第2章鋼鐵材料本章導(dǎo)入

1.金屬材料是現(xiàn)代汽車制造業(yè)應(yīng)用最為廣泛的材料。金屬材料分為黑色金屬（鋼鐵材料）和有色金屬。汽車上各種結(jié)構(gòu)零件，鋼鐵材料約占80%。2.汽車工程材料不斷向輕量化發(fā)展，各種新的汽車工程材料相繼被推出并應(yīng)用于汽車工業(yè)之中。3.本章重點(diǎn)介紹鋼鐵材料的性能、結(jié)構(gòu)、牌號。金屬材料的基本知識鋼鐵材料鋼（含碳量小于等于2.11%的鐵碳合金）鑄鐵（含碳量大于2.11%的鐵碳合金）根據(jù)含碳量的不同分為鋼鐵材料的生產(chǎn)方式煉鋼煉鐵鋼材生產(chǎn)鋼材種類型材：圓鋼、方鋼、扁鋼、六角鋼、角鋼、槽鋼、螺紋鋼等板材：中厚鋼板、薄鋼板、鋼帶和硅鋼片管材：無縫鋼管和焊接鋼管（又稱有縫鋼管）線材：直徑為6～9mm的圓鋼和直徑在10mm以下的螺紋鋼

金屬材料在不同的使用場合下，所要求的力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能以及工藝性能各不相同。雖然都是金屬材料，不同成分和不同狀態(tài)下的性能差異也非常大。造成金屬材料性能差異的主要原因是由于金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同。金屬材料的基本知識按照物質(zhì)原子在三維空間排列方式的不同，材料可分為晶體材料與非晶體材料兩大類。2.1金屬材料的基礎(chǔ)知識

晶體

——

內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)（原子、離子或分子）在三維空間呈有規(guī)則的、周期性的、重復(fù)排列的材料。如純鋁、純鐵、純銅等。

非晶體

——

內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)（原子、離子或分子）在三維空間呈無規(guī)則排列的材料，也稱為“過冷液體”，如玻璃、瀝青、松香、石蠟等。非晶體：蜂蠟、玻璃等。晶體:固態(tài)金屬金剛石、NaCl、冰等。液體純金屬是指僅由同一種金屬元素組成的金屬。

汽車中的各種導(dǎo)電體、傳熱器等大多由純銅、純鋁等純金屬材料制成。純金屬是典型的晶體材料。2.1.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1.純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

晶體中原子（離子或分子）的空間排列方式稱為晶體結(jié)構(gòu)。為了便于描述晶體結(jié)構(gòu)，通常將每一個(gè)原子抽象為一個(gè)點(diǎn)，再把這些點(diǎn)用假想的直線連接起來，構(gòu)成有一定規(guī)律、按一定幾何規(guī)則排列的空間格架，稱為晶格。原子（離子）的剛球模型原子中心位置●

晶體結(jié)構(gòu)

晶胞：由晶格中取出的，能完整反映出晶格排列特征的最小幾何單元稱為晶胞。

晶胞的基本特征可以反映出晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。人們研究金屬的晶格結(jié)構(gòu)，一般都是取出晶胞來研究的。晶格常數(shù)：

晶胞的大小和形狀可用晶胞的棱邊長度a、b、c和三條棱邊之間的夾角α、β、γ等六個(gè)參數(shù)來表示和度量。

各種金屬元素的主要差別就在于晶格類型和晶格常數(shù)的不同。

1)體心立方晶格（BCC晶格）

特點(diǎn)是金屬原子占據(jù)著立方體的八個(gè)頂角和中心。此類晶格金屬有鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎢(W)、釩(V)和α-Fe(溫度小于912℃純鐵)。這類金屬有相當(dāng)大的強(qiáng)度和較好的塑性。（1）常見金屬材料的晶格類型

金屬原子除占據(jù)立方體的八個(gè)頂角外，立方體的六個(gè)面的中心也各有一個(gè)金屬原子。此類晶格金屬有鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鉛(Pb)和γ-Fe等（溫度在1394℃～912℃純鐵)。

2)面心立方晶格（FCC晶格）

密排六方晶格的晶胞呈正六棱柱體，柱體的12個(gè)頂角及上下表面中心各有1個(gè)原子，晶體內(nèi)部還有按等邊三角形分布的3個(gè)原子。此類晶格金屬有鈹(Be)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鎘(Cd)等。3)密排六方晶格（HCP晶格）

在理想狀態(tài)下，金屬的晶體結(jié)構(gòu)是原子排列的位向或方式完全一致的晶格，這種晶體稱為單晶體。

單晶體需要通過特殊的方法才能獲得，例如生產(chǎn)半導(dǎo)體元件的單晶硅、單晶鍺等。

單晶體在不同方向上具有不同性能的現(xiàn)象稱為各向異性。（2）金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)多晶體：由許多位向不同的晶粒構(gòu)成的晶體。晶粒：多晶體是由許多微小的單晶體構(gòu)成的，這單晶體稱為晶粒。工程上采用的金屬材料絕大多數(shù)是多晶體。晶界：晶粒與晶粒之間的交界區(qū)稱為晶界。晶粒晶界由于晶界上原子的排列是不同位向的晶粒的過渡狀態(tài)，因而晶界上原子排列較不規(guī)則。試驗(yàn)證明，每一個(gè)晶粒內(nèi)的晶格位向也并非完全一致，但這些位向相差很小，形成亞晶界。在實(shí)際金屬結(jié)晶過程中，由于原子的熱振動(dòng)、雜質(zhì)原子的摻入以及其他外界因素的影響，原子排列不可避免的或多或少存在著偏離規(guī)則排列的區(qū)域，這就是晶體缺陷。

1）點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子、異類原子2）線缺陷：位錯(cuò)3）面缺陷：晶界與亞晶界晶體缺陷類型：

晶體中的原子總是在某一位置上作熱振動(dòng)。溫度升高時(shí)，動(dòng)能特別高的原子就要脫離周圍原子的束縛，可能進(jìn)入別的晶格間隙處成為“間隙原子”或跑到金屬表面上去。而原來的位置成為沒有原子的“空位”。

空位和間隙原子的出現(xiàn)，使它們失去平衡而造成晶格畸變(歪扭)。

點(diǎn)缺陷將會使金屬材料產(chǎn)生物理、化學(xué)和力學(xué)性能上的變化，如使材料的密度發(fā)生變化，電阻率增大，強(qiáng)度、硬度提高等。1)點(diǎn)缺陷

線缺陷主要指由晶體中原子平面間的相互錯(cuò)動(dòng)（位錯(cuò)）而引起的晶體缺陷，其具體形式是各種類型的位錯(cuò)。晶體中有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)則的錯(cuò)排現(xiàn)象，這就是位錯(cuò)。刃型位錯(cuò)是最常見的一種。位錯(cuò)造成的晶格的線狀畸變，極大地影響著金屬材料的力學(xué)性能，對于金屬材料的塑性變形、強(qiáng)度、疲勞、腐蝕等性能均有重要的影響。2)線缺陷

面缺陷是指晶體中有一維空間方向上尺寸很小，另外兩維方向上尺寸較大的缺陷。這類缺陷主要是指晶界和亞晶界。

晶界和亞晶界處區(qū)域內(nèi)的原子排列不整齊，偏離其平衡位置，產(chǎn)生晶格畸變。

面缺陷對金屬的塑性變形起著阻礙的作用，強(qiáng)度、硬度較晶內(nèi)高。因此金屬內(nèi)部的晶粒越細(xì)小，晶界就越多，強(qiáng)度和硬度就越高。3）面缺陷（3）晶體的特征1）晶體具有固定的熔點(diǎn)和凝點(diǎn)2）晶體具有各向異性由于實(shí)際金屬是由多個(gè)位向各異的晶粒所組成的多晶體，盡管每個(gè)晶粒本身具有各向異性特性，但是由于各個(gè)晶粒的位向都是散亂無序分布的，對于整個(gè)多晶體來說，晶粒間的性能在各個(gè)方向上相互影響，再加上晶界的作用，則各向異性表現(xiàn)不明顯，這種現(xiàn)象稱為多晶體的偽各向同性。

