金屬工藝學緒論材料是社會發展的物質基礎。以材料為標志，人類社會經歷了石器時代（公元前10萬年）、陶器時代（公元前8000年）、青銅器時代（公元前5000年）、鐵器時代（公元前1000年）、水泥時代（公元元年）、鋼時代（公元1800年）、硅時代（公元1950年）、新材料時代（公元1990年）。

人類使用材料的足跡經歷了從低級到高級、從簡單到復雜、從天然到合成的過程，目前人類已進入金屬（如鈦金屬）、高分子、陶瓷及復合材料共同發展的時代。一、人類社會的發展歷程

一是向地殼的深部要金屬；二是向海洋要金屬；三是節約金屬材料，尋找它的代用品。

非金屬材料的使用，不僅滿足了機械工程中的特殊需求，而且還大大簡化了機械制造的工藝過程，降低了機械制造成本，提高了機械產品的使用性能。其中比較突出的非金屬材料就是：塑料、陶瓷與復合材料等。二、節約金屬材料三、非金屬材料的使用例如，激光技術與計算機技術在機械零件加工過程中的應用，使得機械零件加工設備不斷創新，零件的加工質量和效率不斷提高，如計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(FMS)、計算機集成制造系統(CIMS)和生產管理信息系統（MIS）的綜合應用，突破了傳統的機械零件加工方法，產生了巨大的變革。

四、機械零件加工技術的發展

歷史上我國是使用和加工金屬材料最早的國家之一。20多年我國鋼鐵產量一直雄踞世界第一，成為國際鋼鐵市場上舉足輕重的“第一力量”。五、我國在金屬加工方面取得的成就

《金屬工藝學》教材內容廣、實踐性強，比較系統地介紹了金屬材料與非金屬材料的分類、性能、加工工藝方法及其應用范圍等知識。該課程是融匯多種專業基礎知識為一體的專業基礎課，是培養從事機械裝備制造行業應用型、管理型、操作型及復合型人才的必修課程。

同學們在學習本課程時，一定要多聯系自己在金屬材料和非金屬材料方面的感性知識和生活經驗，要多討論、多交流、多分析和多研究，特別是在實習中要多觀察，勤于實踐，做到理論聯系實際，這樣才能更好地學好教材中的基礎知識，做到融會貫通，全面發展。六、金屬工藝學課程的性質金屬工藝學單元一金屬材料基礎知識●金屬是指具有良好的導電性和導熱性，有一定的強度和塑性，并具有光澤的物質。●金屬材料是由金屬元素或以金屬元素為主要材料，并具有金屬特性的工程材料。●合金是指兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的金屬材料。●以鐵或以它為主而形成的金屬材料，稱為鋼鐵材料（或稱黑色金屬），如各種鋼材和鑄鐵。●除鋼鐵材料以外的其它金屬材料，統稱為非鐵金屬（或稱有色金屬），如銅、鋁、鎂、鋅、鈦、錫、鉛、鉻、鉬、鎢、鎳等。模塊一

金屬材料的分類●鋼鐵材料是鐵和碳的合金。鋼鐵材料按其碳的質量分數w（C）(含碳量)進行分類，可分為工業純鐵（w（C）<0.0218%）；鋼（w（C）=0.0218%～2.11%）和白口鑄鐵或生鐵（w（C）>2.11%）。生鐵由鐵礦石經高爐冶煉而得，它是煉鋼和鑄件生產的主要原材料。高爐煉鐵的爐料主要是鐵礦石、燃料（焦炭）和熔劑（石灰石）。高爐冶煉出的鐵不是純鐵，其中含有碳、硅、錳、硫、磷等雜質元素，這種鐵稱為生鐵。生鐵是高爐冶煉的主要產品。根據用戶的不同需要，生鐵可分為兩類：鑄造生鐵和煉鋼生鐵。模塊二鋼鐵材料生產過程概述一、煉鐵鋼材生產是以生鐵為主要原料，首先將生鐵裝入高溫的煉鋼爐里，通過氧化作用降低生鐵中碳和雜質的質量分數，并使其到達需要的鋼液，然后將鋼液澆鑄成鋼錠或連續坯，再經過熱軋或冷軋后，制成各種類型的型鋼。用生鐵煉鋼，實質上是一個氧化過程。1．煉鋼方法

二、煉鋼煉鋼方法熱

源主要原料主要特點

產

品氧氣轉爐氧化反應的化學熱生鐵、廢鋼冶煉速度快，生產率高，成本低。鋼的品種較多，質量較好，適合于大量生產非合金鋼和低合金鋼電弧爐電能廢鋼爐料通用性大，爐內氣氛可以控制，脫氧良好，能冶煉難熔合金鋼。鋼的質量優良，品種多樣合金鋼2．鋼的脫氧按鋼液脫氧程度的不同，鋼可分為特殊鎮靜鋼(TZ)、鎮靜鋼(Z)，沸騰鋼(F)3種。3．鋼的澆注鋼液經脫氧后，除少數用來澆鑄成鑄鋼件外，其余都澆鑄成鋼錠或連鑄坯。4．煉鋼的最終產品鋼錠經過軋制最終形成板材、管材、型材、線材及其它類型的材料。五、我國在金屬加工方面取得的成就

機械產品的制造過程一般分為設計、制造與使用三個階段，如圖1-4所示。模塊三

機械制造過程概述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為保證機械零件或工具正常工作應具備的性能，即在使用過程中所表現出的特性。金屬材料的使用性能包括力學性能、物理性能和化學性能等；●工藝性能是指金屬材料在制造機械零件和工具的過程中，適應各種冷加工和熱加工的性能。工藝性能也是金屬材料采用某種加工方法制成成品的難易程度，它包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能及切削加工性能等。模塊四

金屬材料的性能一、金屬材料的力學性能

●金屬材料的力學性能是指金屬材料在力作用下所顯示的與彈性和非彈性反應相關或涉及應力──應變關系的性能，如強度、塑性、硬度、韌性、疲勞強度等。●物體受外力作用后導致物體內部之間相互作用的力，稱為內力。●單位面積上的內力，稱為應力R(N/mm2)。●應變?是指由外力所引起的物體原始尺寸或形狀的相對變化(%)。金屬材料的力學性能主要有：強度、剛度、塑性、硬度、韌性和疲勞強度等。模塊四

金屬材料的性能

（一）強度與塑性●金屬材料在力的作用下，抵抗永久變形和斷裂的能力稱為強度。●塑性是指金屬材料在斷裂前發生不可逆永久變形的能力。金屬材料的強度和塑性指標可以通過拉伸試驗測得。1．拉伸試驗

●拉伸試驗是指用靜拉伸力對試樣進行軸向拉伸，測量拉伸力和相應的伸長，并測其力學性能的試驗。（1）拉伸試樣。拉伸試樣通常采用圓形橫截面拉伸試樣，分為短試樣和長試樣兩種。長試樣L0=10d0；短試樣L0=5d0。模塊四

金屬材料的性能（2）試驗方法。2．力伸長曲線●在進行拉伸試驗時，拉伸力F和試樣伸長量△L之間的關系曲線，稱為力伸長曲線。試樣從開始拉伸到斷裂要經過彈性變形階段、屈服階段、變形強化階段、縮頸與斷裂四個階段。模塊四

金屬材料的性能金屬工藝學單元一金屬材料基礎知識3．強度指標金屬材料的強度指標主要有:屈服強度、規定塑性延伸強度、抗拉強度等。（1）屈服強度和規定塑性延伸強度。屈服強度是指試樣在拉伸試驗過程中力不增加(保持恒定)仍然能繼續伸長(變形)時的應力。屈服強度用符號ReH或ReL表示。單位為N/mm2或MPa。規定塑性延伸強度是指試樣塑性延伸等于規定的引伸計標距Le百分率時對應的應力，用應力符號R并加角標“P和規定塑性伸長率”表示，如RP0.2表示規定塑性伸長率為0.2%時的應力定為沒有明顯產生屈服現象金屬材料的屈服強度。（2）抗拉強度。抗拉強度是指試樣拉斷前承受的最大標稱拉應力。用符號Rm表示，單位為N/mm2或MPa。（一）強度與塑性

4．塑性指標（1）斷后伸長率。試樣拉斷后的標距伸長量與原始標距的百分比稱為斷后伸長率，用符號A表示。使用長試樣測定的斷后伸長率用符號A11.3表示；使用短試樣測定的斷后伸長率用符號A表示。（2）斷面收縮率。斷面收縮率是指試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。（二）強度與塑性（二）硬度硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標，也是指金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。硬度測定方法有壓入法、劃痕法、回彈高度法等。在壓入法中根據載荷、壓頭和表示方法的不同，常用的硬度測試方法有布氏硬度(HBW)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC等)和維氏硬度(HV)。1．布氏硬度布氏硬度的試驗原理是用一定直徑的碳化鎢合金球，以相應的試驗力壓入試樣表面，經規定的保持時間后，卸除試驗力，測量試樣表面的壓痕直徑d，然后根據壓痕直徑d計算其硬度值的方法。布氏硬度值是用球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力表示的，用符號HBW表示，上限為650HBW。

