【正文】 時代、銅器時代來劃分古代史各階段，而今人類正跨入人工合成材料的新時代。 ，通過實驗具有一定的實驗操作技能和正確分析實驗的能力。用符號σ s 表示 σ s＝ Fs/So 式中 Fs 表示試樣屈服時所承受的拉伸力（ N） So 表示試樣原始橫截面積（平方毫米） 抗拉強度是指試樣拉斷前所承受的最大拉應力，用符號σ b 表示。 一、布氏硬度 試驗原理 用直徑為 D 的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，以相應的試驗力 F 壓入試樣表面，保持規(guī)定的時間后卸除試驗力，在試樣表面留下球形 壓痕，如左圖所示。 布氏硬度試驗常用來測定原材料、半成品及性能不均勻的材料（如鑄鐵）硬度。由此獲得的洛氏硬度值ＨＲ為一無名數(shù)，試驗時一般由試驗機指示器上直接讀出。 式中 Ｆ－作用在壓頭上的試驗力（Ｎ） d－壓痕兩對角線長度的平均值（㎜） ＨＶ值的單位為Ｎ /㎜ 2 ，但習慣上只寫出硬度值而不標出單位。 晶體的特點是： ①原子在三維空間呈有規(guī)則的周期性重復排列。時，這種晶胞稱為簡單立方晶胞。 ② 金屬的晶體缺陷 Ⅰ、點缺陷 點缺陷是指長、寬、高尺寸都很小的缺陷。 晶界 工業(yè)上使用的金屬材料一般都是多晶體。 組元 組成合金的基本的物質(zhì)稱為組元。 置換固溶體就是溶質(zhì)原子替換了溶劑晶格某結(jié)點上的原子而形成的（如圖）。結(jié)晶完成后，由于金屬繼續(xù)向周圍散熱量，故溫度又重新下降。數(shù)目越多，晶粒越小。 一、合金的基本概念 合金 合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。 二、合金的相 根據(jù)構(gòu)成合金各組元之間相互作用的不同，固態(tài)合金的相可分為固溶全和金屬化合物兩大類。 三、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 固態(tài)金屬隨溫度變化而 發(fā)生晶格改變的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。在 727℃時的溶碳量為Ｗｃ＝ ％，隨著溫度的升高溶量增加，到 1148℃是時達到最大Ｗｃ＝ ％。合金在 1 點以上為液體。在 4 點以下 ，合金的組織不再發(fā)生變化。在 2～ 3 點溫度區(qū)間，隨著溫度的不斷下降，奧氏體的含碳量沿 ES 線變化，并不斷析出二次滲碳體。鐵碳合金的成分、組織、相組成、組織組成、力學性能等變化規(guī)律如圖 3－ 13 所示。 第六章 鋼的熱處理 鋼的熱處理： 是將固態(tài)鋼材采用適當?shù)姆绞竭M行加熱、保溫和冷卻以獲得所需組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝 。以保證獲得細小均勻的奧氏體組織。 2） 目的：細化晶粒、均勻組織、消除內(nèi)應力、降低硬度、改善切削加工性能。如果冷卻速度過慢或等溫溫度過高，形成碳化物顆粒較粗大，聚集作用也很強 烈，易形成粗細不等的粒狀碳化物，使硬度偏低。正火冷卻方式最常用的是將鋼件從加熱爐中取出在空氣中自然冷卻。 ２、 含碳量在 ～ ％之間的中碳鋼 也可用正火代替退火，雖然接近上限碳量的中碳鋼正火后硬度偏高，但尚能進行切削加工，而且正火成本低、生產(chǎn)率高。 ①對含有阻礙奧氏體晶粒長大的強碳化物形成元素（如鈦、鈮等），淬火溫度可以高一些，以加速其碳化物的溶解，獲得較好的淬火效果 . ②對含有促進奧氏體晶粒長大的元素（如錳等），淬火加熱溫度應低一些，以防止晶粒粗大。 因此，尋找冷卻能力介于油水之間，冷卻特性近于理想淬火介質(zhì)的新型淬火介質(zhì)是人們努力的目標。 