所产生的内应力；降低硬度，改善切削加工性。再结晶退火是将钢加热到再结晶温度(450500)以上150250，保温后缓慢冷却。其目的是消除加工硬化。二、钢的正火正火也称正常化，是将钢加热到Ac3、Accm以上3050，经过一定保温后在空气中冷却的热处理方法。由于冷却速度较大，把奥氏体过冷到较低的温度发生转变，因而获得了层片较细的珠光体组织索氏体。正火处理的目的与退火处理的目的相似。对于低碳钢，正火与退火具有较高的强度和

12、硬度，有利于切削加工，能消除过共析钢的网状渗碳体，为淬火作组织准备。对于亚共析钢可细化晶粒，提高综合机械性能。正火较退火的时间短，效率高，费用低，因此，对于低碳钢及含碳量较少的中碳钢，完全可以用正火来代替退火。当对零件的性能要求不高时，也可用正火作为最终热处理。钢的淬火淬火是将钢加热到临界温度以上，经过一定保温时间，以大于临界冷却速度获得马氏体组织的热处理方法。淬火的目的是，提高钢的硬度、强度和增加耐磨性。钢淬火后得到高硬度的马氏体组织，一般硬度可达到HRC=6065。淬火质量的好坏，直接影响到回火后的机械性能，故淬火是热处理过程中很重要的一环。淬火质量还与加热温度、保温时间和冷却速度等有关。

13、常用的淬火剂有盐水、熔碱、水、油、硝盐等。聚合物水溶液淬火液也获得较广泛应用，它的优点是安全和零件变形小。水 水是一种最经济、冷却能力又强的淬火剂。水作为淬火剂，其优点是在550650范围内冷却能力很大。其缺点是在200300范围内也同样具有很大的冷却能力，容易引起零件的变形、裂纹。如果提高水的温度，就会显著降低零件在550650范围内冷却能力，所以在生产中规定水温一般不超过40。在水中混入杂质如油、肥皂或气体，都会使其冷却能力变坏，零件淬火后表面会出现软点，影响淬火质量。盐水 在水中溶入510的氯化钠，可显著改变其冷却能力，避免零件产生软点。用盐水淬火，可使零件表面的蒸气膜不稳定而很快破裂，

14、提高了冷却能力。故盐水的冷却能力比水强，又因冷却均匀，应力分布也均匀，淬火时变形和裂纹的倾向较小。盐水淬火后零件表面呈银灰色，而且干净。但盐浴加热淬火的零件，盐渍必须及时用热水冲洗掉，以免零件锈蚀。碱水 碱水是含有氢氧化钠的水溶液，其冷却能力比盐水大，特别在550650范围内有很大的冷却能力，但在200300范围内冷却能力低些。故碱水淬火的硬度高而均匀，内应力较小，零件产生变形、裂纹的倾向小，而且淬火后零件表面比盐水更干净。油 油也是应用很广的一种淬火剂。其优点是在200300范围内冷却速度较小，不易使淬火零件产生大的变形、裂纹等缺陷。其缺点是容易燃烧和脏污工作地。油温一般控制在4080。油在

15、550650范围内冷却能力较低。故对于合金钢和高碳钢制作的小零件，常采用油作冷却剂。淬火的方法：单液淬火法、双液淬火法、分级淬火法、等温淬火法。钢的冷处理钢的冷处理就是将淬火钢件继续冷却到室温以下6080左右，一般保温12小时，然后再恢复到室温的处理过程，常用的冷却剂有液体氧、液体氮及干冰等。冷处理的目的是使淬火零件中残余奥氏体转变成马氏体，提高零件的硬度、耐磨性和稳定零件尺寸。此工艺紧接在淬火后进行，不然残余奥氏体在室温稳定后不易转变，影响冷处理效果。含碳量大于0.6的碳钢和合金钢制成的刀具，以及合金钢制成的精密工具、量具、模具和零件等，都常采用冷处理。钢的回火回火就是将淬火后的零件加热到A

16、1线以下的某一温度范围内，保温一定时间后，在空气或热水中冷却的热处理方法。一、回火的目的1、减小和消除因淬火而造成的内应力，提高塑性；2、达到工艺所规定的硬度要求；3、稳定组织和尺寸。钢淬火后要即时回火，这是为了防止零件淬火后，因内应力所引起的变形和裂纹。一般来说，回火是钢件热处理的最后工序，对钢件热处理的质量具有极大的影响。二、回火的种类和应用根据不同的性能要求，应采取不同的回火温度。按温度，回火可分为如下几种。1、低温回火在150250的温度范围内回火，称为低温回火。回火后的组织为回火马氏体。硬度HRC=5562。其目的是减小内应力和脆性，提高韧性。低温回火适宜于高碳钢或合金钢制造的要求硬

