《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：鐵、錳、鉻或以它們?yōu)橹餍纬傻暮辖鸱Q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，金屬材料在各種機械設(shè)備中所占的比例達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)。熱處理就是通過改變金屬材料的組織以及改變表面成分和組織來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)上來說，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械性能的重要因素。因此，了解金屬的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)及其對金屬性能的影響，對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。

原子無規(guī)律地堆積在一起的物質(zhì)稱為非晶體，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，進而顯示出不同的特性。晶體具有固定的熔點，性能具有各向異性；而非晶體沒有固定的熔點，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，把每一個原子假想為一個幾何結(jié)點，并用直線從其中心連接起來形成空間的格子，稱為結(jié)晶格子，簡稱晶格，如圖1-1(b)所示。晶格的結(jié)點為原子震動的平衡中心位置。晶格中各種方位的原子面稱為晶面。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，都能代表晶體空間的一個方向，稱為晶向。晶格的最小幾何單元稱為晶胞，如圖1-1(c)所示。晶胞中各棱邊尺寸a、b、c稱為晶格常數(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，這種晶胞稱為簡單立方。

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，而相同的晶胞類型若有不同的晶格常數(shù)，也會使金屬具有不同的

性能。

3.常見金屬的晶體結(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正立方體。原子位于立方體的中心和八個頂點上，頂點上的每個原子為相鄰的八個晶胞所共有。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正立方體，原子位于立方體六個面的中心和八個頂點，頂點上的每個原子為相鄰八個晶胞所共有，面心的每個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正六方柱體，原子位于2個底面的中心處和12個頂點上，柱體內(nèi)部還包含著3個原子。其a＝b≠c，α＝β＝90°，γ＝120°。頂點的每個原子同時為相鄰的6個晶胞所共有，上下底面中心的原子同時屬于相鄰的2個晶胞，而體中心的3個原子為該晶胞所獨有。其致密度為0.74。屬于這類晶格的金屬有鎂(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，這種晶體稱為單晶體，見圖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。實際使用的金屬材料都是由許多小晶體組成的。由于每個小晶體外形不規(guī)則，且呈顆粒狀，因而稱為“晶粒”。每個晶粒內(nèi)的晶格位向是一致的，但各個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為“晶界”，如圖1-5(b)所示。晶界是兩個相鄰晶粒不同晶格位向的過渡區(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為多晶體，金屬材料一般都是多晶體，雖然每個晶粒具有各向異性，但從不同方向測試出金屬的性能，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察到的情況，稱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

實驗證明，在每個晶粒內(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。這些小晶塊稱為亞晶粒，兩個相鄰亞晶粒的交界處稱為亞晶界，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使金屬的強度提高，同時還使塑性、韌性改善，這稱為細晶強化。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)晶體的過程稱為結(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)的過程稱為重結(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)晶形成晶體過程的溫度，可用熱分析法測定，即將液態(tài)金屬放在坩堝中以極其緩慢的速度進行冷卻，在冷卻過程中觀測并記錄溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)，并將其繪制成如圖1-6所示的冷卻曲線。

圖1-6金屬結(jié)晶的冷卻曲線示意圖從圖1-6中的曲線a可知，當(dāng)液態(tài)金屬冷卻溫度達到T0時，出現(xiàn)水平段1—2，其對應(yīng)的溫度就是金屬的理論結(jié)晶溫度T0，冷卻曲線上的水平段表示溫度保持不變。純金屬的結(jié)晶是在恒溫下進行的，這是因為金屬在1點開始結(jié)晶時放出結(jié)晶潛熱，補償了向外界散失的熱量，2點結(jié)晶終止后，冷卻曲線又連續(xù)下降。

2)實際結(jié)晶溫度

實際生產(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才能開始結(jié)晶。如圖1-6中的曲線b所示，T1稱為實際結(jié)晶溫度，T0和T1之差稱為過冷度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，過冷度越大，實際金屬的結(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，首先在液體中某些局部微小的體積內(nèi)出現(xiàn)原子規(guī)則排列的細微小集團，這些細微小集團是不穩(wěn)定的，時聚時散，有些穩(wěn)定下來成為結(jié)晶的核心，稱為晶核。當(dāng)溫度下降到T0時，晶核不斷吸收周圍液體中的金屬原子逐漸長大，液態(tài)金屬不斷減少，新的晶核逐漸增多且長大，直到全部液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體為止，一個晶核長大成為一個晶粒，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)晶過程示意圖

