金屬材料熱處理教材

目錄

緒論

縱觀人類得文明史，從某種意義上說就就是一部人類認識材料與使用材料得發(fā)展史。從

遠古到現(xiàn)代，人類從最初得石器時代已經(jīng)發(fā)展到了當今得人工合成材料時代。在人類使用得

眾多材料中,金屬材料由于其所特有得各種優(yōu)異性能，被廣泛地應(yīng)用于生活與生產(chǎn)當中，就是

現(xiàn)代工業(yè)與科學技術(shù)領(lǐng)域不可缺少得重要材料。

作為一名機械行業(yè)得技術(shù)工人，從手中得工具到加工得零件,每天都要與各種各樣得金屬

材料打交道，為了能夠正確地認識與使用金屬材料，合理地確定不同金屬材料得加工方法，充

分發(fā)揮材料得潛力，就必須熟悉金屬材料得牌號，了解它們得性能與變化規(guī)律。為此,我們需

要比較深入地學習與了解金屬材料得相關(guān)知識，金屬材料與熱處理正就是這樣一門研究金屬

材料得成分、組織、熱處理與金屬材料性能之間得關(guān)系與變化規(guī)律得學科。

本課程得基本內(nèi)容與學習特點如下：

本課程得主要內(nèi)容包括金屬材料得基本知識、金屬得性能、金屬學基礎(chǔ)知識與熱處理得

基本知識等。

所謂金屬，就是指由單一元素構(gòu)成得具有特殊得光澤、延展性、導電性、導熱性得物質(zhì)，

如金、銀、銅、鐵、鋅、鋅、鋁等。而合金就是指由一種金屬元素與其她金屬元素或非金屬

元素通過熔煉或其她方法合成得具有金屬特性得材料。金屬材料就是金屬及其合金得總稱，

即指金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成得，并具有金屬特性得物質(zhì)。

金屬材料得基本知識主要介紹金屬得晶體結(jié)構(gòu)及變形得相關(guān)知識;金屬得性能主要介紹

金屬得力學性能與工藝性能;金屬學基礎(chǔ)知識講述了鐵碳合金得組織及鐵碳合金相圖；金屬

材料講述了碳素鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬及硬質(zhì)合金等金屬材料得常用牌號、成分、組

織、性能及用途。熱處理基本知識講述熱處理得原理（鋼在加熱、保溫、冷卻時得組織轉(zhuǎn)變）

與熱處理得工藝1退火、正火、淬火、回火、表面熱處理等）及常用材料得典型熱處理工藝。

金屬材料與熱處理就是一門從生產(chǎn)實踐中發(fā)展起來得，又直接為生產(chǎn)服務(wù)得專業(yè)基礎(chǔ)課，具有

很強得實踐性;另一方面，由于金屬材料得種類繁多，其性能又千變?nèi)f化，學習起來有一定得難

度。但只要弄清楚重要得概念與基本理論，按照材料得成分與熱處理決定其組織，組織決定其

性能，性能又決定其用途這一內(nèi)在關(guān)系進行學習與記憶;注意理論聯(lián)系實際，認真完成作業(yè)與

實驗等教學環(huán)節(jié)，就是完全可以學好這門課程得。

篁「宣

金屬材料得性能

材料得性能就是零件設(shè)計中選材得主要依據(jù),也就是技術(shù)工人在加工過程中合理選擇加

工方法、正確刃磨刀具幾何參數(shù)、合理選擇切削用量得重要保證。

§1—1

金屬材料得損壞與塑性變形

在生產(chǎn)中,機器零件得性能往往達不到理想要求,許多零件在使用過程中會發(fā)生損壞,不

但嚴重影響生產(chǎn),甚至造成人身事故。機械零件在使用中常見得損壞形式有變形、斷裂及磨

損等，見表2—1。

表2—1機械零件常見得損壞形式

分類圖樣說明

零件在外力作用下形狀與尺寸所發(fā)生得變化稱為變形。

變形分為彈性變形與塑性變形。彈性變形就是指外力消

變形

螺栓發(fā)生彎曲除后能夠恢復得變形;塑性變形就是指外力消除后無法恢復

得永久性變形。造成零件損壞得變形，通常就是指塑性變形

斷裂零件在外力作用下發(fā)生開裂或折斷稱為斷裂

因摩擦而使零件尺寸、表面形狀與表面質(zhì)量發(fā)生變化得現(xiàn)象

磨損

螺紋前端齒牙磨損稱為磨損

另外，塑性變形還有有利得一面，可以作為零件成形與強化得重要手段。工業(yè)上使用得

大部分金屬產(chǎn)品,一般都就是先澆注成鑄錠后,再經(jīng)過壓力加工制成得,如圖2—1所示。

扎制擠壓冷拔鍛壓冷沖壓

圖2T壓力加工方法示意圖

上述加工得目得不僅在于使產(chǎn)品成形，更重要得就是為了改善其^織與性能。了解金屬

變形得規(guī)律對理解金屬材料力學性能指標得物理意義，以及在生產(chǎn)中針對不同金展材料選擇

合

理得強化手段,具有非常重要得意義。

一'與變形相關(guān)得幾個概念

1、載荷

金屬材料得變形通常就是在外力作用下發(fā)生得，金屬材料在加工及使用過程中所受得外

力稱為載荷。根據(jù)載荷作用性質(zhì)得不同，載荷可分為靜載荷、沖擊載荷與交變載荷三種、

（1）靜載荷指大小不變或變化過程緩慢得載荷。

（2）沖擊載荷在短時問內(nèi)以較高速度作用于零件上得載荷。

（3）交變載荷指大小、方向或大小與方向隨時間發(fā)生周期性變化得載荷。

根據(jù)作用形式不同，載荷又可分為拉伸載荷、壓縮載荷、彎曲載荷、剪切載荷與扭轉(zhuǎn)載

荷等，如圖2—2所不。

a）拉抻載荷b）壓縮載荷c）彎曲載荷d）剪切載荷e）扭轉(zhuǎn)載荷

2、內(nèi)力

工件或材料在受到外部載荷作用時、為使其不變形,在材料內(nèi)部產(chǎn)生得一種與外力相對

抗得力，稱為內(nèi)力。這種內(nèi)力得大小與外力相等，并作用于材料內(nèi)部（注意:外力與內(nèi)力有別

于作用力與反作用力）。

3、應(yīng)力

同樣材料、不同直徑得螺栓在相同拉力作用下，細得可能拉斷，粗得則可能沒有拉斷。

因此,金屬材料得力學性能只憑外力得大小就是無法判定得。為此,在假設(shè)作用在零件橫截面

上得內(nèi)力大小就是均勻分布得情況下，采用單位橫截面面積上得內(nèi)力一一應(yīng)力來加以判定。

材料受拉伸或壓縮載荷作用時,其應(yīng)力按下式計算：

式中一一應(yīng)力,，，當面積以為單位時,則應(yīng)力可以為單位，；

----外力，；

----橫截面面積，。

二、金屬得變形

金屬在外部載荷作用下,首先發(fā)生彈性變形,載荷增加到一定值后,除了發(fā)生彈性變形外,

還發(fā)生塑性變形，即彈一一塑性變形。繼續(xù)增加載荷，塑性變形也將逐漸增大,直至金屬發(fā)生

斷裂。即金屬在外力作用下得變形可分為彈性變形、彈一一塑性變形與斷裂三個連續(xù)得階段。

彈性變形后,當外力消除后變形消失，金屬恢復到原來得形狀,因此,金屬彈性變形后其

組織與性能將不發(fā)生變化。

三、金屬材料得冷塑性變形與加工硬化

金屬材料得冷塑性變形，在外形變化得同時，晶粒得形狀也會發(fā)生變化。通常晶粒會沿

變形方向壓扁或拉長,如圖2—3所示。冷塑性變形除了使晶粒得外形發(fā)生變化外,還會使晶粒

內(nèi)部得位錯密度增加，晶格畸變加劇，從而使金屬隨著變形量得增加，其強度、硬度提高，而

塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為“形變強化”或“加工硬化”。

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日常生活中得許多金屬結(jié)構(gòu)件，都就是通過形變強化來提高其性能得。如汽車、洗

