机械制造基础 课件 第1-5章 金属材料的力学性能 - 钢的分类及编号

机械制造基础*课题一金属材料的力学性能

[主要内容]1.1强度与塑性1.2硬度1.3冲击韧性1.4疲劳强度1.5金属材料的硬度试验[重点掌握]

各种力学性能指标（强度,塑性；硬度；冲击韧性等）的概念、物理意义、单位及操作技能。*§1.1强度和塑性1.拉伸试样及拉伸曲线2.拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义*1.拉伸试样及拉伸曲线1）拉伸试样：长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0*纵坐标为载荷F，单位为N；横坐标为伸长量ΔL，单位为mm。试样在拉伸过程中承受的载荷F和产生的变形量ΔL之间的关系曲线，称为拉伸曲线或称为力-伸长曲线。2）拉伸曲线*曲线分为四个阶段：阶段I（ope）――弹性变形阶段

p:Fp，e:Fe（不产生永久变形的最大抗力）

op段：△L∝Fp直线阶段

pe段：极微量塑性变形（0.001--0.005%)2.拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义*阶段II（ess’段）――屈服变形

S:屈服点

Fel阶段III（s’b段）――均匀塑性变形阶段

b:

Fm

材料所能承受的最大载荷*阶段IV(bz段)――－－颈缩阶段

拉伸试样的颈缩现象*铸铁、陶瓷等脆性材料与退火低碳钢拉伸曲线比较*材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。材料在外力作用下刚开始产生塑性变形时的最小应力值。即在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力。

1)强度：屈服强度Rel：*高碳钢等无屈服点，国家标准规定以残余变形量为0.2%时的应力值作为它的条件屈服强度，以R0.2来表示规定残余伸长应力：*材料断裂前所承受的最大应力值。（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。抗拉强度Rm：*材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。

断后伸长率A=(Lu-L0)/L0×100%伸长率与试样尺寸有关；A5、A10(L0=5d0,10d0)

2)塑性：*断面收缩率

Z=△S/S0=(S0-Su)/S0x100%

A

>Z时，无颈缩，为脆性材料表征；

A<Z时，有颈缩，为塑性材料表征。拉伸试样的颈缩现象2)塑性：*硬度是衡量材料软硬程度的指标，表示材料抵抗局部塑性变形或破坏的能力，是表征材料性能的一个综合参量。能够反映出金属材料在化学成份、金相组织和热处理状态上的变化，是检验产品质量、研制新材料和确定合理的加工工艺所不可缺少的检测性能方法之一。同时硬度试验是金属力学性能试验中最简便、最迅速的一种方法。1.2硬度硬度试验方法很多，常用的有三类：压入法、刻画法、弹性回跳法；常用压入法。*压入法即在规定的静态试验力作用下将压头压入材料表面，用压痕直径或压痕深度来评定硬度。常用的有布氏硬度、洛氏硬度。1.布氏硬度*布氏硬度试验原理如右图所示。按GB/T231.1-2002的规定，对一定直径的硬质合金球施加试验力压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，测量试样表面的压痕直径。**式中

F——试验力(N)；

S——压痕表面积(mm2)；

d——压痕直径(mm)；

D——硬质合金球直径(mm)；布氏硬度的计算公式：*布氏硬度有两个符号HBS和HBW压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在450～650之间的材料。*例如：

如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120

布氏硬度值的表示表示方法为：硬度值+HBW+球直径+试验力+与规定时间

试验力保持时间(10～15s不标注)*再如

350HBS5／750表示用直径5mm淬火钢球在7.355KN试验力作用下保持10～15s测得的布氏硬度值为500。符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。*布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。布氏硬度的缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。应用范围：适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。材料的Rm与HB之间的经验关系：对于低碳钢:Rm

(MPa)≈3.6HB

对于高碳钢：Rm

(MPa)≈3.4HB

对于铸铁：Rm

(MPa)≈1HB或0.6(HB-40)*2.洛氏硬度洛氏硬度试验原理如右图所示，按GB/T230.1-2004规定，将压头（金刚石圆锥、钢球和硬质合金）压入试样表面，经规定保持时间后，卸除主试验力，(测的是在初试验力下的残余压痕深度h),可直接从硬度计的表盘上读出硬度值。**常用标尺有：A、B、C三种：上述三个标尺表示方法和适用范围如下：

①HRA（金刚石圆锥压头）70-88；硬、薄试件，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。②HRB

（直径1.588mm钢球压头）20-100

；轻金属，未淬火钢，如有色金属和退火、正火钢等。③HRC

（金刚石圆锥压头）20-70；较硬，淬硬钢制品；如调质钢、淬火钢等。*洛氏硬度的优点：操作简便，可以测定软、硬金属的硬度，也可测定较薄工件的硬度；压痕小，可用于成品检验。适用范围广。缺点：由于压痕小，测量组织不均匀的金属硬度时，测量结果分散度大，而且不同标尺测得硬度值既不能直接进行比较，又不能彼此互换。*维氏硬度按GB/T4340.1-1999《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，其试验原理与布氏硬度相同，如右图所示。同样是根据压痕单位面积上所受的平均载荷计量硬度值，不同的是维氏硬度的压头采用金刚石制成的锥面夹角

为136°的金刚石正四棱锥体。3.维氏硬度*

硬度值+HV+试验力数字+与规定时间（10～15S）不同的试验力保持时间例如：640HV30/20表示在294.3N作用下保持20s后测得的维氏硬度值为640。维氏硬度的单位为N/mm2，但一般不标出。维氏硬度的表示方法为：*维氏硬度试验具有前两种硬度试验的优点而抛弃了它们的缺点，负荷大小可任意选择，测定范围宽，既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。特别适用于薄工件或薄表面硬化层的硬度测试，又可测量金相组织中不同相的硬度。其缺点是生产率比洛氏硬度试验低，不宜于成批生产检验。*§1.3冲击吸收功

许多机件，如枪管、炮管、冷冲模、锤头等都是在冲击载荷(载荷以很快的速度作用于机件)下工作。试验表明，载荷速度增加，材料的塑性、韧性下降，脆性增加，易发生突然性破断。因此，使用的材料就不能用静载荷下的性能来衡量，而必须用抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力，即冲击韧性来衡量。

冲击韧性

指金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。

*1、冲击韧性的测定测定金属的冲击韧性，工程上最常用的动力试验方法有一次摆锤冲击弯曲试验，如右图所示。*将被测的材料按国标GB229-84做成标准试样放在冲击试验机的两支座上，使试样缺口背向摆锤冲击方向，然后把质量为m的摆锤提到h1高度，然后释放摆锤，冲断试样后摆锤回升到h2高度，根据功能原理可知：摆锤冲断试样所消耗的功AK=mgh1-mgh2。AK称为冲击吸收功，单位焦耳（J）。*用AK除以试样缺口处的横截面积Ｓ所得的商即为该材料的冲击韧性，用符号αK表示，即：冲击韧性就是试样断口处单位面积所消耗的功。*冲击吸收功Ak值可从试验机的刻度盘上直接读出。

