工程材料及成形工藝 課件 第1-5章 金屬結(jié)構(gòu)及性能-非鐵金屬與非金屬材料

工程材料及成形工藝第1章金屬結(jié)構(gòu)及性能第2章金屬結(jié)晶及相圖第3章金屬熱處理及工藝第4章鋼鐵材料及性能第5章非鐵金屬與非金屬材料第6章金屬鑄造成形第7章金屬鍛壓成形第8章金屬焊接成形第9章機(jī)械零件材料及工藝選擇第1章金屬結(jié)構(gòu)及性能1.1.1單晶體的晶格結(jié)構(gòu)1.1.1.1理想晶體的基本概念（1）晶體及點(diǎn)陣金屬晶體是由無數(shù)個(gè)金屬原子或離子，在空間按一定幾何規(guī)則有序排列而成（見圖1-1a），如鋼、鐵、銅、鋁等材料，反之則為非晶體，如玻璃、瀝青、石蠟或松香等。1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)（2）晶格與晶胞抽象地用直線連接各陣點(diǎn)所形成的空間立體格子稱為晶格（見圖1-1b），晶格的最小幾何單元稱晶胞（見圖1-1c），連接各陣點(diǎn)所形成的平面稱為晶面，陣點(diǎn)組成的任一直線均能代表晶體空間的一個(gè)方向稱為晶向。1.1.1.2單晶體的晶格形式（1）體心立方體晶格體心立方晶格的每個(gè)晶胞均是一個(gè)正立方體（見圖1-2a），八個(gè)頂點(diǎn)上均有一個(gè)原子同時(shí)被相鄰八個(gè)晶胞所共有，且每個(gè)晶胞實(shí)際上只占有1/8個(gè)原子，而立方體中心還有一個(gè)原子卻為每個(gè)晶胞所獨(dú)有（見圖1-2b），即每個(gè)晶胞的原子數(shù)為1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)（2）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞仍是一個(gè)正立方體，如圖1-3a所示，除與體心立方相同的八個(gè)頂點(diǎn)上均有一個(gè)原子外，在六個(gè)面的中心還各有一個(gè)原子，并被每相鄰兩個(gè)晶胞所共有（見圖1-3b），故每個(gè)晶胞的實(shí)際原子數(shù)為1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)（3）密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是個(gè)六棱柱體，如圖1-4a所示，在六棱柱體十二個(gè)角上各有一個(gè)原子并被相鄰六個(gè)晶胞所共有，但在上下底面中心各有一個(gè)原子而被相鄰兩個(gè)晶胞所共有，同時(shí)在晶胞中間還有三個(gè)原子卻被每個(gè)晶胞所獨(dú)有（見圖14b），因此每個(gè)晶胞的原子數(shù)為1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1.1.3單晶體與多晶體（1）單晶體及其性能原子排列規(guī)律相同、晶格位向完全一致的理想晶體稱為單晶體，如圖1-5a所示，單晶體具有各向異性的特征，即在同一晶體各晶面和各晶向上的原子排列密度不同，導(dǎo)致原子間距不同，原子間的作用力強(qiáng)弱也不同，因而在晶體的各個(gè)方向上具有不同的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)（2）多晶體及其性能實(shí)際金屬晶體中均包含著許多單晶體，每個(gè)單晶體內(nèi)的晶格方位一致，但各單晶體間的彼此方位卻不同。1.1.2多晶體的晶體缺陷1.1.2.1點(diǎn)缺陷1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1.2.2線缺陷1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1.2.3面缺陷1.1.3合金組成及相結(jié)構(gòu)1.1.3.1相結(jié)構(gòu)的基本概念（1）體系與組元體系是指所研究對象的物質(zhì)總和，例如，研究鐵和碳的合金即為Fe-C合金系，研究鐵、碳、鉻合金即為Fe-C-Cr合金系。（2）相及其結(jié)構(gòu)合金的相是指合金體系中具有相同化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、液體或固體狀態(tài)、性質(zhì)并與周圍物質(zhì)以明顯界面分開組成的均勻部分。（3）相平衡與相變相平衡是指體系內(nèi)各組成相的性質(zhì)處于平衡且不隨時(shí)間而變化的狀態(tài)，但當(dāng)合金由一相轉(zhuǎn)變另一相時(shí)，化學(xué)成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能均將隨溫度發(fā)生突變，即液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)，固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪还虘B(tài)，統(tǒng)稱為相變。（4）合金形成狀態(tài)與組織合金形成狀態(tài)是指合金在某種條件下以哪幾個(gè)相存在，其狀態(tài)比純金1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)屬復(fù)雜得多，例如，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%的碳素鋼在850°C以上以單相奧氏體存在，在727°C以下則以雙相鐵素體和珠光體混合在一起存在。1.1.3.2固溶體與固溶強(qiáng)化（1）固溶體及其分類當(dāng)合金由液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)時(shí)，組成元素之間像液態(tài)合金一樣相互溶解，形成一種與合金中某一組元晶格結(jié)構(gòu)相同的新相稱為固溶體。（2）置換固溶體置換固溶體是指溶質(zhì)原子取代部分溶劑原子而占據(jù)溶劑晶格結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體（見圖1-8a），一般在溶劑晶格中呈任意、無規(guī)則分布，有時(shí)在特定情況下也會(huì)占據(jù)溶劑晶格的一定位置。1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)（3）間隙固溶體間隙固溶體是溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格間隙形成的固溶體（見圖1-9a），如鋼中的碳溶于??-Fe或??-Fe中即可形成間隙固溶體。（4）固溶強(qiáng)化隨固溶體中溶質(zhì)原子濃度的增加，晶格畸變度增大，使變形時(shí)位錯(cuò)移動(dòng)困難，從而使固溶體強(qiáng)度和硬度升高，物理性能也發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。（5）固溶體性能特點(diǎn)實(shí)踐證明，適當(dāng)控制固溶體中溶質(zhì)的種類、配合和含量，可以在顯著提高金屬材料強(qiáng)度、硬度的同時(shí)，仍能保持或改善其良好的塑性和韌性，所以固溶強(qiáng)化是金屬材料改性處理的重要途徑之一。1.1.3.3金屬化合物與彌散強(qiáng)化（1）金屬化合物及種類當(dāng)溶質(zhì)含量超過溶劑的溶解度時(shí)，溶質(zhì)元素同溶劑元素相互作用形成一種不同于任一組元晶格的新物質(zhì)，稱金屬化合物。金屬化合物按形成條件及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為正常價(jià)化合物、電子化合物和間隙化合物。1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)（2）間隙化合物及結(jié)構(gòu)間隙化合物是由過渡族金屬元素與原子半徑較小的C、N、H、B等非金屬元素形成的化合物。1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)（3）金屬化合物的彌散強(qiáng)化金屬化合物是高合金工具鋼的重要組成相，如斜方晶格的滲碳體中鐵原子可部分被其他金屬原子所置換，形成以滲碳體為基的固溶體，如（Fe、Mn）3C、（Fe、Cr）3C等，這類化合物稱為合金滲碳體。1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.2.1強(qiáng)度與剛度1.2.1.1拉伸試驗(yàn)1.2金屬的力學(xué)性能（1）低碳鋼的拉伸曲線圖1-11b所示為低碳鋼試樣的拉力與試樣伸長量的對應(yīng)關(guān)系曲線。（2）低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線試樣在拉伸過程中，材料受到拉力F作用時(shí)，其單位面積上的拉力稱為應(yīng)力（stress），用“??”來表示，即1.2金屬的力學(xué)性能1.2.1.2彈性與剛度（1）彈性極限及計(jì)算彈性極限（elasticlimit）是指試樣材料產(chǎn)生完全彈性變形（elas-tic

deformation）時(shí)所能承受的最大應(yīng)力值，以??e表示且單位為MPa。（2）彈性模量與剛度在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變（??e/??e）的比值稱為材料的彈性模量E，它相當(dāng)于產(chǎn)生單位彈性應(yīng)變所需要的應(yīng)力值，單位為MPa，即1.2金屬的力學(xué)性能（3）剛度的影響因素彈性模量E的大小主要取決于金屬材料的本身性質(zhì)，它是金屬材料最穩(wěn)定的性能之一，材料的合金化處理、熱處理、冷加工成形和局部焊接等均對彈性模量E的影響很小。1.2.1.3靜載強(qiáng)度及指標(biāo)（1）屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)是指試樣在靜止?fàn)顟B(tài)下被加載至單位面積上產(chǎn)生屈服點(diǎn)s時(shí)的拉力，或在拉伸曲線圖和??~??

曲線上出現(xiàn)屈服平臺(tái)現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力，以??s表示且單位為MPa，屈服點(diǎn)s的位置如圖1-11b和圖1-11c所示，其計(jì)算公式為：1.2金屬的力學(xué)性能（2）屈服強(qiáng)度金屬材料中只有低碳鋼和中碳鋼等少數(shù)金屬的拉伸或應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在屈服現(xiàn)象，而大多數(shù)金屬材料則無明顯屈服點(diǎn)，如調(diào)質(zhì)合金鋼、退火鋁合金等。（3）抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度是指試樣在靜止?fàn)顟B(tài)下被拉斷前加載至最大力時(shí)單位面積上所能承受的最大拉力，或拉伸曲線和應(yīng)力-應(yīng)變（??~??

