《機械基礎(chǔ)》課件第1章 工程材料及熱處理

第1章工程材料及熱處理1.1金屬材料的力學(xué)性能1.2鐵碳合金相圖1.3鋼的熱處理1.4碳鋼與合金鋼1.5鑄鐵1.6非金屬及新型材料習題11.1金屬材料的力學(xué)性能1.1.1強度和塑性

1.強度材料在受載荷過程中一般會出現(xiàn)三個過程，即彈性變形、塑性變形和斷裂。彈性變形是指材料在載荷卸除后能恢復(fù)到原形的變形，而塑性變形是指材料在載荷卸除后不能恢復(fù)到原形的變形。對于不同類型的載荷，這三個過程的發(fā)生和發(fā)展是不同的。使用中一般多用靜拉伸試驗法來測定金屬材料的強度和塑性指標。低碳鋼試棒的拉伸過程具有典型意義。將拉伸試棒按GB6397—86的規(guī)定，制成如圖1－1所示的形狀，在拉伸試驗機上緩慢增加載荷，記錄載荷與變形量的數(shù)值，直至試樣被拉斷為止，便可獲得如圖1－2所示的載荷與變形量之間的關(guān)系曲線，即拉伸曲線。圖1-1鋼的拉伸試棒圖1-2退火低碳鋼拉伸曲線當載荷不超過Pe時，若除去載荷，則試棒恢復(fù)到原來形狀，我們稱這一階段的變形為彈性變形。在此階段載荷與伸長量成正比關(guān)系，載荷Pe是使試棒只產(chǎn)生彈性變形的最大載荷。此時若卸除載荷，試樣能完全恢復(fù)到原來的形狀和尺寸，即試樣處于彈性變形階段。當載荷超過Pe時，卸除載荷后，試棒不能恢復(fù)到原來的狀態(tài)，即產(chǎn)生了塑性變形。當載荷增加到Ps時，曲線出現(xiàn)一個小平臺，此平臺表明不增加載荷試棒仍繼續(xù)變形，好像材料已經(jīng)失去抵御外力的能力了，這種現(xiàn)象稱為屈服。繼續(xù)增加載荷，材料繼續(xù)伸長，此時試樣已產(chǎn)生很大的塑性變形，直到增至最大載荷Pb時為止。在這一階段，試棒沿整個長度均勻伸長。當載荷達到Pb后，試棒就在某個薄弱部分出現(xiàn)“頸縮”。由于試棒局部截面積的逐步減小，試棒所能承受的載荷也逐漸降低，直到最終斷裂。強度是指材料在載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。無論何種材料，其內(nèi)部原子之間都具有平衡的原子力相互作用，以使其保持固定的形狀。材料在外力作用下，其內(nèi)部會產(chǎn)生相應(yīng)的作用力以抵抗變形，這種作用力稱為內(nèi)力。材料單位截面上承受的內(nèi)力稱為應(yīng)力，用σ表示。式中：σ——應(yīng)力（MPa）；

P——載荷（N）；

F0——試樣的原始截面面積（mm2）。1）彈性極限彈性極限是試樣在彈性變形范圍內(nèi)承受的最大拉應(yīng)力，用符號σe表示。即：式中：σe——應(yīng)力（MPa）；

Pe——試樣只產(chǎn)生彈性變形的最大載荷（N）；

F0——試樣的原始截面面積（mm2）。2）屈服強度試棒屈服時的應(yīng)力為材料的屈服點，稱為屈服強度，用σS表示。σS表示金屬抵抗小量塑性變形的應(yīng)力。即：式中：

σS——屈服強度（MPa）;PS——試樣屈服時載荷（N）;F0——試樣的原始截面面積（mm2）。3）抗拉強度抗拉強度是指試樣在拉斷前所承受的最大拉應(yīng)力。即：式中：σb——抗拉強度（MPa）；

Pb——試樣在斷裂前的最大載荷（N）；

F0——試樣的原始截面面積（mm2）。

σb代表金屬材料抵抗大量塑性變形的能力，也是零件設(shè)計的主要依據(jù)之一。一般情況下，機器構(gòu)件都是在彈性狀態(tài)下工作的，不允許發(fā)生微小的塑性變形，所以在機械設(shè)計時應(yīng)采用σs或σ0.2強度指標，并加上適當?shù)陌踩禂?shù)。

σs/σb稱為屈強比，是一個很有意義的指標。一般情況下要求屈強比稍高些為好。屈強比值越大，越能發(fā)揮材料的潛力，減少結(jié)構(gòu)的自重。但為了安全起見，其值亦不宜過大，適合的比值在0.65～0.75之間。

2.剛度在外力作用下，材料抵抗彈性變形的能力稱為剛度。衡量剛度大小的指標是彈性模量。彈性模量是材料在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變（即試樣的相對伸長量Δl/l0）的比值，即：式中：E——彈性模量（Pa）；

σ

——在彈性范圍內(nèi)的應(yīng)力（Pa）；

ε彈——在彈性范圍內(nèi)的應(yīng)變（%）。3.塑性金屬材料在載荷作用下，在斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力稱為塑性。常用的塑性指標有伸長率δ和斷面收縮率ψ兩種。

1）伸長率伸長率是試樣被拉斷時的標距長度的伸長量與原始標距長度的百分比，用符號δ表示。即：式中：

L0——試樣原始標距長度（mm）；

L1——試樣拉斷時的標距長度（mm）。在材料手冊中常?？梢钥吹溅?和δ10兩種符號，它分別表示用L0=5d0和L0=10d0（d0為試樣直徑）兩種不同長度試樣測定的伸長率。對同一種材料所測得的δ5和δ10的值是不同的，δ5要大于δ10，如鋼材的δ5大約為δ10的1.2倍，所以相同符號的伸長率才能進行比較。δ10常用δ來表示。2）斷面收縮率斷面收縮率是指試樣被拉斷時，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號ψ表示。即：

式中：Fk——試樣被拉斷時縮頸處最小橫截面積（mm2）；

F0——原始截面面積（mm2）。1.1.2硬度硬度是材料表面抵抗局部塑性變形的能力，是反映材料軟硬程度的力學(xué)性能指標。硬度是材料的一個重要指標，其測試方法簡便、迅速，不需要專門試樣，也不損壞試樣，設(shè)備也很簡單。而且對大多數(shù)金屬材料，可以從硬度值估算出它的抗拉強度。硬度值是通過試驗測得的。圖1-3布氏硬度試驗原理示意圖1.布氏硬度布氏硬度試驗原理如圖1-3所示。用一規(guī)定直徑（D為10.5mm和2.5mm）的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球以一定的試驗力壓入所測表面，保持一定時間后卸除試驗力，隨即在金屬表面出現(xiàn)一個壓坑（壓痕）。以壓痕單位面積上所承受試驗力的大小確定被測材料的硬度值，用符號HBS（淬火鋼球壓頭）或HBW（硬質(zhì)合金鋼球壓頭）表示，如45鋼調(diào)質(zhì)后其硬度為220～240HBS。式中：

P——試驗力（kgf）；

F——表面積（mm2）；

H——壓痕深度（mm）；

D——壓頭直徑（mm）。

由于壓痕深度H的測量比較困難，而測量壓痕直徑d比較方便，因此上式中H可換算成壓痕直徑d。即：式中：d——壓痕直徑（mm）。試驗時用刻度放大鏡測出壓痕直徑后，就可以通過計算或查布氏硬度表得出相應(yīng)的硬度值。布氏硬度習慣上不標注單位。

