機械工程英語

第一單元

Materialsmaybegroupedinseveralways.Scientistsoftenclassify

materialsbytheirstate:solid,liquid,orgas.Theyalsoseparatetheminto

organic(onceliving)andinorganic(neverliving)materials.

材料可以按多種方法分類。科學家常根據狀態將材料分為：固體、液體或

氣體。他們也把材料分為有機材料(曾經有生命的)和無機材料(從未有生命的)。

Forindustrialpurposes,materialsaredividedintoengineering

materialsornonengineeringmaterials.Engineeringmaterialsarethoseused

inmanufactureandbecomepartsofproducts.

就工業效用而言，材料被分為工程材料和非工程材料那些用于加工制造并

成為產品組成部分的就是工程材料。

Nonengineeringmaterialsarethechemicals,fuels,lubricants,andother

materialsusedinthemanufacturingprocess,whichdonotbecomepartofthe

product.

非工程材料則是化學品、燃料、潤滑劑以及其它用于加工制造過程但不成為產品組

成部分的材料。

Engineeringmaterialsmaybefurthersubdividedinto:①Metal②

Ceramics?Composite④Polymers,etc.

工程材料還能進一步細分為：①金屬材料②陶瓷材料③復合材料④聚合材

料，等等。

MetalsandMetalAlloys

金屬和金屬合金

Metalsareelementsthatgenerallyhavegoodelectricalandthermal

conductivity.Manymetalshavehighstrength,highstiffness,andhavegood

ductility.

金屬就是通常具有良好導電性和導熱性的元素。許多金屬具有高強度、高硬

度以及良好的延展性。

Somemetals,suchasiron,cobaltandnickel,aremagnetic.Atlow

temperatures,somemetalsandintermetalliccompoundsbecome

superconductors.

某些金屬能被磁化，例如鐵、鉆和銀。在極低的溫度下，某些金屬和金屬化合物能

轉變成超導體。

Whatisthedifferencebetweenanalloyandapuremetal?Puremetals

areelementswhichcomefromaparticularareaoftheperiodictable.Examples

ofpuremetalsincludecopperinelectricalwiresandaluminumincooking

foilandbeveragecans.

合金與純金屬的區別是什么？純金屬是在元素周期表中占據特定位置的元

素。例如電線中的銅和制造烹飪箔及飲料罐的鋁。

Alloyscontainmorethanonemetallicelement.Theirpropertiescanbe

changedbychangingtheelementspresentinthealloy.Examplesofmetal

alloysincludestainlesssteelwhichisanalloyofiron,nickel,andchromium;

andgoldjewelrywhichusuallycontainsanalloyofgoldandnickel.

合金包含不止一種金屬元素。合金的性質能通過改變其中存在的元素而改變。金屬

合金的例子有：不銹鋼是一種鐵、銀、銘的合金，以及金飾品通常含有金銀合金。

Whyaremetalsandalloysused?Manymetalsandalloyshavehigh

densitiesandareusedinapplicationswhichrequireahighmass-to-volume

ratio.

為什么要使用金屬和合金？許多金屬和合金具有高密度，因此被用在需要較

高質量體積比的場合。

Somemetalalloys,suchasthosebasedonaluminum,havelowdensitiesand

areusedinaerospaceapplicationsforfueleconomy.Manyalloysalsohave

highfracturetoughness,whichmeanstheycanwithstandimpactandare

durable.

某些金屬合金，例如鋁基合金，其密度低，可用于航空航天以節約燃料。許多合金

還具有高斷裂韌性，這意味著它們能經得起沖擊并且是耐用的。

Whataresomeimportantpropertiesofmetals?

Densityisdefinedasamaterial'smassdividedbyitsvolume.Most

metalshaverelativelyhighdensities,especiallycomparedtopolymers.

金屬有哪些重要特性？

密度定義為材料的質量與其體積之比。大多數金屬密度相對較高，尤其是和

聚合物相比較而言。

Materialswithhighdensitiesoftencontainatomswithhighatomicnumbers,

suchasgoldorlead.However,somemetalssuchasaluminumormagnesiumhave

lowdensities,andareusedinapplicationsthatrequireothermetallic

propertiesbutalsorequirelowweight.

高密度材料通常由較大原子序數原子構成，例如金和鉛。然而，諸如鋁和鎂之類的

一些金屬則具有低密度，并被用于既需要金屬特性又要求重量輕的場合。

Fracturetoughnesscanbedescribedasamaterial'sabilitytoavoid

fracture,especiallywhenaflawisintroduced.Metalscangenerallycontain

nicksanddentswithoutweakeningverymuch,andareimpactresistant.A

footballplayercountsonthiswhenhetruststhathisfacemaskwon't

shatter.

