金屬材料的性能

1、1金屬材料的性能金屬材料的性能分為使用性能和工藝性能。使用性能是指金屬材料在使用過(guò)程中反映出來(lái)的特性，它決定金屬材料的應(yīng)用范圍、安全可靠性和使用壽命。使用性能又分為機(jī)械性能、物理性能和化學(xué)性能。工藝性能是指金屬材料在制造加工過(guò)程中反映出來(lái)的各種特性，是決定它是否易于加工或如何進(jìn)行加工的重要因素。在選用金屬材料和制造機(jī)械零件時(shí)，主要考慮機(jī)械性能和工藝性能。在某些特定條件下工作的零件，還要考慮物理性能和化學(xué)性能。1.1金屬材料的機(jī)械性能各種機(jī)械零件或者工具，在使用時(shí)都將承受不同的外力，如拉力、壓力、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊或摩擦等等的作用。為了保證零件能長(zhǎng)期正常的使用，金屬材料必須具備抵抗外力而不破壞或變

2、形的性能，這種性能稱為機(jī)械性能。即金屬材料在外力作用下所反映出來(lái)的力學(xué)性能。金屬材料的機(jī)械性能是零件設(shè)計(jì)計(jì)算、選擇材料、工藝評(píng)定以及材料檢驗(yàn)的主要依據(jù)。不同的金屬材料表現(xiàn)出來(lái)的機(jī)械性能是不一樣的。衡量金屬材料機(jī)械性能的主要指標(biāo)有強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)度等。1.1.1 強(qiáng)度金屬材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力稱為強(qiáng)度。按外力作用的方式不同，可分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度等。一般所說(shuō)的強(qiáng)度是指抗拉強(qiáng)度。它是用金屬拉伸試驗(yàn)方法測(cè)出來(lái)的。1.1.2剛性與彈性金屬材料在外力作用下，抵抗彈性變形的能力稱為剛性。剛性的大小可用材料的彈性模量（E）表示。彈性模量是金屬材料在彈性變形范

3、圍內(nèi)的規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力（）與規(guī)定非比例伸長(zhǎng)率（）的比值。所以材料的彈性模量（E）愈大，剛性愈大，材料愈不易發(fā)生彈性變形。但必須注意的是：材料的剛性與零件的剛度是不同的，零件的剛度除與材料的彈性模量有關(guān)外，還與零件的斷面形狀和尺寸有關(guān)。例如，同一種材料的兩個(gè)零件，彈性模量E雖然相同，但斷面尺寸大的零件不易發(fā)生彈性變形，而斷面尺寸小的零件則易發(fā)生彈性變形。零件在使用過(guò)程中，一般處于彈性變形狀態(tài)。對(duì)于要求彈性變形小的零件，如泵類(lèi)主軸、往復(fù)機(jī)的曲軸等，應(yīng)選用剛性較大的金屬材料。對(duì)于要求彈性好的零件，如彈簧則可通過(guò)熱處理和合金化的方法，達(dá)到提高彈性的目的。1.1.3硬度金屬材料抵抗集中負(fù)荷作用的性能稱

4、為硬度。換句話說(shuō)，硬度是金屬材料抵抗硬物壓入的能力。材料的硬度是強(qiáng)度、塑性和加工硬化傾向的綜合反映。硬度與強(qiáng)度之間往往有一定的概略比例關(guān)系，并在很大程度上反映出材料的耐磨性能。此外，硬度測(cè)定方法簡(jiǎn)便，不需制備特殊的試樣，可以直接在零件上進(jìn)行測(cè)定，而不損壞工件。所以硬度通常在生產(chǎn)上作為熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)的主要方法。1.1.4沖擊韌性有些機(jī)器零件在工作時(shí)，如齒輪換擋、設(shè)備起動(dòng)、剎車(chē)等，往往受到?jīng)_擊負(fù)荷的作用；還有一些機(jī)器，如鍛錘、沖床、鑿巖機(jī)、氣動(dòng)舂砂錘等，它們本身就是利用沖擊能量來(lái)工作的。金屬抵抗沖擊負(fù)荷的能力稱為沖擊韌性。對(duì)于承受小能量多次沖擊的機(jī)器零件，對(duì)材料要求高的強(qiáng)度，又要求過(guò)高的塑性和沖擊

5、韌性，并不能提高零件的壽命，相反卻因犧牲了強(qiáng)度，不能發(fā)揮材料的潛力，反擊會(huì)降低零件的壽命。1.1.5疲勞強(qiáng)度金屬材料在重復(fù)或交變負(fù)荷的作用下，循環(huán)一定周次Ni后，斷裂時(shí)所能承受的最大應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度。材料的疲勞強(qiáng)度是通過(guò)各種條件下的疲勞試驗(yàn)確定的。對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)下的疲勞極限通常是在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上用光滑試樣測(cè)定。材料的疲勞極限是材料機(jī)械性能中的一個(gè)重要性能。凡承受交變負(fù)荷的機(jī)器零件在設(shè)計(jì)時(shí)需用疲勞極限進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。在斷裂的零件中，絕大多數(shù)是交變負(fù)荷下工作的，如往復(fù)機(jī)的曲軸，各種機(jī)器的主軸、齒輪、彈簧等。它們的主要破壞形式是疲勞斷裂，而且疲勞斷裂中大多數(shù)是突然發(fā)生的，通常所承受的應(yīng)力也小于材料

6、的屈服強(qiáng)度。因此，疲勞斷裂具有很大的危險(xiǎn)性。材料的疲勞極限是材料機(jī)械性能中最敏感的性能之一。受各種內(nèi)因和外因的影響。例如工作時(shí)的負(fù)荷性質(zhì)、環(huán)境溫度和介質(zhì)；零件的幾何尺寸、表面加工的質(zhì)量及處理；材料的化學(xué)成分、內(nèi)部組織及缺陷等，都顯著地影響疲勞極限。為了提高機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度，除了根據(jù)強(qiáng)度要求正確選材外，合理地設(shè)計(jì)零件的結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中，提高零件的表面質(zhì)量，避免各種損傷，以及采用表面淬火、化學(xué)熱處理、噴丸處理等表面強(qiáng)化方法，都能不同程度地提高抗疲勞斷裂的能力。1.1.6斷裂韌性金屬材料抵抗裂紋擴(kuò)展斷裂的韌性性能稱為斷裂韌性。斷裂韌性與其他韌性一樣，綜合地反映了材料的強(qiáng)度和塑性。按傳統(tǒng)力學(xué)方

7、法對(duì)零件進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，以材料的屈服強(qiáng)度為依據(jù)，運(yùn)用強(qiáng)度儲(chǔ)備法確定零件的許用應(yīng)力和工作應(yīng)力。照此設(shè)計(jì)的零件，一般認(rèn)為是安全可靠的。但是，一些用高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼制造的零件，以及中、低強(qiáng)度鋼制造的大型零件，在工作應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度的條件下，有時(shí)發(fā)生脆性斷裂。這種在屈服強(qiáng)度以下產(chǎn)生的脆性斷裂稱為低應(yīng)力脆斷。大量斷裂事故分析表明：零件的低應(yīng)力脆斷是由宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展引起的。為了防止低應(yīng)力脆斷事故發(fā)生，在選用材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)材料的斷裂韌性指標(biāo)，對(duì)零件允許的工作應(yīng)力和裂紋尺寸進(jìn)行定量計(jì)算，提出明確的數(shù)據(jù)要求。1.2. 金屬材料的其他性能1.2.1物理性能金屬材料的物理性能，有密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、

