金属材料热处理教材

目录

绪论

纵观人类得文明史，从某种意义上说就就是一部人类认识材料与使用材料得发展史。从

远古到现代，人类从最初得石器时代已经发展到了当今得人工合成材料时代。在人类使用得

众多材料中,金属材料由于其所特有得各种优异性能，被广泛地应用于生活与生产当中，就是

现代工业与科学技术领域不可缺少得重要材料。

作为一名机械行业得技术工人，从手中得工具到加工得零件,每天都要与各种各样得金属

材料打交道，为了能够正确地认识与使用金属材料，合理地确定不同金属材料得加工方法，充

分发挥材料得潜力，就必须熟悉金属材料得牌号，了解它们得性能与变化规律。为此,我们需

要比较深入地学习与了解金属材料得相关知识，金属材料与热处理正就是这样一门研究金属

材料得成分、组织、热处理与金属材料性能之间得关系与变化规律得学科。

本课程得基本内容与学习特点如下：

本课程得主要内容包括金属材料得基本知识、金属得性能、金属学基础知识与热处理得

基本知识等。

所谓金属，就是指由单一元素构成得具有特殊得光泽、延展性、导电性、导热性得物质，

如金、银、铜、铁、锌、锌、铝等。而合金就是指由一种金属元素与其她金属元素或非金属

元素通过熔炼或其她方法合成得具有金属特性得材料。金属材料就是金属及其合金得总称，

即指金属元素或以金属元素为主构成得，并具有金属特性得物质。

金属材料得基本知识主要介绍金属得晶体结构及变形得相关知识;金属得性能主要介绍

金属得力学性能与工艺性能;金属学基础知识讲述了铁碳合金得组织及铁碳合金相图；金属

材料讲述了碳素钢、合金钢、铸铁、有色金属及硬质合金等金属材料得常用牌号、成分、组

织、性能及用途。热处理基本知识讲述热处理得原理（钢在加热、保温、冷却时得组织转变）

与热处理得工艺1退火、正火、淬火、回火、表面热处理等）及常用材料得典型热处理工艺。

金属材料与热处理就是一门从生产实践中发展起来得，又直接为生产服务得专业基础课，具有

很强得实践性;另一方面，由于金属材料得种类繁多，其性能又千变万化，学习起来有一定得难

度。但只要弄清楚重要得概念与基本理论，按照材料得成分与热处理决定其组织，组织决定其

性能，性能又决定其用途这一内在关系进行学习与记忆;注意理论联系实际，认真完成作业与

实验等教学环节，就是完全可以学好这门课程得。

篁「宣

金属材料得性能

材料得性能就是零件设计中选材得主要依据,也就是技术工人在加工过程中合理选择加

工方法、正确刃磨刀具几何参数、合理选择切削用量得重要保证。

§1—1

金属材料得损坏与塑性变形

在生产中,机器零件得性能往往达不到理想要求,许多零件在使用过程中会发生损坏,不

但严重影响生产,甚至造成人身事故。机械零件在使用中常见得损坏形式有变形、断裂及磨

损等，见表2—1。

表2—1机械零件常见得损坏形式

分类图样说明

零件在外力作用下形状与尺寸所发生得变化称为变形。

变形分为弹性变形与塑性变形。弹性变形就是指外力消

变形

螺栓发生弯曲除后能够恢复得变形;塑性变形就是指外力消除后无法恢复

得永久性变形。造成零件损坏得变形，通常就是指塑性变形

断裂零件在外力作用下发生开裂或折断称为断裂

因摩擦而使零件尺寸、表面形状与表面质量发生变化得现象

磨损

螺纹前端齿牙磨损称为磨损

另外，塑性变形还有有利得一面，可以作为零件成形与强化得重要手段。工业上使用得

大部分金属产品,一般都就是先浇注成铸锭后,再经过压力加工制成得,如图2—1所示。

扎制挤压冷拔锻压冷冲压

图2T压力加工方法示意图

上述加工得目得不仅在于使产品成形，更重要得就是为了改善其^织与性能。了解金属

变形得规律对理解金属材料力学性能指标得物理意义，以及在生产中针对不同金展材料选择

合

理得强化手段,具有非常重要得意义。

一'与变形相关得几个概念

1、载荷

金属材料得变形通常就是在外力作用下发生得，金属材料在加工及使用过程中所受得外

力称为载荷。根据载荷作用性质得不同，载荷可分为静载荷、冲击载荷与交变载荷三种、

（1）静载荷指大小不变或变化过程缓慢得载荷。

（2）冲击载荷在短时问内以较高速度作用于零件上得载荷。

（3）交变载荷指大小、方向或大小与方向随时间发生周期性变化得载荷。

根据作用形式不同，载荷又可分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷与扭转载

荷等，如图2—2所不。

a）拉抻载荷b）压缩载荷c）弯曲载荷d）剪切载荷e）扭转载荷

2、内力

工件或材料在受到外部载荷作用时、为使其不变形,在材料内部产生得一种与外力相对

抗得力，称为内力。这种内力得大小与外力相等，并作用于材料内部（注意:外力与内力有别

于作用力与反作用力）。

3、应力

同样材料、不同直径得螺栓在相同拉力作用下，细得可能拉断，粗得则可能没有拉断。

因此,金属材料得力学性能只凭外力得大小就是无法判定得。为此,在假设作用在零件横截面

上得内力大小就是均匀分布得情况下，采用单位横截面面积上得内力一一应力来加以判定。

材料受拉伸或压缩载荷作用时,其应力按下式计算：

式中一一应力,，，当面积以为单位时,则应力可以为单位，；

----外力，；

----横截面面积，。

二、金属得变形

金属在外部载荷作用下,首先发生弹性变形,载荷增加到一定值后,除了发生弹性变形外,

还发生塑性变形，即弹一一塑性变形。继续增加载荷，塑性变形也将逐渐增大,直至金属发生

断裂。即金属在外力作用下得变形可分为弹性变形、弹一一塑性变形与断裂三个连续得阶段。

弹性变形后,当外力消除后变形消失，金属恢复到原来得形状,因此,金属弹性变形后其

组织与性能将不发生变化。

三、金属材料得冷塑性变形与加工硬化

