金屬材料熱處理教材

目錄

緒論

縱觀人類得文明史，從某種意義上說(shuō)就就是一部人類認(rèn)識(shí)材料與使用材料得發(fā)展史。從

遠(yuǎn)古到現(xiàn)代，人類從最初得石器時(shí)代已經(jīng)發(fā)展到了當(dāng)今得人工合成材料時(shí)代。在人類使用得

眾多材料中,金屬材料由于其所特有得各種優(yōu)異性能，被廣泛地應(yīng)用于生活與生產(chǎn)當(dāng)中，就是

現(xiàn)代工業(yè)與科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域不可缺少得重要材料。

作為一名機(jī)械行業(yè)得技術(shù)工人，從手中得工具到加工得零件,每天都要與各種各樣得金屬

材料打交道，為了能夠正確地認(rèn)識(shí)與使用金屬材料，合理地確定不同金屬材料得加工方法，充

分發(fā)揮材料得潛力，就必須熟悉金屬材料得牌號(hào)，了解它們得性能與變化規(guī)律。為此,我們需

要比較深入地學(xué)習(xí)與了解金屬材料得相關(guān)知識(shí)，金屬材料與熱處理正就是這樣一門研究金屬

材料得成分、組織、熱處理與金屬材料性能之間得關(guān)系與變化規(guī)律得學(xué)科。

本課程得基本內(nèi)容與學(xué)習(xí)特點(diǎn)如下：

本課程得主要內(nèi)容包括金屬材料得基本知識(shí)、金屬得性能、金屬學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與熱處理得

基本知識(shí)等。

所謂金屬，就是指由單一元素構(gòu)成得具有特殊得光澤、延展性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性得物質(zhì)，

如金、銀、銅、鐵、鋅、鋅、鋁等。而合金就是指由一種金屬元素與其她金屬元素或非金屬

元素通過(guò)熔煉或其她方法合成得具有金屬特性得材料。金屬材料就是金屬及其合金得總稱，

即指金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成得，并具有金屬特性得物質(zhì)。

金屬材料得基本知識(shí)主要介紹金屬得晶體結(jié)構(gòu)及變形得相關(guān)知識(shí);金屬得性能主要介紹

金屬得力學(xué)性能與工藝性能;金屬學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)講述了鐵碳合金得組織及鐵碳合金相圖；金屬

材料講述了碳素鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬及硬質(zhì)合金等金屬材料得常用牌號(hào)、成分、組

織、性能及用途。熱處理基本知識(shí)講述熱處理得原理（鋼在加熱、保溫、冷卻時(shí)得組織轉(zhuǎn)變）

與熱處理得工藝1退火、正火、淬火、回火、表面熱處理等）及常用材料得典型熱處理工藝。

金屬材料與熱處理就是一門從生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)展起來(lái)得，又直接為生產(chǎn)服務(wù)得專業(yè)基礎(chǔ)課，具有

很強(qiáng)得實(shí)踐性;另一方面，由于金屬材料得種類繁多，其性能又千變?nèi)f化，學(xué)習(xí)起來(lái)有一定得難

度。但只要弄清楚重要得概念與基本理論，按照材料得成分與熱處理決定其組織，組織決定其

性能，性能又決定其用途這一內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行學(xué)習(xí)與記憶;注意理論聯(lián)系實(shí)際，認(rèn)真完成作業(yè)與

實(shí)驗(yàn)等教學(xué)環(huán)節(jié)，就是完全可以學(xué)好這門課程得。

篁「宣

金屬材料得性能

材料得性能就是零件設(shè)計(jì)中選材得主要依據(jù),也就是技術(shù)工人在加工過(guò)程中合理選擇加

工方法、正確刃磨刀具幾何參數(shù)、合理選擇切削用量得重要保證。

§1—1

金屬材料得損壞與塑性變形

在生產(chǎn)中,機(jī)器零件得性能往往達(dá)不到理想要求,許多零件在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生損壞,不

但嚴(yán)重影響生產(chǎn),甚至造成人身事故。機(jī)械零件在使用中常見得損壞形式有變形、斷裂及磨

損等，見表2—1。

表2—1機(jī)械零件常見得損壞形式

分類圖樣說(shuō)明

零件在外力作用下形狀與尺寸所發(fā)生得變化稱為變形。

變形分為彈性變形與塑性變形。彈性變形就是指外力消

變形

螺栓發(fā)生彎曲除后能夠恢復(fù)得變形;塑性變形就是指外力消除后無(wú)法恢復(fù)

得永久性變形。造成零件損壞得變形，通常就是指塑性變形

斷裂零件在外力作用下發(fā)生開裂或折斷稱為斷裂

因摩擦而使零件尺寸、表面形狀與表面質(zhì)量發(fā)生變化得現(xiàn)象

磨損

螺紋前端齒牙磨損稱為磨損

另外，塑性變形還有有利得一面，可以作為零件成形與強(qiáng)化得重要手段。工業(yè)上使用得

大部分金屬產(chǎn)品,一般都就是先澆注成鑄錠后,再經(jīng)過(guò)壓力加工制成得,如圖2—1所示。

扎制擠壓冷拔鍛壓冷沖壓

圖2T壓力加工方法示意圖

上述加工得目得不僅在于使產(chǎn)品成形，更重要得就是為了改善其^織與性能。了解金屬

變形得規(guī)律對(duì)理解金屬材料力學(xué)性能指標(biāo)得物理意義，以及在生產(chǎn)中針對(duì)不同金展材料選擇

合

理得強(qiáng)化手段,具有非常重要得意義。

一'與變形相關(guān)得幾個(gè)概念

1、載荷

金屬材料得變形通常就是在外力作用下發(fā)生得，金屬材料在加工及使用過(guò)程中所受得外

力稱為載荷。根據(jù)載荷作用性質(zhì)得不同，載荷可分為靜載荷、沖擊載荷與交變載荷三種、

（1）靜載荷指大小不變或變化過(guò)程緩慢得載荷。

（2）沖擊載荷在短時(shí)問(wèn)內(nèi)以較高速度作用于零件上得載荷。

（3）交變載荷指大小、方向或大小與方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化得載荷。

根據(jù)作用形式不同，載荷又可分為拉伸載荷、壓縮載荷、彎曲載荷、剪切載荷與扭轉(zhuǎn)載

荷等，如圖2—2所不。

a）拉抻載荷b）壓縮載荷c）彎曲載荷d）剪切載荷e）扭轉(zhuǎn)載荷

2、內(nèi)力

工件或材料在受到外部載荷作用時(shí)、為使其不變形,在材料內(nèi)部產(chǎn)生得一種與外力相對(duì)

抗得力，稱為內(nèi)力。這種內(nèi)力得大小與外力相等，并作用于材料內(nèi)部（注意:外力與內(nèi)力有別

于作用力與反作用力）。

3、應(yīng)力

同樣材料、不同直徑得螺栓在相同拉力作用下，細(xì)得可能拉斷，粗得則可能沒(méi)有拉斷。

因此,金屬材料得力學(xué)性能只憑外力得大小就是無(wú)法判定得。為此,在假設(shè)作用在零件橫截面

上得內(nèi)力大小就是均勻分布得情況下，采用單位橫截面面積上得內(nèi)力一一應(yīng)力來(lái)加以判定。

材料受拉伸或壓縮載荷作用時(shí),其應(yīng)力按下式計(jì)算：

式中一一應(yīng)力,，，當(dāng)面積以為單位時(shí),則應(yīng)力可以為單位，；

----外力，；

----橫截面面積，。

二、金屬得變形

金屬在外部載荷作用下,首先發(fā)生彈性變形,載荷增加到一定值后,除了發(fā)生彈性變形外,

還發(fā)生塑性變形，即彈一一塑性變形。繼續(xù)增加載荷，塑性變形也將逐漸增大,直至金屬發(fā)生

斷裂。即金屬在外力作用下得變形可分為彈性變形、彈一一塑性變形與斷裂三個(gè)連續(xù)得階段。

彈性變形后,當(dāng)外力消除后變形消失，金屬恢復(fù)到原來(lái)得形狀,因此,金屬?gòu)椥宰冃魏笃?/p>

組織與性能將不發(fā)生變化。

三、金屬材料得冷塑性變形與加工硬化

金屬材料得冷塑性變形，在外形變化得同時(shí)，晶粒得形狀也會(huì)發(fā)生變化。通常晶粒會(huì)沿

變形方向壓扁或拉長(zhǎng),如圖2—3所示。冷塑性變形除了使晶粒得外形發(fā)生變化外,還會(huì)使晶粒

內(nèi)部得位錯(cuò)密度增加，晶格畸變加劇，從而使金屬隨著變形量得增加，其強(qiáng)度、硬度提高，而

塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為“形變強(qiáng)化”或“加工硬化”。

閱讀

日常生活中得許多金屬結(jié)構(gòu)件，都就是通過(guò)形變強(qiáng)化來(lái)提高其性能得。如汽車、洗

衣機(jī)、電器箱得外殼等,在通過(guò)沖壓成形得同時(shí)也提高了其強(qiáng)度、安全性與使用壽命。

形變強(qiáng)化就是一種重要得金屬?gòu)?qiáng)化手段，對(duì)那些不能用熱處理強(qiáng)化得金屬尤為重要:此

外，它還可使金屬具有偶然抗超載得能力。塑性較好得金屬材料在發(fā)生變形后，由于形變強(qiáng)