）曲線上最高位置點(diǎn)b對應(yīng)的應(yīng)力，以??b表示且單位為MPa，如圖1-11b和圖1-11c所示，其計(jì)算公式力：1.2.1.4變載強(qiáng)度及指標(biāo)（1）疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度（fatiguestrength）是指材料抵抗無數(shù)次重復(fù)交變外力作用而不破壞的能力，通常用疲勞曲線來描述，如圖1-13a所示，它是最常用的變載強(qiáng)度。1.2金屬的力學(xué)性能（2）高溫強(qiáng)度當(dāng)零件在較高溫度下工作時(shí)，應(yīng)通過高溫拉伸試驗(yàn)而測定其高溫強(qiáng)度。1.2.2塑性與韌性1.2.2.1塑性及其評定（1）塑性概念及其指標(biāo)塑性（plasticity）是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力，許多零件或毛坯需通過塑性變形成形而要求材料有較高的塑性。1.2金屬的力學(xué)性能（2）塑性評定方法斷后伸長率??和斷面收縮率??的數(shù)值越大，表示金屬材料的塑性越好。1.2.2.2韌性及其評定1.2金屬的力學(xué)性能1.2.3硬度與耐磨性1.2.3.1布氏硬度測試及標(biāo)注（1）測試方法布氏硬度（Brinellhardness）試驗(yàn)通常是以一定的壓力F，將直徑為D的硬質(zhì)合金鋼球壓入被測材料表面，經(jīng)過規(guī)定的保持載荷時(shí)間后卸除載荷，即得到一直徑d的壓痕，如圖1-16a所示。1.2金屬的力學(xué)性能（2）標(biāo)注方法生產(chǎn)中常用布氏硬度法測定經(jīng)退火、正火和調(diào)質(zhì)的鋼件，以及鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼等毛坯或半成品件的硬度。（3）硬度與強(qiáng)度的關(guān)系通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硬度值與抗拉強(qiáng)度??b之間有近似關(guān)系，見表1-5所列。1.2金屬的力學(xué)性能1.2.3.2洛氏硬度測試及標(biāo)注（1）測試方法洛氏硬度（Rockwellhardness）試驗(yàn)是用一定的試驗(yàn)力F，將頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑1.588mm的淬火鋼球壓入被測金屬表面（見圖1-17a），然后根據(jù)壓痕的深度確定被測材料的硬度值。1.2金屬的力學(xué)性能（2）標(biāo)注方法洛氏硬度的標(biāo)注方法比布氏硬度簡單，但仍是硬度值在硬度代號(hào)的前面，如60HRC表示用C標(biāo)尺所測得的洛氏硬度值60，其單位為MPa，但習(xí)慣上仍不用標(biāo)出。1.2金屬的力學(xué)性能1.2.3.3維氏硬度測試及標(biāo)注（1）測試方法維氏硬度（Vickershardness）的測試方法和技術(shù)條件可參閱GB/T4340.1—1999。（2）標(biāo)注方法與布氏硬度的標(biāo)注方法一樣，習(xí)慣上也只寫出其硬度數(shù)值而不標(biāo)出單位。1.2.3.4耐磨性及其評定（1）耐磨性的分類耐磨性分相對耐磨性和絕對耐磨性兩種。（2）耐磨性評定方法耐磨性主要受材料的成分、硬度、摩擦系數(shù)和彈性模量的影響，通常以體積磨損量、質(zhì)量磨損量和長度磨損量作評定材料的三個(gè)基本參量。（3）各種材料的耐磨性通常塑料、橡膠、陶瓷等非金屬材料的摩擦磨損性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于金屬材料。1.2金屬的力學(xué)性能1.3.1金屬的物理性能1.3.1.1密度與熔點(diǎn)1.3金屬的其他性能1.3金屬的其他性能1.3.1.2熱性能與光性能（1）熱性能熱性能包括熱容、導(dǎo)熱性和熱膨脹性等，熱容包括摩爾熱容和比熱容，摩爾熱容是指1mol（摩爾）的材料溫度升高1K所需的能量，而比熱容則是指單位質(zhì)量材料的溫度升高1K所需的能量，二者之間的關(guān)系為：比熱容c=摩爾熱容/摩爾質(zhì)量1.3金屬的其他性能（2）光性能光性能是指材料受到光波或能量粒子的輻射時(shí)所能呈現(xiàn)出的反應(yīng)特性。1.3.1.3電性能與磁性能（1）電性能電性能主要表現(xiàn)在導(dǎo)電性能和介電性能兩個(gè)方面。導(dǎo)電性能是指材料傳導(dǎo)電流的能力。（2）磁性能磁性能是指材料被磁場吸引或磁化的性能，不同金屬材料被磁場吸引和磁化的性質(zhì)不同，所使用的場合也不同，如計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器使用的是硬磁材料，而電動(dòng)機(jī)和變壓器使用的卻是軟磁材料，這些都與材料的磁導(dǎo)率和受磁化性能有關(guān)。1.3金屬的其他性能1.3.2金屬的化學(xué)性能1.3.3金屬的加工性能1.3金屬的其他性能1.3金屬的其他性能1.3金屬的其他性能第2章金屬結(jié)晶及相圖2.1.1純金屬的結(jié)晶組織2.1.1.1純金屬的結(jié)晶溫度及過程（1）結(jié)晶溫度與時(shí)間曲線純金屬結(jié)晶的過程通常采用熱分析法測試，先將其加熱熔化成液態(tài)，再在坩堝內(nèi)隨爐緩慢冷卻，并每隔一定時(shí)間測一次溫度，最后描繪成溫度一時(shí)間坐標(biāo)圖，便可得到純金屬的冷卻曲線，如圖2-1所示。2.1金屬結(jié)晶及相變（2）金屬結(jié)晶的過冷度在實(shí)際生產(chǎn)中，金屬自液體冷卻時(shí)，不可能極其緩慢而需加快冷卻速度，使液體金屬冷卻到T0以下T1溫度時(shí)開始結(jié)晶（見圖2-1中6曲線），T0與T1之差稱為過冷度（degreeofsupercooling），用?T表示，即?T=T0-

T1。（3）純金屬的結(jié)晶過程在液態(tài)金屬中存在著大量尺寸不同、短程有序且不穩(wěn)定的原子集團(tuán)。2.1金屬結(jié)晶及相變2.1.1.2純金屬結(jié)晶及長大規(guī)律（1）純金屬的形核規(guī)律在金屬結(jié)晶過程中，按照金屬結(jié)晶條件的不同，可將形核方式分為自發(fā)均質(zhì)形核（homogeneousnucleation）與非自發(fā)異質(zhì)形核（hetero-geneousnucleation）兩種方式。（2）結(jié)晶晶核的長大規(guī)律晶核形成后，液相原子不斷遷移到晶核表面，并且必須在過冷的液相中，促使晶核長大而結(jié)晶成晶粒。2.1金屬結(jié)晶及相變2.1.1.3純金屬鑄錠結(jié)晶組織（1）鑄錠或鑄件結(jié)晶組織液態(tài)金屬或合金在鑄錠模中可結(jié)晶為鑄錠，在鑄型中可結(jié)晶為鑄件。（2）鑄錠或鑄件結(jié)晶特點(diǎn)由于柱狀晶平行向中心長大且彼此互相限制，故晶粒間組織較致密，顯微空隙及氣孔較少，但晶粒較粗大且脆性較大，并在兩晶粒交界面處存在有低熔點(diǎn)和非金屬雜質(zhì)聚集成的脆弱面。2.1金屬結(jié)晶及相變2.1.2晶粒細(xì)化的途徑2.1金屬結(jié)晶及相變2.1.2.1過冷細(xì)化方法2.1金屬結(jié)晶及相變2.1.2.2變質(zhì)細(xì)化方法2.1.2.3振動(dòng)細(xì)化方法2.1.3金屬同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變2.1.3.1金屬的同素異構(gòu)性2.1.3.2金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變2.1.3.3純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變2.1金屬結(jié)晶及相變2.2.1相圖概念及建立方法2.2.1.1相圖概念及其作用2.2.1.2二元合金相圖的建立2.2合金結(jié)晶及相圖2.2.1.3二元合金相圖的物理意義2.2.2二元合金相圖的類型2.2.2.1二元?jiǎng)蚓鄨D（1）相圖分析仍以圖2-7所示的Cu-Ni合金相圖為例進(jìn)行分析，這個(gè)相圖比較簡單，圖中的A點(diǎn)為純銅的熔點(diǎn)1083°C，B點(diǎn)為純鎳的熔點(diǎn)1455°C，AaB上弧線為上臨界點(diǎn)的連線，表示合金開始結(jié)晶的溫度稱為液相線，AbB下弧線為下臨界點(diǎn)的連線，表示合金結(jié)晶終了的溫度稱為固相線。（2）結(jié)晶過程以Cu-Ni合金相圖為例進(jìn)行分析。2.2合金結(jié)晶及相圖（3）杠桿定律如上所述，合金在結(jié)晶過程中，液、固兩相成分的相對量，將會(huì)隨溫度的降低而逐漸變化，若想知道合金在某溫度tx℃時(shí)的液、固兩相成分相對量，則可借助杠桿定律（leverrule）來確定。（4）枝晶偏析在上述結(jié)晶過程中，所形成的成分為K的??相合金，是在非常緩慢的冷卻條件下轉(zhuǎn)變的合金，并且是在固、液兩相內(nèi)部和界面間原子擴(kuò)散充分的條件下才能實(shí)現(xiàn)。