17、而耐磨的刀具、量具，以及渗碳零件等。2、中温回火在350500的温度范围内回火，称为中温回火。回火后的组织为回火屈氏体。硬度较回火马氏体低，HRC=4049。其目的使零件具有高的硬度和高的弹性极限及高韧性。故中温回火适宜于含碳量为0.50.7的钢制造的各种弹簧、弹性夹头及要求强度高的轴类、刀杆、轴套等。3、高温回火在500650的温度范围内回火，称为高温回火。回火后的组织为回火索氏体。硬度比回火屈氏体低，但韧性和塑性比较高，具有良好的综合机械性能。淬火后再进行高温回火的热处理方法，称为调质处理。调质处理可以完全消除内应力，得到高强度和高韧性，使零件具有良好的综合机械性能。大多数重要的机器结构零

18、件，如各种轴类、连杆、齿轮和受力大的螺栓等都采用调质处理作为最终热处理。钢淬火后究竟在什么温度下回火为好，这要根据对零件的机械性能的要求来决定。在实际生产中，往往是根据对零件所要求的硬度来确定回火温度。回火温度过高或过低都使零件性能不能满足技术要求。淬火钢回火后，应该缓慢冷却，以免重新产生内应力。但实际生产中，一般都是在空气中冷却。对于重要零件为避免在高温回火后产生热应力，最好缓慢冷却。但对铬钢、硅锰钢、铬锰硅钢等为避免产生回火脆性，往往要求回火后在水或油中冷却。三、钢的时效为了避免精密量具、模具及重要零件在长期使用中尺寸、形状发生变化，常在低温回火后，精加工之前，将零件重新加热到100150

19、，保温520小时，以消除内应力，稳定尺寸和形状，这种热处理方法，称为时效。钢的时效处理可分为如下两种。1、自然时效把需加工零件，放在露天停放一个时期，使其内应力逐渐减弱，这种处理过程，叫做自然时效。自然时效的优点是效果好；缺点是周期长、效率低。2、人工时效把钢件加热到100150，保温1040小时，然后缓慢冷却的过程，叫做人工时效。人工时效的优点是效率高；缺点是要花费一定的成本。钢的表面热处理钢的表面热处理包括钢的表面淬火和化学热处理两部分。根据加热方法不同，钢的表面淬火方法常用的有火焰表面淬火法和高频表面淬火法。而常用的化学热处理有渗碳、渗氮、氰化（碳、氮共渗），以及渗金属法等。1、渗碳渗碳

20、就是将零件加热到高温，使碳原子渗入到零件表面的操作过程。通过渗碳、淬火、低温回火，可以使零件表面具有高的硬度（HRC=6065）。在实际生产中，航空零件的渗碳深度一般在0.52.0毫米范围内。渗碳法适用于低碳钢、低合金钢制造的受冲击力的各种耐磨的机器零件，如轴、齿轮、凸轮、靠模等。渗碳的方法有：固体渗碳、气体渗碳和液体渗碳。(1) 固体渗碳法 固体渗碳法是用固体碳作为渗碳剂。首先将零件装入渗碳箱中，在其周围填满碳粒、碳酸盐等混合组成的渗碳剂。然后将渗碳箱放进加热炉中，加热到900950，保温足够时间后，从炉中拿出在空气中冷却至室温取出零件。高温使箱内的碳粒分解成活性碳原子而被零件表面吸收，扩散

21、形成一定深度的渗碳层。从而改变了零件表面层的化学成分和组织结构。固体渗碳法设备简单，成本低，效率低，质量不稳定，劳动条件差，现已逐渐被气体渗碳法取而代之。（2）气体渗碳法 气体渗碳法是用气体作为渗碳剂。把待渗碳的零件放在密封的井式渗碳炉中。渗碳用的气体有天然气、乙炔、煤气等，也可用煤油、丙酮、甲苯等液体滴入已加热900930的炉中。渗碳气体热分解成活性碳原子与零件表面接触而被吸收、扩散，形成表面渗碳层。对不重要的渗碳零件，从炉中取出后，可预冷到800840直接淬火。气体渗碳法质量稳定，效率高，易于控制渗碳过程和得到所需渗碳深度，同时也容易实现机械化和自动化，以改善劳动条件。（3）液体渗碳法 液

22、体渗碳法是用液体作为渗碳剂。一般用来处理尺寸不大、渗碳层要求不深的零件。其方法是将渗碳零件放入渗碳池中（渗碳池的成分：7585的碳酸钠，1015的氯化钠，610的碳化硅），然后加热到840880，此时由碳化硅分解出的碳原子便渗入到零件表面层，渗碳时间一般为4045分钟。为了达到我们所要求的性能，各种渗碳零件还必须进行正火处理，消除网状渗碳体，得到细晶粒组织，并进行淬火及低温回火处理，以便提高零件表面的硬度和心部的强韧性。2、渗氮渗氮又称氮化，是在钢的表面层渗入氮原子的过程。目前生产中广泛采用气体渗氮法。它是利用氨气在一定温度下分解出活性氮原子，被零件表面吸收和扩散与钢中的铁、铬、铝、钼等元素形

