工程材料及成形工藝基礎(chǔ)（材料類及機械類專業(yè)）全套教學(xué)課件

工程材料及

成形工藝基礎(chǔ)全套可編輯PPT課件共十章，包括金屬材料的性能、金屬的晶體結(jié)構(gòu)、鐵碳合金相圖、鋼的熱處理、機械工程材料、鑄造成形、鍛壓成形、焊接成形、非金屬材料成形和3D打印成形技術(shù)第一章金屬材料的性能一

金屬材料的力學(xué)性能二金屬材料的物理、化學(xué)及工藝性能工程材料主要是指工業(yè)生產(chǎn)中所使用的材料，主要包括金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料四大類。金屬材料：包括金屬和以金屬為基的合金，它具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和金屬光澤，是目前用量最大、用途最廣泛的工程材料。無機非金屬材料：包括水泥、玻璃、陶瓷和耐火材料等，它具有不可燃性、高耐熱性、高化學(xué)穩(wěn)定性、不易老化等特點，在建筑、醫(yī)療等行業(yè)應(yīng)用廣泛。高分子材料：又稱有機合成材料，主要包括塑料、橡膠和纖維等，在傳統(tǒng)工業(yè)和新興工業(yè)中均有廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料：是由兩種或兩種以上不同材料復(fù)合而成，它具有密度低、彈性好和強度高等特點，主要用于電子信息、航空航天等新興產(chǎn)業(yè)。第一節(jié)

金屬材料的力學(xué)性能一、強度強度是金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。按照作用力性質(zhì)的不同，強度可分為屈服強度、抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度等。（一）拉伸試驗和拉伸曲線拉伸試驗根據(jù)《金屬材料拉伸試驗第一部分：室溫試驗方法》（GB/T228.1—2010）進(jìn)行。（a）標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣b）拉伸

（c）出現(xiàn)縮頸（d）拉斷后圖1-1拉伸試樣低碳鋼試樣的拉伸過程可以分為彈性變形階段、屈服階段、均勻塑性變形階段和縮頸階段。彈性變形階段（ob階段）屈服階段（be階段）均勻塑性變形階段（ef階段）縮頸階段（fg階段）圖1-2低碳鋼的拉伸曲線（二）抗拉強度（三）屈服強度圖1-3常規(guī)平行線法測Fp二、塑性金屬材料在外力作用下，產(chǎn)生不可逆永久變形而不被破壞的能力稱為塑性。常用的塑性指標(biāo)有斷面收縮率和斷后伸長率。（一）斷面收縮率（二）斷后伸長率三、硬度工程上常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度和洛氏硬度等。圖1-4布氏硬度試驗原理圖布氏硬度測量穩(wěn)定、準(zhǔn)確，可用于測量鑄鐵、有色金屬以及退火、正火和調(diào)質(zhì)處理后的鋼材。（一）布氏硬度（二）洛氏硬度X—時間；Y—壓頭位置；1—在初試驗力F0下的壓入深度；2—由主試驗力F1引起的壓入深度；3—卸除主試驗力F1后的彈性回復(fù)深度；4—殘余壓入深度h；5—試樣表面；6—測量基準(zhǔn)面；7—壓頭位置；8—壓頭深度相對時間的曲線圖1-5洛氏硬度試驗原理圖表1-1洛氏硬度標(biāo)尺表1-2表面洛氏硬度標(biāo)尺四、沖擊韌性金屬材料抵抗沖擊載荷而不被破壞的能力稱為沖擊韌性，它反映了材料在沖擊載荷作用下發(fā)生彈性變形、塑性變形和斷裂的過程中吸收能量的能力，常用指標(biāo)是沖擊吸收能量。（一）沖擊吸收能量沖擊吸收能量采用夏比擺錘沖擊試驗測定。（a）標(biāo)準(zhǔn)試樣

（b）試樣安放圖1-6沖擊試驗的試樣圖1-7夏比擺錘沖擊試驗原理（二）材料的韌脆轉(zhuǎn)變圖1-8韌脆轉(zhuǎn)變溫度示意圖一般把沖擊吸收能量低的材料稱為脆性材料，沖擊吸收能量高的材料稱為韌性材料。多數(shù)材料的沖擊韌性會隨溫度的下降而下降。（三）多次沖擊實際生產(chǎn)中，零件經(jīng)過一次沖擊就發(fā)生斷裂的情況極少，許多零件都是在多次沖擊后才斷裂的，而且所承受的沖擊能量也遠(yuǎn)小于一次沖斷的能量，這種沖擊稱為多次沖擊。五、疲勞強度許多零件（如軸、齒輪、連桿及彈簧等）都是在交變應(yīng)力（循環(huán)應(yīng)力）作用下工作的。在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的最大應(yīng)力通常都低于材料的屈服強度，但經(jīng)過一定時間的工作后，零件會產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。圖1-9疲勞曲線第二節(jié)

金屬材料的物理、化學(xué)及工藝性能一、物理性能金屬材料的物理性能主要有密度、熔點、熱膨脹性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等。金屬材料的物理性能對熱加工也有一定的影響。二、化學(xué)性能金屬材料與其他化學(xué)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時所顯示出的性能稱為化學(xué)性能，如耐腐蝕性、高溫抗氧化性等。耐腐蝕性是指金屬材料在常溫下抵抗氧氣、水蒸氣及其他化學(xué)介質(zhì)腐蝕的能力?？寡趸允侵附饘俨牧显诩訜釙r抵抗氧化作用的能力。三、工藝性能工藝性能是物理、化學(xué)、力學(xué)性能的綜合。按工藝方法的不同，可分為鑄造性能、鍛造性能、焊接性能和切削加工性能等。復(fù)習(xí)思考題（詳見課本）THEEND工程材料及

成形工藝基礎(chǔ)第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)一純金屬的晶體結(jié)構(gòu)二合金的晶體結(jié)構(gòu)三二元合金相圖第一節(jié)

純金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體與晶格（一）晶體與非晶體按原子在空間的排列方式不同，固態(tài)物質(zhì)可分為晶體和非晶體兩大類。晶體：是指原子在三維空間有規(guī)則地周期性重復(fù)排列的物質(zhì)，如金剛石、石墨、固態(tài)金屬等。晶體一般有規(guī)則的外形和固定的熔點，在各個方向上原子密度不同，因而表現(xiàn)出各向異性。非晶體：是指原子在空間無規(guī)則排列的物質(zhì)，如松香、玻璃、瀝青等。非晶體沒有規(guī)則的外形和固定的熔點，在各個方向上原子的密度大致相同，因而表現(xiàn)出各向同性。（二）晶體結(jié)構(gòu)的基本概念1．晶格和晶胞晶體中原子規(guī)則排列的方式稱為晶體結(jié)構(gòu)。抽象的、用于描述原子排列規(guī)律的空間格架稱為晶格。晶格中的每個點稱為結(jié)點。由于晶體中的原子在三維空間做有規(guī)律的重復(fù)排列，因此，在研究晶體結(jié)構(gòu)時，通常只從晶格中取一個能夠完全反映晶格特征的、最小的幾何單元進(jìn)行分析，這個最小的幾何單元稱為晶胞。（a）晶體結(jié)構(gòu)模型

（b）晶格

（c）晶胞圖2-1晶體中原子排列示意圖2．原子半徑和晶胞原子數(shù)原子半徑是指晶胞中原子密度最大方向上相鄰兩原子之間距離的一半。晶胞原子數(shù)是指一個晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。晶體由大量晶胞堆砌而成，故處于晶胞頂角或晶面上的原子就不會為一個晶胞所獨有，只有晶胞內(nèi)的原子才會為一個晶胞所獨有。不同晶體結(jié)構(gòu)的晶胞所含有的原子數(shù)不同。3．致密度（三）金屬晶格的類型由于金屬鍵具有較強的結(jié)合力，使得金屬原子總是趨于緊密排列，因此，大多數(shù)金屬晶體都具有高對稱性的簡單晶體結(jié)構(gòu)。約90%的金屬晶體都屬于以下三種晶格類型：體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。1．體心立方晶格（a）模型

（b）晶胞

（c）晶胞原子數(shù)圖2-2體心立方晶胞示意圖2．面心立方晶格（a）模型

（b）晶胞

（c）晶胞原子數(shù)圖2-3面心立方晶胞示意圖3．密排六方晶格

（a）模型

（b）晶胞

（c）晶胞原子數(shù)圖2-4密排六方晶胞示意圖（四）晶面與晶向在晶格中，由一系列結(jié)點所組成的平面都代表晶體的某一原子平面，稱為晶面；任意兩個結(jié)點的連線，都代表晶體中某一原子列的位向，稱為晶向。為便于研究和表述不同晶面和晶向的原子排列情況及其在空間的位向，需要給各種晶面和晶向規(guī)定符號，即晶面指數(shù)和晶向指數(shù)。二、實際的金屬晶體結(jié)構(gòu)（一）實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)如圖2-5（a）所示，如果一塊晶體內(nèi)部的晶格位向完全一致，則稱這塊晶體為單晶體。只有采用特殊的方法才能獲得單晶體。實際的金屬材料即使在體積很小的情況下，也包含有許多位向不同的小單晶體，稱為多晶體，如圖2-5（b）所示。（a）單晶體

（b）多晶體圖2-5單晶體和多晶體示意圖（二）晶體缺陷原子完全按一定的次序規(guī)則排列的晶體稱為理想晶體。在實際晶體中，由于晶體的形成條件、原子熱運動及加工條件等的影響，原子的排列并不像理想晶體那樣規(guī)則和完整，某些區(qū)域的原子排列會受到干擾和破壞，這種區(qū)域稱為晶體缺陷。根據(jù)幾何形態(tài)不同，晶體缺陷可分為點缺陷、線缺陷和面缺陷三類。1．點缺陷點缺陷是指三維方向上的尺寸都很小，不超過幾個原子直徑的缺陷。常見的點缺陷有晶格空位、間隙原子和置換原子，如圖2-6所示。

