1、第四章金属材料与热处理常识第四章金属材料与热处理常识 材料是人类用以制作各种产品的物质。材料开发的品种、数量和质量是衡量一个国家现代化程度的重要标志。现代材料种类繁多，粗略统计，目前世界上的材料总和已达40多万种，并且每年还以约5的速率增加。虽然现代工业中新型非金属材料的应用范围在不断扩大，并在工程材料中占有越来越重要的地位，但在工业生产中，应用最广的仍然是金属材料，在各种机器设备所用材料中，金属材料约占90以上。因此，熟悉金属材料的性能，了解强化金属材料的方法，对于完成机械的设计与制造具有十分重要的意义。本章将重点介绍这方面的内容，为独立进行机械设计制造准备必需的基本知识。第一节金属材料的性
2、能 金属材料不但来源丰富，而且具有优良的使用性能与工艺性能，这是其长期占据工程材料主导地位的根本原因。使用性能包括力学性能和物理、化学性能。优良的使用性能可满足生产和生活中的各种需要。优良的工艺性能则使金属材料易于采用各种加工方法，以制成各种形状、尺寸的零件和工具。因此，在设计机械零件时，必须首先熟悉金属及合金的各种主要性能，才能根据零件的技术要求，合理地选用所需的金属材料。一、物理性能 金属及合金的主要性能有密度、熔点、热膨胀性、导热性和导电性。由于机械零件的用途不同，对于其物理性能的要求也有所不同。例如，飞机零件要选用密度小而又有相当强度的铝合金来制造；又如在设计电机、电器的零件时，要重点
3、考虑金属的导电性等。金属材料的一些物理性能对于热加工工艺还有一定影响。例如高速钢的导热性较差，在锻造和热处理时就应采用较慢的加热速度，以防止产生裂纹；又如锡基轴承合金、铸铁和铸钢的熔点各不相同，铸造时三者的熔炼工艺就有很大的不同。二、化学性能 它是金属及合金在室温或高温时抵抗各种化学作用的能力，主要是指抗化学侵蚀性，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。对于在腐蚀介质中或高温下工作的零件，由于其腐蚀作用比在空气中或常温下更为强烈，因此在设计这类零件时，应特别注意金属材料的化学性能，并采用化学稳定性良好的合金，如化工设备、医疗机器等采用的不锈钢。三、工艺性能 工艺性能是指在制造机械零件及工具的过程中，金
4、属材料适应各种冷、热加工的性能，包括铸造性、可锻性、焊接性、热处理和可加工性等。在设计零件和选择工艺方法时，都要考虑金属材料的工艺性能。四、金属材料的力学性能 机械零件或工具在使用过程中，往往要受到各种载荷的作用。金属材料在载荷作用时的性能称为金属材料的力学性能，它是设计机构零件或工具时的重要依据。金属材料的力学性能主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度等。1.强度与塑性 强度是材料抵抗变形和断裂的能力，塑性是材料产生变形而又不破坏的能力，它们是通过拉伸试验来测定的，这已在前一章介绍。它们的力学特性有：强度评价指标，弹性极限e、屈服强度s、抗拉强度b;塑性评价指标，伸长率和断面收缩率。其中，弹性极限
5、是工作中不允许有微量变形的零件(如精密的弹性元件、炮筒等)设计与选材的重要依据；屈服强度s是大多数机械零件设计与选材的主要依据；对于不允许产生过量塑性变形的零件和脆性材料的零件，设计时用抗拉强度b为依据。2.硬度 硬度是指材料表面抵抗其他更硬物体压入的能力，它反映了材料局部的塑性变形抗力。硬度越高，材料抵抗塑性变形的抗力越大，塑性变形越困难。因此，硬度指标和强度指标之间有一定的对应关系。硬度也是材料重要的力学性能指标。按检测方法，常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。第二节金属的晶相组织与铁碳合金相图 固态物质按原子的聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。它们的区别是：晶体的原子按一定几
6、何形状作一般规则排列；非晶体的原子排列无序，作无规则排列。晶体一般有如下特征：具有固定的熔点(如铁为1538，铜为1083，铝为660)，且不同的方向上具有不同的性能，即晶体表现出晶体的各向异性。金属在固态时一般都是晶体。金属除具有晶体共有的特征外，一般还具有金属光泽，优良的导电性、导热性和良好的塑性。此外，金属的电阻随温度升高而增大，即具有正的电阻温度系数。一、金属的晶体结构(一)晶体结构基本知识 晶体中原子的排列可用X射线分析等方法测定。为了便于理解和描述晶体的结构，近似地将晶体中的原子视作固定不动的刚性小球，于是，晶体中最简单的原子排列情况如图4-1a所示。1.晶格 用一些假想的几何线条
