金屬材料基本知識(shí)，金屬材料熱處理常識(shí)
目錄

目錄 一、材料與材料科學(xué)

緒 論

**章 材料的性能

1.1 材料的力學(xué)性能

1.1.1 彈性與剛度

1.1.2 強(qiáng)度與塑性
1.1.3 硬度

1.1.4 沖擊韌性

1.1.5 疲勞

1.1.6 斷裂韌性

1.1.7 熱疲勞

1.2 材料的物理和化學(xué)性能

1.2.1 材料的物理性能

1.2.2 材料的化學(xué)性能

**章 材料的結(jié)構(gòu)

2.1 原子的結(jié)合方式

2.1.1 離子鍵

2.1.2 共價(jià)鍵

2.1.3 金屬鍵

2.1.4 分子鍵

2.2 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念

2.2.1 晶體與非晶體

2.2.2 晶格

2.2.3 晶胞

2.2.4 立方晶系的晶面和晶向表示方法

2.3 金屬的結(jié)構(gòu)

2.3.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)

2.3.2 金屬的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)

2.4 陶瓷的結(jié)構(gòu)

2.4.1晶相

2.4.2玻璃相

第三章 材料的凝固

3.1 純金屬的結(jié)晶

3.1.1 結(jié)晶的熱力學(xué)條件

3.1.2 純金屬的結(jié)晶過(guò)程

3.1.3 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

3.2 合金的結(jié)晶

3.2.1 二元相圖的建立

3.2.2 二元相圖的基本類型與分析

3.3 鐵碳合金相圖

3.3.1 鐵碳合金的組元和相

3.3.2 鐵碳合金相圖的分析

3.3.3 典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程

3.3.4 含碳量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響

3.4金屬及合金的結(jié)晶

3.4.1 金屬及合金結(jié)晶后的晶粒大小及其控制

3.4.2鑄錠的組織及其控制

第四章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶

4.1 金屬的塑性變形

4.1.1單晶體金屬的塑性變形

4.2 合金的塑性變形與強(qiáng)化

4.3 塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響

4.3.1 塑性變形對(duì)金屬組織的影響

4.3.2 塑性變形對(duì)金屬性能的影響

4.3.3 殘余應(yīng)力

4.4 回復(fù)與再結(jié)晶

4.4.1 冷變形金屬在加熱時(shí)的組織和性能變化

4.4.2 再結(jié)晶溫度

4.4.3 再結(jié)晶退火后的晶粒度

4.5 金屬的熱加工

4.5.1 冷加工與熱加工的區(qū)別

4.5.2 熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響

第五章 鋼的熱處理

5.1 概述

5.2 鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變

5.2.1 奧氏體的形成過(guò)程

5.2.2 奧氏體的晶粒大小及其影響因素

5.3 鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變

5.3.1 過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及轉(zhuǎn)變過(guò)程

5.3.2 過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖

5.4 鋼的退火和正火

5.4.1 退火

5.4.2 正火

5.5 鋼的淬火與回火

5.5.1 淬火

5.5.2鋼的回火

5.6 鋼的表面熱處理

5.6.1 表面淬火

5.6.2 化學(xué)熱處理

5.7 金屬材料表面熱處理新技術(shù)

5.7.1 熱噴涂技術(shù)

5.7.2 氣相沉積技術(shù)

5.7.3 三束表面改性技術(shù)

第六章 工業(yè)用鋼

6.1 鋼的分類與編號(hào)

6.1.1 鋼的分類

6.1.2 鋼的分類

6.2 鋼中的雜質(zhì)與合金元素

6.2.1 鋼中常存雜質(zhì)元素對(duì)性能的影響

6.2.2 合金元素在鋼中的主要作用

6.3 結(jié)構(gòu)鋼

6.3.1 碳素結(jié)構(gòu)鋼

6.3.2 上等碳素結(jié)構(gòu)鋼

6.3.3 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

6.3.4 滲碳鋼

6.3.5 調(diào)質(zhì)鋼

6.3.6 彈簧鋼

6.3.7 滾動(dòng)軸承鋼

6.3.8 耐磨鋼

6.4 工具鋼

6.4.1 刃具鋼

6.4.2 模具鋼

6.4.3 量具鋼

6.5 特殊性能鋼

6.5.1 不銹鋼

6.5.2 耐熱鋼

第七章 鑄 鐵

7.1 概述

7.1.1 鑄鐵的石墨化過(guò)程

7.1.2 鑄鐵的特點(diǎn)及分類

7.2 常用鑄鐵

7.2.1 灰鑄鐵

7.2.2 可鍛鑄鐵

7.2.3 球墨鑄鐵

7.2.4 蠕墨鑄鐵

第八章 有色金屬及其合金

8.1鋁及鋁合金

8.1.1 鋁及鋁合金的性能特點(diǎn)

8.1.2 鋁合金的分類

8.1.3 鋁合金的熱處理

8.1.4 鋁合金的牌號(hào)性能及用途

8.2 銅及銅合金

8.2.1 銅及銅合金的性能特點(diǎn)

8.2.2 黃銅

8.2.3 青銅

8.2.4 白銅

8.3 鈦及鈦合金

8.3.1 工業(yè)純鈦

8.3.2 鈦合金

8.4 軸承合金

8.4.1 組織性能要求

8.4.2 常用的軸承合金

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1.材料

材料是用來(lái)制作有用器件的物質(zhì)，是人類生產(chǎn)和生活所必須的物質(zhì)基礎(chǔ)。從日常生活用的器具到高技術(shù)產(chǎn)品，從簡(jiǎn)單的手工工具到復(fù)雜的航天器、機(jī)器人，都是用各種材料制作而成或由其加工的零件組裝而成的。材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類文明進(jìn)步的標(biāo)志。

歷史學(xué)家按照人類所使用的材料將人類歷史劃分為：

石器時(shí)代：早在公元前6000年-公元前5000年的新石器時(shí)代，中華民族的先人就能用黏土燒制陶器，到東漢時(shí)期又出現(xiàn)瓷器，并流傳海外。

青銅器時(shí)代：4000年前的夏朝石器，我們的祖先已經(jīng)能夠煉銅，到殷、商時(shí)期，我國(guó)的青銅冶煉和鑄造技術(shù)已經(jīng)達(dá)到很高的水平

司母戊鼎是中國(guó)商代后期（約公元前16世紀(jì)至公元前11世紀(jì)）王室祭祀用的青銅方鼎，1939年3月19日在河南省安陽(yáng)市武官村一家的農(nóng)地中出土，因其腹部著有“司母戊”三字而得名，現(xiàn)藏中國(guó)國(guó)家博物館。司母戊鼎器型高大厚重，又稱司母戊大方鼎，高133厘米、口長(zhǎng)110厘米、口寬79厘米、重832.84千克，鼎腹長(zhǎng)方形，上豎兩只直耳（發(fā)現(xiàn)時(shí)僅剩一耳，另一耳是后來(lái)?yè)?jù)另一耳復(fù)制補(bǔ)上），下有四根圓柱形鼎足，是中國(guó)目前已發(fā)現(xiàn)的*重的青銅器。該鼎是商王祖庚或祖甲為祭祀其母所鑄。

鐵器時(shí)代：我國(guó)在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期便開(kāi)始大量使用鐵器，明朝科學(xué)家宋應(yīng)星在其所著的《天工開(kāi)物》一書(shū)中就記載了古代的滲碳熱處理等工藝，這說(shuō)明在歐洲工業(yè)**之前，我國(guó)在金屬材料及熱處理方面就已經(jīng)有了較高的成就。中華人民共和國(guó)成立后，我國(guó)先后建立了鞍山、攀枝花、寶鋼等大型鋼鐵基地，鋼產(chǎn)量由1949年的15.8萬(wàn)噸上升到現(xiàn)在的1億噸，成為世界上鋼產(chǎn)量大國(guó)之一。原子彈、氫彈的爆炸，衛(wèi)星、飛船的上天等都說(shuō)明了我國(guó)在材料方面的開(kāi)發(fā)、研究及應(yīng)用有了飛躍性的發(fā)展，達(dá)到了一定的水平。但與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我們還有一定的差距，需要我們一代代地努力，以縮小這些差距。

**章 材料的性能
1 材料的力學(xué)性能

（一）力學(xué)性能：

材料在外力作用時(shí)所表現(xiàn)的性能（又稱機(jī)械性能），如強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性及疲勞強(qiáng)度等。

（二）變形：材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化。

外力去除后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形，外力去除后不能夠恢復(fù)的變形稱為塑性變形。

1.1.1 彈性與剛度

應(yīng)力-應(yīng)變曲線：是描述應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的曲線，它是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試樣所承受的載荷與變形量的變化所繪制的關(guān)系曲線。 

（一）彈性極限：

在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，OA段為彈性變形階段，此時(shí)卸掉載荷，試樣恢復(fù)到原來(lái)尺寸。A點(diǎn)多對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為材料承受*大彈性變形的應(yīng)力稱為彈性極限，用σp表示。

（二）比例極限：

其中OA′部分為一斜直線，應(yīng)力與應(yīng)變呈比例關(guān)系，A′點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為保持這種比例關(guān)系的*大應(yīng)力稱為比例極限，用σe表示。由于大多數(shù)材料的A點(diǎn)和A′點(diǎn)幾乎重合在一起，一般不做區(qū)分。

（三）彈性模量E：

在彈性形變范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值。彈性模量是材料*穩(wěn)定的性質(zhì)之一，它的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外， 其他強(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對(duì)彈性模量的影響很小。

（四）剛度：

材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力，可以通過(guò)增加橫截面積或改變截面形狀的方法來(lái)提高零件的剛度。

.1.2 強(qiáng)度與塑性

一、 強(qiáng)度

定義：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。根據(jù)加載方式的不同，強(qiáng)度指標(biāo)有許多種，其中以拉伸試驗(yàn)測(cè)得的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)應(yīng)用*多。

1. 屈服強(qiáng)度

（一）屈服現(xiàn)象：

應(yīng)力超過(guò)B點(diǎn)后，材料將發(fā)生塑性變形。在BC段，材料發(fā)生塑性變形而應(yīng)力不會(huì)增加的現(xiàn)象。

（二）屈服強(qiáng)度：

B點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度，用σs表示。屈服強(qiáng)度反映材料抵抗長(zhǎng)久變形的能力，是*重要的零件設(shè)計(jì)指標(biāo)之一。

2. 抗拉強(qiáng)度

（一）頸縮現(xiàn)象：

CD段為均勻變形階段。在這一階段，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣黾樱a(chǎn)生應(yīng)變強(qiáng)化。變形超過(guò)D點(diǎn)后，試樣開(kāi)始發(fā)生局部塑性變形，即出現(xiàn)頸縮。

（二）抗拉強(qiáng)度：

隨應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力明顯下降，并迅速在E點(diǎn)斷裂。D點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為材料斷裂前所承受的*大應(yīng)力，稱為抗拉強(qiáng)度，用σb表示?？估瓘?qiáng)度反映材料抵抗斷裂破壞的能力，也是零件設(shè)計(jì)和材料評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。

二、 塑性：

是指材料受力破壞前承受*大塑性變形的能力，指標(biāo)為伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。

（一）伸長(zhǎng)率：為試樣拉斷后，標(biāo)距部分的殘余伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距之比的百分率。

δ＝(l1-l0) /l0*100%，l0為原長(zhǎng)， l1為斷裂后長(zhǎng)度。

（二）斷面收縮率：

為試樣斷裂后，橫截面積*大縮減量與原始橫截面積之比的百分率。

φ＝(F0-F1)/ F0 *100%，F0為試件原始截面積， F1為斷口處的截面積。

（三）屈服現(xiàn)象：

應(yīng)力超過(guò)B點(diǎn)后，材料將發(fā)生塑性變形。在BC段，材料發(fā)生塑性變形而應(yīng)力不會(huì)增加的現(xiàn)象。

（四）屈服強(qiáng)度：

B點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度，用σs表示。屈服強(qiáng)度反映材料抵抗長(zhǎng)久變形的能力，是*重要的零件設(shè)計(jì)指標(biāo)之一。

1.3 硬度

硬度：是材料抵抗局部塑性變形的能力，現(xiàn)在多用壓入法測(cè)定。 

注：各硬度值相互之間不能直接比較，只能通過(guò)硬度對(duì)照表?yè)Q算。

一 、布氏硬度（HB）

1.測(cè)試用壓頭：直徑為D的鋼球或硬質(zhì)合金球；

2.適用范圍：

對(duì)金屬來(lái)講，只適用于測(cè)定退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度。

3.優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定；

4.缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件或成品件。

二、洛氏硬度（HR）

1.洛氏硬度的分類及適用范圍：

根據(jù)壓頭的材料及壓頭所加的負(fù)荷不同，洛氏硬度可分為：HRA、HRB、HRC。HRA 適用于測(cè)量硬質(zhì)合金、表面淬火層或滲碳層；HRB 適用于測(cè)量有色金屬和退火、正火鋼等；HRC 適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。

2.洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單、壓痕小、適用范圍廣；

3.洛氏硬度的缺點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果分散度大。

三、維氏硬度（HV）

1.測(cè)試用壓頭：金剛石四方角錐體，所加負(fù)荷較小；

2.維氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：

保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)，既可測(cè)量由極軟到極硬的材料的硬度，又能相互比較。 

1.1.4 沖擊韌性

（一）沖擊韌性：

材料抵抗沖擊載荷作用而不發(fā)生破壞的能力。用αk表示。下圖為擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)用規(guī)定高度的擺錘對(duì)處于簡(jiǎn)支梁狀態(tài)的缺口試樣進(jìn)行一次沖斷，可測(cè)得沖擊吸收功。試樣缺口處單位截面積上的沖擊吸收功稱為沖擊韌性值。

（二）韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象：

材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)αk值急劇下降的現(xiàn)象。

（三）韌脆轉(zhuǎn)變溫度：

發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍。常在低溫下服役的船舶、橋梁等結(jié)構(gòu)材料的使用溫度應(yīng)高于其韌脆轉(zhuǎn)變溫度。如果使用溫度低于韌脆性轉(zhuǎn)變溫度，則材料處于脆性狀態(tài)，可能發(fā)生低應(yīng)力脆性破壞。韌脆轉(zhuǎn)變溫度對(duì)組織和成分很敏感，如細(xì)化鋼的晶粒和降低鋼的含碳量可降低其韌脆轉(zhuǎn)變溫度。應(yīng)當(dāng)指出的是，并非所有材料都有韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，具有面心立方晶格的金屬及其合金（如鋁、銅合金）即使在非常低的溫度下也能保持韌性狀態(tài)，而體心立方和密排六方晶格金屬及其合金則有韌脆轉(zhuǎn)變。 

1.1.5 疲勞

（一）交變載荷：是指大小或方向隨時(shí)間而變化的載荷。

（二）疲勞：

在交變載荷的作用下，材料常常在遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。

如發(fā)動(dòng)機(jī)的軸、齒輪等均受交變載荷的作用。疲勞破壞是脆性破壞，它的一個(gè)重要特點(diǎn)就是具有突發(fā)性，因而更具災(zāi)難性。

提高零件的疲勞強(qiáng)度的方法：除應(yīng)合理選材外，還應(yīng)注意其結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中，減少缺陷，提高表面光潔度和進(jìn)行表面強(qiáng)化等。 

1.1.6 斷裂韌性

工程上有時(shí)會(huì)出現(xiàn)材料在遠(yuǎn)低于δb的情況下發(fā)生斷裂現(xiàn)象。如1943年1月美國(guó)一艘T-2油船停泊在裝貨碼頭時(shí)斷成兩半，計(jì)算的甲板應(yīng)力為68.6MPa遠(yuǎn)低于δb（300～400MPa）。美國(guó)北極星導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體在實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)生爆炸，經(jīng)過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)破壞的原因是材料中存在0.1～1mm的裂紋并擴(kuò)展所致。

斷裂力學(xué)認(rèn)為，材料中存在缺陷是**的，常見(jiàn)的缺陷是裂紋。在應(yīng)力作用下，這些裂紋將發(fā)生擴(kuò)展，一旦擴(kuò)展失穩(wěn)，便會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂。材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力稱為斷裂韌性。 

1.1.7 熱疲勞

一些在溫度急劇反復(fù)變化條件下工作的零件，如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的導(dǎo)向葉片，熱鍛模等，承受著熱循環(huán)引起的熱應(yīng)力或熱應(yīng)變，使材料受到疲勞損傷而破壞，這種現(xiàn)象稱為熱疲勞

1.2 材料的物理和化學(xué)性能

1.2.1 材料的物理性能

1. 密 度：材料單位體積的質(zhì)量。

密度小于5×103Kg/m3的金屬稱為輕金屬；密度大于5×103Kg/m3的金屬稱為重金屬。

2. 熔 點(diǎn)：材料的熔化溫度。

陶瓷的熔點(diǎn)一般都顯著高于金屬及合金的熔點(diǎn)；高分子材料一般不是完全晶體，所以沒(méi)有固定的熔點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，材料的熔點(diǎn)越高，材料在高溫下保持高強(qiáng)度的能力越強(qiáng)。在設(shè)計(jì)高溫條件下工作的構(gòu)件時(shí)，需要考慮材料的熔點(diǎn)。金屬中，汞的熔點(diǎn)為-38.8℃，而鎢的熔點(diǎn)則高達(dá)3410℃。

3. 熱膨脹性：材料受熱后的體積膨脹，通常用線膨脹系數(shù)表示。它是指溫度升高1℃時(shí)單位長(zhǎng)度材料的伸長(zhǎng)量。

對(duì)精密儀器或機(jī)器的零件，熱膨脹系數(shù)是一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)。對(duì)于特別精密的儀器，應(yīng)選擇熱膨脹系數(shù)低的材料，或在恒溫條件下使用。在材料熱加工過(guò)程中更要考慮其熱膨脹行為，如果表面和內(nèi)部熱膨脹不一致，就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致材料變形或開(kāi)裂。常用金屬的熱膨脹系數(shù)為5×10-6～25×10-6/℃。

4. 導(dǎo)熱性：材料熱傳導(dǎo)的能力，用其導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)表示。

金屬及合金的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于非金屬材料；在金屬中，以銀為*好，銅和鋁次之。

5. 磁 性：材料能導(dǎo)磁的性能。

根據(jù)材料在磁場(chǎng)中的行為可將其分為三類：使磁場(chǎng)減弱的材料稱為抗磁性材料；使磁場(chǎng)略有增強(qiáng)的材料稱為順磁性材料；使磁場(chǎng)強(qiáng)烈增強(qiáng)的材料稱為鐵磁性材料，常用于制造變壓器、電動(dòng)機(jī)、儀器儀表等，抗磁性材料常用做磁屏蔽或防磁場(chǎng)干擾材料。 

1.2.2 材料的化學(xué)性能

1.耐腐蝕性：材料抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力。

非金屬材料的耐蝕性能總的說(shuō)來(lái)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬材料。

2.抗氧化性：材料抵抗高溫氧化的能力。

抗氧化的材料常在表面形成一層致密的保護(hù)膜，來(lái)阻礙氧的進(jìn)一步擴(kuò)散。

耐腐蝕性和抗氧化性統(tǒng)稱為材料的化學(xué)穩(wěn)定性。高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性稱為熱化學(xué)穩(wěn)定性。在高溫下工作的設(shè)備或零部件，如鍋爐、汽輪機(jī)和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等應(yīng)選擇熱化學(xué)穩(wěn)定性高的材料。

金屬材料基本知識(shí)，金屬材料熱處理常識(shí)
**章 材料的結(jié)構(gòu)

2.1 原子的結(jié)合方式

工程材料通常是固態(tài)物質(zhì)，是由各種元素通過(guò)原子、離子或分子結(jié)合而成的。

結(jié)合鍵：組成物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)(原子、分子或離子)之間的互相作用而聯(lián)系在一起的結(jié)合力；

結(jié)合鍵的分類：離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵和弱鍵。 

2.1.1 離子鍵

離子鍵的形成條件：當(dāng)周期表中相隔較遠(yuǎn)的正電性元素原子和負(fù)電性元素原子相互接近時(shí)，正電性元素原子失去外層電子變?yōu)檎x子，負(fù)電性原子獲得電子變?yōu)樨?fù)離子，當(dāng)引力與離子間的斥力相等時(shí)便形成穩(wěn)定的離子鍵（如下圖所示）。

離子鍵的特點(diǎn)：離子鍵結(jié)合力大，因而通過(guò)離子鍵結(jié)合的材料強(qiáng)度高、硬度高、熔點(diǎn)高、脆性大。由于離子鍵難以移動(dòng)輸送電荷，所以這類材料都是良好的絕緣體。由于離子的外層電子被牢固束縛，難于被光激發(fā)，離子鍵結(jié)合的材料不能吸收可見(jiàn)光，是無(wú)色透明的。

2.1.2 共價(jià)鍵

共價(jià)鍵的形成條件：兩個(gè)相同原子或性質(zhì)相差不大的原子互相靠近，電子不會(huì)轉(zhuǎn)移，原子間借共用電子對(duì)所產(chǎn)生的力而結(jié)合，形成共價(jià)鍵。如金剛石、SiC。如下圖所示為1個(gè)硅原子通過(guò)共用電子與其他4個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵的示意圖。這種通過(guò)共用電子形成的結(jié)合鍵稱為共價(jià)鍵。多工程構(gòu)件需要焊接成型?？珊感允侵覆牧弦子诒缓傅揭黄鸩@得上等焊縫的能力。鋼的含碳量直接影響可焊性，含碳量低，可焊性越好。

通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合的材料的特點(diǎn)：通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合的材料具有強(qiáng)度高、硬度高、熔點(diǎn)高、脆性大的特點(diǎn)。其導(dǎo)電性依共價(jià)鍵的強(qiáng)弱而不同。弱共價(jià)鍵的錫是導(dǎo)體，硅是半導(dǎo)體，而金剛石是絕緣體。具有離子鍵和共價(jià)鍵的工程材料多為陶瓷或高分子聚合物。

2.1.3 金屬鍵

金屬鍵的形成條件：金屬原子的*外層價(jià)電子少，易失去。因此金屬原子之間不可能通過(guò)電子轉(zhuǎn)移或共用來(lái)獲得穩(wěn)定的外層電子結(jié)構(gòu)。當(dāng)金屬原子相互靠近時(shí)，其外層電子脫離原子，成為自由電子，而金屬原子則成為正離子，自由電子在正離子之間自由運(yùn)動(dòng)，為各原子所共有，形成電子云或電子氣。金屬離子通過(guò)正離子和自由電子之間的引力而相互結(jié)合，這種結(jié)合鍵稱為金屬鍵。如下圖所示。

通過(guò)金屬鍵結(jié)合的材料的特點(diǎn)：自由電子的存在，使金屬具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，使金屬不透明并呈特有的金屬光澤。金屬鍵無(wú)方向性，當(dāng)金屬原子之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，金屬鍵不受破壞，因而金屬塑性好。 

2.1.4 分子鍵

分子鍵的形成條件：在某些分子中可能存在偶極矩，這是由于分子**價(jià)電子的非對(duì)稱分布，使分子的某一部分比其他部分更偏于帶正電或帶負(fù)電。一個(gè)分子帶正電部分會(huì)吸引另一個(gè)分子的帶負(fù)電部分，這種結(jié)合力稱為分子鍵。

通過(guò)分子鍵結(jié)合的材料的特點(diǎn)：由于分子鍵結(jié)合力很弱，因而由分子鍵結(jié)合的固體材料的熔點(diǎn)和硬度都比較低。因無(wú)自由電子存在，所以這些材料都是良好的絕緣體。

2.2 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念

2.2.1 晶體與非晶體

固體物質(zhì)按原子在空間的排列方式可分為晶體與非晶體。

晶體：原子在空間呈規(guī)則排列的固體物質(zhì)；

如正常狀態(tài)下的金屬、食鹽、單晶硅。

非晶體：原子在空間呈無(wú)序排列的固體物質(zhì)；

如普通玻璃、石蠟、松香的等。晶體和非晶體在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)化。

2.2.2 晶格

如果把組成晶體的原子看作是剛性球體，那么晶體就是由這些剛性球體按一定規(guī)律周期性堆垛而成，如下圖所示。為研究方便，假設(shè)將剛性球體縮為處于球心的點(diǎn)，稱為結(jié)點(diǎn)。由結(jié)點(diǎn)所形成的陣列 稱為空間點(diǎn)陣。用假想的直線將這些結(jié)點(diǎn)連接起來(lái)所形成的三維空間格架稱為晶格。晶格直觀地表示了晶體中原子的排列規(guī)律。 

2.2.3 晶胞

為便于研究，常從晶格中選取一個(gè)能代表晶體原子排列規(guī)律的*小幾何單元來(lái)進(jìn)行分析，這個(gè)*小的幾何單元稱為晶胞。

晶胞的各項(xiàng)參數(shù)：

晶格常數(shù)：晶胞各邊的尺寸a, b, c；

原子半徑：晶胞中原子密度*大方向上相鄰原子間距的一半尺寸；

晶胞原子數(shù)：指一個(gè)晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目；

配位數(shù)：晶格中與某一原子*相鄰且等距的原子數(shù)目；

致密度：晶胞中原子本身所占的體積的百分?jǐn)?shù)。

2.2.4 立方晶系的晶面和晶向表示方法

晶面：晶體中各方位上的原子面；

晶向：晶體中各方向上的原子列；

晶面指數(shù)：表示晶面的符號(hào)；

晶向指數(shù)：表示晶向的符號(hào)為。

一、晶面指數(shù)的標(biāo)定

晶面指數(shù)的確定步驟：

（1） 以晶胞的三個(gè)棱邊作三維坐標(biāo)的坐標(biāo)軸，以晶格常數(shù)為單位長(zhǎng)度，求出所求晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距；

