机械基础 第1 章机械工程材料

第1章

机械工程材料

机械工程材料是指在机械工程领域中用于制造工程构件和机械零件的材料总称。它在工业,农业,国防等方面占有极其重要的地位。为了能正确地使用工程材料,就必须了解材料的性能和用途等。

按照材料的组成,可将机械工程材料分为金属材料,陶瓷材料,高分子材料及复合材料4大类。

本章着重介绍机械工程材料的种类、成分.性能﹑组织结构及用途等。1.1金属材料的力学性能

金属材料具有良好的导电性,导热性,延展性及金属光泽,是目前用量最大,应用最广泛的工程材料。

金属材料分为黑色金属和有色金属两类。

铁及铁合金称为黑色金属,即钢铁材料，其在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上。

黑色金属之外的所有金属及其合金,称为有色金属。金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能两类。

工艺性能,是指金属材料在所经历的冷,热加工条件下表现出来的性能。它包括铸造性能,焊接性能﹑锻造性能、热处理性能及切削加工性等。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。

使用性能,是指金属材料在使用条件下表现出来的性能,它包括力学性能、物理性能和化学性能等。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。机械零件在使用过程中将承受不同载荷的作用。金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能,称为力学性能。

金属材料的力学性能是零件的设计和选材时的主要依据。

外加载荷性质不同(如拉伸、压缩,扭转,冲击及循环载荷等),对金属材料要求的力学性能也将不同。常用的力学性能包括强度﹑塑性、硬度、冲击韧性及疲劳极限等。1.1.1弹性与刚度

评价材料力学性能最简单和最有效的办法就是测定材料的拉伸曲线。

将标准试样(见图1.1)施加一单轴拉伸载荷,使之发生变形直至断裂,便可得到试样伸长率(试样原始标距的伸长与原始标距之比的百分率)随应力(试验期间任一时刻的力除以试样原始横截面积之商)变化的关系曲线,称为应力-应变曲线。

如图1.2所示为低碳钢的应力-应变曲线。图1.2中,Oa'段为弹性变形阶段,此时卸掉载荷,试样恢复到原来尺寸。a'点所对应的应力为材料承受最大弹性变形时的应力,称为弹性极限。其中,0a部分为一斜直线,应力与应变呈比例关系,a点所对应的应力为保持这种比例关系的最大应力,称为比例极限。由于大多数材料的a’点和α点几乎重合在一起,一般不作区分。

在弹性变形范围内,应力与伸长率的比值称为弹性模量E。E实际上是0a'线段的斜率，其物理意义是产生单位弹性变形时所需应力的大小。

材料受力时抵抗弹性变形的能力,称为刚度。其指标即为弹性模量,可通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。1.1.2强度与塑性(1)强度

材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力,称为强度。

根据加载方式不同,强度指标有许多种,如抗拉强度、抗压强度﹑抗弯强度、抗剪强度及抗扭强度等。

其中,以拉伸试验测得的屈服强度和抗拉强度两个指标应用最多。1)屈服强度Re

在图1.2中,应力超过c点后,材料将发生塑性变形。此时只产生塑性变形而应力不增加,这种现象称为屈服。此时,所对应的应力称为屈服强度Re。

屈服强度反映材料抵抗永久变形的能力。它包含上屈服强度ReH和下屈服强度ReL。

实际上多数材料的屈服强度不是很明显的,国家标准规定材料在受拉发生微小塑性变形(εp=0.2%)时的应力值称为材料的规定非比例延伸强度。以Rp0.2表示。图1.2中,b点所对应的应力为规定非比例延伸强度,如图1.3所示。2)抗拉强度Rm

图1.2中,ed段为均匀塑性变形阶段。在这一阶段,应力随应变增加而增加,产生应变强化。变形超过d点后,试样开始发生局部塑性变形,即出现颈缩,随应变增加,应力明显下降，并迅速在e点断裂。d点所对应的应力为材料断裂前所承受的最大应力,称为抗拉强度Rm。

