常用金属材料及热处理工艺介绍年月

常用金属材料及热处理工艺介绍河南省力神机械有限公司2014年2月新进厂员工培训内容简介一、金属材料的基础知识二、金属材料的性能三、金属的晶体结构与结晶四、铁碳合金五、碳素钢六、钢的热处理七、铸铁八、粉末冶金技术一、金属材料的基本知识钢铁材料钢（含碳量小于2.11%的铁碳合金）铸铁（含碳量大于2.11%的铁碳合金）根据含碳量的不同分为钢铁材料的生产方式炼钢炼铁钢材生产钢材种类型材：圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、槽钢、螺纹钢等板材：中厚钢板、薄钢板、钢带和硅钢片管材：无缝钢管和焊接钢管（又称有缝钢管）线材：直径为6～9mm的圆钢和直径在10mm以下的螺纹钢1.炼铁

铁在自然界中以各各种各样的化合物的形式存在，并同其他化合物混在一起形成铁矿石。炼铁的实质是把铁从铁矿石中还原出来。炼铁的主要原料有铁矿石、焦碳、和石灰石，并按一定的比例配合后熔炼。1.2炼铁的基本过程:

高炉是现代炼铁的主要设备，高炉炼铁如图所示：炉料不断从进料口2加入炉内，空气经热风炉预热后从进风口吹入炉中，在冶炼的过程中炉料充满高炉，并不断下降，吹入高炉的空气与化学反应生成的气体组成的炉气并沿着炉料的逢隙上升，经一段时间的冶炼后，先打开出渣口排渣，再打开出铁口出铁，从炉顶排出的的废气（高炉煤气）经煤气出口回收。炼铁高炉示意图进料口进风口出渣口出铁口煤气出口1.3高炉产品

高炉出铁口流出铁为生铁，生铁含有碳、硅、锰、磷、硫等元素，按含硅量的不同，分为炼钢生铁（wsi<1.25%）和铸造生铁，（wsi=1.25%-3.2%）。副产品有炉渣和高炉煤气。炉渣可以制造水泥，高炉煤气经净化成为然料，广泛用于加热风炉，及民用管道煤气。1.4炼钢

炼钢的本质是得用氧化的办法降低生铁中的硅、锰、磷、硫等杂质和过量的碳，使化学成分达到标准规定的成分。从而改善其性能。1.5炼钢的基本过程1.5.1氧化过程

生铁中的碳、硅、锰、磷等在高温条件下，与氧的亲和力比铁强，炼铁时加入氧化剂（氧气、铁矿石等）将优先与这些杂质发生化学反应，生成各种氧化物，生成的CO气体容易逸出，并且对钢液有搅拌作用，促使冶炼过程顺利进行，生成硅、锰、磷等的氧化物及混入铁中的硫，将与熔剂CaO等发生一系列的反应生成炉渣。1.5.2.脱氧过程在氧化过程中，大量的铁也被氧化成FeO。钢中存在FeO将使其力学性能下降，高温时易脆断，因此，在冶炼后期必须往钢液中加入脱氧剂（硅铁、锰铁、金属铝等），脱氧剂与FeO生成反应，生成炉渣。1.6炼钢的方法1.6.1转炉炼钢法

炉体可以绕转轴转动，每炼完一炉钢都要把炉体倾到，倒出钢液。冶炼时以纯氧作为氧化剂，直接利用吹风管从炉顶向炉中吹入氧化，依靠化学反应产生产热量就可以冶炼，不需要外加热源。转炉炼钢生产率高，几直分钟就能炼一炉钢，但必须以液态为主要原料。杂质被氧化产生的热量不仅能能使生铁液温度提高到钢的溶点，还能使加入的废钢溶化，重新冶炼成好钢，废钢的加入量甚至可达每炉钢的35%。氧气顶吹转炉炼钢通常用于炼各种碳钢。1.6.2电炉炼钢

冶炼时以铁矿石或纯氧为氧化剂，以转炉或废钢为原材料，以电弧为热源，电炉炼钢法的冶炼温度高，炉料比较纯净，化学成分易于控制，冶炼过程可以调节，电炉能冶炼高级优质钢，和含高熔点的金属元素（钨、钼、钛等）的合金钢。炼钢示意图1.7镇静钢和沸腾钢

炼好的钢常浇注成钢锭或注成钢坯，浇注时，钢液在一个用水冷却的铸型中凝固，再用夹辊夹持移动并按要求的长度切断。在炼钢脱氧过程中，通过控制脱氧剂的种类和加入量可以控制脱氧的程度，按脱氧是否完全可以把钢分为镇静钢和沸腾钢。1.7.1镇静钢

镇静钢是脱氧（脱氧剂主要是硅铁或铝）完全的钢，浇注时不发生氧化反应，钢液在空中平静的上升，凝固后在钢锭头部倒锥形的缩孔，镇静钢钢锭组织致密，但轧制钢材时必须切除具有缩孔部分，故成材率低。1.7.2沸腾钢

沸腾钢是脱氧（脱氧剂主要是锰铁）不完全的钢，浇注时有碳化反应，生成大量的CO气体，呈沸腾现象，通常是盖上铁板，使上层钢液先凝固成薄壳才停止沸腾。最终钢锭内充满气孔，但头部不出现大的缩孔，沸腾钢钢锭组织疏松，但轧制钢材时不必切除较大的头部，故成材率高。1.7.3半半镇镇静静钢钢介于于镇镇静静钢钢和和沸沸腾腾钢钢之之间间的的钢钢种种。。这这种种钢钢内内部部气气体体少少，，结结构构接接近近于于镇镇静静钢钢。。半半镇镇静静钢钢浇浇铸铸初初期期不不产产生生气气泡泡，，当当顶顶部部自自然然凝凝固固封封顶顶后后（（可可采采用用瓶瓶口口模模促促进进封封顶顶）），，由由于于钢钢液液中中碳碳和和氧氧的的富富集集和和温温度度降降低低，，促促使使在在钢钢锭锭顶顶部部产产生生少少量量一一氧氧化化碳碳气气泡泡，，填填充充整整个个钢钢液液的的凝凝固固收收缩缩空空间间。。因因此此，，可可得得到到与与沸沸腾腾钢钢相相近近的的钢钢锭锭成成坯坯率率。。半半镇镇静静钢钢主主要要用用于于中中等等碳碳含含量量和和中中等等质质量量的的结结构构钢钢，，所所用用铸铸模模一一般般为为敞敞开开式式上上小小下下大大型型。。