《机械制造基础》第2版 课件全套 柳青松 第1-11章 金属材料的性能- 数控加工系统概述

《机械制造基础》（第2版）全国机械行业高职院校优质规划教材江苏省高等学校重点教材《机械制造基础》课程导入《机械制造基础》第1篇

机械工程材料Chapter金属材料的性能1第1章

金属材料的性能

案例导入a）

b）

c）

d）

e）

f）图1-1低碳钢拉伸试验形变过程a)屈服强化阶段b)、c)、d)颈缩阶段e）断裂瞬间f)断裂后截面形状第1章

金属材料的性能

初步分析低碳钢的拉伸试验过程：

载荷的增加

→试样伸长量↑

直径↓

载荷增加到一定程度→试件变细↓，外加载荷明显↓

→试样被拉断金属材料的力学性能及其组织结构1.1金属材料的力学性能

力学性能的概念力学性能：是指金属材料在外力作用下，所表现出来的抵抗

变形和破坏的能力。力学性能指标：金属在常温时的力学性能指标有强度、塑性、

硬度、冲击韧度、疲劳强度和断裂韧度等1.1金属材料的力学性能

强度和塑性拉伸试样a)b)图1-2圆柱形拉伸试样a)标准拉伸试样b)拉断后的拉伸试样1.1金属材料的力学性能

强度和塑性力-伸长曲线图1-3低碳钢试样的力-伸长曲线oc—弹性变形阶段ce

—屈服阶段em

—缩颈与断裂阶段mk

—缩颈与断裂阶段1.1金属材料的力学性能

强度和塑性强度材料的强度，就是材料在静载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。

1.1金属材料的力学性能

强度和塑性⑵强度判据拉伸试验可用于测量屈服强度和抗拉强度等。1)屈服强度和条件屈服强度2)抗拉强度⑶强度意义一般机械零件或工具使用时，不允许发生塑性变形，故屈服强度是机械设计强度计算的主要依据1.1金属材料的力学性能

强度和塑性塑性

金属材料在断裂前产生塑性变形的能力称为塑性。⑴塑性判据

可用拉伸试验测定断后伸长率和断面收缩率来表示，如图1-2所示。1)断后伸长率

试样断后标距的残余伸长与原始标距之比的百分率称为断后伸长率，用符号A表示。a)b)图1-2圆柱形拉伸试样a)标准拉伸试样b)拉断后的拉伸试样1.1金属材料的力学性能

强度和塑性塑性

金属材料在断裂前产生塑性变形的能力称为塑性。⑴塑性判据

可用拉伸试验测定断后伸长率和断面收缩率来表示，如图1-2所示。断面收缩率断面收缩率Z是指，断裂后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面积之比的百分率。a)b)图1-2圆柱形拉伸试样a)标准拉伸试样b)拉断后的拉伸试样1.1金属材料的力学性能

强度和塑性⑵塑性意义

金属材料的伸长率与断面收缩率数值愈大，说明其塑性愈好。塑性直接影响到零件的成形加工及使用。例如，低碳钢的塑性好，能通过锻压加工成形，而灰铸铁塑性差，不能进行压力加工。塑性好的材料，在受力过大时，首先产生塑性变形而不致发生突然断裂，所以大多数机械零件除要求具有较高的强度外，还必须具有一定的塑性。1.1金属材料的力学性能

强度和塑性表1-1材料的伸长率数值大小与材料的塑性好坏关系一览表材料伸长率数值范围材料性质材料性质举例>2%塑性材料铜、钢。如纯铁的伸长率几乎可达50%；又如低碳钢的伸长率约为20%~30%，断面收缩率约为60%。<2%脆性材料铸铁、混凝土。如普通生铁的伸长率达不到1%。1.1金属材料的力学性能

硬度1.硬度表示硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，反映材料抵抗局部塑性变形的能力。2.硬度判据

常用的硬度指标是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。图1-6布氏硬度试验原理示意图图1-7洛氏硬度试验原理图1-在初试验力下的压入深度2-由主试验力引起的压入深度3-卸除主试验力后的弹性回复深度4残余压入深度5-试样表面6-测量基准面7-压头位置1.1金属材料的力学性能

硬度表1-2常用洛氏硬度符号、试验条件和应用举例（摘自GB/T230.1-2018）标尺硬度符号压头型号初试验力（）+主试验力()=总试验力(F/N)常用范围应用举例AHRA金刚石圆锥98.07+490.3=588.3720~95HRA碳化钢、硬质合金、表面淬火等BHRBW直径1.5875mm碳化钨合金球98.07+882.6=980.6710~100HRBW非铁金属、退火钢、铜合金等等CHRC金刚石圆锥98.07+1373=1471.0720~70HRC淬火钢、调质钢等………………………………1.1金属材料的力学性能

硬度⑶维氏硬度

维氏硬度和布氏硬度的测定原理基本相同，也是以单位压痕面积的力作为硬度值计量。不同的是所用的压头为锥面夹角为的金刚石正四棱锥体。图1-8维氏硬度试验原理示意图1.1金属材料的力学性能

硬度3.硬度的意义

由于硬度反映了金属材料在局部范围内对塑性变形的抗力，因此，材料硬度与强度之间有一定内在联系，强度越高，塑性变形抗力越大，硬度值也越高；反之硬度高不一定强度高。所以硬度测量应用极为广泛，常把硬度标注于图纸上，作为零件检验、验收的主要依据；硬度是衡量金属软硬的判据，直接影响材料的耐磨性和切削加工性。如机械制造中各种刀具要有足够的硬度，才能保证使用的性能和寿命。1.1金属材料的力学性能

冲击韧度1.韧性表示

韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力。2.冲击韧性判据

夏比冲击试验是一种常用的评定金属材料韧性指标的动态试验方法。a)b)c)图1-9摆锤式冲击试验（夏比冲击试验）原理示意图a)-U形缺口试样b)-试样安放位置c)-夏比冲击试验机势能测定1.1金属材料的力学性能

冲击韧度冲击韧性的意义

一般将值低的材料称为脆性材料，值高的材料称为韧性材料。脆性材料在断裂前无明显的塑性变形，断口比较平整，有金属光泽；韧性材料在断裂前有明显的塑性变形，断口呈纤维状，没有金属光泽。还应指出，长期的生产实践证明，值对材料的组织缺陷十分敏感，能够灵敏的反映出材料的品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化，因此，冲击试验是生产上用来检验冶金质量和热加工质量的有效办法之一。1.1金属材料的力学性能

疲劳强度材料在循环载荷的作用下，即使所受应力低于屈服强度也常发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂，尤其是高强度材料在断裂之前一般没有明显的塑性变形，难以检测和预防，所以有很大的危险性。图1-10疲劳曲线示意图1.1金属材料的力学性能

疲劳强度1.疲劳强度疲劳强度是指材料经无数次的应力循环仍不断裂的最大应力，用以表征材料抵抗疲劳断的能力。2.疲劳强度测试测试材料的疲劳强度的方法是旋转弯曲疲劳试验。试验测得的材料所受循环应力与其断裂前的应力循环次数的关系曲线称为疲劳曲线，如图1-10所示。3.有效提高疲劳强度的途径疲劳极限除与选用材料的本性有关，还可通过以下途径来提高疲劳极限。⑴在零件结构设计方面尽量避免尖角、缺口和截面突变，以免应力集中及由此引起的疲劳裂纹。⑵降低零件表面粗糙度值，提高表面加工质量；同事尽可能减少能成为疲劳源的表面缺陷（氧化、脱碳、裂纹、夹杂等）和表面损伤（刀痕、擦伤、生锈等）。⑶采用各种表面强化处理，如化学热处理、表面淬火与喷丸、滚压等表面塑性变形加工，不仅可提高零件表层的疲劳极限，还可获得有益的表层残余压应力，以抵消或降低产生疲劳裂纹的啦应力。1.2材料的物理、化学及工艺性能物理性能材料的物理性能材料的物理性能属于材料的固有属性，主要包括材料的熔点、密度、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等。⑴熔点