（2） 將所得的三個(gè)截距值變?yōu)榈箶?shù)；

（3） 將所得數(shù)值化為*簡(jiǎn)單整數(shù)，用圓括號(hào)括起，就成為該晶面的晶面指數(shù)(hkl)。

注：(hkl)代表是一組互相平行的晶面。原子排列完全相同，只是空間位向不同的各組晶面稱為晶面族，用{hkl}表示。 

二、晶向指數(shù)的標(biāo)定

晶向指數(shù)的確定步驟：

（1） 以晶胞的三個(gè)棱邊作三維坐標(biāo)的坐標(biāo)軸，以晶格常數(shù)為單位長(zhǎng)度，過(guò)原點(diǎn)引一平行于待定晶向的直線，求出該直線上任一結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值；

（2） 將空間坐標(biāo)值按比例化為*小簡(jiǎn)單整數(shù)，加上方括號(hào)，即為晶向指數(shù)[uvw]。如果有負(fù)值則在相應(yīng)指數(shù)上加負(fù)號(hào)。

注：[uvw]代表的是一組互相平行的晶向，原子排列完全相同，只是空間位向不同的各組晶向稱為晶向族，用< uvw >。 

值得指出的是：在立方晶系中，指數(shù)相同的晶面和晶向是互相垂直的。

2.3 金屬的結(jié)構(gòu) 

2.3.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)

一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

（1）體心立方晶格（b.c.c）：Body-Centered Cubic Lattice

體心立方晶格的晶胞如下圖所示，為一個(gè)立方體。在立方體的8個(gè)頂角各有一個(gè)與相鄰晶胞共有的原子，立方體中心還有一個(gè)原子。具有體心立方晶格的金屬有α-Fe、Cr、Mo、W、V、Nb等。 

體心立方晶格：

晶格常數(shù)：a＝b＝c，故只用a即可表示；

晶胞原子數(shù)：2，每個(gè)頂點(diǎn)的原子為八個(gè)晶胞所共有；

原子半徑：體對(duì)角線上原子間距的一半；

配位數(shù)：8；

致密度：0.68。

（2）面心立方晶格（f.c.c）：Face-Centered Cubic Lattice

面心立方晶格的晶胞如下圖所示，也是一個(gè)立方體。除在立方體的8個(gè)頂角上各有一個(gè)與相鄰晶胞共有的原子外，在6個(gè)面的中心也各有一個(gè)共有的原子。屬于這種晶格的金屬有：γ-Fe，Ni，A1，Cu，Pb，Au，Rh等。

面心立方晶格

晶格常數(shù)：a ；

晶胞原子數(shù)：4，立方體頂角上的原子為8個(gè)晶胞所共有，面上的原子為兩個(gè)晶胞所共有；

原子半徑：面的對(duì)角線；

配位數(shù)：12；

致密度：0.74。

（3）密排六方晶格（c.p.h）：Close-Packed Hexagonal Lattice

密排六方晶格的晶胞如下圖所示，是一個(gè)正六棱柱體。在六棱柱體的12個(gè)頂角及上下底面的中心各有一個(gè)與相鄰晶胞共有的原子，兩底面之間還有3個(gè)原子。屬于這類晶格的金屬有Mg，Zn，Be，Cd等。

密排六方晶格

晶格常數(shù)：a和c；

晶胞原子數(shù)：6；六棱柱頂角原子為六個(gè)晶胞所共有，底面中心的原子為兩個(gè)晶胞共有，兩底面之間的三個(gè)原子為晶胞所獨(dú)有；

原子半徑：a/2；為底面邊長(zhǎng)的一半；

配位數(shù)：12；

致密度：0.74。

二、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

在實(shí)際應(yīng)用的金屬材料中，原子的排列不可能像理想晶體那樣的規(guī)則和完整，總是不可避免地存在一些原子偏離規(guī)則排列的不完整性區(qū)域，金屬學(xué)中將這種原子組合的不規(guī)則性，統(tǒng)稱之為結(jié)構(gòu)缺陷，或晶體缺陷。根據(jù)缺陷相對(duì)于晶體的尺寸，或其影響范圍的大小，可將它分為點(diǎn)缺陷，線缺陷和面缺陷等。

（1）點(diǎn)缺陷

點(diǎn)缺陷是指空間三維尺寸都很小，不超過(guò)幾個(gè)原子間距的缺陷。晶體中的點(diǎn)缺陷主要指空位、間隙原子、置換原子等（如下圖所示）。點(diǎn)缺陷的存在，破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，從而引起性能變化，使金屬的電阻率增加，強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降。

（一）空位：

是指晶格中某些缺排原子的空結(jié)點(diǎn)，空位的產(chǎn)生是由某些能量高的原子通過(guò)熱振動(dòng)離開(kāi)平衡位置引起的。

（二）間隙原子：

某些擠進(jìn)晶格間隙中的原子稱為間隙原子，間隙原子可以是基體金屬原子，也可以是外來(lái)原子。

（三）置換原子：

如果外來(lái)原子取代了結(jié)點(diǎn)上原來(lái)原子的位置，這種原子稱為置換原子。

（2）線缺陷

（3）面缺陷：

面缺陷是指在一個(gè)方向上的尺寸很?。ㄍc(diǎn)缺陷），而其余兩個(gè)方向上的尺寸則很大缺陷。晶體的外表面及各種內(nèi)界面——一般晶界、亞晶界及層錯(cuò)等屬于這一類。

晶界：如果一塊晶體內(nèi)部的晶格方位完全一致，這種晶體稱為單晶體。實(shí)際使用的金屬材料幾乎都是多晶體（如下圖所示），即由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體組成，這些小晶體稱為晶粒。 

晶粒與晶粒之間的交界面稱為晶界（如圖所示）。晶界是兩個(gè)晶粒的過(guò)渡部位，原子排列不規(guī)則。晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有阻礙作用，是金屬中的強(qiáng)化部位。金屬的晶粒越細(xì)，晶界總面積越大，金屬的強(qiáng)度也越高，因而實(shí)際使用的金屬材料力求獲得細(xì)晶粒。

亞晶界：晶粒本身也不是完整的理想晶體，它是由許多尺寸很小、位向差也很小的小晶塊鑲嵌而成的（如下圖所示），這些小晶塊稱為亞晶粒。亞晶粒之間的交界面稱為亞晶界。亞晶界對(duì)金屬同樣有強(qiáng)化作用。

三、合金的晶體結(jié)構(gòu)

合金是由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。組成合金的元素可以全部是金屬元素，如黃銅（由銅和鋅組成），也可以是金屬元素與非金屬元素，如碳鋼（由鐵和碳組成）。純金屬的品種少、力學(xué)性能低、獲得困難，因而工業(yè)上使用的金屬材料多數(shù)是合金。

金屬或合金中，凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其他部分有分界面分開(kāi)的均勻組成部分稱為相。金屬材料可以是單相，也可以是多相組成的。

通常所說(shuō)的顯微組織實(shí)質(zhì)上是指在顯微鏡下觀察到的各相晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布的組合。組合不同，材料的性能也不相同。

根據(jù)相的晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以將其分為固溶體和金屬化合物兩類。

（1）固溶體

合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固相稱為固溶體，習(xí)慣上用希臘字母α、β、γ等來(lái)表示。一般把與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱為溶劑；除溶劑以外的其它元素稱為溶質(zhì)。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所處位置的不同，固溶體又分為置換固溶體和間隙固溶體。

置換固溶體：溶質(zhì)原子取代溶劑原子而占據(jù)晶格中某些結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體稱為置換固溶體。 

間隙固溶體：溶質(zhì)原子較小，如碳、氫等，它們位于溶劑晶格間隙形成的固溶體稱為間隙固溶體。

固溶體的溶解度：

固溶體的溶解度是指溶質(zhì)原子在固溶體中的極限濃度。根據(jù)溶解度的不同，固溶體又可分為有限固溶體和無(wú)限固溶體。

溶解度有一定限度的固溶體稱為有限固溶體，而組成元素?zé)o限互溶的固溶體稱為無(wú)限固溶體（如下圖所示）。組成元素的原子半徑、電化學(xué)特性相近、晶格類型相同的置換固溶體，才有可能形成無(wú)限固溶體。而間隙固溶體由于間隙有限，只能形成有限固溶體。

固溶體的性能：

隨溶質(zhì)含量的增加，固溶體的強(qiáng)度、硬度增加，塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因是溶質(zhì)原子使溶劑晶格發(fā)生畸變及對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。與純金屬相比，固溶體的強(qiáng)度、硬度高，塑性、韌性低，但與金屬化合物相比其硬度要低得多，而塑性、韌性要高得多。

（2）金屬化合物

合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相稱為金屬化合物。金屬化合物具有較高的熔點(diǎn)、硬度和較大的脆性，并可用分子式來(lái)表示其組成。金屬化合物也是合金中的重要組成相。當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，可提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性。但塑性下降。

根據(jù)形成條件及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，金屬化合物主要有以下幾類：

① 正常價(jià)化合物

符合正常的原子價(jià)規(guī)律的化合物稱為正常價(jià)化合物，通常由金屬元素與周期表中ⅣA、ⅤA、ⅥA族元素組成。如Mg2Si、Mg2Pb、MnS等。

② 電子化合物

符合電子濃度規(guī)律的化合物稱為電子化合物。電子濃度是指金屬化合物中的價(jià)電子數(shù)目與原子數(shù)目的比值。電子化合物多由ⅠB族或過(guò)渡族金屬與ⅡB族、ⅢA族、ⅣA族、ⅤA族元素組成，其晶體結(jié)構(gòu)與電子濃度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

③ 間隙化合物

間隙化合物是由過(guò)渡族元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的化合物。根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，間隙化合物分為間隙相合具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物兩種。

1) 間隙相

非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值小于0.59時(shí)，所形成的具有簡(jiǎn)單晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物稱為間隙相。間隙相具有金屬特征和極高的硬度及熔點(diǎn)，非常穩(wěn)定。

2) 具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物

當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值大于0.59時(shí)，形成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。部分碳化物及所有硼化物屬于這一類間隙化合物，如Fe3C、Cr23C6、FeB、Fe4W2C等。其中的Fe3C稱為滲碳體，是碳鋼中的強(qiáng)化相，具有復(fù)雜斜方晶格。

金屬化合物也可溶入其他元素原子，形成以化合物為基的固溶體。如滲碳體中溶入Mn、Cr等合金元素所形成的(Fe，Mn)3C、(Fe，Cr)3C等化合物，稱為合金滲碳體。

2.3.2 金屬的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)

非晶態(tài)金屬具有獨(dú)特的力學(xué)性能和物理、化學(xué)性能，因而對(duì)它的研究也越來(lái)越受到重視。非晶態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)相似，原子排列沒(méi)有長(zhǎng)程的周期性。在非晶態(tài)金屬中，沒(méi)有晶界、位錯(cuò)等晶態(tài)金屬所特有的晶體缺陷。

（1） 描述方法

與晶態(tài)相比，非晶態(tài)結(jié)構(gòu)是一種無(wú)序結(jié)構(gòu)，但不像氣體那樣原子排列完全沒(méi)有規(guī)則，而存在短程有序。描述非晶態(tài)結(jié)構(gòu)目前通用的方法是統(tǒng)計(jì)方法，即在非晶態(tài)材料中以任一原子為中心，在和它相距為的球殼中發(fā)現(xiàn)另一個(gè)原子的幾率為。

比較氣態(tài)、非晶態(tài)和晶態(tài)的雙體相關(guān)函數(shù)可以看出，非晶態(tài)結(jié)構(gòu)與液態(tài)非常接近，存在一定程度的短程有序，而與氣態(tài)和晶態(tài)則差別顯著。

（2） 模型

關(guān)于非晶態(tài)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的研究，多數(shù)人公認(rèn)的模型是硬球無(wú)規(guī)密堆模型。該模型把原子假設(shè)為不可壓縮的硬球，均勻、連續(xù)、無(wú)規(guī)則的堆積，結(jié)構(gòu)中沒(méi)有容納另一個(gè)硬球的空間，這種模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果有的符合較好，有的不是很相符。

2.4 陶瓷的結(jié)構(gòu) 

陶瓷材料是利用氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等原料經(jīng)坯料制備、成型和燒結(jié)工藝加工而成。陶瓷材料中的基本相及其結(jié)構(gòu)要比金屬?gòu)?fù)雜得多，它通常由三種不同的相組成，即晶相、玻璃相和氣相。 

2.4.1晶相

與晶態(tài)相晶相是陶瓷材料中主要的組成相，陶瓷材料的物理化學(xué)性質(zhì)主要由晶相決定。陶瓷材料中晶體的類型及其復(fù)雜程度都超過(guò)金屬晶體。大多數(shù)陶瓷材料是由離子鍵構(gòu)成的離子晶體或共價(jià)鍵構(gòu)成的共價(jià)晶體。

（1） 硅酸鹽的晶體結(jié)構(gòu)

硅酸鹽是普通陶瓷的主要成分，其晶體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。硅酸鹽晶體的主體是硅氧四面體。按照硅氧四面體在結(jié)構(gòu)中的結(jié)合排列方式不同，可構(gòu)成島狀、組群狀、鏈狀、層狀和架狀等不同形式的硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)。

（2）氧化物的晶體結(jié)構(gòu)

氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等化合物的晶體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。

晶相中的晶粒大小對(duì)陶瓷材料的性能影響很大，晶粒越細(xì)，晶界總面積越大，裂紋越不容易擴(kuò)展，材料的強(qiáng)度越高。這一點(diǎn)與金屬材料很相似。 

2.4.2玻璃相

玻璃相是非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的低熔點(diǎn)固體，其作用是充填晶粒間隙、粘結(jié)晶粒、提高材料致密程度、降低燒結(jié)溫度和抑制晶粒長(zhǎng)大。但玻璃相的強(qiáng)度低、絕緣性及穩(wěn)定性差，所以工業(yè)陶瓷中玻璃相的數(shù)量一般控制在20%～40%。

陶瓷坯體在燒結(jié)過(guò)程中，由于復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生含有復(fù)雜聚合體的熔體，如含有復(fù)雜硅氧陰離子團(tuán)的硅酸鹽熔體，這種熔體的粘度很大，冷卻時(shí)不利于晶體形核長(zhǎng)大，從而轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａw。玻璃體的結(jié)構(gòu)是由硅氧四面體組成的不規(guī)則空間網(wǎng)。由熔體轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａw的溫度稱為玻璃化溫度(Tg)。玻璃體加熱時(shí)粘度下降，加熱到某一溫度時(shí)發(fā)生顯著軟化，這一溫度稱為軟化溫度(Tf)，陶瓷的成型加工通常在Tf以上進(jìn)行。

金屬材料基本知識(shí)，金屬材料熱處理常識(shí)
第三章 材料的凝固

3.1 純金屬的結(jié)晶

3.1.1 結(jié)晶的熱力學(xué)條件

熱力學(xué)定律：在等壓條件下，一切自發(fā)過(guò)程都是朝著系統(tǒng)自由能降低的方向進(jìn)行。

理論結(jié)晶溫度：兩條自由能曲線的交點(diǎn)溫度T0；

在理論結(jié)晶溫度下，液體和晶體處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)；在T0以下，晶體的自由度較低，因而物質(zhì)處于晶體狀態(tài)穩(wěn)定；在T0以上則液體穩(wěn)定。

結(jié)晶時(shí)的過(guò)冷現(xiàn)象：金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象；

過(guò)冷度：理論結(jié)晶溫度T0與實(shí)際結(jié)晶溫度T的差值 △T=T0－T；

注：對(duì)于某種金屬來(lái)說(shuō)，過(guò)冷度不是恒定值，它的大小與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越大，過(guò)冷度也越大，則金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度越低。

3.1.2 純金屬的結(jié)晶過(guò)程

（1）結(jié)晶的基本過(guò)程

任何一種物質(zhì)液體的結(jié)晶過(guò)程都是由晶核形成和晶核的長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程組成的。

液體冷卻到T0溫度以下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，形成晶核，晶核形成后，便向各個(gè)方向不斷地長(zhǎng)大。在這些晶核長(zhǎng)大的同時(shí)，又有新的晶核產(chǎn)生，就這樣不斷形核，不斷長(zhǎng)大，直到液體完全消失為止。每一個(gè)晶核*終長(zhǎng)成為一個(gè)晶粒，兩晶粒接觸后便形成晶界。 

（2）晶核的形成方式

晶核的形成方式有兩種：自發(fā)形核和非自發(fā)形核；

自發(fā)形核：在結(jié)晶過(guò)程中，晶核完全是由液體中瞬時(shí)短程有序的原子團(tuán)形成；

非自發(fā)形核：依靠液體中存在的固體雜質(zhì)或容器壁形核稱為非自發(fā)形核。

在實(shí)際結(jié)晶過(guò)程中，自發(fā)形核和非自發(fā)形核是同時(shí)存在的，但以非自發(fā)形核方式發(fā)生結(jié)晶更為普遍。

3.晶核的長(zhǎng)大方式

晶核的長(zhǎng)大方式也有兩種：均勻長(zhǎng)大和樹(shù)枝狀長(zhǎng)大。當(dāng)過(guò)冷度很小時(shí)，結(jié)晶以均勻長(zhǎng)大方式進(jìn)行，實(shí)際金屬結(jié)晶時(shí)冷卻速度較大，因而主要以樹(shù)枝狀形式長(zhǎng)大。這是由于晶核棱角處的散熱條件好、生長(zhǎng)快，先形成枝干，而枝干間*后被填充。

3.1.3 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

1.概念

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：有些物質(zhì)在固態(tài)下其晶格類型會(huì)隨溫度變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同樣也遵循形核、長(zhǎng)大的規(guī)律，但它是一個(gè)固態(tài)下的相變過(guò)程，即固態(tài)相變。在金屬中，除錫之外，鐵、錳、鈷、鈦等也都存在著同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。

2.鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

在金屬晶體中，鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變*為典型，也是*重要的。

3.固態(tài)轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)

固態(tài)轉(zhuǎn)變又稱為二次結(jié)晶，它有著與結(jié)晶不同的特點(diǎn)：

1） 發(fā)生固態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，形核一般在某些特定部位發(fā)生，如晶界、晶內(nèi)缺陷等。

2） 由于固態(tài)下擴(kuò)散困難，因而固態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)冷傾向大；

3） 固態(tài)轉(zhuǎn)變往往伴隨體積變化，因而易產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，使材料發(fā)生變形或開(kāi)裂。

3.2 合金的結(jié)晶

基本概念：

合金的結(jié)晶過(guò)程比純金屬?gòu)?fù)雜，為研究方便，通常以溫度和成分作為獨(dú)立變量的相圖來(lái)分析合金的結(jié)晶過(guò)程。

相圖：是表示合金系中各合金在極其緩慢的冷卻條件下結(jié)晶過(guò)程的簡(jiǎn)明圖解，又稱為狀態(tài)圖或平衡圖。

合金系：是指兩種或兩種以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。

相圖表示了在緩慢冷卻條件下，不同成分合金的組織隨溫度變化的規(guī)律，是制定熔煉、鑄造、熱加工及熱處理工藝的重要依據(jù)。 

3.2.1 二元相圖的建立

絕大多數(shù)二元相圖是以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，在以溫度為縱坐標(biāo)，材料成分為橫坐標(biāo)的坐標(biāo)系中繪制，*常用的實(shí)驗(yàn)方法是熱分析法。下面以Cu-Ni二元合金為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明二元相圖的建立過(guò)程。

1. 配制出不同成分的合金，測(cè)出它們的冷卻曲線；

2. 找出各曲線上的臨界點(diǎn)（結(jié)晶的開(kāi)始溫度和終了溫度）；

3. 在溫度-成分坐標(biāo)系中過(guò)各合金成分點(diǎn)做成分垂線，將臨界點(diǎn)標(biāo)在成分垂線上；

4. 將成分垂線上相同意義的點(diǎn)連接起來(lái)，并標(biāo)上相應(yīng)的數(shù)字和字母，便得到如下圖所示的Cu-Ni二元合金相圖。 

3.2.2 二元相圖的基本類型與分析

一、 二元?jiǎng)蚓鄨D

二元?jiǎng)蚓鄨D：兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均無(wú)限互溶時(shí)所構(gòu)成的相圖；是*簡(jiǎn)單的二元相圖，Cu-Ni；Cu-Au；Au-Ag；W-Mo等合金都具有這類相圖。

均晶轉(zhuǎn)變：從液相中結(jié)晶出單一固相的轉(zhuǎn)變。

1. 相圖分析

Cu-Ni合金二元?jiǎng)蚓鄨D如下圖所示，上面一條為液相線，是加熱時(shí)合金熔化的終了溫度點(diǎn)或冷卻時(shí)結(jié)晶的開(kāi)始溫度點(diǎn)的連線，下面的一條為固相線，是加熱時(shí)合金熔化的開(kāi)始溫度點(diǎn)或冷卻時(shí)結(jié)晶的終了溫度點(diǎn)的連線。液相線以上合金全部為液體L，稱為液相區(qū)。固相線以下合金全部為α固溶體，稱為固相區(qū)。液相線和固相線之間為液相和固相共存的兩相區(qū)（L+α）。 

2. 合金的結(jié)晶過(guò)程

除純組元外，其他成分合金的結(jié)晶過(guò)程相似，現(xiàn)以Ⅰ合金為例，分析合金的結(jié)晶過(guò)程。

當(dāng)合金自液態(tài)緩冷到液相線上的t1溫度時(shí)，開(kāi)始從液相中結(jié)晶出成份為α1的固溶體，其鎳的含量高于合金的平均含量。

隨溫度下降，α相重量增加，液相重量減少，同時(shí)，液相成份沿著液相線變化，固相成份沿著固相線變化。當(dāng)合金冷卻到固相線上的t4溫度時(shí)，*后一滴L4成份的液體也轉(zhuǎn)變?yōu)?/font>α固溶體，此時(shí)固溶體的成分又回到α4上來(lái)。

由此可見(jiàn)，液、固相線不僅是相區(qū)分界線，也是結(jié)晶時(shí)兩相的成份變化線。還可以看出，勻晶轉(zhuǎn)變是變溫轉(zhuǎn)變，在結(jié)晶過(guò)程中，液、固兩相的成份隨溫度而變化。

3. 杠桿定律

當(dāng)合金在某一溫度下處于兩相區(qū)時(shí)，由相圖不僅可以知道兩平衡相的成份，而且還可以用杠桿定律求出兩平衡相的相對(duì)重量百分比?，F(xiàn)以Cu-Ni合金為例推導(dǎo)杠桿定律。

1） 求出兩平衡相的成份

設(shè)合金成份為X，過(guò)X作成份垂線，在垂線上相當(dāng)于溫度t1的點(diǎn)0作水平線，其與液、固相線的交點(diǎn)a、b所對(duì)應(yīng)的成份X1、X2，分別為液相和固相的成份，

 2） 確定兩平衡相的相對(duì)重量

 

設(shè)成份為X的合金的總重量為1，液相的相對(duì)重量為QL，其成份為X1，固相相對(duì)重量為Qα，其成份為X2，則 

由此可知，兩相重量之比為：QL?X1 X = Qα?X X2。

此式與力學(xué)定律中的杠桿定律完全相似，因此也稱之為杠桿定律，即合金在某溫度下兩平衡相的重量比等于該溫度下與各自相區(qū)距離較遠(yuǎn)的成份線段之比，如下圖所示，在杠桿定律中，杠桿的支點(diǎn)是合金的成份，杠桿的端點(diǎn)是所求兩平衡相的成份。

需要注意的是：杠桿定律只適用于兩相區(qū)。單相區(qū)中相的成分和重量，即合金的成分和重量，沒(méi)有必要使用杠桿定律。

3） 枝晶偏析

成因：固溶體合金的結(jié)晶，只有在充分緩慢冷卻的條件下才能夠得到成分均勻的固溶體組織。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于冷速較快，合金在結(jié)晶過(guò)程中固相和液相中的原子來(lái)不及擴(kuò)散，使得先結(jié)晶出的枝晶軸含有較多的高熔點(diǎn)元素，而后結(jié)晶的枝晶軸含有較多的低熔點(diǎn)元素。

概念：這種在一個(gè)枝晶范圍內(nèi)或一個(gè)晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象叫做枝晶偏析。

枝晶偏析對(duì)材料性能的影響：枝晶偏析會(huì)影響合金的性能，如力學(xué)性能、耐腐蝕性能及加工性能等。

解決方法：生產(chǎn)中常將鑄件加熱到固相線以下100-200℃長(zhǎng)時(shí)間保溫來(lái)消除枝晶偏析，這種熱處理稱為擴(kuò)散退火。通過(guò)擴(kuò)散退火，使成分均勻。

影響枝晶偏析的因素：枝晶偏析的大小除了與冷卻速度有關(guān)以外，還與給定成分合金的液、固相線間距有關(guān)。冷速越大，液、固相線間距越大，枝晶偏析越嚴(yán)重。

二、 二元共晶相圖

當(dāng)兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶，并發(fā)生共晶反應(yīng)時(shí)所構(gòu)成的相圖稱為共晶相圖。Pb-Sb，A1-Si，Pb-Sn，Ag-Cu等二元合金均為這類的相圖。

1. 相圖分析

下圖為一般共晶型的Pb-Sn合金相圖。其中AEB線為液相線，ACEDB線為固相線， A點(diǎn)為鉛的熔點(diǎn)， B點(diǎn)為錫的熔點(diǎn)。相圖中有L、α、β三種相，形成三個(gè)單相區(qū)。L代表液相，處于液相線以上。α是Sn溶解在Pb中所形成的固溶體，β是Pb溶解在Sn中所形成的固溶體，在每?jī)蓚€(gè)單相區(qū)之間，共形成了三個(gè)兩相區(qū)，即L+α，L+β，和α+β。

