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1、第第2章章 钢铁材料及其在汽车上的应用钢铁材料及其在汽车上的应用汽车材料与金属加工掌握金属的结晶过程，了解金属的晶体结构；掌握金属的结晶过程，了解金属的晶体结构；熟悉铁碳合金的基本相和组织，理解铁碳合金相图的含义；熟悉铁碳合金的基本相和组织，理解铁碳合金相图的含义；熟悉常用碳素钢的性能、牌号和用途；熟悉常用碳素钢的性能、牌号和用途；掌握热处理工艺的原理，以及各种热处理的工艺过程和用途；掌握热处理工艺的原理，以及各种热处理的工艺过程和用途；了解合金元素在钢中的主要作用，熟悉合金钢的性能、牌号和用途；了解合金元素在钢中的主要作用，熟悉合金钢的性能、牌号和用途；了解粉末冶金工艺、特点及其应用。了解粉
2、末冶金工艺、特点及其应用。教学目的和要求教学目的和要求教学目的和要求教学目的和要求晶格、晶胞，常见金属的晶格类型，晶体缺陷；晶格、晶胞，常见金属的晶格类型，晶体缺陷；金属的结晶过程，金属的同素异构转变，合金的晶体结构和结晶；金属的结晶过程，金属的同素异构转变，合金的晶体结构和结晶；铁碳合金的基本相和组织，铁碳合金的基本相和组织，Fe-Fe3C相图中的点线的含义，合金组织，相图中的点线的含义，合金组织，成分和温度的变化规律，铁碳相图的应用；成分和温度的变化规律，铁碳相图的应用；碳素钢、碳及常存杂质对碳素钢的性能影响，碳素钢的分类，常用碳碳素钢、碳及常存杂质对碳素钢的性能影响，碳素钢的分类，常用碳
3、素钢的性能、牌号、用途；素钢的性能、牌号、用途；钢在加热与冷却时的组织转变过程，常用的热处理工艺方法；钢在加热与冷却时的组织转变过程，常用的热处理工艺方法；合金钢的定义、分类、牌号，常用合金钢的性能和用途；合金钢的定义、分类、牌号，常用合金钢的性能和用途；铸铁的分类，铸铁的石墨化，各种铸铁的性能、牌号和用途。铸铁的分类，铸铁的石墨化，各种铸铁的性能、牌号和用途。教学内容摘要教学内容摘要教学内容摘要教学内容摘要金金属属晶晶格格结结构构、组组织织和和特特点点，常常用用金金属属材材料料的的性性能能及及其用途。其用途。教学重点、难点教学重点、难点教学重点、难点教学重点、难点教学方法和使用教具教学方法和
4、使用教具教学方法和使用教具教学方法和使用教具讲授、现场教学、课件。讲授、现场教学、课件。4学时。学时。教学时间教学时间教学时间教学时间金属材料的基本知识金属材料的基本知识金属材料的基本知识金属材料的基本知识钢铁材料钢铁材料钢钢（含碳量小于（含碳量小于2.11%的铁碳合金）的铁碳合金）铸铁铸铁（含碳量大于（含碳量大于2.11%的铁碳合金）的铁碳合金）根据含碳量的不同分为根据含碳量的不同分为钢铁材料的生产方式钢铁材料的生产方式炼钢炼钢炼铁炼铁钢材生产钢材生产钢材种类钢材种类型材型材：圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、槽钢、螺纹钢等圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、槽钢、螺纹钢等板材板材：中厚钢板、薄钢
5、板、钢带和硅钢片中厚钢板、薄钢板、钢带和硅钢片管材管材：无缝钢管和焊接钢管（又称有缝钢管）无缝钢管和焊接钢管（又称有缝钢管）线材线材：直径为直径为69mm的圆钢和直径在的圆钢和直径在10mm以下的螺纹钢以下的螺纹钢 金金属属材材料料在在不不同同的的使使用用场场合合下下，所所要要求求的的力力学学性性能能、物物理理性性能能、化化学学性性能能以以及及工工艺艺性性能能各各不不相相同同。虽虽然然都都是是金金属属材材料料，不不同同成成分分和和不不同同状状态态下下的的性性能能差差异异也也非非常常大大。造造成成金金属属材材料料性性能能差差异异的主要原因是由于金属材料内部结构的不同。的主要原因是由于金属材料内部
6、结构的不同。2.1 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶非晶体非晶体中的质点，是杂乱无章地堆积在一起，无规则可循。中的质点，是杂乱无章地堆积在一起，无规则可循。2.1.1 2.1.1 晶体及其特点晶体及其特点晶体及其特点晶体及其特点根据内部原子堆积的情况根据内部原子堆积的情况固态物质固态物质分类分类晶体晶体：如纯铝、纯铁、纯铜等：如纯铝、纯铁、纯铜等非晶体：非晶体：玻璃、沥青、松香、石蜡等玻璃、沥青、松香、石蜡等晶体晶体中的原子或分子，在三维空间中是按照一定的几何规中的原子或分子，在三维空间中是按照一定的几何规则作周期性地重复排列。则作周期性地重复排列。晶体和非晶体的晶体和非晶体的根本区别
