金属工艺学（第3版）课件全套 单元1-9 金属材料基础知识-切削加工基础知识

金属工艺学绪论材料是社会发展的物质基础。以材料为标志，人类社会经历了石器时代（公元前10万年）、陶器时代（公元前8000年）、青铜器时代（公元前5000年）、铁器时代（公元前1000年）、水泥时代（公元元年）、钢时代（公元1800年）、硅时代（公元1950年）、新材料时代（公元1990年）。

人类使用材料的足迹经历了从低级到高级、从简单到复杂、从天然到合成的过程，目前人类已进入金属（如钛金属）、高分子、陶瓷及复合材料共同发展的时代。一、人类社会的发展历程

一是向地壳的深部要金属；二是向海洋要金属；三是节约金属材料，寻找它的代用品。

非金属材料的使用，不仅满足了机械工程中的特殊需求，而且还大大简化了机械制造的工艺过程，降低了机械制造成本，提高了机械产品的使用性能。其中比较突出的非金属材料就是：塑料、陶瓷与复合材料等。二、节约金属材料三、非金属材料的使用例如，激光技术与计算机技术在机械零件加工过程中的应用，使得机械零件加工设备不断创新，零件的加工质量和效率不断提高，如计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)和生产管理信息系统（MIS）的综合应用，突破了传统的机械零件加工方法，产生了巨大的变革。

四、机械零件加工技术的发展

历史上我国是使用和加工金属材料最早的国家之一。20多年我国钢铁产量一直雄踞世界第一，成为国际钢铁市场上举足轻重的“第一力量”。五、我国在金属加工方面取得的成就

《金属工艺学》教材内容广、实践性强，比较系统地介绍了金属材料与非金属材料的分类、性能、加工工艺方法及其应用范围等知识。该课程是融汇多种专业基础知识为一体的专业基础课，是培养从事机械装备制造行业应用型、管理型、操作型及复合型人才的必修课程。

同学们在学习本课程时，一定要多联系自己在金属材料和非金属材料方面的感性知识和生活经验，要多讨论、多交流、多分析和多研究，特别是在实习中要多观察，勤于实践，做到理论联系实际，这样才能更好地学好教材中的基础知识，做到融会贯通，全面发展。六、金属工艺学课程的性质金属工艺学单元一金属材料基础知识●金属是指具有良好的导电性和导热性，有一定的强度和塑性，并具有光泽的物质。●金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材料，并具有金属特性的工程材料。●合金是指两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的金属材料。●以铁或以它为主而形成的金属材料，称为钢铁材料（或称黑色金属），如各种钢材和铸铁。●除钢铁材料以外的其它金属材料，统称为非铁金属（或称有色金属），如铜、铝、镁、锌、钛、锡、铅、铬、钼、钨、镍等。模块一

金属材料的分类●钢铁材料是铁和碳的合金。钢铁材料按其碳的质量分数w（C）(含碳量)进行分类，可分为工业纯铁（w（C）<0.0218%）；钢（w（C）=0.0218%～2.11%）和白口铸铁或生铁（w（C）>2.11%）。生铁由铁矿石经高炉冶炼而得，它是炼钢和铸件生产的主要原材料。高炉炼铁的炉料主要是铁矿石、燃料（焦炭）和熔剂（石灰石）。高炉冶炼出的铁不是纯铁，其中含有碳、硅、锰、硫、磷等杂质元素，这种铁称为生铁。生铁是高炉冶炼的主要产品。根据用户的不同需要，生铁可分为两类：铸造生铁和炼钢生铁。模块二钢铁材料生产过程概述一、炼铁钢材生产是以生铁为主要原料，首先将生铁装入高温的炼钢炉里，通过氧化作用降低生铁中碳和杂质的质量分数，并使其到达需要的钢液，然后将钢液浇铸成钢锭或连续坯，再经过热轧或冷轧后，制成各种类型的型钢。用生铁炼钢，实质上是一个氧化过程。1．炼钢方法

二、炼钢炼钢方法热

源主要原料主要特点

产

品氧气转炉氧化反应的化学热生铁、废钢冶炼速度快，生产率高，成本低。钢的品种较多，质量较好，适合于大量生产非合金钢和低合金钢电弧炉电能废钢炉料通用性大，炉内气氛可以控制，脱氧良好，能冶炼难熔合金钢。钢的质量优良，品种多样合金钢2．钢的脱氧按钢液脱氧程度的不同，钢可分为特殊镇静钢(TZ)、镇静钢(Z)，沸腾钢(F)3种。3．钢的浇注钢液经脱氧后，除少数用来浇铸成铸钢件外，其余都浇铸成钢锭或连铸坯。4．炼钢的最终产品钢锭经过轧制最终形成板材、管材、型材、线材及其它类型的材料。五、我国在金属加工方面取得的成就

机械产品的制造过程一般分为设计、制造与使用三个阶段，如图1-4所示。模块三

机械制造过程概述金属材料的性能分为使用性能和工艺性能。●使用性能是指金属材料为保证机械零件或工具正常工作应具备的性能，即在使用过程中所表现出的特性。金属材料的使用性能包括力学性能、物理性能和化学性能等；●工艺性能是指金属材料在制造机械零件和工具的过程中，适应各种冷加工和热加工的性能。工艺性能也是金属材料采用某种加工方法制成成品的难易程度，它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能等。模块四

金属材料的性能一、金属材料的力学性能

●金属材料的力学性能是指金属材料在力作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力──应变关系的性能，如强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。●物体受外力作用后导致物体内部之间相互作用的力，称为内力。●单位面积上的内力，称为应力R(N/mm2)。●应变є是指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化(%)。金属材料的力学性能主要有：强度、刚度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。模块四

金属材料的性能

（一）强度与塑性●金属材料在力的作用下，抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。●塑性是指金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。金属材料的强度和塑性指标可以通过拉伸试验测得。1．拉伸试验

●拉伸试验是指用静拉伸力对试样进行轴向拉伸，测量拉伸力和相应的伸长，并测其力学性能的试验。（1）拉伸试样。拉伸试样通常采用圆形横截面拉伸试样，分为短试样和长试样两种。长试样L0=10d0；短试样L0=5d0。模块四

金属材料的性能（2）试验方法。2．力伸长曲线●在进行拉伸试验时，拉伸力F和试样伸长量△L之间的关系曲线，称为力伸长曲线。试样从开始拉伸到断裂要经过弹性变形阶段、屈服阶段、变形强化阶段、缩颈与断裂四个阶段。模块四

金属材料的性能金属工艺学单元一金属材料基础知识3．强度指标金属材料的强度指标主要有:屈服强度、规定塑性延伸强度、抗拉强度等。（1）屈服强度和规定塑性延伸强度。屈服强度是指试样在拉伸试验过程中力不增加(保持恒定)仍然能继续伸长(变形)时的应力。屈服强度用符号ReH或ReL表示。单位为N/mm2或MPa。规定塑性延伸强度是指试样塑性延伸等于规定的引伸计标距Le百分率时对应的应力，用应力符号R并加角标“P和规定塑性伸长率”表示，如RP0.2表示规定塑性伸长率为0.2%时的应力定为没有明显产生屈服现象金属材料的屈服强度。（2）抗拉强度。抗拉强度是指试样拉断前承受的最大标称拉应力。用符号Rm表示，单位为N/mm2或MPa。（一）强度与塑性

4．塑性指标（1）断后伸长率。试样拉断后的标距伸长量与原始标距的百分比称为断后伸长率，用符号A表示。使用长试样测定的断后伸长率用符号A11.3表示；使用短试样测定的断后伸长率用符号A表示。（2）断面收缩率。断面收缩率是指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。（二）强度与塑性（二）硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标，也是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹高度法等。在压入法中根据载荷、压头和表示方法的不同，常用的硬度测试方法有布氏硬度(HBW)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC等)和维氏硬度(HV)。1．布氏硬度布氏硬度的试验原理是用一定直径的碳化钨合金球，以相应的试验力压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，测量试样表面的压痕直径d，然后根据压痕直径d计算其硬度值的方法。布氏硬度值是用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力表示的，用符号HBW表示，上限为650HBW。

