《材料成型工藝基礎(chǔ)》課件第1章

第1章金屬材料與熱處理1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1.2合金與鐵碳合金

1.3金屬材料熱處理

1.4常用的金屬材料

工業(yè)生產(chǎn)中所用的純金屬和合金材料統(tǒng)稱(chēng)為金屬材料。通常我們把金屬材料分為黑色金屬和有色金屬兩大類(lèi)：鐵、錳、鉻或以它們?yōu)橹餍纬傻暮辖鸱Q(chēng)為黑色金屬，如合金鋼、鑄鐵和碳素鋼等；除黑色金屬以外的金屬和合金稱(chēng)為有色金屬，如銅、錫以及黃銅、鋁合金和軸承合金等。

金屬材料是現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的材料之一。它不僅資源豐富，具有優(yōu)良的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，而且還具有較簡(jiǎn)單的成型方法和良好的成型工藝性能。因此，金屬材料在各種機(jī)械設(shè)備中所占的比例達(dá)90%以上。

金屬材料的性能主要與其成分、組織和表面結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。熱處理就是通過(guò)改變金屬材料的組織以及改變表面成分和組織來(lái)改變其性能的一種熱加工工藝。

金屬材料的化學(xué)成分不同，其性能也不同。但化學(xué)成分相同的金屬材料，通過(guò)不同的方法改變材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，可使其性能發(fā)生很大的變化。這種變化，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，除化學(xué)成分外，金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)也是決定金屬材料機(jī)械性能的重要因素。因此，了解金屬的內(nèi)部微觀(guān)結(jié)構(gòu)及其對(duì)金屬性能的影響，對(duì)于選用和加工金屬材料具有非常重要的意義。1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1.1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)

1.晶體和非晶體

自然界中一切物質(zhì)都是由原子組成的，根據(jù)固態(tài)物質(zhì)內(nèi)部原子的聚集狀態(tài)，固體分為晶體和非晶體兩大類(lèi)。

原子無(wú)規(guī)律地堆積在一起的物質(zhì)稱(chēng)為非晶體，如瀝青、玻璃、松香等。原子按一定幾何形狀作有規(guī)律地重復(fù)排列的物質(zhì)稱(chēng)為晶體，如冰、結(jié)晶鹽、金剛石、石墨及固態(tài)金屬與合金。晶體和非晶體的原子排列不同，進(jìn)而顯示出不同的特性。晶體具有固定的熔點(diǎn)，性能具有各向異性；而非晶體沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，性能具有各向同性。

2.金屬的晶體結(jié)構(gòu)

金屬晶體是由許多金屬原子(或離子)在空間按一定的幾何形式規(guī)則緊密排列而成的，如圖1-1(a)所示。為了便于研究各種晶體內(nèi)部原子排列的規(guī)律及幾何形狀，把每一個(gè)原子假想為一個(gè)幾何結(jié)點(diǎn)，并用直線(xiàn)從其中心連接起來(lái)形成空間的格子，稱(chēng)為結(jié)晶格子，簡(jiǎn)稱(chēng)晶格，如圖1-1(b)所示。晶格的結(jié)點(diǎn)為原子震動(dòng)的平衡中心位置。晶格中各種方位的原子面稱(chēng)為晶面。晶體是由層層的晶面堆砌而成的，晶格中由原子組成的任一直線(xiàn)，都能代表晶體空間的一個(gè)方向，稱(chēng)為晶向。晶格的最小幾何單元稱(chēng)為晶胞，如圖1-1(c)所示。晶胞中各棱邊尺寸a、b、c稱(chēng)為晶格常數(shù)，單位為

(埃，1

＝10－8cm)。晶胞各棱邊之間的夾角分別以α、β、γ表示。當(dāng)晶格常數(shù)a＝b＝c，棱邊夾角α＝β＝γ＝90°時(shí)，這種晶胞稱(chēng)為簡(jiǎn)單立方。

圖1-1晶格結(jié)構(gòu)示意圖

(a)晶體模型；(b)晶格；(c)晶胞晶胞可以描述晶格的排列規(guī)律，組成晶胞的結(jié)構(gòu)就是該金屬的晶格結(jié)構(gòu)，不同的晶格結(jié)構(gòu)具有不同的性能，而相同的晶胞類(lèi)型若有不同的晶格常數(shù)，也會(huì)使金屬具有不同的

性能。

3.常見(jiàn)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

在金屬原子中，約有90%以上的金屬晶體都屬于以下三種密排的晶格結(jié)構(gòu)。

1)體心立方晶格

如圖1-2所示，體心立方晶格是一個(gè)正立方體。原子位于立方體的中心和八個(gè)頂點(diǎn)上，頂點(diǎn)上的每個(gè)原子為相鄰的八個(gè)晶胞所共有。其晶格常數(shù)a＝b＝c，晶胞棱邊夾角

α＝β＝γ＝90°。屬于這種晶格類(lèi)型的金屬有鉻(Cr)、鎢(W)、鉬(Mo)、釩(V)及α-鐵(Fe)等。晶胞中原子排列的緊密程度可用致密度來(lái)表示。致密度是指晶胞中原子所占的體積與該晶胞體積之比。體心立方晶格中的晶胞的致密度為0.68，表明體心立方晶格中有68%的體積被原子占據(jù)，其余32%的體積為空隙。

圖1-2體心立方晶格示意圖

2)面心立方晶格

如圖1-3所示，面心立方晶格也是一個(gè)正立方體，原子位于立方體六個(gè)面的中心和八個(gè)頂點(diǎn)，頂點(diǎn)上的每個(gè)原子為相鄰八個(gè)晶胞所共有，面心的每個(gè)原子與其相鄰晶胞所共有。其晶格常數(shù)a＝b＝c，α＝β＝γ＝90°。屬于這種晶格類(lèi)型的金屬有鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、銀(Ag)、γ-鐵(Fe)等。其致密度為0.74。

圖1-3面心立方晶格示意圖

3)密排六方晶格

如圖1-4所示，密排六方晶格是一個(gè)正六方柱體，原子位于2個(gè)底面的中心處和12個(gè)頂點(diǎn)上，柱體內(nèi)部還包含著3個(gè)原子。其a＝b≠c，α＝β＝90°，γ＝120°。頂點(diǎn)的每個(gè)原子同時(shí)為相鄰的6個(gè)晶胞所共有，上下底面中心的原子同時(shí)屬于相鄰的2個(gè)晶胞，而體中心的3個(gè)原子為該晶胞所獨(dú)有。其致密度為0.74。屬于這類(lèi)晶格的金屬有鎂(Mg)、鋅(Zn)、鈹(Be)、鎘(Cd)等。

圖1-4密排六方晶格示意圖

4.實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

上述討論的晶體中，原子排列規(guī)律相同，晶格位向完全一致，這種晶體稱(chēng)為單晶體，見(jiàn)圖1-5(a)。生產(chǎn)中只有采用特殊的方法才能制成單晶體。單晶體材料只在特定情況下使用，如制造半導(dǎo)體硅元件所用的材料就是單晶硅。實(shí)際使用的金屬材料都是由許多小晶體組成的。由于每個(gè)小晶體外形不規(guī)則，且呈顆粒狀，因而稱(chēng)為“晶粒”。每個(gè)晶粒內(nèi)的晶格位向是一致的，但各個(gè)晶粒之間彼此位向都不同(相差30°～40°)，晶粒與晶粒之間的界面稱(chēng)為“晶界”，如圖1-5(b)所示。晶界是兩個(gè)相鄰晶粒不同晶格位向的過(guò)渡區(qū)，其上的原子總是不規(guī)則排列的。由許多晶粒組成的晶體稱(chēng)為多晶體，金屬材料一般都是多晶體，雖然每個(gè)晶粒具有各向異性，但從不同方向測(cè)試出金屬的性能，是很多位向不同晶粒的平均性能，故可以認(rèn)為金屬(多晶體)是各向同性的。

鋼鐵材料的晶粒尺寸一般在0.001～0.1mm范圍內(nèi)。只有在顯微鏡下才能觀(guān)察到晶粒的形態(tài)、大小和分布等情況。這種在金相顯微鏡下觀(guān)察到的情況，稱(chēng)為顯微組織或金相組織。有色金屬的晶粒尺寸一般都比鋼鐵的晶粒大，有時(shí)用肉眼可以看到。圖1-5單晶體和多晶體示意圖

(a)單晶體；(b)多晶體

實(shí)驗(yàn)證明，在每個(gè)晶粒內(nèi)，其晶格位向并不像理想晶體那樣完全一致，而是存在著許多尺寸很小、位向差很小(一般小于2°)的小晶塊。這些小晶塊稱(chēng)為亞晶粒，兩個(gè)相鄰亞晶粒的交界處稱(chēng)為亞晶界，其原子排列不規(guī)則，也產(chǎn)生晶格畸變。因此，晶界和亞晶界的存在會(huì)使金屬的強(qiáng)度提高，同時(shí)還使塑性、韌性改善，這稱(chēng)為細(xì)晶強(qiáng)化。1.1.2純金屬的結(jié)晶

