1、第二单元钢铁材料 主编课题一金属的晶体结构一、金属的晶体结构1.晶体与非晶体 自然界的固态物质，根据原子在内部的排列特征可分为晶体与非晶体两大类。凡是内部原子或分子，按照一定几何规律作周期性的重复排列的物质称为晶体。绝大多数金属和合金固态下都属于晶体，如纯铝、纯铁、纯铜、钢等。凡是内部原子或分子呈无规则堆积的物质称为非晶体，如松香、玻璃、沥青等。2.晶体的特点 (1)具有规则的外形晶体在一般情况下具有规则的外形，如天然金刚石、水晶、食盐等。(2)具有固定的熔点任何一种晶体物质，当加热到一定温度，就会熔化。各种晶体物质都有各自的熔点。例如，铁的熔点为1538、铜的熔点为1084.5、铝的熔点为6
2、60.4等。而非晶体没有固定的熔点。(3)具有各向异性同一种晶体物质在不同方向上具有不同的性能，称为各向异性。而非晶体是各向同性的。(4)晶体与非晶体差异很大晶体即使是由相同元素组成的，如果排列方式不同，即晶体结构不同，它们的性能往往也有很大差异。如金刚石和石墨，虽然都是由碳原子组成的，3.金属的晶格类型 (1)金属的晶格金属的晶格是指金属中原子排列的规律。如果把金属原子看做是一个直径一定的小球，则某金属中原子的排列情况如图2-1所示。为了更清楚地表示晶体中原子排列的规律，可将原子简化为一个质点，再用假想线段把它们连接起来，就形成了一个能反映原子排列规律的空间格架，称为晶格，如图2-2a所示。
3、(2)常见的晶格类型金属的晶格类型很多。在已知的八十多种金属元素中，有85以上的金属晶体都属于以下三种晶格，其结构特点见表2-1。二、合金的晶体结构 纯金属虽然具有优良的物理、化学性能，如良好的导电、导热性，熔点高，耐腐蚀性好，但其强度、硬度偏低，而且种类有限，价格较高，制取困难，因此纯金属在工业上的应用受到限制。1.合金的基本知识(1)合金由两种或两种以上的金属或金属与非金属，经熔炼、烧结或其他方法结合成具有金属特性的物质称为合金。(2)组元组成合金最基本的独立物质称为组元，简称元。组元通常是纯元素(金属元素或非金属元素)，也可以是稳定的化合物。(3)合金系由两个或两个以上组元按不同比例配制
4、成一系列不同成分的合金，称为合金系。(4)相合金中具有同一聚集状态、同一结构和性质的均匀组成部分称为相。(5)组织用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征的部分称为组织。2.合金的组织 多数合金组元液态时都能互相溶解，形成均匀液溶体。固态时由于各组分之间相互作用不同，形成不同的组织。通常固态时合金中形成固溶体、金属化合物和机械混合物三类组织。(1)固溶体合金由液态结晶为固态时，一组元溶解在另一组元中，形成均匀的固相，称为固溶体。固溶体的晶格类型与其中某一组元的晶格类型相同，而其他组元的晶格结构将要消失。能保持晶格结构的组元称为溶剂，晶格结构消失的组元称为溶质。(2)金属化合物合金中各组
5、元的原子按一定比例相互作用而生成的一种新的具有金属特性的物质称为金属化合物。金属化合物一般具有复杂的晶体结构，它的晶格类型和性能完全不同于任一组元，一般可用化学分子式表示，如Fe3C、TiC等。金属化合物具有熔点高、硬度高、脆性大的特点。当合金中出现金属化合物时，可提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。金属化合物是各类合金钢、硬质合金及许多有色金属的重要组成部分。(3)混合物合金中由不同的相组成的物质称为混合物，其性能主要取决于各组成相的性能及成分的分布状态。三、金属的结晶 工业上使用的金属材料通常要经过液态和固态的加工过程。例如制造汽车零件的钢材，要经过冶炼、铸锭、轧制、锻造、机
6、械加工和热处理等工艺过程。结晶是指金属从高温液体状态冷却凝固为固体(晶体)状态的过程，在结晶过程中会放出一定的热量，称为结晶潜热。1.纯金属的结晶过程 金属的结晶必须在低于其理论结晶温度(熔点To)以下才能进行，理论结晶温度和实际结晶温度(T1)之间的温度差称为“过冷度”(T=To-T1)，如图2-6所示。金属结晶时，过冷度的大小与冷却速度有关，冷却越快，其实际结晶的温度就越低，过冷度T也就越大。2.晶粒大小及控制 (1)晶粒大小对金属性能的影响金属结晶以后实际晶粒的大小对金属的力学性能有着重要的影响：金属的晶粒越细小，其强度越高，塑性、韧性越好；反之，其强度、塑性、韧性越差。(2)细化晶粒的