相圖中的水平線CED稱為共晶線。在水平線對(duì)應(yīng)的溫度下（183℃）下， E點(diǎn)成分的液相同時(shí)結(jié)晶出C點(diǎn)成分的α固溶體和β固溶體。

這種在一定溫度下，由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩種成分和結(jié)構(gòu)都不相同的新固相的轉(zhuǎn)變過(guò)程稱為共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)。

共晶反應(yīng)的產(chǎn)物稱為共晶體或共晶組織。發(fā)生共晶反應(yīng)的溫度稱為共晶溫度，代表共晶溫度和共晶成分的點(diǎn)稱為共晶點(diǎn)，具有共晶成分的合金稱為共晶合金。在共晶線上，凡成分位于共晶點(diǎn)以左的合金成為亞共晶合金，位于共晶點(diǎn)以右的合金稱為過(guò)共晶合金。

相圖中的CF線和DG線分別為Sn在Pb中和Pb在Sn中的溶解度曲線稱為固溶線?？梢钥闯觯S溫度的下降，固溶體的溶解度降低。

2. 典型合金的結(jié)晶過(guò)程

1） 含Sn量小于C點(diǎn)成分合金的結(jié)晶過(guò)程（以合金Ⅰ為例）

由此可知合金Ⅰ的室溫組織為α+βⅡ

成分大于D點(diǎn)合金的結(jié)晶過(guò)程與合金Ⅰ相似，其室溫組織為β+αⅡ

由于從共晶體中析出的αⅡ、βⅡ不易分辨，因此共晶合金*終的室溫組織為α+β共晶體。

3） 亞共晶合金的結(jié)晶過(guò)程（以合金Ⅲ為例）

由此可知，亞共晶合金室溫下的組織為α＋（α+β）＋βⅡ

4）過(guò)共晶合金的結(jié)晶過(guò)程（以合金Ⅳ為例）

過(guò)共晶合金的結(jié)晶過(guò)程與亞共晶合金相似，不同的是一次相為β，二次相為α。其室溫組織為β＋（α+β）＋αⅡ

三、 二元包晶相圖

當(dāng)兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶，并發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)所構(gòu)成的相圖稱為包晶相圖。

常用的Fe-C，Cu-Zn，Cu-Sn等合金相圖中，均包括這種類型的相圖。

現(xiàn)以Fe-C合金相圖為例子來(lái)說(shuō)明包晶相圖。

1.相圖分析

相圖中有L、δ、γ三個(gè)單相區(qū)和L+δ，L+γ，和δ+γ三個(gè)兩相區(qū)。

包晶水平線上發(fā)生的反應(yīng)是由一種液相和一種固相相互作用生成另一種固相的轉(zhuǎn)變過(guò)程。該反應(yīng)是液相L包著固相δ，新相γ在L、δ界面上形核，并通過(guò)原子擴(kuò)散分別向L和δ兩側(cè)長(zhǎng)大的過(guò)程。

這種在一定溫度下，由一定成分的液相包著一定成分的固相，發(fā)生反應(yīng)后生成另一種成分新固相的反應(yīng)稱為包晶轉(zhuǎn)變或包晶反應(yīng)（插入包晶反應(yīng)過(guò)程動(dòng)畫(huà)）。

2.典型合金的結(jié)晶過(guò)程

1）合金Ⅰ的結(jié)晶過(guò)程分析

合金Ⅰ在溫度緩冷到2點(diǎn)時(shí)，反應(yīng)前的液相L和固 相δ數(shù)量比為：L/δ=HJ/JB；反應(yīng)后兩相全部耗盡，形成單一的新相γ。合金Ⅰ的結(jié)晶過(guò)程：勻晶反應(yīng)＋包晶反應(yīng)；反應(yīng)產(chǎn)物：γ。

2）合金Ⅱ的結(jié)晶過(guò)程分析

合金Ⅱ在溫度緩冷到2點(diǎn)時(shí)，反應(yīng)前的液相L和固相δ數(shù)量比為：L/δ=H2/2B；參加包晶反應(yīng)的d相量過(guò)剩，所以反應(yīng)后形成δ+γ兩相，進(jìn)入HNJ勻晶區(qū)，隨溫度的下降，3點(diǎn)以下形成單相γ。合金Ⅱ的結(jié)晶過(guò)程：勻晶反應(yīng)＋包晶反應(yīng)+勻晶反應(yīng)；反應(yīng)產(chǎn)物：γ。

3）合金Ⅲ的結(jié)晶過(guò)程分析

合金Ⅲ在溫度緩冷到2點(diǎn)時(shí)，反應(yīng)前的液相L和固相δ數(shù)量比為： L/δ=H2/2B；參加包晶反應(yīng)的L相量過(guò)剩，所以反應(yīng)后形成L+γ兩相，進(jìn)入HNJ勻晶區(qū)，隨溫度的下降，3點(diǎn)以下形成單相γ。合金Ⅲ的結(jié)晶過(guò)程：勻晶反應(yīng)＋包晶反應(yīng)+勻晶反應(yīng)；反應(yīng)產(chǎn)物：γ。

四、 二元共析相圖

共析反應(yīng)（共析轉(zhuǎn)變）：指在一定溫度下，由一定成分的固相同時(shí)析出兩個(gè)成分和結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的反應(yīng)。共析反應(yīng)的產(chǎn)物也是兩相機(jī)械混合物，稱為共析組織或共析體。

與共晶反應(yīng)不同的是，共析反應(yīng)的母相是固相，而不是液相，因而共析轉(zhuǎn)變也是固態(tài)轉(zhuǎn)變。由于固態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)冷度大，因而其組織比共晶組織細(xì)。

下圖中dce稱為共析線，c點(diǎn)稱為共析點(diǎn)。與c點(diǎn)對(duì)應(yīng)的成分和溫度分別稱為共析成分和共析溫度。

五、 二元相圖的分析步驟 

1.先分清圖中包括哪些基本類型的相圖

2.相區(qū)的確定

相區(qū)接觸法則：相鄰兩個(gè)相區(qū)的相數(shù)差為1

兩相區(qū)的確定：兩個(gè)單相區(qū)之間夾有一個(gè)兩相區(qū)，該兩相區(qū)的相由兩個(gè)相鄰單相區(qū)的相組成

三相區(qū)的確定：二元相圖中的水平線是三相區(qū)，其三個(gè)相由與該三相區(qū)點(diǎn)接觸的三個(gè)單相區(qū)的相組成

3.分析典型合金的結(jié)晶過(guò)程

做出典型合金冷卻曲線示意圖，二元合金冷卻曲線的特征是在單相區(qū)和兩相區(qū)冷卻曲線為一斜線；由一個(gè)相區(qū)過(guò)渡到另一個(gè)相區(qū)時(shí)，冷卻曲線上出現(xiàn)拐點(diǎn),發(fā)生三相等溫轉(zhuǎn)變時(shí)，冷卻曲線呈一水平臺(tái)階。

由一個(gè)相區(qū)過(guò)渡到另一個(gè)相區(qū)時(shí)，冷卻曲線上出現(xiàn)拐點(diǎn),發(fā)生三相等溫轉(zhuǎn)變時(shí)，冷卻曲線呈一水平臺(tái)階。

畫(huà)出組織轉(zhuǎn)變示意圖，計(jì)算各相、各組織組成物相對(duì)重量比：在單相區(qū)，合金由單相組成，相的成分、重量即合金的成分、重量；在兩相區(qū)，兩相的成分隨溫度下降沿各自的相線變化，各相、各組成物的相對(duì)重量可由杠桿定律；在三相區(qū)，三個(gè)相的成分固定，相對(duì)重量不斷變化，杠桿定律不適用。

六、 相圖與合金性能之間的關(guān)系

1.相圖與合金力學(xué)性能、物理性能的關(guān)系

組織為機(jī)械混合物的合金，其性能與合金成分呈直線關(guān)系，如下圖1所示。

組織為固溶體的合金，隨溶質(zhì)元素含量的增加，合金的強(qiáng)度和硬度也增加，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，如果是無(wú)限互溶的合金，則在溶質(zhì)含量為50%附近強(qiáng)度和硬度*高，性能與合金成分之間呈曲線關(guān)系如下圖2所示 

2.相圖與鑄造性能的關(guān)系

單相固溶體的合金，澆鑄時(shí)合金流動(dòng)性差，澆鑄時(shí)不能充滿鑄型，凝固后形成許多分散的縮孔，此類合金不宜制作鑄件。但此類合金的塑性較好，具有良好的壓力加工性能。

此類合金的塑性較好，具有良好的壓力加工性能，不易產(chǎn)生分散的縮孔，在凝固的過(guò)程中出現(xiàn)的集中縮孔的現(xiàn)象，可以采取設(shè)置冒口的方法，并控制這種縮孔于冒口處，待鑄件成型后，再將冒口切除。 

3.3 鐵碳合金相圖

3.3.1 鐵碳合金的組元和相

一、基本概念

鐵碳合金：碳鋼和鑄鐵的統(tǒng)稱，都是以鐵和碳為基本組元的合金

碳 鋼：含碳量為0.0218%～2.11%的鐵碳合金

鑄 鐵：含碳量大于2.11%的鐵碳合金

鐵碳合金相圖：研究鐵碳合金的工具，是研究碳鋼和鑄鐵成分、溫度、組織和性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，也是制定各種熱加工工藝的依據(jù)。

注：由于含碳量大于Fe3C的含碳量（6.69%）時(shí)，合金太脆，無(wú)實(shí)用價(jià)值，因此所討論的鐵碳合金相圖實(shí)際上是Fe-Fe3C

二、組元

1.純鐵：指的是室溫下的α-Fe，強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好。

2.碳：是非金屬元素，自然界存在的游離的碳有金剛石和石墨，它們是同素異構(gòu)體。

3.碳在鐵碳合金中的存在形式有三種：

（1）C與Fe形成金屬化合物，即滲碳體；

（2）C以游離態(tài)的石墨存在于合金中。

（3）C溶于Fe的不同晶格中形成固溶體；

A. 鐵素體：

C溶于α-Fe中所形成的間隙固溶體，體心立方晶格，用符號(hào)“F”或“α”表示，鐵素體是一種強(qiáng)度和硬度低，而塑性和韌性好的相，鐵素體在室溫下可穩(wěn)定存在。

B. 奧氏體：

C溶于γ-Fe中所形成的間隙固溶體，面心立方晶格，用符號(hào)“A”或“γ”表示，奧氏體強(qiáng)度低、塑性好，鋼材的熱加工都在奧氏體相區(qū)進(jìn)行，奧氏體在高溫下可穩(wěn)定存在。

C. 

C與Fe形成金屬化合物：即滲碳體Fe3C，Fe與C組成的金屬化合物，Fe與C組成的金屬化合物，含碳量為6.69％。以“Fe3C”或“Cm”符號(hào)表示，滲碳體的熔點(diǎn)為1227℃，硬度很高(HB＝800)而脆，塑性幾乎等于零。滲碳體在鋼和鑄鐵中，一般呈片狀、網(wǎng)狀或球狀存在。它的形狀和分布對(duì)鋼的性能影響很大，是鐵碳合金的重要強(qiáng)化相。碳在a-Fe中溶解度很低，所以常溫下碳以滲碳體或石墨的形式存在。

3.3.2 鐵碳合金相圖的分析

1.鐵碳合金相圖由三個(gè)相圖組成：包晶相圖、共晶相圖和共析相圖；

2.相圖中有五個(gè)單相區(qū)：液相L、高溫鐵素體δ、鐵素體 α、奧氏體 γ、滲碳體 Fe3C； 

3.相圖中有三條水平線：

(1)HJB水平線（1495℃）：包晶線，發(fā)生包晶反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為奧氏體。

L0.53+δ0.09←→γ0.17

(2)ECF水平線（1148℃）：共晶線，發(fā)生共晶反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物，稱為萊氏體，用“Le”表示。

L 4.3←→γ2.11+ Fe3C

(3)PSK水平線（727℃）：共析線，發(fā)生共析反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，稱為珠光體，用“P”表示。共析線又稱為A1線

γ0.77←→F0.0218+ Fe3C

4.圖中的特性點(diǎn)

A點(diǎn)：純鐵的熔點(diǎn)

C點(diǎn)：共晶點(diǎn)

D點(diǎn): Fe3C的熔點(diǎn)

E點(diǎn)：γ-Fe中的*大溶碳量

G點(diǎn)：α-Fe→γ-Fe的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)

J點(diǎn)：包晶點(diǎn)

N點(diǎn)：γ-Fe→α-Fe的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)

S點(diǎn)：共析點(diǎn)

5.圖中的特性線

ABCD－液相線

AHJECF－固相線

GS、GP為 α-Fe固溶體轉(zhuǎn)變線

HN、JN為奧氏體A固溶體轉(zhuǎn)變線

ES線為碳在奧氏體A中的固溶線，隨著溫度下降，C的溶解度下降，當(dāng)含碳量超過(guò)0.77%的鐵碳合金自1148℃冷卻到727℃時(shí)，會(huì)從奧氏體中析出滲碳體，稱為二次滲碳體，標(biāo)記為Fe3CⅡ。ES線又稱為Acm線。

PQ線為碳在α-Fe中的固溶線，隨著溫度下降，C的溶解度下降，鐵碳合金自727℃向室溫冷卻時(shí)，會(huì)從鐵素體中析出滲碳體，稱為三次滲碳體。標(biāo)記為Fe3CⅢ，但因?yàn)槲龀隽繕O少，在含碳量高的合金中不予以考慮。

CD線是從液體中結(jié)晶出滲碳體的開(kāi)始溫度線，從液體中結(jié)晶出的滲碳體稱為一次滲碳體，標(biāo)記為Fe3CⅠ。

鐵碳合金：碳鋼和鑄鐵的統(tǒng)稱，都是以鐵和碳為基本組元的合金

3.3.3 典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程

一、鐵碳合金的分類

1.工業(yè)純鐵（<0.0218%C）

室溫下的平衡組織幾乎全部為鐵素體的鐵碳合金，工業(yè)上很少使用

2.鋼（0.0218%--2.11%C）

高溫組織為單相奧氏體，易于變形。根據(jù)室溫組織的不同分為三類

(1) 亞共析鋼（0.0218%--0.77%C）：指室溫下的平衡組織為鐵素體與珠光體的鐵碳合金，有熟鐵之稱；

(2) 共析鋼（0.77%C）：指室溫下的平衡組織為珠光體的鐵碳合金，即碳素工具鋼中的T8鋼；

(3) 過(guò)共析鋼（0.77%C-- 2.11%C）：指室溫下的平衡組織為珠光體與二次滲碳體的鐵碳合金。

3.白口鑄鐵（ 2.11% -- 6.69%C）

指液態(tài)結(jié)晶時(shí)都有共晶反應(yīng)且室溫下的平衡組織中皆含有變態(tài)萊氏體的一類鐵碳合金，其斷口白亮而得名，俗稱生鐵。

分類：亞共晶白口鑄鐵、共晶白口鑄鐵、過(guò)共晶白口鑄鐵

二、結(jié)合下圖，分析7種典型鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程及其組織變化 

1. 工業(yè)純鐵的結(jié)晶過(guò)程（圖中合金①）：

1—2點(diǎn)：勻晶反應(yīng)形成δ鐵素體；2—3點(diǎn)：不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變；3—4點(diǎn)：開(kāi)始從δ鐵素體中析出奧氏體，4點(diǎn)后全部轉(zhuǎn)化為奧氏體；4—5點(diǎn)：不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變；5—6點(diǎn)：開(kāi)始從奧氏體中析出鐵素體，6點(diǎn)后全部轉(zhuǎn)化為鐵素體；6—7點(diǎn)：不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變；7點(diǎn)以后:開(kāi)始從鐵素體中析出三次滲碳體

工業(yè)純鐵結(jié)晶過(guò)程的基本反應(yīng)：勻晶反應(yīng)十固溶體轉(zhuǎn)變反應(yīng)＋二次析出反應(yīng)

工業(yè)純鐵的室溫組織：F十Fe3CⅢ

純鐵的結(jié)晶過(guò)程中的組織變化過(guò)程

2. 共析鋼的結(jié)晶過(guò)程（圖中合金②）：

1—2點(diǎn)：勻晶反應(yīng)形成奧氏體；2—3點(diǎn)：不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變；3點(diǎn)以后：發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，反應(yīng)結(jié)束后全部轉(zhuǎn)化為珠光體；3′點(diǎn)后繼續(xù)冷卻：從珠光體的鐵素體中析出少量的三次滲碳體

共析鋼結(jié)晶過(guò)程的基本反應(yīng)：勻晶反應(yīng)十共析反應(yīng)

共析鋼室溫組織：100%的珠光體P

共析鋼結(jié)晶過(guò)程中的組織變化過(guò)程

3. 亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程（圖中合金③）：

1—2點(diǎn)：勻晶反應(yīng)形成δ鐵素體；2—2′點(diǎn)：發(fā)生包晶反應(yīng)L0.53+δ0.09←→γ0.17； 2′—3點(diǎn)：剩余的液相發(fā)生通過(guò)勻晶轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；3—4點(diǎn)：不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變；4—5點(diǎn)：從奧氏體中析出鐵素體；5—5′點(diǎn)：發(fā)生共析反應(yīng)γ0.77←→F 0.0218+ Fe3C，5′點(diǎn)以后：從鐵素體中析出少量的三次滲碳體。

亞共析鋼結(jié)晶過(guò)程的基本反應(yīng)：勻晶反應(yīng)+包晶反應(yīng)+勻晶反應(yīng)+固溶體轉(zhuǎn)變反應(yīng)+共析反應(yīng)

亞共析鋼的室溫組織：鐵素體F+珠光體

亞共析鋼結(jié)晶過(guò)程中的組織變化過(guò)程

4. 過(guò)共析鋼的平衡結(jié)晶過(guò)程（圖中合金④）

1—2點(diǎn)：勻晶反應(yīng)形成奧氏體；2—3點(diǎn)：不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變；3—4點(diǎn)：從奧氏體晶界析出二次滲碳體，并在晶界上呈網(wǎng)狀分布；4—4′點(diǎn)：剩余的奧氏體發(fā)生共析反應(yīng) γ0.77←→F0.0218+ Fe3C；4點(diǎn)以后：二次滲碳體不再變化，珠光體的變化同共析鋼

過(guò)共析鋼結(jié)晶過(guò)程的基本反應(yīng)：勻晶反應(yīng)十二次析出反應(yīng)+共析反應(yīng)

過(guò)共析鋼室溫的組織：珠光體P+ 網(wǎng)狀二次滲碳體Fe3C

過(guò)共析鋼結(jié)晶過(guò)程中的組織變化過(guò)程

5. 共晶白口鑄鐵的平衡結(jié)晶過(guò)程（圖中合金⑤）

1—1′點(diǎn)：發(fā)生共晶反應(yīng) L4.3←→γ2.11+ Fe3C，全部轉(zhuǎn)化為萊氏體，是共晶奧氏體和共晶滲碳體的機(jī)械混合物；1—2點(diǎn)：析出二次滲碳體；2—2′點(diǎn)：發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。珠光體與共晶滲碳體組成的組織為低溫萊氏體。

共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程：共晶反應(yīng)十二次析出反應(yīng)+共析反應(yīng)

共晶白口鑄鐵的室溫組織：Le′（珠光體+共晶滲碳體）

共晶白口鑄鐵顯微組織

6. 亞共晶白口鑄鐵的平衡結(jié)晶過(guò)程（圖中合金⑥）

1—2點(diǎn)：勻晶反應(yīng)形成奧氏體；2—2′點(diǎn)：發(fā)生共晶反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體；2—3點(diǎn)：從奧氏體中析出二次滲碳體；3—3′點(diǎn)：發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w

亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程：勻晶反應(yīng)+ 共晶反應(yīng)十二次析出反應(yīng) +共析反應(yīng)

亞共晶白口鑄鐵的室溫組織：P+ Fe3CⅡ + Le’(P+ Fe3C + Fe3CⅡ )

亞共晶白口鑄鐵的室溫組織 

7. 過(guò)共晶白口鑄鐵的平衡結(jié)晶過(guò)程（圖中合金⑦）

1—2點(diǎn)：勻晶反應(yīng)結(jié)晶出一次滲碳體Fe3CⅠ；2—2′點(diǎn)：余下的液相發(fā)生共晶反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體；繼續(xù)冷卻：一次滲碳體的重量不發(fā)生變化，萊氏體的變化同共晶合金

過(guò)共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程：勻晶反應(yīng)+共晶反應(yīng)十二次析出反應(yīng)+共析反應(yīng)

過(guò)共晶白口鑄鐵室溫組織：Fe3CⅠ和Le’(P+ Fe3C+ Fe3CⅡ）

過(guò)共晶白口鑄鐵室溫組織 

三、組織組成物在相圖上的標(biāo)

3.3.4 含碳量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響

一、含碳量對(duì)鐵碳合金室溫平衡組織的影響

隨著合金中室溫組織的變化，其組織組成物及相組成物的相對(duì)量皆發(fā)生變化，如下圖所示：

二、含碳量對(duì)力學(xué)性能影響

亞共析鋼： 

共析鋼：含碳量為0.77%時(shí)，組織為100%的珠光體

過(guò)共析鋼：

白口鑄鐵：

三、含碳量對(duì)工藝性能的影響

切削加工性：中碳鋼的切削加工性能比較好 

可鍛性：低碳鋼比高碳鋼為好，奧氏體塑性好、強(qiáng)度低，易于塑性變形，熱壓力加工都加熱到奧氏體相區(qū)。

鑄造性：靠近共晶成分的合金鑄造性能好。

焊接性能：鋼的塑性越好，焊接性能越好，所以低碳鋼比高碳鋼易于焊接。

3.4金屬及合金的結(jié)晶

3.4.1 金屬及合金結(jié)晶后的晶粒大小及其控制 

1. 晶粒度

晶粒度是晶粒大小的量度。通常使用長(zhǎng)度、面積、體積或晶粒度級(jí)別數(shù)來(lái)表示不同方法評(píng)定或測(cè)定的晶粒大小。在100倍下645.16mm2 面積內(nèi)包含的晶粒個(gè)數(shù)N與顯微晶粒度級(jí)別數(shù)G的關(guān)系為N=2G-1。由于測(cè)量晶粒尺寸很不方便，在工業(yè)生產(chǎn)上常采用與標(biāo)準(zhǔn)系列評(píng)級(jí)圖對(duì)比的比較法來(lái)評(píng)定平均晶粒度，標(biāo)準(zhǔn)晶粒度共分8級(jí)，1級(jí)*粗，8級(jí)*細(xì)。比1級(jí)更粗或比8級(jí)更細(xì)的晶粒也可以用晶粒度級(jí)別數(shù)表示，如0級(jí)、10級(jí)、-1級(jí)等。比較法的評(píng)定方法是將與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)系列評(píng)級(jí)圖相同放大倍數(shù)的有代表性視場(chǎng)的晶粒組織圖像或顯微 照片與標(biāo)準(zhǔn)系列評(píng)級(jí)圖直接進(jìn)行對(duì)比，選取與檢測(cè)圖像*接近的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖級(jí)別數(shù)。金屬平均晶粒度的具體測(cè)量方法見(jiàn)GB/T6394—2002。

2. 決定晶粒尺寸的因素

結(jié)晶時(shí)，每個(gè)晶核長(zhǎng)大后便形成一個(gè)晶粒，因而晶粒的大小取決于晶核的形成速率和長(zhǎng)大速度。單位時(shí)間、單位體積內(nèi)形成晶核的數(shù)目稱為形核率（N），而單位時(shí)間內(nèi)晶核生長(zhǎng)的長(zhǎng)度稱為長(zhǎng)大速度（G）?？梢?jiàn)，形核率與長(zhǎng)大速度的比值N/G越大，晶粒越細(xì)小。
3. 控制晶粒尺寸的方法

（1）控制過(guò)冷度：過(guò)冷度對(duì)形核率和長(zhǎng)大速度的影響如下圖所示。在正常鑄造情況下，隨過(guò)冷度ΔT增大，N/G值增加，晶粒變細(xì)。所以生產(chǎn)中的小型和薄壁鑄件比大型鑄件組織細(xì)。

（2）變質(zhì)處理：變質(zhì)處理又稱孕育處理，是一種有意向液態(tài)金屬中加入非自發(fā)形核物質(zhì)從而細(xì)化晶粒的方法。所加入的物質(zhì)稱為變質(zhì)劑。金屬不同，所加的變質(zhì)劑也不同。

（3）振動(dòng)、攪拌：結(jié)晶時(shí)通過(guò)機(jī)械振動(dòng)、電磁攪拌及超聲波等方法可以打碎正在生長(zhǎng)的樹(shù)枝狀晶體，增加晶核數(shù)目。同時(shí)，由于外部輸入了能量，又能夠促進(jìn)形核，從而細(xì)化晶粒。

4. 晶粒大小對(duì)金屬性能的影響

常溫下，晶粒細(xì)化，晶界面積越大，因而金屬?gòu)?qiáng)度、硬度越高，同時(shí)塑性、韌性越好，稱為細(xì)晶強(qiáng)化。

高溫下，晶界呈粘滯狀態(tài)，在外力作用下易產(chǎn)生滑動(dòng)和遷移，因而細(xì)化晶粒無(wú)益，但晶粒太粗，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。因而高溫下晶粒過(guò)粗、過(guò)細(xì)都不好。