（a）晶格空位

（b）間隙原子

（c）置換原子圖2-6點缺陷由于晶格空位、間隙原子和置換原子的存在，原子間作用力的平衡被破壞，使其周圍的其他原子發(fā)生靠攏或撐開的不規(guī)則排列，偏離晶體的結(jié)點位置，這種現(xiàn)象稱為晶格畸變。在一定溫度下，原子熱運動的平均能量是一定的。但在某一瞬間，當(dāng)某個原子具有足夠高的能量時，就可擺脫晶格中相鄰原子對它的束縛，脫離平衡位置，遷移到其他地方，這樣在原來位置就形成了晶格空位。離位原子遷移到晶格間隙處便形成了間隙原子。若晶體中的異類原子具有足夠高的能量，也可能會遷移到結(jié)點上形成置換原子。隨著溫度的升高，原子的熱運動加劇，點缺陷也會增多。2．線缺陷線缺陷是指在某一方向尺寸較大而三維空間的其他兩個方向尺寸很小的晶體缺陷，其具體形式是位錯。位錯是指晶體中一列或若干列原子發(fā)生了局部滑移而形成的缺陷。根據(jù)局部滑移的方式不同，位錯主要有刃型位錯和螺型位錯兩種形式。圖2-7刃型位錯位錯密度是指單位體積晶體中所含的位錯線的總長度。位錯與晶體中的其他缺陷會發(fā)生交互作用，所以位錯的存在對金屬的很多性能都會產(chǎn)生重大影響。圖2-8金屬強度與位錯密度的關(guān)系3．面缺陷面缺陷是指在晶體點陣的某兩個方向上尺寸較大，而在第三個方向上尺寸很小，呈面狀分布的晶體缺陷，主要包括晶界和亞晶界。晶界是不同位向晶粒之間的過渡區(qū)，晶界上的原子受相鄰晶粒的影響處于折中位置，如圖2-9（a）所示。小晶塊稱為亞晶粒，亞晶粒之間的界面稱為亞晶界，如圖2-9（b）所示。（a）晶界

（b）亞晶界圖2-9晶界和亞晶界示意圖三、金屬的結(jié)晶與鑄錠組織一般金屬材料都要經(jīng)過對礦產(chǎn)原料的熔煉、除渣、澆鑄等作業(yè)后，凝固成鑄錠或細(xì)粉，再通過各種加工得到成材或制件。掌握結(jié)晶過程和規(guī)律可以有效地控制金屬的凝固條件，從而獲得性能優(yōu)良的金屬材料。（一）結(jié)晶的條件純金屬的結(jié)晶常通過熱分析法進(jìn)行測量，即把純金屬置于坩堝內(nèi)加熱成均勻液體，然后使其緩慢冷卻，在冷卻過程中，觀察記錄溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)，并將其繪制成曲線，此曲線稱為冷卻曲線，如圖2-10所示。圖2-10純金屬的冷卻曲線（二）結(jié)晶的過程液態(tài)金屬的結(jié)晶過程是一個晶核形成和長大的過程。液態(tài)金屬結(jié)晶時，首先在液體中形成一些極微小的晶體，稱為晶核，然后它們不斷吸收周圍的原子而長大。同時，液體中又會不斷地產(chǎn)生新的晶核并逐漸長大，直至液態(tài)金屬全部結(jié)晶。圖2-11金屬結(jié)晶過程示意圖1．晶核的形成晶核的形成方式有自發(fā)形核和非自發(fā)形核兩種。1）自發(fā)形核液態(tài)金屬非常純凈時，冷卻到結(jié)晶溫度后會產(chǎn)生大量尺寸不同、短程有序的原子集團(tuán)，稱為晶胚。在理論結(jié)晶溫度以上時，晶胚極不穩(wěn)定、時聚時散，但當(dāng)溫度降低到結(jié)晶溫度以下且達(dá)到足夠大的過冷度時，某些大于一定尺寸的原子集團(tuán)穩(wěn)定下來，成為晶核。這種由液態(tài)金屬本身的原子集團(tuán)發(fā)展成一定尺寸晶核的過程稱為自發(fā)形核或均勻形核。2）非自發(fā)形核實際金屬中總會或多或少地存在一些雜質(zhì)，當(dāng)雜質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)與金屬的相似或相當(dāng)時，金屬原子就會以雜質(zhì)為基底形成晶核，這種形核方式稱為非自發(fā)形核或非均勻形核。非自發(fā)形核在金屬結(jié)晶過程中所需的過冷度比自發(fā)形核小得多，起優(yōu)先和主導(dǎo)作用。2．晶體的長大晶體的長大方式有平面式長大和樹枝狀長大兩種。1）平面式長大在冷卻速度極小的情況下，純金屬晶體主要以其表面向前平行推移的方式長大。晶體沿不同方向的長大速度不同，沿原子最密排面的垂直方向的長大速度最慢。平面式長大使晶體獲得表面為原子最密排面的規(guī)則形狀，在實際金屬的結(jié)晶中較為少見。2）樹枝狀長大當(dāng)冷卻速度較大，特別是存在其他固態(tài)微粒時，晶體與液體界面的溫度會高于近處液體的溫度，形成負(fù)溫度梯度，這時金屬晶體往往以樹枝狀的方式長大。圖2-12枝晶生成過程示意圖（三）晶粒大小的控制實際金屬結(jié)晶后，一般都會形成由許多晶粒組成的多晶體。在多晶體中，晶粒的大小對金屬力學(xué)性能的影響很大。一般來說，晶粒越細(xì)小，晶界越多，金屬的強度就越高，塑性和韌性就越好。所以，細(xì)化晶粒是提高金屬材料力學(xué)性能的一個重要途徑。晶粒的大小與形核率和成長速度密切相關(guān)，影響形核率和成長速度的主要因素包括過冷度、非自發(fā)形核的固態(tài)微粒數(shù)及結(jié)晶環(huán)境等。因此，細(xì)化晶粒的主要方法有增大過冷度、變質(zhì)處理和附加振動等。1．增大過冷度2．變質(zhì)處理大型鑄件外部表面的冷卻速度快，而內(nèi)部中心的冷卻速度慢，用增大過冷度的方法無法使整個鑄件都獲得細(xì)小均勻的晶粒。對于這種鑄件，可在液態(tài)金屬中加入變質(zhì)劑或孕育劑，增加非自發(fā)形核的數(shù)量或阻礙晶核的長大，從而達(dá)到細(xì)化晶粒、改善組織的目的，這種方法即為變質(zhì)處理。3．附加振動在金屬結(jié)晶過程中，對其采用機械振動、超聲波振動、機械攪拌及電磁攪拌等方法，可使枝晶破碎、折斷，這樣不僅可以使已形成的晶粒因破碎而細(xì)化，而且破碎了的細(xì)小枝晶又可起到新晶核的作用，增加了晶核數(shù)量，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。（四）鑄錠組織在實際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬是在鑄錠?；蜩T型中凝固的，前者得到鑄錠，后者得到鑄件。如圖2-14所示，鋼錠的鑄態(tài)組織由表面細(xì)晶粒層、柱狀晶粒層和心部等軸晶粒區(qū)三層不同外形的晶粒組成。1—表面細(xì)晶粒層；2—柱狀晶粒層；3—心部等軸晶粒區(qū)圖2-14鋼錠的鑄態(tài)組織示意圖1．表面細(xì)晶粒層表面細(xì)晶粒層的形成是由于金屬液在剛澆入錠模時，模壁溫度較低，表層金屬迅速冷卻，造成了較大的過冷度而產(chǎn)生大量晶核。表面細(xì)晶粒層組織致密，力學(xué)性能很好，但因其很薄，所以對整個鑄錠性能影響不大。2．柱狀晶粒層柱狀晶粒層的形成主要是由于鑄錠受垂直于模壁的散熱方向影響所致。在表面細(xì)晶粒層形成以后，隨著模壁溫度的升高，金屬液的冷卻速度有所降低，過冷度減小，形核率下降，而晶核的成長速度相對較快，各晶粒便可以較快地長大。柱狀晶粒層組織較致密，但有明顯的各向異性。3．心部等軸晶粒區(qū)隨著柱狀晶的成長，通過已結(jié)晶的柱狀晶區(qū)和模壁向外散熱的速度越來越慢，剩余在錠模中部的液體溫差也越來越小，散熱方向性已不明顯，而趨于均勻冷卻的狀態(tài)。綜上所述，鑄錠組織是不均勻且比較粗大的，還存在如縮孔、縮松、氣孔、偏析、非金屬夾雜等鑄造缺陷。改變凝固條件可以改變各晶區(qū)的相對大小和晶粒的粗細(xì)，甚至獲得只有兩層或單獨一個晶區(qū)所組成的鑄錠。（五）金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變這種同一種金屬在固態(tài)下隨著溫度的變化，由一種晶格類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格類型的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。由同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變得到的不同晶格類型的晶體稱為同素異構(gòu)體。圖2-15純鐵在結(jié)晶時的冷卻曲線第二節(jié)

