機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)第四章-金屬材料與熱處理常識

1、第四章金屬材料與熱處理常識第四章金屬材料與熱處理常識 材料是人類用以制作各種產(chǎn)品的物質(zhì)。材料開發(fā)的品種、數(shù)量和質(zhì)量是衡量一個國家現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志?，F(xiàn)代材料種類繁多，粗略統(tǒng)計，目前世界上的材料總和已達(dá)40多萬種，并且每年還以約5的速率增加。雖然現(xiàn)代工業(yè)中新型非金屬材料的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，并在工程材料中占有越來越重要的地位，但在工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用最廣的仍然是金屬材料，在各種機(jī)器設(shè)備所用材料中，金屬材料約占90以上。因此，熟悉金屬材料的性能，了解強(qiáng)化金屬材料的方法，對于完成機(jī)械的設(shè)計與制造具有十分重要的意義。本章將重點介紹這方面的內(nèi)容，為獨(dú)立進(jìn)行機(jī)械設(shè)計制造準(zhǔn)備必需的基本知識。第一節(jié)金屬材料的性

2、能 金屬材料不但來源豐富，而且具有優(yōu)良的使用性能與工藝性能，這是其長期占據(jù)工程材料主導(dǎo)地位的根本原因。使用性能包括力學(xué)性能和物理、化學(xué)性能。優(yōu)良的使用性能可滿足生產(chǎn)和生活中的各種需要。優(yōu)良的工藝性能則使金屬材料易于采用各種加工方法，以制成各種形狀、尺寸的零件和工具。因此，在設(shè)計機(jī)械零件時，必須首先熟悉金屬及合金的各種主要性能，才能根據(jù)零件的技術(shù)要求，合理地選用所需的金屬材料。一、物理性能 金屬及合金的主要性能有密度、熔點、熱膨脹性、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。由于機(jī)械零件的用途不同，對于其物理性能的要求也有所不同。例如，飛機(jī)零件要選用密度小而又有相當(dāng)強(qiáng)度的鋁合金來制造；又如在設(shè)計電機(jī)、電器的零件時，要重點

3、考慮金屬的導(dǎo)電性等。 金屬材料的一些物理性能對于熱加工工藝還有一定影響。例如高速鋼的導(dǎo)熱性較差，在鍛造和熱處理時就應(yīng)采用較慢的加熱速度，以防止產(chǎn)生裂紋；又如錫基軸承合金、鑄鐵和鑄鋼的熔點各不相同，鑄造時三者的熔煉工藝就有很大的不同。二、化學(xué)性能 它是金屬及合金在室溫或高溫時抵抗各種化學(xué)作用的能力，主要是指抗化學(xué)侵蝕性，如耐酸性、耐堿性、抗氧化性等。 對于在腐蝕介質(zhì)中或高溫下工作的零件，由于其腐蝕作用比在空氣中或常溫下更為強(qiáng)烈，因此在設(shè)計這類零件時，應(yīng)特別注意金屬材料的化學(xué)性能，并采用化學(xué)穩(wěn)定性良好的合金，如化工設(shè)備、醫(yī)療機(jī)器等采用的不銹鋼。三、工藝性能 工藝性能是指在制造機(jī)械零件及工具的過程中

4、，金屬材料適應(yīng)各種冷、熱加工的性能，包括鑄造性、可鍛性、焊接性、熱處理和可加工性等。在設(shè)計零件和選擇工藝方法時，都要考慮金屬材料的工藝性能。四、金屬材料的力學(xué)性能 機(jī)械零件或工具在使用過程中，往往要受到各種載荷的作用。金屬材料在載荷作用時的性能稱為金屬材料的力學(xué)性能，它是設(shè)計機(jī)構(gòu)零件或工具時的重要依據(jù)。金屬材料的力學(xué)性能主要有強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度等。1.強(qiáng)度與塑性 強(qiáng)度是材料抵抗變形和斷裂的能力，塑性是材料產(chǎn)生變形而又不破壞的能力，它們是通過拉伸試驗來測定的，這已在前一章介紹。它們的力學(xué)特性有：強(qiáng)度評價指標(biāo)，彈性極限e、屈服強(qiáng)度s、抗拉強(qiáng)度b;塑性評價指標(biāo)，伸長率和斷面收縮率。 其中，彈

5、性極限是工作中不允許有微量變形的零件(如精密的彈性元件、炮筒等)設(shè)計與選材的重要依據(jù)；屈服強(qiáng)度s是大多數(shù)機(jī)械零件設(shè)計與選材的主要依據(jù)；對于不允許產(chǎn)生過量塑性變形的零件和脆性材料的零件，設(shè)計時用抗拉強(qiáng)度b為依據(jù)。2.硬度 硬度是指材料表面抵抗其他更硬物體壓入的能力，它反映了材料局部的塑性變形抗力。硬度越高，材料抵抗塑性變形的抗力越大，塑性變形越困難。因此，硬度指標(biāo)和強(qiáng)度指標(biāo)之間有一定的對應(yīng)關(guān)系。 硬度也是材料重要的力學(xué)性能指標(biāo)。按檢測方法，常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。第二節(jié)金屬的晶相組織與鐵碳合金相圖 固態(tài)物質(zhì)按原子的聚集狀態(tài)可分為晶體和非晶體兩大類。它們的區(qū)別是：晶體的原子

6、按一定幾何形狀作一般規(guī)則排列；非晶體的原子排列無序，作無規(guī)則排列。晶體一般有如下特征：具有固定的熔點(如鐵為1538，銅為1083，鋁為660)，且不同的方向上具有不同的性能，即晶體表現(xiàn)出晶體的各向異性。 金屬在固態(tài)時一般都是晶體。金屬除具有晶體共有的特征外，一般還具有金屬光澤，優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和良好的塑性。此外，金屬的電阻隨溫度升高而增大，即具有正的電阻溫度系數(shù)。一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)(一)晶體結(jié)構(gòu)基本知識 晶體中原子的排列可用X射線分析等方法測定。為了便于理解和描述晶體的結(jié)構(gòu)，近似地將晶體中的原子視作固定不動的剛性小球，于是，晶體中最簡單的原子排列情況如圖4-1a所示。1.晶格 用一些假想