金属材料得冷塑性变形，在外形变化得同时，晶粒得形状也会发生变化。通常晶粒会沿

变形方向压扁或拉长,如图2—3所示。冷塑性变形除了使晶粒得外形发生变化外,还会使晶粒

内部得位错密度增加，晶格畸变加剧，从而使金属随着变形量得增加，其强度、硬度提高，而

塑性、韧性下降，这种现象称为“形变强化”或“加工硬化”。

阅读

日常生活中得许多金属结构件，都就是通过形变强化来提高其性能得。如汽车、洗

衣机、电器箱得外壳等,在通过冲压成形得同时也提高了其强度、安全性与使用寿命。

形变强化就是一种重要得金属强化手段，对那些不能用热处理强化得金属尤为重要:此

外，它还可使金属具有偶然抗超载得能力。塑性较好得金属材料在发生变形后，由于形变强

化得作用，必须承受更大得外部载荷才会发生破坏,这在一定程度上提高了金属构件在使用

中得安全性。如压力容器得灌底总就是做成向内凸起得形状，其目得就就是当内部压力过大

时，可在灌底先产生塑性变形而不致突然破裂。

但另一方面金属发生加工硬化也会给金属得切削加工或进一步变形加工带来困难。为了

改善发生加工硬化金属得加工条件,生产中必须进行中间热处理，以消除加工硬化带来得不

利影响。如变形量较大得冷拉成形容器，在拉伸过程中要通过多次拉伸、再结晶退火与再拉

伸，就足为了避免塑性变形过程中得加工硬化而造成开裂。

提示

塑性变形除了影响力学性能外,还会使金属得物理性能与化学性能发生变化,如电阻增加,化学

活性增大,耐蚀性降低等。

§1—2

金属得力学性能

任何机械零件或工具在使用过程中往往要受到各种形式外力得作用。如起重机上得钢索

受到悬吊物拉力得作用;柴油机上得连杆在传递动力时,不仅受到拉力得作用,而且还受到冲

击力得作用，轴类零件要受到弯矩、扭力得作用等。这就要求金属材料必须具有一种承受机

械载荷而不超过许可变形或不破坏得能力,这种能力就就是材料得力学性能。金属表现出来

得诸如强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等特征,就就是金属材料在外力作用下表现

出得力学性能指标、

一、强度

金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂得能力称

为强度。强度得大小用应力表示。

根据载荷得作用方式不同，强度可分为抗拉强度、抗

压强度、抗剪强度、抗扭强度与抗弯强度。通常以抗拉

强度代表材料得强度指标。

抗拉强度就是通过拉伸实验测定得。它利用拉伸试

验机（图21）产生得静拉力，对标准试样进行轴向拉

伸，同时连续测量变化得载荷与试样得伸长量,直至断裂,

并根据测得得数据计算出有关得力学性能指标。

1、拉伸试样

拉伸试样有圆形、矩形、六方等形状，在国家标准

（GB/T228—2002）中规定了试样得形状、尺寸及加工要

求等，图2—5所示为圆形拉伸试样。图2-4拉伸试验机

图2—5拉伸试样

a）拉伸b）拉伸后

图中，为试样直径,为标距长度。标准拉伸比例试样得比例系数，即；当以此比例系数获

得得原始标距长度小于15nmi时，应优先选用

得比例试样

2、力一伸长曲线

拉伸实验中，依据拉力与伸长量之间得关系在直角坐标系中绘出得曲线称为

力一一伸长曲线，拉伸过程可分为弹性变形阶段、屈服阶段、强化阶段与缩颈阶段，如图

2—6所不。

二、硬度

材料抵抗局部变形,特别就是塑性变形、压痕或划痕得能力称为硬度。它就是衡量材料

软硬程度得指标。硬度越高,材料得耐磨性越好。机械加工中所用得刀具、量具、模具以及

大多数机械零件都应具备足够得硬度,以保证使用性能与寿命，否则容易因磨损而失效。因

此硬度就是金属材料一项重要得力学性能。通常,硬度就是通过在专用得硬度试救机上实验

测得得，如图2—7所示，常用得硬度实验法有布氏硬度实验法、洛氏硬度实验法与维氏硬度

实验法。

屈服阶段强化阶段缩颈阶段

外力大于然后，试样发生塑性变外力大于&L后，试样再继续伸当外力达到最大力/后，试样的某

形，当外力增加到形后,曲线为锯氏则必须不断增加拉伸力。随着变一直径处发生局部收缩，称为“缩颈二

齿状，这种拉伸力不增加变形却继形增大.变形抗力也逐渐增大,这此时截面缩小，变形继续在此截面发

续增加的现象称为屈服。/k为屈服种现象称为形变强化，心为试样在生，所需外力也随之逐渐降低，宜至断

载荷屈服阶段后所能抵抗的最大力

弹性变形阶段

人为发生最大弹性变形时

的载荷。外力一旦撤去，则

变形完全消失

图2—6低碳钢得力一一伸长曲线

图2—7硬度试验机

a)布氏硬度试验机b)洛氏硬度试验机c)维氏硬度试验机

1.布氏硬度

(1)布氏硬度得定义使用一定直径得硬质合金球体，以规定实验力压人试样表面,并保持

规定时间后卸除实验力,然后用测量表面压痕直径来计算硬度,如图2—8所示。

布氏硬度值就是用球面压痕单位面积上所承受得平均压力来表示,所以布氏硬度就是有

单位得，其单位为，但一般均不标出，用符号表示，

即：

式中——球面压痕表面积，；

——实验力,；

----压头直径，；

——压痕平均直径，。

在实际应用中,布氏硬度值一般不需要计算,而

就是用专用得刻度放大镜量出压痕直径,再从压痕

与硬度对照表中查出相应得布氏硬度值。详见附录

I。

图2—8布氏硬度得定义

(2)布氏硬度得表示方法布氏硬度用硬度值、

硬度符号、压头直径、实验力及实验保持时间表示。当保持时间为10〜15时可不标。

例如17010/1000/30表示用直径为10得压头,在9807(1000)实验力作用下，保持30

时测得得布氏硬度值为170;又如6001/30/20表示用直径为1得压头,在294、2(30)