（二）硬度布氏硬度的標注方法是：測定的硬度值應標注在硬度符號“HBW”的前面。除了保持時間為10～15s的試驗條件外，在其他條件下測得的硬度值，均應在硬度符號“HBW”的后面用相應的數字注明壓頭直徑、試驗力大小和試驗力保持時間。例如，150HBW10/1000/30。2．洛氏硬度洛氏硬度試驗原理是以錐角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.5875mm的球（淬火鋼球或碳化鎢合金球），壓入試樣表面，試驗時先加初試驗力，然后加主試驗力，壓入試樣表面之后，去除主試驗力，在保留初試驗力時，根據試樣殘余壓痕深度增量來衡量試樣的硬度大小。測定的硬度數值寫在符號“HR”的前面，符號“HR”后面寫使用的標尺，如50HRC表示用“C”標尺測定的洛氏硬度值為50。（二）硬度3．維氏硬度維氏硬度的測定原理與布氏硬度基本相似，是以面夾角為136°的正四棱錐體金剛石為壓頭，試驗時，在規定的試驗力F（49.03N~980.7N）作用下，壓入試樣表面，經規定保持時間后，卸除試驗力，則試樣表面上壓出一個正四棱錐形的壓痕，測量壓痕兩對角線d的平均長度，可計算出其硬度值。維氏硬度用符號“HV”表示。維氏硬度數值寫在符號“HV”的前面，試驗條件寫在符號“HV”的后面。例如，640HV30表示用30kgf(294.2N)的試驗力，保持10～15s測定的維氏硬度值是640；640HV30/20表示用30kgf(294.2N)的試驗力，保持20s測定的維氏硬度值是640。模塊三

機械制造過程概述1．一次沖擊試驗韌性是金屬材料在斷裂前吸收變形能量的能力。金屬材料的韌性大小通常采用吸收能量K（單位是焦爾）指標來衡量。（1）夏比擺錘沖擊試樣。夏比擺錘沖擊試樣有V型缺口試樣、U型缺口試樣和無缺口試樣3種。帶V型缺口的試樣，稱為夏比V型缺口試樣；帶U型缺口的試樣，稱為夏比U型缺口試樣。（2）夏比擺錘沖擊試驗方法。夏比擺錘沖擊試驗方法是在擺錘式沖擊試驗機上進行的。計算公式是：V型缺口試樣：KV2或KV8=AKV1-AKV2(J)U型缺口試樣：KU2或KU8=AKU1-AKU2(J)KV2或KU2表示用刀刃半徑是2mm的擺錘測定的吸收能量；KV8或KU8表示用刀刃半徑是8mm的擺錘測定的吸收能量。吸收能量大，表示金屬材料抵抗沖擊試驗力而不破壞的能力愈強。（三）韌性吸收能量K對組織缺陷非常敏感，它可靈敏地反映出金屬材料的質量、宏觀缺口和顯微組織的差異，能有效地檢驗金屬材料在冶煉、成形加工、熱處理工藝等方面的質量。（3）吸收能量與溫度的關系。金屬材料的吸收能量與溫度之間的關系曲線一般包括高吸收能量區、過渡區和低吸收能量區三部分。當溫度降至某一數值時，吸收能量急劇下降，金屬材料由韌性斷裂變為脆性斷裂，這種現象稱為冷脆轉變。金屬材料在一系列不同溫度的沖擊試驗中，吸收能量急劇變化或斷口韌性急劇轉變的溫度區域，稱為韌脆轉變溫度。韌脆轉變溫度是衡量金屬材料冷脆傾向的指標。金屬材料的韌脆轉變溫度愈低，說明金屬材料的低溫抗沖擊性愈好。(三)韌性

2．多次沖擊試驗

金屬材料在多次沖擊下的破壞過程是由裂紋產生、裂紋擴張和瞬時斷裂三個階段組成。其破壞是每次沖擊損傷積累發展的結果，不同于一次沖擊的破壞過程。多次沖擊彎曲試驗在一定程度上可以模擬零件的實際服役過程，為零件設計和選材提供了理論依據，也為估計零件的使用壽命提供了依據。在小能量多次沖擊條件下，金屬材料的多次沖擊抗力大小，主要取決于金屬材料強度的高低；在大能量多次沖擊條件下，金屬材料的多次沖擊抗力大小，主要取決于金屬材料塑性的高低。（三）韌性金屬工藝學單元一金屬材料基礎知識1．疲勞現象循環應力和應變是指應力或應變的大小、方向，都隨時間發生周期性變化的一類應力和應變。零件工作時在承受低于制作金屬材料的屈服強度或規定殘余伸長應力的循環應力作用下，經過一定時間的工作后會發生突然斷裂，這種現象稱為金屬的疲勞。疲勞斷裂首先是在零件的應力集中局部區域產生，先形成微小的裂紋核心，即微裂源。隨后在循環應力作用下，微小裂紋繼續擴展長大。由于微小裂紋不斷擴展，使零件的有效工作面逐漸減小，因此，零件所受應力不斷增加，當應力超過金屬材料的斷裂強度時，則突然發生疲勞斷裂，形成最后斷裂區。金屬疲勞斷裂的斷口由微裂源、擴展區和瞬斷區組成。（四）疲勞2．疲勞強度●金屬在循環應力作用下能經受無限多次循環，而不斷裂的最大應力值稱為金屬的疲勞強度。即循環次數值N無窮大時所對應的最大應力值，稱為疲勞強度。在工程實踐中，一般是求疲勞極限，即對應于指定的循環基數下的中值疲勞強度。對于鋼鐵材料其循環基數為107，對于非鐵金屬其循環基數為108。對于對稱循環應力，其疲勞強度用符號σ-1表示。●金屬材料在承受一定循環應力σ條件下，其斷裂時相應的循環次數N可以用曲線來描述，這種曲線稱為σ-N曲線。（四）疲勞二、金屬材料的物理性能、化學性能和工藝性能1．金屬材料的物理性能金屬材料的物理性能是指金屬在重力、電磁場、熱力（溫度）等物理因素作用下，其所表現出的性能或固有的屬性。它包括密度、熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性和磁性等。（1）密度。金屬的密度是指單位體積金屬的質量。一般將密度小于5×103kg/m3的金屬稱為輕金屬，密度大于5×103kg/m3的金屬稱為重金屬。（2）熔點。金屬和合金從固態向液態轉變時的溫度稱為熔點。熔點高的金屬稱為難熔金屬(如鎢、鉬、釩等)，可以用來制造耐高溫零件。熔點低的金屬稱為易熔金屬(如錫、鉛等)，可以用來制造保險絲和防火安全閥等零件。二、金屬材料的物理性能、化學性能和工藝性能（4）導電性。金屬能夠傳導電流的性能，稱為導電性。金屬導電性的好壞，常用電阻率ρ表示，單位是Ω·m。金屬的電阻率越小，其導電性越好。（5）熱膨脹性。金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性。一般來說，金屬受熱時膨脹而且體積增大，冷卻時收縮而且體積縮小。金屬熱膨脹性的大小用線脹系數αl和體脹系數αv來表示。（6）磁性。金屬材料在磁場中被磁化而呈現磁性強弱的性能稱為磁性。根據金屬材料在磁場中受到磁化程度的不同，金屬材料可分為鐵磁性材料和非鐵磁性材料。二、金屬材料的物理性能、化學性能和工藝性能2．金屬材料的化學性能金屬的化學性能是指金屬在室溫或高溫時抵抗各種化學介質作用所表現出來的性能，它包括耐腐蝕性、抗氧化性和化學穩定性等。金屬材料在常溫下抵抗氧、水及其它化學介質腐蝕破壞作用的能力，稱為耐腐蝕性。金屬材料在加熱時抵抗氧化作用的能力，稱為抗氧化性。化學穩定性是金屬材料的耐腐蝕性與抗氧化性的總稱。3．金屬材料的工藝性能金屬在鑄造成形過程中獲得外形準確、內部健全鑄件的能力稱為鑄造性能。鑄造性能包括流動性、充型能力、吸氣性、收縮性和偏析等。金屬材料利用鍛壓加工方法成形的難易程度稱為鍛造性能。鍛造性能的好壞主要與金屬的塑性和變形抗力有關。塑性越好，變形抗力越小，金屬的鍛造性能越好。焊接性能是指材料在限定的施工條件下焊接成按規定設計要求的構件，并滿足預定服役要求的能力。焊接性能好的金屬材料可以獲得沒有裂縫、氣孔等缺陷的焊縫，并且焊接接頭具有良好的力學性能。低碳鋼具有良好的焊接性能，而高碳鋼、不銹鋼、鑄鐵的焊接性能則較差。切削加工性能是指金屬在切削加工時的難易程度。切削加工性能好的金屬對刀具的磨損小，可以選用較大的切削用量，加工表面也比較光潔。模塊五