由于金屬材料有軟有硬，工件有薄有厚、有大有小，如果僅采用一種標準的試驗力P和鋼球直徑D，就會出現(xiàn)如下現(xiàn)象：如果對硬的材料適合，對軟的材料就會發(fā)生鋼球陷入金屬內(nèi)部；若對厚的材料適合，對薄的材料就會產(chǎn)生壓透現(xiàn)象等等。因此在生產(chǎn)中進行布氏硬度試驗時，要求使用不同大小的試驗力和不同直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球。因此在進行布氏硬度試驗時，鋼球直徑D、試驗力P與力保持時間應(yīng)根據(jù)所測試金屬的種類和試樣厚度，按表1-1所示布氏硬度試驗規(guī)范，正確進行選擇。表1-1布氏硬度試驗規(guī)范2.洛氏硬度洛氏硬度試驗法采用金剛石圓錐體或淬火鋼球壓入金屬表面，如圖1-4所示。用一定直徑（D）的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球在初載荷與初、主載荷的先后作用下，將壓頭壓入試件表面。經(jīng)規(guī)定的保持時間后卸除主載荷，根據(jù)壓痕深度確定金屬硬度值。根據(jù)所用壓頭種類和所加試驗力，洛氏硬度分為HRA、HRB及HRC等。表1-2所列為有關(guān)洛氏硬度指標的規(guī)定。圖1-4洛氏硬度試驗原理表1-2洛氏硬度及其應(yīng)用范圍圖1－4所示為洛氏硬度試驗原理示意圖，試驗時圖中0－0為120°金剛石壓頭沒有與試件表面接觸時的位置；1－1為加上初載荷10kgf(98.07N)后并壓入試件深度b處的位置，b處為測量壓痕深度的起點；2－2為壓頭受到初載荷和主載荷共同作用后使壓頭壓入試件深度至c處的位置；3－3為卸除主載荷后在初載荷作用下，由于試件彈性變形的恢復(fù)，使壓頭向上回升到d處的位置。壓頭受主載荷作用實際壓入試件表面產(chǎn)生塑性變形的壓痕深度為hbd(b、d間的垂直距離)，可用hbd的大小來衡量材料的軟硬程度：壓痕深度愈小，材料愈硬；壓痕深度愈大，材料愈軟。由于人們習慣上認為數(shù)值愈大，硬度愈高，因而采用一常數(shù)減去壓痕深度后的數(shù)值表示洛氏硬度。按GB230—91的規(guī)定，以壓頭每壓入0.002mm深度作為一個硬度單位。這樣洛氏硬度計算公式為：式中：K——常數(shù)（金剛石作壓頭，K為100；淬火鋼球作壓頭，K為130）。洛氏硬度的數(shù)值可直接從硬度計上讀出，不需要查表和換算，非常方便。洛氏硬度沒有單位，測量范圍大，試件表面壓痕小，可直接測量成品或較薄工件的硬度；但也由于壓痕小，因此洛氏硬度對組織硬度不均勻的材料測量結(jié)果不準確，故需在試件不同部位測定三點，取其算術(shù)平均值。洛氏硬度與布氏硬度之間以及與其他硬度之間沒有理論上的相應(yīng)關(guān)系，不能直接比較。1.1.3沖擊韌性前面所講述的力學(xué)性能如強度、塑性、硬度都是在靜載荷作用下測得的力學(xué)性能指標。而實際上有許多工件是在沖擊載荷作用下工作的，如冷沖模上的沖頭、鍛錘的錘桿、飛機的起落架、變速箱的齒輪等。對于這些承受沖擊載荷的工件，不僅要有高的強度和一定的塑性，還必需有足夠的沖擊韌性。金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力稱為沖擊韌性。目前測量沖擊韌性最普通的方法是一次擺錘彎曲沖擊試驗。將材料制成帶缺口的標準試樣，如圖1-5所示,其中圖(a)為主視圖，圖(b)為剖視圖。

將其放在沖擊試驗機的機座上，讓一重量為G的擺錘自高度為H處自由下擺，擺錘沖斷試樣后又升至高度為h處，如圖1-6所示。擺錘沖斷試樣所失去的能量即為試樣在被沖斷過程中吸收的功，用Ak表示。斷口處單位面積上所消耗的沖擊吸收功（Ak）即為材料的沖擊韌性，用ak表示，即：式中:ak——沖擊韌性（J·cm-2）；

F——試樣缺口處的橫截面積(cm2)；

Ak——沖擊吸收功(J)；

G——擺錘重力(kgf);H——擺錘初始高度(m)；

h——擺錘沖斷試樣后上升的高度(m)。圖1-5沖擊試樣圖1-6擺錘式?jīng)_擊試驗原理圖1.1.4疲勞強度有些機器零件，如軸、齒輪、連桿、彈簧等，在交變載荷長期作用下，往往在工作應(yīng)力低于屈服強度的情況下突然破壞，這種現(xiàn)象稱為疲勞。金屬在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞裂紋并使其擴展而導(dǎo)致的斷裂稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂具有很大的危險性，常造成嚴重的事故。交變應(yīng)力是指大小、方向隨時間呈周期性變化的應(yīng)力；疲勞強度是指材料經(jīng)受無數(shù)次的應(yīng)力循環(huán)仍不斷裂的最大應(yīng)力。圖1-7金屬材料的疲勞曲線1.2鐵碳合金相圖1.2.1純鐵、鐵碳合金相結(jié)構(gòu)

1.純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變大多數(shù)金屬（如Cu、Al）在結(jié)晶完成后，其晶格類型不再發(fā)生改變；而有些金屬（如Fe、Co、Ti、Sn等）在結(jié)晶完成后，隨著溫度繼續(xù)下降，其晶格類型還會發(fā)生變化。這種金屬在固態(tài)下晶格類型隨溫度發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。

圖1-8是純鐵的冷卻曲線，在剛結(jié)晶時（1538℃）具有體心立方晶格，稱為δ-Fe；在1394℃時，δ-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂忻嫘牧⒎骄Ц竦摩?Fe；在912℃時，γ-Fe又轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂畜w心立方晶格的α-Fe；再繼續(xù)冷卻，晶格類型就不再發(fā)生變化了。圖1-8純鐵的冷卻曲線示意圖純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程可概括如下：

由于純鐵具有這種同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，因而能夠?qū)︿摵丸T鐵進行熱處理來改變其組織和性能，因此這也是鋼鐵用途極其廣泛的主要原因之一。2.鐵碳合金的組織一般純鐵中常含有少量的雜質(zhì)，稱這種純鐵為工業(yè)純鐵。工業(yè)純鐵具有良好的塑性，但強度較低，所以很少用它制造機器零件。為了提高純鐵的強度和硬度，常在純鐵中加入少量的碳元素，組成鐵碳合金。常用的鐵碳合金在固態(tài)時的基本組織有：鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體。1）鐵素體碳溶于α-Fe中的間隙固溶體，稱為鐵素體，用符號F表示。鐵素體仍保持α-Fe的體心立方晶格，其力學(xué)性能與純鐵幾乎相同，因此其強度和硬度較低，但塑性和韌性很好。在顯微鏡下，鐵素體呈明亮的多邊形晶粒，如圖1-9所示。圖1-9鐵素體的顯微組織（100×）2）奧氏體碳溶于γ-Fe中的間隙固溶體，稱為奧氏體，用符號A表示。奧氏體仍保持γ-Fe的面心立方晶格，有很好的塑性和韌性，并有一定的強度和硬度。因此，在生產(chǎn)中常將鋼材加熱到奧氏體狀態(tài)進行鍛造。在顯微鏡下，奧氏體呈多邊形，與鐵素體的顯微組織相近，但晶粒邊界較鐵素體的平直，如圖1-10所示。

圖1-10奧氏體的顯微組織（500×）3）滲碳體滲碳體是鐵和碳形成的一種具有復(fù)雜晶格的間隙化合物，用化學(xué)式Fe3C表示，也可用Cm表示。滲碳體中碳的質(zhì)量分數(shù)為6.69％，硬度很高（800HBW），塑性和韌性極低，脆性大。滲碳體的顯微組織形態(tài)很多，可呈片狀、粒狀、網(wǎng)狀或板狀，是碳鋼中的主要強化相，它的分布、形狀、大小和數(shù)量對鋼的性能有很大的影響。4)珠光體珠光體是由鐵素體（F）和滲碳體（Fe3C）組成的機械復(fù)合物，用符號P表示。珠光體中碳的質(zhì)量分數(shù)為0.77％。由于它是軟、硬兩相的混合物，因此，其性能介于鐵素體和滲碳體之間，有良好的強度、塑性和硬度。珠光體的顯微組織如圖1-11所示。在放大倍數(shù)足夠大時，可以清晰地看到鐵素體和滲碳體交替排列的狀態(tài)。