衣機、電器箱得外殼等,在通過沖壓成形得同時也提高了其強度、安全性與使用壽命。

形變強化就是一種重要得金屬強化手段，對那些不能用熱處理強化得金屬尤為重要:此

外，它還可使金屬具有偶然抗超載得能力。塑性較好得金屬材料在發(fā)生變形后，由于形變強

化得作用，必須承受更大得外部載荷才會發(fā)生破壞,這在一定程度上提高了金屬構(gòu)件在使用

中得安全性。如壓力容器得灌底總就是做成向內(nèi)凸起得形狀，其目得就就是當內(nèi)部壓力過大

時，可在灌底先產(chǎn)生塑性變形而不致突然破裂。

但另一方面金屬發(fā)生加工硬化也會給金屬得切削加工或進一步變形加工帶來困難。為了

改善發(fā)生加工硬化金屬得加工條件,生產(chǎn)中必須進行中間熱處理，以消除加工硬化帶來得不

利影響。如變形量較大得冷拉成形容器，在拉伸過程中要通過多次拉伸、再結(jié)晶退火與再拉

伸，就足為了避免塑性變形過程中得加工硬化而造成開裂。

提示

塑性變形除了影響力學性能外,還會使金屬得物理性能與化學性能發(fā)生變化,如電阻增加,化學

活性增大,耐蝕性降低等。

§1—2

金屬得力學性能

任何機械零件或工具在使用過程中往往要受到各種形式外力得作用。如起重機上得鋼索

受到懸吊物拉力得作用;柴油機上得連桿在傳遞動力時,不僅受到拉力得作用,而且還受到?jīng)_

擊力得作用，軸類零件要受到彎矩、扭力得作用等。這就要求金屬材料必須具有一種承受機

械載荷而不超過許可變形或不破壞得能力,這種能力就就是材料得力學性能。金屬表現(xiàn)出來

得諸如強度、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞強度等特征,就就是金屬材料在外力作用下表現(xiàn)

出得力學性能指標、

一、強度

金屬在靜載荷作用下抵抗塑性變形或斷裂得能力稱

為強度。強度得大小用應(yīng)力表示。

根據(jù)載荷得作用方式不同，強度可分為抗拉強度、抗

壓強度、抗剪強度、抗扭強度與抗彎強度。通常以抗拉

強度代表材料得強度指標。

抗拉強度就是通過拉伸實驗測定得。它利用拉伸試

驗機（圖21）產(chǎn)生得靜拉力，對標準試樣進行軸向拉

伸，同時連續(xù)測量變化得載荷與試樣得伸長量,直至斷裂,

并根據(jù)測得得數(shù)據(jù)計算出有關(guān)得力學性能指標。

1、拉伸試樣

拉伸試樣有圓形、矩形、六方等形狀，在國家標準

（GB/T228—2002）中規(guī)定了試樣得形狀、尺寸及加工要

求等，圖2—5所示為圓形拉伸試樣。圖2-4拉伸試驗機

圖2—5拉伸試樣

a）拉伸b）拉伸后

圖中，為試樣直徑,為標距長度。標準拉伸比例試樣得比例系數(shù)，即；當以此比例系數(shù)獲

得得原始標距長度小于15nmi時，應(yīng)優(yōu)先選用

得比例試樣

2、力一伸長曲線

拉伸實驗中，依據(jù)拉力與伸長量之間得關(guān)系在直角坐標系中繪出得曲線稱為

力一一伸長曲線，拉伸過程可分為彈性變形階段、屈服階段、強化階段與縮頸階段，如圖

2—6所不。

二、硬度

材料抵抗局部變形,特別就是塑性變形、壓痕或劃痕得能力稱為硬度。它就是衡量材料

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

大多數(shù)機械零件都應(yīng)具備足夠得硬度,以保證使用性能與壽命，否則容易因磨損而失效。因

此硬度就是金屬材料一項重要得力學性能。通常,硬度就是通過在專用得硬度試救機上實驗

測得得，如圖2—7所示，常用得硬度實驗法有布氏硬度實驗法、洛氏硬度實驗法與維氏硬度

實驗法。

屈服階段強化階段縮頸階段

外力大于然后，試樣發(fā)生塑性變外力大于&L后，試樣再繼續(xù)伸當外力達到最大力/后，試樣的某

形，當外力增加到形后,曲線為鋸氏則必須不斷增加拉伸力。隨著變一直徑處發(fā)生局部收縮，稱為“縮頸二

齒狀，這種拉伸力不增加變形卻繼形增大.變形抗力也逐漸增大,這此時截面縮小，變形繼續(xù)在此截面發(fā)

續(xù)增加的現(xiàn)象稱為屈服。/k為屈服種現(xiàn)象稱為形變強化，心為試樣在生，所需外力也隨之逐漸降低，宜至斷

載荷屈服階段后所能抵抗的最大力

彈性變形階段

人為發(fā)生最大彈性變形時

的載荷。外力一旦撤去，則

變形完全消失

圖2—6低碳鋼得力一一伸長曲線

圖2—7硬度試驗機

a)布氏硬度試驗機b)洛氏硬度試驗機c)維氏硬度試驗機

1.布氏硬度

(1)布氏硬度得定義使用一定直徑得硬質(zhì)合金球體，以規(guī)定實驗力壓人試樣表面,并保持

規(guī)定時間后卸除實驗力,然后用測量表面壓痕直徑來計算硬度,如圖2—8所示。

布氏硬度值就是用球面壓痕單位面積上所承受得平均壓力來表示,所以布氏硬度就是有

單位得，其單位為，但一般均不標出，用符號表示，

即：

式中——球面壓痕表面積，；

——實驗力,；

----壓頭直徑，；

——壓痕平均直徑，。

在實際應(yīng)用中,布氏硬度值一般不需要計算,而

就是用專用得刻度放大鏡量出壓痕直徑,再從壓痕

與硬度對照表中查出相應(yīng)得布氏硬度值。詳見附錄

I。

圖2—8布氏硬度得定義

(2)布氏硬度得表示方法布氏硬度用硬度值、

硬度符號、壓頭直徑、實驗力及實驗保持時間表示。當保持時間為10?15時可不標。

例如17010/1000/30表示用直徑為10得壓頭,在9807(1000)實驗力作用下，保持30

時測得得布氏硬度值為170;又如6001/30/20表示用直徑為1得壓頭,在294、2(30)