合金的晶體結(jié)構(gòu)一、合金的基本概念（一）組元組元是指組成合金的最基本的、獨立的物質(zhì)。組元通常是組成合金的元素，如鐵碳合金中的Fe和C、黃銅中的Cu和Zn等；也可以是穩(wěn)定化合物，如碳鋼中的Fe3C等。由2個組元組成的合金稱為二元合金，由3個組元組成的合金稱為三元合金，由3個以上組元組成的合金稱為多元合金。（二）合金系合金系是指由給定組元按不同比例配制出的一系列成分不同的合金。例如，各種牌號的碳鋼就是由不同鐵、碳含量的合金所構(gòu)成的鐵碳合金系。（三）相相是指在合金中具有相同的成分、晶體結(jié)構(gòu)及性能，并以界面相互分開的均勻組成部分。例如，固液共存系統(tǒng)中的相有固相和液相兩種。合金結(jié)晶后可以是由一種相組成的單相合金，也可以是由若干種相組成的多相合金。（四）組織合金的組織是指由一種或多種相以不同的形態(tài)、尺寸、數(shù)量和分布形式而組成的綜合體，通常需要在金相顯微鏡下進(jìn)行觀察。只有一種相組成的組織稱為單相組織，由幾種不同的相組成的組織稱為多相組織。二、合金的相結(jié)構(gòu)合金的性能取決于組織，而組織又取決于其組成相的性質(zhì)。固態(tài)合金的基本相可分為固溶體和金屬化合物兩大類。（一）固溶體固溶體是指溶質(zhì)原子溶入金屬溶劑的晶格中所組成的合金相。兩組元在液態(tài)下互溶，固態(tài)下也相互溶解，且形成均勻一致的物質(zhì)。形成固溶體時，含量多者為溶劑，含量少者為溶質(zhì)；溶劑的晶格即為固溶體的晶格。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占位置的不同，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體兩種。1．置換固溶體

置換固溶體是指溶質(zhì)原子置換溶劑中的部分原子，并占據(jù)溶劑晶格的某些節(jié)點位置所形成的固溶體，如圖2-16（a）所示。2．間隙固溶體

間隙固溶體是指溶質(zhì)原子填入溶劑晶格間隙中形成的固溶體，如圖2-16（b）所示。（a）置換固溶體

（b）間隙固溶體圖2-16固溶體的兩種類型（二）金屬化合物金屬化合物是指合金組元相互作用形成的晶格結(jié)構(gòu)和特性完全不同于任一組元的新相，一般可用分子式表示。金屬化合物一般具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)，熔點高，硬而脆。合金中含有金屬化合物時，合金的強度、硬度會提高，而塑性、韌性會降低。圖2-17滲碳體的晶體結(jié)構(gòu)第三節(jié)

二元合金相圖一、二元合金相圖的建立由于合金成分中有兩個以上的組元，因此其結(jié)晶過程比純金屬復(fù)雜得多，因此通常運用合金相圖來分析合金的結(jié)晶過程。合金相圖是表示合金系在平衡條件下，合金的相與溫度、成分三者之間關(guān)系的圖解，又稱為平衡圖或狀態(tài)圖。通過熱分析法可以得到相圖，現(xiàn)以Cu-Ni合金為例，說明二元合金相圖的建立步驟。（1）配制若干成分不同的Cu-Ni合金，如表2-1所示。表2-1銅鎳合金及其臨界點（2）如圖2-18（a）所示，測定每一合金在緩冷條件下的冷卻曲線，得到轉(zhuǎn)變開始和轉(zhuǎn)變終了的臨界點溫度，其數(shù)據(jù)如表2-1所示。（3）建立一個以溫度為縱軸，Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為橫軸的直角坐標(biāo)系。從橫軸上的成分點向上作垂線，把臨界點分別標(biāo)在成分垂線上。（4）將轉(zhuǎn)變開始點和轉(zhuǎn)變終了點分別用平滑的曲線連接起來，根據(jù)已知條件和實際分析結(jié)果標(biāo)上數(shù)字、字母和各區(qū)內(nèi)相（或組織）的名稱，便得到了一個完整的Cu-Ni二元合金相圖，如圖2-18（b）所示。（a）冷卻曲線

（b）相圖圖2-18Cu-Ni合金的冷卻曲線及合金相圖二、二元合金相圖的分析兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限互溶時所形成的二元合金相圖稱為勻晶相圖，它是相圖中最簡單的一種。除此之外，還有二元共晶相圖、二元包晶相圖等?，F(xiàn)以Cu-Ni二元勻晶合金相圖為例進(jìn)行分析。（一）合金的結(jié)晶過程圖2-19銅鎳合金結(jié)晶過程（二）枝晶偏析在平衡條件下結(jié)晶時，由于冷速緩慢，原子可充分進(jìn)行擴散，能夠得到成分均勻的固溶體。但在實際生產(chǎn)條件下，由于冷速較快（不平衡結(jié)晶），從液體中先后結(jié)晶出來的固相成分不同，使得一個晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻，這種現(xiàn)象稱為晶內(nèi)偏析。由于固溶體一般都以樹枝狀方式結(jié)晶，先結(jié)晶的樹枝晶軸含高熔點的組元較多；后結(jié)晶的晶枝間含低熔點組元較多，因此晶內(nèi)偏析又稱為枝晶偏析。通常冷卻速度越大，實際結(jié)晶溫度越低，原子擴散能力越弱，枝晶偏析越嚴(yán)重。（三）杠桿定律圖2-20杠桿定律的應(yīng)用復(fù)習(xí)思考題（詳見課本）THEEND工程材料及

成形工藝基礎(chǔ)第三章鐵碳合金相圖一鐵碳合金的組元與基本組織二鐵碳合金相圖分析三鐵碳合金相圖的應(yīng)用第一節(jié)

鐵碳合金的組元與基本組織一、鐵碳合金的組元鐵碳合金中的主要組元有純鐵和滲碳體。（一）純鐵（二）滲碳體二、鐵碳合金的基本組織在液態(tài)時，鐵碳合金中的鐵和碳可以無限互溶；在固態(tài)時，碳可以溶解在鐵中形成固溶體，也可以與鐵形成化合物，或者形成固溶體與化合物共存的混合物。（一）鐵素體（二）奧氏體（三）珠光體（四）萊氏體第二節(jié)鐵碳合金相圖分析圖3-1鐵碳合金相圖一、相圖中的特性點表3-1鐵碳合金相圖中各特性點的溫度、成分和含義二、相圖中的特性線鐵碳合金相圖的特性線是不同成分合金具有相同意義相變點的連接線，代表了鐵碳合金內(nèi)部組織發(fā)生轉(zhuǎn)變的界限。三、鐵碳合金的結(jié)晶過程圖3-2簡化后的Fe-Fe3C相圖根據(jù)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和室溫顯微組織不同，鐵碳合金可以分為工業(yè)純鐵、鋼和白口鑄鐵三大類，具體如下。（一）共析鋼的結(jié)晶過程1點以上

1～2點

2～3點

3點～室溫圖3-3共析鋼結(jié)晶過程示意圖共析鋼的室溫組織全部為P，呈層片狀，其室溫下的顯微組織如圖3-4所示。圖3-4共析鋼室溫下的顯微組織（二）亞共析鋼的結(jié)晶過程1點以上

1～2點

2～3點

3～4點

4點～室溫圖3-5亞共析鋼結(jié)晶過程示意圖圖3-645鋼室溫下的顯微組織（三）過共析鋼的結(jié)晶過程1點以上

1～2點

2～3點

3～4點

4點～室溫圖3-7過共析鋼結(jié)晶過程示意圖圖3-8過共析鋼室溫下的顯微組織（四）共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程1點以上

1～2點

2點～室溫圖3-9共晶白口鑄鐵的結(jié)晶示意圖共晶白口鑄鐵室溫下的顯微組織如圖3-10所示，黑色部分為P，白色基體為滲碳體（共晶滲碳體和二次滲碳體混在一起，無法分辨）。圖3-10共晶白口鑄鐵室溫下的顯微組織（五）亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程1點以上

1～2點

2～3點

3點～室溫

圖3-11亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶示意圖圖3-12亞共晶白口鑄鐵室溫下的顯微組織（六）過共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程1點以上

1～2點

2～3點

3點～室溫圖3-13過共晶白口鑄鐵的結(jié)晶示意圖圖3-14過共晶白口鑄鐵室溫下的顯微組織四、鐵碳合金成分、組織和性能之間的關(guān)系圖3-15鐵碳合金的成分、組織及性能變化規(guī)律（一）含碳量對鐵碳合金平衡組織的影響鐵碳合金含碳量的變化，不僅會引起相的相對數(shù)量的變化，還會引起組織形態(tài)的變化，從而引起鐵碳合金性能的變化。（二）含碳量對鐵碳合金性能的影響第三節(jié)

鐵碳合金相圖的應(yīng)用一、在選材方面的應(yīng)用二、在鑄造方面的應(yīng)用三、在鍛造方面的應(yīng)用鋼處于單相奧氏體狀態(tài)時，塑性好、變形抗力小，便于鍛造成形。因此，鋼材在熱軋、鍛造時要加熱到單相奧氏體區(qū)。始鍛、始軋溫度一般為1150～1250℃，溫度不能太高，以免鋼材氧化燒損嚴(yán)重；終鍛、終軋溫度一般為750～850℃，溫度不能過低，以免鋼材因塑性差而發(fā)生鍛裂或軋裂。四、在焊接方面的應(yīng)用焊接時，由于焊縫被快速加熱，故從焊縫到母材各處的溫度是不同的。溫度不同，冷卻后的組織、性能也不同。為了獲得均勻一致的組織、性能，可通過焊后熱處理來調(diào)整和改善。五、在熱處理方面的應(yīng)用復(fù)習(xí)思考題（詳見課本）THEEND工程材料及