金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵映室?guī)則排列的固態(tài)晶體的過(guò)程稱(chēng)為結(jié)晶，而金屬在固態(tài)下由一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的過(guò)程稱(chēng)為重結(jié)晶。結(jié)晶形成的組織，直接影響金屬的性能。

1.金屬結(jié)晶的溫度

1)理論結(jié)晶溫度

金屬結(jié)晶形成晶體過(guò)程的溫度，可用熱分析法測(cè)定，即將液態(tài)金屬放在坩堝中以極其緩慢的速度進(jìn)行冷卻，在冷卻過(guò)程中觀(guān)測(cè)并記錄溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，并將其繪制成如圖1-6所示的冷卻曲線(xiàn)。

圖1-6金屬結(jié)晶的冷卻曲線(xiàn)示意圖從圖1-6中的曲線(xiàn)a可知，當(dāng)液態(tài)金屬冷卻溫度達(dá)到T0時(shí)，出現(xiàn)水平段1—2，其對(duì)應(yīng)的溫度就是金屬的理論結(jié)晶溫度T0，冷卻曲線(xiàn)上的水平段表示溫度保持不變。純金屬的結(jié)晶是在恒溫下進(jìn)行的，這是因?yàn)榻饘僭?點(diǎn)開(kāi)始結(jié)晶時(shí)放出結(jié)晶潛熱，補(bǔ)償了向外界散失的熱量，2點(diǎn)結(jié)晶終止后，冷卻曲線(xiàn)又連續(xù)下降。

2)實(shí)際結(jié)晶溫度

實(shí)際生產(chǎn)中，金屬不可能極其緩慢地由液體冷卻到固體，冷卻速度是相當(dāng)快的，金屬總是要在理論結(jié)晶溫度T0以下的某一溫度T1才能開(kāi)始結(jié)晶。如圖1-6中的曲線(xiàn)b所示，T1稱(chēng)為實(shí)際結(jié)晶溫度，T0和T1之差稱(chēng)為過(guò)冷度ΔT，其大小和冷卻速度、金屬性質(zhì)及純度有關(guān)，冷卻速度越大，過(guò)冷度越大，實(shí)際金屬的結(jié)晶溫度也越低。

2.金屬結(jié)晶的規(guī)律

液態(tài)金屬冷卻到T0以下時(shí)，首先在液體中某些局部微小的體積內(nèi)出現(xiàn)原子規(guī)則排列的細(xì)微小集團(tuán)，這些細(xì)微小集團(tuán)是不穩(wěn)定的，時(shí)聚時(shí)散，有些穩(wěn)定下來(lái)成為結(jié)晶的核心，稱(chēng)為晶核。當(dāng)溫度下降到T0時(shí)，晶核不斷吸收周?chē)后w中的金屬原子逐漸長(zhǎng)大，液態(tài)金屬不斷減少，新的晶核逐漸增多且長(zhǎng)大，直到全部液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體為止，一個(gè)晶核長(zhǎng)大成為一個(gè)晶粒，最后形成的是由許多外形不規(guī)則的晶粒所組成的晶體，如圖1-7所示。

圖1-7純金屬結(jié)晶過(guò)程示意圖

1)金屬晶核形成的方式

(1)自發(fā)形核：對(duì)于很純凈的液體金屬，加快其冷卻速度，使其在具有足夠大的過(guò)冷度下，不斷產(chǎn)生許多類(lèi)似晶體中原子排列的小集團(tuán)，形成結(jié)晶核心，即為自發(fā)晶核。

(2)非自發(fā)形核：實(shí)際金屬中往往存在異類(lèi)固相質(zhì)點(diǎn)，并且在冷卻時(shí)金屬總會(huì)與鑄型內(nèi)壁接觸，因此這些已有的固體顆?；虮砻姹粌?yōu)先依附，從而形成晶核，這種方式稱(chēng)為非自發(fā)形核。

2)金屬晶核的長(zhǎng)大方式

晶核形成后，液相原子不斷遷移到晶核表面而促使晶核長(zhǎng)大形成晶核。但晶核長(zhǎng)大程度取決于液態(tài)金屬的過(guò)冷度，當(dāng)過(guò)冷度很小時(shí)，晶核在長(zhǎng)大過(guò)程中保持規(guī)則外形，直至長(zhǎng)成晶粒并相互接觸時(shí)，規(guī)則外形才被破壞；反之，則以樹(shù)枝晶形態(tài)生長(zhǎng)。這是因?yàn)殡S著過(guò)冷度的增大，具有規(guī)則外形的晶核長(zhǎng)大時(shí)需要將較多的結(jié)晶潛熱散發(fā)掉，而其棱角部位因具有最優(yōu)先的散熱條件，因而便得到優(yōu)先生長(zhǎng)，如樹(shù)枝一樣先長(zhǎng)出枝干，再長(zhǎng)出分枝，最后把晶間填滿(mǎn)。

3.金屬晶粒的細(xì)化方法

金屬結(jié)晶后是由許多晶粒組成的多晶體，而晶粒大小是金屬組織的重要標(biāo)志之一。金屬內(nèi)部晶粒越細(xì)小，則晶界越多，晶界面也越多，晶界就越曲折，則晶格畸變?cè)酱?，從而使金屬?gòu)?qiáng)度、硬度提高，并使變形均勻分布在許多晶粒上，塑性、韌性也好。

金屬結(jié)晶后，晶粒大小與單位時(shí)間、單位體積內(nèi)的形核數(shù)量即形核率N(形核數(shù)

量/(s·mm3))和長(zhǎng)大速度G(mm/s)有關(guān)，若晶核的形成速率很大而成長(zhǎng)速率很小時(shí)，可得到很細(xì)小的晶粒。生產(chǎn)中常采用增加過(guò)冷度ΔT、變質(zhì)處理和附加震動(dòng)等細(xì)化晶粒的方法。

1.1.3金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變

金屬經(jīng)過(guò)結(jié)晶后都具有一定的晶格結(jié)構(gòu)，且多數(shù)不再發(fā)生晶格變化。但Fe、Co、Ti、Mn等少數(shù)金屬在固態(tài)下會(huì)隨溫度的變化而具有不同類(lèi)型的晶體結(jié)構(gòu)。

金屬在固態(tài)下由一種晶格類(lèi)型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格類(lèi)型的變化稱(chēng)為金屬的同素異晶(構(gòu))轉(zhuǎn)變。由金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變所得到的不同類(lèi)型的晶體稱(chēng)為同素異晶體。金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變也是原子重新排列的過(guò)程，稱(chēng)為重結(jié)晶或二次結(jié)晶。固態(tài)下的重結(jié)晶和液態(tài)下的結(jié)晶相似，也遵循晶體結(jié)晶的一般規(guī)律：轉(zhuǎn)變?cè)诤銣叵逻M(jìn)行，也是形核與長(zhǎng)大的過(guò)程，也必須在一定的過(guò)冷度下轉(zhuǎn)變才能完成。同素異晶轉(zhuǎn)變與液態(tài)金屬的結(jié)晶存在著明顯的區(qū)別，主要表現(xiàn)在：同素異晶轉(zhuǎn)變時(shí)晶界處能量較高，新的晶核往往在原晶界上形成；固態(tài)下原子擴(kuò)散比較困難，固態(tài)轉(zhuǎn)變需要較大的過(guò)冷度；固態(tài)轉(zhuǎn)變會(huì)產(chǎn)生體積變化，在金屬中引起較大的內(nèi)應(yīng)力。

鐵是典型的具有同素異晶轉(zhuǎn)變特性的金屬。圖1-8為純鐵的冷卻曲線(xiàn)圖，在1538℃時(shí)液態(tài)純鐵結(jié)晶成具有體心立方晶格的δ-Fe，繼續(xù)冷卻到1394℃轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦摩?Fe，再繼續(xù)冷卻到912℃時(shí)又轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格的α-Fe，以后一直冷卻到室溫晶格類(lèi)型，不再發(fā)生變化。

圖1-8純鐵的冷卻曲線(xiàn)圖純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變同樣存在于鐵基的鋼鐵材料中，這是鋼鐵材料能通過(guò)各種熱處理方法改善其組織和性能的基礎(chǔ)，使鋼鐵材料性能多種多樣。

純金屬雖然具有許多優(yōu)良的性能，如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、塑性等，并已獲得廣泛的應(yīng)用，但其強(qiáng)度和硬度都比較低，且冶煉困難，成本高，滿(mǎn)足不了工程技術(shù)上提出的高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性等各種性能要求。因此，在機(jī)械工業(yè)中大量使用的金屬材料絕大多數(shù)都是合金材料，如碳鋼、鑄鐵、黃銅、青銅、鑄鋁、硬鋁等，尤其是以鋼鐵材料用得最多最廣。1.2合金與鐵碳合金1.2.1合金的基本概念和結(jié)構(gòu)