实验力作用下，保持20时测得得布氏硬度值为600o

进行布氏硬度实验时，应根据被测材料种类、厚度及硬度值范围选择实验力、压头直径

与实验保持时间。

(3)应用范围及优缺点布氏硬度主要用于测定铸铁、有色金属及退火、正火、调质处理

后得各种软钢等硬度较低得材料。

布氏硬度实验法，压痕直径较大，能较准确地反映材料得平均性能。由于强度与硬度间

有一定得近似比例关系(参见附录n),因而在生产中较为常用。但由于测压痕直径费时费力，

操作时间长,而且不适于测高硬度材料，压痕较大，所以只适宜对毛坯与半成品进行测试，

而不宜对成品及薄壁零件进行测试。

/■、

I阅读

布氏硬度与抗拉强度得近似关系如下：

低碳钢得;高碳钢得。

合金钢得;灰铸铁得。

2.洛氏硬度

(1)洛氏硬度得定义洛氏硬度实验就是目前应用范围最广得硬度实验方法。它就是采用直

接测量压痕深度来确定硬度值得,如图2—9所示。压头就是120。金刚石圆锥体或直径为得淬

火钢圆球。在初始实验力作用下,试样压痕深度为,压头位置为1—1,再加上主实验力后，

总实验力为，压头压人深度为，压头位置为2—2,经一定时间保持后撤去主实验力，仍保留初

始实验力，试样得弹性变形恢复,压头上升到3—3位置,而压头在主实验力作用下,压入试样

深度为。当压头为120°金刚石圆锥体时，洛氏硬度计算式如下：

洛氏硬度无单位。实际测量时,洛氏硬度值可直接从硬度计表盘(图2—10)上读取。

图2—9洛氏硬度得定义图2—10洛氏硬度计表盘

(2)洛氏硬度得表示方法符号前面得数字表示硬度值。后面得字母表示不同

得洛氏硬度标尺。例如45表示用C标尺测定得洛氏硬度值为45。

(3)常用洛氏硬度标尺及其适用范围同一台硬度计,当采用不同得压头与不同得总实验

力时，可组成几种不同得洛氏硬度标尺，常用得洛氏硬度标尺有A、B、C三种，其中C标尺

应用最广。三种洛氏硬度标尺得实验条件与适用范围见表2―2。

表2—2常用得三种洛氏硬度标尺得实验条件与适用范围

硬度标尺压头类型总实验力()硬度值有效范围应用举例

1200金刚石圆锥

1471>020〜67一般淬火钢

体

钢球980、725〜100软钢、退火钢、铜合金等

120°金刚石圆雉体588、460〜85硬质合金、表面淬火钢等

(4)洛氏硬度实验法得优缺点洛氏硬度实验操作简单、迅速，可直接从表盘上读出硬度

值；压痕直径很小，可以测量成品及较薄工件；测试得硬度值范围较大,可测从很软到很硬得

金属材料，所以在生产中广为应用，其中得应用尤其广泛。但由于压痕小，当材料组织不均匀

时,测量值得代表性差。一般需在不同得部位测试几次,取读数得平均值代表材料得硬度。

三、冲击韧性

许多机械零件在工作中往往要受到冲击载荷得作用，如活塞销、锻锤杆、冲模、锻模等。

制造此类零件所用材料必须考虑其抗冲击载荷得能力。金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏

得能力称为冲击韧性。材料得冲击韧性用一次摆锤冲击弯曲实验来测定。

将被测材料加工成如图2—11所示得冲击试样。

阅读

维氏硬度

维氏硬度实验原理基本上与布氏硬度实验相同,如右图所示。

相对两面为136。得正四棱锥金刚石压头以选定得实验力压入实验

表面。经规定保持时间后,卸除实验力,测量压痕两对角线平均长

度,根据值查中得维氏硬度数值表即可

得出硬度值(也可用公式计算)，用符号表示。例如

表示用(30kg)实验力,保持10〜15s(可省略不标)，

测定得硬度值为640。维氏硬度因实验力小、压入深度浅，故可测量

较薄材料,也可测量表面渗碳、渗氮层得硬度。因维氏硬度值具有

连续性()故可测从很软到很硬得金属材料得硬度，

\且准确性高。维氏硬度实验得缺点就是需测量压痕对角线得长度；

根据国家标准,常用带有形或形缺口得得试样,一次摆锤冲击试验机如图2—12所示。

图2—11冲击试样图2—12一次摆锤冲击试验

机

a)U形缺口冲击试样b)V形缺口冲击试样

试样从一定高度被击断后,缺口处单位横截面面积上吸收得功，即表示冲击韧度值

式中一一冲击韧度，，值越大，材料得冲击韧性越好；

——冲击吸收功，;

