機(jī)械制造基礎(chǔ) 課件全套 杜素梅 第0-8章 緒論、金屬材料及熱處理- 先進(jìn)加工技術(shù)簡(jiǎn)介

機(jī)械制造基礎(chǔ)緒論課程主要內(nèi)容課程的目的和要求課程的特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法教材及主要參考書(shū)一、機(jī)械制造工藝裝配工藝：熱處理表面處理切削加工（鉗工、機(jī)加工）特種加工熱加工冷加工工程材料毛坯成形工藝：鑄造、鍛壓、焊接零件成形工藝零件材料改性工藝機(jī)器零件二、課程的主要內(nèi)容1.常用工程材料的性能特點(diǎn)及用途2.金屬材料的改性—熱處理3.零件毛坯的主要成形方法：鑄造、鍛壓、焊接、非金屬材料的成型4.零件毛坯的選擇及零件材料的選用5.機(jī)械加工工藝基礎(chǔ)6.實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：與生產(chǎn)實(shí)踐密切相關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)課，必修課?；疽螅?/p>

1.獲得有關(guān)常用材料性能特點(diǎn)及用途的基本知識(shí)；

2.掌握金屬材料熱處理的基本原理、工藝及應(yīng)用；

3.熟悉鑄造、鍛壓、焊接、非金屬材料成型的基本原理和工藝，具有毛坯選擇的基本知識(shí)和初步能力；

4.熟悉零件機(jī)械加工的基本知識(shí)，具有合理安排零件加工工藝過(guò)程的初步能力。三、課程的性質(zhì)和要求四、課程的特點(diǎn)和學(xué)習(xí)方法1.課程特點(diǎn)內(nèi)容多、知識(shí)廣、綜合性和實(shí)踐性強(qiáng)。2.學(xué)習(xí)方法與金工實(shí)習(xí)生產(chǎn)實(shí)踐密切結(jié)合，重視實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，各部分知識(shí)要有機(jī)結(jié)合，綜合分析，提高對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力。五、教材和參考書(shū)六、課程考核及成績(jī)?cè)u(píng)定方法主要內(nèi)容及要求：掌握常用力學(xué)性能指標(biāo)、符號(hào)含義、應(yīng)用及測(cè)定方法；熟悉鐵碳合金相圖及其應(yīng)用；掌握鋼的熱處理的基本概念、工藝及其應(yīng)用熟悉常用金屬材料的熱處理工藝、性能特點(diǎn)及應(yīng)用；重點(diǎn)、難點(diǎn)：

1.強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性等力學(xué)性能指標(biāo)；

2.鐵碳合金的分類(lèi)、組織和性能特點(diǎn)；

3.普通熱處理工藝、表面淬火、滲碳、滲氮及應(yīng)用；

4.常用鋼鐵材料的熱處理工藝、性能特點(diǎn)及應(yīng)用。第1章金屬材料及熱處理主要內(nèi)容及要求：理解常用力學(xué)性能的含義；掌握主要的力學(xué)性能指標(biāo)，熟悉有關(guān)術(shù)語(yǔ)、符號(hào)含義及應(yīng)用場(chǎng)合，了解其測(cè)定方法.重點(diǎn)：材料的強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、等。1.1金屬材料常用力學(xué)性能指標(biāo)第1章金屬材料及熱處理材料的性能定義:材料在使用和加工過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的特性。分類(lèi):材料的性能疲勞性能使用性能工藝性能物理化學(xué)性能力學(xué)性能強(qiáng)度塑性硬度韌性耐磨性鑄造性能鍛造性能焊接性能切削加工性能熱處理性能

在靜載荷下強(qiáng)度、塑性硬度：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、顯微硬度在沖擊載荷下沖擊韌性在交變載荷下疲勞強(qiáng)度材料的力學(xué)性能：指材料在外力的作用下所表現(xiàn)出來(lái)的特性。載荷材料在外力作用下的變形與失效?。?？1.1金屬材料常用力學(xué)性能指標(biāo)一、剛度、強(qiáng)度和塑性

強(qiáng)度

指材料在外力的作用下，抵抗變形和斷裂的能力。

塑性指材料在外力作用下產(chǎn)生永久塑性變形而不破斷的能力。剛度：工程上，常把零件或構(gòu)件抵抗彈性變形的能力稱(chēng)

為剛度，其大小與材料的彈性模量E有關(guān)。E值越大，

剛度越大，合金化或熱處理強(qiáng)化對(duì)材料的彈性模量E值

影響不大。因此，對(duì)同一種類(lèi)材料，提高零件或構(gòu)件

剛度的有效途徑是改變其截面形狀或尺寸。（舉例）標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣長(zhǎng)試樣：短試樣：測(cè)試方法－靜載拉伸試驗(yàn)力—伸長(zhǎng)曲線FesbkLFsFbO屈服彈性變形頸縮斷裂開(kāi)始塑性變形縮頸現(xiàn)象1.強(qiáng)度指標(biāo)屈服強(qiáng)度：材料在屈服時(shí)(發(fā)生微量塑性變形）的應(yīng)力值。

抗拉強(qiáng)度Rm：材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力值。

彈性極限Re：試樣保持純彈性變形的最大應(yīng)力值。

力—伸長(zhǎng)曲線FesbkLFsLFbO下屈服強(qiáng)度：物理意義：表征材料在每個(gè)變形階段的應(yīng)力極限值。1.強(qiáng)度指標(biāo)低碳鋼的應(yīng)力-延伸率曲線圖（R-e曲線圖）ReH－上屈服強(qiáng)度ReL－下屈服強(qiáng)度強(qiáng)度是零件

設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)

當(dāng)零件所受的工作應(yīng)力：R<Re

時(shí)，材料只產(chǎn)生彈性變形；Re

<R<ReL時(shí)，材料除發(fā)生彈性變形外，還發(fā)生微量塑性變形；ReL

<R<Rm

時(shí)，材料將產(chǎn)生明顯塑性變形；

R>Rm

時(shí)，零件將產(chǎn)生裂紋，最終斷裂。2.塑性指標(biāo)斷面收縮率：指試樣被拉斷后，橫截面積的相對(duì)收縮量，用Z（舊標(biāo)準(zhǔn)用Ψ）表示

。斷后伸長(zhǎng)率：指試樣拉斷后的相對(duì)伸長(zhǎng)量，用A（舊標(biāo)準(zhǔn)用δ）表示。生產(chǎn)中，為了提高安全性，都要求零件具有一定的塑性。一般，伸長(zhǎng)率達(dá)5％或斷面收縮率達(dá)10％的材料，即可滿足大多數(shù)零件的使用要求。

說(shuō)明：

A、Z值越大材料的塑性越好

2.塑性指標(biāo)常用測(cè)量方法--靜載壓入法定義：指材料表面抵抗局部塑性變形或破壞的能力，是表征材料力學(xué)性能的綜合參量。

一般，硬度強(qiáng)度耐磨性塑性二、硬度1.布氏硬度HB壓頭硬質(zhì)合金球符號(hào)

HBW范圍450≤HBＷ≤650應(yīng)用布氏硬度值在450~650HBＷ的材料。例如，退火和正火態(tài)鋼、鑄鐵、有色金屬等軟材料的硬度。

布氏硬度實(shí)驗(yàn)原理用一定直徑的壓頭（球體），以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測(cè)表面，并保持規(guī)定時(shí)間，卸載后，測(cè)量材料表面壓痕直徑，以此計(jì)算出硬度值。壓頭工件布氏硬度值的表示方法硬度值放在HBW符號(hào)之前；符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷大小和載荷保持時(shí)間。例如:

120HBW10/1000/30保荷時(shí)間30s載荷1000kgf（9807N）鋼球直徑為10mm布氏硬度值為120布氏硬度特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：應(yīng)用：壓痕大，測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。壓痕面積較大，測(cè)量費(fèi)時(shí)。不適于測(cè)量成品零件或薄件的硬度。常用于測(cè)量較軟材料，如灰口鑄鐵、有色金屬、退火和正火態(tài)鋼材的硬度。實(shí)驗(yàn)原理：用錐頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑1.588mm的淬火鋼球，以相應(yīng)試驗(yàn)力（預(yù)載荷＋主載荷）壓入待測(cè)表面，保持規(guī)定時(shí)間,卸載后（卸除主載荷），測(cè)量的殘余壓痕深度增量，計(jì)算出硬度值。2.洛氏硬度HRK為常數(shù)，金剛石壓頭時(shí)，K＝0.2mm淬火鋼球壓頭時(shí)，K＝0.26mm1-1加預(yù)載荷