（二）硬度布氏硬度的标注方法是：测定的硬度值应标注在硬度符号“HBW”的前面。除了保持时间为10∼15s的试验条件外，在其他条件下测得的硬度值，均应在硬度符号“HBW”的后面用相应的数字注明压头直径、试验力大小和试验力保持时间。例如，150HBW10/1000/30。2．洛氏硬度洛氏硬度试验原理是以锥角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.5875mm的球（淬火钢球或碳化钨合金球），压入试样表面，试验时先加初试验力，然后加主试验力，压入试样表面之后，去除主试验力，在保留初试验力时，根据试样残余压痕深度增量来衡量试样的硬度大小。测定的硬度数值写在符号“HR”的前面，符号“HR”后面写使用的标尺，如50HRC表示用“C”标尺测定的洛氏硬度值为50。（二）硬度3．维氏硬度维氏硬度的测定原理与布氏硬度基本相似，是以面夹角为136°的正四棱锥体金刚石为压头，试验时，在规定的试验力F（49.03N~980.7N）作用下，压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，则试样表面上压出一个正四棱锥形的压痕，测量压痕两对角线d的平均长度，可计算出其硬度值。维氏硬度用符号“HV”表示。维氏硬度数值写在符号“HV”的前面，试验条件写在符号“HV”的后面。例如，640HV30表示用30kgf(294.2N)的试验力，保持10～15s测定的维氏硬度值是640；640HV30/20表示用30kgf(294.2N)的试验力，保持20s测定的维氏硬度值是640。模块三

机械制造过程概述1．一次冲击试验韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。金属材料的韧性大小通常采用吸收能量K（单位是焦尔）指标来衡量。（1）夏比摆锤冲击试样。夏比摆锤冲击试样有V型缺口试样、U型缺口试样和无缺口试样3种。带V型缺口的试样，称为夏比V型缺口试样；带U型缺口的试样，称为夏比U型缺口试样。（2）夏比摆锤冲击试验方法。夏比摆锤冲击试验方法是在摆锤式冲击试验机上进行的。计算公式是：V型缺口试样：KV2或KV8=AKV1-AKV2(J)U型缺口试样：KU2或KU8=AKU1-AKU2(J)KV2或KU2表示用刀刃半径是2mm的摆锤测定的吸收能量；KV8或KU8表示用刀刃半径是8mm的摆锤测定的吸收能量。吸收能量大，表示金属材料抵抗冲击试验力而不破坏的能力愈强。（三）韧性吸收能量K对组织缺陷非常敏感，它可灵敏地反映出金属材料的质量、宏观缺口和显微组织的差异，能有效地检验金属材料在冶炼、成形加工、热处理工艺等方面的质量。（3）吸收能量与温度的关系。金属材料的吸收能量与温度之间的关系曲线一般包括高吸收能量区、过渡区和低吸收能量区三部分。当温度降至某一数值时，吸收能量急剧下降，金属材料由韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为冷脆转变。金属材料在一系列不同温度的冲击试验中，吸收能量急剧变化或断口韧性急剧转变的温度区域，称为韧脆转变温度。韧脆转变温度是衡量金属材料冷脆倾向的指标。金属材料的韧脆转变温度愈低，说明金属材料的低温抗冲击性愈好。(三)韧性

2．多次冲击试验

金属材料在多次冲击下的破坏过程是由裂纹产生、裂纹扩张和瞬时断裂三个阶段组成。其破坏是每次冲击损伤积累发展的结果，不同于一次冲击的破坏过程。多次冲击弯曲试验在一定程度上可以模拟零件的实际服役过程，为零件设计和选材提供了理论依据，也为估计零件的使用寿命提供了依据。在小能量多次冲击条件下，金属材料的多次冲击抗力大小，主要取决于金属材料强度的高低；在大能量多次冲击条件下，金属材料的多次冲击抗力大小，主要取决于金属材料塑性的高低。（三）韧性金属工艺学单元一金属材料基础知识1．疲劳现象循环应力和应变是指应力或应变的大小、方向，都随时间发生周期性变化的一类应力和应变。零件工作时在承受低于制作金属材料的屈服强度或规定残余伸长应力的循环应力作用下，经过一定时间的工作后会发生突然断裂，这种现象称为金属的疲劳。疲劳断裂首先是在零件的应力集中局部区域产生，先形成微小的裂纹核心，即微裂源。随后在循环应力作用下，微小裂纹继续扩展长大。由于微小裂纹不断扩展，使零件的有效工作面逐渐减小，因此，零件所受应力不断增加，当应力超过金属材料的断裂强度时，则突然发生疲劳断裂，形成最后断裂区。金属疲劳断裂的断口由微裂源、扩展区和瞬断区组成。（四）疲劳2．疲劳强度●金属在循环应力作用下能经受无限多次循环，而不断裂的最大应力值称为金属的疲劳强度。即循环次数值N无穷大时所对应的最大应力值，称为疲劳强度。在工程实践中，一般是求疲劳极限，即对应于指定的循环基数下的中值疲劳强度。对于钢铁材料其循环基数为107，对于非铁金属其循环基数为108。对于对称循环应力，其疲劳强度用符号σ-1表示。●金属材料在承受一定循环应力σ条件下，其断裂时相应的循环次数N可以用曲线来描述，这种曲线称为σ-N曲线。（四）疲劳二、金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能1．金属材料的物理性能金属材料的物理性能是指金属在重力、电磁场、热力（温度）等物理因素作用下，其所表现出的性能或固有的属性。它包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。（1）密度。金属的密度是指单位体积金属的质量。一般将密度小于5×103kg/m3的金属称为轻金属，密度大于5×103kg/m3的金属称为重金属。（2）熔点。金属和合金从固态向液态转变时的温度称为熔点。熔点高的金属称为难熔金属(如钨、钼、钒等)，可以用来制造耐高温零件。熔点低的金属称为易熔金属(如锡、铅等)，可以用来制造保险丝和防火安全阀等零件。二、金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能（4）导电性。金属能够传导电流的性能，称为导电性。金属导电性的好坏，常用电阻率ρ表示，单位是Ω·m。金属的电阻率越小，其导电性越好。（5）热膨胀性。金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。一般来说，金属受热时膨胀而且体积增大，冷却时收缩而且体积缩小。金属热膨胀性的大小用线胀系数αl和体胀系数αv来表示。（6）磁性。金属材料在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能称为磁性。根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，金属材料可分为铁磁性材料和非铁磁性材料。二、金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能2．金属材料的化学性能金属的化学性能是指金属在室温或高温时抵抗各种化学介质作用所表现出来的性能，它包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。金属材料在常温下抵抗氧、水及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力，称为耐腐蚀性。金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性与抗氧化性的总称。3．金属材料的工艺性能金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力称为铸造性能。铸造性能包括流动性、充型能力、吸气性、收缩性和偏析等。金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要与金属的塑性和变形抗力有关。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。焊接性能是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。焊接性能好的金属材料可以获得没有裂缝、气孔等缺陷的焊缝，并且焊接接头具有良好的力学性能。低碳钢具有良好的焊接性能，而高碳钢、不锈钢、铸铁的焊接性能则较差。切削加工性能是指金属在切削加工时的难易程度。切削加工性能好的金属对刀具的磨损小，可以选用较大的切削用量，加工表面也比较光洁。模块五

金属材料的晶体结构一、晶体与非晶体

固态物质可分为晶体与非晶体两类。晶体是指其组成微粒（原子、离子或分子）呈规则排列的物质。晶体具有固定的熔点和凝固点、规则的几何外形和各向异性特点，如金刚石、石墨及一般固态金属材料等。非晶体是指其组成微粒无规则地堆积在一起的物质，如玻璃、沥青、石蜡、松香等都是非晶体。非晶体没有固定的熔点，而且性能具有各向同性。二、金属的晶体结构(一)晶格