7、将晶体各原子的中心连接起来，构成一个空间格架，各原子处在格架的结点上，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架简称晶格，如图4-1b所示。2.晶胞 由于晶体中原子有规则排列且有周期性的特点，为便于讨论，通常只从晶体中选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞，如图4-1c所示。实际上，整个晶格就是由许多大小、形状、位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。一、金属的晶体结构图4-1简单立方晶体结构示意图a)原子排列模型b)晶格c)晶胞3.晶格常数 常用晶胞三条棱边的长度a、b、c和棱边夹角、表示其大小和形状。晶胞棱长度称为晶格常
8、数，其大小用A(10-10m)来度量。当晶格常数a=b=c，棱边夹角=90时，这种晶格称为简单立方晶格。一、金属的晶体结构图4-2体心立方晶胞示意图a)刚球模型b)质点模型c)晶胞原子数1.体心立方晶格 如图4-2所示,体心立方晶格的晶胞是一个立方体,在立方体的8个角上和立方体的中心各有一个原子。其晶格常数为a=b=c、棱边夹角=90。属于这种晶格类型的金属有铬(Cr)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)及912以下的纯铁(-Fe)等。一、金属的晶体结构图4-3面心立方晶胞示意图a)刚球模型b)质点模型c)晶胞原子数2.面心立方晶格 如图4-3所示，面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，在立方体的8个
9、角上和6个面的中心各有一个原子。其晶格常数也是a=b=c、棱边夹角=90。属于这种晶格类型的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、铅(Pb)及温度在1394912之间的纯铁(-Fe)等。一、金属的晶体结构图4-4密排六方晶胞示意图a)刚球模型b)质点模型c)晶胞原子数如图4-4所示，密排六方晶格的晶胞是一个正六方柱体，在正六方柱体的12个角上及上、下底面的中心各有一个原子，在上、下底面之间还有三个原子。其晶格常数常用底面边长a和上、下底面间距离c来表示。属于这种晶格类型的金属有铍(Be)、镁(Mg)、锌(Zn)等。(三)合金的晶体结构 纯金属虽具有较好的导电、导热性
10、能，但因其强度、硬度较低，制取困难，价格较高，因此在工业上的应用受到限制。工业上大量使用的金属材料是合金。合金是由两种或两种以上的金属或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。例如,黄铜是铜与锌组成的合金；碳钢、铸铁是铁与碳组成的合金；硬铝是铝、铜、镁组成的合金。以下是有关合金晶体结构的一些基本概念。1.组元 组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。一般地说，组元就是组成合金的元素。例如,铜和锌就是黄铜的组元。有时稳定的化合物也可以看作组元。例如，铁碳合金中的Fe3C就可以看作是组元。根据组成组元数目的多少，合金可以分为二元合金、三元合金和多元合金。2.合金系 给定组元后，可以不同比例配制出一系
11、列成分不同的合金，这一系列合金就构成一个合金系。合金系也可分为二元系、三元系与多元系等。3.相 合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分称为相。合金中相与相之间有明显的界面。液态合金通常都为单相液体。合金在固态下，由一个固相组成的称为单相合金，由两个以上固相组成的称为多相合金。4.组织 指用金相分析方法，在金属及合金内部看到的有关晶体或晶粒大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。借助光学或电子显微镜所观察到的组织，称为显微组织。5.合金的相结构 由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。此外，还有由两相及以上组成的多相组织，称为机械混合物。(1)固溶体
12、合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相，称为固溶体。合金中晶格形式被保留的组元称为溶剂，溶入的组元是溶质。固溶体的晶格形式与溶剂组元的晶格形式相同。(2)金属化合物金属化合物是合金组元按一定整数比形成的具有金属特性的一种新相。新相完全不同于组成它的各组元中任一种晶体类型。它的组成一般可用分子式表示，如Fe3C就是铁与碳组成的金属化合物。(3)机械混合物纯金属、固溶体、金属化合物均是组成合金的基本相，由它们混合形成的多相组织称为机械混合物。组成机械混合物的各相仍保持各自的晶相结构和性能，因此整个混合物的性能将取决于构成它的各个相的性能及其数量、形态、大小与分布状况等。二、纯金属的结晶及同
