金屬材料基本知識，金屬材料熱處理常識
目錄

目錄 一、材料與材料科學

緒 論

**章 材料的性能

1.1 材料的力學性能

1.1.1 彈性與剛度

1.1.2 強度與塑性
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 材料的物理和化學性能

1.2.1 材料的物理性能

1.2.2 材料的化學性能

**章 材料的結構

2.1 原子的結合方式

2.1.1 離子鍵

2.1.2 共價鍵

2.1.3 金屬鍵

2.1.4 分子鍵

2.2 晶體結構的基本概念

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 金屬的結構

2.3.1 金屬的晶體結構

2.3.2 金屬的非晶態��構

2.4 陶瓷的結構

2.4.1晶相

2.4.2玻璃相

第三章 材料的凝固

3.1 純金屬的結晶

3.1.1 結晶的熱力學條件

3.1.2 純金屬的結晶過程

3.1.3 同素異構轉變

3.2 合金的結晶

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晶過程

3.3.4 含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響

3.4金屬及合金的結晶

3.4.1 金屬及合金結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化

4.3 塑性變形對金屬組織和性能的影響

4.3.1 塑性變形對金屬組織的影響

4.3.2 塑性變形對金屬性能的影響

4.3.3 殘余應力

4.4 回復與再結晶

4.4.1 冷變形金屬在加熱時的組織和性能變化

4.4.2 再結晶溫度

4.4.3 再結晶退火后的晶粒度

4.5 金屬的熱加工

4.5.1 冷加工與熱加工的區別

4.5.2 熱加工對金屬組織和性能的影響

第五章 鋼的熱處理

5.1 概述

5.2 鋼在加熱時的轉變

5.2.1 奧氏體的形成過程

5.2.2 奧氏體的晶粒大小及其影響因素

5.3 鋼在冷卻時的轉變

5.3.1 過冷奧氏體的轉變產物及轉變過程

5.3.2 過冷奧氏體轉變圖

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 化學熱處理

5.7 金屬材料表面熱處理新技術

5.7.1 熱噴涂技術

5.7.2 氣相沉積技術

5.7.3 三束表面改性技術

第六章 工業用鋼

6.1 鋼的分類與編號

6.1.1 鋼的分類

6.1.2 鋼的分類

6.2 鋼中的雜質與合金元素

6.2.1 鋼中常存雜質元素對性能的影響

6.2.2 合金元素在鋼中的主要作用

6.3 結構鋼

6.3.1 碳素結構鋼

6.3.2 上等碳素結構鋼

6.3.3 低合金高強度結構鋼

6.3.4 滲碳鋼

6.3.5 調質鋼

6.3.6 彈簧鋼

6.3.7 滾動軸承鋼

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 鑄鐵的石墨化過程

7.1.2 鑄鐵的特點及分類

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

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

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

 金屬材料基本知識，金屬材料熱處理常識

1.材料

材料是用來制作有用器件的物質，是人類生產和生活所必須的物質基礎。從日常生活用的器具到高技術產品，從簡單的手工工具到復雜的航天器、機器人，都是用各種材料制作而成或由其加工的零件組裝而成的。材料的發展水平和利用程度已成為人類文明進步的標志。

歷史學家按照人類所使用的材料將人類歷史劃分為：

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

青銅器時代：4000年前的夏朝石器，我們的祖先已經能夠煉銅，到殷、商時期，我國的青銅冶煉和鑄造技術已經達到很高的水平

司母戊鼎是中國商代后期（約公元前16世紀至公元前11世紀）王室祭祀用的青銅方鼎，1939年3月19日在河南省安陽市武官村一家的農地中出土，因其腹部著有“司母戊”三字而得名，現藏中國國家博物館。司母戊鼎器型高大厚重，又稱司母戊大方鼎，高133厘米、口長110厘米、口寬79厘米、重832.84千克，鼎腹長方形，上豎兩只直耳（發現時僅剩一耳，另一耳是后來據另一耳復制補上），下有四根圓柱形鼎足，是中國目前已發現的*重的青銅器。該鼎是商王祖庚或祖甲為祭祀其母所鑄。

鐵器時代：我國在春秋戰國時期便開始大量使用鐵器，明朝科學家宋應星在其所著的《天工開物》一書中就記載了古代的滲碳熱處理等工藝，這說明在歐洲工業**之前，我國在金屬材料及熱處理方面就已經有了較高的成就。中華人民共和國成立后，我國先后建立了鞍山、攀枝花、寶鋼等大型鋼鐵基地，鋼產量由1949年的15.8萬噸上升到現在的1億噸，成為世界上鋼產量大國之一。原子彈、氫彈的爆炸，衛星、飛船的上天等都說明了我國在材料方面的開發、研究及應用有了飛躍性的發展，達到了一定的水平。但與世界發達國家相比，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 材料的力學性能

（一）力學性能：

材料在外力作用時所表現的性能（又稱機械性能），如強度、塑性、硬度、韌性及疲勞強度等。

（二）變形：材料在外力的作用下將發生形狀和尺寸變化。

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

1.1.1 彈性與剛度

應力-應變曲線：是描述應力與應變關系的曲線，它是根據標準試樣所承受的載荷與變形量的變化所繪制的關系曲線。 

（一）彈性極限：

在應力-應變曲線中，OA段為彈性變形階段，此時卸掉載荷，試樣恢復到原來尺寸。A點多對應的應力為材料承受*大彈性變形的應力稱為彈性極限，用σp表示。

（二）比例極限：

其中OA′部分為一斜直線，應力與應變呈比例關系，A′點所對應的應力為保持這種比例關系的*大應力稱為比例極限，用σe表示。由于大多數材料的A點和A′點幾乎重合在一起，一般不做區分。

（三）彈性模量E：

在彈性形變范圍內，應力與應變的比值。彈性模量是材料*穩定的性質之一，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， 其他強化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小。

（四）剛度：

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

.1.2 強度與塑性

一、 強度

定義：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。根據加載方式的不同，強度指標有許多種，其中以拉伸試驗測得的屈服強度和抗拉強度兩個指標應用*多。

1. 屈服強度

（一）屈服現象：

應力超過B點后，材料將發生塑性變形。在BC段，材料發生塑性變形而應力不會增加的現象。

（二）屈服強度：

B點所對應的應力稱為屈服強度，用σs表示。屈服強度反映材料抵抗長久變形的能力，是*重要的零件設計指標之一。

2. 抗拉強度

（一）頸縮現象：

CD段為均勻變形階段。在這一階段，應力隨應變增加而增加，產生應變強化。變形超過D點后，試樣開始發生局部塑性變形，即出現頸縮。

（二）抗拉強度：

隨應變增加，應力明顯下降，并迅速在E點斷裂。D點所對應的應力為材料斷裂前所承受的*大應力，稱為抗拉強度，用σb表示。抗拉強度反映材料抵抗斷裂破壞的能力，也是零件設計和材料評價的重要指標。

二、 塑性：

是指材料受力破壞前承受*大塑性變形的能力，指標為伸長率和斷面收縮率。

（一）伸長率：為試樣拉斷后，標距部分的殘余伸長與原始標距之比的百分率。

δ＝(l1-l0) /l0*100%，l0為原長， l1為斷裂后長度。

（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）屈服現象：

應力超過B點后，材料將發生塑性變形。在BC段，材料發生塑性變形而應力不會增加的現象。

（四）屈服強度：

B點所對應的應力稱為屈服強度，用σs表示。屈服強度反映材料抵抗長久變形的能力，是*重要的零件設計指標之一。

1.3 硬度

硬度：是材料抵抗局部塑性變形的能力，現在多用壓入法測定。 

注：各硬度值相互之間不能直接比較，只能通過硬度對照表換算。

一 、布氏硬度（HB）

1.測試用壓頭：直徑為D的鋼球或硬質合金球；

2.適用范圍：

對金屬來講，只適用于測定退火、正火、調質鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度。

3.優點：測量誤差小，數據穩定；

4.缺點：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：

根據壓頭的材料及壓頭所加的負荷不同，洛氏硬度可分為：HRA、HRB、HRC。HRA 適用于測量硬質合金、表面淬火層或滲碳層；HRB 適用于測量有色金屬和退火、正火鋼等；HRC 適用于調質鋼、淬火鋼等。

2.洛氏硬度的優點：操作簡單、壓痕小、適用范圍廣；

3.洛氏硬度的缺點：測量結果分散度大。

三、維氏硬度（HV）

1.測試用壓頭：金剛石四方角錐體，所加負荷較小；

2.維氏硬度的優點：

保留了布氏硬度和洛氏硬度的優點，既可測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生破壞的能力。用αk表示。下圖為擺錘式沖擊試驗機用規定高度的擺錘對處于簡支梁狀態的缺口試樣進行一次沖斷，可測得沖擊吸收功。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）韌脆轉變現象：

材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內αk值急劇下降的現象。

（三）韌脆轉變溫度：

發生韌脆轉變的溫度范圍。常在低溫下服役的船舶、橋梁等結構材料的使用溫度應高于其韌脆轉變溫度。如果使用溫度低于韌脆性轉變溫度，則材料處于脆性狀態，可能發生低應力脆性破壞。韌脆轉變溫度對組織和成分很敏感，如細化鋼的晶粒和降低鋼的含碳量可降低其韌脆轉變溫度。應當指出的是，并非所有材料都有韌脆轉變現象，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，而體心立方和密排六方晶格金屬及其合金則有韌脆轉變。 

1.1.5 疲勞

（一）交變載荷：是指大小或方向隨時間而變化的載荷。

（二）疲勞：

在交變載荷的作用下，材料常常在遠低于其屈服強度的應力下發生斷裂的現象。

如發動機的軸、齒輪等均受交變載荷的作用。疲勞破壞是脆性破壞，它的一個重要特點就是具有突發性，因而更具災難性。

提高零件的疲勞強度的方法：除應合理選材外，還應注意其結構形狀，避免應力集中，減少缺陷，提高表面光潔度和進行表面強化等。 

1.1.6 斷裂韌性

工程上有時會出現材料在遠低于δb的情況下發生斷裂現象。如1943年1月美國一艘T-2油船停泊在裝貨碼頭時斷成兩半，計算的甲板應力為68.6MPa遠低于δb（300～400MPa）。美國北極星導彈固體燃料發動機殼體在實驗時發生爆炸，經過研究，發現破壞的原因是材料中存在0.1～1mm的裂紋并擴展所致。

斷裂力學認為，材料中存在缺陷是**的，常見的缺陷是裂紋。在應力作用下，這些裂紋將發生擴展，一旦擴展失穩，便會發生低應力脆性斷裂。材料抵抗內部裂紋失穩擴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變化條件下工作的零件，如噴氣發動機的導向葉片，熱鍛模等，承受著熱循環引起的熱應力或熱應變，使材料受到疲勞損傷而破壞，這種現象稱為熱疲勞

1.2 材料的物理和化學性能

1.2.1 材料的物理性能

1. 密 度：材料單位體積的質量。

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：材料的熔化溫度。

陶瓷的熔點一般都顯著高于金屬及合金的熔點；高分子材料一般不是完全晶體，所以沒有固定的熔點。一般來說，材料的熔點越高，材料在高溫下保持高強度的能力越強。在設計高溫條件下工作的構件時，需要考慮材料的熔點。金屬中，汞的熔點為-38.8℃，而鎢的熔點則高達3410℃。

3. 熱膨脹性：材料受熱后的體積膨脹，通常用線膨脹系數表示。它是指溫度升高1℃時單位長度材料的伸長量。

對精密儀器或機器的零件，熱膨脹系數是一個非常重要的性能指標。對于特別精密的儀器，應選擇熱膨脹系數低的材料，或在恒溫條件下使用。在材料熱加工過程中更要考慮其熱膨脹行為，如果表面和內部熱膨脹不一致，就會產生內應力，導致材料變形或開裂。常用金屬的熱膨脹系數為5×10-6～25×10-6/℃。

4. 導熱性：材料熱傳導的能力，用其導熱系數來表示。

金屬及合金的導熱系數遠高于非金屬材料；在金屬中，以銀為*好，銅和鋁次之。

5. 磁 性：材料能導磁的性能。

根據材料在磁場中的行為可將其分為三類：使磁場減弱的材料稱為抗磁性材料；使磁場略有增強的材料稱為順磁性材料；使磁場強烈增強的材料稱為鐵磁性材料，常用于制造變壓器、電動機、儀器儀表等，抗磁性材料常用做磁屏蔽或防磁場干擾材料。 

1.2.2 材料的化學性能

1.耐腐蝕性：材料抵抗各種介質侵蝕的能力。

非金屬材料的耐蝕性能總的說來遠遠高于金屬材料。

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膜，來阻礙氧的進一步擴散。

耐腐蝕性和抗氧化性統稱為材料的化學穩定性。高溫下的化學穩定性稱為熱化學穩定性。在高溫下工作的設備或零部件，如鍋爐、汽輪機和飛機發動機等應選擇熱化學穩定性高的材料。

金屬材料基本知識，金屬材料熱處理常識
**章 材料的結構

2.1 原子的結合方式

工程材料通常是固態物質，是由各種元素通過原子、離子或分子結合而成的。

結合鍵：組成物質的質點(原子、分子或離子)之間的互相作用而聯系在一起的結合力；

結合鍵的分類：離子鍵、共價鍵、金屬鍵和弱鍵。 

2.1.1 離子鍵

離子鍵的形成條件：當周期表中相隔較遠的正電性元素原子和負電性元素原子相互接近時，正電性元素原子失去外層電子變為正離子，負電性原子獲得電子變為負離子，當引力與離子間的斥力相等時便形成穩定的離子鍵（如下圖所示）。

離子鍵的特點：離子鍵結合力大，因而通過離子鍵結合的材料強度高、硬度高、熔點高、脆性大。由于離子鍵難以移動輸送電荷，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，離子鍵結合的材料不能吸收可見光，是無色透明的。