3.4.2鑄錠的組織及其控制 

材料的凝固總是在一定的容器中進(jìn)行，容器的形狀、散熱條件等因素將影響金屬材料鑄造后的組織形態(tài)。對(duì)于鑄錠來(lái)說(shuō)，它的組織包括晶粒大小、形狀、取向、元素和雜質(zhì)分布，以及鑄錠中的缺陷等。鑄錠的組織對(duì)后續(xù)加工和使用性能都有很大的影響。

1. 鑄錠的組織

由于凝固時(shí)表面和心部的結(jié)晶條件不同，鑄錠的宏觀組織是不均勻的，通常由表面細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)三個(gè)晶區(qū)組成。 

（1）表層細(xì)晶區(qū)：當(dāng)高溫的液體金屬被澆注到鑄型中時(shí)，液體金屬首先與鑄型的模壁接觸，一般來(lái)說(shuō)，鑄型的溫度較低，產(chǎn)生很大的過(guò)冷度，形成大量晶核，再加上模壁的非均勻形核作用，在鑄錠表層形成一層厚度較薄、晶粒很細(xì)的等軸晶區(qū)。

（2）柱狀晶區(qū)：表層細(xì)晶區(qū)形成后，由于液態(tài)金屬的加熱及凝固時(shí)結(jié)晶潛熱的放出，使模壁的溫度逐漸升高，冷卻速度下降，結(jié)晶前沿過(guò)冷度減小，難以形成新的結(jié)晶核心，結(jié)晶只能通過(guò)已有晶體的繼續(xù)生長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行。由于散熱方向垂直于模壁，因而晶體沿著與散熱相反的方向擇優(yōu)生長(zhǎng)而形成柱狀晶區(qū)。

（3）中心等軸晶區(qū)：當(dāng)柱狀晶長(zhǎng)大到一定程度，由于冷卻速度進(jìn)一步下降及結(jié)晶潛熱的不斷放出，使結(jié)晶前沿的溫度梯度消失，導(dǎo)致柱狀晶長(zhǎng)大停止。當(dāng)心部全部冷卻至實(shí)際結(jié)晶溫度以下時(shí)，以雜質(zhì)和被沖下的晶枝碎塊為結(jié)晶核心均勻長(zhǎng)大，形成粗大的等軸晶區(qū)。

一般的鑄錠都是作為坯料，還要進(jìn)行軋制等各種加工，柱狀晶由于方向性過(guò)于明顯，而且晶粒之間往往結(jié)合較弱，軋制時(shí)容易在柱狀晶處開(kāi)裂，因此要盡量減少或避免形成明顯的柱狀晶區(qū)。根據(jù)柱狀晶區(qū)的形成與溫度梯度的方向性有直接關(guān)系的特點(diǎn)，要減少柱狀晶區(qū)，需從破壞穩(wěn)定的溫度梯度及柱狀晶的穩(wěn)定生長(zhǎng)入手，如降低澆注溫度、降低模具的散熱條件、增加液體流動(dòng)或震動(dòng)以及變質(zhì)處理等。

2. 鑄錠的缺陷

鑄錠的缺陷包括縮孔、疏松、氣孔和偏析等。

(1)縮孔和疏孔：大多數(shù)金屬凝固時(shí)體積要收縮，如果沒(méi)有足夠的液體補(bǔ)充，便會(huì)形成孔隙。如果孔隙集中在凝固的*后部位，則稱為縮孔?？s孔可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)澆注工藝，預(yù)留出補(bǔ)縮的液體（如加冒口）等方法控制，一旦鑄錠中出現(xiàn)縮孔則應(yīng)將其切除。如果孔隙分散地分布于枝晶間，則稱為疏孔，可以通過(guò)壓力鑄造等方法予以消除。

(2)氣孔：金屬在液態(tài)下比在固態(tài)下溶解氣體多。液態(tài)金屬凝固時(shí)，如果所析出的氣體來(lái)不及逸出，就會(huì)保留在鑄錠內(nèi)部，形成氣孔。內(nèi)表面未被氧化的氣孔在熱段或熱軋時(shí)可以焊合，如發(fā)生氧化，則必須去除。

(3)偏析：合金中各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。鑄錠在結(jié)晶時(shí)，由于各部位結(jié)晶先后順序不同，合金中的低熔點(diǎn)元素偏聚于*終結(jié)晶區(qū)，或由于結(jié)晶出的固相與液相的比重相差較大，使固相上浮或下沉，從而造成鑄錠宏觀上的成分不均勻，稱為宏觀偏析。適當(dāng)控制澆注溫度和結(jié)晶速度可減輕宏觀偏析。

第四章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶

4.1 金屬的塑性變形

4.1.1單晶體金屬的塑性變形

彈性變形及解理斷裂，只有在切應(yīng)力г的作用下，金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。

正常情況下，塑性變形有兩種形式：滑移和孿生，在多數(shù)情況下，金屬的塑性變形是以滑移的方式進(jìn)行的。

1. 滑移

滑移是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生移動(dòng)的現(xiàn)象。滑移變形的特點(diǎn)是：

(1)滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。產(chǎn)生滑移的*小切應(yīng)力稱為臨界切應(yīng)力。

(2)滑移常沿晶體中原子密度*大的晶面和晶向發(fā)生，這是因?yàn)樵用芏?大的晶面和晶向之間間距*大，結(jié)合力*弱，產(chǎn)生滑移所需切應(yīng)力*小。沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別稱為滑移面和滑移方向。顯然，滑移面和滑移方向通常是晶體中的密排面和密排方向。

一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)滑移系。體心立方晶格與面心立方晶格的滑移系數(shù)目相同，都是12個(gè)，而密排六方晶格只有3個(gè)滑移系。

滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I(xiàn)比滑移面更大。因而具有面心立方晶格金屬的塑性好于體心立方晶格金屬，具有體心立方晶格金屬的塑性好于密排六方晶格金屬。

(3)滑移時(shí)，晶體兩部分的相對(duì)位移量是原子間距的整數(shù)倍?；频慕Y(jié)果在晶體表面形成臺(tái)階，稱為滑移線，若干條滑移線組成一個(gè)滑移帶。

(4)滑移的同時(shí)伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)有兩種：一種是滑移面向外力軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)，另一種是在滑移面上滑移方向向*大切應(yīng)力方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

轉(zhuǎn)動(dòng)的原因是由于晶體沿著滑移面和滑移方向滑動(dòng)后使正應(yīng)力分量σn、σn’和切應(yīng)力分量гb、гb’組成了力偶。計(jì)算表明，當(dāng)滑移面和滑移方向都與外力軸方向成45°角時(shí)，滑移方向上的切應(yīng)力гs*大，因而*容易發(fā)生滑移。當(dāng)滑移面和滑移方向與外力軸方向平行或垂直時(shí)，切應(yīng)力分量гs=0，晶體不發(fā)生滑移。
     (5)滑移是通過(guò)滑移面上位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算表明，把滑移設(shè)想為剛性整體滑動(dòng)所需的理論臨界切應(yīng)力值比實(shí)際測(cè)量的臨界切應(yīng)力值大3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，而按照位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算所得的臨界切應(yīng)力值則與實(shí)測(cè)值相符，可見(jiàn)滑移不是剛性滑動(dòng)，而是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。

當(dāng)晶體通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生滑移時(shí)，只在位錯(cuò)中心的少數(shù)原子發(fā)生移動(dòng)，而且它們移動(dòng)的距離遠(yuǎn)小于一個(gè)原子間距，因而所需臨界切應(yīng)力小，這種現(xiàn)象稱為位錯(cuò)的易動(dòng)性。

當(dāng)一個(gè)位錯(cuò)移動(dòng)到晶體表面時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)原子間距的滑移量，同一滑移面上，若有大量位錯(cuò)移出，則在晶體表面形成一條滑移線。

2. 孿生

孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對(duì)于另一部分所發(fā)生的切變。發(fā)生切變的部分稱為孿晶帶或?qū)\晶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱為孿生面，孿生的結(jié)果使孿生面兩側(cè)的晶體呈鏡面對(duì)稱。

與滑移不同，孿生使晶格位向發(fā)生改變，所需切應(yīng)力比滑移大得多，變形速度極快，接近于聲速；孿生時(shí)相鄰原子面的相對(duì)位移量小于一個(gè)原子間距。

在常見(jiàn)的晶格類型中，密排六方晶格金屬滑移系少，常以孿生方式變形。體心立方晶格金屬只有在低溫或沖擊作用下才發(fā)生孿生變形。面心立方晶格金屬一般不發(fā)生孿生變形，但在這類金屬中常發(fā)現(xiàn)有孿晶存在，這是由于相變過(guò)程中原子重新排列時(shí)發(fā)生錯(cuò)排而產(chǎn)生的，稱為退火孿晶。

4.1.2多晶體金屬的塑性變形 

工程上使用的金屬絕大多數(shù)是多晶體，其中每個(gè)晶粒內(nèi)部的變形情況與單晶體的變形情況大致相似，但由于晶界的存在及各晶粒的取向不同，使多晶體的塑性變形比單晶體復(fù)雜得多。

1. 晶界及晶粒位向差的影響

在多晶體中，晶界原子排列不規(guī)則，當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近時(shí)，受到晶界的阻礙而堆積起來(lái)，稱為位錯(cuò)的塞積。若要使變形繼續(xù)進(jìn)行，則必須增加外力，可見(jiàn)晶界使金屬的塑性變形抗力提高。雙晶粒試樣的拉伸實(shí)驗(yàn)表明，試樣往往呈竹節(jié)狀，晶界處較粗，這說(shuō)明晶界的變形抗力大，變形較小。

由于各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一個(gè)晶粒發(fā)生塑性變形時(shí)，為了保持金屬的連續(xù)性，周圍的晶粒若不發(fā)生塑性變形，則必以彈性變形來(lái)與之協(xié)調(diào)。這種彈性形變便成為塑性變形晶粒的變形阻力。由于晶粒間的這種相互約束，使得多晶體金屬的塑性變形抗力提高。

2. 多晶體金屬的塑性變形過(guò)程

多晶體中首先發(fā)生滑移的是那些滑移系與外力夾角等于或接近于45°的晶粒，使位錯(cuò)在晶界附近塞積，當(dāng)塞積位錯(cuò)前端的應(yīng)力達(dá)到一定程度，加上相鄰晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，使相鄰晶粒中原來(lái)處于不利位向滑移系上的位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)，從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶粒，當(dāng)有大量晶粒發(fā)生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。

3. 晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響

金屬的晶粒越細(xì)，其強(qiáng)度和硬度越高。原因是金屬的晶粒越細(xì)，晶界總面積越大，位錯(cuò)障礙越多，需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，金屬塑性變形的抗力越高。

金屬的晶粒越細(xì)，其塑性和韌性也就越好。這是由于晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多。同時(shí)參與變形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，推遲了裂紋的形成和擴(kuò)展，使得在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形。在強(qiáng)度和塑性同時(shí)增加的情況下，金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其韌性也比較好。

通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)同時(shí)提高金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。細(xì)晶強(qiáng)化是金屬的重要強(qiáng)化手段之一。

4.2 合金的塑性變形與強(qiáng)化

1．單相固溶體合金的塑性變形與固溶強(qiáng)化

單相固溶體合金的組織與純金屬相同，因而其塑性變形過(guò)程也與多晶體純金屬相似；

由于溶質(zhì)原子的存在，使晶格發(fā)生畸變，從而使固溶體的硬度、強(qiáng)度提高，塑性韌性下降，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。 

2．多相合金的塑性變形與彌散強(qiáng)化

當(dāng)合金的組織由多相混合物組成時(shí)，合金的塑性變形除與合金基體的性質(zhì)有關(guān)外，還與**相的性質(zhì)、形態(tài)、大小、數(shù)量和分布有關(guān)。**相可以是純金屬，也可以是固溶體或化合物，工業(yè)合金中的**相多數(shù)是化合物； 

當(dāng)**相在晶界上呈網(wǎng)狀分布時(shí)，對(duì)合金的強(qiáng)度和塑性都不利；當(dāng)在晶內(nèi)呈片狀分布時(shí)，可提高強(qiáng)度、硬度可顯著提高，而且**相顆粒越細(xì)，分布越均勻合金的強(qiáng)度、硬度越高，這種強(qiáng)化方法稱為彌散強(qiáng)化或沉淀強(qiáng)化。

4.3 塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響

4.3.1 塑性變形對(duì)金屬組織的影響

金屬發(fā)生塑性變形，不僅外形發(fā)生變化，而且內(nèi)部的晶粒被拉長(zhǎng)或壓扁。當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒將被拉長(zhǎng)為纖維狀，晶界變得模糊不清，如下圖所示。塑性變形使晶粒破碎成亞晶粒。

4.3.2 塑性變形對(duì)金屬性能的影響

金屬發(fā)生冷塑性變形后，隨塑性變形量增加，金屬的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱為加工硬化。

冷塑形變形金屬產(chǎn)生加工硬化的原因：

位錯(cuò)密度增加；亞結(jié)構(gòu)細(xì)化，亞晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有阻礙作用；空位密度增加。

由于加工硬化的存在，使已變形部分發(fā)生硬化而停止變形，而未變形部分開(kāi)始變形，因此，沒(méi)有加工硬化，金屬就不會(huì)發(fā)生均勻塑性變形。加工硬化是強(qiáng)化金屬的重要手段之一。尤其對(duì)于那些不能通過(guò)熱處理強(qiáng)化的金屬和合金更為重要。

4.3.3 殘余應(yīng)力

內(nèi)應(yīng)力是指平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力，它是由于金屬在外力作用下，內(nèi)部變形不均勻而引起的。

內(nèi)應(yīng)力分為三類：

（1）宏觀內(nèi)應(yīng)力：平衡于金屬表面與心部之間；

（2）微觀內(nèi)應(yīng)力：平衡于晶粒之間或晶粒內(nèi)不同區(qū)域之間；

（3）畸變應(yīng)力：由晶格缺陷引起的內(nèi)應(yīng)力。

內(nèi)應(yīng)力的存在，使金屬的耐蝕性降低，引起零件在加工、淬火過(guò)程中的變形和開(kāi)裂。因此，金屬在塑性變形后，通常要進(jìn)行退火處理，以消除或降低內(nèi)應(yīng)力。

4.4 回復(fù)與再結(jié)晶

4.4.1 冷變形金屬在加熱時(shí)的組織和性能變化

金屬經(jīng)冷塑性變形后，組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有自發(fā)恢復(fù)到變形前組織狀態(tài)的傾向。在常溫下，原子擴(kuò)散能力小，不穩(wěn)定狀態(tài)可以維持相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間，而加熱則使原子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大。

1.回復(fù)

回復(fù)是指在加熱溫度較低時(shí)，由于金屬中點(diǎn)缺陷及位錯(cuò)的近距離遷移而引起的晶內(nèi)某些變化。在回復(fù)階段，組織變化不明顯，強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有提高；但內(nèi)應(yīng)力、電阻率等顯著下降。

在工業(yè)中，利用回復(fù)現(xiàn)象將冷變形金屬低溫加熱，既穩(wěn)定組織有保留了加工硬化，這種熱處理方法稱為去應(yīng)力退火。

2.再結(jié)晶

如下圖所示，當(dāng)冷塑性變形金屬被加熱到較高溫度時(shí)，由于原子活動(dòng)能力增大，晶粒的形狀開(kāi)始發(fā)生變化，有破碎拉長(zhǎng)的晶粒變?yōu)橥暾牡容S晶粒。這種冷變形組織在加熱時(shí)重新徹底改組的過(guò)程稱為再結(jié)晶。

再結(jié)晶也是一個(gè)晶核形成和長(zhǎng)大的過(guò)程，但不是相變過(guò)程。再結(jié)晶前后晶粒的晶格類型和成分完全相同。由于再結(jié)晶后組織的復(fù)原，金屬的強(qiáng)度、硬度下降，韌性提高，加工硬化消失。

3.結(jié)晶后的晶粒長(zhǎng)大

再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升高加熱溫度或延長(zhǎng)加熱時(shí)間，將發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，這是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程。晶粒的長(zhǎng)大是通過(guò)晶界遷移進(jìn)行的，是大晶粒吞并小晶粒的過(guò)程。晶粒長(zhǎng)大會(huì)使金屬的強(qiáng)度，尤其是塑性和韌性下降。

4.4.2 再結(jié)晶溫度

再結(jié)晶不是一個(gè)恒溫過(guò)程，它是自某一溫度開(kāi)始，在某一溫度范圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)行的過(guò)程，發(fā)生再結(jié)晶的*低溫度稱為再結(jié)晶溫度。影響再結(jié)晶溫度的因素如下：

金屬的預(yù)先變形度；金屬的純度；加熱速度和保溫時(shí)間

4.4.3 再結(jié)晶退火后的晶粒度

由于晶粒大小對(duì)金屬的力學(xué)性能具有重大影響，因而生產(chǎn)上非常重視再結(jié)晶退火后的晶粒度。影響再結(jié)晶退火后晶粒大小的因素如下：

1.加熱溫度和保溫時(shí)間

加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，金屬的晶粒越大，加熱溫度的影響尤為顯著。

2.預(yù)先變形度

預(yù)先變形度的影響實(shí)質(zhì)上是變形均勻程度的影響。

4.5 金屬的熱加工

4.5.1 冷加工與熱加工的區(qū)別

在金屬中，冷、熱加工的界限是以再結(jié)晶溫度來(lái)劃分的，低于再結(jié)晶溫度的加工為冷加工，而高于再結(jié)晶溫度的加工為熱加工。例如，Fe的再結(jié)晶溫度為450℃，其在400℃以下的加工變形仍屬冷加工。而Pb的再結(jié)晶溫度為-33℃，則其在室溫下的加工變形為熱加工。

熱加工時(shí)產(chǎn)生的加工硬化很快被再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化所抵消，因而熱加工不會(huì)帶來(lái)加工硬化的效果。 

4.5.2 熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響

熱加工可使鑄態(tài)金屬與合金中的氣孔焊合，使粗大的樹(shù)枝晶破碎，從而使組織致密，成份均勻，晶粒細(xì)化，力學(xué)性能提高。

熱加工使鑄態(tài)金屬中的非金屬夾雜物沿變形方向伸長(zhǎng)，形成彼此平行的宏觀條紋，稱為流線，由這種流線體現(xiàn)的組織稱為纖維組織。纖維組織使鋼產(chǎn)生各向異性，與流線平行的方向強(qiáng)度高，而與其垂直的方向強(qiáng)度低。在制定加工工藝時(shí)，應(yīng)使流線分布合理，盡量與拉應(yīng)力方向一致。如下圖（a）所示的曲軸鍛坯流線分布合理，而圖（b）中所示的曲軸是由鍛鋼切削加工而成，其流線分布不合理，易在軸肩處發(fā)生斷裂。

在熱加工亞共析鋼時(shí)，常發(fā)現(xiàn)鋼中的鐵素體與珠光體呈帶狀分布，這種組織稱為帶狀組織。帶狀組織與枝晶偏析被沿加工方向拉長(zhǎng)有關(guān)，它的存在將降低鋼的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性，可通過(guò)多次正火或退火來(lái)消除。

熱加工能量消耗小，但鋼才表面易氧化，因而熱加工一般用于截面尺寸大、變形量大、在室溫下加工困難的工件。而冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及表面粗糙度要求高的工件

第五章 鋼的熱處理

5.1 概述

1.熱處理的定義：指將鋼在固態(tài)下加熱、保溫、冷卻，以改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得需要的性能的一種工藝。

2.熱處理的特點(diǎn)：只通過(guò)改變工件的組織來(lái)改變性能，不改變其形狀。

3.熱處理的適用范圍：只適用固態(tài)下發(fā)生相變的材料。

4.熱處理原理：描述熱處理時(shí)鋼中組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律。

5.熱處理工藝：根據(jù)熱處理原理而制定的溫度、時(shí)間、介質(zhì)等參數(shù)

6.熱處理分類：

（1）根據(jù)加熱、冷卻方式的不同及鋼的組織變化特點(diǎn)的不同，將熱處理工藝分類如下：

普通熱處理：退火、正火、淬火和回火

表面熱處理：表面淬火、化學(xué)熱處理

其他熱處理：真空熱處理、形變熱處理、激光熱處理

（2）根據(jù)在零件生產(chǎn)過(guò)程中所處的位置和作用不同來(lái)分類

預(yù)備熱處理：**前道工序的缺陷，改善其工藝性能，確保后續(xù)加工順利進(jìn)行。

*終熱處理：賦予工件所要求的使用性能的熱處理。

7.熱處理時(shí)的過(guò)熱和過(guò)冷現(xiàn)象

由于實(shí)際加熱或冷卻時(shí)，又過(guò)熱或過(guò)冷現(xiàn)象，因此，將鋼加熱時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度分別用Ac1、Ac3、Accm來(lái)表示，冷卻時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度分別用Ar1、Ar3、Arcm來(lái)表示。

5.2 鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變

加熱是熱處理的**道工序。加熱分兩種：一種在臨界點(diǎn)A1以下的加熱，不發(fā)生組織變化，一種是在臨界點(diǎn)A1以上的加熱，目的是獲得均勻的奧氏體組織，這一過(guò)程稱為奧氏體化。 

5.2.1 奧氏體的形成過(guò)程

鋼在加熱時(shí)奧氏體的形成過(guò)程也是一個(gè)形核和長(zhǎng)大的過(guò)程。以共析鋼為例，其奧氏體化過(guò)程可簡(jiǎn)單地分為4個(gè)步驟，如下圖所示。 

**步：奧氏體晶核形成。奧氏體晶核首先在鐵素體和滲碳體的界面上形成，因?yàn)榫嫣幍某煞趾徒Y(jié)構(gòu)對(duì)形核有利。

**步：奧氏體晶核長(zhǎng)大。奧氏體晶核形成后，便通過(guò)碳原子的擴(kuò)散向鐵素體和滲碳體方向長(zhǎng)大。

第三步：殘余滲碳體的溶解。鐵素體在成分和結(jié)構(gòu)上比滲碳體更接近于奧氏體，因而先于滲碳體消失，而殘余滲碳體則隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)不斷溶解直至消失。

第四步：奧氏體均勻化。滲碳體溶解后，其所在部位碳的含量仍比其他部位高，需通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的保溫使奧氏體成分逐漸趨于均勻。

亞共析鋼和過(guò)共析鋼的奧氏體化過(guò)程與共析鋼基本相同，只是由于先共析鐵素體或二次滲碳體的存在，要獲得全部奧氏體組織，必須相應(yīng)地加熱到Ac3或Accm以上。

5.2.2 奧氏體的晶粒大小及其影響因素

鋼在加熱時(shí)所獲得的奧氏體晶粒大小將直接影響到冷卻后的組織和性能。

1.奧氏體的晶粒度

起始晶粒度：奧氏體化剛結(jié)束時(shí)的晶粒大小，此時(shí)晶粒細(xì)小均勻。隨加熱溫度升高或保溫時(shí)間延長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大的現(xiàn)象。

實(shí)際晶粒度：在某一具體熱處理下得到的奧氏體的晶粒度。它直接影響鋼的性能。

本質(zhì)晶粒度：鋼在加熱時(shí)奧氏體晶粒的長(zhǎng)大傾向，通常將鋼加熱到940±10℃奧氏體化后，設(shè)法把奧氏體晶粒保留到室溫來(lái)判斷鋼的本質(zhì)晶粒度。如下圖所示，晶粒度為1-4級(jí)的是本質(zhì)粗晶粒鋼，5-8級(jí)的是本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，前者晶粒長(zhǎng)大傾向大，后者晶粒長(zhǎng)大傾向小。 

在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)錳硅脫氧的鋼一般都是本質(zhì)粗晶粒鋼，而經(jīng)鋁脫氧的鋼、**鋼則多為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。需進(jìn)行熱處理的工件，一般應(yīng)采用本質(zhì)細(xì)晶粒鋼制造。

2.影響奧氏體晶粒大小的因素

（1）加熱溫度和保溫時(shí)間。

加熱溫度高、保溫時(shí)間長(zhǎng)，奧氏體晶粒粗大，即使是本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，當(dāng)加熱溫度過(guò)高時(shí)，奧氏體晶粒也會(huì)迅速粗化。

（2）加熱速度

加熱速度越快，過(guò)熱度越大，形核率越高，晶粒越細(xì)
（3）合金元素

隨奧氏體中含碳量的增加，奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向變大，但如果碳以殘余滲碳體的形式存在，則由于其阻礙晶界移動(dòng)，反而使長(zhǎng)大傾向減小。同樣在鋼中加入碳化物形成元素和氮化物、氧化物形成元素，都能阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大。

（4）原始組織

接**衡狀態(tài)的組織有利于獲得細(xì)奧氏體晶粒

奧氏體晶粒粗大，冷卻后的組織也粗大，從而降低了鋼的常溫力學(xué)性能，尤其是塑性。因此，加熱時(shí)獲得細(xì)而均勻的奧氏體晶粒是熱處理的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

5.3 鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變

冷卻是熱處理更重要的工序，因?yàn)殇摰某亓W(xué)性能與其冷卻后的組織密切相關(guān)。鋼在不同的冷卻速度下可轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織，包括平衡組織和非平衡組織。

5.3.1 過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及轉(zhuǎn)變過(guò)程

過(guò)冷奧氏體：處于臨界點(diǎn)A1以下的奧氏體

過(guò)冷奧氏體是非穩(wěn)定組織，遲早要發(fā)生轉(zhuǎn)變。隨過(guò)冷度的不同，過(guò)冷奧氏體將發(fā)生三種類型轉(zhuǎn)變：珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變。

