机械制造基础- 课件全套 张兆隆 第1-12章 金属的力学性能- 毛坯分析与选择

教学目标：1.掌握金属力学性的基本概念2.掌握各力学性能的衡量指标重点与难点：1.金属材料力学性能的概念以及应用

2.强度、硬度、塑性的测量方法材料的性能使用性能工艺性能力学性能物理性能化学性能铸造性能锻压性能热处理性能焊接性能力学性能：金属材料在外力作用下所表现出来的性能。主要包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。

力学性能不仅是机械零件设计、选材、验收及鉴定的主要依据，也是对产品加工过程实行质量控制的重要参数。第一节强度和塑性强度：金属材料在静载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。

金属材料的强度越高，所能承受的载荷就越大。塑性：金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。

为避免机械零件在使用过程中出现断裂或者变形的情况，在使用前首先要确定机械零件的强度和塑性是否能够满足使用要求。定义第一节强度和塑性1．金属材料承受的载荷一、金属材料承受的载荷与应力按外力作用性质分静载荷冲击载荷交变载荷按作用形式不同分拉伸载荷压缩载荷弯曲载荷剪切载荷扭转载荷第一节强度和塑性图1-1载荷的作用形式（a）拉伸载荷（b）压缩载荷（c）弯曲载荷（d）剪切载荷（e）扭转载荷第一节强度和塑性

2．内力与内应力一、金属材料承受的载荷与应力第一节强度和塑性二、拉伸试验与拉伸曲线1.拉伸试验方法标准拉伸试样图1-2圆形拉伸试样（a）拉伸前

（b）拉断后拉伸试验机第一节强度和塑性二、拉伸试验与拉伸曲线1.拉伸试验方法

得到评定材料的强度和塑性的指标：

屈服强度（Re）

抗拉强度（Rm）

断后伸长率（A）

断面收缩率（Z）第一节强度和塑性2.拉伸曲线二、拉伸试验与拉伸曲线

在拉伸试验过程中，试验机自动以拉伸力F为纵坐标，以伸长量ΔL为横坐标，画出一条拉力F与伸长量ΔL的关系曲线。图1-5低碳钢拉伸曲线示意图第一节强度和塑性低碳钢试样的拉伸过程可分为以下4个阶段：（1）弹性变形阶段（OA）（2）屈服阶段（B＇B）（3）强化阶段（CD）（4）颈缩阶段（DE）拉力与伸长成正比外力不增加试样仍继续发生塑性伸长塑性变形增加，试样变形抗力也增加，D点对应载荷为拉伸试验时的最大载荷。出现“颈缩”现象，变形主要集中在颈部。载荷也逐步降低，试样在“颈缩”处断裂。第一节强度和塑性三、强度指标1．屈服强度与规定残余延伸强度屈服强度：金属材料产生屈服时的应力，用符号Re表示。

其大小可由下式求得，单位是MPa。式中，Fe——试样产生屈服时的载荷，单位N。

So——试样原始横截面积，单位mm2。三、强度指标1．屈服强度与规定残余延伸强度

对于没有明显屈服现象的脆性材料，可用规定残余延伸强度表示，符号为Rr。

规定残余延伸强度：指卸除应力后残余延伸率等于规定的原始标距Lo百分率时对应的应力。如Rr0.2，表示规定残余的延伸率为0.2％时的应力。三、强度指标2．抗拉强度（或强度极限）材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号Rm表示。其值大小可由下式求得，单位是MPa。式中，Fm—试样拉断前承受的最大载荷，单位N。零件在工作中所承受的应力不允许超过抗拉强度，否则会产生断裂。四、塑性指标1．断后伸长率试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的比率，用符号Ａ表示。式中，——试样的原始标距长度；

——试样拉断后的标距长度。四、塑性指标2．断面收缩率断裂后试样横截面积的最大缩减量（So-Su）与原始横截面积So之比的百分率。用符号Z表示。

说明：伸长率和断面收缩率越大，表明材料的塑性越好，一般认为Z＜5％的材料为脆性材料。四、塑性指标2．断面收缩率断裂后试样横截面积的最大缩减量（So-Su）与原始横截面积So之比的百分率。用符号Z表示。

说明：伸长率和断面收缩率越大，表明材料的塑性越好，一般认为Z＜5％的材料为脆性材料。一、硬度概念是指金属材料抵抗其他更硬物体压入其表面的能力，是金属抵抗其表面局部变形和破坏的能力，是衡量金属材料软硬的指标。生产中常用的硬度测定方法有布氏硬度测试法、洛氏硬度测试法和维氏硬度测试法等。二、布氏硬度用直径为D的硬质合金球，在规定试验力F的作用下压入被测试金属的表面，停留一定时间后卸除载荷，然后测量被测试金属表面上所形成的压痕平均直径d，由此计算压痕的表面积，进而求出压痕在单位面积上所承受的平均压力值，以此作为被测试金属的布氏硬度值。二、布氏硬度测得的布氏硬度值用HBW表示。1.布氏硬度试验条件的选择二、布氏硬度在进行布氏硬度试验时，可根据被测试金属材料的种类、硬度范围和试样厚度，选用不同的压头直径D和试验力F，建立F和D的某种选配关系，以保证布氏硬度的可比性。二、布氏硬度2．布氏硬度特点与应用布氏硬度测试因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测试金属的平均硬度，测量数据稳定；可测量组织粗大或组织不均匀材料（如铸铁）的硬度值；布氏硬度与抗拉强度之间存在一定的关系，可根据其值估计出材料的强度值。布氏硬度测试主要用于原材料或半成品的硬度测量，如测量铸铁、非铁金属（有色金属）、硬度较低的钢（如退火、正火、调质处理的钢）。但是不宜测量较高硬度的材料（布氏硬度测量时，材料的硬度值必须＜650HBW）；因压痕较大，则不宜测试成品或薄片金属的硬度。三、洛氏硬度1．洛氏硬度试验原理用一个金刚石圆锥体或钢球作为压头，在初始试验力和主试验力先后作用下，压入被测试金属表面，经规定时间后卸除主试验力，由压头在金属表面所形成的压痕深度来确定其硬度值。为了能用同一硬度计测定从软到硬材料的硬度，可采用不同的压头和载荷，组成不同的洛氏硬度标尺，其中最常用的是HRA、HRB、HRC三种标尺。三、洛氏硬度2．洛氏硬度的特点操作迅速简便；由于压痕较小，可用于成品的检验；采用不同标尺，可测出从极软到极硬材料的硬度，为测试准确，多点测量，取平均值。但由于压痕较小，对组织比较粗大且不均匀的材料，测得的硬度值不够准确。三、洛氏硬度四、维氏硬度1．维氏硬度的试验原理用一个相对面夹角为136°的金刚石正四棱锥体压头，以选定试验力F作用下压入被测试金属的表面，保持一定时间后卸除试验力（如图1-9所示）。然后再测量压痕的两对角线的平均长度d，进而计算出压痕的表面积S，最后求出压痕表面积上平均压力（F/S），以此作为被测试金属的硬度，用符号HV表示。2．维氏硬度试验法的特点

优点：试验时所加试验力小，压入深度浅，故适用于测试零件表面淬硬层及化学热处理的表面层的硬度；试验时可任意选择试验力，而不影响其硬度值的大小，因此可测定较薄的、从极软到极硬的各种金属材料的硬度值，并可直接比较它们的硬度大小。