實驗力作用下，保持20時測得得布氏硬度值為600o

進行布氏硬度實驗時，應(yīng)根據(jù)被測材料種類、厚度及硬度值范圍選擇實驗力、壓頭直徑

與實驗保持時間。

(3)應(yīng)用范圍及優(yōu)缺點布氏硬度主要用于測定鑄鐵、有色金屬及退火、正火、調(diào)質(zhì)處理

后得各種軟鋼等硬度較低得材料。

布氏硬度實驗法，壓痕直徑較大，能較準確地反映材料得平均性能。由于強度與硬度間

有一定得近似比例關(guān)系(參見附錄n),因而在生產(chǎn)中較為常用。但由于測壓痕直徑費時費力，

操作時間長,而且不適于測高硬度材料，壓痕較大，所以只適宜對毛坯與半成品進行測試，

而不宜對成品及薄壁零件進行測試。

/■、

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布氏硬度與抗拉強度得近似關(guān)系如下：

低碳鋼得;高碳鋼得。

合金鋼得;灰鑄鐵得。

2.洛氏硬度

(1)洛氏硬度得定義洛氏硬度實驗就是目前應(yīng)用范圍最廣得硬度實驗方法。它就是采用直

接測量壓痕深度來確定硬度值得,如圖2—9所示。壓頭就是120。金剛石圓錐體或直徑為得淬

火鋼圓球。在初始實驗力作用下,試樣壓痕深度為,壓頭位置為1—1,再加上主實驗力后，

總實驗力為，壓頭壓人深度為，壓頭位置為2—2,經(jīng)一定時間保持后撤去主實驗力，仍保留初

始實驗力，試樣得彈性變形恢復,壓頭上升到3—3位置,而壓頭在主實驗力作用下,壓入試樣

深度為。當壓頭為120°金剛石圓錐體時，洛氏硬度計算式如下：

洛氏硬度無單位。實際測量時,洛氏硬度值可直接從硬度計表盤(圖2—10)上讀取。

圖2—9洛氏硬度得定義圖2—10洛氏硬度計表盤

(2)洛氏硬度得表示方法符號前面得數(shù)字表示硬度值。后面得字母表示不同

得洛氏硬度標尺。例如45表示用C標尺測定得洛氏硬度值為45。

(3)常用洛氏硬度標尺及其適用范圍同一臺硬度計,當采用不同得壓頭與不同得總實驗

力時，可組成幾種不同得洛氏硬度標尺，常用得洛氏硬度標尺有A、B、C三種，其中C標尺

應(yīng)用最廣。三種洛氏硬度標尺得實驗條件與適用范圍見表2―2。

表2—2常用得三種洛氏硬度標尺得實驗條件與適用范圍

硬度標尺壓頭類型總實驗力()硬度值有效范圍應(yīng)用舉例

1200金剛石圓錐

1471>020?67一般淬火鋼

體

鋼球980、725?100軟鋼、退火鋼、銅合金等

120°金剛石圓雉體588、460?85硬質(zhì)合金、表面淬火鋼等

(4)洛氏硬度實驗法得優(yōu)缺點洛氏硬度實驗操作簡單、迅速，可直接從表盤上讀出硬度

值；壓痕直徑很小，可以測量成品及較薄工件；測試得硬度值范圍較大,可測從很軟到很硬得

金屬材料，所以在生產(chǎn)中廣為應(yīng)用，其中得應(yīng)用尤其廣泛。但由于壓痕小，當材料組織不均勻

時,測量值得代表性差。一般需在不同得部位測試幾次,取讀數(shù)得平均值代表材料得硬度。

三、沖擊韌性

許多機械零件在工作中往往要受到?jīng)_擊載荷得作用，如活塞銷、鍛錘桿、沖模、鍛模等。

制造此類零件所用材料必須考慮其抗沖擊載荷得能力。金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞

得能力稱為沖擊韌性。材料得沖擊韌性用一次擺錘沖擊彎曲實驗來測定。

將被測材料加工成如圖2—11所示得沖擊試樣。

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維氏硬度

維氏硬度實驗原理基本上與布氏硬度實驗相同,如右圖所示。

相對兩面為136。得正四棱錐金剛石壓頭以選定得實驗力壓入實驗

表面。經(jīng)規(guī)定保持時間后,卸除實驗力,測量壓痕兩對角線平均長

度,根據(jù)值查中得維氏硬度數(shù)值表即可

得出硬度值(也可用公式計算)，用符號表示。例如

表示用(30kg)實驗力,保持10?15s(可省略不標)，

測定得硬度值為640。維氏硬度因?qū)嶒灹π?、壓入深度淺，故可測量

較薄材料,也可測量表面滲碳、滲氮層得硬度。因維氏硬度值具有

連續(xù)性()故可測從很軟到很硬得金屬材料得硬度，

\且準確性高。維氏硬度實驗得缺點就是需測量壓痕對角線得長度；

根據(jù)國家標準,常用帶有形或形缺口得得試樣,一次擺錘沖擊試驗機如圖2—12所示。

圖2—11沖擊試樣圖2—12一次擺錘沖擊試驗

機

a)U形缺口沖擊試樣b)V形缺口沖擊試樣

試樣從一定高度被擊斷后,缺口處單位橫截面面積上吸收得功，即表示沖擊韌度值

式中一一沖擊韌度，，值越大，材料得沖擊韌性越好；

——沖擊吸收功，;

——試樣缺口處得橫截面面積,。

★四'疲勞強度

彈簧、曲軸、齒輪等機械零件在工作過程中所承受載荷得大小、方向隨時間做周期性變

化,在金屬材料內(nèi)部引起得應(yīng)力發(fā)生周期性地波動。此時，由于所承受得載荷為交變載荷，零

件承受得應(yīng)力雖低于材料得屈服強度,但經(jīng)過長時間得工作后,仍會產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷

裂。金屬這樣得斷裂現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。金屬材料抵抗交變載荷作用而不產(chǎn)生破壞得能力

稱為疲勞強度。疲勞極限用符號表示。

提示

疲勞失效與靜載荷下得失效不同,斷裂前沒有明顯得塑性變形,發(fā)生斷裂也較突

然。這種斷裂具有很大得危險性，常常會造成嚴重得事故。

疲勞破壞就是機械零件失效得主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計,在失效得機械零件中,大約有80%

以上屬于疲勞破壞,而且疲勞破壞前沒有明顯得變形，斷裂前沒有預兆,所以疲勞破壞經(jīng)常造

成重大事故。

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在第二次世界大戰(zhàn)中，德國派出轟炸機頻頻轟炸英國本土。英國皇家空軍駕駛戰(zhàn)機在空