7、的幾何線條將晶體各原子的中心連接起來，構(gòu)成一個空間格架，各原子處在格架的結(jié)點上，這種抽象的、用于描述原子在晶體中排列形式的幾何空間格架簡稱晶格，如圖4-1b所示。2.晶胞 由于晶體中原子有規(guī)則排列且有周期性的特點，為便于討論，通常只從晶體中選取一個能夠完全反映晶格特征的、最小的幾何單元來分析晶體中原子排列的規(guī)律，這個最小的幾何單元稱為晶胞，如圖4-1c所示。實際上，整個晶格就是由許多大小、形狀、位向相同的晶胞在空間重復(fù)堆積而成的。一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)圖4-1簡單立方晶體結(jié)構(gòu)示意圖a)原子排列模型b)晶格c)晶胞3.晶格常數(shù) 常用晶胞三條棱邊的長度a、b、c和棱邊夾角、表示其大小和形狀。晶胞棱長度

8、稱為晶格常數(shù)，其大小用A(10-10m)來度量。當(dāng)晶格常數(shù)a=b=c，棱邊夾角=90時，這種晶格稱為簡單立方晶格。一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)圖4-2體心立方晶胞示意圖a)剛球模型b)質(zhì)點模型c)晶胞原子數(shù)1.體心立方晶格 如圖4-2所示,體心立方晶格的晶胞是一個立方體,在立方體的8個角上和立方體的中心各有一個原子。其晶格常數(shù)為a=b=c、棱邊夾角=90。屬于這種晶格類型的金屬有鉻(Cr)、鎢(W)、鉬(Mo)、釩(V)及912以下的純鐵(-Fe)等。一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)圖4-3面心立方晶胞示意圖a)剛球模型b)質(zhì)點模型c)晶胞原子數(shù)2.面心立方晶格 如圖4-3所示，面心立方晶格的晶胞也是一個立方體，在立

9、方體的8個角上和6個面的中心各有一個原子。其晶格常數(shù)也是a=b=c、棱邊夾角=90。屬于這種晶格類型的金屬有鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、鉛(Pb)及溫度在1394912之間的純鐵(-Fe)等。一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)圖4-4密排六方晶胞示意圖a)剛球模型b)質(zhì)點模型c)晶胞原子數(shù)如圖4-4所示，密排六方晶格的晶胞是一個正六方柱體，在正六方柱體的12個角上及上、下底面的中心各有一個原子，在上、下底面之間還有三個原子。其晶格常數(shù)常用底面邊長a和上、下底面間距離c來表示。屬于這種晶格類型的金屬有鈹(Be)、鎂(Mg)、鋅(Zn)等。(三)合金的晶體結(jié)構(gòu) 純金屬雖具有較好的導(dǎo)

10、電、導(dǎo)熱性能，但因其強(qiáng)度、硬度較低，制取困難，價格較高，因此在工業(yè)上的應(yīng)用受到限制。工業(yè)上大量使用的金屬材料是合金。合金是由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬組成的具有金屬特性的物質(zhì)。例如,黃銅是銅與鋅組成的合金；碳鋼、鑄鐵是鐵與碳組成的合金；硬鋁是鋁、銅、鎂組成的合金。以下是有關(guān)合金晶體結(jié)構(gòu)的一些基本概念。1.組元 組成合金的最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元。一般地說，組元就是組成合金的元素。例如,銅和鋅就是黃銅的組元。有時穩(wěn)定的化合物也可以看作組元。例如，鐵碳合金中的Fe3C就可以看作是組元。根據(jù)組成組元數(shù)目的多少，合金可以分為二元合金、三元合金和多元合金。2.合金系 給定組元后，可以不同比例

11、配制出一系列成分不同的合金，這一系列合金就構(gòu)成一個合金系。合金系也可分為二元系、三元系與多元系等。3.相 合金中，具有同一化學(xué)成分且結(jié)構(gòu)相同的均勻部分稱為相。合金中相與相之間有明顯的界面。液態(tài)合金通常都為單相液體。合金在固態(tài)下，由一個固相組成的稱為單相合金，由兩個以上固相組成的稱為多相合金。4.組織 指用金相分析方法，在金屬及合金內(nèi)部看到的有關(guān)晶體或晶粒大小、方向、形狀、排列狀況等組成關(guān)系的構(gòu)造情況。借助光學(xué)或電子顯微鏡所觀察到的組織，稱為顯微組織。5.合金的相結(jié)構(gòu) 由于組元間相互作用不同，固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)可分為固溶體和金屬化合物兩大類。此外，還有由兩相及以上組成的多相組織，稱為機(jī)械混合物。

12、(1)固溶體合金在固態(tài)下，組元間仍能互相溶解而形成的均勻相，稱為固溶體。合金中晶格形式被保留的組元稱為溶劑，溶入的組元是溶質(zhì)。固溶體的晶格形式與溶劑組元的晶格形式相同。 (2)金屬化合物金屬化合物是合金組元按一定整數(shù)比形成的具有金屬特性的一種新相。新相完全不同于組成它的各組元中任一種晶體類型。它的組成一般可用分子式表示，如Fe3C就是鐵與碳組成的金屬化合物。 (3)機(jī)械混合物純金屬、固溶體、金屬化合物均是組成合金的基本相，由它們混合形成的多相組織稱為機(jī)械混合物。組成機(jī)械混合物的各相仍保持各自的晶相結(jié)構(gòu)和性能，因此整個混合物的性能將取決于構(gòu)成它的各個相的性能及其數(shù)量、形態(tài)、大小與分布狀況等。二、

13、純金屬的結(jié)晶及同素異晶轉(zhuǎn)變圖4-5純金屬冷卻曲線示意圖(一)金屬的結(jié)晶過程 圖4-5純金屬冷卻曲線示意圖純金屬的結(jié)晶是在一定溫度下進(jìn)行的，它的結(jié)晶過程可以用如圖4-5所示的冷卻曲線來表示。冷卻曲線的水平線段就是實際結(jié)晶溫度。因為結(jié)晶時放出凝固熱，溫度不再下降，所以線段是水平的。圖中金屬的實際結(jié)晶溫度Tn低于理論結(jié)晶溫度Tm，此現(xiàn)象稱為過冷，兩者的差稱為過冷度，用T表示。一種金屬的過冷度并非是恒定值，其大小與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越快，過冷度越大。二、純金屬的結(jié)晶及同素異晶轉(zhuǎn)變圖4-6純金屬的結(jié)晶過程示意圖 結(jié)晶時，由每個晶核長成的晶體就是一個晶粒。晶核在長大過程中，起初是不受約束的，能夠自由生

