【正文】 第 5 章 常用金屬材料及性能 基本 要求 熟悉工業(yè)用鋼、鑄鐵的分 類和編號(hào)方法，從其牌號(hào)即可判斷其種類、大致化學(xué)成分、主要性能特點(diǎn)、常用熱處理工藝選擇、使用態(tài)組織 、 典型用途及相應(yīng)組織 ， ⒈ 熟悉 碳鋼 ： 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 Q21 Q235 等 ； 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 4 60 等 ； 碳素工具鋼 TT T12 等 。 用于： 重要結(jié)構(gòu) 件。 回火組織 ： S 回 ， 性能特點(diǎn) ：保持較高的強(qiáng)度同時(shí)，具有良好的塑性和韌性。 回火組織 為 T 回 ， 目的 ： 較高的彈性極限和屈服強(qiáng)度，并有一定的韌性。 ⑵、鋼的冷卻轉(zhuǎn)變（等溫冷卻） ： 共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和特性 1） 珠 光體類轉(zhuǎn)變 組織 ： (高溫轉(zhuǎn)變區(qū) )，在 A1～ 550℃ 之間 機(jī)械工程材料復(fù)習(xí) 42 2）貝氏體轉(zhuǎn)變 (中溫轉(zhuǎn)變 )： 轉(zhuǎn)變溫度 ：在 550℃～ Ms：之間， 550℃~350℃ 上貝氏體 半擴(kuò)散型， Fe不擴(kuò)散 ， C原子有一定的擴(kuò)散能力 羽毛狀 碳化物在 F 間，韌性差 350℃~MS 下貝氏體 C原子有一定的擴(kuò)散能力 針狀 碳化物在 F 內(nèi)，韌性高，綜合機(jī)械性能好 3） .低溫轉(zhuǎn)變：（ 馬氏體轉(zhuǎn)變 ） ： 溫度 Ms～ Mf，馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū) ⑷、鋼的冷卻轉(zhuǎn)變（連續(xù)冷卻） 1） 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 ： ① 冷卻速度＞ kV 時(shí)，鋼將轉(zhuǎn)變?yōu)?M+A 殘 ② 冷卻速度＜ ?kV 時(shí)，鋼將全部轉(zhuǎn)變?yōu)?P類 ③ 冷卻速度≈ kV ～ ?kV 之間 (例如油冷 )時(shí)： M+A 殘 +T ⒊ 掌握 鋼在回火時(shí)的轉(zhuǎn)變 1） 回火目的 ： ①獲得所需要的機(jī)械性能 ， ②穩(wěn)定組織和尺寸： ③ 消除內(nèi)應(yīng)力： 2） 回火后組織 機(jī)械工程材料復(fù)習(xí) 43 低溫回火 ： 150～ 250℃， 得 M 回 。 ④．合金元素： 大部分合余元素加入鋼中， 減慢了奧氏體的形成速度。 ② 加熱速度： 加熱速度越快， 縮短奧氏體的形成時(shí)間 。 ⒉ ） 奧 氏體的形成： 晶核形成、晶核長(zhǎng)大、剩余滲碳體溶解、奧氏體成分均勻化四個(gè)基本過程。 ⒊ 掌握 冷塑性變 形過程中的材料行為及性能變化 冷塑性變形對(duì)金屬組織與性能的影響 冷塑性變形金屬加熱時(shí)組織與性能的變化 機(jī)械工程材料復(fù)習(xí) 41 ⒋ 掌握 熱塑性變形過程中的材料行為及性能變化 金屬的熱加工和冷加工 熱塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響 第 4 章 改善材料性能的熱處理、合金化及改性 ⒈掌握概念： P、 S、 T、 B、 M、 S 回 、 T 回 、 M 回、 、完全退火 、 球化退火 、 擴(kuò)散退火 、 去應(yīng)力退火 、正火、 淬火、 淬透性、淬硬性、 表面淬火、 滲碳、調(diào)質(zhì) ?？