《機械制造基礎》第2版 課件全套 柳青松 第1-11章 金屬材料的性能- 數(shù)控加工系統(tǒng)概述

《機械制造基礎》（第2版）全國機械行業(yè)高職院校優(yōu)質規(guī)劃教材江蘇省高等學校重點教材《機械制造基礎》課程導入《機械制造基礎》第1篇

機械工程材料Chapter金屬材料的性能1第1章

金屬材料的性能

案例導入a）

b）

c）

d）

e）

f）圖1-1低碳鋼拉伸試驗形變過程a)屈服強化階段b)、c)、d)頸縮階段e）斷裂瞬間f)斷裂后截面形狀第1章

金屬材料的性能

初步分析低碳鋼的拉伸試驗過程：

載荷的增加

→試樣伸長量↑

直徑↓

載荷增加到一定程度→試件變細↓，外加載荷明顯↓

→試樣被拉斷金屬材料的力學性能及其組織結構1.1金屬材料的力學性能

力學性能的概念力學性能：是指金屬材料在外力作用下，所表現(xiàn)出來的抵抗

變形和破壞的能力。力學性能指標：金屬在常溫時的力學性能指標有強度、塑性、

硬度、沖擊韌度、疲勞強度和斷裂韌度等1.1金屬材料的力學性能

強度和塑性拉伸試樣a)b)圖1-2圓柱形拉伸試樣a)標準拉伸試樣b)拉斷后的拉伸試樣1.1金屬材料的力學性能

強度和塑性力-伸長曲線圖1-3低碳鋼試樣的力-伸長曲線oc—彈性變形階段ce

—屈服階段em

—縮頸與斷裂階段mk

—縮頸與斷裂階段1.1金屬材料的力學性能

強度和塑性強度材料的強度，就是材料在靜載荷作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。

1.1金屬材料的力學性能

強度和塑性⑵強度判據(jù)拉伸試驗可用于測量屈服強度和抗拉強度等。1)屈服強度和條件屈服強度2)抗拉強度⑶強度意義一般機械零件或工具使用時，不允許發(fā)生塑性變形，故屈服強度是機械設計強度計算的主要依據(jù)1.1金屬材料的力學性能

強度和塑性塑性

金屬材料在斷裂前產生塑性變形的能力稱為塑性。⑴塑性判據(jù)

可用拉伸試驗測定斷后伸長率和斷面收縮率來表示，如圖1-2所示。1)斷后伸長率

試樣斷后標距的殘余伸長與原始標距之比的百分率稱為斷后伸長率，用符號A表示。a)b)圖1-2圓柱形拉伸試樣a)標準拉伸試樣b)拉斷后的拉伸試樣1.1金屬材料的力學性能

強度和塑性塑性

金屬材料在斷裂前產生塑性變形的能力稱為塑性。⑴塑性判據(jù)

可用拉伸試驗測定斷后伸長率和斷面收縮率來表示，如圖1-2所示。斷面收縮率斷面收縮率Z是指，斷裂后試樣橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積之比的百分率。a)b)圖1-2圓柱形拉伸試樣a)標準拉伸試樣b)拉斷后的拉伸試樣1.1金屬材料的力學性能

強度和塑性⑵塑性意義

金屬材料的伸長率與斷面收縮率數(shù)值愈大，說明其塑性愈好。塑性直接影響到零件的成形加工及使用。例如，低碳鋼的塑性好，能通過鍛壓加工成形，而灰鑄鐵塑性差，不能進行壓力加工。塑性好的材料，在受力過大時，首先產生塑性變形而不致發(fā)生突然斷裂，所以大多數(shù)機械零件除要求具有較高的強度外，還必須具有一定的塑性。1.1金屬材料的力學性能

強度和塑性表1-1材料的伸長率數(shù)值大小與材料的塑性好壞關系一覽表材料伸長率數(shù)值范圍材料性質材料性質舉例>2%塑性材料銅、鋼。如純鐵的伸長率幾乎可達50%；又如低碳鋼的伸長率約為20%~30%，斷面收縮率約為60%。<2%脆性材料鑄鐵、混凝土。如普通生鐵的伸長率達不到1%。1.1金屬材料的力學性能

硬度1.硬度表示硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標，反映材料抵抗局部塑性變形的能力。2.硬度判據(jù)

常用的硬度指標是布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。圖1-6布氏硬度試驗原理示意圖圖1-7洛氏硬度試驗原理圖1-在初試驗力下的壓入深度2-由主試驗力引起的壓入深度3-卸除主試驗力后的彈性回復深度4殘余壓入深度5-試樣表面6-測量基準面7-壓頭位置1.1金屬材料的力學性能

硬度表1-2常用洛氏硬度符號、試驗條件和應用舉例（摘自GB/T230.1-2018）標尺硬度符號壓頭型號初試驗力（）+主試驗力()=總試驗力(F/N)常用范圍應用舉例AHRA金剛石圓錐98.07+490.3=588.3720~95HRA碳化鋼、硬質合金、表面淬火等BHRBW直徑1.5875mm碳化鎢合金球98.07+882.6=980.6710~100HRBW非鐵金屬、退火鋼、銅合金等等CHRC金剛石圓錐98.07+1373=1471.0720~70HRC淬火鋼、調質鋼等………………………………1.1金屬材料的力學性能

硬度⑶維氏硬度

維氏硬度和布氏硬度的測定原理基本相同，也是以單位壓痕面積的力作為硬度值計量。不同的是所用的壓頭為錐面夾角為的金剛石正四棱錐體。圖1-8維氏硬度試驗原理示意圖1.1金屬材料的力學性能

硬度3.硬度的意義

由于硬度反映了金屬材料在局部范圍內對塑性變形的抗力，因此，材料硬度與強度之間有一定內在聯(lián)系，強度越高，塑性變形抗力越大，硬度值也越高；反之硬度高不一定強度高。所以硬度測量應用極為廣泛，常把硬度標注于圖紙上，作為零件檢驗、驗收的主要依據(jù)；硬度是衡量金屬軟硬的判據(jù)，直接影響材料的耐磨性和切削加工性。如機械制造中各種刀具要有足夠的硬度，才能保證使用的性能和壽命。1.1金屬材料的力學性能

沖擊韌度1.韌性表示

韌性是指金屬在斷裂前吸收變形能量的能力。2.沖擊韌性判據(jù)

夏比沖擊試驗是一種常用的評定金屬材料韌性指標的動態(tài)試驗方法。a)b)c)圖1-9擺錘式沖擊試驗（夏比沖擊試驗）原理示意圖a)-U形缺口試樣b)-試樣安放位置c)-夏比沖擊試驗機勢能測定1.1金屬材料的力學性能

沖擊韌度沖擊韌性的意義

一般將值低的材料稱為脆性材料，值高的材料稱為韌性材料。脆性材料在斷裂前無明顯的塑性變形，斷口比較平整，有金屬光澤；韌性材料在斷裂前有明顯的塑性變形，斷口呈纖維狀，沒有金屬光澤。還應指出，長期的生產實踐證明，值對材料的組織缺陷十分敏感，能夠靈敏的反映出材料的品質、宏觀缺陷和顯微組織方面的微小變化，因此，沖擊試驗是生產上用來檢驗冶金質量和熱加工質量的有效辦法之一。1.1金屬材料的力學性能

疲勞強度材料在循環(huán)載荷的作用下，即使所受應力低于屈服強度也常發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂，尤其是高強度材料在斷裂之前一般沒有明顯的塑性變形，難以檢測和預防，所以有很大的危險性。圖1-10疲勞曲線示意圖1.1金屬材料的力學性能

疲勞強度1.疲勞強度疲勞強度是指材料經無數(shù)次的應力循環(huán)仍不斷裂的最大應力，用以表征材料抵抗疲勞斷的能力。2.疲勞強度測試測試材料的疲勞強度的方法是旋轉彎曲疲勞試驗。試驗測得的材料所受循環(huán)應力與其斷裂前的應力循環(huán)次數(shù)的關系曲線稱為疲勞曲線，如圖1-10所示。3.有效提高疲勞強度的途徑疲勞極限除與選用材料的本性有關，還可通過以下途徑來提高疲勞極限。⑴在零件結構設計方面盡量避免尖角、缺口和截面突變，以免應力集中及由此引起的疲勞裂紋。⑵降低零件表面粗糙度值，提高表面加工質量；同事盡可能減少能成為疲勞源的表面缺陷（氧化、脫碳、裂紋、夾雜等）和表面損傷（刀痕、擦傷、生銹等）。⑶采用各種表面強化處理，如化學熱處理、表面淬火與噴丸、滾壓等表面塑性變形加工，不僅可提高零件表層的疲勞極限，還可獲得有益的表層殘余壓應力，以抵消或降低產生疲勞裂紋的啦應力。1.2材料的物理、化學及工藝性能物理性能材料的物理性能材料的物理性能屬于材料的固有屬性，主要包括材料的熔點、密度、導電性、導熱性、熱膨脹性、磁性等。⑴熔點