P0

h12-2加總載P0＋P1

h23-3卸主載荷P1

h3測(cè)得殘余壓痕深度增量:

h=h3-h100112332h1h2hh3洛氏硬度的特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，方便，壓痕小，測(cè)量范圍大，可用于測(cè)量較薄件和成品件。缺點(diǎn)：精度較低，不同標(biāo)度的硬度值不能比較，不適于測(cè)量組織不均勻材料。應(yīng)用：洛氏硬度符號(hào)壓頭類(lèi)型總試驗(yàn)力/N應(yīng)用舉例HRC120o金剛石圓錐體1471調(diào)質(zhì)態(tài)鋼、淬火態(tài)鋼等HRBＷ直徑Φ1.5875mm球Ｗ＝碳化鎢合金980.7有色金屬、鑄鐵、退火和正火態(tài)鋼等HRA120o金剛石圓錐體588.4硬質(zhì)合金等洛氏硬度值的表示

70~85HRA25~100HRBＷ20~70HRC例如：50HRB>45HRC〤HRA、HRBＷ、HRC分別測(cè)得的硬度，不可直接比較大小。3.維氏硬度HV壓頭：錐面夾角為136o的金剛石正四棱錐體。實(shí)驗(yàn)原理：以一定的試驗(yàn)力，將壓頭壓入試樣表面，保持一定時(shí)間卸載后，在試樣表面留下一個(gè)四方錐形的壓痕，測(cè)量壓痕兩對(duì)角線長(zhǎng)度，以此計(jì)算出硬度值。

維氏硬度表示方法與布氏硬度基本相同，在后面要標(biāo)注試驗(yàn)條件—試驗(yàn)力和保持時(shí)間（10~15秒時(shí)不標(biāo)出）舉例：

580HV30：表示用30kgf(294.2N)試驗(yàn)力保持10~15秒測(cè)定的維氏硬度值為580。維氏硬度的特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精確，壓痕小，載荷大小可調(diào)，能測(cè)從軟到硬的各種材料以及薄件，并統(tǒng)一比較硬度值。缺點(diǎn)：操作較麻煩，測(cè)量效率低。不宜用于成批生產(chǎn)時(shí)的常規(guī)檢驗(yàn)。

應(yīng)用：主要用于測(cè)量薄件、表面硬化層和經(jīng)化學(xué)熱處理零件的硬度，如滲碳層、電鍍層等。三、沖擊韌性

定義：在沖擊載荷作用下，材料抵抗破斷的能力。測(cè)定方法：一次擺錘沖擊試驗(yàn)法

衡量指標(biāo)：沖擊韌性（ak）

物理意義:

試樣在沖斷時(shí)，單位橫截面積上所消耗的沖擊功AK

，單位為J/cm2

aK值越大，表示材料的沖擊韌性越好。

一次擺錘沖擊試驗(yàn)沖擊韌性：沖擊功：應(yīng)用評(píng)價(jià)材料冶金質(zhì)量和鍛造及熱處理的缺陷；與屈服強(qiáng)度結(jié)合用于一般零件抗斷裂設(shè)計(jì)；測(cè)量材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。T℃↓，ak值急劇↓，韌性→脆性。韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低↓，材料的低溫沖擊韌性愈好↑。

aK值一般不直接用于計(jì)算。原因：不同材料的aK值可能相同?？梢?jiàn)，材料的使用溫度應(yīng)高于其韌脆轉(zhuǎn)變溫度。小結(jié)：

強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性指標(biāo)符號(hào)及含義；2.零件設(shè)計(jì)時(shí)，常用的強(qiáng)度指標(biāo)；3.各種硬度測(cè)量方法的適用范圍。思考及作業(yè)題第1章金屬材料及熱處理1.2鐵碳合金主要內(nèi)容及要求：

理解金屬的結(jié)晶過(guò)程熟悉純金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)熟悉鐵碳合金相圖及應(yīng)用掌握碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)碳鋼的組織和性能的影響1.2鐵碳合金一、純鐵及其同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純金屬的結(jié)晶過(guò)程金屬晶粒的大小與控制純金屬的晶體結(jié)構(gòu)（一）純金屬的結(jié)晶過(guò)程1.基本概念凝固：液態(tài)（L）→固態(tài)（晶體或非晶體）結(jié)晶：液態(tài)→固態(tài)晶體（只能是晶體）金屬的結(jié)晶：液態(tài)金屬→固態(tài)金屬晶體廣義理解：是指金屬?gòu)囊环N原子的排列狀態(tài)過(guò)渡到另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的過(guò)程。2.冷卻曲線與過(guò)冷度

冷卻曲線：結(jié)晶時(shí)，溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線。

實(shí)際結(jié)晶溫度：水平段所對(duì)應(yīng)的溫度Tn

過(guò)冷：液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度T0以下開(kāi)始結(jié)晶的現(xiàn)象，稱(chēng)為過(guò)冷。

過(guò)冷度

T

：指理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差，T=To–Tn

結(jié)晶的必要條件：必須有過(guò)冷度

T

V冷Tn

T

3.純金屬的結(jié)晶過(guò)程

由晶核的形成和晶核的長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程組成。液態(tài)金屬中存在著時(shí)聚時(shí)散的原子集團(tuán)，它們規(guī)則排列形成晶胚。在To

以下一定時(shí)間后，一些大尺寸的晶胚將會(huì)長(zhǎng)大成為晶核。晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)；同時(shí)，又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成和長(zhǎng)大成為晶粒，直到晶粒相互接觸，液體完全消失，形成多晶體。即：

晶胚一定T

下晶核

長(zhǎng)大

晶粒晶核1.晶粒大小對(duì)力學(xué)性能的影響

常溫下，晶粒越細(xì)小，金屬力學(xué)性能越好。即Rm↑

HBW↑A↑ak↑2.鑄造生產(chǎn)中，常用細(xì)化鑄件晶粒的方法

提高過(guò)冷度：如采用金屬型模代替砂模、在模外加強(qiáng)制冷卻、采用低溫慢速澆注等。

進(jìn)行變質(zhì)處理：在澆注前向液態(tài)金屬中加入難熔固體顆粒（變質(zhì)劑），提高晶核數(shù)量，使晶粒細(xì)化。

振動(dòng)、攪拌等：有機(jī)械、電磁、超聲波等方法。細(xì)晶強(qiáng)化：

生產(chǎn)中，通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)提高金屬材料強(qiáng)韌性的方法稱(chēng)為細(xì)晶強(qiáng)化。（二）金屬晶粒的大小及控制（三）純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

三種典型的晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型及其特征

特征晶格類(lèi)型晶胞晶胞中原子數(shù)原子半徑r與晶格常數(shù)a的關(guān)系致密度①/%典型金屬體心立方晶格268

-Fe、W、Cr、Mo面心立方晶格40.74

－Fe、Al、Cu、Pb密排六方晶格60.74Zn、Mg、Ti、Zr注：①致密度指在晶胞中原子所占的體積百分?jǐn)?shù)，表示原子排列的緊密程度。

正是純鐵具有同素異構(gòu)現(xiàn)象，工業(yè)生產(chǎn)中才能對(duì)鋼和鑄鐵進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（四）純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

純鐵具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變；塑性好，強(qiáng)度和硬度極低；可與碳形成Fe3C和間隙固溶體。1.2鐵碳合金純金屬的優(yōu)點(diǎn)：具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性、金屬光澤等。不足之處：強(qiáng)度、硬度、耐磨性等力學(xué)性能都比較差，種類(lèi)有限。合金：種類(lèi)繁多（達(dá)數(shù)萬(wàn)種），性能各異，應(yīng)用更為廣泛。指通過(guò)熔煉、燒結(jié)或其它方法，將一種金屬元素與其它金屬或非金屬元素結(jié)合在一起形成的具有金屬特性的物質(zhì)。