23、成高硬度的氮化物。此氮化物层具有高的耐磨性、耐蚀性、抗疲劳性及良好的热硬性（温度升高时，仍能保持较高的硬度，称为热硬性）。因此，对于重要的螺栓、销钉、发动机轴、高速齿轮等零件常采用氮化处理，延长零件的使用寿命。渗氮处理后可直接获得所需表面层，不再进行任何热处理。但对于重要零件，在渗氮前应进行淬火和高温回火处理，使中心部分具有良好的综合机械性能。如制作弹簧和模具，渗氮前应淬火和中温回火，以便获得高的强度和弹性。渗氮零件一般没有加工余量，最多只能精磨。3、氰化氰化是在钢中同时渗入碳原子和氮原子的过程，其目的与渗碳、渗氮相同。氰化处理的时间比单独渗碳、渗氮短得多，故生产效率高。氰化可分为高温氰化和低

24、温氰化。高温氰化以渗碳为主，适用于低碳钢、中碳钢和合金钢零件。低温氰化又称软氮化，实质就是低温碳氮共渗，适用于高速钢零件，它能提高刀具的切削能力和寿命。结构钢零件的氰化层一般厚度为0.30.8mm，氰化的温度为860，保温时间一般为45小时，预冷至820840在油中淬火。4、渗金属法渗金属法是把金属原子渗入到钢的表面，使零件表面具有某些合金钢、特殊钢的性能，如耐磨、耐热、抗氧化、耐腐蚀等。渗金属法的原理与其它化学热处理相似。它是通过加热把活性金属原子溶入到金属表面的晶格中，并向内层扩散。不过金属原子的直径比碳、氮原子直径大，在钢中扩散困难，因而加热温度较高，保温时间长，成本高。在生产中常用的渗

25、金属法有渗铝、渗铬等。渗铝 渗铝的目的是增加零件表面的耐热和抗氧化性能。低、中碳钢和铸铁渗铝后，可作为耐热钢的代用品，能在800900的高温下不被氧化。渗铬 渗铬的目的是提高钢的抗腐蚀、抗氧化能力和耐磨性。它可代替铬不锈钢制件。对于要求耐腐蚀的精密零件，如发动机叶片、弹头等，都可采用渗铬工艺来提高抗氧化性和耐磨性。铸铁含碳量在2.0以上的铁碳合金叫做铁，因为可以铸造，故又称为铸铁。铸铁除含有铁、碳元素外，还含有硅、锰、硫和磷等元素。由于含碳量高，而硅、锰、硫和磷等杂质都比钢中的多，所以性能与钢大不相同。它是一种脆性材料。生产使用的铸铁的含碳量一般在2.53.5，最高可达4.5。铸铁的性能，主要

26、决定于基体组织和碳的存在形式，以及石墨的形状、数量和分布情况。铸铁与钢比较，铸铁硬而脆，几乎无韧性和塑性，不能锻造和轧制，不能承受各种压力加工。但铸铁具有良好的铸造性、耐磨性、抗蚀性、切削加工性和高的抗压强度。因此，铸铁可用来铸造形状复杂或受摩擦的零件，如内燃机的活塞环与机缸筒、机床床身、变速箱、汽车和拖拉机的后桥壳等。铸铁中含有较多的碳，有的碳以Fe3C的形式存在，有的以自由状态的石墨存在。随着铸铁中碳的存在形式不同，其组织和性能也不同。铸铁可分为以下几种。一、白口铸铁白口铸铁中含有较多的锰和较少的硅，在铸造时碳全部与铁结合成Fe3C, 断口呈银白色，故称为白口铸铁。白口铸铁是由珠光体、渗碳

27、体和莱氏体所组成的。一般很少直接应用。它主要用来作为炼钢的原料，故又称炼钢生铁。二、灰口铸铁灰口铸铁由于含有较多的硅和较少的锰，因此，铸铁中的碳全部或大部分呈片状石墨存在，断面呈灰色，故称为灰口铸铁。灰口铸铁具有良好的铸造性，主要用来铸造各种机器零件，故又称铸造生铁。灰口铸铁的牌号、成分、性能及用途如下：灰口铸铁的牌号用“HT”表示，“HT”是灰和铁两个字的汉语拼音的第一个字母，字母后面的数字分别表示该铸铁的抗拉强度（b）和抗弯强度（bb），如HT18-36表示：b18公斤/毫米2，bb36公斤/毫米2。灰口铸铁的基体组织有铁素体片状石墨，称铁素体灰口铸铁；珠光体和铁素体片状石墨，称珠光体铁素

28、体灰口铸铁；珠光体片状石墨，称珠光体灰口铸铁。灰口铸铁的基体组织与钢的组织是相同的。灰口铸铁中铁素体主要决定其韧性，珠光体主要决定其强度。加入了变质剂（硅铁或硅钙）的变质铸铁，强度有明显提高，塑性和韧性也有改善。铸铁中石墨分布越不均匀，则铸铁的机械性能（抗拉、抗弯强度）就越差，反之就好些。三、可锻铸铁将一定成分的白口铸铁进行退火处理，使其中的渗碳体在固体状态下发生分解，形成团絮状石墨，使强度和塑性大为提高，此种铸铁称为可锻铸铁。可锻铸铁并不可锻，只不过具有一定塑性而已。根据其基体组织可分为铁素体可锻铸铁和珠光体可锻铸铁两种。铁素体可锻铸铁，是将白口铸件放在中性介质（中性气氛炉或砂子）中退火，使