抗拉强度反映材料抵抗断裂的能力,也是零件设计和评价材料的重要指标,即(2)塑性

塑性是指材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力。其指标为断后伸长率和断面收缩率。

试样被拉断后,标距部分的残余伸长与原始标距之比的百分率,称为伸长率A,即

试样断裂后,断口处横截面积的减少值与原始横截面积的比值,称为断面收缩率Z,即式中S0——原始横截面积,mm2;Su——断后最小横截面积,mm2。

显然,A与Z值越大,材料的塑性越好。工程上以材料的伸长率或断面收缩率确定材料的塑性。

塑性很差的材料称为脆性材料。一般认为,A<5%的材料称为脆性材料。1.1.3硬度

硬度是指材料抵抗局部塑性变形的能力,现在多用压入法测定,压头压入金属表面的压痕小,表明材料抵抗变形的抗力大,其材料的硬度高。根据测量方法不同,常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度等。(1)布氏硬度

布氏硬度(HBW)的试验原理如图1.4所示。将直径为D的硬质合金球压头,在一定载荷Р的作用下压入试样表面,保持一定时间后卸除载荷。然后,采用带刻度的专用放大镜测出压痕直径d,并根据d的数值从专业的硬度表格中查出相应的HBW值。布氏硬度习惯上只写出硬度值而不必注明单位,符号HBW之前的数字表示硬度值,符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间(10~15s不标注)。例如，500HBW5/750表示直径为5mm的钢球在7.35kN载荷作用下,保持10~15s测得的布氏硬度值为500。

布氏硬度的优点是测量误差小,数据稳定;缺点是压痕大,不能用于超薄件或成品件。

最常用的钢球压头适于测定退火钢、正火钢、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。

(2)洛氏硬度

洛氏硬度(HR)的试验原理是根据压痕的深度来衡量硬度的,如图1.5所示。

在初载荷和总载荷(初载荷与主载荷之和)的先后作用下,将硬质合金球压头压入试样表面,保持一定时间后卸除主载荷,用测量的残余压痕深度增量(h1-h0)计算硬度值(h0为初载荷压入的深度，h1为卸除主载荷后残余压痕的深度)。洛氏硬度用符号HR表示,根据压头类型和主载荷不同,分为9个标尺。常用的标尺为A、B、C,见表1.1l。符号HR前面的数字为硬度值,后面为使用的标尺。例如,50HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为50。实际测量时,硬度值可直接从洛氏硬度计的表盘上直接读出。

洛氏硬度的优点是操作简便、压痕小,适用范围广。缺点是测量结果分散度大。1.1.4冲击韧性

许多机械零件,构件或工具在服役时,会受到冲击载荷的作用,如活塞销.冲模和锻模等。材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力,称为冲击韧性。在如图1.6所示的摆锤式冲击试验机上,用规定高度的摆锤对处于简支梁状态的缺口试样进行一次冲断,可测得冲击吸收能量(J),用K表示。

针对不同的缺口几何形状(V形和U形)以及不同的摆锤刀刃半径(2或8分别表示摆锤刀刃半径为2mm或8mm),测得冲击吸收能量表示为KV2。1.1.5疲劳强度实际工作中的构件常常是在交变载荷的作用下。所谓交变载荷,是指大小或方向随时间而变化的载荷。在这种载荷的作用下,材料常常在远低于其屈服强度的应力下发生断裂,这种现象称为疲劳。

材料承受的交变应力σ与断裂时应力循环次数N之间的关系是随交变应力σ下降,N值增加。材料经无数次应力循环后仍不发生断裂时的最大应力,称为疲劳极限。对于对称循环交变应力的疲劳极限用σ-1表示。实际中,作无限次应力循环的疲劳试验是不可能的。

对于钢铁材料，一般规定疲劳极限对应的应力循环次数为107,有色金属为108。

金属的疲劳强度与本身的质量.零件表面状况,结构形状及承受载荷的性质等许多因素有关。提高零件的疲劳抗力,除应合理选材外,还应注意其结构形状,避免应力集中,减少缺陷，还可采用提高表面光洁度和表面强化等方法。

1.2铁碳合金相图

钢铁合金是碳钢和铸铁的统称,是工业中应用最广的铁碳合金。含碳量为0.0218%～2.11%的称为碳钢,大于2.11%的称为铸铁。铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的理论依据,是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础,也是制订热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺的依据。

铁和碳可形成一系列稳定化合物:Fe3C,Fe2C,FeC。它们都可作为纯组元看待,但由于含碳量大于Fe3C成分(6.69%C)时,合金太脆,已无实用价值,因此,这里所讨论的铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图。12.1铁碳合金的组元和相（1）纯铁及铁基固溶体纯铁在固态下有