缺点：硬度值的测定较麻烦，并且压痕小，所以对试件的表面质量要求较高。四、维氏硬度一、韧性1．韧性试验韧性：金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力。为了评定金属材料的冲击韧性，需在规定条件下对其进行冲击试验，以测定其衡量指标，其中应用最普遍的是夏比摆锤冲击试验。2．冲击吸收功

冲断试样所消耗掉的能量为GH－Gh，称为冲击吸收能量K。即K＝G（H－h）冲击吸收能量K值越高，表示材料的冲击韧性越好。一般把冲击吸收能量Ｋ值高的材料称作韧性材料，Ｋ值低的材料称为脆性材料。

一、韧性二、疲劳强度1．疲劳现象承受交变载荷的金属零件，在工作应力低于其屈服强度时，经过较长时间的工作也会发生突然断裂，这种现象称为金属的疲劳。2．疲劳曲线与疲劳强度金属材料在无数次交变载荷的作用下而不发生断裂的最大应力，称为疲劳强度，用σ-1表示。图1-11疲劳曲线谢谢！

不同的金属材料具有不同的力学性能，即使是相同的金属材料，在不同的条件下其力学性能也是不同的。如用高碳钢制造的锉刀，没有淬火时硬度不高，经淬火后可以使锉刀具有很高的硬度和耐磨性。金属材料力学性能上的这种差异是由其化学成分和组织结构所决定的。为了合理应用金属材料，必须首先了解金属材料的成分、组织结构和性能之间的关系。一、晶体与非晶体1.非晶体指组成物质的原子不呈空间有规则周期性排列的固体。非晶体材料往往没有固定的熔点，随着温度的升高，固态非晶体将逐渐变软，最终成为有流动性的液体。液体冷却时逐渐稠化，最终变成固体。非晶体在各个方向的性能是相同的，即所谓各向同性。2.晶体晶体是指组成物质的原子在空间按一定规律周期重复地排列的固体。晶体通常具有固定的熔点和各向异性等特性。二、晶体结构的基本概念1.晶格原子在晶体中排列规律的空间格架称为晶格。2.晶胞晶格是由许多形状、大小相同的最小几何单元重复堆积而成的。能够完整地反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。（a）晶体内部原子排列；（b）晶格；（c）晶胞三、金属晶格的类型1.体心立方晶格晶胞中实际原子数为1/8×8+1=2（个）。属于这种晶格类型的金属有铬（Cr）、钒（V）、钨（W）、钼（Mo）及α-铁（α-Fe）等金属。金属材料性能：其强度较大而塑性相对较差一些。图2-2体心立方晶格晶胞示意图2.面心立方晶格三、金属晶格的类型图2-3面心立方晶格晶胞示意图晶胞中实际原子数为1/8×8＋1/2×6=4（个）。属于这种晶格类型的金属有铝（Al）、铜（Cu）、铅（Pb）、镍（Ni）及γ-铁(γ-Fe)等金属。金属材料性能：其强度较低而塑性很好。三、金属晶格的类型3.密排六方晶格图2-4密排六方晶格晶胞示意图

晶胞中实际原子数为1/6×12＋1/2×2＋3=6（个）。

属于这种晶格类型的金属有镁（Mg）、铍（Be）及锌（Zn）等。这类金属强度和塑性都不好，脆性较大。

金属的结晶是指金属自液态冷却转变为固态的过程，也就是原子由不规则排列的液体状态逐步过渡到原子呈规则排列的晶体状态的过程。金属结晶时形成的铸态组织，不仅影响其铸态性能，而且也影响随后经过一系列加工后所形成的材料的性能。因此，掌握结晶规律可以有效地控制金属的结晶过程，从而获得性能优良的金属材料。一、纯金属的结晶过程1.金属结晶的条件金属结晶的温度和结晶过程的规律通过热分析法进行研究。图2-5热分析法装置示意图图2-6纯金属冷却曲线一、纯金属的结晶过程1.金属结晶的条件当液体金属缓慢冷却到a点时，液体金属开始结晶，到b点结晶终了，a～b两点之间的水平线即为结晶阶段，它所对应的温度就是纯金属的结晶温度。纯金属在缓慢的冷却条件下（即平衡条件）的结晶温度与缓慢加热条件下的熔化温度是同一温度，称为理论结晶温度，用T0表示。一、纯金属的结晶过程1.金属结晶的条件金属实际结晶温度（T1）低于理论结晶温度（T0）的现象称为“过冷”现象。理论结晶温度和实际结晶温度之差（△T），称为过冷度（△T＝T0－T1）。过冷是金属能够自动进行结晶的必要条件。金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关。冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。图2-7纯金属实际结晶时的冷却曲线2.纯金属的结晶过程

实验证明，纯金属的结晶是晶体在液体中从无到有，由小变大的过程，即晶核的形成与长大的过程。图2-8纯金属结晶过程示意图一、纯金属的结晶过程二、纯铁的同素异晶转变在固态下随温度的变化由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异晶转变。同素异晶转变也是形核长大过程。图2-9纯铁的冷却曲线纯铁发生同素异晶转变时，金属的体积也发生变化，转变时会产生较大的内应力。例如γ-Fe转变为α-Fe时，铁的体积会膨胀约1%，这是钢热处理时引起应力，导致工件变形和开裂的重要原因。三、实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.实际金属的晶体结构

金属内部的晶格位向完全一致的晶体称为单晶体。多晶体材料是指一块金属材料中包含着许多小晶体，每个小晶体内的晶格位向是一致的，而各小晶体之间彼此方位不同。图2-10金属的晶体结构示意图（a）单晶体（b）多晶体2.晶体缺陷三、实际金属的晶体结构与晶体缺陷晶体中原子排列不规则的区域，称为晶体缺陷。（1）点缺陷（空位、间隙原子、置换原子）

晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空位；某个晶格间隙挤进了原子，称为间隙原子。当异类原子占据晶格的位置时，称此异类原子为置换原子。

点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度，点缺陷是动态变化着的，它是造成金属中物质扩散的原因。2.晶体缺陷三、实际金属的晶体结构与晶体缺陷（2）线缺陷（位错）线缺陷是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。晶体中最普通的线缺陷就是位错，位错的主要类型有螺型位错和刃型位错。位错很容易在晶体中移动，对金属的塑性变形、强度、扩散和相变等力学性能和物理化学性能都起着重要的作用。位错的产生会使金属的强度提高，但塑性和韧性下降。2.晶体缺陷三、实际金属的晶体结构与晶体缺陷（3）面缺陷（晶界、亚晶界）