2.2合金結(jié)晶及相圖2.2.2.2二元共晶相圖2.2合金結(jié)晶及相圖（1）相圖分析Pb-Sn合金系是典型的共晶相圖，有五個(gè)特性點(diǎn)、五條特性線、六個(gè)特性區(qū)、五種典型合金。（2）共晶合金結(jié)晶過程圖2-10中合金Ⅰ在1點(diǎn)以上的溶液為均勻冷卻，當(dāng)冷卻至1點(diǎn)時(shí)，由于1點(diǎn)是液相線aeb和固相線acedb上的一點(diǎn)，將在e點(diǎn)（1點(diǎn)）開始結(jié)晶出初生相??、??或一次相??1、??1，并在e點(diǎn)以下結(jié)晶完畢。2.2合金結(jié)晶及相圖（3）亞共晶合金結(jié)晶過程圖2-10中合金Ⅱ的冷卻曲線及結(jié)晶過程，如圖2-12a所示。2.2合金結(jié)晶及相圖（4）過共晶合金結(jié)晶過程圖2-10中過共晶合金皿的結(jié)晶過程分析方法與合金II基本相同，只是先共晶相B相，如圖2-13a所示，合金最終的室溫組織為??+（??+??）+??Ⅱ，其轉(zhuǎn)變過程為：2.2合金結(jié)晶及相圖（5）工業(yè)純鉛結(jié)晶過程工業(yè)純鉛是含Sn量小于c點(diǎn)的合金，其冷卻曲線及結(jié)晶過程如圖2-13b所示。2.2合金結(jié)晶及相圖2.2.2.3二元包晶相圖（1）相圖分析如圖2-15a所示的鐵碳合金相圖中的包晶部分，其相圖主要特點(diǎn)是具有三個(gè)單相區(qū)L、??及A，三個(gè)兩相區(qū)L+??、??+A、L+A，還具有一條三相L、??、A共存的水平包晶線，即HJB線。2.2合金結(jié)晶及相圖（2）典型合金結(jié)晶過程當(dāng)圖2-15a所示的合金Ⅰ冷至AB線時(shí)，將從液相中結(jié)晶出初生相??，隨著溫度逐漸降低，液相不斷減少，??相將不斷增多。2.2.2.4二元共析相圖2.2合金結(jié)晶及相圖2.2.3相圖與合金性能的關(guān)系2.2.3.1相圖與使用性能的關(guān)系（1）勻晶相圖與合金使用性能勻晶系單相固溶體合金的力學(xué)性能和物理性能隨成分變化的一般規(guī)律如圖2-17a所示，固溶體的性能與組成元素的性質(zhì)及溶質(zhì)元素的溶入數(shù)量有關(guān)。2.2合金結(jié)晶及相圖（2）共晶、共析相圖與合金使用性能共晶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變和穩(wěn)定化合物轉(zhuǎn)變產(chǎn)物均會(huì)形成兩相混合物合金，且兩相混合物組織的使用性能與成分基本呈線性關(guān)系變化，如圖2-17b所示。2.2.3.2相圖與工藝性能的關(guān)系2.2合金結(jié)晶及相圖2.3.1鐵碳合金組成2.3.1.1鐵碳合金的組元（1）純鐵的成分及性能生產(chǎn)中應(yīng)用的純鐵“Fe”，一般含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%~0.02%的雜質(zhì)，通常稱之為工業(yè)純鐵，其熔點(diǎn)為1538°，在1394°C和912°溫度下將會(huì)發(fā)生兩次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，如圖2-6b所示。（2）滲碳體的成分及性能滲碳體（cementite）是鐵和碳相互作用而形成的一種具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的金屬化合物，常用化學(xué)式Fe3C表示，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.69%，熔點(diǎn)為1227°C，不發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。2.3.1.2鐵碳合金的組成相（1）液相（L）與高溫（??）相液相L是鐵碳合金在熔化溫度以上形成的均勻液體，而高溫??相則是碳溶入??-Fe中形成的間隙固溶體，稱為??固溶體或高溫鐵素體，是碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.06%的鐵碳2.3鐵碳合金及其相圖合金在高溫時(shí)的過渡組織。（2）固相（??）或鐵素體（F）固相??是碳溶于??-Fe中形成的間隙固溶體，也稱為鐵素體（ferrite），用符號(hào)F或??表示，具有體心立方晶格。2.3鐵碳合金及其相圖（3）固相（??）或奧氏體（A）固相??是碳溶于??-Fe中形成的間隙固溶體，也稱為奧氏體（austenite），用符號(hào)A或??表示，具有面心立方晶格，其顯微組織形態(tài)如圖2-19b所示，晶粒顯示出邊界比較平直的多邊形特征。（4）滲碳體（Fe3C）化合物Fe3C相是除Fe以外的另一組元，亦稱為滲碳體，其組織及性能特點(diǎn)同前述，通常作為強(qiáng)化相以片狀、粒狀、網(wǎng)狀分布在鐵素體基體上。2.3.1.3鐵碳合金的組織（1）珠光體（P）（pearlite）奧氏體從高溫穩(wěn)定狀態(tài)緩慢冷卻至727°C時(shí)，將分解為鐵素體和滲碳體呈均勻分布的層狀混合物組織，稱為珠光體，用符號(hào)P表示，其立體形態(tài)為鐵素體薄層和滲碳體薄層呈交替重疊分布，如圖2-20a所示。2.3鐵碳合金及其相圖2.3鐵碳合金及其相圖（2）萊氏體（Ld）（ledeburite）萊氏體是碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11%的鐵碳合金從液態(tài)緩冷至1148°C時(shí)，從液相中將同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體呈均勻分布的混合物組織，稱為高溫菜氏體，用符號(hào)“Ld”表示。2.3.2鐵碳合金相圖2.3鐵碳合金及其相圖2.3.2.1Fe-Fe3C相圖分析（1）相圖中的重要特性點(diǎn)Fe-Fe3C相圖中各特性點(diǎn)的符號(hào)、溫度、含碳量及物理意義均列于表2-3中。2.3鐵碳合金及其相圖（2）相圖中的重要特性線Fe-Fe3C相圖中的線條是若干合金發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的臨界線，即不同成分合金相變點(diǎn)的連線。（3）相圖中的重要相區(qū)由圖2-21可以看出，相圖上有四個(gè)單相區(qū)域，即液相區(qū)L、奧氏體相區(qū)A、鐵素體相區(qū)F和滲碳體相區(qū)Fe3C（指DFK垂線區(qū)域）；五個(gè)雙相區(qū)域，即分別為L+A區(qū)、L+Fe3C1區(qū)、A+F區(qū)、A+Fe3CⅡ區(qū)和F+Fe3C區(qū)，這些區(qū)域分別存在于相鄰兩單相區(qū)域之間。2.3鐵碳合金及其相圖（4）相圖中的典型合金根據(jù)相圖上的P、E兩點(diǎn)，可將鐵碳合金分為工業(yè)純鐵、碳鋼和生鐵三類，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.0218%是工業(yè)純鐵，大于0.0218%并小于2.11%是鋼，大于2.11%是生鐵。2.3鐵碳合金及其相圖2.3.2.2典型合金平衡結(jié)晶過程及組織（1）共析鋼的結(jié)晶圖2-22所示的合金①為共析鋼（eutectoidsteel），其結(jié)晶過程示意圖如圖2-23a所示。2.3鐵碳合金及其相圖2.3鐵碳合金及其相圖（2）亞共析鋼的結(jié)晶圖2-22所示合金②為亞共析鋼（hypoeutectoid），其結(jié)晶過程如圖2-23b所示。2.3鐵碳合金及其相圖（3）過共析鋼的結(jié)晶如圖2-22所示合金③為過共析鋼（hypereutectoidsteel），其結(jié)晶過程如圖2-23c所示。（4）共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程圖2-22中合金④共晶白口鑄鐵（eutecticwhitecast

iron），其結(jié)晶過程如圖2-25a所示。2.3鐵碳合金及其相圖（5）亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶圖2-22中合金⑤為亞共晶白口鑄鐵（hypoeutecticwhite

castiron），其結(jié)晶過程如圖2-25b所示。2.3鐵碳合金及其相圖（6）過共晶白口鑄鐵的結(jié)晶圖2-22中合金⑥為過共晶白口鑄鐵（hypereutecticwhite