-Fe、

-Fe和

-Fe三种同素异构体。通常所说的工业纯铁是指室温下的

-Fe，其强度、硬度低，塑性、韧性好。铁的3种同素异构体都可以溶解一定量的碳形成间隙固溶体。1）铁素体碳在

-Fe中的固溶体称为铁素体。用符号F或

表示。铁素体为体心立方晶格，其溶碳能力很低，在727℃时最高，为0.0218%，而在室温下仅为0.0008%。其性能与纯铁相似，即强度、硬度低，塑性、韧性高。2）奥氏体碳在

-Fe中的固溶体称为奥氏体。用符号A或

表示。奥氏体为面心立方晶格，其溶碳能力比铁素体高，1148℃时最大，为2.11%。

奥氏体强度低、塑性好，因而钢材的热加工都在奥氏体相区进行。碳钢室温下的组织中无奥氏体，但当钢中含有某些合金元素时，可部分或全部变为奥氏体组织。2）奥氏体碳在

-Fe中的固溶体称为奥氏体。用符号A或

表示。奥氏体为面心立方晶格，其溶碳能力比铁素体高，1148℃时最大，为2.11%。

奥氏体强度低、塑性好，因而钢材的热加工都在奥氏体相区进行。碳钢室温下的组织中无奥氏体，但当钢中含有某些合金元素时，可部分或全部变为奥氏体组织。（2）渗碳体渗碳体（即Fe3C）是铁与碳的间隙化合物，含碳量为6.69%，用Fe3C或Cm表示。渗碳体的硬度很高（HB

800），塑性和韧性几乎为零。渗碳体在钢和铸铁中一般呈片状、网状或球状存在。它的尺寸、形状和分布对钢的性能影响很大，是铁碳合金的重要强化相。渗碳体是亚稳相，在一定的条件下，它将发生分解：Fe3C

3Fe+C，所分解出的单质碳称为石墨，该分解反应对铸铁有着重要意义。由于碳在

-Fe中的溶解度很低，所以常温下碳在铁碳合金中主要以渗碳体或石墨的形式存在。1.2.2铁碳合金相图的分析1.2.3典型铁碳合金

铁碳相图上的合金,按成分可分为以下3类:(1)工业纯铁(＜0.0218%C)其显微组织为铁素体晶粒,工业上很少应用。(2)碳钢(0.0218%～2.11%C)其特点是高温组织为单相A,易于变形,碳钢又分为亚共析钢(0.0218%～0.77%C),共析钢(0.77%C)和过共析钢(0.77%～2.11%C)。(3)白口铸铁(2.11%~6.69%C)其特点是铸造性能好,但硬而脆,白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁(2.11%～4.3%C),共晶白口铸铁(4.3%C)和过共晶白口铸铁(4.3%～6.69%C)。如图1.8所示为典型铁碳合金在铁碳合金相图中的位置图。1.2.4铁碳合金相图在工程上的应用铁碳合金相图在选择和使用材料、金属加工、热处理以及选配合金钢、合金铸铁等方面有重要的作用。(1)含碳量对铁碳合金室温平衡组织的影响从相的角度看，铁碳合金在室温下只有铁素体和渗碳体两个相，随含碳量增加，渗碳体的量呈线性增加。但是从组织角度看，随含碳量增加，组织中渗碳体不仅数量增加，而且形态也在变化，由分布在铁素体基体内的片状（共析渗碳体）变为分布在奥氏体晶界上的网状(过共析钢中的二次渗碳体)，最后形成莱氏体时，渗碳体已作为基体出现。(2)含碳量对力学性能的影响如前所述，铁素体强度、硬度低，塑性好，而渗碳体则是硬而脆的相。亚共析钢随含碳量增加，珠光体量增加，由于珠光体的强化作用，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，当成分为0.77%C时,组织为100%的珠光体，钢的性能即珠光体的性能。当含碳量大于0.9%时，过共析钢中的二次渗碳体在奥氏体晶界上形成连续网状，因而强度下降，但硬度仍直线上升。含碳量大于2.11%，由于组织中出现以渗碳体为基的莱氏体，此时因合金太脆而使白口铸铁在工业上很少应用。含碳量对平衡状态下碳钢力学性能的影响如图1.9所示。(3)含碳量对工艺性能的影响铁碳合金相图是选择热加工工艺的重要依据,在铸造、轧锻,焊接和热处理方面应用很广。铁碳合金相图(与铸锻工艺的关系如图1.10所示)，从图中看出，铸铁的浇注温度低。越是接近共晶点C的铁碳合金结晶时，液相线温度低，合金的流动性好；液固线距离近，偏析倾向小，所以铸铁的铸造性能大大优于铸钢。铁碳合金相图中有很广阔的奥氏体区，面心立方晶格的高温奥氏体有优良的塑性和较低的强度，塑性变形抗力很低，是热锻、热轧极好的组织，轧、锻温度一般选在图中影线部分。锻造的原则是始锻(轧)温度不宜过高，终锻温度不宜过低，以防止锻(轧)造裂纹出现。