成形工藝基礎(chǔ)第四章鋼的熱處理一熱處理的基本原理二鋼的整體熱處理三鋼的表面熱處理四熱處理新技術(shù)簡介鋼的熱處理是在不改變工件形狀和尺寸的條件下，通過改變工件內(nèi)部的顯微組織或工件表面的化學(xué)成分，從而得到所需性能的工藝方法，它是保證工件內(nèi)在質(zhì)量的重要工序。根據(jù)其在零件加工中的工序位置不同，熱處理工藝可分為預(yù)備熱處理和最終熱處理。預(yù)備熱處理：是指機械零件切削加工的一個中間工序，可消除材料內(nèi)部缺陷，改善材料工藝性能，為后續(xù)加工成形或進(jìn)一步熱處理做組織和性能準(zhǔn)備，如改善鍛、軋、鑄毛坯組織的退火、正火等工藝過程。最終熱處理：是指使工件獲得最終使用性能的熱處理工藝，如使零件獲得良好的綜合力學(xué)性能的淬火、高溫回火等工藝過程。根據(jù)工藝方法不同，熱處理工藝可分為整體熱處理、表面熱處理和其他熱處理。整體熱處理：包括退火、正火、淬火、回火等。表面熱處理：包括表面淬火和化學(xué)熱處理。其他熱處理：包括激光熱處理、電子束熱處理、可控氣氛熱處理、真空熱處理、形變熱處理、復(fù)合熱處理等。任何一種熱處理工藝都由加熱、保溫和冷卻三個環(huán)節(jié)組成，其工藝過程可用熱處理工藝曲線來表達(dá)，如圖4-1所示。改變加熱溫度、保溫時間和冷卻速度都會在一定程度上改變材料的組織結(jié)構(gòu)，從而影響材料的性能。圖4-1鋼的熱處理工藝曲線示意圖第一節(jié)熱處理的基本原理一、鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變大多數(shù)熱處理工藝都要將鋼加熱到相變溫度（臨界溫度）以上，并保溫一段時間，以獲得均勻的奧氏體組織，這一過程稱為奧氏體化。加熱和保溫時形成的奧氏體晶粒大小及成分均勻性對冷卻轉(zhuǎn)變過程及組織、性能都有極大影響。圖4-2加熱和冷卻對相變溫度的影響（一）奧氏體的形成奧氏體的形成遵循結(jié)晶過程的普遍規(guī)律，是一個形核和長大的過程。下面以共析鋼為例來進(jìn)行分析。共析鋼奧氏體的形成過程一般包括奧氏體的形核、奧氏體的長大、殘余滲碳體的溶解和奧氏體成分的均勻化4個階段，如圖4-3所示。（a）奧氏體的形核（b）奧氏體的長大（c）殘余滲碳體的溶解（d）奧氏體成分的均勻化圖4-3共析鋼奧氏體的形成過程示意圖1．奧氏體的形核奧氏體晶核優(yōu)先在鐵素體和滲碳體的界面上形成，其原因有三方面：①

界面處碳濃度分布不均勻，容易滿足濃度起伏；②

界面上的原子排列不規(guī)則，原子的活動能力較強，容易滿足結(jié)構(gòu)起伏；③

界面上晶體缺陷密度較大，處于能量較高的狀態(tài)，容易滿足能量起伏。2．奧氏體的長大奧氏體晶核形成后，它的一側(cè)與滲碳體相接，另一側(cè)與鐵素體相接。通過鐵、碳原子的擴散，相鄰的鐵素體晶格將不斷改組成奧氏體晶格，相鄰的滲碳體將不斷地向奧氏體中溶解。因此，奧氏體晶核將向鐵素體和滲碳體兩個方向不斷長大。同時，新的奧氏體晶核也將不斷形成并長大，直至鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體為止。3．殘余滲碳體的溶解由于滲碳體的晶體結(jié)構(gòu)和含碳量與奧氏體相差較大，所以當(dāng)鐵素體全部消失后，仍有部分滲碳體尚未溶解，稱為殘余滲碳體。隨著保溫時間的延長，殘余滲碳體將逐漸溶解，直至完全消失。4．奧氏體成分的均勻化殘余滲碳體全部溶解后，奧氏體中的碳濃度是不均勻的，原來是滲碳體的區(qū)域碳濃度高，而原來是鐵素體的區(qū)域碳濃度低。只有保溫一段時間，通過碳原子的擴散，才能使奧氏體的成分趨于均勻。（二）奧氏體晶粒的長大與控制隨著加熱溫度的升高和保溫時間的延長，奧氏體晶粒會不斷長大。奧氏體晶粒大小用晶粒度來表示，它是評定鋼加熱質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。1．奧氏體晶粒度奧氏體晶粒大小用晶粒度來表示。目前，世界各國對鋼鐵產(chǎn)品幾乎統(tǒng)一使用與標(biāo)準(zhǔn)金相圖片相比較的方法來確定晶粒度的級別。晶粒度可分為8級，各級晶粒度的晶粒大小如圖4-4所示。圖4-4標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級示意圖研究鋼在熱處理過程中奧氏體晶粒大小的變化時，需要區(qū)分以下三種不同概念的晶粒度。2．影響奧氏體晶粒度的因素加熱溫度和保溫時間：加熱溫度越高，保溫時間越長，奧氏體晶粒長得越大。通常，加熱溫度對奧氏體晶粒長大的影響比保溫時間更顯著。加熱速度：加熱溫度確定后，加熱速度越快，奧氏體晶粒越細(xì)小。因此，快速高溫加熱和短時保溫是生產(chǎn)中常用的一種晶粒細(xì)化方法。含碳量：隨著奧氏體中含碳量的增加，奧氏體晶粒長大的傾向增大。但當(dāng)含碳量超過某一限度時，碳會以殘余滲碳體的形式存在，阻礙晶界移動，從而使晶粒長大傾向減小。合金元素：若在鋼中加入適量的Ti，Zr，V，Nb等元素，它們將在鋼中形成高熔點的彌散碳化物和氮化物，阻礙奧氏體晶粒長大。二、鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變鋼經(jīng)加熱奧氏體化后，采用不同的方式冷卻，將獲得不同的組織和性能。所以，冷卻過程是熱處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。1—等溫冷卻；2—連續(xù)冷卻圖4-5兩種冷卻方式示意圖等溫冷卻：將已奧氏體化的鋼迅速冷卻到臨界點以下的某一給定溫度，進(jìn)行保溫，使其在該溫度下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。連續(xù)冷卻：將已奧氏體化的鋼以某種冷卻速度連續(xù)冷卻，使其在臨界點以下的不同溫度進(jìn)行組織轉(zhuǎn)變。（一）過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變過冷奧氏體在等溫冷卻條件下的轉(zhuǎn)變稱為過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變。過冷度和等溫時間不同，過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變過程及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也不相同?，F(xiàn)以共析鋼為例詳細(xì)說明過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變。1．過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線表示過冷奧氏體在不同過冷度下等溫轉(zhuǎn)變的過程中，轉(zhuǎn)變時間、轉(zhuǎn)變溫度和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物之間關(guān)系的曲線圖。因其形狀與字母“C”相似，所以又稱為C曲線，也稱為TTT（Time，Temperature，Transformation）曲線。圖4-6共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖分析等溫轉(zhuǎn)變曲線圖可知，圖中有兩條曲線、三條水平線、六個區(qū)域、一個特征和三種類型轉(zhuǎn)變。兩條曲線：左邊曲線為等溫轉(zhuǎn)變開始線，右邊曲線為等溫轉(zhuǎn)變終了線。三條水平線：A1線為穩(wěn)定奧氏體與過冷奧氏體分界線；Ms線為上馬氏體點，即過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的開始溫度；Mf線為下馬氏體點，即過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的終了溫度。六個區(qū)域：A1線以上為奧氏體穩(wěn)定區(qū)；A1線以下、轉(zhuǎn)變開始線以左、Ms線以上為過冷奧氏體區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)，奧氏體不發(fā)生轉(zhuǎn)變；兩曲線之間為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)，過冷奧氏體向珠光體或貝氏體轉(zhuǎn)變；轉(zhuǎn)變終了線以右為轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)；Ms線以下、Mf線以上為馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)；Mf線以下為馬氏體和殘余奧氏體兩相共存區(qū)。一個特征：即“鼻尖”，C曲線上最突出、距縱坐標(biāo)最近的部分。鼻尖以上或以下，隨著溫度的升高或降低，孕育期（過冷奧氏體轉(zhuǎn)變之前所經(jīng)歷的時間）增長，過冷奧氏體穩(wěn)定性增加；鼻尖處，過冷奧氏體的孕育期最短，最不穩(wěn)定，最易分解，轉(zhuǎn)變速度也最快。三種類型轉(zhuǎn)變：分別是高溫珠光體轉(zhuǎn)變、中溫貝氏體轉(zhuǎn)變和低溫馬氏體轉(zhuǎn)變。其中，高溫珠光體轉(zhuǎn)變和中溫貝氏體轉(zhuǎn)變屬于等溫轉(zhuǎn)變，而低溫馬氏體轉(zhuǎn)變則屬于連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變。

（a）亞共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖

（b）過共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖圖4-7亞共析鋼和過共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖2．過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物1）珠光體型轉(zhuǎn)變

（a）珠光體

（b）索氏體

（c）托氏體圖4-8共析鋼過冷奧氏體高溫轉(zhuǎn)變組織表4-1過冷奧氏體高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形成溫度及性能2）貝氏體型轉(zhuǎn)變

圖4-9上貝氏體形態(tài)

