机械基础教学课件1028

0.1机器

0.2本课程的性质、任务和内容0.1.1机器的组成

在生产、生活中，机器随处可见。车床、铣床等机加工设备，洗衣机、冰箱等家用电器，汽车、火车、飞机等交通工具都是机器。观察图0-1所示的车床，我们可以发现，在一部完整的车床中，有电动机、齿轮、带轮、主轴、拖板电线、油管等零部件，这些零部件组成了车床不同的部分。归纳起来，机器一般由以下几个部分组成：动力部分、传动部分、工作部分。0.1机器动力部分是机器动力的来源，常用电动机、内燃机、空气压缩机等提供机器所需的动力。工作部分处于传动部分的末端，是机器用来执行工作任务的部分，其结构形式取决于机器的性质和用途，如车床中的主轴、工作台等。传动部分处于动力部分和工作部分之间，其作用是将动力部分的运动和动力传递给工作部分，如车床中的带传动、齿轮传动、螺旋传动等。

复杂的机器除了以上三个部分外，还有自动控制部分，以增加机器的自动化程度。

想一想：汽车的动力部分、传动部分、工作部分和控制部分分别是什么？图0-1CA6140型车床的传动系统(a)示意图1—电动机；2—传动带；3—交换齿轮箱；4—主轴箱；5—变速机构；6—卡盘；7—刀架；8—溜板；9—溜板箱；10—床鞍；11—丝杠；12—光杠；13—走刀箱图0-1CA6140型车床的传动系统(b)方框图0.1.2机器的概念

对机器的组成有了直观的了解后，我们一起来分析下列两种机器的工作过程。

如图0-2所示的单缸内燃机，由活塞、连杆、曲轴、汽缸体、齿轮、凸轮、推杆、排气阀、进气阀等组成，其工作过程如下：汽缸内燃烧的气体膨胀，推动活塞1下移，通过连杆2带动曲轴3转动，通过曲轴上的齿轮传动向外输出机械能，当活塞上行时，排气阀打开，废气排出，完成一个工作过程，将燃烧气体产生的热能转变为使机器运动的机械能。齿轮、凸轮和推杆的作用是按一定的运动规律按时开闭阀门，完成吸气和排气。这种内燃机中有三种机构：①曲柄滑块机构，由活塞1、连杆2、曲轴3和汽缸体4构成，作用是将活塞的往复直线运动转换成曲轴的连续转动；②齿轮机构，由齿轮5、6和汽缸体4构成，作用是改变转速的大小和方向；③凸轮机构，由凸轮7、推杆8和汽缸体4构成，作用是将凸轮的连续转动变为推杆的往复移动，完成有规律地启闭阀门的工作。图0-2单缸内燃机如图0-3所示的颚式破碎机，电动机(图中未画出)通过带传动使大带轮转动，驱动与大带轮固连在同一根轴上的偏心轮绕带轮轴心A转动，从而带动连杆(动颚)作往复摆动运动，完成破碎矿石的工作。图0-3颚式破碎机虽然以上两种机器的结构形式和用途各不相同，但它们都具有共同的特征：都是一些人为实体的组合；各运动实体之间具有确定的相对运动；能代替或减轻人类的劳动，完成有用的机械功或实现能量的转换。我们把具有以上三种特征的实物组合体称为机器。机器都是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料和信息等。

按照用途的不同，机器可以分为发动机和工作机。发动机是将其他形式的能转换成机械能的机器。例如电动机是将电能转换成机械能的机器，内燃机是将热能转换为机械能的机器。

工作机是利用机械能做功的机器，用来改变被加工物体的尺寸、形状、位置、性能等。

车床、铣床、汽车等都是工作机。

议一议：你所见过的机器有哪些？它们分别属于发动机还是工作机？0.1.3机构

只具备机器中前两个特征的实物组合体叫做机构，机构是用来传递运动和动力的构件系统，例如自行车、台虎钳、仪表等都是机构。通常机器中必包含一个或多个机构，图0-2所示的单缸内燃机中就包含了曲柄滑块机构、凸轮机构、齿轮机构等多个机构。机器和机构的主要区别是机器能利用机械能做功或实现能量的转换，而机构则主要用来传递或转变运动的形式。

如果不考虑做功或实现能量转换，只从运动的角度来看，机器和机构没有本质的区别，因此，我们常将机器和机构统称为机械。

选一选：下列属于机器的有()，属于机构的有()。

A.石英表 B.电动自行车

C.机械式手表 D.电脑

E.千斤顶F.洗衣机G.机床变速装置H.家用缝纫机0.1.4构件和零件

从运动学的角度看，机器和机构是由许多具有确定相对运动的单元组成的，这种运动的单元就是构件，也就是相互之间能作确定相对运动的物体。一个构件，可以是一个不可拆卸的单一整体，如图0-2中的曲轴、活塞、齿轮等；也可以是由几个相互之间没有相对运动的物体组合而成的一个整体，如图0-4所示的连杆就是由连杆体1、螺栓2、连杆盖3、

螺母4等物体组合而成的。图0-4内燃机的连杆构件根据构件的运动状况，可以将构件分为固定构件和运动构件。固定构件又称为机架，任何一种机器或机构中只有一个机架。运动构件是相对机架有相对运动的构件。我们把机构中作用有外部驱动力或力矩的运动构件称为主动件，随主动件的运动而运动的构件称为从动件。

从制造的角度看，机器是由许多不可再分的零件组合而成的，零件是制造的单元。零件可以分为通用零件和专用零件。通用零件是在大多数机器中都用到的零件，如齿轮、螺钉、键、轴等；专用零件只用于某些特定的机器中，如内燃机中的曲轴、活塞等。

议一议：自行车中哪些是构件，哪些是零件？哪些属于

通用零件，哪些属于专用零件？0.1.5运动副

在机构中，为使各构件间具有确定的相对运动，必须将各构件以某种方式连接起来，以实现相应的运动规律。我们把两构件间直接接触组成的可动连接称为运动副。两构件组成运动副时的接触形式有三种：点接触、线接触和面接触。点接触或线接触的运动副称为高副，面接触的运动副称为低副。

图0-5凸轮机构在图0-1所示车床中，丝杠和螺母所组成的低副只允许丝杠与螺母作相对螺旋运动，这种运动副称为螺旋副；

在图0-2所示的单缸内燃机中，活塞和汽缸壁组成的低副产生的是相对移动，这种运动副就称为移动副；活塞和连杆用铰链连接，组成的低副只能产生相对转动，这种运动副称为

转动副。由于低副是面接触，接触面积大，因此低副比高副的承载能力大，但传递的运动比较简单。

如图0-5所示的凸轮机构中，凸轮与从动件之间构成点接触的高副，由于高副的接触面积小，因而两构件接触处易磨损，但高副能传递较复杂的运动。本课程是中等职业技术学校机械类专业的一门专业基础课，主要以认知学习为主，为后续专业课程的学习提供较强的感性认识和一定的理论基础。学生应熟悉和掌握金属材料、机械传动、常用机构、轴系零件和液压传动的基本知识，了解它们的特点和应用场合，能做简单的计算，会查阅资料和选用标准件。0.2本课程的性质、任务和内容本课程的主要学习内容如下：