五、鋼的淬透性與淬硬性 （一）淬透性 定義：決定鋼材淬硬深度和硬度分布的特性，即應該是全淬成馬氏體的深度。因此，淬火過熱的工件強度和韌性降低，易于產(chǎn)生脆性斷裂。 解決辦 法：①工件在加熱爐中安放時，要盡量保證受熱均勻，防止加熱時變形；②對形狀復雜或?qū)嵝圆畹母吆辖痄?，應緩慢加熱或多次預熱，以減少加熱中產(chǎn)生的熱應力； ③選擇合適的淬火冷卻介質(zhì)和淬火方法，以減少冷卻中熱應力和相變應力。因此，高溫回火主要適用于中碳結(jié)構(gòu)鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼，用來制作汽車、拖拉機、機床等承受較大載荷的結(jié)構(gòu)零件，如曲軸、連桿、螺栓、機床主軸及齒輪等重要的機器零件。此外，采用鹽爐加熱、用鑄鐵屑覆蓋工件表面，或是在工件表面熱涂硼酸等方法都可有效地防止或減少工件的氧化和脫碳。淬透性好的鋼其淬硬性不一定高，而淬火后硬度低的鋼也可能是具有高的淬透性。 局部淬火 為了避免工件其它部分產(chǎn)生變形或開裂，即可用局部淬火 。但是油溫過高，易著火，一般應控制在 60～ 80℃。 ① 亞共析鋼 Ac 3 +(30~50)℃ ,可獲得細小的均勻的馬氏體，如溫度過高則有晶粒粗化現(xiàn)象，淬火后獲得粗大的 M，使鋼的脆性增大；如溫度過低則淬火后 M+F，有鐵素體出現(xiàn)，淬火硬度不足。一些受力不大、性能要求不高的碳鋼和合金鋼零件采用正火處理，達到一定的綜合力學性能，可以 代替調(diào)質(zhì)處理，作為零件的最終熱處理。 3）適用范圍：消除鑄、鍛、焊件，冷沖壓件以及機加工工件中的殘余應力，以穩(wěn)定鋼件的尺寸，減少變形，防止開裂。 4） 適用范圍：主要用于共析鋼、過共析鋼的刃具、量具、模具等。 退火與正火的目的 : 消除鋼材經(jīng)熱加工所引起的某些缺陷 ,或為以后的切削加工及最終熱處理做好組織準備。 （二）奧氏體晶粒的長大 奧氏體大小用奧氏體晶粒度來表示。 在鑄造生產(chǎn)上的應用 參照鐵碳相圖可以確定鋼鐵的澆注溫度，通常澆注溫度在液相線以上 50－ 60℃。隨后繼續(xù)冷卻時的轉(zhuǎn)變情況與共晶白口鐵相同，最終組織為一次滲碳體＋低溫萊氏體。合金在 1 點溫度以上為液體，緩冷至稍低于 1 點溫度，開始從液體中結(jié)晶出奧氏體。緩冷至 3 點時，奧氏體中開始沿晶界析出滲碳體（即二次滲碳體）。 727℃以下， P 基本上不發(fā) 生變化。所以以鐵素體為基體的鐵碳合金適于塑性成形加工。當合金中出現(xiàn)金屬化合物時，合金的強度、硬度和耐磨性均提高，而塑性和韌性降低。 組織 組織泛指用金相觀察方法看到的由形態(tài)、尺寸不同和分布方式不同的一種或多種相構(gòu)成的總體。 有的變質(zhì)劑加入液態(tài)金屬 時，它們或它們的氧化物會形成起非自發(fā)晶核作用的雜質(zhì)微粒，使形核率大大增加，細化晶粒，如往鋼液中加入鈦、鋁等。 實驗表明，在晶核開始長大的初期，因其內(nèi)部原子規(guī)則排列的特點，其外形也是比較規(guī)則的，隨著晶核長大的和晶體棱角的形成，由于棱角處散熱條件優(yōu)于其它部位，晶粒在棱邊和頂角處就優(yōu)先長大，如下圖所 示，由此可見，其生長方式，象樹枝狀一樣，先生長出干枝稱為一次晶軸；然后再生長出分枝稱為二次晶軸。 第三章純金屬與合金的結(jié)晶 第一節(jié) 純金屬的結(jié)晶 物質(zhì)由液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。 二、合金的相 根據(jù)構(gòu)成合金各組元之間相互作用的不同，固態(tài)合金的相可分為固溶全和金屬化合物兩大類。 