例如：由鐵與碳形成的合金稱(chēng)為鐵碳合金。合金的相結(jié)構(gòu)：兩大類(lèi)固溶體金屬化合物二、鐵碳合金中的基本組織固溶體：奧氏體、鐵素體金屬化合物：Fe3C機(jī)械混合物：P、Ld′1.2鐵碳合金（一）固溶體1.定義：溶質(zhì)原子溶入溶劑的晶格中形成的，成分和性能均勻并保持溶劑晶格結(jié)構(gòu)的金屬晶體，稱(chēng)為固溶體。2.分類(lèi)：按溶質(zhì)原子的位置置換固溶體：溶質(zhì)原子在溶劑晶格中占據(jù)結(jié)點(diǎn)位置間隙固溶體：溶質(zhì)原子在溶劑晶格中占據(jù)間隙位置置換固溶體間隙固溶體固溶強(qiáng)化：指通過(guò)在溶劑的晶格中溶入某種溶質(zhì)原子形成固溶體，使金屬的變形抗力增加，強(qiáng)度和硬度提高

的現(xiàn)象。4.固溶體的形成對(duì)合金性能的影響

固溶強(qiáng)化3.固溶體的特征①組成：總是以一種金屬元素為溶劑，另一種或多種元素為溶質(zhì)碳可溶入鐵的晶格中形成固溶體，鐵為溶劑，碳為溶質(zhì)②成分：可在一定范圍內(nèi)變化，性能隨成分的變化而變化③結(jié)構(gòu)：與溶劑的晶格結(jié)構(gòu)相同④性能：與溶劑金屬相比，強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性無(wú)明顯降低。固溶強(qiáng)化是強(qiáng)化金屬材料的重要途徑之一。5.鐵碳合金中的固溶體

（1）鐵素體：碳溶入α-Fe的晶格中形成的間隙固溶體，用F表示，體心立方晶格結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能與純鐵接近，塑性很好，強(qiáng)度、硬度低。

（2）奧氏體：碳溶入γ-Fe的晶格中形成的間隙固溶體，用A表示，面心立方晶格結(jié)構(gòu)塑性很好，強(qiáng)度、硬度略高于鐵素體。

鐵素體和奧氏體是鐵碳合金中的基本組織。（二）金屬化合物1.定義：指合金組元之間形成的，晶格類(lèi)型既不同于溶劑也不同于溶質(zhì)，但仍保持金屬特性的化合物。晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜熔點(diǎn)高，硬度高，脆性大，塑性幾乎為零。2.鐵碳合金中的金屬化合物——滲碳體

在合金中，金屬化合物常作為強(qiáng)化相存在，提高金屬材料的強(qiáng)度！3.對(duì)合金性能的影響：

強(qiáng)度、硬度、耐磨性提高鐵碳合金中的Fe3CFe3C的晶體結(jié)構(gòu)（三）機(jī)械混合物1.定義：合金中，由兩種固溶體或固溶體與金屬化合物組成的兩相混合物。2.性能：介于兩組成相之間3.鐵碳合金中的機(jī)械混合物

珠光體：是F與Fe3C組成的機(jī)械混合物，用

P表示，平均含碳量為0.77%，具有一定的強(qiáng)度和塑性，硬度適中。萊氏體：平均含碳量為4.3%，是白口鑄鐵中的主要組織。

727℃以上，為A和Fe3C的機(jī)械混合物，用Ld

表示；

727℃以下，為

P和Fe3C

的機(jī)械混合物，用Ld?表示；

基體為Fe3C，力學(xué)性能與Fe3C相似，硬度高，脆性大。三、鐵碳合金相圖

Fe-Fe3C相圖分析鐵碳合金的分類(lèi)鋼的分類(lèi)及室溫組織碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)碳鋼性能的影響1.2鐵碳合金（一）Fe-Fe3C相圖分析L+Fe3CⅠLd+Fe3CⅠLd’+Fe3CⅠ簡(jiǎn)化的Fe-Fe3C相圖

特性點(diǎn)

P、S、E、C點(diǎn)特征線PSK線：A1線GS線：A3線ES線：Acm線（二）鐵碳合金的分類(lèi)及室溫組織（三）含碳量對(duì)鋼的組織和性能的影響1.亞共析鋼

wC增加，P%增多，F(xiàn)%減少，強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性降低。2.共析鋼

P%，為珠光體本身的性能。3.過(guò)共析鋼

wC≤0.9%時(shí)，wC增加，P%減少，在晶界上析出Fe3CⅡ的量增多，但還沒(méi)有連成網(wǎng)狀，強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性降低；當(dāng)wC＞0.9%時(shí)，由于在晶界上析出Fe3CⅡ的量增多且呈連續(xù)的網(wǎng)狀分布，硬度仍提高，但強(qiáng)度降低，脆性增大。

本節(jié)小結(jié)：鐵碳合金中的五種基本組織；鐵碳合金的平衡組織（以碳鋼為主）；含碳量對(duì)鐵碳合金組織和力學(xué)性能的影響，并能解釋生產(chǎn)中的一些現(xiàn)象。思考與作業(yè)題第1章金屬材料及熱處理1.3鋼的熱處理主要內(nèi)容：

鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變鋼冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織及性能鋼的退火和正火鋼的淬火和回火鋼的表面熱處理

熱處理的定義及工藝過(guò)程工件固態(tài)加熱保溫冷卻改善組織和性能保溫t冷卻

V冷t/minT/℃T加加熱

V加

一、鋼的熱處理概述

目的

提高材料的使用性能，延長(zhǎng)零件的使用壽命。改善材料的工藝性能，確保后續(xù)加工的順利進(jìn)行。應(yīng)用：機(jī)床60%～70%零件，汽車(chē)70%～80%零件，工模具及滾動(dòng)軸承100%進(jìn)行熱處理。

熱處理工藝分類(lèi)其他：控制氣氛熱處理、真空熱處理形變熱處理、激光熱處理等普通熱處理：退火、正火、淬火、回火表面熱處理：表面淬火、化學(xué)熱處理熱處理1.根據(jù)加熱和冷卻方式，以及組織和性能特點(diǎn)的不同分類(lèi)：2.按零件在生產(chǎn)過(guò)程中熱處理的位置和作用不同分類(lèi)：預(yù)備熱處理：又稱(chēng)中間熱處理目的：改善鍛、鑄件組織，消除應(yīng)力，為后續(xù)的加工做好準(zhǔn)備。最終熱處理：賦予工件最終使用性能目的：使零件獲得所需使用性能。

一、鋼的熱處理概述二、鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變（一）鋼的臨界溫度（臨界點(diǎn)）

在熱處理生產(chǎn)中，實(shí)際相變溫度偏離平衡狀態(tài)圖中的平衡臨界溫度。

加熱時(shí)相變溫度偏向高溫，冷卻時(shí)偏向低溫。平衡臨界溫度

A1、A3、Acm加熱時(shí)，實(shí)際臨界溫度

Ac1、Ac3、Accm冷卻時(shí)，實(shí)際臨界溫度

Ar1、Ar3、Arcm

AA＋FP＋FPP＋Fe3CⅡA＋Fe3CⅡGSEP加熱和冷卻對(duì)鋼的臨界溫度的影響KAr3ArcmAr1Ac3AccmAc1A3AcmA1二、鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變（二）奧氏體化的概念?yuàn)W氏體化：鋼件加熱到臨界點(diǎn)以上，獲得細(xì)小均勻奧氏體組織的過(guò)程。完全奧氏體化：鋼件加熱到Ac3或Accm以上，獲得單一奧氏體組織的過(guò)程。不完全奧氏體化：鋼件在Ac1~Ac3或Ac1～Accm兩相區(qū)加熱，獲得（A＋F）或（A＋Fe3CⅡ）的過(guò)程。Ac1AccmAc3溫度wCAGPSFPP＋FA＋FEP＋Fe3CⅡA＋Fe3CⅡFe

加熱目的二、鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變（三）

奧氏體的形成及影響因素奧氏體的的形成同樣包括形核和長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程。共析鋼加熱時(shí)奧氏體的形成：PAAc1以上亞共析鋼和過(guò)共析鋼加熱時(shí)A的形成亞共析鋼：室溫平衡組織不完全A化完全A化（P+F）Ac1～Ac3（A＋F）Ac3以上A（P+Fe3CⅡ）過(guò)共析鋼：Ac1～Accm（A+Fe3CⅡ）Accm以上A二、鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變加熱溫度和保溫時(shí)間：TA↑

tA↑，奧氏體晶?！?/p>

TA↑tA↓，奧氏體晶粒↓

熱處理新工藝—

快速加熱，短時(shí)保溫碳：當(dāng)有未溶碳化物存在時(shí)，阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，晶?！辖鹪兀撼齅n、P和過(guò)量Al外，均阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大Al、Ti、Zr、V、W、Mo、Cr、Si、Ni、Cu