7、方法由金属的结晶过程可知，结晶后晶粒的大小与晶核数目和长大速度有关。形核率越高，长大速度越慢，则结晶后的晶粒越细小。因而在生产中一般通过提高形核率并控制晶粒长大速度的方法来细化晶粒。铸造生产中为了得到细晶粒的铸件，常采取以下几种方法：3.合金的结晶 纯金属在结晶时，其结晶过程是在恒温下进行并完成的；另外在结晶进行时，只有一个液相和一个固相存在。合金的结晶过程是在过冷的情况下通过形核与长大来实现的，同样也遵循结晶的基本规律。但由于合金成分中会有两个或两个以上的组元，因此在结晶过程中，在不同温度区域共存相的数目是变化的，而且各个相的成分有时也是不同的。因此，结晶不一定在恒温下进行，这会使合金的结晶
8、过程比纯金属要复杂得多。4.金属的同素异构转变 大多数金属的晶格类型是固定不变的，但是铁、锰、锡、钛等金属的晶格类型都会随温度的升高或降低而发生变化。在固态下，金属随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为金属的同素异构转变。课题二铁碳合金一、铁碳合金的基本组织与性能 在液态铁碳合金中，铁和碳可以无限互溶；在固态铁碳合金中，碳可溶于铁中形成固溶体，如铁素体和奥氏体；还可以形成由固溶体和化合物(渗碳体Fe3C)组成的混合物，如莱氏体和珠光体。铁素体、奥氏体和渗碳体均为铁碳合金的基本相。1.铁素体(F)铁素体是碳溶于-Fe中形成的固溶体，用符号“F”表示。-Fe溶碳能力很小，随温度的不同而变
9、化。在室温时溶解度仅为0.008，在727时溶解度最大达到0.0218。铁素体是室温下铁碳合金的基本相。2.奥氏体(A)奥氏体是碳溶于-Fe中形成的固溶体，用符合“A”表示。-Fe中的溶碳能力较-Fe大，在1148时溶解度最大达到2.11。随温度下降，溶解度降低，至727时为0.77。奥氏体是铁碳合金的高温基本相，稳定地存在于727以上。3.渗碳体(Fe3C)渗碳体是铁和碳形成的化合物，分子式为“Fe3C”。渗碳体具有复杂的晶体结构，如图2-11所示。渗碳体中碳的质量分数wC=6.69，熔点在1227，属于硬脆相，具有很高的硬度(9501050 HV)，而塑性极差(接近于零)。它的数量、形状、
10、分布对钢的性能影响很大，是钢中的主要强化相。4.珠光体(P)由铁素体和渗碳体组成的片层状的混合物称为珠光体，用符号“P”表示，其显微组织如图2-12所示。其中白色为铁素体基体，黑色线条为渗碳体。在缓慢冷却的条件下，珠光体的wC=0.77%。由于珠光体是由软的铁素体和硬的渗碳体组成的混合物，因此其力学性能介于铁素体和渗碳体之间，即强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。5.莱氏体(Ld)莱氏体是奥氏体和渗碳体的混合物，用符号“Ld”表示。它是wC=4.3的液态铁碳合金在1148时的共晶产物。当温度降到727时，由于莱氏体中的奥氏体将转变为珠光图2-13低温莱氏体的显微组织体，所以室温下的莱氏体由珠光
11、体和渗碳体组成，这种混合物称为低温莱氏体，符号“Ld”表示。图2-13所示为低温莱氏体的显微组织，由于莱氏体的基体是渗碳体，所以它的性能接近于渗碳体，硬度很高，塑性很差。二、铁碳合金相图 铁碳合金相图是表示在缓慢冷却(或缓慢加热)条件下，不同成分铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形。铁碳合金相图是研究铁碳合金的基础，它是研究铁碳合金的成分、温度和组织结构之间关系的图形。铁碳合金相图是人类经过长期实践并进行大量科学实验总结出来的。1.铁碳合金相图的组成 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。而生产中实际使用的铁碳合金，其碳的质量分数一般不超过5。因为含碳量更
12、高的材料脆性太大，难以加工，没有实用价值，因此，只研究相图中碳的质量分数为06.69的部分。而这部分的铁碳化合物只有Fe3C，故铁碳合金相图也可以认为是Fe-Fe3C相图。2.Fe-Fe3C相图中特性点、线的含义及各区城内的组织 Fe-Fe3C相图中有九个特性点及六条特性线，当了解了这些点、线的含义后，就可以把一个看似复杂的相图分割成不同的区域。当成分(含碳量)和温度变化时，按一定规律可分析出各区域产生的组织。(1)主要特性点Fe-Fe3C相图中的九个特性点及其温度、含碳量和含义见表2-2。(2)主要特性线Fe-Fe3C相图中有若干条表示合金状态的分界线，它们是不同成分合金具有相同含义的临界点
