金属工艺学（全套课件505P）

金属工艺学金属工艺学是一门有关机械零件制造方法及其用材的综合性技术基础课。

1.内容：（1）系统介绍机械工程材料的性能、应用及改进材料性能的工艺方法；（2）各种成形工艺方法及其在机械制造中的应用和相互联系；（3）机械零件的加工工艺过程。

2.生产方法：

3.历史发展：

4.制造技术的发展阶段：（1）用机器代替手工，从作坊形成工厂（2）从单件生产方式发展到大量生产方式（3）柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造技术

5.现代制造技术的形成和发展特点：（1）生产规模：少品种大批量——>单件小批量——>多品种变批量（2）生产方式：劳动密集型——>设备密集型——>信息密集型——>知识密集型（3）制造设备的发展过程：手工——>机械化——>单机自动化——>刚性自动线——柔性自动线——>智能自动化出土于河南安阳侯家庄武官村。此鼎形制雄伟，重达832.84公斤,高达133厘米,是迄今为止

出土的最大最重的青铜

器。

司马戊大鼎

永乐大钟高6.75m、直径3.3m、重量46.5t的铜钟，是明朝永乐年间（约1420年）铸造的，在世界大钟之林中铸造年代最久远。钟身内外铸满了佛经，经文清晰，排列巧妙，总字数达230184个，是世界上铸字最多的大钟。撞击一下，钟声悠扬悦耳，可传40～50km。

永乐大钟局部，上面载明大钟铸造的时间。

1996年我国钢产量超过一亿吨，变成世界第一产钢大国。这是为纪念钢产量突破一亿吨而发行的邮票。

葛洲坝水轮发电机转子

最大直径18738毫米，高3639毫米，净重达1780吨，是目前世界上最大水轮发电机转子。（2005.02.04吊装就位）

九龙大鼎（广东肇庆市）高6.68米,宽5.58米,重量16吨，整座由青铜浇铸而成。

越王勾践剑越王者旨於赐剑越王州句复合剑越王不寿剑

香港天坛大佛高34米，重250吨，由200块青铜铸件砌成。耗资2000万港元。

无锡灵山大佛1、灵山大佛通高88米，佛体79米，莲花瓣9米。2、灵山大佛佛体（不含莲花瓣）由1560块6-8毫米厚的铜壁板构成，焊缝长达30余公里。

3、灵山大佛铸铜约700吨，铜板面积达九千多平方米，约一个半足球场大小。

4、由于高科技的运用，灵山大佛能抵御14级台风和8级地震的侵袭。

钢铁工业

6.基本要求：（1）了解工程材料的种类、性能及其改性方法，初步掌握其应用范围和选择原则。（2）掌握主要毛坯成形方法的基本原理和工艺特点，具有选择毛坯及工艺分析的初步能力。（3）掌握机械制造生产过程、生产类型及其特点；掌握各种主要加工方法的实质、工艺特点、基本原理和设备；了解零件的加工工艺过程，并具有选择零件加工方法的能力，能制定简单的制造工艺规程。（4）了解零件的结构工艺性。（5）了解有关的新工艺、新技术及其发展趋势。第一章金属材料基本知识§1.1金属材料的主要性能使用性能——指材料在使用过程中表现出来的性能。工艺性能——指材料对各种加工工艺适应的能力。一、金属材料的使用性能力学性能——金属材料在外力（载荷）作用下，所表现的抵抗变形和破坏的能力。（一）强度强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂的能力。

拉伸试验动画\金工动画\拉伸曲线.swf

1.弹性极限—试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉应力。2.屈服点—试样在试验过程中力示增加（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时的应力。3.抗拉强度——试样拉断前所能承受的最大应力值。

（二）塑性塑性是指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。

1.断后伸长率—试样拉断后标距的伸长时与原始标距的百分比。

2.断面收缩率—试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。

（三）硬度

1.布氏硬度（1）试验原理：D、F、t、S

（2）符号（3）表示方法

XXXHBS(W)XX/XXX/XX

（4）应用范围：测定结果较稳定、准确，但不宜测薄件或成品件。HBS用于测小于450的材料；HBW用测小于650的材料。主要用来测灰铸铁、有色金属及经退火、正火和调质处理的钢材。

布氏硬度试验原理图

详细说明

主要技术参数：

初试验力（N）：29.4

维氏硬度试验（N）：49，98，196，294

显微镜放大倍率：75倍、150倍

试件允许最大高度：200mm

表面洛氏硬度（mm）：147，294，441

压头中心到机身距离：200mm

电源电压：AC220V50/60HZ布氏硬度试验

2.洛氏硬度（1）试验原理：用顶角为1200的金刚石圆锥或直径为1.588mm的淬火钢球作压头，在初始试验力F1（98N）及总试验力F作用下，将压头压入试样表面，按规定保持时间后卸除主试验力，用测量的残余压痕深度增量计算硬度。（2）符号