強(qiáng)弱化學(xué)成分：同一種鋼，A晶粒越細(xì)，室溫組織越細(xì)，鋼的力學(xué)性能越好。62三、鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物有哪些？珠光體、貝氏體、馬氏體的組織形態(tài)和性能特點(diǎn)是怎樣的？

P、B、M相比，哪種組織的硬度最高？如何獲得？冷卻速度？問(wèn)題引導(dǎo)：63

冷卻轉(zhuǎn)變的重要性：

冷卻速度不同，工件熱處理后的組織和性能不同：冷卻方法

力學(xué)性能Rm/MPaReL/MPaA/%Z/%硬度HRC爐冷（退火）51.227.5325018空冷（正火）65.7~70.63315~1845~5018~24水冷淬火107.870.67~812~1452~60不同冷卻方式對(duì)45鋼力學(xué)性能的影響建立“材料成份－加工工藝－組織結(jié)構(gòu)－性能”關(guān)系不同方式冷卻后的組織：退火→P+F；正火→索氏體+鐵素體；淬火→馬氏體64以共析鋼的過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變?yōu)槔?/p>

過(guò)冷奧氏體的概念指在臨界溫度A1以下尚未發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的不穩(wěn)定奧氏體。

過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線

描述轉(zhuǎn)變產(chǎn)物與溫度、時(shí)間之間的關(guān)系。65穩(wěn)定A區(qū)過(guò)冷A區(qū)過(guò)冷A+

產(chǎn)物區(qū)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)時(shí)間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMfA1～550℃，高溫區(qū)珠光體轉(zhuǎn)變P550～230℃(Ms)中溫區(qū)貝氏體轉(zhuǎn)變B過(guò)冷A轉(zhuǎn)變終止線Ms～-50℃(Mf

)低溫區(qū)馬氏體轉(zhuǎn)變M過(guò)冷A轉(zhuǎn)變開(kāi)始線共析碳鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線過(guò)冷A向M轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度過(guò)冷A向M轉(zhuǎn)變終了溫度A過(guò)冷AA→P時(shí)間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMfA1～550℃，高溫區(qū)珠光體轉(zhuǎn)變P550～230℃(Ms)中溫區(qū)貝氏體轉(zhuǎn)變BMS～-50℃(Mf

)低溫區(qū)馬氏體轉(zhuǎn)變MA→BA→M共析碳鋼的過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線67（一）珠光體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及其性能轉(zhuǎn)變溫度：A1

～550℃轉(zhuǎn)變過(guò)程：過(guò)冷A→P轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：珠光體（P），呈層片狀，是F和Fe3C

的機(jī)械混合物。根據(jù)片層厚薄不同，片狀珠光體分為三種:

珠光體(P)、索氏體(S)、屈氏體(T)

，見(jiàn)表。組織名稱(chēng)形成溫度（℃）片層間距（μm）片層形態(tài)可見(jiàn)倍數(shù)（×）硬度（HBW）力學(xué)性能珠光體P（粗片P）A1～650＞0.4較厚、平直、連續(xù)500170～250強(qiáng)硬度較低塑韌性較好索氏體S650～6000.4～0.2800～1000250～300綜合力學(xué)性能好屈/托氏體T600～550＜0.2極薄、斷續(xù)、彎曲2000～5000300～450強(qiáng)硬度較高68

過(guò)冷A→P索氏體(S)8000×屈氏體(T)8000×珠光體(P)3800×P、S、T比較片間距(S0)：P＞S＞T

強(qiáng)度、硬度：T＞S＞P

片狀珠光體的組織形態(tài)取決于形成溫度。T↓S0↓69轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：貝氏體（B）是過(guò)飽和的F和Fe3C的機(jī)械混合物。

有兩種組織形態(tài)：下貝氏體上貝氏體轉(zhuǎn)變溫度：550℃

～230℃(Ms)轉(zhuǎn)變過(guò)程：過(guò)冷A→B（二）貝氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及其性能70組織名稱(chēng)形成溫度／℃顯微組織特征硬度／HRC性能特點(diǎn)上貝氏體350~550

呈暗灰色羽毛狀，不連續(xù)的棒狀Fe3C分布于條狀F之間。40~45

強(qiáng)度低，塑韌性差，很少用。下貝氏體230~350

呈針葉狀，細(xì)片狀Fe3C分布于針狀F內(nèi)。45~55

強(qiáng)韌性好，綜合力學(xué)性能好，是生產(chǎn)上常用的強(qiáng)韌化組織之一。過(guò)冷A→B711.轉(zhuǎn)變溫度：Ms～Mf(230℃～－50℃)2.轉(zhuǎn)變過(guò)程：過(guò)冷A→M3.轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：馬氏體(M)，是碳固溶于α-Fe中形成的過(guò)飽和固溶體。有兩種組織形態(tài)：（三）馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及其性能板條馬氏體片狀馬氏體725.馬氏體的組織形態(tài)和性能特點(diǎn)

片狀M：針片狀或竹葉狀；含碳量高，強(qiáng)度和硬度高，塑性差?！?/p>

硬而脆4.馬氏體的組織形態(tài)與含碳量有關(guān)wC（%）＜0.20.2～1.0＞1.0M形態(tài)板條M板條＋片狀片狀M

板條M：板條狀，一束束細(xì)條；含碳量低，具有良好綜合力學(xué)性能?！?/p>

強(qiáng)韌性好

73轉(zhuǎn)變類(lèi)型轉(zhuǎn)變產(chǎn)物形成溫度/℃顯微組織特征硬度（HRC）獲得工藝珠光體PA1~650

粗片狀5-20退火S650~600

細(xì)片狀20-30正火T600~550

極細(xì)片狀30-40等溫退火貝氏體B上550~350

羽毛狀40-50等溫淬火B(yǎng)下350~Ms

竹葉狀50-60等溫淬火馬氏體M板條Ms~Mf板條狀50淬火M針Ms~Mf針片狀60-65淬火共析碳鋼過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及其獲得工藝74四、鋼的退火和正火退火和正火的定義、目的及工藝過(guò)程？退火和正火工藝如何選擇？主要問(wèn)題：機(jī)械零件加工的一般工藝過(guò)程：

毛坯（鑄件、鍛件）→預(yù)備熱處理→機(jī)加工→最終熱處理→精加工

退火與正火工藝主要用于預(yù)備熱處理，通常安排在毛坯生產(chǎn)之后，切削加工之前進(jìn)行75

定義（一）鋼的退火

，又稱(chēng)“燜火”工藝規(guī)范加熱溫度：臨界溫度以上或以下。冷卻方式：爐冷。為提高生產(chǎn)率，可采用等溫冷卻或冷到500℃左右出爐空冷。保溫時(shí)間：保證透燒，一般以1.0mm/min～1.5mm/min計(jì)算。鋼件加熱適當(dāng)溫度保溫緩冷的熱處理工藝室溫組織：接近平衡組織，可根據(jù)Fe-Fe3C相圖確定爐冷500℃出爐空冷T/℃t/min76常用退火、正火溫度范圍和工藝曲線臨界點(diǎn)再結(jié)晶退火

常用退火工藝（特點(diǎn)及應(yīng)用范圍見(jiàn)教材）771.完全退火

應(yīng)用：亞共析成分碳鋼或合金鋼加熱溫度：Ac3+30℃~50℃室溫組織：P＋F目的：消除鍛件或鑄件應(yīng)力；細(xì)化晶粒，均勻組織；

降低硬度，改善切削加工性中碳鋼：P＋FAc3+30℃～50℃爐冷AC3500℃空冷溫度時(shí)間完全退火工藝曲線782.球化退火應(yīng)用：共析、過(guò)共析成分碳鋼或合金鋼加熱溫度：Ac1＋20℃～30℃組織：P球（F基體上分布著顆粒狀Fe3C）目的：使網(wǎng)狀或片狀Fe3C球化降低硬度，便于切削加工為淬火作組織準(zhǔn)備

T12鋼球化退火組織：P球加熱溫度范圍P球比P片：塑性和韌性好，強(qiáng)度和硬度低。79（二）鋼的正火，又稱(chēng)“常化”鋼件加熱臨界溫度以上保溫空冷