——试样缺口处得横截面面积,。

★四'疲劳强度

弹簧、曲轴、齿轮等机械零件在工作过程中所承受载荷得大小、方向随时间做周期性变

化,在金属材料内部引起得应力发生周期性地波动。此时，由于所承受得载荷为交变载荷，零

件承受得应力虽低于材料得屈服强度,但经过长时间得工作后,仍会产生裂纹或突然发生断

裂。金属这样得断裂现象称为疲劳断裂。金属材料抵抗交变载荷作用而不产生破坏得能力

称为疲劳强度。疲劳极限用符号表示。

提示

疲劳失效与静载荷下得失效不同,断裂前没有明显得塑性变形,发生断裂也较突

然。这种断裂具有很大得危险性，常常会造成严重得事故。

疲劳破坏就是机械零件失效得主要原因之一。据统计,在失效得机械零件中,大约有80%

以上属于疲劳破坏,而且疲劳破坏前没有明显得变形，断裂前没有预兆,所以疲劳破坏经常造

成重大事故。

I阅读

在第二次世界大战中，德国派出轰炸机频频轰炸英国本土。英国皇家空军驾驶战机在空

中拦截,战况惨烈。突然,在不长得一段时间内，英国战机相继坠落,机效人亡,英国军方对坠

落飞机介入调查,最初得结论认为,德国就是否发明了什么新式武器,因为在坠落飞机得残骸

上无任何弹痕,从而引起一片恐慌。但随着调查得深入,最终结论就是:这些坠落得战机无一

例外地就是由于疲劳现象得发生而坠毁得。也就就是说,飞机发动机内得零件出现了疲劳断

裂。究其原因做进一步得分析,机械零件之所以产生疲劳破坏,主要就是由于制造这些机械零

件得材料表面或内部有缺陷，如夹杂、划痕、夹角、软点、显微裂纹等,这些地方得局部应力

大于屈服强度,在循环载荷得反复作用下，产生疲劳裂纹,并随应力循环次数得增加,疲劳裂

纹不断扩散,使零件得有效承载面积不断减小,最后达到某一临界尺寸时而突然断裂。

机械零件产生疲劳破坏得原因就是材

料

表面或内部有缺陷（如夹杂、划痕、夹角

等）。显微裂纹随应力循环次数得增加而

逐渐扩展，使承力面积大大减小，以致承

力面积减小到不能承受所加载荷而突然断

裂。疲劳断裂得零件断口如图2—13所示。

为了提高零件得疲劳强度,除合理选

材外，细化晶粒、均匀组织、减少材料内

部缺陷、改善零件得结构形式、减小零件图2—13疲劳断裂宏观断口示意图

表面粗糙度数值及采取各种表面强化得方法（如对工件表面淬火、喷丸、渗、镀等），都能取

得一定得效果。

常用得力学性能指标及其含义见表2—3。

表2—3常用得力学性能指标及其含义

性能指标

力学性能含义

符号名称旧标符号单位

抗拉强度试样拉断前所能承受得最大力得应力

强度下屈服强度MPa发生塑性变形而力不增加时得应力点

规定非比例延伸强度规定非比例延伸率为0、2%时得应力

断后标距得伸长量与原始标距之比得

断后伸长率A百分率

塑形00

断面收缩率断后试样得最大收缩量与原始横截面

A面积之比得百分率

球形压痕单位面积上所受得平均压力

HBW布氏硬度HBS、HBW

用洛氏硬度相应标尺刻度满程与压痕

HR洛氏硬度HRMPa

硬度深度之差计算得硬度值

（A、B、C）（A、B、C标尺）（A、B、C）MPa

正四棱锥压痕单位面积上所受得平均

HV维氏硬度HV

压力

冲击试样缺口处单位横截面面积上得

冲击韧性冲击韧度

冲击吸收功

试样承受无数次（或给定次数）对称循

疲劳强度疲劳极限MPa

环应力仍不断裂得最大应力

§1—3

金属得工艺性能

金属材料得一般加工过程如图2—14所示。

图2—14金属材料得一般加工过程

金属材料得工艺性能就是指金属材料对不同加工工艺方法得适应能力,它包括铸造性

能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能与热处理性能等。工艺性能直接影响零件制造得工

艺、

质量及成本,就是选材与制定零件工艺路线时必须要考虑得重要因素。

一、铸造性能

铸造性能就是指铸造成形过程（图2—15〉中获得外形准确、内部健全铸件得能力。铸造

性能主要取决于金属得流动性、收缩性与偏析倾向等。

图2—15铸造过程

1、流动性

熔融金属得流动能力称为流动性。流动性好得金属，充型能力强，能获得轮廓清晰、尺

寸精确、外形完整得铸件。影响流动性得因素主要就是化学成分与浇注得工艺条件。

受化学成分得影响，通常各元素比例能达到同时结晶得成分（共晶成分）得合金流动性最

好。常用铸造合金中，灰铸铁得流动性最好，铝合金次之，铸钢最差。

2、收缩性

铸造合金由液态凝固与冷却至室温得过程中，体积与尺寸减小得现象称为收缩性。铸造

合金收缩性过大会影响尺寸精度，还会在内部产生缩孔、疏松、内应力、变形与开裂等缺陷。

铁碳合金中，灰铸铁收缩率小，铸钢收缩率大。

3、偏析频向

金属凝固后，内部化学成分与组织不均匀得现象称为偏析。偏析严重时,可使铸件各部分

得力学性能产生很大差异，降低铸件质量,尤其就是对大型铸件危害更大。

二'锻压性能

用锻压成形方法（图2—16）获得优良锻件得难易程度称为锻压性能。常用塑性与变形抗

力两个指标来综合衡量。塑性越好,变形抗力越小,则金属得锻压性能越好。化学成分会影响

金属得锻压性能，纯金属锻压性能优于一般合金。铁碳合金中,含碳量越低，锻压性能越好；

合金钢中，合金元素得种类与含量越多，锻压性能越差，钢中得硫会降低锻压性能。金属组织

得形式也会影响其锻压性能。

图2—16锻压生产

三、焊接性能

焊接（图2—17）性能就是指金属材料对焊接加工得适应性,也就就是在一定得焊接工艺

条件下,获得优质焊接接头得难易程度。对碳钢与低合金钢而言,焊接性能主要与其化学成分

有关（其中碳得影响最大）如低碳钢具有良好得焊接性能,而高碳钢与铸铁得焊接性能则较

差。

图2—17焊接

四、切削加工性能及热处理性能

1、切削加工性能