29、渗碳体分解而获得的。其组织是由铁素体基体和团絮状石墨组成，断口呈灰墨色，故又称黑心可锻铸铁。珠光体可锻铸铁，是将白口铸件放在氧化性介质（铁矿石及氧化铁皮）中退火，表面层由于氧化脱碳形成铁素体组织，中心部分石墨化不完全，形成团絮状的石墨及珠光体，其断面呈亮灰色，故又称白心可锻铸铁。此种铸铁通常用于铸造形状复杂，要求承受冲击负荷的薄壁零件。可锻铸铁的牌号用“KT”表示。“KT”是“可、铁”两个字的汉语拼音的第一个字母，字母后面的两组数字分别表示该铸铁的抗拉强度（b）和延伸率（），如KT30-6，表示b30公斤/毫米2，6的可锻铸铁。四、球墨铸铁球墨铸铁是浇注前，向液体灰口铸铁中加入一种墨化剂（硅铝

30、、硅钙合金等）使碳呈细粒状析出，形成游离石墨，同时又加入一种球化剂（镁和镁合金等），使游离石墨变成球状石墨，这种同时经过墨化和球化处理的铸铁，称为球墨铸铁。球墨铸铁的组织状态可分为两类。一类以铁素体为基体，另一类以珠光体为基体。球墨铸铁的牌号用“QT”表示。“QT”是“球、铁”两个字的汉语拼音的第一个字母，字母后面的两组数字分别表示该铸铁的抗拉强度（b）和延伸率（）。例如QT45-5表示b45公斤/毫米2，5的球墨铸铁。它的性能比片状石墨的灰口铸铁和团絮状石墨的可锻铸铁更好，不仅提高了强度，而且塑性、韧性有较大程度的改善，从而使铸铁的综合机械性能逐渐接近于钢，所以球墨铸铁成为目前性能最好的铸铁

31、，用来制造那些性能要求较高的铸件，在一定程度上可代替碳钢或低合金钢，制造某些负荷大、受力较复杂的重要零件。五、蠕墨铸铁蠕墨铸铁是在给定成分的铁水中加入适量的蠕化剂，从而得到蠕虫状石墨的铸铁。它的化学成分一般为含碳量3.53.9，含Si量2.12.8，含Mn量0.40.8，含S量小于0.1，含磷量小于0.1。蠕化剂有镁钛合金和稀土镁钛合金等。蠕墨铸铁中的石墨呈蠕虫状，其石墨片短而粗，头部较圆。蠕墨铸铁的力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。其强度、韧性、疲劳强度等均优于灰铸铁，而铸造性能、切削加工性、导热性均优于球墨铸铁。主要用于制造强度、抗热疲劳性能要求较高，形状复杂的零件。如内燃机的汽缸盖、电动

32、机的外壳、机座、钢锭模、阀体等。蠕墨铸铁的牌号由“RuT”和3位数字表示。“RuT”为“蠕铁”两字汉语拼音的第一个字母，后面3位数字表示其最低抗拉强度。如“RuT300”表示最低抗拉强度为300MPa的蠕墨铸铁。常用的蠕墨铸铁有RuT420、RuT340、RuT260。六、合金铸铁随着铸铁的广泛应用，对其性能的要求也越来越高，不但要求铸铁具有更高的机械性能，有时还要求具有某种特殊性能，如耐磨、耐热、耐酸等。为了获得这些性能，可在铸铁中（常在灰口铸铁、球墨铸铁中）加入一定量的镍、铬、锰、硅、铜、钼等合金元素，这些铸铁均称为合金铸铁。1、高强度合金铸铁这种铸铁是在稀土镁球墨铸铁的基础上加入少量的铜

33、、钼等合金元素而成。由于铜、钼的加入能细化珠光体和增加珠光体的数量，从而提高了铸铁的强度和硬度。此类合金铸铁常用来制造强度要求较高的重要零件，如高速柴油机上的曲轴和连杆，还可以代替20CrMnTi钢作拖拉机上的大小减速齿轮。2、耐磨合金铸铁在灰口铸铁中，主要加入锰和磷，以提高铸铁的耐磨性。为了进一步提高机械性能，还常加入铜、钼、铬、钛等合金元素。锰促进渗碳体的形成，增加基体中珠光体的量，因而提高了铸铁的耐磨性。含锰量在34的球墨铸铁，其基体获得奥氏体组织，可代替高锰钢使用。磷能形成坚硬而脆的磷化物共晶体，具有很高的耐磨性。此类铸铁常用来制造机床床身、汽车和拖拉机的汽缸套，以及农业用具，如梨、铧