圖4-10下貝氏體形態(tài)上貝氏體強度低，塑性、韌性差，易引起脆斷，實用性差；下貝氏體具有較高的強度和硬度，良好的塑性和韌性，綜合力學(xué)性能好，因此，生產(chǎn)中常采用下貝氏體強化金屬的性能。（二）過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變1．過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線是表示在不同冷卻速度下過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變量與轉(zhuǎn)變時間關(guān)系的曲線圖，又稱為CCT（ContinuousCoolingTransformation）曲線。圖4-11所示為共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖。圖4-11共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖2．過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物板條馬氏體由一束束平行排列的細(xì)板條組成，在光學(xué)顯微鏡下觀察到的只是邊緣不規(guī)則的塊狀，如圖4-12所示。板條馬氏體具有較高的硬度、強度及較好的塑性和韌性，綜合力學(xué)性能較好。（a）板條馬氏體顯微組織（1000×）

（b）板條馬氏體示意圖圖4-12板條馬氏體的組織形態(tài)片狀馬氏體單個晶體的立體形態(tài)呈雙凸透鏡形的片狀，觀察金相磨片，其斷面呈針狀，整個組織是由長短不一的馬氏體片組成的，如圖4-13所示。片狀馬氏體具有比板條馬氏體更高的硬度，但脆性較大，塑性和韌性較差。（a）片狀馬氏體顯微組織（1500×）（b）片狀馬氏體示意圖

圖4-13片狀馬氏體的組織形態(tài)

第二節(jié)鋼的整體熱處理一、鋼的退火退火是將鋼加熱到一定溫度并保溫一定時間后，緩慢冷卻（一般為隨爐冷卻），以獲得達(dá)到或接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。根據(jù)目的和工藝特點的不同，鋼的退火可分為完全退火、等溫退火、球化退火、擴散退火、去應(yīng)力退火和再結(jié)晶退火等。各種退火的加熱溫度范圍和工藝曲線如圖4-14所示。（a）加熱溫度范圍

（b）工藝曲線圖4-14各種退火的加熱溫度范圍和工藝曲線（一）完全退火（二）等溫退火（三）球化退火（四）擴散退火（五）去應(yīng)力退火（六）再結(jié)晶退火

再結(jié)晶退火是指將冷變形后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，保持適當(dāng)時間，使形變晶粒重新結(jié)晶為均勻的等軸晶粒，以消除形變強化和殘余應(yīng)力的退火工藝。二、鋼的正火正火是指將鋼加熱到Ac3或Accm以上30～50℃，保溫適當(dāng)時間后，在空氣中冷卻的熱處理工藝。正火的加熱溫度范圍和工藝曲線如圖4-14所示。正火與退火的主要區(qū)別是正火的冷卻速度稍快，可以獲得較細(xì)的索氏體（見圖4-15），強度和硬度也較高。圖4-15鋼的退火（左）與正火（右）的組織比較正火的主要應(yīng)用如下。（1）作為普通結(jié)構(gòu)零件的最終熱處理。（2）減少亞共析鋼中的自由鐵素體。（3）消除過共析鋼的網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火做好組織準(zhǔn)備。（4）對低、中碳結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行預(yù)備熱處理，可獲得合適的硬度，降低塑性，克服粘刀現(xiàn)象，改善切削加工性。（5）消除中碳鋼鑄件、鍛件的過熱組織，細(xì)化晶粒，并為淬火做好組織準(zhǔn)備。三、鋼的淬火淬火是指將鋼加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度，保持一定時間，然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s獲得馬氏體或貝氏體組織的熱處理工藝。淬火是鋼最重要的強化方法。（一）淬火工藝1．淬火加熱溫度淬火加熱溫度是淬火工藝的主要參數(shù)。一般情況下，淬火加熱溫度應(yīng)限制在臨界點以上30～50℃范圍內(nèi)，如圖4-16所示。圖4-16碳鋼的淬火加熱溫度范圍2．淬火加熱時間淬火加熱時間是指達(dá)到加熱溫度和獲得奧氏體均勻化的時間，包括升溫和保溫時間。加熱時間不能過長，也不能過短，其受工件形狀和尺寸、裝爐方式、裝爐量、加熱爐類型、爐溫和加熱介質(zhì)等影響。3．淬火冷卻介質(zhì)理想的淬火冷卻介質(zhì)應(yīng)該能使零件通過快速冷卻轉(zhuǎn)變成馬氏體，同時又不會引起太大的淬火應(yīng)力。理想的冷卻速度如圖4-17所示。圖4-17理想冷卻曲線4．淬火方法常用的淬火方法有單介質(zhì)淬火、雙介質(zhì)淬火、分級淬火和等溫淬火等，如圖4-18所示。1—單介質(zhì)淬火；2—雙介質(zhì)淬火；3—分級淬火；4—等溫淬火圖4-18不同淬火方法示意圖單介質(zhì)淬火：是指奧氏體化后的工件在一種介質(zhì)（水或油）中連續(xù)冷卻至室溫的淬火方法。此法操作簡單，易于實現(xiàn)機械化和自動化，但淬火應(yīng)力大，工件容易變形和開裂。對碳素鋼而言，單介質(zhì)淬火只適用于形狀較簡單的工件。雙介質(zhì)淬火：是指將工件奧氏體化后，先在冷卻能力較強的介質(zhì)中冷卻，在組織即將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時，立即轉(zhuǎn)入冷卻能力較弱的介質(zhì)中冷卻的淬火方法，如先水后油、先水后空氣等。此方法可有效減少工件變形和開裂，但操作不好掌握，主要用于形狀復(fù)雜的高碳鋼件和尺寸較大的合金鋼件。分級淬火：是指將奧氏體化后的工件浸入溫度稍高于或稍低于Ms點的堿浴或鹽浴中保持適當(dāng)時間，在工件整體達(dá)到介質(zhì)溫度后取出空冷，以獲得馬氏體組織的淬火方法，又稱馬氏體分級淬火。此方法顯著降低了淬火應(yīng)力，因而能更有效地減小或防止淬火工件的變形和開裂，主要用于尺寸較小的工件。等溫淬火：是指將工件奧氏體化后，快冷到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間等溫保持，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w的淬火方法，又稱貝氏體等溫淬火。此法淬火后應(yīng)力和變形很小，工件強度高、韌性好，多用于形狀復(fù)雜、尺寸較小的零件。（二）鋼的淬透性鋼的淬透性是指鋼件在淬火時形成馬氏體的能力，一般用圓柱體試樣的淬硬層深度或沿截面的硬度分布曲線表示。淬硬性是指鋼在理想條件下進(jìn)行淬火硬化所能達(dá)到的最高硬度，即硬化能力。它主要取決于馬氏體的含碳量。一般來說，奧氏體的穩(wěn)定性越好，形成馬氏體所需要的臨界冷卻速度就越小，鋼的淬透性也就越好。因此，凡是影響奧氏體穩(wěn)定性的因素，如合金元素、碳含量、奧氏體化溫度和鋼中的第二相等，均影響鋼的淬透性。四、鋼的回火回火是指將淬火鋼重新加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝?；鼗鹨话阍诖慊鸷箅S即進(jìn)行。淬火與回火常作為零件的最終熱處理?；鼗鹂蓽p小和消除淬火時產(chǎn)生的應(yīng)力和脆性，防止和減小工件變形和開裂；獲得所需的穩(wěn)定組織，保證工件在使用中形狀和尺寸不發(fā)生改變；獲得工件所要求的使用性能。（一）淬火鋼在回火時的轉(zhuǎn)變一般淬火鋼的室溫組織是由馬氏體和少量殘余奧氏體組成的，兩者均是不穩(wěn)定組織。在A1以下不同溫度重新加熱時，將發(fā)生下列四個階段的組織轉(zhuǎn)變。馬氏體的分解（小于200℃）殘余奧氏體的分解（200～300℃）碳化物的轉(zhuǎn)變（250～400℃）滲碳體的聚集長大與α相的再結(jié)晶（大于400℃）