切削金属材料得难易程度称为材料得切削加工性能。一般用工件切削时得切削速度、切

削抗力得大小、断屑能力、刀具得耐用度以及加工后得表面粗糙度来衡量。影响切削加工性

能得因素主要有化学成分、组织状态、硬度、韧性、导热性及形变强化等。硬度低、韧性好、

塑性好得材料,切屑易黏附于刀刃而形成刀瘤,切屑不易折断，致使表面粗糙度变差,并降低

刀具得使用寿命;而硬度高、塑性差得材料,消耗功率大,产生热量多,并降低刀具得使用寿

命。一般认为材料具有适当硬度与一定脆性时，其切削加工性能较好，例如灰铸铁比钢得切

削加工性能好。

另外，切削塑性金属材料时,工件在加工表面层得硬度明显提高而塑性下降得现象称为

表面加工硬化。此时在加工表面受刀具挤压产生得塑性变形部分不能恢复，因而产生得变形

抗力较大，表面形变强化。当以较小得切削深度再次切削时，刀具不易切入，并使刀具易磨

损,而且在加工表面硬化层常常伴有裂纹，使表面粗糙度值增大,疲劳强度下降。因此,应尽量

设法消除这种现象。

2、热处理性能

热处理就是改善钢切削加工性能得重要途径,也就是改善材料力学性能得重要途径。热

处理性能包括淬透性、淬硬性、过热敏感性、变形开裂倾向、回火脆性倾向、氧化脱碳倾向

等(这些内容将在钢得热处理一章中详细论述)。碳钢热处理变形得程度与其含碳量有关，一

般情况下，含碳量越高，变形与开裂倾向越大，而碳钢又比合金钢得变形开裂倾向严重。钢

得淬硬性也主要取决于含碳量。含碳量高,材料得淬硬性好。

§1—4

金属得工艺性能

实验1硬度测试

1、实验目得：

(1)熟悉常用硬度试验机得结构。

(2)掌握洛氏硬度与布氏硬度得测试原理及测试方法。

一、洛氏硬度实验

1、实验设备及材料

(DHR-150型洛氏硬度试验机,如图2—20所示。

(2)40mmX10mm淬火状态得45钢试块及W18Cr4V切刀刀片各一块。

(3)1200金刚石圆锥压头(HRC)。

2,实验原理

将预载荷与主载荷依次加入后，卸除主载荷。压头在被测试样表面产生得压痕深度差，

即可表示材料得硬度。

3,实验步骤

(1)根据被测试样得估计硬度选择压头与硬度标尺(淬火钢应选金刚石压头，选用C

标尺)。

(2)加预载：将试样放在载物台上，顺时针转动升降机构手轮，使试样与压头缓慢接近,

直至表盘小指针指到红点，大指针偏离零点5格之内。此时，预载(98、7N)已加在试样上。

图2—20HR—150型洛氏硬度试验机结构图

1一吊环2—连接杆3—螺母4一吊杆5—吊套6—祛码7—托盘8—加卸载荷手柄9一缓冲调节阀10—缓

冲器11一机体12—实验力杠杆13—游码14一上盖15—测量杆16—主轴17一指示百分表18—工

作台19一升降丝杠20—手轮21—止推轴承22—嫖钉23—丝杠导座24一定位套25—连杆

(3)加主载:先调节表盘，使大指针对准B或C标尺得零点，再缓慢按下操作手柄到加载

位置,并停留15s,大指针随之转动若干格而停止。主载(1373N)也已加在试样上。此时

总实验力为1471、7No

(4)卸主载:顺时针扳回操作手柄到卸荷位置,大指针在原位反向转动若干格而停止，此

时读到得表盘刻度值即为该点洛氏硬度值。

(5)在同一被测面得不同位置上重复测量三个点(三点相距＞3mm,点到边缘距离〉3mm)。

4、注意事项

(1)试样得两大面应磨平、光洁，无油污、氧化皮裂纹及凹坑或显著得加工痕迹。载物台

及压头表面清洁。

(2)压头要装牢(注意安装时压头得削扁对准压轴孔得削扁,压头推到顶后拧紧紧定螺

钉)。

(3)试样放平稳，不可有滑动及明显变形，并保证压头中心线与被测表面相垂直。如为圆

柱试样,应放于V形铁中支承。

(4)加载、卸载均要缓慢无冲击。

5、填写实验报告

(1)简述实验原理。

(2)写明实验时间、地点、组员及指导教师。

(3)将记录数据填入表2—6,并给出实验结论。

表2—6洛氏硬度实验记录表

材料标尺第一次第二次第三次平均值备注(压头、载荷)

45钢淬火HRC

高速钢刀片HRC

二、布氏硬度实验

1、实验设备及材料

(1)设备TH600型布氏硬度试验机(图2—21)与读数显微镜。

(2)试样厚10mm得正火状态45钢一块。

图2—21TH600型布氏硬度试验机

2、实验原理

用一定直径得硬质合金球做压头，以一定得实验力压入试样表面,经规定保持时间后，

卸除实验力,试样表面将留下一个压痕，测量压痕得直径并计算压痕表面积,通过计算或查

表(附录II)求得布氏硬度值。

在实际实验时，可用读数显微镜测出压痕直径,再根据压痕直径查表得出硬度值。实

际工件可能会有不同得硬度值与厚度，所以实验时要根据工件得软硬程度与形状大小来选择

匹配不同得压头与载荷。实验时只要满足值为一常数,且压痕直径控制在0、24〜0、6

之间，即可得到统一得、可以互相比较得硬度值。

3、实验步骤

(1)确定实验条件压头直径、实验力及实验力保持时间按表2—7选取。先将压头装入主

轴衬套并拧紧压头紧定螺钉，再按所选载荷加上相应得祛码。打开电源开关，电源指示灯亮。

试验机进行自检、复位,显示当前得实验力保持时间，该参数自动记忆关机前得状态。此时应

根据所需设置得保持时间,在操作键盘上或“▼”键进行设置。

(2)压紧试件顺时针旋转升降手轮6,使实验台上升至试样与压头接触,直至手轮下面得

螺母产生相对滑动为止。

(3)加载与卸载此时按下“开始”键，实验开始自动进行，依次自动完成从加载、保持、

卸载到恢复初始状态得全过程。

(4)读取实验数据逆时针转动升降手轮,取下试样,用渎数显微镜测出压痕直径,并取

算术平均值,根据此值查课本附录I即得布氏硬度值,记录于表2—8中。

表2—7布氏硬度实验条件选取表

金属种类布氏硬度值范围HBW试样厚度(mm)0、102测头直径(mm)实验载荷(kN)保持时间(S)