材料在缓慢加热时由固态转变为液态时的融化温度称为熔点。金属有固定的熔点，合金的熔点取决于成分。⑵密度

密度是某种材料单位体积的质量。材料的密度直接关系到制成零件或构件的重量。⑶导电性

导电性是指材料传到电流的能力。工程中常采用纯铜和纯铝制造导电材料，导电性差的材料制作电热元件。⑷导热性

导热性是指材料传导热量的能力。合金的导热性比纯金属差，纯金属中银和铜的导热性能最好，铝次之。⑸热膨胀性

热膨胀性是指材料随着温度变化而产生的体积膨胀或收缩的现象。常温下工作的普通机械零件可以不考虑材料的热膨胀性，但工程中如滑动轴承材料、内燃机活塞的材料、精密仪器仪表的材料都要求热膨胀系数要小。⑹磁性

磁性是指材料在磁场中导磁或被磁化的能力，磁性材料从材质和结构上分为金属及合金磁性材料和铁氧体磁性材料两大类，电机的铁芯所用的磁性材料一般用硬磁铁氧体，磁化后不易退磁，对磁通的阻力小。1.2材料的物理、化学及工艺性能化学性能⑴耐蚀性

耐蚀性是指材料在室温时抵抗其周围介质腐蚀破坏的能力。不同介质中工作的材料其耐腐蚀性要求不同，如海洋设备要耐海水和海洋大气的侵蚀，储存和运输酸类的容器和管道要有较高的耐酸性。⑵抗氧化性

抗氧化性是指材料在高温下抵抗氧化的能力。在高温下工作的锅炉、加热炉、内燃机零件等要求具有良好的抗氧化性。1.2材料的物理、化学及工艺性能工艺性能工艺性能是指金属材料对零件制造工艺的适应性，包含着铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。工艺性能直接影响零件的制造工艺和质量，是选择金属材料时必须考虑的因素之一。1.3金属的晶体结构和相图金属的晶体结构1.纯金属的晶体结构⑴晶体与非晶体固态物质按其原子排列的特征分为晶体和非晶体两大类。a)b)图1-11晶体和非晶体的原子排列示意图a)-晶态金属中的原子排列b)-非晶态金属中的原子排列1.3金属的晶体结构和相图金属的晶体结构1.纯金属的晶体结构⑵晶格与晶胞1)晶格把原子看成一个结点，然后用假想的线条将这些结点连结起来，便构成了一个有规律性的空间格架称晶格。2)晶胞晶格中能完全反映晶格特征的最小几何单元称晶胞。晶胞中各棱边的长度a、b、c称为晶格常数。由于晶体中原子重复排列的规律性，因此晶胞可以表示晶格中原子排列的特征。1.3金属的晶体结构和相图金属的晶体结构1.纯金属的晶体结构⑶常见金属晶格类型：常见的金属晶格类型有体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格1.3金属的晶体结构和相图金属的结晶⑴冷却曲线与过冷度

1)冷却曲线

冷却曲线是温度与时间的关系曲线，可用来描述金属的结晶规律。可通过热分析法测量绘制，其方法是使熔化后的金属液缓慢冷却，每隔一定时间记录下温度值，将温度T和对应时间t绘制成T-t曲线，如图1-17所示。图1-17纯金属的冷却曲线1.3金属的晶体结构和相图金属的结晶2)纯金属的结晶温度由图1-17可知，随时间的增加，纯金属液的温度不断下降；当冷到某一温度时，温度并不随冷却时间的增长而降低，在冷却曲线上出现了一个恒温的水平线段，这个水平线段所对应的温度就是纯金属的结晶温度（或熔点）。3)理论结晶温度液态金属在及其缓慢地冷却条件下测得的结晶温度称为理论结晶温度，用符号表示。4)实际结晶温度在实际生产中，金属结晶时的冷却速度都是相当快的，此时金属要在理论结晶温度以下某个温度才开始结晶，这一温度称为实际结晶温度，用符号表示。5)过冷现象实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷现象。6)过冷度理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度，用符号表示，即1.3金属的晶体结构和相图金属的结晶⑵纯金属的结晶过程

1)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。经历了“形核→长大→形核→长大”的过程，如图1-18所示。b)c)d)图1-18纯金属的结晶过程示意图a)—液态金属b)—形核c)—晶核长大d)—完全结晶1.3金属的晶体结构和相图金属的结晶2)晶核形成晶核形成包含着自发形核与非自发形核的过程。①晶核与自发形核

金属在过冷的条件下，液态金属中某些局部微小的区域内的原子自发地聚集在一起，这种原子规则排列的细小聚合体称为晶核，这种形核方式称为自发形核。②非自发形核

当金属液中有细微的固态颗粒（自带或人工加入）时，也可以成为结晶的核心，这种形核方式称为非自发形核。3)晶核长大

金属液中的原子不断向晶核表面迁移，使晶核不断长大，与此同时，不断有新的晶核产生并长大，直至金属液全部消失。

1.3金属的晶体结构和相图金属的同素异构1.同素异构转变当温度、压力等外界条件改变时，少数固态金属（如铁、铬、锡、钴、钛等）的晶体结构由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构转变。同素异构转变同样也遵循形核、长大的规律，但它是一个固态下的相变过程，即固态相变。2.纯铁的同素异构转变过程纯铁在固态下会发生同素异构转变。其转变过程如下：1.3金属的晶体结构和相图合金的晶体结构纯金属一般具有较好的导电性、导热性，但其提炼困难，力学性能较低，因此在使用上受到了限制。工业上大量使用的金属材料都是合金。合金具有较高的力学性能和某些特殊的物理、化学性能。碳钢、合金钢、铸铁、黄铜、硬质合金等材料都是合金。1.基本概念⑴合金由两种或两种以上的金属元素（或金属元素和非金属元素）组成的具有金属特性的物质。

⑵组元

通常组元就是组成合金的元素。⑶合金系合金系是指两种或两种以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。⑷相图合金的结晶过程比纯金属复杂，为研究方便，通常以温度和成分作为独立变量的相图来分析合金的结晶过程。⑸相凡是成分相同、结构相同并与其他部分以界面分开的均匀组成部分，称为相。1.3金属的晶体结构和相图合金的晶体结构2.合金的晶体结构固态合金中的相结构可以分为固溶体和金属化合物两大类。a)b)图1-22固溶体的分类示意图a)-间隙固溶体b)-置换固溶体溶剂原子溶质原子【知识梳理与总结】1.材料的主要性能是指:（1）使用性能：力学性能、物理性能、化学性能（2）工艺性能：加工成形的性能2.金属材料的力学性能【知识梳理与总结】3.金属的晶体结构

⑴金属的理想晶体结构晶体：原子作有序排列；有固定的熔点；各向异性。非晶体：原子作无序排列；没有固定的熔点；各向同性。所有的金属和合金都是晶体晶格—原子排列形成的空间格子晶胞—组成晶格最基本的单元金属的典型晶体结构：体心立方晶格、体心立方晶格、密排六方晶格