（3）表示方法在符号前写出硬度值。（4）应用范围可直接测量成品或较薄工件，但结果不够准确。

洛氏硬度试验原理图

（四）冲击韧度冲击试样缺口底部横截面积上的冲击吸收功。

将被测材料制成标准U型或V型试样，缺口背向摆锤冲击方向，摆锤举至H1

高度，然后自由落下，冲断试样升至高度H2

。摆锤冲断试样所消耗的能量，即试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功。

A=mgH1-mgH2=mg（H1-H2）J

冲击试样缺口底部处单位横截面积上的冲击吸收功，称为冲击韧度。

αk=Ak/SNJ/cm2

冲击吸收功Ak

作为材料韧性判据。冲击吸收功与温度、试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷有关。

（五）疲劳强度

材料在指定循环基数下不产生疲劳断裂所能承受的最大应力。

实际的疲劳强度值，规定钢进行1×106～107次，有色金属进行1×107～1×108次交变循环而不发生疲劳破坏时的最大应力值，即为该材料的疲劳强度σ-1。疲劳强度与抗拉强度之间存在一定的比例关系，如碳素钢σ-1≈（0.4～0.55）σb

，灰铸铁σ-1≈0.4σb

，有色金属σ-1≈（0.3～0.4）σb。疲劳破坏的原因：应力集中——微裂纹——扩展——断裂破坏。避免措施：改善内部组织、外部形状和表面状态，减小和避免应力集中，表面强化处理和减小表面粗糙度值。

§1.2金属与合金的结构和结晶一、金属材料的性能与结构晶体——原子杂乱无章堆砌起来。晶体——原子按一定几何图形有规则排列。特点：有固定的熔点，各向异性（一）金属的晶体结构基本知识

1.晶格——描述原子在晶体中规则排列方式的空间几何图形。

2.晶胞——能够反映晶格特征的最小几何单元。动画\金工动画\晶胞.swf3.常见金属的晶格类型

（１）体心立方晶格动画\金工动画\体心.swf立方体晶胞，八个顶角和立方体中心各有一个原子，每个晶胞有原子２个。常见金属有：Cr、W、Mo、V和α-Fe等。

（２）面心立方晶格动画\金工动画\面心.swf

立方体晶胞，八个顶角和六个面的中心各有一个原子，每个晶胞有原子４个。常见金属有：Al、Cu、Ni、Au、Ag和-Fe等。

（３）密排六方晶格动画\金工动画\密排.swf

正六棱柱体晶胞，12个顶角和上下面中心各有一个原子，晶胞内还有３个，每个晶胞有原子

6个。

常见金属有：Mg、

Zn、Be和

Cd等。

（二）金属的实际晶体结构

1.多晶体结构动画\金工动画\多晶体结构.swf

单晶体——晶体内部的晶格位向完全一致。晶粒——外形不规则，呈颗粒状的小晶体。晶界——晶粒与晶粒之间的界面。多晶体——由许多晶粒组成的晶体。

2.晶体缺陷

（２）线缺陷动画\金工动画\刃型位错.SWF刃型位错强度、硬度增加，塑性、韧性下降。

（３）面缺陷晶界和亚晶界动画\金工动画\亚晶界.SWF动画\金工动画\晶界.SWF金属强度、硬度增高，塑性变形困难——“细晶强化”。

二、金属与合金的结晶（一）金属的结晶金属原子的聚集状态由无规则的液态，转变为规则排列的固态晶体过程。动画\金工动画\冷却曲线.swf过冷度——理论结晶温度Tm与实际结晶温度To之差。1.冷却曲线

纯金属的冷却曲线

2.金属的结晶过程动画\金工动画\金属结晶过程.SWF(见图)（1）晶核的形成（2）晶核的长大金属液的结晶过程是晶核产生和长大的过程，同时存在同时进行。

金属结晶过程示意图（二）.晶粒大小及其控制

（1）晶粒大小对金属性能的影响一般情况下，晶粒越细小，金属的强度、塑性和韧性越好。晶粒大小主要取决于形核速率N和长大速率G。（见图）

过冷度对N、G的影响（2）晶粒大小的控制生产中细化晶粒的方法有：

①增加过冷度；②变质处理；③附加振动。（三）、金属的同素异构转变概念：

金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。

意义：

可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性能的目的。（

四）金属铸锭组织

（1）表层细晶区

过冷度大，形核率高

（2）柱状晶粒区（3）中心等轴晶粒区

三、合金的晶体结构

1.合金的基本概念（1）合金——两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素熔合，组成具有金属特性的物质。（2）组元——组成合金最基本、能独立存在的物质。（3）合金系——由给定的组元，按一定的比例配制成一系列的合金。（4）相——具有成分、组织相同，与其他部分有界面的均匀组成部分。（5）组织——用肉眼可直接观察的，或用放大镜、显微镜分辨和材料内部微观形貌图象。

2.合金的相结构（1）固溶体—合金在固态下，组元之间能互相溶解而形成的均匀相。溶剂—与固溶体晶格类型相同。溶质—晶格类型消失的组元。①置换固溶体——溶质的原子部分取代溶剂晶格上的原子。动画\金工动画\置换固溶体.SWF

有限置换固溶体——按一定比例进行置换。无限置换固溶体——任意进行置换原子。条件：晶格类型相同，原子半径接近。②间隙固溶体——溶质的原子溶入溶剂晶格之中形成的固溶体动画\金工动画\间隙固溶体.SWF

固溶体——>晶格畸变——>强度、硬度增加——>固溶强化

（2）金属化合物——合金组元之间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相。特点：晶格类型不同于任一组元，有较高的熔点，硬而脆。动画\金工动画\Fe3C晶格结构.SWF