（1）純金屬的結(jié)晶過程

2.純金屬的結(jié)晶

純金屬的結(jié)晶過程基本是在恒定的溫度下進(jìn)行的，其結(jié)晶過程的冷卻曲線如圖所示。

T0為純金屬的凝（熔）點(diǎn)，又稱為理論結(jié)晶溫度。當(dāng)液態(tài)金屬緩慢冷卻到T0時(shí)，純金屬開始發(fā)生結(jié)晶。在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬的冷卻速度相對較快，其實(shí)際開始結(jié)晶的溫度Tn略低于T0。液態(tài)金屬在冷卻到理論結(jié)晶溫度T0以下還未結(jié)晶的現(xiàn)象，稱為過冷現(xiàn)象。理論結(jié)晶溫度T0與開始結(jié)晶溫度Tn之差叫做過冷度，用△T表示，即△T=Tn–T0，過冷度△T與冷卻速度是密切相關(guān)的，冷卻速度越大，△T越大，冷卻速度越小，△T越小。

液態(tài)金屬的結(jié)晶過程分為兩個(gè)階段，即晶核形成與核長大的過程。當(dāng)液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)，首先在液體中形成一些極微小的晶體（稱為晶核），然后再以它們?yōu)楹诵牟粩嘁詷渲罘绞介L大。在這些晶核長大的同時(shí)，又出現(xiàn)新的晶核并逐漸長大，直至液體金屬消失，全部凝固為固態(tài)金屬。汽車材料第一章

金屬結(jié)晶時(shí)，由于表面和中心的結(jié)晶條件不同，鑄件的結(jié)構(gòu)是不均勻的。從鑄錠的剖面來看，明顯地分為三個(gè)各具特征的晶區(qū)：表面細(xì)晶粒區(qū)、中間的柱狀晶粒區(qū)和中心粗大等軸晶粒區(qū)。

（2）金屬鑄錠的結(jié)構(gòu)

（3）結(jié)晶晶粒大小及控制

金屬結(jié)晶后，一般是晶粒愈細(xì)，強(qiáng)度、硬度愈高，塑性、韌性也愈好。鑄造生產(chǎn)中為了得到細(xì)晶粒的鑄件，常采取控制過冷度、變質(zhì)處理、振動(dòng)處理等幾種方法。

工程上，晶粒的大小通常用晶粒度來表示。結(jié)晶時(shí)每個(gè)晶粒都是由一個(gè)晶核長大而成，其晶粒度取決于形核率N和長大速度G的相對大小

。2.1.2合金的晶體結(jié)構(gòu)及結(jié)晶

基本概念合金由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法結(jié)合成具有金屬特性的物質(zhì)。如黃銅是由銅和鋅組成。組元

簡稱元，是指組成合金的最基本獨(dú)立物質(zhì)。組元通常是純元素或者穩(wěn)定的化合物。根據(jù)組成合金組元數(shù)目的多少，合金可分為二元合金、三元合金或多元合金等。合金系是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上組元按照不同比例配制成一系列不同成分的合金。相是指合金中具有同一的聚集狀態(tài)、同一的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的均勻組成部分。按照相的形態(tài)劃分，分為液相和固相。固態(tài)合金中的相結(jié)構(gòu)，分為固溶體和金屬化合物。組織是指用肉眼或借助顯微鏡觀察到材料具有獨(dú)特微觀形貌特征的部分。組織反映材料的相組成、相形態(tài)、大小和分布狀況，它是決定材料最終性能的關(guān)鍵。

合金之所以比純金屬性能優(yōu)越主要是由于合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同于純金屬。合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但根據(jù)各元素在結(jié)晶時(shí)相互作用的不同可以把它們歸納為三種：1.合金的晶體結(jié)構(gòu)

（1）固溶體（2）金屬化合物（3）機(jī)械混合物

固溶體就是在固態(tài)下兩種或兩種以上的物質(zhì)互相溶解構(gòu)成的單一均勻的物質(zhì)。例如，銅鎳合金就是以銅(溶劑)和鎳(溶質(zhì))形成的固溶體，固溶體具有與溶劑金屬同樣的晶體結(jié)構(gòu)。

固溶體是指組成合金的組元在固態(tài)下相互溶解，形成均勻一致且晶體結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固態(tài)合金。

組成固溶體的組元分為溶劑與溶質(zhì)兩種。通常把形成固溶體后其晶格類型依舊保持不變的組元稱為溶劑，而溶入溶劑中、其晶格消失的組元稱為溶質(zhì)。

（1）固溶體

根據(jù)固溶體晶格中溶質(zhì)原子在溶劑晶格中占據(jù)的位置不同，分為置換固溶體和間隙固溶體兩種。如下圖所示。

固溶體置換固溶體間隙固溶體ZXY間隙原子間隙固溶體置換固溶體置換原子YXZ晶格畸變小原子置換引起的晶格畸變間隙原子引起的晶格畸變固溶強(qiáng)化

這種通過加入溶質(zhì)元素形成固溶體，使合金強(qiáng)度和硬度升高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是提高合金機(jī)械性能的重要途徑之一。正常晶格晶格畸變（2）金屬化合物

金屬化合物是指由合金組元之間相互化合而成的、其晶格類型和特性完全不同于原來任一組元的固態(tài)物質(zhì)，也稱為中間相。

其晶體結(jié)構(gòu)不同于組成元素的晶體結(jié)構(gòu)，而且其晶格一般都比較復(fù)雜。其性能特點(diǎn)是熔點(diǎn)高、硬度高、脆性大。例如鐵碳合金中的Fe3C。

金屬化合物是許多合金的重要組成相，可提高其合金的強(qiáng)度、硬度、耐磨性，而降低塑性和韌性。所以常用金屬化合物來強(qiáng)化合金，這種強(qiáng)化方式稱為第二相強(qiáng)化或彌散強(qiáng)化，是金屬材料的重要強(qiáng)化方法之一。（3）機(jī)械混合物及組織

當(dāng)組成合金的各組元在固態(tài)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著，就形成各組元晶體的機(jī)械混合物。組成機(jī)械混合物的物質(zhì)可能是純組元、固溶體或者是化合物各自的混合物，也可以是它們之間的混合物。

由兩種以上組元、固溶體或金屬化合物機(jī)械混合在一起形成的多相組織稱機(jī)械混合物。

絕大多數(shù)工業(yè)用合金都是混合物，它們的性能決定于組成混合物各部分的性能，以及它們的形態(tài)、大小和分布。表示平衡條件下給定合金系中的合金的成份、溫度與其相和組織狀態(tài)之間關(guān)系的坐標(biāo)圖形，稱為合金相圖。

相圖（狀態(tài)圖）是以溫度為縱坐標(biāo)，以成份為橫坐標(biāo)，表明不同成份合金的結(jié)晶過程的簡明圖形。2.合金的結(jié)晶

1．勻晶相圖2．共晶相圖

3．共析相圖碳鋼和鑄鐵是現(xiàn)代汽車工業(yè)極為重要的金屬材料，實(shí)際上，它們都屬于以鐵和碳兩個(gè)組元組成的合金，稱為鐵碳合金。反映平衡條件下鐵碳合金的組織隨含碳量和溫度變化的一般規(guī)律的相圖稱為鐵碳相圖（或鐵碳狀態(tài)圖、Fe-Fe3C相圖）。2.1.3鐵碳合金相圖

純鐵純鐵強(qiáng)度低，硬度低，塑性好，很少做結(jié)構(gòu)材料。由于有高的磁導(dǎo)率，可作為電工材料用于各種鐵芯。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：金屬在溫度（壓力）改變時(shí)發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)變化的現(xiàn)象。1．鐵碳合金的組成-Feγ-Feα-Fe液相體心立方體心立方溫度\℃時(shí)間/s室溫面心立方鐵與碳形成具有復(fù)雜晶格的穩(wěn)定間隙化合物Fe3C硬度很高脆性大，塑性和韌性極低

碳溶解在α-Fe中形成的間隙固溶體----鐵素體強(qiáng)度、硬度低塑性、韌性好

碳溶解在γ-Fe中形成的間隙固溶體----奧氏體有一定的強(qiáng)度和硬度，塑性也很好

鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物----珠光體綜合力學(xué)性能較好

以滲碳體為基體上分布著奧氏體----萊氏體硬度很高，塑性很差2．鐵碳相圖(Fe-Fe3C相圖)中的

特性點(diǎn)和特性線(1)Fe-Fe3

C相圖的組元

●Fe——α–Fe和γ-Fe 強(qiáng)度、硬度低，韌性、塑性好。

●Fe3

C——熔點(diǎn)高，硬而脆，塑性、韌性幾乎為零。(2)Fe-Fe3

C相圖的相

●萊氏體相Ld（Fe3

C+A）

●液相L

●奧氏體相（A，γ）

●鐵素體相（F，α）

●珠光體相P（Fe3C+F

）

●石墨相（G）基本組織符號溫度（℃）含碳量（%）說明A15380純鐵的熔點(diǎn)C11484.30共晶點(diǎn)D12276.69滲碳體的熔點(diǎn)E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69滲碳體的成分點(diǎn)G9120Α-Fe與γ-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)K7276.69Fe3C的成分點(diǎn)P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析點(diǎn)Q600（室溫）0.0057（0.0008）600℃（或室溫）時(shí)碳在α-Fe中的溶解度(3)相圖中重要的點(diǎn)和線(3)相圖中重要的點(diǎn)和線液相線ACD固相線AECF共晶轉(zhuǎn)變線ECF，共晶點(diǎn)C共析線PSK，共析點(diǎn)SA0.77(F0.02+Fe3C)珠光體,PES線：C在A中的固溶線PQ線：C在F中的固溶線L4.3(A2.11+Fe3C)高溫萊氏體,Le或Ld