14、長，當(dāng)相互接觸后，便不能自由生長，最后形成由許多外形不規(guī)則的晶粒組成的多晶體。晶粒與晶粒的界面稱為晶界。二、純金屬的結(jié)晶及同素異晶轉(zhuǎn)變圖4-7純鐵的冷卻曲線(二)金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變 大多數(shù)金屬在結(jié)晶完成之后的晶格類型不再變化，但有些金屬如鐵、錳、鈷、鈦等在結(jié)晶成固態(tài)后繼續(xù)冷卻時，其晶格類型還會發(fā)生一定變化。在固態(tài)下由一種晶格類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格類型的晶體稱為同素異晶體。 圖4-7所示為純鐵的冷卻曲線，它表示了純鐵的結(jié)晶和同素異晶轉(zhuǎn)變過程。液態(tài)純鐵在1538結(jié)晶成具有體心立方晶格的-Fe，繼續(xù)冷卻到1394時發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變，由體心立方晶格的-Fe三、鐵碳合金相圖及其應(yīng)用 鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最

15、廣泛的金屬材料，其基本組元是鐵和碳兩個元素，故統(tǒng)稱為鐵碳合金。普通碳鋼和鑄鐵均屬鐵碳合金范疇，合金鋼和合金鑄鐵實際上是有意加入合金元素的鐵碳合金。為了熟悉鋼鐵材料的組織與性能，以便在生產(chǎn)中合理使用，有必要了解鐵碳合金相圖。目前應(yīng)用的鐵碳合金碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為wC5，因為wC5的鐵碳合金很脆，無實用價值。當(dāng)wC=6.69時，鐵與碳形成滲碳體(Fe3C),所以鐵碳合金相圖實際上是FeFe3C相圖。1.鐵素體 碳溶于-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用F表示。鐵素體保持-Fe的體心立方晶格。鐵素體溶解碳的能力很小，在727時可以達(dá)到最大溶碳量0.0218。由于鐵素體溶碳量很低，因此其性能與純鐵相似

16、,強(qiáng)度、硬度不高，塑性、韌性很好。2.奧氏體 碳溶解于-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用符號A表示。奧氏體保持-Fe的面心立方晶格。奧氏體溶解碳的能力較大，在727時，溶碳量為0.77；在1148時，最大溶碳量可達(dá)2.11。奧氏體的性能與其溶碳量及晶粒大小有關(guān)。奧氏體的硬度較低，而塑性較高，易于切削加工和鍛壓成形。4.珠光體 鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物稱為珠光體，用P表示。其中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC=0.77，其力學(xué)性能介于鐵素體和滲碳體之間。在放大倍數(shù)較高的顯微鏡中，可以清楚地看到鐵素體與滲碳體呈片狀交替排列的情況。5.萊氏體 萊氏體是奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，用Le表示。萊氏體是wC=

17、4.3的鐵碳合金冷卻至1148時的共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。存在于1148727溫度范圍內(nèi)的萊氏體，稱為高溫萊氏體；727以下的萊氏體由珠光體和滲碳體組成，稱為低溫萊氏體，用Le表示。萊氏體硬而脆，是白口鑄鐵的基本組織。三、鐵碳合金相圖及其應(yīng)用圖4-8簡化的鐵碳合金相圖(二)鐵碳合金相圖簡要說明圖4-8所示為簡化后的鐵碳合金相圖，是研究鋼鐵材料熱處理的主要依據(jù)。圖中縱坐標(biāo)是溫度，橫坐標(biāo)是成分，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是06.69。圖4-8簡化的鐵碳合金相圖1.圖中主要特性點及其意義3.鐵碳合金相圖各相區(qū)的組織(1)工業(yè)純鐵成分在P點以左，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC0.0218的鐵碳合金。(2)鋼成分在P點與E點之間，碳的質(zhì)量分

18、數(shù)wC=0.0218%2.11%的鐵碳合金。根據(jù)其室溫組織的特點，以S點為界分為三類：1)共析鋼。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC=0.77%。2)亞共析鋼。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC=0.0218%0.77%。3)過共析鋼。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC=0.77%2.11%。(3)白口鑄鐵成分在E點與F點之間，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC=2.11%6.69%的鐵碳合金。白口鑄鐵與鋼的根本區(qū)別是前者組織中有萊氏體(Le)，后者沒有。根據(jù)白口鑄鐵的特點，以C點為界也可分為三類：1)共晶白口鑄鐵。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC=4.30%；2)亞共晶白口鑄鐵。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC=2.11%4.30%；3)過共晶白口鑄鐵。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC=4.30%6.69%。

19、三、鐵碳合金相圖及其應(yīng)用圖4-9碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對鋼的力學(xué)性能的影響HBW布氏硬度斷面收縮率斷后伸長率沖擊吸收功(三)鐵碳合金相圖的應(yīng)用 不同成分的液態(tài)鐵碳合金，在冷卻過程中的組織變化是不同的。其中，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接影響碳鋼的力學(xué)性能(圖4-9)。在鐵碳合金中，滲碳體一般可以認(rèn)為是一種強(qiáng)化相，當(dāng)它與鐵素體構(gòu)成層片狀珠光體時，可提高合金的強(qiáng)度與硬度，但塑性與韌性卻相應(yīng)降低。當(dāng)wC0.9時，滲碳體呈網(wǎng)狀分布，不僅使塑性、韌性進(jìn)一步降低，強(qiáng)度也明顯下降。因此為保證鋼構(gòu)件具有適用的塑性、韌性，一般碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過1.4。(1)選材方面的應(yīng)用鐵碳合金相圖揭示了合金組織隨成分變化的規(guī)律，根據(jù)組織可以判斷大致性

20、能，便于合理選擇材料。(2)制訂工藝規(guī)范方面的應(yīng)用1)在鑄造工藝方面的應(yīng)用。根據(jù)鐵碳合金相圖，可以確定合適的澆注溫度。相圖顯示，共晶成分(wC=4.3)附近的合金，不僅液相線與固相線的距離最小，而且液相線溫度亦較低，故流動性好，分散縮孔少，偏析小，是鑄造性能良好的鐵碳合金。2)在鍛造工藝方面的應(yīng)用。金屬的可鍛性是指金屬加工時,能改變形狀而不產(chǎn)生裂紋的性能。3)在焊接工藝方面的應(yīng)用。焊接時，由焊縫到母材各區(qū)域的加熱溫度是不同的，由鐵碳合金相圖可知，在不同加熱溫度下會獲得不同的組織與性能，這就需要在焊接后采用熱處理方法加以改善。 4)在熱處理工藝方面的應(yīng)用。鐵碳合金相圖是確定鋼熱處理工藝參數(shù)的重要

