《机械材料与公差》(材料部分)

机械材料与公差学习要求课前：认真预习课中：认真听讲、积极思考并回答老师提出的问题、有针对性的记笔记课后：认真复习、自主完成课后练习（要求字迹工整、仪器绘图）、有问题及时寻求老师和同学的帮助机械材料与公差模块一常用工程材料与选用模块二工程力学基础模块三尺寸公差与配合模块四形位公差与识读模块五表面粗糙度模块六渐开线圆柱齿轮的公差与检测

模块一

常用工程材料及选用

任务1-1

认识金属材料的性能材料：是人类用来制作各种产品的物质。

工程材料：金属材料非金属材料复合材料金属材料：以金属(包括合金与纯金属)为基础的材料，指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。金属材料在现代工业中的广泛应用主要是由于其不仅来源丰富，而且使用性能与其成分、组织及加工工艺密切相关。它能满足各种工程构件或机械零件所需的力学性能和工艺性能要求，所以掌握各种金属材料的力学性能及其变化规律，根据工作条件及力学性能选择材料，充分发挥其性能潜力，是保证构件或零件质量的基础。钢铁材料（黑色金属）：铁和以铁为基的合金（钢、铸铁和铁合金），主要是钢和铸铁。

[小资料]

黑色金属只有三种：铁、锰与铬。而它们三个都不是黑色的！纯铁是银白色的；锰是银白色的；铬是灰白色的。因为铁的表面常常生锈，盖着一层黑色的四氧化三铁与棕褐色的三氧化二铁的混合物，看去就是黑色的。怪不得人们称之为“黑色金属”。常说的“黑色冶金工业”，主要是指钢铁工业。因为最常见的合金钢是锰钢与铬钢，这样，人们把锰与铬也算成是“黑色金属”了。[小资料]钢铁产品牌号中常用化学元素符号铬（Cr）镍（Ni）硅（Si）锰（Mn）铝（Al）硫（S）磷（P）钨（W）钼（Mo）钒（V）钛（Ti）铜（Cu）铁（Fe）硼（B）钴（Co）氮（N）铌（Nb）钽（Ta）钙（Ca）镁（Mg）锡（Sn）铅（Pb）硒（Se）碳（C）砷（As）稀土（RE）氧（O）氢（H）有色金属材料：有色金属是指铁、铬、锰三种金属以外的所有金属，还包括有色合金（有色合金是以一种有色金属为基体（通常大于50%），加入一种或几种其他元素而构成的合金。）。

合金：是由两种或两种以上的金属与非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质。一般通过熔合成均匀液体和凝固而得。根据组成元素的数目，可分为二元合金、三元合金和多元合金。[小资料]合金的生成常会改善元素单质的性质，例如，钢的强度大于其主要组成元素铁。合金的物理性质，例如密度、反应性、导电性和导热性可能与合金的组成元素尚有类似之处，但是合金的抗拉强度和抗剪强度却通常与组成元素的性质有很大不同。根据合金中含量较大的主要金属的名称而分类称作某某合金

铜合金

主要保持铜的性能。常见的合金中，Cu与Zn的合金称黄铜，其中Cu占60%～90%、Zn占40%～10%，有优良的导热性和耐腐蚀性，可用作各种仪器零件；青铜是人类使用历史最久的金属材料，用于雕象、装饰品和教堂钟，它是Cu、Sn合金。锡的加入明显地提高了铜的强度，并使其塑性得到改善，抗腐蚀性增强，因此锡青铜常用于制造齿轮等耐磨零部件和耐蚀配件。铝合金

突出特点是密度小、强度高，具有很好的耐蚀性，良好的塑性和较高的强度。铝合金广泛应用于制造飞机、舰艇和载重汽车等，可增加它们的载重量以及提高运行速度，并具有抗海水侵蚀，避磁性等特点。钛是周期表中第IVB类元素，外观似钢，熔点达1672℃，属难熔金属。钛是容易钝化（钝化是使金属表面转化为不易被氧化的状态，而延缓金属的腐蚀速度的方法）的金属，且在含氧环境中，其钝化膜在受到破坏后还能自行愈合，因此钛和钛合金有优异的耐蚀性，钛对海水很稳定,将钛或钛合金放入海水中数年,取出后,仍光亮如初,远优于不锈钢。钛的另一重要特性是密度小。其强度是不锈钢的3.5倍，铝合金的1.3倍，是目前所有工业金属材料中最高的。由于上述优异性能，钛享有“未来的金属”的美称。钛合金已广泛用于国民经济各部门，它是火箭、导弹和航天飞机不可缺少的材料。船舶、化工、电子器件和通讯设备以及若干轻工业部门中要大量应用钛合金，只是钛的价格较昂贵，限制了它的广泛使用。另外，一些国家的货币都会使用合金（如镍合金）。铁碳合金，它是工程技术中最重要、用量最大的金属材料，在后续课程的学习中，我们会重点介绍。非金属材料：非金属材料由非金属元素或化合物构成的材料。

通常指以无机物为主体的玻璃、陶瓷、石墨、岩石以及以有机物为主体的木材、塑料、橡胶等一类材料。由晶体或非晶体所组成。无金属光泽。是热和电的不良导体(碳除外)。复合材料：是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。

可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。小结

钢铁材料（黑色金属）金属材料有色金属工程材料非金属材料合金－铁碳合金复合材料铂的延性好，可以抽成直径仅有1/5000mm的细丝；金的展性好，可以压成厚度只有1/10000mm薄片。性质的差异决定了金属的用途不同。金属材料的性能

使用性能：金属材料在使用条件下所表现出来的性能。金属材料的性能工艺性能：金属材料从冶炼到成品的生产过程中，在各种加工条件下表现出来的性能。

物理性能1.使用性能化学性能力学性能铸造性焊接性2.工艺性能锻压性切削加工性热处理性使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。概述工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。机械设计和制造的重要任务之一，就是合理地选用材料和正确制定材料的加工工艺。因此，在设计机器零件时，必须首先熟悉金属材料的各种性能，才能根据零件的技术要求，合理地选用所需的金属材料。

金属材料的力学性能是指在承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时，对变形与断裂的抵抗能力及发生变形的能力。材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。力学性能定义：材料在力的作用下，诸如不同载荷所造成的弹性变形、塑性变形、断裂（脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂等）以及金属抵抗变形和断裂能力的衡量指标。常用的力学性能有：强度、刚度、弹性、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳强度等。1.1强度与塑性强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。塑性是指金属材料在静载荷作用下产生塑性变形而不致引起破坏的能力。金属材料的强度和塑性的判据可通过拉伸试验测定。