相圖中的三個(gè)重要點(diǎn)相圖中的五個(gè)單相(區(qū))相圖中的三條水平線相圖中的四條垂直線

J為包晶點(diǎn):

1495℃時(shí),B點(diǎn)成分的L與H點(diǎn)成分的δ發(fā)生包晶反應(yīng),生成J點(diǎn)成分的γ。C點(diǎn)為共晶點(diǎn)

1148℃時(shí),C點(diǎn)成分的L發(fā)生共晶反應(yīng),生成E點(diǎn)成分的γ和Fe3C（萊氏體）。S點(diǎn)為共析點(diǎn)

727℃時(shí),S點(diǎn)成分的γ發(fā)生共析反應(yīng),生成P點(diǎn)成分的α和Fe3C（P）。3.2Fe-Fe3C相圖過共析鋼共析鋼共晶白口鐵亞共晶白口鐵過共晶白口鐵碳素鋼白口鑄鐵亞共析鋼工業(yè)純鐵Fe-C合金分類工業(yè)純鐵——C%≤0.0218%鐵素體F鋼——0.0218%＜C%≤2.11%

亞共析鋼＜0.77%

共析鋼＝0.77%

過共析鋼＞0.77%白口鑄鐵——2.11%＜C%≤6.69%

亞共晶白口鐵＜4.3%共晶白口鐵＝4.3%過共晶白口鐵＞4.3%3．鐵碳合金的分類及室溫平衡組織鐵素體+珠光體F+P珠光體P珠光體+二次滲碳體P+Fe3CⅡ珠光體+二次滲碳體+萊氏體

萊氏體Ld’萊氏體+一次滲碳體Ld’+Fe3CⅠ亞共析鋼用途實(shí)例45鋼碳含量0.45％60鋼碳含量0.60％共析鋼的應(yīng)用舉例T8鋼碳含量0.80％過共析鋼應(yīng)用舉例T12鋼碳含量1.2％類型亞共析鋼共析鋼過共析鋼鋼號204560T8T10T12碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)／％0.200.450.600.801.001.20幾種常見碳鋼標(biāo)注組織組成物的相圖4.碳含量對鐵碳合金組織及性能的影響含碳量與相的相對量關(guān)系：C%↑→F%↓，F(xiàn)e3C%↑含碳量與組織關(guān)系：

圖（a）和（b）含碳量與性能關(guān)系：HB：取決于相及相對量強(qiáng)度：C%=0.9%時(shí)最大塑性、韌性：隨C%↑而↓5．鐵碳相圖的應(yīng)用鋼鐵選材：相圖性能用途局限性：

相圖反映的是平衡狀態(tài)，與實(shí)際情況有較大差異。

鑄件選材和確定澆注溫度確定鍛造溫度(

在

A

區(qū)）制定熱處理工藝小結(jié):1.晶體結(jié)構(gòu)的基本概念：晶體，晶格，晶胞，三種常見的金屬晶格。單晶體，晶粒，多晶體。固溶體、化合物的晶體結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)。固溶強(qiáng)化及其實(shí)際應(yīng)用。3.相和組織的概念。4.鐵碳合金成分、組織與性能之間的關(guān)系。本節(jié)重點(diǎn)要求第2章鋼鐵材料

1.鋼的普通熱處理

2.金屬材料的表面技術(shù)

3.熱處理新技術(shù)簡介2.2鋼的熱處理

熱處理的概念：

將固態(tài)金屬或合金在一定介質(zhì)中加熱、保溫和冷卻，改變材料整體或表面的組織，從而獲得所需性能的工藝。

1.熱處理原理

2.1.1鋼的普通熱處理圖2-17

鋼的熱處理基本工藝曲線鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變臨界溫度平衡時(shí)：A1、

A3、Acm加熱時(shí)：Ac1、Ac3、Accm

冷卻時(shí)：Ar1、Ar3、Arcm奧氏體的形成

——Fe，C原子擴(kuò)散和晶格改變的過程。共析鋼加熱到Ac1以上時(shí)，P→A共析鋼A化過程——形核、長大、Fe3C完全溶解、A

的均勻化。亞（過）析鋼的A化——

P→A后，先共析F或Fe3CⅡ溶解。影響晶粒大小的因素：加熱溫度、保溫時(shí)間、化學(xué)成分。

細(xì)晶化控制：

a、采用Al作最終脫氧，加入Ti、V、Nb。b、加熱速度、保溫時(shí)間控制。M的性能：C%↑→M硬度↑針狀M

硬度高，塑韌性差。板條M

強(qiáng)度高，塑韌性較好。2.熱處理工藝（1）退火（2）正火（3）淬火（4）回火

（1）退火目的：1）降低硬度以利于切削加工；

2）提高塑性以利于塑性加工成型；

3）細(xì)化晶粒以提高力學(xué)性能；

4）消除應(yīng)力以防工件變形或開裂。退火一般作為改善工藝性能的預(yù)備熱處理。

加熱、保溫后，緩冷(爐冷)→近平衡組織P（+F或Fe3CII

）1．退火完全退火（亞共析鋼）

加熱溫度Ac3

+

20～30℃

緩冷→F

+P

目的：

細(xì)化晶粒，均勻化組織

降低硬度→切削性↑

等溫退火：等溫轉(zhuǎn)變→F

+P，再緩冷球化退火（過共析鋼）

在Ac１+

20～30℃等溫，使Fe3CⅡ球化，再緩冷→球狀P（F

+球狀Cm）目的：硬度↓,切削性↑,韌性↑擴(kuò)散退火

加熱至略低于固相線

目的：使成分、組織均勻

再結(jié)晶退火：

加熱溫度

TR

+

30～50℃目的：消除加工硬化去應(yīng)力退火

加熱溫度＜

Ac1，

一般為

500～650℃目的：消除冷熱加工后的內(nèi)應(yīng)力

（２）正火加熱溫度

Ac3(Accm)

+30～50℃，空冷→S常作最終熱處理應(yīng)用：1)鋼的最終熱處理細(xì)化晶粒，組織均勻化，增加亞共析鋼中P(S)%→強(qiáng)度、韌性、硬度↑2)預(yù)備熱處理——淬火、球化退火前改善組織。3)增加低碳鋼的硬度，以改善切削加工性能。（3）淬火（蘸火）加熱到Ac3、Ac1以上，保溫，快速冷卻→M。淬火溫度1)亞共析鋼Ac3+30～50℃2)過共析鋼Ac1+30～50℃，→M+Fe3CII+A'，硬度大。

A中C%↓→M脆性↓，殘余A%↓淬火溫度低→M細(xì)小，淬火應(yīng)力小。目的：獲得馬氏體組織，使鋼具有高硬度和高耐磨性。淬火是強(qiáng)化鋼材的重要方法。冷卻介質(zhì)

冷卻速度：鹽水＞水＞鹽浴＞油淬火方法：單介質(zhì)淬火：水、油冷雙介質(zhì)淬火：水冷+油冷分級淬火：＞Ms鹽浴中均溫＋空冷等溫淬火（在鹽、堿浴中）→下B鋼的淬透性和淬硬性

淬透性：淬火時(shí)得到M的能力，取決于臨界冷卻速度VK。

淬硬性：淬火后獲得的最高硬度，C%↑→淬硬性↑影響淬透性的因素：除Co外，合金使VK↓,淬透性↑。(a)完全淬透(b)淬透較大厚度(c)淬透較小厚度

淬透性不同的鋼調(diào)質(zhì)后機(jī)械性能的比較

回火工藝是將淬火后的鋼加熱到A1線以下某一溫度，保溫一定時(shí)間后出爐空冷到室溫的一種熱處理工藝?；鼗鹗谴慊鸬暮罄m(xù)工序。

目的:是為了減少或消除淬火應(yīng)力，防止工件變形與開裂，穩(wěn)定工件尺寸及獲得必需的力學(xué)性能。

（4）回火低溫回火（150～250℃）→回火M(過飽和F+薄片狀Fe2.4C)+A'淬火應(yīng)力↓，韌性↑，保持淬火后的高硬度。用于高碳工具鋼等。中溫回火（350～500℃）→回火T(F+細(xì)粒狀Cm)