21、依據(jù)。在下節(jié)專門討論。第三節(jié)鋼的熱處理常識 鋼的熱處理是指將鋼在固態(tài)下采用不同的加熱、保溫、冷卻方法，以改變其組織，從而獲得所需性能的一種工藝。 熱處理的主要目的：提高鋼的力學(xué)性能，發(fā)揮鋼材的潛力，從而提高工件的使用性能和使用壽命；消除毛坯(如鍛件、鑄件等)中的缺陷，改善其工藝性能，為后續(xù)工序作組織準(zhǔn)備。 根據(jù)加熱和冷卻方法不同,常用熱處理方法可以分為兩大類: 第一類是普通熱處理，有四種基本方式：退火；正火；淬火；回火。 第二類是表面熱處理，又分為表面淬火和化學(xué)熱處理兩類。表面淬火主要有：感應(yīng)加熱表面淬火；火焰加熱表面淬火；激光加熱表面淬火及其他?；瘜W(xué)熱處理則主要有：滲碳；滲氮；碳氮共滲及其他

22、。第三節(jié)鋼的熱處理常識 熱處理方法雖然很多，但任何一種熱處理工藝都是由加熱、保溫和冷卻三階段組成的。圖4-10所示就是最基本的熱處理工藝曲線。因此，要了解各種熱處理方法對鋼的組織與性能的改變情況，必須首先研究鋼在加熱(包括保溫)和冷卻過程中的相變規(guī)律。圖4-10熱處理工藝曲線圖4-11實際加熱(冷卻)時,鐵碳合金相圖上的位置一、鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變圖4-12共析鋼奧氏體形成過程示意圖a)A形核b)A長大c)殘余FC溶解d)A均勻化(一)鋼的奧氏體化 當(dāng)鋼加熱到Ac1時，會發(fā)生珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變。以共析鋼為例，奧氏體化的過程通過下列三個階段來完成，如圖4-12所示：二、鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變圖4-13不

23、同冷卻轉(zhuǎn)變方式示意圖1等溫轉(zhuǎn)變2連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變二、鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 鋼經(jīng)加熱獲得均勻奧氏體組織，一般只是為隨后的冷卻轉(zhuǎn)變作準(zhǔn)備。熱處理后鋼的組織與性能主要是由冷卻過程來決定的，因此控制奧氏體在冷卻時的轉(zhuǎn)變過程是熱處理的關(guān)鍵。二、鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變圖4-14共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖(一)過冷奧氏體的等溫冷卻轉(zhuǎn)變1.過冷奧氏體的等溫冷卻轉(zhuǎn)變圖(C曲線) 在共析溫度A1以下，未發(fā)生轉(zhuǎn)變而存在的奧氏體稱為過冷奧氏體。用來表示過冷奧氏體在不同過冷度下的等溫過程中,轉(zhuǎn)變溫度圖4-14共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖轉(zhuǎn)變時間轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(轉(zhuǎn)變開始及終了)的關(guān)系曲線圖，2.過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài)及性能

24、從C曲線可知，隨過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變溫度的不同，其轉(zhuǎn)變特征和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織也不同。一般可將過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變分為珠光體型轉(zhuǎn)變和貝氏體型轉(zhuǎn)變。 (1)珠光體型轉(zhuǎn)變珠光體型轉(zhuǎn)變的溫度范圍在A1550(“鼻尖”溫度)之間。由于轉(zhuǎn)變溫度較高，原子具有較強(qiáng)的擴(kuò)散力，故轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散型。隨溫度的下降，獲得的組織分別稱為珠光體(P)、索氏體(S)、托氏體(T)。隨過冷度的增加，所得珠光體的層片變薄，其性能也有所不同，見表4-2二、鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變表4-2共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變溫度與轉(zhuǎn)變組織及硬度的關(guān)系 上貝氏體的形成溫度大約在550350之間，下貝氏體的形成溫度約在350Ms之間。下貝氏體較上貝氏體有較高的硬度

25、和強(qiáng)度，塑性和韌性也較好，生產(chǎn)中常用等溫淬火來獲得下貝氏體，以提高零件的強(qiáng)韌性。二、鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變圖4-15共析鋼的過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖1.過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖 用來表示鋼奧氏體化后，在不同冷卻速度的連續(xù)冷卻條件下，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始及轉(zhuǎn)變終止的時間與轉(zhuǎn)變溫度之間的關(guān)系圖，稱為過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖。圖4-15所示為共析鋼的過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖。二、鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變圖4-16共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物估計3.馬氏體轉(zhuǎn)變 當(dāng)奧氏體的冷卻速度大于該鋼的馬氏體臨界冷卻速度，并過冷到Ms以下時，就開始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。三、鋼的熱處理工藝方法 常用熱處理工藝可分為兩類：預(yù)先熱

26、處理和最終熱處理。預(yù)先熱處理是消除坯料、半成品的某些缺陷，為后續(xù)的冷加工和最終熱處理作組織準(zhǔn)備。退火與正火是常見的預(yù)先熱處理，淬火和回火則常作為最終熱處理。(一)鋼的退火與正火退火是把鋼制工件加熱到相變溫度Ac1或Ac3附近，保溫一段時間后采用適當(dāng)方法冷卻的熱處理工藝。正火是把工件加熱到相變溫度Ac3或Accm以上301.完全退火 完全退火是把亞共析鋼加熱到Ac3以上3050，經(jīng)保溫一段時間后緩慢冷卻的一種熱處理工藝。主要用于亞共析鋼的鑄、鍛、焊接件。過共析鋼不宜采用完全退火，因為加熱到Accm線以上退火后，二次滲碳體以網(wǎng)狀形式沿奧氏體晶界析出，使鋼的韌性降低，使隨后的熱處理(如淬火)易產(chǎn)生裂

27、紋。2.等溫退火 等溫退火加熱工藝與完全退火相同，但它得到的組織和硬度更均勻，主要用于高碳鋼、合金工具鋼和高合金鋼。3.球化退火 球化退火是把過共析鋼加熱到Ac1以上1020，經(jīng)過一定時間保溫后緩慢冷卻的一種熱處理工藝。其目的是球化滲碳體(或碳化物)，以降低硬度，改善可加工性。主要用于共析或過共析成分的碳鋼和合金鋼。若鋼的原始組織中存在有嚴(yán)重滲碳體網(wǎng)時，應(yīng)采用正火將其消除，再進(jìn)行球化退火。4.均勻化退火 均勻化退火是把合金鋼鑄錠或鑄件加熱到Ac3以上150250，長時間保溫，然后緩慢冷卻的工藝。目的是消除鑄件結(jié)晶過程中產(chǎn)生的枝晶偏析，使成分均勻。由于加熱溫度高，時間長，會引起奧氏體晶粒的嚴(yán)重粗