1.基本概念

1)合金

合金就是兩種或兩種以上的金屬元素(或金屬與非金屬元素)熔合在一起形成的具有金屬特征的物質(zhì)。例如，黃銅是由銅、鋅等元素組成的合金；碳鋼和鑄鐵是由鐵和碳組成的鐵碳合金。

2)組元

組元是指組成合金的最基本的、能獨(dú)立存在的物質(zhì)。組元一般就是組成合金的元素。例如，普通黃銅的組元是銅和鋅；鐵碳合金中的組元是鐵和碳。合金中有幾種組元就稱(chēng)之為幾元合金，普通黃銅是二元合金，硬鋁是由鋁、銅、鎂組成的三元合金。

3)合金系

合金系是指有相同組元，而成分比例不同的一系列合金。例如，各種碳素鋼，雖然碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)各不相同，卻都是鐵碳二元合金系中的一部分。按照組成合金的組元數(shù)不同，合金系可以分為二元系、三元系等。

4)相

相是指合金中具有同一化學(xué)成分和結(jié)晶構(gòu)成的組成部分。合金中相與相之間有明顯的界面使之相互分開(kāi)。如純鐵在同素異晶轉(zhuǎn)變過(guò)程中，出現(xiàn)的α-Fe和γ-Fe也是兩種不同的相。因?yàn)棣?Fe是體心立方晶格，而γ-Fe是面心立方晶格，它們的原子排列規(guī)律不同。在一個(gè)相中可以有多個(gè)晶粒，但一個(gè)晶粒之中只能是同一個(gè)相。

5)顯微組織

顯微組織是指在顯微鏡下看到的相和晶粒的形態(tài)、大小和分布。合金的顯微組織可以看做是由各個(gè)相所組成的，也可以看做是由基本組織所組成的。合金的基本組織是指由一個(gè)單獨(dú)的相構(gòu)成的單相組織或由兩個(gè)以上的相按一定的比例組成的機(jī)械混合物，機(jī)械混合物的性能取決于組成相的數(shù)量、形狀、大小和分布等，如鐵素體、珠光體等。一種合金的機(jī)械性能不僅取決于它的化學(xué)成分，更取決于它的顯微組織。

2.合金的相結(jié)構(gòu)

合金的相結(jié)構(gòu)是指合金組織中相的晶體結(jié)構(gòu)。在合金中，相的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對(duì)合金性能起決定性作用。同時(shí)，合金中各相的相對(duì)數(shù)量、晶粒大小、形狀和分布情況，對(duì)合金性能也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。根據(jù)合金中各類(lèi)組元的相互作用，合金中的相結(jié)構(gòu)主要有固溶體和金屬化合物兩大類(lèi)。

1)固溶體

當(dāng)合金由液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)時(shí)，組成元素之間可像液態(tài)合金一樣相互溶解，形成一種晶格結(jié)構(gòu)與合金中某一組元晶格結(jié)構(gòu)相同的新相，稱(chēng)為固溶體。固溶體中晶格結(jié)構(gòu)保持不變的組元稱(chēng)為溶劑，晶格結(jié)構(gòu)消失的組元稱(chēng)為溶質(zhì)。固溶體按溶質(zhì)原子的溶解度不同，可分為有限固溶體(溶質(zhì)原子在固溶體中的濃度有一定的限度)和無(wú)限固溶體(溶質(zhì)原子可以任意比例溶入溶劑晶格結(jié)構(gòu)中)。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格結(jié)構(gòu)中所占位置的不同，又可將固溶體分為間隙固溶體與置換固溶體兩類(lèi)。

2)金屬化合物

當(dāng)溶質(zhì)含量超過(guò)溶劑的溶解度時(shí)，溶質(zhì)元素和溶劑元素相互作用形成一種不同于任一組元晶格的新物質(zhì)，即金屬化合物。金屬化合物一般可用分子式來(lái)表示其組成，但往往不符合化合價(jià)規(guī)律，具有比較復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。例如，鐵碳合金中形成的金屬化合物Fe3C、Cr7C3和VC等均具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，并具有很高的熔點(diǎn)和硬度，脆性大，很少單獨(dú)使用。生產(chǎn)中常利用將金屬化合物相分布在固溶體相的基體上來(lái)提高合金的強(qiáng)度、硬度，從而達(dá)到強(qiáng)化金屬材料的目的，此時(shí)合金的絕大多數(shù)組織是機(jī)械混合物。1.2.2鐵碳合金的基本組織

工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的鋼鐵材料屬于鐵碳合金。固態(tài)下的鐵碳合金中，鐵和碳的基本結(jié)合方式有兩種：一是碳原子溶解到鐵的晶格中形成固溶體；二是鐵和碳按一定比例相互化合成化合物。

鐵碳合金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

碳溶于α-Fe形成的間隙固溶體稱(chēng)為鐵素體，用符號(hào)F表示。它仍保持α-Fe的體心立方晶格。鐵素體的晶粒顯示出邊界比較平緩的多邊形特征。鐵素體的晶格間隙很小，因而溶碳能力極差，在727℃時(shí)溶碳量(ωC)最大為0.0218%，在室溫下溶碳量?jī)H為0.0008%。因而，固溶強(qiáng)化效果不明顯，其性能與純鐵相近，表現(xiàn)為強(qiáng)度、硬度較低，塑性、韌性較好。低碳鋼中含有較多的鐵素體，故具有較好的塑性。

2．奧氏體

碳溶于γ-Fe形成的間隙固溶體稱(chēng)為奧氏體，用符號(hào)A表示。它仍保持γ-Fe的面心立方晶格。奧氏體晶粒顯示出邊界比較平直的多邊形特征。雖然面心立方晶格的γ-Fe的致密度(0.74)高于體心立方晶格α-Fe的致密度(0.68)，但是γ-Fe的晶格間隙的直徑要比α-Fe的大，故溶碳能力也較大。在1148℃時(shí)溶碳量最大，即ωC＝

2.11%，隨著溫度下降溶碳量逐漸減少，在727℃時(shí)溶碳量為ωC＝

0.77%。由于γ-Fe是在高溫時(shí)存在，因此奧氏體為高溫組織，其強(qiáng)度、硬度一般隨碳含量的增加而提高，但強(qiáng)度、硬度仍然很低，而塑性較高。

3．滲碳體

滲碳體是鐵和碳相互作用形成的一種具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物，用符號(hào)Fe3C表示，其碳含量ωC＝6.69%，熔點(diǎn)為1227℃，其硬度很高，約為800HBW，而塑性、韌性極差，幾乎為零。滲碳體不能單獨(dú)使用，在鋼和鑄鐵中與其他物質(zhì)相共存時(shí)，呈片狀、球狀、網(wǎng)狀和細(xì)板狀，其數(shù)量、形狀、大小和分布狀況對(duì)鋼和鑄鐵的性能有很大的影響，它是鋼中的主要強(qiáng)化相。滲碳體在一定條件下會(huì)發(fā)生分解，形成石墨狀的自由碳和鐵。

4．珠光體

奧氏體從高溫穩(wěn)定狀態(tài)緩慢冷卻到727℃時(shí)，將分解為鐵素體和滲碳體呈均勻分布的兩相混合物，其立體形態(tài)為鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層狀機(jī)械混合物，稱(chēng)為珠光體組織，用符號(hào)P表示。碳含量ωC＝0.77%，其組織特征可以看成是在鐵素體的基體上均勻分布著強(qiáng)化相滲碳體。珠光體的機(jī)械性能介于鐵素體和滲碳體之間，具有較高的強(qiáng)度和硬度，又有一定塑性和韌性，其組織也適合于形變加工。

5．萊氏體

碳含量為4.3%的液態(tài)合金，緩冷到1148℃時(shí)，同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體呈均勻分布的混合物，稱(chēng)為高溫萊氏體組織，用符號(hào)Ld表示。在727℃以下，萊氏體中的奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，由珠光體和滲碳體組成的萊氏體，稱(chēng)為低溫萊氏體，用符號(hào)L'd表示。萊氏體的性能與滲碳體相似，硬度很高，塑性、韌性極差。1.2.3鐵碳合金相圖

相圖是表示合金在緩慢冷卻的平衡狀態(tài)下，相或組織與溫度、成分間關(guān)系的圖形，又稱(chēng)狀態(tài)圖或平衡圖。一般用熱分析法作出合金系中一系列不同成分合金的冷卻曲線(xiàn)，并確定冷卻曲線(xiàn)上的結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度(臨界點(diǎn))，然后把這些臨界點(diǎn)畫(huà)在“溫度-成分”坐標(biāo)圖上，最后把坐標(biāo)圖上的各相應(yīng)點(diǎn)連接起來(lái)，就得出該合金的相圖。圖1-9為簡(jiǎn)化的Fe-Fe3C相圖。