化得作用，必須承受更大得外部載荷才會(huì)發(fā)生破壞,這在一定程度上提高了金屬構(gòu)件在使用

中得安全性。如壓力容器得灌底總就是做成向內(nèi)凸起得形狀，其目得就就是當(dāng)內(nèi)部壓力過(guò)大

時(shí)，可在灌底先產(chǎn)生塑性變形而不致突然破裂。

但另一方面金屬發(fā)生加工硬化也會(huì)給金屬得切削加工或進(jìn)一步變形加工帶來(lái)困難。為了

改善發(fā)生加工硬化金屬得加工條件,生產(chǎn)中必須進(jìn)行中間熱處理，以消除加工硬化帶來(lái)得不

利影響。如變形量較大得冷拉成形容器，在拉伸過(guò)程中要通過(guò)多次拉伸、再結(jié)晶退火與再拉

伸，就足為了避免塑性變形過(guò)程中得加工硬化而造成開裂。

提示

塑性變形除了影響力學(xué)性能外,還會(huì)使金屬得物理性能與化學(xué)性能發(fā)生變化,如電阻增加,化學(xué)

活性增大,耐蝕性降低等。

§1—2

金屬得力學(xué)性能

任何機(jī)械零件或工具在使用過(guò)程中往往要受到各種形式外力得作用。如起重機(jī)上得鋼索

受到懸吊物拉力得作用;柴油機(jī)上得連桿在傳遞動(dòng)力時(shí),不僅受到拉力得作用,而且還受到?jīng)_

擊力得作用，軸類零件要受到彎矩、扭力得作用等。這就要求金屬材料必須具有一種承受機(jī)

械載荷而不超過(guò)許可變形或不破壞得能力,這種能力就就是材料得力學(xué)性能。金屬表現(xiàn)出來(lái)

得諸如強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度等特征,就就是金屬材料在外力作用下表現(xiàn)

出得力學(xué)性能指標(biāo)、

一、強(qiáng)度

金屬在靜載荷作用下抵抗塑性變形或斷裂得能力稱

為強(qiáng)度。強(qiáng)度得大小用應(yīng)力表示。

根據(jù)載荷得作用方式不同，強(qiáng)度可分為抗拉強(qiáng)度、抗

壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度與抗彎強(qiáng)度。通常以抗拉

強(qiáng)度代表材料得強(qiáng)度指標(biāo)。

抗拉強(qiáng)度就是通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)定得。它利用拉伸試

驗(yàn)機(jī)（圖21）產(chǎn)生得靜拉力，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行軸向拉

伸，同時(shí)連續(xù)測(cè)量變化得載荷與試樣得伸長(zhǎng)量,直至斷裂,

并根據(jù)測(cè)得得數(shù)據(jù)計(jì)算出有關(guān)得力學(xué)性能指標(biāo)。

1、拉伸試樣

拉伸試樣有圓形、矩形、六方等形狀，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

（GB/T228—2002）中規(guī)定了試樣得形狀、尺寸及加工要

求等，圖2—5所示為圓形拉伸試樣。圖2-4拉伸試驗(yàn)機(jī)

圖2—5拉伸試樣

a）拉伸b）拉伸后

圖中，為試樣直徑,為標(biāo)距長(zhǎng)度。標(biāo)準(zhǔn)拉伸比例試樣得比例系數(shù)，即；當(dāng)以此比例系數(shù)獲

得得原始標(biāo)距長(zhǎng)度小于15nmi時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用

得比例試樣

2、力一伸長(zhǎng)曲線

拉伸實(shí)驗(yàn)中，依據(jù)拉力與伸長(zhǎng)量之間得關(guān)系在直角坐標(biāo)系中繪出得曲線稱為

力一一伸長(zhǎng)曲線，拉伸過(guò)程可分為彈性變形階段、屈服階段、強(qiáng)化階段與縮頸階段，如圖

2—6所不。

二、硬度

材料抵抗局部變形,特別就是塑性變形、壓痕或劃痕得能力稱為硬度。它就是衡量材料

軟硬程度得指標(biāo)。硬度越高,材料得耐磨性越好。機(jī)械加工中所用得刀具、量具、模具以及

大多數(shù)機(jī)械零件都應(yīng)具備足夠得硬度,以保證使用性能與壽命，否則容易因磨損而失效。因

此硬度就是金屬材料一項(xiàng)重要得力學(xué)性能。通常,硬度就是通過(guò)在專用得硬度試救機(jī)上實(shí)驗(yàn)

測(cè)得得，如圖2—7所示，常用得硬度實(shí)驗(yàn)法有布氏硬度實(shí)驗(yàn)法、洛氏硬度實(shí)驗(yàn)法與維氏硬度

實(shí)驗(yàn)法。

屈服階段強(qiáng)化階段縮頸階段

外力大于然后，試樣發(fā)生塑性變外力大于&L后，試樣再繼續(xù)伸當(dāng)外力達(dá)到最大力/后，試樣的某

形，當(dāng)外力增加到形后,曲線為鋸氏則必須不斷增加拉伸力。隨著變一直徑處發(fā)生局部收縮，稱為“縮頸二

齒狀，這種拉伸力不增加變形卻繼形增大.變形抗力也逐漸增大,這此時(shí)截面縮小，變形繼續(xù)在此截面發(fā)

續(xù)增加的現(xiàn)象稱為屈服。/k為屈服種現(xiàn)象稱為形變強(qiáng)化，心為試樣在生，所需外力也隨之逐漸降低，宜至斷

載荷屈服階段后所能抵抗的最大力

彈性變形階段

人為發(fā)生最大彈性變形時(shí)

的載荷。外力一旦撤去，則

變形完全消失

圖2—6低碳鋼得力一一伸長(zhǎng)曲線

圖2—7硬度試驗(yàn)機(jī)

a)布氏硬度試驗(yàn)機(jī)b)洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)c)維氏硬度試驗(yàn)機(jī)

1.布氏硬度

(1)布氏硬度得定義使用一定直徑得硬質(zhì)合金球體，以規(guī)定實(shí)驗(yàn)力壓人試樣表面,并保持

規(guī)定時(shí)間后卸除實(shí)驗(yàn)力,然后用測(cè)量表面壓痕直徑來(lái)計(jì)算硬度,如圖2—8所示。

布氏硬度值就是用球面壓痕單位面積上所承受得平均壓力來(lái)表示,所以布氏硬度就是有

單位得，其單位為，但一般均不標(biāo)出，用符號(hào)表示，

即：

式中——球面壓痕表面積，；

——實(shí)驗(yàn)力,；

----壓頭直徑，；

——壓痕平均直徑，。

在實(shí)際應(yīng)用中,布氏硬度值一般不需要計(jì)算,而

就是用專用得刻度放大鏡量出壓痕直徑,再?gòu)膲汉?/p>

與硬度對(duì)照表中查出相應(yīng)得布氏硬度值。詳見附錄

I。

圖2—8布氏硬度得定義

(2)布氏硬度得表示方法布氏硬度用硬度值、

硬度符號(hào)、壓頭直徑、實(shí)驗(yàn)力及實(shí)驗(yàn)保持時(shí)間表示。當(dāng)保持時(shí)間為10?15時(shí)可不標(biāo)。