28、大，因此，均勻化退火后還必須進(jìn)行一次完全退火，以消除熱缺陷。5.去應(yīng)力退火 去應(yīng)力退火是把工件加熱至低于Ac1的某一溫度(約500650)，保溫一定時間后，隨爐冷卻至300200以下出爐空冷的工藝。由于加熱溫度低于Ac1，故鋼內(nèi)組織無變化。主要用于消除鑄、鍛、焊接件的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少工件使用中的變形。一般工件常在精加工或淬火前進(jìn)行一次去應(yīng)力退火。三、鋼的熱處理工藝方法圖4-17各種退火及正火加熱溫度各種退火與正火的加熱溫度范圍和工藝曲線如圖4-17、圖4-18所示。圖4-18各種退火及正火工藝三、鋼的熱處理工藝方法(二)鋼的淬火 淬火是將鋼件加熱到相變點Ac3或Ac1以上3050，保溫一

29、定時間，然后快冷(大于臨界冷卻速度)，獲得馬氏體(或貝氏體)組織的熱處理工藝。圖4-19a所示為淬火馬氏體的顯微組織。 淬火的目的淬火的目的主要是使鋼件得到馬氏體(或貝氏體)組織，然后與適當(dāng)?shù)幕鼗鹣嗯浜?，以獲得機(jī)械零件所需的使用性能。淬火與回火是強(qiáng)化鋼材、提高機(jī)械零件使用壽命的重要手段，它們通常作為鋼件的最終熱處理。圖4-19淬火馬氏體和回火馬氏體的顯微組織a)淬火馬氏體5000b)回火馬氏體15002.淬火工藝淬火工藝主要涉及加熱溫度、加熱時間和淬火介質(zhì)三項因素。 (1)淬火加熱溫度的確定鋼的化學(xué)成分是決定其淬火加熱溫度的最主要因素。因此碳鋼的淬火加熱溫度可利用鐵碳合金相圖來選擇，如圖4-2

30、0所示。其淬火加熱溫度原則上為：圖4-20碳鋼淬火的加熱溫度范圍 (2)淬火加熱時間的確定加熱時間包括升溫和保溫時間。加熱時間應(yīng)保證工件達(dá)到指定溫度并熱透，使組織轉(zhuǎn)變充分進(jìn)行、成分?jǐn)U散均勻，同時又不使奧氏體晶粒粗化并減少工件的氧化和脫碳。 (3)淬火介質(zhì)淬火時所用的冷卻介質(zhì)，根據(jù)鋼的種類不同而不同。常用的淬火介質(zhì)有水、水溶液、油、硝鹽浴、空氣等。水最便宜而且冷卻能力較強(qiáng)，一般碳素鋼多用它作為淬火介質(zhì)。油的冷卻能力較低，合金鋼多用它來進(jìn)行淬火。三、鋼的熱處理工藝方法圖4-21常用淬火方法示意圖3.淬火方法及其應(yīng)用 淬火方法是根據(jù)工件特點(化學(xué)成分、形狀尺寸和技術(shù)要求等)，結(jié)合各種淬火冷卻介質(zhì)的特

31、征，保證淬火質(zhì)量所采用的方法。常用淬火方法有： (1)單液淬火將已奧氏體均勻化的工件在一種淬火介質(zhì)中冷卻淬火，如圖4-21中曲線所示。例如，碳鋼在水中淬火；合金鋼及尺寸很小的碳鋼件(直徑小于35cm)在油中淬火。 (2)雙液淬火將已奧氏體均勻化的工件先淬入一種冷卻能力較強(qiáng)的介質(zhì)中，冷卻到稍高于Ms溫度，再立即轉(zhuǎn)入另一冷卻能力較弱的介質(zhì)中，使之發(fā)生馬氏轉(zhuǎn)變的淬火，稱為雙液淬火。例如，碳鋼通常采用先水淬后油冷，合金鋼通常采用先油淬后空冷。雙液淬火工藝如圖4-21中曲線所示。 (3)分級淬火將已奧氏體均勻化的工件先投入溫度在Ms附近的鹽浴或堿浴中，停留適當(dāng)時間，然后取出空冷，以獲得馬氏體組織的淬火，

32、稱為分級淬火。這種工藝特點是在工件內(nèi)外溫差基本一致時，使過冷奧氏體在緩冷條件下轉(zhuǎn)變成馬氏體，從而減少變形。分級淬火工藝如圖4-21中曲線所示。這種工藝的缺點是只適用于尺寸較小的零件，否則介質(zhì)冷卻能力不足，溫度也難于控制。 (4)等溫淬火將已奧氏體均勻化的工件快速淬入溫度稍高于Ms點的硝鹽浴(或堿浴)中，保持足夠長的時間，直至過冷奧氏體完全轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w，然后在空氣中冷卻，如圖4-21中曲線所示。下貝氏體的硬度略低于馬氏體，但綜合力學(xué)性能較好，因此在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。一般彈簧、螺栓、小齒輪、軸、絲錐等的熱處理均用此法。其缺點是生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)效率低。 (5)局部淬火對于有些工件，如果只是局部要求高

33、硬度，可對工件全部加熱后進(jìn)行局部淬火。為了避免工件其他部分產(chǎn)生變形和開裂，也可進(jìn)行局部加熱淬火。(三)鋼的回火 將淬火鋼重新加熱到A1以下某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。它是緊接淬火的熱處理工序。1.回火的目的 回火的目的是減少內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定組織，使工件形狀、尺寸穩(wěn)定；調(diào)整組織，消除脆性，以獲得工件需要的使用性能。2.回火的方法及應(yīng)用 根據(jù)鋼在回火后組織和性能的不同，按回火溫度范圍也將回火方法分為低溫、中溫及高溫回火三種。四、鋼的表面熱處理表4-3感應(yīng)加熱表面淬火的應(yīng)用 表面熱處理又分為兩類：一類是只改變表面組織而不改變表面化學(xué)成分的熱處理，稱為表面淬火；另一類是同時

34、改變表面化學(xué)成分及組織的熱處理，稱為化學(xué)熱處理。1.鋼的表面淬火 表面淬火是將鋼件的表面層淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火狀態(tài)的一種局部淬火方法。目前生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的是感應(yīng)加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火兩種方法。2.鋼的化學(xué)熱處理 化學(xué)熱處理是將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變工件表層的化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。 化學(xué)熱處理都是由分解、吸收和擴(kuò)散三個基本過程所組成。首先在一定條件下，從介質(zhì)中分解出具有活性的元素原子；活性原子吸附在工件表面，進(jìn)入鐵的晶格形成固溶體或化合物，被工件表面吸收；被吸收的滲入原子達(dá)到一定濃度時，由表向里擴(kuò)散，形成一定厚