抽象地用于描述原子在晶体中排列形式的空间几何格子，称为晶格。(二)晶胞

反映晶格特征、具有代表性的最小几何单元称为晶胞。晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边的边长（晶格常数）a、b、c和三条棱边之间的夹角α、β、γ等六个参数来描述。二、金属的晶体结构(三)常见的金属晶格类型

常见的晶格类型是：体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格：1．体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是立方体，立方体的8个顶角和中心各有一个原子，每个晶胞实有原子数是2个。具有这种晶格的金属有：α铁(α-Fe)、钨(W)、钼(Ｍo)、铬(Ｃr)、钒(Ｖ)、铌（Nb）等约30种金属。二、金属的晶体结构2．面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子，每个晶胞实有原子数是4个。具有这种晶格的金属有：γ铁(γ-Ｆe)、金(Ａu)、银(Ag)、铝(Ａl)、铜(Ｃu)、镍(Ni)、铅（Pb）等金属。二、金属的晶体结构3．密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是六方柱体，在六方柱体的十二个顶角和上下底面中心各有一个原子，另外在上下面之间还有三个原子，每个晶胞实有原子数是6个。具有这种晶格的金属有：α钛(α-Ti)、镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、镉（Cd）等金属。二、金属的实际晶体结构原子从一个核心（或晶核）按同一方向进行排列生长而形成的晶体，称为单晶体。自然界存在的单晶体有水晶、金刚石等，采用特殊方法也可获得单晶体，如单晶硅、单晶锗等，单晶体具有显著的各向异性特点。由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。多晶体材料内部以晶界分开的、晶体学位向相同的晶体称为晶粒。将任何两个晶体学位向不同的晶粒隔开的那个内界面称为晶界。原子排列不规则的部位称为晶体缺陷。二、金属的实际晶体结构根据晶体缺陷的几何特点，可将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。(一)点缺陷点缺陷是晶体中呈点状的缺陷，即在三维空间上尺寸都很小的晶体缺陷。最常见的缺陷是晶格空位和间隙原子。原子空缺的位置称为空位；存在于晶格间隙位置的原子称为间隙原子。(二)线缺陷线缺陷是指晶体内部某一平面上沿一方向呈线状分布的缺陷。线缺陷主要指各种类型的位错。位错是指晶格中一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。(三)面缺陷面缺陷是指晶体内部呈面状分布的缺陷，通常是指晶界和亚晶界。金属工艺学单元一金属材料基础知识金属由液态转变为固态的过程称为凝固。通过凝固形成晶体的过程称为结晶。一、冷却曲线与过冷度

纯金属的结晶是在一定温度下进行的，通常采用热分析法测量其结晶温度。液态金属冷却到某一温度时，在冷却曲线上出现一水平线段，这个水平线段所对应的温度就是金属的理论结晶温度(T0)。在实际结晶过程中，液态金属冷却到理论结晶温度(T0)以下的某一温度时，才开始结晶，这种现象称为过冷。理论结晶温度T0与实际结晶温度T1之差△T，称为过冷度。实际上金属总是在过冷的情况下结晶的，同一金属结晶时的过冷度不是一个恒定值，过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度越大，过冷度就越大，金属的实际结晶温度也就越低。过冷是金属结晶的必要条件，但不是充分条件。金属要进行结晶，还要满足动力学条件，如必须有原子的移动和扩散等。模块六

纯金属的结晶过程二、金属的结晶过程晶核的形成和晶核的长大就是金属结晶的基本过程。晶核的长大方式主要是平面生长方式和树枝状生长方式。纯金属晶核的长大主要以结晶表面向前平移的方式进行，即采取平面生长方式。当过冷度较大，液态金属中存在未熔化的微粒时，金属晶核的长大主要以树枝状生长方式长大。当液态金属采用树枝状生长方式长大时，最后凝固的树枝之间不能及时填满，晶体的树枝状就很容易显漏出来，如在很多金属铸锭表面可以看到树枝状的浮雕。

三、金属结晶后的晶粒大小1．晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒越细小，金属的强度、硬度愈高，塑性、韧性愈好。2．晶粒大小的控制在生产中为了获得细小的晶粒组织，常采用以下一些方法：(1)加快液态金属的冷却速度，增大过冷度。(2)采用变质处理。(3)采用机械搅拌、机械振动、超声波振动和电磁振动等措施，使生长中的树枝晶破碎和细化，而且破碎的树枝晶又可起到新晶核作用，使晶核数量增多，从而可细化晶粒。模块七

金属材料的同素异构转变在固态下由一种晶格转变为另一种晶格的转变过程，称为同素异构转变或称同素异晶转变。纯铁的同素异晶转变转变是：同素异构转变是钢铁材料的一个重要特性，也是钢铁材料能够进行热处理的理论依据。同素异构转变是通过原子的重新排列来完成的，这一过程类似于队列变换，具有如下特点：（1）同素异构转变是由晶核形成和晶核长大两个基本过程完成的，新晶核优先在原晶界处生成。（2）同素异构转变也有过冷(或过热)现象，而且转变时具有较大的过冷度；（3）同素异构转变过程中，有相变潜热产生，在冷却曲线上也出现水平线段，但这种转变是在固态下进行的；（4）同素异构转变时常伴有金属的体积变化等。模块八

合金的晶体结构与结晶过程

一、基本概念

组成合金最基本的、独立的物质称为组元。

由两种或两种以上的组元按不同比例配制而成的一系列不同化学成分的所有合金，称为合金系。

相是指在一个合金系统中具有相同的物理性能和化学性能，并与该系统的其余部分以界面分开的部分。

组织是指用金相观察方法，在金属及其合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。二、合金的晶体结构根据合金中各组元之间的相互作用，合金中的晶体结构可分为固溶体、金属化合物及机械混合物三种类型。（一）固溶体

合金在固态下一种组元的晶格内溶解了另一种原子而形成的晶体相，称为固溶体。根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置的不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。1．置换固溶体溶质原子代替一部分溶剂原子，占据溶剂晶格的部分结点位置时，所形成的晶体相，称为置换固溶体。按溶质溶解度的不同，置换固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体。2．间隙固溶体溶质原子在溶剂晶格中不占据溶剂晶格的结点位置，而是嵌入溶剂晶格的各结点之间的间隙内时，所形成的晶体相，称为间隙固溶体。二、合金的晶体结构无论是置换固溶体，还是间隙固溶体，异类原子的插入都将使固溶体晶格发生畸变，增加位错运动的阻力，使固溶体的强度、硬度提高。这种通过溶入溶质原子形成固溶体，使合金强度、硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强化是强化金属材料的重要途径之一。二、合金的晶体结构（二）金属化合物金属化合物是指合金中各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。金属化合物具有与其构成组元晶格截然不同的特殊晶格，熔点高，硬而脆。（三）机械混合物由两相或两相以上组成的多相组织，称为机械混合物。在机械混合物中各组成相仍保持着它原有晶格的类型和性能，而整个机械混合物的性能则介于各组成相的性能之间，并与各组成相的性能以及相的数量、形状、大小和分布状况等密切相关。三、合金结晶过程合金的结晶过程与纯金属一样，也是晶核形成和晶核长大两个过程。同时结晶时也需要一定的过冷度，结晶后形成由多晶体。合金的结晶过程中具有如下特点：（1）纯金属的结晶是在恒温下进行，只有一个结晶温度。而绝大多数合金是在一个温度范围内进行结晶的，一般结晶的开始温度与终止温度是不相同，一般有两个结晶温度。（2）合金在结晶过程中，在局部范围内相的化学成分（即浓度）有差异，当结晶终止后，整个晶体的平均化学成分与原合金的化学成分相同。（3）合金结晶后一般有三种情况：第一种情况是形成单相固溶体；第二种情况是形成单相金属化合物或同时结晶出两相机械混合物(如共晶体)；第三种情况是结晶开始时形成单相固溶体，剩余液体又同时结晶出两相机械混合物(如共晶体)。四、合金结晶冷却曲线合金结晶过程比纯金属复杂得多，但其结晶过程仍可用结晶冷却曲线来描述。一般合金的结晶冷却曲线有以下三种形式：从一定化学成分的液体合金中同时结晶出两种固相物质，则该转变过程称为共晶转变(或称共晶反应)，其结晶产物称为共晶体。共晶转变是在恒温下进行的。在固态下由一种单相固溶体同时析出两相固体物质，称为共析转变(或称共析反应)。共析转变与共晶转变一样，也是在恒温条件下进行的。