8、導(dǎo)電性、磁性等。金屬材料密度大于5的稱為重金屬；小于5的稱為輕金屬。對(duì)于某些工業(yè)部門(mén)（如航空），密度對(duì)產(chǎn)品的重量具有重要的意義。金屬材料的熔點(diǎn)影響到材料的使用和制造工藝。例如：電阻絲、鍋爐零件、燃?xì)廨啓C(jī)的噴嘴等，要求材料有高的熔點(diǎn)，保險(xiǎn)絲則要求熔點(diǎn)低。在制造工藝上，熔點(diǎn)低的共晶合金，流動(dòng)性好，便于鑄造成形。金屬材料的熱膨脹性主要是指它的線膨脹系數(shù)。熱膨脹性會(huì)帶來(lái)零件的變形、開(kāi)裂及改變配合狀態(tài)，從而影響機(jī)器設(shè)備的精度和使用壽命。高精度的機(jī)床和儀器，要求在一定溫度下加工和測(cè)量產(chǎn)品，就是考慮了這個(gè)因素。金屬材料的導(dǎo)熱性影響加熱和冷卻的速度。導(dǎo)熱性差的材料在加熱或冷卻時(shí)，工件內(nèi)外溫差大，容易產(chǎn)生大的內(nèi)

9、應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力大于材料的強(qiáng)度時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生變形或裂紋。金屬材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性，對(duì)一些電機(jī)、電器產(chǎn)品是很重要的性能。如銅、鋁導(dǎo)線要求導(dǎo)電性好，鎳鉻合金的電阻絲則要求有大的電阻，變壓器和電機(jī)的鐵芯則采用磁性好的鐵磁材料。1.2.2化學(xué)性能金屬材料的化學(xué)性能主要是指金屬抵抗活潑介質(zhì)的化學(xué)侵蝕能力。在室溫下金屬材料抵抗周?chē)橘|(zhì)（如大氣、水氣等）侵蝕的能力稱為耐蝕性。一般機(jī)器零件為了不被腐蝕，常用熱鍍或電鍍金屬、發(fā)蘭處理、涂油漆、燒搪瓷、加潤(rùn)滑油等方法來(lái)進(jìn)行保護(hù)。在易腐蝕環(huán)境工作的重要零件，有時(shí)需采用不銹鋼制造。金屬材料抵抗酸堿侵蝕的能力稱為耐酸性。在化工機(jī)械中受到酸堿鹽等化學(xué)介質(zhì)侵蝕的零件，則需采用耐

10、酸鋼制造。金屬材料在高溫下保持足夠的強(qiáng)度，并能抵抗氧或水蒸氣侵蝕的能力稱為耐熱性。在鍋爐、汽輪機(jī)及化工、石油等設(shè)備上的一些零件，為了滿足這一性能，需采用耐熱不銹鋼制造。1.2.3工藝性能金屬材料的工藝性能是反映金屬材料在各種加工過(guò)程中，適應(yīng)加工工藝要求的能力。它是物理性能、化學(xué)性能和機(jī)械性能的綜合表現(xiàn)。工藝性能主要有鑄造性、可鍛性、可焊性、切削加工性和熱處理性等。在機(jī)械設(shè)計(jì)和制造中，以及選擇材料和工藝方法時(shí)，必須考慮材料的工藝性能。1.2.4 鑄造性能金屬材料的鑄造性能主要是指流動(dòng)性、收縮性和產(chǎn)生偏析的傾向。流動(dòng)性是流體金屬充滿鑄型的能力。流動(dòng)性好能鑄出細(xì)薄精致的復(fù)雜鑄件，能減少缺陷。收縮性是

11、指金屬材料在冷卻凝固中，體積和尺寸縮小的性能。收縮是使鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松、內(nèi)應(yīng)力、變形、開(kāi)裂的基本原因。偏析是指金屬材料在凝固時(shí)造成零件內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。它使零件各部分機(jī)械性能不一致，影響零件使用的可靠性。1.2.5 可鍛性金屬材料的可鍛性是指它是否易于鍛壓的性能?？慑懶猿Ｓ媒饘俚乃苄院妥冃慰沽?lái)綜合衡量?？慑懶院玫慕饘俨牧?，不但塑性好，可鍛溫度范圍寬，再結(jié)晶溫度低，變形時(shí)不易產(chǎn)生加工硬化，而且所需的變形外力小。如中、低碳鋼，低合金等都有良好的可鍛性，高碳鋼、高合金鋼的可鍛性較差，而鑄鐵則根本不能鍛造。1.2.6 可焊性金屬材料的可焊性是指金屬在一定條件下獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。對(duì)

12、于易氧化、吸氣性強(qiáng)、導(dǎo)熱性好（或差）、膨脹系數(shù)大、塑性低的材料，一般可焊性差?？珊感院玫慕饘俨牧?，在焊縫內(nèi)不易產(chǎn)生裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，同時(shí)焊接接頭強(qiáng)度高。如低碳鋼具有良好的可焊性，而鑄鐵、高碳鋼、高合金鋼、鋁合金等材料的可焊性則較差。1.2.7 切削加工性金屬材料的切削加工性是指它被切削加工的難易程度。切削加工性好的材料，切削時(shí)消耗的能量少，刀具壽命長(zhǎng)，易于保證加工表面的質(zhì)量，切削易于折斷和脫落。金屬材料的切削加工性與它的強(qiáng)度、硬度、塑性、導(dǎo)熱性等有關(guān)。如灰口鑄鐵、銅合金及鋁合金等均有較好的切削加工性，而高碳鋼的切削性能則較差。1.2.8 熱處理性金屬材料在進(jìn)行熱處理時(shí)反映出來(lái)的性能，稱為

13、熱處理性，如淬透性、淬硬性、淬火變形開(kāi)裂的傾向、氧化脫碳的傾向等。這些熱處理性能將在本書(shū)有關(guān)章節(jié)中討論。1.3.零件失效與金屬材料性能的關(guān)系金屬材料制造的各種機(jī)器零件（或構(gòu)件）都具有一定的功能。若在服役條件下失去了最初規(guī)定的功能，則稱為失效。零件失效是由于外界損害作用超過(guò)了材料抵抗損害能力的結(jié)果。下面分別討論零件失效的主要形式與金屬材料性能之間的關(guān)系。1.3.1過(guò)量變形各種機(jī)器零件受力后總要產(chǎn)生變形。當(dāng)變形量超過(guò)允許限度時(shí)，就會(huì)影響零件之間的配合關(guān)系，嚴(yán)重時(shí)可使零件最終失效，這種現(xiàn)象稱為過(guò)量變形。過(guò)量變形有下面兩種情況：過(guò)量的彈性變形機(jī)器零件受力后發(fā)生的變形，總是存在彈性變形。在多數(shù)情況下，機(jī)

14、器零件的彈性變形不能太大，一般要限制過(guò)量的彈性變形，要求零件有足夠的剛度。如果零件的彈性變形超過(guò)了設(shè)計(jì)所允許的范圍，將影響零件的使用，以致失效。例如，鏜床的鏜桿發(fā)生過(guò)量的彈性變形，將影響加工的精度。此外，零件有過(guò)量的彈性變形，還可能與其他零件相碰，或引起震動(dòng)，對(duì)于薄壁零件甚至使整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失穩(wěn)定。實(shí)際生產(chǎn)中，制造彈簧等零件則要選用彈性材料，并要求材料的彈性模量小，彈性極限高，使之能產(chǎn)生較大的彈性變形。材料彈性模量與比重的比值稱為比模量。是近代工程材料的一個(gè)重要參數(shù)。例如鋁的彈性模量小于鋼，但它的比模量大于鋼，因此被大量用作航空材料。過(guò)量塑性變形零件卸載后不能恢復(fù)的變形都是塑性變形。塑性變形產(chǎn)生后