不同成分的铁碳合金冷却后组织不同，在焊接时要选择不同的焊接工艺。如锅炉中有大量不同材质的管道，其中含碳量越低的钢焊接性能越好，含碳量增加时，随着焊件壁厚的增加，需要预热和焊后退火处理。1.3碳钢目前使用的金属材料中,碳钢占有重要的地位。这不仅因为它的价格较为低廉,冶炼较为容易,同时还能满足大多数工程上的要求。工程上使用的碳钢一般是指含碳量不超过1.4%且含有锰、硅、硫、磷等杂质的铁碳合金。1.3.1常存杂质对碳钢性能的影响

碳、锰、硅、硫、磷是碳钢中的常存元素,统称5大元素。在炼钢时,要对它们的含量进行分析和控制。碳在钢中的影响已如前述。锰、硅、硫、磷则称为常存杂质,它们的含量对碳钢的性能也有较大的影响。(1)锰的影响锰作为炼钢时的脱氧剂而残存在钢中。它以置换固溶体的形式溶入铁素体,可提高钢的强度。特别是它能与钢中的硫,化合形成高熔点的MnS化合物,可消除硫的热脆性,因此,锰是有益元素。在碳钢中锰的含量一般不超过1.2%。(2)硅的影响

硅与锰相似,也是炼钢脱氧时残存在钢中的。硅溶入铁素体可起固溶强化的作用,但含量增多时使钢变脆,碳钢中硅的含量一般在0.4%以下。(3)硫的影响

硫是从矿石和燃料中带来而残存在钢中。硫不溶于铁,但容易以FeS的形式与Fe形成低熔点共晶体并存在于晶界上,这种共晶体在985℃时熔化,使得在1100～1200℃轧,锻钢材时发生晶间开裂而报废,称为热脆性,故硫是有害元素,在钢中的含量要控制在0.055%以下。(4)磷的影响

磷也是矿石经冶炼残存在钢中的有害杂质,它可溶入铁素体中使钢的韧性下降,并使钢变脆,这种现象称为冷脆性。磷在钢中的含量被限制在0.045%以内。除了以上4种常存杂质外,还有氢,氧,氮等残存于钢中,这些气体易于形成白点、气孔和非金属夹杂物。特别是氧化物夹杂,如SiO2、MnO等。这些缺陷存在均使钢材质量下降。对于重要的设备零件,如汽轮机轮毂、叶片等,要求非金属夹杂物限定在一定范围内。1.3.2碳钢的分类碳钢的分类方法很多,通常按照钢的含碳量、质量和用途分类。(1)按含碳量分类①低碳钢:含碳量不大于0.25%。②中碳钢:含碳量为0.25%～0.6%。③高碳钢:含碳量大于0.6%。(2)按钢的质量分类①碳素钢:钢中含S≤0.055%,P≤0.045%。②优质碳素钢:钢中含S≤0.040%,P≤0.040%。③高级优质碳素钢:钢中含S≤0.030%,P≤0.035%。(3)按钢的用途分类①碳素结构钢:用于制造工程构件及机械零件。一般为低、中碳钢。②碳素工具钢:用于制造各种工具、刀具,量具,模具等。一般属于高碳钢。1.3.3碳素结构钢