金属化合物主要用来作为碳钢、各类合金钢、硬质合金及有色金属的重要组成相。（3）多相复合组织——两种或两种以上的相按一定的质量百分数组合成的物质。特点：保持各组元的晶格类型。性能取决于各组成相的性能及分布状态。二元合金状态图一、二元合金状态的建立1.概念研究材料从液态到固体转变过程而建立的图形成分---温度----组织关系图2.表示方法ABB%3.绘制PbSb开始结晶温度（co)结晶终止温度(co)a1000327327b955300252c88.911.1252252d5050490252e0100631631

动画\金工动画\二元相图建立.swf

§1.3铁碳合金相图一、铁碳合金基本组织（一）纯铁的同素异晶转变在固态下，金属的晶格类型随温度（或压力）变化的特性——同素异晶转变。动画\金工动画\同素异构.swfδ—Fe→γ—Fe→α—Fe

体心立方晶格面心立方晶格体心立方晶格铁的同素异构转变是钢铁材料能够进行热处理的依据。

（二）铁碳合金的基本组织

1.铁素体（F）碳溶于α—Fe中形成的间隙固溶体，用符号F（或α）表示。

600℃溶碳量0.008%

727℃溶碳量0.0218%

性能：与纯铁相似，强度、硬度低，而塑性和韧性好。组织：呈明亮的多边形晶粒，晶界曲折。

铁素体的显微组织

2.奥氏体（A）碳溶于γ—Fe中形成的间隙固溶体，用符号A（或γ）表示。

727℃溶碳量0.77%

1148℃溶碳量2.11%

性能：有一定的强度和硬度，塑性和韧性好，适于进行锻压加工。组织：与铁素体相似，晶粒呈多边形，但晶界较铁素体平直

奥氏体的显微组织

3.渗碳体（Fe3C）铁和碳形成的一种具有复杂斜方晶格的间隙化合物，用化学分子式Fe3C表示。

ωc=6.69%熔点为1227℃

性能：硬度很高，脆性很大，塑性极差。组织：常以片状、球（粒）状和网状等不同形态存在。

4.珠光体——铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示。

ωc=0.77%

性能：介于铁素体与珠光体之间，即综合性能良好。

5.莱氏体——ωc=4.3%的合金，缓慢冷却到1148℃时从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶组织，用符号Ld表示。性能：与渗碳体相似，即硬度高，塑性差。

珠光体是铁素体和渗碳体呈层片状交替排列的机械混合物。呈块状分布的白亮部分即是铁素体，黑色部分为珠光体组织。

45钢的显微组织（×400）

在亮白色渗碳体基底上相间地分布着暗黑色斑点及细条状珠光体莱氏体的显微组织二、铁碳合金状态图的形式Fe-Fe3C合金相图

简化铁碳合金状态LAL+AL+Fe3CІF+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3CІLd+Fe3CІLd’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+APQSECDFKG图2.27Fe-Fe3C状态图wC/%→0.772.114.36.69温度/℃→72711480ІⅡⅢ123三、铁碳合金状态图的建立合金状态图就是通过一系列实验测出不同成分的铁碳合金在缓慢冷却过程中的冷却曲线和组织转变，然后在成分与温度坐标图中标出临界点温度（结晶开始和结晶结束的温度），并把物理意义相同的点连成曲线，这样构成的完整图形便是铁碳合金状态图。合金序号舍金成分上临界点／℃下临界点／℃含碳量／％含铁量／％

12345

00.400771.20l60

100996099.2398.8098.40

912790727880l000

——727727727727各成分合金的临界点

四、铁碳合金状态图的分析

1．特性点LAL+AL+Fe3CІF+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3CІLd+Fe3CІLd’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+APQSECDFKG图2.27Fe-Fe3C状态图wC/%→0.772.114.36.69温度/℃→72711480ІⅡⅢ1232．特性线：①ACD线—液相线②AECF线—固相线③ECF线—共晶线④AC线—奥氏体结晶开始线⑤AE线—奥氏体结晶终了线⑥GS线（A3)—铁素体从A中析出开始线⑦PQ线—C在铁素体中的溶解度曲线，此线以右有Fe3CⅢ析出线QAPSECDFKG图2.27Fe-Fe3C状态图wC/%→0.772.114.36.09温度/℃→912153872711480⑧ES线（Acm)—C在A中的溶解度曲线，此线以右有Fe3CⅡ析出线⑨PSK线—共析线⑩CD线—一次渗碳体结晶开始线QAPSECDFKG图2.27Fe-Fe3C状态图wC/%→0.772.114.36.09温度/℃→9121538727114803.铁碳合金的分类工业纯铁：C%<0.0218共析钢：C%=0.77亚共析钢：0.0218<C%<0.77过共析钢：0.77<C%<=2.11共晶白口铁：C%=4.3亚共晶白口铁：2.11<C%<4.3过共晶白口铁：4.3<C%<6.69QAPSECDFKG图2.27Fe-Fe3C状态图wC/%→0.772.114.36.09温度/℃→9121538727114804.合金结晶过程中的组织转变共析钢(І)：L→L+A→A→P亚共析钢(Ⅱ)：L→L+A→A→A+F→P+F过共析钢(Ⅲ)：L→L+A→A→A+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ共晶白口铁：L→Ld→Ld’亚共晶白口铁：L→L+A→Ld+A+Fe3CⅡ→Ld’+P+Fe3CⅡ过共晶白口铁：L→L+Fe3CІ→Ld+Fe3CІ→Ld’+Fe3CІ1、Wc=0.6%

