《機(jī)械制造基礎(chǔ)》

第一講緒論

一、案例導(dǎo)入：

本課程題目為《機(jī)械制造基礎(chǔ)》，因此我們研究的內(nèi)容都是圍繞機(jī)械制造過(guò)程展開(kāi)的。

那么到底機(jī)械制造過(guò)程有哪些呢？

二、教學(xué)內(nèi)容：

1.本課程學(xué)習(xí)意義

O熟悉各種工程材料性能，合理選擇材料；

O初步掌握和選用毛坯或零件的成形方法及機(jī)械零件表面加工方法；

O選用公差配合

O了解工藝規(guī)程制訂的原則與方法

2.本課程知識(shí)體系

。“工程材料”部分：以剖析鐵碳合金的金相組織為基礎(chǔ)，以介紹工程材料的性質(zhì)和

合理選材為重點(diǎn)；

。熱加工工藝基礎(chǔ)：“鑄造”、“鍛壓”、“焊接”，認(rèn)識(shí)這些加工方法的用途和實(shí)

現(xiàn)方法；

。互換性與測(cè)量技術(shù)：理解公差配合概念與選用；

O機(jī)械加工工藝基礎(chǔ)：“毛坯選擇”、“金屬切削加工技術(shù)”、“機(jī)械零件表面加工

技術(shù)”、“機(jī)械加工工藝規(guī)程編制”

。特殊加工與先進(jìn)制造技術(shù)：了解用途與應(yīng)用場(chǎng)合

3.學(xué)習(xí)方法

。總結(jié)歸納各章節(jié)學(xué)習(xí)目的，形成完整知識(shí)體系（宏觀）

。突出各章重點(diǎn)與細(xì)節(jié)，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的深入認(rèn)識(shí)（微觀）

O在相關(guān)生產(chǎn)實(shí)習(xí)過(guò)程中，遇到實(shí)際問(wèn)題，結(jié)合課本知識(shí)，繼續(xù)自學(xué)

4.機(jī)械制造的概念

將原材料（毛坯）和相關(guān)輔料轉(zhuǎn)變成為成品（機(jī)械零件）的過(guò)程

5.機(jī)械制造主要過(guò)程

技術(shù)準(zhǔn)備毛坯制造零件加工產(chǎn)品檢驗(yàn)和裝配產(chǎn)品檢驗(yàn)和裝配

（1）技術(shù)準(zhǔn)備階段

。制訂工藝規(guī)程

。原材料選則與供應(yīng)

O刀具、夾具、量具的配備

。熱處理設(shè)備和檢測(cè)儀器的準(zhǔn)備

（2）毛坯制造階段

O方法多種，常見(jiàn)的有鑄造、鍛壓、焊接和型材

。鑄造：金屬液態(tài)成形，各種尺寸、形狀復(fù)雜的毛坯或零件。（適應(yīng)性廣、成本低廉）

。鍛壓：用外力對(duì)金屬坯料施壓使其產(chǎn)生塑性變形（鍛造與沖壓，改善金屬的力學(xué)性

能，生產(chǎn)效率高、節(jié)省材料）

。焊接：相互分離的金屬材料借助于原子間的結(jié)合力連接起來(lái)。（連接性好、省工省材

料、結(jié)構(gòu)重要輕）

O型材：直接從型材廠購(gòu)買(mǎi)

（3）零件加工階段

O金屬切削加工是主要加工手段。（車(chē)、銃、鉆、鏈、磨、包U、插、拉）等

O特種加工應(yīng)用日趨廣泛（電火花、電解、超聲波、激光、電子束、離子束、等離子

弧、化學(xué)等等）

O選擇原則：零件批量、精度、表面粗糙度、技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，價(jià)格成本等等綜合考慮

（4）產(chǎn)品檢驗(yàn)和裝配

Q零件檢驗(yàn)?zāi)康模菏沽慵庸ふ`差在允許范圍內(nèi)

。零件檢驗(yàn)對(duì)象：一般場(chǎng)合，工序、加工過(guò)程中的尺寸變化、加工完成后幾何形狀誤

差；在要求高的場(chǎng)合（重載、高壓、高溫、可靠性要求很高）內(nèi)部性能（缺陷檢驗(yàn)、

力學(xué)性能、金相組織檢驗(yàn)）

O裝配：遵守嚴(yán)格的裝配規(guī)范。

第二講金屬的力學(xué)性能

§1.1金屬的力學(xué)性能

教學(xué)過(guò)程：

一、案例導(dǎo)入：

在緒論部分的講解中，我們已經(jīng)明確了本課程的研究對(duì)象一一機(jī)械制造過(guò)程。在進(jìn)行機(jī)

械制造時(shí)，首先進(jìn)入技術(shù)準(zhǔn)備階段。在技術(shù)技術(shù)準(zhǔn)備中，要完成相關(guān)的工作。這些工作中，

有一項(xiàng)是非常重要的，那就是選擇材料。那么怎么選擇材料呢？首先得研究常見(jiàn)的材料的性

質(zhì)，只有掌握了材料的特征性質(zhì)才能順利進(jìn)行選材。那么材料的性質(zhì)有哪些呢？

二、教學(xué)內(nèi)容：

1.金屬材料的性能

金屬材料的性能包括使用性能和工藝性能兩大類(lèi)。其中，工藝性能是指制造過(guò)程中表現(xiàn)

出的性能，包括鑄造性能、焊接性能、鍛造性能、熱處理性能、切削加工性能。使用性能是

指在使用過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的性能。使用性能包括物理性能和化學(xué)性能.

物理性能有熔點(diǎn)、密度、熱膨脹性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等。化學(xué)性能有耐腐蝕性、抗氧化

性等。物理化學(xué)性能將影響工藝性能和使用性能。本章節(jié)主要研究的是力學(xué)性能對(duì)工藝性能

的影響。金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在外力作用下所反映出來(lái)的性能。常見(jiàn)的指標(biāo)有:

強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度、疲勞強(qiáng)度、斷裂韌度等。

1.2.1強(qiáng)度

1拉伸試驗(yàn)

國(guó)標(biāo)GB/T228—2002標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣

2力一伸長(zhǎng)曲線(xiàn)

3彈性與塑性

1)彈性金屬材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變載Fe

形，當(dāng)外力去掉后能回復(fù)其原來(lái)形狀的

0

伸長(zhǎng)量Al

性能，叫做彈性（0P直線(xiàn)）。

2）彈性變形隨著外力消失而消失的變形，叫做彈性變形。

3）塑性金屬材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不致引起破壞的性能叫做塑性（PE

曲線(xiàn)）。

4）塑性變形在外力消失后留下來(lái)的這部分不可恢復(fù)的變形，叫做塑性變形。

4強(qiáng)度

金屬材料在載荷作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力稱(chēng)為強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度Re、抗拉強(qiáng)度Rm

1）屈服點(diǎn)與屈服強(qiáng)度

金屬材料開(kāi)始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的最低應(yīng)力值稱(chēng)為屈服點(diǎn)（S點(diǎn)），用符號(hào)Re表示。

Re=Fs/Ao式中Fs—試樣發(fā)生屈服時(shí)的載荷（N）;

Ao一試樣的原始橫截面積（mm2）。

工業(yè)上使用的某些金屬材料，如高碳鋼、鑄鐵等，在拉伸過(guò)程中，沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象,

無(wú)法確定其屈服點(diǎn)，按GB/T2228規(guī)定，可用條件屈服強(qiáng)度RrO.2來(lái)表示該材料開(kāi)始產(chǎn)生塑性

變形時(shí)的最低應(yīng)力值。屈服強(qiáng)度為試樣標(biāo)距部分產(chǎn)生0.2%殘余伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力值，即

r0.2=F0.2/Ao式中F0.2一試樣標(biāo)距產(chǎn)生的0.2%殘余伸長(zhǎng)時(shí)載荷（N）；

Ao一試樣的原始橫截面積（mm2）。

2）抗拉強(qiáng)度

金屬材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力值稱(chēng)為抗拉強(qiáng)度，用符號(hào)Rm表示。