金屬材料的晶體結構一、晶體與非晶體

固態物質可分為晶體與非晶體兩類。晶體是指其組成微粒（原子、離子或分子）呈規則排列的物質。晶體具有固定的熔點和凝固點、規則的幾何外形和各向異性特點，如金剛石、石墨及一般固態金屬材料等。非晶體是指其組成微粒無規則地堆積在一起的物質，如玻璃、瀝青、石蠟、松香等都是非晶體。非晶體沒有固定的熔點，而且性能具有各向同性。二、金屬的晶體結構(一)晶格

抽象地用于描述原子在晶體中排列形式的空間幾何格子，稱為晶格。(二)晶胞

反映晶格特征、具有代表性的最小幾何單元稱為晶胞。晶胞的幾何特征可以用晶胞的三條棱邊的邊長（晶格常數）a、b、c和三條棱邊之間的夾角α、β、γ等六個參數來描述。二、金屬的晶體結構(三)常見的金屬晶格類型

常見的晶格類型是：體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格：1．體心立方晶格體心立方晶格的晶胞是立方體，立方體的8個頂角和中心各有一個原子，每個晶胞實有原子數是2個。具有這種晶格的金屬有：α鐵(α-Fe)、鎢(W)、鉬(Ｍo)、鉻(Ｃr)、釩(Ｖ)、鈮（Nb）等約30種金屬。二、金屬的晶體結構2．面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是立方體，立方體的八個頂角和六個面的中心各有一個原子，每個晶胞實有原子數是4個。具有這種晶格的金屬有：γ鐵(γ-Ｆe)、金(Ａu)、銀(Ag)、鋁(Ａl)、銅(Ｃu)、鎳(Ni)、鉛（Pb）等金屬。二、金屬的晶體結構3．密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是六方柱體，在六方柱體的十二個頂角和上下底面中心各有一個原子，另外在上下面之間還有三個原子，每個晶胞實有原子數是6個。具有這種晶格的金屬有：α鈦(α-Ti)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鈹(Be)、鎘（Cd）等金屬。二、金屬的實際晶體結構原子從一個核心（或晶核）按同一方向進行排列生長而形成的晶體，稱為單晶體。自然界存在的單晶體有水晶、金剛石等，采用特殊方法也可獲得單晶體，如單晶硅、單晶鍺等，單晶體具有顯著的各向異性特點。由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。多晶體材料內部以晶界分開的、晶體學位向相同的晶體稱為晶粒。將任何兩個晶體學位向不同的晶粒隔開的那個內界面稱為晶界。原子排列不規則的部位稱為晶體缺陷。二、金屬的實際晶體結構根據晶體缺陷的幾何特點，可將晶體缺陷分為點缺陷、線缺陷和面缺陷三種。(一)點缺陷點缺陷是晶體中呈點狀的缺陷，即在三維空間上尺寸都很小的晶體缺陷。最常見的缺陷是晶格空位和間隙原子。原子空缺的位置稱為空位；存在于晶格間隙位置的原子稱為間隙原子。(二)線缺陷線缺陷是指晶體內部某一平面上沿一方向呈線狀分布的缺陷。線缺陷主要指各種類型的位錯。位錯是指晶格中一列或若干列原子發生了某種有規律的錯排現象。(三)面缺陷面缺陷是指晶體內部呈面狀分布的缺陷，通常是指晶界和亞晶界。金屬工藝學單元一金屬材料基礎知識金屬由液態轉變為固態的過程稱為凝固。通過凝固形成晶體的過程稱為結晶。一、冷卻曲線與過冷度

純金屬的結晶是在一定溫度下進行的，通常采用熱分析法測量其結晶溫度。液態金屬冷卻到某一溫度時，在冷卻曲線上出現一水平線段，這個水平線段所對應的溫度就是金屬的理論結晶溫度(T0)。在實際結晶過程中，液態金屬冷卻到理論結晶溫度(T0)以下的某一溫度時，才開始結晶，這種現象稱為過冷。理論結晶溫度T0與實際結晶溫度T1之差△T，稱為過冷度。實際上金屬總是在過冷的情況下結晶的，同一金屬結晶時的過冷度不是一個恒定值，過冷度的大小與冷卻速度有關，冷卻速度越大，過冷度就越大，金屬的實際結晶溫度也就越低。過冷是金屬結晶的必要條件，但不是充分條件。金屬要進行結晶，還要滿足動力學條件，如必須有原子的移動和擴散等。模塊六

純金屬的結晶過程二、金屬的結晶過程晶核的形成和晶核的長大就是金屬結晶的基本過程。晶核的長大方式主要是平面生長方式和樹枝狀生長方式。純金屬晶核的長大主要以結晶表面向前平移的方式進行，即采取平面生長方式。當過冷度較大，液態金屬中存在未熔化的微粒時，金屬晶核的長大主要以樹枝狀生長方式長大。當液態金屬采用樹枝狀生長方式長大時，最后凝固的樹枝之間不能及時填滿，晶體的樹枝狀就很容易顯漏出來，如在很多金屬鑄錠表面可以看到樹枝狀的浮雕。

三、金屬結晶后的晶粒大小1．晶粒大小對金屬力學性能的影響晶粒越細小，金屬的強度、硬度愈高，塑性、韌性愈好。2．晶粒大小的控制在生產中為了獲得細小的晶粒組織，常采用以下一些方法：(1)加快液態金屬的冷卻速度，增大過冷度。(2)采用變質處理。(3)采用機械攪拌、機械振動、超聲波振動和電磁振動等措施，使生長中的樹枝晶破碎和細化，而且破碎的樹枝晶又可起到新晶核作用，使晶核數量增多，從而可細化晶粒。模塊七

金屬材料的同素異構轉變在固態下由一種晶格轉變為另一種晶格的轉變過程，稱為同素異構轉變或稱同素異晶轉變。純鐵的同素異晶轉變轉變是：同素異構轉變是鋼鐵材料的一個重要特性，也是鋼鐵材料能夠進行熱處理的理論依據。同素異構轉變是通過原子的重新排列來完成的，這一過程類似于隊列變換，具有如下特點：（1）同素異構轉變是由晶核形成和晶核長大兩個基本過程完成的，新晶核優先在原晶界處生成。（2）同素異構轉變也有過冷(或過熱)現象，而且轉變時具有較大的過冷度；（3）同素異構轉變過程中，有相變潛熱產生，在冷卻曲線上也出現水平線段，但這種轉變是在固態下進行的；（4）同素異構轉變時常伴有金屬的體積變化等。模塊八

合金的晶體結構與結晶過程

一、基本概念

組成合金最基本的、獨立的物質稱為組元。

由兩種或兩種以上的組元按不同比例配制而成的一系列不同化學成分的所有合金，稱為合金系。

相是指在一個合金系統中具有相同的物理性能和化學性能，并與該系統的其余部分以界面分開的部分。

組織是指用金相觀察方法，在金屬及其合金內部看到的涉及晶體或晶粒的大小、方向、形狀、排列狀況等組成關系的構造情況。二、合金的晶體結構根據合金中各組元之間的相互作用，合金中的晶體結構可分為固溶體、金屬化合物及機械混合物三種類型。（一）固溶體

合金在固態下一種組元的晶格內溶解了另一種原子而形成的晶體相，稱為固溶體。根據溶質原子在溶劑晶格中所占位置的不同，可將固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體。1．置換固溶體溶質原子代替一部分溶劑原子，占據溶劑晶格的部分結點位置時，所形成的晶體相，稱為置換固溶體。按溶質溶解度的不同，置換固溶體又可分為有限固溶體和無限固溶體。2．間隙固溶體溶質原子在溶劑晶格中不占據溶劑晶格的結點位置，而是嵌入溶劑晶格的各結點之間的間隙內時，所形成的晶體相，稱為間隙固溶體。二、合金的晶體結構無論是置換固溶體，還是間隙固溶體，異類原子的插入都將使固溶體晶格發生畸變，增加位錯運動的阻力，使固溶體的強度、硬度提高。這種通過溶入溶質原子形成固溶體，使合金強度、硬度升高的現象稱為固溶強化。固溶強化是強化金屬材料的重要途徑之一。二、合金的晶體結構（二）金屬化合物金屬化合物是指合金中各組元之間發生相互作用而形成的具有金屬特性的一種新相。金屬化合物具有與其構成組元晶格截然不同的特殊晶格，熔點高，硬而脆。（三）機械混合物由兩相或兩相以上組成的多相組織，稱為機械混合物。在機械混合物中各組成相仍保持著它原有晶格的類型和性能，而整個機械混合物的性能則介于各組成相的性能之間，并與各組成相的性能以及相的數量、形狀、大小和分布狀況等密切相關。三、合金結晶過程合金的結晶過程與純金屬一樣，也是晶核形成和晶核長大兩個過程。同時結晶時也需要一定的過冷度，結晶后形成由多晶體。合金的結晶過程中具有如下特點：（1）純金屬的結晶是在恒溫下進行，只有一個結晶溫度。而絕大多數合金是在一個溫度范圍內進行結晶的，一般結晶的開始溫度與終止溫度是不相同，一般有兩個結晶溫度。（2）合金在結晶過程中，在局部范圍內相的化學成分（即濃度）有差異，當結晶終止后，整個晶體的平均化學成分與原合金的化學成分相同。（3）合金結晶后一般有三種情況：第一種情況是形成單相固溶體；第二種情況是形成單相金屬化合物或同時結晶出兩相機械混合物(如共晶體)；第三種情況是結晶開始時形成單相固溶體，剩余液體又同時結晶出兩相機械混合物(如共晶體)。四、合金結晶冷卻曲線合金結晶過程比純金屬復雜得多，但其結晶過程仍可用結晶冷卻曲線來描述。一般合金的結晶冷卻曲線有以下三種形式：從一定化學成分的液體合金中同時結晶出兩種固相物質，則該轉變過程稱為共晶轉變(或稱共晶反應)，其結晶產物稱為共晶體。共晶轉變是在恒溫下進行的。在固態下由一種單相固溶體同時析出兩相固體物質，稱為共析轉變(或稱共析反應)。共析轉變與共晶轉變一樣，也是在恒溫條件下進行的。