圖1-11珠光體的顯微組織(a)光學(xué)顯微組織（500×）;(b)電子顯微組織（8000×）5）萊氏體碳的質(zhì)量分數(shù)為4.3％的液態(tài)鐵碳合金，在冷卻到1148℃時，由液體中同時結(jié)晶出奧氏體和滲碳體（Fe3C）的共晶體稱為萊氏體，用符號Ld表示。在727℃以下，由珠光體和滲碳體組成的萊氏體，稱為低溫萊氏體，用Ld′表示。萊氏體的性能與滲碳體相似，硬度很高，塑性很差，是白口鑄鐵的基本組織。1.2.2鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的基礎(chǔ)。在鐵碳合金中，鐵和碳可形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C和FeC等。其中形成的Fe3C中碳的質(zhì)量分數(shù)為6.69％，碳的質(zhì)量分數(shù)高于6.69％的鐵碳合金脆性極大，沒有實用價值，所以在鐵碳合金相圖中，只研究Fe-Fe3C部分，因此鐵碳合金相圖實際上是Fe-Fe3C相圖。圖1-12所示為經(jīng)簡化后的Fe-Fe3C相圖。相圖中的各主要特性點的溫度、成分及物理意義見表1-3。圖1-12簡化后的Fe-Fe3C狀態(tài)圖表1-3Fe-Fe3C相圖中各特性點的溫度、成分及物理意義1.Fe-Fe3C相圖分析

Fe-Fe3C相圖中，縱坐標表示溫度，橫坐標表示碳的質(zhì)量分數(shù)。橫坐標左端碳的質(zhì)量分數(shù)為零，是純鐵；右端碳的質(zhì)量分數(shù)為6.69％，是Fe3C。相圖中，ACD為液相線，AECF為固相線。簡化后的相圖中有兩條水平線，表示以下兩個等溫反應(yīng)：①ECF水平線（1148℃），在此水平線發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。

Lc═AE+Fe3C②PSK水平線（727℃），在此溫度下發(fā)生共析反應(yīng)。

As═Fp+Fe3C

反應(yīng)產(chǎn)物是鐵素體與滲碳體的機械混合物，稱為珠光體。凡是含碳量超過0.0218％的鐵碳合金均發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w（P）。PSK線亦稱A1線。

在Fe-Fe3C相圖中還有以下三條線較為重要：①GS線：從不同含碳量的奧氏體中析出鐵素體的開始線，或者說加熱時鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了線，又稱A3線。②ES線：碳在奧氏體中的溶解度曲線，也稱Acm線。由該線看出，γ-Fe的最大含碳量在1148℃時為2.11％，而在727℃時僅為0.77％。因此含碳量大于0.77％的合金，從1148℃到727℃的過程中，由于奧氏體中含碳量減少，將由奧氏體析出滲碳體，稱為二次滲碳體（Fe3CⅡ）。③PQ線：碳在鐵素體中的溶解度曲線。鐵素體在727℃時含碳量最大（0.0218％），而在600℃時僅為0.0008％，室溫時幾乎不溶碳。因此由727℃緩冷時，鐵素體中多余的碳將以滲碳體的形式析出，稱為三次滲碳體（Fe3CⅢ）。因其數(shù)量極少，往往不予考慮。2.典型鐵碳合金的冷卻過程及其組織

1)鐵碳合金的分類按Fe-Fe3C相圖上碳的質(zhì)量分數(shù)和室溫組織的不同，可將鐵碳合金分為三類：工業(yè)純鐵：ωC≤0.0218％。鋼：0.0218％＜ωC≤2.11％，按室溫組織的不同又可分為三種：

·

共析鋼:ωC=0.77％;

·

亞共析鋼:0.0218%＜ωC

＜0.77％;

·

過共析鋼:ωC＞0.77％。白口鐵：2.11％＜ωC＜6.69％。白口鐵按室溫組織的不同又可分為三種：

·

共晶白口鐵:ωC=4.3％;

·

亞共晶白口鐵:2.11％＜ωC＜4.3％;

·

過共晶白口鐵:4.3％＜ωC＜6.69％。2）碳鋼的組織轉(zhuǎn)變過程下面以幾種典型的碳鋼為例分析其結(jié)晶過程及室溫下的組織。共析鋼：共析鋼（見圖1-13中合金Ⅰ所示）高溫液態(tài)冷卻到1點開始結(jié)晶析出奧氏體，至2點全部結(jié)晶為奧氏體，2～3間全部為單一的奧氏體，奧氏體冷卻至3點（727℃）時發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w（P），即：

AsP(F+Fe3C)在S點以下直至室溫，組織不再發(fā)生變化。珠光體是鐵素體和滲碳體組成的片狀共析體，其中鐵素體、滲碳體的質(zhì)量分數(shù)分別為88.8％和11.2％。圖1-13典型合金在Fe-Fe3C相圖中的位置

在S點溫度（727℃）以下緩冷時，鐵素體成分沿PQ線變化，此時將有三次滲碳體析出，因顯微組織難以顯示，故可以忽略不計。共析鋼冷卻時的組織轉(zhuǎn)變過程如圖1-14所示，其室溫下的顯微組織見圖1-15。圖1-14共析鋼結(jié)晶過程示意圖

圖1-15共析鋼的顯微組織

(a)(500×);(b)(800×)

亞共析鋼：亞共析鋼（圖1-13中的合金Ⅱ）自高溫液態(tài)冷卻，至3點以前與共析鋼相同，得到單相奧氏體。奧氏體冷卻到3點以后，隨著溫度的降低，開始析出鐵素體。同時由于鐵素體的不斷析出，其成分沿GP線變化；而奧氏體的量逐漸減少，其成分沿GS線變化。當溫度降至與PSK線相交的4點時，剩余奧氏體此時碳含量為0.77%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。室溫下亞共析鋼的組織為鐵素體（F）和珠光體（P），其轉(zhuǎn)變過程如圖1-16所示，室溫下的顯微組織如圖1-17所示。圖1-16亞共析鋼結(jié)晶過程示意圖圖1-17亞共析鋼顯微組織ωc=0.20%(200×);(b)ωc=0.40%(250×);(c)ωc=0.60%(250×)

對于亞共析鋼，緩冷后得到的室溫組織都是鐵素體和珠光體，但由于合金中碳的含量不同，故其組織中鐵素體與珠光體的量也不同。隨著含碳量的增加，珠光體的量增多，而鐵素體的量減少。

過共析鋼：過共析鋼（圖1－13中的合金Ⅲ）自高溫液態(tài)冷卻，至3點以前與共析鋼相同，得到單相奧氏體。奧氏體冷卻到3點以后，隨著溫度的繼續(xù)冷卻，開始析出二次滲碳體。奧氏體成分沿ES線變化，滲碳體多沿奧氏體晶界析出。當奧氏體成分到達0.77％時，此時溫度為727℃，剩余的奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。室溫下過共析鋼的組織為珠光體（P）和二次滲碳體（Fe3CⅡ）。圖1-18過共析鋼的結(jié)晶過程示意圖

過共析鋼冷卻時的組織轉(zhuǎn)變過程如圖1-18所示，其室溫下的顯微組織如圖1-19所示。

亞共晶白口鑄鐵：含碳量為2.11%～4.3％的是亞共晶白口鐵，如圖1－13中的Ⅳ合金。合金自高溫液態(tài)冷卻至1點時開始結(jié)晶出奧氏體。在1～2之間冷卻時，隨著結(jié)晶出的奧氏體不斷增多，剩余的液相成分沿著AC線變化，當成分達到C點(ωC=4.3%)時，其溫度為1143℃，即發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，得到萊氏體(A+Fe3C)。此時，合金的組織為初生的奧氏體和萊氏體。繼續(xù)冷卻時，初生的奧氏體和共晶奧氏體隨著溫度繼續(xù)下降，而析出二次滲碳體，其成分沿ES線變化。當奧氏體成分為0.77%時，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，生成珠光體。所以，此時的萊氏體由珠光體、二次滲碳體和共晶滲碳體組成，稱為低溫萊氏體，用L′d表示。因此，亞共晶白口鐵的室溫組織為珠光體、二次滲碳體和低溫萊氏體。圖1-19過共析鋼顯微組織（500×）（a）質(zhì)量濃度為4%硝酸酒精浸蝕;(b）堿性苦味酸鈉浸蝕