Rm=Fb/Ao式中Fb一試樣在斷裂前所承受的載荷（N）；

Ao一試樣原始橫截面積（mm2）。

1.1.2塑性

。金屬材料在載荷作用下，斷裂前材料發(fā)生不可逆久變形的能力稱(chēng)為塑性。

。通過(guò)拉伸試驗(yàn)可測(cè)定材料的塑性。

O常用的塑性指標(biāo)有斷后伸長(zhǎng)率8和斷面收縮率”o

8=(Ll-L0)/L0巾=(FO-F1)/FO

1.1.3硬度

。硬度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。

O可用硬度試驗(yàn)機(jī)測(cè)定，常用的硬度指標(biāo)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

（1）布氏硬度試驗(yàn)原理

HBW=0.102x

式中F一試驗(yàn)力（N）；

d—壓痕平均直徑（mm）；

D一硬質(zhì)合金球直徑（mm）

（2）選擇試驗(yàn)規(guī)范

根據(jù)被測(cè)金屬材料的種類(lèi)和試樣厚度、選用不同

大小的球體直徑D,施加的試驗(yàn)力F和試驗(yàn)力保

持時(shí)間，按表1—1所列的布氏硬變?cè)囼?yàn)規(guī)范正確

選擇。

（3）試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：試驗(yàn)時(shí)使用的壓頭直徑較大，在試樣表面上留下壓痕也較大，所得值也較準(zhǔn)確。

缺點(diǎn)：對(duì)金屬表面的損傷較大，不易測(cè)試太薄工件的硬度，也不適于測(cè)定成品件硬度。

(4)應(yīng)用

布氏硬度試驗(yàn)常用來(lái)測(cè)定原材料、半成品和性能不均勻材料(如鑄鐵)的硬度。

2洛氏硬度

(1)洛氏硬度測(cè)量原理

洛氏硬度HR=K-h/s

式中，K為給定標(biāo)尺的硬度數(shù)，S為給定標(biāo)尺的單位,

通常以0.002為一個(gè)硬度單位。

(2)常用洛氏硬度標(biāo)尺及適用范圍

(3)試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單迅速，效率高，直接從

指示器上讀出硬度值；壓痕小，故可直

接測(cè)量成品或較薄工件的硬度;對(duì)于HRA

和HRC采用金剛石壓頭，可測(cè)量高硬度

薄層和深層的材料。

缺點(diǎn)：由于壓痕小，測(cè)得的數(shù)值不夠準(zhǔn)

確，通常要在試樣不同部位測(cè)定四次以

上，取其平均值為該材料的硬度值

3維氏硬度

(1)試驗(yàn)原理

維氏硬度值用四棱錐壓痕單位面積上所承受的平均壓力表示，符號(hào)

HVo

HV=0.102X2FXSinl36°/2/d2=0.189F/d2式中F一作用在壓

頭上試驗(yàn)力(N)；d—壓痕兩對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度的平均值(mm)。

(2)常用試驗(yàn)力及其適用范圍

維氏硬度試驗(yàn)所用試驗(yàn)力視其試樣大小、薄厚及其他條件，可在

49.03—980.7N的范圍內(nèi)選擇試驗(yàn)力。常用的試驗(yàn)力有49.03N、98.07N、

196.1N、294.2N、490.3N、980.7N。

維氏硬度試驗(yàn)適用范圍寬，尤其適用測(cè)定金屬鍍層、薄片金屬及

化學(xué)熱處理的表面層(滲碳層、滲氮層等)硬度，其結(jié)果精確可靠。

(3)試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：與布氏、洛氏硬度試驗(yàn)比較，維氏硬度試驗(yàn)不存在試驗(yàn)力與壓頭直徑有一定比例

關(guān)系的約束；也不存在壓頭變形問(wèn)題，壓痕輪廓清晰，采用對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度計(jì)量，精確可靠,

硬度值誤差較小。

缺點(diǎn)：其硬度值需要先測(cè)量對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度，然后經(jīng)計(jì)算或查表確定，故效率不如洛氏硬度

試驗(yàn)高。

1.1.4沖擊韌度

1沖擊試驗(yàn)方法與原理

一次沖擊彎曲試驗(yàn)通常在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

試驗(yàn)時(shí)，將試樣放在試驗(yàn)機(jī)兩支座上,。把質(zhì)量為m的擺錘抬到高H,使擺錘具有位能為

mHgo擺錘落下沖斷試樣后升至h高度，具有位能為mhg,故擺錘沖斷試樣推動(dòng)的位能為

mHg-mhg,這就是試樣變形和斷裂所消耗的功稱(chēng)為沖擊吸收功AK,即AK=mg(H-h)用試樣

的斷口處截面積SN(cm2)去除AK(J)即得到?jīng)_擊韌度，用Ak表示，單位為J/cm2.

aK=AK/SN

2沖擊試驗(yàn)的實(shí)際意義

(1)韌脆轉(zhuǎn)變溫度

材料在低于某溫度時(shí)，AK值急劇下降，使試樣的斷口由韌性斷口過(guò)渡為脆性斷口。因此,

這個(gè)溫度范圍稱(chēng)為韌脆轉(zhuǎn)變溫度范圍。韌脆轉(zhuǎn)變溫度的高低是金屬材料質(zhì)量指標(biāo)之一，韌脆

轉(zhuǎn)變溫度愈低，材料的低溫沖擊性能就愈好，對(duì)于在寒冷地區(qū)和低溫下工作的機(jī)械和工程結(jié)

構(gòu)。如運(yùn)輸機(jī)械、橋梁、輸送管道尤為重要。

(2)衡量原材料的冶金質(zhì)量和熱加工產(chǎn)品質(zhì)量

沖擊吸收功對(duì)原材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷等具有較大敏感性，很容易揭示出材料中某些物理

現(xiàn)象，如晶粒粗化、冷脆、回火脆性及夾渣、氣泡、偏析等。

目前常用沖擊試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)冶煉、熱處理及各種熱加工工藝和產(chǎn)品的質(zhì)量。

1.1.5疲勞強(qiáng)度

1疲勞概念

雖然零件所承受的交變應(yīng)力數(shù)值小于材料的屈服強(qiáng)度，但在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后也會(huì)發(fā)生斷

裂，這種現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞斷裂。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械零件斷裂中有80%是由于疲勞引起。

2疲勞曲線(xiàn)與疲勞極限

試驗(yàn)證明，金屬材料所受最大交變應(yīng)力Rmax愈大，則斷裂前所受的循環(huán)周次N(定義

為疲勞壽命)愈少，這種交變應(yīng)力Rmax與疲勞壽命N的關(guān)系曲線(xiàn)稱(chēng)疲勞曲線(xiàn)或S—N曲線(xiàn)。

工程上規(guī)定,材料經(jīng)受相當(dāng)循環(huán)周次不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力稱(chēng)為疲勞極限，以符號(hào)R-1表示。

3提高材料疲勞極限的途徑

a).設(shè)計(jì)方面盡量使用零件避免交角、缺口和截面突變，以避免應(yīng)力集中及其所引起

的疲勞裂紋。

b).材料方面通常應(yīng)使晶粒細(xì)化，減少材料內(nèi)部存在的夾雜物和由于熱加工不當(dāng)引起

的缺陷。如疏松、氣孔和表面氧化等。

c).機(jī)械加工方面要降低零件表面粗糙度值。

d).零件表面強(qiáng)化方面可采用化學(xué)熱處理、表面淬火、噴丸處理和表面涂層等，使零

件表面造成壓應(yīng)力，以抵消或降低表面拉應(yīng)力引起疲勞裂紋的可能性。

補(bǔ)充：斷裂韌度

金屬材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力指標(biāo)就稱(chēng)為斷裂韌度。

三、小結(jié)

學(xué)習(xí)了金屬的力學(xué)性能指標(biāo)，包括：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度、疲勞強(qiáng)度、斷裂韌度