模块九

金属材料的铸锭组织特征一、金属材料的铸锭组织结构金属铸锭呈现三个不同的结晶区：表面细晶粒区、柱状晶粒区和等轴晶粒区。表面细晶粒区的组织特点是：晶粒细长，区域厚度较小，组织致密，成分均匀，力学性能较好。在柱状晶粒区，两排柱状晶粒相遇的接合面上存在着脆弱区，此区域常有低熔点杂质及非金属夹杂物积聚，使金属材料的强度和塑性降低。这种组织在锻造和轧制时，容易使金属材料沿接合面开裂。等轴晶粒区的组织特点是：晶粒粗大，组织疏松，力学性能较差。在金属铸锭中，除存在组织不均匀外，还常有缩孔、气泡、偏析、夹杂等缺陷。根据浇注方法的不同，金属铸锭分为钢锭模铸锭（简称铸锭）和连续铸锭。二、定向结晶和单晶定向结晶是通过控制冷却方式，使铸件沿轴向形成一定的温度梯度，从而使铸件从一端开始凝固，并按一定方向逐步向另一端结晶的工艺方法。用该工艺方法生产出了整个铸件都是由同一方向的柱状晶所构成的涡轮叶片。这种叶片具有良好的使用性能，其工作温度则可达930℃。单晶是其原子都按照一个规律和一致的位向排列的一个晶体。单晶制备的基本原理是使液体结晶时只形成一个晶核，再由这个晶核提拉成一整块晶体。金属工艺学单元一金属材料基础知识模块十铁碳合金相图铁碳合金是由铁和碳两种元素为主组成的合金。一、铁碳合金的基本组织铁碳合金在固态下的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。1．铁素体(F)铁素体是指α-Fe或其内固溶有一种或数种其他元素所形成的晶体点阵为体心立方的固溶体，用符号F(或α)表示。铁素体仍保持α-Fe的体心立方晶格。铁素体的溶碳量很小，在727℃时溶碳量最大（W（C）=0.0218%）。铁素体的性能几乎与纯铁相同，强度和硬度较低(σb=180～280MPa，50～80HBW)，而塑性和韧性好(δ=30%～50%，KU≈128～160J)。铁素体在770℃（居里点）有磁性转变，在770℃以下具有铁磁性，在770℃以上则失去铁磁性。

2．奥氏体(A)

奥氏体是指γ-Fe内固溶有碳和(或)其它元素所形成的晶体点阵为面心立方的固溶体，常用符号A(或γ)表示。奥氏体仍保持γ-Fe的面心立方晶格。奥氏体溶碳能力较大，在1148℃时溶碳量最大（W（C）=2.11%），随着温度下降溶碳量逐渐减少，在727℃时的溶碳量为W（C）=0.77%。奥氏体是非铁磁性相，具有一定的强度和硬度(σb≈400MPa，160～220HBW)，塑性好(δ≈40%～50%)。稳定的奥氏体属于铁碳合金的高温组织，当铁碳合金缓冷到727℃时，奥氏体将发生转变，转变为其它类型的组织。

3．渗碳体(Fe3C)渗碳体是指晶体点阵为正交点阵、化学成分近似于Fe3C的一种间隙式化合物，以符号Cm表示。渗碳体的晶格形式，与碳和铁都不一样，是复杂的晶格类型。渗碳体碳的质量分数是W（C）=6.69%，熔点为1227℃。渗碳体硬度高(约为800HV)，脆性大，塑性与韧性极低。渗碳体不发生同素异构转变，有磁性转变，在230℃以下具有弱铁磁性，而在230℃以上则失去磁性。渗碳体是亚稳定的金属化合物，在一定条件下，渗碳体可分解成铁和石墨。

4．珠光体(P)珠光体是奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的组织。常见的珠光体是铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相组织。珠光体也是铁素体(软)和渗碳体(硬)组成的机械混合物，常用符号“P”表示。珠光体中碳的质量分数平均为W（C）=0.77%。珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，有一定的强度（σb≈770MPa，160～220HBW）、塑性(δ≈20%～35%)和韧性(KU≈24～32J)，硬度适中（180HBW），是一种综合力学性能较好的组织。5．莱氏体(Ld)莱氏体是指高碳的铁基合金在凝固过程中发生共晶转变时所形成的奥氏体和碳化物渗碳体所组成的共晶体，用符号Ld表示。莱氏体碳的质量分数为W（C）=4.3%，WC＞2.11%的铁碳合金从液态缓冷至1148℃时，将同时从液体中结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物（即莱氏体）。727℃以上存在的莱氏体称为高温莱氏体(Ld)，在727℃以下存在的莱氏体称为低温莱氏体（L′d），或称变态莱氏体。莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高(相当于700HBW)，塑性很差。二、铁碳合金相图1．铁碳合金相图合金相图是表示在极缓慢冷却(或加热)条件下，不同化学成分的合金，在不同温度下所具有的组织状态的一种图形。2．铁碳合金相图中的特性点特性点温度（℃）WC（%）特性点的含义A15380纯铁的熔点或结晶温度C11484.3共晶点，发生共晶转变L4.3⇌A2.11+Fe3CD12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在奥氏体中的最大溶碳量，也是钢与生铁的化学成分分界点F11486.69共晶渗碳体的成分点G9120α-Fe⇌γ-Fe同素异构转变点S7270.77共析点，发生共析转变A0。77⇌F0.0218+Fe3CP7270.0218碳在铁素体中的最大溶碳量K7276.69共析渗碳体的成分点Q室温0.0008碳在铁素体中的最大溶碳量3．铁碳合金相图中的主要特性线（1）液相线ACD。（2）固相线AECF。（3）共晶线ECF。ECF线是一条水平(恒温)线，称为共晶线。在ECF线上，液态铁碳合金将发生共晶转变，其反应式是：L4.3

1148℃A2.11

＋Fe3C6.69

（4）共析线PSK。PSK线也是一条水平(恒温)线，称为共析线，通称A1线。在PSK线上固态奥氏体将发生共析转变，其反应式是：A0.77

727℃F0.0218

＋Fe3C6.69

（5）GS线。GS线表示冷却时由奥氏体组织中析出铁素体组织的开始线，通称A3线。（6）ES线。ES线是碳在奥氏体中的溶解度变化曲线，通称Acm线。（7）GP线。GP线为冷却时奥氏体组织转变为铁素体的终了线或者加热时铁素体转变为奥氏体的开始线。（8）PQ线。PQ线是碳在铁素体中的溶解度变化曲线。它表示铁素体随着温度的降低，铁素体中的碳的质量分数沿着PQ线逐渐减少。三、铁碳合金的分类。四、碳对铁碳合金组织和性能的影响