35、度的滲層，以達(dá)到化學(xué)熱處理的目的。 目前在制造業(yè)中，最常用的化學(xué)熱處理有滲碳、滲氮和碳氮共滲。五、鋼的熱處理常見缺陷 熱處理件的質(zhì)量受多方面因素的影響，其中最主要的是熱處理工藝因素和工件的結(jié)構(gòu)因素。在熱處理生產(chǎn)中，往往由于熱處理工藝控制不當(dāng)，使工件產(chǎn)生某些缺陷。鋼的熱處理常見缺陷有：氧化、脫碳、過熱、過燒、硬度不足、變形與開裂等，這對熱處理件的質(zhì)量影響很大。1.氧化與脫碳 工件加熱時，若加熱爐中介質(zhì)控制不好，就會產(chǎn)生氧化與脫碳缺陷。 鋼在氧化性介質(zhì)中加熱時，會發(fā)生氧化而在其表面形成一層氧化鐵(Fe2O3、Fe3O4、FeO)，這層氧化鐵就是氧化皮。加熱溫度越高，保溫時間越長，氧化作用就越強(qiáng)烈。

36、鋼在某些介質(zhì)中加熱時，這些介質(zhì)會使鋼表層的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，這種現(xiàn)象稱為“脫碳”。使鋼發(fā)生脫碳主要原因是氣氛中O2、CO2、H2及H2O的存在。2.過熱與過燒 加熱溫度過高或保溫時間過長，奧氏體的晶粒顯著粗化的現(xiàn)象稱為過熱。過熱的鋼淬火后具有粗大的針狀馬氏體組織，其韌性較低。 加熱溫度接近于開始溶化溫度，沿晶界處產(chǎn)生熔化或氧化現(xiàn)象，稱為過燒。過燒后，鋼的強(qiáng)度很低，脆性很大。 過熱與過燒都是由于加熱溫度過高引起的。鋼的過熱可以通過退火或正火來消除。過燒則無法補(bǔ)救，只得將工件報廢。3.硬度不足與軟點 硬度不足是指工件淬火后達(dá)不到硬度要求。硬度不足對在高硬度狀態(tài)下工作的工具和零件是不允許的；對要求具

37、有綜合力學(xué)性能的工件，也會影響其疲勞強(qiáng)度和韌性。 造成硬度不足的原因通常是淬火加熱溫度低、保溫時間短或冷卻速度不夠。對于某些鋼，如淬火溫度過高，淬火組織中存在過多的殘余奧氏體，也會降低淬火鋼的硬度。軟點是指工件淬火后局部硬度偏低的現(xiàn)象。量具、刃具、模具及滾動軸承等，其工作部4.變形與開裂 淬火中變形與開裂主要是淬火時形成的內(nèi)應(yīng)力所引起的。根據(jù)內(nèi)應(yīng)力形成的原因不同，它分為熱應(yīng)力與相變應(yīng)力兩種。熱應(yīng)力是由于工件在加熱和冷卻時內(nèi)外溫度不均勻，因而使工件截面上熱脹冷縮先后不一致所造成的。相變應(yīng)力是由于奧氏體和馬氏體的比體積不同，以及工件淬火時各部位馬氏體轉(zhuǎn)變先后不一致，因而使體積膨脹不均勻所造成的。第

38、四節(jié)常用金屬材料一、鋼 鋼按化學(xué)成分分為碳素鋼(簡稱碳鋼)和合金鋼兩大類。碳鋼除以鐵、碳為其主要成分外，還含有少量的錳、硅、硫、磷等常存雜質(zhì)元素。由于碳鋼容易冶煉、價格低廉，性能可以滿足一般工程機(jī)械、普通機(jī)械零件、工具及日常輕工業(yè)產(chǎn)品的使用要求，因此在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。合金鋼是在碳鋼基礎(chǔ)上，有目的地加入某些元素(稱為合金元素)而得到的多元合金。與碳鋼相比，合金鋼的性能有顯著的提高，故應(yīng)用亦日益廣泛。 鋼的種類很多，為了便于管理、選用和研究，從不同角度把它們分成若干類別。通常把鋼分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊性能鋼三大類。(一) 結(jié)構(gòu)鋼 凡用于制造各種機(jī)械零件，以及各種工程結(jié)構(gòu)的鋼都稱為結(jié)構(gòu)鋼。

39、用作工程結(jié)構(gòu)的鋼，稱為建筑工程鋼，它們大都是普通質(zhì)量的結(jié)構(gòu)鋼(包括碳素結(jié)構(gòu)鋼及低合金鋼)。這類結(jié)構(gòu)鋼冶煉比較簡單，成本低，適應(yīng)工程結(jié)構(gòu)需大量消耗鋼材的要求。建筑工程鋼一般不再進(jìn)行熱處理。 用作機(jī)械零件的鋼稱為機(jī)械制造用鋼，它們大都是優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼(包括優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼及各種優(yōu)質(zhì)或高級優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼)，以適應(yīng)機(jī)械零件承受動載荷的要求。一般需適當(dāng)熱處理，以發(fā)揮材料的潛力。一、鋼表4-4碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號與力學(xué)性能(摘自GB/T 7002006)1.普通質(zhì)量結(jié)構(gòu)鋼(1) 碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼的平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.06%0.38%范圍內(nèi)，鋼中含有害雜質(zhì)和非金屬夾雜物較多，但性能上能滿足一般工程結(jié)構(gòu)及普通零件的

40、要求，因而應(yīng)用較廣。它通常軋制成鋼板或各種型材(圓鋼、方鋼、工字鋼、鋼筋鋼)供應(yīng)。表4-4所列為碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號與力學(xué)性能。一、鋼(2) 低合金結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼又稱低合金高強(qiáng)度鋼，廣泛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、車輛、船舶、輸油輸氣管道、壓力容器等。 低合金結(jié)構(gòu)鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(wC0.2%)，合金元素含量較少(wMe3%)，這樣可以保證鋼具有良好的塑性、韌性及焊接性能。常加入的合金元素有Mn、Ti、V、Nb、Cu、P、RE等，它們的主要作用是強(qiáng)化鐵素體，細(xì)化晶粒，從而提高鋼的強(qiáng)度。同時，Cu、P還能提高鋼在大氣中的耐腐蝕能力。用這類鋼制作大型構(gòu)件不僅安全