材料在緩慢加熱時由固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)時的融化溫度稱為熔點。金屬有固定的熔點，合金的熔點取決于成分。⑵密度

密度是某種材料單位體積的質量。材料的密度直接關系到制成零件或構件的重量。⑶導電性

導電性是指材料傳到電流的能力。工程中常采用純銅和純鋁制造導電材料，導電性差的材料制作電熱元件。⑷導熱性

導熱性是指材料傳導熱量的能力。合金的導熱性比純金屬差，純金屬中銀和銅的導熱性能最好，鋁次之。⑸熱膨脹性

熱膨脹性是指材料隨著溫度變化而產生的體積膨脹或收縮的現(xiàn)象。常溫下工作的普通機械零件可以不考慮材料的熱膨脹性，但工程中如滑動軸承材料、內燃機活塞的材料、精密儀器儀表的材料都要求熱膨脹系數(shù)要小。⑹磁性

磁性是指材料在磁場中導磁或被磁化的能力，磁性材料從材質和結構上分為金屬及合金磁性材料和鐵氧體磁性材料兩大類，電機的鐵芯所用的磁性材料一般用硬磁鐵氧體，磁化后不易退磁，對磁通的阻力小。1.2材料的物理、化學及工藝性能化學性能⑴耐蝕性

耐蝕性是指材料在室溫時抵抗其周圍介質腐蝕破壞的能力。不同介質中工作的材料其耐腐蝕性要求不同，如海洋設備要耐海水和海洋大氣的侵蝕，儲存和運輸酸類的容器和管道要有較高的耐酸性。⑵抗氧化性

抗氧化性是指材料在高溫下抵抗氧化的能力。在高溫下工作的鍋爐、加熱爐、內燃機零件等要求具有良好的抗氧化性。1.2材料的物理、化學及工藝性能工藝性能工藝性能是指金屬材料對零件制造工藝的適應性，包含著鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能等。工藝性能直接影響零件的制造工藝和質量，是選擇金屬材料時必須考慮的因素之一。1.3金屬的晶體結構和相圖金屬的晶體結構1.純金屬的晶體結構⑴晶體與非晶體固態(tài)物質按其原子排列的特征分為晶體和非晶體兩大類。a)b)圖1-11晶體和非晶體的原子排列示意圖a)-晶態(tài)金屬中的原子排列b)-非晶態(tài)金屬中的原子排列1.3金屬的晶體結構和相圖金屬的晶體結構1.純金屬的晶體結構⑵晶格與晶胞1)晶格把原子看成一個結點，然后用假想的線條將這些結點連結起來，便構成了一個有規(guī)律性的空間格架稱晶格。2)晶胞晶格中能完全反映晶格特征的最小幾何單元稱晶胞。晶胞中各棱邊的長度a、b、c稱為晶格常數(shù)。由于晶體中原子重復排列的規(guī)律性，因此晶胞可以表示晶格中原子排列的特征。1.3金屬的晶體結構和相圖金屬的晶體結構1.純金屬的晶體結構⑶常見金屬晶格類型：常見的金屬晶格類型有體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格1.3金屬的晶體結構和相圖金屬的結晶⑴冷卻曲線與過冷度

1)冷卻曲線

冷卻曲線是溫度與時間的關系曲線，可用來描述金屬的結晶規(guī)律?？赏ㄟ^熱分析法測量繪制，其方法是使熔化后的金屬液緩慢冷卻，每隔一定時間記錄下溫度值，將溫度T和對應時間t繪制成T-t曲線，如圖1-17所示。圖1-17純金屬的冷卻曲線1.3金屬的晶體結構和相圖金屬的結晶2)純金屬的結晶溫度由圖1-17可知，隨時間的增加，純金屬液的溫度不斷下降；當冷到某一溫度時，溫度并不隨冷卻時間的增長而降低，在冷卻曲線上出現(xiàn)了一個恒溫的水平線段，這個水平線段所對應的溫度就是純金屬的結晶溫度（或熔點）。3)理論結晶溫度液態(tài)金屬在及其緩慢地冷卻條件下測得的結晶溫度稱為理論結晶溫度，用符號表示。4)實際結晶溫度在實際生產中，金屬結晶時的冷卻速度都是相當快的，此時金屬要在理論結晶溫度以下某個溫度才開始結晶，這一溫度稱為實際結晶溫度，用符號表示。5)過冷現(xiàn)象實際結晶溫度低于理論結晶溫度的現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象。6)過冷度理論結晶溫度與實際結晶溫度之差稱為過冷度，用符號表示，即1.3金屬的晶體結構和相圖金屬的結晶⑵純金屬的結晶過程

1)結晶過程

結晶過程是金屬內的原子從液態(tài)的無序的混亂排列轉變成固態(tài)的有規(guī)律排列。經歷了“形核→長大→形核→長大”的過程，如圖1-18所示。b)c)d)圖1-18純金屬的結晶過程示意圖a)—液態(tài)金屬b)—形核c)—晶核長大d)—完全結晶1.3金屬的晶體結構和相圖金屬的結晶2)晶核形成晶核形成包含著自發(fā)形核與非自發(fā)形核的過程。①晶核與自發(fā)形核

金屬在過冷的條件下，液態(tài)金屬中某些局部微小的區(qū)域內的原子自發(fā)地聚集在一起，這種原子規(guī)則排列的細小聚合體稱為晶核，這種形核方式稱為自發(fā)形核。②非自發(fā)形核

當金屬液中有細微的固態(tài)顆粒（自帶或人工加入）時，也可以成為結晶的核心，這種形核方式稱為非自發(fā)形核。3)晶核長大

金屬液中的原子不斷向晶核表面遷移，使晶核不斷長大，與此同時，不斷有新的晶核產生并長大，直至金屬液全部消失。

1.3金屬的晶體結構和相圖金屬的同素異構1.同素異構轉變當溫度、壓力等外界條件改變時，少數(shù)固態(tài)金屬（如鐵、鉻、錫、鈷、鈦等）的晶體結構由一種晶格轉變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱為同素異構轉變。同素異構轉變同樣也遵循形核、長大的規(guī)律，但它是一個固態(tài)下的相變過程，即固態(tài)相變。2.純鐵的同素異構轉變過程純鐵在固態(tài)下會發(fā)生同素異構轉變。其轉變過程如下：1.3金屬的晶體結構和相圖合金的晶體結構純金屬一般具有較好的導電性、導熱性，但其提煉困難，力學性能較低，因此在使用上受到了限制。工業(yè)上大量使用的金屬材料都是合金。合金具有較高的力學性能和某些特殊的物理、化學性能。碳鋼、合金鋼、鑄鐵、黃銅、硬質合金等材料都是合金。1.基本概念⑴合金由兩種或兩種以上的金屬元素（或金屬元素和非金屬元素）組成的具有金屬特性的物質。

⑵組元

通常組元就是組成合金的元素。⑶合金系合金系是指兩種或兩種以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。⑷相圖合金的結晶過程比純金屬復雜，為研究方便，通常以溫度和成分作為獨立變量的相圖來分析合金的結晶過程。⑸相凡是成分相同、結構相同并與其他部分以界面分開的均勻組成部分，稱為相。1.3金屬的晶體結構和相圖合金的晶體結構2.合金的晶體結構固態(tài)合金中的相結構可以分為固溶體和金屬化合物兩大類。a)b)圖1-22固溶體的分類示意圖a)-間隙固溶體b)-置換固溶體溶劑原子溶質原子【知識梳理與總結】1.材料的主要性能是指:（1）使用性能：力學性能、物理性能、化學性能（2）工藝性能：加工成形的性能2.金屬材料的力學性能【知識梳理與總結】3.金屬的晶體結構