第三講金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

§1.2鐵碳合金

教學(xué)過(guò)程：

一、案例導(dǎo)入：

上一講，己對(duì)金屬材料的力學(xué)性能，及其常見(jiàn)指標(biāo)，進(jìn)行了講解(提問(wèn)，哪些常見(jiàn)力學(xué)性能

指標(biāo)？)。那么這些描述金屬材料的指標(biāo)，是由什么影響和決定的呢？在這講中，將對(duì)材料

本身的結(jié)構(gòu)上，進(jìn)行研究和講解，從而揭示出影響材料性能的原因。并從這些影響因素出發(fā),

通過(guò)工藝方法，改善及強(qiáng)化材料的性能。

二、教學(xué)內(nèi)容：

1.晶體的基本概念

(1)、晶體

按原子內(nèi)部堆積規(guī)則，將固態(tài)物質(zhì)，分為晶體和非晶體。晶體中的原子或分子，在空間排布

時(shí)，按照一定的幾何規(guī)則作周期性的重復(fù)排列。晶體特性：具有一定熔點(diǎn)且呈各向異性。

哪些物質(zhì)是晶體呢？(自然界除了玻璃、松香、石蠟等，都是晶體)

(2)、晶格、晶胞、晶格常數(shù)(在PPT中，通過(guò)與圖片講解。)

晶格：將每個(gè)原子視為一個(gè)幾何質(zhì)點(diǎn)，并用一些假想的幾何線(xiàn)條將各質(zhì)點(diǎn)連接起來(lái)，便形成

一個(gè)空間幾何格架。這種抽象的用于描述原子在晶體中排列方式的空間幾何格架稱(chēng)為晶格。

晶胞：由于晶體中原子作周期性規(guī)則排列，因此可以在晶格內(nèi)取一個(gè)能代表晶格特征的，且

由最少數(shù)原子排列成最小結(jié)構(gòu)單元來(lái)表示晶格，稱(chēng)為晶胞。

晶格常數(shù)：用來(lái)描述晶胞大小與形狀的幾何參數(shù)。a,b,c；a,B,Y

2.常見(jiàn)金屬的晶體結(jié)構(gòu)(在PPT中，結(jié)構(gòu)通過(guò)與圖片講解。)

a.體心立方晶格a-鐵、銘、鋁、鴇、帆

b.面心立方晶格丫-鐵、銅、鋁、銀等

c.密排六方晶格被、鎂、鋅、鎘等

3.金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)

(1)單晶體和多晶體概念

單晶體：晶體內(nèi)的晶格位向完全一致的晶體。

多晶體：由多晶粒組成的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)。

而實(shí)際的金屬晶體是由許多不同方位的晶粒所組成。

晶粒與晶粒這間的界面稱(chēng)為晶界。

課堂提問(wèn)：多晶體有沒(méi)有各向異性的特性呢？

實(shí)際金屬結(jié)構(gòu)

金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：是晶體；是多晶體；晶體內(nèi)部有缺陷

(2)晶體缺陷

(a)點(diǎn)缺陷：點(diǎn)缺陷的存在使金屬能夠比較容易的發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象

(b)線(xiàn)缺陷-位錯(cuò)：位錯(cuò)的存在使金屬能夠比較容易發(fā)生塑性變形。

(c)面缺陷：面缺陷的存在使金屬的強(qiáng)度提高

4金屬的結(jié)晶

(1)、純金屬結(jié)晶的條件

結(jié)晶的概念

理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度：過(guò)冷度AT

金屬結(jié)晶的必要條件：一定的過(guò)冷度

(2)、純金屬結(jié)晶的規(guī)律

金屬的結(jié)晶過(guò)程一形核與長(zhǎng)大過(guò)程

枝晶形成的原因：優(yōu)先長(zhǎng)大方向；金屬不純凈；散熱不均勻。

(3)晶粒大小與金屬力學(xué)性能的關(guān)系

實(shí)際金屬結(jié)晶后，獲得由許多晶粒組成的多晶體組織。在多晶體中，晶粒的大小對(duì)其力學(xué)性

能影響很大。

1)冷卻速度：冷卻速度t一過(guò)冷度f(wàn)一形核率t-晶粒度i

2)變質(zhì)處理：人工晶核一晶粒度I

3)附加震動(dòng)：枝晶數(shù)量t-晶粒度I

第四講合金的晶體結(jié)構(gòu)與鐵碳合金相圖

§1.2鐵碳合金

教學(xué)過(guò)程：

三、案例導(dǎo)入：

上一講，已對(duì)金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶，進(jìn)行講解，重點(diǎn)講解了金屬晶體的結(jié)構(gòu)對(duì)金屬性能的

影響，并在此基礎(chǔ)上講解了細(xì)化晶粒的目的與常見(jiàn)方法（提問(wèn)細(xì)化晶粒的目的與常見(jiàn)方

法？）。那么常見(jiàn)的合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶過(guò)程又是怎么樣的呢？首先對(duì)合金的晶體結(jié)構(gòu)中

的基本相結(jié)構(gòu)進(jìn)行講解，然后以常見(jiàn)的鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行講解，得出鐵碳合金中碳含

量對(duì)鐵碳合金性能的影響。

四、教學(xué)內(nèi)容：

1.2.2合金的晶體結(jié)構(gòu)

合金的基本概念

合金：由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特征的物質(zhì)O

組元：組成合金的基本的物質(zhì)叫組元。

相：在合金中具有相同成分、相同結(jié)構(gòu)、相同性質(zhì)的均勻部分，并與其它相有明顯界面之分。

組織：指用肉眼或借助于放大鏡、顯微鏡觀察到的材料內(nèi)部的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

1.固溶體

固態(tài)合金中的相，按其組元原子的存在方式可分為固溶體和金屬化合物兩大基本類(lèi)型

固溶體性能：晶格畸變，金屬的強(qiáng)度，硬度很高。固溶強(qiáng)化

2、金屬化合物

金屬化合物性能：復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，硬度高，而脆性大。彌散強(qiáng)化

1.2.3鐵碳合金相圖

1.純鐵

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：同一種元素在不同條件下具有不同的晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度等外界條件變化時(shí)，

晶格類(lèi)型會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。（以純鐵的冷卻曲線(xiàn)，講解該過(guò)程。）

2.鐵碳全合金的基本組織（以表1.2.3講解）

a）液相。鐵碳合金在溶化溫度以上形成的均勻液體稱(chēng)液相，用符號(hào)L表示。

b）鐵素體。碳在a-Fe中形成的間隙固溶體稱(chēng)為鐵素體。用符號(hào)F表示。碳在a-Fe中的溶

解度很低，因此，鐵素體的機(jī)械性能與純鐵相近，其強(qiáng)度、硬度較低，但具有良好的塑性、

韌性。

c）奧氏體。碳在Y-Fe中形成的間隙固溶體稱(chēng)為奧氏體，用符號(hào)A表示。（塑性較高、硬度

較小，適合鍛造）

d）滲碳體：滲碳體是一種具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物，它的分子式為Fe3C,滲碳體

既是組元，又是基本相。其硬度很高，塑性韌性幾乎為零。

e）珠光體：用符號(hào)P表示，它是鐵素體與滲碳體薄層片相間的機(jī)械機(jī)械混合物。介于F

與Fe3c之間。

f）萊氏體：用符號(hào)Ld表示，奧氏體和滲碳體所組成的共晶體。硬度很高，塑性，韌性很差

3.鐵碳合金相圖分析

（1）簡(jiǎn)化的Fe-Fe3c相圖分析

A1538

a

D1227

螞xL+Fe3cl

螟1148F

Ld

G912A+FesCn+Ld|FeaCi+Ld

F727?K

QLd'

F+Fe3G口P+Pe3Cn+Ld，|Fe3cl+Lcf

00.02180.772.114.36.69

Wc/%

特性點(diǎn)符溫度

號(hào)3c(%)含義

/℃

A15380熔點(diǎn)：純鐵的熔點(diǎn)