2.1.2 共價鍵

共價鍵的形成條件：兩個相同原子或性質相差不大的原子互相靠近，電子不會轉移，原子間借共用電子對所產生的力而結合，形成共價鍵。如金剛石、SiC。如下圖所示為1個硅原子通過共用電子與其他4個硅原子形成共價鍵的示意圖。這種通過共用電子形成的結合鍵稱為共價鍵。多工程構件需要焊接成型。可焊性是指材料易于被焊到一起并獲得上等焊縫的能力。鋼的含碳量直接影響可焊性，含碳量低，可焊性越好。

通過共價鍵結合的材料的特點：通過共價鍵結合的材料具有強度高、硬度高、熔點高、脆性大的特點。其導電性依共價鍵的強弱而不同。弱共價鍵的錫是導體，硅是半導體，而金剛石是絕緣體。具有離子鍵和共價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*外層價電子少，易失去。因此金屬原子之間不可能通過電子轉移或共用來獲得穩定的外層電子結構。當金屬原子相互靠近時，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動，為各原子所共有，形成電子云或電子氣。金屬離子通過正離子和自由電子之間的引力而相互結合，這種結合鍵稱為金屬鍵。如下圖所示。

通過金屬鍵結合的材料的特點：自由電子的存在，使金屬具有良好的導電性和導熱性，使金屬不透明并呈特有的金屬光澤。金屬鍵無方向性，當金屬原子之間發生相對位移時，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**價電子的非對稱分布，使分子的某一部分比其他部分更偏于帶正電或帶負電。一個分子帶正電部分會吸引另一個分子的帶負電部分，這種結合力稱為分子鍵。

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

2.2 晶體結構的基本概念

2.2.1 晶體與非晶體

固體物質按原子在空間的排列方式可分為晶體與非晶體。

晶體：原子在空間呈規則排列的固體物質；

如正常狀態下的金屬、食鹽、單晶硅。

非晶體：原子在空間呈無序排列的固體物質；

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律周期性堆垛而成，如下圖所示。為研究方便，假設將剛性球體縮為處于球心的點，稱為結點。由結點所形成的陣列 稱為空間點陣。用假想的直線將這些結點連接起來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律。 

2.2.3 晶胞

為便于研究，常從晶格中選取一個能代表晶體原子排列規律的*小幾何單元來進行分析，這個*小的幾何單元稱為晶胞。

晶胞的各項參數：

晶格常數：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：指一個晶胞內所包含的原子數目；

配位數：晶格中與某一原子*相鄰且等距的原子數目；

致密度：晶胞中原子本身所占的體積的百分數。

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：表示晶面的符號；

晶向指數：表示晶向的符號為。

一、晶面指數的標定

晶面指數的確定步驟：

（1） 以晶胞的三個棱邊作三維坐標的坐標軸，以晶格常數為單位長度，求出所求晶面在三個坐標軸上的截距；

（2） 將所得的三個截距值變為倒數；

（3） 將所得數值化為*簡單整數，用圓括號括起，就成為該晶面的晶面指數(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、晶向指數的標定

晶向指數的確定步驟：

（1） 以晶胞的三個棱邊作三維坐標的坐標軸，以晶格常數為單位長度，過原點引一平行于待定晶向的直線，求出該直線上任一結點的坐標值；

（2） 將空間坐標值按比例化為*小簡單整數，加上方括號，即為晶向指數[uvw]。如果有負值則在相應指數上加負號。

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，指數相同的晶面和晶向是互相垂直的。

2.3 金屬的結構 

2.3.1 金屬的晶體結構

一、純金屬的晶體結構

（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，為一個立方體。在立方體的8個頂角各有一個與相鄰晶胞共有的原子，立方體中心還有一個原子。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：a＝b＝c，故只用a即可表示；

晶胞原子數：2，每個頂點的原子為八個晶胞所共有；

原子半徑：體對角線上原子間距的一半；

配位數：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，也是一個立方體。除在立方體的8個頂角上各有一個與相鄰晶胞共有的原子外，在6個面的中心也各有一個共有的原子。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：a ；

晶胞原子數：4，立方體頂角上的原子為8個晶胞所共有，面上的原子為兩個晶胞所共有；

原子半徑：面的對角線；

配位數：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，是一個正六棱柱體。在六棱柱體的12個頂角及上下底面的中心各有一個與相鄰晶胞共有的原子，兩底面之間還有3個原子。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：a和c；

晶胞原子數：6；六棱柱頂角原子為六個晶胞所共有，底面中心的原子為兩個晶胞共有，兩底面之間的三個原子為晶胞所獨有；

原子半徑：a/2；為底面邊長的一半；

配位數：12；

致密度：0.74。

二、實際金屬的晶體結構

在實際應用的金屬材料中，原子的排列不可能像理想晶體那樣的規則和完整，總是不可避免地存在一些原子偏離規則排列的不完整性區域，金屬學中將這種原子組合的不規則性，統稱之為結構缺陷，或晶體缺陷。根據缺陷相對于晶體的尺寸，或其影響范圍的大小，可將它分為點缺陷，線缺陷和面缺陷等。

（1）點缺陷

點缺陷是指空間三維尺寸都很小，不超過幾個原子間距的缺陷。晶體中的點缺陷主要指空位、間隙原子、置換原子等（如下圖所示）。點缺陷的存在，破壞了原子的平衡狀態，使晶格發生扭曲，從而引起性能變化，使金屬的電阻率增加，強度、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點，空位的產生是由某些能量高的原子通過熱振動離開平衡位置引起的。

（二）間隙原子：

某些擠進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，也可以是外來原子。

（三）置換原子：

如果外來原子取代了結點上原來原子的位置，這種原子稱為置換原子。

（2）線缺陷

（3）面缺陷：

面缺陷是指在一個方向上的尺寸很小（同點缺陷），而其余兩個方向上的尺寸則很大缺陷。晶體的外表面及各種內界面——一般晶界、亞晶界及層錯等屬于這一類。

晶界：如果一塊晶體內部的晶格方位完全一致，這種晶體稱為單晶體。實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）。晶界是兩個晶粒的過渡部位，原子排列不規則。晶界對位錯運動有阻礙作用，是金屬中的強化部位。金屬的晶粒越細，晶界總面積越大，金屬的強度也越高，因而實際使用的金屬材料力求獲得細晶粒。

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。亞晶界對金屬同樣有強化作用。

三、合金的晶體結構

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。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、力學性能低、獲得困難，因而工業上使用的金屬材料多數是合金。

金屬或合金中，凡成分相同、結構相同，并與其他部分有分界面分開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。

通常所說的顯微組織實質上是指在顯微鏡下觀察到的各相晶粒的形態、數量、大小和分布的組合。組合不同，材料的性能也不相同。

根據相的晶體結構特點，可以將其分為固溶體和金屬化合物兩類。

（1）固溶體

合金中其晶體結構與組成元素之一的晶體結構相同的固相稱為固溶體，習慣上用希臘字母α、β、γ等來表示。一般把與合金晶體結構相同的元素稱為溶劑；除溶劑以外的其它元素稱為溶質。根據溶質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：溶質原子取代溶劑原子而占據晶格中某些結點位置而形成的固溶體稱為置換固溶體。 

間隙固溶體：溶質原子較小，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原子在固溶體中的極限濃度。根據溶解度的不同，固溶體又可分為有限固溶體和無限固溶體。

溶解度有一定限度的固溶體稱為有限固溶體，而組成元素無限互溶的固溶體稱為無限固溶體（如下圖所示）。組成元素的原子半徑、電化學特性相近、晶格類型相同的置換固溶體，才有可能形成無限固溶體。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：

隨溶質含量的增加，固溶體的強度、硬度增加，塑性、韌性下降，這種現象稱為固溶強化。產生固溶強化的原因是溶質原子使溶劑晶格發生畸變及對位錯的釘扎作用，阻礙了位錯的運動。與純金屬相比，固溶體的強度、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

合金中其晶體結構與組成元素的晶體結構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、硬度和較大的脆性，并可用分子式來表示其組成。金屬化合物也是合金中的重要組成相。當合金中出現金屬化合物時，可提高其強度、硬度和耐磨性。但塑性下降。

根據形成條件及結構特點，金屬化合物主要有以下幾類：

① 正常價化合物

符合正常的原子價規律的化合物稱為正常價化合物，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電子數目與原子數目的比值。電子化合物多由ⅠB族或過渡族金屬與ⅡB族、ⅢA族、ⅣA族、ⅤA族元素組成，其晶體結構與電子濃度有一定的對應關系。

③ 間隙化合物

間隙化合物是由過渡族元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的化合物。根據結構的特點，間隙化合物分為間隙相合具有復雜結構的間隙化合物兩種。

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，所形成的具有簡單晶格結構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，非常穩定。

2) 具有復雜結構的間隙化合物

當非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值大于0.59時，形成具有復雜結構的間隙化合物。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，是碳鋼中的強化相，具有復雜斜方晶格。

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 金屬的非晶態結構

非晶態金屬具有獨特的力學性能和物理、化學性能，因而對它的研究也越來越受到重視。非晶態金屬的結構與液態金屬結構相似，原子排列沒有長程的周期性。在非晶態金屬中，沒有晶界、位錯等晶態金屬所特有的晶體缺陷。

（1） 描述方法

與晶態相比，非晶態結構是一種無序結構，但不像氣體那樣原子排列完全沒有規則，而存在短程有序。描述非晶態結構目前通用的方法是統計方法，即在非晶態材料中以任一原子為中心，在和它相距為的球殼中發現另一個原子的幾率為。

比較氣態、非晶態和晶態的雙體相關函數可以看出，非晶態結構與液態非常接近，存在一定程度的短程有序，而與氣態和晶態則差別顯著。

（2） 模型

關于非晶態結構細節的研究，多數人公認的模型是硬球無規密堆模型。該模型把原子假設為不可壓縮的硬球，均勻、連續、無規則的堆積，結構中沒有容納另一個硬球的空間，這種模型的計算結果與實測結果有的符合較好，有的不是很相符。

2.4 陶瓷的結構 

陶瓷材料是利用氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等原料經坯料制備、成型和燒結工藝加工而成。陶瓷材料中的基本相及其結構要比金屬復雜得多，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

與晶態相晶相是陶瓷材料中主要的組成相，陶瓷材料的物理化學性質主要由晶相決定。陶瓷材料中晶體的類型及其復雜程度都超過金屬晶體。大多數陶瓷材料是由離子鍵構成的離子晶體或共價鍵構成的共價晶體。

（1） 硅酸鹽的晶體結構

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

（2）氧化物的晶體結構

氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等化合物的晶體結構比較簡單。

晶相中的晶粒大小對陶瓷材料的性能影響很大，晶粒越細，晶界總面積越大，裂紋越不容易擴展，材料的強度越高。這一點與金屬材料很相似。 

2.4.2玻璃相

玻璃相是非晶態結構的低熔點固體，其作用是充填晶粒間隙、粘結晶粒、提高材料致密程度、降低燒結溫度和抑制晶粒長大。但玻璃相的強度低、絕緣性及穩定性差，所以工業陶瓷中玻璃相的數量一般控制在20%～40%。

陶瓷坯體在燒結過程中，由于復雜的物理化學反應，產生含有復雜聚合體的熔體，如含有復雜硅氧陰離子團的硅酸鹽熔體，這種熔體的粘度很大，冷卻時不利于晶體形核長大，從而轉變為玻璃體。玻璃體的���構是由硅氧四面體組成的不規則空間網。由熔體轉變為玻璃體的溫度稱為玻璃化溫度(Tg)。玻璃體加熱時粘度下降，加熱到某一溫度時發生顯著軟化，這一溫度稱為軟化溫度(Tf)，陶瓷的成型加工通常在Tf以上進行。

金屬材料基本知識，金屬材料熱處理常識
第三章 材料的凝固

3.1 純金屬的結晶

3.1.1 結晶的熱力學條件

熱力學定律：在等壓條件下，一切自發過程都是朝著系統自由能降低的方向進行。

理論結晶溫度：兩條自由能曲線的交點溫度T0；

在理論結晶溫度下，液體和晶體處于熱力學平衡狀態；在T0以下，晶體的自由度較低，因而物質處于晶體狀態穩定；在T0以上則液體穩定。

結晶時的過冷現象：金屬的實際結晶溫度低于理論結晶溫度的現象；

過冷度：理論結晶溫度T0與實際結晶溫度T的差值 △T=T0－T；

注：對于某種金屬來說，過冷度不是恒定值，它的大小與冷卻速度有關，冷卻速度越大，過冷度也越大，則金屬的實際結晶溫度越低。

3.1.2 純金屬的結晶過程

（1）結晶的基本過程

任何一種物質液體的結晶過程都是由晶核形成和晶核的長大兩個過程組成的。

液體冷卻到T0溫度以下，經過一段時間，形成晶核，晶核形成后，便向各個方向不斷地長大。在這些晶核長大的同時，又有新的晶核產生，就這樣不斷形核，不斷長大，直到液體完全消失為止。每一個晶核*終長成為一個晶粒，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：自發形核和非自發形核；

自發形核：在結晶過程中，晶核完全是由液體中瞬時短程有序的原子團形成；

非自發形核：依靠液體中存在的固體雜質或容器壁形核稱為非自發形核。

在實際結晶過程中，自發形核和非自發形核是同時存在的，但以非自發形核方式發生結晶更為普遍。

3.晶核的長大方式

晶核的長大方式也有兩種：均勻長大和樹枝狀長大。當過冷度很小時，結晶以均勻長大方式進行，實際金屬結晶時冷卻速度較大，因而主要以樹枝狀形式長大。這是由于晶核棱角處的散熱條件好、生長快，先形成枝干，而枝干間*后被填充。