中攔截,戰(zhàn)況慘烈。突然,在不長得一段時間內(nèi)，英國戰(zhàn)機相繼墜落,機效人亡,英國軍方對墜

落飛機介入調(diào)查,最初得結(jié)論認為,德國就是否發(fā)明了什么新式武器,因為在墜落飛機得殘骸

上無任何彈痕,從而引起一片恐慌。但隨著調(diào)查得深入,最終結(jié)論就是:這些墜落得戰(zhàn)機無一

例外地就是由于疲勞現(xiàn)象得發(fā)生而墜毀得。也就就是說,飛機發(fā)動機內(nèi)得零件出現(xiàn)了疲勞斷

裂。究其原因做進一步得分析,機械零件之所以產(chǎn)生疲勞破壞,主要就是由于制造這些機械零

件得材料表面或內(nèi)部有缺陷，如夾雜、劃痕、夾角、軟點、顯微裂紋等,這些地方得局部應(yīng)力

大于屈服強度,在循環(huán)載荷得反復作用下，產(chǎn)生疲勞裂紋,并隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)得增加,疲勞裂

紋不斷擴散,使零件得有效承載面積不斷減小,最后達到某一臨界尺寸時而突然斷裂。

機械零件產(chǎn)生疲勞破壞得原因就是材

料

表面或內(nèi)部有缺陷（如夾雜、劃痕、夾角

等）。顯微裂紋隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)得增加而

逐漸擴展，使承力面積大大減小，以致承

力面積減小到不能承受所加載荷而突然斷

裂。疲勞斷裂得零件斷口如圖2—13所示。

為了提高零件得疲勞強度,除合理選

材外，細化晶粒、均勻組織、減少材料內(nèi)

部缺陷、改善零件得結(jié)構(gòu)形式、減小零件圖2—13疲勞斷裂宏觀斷口示意圖

表面粗糙度數(shù)值及采取各種表面強化得方法（如對工件表面淬火、噴丸、滲、鍍等），都能取

得一定得效果。

常用得力學性能指標及其含義見表2—3。

表2—3常用得力學性能指標及其含義

性能指標

力學性能含義

符號名稱舊標符號單位

抗拉強度試樣拉斷前所能承受得最大力得應(yīng)力

強度下屈服強度MPa發(fā)生塑性變形而力不增加時得應(yīng)力點

規(guī)定非比例延伸強度規(guī)定非比例延伸率為0、2%時得應(yīng)力

斷后標距得伸長量與原始標距之比得

斷后伸長率A百分率

塑形00

斷面收縮率斷后試樣得最大收縮量與原始橫截面

A面積之比得百分率

球形壓痕單位面積上所受得平均壓力

HBW布氏硬度HBS、HBW

用洛氏硬度相應(yīng)標尺刻度滿程與壓痕

HR洛氏硬度HRMPa

硬度深度之差計算得硬度值

（A、B、C）（A、B、C標尺）（A、B、C）MPa

正四棱錐壓痕單位面積上所受得平均

HV維氏硬度HV

壓力

沖擊試樣缺口處單位橫截面面積上得

沖擊韌性沖擊韌度

沖擊吸收功

試樣承受無數(shù)次（或給定次數(shù)）對稱循

疲勞強度疲勞極限MPa

環(huán)應(yīng)力仍不斷裂得最大應(yīng)力

§1—3

金屬得工藝性能

金屬材料得一般加工過程如圖2—14所示。

圖2—14金屬材料得一般加工過程

金屬材料得工藝性能就是指金屬材料對不同加工工藝方法得適應(yīng)能力,它包括鑄造性

能、鍛壓性能、焊接性能、切削加工性能與熱處理性能等。工藝性能直接影響零件制造得工

藝、

質(zhì)量及成本,就是選材與制定零件工藝路線時必須要考慮得重要因素。

一、鑄造性能

鑄造性能就是指鑄造成形過程（圖2—15〉中獲得外形準確、內(nèi)部健全鑄件得能力。鑄造

性能主要取決于金屬得流動性、收縮性與偏析傾向等。

圖2—15鑄造過程

1、流動性

熔融金屬得流動能力稱為流動性。流動性好得金屬，充型能力強，能獲得輪廓清晰、尺

寸精確、外形完整得鑄件。影響流動性得因素主要就是化學成分與澆注得工藝條件。

受化學成分得影響，通常各元素比例能達到同時結(jié)晶得成分（共晶成分）得合金流動性最

好。常用鑄造合金中，灰鑄鐵得流動性最好，鋁合金次之，鑄鋼最差。

2、收縮性

鑄造合金由液態(tài)凝固與冷卻至室溫得過程中，體積與尺寸減小得現(xiàn)象稱為收縮性。鑄造

合金收縮性過大會影響尺寸精度，還會在內(nèi)部產(chǎn)生縮孔、疏松、內(nèi)應(yīng)力、變形與開裂等缺陷。

鐵碳合金中，灰鑄鐵收縮率小，鑄鋼收縮率大。

3、偏析頻向

金屬凝固后，內(nèi)部化學成分與組織不均勻得現(xiàn)象稱為偏析。偏析嚴重時,可使鑄件各部分

得力學性能產(chǎn)生很大差異，降低鑄件質(zhì)量,尤其就是對大型鑄件危害更大。

二'鍛壓性能

用鍛壓成形方法（圖2—16）獲得優(yōu)良鍛件得難易程度稱為鍛壓性能。常用塑性與變形抗

力兩個指標來綜合衡量。塑性越好,變形抗力越小,則金屬得鍛壓性能越好。化學成分會影響

金屬得鍛壓性能，純金屬鍛壓性能優(yōu)于一般合金。鐵碳合金中,含碳量越低，鍛壓性能越好；

合金鋼中，合金元素得種類與含量越多，鍛壓性能越差，鋼中得硫會降低鍛壓性能。金屬組織

得形式也會影響其鍛壓性能。

圖2—16鍛壓生產(chǎn)

三、焊接性能

焊接（圖2—17）性能就是指金屬材料對焊接加工得適應(yīng)性,也就就是在一定得焊接工藝

條件下,獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭得難易程度。對碳鋼與低合金鋼而言,焊接性能主要與其化學成分