C11484.3共晶點(diǎn)：發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變L4.3—->Ld(A2.11%+Fe3c共晶)

D12276.69熔點(diǎn)：滲碳體的熔點(diǎn)

E11482.11碳在y-Fe中的最大溶解度點(diǎn)

G9120同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)

共析點(diǎn)：發(fā)生共析轉(zhuǎn)變A0.77%—->p(F0.0218%+Fe3C共

S7270.77

析)

P7270.0218碳在a-Fe中的最大溶解度點(diǎn)

Q室溫0.0008室溫下碳在a-Fe中的溶解度

主要特性線(xiàn)

(1)AC線(xiàn)液體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始線(xiàn)。即：L-A。

(2)CD線(xiàn)液體向滲碳體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始線(xiàn)。即：L-Fe3CI。

ACD線(xiàn)統(tǒng)稱(chēng)為液相線(xiàn)，在此線(xiàn)之上合金全部處于液相狀態(tài)，用符號(hào)L表示。

(3)AE線(xiàn)液體向奧氏體轉(zhuǎn)變的終了線(xiàn)。

(4)ECF水平線(xiàn)共晶線(xiàn)。

AECF線(xiàn)統(tǒng)稱(chēng)為固相線(xiàn)，液體合金冷卻至此線(xiàn)全部結(jié)晶為固體，此線(xiàn)以下為固相區(qū)。

(5)ES線(xiàn)又稱(chēng)Acm線(xiàn)，是碳在奧氏體中的溶解度曲線(xiàn)。即：L-Fe3CH。

(6)GS線(xiàn)又稱(chēng)A3線(xiàn)，

(7)GP線(xiàn)奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的終了線(xiàn)。

(8)PSK水平線(xiàn)共析線(xiàn)(727℃),又稱(chēng)A1線(xiàn)。

(9)PQ線(xiàn)碳在鐵素體中的溶解度曲線(xiàn)。

(2)鐵碳合金的分類(lèi)

根據(jù)鐵碳合金的含碳量及組織的不同，可將鐵碳合金分為：

1)工業(yè)純鐵3c<0.0218%。

2)鋼0.0218%<3c<2.1k，又可分為：

亞共析鋼0.0218%<ac<0.77%；

共析鋼3c=0.77%；

過(guò)共析鋼0.77%<ac<2.11虬

3）白口鑄鐵2.11%<3C<6.69%,又可分為以下三種：

亞共晶白口鑄鐵2.11%<3C<4.3%

共晶白口鑄鐵3c=4.3%

過(guò)共晶白口鑄鐵4.3%<?c<6.69%

4.典型鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程及組織

以下6種組織結(jié)晶過(guò)程轉(zhuǎn)變，參考鐵碳合金相圖，自上而下，畫(huà)垂線(xiàn)，則可得出相應(yīng)組織。

a.亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程；b.共析鋼的結(jié)晶過(guò)程分析；c.過(guò)共析鋼的結(jié)晶過(guò)程分析；d.

亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程；e.共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程；f.過(guò)共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程

課堂提問(wèn)：亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程及組織轉(zhuǎn)變有哪些？

5.碳對(duì)鐵碳合金平衡組織和力學(xué)性能的影響

（1）鐵碳合金按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和平衡組織的分類(lèi)

含碳量逐漸增加，F(xiàn)e3c大小、形態(tài)和分布變化：

F+Fe3CIII——Fe3c位于晶界，細(xì)小的薄片）

F+P——Fe3c呈層片狀與鐵素體片混合（相間）

P——Fe3c呈層片狀與鐵素體片混合（相間）

P+Fe3CII——Fe3c呈層片狀與鐵素體片混合（相間）還有一部分Fe3c沿晶界分布呈連

續(xù)網(wǎng)狀

P+Fe3CII+Ld,——Fe3c呈層片狀與鐵素體片混合（相間）Fe3c作為萊氏體的基體

Ld'——Fe3c作為萊氏體的基體

Ld'+Fe3CI——Fe3c為粗大長(zhǎng)片狀Fe3c作為萊氏體的基體

（2）含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響（圖1.2.9含碳量對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響）

鐵素體（F）：軟而韌滲碳體（Fe3C）:硬而脆

a.含碳量增加，硬度增加

b.含碳量增加，塑性韌性降低

c.含碳量增加，強(qiáng)度先增后降（0.9%最高）

（3）含碳量對(duì)工藝性能的影響

1）切削加工性：

中碳鋼好；低碳鋼（F多，塑性好，易粘刀）差；高碳鋼（Fe3c多，磨損嚴(yán)重）差

2）鍛造性：

低碳鋼好（F多，塑性好），含碳量越大，越差。白口鑄鐵，不能鍛造（Fe3C,脆）

3）鑄造性：

液相線(xiàn)與固相線(xiàn)的水平距離與垂直距離。距離越大，越差。低碳鋼，液相線(xiàn)與固相線(xiàn)距

離隨小，但液相線(xiàn)溫度高，過(guò)熱度小，流動(dòng)性差。隨含碳量增大，變差。但到了共晶成

分附近的鑄鐵，流動(dòng)性好，鑄造性又變好了。

4）焊接性：

含碳量增大，焊接性變差。

6.Fe—Fe3c相圖的應(yīng)用

（1）為選材提供成分依據(jù)

Fe-Fe3C相圖反映了鐵碳合金組織和性能隨成分的變化規(guī)律。這樣，就可以根據(jù)零件的工

作條件和性能要求來(lái)合理的選擇材料。例如，橋梁、船舶、車(chē)輛及各種建筑材料，需要塑性、

韌性好的材料，可選用低碳鋼（3c=0.1婷0.25%）；對(duì)工作中承受沖擊載荷和要求較高強(qiáng)度

的各種機(jī)械零件，希望強(qiáng)度和韌性都比較好，可選用中碳鋼（sc=0.25%^0.65%）；制造各

種切削工具、模具及量具時(shí)，需要高的硬度、而耐磨性，可選用高碳鋼(sc=O.77限1.44%)。

對(duì)于形狀復(fù)雜的箱體、機(jī)器底座等，選用熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好的鑄鐵材料。

(2)制定加工工藝方面的應(yīng)用

a)在鑄造生產(chǎn)上的應(yīng)用

由Fe-Fe3c相圖可見(jiàn)，共晶成分的鐵碳合金熔點(diǎn)低，結(jié)晶溫度范圍最小，具有良好的鑄造

性能。因此，在鑄造生產(chǎn)中，經(jīng)常選用接近共晶成分的鑄鐵。

b).在鍛壓生產(chǎn)上的應(yīng)用

鋼在室溫時(shí)組織為兩相混合物，塑性較差，變形困難。而奧氏體的強(qiáng)度較低，塑性較好，便

于塑性變形。因此在進(jìn)行鍛壓和熱軋加工時(shí)，要把坯料加熱到奧氏體狀態(tài)。加熱溫度不宜過(guò)

高，以免鋼材氧化燒損嚴(yán)重，但變形的終止溫度也不宜過(guò)低，過(guò)低的溫度除了增加能量的消

耗和設(shè)備的負(fù)擔(dān)外，還會(huì)因塑性的降低而導(dǎo)致開(kāi)裂。所以，各種碳鋼較合適的鍛軋加熱溫度

范圍是：始鍛軋溫度為固相線(xiàn)以下100~200℃；終鍛軋溫度為750~850℃。對(duì)過(guò)共析鋼，則

選擇在PSK線(xiàn)以上某一溫度，以便打碎網(wǎng)狀二次滲碳體。

c).在焊接生產(chǎn)上的應(yīng)用

焊接時(shí)，由于局部區(qū)域(焊縫)被快速加熱，所以從焊縫到母材各區(qū)域的溫度是不同的，由

Fe-Fe3C相圖可知，溫度不同，冷卻后的組織性能就不同，為了獲得均勻一致的組織和性

能，就需要在焊接后采用熱處理方法加以改善。

d).在熱處理方面的應(yīng)用

從Fe-Fe3c相圖知，鐵碳合金在固態(tài)加熱或冷卻過(guò)程中均有相的變化，所以鋼和鑄鐵可以

進(jìn)行有相變的退火、正火、淬火和回火等熱處理。止匕外，奧氏體有溶解碳和其它合金元素的

能力，而且溶解度隨溫度的提高而增加，這就是鋼可以進(jìn)行滲碳和其它化學(xué)熱處理的緣故。

五、總結(jié)