圖1-20為亞共晶白口鑄鐵的組織轉(zhuǎn)變示意圖。亞共晶白口鐵的顯微組織如圖1-21所示，圖中黑色部分為珠光體，白色基體為滲碳體。圖1-22為過共晶白口鐵的顯微組織。圖1-20亞共晶白口鐵組織轉(zhuǎn)變示意圖圖1-21亞共晶白口鐵顯微組織（250×）圖1-22過共晶白口鐵顯微組織（250×）3.含碳量對組織及力學(xué)性能的影響

1）含碳量對平衡組織的影響從鐵碳合金相圖分析可知，任何成分的鐵碳合金在共析溫度以下均由鐵素體和滲碳體兩相組成。而且隨著含碳量的增加，鐵素體的相對量逐漸減少，而滲碳體的相對量在增加。同時滲碳體的形態(tài)和分布也有所不同，因此形成不同的組織。室溫時隨著含碳量的增加，其合金組織變化如下：

F+P—→P——→P+Fe3CⅡ——→P+Fe3CⅡ+Ld′—→Ld′—→Ld′+Fe3C2）含碳量對力學(xué)性能的影響圖1-23所示為鐵碳合金的力學(xué)性能隨含碳量變化的規(guī)律，當ωC＜0.9％時，隨著鋼中含碳量的增加，鋼的強度和硬度上升，而塑性、韌性不斷下降，這是由于合金組織中滲碳體的相對量增加，而鐵素體的相對量在減少。而且隨著含碳量的增加，其滲碳體的形狀也逐漸變得復(fù)雜，使其強度明顯開始下降。當ωC=2.11％時，強度已降到很低。圖1-23含碳量對鋼組織和力學(xué)性能的影響

1.2.3Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用

1.在選材方面的應(yīng)用鐵碳合金相圖指出了合金的組織隨成分變化的規(guī)律。根據(jù)合金的組織可以判斷其大致力學(xué)性能，從而可以合理地選擇材料。要求塑性高、韌性好的各種型材和建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用ωC＜0.25％的鋼制作；對于工作中要求有較高的強度、塑性、韌性和承受沖擊的機器零件，應(yīng)選用ωC為0.25%～0.55％的鋼；對于要求耐磨性好、硬度高的各種工模具，應(yīng)選用ωC＞0.55％的鋼。2.在制定工藝方面的應(yīng)用

1)在鑄造方面的應(yīng)用按Fe－Fe3C相圖可確定合適的澆注溫度。其溫度一般選在液相線以上50～100℃。鑄造性能主要表現(xiàn)在流動性、偏析、縮孔等方面，這些性能主要由液相線和固相線之間的溫度間隔決定。共晶成分的合金，其凝固溫度間隔最小（為零），因此可以得到致密的鑄件。在鑄造生產(chǎn)中，接近共晶成分的鑄鐵得到廣泛應(yīng)用。

2)在鍛造方面的應(yīng)用鋼在室溫時，其組織為兩相的機械混合物，因而其塑性較差，形變困難，只有將其加熱到單相奧氏體狀態(tài)，才具有較好的塑性，易于塑性變形。因此，鋼材的鍛造或軋制應(yīng)選擇在具有單相奧氏體組織的溫度范圍內(nèi)進行。一般始鍛溫度控制在固相線（AE線）以下200～300℃范圍內(nèi)。溫度不宜太高，以免鋼材氧化嚴重；溫度也不宜過低，以免鋼材產(chǎn)生變形強化，塑性變差，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。

3）在熱處理方面的應(yīng)用各種熱處理工藝和Fe－Fe3C相圖有著密切的關(guān)系，這將在“鋼的熱處理”中詳細介紹。必須指出，鐵碳合金相圖反映的是在極其緩慢加熱和冷卻下鐵碳合金的相狀態(tài)，因此鐵碳相圖不能解決快速加熱或冷卻時鐵碳合金組織的變化規(guī)律。另外還需指出，在通常使用的鐵碳合金中，除含鐵、碳兩種元素外，還含有其他多種元素（如硫、磷、硅、錳），這些元素對狀態(tài)圖也都有影響，應(yīng)予以考慮。鋼的熱處理在機械制造業(yè)中占有非常重要的地位，它是一種利用加熱和冷卻固態(tài)金屬的方法來改變鋼的內(nèi)部組織，從而達到改善其性能的工藝方法?，F(xiàn)代機床工業(yè)中有60％～70％的零件、汽車拖拉機工業(yè)中有70％～80％的零件均要進行熱處理，所以熱處理是強化鋼材，使其發(fā)揮潛在能力的重要方法，是提高產(chǎn)品質(zhì)量和壽命的主要途徑。什么叫鋼的熱處理呢？它就是將鋼材在固態(tài)范圍內(nèi)，采用適當?shù)姆椒ㄟM行加熱、保溫和冷卻，以改變其內(nèi)部組織，獲得所需性能的一種工藝方法。1.3鋼的熱處理

由于對熱處理的性能要求不同，熱處理的類型是多種多樣的，但其過程都是由加熱、保溫和冷卻三個階段所組成。一般可用熱處理工藝曲線來表示，如圖1-24所示。圖1-24熱處理工藝曲線

根據(jù)加熱和冷卻方式，熱處理可分為普通熱處理和表面熱處理兩大類。

熱處理普通熱處理：退火、正火、淬火和回火表面淬火：火焰加熱、感應(yīng)加熱化學(xué)熱處理：滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲金屬等1.3.1鋼的普通熱處理退火和正火常作為鋼的預(yù)備熱處理工序。在機器零件或工模具等的加工制造過程中，退火和正火作為預(yù)備熱處理工序被安排在工件毛坯生產(chǎn)之后，切削（粗）加工之前，用以消除前一工序帶來的某些缺陷，并為后一工序作好組織準備，而淬火和回火作為最終熱處理，以保證其性能。

1.鋼的退火退火是將鋼加熱到適當溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火主要用于鑄、鍛、焊毛坯或半成品零件，作為預(yù)備熱處理，退火后獲得珠光體型組織。退火的主要目的是：①降低鋼件的硬度，以利于切削加工；②消除內(nèi)應(yīng)力，以防止鋼件變形與開裂；③細化晶粒，改善組織，為零件的最終熱處理做好組織準備。根據(jù)鋼的成分和退火目的的不同，常用的退火方法有完全退火、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。

1)完全退火完全退火是將鋼件加熱到A3以上30～50℃，保溫一定時間，隨爐冷至600℃以下，再出爐空冷的退火工藝。完全退火是可以獲得接近平衡狀態(tài)組織的退火工藝。其目的是使熱加工所造成的粗大、不均勻組織得到均勻細化，消除組織缺陷和內(nèi)應(yīng)力，降低硬度和改善切削加工性能。完全退火主要用于亞共析成分的各種碳鋼、合金鋼的鑄件、鍛件、熱軋型材和焊接結(jié)構(gòu)件的退火。過共析鋼不宜采用完全退火，以避免二次滲碳體以網(wǎng)狀形式沿奧氏體晶界析出，給切削加工和以后的熱處理帶來不利影響。完全退火所需時間較長，是一種費時的工藝。生產(chǎn)中常采用等溫退火工藝。2）等溫退火等溫退火是將鋼件加熱到A3（或A1）溫度以上，保溫一定時間后，以較快的速度冷卻到珠光體區(qū)域的某一溫度并等溫，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織，然后再緩慢冷卻的退火工藝。等溫退火不僅可以大大縮短退火時間，而且由于組織轉(zhuǎn)變時工件內(nèi)外處于同一溫度，故能得到均勻的組織和性能。亞共析鋼的等溫退火與完全退火的目的相同。等溫退火主要用于處理高碳鋼、合金工具鋼和高合金鋼。