一、珠光體轉(zhuǎn)變

1.轉(zhuǎn)變條件：過(guò)冷奧氏體在A1→550℃溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類型的組織；

2.轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：鐵素體與滲碳體片層相間的機(jī)械混合組織，根據(jù)片層厚薄的不同，又可細(xì)分為：

（1）珠光體(P)：形成溫度A1～650 ℃，片層較厚，500倍光學(xué)顯微鏡下可辨，用符號(hào)P表示，組織?！?/font>

（2）索氏體(S)：形成溫度為650～600℃，片層較薄，800-1000倍光學(xué)顯微鏡下可辨，用符號(hào)S表示

（3）托氏體(T)：形成溫度為600～550℃，片層極薄，電子顯微鏡下可辨，用符號(hào)T表示，組織如下圖所示。

這三種組織無(wú)本質(zhì)區(qū)別，只是片層厚度不同，因此其界限也是相對(duì)的。片間距越小，鋼的強(qiáng)度、硬度越高，同時(shí)塑性和韌性略有改善。

3.奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w過(guò)程：

二、貝氏體轉(zhuǎn)變

1.轉(zhuǎn)變條件：過(guò)冷奧氏體在550℃～Ms（對(duì)于共析鋼而言，Ms為230℃）溫度范圍內(nèi)將轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w型組織。

2.轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：Fe3C與含碳過(guò)飽和鐵素體的兩相機(jī)械混合物，根據(jù)貝氏體的組織形態(tài)不同，又分為：

上貝氏體轉(zhuǎn)變：形成溫度550～350 ℃，用符號(hào)（B上）來(lái)表示。在光鏡下呈羽毛狀，不連續(xù)的滲碳體分布于自?shī)W氏體晶界向晶內(nèi)平行生長(zhǎng)的鐵素體條之間。如下圖所示。

上貝氏體性能特點(diǎn)：上貝氏體中鐵素體片較寬，碳化物較粗，且分布不均勻，它的脆性較大，強(qiáng)度較低，基本上無(wú)實(shí)用價(jià)值。

下貝氏體轉(zhuǎn)變：形成溫度為350℃～Ms，用符號(hào)（B下）來(lái)表示。在光鏡下呈竹葉狀，細(xì)片狀碳化物分布于鐵素體針上，如下圖所示。

下貝氏體性能特點(diǎn)：下貝氏體中碳化物細(xì)小，分布均勻，除有較高的強(qiáng)度和硬度外，還有良好的塑性和韌性，是生產(chǎn)上常用組織，因此獲得下貝氏體組織是強(qiáng)化鋼材的途徑之一。 

3.奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w過(guò)程：

貝氏體轉(zhuǎn)變也是形核和長(zhǎng)大的過(guò)程，發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，首先在奧氏體中的貧碳區(qū)形成鐵素體晶核，其含碳量介于奧氏體和滲碳體之間，為過(guò)飽和鐵素體。

上貝氏體的形成過(guò)程（如下圖所示）：當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度較高（550-350℃）時(shí)，條片狀鐵素體從奧氏體晶界向晶內(nèi)平行生長(zhǎng)，隨鐵素體條伸長(zhǎng)和變寬，其碳原子向條間奧氏體富集，*后在鐵素體條間析出Fe3C短棒，奧氏體消失，形成上貝氏體。 

下貝氏體的形成過(guò)程（如下圖所示）：當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度較低（350-230℃）時(shí)，鐵素體在晶界或晶內(nèi)某些晶面上長(zhǎng)成針狀，由于碳原子擴(kuò)散能力低，其遷移不能逾越鐵素體片的范圍，碳在鐵素體的一定晶面上以斷續(xù)碳化物小片的形式析出，形成下貝氏體。

三、馬氏體轉(zhuǎn)變

1）轉(zhuǎn)變條件：溫度區(qū)間低于Ms點(diǎn)，過(guò)冷奧氏體在該溫度下不能在恒溫下轉(zhuǎn)變，而是以極大的過(guò)冷度連續(xù)冷卻。

2）轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：碳在α-Fe中的過(guò)飽和間隙固溶體。根據(jù)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物形態(tài)的不同，馬氏體分為板條馬氏體和針狀馬氏體。

板條馬氏體：其立體形態(tài)為細(xì)長(zhǎng)的扁棒狀，在光鏡下為一束束的細(xì)條狀組織，每束內(nèi)條與條之間尺寸大致相同并呈平行排列，一個(gè)奧氏體晶粒內(nèi)可形成幾個(gè)取向不同的馬氏體束。在透射電鏡下，板條內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)主要是高密度的位錯(cuò)，因而又稱為位錯(cuò)馬氏體。 

針狀馬氏體：其立體性態(tài)為雙凸透鏡性的片狀，顯微組織為針狀。在透射電鏡下觀察表明，其亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶，因而又稱為孿晶馬氏體。

在一個(gè)奧氏體晶粒內(nèi)，先形成的馬氏體橫穿整個(gè)晶粒，但不能穿過(guò)晶界和孿晶界，后形成的馬氏體片不能穿過(guò)先形成的馬氏體，所以越是后形成的馬氏體片越細(xì)小。原始奧氏體晶粒細(xì)，轉(zhuǎn)變后的馬氏體片也細(xì)。

馬氏體的形態(tài)主要取決于其含碳量，如下圖所示，當(dāng)含碳量小于0.2%時(shí)，轉(zhuǎn)變后的組織幾乎全部是板條馬氏體，而當(dāng)含碳量大于1.0%時(shí)，則幾乎全部是針狀馬氏體。含碳量在0.2%～1.0%時(shí)，為板條狀和針狀馬氏體的混合物

3）馬氏體的性能

高硬度是馬氏體性能的主要特點(diǎn)。馬氏體的硬度主要取決于其含碳量，含碳量增加，其硬度也隨之提高，當(dāng)含碳量大于0.6%時(shí)，其硬度趨于平緩，如下圖所示。合金元素對(duì)馬氏體的硬度影響不大。馬氏體強(qiáng)化的主要原因是過(guò)飽和碳引起的固溶強(qiáng)化，此外，馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的組織細(xì)化也有強(qiáng)化作用。馬氏體強(qiáng)化是鋼的主要強(qiáng)化手段之一，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。

4）馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)

無(wú)擴(kuò)散型：鐵和碳原子都不發(fā)生擴(kuò)散，因而馬氏體的含碳量與奧氏體的含碳量相同。

降溫形成：只要溫度達(dá)到Ms以下即發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，溫度下降，轉(zhuǎn)變量增加，冷卻中斷，轉(zhuǎn)變停止，到Mf轉(zhuǎn)變終了。Ms、Mf與冷卻速度無(wú)關(guān)，取決于奧氏體中的含碳量。 

高速長(zhǎng)大：馬氏體形成速度極快，瞬間形核，瞬間長(zhǎng)大；

轉(zhuǎn)變不完全：即使冷卻到Mf點(diǎn)，也不可能獲得100%的馬氏體，總有部分殘余奧氏體未能轉(zhuǎn)變而殘留下來(lái)，稱為殘余奧氏體，用A′表示。馬氏體轉(zhuǎn)變后的殘余奧氏體量隨含碳量的增加而增加，當(dāng)含碳量達(dá)0.5%后，殘余奧氏體量才顯著，如下圖所示。

5.3.2 過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖

在熱處理中，通常有兩種冷卻方式，即等溫冷卻和連續(xù)冷卻。如下圖所示，過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖即為描述在這兩種冷卻方式下過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變量和轉(zhuǎn)變時(shí)間之間的關(guān)系曲線圖。過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖是對(duì)鋼進(jìn)行熱處理的重要依據(jù)。 

一、過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變圖

概念：指表示奧氏體急速冷卻到臨界點(diǎn)A1以下，在各種不同溫度的保溫過(guò)程中，轉(zhuǎn)變量與轉(zhuǎn)變時(shí)間之間關(guān)系的曲線圖。也稱TTT（Temperature Time Transformation）曲線，因?yàn)槠湫螤钕褡帜?/font>C,所以又稱C曲線。C曲線是利用熱分析等方法獲得的。

1.共析鋼C曲線的分析

兩條C形曲線中，左邊的一條及Ms是過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始線，右邊的一條及Mf線是過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變終了線。A1線、Ms線、轉(zhuǎn)變開(kāi)始線及縱坐標(biāo)所包圍的區(qū)域?yàn)檫^(guò)冷奧氏體去，轉(zhuǎn)變終了線以右及Mf線以下為轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)。轉(zhuǎn)變開(kāi)始線和轉(zhuǎn)變終了線之間及Ms線與Mf線之間為轉(zhuǎn)變區(qū)。

孕育期：轉(zhuǎn)變開(kāi)始線與縱坐標(biāo)之間的距離為孕育期。孕育期越小，過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性越小。孕育期*短處稱為C曲線的“鼻尖”。對(duì)于碳鋼，“鼻尖”處的溫度為550℃。過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性取決于相變驅(qū)動(dòng)力和擴(kuò)散這兩個(gè)因素。在“鼻尖”以上，過(guò)冷度越小，相變驅(qū)動(dòng)力也越??；在“鼻尖”以下，溫度越低，原子擴(kuò)散越困難，兩者都使奧氏體穩(wěn)定性增加，孕育期增長(zhǎng)。

1） 影響C曲線的因素

影響C曲線的主要因素是奧氏體的成分和奧氏體化條件。

含碳量的影響：共析鋼過(guò)冷奧氏體*為穩(wěn)定，C曲線*靠右。由共析鋼成分開(kāi)始，含碳量增加或減少都使C曲線左移，而Ms點(diǎn)與Mf點(diǎn)則隨含碳量增加而下降。 

合金元素的影響：除Co以外，凡溶入奧氏體的合金元素都使C曲線右移，除Co和Al以                 外，所有合金元素都使Ms與Mf點(diǎn)下降。

奧氏體化條件的影響：

二、過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖

在實(shí)際生產(chǎn)中，熱處理的冷卻多采用連續(xù)冷卻。因此，過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖對(duì)于確定熱處理工藝及選材更具有實(shí)際意義。過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖又稱為CCT曲線（Continuous Cooling Transformation），它是通過(guò)測(cè)定不同冷卻速度下過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變量和轉(zhuǎn)變時(shí)間的關(guān)系獲得的。

在碳鋼中，共析鋼的CCT曲線（如下圖所示）*簡(jiǎn)單，它沒(méi)有貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)之下多了一條轉(zhuǎn)變中止線K。當(dāng)連續(xù)冷卻曲線碰到轉(zhuǎn)變中止線時(shí)，過(guò)冷奧氏體中止向珠光體轉(zhuǎn)變，余下的奧氏體一直保持到Ms以下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。與TTT曲線相比，CCT曲線位于其右下方。 

共析鋼的連續(xù)轉(zhuǎn)變冷卻曲線 

圖中Vk是CCT曲線的臨界冷卻速度，即在連續(xù)冷卻條件下獲得全部馬氏體組織的*小冷卻速度。Vk′為TTT曲線的臨界冷卻速度，Vk′=1.5Vk。顯然，C曲線越靠右，Vk越小，過(guò)冷奧氏體越穩(wěn)定。 

由于CCT曲線獲得困難，而TTT曲線容易測(cè)得，因而在手冊(cè)中TTT曲線較多。可用TTT曲線定性說(shuō)明連續(xù)冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變情況，方法是將冷卻曲線繪在C曲線上，依其與C曲線交點(diǎn)的位置來(lái)說(shuō)明*終轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。

當(dāng)冷卻緩慢時(shí)（爐冷），過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，冷卻較快時(shí)（空冷），過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w。采用油冷時(shí)，過(guò)冷奧氏體先有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橥惺象w，剩余的奧氏體在冷卻到Ms以下后轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，其室溫組織為托氏體+馬氏體+殘余奧氏體。當(dāng)冷卻速度大于Vk時(shí)，過(guò)冷奧氏體將在Ms以下直接轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，其室溫組織為馬氏體+殘余奧氏體。

5.4 鋼的退火和正火

機(jī)械零件的一般加工工藝路線如下：

退火和正火主要用于預(yù)備熱處理，只有當(dāng)工件性能要求不高時(shí)才作為*終熱處理。 

5.4.1 退火

將鋼加熱到適當(dāng)溫度保溫，然后緩慢冷卻（爐冷）的熱處理工藝稱為退火。退火后的組織接近于鋼在平衡狀態(tài)下的組織。

一、退火目的

① 調(diào)整硬度以便進(jìn)行切削加工；

② 消除殘余內(nèi)應(yīng)力，以防止鋼件在淬火時(shí)產(chǎn)生變形或開(kāi)裂；

③ 細(xì)化晶粒，改善組織，提高力學(xué)性能，為*終熱處理作準(zhǔn)備。

二、退火工藝

退火的種類很多，常用的有完全退火、等溫退火、球化退火、擴(kuò)散退火、去應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火等類型。各種退火工藝的加熱溫度范圍如下圖所示：

完全退火：將工件加熱到Ac3 +（30～50℃），保溫后緩冷的退火工藝，完全退火主要用于亞共析鋼，使中碳以上的鋼軟化以便于切削加工，并消除內(nèi)應(yīng)力。

等溫退火：將亞共析鋼加熱到Ac3+（30～50℃），將共析鋼、過(guò)共析鋼加熱Ac1+（30～50℃），保溫后快冷到Ar1以下的某一溫度，并在此溫度下停留，待相變完成后出爐空冷的退火工藝。等溫退火可縮短工件在爐內(nèi)停留時(shí)間，更適合于孕育期長(zhǎng)的合金鋼，如下圖所示。

球化退火：使高碳鋼中滲碳體球狀化的退火工藝，將工件加熱到Ac1+（30～50℃）充分保溫后緩冷，或者加熱后冷卻到略低于Ar1的溫度下保溫，從而使珠光體中的滲碳體球狀化的退火工藝。球化退火主要用于共析鋼和過(guò)共析鋼，目的在于降低硬度，改善切削加工性能，并為后續(xù)熱處理作組織準(zhǔn)備。

球化退火的組織為鐵素體基體上分布著顆粒狀滲碳體，稱為球狀珠光體（如下圖所示）。對(duì)于有網(wǎng)狀二次滲碳體的過(guò)共析鋼，在球化退火前先進(jìn)行正火，以消除網(wǎng)狀滲碳體。

5.4.2 正火

正火是將亞共析鋼加熱到Ac3+30～50℃，過(guò)共析鋼加熱到Accm+30～50℃，保溫后空冷的熱處理工藝。

由于正火比退火冷卻速度大，因而正火組織比退火細(xì)，強(qiáng)度和硬度也比退火組織高，當(dāng)碳鋼的含碳量小于0.6%，正火后組織為鐵素體加索氏體，當(dāng)含碳量大于0.6%時(shí)，正火后組織為索氏體。

對(duì)于低、中碳鋼的亞共析鋼而言，正火的目的與退火的目的相同，即調(diào)整硬度，便于切削加工；細(xì)化晶粒，為淬火作組織準(zhǔn)備；消除殘余內(nèi)應(yīng)力。對(duì)于過(guò)共析鋼而言，正火是為了消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火作組織準(zhǔn)備。對(duì)于普通結(jié)構(gòu)件而言，正火可增加珠光體量并細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度、硬度和韌性，作為*終熱處理。

從改善切削加工性能的角度出發(fā)，低碳鋼宜采用正火；中碳鋼既可采用退火，也可采用正火；過(guò)共析鋼在消除網(wǎng)狀滲碳體后采用球化退火。 

5.5 鋼的淬火與回火

5.5.1 淬火

淬火是指將將鋼加熱到臨界點(diǎn)以上，保溫后以大于Vk的速度冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的熱處理工藝。因此，淬火的目的就是為了獲得馬氏體，提高鋼的力學(xué)性能。淬火是鋼的*重要的強(qiáng)化方法，也是應(yīng)用*廣的熱處理工藝之一。

一、淬火溫度

淬火溫度即鋼奧氏體化溫度，是淬火的主要工藝參數(shù)之一。碳鋼的淬火溫度可利用合金相圖來(lái)選擇（如下圖所示）。

對(duì)于亞共析鋼，淬火溫度為Ac3 +30～50℃。當(dāng)含碳量不高于0.5%時(shí)，淬火后組織為馬氏體，當(dāng)含碳量大于0.5%時(shí)，淬火后組織為馬氏體與少量殘余奧氏體（如下圖所示）。

亞共析鋼在Ac1～Ac3之間加熱淬火后的組織為馬氏體加鐵素體，由于組織中有自由鐵素體存在，使鋼的強(qiáng)度和硬度降低，但可改善韌性，這種淬火稱為亞溫淬火，如處理得當(dāng)，亞溫淬火也可作為一種強(qiáng)韌化處理方法。

對(duì)于共析鋼和過(guò)共析鋼，淬火溫度為Ac1+（30-50）℃。共析鋼淬火后的組織為馬氏體和少量殘余奧氏體。過(guò)共析鋼由于淬火前經(jīng)過(guò)球化退火，因而淬火后組織為細(xì)馬氏體加顆粒狀的滲碳體和少量殘余奧氏體，如下圖所示。分散分布的顆粒狀滲碳體對(duì)提高鋼的硬度和耐磨性有利。如果將過(guò)共析鋼加熱到Accm以上，則由于奧氏體晶粒粗大，含碳量提高，使淬火后馬氏體晶粒也粗大，且殘余奧氏體量增多，這將使鋼的硬度、耐磨性下降，脆性和變形開(kāi)裂傾向增加。

對(duì)于合金鋼，由于大多數(shù)合金元素（Mn、P除外）有阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用，因而淬火溫度比碳鋼高，一般為臨界點(diǎn)以上50-100℃。

二、淬火介質(zhì)

理想淬火介質(zhì)的冷卻曲線（如下圖所示）應(yīng)只在C曲線“鼻尖”處快冷，而在Ms附近盡量緩冷，以達(dá)到既獲得馬氏體組織，又減小內(nèi)應(yīng)力的目的，但目前還沒(méi)有找到這種理想介質(zhì)。

常用的淬火介質(zhì)是水和油。

水是經(jīng)濟(jì)的且冷卻能力較強(qiáng)的淬火介質(zhì)，水的缺點(diǎn)是在650-550℃范圍內(nèi)的冷卻能力不夠強(qiáng)，而在300-200℃范圍內(nèi)冷卻能力又太大，因此生產(chǎn)上主要用于形狀簡(jiǎn)單、截面較大的碳鋼件的淬火。

油在低溫區(qū)冷卻能力較理想，但在高溫區(qū)冷卻能力太低，因此主要用于合金鋼和小尺寸的碳鋼件的淬火。大尺寸碳鋼件油淬時(shí)，由于冷卻不足，會(huì)出現(xiàn)珠光體型分解。

熔融的堿和鹽也常用作淬火介質(zhì)，稱為鹽浴或堿浴。這類介質(zhì)只適用于形狀復(fù)雜及變形要求嚴(yán)格的小型件的分級(jí)淬火和等溫淬火。

三、淬火方法

采用適當(dāng)?shù)拇慊鸱椒梢詮浹a(bǔ)冷卻介質(zhì)的不足，常用的淬火方法如下圖所示。 

1）單介質(zhì)淬火方法：是指將加熱工件在一種介質(zhì)中連續(xù)冷卻到室溫的淬火方法。如水淬和油淬都屬于這種方法。該方法操作簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，應(yīng)用較廣。

2）雙介質(zhì)淬火：是指將工件先在一種冷卻能力較強(qiáng)的介質(zhì)中冷卻，避免珠光體轉(zhuǎn)變，然后轉(zhuǎn)入另一種冷卻能力較弱的介質(zhì)中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的方法。常用的方法是水淬油冷或油淬空冷。其優(yōu)點(diǎn)是冷卻比較理想，缺點(diǎn)是**種介質(zhì)中停留時(shí)間不易控制，需要有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。該方法主要用于形狀復(fù)雜的碳鋼工件及大型合金鋼工件。

3）分級(jí)淬火：指將奧氏體化的工件淬入稍高于Ms點(diǎn)的鹽浴或堿浴中保溫，待工件表、心部溫度接近鹽浴溫度時(shí)取出來(lái)空冷的淬火方法。分級(jí)淬火可以很好地消除淬火工件表心部的溫差問(wèn)題，有效地減少工件變形開(kāi)裂傾向。

4）等溫淬火：加熱工件在高于Ms溫度的鹽浴或堿浴中冷卻并保溫足夠時(shí)間，獲得下貝體組織后再空冷的淬火方法。經(jīng)等溫淬火的零件具有良好的綜合力學(xué)性能，淬火應(yīng)力小，適用于形狀復(fù)雜及要求較高的小型件。

四、鋼的淬透性

淬透性是鋼的主要熱處理性能，它對(duì)合理選材和正確制定熱處理工藝具有重要意義。

1.鋼的淬透性及其測(cè)定方法

鋼在淬火時(shí)獲得淬硬層深度的能力稱為鋼的淬透性，其高低用規(guī)定條件下的淬硬層深度來(lái)表示。淬硬層深度是指工件表面到半馬氏體的深度。淬透性與淬硬性不同，淬硬性是指鋼淬火后所能達(dá)到的*高硬度，即硬化能力。

同一材料的淬硬層深度與工件的尺寸，冷卻介質(zhì)有關(guān)，工件尺寸小、冷卻能力強(qiáng)，淬硬層深，工件尺寸小、介質(zhì)冷卻能力強(qiáng)，淬硬層深，而淬透性與工件尺寸、冷卻介質(zhì)無(wú)關(guān)，它只用于不同材料之間的比較，是在尺寸、冷卻介質(zhì)相同時(shí)，用不同材料的淬硬層深度進(jìn)行比較的。

淬透性常用末端淬火法測(cè)定（如下圖所示），將標(biāo)準(zhǔn)化試樣奧氏體化后，對(duì)末端進(jìn)行噴水冷卻。然后從水冷段開(kāi)始，每隔一定距離測(cè)量一個(gè)硬度值，即可得到試樣沿軸向的硬度分布曲線，稱為鋼的淬透性曲線。 

2.影響淬透性的因素

1）鋼的淬透性取決于其臨界冷卻速度，臨界冷卻速度越小，則奧氏體越穩(wěn)定，鋼的淬透性越高。臨界冷卻速度取決于C曲線的位置，C曲線越靠右，臨界冷卻速度越小，因而凡是影響C曲線的因素都是影響淬透性的因素。

2) 在碳鋼中，共析鋼的臨界冷卻速度*小，因而其淬透性在碳鋼中*高。

3) 除Co外，凡溶入奧氏體的合金元素都使C曲線右移，臨界冷卻速度減小，鋼的淬透性提高。

4) 提高奧氏體化溫度、延長(zhǎng)保溫時(shí)間可使奧氏體晶粒長(zhǎng)大、成分均勻，從而提高了奧氏體的穩(wěn)定性，使鋼的淬透性提高，而鋼中未溶的**相則促進(jìn)冷卻轉(zhuǎn)變時(shí)的形核，降低奧氏體的穩(wěn)定性，使淬透性下降。

3.淬透性的應(yīng)用

力學(xué)性能是機(jī)械設(shè)計(jì)中選材的主要依據(jù)，而鋼的淬透性又直接影響其熱處理后的力學(xué)性能。因此，在選材時(shí)，必須對(duì)鋼的淬透性有充分的了解。

下圖為兩種淬透性不同的鋼制成相同的軸經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，其力學(xué)性能的比較。高淬透性的鋼的整個(gè)截面都是回火索氏體組織，力學(xué)性能均勻，強(qiáng)度高，韌性好。低淬透性鋼的心部組織為片狀索氏體加鐵素體，韌性差。 

對(duì)于截面尺寸較大、形狀復(fù)雜的重要零件以及承載較大、要求截面力學(xué)性能均勻的零件，應(yīng)選用高淬透性的鋼制造，并要求全部淬透。而承受彎曲和扭轉(zhuǎn)的零件，由于其外層受力較大，心部受力較小，可選用淬透性較低的鋼種，不必全部淬透。

5.5.2鋼的回火

回火是指將淬火鋼加熱到A1以下的某溫度保溫后冷卻的熱處理工藝。

一、 回火的目的

1) 消除或減少淬火內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形或開(kāi)裂；

2) 獲得工藝所要求的力學(xué)性能；

3) 穩(wěn)定工件尺寸。淬火馬氏體和殘余奧氏體都是非平衡組織，有自發(fā)向平衡組織鐵素體加滲碳體轉(zhuǎn)變的傾向?；鼗鹂墒柜R氏體和殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶饣蚪?*衡的組織，防止使用時(shí)變形。

4) 對(duì)于某些高淬透性的鋼，空冷即可淬火，如采用退火則軟化周期太長(zhǎng)，則采用回火軟化即能降低硬度，又能縮短軟化周期。

對(duì)于未經(jīng)淬火的鋼，回火是沒(méi)有意義的，而淬火鋼不經(jīng)回火一般也不能直接使用，為避免淬火件在放置過(guò)程中發(fā)生變形或開(kāi)裂，鋼件經(jīng)淬火后應(yīng)及時(shí)回火。

二、 回火的種類

根據(jù)鋼的回火溫度范圍，可將回火分為3類。

1.低溫回火

回火溫度為150-250℃。低溫回火時(shí)發(fā)生如下變化，得到M回組織。 

低溫回火的目的是在保留淬火后高硬度、高耐磨性的同時(shí)，降低內(nèi)應(yīng)力，提高韌性。主要用于處理各種工具、模具、軸承及經(jīng)滲碳和表面淬火的工件。

2.中溫回火

回火溫度為350-500℃。中溫回火時(shí)發(fā)生如下變化，得到T回組織，即為在保持馬氏體形態(tài)的鐵素體基體上分布著細(xì)粒狀滲碳體的組織。