有關(guān)（其中碳得影響最大）如低碳鋼具有良好得焊接性能,而高碳鋼與鑄鐵得焊接性能則較

差。

圖2—17焊接

四、切削加工性能及熱處理性能

1、切削加工性能

切削金屬材料得難易程度稱為材料得切削加工性能。一般用工件切削時得切削速度、切

削抗力得大小、斷屑能力、刀具得耐用度以及加工后得表面粗糙度來衡量。影響切削加工性

能得因素主要有化學成分、組織狀態(tài)、硬度、韌性、導熱性及形變強化等。硬度低、韌性好、

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

刀具得使用壽命;而硬度高、塑性差得材料,消耗功率大,產(chǎn)生熱量多,并降低刀具得使用壽

命。一般認為材料具有適當硬度與一定脆性時，其切削加工性能較好，例如灰鑄鐵比鋼得切

削加工性能好。

另外，切削塑性金屬材料時,工件在加工表面層得硬度明顯提高而塑性下降得現(xiàn)象稱為

表面加工硬化。此時在加工表面受刀具擠壓產(chǎn)生得塑性變形部分不能恢復，因而產(chǎn)生得變形

抗力較大，表面形變強化。當以較小得切削深度再次切削時，刀具不易切入，并使刀具易磨

損,而且在加工表面硬化層常常伴有裂紋，使表面粗糙度值增大,疲勞強度下降。因此,應(yīng)盡量

設(shè)法消除這種現(xiàn)象。

2、熱處理性能

熱處理就是改善鋼切削加工性能得重要途徑,也就是改善材料力學性能得重要途徑。熱

處理性能包括淬透性、淬硬性、過熱敏感性、變形開裂傾向、回火脆性傾向、氧化脫碳傾向

等(這些內(nèi)容將在鋼得熱處理一章中詳細論述)。碳鋼熱處理變形得程度與其含碳量有關(guān)，一

般情況下，含碳量越高，變形與開裂傾向越大，而碳鋼又比合金鋼得變形開裂傾向嚴重。鋼

得淬硬性也主要取決于含碳量。含碳量高,材料得淬硬性好。

§1—4

金屬得工藝性能

實驗1硬度測試

1、實驗?zāi)康茫?/p>

(1)熟悉常用硬度試驗機得結(jié)構(gòu)。

(2)掌握洛氏硬度與布氏硬度得測試原理及測試方法。

一、洛氏硬度實驗

1、實驗設(shè)備及材料

(DHR-150型洛氏硬度試驗機,如圖2—20所示。

(2)40mmX10mm淬火狀態(tài)得45鋼試塊及W18Cr4V切刀刀片各一塊。

(3)1200金剛石圓錐壓頭(HRC)。

2,實驗原理

將預載荷與主載荷依次加入后，卸除主載荷。壓頭在被測試樣表面產(chǎn)生得壓痕深度差，

即可表示材料得硬度。

3,實驗步驟

(1)根據(jù)被測試樣得估計硬度選擇壓頭與硬度標尺(淬火鋼應(yīng)選金剛石壓頭，選用C

標尺)。

(2)加預載：將試樣放在載物臺上，順時針轉(zhuǎn)動升降機構(gòu)手輪，使試樣與壓頭緩慢接近,

直至表盤小指針指到紅點，大指針偏離零點5格之內(nèi)。此時，預載(98、7N)已加在試樣上。

圖2—20HR—150型洛氏硬度試驗機結(jié)構(gòu)圖

1一吊環(huán)2—連接桿3—螺母4一吊桿5—吊套6—祛碼7—托盤8—加卸載荷手柄9一緩沖調(diào)節(jié)閥10—緩

沖器11一機體12—實驗力杠桿13—游碼14一上蓋15—測量桿16—主軸17一指示百分表18—工

作臺19一升降絲杠20—手輪21—止推軸承22—嫖釘23—絲杠導座24一定位套25—連桿

(3)加主載:先調(diào)節(jié)表盤，使大指針對準B或C標尺得零點，再緩慢按下操作手柄到加載

位置,并停留15s,大指針隨之轉(zhuǎn)動若干格而停止。主載(1373N)也已加在試樣上。此時

總實驗力為1471、7No

(4)卸主載:順時針扳回操作手柄到卸荷位置,大指針在原位反向轉(zhuǎn)動若干格而停止，此

時讀到得表盤刻度值即為該點洛氏硬度值。

(5)在同一被測面得不同位置上重復測量三個點(三點相距＞3mm,點到邊緣距離〉3mm)。

4、注意事項

(1)試樣得兩大面應(yīng)磨平、光潔，無油污、氧化皮裂紋及凹坑或顯著得加工痕跡。載物臺

及壓頭表面清潔。

(2)壓頭要裝牢(注意安裝時壓頭得削扁對準壓軸孔得削扁,壓頭推到頂后擰緊緊定螺

釘)。

(3)試樣放平穩(wěn)，不可有滑動及明顯變形，并保證壓頭中心線與被測表面相垂直。如為圓

柱試樣,應(yīng)放于V形鐵中支承。

(4)加載、卸載均要緩慢無沖擊。

5、填寫實驗報告

(1)簡述實驗原理。

(2)寫明實驗時間、地點、組員及指導教師。

(3)將記錄數(shù)據(jù)填入表2—6,并給出實驗結(jié)論。

表2—6洛氏硬度實驗記錄表

材料標尺第一次第二次第三次平均值備注(壓頭、載荷)

45鋼淬火HRC

高速鋼刀片HRC

二、布氏硬度實驗

1、實驗設(shè)備及材料

(1)設(shè)備TH600型布氏硬度試驗機(圖2—21)與讀數(shù)顯微鏡。

(2)試樣厚10mm得正火狀態(tài)45鋼一塊。

圖2—21TH600型布氏硬度試驗機

2、實驗原理

用一定直徑得硬質(zhì)合金球做壓頭，以一定得實驗力壓入試樣表面,經(jīng)規(guī)定保持時間后，

卸除實驗力,試樣表面將留下一個壓痕，測量壓痕得直徑并計算壓痕表面積,通過計算或查

表(附錄II)求得布氏硬度值。

在實際實驗時，可用讀數(shù)顯微鏡測出壓痕直徑,再根據(jù)壓痕直徑查表得出硬度值。實

際工件可能會有不同得硬度值與厚度，所以實驗時要根據(jù)工件得軟硬程度與形狀大小來選擇

匹配不同得壓頭與載荷。實驗時只要滿足值為一常數(shù),且壓痕直徑控制在0、24?0、6

之間，即可得到統(tǒng)一得、可以互相比較得硬度值。

3、實驗步驟

(1)確定實驗條件壓頭直徑、實驗力及實驗力保持時間按表2—7選取。先將壓頭裝入主

軸襯套并擰緊壓頭緊定螺釘，再按所選載荷加上相應(yīng)得祛碼。打開電源開關(guān)，電源指示燈亮。

試驗機進行自檢、復位,顯示當前得實驗力保持時間，該參數(shù)自動記憶關(guān)機前得狀態(tài)。此時應(yīng)

根據(jù)所需設(shè)置得保持時間,在操作鍵盤上或“▼”鍵進行設(shè)置。

(2)壓緊試件順時針旋轉(zhuǎn)升降手輪6,使實驗臺上升至試樣與壓頭接觸,直至手輪下面得

螺母產(chǎn)生相對滑動為止。

(3)加載與卸載此時按下“開始”鍵，實驗開始自動進行，依次自動完成從加載、保持、

卸載到恢復初始狀態(tài)得全過程。

(4)讀取實驗數(shù)據(jù)逆時針轉(zhuǎn)動升降手輪,取下試樣,用瀆數(shù)顯微鏡測出壓痕直徑,并取

算術(shù)平均值,根據(jù)此值查課本附錄I即得布氏硬度值,記錄于表2—8中。

表2—7布氏硬度實驗條件選取表

金屬種類布氏硬度值范圍HBW試樣厚度(mm)0、102測頭直徑(mm)實驗載荷(kN)保持時間(S)