castiron），其結(jié)晶過程示意圖如圖2-25c所示。2.3.2.3含碳量對鐵碳合金組織性能的影響（1）含碳量對合金平衡組織的影響通過對典型鐵碳合金組織轉(zhuǎn)變過程分析，可了解鐵碳合金的含碳量與其室溫組織的關(guān)系，鋼與生鐵的根本區(qū)別在于鋼的基體組織為鐵素體，而鐵的基體組織為滲碳體并有硬而脆的萊氏體。2.3鐵碳合金及其相圖（2）碳含量對鐵碳合金力學(xué)性能的影響由圖2-27可知，隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增加，鐵碳合金中軟質(zhì)相鐵素體量（F）逐漸減少，而硬質(zhì)相滲碳體（Fe3C）逐漸增多。2.3.3相圖在機(jī)制中的應(yīng)用2.3.3.1在零件選材中的應(yīng)用2.3鐵碳合金及其相圖2.3.3.2在機(jī)制工藝中的應(yīng)用（1）在鑄造工藝中的應(yīng)用由Fe-Fe3C相圖可知，純鐵和共晶白口鑄鐵的凝固溫度最低，且結(jié)晶溫度區(qū)間最小，即流動(dòng)性好、分散縮孔少，可獲得高質(zhì)量的鑄鐵件，所以生產(chǎn)中常采用近共晶成分的亞共晶生鐵來澆注鑄鐵件。（2）在鍛軋工藝中的應(yīng)用由于奧氏體具有面心立方晶格，所以處于奧氏體狀態(tài)的鋼強(qiáng)度低、塑性好，便于塑性變形，所以一般鋼材的鍛造或軋制加工，就是選擇加熱到鐵碳相圖上奧氏體區(qū)中的適當(dāng)溫度范圍內(nèi)（見表2-7），獲得高塑性后才得以實(shí)現(xiàn)的。2.3鐵碳合金及其相圖2.3鐵碳合金及其相圖（3）在熱處理工藝中的應(yīng)用鐵碳相圖是熱處理工藝制定的最重要的依據(jù)之一，大多數(shù)熱處理工藝的加熱參數(shù)，如退火、正火、淬火等，均是依據(jù)鐵碳相圖確定的。2.3鐵碳合金及其相圖（4）在焊接工藝中的應(yīng)用鐵碳相圖可以指導(dǎo)焊接的選材及焊后熱處理等工藝措施，如焊后正火、退火工藝的制定，從而改善焊縫組織，提高力學(xué)性能以獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫。2.3鐵碳合金及其相圖2.3鐵碳合金及其相圖2.3鐵碳合金及其相圖2.3鐵碳合金及其相圖第3章金屬熱處理及工藝3.1.1鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變3.1.1.1加熱時(shí)的臨界溫度線3.1熱處理基本原理3.1.1.2共析鋼奧氏體化形成原理3.1熱處理基本原理（1）奧氏體開始形核由于鐵素體的含碳量很低，而滲碳體的含碳量卻很高，造成二者的碳濃度差很大，使界面處原子的位錯(cuò)和空位密度及能量較高，晶核形成所需功較少、易形核，所以奧氏體晶核優(yōu)先在鐵素體與滲碳體交界面上形成。（2）奧氏體晶核長大奧氏體晶核長大是依靠珠光體中相鄰鐵素體合并，鐵素體繼續(xù)向奧氏體轉(zhuǎn)變，滲碳體中鐵原子與碳原子繼續(xù)擴(kuò)散并不斷溶入奧氏體等過程逐漸實(shí)現(xiàn)，其中鐵素體晶格改變比滲碳體溶解速度快。（3）殘余滲碳體溶解當(dāng)鐵素體消失后，因組織中仍有部分殘余滲碳體存在，并隨著保溫時(shí)間的延長，殘余滲碳體不斷溶入奧氏體中，奧氏體晶粒逐漸增多，直到滲碳體全部溶解完畢。（4）奧氏體成分均勻化殘余滲碳體完全溶解后，奧氏體中碳的濃度仍不均勻，原滲碳體處碳濃度高，原鐵素體處碳濃度低，此必須繼續(xù)保溫一段時(shí)間，通過碳原子的充分?jǐn)U散，才能形成成分均勻的奧氏體。3.1熱處理基本原理3.1.1.3亞共析鋼或過共析鋼奧氏體形成3.1熱處理基本原理3.1.1.4奧氏體晶粒度及其影響（1）晶粒度等級(jí)及分類晶粒度是表示奧氏體晶粒大小的尺度，奧氏體標(biāo)準(zhǔn)品粒度可分為00,0,1，2，?，10等12個(gè)等級(jí)，常用的1~4級(jí)粗晶粒，5~8級(jí)為細(xì)晶粒，如圖3-3所示。3.1熱處理基本原理（2）晶粒度對性能的影響奧氏體晶粒大小直接影響到冷卻后的組織和性能，如果加熱時(shí)獲得的奧氏體品粒細(xì)小，則冷卻后轉(zhuǎn)變組織的晶粒也細(xì)?。ㄒ妶D34b），其強(qiáng)度、塑性和韌性也較好。3.1熱處理基本原理（3）影響品粒度的因素鋼的室溫組織晶粒度主要取決于鋼的加熱溫度、保溫時(shí)間、成分及奧氏體晶粒大小等。3.1.2鋼在冷卻時(shí)的過冷組織3.1.2.1過冷組織及形成特點(diǎn)3.1.2.2過冷奧氏體轉(zhuǎn)變方式3.1熱處理基本原理3.1.3過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變3.1.3.1等溫轉(zhuǎn)變曲線及圖解（1）等溫轉(zhuǎn)變曲線的建立（undercooledisothermaltransformationcurve）以共析碳素鋼為例，先將若干個(gè)共析碳素鋼試樣經(jīng)加熱奧氏體化處理，然后再分別迅速投入到A1以下不同溫度的等溫槽中進(jìn)行等溫冷卻。3.1熱處理基本原理（2）等溫轉(zhuǎn)變圖分析過冷奧氏體在不同過冷度下的等溫過程中，轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時(shí)間與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物量的關(guān)系曲線，稱為等溫轉(zhuǎn)變圖（undercooledisothermaltransformationdiagram），形狀頗似字母“C”，簡稱為C曲線或TTT曲線，如圖3-7所示。3.1熱處理基本原理3.1.3.2等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及性能（1）珠光體型組織轉(zhuǎn)變珠光體型組織轉(zhuǎn)變亦稱為高溫轉(zhuǎn)變，在A1~550°C范圍內(nèi)等溫，原子擴(kuò)散能力較強(qiáng)，容易在奧氏體晶界上產(chǎn)生高碳滲碳體晶核和低碳鐵素體晶核，易實(shí)現(xiàn)晶格重構(gòu)，屬于擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物鐵素體與滲碳體層片相間并具有大體相同位向的珠光體型組織，如圖3-8所示。3.1熱處理基本原理（2）貝氏體型組織轉(zhuǎn)變貝氏體型組織轉(zhuǎn)變亦稱為中溫轉(zhuǎn)變，在500°C~Ms范圍內(nèi)等溫，過冷度較大，鐵原子難以擴(kuò)散，僅有碳原子擴(kuò)散，屬于半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。3.1熱處理基本原理（3）馬氏體型組織轉(zhuǎn)變在Ms線以下范圍內(nèi)，鐵碳原子均已失去擴(kuò)散能力，但過冷度很大且足以改變過冷奧氏體的晶格結(jié)構(gòu)，并將碳全部過飽和固溶于??-Fe晶格內(nèi)，這種轉(zhuǎn)變屬于非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，也稱作低溫轉(zhuǎn)變。3.1熱處理基本原理3.1熱處理基本原理3.1.3.3影響等溫轉(zhuǎn)變曲線的因素（1）含碳量的影響亞共析鋼和過共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖中C曲線形狀與共析鋼等溫轉(zhuǎn)變圖中C曲線形狀大體相似，只是高溫下的單相奧氏體在A3或Acm以下等溫冷卻時(shí)，將會(huì)先析出先共析鐵素體或二次滲碳體，因此，在等溫轉(zhuǎn)變圖的C曲線上方會(huì)多出一條先共析相析出線，如圖3-12所示。3.1熱處理基本原理（2）合金元素的影響除Co以外，所有合金元素均使等溫轉(zhuǎn)變圖C曲線右移，如圖3-13所示為Ni和Cr含量增加時(shí)，等溫轉(zhuǎn)變圖C曲線位置和形狀改變的示意圖，其中Ni含量增加時(shí)，等溫轉(zhuǎn)變圖C曲線只是位置改變并逐漸將向右移動(dòng)，如圖3-13a所示。3.1熱處理基本原理3.1.4過冷奧氏體的連續(xù)轉(zhuǎn)變3.1.4.1連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線及組織（1）共析鋼連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線實(shí)際生產(chǎn)中，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變大多是在連續(xù)冷卻過程中進(jìn)行，并且是在不同的冷卻速度條件下連續(xù)冷卻，其轉(zhuǎn)變開始時(shí)間及轉(zhuǎn)變終止時(shí)間與溫度之間的關(guān)系稱連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖或CCT曲線（continuouscoolingtransformationdiagram）形似半個(gè)C曲線，如圖3-14a所示。（2）非共析鋼連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線過共析鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變CCT曲線基本同上，僅多出一條先共析滲碳體析出線，而亞共析鋼與共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變CCT曲線相比大不相同，不僅多出一條先共析鐵素體析出線，還出現(xiàn)了貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。