一、拉伸实验（GB/T228-2002）1.拉伸试样2.力—伸长曲线（以低碳钢试样为例）3.脆性材料的拉伸曲线返回上一页下一页回主页1.拉伸试样（GB6397-86）长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0返回上一页下一页回主页

万能材料试验机

a)WE系列液压式b)WDW系列电子式2.力－伸长曲线弹性变形阶段屈服阶段颈缩现象拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。强化阶段返回上一页下一页回主页

(a)试样(b)伸长(c)产生缩颈(d)断裂拉伸试样的颈缩现象ΔLF03.脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。

返回上一页下一页回主页材料强度的大小通常用单位面积上所承受的力来表示，其单位为N/m2(Pa)，但Pa这个单位太小，所以实际工程中常用MPa（MPa=106Pa）作为强度的单位。应力

=P/F0应变

=(l-l0)/l0

弹性极限σe

弹性极限是指在产生完全弹性变形时材料所能承受的最大应力，即：

式中Fe——试样完全弹性变形时所能承受的最大载荷，N；

Ao——试样原始截面积，mm2。1.屈服强度(屈服点）（1）屈服现象在金属拉伸试验过程中，当应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除了弹性变形外，还产生部分塑性变形。当外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形，在力－伸长曲线出现一个波动的小平台，这便是屈服现象。（2）屈服强度在拉伸曲线上，与上、下屈服点相对应的应力称为上、下屈服强度，分别用σsH和σsL表示。σsH和σsL的计算公式如下：一般钢材的屈服强度在200～2000MPa之间，如建造2008年北京奥运会主体育场“鸟巢”外部钢结构的Q460E钢，其屈服强度为460MPa。（3）规定残余延伸强度对于高碳淬火钢、铸铁等材料，在拉伸试验中没有明显的屈服现象，无法确定其屈服强度。国标GB228-2002规定，一般规定以试样达到一定残余伸长率对应的应力作为材料的屈服强度，称为规定残余延伸强度，通常记作σ0.2表示残余伸长率为0.2%时的应力。

ΔLF0F0.20.2%L0F0.2A0σ0.2=工程上各种构件或机器零件工作时均不允许发生过量塑性变形，因此屈服强度σsL是工程技术上重要的力学性能指标之一，也是大多数机械零件选材和设计的依据。σsL

常作为零件选材和设计的依据。传统的强度设计方法，对韧性材料，以屈服强度为标准，规定许用应力[σ]=σsL/n，安全系数n一般取2或更大。2.抗拉强度抗拉强度

材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号σb表示。σb=FbA0计算公式抗拉强度σb的物理意义是塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。铸铁等脆性材料拉伸过程中一般不出现缩颈现象，抗拉强度就是材料的断裂强度。断裂是零件最严重的失效形式，所以，抗拉强度也是机械工程设计和选材的主要指标，特别是对脆性材料来讲。3.强度的意义

强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一般钢材的屈服强度在200～1000MPa之间。强度越高，表明材料在工作时越可以承受较高的载荷。当载荷一定时，选用高强度的材料，可以减小构件或零件的尺寸，从而减小其自重。因此，提高材料的强度是材料科学中的重要课题，称之为材料的强化。塑性（二）衡量指标金属材料断裂前发生永久变形的能力。断面收缩率：伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。返回上一页下一页回主页（一）定义断后伸长率（δ

）l1-l0l0×100%δ=l1——试样拉断后的标距,mm;l0——试样的原始标距,mm。返回上一页下一页回主页同一材料的试样长短不同，测得的断后伸长率略有不同。由于大多数韧性金属材料的集中塑性变形量大于均匀塑性变形量，因此，比例试样的尺寸越短，其断后伸长率越大，用短试样（L0＝5d0）测得的断后伸长率A略大于用长试样（L0＝10d0）测得的断后伸长率A11.3。断面收缩率（ψ

）A0-A1A0ψ=×100%A0——试样原始横截面积,mm2；A1——颈缩处的横截面积,mm2

。返回上一页下一页回主页塑性的意义任何零件都要求材料具有一定的塑性。很显然，断后伸长率δ和断面收缩率ψ越大，说明材料在断裂前发生的塑性变形量越大，也就是材料的塑性越好。意义：

a）安全，防止产生突然破坏；

b）缓和应力集中；

c）轧制、挤压等冷热加工变形。[小资料]

金属材料的延伸率和断面收缩率愈大，表示该材料的塑性愈好，即材料能承受较大的塑性变形而不破坏。一般把延伸率大于百分之五的金属材料称为塑性材料（如低碳钢等），而把延伸率小于百分之五的金属材料称为脆性材料（如灰口铸铁等）。塑性好的材料，它能在较大的宏观范围内产生塑性变形，并在塑性变形的同时使金属材料因塑性变形而强化，从而提高材料的强度，保证了零件的安全使用。此外，塑性好的材料可以顺利地进行某些成型工艺加工，如冲压、冷弯、冷拔、校直等。因此，选择金属材料作机械零件时，必须满足一定的塑性指标。强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料的工程应用中，要提高强度，就要牺牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必须牺牲一部分强度。正所谓“鱼和熊掌二者不能兼得”。但通过细化金属材料的显微组织，可以同时提高材料的强度和塑性。通常情况下金属的伸长率不超过90%，而有些金属及其合金在某些特定的条件下，最大伸长率可高达1000%～2000%，个别的可达6000%，这种现象称为超塑性。由于超塑性状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，在压力加工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等很多领域被中应用。超塑性1.2硬度材料抵抗表面局部塑性变形的能力。（一）布氏硬度（二）洛氏硬度1.原理2.应用3.优缺点1.原理2.应用3.优缺点4.实验（录像）4.实验（录像）返回上一页下一页回主页（一）布氏硬度布氏硬度试验是指用一定直径的硬质合金球以相应的试验力压入式样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验。返回上一页下一页回主页

布氏硬度试验原理图1.原理布氏硬度=

FA压=2FπD[D-（D²-d²）½]（一）布氏硬度返回上一页下一页回主页布氏硬度实际测试时，硬度值是不用计算的，利用刻度放大镜测出压痕直径d，根据值d查平面布氏硬度表即可查出硬度值（详见附表B）。目前，金属布氏硬度试验方法执行时GB/T231-2002标准，用符号HBW表示，布氏硬度试验范围上限为650HBW。

测量比较软的材料。测量范围<650HBW的金属材料。3.优缺点2.应用

压痕大，测量准确，但不能测量成品件。返回上一页下一页回主页布氏硬度优点：试验时使用的压头直径较大，在试样表面上留下压痕也较大，测得的硬度值也较准确。

缺点：对金属表面的损伤较大，不易测试太薄工件的硬度，也不适于测定成品件的硬度。

应用：布氏硬度试验常用来测定原材料、半成品及性能不均匀的材料（如铸铁）硬度，常用于铸铁、非铁合金、各种退火及调质的钢材，不宜测定太硬、太小、太薄和表面不允许有较大压痕的试样或工件。4.实验（录像）返回上一页下一页回主页1.