13、的连线。三、铁碳合金的分类 按含碳量的不同，铁碳合金的室温组织可分为工业纯铁、钢和白口铸铁。1.纯铁 碳的质量分数小于等于0.0218的铁碳合金称为纯铁，即wC0.0218。2.钢 碳的质量分数大于0.0218而小于等于2.11的铁碳合金称为钢，即0.0218wC2.11。钢的特点是高温固态组织为奥氏体，根据其室温组织特点不同，钢又分为三种：0.77wC2.11。3.白口铸铁 把碳的质量分数大于2.11的铁碳合金称为白口铸铁，即：wC2.11%。白口铸铁的特点是高温发生共晶反应生成莱氏体，根据其室温组织特点不同，白口铸铁也分为三种：四、铁碳合金的成分、组织与性能的关系 分析铁碳合金的室温组织不
14、难发现，随含碳量的不同，其组织顺序为FF+PPP+Fe3CP+Fe3C+LdLdLd+Fe3CI。其中的珠光体(P)和低温莱氏体(Ld)由铁素体和渗碳体组成，因此可认为铁碳合金的室温组织都是由铁素体和渗碳体组成的，但含碳量不同时，铁素体和渗碳体的相对量会有所变化。含碳量越高，铁素体数量越少，而渗碳体数量越多，铁碳合金的成分不但对其组织有上述影响，对其性能也有影响。课题三碳素钢 碳素钢是指碳的质量分数wC2.11的铁碳合金。在钢铁材料中，碳素钢具有冶炼方便、加工容易、价格低廉、工艺性能好、力学性能能够满足一般工程和机械制造的使用要求的特点，是工业中用量最大的金属材料。其中，在汽车工业的用材中，钢
15、铁材料占整个用材总量的6570。一、碳素钢的成分 常用的碳素钢，wC1.3。除Fe、C两个主要元素外，碳素钢在冶炼过程中还会带入一些杂质，如Mn、Si、S、P等常存元素。这些杂质对钢的质量有很大影响，尤其是S、P，必须严格控制在要求的范围内。1.锰(Mn)锰是钢中的有益元素，是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的，经常作为合金元素而特意加入钢中。锰具有很好的脱氧能力，能很大程度上减少钢中的FeO，还能与硫化合成MnS，减轻硫的有害作用。锰能溶解于铁素体和渗碳体中，形成合金固溶体和合金渗碳体，提高了钢的强度和硬度。当锰作为少量常存元素存在时，一般不应超过1.00。2.硅(Si)硅也是一种有益元素，也是
16、作为脱氧剂而进入钢的。硅的脱氧能力比锰强，可有效清除FeO。硅在室温下大部分溶入铁素体，产生固溶强化，使铁素体的强度和硬度提高。硅作为杂质一般不应超过0.4。3.硫(S)硫是钢中的有害元素，是在冶炼时由矿石带入的，炼钢时很难除尽。硫在铁素体中几乎不能溶解，而是以FeS形式存在。FeS与Fe形成低熔点的共晶体，熔点为985，分布在晶界。当钢材在10001200进行压力加工时，共晶体熔化，使钢材变脆，这种现象称为热脆性。为了避免热脆，钢中含硫量必须严格控制，通常应使wS0.05。3.硫(S)硫是钢中的有害元素，是在冶炼时由矿石带入的，炼钢时很难除尽。硫在铁素体中几乎不能溶解，而是以FeS形式存在。
17、FeS与Fe形成低熔点的共晶体，熔点为985，分布在晶界。当钢材在10001200进行压力加工时，共晶体熔化，使钢材变脆，这种现象称为热脆性。为了避免热脆，钢中含硫量必须严格控制，通常应使wS0.05。4.磷(P)磷是钢中的有害元素。磷在钢中可全部溶解于铁素体中，使钢的强度、硬度有所提高，但塑性、韧度急剧降低，使钢在低温时变脆，这种现象称为冷脆性。因此，钢中含磷量也要严格控制，通常应使wP0.045。二、碳素钢的分类1.按含碳量分按钢的含碳量可分为三种：(1)低碳素钢(2)中碳素钢(3)高碳素钢2.按钢的含杂质质量分根据钢中有害杂质S、P的多少可分为三种：(1)普通钢(2)优质钢(3)高级优质
18、钢3.按用途分按用途可分为两种：(1)碳素结构钢(2)碳素工具钢4.按脱氧程度分按脱氧程度分为三种：(1)沸腾钢(2)镇静钢(3)半镇静钢三、碳素钢的牌号和用途1.普通碳素结构钢 普通碳素结构钢是工程中应用最多的钢种，其杂质和非金属夹杂物较多，但产量大，价格便宜，在性能上能满足一般工程结构及普通零件的要求，因而应用普遍。(1)普通碳素结构钢牌号(2)常用普通碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能常用普通碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能见表2-3及表2-4。4.铸钢 铸造碳素钢(简称为铸钢)属于中、低碳素钢，主要用于受冲击负荷作用的形状复杂的零件，如轧钢机机架，重载大型齿轮、飞轮等。因为形状复