圖1-9簡(jiǎn)化的Fe-Fe3C相圖

1．Fe-Fe3C相圖分析

1)相圖中的特征點(diǎn)

相圖中的重要特性點(diǎn)溫度、成分及其說(shuō)明如表1-1所示。

表1-1Fe-Fe3C相圖中的特征點(diǎn)

2)相圖中的特征線(xiàn)

相圖中的重要特征線(xiàn)如表1-2所示。

表1-2Fe-Fe3C相圖中的特征線(xiàn)

3)相圖中的合金分類(lèi)

根據(jù)相圖上的P、E兩點(diǎn)，可將鐵碳合金分為工業(yè)純鐵、碳鋼和白口鑄鐵三類(lèi)。其中碳鋼和白口鑄鐵又可分為三種，因此，相圖上共有七種典型合金，其各自的碳含量和室溫組織如表1-3所示。

表1-3鐵碳合金分類(lèi)

2.典型合金平衡結(jié)晶過(guò)程及組織

1)共析鋼的結(jié)晶

圖1-10所示的合金Ⅰ為共析鋼，其結(jié)晶過(guò)程的示意圖如圖1-11所示。合金Ⅰ在液相線(xiàn)以上處于液體狀態(tài)，緩冷至1點(diǎn)時(shí)，液相L開(kāi)始結(jié)晶出奧氏體晶粒，在1點(diǎn)～2點(diǎn)區(qū)間為L(zhǎng)＋A，冷到2點(diǎn)時(shí)，結(jié)晶完畢，全部為單相均勻奧氏體晶粒。2點(diǎn)～3點(diǎn)是單相奧氏體。緩冷到3點(diǎn)727℃，將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變形成珠光體，即A→P(F＋Fe3C)。

圖1-10典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程分析

圖1-11共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖珠光體中的滲碳體為共析滲碳體。當(dāng)溫度從727℃繼續(xù)降低，珠光體不再發(fā)生變化，因此，共析鋼的室溫平衡組織為珠光體。

2)亞共析鋼的結(jié)晶

如圖1-10所示，合金Ⅱ?yàn)閬喒参鲣摚浣Y(jié)晶過(guò)程如圖1-12所示。

圖1-12亞共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖

合金Ⅱ在1點(diǎn)以上為液相L，當(dāng)溫度降到1點(diǎn)后，液相L開(kāi)始結(jié)晶出奧氏體，在1點(diǎn)～

2點(diǎn)間為L(zhǎng)＋A，至2點(diǎn)全部結(jié)晶為奧氏體。2點(diǎn)～3點(diǎn)是單相奧氏體。當(dāng)溫度降至3點(diǎn)時(shí)，從奧氏體的邊界上開(kāi)始析出鐵素體，隨著溫度繼續(xù)降低，不斷析出鐵素體并逐漸長(zhǎng)大，鐵素體含碳量沿GP線(xiàn)逐漸增加，剩余的奧氏體量減少，其碳含量沿GS線(xiàn)不斷增加，當(dāng)溫度降至4點(diǎn)時(shí)，未轉(zhuǎn)變的奧氏體中的碳含量增加到0.77%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。因此，亞共析鋼的室溫平衡組織為鐵素體和珠光體。在亞共析鋼中，碳含量越高，珠光體越多，鐵素體越少。

3)過(guò)共析鋼的結(jié)晶

如圖1-10所示，合金Ⅲ為過(guò)共析鋼，其結(jié)晶過(guò)程如圖1-13所示。圖1-13過(guò)共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖合金Ⅲ冷卻到1點(diǎn)，開(kāi)始從液相中結(jié)晶出奧氏體，直到2點(diǎn)結(jié)晶完畢，形成單相奧氏體。當(dāng)冷卻到3點(diǎn)時(shí)，開(kāi)始從奧氏體中沿晶界先析出二次滲碳體(Fe3CⅡ)，并沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀分布。隨著溫度的降低，F(xiàn)e3CⅡ逐漸增加，未轉(zhuǎn)變奧氏體中的碳含量沿ES線(xiàn)不斷減少，至4點(diǎn)時(shí)剩余奧氏體中碳含量達(dá)到0.77%，于是發(fā)生共析轉(zhuǎn)變形成珠光體。過(guò)共析鋼的室溫平衡組織為珠光體與網(wǎng)狀二次滲碳體組成的共析體。

4)共晶白口鑄鐵的結(jié)晶

圖1-10中合金Ⅳ為共晶白口鑄鐵，其結(jié)晶過(guò)程如圖1-14所示。溫度在1點(diǎn)以上是均勻的液相，當(dāng)溫度冷卻到1點(diǎn)(即C點(diǎn))時(shí)，液態(tài)合金將發(fā)生共晶反應(yīng)，同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物，形成高溫萊氏體，即L→Ld(A＋Fe3C)。

圖1-14共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程示意圖萊氏體中的滲碳體稱(chēng)共晶滲碳體，奧氏體為共晶奧氏體。繼續(xù)冷卻到1點(diǎn)～2點(diǎn)區(qū)間，萊氏體中的奧氏體將不斷析出Fe3CⅡ，F(xiàn)e3CⅡ通常依附在共晶滲碳體上不能分解。當(dāng)溫度降到2點(diǎn)(727℃)時(shí)，共晶奧氏體成分為S點(diǎn)(碳含量為0.77%)，此時(shí)在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體，而共晶滲碳體不發(fā)生變化。共晶白口鑄鐵的室溫組織為珠光體和滲碳體組成的低溫萊氏體組織。

5)亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶

圖1-10中的合金Ⅴ為亞共晶白口鑄鐵，結(jié)晶過(guò)程如圖1-15所示。

合金溫度在1點(diǎn)以上為液相，緩冷至1點(diǎn)時(shí)，開(kāi)始析出奧氏體晶體。在1點(diǎn)～2點(diǎn)溫度區(qū)間，隨著溫度下降，析出的奧氏體含量不斷增加，液相不斷減少，當(dāng)溫度降到2點(diǎn)(1148℃)時(shí)，奧氏體的碳濃度為2.11%，液相碳含量達(dá)到4.3%，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成高溫萊氏體。合金在2點(diǎn)的組織為奧氏體和高溫萊氏體，繼續(xù)降低溫度時(shí)，從奧氏體(包括Ld中的A)中不斷以Fe3CⅡ形式析出碳，使得奧氏體中的碳含量不斷降低，

圖1-15亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程示意圖高溫萊氏體成分不變，2點(diǎn)～3點(diǎn)的溫度區(qū)間組織是：A＋Fe3CⅡ＋Ld。當(dāng)冷卻到3點(diǎn)時(shí)，奧氏體碳含量降到共析點(diǎn)S(ωC＝0.77%)，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，高溫萊氏體Ld轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏厝R氏體L'd，再冷卻直到室溫，亞共晶白口鑄鐵組織不再轉(zhuǎn)變，其室溫組織為珠光體、二次滲碳體和低溫萊氏體L'd。

6)過(guò)共晶白口鑄鐵的結(jié)晶

圖1-10中合金Ⅵ為過(guò)共晶白口鑄鐵，其結(jié)晶過(guò)程如圖1-16所示。

當(dāng)合金冷卻到1點(diǎn)時(shí)，開(kāi)始從液相中析出一次滲碳體(Fe3CⅠ)，一次滲碳體呈粗大片狀。當(dāng)溫度繼續(xù)下降到2點(diǎn)時(shí)，剩余液相碳含量達(dá)到4.3%，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變形成高溫萊氏體。過(guò)共晶白口鑄鐵的室溫組織為一次滲碳體和低溫萊氏體。圖1-16過(guò)共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程示意圖

3．碳對(duì)鐵碳合金平衡組織和機(jī)械性能的影響

1)對(duì)平衡組織的影響

由上面的分析可知，隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增高，鐵碳合金的組織發(fā)生了如下變化：

F＋Fe3CⅢ工業(yè)純鐵→F＋P亞共析鋼→P共析鋼→P＋Fe3CⅡ過(guò)共析鋼→P＋Fe3CⅡ＋L′d亞共晶白口鑄鐵→L′d共晶白口鑄鐵→L′d＋Fe3CⅠ過(guò)共晶白口鑄鐵

當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大時(shí)，不僅其組織中滲碳體數(shù)量增加，而且滲碳體的分布和形態(tài)發(fā)生了如下變化：

Fe3CⅢ(沿鐵素體晶界分布的薄片狀)→共析Fe3C(分布在鐵素體內(nèi)的片層狀)→Fe3CⅡ→(沿奧氏體晶界分布的網(wǎng)狀)→共晶Fe3C(為萊氏體的基體)→Fe3CⅠ(分布在萊氏體上的粗大片狀)