一、合金的基本概念 合金 合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。離開 EF 線越遠，晶格畸變越小。 三、金屬的實際晶體結(jié)構(gòu) ① 單晶體與多晶體 單晶體即原子排列得非常整齊，晶格位向完全一致，且無任何缺陷存在。實際上整個晶格就是由許多大小、形狀和位向相同的晶胞在空間重復堆積而成的。 第二章 純金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu) 第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 一、晶體結(jié)構(gòu)的基本知識 晶體與非晶體 固態(tài)物質(zhì)的性能與原子在空間的排列情況有著密切的關(guān)系。 試驗原理 維氏硬度試驗原理與布氏硬度相似，也是根據(jù)壓痕單位表面積上的試驗力大小來計算硬度值。因此采用一個常數(shù) c 減去 h來表示硬度的高低。為了避免壓頭變形，可用硬質(zhì)合金 球壓頭，它適用于測試 HBW＜ 650 的金屬材料。 材料的硬度越高，耐磨性越好，故常將硬度值作為衡量材料耐磨性的重要指標之一。 －伸長曲線 二、強度 強度 是指金屬材料在載荷作用下，抵抗塑性變形或斷裂的能力。 ⑵實踐性強 有利于培養(yǎng)實踐技能，提高動手能力，為獲取“雙規(guī)”提供保障。我們是繼往開來的接班人，要努力學好工程材料，為四化做貢獻。如鑄造性、鍛造性、焊接性、熱處理性、切削加工 性等。 δ =(l1l0)/ l0 100% 斷面收縮率是指試樣斷后縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號Ψ表示。 選擇試驗規(guī)范 在進行布氏硬度試驗時，鋼球直徑Ｄ、施加的試驗力Ｆ和試驗力保持時間、應根據(jù)被測試金屬的種類和試樣厚度，按下表所示的布氏硬度試驗規(guī)范正確地進行選擇。 如下圖所示， 0－ 0 為金剛石壓頭還沒有和試樣接觸的位置。 如 50ＨＲＣ，表示用ＨＲＣ標尺測定的洛氏硬 度值為 50。 維氏硬度法適用范圍寬，尤其適用于測定金屬鍍層、薄片金屬及化學熱處理后的表面硬度，其結(jié)果精確可靠。如塑料、玻璃、瀝青 等。晶胞中原子數(shù)可參照如下計算方法：晶胞每個結(jié)點上的原子為相鄰的 8 個晶胞所共有，而每個面中心的原子卻為兩個晶胞所共有，所以，每個晶胞中的原子數(shù)為 n=8 1/8+6 1/2=4(個 )。晶體中的線缺陷通常是指各種類型的位錯。實際上每個晶粒皆是由許多位向 差很?。?2176。另外，也可由構(gòu)成元素來命名，如鐵碳合金。例如，我國和低合金強度結(jié)構(gòu)鋼，就是利用錳、硅等元素來強化鐵素體，從而使材料的力學性能大為提高。 過冷度并不是一個恒定值，液體金屬的冷卻速度越大，實際結(jié)晶的溫度Ｔ 1 就越低，即過冷度ΔＴ就越大。 因此，要控制金屬結(jié)晶后晶粒大小，必須控制形核率Ｎ和長大線速度Ｇ這兩個因素，主要途徑如下： ① 增加過冷度 液態(tài)金屬結(jié)晶的形核率Ｎ、長大線速度Ｇ與過冷度之間的關(guān)系如圖所示。組元大多數(shù)是元素，如鐵碳合金中的鐵元素和碳元素是組元；銅鋅合金中的銅元素和鋅元素也是組元。 間隙固溶體就是溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格的單間隙之中而形成的（如圖）。 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程與液態(tài)金屬的結(jié)晶過程相似，實質(zhì)上它是一個重要結(jié)晶過程。