在电子显微镜下观察晶粒可以看出，每个晶粒都是由一些小晶块组成，称这些小晶块为亚晶粒。两个亚晶粒的边界是由一系列刃型位错构成的角度特别小的晶界，称为亚晶界。（a）晶界（b）亚晶界四、晶粒大小与细化晶粒的方法1.增加过冷度增加过冷度能使晶粒细化。在铸造生产时用金属型浇注的铸件比用砂型浇注得到的铸件晶粒细小，就是因为金属型浇注散热快，过冷度大的缘故。这种方法只适用于小型铸件。图2-14形核率和长大速度与过冷度的关系四、晶粒大小与细化晶粒的方法2.变质处理在浇注前向液态金属中加入一些细小的变质剂（又称孕育剂），以增加形核率或降低晶核长大速度，获得细小的晶粒，这种方法称为变质处理（或孕育处理）。变质处理是生产中最常用的细化晶粒的方法。3.振动处理金属在结晶时，对液态金属加以机械振动、超声波振动和电磁振动等措施，使生长中的枝晶破碎，破碎的枝晶又可作为结晶核心，增加形核率，达到细化晶粒的目的。一、概念1.合金：是由一种金属元素为主导，加入其他金属或非金属元素，经过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的材料。具有优良的综合性能，应用广泛。2.组元：是组成合金的最基本的独立物质，简称元。组元可以是金属或非金属元素。有时较稳定的化合物也可以构成组元。3.相：合金中具有同一种化学成分且其晶体结构及性能相同的均匀组成部分称为相。液态物质称液相，固态物质称固相。4.合金组织：数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金组织。组织可由单相组成，也可由多相组成。合金的性能一般由组成合金各相的成分、结构、形态、性能及各相的组合形式共同决定，组织是决定材料性能的最终关键因素。二、合金的相结构1.固溶体合金由液态结晶为固态时，一种组元的原子溶入另一组元的晶格中所形成的均匀固相称为固溶体。其中，溶入的元素称为溶质，而基体元素(占主要地位)称为溶剂。固溶体的晶格类型仍然保持溶剂的晶格类型根据固溶体晶格中溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，分为置换固溶体和间隙固溶体两种。二、合金的相结构(1)间隙固溶体溶质原子溶入溶剂晶格原子间隙之中而形成的固溶体，称为间隙固溶体。间隙固溶体的溶质都是些原子半径很小的非金属元素，如碳、硼、氢等。由于溶剂晶格本身的间隙有限，所以间隙固溶体只能是有限的固溶体。二、合金的相结构(2)置换固溶体溶质原子置换溶剂晶格结点上的部分原子而形成的固溶体，称为置换固溶体。置换固溶体中溶质与溶剂元素的原子半径相差越小，则溶解度越大。无沦是间隙固溶体还是置换固溶体，由于溶质原子的溶入，都使晶体的晶格发生畸变。晶格畸变使位错运动阻力增大，从而提高了合金的强度和硬度，但塑性下降，此现象称为固溶强化。二、合金的相结构2.金属化合物金属化合物是指合金各组元的原子按一定的整数比化合而成的一种新相，其晶体结构不同于组成元素的晶体结构，而且其晶格一般都比较复杂。当合金中出现金属化合物时，能提高其强度、硬度和耐磨性，但会降低其塑性和韧性。3.机械混合物若组成合金的各组元在固态下既互不溶解，又不形成化合物，而是按一定的重量比例以混合方式存在，形成各组元晶体的机械混合物。组成机械混合物的物质可能是纯组元、固溶体或者是化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。

表示在平衡条件下给定合金系中合金的成分、温度与其相和组织状态之间关系的坐标图形，称为合金相图。合金相图是了解合金中各种组织的形成与变化规律的有效工具。一、二元合金相图的建立

建立相图最常用的实验方法是热分析法、膨胀法、射线分析法等。下面以铜镍合金系为例，简单介绍用热分析法建立相图的过程。图2-16Cu-Ni合金冷却曲线及相图建立二、匀晶相图两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶反应的合金系，称为匀晶系并构成匀晶相图。三、共晶相图两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，冷却时发生共晶反应的合金系，称为共晶系并构成共晶相图。四、包晶相图两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，冷却时发生包晶反应的合金系，称为包晶系并构成包晶相图。图2-19Pt-Ag合金相图五、共析相图图2-20共析相图六、合金的性能与相图的关系1.合金的力学性能和物理性能相图能够反映出不同成分合金室温时的组成相和平衡组织，而组成相的本质及其相对含量、分布状况又将影响合金的性能。图2-21合金的使用性能与相图关系六、合金的性能与相图的关系2.合金的铸造性能液相线与固相线间隔越大，流动性越差，越易形成分散的孔洞。共晶合金熔点低，流动性最好，易形成集中缩孔，不易形成分散缩孔。因此铸造合金宜选择共晶或近共晶成分，有利于获得优质铸件。图2-22合金的铸造性能与相图关系一、金属的塑性变形1.单晶体的塑性变形（1）滑移单晶体的塑性变形主要是以滑移的方式进行的，即晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动。图2-23单晶体拉伸示意图实际上滑移是借助于晶体中位错的移动来进行的。图2-24通过位错实现滑移示意图（2）孪生单晶体的另一种塑性变形方式是孪生。孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面(孪晶面)及晶向(孪生方向)产生剪切变形。一、金属的塑性变形1.单晶体的塑性变形图2-25孪生过程示意图2.多晶体的塑性变形一、金属的塑性变形（1）晶格位向的影响由于多晶体中各个晶粒的晶格位向不同，在外力作用下，有的晶粒处于有利于滑移的位置，有的晶粒处于不利于滑移的位置。当处于有利滑移位置的晶粒要进行滑移时，必然受到周围不同位向晶粒的阻碍，使滑移阻力增加，金属的塑性变形抗力增大。图2-26多晶体塑性变形示意图2.多晶体的塑性变形一、金属的塑性变形（2）晶界的作用在多晶体中，晶界处原子排列混乱，晶格畸变程度大，位错移动时的阻力增大，宏观上表现为塑性变形抗力增大，强度提高。由于晶界的作用，多晶体往往表现出竹节状变形。

图2-27两个晶粒试样在拉伸时的变形二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响1.冷塑性变形对金属组织的影响图2-28冷加工纤维组织（a）变形前晶体组织（b）变形后晶体组织形成纤维组织后，金属的性能会具有明显的方向性，其纵向（沿纤维方向)的力学性能高于横向(垂直于纤维方向)的性能。同时，由于各个晶粒的变形不均匀，使金属在冷塑性变形后其内部存在着残留应力。二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响2.冷塑性变形对金属性能的影响随着冷塑性变形程度的增加，金属材料的强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为冷变形强化。3.冷塑性变形使金属产生残余应力降低工件的承载能力、使工件的形状和尺寸发生改变、降低工件的耐蚀性等，但残留压应力可使金属的疲劳强度提高。热处理可以消除冷塑性变形后金属内部的残余应力。4.冷变形强化在生产中的影响可以提高金属的强度、硬度和耐磨性，是强化金属材料的一种工艺方法，特别是对那些不能用热处理强化的金属材料更为重要。三、冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化图2-29冷变形金属加热时组织和性能的变化1.回复冷加工纤维组织无明显变化，金属的力学性能也无明显变化在回复阶段，金属的一些物理、化学性能部分地恢复到了变形前的状态。三、冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化图2-29冷变形金属加热时组织和性能的变化2.再结晶再结晶也是通过晶核形成和长大的方式进行的。使冷塑性变形金属的组织与性能基本上恢复到了变形前的状态，金属的强度、硬度下降，塑性升高，冷变形强化现象完全消失。三、冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化图2-29冷变形金属加热时组织和性能的变化3.晶粒长大冷塑性变形金属经再结晶后，一般都得到细小均匀的等轴晶粒。如果继续升高温度或延长保温时间，则再结晶后形成的新晶粒会逐渐长大，导致晶粒变粗，金属的力学性能下降，这一阶段称为晶粒长大。四、金属的热塑性变形1.热加工与冷加工的区别金属的热塑性变形加工与冷塑性变形加工是以金属的再结晶温度来划分的。凡是在再结晶温度以上进行的塑性变形加工，称为热加工，而在再结晶温度以下进行的塑性变形加工则称为冷加工。一般情况下，截面尺寸较小、材料塑性较好、加工精度和表面质量要求较高的金属制品用冷加工的方法来获得；而截面尺寸较大、变形量较大、材料在室温下硬脆性较高的金属制品用热加工的方法来获得。四、金属的热塑性变形2.热加工对金属组织和性能的影响（1）消除铸态金属的某些缺陷通过热加工，可使铸态金属毛坯中的气孔和缩松焊合，消除部分偏析，细化晶粒，使金属的致密度和力学性能提高。（2）形成热加工纤维组织热加工时，铸态金属毛坯中的粗大枝晶偏析和各种夹杂物，都要沿变形方向伸长，逐渐形成纤维状。