(1)金属材料：主要介绍金属材料的性能，铁碳合金，钢的热处理，碳素钢、合金钢的基本知识，金属材料的各种力学性能和钢的热处理方式，各种钢的牌号、性能和应用场

合。

(2)机械传动：主要介绍带传动、螺旋传动、链传动、齿轮传动，轮系和减速器的工作原理、结构、传动特点、应用场合、选用和维护方法。

(3)常用机构：主要介绍平面连杆机构、凸轮机构、变速机构、间歇运动机构的结构、工作原理、特点与应用。

(4)轴系部件：主要介绍键连接、轴、轴承、联轴器、离合器和制动器的结构、特点、应用场合、标准和选用。

(5)液压传动：主要介绍液压传动的工作原理，常用液压元件的结构和液压基本回路的组成、特点与应用。

1.什么是机器?机器一般由哪几个部分组成？以生活中的实例来分析机器的各组成部分。

2.什么是机构?机构与机器有什么区别？以生活中的实例来说明两者的不同。

3.以自行车的车轮为例分析构件与零件有什么区别。

4.什么是运动副？什么是低副？什么是高副？低副与高副有什么不同?试举例说明。思考题1.1金属的力学性能

1.2金属的工艺性能

思考题金属材料是现代工业、农业、国防和科学技术的物质基础，是制造各种机械的最主要的材料。金属材料之所以获得广泛的应用，是因为它具有加工和使用过程中所需要的各种优越的性能。

金属材料的性能包括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情况下表现出来的性能，包括物理性能、化学性能、力学性能等；工艺性能是指金属材料在制造加工过程中反映出来的性能，包括热处理、铸造、锻压、焊接、切削加工性能。

想一想：铝合金门窗、齿轮、游标卡尺等这些用不同的金属材料制成的器件利用了金属的什么性能？所谓力学性能，是指金属在外力作用下所表现出来的性能，包括强度、塑性、硬度、韧性、疲劳极限、断裂韧度等。它反映了金属材料在各种外力作用下抵抗变形或破坏的能力，是选用金属材料的重要依据，同时与各种加工工艺性能也有密切的关系。1.1金属的力学性能金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。例如柴油机的连杆在工作时除了受到拉力和压力的作用外，还受到冲击力的作用；起重机上的钢丝绳受到悬吊物体的重力作用。

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两种。随载荷的卸除而消失的变形称为弹性变形。当作用在材料上的载荷超过某一限度时，若去除载荷，还是留下了一部分不能消失的变形，这种不随载荷的卸除而消失的变形称为塑性变形，也称为永久变形。试一试：

(1)将一根钢丝折弯后能恢复原状吗？它发生的是什么变形？

(2)将一根弹簧拉长后松开，弹簧能恢复原状吗？弹簧发生的是什么变形？

金属受到外力作用时，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，即

式中：

σ——应力，单位为Pa。1Pa=1N/m2。当面积用mm2表示时，

则应力可用MPa为单位，即1MPa=1N/mm2。

F——外力，单位为N。

S——横截面积，单位为mm2。1.1.1强度

强度指材料在外力的作用下抵抗永久变形和断裂的能力。强度通过拉伸试验测定，常用屈服极限、抗拉强度来表示

(1)屈服极限(σs)：表示材料开始产生明显塑性变形时的最低应力值。

式中：Fs——材料开始产生明显塑性变形时的最小载荷。S0——试样原始截面积，单位为mm2。

很明显，如果零件所受的应力低于材料的屈服极限，则不会产生过量的塑性变形。一般工程材料均不允许出现明显的塑性变形，因此，材料的屈服极限是选材的重要依据。

想一想：若材料的屈服极限越高，允许的工作应力越高还是越低？

(2)抗拉强度(σb)：表示材料拉断前所能承受的最大拉应力。

式中：Fb——试样拉断前所能承受的最大载荷。

零件在工作中所承受的最大应力不得超过抗拉强度，否则会发生断裂，因此，抗拉强度也是选材的重要依据。1.1.2塑性

塑性指金属材料断裂前发生永久变形的能力。塑性也是通过拉伸试验测得的，常用断后伸长率、断面收缩率来表

(1)断后伸长率(δ)可表示为

式中：L1——试样拉断后的标距。

L0——试样的原始长度。

(2)断面收缩率(Ψ)可表示为

式中：S1——试样拉断后最细处的横截面积。

塑性好的金属可以发生大量的塑性变形而不被破坏，适于通过塑性变形加工成形状复杂的零件。

想一想：金属材料的断后伸长率(δ)及断面收缩率(Ψ)值越大，表示材料的塑性越好还是越差？练一练：

某厂购进一批40钢，按国家标准规定，力学性能应不低于下列数据：σs=335MPa，σb=570MPa，δ5=19%，Ψ=45%。入厂验收时，采用d0=10mm，L0=50mm的标准短试样进行拉伸试验，测得Fs=28260N，Fb=45530N，L1=

60.5mm，d1=7.3mm。试列式计算并回答这批钢材的力学性能是否符合要求。

(答案：σs=360MPa,σb=580MPa,δ5=21%,Ψ=46.7%，符合要求。)

1.1.3硬度

硬度指材料抵抗更硬物体压入的能力。机械制造业所用的各种机械零件、刀具、量具、模具等都应具备足够的硬度，才能保证其具有足够的耐磨性和使用寿命。硬度是金属材料的重要力学性能之一。硬度测试的方法很多，常用的有布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法和维氏硬度试验法。

1.布氏硬度(HB)试验法

(1)原理：使用直径为D的球体(钢球或硬质合金球)，以规定的试验力F压入试样表面，经规定保持一定时间后卸除试验力，然后测量压痕直径，载荷F与压痕表面积S的比值，即为布氏硬度值，以符号HB表示。

HBS：用钢球试验时的布氏硬度值。

HBW：用硬质合金球试验时的布氏硬度值。显然，在试验力F、压头球体直径D一定时，布氏硬度值仅与压痕直径有关，压痕直径越小，表明布氏硬度值越大，也即硬度越高；反之，压痕直径越小，硬度越低。

(2)测量范围：HBS用于测量布氏硬度低于450的材料。

HBW用于测量布氏硬度在450～650范围内的材料。

(3)表示方法：硬度值HBS(W)球体直径/试验力/作用时间。

例：120HBS10/1000/30表示用直径为10mm钢球为压头将1000kgf(1kgf=9.80665N)的试验力作用于试样上持续时间为30s时测得的布氏硬度值为120。

(4)特点及应用：测量数据稳定、误差小；压痕大、费时。该方法用于灰铸铁、非铁金属、非金属材料的硬度测试，不宜测量成品或薄壁零件。

2.洛氏硬度(HR)实验法

(1)原理：洛氏硬度试验采用金刚石圆锥体或淬火钢球为压头，压入金属表面后，经规定的时间后卸除主试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。

(2)表示方法及测量条件：

HRA表示用120°圆锥体金刚石为压头、主试验力为60kgf测得的硬度值。

HRB表示用Φ1.588mm淬火钢球为压头、主试验力为100kgf测得的硬度值。

HRC表示用120°圆锥体金刚石为压头、主试验力为150kgf测得的硬度值。

(3)特点及应用：测量方便、快捷、压痕小，所测硬度范围大，能测量成品和薄壁零件，但测量的准确性差，通常需要在不同部位测量数次，取其平均值来代表材料的硬度。该方法的应用范围分别如下：

HRA 60~88硬质合金、表面淬火层、渗碳层

HRB 20~100非铁金属、退火钢、正火钢

HRC 20~70淬火钢、调质钢

3.维氏硬度(HV)实验法

(1)原理：维氏硬度的试验原理基本上和布氏硬度试验相同，即将相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头以选定的压力压入试样表面，经规定的时间后卸除试验力，测量压痕对角线的长度来计算硬度。