彈性極限和屈服強(qiáng)度↑，韌性和硬度中等。用于彈簧等。高溫回火（500～650℃）→回火S(等軸狀F+粒狀Cm)

綜合機(jī)械性能最好,即強(qiáng)度、塑性和韌性都較好。用于重要零件。調(diào)質(zhì)處理——淬火+高溫回火常見回火工藝

回火脆性：鋼在回火時(shí)會產(chǎn)生回火脆性現(xiàn)象。淬火鋼在250～350℃和450～600℃兩個(gè)溫度范圍內(nèi)回火時(shí)，其沖擊韌度明顯下降。前者稱為低溫回火脆性或第一類回火脆性，是由于馬氏體中析出薄片狀的ε碳化物引起的，屬于不可逆脆性。

后者為高溫回火脆性或第二類回火脆性，多見于合金鋼，主要是由于某些雜質(zhì)元素及合金元素在晶界上嚴(yán)重偏聚引起的，為可逆脆性，可以通過重新加熱或在鋼中將加入適量的W、Mo來有效的防止這種脆性。1.表面熱處理

不改變心部組織，利用快速加熱將表層奧氏體化后進(jìn)行淬火。目的：提高表面硬度，保持心部良好的塑韌性。(1)表面淬火1）感應(yīng)加熱表面淬火交變磁場→感應(yīng)表面電流→表面加熱特點(diǎn)：1)加熱速度快，晶粒度小，硬度↑，脆性↓。2)表層殘余壓應(yīng)力→提高疲勞強(qiáng)度。3)不易氧化、脫碳、變形小。4)加熱溫度和淬硬層厚度容易控制。2.2.2金屬材料的表面技術(shù)

2）火焰加熱表面淬火

（乙炔－氧等火焰）特點(diǎn):設(shè)備簡單，但生產(chǎn)率低。應(yīng)用：大型工件。原理：（2）鋼的化學(xué)熱處理

將工件置于特定的介質(zhì)中加熱、保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表層，以改變表層的化學(xué)成分、組織和性能。分類——滲C、N化、CN共滲、滲硼、滲鉻、滲Al等。滲碳1）鋼的滲C——

氣體、固體滲C

低C鋼在高C介質(zhì)中加熱到900～950℃、保溫→高碳表層（約1.0%）。目的：表面硬度，耐磨性↑，心部保持一定的強(qiáng)度和塑韌性。滲碳后的的熱處理

淬火直接淬火——晶粒粗大，殘余A多，耐磨性低，變形大。一次淬火——加熱溫度Ac3以上（心部性能↑）或Ac1以上（表面性能↑）二次淬火——

Ac3以上（心部性能↑）+Ac1以上（表面性能↑）低溫回火,150～200℃，消除淬火應(yīng)力，提高韌性。2）滲氮

工件表面滲入N原子，以提高硬度、耐磨性，疲勞強(qiáng)度和耐蝕性。氮化溫度低(500～600℃)，時(shí)間長（20～50h），滲層薄。氮化前調(diào)質(zhì)處理、氮化后無須淬火。2.熱噴涂技術(shù)

原理：指以某種熱源，將粉末或線狀材料加熱到熔化或熔融狀態(tài)后，用高壓高速氣流將其霧化成細(xì)小的顆粒噴射到零件表面上，形成一層覆蓋層的過程。

常用的熱噴涂主要方法如下：1)火焰噴涂2)電弧噴涂3)等離子噴涂(氣體導(dǎo)電或放電所產(chǎn)生的等離子電弧作為高溫?zé)嵩?圖2-22氧乙炔焰粉末噴涂原理圖1—?dú)怏w出口2—進(jìn)料口3—?dú)怏w通道4—噴涂層5—工件6—噴嘴7—氧氣、乙炔入口3.汽車主要零件的熱處理規(guī)范（1）汽車變速器變速齒輪熱處理1）材料：20CrMnTi（低碳合金鋼）2）熱處理技術(shù)要求：

a.滲碳層表面碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%--1.05%；

b.滲碳層深度：0.8--1.3mm；

c.淬火、回火后齒面硬度為58--62HRC，心部硬度33--48HRC。3）齒輪的加工工藝路線：

備料→鍛造→正火→機(jī)械加工→滲碳→淬火+低溫回火→噴丸→校正花鍵孔→磨齒。

4）熱處理工藝說明a）正火消除毛坯的鍛造應(yīng)力，降低硬度以改善切削加工性。同時(shí)也均勻組織，細(xì)化晶粒，為以后的熱處理作組織上的準(zhǔn)備。采用高溫正火，加熱溫度950--970°C。金相組織是均勻分布的細(xì)片珠光體和鐵素體。

b）滲碳為保證齒輪表面的含碳量及滲碳層深度的要求，滲碳在機(jī)械加工之后進(jìn)行，采用氣體滲碳。

c）淬火及低溫回火滲碳后要獲得所要求的硬度，必須進(jìn)行淬火及低溫回火。低溫回火后表面硬度可達(dá)58--62HRC。鋼中Cr、Mn等元素可提高淬透性，心部硬度可達(dá)33--48HRC。低溫回火的作用主要是消除淬火時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力及減少脆性。

（2）汽車后橋半軸熱處理

1）材料：40MnB（或40Cr）2）熱處理技術(shù)要求：

法蘭盤外圓硬度為29--34HRC；桿部和花鍵硬度為37--44HRC；金相組織為回火索氏體和回火屈氏體。3）半軸加工工藝路線：

下料→鍛造→正火（預(yù)先熱處理）→機(jī)械加工→調(diào)質(zhì)（最終熱處理）→噴丸、校直、探傷→裝配。4）熱處理工藝說明

a）正火消除組織不均勻（帶狀組織）、晶粒粗大和鍛造應(yīng)力及改善切削加工性。其工藝是：加熱溫度為900--950°C，保溫后空冷。獲得均勻的珠光體組織，正火后硬度為HBS197~207，宜于切削加工。

b）調(diào)質(zhì)

淬火工藝是：淬火溫度為860±10℃，保溫80min，在40--55°C熱水中冷卻。

調(diào)質(zhì)后再經(jīng)噴丸處理，使半軸表面由于局部塑性變形而增加了壓應(yīng)力，提高半軸疲勞壽命。（3）汽車活塞銷熱處理

1）材料：15Cr2）熱處理技術(shù)要求：

活塞銷外表面滲碳層深度為0.5--0.9mm，淬火后滲碳層的顯微組織應(yīng)為細(xì)密的馬氏體組織，不容許針狀的或連續(xù)網(wǎng)狀的自由滲碳體存在；心部組織為低碳馬氏體及鐵素體。外表面硬度58--63HRC；內(nèi)表面不滲碳，其硬度不大于38HRC。3）活塞銷加工工藝路線：

下料→粗磨外圓→滲碳→鉆孔→淬火+低溫回火→磨端面及外圓、拋光外圓→裝配。4）熱處理工藝說明

a）滲碳工序安排在粗磨之后、鉆孔之前，一方面可以防止?jié)B碳層在切削加工時(shí)過多地被磨掉而需要增加滲碳層深度，另一方面可保證內(nèi)表面不滲碳。

b）采用氣體滲碳，滲碳溫度為940°C，保溫3.5h，降溫至890°C出爐空冷。c）15Cr鋼是本質(zhì)粗晶粒鋼，為了細(xì)化表面層組織，選用一次淬火。淬火溫度應(yīng)選在Ac1--Ac3之間，即840°C加熱，為了保證淬火后心部硬度不大于38HRC，選擇在油中冷卻。

d）回火：淬火后在200°C進(jìn)行低溫回火，以消除淬火應(yīng)力?；鼗鸷筮M(jìn)行噴丸處理，去掉零件表面油污、氧化皮，同時(shí)在表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，提高疲勞強(qiáng)度。形變熱處理是將塑性變形和熱處理結(jié)合，以提高工件力學(xué)性能的一種復(fù)合工藝。工件經(jīng)形變熱處理后，可以獲得形變強(qiáng)化和相變強(qiáng)化的綜合效果，既可提高鋼的強(qiáng)度，改善其塑性和韌性，還具有節(jié)能效果，因而在生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。2.2.3熱處理新技術(shù)簡介1．真空熱處理2．形變熱處理