34、、耙片、翻土板等。3、耐热合金铸铁铸铁中加入硅、铬、铝等合金元素，可在铸铁表面形成致密的保护性氧化膜，因而提高了铸铁的抗氧化能力。在500700工作的耐热铸铁，常用低铬（铬含量为0.51.9）或低铬、低铜合金铸铁。在800以上的工作零件主要是高硅（Si5）、高铝（Al为25）和高铬（Cr为3236）的合金铸铁。目前硅和硅铝等合金铸铁应用广泛，因为它有很好的耐热性和高温强度。可用来制造炉门、烟道挡板、加热炉炉衬及炉底板等。因脆性大，一般只适用于在静负荷下工作的零件。铸铁的热处理为了便于切削加工和改善机械性能，以及消除在铸造中引起的缺陷，一般对铸铁零件都要进行热处理。其目的是：1、消除铸件在浇注时

35、所产生的内应力；2、消除铸铁的白口（使白口铸铁石墨化），使铸铁变软，易于加工；3、强化基体，提高铸件的强度、硬度和耐磨性；4、使铸件具有较稳定的组织，保证在使用过程中尺寸不变。铸铁热处理的基本原理与钢完全相同，不过其相变过程有如下特点（这些特点是和含硅量较高分不开的）。（1）硅有升高共析转变温度的作用，故铸铁热处理的加热温度高；（2）硅有促进石墨化的作用，它强烈地阻碍碳在奥氏体中溶解，因此，为了在固溶体中溶入必要数量的碳，在高温保持时间要比钢长一些。铸铁可以采用以下几种热处理方法。一、消除内应力的退火铸件在浇注后，由于厚薄和内外冷却速度不同，产生较大的内应力，从而引起铸件裂纹和翘曲，甚至报废。

36、为了保证铸件尺寸稳定，防止变形和开裂，需要进行消除内应力的低温退火。其退火方法，是将铸件装在炉子里缓慢地加热到500550，经过保温，然后缓慢冷却至200左右，将铸件取出空冷。对于合金铸件，消除内应力的加热温度要略高一些。二、消除白口的退火和正火灰口铸铁的表面及薄壁处，由于冷却快，往往形成白口，使铸件的脆性增大，硬度增高，不利于切削加工。为了改善加工性能，需要进行降低硬度的退火或正火处理。消除白口一般采用高温退火。将铸件加热到900左右，保温23小时，使铸件白口层的渗碳体分解成铁素体石墨，因此随炉冷却后得到铁素体石墨组织，消除了渗碳体，从而降低了硬度。如果需要提高铸件的耐磨性能，则在加热保温后

37、采用空冷，即采用正火来消除白口。三、提高铸件性能的正火正火时的加热温度，一般为900，经过保温，在空气中冷却。正火处理可以增加基体组织中珠光体的数量，从而提高了强度、硬度及耐磨性。可锻铸铁及球墨铸铁进行这种热处理更有必要。与淬火相比，正火处理后，组织中的内应力小。四、铸件的淬火与回火铸件的淬火与回火，对提高铸铁的强度及耐磨性最为有效，但主要用于球墨铸铁。淬火加热温度与保温时间与正火相同。形状简单的零件用水冷，形状复杂的零件用油冷。为了防止变形和裂纹，必须及时进行回火。等温淬火也是提高铸铁强度及耐磨性的有效方法。其操作过程与钢的等温淬火方法相同。一般用于要求综合机械性能好的、外形较复杂的、热处理

38、容易裂纹的零件，如齿轮、凸轮轴、滚动轴承套等。碳钢的分类1、按含碳量可分为：低碳钢，含碳量0.25；中碳钢，含碳量0.30.7；高碳钢，含碳量0.7等三种。2、按质量（主要按含硫、磷的多少）可分为：普通碳素钢（硫0.055、磷0.045）；优质碳素钢（硫、磷均应0.04）；高级优质碳素钢（硫0.03、磷0.035）.3、按用途可分为：碳素结构钢、碳素工具钢。4、按钢的脱氧状况可分为沸腾钢和镇静钢两种。沸腾钢 炼钢时，由于脱氧不完全，一氧化碳气体在浇注钢锭时向液面溢出造成钢水剧烈沸腾。沸腾钢锭无集中收缩孔，组织内部疏松，均匀分布着海绵状松孔。此种钢生产成本低，钢锭利用率高，用这类钢轧制的型材有钢

39、板、钢筋、方钢、角钢、槽钢、工字钢、钢管等。“08F”中的“F”表示沸腾钢。镇静钢 冶炼时用硅铁、锰铁和纯铝进行脱氧，故脱氧完全。钢水浇注钢锭时，无沸腾现象，能平静地完成结晶过程，渣杂能顺利地浮向浇口，钢锭内部组织致密，无分散松孔，在钢锭浇口处则有较大收缩和渣杂。这类钢成本高，质量好。钢锭利用率低。优质和高级优质钢，一般均为镇静钢。碳钢的牌号、性能和用途1、普通碳素结构钢（简称普通钢）按国家标准（GB700-65），根据冶炼厂交货时保证条件不同，普通碳素结构钢可分为三类。（1）甲类钢 这类钢只保证钢的机械性能，不标明化学成分。其牌号是在“A”字后面加一个数字来表示，如“A0、A1、A2A7等。