13、素异晶转变图4-5纯金属冷却曲线示意图(一)金属的结晶过程 图4-5纯金属冷却曲线示意图纯金属的结晶是在一定温度下进行的，它的结晶过程可以用如图4-5所示的冷却曲线来表示。冷却曲线的水平线段就是实际结晶温度。因为结晶时放出凝固热，温度不再下降，所以线段是水平的。图中金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温度Tm，此现象称为过冷，两者的差称为过冷度，用T表示。一种金属的过冷度并非是恒定值，其大小与冷却速度有关，冷却速度越快，过冷度越大。二、纯金属的结晶及同素异晶转变图4-6纯金属的结晶过程示意图 结晶时，由每个晶核长成的晶体就是一个晶粒。晶核在长大过程中，起初是不受约束的，能够自由生长，当相互接触后
14、，便不能自由生长，最后形成由许多外形不规则的晶粒组成的多晶体。晶粒与晶粒的界面称为晶界。二、纯金属的结晶及同素异晶转变图4-7纯铁的冷却曲线(二)金属的同素异晶转变 大多数金属在结晶完成之后的晶格类型不再变化，但有些金属如铁、锰、钴、钛等在结晶成固态后继续冷却时，其晶格类型还会发生一定变化。在固态下由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的晶体称为同素异晶体。图4-7所示为纯铁的冷却曲线，它表示了纯铁的结晶和同素异晶转变过程。液态纯铁在1538结晶成具有体心立方晶格的-Fe，继续冷却到1394时发生同素异晶转变，由体心立方晶格的-Fe三、铁碳合金相图及其应用 钢铁是现代工业中应用最广泛的金属材料，其
15、基本组元是铁和碳两个元素，故统称为铁碳合金。普通碳钢和铸铁均属铁碳合金范畴，合金钢和合金铸铁实际上是有意加入合金元素的铁碳合金。为了熟悉钢铁材料的组织与性能，以便在生产中合理使用，有必要了解铁碳合金相图。目前应用的铁碳合金碳的质量分数一般为wC5，因为wC5的铁碳合金很脆，无实用价值。当wC=6.69时，铁与碳形成渗碳体(Fe3C),所以铁碳合金相图实际上是FeFe3C相图。1.铁素体 碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用F表示。铁素体保持-Fe的体心立方晶格。铁素体溶解碳的能力很小，在727时可以达到最大溶碳量0.0218。由于铁素体溶碳量很低，因此其性能与纯铁相似,强度、硬度不高，
16、塑性、韧性很好。2.奥氏体 碳溶解于-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体保持-Fe的面心立方晶格。奥氏体溶解碳的能力较大，在727时，溶碳量为0.77；在1148时，最大溶碳量可达2.11。奥氏体的性能与其溶碳量及晶粒大小有关。奥氏体的硬度较低，而塑性较高，易于切削加工和锻压成形。4.珠光体 铁素体和渗碳体的机械混合物称为珠光体，用P表示。其中碳的质量分数wC=0.77，其力学性能介于铁素体和渗碳体之间。在放大倍数较高的显微镜中，可以清楚地看到铁素体与渗碳体呈片状交替排列的情况。5.莱氏体 莱氏体是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，用Le表示。莱氏体是wC=4.3的铁碳合金冷
17、却至1148时的共晶转变产物。存在于1148727温度范围内的莱氏体，称为高温莱氏体；727以下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称为低温莱氏体，用Le表示。莱氏体硬而脆，是白口铸铁的基本组织。三、铁碳合金相图及其应用图4-8简化的铁碳合金相图(二)铁碳合金相图简要说明图4-8所示为简化后的铁碳合金相图，是研究钢铁材料热处理的主要依据。图中纵坐标是温度，横坐标是成分，碳的质量分数是06.69。图4-8简化的铁碳合金相图1.图中主要特性点及其意义3.铁碳合金相图各相区的组织(1)工业纯铁成分在P点以左，碳的质量分数wC0.0218的铁碳合金。(2)钢成分在P点与E点之间，碳的质量分数wC=0.021
18、8%2.11%的铁碳合金。根据其室温组织的特点，以S点为界分为三类：1)共析钢。碳的质量分数wC=0.77%。2)亚共析钢。碳的质量分数wC=0.0218%0.77%。3)过共析钢。碳的质量分数wC=0.77%2.11%。(3)白口铸铁成分在E点与F点之间，碳的质量分数wC=2.11%6.69%的铁碳合金。白口铸铁与钢的根本区别是前者组织中有莱氏体(Le)，后者没有。根据白口铸铁的特点，以C点为界也可分为三类：1)共晶白口铸铁。碳的质量分数wC=4.30%；2)亚共晶白口铸铁。碳的质量分数wC=2.11%4.30%；3)过共晶白口铸铁。碳的质量分数wC=4.30%6.69%。三、铁碳合金相图及