1.8钢钢材材的的种种类类1.8.1型型材材圆钢钢、、三三角角钢钢、、方方钢钢、、槽槽钢钢、、工工字字钢钢1.8.2板板材材中厚厚钢钢板板、、薄薄钢钢板板、、钢钢带带和和硅硅钢钢片片1.8.3管管材材通过过成成形形辊辊把把带带钢钢弯弯成成管管形形，，再再能能过过焊焊接接辊辊焊焊接接成成有有缝缝管管材材；；也也可可先先用用斜斜轧轧穿穿孔孔机机在在实实心心管管坯坯上上穿穿孔孔，，然然后后用用一一种种特特殊殊的的方方法法轧轧制制所所需需尺尺寸寸的的管管材材，，通通常常称称无无缝缝钢钢管管。。1.8.4线线材材直径径为为6～～9mm的的圆圆钢钢和和直直径径在在10mm以以下下的的螺螺纹纹钢钢，，直直径径在在6mm以以下下的的线线材材多多采采用用拉拉丝丝机机生生产产，，拉拉丝丝时时使使坯坯料料通通过过一一个个带带漏漏斗斗形形模模型型的的拉拉丝丝模模拉拉拔拔成成所所需需尺尺寸寸的的线线材材，，拉拉丝丝时时材材料料会会硬硬化化，，常常通通过过中中间间加加热热使使之之软软化化钢材材应应用用广广泛泛，，板板材材可可通通过过直直接接加加工工成成零零件件或或产产品品，，型型材材如如圆圆钢钢，，可可通通过过切切销销加加工工成成机机械械零零件件或或煅煅造造成成零零件件毛毛坯坯，，角角钢钢、、槽槽钢钢、、工工字字钢钢、、广广泛泛用用于于建建筑筑、、桥桥梁梁、、车车辆辆等等，，管管材材主主要要用用于于输输送送水水、、气气、、油油等等管管道道。。型材材示示意意图图二、、材材料料的的性性能能2.1金属属材材料料的的性性能能使用用性性能能：指材材料料在在使使用用过过程程中中所所表表现现的的性性能能，，主主要要包包括括力力学学性性能能、、物物理理性性能能和和化化学学性性能能。。工艺艺性性能能：指在在制制造造机机械械零零件件的的过过程程中中，，材材料料适适应应各各种种冷冷、、热热加加工工和和热热处处理理的的性性能能。。2.2、、金金属属材材料料力力学学性性能能包括括铸铸造造性性能能、、锻锻造造性性能能、、焊焊接接性性能能、、冲冲压压性性能能、、切切削削加加工工性性能能和和热热处处理理工工艺艺性性能能等等。。指材材料料在在外外力力作作用用下下表表现现出出来来的的性性能能，，主主要要有有强度度、、塑塑性性、、硬硬度度、、冲冲击击韧韧度度和和疲疲劳劳强强度度等。。2.3拉拉伸伸实实验验与与拉拉伸伸曲曲线线2.3.1拉伸伸试试样样GB6397-86规定定《金属属拉拉伸伸试试样样》有：：圆形形、、矩矩形形、、异异型型及及全全截截面面．．常用用标标准准圆圆截截面面试试样样。。长试试样样：：L0=10d0;短试试样样：：L0=5d0拉伸试样拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机2.3.2拉伸伸试试验验op段：：比例例弹弹性性变变形形阶阶段段；；pe段：：非比比例例弹弹性性变变形形阶阶段段；；平台台或或锯锯齿齿（（s段）：：屈屈服服阶阶段段；；sb段：：均匀匀塑塑性性变变形形阶阶段段，，是是强强化化阶阶段段。。b点：形成成了了“缩颈颈”。bk段：：非均均匀匀变变形形阶阶段段，，承承载载下下降降，，到到k点断断裂裂。。断裂裂总总伸伸长长为为Of，其中中塑塑形形变变形形Og(试样样断断后后测测得得的的伸伸长长)，弹弹性性伸伸长长gf。Δl

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Fp2.3.3拉伸伸曲曲线线强度度指指材材料料抵抵抗抗塑塑性性变变形形和和断断裂裂的的能能力力。。2.4强强度度的的指指标标2.4.1、屈屈服服点点符号号：：σs材料料产产生生屈屈服服现现象象时时的的最最小小应应力力σs=Fs/S0Fs：试样样屈屈服服时时所所承承受受的的拉拉伸伸力力（（N）S0：试试样样原原始始横横截截面面积积（（mm）σs2.4.2抗拉拉强强度度：：试样样在在断断裂裂前前所所能能承承受受的的最最大大应应力力。。用符符号号：：b表示示它表表示示材材料料抵抵抗抗断断裂裂的的能能力力。。σbσsσe注：：s、b是设设计计与与选选材材的的重重要要依依据据另：：e表示示弹弹性性极极限限。。在在外外力力作作用用下下产产生生弹弹性性变变形形时时所所承承受受的的最最大大拉拉应应力力。符号号：：σb:试试样样断断裂裂前前承承受受最最大大标标称称拉拉应应力力Fb：试样样所所承承受受的的最最大大拉拉伸伸力力（（N）S0：试样原始横横截面积（mm）2.4.3、、塑性指标塑性是材料在在静载荷作用用下产生塑性性变形而不破破坏的能力。。评定指标是是断后伸长率率和断面收缩缩率。2.4.3.1断后伸长率2.4.3.2断面面收缩率指试样拉断后后标距的伸长长量与原标距距长度的百分分比。指试样拉断后后缩项处横截截面积的最大大缩减量与原原始横截面积积的百分比。。δ=(L1-L)/Lx100%L:标距（本实验验L=100）L1:拉断时的试件件标距。用卡卡尺直接量出出。Ψ=(A0-A1)/A0x100%A0:试件原横截面面积。A1:断裂后颈缩处处的横截面积积，用卡尺直直接量出。2.5硬度度2.5.1、、定义：指材料局部表表面抵抗塑性性变形和破坏坏的能力。它它是衡量材料料软硬程度的的指标，其物物理含义与试试验方法有关关。2.5.2硬硬度的测试试方法（1）布氏硬度（2）洛氏硬度（3）维氏硬度（4）肖氏硬度1、布氏硬度试试验（布氏硬度计）原理:用一定直径的的球体（淬火火钢球或硬质质合金球）以以相应的试验验力压入待测测材料表面，，保持规定时时间并达到稳稳定状态后卸卸除试验力，，测量材料表表面压痕直径径，以计算硬硬度的一种压压痕硬度试验验方法。