3）球化退火球化退火是將過共析鋼或共析鋼加熱至A1以上20～40℃，保溫一定時間，然后隨爐緩慢冷卻到600℃以下出爐空冷的退火工藝。在隨爐冷卻通過Ac1溫度時，其冷卻速度應(yīng)足夠緩慢，以促使共析鋼滲碳體球化。球化退火的目的是使鋼中的滲碳體球狀化，以降低鋼的硬度，改善切削加工性能，并為以后的熱處理工序做好準備。為了便于球化過程的進行，對于原組織中網(wǎng)狀滲碳體較嚴重的鋼件，可在球化退火之前進行一次正火處理，以消除網(wǎng)狀滲碳體。4）擴散退火（均勻化退火）擴散退火是將鋼加熱到A3以上150～200℃，長時間保溫（10～15小時），然后隨爐冷卻的退火工藝。由于退火時間長，零件燒損嚴重，能量耗費很大，易使晶粒粗大。5）去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火又稱低溫退火。它是將鋼加熱到A1以下某一溫度（一般為500～600℃），保持一定時間后緩慢冷卻的工藝方法。去應(yīng)力退火過程中不發(fā)生組織的轉(zhuǎn)變，其目的是為了消除由于形變加工、機械加工、鑄造、鍛造、熱處理、焊接等所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。2.鋼的正火正火是將鋼件加熱到A3（或Acm）以上30～50℃，保溫適當時間后在空氣中冷卻得到珠光體類組織的熱處理工藝。正火和退火的主要區(qū)別是冷卻方式不同，前者冷卻速度較快，得到的組織比退火的組織細小。因此，正火后的硬度、強度也較高。正火與退火相比，不但力學(xué)性能高，而且操作簡便，生產(chǎn)周期短，能量耗費少，故在可能的情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮采用正火處理。

正火一般應(yīng)用于以下幾個方面：

1）改善切削加工性能低碳鋼和低碳合金鋼退火后一般硬度在160HBS以下，不利于切削加工。

2）作為預(yù)備熱處理中碳和合金結(jié)構(gòu)鋼在調(diào)質(zhì)處理前都要進行正火處理，以獲得均勻而細小的組織。

3）作為最終熱處理正火可以細化晶粒，提高力學(xué)性能，故對性能要求不高的普通鑄件、焊接件及不重要的熱加工件可將正火作為最終熱處理工序。對于一些大型或重型零件，當淬火有開裂危險時，也可以用正火作為最終熱處理。圖1-25所示為幾種退火與正火的加熱溫度范圍及工藝曲線。圖1-25幾種退火與正火的加熱溫度范圍及工藝曲線

(a)加熱溫度范圍;(b)工藝曲線3.鋼的淬火淬火是將鋼件加熱到A3（亞共析鋼）或A1（共析鋼和過共析鋼）以上30～50℃，保溫一定時間，然后以適當速度獲得馬氏體（或貝氏體）組織的熱處理工藝。碳在α-Fe中的過飽和固溶體稱為馬氏體，以符號M表示。淬火的主要目的是為了獲得馬氏體或貝氏體組織，然后與適當?shù)幕鼗鸸に囅嗯浜?，以得到零件所要求的使用性能。淬火和回火是強化鋼材的重要熱處理工藝方法。鋼的淬火溫度主要根?jù)鋼的臨界溫度來確定，如圖1-26所示。圖1-26碳鋼的淬火加熱溫度范圍一般情況下，亞共析鋼（ωC＜0.77％）的淬火加熱溫度在A3以上30～50℃，可得到全部晶粒的奧氏體組織，淬火后為均勻細小的馬氏體組織。若加熱溫度過高，馬氏體組織粗大，使力學(xué)性能惡化，同時也增加淬火應(yīng)力，使變形和開裂的傾向增大；若加熱溫度在A1～A3之間，淬火后組織為鐵素體和馬氏體，不僅會降低硬度，而且回火后鋼的強度也較低，故不宜采用。共析鋼和過共析鋼（ωC≥0.77％）的淬火加熱溫度為A1以上30～50℃，此時的組織為奧氏體或奧氏體與滲碳體，淬火后得到細小的馬氏體或馬氏體與少量滲碳體。滲碳體的存在，提高了淬火鋼的硬度和耐磨性。淬火溫度過高或過低，均對淬火鋼的組織有很大的影響。過低，得到的是非馬氏體組織，沒有達到淬火的目的；過高，滲碳體全部溶解于奧氏體中，提高了奧氏體碳濃度，使淬火后殘余奧氏體量增多，硬度、耐磨性降低。4.鋼的回火回火是將淬火鋼加熱到A1以下某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻至室溫的熱處理工藝?；鼗鹗谴慊鸬暮罄m(xù)工序，通常也是零件進行熱處理的最后一道工序，所以對產(chǎn)品最后所要求的性能起決定性的作用。淬火和回火常作為零件的最終熱處理。回火的目的是降低零件的脆性，消除或減少內(nèi)應(yīng)力。一般情況下，淬火得到的馬氏體組織脆而且內(nèi)應(yīng)力大，如果在室溫放置，通常會使零件變形、開裂。因此，零件淬火后一般都要進行回火處理以消除內(nèi)應(yīng)力，提高韌性；工件經(jīng)淬火后硬度高，但塑性和韌性都顯著降低，因此通過調(diào)整回火溫度，可使工件得到不同的回火組織來達到所需要的硬度和強度，塑性和韌性；淬火工件得到的馬氏體和殘余奧氏體都是不穩(wěn)定的組織，在室溫下會自發(fā)發(fā)生分解，從而引起尺寸的變化和形狀的改變，通過回火可得到穩(wěn)定的回火組織，從而保證工件在以后的使用過程中不再發(fā)生尺寸和形狀的改變。根據(jù)零件性能要求不同，可將回火分為三種：①低溫回火（150～250℃）回火組織是回火馬氏體。②中溫回火（350～500℃）回火組織是回火托氏體。③高溫回火（500～650℃）回火組織是回火索氏體。1.3.2鋼的表面熱處理

在扭轉(zhuǎn)和彎曲交變載荷作用下工作的零件，如齒輪、凸輪、曲軸、活塞銷等，它們的表面層承受著比心部高的壓力，在有摩擦條件下工作的零件，其表層還要具有高的耐磨性。因此這些機器零件表面層必須要求有較高的強度、硬度、耐磨和疲勞極限，而心部要有足夠的塑性和韌性。在這種工作狀態(tài)下，若采用前面所述的熱處理方法，是很難滿足要求的。因而需要進行表面熱處理。表面熱處理包括表面淬火和化學(xué)熱處理。1.鋼的表面淬火鋼的表面淬火是一種不改變鋼的表面化學(xué)成分，但改變其組織的局部熱處理方法，是將工件表面快速加熱到臨界點以上，使工件表層轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，冷卻后使表面得到馬氏體組織，心部仍保持原有的塑性和韌性。表面淬火按加熱方式分為：感應(yīng)加熱、火焰加熱、電接觸加熱、激光加熱和電子束加熱幾種。最常用的是前兩種。常用的感應(yīng)加熱有：高頻淬火、中頻淬火、工頻淬火。

零件在進行表面淬火前一般應(yīng)先進行調(diào)質(zhì)（調(diào)質(zhì)硬度一般為200～240HBS）或正火處理；表面淬火后應(yīng)進行低溫回火，回火硬度一般可達53～58HRC。

零件在進行表面淬火前一般應(yīng)先進行調(diào)質(zhì)（調(diào)質(zhì)硬度一般為200～240

HBS）或正火處理；表面淬火后應(yīng)進行低溫回火，回火硬度一般可達53～58HRC。感應(yīng)加熱主要適用于中碳鋼和中碳合金鋼（如45，40Cr,40MnB等）。2.鋼的化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理是將鋼件置入具有活性的介質(zhì)中，通過加熱和保溫，使活性介質(zhì)分解析出活性元素，滲入工件的表面，改變工件的化學(xué)成分、組織和性能的一種熱處理工藝?；瘜W(xué)熱處理與其他熱處理不同，它不僅改變了鋼的組織，同時還改變了鋼體表層的化學(xué)成分。