亚共析钢室温组织：P+FLL+AAA+FP+Ft1以上

t1～t2t2～t3t3～t4t4～室温

亚共析钢组织：F+P2、Wc=0.77%

共析钢室温组织：PLL+AAPt1以上

t1～t2t2～t3t3～室温

T8钢的室温平衡组织珠光体

3、Wc=1.2%

过共析钢室温组织：P+Fe3CⅡ

LL+AAA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡt1以上

t1～t2t2～t3t

t4～室温

材料共晶白口铸铁（X250）状态铸造浸蚀剂４％酒精溶液组织变态莱氏体说明变态莱氏体中白色基体为渗碳体（共晶莱氏体和二次渗碳体），黑色圆柱及条状为珠光体

过共晶白口铁结晶过程示意图5.含碳量对铁碳合金组织性能的影响(1)对平衡组织的影响5.含碳量对铁碳合金组织性能的影响(2)对力学性能的影响含碳量越高，钢的强度和硬度越高，而塑性和韧性越低。这是由于含碳量越高，钢中的硬脆相-Fe3C越多的缘故。而当含碳量超过0.9％时，达到碳的过共析，在晶界析出网状二次渗碳体，使钢的强度有所降低。6.铁碳合金平衡相图的应用（1）1、选材的依据2、选择铸造合金成分和浇注温度的依据3、确定钢的锻造温度的依据4、研究焊缝区及近缝区组织和性能变化的理论依据5、确定各种热处理工艺的依据：根据对工件材料性能要求的不同，各种不同热处理方法的加热温度都是参考Fe-Fe3C相图选定的。

6.铁碳合金平衡相图的应用（2）

1在选材上的应用低碳钢：塑性、韧性好，用于冲压件、焊接件、抗冲击件。中碳钢:综合力学性能较好，用于轴、齿轮等。高碳钢：强度、硬度、耐磨性好，用于各种工模具。白口铁：性硬而脆，但铸造性能好，用于不受冲击的铸件。2在铸造工艺上的应用根据Fe-Fe3C相图的液相线可以找出不同成分的铁碳合金的熔点，从而确定合适的熔化、浇注温度(液相线以上50~100℃)。还可以看到钢的熔化与浇注温度都要比铸铁高，如下图所示。此外，靠近共晶成分的铁碳合金不仅熔点低，而且凝固温度区间也较小，故具有良好的铸造性能。这类合金适宜于铸造，在铸造生产中获得广泛的应用。6.铁碳合金平衡相图的应用（3）

Fe-Fe3C相图与铸、锻工艺的关系

3在塑性加工工艺上的应用钢材轧制或锻造的温度范围，多选择在单一奥氏体组织范围内。其选择原则是开始轧制或锻造的温度不得过高，以免钢材氧化严重，甚至发生奥氏体晶界部分熔化，使工件报废。而终止温度也不能过低，以免钢材塑性差，在锻造过程中导致产生裂纹。一般始锻温度在固相线以下100~200℃，终锻温度800℃左右。各种碳素钢合适的轧制或锻造温度范围如图所示。

§3.1碳钢一、碳钢中的常存杂质元素及其作用（1）硅和锰——有益元素作用：脱氧剂，形成MnS，固溶强化，减少FeO的影响。（2）硫和磷——有害元素危害：形成低熔点的FeS，使钢产生热脆；使钢产生冷脆。硅（Si）（1）可清除钢中的FeO，脱氧能力比Mn强。

它与钢液中的FeO能结成密度较小的硅酸盐以炉渣的形式被除去。从而消除FeO对钢的不良影响。（2）硅能溶入铁素体中，使铁素体强化，从而提高钢的强度和硬度，但降低塑性和韧性。当含硅量不多时，其对钢的性能影响不大。（3）总起来说，硅也是一种有益的元素。作为杂质其含量应小于0.4%。锰（Mn）（1）可清除钢中的FeO，改善钢的品质。

锰从FeO中夺取氧形成MnO进入炉渣，从而把钢中的FeO还原成铁，改善钢的质量。（2）减轻硫的有害作用，降低钢的脆性，改善钢的热加工性能。（MnS在高温时有一定塑性，切削加工中MnS能起断屑作用，因此改善了钢的切削加工性，这类钢称作易切削钢)（3）在室温下锰能大部分溶入铁素体中形成含锰铁素体的置换固溶体，使铁素体强化，提高钢的强度和硬度。（4）锰在碳钢中的质量分数一般为0.25%～0.80%，最高可达1.2%。总起来说，锰是一种有益的元素。2.硫（S）、磷（P）是有害元素S是在炼钢时由矿石和燃料带入钢中的→热脆