3~610、029、42

黑色金屬140—4502~4305、07、35510~15

〈22、51、839

〉610、09、807

黑色金屬(1401010?15

3~65、02、542

4.注意事項

(1)試樣表面必須平整光潔，無油污、氧化皮，并平穩(wěn)地安放在布氏硬度計實驗臺上。

(2)讀數(shù)顯微鏡讀取壓痕直徑時應(yīng)從兩個相互垂直得方向測量,并取算術(shù)平均值。

(3)使用讀數(shù)顯微鏡時,將測試過得試樣放置于一平面上,再將讀數(shù)顯微鏡放置于被測試

樣上,使被測部分用自然光或燈光照明。調(diào)節(jié)目鏡，使視場中同時瞧清分劃板與壓痕邊緣圖

像。常用放大倍數(shù)為20得讀數(shù)顯微鏡測試布氏硬度值。

(4)壓痕中心到試樣邊緣得距離應(yīng)不小于壓痕直徑得2、5倍,相鄰兩壓痕中心距離應(yīng)不小

于壓痕直徑得3倍。

5、填寫實驗報告

(1)簡述實驗原理。

(2)寫明實驗時間、地點、組員及指導教師。

(3)將記錄數(shù)據(jù)填入表2—8,并給出實驗結(jié)論。

表2—8布氏硬度實驗記錄表

第一次第二次第三次平均值備注(鋼球直徑、實驗力、保持時間、值)

壓痕直徑

HBW

習題

1、機械零件損壞得形式有哪些？

2、什么就是栽荷?根據(jù)性質(zhì)不同可分為哪幾種？

3、什么就是金屬得力學性能？金屬得力學性能包括哪些內(nèi)容？

4、什么就是強度?強度有哪些衡量指標？這些指標用什么符號表示?如何測量？

5、什么就是塑性?塑性有哪些衡量指標?這些指標用什么符號表示？如何測量？

6、什么就是硬度？常用得硬度實驗法有哪三種？各用什么符號表示？

7、布氏硬度實驗法有哪些優(yōu)缺點？它主要適用于何種材料得測試？

8、常用得洛氏硬度標尺有哪三種？各用什么符號表示?最常用得就是哪一種？“、什么就是沖擊韌性？

什么就是沖擊韌度?其值用什么符號表示?口0、什么就是金屬得疲勞斷裂？什么就是疲勞強度？

11、生產(chǎn)中如何提高零件得抗疲勞能力？

12、什么就是金屬得工藝性能?它包括哪些內(nèi)容？

鹿匚宣

鐵碳合金

純金屬雖然得到一定得應(yīng)用，但強度與硬度一般都較低，冶煉困難，因而價格較高，在

使用上受到限制。在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用得就是合金,這就是因為生產(chǎn)中可以通過改變合金

得化學成分〈或組織結(jié)構(gòu)）來進一步提高金屬材料得力學性能,并可獲得某些特殊得物理性能

與化學性能〈耐蝕、耐熱、耐磨、電磁性能等），以滿足機械零件與工程結(jié)構(gòu)對材料得要求。

通常把以鐵及鐵碳為主得合金〈鋼鐵）稱為黑色金屬,而把其她金屬及其合金稱為有色金

屬。常用金屬材料間得關(guān)系如下：

廠碳素結(jié)構(gòu)鋼

一優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

---碳素鋼—

-碳素工具鋼

匚鑄造碳鋼

—鋼一

廠合金結(jié)構(gòu)鋼

「一黑色金屬一—合金鋼——合金工具鋼

1-特殊性能鋼

「灰鑄鐵

廠白口鑄鐵］

一可鍛鑄鐵

—鑄鐵——灰鑄鐵

—球墨鑄鐵

金屬材料---麻口鑄鐵」

L1—端墨鑄鐵

廠銅及其合金

一鋁及其合金

一有色金屬——

一鈦及其合金

一軸承合金

硬質(zhì)合金

合金:合金就是以一種金屬為基礎(chǔ),加入其她金屬或非金屬,經(jīng)過熔合而獲得得具有金屬

特性得材料，即合金就是由兩種或兩種以上得元素所組成得金屬材料。例如,工業(yè)上廣泛應(yīng)用

得鋼鐵材料就就是由鐵與碳組成得合金。與純金屬相比,合金具有更好得力學性能,可通過調(diào)

整組成元素之間得比例，獲得一系列性能各異得合金，以滿足工業(yè)生產(chǎn)對材料不同性能得要

求。

組元:組成合金最簡單得、最基本得、能夠獨立存在得元物質(zhì)稱為組元,簡稱元。組元一

般就是指元素，但有時穩(wěn)定得化合物也可以作為組元,如、、等。合金按組元得數(shù)目可分為二

元合金、三元合金及多元合金。例如，碳素鋼就是由鐵與碳組成得二元合金。

§2—1

鐵碳合金得基本組織與性能

鋼鐵就是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛得合金，它們均就是以鐵與碳為基本組元得合金,故

又稱為鐵碳合金。由于鋼鐵材料得成分（含碳量）不同，因此其組織、性能與應(yīng)用場合也不同。

鐵碳合金得基本組織有五種，它們分別就是鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體與萊氏體。

一'鐵素體（F）

碳溶解在中形成得間隙固溶體稱為鐵素體，用符號F表示。其晶胞示意圖如圖3—2所示。

由于就是體心立方晶格,晶格間隙較小,所以碳在中得溶解度很小。鐵素體就是鋼得五種組織

中含碳量最低得組織，其室溫性能接近于純鐵,即具有良好得塑性、韌性,較低得強度、硬度。

圖3—3所示為鐵素體得顯微組織。

3-2鐵素體得晶胞示意3-3鐵素體得顯微組織

二、奧氏體（A）

碳溶于中形成得間隙固溶體稱為奧氏體,用符號A

表不。其晶胞示意圖如圖3—4所不。由于就是在高溫狀

態(tài)下存在得面心立方晶格結(jié)構(gòu)，晶格間隙較大，故奧氏

體得溶碳能力較強，在1148。。時溶碳能力可達2、11%。

隨著溫度得下降,溶解度逐漸減小,在727℃時溶碳能力

為0、77%。

奧氏體得含碳量雖比鐵素體高，但其呈面心立方晶

格，強度、硬度雖不高，卻具有良好得塑性，尤其就是具

有良好得鍛壓性能。奧氏體存在于727℃以上得高溫范圖3-4奧氏體得晶胞示意

圍內(nèi)，無室溫組織織。3—5所示為其顯微組織。

三、滲碳體（或）

滲碳體就是含碳量為6、69%得鐵與碳得金屬化合物,其化學式為。它具有復雜得斜方晶格，

與鐵與碳得晶體結(jié)構(gòu)完全不同,如圖3—6所示。滲碳體得性能特點就是高熔點（1227。。）、

高硬度（950-1050HV）,塑性與韌性幾乎為零，脆性極大。滲碳體就是鋼中得主要強化相，

在鋼或鑄鐵中可以片狀、球狀或網(wǎng)狀分布。分布形態(tài)對鋼得力學性能影響很大。在適當?shù)脳l

件下（如高溫長期停留或極緩慢冷卻），滲碳體可分解為鐵與石墨狀得自由碳,這對鑄鐵得形

成過程具有重要意義。

E

O

-

0

-

X

9

U

.