19、其应用图4-9碳的质量分数对钢的力学性能的影响HBW布氏硬度断面收缩率断后伸长率冲击吸收功(三)铁碳合金相图的应用 不同成分的液态铁碳合金，在冷却过程中的组织变化是不同的。其中，碳的质量分数直接影响碳钢的力学性能(图4-9)。在铁碳合金中，渗碳体一般可以认为是一种强化相，当它与铁素体构成层片状珠光体时，可提高合金的强度与硬度，但塑性与韧性却相应降低。当wC0.9时，渗碳体呈网状分布，不仅使塑性、韧性进一步降低，强度也明显下降。因此为保证钢构件具有适用的塑性、韧性，一般碳质量分数不超过1.4。(1)选材方面的应用铁碳合金相图揭示了合金组织随成分变化的规律，根据组织可以判断大致性能，便于合理选择材
20、料。(2)制订工艺规范方面的应用1)在铸造工艺方面的应用。根据铁碳合金相图，可以确定合适的浇注温度。相图显示，共晶成分(wC=4.3)附近的合金，不仅液相线与固相线的距离最小，而且液相线温度亦较低，故流动性好，分散缩孔少，偏析小，是铸造性能良好的铁碳合金。2)在锻造工艺方面的应用。金属的可锻性是指金属加工时,能改变形状而不产生裂纹的性能。3)在焊接工艺方面的应用。焊接时，由焊缝到母材各区域的加热温度是不同的，由铁碳合金相图可知，在不同加热温度下会获得不同的组织与性能，这就需要在焊接后采用热处理方法加以改善。4)在热处理工艺方面的应用。铁碳合金相图是确定钢热处理工艺参数的重要依据。在下节专门讨论
21、。第三节钢的热处理常识 钢的热处理是指将钢在固态下采用不同的加热、保温、冷却方法，以改变其组织，从而获得所需性能的一种工艺。热处理的主要目的：提高钢的力学性能，发挥钢材的潜力，从而提高工件的使用性能和使用寿命；消除毛坯(如锻件、铸件等)中的缺陷，改善其工艺性能，为后续工序作组织准备。根据加热和冷却方法不同,常用热处理方法可以分为两大类:第一类是普通热处理，有四种基本方式：退火；正火；淬火；回火。第二类是表面热处理，又分为表面淬火和化学热处理两类。表面淬火主要有：感应加热表面淬火；火焰加热表面淬火；激光加热表面淬火及其他。化学热处理则主要有：渗碳；渗氮；碳氮共渗及其他。第三节钢的热处理常识 热处
22、理方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温和冷却三阶段组成的。图4-10所示就是最基本的热处理工艺曲线。因此，要了解各种热处理方法对钢的组织与性能的改变情况，必须首先研究钢在加热(包括保温)和冷却过程中的相变规律。图4-10热处理工艺曲线图4-11实际加热(冷却)时,铁碳合金相图上的位置一、钢在加热时的转变图4-12共析钢奥氏体形成过程示意图a)A形核b)A长大c)残余FC溶解d)A均匀化(一)钢的奥氏体化 当钢加热到Ac1时，会发生珠光体向奥氏体的转变。以共析钢为例，奥氏体化的过程通过下列三个阶段来完成，如图4-12所示：二、钢在冷却时的转变图4-13不同冷却转变方式示意图1等温转
23、变2连续冷却转变二、钢在冷却时的转变 钢经加热获得均匀奥氏体组织，一般只是为随后的冷却转变作准备。热处理后钢的组织与性能主要是由冷却过程来决定的，因此控制奥氏体在冷却时的转变过程是热处理的关键。二、钢在冷却时的转变图4-14共析钢过冷奥氏体等温转变曲线图(一)过冷奥氏体的等温冷却转变1.过冷奥氏体的等温冷却转变图(C曲线)在共析温度A1以下，未发生转变而存在的奥氏体称为过冷奥氏体。用来表示过冷奥氏体在不同过冷度下的等温过程中,转变温度图4-14共析钢过冷奥氏体等温转变曲线图转变时间转变产物(转变开始及终了)的关系曲线图，2.过冷奥氏体等温转变产物的组织形态及性能 从C曲线可知，随过冷奥氏体等温
24、转变温度的不同，其转变特征和转变产物的组织也不同。一般可将过冷奥氏体等温转变分为珠光体型转变和贝氏体型转变。(1)珠光体型转变珠光体型转变的温度范围在A1550(“鼻尖”温度)之间。由于转变温度较高，原子具有较强的扩散力，故转变为扩散型。随温度的下降，获得的组织分别称为珠光体(P)、索氏体(S)、托氏体(T)。随过冷度的增加，所得珠光体的层片变薄，其性能也有所不同，见表4-2二、钢在冷却时的转变表4-2共析钢过冷奥氏体等温转变温度与转变组织及硬度的关系 上贝氏体的形成温度大约在550350之间，下贝氏体的形成温度约在350Ms之间。下贝氏体较上贝氏体有较高的硬度和强度，塑性和韧性也较好，生产中
