工程材料及成形工艺基础（材料类及机械类专业）全套教学课件

工程材料及

成形工艺基础全套可编辑PPT课件共十章，包括金属材料的性能、金属的晶体结构、铁碳合金相图、钢的热处理、机械工程材料、铸造成形、锻压成形、焊接成形、非金属材料成形和3D打印成形技术第一章金属材料的性能一

金属材料的力学性能二金属材料的物理、化学及工艺性能工程材料主要是指工业生产中所使用的材料，主要包括金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料四大类。金属材料：包括金属和以金属为基的合金，它具有良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽，是目前用量最大、用途最广泛的工程材料。无机非金属材料：包括水泥、玻璃、陶瓷和耐火材料等，它具有不可燃性、高耐热性、高化学稳定性、不易老化等特点，在建筑、医疗等行业应用广泛。高分子材料：又称有机合成材料，主要包括塑料、橡胶和纤维等，在传统工业和新兴工业中均有广泛应用。复合材料：是由两种或两种以上不同材料复合而成，它具有密度低、弹性好和强度高等特点，主要用于电子信息、航空航天等新兴产业。第一节

金属材料的力学性能一、强度强度是金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。按照作用力性质的不同，强度可分为屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。（一）拉伸试验和拉伸曲线拉伸试验根据《金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》（GB/T228.1—2010）进行。（a）标准拉伸试样b）拉伸

（c）出现缩颈（d）拉断后图1-1拉伸试样低碳钢试样的拉伸过程可以分为弹性变形阶段、屈服阶段、均匀塑性变形阶段和缩颈阶段。弹性变形阶段（ob阶段）屈服阶段（be阶段）均匀塑性变形阶段（ef阶段）缩颈阶段（fg阶段）图1-2低碳钢的拉伸曲线（二）抗拉强度（三）屈服强度图1-3常规平行线法测Fp二、塑性金属材料在外力作用下，产生不可逆永久变形而不被破坏的能力称为塑性。常用的塑性指标有断面收缩率和断后伸长率。（一）断面收缩率（二）断后伸长率三、硬度工程上常用的硬度指标有布氏硬度和洛氏硬度等。图1-4布氏硬度试验原理图布氏硬度测量稳定、准确，可用于测量铸铁、有色金属以及退火、正火和调质处理后的钢材。（一）布氏硬度（二）洛氏硬度X—时间；Y—压头位置；1—在初试验力F0下的压入深度；2—由主试验力F1引起的压入深度；3—卸除主试验力F1后的弹性回复深度；4—残余压入深度h；5—试样表面；6—测量基准面；7—压头位置；8—压头深度相对时间的曲线图1-5洛氏硬度试验原理图表1-1洛氏硬度标尺表1-2表面洛氏硬度标尺四、冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷而不被破坏的能力称为冲击韧性，它反映了材料在冲击载荷作用下发生弹性变形、塑性变形和断裂的过程中吸收能量的能力，常用指标是冲击吸收能量。（一）冲击吸收能量冲击吸收能量采用夏比摆锤冲击试验测定。（a）标准试样

（b）试样安放图1-6冲击试验的试样图1-7夏比摆锤冲击试验原理（二）材料的韧脆转变图1-8韧脆转变温度示意图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。多数材料的冲击韧性会随温度的下降而下降。（三）多次冲击实际生产中，零件经过一次冲击就发生断裂的情况极少，许多零件都是在多次冲击后才断裂的，而且所承受的冲击能量也远小于一次冲断的能量，这种冲击称为多次冲击。五、疲劳强度许多零件（如轴、齿轮、连杆及弹簧等）都是在交变应力（循环应力）作用下工作的。在交变应力作用下，虽然零件所承受的最大应力通常都低于材料的屈服强度，但经过一定时间的工作后，零件会产生裂纹或突然发生完全断裂，这种现象称为疲劳断裂。图1-9疲劳曲线第二节

金属材料的物理、化学及工艺性能一、物理性能金属材料的物理性能主要有密度、熔点、热膨胀性、导电性和导热性等。金属材料的物理性能对热加工也有一定的影响。二、化学性能金属材料与其他化学物质发生化学反应时所显示出的性能称为化学性能，如耐腐蚀性、高温抗氧化性等。耐腐蚀性是指金属材料在常温下抵抗氧气、水蒸气及其他化学介质腐蚀的能力。抗氧化性是指金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。三、工艺性能工艺性能是物理、化学、力学性能的综合。按工艺方法的不同，可分为铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能等。复习思考题（详见课本）THEEND工程材料及

成形工艺基础第二章金属的晶体结构一纯金属的晶体结构二合金的晶体结构三二元合金相图第一节

纯金属的晶体结构一、晶体与晶格（一）晶体与非晶体按原子在空间的排列方式不同，固态物质可分为晶体和非晶体两大类。晶体：是指原子在三维空间有规则地周期性重复排列的物质，如金刚石、石墨、固态金属等。晶体一般有规则的外形和固定的熔点，在各个方向上原子密度不同，因而表现出各向异性。非晶体：是指原子在空间无规则排列的物质，如松香、玻璃、沥青等。非晶体没有规则的外形和固定的熔点，在各个方向上原子的密度大致相同，因而表现出各向同性。（二）晶体结构的基本概念1．晶格和晶胞晶体中原子规则排列的方式称为晶体结构。抽象的、用于描述原子排列规律的空间格架称为晶格。晶格中的每个点称为结点。由于晶体中的原子在三维空间做有规律的重复排列，因此，在研究晶体结构时，通常只从晶格中取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元进行分析，这个最小的几何单元称为晶胞。（a）晶体结构模型

（b）晶格

（c）晶胞图2-1晶体中原子排列示意图2．原子半径和晶胞原子数原子半径是指晶胞中原子密度最大方向上相邻两原子之间距离的一半。晶胞原子数是指一个晶胞内所包含的原子数目。晶体由大量晶胞堆砌而成，故处于晶胞顶角或晶面上的原子就不会为一个晶胞所独有，只有晶胞内的原子才会为一个晶胞所独有。不同晶体结构的晶胞所含有的原子数不同。3．致密度（三）金属晶格的类型由于金属键具有较强的结合力，使得金属原子总是趋于紧密排列，因此，大多数金属晶体都具有高对称性的简单晶体结构。约90%的金属晶体都属于以下三种晶格类型：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（a）模型

（b）晶胞

（c）晶胞原子数图2-2体心立方晶胞示意图2．面心立方晶格（a）模型

（b）晶胞

（c）晶胞原子数图2-3面心立方晶胞示意图3．密排六方晶格

（a）模型

（b）晶胞

（c）晶胞原子数图2-4密排六方晶胞示意图（四）晶面与晶向在晶格中，由一系列结点所组成的平面都代表晶体的某一原子平面，称为晶面；任意两个结点的连线，都代表晶体中某一原子列的位向，称为晶向。为便于研究和表述不同晶面和晶向的原子排列情况及其在空间的位向，需要给各种晶面和晶向规定符号，即晶面指数和晶向指数。二、实际的金属晶体结构（一）实际金属的晶体结构如图2-5（a）所示，如果一块晶体内部的晶格位向完全一致，则称这块晶体为单晶体。只有采用特殊的方法才能获得单晶体。实际的金属材料即使在体积很小的情况下，也包含有许多位向不同的小单晶体，称为多晶体，如图2-5（b）所示。（a）单晶体

（b）多晶体图2-5单晶体和多晶体示意图（二）晶体缺陷原子完全按一定的次序规则排列的晶体称为理想晶体。在实际晶体中，由于晶体的形成条件、原子热运动及加工条件等的影响，原子的排列并不像理想晶体那样规则和完整，某些区域的原子排列会受到干扰和破坏，这种区域称为晶体缺陷。根据几何形态不同，晶体缺陷可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。1．点缺陷点缺陷是指三维方向上的尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷。常见的点缺陷有晶格空位、间隙原子和置换原子，如图2-6所示。