7、根本区别晶体具有规则的外形。晶体具有规则的外形。晶体具有固定的熔点。晶体具有固定的熔点。晶体具有各向异性。晶体具有各向异性。晶体的特点晶体的特点2.1.2 2.1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构金属的晶体结构金属的晶体结构 体心立方晶格体心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格 体心立方晶格 面心立方晶格密排六方晶格 2.1.3 2.1.3 金属实际的晶体结构金属实际的晶体结构金属实际的晶体结构金属实际的晶体结构 单晶体单晶体单晶体单晶体单晶体多晶体 多晶体多晶体多晶体多晶体 在理想情况下，晶体内部的晶格位向是完全一致的，即晶体的原子是按一定几何规律做周期性排列而成，这种晶
8、体称为单晶体。外形不规则，呈颗粒状的小晶体称为晶粒，每个晶粒相当于一个单晶体，其原子排列位向是一致的，而各个晶粒的晶格位向各不相同。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界，晶界上的原子处于过渡的不规则状态，这些由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。晶格空位晶格空位置换原子置换原子间隙原子间隙原子点缺陷点缺陷点缺陷点缺陷点缺陷是指长、宽、高尺寸都很小的缺陷。点缺陷是指长、宽、高尺寸都很小的缺陷。常见的点缺陷常见的点缺陷刃型位错（刃型位错（a）螺形位错螺形位错（b）线缺陷线缺陷线缺陷线缺陷线缺陷是指晶体内沿某一条线，附近原子的排列偏离了完整晶格线缺陷是指晶体内沿某一条线，附近原子的排列偏离了完整晶格所形成的线形缺
9、陷区，即发生了所形成的线形缺陷区，即发生了“位错位错”。常见的线缺陷常见的线缺陷面缺陷面缺陷面缺陷面缺陷面缺陷是在两个方向的尺寸很大，第三个方向的尺寸面缺陷是在两个方向的尺寸很大，第三个方向的尺寸很小而呈面状的缺陷，主要指晶界和亚晶界。很小而呈面状的缺陷，主要指晶界和亚晶界。2.1.4 2.1.4 合金的晶体结构合金的晶体结构合金的晶体结构合金的晶体结构 基本概念基本概念基本概念基本概念合金合金合金合金由两种或两种以上的金属或金属与非金属，经熔炼、烧结或其由两种或两种以上的金属或金属与非金属，经熔炼、烧结或其他方法结合成具有金属特性的物质。如黄铜是由铜和锌组成。他方法结合成具有金属特性的物质。
10、如黄铜是由铜和锌组成。组元组元组元组元 简称元，是指组成合金的最基本独立物质。组元通常是纯元简称元，是指组成合金的最基本独立物质。组元通常是纯元素或者稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可分为素或者稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可分为二元合金、三元合金或多元合金等。二元合金、三元合金或多元合金等。合金系合金系合金系合金系是指由两个或两个以上组元按照不同比例配制成一系列不同是指由两个或两个以上组元按照不同比例配制成一系列不同成分的合金。成分的合金。相相相相是指合金中具有同一的聚集状态、同一的结构和性质的均匀组成是指合金中具有同一的聚集状态、同一的结构和性质的均匀组成部分
11、。部分。组织组织组织组织是指用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征的是指用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征的部分。组织反映材料的相组成、相形态、大小和分布状况，它是决部分。组织反映材料的相组成、相形态、大小和分布状况，它是决定材料最终性能的关键。定材料最终性能的关键。固态合金的相结构固态合金的相结构固态合金的相结构固态合金的相结构合金在熔点以上时各组元都能互相溶解，形成均匀液溶体。固态时由于各合金在熔点以上时各组元都能互相溶解，形成均匀液溶体。固态时由于各组分之间相互作用不同，可能出现两种基本相：固溶体和金属化合物。组分之间相互作用不同，可能出现两种基本相：固溶体和金属
12、化合物。固溶体固溶体金属化合物金属化合物置换固溶体间隙固溶体 指由合金中各组元指由合金中各组元的原子按一定比例相互的原子按一定比例相互作用而生成的一种新的作用而生成的一种新的具有金属特性的物质。具有金属特性的物质。2.1.5 2.1.5 金属的结晶金属的结晶金属的结晶金属的结晶 物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固。如果凝固的固物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固。如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。从内部结构来看，结晶就是原子从不规则的排列（液态）为结晶。从内部结构来看，结晶就是原子从不规则的