1)金屬晶核形成的方式

(1)自發(fā)形核：對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冷度下，不斷產(chǎn)生許多類似晶體中原子排列的小集團，形成結(jié)晶核心，即為自發(fā)晶核。

(2)非自發(fā)形核：實際金屬中往往存在異類固相質(zhì)點，并且在冷卻時金屬總會與鑄型內(nèi)壁接觸，因此這些已有的固體顆粒或表面被優(yōu)先依附，從而形成晶核，這種方式稱為非自發(fā)形核。

2)金屬晶核的長大方式

晶核形成后，液相原子不斷遷移到晶核表面而促使晶核長大形成晶核。但晶核長大程度取決于液態(tài)金屬的過冷度，當(dāng)過冷度很小時，晶核在長大過程中保持規(guī)則外形，直至長成晶粒并相互接觸時，規(guī)則外形才被破壞；反之，則以樹枝晶形態(tài)生長。這是因為隨著過冷度的增大，具有規(guī)則外形的晶核長大時需要將較多的結(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，如樹枝一樣先長出枝干，再長出分枝，最后把晶間填滿。

3.金屬晶粒的細化方法

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)部晶粒越細小，則晶界越多，晶界面也越多，晶界就越曲折，則晶格畸變越大，從而使金屬強度、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))和長大速度G(mm/s)有關(guān)，若晶核的形成速率很大而成長速率很小時，可得到很細小的晶粒。生產(chǎn)中常采用增加過冷度ΔT、變質(zhì)處理和附加震動等細化晶粒的方法。

1.1.3金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變

金屬經(jīng)過結(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)下會隨溫度的變化而具有不同類型的晶體結(jié)構(gòu)。

金屬在固態(tài)下由一種晶格類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格類型的變化稱為金屬的同素異晶(構(gòu))轉(zhuǎn)變。由金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變所得到的不同類型的晶體稱為同素異晶體。金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變也是原子重新排列的過程，稱為重結(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)變在恒溫下進行，也是形核與長大的過程，也必須在一定的過冷度下轉(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)下原子擴散比較困難，固態(tài)轉(zhuǎn)變需要較大的過冷度；固態(tài)轉(zhuǎn)變會產(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為純鐵的冷卻曲線圖，在1538℃時液態(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型，不再發(fā)生變化。

圖1-8純鐵的冷卻曲線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，但其強度和硬度都比較低，且冶煉困難，成本高，滿足不了工程技術(shù)上提出的高強度、高硬度、高耐磨性等各種性能要求。因此，在機械工業(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)量分數(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。如純鐵在同素異晶轉(zhuǎn)變過程中，出現(xiàn)的α-Fe和γ-Fe也是兩種不同的相。因為α-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。在一個相中可以有多個晶粒，但一個晶粒之中只能是同一個相。

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單獨的相構(gòu)成的單相組織或由兩個以上的相按一定的比例組成的機械混合物，機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)對合金性能起決定性作用。同時，合金中各相的相對數(shù)量、晶粒大小、形狀和分布情況，對合金性能也會產(chǎn)生很大的影響。根據(jù)合金中各類組元的相互作用，合金中的相結(jié)構(gòu)主要有固溶體和金屬化合物兩大類。

1)固溶體

當(dāng)合金由液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)時，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，稱為固溶體。固溶體中晶格結(jié)構(gòu)保持不變的組元稱為溶劑，晶格結(jié)構(gòu)消失的組元稱為溶質(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。

2)金屬化合物

當(dāng)溶質(zhì)含量超過溶劑的溶解度時，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表示其組成，但往往不符合化合價規(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)，并具有很高的熔點和硬度，脆性大，很少單獨使用。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提高合金的強度、硬度，從而達到強化金屬材料的目的，此時合金的絕大多數(shù)組織是機械混合物。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為鐵素體，用符號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℃時溶碳量(ωC)最大為0.0218%，在室溫下溶碳量僅為0.0008%。因而，固溶強化效果不明顯，其性能與純鐵相近，表現(xiàn)為強度、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為奧氏體，用符號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℃時溶碳量為ωC＝