斷裂韌性可以描述為材料防止斷裂特別是出現缺陷時不斷裂的能力。金屬一

般能在有缺口和凹痕的情況下不顯著削弱，并且能抵抗沖擊。橄欖球運動員據此相

信他的面罩不會裂成碎片。

Plasticdeformationistheabilityofbendordeformbeforebreaking.

Asengineers,weusuallydesignmaterialssothattheydon'tdeformunder

normalconditions.Youdon'twantyourcartoleantotheeastafterastrong

westwind.

塑性變形就是在斷裂前彎曲或變形的能力。作為工程師，設計時通常要使材

料在正常條件下不變形。沒有人愿意一陣強烈的西風過后自己的汽車向東傾斜。

However,sometimeswecantakeadvantageofplasticdeformation.Thecrumple

zonesinacarabsorbenergybyundergoingplasticdeformationbeforethey

break.

然而，有時我們也能利用塑性變形。汽車上壓皺的區域在它們斷裂前通過經歷塑性

變形來吸收能量。

Theatomicbondingofmetalsalsoaffectstheirproperties.Inmetals,

theoutervalenceelectronsaresharedamongallatoms,andarefreetotravel

everywhere.Sinceelectronsconductheatandelectricity,metalsmakegood

cookingpansandelectricalwires.

金屬的原子連結對它們的特性也有影響。在金屬內部，原子的外層階電子由

所有原子共享并能到處自由移動。由于電子能導熱和導電，所以用金屬可以制造好

的烹飪鍋和電線。

Itisimpossibletoseethroughmetals,sincethesevalenceelectronsabsorb

anyphotonsoflightwhichreachthemetal.Nophotonspassthrough.

因為這些階電子吸收到達金屬的光子，所以透過金屬不可能看得見。沒有光子能通

過金屬。

Alloysarecompoundsconsistingofmorethanonemetal.Addingother

metalscanaffectthedensity,strength,fracturetoughness,plastic

deformation,electricalconductivityandenvironmentaldegradation.

合金是由一種以上金屬組成的混合物。加一些其它金屬能影響密度、強度、

斷裂韌性、塑性變形、導電性以及環境侵蝕。

Forexample,addingasmallamountofirontoaluminumwillmakeitstronger.

Also,addingsomechromiumtosteelwillslowtherustingprocess,butwill

makeitmorebrittle.

例如，往鋁里加少量鐵可使其更強。同樣，在鋼里加一些銘能減緩它的生銹過程，

但也將使它更脆。

CeramicsandGlasses

陶瓷和玻璃

Aceramicisoftenbroadlydefinedasanyinorganicnonmetal1ic

material.Bythisdefinition,ceramicmaterialswouldalsoincludeglasses;

however,manymaterialsscientistsaddthestipulationthat“ceramic”must

alsobecrystalline.

陶瓷通常被概括地定義為無機的非金屬材料?。照此定義，陶瓷材料也應包括

玻璃；然而許多材料科學家添加了“陶瓷”必須同時是晶體物組成的約定。

Aglassisaninorganicnonmetalliematerialthatdoesnothavea

crystallinestructure.Suchmaterialsaresaidtobeamorphous.

玻璃是沒有晶體狀結構的無機非金屬材料。這種材料被稱為非結晶質材料。

PropertiesofCeramicsandGlasses

Someoftheusefulpropertiesofceramicsandglassesincludehigh

meltingtemperature,lowdensity,highstrength,stiffness,hardness,wear

resistance,andcorrosionresistance.

陶瓷和玻璃的特性

高熔點、低密度、高強度、高剛度、高硬度、高耐磨性和抗腐蝕性是陶瓷和

玻璃的一些有用特性。

Manyceramicsaregoodelectricalandthermalinsulators.Someceramicshave

specialproperties:someceramicsaremagneticmaterials;someare

piezoelectricmaterials;andafewspecialceramicsaresuperconductorsat

verylowtemperatures.Ceramicsandglasseshaveonemajordrawback:they

arebrittle.

許多陶瓷都是電和熱的良絕緣體。某些陶瓷還具有一些特殊性能：有些是磁性材料,

有些是壓電材料?，還有些特殊陶瓷在極低溫度下是超導體。陶瓷和玻璃都有一個主

要的缺點：它們容易破碎。

Ceramicsarenottypicallyformedfromthemelt.Thisisbecausemost

ceramicswillcrackextensively(i.e.formapowder)uponcoolingfromthe

liquidstate.