⑴金屬的理想晶體結構晶體：原子作有序排列；有固定的熔點；各向異性。非晶體：原子作無序排列；沒有固定的熔點；各向同性。所有的金屬和合金都是晶體晶格—原子排列形成的空間格子晶胞—組成晶格最基本的單元金屬的典型晶體結構：體心立方晶格、體心立方晶格、密排六方晶格

【知識梳理與總結】3.金屬的晶體結構

⑵金屬的結晶過程金屬結晶的過冷現(xiàn)象：過冷度=理論結晶溫度-實際結晶溫度金屬的結晶過程：形核、長大……細化晶粒的方法:變質處理、增大過冷度、附加振動、熱處理、壓力加工再結晶。細化晶粒是改善材料力學性能的重要措施。金屬的同素異晶轉變：同素異晶轉變—在固態(tài)下，隨著溫度的變化，金屬的晶體結構從一種晶格類型轉變?yōu)榱硪环N晶格類型的過程。合金—以一種金屬為基礎，加入其他金屬或非金屬，所形成的具有金屬特性的物質。合金的結構：合金的結構、金屬化合物、機械混合物

Chapter鐵碳合金2第2章鐵碳合金案例導入圖2-1工業(yè)純鐵圖2-220鋼圖2-3T12鋼初步分析

不同的材料，其內部的碳的質量分數(shù)不同，其組織形態(tài)也不同。由于碳的質量分數(shù)不同，鐵素體和滲碳體的相對數(shù)量、析出條件及分布狀況均有所不同，因而呈現(xiàn)各種不同的組織形態(tài)。碳的質量分數(shù)的差別也會影響力學性能，在＜1%時，隨碳的質量分數(shù)的增加，鋼的強度、硬度增加，塑性和韌性降低；在＞1%時，隨碳的質量分數(shù)的增加，鋼的硬度增加，強度、塑性、韌性都降低。

第2章鐵碳合金材料是零件承載能力的基礎。在材料的選用中，更多的時候要根據(jù)材料的內部組織去判定材料的力學性能。

鐵碳合金的基本組織

鋼鐵材料是現(xiàn)代工業(yè)中應用最為廣泛的金屬材料，其中碳鋼和鑄鐵都是鐵和碳的合金。在鐵碳合金中，鐵與碳可以形成固溶體，也可以形成化合物，還可以形成混合物。在鐵碳合金中有以下幾種基本相及組織。第2章鐵碳合金鐵素體---碳溶解于體心立方晶格α-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體（用F表示）。放大倍數(shù)500×鐵素體晶界圖2-4鐵素體的模型

圖2-5鐵素體的顯微組織

第2章鐵碳合金鐵碳合金的基本組織

第2章鐵碳合金鐵碳合金的基本組織

第2章鐵碳合金鐵碳合金的基本組織

滲碳體---由鐵與碳形成的具有復雜晶格結構的金屬化合物稱為滲碳體，用符號Fe3C表示。奧氏體

--奧氏體是碳在-，呈面心立方晶格，用符號A或表示。圖2-7奧氏體的模型圖2-8奧氏體的顯微組織圖2-9片狀珠光體的顯微組織

第2章鐵碳合金鐵碳合金的基本組織

珠光體

---珠光體是鐵素體和滲碳體的混合物，用符號P表示。萊氏體

--萊氏體是奧氏體和滲碳體的混合物，用符號Ld表示，由Wc=4.3%的液態(tài)鐵碳合金在凝固過程中發(fā)生共晶轉變形成。

圖2-10低溫萊氏體的顯微組織第2章鐵碳合金鐵碳合金相圖

圖2-8Fe－Fe3C合金相圖

第2章鐵碳合金

鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖主要點、線、區(qū)的分析

表2-1Fe-Fe3C相圖中的特性點符號溫度/℃(%)含義A15380純鐵的熔點C11484.30共晶點D12276.69滲碳體的熔點①E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69共晶滲碳體的成分點G9120α-Fe→γ-Fe同素異晶轉變點(A33)K7276.69共析滲碳體的成分點P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析點Q(室溫)(0.0008)碳在α-Fe中的溶解度

第2章鐵碳合金

鐵碳合金相圖特性線的分析相圖中ACD為液相線，AECF為固相線。圖中有兩條水平線分別表示兩個等溫線。

⑴兩條相線液相線與固相線

①ACD線液相線，由各成分合金開始結晶溫度點所組成的線，在此線以上處于液相。②AECF線固相線，由各成分合金結晶結束溫度點所組成的線。在此線以下，合金完成結晶，全部變?yōu)楣腆w狀態(tài)。⑵兩條水平線共晶轉變線與共析轉變線

①共晶轉變線ECF水平線（1148）為共晶轉變線。

②共析轉變線PSK水平線（727）為共析轉變線或。

⑶三條重要的特征線

①ES線碳在奧氏體中的固溶線，通常稱為Acm線。②GS線冷卻時由奧氏體析出向鐵素體的開始線，通常稱為A3線。③PQ線碳在鐵素體中的固溶線。第2章鐵碳合金

鐵碳合金相圖

第2章鐵碳合金鐵碳合金相圖鐵碳合金的成分、組織與性能的關系

⑴碳的質量分數(shù)與鐵碳合金平衡組織間的關系

鐵碳合金的室溫組織都是由鐵素體和滲碳體兩相組成。隨著碳的質量分數(shù)的增加，鐵素體量逐漸減少，滲碳體量逐漸增多，且它的形狀和分布也有所不同，從而形成不同的組織。⑵碳的質量分數(shù)與力學性能間的關系

①強度當Wc＜0.9％時，隨著Wc增加，不斷提高；當Wc＞0.9％時，由于滲碳體在晶界呈網(wǎng)狀分布，使鋼的強度下降。②硬度隨Wc的增加而提高。③塑性隨Wc的增加而迅速降低。④沖擊韌性隨Wc的增加而迅速降低。

第2章鐵碳合金鐵碳合金相圖第2章鐵碳合金

典型合金結晶過程分析1.共析鋼的結晶過程（Wc=0.77%）

2.亞共析鋼的結晶過程（0.0218%＜Wc＜0.77%）

合金在1點以上為液體，當緩冷至稍低于1點溫度時，開始從液體中結晶出奧氏體，其數(shù)量隨溫度的下降而增多。溫度降到2點時，液體全部結晶為奧氏體。2～S點之間，合金是單一奧氏體相。繼續(xù)緩冷至S點時，奧氏體發(fā)生共析轉變，轉變成珠光體。727℃以下，P基本上不發(fā)生變化。第2章鐵碳合金典型合金結晶過程分析圖2-9典型合金結晶過程示意圖

第2章鐵碳合金典型合金結晶過程分析第2章鐵碳合金典型合金結晶過程分析第2章鐵碳合金典型合金結晶過程分析3.過共析鋼的結晶過程（0.77%＜Wc＜2.11%）合金在1點以上為液體，當緩冷至稍低于1點后，開始從液體中結晶出奧氏體，直至2點結晶終了。在2～3點之間是含碳時為合金Ⅲ奧氏組織。緩冷至3點時，奧氏體中碳的質量分數(shù)達到飽和而析出滲碳體（即二次滲碳體）。二次滲碳體沿奧氏體晶界析出而成網(wǎng)狀分布。隨著溫度不斷降低，由奧氏體中析出的二次滲碳體愈來愈多且碳的質量分數(shù)不斷減少，并沿著ES線逐漸降低。3～4點之間的組織為奧氏體＋二次滲碳體。降至4點（727℃）時，奧氏體的成分達到了共析成分（Wc＝0.77％），于是這部分奧氏體發(fā)生共析反應，轉變?yōu)橹楣怏w。第2章鐵碳合金

碳的質量分數(shù)對鐵碳合金組織與性能的影響隨著碳的質量分數(shù)的增加，合金的室溫組織中不僅滲碳體的數(shù)量增加，其形態(tài)、分布也有變化。因此，合金的力學性能也相應發(fā)生變化。圖2-10鐵碳合金的成分、組織、性能變化規(guī)律第2章鐵碳合金

鐵碳合金圖在工業(yè)生產中的應用1.在選材方面的應用

2.在鑄造生產上的應用

3.在鍛壓生產上的應用

4.在熱處理生產上的應用

【知識梳理與總結】1.鐵碳合金的基本組織

通過對五個基本組織“鐵素體、滲碳體、奧氏體、珠光體、萊氏體”的介紹，引入鐵碳合金的相，了解基本組織的分類和形成過程。其中注意對比各個基本組織的力學性能、組織的成分、以及在實際工業(yè)材料中的應用范圍。2.鐵碳合金相圖

鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的工具，是研究碳鋼和鑄鐵成分、溫度、組織和性能之間關系的理論基礎，也是制定各種熱加工工藝的依據(jù)?！狢相圖是由一些基本相圖組成的,我們可以將—C相圖分成上下兩個部分來分析。【知識梳理與總結】【知識梳理與總結】

⑴上半部分--共晶轉變

在1148、Wc=4.3%的液相發(fā)生共晶轉變:Lc(AE+C),轉變的產物稱為萊氏體,用符號Ld表示。存在于1148～727之間的萊氏體稱為高溫萊氏體,用符號Ld表示,組織由奧氏體和滲碳體組成；存在于727以下的萊氏體稱為變態(tài)萊氏體或稱低溫萊氏體,用符號表示，組織由滲碳體和珠光體組成。

⑵下半部分--共析轉變

在727、Wc=0.77%的奧氏體發(fā)生共析轉變:AS(F+C),轉變的產物稱為珠光體。共析轉變與共晶轉變的區(qū)別是轉變物是固體而不是液體。通過一系列鐵碳合金相圖中，特征線、特征點、相區(qū)的介紹，認識材料在不同溫度下、不同的成分下、不同的碳的質量分數(shù)下，組織的不同、力學性能的區(qū)別。

【知識梳理與總結】【知識梳理與總結】典型合金結晶過程典型合金結晶過程獲得了鐵碳合金按碳的質量分數(shù)和室溫組織的分類。了解在不同的碳的質量分數(shù)下組織的成分在不同溫度下的結晶過程。共析鋼（Wc＝0.77％），室溫下共析鋼的組織為珠光體；

亞共析鋼（0.0218%Wc0.77%），室溫組織為鐵素體＋珠光體；

過共析鋼（Wc0.77％），室溫組織為珠光體＋二次滲碳體。Chapter鋼的熱處理3第3章

鋼的熱處理案例導入第3章

鋼的熱處理案例導入第3章

鋼的熱處理案例導入某型號的車床交換齒輪如圖所示。它安裝在該車床齒輪箱中，其作用是把主軸的旋轉運動傳送給進給箱，并和進給箱及長絲杠配合，可以車削各種不同螺距的螺紋。圖3-1車床變速掛輪

第3章

鋼的熱處理初步分析齒輪的主要作用是傳遞動力，改變運動的速度和方向。齒輪的材料對齒輪的承載能力和制造成本有很大的影響。齒輪零件選用45鋼并采用調質熱處理235HBW，使45調質鋼具有了所需的淬透性和良好的綜合力學性能（足夠的強度和高韌性的配合），保證了齒輪經過調質后從齒頂?shù)烬X根有良好的力學性能，這樣才能滿足齒輪的承載能力和使用壽命要求。材料是零件承載能力的基礎。在零件設計中，既要考慮零件材料的選擇，符合機構設計中的選材需求；同時也要確定合適的熱處理，以改善金屬材料組織、提高材料綜合性能的目的。鋼的熱處理含義：鋼的熱處理是指金屬材料在固態(tài)下，通過加熱、保溫和冷卻的工藝方法使鋼的內部組織結構發(fā)生變化，從而獲得所需性能的一種加工工藝。第3章

鋼的熱處理鋼在加熱時的組織轉變鋼的熱處理三個階段：熱處理的加熱、保溫和冷卻這三個階段可以用熱處理工藝曲線來表示。圖3-2熱處理工藝曲線第3章

鋼的熱處理鋼在加熱時的組織轉變熱處理的分類按照加熱與冷卻方法的不同，熱處理的基本類型分類如下：熱處理普通熱處理退火、正火、淬火、回火表面熱處理表面淬火火焰加熱、感應加熱化學熱處理滲碳、氮化、碳氮共滲及其他

加熱溫度的確定：Fe-Fe3C相圖是確定鋼加熱溫度的理論基礎用圖。由該圖可知，將鋼緩慢加熱，共析鋼加熱到超過A1溫度時，珠光體全部轉變?yōu)閵W氏體。亞共析鋼加熱溫度超過A1后，珠光體轉變?yōu)閵W氏體；繼續(xù)加熱到溫度超過A3后，鐵素體也全部溶入奧氏體。過共析鋼加熱溫度超過A1后，珠光體轉變?yōu)閵W氏體；繼續(xù)加熱到溫度超過Acm后，滲碳體也全部溶入奧氏體。第3章

鋼的熱處理鋼在加熱時的組織轉變第3章

鋼的熱處理鋼在加熱時的組織轉變圖3-3加熱、冷卻時鋼的臨界點P第3章

鋼的熱處理鋼在加熱時的組織轉變奧氏體的形成

⑴奧氏體晶核的形成及長大

⑵殘留滲碳體的溶解

⑶奧氏體成分的均勻化

圖3-4共析鋼中奧氏體形成過程示意圖a)形核b)晶核長大c)殘留滲碳體溶解d)奧氏體均勻化

第3章

鋼的熱處理鋼在加熱時的組織轉變奧氏體晶粒大小及其影響因素

奧氏體晶粒大小，決定了其冷卻后轉變產物的晶粒大小和性能。因此，總是希望經加熱過程能獲得細小而均勻的奧氏體晶粒。一般來說，加熱溫度過高，保溫時間過長，奧氏體晶粒就粗大。其中加熱溫度的影響更為顯著。所以，熱處理總是根據(jù)材料的不同化學成分嚴格控制加熱溫度和保溫時間。表3-145鋼經不同條件冷卻后的力學性能

冷卻過程是熱處理的關鍵工序，它決定著鋼在熱處理后的組織與性能。同時，冷卻方式及冷卻速度的不同也正是各種熱處理工藝的主要區(qū)別所在。

第3章

鋼的熱處理鋼在冷卻時的組織轉變冷卻方式--熱處理常采用等溫冷卻（如等溫淬火）和連續(xù)冷卻（如爐冷、空冷、水冷等）兩種冷卻方式。圖3-5奧氏體等溫冷卻和連續(xù)冷卻示意圖1-等溫冷卻

2-連續(xù)冷卻過冷奧氏體由Fe-Fe3C相圖可知，鋼的溫度高于臨界點以上時，其奧氏體是穩(wěn)定的；當溫度處于臨界點以下時，奧氏體將發(fā)生轉變和分解共析鋼過冷到溫度以下，奧氏體在熱力學上處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在一定條件下會發(fā)生分解轉變，這種在以下存在且不穩(wěn)定的、將要發(fā)生轉變的奧氏體就是過冷奧氏體。著時間的推移，過冷奧氏體將發(fā)生分解和轉變，其轉變產物的組織和性能決定于冷卻條件。第3章

鋼的熱處理鋼在冷卻時的組織轉變過冷奧氏體的等溫冷卻轉變

第3章

鋼的熱處理鋼在冷卻時的組織轉變等溫轉變圖

表示過冷奧氏體的等溫轉變溫度、轉變時間與轉變產物之間關系的曲線圖稱為過冷奧氏體的等溫轉變圖，簡稱等溫轉變圖。圖3-6共析鋼奧氏體等溫轉變圖的建立第3章

鋼的熱處理鋼在冷卻時的組織轉變奧氏體等溫轉變圖的分析⑴左曲線為過冷奧氏體等溫轉變開始線，右曲線為過冷奧氏體等溫轉變終了線。在轉變開始線的左邊是過冷奧氏體區(qū)；轉變終了線的右邊為轉變產物區(qū)；兩條曲線之間為轉變過渡區(qū)，即過冷奧氏體和轉變產物共存區(qū)。在不同溫度下，過冷奧氏體的穩(wěn)定性是不同的。⑵轉變開始線與縱坐標之間的水平距離，稱為過冷奧氏體在對應溫度下的孕育期。在奧氏體等溫轉變圖的“鼻尖”（約550）處孕育期最短，過冷奧氏體最不穩(wěn)定。⑶若將奧氏體化的鋼迅速投入水中冷卻，奧氏體將不發(fā)生上述等溫轉變，而是在230開始轉變?yōu)轳R氏體，到-50奧氏體向馬氏體轉變完成，Ms、Mz線分別為奧氏體向馬氏體轉變的開始線和終了線。第3章