（a）晶格空位

（b）间隙原子

（c）置换原子图2-6点缺陷由于晶格空位、间隙原子和置换原子的存在，原子间作用力的平衡被破坏，使其周围的其他原子发生靠拢或撑开的不规则排列，偏离晶体的结点位置，这种现象称为晶格畸变。在一定温度下，原子热运动的平均能量是一定的。但在某一瞬间，当某个原子具有足够高的能量时，就可摆脱晶格中相邻原子对它的束缚，脱离平衡位置，迁移到其他地方，这样在原来位置就形成了晶格空位。离位原子迁移到晶格间隙处便形成了间隙原子。若晶体中的异类原子具有足够高的能量，也可能会迁移到结点上形成置换原子。随着温度的升高，原子的热运动加剧，点缺陷也会增多。2．线缺陷线缺陷是指在某一方向尺寸较大而三维空间的其他两个方向尺寸很小的晶体缺陷，其具体形式是位错。位错是指晶体中一列或若干列原子发生了局部滑移而形成的缺陷。根据局部滑移的方式不同，位错主要有刃型位错和螺型位错两种形式。图2-7刃型位错位错密度是指单位体积晶体中所含的位错线的总长度。位错与晶体中的其他缺陷会发生交互作用，所以位错的存在对金属的很多性能都会产生重大影响。图2-8金属强度与位错密度的关系3．面缺陷面缺陷是指在晶体点阵的某两个方向上尺寸较大，而在第三个方向上尺寸很小，呈面状分布的晶体缺陷，主要包括晶界和亚晶界。晶界是不同位向晶粒之间的过渡区，晶界上的原子受相邻晶粒的影响处于折中位置，如图2-9（a）所示。小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界，如图2-9（b）所示。（a）晶界

（b）亚晶界图2-9晶界和亚晶界示意图三、金属的结晶与铸锭组织一般金属材料都要经过对矿产原料的熔炼、除渣、浇铸等作业后，凝固成铸锭或细粉，再通过各种加工得到成材或制件。掌握结晶过程和规律可以有效地控制金属的凝固条件，从而获得性能优良的金属材料。（一）结晶的条件纯金属的结晶常通过热分析法进行测量，即把纯金属置于坩埚内加热成均匀液体，然后使其缓慢冷却，在冷却过程中，观察记录温度随时间变化的数据，并将其绘制成曲线，此曲线称为冷却曲线，如图2-10所示。图2-10纯金属的冷却曲线（二）结晶的过程液态金属的结晶过程是一个晶核形成和长大的过程。液态金属结晶时，首先在液体中形成一些极微小的晶体，称为晶核，然后它们不断吸收周围的原子而长大。同时，液体中又会不断地产生新的晶核并逐渐长大，直至液态金属全部结晶。图2-11金属结晶过程示意图1．晶核的形成晶核的形成方式有自发形核和非自发形核两种。1）自发形核液态金属非常纯净时，冷却到结晶温度后会产生大量尺寸不同、短程有序的原子集团，称为晶胚。在理论结晶温度以上时，晶胚极不稳定、时聚时散，但当温度降低到结晶温度以下且达到足够大的过冷度时，某些大于一定尺寸的原子集团稳定下来，成为晶核。这种由液态金属本身的原子集团发展成一定尺寸晶核的过程称为自发形核或均匀形核。2）非自发形核实际金属中总会或多或少地存在一些杂质，当杂质的晶体结构和晶格参数与金属的相似或相当时，金属原子就会以杂质为基底形成晶核，这种形核方式称为非自发形核或非均匀形核。非自发形核在金属结晶过程中所需的过冷度比自发形核小得多，起优先和主导作用。2．晶体的长大晶体的长大方式有平面式长大和树枝状长大两种。1）平面式长大在冷却速度极小的情况下，纯金属晶体主要以其表面向前平行推移的方式长大。晶体沿不同方向的长大速度不同，沿原子最密排面的垂直方向的长大速度最慢。平面式长大使晶体获得表面为原子最密排面的规则形状，在实际金属的结晶中较为少见。2）树枝状长大当冷却速度较大，特别是存在其他固态微粒时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，这时金属晶体往往以树枝状的方式长大。图2-12枝晶生成过程示意图（三）晶粒大小的控制实际金属结晶后，一般都会形成由许多晶粒组成的多晶体。在多晶体中，晶粒的大小对金属力学性能的影响很大。一般来说，晶粒越细小，晶界越多，金属的强度就越高，塑性和韧性就越好。所以，细化晶粒是提高金属材料力学性能的一个重要途径。晶粒的大小与形核率和成长速度密切相关，影响形核率和成长速度的主要因素包括过冷度、非自发形核的固态微粒数及结晶环境等。因此，细化晶粒的主要方法有增大过冷度、变质处理和附加振动等。1．增大过冷度2．变质处理大型铸件外部表面的冷却速度快，而内部中心的冷却速度慢，用增大过冷度的方法无法使整个铸件都获得细小均匀的晶粒。对于这种铸件，可在液态金属中加入变质剂或孕育剂，增加非自发形核的数量或阻碍晶核的长大，从而达到细化晶粒、改善组织的目的，这种方法即为变质处理。3．附加振动在金属结晶过程中，对其采用机械振动、超声波振动、机械搅拌及电磁搅拌等方法，可使枝晶破碎、折断，这样不仅可以使已形成的晶粒因破碎而细化，而且破碎了的细小枝晶又可起到新晶核的作用，增加了晶核数量，达到细化晶粒的目的。（四）铸锭组织在实际生产中，液态金属是在铸锭模或铸型中凝固的，前者得到铸锭，后者得到铸件。如图2-14所示，钢锭的铸态组织由表面细晶粒层、柱状晶粒层和心部等轴晶粒区三层不同外形的晶粒组成。1—表面细晶粒层；2—柱状晶粒层；3—心部等轴晶粒区图2-14钢锭的铸态组织示意图1．表面细晶粒层表面细晶粒层的形成是由于金属液在刚浇入锭模时，模壁温度较低，表层金属迅速冷却，造成了较大的过冷度而产生大量晶核。表面细晶粒层组织致密，力学性能很好，但因其很薄，所以对整个铸锭性能影响不大。2．柱状晶粒层柱状晶粒层的形成主要是由于铸锭受垂直于模壁的散热方向影响所致。在表面细晶粒层形成以后，随着模壁温度的升高，金属液的冷却速度有所降低，过冷度减小，形核率下降，而晶核的成长速度相对较快，各晶粒便可以较快地长大。柱状晶粒层组织较致密，但有明显的各向异性。3．心部等轴晶粒区随着柱状晶的成长，通过已结晶的柱状晶区和模壁向外散热的速度越来越慢，剩余在锭模中部的液体温差也越来越小，散热方向性已不明显，而趋于均匀冷却的状态。综上所述，铸锭组织是不均匀且比较粗大的，还存在如缩孔、缩松、气孔、偏析、非金属夹杂等铸造缺陷。改变凝固条件可以改变各晶区的相对大小和晶粒的粗细，甚至获得只有两层或单独一个晶区所组成的铸锭。（五）金属的同素异构转变这种同一种金属在固态下随着温度的变化，由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的现象称为同素异构转变。由同素异构转变得到的不同晶格类型的晶体称为同素异构体。图2-15纯铁在结晶时的冷却曲线第二节