13、排列（液态）过渡到按照一定的几何形状作有秩序排列（固态）的过程。过渡到按照一定的几何形状作有秩序排列（固态）的过程。结晶的定义结晶的定义结晶的定义结晶的定义Tn实际结晶温度 TO理论结晶温度 过冷度 Tm熔点 金属冷却曲线金属冷却曲线金属冷却曲线金属冷却曲线在金属液体中，总是存在着一些类似晶体中原子有规则排列的小集团。在金属液体中，总是存在着一些类似晶体中原子有规则排列的小集团。在熔点或熔点以上，这些小集团是不稳定的，时聚时散，此起彼伏。当在熔点或熔点以上，这些小集团是不稳定的，时聚时散，此起彼伏。当低于熔点时，这些小集团中的一部分长大至一定尺寸后，就能成为比较低于熔点时，这些小集团中的一部分
14、长大至一定尺寸后，就能成为比较稳定的小晶体。这些小晶体作为结晶中心，称为晶核。实际金属液体并稳定的小晶体。这些小晶体作为结晶中心，称为晶核。实际金属液体并不是很纯的，其中总有一些固态杂质存在，在结晶时，晶核大多依附在不是很纯的，其中总有一些固态杂质存在，在结晶时，晶核大多依附在这些固态杂质表面上形成。这些固态杂质表面上形成。金属的结晶过程金属的结晶过程金属的结晶过程金属的结晶过程 2.2 铁铁 碳碳 合合 金金 铁碳合金是以铁和碳为基本组元的合金，它是现代机械工业中应铁碳合金是以铁和碳为基本组元的合金，它是现代机械工业中应用最广泛的金属材料。要合理地选择铁碳合金，就必须熟悉铁碳合金用最广泛的金
15、属材料。要合理地选择铁碳合金，就必须熟悉铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系。的成分、组织和性能之间的关系。铁碳合金中含有质量分数为铁碳合金中含有质量分数为0.10%0.20%的杂质，称之为的杂质，称之为工业纯铁。工业纯铁虽然塑性、导磁性良好，但强度较低，不适工业纯铁。工业纯铁虽然塑性、导磁性良好，但强度较低，不适宜制作机械零件。为了提高纯铁的强度、硬度，常在纯铁中加入宜制作机械零件。为了提高纯铁的强度、硬度，常在纯铁中加入少量碳元素，可形成等五种基本组织。少量碳元素，可形成等五种基本组织。2.2.1 2.2.1 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织铁素体、
16、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体2.2.2 2.2.2 铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金相图表2-1 FeFe3C相图中的特性点符号温度（）含碳量（%）说明A15380纯铁的熔点C11484.30共晶点D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在-Fe中的最大溶解度F11486.69渗碳体的成分点G9120-Fe与-Fe同素异构转变点K7276.69Fe3C的成分点P7270.0218碳在-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点Q600（室温）0.0057（0.0008）600（或室温）时碳在-Fe中的溶解度通常根据铁碳合金含碳量和室温
17、组织的特点，由FeFe3C相图中的P点和E点将铁碳合金分为工业纯铁、钢及白口铸铁三类。工业纯铁工业纯铁是指P点以左的铁碳合金（含碳量小于0.0218%），室温组织为铁素体+少量三次渗碳体。工业纯铁的性能特点是塑性韧性好，硬度和强度较低。钢钢是指高温固态组织为单相固溶体的一类铁碳合金，相图中P点成分与E点成分之间的铁碳合金（含碳量0.0218%2.11%），具有良好的塑性，适于锻造、轧制等压力加工，根据室温组织的不同又分为亚共析钢、共析钢和过共析钢三种。白口铸铁白口铸铁是指E点成分以右（含碳量2.11%6.69%）的铁碳合金。白口铸铁有较低的熔点，流动性好，便于铸造，脆性大。根据室温组织的不同，
18、白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁三类。铁碳合金分类铁碳合金分类2.3 碳碳 素素 钢钢 碳素钢简称碳钢，在现代工业生产所使用的钢铁材料中占据十分重要的地位。由于碳钢具有冶炼、加工容易、价格低廉、工艺性能良好，力学性能能够满足工农业生产的使用要求，是工农业生产中用量最大的金属材料。在汽车工业中，钢铁材料的用量占汽车用材总量的70%左右。常用的碳素钢，含碳量小于1.3%。实际上，碳素钢除含有Fe和C两种元素外，同时含有少量的硫、磷、硅、锰等杂质元素。这些杂质通常是由炼钢原材料带入或者由于冶炼工艺需要而有意加入的一些物质，它们的存在对钢铁的性能影响较大，尤其是硫、磷的含量应