回火托氏體組織具有較高的彈性極限和屈服極限，并具有一定的韌性，硬度一般為35HRC-45HRC，主要用于各類彈簧的處理。

3.高溫回火

回火溫度為500-650℃。高溫回火時(shí)發(fā)生如下變化，得到S回組織，即為在多邊性鐵素體基體上分布著顆粒狀Fe3C的組織。

回火索氏體具有良好的綜合力學(xué)性能，即在保持較高強(qiáng)度的同時(shí)，具有良好的塑性和韌性，硬度一般為25HRC-35HRC。

回火時(shí)的組織變化必然引起力學(xué)性能的變化，總的趨勢(shì)是隨回火溫度提高，鋼的強(qiáng)度、硬度下降，塑性、韌性提高。下圖為淬火硬度隨回火溫度的變化曲線?？梢钥闯觯?font face="Arial">200℃以下回火時(shí)，由于馬氏體中碳化物的彌散析出，鋼的硬度并不下降，高碳鋼硬度略有提高。在200-300℃回火時(shí)，由于高碳鋼中的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，硬度再次升高。在300℃以上回火時(shí)，由于滲碳體粗化，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，硬度直線下降。

通常把淬火加高溫回火的熱處理工藝稱為“調(diào)質(zhì)處理”，簡(jiǎn)稱“調(diào)質(zhì)”。調(diào)質(zhì)廣泛用于各種重要結(jié)構(gòu)件，如連桿、軸、齒輪等的處理，也可作為某些要求較高的精密零件、量具等的預(yù)備熱處理。

三、 回火脆性

回火脆性：淬火鋼的韌性并不總是隨溫度升高而提高，在某些溫度范圍內(nèi)回火時(shí)，會(huì)出現(xiàn)沖擊韌性下降的現(xiàn)象，稱為回火脆性（如上圖所示）。 

不可逆回火脆性：是指淬火鋼在250-350℃回火時(shí)出現(xiàn)的脆性，又稱**類回火脆性。這種回火脆性是不可逆的，只要在此溫度范圍內(nèi)回火就會(huì)出現(xiàn)脆性，目前尚未有效消除方法。因而回火時(shí)應(yīng)避開(kāi)這一溫度。

可逆回火脆性：是指淬火鋼在500-600℃范圍內(nèi)回火后緩冷時(shí)出現(xiàn)的脆性，又稱**類回火脆性。這類回火脆性主要發(fā)生在含Cr、Ni、Si、Mn等合金元素的結(jié)構(gòu)鋼中。一般認(rèn)為這類回火脆性與上述元素促進(jìn)Sb、Sn、P等雜質(zhì)在原奧氏體晶界上偏聚有關(guān)。如果回火后快速冷卻則不出現(xiàn)這類脆性。此外，在鋼中加入合金元素W、Mo也可有效抑制這類回火脆性的產(chǎn)生，這種方法更適合于大截面的零部件。

5.6 鋼的表面熱處理 

5.6.1 表面淬火

對(duì)于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、摩擦或沖擊的零件，一般要求表面具有高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和疲勞極限而心部具有足夠的塑性和韌性即表硬里韌，對(duì)零件進(jìn)行表面熱處理是滿足這些性能要求的有效方法。

一、表面淬火用材及預(yù)備熱處理

1.適用范圍：表面淬火適用于含碳量為0.4%～0.5%的中碳結(jié)構(gòu)鋼，如：40、45鋼、40Cr、40MnB及60Ti等低淬透性鋼。如果含碳量過(guò)高，則會(huì)降低工件心部韌性；如含碳量過(guò)低，則會(huì)降低鋼的表面硬度和耐磨性。此外，表面淬火還可用于鑄鐵，如機(jī)床導(dǎo)軌表面的熱處理，以提高其耐磨性。

2.預(yù)備熱處理：表面淬火所要求的預(yù)備熱處理為調(diào)質(zhì)或正火，前者性能高，用于要求較高的重要零部件，后者用于要求不高的普通構(gòu)件。預(yù)備熱處理的目的是為表面淬火作組織準(zhǔn)備，并獲得*終的心部組織。

二、表面淬火后的回火及組織

表面淬火后為低溫回火 回火溫度不高于200℃?；鼗鹉康氖菫榱私档蛢?nèi)應(yīng)力并保留表面淬火后的高硬度和高耐磨性。回火后的組織是表面組織為回火馬氏體，心部組織為回火索氏體（預(yù)備熱處理為調(diào)質(zhì)時(shí)）或鐵素體加索氏體（預(yù)備熱處理為正火時(shí)）。

三、表面淬火常用的加熱方法

1.感應(yīng)加熱：利用交變電流在工件表面感應(yīng)產(chǎn)生巨大渦流，使工件表面迅速加熱的方法。

2）感應(yīng)加熱淬火的特點(diǎn): 

（1） 加熱速度快，工件不易脫碳，變形??；

（2） 獲得的馬氏體組織極細(xì)，硬度高、脆性小、疲勞強(qiáng)度好；

（3） 加熱層深度易控制，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化批量生產(chǎn)。

上述特點(diǎn)使感應(yīng)淬火加熱表面淬火在生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，其缺點(diǎn)是設(shè)備較貴，形狀復(fù)雜零件的處理比較困難。

2.火焰加熱表面淬火

利用乙炔火焰直接加熱工件表面的方法?；鹧姹砻婕訜岽慊鹑缦聢D所示，其淬硬層深度一般為2～8mm。這種處理的特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、靈活性大，但淬火質(zhì)量不易控制。主要用于單件、小批量生產(chǎn)工件及大型工件的表面淬火。

5.6.2 化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是將工件置于一定的化學(xué)介質(zhì)中加熱、保溫，使介質(zhì)中一種或幾種元素的原子滲入工件表層，以改變工件表層化學(xué)成分和組織且又能有更高強(qiáng)韌性的熱處理工藝。

根據(jù)滲入的元素不同，化學(xué)熱處理可分為滲碳、氮化、多元共滲、滲其他元素等。

化學(xué)熱處理由三個(gè)基本過(guò)程組成：

1）介質(zhì)的分解：即加熱時(shí)介質(zhì)中的化合物分子發(fā)生分解并釋放出活性原子；

2）工件表面的吸收：即活性原子向固溶體中溶解或與鋼中某些元素形成化合物；

3）原子向內(nèi)部擴(kuò)散：即溶入的元素原子在濃度梯度的作用下由表層向鋼內(nèi)部的擴(kuò)散。

一、滲碳

滲碳是指向鋼表面滲入碳原子的過(guò)程。滲碳是為了使低碳鋼工件（含碳量為0.1%～0.25%）表面獲得高的碳濃度（0.85%～1.05%），從而提高工件表面的硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，同時(shí)保持心部良好的韌性和塑性。若采用中碳以上的鋼滲碳，則將降低工件心部的韌性。滲碳主要用于那些對(duì)耐磨性要求較高、同時(shí)承受較大沖擊載荷的零件，如齒輪、活塞銷及套筒等。

1）滲碳方法

滲碳的方法通常有氣體滲碳、液體滲碳、固體滲碳等，*常用的是氣體滲碳。

氣體滲碳是將工件放人密封的滲碳爐內(nèi)，使工件在高溫(900—950℃)的滲碳?xì)夥罩羞M(jìn)行滲碳（如下圖所示）。氣體滲碳法的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，滲層質(zhì)量好，勞動(dòng)強(qiáng)度低，便于直接淬火；氣體滲碳法的缺點(diǎn)是碳量及滲層深度不易**控制，電力消耗大等。

2）滲碳后熱處理

工件滲碳后必須進(jìn)行淬火加低溫回火處理后才能使用?；鼗饻囟纫话銥?font face="Arial">160-180℃，常用的淬火方法有以下3種：直接淬火、一次淬火和二次淬火。

3）滲碳層的成分、組織和厚度

低碳鋼工件滲碳后，其表面含碳量可達(dá)過(guò)共析鋼的成分，由表向里碳濃度逐漸降低，直至鋼的原始含碳量。一般規(guī)定，從表面到過(guò)渡層一半處的厚度為滲碳層的厚度，滲碳層表面的含碳量以0.85%-1.05%為*好。 

二、氮化

1.氮化是指向鋼的表面滲入氮原子的過(guò)程，其目的是為了提高工件表面的硬度、疲勞強(qiáng)度、耐磨性及耐蝕性。

2.氮化用鋼通常為含有Cr、Mo、Al、Ti、V等合金元素的中碳鋼。

如38CrMoAl。氮化溫度較低，一般為500-570℃。氮化層厚度隨工件的不同而有所區(qū)別，一般不會(huì)超過(guò)0.6-0.7mm。工件在氮化前需進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以保證氮化件心部具有較高的強(qiáng)度和韌性。

3.氮化的特點(diǎn)

1）氮化件表面硬度高（1000-2000HV），耐磨性好，還具有高的熱硬性；

2）氮化件疲勞強(qiáng)度高。這是由于氮化后表層體積增大，產(chǎn)生壓應(yīng)力；

3）氮化件變形小。這是由于氮化溫度低，而且氮化后不再進(jìn)行熱處理；

4）氮化件耐蝕性好。這是由于氮化后表面形成一層致密的化學(xué)穩(wěn)定性相。

氮化的缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，成本高，氮化層薄，因而主要用于耐磨性及精度均要求很高的零件，或要求耐熱、耐磨及耐蝕的零件，如精密機(jī)床的絲杠、鏜床主軸、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸及熱作模具等。

三、碳氮共滲

1.碳氮共滲是指使工件表面同時(shí)滲入碳原子和氮原子的化學(xué)熱處理工藝，也稱氰化。

2.氰化用鋼：主要是滲碳鋼，但也可用中碳鋼和中碳合金鋼。

3.氰化的特點(diǎn)：與滲碳相比，氰化具有處理溫度低、時(shí)間短，生產(chǎn)效率高，工件變形小等優(yōu)點(diǎn)，但其滲層較薄，主要用于形狀復(fù)雜、要求變形小的小型耐磨件。

5.7 金屬材料表面熱處理新技術(shù) 

近二十年，金屬材料表面處理新技術(shù)得到了迅速發(fā)展，開(kāi)發(fā)出了許多新的工藝方法，這里只介紹其中主要的幾種。

5.7.1 熱噴涂技術(shù)

將熱噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，用高壓氣流使其霧化并噴射于工件表面形成涂層的工藝稱為熱噴涂。利用熱噴涂技術(shù)可改善材料的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及絕緣性等,已廣泛用于包括航空航天、原子能、電子等**技術(shù)在內(nèi)的幾乎所有領(lǐng)域。

1. 涂層的結(jié)構(gòu)

熱噴涂層是由無(wú)數(shù)變形粒子相互交錯(cuò)呈波浪式疊在一起的層狀結(jié)構(gòu)，粒子之間不可避免地存在著孔隙和氧化物夾雜缺陷?？紫堵室驀娡糠椒ú煌?，一般在4％～20％之間，氧化物夾雜是噴涂材料在空氣中發(fā)生氧化形成的?？紫逗蛫A雜的存在將使涂層的質(zhì)量降低，可通過(guò)提高噴涂溫度、噴速，采用保護(hù)氣氛噴涂及噴后重熔處理等方法減少或消除這些缺陷。

噴涂層與基體之間以及噴涂層中顆粒之間主要是通過(guò)鑲嵌、咬合、填塞等機(jī)械形式連接的，其次是微區(qū)治金結(jié)合及化學(xué)鍵結(jié)合。

2. 熱噴涂方法

常用的熱噴涂方法：

①火焰噴涂，多用氧-乙炔火焰作為熱源，具有設(shè)備簡(jiǎn)單操作方便成本低的特點(diǎn)，但涂層質(zhì)量不太高，目前應(yīng)用較廣；

②電弧噴涂，是以絲狀噴涂材料作為自耗電極，以電弧作為熱源的噴涂方法。與火焰噴涂相比，具有涂層結(jié)合強(qiáng)度高、能量利用率高、孔隙率低等優(yōu)點(diǎn)；

③等離子噴涂，是一種利用等離子弧作為熱源進(jìn)行噴涂的方法，具有涂層質(zhì)量?jī)?yōu)良、適應(yīng)材料廣泛的優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備較復(fù)雜。

3. 熱噴涂工藝

熱噴涂的工藝過(guò)程一般為：表面預(yù)處理→預(yù)熱→噴涂→噴后處理。

表面預(yù)處理主要是在去油、除銹后對(duì)表面進(jìn)行噴砂粗化。預(yù)熱主要用于火焰噴涂。噴后處理主要包括封孔、重熔等；

4. 熱噴涂的特點(diǎn)及應(yīng)用

熱噴涂的特點(diǎn)：

①工藝靈活：熱噴涂的對(duì)象小到ф10的內(nèi)孔，大到鐵塔、橋梁?？烧w噴涂，也可局部噴涂；

②基體及噴涂材料廣泛：基體可以是金屬和非金屬，涂層材料可以是金屬合金及塑料陶瓷等；

③工件變形?。簾釃娡渴且环N冷工藝，基體材料溫度不超過(guò)250℃；

④熱噴涂層可控：從幾十微米到幾毫米；

⑤生產(chǎn)效率高。

由于涂層材料的種類很多，所獲得的涂層性能差異很大，可應(yīng)用于各種材料的表面保護(hù)﹑強(qiáng)化及修復(fù)，并滿足特殊功能的需求。

5.7.2 氣相沉積技術(shù)

氣相沉積技術(shù)是指將含有沉積元素的氣相物質(zhì)，通過(guò)物理或化學(xué)的方法沉積字材料表面形成薄膜的一種新型鍍膜技術(shù)。根據(jù)沉積過(guò)程的原理不同，氣相沉積技術(shù)可分為物**相沉積（PVD）和化學(xué)氣相沉積（CVD）沉積兩大類.

1. 物**相沉積

物**相沉積是指在真空條件下，用物理的方法。使材料汽化成原子、分子或電離成離子，并通過(guò)氣相過(guò)程，在材料表面沉積一層薄膜的技術(shù)。物理沉積技術(shù)主要包括真空蒸鍍﹑濺射鍍、離子鍍等三種基本方法。

真空蒸鍍是蒸發(fā)成膜材料使其汽化或升華沉積到工件表面形成薄膜的方法。根據(jù)蒸鍍材料熔點(diǎn)的不同，其加熱方式有電阻加熱、電子束加熱、激光加熱等多種。真空蒸鍍的特點(diǎn)是設(shè)備、工藝及操作簡(jiǎn)單，但因汽化粒子動(dòng)能低，鍍體與基體結(jié)合力較弱，鍍層較疏松，因而耐沖擊、耐磨損性能不高。

濺射鍍是指在真空下通過(guò)輝光放電來(lái)電離氬氣，產(chǎn)生的氬離子在電場(chǎng)作用下加速轟擊陰極，被濺射下來(lái)的粒子沉積到工件表面成膜的方法。其優(yōu)點(diǎn)是氣化粒子動(dòng)能大、適用材料廣泛（包括基體材料和鍍膜材料）均鍍能力好，但沉積速度慢、設(shè)備昂貴。

離子鍍是指在真空下利用氣體放電技術(shù)，將蒸發(fā)的原子部分電離成離子，與同時(shí)產(chǎn)生的大量高能中性粒子一起沉積到工件表面成膜的方法。其特點(diǎn)是鍍層質(zhì)量高、附著力強(qiáng)、均鍍能力好、沉積速度快，但存在設(shè)備復(fù)雜、昂貴的特點(diǎn)。

物**相沉積具有適用的基體材料和膜層材料廣泛；工藝簡(jiǎn)單省材料無(wú)污染；獲得膜層膜附著力強(qiáng)膜層厚度均勻、致密、針空少等優(yōu)點(diǎn)。已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空航天、電子、光學(xué)和輕工業(yè)等領(lǐng)域制備耐磨、耐蝕、耐熱、導(dǎo)電、絕緣、光學(xué)、磁性、壓電、滑潤(rùn)、超導(dǎo)等薄膜。 

2. 化學(xué)氣相沉積(CVD)

化學(xué)氣相沉積是指在一定溫度下，混合氣體與基體表面相互作用而在基體表面形成金屬或化合物薄膜的方法。例如，氣態(tài)的TiCl4與N2和H2在受熱鋼的表面反應(yīng)生成TiN，并沉積在鋼的表面形成耐磨抗蝕的沉積層。

化學(xué)氣相沉積的特點(diǎn)是：沉積物種類多，可沉積金屬、半導(dǎo)體元素、碳化物、氮化物、硼化物等，并能在較大范圍內(nèi)控制膜的組成及晶型；能均勻涂敷幾何形狀復(fù)雜的零件；沉積速度快，膜層致密，與基體結(jié)合牢固；易于實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

由于化學(xué)氣相沉積膜層具有良的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及電學(xué)、光學(xué)等特殊性能，已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天、交通運(yùn)輸、煤化工等工業(yè)領(lǐng)域。

5.7.3 三束表面改性技術(shù)

三束表面改性技術(shù)是指將激光束、電子束和離子束（合稱“三束”）等具有高能量密度的能源施加到材料表面，使之發(fā)生物理、化學(xué)變化，以獲得特殊表面性能的技術(shù)。三束對(duì)材料表面的改性是通過(guò)改變材料的成分和結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于這些束流具有極高的能量密度，可對(duì)材料表面進(jìn)行快速加熱和快速冷卻，使表層的結(jié)構(gòu)和成分發(fā)生大幅度改變（如形成微晶、納米晶、、非晶、亞穩(wěn)成分固容體和化合物等），從而獲得所需要的特殊性能。此外，束流技術(shù)還具有能量利用率高、工件變形小、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。

1. 激光束表面改性技術(shù)

激光是由受激輻射引起的并通過(guò)諧振放大了的光。激光與一般光的不同之處是純單色，具有相干性，因而具有強(qiáng)大的能量密度。由于激光能量密度高，可在短時(shí)間內(nèi)將工件表面快速加熱或熔化，而心部溫度基本不變；當(dāng)激光輻射停止后，由于散熱速度快，又會(huì)產(chǎn)生“自激冷”。激光束表面改性技術(shù)主要應(yīng)用于以下幾方面：

（1） 激光表面淬火

又稱激光相變硬化。激光表面淬火件硬度高（比普通淬火高15%～20%）、耐磨、耐疲勞、變形極小，表面光亮，已廣泛用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸套、滾動(dòng)軸承圈、機(jī)床導(dǎo)軌、冷作模具等。

（2） 激光表面合金化

預(yù)先用鍍膜或噴涂等技術(shù)把所需要的合金元素涂敷到工件表面，再用激光束照射涂敷表面，使表面膜與基體材料表層融合在一起并迅速凝固，從而形成成分與結(jié)構(gòu)均不同于基體的、具有特殊性能的合金化表層。利用這種方法可以進(jìn)行局部表面合金化，使普通金屬零件的局部表面經(jīng)處理后可獲得**合金的性能。該方法還具有層深層寬可精密控制、合金用量少、對(duì)基體影響小、可將高熔點(diǎn)合金涂敷到低熔點(diǎn)合金表面等優(yōu)點(diǎn)，已成功用于改善發(fā)動(dòng)機(jī)閥座和活塞環(huán)、渦輪葉片等零件的性能和壽命。

激光束表面改性技術(shù)也可用于激光涂敷，以克服熱噴涂層的氣孔、夾雜和微裂紋缺陷；還可用于氣相沉積技術(shù)，以提高沉積層與基體的結(jié)合力。 

2. 電子束表面改性技術(shù)

電子束表面改性技術(shù)是以在電場(chǎng)中高速移動(dòng)的電子作為載能體。除所使用的熱源不同外，電子束表面改性技術(shù)與激光束表面改性技術(shù)的原理和工藝基本類似。凡激光束可進(jìn)行的熱處理，電子束也都可以進(jìn)行。

與激光束表面改性技術(shù)相比，電子束表面改性技術(shù)還具有以下特點(diǎn)：

① 由于電子束具有更高的能量密度，加熱的尺寸范圍和深度更大；

② 設(shè)備投資較低，操作較方便；

③ 因需要真空條件，故零件的尺寸受到限制。

3. 離子注入表面改性技術(shù)

離子注入是指在真空下，將注入元素離子在幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)電子伏特電場(chǎng)作用下高速注入材料表面，使材料表面層的物力、化學(xué)和機(jī)械性能發(fā)生變化的方法。

離子注入的特點(diǎn)是：可注入任何元素，不受固溶度和熱平衡的限制；注入溫度可控，不氧化、不變形；注入層厚度可控，注入元素分布均勻；注入層與基體結(jié)合牢固，無(wú)明顯界面；可同時(shí)注入多種元素，也可獲得兩層或兩層以上性能不同的復(fù)合層。

通過(guò)離子注入可提高材料的耐磨性、耐蝕性、抗疲勞性、抗氧化性及電、光等特性。目前離子注入在微電子技術(shù)、生物工程、宇航及醫(yī)療等高技術(shù)領(lǐng)域獲得了比較廣泛的應(yīng)用，尤其在工具和模具制造工業(yè)的應(yīng)用效果突出。

其他表面處理技術(shù)還包括熱滲鍍技術(shù)（如熱滲鍍鋅、熱滲鍍鋁等）、特種電鍍技術(shù)（如電刷鍍、低溫鍍鐵等）、化學(xué)鍍技術(shù)（如化學(xué)鍍鎳、磷化處理等）、堆焊技術(shù)、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)、金屬表面彩色技術(shù)以及涂裝技術(shù)等。

上述表面處理新技術(shù)有的已不屬于熱處理范疇。這些新技術(shù)在提高材料表面性能發(fā)揮材料性能潛力方面起著不可代替的作用，在各工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。 

第六章 工業(yè)用鋼 

6.1 鋼的分類與編號(hào)

6.1.1 鋼的分類

鋼的種類繁多，為了便于生產(chǎn)、使用、管理，可按以下幾種方法分類。

1.按化學(xué)成分分類

按化學(xué)成份可將鋼分為碳素鋼和合金鋼。碳素鋼根據(jù)含碳量分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。合金鋼根據(jù)合金元素含量分為低合金鋼、中合金鋼和高合金鋼。

2.按質(zhì)量分類

鋼的質(zhì)量是以硫、磷的含量來(lái)劃分的。根據(jù)硫、磷的含量可將鋼分為普通質(zhì)量鋼、上等鋼、**上等鋼和特級(jí)上等鋼。

3.按冶煉方法分類

根據(jù)冶煉所用煉鋼爐不同，可將鋼分為平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼和電爐鋼。

4.按金相組織分類

在退火組織可將鋼分為亞共析鋼、共析鋼和過(guò)共析鋼。按正火組織可將鋼分為珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼、鐵素體鋼、奧氏體鋼和萊氏體鋼等。

5.按用途分類

按用途可將鋼分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊性能鋼。

6.1.2 鋼的分類

一、鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)表示方法

我國(guó)鋼的牌號(hào)一般采用漢語(yǔ)拼音字母、化學(xué)元素符號(hào)和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的方法表示。

（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

這兩類鋼采用屈服點(diǎn)的拼音字母“Q” ，屈服點(diǎn)數(shù)值(單位為MPa)和表6-2中規(guī)定的質(zhì)量等級(jí)脫氧方法等符號(hào)表示，按順序組成牌號(hào)。例如碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)為Q235AF、Q235BZ等；低合金鋼高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)表示為Q345C、Q345D等。

質(zhì)量等級(jí)由A到E磷硫含量質(zhì)量提高。碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)中表示**鋼的符號(hào)”Z”和表示特殊**鋼的符號(hào)“TZ”可以省略，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼都是**鋼或特殊**鋼，其牌號(hào)中沒(méi)有表示脫氧方法的符號(hào)。

根據(jù)需要，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)也可采用兩位阿拉伯?dāng)?shù)字（表示平均含碳量的萬(wàn)分之幾）和化學(xué)元素符號(hào)，按順序表示，如16Mn等。 

上等碳素結(jié)構(gòu)鋼

上等碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)以兩位數(shù)表示，這兩位數(shù)字表示鋼的平均含碳量的萬(wàn)分之幾。

沸騰鋼和半**鋼在牌號(hào)尾部分別加符號(hào)“F”和“b”。如平均含碳量為0.08%的沸騰鋼，其牌號(hào)表示為“08F”；平均含碳量為0.01%的半**鋼，其牌號(hào)表示為“10b”。**鋼一般不表示符號(hào)，如平均含碳量為0.45%的**鋼，其牌號(hào)表示為“45”。

鋼的含錳量為0.70%～1.00%時(shí)，在牌號(hào)后加錳元素符號(hào)，如“50Mn”。**上等鋼在牌號(hào)后加字母“A”。特級(jí)上等鋼在牌號(hào)后加字母“E”如“45E”。

（2）合金結(jié)構(gòu)鋼和合金彈簧鋼

合金結(jié)構(gòu)鋼和合金彈簧鋼牌號(hào)由兩位數(shù)字（表示平均含碳量的萬(wàn)分之幾）加上其后帶有百分含量數(shù)字的合金元素符號(hào)組成。

（3）工具鋼

①碳素工具鋼

碳素工具鋼的牌號(hào)由字母“T”與其后的數(shù)字組成，如“T9”。**上等鋼在牌號(hào)后加字母“A”如“T10A”。

②合金工具鋼和高速工具鋼

合金工具鋼和高速工具鋼牌號(hào)的表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼基本相同，但一般不標(biāo)明含碳量數(shù)字，如“Cr12MoV”（平均含碳量為1.60%）“W6Mo5Cr4V2”（平均含碳量為0.85%）當(dāng)合金工具鋼的含碳量小于1.00%時(shí)，含碳量用一位數(shù)字標(biāo)明，表示平均含碳量的千分之幾，如“8MnSi”。