【知识梳理与总结】3.金属的晶体结构

⑵金属的结晶过程金属结晶的过冷现象：过冷度=理论结晶温度-实际结晶温度金属的结晶过程：形核、长大……细化晶粒的方法:变质处理、增大过冷度、附加振动、热处理、压力加工再结晶。细化晶粒是改善材料力学性能的重要措施。金属的同素异晶转变：同素异晶转变—在固态下，随着温度的变化，金属的晶体结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。合金—以一种金属为基础，加入其他金属或非金属，所形成的具有金属特性的物质。合金的结构：合金的结构、金属化合物、机械混合物

Chapter铁碳合金2第2章铁碳合金案例导入图2-1工业纯铁图2-220钢图2-3T12钢初步分析

不同的材料，其内部的碳的质量分数不同，其组织形态也不同。由于碳的质量分数不同，铁素体和渗碳体的相对数量、析出条件及分布状况均有所不同，因而呈现各种不同的组织形态。碳的质量分数的差别也会影响力学性能，在＜1%时，随碳的质量分数的增加，钢的强度、硬度增加，塑性和韧性降低；在＞1%时，随碳的质量分数的增加，钢的硬度增加，强度、塑性、韧性都降低。

第2章铁碳合金材料是零件承载能力的基础。在材料的选用中，更多的时候要根据材料的内部组织去判定材料的力学性能。

铁碳合金的基本组织

钢铁材料是现代工业中应用最为广泛的金属材料，其中碳钢和铸铁都是铁和碳的合金。在铁碳合金中，铁与碳可以形成固溶体，也可以形成化合物，还可以形成混合物。在铁碳合金中有以下几种基本相及组织。第2章铁碳合金铁素体---碳溶解于体心立方晶格α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体（用F表示）。放大倍数500×铁素体晶界图2-4铁素体的模型

图2-5铁素体的显微组织

第2章铁碳合金铁碳合金的基本组织

第2章铁碳合金铁碳合金的基本组织

第2章铁碳合金铁碳合金的基本组织

渗碳体---由铁与碳形成的具有复杂晶格结构的金属化合物称为渗碳体，用符号Fe3C表示。奥氏体

--奥氏体是碳在-，呈面心立方晶格，用符号A或表示。图2-7奥氏体的模型图2-8奥氏体的显微组织图2-9片状珠光体的显微组织

第2章铁碳合金铁碳合金的基本组织

珠光体

---珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，用符号P表示。莱氏体

--莱氏体是奥氏体和渗碳体的混合物，用符号Ld表示，由Wc=4.3%的液态铁碳合金在凝固过程中发生共晶转变形成。

图2-10低温莱氏体的显微组织第2章铁碳合金铁碳合金相图

图2-8Fe－Fe3C合金相图

第2章铁碳合金

铁碳合金相图铁碳合金相图主要点、线、区的分析

表2-1Fe-Fe3C相图中的特性点符号温度/℃(%)含义A15380纯铁的熔点C11484.30共晶点D12276.69渗碳体的熔点①E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69共晶渗碳体的成分点G9120α-Fe→γ-Fe同素异晶转变点(A33)K7276.69共析渗碳体的成分点P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点Q(室温)(0.0008)碳在α-Fe中的溶解度

第2章铁碳合金

铁碳合金相图特性线的分析相图中ACD为液相线，AECF为固相线。图中有两条水平线分别表示两个等温线。

⑴两条相线液相线与固相线

①ACD线液相线，由各成分合金开始结晶温度点所组成的线，在此线以上处于液相。②AECF线固相线，由各成分合金结晶结束温度点所组成的线。在此线以下，合金完成结晶，全部变为固体状态。⑵两条水平线共晶转变线与共析转变线

①共晶转变线ECF水平线（1148）为共晶转变线。

②共析转变线PSK水平线（727）为共析转变线或。

⑶三条重要的特征线

①ES线碳在奥氏体中的固溶线，通常称为Acm线。②GS线冷却时由奥氏体析出向铁素体的开始线，通常称为A3线。③PQ线碳在铁素体中的固溶线。第2章铁碳合金

铁碳合金相图

第2章铁碳合金铁碳合金相图铁碳合金的成分、组织与性能的关系

⑴碳的质量分数与铁碳合金平衡组织间的关系

铁碳合金的室温组织都是由铁素体和渗碳体两相组成。随着碳的质量分数的增加，铁素体量逐渐减少，渗碳体量逐渐增多，且它的形状和分布也有所不同，从而形成不同的组织。⑵碳的质量分数与力学性能间的关系

①强度当Wc＜0.9％时，随着Wc增加，不断提高；当Wc＞0.9％时，由于渗碳体在晶界呈网状分布，使钢的强度下降。②硬度随Wc的增加而提高。③塑性随Wc的增加而迅速降低。④冲击韧性随Wc的增加而迅速降低。

第2章铁碳合金铁碳合金相图第2章铁碳合金

典型合金结晶过程分析1.共析钢的结晶过程（Wc=0.77%）

2.亚共析钢的结晶过程（0.0218%＜Wc＜0.77%）

合金在1点以上为液体，当缓冷至稍低于1点温度时，开始从液体中结晶出奥氏体，其数量随温度的下降而增多。温度降到2点时，液体全部结晶为奥氏体。2～S点之间，合金是单一奥氏体相。继续缓冷至S点时，奥氏体发生共析转变，转变成珠光体。727℃以下，P基本上不发生变化。第2章铁碳合金典型合金结晶过程分析图2-9典型合金结晶过程示意图

第2章铁碳合金典型合金结晶过程分析第2章铁碳合金典型合金结晶过程分析第2章铁碳合金典型合金结晶过程分析3.过共析钢的结晶过程（0.77%＜Wc＜2.11%）合金在1点以上为液体，当缓冷至稍低于1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，直至2点结晶终了。在2～3点之间是含碳时为合金Ⅲ奥氏组织。缓冷至3点时，奥氏体中碳的质量分数达到饱和而析出渗碳体（即二次渗碳体）。二次渗碳体沿奥氏体晶界析出而成网状分布。随着温度不断降低，由奥氏体中析出的二次渗碳体愈来愈多且碳的质量分数不断减少，并沿着ES线逐渐降低。3～4点之间的组织为奥氏体＋二次渗碳体。降至4点（727℃）时，奥氏体的成分达到了共析成分（Wc＝0.77％），于是这部分奥氏体发生共析反应，转变为珠光体。第2章铁碳合金

碳的质量分数对铁碳合金组织与性能的影响随着碳的质量分数的增加，合金的室温组织中不仅渗碳体的数量增加，其形态、分布也有变化。因此，合金的力学性能也相应发生变化。图2-10铁碳合金的成分、组织、性能变化规律第2章铁碳合金

铁碳合金图在工业生产中的应用1.在选材方面的应用

2.在铸造生产上的应用

3.在锻压生产上的应用

4.在热处理生产上的应用

【知识梳理与总结】1.铁碳合金的基本组织

通过对五个基本组织“铁素体、渗碳体、奥氏体、珠光体、莱氏体”的介绍，引入铁碳合金的相，了解基本组织的分类和形成过程。其中注意对比各个基本组织的力学性能、组织的成分、以及在实际工业材料中的应用范围。2.铁碳合金相图

铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。—C相图是由一些基本相图组成的,我们可以将—C相图分成上下两个部分来分析。【知识梳理与总结】【知识梳理与总结】