19、该严格控制在要求的范围内。2.3.1 2.3.1 碳素钢的组成元素碳素钢的组成元素碳素钢的组成元素碳素钢的组成元素硅、锰、硫、磷和其他硅、锰、硫、磷和其他几种常用碳钢的分类方法有：按照碳钢中的含碳量按照碳钢中的含碳量分为低碳钢（含碳量WC低于0.25%）、中碳钢（含碳量WC 0.25%0.60%）和高碳钢（含碳量WC高于0.60%）。按照钢的用途按照钢的用途分为碳素结构钢（主要用于制造桥梁、船舶、建筑物等各类工程构件，及齿轮、螺钉、螺母、连杆等各种机器零件，一般属于低碳钢和中碳钢）和碳素工具钢（主要用于制造各种刃具、量具和模具等，一般属于高碳钢）。按照钢中有害杂质硫、磷含量按照钢中有害杂质硫、
20、磷含量分为普通碳素钢（硫的含量Ws低于0.055%，磷的含量WP低于0.045%）、优质碳素钢（硫的含量Ws低于0.04%，磷的含量WP低于0.04%）和高级优质碳素钢（硫的含量Ws低于0.03%，磷的含量WP低于0.035%）三类。2.3.2 2.3.2 碳素钢的分类碳素钢的分类碳素钢的分类碳素钢的分类1 1碳素结构钢碳素结构钢 碳素结构钢的平均含碳量在0.06%0.38%范围内，其中含有的有害元素和非金属夹杂物较多，但性能上能满足一般工程结构及普通零件的要求，因而工程上应用较广。碳素结构钢具有较高的强度，良好的塑性和韧性，优良的工艺性能（焊接性、冷变形成形性），通常以型材（圆钢、方钢、工字
21、钢、钢筋等）、板材、管材等形式用于桥梁建筑等工程构件及机械零件。在汽车零部件中，可用碳素结构钢制造的有螺钉、螺母圈、法兰轴、制动器底板、车厢板件、发电机支架、拉杆、销、键等。2.3.3 2.3.3 碳素钢的牌号性能及用途碳素钢的牌号性能及用途碳素钢的牌号性能及用途碳素钢的牌号性能及用途优质碳素结构钢优质碳素结构钢牌号优质碳素结构钢的用途举例1010F用来制造锅炉管、油桶顶盖、钢带、钢处、钢板和型材，用于制造机械零件2015F用于不经受很大应力而要求韧性的各种机械零件，如拉杆、轴套、螺钉、起重钩等；也用于制造在6.0106Pa（约60个大气压）、450以下非腐蚀介质中使用的管子等；还可以用于心部
22、强度不大的渗碳与碳氮共渗零件，如轴套、链条的滚子、轴以及不重要的齿轮、链轮等35用于热锻的机械零件，冷拉和冷顶锻钢材，无缝钢管，机械制造中的零件，如转轴、曲轴、轴销、拉杆、连杆、横梁、星轮、套简、轮圈、钩环、垫圈、螺钉、螺母等；还可用来铸造汽轮，机机身、轧钢机机身、飞轮等40用来制造机器的运动零件，如辊子、轴、曲柄销、传动轴、活塞杆、连杆、圆盘等45用来制造蒸汽涡轮机、压缩机、泵的运动零件；还可以用来代替渗碳钢制造齿轮、轴、活塞销等零件，但零件需经高频或火焰表面淬火，并可用作铸件55用于制造齿轮、连杆、轮圈、轮缘、扁弹簧及轧辊等，也可用作铸件65用于制造气门弹簧、弹簧圈、轴、轧辊、各种垫圈、凸
23、轮及钢丝绳等70用于制造弹簧碳素工具钢碳素工具钢几种常用碳素工具钢性能及用途牌号主要性能用途T7、T7A承受冲击、韧性较好，硬度适当扁铲、手钳、大锤、改锥、木工工具T8、T8A承受冲击、硬度较高冲头、压缩空气工具、木工工具T8Mn、T8MnA承受冲击、硬度较高、淬透性较大冲头、压缩空气工具、木工工具、断面较大的工具T9、T9A、T10、T10A韧性较好、硬度较高冲头、木工工具、凿岩工具T11、T11A不受剧烈冲击、硬度高、耐磨性好车刀、刨刀、冲头、丝锥、钻头、手锯条T12、T12A不受冲击、硬度高、耐磨性好锉刀、刮刀、量具T13、T13A不受冲击、硬度高、耐磨性很好刮刀、剃刀铸造碳素钢铸造碳素
24、钢几种常用铸钢的性能和用途牌号主要性能用途ZG200400良好的韧性、塑性和焊接性能用于受力不大，韧性好的机械零件，如机座、变速器壳、减速器壳体等ZG230450较高的强度和较好的塑性、韧性和焊接性能用于受力不大，韧性好的机械零件，如砧座、外壳、轴承座、底板、箱体等ZG270500较高的强度和较好的塑性，铸造性能好，焊接性能和切削性能好用途广泛，用于轧钢机机架、轴承座、连杆、箱体、曲轴、缸体、飞轮等2.4 钢的热处理钢的热处理 钢的热处理是将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以消除毛坯（铸件、锻件等）的缺陷，改善钢的加工工艺性能。预备热处理预备热处理（又称中间热处理）是零件加工过程中的一道工序，