在低于一個(gè)大氣壓的環(huán)境中加熱的熱處理工藝稱為真空熱處理。真空加熱就是在稀薄空氣中加熱，空氣中氧的分壓很低，鋼件表面氧化很輕，可以避免氧化和脫碳，達(dá)到光亮處理目的。3.激光熱處理

激光熱處理是以激光作為能源，以極快的速度加熱工件的自冷淬火，其熱處理質(zhì)量高，表面光潔，變形極小，且無工業(yè)污染，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。激光淬火適用于各種復(fù)雜工件的表面淬火，還可以進(jìn)行工件局部表面的合金化處理等。4.電子束淬火

電子束淬火是以電子束作為熱源，以極快的速度加熱工件的自冷淬火。電子束的能量遠(yuǎn)高于激光，而且其能量利用率也高于激光熱處理。電子束淬火質(zhì)量高，淬火過程中工件的基體性能幾乎不受影響。5.電刷鍍

電刷鍍又稱涂鍍、刷鍍。是近十幾年發(fā)展起來的零件修復(fù)工藝。它是利用電化學(xué)原理，在金屬工件表面局部有選擇地快速沉積金屬鍍層，達(dá)到恢復(fù)零件尺寸和改變零件表面性能的目的。特點(diǎn)：低溫下進(jìn)行，基體金屬的性能幾乎不受影響；鍍層均勻、致密，力學(xué)、化學(xué)性能好；設(shè)備簡單，成本低。

6.氣相沉積技術(shù)

氣相沉積是利用氣相中發(fā)生的物理、化學(xué)過程，改變零件表面成分，在表面形成具有特殊性能的金屬或化合物涂層?？蓪庀喑练e技術(shù)分為化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積兩大類。

化學(xué)氣相沉積技術(shù)是指利用氣態(tài)物質(zhì)，在一定溫度下在固體表面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，并生成固態(tài)沉積膜的工藝過程。（1）化學(xué)氣相沉積（CVD）

常用化學(xué)氣相沉積涂層材料為碳化物、氮化物、氧化物，如TiC、TiN、Al2O3等。涂層具有很高的硬度2000～4000HV，較低的摩擦系數(shù)、優(yōu)異的耐磨性、良好的抗粘著能力和優(yōu)越的耐蝕性。應(yīng)用對象一般是硬質(zhì)合金刀具、高碳高鉻冷作鋼、熱作模具鋼等。

物理氣相沉積是通過真空蒸發(fā)，電離或?yàn)R射等過程，產(chǎn)生金屬粒子，并與反應(yīng)氣體形成化合物涂層沉積在工件表面，從而強(qiáng)化工件表面。物理氣相沉積方法有真空鍍、真空濺射和離子鍍等，目前應(yīng)用較廣的是離子鍍。

（2）物理氣相沉積(PVD)

物理氣相沉積主要特點(diǎn)是涂覆材料選擇余地大，鋼鐵材料、非鐵金屬材料、陶瓷等均可；沉積溫度低于600℃，沉積速度較快，涂層純度高、密合性好，可以得到與加工表面同等精度的表面，可不必再加工涂層；無公害。

可應(yīng)用于材料的表面裝飾和硬化工件表面等。用于表面裝飾方面的物理氣相沉積可以獲得表面光澤度極好的鍍層。

對汽車玻璃采用適當(dāng)?shù)奈锢須庀喑练e處理，便可得到不同顏色的表面。例如：Al--仿銀色，Al2O3--無色透明，VC--灰色，NbC--亮褐色，TaC--金褐色，TiN--金黃色，WN--褐色，Al2O3+Cr--紅色。用于硬化工件表面的TiC、TiN涂層，對刃具、模具使用壽命的提高收到良好的效果。例如，TiC可在硬質(zhì)合金的基體上沉積，涂層硬度高達(dá)3200—3400HV，耐磨性好，摩擦系數(shù)為0.08—0.10；TiN涂層的硬度可達(dá)2500HV，但抗氧化性、抗耐磨性、抗熱咬合性都好于TiC，適用于鋼質(zhì)和硬質(zhì)合金基體。金屬表面裝飾處理涂裝工藝

大多數(shù)汽車工業(yè)產(chǎn)品所獲得的五彩繽紛的色彩主要是采用涂裝工藝來實(shí)現(xiàn)的，經(jīng)過涂飾的表面效果好，涂膜有一定的光澤、組織細(xì)密、覆蓋力強(qiáng)，視覺質(zhì)感和觸覺質(zhì)感好，能給人以體現(xiàn)工藝美的人為質(zhì)感效果。1)保護(hù)作用可減輕產(chǎn)品表面受摩擦和沖擊的程度，起一定的機(jī)械防護(hù)作用，這對延長使用壽命具有很重要的意義。同時(shí)起到了防腐蝕的保護(hù)作用。2)裝飾作用可使表面粗糙的設(shè)備既具有漂亮美觀的花紋，又便于擦洗、保持清潔衛(wèi)生，工業(yè)使用的各種不同設(shè)備也常利用涂料的顏色作為標(biāo)志。涂料主要起保護(hù)、裝飾和特殊作用。3)特殊作用防毒氣材料、吸收雷達(dá)波涂料、導(dǎo)電涂料、夜光涂料、偽裝涂料、阻尼涂料等能提供多種不同的特殊功能，來改善材料表面的力學(xué)、物理、化學(xué)和微生物等方面的性能。

金屬材料是現(xiàn)代機(jī)械制造應(yīng)用的最主要材料，種類很多，應(yīng)用廣泛，分為鋼鐵材料（如碳素鋼、合金鋼、鑄鐵）及有色金屬及其合金等。2.3鋼的分類及應(yīng)用金屬材料的分類金屬鋼鐵鑄鐵——鋼白口鑄鐵、灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵非合金鋼——（碳鋼）碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、鑄鋼合金鋼合金結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼、合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、滾動(dòng)軸承鋼、合金彈簧鋼、超高強(qiáng)度鋼合金工具鋼量具刃具鋼合金模具鋼高速鋼冷作模具鋼熱作模具鋼特殊性能鋼——不銹鋼、易切削鋼、耐熱鋼、耐磨鋼非鐵金屬——銅、鋁、鈦、鋅、…，軸承合金，硬質(zhì)合金2.3.1碳素鋼1.常見雜質(zhì)元素對碳素鋼性能的影響

成分——w(C)≤2.11%

Mn→脫氧,固溶強(qiáng)化，提高強(qiáng)度和硬度。w(Mn)=0.25%~0.8%

Si→脫氧,固溶強(qiáng)化，提高強(qiáng)度和硬度。

鎮(zhèn)靜鋼w(Si)=0.1%~0.4%

沸騰鋼w(Si)=0.03%~0.07%S→熱脆(有害)P→冷脆(有害)

鋼中元素的作用基本元素：Fe、C合金元素：為改善鋼的性能而有意加入雜質(zhì)元素：無法去除的有害元素殘留元素：為去除雜質(zhì)元素而加入的元素非合金鋼中的常存元素

冷脆性——有害礦石中P

熱脆性——有害礦石中S

溶入F→

固溶強(qiáng)化——有益煉鋼時(shí)殘留Mn

溶入F→

固溶強(qiáng)化——有益煉鋼時(shí)殘留Si作用來源

（1）按碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分

低碳鋼w(C)≤0.25%中碳鋼0.25%＜w(C)≤0.60%高碳鋼w(C)＞0.60%

（2）按品質(zhì)分（S、P含量）——普通碳素鋼；優(yōu)質(zhì)碳素鋼；高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼，特級優(yōu)質(zhì)碳素鋼。

（3）按用途分——碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼。２.碳素鋼的分類

3.碳素鋼的牌號、性能和用途（1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（3）碳素工具鋼（4）鑄鋼（1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼

牌號——如Q215B，表示

s

≥215MPa（厚度≤16mm），B級質(zhì)量。

用途：

鋼板、鋼筋、型鋼等，作橋梁、建筑等構(gòu)件。用途：

鋼板、鋼筋、型鋼等，作橋梁、建筑等構(gòu)件。熱處理：熱軋空冷組織：S＋F多邊型角鋼螺釘、鉚釘鋼筋、螺紋鋼建筑構(gòu)件鋼橋梁（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