例如17010/1000/30表示用直徑為10得壓頭,在9807(1000)實(shí)驗(yàn)力作用下，保持30

時(shí)測(cè)得得布氏硬度值為170;又如6001/30/20表示用直徑為1得壓頭,在294、2(30)

實(shí)驗(yàn)力作用下，保持20時(shí)測(cè)得得布氏硬度值為600o

進(jìn)行布氏硬度實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)被測(cè)材料種類、厚度及硬度值范圍選擇實(shí)驗(yàn)力、壓頭直徑

與實(shí)驗(yàn)保持時(shí)間。

(3)應(yīng)用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)布氏硬度主要用于測(cè)定鑄鐵、有色金屬及退火、正火、調(diào)質(zhì)處理

后得各種軟鋼等硬度較低得材料。

布氏硬度實(shí)驗(yàn)法，壓痕直徑較大，能較準(zhǔn)確地反映材料得平均性能。由于強(qiáng)度與硬度間

有一定得近似比例關(guān)系(參見附錄n),因而在生產(chǎn)中較為常用。但由于測(cè)壓痕直徑費(fèi)時(shí)費(fèi)力，

操作時(shí)間長(zhǎng),而且不適于測(cè)高硬度材料，壓痕較大，所以只適宜對(duì)毛坯與半成品進(jìn)行測(cè)試，

而不宜對(duì)成品及薄壁零件進(jìn)行測(cè)試。

/■、

I閱讀

布氏硬度與抗拉強(qiáng)度得近似關(guān)系如下：

低碳鋼得;高碳鋼得。

合金鋼得;灰鑄鐵得。

2.洛氏硬度

(1)洛氏硬度得定義洛氏硬度實(shí)驗(yàn)就是目前應(yīng)用范圍最廣得硬度實(shí)驗(yàn)方法。它就是采用直

接測(cè)量壓痕深度來(lái)確定硬度值得,如圖2—9所示。壓頭就是120。金剛石圓錐體或直徑為得淬

火鋼圓球。在初始實(shí)驗(yàn)力作用下,試樣壓痕深度為,壓頭位置為1—1,再加上主實(shí)驗(yàn)力后，

總實(shí)驗(yàn)力為，壓頭壓人深度為，壓頭位置為2—2,經(jīng)一定時(shí)間保持后撤去主實(shí)驗(yàn)力，仍保留初

始實(shí)驗(yàn)力，試樣得彈性變形恢復(fù),壓頭上升到3—3位置,而壓頭在主實(shí)驗(yàn)力作用下,壓入試樣

深度為。當(dāng)壓頭為120°金剛石圓錐體時(shí)，洛氏硬度計(jì)算式如下：

洛氏硬度無(wú)單位。實(shí)際測(cè)量時(shí),洛氏硬度值可直接從硬度計(jì)表盤(圖2—10)上讀取。

圖2—9洛氏硬度得定義圖2—10洛氏硬度計(jì)表盤

(2)洛氏硬度得表示方法符號(hào)前面得數(shù)字表示硬度值。后面得字母表示不同

得洛氏硬度標(biāo)尺。例如45表示用C標(biāo)尺測(cè)定得洛氏硬度值為45。

(3)常用洛氏硬度標(biāo)尺及其適用范圍同一臺(tái)硬度計(jì),當(dāng)采用不同得壓頭與不同得總實(shí)驗(yàn)

力時(shí)，可組成幾種不同得洛氏硬度標(biāo)尺，常用得洛氏硬度標(biāo)尺有A、B、C三種，其中C標(biāo)尺

應(yīng)用最廣。三種洛氏硬度標(biāo)尺得實(shí)驗(yàn)條件與適用范圍見表2―2。

表2—2常用得三種洛氏硬度標(biāo)尺得實(shí)驗(yàn)條件與適用范圍

硬度標(biāo)尺壓頭類型總實(shí)驗(yàn)力()硬度值有效范圍應(yīng)用舉例

1200金剛石圓錐

1471>020?67一般淬火鋼

體

鋼球980、725?100軟鋼、退火鋼、銅合金等

120°金剛石圓雉體588、460?85硬質(zhì)合金、表面淬火鋼等

(4)洛氏硬度實(shí)驗(yàn)法得優(yōu)缺點(diǎn)洛氏硬度實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、迅速，可直接從表盤上讀出硬度

值；壓痕直徑很小，可以測(cè)量成品及較薄工件；測(cè)試得硬度值范圍較大,可測(cè)從很軟到很硬得

金屬材料，所以在生產(chǎn)中廣為應(yīng)用，其中得應(yīng)用尤其廣泛。但由于壓痕小，當(dāng)材料組織不均勻

時(shí),測(cè)量值得代表性差。一般需在不同得部位測(cè)試幾次,取讀數(shù)得平均值代表材料得硬度。

三、沖擊韌性

許多機(jī)械零件在工作中往往要受到?jīng)_擊載荷得作用，如活塞銷、鍛錘桿、沖模、鍛模等。

制造此類零件所用材料必須考慮其抗沖擊載荷得能力。金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞

得能力稱為沖擊韌性。材料得沖擊韌性用一次擺錘沖擊彎曲實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定。

將被測(cè)材料加工成如圖2—11所示得沖擊試樣。

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維氏硬度

維氏硬度實(shí)驗(yàn)原理基本上與布氏硬度實(shí)驗(yàn)相同,如右圖所示。

相對(duì)兩面為136。得正四棱錐金剛石壓頭以選定得實(shí)驗(yàn)力壓入實(shí)驗(yàn)

表面。經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后,卸除實(shí)驗(yàn)力,測(cè)量壓痕兩對(duì)角線平均長(zhǎng)

度,根據(jù)值查中得維氏硬度數(shù)值表即可

得出硬度值(也可用公式計(jì)算)，用符號(hào)表示。例如

表示用(30kg)實(shí)驗(yàn)力,保持10?15s(可省略不標(biāo))，

測(cè)定得硬度值為640。維氏硬度因?qū)嶒?yàn)力小、壓入深度淺，故可測(cè)量

較薄材料,也可測(cè)量表面滲碳、滲氮層得硬度。因維氏硬度值具有

連續(xù)性()故可測(cè)從很軟到很硬得金屬材料得硬度，

\且準(zhǔn)確性高。維氏硬度實(shí)驗(yàn)得缺點(diǎn)就是需測(cè)量壓痕對(duì)角線得長(zhǎng)度；

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),常用帶有形或形缺口得得試樣,一次擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)如圖2—12所示。

圖2—11沖擊試樣圖2—12一次擺錘沖擊試驗(yàn)

機(jī)

a)U形缺口沖擊試樣b)V形缺口沖擊試樣

試樣從一定高度被擊斷后,缺口處單位橫截面面積上吸收得功，即表示沖擊韌度值

式中一一沖擊韌度，，值越大，材料得沖擊韌性越好；

——沖擊吸收功，;

——試樣缺口處得橫截面面積,。

★四'疲勞強(qiáng)度

彈簧、曲軸、齒輪等機(jī)械零件在工作過(guò)程中所承受載荷得大小、方向隨時(shí)間做周期性變

化,在金屬材料內(nèi)部引起得應(yīng)力發(fā)生周期性地波動(dòng)。此時(shí)，由于所承受得載荷為交變載荷，零

件承受得應(yīng)力雖低于材料得屈服強(qiáng)度,但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間得工作后,仍會(huì)產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷

裂。金屬這樣得斷裂現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。金屬材料抵抗交變載荷作用而不產(chǎn)生破壞得能力

稱為疲勞強(qiáng)度。疲勞極限用符號(hào)表示。

提示

疲勞失效與靜載荷下得失效不同,斷裂前沒(méi)有明顯得塑性變形,發(fā)生斷裂也較突

然。這種斷裂具有很大得危險(xiǎn)性，常常會(huì)造成嚴(yán)重得事故。

疲勞破壞就是機(jī)械零件失效得主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計(jì),在失效得機(jī)械零件中,大約有80%