41、可靠，而且可減2.優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼 這類鋼主要用于制造較重要的機(jī)械零件。根據(jù)化學(xué)成分不同可分為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼與合金結(jié)構(gòu)鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號是用兩位數(shù)字表示。兩位數(shù)字表示鋼中以平均萬分?jǐn)?shù)表示的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。屬于沸騰鋼的，在數(shù)字后加標(biāo)“F”；未標(biāo)“F”的都是鎮(zhèn)靜鋼。(2) 調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼通常是指經(jīng)調(diào)質(zhì)后使用的鋼。主要用于制造承受很大循環(huán)載荷與沖擊載荷或各種復(fù)合應(yīng)力的零件(如機(jī)器中的軸、連桿、齒輪等)。這類零件要求鋼材具有較高的綜合力學(xué)性能，即有良好配合的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。(1)滲碳鋼滲碳鋼通常是指經(jīng)滲碳淬火、低溫回火后使用的鋼，用于制造要求表面硬而耐磨、心部韌性較好的零件,如承受較大沖擊載荷,同

42、時表面有強(qiáng)烈摩擦和磨損的齒輪、軸等零件。(3) 彈簧鋼常用來制造各種彈簧的鋼。彈簧依靠其工作時產(chǎn)生的彈性變形，在各種機(jī)械中起緩沖、吸振的作用，并利用其儲存能量，使機(jī)件完成規(guī)定的動作。(4) 滾動軸承鋼滾動軸承鋼是指制造各種滾動軸承內(nèi)、外圈及滾動體(滾珠、滾柱、滾針)的專用鋼種。根據(jù)其工作條件，對滾動軸承鋼性能要求為：具有高的接觸疲勞抗力、高的硬度、耐磨性及一定的韌性，同時還應(yīng)具有一定的耐腐蝕能力。 目前我國以鉻軸承鋼應(yīng)用最廣。在鉻軸承鋼中，又以GCr15、GCr15SiMn鋼應(yīng)用最多。前者用于制造中、小型軸承的內(nèi)、外圈及滾動體，后者用于制造較大型滾動軸承套圈及鋼球。滾動軸承鋼具有耐磨性高等性能

43、特點，還常用它來制造量具、冷沖模具及其他耐磨零件。(二) 工具鋼工具鋼是指制造各種刃具、模具、量具的鋼，相應(yīng)地稱為刃具鋼、模具鋼、量具鋼。工具鋼除個別情況外，大多數(shù)是在受很大局部壓力和磨損條件下工作的，應(yīng)具有高硬度、高耐磨性，以及足夠的強(qiáng)度和韌性，故工具鋼(除熱作模具鋼外)大多屬于過共析鋼(wC=0.6%1.3%一、鋼表4-6常用低合金刃具鋼的牌號、化學(xué)成分、熱處理和用途舉例(2) 低合金工具鋼低合金工具鋼可用來制造受力較大、尺寸較大、形狀復(fù)雜的刃具。但因合金元素加入量不多(一般wMe5%)，故仍不適用于較高速度的切削。常用低合金刃具鋼的牌號及其化學(xué)成分、熱處理、用途舉例如表4-6所示。(3)

44、 高速鋼高速鋼是熱硬性、耐磨性較高的合金工具鋼。它的熱硬性很高，切削時能長期保持刃口鋒利，故俗稱為“鋒鋼”。其強(qiáng)度也比碳素工具鋼提高30%50%。 各種高速鋼由于具有比其他刃具鋼高得多的熱硬性、耐磨性及較高的強(qiáng)度與韌性，不僅可制作切削速度較高的刃具，也可以制造載荷大、形狀復(fù)雜、貴重的切削刃具(如拉刀、齒輪銑刀等)。此外，高速鋼還可用于制造冷沖模、冷擠壓模及某些要求耐磨性高的零件。2.模具鋼主要有冷作模具鋼和熱作模具鋼兩種。 (1) 冷作模具鋼冷作模具鋼用來制造在冷態(tài)下使金屬變形的模具。這類模具要求高硬度、高耐磨性、一定的韌性及較好的淬透性。冷作模具鋼的熱處理為淬火加低溫回火。常用冷作模具鋼見表

45、4-7。 (2) 熱作模具鋼熱作模具鋼用于制造使加熱金屬(或液態(tài)金屬)獲得所需形狀模具。這類模具一般分為熱錘鍛模、熱擠壓模和壓鑄模等。這類模具要求有足夠的高溫強(qiáng)度、良好的沖擊韌性和耐熱疲勞性，一定的硬度和耐磨性，良好的淬透性和導(dǎo)熱性。一、鋼表4-7常用冷作模具鋼表4-8常用量具鋼的牌號及熱處理3.量具鋼 量具是機(jī)械加工中使用的檢測工具，如量塊、塞尺、樣板等。量具在使用中常與被測工件接觸，受到摩擦與碰撞，故要求量具應(yīng)具有高硬度和高耐磨性，并具有高的尺寸穩(wěn)定性。 量具用鋼一般可選用碳素工具鋼或低合金工具鋼。對精度要求較高的量具，在淬火后需立即進(jìn)行冷處理，在精磨后或研磨前還要進(jìn)行一次時效處理，即將工

46、件加熱至120150左右。較長時間保溫后緩冷，以穩(wěn)定組織，進(jìn)一步消除殘余應(yīng)力，提高工件尺寸穩(wěn)定性。(三) 特殊性能鋼 特殊性能鋼具有特殊的物理或化學(xué)性能，用來制造除要求具有一定的力學(xué)性能外，還要求具有特殊性能的零件。其種類很多，機(jī)械制造行業(yè)主要使用不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼。1.不銹鋼 不銹鋼是指在腐蝕性(大氣或酸)介質(zhì)中具有抵抗腐蝕性能的鋼。 不銹鋼按其使用時的組織特征，可分為鐵素體型不銹鋼、奧氏體型不銹鋼、馬氏體型不銹鋼、奧氏體鐵素體型不銹鋼等。 鐵素體不銹鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，常用的有0Cr13Al、1Cr17、00Cr30Mo2，用于工作應(yīng)力不大的化工設(shè)備、容器及管道等。 奧