圖4-19回火馬氏體

圖4-20回火托氏體

圖4-21回火索氏體碳鋼在回火過程中馬氏體碳含量、殘余奧氏體量、淬火內(nèi)應(yīng)力以及碳化物尺寸的變化情況如圖4-22所示。圖4-22淬火鋼在回火過程中的變化（二）淬火鋼回火后的組織和性能表4-2回火的種類與應(yīng)用第三節(jié)鋼的表面熱處理一、表面淬火表面淬火是一種常用的表面熱處理，是指僅對工件表層進(jìn)行淬火的工藝。它是利用快速加熱，使工件表面很快達(dá)到淬火溫度并奧氏體化，然后迅速冷卻，使表層一定深度淬成馬氏體組織，而心部仍為未淬火組織的一種局部淬火方法。根據(jù)加熱方法的不同，表面淬火主要分為感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火、激光加熱表面淬火和電子束加熱表面淬火等，其中最常用的是感應(yīng)加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火。（一）感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火是指利用感應(yīng)電流通過工件時所產(chǎn)生的熱量，使工件表層、局部或整體加熱并快速冷卻的淬火工藝。圖4-23感應(yīng)加熱表面淬火示意圖根據(jù)通入感應(yīng)器的交流電頻率不同，感應(yīng)加熱表面淬火可分為高頻、中頻、工頻三種，如表4-3所示。（二）火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火是利用氧-乙炔火焰或氧-煤氣火焰，使工件表面迅速被加熱到淬火溫度，隨后噴水冷卻的熱處理工藝，如圖4-24所示。圖4-24火焰加熱表面淬火示意圖二、化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理是指將金屬或合金工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入其表層，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝?；瘜W(xué)熱處理的方法很多，包括滲碳、滲氮和碳氮共滲等。但無論哪種方法，都是通過以下三個相互銜接而又同時進(jìn)行的基本過程來完成的。分解：化學(xué)介質(zhì)在一定溫度下分解，產(chǎn)生能夠滲入工件表面的活性原子。吸收：活性原子被工件表面吸收，即活性原子溶入鐵的晶格形成固溶體，或與鋼中某元素形成化合物。擴散：被吸收的活性原子由工件表面逐漸向內(nèi)部擴散，形成一定深度的擴散層。上述基本過程都與溫度有關(guān)，溫度越高，過程進(jìn)行得越快，擴散層越厚，但溫度過高會引起奧氏體晶粒粗化，使鋼變脆。（一）滲碳滲碳是將鋼件放入滲碳介質(zhì)中加熱、保溫，使碳原子滲入工件表層，以增加鋼件表層含碳量和獲得一定碳濃度梯度的化學(xué)熱處理工藝。氣體滲碳是指工件在氣體滲碳介質(zhì)中進(jìn)行滲碳的工藝。圖4-25氣體滲碳示意圖（二）滲氮滲氮也稱為氮化，是指在一定溫度下（一般在Ac1溫度以下）使活性氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。其目的是提高零件表面的硬度、耐磨性、抗疲勞強度、熱硬性和耐蝕性等。常用的滲氮工藝有氣體滲氮和離子滲氮。氣體滲氮：將氨氣通入加熱至滲氮溫度（500～570℃）的密封滲氮罐中，高溫下氨氣分解出活性氮原子，被工件表面吸附并向內(nèi)擴散，形成一定深度的滲氮層。離子滲氮：將零件置于充有氨氣或氮氫混合物的真空爐中，零件作為陰極，爐壁作為陽極，并在陰極與陽極之間加上800～1000V的直流電壓。在高壓電場的作用下，零件周圍的氨氣電離為氮正離子和氫電子，氮正離子在電場的作用下高速沖擊并深入工件表面，工件表面溫度升至500～700℃，形成氮化層。（三）碳氮共滲碳氮共滲是將碳、氮同時滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝，又稱為氰化。目前常采用氣體碳氮共滲，通常將零件放入密閉的爐中加熱，通入氨氣并滴入煤油。氨氣中分解出來的活性氮原子和煤油中分解出來的活性碳原子同時被工件表面吸附并擴散，形成化合物層。碳氮共滲若在高溫下進(jìn)行，則以滲碳為主；若在較低溫度下進(jìn)行，則以滲氮為主。第四節(jié)熱處理新技術(shù)簡介一、激光熱處理激光熱處理可實現(xiàn)表面淬火、局部表面硬化和表面合金化，它具有以下幾方面優(yōu)點。功率密度高，加熱、冷卻速度極快，無氧化脫碳，可實現(xiàn)自激冷淬火。應(yīng)力和變形小，表面光亮，不需再進(jìn)行表面精加工。可以在零件選定表面局部加熱，解決拐角、溝槽、盲孔底部、深孔內(nèi)壁等一般熱處理工藝難以解決的強化問題。生產(chǎn)效率高，易實現(xiàn)自動化，無需冷卻介質(zhì)，對環(huán)境無污染。二、電子束熱處理電子束熱處理是利用電子槍發(fā)射的電子束轟擊金屬表面，將能量轉(zhuǎn)換為熱能進(jìn)行熱處理的方法。在電子束熱處理過程中，工件表面的加熱速度和冷卻速度都很快，奧氏體化時間很短，能夠獲得超細(xì)晶粒組織，這是電子束表面淬火最大的特點。電子束熱處理需要在真空下進(jìn)行，避免了氧化、滲氮的不利影響，可獲得更好的表面質(zhì)量和組織，但可控制性較差，而且需要注意X射線的防護(hù)。三、可控氣氛熱處理可控氣氛熱處理是在成分可控制的爐氣中進(jìn)行的熱處理。其目的是為了有效地進(jìn)行滲碳、碳氮共滲等化學(xué)熱處理，或防止工件加熱時的氧化、脫碳，還可用于低碳鋼的光亮退火及中、高碳鋼的光亮淬火。四、真空熱處理與常規(guī)熱處理相比，真空熱處理有以下幾方面優(yōu)點。可實現(xiàn)不氧化、不脫碳，去掉工件表面的鱗屑，使表面光潔美觀。升溫速度慢，工件變形小?？娠@著提高疲勞強度、耐磨性和韌性。表面氧化物、油污在真空加熱時分解，被真空泵排出，勞動條件好。五、形變熱處理形變熱處理是將塑性變形與熱處理有機結(jié)合的復(fù)合工藝。它能同時發(fā)揮形變強化和相變強化的作用，提高材料的強韌性，而且還可簡化工序、降低成本，減少能耗和材料燒損。形變熱處理包括高溫形變熱處理和低溫形變熱處理。（一）高溫形變熱處理將鋼加熱到奧氏體區(qū)內(nèi)后進(jìn)行塑性變形，然后立即淬火、回火的熱處理工藝稱為高溫形變熱處理，又稱高溫形變淬火，如熱軋淬火、鍛熱淬火等。（二）低溫形變熱處理將鋼加熱到奧氏體區(qū)后急冷至Ar1以下，進(jìn)行大量塑性變形，隨即淬火、回火的工藝稱為低溫形變熱處理，又稱亞穩(wěn)奧氏體的形變淬火。低溫形變熱處理與普通熱處理相比，在保持塑性、韌性不降低的情況下，可大幅度提高鋼的強度和耐磨性。此工藝適用于具有較高淬透性、較長孕育期的合金鋼。六、復(fù)合熱處理復(fù)合熱處理是指將兩種或多種熱處理工藝復(fù)合或者是將熱處理與其他加工工藝復(fù)合的熱處理工藝，從而使零件獲得單一熱處理方法難以達(dá)到的性能。常用的復(fù)合熱處理大多與表面熱處理有關(guān)，大致可以分為以下幾類。（1）整體熱處理與表面熱處理復(fù)合的熱處理技術(shù)，如整體淬火與氮化處理、等溫淬火與氮化處理等。（2）表面熱處理相互復(fù)合的熱處理技術(shù)，如氮化與高頻淬火等。（3）化學(xué)熱處理與涂層相復(fù)合，如滲氮和物理氣相沉積相復(fù)合。（4）電鍍與熱處理相復(fù)合，如電鍍熱處理、鋅浴淬火等。采用復(fù)合熱處理可使工件獲得理想的優(yōu)異性能，同時還可以節(jié)約能源、降低成本、提高生產(chǎn)效率。復(fù)習(xí)思考題（詳見課本）THEEND工程材料及

成形工藝基礎(chǔ)第五章機械工程材料一鋼材二鑄鐵三有色金屬及其他材料第一節(jié)

鋼

材一、鋼的分類與牌號（一）鋼的分類

根據(jù)《鋼分類》（GB/T13304—2008）的規(guī)定，鋼的常用分類方法如下。1．按化學(xué)成分分類根據(jù)化學(xué)成分不同，鋼可分為非合金鋼、低合金鋼、合金鋼。表5-1非合金鋼、低合金鋼和合金鋼中合金元素規(guī)定含量界限值（摘自GB/T13304—2008）2．按主要質(zhì)量等級分類按主要質(zhì)量等級不同，非合金鋼可分為普通質(zhì)量非合金鋼、優(yōu)質(zhì)非合金鋼和特殊質(zhì)量非合金鋼；低合金鋼可分為普通質(zhì)量低合金鋼、優(yōu)質(zhì)低合金鋼和特殊質(zhì)量低合金鋼；合金鋼可分為優(yōu)質(zhì)合金鋼和特殊質(zhì)量合金鋼。（二）鋼的牌號1．鋼鐵材料編號的表示方法根據(jù)GB/T221—2008《鋼鐵產(chǎn)品牌號表示方法》規(guī)定，鋼鐵產(chǎn)品牌號通常采用大寫漢語拼音字母、化學(xué)元素符號和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的方法表示。不同類型鋼及其牌號的表示方法如表5-2所示（詳見課本）。2．鋼鐵牌號統(tǒng)一數(shù)字代號體系國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17616—2013對鋼鐵及合金產(chǎn)品牌號規(guī)定了統(tǒng)一數(shù)字代號，與現(xiàn)行的GB/T221—2008鋼鐵產(chǎn)品表示方法同時并用，兩種方法均有效，相互對照。統(tǒng)一數(shù)字代號由固定的6位符號組成，左邊第1位用大寫拉丁字母作前綴（一般不使用“I”和“O”），后接5位阿拉伯?dāng)?shù)字。每個統(tǒng)一數(shù)字代號只適用于一個產(chǎn)品牌號。圖5-1統(tǒng)一數(shù)字代號的結(jié)構(gòu)形式二、鋼中的殘存元素和合金元素（一）殘存元素對鋼性能的影響1．錳和硅錳和硅來源于煉鋼原料生鐵和脫氧劑錳鐵、硅鐵等，它們是鋼中的有益元素。錳和硅能溶于鐵素體中產(chǎn)生固溶強化，提高鋼的強度和硬度。錳具有一定的脫氧和脫硫能力，可減輕硫的有害影響，改善鋼材的加工性能；硅能與鋼液中的FeO生成爐渣，消除其對鋼質(zhì)量的影響。作為雜質(zhì)元素，非合金鋼中，錳、硅的含量分別控制在0.8%和0.5%以下。2．硫和磷硫和磷是在煉鋼時由礦石和燃料帶入的，在鋼中都是有害元素。在液態(tài)下，鋼中能溶解大量的硫；但在固態(tài)下，鋼與硫幾乎是不溶的。在固態(tài)和液態(tài)下，鋼中都能溶解磷。3．氫、氮和氧鋼在冶煉過程中一般均與空氣接觸，會或多或少地吸收一些氣體，如H2，N2，O2等。高溫時，鋼液中溶解的氣體量較多；隨著溫度的下降，鋼液溶解氣體的能力急劇下降，多余的氣體便從鋼液中逸出，來不及逸出的氣體則留在鋼中使鋼變脆。（二）合金元素對鋼性能的影響在鋼中加入合金元素，能夠改變鋼的使用性能和工藝性能，得到更優(yōu)良或具有特殊性能的鋼。合金元素對鋼的影響主要有以下幾方面。1．對鋼中基本相的影響通常鋼的基本相為鐵素體和滲碳體，大多數(shù)合金元素的主要存在形式是溶入鐵素體或滲碳體以及形成合金碳化物。1）強化鐵素體大多數(shù)合金元素都能不同程度地溶入鐵素體，引起鐵素體晶格畸變，產(chǎn)生固溶強化作用，使鐵素體的強度、硬度升高，塑性、韌性下降，如圖5-2所示。（a）對硬度的影響