牌號——如45，含C量為45/10000=0.45%。牌號化學(xué)成分（%）力學(xué)性能CSiMnPSσs/MPaσb/MPaδ5(%)ψ(%)ɑK/J·cm-2硬度HBW≤不小于熱軋鋼退火鋼08F0.05~0.11≤0.030.25~0.50≤0.040≤0.0401803003560--131--10F0.07~0.14≤0.070.25~0.50≤0.040≤0.0401903203355--137--100.07~0.140.17~0.370.35~0.65≤0.035≤0.0402103403155--137--200.17~0.240.17~0.370.35~0.65≤0.040≤0.0402504202555--156--300.27~0.350.17~0.370.50~0.80≤0.040≤0.040300500215080179--350.32~0.400.17~0.370.50~0.80≤0.040≤0.040320540204570187--400.37~0.450.17~0.370.50~0.80≤0.040≤0.040340580194560217187450.42~0.500.17~0.370.50~0.80≤0.040≤0.040360610164050241197500.47~0.550.17~0.370.50~0.80≤0.040≤0.040380640144040241207600.57~0.650.17~0.370.50~0.80≤0.040≤0.0404106901235--255229650.62~0.700.17~0.370.50~0.80≤0.040≤0.0404207101030--255229用途：

較重要的零件，如齒輪、軸、連桿、彈簧等。

熱處理：

滲碳、淬火、回火等。

上海桑塔納轎車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸就是采用優(yōu)質(zhì)50號中碳鋼鍛制而成，先正火后半精加工，最后經(jīng)中頻淬火后再精加工。汽車曲軸常用鋼號及其應(yīng)用08、10鋼:強(qiáng)度低,塑性好,具有良好的沖壓、拉深及焊接性能,用于制造冷沖壓件,如汽車和拖拉機(jī)油箱、儀表板、氣缸蓋襯墊、連桿軸瓦的鋼背、曲軸止推片等。15、20鋼:滲碳,表硬內(nèi)韌,作凸輪、小齒輪、摩擦片、活塞銷、搖臂等。30~55鋼:調(diào)質(zhì),綜合機(jī)械性能好,制齒輪連桿軸類等。60~70鋼,淬火,中溫回火,制造彈性元件,如汽車氣門彈簧。（3）碳素工具鋼

牌號——如T12A鋼，含C量為12/1000=1.2%，

A表示高級優(yōu)質(zhì)，w(S)

0.020%，w(P)

0.030%。鋼號C,%Mn,%Si,%S,%

P,%

退火后HBS,

水冷淬火溫度，℃T7T8T8MnT9T10MnT10T12T130.65-0.740.75-0.840.80-0.900.85-0.940.95-1.040.95-1.041.15-1.241.25-1.35

0.40

0.400.40-0.60

0.400.40-0.60

0.40

0.40

0.40

0.35

0.35

0.35

0.35

0.35

0.35

0.35

0.350.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.03518718718719219207207217800-820780-800780-800760-780760-780760-780760-780760-780

碳素工具鋼的化學(xué)成分和性能（淬火后HRC≥62)用途：

沖頭、鑿子、鉆頭、銼刀、量規(guī)等。螺紋量規(guī)熱處理：淬火+低溫回火組織：回火M＋粒狀Fe3C

+A'（4）鑄鋼W(c)=0.15~0.6%應(yīng)用:結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件,如曲軸、箱體軸承座。牌號:如ZG340-640

兩組數(shù)字分別表示屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。幾種常用鑄鋼的性能和用途牌號主要性能用途ZG200—400良好的韌性、塑性和焊接性能用于受力不大，韌性好的機(jī)械零件，如機(jī)座、變速器殼、減速器殼體等ZG230—450較高的強(qiáng)度和較好的塑性、韌性和焊接性能用于受力不大，韌性好的機(jī)械零件，如砧座、外殼、軸承座、底板、箱體等ZG270—500較高的強(qiáng)度和較好的塑性，鑄造性能好，焊接性能和切削性能好用途廣泛，用于軋鋼機(jī)機(jī)架、軸承座、連桿、箱體、曲軸、缸體、飛輪等1.

合金元素在鋼中的作用

2.

合金結(jié)構(gòu)鋼

3.

合金工具鋼

4.

特殊性能鋼2.3.2合金鋼碳鋼：價(jià)格低，力學(xué)性能低，淬透性低，回火抗力差，耐熱、耐低溫、耐蝕等特殊性能差。合金鋼：在碳鋼中加入某些合金元素,改善組織與性能。(硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、硼、鋁、鋯)與C的親和力：強(qiáng)

弱常見的合金元素及作用TiZrNbVWMo

CrMn

Fe

CoNiCuSiAl弱碳化物形成元素強(qiáng)碳化物形成元素非碳化物形成元素合金元素對基本相的影響：非碳化物形成元素溶入F固溶強(qiáng)化弱碳化物形成元素形成合金滲碳體較硬，耐磨，比Fe3C更穩(wěn)定強(qiáng)碳化物形成元素形成特殊碳化物高熔點(diǎn)，硬，耐磨，最穩(wěn)定1.合金元素在鋼中的作用（1）合金元素可以提高鋼的力學(xué)性能（2）合金元素對鋼的熱處理產(chǎn)生影響（3）合金元素對鋼的工藝性能產(chǎn)生影響合金鋼的強(qiáng)化機(jī)制：

合金F的固溶強(qiáng)化

第二相（彌散）強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化（F、M晶粒度，P片間距↓）

（1）合金元素可以提高鋼的力學(xué)性能（2）合金元素對鋼的熱處理產(chǎn)生影響

合金元素對淬火、回火狀態(tài)下鋼的強(qiáng)化作用最顯著。合金元素除CO外都能使C曲線右移，提高奧氏體的穩(wěn)定，降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性，降低淬火應(yīng)力，減少了工件的變形和開裂。

（3）合金元素對鋼的工藝性能產(chǎn)生影響

合金元素的加入使鋼的鑄造、鍛造性能、焊接、切削加工性能都不同程度的降低；但可以明顯的改善熱處理的工藝性能。（1）合金鋼的分類（按用途分類）

合金結(jié)構(gòu)鋼——低合金結(jié)構(gòu)鋼、合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、合金彈簧鋼、滾動(dòng)軸承鋼、超高強(qiáng)度鋼等。合金工具鋼——刃具、模具、量具鋼。特殊性能鋼——易切削鋼、不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼。2.合金鋼的分類及編號（２）合金鋼的編號合金結(jié)構(gòu)鋼——如60Si2Mn，w(C)=0.6%，w(Si)=2%，w(Mn)＜1.5%。合金工具鋼、特殊性能鋼——如9SiCr，w(C)=0.9%，w(Si)、w(Cr)均＜1.5%。

專用鋼——如滾動(dòng)軸承鋼GCr15，w(C)=1.0%，w(Cr)=1.5%。高級優(yōu)質(zhì)鋼——如20Cr2Ni4A。3.合金結(jié)構(gòu)鋼（1）低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（2）合金滲碳鋼（3）合金調(diào)質(zhì)鋼（4）合金彈簧鋼（5）滾動(dòng)軸承鋼（6）超高強(qiáng)度鋼（1）低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼成分——w(C)＜0.2%，主加元素Mn，附加V、Ti、Nb。性能——強(qiáng)度、韌性高，焊接、冷成形性能好。普通低合金結(jié)構(gòu)鋼牌號

Q

345C

屈服強(qiáng)度345MPa質(zhì)量等級熱處理、組織

——

熱軋空冷，S＋F高壓容器橋梁船舶車輛應(yīng)用：典型普通低合金鋼應(yīng)用：Q460鋼含Mo、B，正火組織為B，強(qiáng)度高，用于石化中溫高壓容器。

Q345鋼綜合性能好，用于船舶、橋梁、車輛等大型鋼結(jié)構(gòu)。

Q390鋼含V、Ti、Nb，強(qiáng)度高，用于中等壓力的容器。（2）合金滲碳鋼成分——w(C)=0.1～0.25%,韌性好。合金元素提高淬透性、耐磨性,細(xì)化晶粒。Cr、Ni、Mo、W、Mn、Si和B提高淬透性，Ti細(xì)化晶粒。性能——滲層硬度高，耐磨，抗接觸疲勞；心部韌性高、強(qiáng)度大。合金滲碳鋼的牌號（滲碳:930℃，回火：200℃）