原理（二）洛氏硬度返回上一页下一页回主页加初载荷加主载荷卸除主载荷读硬度值返回上一页下一页回主页2.应用范围20~671500N120°金刚石圆锥体HRC25~1001000N1.588mm钢球HRB70~85600N120°金刚石圆锥体HRA返回上一页下一页回主页常用洛氏硬度标度的试验范围优点：操作简便、迅速，效率高，可直接测量成品件及高硬度的材料。3.优缺点缺点：压痕小，测量不准确，需多次测量。返回上一页下一页回主页洛氏硬度

优点：①操作简单迅速，效率高，直接从指示器上可读出硬度值；

②压痕小，故可直接测量成品或较薄工件的硬度；

③HRA和HRC采用金刚石压头，可测量高硬度薄层和深层的材料。

缺点：由于压痕小，测得的数值不够准确，通常要在试样不同部位测定四次以上，取其平均值为该材料的硬度值。应用：HRC标尺用于测试淬火钢、回火钢、调质钢和部分不锈钢。这是金属加工行业应用最多的硬度试验方法。HRB标尺用于测试各种退火钢、正火钢、软钢、部分不锈钢及较硬的铜合金。HRA标尺用于测试纯铜、较软的铜合金和硬铝合金。HRA标尺尽管也可用于大多数黑色金属，但是实际应用上一般只限于测试硬质合金和薄硬钢带材料。各硬度值之间大致有以下关系：布氏硬度值在200～450HBW范围内，HBW=10HRC；总结

1、布式硬度上限值HB650，不能高于此值。布氏硬度（HB）一般用于材料较软的时候，如有色金属、热处理之前或退火后的钢铁。2、洛氏硬度（HRC）一般用于硬度较高的材料，如热处理后的硬度等等。3、洛氏硬度与布氏硬度（＞220HBS时）有以下近似关系：

1HRC≈10HBS4、材料的硬度越高，耐磨性越好，故常将硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标之一。

1.3冲击韧性

总结：

强度、硬度、塑性等力学性能指标都是材料在静载荷作用下的表现。

材料在工作时还经常受到动载荷的作用，冲击载荷就是常见的一种。静载荷包括不随时间变化的恒载（如自重）和加载变化缓慢以至可以略去惯性力作用的准静载（如锅炉压力）；

动载荷动载荷包括短时间快速作用的冲击载荷（如空气锤）、随时间作周期性变化的周期载荷（如空气压缩机曲轴）其对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷。冲击载荷冲击韧性的概念冲击试验温度对金属材料韧性的影响提高金属材料韧性的措施1.冲击载荷在很短时间内作用物体上的载荷称为冲击载荷。加载时间短，加载速率高；有时利用，有时尽量避免或减小。载荷作用效果大，所以必须考虑材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，即冲击韧性。冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载时间短、加载速率高、应力集中。由于加载速率提高，金属形变速率也随之增加，一般冲击试验时金属形变速率ε=102～104s-1。提高应变率将使金属材料的变脆倾向增大，因此冲击载荷对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷。2.冲击韧性的概念

材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，称为冲击韧性。示例：玻璃在冲击载荷作用下非常容易破裂，说明其冲击韧性很低。3.冲击试验冲击试样冲击试验原理一次摆锤冲击试验冲击韧性的表示方法如不能制备标准试佯，可采用宽度7.5mm或5mm等小尺寸试祥,试样的其他尺寸及公差与相应缺口的标准试样相同，缺口应开在试样的窄面上。其中5mm×10mm×55mm试样常用于薄板材料的检验。焊接接头冲击试样的形状和尺寸与相应的标准试样相同，但其缺口轴线应当垂直焊缝表面。

原理冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架的支座上，将摆锤升至高度H1，使其具有势能mgH1；然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断，并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为mgH2。所以，摆锤用于冲断试样的能量

AK=mg（H1-H2），即为冲击功（焦耳/J）。4.材料冲击韧性的表示方法国标GB/T229－1994冲击功吸收功：表征金属材料冲击韧性高低的指标是冲击功吸收功，也就是材料在断裂前所吸收的能量。根据试样缺口的不同，冲击吸收功数值可从试验机的刻度盘上读出。4.材料冲击韧性的表示方法冲击韧度的大小用αk表示，αk是试样缺口处单位面积A所消耗的冲击功，即αk=Wk/A

αk(单位为J/cm2)值越大，表示材料的韧性越好，在受到冲击时越不容易断裂。冲击吸收能量的值越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。一般把冲击吸收能量低的材料称为脆性材料，冲击吸收能量高的材料称为韧性材料。缺口冲击试验最大的优点就是测量迅速简便用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。用来评定材料的冷脆倾向（测定韧脆转变温度）。设计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。5.冲击试验的应用5.冲击试验的应用缺口冲击试验由于其本身反映一次或少数次大能量冲击破断抗力，因此对某些特殊服役条件下的零件，如弹壳、装甲板、石油射孔枪等，有一定的参考价值。通过一次摆锤冲击试验测定的冲击吸收吸收能量K是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标，不能直接用于零件和构件的设计计算，但它是一个重要参考，所以将材料的冲击韧性列为金属材料的常规力学性能，σsL(σ0.2)、σb、δ、ψ和αk被称为金属材料常规力学性能的五大指标。冲击韧性与温度有密切的关系，温度降低，冲击韧性随之降低。当低于某一温度时材料的韧性急剧下降，材料将由韧性状态转变为脆性状态。这一温度称为转变温度（Tt