以上屬于疲勞破壞,而且疲勞破壞前沒(méi)有明顯得變形，斷裂前沒(méi)有預(yù)兆,所以疲勞破壞經(jīng)常造

成重大事故。

I閱讀

在第二次世界大戰(zhàn)中，德國(guó)派出轟炸機(jī)頻頻轟炸英國(guó)本土。英國(guó)皇家空軍駕駛戰(zhàn)機(jī)在空

中攔截,戰(zhàn)況慘烈。突然,在不長(zhǎng)得一段時(shí)間內(nèi)，英國(guó)戰(zhàn)機(jī)相繼墜落,機(jī)效人亡,英國(guó)軍方對(duì)墜

落飛機(jī)介入調(diào)查,最初得結(jié)論認(rèn)為,德國(guó)就是否發(fā)明了什么新式武器,因?yàn)樵趬嬄滹w機(jī)得殘骸

上無(wú)任何彈痕,從而引起一片恐慌。但隨著調(diào)查得深入,最終結(jié)論就是:這些墜落得戰(zhàn)機(jī)無(wú)一

例外地就是由于疲勞現(xiàn)象得發(fā)生而墜毀得。也就就是說(shuō),飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)得零件出現(xiàn)了疲勞斷

裂。究其原因做進(jìn)一步得分析,機(jī)械零件之所以產(chǎn)生疲勞破壞,主要就是由于制造這些機(jī)械零

件得材料表面或內(nèi)部有缺陷，如夾雜、劃痕、夾角、軟點(diǎn)、顯微裂紋等,這些地方得局部應(yīng)力

大于屈服強(qiáng)度,在循環(huán)載荷得反復(fù)作用下，產(chǎn)生疲勞裂紋,并隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)得增加,疲勞裂

紋不斷擴(kuò)散,使零件得有效承載面積不斷減小,最后達(dá)到某一臨界尺寸時(shí)而突然斷裂。

機(jī)械零件產(chǎn)生疲勞破壞得原因就是材

料

表面或內(nèi)部有缺陷（如夾雜、劃痕、夾角

等）。顯微裂紋隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)得增加而

逐漸擴(kuò)展，使承力面積大大減小，以致承

力面積減小到不能承受所加載荷而突然斷

裂。疲勞斷裂得零件斷口如圖2—13所示。

為了提高零件得疲勞強(qiáng)度,除合理選

材外，細(xì)化晶粒、均勻組織、減少材料內(nèi)

部缺陷、改善零件得結(jié)構(gòu)形式、減小零件圖2—13疲勞斷裂宏觀斷口示意圖

表面粗糙度數(shù)值及采取各種表面強(qiáng)化得方法（如對(duì)工件表面淬火、噴丸、滲、鍍等），都能取

得一定得效果。

常用得力學(xué)性能指標(biāo)及其含義見表2—3。

表2—3常用得力學(xué)性能指標(biāo)及其含義

性能指標(biāo)

力學(xué)性能含義

符號(hào)名稱舊標(biāo)符號(hào)單位

抗拉強(qiáng)度試樣拉斷前所能承受得最大力得應(yīng)力

強(qiáng)度下屈服強(qiáng)度MPa發(fā)生塑性變形而力不增加時(shí)得應(yīng)力點(diǎn)

規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度規(guī)定非比例延伸率為0、2%時(shí)得應(yīng)力

斷后標(biāo)距得伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距之比得

斷后伸長(zhǎng)率A百分率

塑形00

斷面收縮率斷后試樣得最大收縮量與原始橫截面

A面積之比得百分率

球形壓痕單位面積上所受得平均壓力

HBW布氏硬度HBS、HBW

用洛氏硬度相應(yīng)標(biāo)尺刻度滿程與壓痕

HR洛氏硬度HRMPa

硬度深度之差計(jì)算得硬度值

（A、B、C）（A、B、C標(biāo)尺）（A、B、C）MPa

正四棱錐壓痕單位面積上所受得平均

HV維氏硬度HV

壓力

沖擊試樣缺口處單位橫截面面積上得

沖擊韌性沖擊韌度

沖擊吸收功

試樣承受無(wú)數(shù)次（或給定次數(shù)）對(duì)稱循

疲勞強(qiáng)度疲勞極限MPa

環(huán)應(yīng)力仍不斷裂得最大應(yīng)力

§1—3

金屬得工藝性能

金屬材料得一般加工過(guò)程如圖2—14所示。

圖2—14金屬材料得一般加工過(guò)程

金屬材料得工藝性能就是指金屬材料對(duì)不同加工工藝方法得適應(yīng)能力,它包括鑄造性

能、鍛壓性能、焊接性能、切削加工性能與熱處理性能等。工藝性能直接影響零件制造得工

藝、

質(zhì)量及成本,就是選材與制定零件工藝路線時(shí)必須要考慮得重要因素。

一、鑄造性能

鑄造性能就是指鑄造成形過(guò)程（圖2—15〉中獲得外形準(zhǔn)確、內(nèi)部健全鑄件得能力。鑄造

性能主要取決于金屬得流動(dòng)性、收縮性與偏析傾向等。

圖2—15鑄造過(guò)程

1、流動(dòng)性

熔融金屬得流動(dòng)能力稱為流動(dòng)性。流動(dòng)性好得金屬，充型能力強(qiáng)，能獲得輪廓清晰、尺

寸精確、外形完整得鑄件。影響流動(dòng)性得因素主要就是化學(xué)成分與澆注得工藝條件。

受化學(xué)成分得影響，通常各元素比例能達(dá)到同時(shí)結(jié)晶得成分（共晶成分）得合金流動(dòng)性最

好。常用鑄造合金中，灰鑄鐵得流動(dòng)性最好，鋁合金次之，鑄鋼最差。

2、收縮性

鑄造合金由液態(tài)凝固與冷卻至室溫得過(guò)程中，體積與尺寸減小得現(xiàn)象稱為收縮性。鑄造

合金收縮性過(guò)大會(huì)影響尺寸精度，還會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生縮孔、疏松、內(nèi)應(yīng)力、變形與開裂等缺陷。

鐵碳合金中，灰鑄鐵收縮率小，鑄鋼收縮率大。

3、偏析頻向

金屬凝固后，內(nèi)部化學(xué)成分與組織不均勻得現(xiàn)象稱為偏析。偏析嚴(yán)重時(shí),可使鑄件各部分

得力學(xué)性能產(chǎn)生很大差異，降低鑄件質(zhì)量,尤其就是對(duì)大型鑄件危害更大。

二'鍛壓性能

用鍛壓成形方法（圖2—16）獲得優(yōu)良鍛件得難易程度稱為鍛壓性能。常用塑性與變形抗

力兩個(gè)指標(biāo)來(lái)綜合衡量。塑性越好,變形抗力越小,則金屬得鍛壓性能越好?；瘜W(xué)成分會(huì)影響

金屬得鍛壓性能，純金屬鍛壓性能優(yōu)于一般合金。鐵碳合金中,含碳量越低，鍛壓性能越好；

合金鋼中，合金元素得種類與含量越多，鍛壓性能越差，鋼中得硫會(huì)降低鍛壓性能。金屬組織

得形式也會(huì)影響其鍛壓性能。

圖2—16鍛壓生產(chǎn)

三、焊接性能

焊接（圖2—17）性能就是指金屬材料對(duì)焊接加工得適應(yīng)性,也就就是在一定得焊接工藝

條件下,獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭得難易程度。對(duì)碳鋼與低合金鋼而言,焊接性能主要與其化學(xué)成分