定義

加熱溫度亞共析鋼：Ac3+30℃～50℃

共析鋼：Ac1+30℃～50℃

過(guò)共析鋼：Accm+30℃～50℃

正火組織

wC<0.6%時(shí)，F(xiàn)+S

wC

0.6%時(shí)，S單相A區(qū)80

正火的目的細(xì)化均勻組織對(duì)低碳鋼、低碳低合金鋼，硬度切削加工性能對(duì)過(guò)共析鋼，消除網(wǎng)狀Fe3CⅡ，為后續(xù)球化退火、淬火作組織準(zhǔn)備。消除鑄件、鍛件、焊件中的粗大組織。對(duì)力學(xué)性能要求不高的零件，可作為最終熱處理。（二）鋼的正火，又稱(chēng)“?；?11.組織和力學(xué)性能

同一種鋼，正火比退火組織細(xì)密，強(qiáng)度硬度↑2.為改善切削加工性能低碳鋼用正火；中碳鋼用完全退火或正火；高碳鋼用球化退火。3.熱處理缺陷退火時(shí)，鋼在爐中時(shí)間長(zhǎng)，脫碳和氧化比正火要嚴(yán)重些。

4.經(jīng)濟(jì)成本方面：正火比退火成本低。（三）

退火與正火工藝的選擇82五、鋼的淬火和回火

生產(chǎn)中，淬火常與適當(dāng)?shù)幕鼗鸸に嚺浜?，獲得零件所需的使用性能。問(wèn)題引導(dǎo)：

什么是鋼的淬火？淬火的目的是什么？碳鋼淬火溫度的確定常用淬火冷卻介質(zhì)及冷卻方法什么是鋼的淬透性？淬火鋼件為什么必須回火？回火的種類(lèi)、組織性能及應(yīng)用。83加熱快速冷卻B區(qū)等溫MB鋼件Ac3或Ac1以上A化

定義

目的

獲得馬氏體和（或）貝氏體組織，提高鋼硬度、強(qiáng)度、耐磨性，以滿足零件的使用性能要求。淬火是發(fā)揮金屬材料性能潛力的重要手段之一！（一）鋼的淬火84亞共析鋼：Ac3+30℃～50℃

完全A化，獲得細(xì)小M組織

碳鋼淬火加熱溫度確定共析鋼、過(guò)共析鋼：

Ac1+30℃～50℃獲得細(xì)小M＋粒狀Fe3C＋少量A殘強(qiáng)度、硬度高，耐磨性好

合金鋼淬火加熱溫度的確定

一般，Ac3

或Ac1+50℃～100℃。大多數(shù)合金元素，對(duì)奧氏體的形成和長(zhǎng)大有阻礙作用，因而合金鋼淬火溫度比碳鋼高。

高合金鋼加熱過(guò)程中，往往需要預(yù)熱！85淬火介質(zhì)水油鹽浴或堿浴冷卻能力

強(qiáng)較弱介于水油之間變形開(kāi)裂傾向大較小小

適用范圍形狀簡(jiǎn)單的碳鋼件合金鋼、小而復(fù)雜的碳鋼件尺寸小、形狀復(fù)雜、精度要求高的工件

常用淬火介質(zhì)生產(chǎn)中常用淬火介質(zhì)的特點(diǎn)、適用范圍

淬火后組織

0.5%C時(shí)：M

0.5%C時(shí)：M+A殘亞共析鋼共析鋼：M＋A殘過(guò)共析鋼：M+粒狀Fe3C+A殘86

常用淬火方法及應(yīng)用

采用不同的淬火方法，可彌補(bǔ)淬火介質(zhì)的不足。①單介質(zhì)淬火②雙介質(zhì)淬火③分級(jí)淬火④等溫淬火87淬火方法比較方法淬火介質(zhì)等溫時(shí)間等溫目的組織性能特點(diǎn)應(yīng)用范圍單介質(zhì)水、油————M高的強(qiáng)度和硬度淬火應(yīng)力較大形狀簡(jiǎn)單、尺寸較小的工件

雙介質(zhì)油-空氣水－油————M高的強(qiáng)度和硬度淬火應(yīng)力降低中等尺寸、形狀復(fù)雜的高碳鋼、尺寸較大的合金鋼工件

分級(jí)淬火鹽浴堿浴較短減小工件表面與心部溫差M

高的強(qiáng)度和硬度應(yīng)力變形顯著降低變形要求嚴(yán)格且尺寸不大的工件

等溫淬火鹽浴堿浴較長(zhǎng)使A→B下獲得B下組織B下良好的強(qiáng)韌性，綜合力學(xué)性能好形狀復(fù)雜、截面不大且要求精度高并具有良好強(qiáng)韌性的零件

88

鋼的淬透性和淬硬性淬透的含義指淬火時(shí)，使工件從表面到心部都得到馬氏體（M）組織。淬透性：指鋼在淬火時(shí)獲得M的能力，是鋼的本質(zhì)屬性。淬硬性：指鋼淬火后所能達(dá)到的最高硬度，取決于M中的wC，wC↑

淬硬性↑淬透性好的鋼，淬硬性不一定好。

影響淬透性的主要因素

合金元素：除Co外，均使鋼的淬透性↑

含碳量：對(duì)亞共析鋼，wC↑，淬透性↑

對(duì)過(guò)共析鋼，wC

↑，淬透性↓鋼中合金元素的主要作用之一，即是提高鋼的淬透性，以提高其強(qiáng)韌性。89

定義

目的減少或消除淬火應(yīng)力穩(wěn)定組織獲得所需力學(xué)性能（二）淬火鋼的回火加熱淬火鋼

Ac1以下保溫空氣中冷卻到室溫提示未經(jīng)淬火的鋼回火無(wú)意義，而淬火鋼不回火，在放置或使用過(guò)程中易變形或開(kāi)裂。淬火后的鋼件應(yīng)立即進(jìn)行回火。脆性工件的變形、開(kāi)裂傾向回火的分類(lèi)、組織及應(yīng)用回火類(lèi)型回火溫度/℃回火后組織回火后硬度HRC性能特點(diǎn)用途低溫回火150～250

M回58～64硬度高，耐磨性好，脆性、內(nèi)應(yīng)力降低。工具鋼、滾動(dòng)軸承滲碳件、表面淬火件中溫回火250～500T回35～50良好彈性，屈強(qiáng)比高，一定的韌性和抗疲勞性彈簧鋼，如彈簧等彈性元件。高溫回火500～600S回25～35強(qiáng)韌性好，即具有良好的綜合力學(xué)性能。重要結(jié)構(gòu)件和零件，如連桿、軸、齒輪

調(diào)質(zhì)處理＝淬火＋高溫回火柴油機(jī)連桿汽車(chē)板簧滾動(dòng)軸承銼刀91六、鋼的表面熱處理重點(diǎn)介紹：鋼的表面淬火—感應(yīng)加熱表面淬火鋼的化學(xué)熱處理—滲碳、滲氮92（一）鋼的表面淬火應(yīng)用：適用于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、摩擦和沖擊的零件，例如：齒輪、凸輪、曲軸、軋輥等——只需表面淬硬的工件機(jī)床導(dǎo)軌等大型復(fù)雜工件——只能表面淬硬的工件表面淬火用鋼：多用中碳碳鋼、中碳的合金鋼。

常用方法：感應(yīng)加熱、火焰加熱、激光加熱表面淬火、等。工藝特點(diǎn)：①工件表面化學(xué)成分不變，只改變表面組織和性能；

②表面與心部的成分一致，但組織不同。工藝：表面有一定深度的淬硬層工件表面快速加熱A化熱量未達(dá)到心部時(shí)迅速冷卻心部保持原組織目的：

①表面具有高的硬度、耐磨性和疲勞極限；

②心部在保持一定的強(qiáng)度、硬度的條件下，具有足夠的塑性、韌性。

表硬里韌931.感應(yīng)加熱表面淬火工作原理：淬硬層深度（mm）f↑

δ↓分類(lèi)高頻感應(yīng)加熱；中頻感應(yīng)加熱工頻感應(yīng)加熱特點(diǎn)（與普通淬火比較）加熱速度快，溫度高，生產(chǎn)效率高A晶粒細(xì)小，強(qiáng)度硬度脆性表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，疲勞強(qiáng)度氧化脫碳表面質(zhì)量耐磨性心部無(wú)相變，變形精度應(yīng)用：大批量生產(chǎn)感應(yīng)加熱表面淬火齒輪的截面圖942.火焰加熱表面淬火