2)對(duì)機(jī)械性能的影響

圖1-17為含碳量對(duì)碳鋼力學(xué)性能的影響。由圖可見(jiàn)，隨著含碳量增加，鋼的硬度直線(xiàn)上升，而塑性、韌性明顯降低。但是碳含量對(duì)碳鋼的強(qiáng)度影響不同：當(dāng)鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.9%時(shí)，因二次滲碳體的數(shù)量隨碳含量的增加而急劇增多且明顯地呈網(wǎng)狀分布于奧氏體晶界上，不僅降低了碳鋼的塑性和韌性，而且明顯地降低了碳鋼的強(qiáng)度。所以，為了保證工業(yè)用鋼具有足夠的強(qiáng)度和一定的塑性、韌性，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過(guò)1.4%。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11%的白口鑄鐵，由于組織中含有較多的滲碳體，性能上顯得硬而脆，難以進(jìn)行切削加工，因此在一般機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用不多。

圖1-17碳對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響

4．Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用

Fe-Fe3C相圖在生產(chǎn)中具有很大的實(shí)際意義，主要應(yīng)用在鋼鐵材料的選用和熱加工工藝的制定兩個(gè)方面。

1)在選材方面的應(yīng)用

Fe-Fe3C相圖所表明的成分-組織-性能的規(guī)律，為鋼鐵材料的選用提供了根據(jù)。若需要塑性、韌性、冷變形性及焊接性能好的型鋼，應(yīng)采用低碳鋼(ωC＜0.25%)，如船體、橋梁、鍋爐及建筑結(jié)構(gòu)用鋼；各種機(jī)器零件需要強(qiáng)度、塑性及韌性都比較好的材料，應(yīng)選用中碳鋼(0.25%＜ωC<0.55%)，如船用柴油機(jī)的曲軸、連桿及機(jī)床上的齒輪、軸類(lèi)零件；各種工具要用硬度高和耐磨性好的材料，則應(yīng)采用高碳鋼(ωC＞0.60%)。白口鑄鐵硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能鍛造，但其耐磨性好，鑄造性能優(yōu)良，適用于耐磨、不受沖擊、形狀復(fù)雜的鑄件，例如拔絲模、冷軋輥、火車(chē)車(chē)輪、球磨機(jī)的磨球等。另外，白口鑄鐵還用于生產(chǎn)可鍛鑄鐵的毛坯。

2)為制定熱加工工藝提供依據(jù)

(1)在鑄造工藝方面的應(yīng)用：根據(jù)Fe-Fe3C相圖可以確定合金的澆注溫度。澆注溫度一般在液相線(xiàn)以上50℃～100℃。從相圖上可看出，純鐵和共晶白口鑄鐵的凝固溫度區(qū)間最小，流動(dòng)性好，分散縮孔少，可以獲得致密的鑄件，因而鑄造性能最好。鑄鐵在生產(chǎn)上總是選在共晶線(xiàn)成分附近。在鑄鋼生產(chǎn)中，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)規(guī)定在0.15%～0.60%之間，因?yàn)樵谶@個(gè)范圍內(nèi)鋼的結(jié)晶溫度區(qū)間較小，鑄造性能較好。

(2)在鍛造工藝方面的應(yīng)用：鋼處于奧氏體狀態(tài)時(shí)，強(qiáng)度低、塑性好，因此鍛造或軋制溫度必須選擇在單相奧氏體區(qū)的適當(dāng)溫度范圍。始軋和始鍛溫度不能過(guò)高，以免鋼材氧化嚴(yán)重和發(fā)生奧氏體晶界熔化(稱(chēng)為過(guò)燒)，一般控制在固相線(xiàn)以下100℃～200℃。而終止軋制溫度或鍛造溫度不能過(guò)低，防止鋼材因塑性差導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。一般對(duì)亞共析鋼的熱加工終止溫度控制在稍高于GS線(xiàn)；過(guò)共析鋼控制在稍高于PSK線(xiàn)，見(jiàn)圖1-9。各種碳鋼的始軋和始鍛溫度為1150℃～1250℃，終軋和終鍛溫度為750℃～850℃。

(3)在熱處理工藝方面的應(yīng)用：Fe-Fe3C相圖對(duì)于制定熱處理工藝有著特別重要的意義。一些熱處理工藝，如退火、正火、淬火的加熱溫度都是依據(jù)Fe-Fe3C相圖來(lái)確定的，這將在1.3.3小節(jié)“鋼的熱處理”中詳細(xì)闡述。

(4)在焊接工藝方面的應(yīng)用：Fe-Fe3C相圖可以指導(dǎo)焊接的選材及焊后熱處理等工藝措施，如焊后正火、退火工藝的制定，從而改善焊縫組織，提高機(jī)械性能，得到優(yōu)質(zhì)焊縫。

在運(yùn)用Fe-Fe3C相圖時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

(1)Fe-Fe3C相圖只反映鐵碳二元合金中相的平衡狀態(tài)，如含有其他元素，相圖將發(fā)生變化。

(2)Fe-Fe3C相圖反映的是平衡條件下鐵碳合金中相的狀態(tài)，若冷卻或加熱速度較快，其組織轉(zhuǎn)變就不能只用相圖來(lái)分析了。

金屬材料的熱處理是指將金屬或合金在固態(tài)范圍內(nèi)采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以改變其組織，從而獲得所需要性能的一種工藝方法。熱處理不僅可以強(qiáng)化金屬材料、充分發(fā)揮鋼材的潛力，提高或改善工件的使用性能和加工工藝性，而且還是提高加工質(zhì)量、延長(zhǎng)工件和刀具使用壽命、節(jié)約材料、降低成本的重要手段。1.3金屬材料熱處理

圖1-18熱處理曲線(xiàn)熱處理工藝與其他工藝相比有不同的特點(diǎn)。如鑄造、壓力加工、焊接、切削加工，都是為了使金屬材料成為具有一定形狀和尺寸的半成品或成品；而熱處理的任務(wù)是不改變?cè)行螤詈统叽?，僅改變金屬材料的性能。

熱處理方法很多，但任何一種熱處理工藝都是由加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段組成的，通常采用所謂熱處理工藝曲線(xiàn)來(lái)表示，見(jiàn)圖1-18。

根據(jù)熱處理的目的、加熱和冷卻的不同，熱處理可以分為以下幾種類(lèi)型：1.3.1鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

為了使鋼件在熱處理后獲得所需的性能，對(duì)于大多數(shù)熱處理工藝，都要將鋼加熱到相變溫度以上，使其組織發(fā)生變化，對(duì)于碳素鋼在緩慢加熱和冷卻過(guò)程中，相變溫度可以根據(jù)Fe-Fe3C相圖來(lái)確定，然而由于Fe-Fe3C相圖中的相變溫度A1、A3、A

cm是在極其緩慢的加熱和冷卻條件下測(cè)定的，與實(shí)際熱處理的相變溫度有一些差異，加熱時(shí)相變溫度因有過(guò)熱現(xiàn)象而偏高，冷卻時(shí)因有過(guò)冷現(xiàn)象而偏低，隨著加熱和冷卻速度的增加，這一偏離現(xiàn)象愈加嚴(yán)重，因此，常將實(shí)際加熱時(shí)偏離的相變溫度用Ac1、Ac3、Accm表示，將實(shí)際冷卻時(shí)偏離的相變溫度用Ar1、Ar3、Arcm表示，如圖1-19所示。

圖1-19加熱(或冷卻)時(shí)相變溫度變化碳鋼的室溫組織基本上由鐵素體和滲碳體兩個(gè)相組成，只有在奧氏體狀態(tài)下才能通過(guò)不同的冷卻方式使鋼轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌M織，獲得所需要的性能。因此，熱處理時(shí)須將鋼加熱到一定溫度，使其組織全部或部分變?yōu)閵W氏體。

將共析鋼加熱到Ac1以上時(shí)，珠光體將轉(zhuǎn)變?yōu)樘己喀谻＝0.77%的奧氏體，奧氏體的形成過(guò)程是一個(gè)形核、晶核長(zhǎng)大、殘余Fe3C分解和均勻化的過(guò)程。適當(dāng)?shù)募訜釡囟群捅貢r(shí)間可使奧氏體具有一定的形核率、較慢的晶核長(zhǎng)大速度和均勻的成分，從而獲得細(xì)小均勻的奧氏體晶粒。加熱溫度過(guò)高或高溫下保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，都會(huì)產(chǎn)生粗大的奧氏體晶粒。奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的晶粒大小主要取決于奧氏體晶粒的大小，細(xì)晶奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也細(xì)小，從而鋼的力學(xué)性能較好。因此，控制鋼的加熱溫度和加熱時(shí)間很重要。