有關(guān)（其中碳得影響最大）如低碳鋼具有良好得焊接性能,而高碳鋼與鑄鐵得焊接性能則較

差。

圖2—17焊接

四、切削加工性能及熱處理性能

1、切削加工性能

切削金屬材料得難易程度稱為材料得切削加工性能。一般用工件切削時(shí)得切削速度、切

削抗力得大小、斷屑能力、刀具得耐用度以及加工后得表面粗糙度來(lái)衡量。影響切削加工性

能得因素主要有化學(xué)成分、組織狀態(tài)、硬度、韌性、導(dǎo)熱性及形變強(qiáng)化等。硬度低、韌性好、

塑性好得材料,切屑易黏附于刀刃而形成刀瘤,切屑不易折斷，致使表面粗糙度變差,并降低

刀具得使用壽命;而硬度高、塑性差得材料,消耗功率大,產(chǎn)生熱量多,并降低刀具得使用壽

命。一般認(rèn)為材料具有適當(dāng)硬度與一定脆性時(shí)，其切削加工性能較好，例如灰鑄鐵比鋼得切

削加工性能好。

另外，切削塑性金屬材料時(shí),工件在加工表面層得硬度明顯提高而塑性下降得現(xiàn)象稱為

表面加工硬化。此時(shí)在加工表面受刀具擠壓產(chǎn)生得塑性變形部分不能恢復(fù)，因而產(chǎn)生得變形

抗力較大，表面形變強(qiáng)化。當(dāng)以較小得切削深度再次切削時(shí)，刀具不易切入，并使刀具易磨

損,而且在加工表面硬化層常常伴有裂紋，使表面粗糙度值增大,疲勞強(qiáng)度下降。因此,應(yīng)盡量

設(shè)法消除這種現(xiàn)象。

2、熱處理性能

熱處理就是改善鋼切削加工性能得重要途徑,也就是改善材料力學(xué)性能得重要途徑。熱

處理性能包括淬透性、淬硬性、過(guò)熱敏感性、變形開裂傾向、回火脆性傾向、氧化脫碳傾向

等(這些內(nèi)容將在鋼得熱處理一章中詳細(xì)論述)。碳鋼熱處理變形得程度與其含碳量有關(guān)，一

般情況下，含碳量越高，變形與開裂傾向越大，而碳鋼又比合金鋼得變形開裂傾向嚴(yán)重。鋼

得淬硬性也主要取決于含碳量。含碳量高,材料得淬硬性好。

§1—4

金屬得工藝性能

實(shí)驗(yàn)1硬度測(cè)試

1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康茫?/p>

(1)熟悉常用硬度試驗(yàn)機(jī)得結(jié)構(gòu)。

(2)掌握洛氏硬度與布氏硬度得測(cè)試原理及測(cè)試方法。

一、洛氏硬度實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

(DHR-150型洛氏硬度試驗(yàn)機(jī),如圖2—20所示。

(2)40mmX10mm淬火狀態(tài)得45鋼試塊及W18Cr4V切刀刀片各一塊。

(3)1200金剛石圓錐壓頭(HRC)。

2,實(shí)驗(yàn)原理

將預(yù)載荷與主載荷依次加入后，卸除主載荷。壓頭在被測(cè)試樣表面產(chǎn)生得壓痕深度差，

即可表示材料得硬度。

3,實(shí)驗(yàn)步驟

(1)根據(jù)被測(cè)試樣得估計(jì)硬度選擇壓頭與硬度標(biāo)尺(淬火鋼應(yīng)選金剛石壓頭，選用C

標(biāo)尺)。

(2)加預(yù)載：將試樣放在載物臺(tái)上，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)升降機(jī)構(gòu)手輪，使試樣與壓頭緩慢接近,

直至表盤小指針指到紅點(diǎn)，大指針偏離零點(diǎn)5格之內(nèi)。此時(shí)，預(yù)載(98、7N)已加在試樣上。

圖2—20HR—150型洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1一吊環(huán)2—連接桿3—螺母4一吊桿5—吊套6—祛碼7—托盤8—加卸載荷手柄9一緩沖調(diào)節(jié)閥10—緩

沖器11一機(jī)體12—實(shí)驗(yàn)力杠桿13—游碼14一上蓋15—測(cè)量桿16—主軸17一指示百分表18—工

作臺(tái)19一升降絲杠20—手輪21—止推軸承22—嫖釘23—絲杠導(dǎo)座24一定位套25—連桿

(3)加主載:先調(diào)節(jié)表盤，使大指針對(duì)準(zhǔn)B或C標(biāo)尺得零點(diǎn)，再緩慢按下操作手柄到加載

位置,并停留15s,大指針隨之轉(zhuǎn)動(dòng)若干格而停止。主載(1373N)也已加在試樣上。此時(shí)

總實(shí)驗(yàn)力為1471、7No

(4)卸主載:順時(shí)針扳回操作手柄到卸荷位置,大指針在原位反向轉(zhuǎn)動(dòng)若干格而停止，此

時(shí)讀到得表盤刻度值即為該點(diǎn)洛氏硬度值。

(5)在同一被測(cè)面得不同位置上重復(fù)測(cè)量三個(gè)點(diǎn)(三點(diǎn)相距＞3mm,點(diǎn)到邊緣距離〉3mm)。

4、注意事項(xiàng)

(1)試樣得兩大面應(yīng)磨平、光潔，無(wú)油污、氧化皮裂紋及凹坑或顯著得加工痕跡。載物臺(tái)

及壓頭表面清潔。

(2)壓頭要裝牢(注意安裝時(shí)壓頭得削扁對(duì)準(zhǔn)壓軸孔得削扁,壓頭推到頂后擰緊緊定螺

釘)。

(3)試樣放平穩(wěn)，不可有滑動(dòng)及明顯變形，并保證壓頭中心線與被測(cè)表面相垂直。如為圓

柱試樣,應(yīng)放于V形鐵中支承。

(4)加載、卸載均要緩慢無(wú)沖擊。

5、填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告

(1)簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)原理。

(2)寫明實(shí)驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)、組員及指導(dǎo)教師。

(3)將記錄數(shù)據(jù)填入表2—6,并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

表2—6洛氏硬度實(shí)驗(yàn)記錄表

材料標(biāo)尺第一次第二次第三次平均值備注(壓頭、載荷)

45鋼淬火HRC

高速鋼刀片HRC

二、布氏硬度實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

(1)設(shè)備TH600型布氏硬度試驗(yàn)機(jī)(圖2—21)與讀數(shù)顯微鏡。

(2)試樣厚10mm得正火狀態(tài)45鋼一塊。

圖2—21TH600型布氏硬度試驗(yàn)機(jī)

2、實(shí)驗(yàn)原理

用一定直徑得硬質(zhì)合金球做壓頭，以一定得實(shí)驗(yàn)力壓入試樣表面,經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后，

卸除實(shí)驗(yàn)力,試樣表面將留下一個(gè)壓痕，測(cè)量壓痕得直徑并計(jì)算壓痕表面積,通過(guò)計(jì)算或查

表(附錄II)求得布氏硬度值。

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，可用讀數(shù)顯微鏡測(cè)出壓痕直徑,再根據(jù)壓痕直徑查表得出硬度值。實(shí)

際工件可能會(huì)有不同得硬度值與厚度，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)要根據(jù)工件得軟硬程度與形狀大小來(lái)選擇

匹配不同得壓頭與載荷。實(shí)驗(yàn)時(shí)只要滿足值為一常數(shù),且壓痕直徑控制在0、24?0、6

之間，即可得到統(tǒng)一得、可以互相比較得硬度值。

3、實(shí)驗(yàn)步驟

(1)確定實(shí)驗(yàn)條件壓頭直徑、實(shí)驗(yàn)力及實(shí)驗(yàn)力保持時(shí)間按表2—7選取。先將壓頭裝入主

軸襯套并擰緊壓頭緊定螺釘，再按所選載荷加上相應(yīng)得祛碼。打開電源開關(guān)，電源指示燈亮。

試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行自檢、復(fù)位,顯示當(dāng)前得實(shí)驗(yàn)力保持時(shí)間，該參數(shù)自動(dòng)記憶關(guān)機(jī)前得狀態(tài)。此時(shí)應(yīng)

根據(jù)所需設(shè)置得保持時(shí)間,在操作鍵盤上或“▼”鍵進(jìn)行設(shè)置。

(2)壓緊試件順時(shí)針旋轉(zhuǎn)升降手輪6,使實(shí)驗(yàn)臺(tái)上升至試樣與壓頭接觸,直至手輪下面得

螺母產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)為止。

(3)加載與卸載此時(shí)按下“開始”鍵，實(shí)驗(yàn)開始自動(dòng)進(jìn)行，依次自動(dòng)完成從加載、保持、

卸載到恢復(fù)初始狀態(tài)得全過(guò)程。

(4)讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)升降手輪,取下試樣,用瀆數(shù)顯微鏡測(cè)出壓痕直徑,并取