（3）形成带状组织

钢中常出现沿变形方向呈带状或层状分布的显微组织，称为带状组织。它会使钢的力学性能下降。可以用热处理的方法消除。谢谢！

铁碳合金是以铁和碳为基本组元组成的合金，是钢和铸铁的统称。

铁碳合金在固态下的基本相分为固溶体与金属化合物两类。一、铁素体(F)

碳溶人α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，用“F”表示。它保持α-Fe的体心立方晶格。

铁素体的显微组织与纯铁相同，呈明亮白色等轴多边形晶粒。

碳在α-Fe中的溶解度很小，所以铁素体室温时的力学性能与工业纯铁接近，其强度和硬度较低，塑性、韧性良好。二、奥氏体(A)

碳溶入γ-Fe中的间隙固溶体称为奥氏体，用“A”表示。它仍保持γ-Fe的面心立方晶格。

奥氏体的存在温度在727℃～1495℃范围内)，是铁碳合金一个重要的高温相。

奥氏体的力学性能与其溶碳量及晶粒的大小有关。奥氏体具有良好的塑性和低的变形抗力，易于承受压力加工，生产中常将钢材加热到奥氏体状态进行压力加工。三、渗碳体

(Fe3

C)

铁与碳组成的金属化合物称为渗碳体，用“Fe3C”表示。

渗碳体的ωc=6.69％，熔点为1227℃，它具有复杂的晶体结构。如图2-8所示。渗碳体(Fe3C)的特性：1、渗碳体硬而脆，硬度很高(约800HBW)塑性几乎为零，是铁碳合金的重要强化相；2、渗碳体越细小，并均匀地分布在固溶体基体中，合金的力学性能越好；反之，越粗大或呈网状分布则脆性越大；3、渗碳体在铁碳合金中的形态可呈片状、粒状、网状、板条状；4、渗碳体不发生同素异晶转变，但有磁性转变，在230℃以下具有弱磁性，230℃以上失去磁性。5、渗碳体属于一种亚稳定化合物。在一定条件下会全部或部分地分解为铁和石墨(称石墨化)，即：

Fe3C→3Fe+C(石墨)。4．珠光体珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，用符号P表示。在缓慢冷却条件下，珠光体的碳含量为0.77％，组织形态为渗碳体与铁素体呈片层相间、交替排列的混合物，如图3-5所示。其力学性能取决于铁素体和渗碳体的性能，大体上是两者性能的平均值（Rm≈800MPa，A≈20%～35%，180HBW）。图3-5珠光体的显微组织5．莱氏体莱氏体分高温莱氏体和低温莱氏体。高温莱氏体是奥氏体和渗碳体的混合物。碳含量为4.3％的液态铁碳合金冷却到1148℃时，从液相中同时结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物称为高温莱氏体，用符号Ld来表示。由于奥氏体在727℃时还将转变为珠光体，所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，这种混合物叫低温莱氏体，用符号Ld′来表示。莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度（＞700HBW）很高，塑性很差。

铁碳合金相图是表示在平衡（缓慢冷却或缓慢加热）条件下，不同成分的铁碳合金的组织或状态随温度变化的图形。它是研究铁碳合金成分、组织和性能变化规律的基本工具，是合理选用钢铁材料，制定热加工工艺（热处理、锻造、铸造）的依据。一、铁碳合金相图的组成经简化后的Fe－Fe3C合金相图符号组织名称性能特点F铁素体铁素体具有良好的塑性和韧性，而强度和硬度较低。A奥氏体奥氏体的强度和硬度不高，但具有良好的塑性。Fe渗碳体渗碳体硬度很高，塑性很差，是一个硬而脆的组织。P珠光体珠光体的强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。Ld

（Ld′）莱氏体莱氏体的力学性能和渗碳体相似。1.符号的含义及各组织的性能特点在Fe-Fe3C相图中，各符号代表的组织名称及其性能特点，见下表。2.Fe-Fe3C相图中主要特性点的含义特性点温度/℃碳含量/％含

义A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点，LC→（A+Fe3C）D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度点G9120纯铁的同素异晶转变点，α-Fe→γ-FeS7270.77共析点AS→（F+Fe3C）3.Fe-Fe3C相图中主要特性线的含义特性线含

义ACD液相线。合金在此线温度以上时，全部为液相，碳含量小于4.3％的合金冷却到AC线温度时，开始结晶出奥氏体；碳含量大于4.3％的合金冷却到CD线温度时，开始结晶出渗碳体，称为一次渗碳体，用符号Fe3CⅠ表示。AECF固相线。合金冷却至此线以下时，结晶终了，处于固体状态。GS常称A3线。冷却时，奥氏体转变为铁素体的开始线。

ES常称Acm线。碳在奥氏体中的溶解度线。随温度的降低，碳在奥氏体中的溶碳量由1148℃时的2.11％逐渐减少到727℃时的0.77％。多余的碳以渗碳体的形式析出，称为二次渗碳体，用符号Fe3CⅡ表示。ECF共晶线。当金属液冷却到此线（1148℃）时，将发生共晶转变，从金属液中同时结晶出奥氏体和渗碳体的混合物，即莱氏体，其转变式为Ｌ4.3%C→（A+Fe3C）一定成分的液态合金，在某一恒温下，同时结晶出两种固相的转变，称为共晶转变。PSK共析线，常称A1线。As→（F﹢Fe3C）。当奥氏体冷却到此线（727℃）时将发生共析转变，从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的混合物，即珠光体。其转变式为A0.77%s→(F+Fe3C)。

一定成分的固溶体，在某一恒温下，同时析出两种晶体的转变，称为共析转变。二、铁碳合金的分类

合金种类钢碳含量小于2.11％的铁碳合金白口铸铁碳含量为2.11％～6.69％的铁碳合金亚共析钢共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁过共晶白口铸铁碳含量（％）＜0.770.77＞0.77＜4.34.3＞4.3室温平衡组织P+FPP+FeⅡLd′+P+FeⅡLd′Ld′+FeⅠ表3-4铁碳合金的分类和室温平衡组织三、典型铁碳合金的平衡结晶过程1．共析钢图3-8共析钢结晶过程组织转变示意图三、典型铁碳合金的平衡结晶过程2．亚共析钢图3-9亚共析钢结晶过程组织转变示意图a）碳含量为0.15%b）碳含量为0.45%c）碳含量为0.65%图3-10亚共析钢的显微组织三、典型铁碳合金的平衡结晶过程图3-11含碳量为1.2%过共析钢的显微组织3．过共析钢