0.77%。由于γ-Fe是在高溫時存在，因此奧氏體為高溫組織，其強度、硬度一般隨碳含量的增加而提高，但強度、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Fe3C表示，其碳含量ωC＝6.69%，熔點為1227℃，其硬度很高，約為800HBW，而塑性、韌性極差，幾乎為零。滲碳體不能單獨使用，在鋼和鑄鐵中與其他物質(zhì)相共存時，呈片狀、球狀、網(wǎng)狀和細板狀，其數(shù)量、形狀、大小和分布狀況對鋼和鑄鐵的性能有很大的影響，它是鋼中的主要強化相。滲碳體在一定條件下會發(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，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械混合物，稱為珠光體組織，用符號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化相滲碳體。珠光體的機械性能介于鐵素體和滲碳體之間，具有較高的強度和硬度，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，同時結(jié)晶出奧氏體和滲碳體呈均勻分布的混合物，稱為高溫萊氏體組織，用符號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，稱為低溫萊氏體，用符號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，并確定冷卻曲線上的結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度(臨界點)，然后把這些臨界點畫在“溫度-成分”坐標(biāo)圖上，最后把坐標(biāo)圖上的各相應(yīng)點連接起來，就得出該合金的相圖。圖1-9為簡化的Fe-Fe3C相圖。

圖1-9簡化的Fe-Fe3C相圖

1．Fe-Fe3C相圖分析

1)相圖中的特征點

相圖中的重要特性點溫度、成分及其說明如表1-1所示。

表1-1Fe-Fe3C相圖中的特征點

2)相圖中的特征線

相圖中的重要特征線如表1-2所示。

表1-2Fe-Fe3C相圖中的特征線

3)相圖中的合金分類

根據(jù)相圖上的P、E兩點，可將鐵碳合金分為工業(yè)純鐵、碳鋼和白口鑄鐵三類。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

2.典型合金平衡結(jié)晶過程及組織

1)共析鋼的結(jié)晶

圖1-10所示的合金Ⅰ為共析鋼，其結(jié)晶過程的示意圖如圖1-11所示。合金Ⅰ在液相線以上處于液體狀態(tài)，緩冷至1點時，液相L開始結(jié)晶出奧氏體晶粒，在1點～2點區(qū)間為L＋A，冷到2點時，結(jié)晶完畢，全部為單相均勻奧氏體晶粒。2點～3點是單相奧氏體。緩冷到3點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)晶過程分析

圖1-11共析鋼結(jié)晶過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為亞共析鋼，其結(jié)晶過程如圖1-12所示。

圖1-12亞共析鋼結(jié)晶過程示意圖

合金Ⅱ在1點以上為液相L，當(dāng)溫度降到1點后，液相L開始結(jié)晶出奧氏體，在1點～

2點間為L＋A，至2點全部結(jié)晶為奧氏體。2點～3點是單相奧氏體。當(dāng)溫度降至3點時，從奧氏體的邊界上開始析出鐵素體，隨著溫度繼續(xù)降低，不斷析出鐵素體并逐漸長大，鐵素體含碳量沿GP線逐漸增加，剩余的奧氏體量減少，其碳含量沿GS線不斷增加，當(dāng)溫度降至4點時，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)過共析鋼的結(jié)晶

如圖1-10所示，合金Ⅲ為過共析鋼，其結(jié)晶過程如圖1-13所示。圖1-13過共析鋼結(jié)晶過程示意圖合金Ⅲ冷卻到1點，開始從液相中結(jié)晶出奧氏體，直到2點結(jié)晶完畢，形成單相奧氏體。當(dāng)冷卻到3點時，開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線不斷減少，至4點時剩余奧氏體中碳含量達到0.77%，于是發(fā)生共析轉(zhuǎn)變形成珠光體。過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)晶過程如圖1-14所示。溫度在1點以上是均勻的液相，當(dāng)溫度冷卻到1點(即C點)時，液態(tài)合金將發(fā)生共晶反應(yīng)，同時結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機械混合物，形成高溫萊氏體，即L→Ld(A＋Fe3C)。

圖1-14共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程示意圖萊氏體中的滲碳體稱共晶滲碳體，奧氏體為共晶奧氏體。繼續(xù)冷卻到1點～2點區(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(727℃)時，共晶奧氏體成分為S點(碳含量為0.77%)，此時在恒溫下發(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)晶過程如圖1-15所示。

合金溫度在1點以上為液相，緩冷至1點時，開始析出奧氏體晶體。在1點～2點溫度區(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(1148℃)時，奧氏體的碳濃度為2.11%，液相碳含量達到4.3%，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成高溫萊氏體。合金在2點的組織為奧氏體和高溫萊氏體，繼續(xù)降低溫度時，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)晶過程示意圖高溫萊氏體成分不變，2點～3點的溫度區(qū)間組織是：A＋Fe3CⅡ＋Ld。當(dāng)冷卻到3點時，奧氏體碳含量降到共析點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)過共晶白口鑄鐵的結(jié)晶