随着钢中碳的质量分数的增加，平衡组织中的铁素体量不断减少，渗碳体量不断增多，钢的力学性能将发生明显的变化。当碳的质量分数W（C）<0.9%时，随着碳的质量分数的增加，钢的强度和硬度提高，而塑性和韧性降低；当碳的质量分数W（C）>0.9%时，由于Fe3CII的数量随着碳的质量分数的增加，而急剧增多，并明显地呈网状分布于奥氏体晶界上，这样降低了钢的塑性和韧性，也降低了钢的强度五、铁碳合金相图的应用铁碳合金相图在工程上为零件选材以及制定零件铸、锻、焊、热处理等热加工工艺提供了理论依据。例如，将钢加热到单相奥氏体区，则钢的内部组织为奥氏体，钢的塑性好，便于进行压力加工。金属工艺学单元二钢的热处理热处理概述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。热处理工艺过程由加热、保温、冷却三个阶段组成。常用的热处理加热设备有箱式电阻炉、盐浴炉、井式炉、火焰加热炉等。常用的冷却设备有水槽、油槽、盐浴、缓冷坑、吹风机等。

表2-1热处理工艺分类及名称

。

模块一

钢在加热时的组织转变

金属材料在加热或冷却过程中，发生相变的温度称为临界点（或相变点）。钢铁材料的理论临界点是A1、A3、Acm。钢铁材料实际加热时的临界点标注是Ac1、Ac3、Accm。钢铁材料实际冷却时的临界点标注是Ar1、Ar3、Arcm。

一、奥氏体的形成奥氏体的形成是通过形核和核长大过程来实现的。珠光体向奥氏体的转变可以分为四个阶段：奥氏体形核、奥氏体核长大、残余渗碳体继续溶解和奥氏体化学成分均匀化。二、奥氏体晶粒长大及其控制措施

生产中常采用以下措施来控制奥氏体晶粒的长大。

1．合理选择加热温度和保温时间

2．选用含有合金元素的钢●碳与一种或数种金属元素所构成的金属化合物（或称为碳化物）。大多数合金元素，如Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、Zr等，在钢中均可以形成难溶于奥氏体的碳化物，如Cr7C3、W2C、VC、Mo2C、VC、TiC、NbC、ZrC等，这些碳化物弥散分布在晶粒边界上，可以阻碍或减慢奥氏体晶粒的长大。

一、冷却方式钢铁材料在冷却时，可以采取两种转变方式：等温转变和连续冷却转变。在共析温度A1以下存在的奥氏体称为过冷奥氏体，也称亚稳奥氏体。二、过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体的等温转变是指工件奥氏体化后，冷却到临界点（Ar1或Ar3）以下的某一温度区间内等温保持时，过冷奥氏体发生的相变。1．过冷奥氏体等温转变曲线共析钢的冷奥氏体转变开始曲线和过冷奥氏体转变终止曲线象英文字母“C”，故又称为C曲线。2．过冷奥氏体等温转变产物和性能根据转变产物的组织特征，可划分为高温转变区（珠光体型转变区）、中温转变区（贝氏体型转变区）和低温转变区（马氏型转变区）。表2-3共析钢过冷奥氏体等温转变温度与转变产物的组织和性能。三、过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变是指工件奥氏体化后以不同冷速连续冷却时过冷奥氏体发生的转变。1．过冷奥氏体连续冷却转变曲线共析钢在连续冷却转变过程中，只发生珠光体转变和马氏体转变，没有贝氏体转变。珠光体转变区由三条线构成：Ps线是过冷奥氏体向珠光体转变开始线；Pf线是过冷奥氏体向珠光体转变终了线；K线是过冷奥氏体向珠光体转变终止线，它表示冷却曲线碰到K线时，过冷奥氏体向珠光体转变即停止，剩余的过冷奥氏体一直冷却到Ms线以下时会发生马氏体转变。如果冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解而全部过冷到马氏体区的最小冷却速度是ｖK，则称ｖK是获得马氏体组织的临界冷却速度。钢在淬火时的冷却速度必须大于ｖK。2．过冷奥氏体连续冷却转变产物采用连续冷却转变时，由于连续冷却转变是在一个温度范围内进行，其转变产物往往不是单一的，根据冷却速度的变化，转变产物有可能是P＋S、S＋T或T＋M等。金属工艺学单元二钢的热处理模块三退火与正火一、退火退火是将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火的目的是消除钢铁材料的内应力；降低钢铁材料的硬度，提高其塑性；细化钢铁材料的组织，均匀其化学成分，并为最终热处理做好组织准备。根据钢铁材料化学成分和退火目的不同，退火通常分为：完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火、均匀化退火等。一、退火

1.完全退火完全退火是将工件完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火。完全退火主要用于亚共析钢（0.0218%≤WC＜0.77%）制作的铸件、锻件、焊件等，其加热温度是AC3以上30～50℃。2.球化退火球化退火是使工件中碳化物球状化而进行的退火。球化退火的加热温度在AC1上下20～30℃温度区间交替加热及冷却或在稍低于AC1温度保温，然后缓慢冷却。球化退火的主要目的是使碳化物（或渗碳体）球化，降低钢材硬度，改善钢材切削加工性，并为淬火作组织准备。球化退火主要用于过共析钢和共析钢制造的刃具、量具、模具、轴承钢件等。3．等温退火等温退火是指工件加热到高于Ac3（或Ac1）的温度，保持适当时间后，较快地冷却到珠光体转变温度并等温保持，使奥氏体转变为珠光体类组织后在空气中冷却的退火。亚共析钢的加热温度是：Ac3+（30～50）℃；共析钢和过共析钢的加热温度是：Ac1+（20～40）℃。等温退火的目的与完全退火相同，其应用也与完全退火和球化退火相同。一、退火

4.去应力退火去应力退火是为去除工件塑性形变加工、切削加工或焊接造成的内应力及铸件内存在的残余应力而进行的退火。去应力退火的加热温度是AC1以下温度区间，其主要目的是消除工件在切削加工、铸造、锻造、热处理、焊接等过程中产生的残余应力，减小工件变形，稳定工件形状尺寸。去应力退火主要用于去除铸件、锻件、焊件及精密加工件中的残余应力。5．均匀化退火均匀化退火是以减少工件化学成分和组织的不均匀程度为主要目的，将工件加热到高温并长时间保温，然后缓慢冷却的退火。加热温度是：Ac3+（150～200）℃，一般在（1050～1150）℃进行加热。均匀化退火的目的是减少钢的化学成分偏析和组织不均匀性，其主要应用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件和锻坯等。

二、正火正火是指工件加热奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺。正火的目的是细化晶粒，提高钢铁材料硬度，消除钢铁材料中的网状碳化物（或渗碳体），并为淬火、切削加工等后续工序作组织准备。正火主要应用于以下场合：（1）用于改善钢铁材料的切削加工性能。（2）用于消除钢中的网状碳化物，为球化退火作组织准备。（3）用于普通结构零件或某些大型非合金钢工件的最终热处理，代替调质处理。（4）用于淬火返修件，消除淬火应力，细化组织，防止工件重新淬火时产生变形与开裂。第四节淬火淬火是指工件加热奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或(和)贝氏体组织的热处理工艺。马氏体是碳或合金元素在α-Fe中的过饱和固溶体，是单相亚稳组织，用符号M表示。一、淬火的目的淬火的主要目的是使钢铁材料获得马氏体(或贝氏体)组织，提高钢铁材料的硬度和强度，并与回火工艺合理配合，获得需要的使用性能。二、淬火加热温度与淬火介质1．淬火加热温度亚共析钢的淬火加热温度是Ac3以上30℃～50℃。共析钢和过共析钢的淬火加热温度是Ac1以上30℃～50℃。2．淬火介质常用的淬火冷却介质有：油、水、盐水、硝盐浴、碱浴和空气等。