算術(shù)平均值,根據(jù)此值查課本附錄I即得布氏硬度值,記錄于表2—8中。

表2—7布氏硬度實(shí)驗(yàn)條件選取表

金屬種類布氏硬度值范圍HBW試樣厚度(mm)0、102測(cè)頭直徑(mm)實(shí)驗(yàn)載荷(kN)保持時(shí)間(S)

3~610、029、42

黑色金屬140—4502~4305、07、35510~15

〈22、51、839

〉610、09、807

黑色金屬(1401010?15

3~65、02、542

4.注意事項(xiàng)

(1)試樣表面必須平整光潔，無(wú)油污、氧化皮，并平穩(wěn)地安放在布氏硬度計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。

(2)讀數(shù)顯微鏡讀取壓痕直徑時(shí)應(yīng)從兩個(gè)相互垂直得方向測(cè)量,并取算術(shù)平均值。

(3)使用讀數(shù)顯微鏡時(shí),將測(cè)試過(guò)得試樣放置于一平面上,再將讀數(shù)顯微鏡放置于被測(cè)試

樣上,使被測(cè)部分用自然光或燈光照明。調(diào)節(jié)目鏡，使視場(chǎng)中同時(shí)瞧清分劃板與壓痕邊緣圖

像。常用放大倍數(shù)為20得讀數(shù)顯微鏡測(cè)試布氏硬度值。

(4)壓痕中心到試樣邊緣得距離應(yīng)不小于壓痕直徑得2、5倍,相鄰兩壓痕中心距離應(yīng)不小

于壓痕直徑得3倍。

5、填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告

(1)簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)原理。

(2)寫明實(shí)驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)、組員及指導(dǎo)教師。

(3)將記錄數(shù)據(jù)填入表2—8,并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

表2—8布氏硬度實(shí)驗(yàn)記錄表

第一次第二次第三次平均值備注(鋼球直徑、實(shí)驗(yàn)力、保持時(shí)間、值)

壓痕直徑

HBW

習(xí)題

1、機(jī)械零件損壞得形式有哪些？

2、什么就是栽荷?根據(jù)性質(zhì)不同可分為哪幾種？

3、什么就是金屬得力學(xué)性能？金屬得力學(xué)性能包括哪些內(nèi)容？

4、什么就是強(qiáng)度?強(qiáng)度有哪些衡量指標(biāo)？這些指標(biāo)用什么符號(hào)表示?如何測(cè)量？

5、什么就是塑性?塑性有哪些衡量指標(biāo)?這些指標(biāo)用什么符號(hào)表示？如何測(cè)量？

6、什么就是硬度？常用得硬度實(shí)驗(yàn)法有哪三種？各用什么符號(hào)表示？

7、布氏硬度實(shí)驗(yàn)法有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？它主要適用于何種材料得測(cè)試？

8、常用得洛氏硬度標(biāo)尺有哪三種？各用什么符號(hào)表示?最常用得就是哪一種？“、什么就是沖擊韌性？

什么就是沖擊韌度?其值用什么符號(hào)表示?口0、什么就是金屬得疲勞斷裂？什么就是疲勞強(qiáng)度？

11、生產(chǎn)中如何提高零件得抗疲勞能力？

12、什么就是金屬得工藝性能?它包括哪些內(nèi)容？

鹿匚宣

鐵碳合金

純金屬雖然得到一定得應(yīng)用，但強(qiáng)度與硬度一般都較低，冶煉困難，因而價(jià)格較高，在

使用上受到限制。在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用得就是合金,這就是因?yàn)樯a(chǎn)中可以通過(guò)改變合金

得化學(xué)成分〈或組織結(jié)構(gòu)）來(lái)進(jìn)一步提高金屬材料得力學(xué)性能,并可獲得某些特殊得物理性能

與化學(xué)性能〈耐蝕、耐熱、耐磨、電磁性能等），以滿足機(jī)械零件與工程結(jié)構(gòu)對(duì)材料得要求。

通常把以鐵及鐵碳為主得合金〈鋼鐵）稱為黑色金屬,而把其她金屬及其合金稱為有色金

屬。常用金屬材料間得關(guān)系如下：

廠碳素結(jié)構(gòu)鋼

一優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

---碳素鋼—

-碳素工具鋼

匚鑄造碳鋼

—鋼一

廠合金結(jié)構(gòu)鋼

「一黑色金屬一—合金鋼——合金工具鋼

1-特殊性能鋼

「灰鑄鐵

廠白口鑄鐵］

一可鍛鑄鐵

—鑄鐵——灰鑄鐵

—球墨鑄鐵

金屬材料---麻口鑄鐵」

L1—端墨鑄鐵

廠銅及其合金

一鋁及其合金

一有色金屬——

一鈦及其合金

一軸承合金

硬質(zhì)合金

合金:合金就是以一種金屬為基礎(chǔ),加入其她金屬或非金屬,經(jīng)過(guò)熔合而獲得得具有金屬

特性得材料，即合金就是由兩種或兩種以上得元素所組成得金屬材料。例如,工業(yè)上廣泛應(yīng)用

得鋼鐵材料就就是由鐵與碳組成得合金。與純金屬相比,合金具有更好得力學(xué)性能,可通過(guò)調(diào)

整組成元素之間得比例，獲得一系列性能各異得合金，以滿足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)材料不同性能得要

求。

組元:組成合金最簡(jiǎn)單得、最基本得、能夠獨(dú)立存在得元物質(zhì)稱為組元,簡(jiǎn)稱元。組元一

般就是指元素，但有時(shí)穩(wěn)定得化合物也可以作為組元,如、、等。合金按組元得數(shù)目可分為二

元合金、三元合金及多元合金。例如，碳素鋼就是由鐵與碳組成得二元合金。

§2—1

鐵碳合金得基本組織與性能

鋼鐵就是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛得合金，它們均就是以鐵與碳為基本組元得合金,故

又稱為鐵碳合金。由于鋼鐵材料得成分（含碳量）不同，因此其組織、性能與應(yīng)用場(chǎng)合也不同。

鐵碳合金得基本組織有五種，它們分別就是鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體與萊氏體。

一'鐵素體（F）

碳溶解在中形成得間隙固溶體稱為鐵素體，用符號(hào)F表示。其晶胞示意圖如圖3—2所示。

由于就是體心立方晶格,晶格間隙較小,所以碳在中得溶解度很小。鐵素體就是鋼得五種組織

中含碳量最低得組織，其室溫性能接近于純鐵,即具有良好得塑性、韌性,較低得強(qiáng)度、硬度。

圖3—3所示為鐵素體得顯微組織。

3-2鐵素體得晶胞示意3-3鐵素體得顯微組織

二、奧氏體（A）

碳溶于中形成得間隙固溶體稱為奧氏體,用符號(hào)A

表不。其晶胞示意圖如圖3—4所不。由于就是在高溫狀

態(tài)下存在得面心立方晶格結(jié)構(gòu)，晶格間隙較大，故奧氏

體得溶碳能力較強(qiáng)，在1148。。時(shí)溶碳能力可達(dá)2、11%。

隨著溫度得下降,溶解度逐漸減小,在727℃時(shí)溶碳能力

為0、77%。

奧氏體得含碳量雖比鐵素體高，但其呈面心立方晶

格，強(qiáng)度、硬度雖不高，卻具有良好得塑性，尤其就是具

有良好得鍛壓性能。奧氏體存在于727℃以上得高溫范圖3-4奧氏體得晶胞示意

圍內(nèi)，無(wú)室溫組織織。3—5所示為其顯微組織。

三、滲碳體（或）

滲碳體就是含碳量為6、69%得鐵與碳得金屬化合物,其化學(xué)式為。它具有復(fù)雜得斜方晶格，

與鐵與碳得晶體結(jié)構(gòu)完全不同,如圖3—6所示。滲碳體得性能特點(diǎn)就是高熔點(diǎn)（1227。。）、

高硬度（950-1050HV）,塑性與韌性幾乎為零，脆性極大。滲碳體就是鋼中得主要強(qiáng)化相，

在鋼或鑄鐵中可以片狀、球狀或網(wǎng)狀分布。分布形態(tài)對(duì)鋼得力學(xué)性能影響很大。在適當(dāng)?shù)脳l

件下（如高溫長(zhǎng)期停留或極緩慢冷卻），滲碳體可分解為鐵與石墨狀得自由碳,這對(duì)鑄鐵得形

成過(guò)程具有重要意義。

E

O

-

0

-

X

9

U

.