工作原理淬硬層深度：δ=2～8mm

特點(diǎn)簡(jiǎn)單、方便、成本低，但質(zhì)量不易控制。應(yīng)用：?jiǎn)渭?、小批量生產(chǎn)火焰加熱表面淬火示意圖95（二）化學(xué)熱處理

定義：

分類(lèi)：按滲入元素種類(lèi)分為滲C、N、C－N、B、S、Cr、Al、Cr－Al、等。

目的：強(qiáng)化表面，并使工件表面具有某種特殊性能。如耐磨、耐腐蝕等。

生產(chǎn)周期長(zhǎng)，工藝復(fù)雜，成本高。鋼件活性介質(zhì)加熱保溫活性原子滲入工件表層表層的化學(xué)成分、組織、性能改變96定義：鋼件A化

碳原子滲入鋼件表層的過(guò)程。目的：表面wC

硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度

心部具有一定的強(qiáng)度以及較高的塑韌性用途：表面受?chē)?yán)重磨損，并承受較大沖擊載荷的零件。要求表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度高，心部良好的塑性、韌性滲碳用鋼：低碳成分的普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼，如15、20、20Cr、20CrMnTi、20MnVB

（一般0.15～0.30%C，滲碳后的表面達(dá)0.8～1.05％C）滲碳方法：氣體滲碳、固體滲碳、液體滲碳、電解液滲碳、離子滲碳等。1.鋼的滲碳加熱在富C介質(zhì)中保溫淬火＋回火表硬里韌97

氣體滲碳

工藝參數(shù)的選擇

滲碳溫度：

900～930℃（Ac3＋50～80℃）滲碳時(shí)間：

取決于滲碳層的深度。滲層表面含碳量：

wc＝

0.8%～1.05%

井式滲碳爐）

CH4→[

C]+2H2CO→[

C]+CO2

CO+H2→[C]+H2O

過(guò)程：分解吸附擴(kuò)散常用滲碳劑：煤油、苯、甲醇、丙酮、醋酸乙酯、天然氣、煤氣等98一般滲碳零件的工藝路線：

鍛造→正火→切削加工→滲碳→淬火+低溫回火→精加工滲碳零件的特點(diǎn)：

①表層硬（58HRC～62HRC）、耐磨，心部韌性好；

②滲層均勻；

③滲碳溫度高、晶粒粗大，必須進(jìn)行滲后處理；

④時(shí)間長(zhǎng)，工藝復(fù)雜。滲碳層深度：一般，δ=0.5～2.5mm預(yù)備熱處理最終熱處理滲后處理：淬火＋低溫回火，此時(shí)零件組織為：表層：M回+顆粒狀碳化物+A殘(少量)心部：M回+F（淬透時(shí)）992.鋼的滲氮（氮化）

指向鋼的表面滲入氮原子的過(guò)程。氮化用鋼：含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳鋼。常用鋼種：38CrMoAl氮化溫度：

500～570℃；氮化層厚度不超過(guò)0.6-0.7mm。常用氮化方法

氣體氮化法與氣體滲碳法類(lèi)似，滲劑為氨。

離子氮化法是在電場(chǎng)作用下，使電離的氮離子高速?zèng)_擊作為陰極的工件。與氣體氮化相比，氮化時(shí)間短，氮化層脆性小。離子氮化爐100

滲氮的特點(diǎn)及應(yīng)用

優(yōu)點(diǎn)：氮化件表面硬度高（1000-2000HV），耐磨性好。比滲碳高疲勞強(qiáng)度高。由于表面為壓應(yīng)力狀態(tài)。工件變形小。原因：氮化溫度低，氮化后不需進(jìn)行熱處理。耐蝕性好。因?yàn)楸韺有纬傻牡锘瘜W(xué)穩(wěn)定性高。

缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜，成本高，氮化層薄。

應(yīng)用：用于要求沖擊載荷小、耐磨性和精度都很高的零件。例如：一些精密機(jī)床的主軸和絲杠、精密齒輪、精密模具、儀表小軸、輕載齒輪、重要曲軸等。101小結(jié):鋼加熱的目的——奧氏體化鋼冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變（1）珠光體類(lèi)組織：P、S、T；S0RmHBW

（2）下貝氏體組織：B下，強(qiáng)韌性好（3）馬氏體：板條M強(qiáng)韌性好，片狀M硬而脆退火和正火淬火和回火感應(yīng)加熱表面淬火滲碳1.4常用鋼鐵材料主要內(nèi)容：

鋼的分類(lèi)和編號(hào)方法結(jié)構(gòu)鋼工具鋼不銹鋼一、鋼的分類(lèi)及編號(hào)方法

編號(hào)原則：①根據(jù)編號(hào)可大致看出該鋼的成分；

②根據(jù)編號(hào)可大致看出該鋼的用途。

編號(hào)方法：漢語(yǔ)拼音字母＋化學(xué)元素符號(hào)＋阿拉伯?dāng)?shù)字具體如下：鋼號(hào)中合金元素采用國(guó)際化學(xué)符號(hào)表示，例如：Si、Mn、Cr……，稀土元素用“Re”表示。產(chǎn)品名稱(chēng)、用途、冶煉和澆注方法等，一般采用漢語(yǔ)拼音

縮寫(xiě)字母表示。鋼中主要合金元素含量（%）采用阿拉伯?dāng)?shù)字表示。（一）碳鋼的分類(lèi)和編號(hào)方法按化學(xué)成分低碳鋼：wC＜0.25％中碳鋼：wC＝0.25％～0.6％高碳鋼：wC

＞0.6％按質(zhì)量分類(lèi)普通碳素鋼：ws<0.035～0.05%；wp<0.035～0.045%優(yōu)質(zhì)碳素鋼：ws<0.030～0.035%；wp<0.030～0.035%高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼：ws<0.02%；wp<0.03%按用途分類(lèi)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼硫、磷含量越低，鋼材的質(zhì)量越好。一、鋼的分類(lèi)及編號(hào)方法1.碳素結(jié)構(gòu)鋼屈服強(qiáng)度代號(hào)屈服強(qiáng)度值要求：主要保證力學(xué)性能，在牌號(hào)上直接體現(xiàn)。編號(hào)方法：Q＋數(shù)字（＋質(zhì)量等級(jí)符號(hào)＋脫氧方法符號(hào)）質(zhì)量等級(jí)符號(hào)：由A、B、C、D，鋼中S、P含量依次

降低，質(zhì)量越好。脫氧方法符號(hào)：F—沸騰鋼；b—半鎮(zhèn)靜鋼。例如：Q235-A?F為A級(jí)沸騰鋼。一、鋼的分類(lèi)及編號(hào)方法2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼要求：保證化學(xué)成分和力學(xué)性能，一般需熱處理后使用。編號(hào)方法：兩位數(shù)字表示鋼的平均含碳量的萬(wàn)倍。例如:“45”表示平均含碳量為0.45%的鋼。

注：錳含量較高時(shí)，應(yīng)將錳元素標(biāo)出

wMn＝0.7～1.2％時(shí)標(biāo)出，如15Mn、70Mn。特點(diǎn)：隨鋼號(hào)數(shù)字↑，wC↑，組織中P％↑,

F%↓，強(qiáng)度、硬度↑,塑性↓。一、鋼的分類(lèi)及編號(hào)方法3.碳素工具鋼要求：保證化學(xué)成分和力學(xué)性能，需經(jīng)熱處理獲得所需的性能。編號(hào)方法：T＋數(shù)字(＋A)，數(shù)字表示鋼的平均碳含量的千倍。例:“T12”表示平均碳含量為1.2%的碳素工具鋼。

注：①錳含量較高者，在鋼號(hào)最后標(biāo)出“Mn”，例如“T8Mn”。

②鋼號(hào)后加注字母“A”，為高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，

S、P含量比一般優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼低，例如“T12A”。特點(diǎn)：高碳（wC=0.65%~1.35%）隨數(shù)字↑wC↑組織中P％↓Fe3C%↑硬度↑塑性↓一、鋼的分類(lèi)及編號(hào)方法1.合金結(jié)構(gòu)鋼：兩位數(shù)字＋合金元素符號(hào)＋數(shù)字（A）平均含碳量的萬(wàn)倍合金元素平均含量的百倍高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼舉例：