）。转变温度（Tt

）越低，表明材料的低温韧性越好，对于在寒冷地区使用的材料要十分重要。金属材料的成分对韧脆转变温度的影响很大，一般的碳素钢，其韧脆转变温度（Tt

）大约为-20℃，某些合金钢的韧脆转变温度（Tt

）可达-40℃以下。TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关1912年4月号称永不沉没的泰坦尼克号（Titanic）首航沉没于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。20世纪80年代后，材料科学家通过对打捞上来的泰坦尼克号船板进行研究，回答了80年的未解之谜。由于Titanic号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，当船在冰水中撞击冰山时，脆性船板使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。下图中左面的试样取自海底的Titanic号，冲击试样是典型的脆性断口，右面的是近代船用钢板的冲击试样。6.提高冲击韧性的途径

冲击韧性是一个对材料组织结构相当敏感的量，所以提高材料的冲击韧性的途径有：

改变材料的成分，如加入钒、钛、铝、氮等元素，通过细化晶粒来提高其韧性，尤其是低温韧性；

提高材料的冶金质量，减少偏析、夹渣、气泡等缺陷；1.4疲劳极限

人工作久了就会感到疲劳，难道金属工作久了也会疲劳吗？金属的疲劳能得到恢复吗？金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳。1998年6月3日，德国发生了战后最惨重的一起铁路交通事故。一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。事故的原因已经查清，是因为一节车厢的车轮“内部疲劳断裂”引起的。首先是一个车轮的轮箍发生断裂，导致车轮脱轨，进而造成车厢横摆，此时列车正好过桥，横摆的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断，造成桥梁坍塌，压住了通过的列车车厢，并使已通过桥洞的车头及前5节车厢断开，而后面的几节车厢则在巨大惯性的推动下接二连三地撞在坍塌的桥体上，从而导致了这场近50年来德国最惨重的铁路事故。1.变动载荷和循环应力1.交变载荷——引起疲劳破坏的外力，指载荷大小、甚至方向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均值即为交变应力。交变应力可分为规则周期变动应力(也称循环应力)和无规则随机变动应力两种。金属疲劳产生的原因a)应力大小变化b)c）应力大小和方向都变化d)应力大小和方向无规则变化1.平均应力2.应力幅tσ一个应力循环2.疲劳断裂零件在循环应力作用下,在一处或几处产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后突然产生断裂的过程,称为疲劳断裂.

疲劳断裂由疲劳裂纹产生—扩展—瞬时断裂三个阶段组成。

尽管疲劳失效的最终结果是部件的突然断裂,但实际上它们是一个逐渐失效的过程，从开始出现裂纹到最后破断需要经过很长的时间。疲劳断裂的宏观断口一般由三个区域组成，即疲劳裂纹产生区（裂纹源）、裂纹扩展区和最后断裂区。3.疲劳断口3.疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）当应力低于某值时，材料经受无限次循环应力也不发生疲劳断裂，此应力称为材料的疲劳极限，记作σR（R为应力比），就是S-N曲线中的平台位置对应的应力。通常，材料的疲劳极限是在对称弯曲疲劳条件下（R＝－1）测定的，对称弯曲疲劳极限记作σ-1。4.疲劳强度若疲劳曲线上没有水平部分，常以规定断裂循环次数对应的应力为条件疲劳极限。对一般低、中强度钢：107周次对高强度钢：108周次对铝合金，不锈钢：108周次对钛合金：107周次在工程中，有时根据零件寿命的要求，在规定的某一循环周次下，测出σmax，并称之为疲劳强度，实际上就是条件疲劳极限。5.提高疲劳极限的途径(1)在零件结构设计中尽量避免尖角、缺口和截面突变。(2)提高零件表面加工质量。(3)对材料表面进行强化处理。金属材料的物理性能金属的物理性能是金属固有的属性，它包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等金属材料的化学性能

金属的化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能。它包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。

1.耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧化、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力。

2.抗氧化性金属材料抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。3.化学稳定性化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料的工艺性能:是指在各种加工条件下表现出来的适应能力。1.铸造性能金属及合金成型获得优良铸件的能力称为铸造性能。灰铸铁比铸钢的铸造性好。

2.锻压性能金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻压性能。一般情况下，低碳钢的锻压性最好，中碳钢次之，高碳钢较差。3.焊接性能金属材料在一定焊接条件下，是否易于获得优良焊接接头的能力称为焊接性能。一般情况下，低碳钢具有良好的焊接性，高碳钢、铸铁的焊接性较差。4.切削加工性能金属材料切削加工的难易程度称为切削加工性能。铸铁比钢切削加工性能好，碳钢比合金钢切削性能好。

常用金属材料的力学性能指标力学性能性能指标符号名称单位强度σb抗拉强度MPa（N/mm2）σs屈服点塑性δ断后伸长率%ψ断面收缩率硬度HB布氏硬度HR洛氏硬度HC维氏硬度韧性αk冲击韧性J/cm2疲劳强度σ-1对称循环强度MPa任务1-2了解金属材料的知识金属材料的性能不仅决定于它们的化学成分，而且还决定于它们的内部组织结构。要正确选择和使用材料，必须了解金属材料的组织结构及其对性能的影响。晶体：原子呈周期性有规则的排列[特征]拥有整齐规则的几何外形；拥有固定的熔点；有各向异性的特点；可以使X光发生有规律的衍射（判定某物质是不是晶体的主要方法）等。盐、味精、冰花、雪花、砂糖、碱、牙齿、骨骼、工业中的矿物岩石是晶体（钻石、红宝石、蓝宝石等）、地上的泥土砂石、各种金属及合金制品也属晶体。单晶体外形为不规则的颗粒状，通常把它称为“晶粒”。单晶体具有各向异性的特征。

多晶体由许多方位各不相同的单晶体块组成的。晶粒之间的分界面叫晶界。它们没有固定的独特形状，表现为各向同性。各种金属就属于多晶体。非晶体

：非晶体的内部组成是原子无规则的均匀排列。表现为各向同性。玻璃、松香、沥青、琥珀、珍珠和橡胶就是常见的非晶体。结晶：金属由液态转变为固态而形成晶体的整个过程。金属的冷却曲线

（T-t曲线）

[理论结晶温度]