平均含鉻量小于1%的合金工具鋼，在含鉻量（以千分之一為單位）前加數(shù)字“0”，如“Cr06”。

（4）軸承鋼

高碳鉻軸承鋼的牌號(hào)以字母“G”打頭，牌號(hào)中不標(biāo)明含碳量，鉻含量以千分之一為單位，如“GCr15”的平均含鉻量為1.5%。滲碳軸承鋼牌號(hào)的表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相同，僅在牌號(hào)頭部加字母“G”如“G20CrNiMo”。

（5）不銹鋼和耐熱鋼

不銹鋼和耐熱鋼的牌號(hào)由表示平均含碳量的數(shù)字（以千分之一為單位）與其后帶有百分含量的合金元素符號(hào)組成。合金元素含量表示方法同合金結(jié)構(gòu)鋼。含碳量的表示方法為：當(dāng)平均含碳量≥1.00%時(shí)，用兩位數(shù)字表示，如“11Cr17”（平均含碳量為1.10%）；當(dāng)1.00%＞平均含碳量≥0.1%時(shí)，用一位數(shù)字表示，如“2Cr13”（平均含碳量偽0.20%）；當(dāng)含碳量上限＜0.1%時(shí)，以“0”表示，如“0Cr18Ni9”（含碳量上限為0.08%）；當(dāng)0.03%≥含碳量上限＞0.01%（超低碳），以“03”表示，如“03Cr19Ni10”（含碳量上限為0.03%）；當(dāng)含碳量上限≤0.01%時(shí)（極低碳），以“01”表示，如“01Cr19Ni11”（含碳量上限為0.01%）。

（6）鑄 鋼

以強(qiáng)度為主要特征的鑄鋼牌號(hào)為“ZG”（表示“鑄鋼“二字）加上兩組數(shù)字，**組數(shù)字表示*低屈服強(qiáng)度值，**組數(shù)字表示*低抗拉強(qiáng)度值，單位均為MPa如“ZG200-400”。以化學(xué)成分為主要特征的鑄鋼的牌號(hào)為“ZG”加上兩位數(shù)字，這兩位數(shù)字表示平均含碳量的萬(wàn)分之幾。合金鑄鋼牌號(hào)在兩位數(shù)字后加上帶有百分含量數(shù)字的元素符號(hào)。當(dāng)合金元素平均含量為0.9%～1.4%時(shí)，除錳只標(biāo)符號(hào)不標(biāo)含量外，其他元素需在符號(hào)后標(biāo)注數(shù)字1；當(dāng)合金元素平均含量大于1.5%時(shí)，標(biāo)注方法同合金結(jié)構(gòu)鋼，如“ZG15Cr1Mo1V”、“ZG20Cr13”。

二、鋼鐵及合**號(hào)統(tǒng)一數(shù)字代號(hào)體系

我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T76156-1998對(duì)鋼鐵及合金產(chǎn)品牌號(hào)規(guī)定了統(tǒng)一數(shù)字代號(hào)，與現(xiàn)行的GB/T221-2000《鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)表示方法》等同時(shí)并用。統(tǒng)一數(shù)字代號(hào)有利于現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)處理設(shè)備進(jìn)行存儲(chǔ)和檢索，便于生產(chǎn)和使用。 

6.2 鋼中的雜質(zhì)與合金元素

6.2.1 鋼中常存雜質(zhì)元素對(duì)性能的影響

鋼中常存雜質(zhì)元素主要是指錳、硅、硫、磷及氮、氫、氧等。這些元素在冶煉時(shí)或者由原料、燃料及耐火材料中帶入鋼中，或者由大氣進(jìn)入鋼中，或者脫氧時(shí)殘留于鋼中，它們的存在會(huì)對(duì)鋼的性能產(chǎn)生影響。

1.硅和錳的影響

硅和錳在鋼中均為有益元素，能溶于鐵素體中起固溶強(qiáng)化作用，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。

2.硫和磷的影響

硫和磷在鋼中都是有害元素。硫在鋼中以FeS的形式存在，使鋼變脆，產(chǎn)生熱脆性。控制在0.05％以下，MnS對(duì)斷屑有利。磷可溶于鐵素體中，使鋼的強(qiáng)度、硬度顯著增加。但使鋼脆化，產(chǎn)生冷脆性。

3. 氣體元素的影響

氮：室溫下氮在鐵素體中溶解度很低，鋼中過(guò)飽和的氮在常溫放置過(guò)程中會(huì)以Fe4N形式析出而使鋼變脆，稱為時(shí)效脆化。在鋼中加入Ti、V、Al等元素可使氮以這些元素氮化物的形式被固定，從而消除時(shí)效傾向。

氧： 氧在鋼中主要以氧化物夾雜的形式存在，氧化物夾雜與基體的結(jié)合力弱，不易變形，易成為疲勞裂紋源。

氫：常溫下氫在鋼中的溶解度很低。當(dāng)氫在鋼中以原子態(tài)溶解時(shí)，降低韌性，引起氫脆。當(dāng)氫在缺陷處以分子態(tài)析出時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的內(nèi)壓，形成內(nèi)裂紋，其內(nèi)壁為白色，稱為白點(diǎn)或裂紋。 

6.2.2 合金元素在鋼中的主要作用

1.合金元素對(duì)鋼中基本相的影響

鐵素體和滲碳體是碳素鋼中兩個(gè)基本相，合金元素進(jìn)入鋼中將對(duì)這兩個(gè)基本相的成分、結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生影響。

（1）溶于鐵素體，起固溶強(qiáng)化作用

加入鋼中的非碳化物形成元素及過(guò)剩的碳化物形成元素都將溶于鐵素體，形成合金鐵素體，起固溶強(qiáng)化作用。從幾種合金元素對(duì)鐵素體硬度和韌性的影響可以看出，Si、Mn的固溶強(qiáng)化效果*顯著，但其含量超過(guò)一定值后，鐵素體的韌性將急劇下降，而Cr、Ni在適當(dāng)?shù)暮糠秶鷥?nèi)不但能提高鐵素體的硬度，而且還能提高其韌性。因此為了獲得良好的強(qiáng)化效果，應(yīng)控制固溶強(qiáng)化元素在鋼中的含量。

（2）形成碳化物

加入到鋼中的合金元素，除溶入鐵素體外，還能進(jìn)入滲碳體中，形成合金滲碳體，如鉻進(jìn)入滲碳體形成(Fe,Cr)3C。當(dāng)碳化物形成元素超過(guò)一定量后，將形成這些元素自己的碳化物。合金元素與碳的親和力從大到小的順序?yàn)椋?/font>Zr、Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。合金元素與碳的親和力越大，所形成化合物越穩(wěn)定、熔點(diǎn)、分解溫度、硬度、耐磨性就越高。在碳化物形成元素中，鈦、鈮、釩是強(qiáng)碳化物形成元素，所形成的碳化物如TiC、VC等；鎢、鉬、鉻是中碳化物形成元素，所形成碳化物如Cr23C6、Cr7C3、W2C等；錳、鐵是弱碳化物形成元素，所形成的碳化物如Fe3C、Mn3C等。碳化物是鋼中的重要組成相之一，其類型、數(shù)量、大小、形態(tài)及分布對(duì)鋼的性能有著重要的影響。

2.合金元素對(duì)鐵碳相圖的影響

(1) 對(duì)奧氏體相區(qū)的影響

加入到鋼中的合金元素，依其對(duì)奧氏體區(qū)的作用可分為兩類。

一類是擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的元素，如Ni、Co、Mn、N等，這些元素使A1、A3點(diǎn)下降，A4點(diǎn)上升。當(dāng)鋼中的這些含量足夠高（如Mn含量大于13%或Ni含量大于9%）時(shí)，A3點(diǎn)降到零度以下，因而室溫下鋼具有單相奧氏體組織，稱為奧氏體鋼。

另一類是縮小奧氏體相區(qū)的元素，如Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等，這些元素是A1、A3點(diǎn)上升，A4點(diǎn)下降。當(dāng)鋼中的這些元素含量足夠高（如Cr含量大于13%）時(shí)，奧氏體相區(qū)消失，室溫下鋼具有單相鐵素體組織，稱為鐵素體鋼。

(2)對(duì)S點(diǎn)和E點(diǎn)位置的影響 

幾乎所有合金元素都使E點(diǎn)和S點(diǎn)左移，即這兩點(diǎn)的含碳量下降。由于S點(diǎn)的左移，使含碳量低于0.77%的合金鋼出現(xiàn)過(guò)共析組織（如4Cr13），在退火狀態(tài)下，相同含碳量的合金鋼組織中的珠光體量比碳鋼多，從而使鋼的強(qiáng)度和硬度提高。同樣由于E點(diǎn)的左移，使含碳量低于2.11%的合金鋼出現(xiàn)共晶組織，成為萊氏體鋼，如W18Cr4V（含碳量為0.7%～0.8%）。 

3.合金元素對(duì)鋼中相變過(guò)程的影響

（1）對(duì)鋼加熱時(shí)奧氏體化過(guò)程的影響 

① 對(duì)奧氏體形成速度的影響

大多數(shù)合金元素（鎳、鈷以外）都減緩鋼的奧氏體化過(guò)程。因此合金鋼在熱處理時(shí)要相應(yīng)地提高加熱溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，才能保證奧氏體化過(guò)程的充分進(jìn)行。

② 對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向的影響

碳、氮化物形成元素阻礙奧氏體的長(zhǎng)大。合金元素與碳和氮的親和力越大，阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用也越強(qiáng)烈，因而強(qiáng)碳化物和氮化物形成元素具有細(xì)化晶粒的作用。Mn 、P對(duì)奧氏體晶粒的長(zhǎng)大起促進(jìn)作用，因此含錳鋼加熱時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制加熱溫度和保溫時(shí)間。

（2）對(duì)鋼冷卻時(shí)過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程的影響 

① 對(duì)C曲線和淬透性的影響

除Co外，凡溶入奧氏體的合金元素均使C曲線右移，鋼的臨界冷卻速度下降，淬透性提高。淬透性的提高，可使淬火的冷卻速度降低，這有利于減少零件的淬火變形和開(kāi)裂傾向。合金元素對(duì)鋼淬透性的影響取決于該元素的作用強(qiáng)度和溶解量，鋼中常用的提高淬透性元素為Mn、Si、Cr、Ni、B。如果采用多元少量的合金化原則，對(duì)提高鋼的淬透性將會(huì)更為有效。 

對(duì)于中強(qiáng)和強(qiáng)碳化物形成元素（如鉻、鎢、鉬、釩等），溶于奧氏體后，不僅使C曲線右移，而且還使C曲線的形狀發(fā)生改變，使珠光體轉(zhuǎn)變與貝氏體轉(zhuǎn)變明顯地分為兩個(gè)獨(dú)立的區(qū)域。

②對(duì)Ms、Mf點(diǎn)的影響

除Co、Al外，所有溶于奧氏體的合金元素都使Ms、Mf點(diǎn)下降，使鋼在淬火后的殘余奧氏體量增加。一些高合金鋼在淬火后殘余奧氏體量可高達(dá)30%~40%，這對(duì)鋼的性能會(huì)產(chǎn)生不利的影響，可通過(guò)淬火后的冷處理和回火處理來(lái)降低殘余奧氏體量。 

（3）對(duì)淬火鋼回火轉(zhuǎn)變過(guò)程的影響 

① 提高耐回火性

淬火鋼在回火過(guò)程中抵抗硬度下降的能力稱為耐回火性（也稱回火穩(wěn)定性）。由于合金元素阻礙馬氏體分解和碳化物聚集長(zhǎng)大過(guò)程，使回火時(shí)的硬度降低過(guò)程變緩，從而提高鋼的耐回火性。因此，當(dāng)回火硬度相同時(shí)，合金鋼的回火溫度比相同含碳量的碳鋼高，這對(duì)于消除內(nèi)應(yīng)力是有利的，而當(dāng)回火溫度相同時(shí)，合金鋼的強(qiáng)度、硬度要比碳鋼高。

② 產(chǎn)生二次硬化

含有高W、Mo、Cr、V等元素的鋼在淬火后回火加熱時(shí)，由于析出細(xì)小彌散的這些元素碳化物以及回火冷卻時(shí)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使鋼的硬度不僅不下降，反而升高，這種現(xiàn)象稱為二次硬化。二次硬化使鋼具有熱硬性，這對(duì)于工具鋼是非常重要的。

③ 防止**類回火脆性

如第5章所述，在鋼中加入W、Mo可防止**類回火脆性，這對(duì)于需調(diào)質(zhì)處理后使用的大型件有著重要意義。

6.3 結(jié)構(gòu)鋼

結(jié)構(gòu)鋼按用途可分為工程用鋼和機(jī)器用鋼兩大類。工程用鋼主要是用于各種工程結(jié)構(gòu)，包括碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，這類鋼冶煉簡(jiǎn)便、成本低、用量大，一般不進(jìn)行熱處理，而機(jī)器用鋼大多采用上等碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼，它們一般都經(jīng)過(guò)熱處理后使用。 

6.3.1 碳素結(jié)構(gòu)鋼

1.牌號(hào)

碳素結(jié)構(gòu)鋼含碳量低（0.06-0.38%）,硫、磷含量較高。這類鋼通常在熱軋空冷狀態(tài)下使用，其塑性高，可焊性好，使用狀態(tài)下的組織為鐵素體加珠光體。

2.使用狀態(tài)和熱處理

一般不經(jīng)熱處理，而在鋼廠供應(yīng)狀態(tài)（軋制狀態(tài)）下直接使用

3.用 途

鋼結(jié)構(gòu)件、焊接和扳金機(jī)械結(jié)構(gòu)件。

6.3.2 上等碳素結(jié)構(gòu)鋼

1.牌號(hào)

6.3.3 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，加入少量的合金元素發(fā)展起來(lái)的，原稱為普通低合金鋼。

1.牌號(hào)

2.性能特點(diǎn)

（1）強(qiáng)度高于碳素結(jié)構(gòu)鋼，可降低結(jié)構(gòu)自重、節(jié)約鋼材；

（2）具有足夠的塑性、韌性及良好的焊接性能；

（3）具有良好的耐蝕性和低的冷脆轉(zhuǎn)變溫度。

3.成份特點(diǎn)

低碳：含碳量≤0.2%

低和金：主加元素為錳

4.熱處理特點(diǎn)

在熱軋狀態(tài)下使用，組織為鐵素體加珠光體。

5.典型鋼種及用途

Q345是應(yīng)用*廣、用量*大的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，廣泛用于石油化工設(shè)備、船舶、橋梁、車輛等大型鋼結(jié)構(gòu)中。 

6.3.4 滲碳鋼

1.成分：含碳量0.10-0.25％的合金鋼，主要加入能提高淬透性的Mn、Cr、Ni等元素；

2.性能特點(diǎn)：經(jīng)熱處理后表硬里韌、耐磨性及抗疲勞性好；
3.滲碳件一般的工藝路線：

4.用 途

應(yīng)用很廣，主要用于制造滲碳零件，如變速齒輪、內(nèi)燃機(jī)凸輪軸等各種表面耐磨件。

5.常用的滲碳鋼

低淬透性滲碳鋼：15Cr、20Cr等，心部強(qiáng)度低，尺寸和載荷小的齒輪和滑塊；

中淬透性滲碳鋼：20CrMnTi、20CrMn等，心部強(qiáng)度較高，用于制造中等強(qiáng)度的耐磨零件，如汽車、拖拉機(jī)的變速齒輪、齒輪軸等；

高淬透性滲碳鋼：18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等，淬透性很高。用來(lái)制造承受重載荷和強(qiáng)烈磨損的重要零件，如飛機(jī)、坦克中的曲軸及重要齒輪等。

以20CrMnTi滲碳鋼制造汽車變速齒輪為例：

下料--毛坯鍛造--正火--加工齒形--局部鍍銅--滲碳(930℃)--預(yù)冷淬火(830℃)--低溫回火(200℃)--噴丸--磨齒 

6.3.5 調(diào)質(zhì)鋼

在調(diào)質(zhì)處理后使用的鋼種，主要用于制造受力復(fù)雜的汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床及其他各種重要零件。

1.性能要求：良好的綜合力學(xué)性能；良好的淬透性。

2.成分特點(diǎn)：中碳：含碳量為0.25%-0.50%；主加合金元素為Mn、Si、Cr、Ni、B。

3.調(diào)質(zhì)件一般的工藝路線：

4.典型鋼種

低淬透性調(diào)質(zhì)鋼：45、40Cr，用于制造尺寸較小的齒輪、軸、螺栓等。

中淬透性調(diào)質(zhì)鋼：40CrNi，用于制造截面較大的零件，如曲軸、齒輪等

高淬透性調(diào)質(zhì)鋼：40CrNiMo，用于制造大截面、重載荷的零件，如汽輪機(jī)主軸、葉輪、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等。

6.3.6 彈簧鋼

1.成分：含碳量在0.40～0.70%的合金鋼。

主要加入元素是硅和錳，提高淬透性和屈強(qiáng)比；

2.熱處理：淬火+中溫回火；

3.組 織：回火屈氏體；

4.熱處理特點(diǎn)：

冷成形彈簧：對(duì)于鋼絲直徑小于10mm的彈簧，通過(guò)冷拔(或冷拉)、冷卷成型；冷卷后的彈簧不必進(jìn)行淬火處理，只需進(jìn)行一次消除內(nèi)應(yīng)力和穩(wěn)定尺寸的定型處理，即加熱到250～300℃，保溫一段時(shí)間，從爐內(nèi)取出空冷即可使用。

熱成形彈簧：直徑大于10-15mm，在高于淬火溫度熱卷成形，然后淬火+中溫回火(350—500℃)，得到回火屈氏體組織。

5.典型鋼種

Si、Mn彈簧鋼：代表性鋼種65Mn、60SiMn，主要用于制造較大截面的彈簧，如汽車、拖拉機(jī)的板簧、螺旋彈簧等；

Cr、V彈簧鋼：代表性鋼種50CrV，主要用于大截面、大載荷、耐熱的彈簧，如閥門(mén)彈簧、高速柴油機(jī)的氣門(mén)彈簧等?！?nbsp;

6.3.7 滾動(dòng)軸承鋼

1.用 途：主要用來(lái)制造滾動(dòng)軸承的內(nèi)外圈，滾動(dòng)體等;

2.牌 號(hào)：

3.化學(xué)成分：含碳量0.95-1.10%，含鉻量0.4-1.65%

4.熱處理及組織：

預(yù)先熱處理：球化退火；

*終熱處理：淬火+低溫回火

使用狀態(tài)下組織：回火馬氏體＋細(xì)小碳化物＋殘余奧氏體。

5.典型鋼種：應(yīng)用*廣的GCr15鋼，大量用于制造中大型軸承，還可用于制造冷沖模、量具、絲錐等。 

6.3.8 耐磨鋼

指在沖擊載荷作用下發(fā)生沖擊硬化作用的高錳鋼

1.用 途：用于既承受嚴(yán)重磨損又承受強(qiáng)烈沖擊的零件；

2.化學(xué)成分：高碳：含碳量為0.75%-1.45%；高錳：含錳量為11%-14%；

3.熱處理及組織：由于加工困難，鑄造后直接使用；

4.應(yīng)用*廣的GCr4，GCr15，GCr15SiMn鋼。

6.4 工具鋼

工具鋼是用來(lái)制造各種工具的鋼種 

6.4.1 刃具鋼

用于制造各種金屬切削刀具的鋼種

一、性能要求：

高的硬度：高的硬度，HRC ＞ 60

高耐磨性：耐磨性取決于硬度、韌性和碳化物；

高的熱硬性：鋼在高溫下保持高硬度的能力；

足夠的韌性和塑性：以免刀具在使用過(guò)程中崩刃、折斷。

二、常用刃具鋼：碳素工具鋼、低合金工具鋼、高速鋼

１.碳素工具鋼

1）牌 號(hào)：T×[×][A]；×[×]——含碳千分之幾，[A]：**；

2）典型鋼種：T7、T7A、T8、T8A、……、T13A；

3）用 途：沖頭、鑿子要選用T7、T8等；車刀、鉆頭可選用T10；精車刀、銼刀則選用T12, T13。

4）優(yōu)點(diǎn)：成本低，耐磨性和加工性較好，在受用工具和機(jī)用低速工具上廣泛應(yīng)用；

5）缺點(diǎn)：熱硬性差，淬透性低，只適于制作尺寸不大、形狀簡(jiǎn)單的低速刀具。

２.低合金工具鋼

１）牌 號(hào)

2）化學(xué)成分：在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素，在保持高碳的同時(shí)，加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素；

3）用 途：廣泛用于制造形狀復(fù)雜、要求變形小的低速切削刃具，如絲錐、板牙等，也常用作冷沖模；

4）優(yōu) 點(diǎn)：淬火后的硬度與碳素工具鋼處于同一范圍，但淬火變形小、開(kāi)裂傾向小；

5）典型鋼種：9SiCr。

３.高速工具鋼：制造高速切削刀具用鋼

1）牌 號(hào)：W[×]□[×]□[×]□[×]，□－合金元素， [×]－合金元素含量；

2）化學(xué)成分：含碳量為0.7%-1.6%，主要加入的合金元素是Cr、W、Mo、V；

3）高速鋼的加工工藝路線：

下料—鍛造—退火—機(jī)加工—淬火+回火—噴砂—磨削加工

4）典型鋼種: W18Cr4V

5) 用途：主要用于制造高速切削刀具，如車刀、刨刀、銑刀、鉆頭等

6）特點(diǎn)：高速鋼價(jià)格昂貴，為充分發(fā)揮其性能和節(jié)省材料，常采用焊接或鑲拼高速鋼刀頭，如直徑大于10mm的鉆頭，采用45鋼做刀柄。

6.4.2 模具鋼

用于制造各種冷熱模具的鋼種

一、冷作模具鋼

用于制造各種冷成型模具，如冷沖模、冷擠壓模、冷墩模和拔絲模等。

1）對(duì)性能的基本要求：高的硬度和耐磨性；較高的強(qiáng)度和韌性；良好的工藝性。

2）冷作模具鋼的類型：碳素工具鋼和低合金工具鋼；耐沖擊工具用鋼；高碳高鉻模具鋼。

二、熱作模具鋼

用于制造各種使加熱金屬或液態(tài)金屬成型的模具，如熱鍛模、熱壓模、熱擠模和壓鑄模等。

1）對(duì)性能的基本要求：高溫下良好的力學(xué)性能；高的抗熱疲勞性能；高的淬透性和良好的導(dǎo)熱性；高的抗氧化性。

2）鋼種：熱鍛模鋼；壓鑄模鋼?！?nbsp;

6.4.3 量具鋼

用于制造各種量測(cè)工具，如卡尺、千分尺、快規(guī)、塞規(guī)及螺旋測(cè)微儀

1）對(duì)性能的基本要求：高的硬度和耐磨性，尺寸穩(wěn)定性高，熱處理變形??；

2）量具用鋼：一般非精密量具，可選碳素工具鋼（T10A、T12A)或低碳鋼(15、20)；對(duì)精密量具，選用CrWMn、Cr2、GCr15鋼等。

以CrWMn鋼制塊規(guī)為例，加工工藝路線如下：

下料—鍛造—球化退火—機(jī)械加工—淬火—深冷處理—低溫回火—粗磨—人工失效—精磨—去應(yīng)力處理—研磨

３）熱處理特點(diǎn)：

深冷處理：

量具淬火后，應(yīng)立即在-70---80℃進(jìn)行深冷處理，目的是盡可能減少鋼中的殘余奧氏體，穩(wěn)定量具尺寸。

時(shí)效處理：

對(duì)精度要求高的量具，經(jīng)深冷處理在進(jìn)行低溫回火、粗磨之后，又要用低溫時(shí)效處理，以進(jìn)一步穩(wěn)定殘余奧氏體和消除殘余應(yīng)力。 

6.5 特殊性能鋼

特殊性能鋼是指具有特殊物理、化學(xué)性能的鋼，分為不銹鋼和耐熱鋼。 

6.5.1 不銹鋼

在腐蝕性介質(zhì)中具有抗腐蝕性能的鋼

1.用途：主要在石油、化工、海洋開(kāi)發(fā)、原子能、宇航、國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域用于制造在各種腐蝕介質(zhì)中工作的零件和結(jié)構(gòu)；

2.性能要求：耐蝕性；

3.成分特點(diǎn)：含碳量在0.03%-0.95%；合金元素：Cr、Ni、Mo?！?/font>

6.5.2 耐熱鋼

指在高溫下具有良好的抗氧化性和高溫強(qiáng)度的專用鋼；多用來(lái)制作在高溫下工作的鍋爐、汽輪機(jī)、燃?xì)鈾C(jī)和內(nèi)燃機(jī)的某些零件或構(gòu)件。

第七章 鑄 鐵

鑄鐵是含碳量大于2.11%并含有較多硅、錳、硫、磷等元素的多元鐵基合金。鑄鐵具有許多優(yōu)良的性能及生產(chǎn)簡(jiǎn)便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而是應(yīng)用*廣泛的材料之一。例如，機(jī)床、床身、內(nèi)燃機(jī)的氣缸體、缸套、活塞環(huán)及軸瓦、曲軸等都是由鑄鐵制造的。