图3-12过共析钢结晶过程组织转变示意图三、典型铁碳合金的平衡结晶过程4．碳含量对钢组织和性能的影响图3-13含碳量对钢组织的影响图3-14钢的力学性能与钢含碳量的关系四、Fe-Fe3C相图的应用1．作为选用钢铁材料的依据工程构件和各种型钢，需要具备良好的塑性和韧性，应选择以铁素体组织为主的低碳钢（碳含量一般在0.10%～0.25%范围内）；一般轴类、齿轮等受力大的零件，需要有良好的综合力学性能（即强度、硬度、塑性和韧性均较好），则应选用铁素体和珠光体组织搭配适中的中碳钢（碳含量0.25%～0.60%）；各种工具及某些受磨损的零件，需要有高的硬度和耐磨性，则应选用有一定数量渗碳体组织的高碳钢。四、Fe-Fe3C相图的应用2．制订铸、锻、焊和热处理等热加工工艺的依据（1）在铸造生产上的应用在生产上铸铁的成分总是选择在接近共晶的成分。铸钢的成分一般为碳含量0.15%～0.60%，铸造性能较好。（2）在锻造工艺上的应用多选择在奥氏体单相区中的适当温度范围内进行。（3）焊接方面的应用钢的碳含量越高、焊接性能越差。（4）在热处理工艺上的应用图3-15Fe-Fe3C相图与铸、锻工艺的关系碳含量小于2.11%，含有少量常存元素的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢。碳钢容易冶炼，价格低廉，易于加工，具有良好的力学性能，因而在机械制造中应用最为广泛。一、常存元素对碳钢性能的影响1．锰的影响锰在钢中是有益元素。起到固溶强化的作用，提高了钢的强度和硬度，减轻硫的有害作用。含量一般为0.25％～0.80％，对碳钢性能的影响不显著，在较高含锰量钢中，将锰的含量适当提高到0.90％～1.20％时，可起到一定的强化作用。2．硅的影响在钢中也是一种有益的元素。其含量一般在0.40%以下，硅和锰一样能溶入铁素体中，产生固溶强化，使钢的强度、硬度提高，但使塑性和韧性降低。当硅含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时，对钢的性能影响不显著。3．硫的影响在钢中是一种有害的元素。当钢材在1000℃～1200℃进行压力加工时，由于共晶体熔化，会使钢沿着奥氏体晶界开裂而变脆，这种现象称为热脆。4．磷的影响磷是有害杂质元素，磷在钢中能全部溶入铁素体，使钢的强度、硬度有所提高，但却使常温下钢的塑性、韧性急剧降低，使钢变脆，这种情况在低温时更为严重，称为冷脆。此外，磷的偏析还使钢材在热轧后形成带状组织。在钢中要严格控制磷的含量。一般钢中含磷量应小于0.045％。一、常存元素对碳钢性能的影响二、碳钢的分类三、碳素钢的牌号表示方法1.碳素结构钢碳素结构钢分为碳素结构钢和优质碳素结构钢两类。（1）普通碳素结构钢碳素结构钢的牌号由屈服强度的第一个汉语拼音字母“Q”、屈服强度数值、质量等级、脱氧方法四部分组成。质量等级用符号A、B、C、D表示，按字母顺序，钢的质量由低到高，其中A、B、C级为普通质量钢，A级质量最低。D级的碳素结构钢为优质钢。脱氧方法用符号F、Z、TZ表示，沸腾钢（钢在冶炼后期脱氧程度不完全的钢）用符号F表示；镇静钢（脱氧程度完全的钢）用符号Z表示；TZ是特殊镇静钢。Z与TZ符号在钢牌号中可予以省略。例如Q235AF。三、碳素钢的牌号表示方法（2）优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字表示该钢平均碳含量的万分数。例如：08，60，分别表示平均碳含量为0.08％、0.60％的优质碳素结构钢。优质碳素结构钢根据钢中含锰（Mn）量的不同，分为普通含锰量钢（锰含量为0.35％～0.80％）和较高含锰量钢（锰含量为0.7％～1.2％）两组。较高含锰量钢在牌号后面标出元素符号“Mn”或汉字“锰”

三、碳素钢的牌号表示方法2.碳素工具钢碳素工具钢的牌号以汉字“碳”的汉语拼音字母字头“T”再加数字表示。其中的“T”表示钢属于碳素工具钢，数字表示钢平均碳含量的千分数。若为高级优质碳素工具钢，则在牌号后面标以字母“A”。在碳素工具钢中，T12、T13钢的碳含量高，经热处理后具有高的硬度和很好的耐磨性，但韧性较差。而对锉刀性能的要求主要是耐磨性好，韧性要求不太高，因此锉刀应选用碳含量高的T12、T13钢来制造。三、碳素钢的牌号表示方法3.铸造碳钢（1）牌号铸造碳钢是用“铸钢”两个汉字的汉语拼音字母字头“ZG”加两组数字组成，第一组数字代表屈服强度值，第二组数字代表抗拉强度值。如：ZG270-500表示屈服强度不小于270MPa，抗拉强度不小于500MPa的铸造碳钢。（2）性能和用途有些大型零件或形状复杂的零件，很难用锻造或机械加工的方法制造，而且力学性能要求较高，不能用铸铁来铸造。如图3-16所示的大型齿轮、连杆臂、摇臂等，这些零件一般采用铸造碳钢来制造。铸造用碳钢一般用于制造形状复杂，力学性能要求较高或尺寸较大的机械零件。不同牌号的铸造碳钢，力学性能不同，用于制造受力不同的零件。谢谢！热处理的概念将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织与性能的工艺。热处理的目的（1）提高钢的力学性能（2）改善钢的工艺性能热处理的理论依据：铁碳相图热处理分类对于加热：非平衡条件下的相变温度高于平衡条件下的相变温度；对于冷却：非平衡条件下的相变温度低于平衡条件下的相变温度。加热与冷却速度越大，温度提高与下降的幅度就越大。实际相变温度与理论转变温度之间的关系一、相变温度二、奥氏体的形成过程共析钢亚共析钢和过共析钢与共析钢的区别是有先共析相。其奥氏体的形成过程是先完成珠光体向奥氏体的转变，然后再进行先共析相的溶解。这个P→A的转变过程同共析钢相同，也是经过前面的四个阶段。亚共析钢的加热过程：过共析钢的加热过程：

三、影响奥氏体形成速度的因素1.加热速度的影响加热速度越快，奥氏体化温度越高，原子扩散速度也加快，提高形核与长大的速度，从而加快奥氏体的形成。2.化学成分的影响钢中含碳量增加，碳化物数量相应增多，F和Fe3C的相界面增多，奥氏体晶核数增多，其转变速度加快。合金元素能改变钢的临界点，并影响碳的扩散速度，且它自身也存在扩散和重新分布的过程，所以合金钢的奥氏体形成速度一般比碳钢慢。3.原始组织的影响钢中原始珠光体越细，其片间距越小，相界面越多，越有利于形核，同时由于片间距小，碳原子的扩散距离小，扩散速度加快，导致奥氏体形成速度加快。四.奥氏体晶粒度及对力学性能的影响奥氏体晶粒度起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏体的晶粒大小。实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。本质晶粒度:度量钢本身晶粒在930℃以下,随温度升高,晶粒长大的程度。奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。奥氏体晶粒大小的控制加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。加热速度越快，过热度越大，奥氏体实际形成温度越高，可获得细小的起始晶粒。钢的化学成分碳全部溶于奥氏体时，随奥氏体中含碳量的增加，晶粒长大倾向增大。合金元素Ti、Zr、V、Nb、Al等，当其形成弥散稳定的碳化物和氮化物时，由于分布在晶界上，因而阻碍晶界的迁，阻止奥氏体晶粒长大，有利于得到细晶粒钢。Mn和P是促进奥氏体晶粒长大的元素。过冷奥氏体：高温时所形成的奥氏体冷却到A1点以下尚未发生转变的奥氏体。冷却方式：TTT曲线(C曲线)T---timeT---temperatureT---transformation一、共析钢TTT曲线的建立二、过冷奥氏体等温转变的产物的组织和性能珠光体型转变－Fe、C的扩散性相变(A1～550℃):A1～650℃:P;片间距为0.6～0.7μm(500×)。650～600℃:细片状P→索氏体(S);片间距为0.2～0.4μm(1000×);600～550℃:极细片状P→屈氏体(T);片间距为＜0.2μm(电镜);珠光体型转变示意图珠光体索氏体屈氏体二、过冷奥氏体等温转变的产物的组织和性能2.贝氏体型转变－半扩散相变(550～230℃)550～350℃形成上贝氏体，组织为过饱和片状F＋渗碳体，呈羽毛状，性脆无实用价值。350～230℃形成下贝氏体，组织为过饱和针状F＋弥散碳化物，呈针片状，综合性能好。上贝氏体下贝氏体过饱和片状F＋渗碳体过饱和针状F＋弥散碳化物马氏体转变－非扩散相变，Ms以下,A→M1)当冷却V>VK