纯金属在无限缓慢的冷却条件下（即平衡状态下）的结晶温度称为理论结晶温度，用T0表示。[实际结晶温度]实际测出的结晶温度称实际结晶温度，用Tn表示。

过冷是金属结晶的必要条件

。

[过冷现象]

金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，即Tn<T0，这种现象称为过冷现象。[过冷度]

理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度，用ΔT表示。过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度越大，实际结晶温度越低，过冷度也越大。

金属的结晶过程

结晶过程是金属内的原子从液态的无序的混乱排列转变成固态的有规律排列。

1、孕育

2、生核

3、长大

[注意]

结晶的三个基本过程是同时进行的，主要是晶核不断生成和不断长大的过程。晶粒大小对力学性能的影响在室温下，一般情况是金属的晶粒越细，其强度、硬度越高；塑性、韧性越好，这种现象称为细晶强化。细化晶粒是改善材料力学性能的重要措施。工业上常用以下方法来细化晶粒：增加过冷度

变质处理

附加振动

金属的同素异构转变

晶格将每个原子视为一个几何质点，并用一些假想的几何线条将各质点连接起来，形成一个空间几何格架。在金属材料中最常见的晶格有体心立方晶格和面心立方晶格。同素异构转变金属在固态下晶体结构随温度发生变化的现象，称为金属的同素异构转变。金属的同素异构转变是原子重新排列的过程，实际上是一个重新结晶的过程。纯铁的同素异构转变

δ-Fe→γ-Fe→α-Fe

体心面心体心特点：•

通过热处理改变其组织和性能的依据；•

是性能多样、用途广泛的原因之一；•

将导致体积变化（产生内应力）。性能：纯铁塑性好，但强度低，很少用来制造机械零件。

同素异构转变：固态下，一种元素的晶体结构随温度发生变化的现象。合金的结构

[组元]：组成合金最基本的、独立的单元称为组元。根据组元数目的多少，可将合金分为二元合金、三元合金等。[相]：合金中的相是指有相同的结构，相同的物理、化学性能，并与该系统中其余部分有明显界面分开的均匀部分。固态下只有一个相的合金称为单相合金；由两个或两个以上相组成的合金称为多相合金。固态时合金的结构1、固溶体

[固溶体的性能]：固溶体与纯金属相比，不仅具有高的强度和硬度，还有良好的塑性与韧性。一般合金都是以固溶体作为基体相。[固溶强化]

：固溶体可提高合金的强度、硬度，这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料性能的重要途径之一。固态时合金的结构2、金属化合物

[金属化合物]：是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相，它的组成一般可用分子式来表示，如铁碳合金中的Fe3C（渗碳体）。

[金属化合物性能]：一般熔点高，性能硬而脆。金属化合物是合金钢、硬质合金和许多非铁合金的重要组成相。固态时合金的结构3、机械混合物

[机械混合物的性能]：取决于各相的性能、相对数量、形状、大小及分布情况。在常用合金中，其组织大多是固溶体和金属化合物的机械混合物。

钢铁是现代工业中应用最广泛的金属材料。其基本组元是铁和碳，故统称为铁碳合金。一、铁碳合金的基本组织是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体⒈组元：Fe、Fe3C⒉相⑴铁素体：碳在

-Fe中的固溶体称铁素体,用F

或

表示。

铁素体组织金相图⑵奥氏体:碳在

-Fe中的固溶体称奥氏体。用A或

表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%。727℃时为0.77%组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在

区进行.碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体

奥氏体组织金相图⑶渗碳体：即Fe3C,含碳6.69%,用Fe3C或Cm表示。Fe3C硬度高、强度低(

b35MPa),脆性大,塑性几乎为零Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C→3Fe+C(石墨),该反应对铸铁有重要意义。由于碳在

-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。

铸铁中的石墨钢中的渗碳体渗碳体组织金相图⑷珠光体：铁素体与Fe3C的机械混合物，用P表示。珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。珠光体珠光体(P)⑸莱氏体：

与Fe3C的机械混合物高温莱氏体：727℃以上，奥氏体与渗碳体，以Ld表示低温莱氏体：727℃以下，珠光体与渗碳体，以L’d表示为蜂窝状,以Fe3C为基，性能硬而脆。莱氏体莱氏体(Ld)铁碳合金的基本组织在纯铁中加入少量的碳形成铁碳合金，可使强度和硬度明显提高。因此，铁碳合金的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。在这5种组织中，铁素体、奥氏体和渗碳体是铁碳合金的基本相。

基本组织定义力学性能溶碳量铁素体F碳在α-Fe中的间隙固溶体强、硬度低，塑、韧性好≤0.0218%奥氏体A碳在γ-Fe中的间隙固溶体硬度极低，塑性极好≤2.11%渗碳体Fe3CFe与C的金属化合物硬而脆，塑性极差=9.69%珠光体PF和Fe3C组成的机械混合物强度较高、硬度适中，塑、韧性较好=2.11%莱氏体Ld（Ld’）A（P）和Fe3C组成的机械混合物硬度很高，塑性极差=4.3%铁碳合金相图

铁碳合金相图是指在极其缓慢的加热或冷却的条件下，不同成分的铁碳合金，在不同温度下所具有的状态或组织的图形，是研究铁碳合金成分、组织和性能之间关系的理论基础，也是选材、制定热加工工艺及热处理工艺的重要依据。

Fe-Fe3C

相图FeT°Fe3C

Fe-Fe3C

相图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3C

T°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+Fe3CⅡ(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK(P+Fe3C)⒈特征点⇄⇄⇄⇄⇄LJNGAA+Fe3CP+Fe3CL+Fe3CL+AF+A

Fe—Fe3C相图的特性点Fe—Fe3C相图的特性线Fe—Fe3C相图中的特性线，都是铁碳合金组织发生转变或相变的分界线。ACD线为液相线。AECF为固相线。ES线为碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称Acm线。GS线又称A3线，它是合金冷却时奥氏体向铁素体转变的开始线。PSK线为共析转变线，又称A1线。ECF线(1148℃)为共晶线。含碳量超过2.11％的合金冷却到此温度线时，将从液态合金中同时结晶出两种固态相，即奥氏体和渗碳体的机械混合物。这一转变称为共晶反应，转变的产物为“莱氏体"，C点称为共晶点。含碳量大于0.02％的铁碳合金，当温度降低到PSK水平线上时，从含碳量为0.77％的奥氏体同时析出铁素体和渗碳体，组成机械混合物。这一转变称为共析反应，转变的产物称为“珠光体”，S点称为共析点。铁碳合金的分类根据碳的质量分数和室温组织的不同，可将铁碳合金分为以下三类：