25、目的为后续的机械加工或进一步的热处理做准备。最终热处理最终热处理是工件经切削加工等成形工艺而得到最终的形状和尺寸后，再进行的赋予工件所需使用性能的热处理。根据加热和冷却方式的不同和组织性能的变化特点不同，分为：普通热处理普通热处理（退火、正火、淬火、回火等）；表面热处理表面热处理（表面淬火和渗碳、渗氮、渗硼等的化学热处理）；特殊热处理特殊热处理（形变热处理和磁场热处理）。根据在零件生产工艺流程中的位置和作用，分预备热处理预备热处理最终热处理最终热处理由加热、保温和冷却三个阶段组成。因此，要了解各种热处理方法对钢的组织和性能的影响，必须研究钢在加热、保温和冷却过程中的组织转变规律。热处理的工艺过
26、程热处理的工艺过程钢的加热和冷却时各临界点的实际位置钢的加热和冷却时各临界点的实际位置 2.4.1 2.4.1 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变 加热是各种热处理必不可少的第一道工序。加热的目的是使钢部分或完全处于奥氏体状态。通常将这种加热转变过程称为钢的奥氏体化，加热时奥氏体化的程度及晶粒大小，对其冷却转变过程及最终的组织和性能都有极大的影响。以共析钢（含碳量Wc为0.77%）为例，加热前其内部组织是珠光体，其中的铁素体和渗碳体间隔排列成片层状，加热时奥氏体的转变过程可分为奥氏体的形核、奥氏体晶核长大、剩余渗碳体溶解和奥氏体成分的均匀化四个阶段
27、。2.4.2 2.4.2 钢在冷却时组织转变钢在冷却时组织转变钢在冷却时组织转变钢在冷却时组织转变常用的冷却方式有等温冷却和连续冷却两种。等温冷却等温冷却是将加热到奥氏体状态的钢快速冷却到A1以下某温度并保温停留一段时间，使其在该温度下发生组织转变，然后再冷却到室温。连续连续冷却冷却则是指将加热到奥氏化状态的钢，以不同的冷却速度连续冷却至室温，并在连续冷却过程中发生组织转变。等温冷却连续冷却过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体的等温转变 过冷奥氏体的连续等温转变过冷奥氏体的连续等温转变 2.4.3 2.4.3 钢的普通热处理钢的普通热处理钢的普通热处理钢的普通热处理钢的退火钢的退火钢的正火钢的正火
28、退火是把钢加热到适当的温度，经过一定时间的保温，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得接近平衡组织的热处理工艺。其主要目的是减少钢锭、铸件、锻肧等的化学成分及组织的不均匀性，细化晶粒，降低硬度，消除内应力，以及为淬火做好组织准备。钢材或钢件加热 Ac3（对于亚共析钢）或Accm（对于过共析钢）以上3050，保温适当时间后，使之完全奥氏体化，然后在空气中均匀冷却，以得到珠光体组织的热处理工艺称为正火。正火后组织以索氏体为主。钢的退火与正火的选用钢的退火与正火的选用改善切削加工性改善切削加工性 在一般生产中，低碳钢通过正火可提高硬度，改善切削性能；中碳钢既可采用退火，也可采用正火；含碳0.45%0
29、.6%的高碳钢则必须采用完全退火；过共析钢用正火消除网状渗碳体后再进行球化退火。使用性能方面使用性能方面对钢件的性能要求不太高，可采用正火作为最终热处理。如果零件尺寸较大或形状较复杂，应选择退火。经济性方面经济性方面 正火比退火生产周期短，操作简便。故在可能条件下，特别是在大批量生产时应优先考虑以正火代替退火。退火与正火属于同一类型热处理方式，在选择时从以下几方面考虑：2.4.4 2.4.4 钢的淬火钢的淬火钢的淬火钢的淬火 淬火淬火是指将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（共析钢与过共析钢）以上的某一温度，保温后以大于临界冷却速度Vc进行快速冷却，使奥氏体转变为马氏体（或下贝氏体）的热处理工
30、艺。淬火的目的就是获得马氏体，以提高钢的力学性能，其实质是奥氏体化后进行马氏体转变（或下贝氏体转变）。理想淬火冷却曲线示意图 2.4.5 2.4.5 钢的回火钢的回火钢的回火钢的回火减少或消除内应力减少或消除内应力淬火钢内往往存在很大的内应力，并导致韧性下降、零件变形和开裂，回火可消除内应力，防止工件变形或开裂。获得工件所要求的力学性能获得工件所要求的力学性能淬火钢件硬度高，脆性大，为满足各种工件不同的性能要求。可以通过适当回火来调整硬度，获得所需的塑性和韧性。稳定工件尺寸稳定工件尺寸通过回火可以使组织趋于稳定，以保证工件在使用过程中不再发生变形。改善某些合金钢的切削性能改善某些合金钢的切削性