鋼的熱處理鋼在冷卻時的組織轉變奧氏體等溫轉變的產物

⑴高溫轉變（珠光體型轉變）

⑵中溫轉變（貝氏體型轉變）⑶低溫轉變（馬氏體型轉變）第3章

鋼的熱處理鋼在冷卻時的組織轉變過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉變

在熱處理生產中，鋼被加熱后的冷卻方式大多采用連續(xù)冷卻方式。此時奧氏體轉變是在連續(xù)不斷的降溫過程中完成的，要測定其連續(xù)冷卻轉變曲線比較困難。在生產中常用相應的C曲線來定性分析過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉變所得到的產物和性能第3章

鋼的熱處理鋼在冷卻時的組織轉變圖3-10在共析鋼等溫轉變圖上估計連續(xù)冷卻后過冷奧氏體轉變產物過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉變退火和正火經常作為鋼的預先熱處理工序，安排在鑄造、鍛造和焊接之后或粗加工之前，以消除前一工序所造成的某些組織缺陷及內應力，為隨后的切削加工及熱處理作好組織上的準備。

第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝鋼的退火和正火

鋼的退火

1.退火退火是將鋼加熱到略高于或略低于臨界點（Ac1、Ac3）某一溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻(一般隨爐冷卻)工藝過程，稱為退火。2.退火的目的細化晶粒，改善鋼的力學性能，為最終熱處理做好準備；降低硬度，提高塑性，改善切削加工性能；去除或改善前一道工序造成的組織缺陷或內應力，防止工件的變形或開裂。3.常用的退火方法根據(jù)鋼的化學成分和退火的目的不同，退火方法可分為：完全退火、球化退火、去應力退火和等溫退火等。⑴完全退火

完全退火又稱為重結晶退火，是將亞共析鋼工件加熱到Ac3以上30℃～50℃，保溫一定時間后隨爐緩慢冷卻至600℃以下出爐空冷至室溫的熱處理工藝。⑵球化退火

將工件加熱到Ac1以上30℃～50℃，保溫一定時間后以不大于50℃/h的速度隨爐冷卻，最終獲得的組織為球狀珠光體（球狀滲碳體分布在鐵素體基體上）。在球化退火之前，若鋼的原始組織為球狀珠光體，應先進行正火處理，去網(wǎng)狀組織。

⑶去應力退火

又稱低溫退火，是將鋼件隨爐緩慢加熱（100℃～150℃/h）至500℃～650℃，保溫一段時間后，隨爐緩慢冷卻（100℃～150℃/h）至300℃～200℃以下出爐空冷。由于加熱溫度低于Ac1，所以在去應力退火過程鋼不發(fā)生組織轉變，僅消除殘余應力。第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝⑷等溫退火

對于亞共析鋼，等溫退火與完全退火加熱溫度完全相同為Ac3以上30℃～50℃，只是冷卻的方式有差別。等溫退火是以較快的速度冷卻到A1以下某一溫度，保溫一定時間使奧氏體轉變?yōu)橹楣怏w組織，然后空冷。

退火零件的加工工藝路線⑴毛坯生產→退火→切削加工⑵毛坯生產→退火→切削加工→中間退火→切削加工第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝鋼的正火正火

所謂正火，就是將鋼加熱到Ac3(亞共析鋼)或Accm(共析鋼和過共析鋼)以上30℃～50℃，保溫后從爐中取出空冷的一種熱處理工藝。

正火的目的

正火的主要目的是細化晶粒，均勻組織，改善鋼的力學性能；消除鑄件、鍛件和焊接件的內應力；調整硬度，以改善切削加工性。退火零件的加工工藝路線

⑴毛坯生產→正火→切削加工⑵毛坯生產→正火→切削加工→退火→切削加工

第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝鋼的退火與正火工藝的選擇

1.從切削加工性上考慮2.從使用性能上考慮3.從經濟上考慮

正火比退火生產周期短，成本低，操作方便，故在可能的條件下應優(yōu)先采用正火。但在零件形狀較復雜時，由于正火的冷卻速度快，有引起變形開裂的危險，則采用退火為宜。

第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝圖3-11退火和正火加熱溫度范圍鋼的淬火

機械零件使用狀態(tài)下的性能，一般由淬火和回火獲得，所以淬火和回火稱為最終熱處理。淬火的目的

主要目的是為了獲得馬氏體，提高鋼的硬度和耐磨性，是強化鋼材最重要的工藝方法。

淬火質量取決于淬火三要素，即加熱溫度、保溫時間和冷卻速度。

第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝淬火加熱的溫度

對亞共析鋼，適宜的淬火加熱溫度一般為Ac3以上30～50。目的是獲得細小奧氏體晶粒，淬火后得到均勻細小的馬氏體組織。如果加熱溫度過高，則會引起奧氏體晶粒粗大，淬火后的組織為粗大馬氏體，使淬火后鋼的脆性增大，力學性能降低；如果加熱溫度過低，淬火組織中將出現(xiàn)鐵素體，使淬火后硬度不足，強度不高，耐磨性降低。

第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝圖3-12鋼淬火加熱溫度的選擇淬火冷卻介質及冷卻方式

淬火冷卻介質

①水是冷卻能力較強的淬火冷卻介質②油冷卻介質③鹽浴與堿浴介質

第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝圖3-13常用淬火方法1一單液淬火

2一雙液淬火3一分級淬火

4一等溫淬火淬火方法

①單介質淬火將鋼件奧氏體化后，在一種淬火介質中連續(xù)冷卻至室溫的操作方法稱為單液淬火，如水淬、油淬等。

②雙液淬火將鋼件奧氏體化后，先浸入冷卻能力較強的介質中，冷卻至接近Ms點溫度時，立即將工件取出轉入另一種冷卻能力較弱的介質中冷卻，使其發(fā)生馬氏體轉變的淬火方法稱為雙液淬火，例如先水淬后油淬。

③分級淬火在淬火冷卻過程中，將已奧氏體化的鋼件浸入溫度在Ms點附近的鹽浴或堿浴中，保溫適當時間，待工件內外層均達到介質溫度后取出空冷，以獲得馬氏體組織的淬火方法稱為分級淬火。

第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝④等溫淬火

對于一些形狀復雜、要求具有較高硬度和強韌性的工具、模具等工件，采用將工件奧氏體化后，快速冷卻到貝氏體轉變溫度區(qū)間，轉變?yōu)橄仑愂象w組織的淬火方法。⑤局部淬火

有些工件按其工作條件，如果只是局部要求高硬度，則可進行局部加熱淬火的方法，以避免工件其他部位產生變形和開裂。⑥冷處理

量具、精密軸承等要求在整個存放和使用過程中尺寸不發(fā)生變化，就應是淬火過程中的殘余奧氏體盡量少，以獲得最大數(shù)量的馬氏體，可以進行冷處理。

第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝鋼的淬透性

⑴淬透性

淬透性是指在規(guī)定條件下，鋼在淬火冷卻時獲得淬硬層深度的能力。一般規(guī)定，由鋼的表面至內部馬氏體組織量占50%處的距離稱為淬透層深度。淬透層深度越深，表明鋼的淬透性越好。

⑵淬硬性

淬硬性是指鋼淬火后獲得最高硬度的能力，它主要取決于馬氏體的含碳量，合金元素的含量對淬硬性沒有顯著的影響，但對于鋼的淬透性有很大影響。淬透性好的鋼，它的淬硬性不一定高。

第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝影響淬透性的因素

①化學成分的影響：除Co外，大多數(shù)合金元素溶入奧氏體后，降低臨界冷卻速度，使C曲線右移，提高鋼的淬透性。②奧氏體化條件的影響：奧氏體化溫度越高，保溫時間越長，奧氏體晶粒越粗大，成分越均勻，從而減少隨后冷卻轉變的形核率，降低其臨界冷卻速度，增加淬透性。③冷卻介質的影響：采用的冷卻介質等也影響著鋼的淬透性。第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝鋼的回火1.低溫回火（250℃以下）

低溫回火得到回火馬氏體組織，保持了淬火鋼高的硬度（58～64HRC）和耐磨性，內應力有所降低，故韌性有所提高。低溫回火主要用于高碳鋼及合金工具鋼制造的刃具、量具、冷作模具、滾動軸承及滲碳件、表面淬火件等。2.中溫回火（250～500℃）