2、布氏硬度值值用球面压痕单单位面积上所所承受的平均均压力表示。。如：120HBS500HBW（一）布氏硬硬度(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度计适用范围:＜450HBS;＜650HBW;4、测量范围用于测量灰铸铸铁、结构钢钢、非铁金属属及非金属材材料等.（一）布氏硬度3、优缺点（1）测量值较准准确，重复性性好，可测组组织不均匀材材料（铸铁））（2）可测的硬度度值不高（3）不测试成品品与薄件（4）测量费时，，效率低1、洛氏硬度试试验（洛氏硬硬度计）原理:用金刚石圆锥锥或淬火钢球球，在试验力力的作用下压压入试样表面面，经规定时时间后卸除试试验力，用测测量的残余压压痕深度增量量来计算硬度度的一种压痕痕硬度试验。。2、洛氏硬度值值用测量的残余余压痕深度表表示。可从表表盘上直接读读出。如：50HRC（二）洛氏硬硬度(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度测试示意图4、测量范围用于测量淬火火钢、硬质合合金等材料.（二）洛氏硬度3、优缺点（1）试验简单、、方便、迅速速（2）压痕小，可可测成品，薄薄件（3）数据不够准准确，应测三三点取平均值值（4）不能测组织织不均匀材料料，如铸铁。。2.6韧性性2.6.1冲冲击韧度αK材料抵抗大能能量一次冲击击的能力原理:冲击试验机冲击试样和冲冲击试验示意意图试样冲断时所所消耗的冲击击功Ak为:Ak=mgH–mgh(J)冲击韧性值ak就是试样缺口口处单位截面积上所消消耗的冲击功功。AK

ak=(J/cm²)S02.6.2多多冲抗力材料抵抗小能能量原原理:多次冲击的能能力。材料抵抗大能能量一次冲击击的能力主要要取决于材料料的塑性，而而抵抗小能量量多次冲击的的能力主要取取决于材料的的强度。韧性与环境温温度直接关联联。低温度下下—冷脆。2.7疲劳劳强度疲劳概念：承受交变应力力的零件，在在工作应力低低于材料的屈屈服强度的情情况下长时间间工作时，会会产生裂纹或或突然断裂，，这种现象称称为疲劳失效效（破坏）。。疲劳强度：材料抵抗疲劳劳断裂的能力力疲劳强度指标标：σ-1通过疲劳试验验，绘制疲劳劳曲线进行测定。。疲劳失效具有有隐蔽性和突突发性，会造造成灾难性事事故。机械零零件失效中有有80％以上属于疲疲劳破坏，也也是汽车零件件中最常见的的一种失效形形式。2.8机械械零部件的失失效形式与选选材一、零件的失失效分析概念：零件由于某种种原因丧失原原设计所规定定的功能称为为零件失效。。零件未达到预预期寿命的失失效称为早期期失效。1．零件失效的的判断1)零件已遭到完完全破坏，不不能继续工作作。2)零件受到严重重损伤，已不不能安全工作作。3)零件仍能安全全工作，但不不能完成规定定的功能。以上三种情况况中只要有一一种情况发生生，即可判断断零件已经失失效。2．常见的失效效形式与成因因零件失效的类类型可归纳为为变形、断裂与与表面损伤三种。失效的具体原原因大体可以以分为设计、材料、、加工、安装装使用四个方面的原原因。一般机械零件件常见的失效效形式见表l-4。如表1-5所示。金属材料在不不同的使用场场合下，所要要求的力学性性能、物理性性能、化学性性能以及工艺艺性能各不相相同。虽然都都是金属材料料，不同成分分和不同状态态下的性能差差异也非常大大。造成金属属材料性能差差异的主要原原因是由于金金属材料内部部结构的不同同。三金属的的晶体结构与与结晶非晶体中的质点，是是杂乱无章地地堆积在一起起，无规则可可循。3.1晶晶体及其特点点根据内部原子子堆积的情况况固态物质分类晶体：如纯铝、纯纯铁、纯铜等等非晶体：玻璃、沥青、、松香、石蜡蜡等晶体中的原子或分分子，在三维维空间中是按按照一定的几几何规则作周周期性地重复复排列。晶体和非晶体体的根本区别1、具有规则的外外形。2、晶体具有固定定的熔点。3、晶体具有在不同方向上上有不同的性性能即各向异性。晶体的特点晶格与晶胞：：为了描述晶体体的原子排列列规律，把原原子看成是钢钢性小球，则则晶休可以看看成是由许多钢性小小球堆积成的的物体，若把把原子视为一一个点，并用用假想的线条条把原子连接起来构成成一个空间格格架，则将此此空间格架称称为晶格。通常从晶格格中选取一能反映晶格特特征的最小几几何单元来研研究原了的排排列规律，这这个最小几何何单元是一个单位晶格格，通常称为为晶胞。3.2常常见的晶格类类型体心立方晶格格面心立方晶格格密排六方晶格格体心立方晶格格面心立方晶格格密排六方晶格格3.3金金属实际的晶晶体结构单晶体单晶体多晶体多晶体在理想情况下下，晶体内部部的晶格位向向是完全一致致的，即晶体体的原子是按按一定几何规规律做周期性性排列而成，，这种晶体称称为单晶体。。外形不规则，，呈颗粒状的的小晶体称为为晶粒，每个晶粒相相当于一个单晶体，其原子排列列位向是一致致的，而各个个晶粒的晶格格位向各不相相同。晶粒与与晶粒之间的的界面称为晶界，晶界上的原原子处于过渡渡的不规则状状态，这些由由许多晶粒组组成的晶体称称为多晶体。晶格空位置换原子间隙原子点缺陷点缺陷是指长长、宽、高尺尺寸都很小的的缺陷。