圖1-10中合金Ⅵ為過共晶白口鑄鐵，其結(jié)晶過程如圖1-16所示。

當(dāng)合金冷卻到1點時，開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點時，剩余液相碳含量達到4.3%，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變形成高溫萊氏體。過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過共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程示意圖

3．碳對鐵碳合金平衡組織和機械性能的影響

1)對平衡組織的影響

由上面的分析可知，隨著碳的質(zhì)量分數(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過共晶白口鑄鐵

當(dāng)碳的質(zhì)量分數(shù)增大時，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)對機械性能的影響

圖1-17為含碳量對碳鋼力學(xué)性能的影響。由圖可見，隨著含碳量增加，鋼的硬度直線上升，而塑性、韌性明顯降低。但是碳含量對碳鋼的強度影響不同：當(dāng)鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)小于0.9%時，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度。所以，為了保證工業(yè)用鋼具有足夠的強度和一定的塑性、韌性，其碳的質(zhì)量分數(shù)一般不超過1.4%。碳的質(zhì)量分數(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，難以進行切削加工，因此在一般機械工業(yè)中應(yīng)用不多。

圖1-17碳對鋼的力學(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；各種機器零件需要強度、塑性及韌性都比較好的材料，應(yīng)選用中碳鋼(0.25%＜ωC<0.55%)，如船用柴油機的曲軸、連桿及機床上的齒輪、軸類零件；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、火車車輪、球磨機的磨球等。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)上總是選在共晶線成分附近。在鑄鋼生產(chǎn)中，碳的質(zhì)量分數(shù)規(guī)定在0.15%～0.60%之間，因為在這個范圍內(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，強度低、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高，以免鋼材氧化嚴重和發(fā)生奧氏體晶界熔化(稱為過燒)，一般控制在固相線以下100℃～200℃。而終止軋制溫度或鍛造溫度不能過低，防止鋼材因塑性差導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。一般對亞共析鋼的熱加工終止溫度控制在稍高于GS線；過共析鋼控制在稍高于PSK線，見圖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相圖來確定的，這將在1.3.3小節(jié)“鋼的熱處理”中詳細闡述。

(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，提高機械性能，得到優(yōu)質(zhì)焊縫。

在運用Fe-Fe3C相圖時應(yīng)注意以下兩點：

(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熱處理曲線熱處理工藝與其他工藝相比有不同的特點。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)是不改變原有形狀和尺寸，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、保溫和冷卻三個階段組成的，通常采用所謂熱處理工藝曲線來表示，見圖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型：1.3.1鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變

為了使鋼件在熱處理后獲得所需的性能，對于大多數(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，對于碳素鋼在緩慢加熱和冷卻過程中，相變溫度可以根據(jù)Fe-Fe3C相圖來確定，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定的，與實際熱處理的相變溫度有一些差異，加熱時相變溫度因有過熱現(xiàn)象而偏高，冷卻時因有過冷現(xiàn)象而偏低，隨著加熱和冷卻速度的增加，這一偏離現(xiàn)象愈加嚴重，因此，常將實際加熱時偏離的相變溫度用Ac1、Ac3、Accm表示，將實際冷卻時偏離的相變溫度用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相組成，只有在奧氏體狀態(tài)下才能通過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，珠光體將轉(zhuǎn)變?yōu)樘己喀谻＝0.77%的奧氏體，奧氏體的形成過程是一個形核、晶核長大、殘余Fe3C分解和均勻化的過程。適當(dāng)?shù)募訜釡囟群捅貢r間可使奧氏體具有一定的形核率、較慢的晶核長大速度和均勻的成分，從而獲得細小均勻的奧氏體晶粒。加熱溫度過高或高溫下保溫時間過長，都會產(chǎn)生粗大的奧氏體晶粒。奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變時，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的晶粒大小主要取決于奧氏體晶粒的大小，細晶奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也細小，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間很重要。

對亞共析鋼或過共析鋼，當(dāng)加熱到Ac1時，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Ac3或Accm以上時，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)榧毝鶆虻膯我粖W氏體，但過共析鋼奧氏體晶粒較粗大。1.3.2鋼在冷卻時的組織轉(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奧氏體的組織轉(zhuǎn)變有直接關(guān)系。實際生產(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(A1線)以下一定的溫度，這時奧氏體尚未轉(zhuǎn)變，但成為過冷奧氏體。然后進行保溫，使過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。