中溫回火得到回火托氏體組織，工件獲得高的彈性極限、屈服強度和一定的韌性，硬度可達35～50HRC，主要用于彈性件及熱鍛模等。3.高溫回火（650℃以上）

高溫回火得到回火索氏體組織，具有良好的綜合力學性能（足夠的強度與高韌性的配合），硬度可達25～40HBWC。

第3章

鋼的熱處理鋼的普通熱處理工藝鋼的表面淬火感應加熱表面淬火

利用電磁感應原理，在工件表面產生渦流使工件表面快速加熱而實現(xiàn)表面淬火的工藝方法。

感應加熱表面淬火法的主要優(yōu)點

①工件表面加熱速度極快，熱效率高；氧化、脫碳小，變形小，質量穩(wěn)定。②表面硬度高，缺口敏感性小，沖擊韌度、疲勞強度及耐磨性等均有很大提高。③淬硬層深度易于控制，操作過程易于實現(xiàn)機械化和自動化，生產率高，適用大批量生產。第3章

鋼的熱處理鋼的表面熱處理工藝火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火是利用乙炔-氧或其他可燃氣體火焰(約3000以上)，將工件表面迅速加熱到淬火溫度，然后立即噴水冷卻的熱處理工藝

第3章

鋼的熱處理鋼的表面熱處理工藝圖3-16火焰表面淬火示意圖加熱層鋼的化學熱處理

鋼的滲碳⑴滲碳將工件放在滲碳性介質中，使其表面層滲入碳原子的一種化學熱處理工藝稱為滲碳。⑵滲碳的主要鋼種與應用

滲碳鋼都是含0.10～0.25%的低碳鋼和低碳合金鋼,如15、20、20Cr、20CrMnTi、20SiMnVB等。滲碳層深度一般都在0.5～2.5mm。⑶加熱溫度滲碳熱處理時的加熱溫度約為900～950，保溫時間與滲碳層厚度成正比⑷滲碳的分類

根據(jù)滲劑的不同，滲碳方法可分為固體滲碳、氣體滲碳和液體滲碳三種。

第3章

鋼的熱處理鋼的表面熱處理工藝⑸氣體滲碳法的工作原理

⑹滲碳后的熱處理

鋼滲碳后必須進行熱處理。滲碳后的熱處理工藝為淬火＋低溫回火；使其表面獲得細小片狀回火馬氏體及少量滲碳體，硬度58～62HRC。

第3章

鋼的熱處理鋼的表面熱處理工藝圖3-17氣體滲碳法示意圖滲碳劑鋼的氮化

⑴氮化

向鋼件表面滲入氮，形成含氮硬化層的化學熱處理過程稱為氮化。⑵氮化目的

在于提高工件的表面硬度、耐磨性、疲勞強度、腐蝕性及熱硬性。⑶氮化的應用

與滲碳相比，滲氮溫度大大低于滲碳溫度，且滲碳后的鋼件不需淬火，故工件變形?。粷B氮層的硬度，耐磨性、疲勞度、耐蝕性及熱硬性均高于滲碳層。

第3章

鋼的熱處理鋼的表面熱處理工藝⑷滲氮處理的分類

有氣體滲氮、離子滲氮等工藝方法，其中氣體滲氮應用最廣。⑸氮化零件的加工工藝路線毛坯鍛造→退火或正火→粗加工→調質→精加工→滲氮⑹氮化的特點

與滲碳相比、氮化工件具有以下特點：①氮化前需經調質處理，以便使心部組織具有較高的強度和韌性。②表面硬度可達HRC65～72，具有較高的耐磨性。③氮化表面形成致密氮化物組成的連續(xù)薄膜，具有一定的耐腐蝕性。④氮化處理溫度低，滲氮后不需再進行其他熱處理。

第3章

鋼的熱處理鋼的表面熱處理工藝碳氮共滲

⑴碳氮共滲

碳氮共滲是向鋼的表面同時滲入碳和氮的過程。習慣上又稱氰化，目前以中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體碳氮共滲（即氣體軟氧化）應用較為廣泛。⑵碳氮共滲的目的

中溫氣體碳氮共滲的主要目的是提高鋼的硬度、耐磨性和疲勞強度。低溫氣體碳氮共滲以滲氮為主，其主要目的是提高鋼的耐磨性和抗咬合性。⑶碳氮共滲的特點

碳氮共滲工藝與滲碳工藝相比，具有時間短、生產效率高、表面硬度高、變形小等優(yōu)點，但共滲層較薄，主要用于形狀復雜、要求變形小的小型耐磨零件。

第3章

鋼的熱處理鋼的表面熱處理工藝①中溫氣體碳氮共滲它是在一定溫度下同時將碳、氮原子滲入工件表層，并以滲碳為主的化學熱處理工藝，故稱碳氮共滲。由于共滲溫度較高，它是以滲碳為主的碳氮共滲過程，因此，處理后要進行淬火和低溫回火。②低溫氣體氮碳共滲

其實質上是以滲氮為主的共滲工藝，故又稱氣體氮碳共滲，生產上把這種工藝稱為氣體軟氮化。

第3章

鋼的熱處理鋼的表面熱處理工藝1.可控氣氛熱處理可控氣氛熱處理是指在成分可控的爐氣中進行的熱處理。其目的是防止工件加熱時產生氧化、脫碳等現(xiàn)象，提高工件表面質量；有效地進行滲碳、碳氮共滲等化學熱處理；對脫碳的工件施行復碳等。通過建立氣體滲碳數(shù)學模型和計算機碳勢優(yōu)化控制以及碳勢動態(tài)控制，在氣體滲碳中實現(xiàn)滲層濃度分布的優(yōu)化控制、層深的精確控制和生產率的提高，取得重大效益。

2.真空熱處理在真空環(huán)境（低于一個大氣壓）中進行的熱處理稱為真空熱處理。主要有：真空淬火、真空退火、真空回火等。

第3章

鋼的熱處理熱處理新技術簡介3.形變熱處理形變熱處理是將塑性變形和熱處理有機結合起來，獲得形變強化和相變強化綜合效果的工藝方法。4.激光熱處理激光熱處理是利用高能量密度的激光束掃描照射工件表面，以極快的加熱速度迅速加熱至相變溫度以上，停止照射后，依靠工件自身傳導散熱迅速冷卻表層而進行“自行淬火”。激光熱處理加熱速度快，加熱區(qū)域準確集中，不需淬火冷卻介質而能自行淬火，表面光潔，變形極小，表面組織晶粒細小，硬度和耐磨性好，還能對復雜形狀工件及微孔、溝槽、盲孔等部位進行淬火熱處理。第3章

鋼的熱處理熱處理新技術簡介第3章

鋼的熱處理鋼鐵表面防護處理鋼鐵電鍍與化學鍍1.鋼鐵電鍍電鍍利用電解池原理在機械制品上沉積出附著良好的、但性能和基體材料不同的金屬覆層的技術。電鍍的目的是在基材上鍍上金屬鍍層，改變基材表面性質或尺寸。電鍍能增強金屬的抗腐蝕性(鍍層金屬多采用耐腐蝕的金屬)、增加硬度、防止磨耗、提高導電性、光滑性、耐熱性和表面美觀。2.鋼鐵化學鍍化學鍍又稱無電解液鍍。它不使用外電源而是利用金屬鹽和還原劑，在材料表面發(fā)生自催化反應來獲得鍍層?；瘜W鍍發(fā)展非常迅速，在電子工業(yè)、陶瓷、塑料、金屬基復合材料等領域得到廣泛應用。如化學鍍鎳磷合金時，在化學鍍液中加SiC、金剛石、Al203等，可獲得硬度更高的復合鍍層；在鍍液中加石墨、PTFE（塑料）等可獲得具有減摩潤滑性能的復合鍍層。這種方法廣泛應用于磁帶、磁鼓、半導體接觸件等的制造以及鋁、鈹、鎂等金屬件電鍍前的底層及銅、鋅基體上鍍金屬的隔離層。化學鍍Ni-P和Ni-B在模具制造上的應用也很成功。此外，還有化學鍍銅用于制造雙面或多層印刷線路板；化學鍍鈷常用于改進導磁性；化學鍍金、鈀、錫、鉛等用于電器、線路板、首飾裝飾及改善零部件表面的焊接性。第3章