3~610、029、42

黑色金属140—4502~4305、07、35510~15

〈22、51、839

〉610、09、807

黑色金属(1401010〜15

3~65、02、542

4.注意事项

(1)试样表面必须平整光洁，无油污、氧化皮，并平稳地安放在布氏硬度计实验台上。

(2)读数显微镜读取压痕直径时应从两个相互垂直得方向测量,并取算术平均值。

(3)使用读数显微镜时,将测试过得试样放置于一平面上,再将读数显微镜放置于被测试

样上,使被测部分用自然光或灯光照明。调节目镜，使视场中同时瞧清分划板与压痕边缘图

像。常用放大倍数为20得读数显微镜测试布氏硬度值。

(4)压痕中心到试样边缘得距离应不小于压痕直径得2、5倍,相邻两压痕中心距离应不小

于压痕直径得3倍。

5、填写实验报告

(1)简述实验原理。

(2)写明实验时间、地点、组员及指导教师。

(3)将记录数据填入表2—8,并给出实验结论。

表2—8布氏硬度实验记录表

第一次第二次第三次平均值备注(钢球直径、实验力、保持时间、值)

压痕直径

HBW

习题

1、机械零件损坏得形式有哪些？

2、什么就是栽荷?根据性质不同可分为哪几种？

3、什么就是金属得力学性能？金属得力学性能包括哪些内容？

4、什么就是强度?强度有哪些衡量指标？这些指标用什么符号表示?如何测量？

5、什么就是塑性?塑性有哪些衡量指标?这些指标用什么符号表示？如何测量？

6、什么就是硬度？常用得硬度实验法有哪三种？各用什么符号表示？

7、布氏硬度实验法有哪些优缺点？它主要适用于何种材料得测试？

8、常用得洛氏硬度标尺有哪三种？各用什么符号表示?最常用得就是哪一种？“、什么就是冲击韧性？

什么就是冲击韧度?其值用什么符号表示?口0、什么就是金属得疲劳断裂？什么就是疲劳强度？

11、生产中如何提高零件得抗疲劳能力？

12、什么就是金属得工艺性能?它包括哪些内容？

鹿匚宣

铁碳合金

纯金属虽然得到一定得应用，但强度与硬度一般都较低，冶炼困难，因而价格较高，在

使用上受到限制。在工业生产中广泛使用得就是合金,这就是因为生产中可以通过改变合金

得化学成分〈或组织结构）来进一步提高金属材料得力学性能,并可获得某些特殊得物理性能

与化学性能〈耐蚀、耐热、耐磨、电磁性能等），以满足机械零件与工程结构对材料得要求。

通常把以铁及铁碳为主得合金〈钢铁）称为黑色金属,而把其她金属及其合金称为有色金

属。常用金属材料间得关系如下：

厂碳素结构钢

一优质碳素结构钢

---碳素钢—

-碳素工具钢

匚铸造碳钢

—钢一

厂合金结构钢

「一黑色金属一—合金钢——合金工具钢

1-特殊性能钢

「灰铸铁

厂白口铸铁］

一可锻铸铁

—铸铁——灰铸铁

—球墨铸铁

金属材料---麻口铸铁」

L1—端墨铸铁

厂铜及其合金

一铝及其合金

一有色金属——

一钛及其合金

一轴承合金

硬质合金

合金:合金就是以一种金属为基础,加入其她金属或非金属,经过熔合而获得得具有金属

特性得材料，即合金就是由两种或两种以上得元素所组成得金属材料。例如,工业上广泛应用

得钢铁材料就就是由铁与碳组成得合金。与纯金属相比,合金具有更好得力学性能,可通过调

整组成元素之间得比例，获得一系列性能各异得合金，以满足工业生产对材料不同性能得要

求。

组元:组成合金最简单得、最基本得、能够独立存在得元物质称为组元,简称元。组元一

般就是指元素，但有时稳定得化合物也可以作为组元,如、、等。合金按组元得数目可分为二

元合金、三元合金及多元合金。例如，碳素钢就是由铁与碳组成得二元合金。

§2—1

铁碳合金得基本组织与性能

钢铁就是现代工业中应用最为广泛得合金，它们均就是以铁与碳为基本组元得合金,故

又称为铁碳合金。由于钢铁材料得成分（含碳量）不同，因此其组织、性能与应用场合也不同。

铁碳合金得基本组织有五种，它们分别就是铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体与莱氏体。

一'铁素体（F）

碳溶解在中形成得间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。其晶胞示意图如图3—2所示。

由于就是体心立方晶格,晶格间隙较小,所以碳在中得溶解度很小。铁素体就是钢得五种组织

中含碳量最低得组织，其室温性能接近于纯铁,即具有良好得塑性、韧性,较低得强度、硬度。

图3—3所示为铁素体得显微组织。

3-2铁素体得晶胞示意3-3铁素体得显微组织

二、奥氏体（A）

碳溶于中形成得间隙固溶体称为奥氏体,用符号A

表不。其晶胞示意图如图3—4所不。由于就是在高温状

态下存在得面心立方晶格结构，晶格间隙较大，故奥氏

体得溶碳能力较强，在1148。。时溶碳能力可达2、11%。

随着温度得下降,溶解度逐渐减小,在727℃时溶碳能力

为0、77%。

奥氏体得含碳量虽比铁素体高，但其呈面心立方晶

格，强度、硬度虽不高，却具有良好得塑性，尤其就是具

有良好得锻压性能。奥氏体存在于727℃以上得高温范图3-4奥氏体得晶胞示意

围内，无室温组织织。3—5所示为其显微组织。

三、渗碳体（或）

渗碳体就是含碳量为6、69%得铁与碳得金属化合物,其化学式为。它具有复杂得斜方晶格，

与铁与碳得晶体结构完全不同,如图3—6所示。渗碳体得性能特点就是高熔点（1227。。）、

高硬度（950-1050HV）,塑性与韧性几乎为零，脆性极大。渗碳体就是钢中得主要强化相，

在钢或铸铁中可以片状、球状或网状分布。分布形态对钢得力学性能影响很大。在适当得条

件下（如高温长期停留或极缓慢冷却），渗碳体可分解为铁与石墨状得自由碳,这对铸铁得形

成过程具有重要意义。

E

O

-

0

-

X

9

U

.