40、牌号后面加的数字越大，强度越高，而塑性则越低。此类钢因未标明含碳量，一般不进行热处理使用。但A5、A6、A7相当于中碳钢成分，故有时采用正火、调质等热处理来提高强度。甲类钢多数轧制成型材供应工厂使用。（2）乙类钢 这种钢只保证化学成分，而不保证机械性能。其牌号是在“B”字后面加一个数字表示。如 B1、B2B7等。牌号后面加的数字越大，表明含碳量越高。乙类钢供应时也多是热轧或冷轧的型材，主要用于不重要的机器结构件。对于含碳量较高的B5、B6、B7等，可根据含碳量进行正火、调质等热处理来提高综合机械性能。（3）特类钢 它比甲、乙两类钢有较高的性能要求，可以用来制造比较重要的机械零件，可代替优质碳钢

41、使用。因为这类钢既要保证化学成分又要保证机械性能，它是按用户要求供应的。特类钢的牌号是在“C”字后面加一个数字来表示。如C0、C1、C2C7等。牌号后面数字越大，表明含碳量越高，强度也高。这类钢实际很少使用。因为如果零件要热处理或使用性能要求高时，可选用优质碳素钢。2、优质碳素结构钢优质碳素结构钢和普通碳素钢比较，它的含碳量控制严格，含硫、磷杂质也少，钢的化学成分和机械性能都得到了保证。此类钢广泛用于机械制造业中，可制作冲压件、锻件、优质钢管和优质钢板等。但对截面大的零件淬透性不好，淬火只能提高表面层的硬度，而中心部分则得不到改善。优质碳素结构钢的牌号，是用两位数字来表示。这两位数字既是牌号，

42、又标明钢的平均含碳量，如08、10、20、25、45、5085等。例如：“08”是优质碳素结构钢，含碳量约为0.08；“45”是优质碳素结构钢，含碳量约为0.45。优质碳素结构钢的牌号，其平均含碳量是万分之几，如“25”优质碳素结构钢，其平均含碳量为0.25，即25/10000。在钢的牌号后面，加上质量标号“A”或“高”字时，表示为高级。如25A、45A或25高、45高。高级优质钢与优质钢的差别，主要是含硫、磷量更少，硫、磷含量分别应0.030和0.035。在优质碳素结构钢中，还有一种含锰量较高的钢，钢中的锰不是作为合金元素加入的，而是在冶炼时遗留下来的，其含量低于合金钢中的锰钢，故此类钢仍属

43、于优质碳素结构钢。这类钢的机械性能比一般优质碳素结构钢要好一些，用途与优质碳素结构钢相同，其牌号是在两位数字后面加“Mn”来表示，如20 Mn、45 Mn、50 Mn等。3、碳素工具钢碳素工具钢是含碳量在0.71.4范围内的优质和高级优质碳素钢。随着含碳量的增加，其硬度和耐磨性也随之提高，但韧性较低。碳素工具钢的牌号用“碳”字的汉语拼音第一个字母“T”或“碳”后面加一位或两位数字来表示。数字表示平均含碳量的千分之几，如T8、T12，表示其含碳量分别为0.8（即8/1000）和1.2（即12/1000）的优质碳素工具钢。其牌号后面加上质量标号“A”或“高”，则为高级优质碳素工具钢，如T8A、T1

44、0A等。碳素工具钢的淬透性差，因此，淬火后常有未淬透的软心部分，所以用它制成的工具具有较高的韧性，能承受震动冲击，而且价格便宜。但是，由于淬透性差和在淬火加热时容易过热（在高温下金属晶粒过分长大现象称为过热），冷却速度大容易变形、裂纹，而且当直径大于15毫米时，即使在水中淬火心部也淬不硬，所以碳素工具钢只能用来制作低速切削刀具，工作温度不高、形状简单的小型冷作冲压工具，以及直径或厚度不大的量具和刀具。铸钢在重型机械、冶金设备、国防工业中，不少制件不但要求强度较高，而且形状复杂，用铸铁不能满足要求，需用钢来铸造，这种钢的成分不同于碳素结构钢，故称为铸钢。如ZG15、ZG25、ZG45等。“ZG”

45、是“铸钢”二字的汉语拼音第一个字母，字母后面的数字表示含碳量，如ZG25表示含碳量约为0.25的铸钢。为了改善钢的铸造性能，一般铸钢都含有较多的硅（0.20.45），以增加钢水的流动性。铸钢的含碳量通常在0.150.60的范围内，以减少裂纹。一般铸钢件的组织晶粒比较粗大，影响铸钢件的性能，故必须用正火或退火来细化组织。合金钢一、合金钢的分类1、按合金元素总量多少可分为：低合金钢（含合金元素总量小于2.5）；中合金钢（含合金元素总量在2.510）；高合金钢（含合金元素总量大于10）。2、按用途可分：合金结构钢、合金工具钢、特殊用途钢。二、合金结构钢1、合金结构钢的牌号表示方法我国合金结构钢的牌号