Ak值的大小，代表了材料的冲击韧性高低。*冲击试验的特点和应用冲击试验操作简单、迅速，能灵敏地反映出材料的品质、内部缺陷和冶炼、热处理工艺质量，因而生产上广泛用它来检验材料的冷脆、蓝脆、回火脆性、裂纹、白点等，此外，在选材方面，ak值也是一个十分重要的力学性能指标。*ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。2、多冲抗力

金属材料抵抗小能量多次冲击的能力叫做多冲抗力。多冲抗力可用在一定冲击能量下的冲断周次N表示。材料的多冲抗力取决于材料强度与韧性的综合力学性能，冲击能量高时，主要取决于材料的韧性；冲击能量低时，主要决定于强度。*材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。*疲劳：零件在交变载荷或重复应力作用下，过早发生破坏的现象。疲劳强度R-1

：材料经无数次应力循环或达到规定的循环次数才断裂的最大应力值。1.4疲劳强度

（80%的断裂由疲劳造成）金属材料疲劳强度较高，陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。*将钢铁材料应力循环数达到107次时不发生断裂的最大应力作为其疲劳强度；有色金属和合金的应力循环数达到108次时不发生断裂的最大应力作为它们的疲劳强度。周次*影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。*42

第二章金属的晶体结构与结晶2.1纯金属的晶体结构2.2金属的实际晶体结构2.3合金的晶体结构2.4金属的结晶[本章内容][重点掌握]1.有关晶体结构的基本概念：晶体，晶格，晶粒，单晶体;三种常见的金属晶格;实际晶体的缺陷；43[一般要求]2.二元合金的基本概念：相、组织、组元、合金等；

3.合金相结构的基本类型：固溶体及金属化合物，以及这些合金相结构的结构特点与性能特点;4.金属的结晶、结晶过程;晶核的形成、长大规律及其影响因素。晶格的致密度，晶体的各向异性[重点掌握]44固态物质的性能与原子在空间的排列情况有着密切的关系。固态物质按其原子（或分子）的聚集状态不同分为晶体与非晶体。（1）晶体：指原子呈规则、周期性排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。如金刚石、石墨和一切固态金属及其合金等。2.1纯金属的晶体结构1、晶体与非晶体

45晶体的特点：①原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列。②具有一定的熔点，如铁的熔点为1538℃，铜的熔点为1083℃。③晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有各向异性。如金刚石、石墨和一切固态金属及其合金等。金属的结构晶态非晶态Si2O的结构46（2）非晶体：原子呈无规则杂乱地堆积在一起而形成的物质，和液体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。如塑料、玻璃、沥青等。金属的结构晶态非晶态Si2O的结构47非晶体的特点：①原子在三维空间呈不规则的排列。②没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青等。③各个方向上的原子聚集密度大致相同，即具有各向同性。金属的结构晶态非晶态Si2O的结构48（3）二者的区别为：(a)是否具有周期性、对称性(b)是否长程有序(c)是否有确定的熔点(d)是否各向异性2.金属的晶体结构晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。（1）理想晶体——实际晶体的理想化·三维空间无限延续，无边界·严格按周期性规划排列，是完整的、无缺陷。·原子在其平衡位置静止不动49（2）理想晶体的晶体学抽象①晶格为了清楚的表明原子在空间的排列规律，人为地将原子看作一个点，再用一些假想线条，将晶体中各原子的中心连接起来，便形成了一个空间格子，这种抽象的、用于描述原子在晶体中规则排列方式的空间几何图形称为结晶格子，简称晶格。晶格中直线的交点称为结点。50

②晶胞晶体中原子的排列具有周期性变化的特点，因此只要在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元进行分析，便能确定原子排列的规律。晶格中能代表原子排列规律的最基本几何单元称为晶胞。实际上整个晶格就是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。51③晶格常数

为了研究晶体结构的需要，在结晶学中规定用晶格常数来表示晶胞的几何形状和大小。晶胞的各棱边长为a、b、c，称为晶格常数。当晶格常数a=b=c，棱边夹角α=β=γ=90°时，这种晶胞称为简单立方晶胞。523.常见的金属晶格类型体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格。53体心立方晶格的晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和立方体中心各有一个原子。晶胞中原子数可参照如下的计算方法：晶胞每个结点上原子为相邻的8个晶胞共有，加上晶胞中心一个原子，故每个晶胞原子数n=8×1/8+1=2(个)。属于体心立方晶格类型的金属有α-Fe（912℃以下的钝铁）、铬、钼、钨等。体心立方晶格：54面心立方晶格和晶胞也是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面中心各有一个原子。晶胞中原子数可参照如下计算方法：晶胞每个结点上的原子为相邻的8个晶胞所共有，而每个面中心的原子却为两个晶胞所共有，所以，每个晶胞中的原子数为n=8×1/8+6×1/2=4(个)。属于面心立方晶格类型的金属有γ-Fe（1394－912℃的钝铁）、铝、铜、银等。面心立方晶格

：55密排六方晶格的晶胞是在正六方柱体的十二个结点和上、下两底面的中心处各排列一个原子，另外，中间还有三个原子。该晶胞要用两个晶格常数表示，一个是六边形的边长a，另一个是柱体的高度c。当轴比ｃ／ａ为1.633时，原子排列最紧密。密排六方晶胞中的原子数n=12×1/6+2×1/2＋3=6(个)。密排六方晶格：56（1）多晶体结构

2.2金属的实际晶体结构晶体内部的晶格位向（即原子排列方向）完全一致的晶体称为单晶体。

由许多小晶体组成的晶体称为多晶体，这些小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。

57虽然每个晶粒具有各向异性，但不同方向的金属性能是很多位向不同晶粒的平均性能，故多晶体材料表现为各向同性。58（2）晶体缺陷

晶体中原子规律排列受到破坏的某些区域，称为晶体缺陷。晶体缺陷按其几何特征分为晶体缺陷产生晶格畸变，会使金属的强度和硬度有所提高。

点缺陷线缺陷面缺陷59①点缺陷

点缺陷是指长、宽、高尺寸都很小的缺陷。常见的点缺陷是空位和间隙原子。在实际晶体结构中，晶格的某些结点往往未被原子所占有，这种空着的位置称为空位；与此同时，又有可能在个别晶格空隙处出现多余原子，这种不占有正常晶格位置而处在晶格空隙中的原子，称为间隙原子。在空位和间隙原子附近，由于原子间作用力的平衡被被坏，使其周围原子发生靠拢或撑开，因此晶格发生歪曲（亦称晶格畸变），使金属的强度提高，塑性下降。60