15、，零件在不受力的狀態(tài)下，也會(huì)偏離設(shè)計(jì)的形狀，這對(duì)一般機(jī)器來(lái)說(shuō)是不允許的。因此，過(guò)量塑性變形是機(jī)器零件失效的一種形式。例如，齒輪發(fā)生塑性變形后，會(huì)嚙合不好，甚至卡死、斷齒。塑性變形與材料本身的組織結(jié)構(gòu)和外部各種因素都十分敏感。不但材料的成分、組織結(jié)構(gòu)不同，會(huì)有不同的塑性變形能力，而且溫度、加載速度、表面狀態(tài)和應(yīng)力狀況等外界條件也會(huì)對(duì)塑性變形能力產(chǎn)生很大的影響。例如：室溫下的塑性材料，在低溫則可能呈脆性；靜載下呈塑性的材料，在沖擊負(fù)荷下，由于塑性變形速度滯后于加載速度而呈脆性；材料在單向拉伸時(shí)呈塑性，而在三向拉伸時(shí)則可能呈脆性。這些特點(diǎn)在防止過(guò)量塑性變形時(shí)必須予以注意。1.3.2斷裂機(jī)器零件發(fā)生斷

16、裂，是一種最嚴(yán)重的失效形式。特別在沒(méi)有明顯塑性變形的情況下，突然發(fā)生的脆性斷裂，往往會(huì)造成不應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)損失和傷亡事故。為防止脆性斷裂，其傳統(tǒng)方法是：正確分析零件所承受的應(yīng)力，再考慮應(yīng)力集中的情況，即可選擇強(qiáng)度能夠滿足要求，又有一定塑性和韌性的材料制造。近代研究表明：斷裂是一個(gè)物理過(guò)程，由裂紋的萌生和擴(kuò)展兩個(gè)基本階段所組成，斷裂力學(xué)就是研究材料裂紋的萌生、擴(kuò)展直到斷裂的規(guī)律，并提出的新的斷裂判斷理論。用斷裂韌性Kic表征材料抵抗裂紋擴(kuò)展能力。這個(gè)認(rèn)識(shí)對(duì)斷裂分析是個(gè)重大的進(jìn)展，具有極大的實(shí)用價(jià)值。1.3.3 過(guò)量磨損 任何一臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器設(shè)備，在接觸狀態(tài)下有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件，都會(huì)產(chǎn)生摩擦，引起磨損。磨

17、損超過(guò)一定的數(shù)量，機(jī)器運(yùn)行情況就會(huì)惡化，使效率和精度降低，甚至報(bào)廢。磨損不僅消耗材料，損壞機(jī)器，而且耗費(fèi)大量的能源。根據(jù)磨損的破壞機(jī)理，磨損可以分以下四種。1.3.4 磨粒磨損 磨粒磨損也稱為磨料磨損，一般是指硬的磨?；蛲钩鑫镌趯?duì)零件表面的摩擦過(guò)程中，使材料表面發(fā)生損耗的現(xiàn)象。其實(shí)質(zhì)是微量切削與疲勞破壞的綜合。這種磨?；蛲钩鑫镆话闶欠墙饘倌チ?，如石英、礦巖、砂土等，但也包括硬金屬與軟金屬表面的磨損。所以磨粒磨損在礦山、土建、國(guó)防、農(nóng)業(yè)等部門(mén)應(yīng)用的機(jī)器上大量存在。研究表明，當(dāng)材料表面硬度大于或等于磨粒硬度的0.91.4倍時(shí)，就能有效地減少磨損。1.3.5 疲勞磨損 零件接觸表面在接觸壓應(yīng)力的長(zhǎng)期

18、反復(fù)作用后，使表面或次表面形成裂紋，裂紋再沿著與表面平行或垂直的方向擴(kuò)展，導(dǎo)致表層材料成細(xì)片狀剝落，這種損壞現(xiàn)象稱為疲勞磨損，表層材料剝落將使機(jī)器工作時(shí)的噪音加大，振動(dòng)增加，溫度上升，磨損加劇，以至失效而不能工作。例如，在齒輪和滾動(dòng)軸承中產(chǎn)生的疲勞磨損是典型的例子。生產(chǎn)上提高抗疲勞磨損的方法有：選擇具有較高疲勞強(qiáng)度和表面硬度的材料；通過(guò)熱處理使零件具有合適的組織結(jié)構(gòu)；降低零件表面加工的粗糙度；提高機(jī)器的裝配精度；改善機(jī)器的潤(rùn)滑條件等。1.3.6 粘著磨損 粘著磨損又稱為咬合磨損，它是兩個(gè)互相接觸的零件在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接觸表面局部發(fā)生粘著，在粘著處分開(kāi)時(shí)，材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面造成磨損。這

19、種磨損也可能轉(zhuǎn)變成磨粒磨損。例如，在蝸輪與蝸桿的嚙合中，內(nèi)燃機(jī)的活塞在缸套內(nèi)的運(yùn)行中，均可看到粘者磨損的現(xiàn)象，粘者磨損可能使機(jī)器產(chǎn)生咬死，焊合、擦傷、膠合等故障，致使相對(duì)運(yùn)動(dòng)突然停止，造成事故；或者造成漏氣、漏油，使機(jī)器功率下降，油耗增加。實(shí)踐證明，摩擦偶件材料的互溶性、硬度、組織結(jié)構(gòu)、表面加工的粗糙度、接觸壓力、滑動(dòng)速度、表面溫度以及潤(rùn)滑狀態(tài)，對(duì)粘著磨損都有較大的影響。1.3.7 腐蝕磨損腐蝕磨損是機(jī)械磨損和化學(xué)腐蝕同時(shí)起作用的一種磨損。摩擦表面在流體或氣體的環(huán)境中，或在潤(rùn)滑劑中發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，使零件表面形成腐蝕產(chǎn)物，這些產(chǎn)物往往粘附不牢，在摩擦過(guò)程中被剝離下來(lái)，而后新的表面又繼續(xù)與介

20、質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，這種腐蝕與磨損重復(fù)的過(guò)程，稱為腐蝕磨損。腐蝕磨損是極為復(fù)雜的，工作的環(huán)境、溫度、滑動(dòng)速度、載荷、或潤(rùn)滑條件稍有變化，都會(huì)使腐蝕磨損發(fā)生很大的變化。1.3.8腐蝕金屬材料在周?chē)h(huán)境介質(zhì)的作用下，所產(chǎn)生的化學(xué)、電化學(xué)反應(yīng)，或物理溶解而逐漸產(chǎn)生的損壞或變質(zhì)稱為腐蝕。金屬材料的腐蝕是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程。因?yàn)榱慵ぷ鳝h(huán)境介質(zhì)的組成、濃度、壓力、溫度、PH值千差萬(wàn)別；材料本身的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)各種各樣；零件的受力狀態(tài)各不相同，因此存在各種不同的腐蝕。金屬材料的腐蝕問(wèn)題，遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，并給人們帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年有1020%的金屬被腐蝕掉；設(shè)備因腐蝕使用壽命大為縮

21、短；石油、化工、農(nóng)藥等工業(yè)部門(mén)中，因腐蝕造成設(shè)備的跑、冒、滴、漏，使有害物質(zhì)泄漏，污染環(huán)境、危害人們的健康；更為嚴(yán)重的因腐蝕釀成的災(zāi)難性事故，也是屢見(jiàn)不鮮。為此，在設(shè)計(jì)、制造和使用設(shè)備時(shí)，應(yīng)根據(jù)環(huán)境的腐蝕特性，采取相適應(yīng)的防腐技術(shù)。2.鋼的熱處理在機(jī)械制造中，所有工具及重要零件都必須進(jìn)行熱處理。例如45鋼制主軸，其制造工藝過(guò)程為：鍛造正火粗機(jī)加工調(diào)質(zhì)半精機(jī)加工表面淬火及低溫回火（軸頸處）磨削，其中都屬于熱處理工序。對(duì)鋼件進(jìn)行熱處理的基本目的是使其組織結(jié)構(gòu)與性能達(dá)到使用要求，這一目的通常由排在粗機(jī)加工之后的熱處理工序（一般稱為最終熱處理）達(dá)到，例如上述主軸經(jīng)調(diào)質(zhì)處理可使鋼的綜合機(jī)械性能明顯提高，