7.1 上海朝展產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程略圖

7.1.1 鑄鐵的石墨化過(guò)程

1.Fe-Fe3C 和 Fe-G （石墨）雙重相圖

碳在鑄鐵中的存在形式：鑄鐵中的碳除少量固溶于基體中外，主要以化合態(tài)的滲碳體Fe3C和游離態(tài)的石墨G兩種形式存在。石墨是碳的單質(zhì)態(tài)之一，其強(qiáng)度、硬度、塑性都幾乎為零。滲碳體是亞穩(wěn)定相，在一定條件下發(fā)生如下分解；形成游離態(tài)的石墨。

鐵碳合金的雙重相圖：鐵碳合金實(shí)際上存在兩個(gè)相圖，即Fe-Fe3C 和 Fe-G相圖，這兩個(gè)相圖幾乎重合，只是E、C、S點(diǎn)的成分和溫度稍有變化。如下圖所示，圖中的虛線即為Fe-G系相圖。根據(jù)條件不同，鐵碳合金可全部或部分按其中一種相圖結(jié)晶。 

2.鑄鐵的石墨化過(guò)程

鑄鐵的石墨可以在結(jié)晶過(guò)程中直接析出，也可以由滲碳體加熱時(shí)分解得到。鑄鐵中的碳原子析出形成石墨的過(guò)程稱為石墨化。

鑄鐵的石墨化過(guò)程分為兩個(gè)階段：

**階段石墨化: 在P′S′K′線以上發(fā)生的石墨化，包括結(jié)晶時(shí)一次石墨、二次石墨、共晶石墨的析出和加熱時(shí)一次滲碳體、二次滲碳體及共晶滲碳體的分解；

**階段石墨化：在P′S′K′線以下發(fā)生的石墨化，包括冷卻時(shí)共析石墨的析出和加熱時(shí)共析滲碳體的分解。

石墨化程度不同，所得到的鑄鐵類型和組織也不相同，如下表所示。本章所介紹的鑄鐵，即工業(yè)上主要使用的鑄鐵，是**階段石墨化完全進(jìn)行的灰口鑄鐵

3.影響石墨化的因素

研究表明，鑄鐵的化學(xué)成分和結(jié)晶時(shí)的冷卻速度是影響石墨化的主要因素。

（1）化學(xué)成份的影響

鑄鐵中的C、Si是促進(jìn)石墨化的元素，C、Si含量過(guò)低，易出現(xiàn)白口組織，力學(xué)性能和鑄造性能變差；C、Si含量過(guò)高，會(huì)使石墨數(shù)量多且粗大，基體內(nèi)鐵素體量增多，降低鑄件性能。因此，鑄鐵中的C、Si含量一般控制在：2.5%-4.0%C； 1.0%-3.0%Si。

（2）冷卻速度的影響

冷卻速度越慢，有利于碳原子的充分?jǐn)U散，結(jié)晶越有利于按照Fe-G相圖進(jìn)行結(jié)晶和轉(zhuǎn)變，因而促進(jìn)石墨化，而快冷時(shí)由于過(guò)冷度大，結(jié)晶將按Fe-Fe3C相圖進(jìn)行，不利于石墨化。

7.1.2 鑄鐵的特點(diǎn)及分類 

1.鑄鐵的組織特點(diǎn)：

鑄鐵的組織是由基體和石墨組成的，基體組織有3種，即鐵素體、珠光體和鐵素體加珠光體，可見(jiàn)鑄鐵的基體組織是鋼的組織，因此鑄鐵的組織實(shí)際上是在鋼的基體上分布著不同性態(tài)的石墨的組織。

2.鑄鐵的力學(xué)性能特點(diǎn)：

1）力學(xué)性能低

由于石墨相當(dāng)于鋼基體中的裂紋或空洞，破壞了基體的連續(xù)性，減少了有效承載截面，且易導(dǎo)致應(yīng)力集中，因而其強(qiáng)度、塑性及韌性低于碳鋼。

2）耐磨性能好

這是由于石墨本身有潤(rùn)滑作用。此外，石墨脫落后留下的空間還可以儲(chǔ)油。

3）消振性能好

這是由于石墨可以吸收振動(dòng)能量。

4）鑄造性能好
這是由于鑄鐵中硅含量高且成份接近于共晶成分，因而流動(dòng)性好，填充性好。
5）切削性能好

這是由于石墨的存在使車屑容易脆斷，不粘刀。

3.鑄鐵的分類與牌號(hào)表示方法

鑄鐵是根據(jù)石墨的性態(tài)進(jìn)行分類的。鑄鐵中石墨的形態(tài)有片狀、團(tuán)絮狀、球狀和蠕蟲(chóng)狀4種，其所對(duì)應(yīng)的鑄鐵分別為灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵。

7.2 常用鑄鐵 

7.2.1 灰鑄鐵

灰鑄鐵是指石墨呈片狀分布的灰口鑄鐵。灰鑄鐵價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛，其產(chǎn)量約占鑄鐵總產(chǎn)量的80%以上。

1.牌號(hào)：常用的牌號(hào)為HT100、HT150、HT200、……、HT350

2.組織

灰鑄鐵的組織是由液態(tài)鐵水緩慢冷卻時(shí)通過(guò)石墨化過(guò)程形成的，其基體組織有鐵素體、珠光體和鐵素體加珠光體三種?；诣T鐵的顯微組織如下圖所示。為提高灰鑄鐵的性能，常對(duì)灰鑄鐵進(jìn)行孕育處理，以細(xì)化片狀石墨，常用的孕育劑有硅鐵和硅鈣合金。經(jīng)孕育處理的灰鑄鐵稱為孕育鑄鐵。

3.熱處理

熱處理只能改變鑄鐵的基體組織，但不能改變石墨的形態(tài)和分布。由于石墨片對(duì)基體的連續(xù)性的破壞嚴(yán)重，產(chǎn)生應(yīng)力集中大，因而熱處理對(duì)灰鑄鐵的強(qiáng)化效果不大，其基體強(qiáng)度利用率只有30%-50%。灰鑄鐵常用的熱處理有：消除內(nèi)應(yīng)力退火、消除白口組織退火和表面淬火。

4.用途

灰鑄鐵主要用于制造承受壓力和振動(dòng)的零部件，如機(jī)床床身、各種箱體、殼體、泵體、缸體等。

7.2.2 可鍛鑄鐵

可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火后獲得的，其石墨呈團(tuán)絮狀?？慑戣T鐵中要求碳、硅含量不能太高，以保證澆注后獲得白口組織，但又不能太低，否則將延長(zhǎng)石墨化退火周期。

1.牌號(hào)：KTH KTB KTZ分別表示黑心、白心、珠光體可鍛鑄鐵代號(hào) 

2.組織

可鍛鑄鐵的組織與**階段石墨化退火的程度有關(guān)。當(dāng)**階段石墨化充分進(jìn)行后（組織為奧氏體+團(tuán)絮狀石墨），在共析溫度附近長(zhǎng)時(shí)間保溫，使**階段石墨化也充分進(jìn)行，則得到鐵素體+團(tuán)絮狀石墨組織，由于表層脫碳而使心部的石墨多于表層，斷口心部呈灰黑色，表層呈灰白色，故稱為黑心可鍛鑄鐵。若通過(guò)共析轉(zhuǎn)變區(qū)時(shí)，冷卻較快，**階段石墨化未能進(jìn)行，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，得到珠光體+團(tuán)絮狀石墨的組織，稱為珠光體可鍛鑄鐵。

3.性能

由于可鍛鑄鐵中的團(tuán)絮狀石墨對(duì)基體的割裂程度及引起的應(yīng)力集中比灰鑄鐵要小，因而其強(qiáng)度、塑性和韌性均比灰鑄鐵高，接近于鑄鋼，但不能鍛造，其強(qiáng)度利用率達(dá)到基體的40%-70%。

4.用途

可鍛鑄鐵常用于制造形狀復(fù)雜且承受振動(dòng)載荷的薄壁小型件，如汽車、拖拉機(jī)的前后輪殼、管接頭、低壓閥門(mén)等。這些零件如用鑄鋼制造則鑄造性能差，用灰鑄鐵則韌性等性能達(dá)不到要求。

7.2.3 球墨鑄鐵

球墨鑄鐵是指石墨呈球形的灰口鑄鐵，是由液態(tài)鐵水經(jīng)石墨化后得到的。與灰鑄鐵相比，它的碳當(dāng)量較高，一般為過(guò)共晶成分，這有利于石墨球化。

1.牌號(hào)：QT400-17、QT420-10、QT500-05、QT600-02、 QT700-02、QT800-02、QT1200-01

2.組織

球墨鑄鐵是由基體+球狀石墨組成，鑄態(tài)下的基體組織有鐵素體、鐵素體加珠光體和珠光體3種。球狀石墨是液態(tài)鐵水經(jīng)球化處理得到的。加入到鐵水中能使石墨結(jié)晶成球形的物質(zhì)稱為球化劑，常用的球化劑為鎂、稀土和稀土鎂。鎂是阻礙石墨化的元素，為了避免白口，并使石墨細(xì)小且分布均勻，在球化處理的同時(shí)還必須進(jìn)行孕育處理，常用的孕育劑為硅鐵和硅鈣合金。

3.性能

由于球狀石墨圓整程度高，對(duì)基體的割裂作用和產(chǎn)生的應(yīng)力集中更小，基體強(qiáng)度利用率可達(dá)70%-90%。接近于碳鋼，塑性和韌性比灰鑄鐵和可鍛鑄鐵都高。

4.熱處理

由于球狀石墨危害程度小，因而可以對(duì)球墨鑄鐵進(jìn)行各種熱處理強(qiáng)化。球墨鑄鐵的熱處理主要有退火、正火、淬火加回火、等溫淬火等。

5.用途

球墨鑄鐵在汽車、機(jī)車、機(jī)床、礦山機(jī)械、動(dòng)力機(jī)械、工程機(jī)械、冶金機(jī)械、機(jī)械工具、管道等方面得到廣泛應(yīng)用，可代替部分碳鋼制造受力復(fù)雜，強(qiáng)度、韌性和耐磨性要求高的零件。

7.2.4 蠕墨鑄鐵

蠕墨鑄鐵是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種新型鑄鐵，與球墨鑄鐵類似，蠕墨鑄鐵是液態(tài)鐵水經(jīng)蠕化處理和孕育處理得到的。蠕墨鑄鐵的顯微組織由基體與蠕蟲(chóng)狀石墨組成，其基體組織與球墨類似。

1. 牌號(hào)：RuT260、 RuT300、 RuT420 

2. 組織：鋼的基體+蠕蟲(chóng)狀石墨

3. 性能：

與片狀石墨相比，蠕蟲(chóng)狀石墨的長(zhǎng)厚比值明顯減小，**變鈍，因而對(duì)基本的割裂程度和引起應(yīng)力集中減小，所以蠕墨鑄鐵的強(qiáng)度、塑性和抗疲勞性能優(yōu)于灰鑄鐵，其力學(xué)性能介于灰鑄鐵與球墨鑄鐵之間。

4. 用途：

常用于制造承受熱循環(huán)載荷的零件，如鋼錠模、玻璃模具、柴油機(jī)氣缸、氣缸蓋、排氣閥以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強(qiáng)度要求高的鑄件，如液壓閥的閥體、耐壓泵的泵體等。

第八章 有色金屬及其合金 

有色金屬：在工業(yè)生產(chǎn)中，通常把鐵及其稱為黑色金屬，把其他非鐵金屬及其合金稱為有色金屬。有色金屬的產(chǎn)量和用量不如黑色金屬多，但由于其具有許多優(yōu)良的特性，如特殊的電磁性能、耐蝕性能及高的比強(qiáng)度(強(qiáng)度與密度之比)等，已成為現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的金屬材料。

有色金屬的種類很多，本章僅對(duì)機(jī)械儀表、飛機(jī)制造等工業(yè)中廣泛使用的鋁、銅、鈦及軸承合金做簡(jiǎn)要介紹。

8.1鋁及鋁合金

8.1.1 鋁及鋁合金的性能特點(diǎn)

純鋁的基本性質(zhì)：具有銀白色金屬光澤，密度小(2.72)，熔點(diǎn)低(660.4℃)，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)良；具有面心立方晶格，無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無(wú)磁性；純鋁在空氣中易氧化，在其表面形成一層致密牢固的氧化膜，因而抗大氣腐蝕性能好；具有極好的塑性和低的強(qiáng)度(純度為99.99%時(shí))，易于加工成型；還具有良好的低溫塑性，至253℃時(shí)，其塑性和韌性也不降低。

純鋁的主要用途：適于配制鋁合金，還可用來(lái)制造導(dǎo)線包覆材料及耐蝕器具等。

純鋁的性能強(qiáng)化：純鋁的強(qiáng)度硬度低，不適于制作受力的零件。向鋁中加入少量的合金元素制成鋁合金，可變其組織結(jié)構(gòu)，提高性能。常加入的元素主要有銅錳硅鎂鋅等，此外還有鉻鎳鈦鈷等輔加元素。由于這些合金元素的強(qiáng)化作用，使得鋁合金既具有高強(qiáng)度又保持純鋁的優(yōu)良特性，因此鋁合金可用于制造承受較大載荷的機(jī)械零件或構(gòu)件，成為工業(yè)中廣泛應(yīng)用的有色金屬材料。由于鋁合金具有高的比強(qiáng)度，又成為飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料。

8.1.2 鋁合金的分類

鋁合金一般分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類，變形鋁合金，其特點(diǎn)是加熱到固溶線以上是為單相固溶體組織，塑性好，適于壓力加工；鑄造鋁合金，其組織中存在共晶體，適于鑄造。 

8.1.3 鋁合金的熱處理

對(duì)于可熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金，其熱處理方法為固溶處理加時(shí)效。固溶處理是指合金加熱到線上，保溫并淬火后獲得過(guò)飽和的單相固溶體組織的處理。時(shí)效是指將飽和的固溶體加熱到固溶線以下某溫度保溫，以析出彌散強(qiáng)化相的熱處理.在室溫下進(jìn)行的時(shí)效稱為自然時(shí)效；在加熱條件下進(jìn)行的時(shí)效稱為人工時(shí)效。

8.1.4 鋁合金的牌號(hào)性能及用途

1．變形鋁合金 

⑴ 變形鋁合金及鋁合**號(hào)表示方法

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，變形鋁合金及鋁合金可直接引用國(guó)標(biāo)四位數(shù)字體系牌號(hào)。未命名為國(guó)標(biāo)四位數(shù)字體系牌號(hào)的變形鋁及鋁合金，應(yīng)采用四位字符牌號(hào)命名。

⑵ 常用變形鋁合金

① 防銹鋁合金 

主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。錳和鎂的主要作用是提高抗蝕性能力和塑性，并起固溶強(qiáng)化作用。.防銹鋁合金鍛造退火后為單相固溶體組織，抗蝕性好，塑性高，易于變形加工，焊接性能好，但切削性能差。這類合金不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，常利用加工硬化來(lái)提高其強(qiáng)度。常用的Al-Mn系合金有3A21（LF21），其抗蝕性和強(qiáng)度高于純鋁，用于制造油罐油箱管道鉚釘?shù)刃枰獜澢鷽_壓加工的零件。常用的Al-Mg系合金有5A05（LF5），其密度比純鋁小，強(qiáng)度比Al-Mn合金高，在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，如制造管道容器鉚釘及承受中等載荷的零件。

② 硬鋁合金

主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量錳。錳的作用是提高抗蝕性，并起一定的固溶強(qiáng)化作用。硬鋁合金的強(qiáng)度、硬度高，加工性能好，但耐蝕性低于防銹鋁合金。常用的硬鋁合金如2A11（LY11）、2A12(LY12)等，用于制造沖壓件模鍛件和鉚接件，如螺旋掌鉚釘?shù)取?/font>

③ 超硬鋁合金

屬Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量鉻和錳。是時(shí)效后強(qiáng)度*高的一種鋁合金。超硬鋁合金的熱態(tài)塑性好，但耐蝕性差。主要用于工作溫度較低受力較大的結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)的大梁起落架等。

④ 鍛鋁合金

有兩類，一類是Al-Cu-Mg-Si系合金，鎂和硅的作用形成強(qiáng)化相Mg2Si，常用牌號(hào)有等6A02（LD2）、2A50（LD5）、2B50（LD6）、2A14（LD10）。這類合金的鍛性好，力學(xué)性能高，主要用于制造形狀復(fù)雜的鍛件和模鍛件，如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)葉輪，導(dǎo)風(fēng)輪幾飛機(jī)上的接頭框架支桿等。另一類是Al-Cu-Mg-Fe-Ni系合金，鐵和鎳可形成耐熱強(qiáng)化相Al9FeNi，為耐熱鍛鋁合金。這類合金耐熱性較好，主要用于制造150～225℃下工作的零件，如壓氣機(jī)葉片、超音速飛機(jī)的蒙皮等。

2．鑄造鋁合金

鑄造鋁合金主要有Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系四種，其代號(hào)分別ZL1、ZL2、ZL3和ZL4加兩位數(shù)字的順序號(hào)表示(ZL表示”鑄鋁”)。

⑴ Al-Si系鑄造合金 又稱硅鋁明。系鑄造鋁合金的鑄造性能好，具有優(yōu)良的耐蝕性耐熱性和焊接性能。簡(jiǎn)單硅鋁明強(qiáng)度低，不能熱處理強(qiáng)化，用于制造形狀復(fù)雜但強(qiáng)度要求不高的鑄件，如飛機(jī)儀表殼體等。復(fù)雜硅鋁明可熱處理強(qiáng)化，用于制造低中強(qiáng)度形狀復(fù)雜的鑄件，如電動(dòng)機(jī)殼體、氣缸體、風(fēng)機(jī)葉片和發(fā)動(dòng)機(jī)活塞等。

⑵ Al-Cu系鑄造鋁合金 這類合金的耐熱性好、強(qiáng)度高，但密度大、鑄造性能、耐熱性能和耐蝕性能差，強(qiáng)度低于系合金。主要用于制造在較高溫度下工作的高強(qiáng)度零件，如內(nèi)燃機(jī)汽缸頭、汽車活塞等。

⑶ Al-Mg系鑄造鋁合金 這類合金的耐蝕性好、強(qiáng)度高、密度小，但鑄造性能差、耐熱性能低。主要用于制造外形簡(jiǎn)單、承受沖擊載荷在腐蝕性介質(zhì)下工作的零件，如艦船配件、氨用泵體等。

⑷ Al-Zn系鑄造鋁合金 這類合金的鑄造性能好、強(qiáng)度較高，可自然時(shí)效強(qiáng)化，但密度大、耐蝕性較差。主要用于制造形狀復(fù)雜受力較小的汽車、飛機(jī)儀器零件等。 

8.2 銅及銅合金

8.2.1 銅及銅合金的性能特點(diǎn)

純銅呈紫紅色，固稱紫銅，其密度為8.9X103kg/m3，熔點(diǎn)為1038℃；具有面心立方晶格，無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無(wú)磁性；具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性；在大氣、淡水和冷凝水中有良好的耐蝕性。純銅的強(qiáng)度不高，硬度較低，塑性好。經(jīng)冷變形后，其強(qiáng)度可提高到400～450，硬度達(dá)100～200，但伸長(zhǎng)率下降。純銅主要用于配制銅合金，制作導(dǎo)電、導(dǎo)熱材料及耐蝕器件等。

銅合金是在純銅中加入合金元素后制成的，常用合金元素為鋅、錫、鋁、錳、鎳、鐵、鈹、鈦、鋯、鉻等。由于合金元素的固溶強(qiáng)化即**相強(qiáng)化作用，使得銅合金既提高了強(qiáng)度，又保持了純銅的特性，因而在機(jī)械工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。    根據(jù)化學(xué)成分，可將銅合金分為黃銅、青銅、白銅三大類。

8.2.2 黃銅

以鋅為主要合金元素的銅為黃銅。黃銅按化學(xué)成分可分為普通黃銅和特殊黃銅。按工藝可分為加工黃銅和鑄造黃銅。 

1．普通黃銅

銅和鋅的二元合金稱為普通黃銅。加工普通黃銅的牌號(hào)為+表示銅平均百分含量的數(shù)字。

普通黃銅的耐蝕性較好，與純銅接近，但含鋅量超過(guò)7%的冷變形黃銅件，在濕氣、海水中或氨的作用下，易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，稱為季裂。因此，須對(duì)冷變形件進(jìn)行去應(yīng)力退火。

2．特殊黃銅

在普通黃銅的基礎(chǔ)上加入硅、錫、鋁、錳、鎳、鐵、鉛等元素形成特殊黃銅。加工特殊黃銅的牌號(hào)為H（黃）+主加元素符號(hào)+銅平均百分含量，合金元素的加入，可影響和的相對(duì)量，提高強(qiáng)度；鋁猛硅錫可體高耐蝕性；鉛可改善切削加工性；硅還可以改善鑄造性能。常用牌號(hào)有等特殊黃銅強(qiáng)度、耐蝕性比普通黃銅好，鑄造性能改善，主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齒輪、螺旋槳、軸承、襯套及閥體等。

8.2.3 青銅

除黃銅和白銅外的其他銅合金稱為青銅。根據(jù)主加元素錫、鋁、鈹、硅、鉛等的不同，分別稱為錫青銅、鋁青銅、鈹青銅、硅青銅、鉛青銅等。加工青銅的牌號(hào)為Q+主加元素符號(hào)及其平均百分含量+其他元素平均百分含量，如Q+Sn4-3為含4%Sn、3%Zn的錫青銅。 

1．錫青銅

是以錫為主加元素的銅合金，錫含量一般為3%～14%。含5%～7%的錫青銅塑性好，適于冷熱加工。Sn的含量大于10%錫青銅強(qiáng)度較高，適于鑄造。錫青銅鑄造流動(dòng)性差，易形成分散氣孔，鑄件密度低，高壓下易滲漏，但體積收縮率小，適于制造形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的零件。錫青銅具有良好的耐蝕性，在大氣、海水及無(wú)機(jī)鹽溶液中的耐蝕性比純銅和黃銅好，但在硫酸、鹽酸和氨水中的耐蝕性較差。常用的牌號(hào)有QSn4-3、QSn65-0.4、ZCuSnPbl等，主要用于耐蝕承載件，如彈簧、軸承、齒輪軸、蝸輪、墊圈等。

2．鋁青銅

是以鋁為主加元素的銅合金，鋁含量一般為5%～11%。鋁含量為10%左右時(shí)強(qiáng)度*高，多在鑄態(tài)或經(jīng)熱加工后使用。鋁青銅的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐熱性幾耐蝕性均高于黃銅和錫青銅，鑄造性能好，但收縮率比錫青銅大，焊接性能差。常用牌號(hào)有QAl5、QAl7、QAl9、QAl10-4-4、ZCuAlMn13Fe3Ni2等前兩者為低鋁青銅，塑性、耐蝕性能好，具有一定的強(qiáng)度，主要用于制造要求高耐蝕的彈簧和彈性元件，后三者為高鋁青銅，強(qiáng)度、耐磨性耐蝕性高。主要用于制造船舶、飛機(jī)及儀器中的高強(qiáng)、耐磨、耐蝕件，如齒輪、軸承、蝸輪軸套、螺旋槳等。

3．鈹青銅

是以鈹為主加元素的銅合金，鈹含量一般為1.7%～2.5%。鈹青銅是時(shí)效強(qiáng)化型合金，經(jīng)淬火時(shí)效處理后，其抗拉強(qiáng)度達(dá)1200MPa～1400MPa，硬度可達(dá)350HB～400HB。鈹青銅具有高的強(qiáng)度、彈性極限、耐磨性、耐蝕性，良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和耐低溫新，無(wú)磁性，受沖擊時(shí)不產(chǎn)生火花，以及良好的冷熱加工性能和鑄造性能，但價(jià)格較貴。常用牌號(hào)有QBe2、Qe1.7、QBe1.9等，主要用于制造重要的彈性件、耐磨件等，如精密彈簧、膜片，高速高壓下工作的軸承以及防爆工具、航海羅盤(pán)等重要零件。

8.2.4 白銅

以鎳為主要合金元素的銅合金稱為白銅。白銅分為普通白銅和特殊白銅，普通白銅的牌號(hào)為B+鎳的平均百分含量，如B5為含5%的白銅；特殊白銅的牌號(hào)B+為主加元素符號(hào)（Ni除外）+加鎳的平均百分含量+主加元素平均百分含量，如BMn40-1.5為含40%Ni、1.5%Mn的錳白銅。普通白銅是Cu-Ni二元合金，具有較高的耐蝕性和抗腐蝕疲勞性能及優(yōu)良的冷熱加工性能。常用的牌號(hào)有B5、B19等，主要用于制造在蒸汽和海水環(huán)境下工作的精密機(jī)械儀表中零件幾冷凝器、熱交換器等。特殊白銅是矮子普通白銅的基礎(chǔ)上添加鋅、錳、鋁等元素形成的，分別稱鋅白銅、錳白銅、鋁白銅等，其耐蝕性、強(qiáng)度和塑性高，成本低。常用牌號(hào)有BMn40-1.59康銅）、BMn43-0.5（考銅）等，用于制造精密機(jī)械、儀表零件及醫(yī)療器械等。 

8.3 鈦及鈦合金

8.3.1 工業(yè)純鈦

純鈦是灰白色金屬，密度小（4.507g/cm3），熔點(diǎn)高(1688℃)，在882.5℃發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變α-Tiβ-Ti。純鈦的強(qiáng)度低，比強(qiáng)度高，塑性、低溫韌性和耐蝕性好，具有良好的加工工藝性能，切削加工性能與不銹鋼接近。純鈦的性能受雜質(zhì)影響很大，少量雜質(zhì)即可顯著提高其強(qiáng)度。純鈦主要用于350℃以下的工件，強(qiáng)度要求不高的零件，如石油工用的熱交換器、反應(yīng)器海水凈化裝置及艦船零部件。