鋼的熱處理鋼鐵表面防護處理鋼鐵氧化（發(fā)藍）與磷化

1.氧化處理(發(fā)藍)鋼鐵零件表面氧化處理，也稱發(fā)藍。經氧化處理形成的氧化膜結構致密、色澤美觀、結合牢固，廣泛應用于光學儀器、軍用物品、標準件以及一些不適于刷油漆、電鍍的精密器件上，是金屬材料防腐的有效方法之一。通常鋼鐵制件的氧化處理有化學方法和電化學方法?；瘜W方法中又分堿性發(fā)藍、酸性發(fā)藍和蒸汽發(fā)藍等。還有按溫度高低將氧化工藝分為高溫發(fā)藍、常溫發(fā)藍等。⑴高溫堿性發(fā)藍高溫堿性發(fā)藍處理是將經過脫脂、除銹、除氧化皮的鋼鐵件浸入135～150℃的堿性發(fā)藍液（氫氧化鈉、亞硝酸鈉或硝酸鈉和氧化劑）中，保持20～120min，在鋼鐵表面生成一層1.5～3um的藍黑色Fe304薄膜的過程。當工件在濃堿和氧化劑中加熱時，氫氧化鈉和亞硝酸鈉與金屬鐵反應，生成亞鐵酸鈉(Na2Fe02)，并被繼續(xù)氧化成鐵酸鈉(Na2Fe204)，兩者進一步反應便生成Fe304氧化膜。為提高氧化膜的抗蝕能力，還需將發(fā)藍處理的零件浸入溫度為80～90、濃度為3%～5%肥皂水或者溫度為90～95的重鉻酸鉀溶液中進行填充處理，使氧化膜微孔皂化或填充，然后用機油浸泡。高溫氧化發(fā)藍溫度高、能耗大，亞硝酸鹽蒸汽嚴重污染工作環(huán)境，而且周期長，生產效率低，多年來國內外均在尋找一種能取而代之的新發(fā)藍技術和工藝。第3章

鋼的熱處理鋼鐵表面防護處理鋼鐵氧化（發(fā)藍）與磷化⑵常溫酸性發(fā)藍常溫酸性發(fā)藍是將經過脫脂、除銹的鋼鐵件浸入常溫酸性發(fā)藍液中，依靠強酸的促進和參與作用，使強氧化劑與鋼鐵等物質直接發(fā)生氧化反應，并在有機活性劑和添加劑的共同作用下，使鋼鐵表面生成交錯分布的多種藍黑色化合物晶核。然后，再在適當條件下逐漸成長為膜，從而形成結合牢固、色澤美觀的藍黑色膜層。2.磷化處理將工件浸入磷酸鹽溶液中，使工件表面獲得一層不溶于水的磷酸鹽薄膜的工藝稱為磷化處理。常用的磷化處理劑為磷酸亞鐵和磷酸錳等。磷化處理前，工件先脫脂、凈化，再用5%左右的鹽酸酸洗、除銹。充分水洗后浸入磷酸鹽處理液中2～5min，形成耐腐蝕的磷酸鹽膜。若磷化后再在2%左右的重鉻酸鹽中稍浸一下，可進一步提高其耐蝕性。磷化工藝是鋼鐵件防蝕的傳統(tǒng)工藝。磷化膜呈灰色或黑色的外觀，結晶細致均勻，厚度一般為5～20um，并具有顯微孔隙結構，故吸油漆性良好，常作為油漆基底；此外，磷化處理設備、加工技術簡單，價格低廉，目前已廣泛應用于汽車、機電產品等零件的防蝕處理。

第3章

鋼的熱處理噴涂覆層噴涂是指通過噴槍或碟式霧化器，借助于壓力或離心力，分散成均勻而微細的霧滴，施涂于被涂物表面的涂裝方法。常用的噴涂工藝一般為噴漆、噴粉。噴涂用的金屬材料很廣，低熔點的Sn、高熔點的W等金屬及其合金都可作為噴涂材料。金屬、陶瓷、塑料、玻璃等材料都可通過噴涂獲得表面強化。噴涂操作溫度低，工件溫升小，因而應力也?。徊僮鬟^程較為簡單、迅速，被噴涂件大小不受限制。工業(yè)上熱噴涂多以修復磨損機件、提供耐磨耐蝕等性能為目的，廣泛應用于機械制造、建筑、造船、車輛、化工裝置、紡織機械等領域。

第3章

鋼的熱處理氣相沉積1.氣相沉積技術是利用氣相中發(fā)生的物理、化學過程，在工件表面形成功能性或裝飾性的金屬、非金屬或化合物涂層。氣相沉積技術按照成膜機理，可分為化學氣相沉積(VCD)、物理氣相沉積(PVD)和等離子體氣相沉積(PCVD)等三種類型。2.氣相沉積的應用氣相沉積已廣泛應用于電子、信息、光學、聲學、航天、能源、機械制造等多個領域，如高速鋼刀具和模具采用PVD法表面改性處理，在刀具表面得到高硬度的TiC、TiN等的單涂層或多涂層，厚度可達30um，硬度可達2000HV，提高了耐磨性，具有抗粘著性，使用壽命可提高數(shù)倍。此外也可用CVD法在聚合物表面形成Al涂層。第3章

鋼的熱處理氣相沉積3.等離子氣相沉積離子鍍是借助于惰性氣體輝光放電，使鍍料（如金屬鈦）氣化蒸發(fā)離子化，離子經電場加速，以較高能量轟擊工件表面，此時如通入CO2、N2等反應氣體，便可在工件表面獲得TiC、TiN覆蓋層，硬度高達2000HV。離子鍍的重要特點是沉積溫度只有500左右，且覆蓋層組織致密、均勻，與基體的結合力較強，常用于在高速鋼刀具、硬質合金刀具、各種模具以及耐磨結構上沉積TiC、TiN、Si3N4、Al203等超硬涂層，可大大提高其使用壽命。4.物理氣相沉積（PVD）是通過蒸發(fā)，電離或濺射等過程，產生金屬粒子并與反應氣體反應形成化合物沉積在工件表面。物理氣象沉積方法有真空鍍，真空濺射和離子鍍三種，目前應用較廣的是離子鍍。5.化學氣相沉積將工件置于反應室中，抽真空并加熱至900～1100。如要涂覆TiC層，則將鈦以揮發(fā)性氯化物（如TiCl4)與氣體碳氫化合物（如CH4）一起通入反應室內，這時就會在工表面發(fā)生化學反應生成TiC，并沉積在工件表面形成6～8μm厚的覆蓋層。工件經氣相沉積鍍覆后，再進行淬火，回火處理，表面硬度可達到2000～4000HV。

【知識梳理與總結】1.鋼的退火：⑴完全退火和等溫退火目的：細化晶粒，降低硬度，改善切削加工性能。⑵球化退火主要用于共析或過共析成分的碳鋼及合金鋼。目的：在于降低硬度，改善切削加工性，并為以后淬火做準備。⑶去應力退火（低溫退火）主要用于消除鑄件、鍛件、焊接件、冷沖壓件（或冷拔件）及機加工的殘余內應力。這些應力若不消除會導致隨后的切削加工或使用中的變形開裂。降低機器的精度，甚至會發(fā)生事故。

【知識梳理與總結】2.鋼的正火：⑴用于普通結構零件，作為最終熱處理，細化晶粒提高機械性能。⑵用于低、中碳鋼作為預先熱處理，得合適的硬度便于切削加工。⑶用于過共析鋼，消除網(wǎng)狀Fe3CⅡ，有利于球化退火的進行。

【知識梳理與總結】3.鋼的淬火：淬火的目的就是獲得馬氏體。但淬火必須和回火相配合，否則淬火后得到了高硬度，高強度，但韌性，塑性低，不能得到優(yōu)良的綜合機械性能。馬氏體針葉大小取決于奧氏體晶粒大小。對于亞共析鋼：Ac3+（30～50℃），淬火后的組織為均勻而細小的馬氏體。對于過共析鋼：Ac1+（30～50℃），淬火后的組織為均勻而細小的馬氏體和顆粒狀滲碳體及殘余奧氏體的混合組織。

【知識梳理與總結】4.鋼的回火：回火的目的：降低淬火鋼的脆性，減少或消除內應力，使組織趨于穩(wěn)定并獲得所需要的性能。淬火鋼在回火時組織和性能的變化：80～200℃，發(fā)生馬氏體的分解；200～300℃發(fā)生殘余奧氏體分解；250～400℃，馬氏體分解完成；400℃以上生成回火索氏體?！局R梳理與總結】5.鋼的化學熱處理：⑴鋼的滲碳：將工件放在滲碳性介質中，使其表面層滲入碳原子的一種化學熱處理工藝稱為滲碳。鋼滲碳后表面層的含碳量可達到0.8～1.1%C范圍。