②线缺陷

线缺陷是在空间的一个方向上尺寸很大，其余两个方向上尺寸很小的一种缺陷。晶体中的线缺陷通常是指各种类型的位错。所谓位错就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。这种错排有许多类型，常见的是刃型位错和螺型位错。61③面缺陷面缺陷是在两个方向的尺寸很大，第三个方向的尺寸很小而呈面状的缺陷。这类缺陷主要指晶界和亚晶界。62晶界工业上使用的金属材料一般都是多晶体。多晶体中两个相邻晶粒之间的位向不同，所以晶界处实际上是原子排列逐渐从一种位向过渡到另一种位向的过渡层，该过渡层的原子排列是不规则的，如图所示。由于过渡层原子排列不规则，使晶格处于歪扭畸变状态，因而在常温下会对金属塑性变形起阻碍作用，从宏观上来看，晶界处表现出有较高的强度和硬度。晶粒越细小，晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大，金属的强度、硬度也就越高。63亚晶界实验证明，晶粒内部的晶格位向也不是完全一致的。实际上每个晶粒皆是由许多位向差很小（2°～3°）的小晶块互相嵌镶而成的，这些小晶块称为亚组织（亦称嵌镶块或亚结构）。亚组织之间的边界称为亚晶界。亚晶界实际上是由一系列刃型位错所组成的小角度晶界，如图所示。由于亚晶界处原子排列也是不规则的，使晶格产生了畸变，因此，亚晶界作用与晶界相似，对金属强度也有着重要影响，亚晶界越多，强度也越高。64

1、合金的基本概念2.3合金的晶体结构

1）合金合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。如黄铜是铜和锌的组成合金；碳钢是铁和碳组成的合金；硬铝是铝、铜、镁组成的合金等。合金不仅具有纯金属的基本特性，同时还具备了比纯金属更好的力学性能和特殊的物理、化学性能。另外，由于组成合金的各元素比例可以在很大范围内调节，从而使合金的性能随之发生一系列变化，满足了工业生产中各类机械零件的不同性能要求。65由二个或二个以上的组元按不同比例配制的一系列不同成分的合金，称为一个合金系，简称系。由两个组元构成的称为二元系，由三个组元构成的称为三元系等。另外，也可由构成元素来命名，如铁碳合金。2）组元

组成合金独立的、最基本的物质称为组元，简称元。组元大多数是元素，如铁碳合金中的铁元素和碳元素是组元；铜锌合金中的铜元素和锌元素也是组元。有时稳定的化合物也可作为组元，如Fe3C等。合金的组元通常是纯元素，也可以是稳定化合物。

3）合金系664）相相是指在合金（金属组织）中化学成分、晶体结构和物理性能相同并且与其它部分由界面分开的均匀组成部分。其中包括固溶体、金属化合物及纯物质（如石墨）。675）组织

组织是指用肉眼或借助显微镜能观察到的具有某种形态特征的合金组成物。其实质是一种或多种相按一定的方式相互结合所构成的整体的总称。只由一种相组成的组织称为单相组织；由几种相组成的组织称为多相组织。它直接决定合金的性能。金属材料的组织不同，其性能也就不同。68将金属试样的磨面经适当处理后用肉眼或借助放大镜观察的组织，称为宏观组织；将用适当方法（如浸蚀）处理后的金属试样的磨面复型或制成的薄膜置于光学显微镜或电子显微镜下观察到的组织，称为显微组织。692、合金的晶体结构根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的相可分为固溶全和金属化合物两大类。根据合金中各组元之间的相互作用不同，可分为

1）固溶体

2）金属化合物

3）机械混合物

(1)置换固溶体

(2)间隙固溶体

701）固溶体

溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的合金相，称为固溶体。例如铁碳合金中，α铁中溶入碳原子而形成的铁素体即为固溶体。根据溶质元素在溶剂晶格中所占位置的不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两类。置换固溶体就是溶质原子替换了溶剂晶格某结点上的原子而形成的（如图示）。71间隙固溶体就是溶质原子溶入溶剂晶格的单间隙之中而形成的（如图示）。因晶格中的空隙位置是有限的，所以间隙固溶体是有限固溶体。由于溶质原子的溶入，会引起固溶体晶格发生畸变，晶格畸变使合金变形阻力增大，从而提高了合金的强度和硬度，这种现象称为固溶强化。它是提高材料力学性能的重要途径之一。例如，我国的低合金强度结构钢，就是利用锰、硅等元素来强化铁素体，从而使材料的力学性能大为提高。722、金属化合物金属化合物是合金组元之间相互发生作用而形成具有金属特性的一种新相，其晶格类型和性能完全不同于合金中的任一组元，一般可用分子式来表示，如FeB、Fe3C、Cr23C6等。其中Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。

73

金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬度高，脆性大。当合金中出现金属化合物时，合金的强度、硬度和耐磨性均提高，而塑性和韧性降低。金属化合物是许多高合金的重要组成相，与固溶体适当配合可以提高合金的综合力学性能。3、机械混合物机械混合物是合金中的一类复相混合物组织，不同的相均可互相组合形成机械混合物。各相在机械混合物中仍保持原有的晶格和性能，机械混合物的性能介于组成的相性能之间，工业上大多数合金均由混合物组成，如钢、铸铁、铝合金等。742.4金属的结晶一.结晶与凝固的区别二.纯金属的冷却曲线和过冷现象三.纯金属的结晶过程四.金属晶粒的大小与控制雾凇75一、结晶与凝固的区别凝固：L→S

S可以是非晶结晶：一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程。一次结晶：L→S晶态二次结晶：S→S晶态76二、纯金属的冷却曲线和过冷现象金属由液态转变为固态晶体的过程称为结晶。纯金属的结晶是在固定的温度下进行的。1.冷却曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。a.当温度T>T0时，

液相稳定b.当温度T<T0时，

固相稳定c.当温度T=T0时，

平衡状态

T0：理论结晶温度（熔点或平衡结晶温度）,在该温度下,液体和晶体处于动平衡状态。772.过冷与过冷度

液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差

T称过冷度。T=T0–T1过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。

纯金属的冷却曲线78三、纯金属的结晶过程1、结晶的基本过程纯金属的结晶过程是一个不断形成晶核和晶核不断长大的过程。液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在T0以下，经一段时间后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。792、晶核的形成方式

形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核(自发形核)。以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核(非自发形核)

。非均匀形核更为普遍。803、晶核的长大方式

晶核的长大方式有两种，即平面长大和树枝状长大。实际金属的结晶主要以树枝状长大。这是由于晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…，树枝间最后被填充。81表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。晶粒度可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。822.决定晶粒度的因素

晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。单位时间内晶核生长的长度叫长大速度(G)。N/G比值越大，晶粒越细小。因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。过冷度对N、G的影响83金属晶粒大小及细化方法

结晶后，得到多晶体金属。一般，晶粒越细小，强度、硬度越高，塑性、韧性也越好。工业生产中常采用以下方法来细化晶粒，从而提高金属的力学性能：1）增加过冷度

2）变质处理

3）附加振动四.金属晶粒的大小与控制

金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。因晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，使在断裂前发生较大的塑性变形。强度和塑性同时增加，金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。842.5合金的结晶合金的结晶合金的结晶与纯金属相似，都遵循形核与核长大的规律。第三章铁碳合金[本章内容][重点掌握]3.1铁碳合金的基本组织3.2铁碳合金相图3.3铁碳合金成分、组织与性能之间的关系3.4铁碳合金相图的主要作用1.铁碳合金的基本组织；铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体的结构和性能特点及显微组织形貌；2.铁碳合金相图中各点、线、区的含义，了解成份、温度、组织、相之间的关系和变化规律，根据相图，分析各种典型成份的铁碳合金的结晶过程；3.铁碳合金的成份、组织与性能之间的关系；4.铁碳相图的应用。[重点掌握]纯铁的同素异构转变

铁素体是碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，用F表示。碳在δ-Fe中的固溶体称δ-铁素体，用δ表示。都是体心立方的间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低，在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%，几乎为零。其性能与纯铁相似，即强度和硬度很低，塑性、韧性好。显微组织是明亮的多边形晶粒。3.1铁碳合金的基本组织1.铁素体（F）

铁素体2.奥氏体（A）

奥氏体是碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，用A表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。碳在γ-Fe中的溶碳量较高（溶碳能力比铁素体大），

1148℃时最大为2.11%；727℃时为0.77%。其强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性好，钢材热加工都在

区进行。其晶粒呈不规则多面体，晶界较铁素体平直。碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体

渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，即Fe3C，碳含量是6.69％，用Fe3C或Cm表示。具有复杂的晶体结构。其硬度很高，脆性很大。塑性和韧性很差，A、Ak接近于零。Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C→3Fe+C（石墨），该反应对铸铁有重要意义。由于碳在

-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。3.渗碳体（Fe3C）

4.珠光体（P）

珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。是奥氏体冷却时，在727℃恒温下发生共析转变的产物。性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。显微组织是铁素体与渗碳体片层状交替排列。珠光体5.莱氏体（Ld或L'd）

莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。是在1148℃恒温下发生共晶转变的产物，平均碳含量4.3%。共晶白口铁金相莱氏体（Ld或Ld'）

3.2铁碳合金相图目前应用的铁碳合金状态图是含碳量为0～6.69%的铁碳合金部分（即Fe－Fe3C部分），因为含碳量大于6.69％的铁碳合金在工业上无使用价值。右图为简化后的Fe－Fe3C状态图。

3.2.1Fe－Fe3C相图分析

1.主要特性点

1）A点纯铁的熔点，温度1538℃,Wc=02）G点纯铁的同素异晶转变点，冷却到912℃时,发生γ-Fe→α-Fe3）Q点600℃时,碳在α-Fe中的溶解度,Wc=0.0057%4）D点渗碳体熔点,温度1227℃,Wc=6.69%6）C点共晶点，温度1148℃，Wc=4.3%成分为C的液相，冷却到此温度时，发生共晶反应：Lc→Ld（AE+Fe3C）5）F点共晶Fe3C成分成分点7）E点碳在γ-Fe中的最大溶解度，温度1148℃，Wc=2.11%8）S点共析点，温度727℃，Wc=0.77%成分为S点的奥氏体，冷却到此温度时，发生共析反应：As→P（Fp+Fe3C）10）K点共析Fe3C成分点9）P点碳在α-Fe中的最大溶解度,温度727℃，Wc=0.0218%2.特性线

1）ACD线

液相线，由各成分合金开始结晶温度点所组成的线，铁碳合金在此线以上处于液相。2）AECF线固相线，由各成分合金结晶结束温度点所组成的线。在此线以下，合金完成结晶，全部变为固体状态。3）ECF水平线共晶线，Wc＞2.11%的铁碳合金，缓冷至该线（1148℃）时，均发生共晶转变，生成莱氏体。4）ES线碳在奥氏体中的溶解度曲线，通常称为Acm线。碳在奥氏体中最大溶解度是E点（wC＝2.11％），随着温度的降低，碳在奥氏体中的溶解度减小，将由奥氏体中析出二次渗碳体Fe3CⅡ。5）GS线奥氏体冷却时开始向铁素体转变的温度线，通常称为A3线。6）PSK水平线共析线，通常称为A1线。奥氏体冷却到共析线温度（727℃）时，将发生共析转变生成珠光体（P），wC＞0.0218%的铁碳合金均会发生共析转变。7）GP线0＜Wc＜0.0218%的铁碳合金，缓冷时，由奥氏体中析出铁素体的终了线。8）PQ线碳在铁素体中的溶解度曲线。在727℃时，Wc=0.0218%，溶碳量最大，在600℃时，Wc=0.0057%。

在727℃缓冷时，铁素体随着温度降低，溶碳量减少，铁素体中多余的碳将以渗碳体（三次渗碳体Fe3CⅢ）的形式析出。一般情况下，忽略Fe3CⅢ的存在。以上各特性线的含义，均是指合金缓慢冷却过程中的相变。若是加热过程，则相反。3.相区1）单相区(四个)有F、A、L和Fe3C四个单相区2）两相区(五个)五个两相区：L＋A两相区、L+Fe3C两相区、A+Fe3C两相区、A＋F两相区、F+Fe3C两相区3）三相区(两个)ECF共晶线是液相、奥氏体、渗碳体的三相共存线（L、A、Fe3C）PSK共析线是奥氏体、铁素体、渗碳体的三相共存线（A、F、Fe3C）4.铁碳合金的分类

第三章铁碳合金[本章内容][重点掌握]3.1铁碳合金的基本组织3.2铁碳合金相图3.3铁碳合金成分、组织与性能之间的关系3.4铁碳合金相图的主要作用1.铁碳合金的基本组织；铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体的结构和性能特点及显微组织形貌；2.铁碳合金相图中各点、线、区的含义，了解成份、温度、组织、相之间的关系和变化规律，根据相图，分析各种典型成份的铁碳合金的结晶过程；3.铁碳合金的成份、组织与性能之间的关系；4.铁碳相图的应用。[重点掌握]

3.2铁碳合金相图目前应用的铁碳合金状态图是含碳量为0～6.69%的铁碳合金部分（即Fe－Fe3C部分），因为含碳量大于6.69％的铁碳合金在工业上无使用价值。右图为简化后的Fe－Fe3C状态图。