3.1.3 同素異構轉變

1.概念

同素異構轉變：有些物質在固態下其晶格類型會隨溫度變化而發生變化的現象。

同素異構轉變同樣也遵循形核、長大的規律，但它是一個固態下的相變過程，即固態相變。在金屬中，除錫之外，鐵、錳、鈷、鈦等也都存在著同素異構轉變。

2.鐵的同素異構轉變

在金屬晶體中，鐵的同素異構轉變*為典型，也是*重要的。

3.固態轉變的特點

固態轉變又稱為二次結晶，它有著與結晶不同的特點：

1） 發生固態轉變時，形核一般在某些特定部位發生，如晶界、晶內缺陷等。

2） 由于固態下擴散困難，因而固態轉變的過冷傾向大；

3） 固態轉變往往伴隨體積變化，因而易產生很大的內應力，使材料發生變形或開裂。

3.2 合金的結晶

基本概念：

合金的結晶過程比純金屬復雜，為研究方便，通常以溫度和成分作為獨立變量的相圖來分析合金的結晶過程。

相圖：是表示合金系中各合金在極其緩慢的冷卻條件下結晶過程的簡明圖解，又稱為狀態圖或平衡圖。

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律，是制定熔煉、鑄造、熱加工及熱處理工藝的重要依據。 

3.2.1 二元相圖的建立

絕大多數二元相圖是以實驗數據為依據，在以溫度為縱坐標，材料成分為橫坐標的坐標系中繪制，*常用的實驗方法是熱分析法。下面以Cu-Ni二元合金為例，簡要說明二元相圖的建立過程。

1. 配制出不同成分的合金，測出它們的冷卻曲線；

2. 找出各曲線上的臨界點（結晶的開始溫度和終了溫度）；

3. 在溫度-成分坐標系中過各合金成分點做成分垂線，將臨界點標在成分垂線上；

4. 將成分垂線上相同意義的點連接起來，并標上相應的數字和字母，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、 二元勻晶相圖

二元勻晶相圖：兩組元在液態和固態下均無限互溶時所構成的相圖；是*簡單的二元相圖，Cu-Ni；Cu-Au；Au-Ag；W-Mo等合金都具有這類相圖。

均晶轉變：從液相中結晶出單一固相的轉變。

1. 相圖分析

Cu-Ni合金二元勻晶相圖如下圖所示，上面一條為液相線，是加熱時合金熔化的終了溫度點或冷卻時結晶的開始溫度點的連線，下面的一條為固相線，是加熱時合金熔化的開始溫度點或冷卻時結晶的終了溫度點的連線。液相線以上合金全部為液體L，稱為液相區。固相線以下合金全部為α固溶體，稱為固相區。液相線和固相線之間為液相和固相共存的兩相區（L+α）。 

2. 合金的結晶過程

除純組元外，其他成分合金的結晶過程相似，現以Ⅰ合金為例，分析合金的結晶過程。

當合金自液態緩冷到液相線上的t1溫度時，開始從液相中結晶出成份為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，液相成份沿著液相線變化，固相成份沿著固相線變化。當合金冷卻到固相線上的t4溫度時，*后一滴L4成份的液體也轉變為α固溶體，此時固溶體的成分又回到α4上來。

由此可見，液、固相線不僅是相區分界線，也是結晶時兩相的成份變化線。還可以看出，勻晶轉變是變溫轉變，在結晶過程中，液、固兩相的成份隨溫度而變化。

3. 杠桿定律

當合金在某一溫度下處于兩相區時，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重量百分比。現以Cu-Ni合金為例推導杠桿定律。

1） 求出兩平衡相的成份

設合金成份為X，過X作成份垂線，在垂線上相當于溫度t1的點0作水平線，其與液、固相線的交點a、b所對應的成份X1、X2，分別為液相和固相的成份，

 2） 確定兩平衡相的相對重量

 

設成份為X的合金的總重量為1，液相的相對重量為QL，其成份為X1，固相相對重量為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距離較遠的成份線段之比，如下圖所示，在杠桿定律中，杠桿的支點是合金的成份，杠桿的端點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。單相區中相的成分和重量，即合金的成分和重量，沒有必要使用杠桿定律。

3） 枝晶偏析

成因：固溶體合金的結晶，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。在實際生產中，由于冷速較快，合金在結晶過程中固相和液相中的原子來不及擴散，使得先結晶出的枝晶軸含有較多的高熔點元素，而后結晶的枝晶軸含有較多的低熔點元素。

概念：這種在一個枝晶范圍內或一個晶粒范圍內成分不均勻的現象叫做枝晶偏析。

枝晶偏析對材料性能的影響：枝晶偏析會影響合金的性能，如力學性能、耐腐蝕性能及加工性能等。

解決方法：生產中常將鑄件加熱到固相線以下100-200℃長時間保溫來消除枝晶偏析，這種熱處理稱為擴散退火。通過擴散退火，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以外，還與給定成分合金的液、固相線間距有關。冷速越大，液、固相線間距越大，枝晶偏析越嚴重。

二、 二元共晶相圖

當兩組元在液態下完全互溶，在固態下有限互溶，并發生共晶反應時所構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點為鉛的熔點， B點為錫的熔點。相圖中有L、α、β三種相，形成三個單相區。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，在每兩個單相區之間，共形成了三個兩相區，即L+α，L+β，和α+β。

相圖中的水平線CED稱為共晶線。在水平線對應的溫度下（183℃）下， E點成分的液相同時結晶出C點成分的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結晶出兩種成分和結構都不相同的新固相的轉變過程稱為共晶轉變或共晶反應。

共晶反應的產物稱為共晶體或共晶組織。發生共晶反應的溫度稱為共晶溫度，代表共晶溫度和共晶成分的點稱為共晶點，具有共晶成分的合金稱為共晶合金。在共晶線上，凡成分位于共晶點以左的合金成為亞共晶合金，位于共晶點以右的合金稱為過共晶合金。

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。可以看出，隨溫度的下降，固溶體的溶解度降低。

2. 典型合金的結晶過程

1） 含Sn量小于C點成分合金的結晶過程（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點合金的結晶過程與合金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） 亞共晶合金的結晶過程（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）過共晶合金的結晶過程（以合金Ⅳ為例）

過共晶合金的結晶過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

當兩組元在液態下完全互溶，在固態下有限互溶，并發生包晶反應時所構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。

現以Fe-C合金相圖為例子來說明包晶相圖。

1.相圖分析

相圖中有L、δ、γ三個單相區和L+δ，L+γ，和δ+γ三個兩相區。

包晶水平線上發生的反應是由一種液相和一種固相相互作用生成另一種固相的轉變過程。該反應是液相L包著固相δ，新相γ在L、δ界面上形核，并通過原子擴散分別向L和δ兩側長大的過程。

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，發生反應后生成另一種成分新固相的反應稱為包晶轉變或包晶反應（插入包晶反應過程動畫）。

2.典型合金的結晶過程

1）合金Ⅰ的結晶過程分析

合金Ⅰ在溫度緩冷到2點時，反應前的液相L和固 相δ數量比為：L/δ=HJ/JB；反應后兩相全部耗盡，形成單一的新相γ。合金Ⅰ的結晶過程：勻晶反應＋包晶反應；反應產物：γ。

2）合金Ⅱ的結晶過程分析

合金Ⅱ在溫度緩冷到2點時，反應前的液相L和固相δ數量比為：L/δ=H2/2B；參加包晶反應的d相量過剩，所以反應后形成δ+γ兩相，進入HNJ勻晶區，隨溫度的下降，3點以下形成單相γ。合金Ⅱ的結晶過程：勻晶反應＋包晶反應+勻晶反應；反應產物：γ。

3）合金Ⅲ的結晶過程分析

合金Ⅲ在溫度緩冷到2點時，反應前的液相L和固相δ數量比為： L/δ=H2/2B；參加包晶反應的L相量過剩，所以反應后形成L+γ兩相，進入HNJ勻晶區，隨溫度的下降，3點以下形成單相γ。合金Ⅲ的結晶過程：勻晶反應＋包晶反應+勻晶反應；反應產物：γ。

四、 二元共析相圖

共析反應（共析轉變）：指在一定溫度下，由一定成分的固相同時析出兩個成分和結構完全不同的新固相的反應。共析反應的產物也是兩相機械混合物，稱為共析組織或共析體。

與共晶反應不同的是，共析反應的母相是固相，而不是液相，因而共析轉變也是固態轉變。由于固態轉變過冷度大，因而其組織比共晶組織細。

下圖中dce稱為共析線，c點稱為共析點。與c點對應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.相區的確定

相區接觸法則：相鄰兩個相區的相數差為1

兩相區的確定：兩個單相區之間夾有一個兩相區，該兩相區的相由兩個相鄰單相區的相組成

三相區的確定：二元相圖中的水平線是三相區，其三個相由與該三相區點接觸的三個單相區的相組成

3.分析典型合金的結晶過程

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和兩相區冷卻曲線為一斜線；由一個相區過渡到另一個相區時，冷卻曲線上出現拐點,發生三相等溫轉變時，冷卻曲線呈一水平臺階。

由一個相區過渡到另一個相區時，冷卻曲線上出現拐點,發生三相等溫轉變時，冷卻曲線呈一水平臺階。

畫出組織轉變示意圖，計算各相、各組織組成物相對重量比：在單相區，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，兩相的成分隨溫度下降沿各自的相線變化，各相、各組成物的相對重量可由杠桿定律；在三相區，三個相的成分固定，相對重量不斷變化，杠桿定律不適用。

六、 相圖與合金性能之間的關系

1.相圖與合金力學性能、物理性能的關系

組織為機械混合物的合金，其性能與合金成分呈直線關系，如下圖1所示。

組織為固溶體的合金，隨溶質元素含量的增加，合金的強度和硬度也增加，產生固溶強化，如果是無限互溶的合金，則在溶質含量為50%附近強度和硬度*高，性能與合金成分之間呈曲線關系如下圖2所示 

2.相圖與鑄造性能的關系

單相固溶體的合金，澆鑄時合金流動性差，澆鑄時不能充滿鑄型，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，不易產生分散的縮孔，在凝固的過程中出現的集中縮孔的現象，可以采取設置冒口的方法，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、組織和性能之間關系的理論基礎，也是制定各種熱加工工藝的依據。

注：由于含碳量大于Fe3C的含碳量（6.69%）時，合金太脆，無實用價值，因此所討論的鐵碳合金相圖實際上是Fe-Fe3C

二、組元

1.純鐵：指的是室溫下的α-Fe，強度、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“F”或“α”表示，鐵素體是一種強度和硬度低，而塑性和韌性好的相，鐵素體在室溫下可穩定存在。

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“A”或“γ”表示，奧氏體強度低、塑性好，鋼材的熱加工都在奧氏體相區進行，奧氏體在高溫下可穩定存在。

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”符號表示，滲碳體的熔點為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、網狀或球狀存在。它的形狀和分布對鋼的性能影響很大，是鐵碳合金的重要強化相。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相圖組成：包晶相圖、共晶相圖和共析相圖；

2.相圖中有五個單相區：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，發生包晶反應，反應產物為奧氏體。

L0.53+δ0.09←→γ0.17

(2)ECF水平線（1148℃）：共晶線，發生共晶反應，反應產物為奧氏體和滲碳體的機械混合物，稱為萊氏體，用“Le”表示。

L 4.3←→γ2.11+ Fe3C

(3)PSK水平線（727℃）：共析線，發生共析反應，反應產物為鐵素體和滲碳體的機械混合物，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

A點：純鐵的熔點

C點：共晶點

D點: Fe3C的熔點

E點：γ-Fe中的*大溶碳量

G點：α-Fe→γ-Fe的同素異構轉變點

J點：包晶點

N點：γ-Fe→α-Fe的同素異構轉變點

S點：共析點

5.圖中的特性線

ABCD－液相線

AHJECF－固相線

GS、GP為 α-Fe固溶體轉變線

HN、JN為奧氏體A固溶體轉變線

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，當含碳量超過0.77%的鐵碳合金自1148℃冷卻到727℃時，會從奧氏體中析出滲碳體，稱為二次滲碳體，標記為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，會從鐵素體中析出滲碳體，稱為三次滲碳體。標記為Fe3CⅢ，但因為析出量極少，在含碳量高的合金中不予以考慮。

CD線是從液體中結晶出滲碳體的開始溫度線，從液體中結晶出的滲碳體稱為一次滲碳體，標記為Fe3CⅠ。

鐵碳合金：碳鋼和鑄鐵的統稱，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晶過程

一、鐵碳合金的分類

1.工業純鐵（<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）

指液態結晶時都有共晶反應且室溫下的平衡組織中皆含有變態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、過共晶白口鑄鐵

二、結合下圖，分析7種典型鐵碳合金的結晶過程及其組織變化 

1. 工業純鐵的結晶過程（圖中合金①）：

1—2點：勻晶反應形成δ鐵素體；2—3點：不發生組織轉變；3—4點：開始從δ鐵素體中析出奧氏體，4點后全部轉化為奧氏體；4—5點：不發生組織轉變；5—6點：開始從奧氏體中析出鐵素體，6點后全部轉化為鐵素體；6—7點：不發生組織轉變；7點以后:開始從鐵素體中析出三次滲碳體

工業純鐵結晶過程的基本反應：勻晶反應十固溶體轉變反應＋二次析出反應

工業純鐵的室溫組織：F十Fe3CⅢ

純鐵的結晶過程中的組織變化過程

2. 共析鋼的結晶過程（圖中合金②）：

1—2點：勻晶反應形成奧氏體；2—3點：不發生組織轉變；3點以后：發生共析轉變，反應結束后全部轉化為珠光體；3′點后繼續冷卻：從珠光體的鐵素體中析出少量的三次滲碳體

共析鋼結晶過程的基本反應：勻晶反應十共析反應

共析鋼室溫組織：100%的珠光體P

共析鋼結晶過程中的組織變化過程

3. 亞共析鋼的結晶過程（圖中合金③）：

1—2點：勻晶反應形成δ鐵素體；2—2′點：發生包晶反應L0.53+δ0.09←→γ0.17； 2′—3點：剩余的液相發生通過勻晶轉變為奧氏體；3—4點：不發生組織轉變；4—5點：從奧氏體中析出鐵素體；5—5′點：發生共析反應γ0.77←→F 0.0218+ Fe3C，5′點以后：從鐵素體中析出少量的三次滲碳體。