22、軸頸經(jīng)表面淬火及低溫回火后顯著提高了耐磨性，這樣就使主軸具有了良好的使用性能。由此可見(jiàn)，熱處理是充分發(fā)揮金屬材料內(nèi)在潛力、提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量、延長(zhǎng)使用壽命的重要措施；進(jìn)行熱處理的另一目的是改善鋼的切削加工性能，并為最終熱處理作組織上的準(zhǔn)備，這類(lèi)熱處理通常安排在粗機(jī)加工前進(jìn)行，如上例中的正火（一般稱為預(yù)備熱處理）。熱處理是將金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。通常用工藝曲線來(lái)表達(dá)其熱處理規(guī)范。熱處理所以能使鋼的性能發(fā)生變化，是因?yàn)殇摰慕M織發(fā)生了變化的結(jié)果。在熱處理過(guò)程中，鋼的組織變化有嚴(yán)格的規(guī)律性，在加熱及冷卻過(guò)程中組織的變化規(guī)律是熱處理原理的基本內(nèi)容

23、，根據(jù)熱處理原理制訂的加熱溫度及冷卻速度等具體參數(shù)，則是熱處理工藝的基本內(nèi)容。根據(jù)熱處理規(guī)范及組織性能變化的特點(diǎn)，通常將熱處理分為：普通熱處理包括退火、正火、淬火和回火。表面熱處理包括表面淬火和化學(xué)熱處理（滲碳、氮化、碳氮共滲等）其它方法熱處理如形變熱處理等。2.1鋼的退火與正火 在制造機(jī)器零件的工藝過(guò)程中，退火、正火通常安排在粗加工工序前進(jìn)行，某些零件還多次安排退火工序。退火或正火的基本目的，是消除前道工序所造成的某些缺陷，改善切削加工性，并為后續(xù)熱處理（例如淬火）作好組織上的準(zhǔn)備。對(duì)于性能要求不高的零件，也可作為最終熱處理。2.1.1 退火 將鋼加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，保溫后?jīng)緩慢冷卻（一般為隨

24、爐冷卻）的熱處理工藝稱為退火。退火態(tài)組織基本上接近于平衡組織。 鋼的退火方法有完全退火、擴(kuò)散退火、球化退火、再結(jié)晶退火及低溫退火等多種，它們的加熱溫度范圍及工藝范圍如圖所示。2.1.1.1 完全退火 1規(guī)范 將鋼件加熱到Ac3以上3050，保溫（一般以工件每毫米厚保溫1.52分鐘計(jì)）后隨爐緩冷到500左右出爐。其“完全”是指加熱達(dá)到完全奧氏體化。（2）應(yīng)用主要用于亞共析鋼的鑄件、鍛件及重要焊接件。鑄鋼件進(jìn)行完全退火的目的，是消除其粗大晶粒及對(duì)機(jī)械性能有害的魏氏組織，以提高其機(jī)械性能。例如某含碳量為0.20%的碳鋼鑄件，鑄態(tài)抗拉強(qiáng)度僅為383N/mm2，完全退火后提高到437N/mm2，韌性也顯

25、著改善。2.1.1.2球化退火規(guī)范將鋼件加熱到Ac1以上1020，保溫后隨爐以很緩慢的速度（2060/h）冷卻到500出爐。應(yīng)用適用于共析鋼、過(guò)共析鋼的鍛軋件，以及結(jié)構(gòu)鋼的冷擠壓件等，使鋼中碳化物球化，球化退火也因此得名。其目的在于降低硬度、改善切削加工性、改善組織、提高塑性，并為后續(xù)的淬火處理作好組織上的準(zhǔn)備。2.1.1.3擴(kuò)散退火規(guī)范將鋼件加熱到很高的溫度（熔點(diǎn)以下200左右）并經(jīng)815小時(shí)的長(zhǎng)時(shí)間保溫后緩慢冷卻下來(lái)。應(yīng)用用于高合金鋼鑄錠及大型鑄件。目的是使成分均勻。2.1.1.4低溫退火規(guī)范將鋼件加熱到Ac1以下某一溫度保溫后緩冷。應(yīng)用消除鑄件和焊接件的內(nèi)應(yīng)力，通常加熱到500650；在

26、某些零件加工過(guò)程中，為消除前道工序造成的內(nèi)應(yīng)力，也穿插進(jìn)行低溫退火，退火溫度視情況而定。低溫退火又稱為消除內(nèi)應(yīng)力退火。2.2.1正火2.2.1.1規(guī)范將鋼件加熱到Ac3或ACcm以上5070，保溫后在空氣中冷卻。2.2.1.2應(yīng)用作為最終熱處理對(duì)機(jī)械性能要求不很高的零件，在選用碳素結(jié)構(gòu)鋼制造時(shí)，通常選用正火作為其最終熱處理。通過(guò)正火可在一定程度上提高其使用性能，因?yàn)檎鸬睦鋮s速度比退火快，所得到的晶粒較細(xì)，強(qiáng)度有所提高。2.2.1.3退火與正火的選用鋼件是選用正火還是退火，應(yīng)根據(jù)其化學(xué)成分確定，一般為：含碳量C0.3%用正火?？杉?xì)化晶粒，改善切削加工性能。含碳量C0.3%0.5%的碳鋼用正火。

27、可使加工表面光潔、生產(chǎn)率高，因而降低成本。但復(fù)雜零件尚須進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力的退火。含碳量C0.5%0.75%的碳鋼應(yīng)采用完全退火以降低硬度，便于切削。含碳量C0.75%1%的碳鋼應(yīng)采用球化退火，改善加工性能。含碳量C1%1.3%的碳鋼應(yīng)先正火消除網(wǎng)狀滲碳體，再球化退火改善加工性能。高合金鋼應(yīng)采用退火，而不用正火，因正火后硬度高，有時(shí)甚至變?yōu)轳R氏體，不易加工。2.3鋼的淬火與回火如前所述，淬火是將鋼加熱到相變溫度上，保溫后以大于V臨的速度冷卻下來(lái)，得到以馬氏體（M）為主要組織的熱處理工藝。淬火是使鋼強(qiáng)化的最重要的方法。由于淬火態(tài)馬氏體是一種不穩(wěn)定的組織，淬火應(yīng)力一般比較大，同時(shí)在許多情況下，對(duì)強(qiáng)度與

28、韌性的匹配還要作進(jìn)一步的調(diào)整。因此，要對(duì)淬火鋼重新加熱到Ac1以下某一溫度并保溫，使馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)較穩(wěn)定的組織，然后再冷卻下來(lái)，以消除或降低內(nèi)應(yīng)力，并獲得所需的性能，對(duì)淬火鋼進(jìn)行的這種處理稱為回火。回火是淬火處理后必須進(jìn)行的后續(xù)處理。2.3.1 鋼淬火及回火的目的 對(duì)鋼件進(jìn)行淬火及回火處理的目的，總得來(lái)說(shuō)是使其性能達(dá)到使用要求，至于各類(lèi)鋼件的具體目的，大致有如下幾種情況：2.3.1.1提高鋼件的硬度及耐磨性 對(duì)于要求硬度及耐磨性的鋼件（例如刀具、滾動(dòng)軸承），通常采用工具鋼，滾動(dòng)軸承鋼等制造，并采用淬火加低溫回火處理。2.3.1.1 提高鋼件的綜和機(jī)械性能 要求綜合機(jī)械性能良好的鋼件（例如齒輪