常见的点缺陷陷在实际金属晶晶体中由于结结晶条件的限限制以及晶体体受到的外力力的作用等原子的排列并并不绝对规则则，晶体中原原子排列不规规则的区域称称为晶体缺陷陷常见的晶体缺缺陷有三种：：刃型位错（a）螺形位错（b）线缺陷线缺陷是指晶晶体内沿某一一条线，附近近原子的排列列偏离了完整整晶格所形成成的线形缺陷陷区，即发生生了“位错”。常见的线缺陷陷面缺陷面缺陷是在两两个方向的尺尺寸很大，第第三个方向的的尺寸很小而而呈面状的缺缺陷，主要指指晶界和亚晶晶界。3.4合合金的晶体结结构基本概念合金由两种或两种种以上的金属属或金属与非非金属，经熔熔炼、烧结或或其他方法结结合成具有金金属特性的物物质。如黄铜铜是由铜和锌锌组成。组元简称元，是指指组成合金的的最基本独立立物质。组元元通常是纯元元素或者稳定定的化合物。。根据组成合合金组元数目目的多少，合合金可分为二二元合金、三三元合金或多多元合金等。。合金系是指由两个或或两个以上组组元按照不同同比例配制成成一系列不同同成分的合金金。相是指合金中具具有同一的聚聚集状态、同同一的结构和和性质的均匀匀组成部分。。组织是指用肉眼或或借助显微镜镜观察到材料料具有独特微微观形貌特征征的部分。组组织反映材料料的相组成、、相形态、大大小和分布状状况，它是决决定材料最终终性能的关键键。固态合金的相相结构合金在熔点以以上时各组元元都能互相溶溶解，形成均均匀液溶体。。固态时由于于各组分之间间相互作用不不同，可能出出现两种基本本相：固溶体体和金属化合合物。固溶体金属化合物置换固溶体间隙固溶体指由合金中各各组元的原子子按一定比例例相互作用而而生成的一种种新的具有金金属特性的物物质。合金在固态下下组元间仍能相互溶解解面形成的均匀的均匀匀相3.5金金属的结晶物质由液态冷冷却转变为固固态的过程称称为凝固。如如果凝固的固固态物质是原原子（或分子子）作有规则则排列的晶体体，则这种凝凝固又称为结结晶。从内部部结构来看，，结晶就是原原子从不规则则的排列（液液态）过渡到到按照一定的的几何形状作作有秩序排列列（固态）的的过程。结晶的定义Tn—实际结晶温度度TO—理论结晶温度度—过冷度Tm—熔点金属冷却曲线线在金属液体中中，总是存在在着一些类似似晶体中原子子有规则排列列的小集团。。在熔点或熔熔点以上，这这些小集团是是不稳定的，，时聚时散，，此起彼伏。。当低于熔点点时，这些小小集团中的一一部分长大至至一定尺寸后后，就能成为为比较稳定的的小晶体。这这些小晶体作作为结晶中心心，称为晶核。实际金属液液体并不是很很纯的，其中中总有一些固固态杂质存在在，在结晶时时，晶核大多多依附在这些些固态杂质表表面上形成。。金属的结晶过过程3.6金属属的同素异构构转变金属在固态下下随温度的变变化，由一种种晶格转变为为别一种晶格格的现象称之之为金属的同素异构构转。四铁碳碳合金现代工业是广广泛使用的钢钢铁材料，其其基本组元是是铁和碳两个个元素，故称称铁碳合金，，铁碳合金的的性能主要取取决于组织的的性能。铁碳合金中含含有质量分数数为0.10%～0.20%的杂质，称之之为工业纯铁铁。工业纯铁铁虽然塑性、、导磁性良好好，但强度较较低，不适宜宜制作机械零零件。为了提提高纯铁的强强度、硬度，，常在纯铁中中加入少量碳碳元素，可形形成五种基本本组织。4.1铁铁碳合金的基基本组织铁素体、奥氏氏体、渗碳体体、珠光体、、莱氏体1.铁素体：：碳溶于α-Fe形成的的间隙固溶体体称为铁素体体，用符号““F”表示，，为体心立方方晶格，其晶晶格间隙直径径很小，溶碳碳能力极差，，在727℃℃时最大溶碳碳量为wc=0.0218%。2.奥氏体：：碳溶于γ-Fe形成的间间隙固溶体称称为奥氏体，，用符号“A”表示，存存在于727度以上的高高温范围，为为面心立方晶晶格，致密度度高于体心立立方晶格α-Fe，但但其晶格的直直径比α-Fe大，所所以溶碳能力力较强，在1148℃时时溶碳量达到到最大wc=2.11%3.渗碳体：：渗碳体是铁与与碳相互作用用形成的金属属化合物，分分子式为Fe3C,具有复杂杂的晶体结构构，渗碳体中中碳的质量分分数为wc=6.69%，熔点为1227℃，硬度很高（800HBW），塑性和和韧性几乎为为零，不发生生同素异构转转变，4.珠光体：：珠光体是由铁铁素体与渗碳碳体形成的机机械混合物，，它是奥氏体体从高温缓慢慢冷却至727℃时，恒恒温下共析转转变的产物，，用符号“P”表示，碳的质量分数数为wc=0.77%。5.莱氏本:莱氏体分为高高温莱氏体和和低温莱氏体体，高温莱氏氏体是由奥氏氏体和渗碳体体所形成的机机械混合物，，用符号“Ld”表示，，低温莱氏体体是由珠光体体和渗碳体所所形成的机械械混合物，用用符号“Ld'”表示，，低温莱氏体体是在渗碳体体的基体上分分布着颗料状状的珠光体，，基力学性能能与渗碳体相相似，硬度很很高，塑性韧韧性极差。4.2铁铁碳合金相相图表2-1Fe—Fe3C相图中的特性性点通常根据铁碳碳合金含碳量量和室温组织织的特点，由由Fe—Fe3C相图中的P点和E点将铁碳合金金分为工业纯纯铁、钢及白白口铸铁三类类。工业纯铁是指P点以左的铁碳碳合金（含碳碳量小于0.0218%），室温组织织为铁素体+少量三三次渗渗碳体体。工工业纯纯铁的的性能能特点点是塑塑性韧韧性好好，硬硬度和和强度度较低低。