(2)特点及应用：维氏硬度测量范围广(可测5~1000HV)，能测量薄壁零件，但不能测量组织不均匀的材料，广泛应用在精密工业和材料科学研究中。

(3)表示方法：与布氏硬度相同，如400HV30表示用30kgf试验力保持10~15s(可省略)后测定的维氏硬度值为400。布氏、洛氏及维氏硬度和材料的强度都有一定的关系，见本书附录。

比一比：有五种材料，它们的硬度值分别为478HV、81HRB、79HRA、65HRC、474HBW，试将这五种材料的硬度从低到高排列。1.1.4冲击韧性

金属材料的强度、塑性和硬度等力学性能是在静载荷的作用下测得的。所谓静载荷，是指载荷的大小和方向不随时间变化而变化(或变化缓慢)的载荷。而许多机械零件在工作中往往要受到冲击载荷的作用，所谓冲击载荷，是指在短时间内以较高的速度作用于零件上的载荷，如活塞销、锤杆、冲模和锻模等。

金属材料抵抗冲击载荷的作用而不被破坏的能力称为冲击韧性。目前常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。

1.冲击试验原理

将一标准试样10mm×10mm×55mm的U形或V形缺口试样置于如图1-1所示的冲击试验机的支座上。

放置时，使试样缺口背向摆锤的冲击方向。再将一重为G的摆锤自由落下，将试样冲断。试样被冲断时所吸收的能量即是摆锤冲击试样的功，称为冲击吸收功，即

AKV=AKV1-AKV2=mg(H1-H2)(J)图1-1冲击功试验原理图

2.冲击韧性

冲击韧性即冲击吸收功除以缺口处截面积，用符号ak表示。

材料的冲击韧性一般随温度的降低而下降，应注意低温条件下钢材的使用。

碳素结构钢在-20℃时韧性会明显降低。

注意：金属零件在实际工作中承受冲击载荷时，很少因一次大能量冲击而遭破坏，绝大多数是由一次冲击不足以使零件破坏的小能量多次冲击而破坏的，如凿岩机风镐上的活

塞、冲模的冲头等。它们的破坏是由于多次冲击损伤的积累，导致裂纹的产生与扩展的结果。材料受小能量多次冲击时，一般用其所经受的冲击次数(N)代表金属的抗冲击能力。1.1.5疲劳

许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期变化，这种随时间作周期变化的应力称为交变应力(也称循环应力)。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断裂的现象称为金属的疲劳。机械零件产生疲劳破坏的根本原因是材料本身存在夹杂及微型裂纹等缺陷，使局部工作应力大于材料的屈服极限，从而产生局部塑性变形而导致开裂。

疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在机械零件失效中大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏是引发重大事故的一大原因。

想一想：有哪些措施可以保证机械零件有足够的能力抵抗疲劳破坏？工艺性能是指金属材料在加工过程中是否易于加工成型的能力，它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能。工艺性能直接影响到零件的制造工艺和质量，是选材和制定加工工艺路线时必须考虑的因素之一。1.2金属的工艺性能1.2.1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。衡量铸造性能的指标有流动性、收缩性和偏析性等。在铸造过程中，熔融金属的流动性越好，越易得到尺寸精

确、轮廓完整的铸件；铸件冷却过程中，尺寸收缩越小，越易得到优良铸件；金属凝固后，由于内部化学成分和组织不均匀造成的偏析越小，铸件质量也越好。金属材料中，灰铸铁和青铜的铸造性能较好。1.2.2锻造性能

用锻压成型的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，也与材料的成份和加工条件有很大的关系。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。例如：黄铜和铝合金在室温状态下就有良好的锻造性能，碳钢在加热状态下锻造性能较好，而铸铁、铸铝、青铜几乎不能锻造。1.2.3焊接性能

焊接性能是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。对碳钢和低合金钢，焊接性主要同金属材料的化学成份有关(其中碳的质量分数的影响最大)。如低碳钢具有良好的焊接性，高碳钢、不锈钢、铸铁的焊接性较差。1.2.4切削加工性

金属材料的切削加工性是指金属材料切削加工的难易程度。影响切削加工性的因素主要有工件的化学成份、组织状态、硬度、塑性、导热性和形变强化等。一般认为金属材料具有适当的硬度(170~230HBS)和足够的脆性时较易切削。从材料的种类而言，铸铁、铜合金、铝合金及一般低碳钢都具有较好的切削加工性。所以铸铁比钢的切削加工性好，一般非合金钢的切削加工性比高合金钢的好。改变钢的化学成份和进行适当的热处理，是改善钢切削加工性能的重要途径。

1.什么是金属的力学性能？金属的力学性能有哪些？

2.什么是变形？变形有哪几类？

3.什么是应力？什么是应变？

4.什么是强度？衡量强度的指标有哪些？

5.什么是塑性？衡量塑性的指标有哪些？

6.什么是硬度？常用的硬度试验法有哪些？各用什么符号表示？

7.什么是金属的疲劳极限？

8.什么是金属的工艺性能？金属的工艺性能主要有哪些？思考题2.1铁的同素异构转变

2.2铁碳合金的基本组织

2.3Fe-Fe3C合金状态图分析2.4典型合金的结晶过程及其组织2.5铁碳合金相图的作用

思考题钢和铸铁是现代工业中极为重要的金属材料。钢和铸铁的产量比其他一切非铁金属的产量的总和还要多。钢和铸铁虽然因成份不同而品种很多，但其最基本的组成是铁和碳两种元素。因此，钢和铁又称为铁碳合金。同一种固态纯金属(或其他单元相物质)由一种稳定状态转变为另一种晶体结构不同的稳定状态的过程，称为同素异构转变。

具有同素异构转变的金属有铁、钴、钛、锡、锰等。同一金属的同素异构体按其稳定存在的温度由低温到高温依次用希腊字母α、β、γ、δ等表示。纯铁的同素异构转变如下：

δ-Fe

γ

-Fe

α

-Fe

(体心立方晶格)(面心立方晶格)(体心立方晶格)

2.1铁的同素异构转变1394°912°

由于铁的晶体结构不同，碳在铁中的溶解度差别较大。碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。因为铁可以发生同素异构转变,所以能对钢铁进行各种热处理。在铁碳合金系中，可配制多种不同成份的铁碳合金，它们在不同温度下的平衡组织是不同

的

，但总是由几个基本组织所组成。液态时，铁和碳可以无限互溶；在固态，碳可

溶于铁

中，当碳的质量分数超过其固态溶解度时，则会出现化合物。因此，在铁碳合金中，

碳可以与铁组成化合物，也可形成固溶体，还可以形成混合物。2.2铁碳合金的基本组织2.2.1铁素体(F)

碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F来表示。实验证明，α-Fe中可以溶解微量的碳原子，其溶解量在室温时约为0.008%，随着温度的升高，溶解量逐渐增多，到727℃时溶碳量逐渐增加到0.0218%。由于铁素体的含碳量比较低，因此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。测得铁素体在室温下的机械性能如下：抗拉强度为180～280MPa；硬度为50～80HBS；塑性，即断后伸长率为30%～50%；冲击韧度为160～200J/cm2。2.2.2奥氏体(A)

碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，常用符号A来表示。奥氏体的溶碳能力比较强，比α-Fe高。在1148℃时溶碳量可达2.11%；随着温度的下降,溶碳能力逐渐减小,在727℃时溶碳量为0.77%。奥氏体的强度和硬度不高，但具有良好的塑性，是绝大多数钢在高温下进行锻造和轧制时所要求的组织。奥氏体在1148℃时的机械性能如下：抗拉强度为400MPa；硬度为160～200HBS；塑性，即断后伸长率为40%～50%。2.2.3渗碳体(Fe3C)