，且过冷到MS线以下，过冷A→M，γ—Fe→α—Fe，过饱和的碳来不及以渗碳体形式自α—Fe中析出，而很快由A直接转变成碳在α—Fe中过饱和固溶体，这就称为马氏体（M）。2)转变特点:在一个温度范围内连续冷却完成;转变速度极快,即瞬间形核与长大;无扩散转变(Fe、C原子均不扩散),M与原A的成分相同。转变不完全性,QM=f(T)奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响奥氏体含碳量对残余奥氏体量的影响马氏体晶格示意图（图中Ｃ原子为可能出现的位置）c/a>1称为马氏体的正方度，含碳量高，正方度大。M的形态主要有两种：板条状M——含C低，高的强韧性。(C%<0.3%时完全片状M)针片状M——含C高，硬而脆。(C%>1%时完全板条M）

钢中含碳量越高，淬火组织中片状M就越多，板条状M就越少。针片状M板条状M亚共析钢的TTT曲线过共析钢的TTT曲线影响C曲线形状与位置的因素影响C曲线的主要因素是奥氏体的成分和奥氏体化条件。含碳量的影响共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。由共析钢成分开始，含碳量增加或减少都使C曲线左移。与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢C曲线的上部还各多一条先共析相的析出线，合金元素的影响除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移。碳化物形成元素含量较多时，还会使C曲线的形状发生变化，奥氏体化条件的影响奥氏体化温度提高和保温时间延长，使奥氏体成分均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减少，增加了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。三.过冷奥氏体的连续冷却转变CCT曲线

Continuous、

Cooling、

TransformationV1=5.5℃/sV2=20℃/sV3=33℃/sV4≥138℃/s一般零件生产的工艺路线:一、钢的退火定义:将金属缓慢加热到一定温度，保温足够时间，然后以适宜速度冷却(通常是缓慢冷却)的一种金属热处理工艺。目的:使经过铸造、锻轧、焊接或切削加工的材料或工件消除内应力；降低硬度;细化晶粒；均匀成分；为最终热处理作好组织准备。扩散退火（均匀化退火）扩散退火是将工件加热到略低于固相线的温度（Ac3或Accm以上150~300℃

），长时间（10～15小时）保温，然后随炉缓慢冷却到室温。目的：使合金中的元素发生固态扩散，使钢的化学成分和组织均匀化。退火温度所以如此之高，是为了加快合金元素扩散，尽可能缩短保温时间。为细化晶粒，后应进行完全退火或正火。主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件或锻坯。完全退火完全退火是将钢件或钢材加热到Ac3+30～50℃，经完全奥氏体化后进行随炉缓慢冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺。完全退火主要用于亚共析钢，一般是中碳钢及低、中碳合金结构钢锻件、铸件及热轧型材，有时也用于它们的焊接构件。完全退火不适用于过共析钢，因为过共析钢完全退火需加热到Accm以上，在缓慢冷却时，渗碳体呈网状分布，导致材料脆性增大。目的：细化晶粒，降低硬度和改善切削加工性能。等温退火等温退火是将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（共析钢和过共析钢）以上某一温度，保温一段时间,使钢奥氏体化,然后迅速移入温度在A1以下的另一炉内，等温保持直到奥氏体全部转变为珠光体为止，然后出炉空冷。目的：与完全退火基本相同，采用等温退火则能大大缩短生产周期，并能使整个工件获得更为均匀的组织和性能。球化退火

球化退火是将钢加热至Ac1以上20~40℃，充分保温后随炉冷却到600℃以下出炉空冷。目的：使珠光体内的片状渗碳体以及先共析渗碳体都变为球粒状渗碳体，均匀分布于铁素体基体中(这种组织称为球化珠光体)。以降低钢的硬度，改善可加工性。适用于过共析钢。

再结晶退火：应用：经过冷变形加工的金属目的：为使金属内部组织变为细小的等轴晶粒，消除形变硬化，恢复金属或合金的塑性和形变能力。去应力退火：

将工件缓慢加热到Ac1以下某一温度（钢是500～650℃），保温一段时间,然后随炉冷却。

目的：消除铸、锻、焊件和冷冲压件的残余应力。去应力退火过程中不发生组织的转变。

消除内应力500～650℃去应力退火消除加工硬化TR+30～50℃再结晶退火过共析钢①使Fe3C球化→HRC↓，韧性↑，切削性↑②为淬火作组织准备Ac1+20～30℃球化退火亚共折钢①细化晶粒，均匀化组织②降低硬度→切削性↑③消除内应力Ac3+30～50℃完全退火高合金钢均匀钢内部的化学成分略低于固相线扩散退火适用钢种退火目的加热温度退火工艺二、钢的正火正火是将钢加热到Ac3以上30～50℃（亚共析钢）或Accm以上30～50℃（过共析钢），保温后空冷的热处理工艺。正火与退火的不同点：正火冷却速度比退火冷却速度稍快，组织比退火组织更细一些，强度和硬度也稍高。另外，正火炉外冷却不占用设备，生产率较高，因此生产中尽可能采用正火来代替退火。应用:1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬度;消除过共析钢中的Fe3CⅡ。2.最终热处理:用于力学性能要求不高的普通零件。一、钢的淬火钢的淬火:将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。淬火的目的:使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。

热处理后的组织:

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(℃)

钢种淬火方法示意图淬火方法单液淬火：直冷，简单易操作。双液淬火：先快后慢，降低组织应力。分级淬火：快-恒-快，降低热应力与组织应力。等温淬火：得到B下（工模具、弹簧）。局部淬火：量具等的局部区域。冷处理：-70～-80℃，降低A残%，稳定尺寸。卡规局部淬火钢的淬透性

淬透性：是指钢在淬火时获得马氏体组织深度的能力。主要受奥氏体中的碳含量和合金元素的影响。钢材淬透性好与差，常用有效淬硬层深度来表示。淬硬层深度越大，则钢的淬透性越好。淬硬层一般规定为工件表面至半马氏体（马氏体量占50%）之间的区域，它的深度叫有效淬硬层深度。