46、用化学符号（或汉字）来表示。合金钢的合金元素前面的两位数字表示含碳量（平均含碳量为万分之几），各合金元素后面的数字表示合金元素的含量，均以百分之几来表示（如果合金元素后面不标明数字，则表示其含量1.5。在元素含量最后面加质量标号“A”表示高级，如18Cr2Ni4WA,18表示平均含碳量为0.18（即18/10000），Cr2表示含Cr量平均为2左右，Ni4表示含Ni量平均为4左右，W表示含W量1.5，“A”表示高级。18Cr2Ni4WA称为高级优质合金结构钢。又如30CrMnSiNi2，表示含碳量平均在0.30左右，含Cr、Mn、Si量均1.5，含Ni量约2的优质合金结构钢。2、合金结构钢的分

47、类（1）普通低合金钢这是一种低碳合金结构钢（含碳量在0.100.25），在普通碳钢的基础上加入少量的合金元素（Si、Mn、Cu、Ti、Nb等）而获得高强度（特别是屈服强度）、高韧性和良好的可焊性及耐蚀性的钢。它与含碳量相似的碳钢相比，这种钢性能好，重量轻，使用寿命长，生产工艺简单，成本低，冶炼、轧制与碳钢差不多。因此，广泛用于桥梁、船舶、车辆、锅炉、起重设备、石油化工设备及农机等方面。常用的普通低合金钢有：09Mn2、10MnSiCu，16Mn、16MnCu、15MnTi、15MnV等。（2）机械制造合金结构钢根据含碳量的不同，机械制造合金结构钢又可分为如下三类。低碳合金结构钢 这是含碳量为0

48、.100.25的合金结构钢。常用这类钢作渗碳零件，所以又称渗碳合金结构钢。它主要用来制作表面硬而耐磨，心部强度、韧性好，能承受冲击负荷的零件，如汽车、拖拉机、机床的变速齿轮、凸轮、活塞销及转轴、离心式涡轮喷气发动机的涡轮轴、压缩机前轴与后轴、压气机叶片、飞机起落架等。低合金结构钢，由于含碳量低，为了得到足够的强度和高硬度，必须经过渗碳、淬火与低温回火。为了加快渗碳过程、细化晶粒、防止过热倾向，可在钢中加入容易形成碳化物的合金元素，如锰、钛、铬、钼、钒等。中碳合金结构钢 这是含碳量为0.250.50的合金结构钢。这类钢要求具有高强度和较高的韧性。为了满足其要求，必须进行调质处理，故又称为调质合金

49、钢。调质处理后，钢的组织为回火索氏体，它具有优良的综合机械性能。重要的机器零件，如轴类、螺栓、连杆等都用它来制作。航空工业常用这种钢来制造飞机的起落架、机翼和中央翼的带板及缘条、对合接头，也用于涡轮喷气机的压缩机中机匣的后段、涡轮轴、压缩机前轴颈等。这类钢中，主要加入的合金元素有Cr、Mn、Si、Ni等，这些元素都起提高淬透性和强化铁素体的作用。少量的W、V、B等还能细化晶粒，克服Mn对钢的过热倾向。高碳合金结构钢 这类钢含碳量一般在0.51.5之间，主要用来制造弹簧和滚动轴承，故又称弹簧钢和滚动轴承钢。制作弹簧的钢，要求弹性及疲劳强度较高，并要有足够的韧性，能够耐热和耐蚀。弹簧钢一般要进行淬

50、火和中温回火处理，以获得回火屈氏体组织。滚动轴承钢 主要用于制造滚动轴承的滚珠和滚柱、内外套圈等，有时也用于制造某些工具和量具。热处理方法与高碳合金钢相似。在加工之前需经过球化退火，降低硬度。该钢淬火在840左右，在150160低温回火。为了稳定尺寸，淬火后应进行冷处理。由于滚动轴承中的滚珠、滚柱和内外套圈之间工作时都是点或线接触，压应力集中，一般可达100300公斤/毫米2，同时受周期性负荷，因此，对这种钢要求具有高强度、高硬度和高耐磨性及高疲劳强度，并能抵抗大气和润滑剂的腐蚀。为了满足上述要求，滚动轴承钢应具有高碳（0.951.15）和一定量的铬（1.5左右），以提高钢的耐磨性。滚动轴承钢

51、有GCr9、GCr15、GCr15SiMn等，对硫、磷杂质控制很严，冶炼要求高，成本也高。三、合金工具钢用合金工具钢制作的刀具、量具和模具，具有较高的硬度和耐磨性，以及足够的韧性，热处理变形小，能耐高温，有的工具钢在600时仍能保持其原有的性能。合金工具钢的牌号表示方法如下。合金工具钢的牌号：在元素前面的一位数字是表示含碳量（平均含碳量为千分之几。当含碳量1时则不标明数字），元素后面的数字表示各元素的含量（元素含量为百分之几，含量1.5时，则不标明数字）。如3Cr2W8V，3表示含碳量平均为0.3（即3/1000），含Cr量平均为2，含W量平均为8，含V量1.5。又如CrW5，含碳量1，含Cr