25、常用等温淬火来获得下贝氏体，以提高零件的强韧性。二、钢在冷却时的转变图4-15共析钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线图1.过冷奥氏体的连续冷却转变曲线图 用来表示钢奥氏体化后，在不同冷却速度的连续冷却条件下，过冷奥氏体转变开始及转变终止的时间与转变温度之间的关系图，称为过冷奥氏体连续冷却转变曲线图。图4-15所示为共析钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线图。二、钢在冷却时的转变图4-16共析钢连续冷却转变产物估计3.马氏体转变 当奥氏体的冷却速度大于该钢的马氏体临界冷却速度，并过冷到Ms以下时，就开始发生马氏体转变。三、钢的热处理工艺方法 常用热处理工艺可分为两类：预先热处理和最终热处理。预先热处理是消
26、除坯料、半成品的某些缺陷，为后续的冷加工和最终热处理作组织准备。退火与正火是常见的预先热处理，淬火和回火则常作为最终热处理。(一)钢的退火与正火退火是把钢制工件加热到相变温度Ac1或Ac3附近，保温一段时间后采用适当方法冷却的热处理工艺。正火是把工件加热到相变温度Ac3或Accm以上301.完全退火 完全退火是把亚共析钢加热到Ac3以上3050，经保温一段时间后缓慢冷却的一种热处理工艺。主要用于亚共析钢的铸、锻、焊接件。过共析钢不宜采用完全退火，因为加热到Accm线以上退火后，二次渗碳体以网状形式沿奥氏体晶界析出，使钢的韧性降低，使随后的热处理(如淬火)易产生裂纹。2.等温退火 等温退火加热工
27、艺与完全退火相同，但它得到的组织和硬度更均匀，主要用于高碳钢、合金工具钢和高合金钢。3.球化退火 球化退火是把过共析钢加热到Ac1以上1020，经过一定时间保温后缓慢冷却的一种热处理工艺。其目的是球化渗碳体(或碳化物)，以降低硬度，改善可加工性。主要用于共析或过共析成分的碳钢和合金钢。若钢的原始组织中存在有严重渗碳体网时，应采用正火将其消除，再进行球化退火。4.均匀化退火 均匀化退火是把合金钢铸锭或铸件加热到Ac3以上150250，长时间保温，然后缓慢冷却的工艺。目的是消除铸件结晶过程中产生的枝晶偏析，使成分均匀。由于加热温度高，时间长，会引起奥氏体晶粒的严重粗大，因此，均匀化退火后还必须进行
28、一次完全退火，以消除热缺陷。5.去应力退火 去应力退火是把工件加热至低于Ac1的某一温度(约500650)，保温一定时间后，随炉冷却至300200以下出炉空冷的工艺。由于加热温度低于Ac1，故钢内组织无变化。主要用于消除铸、锻、焊接件的内应力，稳定尺寸，减少工件使用中的变形。一般工件常在精加工或淬火前进行一次去应力退火。三、钢的热处理工艺方法图4-17各种退火及正火加热温度各种退火与正火的加热温度范围和工艺曲线如图4-17、图4-18所示。图4-18各种退火及正火工艺三、钢的热处理工艺方法(二)钢的淬火 淬火是将钢件加热到相变点Ac3或Ac1以上3050，保温一定时间，然后快冷(大于临界冷却速
29、度)，获得马氏体(或贝氏体)组织的热处理工艺。图4-19a所示为淬火马氏体的显微组织。淬火的目的淬火的目的主要是使钢件得到马氏体(或贝氏体)组织，然后与适当的回火相配合，以获得机械零件所需的使用性能。淬火与回火是强化钢材、提高机械零件使用寿命的重要手段，它们通常作为钢件的最终热处理。图4-19淬火马氏体和回火马氏体的显微组织a)淬火马氏体5000b)回火马氏体15002.淬火工艺淬火工艺主要涉及加热温度、加热时间和淬火介质三项因素。(1)淬火加热温度的确定钢的化学成分是决定其淬火加热温度的最主要因素。因此碳钢的淬火加热温度可利用铁碳合金相图来选择，如图4-20所示。其淬火加热温度原则上为：图4
30、-20碳钢淬火的加热温度范围 (2)淬火加热时间的确定加热时间包括升温和保温时间。加热时间应保证工件达到指定温度并热透，使组织转变充分进行、成分扩散均匀，同时又不使奥氏体晶粒粗化并减少工件的氧化和脱碳。(3)淬火介质淬火时所用的冷却介质，根据钢的种类不同而不同。常用的淬火介质有水、水溶液、油、硝盐浴、空气等。水最便宜而且冷却能力较强，一般碳素钢多用它作为淬火介质。油的冷却能力较低，合金钢多用它来进行淬火。三、钢的热处理工艺方法图4-21常用淬火方法示意图3.淬火方法及其应用 淬火方法是根据工件特点(化学成分、形状尺寸和技术要求等)，结合各种淬火冷却介质的特征，保证淬火质量所采用的方法。常用淬火
31、方法有：(1)单液淬火将已奥氏体均匀化的工件在一种淬火介质中冷却淬火，如图4-21中曲线所示。例如，碳钢在水中淬火；合金钢及尺寸很小的碳钢件(直径小于35cm)在油中淬火。(2)双液淬火将已奥氏体均匀化的工件先淬入一种冷却能力较强的介质中，冷却到稍高于Ms温度，再立即转入另一冷却能力较弱的介质中，使之发生马氏转变的淬火，称为双液淬火。例如，碳钢通常采用先水淬后油冷，合金钢通常采用先油淬后空冷。双液淬火工艺如图4-21中曲线所示。(3)分级淬火将已奥氏体均匀化的工件先投入温度在Ms附近的盐浴或碱浴中，停留适当时间，然后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火，称为分级淬火。这种工艺特点是在工件内外温差基