模塊九

金屬材料的鑄錠組織特征一、金屬材料的鑄錠組織結構金屬鑄錠呈現三個不同的結晶區：表面細晶粒區、柱狀晶粒區和等軸晶粒區。表面細晶粒區的組織特點是：晶粒細長，區域厚度較小，組織致密，成分均勻，力學性能較好。在柱狀晶粒區，兩排柱狀晶粒相遇的接合面上存在著脆弱區，此區域常有低熔點雜質及非金屬夾雜物積聚，使金屬材料的強度和塑性降低。這種組織在鍛造和軋制時，容易使金屬材料沿接合面開裂。等軸晶粒區的組織特點是：晶粒粗大，組織疏松，力學性能較差。在金屬鑄錠中，除存在組織不均勻外，還常有縮孔、氣泡、偏析、夾雜等缺陷。根據澆注方法的不同，金屬鑄錠分為鋼錠模鑄錠（簡稱鑄錠）和連續鑄錠。二、定向結晶和單晶定向結晶是通過控制冷卻方式，使鑄件沿軸向形成一定的溫度梯度，從而使鑄件從一端開始凝固，并按一定方向逐步向另一端結晶的工藝方法。用該工藝方法生產出了整個鑄件都是由同一方向的柱狀晶所構成的渦輪葉片。這種葉片具有良好的使用性能，其工作溫度則可達930℃。單晶是其原子都按照一個規律和一致的位向排列的一個晶體。單晶制備的基本原理是使液體結晶時只形成一個晶核，再由這個晶核提拉成一整塊晶體。金屬工藝學單元一金屬材料基礎知識模塊十鐵碳合金相圖鐵碳合金是由鐵和碳兩種元素為主組成的合金。一、鐵碳合金的基本組織鐵碳合金在固態下的基本組織有鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體。1．鐵素體(F)鐵素體是指α-Fe或其內固溶有一種或數種其他元素所形成的晶體點陣為體心立方的固溶體，用符號F(或α)表示。鐵素體仍保持α-Fe的體心立方晶格。鐵素體的溶碳量很小，在727℃時溶碳量最大（W（C）=0.0218%）。鐵素體的性能幾乎與純鐵相同，強度和硬度較低(σb=180～280MPa，50～80HBW)，而塑性和韌性好(δ=30%～50%，KU≈128～160J)。鐵素體在770℃（居里點）有磁性轉變，在770℃以下具有鐵磁性，在770℃以上則失去鐵磁性。

2．奧氏體(A)

奧氏體是指γ-Fe內固溶有碳和(或)其它元素所形成的晶體點陣為面心立方的固溶體，常用符號A(或γ)表示。奧氏體仍保持γ-Fe的面心立方晶格。奧氏體溶碳能力較大，在1148℃時溶碳量最大（W（C）=2.11%），隨著溫度下降溶碳量逐漸減少，在727℃時的溶碳量為W（C）=0.77%。奧氏體是非鐵磁性相，具有一定的強度和硬度(σb≈400MPa，160～220HBW)，塑性好(δ≈40%～50%)。穩定的奧氏體屬于鐵碳合金的高溫組織，當鐵碳合金緩冷到727℃時，奧氏體將發生轉變，轉變為其它類型的組織。

3．滲碳體(Fe3C)滲碳體是指晶體點陣為正交點陣、化學成分近似于Fe3C的一種間隙式化合物，以符號Cm表示。滲碳體的晶格形式，與碳和鐵都不一樣，是復雜的晶格類型。滲碳體碳的質量分數是W（C）=6.69%，熔點為1227℃。滲碳體硬度高(約為800HV)，脆性大，塑性與韌性極低。滲碳體不發生同素異構轉變，有磁性轉變，在230℃以下具有弱鐵磁性，而在230℃以上則失去磁性。滲碳體是亞穩定的金屬化合物，在一定條件下，滲碳體可分解成鐵和石墨。

4．珠光體(P)珠光體是奧氏體從高溫緩慢冷卻時發生共析轉變所形成的組織。常見的珠光體是鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層狀復相組織。珠光體也是鐵素體(軟)和滲碳體(硬)組成的機械混合物，常用符號“P”表示。珠光體中碳的質量分數平均為W（C）=0.77%。珠光體的性能介于鐵素體和滲碳體之間，有一定的強度（σb≈770MPa，160～220HBW）、塑性(δ≈20%～35%)和韌性(KU≈24～32J)，硬度適中（180HBW），是一種綜合力學性能較好的組織。5．萊氏體(Ld)萊氏體是指高碳的鐵基合金在凝固過程中發生共晶轉變時所形成的奧氏體和碳化物滲碳體所組成的共晶體，用符號Ld表示。萊氏體碳的質量分數為W（C）=4.3%，WC＞2.11%的鐵碳合金從液態緩冷至1148℃時，將同時從液體中結晶出奧氏體和滲碳體的機械混合物（即萊氏體）。727℃以上存在的萊氏體稱為高溫萊氏體(Ld)，在727℃以下存在的萊氏體稱為低溫萊氏體（L′d），或稱變態萊氏體。萊氏體的性能與滲碳體相似，硬度很高(相當于700HBW)，塑性很差。二、鐵碳合金相圖1．鐵碳合金相圖合金相圖是表示在極緩慢冷卻(或加熱)條件下，不同化學成分的合金，在不同溫度下所具有的組織狀態的一種圖形。2．鐵碳合金相圖中的特性點特性點溫度（℃）WC（%）特性點的含義A15380純鐵的熔點或結晶溫度C11484.3共晶點，發生共晶轉變L4.3?A2.11+Fe3CD12276.69滲碳體的熔點E11482.11碳在奧氏體中的最大溶碳量，也是鋼與生鐵的化學成分分界點F11486.69共晶滲碳體的成分點G9120α-Fe?γ-Fe同素異構轉變點S7270.77共析點，發生共析轉變A0。77?F0.0218+Fe3CP7270.0218碳在鐵素體中的最大溶碳量K7276.69共析滲碳體的成分點Q室溫0.0008碳在鐵素體中的最大溶碳量3．鐵碳合金相圖中的主要特性線（1）液相線ACD。（2）固相線AECF。（3）共晶線ECF。ECF線是一條水平(恒溫)線，稱為共晶線。在ECF線上，液態鐵碳合金將發生共晶轉變，其反應式是：L4.3

1148℃A2.11

＋Fe3C6.69

（4）共析線PSK。PSK線也是一條水平(恒溫)線，稱為共析線，通稱A1線。在PSK線上固態奧氏體將發生共析轉變，其反應式是：A0.77

727℃F0.0218

＋Fe3C6.69

（5）GS線。GS線表示冷卻時由奧氏體組織中析出鐵素體組織的開始線，通稱A3線。（6）ES線。ES線是碳在奧氏體中的溶解度變化曲線，通稱Acm線。（7）GP線。GP線為冷卻時奧氏體組織轉變為鐵素體的終了線或者加熱時鐵素體轉變為奧氏體的開始線。（8）PQ線。PQ線是碳在鐵素體中的溶解度變化曲線。它表示鐵素體隨著溫度的降低，鐵素體中的碳的質量分數沿著PQ線逐漸減少。三、鐵碳合金的分類。四、碳對鐵碳合金組織和性能的影響