按鋼件中滲入元素的不同，化學(xué)熱處理可分為：滲碳、氮化、碳氮共滲（氰化）、滲硼、滲鋁、滲鉻等?；瘜W(xué)熱處理的基本過程是：分解、吸收、擴散。通過化學(xué)熱處理的工件能有效地提高鋼件表層的耐磨性、抗腐性、抗氧化性和疲勞強度等。1）鋼的滲碳將工件置于滲碳介質(zhì)中，加熱并保溫，使碳原子滲入工件表面的工藝稱為滲碳。滲碳主要用于低碳鋼或低碳合金鋼。滲碳的目的是增加工件表層的含碳量，形成一定的碳濃度梯度，使原本含碳量比較低（ωC=0.15％～0.3％）的表層，獲得高的碳濃度（ωC≈1.0％）。在機械制造中，許多重要的零件如齒輪、凸輪、活塞銷等，都是在交變載荷、沖擊載荷及嚴重磨損狀態(tài)下工作，要求零件表面具有高的硬度和耐磨性，而心部具有一定的強度和韌性，因此，選用低碳鋼或低碳合金鋼進行滲碳處理，然后進行淬火和低溫回火，就可以滿足上述性能要求。一般滲碳層可達0.5～2mm。滲碳的方法按滲碳劑的不同，可分為氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。目前，常用的是氣體滲碳。低碳鋼滲碳緩冷后的顯微組織表層為珠光體和二次滲碳體的過共析鋼組織，與其相鄰的內(nèi)層為共析鋼組織，心部為珠光體和鐵素體的原始亞共析鋼組織。工件滲碳后必須立刻進行淬火和低溫回火。低碳鋼經(jīng)滲碳淬火后，表層硬度高，可達58～64HRC，耐磨性較好；心部保持低的含碳量，韌性較好；疲勞強度高。這是因為表層為高碳馬氏體，體積膨脹大，而心部為低碳馬氏體或非馬氏體組織，體積膨脹小，所以表層產(chǎn)生壓應(yīng)力，提高了零件的疲勞強度。2）鋼的滲氮滲氮是將工件置于一定溫度下，使活性氮原子滲入工件表層的一種化學(xué)熱處理工藝。滲氮的目的是提高工件表層的硬度、耐磨性、耐蝕性和疲勞強度。常用的方法有氣體滲氮、液體滲氮及離子滲氮等。氣體滲氮是將工件置于能通入氨氣（NH3）的爐中，加熱至500～550℃，使氨分解出活性氮元素滲入到工件表層，并向內(nèi)部擴散，形成一定厚度的氮化層。與滲碳相比，滲氮工件的表層硬度較高，可達1000～1200HV（相當于69～72HRC）。滲氮溫度較低，滲氮后一般不再進行其他熱處理，因此工件變形較小。工件經(jīng)滲氮后，其疲勞強度可提高15％～35％。滲氮層耐腐蝕性能好。為了保證滲氮零件心部具有良好的綜合力學(xué)性能，在滲氮前應(yīng)進行調(diào)質(zhì)處理。與滲碳相比，滲氮具有以上特點，但其工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，成本高，氮化層薄(一般為0.1～0.4mm)而脆，不宜承受集中的重載荷，并需要專用的滲氮鋼（如38CrMoALA等），因此滲氮主要用于處理各種高速傳動的精密齒輪、高精度機床主軸及重要的閥門等。1.4碳鋼與合金鋼

1.4.1碳鋼含碳量（ωC）小于2.11％的鐵碳合金稱為碳素鋼，簡稱碳鋼。碳鋼中除了鐵、碳兩種元素外，還含有少量錳、硅、硫、磷等雜質(zhì)。由于碳鋼具有一定的力學(xué)性能和良好的工藝性能，且價格低廉，因此碳鋼是工業(yè)中用量最大的金屬材料，它廣泛應(yīng)用于建筑、交通運輸及機械制造工業(yè)中。1）碳鋼的分類生產(chǎn)中使用的碳鋼品種繁多，為了便于科研、生產(chǎn)、管理、使用等工作，將鋼進行分類和統(tǒng)一編號。碳鋼常以其化學(xué)成分、冶金質(zhì)量和用途進行分類。①根據(jù)鋼中碳含量的多少可分為：低碳鋼（ωC＜0.25％)、中碳鋼(0.25％≤ωC≤0.60％)、高碳鋼(ωC＞0.60％)。②根據(jù)鋼中有害雜質(zhì)硫、磷含量的多少，可分為：普通質(zhì)量鋼（ωS≤0.050％，ωP≤0.045％）、優(yōu)質(zhì)鋼（ωS≤0.035％，ωP≤0.035％）、高級優(yōu)質(zhì)鋼（ωS≤0.020％，ωP≤0.030％）。③根據(jù)鋼的用途不同，可分為：碳素結(jié)構(gòu)鋼，這類鋼主要用于制作各種機器零件和工程結(jié)構(gòu)件，一般屬于低碳鋼和中碳鋼；碳素工具鋼，這類鋼主要用于制作各種量具、刃具和模具等，一般屬于高碳鋼。2）碳鋼的牌號、性能和用途（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號是由代表鋼材屈服強度的字母、屈服強度值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法符號四個部分按順序組成的。表1-4列出了常用碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、化學(xué)成分及應(yīng)用舉例。碳素結(jié)構(gòu)鋼一般在供應(yīng)狀態(tài)下使用，必要時可進行鍛造、焊接等熱加工，亦可通過熱處理調(diào)整其力學(xué)性能。

表1-4碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、化學(xué)成分和力學(xué)性能(2)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。這類鋼中磷、硫有害雜質(zhì)的含量較低，廣泛用來制造較重要的機器零件。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號用兩位數(shù)字表示，這兩位數(shù)字表示鋼中平均含碳萬分之幾。例如45鋼，表示鋼中平均含碳量為0.45％。部分優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、力學(xué)性能及用途見表1-5。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼使用前一般都要進行熱處理。表1-5部分優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、力學(xué)性能及用途（摘自GB699—88)(3)碳素工具鋼。碳素工具鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)一般為0.65%～1.35％。根據(jù)鋼中有害雜質(zhì)硫、磷的含量，碳素工具鋼分為優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼和高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，其編號是在T（碳）字母后面附以數(shù)字表示，數(shù)字表達鋼中的平均含碳量為千分之幾，例如T8、T12分別表示平均含碳量為0.8％和1.2％。若為高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，則在牌號后加A，如T8A表示平均含碳量為0.8％的高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。碳素工具鋼的牌號、化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1-6。表1-6碳素工具鋼的牌號、化學(xué)成分、力學(xué)性能和用途

（4）鑄鋼。鑄鋼含碳量一般為0.15%～0.60％。在生產(chǎn)中，有些形狀復(fù)雜的零件，很難用鍛壓方法成形，用鑄鐵又難以滿足性能要求，此時可采用鑄鋼。鑄鋼件均需進行熱處理。其牌號冠以“鑄鋼”兩字的漢語拼音字首“ZG”，后面有兩組數(shù)字，第一組表示屈服強度，第二組表示抗拉強度。如牌號ZG310－570表示屈服強度為310MPa、抗拉強度為570MPa的工程鑄鋼。常用的鑄鋼有ZG200－400、ZG230－450等。

1.4.2合金鋼的分類及編號

1.合金鋼的分類合金鋼的種類繁多，為了便于生產(chǎn)、保管、選用和研究，必須對合金鋼進行分類。目前常用的分類方法有：

1)按合金元素含量分低合金鋼：鋼中合金元素總含量ωMe≤5%；中合金鋼：鋼中合金元素總含量ωMe為5%～10%；高合金鋼：鋼中合金元素總含量ωMe＞10%。2）按合金元素種類分按合金元素種類分有鉻鋼、錳鋼、鉻錳鋼、鉻鉬鋼、鉻鎳鋼、鉻鎳鉬鋼等。

3）按主要用途分（1）合金結(jié)構(gòu)鋼。結(jié)構(gòu)鋼又分為以下兩種：建筑及工程用結(jié)構(gòu)鋼：它主要用于建筑、橋梁、船舶、鍋爐等；機械制造用結(jié)構(gòu)鋼：它主要用于制造機械設(shè)備上結(jié)構(gòu)零件的鋼，這類鋼基本上屬于優(yōu)質(zhì)鋼或高級優(yōu)質(zhì)鋼，它包括合金結(jié)構(gòu)鋼、易切削結(jié)構(gòu)鋼、彈簧鋼和滾動軸承鋼。

（2）合金工具鋼。它是指用于制造各種工具的鋼，包括合金工具鋼或高速工具鋼等。（3）特殊性能鋼。指具有特殊的物理或化學(xué)性能的鋼。它包括不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、超高強度鋼等。

2.合金鋼的編號我國合金鋼編號的原則是以鋼中碳含量（ωC/%）及合金元素的種類和含量（ωMe/%）來表示。當鋼中合金元素的平均含量ωMe＜1.5%時，鋼中只標出元素符號，不標明合金元素平均含量；當ωMe≥1.5%，2.5%，3.5%，…時，在該元素后面相應(yīng)地標出2，3，4，…。