（b）對韌性的影響圖5-2合金元素對鐵素體力學(xué)性能的影響2）形成碳化物某些合金元素會與碳發(fā)生反應(yīng)形成碳化物，如Fe，Mn，Cr，Mo，W，V，Nb，Zr，Ti等（按與C的親和力由弱到強排列），這些元素稱為碳化物形成元素。而與C親和力很弱，無法形成碳化物的元素，如Ni，Si，Al，Co，Cu等，稱為非碳化物形成元素。當(dāng)碳化物以微細(xì)質(zhì)點分布于基體上時，會產(chǎn)生彌散強化作用，且合金碳化物有極高的硬度和熔點，可顯著提高鋼的耐磨性和耐熱性。此外，難熔的穩(wěn)定碳化物分布在奧氏體晶界上，可有效地細(xì)化晶粒，改善鋼的性能。2．對Fe-Fe3C相圖的影響1）改變奧氏體區(qū)的范圍添加Mn，Ni，Co，Cu等元素，可使Fe-Fe3C相圖的A3線向左下方移動，A1線降低，擴大奧氏體單相區(qū)，如圖5-3（a）所示。當(dāng)鋼中含有大量這類元素時，可在室溫下形成單相奧氏體組織，稱為奧氏體鋼，如Mn13耐磨鋼和06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼等。添加Cr，Mo，W，Ti，V，Al，Si等元素，可使Fe-Fe3C相圖的A3線向左上方移動，A1線升高，縮小奧氏體單相區(qū)，如圖5-3（b）所示。2）改變S，E點的位置