隨著鋼中碳的質量分數的增加，平衡組織中的鐵素體量不斷減少，滲碳體量不斷增多，鋼的力學性能將發生明顯的變化。當碳的質量分數W（C）<0.9%時，隨著碳的質量分數的增加，鋼的強度和硬度提高，而塑性和韌性降低；當碳的質量分數W（C）>0.9%時，由于Fe3CII的數量隨著碳的質量分數的增加，而急劇增多，并明顯地呈網狀分布于奧氏體晶界上，這樣降低了鋼的塑性和韌性，也降低了鋼的強度五、鐵碳合金相圖的應用鐵碳合金相圖在工程上為零件選材以及制定零件鑄、鍛、焊、熱處理等熱加工工藝提供了理論依據。例如，將鋼加熱到單相奧氏體區，則鋼的內部組織為奧氏體，鋼的塑性好，便于進行壓力加工。金屬工藝學單元二鋼的熱處理熱處理概述熱處理是采用適當的方式對金屬材料或工件進行加熱、保溫和冷卻以獲得預期的組織結構與性能的工藝。熱處理工藝過程由加熱、保溫、冷卻三個階段組成。常用的熱處理加熱設備有箱式電阻爐、鹽浴爐、井式爐、火焰加熱爐等。常用的冷卻設備有水槽、油槽、鹽浴、緩冷坑、吹風機等。

表2-1熱處理工藝分類及名稱

。

模塊一

鋼在加熱時的組織轉變

金屬材料在加熱或冷卻過程中，發生相變的溫度稱為臨界點（或相變點）。鋼鐵材料的理論臨界點是A1、A3、Acm。鋼鐵材料實際加熱時的臨界點標注是Ac1、Ac3、Accm。鋼鐵材料實際冷卻時的臨界點標注是Ar1、Ar3、Arcm。

一、奧氏體的形成奧氏體的形成是通過形核和核長大過程來實現的。珠光體向奧氏體的轉變可以分為四個階段：奧氏體形核、奧氏體核長大、殘余滲碳體繼續溶解和奧氏體化學成分均勻化。二、奧氏體晶粒長大及其控制措施

生產中常采用以下措施來控制奧氏體晶粒的長大。

1．合理選擇加熱溫度和保溫時間

2．選用含有合金元素的鋼●碳與一種或數種金屬元素所構成的金屬化合物（或稱為碳化物）。大多數合金元素，如Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、Zr等，在鋼中均可以形成難溶于奧氏體的碳化物，如Cr7C3、W2C、VC、Mo2C、VC、TiC、NbC、ZrC等，這些碳化物彌散分布在晶粒邊界上，可以阻礙或減慢奧氏體晶粒的長大。

一、冷卻方式鋼鐵材料在冷卻時，可以采取兩種轉變方式：等溫轉變和連續冷卻轉變。在共析溫度A1以下存在的奧氏體稱為過冷奧氏體，也稱亞穩奧氏體。二、過冷奧氏體的等溫轉變過冷奧氏體的等溫轉變是指工件奧氏體化后，冷卻到臨界點（Ar1或Ar3）以下的某一溫度區間內等溫保持時，過冷奧氏體發生的相變。1．過冷奧氏體等溫轉變曲線共析鋼的冷奧氏體轉變開始曲線和過冷奧氏體轉變終止曲線象英文字母“C”，故又稱為C曲線。2．過冷奧氏體等溫轉變產物和性能根據轉變產物的組織特征，可劃分為高溫轉變區（珠光體型轉變區）、中溫轉變區（貝氏體型轉變區）和低溫轉變區（馬氏型轉變區）。表2-3共析鋼過冷奧氏體等溫轉變溫度與轉變產物的組織和性能。三、過冷奧氏體的連續冷卻轉變過冷奧氏體的連續冷卻轉變是指工件奧氏體化后以不同冷速連續冷卻時過冷奧氏體發生的轉變。1．過冷奧氏體連續冷卻轉變曲線共析鋼在連續冷卻轉變過程中，只發生珠光體轉變和馬氏體轉變，沒有貝氏體轉變。珠光體轉變區由三條線構成：Ps線是過冷奧氏體向珠光體轉變開始線；Pf線是過冷奧氏體向珠光體轉變終了線；K線是過冷奧氏體向珠光體轉變終止線，它表示冷卻曲線碰到K線時，過冷奧氏體向珠光體轉變即停止，剩余的過冷奧氏體一直冷卻到Ms線以下時會發生馬氏體轉變。如果冷奧氏體在連續冷卻過程中不發生分解而全部過冷到馬氏體區的最小冷卻速度是ｖK，則稱ｖK是獲得馬氏體組織的臨界冷卻速度。鋼在淬火時的冷卻速度必須大于ｖK。2．過冷奧氏體連續冷卻轉變產物采用連續冷卻轉變時，由于連續冷卻轉變是在一個溫度范圍內進行，其轉變產物往往不是單一的，根據冷卻速度的變化，轉變產物有可能是P＋S、S＋T或T＋M等。金屬工藝學單元二鋼的熱處理模塊三退火與正火一、退火退火是將工件加熱到適當溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火的目的是消除鋼鐵材料的內應力；降低鋼鐵材料的硬度，提高其塑性；細化鋼鐵材料的組織，均勻其化學成分，并為最終熱處理做好組織準備。根據鋼鐵材料化學成分和退火目的不同，退火通常分為：完全退火、等溫退火、球化退火、去應力退火、均勻化退火等。一、退火

1.完全退火完全退火是將工件完全奧氏體化后緩慢冷卻，獲得接近平衡組織的退火。完全退火主要用于亞共析鋼（0.0218%≤WC＜0.77%）制作的鑄件、鍛件、焊件等，其加熱溫度是AC3以上30～50℃。2.球化退火球化退火是使工件中碳化物球狀化而進行的退火。球化退火的加熱溫度在AC1上下20～30℃溫度區間交替加熱及冷卻或在稍低于AC1溫度保溫，然后緩慢冷卻。球化退火的主要目的是使碳化物（或滲碳體）球化，降低鋼材硬度，改善鋼材切削加工性，并為淬火作組織準備。球化退火主要用于過共析鋼和共析鋼制造的刃具、量具、模具、軸承鋼件等。3．等溫退火等溫退火是指工件加熱到高于Ac3（或Ac1）的溫度，保持適當時間后，較快地冷卻到珠光體轉變溫度并等溫保持，使奧氏體轉變為珠光體類組織后在空氣中冷卻的退火。亞共析鋼的加熱溫度是：Ac3+（30～50）℃；共析鋼和過共析鋼的加熱溫度是：Ac1+（20～40）℃。等溫退火的目的與完全退火相同，其應用也與完全退火和球化退火相同。一、退火

4.去應力退火去應力退火是為去除工件塑性形變加工、切削加工或焊接造成的內應力及鑄件內存在的殘余應力而進行的退火。去應力退火的加熱溫度是AC1以下溫度區間，其主要目的是消除工件在切削加工、鑄造、鍛造、熱處理、焊接等過程中產生的殘余應力，減小工件變形，穩定工件形狀尺寸。去應力退火主要用于去除鑄件、鍛件、焊件及精密加工件中的殘余應力。5．均勻化退火均勻化退火是以減少工件化學成分和組織的不均勻程度為主要目的，將工件加熱到高溫并長時間保溫，然后緩慢冷卻的退火。加熱溫度是：Ac3+（150～200）℃，一般在（1050～1150）℃進行加熱。均勻化退火的目的是減少鋼的化學成分偏析和組織不均勻性，其主要應用于質量要求高的合金鋼鑄錠、鑄件和鍛坯等。

二、正火正火是指工件加熱奧氏體化后在空氣中冷卻的熱處理工藝。正火的目的是細化晶粒，提高鋼鐵材料硬度，消除鋼鐵材料中的網狀碳化物（或滲碳體），并為淬火、切削加工等后續工序作組織準備。正火主要應用于以下場合：（1）用于改善鋼鐵材料的切削加工性能。（2）用于消除鋼中的網狀碳化物，為球化退火作組織準備。（3）用于普通結構零件或某些大型非合金鋼工件的最終熱處理，代替調質處理。（4）用于淬火返修件，消除淬火應力，細化組織，防止工件重新淬火時產生變形與開裂。第四節淬火淬火是指工件加熱奧氏體化后以適當方式冷卻獲得馬氏體或(和)貝氏體組織的熱處理工藝。馬氏體是碳或合金元素在α-Fe中的過飽和固溶體，是單相亞穩組織，用符號M表示。一、淬火的目的淬火的主要目的是使鋼鐵材料獲得馬氏體(或貝氏體)組織，提高鋼鐵材料的硬度和強度，并與回火工藝合理配合，獲得需要的使用性能。二、淬火加熱溫度與淬火介質1．淬火加熱溫度亞共析鋼的淬火加熱溫度是Ac3以上30℃～50℃。共析鋼和過共析鋼的淬火加熱溫度是Ac1以上30℃～50℃。2．淬火介質常用的淬火冷卻介質有：油、水、鹽水、硝鹽浴、堿浴和空氣等。