合金的晶体结构一、合金的基本概念（一）组元组元是指组成合金的最基本的、独立的物质。组元通常是组成合金的元素，如铁碳合金中的Fe和C、黄铜中的Cu和Zn等；也可以是稳定化合物，如碳钢中的Fe3C等。由2个组元组成的合金称为二元合金，由3个组元组成的合金称为三元合金，由3个以上组元组成的合金称为多元合金。（二）合金系合金系是指由给定组元按不同比例配制出的一系列成分不同的合金。例如，各种牌号的碳钢就是由不同铁、碳含量的合金所构成的铁碳合金系。（三）相相是指在合金中具有相同的成分、晶体结构及性能，并以界面相互分开的均匀组成部分。例如，固液共存系统中的相有固相和液相两种。合金结晶后可以是由一种相组成的单相合金，也可以是由若干种相组成的多相合金。（四）组织合金的组织是指由一种或多种相以不同的形态、尺寸、数量和分布形式而组成的综合体，通常需要在金相显微镜下进行观察。只有一种相组成的组织称为单相组织，由几种不同的相组成的组织称为多相组织。二、合金的相结构合金的性能取决于组织，而组织又取决于其组成相的性质。固态合金的基本相可分为固溶体和金属化合物两大类。（一）固溶体固溶体是指溶质原子溶入金属溶剂的晶格中所组成的合金相。两组元在液态下互溶，固态下也相互溶解，且形成均匀一致的物质。形成固溶体时，含量多者为溶剂，含量少者为溶质；溶剂的晶格即为固溶体的晶格。根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置的不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两种。1．置换固溶体

置换固溶体是指溶质原子置换溶剂中的部分原子，并占据溶剂晶格的某些节点位置所形成的固溶体，如图2-16（a）所示。2．间隙固溶体

间隙固溶体是指溶质原子填入溶剂晶格间隙中形成的固溶体，如图2-16（b）所示。（a）置换固溶体

（b）间隙固溶体图2-16固溶体的两种类型（二）金属化合物金属化合物是指合金组元相互作用形成的晶格结构和特性完全不同于任一组元的新相，一般可用分子式表示。金属化合物一般具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆。合金中含有金属化合物时，合金的强度、硬度会提高，而塑性、韧性会降低。图2-17渗碳体的晶体结构第三节

二元合金相图一、二元合金相图的建立由于合金成分中有两个以上的组元，因此其结晶过程比纯金属复杂得多，因此通常运用合金相图来分析合金的结晶过程。合金相图是表示合金系在平衡条件下，合金的相与温度、成分三者之间关系的图解，又称为平衡图或状态图。通过热分析法可以得到相图，现以Cu-Ni合金为例，说明二元合金相图的建立步骤。（1）配制若干成分不同的Cu-Ni合金，如表2-1所示。表2-1铜镍合金及其临界点（2）如图2-18（a）所示，测定每一合金在缓冷条件下的冷却曲线，得到转变开始和转变终了的临界点温度，其数据如表2-1所示。（3）建立一个以温度为纵轴，Ni的质量分数为横轴的直角坐标系。从横轴上的成分点向上作垂线，把临界点分别标在成分垂线上。（4）将转变开始点和转变终了点分别用平滑的曲线连接起来，根据已知条件和实际分析结果标上数字、字母和各区内相（或组织）的名称，便得到了一个完整的Cu-Ni二元合金相图，如图2-18（b）所示。（a）冷却曲线

（b）相图图2-18Cu-Ni合金的冷却曲线及合金相图二、二元合金相图的分析两组元在液态和固态均能无限互溶时所形成的二元合金相图称为匀晶相图，它是相图中最简单的一种。除此之外，还有二元共晶相图、二元包晶相图等。现以Cu-Ni二元匀晶合金相图为例进行分析。（一）合金的结晶过程图2-19铜镍合金结晶过程（二）枝晶偏析在平衡条件下结晶时，由于冷速缓慢，原子可充分进行扩散，能够得到成分均匀的固溶体。但在实际生产条件下，由于冷速较快（不平衡结晶），从液体中先后结晶出来的固相成分不同，使得一个晶粒内部化学成分不均匀，这种现象称为晶内偏析。由于固溶体一般都以树枝状方式结晶，先结晶的树枝晶轴含高熔点的组元较多；后结晶的晶枝间含低熔点组元较多，因此晶内偏析又称为枝晶偏析。通常冷却速度越大，实际结晶温度越低，原子扩散能力越弱，枝晶偏析越严重。（三）杠杆定律图2-20杠杆定律的应用复习思考题（详见课本）THEEND工程材料及

成形工艺基础第三章铁碳合金相图一铁碳合金的组元与基本组织二铁碳合金相图分析三铁碳合金相图的应用第一节

铁碳合金的组元与基本组织一、铁碳合金的组元铁碳合金中的主要组元有纯铁和渗碳体。（一）纯铁（二）渗碳体二、铁碳合金的基本组织在液态时，铁碳合金中的铁和碳可以无限互溶；在固态时，碳可以溶解在铁中形成固溶体，也可以与铁形成化合物，或者形成固溶体与化合物共存的混合物。（一）铁素体（二）奥氏体（三）珠光体（四）莱氏体第二节铁碳合金相图分析图3-1铁碳合金相图一、相图中的特性点表3-1铁碳合金相图中各特性点的温度、成分和含义二、相图中的特性线铁碳合金相图的特性线是不同成分合金具有相同意义相变点的连接线，代表了铁碳合金内部组织发生转变的界限。三、铁碳合金的结晶过程图3-2简化后的Fe-Fe3C相图根据碳的质量分数和室温显微组织不同，铁碳合金可以分为工业纯铁、钢和白口铸铁三大类，具体如下。（一）共析钢的结晶过程1点以上

1～2点

2～3点

3点～室温图3-3共析钢结晶过程示意图共析钢的室温组织全部为P，呈层片状，其室温下的显微组织如图3-4所示。图3-4共析钢室温下的显微组织（二）亚共析钢的结晶过程1点以上

1～2点

2～3点

3～4点

4点～室温图3-5亚共析钢结晶过程示意图图3-645钢室温下的显微组织（三）过共析钢的结晶过程1点以上

1～2点

2～3点

3～4点

4点～室温图3-7过共析钢结晶过程示意图图3-8过共析钢室温下的显微组织（四）共晶白口铸铁的结晶过程1点以上

1～2点

2点～室温图3-9共晶白口铸铁的结晶示意图共晶白口铸铁室温下的显微组织如图3-10所示，黑色部分为P，白色基体为渗碳体（共晶渗碳体和二次渗碳体混在一起，无法分辨）。图3-10共晶白口铸铁室温下的显微组织（五）亚共晶白口铸铁的结晶过程1点以上

1～2点

2～3点

3点～室温

图3-11亚共晶白口铸铁的结晶示意图图3-12亚共晶白口铸铁室温下的显微组织（六）过共晶白口铸铁的结晶过程1点以上

1～2点

2～3点

3点～室温图3-13过共晶白口铸铁的结晶示意图图3-14过共晶白口铸铁室温下的显微组织四、铁碳合金成分、组织和性能之间的关系图3-15铁碳合金的成分、组织及性能变化规律（一）含碳量对铁碳合金平衡组织的影响铁碳合金含碳量的变化，不仅会引起相的相对数量的变化，还会引起组织形态的变化，从而引起铁碳合金性能的变化。（二）含碳量对铁碳合金性能的影响第三节

铁碳合金相图的应用一、在选材方面的应用二、在铸造方面的应用三、在锻造方面的应用钢处于单相奥氏体状态时，塑性好、变形抗力小，便于锻造成形。因此，钢材在热轧、锻造时要加热到单相奥氏体区。始锻、始轧温度一般为1150～1250℃，温度不能太高，以免钢材氧化烧损严重；终锻、终轧温度一般为750～850℃，温度不能过低，以免钢材因塑性差而发生锻裂或轧裂。四、在焊接方面的应用焊接时，由于焊缝被快速加热，故从焊缝到母材各处的温度是不同的。温度不同，冷却后的组织、性能也不同。为了获得均匀一致的组织、性能，可通过焊后热处理来调整和改善。五、在热处理方面的应用复习思考题（详见课本）THEEND工程材料及