19、杂的零件，很难用锻压等方法成形，用铸铁又难以满足性能要求，常需选用铸钢件。(1)铸钢的牌号铸钢的牌号由“ZG”即“铸钢”两字的汉语拼音字首和两组数字组成，前一组数字表示铸件的屈服强度的最低值，后一组数字表示抗拉强度的最低值。(2)常用铸钢的成分、力学性能常用铸钢的成分、力学性能见表2-10。课题四钢的热处理工艺简介一、热处理的基础知识 热处理是改善金属材料使用性能和工艺性能的一种非常重要的工艺方法，它是强化金属材料，提高产品质量和使用寿命的主要途径之一。因此，绝大部分重要的机械零件在制造过程中都必须进行热处理。1.热处理的概念 所谓热处理，就是对固态的金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷
20、却，以获得所需要的组织结构与性能的工艺。2.热处理的工艺过程任何一种热处理的工艺过程，都包括下列三个步骤：(1)加热以一定速度把零件加热到规定的温度。这个温度范围根据不同的金属材料、不同的热处理要求而定。(2)保温在此温度下保温一定的时间，使工件全部或局部热透。(3)冷却以某种速度把工件冷却下来。二、钢在加热和冷却时的组织转变1.钢在加热和冷却时的相变温度 研究钢在加热和冷却时的相变规律是以铁碳合金相图为基础的。铁碳合金相图上的A1、A3、Acm转变线，图2-16钢在加热和冷却时的临界温度是碳钢在极缓慢加热或冷却情况下测定的。但在实际生产中，加热和冷却并不是极其缓慢的.2.钢加热时奥氏体的形成
21、 大多数钢热处理加热的目的是获得成分均匀、晶粒细小的奥氏体组织，为后续冷却时的组织转变作准备。(1)奥氏体的形成过程由Fe-Fe3C相图可知，将钢加热至奥氏体相区，均可获得奥氏体组织(称为奥氏体化)。(2)奥氏体晶粒的长大当珠光体刚刚全部转变为奥氏体时，奥氏体晶粒还是很细小的。此时将奥氏体冷却后得到的组织晶粒也很细小。如果在形成奥氏体后继续升温或延长保温时间，都会使奥氏体晶粒逐渐长大。晶粒的长大是依靠较大晶粒吞并较小晶粒和晶界迁移的方式进行的，如图2-18所示。(3)奥氏体晶粒大小的控制钢奥氏体化的加热温度愈高、保温时间愈长，得到的奥氏体晶粒愈粗大，冷却后钢的强度、塑性和韧性愈差，且易引起淬火
22、裂纹。因此，生产中常需合理控制钢的加热温度和保温时间，以获得细晶奥氏体组织。3.奥氏体冷却时的组织转变 钢的热处理冷却过程是决定钢热处理组织和性能的关键工序。将同一成分的钢奥氏体化后以不同速度冷却时，可获得不同的力学性能。其原因在于随冷却速度增大，奥氏体在非平衡条件下不再按Fe-Fe3C相图所示规律转变为珠光体等平衡组织，而是过冷至A1以下温度转变为其他非平衡组织。过冷奥氏体等温转变图中的纵坐标和横坐标(对数坐标)分别代表等温温度和等温时间。共析温度A1线以上区域是奥氏体区。(2)奥氏体冷却转变的产物由C曲线可知，过冷奥氏体冷却转变温度不同，得到的转变产物也不同。根据产物的组织特征，可将其分为
23、珠光体型组织、贝氏体型组织和马氏体型组织三种类型。(3)奥氏体的连续冷却转变在实际热处理生产中，过冷奥氏体转变大多在连续冷却过程中进行。由于连续冷却转变图的测定比较困难，故常用连续冷却曲线与等温转变图叠加，近似地分析连续冷却转变的产物和性能。三、常用热处理的方法 热处理方法很多，常用的有普通热处理(包括退火、正火、淬火和回火)以及表面热处理(包括表面淬火和化学热处理等)两大类。热处理既可以作为预备热处理以消除上一道工序所遗留的某些缺陷，为下一道工序准备好条件；也可作为最终热处理进一步改善材料的性能，从而充分发挥材料的潜力，达到零件的使用要求。1.退火 退火是把工件加热到适当的温度，保温一定时间
24、后随炉降温而缓慢冷却的热处理方法。退火的目的是消除铸、锻件等的内应力，以防止变形和开裂；均匀组织、细化晶粒，改善钢的力学性能；降低钢的硬度，提高钢的切削加工性等。2.正火 正火是将钢件加热到转变为完全奥氏体(对于亚共析钢为Ac3以上3050，对于过共析钢为Accm以上3050)，保温一定时间后，在空气中冷却得到细片状珠光体组织的热处理工艺。与退火相比，正火是在炉外冷却，不占用加热设备，生产周期比退火短，生产效率高，能量消耗少，工艺简单，成本低，性能好。因此，低碳钢和中碳钢多采用正火来代替退火。3.淬火 淬火是将工件加热到Ac1或Ac3以上3050并保温一定的时间，然后快冷，以获得马氏体组织。其
25、主要目的是提高钢的硬度和耐磨性，是强化钢材最重要的工艺方法。淬火质量取决于淬火三要素，即加热温度、保温时间和冷却速度。(1)淬火加热温度钢的淬火加热温度是根据Fe-Fe3C相图来选择的，如图2-23所示。对于亚共析钢，淬火加热温度一般选择在Ac3以上3050，淬火后获得的是均匀细小的马氏体组织。(2)加热保温时间淬火加热保温时间受钢的化学成分、工件尺寸及形状、加热炉类型等多种因素的影响。一般来讲，在保证工件热透和内部组织充分转变的前提下，应尽量缩短加热保温时间，以提高热处理质量。具体加热保温时间，可根据经验公式估算，也可由试验来确定。(3)淬火冷却介质钢件淬火所用的冷却介质称为淬火冷却介质。淬