工业纯铁：wc≤0.0218%。

钢：0.0218%＜wc≤2.11%。根据室温组织的不同，钢又可分为三种：共析钢、亚共析钢、过共析钢。

白口铁：2.11%＜wc＜6.69%。根据室温组织的不同，白口铁又可分为三种：共晶白口铁、亚共晶白口铁、过共晶白口铁。工业纯铁：室温组织为F+Fe3CⅢ典型铁碳合金的组织

工业纯铁组织金相图共析钢：室温组织为P；

L→L+A→A→P(F+Fe3C)

共析钢组织金相图亚共析钢：室温组织为P+F；

L→L+A→A→A+F→P+F

亚共析钢组织金相图过共析钢：室温组织为P+Fe3CⅡ；

L→L+A→A→A+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ

过共析钢组织金相图共晶白口铸铁：室温组织为Ld’；

L→Ld(A+Fe3C)→Ld(A+Fe3C+Fe3CⅡ)→Ld’(P+Fe3C+Fe3CⅡ)

共晶白口铁组织金相图亚共晶白口铸铁：室温组织为Ld’+P+Fe3CⅡ

；

L→Ld(A+Fe3C)+A→Ld+A+Fe3CⅡ→Ld+P+Fe3CⅡ

亚共晶白口铁组织金相图过共晶白口铸铁：室温组织为Ld’+Fe3CⅠ

；

L→Ld(A+Fe3C)+Fe3C→Ld+Fe3C→Ld′+Fe3C

过共晶白口铁组织金相图铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系1、含碳量对铁碳合金平衡组织的影响2、含碳量对铁碳合金力学性能的影响

wc↑→塑、韧性↓→硬度↑

wc<0.9%时，wc↑→强度↑

wc>0.9%时，wc↑→强度↓3、杂质对铁碳合金力学性能的影响一.Si脱氧剂，且强化F,提高淬透性。

二.Mn脱氧剂，除硫剂，且强化F,提高淬透性

。三.S不利作用：引起热脆（原因：硫与铁会形成化合物FeS，而FeS与Fe形成低熔点共晶体(熔点为985℃)，分布在奥氏体晶界上。当热压力加工时钢就会沿晶界碎裂）有利作用：提高切削加工性

四.P不利作用：引起冷脆,（原因：固溶于F→钢强硬度↑，塑韧性↓↓）有利作用：提高切削加工性,使弹片易碎等

钢中要严格控制硫、磷含量。

铁碳合金相图的应用1、选材方面的应用可判断力学性能。2、在铸造、锻造和焊接方面的应用可确定浇铸温度和铸造工艺性；可选择始锻、终锻温度和锻造工艺性；可判断焊接性能并制定焊接工艺。3、在热处理方面的应用可确定热处理加热温度一是合金化改善钢的性能二是热处理任务1-3探析钢的热处理工艺定义：热处理是采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却以获得预期的组织结构与性能的工艺。热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺.

为简明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度—时间坐标绘出热处理工艺曲线。

时间／h2、热处理特点:热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。

3、热处理适用范围:只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。

热处理特点：只改变内部组织结构，不改变表面形状与尺寸。目的：不仅可以消除毛坯缺陷，改善工艺性能，以利于进行冷、热加工外，更重要的是充分发挥材料潜力，显著提高力学性能，进而提高产品质量，延长使用寿命。在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。.

模具、滚动轴承100%需经过热处理。总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。

钢加热时的组织转变加热是热处理的第一道工序。对钢加热的目的一般是使钢奥氏体化。亚共析钢:Ac3+(20-40℃)共析钢:Ac1+(20-40℃)过共析钢:Accm+(20-40℃)钢在加热、冷却时的临界温度

第一节钢在加热和冷却时的组织转变

钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化。以共析钢的奥氏体形成过程为例。

§2钢在加热和冷却时的转变奥氏体的形成(P

A)

钢在加热时的转变奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。箱式可控气氛多用炉真空热处理炉第一节钢在加热和冷却时的组织转变1.加热温度

加热温度愈高，晶粒长大速度越快，奥氏体晶粒也越粗大，热处理时必须规定合适的加热温度范围。2.保温时间

随保温时间的延长，晶粒不断长大，但随保温时间的延长，晶粒长大速度越来越慢，且不会无限制地长大下去。3.加热速度加热速度越快，奥氏体化的实际温度愈高，奥氏体的形核率大于长大速度，获得细小的起始晶粒。生产中常用快速加热和短时保温的方法来细化晶粒。4.冶炼和脱氧条件冶炼时用铝脱氧，或加入Nb、Zr、V、Ti等强碳化物形成元素，形成难溶的碳化物颗粒,阻止奥氏体晶粒长大，在一定温度下晶粒不易长大。

过冷奥氏体——暂时保留在A1以下的奥氏体。

连续冷却转变——使加热到奥氏体化的钢连续降温进行组织转变

等温冷却转变——使加热到奥氏体化的钢以较快的冷却速度冷到A1以下某温度保温，在等温下发生组织转变。第一节钢在加热和冷却时的组织转变

钢在冷却时的转变

热加保温时间温度临界温度A1连续冷却等温冷却过冷奥氏体的两种冷却方式把加热到奥氏体状态的钢，快速冷却到低于A1的某一温度，并等温停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温。把加热到奥氏体状态的钢，以不同的冷却速度连续冷却到室温。

钢在冷却时的转变共析碳钢C曲线的分析稳定的奥氏体区过冷奥氏体区A向产物转变开始线A向产物转变终止线A+产物区产物区A1～550℃;高温转变区;扩散型转变;P转变区。550～230℃;中温转变区;半扩散型转变;

贝氏体(B)转变区;230～-50℃;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf第一节钢在加热和冷却时的组织转变⑴珠光体形貌形成温度为A1～650℃，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示.光镜下形貌电镜下形貌三维珠光体如同放在水中的包心菜第一节钢在加热和冷却时的组织转变（2）索氏体形貌像形成温度为650-600℃,片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S表示。电镜形貌光镜形貌第一节钢在加热和冷却时的组织转变（3）托氏体形貌像形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，用符号T