成形工艺基础第四章钢的热处理一热处理的基本原理二钢的整体热处理三钢的表面热处理四热处理新技术简介钢的热处理是在不改变工件形状和尺寸的条件下，通过改变工件内部的显微组织或工件表面的化学成分，从而得到所需性能的工艺方法，它是保证工件内在质量的重要工序。根据其在零件加工中的工序位置不同，热处理工艺可分为预备热处理和最终热处理。预备热处理：是指机械零件切削加工的一个中间工序，可消除材料内部缺陷，改善材料工艺性能，为后续加工成形或进一步热处理做组织和性能准备，如改善锻、轧、铸毛坯组织的退火、正火等工艺过程。最终热处理：是指使工件获得最终使用性能的热处理工艺，如使零件获得良好的综合力学性能的淬火、高温回火等工艺过程。根据工艺方法不同，热处理工艺可分为整体热处理、表面热处理和其他热处理。整体热处理：包括退火、正火、淬火、回火等。表面热处理：包括表面淬火和化学热处理。其他热处理：包括激光热处理、电子束热处理、可控气氛热处理、真空热处理、形变热处理、复合热处理等。任何一种热处理工艺都由加热、保温和冷却三个环节组成，其工艺过程可用热处理工艺曲线来表达，如图4-1所示。改变加热温度、保温时间和冷却速度都会在一定程度上改变材料的组织结构，从而影响材料的性能。图4-1钢的热处理工艺曲线示意图第一节热处理的基本原理一、钢在加热时的转变大多数热处理工艺都要将钢加热到相变温度（临界温度）以上，并保温一段时间，以获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。加热和保温时形成的奥氏体晶粒大小及成分均匀性对冷却转变过程及组织、性能都有极大影响。图4-2加热和冷却对相变温度的影响（一）奥氏体的形成奥氏体的形成遵循结晶过程的普遍规律，是一个形核和长大的过程。下面以共析钢为例来进行分析。共析钢奥氏体的形成过程一般包括奥氏体的形核、奥氏体的长大、残余渗碳体的溶解和奥氏体成分的均匀化4个阶段，如图4-3所示。（a）奥氏体的形核（b）奥氏体的长大（c）残余渗碳体的溶解（d）奥氏体成分的均匀化图4-3共析钢奥氏体的形成过程示意图1．奥氏体的形核奥氏体晶核优先在铁素体和渗碳体的界面上形成，其原因有三方面：①

界面处碳浓度分布不均匀，容易满足浓度起伏；②

界面上的原子排列不规则，原子的活动能力较强，容易满足结构起伏；③

界面上晶体缺陷密度较大，处于能量较高的状态，容易满足能量起伏。2．奥氏体的长大奥氏体晶核形成后，它的一侧与渗碳体相接，另一侧与铁素体相接。通过铁、碳原子的扩散，相邻的铁素体晶格将不断改组成奥氏体晶格，相邻的渗碳体将不断地向奥氏体中溶解。因此，奥氏体晶核将向铁素体和渗碳体两个方向不断长大。同时，新的奥氏体晶核也将不断形成并长大，直至铁素体全部转变为奥氏体为止。3．残余渗碳体的溶解由于渗碳体的晶体结构和含碳量与奥氏体相差较大，所以当铁素体全部消失后，仍有部分渗碳体尚未溶解，称为残余渗碳体。随着保温时间的延长，残余渗碳体将逐渐溶解，直至完全消失。4．奥氏体成分的均匀化残余渗碳体全部溶解后，奥氏体中的碳浓度是不均匀的，原来是渗碳体的区域碳浓度高，而原来是铁素体的区域碳浓度低。只有保温一段时间，通过碳原子的扩散，才能使奥氏体的成分趋于均匀。（二）奥氏体晶粒的长大与控制随着加热温度的升高和保温时间的延长，奥氏体晶粒会不断长大。奥氏体晶粒大小用晶粒度来表示，它是评定钢加热质量的重要指标之一。1．奥氏体晶粒度奥氏体晶粒大小用晶粒度来表示。目前，世界各国对钢铁产品几乎统一使用与标准金相图片相比较的方法来确定晶粒度的级别。晶粒度可分为8级，各级晶粒度的晶粒大小如图4-4所示。图4-4标准晶粒度等级示意图研究钢在热处理过程中奥氏体晶粒大小的变化时，需要区分以下三种不同概念的晶粒度。2．影响奥氏体晶粒度的因素加热温度和保温时间：加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒长得越大。通常，加热温度对奥氏体晶粒长大的影响比保温时间更显著。加热速度：加热温度确定后，加热速度越快，奥氏体晶粒越细小。因此，快速高温加热和短时保温是生产中常用的一种晶粒细化方法。含碳量：随着奥氏体中含碳量的增加，奥氏体晶粒长大的倾向增大。但当含碳量超过某一限度时，碳会以残余渗碳体的形式存在，阻碍晶界移动，从而使晶粒长大倾向减小。合金元素：若在钢中加入适量的Ti，Zr，V，Nb等元素，它们将在钢中形成高熔点的弥散碳化物和氮化物，阻碍奥氏体晶粒长大。二、钢在冷却时的转变钢经加热奥氏体化后，采用不同的方式冷却，将获得不同的组织和性能。所以，冷却过程是热处理的关键环节。1—等温冷却；2—连续冷却图4-5两种冷却方式示意图等温冷却：将已奥氏体化的钢迅速冷却到临界点以下的某一给定温度，进行保温，使其在该温度下发生组织转变。连续冷却：将已奥氏体化的钢以某种冷却速度连续冷却，使其在临界点以下的不同温度进行组织转变。（一）过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体在等温冷却条件下的转变称为过冷奥氏体的等温转变。过冷度和等温时间不同，过冷奥氏体的等温转变过程及转变产物也不相同。现以共析钢为例详细说明过冷奥氏体的等温转变。1．过冷奥氏体等温转变曲线过冷奥氏体等温转变曲线表示过冷奥氏体在不同过冷度下等温转变的过程中，转变时间、转变温度和转变产物之间关系的曲线图。因其形状与字母“C”相似，所以又称为C曲线，也称为TTT（Time，Temperature，Transformation）曲线。图4-6共析钢过冷奥氏体等温转变曲线图分析等温转变曲线图可知，图中有两条曲线、三条水平线、六个区域、一个特征和三种类型转变。两条曲线：左边曲线为等温转变开始线，右边曲线为等温转变终了线。三条水平线：A1线为稳定奥氏体与过冷奥氏体分界线；Ms线为上马氏体点，即过冷奥氏体转变为马氏体的开始温度；Mf线为下马氏体点，即过冷奥氏体转变为马氏体的终了温度。六个区域：A1线以上为奥氏体稳定区；A1线以下、转变开始线以左、Ms线以上为过冷奥氏体区，在此区域内，奥氏体不发生转变；两曲线之间为过冷奥氏体转变区，在此区域内，过冷奥氏体向珠光体或贝氏体转变；转变终了线以右为转变产物区；Ms线以下、Mf线以上为马氏体转变区；Mf线以下为马氏体和残余奥氏体两相共存区。一个特征：即“鼻尖”，C曲线上最突出、距纵坐标最近的部分。鼻尖以上或以下，随着温度的升高或降低，孕育期（过冷奥氏体转变之前所经历的时间）增长，过冷奥氏体稳定性增加；鼻尖处，过冷奥氏体的孕育期最短，最不稳定，最易分解，转变速度也最快。三种类型转变：分别是高温珠光体转变、中温贝氏体转变和低温马氏体转变。其中，高温珠光体转变和中温贝氏体转变属于等温转变，而低温马氏体转变则属于连续冷却转变。