陶瓷一般不是由熔化形成的。因為大多數陶瓷在從液態冷卻時將會完全破碎

（即形成粉末）。

Hence,allthesimpleandefficientmanufacturingtechniquesusedforglass

productionsuchascastingandblowing,whichinvolvethemoltenstate,

cannotbeusedfortheproductionofcrystallineceramics.Instead,

“sintering"or"firing“istheprocesstypicallyused.

因此，所有用于玻璃生產的簡單有效的一諸如澆鑄和吹制這些涉及熔化的技術都不

能用于由晶體物組成的陶瓷的生產。作為替代，一般采用“燒結”或“焙燒”工藝。

Insintering,ceramicpowdersareprocessedintocompactedshapesandthen

heatedtotemperaturesjustbelowthemeltingpoint.Atsuchtemperatures,

thepowdersreactinternallytoremoveporosityandfullydensearticlescan

beobtained.

在燒結過程中，陶瓷粉末先擠壓成型然后加熱到略低于熔點溫度。在這樣的溫度下，

粉末內部起反應去除孔隙并得到十分致密的物品。

Anopticalfibercontainsthreelayers:acoremadeofhighlypure

glasswithahighrefractiveindexforthelighttotravel,amiddlelayer

ofglasswithalowerrefractiveindexknownasthecladdingwhichprotects

thecoreglassfromscratchesandothersurfaceimperfections,andanout

polymerjackettoprotectthefiberfromdamage.

光導纖維有三層：核心由高折射指數高純光傳輸玻璃制成，中間層為低折射

指數玻璃，是保護核心玻璃表面不被擦傷和完整性不被破壞的所謂覆層，外層是聚

合物護套，用于保護光導纖維不受損。

Inorderforthecoreglasstohaveahigherrefractiveindexthanthecladding,

thecoreglassisdopedwithasmall,controlledamountofanimpurity,or

dopant,whichcauseslighttotravelslower,butdoesnotabsorbthelight.

為了使核心玻璃有比覆層大的折射指數，在其中摻入微小的、可控數量的能減緩光

速而不會吸收光線的雜質或攙雜劑。

Becausetherefractiveindexofthecoreglassisgreaterthanthatofthe

cladding,lighttravelinginthecoreglasswillremaininthecoreglass

duetototalinternalreflectionaslongasthelightstrikesthe

core/claddinginterfaceatananglegreaterthanthecriticalangle.

由于核心玻璃的折射指數比覆層大，只要在全內反射過程中光線照射核心/覆層分界

面的角度比臨界角大，在核心玻璃中傳送的光線將仍保留在核心玻璃中。

Thetotalinternalreflectionphenomenon,aswellasthehighpurityof

thecoreglass,enableslighttotravellongdistanceswithlittlelossof

intensity.

全內反射現象與核心玻璃的高純度一樣，使光線幾乎無強度損耗傳遞長距離成為可

能。

Composites復合材料

Compositesareformedfromtwoormoretypesofmaterials.Examples

includepolymer/ceramicandmetal/ceramiccomposites.Compositesareused

becauseoverallpropertiesofthecompositesaresuperiortothoseofthe

individualcomponents.

復合材料由兩種或更多材料構成。例子有聚合物/陶瓷和金屬/陶瓷復合材

料之所以使用復合材料是因為其全面性能優于組成部分單獨的性能。

Forexample:polymer/ceramiccompositeshaveagreatermodulusthanthe

polymercomponent,butaren'tasbrittleasceramics.

Twotypesofcompositesare:fiber-reinforcedcompositesand

particle-reinforcedcomposites.

例如：聚合物/陶瓷復合材料具有比聚合物成分更大的模量，但又不像陶瓷那樣易碎。

復合材料有兩種：纖維加強型復合材料和微粒加強型復合材料。

Fiber-reinforcedComposites

Reinforcingfiberscanbemadeofmetals,ceramics,glasses,or

polymersthathavebeenturnedintographiteandknownascarbonfibers.

Fibersincreasethemodulusofthematrixmaterial.

纖維加強型復合材料

加強纖維可以是金屬、陶瓷、玻璃或是已變成石墨的被稱為碳纖維的聚合物。

纖維能加強基材的模量。

Thestrongcovalentbondsalongthefiber'slengthgivethemaveryhigh

modulusinthisdirectionbecausetobreakorextendthefiberthebondsmust

alsobebrokenormoved.

沿著纖維長度有很強結合力的共價結合在這個方向上給予復合材料很高的模量，因

為要損壞或拉伸纖維就必須破壞或移除這種結合。

Fibersaredifficulttoprocessintocomposites,making

fiber-reinforcedcompositesrelativelyexpensive.