1．20CrMnTi：表示平均含碳量為0.20%，合金元素Cr、Mn、Ti的含量均低于1.5%；

2．60Si2Mn：表示平均含碳量為0.60%、合金元素Mn的含量低于1.5%、Si的含量為1.5％～2.5%的合金結(jié)構(gòu)鋼。

練習(xí)：40Cr、38CrMoAlA

（二）合金鋼的牌號(hào)編制方法2.低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

Q×××（A～E）常用牌號(hào)：Q355Q390Q420Q4603.滾動(dòng)軸承鋼G＋Cr+數(shù)字＋其它合金元素

說(shuō)明：①碳含量不標(biāo)出②Cr后面的數(shù)字，表示其含量的千倍。例：GCr15、GCr9SiMn（二）合金鋼的牌號(hào)編制方法4.合金工具鋼和高速鋼數(shù)字＋合金元素符號(hào)＋數(shù)字平均含碳量的千倍合金元素平均含量的百倍當(dāng)WC≥1.0%時(shí)，含碳量不標(biāo)出，如Cr12、CrWMn當(dāng)WC＜1.0%時(shí)，以千分之幾表示，如9SiCr、3Cr2W8V說(shuō)明：用兩位或三位數(shù)字表示碳含量最佳控制值，合金元素符號(hào)后面的數(shù)字表示該元素平均含量的百倍。一般，含碳量較低。5.不銹鋼和耐熱鋼※練習(xí)：指出下列牌號(hào)鋼的種類(lèi)

Q235A·FQ35520Mn35CrMo40Cr65Mn45T8MnAT125CrMnMoW18Cr4V06Cr19Ni10

20Cr13GCr15二、結(jié)構(gòu)鋼

碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼滲碳鋼調(diào)質(zhì)鋼彈簧鋼滾動(dòng)軸承鋼用途性能要求成分特點(diǎn)熱處理工藝使用性能思路:特點(diǎn)：具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、良好的塑性和加工成型性能；價(jià)格低，用途廣；一般在供應(yīng)態(tài)下使用。1.碳素結(jié)構(gòu)鋼新牌號(hào)舊牌號(hào)性能特點(diǎn)及用途Q195A1；B1

塑性好，有一定強(qiáng)度；制作受力不大的零件（如螺釘螺母、墊圈等）、焊接件、沖壓件及橋梁、建筑等結(jié)構(gòu)件。Q215（A、B)A2；C2Q235（A、B、C)A3；C3Q255（A、B)A4；C4

強(qiáng)度較高；制作焊接件和承受中等載荷的零件，如小軸、銷(xiāo)子、連桿、農(nóng)機(jī)零件等。Q275C52.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼特點(diǎn)：隨鋼號(hào)數(shù)字↑，wC↑，組織中P％↑F%↓，強(qiáng)度和硬度↑塑性↓。用于制造零件，一般經(jīng)熱處理后使用。08、08F、10、10F鋼：wC低，塑性韌性好，冷沖壓性和焊接性好，主要用于制作沖壓件和焊接件。例如，冷軋成薄板，用于儀器儀表外殼、汽車(chē)車(chē)身等。

15、20、25鋼：低碳，強(qiáng)度低，塑性和韌性較高，焊接性和冷沖壓性能好；可制作受力不大，但要求高韌性的零件，冷沖壓件和焊接件。

30、35、40、45、50、55鋼：中碳，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，具有良好的綜合力學(xué)性能，主要用于要求強(qiáng)度和塑韌性都較高的零件，如軸類(lèi)、連桿類(lèi)；要求零件表面高耐磨性，需調(diào)質(zhì)處理后再“表面淬火＋低溫回火”。這類(lèi)鋼在機(jī)械制造中應(yīng)用最廣泛，其中以45鋼更為突出。

60、65、70、65Mn鋼：高碳，屬于彈簧鋼，具有較高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，經(jīng)“淬火＋中溫回火”處理后，主要用于制作彈簧等彈性元件及耐磨零件。3.低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

用于制造在大氣和海洋中工作的大型焊接結(jié)構(gòu)件，如建筑結(jié)構(gòu)、橋梁、車(chē)輛、船舶、輸油輸氣管道、壓力容器等。

用途：壓力容器

性能要求

高的強(qiáng)度，足夠的韌性;低冷脆轉(zhuǎn)變溫度，可抵抗大氣腐蝕；良好的焊接性和冷沖壓性能。低碳(≤0.2%C)，低合金（Me≤3%）主加元素Mn：產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度。微量V、Ti、Nb、Re：細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)韌性。

Cu、P：可提高耐蝕性。

成分特點(diǎn)

一般不熱處理，在熱軋空冷狀態(tài)下使用。使用態(tài)組織：S+F保證鋼的韌性、焊接性和冷加工性能典型牌號(hào)及用途

Q355較低級(jí)別：16Mn最具有代表性，用量、產(chǎn)量最大，其派生鋼種有16MnRe、16MnCu等；多用于船舶、車(chē)輛、橋梁等大型鋼結(jié)構(gòu)。

Q420級(jí)別：15MnVN、14MnVTiRe等，加入了釩、氮、稀土，提高強(qiáng)韌性，強(qiáng)度高于15MnTi。

Q460級(jí)別：如14MnMoVBRe，加入了鉬和微量硼，正火后可得到貝氏體組織，然后再高溫回火，提高塑性和韌性，焊接性好，適于制造400℃～500℃的鍋爐、中溫高壓容器等。4.滲碳鋼—用于制造滲碳零件的鋼種

用途：

主要用于制作承受交變載荷，并在沖擊和嚴(yán)重磨損條件下工作的零件，如汽車(chē)和重型機(jī)床齒輪、活塞銷(xiāo)、內(nèi)燃機(jī)的凸輪軸等。凸輪軸活塞銷(xiāo)(20Cr)

性能要求

“表硬心韌”

零件表面硬度高，耐磨性好；心部具有良好的韌性和足夠的強(qiáng)度，以承受沖擊；良好淬透性和滲碳能力。一般滲碳件淬火后，表面滲碳層硬度≥58HRC，心部35～45HRC。

低碳（0.15～0.25%C）：保證心部足夠的塑性和韌性；主加Cr、Ni、Mn、B：強(qiáng)化基體，提高淬透性，保證心部強(qiáng)韌性；微量V、Ti、W、Mo：細(xì)化晶粒，防止?jié)B碳時(shí)過(guò)熱，提高耐磨性。

成分滲碳鋼

熱處理特點(diǎn)滲碳件的加工工藝路線：

下料→鍛造→正火→機(jī)加工→滲碳→淬火+低溫回火→精加工使用態(tài)組織表面：M回＋碳化物＋A殘心部淬透時(shí)：低碳M回+F未淬透時(shí)：低碳M回＋T＋F

預(yù)備熱處理組織：(P＋F)目的：調(diào)整硬度，改善切削加工性。

最終熱處理組織—使用態(tài)組織目的：提高表面硬度和耐磨性，使心部具有足夠的強(qiáng)韌性，并消除淬火應(yīng)力。淬火溫度:Ac1+30~50℃滲碳鋼典型牌號(hào)及用途低淬透性鋼：20、20Cr鋼，用于受沖擊力小的耐磨件，如活塞銷(xiāo)、凸輪、滑塊、小齒輪等。中淬透性鋼：20CrMnTi，用于中等載荷耐磨件，如汽車(chē)變速箱齒輪。高淬透性鋼：18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A

。用于大截面、大載荷的耐磨件，如飛機(jī)、坦克中的曲軸，大模數(shù)齒輪等。汽車(chē)變速箱齒輪柴油機(jī)曲軸滲碳鋼5.調(diào)質(zhì)鋼——經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后使用的鋼種用途：用于受力較復(fù)雜的重要結(jié)構(gòu)零件。如機(jī)床主軸、火車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、汽車(chē)后橋半軸等軸類(lèi)零件，以及連桿、螺栓、齒輪等。機(jī)床主軸連桿螺栓

性能要求中碳（0.25%～0.50%C），保證足夠的強(qiáng)度、良好的塑、韌性；主加Cr、Ni、Mn、Si、B等，提高淬透性，固溶強(qiáng)化；輔加W、Mo、V、Al元素，細(xì)化晶粒，提高回火穩(wěn)定性；調(diào)質(zhì)鋼