三、淬火方法常用的淬火方法有：单液淬火、双液淬火、马氏体分级淬火和贝氏体等温淬火1．单液淬火单液淬火是将已奥氏体化的钢件在一种淬火介质中冷却的方法。单液淬火方法主要应用于形状简单的钢件。。三、淬火方法2．双液淬火双液淬火是将工件加热奥氏体化后先浸入冷却能力强的介质中，在组织即将发生马氏体转变时立即转入冷却能力弱的介质中冷却的方法。双液淬火主要适用于中等复杂形状的高碳钢工件和较大尺寸的合金钢工件。3．马氏体分级淬火马氏体分级淬火是指工件加热奥氏体化后浸入温度稍高于或稍低于Ms点的盐浴或碱浴中，保持适当时间，在工件整体达到冷却介质温度后取出空冷以获得马氏体组织的淬火方法。马氏体分级淬火适用于尺寸较小、形状复杂的由高碳钢或合金钢制作的工模具。4．贝氏体等温淬火贝氏体等温淬火是指工件加热奥氏体化后快冷到贝氏体转变温度区间等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火方法。贝氏体等温淬火用于处理由各种中碳钢、高碳钢和合金钢制造的尺寸较小的形状复杂的模具与刃具等工件。三、淬火方法2．双液淬火双液淬火是将工件加热奥氏体化后先浸入冷却能力强的介质中，在组织即将发生马氏体转变时立即转入冷却能力弱的介质中冷却的方法。双液淬火主要适用于中等复杂形状的高碳钢工件和较大尺寸的合金钢工件。3．马氏体分级淬火马氏体分级淬火是指工件加热奥氏体化后浸入温度稍高于或稍低于Ms点的盐浴或碱浴中，保持适当时间，在工件整体达到冷却介质温度后取出空冷以获得马氏体组织的淬火方法。马氏体分级淬火适用于尺寸较小、形状复杂的由高碳钢或合金钢制作的工模具。4．贝氏体等温淬火贝氏体等温淬火是指工件加热奥氏体化后快冷到贝氏体转变温度区间等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火方法。贝氏体等温淬火用于处理由各种中碳钢、高碳钢和合金钢制造的尺寸较小的形状复杂的模具与刃具等工件。四、冷处理冷处理是指钢件淬火冷却到室温后，继续在一般致冷设备或低温介质中冷却，使残余奥氏体转变为马氏体的工艺。采用冷处理可以消除和减少钢中的残余奥氏体数量，使钢件获得更多的马氏体，提高钢件硬度与耐磨新，稳定钢件尺寸，如量具、精密轴承、精密丝杠、精密刀具、枪杆等要求形状精确和尺寸稳定的工件，均应在淬火之后进行冷处理，以消除或减少残余奥氏体数量，稳定钢件的尺寸。五、淬透性与淬硬性

淬透性是指以规定条件下钢试样淬硬深度和硬度分布表征的材料特性。以钢在理想条件下淬火所能达到的最高硬度来表征的材料特性称为淬硬性。六、淬火缺陷

1．过热与过烧工件加热温度偏高，而使晶粒过度长大，以致力学性能显著降低的现象称为过热。工件加热温度过高，致使晶界氧化和部分熔化的现象称为过烧。2．氧化与脱碳工件加热时，介质中的氧、二氧化碳、水蒸汽等与之反应生成氧化物的过程称为氧化。工件加热时介质与工件中的碳发生反应，使表层碳的质量分数降低的现象称为脱碳。3．硬度不足和软点钢件淬火后较大区域内硬度达不到技术要求的现象，称为硬度不足。钢件淬火硬化后，其表面许多小区域存在硬度偏低的现象称为软点。4．变形和开裂变形是淬火时钢件产生形状或尺寸偏差的现象。开裂是淬火时钢件表层或内部产生裂纹的现象。热应力是指钢件加热和(或)冷却时，由于不同部位出现温差而导致热胀和(或)冷缩不均所产生的内应力。相变应力是热处理过程中，因钢件不同部位组织转变不同步而产生的内应力。金属工艺学单元二钢的热处理模块五回火一、回火概述回火是指工件淬硬后，加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。一般来说，随着回火温度的升高，淬火组织将发生一系列变化，回火时的组织转变过程一般分为四个阶段：第一阶段（≤200℃）——马氏体分解，淬火组织经过回火，转变为回火马氏体组织；第二阶段（200～300℃）——残余奥氏体分解，淬火组织经过回火，转变为回火马氏体组织；第三阶段（250～400℃）——碳化物析出，淬火组织经过回火，形成回火托氏体组织；第四阶段（＞400℃）——碳化物聚集长大与铁素体的再结晶，淬火组织经过回火，最终形成回火索氏体组织。二、回火方法及其应用

根据钢材在回火时的加热温度不同，可将回火分为低温回火、中温回火和高温回火三种。1.低温回火低温回火的温度范围是250℃以下。淬火钢经低温回火后，获得的组织为回火马氏体（M¹）。淬火钢经低温回火后，钢的硬度一般为58～62HRC。低温回火主要用于由高碳钢、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.中温回火中温回火的温度范围是250℃～450℃。淬火钢经中温回火后，获得的组织为回火托氏体（T¹）。淬火钢经中温回火降低了淬火应力，钢的硬度一般为35～50HRC。中温回火主要用于处理钢制弹性元件，如各种卷簧、板簧、弹簧钢丝等。3.高温回火高温回火的温度范围是500℃以上。淬火钢经高温回火后，获得的组织为回火索氏体（S¹）。淬火钢经高温回火后，钢的硬度一般为200～330HBW。高温回火主要用于处理轴类、连杆、螺栓、齿轮等工件。模块六

金属的时效

●固溶处理是指工件加热至适当温度并保温，使过剩相充分溶解，然后快速冷却以获得过饱和固溶体的热处理工艺。●金属材料经过冷加工、热加工或固溶处理后，在室温下放置或适当升温加热时，发生力学性能和物理性能随着时间而变化的现象，称为时效。常用的时效方法主要有：自然时效、热时效、变形时效、振动时效和沉淀硬化时效等。

模块六

金属的时效一、自然时效●自然时效是指金属材料经过冷加工、热加工或固溶处理后，在室温下发生性能随着时间而变化的现象。例如，钢铁铸件、锻件、焊接件等在室温下长时间（半年或几年）在户外或室内堆放，就是自然时效。二、热时效●热时效是指随着温度的不同，α-Fe中碳的溶解度发生变化，使钢的性能发生改变的过程称为热时效。例如，低碳钢在室温放置过程中，由于碳的溶解度较低，碳以Fe3CIII的形式，具有从过饱和的固溶体中析出使钢的硬度和强度上升，而塑性和韧性下降。三、变形时效●变形时效是指钢在冷变形后进行的时效。变形时效也降低钢（尤其是汽车用板材）的锻压加工性能。四、振动时效●振动时效是指通过机械振动（如超声波）的方式来消除、降低或均匀工件内残余应力的工艺，又称为振动消除应力法。振动时效工艺适用于重要的铸件、锻件和焊接件等，在国内外已获得广泛应用。五、沉淀硬化时效●沉淀硬化时效是在过饱和固溶体中形成或析出弥散分布的强化相而使金属材料硬化的热处理工艺。它是不锈钢、高温耐热合金、高强度铝合金等的重要强化方法。模块七

表面热处理与化学热处理一、表面热处理

表面热处理是为改变工件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺。1．表面淬火和回火表面淬火是指仅对工件表层进行淬火的工艺。表面淬火不改变工件表面化学成分，而是采用快速加热方式，使工件表层迅速奥氏体化，使心部仍处于临界点Ac1以下，并随之淬火，从而使工件表面硬化。按加热方法的不同，表面淬火方法主要有：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、接触电阻加热表面淬火及电解液加热表面淬火等。

（1）感应加热表面淬火。利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面、局部或整体加热并进行快速冷却的淬火工艺称为感应加热表面淬火。①感应加热基本原理。②感应加热表面淬火的特点。感应加热表面淬火具有工件加热速度快、时间短，变形小，基本无氧化和无脱碳特点；工件表面经感应加热淬火后，在淬硬的表面层中存在较大的残余压应力，可以有效地提高工件的疲劳强度；生产率高，易实现机械化、自动化，适于大批量生产。③感应加热表面淬火的应用。感应加热表面淬火主要用于中碳钢和中碳合金钢制造的工件，如40钢、45钢、40Cr钢、40MnB钢等。根据交流电流频率不同，感应加热表面淬火分为高频感应加热表面淬火、中频感应加热表面淬火和工频感应加热表面淬火三类。（2）火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是利用乙炔一氧或其它可燃气燃烧的火焰对工件表层进行加热，随之快速冷却的淬火工艺。火焰加热表面淬火操作简便，不需要特殊设备，生产成本低，主要用于单件或小批量生产的各种齿轮、轴、轧辊等。2．气相沉积气相沉积是利用气相中发生的物理、化学过程、改变工件表面成分，在工件表面形成具有特殊性能的金属或化合物涂层的表面处理技术。气相沉积按照过程的本质可分为化学气相沉积和物理气相沉积两大类。