1)合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號用“兩位數(shù)字+元素符號+數(shù)字”表示。前面兩位數(shù)字表示鋼中平均碳含量為萬分之幾；元素符號表示鋼中所含的合金元素；元素符號后面的數(shù)字表示該元素平均含量為百分之幾。如55Si2Mn鋼，其含碳量為0.55%，Si的含量為1.5%～2.5%，Mn的含量小于1.5%。

2）滾動軸承鋼滾動軸承鋼的牌號表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼不同，在牌號前面加“G”表示“滾”字的漢語拼音字首，其碳含量不標出。合金元素鉻（Cr）后面的數(shù)字表示平均鉻質(zhì)量分數(shù)為千分之幾，例如GCr15鋼中平均鉻質(zhì)量分數(shù)為1.5%。

3）合金工具鋼合金工具鋼的編號方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相似。

4）高速工具鋼高速工具鋼的牌號表示方法與合金工具鋼略有不同，主要區(qū)別是鋼中平均含碳量ωC＜1%時也不標出數(shù)字。

5)特殊性能鋼特殊性能鋼的牌號表示方法與合金工具鋼基本相同。如不銹鋼4Cr13，其鋼中平均碳質(zhì)量分數(shù)為0.4%，鉻的質(zhì)量分數(shù)為12.5%～13.5%；當ωC≤0.03%或ωC≤0.08%時,在牌號前面加上“00”或“0”,如00Cr17Ni14Mo2鋼、0Cr19Ni9鋼等。1.4.3合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上特意加入一種或幾種合金元素，以滿足各種使用性能要求的結(jié)構(gòu)鋼，它是應(yīng)用最廣、用量最大的金屬材料。合金結(jié)構(gòu)鋼又分為普通低合金鋼、滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、滾動軸承鋼、易切削鋼等幾類。

1.低合金鋼低合金鋼實質(zhì)上是低碳低合金工程結(jié)構(gòu)用鋼。這類鋼含合金元素比較少，含碳量較低，多數(shù)為0.1%～0.2%，其屈服強度比普通低碳鋼高25%～50%，比普通低碳鋼的屈強比(σs/σb)明顯提高，可以節(jié)約鋼材20%～30%。這類鋼的時效傾向小，并有良好的耐蝕性和焊接性，一般是在正火或熱軋狀態(tài)下使用。低合金鋼主要用于橋梁、船舶、車輛、管道、起重運輸機械等。常用的低合金結(jié)構(gòu)鋼有12Mn、16Mn等。

2.合金滲碳鋼滲碳鋼通常是指制造滲碳零件的鋼，它一般為低碳的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和低碳的合金結(jié)構(gòu)鋼，主要用于制造承受強烈沖擊和磨損的零件，如變速齒輪、齒輪軸、活塞銷等，這些零件要求表面具有高硬度、高耐磨性，而心部具有高的韌性和足夠的強度。這類鋼平均含碳量為0.1%～0.25%。合金滲碳鋼是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入了Cr、Mn、Ni、B、Ti、V、Mo、W等元素，其中Cr、Mn、Ni、B等元素的作用主要是提高材料的淬透性；而W、Mo、V、Ti可形成細小、難溶的碳化物，細化晶粒，防止?jié)B碳層剝離及提高心部性能。合金滲碳鋼的最終熱處理工藝是淬火加低溫回火。低溫回火后，合金滲碳鋼零件表面層和碳鋼相似，是高碳回火馬氏體和滲碳體或碳化物；而心部淬火后得到低碳回火馬氏體或珠光體加鐵素體。因此其表層具有高硬度、高強度和耐磨性，而心部具有足夠的強度和韌性。按合金元素含量的不同，可將合金滲碳鋼分為低淬透性合金滲碳鋼、中淬透性合金滲碳鋼和高淬透性合金滲碳鋼三類。低淬透性合金滲碳鋼：如20Cr、20MnV，用于制造受力不太大，不需要很高強度的耐磨零件，如截面尺寸在30mm2以下的形狀復(fù)雜、心部要求較高、工作表面承受磨損的零件（如機床變速箱齒輪、凸輪、蝸桿、活塞銷等）。中淬透性合金滲碳鋼：如20CrMnTi、12CrNi3，主要用來制造中等載荷的耐磨零件。如在汽車、拖拉機工業(yè)中用于截面尺寸在30mm2以下，承受高速、中或重載荷以及受沖擊、磨損的重要滲碳件，如齒輪、軸、齒輪軸、蝸桿等。高淬透性合金滲碳鋼：這類鋼即使空冷也能獲得馬氏體組織，用來制作承受重載荷及強烈磨損的重要大型零件。屬于此類鋼的有12Cr2Ni14、20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W等。由于合金元素含量高，滲碳層將存在大量殘余奧氏體，降低強度和硬度，影響其壽命，因此淬火后要進行冷處理。

3.合金調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼通常指經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的結(jié)構(gòu)鋼，一般為中碳的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼，主要用于制造承受大循環(huán)載荷及沖擊載荷作用的零件。這些零件要求具有高強度和良好的塑性與韌性相配合的綜合力學(xué)性能，如連桿、軸、齒輪等。這類鋼的平均含碳量為0.25%～0.5%。合金調(diào)質(zhì)鋼由于加入了合金元素，因此淬透性好，綜合力學(xué)性能高于碳素調(diào)質(zhì)鋼。在合金調(diào)質(zhì)鋼中，主加元素有：Mn、Si、Cr、Ni、B，其主要目的是增大鋼的淬透性。淬火和高溫回火后，可獲得高而均勻的綜合力學(xué)性能，特別是高的屈強比。輔加元素有W、Mo、Ti、V，其作用是細化晶粒，提高回火抗力。合金調(diào)質(zhì)鋼常按淬透性分為三類：（1）低淬透調(diào)質(zhì)鋼，如40Cr、40MnB等鋼，常用于中等截面、要求力學(xué)性能比碳鋼高的調(diào)質(zhì)件，如齒輪、軸、連桿等；（2）中等淬透性鋼，如38CrMoAlA鋼，常用于截面大、承受較重載荷的機器零件；（3）高淬透性調(diào)質(zhì)鋼，如40CrMnMo，25CrNi4A等，這類鋼調(diào)質(zhì)后強度最高，韌性也很好，可用于大截面、承受更大載荷的重要調(diào)質(zhì)零件。調(diào)質(zhì)鋼的最終熱處理是淬火后高溫回火，得到回火索氏體組織?；鼗饻囟瓤筛鶕?jù)調(diào)質(zhì)件的性能要求（硬度為25～35HRC）在500～600℃之間選擇，上限韌性高，下限強度高。淬透性高的調(diào)質(zhì)鋼可采用正火加高溫回火以降低硬度。若要求零件表面有良好的耐磨性，則可進行表面淬火或化學(xué)熱處理。

4.彈簧鋼用來制造彈簧和彈性元件的鋼叫做彈簧鋼。彈簧鋼要求具有較高的彈性極限和屈強比，高的疲勞強度及塑性、韌性。這類材料為中碳鋼，其含碳量為0.6%～0.9%，以保證得到高的疲勞極限和屈服點。加入合金元素后，其含碳量降低為0.45%～0.70%。常加入的合金元素有Mn、Si、Cr、V等,主要目的是提高鋼的淬透性，提高彈性極限和彈簧的疲勞強度。加入輔加元素如Mo、W等，其作用是減少脫碳和過熱傾向，同時進一步提高彈性極限、屈強比和耐熱性。這些合金元素都能增加奧氏體的穩(wěn)定性，使大截面彈簧可在油中淬火，減少其變形與開裂傾向，V還能細化晶粒，提高韌性。彈簧鋼的熱處理一般是淬火加中溫回火，得到回火托氏體組織，彈性極限和屈服強度較高。常用的彈簧鋼，如65Mn、55Si2Mn等，主要用于制造汽車和拖拉機上的減振彈簧、電力機車升弓鉤彈簧以及板簧等。