9

5.007x10l0mO铁原子

•碳原子

图3—5奥氏体得显微组织图3—6渗碳体得晶胞示意图

四、珠光体（P）

珠光体就是铁素体与渗碳体得混合物,用符号P表示。它就是渗碳体与铁素体片层相间、

交替排列形成得混合物。其显微组织如图3—7所示,其中白色为铁素体机体,黑色线条为渗

碳体。在缓慢冷却条件下,珠光体得含碳量为0、77%,由于珠光体就是由硬得渗碳体与软得

铁素体组成得混合物，因此其力学性能就是两者得综合,强度较高,硬度适中，具有一定得塑

性。

a)b)

图3—7珠光体得显微组织

a）光学显微镜观察组织b）电子显微镜观察组织

五、莱氏体0

莱氏体就是奥氏体与渗碳体得混合物，用符号表示。它就是含碳量为4、3%得液态铁碳

合金在1148℃时得共晶产物。当温度降到727°。时，由于莱氏体中得奥氏体将转变为珠光体,

所以室温下得莱氏体由珠光体与渗碳体组成,这种混合物称为低温莱氏体,用符号表示。图

3—8所示为低温莱氏体得显微组织，由于，莱氏体得基体就是渗碳体，所以它得性能接近于渗

碳体,硬度很高,塑性很差。

以上五种组织中，铁素体、奥氏体与渗碳体都就是单相组织，称为铁碳合金得基本相;珠光

体与莱氏体则就是由基本相组成得多相组织。表3—2所列为铁碳合金基本组织得性能及特

点。表3—2铁碳合金基本组织得性能及特点

§3一3A铁碳合金相

铁碳合金相图就是表示在缓慢冷却（或缓慢加热）条件下，不同成分得铁碳合金得状态或

组织随温度变化得图形。铁碳合金相图就是研究铁碳合金得基础,它就是研究铁碳合金得成

分、温度与组织结构之间关系得图形。铁碳合金相图就是人类经过长期实践并进行大量科学

实验总结出来得。

一、铁碳合金相图得组成

在铁碳合金中，铁与碳可以形成一系列得化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等。而生产中

实际使用得铁碳合金,其含碳量一般不超过5%。因为含碳量更高得材料脆性太大,难以加工,

没有实用价值，因此，只研究相图中含碳量为0%〜6、69%得部分。而这部分得铁碳化合

物只有Fe3C,故铁碳合金相图也可以认为就是Fe—Fe3c相图。

为了便于掌握与分析Fe—Fe3C相图,将相图上实用意义不大得部分省略,经简化后得

Fe—Fe3c相图如图3—9所示。图中纵坐标为温度,横坐标为含碳量得质量百分数。

二、Fe~Fe3c相图中特性点、线得含义及各区域内得组织

Fe—Fe3c相图中有七个特性点及六条特性线，当了解了这些点、线得含义后，就可

以把一个瞧似复杂得相图分割成不同得区域，当成分（含碳量）与温度变化时,按一定规律可

分析出各区域产生得组织。

1、主要特性点

Fe—Fe3c相图中得七个特性点及其温度、含碳量与含义见表3—3。

表3—3Fe-FeaC相图中得七个特性点及其温度、含碳量与含义

（1）共晶点C高温得铁碳合金液体缓慢冷却到一定温度（1148℃）时，在保持温度不

变得条件下,从一个液相中同时结晶出两种固相（奥氏体与渗碳体），这种转变称为共晶转变。

共晶转变得产物称为共晶体，铁碳合金得共晶体就就是莱氏体Ld（A+Fe3C）oC点得

温度（1148'C）称为共晶温度。

（2）共析点S固相得铁碳合金缓慢冷却到一定温度（727C）时,在保持温度不变得

条件下，从一个固相（奥氏体）中同时析出两个固相（铁素体与渗碳体），这种转变称析转变。

共析转变得产物称为共析体，铁碳合金得共析体就就是珠光体P（F+Fe3C）0S温度

（727'C）称为共析温度。

2,主要特性线|

Fe—Fe3C相图中有若干条表示合金状态得分界线,它们就是不同成分合金具有相同含

义得临界点得连线。△Fe-Fe3C相图中得六条特性线及其含义见表3—4。

（1）ACD线液相线，此线以上区域全部为液相,称为液相区,用L表示,对应成分得液

态合金冷却到此线上得对应点时开始结晶。在AC线以下结晶出奥氏体,在CD线以下结晶出

渗碳体（称为一次渗碳Fe3Ci）。

（2）AECF线固相线，对应成分得液态合金冷却到此线上得对应点时完成结晶过程，

变为固态，此线以下为固相区。在液相线与固相线之间就是液态合金从开始结晶到结晶终了

得过渡区,所以此区域液相与固相并存。

AEC区内为液相合金与固相奥氏体，CDF区内为液相合金与固相渗碳体。

（3）GS线奥氏体冷却时析出铁素体得开始线（或加热时铁素体转变成奥氏体得终止线）,

又称A3线。奥氏体向铁素体得转变就是铁发生同素异构转变得结果。

（4）ES线碳在奥氏体中得溶解度曲线，又称Aem线。随着温度得变化，奥氏体得溶

碳能力沿该线上得对应点变化。在1148"。时，碳在奥氏体中得溶解度为2、11%（E点得

含碳量），在727。。时降到0、77%（S点得含碳量）。在AGSE区内为单相奥氏体。含碳量较

高（＞0、77%）得奥氏体,在从1148℃缓冷到727得过程中，由于其溶碳能力降低，多余

得碳会以渗碳体得形式从奥氏体中析出，称为二次渗碳体（Fe3C11）。

（5）ECF线共晶线。当不同成分液态合金冷却到此线（1148C）时,在此之前已结

晶出部分固相（A或Fe3C）,剩余液态合金得含碳量变为4、3%,将发生共晶转变，从剩余液

态合金中同时结晶出奥氏体与渗碳体得混合物，即莱氏体（Ld）。共晶转变就是一种可逆转变。

（6）PSK线共析线，又称Al线。当合金冷却到此线时（727C）将发生共析转变。从合