渗碳体是铁与碳组成的金属化合物，其含碳量为6.69%。渗碳体的熔点为1127℃，硬度很高(约为800HBS)，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。渗碳体是碳钢中主要的强化组织，它的形态、分布及大小对钢的力学性能影响很大。渗碳体在适当条件下(如长期高温或缓慢冷却)能分解为铁和石墨，这对铸铁具有重要意义。渗碳体的主要性能如下：熔点为1127℃；含碳量ωC=6.69%；硬度为800HBS；塑性、韧性几乎为零。2.2.4珠光体(P)

珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，用符号P表示。在放大倍数较高的显微镜下，可清楚地看到它是渗碳体和铁素体片层相间、交替排列形成的混合物。

在缓慢冷却的条件下，珠光体的含碳量是0.77%，其力学性能取决于铁素体和渗碳体的性能，大体上是两者的平均值。珠光体的强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。珠光体的主要性能如下：抗拉强度为770MPa；硬度为180HB；塑性，即断后伸长率为20%～35%；冲击韧度为30～40J/cm2。2.2.5莱氏体(Ld与Ld′)

莱氏体是铁碳合金中的共晶混合物,即含碳量为4.3%的液态铁碳合金在1148℃时从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的混合物,用符号Ld表示。因为奥氏体在727℃时会转变成珠光体，所以在室温下的莱氏体是珠光体和渗碳体组成的混合物。为区别起见，将727℃以上的莱氏体称为高温莱氏体(L

d)；将727℃以下的莱氏体称为低温莱氏体(Ld′)。莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度很高(700HBS)，塑性很差。想一想：奥氏体存在于常温下的铁碳合金中吗？铁素体呢？铁碳合金状态图是表示在缓慢冷却(或缓慢加热)的条件下，不同成份的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形。2.3Fe-Fe3C合金状态图分析2.3.1铁碳合金状态图的组成

在铁碳合金中，铁和碳可以形成一系列的化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等，而工业用铁碳合金的质量分数一般不超过5%，因为碳的质量分数更高的铁碳合金脆性很大，难以加工，没有实用价值。因此，研究铁碳合金只限于Fe-Fe3C(碳的质量分数为6.69%)范围内，故铁碳合金状态图也可以认为是Fe-Fe3C相图。图2-1为简化的Fe-Fe3C相图。图2-1简化的铁碳合金状态图2.3.2状态图主要点、线、区的分析

1.状态图上的主要点

2.状态图上的主要线

ACD线：液相线，液相冷却至此温度线开始析出，加热至此全部转化为液相。

AECF线：固相线，液态合金冷却至此温度线全部结晶为固相。

GS线：常称为A3线，冷却时奥氏体开始析出铁素体的转变线，加热时铁素体全部溶入奥氏体。

ES线：常称为Acm线，碳在奥氏体中的溶解度曲线。

ECF线：共晶线，含碳量2.11％~6.69%，至此温度线发生共晶反应，结晶出奥氏体与渗碳体的混合物，即莱氏体。PSK线：共析线，含碳量在0.0218％~6.69%，至此发生共析反应，产生出珠光体。

3.状态图中的相区

铁碳合金状态图中，共有液相(碳在铁中的液熔体，用L表示)、奥氏体(A)、铁素体(F)、渗碳体(Fe3C)四个基本相，各区的组织见图2-1。

2.4.1铁碳合金的分类

铁碳合金按含碳量的多少可以分为工业纯铁、钢和白口铸铁。

(1)工业纯铁(ωC≤0.0218%)，其性能特点为塑性韧性好，硬度强度低。

(2)钢(0.0218%＜ωC≤2.11%)，又分为

共析钢：ωC=0.77%，室温组织为P。

亚共析钢：0.0218%＜ωC＜0.77%，室温组织为F+P。

过共析钢：0.77%＜ωC≤2.11%，室温组织为P+Fe3CⅡ。

2.4典型合金的结晶过程及其组织

(3)白口铸铁(也称生铁)(2.11%＜ωC≤6.69%)，又分为

共晶白口铸铁：ωC=4.3%，室温组织为Ld′。

亚共晶白口铸铁：2.11%＜ωC＜4.3%，室温组织为P+Fe3CⅡ+Ld′。

过共晶白口铸铁：4.3%＜ωC≤6.69%，室温组织为Ld′+Fe3CⅠ。2.4.2典型合金的结晶分析

下面以典型的碳钢为例，分析它们的结晶过程和组织转变，如图2-2所示。图2-2典型铁碳合金在Fe-Fe3C相图中的位置

1.共析钢

图2-2中合金Ⅰ是含碳量为0.77%的共析钢。当金属液冷却到和AC线相交的1点时，开始从液相(L)中结晶出奥氏体，到2点时金属液结晶终了，此时，合金全部由奥氏体组成

。在2点到3点之间，组织不发生变化。当冷却到3点时，奥氏体发生共析转变，A0.7%

(F0.0218%+Fe3C)，从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的混合物，即珠光体。温度继续下降，组织不再发生变化，共析钢的室温组织是珠光体。其结晶过程示意图如图2-3所示。727℃图2-3共析钢的结晶过程

2.亚共析钢

图2-2中合金Ⅱ是含碳量为0.45%的亚共析钢，其冷却结晶过程如下：当金属液冷却到1点时，开始结晶出奥氏体，到2点时结晶完毕，2点到3点间为单相奥氏体组织，当冷却到与GS线相交的3点时，从奥氏体中开始析出铁素体，随着温度的降低，析出的铁素体量不断增多，剩余的奥氏体量不断减少，而奥氏体中碳的质量分数沿GS线变化(增加)，当温度降到与PS线相交的4点时，奥氏体的含碳量达到0.77%，此时，剩余的奥氏体发生共析转变，转变成珠光体。4点以下至室温，合金组织不再发生变化。亚共析钢的室温组织为F+P，其结晶过程如图2-4所示。图2-4亚共析钢的结晶过程

3.过共析

图2-2中合金Ⅲ是含碳量为1.2%的过共析钢，其冷却结晶过程如下：金属液冷却到1点时，开始结晶出奥氏体，到2点时结晶完毕，2点到3点间为单相奥氏体，当合金冷却到与ES线相交的3点时，奥氏体中的碳含量达到饱和，开始析出二次渗碳体，继续冷却，析出的二次渗碳体量增多，剩余奥氏体中碳的含量不断减少，沿ES线变化，当温度降到与PSK线相交的4点时，剩余奥氏体中碳的含量达到0.77%，于是发生共析反应，奥氏体转变为珠光体。从4点以下至室温，组织不再发生变化。最后得到的组织是珠光体和网状的二次渗碳体P+Fe3CⅡ，其结晶过程如图2-5所示。图2-5过共析钢的结晶过程图2-2中的合金Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ分别为含碳量为4.3%的共晶白口铸铁、含碳量为3.0%的亚共晶白口铸铁和含碳量为5.0%的过共晶白口铸铁。其分析过程请读者根据典型成份的钢的分析方法自行分析。图2-6含碳量对钢的力学性能的影响铁碳相图在生产实践中具有重大的意义，主要用于钢材料的选用和铸、锻等热加工工艺制定等方面。