把纖維放入復合材料較困難，這使得制造纖維加強型復合材料相對昂貴。

Fiber-reinforcedcompositesareusedinsomeofthemostadvanced,and

thereforemostexpensivesportsequipment,suchasatime-trialracing

bicycleframewhichconsistsofcarbonfibersinathermosetpolymermatrix.

纖維加強型復合材料用于某些最先進也是最昂貴的運動設備，例如計時賽競賽用自

行車骨架就是用含碳纖維的熱固塑料基材制成的。

Bodypartsofracecarsandsomeautomobilesarecompositesmadeofglass

fibers(orfiberglass)inathermosetmatrix.

競賽用汽車和某些機動車的車體部件是由含玻璃纖維(或玻璃絲)的熱固塑料基材制

成的。

Fibershaveaveryhighmodulusalongtheiraxis,buthavealow

modulusperpendiculartotheiraxis.Fibercompositemanufacturersoften

rotatelayersoffiberstoavoiddirectionalvariationsinthemodulus.

纖維在沿著其軸向有很高的模量，但垂直于其軸向的模量卻較低。纖維復合

材料的制造者往往旋轉纖維層以防模量產生方向變化。

Particle-reinforcedcomposites

Particlesusedforreinforcingincludeceramicsandglassessuch

assmallmineralparticles,metalparticlessuchasaluminum,and

amorphousmaterials,includingpolymersandcarbonblack.

微粒加強型復合材料

用于加強的微粒包含了陶瓷和玻璃之類的礦物微粒，鋁之類的金屬微粒以及

包括聚合物和碳黑的非結晶質微粒。

Particlesareusedtoincreasethemodulusofthematrix,todecrease

thepermeabilityofthematrix,todecreasetheductilityofthematrix.

Anexampleofparticle-reinforcedcompositesisanautomobiletirewhichhas

carbonblackparticlesinamatrixofpolyisobutyleneelastomericpolymer.

微粒用于增加基材的模量、減少基材的滲透性和延展性。微粒加強型復合材

料的一個例子是機動車胎，它就是在聚異丁烯人造橡膠聚合物基材中加入了碳黑微

業上

粒。

Polymers聚合材料

Apolymerhasarepeatingstructure,usuallybasedonacarbon

backbone.Therepeatingstructureresultsinlargechainlikemolecules.

Polymersareusefulbecausetheyarelightweight,corrosionresistant,easy

toprocessatlowtemperaturesandgenerallyinexpensive.

聚合物具有一般是基于碳鏈的重復結構。這種重復結構產生鏈狀大分子。由

于重量輕、耐腐蝕、容易在較低溫度下加工并且通常較便宜，聚合物是很有用的。

Someimportantcharacteristicsofpolymersincludetheirsize(or

molecularweight),softeningandmeltingpoints,crystallinity,and

structure.Themechanicalpropertiesofpolymersgenerallyincludelow

strengthandhightoughness.Theirstrengthisoftenimprovedusing

reinforcedcompositestructures.

聚合材料具有一些重要特性，包括尺寸(或分子量)、軟化及熔化點、結晶度

和結構。聚合材料的機械性能一般表現為低強度和高韌性。它們的強度通常可采用

加強復合結構來改善。

ImportantCharacteristicsofPolymers

Size.Singlepolymermoleculestypicallyhavemolecularweights

between10,000and1,000,OOOg/mol—thatcanbemorethan2,000repeating

unitsdependingonthepolymerstructure!

聚合材料的重要特性

尺寸：單個聚合物分子一般分子量為10,000到1,000,000g/mol之間，具

體取決于聚合物的結構一這可以比2,000個重復單元還多。

Themechanicalpropertiesofapolymeraresignificantlyaffectedbythe

molecularweight,withbetterengineeringpropertiesathighermolecular

weights.

聚合物的分子量極大地影響其機械性能，分子量越大，工程性能也越好。

Thermaltransitions.Thesofteningpoint(glasstransition

temperature)andthemeltingpointofapolymerwilldeterminewhichitwill

besuitableforapplications.Thesetemperaturesusuallydeterminetheupper

limitforwhichapolymercanbeused.

熱轉換性：聚合物的軟化點(玻璃狀轉化溫度)和熔化點決定了它是否適合應

用。這些溫度通常決定聚合物能否使用的上限。

Forexample,manyindustriallyimportantpolymershaveglasstransition

temperaturesneartheboilingpointofwater(100℃,212°F),andtheyare

mostusefulforroomtemperatureapplications.Somespeciallyengineered

polymerscanwithstandtemperaturesashighas300℃(572°F).