这类钢的牌号是按照力学性能中的屈服强度分成5种来编号的,数字越大说明屈服强度值越高,碳钢中的含碳量也越高;塑性也就越低。5种碳素结构钢的牌号及化学成分见表1.3。碳素结构钢用于制作螺栓﹑螺母、钢板、圆钢.钢管以及各类型钢,广泛应用于机械制造及建筑等行业中。1.3.4优质碳素结构钢(1)正常含锰量的优质碳素结构钢(2)较高含锰量的优质碳素结构钢(3)优质钢在优质碳素结构钢中,对于专门用途的优质碳素结构钢编号,是在钢号前面或后面加一个表示用途的汉字或汉字的拼音符号。例如,作焊丝用的写作HO8,锅炉用的20号优质碳素结构钢可写作20g(或20锅),20g可用作锅炉钢板、压力容器和锅炉水冷壁管及小型汽包等。优质碳素结构钢的应用很广泛。低碳优质碳素结构钢可用作桥梁,起重及工程机械,钢结构件,还可渗碳后使用,制作机械零件;中碳优质碳素结构钢可经调质后制作轴.齿轮,温度不超过450℃的汽轮机转子,联轴器和汽缸紧固件;中,高碳优质碳素结构钢可用作各类弹簧.板簧和钢丝绳等。优质碳素结构钢一般经热处理后使用,或在正火状态下供应。若是含S.P量更低的称为高级优质碳素结构钢,就在钢号后面加写A字(或高字),如20A(或20高)。1.3.5碳素工具钢

碳素工具钢的含碳量一般为0.65%～1.35%。编号方法是用字母T(或碳)加数字表示，数字表示含碳量的千分之几。例如,T8、T12(碳8,碳12)表示含碳量为0.8%,1.2%的碳素工具钢。钢号有T7,T8,….,T13(碳7,碳8,……,碳13)。碳素工具钢含S,P量均较少,属于优质钢。若为高级优质碳素工具钢,则在钢号后面加写A字(或高字),如T8A、T12A(碳8高,碳12高)。常用碳素工具钢或高级优质碳素工具钢的牌号,成分及用途见表1.5。1.4钢的热处理热处理是指通过将钢在固态下加热、保温和冷却,以改变钢的组织结构,从而获得所需要性能的一种工艺。

热处理是一种重要的加工工艺,在机械制造业已被广泛应用。通常用温度-时间坐标绘出热处理工艺曲线,如图1.11所示。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。热处理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来强化。描述热处理时钢中组织转变的规律称为热处理原理。根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称为热处理工艺。根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工艺分类如下：⑴普通热处理：退火、正火、淬火和回火。⑵表面热处理：表面淬火、化学热处理。⑶其他热处理：真空热处理、形变热处理、控制气氛热处理、激光热处理等。根据在零件生产过程中所处的位置和作用不同，又可将热处理分为预备热处理与最终热处理。

预备热处理是指为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理做准备的热处理。

最终热处理是指赋予工件所要求的使用性能的热处理。1.4.1钢在加热时的转变

加热是热处理的第一道工序。加热分两种:一种是在A1以下加热,不发生相变;另一种是在临界点(Ac1,Ac3,Accm)以上加热,目的是为了获得均匀的奥氏体组织,这一过程称为奥氏体化。钢在加热时奥氏体的形成过程是一个形核和长大的过程。以共析钢为例，其奥氏体化过程可简单地分为四个步骤，如图所示。1.4.2钢在冷却时的转变

冷却是热处理更重要的工序,因为钢的常温性能与其冷却后的组织直接有关。钢在不同的过冷度下可转变为不同的组织,包括平衡组织和非平衡组织。(1)过冷奥氏体的转变产物及转变过程处于临界点A1以下的奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。随过冷度不同，过冷奥氏体将发生三种类型转变，即珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。现以共析钢为例说明。1)珠光体转变(a)光学显微镜下形貌400×(b)电子显微镜下形貌珠光体组织1)珠光体转变(a)光学显微镜下形貌400×(b)电子显微镜下形貌索氏体组织1)珠光体转变托氏体组织图珠光体转变过程示意图2)贝氏体转变(a)光学显微镜下形貌400×(b)电子显微镜下形貌

上贝氏体组织2)贝氏体转变(a)光学显微镜下形貌400×(b)电子显微镜下形貌下贝氏体组织3)马氏体转变马氏体晶格示意图3)马氏体转变马氏体形态与含碳量的关系马氏体的硬度、韧性与含碳量的关系(2)过冷奥氏体的等温转变在热处理中，通常有两种冷却方式，即等温冷却和连续冷却，如图所示。1.4.3钢的退火与正火