3.1熱處理基本原理3.1熱處理基本原理3.1.4.2連續(xù)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及性能3.1熱處理基本原理3.2.1鋼的普通熱處理3.2.1.1鋼的退火處理（1）完全退火（fullannealing）完全退火是將鋼加熱到Ac3線以上30~50°C（見圖3-15a），保溫一定時(shí)間而獲得完全的奧氏體組織，然后隨爐冷卻到500°C以下，再出爐在空氣中冷卻，最終獲得平衡組織鐵素體＋珠光體。3.2熱處理工藝方法（2）等溫退火（isothermalannealing）等溫退火是將鋼件加熱到Ac3線以上（對亞共析鋼）或Ac1線以上（對共析鋼和過共析鋼），保溫后較快冷卻到稍低于Ac1線溫度，即珠光體型轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)，一直等溫保持到奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織為止，然后出爐置空氣中冷卻。（3）球化退火（spheroidizingannealing）球化退火是將鋼件加熱到Ac1線以上20~30°C，保溫較長時(shí)間，然后以極其緩慢的速度冷卻到600°C以下，再出爐空冷的熱處理工藝。3.2熱處理工藝方法（4）再結(jié)晶退火（recrystallizationannealing）再結(jié)晶退火是將鋼件加熱到再結(jié)晶溫度以上150~250°C，即650~750°C范圍內(nèi)，保溫一定時(shí)間后隨爐冷卻，通過再結(jié)晶使鋼材的塑性恢復(fù)到冷變形以前的狀況。（5）去應(yīng)力退火（stressrelieving）去應(yīng)力退火是將鋼件隨爐緩慢加熱（100~150°C/h）至500~650°C，保溫一定時(shí)間，然后隨爐緩慢冷卻（50~100°C/h）至300~200°C以下再出爐空冷，稱去應(yīng)力退火，如圖3-15a所示。3.2熱處理工藝方法3.2熱處理工藝方法3.2.1.2鋼的正火處理3.2熱處理工藝方法（1）正火的主要應(yīng)用范圍對于普通碳素鋼、低合金鋼和力學(xué)性能要求不高的機(jī)械結(jié)構(gòu)件，可選用正火處理細(xì)化晶粒，使金屬件具有適當(dāng)?shù)慕M織，從而提高其力學(xué)性能和形變加工性能，以便替代調(diào)質(zhì)處理作為最終熱處理。（2）正火與退火工藝比較確定正火工藝時(shí)，常采用熱爐裝料，一般正火件采用快速升溫，而大型正火件則應(yīng)控制裝料時(shí)的爐溫，保溫時(shí)間與退火時(shí)相同。3.2熱處理工藝方法（3）正火與退火作用比較正火與完全退火作用相似，均可獲得珠光體型組織，但二者的最高加熱溫度略差、冷卻速度不同，如圖3-18a所示。3.2熱處理工藝方法3.2.1.3鋼的淬火處理（1）淬火加熱溫度碳素鋼的淬火加熱溫度范圍，可利用Fe-Fe3C相圖上的淬火溫度范圍（見圖3-19a影線處）選擇。3.2熱處理工藝方法（2）淬火冷卻介質(zhì)鋼件進(jìn)行淬火冷卻時(shí)所使用的介質(zhì)稱為淬火冷卻介質(zhì)。（3）淬火工藝方法常用淬火工藝方法有單介質(zhì)淬火法、雙介質(zhì)淬火法、分級(jí)淬火法、等溫淬火法、深冷處理法以及局部淬火法等。3.2熱處理工藝方法3.2熱處理工藝方法3.2熱處理工藝方法3.2熱處理工藝方法（4）淬透性及其應(yīng)用淬透性是指鋼在規(guī)定條件下淬火時(shí)獲得馬氏體淬硬層深度的能力，如圖3-23a所示，同一工件表面和心部冷卻速度不同，表面冷卻速度最大，靠近心部冷卻速度最小。3.2熱處理工藝方法（5）淬硬性及其應(yīng)用淬硬性是指鋼件在淬火時(shí)的硬化能力，常用淬火后馬氏體所能達(dá)到的最高硬度表示，它主要取決于馬氏體中的含碳量，含碳量越高則相應(yīng)的馬氏體越硬，完全淬火狀態(tài)的鋼件硬度則越高。3.2熱處理工藝方法3.2.1.4鋼的回火處理（1）淬火鋼件回火轉(zhuǎn)變過程隨著回火加熱溫度的升高，淬火鋼的組織將發(fā)生以下四個(gè)階段的變化。3.2熱處理工藝方法（2）回火鋼件組織和性能將淬火鋼件在不同的回火溫度下進(jìn)行回火后，可獲得以下三類不同的回火組織及性能。3.2熱處理工藝方法（3）回火工藝種類及應(yīng)用低溫回火（lowtemperaturetempering,150~250°C）可獲得回火馬氏體組織，既可降低淬火鋼中部分殘余應(yīng)力和脆性，又可保持淬火鋼的高硬度和耐磨性，通常硬度高達(dá)58~64HRC，主要用于高碳鋼或高合金鋼工模具、滾動(dòng)軸承、滲碳齒輪和軸、銷等表面淬火件的處理。（4）回火脆性及危害淬火鋼件在某些溫度區(qū)間回火或從回火溫度緩慢冷卻時(shí)，通過該區(qū)間過程中可能產(chǎn)生的沖擊韌度顯著降低的現(xiàn)象稱回火脆性（temperembrittlement），如圖3-25c所示。（5）回火與淬火方法選擇凡承受重載及交變載荷的中碳結(jié)構(gòu)鋼軸類等零件，可選用淬火加高溫回火工藝方法，可使材料具有較高的綜合力學(xué)性能。3.2.2鋼的表面淬火處理3.2.2.1感應(yīng)加熱淬火（inductionhardening）（1）感應(yīng)加熱淬火原理感應(yīng)加熱是將工件放入空心銅管（管內(nèi)通入冷卻水）繞成的感應(yīng)器內(nèi)，將3.2熱處理工藝方法感應(yīng)器通入頻率為50~300000Hz的電流，使工件中產(chǎn)生交變磁場和同頻率的感應(yīng)電流，如圖3-26a所示。3.2熱處理工藝方法（2）感應(yīng)加熱淬火方法按感應(yīng)加熱方法不同，可分為同時(shí)加熱淬火和連續(xù)加熱淬火。（3）感應(yīng)加熱淬火類型按感應(yīng)電流頻率不同又可分為高頻感應(yīng)淬火、中頻感應(yīng)淬火和工頻感應(yīng)淬火。（4）感應(yīng)淬火應(yīng)用范圍感應(yīng)淬火最適用于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%~0.5%的中碳結(jié)構(gòu)鋼或中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼件的表面強(qiáng)化處理。3.2.2.2火焰加熱淬火（flamehardening）（1）火焰淬火工藝方法火焰加熱淬火是利用氧乙烘焰或煤氣-氧等可燃?xì)怏w火焰，將工件表面局部加熱到相變溫度以上，隨之立即噴水冷卻的表面淬火方法，如圖3-27a所示，其淬硬層深度一般為2~8mm。3.2熱處理工藝方法3.2熱處理工藝方法（2）火焰淬火工藝參數(shù)由于控制火焰還原區(qū)與工件相對位置及相對速度，可控制工件表面溫度、加熱層深度及加熱速度，從而控制淬硬層深度。（3）火焰淬火特點(diǎn)及應(yīng)用火焰淬火使用設(shè)備簡單、操作方便、成本低、靈活性大，但火焰溫度不易控制，工件表面容易過熱，淬火質(zhì)量不夠穩(wěn)定，因此限制了它在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。3.2.2.3激光束加熱淬火3.2熱處理工藝方法3.2.3鋼的表面擴(kuò)滲處理3.2.3.1擴(kuò)滲熱處理原理（1）產(chǎn)生活性原子產(chǎn)生活性原子是進(jìn)行擴(kuò)滲強(qiáng)化的首要階段，必須首先使化學(xué)介質(zhì)在一定溫度下受熱分解，從而產(chǎn)生活性原子【C］、［N］等。（2）吸收活性原子吸收活性原子是指必須便活性原子吸附溶解并滲入工件表面，且完全溶于鐵的晶格中而形成固溶體或化合物。（3）擴(kuò)散活性原子鋼件表面吸收活性原子后，使表面滲入元素濃度增大，與內(nèi)部形成較大的濃度差，導(dǎo)致滲入元素由表面向中心進(jìn)行擴(kuò)散，以實(shí)現(xiàn)滲入原子的遷移和分布，從而形成一定厚度的擴(kuò)散層。3.2.3.2鋼的表面滲碳處理（1）滲碳工藝方法滲碳處理按使用滲劑不同，可分為氣體滲碳（gascarburizing）、固體滲碳3.2熱處理工藝方法（packcarburizing）、液體滲碳等工藝，氣體或液體滲碳是將工件置于密閉爐膛中加熱到900~950°C時(shí)，向爐內(nèi)通入煤氣、液化石油氣等氣體滲碳劑，或滴入易分解的煤油、甲醇、丙酮等液體有機(jī)物，如圖3-29a所示。3.2熱處理工藝方法（2）滲碳層厚度及組織在滲碳過程中，一般規(guī)定從滲碳表面到過渡區(qū)一半組織處作為滲碳層厚度，并隨滲碳過程保溫時(shí)間越長，滲碳層厚度越大，一般厚度0.5~2.0mm，否則太薄易疲勞剝落，太厚不耐沖擊。3.2熱處理工藝方法（3）滲碳層熱處理工藝對于性能要求不高的鋼件，滲碳后可采用直接淬火法，將其預(yù)冷至略高于心部800~860℃溫度，立即放入水或油中淬火，然后再進(jìn)行低溫回火處理，如圖3-30b所示。（4）滲碳工藝及規(guī)范若以20CrMnTi齒輪在井式爐中持續(xù)6h滲碳為例，爐氣碳勢將決定于甲醇和煤油液滴的組成、分解溫度及滴入爐內(nèi)的量，圖3-31所示曲線已給出了各階段的爐壓和時(shí)間，滲碳層深度3.2~1.6mm。3.2熱處理工藝方法3.2.3.3鋼的表面滲氮處理（1）氣體滲氮（gasnitriding）氣體滲氮是將氨氣通入井式爐中加熱，使氨氣分解出活性氮原子滲入工件表層，其化學(xué)反應(yīng)為：3.2熱處理工藝方法3.2熱處理工藝方法（2）離子滲氮（plasmanitriding）離子滲氮是在真空室內(nèi)進(jìn)行的，工件接高壓直流電源的負(fù)極，真空鐘罩接正極。