47、氏體不銹鋼是應(yīng)用最廣的不銹鋼，屬鉻鎳鋼。鋼在常溫下可得到單相奧氏體組織。2.耐熱鋼 耐熱鋼是指在高溫條件下具有抗氧化性或不起皮和足夠強(qiáng)度的鋼。鋼的耐熱性包括抗氧化性(熱穩(wěn)定性)和高溫強(qiáng)度兩個方面。 耐熱鋼中主要含有鉻、硅、鋁等合金元素。這些元素在高溫下與氧作用，在其表面形成一層致密的氧化膜(Cr2O3、Ai2O3、SiO2)，能有效地保護(hù)鋼不致在高溫下繼續(xù)氧化腐蝕。3.耐磨鋼 耐磨鋼是指在強(qiáng)烈沖擊載荷作用下才能發(fā)生硬化的高錳鋼。 耐磨鋼的典型牌號是ZGMn13型，它的主要成分為鐵、碳和錳，wC=1.0%1.5%，wMn=11%14%。高錳鋼不易切削加工，而鑄造性能較好，故高錳鋼零件多采用鑄造方

48、法生產(chǎn)。 這類鋼多用于制造承受沖擊和壓力，并要求耐磨的零件，例如，坦克、拖拉機(jī)的履帶板，挖掘機(jī)的鏟斗齒，破碎機(jī)的鄂板，鐵路道叉，防彈板及保險箱的鋼板等。二、鑄鐵 鑄鐵是wC2.11%(一般為wC=2.5%4%)的鐵碳合金。它是以鐵、碳、硅為主要組成元素，并比碳鋼含有更多的錳、硫、磷等雜質(zhì)的多元合金。為了提高鑄鐵的力學(xué)性能或物理化學(xué)性能，還可以加入一定量的合金元素，得到合金鑄鐵。 早在公元前6世紀(jì)春秋時期，我國已開始使用鑄鐵，比歐洲各國要早將近2000年。由于鑄鐵有優(yōu)良的鑄造性能、可加工性、減摩性及減振性，而且熔煉鑄鐵的工藝與設(shè)備簡單、成本低廉，因此在目前工業(yè)生產(chǎn)中，它仍是最重要的工程材料之一。

49、若按重量百分比計算，在各類機(jī)械中，鑄鐵件約占40%70%，在機(jī)床和重型機(jī)械中，則可達(dá)60%90%。二、鑄鐵圖4-22石墨在鑄鐵中的存在形態(tài)a)灰鑄鐵中的片狀石墨b)球墨鑄鐵中的球狀石墨c)蠕墨鑄鐵中的蠕蟲狀石墨d)可鍛鑄鐵中的團(tuán)絮狀石墨 鑄鐵有兩種分類方法。一種是根據(jù)碳在鑄鐵中存在的形式，有白口鑄鐵、灰鑄鐵和麻口鑄鐵。一種是根據(jù)鑄鐵中石墨形態(tài)(圖4-22)，可分為球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和可鍛鑄鐵?，F(xiàn)簡述如下：二、鑄鐵(2) 灰鑄鐵碳全部或大部分以片狀石墨存在于鑄鐵中，其斷口呈暗灰色，故稱灰鑄鐵。由于片狀石墨的存在，使灰鑄鐵具有良好的耐磨性、減振性和低的缺口敏感性。因此，灰鑄鐵被廣泛用于制作機(jī)床床身

50、、殼體、機(jī)架、箱體和承受摩擦的導(dǎo)軌、缸體等零件。X1.TIF(3) 麻口鑄鐵碳一部分以石墨形式存在，類似灰鑄鐵，另一部分以自由滲碳體形式存在，類似白口鑄鐵。這類鑄鐵也具有較大的硬脆性，故工業(yè)上極少應(yīng)用。(4) 球墨鑄鐵鑄鐵中石墨呈球狀存在。它的力學(xué)性能不僅比灰鑄鐵高，而且還可以通過熱處理進(jìn)一步提高其力學(xué)性能，所以在生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛。二、鑄鐵表4-9灰鑄鐵的牌號、力學(xué)性能及用途(摘自GB/T 94391988)二、鑄鐵X2.TIF注：力學(xué)性能系30mm單鑄試棒制取的試樣所能達(dá)到的值。球墨鑄鐵牌號的表示方法舉例如下：二、鑄鐵X3.TIF(5) 蠕墨鑄鐵它是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型鑄鐵

51、，石墨形態(tài)介于片狀與球狀之間，故性能也介于灰鑄鐵與球墨鑄鐵之間。蠕墨鑄鐵牌號的表示方法舉例如下：二、鑄鐵表4-10球墨鑄鐵的常用牌號及力學(xué)性能(摘自GB/T 13482009)表4-10球墨鑄鐵的常用牌號及力學(xué)性能(摘自GB/T 13482009)二、鑄鐵表4-11可鍛鑄鐵的牌號及力學(xué)性能(摘自GB/T 94401988)(6) 可鍛鑄鐵鑄鐵中石墨呈團(tuán)絮狀存在。其力學(xué)性能(特別是韌性和塑性)較灰鑄鐵高，并接近于球墨鑄鐵。 可鍛鑄鐵的牌號分別由代號“KTH”(黑心可鍛鑄鐵)和“KTZ”(白心可鍛鑄鐵)以及其后的兩組數(shù)字組成，第一組數(shù)字表示抗拉強(qiáng)度值；第二組數(shù)字表示斷后伸長率。三、非鐵金屬及其合金

52、表4-13純銅的牌號表4-12工業(yè)用鋁的牌號 除鋼鐵材料以外的其他金屬稱為非鐵金屬。由于非鐵金屬具有某些特殊的優(yōu)良性能，如鎂、鋁、鈦及其合金的密度小，銀、銅有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，鎢、鉬、鈮及其合金耐高溫性能好等，故已成為現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中不可缺少的重要材料，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航天、航海、化工、電器等部門。1.純鋁 純鋁呈銀白色，其密度小(2.7g/cm3)，熔點低(660)，有良好的導(dǎo)電性。鋁和氧的親合力強(qiáng)，容易在其表面形成致密的Al2O3薄膜，能有效地防止金屬的繼續(xù)氧化，故在大氣中有良好的耐蝕性。鋁的塑性好(80%)，能承受各種冷、熱加工；但強(qiáng)度低(b80100MPa)，用熱處理不能強(qiáng)化。冷變形是提高其強(qiáng)度的惟一手段，經(jīng)冷變形加工硬化后強(qiáng)度可提高到150250MPa，而塑性則下降到=50%60%。2.鋁合金 純鋁的強(qiáng)度低，不適宜做結(jié)構(gòu)材料。但如果加入適量的硅、銅、鎂、鋅、錳等合金元素形成鋁合金，則具有密度小、比強(qiáng)度(強(qiáng)度極限與密度的比值)高、導(dǎo)熱性好等優(yōu)良性能。若經(jīng)過冷加工或熱處理，還可進(jìn)一步提高其強(qiáng)度。鋁合金廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代國防和民用工業(yè)中。(二) 銅及銅合金1