表示。电镜形貌光镜形貌第一节钢在加热和冷却时的组织转变在光镜下呈羽毛状.在电镜下为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。光镜下电镜下上贝氏体形貌第一节钢在加热和冷却时的组织转变

下贝氏体形貌在光镜下呈竹叶状。在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向呈55-60º角。光镜下电镜下第一节钢在加热和冷却时的组织转变上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。

上贝氏体贝氏体组织的透射电镜形貌下贝氏体第一节钢在加热和冷却时的组织转变3、马氏体转变当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织。马氏体转变是强化钢的重要途径之一。

(1)马氏体的晶体结构碳在

-Fe中的过饱和固溶体称马氏体，用M表示。马氏体组织马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中.第一节钢在加热和冷却时的组织转变(2)马氏体的形态马氏体的形态分板条和针状两类。①板条马氏体立体形态为细长的扁棒状在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织。光镜下电镜下第一节钢在加热和冷却时的组织转变电镜下光镜下②

针状马氏体立体形态为双凸透镜形的片状。显微组织为针状。第一节钢在加热和冷却时的组织转变③马氏体的形态主要取决于其含碳量C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体。C%大于1.0%C时几乎全部是针状马氏体.C%在0.2～

1.0%之间为板条与针状的混合组织。第一节钢在加热和冷却时的组织转变(3)马氏体的性能高硬度是马氏体性能的主要特点。马氏体的硬度主要取决于其含碳量。含碳量增加，其硬度增加。当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。合金元素对马氏体硬度的影响不大。马氏体硬度、韧性与含碳量的关系C%第一节钢在加热和冷却时的组织转变总结过冷奥氏体转变产物（共析钢）

转变类型转变产物形成温度，℃转变机制显微组织特征HRC获得工艺珠光体PA1～650扩散型粗片状，F、Fe3C相间分布5-20退火S650～600细片状，F、Fe3C相间分布20-30正火T600～550极细片状，F、Fe3C相间分布30-40等温处理贝氏体B上550～350半扩散型羽毛状，短棒状Fe3C分布于过饱和F条之间40-50等温处理B下350～MS竹叶状，细片状Fe3C分布于过饱和F针上50-60等温淬火马氏体M针MS～Mf无扩散型针状60-65淬火M*板条MS～Mf板条状50淬火第一节钢在加热和冷却时的组织转变过冷奥氏体等温转变曲线

在连续冷却中的应用v1---炉冷A→Pv2---空冷A→Sv3---油冷A→T+Mv4---水冷A→M＋A/vk---临界冷却速度vk（奥氏体全部过冷到Ms以下转变为马氏体的最小冷却速度）PSMT§2钢在加热和冷却时的转变热处理的分类：普通热处理热处理表热处理退火;正火;淬火;回火;表面淬火

化学热处理感应加热淬火火焰加热淬火渗碳;渗氮;碳氮共渗;

新技术：可控气氛热处理、真空……、形变……、电解热……、离子化……、激光……、电子束表面……、硫碳氮-稀土共渗等。毛坯生产预备热处理机械加工最终热处理机械精加工预备热处理:

退火;正火；调质最终热处理:

淬火;回火；表面热处理第二节钢的普通热处理工艺一、钢的退火1、退火：将钢加热到适当温度（临界温度以上30～50℃

），保温一定时间，然后在炉中缓慢地冷却的热处理工艺。2、目的——为最终热处理作好组织准备

1）降低硬度，提高塑性，改善加工性能；

2）细化晶粒，消除组织缺陷；

3）消除内应力。第二节钢的普通热处理工艺退火

重结晶退火

低温退火完全退火扩散退火球化退火再结晶退火去应力退火普通退火等温退火普通球化退火等温球化退火3退火种类第二节钢的普通热处理工艺1）完全退火

定义：将钢加热Ac3以上30-50ºC,完全奥氏体后，保温一定时间随之缓慢冷却到600ºC以下，出炉空冷。组织：细小而均匀的平衡组织（铁素体+珠光体）目的：细化晶粒，消除内应力，降低硬度，以利于切削加工。适用范围：亚共析钢型材。各种退火与正火的工艺曲线

2）球化退火

定义：将钢加热到Ac1以上20-30ºC，保温后随炉缓冷至600ºC，出炉空冷，使钢中碳化物呈球状的工艺方法。组织：球状珠光体（渗碳体呈球形的细小颗粒弥散分布在铁素体基体中）第二节钢的普通热处理工艺目的：降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能。适用范围：主要用于过共析钢、合金工具钢。球状珠光体第二节钢的普通热处理工艺3）均匀化退火（扩散退火）

定义：将钢加热到Ac3以上150-300ºC，长时间保温后随炉缓冷。目的：使钢中的化学成分和组织均匀化适用范围：主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件、锻坯。4）去应力退火定义：将钢加热到Ac1以下（一般约为500—600ºC），保温后随炉缓冷至200--300ºC出炉空冷，又称低温退火。目的：消除铸件、锻件和焊接件的内应力。（没有发生组织变化）适用范围：用于所有的钢。5）再结晶退火---中间退火定义：把经过冷变形处理的钢加热到再结晶温度以上150～250℃，保温后缓慢冷却的退火工艺方法。目的：使形变晶粒重新结晶成均匀的等轴晶粒，以消除形变强化和残余应力。应用：去除冷变形钢引起的加工硬化。再结晶退火视频：退火工艺第二节钢的普通热处理工艺二、钢的正火1、正火：将钢件加热到Ac3或Accm线以上30～50ºC

，保温适当的时间后，在空气中冷却。2、正火与退火的区别：正火与退火的目的基本相同，但正火的冷却速度比退火稍快，正火后得到的珠光体组织比较细，强度、硬度比退火钢高。第二节钢的普通热处理工艺2）对低、中碳钢（S+F），可用正火作为预备热处理，可提高硬度和强度，改善切削加工性；3）对高碳钢（S），正火可抑制渗碳体网的形成，可为球化退火作准备。热处理与硬度关系合适切削加工硬度3、目的及应用：1）对力学性能要求不高的结构、零件，可用正火最为最终热处理，以提高其强度、硬度和韧性。第二节钢的普通热处理工艺视频：正火工艺