P是由矿石带入钢中的→冷脆衡量钢的质量的主要指标为含S、P量。S一般控制在0.05%以下,P一般钢的含磷量控制在0.045%以下。P（1）硫：可与铁生成FeS，FeS与Fe能形成低熔点（985℃）的共晶体，且分布在晶界上。当钢材在1000℃～1200℃进行热压力加工时，由于共晶体熔化，从而导致热加工时开裂。这种金属在高温时出现脆裂的现象，称为“热脆”。（2）磷在钢中能全部溶于铁素体中，提高铁素体的强度和硬度。但在室温下却使钢的塑性和韧性急剧下降（Fe3P而使钢的脆性增加），产生低温脆性，这种现象称为冷脆。磷的有害作用在一定条件下可以转化，例如钢中加入适量的磷还可以提高钢材的耐大气腐蚀性能。在炮弹钢中加入较多磷，可增大钢的脆性，使炮弹在爆炸时碎片增多，从而增加了杀伤力。

二、碳钢的分类、牌号和用途（一）碳钢的分类

1.按碳的含量分类

2.按质量分类

3.按用途分类（1）碳素结构钢主要用于建筑、桥梁等工程结构和各种机械零件（如齿轮、轴、螺柱、弹簧等）。（2）碳素工具钢主要用于种类刀具、量具和模具。如丝锥、板牙、刮刀、锯条、冲模等。（3）专用钢包括锅炉钢、船用钢、易切削钢等。

4.按钢液脱氧程度分类（1）沸腾钢（F）脱氧不完全，组织不致密，成分不均匀，性能较差。（2）镇静钢（Z）脱氧完全，组织致密，成分较均匀，性能较好。（3）半镇静钢（b）脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间。

（二）碳钢的牌号、性能及主要用途

1.普通碳素结构钢(GB/T700—1988)

表示方法：用Q、屈服数值、质量等级和脱氧方法组成。牌号Q235—D示例说明：

Q—钢的屈服点“屈”字汉语拼音字头；

235—最低屈服点值235MPa;

D—表示质量等级为D级。

有时牌号后面还要分别附加下列符号：

F—沸腾钢；b—半镇静钢；

Z—镇静钢；TZ—特殊镇静钢。

由于D级质量钢均为特殊镇静钢，故“TZ”符号可以省略。如Q235—D—TZ可写为Q235-D。符号“Z”有时亦可省略。机械性能

常用碳素结构钢：表3.1.doc

Q195、Q215、Q235A、Q235B

塑性较好，有一定的强度，通常轧制成钢筋、钢板、钢管等，可用于做桥梁、建筑物等构件，也可用做普通螺钉、螺帽、铆钉等。

Q235C、Q235D可用于重要的焊接件。

Q255、Q275强度较高，可轧制成型钢、钢板作构件用。

这类钢常在热轧状态下使用，不再进行热处理。但对某些零件，也可以进行正火、调质、渗碳等处理，以提高其使用性能。表３表

常用碳素结构钢

钢板钢筋建筑构件螺钉铆钉钢桥梁

2.优质碳素结构钢表示方法：用两位数字表示平均含碳量的万分数，较高含锰量再加Mn。如：45钢，碳的平均含量为万分之四十五，即0.45%。含锰较高的优质碳素结构钢要标出Mn，例如：45Mn。

优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件。

优质碳钢

常用优质碳素结构钢：

螺栓齿轮

曲轴弹簧

（2）中频感应加热表面淬火频率1KHz~10KHz，淬硬层深度2mm~10mm

应用：大、中模数齿轮和较大直径轴类零件。（3）工频感应加热表面淬火频率50Hz，淬硬层深度10mm~20mm

应用：大直径轧辊、火车车轮等零件

B.感应加热表面淬火特点及应用适用于中碳钢和中碳合金钢的成批大量生产。

感应加热表面淬火

2.火焰加热表面淬火利用氧—乙炔（或其他可燃气）火焰对零件表面进行加热，随之冷却的工艺。适用于单件小批生产。

二、化学热处理将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。基本过程：活性介质分解，表面吸收，向内部扩散。

1.钢的渗碳目的：提高表层的硬度的耐磨性，并保持心部良好的韧性。分类：气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。（1）气体渗碳加热到900℃~950℃，工件在井式渗碳炉中，滴入易于热分解和气化的液体进行渗碳。（2）固体渗碳颗粒状的木炭为渗碳剂，平均速度为0.1mm/h.

（3）渗碳后的组织和热处理表层含碳量0.85%~1.05%，渗碳层厚度为0.5mm~2.5mm。渗碳后进行淬火和低温回火。

2.钢的渗氮（氮化）目的：提高硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性。（1）气体渗氮（2）离子渗氮（离子氮化）

3.碳氮共渗

§2.4其他热处理工艺简介一、形变热处理二、真空热处理三、激光热处理

激光热处理技术简介

激光表面处理技术是近二十年来发展起来的一种新兴材料表面处理技术，尤其是进入八十年代以来，大功率工业激光器和辅助设备的制造技术日益提高，各种激光表面处理技术日益成熟，使得激光表面处理技术的工业应用和深入研究异常活跃，在欧美和日本，大功率激光器商业化程度很高，发展非常迅速，是工业发达国家非常瞩目的一项新技术。

激光表面处理技术可以解决其他表面处理方法无法解决或不好的材料强化问题。激光表面处理技术是利用激光束对金属表面进行瞬间淬头处理，经激光处理后，铸铁表层强度可达到HRC60以上，中碳及高碳的碳钢，合金钢的表层硬度可达HRC70以上，从而提

高其抗磨损，抗疲劳、耐腐蚀、防氧化等性能，延长其使用寿命。激光热处理技术与其他热处理如高频感淬头，渗碳、渗氮等传统工艺相比，具有以下特点：

1.无需使用外加材料，仅改变被处理材料表面层的组织结构。处理后的改性层具有足够的厚度，可根据需要调整深浅一般可达0.1-0.8mm。

2.处理层和基体结合强度高。激光表面处理的改性层和基体材料之间是致密的冶金结合，而且处理层本身是致密的冶金组织，具有较高的硬度和耐磨性。

3.