机械零件的一般加工工艺路线为:毛坯(铸、锻)→预备热处理→机加工→最终热处理。退火与正火工艺主要用于预备热处理,只有当工件性能要求不高时才作为最终热处理。(1)退火

将钢加热至适当温度保温,然后缓慢冷却(炉冷)的热处理工艺,称为退火。退火后的组织接近于钢在平衡状态下的组织。1)退火目的①调整硬度,便于切削加工。工件经铸造或锻造等热加工后,硬度常偏高或偏低,而且不均匀,严重影响切削加工。适当的退火处理可使工件的硬度调整为170～250HB,从而改善切削加工性能。②消除残余内应力,防止在后续加工或热处理中发生变形和开裂。

③细化晶粒,提高力学性能或为最终热处理作组织准备。2)退火工艺

退火的种类很多,常用的有完全退火,等温退火.球化退火、均匀化退火、去应力退火及再结晶退火。

①完全退火

是指将工件加热到临界温度以上30～50℃保温后缓冷的退火工艺。完全退火主要用于亚共析钢,使中碳以上的钢软化以便于切削加工,并消除内应力。

②等温退火

是指将亚共析钢,共析钢和过共析钢加热到临界温度以上30～50℃,保温后快冷到某一温度,在此温度下停留,待相变完成后出炉空冷的退火工艺。③球化退火

是指将工件加热到临界温度以上30～50℃充分保温后缓冷,从而使珠光体中的渗碳体球状化的退火工艺。球化退火主要用于共析钢和过共析钢,目的在于降低硬度,改善切削加工性能,并为后续热处理作组织准备。

④扩散退火

又称均匀化退火,是将钢锭、铸件或锻坯加热至略低于固相线的温度下长时间保温,然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。⑤去应力退火

是将钢件加热至500～600℃(低于A。点)温度,适当保温,然后缓慢冷却到室温,这种退火处理称为去应力退火,又称低温退火。去应力退火一般用于铸件.锻件及焊接件;目的是消除内应力,便于随后的加工或者在以后的使用过程中不易变形或开裂。

⑥再结晶退火

是将经过冷变形的工.件加热到一定温度(再结晶温度以上),保温一段时间然后缓慢冷却的退火工艺。目的是消除冷变形引起的冷作硬化,恢复材料塑性以便进一步的塑性加工;或者是保证一定的使用性能。(2)正火

将钢件加热到临界温度以上30～50℃,保温一定时间,然后在空气中冷却至室温,这种热处理工艺称为正火。

正火与退火的主要区别是冷却速度较快,因此,奥氏体转变成的珠光体片层就较薄,晶粒较细,强度与硬度较高。

正火的主要目的是细化晶粒,消除锻﹑轧和焊接件的组织缺陷,改善钢的力学性能。正火主要用于以下3个方面:①作为普通结构零件的最终热处理。因为正火可消除铸造或锻造中产生的过热缺陷,细化晶粒,提高钢的强度﹑硬度和韧性,因此能满足普通结构件使用时的性能要求。

②用于改善低碳钢的切削加工性能。一般认为,金属材料的硬度在160～230HB时切削加工性能较好。低碳钢退火状态的硬度普遍低于160HB,切削时易“黏刀”,零件的表面质量也较差。正火后,可适当提高其硬度,以改善切削加工性能。

③作为较为重要的零件预备性热处理。合金结构钢在调质前用正火来调整一下组织,以获得均匀而细密的结构;过共析钢在球化退火前用正火来消除组织中的网状渗碳体。

1.4.4钢的淬火与回火(1)淬火淬火是指将钢加热到临界温度以上30～50℃,保温后以大于vk的速度冷却,使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。

淬火的目的就是为了获得马氏体,提高钢的力学性能。淬火是钢的最重要的强化方法,也是应用最广的热处理工艺之一。理想淬火介质的冷却曲线(见图1.14)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。但目前还没有找到这种理想的淬火介质。常用的淬火介质是水和油。淬火方法采用适当的淬火方法可以弥补冷却介质的不足。常用的淬火方法如图所示。l)单介质淬火法：操作简单,易实现机械化,应用较广。2)双介质淬火法：主要用于形状复杂的碳钢工件及大型合金钢工件。3)分级淬火法：显著降低工件的内应力,减少变形或开裂的倾向。4)等温淬火法：适用于形状复杂及要求较高的小型件。(2)回火