3.2熱處理工藝方法3.2.3.4鋼的表面碳氮共滲（carbonitriding）（1）中溫氣體碳氮共滲中溫氣體碳氮共滲是以滲碳為主，使用煤油和氨氣為介質(zhì)，或使用三乙醇胺、甲酰胺和甲醇＋尿素等作滲劑并采用滴注式進(jìn)行碳氮共滲，如圖3-33a所示。3.2熱處理工藝方法（2）低溫氣體碳氮共滲低溫氣體氮碳共滲是以滲氮為主，使用尿素或甲酰胺等作滲劑進(jìn)行共滲。3.2熱處理工藝方法3.2.3.5鋼的表面滲其他元素（1）鋼的表面滲金屬滲金屬是將鋼件加熱到適當(dāng)?shù)臏囟群?，使鋁、鉻、釩、鋅等金屬元素?cái)U(kuò)散滲入工件表層，獲得特殊性能的強(qiáng)化層。3.2熱處理工藝方法（2）鋼的表面滲硼滲硼是將鋼件置于滲硼介質(zhì)中加熱800~1000°C，保溫1~6h，在高溫下使活性硼原子［B］滲入鋼件表面，獲得高硬度（1400~2000HV）及耐磨性、高耐熱性及耐蝕性硼化物層處理工藝，被處理件壽命可提高7~10倍。（3）鋼的表面硫氮共滲滲硫是向鋼的表層滲入硫而形成Fes和Fe2S混合強(qiáng)化層的工藝過程，而硫氮共滲是將滲硫與滲氮結(jié)合的共滲工藝過程，分為氣體硫氮共滲和液體硫氮共滲兩種方法。3.2熱處理工藝方法3.3.1熱處理新技術(shù)方法3.3.1.1鍛造余熱強(qiáng)化處理（1）高溫余熱形變處理高溫余熱形變處理是將鋼材加熱到穩(wěn)定奧氏體區(qū)，保持一定時(shí)間，待完全奧氏體化后再進(jìn)行塑性變形，然后立即進(jìn)行淬火和回火處理。3.3熱處理新技術(shù)及應(yīng)用（2）低溫余熱形變處理低溫余熱形變處理是將工件加熱到奧氏體區(qū)域后，急冷至珠光體與貝氏體形成溫度范圍內(nèi)（在450~600°C熱浴中冷卻），立即對過冷奧氏體進(jìn)行塑性變形（變形量為70%~90%），然后再進(jìn)行淬火和回火。3.3熱處理新技術(shù)及應(yīng)用3.3.1.2超細(xì)強(qiáng)化熱處理3.3.1.3高能束強(qiáng)化熱處理3.3熱處理新技術(shù)及應(yīng)用3.3.1.4電子束強(qiáng)化熱處理3.3.1.5等離子束強(qiáng)化熱處理（1）剛性等離子束加熱加熱時(shí)將等離子槍電極與工件分別接于電源兩極，使電弧穿過水冷噴嘴燃燒對工件表面加熱。3.3熱處理新技術(shù)及應(yīng)用（2）柔性等離子束加熱加熱時(shí)將電源分別接在電極和水冷銅噴嘴上，連續(xù)送入氬氣穿過電弧空間，使之成為從噴嘴小孔噴出的等離子焰流，如圖3-35b所示。3.3.2計(jì)算機(jī)輔助熱處理3.3.2.1普通熱處理控制3.3.2.2表面熱處理控制3.3.2.3模擬熱處理技術(shù)3.3.3熱處理圖樣標(biāo)注方法3.3.3.1熱處理工藝分類3.3熱處理新技術(shù)及應(yīng)用3.3熱處理新技術(shù)及應(yīng)用3.3熱處理新技術(shù)及應(yīng)用3.3.3.2熱處理工藝代號(hào)3.3熱處理新技術(shù)及應(yīng)用3.3熱處理新技術(shù)及應(yīng)用3.3.3.3熱處理零件圖標(biāo)注方法3.3熱處理新技術(shù)及應(yīng)用3.3熱處理新技術(shù)及應(yīng)用3.3熱處理新技術(shù)及應(yīng)用3.3熱處理新技術(shù)及應(yīng)用第4章鋼鐵材料及性能4.1.1碳素鋼成分及影響4.1.1.1鋼中常存雜質(zhì)及作用（1）Si元素的作用由煉鋼時(shí)加入硅鐵（Si-Fe）等脫氧劑，而導(dǎo)致少量Si元素殘留于鋼中。（2）Mn元素的作用由煉鋼時(shí)加入錳鐵（Mn-Fe）等脫氧劑，而導(dǎo)致少量Mn元素殘存于鋼中，Mn脫氧能力較好，可脫除FeO中的氧而使鋼材致密，并降低鋼的脆性。（3）S元素的影響鋼鐵中的S元素是在煉鋼時(shí)由原料和燃料帶入，是煉鋼過程中沒有能夠除盡的雜質(zhì)。4.1.1.2鋼中其他雜質(zhì)及作用（1）隱存雜質(zhì)及作用隱存雜質(zhì)是指鋼中所存在的極其微量的O、H、N等元素，其在鋼中雖然難以測量，但有一定的溶解度，且是有害雜質(zhì)元素。（2）偶存雜質(zhì)及作用偶存雜質(zhì)是在煉鋼過程中由礦石和廢鋼帶入的雜質(zhì)元素，如Cu、Sn、Pb、4.1碳素鋼及其性能Ni、Cr等。4.1.2碳素鋼分類及牌號(hào)4.1.2.1碳素鋼的分類（1）按鋼的成分分類由于鋼的成分不同，可按鋼的碳含量分類和雜質(zhì)含量分類。（2）按鋼的用途分類按鋼的用途不同，可分為碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼和特性能鋼三類。（3）按鋼的治煉方法分類按鋼的治煉方法和設(shè)備不同，碳素鋼可分為平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼和電爐鋼三類。（4）按鋼的成材方法分類按鋼的成材方法不同，碳素鋼可分鑄鋼、軋鋼和鍛鋼三類。4.1.2.2碳素鋼的牌號(hào)的編寫說明（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)的編寫說明根據(jù)GB700—2006規(guī)定，碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)由Q、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)、脫氧方法符號(hào)等四部分按順序組成，見表4-1。4.1碳素鋼及其性能4.1碳素鋼及其性能（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)的編寫說明優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)用兩位數(shù)字表示，該兩位數(shù)字表示鋼的碳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)以0.01%為單位，例如40鋼，“40”表示鋼的平均含碳量w（C）=0.40%，其牌號(hào)寫成“40”。某些優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼還具有較高的含錳量，w（Mn）=0.7%~1.2%，稱之較高含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其牌號(hào)后再附加上“Mn”，如15Mn，15表示該鋼的平均含碳量w（C）=0.15%，含錳量w（Mn）=0.7%~1.2%，見表4-1。（3）碳素工具鋼及鑄鋼牌號(hào)的編寫說明碳素工具鋼和鑄鋼的舉例、牌號(hào)的編寫說明見表4-1。4.1.3碳素鋼牌號(hào)及用途4.1.3.1碳結(jié)鋼牌號(hào)及用途4.1碳素鋼及其性能4.1碳素鋼及其性能4.1.3.2優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（1）金屬結(jié)構(gòu)件用鋼這類鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%以下，屬低碳優(yōu)質(zhì)碳結(jié)鋼，一般在熱處理后供貨（容器專用鋼除外，如20R），強(qiáng)度較低，塑性很好，具有良好的焊接性能，可廣泛用于制造各種受力不大而要求塑性較高的薄壁鈑金件、冷沖壓件和焊接結(jié)構(gòu)件，常用的有08F、10F、15F、08、10、15、20等鋼。（2）低載荷零件用鋼這類鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般仍在0.25%以下，屬低碳優(yōu)質(zhì)碳結(jié)鋼，以保證碳素鋼具有良好塑性和韌性，但強(qiáng)度、硬度較低，僅用于制造各種受力不大但要求高韌性的零件，一般需滲碳和淬火處理，以提高強(qiáng)度和表面硬度，可用作沖擊負(fù)荷及磨損條件下工作的零件，如20滲碳鋼小型活塞銷、鏈筒及滾子等。（3）中載荷零件用鋼這類鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.30%~0.60%，硫和磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均≤0.035%，具有較高的強(qiáng)度、韌性及良好綜合力學(xué)性能，同時(shí)還具有較好的切削加工性能，并可通過熱處理進(jìn)一步改善其力學(xué)性能。4.1碳素鋼及其性能（4）彈性零件用鋼這類鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.60%~0.85%，硫和磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均≤0.035%，經(jīng)熱處理后具有高強(qiáng)度、高彈性極限、高屈服點(diǎn)、高屈強(qiáng)比和疲勞強(qiáng)度。