29、、軸），通常采用中碳鋼或中碳合金結(jié)構(gòu)鋼制造，并經(jīng)淬火加高溫回火處理（既調(diào)質(zhì)處理）；在某些情況下，也可采用低碳鋼或低碳和金結(jié)構(gòu)鋼制造，并經(jīng)淬火加低溫回火處理。2.3.1.2 提高鋼件的彈性極限與疲勞極限 要求有較高彈性極限、疲勞極限并有一定韌性匹配的鋼件（例如彈簧），常采用含碳較高的亞共析碳鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼制造，并經(jīng)淬火加中溫回火處理。2.3.1.3 鋼的淬透性鋼的淬透性是指在規(guī)定條件下，決定鋼材淬硬深度和硬度分布的特性，即鋼在規(guī)定條件下，經(jīng)受淬火形成馬氏體的能力。淬透性的好壞是評(píng)定鋼材質(zhì)量的基本依據(jù)之一，在選用鋼材及確定其熱處理工藝上有重要意義. 2.3.2 鋼的回火回火是鋼經(jīng)淬火處理后必須的后

30、續(xù)處理，其目的是消除或降低淬火應(yīng)力；穩(wěn)定工件的組織和尺寸；以及把鋼的機(jī)械性能調(diào)整到符合使用性能的要求。鋼淬火后得到的組織是不穩(wěn)定的，有自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^穩(wěn)定組織的傾向。淬火鋼在不同的回火溫度下將轉(zhuǎn)變成不同的回火組織，即回火溫度與回火組織之間存在著一定的關(guān)系。2.3.2.1回火的種類(lèi)及應(yīng)用（1）低溫回火（150250）主要應(yīng)用于各種高碳鋼工模具、滾動(dòng)軸承以及滲碳零件和表面淬火零件，其目的是在保持淬火所得到的高硬度和高耐磨性的前提下，降低淬火應(yīng)力和提高韌性。（2）中溫回火（350500）由于中溫回火組織是回火托氏體，具有高的和，同時(shí)還具有一定的韌性。因此，主要用于處理用彈簧鋼制造的彈簧等零件。（3）高溫

31、回火（500）如前所述，淬火后再高溫回火稱為調(diào)質(zhì)處理。鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的機(jī)械性能比正火狀態(tài)高，因此齒輪、軸等重要零件一般都采用調(diào)質(zhì)處理，也常作為氮化零件和重要表面淬火零件的預(yù)備熱處理。表2.4.2.245鋼（20-40mm）調(diào)質(zhì)和正火狀態(tài)下機(jī)械性能比較工藝機(jī) 械 性 能金相組織b(N/mm2)(%)k(N.m/cm2)HBS正火700-80010-2050-80163-220S+F調(diào)質(zhì)750-85020-2580-120210-250S回2.4鋼的表面淬火在各種機(jī)器中，齒輪、軸和銷(xiāo)子等許多零件都在動(dòng)載荷和摩擦條件下工作。它們?cè)谛阅苌喜粌H要求齒部和軸頸等處表面硬而耐磨，還要求心部有足夠的強(qiáng)度和韌性

32、，以傳遞很大的扭矩和承受相當(dāng)大的沖擊負(fù)荷，即要求“表硬心韌”。采用前述幾種熱處理工藝難以兼顧這兩方面的要求，為此生產(chǎn)中廣泛采用表面熱處理的方法來(lái)滿足這些工件的性能。所謂表面熱處理，是指只對(duì)工件表層進(jìn)行熱處理以改變其組織（化學(xué)熱處理還改變成分）和性能的工藝。所謂表面淬火是僅對(duì)工件表層進(jìn)行淬火的工藝，通過(guò)快速加熱的方法來(lái)實(shí)施，把工件表面快速加熱到淬火溫度后迅速冷卻下來(lái)。鋼件表面淬火后，表層為馬氏體組織，心部則保持表面淬火前的調(diào)質(zhì)或正火組織。此法在工業(yè)生產(chǎn)上，特別是成批大量生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。2.5鋼的化學(xué)熱處理 化學(xué)熱處理是將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變

33、其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。根據(jù)滲入元素的不同，化學(xué)熱處理有滲碳、氮化、碳氮共滲、滲硼、滲鉻、滲鋁等多種。它們分別應(yīng)用于不同的工件，可以達(dá)到提高鋼件的耐磨性、疲勞強(qiáng)度、或耐蝕性等目的。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中有重要意義。例如，某些工件要求有較高的耐蝕性，需采用價(jià)格昂貴的高合金鋼制造，若改用一般鋼材制造，再經(jīng)過(guò)滲氮或滲鉻等處理，既能滿足使用要求，又能降低成本。2.6 鋼的滲碳2.6.1滲碳的目的及應(yīng)用滲碳是將含碳量為0.1%0.25%的低碳鋼或低碳合金鋼工件置于滲碳介質(zhì)中加熱和保溫，使碳原子滲入表層，以得到含碳量為1.0%左右，并使?jié)B碳層具有一定深度的熱處理工藝。一般規(guī)定，由表面向內(nèi)至過(guò)渡層的

34、一半處的垂直距離稱為滲碳層深度，更便捷的測(cè)定方法是在滲碳淬火后由表及里測(cè)定試棒的維氏硬度（載荷1公斤），以硬度等于550 HV1處的垂直距離為有效滲碳硬化層深度。低碳鋼件經(jīng)滲碳處理后再經(jīng)淬火及低溫回火，就能使工件變得“表硬心韌”，表層硬度可達(dá)HRC5862，超過(guò)中碳鋼表面淬火件的表層硬度，心部韌性通常也比表面淬火件好。因此，凡是要求“表硬心韌”的工件，如高速齒輪、凸輪軸、活塞銷(xiāo)等都可采用滲碳處理。2.7 鋼的滲氮（氮化）2.7.1 氮化的特點(diǎn)及應(yīng)用氮化是在一定溫度下（一般在Ac1溫度以下）使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝。經(jīng)氮化處理后的鋼件在性能上有如下特點(diǎn)：（1）表面硬度高38CrM

35、oAl鋼氮化后表面硬度達(dá)10001100HV（相當(dāng)于HRC6572），耐磨性比滲碳件更好。試驗(yàn)指出，在同樣的工作條件（壓力為200Pa、轉(zhuǎn)動(dòng)線速度為5m/s、潤(rùn)滑良好）下，20Cr鋼滲碳件每60小時(shí)磨損0.037mm，而38CrMoAl鋼氮化件僅磨損0.008mm。氮化層不僅硬度高，且熱硬性好，即高硬度可維持到相當(dāng)高的溫度（500左右）不明顯下降，這一特性對(duì)在較高溫度下工作的耐磨零件有重要意義。（2）疲勞強(qiáng)度高由于氮化層的體積增大，使鋼件表層形成壓應(yīng)力，可使鋼件的疲勞強(qiáng)度比氮化前提高15%35%(滲碳也有此作用，但較小)（3）耐蝕性良好這是由于氮化件表面形成了一層薄的致密的化學(xué)穩(wěn)定性高的氮化物