對(duì)亞共析鋼或過(guò)共析鋼，當(dāng)加熱到Ac1時(shí)，鋼中只有珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，其余的鐵素體或二次滲碳體仍不發(fā)生變化，隨著加熱溫度的升高，亞共析鋼中的鐵素體或過(guò)共析鋼中的二次滲碳體才不斷向奧氏體轉(zhuǎn)變，直至加熱溫度超過(guò)Ac3或Accm以上時(shí)，鋼中的鐵素體完全消失，二次滲碳體逐漸溶解于奧氏體中，全部組織均轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)而均勻的單一奧氏體，但過(guò)共析鋼奧氏體晶粒較粗大。1.3.2鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

熱處理后鋼的力學(xué)性能主要取決于奧氏體經(jīng)冷卻轉(zhuǎn)變后所獲得的組織，而冷卻方式和冷卻速度對(duì)奧氏體的組織轉(zhuǎn)變有直接關(guān)系。實(shí)際生產(chǎn)中常用的冷卻方式有以下兩種。

1．等溫冷卻

使奧氏體化的鋼先以較快的冷卻速度降到相變點(diǎn)(A1線(xiàn))以下一定的溫度，這時(shí)奧氏體尚未轉(zhuǎn)變，但成為過(guò)冷奧氏體。然后進(jìn)行保溫，使過(guò)冷奧氏體在等溫下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變完成后再冷卻到室溫。例如等溫退火、等溫淬火等均屬于等溫冷卻方式。

等溫冷卻方式對(duì)研究冷卻過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變較為方便。以共析碳鋼為例，將奧氏體化的共析碳鋼以不同的冷卻速度急冷至A1線(xiàn)以下不同溫度保溫，使過(guò)冷奧氏體在等溫條件下發(fā)生相變。測(cè)出不同溫度下過(guò)冷奧氏體發(fā)生相變的開(kāi)始時(shí)間和終了時(shí)間，并分別畫(huà)在溫度-時(shí)間坐標(biāo)上，然后將轉(zhuǎn)變開(kāi)始時(shí)間和轉(zhuǎn)變終了時(shí)間分別連接起來(lái)，即得到共析碳鋼的過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)，如圖1-20所示。過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)頗似“C”字，故簡(jiǎn)稱(chēng)C曲線(xiàn)，又稱(chēng)為T(mén)TT曲線(xiàn)。圖1-20中，A1、Ms兩條溫度線(xiàn)劃分出上中下三個(gè)區(qū)域：A1線(xiàn)以上是穩(wěn)定奧氏體區(qū)，Ms線(xiàn)以下是馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，A1和Ms線(xiàn)之間的區(qū)域是過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變區(qū)。

圖1-20共析鋼過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)圖1-20中兩條C曲線(xiàn)又把等溫轉(zhuǎn)變區(qū)劃分為左中右三個(gè)區(qū)域：左邊一條C曲線(xiàn)為轉(zhuǎn)變開(kāi)始線(xiàn)，其左側(cè)是過(guò)冷奧氏體區(qū)；右邊一條C曲線(xiàn)為轉(zhuǎn)變終了線(xiàn)，其右側(cè)是轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)；兩條C曲線(xiàn)之間是過(guò)冷奧氏體部分轉(zhuǎn)變區(qū)。C曲線(xiàn)表示了一定成分的鋼經(jīng)奧氏體化后等溫冷卻轉(zhuǎn)變的時(shí)間-溫度-組織關(guān)系，是制定鋼熱處理工藝的重要依據(jù)。

共析鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物可分為如下三個(gè)類(lèi)型：

(1)高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：在727℃～550℃之間等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物屬珠光體組織，都是由鐵素體和滲碳體的層片組成的機(jī)械混合物。過(guò)冷度越大，層片越細(xì)小，鋼的強(qiáng)度和硬度也越高。依據(jù)組織中層片的尺寸，又把727～650℃之間等溫轉(zhuǎn)變的組織稱(chēng)為粗片狀珠光體，在650℃～600℃之間等溫轉(zhuǎn)變的組織稱(chēng)為索氏體，在600℃～500℃之間等溫轉(zhuǎn)變的組織稱(chēng)為屈氏體。

(2)中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：在550℃～230℃之間等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物屬貝氏體型組織，它是由含碳量過(guò)飽和的鐵素體和微小的滲碳體混合而成的一種非層片組織。在550℃～350℃范圍內(nèi)，碳原子有一定的擴(kuò)散能力，在鐵素體片的晶界上析出不連續(xù)短桿狀的滲碳體，這種組織稱(chēng)為上貝氏體(B上)，其形態(tài)在光學(xué)顯微鏡下呈羽毛狀。由于上貝氏體強(qiáng)度、硬度較高(40HRC～48HRC)，而塑性較低，脆性較大，因此生產(chǎn)中很少采用。在350℃～Ms范圍內(nèi)，碳原子的擴(kuò)散能力更弱，難以擴(kuò)散到片狀鐵素體的晶界上，只能沿與晶軸呈55°～60°夾角的晶面上析出斷續(xù)條狀滲碳體，這種組織稱(chēng)為下貝氏體(B下)，其形態(tài)在光學(xué)顯微鏡下呈黑色針狀。下貝氏體具有較高的強(qiáng)度和硬度(約48HRC～55HRC)及良好的塑性和韌性，綜合力學(xué)性能好，生產(chǎn)中常采用等溫轉(zhuǎn)變獲得下貝氏體

組織。

(3)低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：在Ms線(xiàn)以下范圍內(nèi)，鐵、碳原子都已失去擴(kuò)散的能力，但過(guò)冷度很大，相變驅(qū)動(dòng)力足以改變過(guò)冷奧氏體的晶格結(jié)構(gòu)，并將碳全部過(guò)飽和固溶于α-Fe晶格內(nèi)，這種轉(zhuǎn)變屬于非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，也稱(chēng)做低溫轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體(M)。Ms為馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度，Mf為馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度。馬氏體的轉(zhuǎn)變是在Ms～Mf范圍內(nèi)不斷降溫的過(guò)程中進(jìn)行的，冷卻中斷，轉(zhuǎn)變隨即停止，只有繼續(xù)降溫，馬氏體轉(zhuǎn)變才能繼續(xù)進(jìn)行，直至冷卻到Mf點(diǎn)溫度，轉(zhuǎn)變終止。馬氏體轉(zhuǎn)變至環(huán)境溫度下仍會(huì)保留一定數(shù)量的奧氏體，稱(chēng)為殘余奧氏體，以A'或A殘表示。

馬氏體的組織形態(tài)主要取決于過(guò)冷奧氏體的碳含量，當(dāng)奧氏體碳含量ωC＜0.2%時(shí)，鋼淬火后幾乎全部形成板條馬氏體，也稱(chēng)低碳馬氏體或位錯(cuò)馬氏體，其立體形態(tài)呈平行成束分布的板條狀，板條馬氏體硬度在50HRC左右，具有較高的強(qiáng)韌性；當(dāng)奧氏體碳含量ωC＞1.0%時(shí)，鋼淬火后幾乎全部形成針狀馬氏體，也稱(chēng)高碳馬氏體或?qū)\晶馬氏體，其立體形態(tài)呈雙凸透鏡狀。當(dāng)奧氏體中碳含量介于兩者之間時(shí)，則得到兩種馬氏體的混合組織。針狀馬氏體硬度隨馬氏體中碳含量的增加而增加，馬氏體硬度高達(dá)60HRC～65HRC。但馬氏體的韌性低，脆性大，斷后伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率Ψ都很低，鋼的Ms點(diǎn)和Mf點(diǎn)隨奧氏體中碳含量的增加而降低，因而殘余奧氏體量也隨奧氏體中碳含量的增加而增加。

2．連續(xù)冷卻

經(jīng)奧氏體化的鋼，使其在溫度連續(xù)下降的過(guò)程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。例如在熱處理生產(chǎn)中經(jīng)常使用的水中、油中或空氣中冷卻等都是連續(xù)冷卻方式。1.3.3鋼的熱處理工藝

常用的熱處理工藝大致分為兩類(lèi)：預(yù)先熱處理和最終熱處理。預(yù)先熱處理是為了消除前一道工序所造成的某些缺陷，細(xì)化均勻組織，通常安排在鑄造、鍛造、焊接等工藝之后、機(jī)加工之前。最終熱處理是為了滿(mǎn)足成品的使用性能。退火、正火屬于預(yù)先熱處理，對(duì)于使用性能要求不高的零件，也可作為最終熱處理。

1.退火

退火是將鋼件加熱到高于或低于鋼的相變點(diǎn)適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間，隨后在爐中或埋入導(dǎo)熱性較差的介質(zhì)中緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的一種熱處理工藝。

退火的目的是為了降低硬度，利于切削加工，適于切削加工的硬度為160HB～230HB；細(xì)化晶粒，改善組織，提高力學(xué)性能；消除內(nèi)應(yīng)力，防止變形和開(kāi)裂，并為下道淬火工序做好準(zhǔn)備；提高鋼的塑性和韌性，便于冷加工的進(jìn)行。