26、火是为了得到马氏体，这就要求淬火的冷却速度必须大于临界冷却速度v临。但冷却速度过大，可能会造成很大的内应力，往往会引起钢件的变形和开裂。因此，淬火冷却介质对钢的理想淬火冷却速度应是“慢快慢”，如图2-24所示。4.回火 回火是将淬火后的钢加热到奥氏体转变温度以下某一温度，保温后冷却下来的一种热处理工艺，其目的是减小或消除淬火应力，稳定组织，提高钢的塑性和韧性，从而使钢的强度、硬度和塑性、韧性得到适当配合，以满足不同工件的性能要求。5.表面淬火 在汽车中，有许多零件是在冲击载荷、扭转载荷及摩擦条件下工作的，如汽车变速齿轮及传动齿轮轴等。它们要求表面具有很高的硬度和耐磨性，而心部要具有足够的塑性和
27、韧性。这一要求如果仅从选材方面去解决是十分困难的，若用高碳钢，硬度高，但心部韧性不足；相反，若用低碳钢，心部韧性好，但表面硬度低，不耐磨。为了满足上述要求，实际生产中一般先通过选材和常规热处理满足心部的力学性能，再通过表面热处理的方法强化零件表面的力学性能，以达到零件“外硬内韧”的性能要求。感应淬火的原理如图2-27所示。把工件放入空心铜管绕成的感应器内，感应器中通入一定频率的交流电，在电磁感应作用下感应器就会产生一个频率相同的交变磁场，工件内部就会产生频率相同、方向相反的感应电流，该电流在钢件内自成回路，称为“涡流”。由于涡流在工件截面上的分布是不均匀的，涡流主要集中在工件表面，这种现象称为
28、涡流的“趋肤效应”。感应器中的电流频率越高，涡流越集中于工件的表层，趋肤效应越明显。这样，生产中只要调整通入感应器的电流频率，就可以有效控制加热层的深度。感应淬火电流频率与淬硬层的关系见表2-14。由于涡流在趋肤效应作用下使工件表层迅速加热到淬火所需的温度(而心部温度仍接近室温)，随即喷水快速冷却，从而达到表面淬火的目的。6.化学热处理 将工件置于一定温度的活性介质中加热和保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺称为化学热处理。与其他热处理相比，化学热处理不仅改变了钢的组织，而且表面层的化学成分也发生了变化，因而能更有效地改变零件表层的性能。根据渗入元素的不
29、同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗，渗铝、渗硼、渗铬等。化学热处理的主要目的是提高工件的表面硬度、耐磨性以及疲劳强度；也可提高零件的耐蚀性、抗氧化性，以替代昂贵的合金钢。目前，在生产中最常用的化学热处理工艺是渗碳、渗氮、碳氮共渗。(1)钢的渗碳渗碳是将工件置于渗碳介质中，加热到单相奥氏体(900950)保温适当时间，使活性碳原子渗入钢的表面，以提高工件表面的碳浓度的热处理工艺。(2)钢的渗氮渗氮是在一定温度(一般在Ac1温度)下，使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。渗氮后的工件表层具有更高的硬度(6872HRC)和耐磨性、高的疲劳强度和耐蚀性。图2-30离子渗氮装置示意图目前常用的
30、渗氮方法有气体渗氮、离子渗氮等工艺方法，其中气体渗氮应用最广。四、钢的热处理常见缺陷及防止措施 工件在热处理的过程中，由于工艺措施不当或其他各种因素，会产生某些缺陷，这些缺陷的存在直接影响着工件的性能。1.过热与过烧 (1)过热过热是指由于加热温度过高或保温时间过长，导致晶粒显著粗化的现象。其结果是淬火后得到粗针马氏体，脆性增加，疲劳强度降低。对于过热不严重的工件，碳素结构钢及合金结构钢一般应经过一次正火或退火后再次加热重新淬火；对于高碳钢和合金工具钢，则应通过退火、正火多次处理，然后按正确的淬火工艺重新淬火。(2)过烧过烧是指当钢的加热温度远远超过了正常的加热温度，致使晶界出现熔化和氧化的现
31、象。钢的过烧组织晶粒极为粗大，在晶界上有氧化物网络，力学性能急剧恶化，这种缺陷无法挽救，只能报废应，尽量避免。2.氧化和脱碳 (1)氧化当加热介质是空气或熔盐时，钢表层的铁和碳与加热介质中的氧气、二氧化碳和水蒸气等将在高温下产生化学作用，形成铁和碳的氧化物，这种现象称为氧化。(2)脱碳工件表面层的碳由于被氧化自钢内逸出，因而降低了工件表层含碳量，这种现象称为脱碳。3.变形和开裂 变形和开裂是热处理中常见的缺陷，其根本原因是热处理时工件内部产生的内应力引起的。工件在加热和冷却时，其表层与心部或各部温度变化是不同的。由于工件各部分热胀冷缩现象不一致，引起工件内部一部分金属对另一部分金属的作用，因而