影响因素:主要是临界淬火冷却速度VK

的大小,VK

越小,钢的淬透性越大。钢的淬透性好、C曲线右移、临界淬火冷却速度VK小、奥氏体稳定性增加等本质上都是一回事。钢的淬透性示意图淬硬性：是指钢淬火后获得的马氏体组织所能达到的最高硬度。钢的淬硬性主要决定于马氏体的含碳量，即取决于淬火前奥氏体的含碳量。注意：淬硬性与淬透性之间没有对应关系，淬透性好的钢其淬硬性不一定高。二、钢的回火定义：将淬火钢重新加热到AC1点以下某一温度，保温后冷却到室温的热处理工艺。回火的目的:改变强度、硬度高，塑性、韧性差的淬火组织。使不稳定的淬火组织M和残余A转变为稳定组织，保证工件不再发生形状和尺寸的改变。消除淬火内应力，防止进一步变形、开裂。钢淬火后都必须进行回火处理，回火决定了钢在使用状态的组织和寿命。淬火钢回火时组织和性能的变化马氏体分解（80～200℃）组织：回火M(低过饱和M＋ε碳化物)残余奥氏体的分解（200～300℃）

A残B下组织：B下+回火M碳化物的转变（300～400℃）

ε碳化物转变为Fe3C组织：回火T（针状F+细球状Fe3C）固溶体再结晶和渗碳体的聚集长大（>400℃）组织：回火S

（块状F+球状Fe3C），600℃后粗化回火的分类及应用注：生产上将淬火+高温回火称为“调质处理”。

回火马氏体组织金相图回火索氏体组织金相图回火托氏体组织金相图通过快速加热与立即淬火冷却相结合的方法来实现表硬、心韧工艺的核心:

使零件具有“表硬里韧”的力学性能。表面淬火化学热处理火焰加热表面淬火一、表面淬火

通过快速加热使钢的表层A化，然后急冷，表层形成M组织，而心部仍保持不变。即表面淬火是一种不改变钢表层化学成分，但改变表层组织的局部热处理工艺。集肤效应示意图感应加热表面淬火示意图火焰加热表面淬火设备简单,操作方便,成本低；淬火质量不稳定；适于单件、小批量及大型零件的生产。感应加热表面淬火淬火件的质量好，工件变形小；不易氧化及脱碳，淬火层容易控制；生产率高，设备投资大；不适于复杂形状零件和小批量生产。二、化学热处理化学热处理的基本过程:分解:

化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。

2CO→CO2+〔C〕吸收:

活性原子被零件表面吸收和溶解。扩散:

活性原子由零件表面向内部扩散，形成一定的扩散层。

化学热处理：将零件置于一定的化学介质中，通过加热、保温，使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层，以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。

零件渗碳剂试棒盖泥封渗碳箱固体渗碳法气体渗碳法谢谢！

合金钢——为了改善钢的组织和性能，在碳钢的基础上，有目的地加入一些元素而制成的钢。

加入的元素称为合金元素。常用的合金元素有锰、铬、镍、硅、钼、钨、钒、钛、锆、钴、铌、铜、铝、硼、稀土(RE)等。

根据我国的资源情况，富产的元素有硅、锰、钼、钨、钒、硼及稀土元素，而铬、镍，特别是钴稀缺。选用合金钢时，应在保证产品质量的前提下，优先考虑我国资源丰富的钢种。

与碳钢相比，合金钢的性能显著提高，应用日益广泛，但价格高于碳钢。

一、合金钢的分类

(一)按用途分类

1、合金结构钢——用于制造各种机械零件和工程结构的钢。主要包括低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢等。

2、合金工具钢——用于制造各种工具的钢。主要包括合金刃具钢、合金模具钢和合金量具钢等。

3、特殊性能钢——具有某种特殊物理或化学性能的钢。主要包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等等。

一、合金钢的分类

(二)按合金元素的总含量分类

1、低合金钢。合金元素总含量ωMe

<5％。

2、中合金钢。ωMe

≥5％～10％。

3、高合金钢。ωMe

>10％。

(三)按正火后的组织分类将一定截面的试样(φ25mm)，在静止空气中冷却后，按所得组织可分为珠光体钢、马氏体钢、奥氏体钢和铁素体钢等。二、合金钢的编号

(一)合金结构钢

合金结构钢的牌号由三部分组成，即“两位数字+元素符号十数字”。

前面两位数字代表钢中平均碳的质量分数的万倍；元素符号代表钢中所含的合金元素，其后面的数字表示该元素平均质量分数的百倍，当其平均质量分数ωMe

<1.5％时一般只标出元素符号而不标数字，当其ωMe

≥1.5％、≥2.5％、≥3.5％…时，则在元素符号后相应地标出2、3、4…。

（二)合金工具钢

合金工具钢牌号的表示方法与合金结构钢相似，区别仅在于碳含量的表示方法不同。当平均ωc<1％时，牌号前面用一位数字表示平均碳的质量分数的千倍，当平均ωc≥1％，牌号中不标碳含量。如9SiCr钢，表示平均ωc

=0.9％，合金元素Si、Cr的平均质量分数都小于1.5％的合金工具钢；Crl2MoV钢表示平均ωc>1％，ωcr约为12％，ωMo、ωV都小于1.5％的合金工具钢。

高速钢不论其碳含量多少，在牌号中都不予标出，但当合金的其它成分相同，仅碳含量不同时，则在碳含量高的牌号前冠以“C”字母，如W6M05Cr4V2钢和CW6M05Cr4V2钢，前者ωc

=0.8％～0.9％，后者

ωc

=0.95％～1.05％，其余成分相同。

(三)特殊性能钢

特殊性能钢的牌号表示方法与合金工具钢的基本相同，只是当其平均ωc

≤0.03％和ωc≤0.08％时，在牌号前分别冠以“00”及“0”。

如0Crl9Ni9钢表示平均ωc≤0.08％，ωcr

≈19％，ωNi

≈9％的不锈钢。

(四)滚动轴承钢

高碳高铬轴承钢属于专用钢，为了表示其用途，在牌号前加以“G”(“滚”字的汉语拼音首字母)，铬含量以其质量分数的千倍来表示，碳的含量不标出，其它合金元素的表示方法与合金结构钢同。

例如GCrl5SiMn钢，表示平均ωc

=1.5％，ωSi

和ωMn都小于1.5％的滚动轴承钢。三、合金元素在钢中的作用

1、强化铁素体

大多数合金元素都能溶于铁素体，形成合金铁素体。合金元素

溶人铁素体后，产生固溶强化作用，使其强度、硬度升高，塑性和韧性下降。

2、形成合金碳化物

合金元素按其与钢中碳的亲和力的大小，可分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。

非碳化物形成元素有：镍、钴、铜、硅、铝、氮、硼等。它们不与碳形成碳化物而固溶于铁的晶格中，或形成其它化合物。

钢中形成的合金碳化物主要有以下两类：

(1)合金渗碳体。它是合金元素溶人渗碳体(置换其中的铁原子)所形成的化合物。合金渗碳体与Fe3C的晶体结构相同，但比Fe3C略为稳定，硬度也略高，是一般低合金钢中碳化物的主要存在形式。

(2)特殊碳化物。它是中强或强碳化物形成元素与碳形成的化合物，其晶格类型与渗碳体完全不同。特殊碳化物，特别是间隙相碳化物，比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度与耐磨性，也更稳定，不易分解。