(1)在铸造方面：选择合适的浇铸温度，含碳量接近4.3%的白口铸铁熔化温度低,铸铁的流动性好，便于浇铸。

(2)在煅造方面：选择合适的温度区，一般在奥氏体区钢的塑性较好,便于锻压成型。2.5铁碳合金相图的作用

(3)在热处理方面：用于退火、正火、淬火等温度的选择。

(4)在选材方面：铁碳合金相图所表明的成份、组织和性能的规律，为钢材料的选用提供了理论依据。

想一想：锉刀应选用含碳量高的钢还是含碳量低的钢？机床的主轴呢？

1.铁碳合金的基本组织有哪些？各用何种符号表示？各有何性能特点？

2.什么是钢？根据含碳量和室温组织的不同，钢分为哪几类？

3.白口铸铁分为几类？试述它们的含碳量和室温组织。

4.随着含碳量的增加，钢的组织和性能有什么变化？

5.根据铁碳相图，在下表中填上三种不同含碳量的钢或铁在所给温度时的显微组织名称。思考题3.1热处理概述3.2热处理的基本原理3.3钢的热处理3.4钢的表面热处理和化学热处理思考题

3.1.1热处理的概念

钢的热处理就是在固态下，采用适当的方法，对钢进行加热、保温、冷却，以改变其组织，从而获得所需性能的一种工艺。热处理的工艺方法较多，但都由加热、保温、冷却三阶段组成。因此，热处理工艺可用一温度-时间为坐标的曲线图来表示，如图3-1所示，该曲线又称为热处理工艺曲线。3.1热处理概述图3-1钢的热处理工艺曲线示意图3.1.2热处理的目的

钢的热处理主要有以下两个目的：

(1)消除毛坯中的缺陷，改善工艺性能，为切削加工或热处理做组织和性能上的准备。这也称为预先热处理。

(2)提高金属材料的力学性能，充分发挥材料的潜力，节约材料，延长零件的使用寿命。这也称为最终热处理。3.1.3热处理的方法

钢的热处理按工艺方法的不同可分为整体热处理、表面热处理等。

整体热处理包括退火、正火、淬火、回火等四种方法。

表面热处理包括表面淬火和化学热处理等两种方法。热处理之所以能够使钢的性能发生很大变化，主要是由于在加热和冷却过程中，钢的内部组织发生了变化。Fe-Fe3C相图是表示铁碳合金在接近平衡状态下相与成分和温

度之间的关系图，图中的临界点A1、A3和Acm也只是在这样的条件下才适用的。然而，生产中不可能以无限缓慢的速度加热和冷却，其相变是在非平衡的条件下进行的，研究发

现这种非平衡的组织转变有滞后现象。3.2热处理的基本原理对于加热，非平衡条件下的相变温度高于平衡条件下的相变温度，称过热度。对于冷却，非平衡条件下的相变温度低于平衡条件下的相变温度，这个温差叫滞后度，对应的转

变温度称过冷度。

加热与冷却速度越大，温度提高与下降的幅度就越大，导致过热度与过冷度越大。此外，过热度与过冷度的增大会导致相变驱动力的增大，从而使相变容易发生。

平衡条件下的临界点：A1A3Acm

非平衡加热的临界点：Ac1Ac3Accm

非平衡冷却的临界点：Ar1Ar3Arcm

相图表示如图3-2所示。图3-2钢在加热和冷却时的相变临界点3.2.1钢在加热时的转变

大多数热处理工艺需要将钢加热到临界温度以上才能进行，所以加热转变主要包括奥氏体的形成和晶粒长大两个过程。

1.奥氏体的形成

以共析钢为例(ωC=0.77%)，其奥氏体的形成过程如图3-3所示。

图3-3共析钢奥氏体的形成过程影响奥氏体形成的因素具体如下：

(1)温度。温度越高，原子的扩散能力越强，加速了奥氏体的形成。

(2)原始组织。原始组织越细，相界面越多，提供的奥氏体晶核就越多，碳原子的扩散距离也越短，加速了奥氏体的形成。

(3)钢的成分。含碳量增加，铁素体和渗碳体相界面越多，加速了奥氏体的形成。

加入合金元素后不改变奥氏体形成的基本过程，但会减缓奥氏体的形成速度。

2.奥氏体晶粒的长大(粗化)

随着温度的升高，奥氏体晶粒会逐渐长大(粗化)。

粗大的奥氏体晶粒冷却后得到粗大的晶粒组织，使材料的力学性能和工艺性能变差，因此，在对材料进行热处理时应合理选择加热温度和保温时间，以得到细小的奥氏体晶粒。

3.2.2钢在冷却时的转变

室温下，钢的力学性能不仅与经过加热、保温后获得的奥氏体晶粒大小有关，而且取决于奥氏体经冷却转变后所获得的组织。而冷却方式、冷却速度对奥氏体组织的转变有直接影响。奥氏体化的钢冷却至室温存在以下两种方式：

连续冷却:使奥氏体化后的钢在温度连续下降的过程中发生组织转变，包括水冷、油冷、炉冷、空冷等。

等温冷却：将奥氏体化后的钢迅速冷却到临界点A1以下某一温度，恒温停留一段时间，在这段保温时间内发生组织转变，然后再冷却下来。

1.过冷奥氏体的等温转变曲线

以共析钢为例：

由于过冷温度和等温时间不同，过冷奥氏体的等温转变过程及转变产物也不相同，表示过冷奥氏体不同的等温冷却温度、等温时间与转变过程及产物之间关系的曲线叫做过冷奥氏体的等温转变曲线，也称为C曲线。

1)C曲线的建立

·

共析钢奥氏体的等温转变曲线是通过一系列不同过冷的等温冷却实验建立的。

·

通过实验测出不同的过冷奥氏体在恒温下开始转变和转变终了的时间，画到温度-时间坐标系中，然后把开始时间和转变终了时间分别连接起来，即得到图3-4所示的共析钢C曲线。图3-4共析钢C曲线

2)共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能

(1)珠光体类型(高温转变产物)：

共析钢A过冷到723~550℃之间，A等温转变产物属于P型组织。

727~650℃保温转变得到P，因为过冷度小，

所以片层大。

性能：强度、硬度较低，塑韧性较高。

650~600℃保温转变得到细P，又称索氏体

(S)，因为过冷度较大，所以片层较细小。

性能：强度、硬度高于P，塑韧性较高。

600~550℃保温转变得到极细P，又称屈氏体

(T)，因为过冷度很大，所以片层极细小。

性能：强度、硬度高，但韧性低。P型组织类型

(2)贝氏体类型转变(中温转变产物)：

A在550~230℃保温转变为贝氏体，其组织类型为贝氏体组织，该组织是含碳过饱和的F+Fe3C两相混合物。

(3)马氏体类型转变(低温转变产物)：

230~-60℃保温转变为马氏体，其组织类型为马氏体组织。分为板状和片状马氏体，马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。

3)影响过冷奥氏体等温转变的因素

·

碳的影响：ωC增加，亚共析钢的C曲线右移；过共析钢的C曲线左移。

·

合金元素的影响：除含碳量外，所有合金元素加入奥氏体后会增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。

2.过冷A的连续冷却转变

与等温冷却曲线相比，连续冷却曲线都处于图3-5中的右下方，说明转变温度低、孕育期长。

共析钢连续冷却时，只有珠光体转变而无贝氏体转变。亚共析钢可以产生贝氏体组织。

合金钢可以有珠光体及贝氏体转变，有珠光体而无贝氏体，或有贝氏体而无珠光体转变等多种情况。图3-5共析钢的连续冷却曲线当连续冷却速度达到某一值时，冷却曲线与C曲线相切，不发生珠光体转变，而在低温区发生马氏体转变，通常称为临界冷却速度。冷速小时，得到珠光体与马氏体的混合组织；冷速更小时，则得到珠光体组织。3.3.1钢的退火