32、产生了内应力，称为热应力。加热和冷却的速度越快，热应力也越大。4.硬度不足及软点 (1)硬度不足硬度不足是指工件淬火后达不到硬度要求。当淬火温度过低，保温时间过短，淬火冷却速度不够或回火温度过高以及加热后表面脱碳等都会造成零件硬度不足。(2)软点软点是指工件淬火后，局部硬度偏低的现象。淬火时局部区域氧化皮未爆开、零件淬火冷却介质选择不当及冷却方式不合理、局部脱碳以及淬火后在冷却介质内相对运动不够等，都会在零件表面上出现软点。五、钢的热处理新工艺简介 随着科学的进步和发展，有许多钢的热处理新技术、新工艺不断出现，大大地提高了钢的热处理质量和性能。1.可控气氛热处理 可控气氛热处理，即向炉内通入一
33、种或几种成分的气体，通过对这些气体成分的控制，使工件在热处理过程中不发生氧化和脱碳的方法，它是当前热处理的发展方向之一。其目的是为了有效地控制渗碳、碳氮共渗等化学热处理表面的碳含量，防止工件在加热时的氧化和脱碳；节约钢材，提高产品质量；便于实现热处理过程中机械化和自动化，从而提高劳动生产率。2.真空热处理 真空热处理是将钢件置于专门的真空炉内加热和冷却，不仅能防止氧化、脱碳，并能使零件表面的氧化物、油脂迅速分解，得到光亮表面；还可以使表面净化，减小热处理变形。真空热处理包括真空淬火、真空退火、真空回火和真空化学热处理。3.化学热处理新工艺(1)离子渗氮与气体渗氮相比，离子渗氮的最大优点是氮化速
34、度快，质量好，渗氮层脆性小，韧性和疲劳强度大，从而提高了生产效率和零件的使用寿命，但其生产成本高。(2)离子碳氮共渗在离子渗氮的过程中，将含碳的气体引入炉内。实现同时渗碳和渗氮，达到共渗的目的。(3)真空渗碳在具有一定真空度的炉内，将工件加热到渗碳温度，通入含碳气体(如甲烷)进行渗碳。(4)多元共渗它是为了弥补单一元素渗层的硬度不足，使渗层具有良好的综合性能，加快渗入速度，缩短生产周期。4.形变热处理 钢的形变热处理是将形变和相变结合在一起的热处理新工艺。它能较大程度地提高金属材料的综合力学性能。形变热处理的形变方式很多，可以是锻、轧、挤压、拉拔等。形变热处理的相变类型也很多，有铁素体、珠光体
35、类型相变，贝氏体相变，马氏体相变等。目前常用的有以下两种：(1)高温形变热处理将钢加热到Ac3以上，再塑性变形，然后淬火回火；也可在变形后空冷或控制冷却速度，得到铁素体、珠光体或贝氏体组织，这种方法称为高温形变正火或“控制轧制”。而设备则没有特殊要求。目前在连杆、曲轴、汽车板簧和热轧齿轮中应用较多。(2)中温形变热处理将钢加热到Ac3以上，迅速冷却到珠光体和贝氏体形成温度之间；对过冷奥氏体进行一定量的塑性变形，然后淬火回火，这种方法称为中温形变热处理。5.激光热处理 随着大功率激光器在生产中的应用，激光热处理工艺也得到越来越广泛的应用。其热处理方法主要有以下几种：(1)激光淬火激光束可以在极短
36、的时间内将工件表面加热到相变温度，再靠工件本身的传热实现快速冷却淬火。(2)激光表面合金化在工件表面涂覆一层合金元素或化合物，再用激光束进行扫描，使涂覆层材料和基体材料的浅表层一起熔化、凝固，形成超细晶粒的合金化层，从而使工件表面具有优良的力学性能或其他一些特殊要求的性能。6.气相沉积技术 气相沉积是在工件表面涂覆一层过渡族元素(如钛、铌、钒、铬等)的碳、氮、氧、硼化合物。此法的优点是涂覆层附着力强、均匀、质量好、无污染，而且还具有良好的耐磨性、耐蚀性等，涂覆后的零件寿命能提高210倍以上。气相沉积有化学气相沉积(简称CVD法)和物理气相沉积(简称PVD法)两大类。将等离子技术引入化学气相沉积
37、，又出现了等离子体化学气相沉积(简称PCVD)法。此外，气相沉积技术还能用于制造各种润滑膜、磁性膜、光学膜以及其他功能膜。因此在机械制造、航空航天、核能等部门得到了广泛的应用。课题五合金钢 现代工业和科学技术的发展，对钢的性能提出了更高的要求。碳钢价格低廉，便于获得，容易加工；通过改变含碳量和进行不同的热处理，能满足许多工程上的需求。但碳钢也存在一定的缺点，难以满足耐热、耐低温、耐腐蚀、高耐磨等性能要求。而这些都需要通过钢的合金化来得到。为了提高钢的力学性能、工艺性能或物理、化学特殊性能，有目的地向钢中加入一种或几种一定量的化学元素(金属或非金属)，这种钢就称为合金钢。一、合金钢的基础知识1.