被处理件变形极小，由于激光功率密度高，与零件的作用时间很短（10-2-10秒），零件的热影响区和整体变化都很小。故适合于高精度零件处理，作为材料和零件的最后处理工序。

4.

加工柔性好，适用面广。利用灵活的导光系统可随意将激光导向处理部位，从而可方便地处理深孔、内孔、盲孔和凹槽等，可进行选择性的局部处理。

工艺简单优越。激光表面处理均在大气环境中进行，免除了镀膜工艺中漫长的抽真空时间，没有明显的机械作用力和工具损耗，无噪音、无污染、无公害、劳动条件好。再加上激光器配以微机控制系统，很容易实现自动化生产，易于批量生产。产品成品率极高，几乎达到100%，效率很高，经济效益显著。

一、过冷奥氏体等温冷却转变

1.亚共析钢过冷奥氏体的等温转变

亚共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线与共析钢C曲线不同的是：在其上方多了一条过冷奥氏体转变为铁素体的转变开始线。亚共析钢随着含碳量的减少，C曲线位置往左移，同时Ms、Mf线住上移。

亚共析钢的过冷奥氏体等温转变过程与共析钢类似，只是在高温转变区过冷奥氏体将先有一部分转变为铁素体，剩余的过冷奥氏体再转变为珠光体型组织。

45钢过冷A等温转变曲线

2.过共析钢过冷奥氏体的等温转变

过共析钢过冷奥氏体的C曲线的上部为过冷奥氏体中析出二次渗碳体(Fe3CII)开始线。当加热温度为AC1以上30～50℃时，过共析钢随着含碳量的增加，C曲线位置向左移，同时Ms、Mf线往下移。

过共析钢的过冷奥氏体在高温转变区，将先析出Fe3CII，其余的过冷奥氏体再转变为珠光体型组织。

T10钢过冷A的等温转变曲线

二、过冷奥氏体的连续冷却转变

1.共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变

（1）转变产物在共析钢过冷奥氏本的连续冷却转变曲线（CCT曲线）中，共析钢以大于Vk（上临界冷却速度）的速度冷却时，得到的组织为马氏体。冷却速度小于Vk′（下临界冷却速度）时，钢将全部转变为珠光体型组织。共析钢过冷奥氏体在连续冷却转变时得不到贝氏体组织。

与共析钢的TTT曲线相比，共析钢的CCT曲线稍靠右靠下一点，表明连续冷却时，奥氏体完成珠光体转变的温度较低，时间更长。

共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变组织

（2）马氏体转变特点

过冷奥氏体转变为马氏体是低温转变过程，转变温度在Ms～Mf之间，该温区称马氏体转变区。

①过冷奥氏体转变为马氏体是一种非扩散型转变，铁和碳原子都不能进行扩散。铁原子沿奥氏体一定晶面，集体地（不改变相互位置关系）作一定距离的移动（不超过一个原子间距），使面心立方晶格改组为体心正方晶格，碳原子原地不动，过饱和地留在新组成的晶胞中，增大了其正方度c/a

。马氏体就是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。过饱和碳使α-Fe的晶格发生很大畸变，产生很强的固溶强化。

②马氏体的形成速度很快

奥氏体冷却到Ms点以下后，无孕育期，瞬时转变为马氏体。随着温度下降，过冷奥氏体不断转变为马氏体，是一个连续冷却的转变过程。

③马氏体转变是不彻底的

总要残留少量奥氏体。残余奥氏体的含量与MS、Mf的位置有关。奥氏体中的碳含量越高，则MS、Mf越低，残余A含量越高。只在碳质量分数少于0.6%时，残余奥氏体可忽略。④马氏体形成时体积膨胀

体积膨胀在钢中造成很大的内应力,严重时导致开裂。

奥氏体碳质量分数对残余奥氏体含量的影响

（3）马氏体的形态与特点

①马氏体形态

碳质量分数在0.25%以下时，基本上是板条马氏体（亦称低碳马氏体），板条马氏体在显微镜下为一束束平行排列的细板条。在高倍透射电镜下可看到板条马氏体内有大量位错缠结的亚结构，所以也称位错马氏体。

当碳质量分数大于1.0%时，则大多数是针状马氏体。针状马氏体在光学显微镜中呈竹叶状或凸透镜状，在空间形同铁饼。马氏体针之间形成一定角度（60°）。高倍透射电镜分析表明，针状马氏体内有大量孪晶，因此亦称孪晶马氏体。