等溫冷卻方式對研究冷卻過程中的組織轉(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線以下不同溫度保溫，使過冷奧氏體在等溫條件下發(fā)生相變。測出不同溫度下過冷奧氏體發(fā)生相變的開始時間和終了時間，并分別畫在溫度-時間坐標(biāo)上，然后將轉(zhuǎn)變開始時間和轉(zhuǎn)變終了時間分別連接起來，即得到共析碳鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線，如圖1-20所示。過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線頗似“C”字，故簡稱C曲線，又稱為TTT曲線。圖1-20中，A1、Ms兩條溫度線劃分出上中下三個區(qū)域：A1線以上是穩(wěn)定奧氏體區(qū)，Ms線以下是馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，A1和Ms線之間的區(qū)域是過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變區(qū)。

圖1-20共析鋼過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線圖1-20中兩條C曲線又把等溫轉(zhuǎn)變區(qū)劃分為左中右三個區(qū)域：左邊一條C曲線為轉(zhuǎn)變開始線，其左側(cè)是過冷奧氏體區(qū)；右邊一條C曲線為轉(zhuǎn)變終了線，其右側(cè)是轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)；兩條C曲線之間是過冷奧氏體部分轉(zhuǎn)變區(qū)。C曲線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)。

共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物可分為如下三個類型：

(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械混合物。過冷度越大，層片越細小，鋼的強度和硬度也越高。依據(jù)組織中層片的尺寸，又把727～650℃之間等溫轉(zhuǎn)變的組織稱為粗片狀珠光體，在650℃～600℃之間等溫轉(zhuǎn)變的組織稱為索氏體，在600℃～500℃之間等溫轉(zhuǎn)變的組織稱為屈氏體。

(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)，碳原子的擴散能力更弱，難以擴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線以下范圍內(nèi)，鐵、碳原子都已失去擴散的能力，但過冷度很大，相變驅(qū)動力足以改變過冷奧氏體的晶格結(jié)構(gòu)，并將碳全部過飽和固溶于α-Fe晶格內(nèi)，這種轉(zhuǎn)變屬于非擴散型轉(zhuǎn)變，也稱做低溫轉(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)不斷降溫的過程中進行的，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)進行，直至冷卻到Mf點溫度，轉(zhuǎn)變終止。馬氏體轉(zhuǎn)變至環(huán)境溫度下仍會保留一定數(shù)量的奧氏體，稱為殘余奧氏體，以A'或A殘表示。

馬氏體的組織形態(tài)主要取決于過冷奧氏體的碳含量，當(dāng)奧氏體碳含量ωC＜0.2%時，鋼淬火后幾乎全部形成板條馬氏體，也稱低碳馬氏體或位錯馬氏體，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，具有較高的強韌性；當(dāng)奧氏體碳含量ωC＞1.0%時，鋼淬火后幾乎全部形成針狀馬氏體，也稱高碳馬氏體或?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，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60HRC～65HRC。但馬氏體的韌性低，脆性大，斷后伸長率δ和斷面收縮率Ψ都很低，鋼的Ms點和Mf點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：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，細化均勻組織，通常安排在鑄造、鍛造、焊接等工藝之后、機加工之前。最終熱處理是為了滿足成品的使用性能。退火、正火屬于預(yù)先熱處理，對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適當(dāng)溫度，保溫一定時間，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℃，保溫一定時間后，隨爐緩慢冷卻到室溫。所謂“完全”，是指退火時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，細化晶粒和消除內(nèi)應(yīng)力以改善機械性能。

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

共析或過共析鋼加熱至Ac1以上20℃～50℃，保溫一定時間，再冷卻至Ar1以下20℃左右等溫一定時間，然后爐冷至600℃左右出爐空冷，即為球化退火。在其加熱保溫過程中，網(wǎng)狀滲碳體不完全溶解而斷開，成為許多細小點狀滲碳體彌散分布在奧氏體基體上。在隨后的緩冷過程中，以細小滲碳體質(zhì)點為核心，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裂。為了克服這一缺點，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。對存在嚴重網(wǎng)狀二次滲碳體的過共析鋼，應(yīng)先進行一次正火處理，使網(wǎng)狀滲碳體溶解，然后再進行球化