3、阻碍奥氏体晶粒长大

强碳化物形成元素钒、铌、锆、钛等容易形成特殊碳化物，铝在钢中常以AIN、Al2O3的细小质点存在，它们都弥散地分布在奥氏体晶界上，由于比较稳定，不易分解溶入奥氏体，从而对奥氏体晶粒长大起机械阻碍作用。因此，合金钢(除锰钢外)在淬火加热时不易过热，有利于获得细马氏体组织，同时也有利于提高加热温度，使奥氏体中溶入更多的合金元素，以改善钢的淬透性和性能。这是合金钢的重要特点之一。4、提高钢的淬透性

合金元素(除钴外)溶入奥氏体后，都能降低原子扩散速度，增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线位置向右移，临界冷却速度减小，从而提高钢的淬透性。

注意：若合金元素

未溶人奥氏体，将不能

增加奥氏体的稳定性，

因而也就不能提高钢的

淬透性，反而会降低钢

的淬透性。

5、提高淬火钢的耐回火性耐回火性——淬火钢在回火时，抵抗软化(强度，硬度下降)的能力。

淬火钢的回火转变都是依靠原子的扩散进行的。由于合金元素溶人马氏体，使原子扩散速度减慢，因而在回火过程中，马氏体不易分解，残余奥氏体不易转变，碳化物不易析出，析出后也不易聚集长大。这就使淬火钢的强度、硬度下降缓慢，提高了钢抵抗软化的能力，即提高了钢的耐回火性。

合金钢的耐回火性高于碳钢，在相同的回火温度下，合金钢比相同含碳量的碳钢具有更高的强度和硬度；在达到相同硬度的情况下，合金钢可以在较高的温度下回火。

高的耐回火性使钢在较高温度下仍能保持高的硬度和耐磨性。

钢在高温(>550℃)下保持高硬度(≥60HRC)的能力叫热硬性。这种性能对工具钢具有重要的意义。

一、低合金结构钢

低合金结构钢的成分特点是低碳(ωc

<0.20％)、低合金元素(一般合金元素总量ωMe<3％)，以锰为主加元素，并辅加以钒、钛、铌、硅、铜、磷等，有时还加入微量稀土元素。

性能特点：

1、具有高的屈服强度与良好的塑性和韧性。

2、良好的焊接性。

3、较好的耐蚀性。

低合金结构钢一般在热轧空冷状态下使用，其组织为铁素体和珠光体。被广泛用于桥梁、船舶、车辆、建筑、锅炉、高压容器、输油输气管道等。二、合金渗碳钢

渗碳钢是指经渗碳、淬火、低温回火后使用的钢。它主要用于制造表面承受强烈摩擦和磨损，同时承受动载荷特别是冲击载荷的机器零件。渗碳钢可分为碳素渗碳钢和合金渗碳钢。碳素渗碳钢(ωc=0.10％～0.20%)由于淬透性低，仅能在表面获得高的硬度，而心部得不到强化，故只适用于较小的渗碳件。

合金渗碳钢的平均ωc一般在0.1％～0.25％之间，以保证渗碳件心部有足够高的塑性与韧性。

合金渗碳钢的性能特点：

1、渗碳淬火后，渗碳层硬度高，具有优异的耐磨性和接触疲劳强度；

2、渗碳件心部具有高的韧性和足够高的强度；

3、具有良好的热处理工艺性能，在高的渗碳温度(900～950℃)下奥氏体晶粒不易长大，淬透性也较好。

合金渗碳钢的热处理，一般是渗碳后直接淬火和低温回火。

三、合金调质钢

调质钢通常是指经调质处理后使用的钢，—般为中碳的优质碳素结构钢与合金结构钢。它主要用于制造承受多种载荷、受力复杂的零件，如机床主轴、连杆、汽车半轴、重要的螺栓和齿轮等。合金调质钢的平均ωc在0.25％～0.50％之间。碳含量过低，不易淬硬，回火后达不到所需硬度；碳含量过高，则韧性不足。主加元素有铬、镍、锰、硅、硼等，以增加钢的淬透性，同时还强化铁素体。辅加元素有钼、钨、钒、钛等，主要是防止淬火加热产生过热现象，细化晶粒和提高回火稳定性，进一步改善钢的性能。

合金调质钢具有良好的淬透性、热处理工艺性及良好的综合力学性能。

合金调质钢的最终热处理一般为淬火后高温回火（调质)，组织为回火索氏体，具有高的综合力学性能。

若零件表层要求有很高的耐磨性，可在调质后再进行表面淬火或化学热处理等。

40Cr钢是典型的合金调质钢，其强度比40钢高20％，并有良好的塑性和淬透性，因此被广泛用于各类机械设备的主轴，汽车半轴、连杆及螺栓、齿轮等。

四、合金弹簧钢

弹簧钢是指用来制造各种弹簧和弹性元件的钢。要求弹簧材料具有高的弹性极限，尤其要具有高的屈强比，高的疲劳强度以及足够的塑性和韧性。

合金弹簧钢的平均ωc在0.45％～0.70％之间，以保证高的弹性极限与疲劳强度。

弹簧钢根据弹簧尺寸和成形方法的不同，其热处理方法也不同。

1、热成形弹簧

当弹簧丝直径或钢板厚度大于10～15mm时，一般采用热成形。其热处理是在成形后进行淬火和中温回火，获得回火托氏体组织，具有高的弹性极限与疲劳强度，硬度为40～45HRC。

2、冷成形弹簧

对于直径小于8-10mm的弹簧，一般采用冷拔钢丝冷卷而成。

若弹簧钢丝是退火状态的，则冷卷成形后还需淬火和中温回火；

若弹簧钢丝是铅浴索氏体化状态或油淬回火状态，则在冷卷成形后不需再进行淬火和回火处理，只需进行一次200-300℃的去应力退火，以消除内应力，使弹簧定形。

弹簧经热处理后，一般还要进行喷丸处理，使表面强化，并在表面产生残余压应力，以提高弹簧的疲劳强度和寿命。

弹簧钢也可进行淬火及低温回火处理，用以制造高强度的耐磨件，如弹簧夹头、机床主轴等。

五、滚动轴承钢

滚动轴承钢是用来制造滚动轴承的滚动体(滚针、滚柱、滚珠)、内外套圈的专用钢。要求滚动轴承材料具有高的硬度和耐磨性、高的疲劳强度、足够的韧性和一定的耐蚀性。

滚动轴承钢是高碳铬钢，平均ωc为0.95％～1.15％，以保证轴承钢具有高的强度、硬度和形成足够的碳化物以提高耐磨性。

合金元素铬的作用是提高淬透性，并形成细小均匀分布的合金渗碳体，以提高钢的硬度、接触疲劳强度和耐磨性。在制造大型轴承时，为了进一步提高淬透性，还向钢中加入硅、锰等合金元素。

滚动轴承钢的热处理主要为球化退火、淬火和低温回火。

对于精密轴承零件，为了保证尺寸的稳定性，可在淬火后进行一次冷处理，以减少残余奥氏体的量，然后低温回火、磨削加工，最后再进行一次人工时效，消除磨削产生的内应力，进一步稳定尺寸。

GCrl5、GCrl5SiMn钢是应用最多的轴承钢。前者用作中、小型滚动轴承，后者用于较大型滚动轴承。

合金工具钢按主要用途分为刃具钢、模具钢和量具钢三大类。

一、合金刃具钢合金刃具钢主要用来制造刀具，如车刀、铣刀、钻头、丝锥等。对刃具钢的性能要求是：高的硬度和耐磨性，高的热硬性，足够的强度、塑性和韧性。合金刃具钢分为低合金刃具钢和高速钢两类。