例如，許多工業上的重要聚合物其玻璃狀轉化溫度接近水的沸點(100℃,212T),

它們被廣泛用于室溫下。而某些特別制造的聚合物能經受住高達300℃(572T)的溫

度。

Crystallinity.Polymerscanbecrystallineoramorphous,butthey

usuallyhaveacombinationofcrystallineandamorphousstructures

(semi-crystalline).

結晶度：聚合物可以是晶體狀的或非結晶質的，但它們通常是晶體狀和非結

晶質結構的結合物(半晶體)。

Interchaininteractions.Thepolymerchainscanbefreetoslidepast

oneanother(thermo-plastic)ortheycanbeconnectedtoeachotherwith

crosslinks(thermosetorelastomer).Thermo-plasticscanbereformedand

recycled,whilethermosetsandelastomersarenotreworkable.

原子鏈間的相互作用：聚合物的原子鏈可以自由地彼此滑動(熱可塑性)或通

過交鍵互相連接(熱固性或彈性)。熱可塑性材料可以重新形成和循環使用，而熱固

性與彈性材料則是不能再使用的。

Intrachainstructure.Thechemicalstructureofthechainsalsohas

atremendouseffectontheproperties.Dependingonthestructurethepolymer

maybehydrophilicorhydrophobic(1ikesorhateswater),stifforflexible,

crystallineoramorphous,reactiveorunreactive.

鏈內結構：原子鏈的化學結構對性能也有很大影響。根據各自的結構不同，

聚合物可以是親水的或憎水的(喜歡或討厭水)、硬的或軟的、晶體狀的或非結晶質

的、易起反應的或不易起反應的。

第二單元

Theunderstandingofheattreatmentisembracedbythebroader

studyofmetallurgy.Metallurgyisthephysics,chemistry,andengineering

relatedtometalsfromoreextractiontothefinalproduct.

對熱處理的理解包含于對冶金學較廣泛的研究。冶金學是物理學、化學和涉

及金屬從礦石提煉到最后產物的工程學。

Heattreatmentistheoperationofheatingandcoolingametalinitssolid

statetochangeitsphysicalproperties.Accordingtotheprocedureused,

steelcanbehardenedtoresistcuttingactionandabrasion,oritcanbe

softenedtopermitmachining.

熱處理是將金屬在固態加熱和冷卻以改變其物理性能的操作。按所采用的步驟，鋼

可以通過硬化來抵抗切削和磨損，也可以通過軟化來允許機加工。

Withtheproperheattreatmentinternalstressesmayberemoved,grainsize

reduced,toughnessincreased,orahardsurfaceproducedonaductile

interior.Theanalysisofthesteelmustbeknownbecausesmal1percentages

ofcertainelements,notablycarbon,greatlyaffectthephysical

properties.

使用合適的熱處理可以去除內應力、細化晶粒、增加韌性或在柔軟材料上覆蓋堅硬

的表面。因為某些元素（尤其是碳）的微小百分比極大地影響物理性能，所以必須知

道對鋼的分析。

Alloysteelowetheirpropertiestothepresenceofoneormore

elementsotherthancarbon,namelynickel,chromium,manganese,molybdenum,

tungsten,silicon,vanadium,andcopper.Becauseoftheirimprovedphysical

propertiestheyareusedcommerciallyinmanywaysnotpossiblewithcarbon

steels.

合金鋼的性質取決于其所含有的除碳以外的一種或多種元素，如銀、銘、鎰、

鋁、鴇、硅、鋼和銅。由于合金鋼改善的物理性能，它們被大量使用在許多碳鋼不

適用的地方。

Thefollowingdiscussionappliesprincipallytotheheattreatment

ofordinarycommercialsteelsknownasplaincarbonsteels.Withthisprocess

therateofcoolingisthecontrollingfactor,rapidcoolingfromabovethe

criticalrangeresultsinhardstructure,whereasveryslowcooling

producestheoppositeeffect.

下列討論主要針對被稱為普通碳鋼的工業用鋼而言。熱處理時冷卻速率是控

制要素，從高于臨界溫度快速冷卻導致堅硬的組織結構，而緩慢冷卻則產生相反效

果。

ASimplifiedIron-carbonDiagram

簡化鐵碳狀態圖

Ifwefocusonlyonthematerialsnormallyknownassteels,a

simplifieddiagramisoftenused.