⑵鋼的氮化：向鋼件表面滲入氮，形成含氮硬化層的化學熱處理過程稱為氮化。⑶碳氮共滲/氮碳共滲：碳氮共滲是向鋼的表面同時滲入碳和氮的過程。習慣上又稱氮化，目前以中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體碳氮共滲（即氣體軟氧化）應用較為廣泛。Chapter常用的金屬材料與非金屬材料4第4章

常用的金屬材料與非金屬材料

案例導入圖4-1國家體育館“鳥巢”初步分析Q460高強度鋼：

修建鳥巢之前一直依賴進口

在工程技術人員和河南舞陽特種鋼廠的科研人員共同努力→最終用國產的Q460撐起“鳥巢”的鐵骨鋼筋。

材料有金屬材料、非金屬材料、復合材料及各種新型材料。常用的金屬材料和非金屬材料第4章

常用的金屬材料與非金屬材料

4.1工業(yè)用鋼鋼的分類按化學成分類：碳素鋼和合金鋼按碳的質量分數(shù)分類：低碳鋼（wc

0.25%）、中碳鋼（wc

為0.25~0.6%）和高碳鋼（wc

0.6%）按用途分類：結構鋼、工具鋼和特殊性能鋼按質量等級分類：普通質量鋼、優(yōu)質鋼、高級優(yōu)質鋼和特級

優(yōu)質鋼。4.1工業(yè)用鋼4.1.1碳素鋼碳素鋼簡稱碳鋼：指wc<2.11%并含少量硅、錳、磷、硫等

雜質元素的鐵碳合金。碳素鋼廣泛應用于機械制造工業(yè)、

建筑及交通運輸中。4.1工業(yè)用鋼4.1.1.1雜質元素對鋼性能的影響硅、錳的影響:硅和錳在鋼中均為有益元素，能溶于鐵素

體中起固溶強化作用，提高鋼的強度和硬度。

磷、硫的影響:磷在鋼中能全部溶于鐵素體，可提高鋼的強度、硬度，但在室溫下會急劇降低鋼的塑性、韌性，低溫時尤為顯著，稱為冷脆性。因此，通常情況下，磷、硫是鋼中的有害元素。

非金屬夾雜物的影響:在煉鋼過程中，少量的爐渣、耐火

材料及冶煉中反應物可能進入鋼液，形成非金屬夾雜物，例如氧化物、硫化物等。4.1工業(yè)用鋼4.1.1.2碳素鋼的分類碳素鋼的分類方法主要有以下三種：1.按用途分類

（1）碳素結構鋼。（2）碳素工具鋼。2.按質量分類

普通碳素鋼：wp≤0.045%，ws≤0.050%

優(yōu)質碳素鋼：wp≤0.035%,ws≤0.035%

高級優(yōu)質碳素鋼：wp≤0.030%,ws≤0.030%3.按鋼水脫氧程度分類:可分為沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼、

特殊鎮(zhèn)靜鋼。4.1工業(yè)用鋼4.1.1.3碳素鋼的牌號性能及用途一、碳素結構鋼

碳素結構鋼中碳的質量分數(shù)低（0.06%～0.38%），所含

有害雜質硫、磷及非金屬夾雜物較多，大量用于金屬結

構件和不重要的機械零件。碳素結構鋼的牌號：由代表屈服強度拼音的字母Q、屈服點

強度值、質量等級符號和脫氧方法符號四部分依次組成。牌號Q235-AF：表示上屈服強度ReH≥235MPa，質量等級

為A的碳素結構沸騰鋼。4.1工業(yè)用鋼碳素鋼的牌號、性能及用途碳素結構鋼的牌號、性能及應用舉例(摘自GB/T700-2006)牌號等級質量分數(shù)（%），不大于脫氧方法力學性能應用舉例CSPReH/MPa不小于Rm/MPaA(%)不小于Q195—0.120.0400.035F、Z195315～43033用于載荷不大的結構件、鉚釘、墊圈、地腳螺栓、開口銷、拉桿、螺紋鋼筋、沖壓件和焊接件。Q215A0.150.0500.045F、Z215335～45031B0.045Q235A0.220.0500.045F、Z235370～50026用于結構件、鋼板、螺紋鋼筋、型鋼、螺栓、螺母、鉚釘，拉桿、齒輪、軸、連桿Q235C、D可用作重要焊接結構件。B0.200.045C0.170.0400.040ZD0.0350.035TZQ275A0.240.0500.045F、Z275410～54022強度較高，用于承受中等載荷的零件，如鍵、鏈、拉桿、轉軸、鏈輪、鏈環(huán)片、螺栓及螺紋鋼筋等。B0.210.0450.045ZC0.220.0400.040ZD0.200.0350.035TZ4.1工業(yè)用鋼碳素鋼的牌號、性能及用途二、優(yōu)質碳素結構鋼

優(yōu)質碳素結構鋼的硫、磷含量較低（均不大于0.035%），

力學性能優(yōu)于碳素結構鋼，多用于制造比較重要的機械

零件。優(yōu)質碳素結構鋼：包括普通含錳鋼素工具鋼都是高碳鋼，其

碳的質量普通含錳鋼的牌號用兩位數(shù)字表示，數(shù)字代表

鋼中碳的質量分數(shù)的平均萬分數(shù)；沸騰鋼需在數(shù)字后加

字母F，鎮(zhèn)靜鋼不標注。4.1工業(yè)用鋼碳素鋼的牌號、性能及用途三、碳素工具鋼

碳素工具鋼都是高碳鋼，其碳的質量分數(shù)為0.65~1.35%，具有高的硬度、耐磨性，主要用來制造刀具、模具、量具。

按質量分，碳素工具鋼有優(yōu)質和高級優(yōu)質兩種。優(yōu)質碳素工具鋼的牌號用字母T和數(shù)字表示，數(shù)字表示碳的質量分類的平均千分數(shù)。

高級優(yōu)質碳素工具鋼的牌號則在上述鋼號后加字母A。4.1工業(yè)用鋼碳素鋼的牌號、性能及用途碳素工具鋼的牌號、成分和用途

（摘自GB/T1299-2014）牌號化學成分（%）退火硬度HB不大于淬火

溫度℃淬火硬度HRC用

途

舉

例SiMnSP不大于T70.65~0.74≤0.35≤0.400.0300.035187800~820≥62承受沖擊，韌性較好、硬度適當?shù)墓ぞ?，如扁鏟、沖頭、手鉗、大錘、改錐、木工工具、壓縮空氣工具T80.75~0.84≤0.35≤0.400.0300.035187780~800T8Mn0.80~0.90≤0.350.40~0.600.0300.035187同上，但淬透性較大，可制斷面較大的工具T90.85~0.94≤0.35≤0.400.0300.035192760~780韌性中等，硬度高的工具，如沖頭、木工工具、鑿巖工具T100.95~1.04≤0.35≤0.400.0300.035197不受劇烈沖擊、高硬度耐磨的工具，如車刀、刨刀、絲錐、鉆頭、手鋸條T111.05~1.14≤0.35≤0.400.0300.035207T121.15~1.24≤0.35≤0.400.0300.035207不受沖擊、要求高硬度高耐磨的工具、如銼刀、刮刀、精車刀、絲錐、量具T131.25~1.35≤0.35≤0.400.0300.0352174.1工業(yè)用鋼碳素鋼的牌號、性能及用途四、碳素鑄鋼：有些機械零件，例如水壓機橫梁、軋鋼機機

架、重載大齒輪等，因形狀復雜，難以用鍛壓方法成型，

又因力學性能要求較高。鋼號C(%)力學性能(不小于)應用舉例ReH/MPaRm

/MPaA/%Z/%K/ZG230-4500.22~0.30230450223245外殼、軸承座、底板、閥體等ZG270-5000.30~0.38270500182535軋鋼機機架、軸承蓋、連桿、箱體、曲軸、缸體、飛輪等ZG310-5700.40~0.50310570252130大齒輪、缸體、制動輪等碳素鑄鋼的牌號、力學性能和用途(摘自GB/T5613-2014)4.1工業(yè)用鋼4.1.2合金鋼合金鋼：為了提高鋼的性能，常常在鋼中加入一定量的合金元素，形成合金鋼。合金元素是在冶煉時為了改善鋼的性能或使之具有某些特殊性能而有意加入的元素。

常見的合金元素有硅、錳