回火是指将淬火钢加热到A，以下的某温度保温后冷却的工艺。1)回火的目的①减少或消除淬火内应力,防止工件变形或开裂。②获得工艺所要求的力学性能。③稳定工件尺寸。④对于某些高淬透性的钢,由于空冷即可淬火,如采用退火则软化周期太长,而采用回火软化则既能降低硬度,又能缩短软化周期。淬火钢不经回火一般不能直接使用,为避免淬火件在放置过程中发生变形或开裂,钢件经淬火后应及时进行回火。2)回火的种类根据钢的回火温度范围,可将回火分为以下3类:①低温回火主要用于处理各种工具,模具.轴承及经渗碳和表面淬火的工件。②中温回火主要用于各类弹簧的处理。③高温回火通常把淬火加高温回火的热处理工艺,称为“调质处理”,简称“调质”。广泛用于各种重要结构件,如连杆.轴﹑齿轮等的处理,也可作为某些要求较高的精密零件,量具等的预备热处理。1.4.5钢的表面热处理(1)表面淬火表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下,利用快速加热,将表层奥氏体化后进行淬火,以强化零件表面的热处理方法。1)表面淬火用材及预备热处理2)表面淬火后的回火及组织3)表面淬火常用加热方法：①感应加热②火焰加热(2)化学热处理

化学热处理是指将工件置于特定介质中加热保温,使介质中活性原子渗入工件表层,从而改变工件表层化学成分和组织,进而改变其性能的热处理工艺。根据渗入的元素不同,化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗及渗其他元素等。化学热处理由以下3个基本过程组成①介质(渗剂)的分解,即加热时介质中的化合物分子发生分解并释放出活性原子。②工件表面的吸收,即活性原子向固溶体中溶解或与钢中某些元素形成化合物。③原子向内部扩散,即溶入的元素原子在浓度梯度的作用下由表层向钢内部的扩散。1.5合金钢

合金钢是以铁和碳元素为基础,为了满足某方面的性能要求,有目的加入一些其他元素冶炼而成的钢。这种有目的加入的元素,称为合金元素。

常用的合金元素有铬、锰、硅、钼、钨、钒.钛.记、硼.镍、诰.稀土等。合金元素加入后,可提高钢的力学性能,改善钢的工艺性能。有些合金元素的含量达到一定时,还可使钢具有某些特殊的力学性能或某些特殊的物理化学性能。1.5.1合金元素对钢的影响(1)合金元素在钢中的存在形式及对性能的影响1)合金元素溶入铁素体2)形成碳化物(2)合金元素对钢热处理的影响1)合金元素对奥氏体化的影响2)合金元素对过冷奥氏体转变的影响3)合金元素对回火转变的影响1.5.2合金钢的分类及编号方法(1)合金钢的分类合金钢的种类繁多,通常按钢的成分和用途来进行分类。1)按化学成分分类①按合金元素总含量的多少,可分为低合金钢(合金元素含量小于5%),中合金钢(合金元素含量为5%-10%)及高合金钢(合金元素含量大于10%)。②按加入的合金元素品种,可分为锰钢﹑铬钢﹑铬钼钢等。2)按用途分类①合金结构钢合金结构钢又分为两类:一类为建筑及工程结构用钢,即普通低合金钢;另一类为机器制造用钢,分为渗碳钢,调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢等。②合金工具钢合金工具钢又分为3类:刃具钢(包括低合金刃具钢及高速钢),模具钢(包括热模具钢和冷模具钢)量具钢。③特殊性能钢特殊性能钢又按所具有的特殊物理、化学和力学性能,分为磁钢、不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。(2)合金钢的编号方法我国合金钢的牌号是按照合金钢的用途和化学成分,用数字和元素的化学符号相结合的方法来表示的。1)合金结构钢这类钢的编号是;两位数字+元素符号+数字。两位数字表示钢中平均含碳量的万分数;元素符号是指所含的合金元素;数字表示该元素在钢中平均含量的百分数。合金元素在钢中的平均含量小于1%或1.5%时,钢号中只标明元素符号,不标数字。如果数字为2或3,则表示该元素的平均含量为1.5%-2.5%或2.5%-3.5%,以此类推。例如：40Mn2表示钢中平均含碳量为0.4%,平均含锰量为2%;20Cr3MoWV表示钢中平均含碳量为0.2%,平均含铬量为3%,钼、钨、钒元素的含量均小于1.5%。