3.2.1Fe－Fe3C相图分析铁碳合金的分类

3.2.2典型铁碳合金的结晶过程分析3.2.2典型铁碳合金的结晶过程分析1)工业纯铁（C%≤0.0218%）组织组成物：F和Fe3CIIIL>L+A>A>A+F>F+Fe3CIII（铁碳相图）Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。随温度下降，Fe3CⅢ量不断增加，合金的室温下组织为F+Fe3CⅢ。2）共析钢的结晶过程1点温度以上，合金处于液态；缓冷到1点温度时，开始从液相结晶出奥氏体，温度继续下降，奥氏体量逐渐增加；直至2点温度结晶终止，液相全部结晶为奥氏体；2点至3点间为单一奥氏体的冷却；当温度降到S点时，奥氏体在恒温下发生共析转变，转变为珠光体（层片状F+Fe3C）；S点以下，珠光体冷却至室温。共析钢Wc=0.77%L>L+A>A>A+P>P相组成物：F和Fe3C珠光体共析钢的显微组织3）亚共析钢的结晶过程

亚共析钢在3点以前的结晶过程与共析钢类似；当缓冷到3点时，从均匀的奥氏体中开始析出铁素体；温度继续下降，铁素体量逐渐增加，奥氏体量逐渐减少，尚未转变的奥氏体的碳含量沿GS线逐渐增加；当缓冷到4点(727℃)时，剩余的奥氏体的Wc=0.77%，发生共析转变而形成珠光体；0.0218%<Wc<0.77%L>L+A>A>A+F>A+P+F>P+F

相组成物：F，Fe3C

共析转变结束后，合金组织由铁素体加珠光体组成，冷却到4点以下，组织不再产生改变。所有亚共析钢的室温平衡组织均为铁素体+珠光体，随着碳含量的增加，铁素体量减少，珠光体量增加。含0.45%C钢的组织含0.20%C钢的组织含0.60%C钢的组织亚共析钢室温下的组织为F+P。在0.0218～0.77%C

范围内珠光体的量随含碳量增加而增加。（白亮色部分为F，高倍放大时为层片状的为P）4）过共析钢的结晶过程过共析钢在3点以前与共析钢类似；当缓冷到3点温度时，奥氏体的溶碳量随着温度的下降而逐渐降低，并沿着奥氏体晶界析出二次渗碳体；随着温度继续下降，二次渗碳体不断析出，而剩余奥氏体的碳含量沿ES线逐渐减少；温度降到4点(727℃)时；剩余奥氏体恒温下发生共析转变而形成珠光体；共析转变结束后，合金组织为珠光体加二次渗碳体，直至室温。L>L+A>A>A+Fe3CII

>A+P+Fe3CII>P+Fe3CII相组成物：F，Fe3C组织组成物：P，Fe3CIIWc>0.77%T12钢980℃退火组织(片状或黑色—P白色网状--Fe3CII)所有过共析钢的室温平衡组织都是珠光体+网状二次渗碳体。但随着含碳量的增加，组织中珠光体的数量减少，网状二次渗碳体的数量增加，并变得更粗大。含1.4%C钢的组织5)共晶白口铁（C%=4.3%）L--->L+Ld>Ld(A+Fe3C共晶)>Ld(A+Fe3C共晶+Fe3CII)>L’d(P+Fe3CII+Fe3C)共晶白口铁金相（斑点状）

相组成物：F，Fe3C组织组成物：L'd(黑色—P白色--Fe3C)6)亚共晶白口铸铁2.11%<C%<4.3%

相组成物：F，Fe3C组织组成物：P，L’d，Fe3CII亚共晶白口铁金相

(黑色块状或树枝状—P基体—低温莱氏体白亮色--Fe3CII)7)过共晶白口铸铁

过共晶白口铁金相

相组成物：F，Fe3C组织组成物：L’d，Fe3CⅠ

(基体—Ld’

白色条状--Fe3CⅠ)3.3铁碳合金成分、组织与性能的关系1.含碳量对室温平衡组织的影响

铁碳合金的室温组织都是由铁素体和渗碳体两相组成。随着含碳量的增加，铁素体量逐渐减少，渗碳体量逐渐增多，且它的形状和分布也有所不同，从而形成不同的组织。根据杠杆定律的计算结果，可求出含碳量与缓冷后的相及组织组成物之间的定量关系：随含碳量增加，组织中Fe3C不仅数量增加，而且形态也在变化，由分布在F

基体内(P中Fe3C)变为分布在A晶界上(Fe3CⅡ)，最后形成莱氏体时，Fe3C已作为基体出现。

2.含碳量对力学性能的影响强度：当Wc<0.9％时，随着Wc增加，P量增加，钢的强度不断提高；当Wc=

0.77%时，组织为100%P。当Wc>0.9％时，由于渗碳体在晶界呈网状分布，使钢的强度下降。当Wc＞2.11%,组织中有以Fe3C为基的L’d，合金太脆。硬度：随Wc的增加而提高。

塑性：随Wc的增加而迅速降低。

冲击韧性：随Wc的增加而迅速降低。

3.含碳量对工艺性能的影响⑴切削性能：中碳钢比较合适。⑵可锻性能：低碳钢比高碳钢好。⑶铸造性能：共晶成分附近的合金铸造性能好。⑷焊接性能：低碳钢好于高碳钢。⑸热处理性能：第四章介绍。焊缝组织铸造3.4Fe－Fe3C相图的主要应用（一）应用

1．选材

2．热加工工艺制定的基础

1)铸造

2)锻压

3)热处理（二）局限性

1．反映的是非合金钢

2．反映二元合金中相的平衡状态

3．没有反映时间的作用第四章钢的热处理[本章内容]4.1钢在加热时的组织转变4.2钢在冷却时的组织转变4.3钢的普通热处理工艺（退火、正火、淬火与回火）4.4钢的表面热处理与化学热处理4.5热处理工艺的应用实例[重点掌握]1.钢在加热时组织转变的过程及影响因素；[重点掌握]3.各种热处理的定义、目的及用途。2.共析钢奥氏体等温冷却曲线中各条线的含义、奥氏体转变产物的组织形貌、性能特点;钢的热处理是指将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要性能的一种工艺方法。1.显著提高钢的力学性能，发挥钢材的潜力，提高工件的使用性能和寿命;2.消除毛坯（如铸件、锻件等）中缺陷，改善其工艺性能;3.为后续工序作组织准备。二、热处理的目的概述一、什么是钢的热处理？三、热处理的分类