36、的緣故。氮化件在水中、過(guò)熱蒸汽中和堿性溶液中均具有高的耐蝕性。（4）抗“咬卡”性良好由于氮化層的常溫及高溫硬度高，可避免相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩表面間由于短時(shí)間缺乏潤(rùn)滑和過(guò)熱而產(chǎn)生卡死、擦傷或焊合現(xiàn)象。此外，由于氮化溫度低（600），鋼件經(jīng)氮化處理后變形很小，且心部能保持預(yù)先熱處理（調(diào)質(zhì)）所得到的良好綜合機(jī)械性能。鑒于以上特點(diǎn)，氮化廣泛應(yīng)用于各種葉輪口環(huán)、軸套、活塞桿、曲軸、螺桿，及高速鋼刃具等工件。3. 工業(yè)用鋼3.1 鋼的分類(lèi)鋼是經(jīng)濟(jì)建設(shè)中極為重要的材料，用途非常廣泛。為了滿足各種使用要求，鋼的種類(lèi)繁多。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的鋼種還不斷涌現(xiàn)，要能合理地選用鋼材，應(yīng)了解鋼的分類(lèi)方法。鋼的分類(lèi)方法很多，

37、主要有以下幾種：3.1.1 按化學(xué)成分分類(lèi)按化學(xué)成分鋼分為碳素鋼和合金鋼兩大類(lèi)。（1） 碳素鋼鋼中除鐵、碳外，只含有硅、錳、磷、硫，而且硅的含量少于0.4%、錳的含量少于0.8%，這類(lèi)鋼稱為碳素鋼。鋼中的含碳量少于0.25%的稱為低碳鋼，大于0.6%的稱為高碳鋼，介于兩者之間的稱為中碳鋼。（2）合金鋼在碳鋼的基礎(chǔ)上，還加入了鉻、鎳、鎢、鉬、釩、鈦、硅（0.4%）、錳（0.8%）等元素的鋼稱為合金鋼。當(dāng)合金元素總量少于5%時(shí)稱為低合金鋼，超過(guò)10%的稱為高合金鋼，介于兩者之間的稱為中合金鋼。合金鋼通常還以所含主要合金元素的名稱命名，如錳鋼、鉻鋼、硅錳鋼、鉻鎳鋼等。3.1.2 按質(zhì)量等級(jí)分類(lèi)鋼中的

38、磷、硫是有害元素，它們的含量都不允許超過(guò)0.05%。按磷、硫的實(shí)際含量，把鋼分為普通鋼（磷、硫均0.05%）、優(yōu)質(zhì)鋼（磷、硫均0.04%）及高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼（磷0.035%、硫0.03%）。3.1.3 按金相組織分類(lèi)3.1.3.1 按退火組織分類(lèi)分為亞共析鋼、共析鋼、過(guò)共析鋼及萊氏體鋼。某些高合金鋼在鑄造狀態(tài)的全相組織中有萊氏體存在，故稱為萊氏體鋼。3.1.3.2 按空冷組織分類(lèi)分為珠光體類(lèi)、貝氏體類(lèi)、馬氏體類(lèi)及奧氏體類(lèi)鋼。此外，還有些高合金鋼，在固態(tài)下只有鐵素體組織，稱為鐵素體鋼。3.1.4 按用途分類(lèi)分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼與特殊性能鋼三大類(lèi)。（1）結(jié)構(gòu)鋼是用于制造各種機(jī)器零件及工程結(jié)構(gòu)的鋼材。結(jié)構(gòu)鋼

39、又可分為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、普通低合金鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼等多種。（2）工具鋼是用于制造各種刃具、模具及量具的鋼材。因此又可分為刃具鋼、模具鋼及量具鋼。按成分可分為碳素工具鋼與合金工具鋼等多種。（3）特殊性能鋼是指具有某種特殊物理性能或化學(xué)性能的鋼，例如不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。它們通常都是高合金鋼。此外，根據(jù)煉鋼爐的不同，分為轉(zhuǎn)爐鋼、平爐鋼及電爐鋼；根據(jù)煉鋼末期脫氧程度的不同，分為沸騰鋼及鎮(zhèn)靜鋼；根據(jù)鋼成形方法的不同，分為鑄鋼、鍛鋼及軋材等多種。3.1.5結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼是品種最多、用途最廣、使用量最大的一類(lèi)鋼。按照化學(xué)成分，這類(lèi)鋼可分為碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼。其中碳素結(jié)構(gòu)鋼按照鋼的質(zhì)量和

40、成形方法，又可分為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和碳素鑄鋼三個(gè)類(lèi)別；合金結(jié)構(gòu)鋼按照用途和熱處理特點(diǎn)，又可分為普通低合金鋼、滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼、易切鋼六個(gè)類(lèi)別。3.1.6 碳素結(jié)構(gòu)鋼3.1.6.1 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼是磷、硫含量較高（P0.045%，S0.055%）的碳鋼。其產(chǎn)量約占鋼總產(chǎn)量的70%，大部分用于工程結(jié)構(gòu)，少部分用于機(jī)械零件。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼按照供貨條件不同分為三類(lèi)：甲類(lèi)鋼、乙類(lèi)鋼、特類(lèi)鋼。甲類(lèi)鋼是保證機(jī)械性能符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的鋼；乙類(lèi)鋼是保證化學(xué)成分的鋼；特類(lèi)鋼是保證機(jī)械性能和化學(xué)成分。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的鋼號(hào)一般由四個(gè)符號(hào)構(gòu)成。首位符號(hào)是漢語(yǔ)拼音字母，表示鋼的類(lèi)

41、別，甲、乙、特類(lèi)鋼分別用A、B、C表示；第二位符號(hào)也是漢語(yǔ)拼音字母，表示鋼的冶煉方法（平爐鋼無(wú)此位符號(hào)）；第三位符號(hào)是數(shù)字，表示鋼的序號(hào)，數(shù)字越大，鋼的含碳量就越高，其強(qiáng)度和硬度也越高，塑性和韌性則越低；第四位符號(hào)是漢語(yǔ)拼音字母，表示鋼的脫氧制度，F(xiàn)表示沸騰鋼，b表示半鎮(zhèn)靜鋼，無(wú)此位符號(hào)的鋼是鎮(zhèn)靜鋼。沸騰鋼冶煉時(shí)沒(méi)有進(jìn)行脫氧或者只進(jìn)行了部分脫氧，澆注后鋼液會(huì)產(chǎn)生沸騰，造成鋼的化學(xué)成分不均勻。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼中，甲類(lèi)鋼的用量最大，應(yīng)用范圍也最廣。A1、A2強(qiáng)度低，但塑性高、可焊性好，通常軋制成薄板、鋼筋、焊接鋼管或拉制成低碳鋼絲（俗稱鐵絲），用于制作釘子、鉚釘、鋼絲網(wǎng)、地腳螺栓、墊圈、爐體部件及其

42、它輕載荷的沖壓件及焊接件等；A3、A4有一定的強(qiáng)度和塑性，可焊性好，常軋制成型鋼、鋼筋、鋼管、鋼板，用于制作一般金屬構(gòu)件和不重要的機(jī)械零件，如橋梁、門(mén)窗、支架、壓力容器、螺栓、螺母、拉桿、鉤、銷(xiāo)軸等；A5、A6強(qiáng)度較高，塑性和焊接性能較差，可用于不重要的轉(zhuǎn)軸、心軸、鏈輪、齒輪、鍵等；A7強(qiáng)度高，塑性低，可焊性差，可用于制造農(nóng)機(jī)具軸類(lèi)零件。特類(lèi)鋼一般用于比較重要的零件，但應(yīng)用較少，多為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼所替代。3.1.6.2優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼是磷、硫含量較低（P0.04%，S0.04%）的碳素結(jié)構(gòu)鋼。這類(lèi)鋼必須同時(shí)保證化學(xué)成分和機(jī)械性能，冶煉上控制較嚴(yán)。鋼的純潔度、均勻性及表面質(zhì)量較好，塑

43、性和韌性較高。雖然生產(chǎn)成本高于普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，但與合金鋼相比價(jià)格還是低廉的。其產(chǎn)量?jī)H次于普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。凡是淬透性、強(qiáng)韌性要求不高的較重要的機(jī)械零件，一般都可以用這類(lèi)鋼制造。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼有普通含錳量和較高含錳量之分。普通含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，含碳量小于0.24%的，含錳量為0.35%0.65%；含碳量大于0.22%的，含錳量為0.5%0.8%。其鋼號(hào)一般由兩位數(shù)字構(gòu)成，表示鋼的平均含碳量，以0.01%為單位。例如45，平均含碳量為0.45%的普通含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。個(gè)別鋼號(hào)后面標(biāo)有漢語(yǔ)拼音字母F時(shí)，表示該鋼是沸騰鋼，例如08F、20F。較高含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，含碳量為0.12%0.