亞共析鋼結晶過程的基本反應：勻晶反應+包晶反應+勻晶反應+固溶體轉變反應+共析反應

亞共析鋼的室溫組織：鐵素體F+珠光體

亞共析鋼結晶過程中的組織變化過程

4. 過共析鋼的平衡結晶過程（圖中合金④）

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

過共析鋼結晶過程的基本反應：勻晶反應十二次析出反應+共析反應

過共析鋼室溫的組織：珠光體P+ 網狀二次滲碳體Fe3C

過共析鋼結晶過程中的組織變化過程

5. 共晶白口鑄鐵的平衡結晶過程（圖中合金⑤）

1—1′點：發生共晶反應 L4.3←→γ2.11+ Fe3C，全部轉化為萊氏體，是共晶奧氏體和共晶滲碳體的機械混合物；1—2點：析出二次滲碳體；2—2′點：發生共析反應，轉變為珠光體。珠光體與共晶滲碳體組成的組織為低溫萊氏體。

共晶白口鑄鐵結晶過程：共晶反應十二次析出反應+共析反應

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晶過程（圖中合金⑥）

1—2點：勻晶反應形成奧氏體；2—2′點：發生共晶反應轉變為萊氏體；2—3點：從奧氏體中析出二次滲碳體；3—3′點：發生共析反應轉變為珠光體

亞共晶白口鑄鐵結晶過程：勻晶反應+ 共晶反應十二次析出反應 +共析反應

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. 過共晶白口鑄鐵的平衡結晶過程（圖中合金⑦）

1—2點：勻晶反應結晶出一次滲碳體Fe3CⅠ；2—2′點：余下的液相發生共晶反應，轉變為萊氏體；繼續冷卻：一次滲碳體的重量不發生變化，萊氏體的變化同共晶合金

過共晶白口鑄鐵結晶過程：勻晶反應+共晶反應十二次析出反應+共析反應

過共晶白口鑄鐵室溫組織：Fe3CⅠ和Le’(P+ Fe3C+ Fe3CⅡ）

過共晶白口鑄鐵室溫組織 

三、組織組成物在相圖上的標

3.3.4 含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響

一、含碳量對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量皆發生變化，如下圖所示：

二、含碳量對力學性能影響

亞共析鋼： 

共析鋼：含碳量為0.77%時，組織為100%的珠光體

過共析鋼：

白口鑄鐵：

三、含碳量對工藝性能的影響

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、強度低，易于塑性變形，熱壓力加工都加熱到奧氏體相區。

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金屬及合金的結晶

3.4.1 金屬及合金結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。通常使用長度、面積、體積或晶粒度級別數來表示不同方法評定或測定的晶粒大小。在100倍下645.16mm2 面積內包含的晶粒個數N與顯微晶粒度級別數G的關系為N=2G-1。由于測量晶粒尺寸很不方便，在工業生產上常采用與標準系列評級圖對比的比較法來評定平均晶粒度，標準晶粒度共分8級，1級*粗，8級*細。比1級更粗或比8級更細的晶粒也可以用晶粒度級別數表示，如0級、10級、-1級等。比較法的評定方法是將與相應標準系列評級圖相同放大倍數的有代表性視場的晶粒組織圖像或顯微 照片與標準系列評級圖直接進行對比，選取與檢測圖像*接近的標準評級圖級別數。金屬平均晶粒度的具體測量方法見GB/T6394—2002。

2. 決定晶粒尺寸的因素

結晶時，每個晶核長大后便形成一個晶粒，因而晶粒的大小取決于晶核的形成速率和長大速度。單位時間、單位體積內形成晶核的數目稱為形核率（N），而單位時間內晶核生長的長度稱為長大速度（G）。可見，形核率與長大速度的比值N/G越大，晶粒越細小。
3. 控制晶粒尺寸的方法

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

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

（3）振動、攪拌：結晶時通過機械振動、電磁攪拌及超聲波等方法可以打碎正在生長的樹枝狀晶體，增加晶核數目。同時，由于外部輸入了能量，又能夠促進形核，從而細化晶粒。

4. 晶粒大小對金屬性能的影響

常溫下，晶粒細化，晶界面積越大，因而金屬強度、硬度越高，同時塑性、韌性越好，稱為細晶強化。

高溫下，晶界呈粘滯狀態，在外力作用下易產生滑動和遷移，因而細化晶粒無益，但晶粒太粗，易產生應力集中。因而高溫下晶粒過粗、過細都不好。

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。對于鑄錠來說，它的組織包括晶粒大小、形狀、取向、元素和雜質分布，以及鑄錠中的缺陷等。鑄錠的組織對后續加工和使用性能都有很大的影響。

1. 鑄錠的組織

由于凝固時表面和心部的結晶條件不同，鑄錠的宏觀組織是不均勻的，通常由表面細晶區、柱狀晶區和中心等軸晶區三個晶區組成。 

（1）表層細晶區：當高溫的液體金屬被澆注到鑄型中時，液體金屬首先與鑄型的模壁接觸，一般來說，鑄型的溫度較低，產生很大的過冷度，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、晶粒很細的等軸晶區。

（2）柱狀晶區：表層細晶區形成后，由于液態金屬的加熱及凝固時結晶潛熱的放出，使模壁的溫度逐漸升高，冷卻速度下降，結晶前沿過冷度減小，難以形成新的結晶核心，結晶只能通過已有晶體的繼續生長來進行。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生長而形成柱狀晶區。

（3）中心等軸晶區：當柱狀晶長大到一定程度，由于冷卻速度進一步下降及結晶潛熱的不斷放出，使結晶前沿的溫度梯度消失，導致柱狀晶長大停止。當心部全部冷卻至實際結晶溫度以下時，以雜質和被沖下的晶枝碎塊為結晶核心均勻長大，形成粗大的等軸晶區。

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

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：大多數金屬凝固時體積要收縮，如果沒有足夠的液體補充，便會形成孔隙。如果孔隙集中在凝固的*后部位，則稱為縮孔。縮孔可以通過合理設計澆注工藝，預留出補縮的液體（如加冒口）等方法控制，一旦鑄錠中出現縮孔則應將其切除。如果孔隙分散地分布于枝晶間，則稱為疏孔，可以通過壓力鑄造等方法予以消除。

(2)氣孔：金屬在液態下比在固態下溶解氣體多。液態金屬凝固時，如果所析出的氣體來不及逸出，就會保留在鑄錠內部，形成氣孔。內表面未被氧化的氣孔在熱段或熱軋時可以焊合，如發生氧化，則必須去除。

(3)偏析：合金中各部分化學成分不均勻的現象稱為偏析。鑄錠在結晶時，由于各部位結晶先后順序不同，合金中的低熔點元素偏聚于*終結晶區，或由于結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。適當控制澆注溫度和結晶速度可減輕宏觀偏析。

第四章 金屬的塑性變形與再結晶

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，只有在切應力г的作用下，金屬晶體才能產生塑性變形。

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

1. 滑移

滑移是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發生移動的現象。滑移變形的特點是：

(1)滑移只能在切應力的作用下發生。產生滑移的*小切應力稱為臨界切應力。

(2)滑移常沿晶體中原子密度*大的晶面和晶向發生，這是因為原子密度*大的晶面和晶向之間間距*大，結合力*弱，產生滑移所需切應力*小。沿其發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。

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

滑移系越多，金屬發生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向對塑性的貢獻比滑移面更大。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，晶體兩部分的相對位移量是原子間距的整數倍。滑移的結果在晶體表面形成臺階，稱為滑移線，若干條滑移線組成一個滑移帶。

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

轉動的原因是由于晶體沿著滑移面和滑移方向滑動后使正應力分量σn、σn’和切應力分量гb、гb’組成了力偶。計算表明，當滑移面和滑移方向都與外力軸方向成45°角時，滑移方向上的切應力гs*大，因而*容易發生滑移。當滑移面和滑移方向與外力軸方向平行或垂直時，切應力分量гs=0，晶體不發生滑移。
     (5)滑移是通過滑移面上位錯的運動來實現的。計算表明，把滑移設想為剛性整體滑動所需的理論臨界切應力值比實際測量的臨界切應力值大3～4個數量級，而按照位錯運動模型計算所得的臨界切應力值則與實測值相符，可見滑移不是剛性滑動，而是位錯運動的結果。

當晶體通過位錯運動產生滑移時，只在位錯中心的少數原子發生移動，而且它們移動的距離遠小于一個原子間距，因而所需臨界切應力小，這種現象稱為位錯的易動性。

當一個位錯移動到晶體表面時，便產生一個原子間距的滑移量，同一滑移面上，若有大量位錯移出，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于另一部分所發生的切變。發生切變的部分稱為孿晶帶或孿晶，沿其發生孿生的晶面稱為孿生面，孿生的結果使孿生面兩側的晶體呈鏡面對稱。

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

在常見的晶格類型中，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生孿生變形。面心立方晶格金屬一般不發生孿生變形，但在這類金屬中常發現有孿晶存在，這是由于相變過程中原子重新排列時發生錯排而產生的，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是多晶體，其中每個晶粒內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，晶界原子排列不規則，當位錯運動到晶界附近時，受到晶界的阻礙而堆積起來，稱為位錯的塞積。若要使變形繼續進行，則必須增加外力，可見晶界使金屬的塑性變形抗力提高。雙晶粒試樣的拉伸實驗表明，試樣往往呈竹節狀，晶界處較粗，這說明晶界的變形抗力大，變形較小。

由于各相鄰晶粒位向不同，當一個晶粒發生塑性變形時，為了保持金屬的連續性，周圍的晶粒若不發生塑性變形，則必以彈性變形來與之協調。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程

多晶體中首先發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，使位錯在晶界附近塞積，當塞積位錯前端的應力達到一定程度，加上相鄰晶粒的轉動，使相鄰晶粒中原來處于不利位向滑移系上的位錯開動，從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶粒，當有大量晶粒發生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。

3. 晶粒大小對金屬力學性能的影響

金屬的晶粒越細，其強度和硬度越高。原因是金屬的晶粒越細，晶界總面積越大，位錯障礙越多，需要協調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，其塑性和韌性也就越好。這是由于晶粒越細，單位體積內晶粒數目越多。同時參與變形的晶粒數目也越多，變形越均勻，推遲了裂紋的形成和擴展，使得在斷裂前發生較大的塑性變形。在強度和塑性同時增加的情況下，金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其韌性也比較好。

通過細化晶粒來同時提高金屬的強度、硬度、塑性和韌性的方法稱為細晶強化。細晶強化是金屬的重要強化手段之一。

4.2 合金的塑性變形與強化

1．單相固溶體合金的塑性變形與固溶強化

單相固溶體合金的組織與純金屬相同，因而其塑性變形過程也與多晶體純金屬相似；

由于溶質原子的存在，使晶格發生畸變，從而使固溶體的硬度、強度提高，塑性韌性下降，這種現象稱為固溶強化。 

2．多相合金的塑性變形與彌散強化

當合金的組織由多相混合物組成時，合金的塑性變形除與合金基體的性質有關外，還與**相的性質、形態、大小、數量和分布有關。**相可以是純金屬，也可以是固溶體或化合物，工業合金中的**相多數是化合物； 

當**相在晶界上呈網狀分布時，對合金的強度和塑性都不利；當在晶內呈片狀分布時，可提高強度、硬度可顯著提高，而且**相顆粒越細，分布越均勻合金的強度、硬度越高，這種強化方法稱為彌散強化或沉淀強化。

4.3 塑性變形對金屬組織和性能的影響

4.3.1 塑性變形對金屬組織的影響

金屬發生塑性變形，不僅外形發生變化，而且內部的晶粒被拉長或壓扁。當變形量很大時，晶粒將被拉長為纖維狀，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 塑性變形對金屬性能的影響

金屬發生冷塑性變形后，隨塑性變形量增加，金屬的強度、硬度提高，塑性、韌性下降的現象稱為加工硬化。

冷塑形變形金屬產生加工硬化的原因：

位錯密度增加；亞結構細化，亞晶界對位錯運動有阻礙作用；空位密度增加。

由于加工硬化的存在，使已變形部分發生硬化而停止變形，而未變形部分開始變形，因此，沒有加工硬化，金屬就不會發生均勻塑性變形。加工硬化是強化金屬的重要手段之一。尤其對于那些不能通過熱處理強化的金屬和合金更為重要。

4.3.3 殘余應力

內應力是指平衡于金屬內部的應力，它是由于金屬在外力作用下，內部變形不均勻而引起的。

內應力分為三類：

（1）宏觀內應力：平衡于金屬表面與心部之間；

（2）微觀內應力：平衡于晶粒之間或晶粒內不同區域之間；

（3）畸變應力：由晶格缺陷引起的內應力。

內應力的存在，使金屬的耐蝕性降低，引起零件在加工、淬火過程中的變形和開裂。因此，金屬在塑性變形后，通常要進行退火處理，以消除或降低內應力。

4.4 回復與再結晶

4.4.1 冷變形金屬在加熱時的組織和性能變化

金屬經冷塑性變形后，組織處于不穩定狀態，有自發恢復到變形前組織狀態的傾向。在常溫下，原子擴散能力小，不穩定狀態可以維持相當長時間，而加熱則使原子擴散能力增強，金屬將依次發生回復、再結晶和晶粒長大。

1.回復

回復是指在加熱溫度較低時，由于金屬中點缺陷及位錯的近距離遷移而引起的晶內某些變化。在回復階段，組織變化不明顯，強度、硬度略有下降，塑性略有提高；但內應力、電阻率等顯著下降。

在工業中，利用回復現象將冷變形金屬低溫加熱，既穩定組織有保留了加工硬化，這種熱處理方法稱為去應力退火。

2.再結晶

如下圖所示，當冷塑性變形金屬被加熱到較高溫度時，由于原子活動能力增大，晶粒的形狀開始發生變化，有破碎拉長的晶粒變為完整的等軸晶粒。這種冷變形組織在加熱時重新徹底改組的過程稱為再結晶。