學(xué)習(xí)了合金的晶體結(jié)構(gòu)中的基本相結(jié)構(gòu)；鐵碳合金相圖畫(huà)法及應(yīng)用；碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鐵碳合

金組織、性能的影響。

第五講碳素鋼、鑄鐵

§1.2.4碳素鋼、鑄鐵

教學(xué)過(guò)程：

六、案例導(dǎo)入：

上一講，講解了合金的晶體結(jié)構(gòu)，鐵碳合金相圖。重點(diǎn)分析了結(jié)合鐵碳合金相圖，鐵碳合金

的含碳量與顯微組織關(guān)系，以及碳含量對(duì)材料力學(xué)性能、工藝性能方面的影響。

提問(wèn)：1.鐵碳合金的分類(lèi)有哪些？

2.從抗拉強(qiáng)度為例，說(shuō)明含碳量變化對(duì)合金的力學(xué)性能影響表現(xiàn)？

3.從鑄造性、切削加工性角度，說(shuō)明含碳量變化對(duì)合金的工藝性能影響表現(xiàn)？

本講將對(duì)常見(jiàn)碳素鋼與鑄鐵的分類(lèi)、編號(hào)、性能及應(yīng)用等方面，近一步認(rèn)識(shí)鐵碳合金這類(lèi)材

料，在工程中的應(yīng)用。

七、教學(xué)內(nèi)容：

1.碳素鋼

(1)分類(lèi)

Wc：低(<0.25%)

中(0.25婷0.6%)

高(0.6限'2.1攜)

S/P含量：普通質(zhì)量鋼

優(yōu)質(zhì)鋼

高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼

用途：結(jié)構(gòu)鋼：（a）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼；（b）合金結(jié)構(gòu)鋼；（c）彈簧鋼；（d）易切鋼；（e）軸承鋼；

（f）特定用途優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼。

工具鋼：（a）碳素工具鋼；（b）合金工具鋼；（c）高速工具鋼。

特殊性能鋼：（a）不銹耐酸鋼；（b）耐熱鋼；（c）電熱合金鋼；（d）電工用鋼；（e）高銃耐磨鋼。

（2）碳素鋼的編號(hào)

碳素結(jié)構(gòu)鋼：Q+屈服極限+質(zhì)量等級(jí)+脫氧方式：例如：Q235AF

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：兩位數(shù)字（平均含碳量的萬(wàn)倍）+（Mn）：例如：45Mn

碳素工具鋼：T+平均含碳量的千倍+（Mn）+（A）：例如：T8MnA

鑄造碳鋼：ZG+屈服極限+抗拉強(qiáng)度：例如：ZG200-400

（3）碳素結(jié)構(gòu)鋼：

S/P含量較大，普通用途，價(jià)格便宜，用量大，熱軋空冷狀態(tài)，Q195塑性好，常用于螺釘、

螺母及各種薄板，可代替08或10鋼，制造沖壓件、焊接結(jié)構(gòu)件；

Q275強(qiáng)度較高，可代替30或40鋼，制造較重要某些零件，小軸、銷(xiāo)、連桿、農(nóng)機(jī)零件等。

（4）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：

S/P含量較低，重要零件，在熱處理后使用，08、08F,含碳量低，沖壓件焊接件；15、20、

25屬于滲碳鋼，強(qiáng)度低，塑性韌性好，承受力不大，但要求高韌性零件，也可做冷沖壓件

和焊接件，如凸輪、滑塊活塞銷(xiāo)等。滲碳鋼，滲碳，淬火+低回，表面硬度可達(dá)60HRC,耐

磨性好，而心部具有一定的強(qiáng)度和塑性，可用來(lái)制作要求表面耐磨并能承受沖擊載荷的零件。

30-55屬于調(diào)制鋼，淬火+高回，具有良好的綜合力學(xué)性能，用于塑性、強(qiáng)度、韌性均高的

場(chǎng)合。如軸類(lèi)零件。

60-70屬于彈簧鋼，淬火+中回，彈性極限、屈服比都高，彈簧或彈性零件及耐磨零件。

15Mn-70Mn,性能和用途與普通Mn的對(duì)應(yīng)相同，淬透性高。

（5）碳素工具鋼：

0.65%—1.35%,分碳素工具鋼和優(yōu)質(zhì)工具鋼，加A。

球化退火，組織為F基體+細(xì)小均勻分布的粒狀滲碳體。硬度不大于217HBW。作為刃具，最

終熱處理為淬火+低回。組織為回馬+粒狀滲碳體+殘余A。硬度可達(dá)60—65HRC。耐磨性和加

工性都較好，價(jià)格便宜。

缺點(diǎn)：紅硬性差，當(dāng)刃部溫度高于250度，其硬度和耐磨性會(huì)顯著下降。尺寸小、低速的手

用工具。

（6）鑄造碳鋼：

制造形狀復(fù)雜、力學(xué)性能要求比較比鑄鐵高的零件。如水壓機(jī)橫梁、軋鋼機(jī)機(jī)架、重載大齒

輪等。鍛造方法難以生產(chǎn)，用鑄鐵無(wú)法滿(mǎn)足性能。只能用碳鋼用鑄造方法得到。0.15%-0.6%o

ZG200-400—機(jī)座，變速箱殼；

ZG230-450—砧座，外殼，軸承蓋，底板，閥體，犁柱；

ZG270-500一軋鋼機(jī)機(jī)架、軸承座、連桿、箱體、缸體；

ZG310-570一大齒輪、缸體、制動(dòng)輪、輯子；

ZG340-640一齒輪、荊輪

學(xué)會(huì)查表，查閱以下碳鋼的主要用途：

Q235;45;T7A;T12;ZG270-450

2.鑄鐵

特點(diǎn)：C以石墨形態(tài)存在，具有良好的鑄造性、切削加工性、減摩性與消振性和低的缺口敏

感性，而且熔爐鑄鐵的工藝與設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低。

分類(lèi)及表示方法

灰鑄鐵（石墨以片狀）：HT+最小抗拉強(qiáng)度：例如：HT100

球墨鑄鐵（石墨以球狀）：QT+最低抗拉強(qiáng)度-最低伸長(zhǎng)率：例如：QT400-18

蠕墨鑄鐵（石墨以蠕蟲(chóng)狀）：RuT+最小抗拉強(qiáng)度：例如：RuT260

可鍛鑄鐵（石墨以團(tuán)絮狀）：KT+H/Z+最小抗拉強(qiáng)度-最小伸長(zhǎng)率：例如：KTH300-06>KTZ450-06

學(xué)會(huì)查表，查閱以下碳鋼的主要用途：

HT100——低載荷和不重要零件，如蓋、外罩、手輪、支架、重錘等。

QT400-18——承受沖擊、振動(dòng)的零件，輪轂、驅(qū)動(dòng)橋殼、減速器殼、撥叉等。

RuT260——增壓器廢氣進(jìn)氣殼體、汽車(chē)底盤(pán)零件等。

KTH300-06——彎頭、三通管件、中低壓閥門(mén)等。

八、總結(jié)

學(xué)習(xí)了碳素鋼、鑄鐵的分類(lèi)、編號(hào)、性能及應(yīng)用，查閱碳素鋼、鑄鐵的相關(guān)資料方法

四、布置作業(yè)

習(xí)題：5；6；7

第六講普通熱處理概述

1.3.3普通熱處理概述

教學(xué)過(guò)程：

三、案例導(dǎo)入：

之前的課題研究了鋼在加熱和冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變，如何利用這些組織轉(zhuǎn)變規(guī)律，來(lái)提高