38、钢中合金元素的作用 (1)形成合金铁素体除了铅以外的绝大部分元素，如Ni、Si、Al、B、Cu、Co等在钢中都能溶于铁素体中，形成合金铁素体。由于它们与铁的晶格类型和原子半径有差异，引起铁素体晶格畸变，产生固溶强化，使铁素体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降。从而对铁素体起到了强化的作用。(2)形成合金碳化物作为碳化物形成元素，在元素周期表中都是位于铁左边的过渡族金属元素，离铁越远，则其与碳的亲和力越强，形成碳化物能力越大，形成的碳化物越稳定而不易分解。通常V、Nb、Zr、Ti为强碳化物形成元素；Mo、W为中强碳化物形成元素；Mn、Cr为弱碳化物形成元素。2.合金钢的分类合金钢的分类方法很多，但
39、最常用的是下面两种分类方法。(1)按用途分类按用途可分为以下三类：1)合金结构钢。用于制造机械零件和工程结构的钢。又可分为低合金高强度钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。2)合金工具钢。用于制造各种工具的钢，又可分为刃具钢、模具钢和量具钢等。3)特殊性能钢。具有某种特殊物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。(2)按合金元素总含量分类按合金元素总含量可分为以下三类：1)低合金钢。合金元素总质量分数5。2)中合金钢。合金元素总质量分数为510。3)高合金钢。合金元素总质量分数10。3.合金钢的牌号 我国合金钢牌号采用碳含量、合金元素的种类及含量、质量级别来编号，简单明了，实用。(1
40、)合金结构钢合金结构钢的牌号采用“两位数字(碳含量)+元素符号(或汉字)+数字”表示。(2)合金工具钢合金工具钢的牌号和合金结构钢的区别仅在于碳含量的表示方法，它用一位数字表示以名义千分数表示的碳的平均质量分数，当碳的平均质量分数1.0时，不予标出。(3)高速钢高速钢含碳量均不标出，如W18Cr4V钢中碳的平均质量分数为0.70.8。(4)特殊性能钢(5)特殊专用钢特殊专用钢为表示其用途，在钢的牌号前面冠以汉语拼音字首，而不标含碳量，合金元素含量的标注也与上述有所不同。二、合金结构钢 用于制造各种机械零件以及建筑工程的合金钢，称为合金结构钢。根据其用途可分为以下几类。1.低合金高强度结构钢 (
41、1)主要合金元素及作用低合金高强度结构钢的碳的质量分数一般小于0.2，合金元素总质量分数小于3，以锰为主加元素。(2)主要性能低合金高强度结构钢具有较高的屈服强度、良好的韧性和塑性，其屈服点比碳钢提高3050以上；同时还具有很好的焊接性能，用以制作金属结构可减轻质量、节约钢材。(3)牌号及用途牌号用“Q+数字+质量等级(A、B、C、D、E)”表示，其中“Q”为屈服强度中“屈”字的汉语拼音字首，数字表示屈服强度值，A、B、C、D、E则表示钢材中S、P的质量分数，并且依次降低。例如：Q345E表示屈服强度为345MPa的E级低合金高强度结构钢。2.合金渗碳钢渗碳钢是指经渗碳、淬火、低温回火后使用的
42、钢。(1)主要合金元素及作用一般合金渗碳钢的碳的质量分数在0.100.25之间，以保证零件心部有足够的塑性和韧性；加入铬、镍、锰、硼等合金元素，是为了提高钢的淬透性；加入钨、钒、钛等碳化物形成元素，是为了防止高温渗碳时晶粒长大，细化晶粒，并提高钢的耐磨性。(2)主要性能合金渗碳钢的表面具有高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度，心部具有良好的韧性和足够的强度。(3)牌号及用途常用的合金渗碳钢有20Cr、20MnB、20CrMnTi、18Cr2Ni4W等。主要用于制造高耐磨性并同时承受动载荷，尤其是冲击载荷的机器零件，如汽车齿轮、内燃机的凸轮和活塞销等。3.合金调质钢 合金调质钢是指经过调质处理(淬火+
43、高温回火)后，使用的中碳合金结构钢。(1)主要合金元素及作用合金调质钢的碳的质量分数一般在0.250.50之间，属于中碳钢，经调质后有足够的强度、塑性和韧性。主加元素为铬、锰、硼、镍等，主要用于提高钢的淬透性，而镍可提高钢的韧性。少量的钨、钛、钒、钼等碳化物形成元素的加入，可起到细化晶粒和提高耐回火性的作用，其中钨、钼还具有防止回火脆性的作用。(2)主要性能合金调质钢应具有高的强度，又要有良好的塑性和韧性，即有比较好的综合力学性能。(3)牌号及用途最常用的调质钢有40Cr、35CrMo、38CrMoAlA，主要用于制造受力复杂、要求综合力学性能高的重要零件，如精密机床的主轴、汽车的后桥半轴、发