（a）亚共析钢的等温转变图

（b）过共析钢的等温转变图图4-7亚共析钢和过共析钢的等温转变图2．过冷奥氏体等温转变产物1）珠光体型转变

（a）珠光体

（b）索氏体

（c）托氏体图4-8共析钢过冷奥氏体高温转变组织表4-1过冷奥氏体高温转变产物的形成温度及性能2）贝氏体型转变

图4-9上贝氏体形态

图4-10下贝氏体形态上贝氏体强度低，塑性、韧性差，易引起脆断，实用性差；下贝氏体具有较高的强度和硬度，良好的塑性和韧性，综合力学性能好，因此，生产中常采用下贝氏体强化金属的性能。（二）过冷奥氏体的连续冷却转变1．过冷奥氏体连续冷却转变曲线过冷奥氏体连续冷却转变曲线是表示在不同冷却速度下过冷奥氏体的转变量与转变时间关系的曲线图，又称为CCT（ContinuousCoolingTransformation）曲线。图4-11所示为共析钢连续冷却转变曲线图。图4-11共析钢连续冷却转变曲线图2．过冷奥氏体连续冷却转变产物板条马氏体由一束束平行排列的细板条组成，在光学显微镜下观察到的只是边缘不规则的块状，如图4-12所示。板条马氏体具有较高的硬度、强度及较好的塑性和韧性，综合力学性能较好。（a）板条马氏体显微组织（1000×）

（b）板条马氏体示意图图4-12板条马氏体的组织形态片状马氏体单个晶体的立体形态呈双凸透镜形的片状，观察金相磨片，其断面呈针状，整个组织是由长短不一的马氏体片组成的，如图4-13所示。片状马氏体具有比板条马氏体更高的硬度，但脆性较大，塑性和韧性较差。（a）片状马氏体显微组织（1500×）（b）片状马氏体示意图

图4-13片状马氏体的组织形态

第二节钢的整体热处理一、钢的退火退火是将钢加热到一定温度并保温一定时间后，缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得达到或接近平衡状态组织的热处理工艺。根据目的和工艺特点的不同，钢的退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火和再结晶退火等。各种退火的加热温度范围和工艺曲线如图4-14所示。（a）加热温度范围

（b）工艺曲线图4-14各种退火的加热温度范围和工艺曲线（一）完全退火（二）等温退火（三）球化退火（四）扩散退火（五）去应力退火（六）再结晶退火

再结晶退火是指将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使形变晶粒重新结晶为均匀的等轴晶粒，以消除形变强化和残余应力的退火工艺。二、钢的正火正火是指将钢加热到Ac3或Accm以上30～50℃，保温适当时间后，在空气中冷却的热处理工艺。正火的加热温度范围和工艺曲线如图4-14所示。正火与退火的主要区别是正火的冷却速度稍快，可以获得较细的索氏体（见图4-15），强度和硬度也较高。图4-15钢的退火（左）与正火（右）的组织比较正火的主要应用如下。（1）作为普通结构零件的最终热处理。（2）减少亚共析钢中的自由铁素体。（3）消除过共析钢的网状二次渗碳体，为球化退火做好组织准备。（4）对低、中碳结构钢进行预备热处理，可获得合适的硬度，降低塑性，克服粘刀现象，改善切削加工性。（5）消除中碳钢铸件、锻件的过热组织，细化晶粒，并为淬火做好组织准备。三、钢的淬火淬火是指将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间，然后以适当的速度冷却获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。淬火是钢最重要的强化方法。（一）淬火工艺1．淬火加热温度淬火加热温度是淬火工艺的主要参数。一般情况下，淬火加热温度应限制在临界点以上30～50℃范围内，如图4-16所示。图4-16碳钢的淬火加热温度范围2．淬火加热时间淬火加热时间是指达到加热温度和获得奥氏体均匀化的时间，包括升温和保温时间。加热时间不能过长，也不能过短，其受工件形状和尺寸、装炉方式、装炉量、加热炉类型、炉温和加热介质等影响。3．淬火冷却介质理想的淬火冷却介质应该能使零件通过快速冷却转变成马氏体，同时又不会引起太大的淬火应力。理想的冷却速度如图4-17所示。图4-17理想冷却曲线4．淬火方法常用的淬火方法有单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火等，如图4-18所示。1—单介质淬火；2—双介质淬火；3—分级淬火；4—等温淬火图4-18不同淬火方法示意图单介质淬火：是指奥氏体化后的工件在一种介质（水或油）中连续冷却至室温的淬火方法。此法操作简单，易于实现机械化和自动化，但淬火应力大，工件容易变形和开裂。对碳素钢而言，单介质淬火只适用于形状较简单的工件。双介质淬火：是指将工件奥氏体化后，先在冷却能力较强的介质中冷却，在组织即将发生马氏体转变时，立即转入冷却能力较弱的介质中冷却的淬火方法，如先水后油、先水后空气等。此方法可有效减少工件变形和开裂，但操作不好掌握，主要用于形状复杂的高碳钢件和尺寸较大的合金钢件。分级淬火：是指将奥氏体化后的工件浸入温度稍高于或稍低于Ms点的碱浴或盐浴中保持适当时间，在工件整体达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火方法，又称马氏体分级淬火。此方法显著降低了淬火应力，因而能更有效地减小或防止淬火工件的变形和开裂，主要用于尺寸较小的工件。等温淬火：是指将工件奥氏体化后，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，又称贝氏体等温淬火。此法淬火后应力和变形很小，工件强度高、韧性好，多用于形状复杂、尺寸较小的零件。（二）钢的淬透性钢的淬透性是指钢件在淬火时形成马氏体的能力，一般用圆柱体试样的淬硬层深度或沿截面的硬度分布曲线表示。淬硬性是指钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度，即硬化能力。它主要取决于马氏体的含碳量。一般来说，奥氏体的稳定性越好，形成马氏体所需要的临界冷却速度就越小，钢的淬透性也就越好。因此，凡是影响奥氏体稳定性的因素，如合金元素、碳含量、奥氏体化温度和钢中的第二相等，均影响钢的淬透性。四、钢的回火回火是指将淬火钢重新加热到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。回火一般在淬火后随即进行。淬火与回火常作为零件的最终热处理。回火可减小和消除淬火时产生的应力和脆性，防止和减小工件变形和开裂；获得所需的稳定组织，保证工件在使用中形状和尺寸不发生改变；获得工件所要求的使用性能。（一）淬火钢在回火时的转变一般淬火钢的室温组织是由马氏体和少量残余奥氏体组成的，两者均是不稳定组织。在A1以下不同温度重新加热时，将发生下列四个阶段的组织转变。马氏体的分解（小于200℃）残余奥氏体的分解（200～300℃）碳化物的转变（250～400℃）渗碳体的聚集长大与α相的再结晶（大于400℃）