钢是指高高温固固态组组织为为单相相固溶溶体的的一类类铁碳碳合金金，相相图中中P点成分分与E点成分分之间间的铁铁碳合合金（（含碳碳量0.0218%～2.11%），具具有良良好的的塑性性，适适于锻锻造、、轧制制等压压力加加工，，根据据室温温组织织的不不同又又分为为亚共共析钢钢、共共析钢钢和过过共析析钢三三种。。白口铸铸铁是指E点成分分以右右（含含碳量量2.11%～6.69%）的铁铁碳合合金。。白口口铸铁铁有较较低的的熔点点，流流动性性好，，便于于铸造造，脆脆性大大。根根据室室温组组织的的不同同，白白口铸铸铁又又分为为亚共共晶白白口铸铸铁、、共晶晶白口口铸铁铁和过过共晶晶白口口铸铁铁三类类。铁碳合合金分分类五碳碳素素钢钢碳素钢钢是含碳碳量在在0.0218%-2.11%铁铁碳合合金，，简称碳碳钢，，在现现代工工业生生产所所使用用的钢钢铁材材料中中占据据十分分重要要的地地位。。由于于碳钢钢具有有冶炼炼、加加工容容易、、价格格低廉廉、工工艺性性能良良好，，力学学性能能能够够满足足工农农业生生产的的使用用要求求，是是工农农业生生产中中用量量最大大的金金属材材料。。在汽汽车工工业中中，钢钢铁材材料的的用量量占汽汽车用用材总总量的的70%左右。。常用的的碳素素钢，，含碳碳量小小于1.3%。实际际上，，碳素素钢除除含有有Fe和C两种元元素外外，同同时含含有少少量的的硫、、磷、、硅、、锰等等杂质质元素素。这这些杂杂质通通常是是由炼炼钢原原材料料带入入或者者由于于冶炼炼工艺艺需要要而有有意加加入的的一些些物质质，它它们的的存在在对钢钢铁的的性能能影响响较大大，尤尤其是是硫、、磷的的含量量应该该严格格控制制在要要求的的范围围内。。5.1碳碳素素钢的的组成成元素素几种常常用碳碳钢的的分类类方法法有：：按照碳碳钢中中的含含碳量量分为低低碳钢钢（含含碳量量WC低于0.25%）、中中碳钢钢（含含碳量量WC0.25%～0.60%）和高高碳钢钢（含含碳量量WC高于0.60%）。按照钢钢的用用途分为碳碳素结结构钢钢（主主要用用于制制造桥桥梁、、船舶舶、建建筑物物等各各类工工程构构件，，及齿齿轮、、螺钉钉、螺螺母、、连杆杆等各各种机机器零零件，，一般般属于于低碳碳钢和和中碳碳钢））和碳碳素工工具钢钢（主主要用用于制制造各各种刃刃具、、量具具和模模具等等，一一般属属于高高碳钢钢）。。按照钢钢中有有害杂杂质硫硫、磷磷含量量分为普普通碳碳素钢钢（硫硫的含含量Ws低于0.055%，磷的的含量量WP低于0.045%）、优优质碳碳素钢钢（硫硫的含含量Ws低于0.04%，磷的的含量量WP低于0.04%）和高高级优优质碳碳素钢钢（硫硫的含含量Ws低于0.03%，磷的的含量量WP低于0.035%）三类类。5.2碳碳素素钢的的分类类1．碳素素结构构钢碳素结结构钢钢的平平均含含碳量量在0.06%～0.38%范围内内，其其中含含有的的有害害元素素和非非金属属夹杂杂物较较多，，但性性能上上能满满足一一般工工程结结构及及普通通零件件的要要求，，因而而工程程上应应用较较广。。碳素结结构钢钢具有有较高高的强强度，，良好好的塑塑性和和韧性性，优优良的的工艺艺性能能（焊焊接性性、冷冷变形形成形形性）），通通常以以型材材（圆圆钢、、方钢钢、工工字钢钢、钢钢筋等等）、、板材材、管管材等等形式式用于于桥梁梁建筑筑等工工程构构件及及机械械零件件。在在汽车车零部部件中中，可可用碳碳素结结构钢钢制造造的有有螺钉钉、螺螺母圈圈、法法兰轴轴、制制动器器底板板、车车厢板板件、、发电电机支支架、、拉杆杆、销销、键键等。。5.3碳碳素素钢的的牌号号性能能及用用途.碳素结结构钢钢的牌号号由屈屈服点点字母母(Q)、、屈服服数值值、质质量等等级符符号（（A、、B、、C、、D））、脱脱氧方方法符符号(FbZTZ)等等四四部分分组成成，质质量等等级中中A级级质量量最低低，D级质质量最最高。。脱氧氧方法法符号号“F”、、“b”、、“Z”、、“TZ””分别别表示示沸腾腾钢、、半镇镇静钢钢、镇镇静钢钢、特特殊镇镇静钢钢。牌牌号中中“Z”、、“TZ””可省省略。。例：Q235-A.F表表示屈屈服点点为235MPa的的A级级碳素素钢，，脱氧氧不完完全属属于沸沸腾钢钢。优质碳碳素结结构钢钢优质碳碳素结结构钢钢的牌号号由两两个数数字表表示构构成，，数字字表示示钢的的含碳碳量，，并且且以碳碳质量量分数数的万万分之之一为为单位位，例例如45钢钢，表表示Wc＝＝0.45%的的优质质碳素素结构构钢。。若钢钢中含含锰量量较高高，但但不是是特意意加入入的，，则在在两个个数后后加Mn,如如:65Mn钢钢，是是指Wc＝＝0.65%且且含锰锰较高高的优优质碳碳素钢钢，若若为沸沸腾钢钢，则则在表表示牌牌号的的两个个数字字后加加"F",如08F表示示属于于沸腾腾钢的的Wc＝0.08%的优优质碳碳素结结构钢钢。优质碳碳素结结构钢钢Wc＝0.08%-0.90%,室室温组组织为为不同同量的的先析析铁素素体与与珠光光体均均匀分分部,低碳碳素的的优质质碳素素结构构钢,室温温组织织中的的铁素素体的的相对对量多多,塑塑性、、韧性性优良良，适适于制制造薄薄板、、钢带带、冷冷冲压压件等等，中中碳的的优质质碳素素钢，，室温温组织织铁素素体和和珠光光体相相对量量相当当，综综合力力学性性能好好，适适于制制造齿齿轮、、连杆杆等受受力复复杂的的机器器零件件，中中高碳碳的优优质碳碳素结结构钢钢，室室温组组织中中的珠珠光体体相对对量较较多，，其强强度、、硬度度高，，适于于制造造弹簧簧一类类的机机器零零件，，较高高含锰锰量的的碳素素结构构钢，，受锰锰元素素的有有益影影响，，适于于制造造截面面稍大大或要要求强强度稍稍高的的机器器零件件。