钢的热处理种类很多，根据热处理的目的、要求以及加热和冷却条件的不同，大致可分为三类：热处理整体热处理：退火、正火、淬火、回火表面的热处理化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗表面淬火物理气相沉积化学气相沉积任何热处理过程都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的，其中保温是加热的继续。因此，热处理的工艺要素是温度和时间。通常用温度一时间为坐标的曲线图来表示。四、热处理的基本工艺曲线相图中的平衡临界点A1、A3、Acm是碳钢在极缓慢地加热或冷却情况下测定的。如右图所示。4.1钢在加热时的组织转变1.奥氏体的形成（以共析钢为例）

共析钢加热到Ac1以上时，将发生由珠光体向奥氏体的转变，这一转变可用式子表示为：

P（F

+

Fe3C

）→A

0.0218%ωc6.69%ωc

0.77%ωc

体心立方晶格复杂晶格面心立方晶格

奥氏体的形成是通过形核与核长大的过程来实现的，其转变过程分为四个阶段，如图所示。第一阶段是奥氏体晶核的形成第二阶段是奥氏体晶核的长大第三阶段是残余渗碳体的溶解第四阶段是奥氏体成分均匀化

2.奥氏体晶粒的长大及影响因素

钢在加热时，奥氏体的晶粒大小直接影响到热处理后钢的性能。加热时奥氏体晶粒细小，冷却后组织也细小；反之，组织则粗大。钢材晶粒细化，即能有效的提高强度，又能明显提高塑性和韧性。因此，在选用材料和热处理工艺上，如何获得细的奥氏体晶粒，对工件使用性能和质量都具有重要意义。4.2钢在冷却时的组织转变45钢经840℃加热后连续冷却的组织和性能钢在热处理时采用的冷却方式通常是两种：等温冷却

连续冷却（1）过冷奥氏体的等温转变曲线（以共析钢为例）1.过冷奥氏体的等温转变

右图为过冷奥氏体的等温转变曲线：

过冷奥氏体在不同温度等温时，等温温度与转变开始和转变结束时间以及转变产物的关系曲线图，称为等温转变曲线或称C曲线。

（2）过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能

1）珠光体转变——高温转变（A1～550℃）

2）贝氏体转变——中温转变（550℃～Ms）

上贝氏体（B上）下贝氏体（B下）

3）马氏体转变——低温转变（<Ms）

奥氏体被迅速冷却至Ms温度以下，因转变温度更低，铁、碳原子均不能扩散，碳全部固溶在α一Fe中，这种碳在α一Fe中的过饱和固溶体称为马氏体，用符号“M”表示。马氏体转变不属于等温转变，它是在极快的连续冷却过程中发生的。表4—2共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能转变类型组织名称符号转变温度/℃片间距／um分辨所需放大倍数硬度／HRC珠光体型转变珠光体PA1～650约0.3<500<25索氏体S650～6000.3~0.11000～150025～35托氏体T600～550约0.110000～10000035～40贝氏体型转变上贝氏体B上550～350－>40040～45下贝氏体B下350～Ms－>40045～55亚共析钢和过共折钢的等温转变在发生珠光体转变前，亚共析钢要先析出铁素体，过共析钢要先析出二次渗碳体。因此，等温转变图与共析钢等温转变图相比，均多出了一条先共析相析出线，如图。2.过冷奥氏体的连续冷却转变右图为共析碳钢连续冷却转变曲线：实际冷却速度Vk′（炉冷、空冷）珠光体转变组织：珠光体和索氏体实际冷却速度Vk，（水冷）马氏体转变组织：马氏体Vk′

Vs

Vk：（油冷）组织：

Ms以上：P（屈氏体）+AMs以下：P（屈氏体）+Mνc是奥氏体全部过冷到Ms点以下转变为马氏体的最小冷却速度，通常叫作临界淬火冷却速度。3.马氏体转变

当转变温度在Ms和Mf之间时，即有马氏体组织转变。马氏体是碳在α-Fe中过饱和的固溶体，用符号“M”表示。

马氏体转变的特点是：

（1）过冷度极大，转变温度极低；（2）马氏体转变的速度极快，是瞬时爆发式形成的；

（3）马氏体还具有不彻底性。冷却方法冷却方法符号硬度随炉冷却随炉冷却P170～220HBS空气中冷却空气中冷却S25～35HRC油中冷却油中冷却T+M45～55HRC水中冷却水中冷却M+AR55～65HRC表4—3共析钢过冷奥氏体连续冷却转变产物的组织和硬度（1）马氏体的组织形态

马氏体组织形态分为板条状和针状两大类。马氏体的形态取决于碳含量。当wC＜0.25%时，为板条M；当wC＞1.0%时，为针状M；当wC＝0.25%～１.0%时，为板条和针状的混合组织。w(C)×100马氏体形态σb/MPaσs/MPaHRCδ×100ψ×100αk/(J·cm2)0.10～0.25板条状1020～1330820～133030～509～1740～6560～800．77针状2350204065≈13010（2）马氏体的性能

马氏体的强度与硬度主要取决于马氏体中碳的质量分数。碳含量：如碳含量增加，其硬度就增加。所以马氏体是钢的主要强化手段之一。塑性和韧性：马氏体的塑性与韧性随碳的质量分数增高而急剧降低。主要取决于亚结构形式和碳在马氏体中的过饱和度。过冷奥氏体转变产物（共析钢）

转变类型转变产物形成温度，℃转变机制显微组织特征HRC获得工艺珠光体PA1~650扩散型粗片状，F、Fe3C相间分布<25退火S650~600细片状，F、Fe3C相间分布25-35正火T600~550极细片状，F、Fe3C相间分布35-40等温处理贝氏体B上550~350半扩散型羽毛状，短棒状Fe3C分布于过饱和F条之间40-45等温处理B下350~MS竹叶状，细片状Fe3C分布于过饱和F针上45-55等温淬火马氏体M针MS~Mf非扩散型针状60-65淬火M*板条MS~Mf板条状30-50淬火4.2钢的退火与正火

常用热处理工艺可分为两类：预先热处理预先热处理是消除坯料、半成品中的某些缺陷，为后续的冷加工和最终热处理作组织准备。最终热处理最终热处理是使工件获得所要求的性能。1.退火与正火的目的

调整硬度以便进行切削加工。消除残余应力。细化晶粒，改善组织。为最终热处理做好组织上的准备。其目的是:2.钢的退火

是将钢加热到适当的温度，保温一定时间，随炉缓慢冷却的一种热处理工艺。根据钢的成分、退火工艺与目的不同，退火常分为完全退火、球化退火、等温退火、均匀化退火、去应力退火和再结晶退火等，如图所示。（1）完全退火将亚共析钢加热到Ac3以上30～50℃，保温后随炉冷到600℃以下，再出炉空气冷却。目的是细化晶粒，消除内应力，降低硬度以便于切削加工。主要用于亚共析钢的铸件、锻轧件、焊接件等。（2）球化退火（3）去应力退火将过共析钢加热到Ac1以上20～40℃，保温后随炉冷到600℃以下，再出炉空气冷却。使渗碳体球化，降低硬度，改善切削加工性，并为淬火做组织准备。或采用等温球化退火，加热与一般球化退火相同，保温一定时间后，在680℃左右等温足够时间，然后随炉缓慢冷到600℃以下，再出炉空气冷却。