32、本一致时，使过冷奥氏体在缓冷条件下转变成马氏体，从而减少变形。分级淬火工艺如图4-21中曲线所示。这种工艺的缺点是只适用于尺寸较小的零件，否则介质冷却能力不足，温度也难于控制。(4)等温淬火将已奥氏体均匀化的工件快速淬入温度稍高于Ms点的硝盐浴(或碱浴)中，保持足够长的时间，直至过冷奥氏体完全转变为下贝氏体，然后在空气中冷却，如图4-21中曲线所示。下贝氏体的硬度略低于马氏体，但综合力学性能较好，因此在生产中广泛应用。一般弹簧、螺栓、小齿轮、轴、丝锥等的热处理均用此法。其缺点是生产周期长，生产效率低。(5)局部淬火对于有些工件，如果只是局部要求高硬度，可对工件全部加热后进行局部淬火。为了避免工
33、件其他部分产生变形和开裂，也可进行局部加热淬火。(三)钢的回火 将淬火钢重新加热到A1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。它是紧接淬火的热处理工序。1.回火的目的 回火的目的是减少内应力，稳定组织，使工件形状、尺寸稳定；调整组织，消除脆性，以获得工件需要的使用性能。2.回火的方法及应用 根据钢在回火后组织和性能的不同，按回火温度范围也将回火方法分为低温、中温及高温回火三种。四、钢的表面热处理表4-3感应加热表面淬火的应用 表面热处理又分为两类：一类是只改变表面组织而不改变表面化学成分的热处理，称为表面淬火；另一类是同时改变表面化学成分及组织的热处理，称为化学热处理。
34、1.钢的表面淬火 表面淬火是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。目前生产中应用最广泛的是感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火两种方法。2.钢的化学热处理 化学热处理是将工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，以改变工件表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理都是由分解、吸收和扩散三个基本过程所组成。首先在一定条件下，从介质中分解出具有活性的元素原子；活性原子吸附在工件表面，进入铁的晶格形成固溶体或化合物，被工件表面吸收；被吸收的渗入原子达到一定浓度时，由表向里扩散，形成一定厚度的渗层，以达到化学热处理的目的。目前在制造业中，
35、最常用的化学热处理有渗碳、渗氮和碳氮共渗。五、钢的热处理常见缺陷 热处理件的质量受多方面因素的影响，其中最主要的是热处理工艺因素和工件的结构因素。在热处理生产中，往往由于热处理工艺控制不当，使工件产生某些缺陷。钢的热处理常见缺陷有：氧化、脱碳、过热、过烧、硬度不足、变形与开裂等，这对热处理件的质量影响很大。1.氧化与脱碳 工件加热时，若加热炉中介质控制不好，就会产生氧化与脱碳缺陷。钢在氧化性介质中加热时，会发生氧化而在其表面形成一层氧化铁(Fe2O3、Fe3O4、FeO)，这层氧化铁就是氧化皮。加热温度越高，保温时间越长，氧化作用就越强烈。钢在某些介质中加热时，这些介质会使钢表层的碳的质量分数
36、下降，这种现象称为“脱碳”。使钢发生脱碳主要原因是气氛中O2、CO2、H2及H2O的存在。2.过热与过烧 加热温度过高或保温时间过长，奥氏体的晶粒显著粗化的现象称为过热。过热的钢淬火后具有粗大的针状马氏体组织，其韧性较低。加热温度接近于开始溶化温度，沿晶界处产生熔化或氧化现象，称为过烧。过烧后，钢的强度很低，脆性很大。过热与过烧都是由于加热温度过高引起的。钢的过热可以通过退火或正火来消除。过烧则无法补救，只得将工件报废。3.硬度不足与软点 硬度不足是指工件淬火后达不到硬度要求。硬度不足对在高硬度状态下工作的工具和零件是不允许的；对要求具有综合力学性能的工件，也会影响其疲劳强度和韧性。造成硬度不
37、足的原因通常是淬火加热温度低、保温时间短或冷却速度不够。对于某些钢，如淬火温度过高，淬火组织中存在过多的残余奥氏体，也会降低淬火钢的硬度。软点是指工件淬火后局部硬度偏低的现象。量具、刃具、模具及滚动轴承等，其工作部4.变形与开裂 淬火中变形与开裂主要是淬火时形成的内应力所引起的。根据内应力形成的原因不同，它分为热应力与相变应力两种。热应力是由于工件在加热和冷却时内外温度不均匀，因而使工件截面上热胀冷缩先后不一致所造成的。相变应力是由于奥氏体和马氏体的比体积不同，以及工件淬火时各部位马氏体转变先后不一致，因而使体积膨胀不均匀所造成的。第四节常用金属材料一、钢 钢按化学成分分为碳素钢(简称碳钢)和