常常用优优质碳碳素结结构钢钢的用用途举举列见见下表表。碳素工工具钢钢几种常常用碳碳素工工具钢钢性能能及用用途碳素工工具钢钢牌号以以“碳碳”字字汉语语拼音音字母母首““T””与其其后一一组数数字组组成，，数字字表示示钢的的碳含含量，，并且且以钢钢的千千分之之一为为单位位，例例如T9钢表示:Wc＝0.9%碳素工工具钢，，碳素具具钢属于于优质钢钢和高级级优质钢钢。高级级优质碳碳素工具具钢的牌牌号应在在末尾处处写“A”。例如如：T8A钢表示Wc＝0.8%的高级级优质钢钢。铸造碳素素钢几种常用用铸钢的的性能和和用途铸造碳钢钢形状复杂杂的钢质质零件常常常需要要铸造成成形，选选用铸造造碳钢材材料。铸铸造碳钢钢的牌号号以“铸铸钢”二二字汉语语拼音字字母首““ZG”与其后后两组数数字构成成。第一一组数字字表示百百度为100mm以下铸件件的室温温屈服点点，第二二组数字字表示该该铸件的的抗拉强强度。例如，ZG200-400钢，表示示＝＝200MPa,=400MPa.铸造碳素素钢几种常用用铸钢的的性能和和用途铸造碳钢钢形状复杂杂的钢质质零件常常常需要要铸造成成形，选选用铸造造碳钢材材料。铸铸造碳钢钢的牌号号以“铸铸钢”二二字汉语语拼音字字母首““ZG”与其后后两组数数字构成成。第一一组数字字表示百百度为100mm以下铸件件的室温温屈服点点，第二二组数字字表示该该铸件的的抗拉强强度。例如，ZG200-400钢，表示示＝＝200MPa,=400MPa.铸造碳素素钢几种常用用铸钢的的性能和和用途铸造碳钢钢形状复杂杂的钢质质零件常常常需要要铸造成成形，选选用铸造造碳钢材材料。铸铸造碳钢钢的牌号号以“铸铸钢”二二字汉语语拼音字字母首““ZG”与其后后两组数数字构成成。第一一组数字字表示百百度为100mm以下铸件件的室温温屈服点点，第二二组数字字表示该该铸件的的抗拉强强度。例如，ZG200-400钢，表示示σs＝200MPa,σb=400MPa，铸造造碳钢.六钢的热处处理钢的热处处理是将将钢在固固态下进进行加热热、保温温和冷却却，以消消除毛坯坯（铸铸件、锻锻件等））的缺陷陷，改善善钢的加加工工艺艺性能。。预备热处处理（又称中中间热处处理）是是零件加加工过程程中的一一道工序序，目的的为后续续的机械械加工或或进一步步的热处处理做准准备。最终热处处理是工件经经切削加加工等成成形工艺艺而得到到最终的的形状和和尺寸后后，再进进行的赋赋予工件件所需使使用性能能的热处处理。根据加热和冷冷却方式式的不同同和组织织性能的的变化特特点不同，分分为：普通热处处理（退火、、正火、、淬火、、回火等等）；表面热处处理（表面淬淬火和渗渗碳、渗渗氮、渗渗硼等的的化学热热处理））；特殊热处处理（形变热热处理和和磁场热热处理））。根据在零零件生产产工艺流流程中的的位置和和作用，，分预备热处处理最终热处处理由加热、、保温和和冷却三三个阶段段组成。。因此，，要了解解各种热热处理方方法对钢钢的组织织和性能能的影响响，必须须研究钢钢在加热热、保温温和冷却却过程中中的组织织转变规规律。热处理的的工艺过过程钢的加热热和冷却却时各临临界点的的实际位位置6.1钢在加热热时的组组织转变变加热是各各种热处处理必不不可少的的第一道道工序。。加热的的目的是是使钢部部分或完完全处于于奥氏体体状态。。通常将将这种加加热转变变过程称称为钢的的奥氏体体化，加加热时奥奥氏体化化的程度度及晶粒粒大小，，对其冷冷却转变变过程及及最终的的组织和和性能都都有极大大的影响响。以共析钢钢（含碳碳量Wc为0.77%）为例，，加热前前其内部部组织是是珠光体体，其中中的铁素素体和渗渗碳体间间隔排列列成片层层状，加加热时奥奥氏体的的转变过过程可分分为奥氏氏体的形形核、奥奥氏体晶晶核长大大、剩余余渗碳体体溶解和和奥氏体体成分的的均匀化化四个阶阶段。6.2钢在冷却却时组织织转变常用的冷冷却方式式有等温温冷却和和连续冷冷却两种种。等温冷却却是将加热热到奥氏氏体状态态的钢快快速冷却却到A1以下某—温度并保保温停留留一段时时间，使使其在该该温度下下发生组组织转变变，然后后再冷却却到室温温。连续冷却却则是指将将加热到到奥氏化化状态的的钢，以以不同的的冷却速速度连续续冷却至至室温，，并在连连续冷却却过程中中发生组组织转变变。等温冷却却连续冷却却过冷奥氏氏体的等等温转变变过冷奥氏氏体的连连续等温温转变6.3钢的普通通热处理理钢的退火火钢的正火火退火是把把钢加热热到适当当的温度度，经过过一定时时间的保保温，然然后缓慢慢冷却（（一般为为随炉冷冷却），，以获得得接近平平衡组织织的热处处理工艺艺。其主主要目的的是减少少钢锭、、铸件、、锻肧等等的化学学成分及及组织的的不均匀匀性，细细化晶粒粒，降低低硬度，，消除内内应力，，以及为为淬火做做好组织织准备。。钢材或钢钢件加热热Ac3（对于亚亚共析钢钢）或Acm（对于过过共析钢钢）以上上30℃～50℃，保温适适当时间间后，使使之完全全奥氏体体化，然然后在空空气中均均匀冷却却，以得得到珠光体组组织的热处理理工艺称称为正火火。正火火后组织织以索氏体为主。