图4-19回火马氏体

图4-20回火托氏体

图4-21回火索氏体碳钢在回火过程中马氏体碳含量、残余奥氏体量、淬火内应力以及碳化物尺寸的变化情况如图4-22所示。图4-22淬火钢在回火过程中的变化（二）淬火钢回火后的组织和性能表4-2回火的种类与应用第三节钢的表面热处理一、表面淬火表面淬火是一种常用的表面热处理，是指仅对工件表层进行淬火的工艺。它是利用快速加热，使工件表面很快达到淬火温度并奥氏体化，然后迅速冷却，使表层一定深度淬成马氏体组织，而心部仍为未淬火组织的一种局部淬火方法。根据加热方法的不同，表面淬火主要分为感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、激光加热表面淬火和电子束加热表面淬火等，其中最常用的是感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。（一）感应加热表面淬火感应加热表面淬火是指利用感应电流通过工件时所产生的热量，使工件表层、局部或整体加热并快速冷却的淬火工艺。图4-23感应加热表面淬火示意图根据通入感应器的交流电频率不同，感应加热表面淬火可分为高频、中频、工频三种，如表4-3所示。（二）火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是利用氧-乙炔火焰或氧-煤气火焰，使工件表面迅速被加热到淬火温度，随后喷水冷却的热处理工艺，如图4-24所示。图4-24火焰加热表面淬火示意图二、化学热处理化学热处理是指将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入其表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理的方法很多，包括渗碳、渗氮和碳氮共渗等。但无论哪种方法，都是通过以下三个相互衔接而又同时进行的基本过程来完成的。分解：化学介质在一定温度下分解，产生能够渗入工件表面的活性原子。吸收：活性原子被工件表面吸收，即活性原子溶入铁的晶格形成固溶体，或与钢中某元素形成化合物。扩散：被吸收的活性原子由工件表面逐渐向内部扩散，形成一定深度的扩散层。上述基本过程都与温度有关，温度越高，过程进行得越快，扩散层越厚，但温度过高会引起奥氏体晶粒粗化，使钢变脆。（一）渗碳渗碳是将钢件放入渗碳介质中加热、保温，使碳原子渗入工件表层，以增加钢件表层含碳量和获得一定碳浓度梯度的化学热处理工艺。气体渗碳是指工件在气体渗碳介质中进行渗碳的工艺。图4-25气体渗碳示意图（二）渗氮渗氮也称为氮化，是指在一定温度下（一般在Ac1温度以下）使活性氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。其目的是提高零件表面的硬度、耐磨性、抗疲劳强度、热硬性和耐蚀性等。常用的渗氮工艺有气体渗氮和离子渗氮。气体渗氮：将氨气通入加热至渗氮温度（500～570℃）的密封渗氮罐中，高温下氨气分解出活性氮原子，被工件表面吸附并向内扩散，形成一定深度的渗氮层。离子渗氮：将零件置于充有氨气或氮氢混合物的真空炉中，零件作为阴极，炉壁作为阳极，并在阴极与阳极之间加上800～1000V的直流电压。在高压电场的作用下，零件周围的氨气电离为氮正离子和氢电子，氮正离子在电场的作用下高速冲击并深入工件表面，工件表面温度升至500～700℃，形成氮化层。（三）碳氮共渗碳氮共渗是将碳、氮同时渗入工件表层的化学热处理工艺，又称为氰化。目前常采用气体碳氮共渗，通常将零件放入密闭的炉中加热，通入氨气并滴入煤油。氨气中分解出来的活性氮原子和煤油中分解出来的活性碳原子同时被工件表面吸附并扩散，形成化合物层。碳氮共渗若在高温下进行，则以渗碳为主；若在较低温度下进行，则以渗氮为主。第四节热处理新技术简介一、激光热处理激光热处理可实现表面淬火、局部表面硬化和表面合金化，它具有以下几方面优点。功率密度高，加热、冷却速度极快，无氧化脱碳，可实现自激冷淬火。应力和变形小，表面光亮，不需再进行表面精加工。可以在零件选定表面局部加热，解决拐角、沟槽、盲孔底部、深孔内壁等一般热处理工艺难以解决的强化问题。生产效率高，易实现自动化，无需冷却介质，对环境无污染。二、电子束热处理电子束热处理是利用电子枪发射的电子束轰击金属表面，将能量转换为热能进行热处理的方法。在电子束热处理过程中，工件表面的加热速度和冷却速度都很快，奥氏体化时间很短，能够获得超细晶粒组织，这是电子束表面淬火最大的特点。电子束热处理需要在真空下进行，避免了氧化、渗氮的不利影响，可获得更好的表面质量和组织，但可控制性较差，而且需要注意X射线的防护。三、可控气氛热处理可控气氛热处理是在成分可控制的炉气中进行的热处理。其目的是为了有效地进行渗碳、碳氮共渗等化学热处理，或防止工件加热时的氧化、脱碳，还可用于低碳钢的光亮退火及中、高碳钢的光亮淬火。四、真空热处理与常规热处理相比，真空热处理有以下几方面优点。可实现不氧化、不脱碳，去掉工件表面的鳞屑，使表面光洁美观。升温速度慢，工件变形小。可显著提高疲劳强度、耐磨性和韧性。表面氧化物、油污在真空加热时分解，被真空泵排出，劳动条件好。五、形变热处理形变热处理是将塑性变形与热处理有机结合的复合工艺。它能同时发挥形变强化和相变强化的作用，提高材料的强韧性，而且还可简化工序、降低成本，减少能耗和材料烧损。形变热处理包括高温形变热处理和低温形变热处理。（一）高温形变热处理将钢加热到奥氏体区内后进行塑性变形，然后立即淬火、回火的热处理工艺称为高温形变热处理，又称高温形变淬火，如热轧淬火、锻热淬火等。（二）低温形变热处理将钢加热到奥氏体区后急冷至Ar1以下，进行大量塑性变形，随即淬火、回火的工艺称为低温形变热处理，又称亚稳奥氏体的形变淬火。低温形变热处理与普通热处理相比，在保持塑性、韧性不降低的情况下，可大幅度提高钢的强度和耐磨性。此工艺适用于具有较高淬透性、较长孕育期的合金钢。六、复合热处理复合热处理是指将两种或多种热处理工艺复合或者是将热处理与其他加工工艺复合的热处理工艺，从而使零件获得单一热处理方法难以达到的性能。常用的复合热处理大多与表面热处理有关，大致可以分为以下几类。（1）整体热处理与表面热处理复合的热处理技术，如整体淬火与氮化处理、等温淬火与氮化处理等。（2）表面热处理相互复合的热处理技术，如氮化与高频淬火等。（3）化学热处理与涂层相复合，如渗氮和物理气相沉积相复合。（4）电镀与热处理相复合，如电镀热处理、锌浴淬火等。采用复合热处理可使工件获得理想的优异性能，同时还可以节约能源、降低成本、提高生产效率。复习思考题（详见课本）THEEND工程材料及

成形工艺基础第五章机械工程材料一钢材二铸铁三有色金属及其他材料第一节

钢

材一、钢的分类与牌号（一）钢的分类

根据《钢分类》（GB/T13304—2008）的规定，钢的常用分类方法如下。1．按化学成分分类根据化学成分不同，钢可分为非合金钢、低合金钢、合金钢。表5-1非合金钢、低合金钢和合金钢中合金元素规定含量界限值（摘自GB/T13304—2008）2．按主要质量等级分类按主要质量等级不同，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；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；合金钢可分为优质合金钢和特殊质量合金钢。（二）钢的牌号1．钢铁材料编号的表示方法根据GB/T221—2008《钢铁产品牌号表示方法》规定，钢铁产品牌号通常采用大写汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。不同类型钢及其牌号的表示方法如表5-2所示（详见课本）。2．钢铁牌号统一数字代号体系国家标准GB/T17616—2013对钢铁及合金产品牌号规定了统一数字代号，与现行的GB/T221—2008钢铁产品表示方法同时并用，两种方法均有效，相互对照。统一数字代号由固定的6位符号组成，左边第1位用大写拉丁字母作前缀（一般不使用“I”和“O”），后接5位阿拉伯数字。每个统一数字代号只适用于一个产品牌号。图5-1统一数字代号的结构形式二、钢中的残存元素和合金元素（一）残存元素对钢性能的影响1．锰和硅锰和硅来源于炼钢原料生铁和脱氧剂锰铁、硅铁等，它们是钢中的有益元素。锰和硅能溶于铁素体中产生固溶强化，提高钢的强度和硬度。锰具有一定的脱氧和脱硫能力，可减轻硫的有害影响，改善钢材的加工性能；硅能与钢液中的FeO生成炉渣，消除其对钢质量的影响。作为杂质元素，非合金钢中，锰、硅的含量分别控制在0.8%和0.5%以下。2．硫和磷硫和磷是在炼钢时由矿石和燃料带入的，在钢中都是有害元素。在液态下，钢中能溶解大量的硫；但在固态下，钢与硫几乎是不溶的。在固态和液态下，钢中都能溶解磷。3．氢、氮和氧钢在冶炼过程中一般均与空气接触，会或多或少地吸收一些气体，如H2，N2，O2等。高温时，钢液中溶解的气体量较多；随着温度的下降，钢液溶解气体的能力急剧下降，多余的气体便从钢液中逸出，来不及逸出的气体则留在钢中使钢变脆。（二）合金元素对钢性能的影响在钢中加入合金元素，能够改变钢的使用性能和工艺性能，得到更优良或具有特殊性能的钢。合金元素对钢的影响主要有以下几方面。1．对钢中基本相的影响通常钢的基本相为铁素体和渗碳体，大多数合金元素的主要存在形式是溶入铁素体或渗碳体以及形成合金碳化物。1）强化铁素体大多数合金元素都能不同程度地溶入铁素体，引起铁素体晶格畸变，产生固溶强化作用，使铁素体的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，如图5-2所示。（a）对硬度的影响