（1）化学气相沉积。化学气相沉积是利用气态物质在一定的温度下，在固体表面上进行化学反应，并在其表面上生成固态沉积膜的过程。化学气相沉积在硬质合金刀具涂层、钢制模具涂层以及耐磨件涂层等方面得到应用，而且其使用寿命较未涂层前提高3～10倍。（2）物理气相沉积。物理气相沉积是通过真空蒸发、电离或溅射等过程，产生金属离子并沉积在工件表面，形成金属涂层或与反应气体反应生成化合物涂层的过程。物理气相沉积适用于钢铁材料、非铁金属、陶瓷、玻璃、塑料等。物理气相沉积方法有真空蒸镀、真空溅射和离子镀三类。

二、化学热处理化学热处理是将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入到它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理与表面淬火相比，其特点是表层不仅有组织的变化，而且还有化学成分的变化。

化学热处理方法很多，通常以渗入元素来命名工艺名称，如渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗硅、渗金属等。化学热处理由分解、吸收和扩散三个基本过程组成。1．渗碳为提高工件表层碳的质量分数并在其中形成一定的碳含量梯度，将工件在渗碳介质中加热、保温，使碳原子渗入的化学热处理工艺称为渗碳。渗碳所用钢种一般是碳的质量分数为0.10%～0.25%的低碳钢和低合金钢，如15钢、20钢、20Cr钢、20CrMnTi钢等。根据渗碳介质的物理状态不同，渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。

二、化学热处理2．渗氮在一定温度下于一定渗氮介质中，使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺称为渗氮。渗氮的目的是为了提高工件表层的硬度、耐磨性、热硬性、耐腐蚀性和疲劳强度。渗氮处理广泛用于各种高速传动的精密齿轮、高精度机床主轴、受循环应力作用下要求高疲劳强度的零件(如高速柴油机曲轴)以及要求变形小和具有一定耐热、抗腐蚀能力的耐磨零件(如阀门)等。3．碳氮共渗在奥氏体状态下同时将碳、氮原子渗入工件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺称为碳氮共渗。根据共渗温度不同，可分为低温(520℃～580℃)、中温(760℃～880℃)和高温(900℃～950℃)碳氮共渗。碳氮共渗的目的主要是提高工件表层的硬度和耐磨性，广泛应用于自行车、缝纫机、仪表零件，齿轮、轴类、模具、量具等表面处理。模块八

热处理新技术简介一、形变热处理●形变热处理是将塑性变形与热处理工艺结合，以提高工件力学性能的复合工艺。工件经形变热处理后，可以获得形变强化和相变强化综合效果。二、真空热处理●在低于一个大气压（10-1~10-3Pa）的环境中加热的热处理工艺，称为真空热处理。真空热处理包括真空退火、真空淬火、真空回火、真空渗碳等。三、可控气氛热处理●为了达到无氧化、无脱碳或按要求增碳，工件在炉气成分可控的加热炉中进行的热处理称为可控气氛热处理。可控气氛热处理的主要目的是减少和防止工件加热时的氧化和脱碳，提高工件尺寸精度和表面质量，节约钢材，控制渗碳时渗层碳的质量分数，而且还可使脱碳工件重新复碳。模块八

热处理新技术简介四、激光热处理●利用激光作为热源的热处理称为激光热处理。●激光淬火是以激光作为能源，以极快的速度加热工件的自冷淬火。激光淬火广泛应用于汽车制造工业，如内燃机缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的表面淬火等。五、电子束淬火●电子束淬火是以电子束作为热源，以极快的速度加热工件的自冷淬火。电子束的能量远高于激光，而且其能量利用率也高于激光热处理，可达80%。模块九

热处理工艺应用一、热处理的技术条件设计人员在设计零件时，首先应根据零件的工作条件和环境，选择材料，提出零件的性能要求，然后根据这些要求选择热处理工序及其相关技术条件，来满足零件的使用性能要求。因此，在零件图上应标出热处理工艺的名称及有关应达到的力学性能指标。模块九

热处理工艺应用二、热处理的工序位置热处理按其工序位置和目的的不同，可分为预备热处理和最终热处理。●预备热处理是指为调整原始组织，以保证工件最终热处理或（和）切削加工质量，预先进行的热处理工艺，如退火、正火、调质等；●最终热处理是指使钢件达到使用性能要求的热处理，如淬火与回火、表面淬火、渗氮等。

三、热处理零件的结构工艺性在进行零件结构工艺性设计时应注意以下几个方面：（1）避免截面厚薄悬殊，合理设计孔洞和键槽结构；（2）避免尖角与棱角结构；（3）合理采用封闭、对称结构；（4）合理采用组合结构。金属工艺学单元三钢铁材料钢材按化学成分可分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类。●非合金钢是指以铁为主要元素，碳的质量分数一般在2.11%以下并含有少量其他元素的钢铁材料。●为了改善钢的某些性能或使之具有某些特殊性能（如耐腐蚀、抗氧化、耐磨、热硬性、高淬透性等），在炼钢时有意加入的元素，称为合金元素。●含有一种或数种有意添加的合金元素的钢，称为合金钢。●铸铁是碳的质量分数w（C）>2.11%，在凝固过程中经历共晶转变，含有较高硅元素及杂质元素含量较多的铁基合金的总称。模块一

杂质元素对钢材性能的影响

一、硅对钢性能的影响硅是作为脱氧剂带进钢中的。硅有利于改善钢的质量，提高钢的强度、硬度和弹性，但降低钢的塑性和韧性，是钢中的有益元素。二、锰对钢性能的影响锰是炼钢时用锰铁脱氧后残留在钢中的杂质元素。锰能改善钢的质量，降低钢的脆性，改善钢的热加工性能，提高钢的强度和硬度，也是钢中的有益元素。三、硫对钢性能的影响硫是在炼钢时由矿石和燃料带进钢中的，在炼钢时难以除尽。总的来说，硫是钢中的有害杂质元素。当钢材在1000℃～1200℃进行热压力加工时，容易产生“热脆”。此外，硫对钢的焊接性有不良的影响，容易导致焊缝产生热裂、气孔和疏松。四、磷对钢性能的影响磷是由矿石带入钢中的。磷能提高钢的强度和硬度。但在室温下磷产生低温脆性。磷是有害元素。五、非金属夹杂物的影响在炼钢过程中，由于少量炉渣、耐火材料及冶炼中的反应物融入钢液中，从而形成氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物等非金属夹杂物。非金属夹杂物会降低钢的力学性能，特别是降低塑性、韧性及疲劳强度。

模块二

非合金钢的分类、牌号及用途

一、非合金钢的分类1．按非合金钢的碳的质量分数分类按碳的质量分数高低分类，非合金钢可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢三类。2．按非合金钢主要质量等级和主要性能或使用特性分类按主要质量等级和主要性能或使用特性分类，非合金钢可分为：普通质量非合金钢、优质非合金钢和特殊质量非合金钢三类。3．按非合金钢的用途分类按非合金钢的用途分类，可分为碳素结构钢和碳素工具钢。4．非合金钢的其他分类方法非合金钢还可以从其它角度进行分类，例如，按专业分类，可分为：锅炉用钢、桥梁用钢、矿用钢等；按冶炼方法等进行分类，可分为：氧气转炉钢、电弧炉钢等。