钢的退火火与正火火的选用用改善切削削加工性性在一般生生产中，，低碳钢钢通过正正火可提提高硬度度，改善善切削性性能；中中碳钢既既可采用用退火，，也可采采用正火火；含碳碳0.45%～0.6%的高碳钢钢则必须须采用完完全退火火；过共共析钢用用正火消消除网状状渗碳体体后再进进行球化化退火。。使用性能能方面对钢件的的性能要要求不太太高，可可采用正正火作为为最终热热处理。。如果零零件尺寸寸较大或或形状较较复杂，，应选择择退火。。经济性方方面正火比退退火生产产周期短短，操作作简便。。故在可可能条件件下，特特别是在在大批量量生产时时应优先先考虑以以正火代代替退火火。退火与正正火属于于同一类类型热处处理方式式，在选选择时从从以下几几方面考考虑：6.4钢的淬火火淬火是指将钢钢加热到到Ac3（亚共析析钢）或或Ac1（共析钢钢与过共共析钢））以上的的某一温温度，保保温后以以大于临临界冷却却速度Vc进行快速速冷却，，使奥氏氏体转变变为马氏氏体（或或下贝氏氏体）的的热处理理工艺。。淬火的的目的就就是获得得马氏体体，以提提高钢的的力学性性能，其其实质是是奥氏体体化后进进行马氏氏体转变变（或下下贝氏体体转变））。理想淬火火冷却曲曲线示意意图6.5钢的回火减少或消除内内应力淬火钢内往往往存在很大的的内应力，并并导致韧性下下降、零件变变形和开裂，，回火可消除除内应力，防防止工件变形形或开裂。获得工件所要要求的力学性性能淬火钢件硬度度高，脆性大大，为满足各各种工件不同同的性能要求求。可以通过过适当回火来来调整硬度，，获得所需的的塑性和韧性性。稳定工件尺寸寸通过回火可以以使组织趋于于稳定，以保保证工件在使使用过程中不不再发生变形形。改善某些合金金钢的切削性性能常采用高温回回火，使碳化化物适当聚集集，降低硬度度，以利于切切削加工。回火是把淬火火钢加热到Ac1以下的某一温温度保温后进进行冷却的热热处理工艺。。淬火钢回火的的目的回火的种类及及应用根据一般钢件件的不同性能能要求，按其其回火温度范范围，可将回回火分为低温温回火、中温温回火和高温温回火三种形形式。一淬火钢回火时时的力学性能能变化1）硬度变化各种钢在200℃以下回火时，，硬度变化不不大，保持淬淬火马氏体的的高硬度。200～300℃回火后，由于于马氏体分解解造成的硬度度降低已由残残余奥氏体转转变为下贝氏氏体带来的硬硬度升高所补补偿，所以硬硬度的降低不不大。对于高碳钢，，因为淬火后后残余奥氏体体量较多，回回火后有时还还可使硬度略略有提高。回回火温度继续续升高，钢的的硬度很快下下降。对于碳碳钢，回火温温度每升高100℃，硬度约下降降10HRC。2）强度与塑性性的变化40钢的强度随回回火温度升高高而降低，塑塑性随回火温温度升高而升升高，但超过过650℃时反而降低。。这是由于回回火温度增高高，马氏体中中的碳不断析析出，位错密密度下降，内内应力减小以以及粒状渗碳碳体粗化等原原因。回火温温度大于650℃时，由于组织织过分粗化而而使塑性下降降。6.6钢的表面热处处理感应加热表面面淬火当感应器中通通入高频交变变电流时，所所产生的交变变磁场使放入入感应器内的的工件内部感感生出巨大的的涡流。感应应电流在工件件表层密度最最大，而心部部密度几乎为为零，这种现现象称为“集集肤效应”。。由于钢件本本身具有电阻阻，因而集中中于表层的电电流可使表层层被迅速加热热，几秒钟内内温度可升至至800～1000℃,而心部部的几几乎未未被加加热，，在随随后的的喷水水冷却却时工工件表表层即即被淬淬硬。。感应加加热表表面淬淬火是是用一一定方方法使使工件件表面面产生生一定定频率率的感感应电电流，，将工工件表表面迅迅速加加热然然后迅迅速淬淬火冷冷却的的一种种热处处理操操作方方法。。感应加加热的的基本本原理理感应加加热表表面淬淬火的的特点点与普通通加热热淬火火相比比，感感应加加热表表面淬淬火在在工业业上的的应用用更广广泛。。原因因是由由于感感应加加热表表面淬淬火有有以下下优点点：感应加加热速速度极极快时间就就可一一般只只需几几秒至至几十十秒使使工件件达淬淬火温温度。。由于于快速速加热热，使使相变变临界界点（（Ac1、Ac3）升高高，转转变温温度范范围扩扩大但但转变变所需需时间间缩短短。工件表表层获获得极极细小小的马马氏体体（称称隐晶晶马氏氏体））组织织使工件件表层层具有有比普普通淬淬火稍稍高的的硬度度且脆脆性较较低，，具有有较高高的疲疲劳强强度。。工件表表面质质量好好由于快快速加加热，，工件件表面面不易易氧化化、脱脱碳，，且淬淬火时时工件件变形形小。。生产效效率高高便于实实现机机械化化、自自动化化。淬淬硬层层深度度也易易于控控制。。化学热热处理理是将将工件件置于于某种种化学学介质质中，，通过过加热热、保保温和和冷却却使介介质中中某些些元素素渗入入工件件表面面以改改变工工件表表面层层的化化学成成分和和组织织，从从而使使其表表面与与心部部具有有不同同的特特殊性性能的的一种种热处处理工工艺。。可根据据工件件的工工作条条件和和对性性能的的要求求，选选用不不同的的方法法。例例如渗渗碳、、碳氮氮共渗渗可提提高钢钢的硬硬度、、耐磨磨性及及疲劳劳强度度。氮氮化、、渗硼硼、渗渗铬使使工件件表面面硬度度增加加，耐耐磨性性和耐耐蚀性性显著著提高高。渗渗铝可可提高高耐热热抗氧氧化性性，渗渗硫可可提高高减摩摩性，，渗硅硅可提提高耐耐酸性性等。。1）化学学热处处理的的基本本过程程常用的的化学学处理理方法法包括括渗碳碳、渗渗氮和和碳氮氮共渗渗等几几种形形式。。