根據(jù)工件鋼材的成分和退火目的的不同，常用退火工藝可分為以下幾種。

1)完全退火

將亞共析鋼加熱到Ac3以上30℃～50℃，保溫一定時(shí)間后，隨爐緩慢冷卻到室溫。所謂“完全”，是指退火時(shí)鋼件被加熱到奧氏體化溫度以上獲得完全的奧氏體組織，并在冷至室溫時(shí)獲得接近平衡狀況的鐵素體和片狀珠光體組織。完全退火的目的是降低硬度以提高切削性能，細(xì)化晶粒和消除內(nèi)應(yīng)力以改善機(jī)械性能。

完全退火主要用于處理亞共析組織的碳鋼和合金鋼的鑄件、鍛件、熱軋型材和焊接結(jié)構(gòu)，也可作為一些不重要件的最終熱處理。

2)球化退火

共析或過(guò)共析鋼加熱至Ac1以上20℃～50℃，保溫一定時(shí)間，再冷卻至Ar1以下20℃左右等溫一定時(shí)間，然后爐冷至600℃左右出爐空冷，即為球化退火。在其加熱保溫過(guò)程中，網(wǎng)狀滲碳體不完全溶解而斷開(kāi)，成為許多細(xì)小點(diǎn)狀滲碳體彌散分布在奧氏體基體上。在隨后的緩冷過(guò)程中，以細(xì)小滲碳體質(zhì)點(diǎn)為核心，形成顆粒狀滲碳體，均勻分布在鐵素體基體上，成為球狀珠光體。

球化退火主要用于消除過(guò)共析碳鋼及合金工具鋼中的網(wǎng)狀二次滲碳體及珠光體中的片狀滲碳體。由于過(guò)共析鋼的層片狀珠光體較硬，再加上網(wǎng)狀滲碳體的存在，不僅給切削加工帶來(lái)困難，使刀具磨損增加，切削加工性變差，而且還易引起淬火變形和開(kāi)裂。為了克服這一缺點(diǎn)，可在熱加工之后安排一道球化退火工序，使珠光體中的網(wǎng)狀二次滲碳體和片狀滲碳體都球化，以降低硬度，改善切削加工性，并為淬火做組織準(zhǔn)備。對(duì)存在嚴(yán)重網(wǎng)狀二次滲碳體的過(guò)共析鋼，應(yīng)先進(jìn)行一次正火處理，使網(wǎng)狀滲碳體溶解，然后再進(jìn)行球化

退火。

3)等溫退火

將鋼件加熱到Ac3以上(對(duì)亞共析鋼)或Ac1以上(對(duì)共析鋼和過(guò)共析鋼)30～50℃，保溫后較快地冷卻到稍低于Ar1的溫度，進(jìn)行等溫保溫，使奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體，轉(zhuǎn)變結(jié)束后，取出鋼件在空氣中冷卻。等溫退火與完全退火目的相同，但可將整個(gè)退火時(shí)間縮短大約一半，而且所獲得的組織也比較均勻。等溫退火主要用于奧氏體比較穩(wěn)定的合金工具鋼和高合金鋼等。

4)去應(yīng)力退火

去應(yīng)力退火也稱(chēng)低溫退火，它是將鋼件隨爐緩慢加熱(100℃/h～150℃/h)至500～650℃，保溫一定時(shí)間后，隨爐緩慢冷卻(50℃/h～100℃／h)至300℃～200℃以下再出爐空冷，稱(chēng)為去應(yīng)力退火。去應(yīng)力退火主要用于消除鑄件、鍛件、焊接件、冷沖壓件及機(jī)加工件中的殘余應(yīng)力，以穩(wěn)定尺寸、減少變形；或防止形狀復(fù)雜和截面變化較大的工件在淬火中產(chǎn)生變形或開(kāi)裂。由于鋼件在低溫退火過(guò)程中加熱溫度低于Ac1，因此無(wú)組織變化。經(jīng)去應(yīng)力退火可消除50%～80%的殘余應(yīng)力。

5)再結(jié)晶退火

把經(jīng)過(guò)冷變形的低碳鋼(或有色金屬)制件加熱到再結(jié)晶溫度以上100℃～200℃，即在650℃～750℃范圍內(nèi)保溫后爐冷，通過(guò)再結(jié)晶使鋼材的塑性恢復(fù)到冷變形以前的狀況。這種退火也是一種低溫退火，主要用于消除冷軋、冷拉、冷壓等產(chǎn)生加工硬化的鋼材。

2．正火

正火是將鋼件加熱至Ac3(亞共析鋼)、Ac1(共析鋼)或Accm(過(guò)共析鋼)以上30℃～50℃，經(jīng)保溫后從爐中取出，在空氣中冷卻的熱處理工藝。

正火與完全退火的作用相似，都可得到珠光體型組織。但二者的冷卻速度不同，退火冷卻速度慢，獲得接近平衡狀態(tài)的珠光體組織；而正火冷卻速度稍快，過(guò)冷度較大，得到的是珠光體類(lèi)組織，組織較細(xì)，即索氏體，因此，同一鋼件在正火后的強(qiáng)度與硬度較退火后高。

正火的主要目的是細(xì)化晶粒，提高機(jī)械性能和切削加工性能，消除加工造成的組織不均勻及內(nèi)應(yīng)力。對(duì)于低碳鋼和低合金鋼，正火可提高硬度，改善切削加工性；對(duì)于過(guò)共析鋼，可消除或減少網(wǎng)狀二次滲碳體，利于球化退火的進(jìn)行；可以用正火代替中碳鋼、合金鋼的大直徑或形狀復(fù)雜零件的調(diào)質(zhì)處理；也可以用正火來(lái)代替鑄鍛件的退火處理。

正火與退火的選擇在條件允許的情況下應(yīng)優(yōu)先考慮正火方法，因?yàn)檎鹕a(chǎn)效率高。對(duì)于要求不高的普通零件則以正火作為最終熱處理。

3．淬火

淬火是將鋼加熱到Ac3(亞共析鋼)或Ac1(共析或過(guò)共析鋼)以上30℃～50℃，保溫一定時(shí)間使其奧氏體化，然后在冷卻介質(zhì)中迅速冷卻的熱處理工藝。淬火的主要目的是得到馬氏體，提高鋼的硬度和耐磨性，例如各種工具、模具、量具、滾動(dòng)軸承等，都需要通過(guò)淬火來(lái)提高硬度和耐磨性。

淬火得到的組織是馬氏體，但馬氏體硬度高，而且組織很不穩(wěn)定，還存在很大的內(nèi)應(yīng)力，極易變形和開(kāi)裂。淬火后應(yīng)及時(shí)回火以獲得所需要的各種不同性能的組織，來(lái)滿(mǎn)足使用要求。

淬火用油幾乎全部為礦物油(如機(jī)油、變壓器油、柴油等)，油在300℃～200℃范圍內(nèi)冷卻速度遠(yuǎn)小于水，這對(duì)減小淬火工件的變形和開(kāi)裂很有利，但在650℃～400℃范圍內(nèi)冷卻速度比水小得多，因此油多用于過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性較大的合金鋼的淬火。但油在長(zhǎng)期使用后易老化，即黏度增大，使冷卻能力下降；另外油還不易清洗。

4．回火

回火是將淬火后的鋼加熱到Ac1以下溫度，保溫一段時(shí)間，然后置于空氣或水中冷卻的熱處理工藝?；鼗鹂偸前殡S著淬火之后進(jìn)行的，通常也是零件進(jìn)行熱處理的最后一道工序，因而它對(duì)產(chǎn)品的最終性能有決定性的影響。

回火的目的是消除淬火鋼中馬氏體和殘留奧氏體的不穩(wěn)定性及冷卻過(guò)快而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，防止變形和開(kāi)裂；促使馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌线m的組織，從而穩(wěn)定零件的組織及尺寸；調(diào)整硬度，提高鋼的韌性。

根據(jù)加熱溫度的不同，可將碳鋼回火分為以下三類(lèi)：

(1)低溫回火(150℃～250℃)：回火后的組織主要為回火馬氏體，其組織與馬氏體組織相近，基本上保持了淬火后的高硬度(如共析碳鋼的低溫回火硬度達(dá)58HRC～62HRC)和高耐磨性。低溫回火的主要目的是降低淬火應(yīng)力和脆性，保留淬火后的高硬度。此方法一般用于碳鋼及合金鋼制作的刀具、量具，柴油機(jī)燃油系統(tǒng)中的精密偶件，滾動(dòng)軸承，滲碳件和表面淬火工件，如齒輪、活塞銷(xiāo)、曲軸、凸輪軸等。

(2)中溫回火(350℃～500℃)：回火后的組織為回火屈氏體，回火屈氏體的硬度比回火馬氏體低，如共析碳鋼的中溫回火硬度為40HRC～50HRC，具有較高的彈性極限和屈服強(qiáng)度，并有一定的韌性。中溫回火適用于處理彈性構(gòu)件(如各種彈簧)。