再結晶也是一個晶核形成和長大的過程，但不是相變過程。再結晶前后晶粒的晶格類型和成分完全相同。由于再結晶后組織的復原，金屬的強度、硬度下降，韌性提高，加工硬化消失。

3.結晶后的晶粒長大

再結晶完成后，若繼續升高加熱溫度或延長加熱時間，將發生晶粒長大，這是一個自發的過程。晶粒的長大是通過晶界遷移進行的，是大晶粒吞并小晶粒的過程。晶粒長大會使金屬的強度，尤其是塑性和韌性下降。

4.4.2 再結晶溫度

再結晶不是一個恒溫過程，它是自某一溫度開始，在某一溫度范圍內連續進行的過程，發生再結晶的*低溫度稱為再結晶溫度。影響再結晶溫度的因素如下：

金屬的預先變形度；金屬的純度；加熱速度和保溫時間

4.4.3 再結晶退火后的晶粒度

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

1.加熱溫度和保溫時間

加熱溫度越高，保溫時間越長，金屬的晶粒越大，加熱溫度的影響尤為顯著。

2.預先變形度

預先變形度的影響實質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別

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

熱加工時產生的加工硬化很快被再結晶產生的軟化所抵消，因而熱加工不會帶來加工硬化的效果。 

4.5.2 熱加工對金屬組織和性能的影響

熱加工可使鑄態金屬與合金中的氣孔焊合，使粗大的樹枝晶破碎，從而使組織致密，成份均勻，晶粒細化，力學性能提高。

熱加工使鑄態金屬中的非金屬夾雜物沿變形方向伸長，形成彼此平行的宏觀條紋，稱為流線，由這種流線體現的組織稱為纖維組織。纖維組織使鋼產生各向異性，與流線平行的方向強度高，而與其垂直的方向強度低。在制定加工工藝時，應使流線分布合理，盡量與拉應力方向一致。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，易在軸肩處發生斷裂。

在熱加工亞共析鋼時，常發現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有關，它的存在將降低鋼的強度、塑性和沖擊韌性，可通過多次正火或退火來消除。

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：指將鋼在固態下加熱、保溫、冷卻，以改變鋼的內部組織結構，從而獲得需要的性能的一種工藝。

2.熱處理的特點：只通過改變工件的組織來改變性能，不改變其形狀。

3.熱處理的適用范圍：只適用固態下發生相變的材料。

4.熱處理原理：描述熱處理時鋼中組織轉變的規律。

5.熱處理工藝：根據熱處理原理而制定的溫度、時間、介質等參數

6.熱處理分類：

（1）根據加熱、冷卻方式的不同及鋼的組織變化特點的不同，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）根據在零件生產過程中所處的位置和作用不同來分類

預備熱處理：**前道工序的缺陷，改善其工藝性能，確保后續加工順利進行。

*終熱處理：賦予工件所要求的使用性能的熱處理。

7.熱處理時的過熱和過冷現象

由于實際加熱或冷卻時，又過熱或過冷現象，因此，將鋼加熱時的實際轉變溫度分別用Ac1、Ac3、Accm來表示，冷卻時的實際轉變溫度分別用Ar1、Ar3、Arcm來表示。

5.2 鋼在加熱時的轉變

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

5.2.1 奧氏體的形成過程

鋼在加熱時奧氏體的形成過程也是一個形核和長大的過程。以共析鋼為例，其奧氏體化過程可簡單地分為4個步驟，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，因為晶面處的成分和結構對形核有利。

**步：奧氏體晶核長大。奧氏體晶核形成后，便通過碳原子的擴散向鐵素體和滲碳體方向長大。

第三步：殘余滲碳體的溶解。鐵素體在成分和結構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間延長不斷溶解直至消失。

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，需通過較長時間的保溫使奧氏體成分逐漸趨于均勻。

亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體化過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：奧氏體化剛結束時的晶粒大小，此時晶粒細小均勻。隨加熱溫度升高或保溫時間延長，會出現晶粒長大的現象。

實際晶粒度：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。

本質晶粒度：鋼在加熱時奧氏體晶粒的長大傾向，通常將鋼加熱到940±10℃奧氏體化后，設法把奧氏體晶粒保留到室溫來判斷鋼的本質晶粒度。如下圖所示，晶粒度為1-4級的是本質粗晶粒鋼，5-8級的是本質細晶粒鋼，前者晶粒長大傾向大，后者晶粒長大傾向小。 

在工業生產中，經錳硅脫氧的鋼一般都是本質粗晶粒鋼，而經鋁脫氧的鋼、**鋼則多為本質細晶粒鋼。需進行熱處理的工件，一般應采用本質細晶粒鋼制造。

2.影響奧氏體晶粒大小的因素

（1）加熱溫度和保溫時間。

加熱溫度高、保溫時間長，奧氏體晶粒粗大，即使是本質細晶粒鋼，當加熱溫度過高時，奧氏體晶粒也會迅速粗化。

（2）加熱速度

加熱速度越快，過熱度越大，形核率越高，晶粒越細
（3）合金元素

隨奧氏體中含碳量的增加，奧氏體晶粒長大傾向變大，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，反而使長大傾向減小。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大。

（4）原始組織

接**衡狀態的組織有利于獲得細奧氏體晶粒

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性能，尤其是塑性。因此，加熱時獲得細而均勻的奧氏體晶粒是熱處理的關鍵問題之一。

5.3 鋼在冷卻時的轉變

冷卻是熱處理更重要的工序，因為鋼的常溫力學性能與其冷卻后的組織密切相關。鋼在不同的冷卻速度下可轉變為不同的組織，包括平衡組織和非平衡組織。

5.3.1 過冷奧氏體的轉變產物及轉變過程

過冷奧氏體：處于臨界點A1以下的奧氏體

過冷奧氏體是非穩定組織，遲早要發生轉變。隨過冷度的不同，過冷奧氏體將發生三種類型轉變：珠光體轉變、貝氏體轉變和馬氏體轉變。

一、珠光體轉變

1.轉變條件：過冷奧氏體在A1→550℃溫度范圍內轉變為珠光體類型的組織；

2.轉變產物：鐵素體與滲碳體片層相間的機械混合組織，根據片層厚薄的不同，又可細分為：

（1）珠光體(P)：形成溫度A1～650 ℃，片層較厚，500倍光學顯微鏡下可辨，用符號P表示，組織。　

（2）索氏體(S)：形成溫度為650～600℃，片層較薄，800-1000倍光學顯微鏡下可辨，用符號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T表示，組織如下圖所示。

這三種組織無本質區別，只是片層厚度不同，因此其界限也是相對的。片間距越小，鋼的強度、硬度越高，同時塑性和韌性略有改善。

3.奧氏體轉變為珠光體過程：

二、貝氏體轉變

1.轉變條件：過冷奧氏體在550℃～Ms（對于共析鋼而言，Ms為230℃）溫度范圍內將轉變為貝氏體型組織。

2.轉變產物：Fe3C與含碳過飽和鐵素體的兩相機械混合物，根據貝氏體的組織形態不同，又分為：

上貝氏體轉變：形成溫度550～350 ℃，用符號（B上）來表示。在光鏡下呈羽毛狀，不連續的滲碳體分布于自奧氏體晶界向晶內平行生長的鐵素體條之間。如下圖所示。

上貝氏體性能特點：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，強度較低，基本上無實用價值。

下貝氏體轉變：形成溫度為350℃～Ms，用符號（B下）來表示。在光鏡下呈竹葉狀，細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：下貝氏體中碳化物細小，分布均勻，除有較高的強度和硬度外，還有良好的塑性和韌性，是生產上常用組織，因此獲得下貝氏體組織是強化鋼材的途徑之一。 

3.奧氏體轉變為貝氏體過程：

貝氏體轉變也是形核和長大的過程，發生貝氏體轉變時，首先在奧氏體中的貧碳區形成鐵素體晶核，其含碳量介于奧氏體和滲碳體之間，為過飽和鐵素體。

上貝氏體的形成過程（如下圖所示）：當轉變溫度較高（550-350℃）時，條片狀鐵素體從奧氏體晶界向晶內平行生長，隨鐵素體條伸長和變寬，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。 

下貝氏體的形成過程（如下圖所示）：當轉變溫度較低（350-230℃）時，鐵素體在晶界或晶內某些晶面上長成針狀，由于碳原子擴散能力低，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碳化物小片的形式析出，形成下貝氏體。

三、馬氏體轉變

1）轉變條件：溫度區間低于Ms點，過冷奧氏體在該溫度下不能在恒溫下轉變，而是以極大的過冷度連續冷卻。

2）轉變產物：碳在α-Fe中的過飽和間隙固溶體。根據轉變產物形態的不同，馬氏體分為板條馬氏體和針狀馬氏體。

板條馬氏體：其立體形態為細長的扁棒狀，在光鏡下為一束束的細條狀組織，每束內條與條之間尺寸大致相同并呈平行排列，一個奧氏體晶粒內可形成幾個取向不同的馬氏體束。在透射電鏡下，板條內的亞結構主要是高密度的位錯，因而又稱為位錯馬氏體。 

針狀馬氏體：其立體性態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，其亞結構主要是孿晶，因而又稱為孿晶馬氏體。

在一個奧氏體晶粒內，先形成的馬氏體橫穿整個晶粒，但不能穿過晶界和孿晶界，后形成的馬氏體片不能穿過先形成的馬氏體，所以越是后形成的馬氏體片越細小。原始奧氏體晶粒細，轉變后的馬氏體片也細。

馬氏體的形態主要取決于其含碳量，如下圖所示，當含碳量小于0.2%時，轉變后的組織幾乎全部是板條馬氏體，而當含碳量大于1.0%時，則幾乎全部是針狀馬氏體。含碳量在0.2%～1.0%時，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。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，當含碳量大于0.6%時，其硬度趨于平緩，如下圖所示。合金元素對馬氏體的硬度影響不大。馬氏體強化的主要原因是過飽和碳引起的固溶強化，此外，馬氏體轉變產生的組織細化也有強化作用。馬氏體強化是鋼的主要強化手段之一，已廣泛應用于工業生產中。

4）馬氏體轉變的特點

無擴散型：鐵和碳原子都不發生擴散，因而馬氏體的含碳量與奧氏體的含碳量相同。

降溫形成：只要溫度達到Ms以下即發生馬氏體轉變，溫度下降，轉變量增加，冷卻中斷，轉變停止，到Mf轉變終了。Ms、Mf與冷卻速度無關，取決于奧氏體中的含碳量。 

高速長大：馬氏體形成速度極快，瞬間形核，瞬間長大；

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

5.3.2 過冷奧氏體轉變圖

在熱處理中，通常有兩種冷卻方式，即等溫冷卻和連續冷卻。如下圖所示，過冷奧氏體轉變圖即為描述在這兩種冷卻方式下過冷奧氏體的轉變量和轉變時間之間的關系曲線圖。過冷奧氏體轉變圖是對鋼進行熱處理的重要依據。 

一、過冷奧氏體的等溫轉變圖

概念：指表示奧氏體急速冷卻到臨界點A1以下，在各種不同溫度的保溫過程中，轉變量與轉變時間之間關系的曲線圖。也稱TTT（Temperature Time Transformation）曲線，因為其形狀像字母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是過冷奧氏體轉變開始線，右邊的一條及Mf線是過冷奧氏體轉變終了線。A1線、Ms線、轉變開始線及縱坐標所包圍的區域為過冷奧氏體去，轉變終了線以右及Mf線以下為轉變產物區。轉變開始線和轉變終了線之間及Ms線與Mf線之間為轉變區。

孕育期：轉變開始線與縱坐標之間的距離為孕育期。孕育期越小，過冷奧氏體穩定性越小。孕育期*短處稱為C曲線的“鼻尖”。對于碳鋼，“鼻尖”處的溫度為550℃。過冷奧氏體的穩定性取決于相變驅動力和擴散這兩個因素。在“鼻尖”以上，過冷度越小，相變驅動力也越小；在“鼻尖”以下，溫度越低，原子擴散越困難，兩者都使奧氏體穩定性增加，孕育期增長。

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：共析鋼過冷奧氏體*為穩定，C曲線*靠右。由共析鋼成分開始，含碳量增加或減少都使C曲線左移，而Ms點與Mf點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點下降。

奧氏體化條件的影響：

二、過冷奧氏體連續冷卻轉變圖

在實際生產中，熱處理的冷卻多采用連續冷卻。因此，過冷奧氏體連續冷卻轉變圖對于確定熱處理工藝及選材更具有實際意義。過冷奧氏體連續冷卻轉變圖又稱為CCT曲線（Continuous Cooling Transformation），它是通過測定不同冷卻速度下過冷奧氏體的轉變量和轉變時間的關系獲得的。

在碳鋼中，共析鋼的CCT曲線（如下圖所示）*簡單，它沒有貝氏體轉變區，在珠光體轉變區之下多了一條轉變中止線K。當連續冷卻曲線碰到轉變中止線時，過冷奧氏體中止向珠光體轉變，余下的奧氏體一直保持到Ms以下轉變為馬氏體。與TTT曲線相比，CCT曲線位于其右下方。 

共析鋼的連續轉變冷卻曲線 

圖中Vk是CCT曲線的臨界冷卻速度，即在連續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，過冷奧氏體越穩定。 

由于CCT曲線獲得困難，而TTT曲線容易測得，因而在手冊中TTT曲線較多。可用TTT曲線定性說明連續冷卻時的組織轉變情況，方法是將冷卻曲線繪在C曲線上，依其與C曲線交點的位置來說明*終轉變產物。

當冷卻緩慢時（爐冷），過冷奧氏體轉變為珠光體，冷卻較快時（空冷），過冷奧氏體轉變為索氏體。采用油冷時，過冷奧氏體先有一部分轉變為托氏體，剩余的奧氏體在冷卻到Ms以下后轉變為馬氏體，其室溫組織為托氏體+馬氏體+殘余奧氏體。當冷卻速度大于Vk時，過冷奧氏體將在Ms以下直接轉變為馬氏體，其室溫組織為馬氏體+殘余奧氏體。