低碳马氏体的组织形态

碳质量分数在0.25～1.0%之间时，为板条马氏体和针状马氏体的混和组织。高碳马氏体的组织形态

a.硬度很高。碳质量分数对马氏体硬度的影响

b.马氏体的塑性和韧性与其碳含量（或形态）密切相关。高碳马氏体由于过饱和度大、内应力高和存在孪晶结构，所以硬而脆，塑性、韧性极差，但晶粒细化得到的隐晶马氏体却有一定的韧性。而低碳马氏体，由于过饱和度小，内应力低和存在位错亚结构，则不仅强度高，塑性、韧性也较好。

c.马氏体的比容比奥氏体大。当奥氏体转变为马氏体时，体积会膨胀。马氏体是铁磁相，而奥氏体为顺磁相。马氏体晶格畸变严重，因此电阻率高。

2.亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变

亚共析钢过冷奥氏体在高温时有一部分将转变为铁素体，在中温转变区会有少量贝氏体（B上）产生。如油冷的产物为F+T+B上+M，但铁素体和B上量很少，有时可忽略。

亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变

3.过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变

过共析钢过冷A在高温区，将首先析出二次渗碳体，而后转变为其它组织。由于奥氏体中碳含量高，所以油冷、水冷后的组织中应包括残余奥氏体。与共析钢一样，其冷却过程中无贝氏体转变。过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变

共析钢不同转变温度转变产物的硬度和冲击韧度

§3.1碳钢一、碳钢中的常存杂质元素及其作用（1）硅和锰——有益元素作用：脱氧剂，形成MnS，固溶强化，减少FeO的影响。（2）硫和磷——有害元素危害：形成低熔点的FeS，使钢产生热脆；使钢产生冷脆。

二、碳钢的分类、牌号和用途（一）碳钢的分类

1.按碳的含量分类

2.按质量分类

3.按用途分类（1）碳素结构钢主要用于建筑、桥梁等工程结构和各种机械零件（如齿轮、轴、螺柱、弹簧等）。（2）碳素工具钢主要用于种类刀具、量具和模具。如丝锥、板牙、刮刀、锯条、冲模等。（3）专用钢包括锅炉钢、船用钢、易切削钢等。

4.按钢液脱氧程度分类（1）沸腾钢（F）脱氧不完全，组织不致密，成分不均匀，性能较差。（2）镇静钢（Z）脱氧完全，组织致密，成分较均匀，性能较好。（3）半镇静钢（b）脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间。

（二）碳钢的牌号、性能及主要用途

1.普通碳素结构钢(GB/T700—1988)

表示方法：用Q、屈服数值、质量等级和脱氧方法组成。牌号Q235—D示例说明：

Q—钢的屈服点“屈”字汉语拼音字头；

235—最低屈服点值235MPa;

D—表示质量等级为D级。

有时牌号后面还要分别附加下列符号：

F—沸腾钢；b—半镇静钢；

Z—镇静钢；TZ—特殊镇静钢。

由于D级质量钢均为特殊镇静钢，故“TZ”符号可以省略。如Q235—D—TZ可写为Q235-D。符号“Z”有时亦可省略。机械性能

常用碳素结构钢：表3.1.doc

Q195、Q215、Q235A、Q235B

塑性较好，有一定的强度，通常轧制成钢筋、钢板、钢管等，可用于做桥梁、建筑物等构件，也可用做普通螺钉、螺帽、铆钉等。

Q235C、Q235D可用于重要的焊接件。

Q255、Q275强度较高，可轧制成型钢、钢板作构件用。

这类钢常在热轧状态下使用，不再进行热处理。但对某些零件，也可以进行正火、调质、渗碳等处理，以提高其使用性能。表３表

常用碳素结构钢

钢板钢筋建筑构件螺钉铆钉钢桥梁

2.优质碳素结构钢表示方法：用两位数字表示平均含碳量的万分数，较高含锰量再加Mn。如：45钢，碳的平均含量为万分之四十五，即0.45%。含锰较高的优质碳素结构钢要标出Mn，例如：45Mn。

优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件。

优质碳钢

常用优质碳素结构钢：

螺栓齿轮

曲轴弹簧

常用优质碳素结构钢：表3.2.doc

08F

塑性好，可制造冷冲压零件；

10、20钢

冷冲压性与焊接性能良好，可用作冲压件及焊接件，经过热处理（如渗碳）也可以制造轴、销等零件；

35、40、45、50钢

经热处理后，可获得良好的综合机械性能，用来制造齿轮、轴类、套筒等零件；

60、65钢

主要用来制造弹簧。

优质碳素结构钢使用前一般都要经过热处理。

3.碳素工具钢碳素工具钢的碳质量分数在0.65%～1.35%之间。表示方法：用“T”加表示平均含碳量千分数的数字，较高质量再加“A”。如T8，表示平均碳含量为0.80%的碳素工具钢。碳素工具钢均为优质钢，若含硫、磷更低，则为高级优质钢，在钢号后标注“A”字。例如，T12A表示碳质量分数为1.2%的高级优质碳素工具钢。

碳素工具钢用来制造各种刃具、量具、模具等。工具钢

常用碳素工具钢：表3.3.doc

T7、T8硬度较高、韧性较高，可制造冲头、凿子、锤子等工具。

T9、T10、T11硬度高，韧性适中，可制造钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具等。

T12、T13硬度很高，韧性较低，可制作锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。碳素工具钢使用前都要进行热处理。