31、能常采用高温回火，使碳化物适当聚集，降低硬度，以利于切削加工。回火是把淬火钢加热到Ac1以下的某一温度保温后进行冷却的热处理工艺。淬火钢回火的目的淬火钢回火的目的回火的种类及应用回火的种类及应用根据一般钢件的不同性能要求，按其回火温度范围，可将回火分为低温回火、中温回火和高温回火三种形式。类类型型温度温度范范围围/回火回火组织组织回火目的回火目的用途用途低温回火150250回火马氏体为了降低钢中残余应力和脆性而保持钢在淬火后所得到的高硬度和耐磨性，硬度一般为HRC5864主要用于高碳钢合金工具钢制造的工具、量具和模具，轴承零件，高强度钢制造的结构件，以及渗碳和表面淬火零件中温回火350500回
32、火屈氏体具有一定韧性的同时，兼有高的弹性和屈服极限，硬度为HRC3545左右用于各种弹簧的处理以及其他结构钢制造的有相应硬度要求的工装夹具高温回火500650回火索氏体可获得强度、塑性韧性都较好的综合性能，硬度HBS200350调质处理在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等一 淬火钢回火时的力学性能变化淬火钢回火时的力学性能变化1）硬度变化）硬度变化各种钢在200以下回火时，硬度变化不大，保持淬火马氏体的高硬度。200300回火后，由于马氏体分解造成的硬度降低已由残余奥氏体转变为下贝氏体带来的硬度升高所补偿，所以硬度的降低不大。对于高碳钢，因为淬火后残余奥氏体量较多，回火后有时还可使硬度略
33、有提高。回火温度继续升高，钢的硬度很快下降。对于碳钢，回火温度每升高100，硬度约下降10HRC。2）强度与塑性的变化）强度与塑性的变化40钢的强度随回火温度升高而降低，塑性随回火温度升高而升高，但超过650时反而降低。这是由于回火温度增高，马氏体中的碳不断析出，位错密度下降，内应力减小以及粒状渗碳体粗化等原因。回火温度大于650时，由于组织过分粗化而使塑性下降。2.4.6 2.4.6 钢的表面热处理钢的表面热处理钢的表面热处理钢的表面热处理 感感应应加加热热表面淬火表面淬火当感应器中通入高频交变电流时，所产生的交变磁场使放入感应器内的工件内部感生出巨大的涡流。感应电流在工件表层密度最大，而心
34、部密度几乎为零，这种现象称为“集肤效应”。由于钢件本身具有电阻，因而集中于表层的电流可使表层被迅速加热，几秒钟内温度可升至8001000,而心部的几乎未被加热，在随后的喷水冷却时工件表层即被淬硬。感应加热表面淬火是用一定方法使工件表面产生一定频率的感应电流，将工件表面迅速加热然后迅速淬火冷却的一种热处理操作方法。感感应应加加热热的基本原理的基本原理感感应应加加热热表面淬火的特点表面淬火的特点与普通加热淬火相比，感应加热表面淬火在工业上的应用更广泛。原因是由于感应加热表面淬火有以下优点：感应加热速度极快感应加热速度极快一般只需几秒至几十秒时间就可使工件达淬火温度。由于快速加热，使相变临界点（Ac
35、1、Ac3）升高，转变温度范围扩大但转变所需时间缩短。工件表层获得极细小的马氏体（称隐晶马氏体）组织工件表层获得极细小的马氏体（称隐晶马氏体）组织使工件表层具有比普通淬火稍高的硬度且脆性较低，具有较高的疲劳强度。工件表面质量好工件表面质量好由于快速加热，工件表面不易氧化、脱碳，且淬火时工件变形小。生产效率高生产效率高便便于实现机械化、自动化。淬硬层深度也易于控制。化学热处理是将工件置于某种化学介质中，通过加热、保温和冷却使介质中某些元素渗入工件表面以改变工件表面层的化学成分和组织，从而使其表面与心部具有不同的特殊性能的一种热处理工艺。可根据工件的工作条件和对性能的要求，选用不同的方法。例如渗碳
36、、碳氮共渗可提高钢的硬度、耐磨性及疲劳强度。氮化、渗硼、渗铬使工件表面硬度增加，耐磨性和耐蚀性显著提高。渗铝可提高耐热抗氧化性，渗硫可提高减摩性，渗硅可提高耐酸性等。1）化学热处理的基本过程）化学热处理的基本过程常用的化学处理方法包括渗碳、渗氮和碳氮共渗等几种形式。无论哪种形式的化学热处理，元素渗入零件表面层均由介质分解、工件表面吸收和原子扩散三个基本过程所组成。在化学热处理过程中，只有活性原子才能为工件表面所吸收。化学介质在一定温度下，分解生成活性原子。2）钢的渗碳）钢的渗碳钢的渗碳是向低碳钢或低碳合金钢表层渗入碳原子，以提高钢件碳层含碳量，使之具有高硬度和高耐磨性，中心部仍保持良好韧性的热
37、处理过程。渗碳广泛用于在磨损情况下工作并承受冲击载荷、交变载荷的工件，如汽车、拖拉机的传动齿轮，内燃机的活塞销等。化学化学热处热处理理2.4.7 2.4.7 钢的其他热处理钢的其他热处理钢的其他热处理钢的其他热处理 真空真空热处热处理理1）加热速度缓慢，工件变形小）加热速度缓慢，工件变形小工件在真空中加热，热量传递主要靠辐射，加热速度缓慢，工件变形较小。2）氧化作用被抑制）氧化作用被抑制在真空中加热，随着真空度的提高，由于氧气分子稀薄，氧化作用被抑制，可以实现无氧化加热的光亮热处理。3）表面净化）表面净化在高真空状态下，由于氧分解压极低，形成的氧气由真空泵排出。4）脱气作用）脱气作用在真空加热