4.1碳素鋼及其性能4.1.3.3碳素工具鋼4.1碳素鋼及其性能4.1.3.4鑄造碳鋼4.1碳素鋼及其性能4.2.1合金元素在鋼中的作用4.2.1.1對鋼主要成分的影響（1）合金元素與碳作用根據(jù)合金元素與碳的親和力大小，可將Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe等合金元素，按其親合力由大到小按順序排列，Ti、Zr、Nb、V為強(qiáng)碳化物形成元素，均可形成不同于一般滲碳體的特殊碳化物。（2）合金元素與鐵作用幾乎所有合金元素均可與鐵作用形成合金鐵素體或合金奧氏體。4.2.1.2對鋼基本組織的影響（1）對鐵素體的影響非碳化物形成元素Ni、Cu、Si、A1等可全部溶于鐵素體，弱碳化物形成元素Mn、Gr等可部分溶入鐵素體，均可形成合金鐵素體，起固溶強(qiáng)化作用。并且這些元素原子半徑與鐵原子半徑相差越大，晶體結(jié)構(gòu)越不相同，強(qiáng)化效果越明顯，如圖4-1a所示。4.2合金鋼及其性能4.2合金鋼及其性能（2）對滲碳體的影響碳化物形成元素溶入滲碳體后，可增加Fe與C的親和力，將部分Fe置換而形成合金滲碳體，如（Fe、Mn）3C、（Fe、W）3C等。其中Mn、Cr則大部分溶于鐵素體，只有少部分溶于滲碳體。4.2.1.3對鋼結(jié)晶相圖的影響（1）對奧氏體相區(qū)的影響Mn、Ni、Co、C、N、Cu等元素與Fe相互作用，可擴(kuò)大奧氏體相區(qū)（見圖4-2a），尤以Ni和Mn的作用最大。Ni、Mn含量增加時(shí)，共析點(diǎn)成分及溫度向低碳低溫方向移動(dòng)。（2）對A1、A3、Acm臨界線的影響由于奧氏體相區(qū)的擴(kuò)大或縮小，使A1、A3、Acm臨界線將發(fā)生變化。（3）對S、E點(diǎn)位置的影響由圖4-2可知，所有合金元素均可改變鐵碳相圖中S、E點(diǎn)的位置，并使S、E點(diǎn)向左方移動(dòng)，因此了解合金元素對共析點(diǎn)溫度和含碳量的影響規(guī)律，可對實(shí)際熱處理生產(chǎn)具有重要的意義。4.2合金鋼及其性能4.2.1.4對鋼加熱轉(zhuǎn)變的影響（1）奧氏體化過程的影響由于奧氏體形成過程與碳的擴(kuò)散密切相關(guān)，因此與碳有較大親和力的Cr、Mo、W、V、Ti等強(qiáng)碳化物形成元素，均會(huì)阻礙碳原子的擴(kuò)散，以減緩?qiáng)W氏體化過程，而Ni、Co等非碳化物形成元素，則會(huì)加速碳原子的擴(kuò)散速度，從而加快奧氏體的形成過程。4.2合金鋼及其性能（2）奧氏體晶粒度的影響合金元素會(huì)影響奧氏體晶粒的長大，如C、P、Mn等能促進(jìn)奧氏體（在高碳時(shí)）晶粒的長大，而A1、Zr、Nb、Ti、V等能強(qiáng)烈阻礙奧氏體晶粒的長大，至于W、Mo、Cr等能起中等阻礙作用。4.2.1.5對鋼冷卻轉(zhuǎn)變的影響（1）推遲過冷奧氏體轉(zhuǎn)變鋼冷卻時(shí)除A1、Co元素以外，Si、Cu、V、Mo、Ni、Cr、Mn等大多數(shù)合金元素均會(huì)延緩?qiáng)W氏體的轉(zhuǎn)變，增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使等溫轉(zhuǎn)變曲線向右移動(dòng)，使Ms和M??點(diǎn)的位置降低。（2）使等溫轉(zhuǎn)變曲線移動(dòng)變形碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Ti等（Mn除外）溶入奧氏體時(shí)，不僅提高奧氏體穩(wěn)定性，使等溫轉(zhuǎn)變C曲線右移，同時(shí)還使其形狀發(fā)生改變（見圖3-13b），并隨Cr含量增加，呈現(xiàn)雙“鼻子”形雙C形曲線。（3）促使回火穩(wěn)定性淬火鋼隨回火溫度升高，將發(fā)生馬氏體分解、碳化物形成聚集和長大、殘留奧氏體分解和鐵素體再結(jié)晶等一系列組織轉(zhuǎn)變。4.2合金鋼及其性能4.2.2合金鋼分類及牌號(hào)4.2.2.1合金鋼的分類方法（1）按鋼組織及形態(tài)分類通常分為珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼和奧氏體鋼。（2）按鋼種類及含量分類通常分為鉻鋼、錳鋼、鉻鎳鋼、鉻鉬鋼、鉻鎳鉬鋼、鉻錳鋼、鉻錳硅鋼及鉻鎳鎢鋼等，按合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)又分為低合金鋼［w（合金）＜5.0%］、中合金鋼［w（合金）=5.0%~10.0%］和高合金鋼［w（合金）>10.0%］。（3）按鋼性能及用途分類這種分類方法見表4-7。4.2合金鋼及其性能4.2合金鋼及其性能4.2合金鋼及其性能4.2.2.2合金鋼的牌號(hào)的編寫說明4.2合金鋼及其性能4.2合金鋼及其性能4.2.3合金結(jié)構(gòu)鋼及性能4.2.3.1低合金結(jié)構(gòu)鋼4.2合金鋼及其性能4.2合金鋼及其性能4.2.3.2合金結(jié)構(gòu)鋼（1）合金滲碳鋼合金滲碳鋼是指將優(yōu)質(zhì)低碳鋼或低合金鋼表面滲碳、淬火及低溫回火處理的鋼。4.2合金鋼及其性能4.2合金鋼及其性能（2）合金調(diào)質(zhì)鋼合金調(diào)質(zhì)鋼是結(jié)構(gòu)鋼中用量最大、品種最多的鋼種，是經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后使用的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，鍛造性能好，切削加工性好，并具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，廣泛用于制造各種機(jī)器零件，如齒輪、軸類、螺栓等，見表4-11。4.2合金鋼及其性能（3）合金彈簧鋼彈簧是機(jī)器、儀表中重要而又常用的零件。4.2合金鋼及其性能（4）滾動(dòng)軸承鋼滾動(dòng)軸承鋼主要用來制作滾珠、滾柱、軸承套圈等各種滾動(dòng)軸承元件，以及其他各種耐磨零件。4.2合金鋼及其性能4.2合金鋼及其性能4.2.3.3合金工具鋼（1）低合金刃具鋼低合金刃具鋼用于制造低速切削刃具，是在碳素工具鋼基礎(chǔ)上加入少量合金元素獲得，鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.8%~1.5%之間，含碳量較高可以保證足夠的硬度和耐磨性，加入合金元素Cr、Mn、Si用以提高淬透性，Si還可使鋼淬火后加熱到250~300°C時(shí)仍能保持較高硬度。（2）高合金刃具鋼高合金刃具鋼用于制造高速切削刃具，鋼中含有大量的W、Mo、Cr、V、Co等碳化物形成元素，因而具有更高的淬透性和回火抗力。4.2合金鋼及其性能（3）冷作模具鋼冷作模具鋼主要用于制造冷態(tài)下沖壓的模具，如冷沖裁模、冷拉深模、冷壓印模、冷擠壓模、冷鐓模等。4.2合金鋼及其性能（4）熱作模具鋼熱作模具鋼是用于制造鍛軋模具的合金鋼，包括熱鍛模、熱擠壓模等。4.2合金鋼及其性能（5）合金量具鋼根據(jù)使用要求，合金量具鋼應(yīng)具有高硬度、高耐磨性、高尺寸穩(wěn)定性、良好磨削加工性及較小的淬火變形，高精度量具鋼還應(yīng)具有良好的耐蝕性。4.2合金鋼及其性能4.2.3.4合金耐磨鋼（1）水韌處理由于高錳鋼只能經(jīng)鑄造成形，且成形后的鑄態(tài)組織粗大，性能又硬又脆，直接使用受到?jīng)_擊時(shí)極易開裂，所以必須進(jìn)行水韌處理，以提高其抗裂性能。（2）硬化處理高錳鋼在受到強(qiáng)烈沖擊、壓力、摩擦?xí)r，表層因塑性變形而產(chǎn)生強(qiáng)烈加工硬化，并有馬氏體及碳化物沿滑移面形成，從而便表層便度從180~220HBW提高到500~550HBW，而心部仍保持原來奧氏體的高塑性和高韌性。4.2.3.5合金耐蝕鋼4.2合金鋼及其性能（1）鐵素體不銹鋼鐵素體不銹鋼為單相鐵素體組織，如Cr17，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.12%，鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%~18%，加熱時(shí)沒有??-??的轉(zhuǎn)變，耐硝酸濃液、次氯酸鈉及磷酸腐蝕性能很好，塑性好，強(qiáng)度較低，不能熱處理強(qiáng)化，有較高的脆性傾向和晶間腐蝕性，焊接性能較差，主要用于制造化工、食品設(shè)備的容器、管道等。（2）馬氏體不銹鋼典型牌號(hào)為1Cr13、2Cr13等，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%~0.45%，鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%，耐大氣及弱蝕性介質(zhì)腐蝕性很優(yōu)良，隨含碳量的增加，強(qiáng)度升高，但耐蝕性降低，主要用于制造強(qiáng)度和硬度較高的結(jié)構(gòu)件及工具等。4.2合金鋼及其性能（3）奧氏體不銹鋼這類鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.03%時(shí)，呈非常穩(wěn)定的單相奧氏體組織，在各種溫度范圍內(nèi)耐硫酸、磷酸、醋酸及鹽、堿液腐蝕性均很高，耐晶間腐蝕性良好，還具有優(yōu)良的高低溫強(qiáng)度、韌性及良好的焊接工藝性。