52、量1.5，含W量平均为5。合金工具钢均为高级优质钢，故无质量标号。合金工具钢，由于要求不同，可分为刃具钢、量具钢和模具钢。1、刃具钢刃具必须具有高的硬度和耐磨性，才能对零件进行切削和经受切削时的磨损，以及在较高的切削热影响下，仍能保持足够的硬度，即具有较高的热硬性。合金刃具钢可分为低合金刃具钢和高速钢（高合金刃具钢）两种。（1）低合金刃具钢机械加工切削速度不高时，可采用低合金工具钢，如9CrWMn、CrWMn、CrMn等。这类钢含碳量在0.61.5之间，含合金元素总量一般为35，钢中主要加入的合金元素有Cr、Mn、V、Si、W等。它们可使钢的淬透性大大提高，淬火后残余奥氏体增多，由于奥氏体的比

53、容较马氏体小，因此，热处理后钢的变形量很小，所以把它叫做不变形钢。由于这种钢变形量小，热硬性可达250，故用来制作复杂的变形很小的精密切削刀具，如拉刀、成型刃具、长丝锥、也可用于制造喷气发动机喷嘴的喷口和慢车喷口、分油衬筒、油泵的柱塞等。常用低合金工具钢有：CrWMn、CrMn、CrW5、5CrW2Si、9SiCr等。（2）高速钢为了提高生产率，就需要加大机床的切削速度、进刀量和走刀量，在切削过程中就会使刀具刃口温度升高（当温度升高到300以上时硬度便显著降低），如果再使用一般碳素工具钢或低合金工具钢，则无法进行切削加工，因此，需要采用高速工具钢取而代之。高速钢在高温600650时仍具有很高的

54、硬度，这种性能称为热硬性。热硬性是高速钢最显著的特征。高速钢之所以具有热硬性是由于钢中加入了大量的W、Cr、V、和含较高的碳（0.71.4），这些元素在钢中形成大量的合金碳化物。W和V主要提高钢的热硬性，又能阻止奥氏体晶粒长大；Cr可提高钢的淬透性。高速钢合金元素量多，导热性差，故必须预热，然后在12001300的范围内淬火。淬火后应在550570的高温进行23次回火，使钢中的残余奥氏体全部转变为马氏体。高速钢回火后硬度和耐磨性不但不降低，反而会增高。常用高速钢有W18Cr4V、W9Cr4V、W12Cr4V4Mo等。它主要用于在较高速度下使用的刀具，如车刀、铣刀、拉刀、刨刀、钻头、铰刀、锪孔刀

55、、锯条等。2、模具钢模具钢分为冷作模具钢和热作模具钢两大类。（1）冷作模具钢 要求具有高的强度、硬度、耐磨性和良好的韧性，以保证模具的使用。同时在热处理时要求变形小，以保证模具尺寸的准确性。对于要求高的大型冷冲模，用Cr12、Cr12W、Cr12MoV等制作。形状简单、尺寸小的冷冲模，可用T10、9SiCr、9Mn2V等来制作。（2）热作模具钢 要求承受巨大的冲击力，并在高温下能保持足够的韧性。为了保证锻模的韧性，钢的含碳量一般均为0.5左右。各种热锻模的最终热处理都采用调质或淬火后用中温回火，以提高冲击韧性，使模具不因受冲击而破裂。目前热作模具多采用5CrMnMo制作。虽然5CrNiMo比5

56、CrMnMo有更好的淬透性与韧性，但由于镍贵重而稀有，在一般情况下应尽量用无镍的5CrMnMo钢制作各种热锻模。常用热作模具钢有：5CrNiMo、5CrMnMo、6SiMnV、3Cr2W8V、4SiCrV等。3、量具钢对于量具，要求工作面具有高的硬度和耐磨性，热处理变形小，使用过程中尺寸稳定。精度要求高的量规，多采用热处理变形小的低合金工具钢，如CrMn、SiMn等。精度要求一般、形状简单的可用T10A、T12A或9SiCr等。板形量具（样板、卡板）可用60Mn、65Mn等优质碳素钢来制作，并采用等温淬火或分级淬火，然后进行低温回火。为了保证量具的精度和在热处理或使用过程中变形小，须选用低变形

57、钢。为了保证精密量具在使用时尺寸稳定，在淬火与回火之间需增加冷处理和人工时效处理。四、特殊用途钢在现代工业中，为了满足生产所需要的某种特殊性能的合金钢，称为特殊用途钢。如不锈钢、耐热钢、耐热合金、耐磨钢和磁钢等。1、不锈钢不锈钢在钢中加入了大量的铬和镍，它们与空气中的氧作用，在钢表面形成一层非常致密的氧化薄膜，把金属保护起来，不被空气、水、酸、碱或其它腐蚀性介质腐蚀。这种钢我们称为不锈钢。不锈钢的牌号表示方法与合金工具钢相似，只是因含碳量低，在0.10左右，所以在合金元素前面一般不标数字，但在合金元素含量相同，而含碳量不同的情况下，则在合金元素前面标明数字，以示区别。标明数字也是以平均含碳量的千分之几来表示。特殊钢的质量都比较高，成分要求严格，故不用质量标号。如Cr17Ni2，含碳