无论论哪种种形式式的化化学热热处理理，元元素渗渗入零零件表表面层层均由由介质质分解解、工工件表表面吸吸收和和原子子扩散散三个个基本本过程程所组组成。。在化化学热热处理理过程程中，，只有有活性性原子子才能能为工工件表表面所所吸收收。化化学介介质在在一定定温度度下，，分解解生成成活性性原子子。2）钢的的渗碳碳钢的渗渗碳是是向低低碳钢钢或低低碳合合金钢钢表层层渗入入碳原原子，，以提提高钢钢件碳碳层含含碳量量，使使之具具有高高硬度度和高高耐磨磨性，，中心心部仍仍保持持良好好韧性性的热热处理理过程程。渗碳广广泛用用于在在磨损损情况况下工工作并并承受受冲击击载荷荷、交交变载载荷的的工件件，如如汽车车、拖拖拉机机的传传动齿齿轮，，内燃燃机的的活塞塞销等等。化学热热处理理6.7钢的其其他热热处理理真空热热处理理1）加热热速度度缓慢慢，工工件变变形小小工件在在真空空中加加热，，热量量传递递主要要靠辐辐射，，加热热速度度缓慢慢，工工件变变形较较小。。2）氧化化作用用被抑抑制在真空空中加加热，，随着着真空空度的的提高高，由由于氧氧气分分子稀稀薄，，氧化化作用用被抑抑制，，可以以实现现无氧氧化加加热的的光亮亮热处处理。。3）表面面净化化在高真真空状状态下下，由由于氧氧分解解压极极低，，形成成的氧氧气由由真空空泵排排出。。4）脱气气作用用在真空空加热热升高高到800℃以上时时，溶溶于钢钢中的的氢、、氮以以及氧氧化物物分解解的气气体逸逸出，，发生生脱气气作用用。5）蒸发发现象象合金钢钢在真真空中中加热热时，，某些些蒸气气压高高的合合金元元素，，将发发生挥挥发现现象。。所谓真真空是是指压压力较较正常常大气气压小小（即即负压压）的的任何何气态态空间间。若若将热热处理理的加加热和和冷却却过程程置于于真空空中进进行，，就称称为真真空热热处理理。真空热热处理理的基基本特特点形变热热处理理形变热热处理理是将将塑性性变形形和热热处理理有机机结合合，以以提高高材料料力学学性能能的复复合工工艺。。目的：：使形形变强强化与与相变变强化化结合合起来来，获获得比比普通通热处处理更更高的的强韧韧化效效果，，同时时可简简化工工序和和节能能。形变热热处理理的分分类常用的的几种种形变变热处处理包包括：：1）高温温形变变淬火火高温形形变淬淬火是是在奥奥氏体体稳定定区进进行形形变，，随后后淬火火获得得马氏氏体组组织的的热处处理工工艺。。目前前生产产中采采用的的锻后后余热热淬火火、热热轧淬淬火等等就是是这种种类型型。2）高温温形变变等温温淬火火是在奥奥氏体体稳定定区形形变，，随后后在贝贝氏体体区等等温淬淬火，，获得得贝氏氏体组组织的的热处处理工工艺。。如其其断裂裂强度度、塑塑性与与韧性性等也也高于于普通通淬火火。3）低温温形变变淬火火低温形形变淬淬火是是在奥奥氏体体化后后，迅迅速冷冷却至至亚稳稳奥氏氏体区区（500～600℃）形变变，随随后淬淬火，，获得得马氏氏体组组织的的热处处理工工艺。。它的的特点点是在在保证证一定定塑性性的条条件下下，大大幅度度地提提高强强度。。相变前前形变变相变中中形变变相变后后形变变表面气气相沉沉积是气相相中的的纯金金属或或化合合物在在零件件表面面沉积积，形形成具具有特特殊性性能膜膜层的的方法法。为了提提高零零件的的耐磨磨性、、减缓缓材料料的腐腐蚀，，材料料表面面性能能优化化技术术已被被人们们越来来越重重视。。其中中表面面气相相沉积积是一一种发发展较较快、、应用用最广广的表表面涂涂覆新新技术术。形变热热处理理的分分类化学气气相沉沉积（（CVD）物理气气相沉沉积（（PVD）两种种。根据成成膜过过程机机理不不同七铸铁铁铸铁是是指含含碳量量大于于2.11%的铁碳碳合金金，工工业上上常用用的铸铸铁都都不是是简单单的二二元合合金，，而是是以Fe、C、Si为主要要元素素的多多元合合金。。普通通铸铁铁的成成分范范围是含碳碳2.5～4.0%，硅1.0～3.0%，锰0.5～1.4%，磷0.01～0.5%，硫0.02～0.2%。铸铁是是一种种成本本低廉廉并具具有良良好性性能的的金属属材料料。与与钢相相比，，虽然然铸铁铁的机机械性性能，，特别别是抗抗拉强强度及及韧、、塑性性较低低，但但由于于它具具有优优良的的减震震性、、耐磨磨性、、耐腐腐蚀性性、铸铸造性性及切切削加加工性性，而而且生生产设设备工工艺简简单，，因此此在工工业上上得到到广泛泛的应应用。。铸铁铁的的优优点点7.1铸铁铁的的石石墨墨化化铸铁铁中中石石墨墨的的作作用用石墨墨化化的的优优点点石墨墨化化的的缺缺点点铸铁铁有有较较高高的的流流动动性性，，而而且且在在凝凝固固过过程程中中会会析析出出比比容容质较大大的的石石墨墨，，从从而而减减小小其其收收缩缩率率。。故故具具有有优优良良的的铸铸造造性性；；铸铁铁组组织织中中石石墨墨的的存存在在，，不不仅仅割割断断了了基基体体的的连连续续性性，，而而且且在在其其尖尖端端处处还还会会引引起起应应力力集集中中。。所所以以铸铸铁铁的的抗抗拉拉强强度度、、塑塑性性和和韧韧性性远远不不如如钢钢。。石石墨墨片片的的量量越越多多，，尺尺寸寸越越大大，，影影响响也也越越大大、、石墨墨具具有有割割裂裂基基体体连连续续性性的的作作用用，，从从而而使使铸铸铁铁的的切切屑屑易易脆脆断断，，具具有有良良好好的的切切削削加加工工性性；；石墨墨本本身身