鋼的力學(xué)性能呢？即鋼在固態(tài)下進(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以改變其內(nèi)部組織，這些具體的工

藝方法，是本講的研究重點(diǎn)內(nèi)容。

四、教學(xué)內(nèi)容：

1.3.3鋼的退火與正火

1.鋼的退火

定義:將金屬緩慢加熱到一定溫度，保溫足夠時(shí)間，然后以適宜速度冷卻（通常是緩慢冷卻）

的一種金屬熱處理工藝。

目的:使經(jīng)過(guò)鑄造、鍛軋、焊接或切削加工的材料或工件消除內(nèi)應(yīng)力；降低硬度;細(xì)化晶粒；

均勻成分；為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備。

（1）完全退火：

是將亞共析碳鋼加熱到Ac3線(xiàn)以上約20-60℃,保溫一定時(shí)間，隨爐緩慢冷卻到600℃以

下，然后出爐在空氣中冷卻。這種退火主要用于亞共析成分的碳鋼和和金鋼的鑄件，鍛件及

熱扎型材，目的是細(xì)化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力與組織缺陷，降低硬度，提高塑性，為隨后的切削

加工和淬火做好準(zhǔn)備。

應(yīng)用：亞共析碳鋼、合金鋼

（2）等溫退火

等溫退火是為了保證A在P轉(zhuǎn)變區(qū)上部發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此冷卻速度很緩慢，所需時(shí)間少則十幾

小時(shí)，多則數(shù)天，因此生產(chǎn)中常用等溫退火來(lái)代替完全退火。等溫退火加熱與完全退火相同,

但鋼經(jīng)A化后，等溫退火以較快速度冷卻到Al以下，等溫應(yīng)定時(shí)間，使A在等溫中發(fā)生P

轉(zhuǎn)變，然后再以較快速度冷至室溫，等溫退火時(shí)間短，效率高。

應(yīng)用：共析鋼、過(guò)共析鋼、合金鋼

（3）擴(kuò)散退火（均勻化退火）

應(yīng)用范圍：合金鋼鑄錠和鑄件。

目的：消除和金結(jié)晶是產(chǎn)生的枝晶偏析，使成分均勻，故而又稱(chēng)均勻化退火。

工藝：把鑄錠或鑄件加熱到Acl以上，大約1000-1200。C,保溫10-15小時(shí)，再隨爐冷卻。

特點(diǎn)：高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱。

鋼中合金元素含量越高，加熱溫度也越高，高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱又是造成組織過(guò)熱又一原因，因

此擴(kuò)散退火后需要進(jìn)行一次完全退火或正火來(lái)消除過(guò)熱。

（4）去應(yīng)力退火（低溫退火）

目的：用于消除鑄件，鍛件，焊接件，冷沖壓件以及機(jī)加工件中的殘余應(yīng)力，這些殘余應(yīng)力

在以后機(jī)加工或使用中潛在地會(huì)產(chǎn)生變形或開(kāi)裂。

工藝：將工件緩慢加熱到600-650C,保溫一定的時(shí)間，然后隨爐緩慢冷卻到200℃再出爐

空冷。

（5）球化退火

球化退火是將鋼加熱至Acl以上、Accm以下的雙相區(qū)，較長(zhǎng)時(shí)間保溫，并緩慢冷卻的工藝。

目的在于使珠光體內(nèi)的片狀滲碳體以及先共析滲碳體都變?yōu)榍蛄顫B碳體,均勻分布于鐵素

體基體中（這種組織稱(chēng)為球化珠光體）。具有這種組織的中碳鋼和高碳鋼硬度低、切削性好、

冷形變能力大。

適用于共析鋼與過(guò)共析鋼。

（5）球化退火

球化退火是將鋼加熱至Acl以上、Accm以下的雙相區(qū)，較長(zhǎng)時(shí)間保溫，并緩慢冷卻的工藝。

目的在于使珠光體內(nèi)的片狀滲碳體以及先共析滲碳體都變?yōu)榍蛄顫B碳體,均勻分布于鐵素

體基體中（這種組織稱(chēng)為球化珠光體）。具有這種組織的中碳鋼和高碳鋼硬度低、切削性好、

冷形變能力大。

適用于共析鋼與過(guò)共析鋼。

2鋼的正火

定義:將鋼件加熱到臨界點(diǎn)（Ac3,Acm）30-50°C以上，適當(dāng)保溫進(jìn)行完全奧氏體化，然后在

空氣中冷卻，這種熱處理稱(chēng)正火

正火的目的與退火相同，只是溫度高于退火，且在空氣中冷卻。

正火工藝：正火的加熱溫度與鋼的化學(xué)成分關(guān)系很大

低碳鋼加熱溫度為Ac3以上100-150℃

中碳鋼加熱溫度為Ac3以上50-100℃

高碳鋼加熱溫度為Accm以上30-50℃

保溫時(shí)間與工件厚度和加熱爐的形式有關(guān)，冷卻既可采用空冷也可采用吹風(fēng)冷卻，但注意工

件冷卻時(shí)不能堆放在一起，應(yīng)散開(kāi)放置。

正火后的組織與性能：正火實(shí)際上是退火的一種特殊情況，兩者不同之處主要在于正火的冷

卻速度較退火快，因此有偽共析組織。

正火的應(yīng)用

正火與退火相似，有以下特點(diǎn)：正火鋼的機(jī)械性能高，操作簡(jiǎn)便，生產(chǎn)周期短能量耗費(fèi)少，

因此盡可能選用正火。正火有以下幾方面的應(yīng)用：

1）普通結(jié)構(gòu)件的最終熱處理；

正火可以消除鑄造或鍛造生產(chǎn)中的過(guò)熱缺陷，細(xì)化組織，提高機(jī)械性能。

2)改善低碳鋼和低碳合金鋼的切削加工性；

硬度在160-230HB的金屬，易切削加工，金屬硬度高，不但難以加工，而且刀具易磨損，能

量耗費(fèi)也大，硬度過(guò)低，加工又易粘刀，使刀具發(fā)熱和磨損，且加工零件表面光潔度也很差。

3)作為中碳結(jié)構(gòu)鋼制作的較主要零件的預(yù)先熱處理；

正火常用來(lái)為較重要零件進(jìn)行預(yù)先熱處理。例如，對(duì)中碳結(jié)構(gòu)鋼正火，可使一些不正常的組

織變?yōu)檎＝M織，消除熱加工所造成的組織缺陷，并且它對(duì)減小工件淬火變形與開(kāi)裂提高淬

火質(zhì)量有積極作用。

4)消除過(guò)共析鋼中的網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火作組織準(zhǔn)備，這是因?yàn)檎鹄鋮s速度比

較快，二次滲碳體來(lái)不及沿A晶界呈網(wǎng)狀析出。

5)對(duì)一些大型或形復(fù)雜的零件，淬火可能有開(kāi)裂的危險(xiǎn)，正火也往往代替淬火，回火處理,

作為這些零件的最終熱處理。

1.3.4鋼的淬火

概念：將鋼加熱到Ac3或Acl以上某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后以適當(dāng)速度冷卻，獲得馬

氏體或下馬貝氏組織的熱處理工藝稱(chēng)為淬火.