捎脭U(kuò)散退火的方法來消除 宏觀偏折（或域偏析） ：同一鑄件中，表面和中心、上層和下層的化學(xué)成分也可能存在不均勻，這種較大尺寸范圍內(nèi)出現(xiàn)的偏析。 ②氣孔 ③非金屬夾雜物 外來非金屬夾雜物由 冶煉、 澆鑄過程中爐襯、型壁材料等脫落進(jìn)人鑄錠帶來； 金屬內(nèi)部各種化學(xué)反應(yīng)生成， 非金屬夾雜物很大的脆性，破壞金屬晶體的連續(xù)性，促進(jìn)裂紋的萌生和擴(kuò)展削弱金屬的機(jī)械性能。 ①縮孔與縮松 集中的縮孔： 金屬凝固時(shí)體積要收縮，如果得不到液體的補(bǔ)充，就會(huì)形成縮孔。 ⑵ 合 金結(jié)晶的特點(diǎn)： 合金結(jié)晶時(shí)有相的變化、成分變化，有成分偏析 ，它將引起鑄件力學(xué)性能惡化和抗腐蝕性能降低。 ⒊ 掌握 鐵碳相圖 基本知識(shí)： ⑴正確填寫鐵碳相圖 的相組成 物相圖 ⑵兩條水平線是什么線，能寫出反應(yīng)式 ，解釋共晶、共析反應(yīng)。對(duì)鋼的強(qiáng)度和耐磨性有重要的作用。 ⑵ 金屬化合物 ： 熔點(diǎn)、硬度高、脆性大。 第二章 材料的組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征 ⒈掌握概念（ 名詞解釋）： 固溶體、固溶強(qiáng)化、 枝晶偏析、 A、 F、 P、 Fe3C。 M′ +少量 A 殘余 + Cem。還提高抗氧化、脫碳能力 ③ 加入 W,Mo提高熱硬性 （提高回火穩(wěn)定性和熱硬性的主要元素） ④ 加入 V 提高耐磨性 V 形成的碳化物 vC(或 V4C3)非常穩(wěn)定，極難溶解，硬度較高 屬于萊氏體鋼， 鍛造 ：共晶萊氏體呈魚骨胳狀，熱處理不能消除，只能熱變形破碎， 預(yù)熱處理： 等溫退火，消除內(nèi)應(yīng)力，改善切削，組織準(zhǔn)備。 機(jī)械工程材料復(fù)習(xí) Page 37 of 77 鋼 種 典型鋼號(hào)及其應(yīng)用 性能特點(diǎn) 成分特點(diǎn)與合金化原則 熱處理特點(diǎn) 使用態(tài)組織 ⒎ 高速鋼 （高速工具速鋼） ① W 系 :W18Cr4V ② WMo 系 :W6Mo5Cr4V2 作高速切削刃具鑄造組織有魚骨狀共晶 ① 高硬度 :HRC ＞ 60 ② 高耐磨性 ③ 高熱硬性 ④ 足夠塑性和韌性 ① 高 C: %～ % 要保證能與 W、 Cr、 V 等形成足夠數(shù)量的 Cem；有一定數(shù)量的 C溶于 A 中，以保證 M 的高硬度。 最終熱處理 ：淬火 +低溫回火工藝路線：鍛造＋ 球化退火＋機(jī)加工＋淬火＋低溫回火 M′＋粒狀Cem＋少量 A 殘余 與碳素工具鋼相比較，淬透性提高，可采用油淬火。 Cr≈ ％～ ％ ③ 加入 Si,Mn 提高淬透性 。細(xì)化Cem。 ⒋ 合金彈簧鋼 ① 以 Si,Mn 合化 :65Mn, 60Si2Mn用于汽車 ,拖拉機(jī) ,機(jī)車的板簧和螺旋彈簧 ② 以 Cr,V,W 合金化 :50CVA350℃ ～ 400℃ 以下重載 , 較大型彈簧 ,如高速柴油機(jī)氣門彈簧 . ① 高 σe 和 σs , 高屈強(qiáng)比 ② 高疲勞抗力 ③ 足夠塑韌性 ,能承受震動(dòng) ,沖擊 ④ 有較好 淬透性 ,不易脫 C ,易繞卷成形 ① 中高 C:%～ % ② 加入 Si,Mn 提高淬透性也提高屈強(qiáng)比 ③ 加入 Cr,W,V 也提高淬透性 加入 SiCr不易脫 C加入 CrV細(xì)化晶粒 , 耐沖擊 ,高溫強(qiáng)度好 ① 熱成形法 制彈簧熱軋鋼絲鋼板 → 卷彎曲成型 → 淬火 +中溫回火 → 噴丸 ② 冷成形法 制彈簧鋼絲鋼板 → 淬火 +中溫回火 → 冷卷彎曲成型 → 去應(yīng)力 →噴丸 T39。 ① 表面淬火 。② 未淬透 ： T＋ M39。＋ 粒狀 Cem＋ A39。 ③ 良好焊接性 能和冷成形性能 ① 低 C:＜ % ② Me 以 Mn 為主 、 Mn和 Si 固溶強(qiáng)化 ③ 加入 V、 ,Nb,Ti 等元素細(xì)化 F晶粒 ④ 加入 P 細(xì)化珠光體 ⑤ 加入 Cu 抗腐蝕 一般供應(yīng)狀態(tài)使用 ,不熱處理焊接結(jié)構(gòu) 可進(jìn)行一次正火 ,改善焊區(qū)性能 鐵素體 +索氏體 ⒉ 合金滲碳鋼 ① 低淬透性 :20Cr,15Cr 小沖擊載荷耐磨件 ,如活塞銷 ,小齒輪 . ② 中淬透性 :20CrMnTi： 高速較高載有沖擊的耐磨件 ,重要齒輪 ,連軸器 。 3）低碳鋼滲碳緩冷組織 ： 表層： P＋ Fe3CII(過共析相 ) 心部 ：亞共析組織 (P＋ F)， 中間 ：過渡組織； 4）滲碳后的熱處理 ① 滲碳后 淬火 +低溫回火 淬火后組織 ： M＋ A 殘 ， ⒎鋼的合金化 合金元素在鋼中的作用： 提高鋼的淬透性，細(xì)化晶粒，提高鋼的回火穩(wěn)定性，防止回火脆性，二次硬化，固溶強(qiáng)化，第二相強(qiáng)化（彌散強(qiáng)化），增加韌性，提高鋼的耐蝕性或耐熱性。滲碳工藝主要用于低碳鋼、低碳低合金滲碳鋼。 ⑴滲 碳 1）碳濃度： 表面 C(％～ ％ )→ C ％， 機(jī)械性能 ：經(jīng)淬火＋回火，提高表面硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度， 心部仍保持良好的韌性和塑性。 ⒍ 鋼的化學(xué)熱處理 化學(xué)熱處理 ：在加熱和保溫中使活性原子滲入其表面， 改變表面的化學(xué)成分和組織 ，改善表面性能。表面硬度↑ 2～ 3HRC，脆性↓。 ⑶適用 鋼種 ① 中碳鋼和中碳低合金鋼 ： ② 碳素工具鋼和低合金工具鋼 ： ③ 球鐵、灰鑄鐵。 ⒌ 表面淬火 ⑴ 原理：（ 交變磁場(chǎng) → 感應(yīng)電流 → 工件電阻 → 加熱，集膚效應(yīng) → 表面加熱 ） 工藝： 水 （ 乳化液 ） 噴射淬火＋ （ 180～ 200℃）低溫回火 ， ⑵ 感應(yīng)加熱表面淬火的分類 1)高頻淬火 淬硬層深度 ～ ㎜；中小零件。 目的 ： 減少 Ar獲 最大數(shù)量 M， 提高硬度 、耐磨性， 穩(wěn)定尺寸。 用于 ： 形狀復(fù)雜和性能較高的較小零件。 用于 ：小尺寸工件及刀具。復(fù)雜高碳鋼及大型合金鋼工件。 組織 ： M＋ Fe3CII＋ Ar， 若 在 C1A ～ Acm以上淬火， → A 粗大→ 高碳 M 粗大→力學(xué)性能 ↓，變形開裂 ↑ ③ 合金鋼 ：加熱溫度 ＞ 碳鋼 ⑵淬火方法 ①單介質(zhì)淬 ： 簡(jiǎn)單碳鋼及合金鋼工件。加熱溫度＜ C3A 時(shí)，硬度降低。水淬比油淬的淬透層深； ⑶ .淬硬性 ： 由 M中 C%↑，鋼的 淬硬性越好。