（b）对韧性的影响图5-2合金元素对铁素体力学性能的影响2）形成碳化物某些合金元素会与碳发生反应形成碳化物，如Fe，Mn，Cr，Mo，W，V，Nb，Zr，Ti等（按与C的亲和力由弱到强排列），这些元素称为碳化物形成元素。而与C亲和力很弱，无法形成碳化物的元素，如Ni，Si，Al，Co，Cu等，称为非碳化物形成元素。当碳化物以微细质点分布于基体上时，会产生弥散强化作用，且合金碳化物有极高的硬度和熔点，可显著提高钢的耐磨性和耐热性。此外，难熔的稳定碳化物分布在奥氏体晶界上，可有效地细化晶粒，改善钢的性能。2．对Fe-Fe3C相图的影响1）改变奥氏体区的范围添加Mn，Ni，Co，Cu等元素，可使Fe-Fe3C相图的A3线向左下方移动，A1线降低，扩大奥氏体单相区，如图5-3（a）所示。当钢中含有大量这类元素时，可在室温下形成单相奥氏体组织，称为奥氏体钢，如Mn13耐磨钢和06Cr19Ni10奥氏体不锈钢等。添加Cr，Mo，W，Ti，V，Al，Si等元素，可使Fe-Fe3C相图的A3线向左上方移动，A1线升高，缩小奥氏体单相区，如图5-3（b）所示。2）改变S，E点的位置