⑴上半部分--共晶转变

在1148、Wc=4.3%的液相发生共晶转变:Lc(AE+C),转变的产物称为莱氏体,用符号Ld表示。存在于1148～727之间的莱氏体称为高温莱氏体,用符号Ld表示,组织由奥氏体和渗碳体组成；存在于727以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体,用符号表示，组织由渗碳体和珠光体组成。

⑵下半部分--共析转变

在727、Wc=0.77%的奥氏体发生共析转变:AS(F+C),转变的产物称为珠光体。共析转变与共晶转变的区别是转变物是固体而不是液体。通过一系列铁碳合金相图中，特征线、特征点、相区的介绍，认识材料在不同温度下、不同的成分下、不同的碳的质量分数下，组织的不同、力学性能的区别。

【知识梳理与总结】【知识梳理与总结】典型合金结晶过程典型合金结晶过程获得了铁碳合金按碳的质量分数和室温组织的分类。了解在不同的碳的质量分数下组织的成分在不同温度下的结晶过程。共析钢（Wc＝0.77％），室温下共析钢的组织为珠光体；

亚共析钢（0.0218%Wc0.77%），室温组织为铁素体＋珠光体；

过共析钢（Wc0.77％），室温组织为珠光体＋二次渗碳体。Chapter钢的热处理3第3章

钢的热处理案例导入第3章

钢的热处理案例导入第3章

钢的热处理案例导入某型号的车床交换齿轮如图所示。它安装在该车床齿轮箱中，其作用是把主轴的旋转运动传送给进给箱，并和进给箱及长丝杠配合，可以车削各种不同螺距的螺纹。图3-1车床变速挂轮

第3章

钢的热处理初步分析齿轮的主要作用是传递动力，改变运动的速度和方向。齿轮的材料对齿轮的承载能力和制造成本有很大的影响。齿轮零件选用45钢并采用调质热处理235HBW，使45调质钢具有了所需的淬透性和良好的综合力学性能（足够的强度和高韧性的配合），保证了齿轮经过调质后从齿顶到齿根有良好的力学性能，这样才能满足齿轮的承载能力和使用寿命要求。材料是零件承载能力的基础。在零件设计中，既要考虑零件材料的选择，符合机构设计中的选材需求；同时也要确定合适的热处理，以改善金属材料组织、提高材料综合性能的目的。钢的热处理含义：钢的热处理是指金属材料在固态下，通过加热、保温和冷却的工艺方法使钢的内部组织结构发生变化，从而获得所需性能的一种加工工艺。第3章

钢的热处理钢在加热时的组织转变钢的热处理三个阶段：热处理的加热、保温和冷却这三个阶段可以用热处理工艺曲线来表示。图3-2热处理工艺曲线第3章

钢的热处理钢在加热时的组织转变热处理的分类按照加热与冷却方法的不同，热处理的基本类型分类如下：热处理普通热处理退火、正火、淬火、回火表面热处理表面淬火火焰加热、感应加热化学热处理渗碳、氮化、碳氮共渗及其他

加热温度的确定：Fe-Fe3C相图是确定钢加热温度的理论基础用图。由该图可知，将钢缓慢加热，共析钢加热到超过A1温度时，珠光体全部转变为奥氏体。亚共析钢加热温度超过A1后，珠光体转变为奥氏体；继续加热到温度超过A3后，铁素体也全部溶入奥氏体。过共析钢加热温度超过A1后，珠光体转变为奥氏体；继续加热到温度超过Acm后，渗碳体也全部溶入奥氏体。第3章

钢的热处理钢在加热时的组织转变第3章

钢的热处理钢在加热时的组织转变图3-3加热、冷却时钢的临界点P第3章

钢的热处理钢在加热时的组织转变奥氏体的形成

⑴奥氏体晶核的形成及长大

⑵残留渗碳体的溶解

⑶奥氏体成分的均匀化

图3-4共析钢中奥氏体形成过程示意图a)形核b)晶核长大c)残留渗碳体溶解d)奥氏体均匀化

第3章

钢的热处理钢在加热时的组织转变奥氏体晶粒大小及其影响因素

奥氏体晶粒大小，决定了其冷却后转变产物的晶粒大小和性能。因此，总是希望经加热过程能获得细小而均匀的奥氏体晶粒。一般来说，加热温度过高，保温时间过长，奥氏体晶粒就粗大。其中加热温度的影响更为显著。所以，热处理总是根据材料的不同化学成分严格控制加热温度和保温时间。表3-145钢经不同条件冷却后的力学性能

冷却过程是热处理的关键工序，它决定着钢在热处理后的组织与性能。同时，冷却方式及冷却速度的不同也正是各种热处理工艺的主要区别所在。

第3章

钢的热处理钢在冷却时的组织转变冷却方式--热处理常采用等温冷却（如等温淬火）和连续冷却（如炉冷、空冷、水冷等）两种冷却方式。图3-5奥氏体等温冷却和连续冷却示意图1-等温冷却

2-连续冷却过冷奥氏体由Fe-Fe3C相图可知，钢的温度高于临界点以上时，其奥氏体是稳定的；当温度处于临界点以下时，奥氏体将发生转变和分解共析钢过冷到温度以下，奥氏体在热力学上处于不稳定状态，在一定条件下会发生分解转变，这种在以下存在且不稳定的、将要发生转变的奥氏体就是过冷奥氏体。着时间的推移，过冷奥氏体将发生分解和转变，其转变产物的组织和性能决定于冷却条件。第3章

钢的热处理钢在冷却时的组织转变过冷奥氏体的等温冷却转变

第3章

钢的热处理钢在冷却时的组织转变等温转变图

表示过冷奥氏体的等温转变温度、转变时间与转变产物之间关系的曲线图称为过冷奥氏体的等温转变图，简称等温转变图。图3-6共析钢奥氏体等温转变图的建立第3章

钢的热处理钢在冷却时的组织转变奥氏体等温转变图的分析⑴左曲线为过冷奥氏体等温转变开始线，右曲线为过冷奥氏体等温转变终了线。在转变开始线的左边是过冷奥氏体区；转变终了线的右边为转变产物区；两条曲线之间为转变过渡区，即过冷奥氏体和转变产物共存区。在不同温度下，过冷奥氏体的稳定性是不同的。⑵转变开始线与纵坐标之间的水平距离，称为过冷奥氏体在对应温度下的孕育期。在奥氏体等温转变图的“鼻尖”（约550）处孕育期最短，过冷奥氏体最不稳定。⑶若将奥氏体化的钢迅速投入水中冷却，奥氏体将不发生上述等温转变，而是在230开始转变为马氏体，到-50奥氏体向马氏体转变完成，Ms、Mz线分别为奥氏体向马氏体转变的开始线和终了线。第3章

钢的热处理钢在冷却时的组织转变奥氏体等温转变的产物

⑴高温转变（珠光体型转变）

⑵中温转变（贝氏体型转变）⑶低温转变（马氏体型转变）第3章

钢的热处理钢在冷却时的组织转变过冷奥氏体的连续冷却转变

在热处理生产中，钢被加热后的冷却方式大多采用连续冷却方式。此时奥氏体转变是在连续不断的降温过程中完成的，要测定其连续冷却转变曲线比较困难。在生产中常用相应的C曲线来定性分析过冷奥氏体连续冷却转变所得到的产物和性能第3章