38、升高到800以上时，溶于钢中的氢、氮以及氧化物分解的气体逸出，发生脱气作用。5）蒸发现象）蒸发现象合金钢在真空中加热时，某些蒸气压高的合金元素，将发生挥发现象。所谓真空是指压力较正常大气压小（即负压）的任何气态空间。若将热处理的加热和冷却过程置于真空中进行，就称为真空热处理。真空热处理的基本特点真空热处理的基本特点形形变热处变热处理理形变热处理是将塑性变形和热处理有机结合，以提高材料力学性能的复合工艺。目的：使形变强化与相变强化结合起来，获得比普通热处理更高的强韧化效果，同时可简化工序和节能。形变热处理的分类形变热处理的分类常用的几种形变热处理包括：1）高温形变淬火）高温形变淬火高温形变淬火是
39、在奥氏体稳定区进行形变，随后淬火获得马氏体组织的热处理工艺。目前生产中采用的锻后余热淬火、热轧淬火等就是这种类型。2）高温形变等温淬火）高温形变等温淬火是在奥氏体稳定区形变，随后在贝氏体区等温淬火，获得贝氏体组织的热处理工艺。如其断裂强度、塑性与韧性等也高于普通淬火。3）低温形变淬火）低温形变淬火低温形变淬火是在奥氏体化后，迅速冷却至亚稳奥氏体区（500600）形变，随后淬火，获得马氏体组织的热处理工艺。它的特点是在保证一定塑性的条件下，大幅度地提高强度。相变前形变相变中形变相变后形变表面气相沉表面气相沉积积是气相中的纯金属或化合物在零件表面沉积，形成具有特殊性能膜层的方法。为了提高零件的耐磨
40、性、减缓材料的腐蚀，材料表面性能优化技术已被人们越来越重视。其中表面气相沉积是一种发展较快、应用最广的表面涂覆新技术。形变热处理的分类形变热处理的分类化学气相沉积（化学气相沉积（CVD）物理气相沉积（物理气相沉积（PVD）两种。）两种。根据成膜过程机理不同2.5 铸铸 铁铁 铸铁是指含碳量大于2.11%的铁碳合金，工业上常用的铸铁都不是简单的二元合金，而是以Fe、C、Si为主要元素的多元合金。普通铸铁的成分范周是含碳2.54.0%，硅1.03.0%，锰0.51.4%，磷0.010.5%，硫 0.020.2%。铸铁是一种成本低廉并具有良好性能的金属材料。与钢相比，虽然铸铁的机械性能，特别是抗拉强
41、度及韧、塑性较低，但由于它具有优良的减震性、耐磨性、耐腐蚀性、铸造性及切削加工性，而且生产设备工艺简单，因此在工业上得到广泛的应用。铸铁的优点铸铁的优点铸铁的优点铸铁的优点2.5.1 2.5.1 铸铁的石墨化铸铁的石墨化铸铁的石墨化铸铁的石墨化 铸铁铸铁中石墨的作用中石墨的作用石墨化的优点石墨化的优点石墨化的缺点石墨化的缺点铸铁有较高的流动性，而且在凝固过程中会析出比容较大的石墨，从而减小其收缩率。故具有优良的铸造性；铸铁组织中石墨的存在，不仅割断了基体的连续性，而且在其尖端处还会引起应力集中。所以铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远不如钢。石墨片的量越多，尺寸越大，影响也越大、石墨具有割裂基体连续性
42、的作用，从而使铸铁的切屑易脆断，具有良好的切削加工性；石墨本身的润滑作用，故铸铁又有优良的减摩性；石墨的组织松软，能够吸收震动，因而又使铸铁具有良好的消震性；片状石墨本身就相当于许多微缺口，故铸铁具有低的缺口敏感性。铸铁铸铁的石墨化的石墨化生产中为了避免产生白口或麻口，铸铁中必须加入足够的C、Si、Al等促进石墨化的元素。铸铁的石墨化过程是铸铁中碳原子析出和形成石墨的过程，而铸铁组织形成的基本过程主要也就是石墨形成的过程。石墨可以从液相中直接结晶出来，或从奥氏体及铁素体中脱溶沉淀出来，又可以由渗碳体分解而成。因此，渗碳体实际上是一个亚稳定相，石墨才是稳定相。影响影响铸铁铸铁石墨化的因素石墨化的
43、因素铸铁的化学成分和结晶过程中的冷却速度是影响石墨化的主要因素。铸铁中的碳和硅是影响石墨化过程的主要元素，它能促进石墨化进程；铸铁中的Al、Ni、Ti、Co、P、Cu等元素也是促进石墨化的元素；铸铁中的Mn、Mo、Cr、V、W、Mg、Ce等元素属于阻碍石墨化的元素。铸铁中的Cu和Ni既促进共晶时的石墨化又能阻碍共析时的石墨化。2.5.2 2.5.2 灰铸铁灰铸铁灰铸铁灰铸铁 灰灰铸铁铸铁的成分的成分消除内应力的退火消除内应力的退火灰铸铁的牌号由“HT+数字”组成，其中“HT”表示灰铁二字的汉语拼音字首，数字代表直径为30mm试棒的最低抗拉强度值。灰铸铁的成分范围为2.5%4.0%C，1.0%3