5.4 鋼的退火和正火

機械零件的一般加工工藝路線如下：

退火和正火主要用于預備熱處理，只有當工件性能要求不高時才作為*終熱處理。 

5.4.1 退火

將鋼加熱到適當溫度保溫，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下的組織。

一、退火目的

① 調整硬度以便進行切削加工；

② 消除殘余內應力，以防止鋼件在淬火時產生變形或開裂；

③ 細化晶粒，改善組織，提高力學性能，為*終熱處理作準備。

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、擴散退火、去應力退火、再結晶退火等類型。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，并消除內應力。

等溫退火：將亞共析鋼加熱到Ac3+（30～50℃），將共析鋼、過共析鋼加熱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停留時間，更適合于孕育期長的合金鋼，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共析鋼，目的在于降低硬度，改善切削加工性能，并為后續熱處理作組織準備。

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）。對于有網狀二次滲碳體的過共析鋼，在球化退火前先進行正火，以消除網狀滲碳體。

5.4.2 正火

正火是將亞共析鋼加熱到Ac3+30～50℃，過共析鋼加熱到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，強度和硬度也比退火組織高，當碳鋼的含碳量小于0.6%，正火后組織為鐵素體加索氏體，當含碳量大于0.6%時，正火后組織為索氏體。

對于低、中碳鋼的亞共析鋼而言，正火的目的與退火的目的相同，即調整硬度，便于切削加工；細化晶粒，為淬火作組織準備；消除殘余內應力。對于過共析鋼而言，正火是為了消除網狀二次滲碳體，為球化退火作組織準備。對于普通結構件而言，正火可增加珠光體量并細化晶粒，提高強度、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，低碳鋼宜采用正火；中碳鋼既可采用退火，也可采用正火；過共析鋼在消除網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以上，保溫后以大于Vk的速度冷卻，使奧氏體轉變為馬氏體的熱處理工藝。因此，淬火的目的就是為了獲得馬氏體，提高鋼的力學性能。淬火是鋼的*重要的強化方法，也是應用*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之一。碳鋼的淬火溫度可利用合金相圖來選擇（如下圖所示）。

對于亞共析鋼，淬火溫度為Ac3 +30～50℃。當含碳量不高于0.5%時，淬火后組織為馬氏體，當含碳量大于0.5%時，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，亞溫淬火也可作為一種強韌化處理方法。

對于共析鋼和過共析鋼，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。過共析鋼由于淬火前經過球化退火，因而淬火后組織為細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提高鋼的硬度和耐磨性有利。如果將過共析鋼加熱到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，脆性和變形開裂傾向增加。

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

二、淬火介質

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

常用的淬火介質是水和油。

水是經濟的且冷卻能力較強的淬火介質，水的缺點是在650-550℃范圍內的冷卻能力不夠強，而在300-200℃范圍內冷卻能力又太大，因此生產上主要用于形狀簡單、截面較大的碳鋼件的淬火。

油在低溫區冷卻能力較理想，但在高溫區冷卻能力太低，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，由于冷卻不足，會出現珠光體型分解。

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

三、淬火方法

采用適當的淬火方法可以彌補冷卻介質的不足，常用的淬火方法如下圖所示。 

1）單介質淬火方法：是指將加熱工件在一種介質中連續冷卻到室溫的淬火方法。如水淬和油淬都屬于這種方法。該方法操作簡單，易實現機械化，應用較廣。

2）雙介質淬火：是指將工件先在一種冷卻能力較強的介質中冷卻，避免珠光體轉變，然后轉入另一種冷卻能力較弱的介質中發生馬氏體轉變的方法。常用的方法是水淬油冷或油淬空冷。其優點是冷卻比較理想，缺點是**種介質中停留時間不易控制，需要有實踐經驗。該方法主要用于形狀復雜的碳鋼工件及大型合金鋼工件。

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

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間，獲得下貝體組織后再空冷的淬火方法。經等溫淬火的零件具有良好的綜合力學性能，淬火應力小，適用于形狀復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.鋼的淬透性及其測定方法

鋼在淬火時獲得淬硬層深度的能力稱為鋼的淬透性，其高低用規定條件下的淬硬層深度來表示。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，冷卻介質有關，工件尺寸小、冷卻能力強，淬硬層深，工件尺寸小、介質冷卻能力強，淬硬層深，而淬透性與工件尺寸、冷卻介質無關，它只用于不同材料之間的比較，是在尺寸、冷卻介質相同時，用不同材料的淬硬層深度進行比較的。

淬透性常用末端淬火法測定（如下圖所示），將標準化試樣奧氏體化后，對末端進行噴水冷卻。然后從水冷段開始，每隔一定距離測量一個硬度值，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、延長保溫時間可使奧氏體晶粒長大、成分均勻，從而提高了奧氏體的穩定性，使鋼的淬透性提高，而鋼中未溶的**相則促進冷卻轉變時的形核，降低奧氏體的穩定性，使淬透性下降。

3.淬透性的應用

力學性能是機械設計中選材的主要依據，而鋼的淬透性又直接影響其熱處理后的力學性能。因此，在選材時，必須對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調質處理后，其力學性能的比較。高淬透性的鋼的整個截面都是回火索氏體組織，力學性能均勻，強度高，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。 

對于截面尺寸較大、形狀復雜的重要零件以及承載較大、要求截面力學性能均勻的零件，應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) 消除或減少淬火內應力，防止工件變形或開裂；

2) 獲得工藝所要求的力學性能；

3) 穩定工件尺寸。淬火馬氏體和殘余奧氏體都是非平衡組織，有自發向平衡組織鐵素體加滲碳體轉變的傾向。回火可使馬氏體和殘余奧氏體轉變為平衡或接**衡的組織，防止使用時變形。

4) 對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，則采用回火軟化即能降低硬度，又能縮短軟化周期。

對于未經淬火的鋼，回火是沒有意義的，而淬火鋼不經回火一般也不能直接使用，為避免淬火件在放置過程中發生變形或開裂，鋼件經淬火后應及時回火。

二、 回火的種類

根據鋼的回火溫度范圍，可將回火分為3類。

1.低溫回火

回火溫度為150-250℃。低溫回火時發生如下變化，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，降低內應力，提高韌性。主要用于處理各種工具、模具、軸承及經滲碳和表面淬火的工件。

2.中溫回火

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

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℃。高溫回火時發生如下變化，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性能，即在保持較高強度的同時，具有良好的塑性和韌性，硬度一般為25HRC-35HRC。

回火時的組織變化必然引起力學性能的變化，總的趨勢是隨回火溫度提高，鋼的強度、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。可以看出，在200℃以下回火時，由于馬氏體中碳化物的彌散析出，鋼的硬度并不���降，高碳鋼硬度略有提高。在200-300℃回火時，由于高碳鋼中的殘余奧氏體轉變為回火馬氏體，硬度再次升高。在300℃以上回火時，由于滲碳體粗化，馬氏體轉變為鐵素體，硬度直線下降。

通常把淬火加高溫回火的熱處理工藝稱為“調質處理”，簡稱“調質”。調質廣泛用于各種重要結構件，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，在某些溫度范圍內回火時，會出現沖擊韌性下降的現象，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℃回火時出現的脆性，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回火就會出現脆性，目前尚未有效消除方法。因而回火時應避開這一溫度。

可逆回火脆性：是指淬火鋼在500-600℃范圍內回火后緩冷時出現的脆性，又稱**類回火脆性。這類回火脆性主要發生在含Cr、Ni、Si、Mn等合金元素的結構鋼中。一般認為這類回火脆性與上述元素促進Sb、Sn、P等雜質在原奧氏體晶界上偏聚有關。如果回火后快速冷卻則不出現這類脆性。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

對于承受彎曲、扭轉、摩擦或沖擊的零件，一般要求表面具有高的強度、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，對零件進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%的中碳結構鋼，如：40、45鋼、40Cr、40MnB及60Ti等低淬透性鋼。如果含碳量過高，則會降低工件心部韌性；如含碳量過低，則會降低鋼的表面硬度和耐磨性。此外，表面淬火還可用于鑄鐵，如機床導軌表面的熱處理，以提高其耐磨性。

2.預備熱處理：表面淬火所要求的預備熱處理為調質或正火，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件。預備熱處理的目的是為表面淬火作組織準備，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℃。回火目的是為了降低內應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（預備熱處理為調質時）或鐵素體加索氏體（預備熱處理為正火時）。

三、表面淬火常用的加熱方法

1.感應加熱：利用交變電流在工件表面感應產生巨大渦流，使工件表面迅速加熱的方法。

2）感應加熱淬火的特點: 

（1） 加熱速度快，工件不易脫碳，變形小；

（2） 獲得的馬氏體組織極細，硬度高、脆性小、疲勞強度好；

（3） 加熱層深度易控制，可實現自動化批量生產。

上述特點使感應淬火加熱表面淬火在生產中得到了廣泛應用，其缺點是設備較貴，形狀復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。火焰表面加熱淬火如下圖所示，其淬硬層深度一般為2～8mm。這種處理的特點是設備簡單、成本低、靈活性大，但淬火質量不易控制。主要用于單件、小批量生產工件及大型工件的表面淬火。

5.6.2 化學熱處理

化學熱處理是將工件置于一定的化學介質中加熱、保溫，使介質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成分和組織且又能有更高強韌性的熱處理工藝。

根據滲入的元素不同，化學熱處理可分為滲碳、氮化、多元共滲、滲其他元素等。

化學熱處理由三個基本過程組成：

1）介質的分解：即加熱時介質中的化合物分子發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）原子向內部擴散：即溶入的元素原子在濃度梯度的作用下由表層向鋼內部的擴散。

一、滲碳

滲碳是指向鋼表面滲入碳原子的過程。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、耐磨性及疲勞強度，同時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���。滲碳主要用于那些對耐磨性要求較高、同時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，使工件在高溫(900—950℃)的滲碳氣氛中進行滲碳（如下圖所示）。氣體滲碳法的優點是生產效率高，滲層質量好，勞動強度低，便于直接淬火；氣體滲碳法的缺點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

工件滲碳后必須進行淬火加低溫回火處理后才能使用。回火溫度一般為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，其表面含碳量可達過共析鋼的成分，由表向里碳濃度逐漸降低，直至鋼的原始含碳量。一般規定，從表面到過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程，其目的是為了提高工件表面的硬度、疲勞強度、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別，一般不會超過0.6-0.7mm。工件在氮化前需進行調質處理，以保證氮化件心部具有較高的強度和韌性。

3.氮化的特點

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

2）氮化件疲勞強度高。這是由于氮化后表層體積增大，產生壓應力；

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穩定性相。

氮化的缺點是工藝復雜，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，如精密機床的絲杠、鏜床主軸、發動機氣缸及熱作模具等。

三、碳氮共滲

1.碳氮共滲是指使工件表面同時滲入碳原子和氮原子的化學熱處理工藝，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：與滲碳相比，氰化具有處理溫度低、時間短，生產效率高，工件變形小等優點，但其滲層較薄，主要用于形狀復雜、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 

近二十年，金屬材料表面處理新技術得到了迅速發展，開發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

將熱噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態，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**技術在內的幾乎所有領域。

1. 涂層的結構

熱噴涂層是由無數變形粒子相互交錯呈波浪式疊在一起的層狀結構，粒子之間不可避免地存在著孔隙和氧化物夾雜缺陷。孔隙率因噴涂方法不同，一般在4％～20％之間，氧化物夾雜是噴涂材料在空氣中發生氧化形成的。孔隙和夾雜的存在將使涂層的質量降低，可通過提高噴涂溫度、噴速，采用保護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鑲嵌、咬合、填塞等機械形式連接的，其次是微區治金結合及化學鍵結合。

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，具有設備簡單操作方便成本低的特點，但涂層質量不太高，目前應用較廣；

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，具有涂層結合強度高、能量利用率高、孔隙率低等優點；

③等離子噴涂，是一種利用等離子弧作為熱源進行噴涂的方法，具有涂層質量優良、適應材料廣泛的優點，但設備較復雜。

3. 熱噴涂工藝

熱噴涂的工藝過程一般為：表面預處理→預熱→噴涂→噴后處理。

表面預處理主要是在去油、除銹后對表面進行噴砂粗化。預熱主要用于火焰噴涂。噴后處理主要包括封孔、重熔等；

4. 熱噴涂的特點及應用

熱噴涂的特點：

①工藝靈活：熱噴涂的對象小到ф10的內孔，大到鐵塔、橋梁。可整體噴涂，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工件變形小：熱噴涂是一種冷工藝，基體材料溫度不超過250℃；

④熱噴涂層可控：從幾十微米到幾毫米；

⑤生產效率高。

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

5.7.2 氣相沉積技術

氣相沉積技術是指將含有沉積元素的氣相物質，通過物理或化學的方法沉積字材料表面形成薄膜的一種新型鍍膜技術。根據沉積過程的原理不同，氣相沉積技術可分為物**相沉積（PVD）和化學氣相沉積（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，并通過氣相過程，在材料表面沉積一層薄膜的技術。物理沉積技術主要包括真空蒸鍍﹑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。根據蒸鍍材料熔點的不同，其加熱方式有電阻加熱、電子束加熱、激光加熱等多種。真空蒸鍍的特點是設備、工藝及操作簡單，但因汽化粒子動能低，鍍體與基體結合力較弱，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輝光放電來電離氬氣，產生的氬離子在電場作用下加速轟擊陰極，被濺射下來的粒子沉積到工件表面成膜的方法。其優點是氣化粒子動能大、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、設備昂貴。

離子鍍是指在真空下利用氣體放電技術，將蒸發的原子部分電離成離子，與同時產生的大量高能中性粒子一起沉積到工件表面成膜的方法。其特點是鍍層質量高、附著力強、均鍍能力好、沉積速度快，但存在設備復雜、昂貴的特點。