目的：獲得馬氏體或下貝氏體，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。

提示：M或B下不是熱處理所要求的最后組織，淬火后，鋼材還要根據(jù)不同的需要，進(jìn)行不

同溫度的回火，這樣可使淬火M獲取不同的組織，從而使淬火鋼零件具有不同的機(jī)械性能，

充分滿(mǎn)足各種工具與零件的使用要求。

淬火工藝

(1)淬火加熱溫度的選擇

淬火溫度的高低與鋼的化學(xué)成分有關(guān)

亞共析鋼t=Ac3+(30-70)℃

共析鋼，過(guò)共析鋼t=Acl+(30?70)℃

亞共析碳鋼為什么要加熱到Ac3以上完全A化后淬火呢？

若加熱溫度選在Acl?Ac3之間，組織中有一部分鐵素體存在，在隨后的淬火冷卻中，由于

鐵素體不發(fā)生變化而保留下來(lái)，它的存在是鋼的淬火組織中存在軟點(diǎn)，降低了淬火鋼的硬度,

同時(shí)它的存在還會(huì)影響鋼的均勻性，影響機(jī)械性能，加熱Ac3以上太高也不行，鋼的氧化脫

碳嚴(yán)重，另一方面A晶粒粗大，淬火后M粗大，鋼的性能變壞

(2)加熱時(shí)間的選擇

加熱時(shí)間指的是升溫與保溫所需時(shí)間，加熱時(shí)間的長(zhǎng)短與很多因素有關(guān)，例如，鋼的成分、

原始組織、工件形狀、尺寸、加熱介質(zhì)、裝爐方式、爐溫等許多因素有關(guān)，確切計(jì)算加熱時(shí)

間很困難，只是給出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：

t=a*D

t加熱時(shí)間；a加熱系數(shù)；D工件有效厚度

(3)淬火冷卻介質(zhì)

理想淬火冷卻速度

加熱到A狀態(tài)的鋼，冷卻速度必須大于臨界冷卻速度是才能獲得要求的M組織。

常用的淬火冷卻介質(zhì)：油、水、鹽水、堿水等。

淬火方法

單液淬火：直冷，簡(jiǎn)單易操作。

雙液淬火：先快后慢，降低組織應(yīng)力。

分級(jí)淬火：快-恒-快，降低熱應(yīng)力與組織應(yīng)力。

等溫淬火：得到B下(工模具、彈簧)。

局部淬火：量具等的局部區(qū)域。

(4)淬火缺陷的防止方法

熱處理生產(chǎn)中，由于熱處理工藝處理不當(dāng)，常會(huì)給工件帶來(lái)缺陷，如氧化，脫碳，過(guò)熱，過(guò)

燒，硬度不足，變形與開(kāi)裂等。

氧化：氧化是因?yàn)殇撛谟醒趸詺怏w中加熱時(shí)，會(huì)發(fā)生氧化而在表面形成一層氧化皮，在高

溫下，甚至晶界也回會(huì)發(fā)生氧化。

脫碳:鋼在某些介質(zhì)中加熱時(shí)，這些介質(zhì)會(huì)使鋼表面的含碳量下降，我們稱(chēng)這現(xiàn)象為“脫碳”。

減少或防止鋼在淬火中氧化與脫碳的方法有：采用脫氧良好的鹽溶爐加熱；在可控保護(hù)氣氛

爐中加熱；在真空爐中加熱；

預(yù)留足夠的加工余量。

變形與開(kāi)裂：工件的變形與開(kāi)裂是熱應(yīng)力與組織應(yīng)力綜合的結(jié)果，但熱應(yīng)力與組織應(yīng)力方向

恰好相反，如果熱處理適當(dāng)，它們可部分相互抵消，可使殘余應(yīng)力減小，但是當(dāng)殘余應(yīng)力超

過(guò)鋼的屈服強(qiáng)度時(shí)，工件就發(fā)生變形，殘余應(yīng)力超過(guò)鋼的抗拉強(qiáng)度時(shí)，工件就產(chǎn)生開(kāi)裂。為

減小變形或開(kāi)裂，除了正確選擇鋼材和合理設(shè)計(jì)工件的結(jié)構(gòu)外，在工藝上可采取下列措施：

1)采用合理的鍛造與預(yù)先熱處理；

2)采用合理的熱處理工藝；

3)采用正確的操作方法；

4)對(duì)于淬火易開(kāi)裂的部分，如鍵槽，孔眼等用石棉堵塞。

1.3.5鋼的回火

概念：將經(jīng)過(guò)淬火的鋼加熱到AC1以下的適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后冷卻到室溫以獲得

所需組織和性能的熱處理工藝。

回火的目的

獲得工件所需的組織，降低內(nèi)應(yīng)力、提高韌性、穩(wěn)定尺寸、改善加工性能，通過(guò)調(diào)整回火溫

度可獲得不同硬度、強(qiáng)度和韌性的力學(xué)性能。

鋼淬火后一般都必須要進(jìn)行回火處理，回火決定了鋼在使用狀態(tài)的組織和壽命，因此是很主

要的熱處理工序。

2.回火的分類(lèi)及應(yīng)用

-

火

組

回火回

度

溫

織性能應(yīng)用組織形態(tài)

類(lèi)型

高硬度和高耐磨工模具鋼，

低溫過(guò)飽和a-Fe+

?℃脆性及殘余應(yīng)力表面淬火及

回火150250M'￡碳化物

低。滲碳淬火件

中

溫彈性極限和屈服

回

火350?500℃T彈性元件F針狀+Fe3c細(xì)粒狀

極限高

高溫良好的綜合機(jī)械

?℃重要零件F多邊形+Fe3c細(xì)粒狀

回火500650S'性能

淬火鋼回火時(shí)組織和性能的變化

①馬氏體分解(100~350℃)：回火M(低過(guò)飽和a+e碳化物)

②殘余奧氏體的分解(200-300℃)：B下

③碳化物的轉(zhuǎn)變(250~400℃)：e碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3c

④滲碳體的聚集長(zhǎng)大和a相再結(jié)晶(>400℃)

成為粒狀Fe3C,600℃后粗化

45鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)和正火后的性能比較

由于調(diào)質(zhì)處理后的組織為回火索氏體，其中滲碳體為顆粒狀，而正火所得到的索氏體中滲碳

體呈片狀，調(diào)質(zhì)鋼不僅硬度高，且塑性與韌性也高于正火狀態(tài)。

調(diào)質(zhì)處理一般作為最終熱處理，但也可以作為表面淬火和化學(xué)熱處理的預(yù)先熱處理。為了保

持淬火后的高硬度及尺寸穩(wěn)定性，淬火后又可進(jìn)行時(shí)效處理（溫度低于低溫回火）。

補(bǔ)充1:

時(shí)效處理

概念：將淬火后的金屬工件置於室溫或較高溫度下保持適當(dāng)時(shí)間，以提高金屬?gòu)?qiáng)度的熱處理

工藝。

室溫下進(jìn)行的時(shí)效處理是自然時(shí)效；較高溫度下進(jìn)行的時(shí)效處理是人工時(shí)效。

在機(jī)械生產(chǎn)中，為了穩(wěn)定鑄件尺寸，常將鑄件在室溫下長(zhǎng)期放置，然后才進(jìn)行切削加工。這

種措施也被稱(chēng)為時(shí)效。但這種時(shí)效不屬於金屬熱處理工藝。作用是為了消除精密量具或模

具、零件在長(zhǎng)期使用中尺寸、形狀發(fā)生變化，對(duì)在低溫或動(dòng)載荷條件下的鋼材構(gòu)件進(jìn)行時(shí)效

處理，以消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定鋼材組織和尺寸，尤為重要。

人工時(shí)效：淬火后重新加熱到100~150%：,保溫

10~15小時(shí)，這種低溫長(zhǎng)時(shí)間的熱處

理稱(chēng)人工時(shí)效。

時(shí)效,

自然時(shí)效：將淬火后的工件，露天長(zhǎng)時(shí)間存放半

年或更長(zhǎng)的時(shí)間，讓內(nèi)力逐漸釋放減

少的一種方法。

補(bǔ)充2：鋼的淬透性

淬透性表示的是鋼在淬火時(shí)所能得到的淬硬層深度。

鋼的淬硬性指的是鋼在淬火能達(dá)到的最高硬度。用不同的鋼制成相同形狀和尺寸的工件，在

同樣條件下淬火，淬透性好的鋼淬硬層較深，淬透性差的鋼淬硬層較淺。

三、小結(jié)：鋼的退火與正火

鋼的淬火

鋼的回火

時(shí)效處理與淬透性

第七講鋼的表面熱處理

§1.3.6鋼的熱處理

教學(xué)過(guò)程：

案例導(dǎo)入：

之前的課題研究了一般的熱處理工藝方法，即“四把火”為代表的普通熱處理工藝。但

面對(duì)要求表面硬而耐磨，高的疲勞強(qiáng)度，內(nèi)部足夠的塑性的一類(lèi)零件，如齒輪、凸輪、軸類(lèi)