44、.0%Si，0.25%1.0%Mn，0.02%0.20%S，0.05%0.50%P。将此液体铁水进行缓慢冷却凝固时，会发生石墨化析出片状石墨，其断口的外貌呈浅烟灰色，故称灰铸铁。灰灰铸铁铸铁的牌号的牌号灰灰铸铁铸铁的的热处热处理理消除铸件白口，改善切削加工性的退火消除铸件白口，改善切削加工性的退火高（中）频感应加热表面淬火高（中）频感应加热表面淬火2.5.3 球墨铸铁球墨铸铁 球墨球墨铸铁铸铁的成分的成分正火正火 球墨铸铁牌号的表示采用“QT+数字-数字”形式。“QT”为球铁二字的汉浯拼音字头，第一组数字代表最低抗拉强度值（MPa），第二组数字代表最小拉伸后延伸率值（%）。应用最广泛的是铁素体
45、球墨铸铁和珠光体球墨铸铁，铁索体+珠光体球墨铸铁则应用得较少。珠光体球墨铸铁的一般成分范围是含碳3.6%3.8%，硅2.0%2.8%，锰0.60.8%，磷0.1%，硫0.07%，镁0.03%0.5%，稀土元素0.02%0.04%。球墨铸铁的组织特点是其石墨的形态比可锻铸铁更为圆整，因而对基体的强度、塑性和韧性的影响更小。球墨球墨铸铁铸铁的牌号的牌号球墨球墨铸铁铸铁的的热处热处理理淬火及回火淬火及回火等温淬火等温淬火化学热处理化学热处理2.5.4 可锻铸铁可锻铸铁 可可锻铸铁锻铸铁的成分的成分低温时效低温时效 可锻铸铁的牌号由“KTH+数字数字”或“KTZ+数字数字”组成。“KTH”和“KTZ”
46、分别代表“黑心可锻铸铁”与“珠光体可锻铸铁可铁”。第一组数据表示最低抗拉强度（MPa），第二组数字表示最小伸长率（%）。可煅铸铁按基体组织不同可分为铁素体可锻铸铁和珠光体可锻铸铁。铁素体可锻铸铁团其断口中心呈灰暗色，表层呈灰白色而称为”黑心可锻铸铁”。珠光体可锻铸铁断口呈灰色，习惯上称为”黑心可锻铸铁”。若在氧化性介质中进行石墨化退火，由于表层完全脱碳，得到铁素体组织，心部为珠光体基加团絮状石墨，断口呈现表层暗灰色，中心灰白色，故称为”白心可锻铸铁”。可可锻铸铁锻铸铁的牌号的牌号可可锻铸铁锻铸铁的的热处热处理理孕育处理孕育处理2.5.5 蠕墨铸铁蠕墨铸铁 蠕墨蠕墨铸铁铸铁的的组织组织特征特征正
47、火正火 蠕墨铸铁的牌号“RuT+数字”，其中“RuT”为“蠕铁”汉语拼音字头，后面数字为最小抗拉强度值。蠕墨铸铁的组织由钢的基体和蠕虫状的石墨组成。石墨形状介于片状和球状之间，在光学显微镜下观察，石墨短而厚，头部较圆，形似蠕虫。蠕墨蠕墨铸铁铸铁的牌号的牌号蠕墨蠕墨铸铁铸铁的的热处热处理理退火退火蠕墨蠕墨铸铁铸铁的性能特点的性能特点 蠕墨铸铁的性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间，强度、塑性、韧性优于灰铸铁，接近于铁素体球墨铸铁，壁厚敏感性比灰铸铁小得多，故厚大截面上的力学性能均匀。突出的优点是屈服强度在铸造合金中最高，导热性、铸造性能、切削加工性能优于球墨铸铁接近于灰铸铁，耐磨性优于孕育铸铁。2.5.
48、6 合金铸铁合金铸铁 耐磨合金耐磨合金铸铁铸铁减磨铸铁减磨铸铁 耐磨铸铁主要用于制造摩擦条件下工作的机械零件。一类是在有润滑条件下工作的耐磨铸铁（又称减磨铸铁），例如机床导轨、汽缸套及轴承等；另一类则是在干摩擦条件下工作的耐磨铸铁（又称抗磨铸铁），例如轧辊、犁铧、球磨机衬板和磨球等。抗磨铸铁抗磨铸铁 减磨铸铁应有较低的摩擦系数和能够很好的保持连续油膜的能力。最适宜的组织形式应是在软的基体上分布有坚硬的强化相。细层状珠光体中的铁素体为软基体，渗碳体为强化相，同时石墨也起着贮油和润滑的作用。常用减磨铸铁有高磷铸铁。抗磨铸铁在干摩擦及磨粒磨损条件下工作。这类铸铁不仅受到严重的磨损，而且承受很大的负荷
49、，获得高而均匀的硬度是提高这类铸铁耐磨性的关键。抗磨铸铁的组织应具有均匀的高硬度。合金化合金化提高提高铸铁铸铁耐耐热热性的途径性的途径球化处理和变质处理球化处理和变质处理耐耐热热合金合金铸铁铸铁 铸铁耐热性是指在高温下铸铁抵抗“氧化”和“生长”的能力。氧化是铸铁在高温下与周围气氛接触使表层发生化学腐蚀的现象。生长是铸铁在反复加热和冷却时产生的不可逆体积长大的现象。硅耐热铸铁（RTSi5.5）、中硅球墨铸铁（RTQSi5.5）、高铝耐热铸铁（RTAl22）、高铝球墨铸铁（RTQAl22）、低铬耐热铸铁（RTCr1.5）和高铬耐热铸铁（RTCr28）等。常用耐常用耐热铸铁热铸铁提高铸铁耐蚀性的主要
50、途径提高铸铁耐蚀性的主要途径 铸铁在周围环境介质的作用下发生化学或电化学破坏称为腐蚀。这些介质包括各种酸、碱、盐和水等。铸件的腐蚀可以是均匀的，也可以是局部的或晶间的，其中以晶间腐蚀的危害性最大。耐耐蚀蚀合金合金铸铁铸铁耐蚀铸铁的用途耐蚀铸铁的用途合金化合金化 在铸铁中加入硅、铝、铬等合金元素，能在铸铁表面形成一层连续致密的保护膜，可有效地提高铸铁的抗蚀性。在铸铁中加入铬、硅、钼、铜、镍、磷等合金元素，可提高铁素体的电极电位，以提高抗蚀性。另外，通过合金化，还可以获得单相金属基体组织，减少铸铁中的微电池，从而提高其抗蚀性。耐蚀铸铁广泛应用于石油化工、造船等工业中，用来制作经常在大气、海水及酸、