5.滾動軸承鋼滾動軸承鋼是用來制造滾動軸承的內(nèi)、外套圈和滾動體的專用鋼種。滾動軸承工作時，承受很大的交變載荷，因套圈與滾動體之間是點接觸或線接觸，產(chǎn)生極大的接觸壓力，所以容易導(dǎo)致軸承的接觸疲勞破壞。在轉(zhuǎn)動過程中，滾動體與套圈及保持架之間還有相對滑動，產(chǎn)生摩擦。因此，要求材料具有很高的接觸疲勞強度和足夠的彈性極限、耐磨性和抗蝕性。

為了保證軸承具有高的強度和耐磨性，一般鋼中的含碳量較高，為0.95%～1.10%。主要合金元素為鉻（Cr），通常鉻的質(zhì)量分數(shù)為0.5%～1.50%，其作用是提高淬透性，形成細小合金滲碳體，硬度可達65HRC，鉻還能提高抗蝕能力。但鉻太多，淬火后會產(chǎn)生大量殘余奧氏體，降低軸承的硬度和尺寸穩(wěn)定性，還會增加碳化物的不均勻。軸承鋼的熱處理是由預(yù)備熱處理（球化退火）和最終熱處理（淬火及低溫回火）完成的，其組織為極細回火馬氏體、均勻分布的細球狀碳化物和微量殘余奧氏體。

對于精密軸承零件，為了保證在長期工作過程中不會發(fā)生變形，在淬火后應(yīng)進行一次冷處理，以盡量減少組織中殘余奧氏體含量，然后再低溫回火；在磨削加工后，再進行一次人工時效處理（加熱到120～130℃，保溫10～20h）。

目前我國最常用的軸承鋼是GCr15、GGr15SiMn等鉻軸承鋼，GCr15主要用于制造中小型軸承以及精密量具、冷沖模、機床絲桿等，而GGr15SiMn主要用于制造大型和特大型軸承。1.4.4

合金工具鋼

合金工具鋼是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上，加入適量合金元素而獲得的工具鋼，按用途合金工具鋼可分為合金刃具鋼、合金模具鋼及合金量具鋼。

1.合金刃具鋼合金刃具鋼主要是指用來制造車刀、銑刀、鉆頭等金屬切削刃具的鋼。刃具在切削過程中，刃部與切削物之間產(chǎn)生強烈摩擦，使刃具磨損并發(fā)熱，刃部的溫度會升高，硬度會下降，切削功能會降低。同時刃具還承受一定的沖擊和振動。因此對刃具有如下性能要求：高硬度與耐磨性；好的紅硬性；足夠的塑韌性。紅硬性是指鋼在高溫下保持高硬度的能力。刃具切削時，刃部溫度很高，所以紅硬性是刃具鋼的最主要的性能要求。根據(jù)合金刃具鋼中合金元素的含量，可將合金刃具鋼分為低合金刃具鋼和高合金刃具鋼。

1）合金刃具鋼的成分特點合金刃具鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)為0.75%～1.50%，高的含碳量用來保證高硬度和耐磨性。在碳素工具鋼中常加入合金元素Cr、Mn、Si、V、W等，主要是提高淬透性和回火穩(wěn)定性，改善鋼的紅硬性，形成細小均勻的碳化物，用以提高耐磨性。低合金刃具鋼的預(yù)備熱處理為球化退火，最終熱處理采用淬火加低溫回火，最后組織為回火馬氏體、粒狀合金碳化物和少量殘余奧氏體，其硬度為60～65HRC。工業(yè)生產(chǎn)中很多場合要用到合金刃具鋼的高硬度和耐磨性，例如：9SiCr常用做要求耐磨性高、切削不劇烈的刃具，比如板牙、絲錐、鉆頭、鉸刀等，還可用做冷沖模、冷軋模等。

2）高速工具鋼高速工具鋼屬于高合金工具鋼，主要用來制作高速切削的刃具。其突出的性能特點是高硬度、高耐磨性及好的紅硬性。高速鋼的成分特點是含有大量的鎢（W）、釩（V）、鉬（Mo）、鉻（Cr）等元素，其中鉻為提高淬透性元素，鎢、鉬、釩的作用是提高耐磨性及紅硬性。高速工具鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)為0.7%～1.65%。高碳可以保證形成足夠的合金碳化物。淬火加熱時，部分碳化物溶于奧氏體，保證了馬氏體的高硬度；另一部分未溶碳化物則可阻礙奧氏體晶粒長大。高速工具鋼的熱處理工藝淬火溫度高（1200～1300℃），回火次數(shù)多（三次回火，回火溫度為560℃）。采用高的淬火溫度是要讓難溶的特殊碳化物能充分溶于奧氏體中，使馬氏體中W、Mo、V、Ti等合金元素的含量足夠高，保證高硬度、高耐磨性及高的紅硬性；回火次數(shù)多主要是為了減少鋼中的殘余奧氏體量。另外，下一次回火對上一次回火產(chǎn)生的組織應(yīng)力（馬氏體轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生的）還有消除作用。常用的高速鋼有W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2。W18Cr4V主要用于制造一般高速切削用的車刀、刨刀、鉆頭、銑刀等；W6Mo5Cr4V2主要用于制造要求耐磨性和韌性好的高速切削刀具，如絲錐等。2.合金模具鋼合金模具鋼是用來制造模具的鋼種。制造模具的材料很多，如碳素工具鋼、軸承鋼、耐熱鋼、蠕墨鑄鐵等，應(yīng)用最多的是合金工具鋼。根據(jù)用途的不同，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是用來制造使金屬在冷態(tài)（一般指室溫）下產(chǎn)生塑性變形或分離的模具用鋼。如落料模、冷鐓模、剪切模、拉絲模等。冷作模具鋼的化學(xué)成分基本上與刃具鋼相同，其含碳量ωC＞1.0％，有的高達2.0%。尺寸小的模具可以選用低合金含量的冷作模具鋼，如9Mn2V、CrWMn等鋼，也可采用T10A、T12A、刃具鋼9SiCr、軸承鋼GCr15等；承受重載荷、形狀復(fù)雜、要求淬火變形小的、耐磨性高的大型模具，則必須選用淬透性好的高鉻、高碳的Cr12型鋼或高速鋼。Cr12型鋼的成分特點是高碳、高鉻（ωC：1.45％～2.3％；Cr：11％～13％），因此具有極高的硬度與耐磨性（比低合金鋼高3～4倍），強度也很高，而且淬火變形很小，屬于微變形鋼。冷作模具鋼的熱處理一般為淬火加低溫回火。在不同的溫度下回火，可以得到不同的硬度。表1-7常用冷作模具的牌號、成分、性能及用途2)熱作模具鋼熱作模具鋼是用來制造在受熱狀態(tài)下對金屬進行變形加工的一種模具用鋼，如熱鍛模、熱擠模、壓鑄模等。熱作模具在工作中除承受壓應(yīng)力、張應(yīng)力、彎曲應(yīng)力外，還受到因熾熱金屬在模具型腔中流動而產(chǎn)生的強烈摩擦力；并且反復(fù)受到熾熱金屬的加熱和冷卻介質(zhì)（如水、油、空氣）的冷卻作用，使模具反復(fù)在冷、熱狀態(tài)下工作，從而導(dǎo)致模具工作表面出現(xiàn)龜裂，這種現(xiàn)象稱為熱疲勞。因此要求熱作模具鋼在高溫下具有足夠的強度、韌性、硬度和耐磨性，以及一定的熱導(dǎo)性和抗熱疲勞性；對于尺寸較大的模具，還必須具有高的淬透性和較小的變形。熱作模具鋼一般為中碳鋼，其含碳量ωC為0.3％～0.6％，以保證經(jīng)中溫或高溫回火后獲得良好的強度與韌性。加入的合金元素有Cr、Mn、Ni、Mo、W等。其中Cr、Ni、Mn主要是提高其淬透性和強度；Mo、W、V可以提高其熱硬度，細化晶粒，提高其回火穩(wěn)定性。為了提高鋼的抗熱疲勞性，應(yīng)適當提高Cr、Mo、W在鋼中的含量。熱作模具鋼的硬度在40HRC左右，并具有較高的韌性。常用的熱作模具鋼的牌號、成分、熱處理及用途見表1－8。表1-8常用的熱作模具鋼的牌號、成分、熱處理及用途5CrNiMo、5CrMnMo鋼