钢的热处理钢在冷却时的组织转变图3-10在共析钢等温转变图上估计连续冷却后过冷奥氏体转变产物过冷奥氏体的连续冷却转变退火和正火经常作为钢的预先热处理工序，安排在铸造、锻造和焊接之后或粗加工之前，以消除前一工序所造成的某些组织缺陷及内应力，为随后的切削加工及热处理作好组织上的准备。

第3章

钢的热处理钢的普通热处理工艺钢的退火和正火

钢的退火

1.退火退火是将钢加热到略高于或略低于临界点（Ac1、Ac3）某一温度，保温一定时间，然后缓慢冷却(一般随炉冷却)工艺过程，称为退火。2.退火的目的细化晶粒，改善钢的力学性能，为最终热处理做好准备；降低硬度，提高塑性，改善切削加工性能；去除或改善前一道工序造成的组织缺陷或内应力，防止工件的变形或开裂。3.常用的退火方法根据钢的化学成分和退火的目的不同，退火方法可分为：完全退火、球化退火、去应力退火和等温退火等。⑴完全退火

完全退火又称为重结晶退火，是将亚共析钢工件加热到Ac3以上30℃～50℃，保温一定时间后随炉缓慢冷却至600℃以下出炉空冷至室温的热处理工艺。⑵球化退火

将工件加热到Ac1以上30℃～50℃，保温一定时间后以不大于50℃/h的速度随炉冷却，最终获得的组织为球状珠光体（球状渗碳体分布在铁素体基体上）。在球化退火之前，若钢的原始组织为球状珠光体，应先进行正火处理，去网状组织。

⑶去应力退火

又称低温退火，是将钢件随炉缓慢加热（100℃～150℃/h）至500℃～650℃，保温一段时间后，随炉缓慢冷却（100℃～150℃/h）至300℃～200℃以下出炉空冷。由于加热温度低于Ac1，所以在去应力退火过程钢不发生组织转变，仅消除残余应力。第3章

钢的热处理钢的普通热处理工艺⑷等温退火

对于亚共析钢，等温退火与完全退火加热温度完全相同为Ac3以上30℃～50℃，只是冷却的方式有差别。等温退火是以较快的速度冷却到A1以下某一温度，保温一定时间使奥氏体转变为珠光体组织，然后空冷。

退火零件的加工工艺路线⑴毛坯生产→退火→切削加工⑵毛坯生产→退火→切削加工→中间退火→切削加工第3章

钢的热处理钢的普通热处理工艺钢的正火正火

所谓正火，就是将钢加热到Ac3(亚共析钢)或Accm(共析钢和过共析钢)以上30℃～50℃，保温后从炉中取出空冷的一种热处理工艺。

正火的目的

正火的主要目的是细化晶粒，均匀组织，改善钢的力学性能；消除铸件、锻件和焊接件的内应力；调整硬度，以改善切削加工性。退火零件的加工工艺路线

⑴毛坯生产→正火→切削加工⑵毛坯生产→正火→切削加工→退火→切削加工

第3章

钢的热处理钢的普通热处理工艺钢的退火与正火工艺的选择

1.从切削加工性上考虑2.从使用性能上考虑3.从经济上考虑

正火比退火生产周期短，成本低，操作方便，故在可能的条件下应优先采用正火。但在零件形状较复杂时，由于正火的冷却速度快，有引起变形开裂的危险，则采用退火为宜。

第3章

钢的热处理钢的普通热处理工艺第3章

钢的热处理钢的普通热处理工艺图3-11退火和正火加热温度范围钢的淬火

机械零件使用状态下的性能，一般由淬火和回火获得，所以淬火和回火称为最终热处理。淬火的目的

主要目的是为了获得马氏体，提高钢的硬度和耐磨性，是强化钢材最重要的工艺方法。

淬火质量取决于淬火三要素，即加热温度、保温时间和冷却速度。

第3章

钢的热处理钢的普通热处理工艺淬火加热的温度

对亚共析钢，适宜的淬火加热温度一般为Ac3以上30～50。目的是获得细小奥氏体晶粒，淬火后得到均匀细小的马氏体组织。如果加热温度过高，则会引起奥氏体晶粒粗大，淬火后的组织为粗大马氏体，使淬火后钢的脆性增大，力学性能降低；如果加热温度过低，淬火组织中将出现铁素体，使淬火后硬度不足，强度不高，耐磨性降低。

第3章

钢的热处理钢的普通热处理工艺图3-12钢淬火加热温度的选择淬火冷却介质及冷却方式

淬火冷却介质

①水是冷却能力较强的淬火冷却介质②油冷却介质③盐浴与碱浴介质

第3章

钢的热处理钢的普通热处理工艺图3-13常用淬火方法1一单液淬火

2一双液淬火3一分级淬火

4一等温淬火淬火方法

①单介质淬火将钢件奥氏体化后，在一种淬火介质中连续冷却至室温的操作方法称为单液淬火，如水淬、油淬等。

②双液淬火将钢件奥氏体化后，先浸入冷却能力较强的介质中，冷却至接近Ms点温度时，立即将工件取出转入另一种冷却能力较弱的介质中冷却，使其发生马氏体转变的淬火方法称为双液淬火，例如先水淬后油淬。

③分级淬火在淬火冷却过程中，将已奥氏体化的钢件浸入温度在Ms点附近的盐浴或碱浴中，保温适当时间，待工件内外层均达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火方法称为分级淬火。

第3章

钢的热处理钢的普通热处理工艺④等温淬火

对于一些形状复杂、要求具有较高硬度和强韧性的工具、模具等工件，采用将工件奥氏体化后，快速冷却到贝氏体转变温度区间，转变为下贝氏体组织的淬火方法。⑤局部淬火

有些工件按其工作条件，如果只是局部要求高硬度，则可进行局部加热淬火的方法，以避免工件其他部位产生变形和开裂。⑥冷处理

量具、精密轴承等要求在整个存放和使用过程中尺寸不发生变化，就应是淬火过程中的残余奥氏体尽量少，以获得最大数量的马氏体，可以进行冷处理。

第3章

钢的热处理钢的普通热处理工艺钢的淬透性

⑴淬透性

淬透性是指在规定条件下，钢在淬火冷却时获得淬硬层深度的能力。一般规定，由钢的表面至内部马氏体组织量占50%处的距离称为淬透层深度。淬透层深度越深，表明钢的淬透性越好。

⑵淬硬性

淬硬性是指钢淬火后获得最高硬度的能力，它主要取决于马氏体的含碳量，合金元素的含量对淬硬性没有显著的影响，但对于钢的淬透性有很大影响。淬透性好的钢，它的淬硬性不一定高。

第3章

钢的热处理钢的普通热处理工艺影响淬透性的因素

①化学成分的影响：除Co外，大多数合金元素溶入奥氏体后，降低临界冷却速度，使C曲线右移，提高钢的淬透性。②奥氏体化条件的影响：奥氏体化温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大，成分越均匀，从而减少随后冷却转变的形核率，降低其临界冷却速度，增加淬透性。③冷却介质的影响：采用的冷却介质等也影响着钢的淬透性。第3章

钢的热处理钢的普通热处理工艺钢的回火1.低温回火（250℃以下）

低温回火得到回火马氏体组织，保持了淬火钢高的硬度（58～64HRC）和耐磨性，内应力有所降低，故韧性有所提高。低温回火主要用于高碳钢及合金工具钢制造的刃具、量具、冷作模具、滚动轴承及渗碳件、表面淬火件等。2.中温回火（250～500℃）