绝大多数合金元素均使Fe-Fe3C相图的S，E点左移。S点左移，表明共析点的含碳量降低。（a）Mn的影响

（b）Cr的影响图5-3合金元素Mn，Cr对Fe-Fe3C相图的影响3．合金元素对钢热处理的影响1）合金元素对钢加热转变的影响合金钢奥氏体化的基本过程与非合金钢一样，也包括晶核的形成、长大及碳化物的溶解和均匀化等过程，而这些过程基本上是由碳的扩散来控制的。图5-4合金元素对C曲线的影响2）合金元素对钢冷却转变的影响合金元素（除Co外）固溶于奥氏体中，能不同程度地阻碍碳的扩散，使奥氏体稳定性增加，C曲线右移，增大钢的淬透性，如图5-4（a）所示。Cr，Mo，W等碳化物形成元素，不但可使C曲线右移，还可使C曲线分离成两个鼻尖，如图5-4（b）所示，上部为珠光体转变区，下部为贝氏体转变区，两区之间的过冷奥氏体有较大的稳定性。3）合金元素对钢回火转变的影响提高回火稳定性：钢在回火时抵抗软化的能力称为钢的回火稳定性或耐回火性。大多数合金元素（尤其是强碳化物形成元素）对原子扩散起阻碍作用，可延缓回火时的组织转变。产生二次硬化：含有较多W，Mo，V等碳化物形成元素的合金钢，在回火温度升高到500～600℃时，其硬度并不降低，反而升高，这种回火时硬度升高的现象称为二次硬化，如图5-5所示。图5-5合金钢的二次硬化示意图三、非合金钢非合金钢价格低廉，工艺性能好，力学性能能满足一般工程和机械制造的使用要求，是工业生产中用量最大的工程材料。（一）碳素结构钢碳素结构钢冶炼简单，价格低廉，具有良好的塑性、韧性及焊接性能，但强度不高。碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能及用途如表5-3所示（详见课本P80）。（二）优质碳素结构钢优质碳素结构钢中的有害杂质磷、硫受到严格限制，非金属夹杂物含量较少，塑性和韧性较好，一般须经热处理后使用，主要用于制作较重要的机械零件。优质碳素结构钢的牌号、主要成分、热处理、性能及用途如表5-4所示（详见课本P81）。（三）碳素工具钢碳素工具钢的含碳量为0.65%～1.35%，其成本低，耐磨性和加工性较好，但热硬性差、淬透性低，只适于制作尺寸不大、形状简单的低速刃具，以及对热处理变形要求低的一般模具和低精度量具等。碳素工具钢使用前要进行热处理，碳素工具钢的牌号、化学成分、热处理、性能及用途如表5-5所示，（详见课本P82）。（四）工程用铸造碳钢许多形状复杂的零件很难通过锻压等方法加工成形，使用铸铁制造性能又难以满足要求，此时可选用铸钢件。铸钢在重型机械、运输机械、国防等部门应用较多，如水压机横梁、机车车架、大型齿轮等。一般工程用铸造碳钢件的牌号、化学成分、力学性能及用途如表5-6所示，（详见课本P83）。四、低合金钢低合金钢是在非合金钢的基础上有目的地加入少量合金元素所形成的钢。低合金钢主要包括低合金高强度结构钢、低合金耐候钢和低合金专业用钢等。其中，低合金高强度结构钢的用途最广、产量最大。低合金高强度结构钢的碳含量较低，一般小于0.2%，可获得良好的塑性、焊接性和冷变形能力。钢中合金元素含量小于3%，常加入的元素有Si，Mn，Ti，Nb，V等。此外，加入少量Cu和P等，可提高钢的抗腐蚀性能；加入少量稀土元素，可以脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能。低合金高强度结构钢大多在热轧空冷状态下使用，不需要进行专门的热处理。在有特殊需要时，如为了改善焊接区性能，可进行一次正火处理。使用状态下的显微组织一般为铁素体+细珠光体（索氏体）。低合金高强度结构钢的牌号、化学成分、力学性能及用途如表5-7所示，（详见课本P85）.五、合金钢根据所含主要合金元素不同，合金钢可分为铬钢、铬镍钢、锰钢、硅钢和硅锰钢等；根据正火或铸造态组织不同，合金钢可分为珠光体钢、马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢和莱氏体钢等；根据用途不同，合金钢可分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。这种分类方法最方便，也最常用。（一）合金结构钢合金结构钢主要用于制造各种工程结构和机械零件，是合金钢中用途最广、用量最大的一类钢，主要包括合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、轴承钢等。合金渗碳钢是经过渗碳处理后使用的低碳合金结构钢，具有“面硬、心韧、耐磨”的特点，主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。1．合金渗碳钢1）成分特点合金渗碳钢的含碳量较低，一般为0.1%～0.25%，可保证零件心部有足够的塑性和韧性。常加入Cr，Ni，Mn，B等合金元素，其作用是提高淬透性，使钢经渗碳、淬火后心部得到低碳马氏体组织，以提高心部的强度和韧性。2）热处理特点合金渗碳钢的热处理工艺一般都是渗碳后直接淬火，再低温回火。对渗碳时容易过热的钢，如20Cr，20Mn2等，渗碳之后需先正火，以消除过热组织，然后再进行淬火、低温回火。3）常用钢种低淬透性渗碳钢：含合金元素较少，淬透性低，心部强度较低，主要用于受冲击力较小、截面尺寸不大的耐磨件。中淬透性渗碳钢：具有良好的力学性能和工艺性能，淬透性较高，常用于制造承受高速、中载，要求抗冲击和耐磨损的零件。高淬透性渗碳钢：含有较多的Cr，Ni等合金元素，淬透性高，甚至空冷也能得到马氏体组织，心部具有很好的韧性，特别是低温冲击韧性，主要用于制造承受重载荷、要求高强韧性和耐磨性的大型零件。2．合金调质钢合金调质钢是经调质后使用的合金钢。经调质后，这类钢具有良好的综合力学性能，广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其他机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。1）成分特点合金调质钢的含碳量一般为0.25%～0.5%，以0.4%居多，即中碳。含碳量过低，不易淬硬，回火后强度不够；含碳量过高，则韧性不足。2）热处理特点合金调质钢在锻造成形后，会产生应力及组织缺陷。为改善钢的切削加工性能，细化晶粒，并为最终热处理做好准备，在粗加工前，应进行预备热处理。当原始组织为珠光体时，预备热处理可采用正火或退火；当原始组织为马氏体时，预备热处理可采用正火+高温回火。对于不仅要求有良好的综合力学性能，而且要求局部表面具有高硬度、高耐磨性的零件，可在调质后进行感应加热表面淬火或氮化处理。3）常用钢种按淬透性高低，合金调质钢可分为低淬透性调质钢、中淬透性调质钢和高淬透性调质钢三类。低淬透性调质钢：含合金元素较少，淬透性低，经调质后，强度比碳钢高，工艺性能较好，广泛用于制造一般尺寸的重要零件。中淬透性调质钢：含合金元素较多，淬透性较高，调质后强度高，主要用于制作截面较大、承受较大载荷的零件。高淬透性调质钢：多数含有Cr，Ni两种合金元素，淬透性高，调质后强度和韧性好，主要用于制作截面较大、承受重载荷的重要零件。常用合金调质钢的牌号、化学成分、热处理、性能及用途如表5-9所示，（详见课本P88）。3．合金弹簧钢合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。1）成分特点为了保证高的弹性极限和疲劳强度，合金弹簧钢的含碳量一般为0.45%～0.7%。含碳量过高，会使塑性、韧性下降，疲劳强度也会降低。2）热处理特点（1）热成形弹簧。当弹簧直径或板簧厚度大于10mm时，常采用热态下成形，即将弹簧钢加热至比正常淬火温度高50～80℃进行热卷成形，然后利用余热淬火，再进行中温回火，获得回火托氏体，其硬度为40HRC～48HRC，具有较高的弹性极限、疲劳强度和一定的塑性与韧性。（2）冷成形弹簧。当弹簧直径或板簧厚度小于10mm时，常采用冷拉弹簧钢丝成形。按制造工艺不同，冷拉弹簧钢丝可分为以下三种。铅淬冷拉钢丝：将钢丝坯料奥氏体化后，在熔铅中保温，获得索氏体，然后经多次冷拔至所需直径。钢丝冷卷成弹簧后，只进行一次200～300℃低温去应力退火即可。油淬回火钢丝：将钢丝冷拔至规定尺寸后，进行油淬和中温回火，冷卷成弹簧后，进行一次200～300℃低温去应力退火即可。退火钢丝：此种钢丝是在退火状态供应的。钢丝经冷卷成弹簧后，应进行淬火和中温回火。3）常用钢种常用弹簧钢的牌号、化学成分、热处理、力学性能及用途如表5-10所示，（详见课本P91）。其中，60Si2Mn钢是性价比高、最常应用的合金弹簧钢；50CrVA钢淬透性高，主要用于大截面、承受重载荷及工作温度较高的阀门弹簧。4．轴承钢轴承钢主要用于制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）和内、外套圈等，属于专用结构钢。滚动轴承工作时承受很大的局部交变载荷，滚动体与套圈间接触应力极大，轴承工作表面易产生接触疲劳破坏和磨损。因此，要求轴承钢具有高的硬度、耐磨性、弹性极限和接触疲劳强度，足够的韧性和耐蚀性。1）成分特点为了保证高硬度、高耐磨性和高强度，轴承钢的含碳量较高，一般为0.9%～1.10%。轴承钢中的主要合金元素为Cr，其质量分数为0.4%～1.65%。Cr可提高钢的淬透性，并使钢热处理后形成细小、弥散分布的合金渗碳体，提高钢的耐磨性、强度、接触疲劳强度。轴承钢对P，S的质量分数要求很严格，因为它们的存在会降低钢的疲劳强度，影响轴承的使用寿命。2）热处理特点轴承钢的热处理工艺主要为球化退火、淬火和低温回火。球化退火为轴承钢的预先热处理，它不仅可以降低锻造后钢的硬度，以利于切削加工，而且为零件的最终热处理做好组织准备。淬火和低温回火是轴承钢的最终热处理，其淬火温度要求十分严格。对于精密轴承，必须保证在长期存放和使用中不变形。3）常用钢种常用轴承钢的牌号、化学成分、退火硬度及用途如表5-11所示（详见课本P93）。其中，GCr15的使用量最大。它多用于制造中、小型轴承，也常用来制造冷冲模、量具和丝锥等。（二）合金工具钢合金工具钢专门用于制造各种加工工具，按用途可分为合金刃具钢、合金模具钢和合金量具钢等。1．合金刃具钢合金刃具钢主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、钻头等。刃具工作时，刃部与切屑、毛坯间产生强烈摩擦，使刃部磨损，并产生高温；此外，刃具还承受一定的冲击和振动。因此，对刃具要求具有高的硬度、耐磨性、热硬性、足够的塑性和韧性等。合金刃具钢主要分为低合金刃具钢和高速钢两类。1）低合金刃具钢低合金刃具钢主要用于低速切削，工作温度一般不超过300℃，常用于制造截面较大、形状复杂、切削条件较差的刃具，如搓丝板、丝锥、板牙等。（1）成分特点。低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素形成的，其含碳量为0.75%～1.5%，以保证钢的高硬度和耐磨性。（2）热处理特点。低合金刃具钢的加工过程是球化退火→机加工→淬火和低温回火。淬火温度应根据工件形状、尺寸及性能要求严格控制，一般都要预热。（3）常用钢种。常用低合金刃具钢的牌号、化学成分、热处理、性能及用途如表5-12所示（详见课本P94）。其中，9SiCr钢应用最广泛，它具有高的淬透性和回火稳定性，使用温度可达250～300℃，可用于制造各种低速切削的刃具，如板牙、丝锥等，也常用作冷冲模。2）高速钢高速钢用于高速切削，工作温度可高达500～600℃。高速钢的热硬性和耐磨性均优于碳素工具钢和低合金刃具钢，应用广泛。（1）成分特点。高速钢的含碳量较高，一般为0.70%～1.50%，以保证获得高碳马氏体和形成足够的合金碳化物，提高钢的硬度、耐磨性和热硬性。（2）热处理特点。①退火。高速钢的预备热处理是球化退火，其目的是降低硬度，以便于切削加工，并为淬火做好组织准备。②淬火和回火。高速钢的导热性差，为减小淬火加热时的热应力，防止变形和开裂，必须在800～850℃预热，待整个工件截面上的温度均匀后，再加热到淬火温度。高速钢淬火、回火后的组织为回火马氏体+粒状碳化物+少量残余奥氏体，其硬度为63HRC～65HRC。（3）常用钢种。常用高速钢的牌号、化学成分、热处理、性能及用途如表5-13所示（详见课本P95）。其中最重要的有两种，一种是钨系W18Cr4V钢，另一种是钨-钼系W6Mo5Cr4V2钢。两种钢的组织、性能相似，其各自的主要特点是：W18Cr4V钢的热硬性较好，热处理时的脱碳和过热倾向性较小；W6Mo5Cr4V2钢的耐磨性、高温塑性和韧性较好。2．合金模具钢合金模具钢主要用来制造各种模具。按使用条件不同，合金模具钢可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢等。1）冷作模具钢冷作模具钢用于制造冷冲模、冷镦模、冷挤压模、拔丝模等。这类模具工作时，因坯料冷态下的变形抗力大，模具要承受很大的载荷和冲击、摩擦作用，工作温度一般低于200℃，主要失效形式有磨损、变形和断裂。（1）成分特点。冷作模具钢的含碳量高，多在1.0%以上，有时达2.0%，以保证高硬度和高耐磨性。（2）热处理特点。冷作模具钢的热处理有一次硬化法和二次硬化法。一次硬化法是在较低温度（950～1000℃