9

5.007x10l0mO鐵原子

?碳原子

圖3—5奧氏體得顯微組織圖3—6滲碳體得晶胞示意圖

四、珠光體（P）

珠光體就是鐵素體與滲碳體得混合物,用符號(hào)P表示。它就是滲碳體與鐵素體片層相間、

交替排列形成得混合物。其顯微組織如圖3—7所示,其中白色為鐵素體機(jī)體,黑色線條為滲

碳體。在緩慢冷卻條件下,珠光體得含碳量為0、77%,由于珠光體就是由硬得滲碳體與軟得

鐵素體組成得混合物，因此其力學(xué)性能就是兩者得綜合,強(qiáng)度較高,硬度適中，具有一定得塑

性。

a)b)

圖3—7珠光體得顯微組織

a）光學(xué)顯微鏡觀察組織b）電子顯微鏡觀察組織

五、萊氏體0

萊氏體就是奧氏體與滲碳體得混合物，用符號(hào)表示。它就是含碳量為4、3%得液態(tài)鐵碳

合金在1148℃時(shí)得共晶產(chǎn)物。當(dāng)溫度降到727°。時(shí)，由于萊氏體中得奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w,

所以室溫下得萊氏體由珠光體與滲碳體組成,這種混合物稱為低溫萊氏體,用符號(hào)表示。圖

3—8所示為低溫萊氏體得顯微組織，由于，萊氏體得基體就是滲碳體，所以它得性能接近于滲

碳體,硬度很高,塑性很差。

以上五種組織中，鐵素體、奧氏體與滲碳體都就是單相組織，稱為鐵碳合金得基本相;珠光

體與萊氏體則就是由基本相組成得多相組織。表3—2所列為鐵碳合金基本組織得性能及特

點(diǎn)。表3—2鐵碳合金基本組織得性能及特點(diǎn)

§3一3A鐵碳合金相

鐵碳合金相圖就是表示在緩慢冷卻（或緩慢加熱）條件下，不同成分得鐵碳合金得狀態(tài)或

組織隨溫度變化得圖形。鐵碳合金相圖就是研究鐵碳合金得基礎(chǔ),它就是研究鐵碳合金得成

分、溫度與組織結(jié)構(gòu)之間關(guān)系得圖形。鐵碳合金相圖就是人類經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐并進(jìn)行大量科學(xué)

實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)得。

一、鐵碳合金相圖得組成

在鐵碳合金中，鐵與碳可以形成一系列得化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等。而生產(chǎn)中

實(shí)際使用得鐵碳合金,其含碳量一般不超過(guò)5%。因?yàn)楹剂扛叩貌牧洗嘈蕴?難以加工,

沒(méi)有實(shí)用價(jià)值，因此，只研究相圖中含碳量為0%?6、69%得部分。而這部分得鐵碳化合

物只有Fe3C,故鐵碳合金相圖也可以認(rèn)為就是Fe—Fe3c相圖。

為了便于掌握與分析Fe—Fe3C相圖,將相圖上實(shí)用意義不大得部分省略,經(jīng)簡(jiǎn)化后得

Fe—Fe3c相圖如圖3—9所示。圖中縱坐標(biāo)為溫度,橫坐標(biāo)為含碳量得質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

二、Fe~Fe3c相圖中特性點(diǎn)、線得含義及各區(qū)域內(nèi)得組織

Fe—Fe3c相圖中有七個(gè)特性點(diǎn)及六條特性線，當(dāng)了解了這些點(diǎn)、線得含義后，就可

以把一個(gè)瞧似復(fù)雜得相圖分割成不同得區(qū)域，當(dāng)成分（含碳量）與溫度變化時(shí),按一定規(guī)律可

分析出各區(qū)域產(chǎn)生得組織。

1、主要特性點(diǎn)

Fe—Fe3c相圖中得七個(gè)特性點(diǎn)及其溫度、含碳量與含義見表3—3。

表3—3Fe-FeaC相圖中得七個(gè)特性點(diǎn)及其溫度、含碳量與含義

（1）共晶點(diǎn)C高溫得鐵碳合金液體緩慢冷卻到一定溫度（1148℃）時(shí)，在保持溫度不

變得條件下,從一個(gè)液相中同時(shí)結(jié)晶出兩種固相（奧氏體與滲碳體），這種轉(zhuǎn)變稱為共晶轉(zhuǎn)變。

共晶轉(zhuǎn)變得產(chǎn)物稱為共晶體，鐵碳合金得共晶體就就是萊氏體Ld（A+Fe3C）oC點(diǎn)得

溫度（1148'C）稱為共晶溫度。

（2）共析點(diǎn)S固相得鐵碳合金緩慢冷卻到一定溫度（727C）時(shí),在保持溫度不變得

條件下，從一個(gè)固相（奧氏體）中同時(shí)析出兩個(gè)固相（鐵素體與滲碳體），這種轉(zhuǎn)變稱析轉(zhuǎn)變。

共析轉(zhuǎn)變得產(chǎn)物稱為共析體，鐵碳合金得共析體就就是珠光體P（F+Fe3C）0S溫度

（727'C）稱為共析溫度。

2,主要特性線|

Fe—Fe3C相圖中有若干條表示合金狀態(tài)得分界線,它們就是不同成分合金具有相同含

義得臨界點(diǎn)得連線?！鱂e-Fe3C相圖中得六條特性線及其含義見表3—4。

（1）ACD線液相線，此線以上區(qū)域全部為液相,稱為液相區(qū),用L表示,對(duì)應(yīng)成分得液

態(tài)合金冷卻到此線上得對(duì)應(yīng)點(diǎn)時(shí)開始結(jié)晶。在AC線以下結(jié)晶出奧氏體,在CD線以下結(jié)晶出

滲碳體（稱為一次滲碳Fe3Ci）。

（2）AECF線固相線，對(duì)應(yīng)成分得液態(tài)合金冷卻到此線上得對(duì)應(yīng)點(diǎn)時(shí)完成結(jié)晶過(guò)程，

變?yōu)楣虘B(tài)，此線以下為固相區(qū)。在液相線與固相線之間就是液態(tài)合金從開始結(jié)晶到結(jié)晶終了

得過(guò)渡區(qū),所以此區(qū)域液相與固相并存。

AEC區(qū)內(nèi)為液相合金與固相奧氏體，CDF區(qū)內(nèi)為液相合金與固相滲碳體。

（3）GS線奧氏體冷卻時(shí)析出鐵素體得開始線（或加熱時(shí)鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體得終止線）,

又稱A3線。奧氏體向鐵素體得轉(zhuǎn)變就是鐵發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變得結(jié)果。

（4）ES線碳在奧氏體中得溶解度曲線，又稱Aem線。隨著溫度得變化，奧氏體得溶

碳能力沿該線上得對(duì)應(yīng)點(diǎn)變化。在1148"。時(shí)，碳在奧氏體中得溶解度為2、11%（E點(diǎn)得

含碳量），在727。。時(shí)降到0、77%（S點(diǎn)得含碳量）。在AGSE區(qū)內(nèi)為單相奧氏體。含碳量較

高（＞0、77%）得奧氏體,在從1148℃緩冷到727得過(guò)程中，由于其溶碳能力降低，多余

得碳會(huì)以滲碳體得形式從奧氏體中析出，稱為二次滲碳體（Fe3C11）。

（5）ECF線共晶線。當(dāng)不同成分液態(tài)合金冷卻到此線（1148C）時(shí),在此之前已結(jié)

晶出部分固相（A或Fe3C）,剩余液態(tài)合金得含碳量變?yōu)?、3%,將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，從剩余液

態(tài)合金中同時(shí)結(jié)晶出奧氏體與滲碳體得混合物，即萊氏體（Ld）。共晶轉(zhuǎn)變就是一種可逆轉(zhuǎn)變。

（6）PSK線共析線，又稱Al線。當(dāng)合金冷卻到此線時(shí)（727C）將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。從合