金得奥氏体中同时析出铁素体与渗碳体得混合物,即珠光体（p）。共析转变也就是一种可逆转

变。

三、铁碳合金得分类

按含碳量不同，铁碳合金得室温组织可分为工业纯铁、钢与白口铸铁。其中，把含碳量小

于0、0218%得铁碳合金称为纯铁;把含碳量大于0、0218%而小于2、11%得铁碳合金称

为钢;把含碳量大于2、11%得铁碳合金称为铸铁。铁碳合金得室温组织及分类见表3—5。

四、铁碳合金得成分、组织与性能得关系

分析铁碳合金得室温组织不难发现,随含碳量得不同，其组织顺序为F-F+P-P-

P+Fe3C-P+Fe3C+Ud-UdfLd+Fe3Cl。其中得珠光体（P）与低温莱氏体（Ud）

由铁素体与渗碳体组成，因此可认为铁碳合金得室温组织都就是由铁素体与渗碳体组成得，

但含碳量不同时，铁素体与渗碳体得相对量会有变化。含碳量越高，铁素体数量越少,而渗碳

体数量越多。

铁碳合金得成分不但对其组织有上述影响，对其性能也有影响。含碳量越高，钢得强度、

硬度越高,而塑性、韧性越低,在钢经过热处理后表现尤为明显。这主要就是因为含碳量越高，

钢中得硬脆相Fe3c越多得缘故。当含碳量超过0、9%后，由于脆而硬得二次渗碳体沿晶界

析出随二次渗碳体数量增加，形成网状分布（见表3—5中T12钢显微组织相片），将钢中得

珠光体组织割裂开来，使钢得强度有所降低。因此，对于碳素钢及低、中合金钢说，其含碳

量一般不超过1、3%

五、Fe—Fe3c相图得应用

铁碳合金相图表明含碳量不同时,其组织、性能得变化规律,也揭示了相同成分在不同温

度时组织与性能得变化。这为生产实践中得选材、热处理工艺得制定提供了依据。

1、作为选材得依据

碳对铁碳合金得组织与性能有着重大得影响。不同成分得铁碳合金在机械性能与工艺性

能等方面产生了极大得差异。

在设计与生产中，通常就是根据机械零件或工程构件得使用性能来选择钢得成分（钢

号）。例如，要求塑性、韧性及焊接性能好，但强度、硬度要求不高时，应选用低碳钢；而机

器得主轴或车辆得转轴要求有较好得综合性能,则应选用中碳钢;车刀、钻头等工具应选用高,

钢。白口铸铁中由于莱氏体得存在而具有很高得硬度与耐磨性，但脆性大，难以加工，其应用

受到一定限制。通常可作为生产可锻铸铁得原料或直接铸成不受冲击而耐磨得轧辑、犁神等。

2、在铸造生产中得应用

根据Fe—Fe3c相图得液相线,可以找出不同成分得铁碳合金得熔点,从而确定合适得

熔化温度与浇注温度。图3—10给出了钢与铸铁得浇注区。可以瞧出，钢得熔化温度与浇注

温度均比铸铁高。而祷铁中靠近共晶成分得铁碳合金不仅熔点低,而且凝固温度区间小,有较

好得铸造流动性,适于铸造。

3、在锻造工艺上得应用

钢经加热后获得单相得奥氏体组织。其强度低，塑性好，易于塑性变形加工。因此，钢材

轧制或锻造得温度范围多选在单一奥氏体区。但始锻温度不得过高，以免钢材在锻轧时严

重氧化，甚至因晶界熔化而碎裂;终锻温度也

不得过低,否则钢材因塑性太差，易在锻轧过

程中产生裂纹。不同成分碳素钢轧制或锻造得

合适温度范围如图3—10所示。

4、在热处理工艺上得应用

Fe—Fe3c相图中得左下角部分就是钢进行

热处理得重要依据,不同含碳量得钢在加热与

冷却时发生相变得规律与具体温度,就是对不同A含碳量得钢采用不同热处理工艺时确定加

热温

度得重要依据。相关内容将在下一章中详细讨

论。

§3—碳素钢

碳素钢简称碳钢,就是最基本得铁碳合金。它就是指在冶炼时没有特意加人合金元素，

且含碳量大于0、0218%而小于2,11%得铁碳合金。由于碳钢容易冶炼，价格便宜,具有

较好得力学性能与优良得工艺性能,可满足一般机械零件、工具与日常轻工产品得使用要求。

因此、碳钢在机械制造、建筑、交通运输等许多部门中得到广泛得应用。

一、钢中常存元素及其对性能得影响

碳素钢中除铁与碳两种元素外,还不可避免地在冶炼过程中从生铁、脱氧剂等炉料中加入一

些其她杂质元素，其中主要有硅、镐、硫、磷等元素，这些元素得存在必然会对钢得性能产

生一定得影响。

1、锦

铺就是钢中得有益元素，就是炼钢时用锦铁脱氧而残留在钢中得。镭有很好得脱氧能力,

还可以与硫形成MnS,从而消除了硫得有害作用。镐作为杂质一般应不超过0、8%o

2、硅

硅也就是钢中得有益元素，它就是作为脱氧剂而进入钢得，硅得脱氧能力比锦还强,能提

钢得强度及质量,硅作为杂质一般应不超过0、4%„

3、硫

硫就是钢中得有害元素,常以FeS形式存在,FeS与Fe形成低熔点得共晶体,熔点为

985℃,分布在晶界，当钢材在1000~1200℃进行压力加工时，共晶体熔化,使钢材变脆,

这种现象称为热脆性。为了避免热脆，钢中含硫量必须严格控制，通常应使S<0、05%。

4、磷

磷也就是钢中得有害元素，它使钢在低温时变脆，这种现象称为冷脆性。因此,钢中含

磷量也要严格控制,通常应使P<0、045%

5、钢

钢中氢会造成氢脆、白点等缺陷，就是有害元

二、碳素钢得分类

1、按钢得含碳量分类

(1)低碳钢CWO、25%o

(2)中碳钢C=O、25%〜0、60%。

(3)高碳钢C与0、60%o

2、按钢得质量分类

根据钢中得有害元素硫、磷含量多少可分为

(1)普通钢SW0、050%,PW0、045%。

(2)优质钢SW0、035%,PW0、035%。

(3)高级优质钢SW0、025%,PW0、0