合金结构钢中,滚动轴承钢的编号有些特殊,是用“G”字起首,不标含碳量,而标所含铬的元素符号Cr及其平均含量的千分数。

例如,CCrl5表示含碳量0.95%-1.05%,含铬量1.3%-1.65%的滚动轴承钢。2)合金工具钢这类钢的编号是:一位数字(或无数字)+元素符号+数字。一位数字表示含碳量的千分数,合金元素及其含量的表示方法与合金结构钢相同。如果合金工具钢中的含碳量大于或等于1.0%,用来表示含碳量的数字就省略,否则易与合金结构钢的钢号混淆。

高合金工具钢中的高速钢,其含碳量虽小于1%,但在钢号中也不标出含碳量的数字。3)特殊性能钢特殊性能钢一般可分为高合金与低合金两大类。

高合金的特殊性能钢的钢号表示方法与合金工具钢相似。

例如要2Crl3表示钢中平均含碳量为0.2%,平均含铬量为13%;又如，1Cr18Ni9Ti表示钢中平均含碳量0.1%,平均含铬量为18%,平均含镍量为9%,含钛量小于1%。在某些情况下,高合金特殊性能钢的含碳量,在钢号中也不标出,而直接写出所含的合金元素及其含量。1.5.3合金结构钢用于制造各种机械零件以及用于制造各种工程结构的钢,称为结构钢。合金结构钢中常用的合金元素为锰、硅、铬、镍、钨、钼、钒.钛等。锰、铬,镍等元素对提高钢的综合力学性能起着主要作用,可称为主加元素。钨、钼、钒.钛等元素加入后能提高钢的淬透性,细化晶粒,为进一步改善钢的性能起着辅助作用,可称为辅加元素。

合金结构钢按成分以及用途的不同,又可分为普通低合金钢,渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢等。1.5.4工具钢

工具钢又可分为刃具钢、量具钢,模具钢等。

工具钢的用途不同,对力学性能的要求也不同。工具钢的含碳量一般较高,为0.65%-1.5%,主要加入的元素有铬、钨、钼、钒等。铬是最基本的加入元素,能有效地提高钢的淬透性,从而增加钢的硬度和耐磨性。钨、钼、钒都是碳化物形成元素,加入后通过弥散硬化,可显著地提高钢的热硬性和耐磨性。(1)刃具钢

刃具钢主要是指制造车刀、铣刀、钻头、丝锥、板牙等切削刀具的钢种。

刃具在工作中受到很大的切削力、振动、摩擦及切削热的作用。

因此,刃具钢应具有高硬度、高耐磨性,并能在高温状态下维持其高硬度,即有热硬性。此外,刃具钢还应有足够的强度和韧性,以免在切削过程中发生断裂或崩刃。合金刃具钢按其成分和性能分为低合金刃具钢和高速钢。(2)量具钢

量具钢用于制造各种测量工具,如卡尺、千分尺、块规、塞规及螺旋测微仪等。

测量工具的工作面应有高的硬度和耐磨性,并要求热处理时变形小,使用过程中尺寸稳定。

量具钢无专用钢种。精度要求一般,形状简单的量具可用TIOA、T12A、9SiCr等钢制造。板形量规(样板、卡板)可用60Mn、65Mn合金弹簧钢来制造。精度要求较高的量规,则用低合金刃具钢CrMn、SiMn或滚动轴承钢GCr15来制造。(3)模具钢

模具钢是用以制造各种冷热模具的钢种,分为冷作模具钢和热作模具钢。1)冷模具钢用于制造金属在冷态下成型的模具,如冷冲模,冷剪切模,冷弯模冷挤压模等。2)热模具钢用于制造金属在高温状态下成型的模具,如铸模,锻模,热挤压模等。

热模具钢一般是含碳量为0.3%-0.6%的中碳合金钢。钢中的主要合金元素有铬、锰、镍,硅等。适中的含碳量是保证钢具有较高的强度和韧性;合金元素用以保证钢具有较高的淬透性,从而提高钢的硬度和抗热疲劳的能力。1.6铸铁