4.2合金鋼及其性能4.3.1鑄鐵石墨化及組織4.3.1.1鑄鐵結(jié)晶與相圖（1）鐵碳合金雙重相圖鑄鐵的石墨化是指鑄鐵在結(jié)晶和冷卻過程中，碳以石墨相形式析出的過程。（2）實(shí)際石墨化過程鑄鐵石墨化過程實(shí)際是按雙重相圖進(jìn)行原子擴(kuò)散的過程，原子在高溫下具有較高的擴(kuò)散能力，致使共晶和共析以上溫度階段的石墨化較易進(jìn)行，通常都能按Fe-G相圖進(jìn)行結(jié)晶，凝固后獲得As+G共析組織，隨后As再轉(zhuǎn)變成F+G，共析石墨G共折也將沉積在原有石墨上。4.3鑄鐵合金及性能（3）石墨形成方式及結(jié)構(gòu)若按照Fe-G相圖結(jié)晶時(shí)，可在各個(gè)溫度范圍內(nèi)從液態(tài)和固態(tài)金屬中直接析出石墨，如生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的石墨懸浮現(xiàn)象，即石墨從鐵液中直接析出的過程，即在共晶線1154°C時(shí)析出石墨。4.3鑄鐵合金及性能（4）石墨化影響因素鑄鐵成分是影響石墨化的主要因素（見表4-17）。4.3鑄鐵合金及性能4.3.1.2鑄鐵組織及性能（1）鑄鐵組織及形態(tài)由于鑄鐵中的碳主要是以游離態(tài)的石墨（G）形式存在，所以鑄鐵的組織是由基體和石墨組成，并且構(gòu)成鑄鐵的基體與鋼基體相同，石墨是以各種不同形態(tài)存在于鐵素體、珠光體、馬氏體、奧氏體及貝氏體等基體組織中，因此鑄鐵的組織特點(diǎn)可看作是鋼的基體上分布著不同形態(tài)的石墨。（2）鑄鐵的性能及特點(diǎn)鑄鐵的力學(xué)性能主要取決于鑄鐵基體組織及石墨數(shù)量、形狀、大小和分布形態(tài)。4.3.1.3石墨細(xì)化處理及性能4.3鑄鐵合金及性能4.3鑄鐵合金及性能（1）孕育處理及性能孕育處理是指鑄鐵件在澆注前，向鐵液中加入少量顆粒狀或粉末狀的孕育劑，以改變鐵液的結(jié)晶條件，增加鐵液的結(jié)晶晶核數(shù)目，并使鐵液在高溫時(shí)按照Fe-G系結(jié)晶，而在低溫時(shí)則按照Fe-Fe3C系結(jié)晶，從而獲得基體為細(xì)小珠光體組織加細(xì)小片狀石墨并均勻分布的工藝過程。（2）球化處理及性能將鎂或稀土鎂合金球化劑沖入出爐溫度高達(dá)1400~1420°C以上的灰鑄鐵液［w（C）=3.6%~4.0%，w（Mn）=0.4%~0.6%，w0（P）<0.10%，20（S）<0.07%〕中，進(jìn)行球化處理，使片狀石墨變成圓滑細(xì)小的球狀石磨，從而使鑄鐵的力學(xué)性能大大的提高。4.3鑄鐵合金及性能4.3.2常用鑄鐵及性能4.3.2.1灰鑄鐵（1）組織特點(diǎn)及性能灰鑄鐵按基體組織不同分為鐵素體灰鑄鐵（F+G片）、珠光體灰鑄鐵（P+G片）、鐵素體＋珠光體灰鑄鐵（F+P+G片）三種。4.3鑄鐵合金及性能（2）應(yīng)用特點(diǎn)及牌號(hào)由于片狀石墨的強(qiáng)度、塑性、韌性幾乎接近于零，硬度只有3HBW，且存在于鋼基體上相當(dāng)于孔洞和裂紋，使灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度很低，斷后伸長率和沖擊韌度幾乎為零，但石墨對鑄鐵的抗壓強(qiáng)度影響不大。4.3鑄鐵合金及性能（3）熱處理工藝及性能由于鑄鐵件是經(jīng)液態(tài)澆注成形，鑄鐵表面冷卻速度大，易得到白口組織且存在較大應(yīng)力等，因此必須對鑄鐵件進(jìn)行消除應(yīng)力退火和消除白口組織退火處理，才能滿足加工及使用性能要求，如圖4-12所示。4.3鑄鐵合金及性能4.3.2.2球墨鑄鐵（1）化學(xué)成分及組織特點(diǎn)球墨鑄鐵的化學(xué)成分為：w（C）=3.6%~3.8%、w（Si）=2.0%~2.8%、w（Mn）=0.6%~0.8%、w（P）<0.1%、w（S）<0.07%、W（Mg）=0.3%~0.5%、w（RE）=0.02%~0.04%。（2）性能、用途及牌號(hào)球墨鑄鐵除具有灰鑄鐵的一系列優(yōu)點(diǎn)外，還具有比灰鑄鐵高得多的強(qiáng)度、塑性和韌性。4.3鑄鐵合金及性能4.3鑄鐵合金及性能（3）球墨鑄鐵的退火工藝對于不再進(jìn)行其他熱處理的球墨鑄鐵，由于其鑄造應(yīng)力較大，通常需進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力退火，退火后組織不變，其工藝如圖4-14a所示。（4）球墨鑄鐵的正火工藝將鑄件加熱到共析相變溫度以上50~70°C，當(dāng)Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%~3%時(shí)，一般加熱到900~950°C，保溫1~4h，使組織全部奧氏體化，然后隨爐冷至600°C再空冷，如圖4-15a所示，以獲得細(xì)珠光體加石墨組織。4.3鑄鐵合金及性能4.3鑄鐵合金及性能4.3.2.3蠕墨鑄鐵（1）化學(xué)成分及組織特點(diǎn)蠕墨鑄鐵的化學(xué)成分與球墨鑄鐵相似，既要求含有高C、高Si、低S、低P成分，還要求含有一定量的RE與Mg元素，一般成分：w（C）=3.5%~3.9%、w（Si）=2.1%~2.8%，w（Mn）=0.4%~0.8%、w（S）<0.1%，W（P）<0.1%。（2）性能、用途及牌號(hào)由于蠕蟲狀石墨對基體的割裂作用不如片狀石墨強(qiáng)烈，且應(yīng)力集中小，故蠕墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率、彈性模量和抗彎強(qiáng)度均優(yōu)于灰鑄鐵，并且接近于鐵素體球墨鑄鐵。4.3.2.4可鍛鑄鐵（1）化學(xué)成分及組織特點(diǎn)由于可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火后得到，當(dāng)C、Si含量過高時(shí)，易在鑄態(tài)組織中產(chǎn)生片狀石墨，而得不到團(tuán)絮狀石墨。4.3鑄鐵合金及性能4.3鑄鐵合金及性能（2）牌號(hào)、性能及用途按GB/T9440—1988規(guī)定，可鍛鑄鐵的牌號(hào)用“可鐵”二字的漢語拼音字頭“KT”及Z、H、B和兩組數(shù)字表示，Z表示珠光體可鍛鑄鐵，H表示黑心可鍛鑄鐵，B表示白心可鍛鑄鐵，兩組數(shù)字分別表示最低抗拉強(qiáng)度（MPa）和最低斷后伸長率。（3）石墨化退火工藝如圖4-17a所示，將白口鑄鐵件加熱至900~1000°C，經(jīng)長時(shí)間保溫，然后再隨爐緩冷至750°C，長時(shí)間保溫至720°C，以分階段使?jié)B碳體分解成團(tuán)絮狀石墨，而獲得具有團(tuán)絮狀石墨的可鍛鑄鐵，如圖4-17b所示。4.3鑄鐵合金及性能4.3鑄鐵合金及性能4.3.3合金鑄鐵及性能4.3.3.1耐熱合金鑄鐵4.3鑄鐵合金及性能4.3.3.2耐磨合金鑄鐵4.3.3.3耐蝕合金鑄鐵4.3鑄鐵合金及性能4.3鑄鐵合金及性能4.3鑄鐵合金及性能第5章非鐵金屬與非金屬材料5.1.1鋁及鋁合金5.1.1.1純鋁及其性能（1）純鋁的使用性能純鋁是目前工業(yè)生產(chǎn)中用量最大、僅次于鋼鐵的非鐵金屬材料。5.1非鐵金屬及性能（2）純鋁的形變加工性能純鋁具有面心立方晶格，在冷卻過程中無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，致使室溫下仍具有很好的塑性（??~80%），從而具有良好的形變加工性能和焊接性能。（3）純鋁的分類及牌號(hào)工業(yè)純鋁分為純鋁和高純鋁兩類，這兩類中含鋁量分別為：純鋁w（A1）=99%~99.85%，高純鋁w（A1）>99.85%。純鋁又分為鑄造純鋁和變形純鋁（壓力加工產(chǎn)品）兩大類，常用于配制鋁合金或制作管、棒、箔及型材。（3）純鋁的原代號(hào)說明我國變形純鋁原代號(hào)是依其雜質(zhì)的限量而編制，如1.1、12、1.3、14、…、L7共七種，“L”是“鋁”字的漢語拼音字首，其后所附數(shù)字表示純度，且數(shù)字越大表示純鋁的純度越低、性能越差。5.1.1.2鋁合金及其性能（1）鋁合金相圖及特點(diǎn)二元鋁合金一般具有共晶狀態(tài)圖，如圖5-1a所示，圖中E點(diǎn)為共品點(diǎn)，D點(diǎn)為合金元素在??相中的最大溶解度點(diǎn)，也是合金分類的理論分界點(diǎn)，DF線為合金元素因溫度下降從??相中脫溶線。5.1非鐵金屬及性能5.1非鐵金屬及性能（2）鋁合金分類及性能按鋁合金成分及成形方法不同，可分為鑄造鋁合金和形變鋁合金兩大類。5.1非鐵金屬及性能5.1.1.3變形鋁合金牌號(hào)的編寫說明（1）防銹鋁合金牌號(hào)的編寫說明這類合金常用牌號(hào)有3A21、5A02、5A03、5A05、5A12等，原用代號(hào)相應(yīng)LF21、LF2、LF3、LF5、LF12等。（2）硬鋁合金牌號(hào)的編寫說明這類合金常用牌號(hào)有2A01、2A02、2A06、2A10、2A11、2A12等，原用代號(hào)相應(yīng)LYI、LY2、LY6、LY10、LY11、LY12等。（3）超硬鋁合金牌號(hào)的編寫說明常用牌號(hào)有7A03、7A04、7A09、7A10等，原用代號(hào)相應(yīng)為LC3、LC4、LC9、LC10等。（4）鍛造鋁合金牌號(hào)的編寫說明常用牌號(hào)有6A02、2A05、2A10等，原