中温回火得到回火托氏体组织，工件获得高的弹性极限、屈服强度和一定的韧性，硬度可达35～50HRC，主要用于弹性件及热锻模等。3.高温回火（650℃以上）

高温回火得到回火索氏体组织，具有良好的综合力学性能（足够的强度与高韧性的配合），硬度可达25～40HBWC。

第3章

钢的热处理钢的普通热处理工艺钢的表面淬火感应加热表面淬火

利用电磁感应原理，在工件表面产生涡流使工件表面快速加热而实现表面淬火的工艺方法。

感应加热表面淬火法的主要优点

①工件表面加热速度极快，热效率高；氧化、脱碳小，变形小，质量稳定。②表面硬度高，缺口敏感性小，冲击韧度、疲劳强度及耐磨性等均有很大提高。③淬硬层深度易于控制，操作过程易于实现机械化和自动化，生产率高，适用大批量生产。第3章

钢的热处理钢的表面热处理工艺火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是利用乙炔-氧或其他可燃气体火焰(约3000以上)，将工件表面迅速加热到淬火温度，然后立即喷水冷却的热处理工艺

第3章

钢的热处理钢的表面热处理工艺图3-16火焰表面淬火示意图加热层钢的化学热处理

钢的渗碳⑴渗碳将工件放在渗碳性介质中，使其表面层渗入碳原子的一种化学热处理工艺称为渗碳。⑵渗碳的主要钢种与应用

渗碳钢都是含0.10～0.25%的低碳钢和低碳合金钢,如15、20、20Cr、20CrMnTi、20SiMnVB等。渗碳层深度一般都在0.5～2.5mm。⑶加热温度渗碳热处理时的加热温度约为900～950，保温时间与渗碳层厚度成正比⑷渗碳的分类

根据渗剂的不同，渗碳方法可分为固体渗碳、气体渗碳和液体渗碳三种。

第3章

钢的热处理钢的表面热处理工艺⑸气体渗碳法的工作原理

⑹渗碳后的热处理

钢渗碳后必须进行热处理。渗碳后的热处理工艺为淬火＋低温回火；使其表面获得细小片状回火马氏体及少量渗碳体，硬度58～62HRC。

第3章

钢的热处理钢的表面热处理工艺图3-17气体渗碳法示意图渗碳剂钢的氮化

⑴氮化

向钢件表面渗入氮，形成含氮硬化层的化学热处理过程称为氮化。⑵氮化目的

在于提高工件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、腐蚀性及热硬性。⑶氮化的应用

与渗碳相比，渗氮温度大大低于渗碳温度，且渗碳后的钢件不需淬火，故工件变形小；渗氮层的硬度，耐磨性、疲劳度、耐蚀性及热硬性均高于渗碳层。

第3章

钢的热处理钢的表面热处理工艺⑷渗氮处理的分类

有气体渗氮、离子渗氮等工艺方法，其中气体渗氮应用最广。⑸氮化零件的加工工艺路线毛坯锻造→退火或正火→粗加工→调质→精加工→渗氮⑹氮化的特点

与渗碳相比、氮化工件具有以下特点：①氮化前需经调质处理，以便使心部组织具有较高的强度和韧性。②表面硬度可达HRC65～72，具有较高的耐磨性。③氮化表面形成致密氮化物组成的连续薄膜，具有一定的耐腐蚀性。④氮化处理温度低，渗氮后不需再进行其他热处理。

第3章

钢的热处理钢的表面热处理工艺碳氮共渗

⑴碳氮共渗

碳氮共渗是向钢的表面同时渗入碳和氮的过程。习惯上又称氰化，目前以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗（即气体软氧化）应用较为广泛。⑵碳氮共渗的目的

中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度、耐磨性和疲劳强度。低温气体碳氮共渗以渗氮为主，其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性。⑶碳氮共渗的特点

碳氮共渗工艺与渗碳工艺相比，具有时间短、生产效率高、表面硬度高、变形小等优点，但共渗层较薄，主要用于形状复杂、要求变形小的小型耐磨零件。

第3章

钢的热处理钢的表面热处理工艺①中温气体碳氮共渗它是在一定温度下同时将碳、氮原子渗入工件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺，故称碳氮共渗。由于共渗温度较高，它是以渗碳为主的碳氮共渗过程，因此，处理后要进行淬火和低温回火。②低温气体氮碳共渗

其实质上是以渗氮为主的共渗工艺，故又称气体氮碳共渗，生产上把这种工艺称为气体软氮化。

第3章

钢的热处理钢的表面热处理工艺1.可控气氛热处理可控气氛热处理是指在成分可控的炉气中进行的热处理。其目的是防止工件加热时产生氧化、脱碳等现象，提高工件表面质量；有效地进行渗碳、碳氮共渗等化学热处理；对脱碳的工件施行复碳等。通过建立气体渗碳数学模型和计算机碳势优化控制以及碳势动态控制，在气体渗碳中实现渗层浓度分布的优化控制、层深的精确控制和生产率的提高，取得重大效益。

2.真空热处理在真空环境（低于一个大气压）中进行的热处理称为真空热处理。主要有：真空淬火、真空退火、真空回火等。

第3章

钢的热处理热处理新技术简介3.形变热处理形变热处理是将塑性变形和热处理有机结合起来，获得形变强化和相变强化综合效果的工艺方法。4.激光热处理激光热处理是利用高能量密度的激光束扫描照射工件表面，以极快的加热速度迅速加热至相变温度以上，停止照射后，依靠工件自身传导散热迅速冷却表层而进行“自行淬火”。激光热处理加热速度快，加热区域准确集中，不需淬火冷却介质而能自行淬火，表面光洁，变形极小，表面组织晶粒细小，硬度和耐磨性好，还能对复杂形状工件及微孔、沟槽、盲孔等部位进行淬火热处理。第3章

钢的热处理热处理新技术简介第3章

钢的热处理钢铁表面防护处理钢铁电镀与化学镀1.钢铁电镀电镀利用电解池原理在机械制品上沉积出附着良好的、但性能和基体材料不同的金属覆层的技术。电镀的目的是在基材上镀上金属镀层，改变基材表面性质或尺寸。电镀能增强金属的抗腐蚀性(镀层金属多采用耐腐蚀的金属)、增加硬度、防止磨耗、提高导电性、光滑性、耐热性和表面美观。2.钢铁化学镀化学镀又称无电解液镀。它不使用外电源而是利用金属盐和还原剂，在材料表面发生自催化反应来获得镀层。化学镀发展非常迅速，在电子工业、陶瓷、塑料、金属基复合材料等领域得到广泛应用。如化学镀镍磷合金时，在化学镀液中加SiC、金刚石、Al203等，可获得硬度更高的复合镀层；在镀液中加石墨、PTFE（塑料）等可获得具有减摩润滑性能的复合镀层。这种方法广泛应用于磁带、磁鼓、半导体接触件等的制造以及铝、铍、镁等金属件电镀前的底层及铜、锌基体上镀金属的隔离层。化学镀Ni-P和Ni-B在模具制造上的应用也很成功。此外，还有化学镀铜用于制造双面或多层印刷线路板；化学镀钴常用于改进导磁性；化学镀金、钯、锡、铅等用于电器、线路板、首饰装饰及改善零部件表面的焊接性。第3章