三、淬火方法常用的淬火方法有：單液淬火、雙液淬火、馬氏體分級淬火和貝氏體等溫淬火1．單液淬火單液淬火是將已奧氏體化的鋼件在一種淬火介質中冷卻的方法。單液淬火方法主要應用于形狀簡單的鋼件。。三、淬火方法2．雙液淬火雙液淬火是將工件加熱奧氏體化后先浸入冷卻能力強的介質中，在組織即將發生馬氏體轉變時立即轉入冷卻能力弱的介質中冷卻的方法。雙液淬火主要適用于中等復雜形狀的高碳鋼工件和較大尺寸的合金鋼工件。3．馬氏體分級淬火馬氏體分級淬火是指工件加熱奧氏體化后浸入溫度稍高于或稍低于Ms點的鹽浴或堿浴中，保持適當時間，在工件整體達到冷卻介質溫度后取出空冷以獲得馬氏體組織的淬火方法。馬氏體分級淬火適用于尺寸較小、形狀復雜的由高碳鋼或合金鋼制作的工模具。4．貝氏體等溫淬火貝氏體等溫淬火是指工件加熱奧氏體化后快冷到貝氏體轉變溫度區間等溫保持，使奧氏體轉變為貝氏體的淬火方法。貝氏體等溫淬火用于處理由各種中碳鋼、高碳鋼和合金鋼制造的尺寸較小的形狀復雜的模具與刃具等工件。三、淬火方法2．雙液淬火雙液淬火是將工件加熱奧氏體化后先浸入冷卻能力強的介質中，在組織即將發生馬氏體轉變時立即轉入冷卻能力弱的介質中冷卻的方法。雙液淬火主要適用于中等復雜形狀的高碳鋼工件和較大尺寸的合金鋼工件。3．馬氏體分級淬火馬氏體分級淬火是指工件加熱奧氏體化后浸入溫度稍高于或稍低于Ms點的鹽浴或堿浴中，保持適當時間，在工件整體達到冷卻介質溫度后取出空冷以獲得馬氏體組織的淬火方法。馬氏體分級淬火適用于尺寸較小、形狀復雜的由高碳鋼或合金鋼制作的工模具。4．貝氏體等溫淬火貝氏體等溫淬火是指工件加熱奧氏體化后快冷到貝氏體轉變溫度區間等溫保持，使奧氏體轉變為貝氏體的淬火方法。貝氏體等溫淬火用于處理由各種中碳鋼、高碳鋼和合金鋼制造的尺寸較小的形狀復雜的模具與刃具等工件。四、冷處理冷處理是指鋼件淬火冷卻到室溫后，繼續在一般致冷設備或低溫介質中冷卻，使殘余奧氏體轉變為馬氏體的工藝。采用冷處理可以消除和減少鋼中的殘余奧氏體數量，使鋼件獲得更多的馬氏體，提高鋼件硬度與耐磨新，穩定鋼件尺寸，如量具、精密軸承、精密絲杠、精密刀具、槍桿等要求形狀精確和尺寸穩定的工件，均應在淬火之后進行冷處理，以消除或減少殘余奧氏體數量，穩定鋼件的尺寸。五、淬透性與淬硬性

淬透性是指以規定條件下鋼試樣淬硬深度和硬度分布表征的材料特性。以鋼在理想條件下淬火所能達到的最高硬度來表征的材料特性稱為淬硬性。六、淬火缺陷

1．過熱與過燒工件加熱溫度偏高，而使晶粒過度長大，以致力學性能顯著降低的現象稱為過熱。工件加熱溫度過高，致使晶界氧化和部分熔化的現象稱為過燒。2．氧化與脫碳工件加熱時，介質中的氧、二氧化碳、水蒸汽等與之反應生成氧化物的過程稱為氧化。工件加熱時介質與工件中的碳發生反應，使表層碳的質量分數降低的現象稱為脫碳。3．硬度不足和軟點鋼件淬火后較大區域內硬度達不到技術要求的現象，稱為硬度不足。鋼件淬火硬化后，其表面許多小區域存在硬度偏低的現象稱為軟點。4．變形和開裂變形是淬火時鋼件產生形狀或尺寸偏差的現象。開裂是淬火時鋼件表層或內部產生裂紋的現象。熱應力是指鋼件加熱和(或)冷卻時，由于不同部位出現溫差而導致熱脹和(或)冷縮不均所產生的內應力。相變應力是熱處理過程中，因鋼件不同部位組織轉變不同步而產生的內應力。金屬工藝學單元二鋼的熱處理模塊五回火一、回火概述回火是指工件淬硬后，加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。一般來說，隨著回火溫度的升高，淬火組織將發生一系列變化，回火時的組織轉變過程一般分為四個階段：第一階段（≤200℃）——馬氏體分解，淬火組織經過回火，轉變為回火馬氏體組織；第二階段（200～300℃）——殘余奧氏體分解，淬火組織經過回火，轉變為回火馬氏體組織；第三階段（250～400℃）——碳化物析出，淬火組織經過回火，形成回火托氏體組織；第四階段（＞400℃）——碳化物聚集長大與鐵素體的再結晶，淬火組織經過回火，最終形成回火索氏體組織。二、回火方法及其應用

根據鋼材在回火時的加熱溫度不同，可將回火分為低溫回火、中溫回火和高溫回火三種。1.低溫回火低溫回火的溫度范圍是250℃以下。淬火鋼經低溫回火后，獲得的組織為回火馬氏體（M1）。淬火鋼經低溫回火后，鋼的硬度一般為58～62HRC。低溫回火主要用于由高碳鋼、合金工具鋼制造的刃具、量具、冷作模具、滾動軸承及滲碳件、表面淬火件等。2.中溫回火中溫回火的溫度范圍是250℃～450℃。淬火鋼經中溫回火后，獲得的組織為回火托氏體（T1）。淬火鋼經中溫回火降低了淬火應力，鋼的硬度一般為35～50HRC。中溫回火主要用于處理鋼制彈性元件，如各種卷簧、板簧、彈簧鋼絲等。3.高溫回火高溫回火的溫度范圍是500℃以上。淬火鋼經高溫回火后，獲得的組織為回火索氏體（S1）。淬火鋼經高溫回火后，鋼的硬度一般為200～330HBW。高溫回火主要用于處理軸類、連桿、螺栓、齒輪等工件。模塊六

金屬的時效

●固溶處理是指工件加熱至適當溫度并保溫，使過剩相充分溶解，然后快速冷卻以獲得過飽和固溶體的熱處理工藝。●金屬材料經過冷加工、熱加工或固溶處理后，在室溫下放置或適當升溫加熱時，發生力學性能和物理性能隨著時間而變化的現象，稱為時效。常用的時效方法主要有：自然時效、熱時效、變形時效、振動時效和沉淀硬化時效等。

模塊六

金屬的時效一、自然時效●自然時效是指金屬材料經過冷加工、熱加工或固溶處理后，在室溫下發生性能隨著時間而變化的現象。例如，鋼鐵鑄件、鍛件、焊接件等在室溫下長時間（半年或幾年）在戶外或室內堆放，就是自然時效。二、熱時效●熱時效是指隨著溫度的不同，α-Fe中碳的溶解度發生變化，使鋼的性能發生改變的過程稱為熱時效。例如，低碳鋼在室溫放置過程中，由于碳的溶解度較低，碳以Fe3CIII的形式，具有從過飽和的固溶體中析出使鋼的硬度和強度上升，而塑性和韌性下降。三、變形時效●變形時效是指鋼在冷變形后進行的時效。變形時效也降低鋼（尤其是汽車用板材）的鍛壓加工性能。四、振動時效●振動時效是指通過機械振動（如超聲波）的方式來消除、降低或均勻工件內殘余應力的工藝，又稱為振動消除應力法。振動時效工藝適用于重要的鑄件、鍛件和焊接件等，在國內外已獲得廣泛應用。五、沉淀硬化時效●沉淀硬化時效是在過飽和固溶體中形成或析出彌散分布的強化相而使金屬材料硬化的熱處理工藝。它是不銹鋼、高溫耐熱合金、高強度鋁合金等的重要強化方法。模塊七

表面熱處理與化學熱處理一、表面熱處理

表面熱處理是為改變工件表面的組織和性能，僅對其表面進行熱處理的工藝。1．表面淬火和回火表面淬火是指僅對工件表層進行淬火的工藝。表面淬火不改變工件表面化學成分，而是采用快速加熱方式，使工件表層迅速奧氏體化，使心部仍處于臨界點Ac1以下，并隨之淬火，從而使工件表面硬化。按加熱方法的不同，表面淬火方法主要有：感應加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、接觸電阻加熱表面淬火及電解液加熱表面淬火等。