金得奧氏體中同時(shí)析出鐵素體與滲碳體得混合物,即珠光體（p）。共析轉(zhuǎn)變也就是一種可逆轉(zhuǎn)

變。

三、鐵碳合金得分類

按含碳量不同，鐵碳合金得室溫組織可分為工業(yè)純鐵、鋼與白口鑄鐵。其中，把含碳量小

于0、0218%得鐵碳合金稱為純鐵;把含碳量大于0、0218%而小于2、11%得鐵碳合金稱

為鋼;把含碳量大于2、11%得鐵碳合金稱為鑄鐵。鐵碳合金得室溫組織及分類見表3—5。

四、鐵碳合金得成分、組織與性能得關(guān)系

分析鐵碳合金得室溫組織不難發(fā)現(xiàn),隨含碳量得不同，其組織順序?yàn)镕-F+P-P-

P+Fe3C-P+Fe3C+Ud-UdfLd+Fe3Cl。其中得珠光體（P）與低溫萊氏體（Ud）

由鐵素體與滲碳體組成，因此可認(rèn)為鐵碳合金得室溫組織都就是由鐵素體與滲碳體組成得，

但含碳量不同時(shí)，鐵素體與滲碳體得相對(duì)量會(huì)有變化。含碳量越高，鐵素體數(shù)量越少,而滲碳

體數(shù)量越多。

鐵碳合金得成分不但對(duì)其組織有上述影響，對(duì)其性能也有影響。含碳量越高，鋼得強(qiáng)度、

硬度越高,而塑性、韌性越低,在鋼經(jīng)過(guò)熱處理后表現(xiàn)尤為明顯。這主要就是因?yàn)楹剂吭礁撸?/p>

鋼中得硬脆相Fe3c越多得緣故。當(dāng)含碳量超過(guò)0、9%后，由于脆而硬得二次滲碳體沿晶界

析出隨二次滲碳體數(shù)量增加，形成網(wǎng)狀分布（見表3—5中T12鋼顯微組織相片），將鋼中得

珠光體組織割裂開來(lái)，使鋼得強(qiáng)度有所降低。因此，對(duì)于碳素鋼及低、中合金鋼說(shuō)，其含碳

量一般不超過(guò)1、3%

五、Fe—Fe3c相圖得應(yīng)用

鐵碳合金相圖表明含碳量不同時(shí),其組織、性能得變化規(guī)律,也揭示了相同成分在不同溫

度時(shí)組織與性能得變化。這為生產(chǎn)實(shí)踐中得選材、熱處理工藝得制定提供了依據(jù)。

1、作為選材得依據(jù)

碳對(duì)鐵碳合金得組織與性能有著重大得影響。不同成分得鐵碳合金在機(jī)械性能與工藝性

能等方面產(chǎn)生了極大得差異。

在設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中，通常就是根據(jù)機(jī)械零件或工程構(gòu)件得使用性能來(lái)選擇鋼得成分（鋼

號(hào)）。例如，要求塑性、韌性及焊接性能好，但強(qiáng)度、硬度要求不高時(shí)，應(yīng)選用低碳鋼；而機(jī)

器得主軸或車輛得轉(zhuǎn)軸要求有較好得綜合性能,則應(yīng)選用中碳鋼;車刀、鉆頭等工具應(yīng)選用高,

鋼。白口鑄鐵中由于萊氏體得存在而具有很高得硬度與耐磨性，但脆性大，難以加工，其應(yīng)用

受到一定限制。通常可作為生產(chǎn)可鍛鑄鐵得原料或直接鑄成不受沖擊而耐磨得軋輯、犁神等。

2、在鑄造生產(chǎn)中得應(yīng)用

根據(jù)Fe—Fe3c相圖得液相線,可以找出不同成分得鐵碳合金得熔點(diǎn),從而確定合適得

熔化溫度與澆注溫度。圖3—10給出了鋼與鑄鐵得澆注區(qū)?？梢郧瞥觯摰萌刍瘻囟扰c澆注

溫度均比鑄鐵高。而禱鐵中靠近共晶成分得鐵碳合金不僅熔點(diǎn)低,而且凝固溫度區(qū)間小,有較

好得鑄造流動(dòng)性,適于鑄造。

3、在鍛造工藝上得應(yīng)用

鋼經(jīng)加熱后獲得單相得奧氏體組織。其強(qiáng)度低，塑性好，易于塑性變形加工。因此，鋼材

軋制或鍛造得溫度范圍多選在單一奧氏體區(qū)。但始鍛溫度不得過(guò)高，以免鋼材在鍛軋時(shí)嚴(yán)

重氧化，甚至因晶界熔化而碎裂;終鍛溫度也

不得過(guò)低,否則鋼材因塑性太差，易在鍛軋過(guò)

程中產(chǎn)生裂紋。不同成分碳素鋼軋制或鍛造得

合適溫度范圍如圖3—10所示。

4、在熱處理工藝上得應(yīng)用

Fe—Fe3c相圖中得左下角部分就是鋼進(jìn)行

熱處理得重要依據(jù),不同含碳量得鋼在加熱與

冷卻時(shí)發(fā)生相變得規(guī)律與具體溫度,就是對(duì)不同A含碳量得鋼采用不同熱處理工藝時(shí)確定加

熱溫

度得重要依據(jù)。相關(guān)內(nèi)容將在下一章中詳細(xì)討

論。

§3—碳素鋼

碳素鋼簡(jiǎn)稱碳鋼,就是最基本得鐵碳合金。它就是指在冶煉時(shí)沒(méi)有特意加人合金元素，

且含碳量大于0、0218%而小于2,11%得鐵碳合金。由于碳鋼容易冶煉，價(jià)格便宜,具有

較好得力學(xué)性能與優(yōu)良得工藝性能,可滿足一般機(jī)械零件、工具與日常輕工產(chǎn)品得使用要求。

因此、碳鋼在機(jī)械制造、建筑、交通運(yùn)輸?shù)仍S多部門中得到廣泛得應(yīng)用。

一、鋼中常存元素及其對(duì)性能得影響

碳素鋼中除鐵與碳兩種元素外,還不可避免地在冶煉過(guò)程中從生鐵、脫氧劑等爐料中加入一

些其她雜質(zhì)元素，其中主要有硅、鎬、硫、磷等元素，這些元素得存在必然會(huì)對(duì)鋼得性能產(chǎn)

生一定得影響。

1、錦

鋪就是鋼中得有益元素，就是煉鋼時(shí)用錦鐵脫氧而殘留在鋼中得。鐳有很好得脫氧能力,

還可以與硫形成MnS,從而消除了硫得有害作用。鎬作為雜質(zhì)一般應(yīng)不超過(guò)0、8%o

2、硅

硅也就是鋼中得有益元素，它就是作為脫氧劑而進(jìn)入鋼得，硅得脫氧能力比錦還強(qiáng),能提

鋼得強(qiáng)度及質(zhì)量,硅作為雜質(zhì)一般應(yīng)不超過(guò)0、4%?

3、硫

硫就是鋼中得有害元素,常以FeS形式存在,FeS與Fe形成低熔點(diǎn)得共晶體,熔點(diǎn)為

985℃,分布在晶界，當(dāng)鋼材在1000~1200℃進(jìn)行壓力加工時(shí)，共晶體熔化,使鋼材變脆,

這種現(xiàn)象稱為熱脆性。為了避免熱脆，鋼中含硫量必須嚴(yán)格控制，通常應(yīng)使S<0、05%。

4、磷

磷也就是鋼中得有害元素，它使鋼在低溫時(shí)變脆，這種現(xiàn)象稱為冷脆性。因此,鋼中含

磷量也要嚴(yán)格控制,通常應(yīng)使P<0、045%

5、鋼

鋼中氫會(huì)造成氫脆、白點(diǎn)等缺陷，就是有害元

二、碳素鋼得分類

1、按鋼得含碳量分類

(1)低碳鋼CWO、25%o

(2)中碳鋼C=O、25%?0、60%。

(3)高碳鋼C與0、60%o

2、按鋼得質(zhì)量分類

根據(jù)鋼中得有害元素硫、磷含量多少可分為

(1)普通鋼SW0、050%,PW0、045%。

(2)優(yōu)質(zhì)鋼SW0、035%,PW0、035%。

(3)高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼SW0、025%,PW0、0