钢的热处理钢铁表面防护处理钢铁氧化（发蓝）与磷化

1.氧化处理(发蓝)钢铁零件表面氧化处理，也称发蓝。经氧化处理形成的氧化膜结构致密、色泽美观、结合牢固，广泛应用于光学仪器、军用物品、标准件以及一些不适于刷油漆、电镀的精密器件上，是金属材料防腐的有效方法之一。通常钢铁制件的氧化处理有化学方法和电化学方法。化学方法中又分碱性发蓝、酸性发蓝和蒸汽发蓝等。还有按温度高低将氧化工艺分为高温发蓝、常温发蓝等。⑴高温碱性发蓝高温碱性发蓝处理是将经过脱脂、除锈、除氧化皮的钢铁件浸入135～150℃的碱性发蓝液（氢氧化钠、亚硝酸钠或硝酸钠和氧化剂）中，保持20～120min，在钢铁表面生成一层1.5～3um的蓝黑色Fe304薄膜的过程。当工件在浓碱和氧化剂中加热时，氢氧化钠和亚硝酸钠与金属铁反应，生成亚铁酸钠(Na2Fe02)，并被继续氧化成铁酸钠(Na2Fe204)，两者进一步反应便生成Fe304氧化膜。为提高氧化膜的抗蚀能力，还需将发蓝处理的零件浸入温度为80～90、浓度为3%～5%肥皂水或者温度为90～95的重铬酸钾溶液中进行填充处理，使氧化膜微孔皂化或填充，然后用机油浸泡。高温氧化发蓝温度高、能耗大，亚硝酸盐蒸汽严重污染工作环境，而且周期长，生产效率低，多年来国内外均在寻找一种能取而代之的新发蓝技术和工艺。第3章

钢的热处理钢铁表面防护处理钢铁氧化（发蓝）与磷化⑵常温酸性发蓝常温酸性发蓝是将经过脱脂、除锈的钢铁件浸入常温酸性发蓝液中，依靠强酸的促进和参与作用，使强氧化剂与钢铁等物质直接发生氧化反应，并在有机活性剂和添加剂的共同作用下，使钢铁表面生成交错分布的多种蓝黑色化合物晶核。然后，再在适当条件下逐渐成长为膜，从而形成结合牢固、色泽美观的蓝黑色膜层。2.磷化处理将工件浸入磷酸盐溶液中，使工件表面获得一层不溶于水的磷酸盐薄膜的工艺称为磷化处理。常用的磷化处理剂为磷酸亚铁和磷酸锰等。磷化处理前，工件先脱脂、净化，再用5%左右的盐酸酸洗、除锈。充分水洗后浸入磷酸盐处理液中2～5min，形成耐腐蚀的磷酸盐膜。若磷化后再在2%左右的重铬酸盐中稍浸一下，可进一步提高其耐蚀性。磷化工艺是钢铁件防蚀的传统工艺。磷化膜呈灰色或黑色的外观，结晶细致均匀，厚度一般为5～20um，并具有显微孔隙结构，故吸油漆性良好，常作为油漆基底；此外，磷化处理设备、加工技术简单，价格低廉，目前已广泛应用于汽车、机电产品等零件的防蚀处理。

第3章

钢的热处理喷涂覆层喷涂是指通过喷枪或碟式雾化器，借助于压力或离心力，分散成均匀而微细的雾滴，施涂于被涂物表面的涂装方法。常用的喷涂工艺一般为喷漆、喷粉。喷涂用的金属材料很广，低熔点的Sn、高熔点的W等金属及其合金都可作为喷涂材料。金属、陶瓷、塑料、玻璃等材料都可通过喷涂获得表面强化。喷涂操作温度低，工件温升小，因而应力也小；操作过程较为简单、迅速，被喷涂件大小不受限制。工业上热喷涂多以修复磨损机件、提供耐磨耐蚀等性能为目的，广泛应用于机械制造、建筑、造船、车辆、化工装置、纺织机械等领域。

第3章

钢的热处理气相沉积1.气相沉积技术是利用气相中发生的物理、化学过程，在工件表面形成功能性或装饰性的金属、非金属或化合物涂层。气相沉积技术按照成膜机理，可分为化学气相沉积(VCD)、物理气相沉积(PVD)和等离子体气相沉积(PCVD)等三种类型。2.气相沉积的应用气相沉积已广泛应用于电子、信息、光学、声学、航天、能源、机械制造等多个领域，如高速钢刀具和模具采用PVD法表面改性处理，在刀具表面得到高硬度的TiC、TiN等的单涂层或多涂层，厚度可达30um，硬度可达2000HV，提高了耐磨性，具有抗粘着性，使用寿命可提高数倍。此外也可用CVD法在聚合物表面形成Al涂层。第3章

钢的热处理气相沉积3.等离子气相沉积离子镀是借助于惰性气体辉光放电，使镀料（如金属钛）气化蒸发离子化，离子经电场加速，以较高能量轰击工件表面，此时如通入CO2、N2等反应气体，便可在工件表面获得TiC、TiN覆盖层，硬度高达2000HV。离子镀的重要特点是沉积温度只有500左右，且覆盖层组织致密、均匀，与基体的结合力较强，常用于在高速钢刀具、硬质合金刀具、各种模具以及耐磨结构上沉积TiC、TiN、Si3N4、Al203等超硬涂层，可大大提高其使用寿命。4.物理气相沉积（PVD）是通过蒸发，电离或溅射等过程，产生金属粒子并与反应气体反应形成化合物沉积在工件表面。物理气象沉积方法有真空镀，真空溅射和离子镀三种，目前应用较广的是离子镀。5.化学气相沉积将工件置于反应室中，抽真空并加热至900～1100。如要涂覆TiC层，则将钛以挥发性氯化物（如TiCl4)与气体碳氢化合物（如CH4）一起通入反应室内，这时就会在工表面发生化学反应生成TiC，并沉积在工件表面形成6～8μm厚的覆盖层。工件经气相沉积镀覆后，再进行淬火，回火处理，表面硬度可达到2000～4000HV。

【知识梳理与总结】1.钢的退火：⑴完全退火和等温退火目的：细化晶粒，降低硬度，改善切削加工性能。⑵球化退火主要用于共析或过共析成分的碳钢及合金钢。目的：在于降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火做准备。⑶去应力退火（低温退火）主要用于消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件（或冷拔件）及机加工的残余内应力。这些应力若不消除会导致随后的切削加工或使用中的变形开裂。降低机器的精度，甚至会发生事故。

【知识梳理与总结】2.钢的正火：⑴用于普通结构零件，作为最终热处理，细化晶粒提高机械性能。⑵用于低、中碳钢作为预先热处理，得合适的硬度便于切削加工。⑶用于过共析钢，消除网状Fe3CⅡ，有利于球化退火的进行。

【知识梳理与总结】3.钢的淬火：淬火的目的就是获得马氏体。但淬火必须和回火相配合，否则淬火后得到了高硬度，高强度，但韧性，塑性低，不能得到优良的综合机械性能。马氏体针叶大小取决于奥氏体晶粒大小。对于亚共析钢：Ac3+（30～50℃），淬火后的组织为均匀而细小的马氏体。对于过共析钢：Ac1+（30～50℃），淬火后的组织为均匀而细小的马氏体和颗粒状渗碳体及残余奥氏体的混合组织。

【知识梳理与总结】4.钢的回火：回火的目的：降低淬火钢的脆性，减少或消除内应力，使组织趋于稳定并获得所需要的性能。淬火钢在回火时组织和性能的变化：80～200℃，发生马氏体的分解；200～300℃发生残余奥氏体分解；250～400℃，马氏体分解完成；400℃以上生成回火索氏体。【知识梳理与总结】5.钢的化学热处理：⑴钢的渗碳：将工件放在渗碳性介质中，使其表面层渗入碳原子的一种化学热处理工艺称为渗碳。钢渗碳后表面层的含碳量可达到0.8～1.1%C范围。