9

5.007x10l0mO鐵原子

?碳原子

圖3—5奧氏體得顯微組織圖3—6滲碳體得晶胞示意圖

四、珠光體（P）

珠光體就是鐵素體與滲碳體得混合物,用符號P表示。它就是滲碳體與鐵素體片層相間、

交替排列形成得混合物。其顯微組織如圖3—7所示,其中白色為鐵素體機體,黑色線條為滲

碳體。在緩慢冷卻條件下,珠光體得含碳量為0、77%,由于珠光體就是由硬得滲碳體與軟得

鐵素體組成得混合物，因此其力學性能就是兩者得綜合,強度較高,硬度適中，具有一定得塑

性。

a)b)

圖3—7珠光體得顯微組織

a）光學顯微鏡觀察組織b）電子顯微鏡觀察組織

五、萊氏體0

萊氏體就是奧氏體與滲碳體得混合物，用符號表示。它就是含碳量為4、3%得液態(tài)鐵碳

合金在1148℃時得共晶產(chǎn)物。當溫度降到727°。時，由于萊氏體中得奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w,

所以室溫下得萊氏體由珠光體與滲碳體組成,這種混合物稱為低溫萊氏體,用符號表示。圖

3—8所示為低溫萊氏體得顯微組織，由于，萊氏體得基體就是滲碳體，所以它得性能接近于滲

碳體,硬度很高,塑性很差。

以上五種組織中，鐵素體、奧氏體與滲碳體都就是單相組織，稱為鐵碳合金得基本相;珠光

體與萊氏體則就是由基本相組成得多相組織。表3—2所列為鐵碳合金基本組織得性能及特

點。表3—2鐵碳合金基本組織得性能及特點

§3一3A鐵碳合金相

鐵碳合金相圖就是表示在緩慢冷卻（或緩慢加熱）條件下，不同成分得鐵碳合金得狀態(tài)或

組織隨溫度變化得圖形。鐵碳合金相圖就是研究鐵碳合金得基礎(chǔ),它就是研究鐵碳合金得成

分、溫度與組織結(jié)構(gòu)之間關(guān)系得圖形。鐵碳合金相圖就是人類經(jīng)過長期實踐并進行大量科學

實驗總結(jié)出來得。

一、鐵碳合金相圖得組成

在鐵碳合金中，鐵與碳可以形成一系列得化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等。而生產(chǎn)中

實際使用得鐵碳合金,其含碳量一般不超過5%。因為含碳量更高得材料脆性太大,難以加工,

沒有實用價值，因此，只研究相圖中含碳量為0%?6、69%得部分。而這部分得鐵碳化合

物只有Fe3C,故鐵碳合金相圖也可以認為就是Fe—Fe3c相圖。

為了便于掌握與分析Fe—Fe3C相圖,將相圖上實用意義不大得部分省略,經(jīng)簡化后得

Fe—Fe3c相圖如圖3—9所示。圖中縱坐標為溫度,橫坐標為含碳量得質(zhì)量百分數(shù)。

二、Fe~Fe3c相圖中特性點、線得含義及各區(qū)域內(nèi)得組織

Fe—Fe3c相圖中有七個特性點及六條特性線，當了解了這些點、線得含義后，就可

以把一個瞧似復雜得相圖分割成不同得區(qū)域，當成分（含碳量）與溫度變化時,按一定規(guī)律可

分析出各區(qū)域產(chǎn)生得組織。

1、主要特性點

Fe—Fe3c相圖中得七個特性點及其溫度、含碳量與含義見表3—3。

表3—3Fe-FeaC相圖中得七個特性點及其溫度、含碳量與含義

（1）共晶點C高溫得鐵碳合金液體緩慢冷卻到一定溫度（1148℃）時，在保持溫度不

變得條件下,從一個液相中同時結(jié)晶出兩種固相（奧氏體與滲碳體），這種轉(zhuǎn)變稱為共晶轉(zhuǎn)變。

共晶轉(zhuǎn)變得產(chǎn)物稱為共晶體，鐵碳合金得共晶體就就是萊氏體Ld（A+Fe3C）oC點得

溫度（1148'C）稱為共晶溫度。

（2）共析點S固相得鐵碳合金緩慢冷卻到一定溫度（727C）時,在保持溫度不變得

條件下，從一個固相（奧氏體）中同時析出兩個固相（鐵素體與滲碳體），這種轉(zhuǎn)變稱析轉(zhuǎn)變。

共析轉(zhuǎn)變得產(chǎn)物稱為共析體，鐵碳合金得共析體就就是珠光體P（F+Fe3C）0S溫度

（727'C）稱為共析溫度。

2,主要特性線|

Fe—Fe3C相圖中有若干條表示合金狀態(tài)得分界線,它們就是不同成分合金具有相同含

義得臨界點得連線。△Fe-Fe3C相圖中得六條特性線及其含義見表3—4。

（1）ACD線液相線，此線以上區(qū)域全部為液相,稱為液相區(qū),用L表示,對應(yīng)成分得液

態(tài)合金冷卻到此線上得對應(yīng)點時開始結(jié)晶。在AC線以下結(jié)晶出奧氏體,在CD線以下結(jié)晶出

滲碳體（稱為一次滲碳Fe3Ci）。

（2）AECF線固相線，對應(yīng)成分得液態(tài)合金冷卻到此線上得對應(yīng)點時完成結(jié)晶過程，

變?yōu)楣虘B(tài)，此線以下為固相區(qū)。在液相線與固相線之間就是液態(tài)合金從開始結(jié)晶到結(jié)晶終了

得過渡區(qū),所以此區(qū)域液相與固相并存。

AEC區(qū)內(nèi)為液相合金與固相奧氏體，CDF區(qū)內(nèi)為液相合金與固相滲碳體。

（3）GS線奧氏體冷卻時析出鐵素體得開始線（或加熱時鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體得終止線）,

又稱A3線。奧氏體向鐵素體得轉(zhuǎn)變就是鐵發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變得結(jié)果。

（4）ES線碳在奧氏體中得溶解度曲線，又稱Aem線。隨著溫度得變化，奧氏體得溶

碳能力沿該線上得對應(yīng)點變化。在1148"。時，碳在奧氏體中得溶解度為2、11%（E點得

含碳量），在727。。時降到0、77%（S點得含碳量）。在AGSE區(qū)內(nèi)為單相奧氏體。含碳量較

高（＞0、77%）得奧氏體,在從1148℃緩冷到727得過程中，由于其溶碳能力降低，多余

得碳會以滲碳體得形式從奧氏體中析出，稱為二次滲碳體（Fe3C11）。

（5）ECF線共晶線。當不同成分液態(tài)合金冷卻到此線（1148C）時,在此之前已結(jié)

晶出部分固相（A或Fe3C）,剩余液態(tài)合金得含碳量變?yōu)?、3%,將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，從剩余液

態(tài)合金中同時結(jié)晶出奧氏體與滲碳體得混合物，即萊氏體（Ld）。共晶轉(zhuǎn)變就是一種可逆轉(zhuǎn)變。

（6）PSK線共析線，又稱Al線。當合金冷卻到此線時（727C）將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。從合

金得奧氏體中同時析出鐵素體與滲碳體得混合物,即珠光體（p）。共析轉(zhuǎn)變也就是一種可逆轉(zhuǎn)