（1）感應加熱表面淬火。利用感應電流通過工件所產生的熱效應，使工件表面、局部或整體加熱并進行快速冷卻的淬火工藝稱為感應加熱表面淬火。①感應加熱基本原理。②感應加熱表面淬火的特點。感應加熱表面淬火具有工件加熱速度快、時間短，變形小，基本無氧化和無脫碳特點；工件表面經感應加熱淬火后，在淬硬的表面層中存在較大的殘余壓應力，可以有效地提高工件的疲勞強度；生產率高，易實現機械化、自動化，適于大批量生產。③感應加熱表面淬火的應用。感應加熱表面淬火主要用于中碳鋼和中碳合金鋼制造的工件，如40鋼、45鋼、40Cr鋼、40MnB鋼等。根據交流電流頻率不同，感應加熱表面淬火分為高頻感應加熱表面淬火、中頻感應加熱表面淬火和工頻感應加熱表面淬火三類。（2）火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火是利用乙炔一氧或其它可燃氣燃燒的火焰對工件表層進行加熱，隨之快速冷卻的淬火工藝。火焰加熱表面淬火操作簡便，不需要特殊設備，生產成本低，主要用于單件或小批量生產的各種齒輪、軸、軋輥等。2．氣相沉積氣相沉積是利用氣相中發生的物理、化學過程、改變工件表面成分，在工件表面形成具有特殊性能的金屬或化合物涂層的表面處理技術。氣相沉積按照過程的本質可分為化學氣相沉積和物理氣相沉積兩大類。

（1）化學氣相沉積。化學氣相沉積是利用氣態物質在一定的溫度下，在固體表面上進行化學反應，并在其表面上生成固態沉積膜的過程。化學氣相沉積在硬質合金刀具涂層、鋼制模具涂層以及耐磨件涂層等方面得到應用，而且其使用壽命較未涂層前提高3～10倍。（2）物理氣相沉積。物理氣相沉積是通過真空蒸發、電離或濺射等過程，產生金屬離子并沉積在工件表面，形成金屬涂層或與反應氣體反應生成化合物涂層的過程。物理氣相沉積適用于鋼鐵材料、非鐵金屬、陶瓷、玻璃、塑料等。物理氣相沉積方法有真空蒸鍍、真空濺射和離子鍍三類。

二、化學熱處理化學熱處理是將工件置于適當的活性介質中加熱、保溫，使一種或幾種元素滲入到它的表層，以改變其化學成分、組織和性能的熱處理工藝。化學熱處理與表面淬火相比，其特點是表層不僅有組織的變化，而且還有化學成分的變化。

化學熱處理方法很多，通常以滲入元素來命名工藝名稱，如滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲硅、滲金屬等。化學熱處理由分解、吸收和擴散三個基本過程組成。1．滲碳為提高工件表層碳的質量分數并在其中形成一定的碳含量梯度，將工件在滲碳介質中加熱、保溫，使碳原子滲入的化學熱處理工藝稱為滲碳。滲碳所用鋼種一般是碳的質量分數為0.10%～0.25%的低碳鋼和低合金鋼，如15鋼、20鋼、20Cr鋼、20CrMnTi鋼等。根據滲碳介質的物理狀態不同，滲碳可分為氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。

二、化學熱處理2．滲氮在一定溫度下于一定滲氮介質中，使氮原子滲入工件表層的化學熱處理工藝稱為滲氮。滲氮的目的是為了提高工件表層的硬度、耐磨性、熱硬性、耐腐蝕性和疲勞強度。滲氮處理廣泛用于各種高速傳動的精密齒輪、高精度機床主軸、受循環應力作用下要求高疲勞強度的零件(如高速柴油機曲軸)以及要求變形小和具有一定耐熱、抗腐蝕能力的耐磨零件(如閥門)等。3．碳氮共滲在奧氏體狀態下同時將碳、氮原子滲入工件表層，并以滲碳為主的化學熱處理工藝稱為碳氮共滲。根據共滲溫度不同，可分為低溫(520℃～580℃)、中溫(760℃～880℃)和高溫(900℃～950℃)碳氮共滲。碳氮共滲的目的主要是提高工件表層的硬度和耐磨性，廣泛應用于自行車、縫紉機、儀表零件，齒輪、軸類、模具、量具等表面處理。模塊八

熱處理新技術簡介一、形變熱處理●形變熱處理是將塑性變形與熱處理工藝結合，以提高工件力學性能的復合工藝。工件經形變熱處理后，可以獲得形變強化和相變強化綜合效果。二、真空熱處理●在低于一個大氣壓（10-1~10-3Pa）的環境中加熱的熱處理工藝，稱為真空熱處理。真空熱處理包括真空退火、真空淬火、真空回火、真空滲碳等。三、可控氣氛熱處理●為了達到無氧化、無脫碳或按要求增碳，工件在爐氣成分可控的加熱爐中進行的熱處理稱為可控氣氛熱處理。可控氣氛熱處理的主要目的是減少和防止工件加熱時的氧化和脫碳，提高工件尺寸精度和表面質量，節約鋼材，控制滲碳時滲層碳的質量分數，而且還可使脫碳工件重新復碳。模塊八

熱處理新技術簡介四、激光熱處理●利用激光作為熱源的熱處理稱為激光熱處理。●激光淬火是以激光作為能源，以極快的速度加熱工件的自冷淬火。激光淬火廣泛應用于汽車制造工業，如內燃機缸套、曲軸、活塞環、換向器、齒輪等零部件的表面淬火等。五、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。電子束的能量遠高于激光，而且其能量利用率也高于激光熱處理，可達80%。模塊九

熱處理工藝應用一、熱處理的技術條件設計人員在設計零件時，首先應根據零件的工作條件和環境，選擇材料，提出零件的性能要求，然后根據這些要求選擇熱處理工序及其相關技術條件，來滿足零件的使用性能要求。因此，在零件圖上應標出熱處理工藝的名稱及有關應達到的力學性能指標。模塊九

熱處理工藝應用二、熱處理的工序位置熱處理按其工序位置和目的的不同，可分為預備熱處理和最終熱處理。●預備熱處理是指為調整原始組織，以保證工件最終熱處理或（和）切削加工質量，預先進行的熱處理工藝，如退火、正火、調質等；●最終熱處理是指使鋼件達到使用性能要求的熱處理，如淬火與回火、表面淬火、滲氮等。

三、熱處理零件的結構工藝性在進行零件結構工藝性設計時應注意以下幾個方面：（1）避免截面厚薄懸殊，合理設計孔洞和鍵槽結構；（2）避免尖角與棱角結構；（3）合理采用封閉、對稱結構；（4）合理采用組合結構。金屬工藝學單元三鋼鐵材料鋼材按化學成分可分為非合金鋼、低合金鋼和合金鋼三大類。●非合金鋼是指以鐵為主要元素，碳的質量分數一般在2.11%以下并含有少量其他元素的鋼鐵材料。●為了改善鋼的某些性能或使之具有某些特殊性能（如耐腐蝕、抗氧化、耐磨、熱硬性、高淬透性等），在煉鋼時有意加入的元素，稱為合金元素。●含有一種或數種有意添加的合金元素的鋼，稱為合金鋼。●鑄鐵是碳的質量分數w（C）>2.11%，在凝固過程中經歷共晶轉變，含有較高硅元素及雜質元素含量較多的鐵基合金的總稱。模塊一

雜質元素對鋼材性能的影響

一、硅對鋼性能的影響硅是作為脫氧劑帶進鋼中的。硅有利于改善鋼的質量，提高鋼的強度、硬度和彈性，但降低鋼的塑性和韌性，是鋼中的有益元素。二、錳對鋼性能的影響錳是煉鋼時用錳鐵脫氧后殘留在鋼中的雜質元素。錳能改善鋼的質量，降低鋼的脆性，改善鋼的熱加工性能，提高鋼的強度和硬度，也是鋼中的有益元素。三、硫對鋼性能的影響硫是在煉鋼時由礦石和燃料帶進鋼中的，在煉鋼時難以除盡。總的來說，硫是鋼中的有害雜質元素。當鋼材在1000℃～1200℃進行熱壓力加工時，容易產生“熱脆”。此外，硫對鋼的焊接性有不良的影響，容易導致焊縫產生熱裂、氣孔和疏松。四、磷對鋼性能的影響磷是由礦石帶入鋼中的。磷能提高鋼的強度和硬度。但在室溫下磷產生低溫脆性。磷是有害元素。五、非金屬夾雜物的影響在煉鋼過程中，由于少量爐渣、耐火材料及冶煉中的反應物融入鋼液中，從而形成氧化物、硫化物、硅酸鹽、氮化物等非金屬夾雜物。非金屬夾雜物會降低鋼的力學性能，特別是降低塑性、韌性及疲勞強度。

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非合金鋼的分類、牌號及用途

一、非合金鋼的分類1．按非合金鋼的碳的質量分數分類按碳的質量分數高低分類，非合金鋼可分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼三類。2．按非合金鋼主要質量等級和主要性能或使用特性分類按主要質量等級和主要性能或使用特性分類，非合金鋼可分為：普通質量非合金鋼、優質非合金鋼和特殊質量非合金鋼三類。3．按非合金鋼的用途分類按非合金鋼的用途分類，可分為碳素結構鋼和碳素工具鋼。4．非合金鋼的其他分類方法非合金鋼還可以從其它角度進行分類，例如，按專業分類，可分為：鍋爐用鋼、橋梁用鋼、礦用鋼等；按冶煉方法等進行分類，可分為：氧氣轉爐鋼、電弧爐鋼等。