常用碳素工具钢：锉刀量规钻头

4.铸钢表3.4.doc

表示方法：ZG（1）力学性能—用最小屈服数值、最小抗拉强度表示

ZG200－400表示最小屈服强度200MPa、最小抗拉强度400MPa的铸钢。（2）化学成分—用两位数字表示平均含碳量的万分数和化学元素符号及含量百分数表示。

ZG45表示平均含碳量为0.45％的铸钢。

铸钢

铸钢主要用于制造形状复杂，需要一定强度、塑性和韧性的零件，例如机车车辆、船舶、重型机械的齿轮、轴，以及轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等。

外壳

轧辊

重型机械齿轮

§3.2合金钢为改善钢的组织、性能，在冶炼时特意加入合金元素的钢。一、合金元素在钢中的作用经常加入的合金元素有Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、Ti、B、Al、Nb、Zr等。

1.强化固溶强化细化晶粒

2.稳定组织，细化晶粒

3.提高淬透性

4.提高抗氧化和耐蚀能力

二、合金钢的分类

1.按合金元素含量分类

低合金钢（合金元素总量低于5%）

中合金钢（合金元素总量为5%～10%）

高合金钢（合金元素总量高于10%）

2.按合金元素种类分类

铬钢（Cr-Fe-C)

铬镍钢（Cr-Ni-Fe-C)

锰钢（Mn-Fe-C)

硅锰钢（Si-Mn-Fe-C)

3.按用途分类

合金结构钢——建筑、工程结构和各种机械零件

合金工具钢——各种刀具、工具和模具

特殊性能钢——特殊物理、化学或力学性能要求

4.按金相组织分类

珠光体钢马氏体钢

铁素体钢奥氏体钢

莱氏体钢碳化物钢

三、合金钢的编号、性能和主要用途

牌号首部用数字标明碳质量分数。规定结构钢以万分之一为单位的数字（两位数）、工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字（一位数）来表示碳质量分数，而工具钢的碳质量分数超过1%时，碳质量分数不标出。

在表明碳质量分数数字之后，用元素的化学符号表明钢中主要合金元素，质量分数由其后面的数字标明，平均质量分数少于1.5%时不标数，平均质量分数为1.5%～2.49%、2.5%～3.49%……时，相应地标以2、3……。

合金结构钢40Cr，平均碳质量分数为0.40%，主要合金元素Cr的质量分数在1.5%以下。

合金工具钢5CrMnMo，平均碳质量分数为0.5%，主要合金元素Cr、Mn、Mo的质量分数均在1.5%以下。

专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明。

如：滚珠轴承钢，在钢号前标以“G”。GCr15表示碳质量分数约1.0%、铬质量分数约1.5%（这是一个特例，铬质量分数以千分之一为单位的数字表示）的滚珠轴承钢。

Y40Mn，表示碳质量分数为0.4%、锰质量分数少于1.5%的易切削钢等等。

对于高级优质钢，则在钢的末尾加“A”字表明，例如20Cr2Ni4A等。

（一）合金结构钢

用于制造重要工程结构和机器零件的合金钢称为合金结构钢。主要有低合金高强度结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚珠轴承钢。

1.低合金结构钢表3.5.doc

A.用途

主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。

容器船舶

车辆桥梁储气罐

B.成分特点

（1）低碳：由于韧性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳质量分数不超过0.20%。

（2）加入以锰为主的合金元素。

（3）加入铌、钛或钒等辅加元素：少量的铌、钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮化物，有利于获得细小的铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性。

此外，加入少量铜（≤0.4%）和磷（0.1%左右）等，可提高抗腐蚀性能。加入少量稀土元素，可以脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能。

（1）合金调质钢

表3.6.doc

ａ.用途

合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。齿轮曲轴汽车万向节连杆

ｂ.性能要求

调质件大多承受多种工作载荷，受力情况比较复杂，要求高的综合机械性能，即具有高的强度和良好的塑性、韧性。合金调质钢还要求有很好的淬透性。但不同零件受力情况不同，对淬透性的要求不一样。

Ｃ.成分特点

①中碳：碳质量分数一般在0.25%～0.50%之间，以0.4%居多；

②加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等：这些合金元素除了提高淬透性外，还能形成合金铁素体，提高钢的强度。如调质处理后的40Cr钢的性能比45钢的性能高很多；

③加入防止第二类回火脆性的元素：含Ni、Cr、Mn的合金调质钢，高温回火慢冷时易产生第二类回火脆性。在钢中加入Mo、W可以防止第二类回火脆性，其适宜含量：Mo的质量分数为0.15%～0.30%，或W的质量分数为0.8%～1.2%。

d.常用低合金高强度结构钢

Q345（16Mn）是我国低合金高强钢中用量最多、产量最大的钢种。使用状态的组织为细晶粒的铁素体—珠光体，强度比普通碳素结构钢Q235约高20%～30%，耐大气腐蚀性能高20%～38%。

Q420（15MnVN）中等级别强度钢中使用最多的钢种。强度较高，且韧性、焊接性及低温韧性也较好，被广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶等大型结构。

强度级别超过500MPa后，铁素体和珠光体组织难以满足要求，于是发展了低碳贝氏体钢。加入C