如果只把注意力集中于一般所說的鋼上，經常要用到簡化鐵碳狀態圖。

Thoseportionsoftheiron-carbondiagramnearthedeltaregionandthose

above2%carboncontentareoflittleimportancetotheengineerandare

deleted.Asimplifieddiagram,suchastheoneinFig.2.1,focusesonthe

eutectoidregionandisquiteusefulinunderstandingthepropertiesand

processingofsteel.

鐵碳狀態圖中靠近三角區和含碳量高于2%的那些部分對工程師而言不重要，因此將

它們刪除。如圖2.1所示的簡化鐵碳狀態圖將焦點集中在共析區，這對理解鋼的性

能和處理是十分有用的。

Thekeytransitiondescribedinthisdiagramisthedecomposition

ofsingle-phaseaustenite(Y)tothetwo-phaseferritepluscarbide

structureastemperaturedrops.

在此圖中描述的關鍵轉變是單相奧氏體(Y)隨著溫度下降分解成兩相鐵素

體加滲碳體組織結構。

Controlofthisreaction,whicharisesduetothedrasticallydifferent

carbonsolubilityofausteniteandferrite,enablesawiderangeof

propertiestobeachievedthroughheattreatment.

控制這一由于奧氏體和鐵素體的碳溶解性完全不同而產生的反應，使得通過熱處理

能獲得很大范圍的特性。

Tobegintounderstandtheseprocesses,considerasteelofthe

eutectoidcomposition,0.77%carbon,beingslowcooledalonglinex-x'in

Fig.2.1.Attheuppertemperatures,onlyausteniteispresent,the0.77%

carbonbeingdissolvedinsolidsolutionwiththeiron.Whenthesteelcools

to727℃(1341°F),severalchangesoccursimultaneously.

為了理解這些過程，考慮含碳量為0.77%的共析鋼，沿著圖2.1的x-x，線

慢慢冷卻。在較高溫度時，只存在奧氏體，0.77%的碳溶解在鐵里形成固溶體。當鋼

冷卻到727℃(1341°F)時，將同時發生若干變化。

TheironwantstochangefromtheFCCaustenitestructuretotheBCC

ferritestructure,buttheferritecanonlycontain0.02%carboninsolid

solution.

鐵需要從面心立方體奧氏體結構轉變為體心立方體鐵素體結構，但是鐵素體

只能容納固溶體狀態的0.02%的碳。

Therejectedcarbonformsthecarbon-richcementiteintermetallicwith

compositionFe3C.Inessence,thenetreactionattheeutectoidis

austenite0.77%C->ferrite0.02%C+cementite6.67%C.

被析出的碳與金屬化合物Fe3c形成富碳的滲碳體。本質上，共析體的基本反應是奧

氏體0.77%的碳一鐵素體0.02%的碳+滲碳體6.67%的碳。

Sincethischemicalseparationofthecarboncomponentoccurs

entirelyinthesolidstate,theresultingstructureisafinemechanical

mixtureofferriteandcementite.Specimenspreparedbypolishingandetching

inaweaksolutionofnitricacidandalcoholrevealthelamellarstructure

ofalternatingplatesthatformsonslowcooling.

由于這種碳成分的化學分離完全發生在固態中，產生的組織結構是一種細致

的鐵素體與滲碳體的機械混合物。通過打磨并在弱硝酸酒精溶液中蝕刻制備的樣本

顯示出由緩慢冷卻形成的交互層狀的薄片結構。

Thisstructureiscomposedoftwodistinctphases,buthasitsownsetof

characteristicpropertiesandgoesbythenamepearlite,becauseofits

resemblancetomother-of-pearlatlowmagnification.

這種結構由兩種截然不同的狀態組成，但它本身具有一系列特性，且因與低倍數放

大時的珠母層有類同之處而被稱為珠光體。

Steelshavinglessthantheeutectoidamountofcarbon(lessthan

0.77%)areknownashypo-eutectoidsteels.Considernowthetransformation

ofsuchamaterialrepresentedbycoolingalongliney-y'inFig.2.1.

含碳量少于共析體(低于0.77%)的鋼稱為亞共析鋼。現在來看這種材料沿著

圖2.1中y-y'線冷卻的轉變情況。

Athightemperatures,thematerialisentirelyaustenite,butuponcooling

entersaregionwherethestablephasesareferriteandaustenite.Tie-line

andlevel-lawcalculationsshowthatlow-carbonferritenucleatesandgrows,

leavingtheremainingaustenitericherincarbon.