絕大多數(shù)合金元素均使Fe-Fe3C相圖的S，E點左移。S點左移，表明共析點的含碳量降低。（a）Mn的影響

（b）Cr的影響圖5-3合金元素Mn，Cr對Fe-Fe3C相圖的影響3．合金元素對鋼熱處理的影響1）合金元素對鋼加熱轉(zhuǎn)變的影響合金鋼奧氏體化的基本過程與非合金鋼一樣，也包括晶核的形成、長大及碳化物的溶解和均勻化等過程，而這些過程基本上是由碳的擴散來控制的。圖5-4合金元素對C曲線的影響2）合金元素對鋼冷卻轉(zhuǎn)變的影響合金元素（除Co外）固溶于奧氏體中，能不同程度地阻礙碳的擴散，使奧氏體穩(wěn)定性增加，C曲線右移，增大鋼的淬透性，如圖5-4（a）所示。Cr，Mo，W等碳化物形成元素，不但可使C曲線右移，還可使C曲線分離成兩個鼻尖，如圖5-4（b）所示，上部為珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)，下部為貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，兩區(qū)之間的過冷奧氏體有較大的穩(wěn)定性。3）合金元素對鋼回火轉(zhuǎn)變的影響提高回火穩(wěn)定性：鋼在回火時抵抗軟化的能力稱為鋼的回火穩(wěn)定性或耐回火性。大多數(shù)合金元素（尤其是強碳化物形成元素）對原子擴散起阻礙作用，可延緩回火時的組織轉(zhuǎn)變。產(chǎn)生二次硬化：含有較多W，Mo，V等碳化物形成元素的合金鋼，在回火溫度升高到500～600℃時，其硬度并不降低，反而升高，這種回火時硬度升高的現(xiàn)象稱為二次硬化，如圖5-5所示。圖5-5合金鋼的二次硬化示意圖三、非合金鋼非合金鋼價格低廉，工藝性能好，力學(xué)性能能滿足一般工程和機械制造的使用要求，是工業(yè)生產(chǎn)中用量最大的工程材料。（一）碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼冶煉簡單，價格低廉，具有良好的塑性、韌性及焊接性能，但強度不高。碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、化學(xué)成分、力學(xué)性能及用途如表5-3所示（詳見課本P80）。（二）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中的有害雜質(zhì)磷、硫受到嚴(yán)格限制，非金屬夾雜物含量較少，塑性和韌性較好，一般須經(jīng)熱處理后使用，主要用于制作較重要的機械零件。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、主要成分、熱處理、性能及用途如表5-4所示（詳見課本P81）。（三）碳素工具鋼碳素工具鋼的含碳量為0.65%～1.35%，其成本低，耐磨性和加工性較好，但熱硬性差、淬透性低，只適于制作尺寸不大、形狀簡單的低速刃具，以及對熱處理變形要求低的一般模具和低精度量具等。碳素工具鋼使用前要進(jìn)行熱處理，碳素工具鋼的牌號、化學(xué)成分、熱處理、性能及用途如表5-5所示，（詳見課本P82）。（四）工程用鑄造碳鋼許多形狀復(fù)雜的零件很難通過鍛壓等方法加工成形，使用鑄鐵制造性能又難以滿足要求，此時可選用鑄鋼件。鑄鋼在重型機械、運輸機械、國防等部門應(yīng)用較多，如水壓機橫梁、機車車架、大型齒輪等。一般工程用鑄造碳鋼件的牌號、化學(xué)成分、力學(xué)性能及用途如表5-6所示，（詳見課本P83）。四、低合金鋼低合金鋼是在非合金鋼的基礎(chǔ)上有目的地加入少量合金元素所形成的鋼。低合金鋼主要包括低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼、低合金耐候鋼和低合金專業(yè)用鋼等。其中，低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的用途最廣、產(chǎn)量最大。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的碳含量較低，一般小于0.2%，可獲得良好的塑性、焊接性和冷變形能力。鋼中合金元素含量小于3%，常加入的元素有Si，Mn，Ti，Nb，V等。此外，加入少量Cu和P等，可提高鋼的抗腐蝕性能；加入少量稀土元素，可以脫硫、去氣，使鋼材凈化，改善韌性和工藝性能。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼大多在熱軋空冷狀態(tài)下使用，不需要進(jìn)行專門的熱處理。在有特殊需要時，如為了改善焊接區(qū)性能，可進(jìn)行一次正火處理。使用狀態(tài)下的顯微組織一般為鐵素體+細(xì)珠光體（索氏體）。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的牌號、化學(xué)成分、力學(xué)性能及用途如表5-7所示，（詳見課本P85）.五、合金鋼根據(jù)所含主要合金元素不同，合金鋼可分為鉻鋼、鉻鎳鋼、錳鋼、硅鋼和硅錳鋼等；根據(jù)正火或鑄造態(tài)組織不同，合金鋼可分為珠光體鋼、馬氏體鋼、鐵素體鋼、奧氏體鋼和萊氏體鋼等；根據(jù)用途不同，合金鋼可分為合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼和特殊性能鋼。這種分類方法最方便，也最常用。（一）合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造各種工程結(jié)構(gòu)和機械零件，是合金鋼中用途最廣、用量最大的一類鋼，主要包括合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、合金彈簧鋼、軸承鋼等。合金滲碳鋼是經(jīng)過滲碳處理后使用的低碳合金結(jié)構(gòu)鋼，具有“面硬、心韌、耐磨”的特點，主要用于制造汽車、拖拉機中的變速齒輪，內(nèi)燃機上的凸輪軸、活塞銷等機器零件。1．合金滲碳鋼1）成分特點合金滲碳鋼的含碳量較低，一般為0.1%～0.25%，可保證零件心部有足夠的塑性和韌性。常加入Cr，Ni，Mn，B等合金元素，其作用是提高淬透性，使鋼經(jīng)滲碳、淬火后心部得到低碳馬氏體組織，以提高心部的強度和韌性。2）熱處理特點合金滲碳鋼的熱處理工藝一般都是滲碳后直接淬火，再低溫回火。對滲碳時容易過熱的鋼，如20Cr，20Mn2等，滲碳之后需先正火，以消除過熱組織，然后再進(jìn)行淬火、低溫回火。3）常用鋼種低淬透性滲碳鋼：含合金元素較少，淬透性低，心部強度較低，主要用于受沖擊力較小、截面尺寸不大的耐磨件。中淬透性滲碳鋼：具有良好的力學(xué)性能和工藝性能，淬透性較高，常用于制造承受高速、中載，要求抗沖擊和耐磨損的零件。高淬透性滲碳鋼：含有較多的Cr，Ni等合金元素，淬透性高，甚至空冷也能得到馬氏體組織，心部具有很好的韌性，特別是低溫沖擊韌性，主要用于制造承受重載荷、要求高強韌性和耐磨性的大型零件。2．合金調(diào)質(zhì)鋼合金調(diào)質(zhì)鋼是經(jīng)調(diào)質(zhì)后使用的合金鋼。經(jīng)調(diào)質(zhì)后，這類鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，廣泛用于制造汽車、拖拉機、機床和其他機器上的各種重要零件，如齒輪、軸類件、連桿、螺栓等。1）成分特點合金調(diào)質(zhì)鋼的含碳量一般為0.25%～0.5%，以0.4%居多，即中碳。含碳量過低，不易淬硬，回火后強度不夠；含碳量過高，則韌性不足。2）熱處理特點合金調(diào)質(zhì)鋼在鍛造成形后，會產(chǎn)生應(yīng)力及組織缺陷。為改善鋼的切削加工性能，細(xì)化晶粒，并為最終熱處理做好準(zhǔn)備，在粗加工前，應(yīng)進(jìn)行預(yù)備熱處理。當(dāng)原始組織為珠光體時，預(yù)備熱處理可采用正火或退火；當(dāng)原始組織為馬氏體時，預(yù)備熱處理可采用正火+高溫回火。對于不僅要求有良好的綜合力學(xué)性能，而且要求局部表面具有高硬度、高耐磨性的零件，可在調(diào)質(zhì)后進(jìn)行感應(yīng)加熱表面淬火或氮化處理。3）常用鋼種按淬透性高低，合金調(diào)質(zhì)鋼可分為低淬透性調(diào)質(zhì)鋼、中淬透性調(diào)質(zhì)鋼和高淬透性調(diào)質(zhì)鋼三類。低淬透性調(diào)質(zhì)鋼：含合金元素較少，淬透性低，經(jīng)調(diào)質(zhì)后，強度比碳鋼高，工藝性能較好，廣泛用于制造一般尺寸的重要零件。中淬透性調(diào)質(zhì)鋼：含合金元素較多，淬透性較高，調(diào)質(zhì)后強度高，主要用于制作截面較大、承受較大載荷的零件。高淬透性調(diào)質(zhì)鋼：多數(shù)含有Cr，Ni兩種合金元素，淬透性高，調(diào)質(zhì)后強度和韌性好，主要用于制作截面較大、承受重載荷的重要零件。常用合金調(diào)質(zhì)鋼的牌號、化學(xué)成分、熱處理、性能及用途如表5-9所示，（詳見課本P88）。3．合金彈簧鋼合金彈簧鋼是一種專用結(jié)構(gòu)鋼，主要用于制造各種彈簧和彈性元件。1）成分特點為了保證高的彈性極限和疲勞強度，合金彈簧鋼的含碳量一般為0.45%～0.7%。含碳量過高，會使塑性、韌性下降，疲勞強度也會降低。2）熱處理特點（1）熱成形彈簧。當(dāng)彈簧直徑或板簧厚度大于10mm時，常采用熱態(tài)下成形，即將彈簧鋼加熱至比正常淬火溫度高50～80℃進(jìn)行熱卷成形，然后利用余熱淬火，再進(jìn)行中溫回火，獲得回火托氏體，其硬度為40HRC～48HRC，具有較高的彈性極限、疲勞強度和一定的塑性與韌性。（2）冷成形彈簧。當(dāng)彈簧直徑或板簧厚度小于10mm時，常采用冷拉彈簧鋼絲成形。按制造工藝不同，冷拉彈簧鋼絲可分為以下三種。鉛淬冷拉鋼絲：將鋼絲坯料奧氏體化后，在熔鉛中保溫，獲得索氏體，然后經(jīng)多次冷拔至所需直徑。鋼絲冷卷成彈簧后，只進(jìn)行一次200～300℃低溫去應(yīng)力退火即可。油淬回火鋼絲：將鋼絲冷拔至規(guī)定尺寸后，進(jìn)行油淬和中溫回火，冷卷成彈簧后，進(jìn)行一次200～300℃低溫去應(yīng)力退火即可。退火鋼絲：此種鋼絲是在退火狀態(tài)供應(yīng)的。鋼絲經(jīng)冷卷成彈簧后，應(yīng)進(jìn)行淬火和中溫回火。3）常用鋼種常用彈簧鋼的牌號、化學(xué)成分、熱處理、力學(xué)性能及用途如表5-10所示，（詳見課本P91）。其中，60Si2Mn鋼是性價比高、最常應(yīng)用的合金彈簧鋼；50CrVA鋼淬透性高，主要用于大截面、承受重載荷及工作溫度較高的閥門彈簧。4．軸承鋼軸承鋼主要用于制造滾動軸承的滾動體（滾珠、滾柱、滾針）和內(nèi)、外套圈等，屬于專用結(jié)構(gòu)鋼。滾動軸承工作時承受很大的局部交變載荷，滾動體與套圈間接觸應(yīng)力極大，軸承工作表面易產(chǎn)生接觸疲勞破壞和磨損。因此，要求軸承鋼具有高的硬度、耐磨性、彈性極限和接觸疲勞強度，足夠的韌性和耐蝕性。1）成分特點為了保證高硬度、高耐磨性和高強度，軸承鋼的含碳量較高，一般為0.9%～1.10%。軸承鋼中的主要合金元素為Cr，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%～1.65%。Cr可提高鋼的淬透性，并使鋼熱處理后形成細(xì)小、彌散分布的合金滲碳體，提高鋼的耐磨性、強度、接觸疲勞強度。軸承鋼對P，S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求很嚴(yán)格，因為它們的存在會降低鋼的疲勞強度，影響軸承的使用壽命。2）熱處理特點軸承鋼的熱處理工藝主要為球化退火、淬火和低溫回火。球化退火為軸承鋼的預(yù)先熱處理，它不僅可以降低鍛造后鋼的硬度，以利于切削加工，而且為零件的最終熱處理做好組織準(zhǔn)備。淬火和低溫回火是軸承鋼的最終熱處理，其淬火溫度要求十分嚴(yán)格。對于精密軸承，必須保證在長期存放和使用中不變形。3）常用鋼種常用軸承鋼的牌號、化學(xué)成分、退火硬度及用途如表5-11所示（詳見課本P93）。其中，GCr15的使用量最大。它多用于制造中、小型軸承，也常用來制造冷沖模、量具和絲錐等。（二）合金工具鋼合金工具鋼專門用于制造各種加工工具，按用途可分為合金刃具鋼、合金模具鋼和合金量具鋼等。1．合金刃具鋼合金刃具鋼主要用于制造各種金屬切削刀具，如車刀、銑刀、鉆頭等。刃具工作時，刃部與切屑、毛坯間產(chǎn)生強烈摩擦，使刃部磨損，并產(chǎn)生高溫；此外，刃具還承受一定的沖擊和振動。因此，對刃具要求具有高的硬度、耐磨性、熱硬性、足夠的塑性和韌性等。合金刃具鋼主要分為低合金刃具鋼和高速鋼兩類。1）低合金刃具鋼低合金刃具鋼主要用于低速切削，工作溫度一般不超過300℃，常用于制造截面較大、形狀復(fù)雜、切削條件較差的刃具，如搓絲板、絲錐、板牙等。（1）成分特點。低合金刃具鋼是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素形成的，其含碳量為0.75%～1.5%，以保證鋼的高硬度和耐磨性。（2）熱處理特點。低合金刃具鋼的加工過程是球化退火→機加工→淬火和低溫回火。淬火溫度應(yīng)根據(jù)工件形狀、尺寸及性能要求嚴(yán)格控制，一般都要預(yù)熱。（3）常用鋼種。常用低合金刃具鋼的牌號、化學(xué)成分、熱處理、性能及用途如表5-12所示（詳見課本P94）。其中，9SiCr鋼應(yīng)用最廣泛，它具有高的淬透性和回火穩(wěn)定性，使用溫度可達(dá)250～300℃，可用于制造各種低速切削的刃具，如板牙、絲錐等，也常用作冷沖模。2）高速鋼高速鋼用于高速切削，工作溫度可高達(dá)500～600℃。高速鋼的熱硬性和耐磨性均優(yōu)于碳素工具鋼和低合金刃具鋼，應(yīng)用廣泛。（1）成分特點。高速鋼的含碳量較高，一般為0.70%～1.50%，以保證獲得高碳馬氏體和形成足夠的合金碳化物，提高鋼的硬度、耐磨性和熱硬性。（2）熱處理特點。①退火。高速鋼的預(yù)備熱處理是球化退火，其目的是降低硬度，以便于切削加工，并為淬火做好組織準(zhǔn)備。②淬火和回火。高速鋼的導(dǎo)熱性差，為減小淬火加熱時的熱應(yīng)力，防止變形和開裂，必須在800～850℃預(yù)熱，待整個工件截面上的溫度均勻后，再加熱到淬火溫度。高速鋼淬火、回火后的組織為回火馬氏體+粒狀碳化物+少量殘余奧氏體，其硬度為63HRC～65HRC。（3）常用鋼種。常用高速鋼的牌號、化學(xué)成分、熱處理、性能及用途如表5-13所示（詳見課本P95）。其中最重要的有兩種，一種是鎢系W18Cr4V鋼，另一種是鎢-鉬系W6Mo5Cr4V2鋼。兩種鋼的組織、性能相似，其各自的主要特點是：W18Cr4V鋼的熱硬性較好，熱處理時的脫碳和過熱傾向性較小；W6Mo5Cr4V2鋼的耐磨性、高溫塑性和韌性較好。2．合金模具鋼合金模具鋼主要用來制造各種模具。按使用條件不同，合金模具鋼可分為冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼等。1）冷作模具鋼冷作模具鋼用于制造冷沖模、冷鐓模、冷擠壓模、拔絲模等。這類模具工作時，因坯料冷態(tài)下的變形抗力大，模具要承受很大的載荷和沖擊、摩擦作用，工作溫度一般低于200℃，主要失效形式有磨損、變形和斷裂。（1）成分特點。冷作模具鋼的含碳量高，多在1.0%以上，有時達(dá)2.0%，以保證高硬度和高耐磨性。（2）熱處理特點。冷作模具鋼的熱處理有一次硬化法和二次硬化法。一次硬化法是在較低溫度（950～1000℃