(3)高溫回火(500℃～650℃)：回火后的組織為回火索氏體，回火索氏體具有良好的綜合力學(xué)性能，硬度為25HRC～35HRC。淬火加高溫回火的熱處理方法又稱(chēng)為調(diào)質(zhì)處理，適用于處理承受復(fù)雜載荷的重要零件，如曲軸、連桿、軸類(lèi)、齒輪等。1.3.4鋼的表面熱處理

在扭轉(zhuǎn)和彎曲等交變載荷作用下工作的機(jī)械零件，如柴油機(jī)的曲軸、活塞銷(xiāo)、凸輪軸、齒輪等，它們既承受沖擊，表面層在有摩擦的情況下又受到磨損。因此，必須提高這些零件表面層的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，而心部仍保持足夠的塑性和韌性，使其能承受沖擊載荷。顯然，僅靠選材和普通熱處理無(wú)法滿(mǎn)足上述的性能要求。若選用高碳鋼淬火并低溫回火，硬度高，表面耐磨性好，但心部韌性差；若選用中碳鋼只進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，心部韌性好，但表面硬度低，耐磨性差。解決上述問(wèn)題的正確途徑是采用表面熱處理，即表面淬火和化學(xué)熱處理。

1．鋼的表面淬火

表面淬火是一種不改變鋼的表面化學(xué)成分，但改變其組織的局部熱處理方法，即將鋼件表層快速加熱至奧氏體化溫度，就立即予以快速冷卻，使表層獲得硬而耐磨的馬氏體組織，而心部仍保持原來(lái)塑性和韌性較好的退火、正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)組織。按其加熱方式的不同，可分為感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火和激光加熱表面淬火等。

2．鋼的化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是將工件置于特定介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表層，以改變表層的化學(xué)成分和組織，從而達(dá)到使工件表層具有某些特殊力學(xué)性能或物理化學(xué)性能的一種熱處理工藝。與表面淬火相比，化學(xué)熱處理的主要特點(diǎn)是：表面層不僅有化學(xué)成分的變化，而且還有組織的變化。按照滲入元素的不同，化學(xué)熱處理有滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲硫、滲金屬等。

機(jī)器制造中用的最多的材料是金屬材料，其中以鋼和鑄鐵用量最大。本節(jié)介紹常用的鋼材和鋁、銅有色合金，鑄鐵在第2章中介紹。1.4常用的金屬材料1.4.1鋼

1．鋼的分類(lèi)與編號(hào)

1)鋼的分類(lèi)

鋼的分類(lèi)方式很多，常用的有按鋼的化學(xué)成分分類(lèi)和按鋼的用途分類(lèi)。

(1)按鋼的化學(xué)成分分類(lèi)：分為碳素鋼和合金鋼兩大類(lèi)。其中碳素鋼按含碳量的高低又分為工業(yè)純鐵(C含量≤0.04％)、低碳鋼(0.04％＜C含量≤0.25％)、中碳鋼(0.25％＜C含量＜0.6％)、高碳鋼(C含量≥0.6%)四類(lèi)；而合金鋼按合金元素含量的高低又分為低合金鋼(合金元素含量＜5％)、中合金鋼(合金元素含量5％～10％)和高合金鋼(合金元素含量＞10％)三類(lèi)。

(2)按鋼材的用途分類(lèi)：分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊性能鋼三大類(lèi)。其中結(jié)構(gòu)鋼是制造各種機(jī)器零件及工程構(gòu)件的用鋼，它包括調(diào)質(zhì)鋼、超高強(qiáng)度鋼、彈簧鋼、軸承鋼及工程構(gòu)件用鋼等；工具鋼用于制造各種刃具鋼、量具鋼、模具鋼等；特殊性能鋼有不銹鋼和耐熱鋼等。

2)鋼的編號(hào)

(1)普通碳素結(jié)構(gòu)鋼：由代表屈服強(qiáng)度的字母、屈服強(qiáng)度的數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)和脫氧方法符號(hào)等四個(gè)部分組成。例如Q235-A.F。

普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分和力學(xué)性能，如表1-4所示。

表1-4普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分和力學(xué)性能

(2)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：鋼的雜質(zhì)含量P≤0.035%～0.04％，S≤0.03%～0.04％時(shí)屬于優(yōu)質(zhì)鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼采用兩位數(shù)字表示，這兩位數(shù)字表示該鋼號(hào)的平均含碳量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)。如45鋼表示含碳量為0.45％的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、成分、性能及其用途，如表1-5所示。表1-5優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、成分、性能和用途

(3)碳素工具鋼：其牌號(hào)由字母T和數(shù)字組成。T表示碳素工具鋼，數(shù)字表示平均含碳量的千分?jǐn)?shù)。如T10表示平均含碳量為1％的碳素工具鋼。這類(lèi)鋼都是優(yōu)質(zhì)鋼。當(dāng)雜質(zhì)含量P＜0.03％，S＜0.02％時(shí)，該鋼為高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，在牌號(hào)的數(shù)字后加A表示，如T10A。碳素工具鋼的牌號(hào)、性能及用途，如表1-6所示。

表1-6碳素工具鋼的牌號(hào)、性能及用途

(4)合金結(jié)構(gòu)鋼：采用兩位數(shù)＋元素符號(hào)＋數(shù)字表示。前面兩位數(shù)字表示鋼的含碳量的萬(wàn)分位，元素符號(hào)后的數(shù)字表示該元素含量的百分?jǐn)?shù)。如果合金元素為1％左右則不標(biāo)其含量，如20Cr、18Cr2Ni4W、30CrMnSi、40Cr等。常用合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、性能及用途，如表1-7所示。

表1-7合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、性能及用途(5)合金工具鋼和特殊性能鋼：編號(hào)形式與合金結(jié)構(gòu)鋼相似，只是碳含量的表示方法不同。當(dāng)平均含碳量大于或等于1.0％時(shí)，碳量不標(biāo)出；當(dāng)平均含碳量小于1.0％時(shí)，以其千分?jǐn)?shù)表示，如9SiCr、W18Cr4V、1Cr18Ni9等。常用合金工具鋼的牌號(hào)、性能及用途，如表

1-8所示。

表1-8合金工具鋼的牌號(hào)、性能及用途

2．結(jié)構(gòu)鋼

結(jié)構(gòu)鋼可分成工程構(gòu)件用鋼和機(jī)械制造用鋼兩類(lèi)。其中，工程構(gòu)件用鋼一般使用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼。這類(lèi)鋼的強(qiáng)度較低，塑性、韌性和焊接性較好，價(jià)格低廉，一般在熱軋態(tài)下使用，必要時(shí)進(jìn)行正火處理以提高強(qiáng)度。機(jī)械制造用鋼多使用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼，按其組織和性能特點(diǎn)可分為以下幾種主要類(lèi)型。

1)調(diào)質(zhì)鋼

調(diào)質(zhì)鋼制造零件要求有較高的強(qiáng)度和良好的塑性、韌性。含碳量在0.3％～0.6％的鋼經(jīng)淬火、高溫回火等獲得回火索氏體組織，可較好地滿(mǎn)足上述性能要求。為保證淬透性，鋼中常含有Cr、Mn、Ni、Mo等合金元素。常用鋼種有45、40Cr、35CrMo、40CrNiMo等。

2)表面硬化鋼

表面硬化鋼制造零件除了要求有較高強(qiáng)度和良好的塑性、韌性外，還要求表面硬度高，耐磨性好。按表面硬化方式的不同，表面硬化鋼可劃分為以下幾種：

(1)滲碳鋼：這類(lèi)鋼的含碳量低(0.15%~0.25%)，以保證工件心部獲得低碳馬氏體，有較高的強(qiáng)度和韌性，而表層經(jīng)滲碳后，硬度高而耐磨，熱處理方式為滲碳后淬火加低溫回火。常用鋼種有15Cr、20Cr、20CrMnTi等。

(2)滲氮鋼：這類(lèi)鋼的含碳量中等(0.3％～0.5％)。滲氮前經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，工件心部為回火索氏體，有良好的強(qiáng)度和韌性。滲氮后，表層為硬而耐磨、耐腐蝕的氮化層，心部組織與性能仍保持氮化前的狀態(tài)。常用鋼種有38CrMoAl、30CrMnSi、40Cr、42CrMo等。

3)彈簧鋼

彈簧鋼要求有高的彈性極限和高的疲勞強(qiáng)度，含碳量在0.5％～0.85％之間。經(jīng)淬火、中溫回火后獲得回火屈氏體組織。常用鋼種有70、65Mn、50CrV、62Si2Mn等。

3．工具鋼

工具鋼要求具有高的硬度和耐磨性以及足夠的強(qiáng)度和韌性。這類(lèi)鋼的含碳量均很高，通常為0.6％～1.3％。按合金元素的含量可分為以下幾