退火。

3)等溫退火

將鋼件加熱到Ac3以上(對亞共析鋼)或Ac1以上(對共析鋼和過共析鋼)30～50℃，保溫后較快地冷卻到稍低于Ar1的溫度，進行等溫保溫，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，但可將整個退火時間縮短大約一半，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℃，保溫一定時間后，隨爐緩慢冷卻(50℃/h～100℃／h)至300℃～200℃以下再出爐空冷，稱為去應(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)生變形或開裂。由于鋼件在低溫退火過程中加熱溫度低于Ac1，因此無組織變化。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，過冷度較大，得到的是珠光體類組織，組織較細，即索氏體，因此，同一鋼件在正火后的強度與硬度較退火后高。

正火的主要目的是細化晶粒，提高機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。對于低碳鋼和低合金鋼，正火可提高硬度，改善切削加工性；對于過共析鋼，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，因為正火生產(chǎn)效率高。對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(共析或過共析鋼)以上30℃～50℃，保溫一定時間使其奧氏體化，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、滾動軸承等，都需要通過淬火來提高硬度和耐磨性。

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，極易變形和開裂。淬火后應(yīng)及時回火以獲得所需要的各種不同性能的組織，來滿足使用要求。

淬火用油幾乎全部為礦物油(如機油、變壓器油、柴油等)，油在300℃～200℃范圍內(nèi)冷卻速度遠小于水，這對減小淬火工件的變形和開裂很有利，但在650℃～400℃范圍內(nèi)冷卻速度比水小得多，因此油多用于過冷奧氏體穩(wěn)定性較大的合金鋼的淬火。但油在長期使用后易老化，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著淬火之后進行的，通常也是零件進行熱處理的最后一道工序，因而它對產(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)定性及冷卻過快而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，防止變形和開裂；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：

(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，柴油機燃油系統(tǒng)中的精密偶件，滾動軸承，滲碳件和表面淬火工件，如齒輪、活塞銷、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、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械零件，如柴油機的曲軸、活塞銷、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度、硬度、耐磨性和疲勞強度，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法滿足上述的性能要求。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．鋼的分類與編號

1)鋼的分類

鋼的分類方式很多，常用的有按鋼的化學(xué)成分分類和按鋼的用途分類。

(1)按鋼的化學(xué)成分分類：分為碳素鋼和合金鋼兩大類。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；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。

(2)按鋼材的用途分類：分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊性能鋼三大類。其中結(jié)構(gòu)鋼是制造各種機器零件及工程構(gòu)件的用鋼，它包括調(diào)質(zhì)鋼、超高強度鋼、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

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

普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、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、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)字表示該鋼號的平均含碳量的萬分數(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、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、成分、性能和用途

(3)碳素工具鋼：其牌號由字母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數(shù)。如T10表示平均含碳量為1％的碳素工具鋼。這類鋼都是優(yōu)質(zhì)鋼。當(dāng)雜質(zhì)含量P＜0.03％，S＜0.02％時，該鋼為高級優(yōu)質(zhì)鋼，在牌號的數(shù)字后加A表示，如T10A。碳素工具鋼的牌號、性能及用途，如表1-6所示。

表1-6碳素工具鋼的牌號、性能及用途

(4)合金結(jié)構(gòu)鋼：采用兩位數(shù)＋元素符號＋數(shù)字表示。前面兩位數(shù)字表示鋼的含碳量的萬分位，元素符號后的數(shù)字表示該元素含量的百分數(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、性能及用途，如表1-7所示。

表1-7合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號、性能及用途(5)合金工具鋼和特殊性能鋼：編號形式與合金結(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，碳量不標(biāo)出；當(dāng)平均含碳量小于1.0％時，以其千分數(shù)表示，如9SiCr、W18Cr4V、1Cr18Ni9等。常用合金工具鋼的牌號、性能及用途，如表

1-8所示。

表1-8合金工具鋼的牌號、性能及用途

2．結(jié)構(gòu)鋼

結(jié)構(gòu)鋼可分成工程構(gòu)件用鋼和機械制造用鋼兩類。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。這類鋼的強度較低，塑性、韌性和焊接性較好，價格低廉，一般在熱軋態(tài)下使用，必要時進行正火處理以提高強度。機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可分為以下幾種主要類型。

1)調(diào)質(zhì)鋼

調(diào)質(zhì)鋼制造零件要求有較高的強度和良好的塑性、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度和韌性。這類鋼的含碳量均很高，通常為0.6％～1.3％。按合金元素的含量可分為以下幾