主要化學(xué)成分,%預(yù)備處理／淬火,℃CMnCr，Ni0.17~0.24

0.17~0.240.50~0.80

1.30~1.600.70~1.00

880／800水,油880水,油0.17~0.230.17~0.23

0.90~1.200.80~1.10

0.90~1.201.00~1.30

850油880／870油鋼號20Cr

20MnV20CrMn20CrMnTi

淬透性低中高18Cr2Ni4WA

20Cr2Ni4A0.13~0.19

0.17~0.23W0.8~1.2

0.30~0.601.35~1.65

4.0~4.51.25~1.65

3.25~3.75950／850空

880／780

油機(jī)械性能

bMPa

sMPa835

785540

5909301080

735835

1180

1180835

1080aKU2J47

554755

78

63熱處理：組織——表層：回火M+碳化物+

A′；心部：低C的回火M（+T+F）。應(yīng)用——耐磨件 20Cr，小軸、活塞銷、小齒輪。 20CrMnTi，汽車齒輪。 18Cr2Ni4WA，如曲軸、連桿。

滲碳→淬火→低溫回火合金滲碳鋼的牌號20

Mn2

Ti

A等級:高級優(yōu)質(zhì)含鈦量WTi≤1.5%含錳量WMn

2%含碳量WC0.2%典型合金滲碳鋼應(yīng)用：

低淬透性合金滲碳鋼：鋼含合金元素總量＜3%。15Cr、20Cr、20Mn2。用于受力小的耐磨件，如柴油機(jī)的活塞銷、凸輪軸等。中淬透性合金滲碳鋼：鋼含合金元素總量在4%左右。20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等載荷的耐磨件，如變速箱齒輪。柴油機(jī)凸輪軸活塞銷(20Cr)

20CrMnTi鋼制造齒輪的熱處理工藝曲線

現(xiàn)有φ35x20mm的兩根軸。一根為20鋼，經(jīng)920℃滲碳后直接淬火(水冷)及180℃回火，表層硬度為58～62HRC；另一根為20CrMnTi鋼，經(jīng)920℃滲碳后直接淬火(油冷)，-80℃冷處理及180℃回火后表層硬度為60～64HRC。問這兩根軸的表層和心部的組織(包括晶粒粗細(xì))與性能有何區(qū)別?為什么?鋼種表面組織心部組織晶粒大小性能20鋼回火馬氏體＋滲碳體F+P較細(xì)小外硬內(nèi)韌20CrMnTi回火馬氏體＋合金碳化物F+P（細(xì)）＋低碳回火馬氏體更細(xì)小表面強(qiáng)度、硬度更高，心部不僅強(qiáng)、硬度較高，同時(shí)韌性好。（3）合金調(diào)質(zhì)鋼成分——w(C)=0.25～0.50%，合金元素消除回火脆性,提高回火抗力,強(qiáng)化F。Mn、Cr、Ni、B、Si用來提高淬透性，Mo、W可抑制第二類回火脆性，Ti、V細(xì)化晶粒。性能——綜合機(jī)械性能高。熱處理：組織——表層：回火S應(yīng)用:軸類、連桿、齒輪。 40Cr，一般尺寸重要零件，如齒輪、主軸。 35CrMo，較大截面零件，如曲軸、連桿。 40CrNiMo，大截面重載零件，如汽輪機(jī)主軸和葉輪。

調(diào)質(zhì)，可附加表面淬火或氮化(38CrMoAl)。應(yīng)用:汽車曲軸圓錐齒輪（4）合金彈簧鋼成分——w(C)=0.45～0.70%，Si,Mn為主要元素，提高屈強(qiáng)比。性能——σe

、σs、屈強(qiáng)比和疲勞抗力高，塑性大，耐振動(dòng)、沖擊。

彈簧鋼的熱處理取決于彈簧的加工成形方法，按照加工方法的不同，彈簧一般可分為熱成形彈簧和冷成形彈簧兩類。

（a）熱成形彈簧對截面尺寸大于10mm各種大型和形狀復(fù)雜的彈簧均采用熱成形（如熱軋、熱卷），如汽車、拖拉機(jī)、火車的板簧和螺旋彈簧。扁鋼或圓鋼下料→加熱壓彎或卷繞→淬火+中溫回火→表面噴丸處理，使用狀態(tài)組織為回火托氏體，以獲得高的彈性極限和疲勞極限。噴丸可強(qiáng)化表面并提高彈簧表面質(zhì)量，顯著改善疲勞性能。

（b）冷成形彈簧截面尺寸小于10mm的各種小型彈簧可采用冷成形（如冷卷、冷軋），如儀表中的螺旋彈簧、發(fā)條及彈簧片等。這類彈簧在成形前先進(jìn)行冷拉（冷軋）、淬火+中溫回火或鉛浴等溫淬火后冷拉（軋）強(qiáng)化；然后再進(jìn)行冷成形加工，此過程中將進(jìn)一步強(qiáng)化金屬，由于冷成形過程會產(chǎn)生加工硬化，冷成形彈簧屈服點(diǎn)和彈性極限都很高，產(chǎn)生了較大的內(nèi)應(yīng)力和脆性，故在其后應(yīng)進(jìn)行低溫去應(yīng)力退火（200~300°C）。

汽車板簧火車螺旋彈簧應(yīng)用：

65Mn、60Si2Mn：汽車，拖拉機(jī)，機(jī)車的板簧和螺旋彈簧。熱處理：

熱軋彈簧：熱成型→淬火+中溫回火→噴丸冷軋彈簧：淬火+中溫回火→冷成型→去應(yīng)力→噴丸組織——回火T汽車板簧大型熱卷彈簧熱卷大彈簧彈簧絲（5）滾動(dòng)軸承鋼

滾動(dòng)軸承在交變應(yīng)力作用下工作，各部分之間有強(qiáng)烈摩擦，還受到潤滑劑的化學(xué)浸蝕。因此，滾動(dòng)軸承鋼必須具有高的硬度和耐磨性，高的彈性極限和接觸疲勞強(qiáng)度，足夠的韌性和抗蝕性。成分——w(C)=0.95～1.10%，主加元素是Cr，形成細(xì)小的碳化物。性能——高接觸疲勞強(qiáng)度、高硬度和耐磨性，韌性、淬透性好。鋼號主要化學(xué)成分，w/%熱處理規(guī)范及性能CCrSiMn淬火℃回火℃回火后HRCGCr40.95~1.050.35~0.00.15~0.300.15~0.30800~820150~17062~66GCr150.95~1.051.40~1.650.15~0.350.25~0.45820~840150~16062~66GCr15SiMn0.95~1.051.40~1.650.45~0.750.95~1.25820~840170~200>62GMnMoVRE0.95~1.050.15~0.401.10~1.40770~810170

5

62GSiMoMnV0.95~1.100.45~0.650.75~1.05780~820175~200

62滾動(dòng)軸承鋼的牌號：G

Cr9

SiMn

含Mn量WMn≤1.5%含Si量WSi≤1.5%

含Cr量WCr≈0.9%

滾動(dòng)軸承鋼應(yīng)用：

GCr15：中小型軸承，冷沖模，量具，絲錐。熱處理：

球化退火+淬火+低溫回火冷處理，時(shí)效（120～140℃,10～20h）：穩(wěn)定尺寸，去應(yīng)力。組織——回火M＋細(xì)碳化物＋少量A'鉻軸承鋼制造軸承的工藝路線：鍛造球化退火機(jī)加工淬火+冷處理(–60～–80℃;1h)

低溫回火磨削加工穩(wěn)定化處理(120～130℃；5～10h)（6）超高強(qiáng)度鋼

指屈服極限大于1400MPa，強(qiáng)度極限大于1500MPa，兼有適當(dāng)韌性的合金鋼，它是在合金調(diào)質(zhì)鋼的基礎(chǔ)上加入多種合金元素而形成和發(fā)展起來的。我國常用的超高強(qiáng)度鋼有30CrMnTiNi2A、4Cr5MoVSi（碳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為千分?jǐn)?shù)）等。主要用作航空、航天工業(yè)的結(jié)構(gòu)材料。如飛機(jī)主梁、起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)零件等。合金工具鋼具有更高硬度、耐磨性，更好的淬透性、熱硬性和回火穩(wěn)定性等。因而可以制造刃具、模具、量具和其它工具。4.合金工具鋼（1）合金刃具鋼（2）合金模具鋼（3）合金量具鋼量具刃具模具（1）合金刃具鋼（a）性能要求：高硬度——機(jī)加工刀具HRC＞60高耐磨性——刀具壽命和生產(chǎn)率↑ 組織要求——硬而細(xì)小的碳化物，均勻分布在強(qiáng)而韌的鋼基體中。高的熱硬性（紅硬性）——高溫下保持高硬度的能力，與回火穩(wěn)定性有關(guān)。足夠的韌性——以承受沖擊載荷。（b）低合金刃具鋼成分——w(C)=0.9~1.5%，合金元素＜5%。性能——HRC＞60，使用溫度200~300℃。鋼號主要化學(xué)成分，w/%熱處理及性能CMnSiCr淬火℃回火℃回火后HRC9SiCr0.85~0.950.30~0.601.20~1.600.95~1.25860~880油180~20060~62CrWMn0.90~1.050.80~1.10W1.2~1.600.90~1.20820~840油140~16062~65熱處理——球化退火（+機(jī)加工）+淬火+低溫回火最終組織——回火M+合金碳化物+少量A'應(yīng)用——如9SiCr，做板牙、絲錐等。板牙絲錐（c）高速鋼