等零件時(shí)，普通的熱處理工藝無(wú)法達(dá)到技術(shù)要求，那如何通過(guò)熱處理，提高這類(lèi)零件力學(xué)性

能呢？

教學(xué)內(nèi)容：

1、表面熱處理

目的：使零件具有“表硬心韌”的性能特點(diǎn)。

分類(lèi)：表面淬火、表面化學(xué)熱處理

2、表面淬火

目的：表面與心部的成分一致，組織不一樣。

工藝：將工件表面快速加熱到奧氏體區(qū)，在熱量尚未達(dá)到心部時(shí)立即迅速冷卻，使表面得到

一定深度的淬硬層，而心部仍保持原始組織的一種局部淬火方法。

分類(lèi)：火焰加熱表面淬火、感應(yīng)加熱表面淬火、激光加熱表面淬火

應(yīng)用場(chǎng)合：中碳鋼（Wc0.4—0.5%）,如40、45鋼機(jī)床齒輪、軸等零件。

3、常用的表面淬火技術(shù)

1）、火焰加熱表面淬火

裝置：如圖一。

淬硬層深度：2—6mm

優(yōu)點(diǎn)：方法簡(jiǎn)便；無(wú)需特殊設(shè)備；

適用于單件、小批量生產(chǎn)零件；

缺點(diǎn)：需要操作熟練，否則造成質(zhì)量不穩(wěn)定

應(yīng)用：軋鋼機(jī)齒輪、軋輻；

礦山機(jī)械齒輪、軸；

機(jī)床導(dǎo)軌、齒輪；

2）、感應(yīng)加熱表面淬火

裝置：如圖二

淬硬層與頻率有關(guān)：

0.2—2mm,高頻感應(yīng)加熱（100—1000KHZ）

2--8mm,中頻感應(yīng)加熱（0.5—10KHZ）；

>10—15mm,工頻感應(yīng)加熱（50HZ）

特點(diǎn)：淬火質(zhì)量好，表層組織細(xì)、硬度高、脆性

小、生產(chǎn)效率高、便于自動(dòng)化，缺點(diǎn)是設(shè)備昂貴,

勞動(dòng)條件差。

3）、激光加熱表面淬火

工藝：將高功率密度的激光束照射到工件表面，

使表面快速加熱到奧氏體區(qū)，依靠工件本身熱傳

導(dǎo)迅速自冷而獲得一定淬硬層的工藝操作。

硬化層：1—2mm

應(yīng)用：汽車(chē)、拖拉機(jī)汽缸套、汽缸、活塞環(huán)、凸輪軸等零件；特點(diǎn)：淬火質(zhì)量好，組織超

細(xì)化，硬度高、脆性極小、工件變形小、不需要回火、節(jié)約能源、無(wú)污染、效率高、便于

自動(dòng)化，但是設(shè)備昂貴。

4、表面化學(xué)熱處理

目的：表層與心部的成分、組織都不同

工藝：將工件置于某種化學(xué)介質(zhì)中，通過(guò)加熱、保溫和冷卻使介質(zhì)中的某些元素滲入工件表

層以改變工件表層的化學(xué)成分和組織，從而達(dá)到“表硬心韌”的性能特點(diǎn)。

可滲的元素：滲碳、氮、碳氮共滲（C、N、C\N）；滲硼、銘（B、Cr）；滲鋁、硅（Al、Si）；

滲硫（S）

5、滲碳技術(shù)

應(yīng)用場(chǎng)合：常用的材料為低碳鋼或者低碳合金鋼，如20、25、20CrMnTi

分類(lèi)：氣體滲碳法；固體滲碳法

常用介質(zhì)：具有活性碳原子，最常用的氣體（煤油、苯、甲醇等高溫分解的混合氣體（C0,

CH4、C2H4等））

過(guò)程：吸附過(guò)程，即活性碳原子吸附至工件表面；擴(kuò)散過(guò)程，即碳原子向工件里層擴(kuò)散。

溫度：在奧氏體區(qū)，900—9500C

時(shí)間：根據(jù)滲層深度而定，約10小時(shí)左右，

后續(xù)熱處理：滲碳+淬火+低溫回火

得到組織：表層為高碳回火馬氏體+碳化物+A'；心部為F+P或者M(jìn)回（低碳）+F+A'

6、典型零件工藝路線(xiàn)的制定

1）、軸類(lèi)零件（機(jī)床主軸）

（1）分析工作條件：承受中等交變扭矩載荷、交變彎曲載荷或者是拉壓載荷；局部（軸頸、

花鍵）承受摩擦和磨損。

（2）失效形式：疲勞斷裂，軸頸處磨損（主要方式）；沖擊過(guò)載斷裂等（偶爾發(fā)生）

（3）性能要求：高的疲勞強(qiáng)度；良好的綜合性能；局部高硬度；

（4）中碳鋼或者中碳合金鋼：45（40Cr）

（5）工藝路線(xiàn)：下料一鍛造一正火一粗加工一調(diào)質(zhì)（淬火+高溫回火）一局部表面淬火+低溫

回火f精磨f成品；

（6）組織：表面為回火馬氏體；心部為回火索氏體

2）、齒輪（低碳鋼、表面滲碳）

（1）工作條件：齒輪根部承受交變彎曲應(yīng)力；（傳遞扭矩時(shí)）；齒嚙合時(shí)齒面承受較大的接

觸壓應(yīng)力并受強(qiáng)烈的摩擦和磨損；換擋、氣動(dòng)、制動(dòng)時(shí)齒輪承受一定的沖擊。

（2）失效形式：齒的折斷（疲勞斷裂和沖擊過(guò)載斷裂）；齒表面磨損。

（3）性能要求：高的疲勞強(qiáng)度和表面硬度，心部具有足夠的塑性韌性。

（4）選材：低碳鋼（20,25）

（5）工藝路線(xiàn)：下料一鍛造一正火一機(jī)加工一滲碳+淬火+低溫回火一噴丸一精磨一成品

（6）微觀組織：表面：M回（高碳）+A'（少量）“表硬”

心部：F（多）+P“心韌”

三、小結(jié)：1、掌握表面熱處理的目的、分類(lèi)及應(yīng)用

2、了解常用的表面熱處理工藝

3、了解表面熱處理的典型零件；根據(jù)零件特點(diǎn)選擇合理的表面熱處理方式

第八講合金鋼

1.4合金鋼

案例導(dǎo)入：

之前的課題已經(jīng)研究了鋼的熱處理工藝方式（提問(wèn)：有哪些熱處理方式？）o本節(jié)將對(duì)

合金鋼這類(lèi)重要材料的知識(shí)進(jìn)行講解。

教學(xué)內(nèi)容：

1.4.1合金鋼的分類(lèi)與編號(hào)

1.合金鋼的分類(lèi)

廠鉆鋼

銘

J鋼

主

要

硼

1鋼

合金J低(〈5%)

合

金

含

銘

總

I銀

元

1中素

量(5%~10%)

高(>10%)

「合金結(jié)構(gòu)鋼「鐵素體鋼

用途T合金工具鋼麟-奧氏體鋼

、特殊性能鋼"L萊氏體鋼

2.合金鋼的編號(hào)

1）低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼：Q+屈服極限+質(zhì)量等級(jí)例如：Q295A

2）合金結(jié)構(gòu)鋼：兩位數(shù)字（平均含碳量的萬(wàn)倍）+元素符合+數(shù)字+（A）

后位數(shù)字為合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)，低于1.位不標(biāo)；1.5%~2.5%為2；2.5曠3字％為3；……40Cr,

38CrMoAlA

3）滾動(dòng)軸承鋼：G+Cr+數(shù)字（Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千倍）+（另外元素）全是高級(jí)