44、动机的曲轴、连杆螺栓、机床齿轮等。4.合金弹簧钢 弹簧是汽车及各种机器和仪表中的重要零件，它的主要作用是利用弹性变形吸收能量以达到缓冲、减振及储能的目的。(1)主要合金元素及作用合金弹簧钢的碳的质量分数一般在0.500.70之间，主加元素为锰、铬、钒、铜等，主要是增加钢的淬透性和耐回火性，强化铁素体，因而有效地提高了钢的力学性能。硅的加入能提高钢的弹性极(2)主要性能弹簧大多是在冲击、振动及变动载荷下工作，因此要求弹簧钢应具有高的强度和疲劳强度，以及足够的塑性和韧性。(3)牌号及用途5.滚动轴承钢滚动轴承钢是指制造各类滚动轴承的内外套圈及滚动体(滚珠、滚柱、滚针)的专用钢。(1)主要合金元素及
45、作用滚动轴承一般都是高碳钢，碳的质量分数为0.951.10，以保证淬火后有足够的硬度和一定数量的合金碳化物，从而提高其耐磨性.(2)主要性能滚动轴承在交变载荷下工作，滚柱与套圈之间呈点或线接触，接触应力很大；滚动体与套圈之间不仅有滚动摩擦还有相对摩擦，使工件表面产生接触疲劳破坏与磨损；另外滚动轴承在工作时，还受到润滑剂的化学浸蚀。因此，滚动轴承必须具有高的硬度和耐磨性、高的弹性极限和接触疲劳强度，以及足够的韧性和淬透性、一定的耐蚀性。(3)牌号及用途常用的轴承钢有GCr9、GCr15、GCr15SiMn。其中GCr15是最常用的轴承钢，其制作轴承的工艺路线为：锻造球化退火机械加工淬火+低温回火
46、磨削加工。6.易切钢 易切钢是在钢中附加一种或几种元素，使它成为容易被切削加工的钢。钢的切削加工性能主要包括切削的难易程度、切削时对刀具的磨损程度以及切削后工件表面的质量三个方面。改善钢的切削加工性能既能提高生产效率，又能降低成本、提高工件的表面质量。三、合金工具钢 为了满足高硬度和耐磨性的使用要求，工具钢均为高碳成分，一般经过淬火和低温回火后使用。碳素工具钢虽然能达到较高的硬度和耐磨性，但其淬透性差，淬火变形倾向大，并且韧性和热硬性差(只能在200以下保持其高硬度)。因此，尺寸大、精度高、承受冲击载荷和较高工作温度的工具，都要采用合金工具钢制造。合金工具钢按其用途不同，可分为刃具钢、模具钢和
47、量具钢。2.模具钢模具钢按其用途分为冷作模具钢和热作模具钢。(1)冷作模具钢是指在常温下，使金属材料变形成形的模具钢。1.刃具钢常用的刃具钢主要有低合金刃具钢和高速钢。(1)低合金刃具钢(2)高速钢(2)热作模具钢热作模具钢是使加热的金属或液态金属获得需要形状的模具钢。3.量具钢 量具钢是用于制造量具的钢。量具是测量工件尺寸的工具，如游标卡尺、千分尺、块规、塞规等。(1)主要合金元素量具钢的成分要求高，碳的质量分数一般为0.91.5，并常加铬、钨、锰等元素。(2)主要性能量具在使用过程中主要受磨损。对量具钢的性能要求是：高硬度(不小于56HRC)和耐磨性、高的尺寸稳定性和高的表面质量。量具钢的
48、热处理关键在于减小热处理变形和提高尺寸稳定性。因此，在淬火和低温回火时，要采取措施提高组织的稳定性。(3)牌号及用途制造量具没有专门的钢种，合金工具钢和滚动轴承钢均可用于制造量具。尺寸小，形状简单，精度较低的量具，用碳素工具钢制造；复杂的较精密的量具，一般用低合金刃具钢制造。四、特殊性能钢 具有特殊的物理和化学性能的钢称为特殊性能钢。特殊性能钢的种类很多，机械制造行业中常用的特殊性能钢有不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。1.不锈钢 不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐溶液或其他腐蚀介质中，具有高度化学稳定性的合金钢的总称。在酸、碱、盐等浸蚀性较强的介质中，能抵抗腐蚀作用，故又称为耐蚀钢(或称耐酸钢)。(1
49、)主要合金元素及作用大多数不锈钢的碳的质量分数为0.10.2。耐蚀性要求越高，碳含量应越低；但用于制造刃具和滚动轴承等的不锈钢，碳的质量分数应较高，一般为0.850.95，此时必须相应地提高铬含量。(2)主要性能制作工具的不锈钢，要有高硬度、高耐磨性，而制作重要结构零件时，还要求具有高强度。(3)牌号及用途根据不锈钢室温下显微组织的不同，可分为马氏体型不锈钢、铁素体型不锈钢和奥氏体型不锈钢三种。2.耐热钢 (1)主要合金元素及作用在钢中加入铬、铝、硅等元素。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，能有效地保护钢不致在高温下继续氧化腐蚀，提高钢的抗氧化能力。(2)主要性能耐热钢应
50、具有优良的高温抗氧化性和高温强度，还具有适当的物理性能，如热胀系数小和良好的导热性以及较好的加工工艺性能等。(3)牌号及用途钢的耐热性包含高温抗氧化性和高温强度两个指标。因此，耐热钢分为热化学稳定钢(抗氧化钢)和热强钢。3.耐磨钢 耐磨钢是指在强烈冲击载荷作用下，才能产生硬化的钢。耐磨钢的典型牌号是ZGMn13，其化学成分特点是高碳(wC=0.91.4)、高锰(wMn=1114)，故耐磨钢又称高锰钢。课题六铸铁一、铸铁的组织与石墨化1.铸铁的石墨化 铸铁的性能与其内部组织密切相关，由于铸铁中的含碳量、含硅量较高，所以铸铁中的碳大部分不再以渗碳体的形式存在，而是以游离的石墨状态存在(wC=100