44、65%時(shí)，含錳量為0.7%1.0%；含碳量大于0.62%時(shí)，含錳量為0.9%1.2%。其鋼號(hào)的表示是在兩位數(shù)字之后再標(biāo)上化學(xué)元素符號(hào)“Mn”，例如15 Mn、45 Mn、70 Mn。較高含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的用途與普通含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼基本相同，前者的淬透性和強(qiáng)度高于后者，可制作尺寸稍大或強(qiáng)度要求略高的零件。3.1.6.3 碳素鑄鋼 碳鋼鑄鋼是冶煉后直接鑄造成毛坯或零件的碳鋼。為了防止鑄件在內(nèi)應(yīng)力作用下因塑性較差而產(chǎn)生裂紋，這類(lèi)鋼的含碳量不超過(guò)0.60%。碳素鑄鋼的牌號(hào)由兩個(gè)漢語(yǔ)拼音字母和兩組數(shù)字構(gòu)成，例如ZG310570。“ZG”系鑄鋼二字漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)字母，后面的數(shù)字第一組表示鋼的

45、屈服強(qiáng)度，第二組表示鋼的抗拉強(qiáng)度。3.2 合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入一種或數(shù)種合金元素獲得的。常用的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、B等。合金結(jié)構(gòu)鋼的價(jià)格比較高，因此，其用量遠(yuǎn)比碳素結(jié)構(gòu)鋼少。但是，合金結(jié)構(gòu)鋼在機(jī)械上所起的作用很大，淬透性、強(qiáng)韌性要求高的零件都需要用這類(lèi)鋼制造。合金結(jié)構(gòu)鋼的種類(lèi)較多，相互之間性能差異很大，應(yīng)用范圍也各不相同。要想比較靈活的應(yīng)用它們，需掌握其化學(xué)成分的特點(diǎn)、所含合金元素的主要作用、性能特點(diǎn)和熱處理特點(diǎn)。合金結(jié)構(gòu)鋼的鋼號(hào)由數(shù)字和化學(xué)元素符號(hào)構(gòu)成。前面兩位數(shù)字表示鋼的平均含碳量，以萬(wàn)分之一為單位，隨后的化學(xué)元素符號(hào)表示鋼中所含

46、合金元素。化學(xué)元素后面的數(shù)字表示該元素的含量，以百分之一為單位，含量低于1.5%時(shí)不標(biāo)數(shù)字。軸承鋼為特殊，鋼號(hào)冠有字母“G”，含碳量不標(biāo)，鉻含量以千分之一為單位。例如：40Cr,60Si2Mn,GCr15等。3.2.1 普通低合金鋼普通低合金鋼是具有較高強(qiáng)度，主要用于工程結(jié)構(gòu)的低合金鋼。簡(jiǎn)稱普低鋼。普通低合金鋼的含碳量一般不大于0.2%。低碳使這類(lèi)鋼有良好的塑性和可焊性，能夠經(jīng)受冷拉、冷彎、冷卷等變形加工，并能滿足大型構(gòu)件的焊接要求。大多數(shù)普通低合金鋼都含有0.8%1.8%的Mn。Mn是這類(lèi)鋼的主加元素。加入Mn的目的是提高強(qiáng)度。Mn在鋼中溶入鐵素體，起固溶強(qiáng)化作用。此外，Mn降低鋼的A1溫度

47、，使共析轉(zhuǎn)變?cè)谳^低的溫度下進(jìn)行，鋼中的珠光體得到細(xì)化，鋼的強(qiáng)度則相應(yīng)提高。普通低合金鋼的輔加元素有V、Ti、Nb、Al、Cu、P、Xt等。加入量一般小于0.5%。V、Ti、Nb、Al的主要作用是細(xì)化晶粒，進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度或保持低溫韌性。Cu、P 主要是提高鋼的抗大氣腐蝕能力。Xt可以改善鋼的韌性。3.2.2.2滲碳鋼許多零件在工作中既承受強(qiáng)烈的摩擦，又承受較大的沖擊載荷。例如汽車(chē)的變速齒輪、柴油機(jī)的凸輪軸、自行車(chē)的鏈條等。這類(lèi)零件表層應(yīng)具有高硬度和高耐磨性，從而減輕零件表面的磨損，延長(zhǎng)零件的使用壽命；心部則應(yīng)有良好的韌性和塑性，以免零件受沖擊時(shí)發(fā)生脆性斷裂。如果載荷較大，心部還應(yīng)有較高的強(qiáng)度

48、。為滿足上述“表硬里韌“的性能要求，這類(lèi)零件須進(jìn)行滲碳處理，通常統(tǒng)稱為滲碳件。主要用來(lái)制造滲碳件的鋼稱為滲碳鋼。（1）滲碳鋼的化學(xué)成分滲碳鋼的含碳量在0.1%0.25%之間。含碳量低是為了保證零件心部具有良好的韌性和塑性。即使零件完全淬透，心部得到的是低碳馬氏體，仍具有良好的韌性和塑性。零件表層通過(guò)滲碳淬火后，得到的是高碳馬氏體，則具有高的硬度和耐磨性。滲碳鋼中常加入Si、Mn、Cr、Ni等元素。加入這些合金元素，主要是為了提高鋼的淬透性，從而提高零件心部的強(qiáng)韌性。有些薄件或形狀復(fù)雜的滲碳件，使用淬透性較好的鋼，可降低淬火冷卻速度，減小淬火應(yīng)力，避免產(chǎn)生淬火裂紋。有些滲碳鋼還加入V、Ti、Mo

49、、W等元素，主要目的是在高溫長(zhǎng)時(shí)間的滲碳過(guò)程中，抑制鋼的晶粒長(zhǎng)大，以便滲碳后直接淬火。 （2）常用滲碳鋼 按淬透性和強(qiáng)度高低，滲碳鋼可分為四類(lèi)： （a）低淬透性碳鋼 主要有15、20、20 Mn、25 Mn等。其水淬臨界直徑15mm，抗拉強(qiáng)度約為500-800N/mm2,只適于制造小截面、輕載荷、形狀簡(jiǎn)單的滲碳件。其中使用較多的是20鋼，（b）中淬透性滲碳鋼 主要有20 Cr 、20Mn2B、15CrMn、20CrV等。水淬臨界直徑約為1540mm，油淬臨界直徑為1025mm，抗拉強(qiáng)度約為8001000 N/mm2，廣泛用于截面尺寸較小，心部強(qiáng)度要求不高的一般中、小型滲碳件。 這類(lèi)鋼應(yīng)用較多的