與鋼的淬透性及外在因素有關(guān)。 淬透性評(píng)定： 用標(biāo)準(zhǔn)試樣在規(guī)定條件下淬火，能淬透的深度或全部淬透的最大直徑表示。 ⑴ . 淬 透性 ： 在規(guī)定 淬火條件下得到 M 多少 的能力 ，決定鋼材 淬硬深度和硬度分布的特性； 是鋼的屬性。 工藝 ：緩慢加熱 500～ 650℃＋保溫＋緩冷， ⒊ 鋼鐵的淬火 ⑴ 淬火原則與淬透性 目的 ：提高硬度、強(qiáng)度、耐磨性。 合金鋼：退火： 鑄鐵件白口層：加熱 850～ 950℃＋保溫＋（爐冷＋空冷）。 ⑴改善冷塑性加工性能 再結(jié)晶退火 ：恢復(fù)變形前的組織與性能，恢復(fù)塑性，以便繼續(xù)變形。 ⒉預(yù)先熱處理工藝應(yīng)用 工具鋼：球化退火；結(jié)構(gòu)鋼：正火，完全退火。 組織 ： S 或 P（ F＋ Fe3C） 正火與完全 退火的 區(qū)別 ：冷速 較快，組織較細(xì)，得更高的強(qiáng)度和硬度；生產(chǎn)周期較短，成本較低。 4） 去應(yīng)力退火（ 再結(jié)晶 退火） 加熱： Ac1－（ 100～ 200） ℃ ；保溫 ＋爐冷 ； 機(jī)械工程材料復(fù)習(xí) Page 30 of 77 目的： 消除加工硬化 ，消除殘余應(yīng)力。 1） 完全退火 （ 加熱 Ac3＋（ 20～ 30℃ ）溫度，保溫 、 緩冷 組織： P+F 目的： ① 細(xì)化，均勻化粗大、 的原始 組織 ； ② 降低 硬度 →切削性 ↑； ③ 消除內(nèi)應(yīng)力 ；消除組織缺陷； 應(yīng)用： （ C%=～ %）亞共折鋼，共析鋼 和合金鋼鑄、鍛、軋 2） 球化退火 加熱 Ac1＋（ 10～ 30℃ ） ，保溫 、 緩冷（ 或 Ar1－（ 20～ 30℃ ） 等溫 ） 應(yīng)用 ： 過，共析鋼 、高碳合金鋼 組織： 球狀 P（ F+球狀 Cem） 目的 ： ① Fe3CII及 Fe3C 共析 球化 →HRC↓ ，韌性 ↑→ 切削性 ↑ ② 為淬火作準(zhǔn)備 ； 球化 退火前，正火處理，消除網(wǎng)狀碳化物，以利于球化進(jìn)行。 退火目的 ： 改善 鑄、鍛、焊粗大 不均勻的組織 ，降硬度，提高塑性， 改善 冷加工 工藝性。 形變強(qiáng)化： 金屬材料經(jīng)冷加工塑性變形可以提高其強(qiáng)度 ； 相變強(qiáng)化： 通過熱處理等手段發(fā)生固態(tài)相變，獲得需要的組織結(jié)構(gòu)，使金屬材料得到強(qiáng)化 。 冷塑性變形實(shí)現(xiàn)。由結(jié)晶過程、冷熱塑性變形、合金化、熱處理實(shí)現(xiàn)。 多邊形 F+粒狀 Fe3C ⒋材料組織結(jié)構(gòu)變化實(shí)現(xiàn)的性能強(qiáng)化 ： 固溶強(qiáng)化 ： 通過合金化 (加入合金元素 )組成固溶體，使金屬材料得到強(qiáng)化稱為固溶強(qiáng)化 ； 細(xì)晶強(qiáng)化： 強(qiáng)度、硬度越高；其塑性、韌性越好。 機(jī)械工程材料復(fù)習(xí) Page 28 of 77 3）回 火 組織與 性能 回火類型 回火溫度 組織 性能及應(yīng)用 組織形態(tài) 低溫回火 150~250 回火 M（ M’ ） 保持高硬度，降低脆性及殘余應(yīng)力，用于工模具鋼，表面淬火及滲碳淬火件 過 飽 和 ? ＋ ? 碳化物 ( CFex ) 中溫回火 350500 回火屈氏體（ T’ ） 硬度下降，韌性、彈性極限和屈服