物**相沉積具有適用的基體材料和膜層材料廣泛；工藝簡單省材料無污染；獲得膜層膜附著力強膜層厚度均勻、致密、針空少等優點。已廣泛應用于機械、航空航天、電子、光學和輕工業等領域制備耐磨、耐蝕、耐熱、導電、絕緣、光學、磁性、壓電、滑潤、超導等薄膜。 

2. 化學氣相沉積(CVD)

化學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，氣態的TiCl4與N2和H2在受熱鋼的表面反應生成TiN，并沉積在鋼的表面形成耐磨抗蝕的沉積層。

化學氣相沉積的特點是：沉積物種類多，可沉積金屬、半導體元素、碳化物、氮化物、硼化物等，并能在較大范圍內控制膜的組成及晶型；能均勻涂敷幾何形狀復雜的零件；沉積速度快，膜層致密，與基體結合牢固；易于實現大批量生產。

由于化學氣相沉積膜層具有良的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及電學、光學等特殊性能，已被廣泛應用于機械制造、航空航天、交通運輸、煤化工等工業領域。

5.7.3 三束表面改性技術

三束表面改性技術是指將激光束、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，使之發生物理、化學變化，以獲得特殊表面性能的技術。三束對材料表面的改性是通過改變材料的成分和結構來實現的。由于這些束流具有極高的能量密度，可對材料表面進行快速加熱和快速冷卻，使表層的結構和成分發生大幅度改變（如形成微晶、納米晶、、非晶、亞穩成分固容體和化合物等），從而獲得所需要的特殊性能。此外，束流技術還具有能量利用率高、工件變形小、生產效率高等特點。

1. 激光束表面改性技術

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

（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，已廣泛用于發動機缸套、滾動軸承圈、機床導軌、冷作模具等。

（2） 激光表面合金化

預先用鍍膜或噴涂等技術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，從而形成成分與結構均不同于基體的、具有特殊性能的合金化表層。利用這種方法可以進行局部表面合金化，使普通金屬零件的局部表面經處理后可獲得**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、對基體影響小、可將高熔點合金涂敷到低熔點合金表面等優點，已成功用于改善發動機閥座和活塞環、渦輪葉片等零件的性能和壽命。

激光束表面改性技術也可用于激光涂敷，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，以提高沉積層與基體的結合力。 

2. 電子束表面改性技術

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

與激光束表面改性技術相比，電子束表面改性技術還具有以下特點：

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

離子注入是指在真空下，將注入元素離子在幾萬至幾十萬電子伏特電場作用下高速注入材料表面，使材料表面層的物力、化學和機械性能發生變化的方法。

離子注入的特點是：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；注入層與基體結合牢固，無明顯界面；可同時注入多種元素，也可獲得兩層或兩層以上性能不同的復合層。

通過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、生物工程、宇航及醫療等高技術領域獲得了比較廣泛的應用，尤其在工具和模具制造工業的應用效果突出。

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

上述表面處理新技術有的已不屬于熱處理范疇。這些新技術在提高材料表面性能發揮材料性能潛力方面起著不可代替的作用，在各工業和技術領域中有著廣泛的應用前景。 

第六章 工業用鋼 

6.1 鋼的分類與編號

6.1.1 鋼的分類

鋼的種類繁多，為了便于生產、使用、管理，可按以下幾種方法分類。

1.按化學成分分類

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

2.按質量分類

鋼的質量是以硫、磷的含量來劃分的。根據硫、磷的含量可將鋼分為普通質量鋼、上等鋼、**上等鋼和特級上等鋼。

3.按冶煉方法分類

根據冶煉所用煉鋼爐不同，可將鋼分為平爐鋼、轉爐鋼和電爐鋼。

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構鋼、工具鋼和特殊性能鋼。

6.1.2 鋼的分類

一、鋼鐵產品牌號表示方法

我國鋼的牌號一般采用漢語拼音字母、化學元素符號和阿拉伯數字相結合的方法表示。

（1）碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼

這兩類鋼采用屈服點的拼音字母“Q” ，屈服點數值(單位為MPa)和表6-2中規定的質量等級脫氧方法等符號表示，按順序組成牌號。例如碳素結構鋼牌號為Q235AF、Q235BZ等；低合金鋼高強度結構鋼牌號表示為Q345C、Q345D等。

質量等級由A到E磷硫含量質量提高。碳素結構鋼牌號中表示**鋼的符號”Z”和表示特殊**鋼的符號“TZ”可以省略，低合金高強度結構鋼都是**鋼或特殊**鋼，其牌號中沒有表示脫氧方法的符號。

根據需要，低合金高強度結構鋼的牌號也可采用兩位阿拉伯數字（表示平均含碳量的萬分之幾）和化學元素符號，按順序表示，如16Mn等。 

上等碳素結構鋼

上等碳素結構鋼的牌號以兩位數表示，這兩位數字表示鋼的平均含碳量的萬分之幾。

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

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

（2）合金結構鋼和合金彈簧鋼

合金結構鋼和合金彈簧鋼牌號由兩位數字（表示平均含碳量的萬分之幾）加上其后帶有百分含量數字的合金元素符號組成。

（3）工具鋼

①碳素工具鋼

碳素工具鋼的牌號由字母“T”與其后的數字組成，如“T9”。**上等鋼在牌號后加字母“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���號的表示方法與合金結構鋼基本相同，但一般不標明含碳量數字，如“Cr12MoV”（平均含碳量為1.60%）“W6Mo5Cr4V2”（平均含碳量為0.85%）當合金工具鋼的含碳量小于1.00%時，含碳量用一位數字標明，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）前加數字“0”，如“Cr06”。

（4）軸承鋼

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

（5）不銹鋼和耐熱鋼

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

（6）鑄 鋼

以強度為主要特征的鑄鋼牌號為“ZG”（表示“鑄鋼“二字）加上兩組數字，**組數字表示*低屈服強度值，**組數字表示*低抗拉強度值，單位均為MPa如“ZG200-400”。以化學成分為主要特征的鑄鋼的牌號為“ZG”加上兩位數字，這兩位數字表示平均含碳量的萬分之幾。合金鑄鋼牌號在兩位數字后加上帶有百分含量數字的元素符號。當合金元素平均含量為0.9%～1.4%時，除錳只標符號不標含量外，其他元素需在符號后標注數字1；當合金元素平均含量大于1.5%時，標注方法同合金結構鋼，如“ZG15Cr1Mo1V”、“ZG20Cr13”。

二、鋼鐵及合**號統一數字代號體系

我國國家標準GB/T76156-1998對鋼鐵及合金產品牌號規定了統一數字代號，與現行的GB/T221-2000《鋼鐵產品牌號表示方法》等同時并用。統一數字代號有利于現代化的數據處理設備進行存儲和檢索，便于生產和使用。 

6.2 鋼中的雜質與合金元素

6.2.1 鋼中常存雜質元素對性能的影響

鋼中常存雜質元素主要是指錳、硅、硫、磷及氮、氫、氧等。這些元素在冶煉時或者由原料、燃料及耐火材料中帶入鋼中，或者由大氣進入鋼中，或者脫氧時殘留于鋼中，它們的存在會對鋼的性能產生影響。

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化作用，提高鋼的強度和硬度。

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，產生熱脆性。控制在0.05％以下，MnS對斷屑有利。磷可溶于鐵素體中，使鋼的強度、硬度顯著增加。但使鋼脆化，產生冷脆性。

3. 氣體元素的影響

氮：室溫下氮在鐵素體中溶解度很低，鋼中過飽和的氮在常溫放置過程中會以Fe4N形式析出而使鋼變脆，稱為時效脆化。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。當氫在鋼中以原子態溶解時，降低韌性，引起氫脆。當氫在缺陷處以分子態析出時，會產生很高的內壓，形成內裂紋，其內壁為白色，稱為白點或裂紋。 

6.2.2 合金元素在鋼中的主要作用

1.合金元素對鋼中基本相的影響

鐵素體和滲碳體是碳素鋼中兩個基本相，合金元素進入鋼中將對這兩個基本相的成分、結構和性能產生影響。

（1）溶于鐵素體，起固溶強化作用

加入鋼中的非碳化物形成元素及過剩的碳化物形成元素都將溶于鐵素體，形成合金鐵素體，起固溶強化作用。從幾種合金元素對鐵素體硬度和韌性的影響可以看出，Si、Mn的固溶強化效果*顯著，但其含量超過一定值后，鐵素體的韌性將急劇下降，而Cr、Ni在適當的含量范圍內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化效果，應控制固溶強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，還能進入滲碳體中，形成合金滲碳體，如鉻進入滲碳體形成(Fe,Cr)3C。當碳化物形成元素超過一定量后，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為：Zr、Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。合金元素與碳的親和力越大，所形成化合物越穩定、熔點、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、數量、大小、形態及分布對鋼的性能有著重要的影響。

2.合金元素對鐵碳相圖的影響

(1) 對奧氏體相區的影響

加入到鋼中的合金元素，依其對奧氏體區的作用可分為兩類。

一類是擴大奧氏體相區的元素，如Ni、Co、Mn、N等，這些元素使A1、A3點下降，A4點上升。當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，A3點降到零度以下，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的元素，如Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等，這些元素是A1、A3點上升，A4點下降。當鋼中的這些元素含量足夠高（如Cr含量大于13%）時，奧氏體相區消失，室溫下鋼具有單相鐵素體組織，稱為鐵素體鋼。

(2)對S點和E點位置的影響 

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

3.合金元素對鋼中相變過程的影響

（1）對鋼加熱時奧氏體化過程的影響 

① 對奧氏體形成速度的影響

大多數合金元素（鎳、鈷以外）都減緩鋼的奧氏體化過程。因此合金鋼在熱處理時要相應地提高加熱溫度或延長保溫時間，才能保證奧氏體化過程的充分進行。

② 對奧氏體晶粒長大傾向的影響

碳、氮化物形成元素阻礙奧氏體的長大。合金元素與碳和氮的親和力越大，阻礙奧氏體晶粒長大的作用也越強烈，因而強碳化物和氮化物形成元素具有細化晶粒的作用。Mn 、P對奧氏體晶粒的長大起促進作用，因此含錳鋼加熱時應嚴格控制加熱溫度和保溫時間。

（2）對鋼冷卻時過冷奧氏體轉變過程的影響 

① 對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裂傾向。合金元素對鋼淬透性的影響取決于該元素的作用強度和溶解量，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，對提高鋼的淬透性將會更為有效。 

對于中強和強碳化物形成元素（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曲線的形狀發生改變，使珠光體轉變與貝氏體轉變明顯地分為兩個獨立的區域。

②對Ms、Mf點的影響

除Co、Al外，所有溶于奧氏體的合金元素都使Ms、Mf點下降，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30%~40%，這對鋼的性能會產生不利的影響，可通過淬火后的冷處理和回火處理來降低殘余奧氏體量。 

（3）對淬火鋼回火轉變過程的影響 

① 提高耐回火性

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

② 產生二次硬化

含有高W、Mo、Cr、V等元素的鋼在淬火后回火加熱時，由于析出細小彌散的這些元素碳化物以及回火冷卻時殘余奧氏體轉變為馬氏體，使鋼的硬度不僅不下降，反而升高，這種現象稱為二次硬化。二次硬化使鋼具有熱硬性，這對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，這對于需調質處理后使用的大型件有著重要意義。

6.3 結構鋼

結構鋼按用途可分為工程用鋼和機器用鋼兩大類。工程用鋼主要是用于各種工程結構，包括碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼，這類鋼冶煉簡便、成本低、用量大，一般不進行熱處理，而機器用鋼大多采用上等碳素結構鋼和合金結構鋼，它們一般都經過熱處理后使用。 

6.3.1 碳素結構鋼

1.牌號

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

2.使用狀態和熱處理

一般不經熱處理，而在鋼廠供應狀態（軋制狀態）下直接使用

3.用 途

鋼結構件、焊接和扳金機械結構件。

6.3.2 上等碳素結構鋼

1.牌號

6.3.3 低合金高強度結構鋼

低合金高強度結構鋼是在碳素結構鋼的基礎上，加入少量的合金元素發展起來的，原稱為普通低合金鋼。

1.牌號

2.性能特點

（1）強度高于碳素結構鋼，可降低結構自重、節約鋼材；

（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變溫度。

3.成份特點

低碳：含碳量≤0.2%

低和金：主加元素為錳

4.熱處理特點

在熱軋狀態下使用，組織為鐵素體加珠光體。

5.典型鋼種及用途

Q345是應用*廣、用量*大的低合金高強度結構鋼，廣泛用于石油化工設備、船舶、橋梁、車輛等大型鋼結構中。 

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：經熱處理后表硬里韌、耐磨性及抗疲勞性好；
3.滲碳件一般的工藝路線：

4.用 途

應用很廣，主要用于制造滲碳零件，如變速齒輪、內燃機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，心部強度較高，用于制造中等強度的耐磨零件，如汽車、拖拉機的變速齒輪、齒輪軸等；

高淬透性滲碳鋼：18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等，淬透性很高。用來制造承受重載荷和強烈磨損的重要零件，如飛機、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℃)--預冷淬火(830℃)--低溫回火(200℃)--噴丸--磨齒 

6.3.5 調質鋼

在調質處理后使用的鋼種，主要用于制造受力復雜的汽車、拖拉機、機床及其他各種重要零件。

1.性能要求：良好的綜合力學性能；良好的淬透性。

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

3.調質件一般的工藝路線：

4.典型鋼種

低淬透性調質鋼：45、40Cr，用于制造尺寸較小的齒輪、軸、螺栓等。

中淬透性調質鋼：40CrNi，用于制造截面較大的零件，如曲軸、齒輪等

高淬透性調質鋼：40CrNiMo，用于制造大截面、重載荷的零件，如汽輪機主軸、葉輪、航空發動機等。

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：

冷成形彈簧：對于鋼絲直徑小于10mm的彈簧，通過冷拔(或冷拉)、冷卷成型；冷卷后的彈簧不必進行淬火處理，只需進行一次消除內應力和穩定尺寸的定型處理，即加熱到250～300℃，保溫一段時間，從爐內取出空冷即可使用。