50、是20Cr。20Cr與20鋼相比較。加入了0.7.%-1.00%的鉻，淬透性和強(qiáng)度都明顯提高，油淬臨界直徑為920mm，可達(dá)850 N/mm2 （c）較高淬透性滲碳鋼 這類(lèi)鋼有20CrMnTi、20CrMnMo、20CrNiMo、20MnVB等。它們的合金元素總量較高，而且?guī)追N合金元素起復(fù)合作用，因此有較高的淬透性和強(qiáng)度，水淬臨界直徑約為3070mm，油淬臨界直徑約為 1550mm，。 （d）高淬透性滲碳鋼 這類(lèi)鋼有12Cr2Ni4A 、18Cr2Ni4WA 、20Cr2Ni4A等。它們的合金元素含量高，故有很好的淬透性，小尺寸零件在空氣中冷卻就可淬硬，油淬臨界直徑為45200 mm，b可達(dá)1

51、1001200N/mm2。主要用于承受重載荷的重要大型零件，曲軸、連桿及缸頭精密螺栓等。3.2.2.3調(diào)質(zhì)鋼各種機(jī)械設(shè)備上，幾乎都有承受動(dòng)載荷、要求綜合機(jī)械性能良好的零件。例如車(chē)床的主軸，工作時(shí)承受較大的扭矩和彎矩，開(kāi)車(chē)、停車(chē)及運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的載荷變化和振動(dòng)，又使其受到?jīng)_擊，要求既有較高的強(qiáng)度又有較好的韌性。這類(lèi)零件一般在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用，常稱為調(diào)質(zhì)件。主要用來(lái)制造調(diào)質(zhì)件的鋼稱為調(diào)質(zhì)鋼。調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成分調(diào)質(zhì)鋼的含碳量一般在0.3%0.5%之間。碳量過(guò)低，鋼的強(qiáng)度不夠；碳量過(guò)高，又會(huì)使鋼的韌性不足。調(diào)質(zhì)鋼中常加入Si、Mn、Cr、Ni等元素。它們?cè)谡{(diào)質(zhì)鋼中所起的主要作用，是提高淬透性。同（2）常用調(diào)質(zhì)

52、鋼（a）低淬透性調(diào)質(zhì)鋼主要有35、45、45Mn、50 Mn等。相對(duì)來(lái)說(shuō)，這類(lèi)鋼淬透性差、強(qiáng)度低。水淬臨界直徑約為1030mm，油淬臨界直徑約為520mm，調(diào)質(zhì)后的約為s300600N/mm2，b約為500800N/mm2。k值約為40100J/cm2，只適用于小尺寸、輕載荷的調(diào)質(zhì)零件。這類(lèi)鋼最常用的是45鋼，其水淬臨界直徑約為1317mm，油淬臨界直徑約為5.59mm，調(diào)質(zhì)后s為450550N/mm2，k為4048J/ cm2?？捎脕?lái)制造車(chē)床主軸、減速器高速軸、汽車(chē)凸輪軸以及機(jī)床上的許多齒輪、絲桿和蝸桿等。（b）中淬透性調(diào)質(zhì)鋼主要有40Cr、40Mn2、40SiMn、40MnVB等。其水淬臨

53、界直徑約為2560mm，油淬臨界直徑約為1540mm，調(diào)質(zhì)后為s 600800N/mm2，k約為70100J/ cm2。適用于中等截面、承受中等載荷的調(diào)質(zhì)件，如內(nèi)燃機(jī)的連桿、齒輪、中軸，機(jī)床上較重要的軸、齒輪、套筒，汽車(chē)的半軸、轉(zhuǎn)向節(jié)等。這類(lèi)鋼最常用的是40Cr。它的水淬臨界直徑約為3742mm，油淬臨界直徑約為1938mm，強(qiáng)度和韌性均比45鋼高，主要用于較為重要的中小型調(diào)質(zhì)件。（c）較高淬透性調(diào)質(zhì)鋼主要有35CrMo.40CrMn.40CrNi.30CrMnSi等。其油淬臨界直徑約為2560mm，調(diào)質(zhì)后s約為700900 N/mm2，k約為70100 J/cm2 ，適用于制造截面較大，載荷

54、較重的調(diào)質(zhì)件和較為重要的中型調(diào)質(zhì)件。例如汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子、葉輪、連桿，重型汽車(chē)的曲軸、半軸、連桿等。 (d)高淬透性調(diào)質(zhì)鋼主要有40CrMnMo.40CrNiMoA.25Cr2Ni4WA等。它們的油淬臨界直徑約為60100mm，有的可達(dá)150200mm。s約為9001000 N/mm2，k約為80120 J/cm2。適宜于制作重載、大截面的重要調(diào)質(zhì)件，如卷板機(jī)軸、軋機(jī)齒輪軸、挖掘機(jī)傳動(dòng)軸等。（e）氮化鋼最常用的是38CrMoAlA。該鋼經(jīng)氮化處理后有很高的表面硬度（10001200HV），無(wú)回火脆性，綜合機(jī)械性能良好。但鋼的淬透性不高，油淬只能淬透30mm。主要用于制造尺寸精確、表面耐磨性要求很高

55、的中小型調(diào)質(zhì)件，如精密磨床主軸、精密鏜床絲桿、滾齒機(jī)分度蝸桿等。3.2.2.5滾動(dòng)軸承鋼主要用來(lái)制造滾動(dòng)軸承的鋼稱為滾動(dòng)軸承鋼。除滾動(dòng)軸承外，這類(lèi)鋼還可以制造冷沖模、冷軋輥、精密量具、精密偶件、機(jī)床絲杠、球磨機(jī)磨球等。常用的滾動(dòng)軸承鋼有GCr6、GCr9、GCr15、GCr15SiMn等。它們的含碳量為0.95%-1.15%，含鉻量為0.40%-1.65%。高的含碳量，是為了保證高耐磨性和高硬度。3.3 工具鋼 工具鋼是用來(lái)制造切削刃具、模具和量具的鋼種。工業(yè)生產(chǎn)中，各類(lèi)工具的質(zhì)量直接影響產(chǎn)品質(zhì)量及勞動(dòng)生產(chǎn)率，正確選擇制作工具材料及加工工藝，是提高工具質(zhì)量的關(guān)鍵。 工具鋼按化學(xué)成分可分為碳素工

56、具鋼、低合金工具鋼及高合金工具鋼三類(lèi)；按用途分為刃具鋼、模具鋼和量具鋼三類(lèi)。刃具鋼用于制造鉆頭、銑刀、滾刀等各種切削工具；模具鋼用于制造鍛模、壓鑄模、擠壓模、冷沖模等各種冷、熱模具；量具鋼用于制造量規(guī)、塊規(guī)、樣板等各種量具。實(shí)際上，由于刃具、冷作模具及量具基本上都要求硬度高、耐磨性好。因此，除熱作模具鋼之外，各類(lèi)工具鋼之間的通用性很大。例如，碳素工具鋼和低合金刃具鋼，既可做刃具，也可做冷作模具和量具，高速鋼除是典型的刃具鋼外，也可用于制造冷作模具。工具鋼鋼號(hào)的表示方法如下：碳素工具鋼的鋼號(hào)是在“碳”的漢語(yǔ)拼音字母頭“T”后面附加數(shù)字表示，數(shù)字表示鋼的平均含碳量，以0.1%為單位，高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼則在鋼號(hào)末端再附加“A”，例如T8、T10A等。合金工具鋼的鋼號(hào)表示方法基本上與合金結(jié)構(gòu)鋼相同，不同之處是鋼的平均含碳量以千分之幾表示，當(dāng)鋼中平均含碳量1.0%時(shí)，含碳量不予標(biāo)出；合金元素的表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相同；高速鋼中的含碳量，不論多少，一般都不標(biāo)出；例如9SiCr、CrWMn、W18Cr4V等。3.4特殊性能鋼3.4.1不