變。

三、鐵碳合金得分類

按含碳量不同，鐵碳合金得室溫組織可分為工業(yè)純鐵、鋼與白口鑄鐵。其中，把含碳量小

于0、0218%得鐵碳合金稱為純鐵;把含碳量大于0、0218%而小于2、11%得鐵碳合金稱

為鋼;把含碳量大于2、11%得鐵碳合金稱為鑄鐵。鐵碳合金得室溫組織及分類見表3—5。

四、鐵碳合金得成分、組織與性能得關(guān)系

分析鐵碳合金得室溫組織不難發(fā)現(xiàn),隨含碳量得不同，其組織順序為F-F+P-P-

P+Fe3C-P+Fe3C+Ud-UdfLd+Fe3Cl。其中得珠光體（P）與低溫萊氏體（Ud）

由鐵素體與滲碳體組成，因此可認為鐵碳合金得室溫組織都就是由鐵素體與滲碳體組成得，

但含碳量不同時，鐵素體與滲碳體得相對量會有變化。含碳量越高，鐵素體數(shù)量越少,而滲碳

體數(shù)量越多。

鐵碳合金得成分不但對其組織有上述影響，對其性能也有影響。含碳量越高，鋼得強度、

硬度越高,而塑性、韌性越低,在鋼經(jīng)過熱處理后表現(xiàn)尤為明顯。這主要就是因為含碳量越高，

鋼中得硬脆相Fe3c越多得緣故。當含碳量超過0、9%后，由于脆而硬得二次滲碳體沿晶界

析出隨二次滲碳體數(shù)量增加，形成網(wǎng)狀分布（見表3—5中T12鋼顯微組織相片），將鋼中得

珠光體組織割裂開來，使鋼得強度有所降低。因此，對于碳素鋼及低、中合金鋼說，其含碳

量一般不超過1、3%

五、Fe—Fe3c相圖得應(yīng)用

鐵碳合金相圖表明含碳量不同時,其組織、性能得變化規(guī)律,也揭示了相同成分在不同溫

度時組織與性能得變化。這為生產(chǎn)實踐中得選材、熱處理工藝得制定提供了依據(jù)。

1、作為選材得依據(jù)

碳對鐵碳合金得組織與性能有著重大得影響。不同成分得鐵碳合金在機械性能與工藝性

能等方面產(chǎn)生了極大得差異。

在設(shè)計與生產(chǎn)中，通常就是根據(jù)機械零件或工程構(gòu)件得使用性能來選擇鋼得成分（鋼

號）。例如，要求塑性、韌性及焊接性能好，但強度、硬度要求不高時，應(yīng)選用低碳鋼；而機

器得主軸或車輛得轉(zhuǎn)軸要求有較好得綜合性能,則應(yīng)選用中碳鋼;車刀、鉆頭等工具應(yīng)選用高,

鋼。白口鑄鐵中由于萊氏體得存在而具有很高得硬度與耐磨性，但脆性大，難以加工，其應(yīng)用

受到一定限制。通?？勺鳛樯a(chǎn)可鍛鑄鐵得原料或直接鑄成不受沖擊而耐磨得軋輯、犁神等。

2、在鑄造生產(chǎn)中得應(yīng)用

根據(jù)Fe—Fe3c相圖得液相線,可以找出不同成分得鐵碳合金得熔點,從而確定合適得

熔化溫度與澆注溫度。圖3—10給出了鋼與鑄鐵得澆注區(qū)?？梢郧瞥觯摰萌刍瘻囟扰c澆注

溫度均比鑄鐵高。而禱鐵中靠近共晶成分得鐵碳合金不僅熔點低,而且凝固溫度區(qū)間小,有較

好得鑄造流動性,適于鑄造。

3、在鍛造工藝上得應(yīng)用

鋼經(jīng)加熱后獲得單相得奧氏體組織。其強度低，塑性好，易于塑性變形加工。因此，鋼材

軋制或鍛造得溫度范圍多選在單一奧氏體區(qū)。但始鍛溫度不得過高，以免鋼材在鍛軋時嚴

重氧化，甚至因晶界熔化而碎裂;終鍛溫度也

不得過低,否則鋼材因塑性太差，易在鍛軋過

程中產(chǎn)生裂紋。不同成分碳素鋼軋制或鍛造得

合適溫度范圍如圖3—10所示。

4、在熱處理工藝上得應(yīng)用

Fe—Fe3c相圖中得左下角部分就是鋼進行

熱處理得重要依據(jù),不同含碳量得鋼在加熱與

冷卻時發(fā)生相變得規(guī)律與具體溫度,就是對不同A含碳量得鋼采用不同熱處理工藝時確定加

熱溫

度得重要依據(jù)。相關(guān)內(nèi)容將在下一章中詳細討

論。

§3—碳素鋼

碳素鋼簡稱碳鋼,就是最基本得鐵碳合金。它就是指在冶煉時沒有特意加人合金元素，

且含碳量大于0、0218%而小于2,11%得鐵碳合金。由于碳鋼容易冶煉，價格便宜,具有

較好得力學性能與優(yōu)良得工藝性能,可滿足一般機械零件、工具與日常輕工產(chǎn)品得使用要求。

因此、碳鋼在機械制造、建筑、交通運輸?shù)仍S多部門中得到廣泛得應(yīng)用。

一、鋼中常存元素及其對性能得影響

碳素鋼中除鐵與碳兩種元素外,還不可避免地在冶煉過程中從生鐵、脫氧劑等爐料中加入一

些其她雜質(zhì)元素，其中主要有硅、鎬、硫、磷等元素，這些元素得存在必然會對鋼得性能產(chǎn)

生一定得影響。

1、錦

鋪就是鋼中得有益元素，就是煉鋼時用錦鐵脫氧而殘留在鋼中得。鐳有很好得脫氧能力,

還可以與硫形成MnS,從而消除了硫得有害作用。鎬作為雜質(zhì)一般應(yīng)不超過0、8%o

2、硅

硅也就是鋼中得有益元素，它就是作為脫氧劑而進入鋼得，硅得脫氧能力比錦還強,能提

鋼得強度及質(zhì)量,硅作為雜質(zhì)一般應(yīng)不超過0、4%?

3、硫

硫就是鋼中得有害元素,常以FeS形式存在,FeS與Fe形成低熔點得共晶體,熔點為

985℃,分布在晶界，當鋼材在1000~1200℃進行壓力加工時，共晶體熔化,使鋼材變脆,

這種現(xiàn)象稱為熱脆性。為了避免熱脆，鋼中含硫量必須嚴格控制，通常應(yīng)使S<0、05%。

4、磷

磷也就是鋼中得有害元素，它使鋼在低溫時變脆，這種現(xiàn)象稱為冷脆性。因此,鋼中含

磷量也要嚴格控制,通常應(yīng)使P<0、045%

5、鋼

鋼中氫會造成氫脆、白點等缺陷，就是有害元

二、碳素鋼得分類

1、按鋼得含碳量分類

(1)低碳鋼CWO、25%o

(2)中碳鋼C=O、25%?0、60%。

(3)高碳鋼C與0、60%o

2、按鋼得質(zhì)量分類

根據(jù)鋼中得有害元素硫、磷含量多少可分為

(1)普通鋼SW0、050%,PW0、045%。

(2)優(yōu)質(zhì)鋼SW0、035%,PW0、035%。

(3)高級優(yōu)質(zhì)鋼SW0、025%,PW0、0