第二节钢的普通热处理工艺三、钢的淬火淬火：将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保温一定时间后，快速冷却的热处理工艺。目的：为了获得马氏体（或贝氏体）组织，提高钢的硬度、强度和耐磨性，并保持足够的韧性第二节钢的普通热处理工艺1、碳钢⑴亚共析钢淬火温度为Ac3+30-50℃。预备热处理组织为退火或正火组织。(一)淬火温度碳钢的淬火加热温度范围

第二节钢的普通热处理工艺亚共析钢淬火组织：

0.5%C时为M

0.5%C时为M+A’。65MnV钢(0.65%C)淬火组织45钢(含0.45%C)正常淬火组织第二节钢的普通热处理工艺⑵共析钢淬火温度为Ac1+30-50℃；淬火组织为M+A’。碳钢的淬火加热温度范围

第二节钢的普通热处理工艺⑶过共析钢淬火温度:Ac1+30-50℃.温度高于Accm，则奥氏体晶粒粗大、含碳量高,淬火后马氏体晶粒粗大、A’量增多,使钢硬度、耐磨性下降，脆性、变形开裂倾向增加。淬火组织:

M+Fe3C颗粒+A’。(预备组织为P球)T12钢（含1.2%C）正常淬火组织第二节钢的普通热处理工艺总结

M+Fe3C+A残Ac1+30～50过共析钢M+A残Ac1+30～50

共析钢M+A残Ac3+30～50亚共析钢Wc＞0.5%MAc3+30～50亚共析钢Wc≤0.5%

最终组织淬火温度(℃)

钢种2、合金钢

由于多数合金元素(Mn、P除外)对奥氏体晶粒长大有阻碍作用，因而合金钢淬火温度比碳钢高。⑴亚共析钢淬火温度为Ac3+50-100℃。⑵共析钢、过共析钢淬火温度为Ac1+50-100℃。

第二节钢的普通热处理工艺（二）淬火介质理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷，而在Ms附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小内应力的目的。但目前还没有找到理想的淬火介质。常用淬火介质是水和油.水的冷却能力强，但低温却能力太大，只使用于形状简单的碳钢件。油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太小，使用于合金钢和小尺寸的碳钢件。熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之间,用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业常用的淬火介质.第二节钢的普通热处理工艺（三）淬火方法

采用不同的淬火方法可弥补介质的不足。

1、单液淬火法加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法。操作简单，易实现自动化。第二节钢的普通热处理工艺视频：单液淬火法第二节钢的普通热处理工艺

2、双液淬火法工件先在一种冷却能力强的介质中冷，却躲过鼻尖后，再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。如水淬油冷，油淬空冷.优点是冷却理想，缺点是不易掌握。用于形状复杂的碳钢件及大型合金钢件。第二节钢的普通热处理工艺视频：双液淬火法第二节钢的普通热处理工艺

3、分级淬火法在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀后再取出缓冷。盐浴炉视频：分级淬火法第二节钢的普通热处理工艺

4、等温淬火法将工件在稍高于Ms的盐浴或碱浴中保温足够长时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。经等温淬火零件具有良好的综合力学性能，淬火应力小.适用于形状复杂及要求较高的小型件。视频：等温淬火法网带式淬火炉淬透性是钢的主要热处理性能。是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。（四）钢的淬透性1淬透性的概念M量和硬度随深度的变化淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区(50%M+50%P)的深度。淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力.影响淬透性的因素:

钢的临界冷却速度，Vc越低，钢的淬透性越好钢的化学成分（增加过冷奥氏体稳定性，降低Vc，钢的淬透性越好）淬透性的应用:

淬透性好的钢，经淬火回火后，截面上组织均匀一致，综合力学性能好。因此，钢的淬透性对提高大截面零件的力学性能，发挥材料潜力，具有重要的意义。淬透性好的钢，在淬火冷却时可采用比较缓和的淬火介质，减小工件淬火的变形及开裂倾向。第二节钢的普通热处理工艺钢的淬硬性淬硬性：是指钢在理想条件下淬火成马氏体后所能达到的最高硬度。

影响钢的淬硬性的因素主要取决于钢含碳量。低碳钢淬火的最高硬度值低，淬硬性差；高碳钢淬火的最高硬度值高，淬硬性好。第二节钢的普通热处理工艺淬硬性与淬透性之间的关系:淬透性淬硬性钢种小低碳素结构钢(20)小高碳素工具钢(T10A)大低低碳合金结构钢(18Cr2Ni4WA)大高高碳高合金工具钢(Cr12MoV)第二节钢的普通热处理工艺淬硬性与淬透性之间的区别:

淬透性与实际工件有效淬硬深度的区别同一钢种对不同截面的工件在同样奥氏体化条件下淬火，其淬透性是相同的，但是其有效淬硬深度却因工件的形状、尺寸和冷却介质的不同而异。淬透性是钢本身所固有的的属性，对以一种钢，它是确定的，可用于不同钢种之间的比较。实际工件的有效淬硬深度，除了取决于钢的淬透性，还与工件的形状、尺寸及采用的冷却介质等外界因素有关。

两个不同的概念淬硬性是指钢淬火后能达到的最高硬度，主要取决于马氏体的含碳量，淬透性好的钢其淬硬性不一定高。四、钢的回火一、定义：将淬火后钢件再加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间后，然后冷却到室温的热处理工艺。二、目的：消除淬火应力，降低脆性；稳定工件尺寸；调整淬火零件的力学性能。第二节钢的普通热处理工艺

三、回火的种类按回火温度的不同，回火可分以下三种：高温回火低温回火：中温回火回火的种类150ºC-250ºC350ºC-500ºC500ºC-650ºC第二节钢的普通热处理工艺1、低温回火（150-250）ºC

组织：

M回目的：保持淬火钢的高硬度和高耐磨性，降低淬火力，减少钢的脆性。硬度为58-64HRC。应用：刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳淬火件和表面淬火件.第二节钢的普通热处理工艺2、中温回火（350-500）ºC

组织：T回目的：获得高的弹性极限、屈服点和较好的韧性。又称弹性处理。硬度为35-45HRC.应用：弹性零件及热锻模具等。第二节钢的普通热处理工艺3、高温回火（500-650）ºC

组织：S回目的：获得良好的综合力学性能。硬度为25-35HRC.应用：各种重要结构零件如螺栓、齿轮及轴承。淬火+高温回火=调质处理第二节钢的普通热处理工艺

钢的回火分类：按回火温度范围，回火可分为：低温回火、中温回火和高温回火。

常用回火方法特点及应用见下表：

种类