钢的退火是指将钢加热、保温后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的工艺过程。根据退火的不同目的有完全退火、普通退火、等温退火、球化退火、去应力退火及再结晶退火等。这里仅介绍完全退火、球化退火和去应力退火。3.3钢的热处理

1.完全退火

工艺：加热Ac3以上30~50℃并保温一段时间后随炉冷到500℃以下，然后在空气中冷却至室温。

目的：细化晶粒，均匀组织，提高塑性和韧性，消除内应力，便于机械加工。该工艺常作为亚共析钢的预先热处理。

2.球化退火

球化退火是使钢中的渗碳体球化的工艺过程。球化退火的对象主要为共析钢和过共析钢。工艺：加热到Ac1以上20~30℃后保温一段时间，然后极缓慢冷却至600℃左右再出炉空冷。

目的：降低硬度，提高塑性和韧性，便于切削加工。

机理：使片状或网状渗碳体变成颗粒状(球状)。

说明：退火加热时，组织没有完全奥氏体化，所以又称不完全退火。3.去应力退火

工艺：加热到Ac1以下某一温度(500~650℃)后保温一段时间，再缓慢冷却至室温。

目的：消除铸件、锻件、焊接件等的残余内应力，稳定工件尺寸。

想一想：用T12钢做锉刀，加工前应采用何种退火工艺？目的是什么？3.3.2钢的正火

1.工艺

正火是指加热到Ac3或Accm以上30~50℃后保温一段时间，再出炉空冷。

2.目的

钢的正火目的在于使亚共析钢中自由铁素体减少，过共析钢中网状渗碳体消失。

低碳钢：提高硬度，克服粘刀现象，改善切削加工性。

中碳钢：细化晶粒，为淬火做好组织准备，对于性能要求不高的零件，可作为最终热处理。

高碳钢：消除网状渗碳体。

比一比：钢的正火和退火热处理在工艺上有何不同？

3.正火与退火的选择

(1)从切削加工性考虑：钢件适宜的切削加工硬度为170～230HBS。因此，低碳钢、低碳合金钢应选用正火为预备热处理。中碳钢也可选正火，含碳量超过0.5%的钢应选用退火作为预备热处理。

(2)从零件的形状考虑：对于形状复杂的零件或大型铸件，正火可能会因内应力过大而造成零件开裂，故应选用退火。

(3)从经济性考虑：因正火比退火的操作简便，生产周期短，成本低，在能满足使用要求的情况下，应尽量选用正火，以降低成本。

析一析：用T12钢做锉刀，加工前能用正火来代替退火吗？3.3.3钢的淬火

1.工艺

淬火就是将钢加热到Ac3或Ac1以上30～50℃，保温后快速冷却以获得马氏体的工艺方法。

2.目的

淬火的目的在于提高钢的硬度和耐磨性。

3.淬火温度

亚共析钢的淬火温度在Ac3以上30～50℃。过高则淬火后马氏体粗大，严重变形；过低则淬火后组织出现铁素体，硬度、强度不足，组织不均匀。过共析钢的淬火温度在Ac1以上30～50℃。过高则淬火后马氏体粗大，脆性增大，易变形、开裂，残余奥氏体增多，硬度、耐磨性降低；过低则奥氏体化不均匀。

一般过共析钢在淬火前需要正火或球化退火，以消除网状渗碳体。

4.淬火方法

(1)单液淬火：将奥氏体化的钢放进水或者油等淬火介质中连续冷却至室温的操作方法。

例如：碳钢件水冷、合金钢油冷、厚大碳钢件盐水冷等。特点：操作简便，易实现自动化、机械化，但淬火质量难以保证。

(2)双液淬火：将奥氏体化的钢先放进水中冷却到300～200℃再迅速移到油中(甚至放到空气中)的冷却操作方法。

特点：既可淬硬又可避免开裂和变形，但操作困难。

(3)分级淬火：将奥氏体化的钢放进稍高于Ms点的盐浴槽中停留2～5min，然后取出在空气中冷却。

特点：应力小，避免开裂和变形，但盐浴冷却能力有限，只适用于形状复杂、尺寸较小的零件。

(4)等温淬火：将奥氏体化的钢放进稍高于Ms点的盐浴槽中保温足够时间，使过冷奥氏体转变为下贝氏体，然后取出空冷的方法。

特点：下贝氏体硬度较高，韧性较好，变形又小，适于形状复杂、尺寸精度要求高的零件。

5.淬硬性和淬透性

(1)淬硬性：钢在正常淬火条件下，淬火形成的马氏体所能达到的最高硬度。

淬硬性取决于马氏体的含碳量，含碳量越高，碳的过饱和度就越大，硬度也越高。

(2)淬透性：钢在规定的淬火条件下可以达到的淬硬层深度。

影响淬透性的因素为过冷奥氏体的稳定性，即临界冷却速度。3.3.4钢的回火

1.工艺

回火就是将淬火后的钢重新加热到A1以下某一温度保温，然后冷却(一般为空冷)至室温的操作方法。

2.目的

回火的目的在于消除淬火产生的内应力，稳定工件尺寸，降低脆性，改善切削加工性能。

3.力学性能

随着回火温度的升高，硬度、强度下降，塑性、韧性升高。

4.回火种类

(1)低温回火：150~250℃，减少内应力和脆性，提高塑性和韧性，有较高的硬度和耐磨性，用于制作量具、刀具和滚动轴承等。

(2)中温回火：350~500℃，具有较高的弹性，有一定的塑性和硬度,用于制作弹簧、锻模等弹性元件。

(3)高温回火：500~650℃，具有良好的综合力学性能,用于齿轮、曲轴等机器受力件的最后热处理以获得综合机械性能。淬火后再高温回火称为调质处理。

析一析：钢淬火后是否一定要回火？3.4.1表面淬火

1.工艺

表面淬火就是对零件进行快速加热，使表面迅速达到淬火温度，而心部来不及被加热的情况下立即冷却，使表面得到高硬度的马氏体，而心部仍保持原来组织的一种热处理工艺，包括感应加热、火焰加热、电接触加热等。本书主要介绍感应加热表面淬火法。3.4钢的表面热处理和化学热处理2.感应加热表面淬火

(1)原理：电磁感应、集肤效应。

(2)工艺：高频淬火、中频淬火、工频淬火。

(3)材料：中碳钢(45)、合金调质钢(40Cr)。

(4)技术条件：表面50~55HRC。

(5)感应表面淬火方法如图3-6所示。图3-6钢的感应表面淬火

①200~300kHz高频感应淬火，表面硬化层深度为0.5～2mm。

②2500~8000Hz中频感应淬火，淬硬层深度为3~6mm。③50Hz工频感应淬火，可获得10～15mm以上的硬化层。

(6)应用：机床主轴、机床齿轮。

3.典型表面淬火件(机床齿轮)的工艺路线分析

下料—锻造—正火—机加工(粗、半精)—调质—机加工—表面淬火、低温回火—精磨

想一想：表面淬火的目的是什么？3.4.2钢的化学热处理

1.工艺

化学热处理就是将零件放入一定的活性介质中，经加热、保温，使

介质的活性原子渗入零件表层中，从而改变表层化学成分、组织和性能的工艺方法。

2.主要的化学热处理方法

(1)渗碳。

渗碳是向钢的表面渗入碳原子，使其表面达到高碳钢的含碳量，增加耐磨性。常用方法为气体渗碳法。

①设备:常用井式气体渗碳炉。

②工艺：渗碳温度为920~930℃，渗碳时间为3~8h。

③材料：如20、20Cr、20CrMnTi等低碳钢。

④技术条件：表面含碳量0.85%~1.05%。

⑤渗层深度：0.4~1.5mm(一般为1.0mm)。

⑥渗碳后的热处理：淬火+低温回火，得到的组织为M回(回火马氏体)+Fe3CⅡ。

⑦典型渗碳件(汽车齿轮)的工艺路线：

下料—锻造—正火—机加工(粗、半精)—渗碳、淬火、低温回火—机加工(精加工)