成分特點(diǎn)具有良好的綜合力學(xué)性能高的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性。

熱處理工藝：一般調(diào)質(zhì)件的加工工藝路線下料→鍛造→退火或正火→粗加工→調(diào)質(zhì)處理→精加工→裝配預(yù)備熱處理組織：P＋F目的：細(xì)化組織，改善切削加工性最終熱處理組織：S回目的：獲得良好綜合力學(xué)性能

使用態(tài)組織對(duì)表面要求高的硬度、耐磨性的調(diào)質(zhì)件，調(diào)質(zhì)后需再表面淬火＋低溫回火低淬透性調(diào)質(zhì)鋼：40Cr，這類(lèi)鋼的油淬臨界直徑最大為20～40mm，廣泛用于制造一般尺寸的重要零件，如軸、齒輪、連桿、螺栓等。35SiMn、40MnB是為節(jié)約鉻而發(fā)展的代用鋼種。中淬透性調(diào)質(zhì)鋼：40CrNi、38CrMoAlA（滲氮用鋼），這類(lèi)鋼的油淬臨界直徑最大為40～60mm，含有較多的合金元素，用于制造截面較大、承受較重載荷的零件，如曲軸、連桿等。高淬透性調(diào)質(zhì)鋼：40CrNiMoA，這類(lèi)鋼的油淬臨界直徑為60～100mm，多半為鉻鎳鋼。鉻、鎳的適當(dāng)配合，可大大提高淬透性，并能獲得比較優(yōu)良的綜合機(jī)械性能。用于制造大截面、承受重負(fù)荷的重要零件，如汽輪機(jī)主軸、壓力機(jī)曲軸、航空發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸等。分類(lèi)及典型牌號(hào)6.

彈簧鋼用途：

用于制造彈簧等彈性元件。性能要求：

具有高的彈性極限、屈強(qiáng)比和疲勞強(qiáng)度；足夠的韌性。

成分特點(diǎn)：中高碳含碳量：優(yōu)質(zhì)碳素鋼為0.6%~0.9%C；合金彈簧鋼為0.45%~0.7%C。合金元素：Si、Mn、Cr、V、Nb、Mo、W。作用：①主加Mn、Si、Cr元素：提高淬透性，固溶強(qiáng)化②

Si：提高屈強(qiáng)比③

W、Mo、V元素：細(xì)化晶粒，提高回火穩(wěn)定性常用牌號(hào)及用途常用牌號(hào)：65Mn、60Si2Mn，用于制造較大截面彈簧。

50CrVA，用于制造大截面、大載荷、耐熱的彈簧。

汽車(chē)板簧火車(chē)螺旋彈簧大型熱卷彈簧熱處理特點(diǎn)

冷成形彈簧：冷拔→冷卷成形→去應(yīng)力處理，用于小型彈簧。

熱成型彈簧：熱成型→淬火+中溫回火→噴丸處理（使表面產(chǎn)生壓應(yīng)力）使用態(tài)的組織：回火屈氏體；用于大截面彈簧（>φ10mm），如汽車(chē)板簧。7.滾動(dòng)軸承鋼—制造滾動(dòng)軸承的專(zhuān)用鋼種用途：主要用于制作各類(lèi)滾動(dòng)軸承的內(nèi)外套圈、滾動(dòng)體。制造各種精密量具、冷沖模具、絲杠、冷軋輥和高精度的軸類(lèi)等耐磨零件。滾針軸承滾柱軸承滾珠軸承性能要求：高而均勻的硬度、接觸疲勞強(qiáng)度和耐磨性；足夠的韌性，良好的淬透性；尺寸穩(wěn)定性好。工作條件：軸承承受接觸應(yīng)力、交變載荷和強(qiáng)烈摩擦常用鋼種及成分特點(diǎn)：高碳鉻軸承鋼：常用牌號(hào)GCr15、GCr15SiMn高碳(0.95~1.10%C)：形成足夠多鉻碳化物，強(qiáng)度、硬度、耐磨性↑主加Cr元素：細(xì)化晶粒，提高淬透性、接觸疲勞強(qiáng)度和耐蝕性；大型軸承加入Mn、Si：進(jìn)一步提高淬透性熱處理工藝預(yù)備熱處理：球化退火，獲得P球，目的：改善組織，降低硬度（<210HBＷ），便于切削加工。最終熱處理：淬火+低溫回火（150～180℃），目的：淬火提高硬度和高耐磨性，低溫回火消除淬火應(yīng)力。使用態(tài)組織：M回＋細(xì)小粒狀碳化物＋少量A殘硬度可達(dá)61～65HRCGCr15鋼：應(yīng)用最廣，制作中、小型軸承；GCr15SiMn鋼：制作大型軸承零件。GCr15鋼淬火＋低溫回火顯微組織常用牌號(hào)及應(yīng)用滾動(dòng)軸承鋼三、工具鋼碳素工具鋼低合金工具鋼高速鋼冷作模具鋼熱作模具鋼塑料模具鋼工具鋼刃具鋼模具鋼量具鋼刃具：用于切削加工的工具，如車(chē)刀、刨刀、鉆頭；模具：用于壓力加工的工具，如沖壓模、注塑模、鍛模；量具：測(cè)量尺寸的工具，如卡尺、千分尺、鋼板尺。共性與不同（一）刃具鋼—用來(lái)制造各種切削刀具的鋼種工作條件及性能要求切削刀具種類(lèi)繁多，工況條件各有特點(diǎn)，以車(chē)刀為例：工作條件：

（1）刀刃與工件之間發(fā)生劇烈的摩擦，造成嚴(yán)重的磨損；（2）刀刃部分溫度高（高速切削時(shí)，溫度達(dá)600度）；（3）進(jìn)刀時(shí)，發(fā)生沖擊與振動(dòng)。失效形式：磨損，崩刃，刀具折斷。性能要求：高的硬度、耐磨性(≥60HRC)；高的熱硬性；高的抗彎強(qiáng)度，足夠的強(qiáng)韌性。熱硬性：又稱(chēng)紅硬性，指刃具鋼在高溫下保持高硬度的能力，是衡量刃具鋼使用壽命的重要指標(biāo)。1.碳素工具鋼特點(diǎn)：高碳（0.65~1.35%C），價(jià)格低，淬透性低，熱硬性差硬度高（熱處理后達(dá)60～65HRC)，耐磨性好用途：多用于制作刃部受熱程度較低、截面不大于8mm的工具，如木工工具、鉗工工具等手用工具，低速小進(jìn)給量的機(jī)用工具，以及尺寸較小的模具和量具。牌號(hào)及用途舉例：

T7、T8、T9：制造承受沖擊的工具，如木工工具：沖子、鑿子、錘子等。

T10、T11：制造低速切削工具，如鉆頭、絲錐、車(chē)刀等。

T12、T13：制造耐磨工具，如銼刀、鋸條等。手錘銼刀手鋸條

熱處理工藝及使用態(tài)組織工藝過(guò)程：

鍛造→

(正火)球化退火→粗加工→淬火+低溫回火→精加工球化退火：預(yù)備熱處理，粗加工之前進(jìn)行；網(wǎng)狀Fe3CⅡ嚴(yán)重時(shí)，

球化退火之前需先正火處理。目的：①降低硬度，便于切削加工；②為淬火作組織準(zhǔn)備。組織：球狀珠光體淬火＋低溫回火：最終熱處理，粗加工后、精加工前進(jìn)行；目的：提高硬度、耐磨性，低溫回火消除淬火應(yīng)力。

使用狀態(tài)組織：M回+粒狀Fe3C+少量A殘水冷碳素工具鋼碳素工具鋼的缺點(diǎn)：淬透性低，熱硬性差，刃部工作溫度不超過(guò)200℃。碳素工具鋼光鏡下顯微組織嚴(yán)重網(wǎng)狀碳化物組織

T12鋼正常淬火組織T12鋼球化退火組織F+Fe3C2.低合金工具鋼wC：0.75～1.50%；形成足夠的合金碳化物，保證高硬度、高耐磨合金元素：Si、Cr、Mn、Mo、W、V

主加Si、Cr、Mn：固溶強(qiáng)化，提高淬透性；輔加Mo、W、V：細(xì)化晶粒，形成特殊碳化物，提