⑵钢的氮化：向钢件表面渗入氮，形成含氮硬化层的化学热处理过程称为氮化。⑶碳氮共渗/氮碳共渗：碳氮共渗是向钢的表面同时渗入碳和氮的过程。习惯上又称氮化，目前以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗（即气体软氧化）应用较为广泛。Chapter常用的金属材料与非金属材料4第4章

常用的金属材料与非金属材料

案例导入图4-1国家体育馆“鸟巢”初步分析Q460高强度钢：

修建鸟巢之前一直依赖进口

在工程技术人员和河南舞阳特种钢厂的科研人员共同努力→最终用国产的Q460撑起“鸟巢”的铁骨钢筋。

材料有金属材料、非金属材料、复合材料及各种新型材料。常用的金属材料和非金属材料第4章

常用的金属材料与非金属材料

4.1工业用钢钢的分类按化学成分类：碳素钢和合金钢按碳的质量分数分类：低碳钢（wc

0.25%）、中碳钢（wc

为0.25~0.6%）和高碳钢（wc

0.6%）按用途分类：结构钢、工具钢和特殊性能钢按质量等级分类：普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级

优质钢。4.1工业用钢4.1.1碳素钢碳素钢简称碳钢：指wc<2.11%并含少量硅、锰、磷、硫等

杂质元素的铁碳合金。碳素钢广泛应用于机械制造工业、

建筑及交通运输中。4.1工业用钢4.1.1.1杂质元素对钢性能的影响硅、锰的影响:硅和锰在钢中均为有益元素，能溶于铁素

体中起固溶强化作用，提高钢的强度和硬度。

磷、硫的影响:磷在钢中能全部溶于铁素体，可提高钢的强度、硬度，但在室温下会急剧降低钢的塑性、韧性，低温时尤为显著，称为冷脆性。因此，通常情况下，磷、硫是钢中的有害元素。

非金属夹杂物的影响:在炼钢过程中，少量的炉渣、耐火

材料及冶炼中反应物可能进入钢液，形成非金属夹杂物，例如氧化物、硫化物等。4.1工业用钢4.1.1.2碳素钢的分类碳素钢的分类方法主要有以下三种：1.按用途分类

（1）碳素结构钢。（2）碳素工具钢。2.按质量分类

普通碳素钢：wp≤0.045%，ws≤0.050%

优质碳素钢：wp≤0.035%,ws≤0.035%

高级优质碳素钢：wp≤0.030%,ws≤0.030%3.按钢水脱氧程度分类:可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、

特殊镇静钢。4.1工业用钢4.1.1.3碳素钢的牌号性能及用途一、碳素结构钢

碳素结构钢中碳的质量分数低（0.06%～0.38%），所含

有害杂质硫、磷及非金属夹杂物较多，大量用于金属结

构件和不重要的机械零件。碳素结构钢的牌号：由代表屈服强度拼音的字母Q、屈服点

强度值、质量等级符号和脱氧方法符号四部分依次组成。牌号Q235-AF：表示上屈服强度ReH≥235MPa，质量等级

为A的碳素结构沸腾钢。4.1工业用钢碳素钢的牌号、性能及用途碳素结构钢的牌号、性能及应用举例(摘自GB/T700-2006)牌号等级质量分数（%），不大于脱氧方法力学性能应用举例CSPReH/MPa不小于Rm/MPaA(%)不小于Q195—0.120.0400.035F、Z195315～43033用于载荷不大的结构件、铆钉、垫圈、地脚螺栓、开口销、拉杆、螺纹钢筋、冲压件和焊接件。Q215A0.150.0500.045F、Z215335～45031B0.045Q235A0.220.0500.045F、Z235370～50026用于结构件、钢板、螺纹钢筋、型钢、螺栓、螺母、铆钉，拉杆、齿轮、轴、连杆Q235C、D可用作重要焊接结构件。B0.200.045C0.170.0400.040ZD0.0350.035TZQ275A0.240.0500.045F、Z275410～54022强度较高，用于承受中等载荷的零件，如键、链、拉杆、转轴、链轮、链环片、螺栓及螺纹钢筋等。B0.210.0450.045ZC0.220.0400.040ZD0.200.0350.035TZ4.1工业用钢碳素钢的牌号、性能及用途二、优质碳素结构钢

优质碳素结构钢的硫、磷含量较低（均不大于0.035%），

力学性能优于碳素结构钢，多用于制造比较重要的机械

零件。优质碳素结构钢：包括普通含锰钢素工具钢都是高碳钢，其

碳的质量普通含锰钢的牌号用两位数字表示，数字代表

钢中碳的质量分数的平均万分数；沸腾钢需在数字后加

字母F，镇静钢不标注。4.1工业用钢碳素钢的牌号、性能及用途三、碳素工具钢

碳素工具钢都是高碳钢，其碳的质量分数为0.65~1.35%，具有高的硬度、耐磨性，主要用来制造刀具、模具、量具。

按质量分，碳素工具钢有优质和高级优质两种。优质碳素工具钢的牌号用字母T和数字表示，数字表示碳的质量分类的平均千分数。

高级优质碳素工具钢的牌号则在上述钢号后加字母A。4.1工业用钢碳素钢的牌号、性能及用途碳素工具钢的牌号、成分和用途

（摘自GB/T1299-2014）牌号化学成分（%）退火硬度HB不大于淬火

温度℃淬火硬度HRC用

途

举

例SiMnSP不大于T70.65~0.74≤0.35≤0.400.0300.035187800~820≥62承受冲击，韧性较好、硬度适当的工具，如扁铲、冲头、手钳、大锤、改锥、木工工具、压缩空气工具T80.75~0.84≤0.35≤0.400.0300.035187780~800T8Mn0.80~0.90≤0.350.40~0.600.0300.035187同上，但淬透性较大，可制断面较大的工具T90.85~0.94≤0.35≤0.400.0300.035192760~780韧性中等，硬度高的工具，如冲头、木工工具、凿岩工具T100.95~1.04≤0.35≤0.400.0300.035197不受剧烈冲击、高硬度耐磨的工具，如车刀、刨刀、丝锥、钻头、手锯条T111.05~1.14≤0.35≤0.400.0300.035207T121.15~1.24≤0.35≤0.400.0300.035207不受冲击、要求高硬度高耐磨的工具、如锉刀、刮刀、精车刀、丝锥、量具T131.25~1.35≤0.35≤0.400.0300.0352174.1工业用钢碳素钢的牌号、性能及用途四、碳素铸钢：有些机械零件，例如水压机横梁、轧钢机机

架、重载大齿轮等，因形状复杂，难以用锻压方法成型，

又因力学性能要求较高。钢号C(%)力学性能(不小于)应用举例ReH/MPaRm

/MPaA/%Z/%K/ZG230-4500.22~0.30230450223245外壳、轴承座、底板、阀体等ZG270-5000.30~0.38270500182535轧钢机机架、轴承盖、连杆、箱体、曲轴、缸体、飞轮等ZG310-5700.40~0.50310570252130大齿轮、缸体、制动轮等碳素铸钢的牌号、力学性能和用途(摘自GB/T5613-2014)4.1工业用钢4.1.2合金钢合金钢：为了提高钢的性能，常常在钢中加入一定量的合金元素，形成合金钢。合金元素是在冶炼时为了改善钢的性能或使之具有某些特殊性能而有意加入的元素。

常见的合金元素有硅、锰