(2)渗氮。

渗氮是将氮原子渗入钢件表面，形成以氮化物为主的渗氮层，以提高渗层的硬度、耐磨、耐蚀和耐疲劳强度等多种性能。

常用方法为气体渗氮法和离子渗氮法。

①工艺：渗氮温度一般为500~560℃，渗氮时间一般为30~50h。

②材料：38CrMoAl。

③性能特点：950～1200HV(相当于65～72HRC)。

④应用：适宜于精密零件，例如磨床主轴、镗床镗杆、精密机床丝杠、内燃机曲轴以及各种精密齿轮和量具等。

⑤典型氮化件(磨床主轴)的工艺路线：

下料—锻造—正火—机加工(粗加工)—调质—机加工—渗氮—精磨

比一比：表面淬火和化学热处理在处理工艺上有何不同？

1.什么是钢的热处理？钢的热处理的目的是什么？

2.简述钢在加热时的组织转变过程。

3.常用的退火方法有哪些？它们分别适用于哪一类型的钢？

4.一批45钢试样(尺寸Φ15×10mm)，因其组织、晶粒大小不均匀，需采用退火处理。思考题拟采用以下几种退火工艺：

(1)缓慢加热至700℃，保温足够时间，随炉冷却至室温；

(2)缓慢加热至840℃，保温足够时间，随炉冷却至室温；

(3)缓慢加热至1100℃，保温足够时间，随炉冷却至室温。

问：上述三种工艺各得到何种组织？若要得到大小均匀的细小晶粒，选择何种工艺最合适？

5.正火与退火的主要区别是什么？生产中应如何选择正火及退火？

6.淬火的目的是什么？亚共析碳钢及过共析碳钢淬火加热温度应如何选择？试从获得的组织及性能等方面加以说明。7.常用的淬火方法有哪些？

8.钢在淬火后的淬硬性和淬透性分别指什么？

9.什么是钢的回火？回火工艺有哪些？分别适用于什么场合？

10.什么是钢的表面淬火？表面淬火主要适用于哪种类型的钢？常用的表面淬火方法有哪些？

11.什么是化学热处理?常用的化学热处理方法有哪些？4.1常见元素对钢性能的影响4.2工业用钢4.3铸铁4.4有色金属及其合金思考题4.1.1钢中常见杂质对钢性能的影响

实际生产中使用的钢除含有铁和碳元素以外,还含有少量的硅(Si)、锰(Mn)、硫(S)、磷(P)等杂质元素。这些元素含量虽然少，但它们的存在对钢的组织和性能都有着重要的影响。4.1常见元素对钢性能的影响

1.硅的影响

硅是作为脱氧剂在炼钢过程中带入钢中的。硅的脱氧作用比锰强，它能消除FeO对钢的不良影响；硅能溶于铁素体中，产生固溶强化，从而提高钢的强度和硬度，但也降低了钢的塑性和韧性。硅和氧的亲和力很强，可形成SiO2，这对钢的性能不利，故钢中硅的含量一般不超过0.5%。

2.锰的影响

锰是炼钢时用锰铁脱氧后残留在钢中的杂质元素。锰具有一定的脱氧能力，能把钢中的FeO还原成铁，改善钢的质量；锰还可以与硫化物形成MnS，以减轻硫的有害作用，降低钢的脆性，改善钢的热加工性能；锰能大部分熔于铁素体中，形成固熔体，提高钢的强度和硬度。锰在非合金钢中的含量一般为0.25%~0.8%，最高可达1.2%。

3.硫的影响

硫是炼钢时由铁矿石和燃料带进钢中的，是炼钢时难以除尽的有害杂质元素，在固态下不熔于铁，以FeS的形式存在。FeS与Fe能形成低熔点的共晶体，当钢材在1000~1200℃进行热压力加工时，共晶体会熔化，使钢变脆，从而导致热加工时开裂，这种现象称为热脆性。

钢中硫的含量必须严格控制，我国一般都控制在0.05%以下。但在易切削钢中可适当提高硫的含量，其目的在于提高钢的切削加工性。此外，硫对钢的焊接性也有不良影响，容易导致焊缝热裂，产生气孔和疏松。

4.磷的影响

磷是由矿石带入钢中的有害元素。磷在钢中能全部熔于铁素体中，有较强的固熔强化作用，能提高铁素体的强度和硬度；但在室温下却使钢的塑性和韧性急剧下降，特别是低

温韧性，使钢在低温下变脆，这种现象称为冷脆。磷还会使钢偏析严重，降低钢的焊接性能,因此在钢中要限制磷的含量。但在易切削钢中，可适当提高磷的含量，改善钢的切削加工性。此外，钢中加入适量的磷还可以提高钢材的耐大气腐蚀的性能。4.1.2合金元素在钢中的作用

为了提高钢的性能，在炼钢时有意识地向钢中加入一些合金元素，这样获得的钢称为合金钢。

钢中常加合金元素有：锰(Mn)、硅(Si)、铬(Cr)、镍(Ni)、钼(Mo)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、锆(Zr)、钴(Co)、硼(B)、铼(Re)等。

1.合金元素与铁和碳的作用

合金元素加入钢中后，主要与铁形成固熔体，或者与碳形成碳化物奥氏体。

(1)合金元素与铁的作用：几乎所有元素都能熔于铁素体或奥氏体中，引起铁的晶格畸变，产生固熔强化，使钢的强度、硬度提高。随着合金元素的增加，强度、硬度上升，塑性、韧性下降。

(2)合金元素与碳的作用：合金元素能与碳形成不同的碳化物。当其含量较低时，一些合金元素能置换渗碳体中的铁原子，形成稳定性较差的合金渗碳体，如(Fe，Mn)3C、(Fe，Cr)3C等；铬、钨、钼等含量较高时，可与碳结合成稳定性较高的合金碳化物，如Cr7C3、Fe3W3C、Fe

3Mo3C等；钒、钛、铌、锆等能与碳结合成极其稳定的特殊碳化物，如

VC、TiC等。通常碳化物越稳定，其硬度越高；碳化物颗粒越细，对钢的强化效果越显著。

2.合金元素对热处理的影响

(1)合金元素对钢加热时奥氏体化的影响：大多数合金元素能显著减慢碳在奥氏体中的扩散速度，又由于合金渗碳体和合金碳化物不易分解，同时合金元素本身的扩散也很困难，因此，大多数低合金钢和合金钢需要提高加热温度和更长的保温时间。合金钢在加热时，大多数的合金元素形成高熔点的碳化物或特殊碳化物，以弥散质点分布在奥氏体的晶界上，阻碍了奥氏体的晶粒长大。因此，大多数合金钢热处理后的晶粒比相同含碳量的碳素钢的晶粒细，性能更高。