成分——w(C)=0.7~1.2%，合金元素＞10%。性能： 高硬度、耐磨性——VC等彌散硬化 高熱硬性——600℃時(shí)HRC≈62。 高淬透性——尺寸不大時(shí)可空冷淬火，Cr等元素提高淬透性。鋼號主要化學(xué)成分，w，%熱處理及性能CWVCrMo淬火℃回火℃回火后HRCW18Cr4V0.70~0.8017.5~19.01.00~1.403.80~4.401270~1285油550~570

三次≥63W6Mo5Cr4V20.80~0.905.50~6.751.75~2.203.80~4.404.75~5.501210~1230油540~560

三次≥63熱處理

（鍛造+）球化退火（+機(jī)加工）→淬火+回火鍛造目的——成型；使鑄態(tài)粗大碳化物破碎、細(xì)化、分布均勻。淬火：1280℃——增加A、M中合金含量，提高熱硬性。淬火組織（左圖）：M+碳化物+A'最終組織（右圖）：回火M+粒狀碳化物+少量A'回火：560℃，三次——W2C、VC彌散硬化，二次淬火基本消除A'。應(yīng)用——高速車刀、鉆頭、銑刀等。（2）合金模具鋼（a）冷模具鋼——冷沖、冷鐓、冷擠壓模等。性能——高硬度、耐磨性，足夠的韌性和疲勞抗力。應(yīng)用：小型模具——9Mn2V、9SiCr、CrWMn等。大型模具——Cr12、Cr12MoV等，熱處理變形小。最終熱處理——淬火+低溫回火最終組織——回火M+碳化物+少量A'（b）熱模具鋼——

熱鍛、熱擠壓、壓鑄模等。性能——耐熱性、熱疲勞抗力高。應(yīng)用：中小型模具——5CrMnMo等。大型模具——3Cr2W8V等，淬透性好。最終熱處理——淬火+高溫回火最終組織——回火T或回火S（3）量具用鋼——卡尺、千分尺、塞規(guī)等性能——高的硬度和耐磨性、良好的尺寸穩(wěn)定性。應(yīng)用:簡單量具——T10A、T12A等。高精度量具——GCr15、CrWMn等。最終熱處理——淬火+（-70～-80℃）冷處理+低溫回火+時(shí)效處理時(shí)效處理：120～130℃，保溫幾個(gè)～幾十個(gè)小時(shí)，使M、A'穩(wěn)定，消除內(nèi)應(yīng)力。最終組織——回火M+碳化物+少量A'（1）易切削鋼

（2）不銹鋼

（3）耐熱鋼

（4）耐磨鋼5.特殊性能鋼

特殊性能鋼是一種含有較多合金元素，在特殊工作條件或腐蝕、高溫等特殊工作環(huán)境下具有某些特殊物理、化學(xué)或其他性能的鋼。其類型很多，在機(jī)械行業(yè)常用的特殊性能鋼主要有易切削鋼、不銹鋼、耐熱鋼和耐磨鋼。（1）易切削鋼

易切削鋼是具有優(yōu)良可加工性的專用鋼種。它是在鋼中加入一種或幾種合金元素改善鋼材的可加工性。加入元素本身或與其他元素形成一種對切削加工有利的夾雜物，使切削抗力下降，切屑易斷易排，零件表面質(zhì)量改善且刀具壽命提高。目前使用最廣泛的元素是硫、鉛、磷、鈣等。（2）不銹鋼鋼的抗腐蝕措施：形成單相組織。加入Cr，降低兩相的電極電位差。加入Cr、Al等，生成致密的表面氧化膜。

不銹鋼是指在腐蝕介質(zhì)中具有抗腐蝕性能的鋼。其通常是不銹鋼（耐大氣、蒸汽和水等弱腐蝕介質(zhì)腐蝕的鋼）和耐酸鋼（耐酸、堿、鹽等強(qiáng)腐蝕介質(zhì)腐蝕的鋼）的統(tǒng)稱，全稱不銹耐酸鋼，廣泛用于化工、石油、衛(wèi)生、食品、建筑、航空、原子能等行業(yè)。常用不銹鋼：F型——如1Cr17，化工設(shè)備、食品工業(yè)。M型——如1Cr13用于汽輪機(jī)葉片；3Cr13做手術(shù)器具及刀具。A型——如1Cr18Ni9Ti用于化工、食品、醫(yī)療行業(yè)。以奧氏體型不銹鋼應(yīng)用最廣泛，它約占不銹鋼總產(chǎn)量的70％左右。

不銹鋼的碳含量很寬，wC=0.03％～0.95％汽車用不銹鋼主要有用于制造消聲器外殼的耐熱不銹鋼和裝飾用的耐蝕不銹鋼。（2）不銹鋼不銹鋼的成分、熱處理、性能：鋼號主

要

化

學(xué)

成

分,%淬火

℃回火

℃CCrNiTi類別機(jī)械性能

bMPa

sMPa

5

%HRC

HB1Cr13

0.1512~

14950~

1000水,油700~

7504Cr130.36~

0.4512~

141050~

1100油200~

300M型540345680400254159501Cr17

0.1216~

18780~

850正火0Cr18Ni9

0.0717~

198~

121010~

1150水F型A型A-F型45020552020522401831871Cr18Ni9Ti

0.1217~

199~

12

0.5

~0.8920~

1150水520205401871Cr21Ni5Ti0.09~

0.1420~

224.8~

5.8

0.35

~0.8950~

1100水,空60035020（3）耐熱鋼抗氧化性：金屬在高溫下的抗氧化能力。熱強(qiáng)性：熱強(qiáng)性是指鋼在高溫下的強(qiáng)度。用途：鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī)等,燃燒室\排氣系。類別鋼號主

要

化

學(xué)

成

分,%淬火

℃回火

℃CCrNiTiM型1Cr13

0.1512~

14950~

1000油700~

7501Cr11MoV0.11~

0.1810~

11.5Mo0.5

~0.71050~

1100空720~

740A型1Cr18Ni9Ti

0.1217~

198~

11

0.5

~0.8920~

1150水機(jī)械性能

bMPa

sMPa540345490685520205

5

%2040HB159159187耐熱鋼的用途發(fā)動(dòng)機(jī)葉片航空發(fā)動(dòng)機(jī)汽輪機(jī)葉片汽車閥門（4）耐磨鋼ZGMn13熱處理：1000℃～1100℃，保溫，水冷→A，硬度低，韌性高。性能：工件在工作中受到?jīng)_擊變形時(shí)，表層產(chǎn)生加工硬化，及M轉(zhuǎn)變，硬度顯著提高，心部保持高韌性。用途：履帶、鐵道岔道、挖掘機(jī)、拖拉機(jī)、坦克的履帶板等。代表牌號Mn13耐磨鋼的用途球磨機(jī)挖掘機(jī)顎式破碎機(jī)2.4鑄鐵一.碳鋼二.合金鋼三.鑄鐵四.有色金屬及其合金五.金屬材料在工程上的應(yīng)用金屬材料的分類金屬鋼鐵鑄鐵——鋼白口鑄鐵、灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵非合金鋼——（碳鋼）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、鑄鋼合金鋼合金結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼、滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、滾動(dòng)軸承鋼、彈簧鋼、超高強(qiáng)度鋼合金工具鋼量具刃具鋼合金模具鋼高速鋼冷作模具鋼熱作模具鋼特殊性能鋼——不銹鋼、耐熱鋼、易切削鋼、耐磨鋼非鐵金屬——銅、鋁、鈦、鋅、…，軸承合金，硬質(zhì)合金耐磨鋼的用途球磨機(jī)挖掘機(jī)顎式破碎機(jī)鑄鐵的性能特點(diǎn)常用鑄鐵成分——w(C)=2.11~6.69%（１）鑄鐵的石墨化C的同素異構(gòu)體：石墨G（簡單六方晶格）組織——鋼基體+石墨（G）

石墨的形態(tài)(形狀\數(shù)目\大小\及分布)決定鑄鐵組織與性能1.鑄鐵的石墨化過程及影響因素2.4.1鑄鐵的石墨化、分類及性能