二、普通質量非合金鋼的牌號及用途

碳素結構鋼的牌號由屈服強度字母、屈服強度數值、質量等級符號、脫氧方法等四部分按順序組成。質量等級分A、B、C、D四級，從左至右質量依次提高。屈服強度用“屈”的漢語拼音字母“Ｑ”和一組數字表示；脫氧方法用F、Z、TZ分別表示沸騰鋼、鎮靜鋼、特殊鎮靜鋼。在牌號中“Z”可以省略。

三、優質非合金鋼的牌號及用途優質非合金鋼的牌號用兩位數字表示，兩位數字表示該鋼的平均碳的質量分數的萬分之幾(以0.01%為單位)，如45鋼表示平均碳的質量分數W（C）=0.45%的優質碳素結構鋼。優質碳素結構鋼主要有：08F鋼或08鋼、10F鋼或10鋼、15F鋼或15鋼、20鋼、25綱、30鋼、35鋼、40鋼、45鋼、50鋼、55鋼、60鋼、65鋼、70鋼、75鋼、80鋼和85鋼。它們可分為：冷沖壓鋼、滲碳鋼、調質鋼和彈簧鋼。四、其它專用優質非合金鋼的牌號及用途專門用途鋼的牌號表示方法是在鋼號的首部或尾部用符號標明其用途，如25MnK礦用鋼。1.易切削鋼易切削鋼是鋼中加入一種或幾種元素，利用其本身或與其他元素形成一種對切削加工有利的夾雜物，來改善鋼材的切削加工性的鋼材。易切削鋼中常用加入的元素有：硫（S）、磷（P）、鉛（Pb）、鈣（Ca）、硒（Se）、碲（Te）、錳（Mn）等。易切削鋼適合在自動機床上進行高速切削制作通用零件。易切削鋼的牌號以“Y＋數字”表示，Y是“易”字漢語拼音首位字母，數字為鋼中平均碳的質量分數的萬分之幾，如Y12表示其平均碳的質量分數W（C）=0.12%的易切削鋼。易切削鋼主要用于制造受力較小、不太重要的大批生產的標準件，如螺釘、螺母，墊圈、墊片，縫紉機、計算機和儀表零件等。常用易切削鋼有：Y12鋼、Y20鋼、Y30鋼、Y35鋼、Y40Mn鋼、Y45Ca鋼等。2.鍋爐用鋼鍋爐用鋼是在優質碳素結構鋼的基礎上發展起來的專門用于制作鍋爐構件的鋼種，如20G、22MnG、16MnG等。

3．焊接用鋼焊接用鋼（焊芯、實芯焊絲）牌號用“H”表示，“H”后面的一位或兩為數字表示碳的質量分數的萬分數；化學符號及其后面的數字表示該元素平均質量分數的百分數（若含量小于1%，則不標明數字）；“A”表示優質（即焊接用鋼中S、P含量比普通鋼低）；“E”表示高級優質（即焊接用鋼中S、P含量比普通鋼更低）。例如，H08MnA中，H表示焊接用鋼，08表示碳的質量分數為0.08%，Mn表示錳的質量分數為1%，A表示優質焊接用鋼。常用焊接用鋼有：H08、H08E、H08MnA、H08Mn2、H10MnSi等。4.鑄造非合金鋼鑄造非合金鋼包括一般工程用鑄造碳鋼和焊接結構用碳素鑄鋼。一般工程用鑄造碳鋼的牌號是用“鑄鋼”兩字的漢語拼音字首“ZG”后面加兩組數字組成，第一組數字代表屈服強度的最低值，第二組數字代表抗拉強度的最低值。例如，ZG200-400表示屈服強度≥200MPa，抗拉強度≥400MPa的一般工程用鑄造碳鋼。一般工程用鑄造碳鋼的牌號有：ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570和ZG340-640。焊接結構用碳素鑄鋼的牌號表示方法與一般工程用鑄造碳鋼的牌號基本相同，所不同的是需要在數字后面加注字母“H”，如ZG200-400H、ZG230-450H、ZG275-485H等。五、特殊質量非合金鋼的牌號及用途

碳素工具鋼是用于制造刀具、模具和量具的鋼。碳素工具鋼的牌號以碳的漢語拼音字首“T”開頭，其后的數字表示平均碳的質量分數的千分數。例如，T8表示平均碳的質量分數為W（C）=0.80%的碳素工具鋼。如果是高級優質碳素工具鋼，則在鋼的牌號后面標以字母A，如T12A表示平均碳的質量分數為W（C）=1.20%的高級優質碳素工具鋼。模塊三

合金元素在鋼材中的作用一、合金元素在鋼材中的存在形式及作用

合金元素在鋼中主要以兩種形式存在，一種形式是溶入鐵素體中形成合金鐵素體；另一種形式是與碳化合形成合金碳化物。

(一)合金鐵素體

溶入鐵素體的合金元素，由于它們的原子大小及晶格類型與鐵不同，使鐵素體晶格發生不同程度的畸變，其結果使鐵素體的強度、硬度提高。

(二)合金碳化物

根據合金元素與碳之間的相互作用，可將合金元素分為形成碳化物的合金元素和不形成碳化物的合金元素。合金碳化物具有很高的硬度，它們在鋼材中提高了鋼的強度、硬度和耐磨性。

二、合金元素對鋼材的熱處理和力學性能的影響

(一)合金元素對鋼加熱轉變的影響由于合金元素的擴散速度較慢，且大多數合金元素（除Ni、Co外）均減慢碳的擴散速度，加之合金碳化物比較穩定，不易溶入奧氏體中，因此，合金元素在不同程度上減緩了奧氏體的形成過程。(二)合金元素對回火轉變的影響合金元素對鋼回火時組織與性能的變化有不同程度的影響，主要表現在合金元素可提高鋼的耐回火性，有些合金元素還造成二次硬化現象和產生回火脆性。●在相同的回火溫度下，合金鋼的硬度高于非合金鋼，使鋼在較高溫度下回火時仍能保持高硬度，這種淬火鋼件在回火時抵抗軟化的能力，稱為耐回火性(或回火穩定性)。●合金鋼在一次或多次回火后提高其硬度的現象稱為二次硬化。

金屬工藝學單元三鋼鐵材料模塊四

低合金鋼和合金鋼的分類、牌號及用途一、低合金鋼和合金鋼的分類

(一)低合金鋼的分類1.低合金鋼按主要質量等級分類按主要質量等級分類，低合金鋼可分為普通質量低合金鋼、優質低合金鋼和特殊質量低合金鋼三類。2.低合金鋼按主要性能及使用特性分類按主要性能及使用特性分類，低合金鋼可分為可焊接的低合金高強度結構鋼（如16MnNb等）、低合金耐候鋼（如Q295GNH、Q235NH等）、低合金鋼筋鋼（如20MnSi等）、鐵道用低合金鋼（如低合金重軌鋼U70Mn、U71MnSiCu等，鐵路用異型鋼09V等）、礦用低合金鋼（如20MnVK等）和其它低合金鋼。

(二)合金鋼的分類

合金鋼中合金元素規定質量分數界限值總量是WMe≥5.43%，并且合金鋼是按其主要質量等級和主要性能或使用特性分類的。1．合金鋼按主要質量等級分類按主要質量等級分類，合金鋼可分為優質合金鋼和特殊質量合金鋼兩類。2.合金鋼按主要性能及使用特性分類按主要性能及使用特性分類，合金鋼可分為工程結構用合金鋼(如一般工程結構用合金鋼、合金鋼筋鋼、高錳耐磨鋼等)；機械結構用合金鋼(如調質處理合金結構鋼、表面硬化合金結構鋼、合金彈簧鋼等)；不銹、耐蝕和耐熱鋼(如不銹鋼、抗氧化鋼和熱強鋼等)；工具鋼(如合金工具鋼、高速工具鋼)；軸承鋼(如高碳鉻軸承鋼、不銹軸承鋼等)；特殊物理性能鋼，如軟磁鋼、永磁鋼、無磁鋼（如0Cr16Ni14）等；其它，如鐵道用合金鋼等。

二、低合金鋼和合金鋼的牌號

(一)低合金高強度結構鋼的牌號

低合金高強度結構鋼的牌號由代表屈服強度的“屈”字的漢語拼音首位字母Q、規定的最小上屈服強度數值、交貨狀態代號、質量等級符號（B、C、D、E）4個部分按順序組成。例如，Q355ND表示屈服強度ReH≥355MPa，交貨狀態為正火（或正火軋制），質量等級為D級的低合金高強度結構