二、普通质量非合金钢的牌号及用途

碳素结构钢的牌号由屈服强度字母、屈服强度数值、质量等级符号、脱氧方法等四部分按顺序组成。质量等级分A、B、C、D四级，从左至右质量依次提高。屈服强度用“屈”的汉语拼音字母“Ｑ”和一组数字表示；脱氧方法用F、Z、TZ分别表示沸腾钢、镇静钢、特殊镇静钢。在牌号中“Z”可以省略。

三、优质非合金钢的牌号及用途优质非合金钢的牌号用两位数字表示，两位数字表示该钢的平均碳的质量分数的万分之几(以0.01%为单位)，如45钢表示平均碳的质量分数W（C）=0.45%的优质碳素结构钢。优质碳素结构钢主要有：08F钢或08钢、10F钢或10钢、15F钢或15钢、20钢、25纲、30钢、35钢、40钢、45钢、50钢、55钢、60钢、65钢、70钢、75钢、80钢和85钢。它们可分为：冷冲压钢、渗碳钢、调质钢和弹簧钢。四、其它专用优质非合金钢的牌号及用途专门用途钢的牌号表示方法是在钢号的首部或尾部用符号标明其用途，如25MnK矿用钢。1.易切削钢易切削钢是钢中加入一种或几种元素，利用其本身或与其他元素形成一种对切削加工有利的夹杂物，来改善钢材的切削加工性的钢材。易切削钢中常用加入的元素有：硫（S）、磷（P）、铅（Pb）、钙（Ca）、硒（Se）、碲（Te）、锰（Mn）等。易切削钢适合在自动机床上进行高速切削制作通用零件。易切削钢的牌号以“Y＋数字”表示，Y是“易”字汉语拼音首位字母，数字为钢中平均碳的质量分数的万分之几，如Y12表示其平均碳的质量分数W（C）=0.12%的易切削钢。易切削钢主要用于制造受力较小、不太重要的大批生产的标准件，如螺钉、螺母，垫圈、垫片，缝纫机、计算机和仪表零件等。常用易切削钢有：Y12钢、Y20钢、Y30钢、Y35钢、Y40Mn钢、Y45Ca钢等。2.锅炉用钢锅炉用钢是在优质碳素结构钢的基础上发展起来的专门用于制作锅炉构件的钢种，如20G、22MnG、16MnG等。

3．焊接用钢焊接用钢（焊芯、实芯焊丝）牌号用“H”表示，“H”后面的一位或两为数字表示碳的质量分数的万分数；化学符号及其后面的数字表示该元素平均质量分数的百分数（若含量小于1%，则不标明数字）；“A”表示优质（即焊接用钢中S、P含量比普通钢低）；“E”表示高级优质（即焊接用钢中S、P含量比普通钢更低）。例如，H08MnA中，H表示焊接用钢，08表示碳的质量分数为0.08%，Mn表示锰的质量分数为1%，A表示优质焊接用钢。常用焊接用钢有：H08、H08E、H08MnA、H08Mn2、H10MnSi等。4.铸造非合金钢铸造非合金钢包括一般工程用铸造碳钢和焊接结构用碳素铸钢。一般工程用铸造碳钢的牌号是用“铸钢”两字的汉语拼音字首“ZG”后面加两组数字组成，第一组数字代表屈服强度的最低值，第二组数字代表抗拉强度的最低值。例如，ZG200-400表示屈服强度≥200MPa，抗拉强度≥400MPa的一般工程用铸造碳钢。一般工程用铸造碳钢的牌号有：ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570和ZG340-640。焊接结构用碳素铸钢的牌号表示方法与一般工程用铸造碳钢的牌号基本相同，所不同的是需要在数字后面加注字母“H”，如ZG200-400H、ZG230-450H、ZG275-485H等。五、特殊质量非合金钢的牌号及用途

碳素工具钢是用于制造刀具、模具和量具的钢。碳素工具钢的牌号以碳的汉语拼音字首“T”开头，其后的数字表示平均碳的质量分数的千分数。例如，T8表示平均碳的质量分数为W（C）=0.80%的碳素工具钢。如果是高级优质碳素工具钢，则在钢的牌号后面标以字母A，如T12A表示平均碳的质量分数为W（C）=1.20%的高级优质碳素工具钢。模块三

合金元素在钢材中的作用一、合金元素在钢材中的存在形式及作用

合金元素在钢中主要以两种形式存在，一种形式是溶入铁素体中形成合金铁素体；另一种形式是与碳化合形成合金碳化物。

(一)合金铁素体

溶入铁素体的合金元素，由于它们的原子大小及晶格类型与铁不同，使铁素体晶格发生不同程度的畸变，其结果使铁素体的强度、硬度提高。

(二)合金碳化物

根据合金元素与碳之间的相互作用，可将合金元素分为形成碳化物的合金元素和不形成碳化物的合金元素。合金碳化物具有很高的硬度，它们在钢材中提高了钢的强度、硬度和耐磨性。

二、合金元素对钢材的热处理和力学性能的影响

(一)合金元素对钢加热转变的影响由于合金元素的扩散速度较慢，且大多数合金元素（除Ni、Co外）均减慢碳的扩散速度，加之合金碳化物比较稳定，不易溶入奥氏体中，因此，合金元素在不同程度上减缓了奥氏体的形成过程。(二)合金元素对回火转变的影响合金元素对钢回火时组织与性能的变化有不同程度的影响，主要表现在合金元素可提高钢的耐回火性，有些合金元素还造成二次硬化现象和产生回火脆性。●在相同的回火温度下，合金钢的硬度高于非合金钢，使钢在较高温度下回火时仍能保持高硬度，这种淬火钢件在回火时抵抗软化的能力，称为耐回火性(或回火稳定性)。●合金钢在一次或多次回火后提高其硬度的现象称为二次硬化。

金属工艺学单元三钢铁材料模块四

低合金钢和合金钢的分类、牌号及用途一、低合金钢和合金钢的分类

(一)低合金钢的分类1.低合金钢按主要质量等级分类按主要质量等级分类，低合金钢可分为普通质量低合金钢、优质低合金钢和特殊质量低合金钢三类。2.低合金钢按主要性能及使用特性分类按主要性能及使用特性分类，低合金钢可分为可焊接的低合金高强度结构钢（如16MnNb等）、低合金耐候钢（如Q295GNH、Q235NH等）、低合金钢筋钢（如20MnSi等）、铁道用低合金钢（如低合金重轨钢U70Mn、U71MnSiCu等，铁路用异型钢09V等）、矿用低合金钢（如20MnVK等）和其它低合金钢。

(二)合金钢的分类

合金钢中合金元素规定质量分数界限值总量是WMe≥5.43%，并且合金钢是按其主要质量等级和主要性能或使用特性分类的。1．合金钢按主要质量等级分类按主要质量等级分类，合金钢可分为优质合金钢和特殊质量合金钢两类。2.合金钢按主要性能及使用特性分类按主要性能及使用特性分类，合金钢可分为工程结构用合金钢(如一般工程结构用合金钢、合金钢筋钢、高锰耐磨钢等)；机械结构用合金钢(如调质处理合金结构钢、表面硬化合金结构钢、合金弹簧钢等)；不锈、耐蚀和耐热钢(如不锈钢、抗氧化钢和热强钢等)；工具钢(如合金工具钢、高速工具钢)；轴承钢(如高碳铬轴承钢、不锈轴承钢等)；特殊物理性能钢，如软磁钢、永磁钢、无磁钢（如0Cr16Ni14）等；其它，如铁道用合金钢等。

二、低合金钢和合金钢的牌号

(一)低合金高强度结构钢的牌号

低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服强度的“屈”字的汉语拼音首位字母Q、规定的最小上屈服强度数值、交货状态代号、质量等级符号（B、C、D、E）4个部分按顺序组成。例如，Q355ND表示屈服强度ReH≥355MPa，交货状态为正火（或正火轧制），质量等级为D级的低合金高强度结构