滲碳體不能單獨使用，在鋼中總是和鐵素體混在一起，是碳鋼中主要強化相。原鐵素體不變保留了在基體中。轉(zhuǎn)變是在恒溫下 進行，其中奧氏體的成分是 E 點的成分。亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程如圖 3－ 11 所示。至于塑性和韌性， 則隨著含碳量的增加而不斷降低。 熱處理工藝分類：（根據(jù)熱處理的目的、要求和工藝方法的不同分類如下） 整體熱處理：包括退火、正火、淬火、回火和調(diào)質(zhì)； 表面熱處理：包括表面淬火、物理和化學氣相沉積 等； 化學熱處理：滲碳、滲氮、碳氮共滲等。 共析碳鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能 1） 高溫珠光體型轉(zhuǎn)變： A 1 ~550℃ （ 1）珠光體（ P） A 1 ~650℃ 粗層狀 約 μ m 25HRC （ 2）索氏體（ S） 650~600℃ 細層狀 ~ μ m 25~35HRC （ 3）托氏體（ T） 600~550℃ 極細層狀 約 μ m 35~40HRC 2） 中溫貝氏體型轉(zhuǎn)變： 550~Ms （ 1）上貝氏體（ B 上 ） 550~350 ℃ 羽毛狀 40~45HRC 脆性大，無使用價值 （ 2）下貝氏體（ B 下 ） 350~M S 黑色針狀 45~55HRC 韌性好，綜合力學性能好 3） 低溫馬氏體型轉(zhuǎn)變： M s ~M f 當 A 被迅速過冷至 M S 以下時，則發(fā)生馬氏體（ M）轉(zhuǎn)變，主要形態(tài)是板條狀和片狀。 4） 適用范圍：中碳鋼和中碳合金鋼的鑄，焊，鍛，軋制件等。 4） 注意：高溫擴散退火生產(chǎn)周期長，消耗能量大，工件氧化、 脫碳嚴重，成本很高。中碳結(jié)構(gòu)鋼鑄、鍛、軋件以及焊接件在加熱加工后易出現(xiàn)粗大晶粒等過熱缺陷和帶狀組織。 退火是應用非常廣泛的熱處理，在工模具或機械零件等的制造過程中，經(jīng)常作為預備熱處理安排在鑄鍛焊之后，切削（粗）加工之前，用以消除前一道工序所帶來的某些缺陷，并為隨后的工序做好準備。 三、淬火介質(zhì) 淬火介質(zhì)：鋼從奧氏體狀態(tài)冷至 Ms 點以下所用的冷卻介質(zhì)。主要用于貝氏體等溫淬火，馬氏體分級淬火，常用于處理形狀復雜、尺寸較小和變形要求嚴格的工件。 2. 淬透性表示方法。過燒的原因主要是設備失靈或操作不當造成的。 鋼的回火 鋼件淬火后，再加熱到 A 1 以下某一溫度，保持一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。硬度為58~64ＨＲＣ，主要用于高碳鋼，合金工具鋼制造的刃具、量具、模具及滾動軸承，滲碳、碳氮共滲和表面淬火件等。 2. 淬火加熱時的氧化和脫碳 淬火加熱時，鋼件與周圍加熱介質(zhì)相互作用往往會產(chǎn)生氧化和脫碳等缺陷。臨界直徑是指鋼材在某種介質(zhì)中淬冷后，心部得到全部馬氏體（或 50％馬氏體）組織的最大直徑。 四、淬火方法 單介質(zhì)淬火 優(yōu)點：操作簡單、易實現(xiàn)機械化、應用廣泛。 此外，水溫對水的冷卻特性影響很大，水溫升高，高溫區(qū)的冷卻速度顯著下降，而低溫區(qū)的冷卻速度仍然很高。 鋼 的 淬 火 鋼的淬火是熱處理工藝中最重要、也是用途最廣泛的工序。 3）消除過共析鋼的網(wǎng)狀碳化物，便于球化退火。對于一般尺寸不大的鑄件或碳鋼鑄件，因其偏析程度較輕，可采用完全退火來細化晶粒，消除鑄造應力。低碳鋼完全退火后硬度偏低，不利于切削加工。 2．