(2)合金元素对过冷奥氏体转变的影响：大多数固熔于奥氏体中的合金元素都使过冷奥氏体稳定性提高，马氏体临界冷却速度减小，淬透性提高。

(3)合金元素对回火转变的影响。

①提高钢的回火稳定性：钢在回火时的组织转变主要是马氏体分解及碳化物形成、析出和聚集的过程，这个过程是依靠元素的扩散来完成的。大多数合金元素的阻碍作用，延缓了马氏体的分解和残余奥氏体的转变，将其转变推向更高的温度下进行。因此，在同样的回火温度

下，低合金钢与合金钢的强度和硬度要比相同含碳量的碳素钢高，即合金元素提高了钢的回火稳定性。

②产生二次硬化：二次硬化是指淬火钢在回火过程中硬度升高的现象。主要原因是含有较多铬、钼、钨、钒等合金元素的合金钢，在500~600℃回火时，会从马氏体中析出特殊的碳化物，如Cr7C3、W2C、VC等，这类碳化物硬度高、数量多、颗粒小、分散均匀，使钢在回火后硬度有所提高。如高速钢和高铬钢在回火时都产生二次硬化现象，对提高其热硬性有重要的意义。

想一想：为什么冬天要将自来水管保护起来，而很多机器却没有加保护措施？4.2.1常用碳素钢

按照钢的用途和质量,碳素结构钢可分为普通碳素结构钢、优质碳素结构钢和碳素工具钢。

1.普通碳素结构钢

普通碳素结构钢是指生产过程中控制质量无特殊规定的一般用途的碳素结构钢。其主要化学成分为：C%=0.09%~0.33%，Mn%=0.37%~0.65%，Si%=0.30%,S%≤0.035%~0.05%

,P%≤0.035%~0.045%。4.2工业用钢普通碳素结构钢由于含碳量较低，故具有较好的焊接性能，常用于轧制钢板、钢带、型钢等，以及用于制作需热处理的焊接、铆接、栓接构件及螺栓螺母等零件。这类钢的

牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四个部分按顺序组成。如Q235AF表示屈服点为235MPa、质量等级为A级的沸腾钢。常用普通碳素结构钢的牌号、性能、用途见表4-1。表4-1常用普通碳素结构钢的牌号、性能、用途

2.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、磷等杂质较少，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其力学性能。其主要化学成分如下：C%=0.08%~0.85%,Si%=0.17%~0.37%，S%、P%≤0.035%。

优质碳素结构钢的牌号是用两位数字表示的，这两位数字表示含碳量的万分数。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其含碳量的不同又可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢三类。

(1)低碳钢:含碳量低于0.25%的优质碳素结构钢。这类钢的强度和硬度较低，而塑性、韧性和焊接性较好,主要用于冷变形加工成型件及强度不高的机械零件及渗碳件，如机壳、容器、小轴、销子、螺钉和垫圈等。

(2)中碳钢:含碳量介于0.25%~0.55%之间的碳素结构钢。这类钢具有较高的强度和硬度，而塑性和冲击韧性随含碳量的增加而逐步降低，切削加工性良好，但焊接性一般。

这类钢经调质后能获得较好的综合机械性能，主要用于制作齿轮、主轴及连杆等重要的机械零件。

(3)高碳钢：含碳量超过0.60%的钢。这类钢具有较高的强度、硬度和良好弹性，但焊接性、切削加工性稍差，冷变形塑性差，主要用于制造具有较高强度、耐磨性和弹性的零件，如各种弹簧和易磨损的零件。

常用优质碳素结构钢的牌号、含碳量、性能和用途见表4-2。表4-2常用优质碳素结构钢的牌号、含碳量、性能

3.碳素工具钢

碳素工具钢是用来制造刀具、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，故碳素工具钢含碳量均在0.7%以上的都是优质或高级优质钢。

碳素工具钢的牌号以“碳”的汉语拼音字母字头T及后面的阿拉伯数字表示，数字表示钢中平均含碳量的千分数，若是特殊质量则数字后面加A。如T8A表示含碳量为0.8%的高级优质碳素工具钢。各种牌号的碳素工具钢经淬火后的硬度相差不大，但随着含碳量的增加，钢的耐磨性增加，韧性降低。因此，不同牌号的工具钢用于制造不同使用要求的各类工具。表4－3是常用碳素工具钢的牌号、含碳量、性能和用途。表4-3碳素工具钢的牌号、含碳量、性能和用途

试一试：请为下列零件或工具和材料配对。

零件：连接螺栓、曲轴、饮料罐、弹簧、锉刀、钢尺、螺钉。

材料：Q235、45、08F、65Mn、T12、T8、25。

4.2.2常用合金结构钢

合金钢的种类繁多，为了便于生产、选材、管理及研究，常按用途将合金钢分为三大类：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢。

合金结构钢用数字+化学元素+数字的方法表示。前面的数字表示钢的平均含碳量的万分数；化学元素用汉字或化学符号表示；其后面的数字表示合金元素含量，一般以平均含量的百分数表示，当合金元素含量小于1.5%时，牌号中只标明元素而不标明含量，如果平均含量等于或大于1.5%、2.5%、3.5%……，则相应地以2、3、4等表示。例如，含0.37%～0.44%C和0.8%～1.10%Cr的钢为40Cr，含0.57%～0.65%C、1.5%～2.0%Si及0.6%～0.9%Mn的钢用60Si2Mn表示。对于滚动轴承钢，在钢号前注明“滚”或“G”，后面的数字则表示铬含量的千分数，如GCr15的平均含Cr量为1.5%(含C量为1%左右)且含S、P量较低(S＜0.02%,P＜0.03%)的高级优质钢，则在钢号前加“高”或“A”。若为易切削钢，则在钢号前加“易”或“Y”，如Y12(Mn、Si、C、P)。合金结构钢按用途和热处理特点又可分为普通低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢

、合金弹簧钢、滚动轴承钢等。

1.普通低合金结构钢

普通低合金结构钢是在碳素结构钢的基础上加入少量的合金元素(一般合金元素总量小于3%),如锰、硅、铬、钼、钒、铜、磷等。由于合金元素的强化作用，这类钢比相同含碳量的碳素结构钢的强度要高得多，且有良好的塑性、韧

性、耐蚀性和焊接性，常用来制造建筑结构、锅炉、容器、车辆、船舶压力容器。

典型牌号有16Mn、16MnR、15MnTi、15MnV。

2.合金渗碳钢

合金渗碳钢主要用于制造承受强烈冲击、摩擦和磨损的重要机械零件，如齿轮、轴、活塞销等。

合金渗碳钢的含碳量在0.10%~0.25%之间，可保证心部有足够的塑性和韧性，加入的合金元素有铬、锰、镍等以提高其淬透性，使零件在热处理后，表层和心部均得到强化；加入适量的碳化物形成元素铬、钒、钛、钨等，有利于防止在高温长时间的渗碳过程中的晶粒长大。

合金渗碳钢的热处理一般是表面渗碳后淬火和低温回火

常用的合金渗碳钢的牌号有20Cr、20CrMnTi、20Cr2Ni4等。

3.合金调质钢

合金调质钢是指经调质后使用的合金结构钢，常用来制造一些受力复杂的重要零件，如轴类、连杆、齿轮等。它既要求有很高的强度，又要有很好的塑性和韧性，即具有良好的综合机械性能。合金调质钢的含碳量为0.25%~0.55%，含碳量过低，硬度不足，含碳量过高，则韧性不足。

合金调质钢中常加入铬、锰、硅、硼等合金元素以增加钢的淬透性；加入少量的钼、钒、钛等元素，以阻止奥氏体晶粒