球化退火主要适用于共析钢、过共析钢的锻、轧件及结构钢的冷挤压件。将钢加热到500～650℃,保温后随炉冷却。目的是消除冷热加工产生的残余应力,提高工件的尺寸稳定性。3.钢的正火

是将钢加热Ac3或Acm以上30～50C，保温适当时间，在空气中冷却的一种热处理工艺。正火与退火的主要区别是：正火的冷却速度较快，过冷度较大，因此正火后所获得的组织比较细，强度和硬度比退火高一些。退火后组织正火后组织4.退火与正火的选用（一）从使用性能上考虑力学性能要求不高、受力不大的工件，都可采用正火热处理。（二）从工艺性能上考虑钢的硬度在170～260HBS范围内时，切削加工性良好。而w(C)<0.25％的钢，退火后硬度低，切削加工易“粘刀”，可采用正火，提高硬度，改善切削加工性能；w(C)=0.25％～0.5％的钢，正火或退火后，硬度均在良好切削加工范围，但正火成本低，一般采用正火处理；w(C)=0.5％～0.75％的钢，一般采用完全退火，降低硬度，改善切削加工性能；当纵w(C)>0.75％的钢，一般采用球化退火处理，既降低了硬度，便于切削加工，又为淬火作好了组织准备。（三）从经济性能上考虑正火比退火生产周期短，成本低，操作简单，故在满足材料使用性能及工艺性能要求前提下，应尽量选用正火处理。4.3钢的淬火与回火一、钢的淬火

1.淬火的定义

淬火是将钢件加热到Ac3或Ac1以上（30～50）℃，保温一定时间，然后以大于淬火临界冷却速度冷却获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。

提高金属材料的强度和硬度，增加耐磨性。既要得到马氏体组织，同时又要避免产生变形和开裂。2.淬火的目的：

3.淬火工艺（1）淬火加热温度的选择

选择淬火加热温度的原则是获得均匀细小的奥氏体。一般淬火加热温度在临界点以上。亚共析钢：Ac3+（30～50C）共析钢：过共析钢：Ac1+（30～50C）Ac1+（30～50C）（2）淬火保温时间的确定保温时间长短要综合考虑化学成分、结构形状、尺寸大小、有效厚度、加热速度、加热炉功率、装炉方式、装炉量等诸多因素。目前在生产中，常根据工件有效厚度与经验来确定。一般规定，在空气介质中升到规定温度后的保温时间，对非合金钢来说，按工件厚度或直径1-1.5min/mm估算；合金钢1.5-2min/mm；在盐浴炉中，非合金钢0.3-0.5min/mm；低合金钢0.45-0.55min/mm；高合金钢的保温时间还应适当延长。（3）淬火冷却介质

常用的淬火冷却介质的冷却能力如下表所示：（4)淬火方法

由于目前没有理想的淬火介质，因而淬火方法是根据工件特点（化学成分、形状与尺寸、技术要求等），结合各种淬火冷却介质特点而定。常用淬火方法有：二、钢的回火

将淬火钢重新加热到Acl点以下的某一温度，保温一定时间后冷却到室温的热处理工艺称为回火。一般淬火件必须经过回火才能使用。回火的目的：获得工件所要求的力学性能稳定工件尺寸降低脆性，消除或减少内应力1.回火种类与应用

根据对工件力学性能要求不同，按其回火温度范围，可将回火分为三种。（1）低温回火

淬火钢件在250℃以下回火称低温回火。低温回火后组织为回火马氏体，基本上保持淬火钢的高硬度和高耐磨性，淬火内应力有所降低。回火后硬度为58HRC～64HRC。主要用于要求高硬度、高耐磨性的刃具、冷作模具、量具和滚动轴承，渗碳、碳氮共渗和表面淬火的零件。（2）中温回火

淬火钢件在350～500℃之间回火称为中温回火。中温回火后组织为回火屈氏体。具有高的屈强比，高的弹性极限和一定的韧性，淬火内应力基本消除。回火后硬度一般为35HRC～50HRC。回火屈氏体汽车板簧热卷弹簧中温回火常用于各种弹簧和模具热处理。（3）高温回火

淬火钢件在500～650℃回火称为高温回火。高温回火后组织为回火索氏体，具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。回火后硬度一般为200HBW～330HBW。高温回火广泛用于汽车、拖拉机、机床等承受较大载荷的结构零件的热处理，如连杆、齿轮、轴类、高强度螺栓等。淬火+高温回火调质处理回火索氏体调质一般作为最终热处理，但也作为表面淬火和化学热处理的预先热处理。调质后的硬度不高，便于切削加工，并能获得较低得表面粗糙度值。

回火索氏体组织具有良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。

通常把淬火加高温回火的热处理工艺称作“调质处理”，简称“调质”。调质广泛用于连杆、轴、齿轮等各种重要结构件的处理。也可作为精密零件、量具等的预备热处理。柴油机连杆2.回火脆性

淬火钢出现冲击韧度显著下降的现象称为“回火脆性”。回火脆性可分为：（1）低温回火脆性

在250～350℃回火时出现的脆性称为低温回火脆性。一般不在此温度范围内进行回火。（2）高温回火脆性

在500～650℃回火时出现的脆性称为高温回火脆性。主要发生在含Cr、Ni、Mn等合金元素的钢中。三、钢的淬透性淬透性是钢的主要热处理性能。是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。1.淬透性的概念淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。

淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区(50%M+50%P)的深度。。淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力。2.影响淬透性的因素

钢的淬透性取决于临界冷却速度Vk，Vk越小，淬透性越高。

而Vk取决于C曲线的位置，C曲线越靠右，Vk越小。

因而凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素。除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素都使钢的淬透性提高；奥氏体化温度高、保温时间长也使钢的淬透性提高。3.淬透性的应用

1、对于截面承载均匀的重要件，要全部淬透。如螺栓、连杆、模具等。2、对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透（淬硬层深度一般为半径的1/2~1/3），如轴类、齿轮等。淬硬层深度与工件尺寸有关，设计时应注意尺寸效应。高强螺栓柴油机连杆齿轮4.4钢的表面热处理

钢的表面淬火仅对钢的表面加热、冷却，而不改变其成分的热处理工艺。它能使钢表面具有较高的硬度和耐磨性，心部保持较高的塑性和韧性。碳的质量分数在0.4%～0.5%的优质碳素结构钢是最适宜于表面淬火。这是由于中碳钢经过预先热处理（正火或调质）以后再进行表面淬火处理，既可以保持心部原有良好的综合力学性能，又可使表面具有高硬度和耐磨性。表面淬火后，—般需进行低温回火，以减少淬火应力和降低脆性。1.感应加热表面淬火