在較高溫度時，這種材料全部是奧氏體，但隨著冷卻就進入到鐵素體和奧氏體穩定

狀態的區域。由截線及杠桿定律分析可知，低碳鐵素體成核并長大，剩下含碳量高

的奧氏體。

At727℃(1341°F),theausteniteisofeutectoidcomposition(0.77%carbon)

andfurthercoolingtransformstheremainingaustenitetopearlite.The

resultingstructureisamixtureofprimaryorpro-eutectoidferrite

(ferritethatformedabovetheeutectoidreaction)andregionsof

pearlite.

在727℃(1341°F)時，奧氏體為共析組成(含碳量0.77%),再冷卻剩余的奧氏體就轉

化為珠光體。作為結果的組織結構是初步的共析鐵素體(在共析反應前的鐵素體)和

部分珠光體的混合物。

Hypereutectoidsteelsaresteelsthatcontaingreaterthanthe

eutectoidamountofcarbon.Whensuchsteelcools,asshowninz-z,of

Fig.2.1theprocessissimilartothehypo-eutectoidcase,exceptthatthe

primaryorpro-eutectoidphaseisnowcementiteinsteadofferrite.

過共析鋼是含碳量大于共析量的鋼。當這種鋼冷卻時，就像圖2.1的z-z，

線所示，除了初步的共析狀態用滲碳體取代鐵素體外，其余類似亞共析鋼的情況。

Asthecarbon-richphaseforms,theremainingaustenitedecreasesincarbon

content,reachingtheeutectoidcompositionat727℃(1341°F).Asbefore,any

remainingaustenitetransformstopearliteuponslowcoolingthroughthis

temperature.

隨著富碳部分的形成，剩余奧氏體含碳量減少，在727℃(1341°F)時達到共析組織。

就像以前說的一樣，當緩慢冷卻到這溫度時所有剩余奧氏體轉化為珠光體。

Itshouldberememberedthatthetransitionsthathavebeendescribed

bythephasediagramsareforequilibriumconditions,whichcanbe

approximatedbyslowcooling.Withslowheating,thesetransitionsoccur

inthereversemanner.

應該記住由狀態圖描述的這種轉化只適合于通過緩慢冷卻的近似平衡條件。

如果緩慢加熱，則以相反的方式發生這種轉化。

However,whenalloysarecooledrapidly,entirelydifferentresultsmaybe

obtained,becausesufficienttimeisnotprovidedforthenormalphase

reactionstooccur,insuchcases,thephasediagramisnolongerauseful

toolforengineeringanalysis.

然而，當快速冷卻合金時，可能得到完全不同的結果。因為沒有足夠的時間讓正常

的狀態反應發生，在這種情況下對工程分析而言狀態圖不再是有用的工具。

Hardening淬火

Hardeningistheprocessofheatingapieceofsteeltoatemperature

withinoraboveitscriticalrangeandthencoolingitrapidly.

淬火就是把鋼件加熱到或超過它的臨界溫度范圍，然后使其快速冷卻的過

程。

Ifthecarboncontentofthesteelisknown,thepropertemperaturetowhich

thesteelshouldbeheatedmaybeobtainedbyreferencetotheiron-iron

carbidephasediagram.However,ifthecompositionofthesteelisunknown,

alittlepreliminaryexperimentationmaybenecessarytodeterminetherange.

如果鋼的含碳量已知，鋼件合適的加熱溫度可參考鐵碳合金狀態圖得到。然而當鋼

的成分不知道時，則需做一些預備試驗來確定其溫度范圍。

Agoodproceduretofollowistoheat-quenchanumberofsmallspecimensof

thesteelatvarioustemperaturesandobservetheresult,eitherbyhardness

testingorbymicroscopicexamination.Whenthecorrecttemperatureis

obtained,therewillbeamarkedchangeinhardnessandotherproperties.

要遵循的合適步驟是將這種鋼的一些小試件加熱到不同的溫度后淬火，再通過硬度

試驗或顯微鏡檢查觀測結果。一旦獲得正確的溫度，硬度和其它性能都將有明顯的

變化。

Inanyheat-treatingoperationtherateofheatingisimportant.Heat

flowsfromtheexteriortotheinteriorofsteelatadefiniterate.Ifthe

steelisheatedtoofast,theoutsidebecomeshotterthantheinteriorand

uniformstructurecannotbeobtained.

在任何熱處理作業中，加熱的速率都是重要的。熱量以一定的速率從鋼的外

部傳導到內部。如果鋼被加熱得太快，其外部比內部熱就不能得到均勻的組織結構。

Ifapieceisirregularinshape,aslowrateisallthemoreessentialto

eliminatewarpingandcracking.Theheavierthesection,thelongermustbe

theheatingtimetoachieveuniformresults.