38、合金钢两大类。碳钢除以铁、碳为其主要成分外，还含有少量的锰、硅、硫、磷等常存杂质元素。由于碳钢容易冶炼、价格低廉，性能可以满足一般工程机械、普通机械零件、工具及日常轻工业产品的使用要求，因此在工业上得到广泛的应用。合金钢是在碳钢基础上，有目的地加入某些元素(称为合金元素)而得到的多元合金。与碳钢相比，合金钢的性能有显著的提高，故应用亦日益广泛。钢的种类很多，为了便于管理、选用和研究，从不同角度把它们分成若干类别。通常把钢分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。(一)结构钢 凡用于制造各种机械零件，以及各种工程结构的钢都称为结构钢。用作工程结构的钢，称为建筑工程钢，它们大都是普通质量的结构钢(包括
39、碳素结构钢及低合金钢)。这类结构钢冶炼比较简单，成本低，适应工程结构需大量消耗钢材的要求。建筑工程钢一般不再进行热处理。用作机械零件的钢称为机械制造用钢，它们大都是优质结构钢(包括优质碳素结构钢及各种优质或高级优质合金结构钢)，以适应机械零件承受动载荷的要求。一般需适当热处理，以发挥材料的潜力。一、钢表4-4碳素结构钢牌号与力学性能(摘自GB/T 7002006)1.普通质量结构钢(1)碳素结构钢碳素结构钢的平均碳的质量分数在0.06%0.38%范围内，钢中含有害杂质和非金属夹杂物较多，但性能上能满足一般工程结构及普通零件的要求，因而应用较广。它通常轧制成钢板或各种型材(圆钢、方钢、工字钢、钢
40、筋钢)供应。表4-4所列为碳素结构钢牌号与力学性能。一、钢(2)低合金结构钢低合金结构钢又称低合金高强度钢，广泛用于制造在大气和海洋中工作的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆、船舶、输油输气管道、压力容器等。低合金结构钢的碳的质量分数较低(wC0.2%)，合金元素含量较少(wMe3%)，这样可以保证钢具有良好的塑性、韧性及焊接性能。常加入的合金元素有Mn、Ti、V、Nb、Cu、P、RE等，它们的主要作用是强化铁素体，细化晶粒，从而提高钢的强度。同时，Cu、P还能提高钢在大气中的耐腐蚀能力。用这类钢制作大型构件不仅安全可靠，而且可减2.优质结构钢 这类钢主要用于制造较重要的机械零件。根据化学
41、成分不同可分为优质碳素结构钢与合金结构钢。优质碳素结构钢的牌号是用两位数字表示。两位数字表示钢中以平均万分数表示的碳的质量分数。属于沸腾钢的，在数字后加标“F”；未标“F”的都是镇静钢。(2)调质钢调质钢通常是指经调质后使用的钢。主要用于制造承受很大循环载荷与冲击载荷或各种复合应力的零件(如机器中的轴、连杆、齿轮等)。这类零件要求钢材具有较高的综合力学性能，即有良好配合的强度、硬度、塑性和韧性。(1)渗碳钢渗碳钢通常是指经渗碳淬火、低温回火后使用的钢，用于制造要求表面硬而耐磨、心部韧性较好的零件,如承受较大冲击载荷,同时表面有强烈摩擦和磨损的齿轮、轴等零件。(3)弹簧钢常用来制造各种弹簧的钢。
42、弹簧依靠其工作时产生的弹性变形，在各种机械中起缓冲、吸振的作用，并利用其储存能量，使机件完成规定的动作。(4)滚动轴承钢滚动轴承钢是指制造各种滚动轴承内、外圈及滚动体(滚珠、滚柱、滚针)的专用钢种。根据其工作条件，对滚动轴承钢性能要求为：具有高的接触疲劳抗力、高的硬度、耐磨性及一定的韧性，同时还应具有一定的耐腐蚀能力。目前我国以铬轴承钢应用最广。在铬轴承钢中，又以GCr15、GCr15SiMn钢应用最多。前者用于制造中、小型轴承的内、外圈及滚动体，后者用于制造较大型滚动轴承套圈及钢球。滚动轴承钢具有耐磨性高等性能特点，还常用它来制造量具、冷冲模具及其他耐磨零件。(二)工具钢工具钢是指制造各种刃
43、具、模具、量具的钢，相应地称为刃具钢、模具钢、量具钢。工具钢除个别情况外，大多数是在受很大局部压力和磨损条件下工作的，应具有高硬度、高耐磨性，以及足够的强度和韧性，故工具钢(除热作模具钢外)大多属于过共析钢(wC=0.6%1.3%一、钢表4-6常用低合金刃具钢的牌号、化学成分、热处理和用途举例(2)低合金工具钢低合金工具钢可用来制造受力较大、尺寸较大、形状复杂的刃具。但因合金元素加入量不多(一般wMe5%)，故仍不适用于较高速度的切削。常用低合金刃具钢的牌号及其化学成分、热处理、用途举例如表4-6所示。(3)高速钢高速钢是热硬性、耐磨性较高的合金工具钢。它的热硬性很高，切削时能长期保持刃口锋利