感应加热表面淬火是利用感应电流通过工件表面所产生的热效应，使表面加热并进行快速冷却的淬火工艺。电流频率愈高，电流透入深度愈小，加热层也愈薄，调节频率，可得到不同的淬硬层深度。

感应加热速度极快，时间很短仅为几秒钟，加热淬火有如下特点：表面性能好，硬度比普通淬火高2HRC～3HRC。疲劳强度较高，一般工件可提高20％～30%；工件表面质量高，不易氧化脱碳，淬火变形小；淬硬层深度易于控制，操作易于实现机械化、自动化，生产率高。2、火焰加热表面淬火

是用乙炔-氧(最高温度为3200℃)或煤气-氧(最高温度为2400℃)等火焰加热工件表面，进行淬火。火焰淬火的淬硬层深度一般是2-6mm，若淬硬层过深，往往会使工件表面产生过热，甚至产生变形与裂纹。火焰加热表面淬火的特点：火焰加热表面淬火设备简单，操作灵活，成本低等优点。但生产率低，零件表面存在不同程度的过热，质量不稳定。主要适用于单件、小批量生产的特大或特小件、异型工件等，如大齿轮、轧辊、顶尖、凹槽、小孔等。钢化学热处理，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面，改变其化学成分和组织，达到提高钢件表层的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性能以及疲劳强度目的。化学热处理可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铬、渗铝等。4.5钢的化学热处理1.钢的渗碳

将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原于渗入表层的化学热处理工艺过程，渗碳后还应进行淬火和低温回火。常用渗碳温度为900～950℃，渗碳层厚度一般为0.5～2.5mm。渗碳的目的：是提高工件表面的硬度和耐磨性，同时保持心部的良好韧性。ωc＝0.1～0.25％低碳钢和低碳合金钢，经过渗碳后，再进行淬火与低温回火，可在零件的表层和心部分别得到高碳和低碳的组织。用于一些重要零件如汽车、拖拉机的变速箱齿轮、活塞销、摩擦片等。渗碳时间需依据渗碳层深度来确定。一般按0.2—0.25mm/h估算。2.钢的氮化

通过氨气的受热分解，分解出活性氮原子，使氮原子被钢吸收并渗入表面的化学热处理工艺过程。氮化温度一般为550～570℃，因此氮化件变形很小，比渗碳件变形小得多。渗氮层深度一般为0.6～0.7mm氮化的目的：提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度及耐蚀性。氮化广泛应用于耐磨性和精度均要求很高的零件，如镗床主轴、精密传动齿轮；在循环载荷下要求高疲劳强度的零件，如高速柴油机曲轴；以及要求变形很小和具有一定抗热、耐蚀能力的耐磨件，如阀门、发动机气缸以及热作模具等。小结作业：

教材后作业

中国大学MOOC作业

（

/course/HNPI-1001794008?from=searchPage）一、钢的分类

钢的分类及编号①按用途工程用钢建筑、桥梁、船舶、车辆渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢机器用钢结构钢刃具钢模具钢量具钢工具钢特殊性能钢不锈钢耐热钢耐磨钢合金钢是指为了提高钢的性能，在非合金钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。非合金钢是指含碳量低于2.11%并含有少量的Si、Mn、S、P等杂质元素的铁碳合金。按化学成分分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类。②按化学成分中碳钢0.25~0.6%C高碳钢

0.6%C低碳钢

0.25%C低合金钢合金元素总量

5%中合金钢合金元素总量5~10%高合金钢合金元素总量

10%碳素钢合金钢③按显微组织分类亚共析钢共析钢过共析钢

按退火组织分珠光体钢贝氏体钢马氏体钢铁素体钢奥氏体钢莱氏体钢按正火组织分电弧炉炼钢钢的质量是以硫、磷的含量来划分的。④按质量分类优质质量钢普通质量钢特殊质量钢

沸腾钢F镇静钢Z半镇静钢b特殊镇静钢TZ

⑤按冶炼方法及设备分类转炉钢电炉钢按设备按冶炼方法齿轮刀具我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母。二、钢的编号1）碳素结构钢Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa；质量等级符号为A、B、C、D。由A到D，其P、S含量依次下降，质量提高。脱氧方法符号：沸腾钢—F；镇静钢—Z；半镇静钢—b；特殊镇静钢—TZ；Z和TZ可省略。如碳素结构钢牌号表示为Q235AF1.非合金钢2）优质碳素结构钢牌号为两位数字这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几如45、08F、65Mn3）碳素工具钢如T12、T12A、T8Mn、T8MnA4）铸造碳钢牌号为ZG+两组数字例如ZG200-400，ZG230-450牌号为T+数字；“T”表示“碳素工具钢”；数字表示钢平均含碳量的千分之几

如Q345C质量等级有A、B、C、D、E五个等级低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，所以其牌号中没有表示脱氧方法的符号。根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字（表示平均含碳量的万分之几）和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。2.低合金高强度结构钢3.合金钢牌号为碳含量+合金元素1+1元素的百分含量数字+合金元素2+2元素的百分含量数字+……1)合金元素及其含量标注当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量。如20CrMnTi当合金元素的平均含量为1.50～2.49%、2.50～3.49%、3.50～4.49%、4.50～5.49%、……时，在相应的合金元素符号后标2、3、4、5……等数字。如20CrNi3。1）合金结构钢如40Cr；38CrMoAlA；60Si2Mn2）合金工具钢如9SiCr；Cr12MoV注：合金工具钢含铬量小于1%时，含铬量以千分之一为单位标出，并在含铬量前加数字“0”，如Cr06。滚动轴承钢含铬量也以千分之一为单位标出，并在牌号头部加字母“G”，如GCr15；GCr15SiMn4）滚动轴承钢3）高速工具钢W18Cr4V；W6

Mo5Cr4V2

Al这类钢牌号前面的数字表示平均碳的质量分数的千分数,合金元素的表示方法同一般的合金结构钢。如，马氏体不锈钢3Cr13当Wc≤0.08%时,标“0”;当Wc≤0.03%时,标“00”例如，0Cr19Ni9,00Cr17Ni14Mo2等。5）不锈钢和耐热钢（一）碳素结构钢1、成分：<0.4%C，P、S

量较多。2、性能：可焊性、塑性好。3、热处理：热轧空冷态下使用。4、使用状态下组织：F+P热轧钢板5.5非合金钢5、典型牌号：Q235

6、用途：常以热轧型材使用，约占钢材总量的70%。用于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。（二）优质碳素结构钢优质碳素结构钢的产量仅次于碳素结构钢，广泛用于制造较重要的零件