如果工件形狀不規則，為了消除翹曲和開裂最根本的是加熱速率要緩慢。截面越厚,

加熱的時間就要越長才能達到均勻的結果。

Evenafterthecorrecttemperaturehasbeenreached,thepieceshouldbeheld

atthattemperatureforasufficientperiodoftimetopermititsthickest

sectiontoattainauniformtemperature.

即使加熱到正確的溫度后，工件也應在此溫度下保持足夠時間以讓其最厚截面達到

相同溫度。

Thehardnessobtainedfromagiventreatmentdependsonthequenching

rate,thecarboncontent,andtheworksize.Inalloysteelsthekindand

amountofalloyingelementinfluencesonlythehardenability(theability

oftheworkpiecetobehardenedtodepths）ofthesteelanddoesnotaffect

thehardnessexceptinunhardenedorpartiallyhardenedsteels.

通過給定的熱處理所得到的硬度取決于淬火速率、含碳量和工件尺寸。除了

非淬硬鋼或部分淬硬鋼外，合金鋼中合金元素的種類及含量僅影響鋼的淬透性（工件

被硬化到深層的能力）而不影響硬度。

Steelwithlowcarboncontentwillnotrespondappreciablyto

hardeningtreatment.Asthecarboncontentinsteelincreasesuptoaround

0.60%,thepossiblehardnessobtainablealsoincreases.

含碳量低的鋼對淬火處理沒有明顯的反應。隨著鋼的含碳量增加到大約

0.60%,可能得到的硬度也增加。

Abovethispointthehardnesscanbeincreasedonlyslightly,becausesteels

abovetheeutectoidpointaremadeupentirelyofpearliteandcementitein

theannealedstate.Pearliterespondsbesttoheat-treatingoperations;and

steelcomposedmostlyofpearlitecanbetransformedintoahardsteel.

高于此點，由于超過共析點鋼完全由珠光體和退火狀態的滲碳體組成，硬度增加并

不多。珠光體對熱處理作業響應最好;基本由珠光體組成的鋼能轉化成硬質鋼。

Asthesizeofpartstobehardenedincreases,thesurfacehardness

decreasessomewhateventhoughallotherconditionshaveremainedthesame.

Thereisalimittotherateofheatflowthroughsteel.

即使所有其它條件保持不變，隨著要淬火的零件尺寸的增加其表面硬度也會

有所下降。熱量在鋼中的傳導速率是有限的。

Nomatterhowcoolthequenchingmediummaybe,iftheheatinsidealarge

piececannotescapefasterthanacertaincriticalrate,thereisadefinite

limittotheinsidehardness.However,brineorwaterquenchingiscapable

ofrapidlybringingthesurfaceofthequenchedparttoitsowntemperature

andmaintainingitatorclosetothistemperature.

無論淬火介質怎么冷，如果在大工件中的熱量不能比特定的臨界速率更快散發，那

它內部硬度就會受到明確限制。然而鹽水或水淬火能夠將被淬零件的表面迅速冷卻

至本身溫度并將其保持或接近此溫度。

Underthesecircumstancestherewouldalwaysbesomefinitedepthofsurface

hardeningregardlessofsize.Thisisnottrueinoilquenching,whenthe

surfacetemperaturemaybehighduringthecriticalstagesofquenching.

在這種情況下不管零件尺寸如何，其表面總歸有一定深度被硬化。但油淬情況就不

是如此，因為油淬時在淬火臨界階段零件表面的溫度可能仍然很高。

Tempering回火

Steelthathasbeenhardenedbyrapidquenchingisbrittleandnot

suitableformostuses.Bytemperingordrawing,thehardnessandbrittleness

maybereducedtothedesiredpointforserviceconditions.

快速淬火硬化的鋼是硬而易碎的，不適合大多數場合使用。通過回火，硬度

和脆性可以降低到使用條件所需要的程度。

Asthesepropertiesarereducedthereisalsoadecreaseintensilestrength

andanincreaseintheductilityandtoughnessofthesteel.Theoperation

consistsofreheatingquench-hardenedsteeltosometemperaturebelowthe

criticalrangefollowedbyanyrateofcooling.

隨著這些性能的降低，拉伸強度也降低而鋼的延展性和韌性則會提高。回火作業包

括將淬硬鋼重新加熱到低于臨界范圍的某一溫度然后以任意速率冷卻。

Althoughthisprocesssoftenssteel,itdiffersconsiderablyfromannealing

inthattheprocesslendsitselftoclosecontrolofthephysicalproperties

andinmostcasesdoesnotsoftenthesteeltotheextentthatannealingwould.

Thefinalstructureobtainedfromtemperingafullyhardenedsteeli