44、，故俗称为“锋钢”。其强度也比碳素工具钢提高30%50%。各种高速钢由于具有比其他刃具钢高得多的热硬性、耐磨性及较高的强度与韧性，不仅可制作切削速度较高的刃具，也可以制造载荷大、形状复杂、贵重的切削刃具(如拉刀、齿轮铣刀等)。此外，高速钢还可用于制造冷冲模、冷挤压模及某些要求耐磨性高的零件。2.模具钢主要有冷作模具钢和热作模具钢两种。(1)冷作模具钢冷作模具钢用来制造在冷态下使金属变形的模具。这类模具要求高硬度、高耐磨性、一定的韧性及较好的淬透性。冷作模具钢的热处理为淬火加低温回火。常用冷作模具钢见表4-7。(2)热作模具钢热作模具钢用于制造使加热金属(或液态金属)获得所需形状模具。这类模具一
45、般分为热锤锻模、热挤压模和压铸模等。这类模具要求有足够的高温强度、良好的冲击韧性和耐热疲劳性，一定的硬度和耐磨性，良好的淬透性和导热性。一、钢表4-7常用冷作模具钢表4-8常用量具钢的牌号及热处理3.量具钢 量具是机械加工中使用的检测工具，如量块、塞尺、样板等。量具在使用中常与被测工件接触，受到摩擦与碰撞，故要求量具应具有高硬度和高耐磨性，并具有高的尺寸稳定性。量具用钢一般可选用碳素工具钢或低合金工具钢。对精度要求较高的量具，在淬火后需立即进行冷处理，在精磨后或研磨前还要进行一次时效处理，即将工件加热至120150左右。较长时间保温后缓冷，以稳定组织，进一步消除残余应力，提高工件尺寸稳定性。(
46、三)特殊性能钢 特殊性能钢具有特殊的物理或化学性能，用来制造除要求具有一定的力学性能外，还要求具有特殊性能的零件。其种类很多，机械制造行业主要使用不锈钢、耐热钢、耐磨钢。1.不锈钢 不锈钢是指在腐蚀性(大气或酸)介质中具有抵抗腐蚀性能的钢。不锈钢按其使用时的组织特征，可分为铁素体型不锈钢、奥氏体型不锈钢、马氏体型不锈钢、奥氏体铁素体型不锈钢等。铁素体不锈钢中碳的质量分数低，铬的质量分数高，常用的有0Cr13Al、1Cr17、00Cr30Mo2，用于工作应力不大的化工设备、容器及管道等。奥氏体不锈钢是应用最广的不锈钢，属铬镍钢。钢在常温下可得到单相奥氏体组织。2.耐热钢 耐热钢是指在高温条件下具
47、有抗氧化性或不起皮和足够强度的钢。钢的耐热性包括抗氧化性(热稳定性)和高温强度两个方面。耐热钢中主要含有铬、硅、铝等合金元素。这些元素在高温下与氧作用，在其表面形成一层致密的氧化膜(Cr2O3、Ai2O3、SiO2)，能有效地保护钢不致在高温下继续氧化腐蚀。3.耐磨钢 耐磨钢是指在强烈冲击载荷作用下才能发生硬化的高锰钢。耐磨钢的典型牌号是ZGMn13型，它的主要成分为铁、碳和锰，wC=1.0%1.5%，wMn=11%14%。高锰钢不易切削加工，而铸造性能较好，故高锰钢零件多采用铸造方法生产。这类钢多用于制造承受冲击和压力，并要求耐磨的零件，例如，坦克、拖拉机的履带板，挖掘机的铲斗齿，破碎机的鄂
48、板，铁路道叉，防弹板及保险箱的钢板等。二、铸铁 铸铁是wC2.11%(一般为wC=2.5%4%)的铁碳合金。它是以铁、碳、硅为主要组成元素，并比碳钢含有更多的锰、硫、磷等杂质的多元合金。为了提高铸铁的力学性能或物理化学性能，还可以加入一定量的合金元素，得到合金铸铁。早在公元前6世纪春秋时期，我国已开始使用铸铁，比欧洲各国要早将近2000年。由于铸铁有优良的铸造性能、可加工性、减摩性及减振性，而且熔炼铸铁的工艺与设备简单、成本低廉，因此在目前工业生产中，它仍是最重要的工程材料之一。若按重量百分比计算，在各类机械中，铸铁件约占40%70%，在机床和重型机械中，则可达60%90%。二、铸铁图4-22
49、石墨在铸铁中的存在形态a)灰铸铁中的片状石墨b)球墨铸铁中的球状石墨c)蠕墨铸铁中的蠕虫状石墨d)可锻铸铁中的团絮状石墨 铸铁有两种分类方法。一种是根据碳在铸铁中存在的形式，有白口铸铁、灰铸铁和麻口铸铁。一种是根据铸铁中石墨形态(图4-22)，可分为球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁。现简述如下：二、铸铁(2)灰铸铁碳全部或大部分以片状石墨存在于铸铁中，其断口呈暗灰色，故称灰铸铁。由于片状石墨的存在，使灰铸铁具有良好的耐磨性、减振性和低的缺口敏感性。因此，灰铸铁被广泛用于制作机床床身、壳体、机架、箱体和承受摩擦的导轨、缸体等零件。X1.TIF(3)麻口铸铁碳一部分以石墨形式存在，类似灰铸铁，另一部分
50、以自由渗碳体形式存在，类似白口铸铁。这类铸铁也具有较大的硬脆性，故工业上极少应用。(4)球墨铸铁铸铁中石墨呈球状存在。它的力学性能不仅比灰铸铁高，而且还可以通过热处理进一步提高其力学性能，所以在生产中的应用日益广泛。二、铸铁表4-9灰铸铁的牌号、力学性能及用途(摘自GB/T 94391988)二、铸铁X2.TIF注：力学性能系?30mm单铸试棒制取的试样所能达到的值。球墨铸铁牌号的表示方法举例如下：二、铸铁X3.TIF(5)蠕墨铸铁它是20世纪70年代发展起来的一种新型铸铁，石墨形态介于片状与球状之间，故性能也介于灰铸铁与球墨铸铁之间。蠕墨铸铁牌号的表示方法举例如下：二、铸铁表4-10球墨铸铁