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，如閥門彈簧、高速柴油機的氣門彈簧等。　 

6.3.7 滾動軸承鋼

1.用 途：主要用來制造滾動軸承的內外圈，滾動體等;

2.牌 號：

3.化學成分：含碳量0.95-1.10%，含鉻量0.4-1.65%

4.熱處理及組織：

預先熱處理：球化退火；

*終熱處理：淬火+低溫回火

使用狀態下組織：回火馬氏體＋細小碳化物＋殘余奧氏體。

5.典型鋼種：應用*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生沖擊硬化作用的高錳鋼

1.用 途：用于既承受嚴重磨損又承受強烈沖擊的零件；

2.化學成分：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.應用*廣的GCr4，GCr15，GCr15SiMn鋼。

6.4 工具鋼

工具鋼是用來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：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）優點：成本低，耐磨性和加工性較好，在受用工具和機用低速工具上廣泛應用；

5）缺點：熱硬性差，淬透性低，只適于制作尺寸不大、形狀簡單的低速刀具。

２.低合金工具鋼

１）牌 號

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

3）用 途：廣泛用于制造形狀復雜、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 點：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：W[×]□[×]□[×]□[×]，□－合金元素， [×]－合金元素含量；

2）化學成分：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：高速鋼價格昂貴，為充分發揮其性能和節省材料，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）對性能的基本要求：高的硬度和耐磨性；較高的強度和韌性；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金屬成型的模具，如熱鍛模、熱壓模、熱擠模和壓鑄模等。

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

2）鋼種：熱鍛模鋼；壓鑄模鋼。　 

6.4.3 量具鋼

用于制造各種量測工具，如卡尺、千分尺、快規、塞規及螺旋測微儀

1）對性能的基本要求：高的硬度和耐磨性，尺寸穩定性高，熱處理變形小；

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)；對精密量具，選用CrWMn、Cr2、GCr15鋼等。

以CrWMn鋼制塊規為例，加工工藝路線如下：

下料—鍛造—球化退火—機械加工—淬火—深冷處理—低溫回火—粗磨—人工失效—精磨—去應力處理—研磨

３）熱處理特點：

深冷處理：

量具淬火后，應立即在-70---80℃進行深冷處理，目的是盡可能減少鋼中的殘余奧氏體，穩定量具尺寸。

時效處理：

對精度要求高的量具，經深冷處理在進行低溫回火、粗磨之后，又要用低溫時效處理，以進一步穩定殘余奧氏體和消除殘余應力。 

6.5 特殊性能鋼

特殊性能鋼是指具有特殊物理、化學性能的鋼，分為不銹鋼和耐熱鋼。 

6.5.1 不銹鋼

在腐蝕性介質中具有抗腐蝕性能的鋼

1.用途：主要在石油、化工、海洋開發、原子能、宇航、國防工業等領��用于制造在各種腐蝕介質中工作的零件和結構；

2.性能要求：耐蝕性；

3.成分特點：含碳量在0.03%-0.95%；合金元素：Cr、Ni、Mo。　

6.5.2 耐熱鋼

指在高溫下具有良好的抗氧化性和高溫強度的專用鋼；多用來制作在高溫下工作的鍋爐、汽輪機、燃氣機和內燃機的某些零件或構件。

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。鑄鐵具有許多優良的性能及生產簡便、成本低廉等優點，因而是應用*廣泛的材料之一。例如，機床、床身、內燃機的氣缸體、缸套、活塞環及軸瓦、曲軸等都是由鑄鐵制造的。

7.1 上海朝展產品生產過程略圖

7.1.1 鑄鐵的石墨化過程

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，主要以化合態的滲碳體Fe3C和游離態的石墨G兩種形式存在。石墨是碳的單質態之一，其強度、硬度、塑性都幾乎為零。滲碳體是亞穩定相，在一定條件下發生如下分解；形成游離態的石墨。

鐵碳合金的雙重相圖：鐵碳合金實際上存在兩個相圖，即Fe-Fe3C 和 Fe-G相圖，這兩個相圖幾乎重合，只是E、C、S點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。根據條件不同，鐵碳合金可全部或部分按其中一種相圖結晶。 

2.鑄鐵的石墨化過程

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

鑄鐵的石墨化過程分為兩個階段：

**階段石墨化: 在P′S′K′線以上發生的石墨化，包括結晶時一次石墨、二次石墨、共晶石墨的析出和加熱時一次滲碳體、二次滲碳體及共晶滲碳體的分解；

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

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，即工業上主要使用的鑄鐵，是**階段石墨化完全進行的灰口鑄鐵

3.影響石墨化的因素

研究表明，鑄鐵的化學成分和結晶時的冷卻速度是影響石墨化的主要因素。

（1）化學成份的影響

鑄鐵中的C、Si是促進石墨化的元素，C、Si含量過低，易出現白口組織，力學性能和鑄造性能變差；C、Si含量過高，會使石墨數量多且粗大，基體內鐵素體量增多，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擴散，結晶越有利于按照Fe-G相圖進行結晶和轉變，因而促進石墨化，而快冷時由于過冷度大，結晶將按Fe-Fe3C相圖進行，不利于石墨化。

7.1.2 鑄鐵的特點及分類 

1.鑄鐵的組織特點：

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，可見鑄鐵的基體組織是鋼的組織，因此鑄鐵的組織實際上是在鋼的基體上分布著不同性態的石墨的組織。

2.鑄鐵的力學性能特點：

1）力學性能低

由于石墨相當于鋼基體中的裂紋或空洞，破壞了基體的連續性，減少了有效承載截面，且易導致應力集中，因而其強度、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滑作用。此外，石墨脫落后留下的空間還可以儲油。

3）消振性能好

這是由于石墨可以吸收振動能量。

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.鑄鐵的分類與牌號表示方法

鑄鐵是根據石墨的性態進行分類的。鑄鐵中石墨的形態有片狀、團絮狀、球狀和蠕蟲狀4種，其所對應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。灰鑄鐵價格便宜，應用廣泛，其產量約占鑄鐵總產量的80%以上。

1.牌號：常用的牌號為HT100、HT150、HT200、……、HT350

2.組織

灰鑄鐵的組織是由液態鐵水緩慢冷卻時通過石墨化過程形成的，其基體組織有鐵素體、珠光體和鐵素體加珠光體三種。灰鑄鐵的顯微組織如下圖所示。為提高灰鑄鐵的性能，常對灰鑄鐵進行孕育處理，以細化片狀石墨，常用的孕育劑有硅鐵和硅鈣合金。經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和分布。由于石墨片對基體的連續性的破壞嚴重，產生應力集中大，因而熱處理對灰鑄鐵的強化效果不大，其基體強度利用率只有30%-50%。灰鑄鐵常用的熱處理有：消除內應力退火、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的零部件，如機床床身、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石墨化退火后獲得的，其石墨呈團絮狀。可鍛鑄鐵中要求碳、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，否則將延長石墨化退火周期。

1.牌號：KTH KTB KTZ分別表示黑心、白心、珠光體可鍛鑄鐵代號 

2.組織

可鍛鑄鐵的組織與**階段石墨化退火的程度有關。當**階段石墨化充分進行后（組織為奧氏體+團絮狀石墨），在共析溫度附近長時間保溫，使**階段石墨化也充分進行，則得到鐵素體+團絮狀石墨組織，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。若通過共析轉變區時，冷卻較快，**階段石墨化未能進行，使奧氏體轉變為珠光體，得到珠光體+團絮狀石墨的組織，稱為珠光體可鍛鑄鐵。

3.性能

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

4.用途

可鍛鑄鐵常用于制造形狀復雜且承受振動載荷的薄壁小型件，如汽車、拖拉機的前后輪殼、管接頭、低壓閥門等。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，是由液態鐵水經石墨化后得到的。與灰鑄鐵相比，它的碳當量較高，一般為過共晶成分，這有利于石墨球化。

1.牌號：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。球狀石墨是液態鐵水經球化處理得到的。加入到鐵水中能使石墨結晶成球形的物質稱為球化劑，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，并使石墨細小且分布均勻，在球化處理的同時還必須進行孕育處理，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，對基體的割裂作用和產生的應力集中更小，基體強度利用率可達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，因而可以對球墨鑄鐵進行各種熱處理強化。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、機車、機床、礦山機械、動力機械、工程機械、冶金機械、機械工具、管道等方面得到廣泛應用，可代替部分碳鋼制造受力復雜，強度、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60年代發展起來的一種新型鑄鐵，與球墨鑄鐵類似，蠕墨鑄鐵是液態鐵水經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狀石墨組成，其基體組織與球墨類似。

1. 牌號：RuT260、 RuT300、 RuT420 

2. 組織：鋼的基體+蠕蟲狀石墨

3. 性能：

與片狀石墨相比，蠕蟲狀石墨的長厚比值明顯減小，**變鈍，因而對基本的割裂程度和引起應力集中減小，所以蠕墨鑄鐵的強度、塑性和抗疲勞性能優于灰鑄鐵，其力學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載荷的零件，如鋼錠模、玻璃模具、柴油機氣缸、氣缸蓋、排氣閥以及結構復雜、強度要求高的鑄件，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：在工業生產中，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。有色金屬的產量和用量不如黑色金屬多，但由于其具有許多優良的特性，如特殊的電磁性能、耐蝕性能及高的比強度(強度與密度之比)等，已成為現代工業中不可缺少的金屬材料。

有色金屬的種類很多，本章僅對機械儀表、飛機制造等工業中廣泛使用的鋁、銅、鈦及軸承合金做簡要介紹。

8.1鋁及鋁合金

8.1.1 鋁及鋁合金的性能特點

純鋁的基本性質：具有銀白色金屬光澤，密度小(2.72)，熔點低(660.4℃)，導電導熱性能優良；具有面心立方晶格，無同素異構轉變，無磁性；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度(純度為99.99%時)，易于加工成型；還具有良好的低溫塑性，至253℃時，其塑性和韌性也不降低。

純鋁的主要用途：適于配制鋁合金，還可用來制造導線包覆材料及耐蝕器具等。

純鋁的性能強化：純鋁的強度硬度低，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，可變其組織結構，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化作用，使得鋁合金既具有高強度又保持純鋁的優良特性，因此鋁合金可用于制造承受較大載荷的機械零件或構件，成為工業中廣泛應用的有色金屬材料。由于鋁合金具有高的比強度，又成為飛機的主要結構材料。

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

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

8.1.4 鋁合金的牌號性能及用途

1．變形鋁合金 

⑴ 變形鋁合金及鋁合**號表示方法

根據國家標準規定，變形鋁合金及鋁合金可直接引用國標四位數字體系牌號。未命名為國標四位數字體系牌號的變形鋁及鋁合金，應采用四位字符牌號命名。

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。這類合金不能進行熱處理強化，常利用加工硬化來提高其強度。常用的Al-Mn系合金有3A21（LF21），其抗蝕性和強度高于純鋁，用于制造油罐油箱管道鉚釘等需要彎曲沖壓加工的零件。常用的Al-Mg系合金有5A05（LF5），其密度比純鋁小，強度比Al-Mn合金高，在航空工業中得到廣泛應用，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，并起一定的固溶強化作用。硬鋁合金的強度、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，如螺旋掌鉚釘等。

③ 超硬鋁合金

屬Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量鉻和錳。是時效后強度*高的一種鋁合金。超硬鋁合金的熱態塑性好，但耐蝕性差。主要用于工作溫度較低受力較大的結構件，如飛機的大梁起落架等。

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化相Mg2Si，常用牌號有等6A02（LD2）、2A50（LD5）、2B50（LD6）、2A14（LD10）。這類合金的鍛性好，力學性能高，主要用于制造形狀復雜的鍛件和模鍛件，如噴氣發動機的壓氣機葉輪，導風輪幾飛機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，如壓氣機葉片、超音速飛機的蒙皮等。

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，其代號分別ZL1、ZL2、ZL3和ZL4加兩位數字的順序號表示(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，具有優良的耐蝕性耐熱性和焊接性能。簡單硅鋁明強度低，不能熱處理強化，用于制造形狀復雜但強度要求不高的鑄件，如飛機儀表殼體等。復雜硅鋁明可熱處理強化，用于制造低中強度形狀復雜的鑄件，如電動機殼體、氣缸體、風機葉片和發動機活塞等。

⑵ Al-Cu系鑄造鋁合金 這類合金的耐熱性好、強度高，但密度大、鑄造性能、耐熱性能和耐蝕性能差，強度低于系合金。主要用于制造在較高溫度下工作的高強度零件，如內燃機汽缸頭、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單、承受沖擊載荷在腐蝕性介質下工作的零件，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、強度較高，可自然時效強化，但密度大、耐蝕性較差。主要用于制造形狀復雜受力較小的汽車、飛機儀器零件等。 

8.2 銅及銅合金

8.2.1 銅及銅合金的性能特點

純銅呈紫紅色，固稱紫銅，其密度為8.9X103kg/m3，熔點為1038℃；具有面心立方晶格，無同素異構轉變，無磁性；具有良好的導電性和導熱性；在大氣、淡水和冷凝水中有良好的耐蝕性。純銅的強度不高，硬度較低，塑性好。經冷變形后，其強度可提高到400～450，硬度達100～200，但伸長率下降。純銅主要用于配制銅合金，制作導電、導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化即**相強化作用，使得銅合金既提高了強度，又保持了純銅的特性，因而在機械工業中得到了廣泛應用。    根據化學成分，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為+表示銅平均百分含量的數字。

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

2．特殊黃銅

在普通黃銅的基礎上加入硅、錫、鋁、錳、鎳、鐵、鉛等元素形成特殊黃銅。加工特殊黃銅的牌號為H（黃）+主加元素符號+銅平均百分含量，合金元素的加入，可影響和的相對量，提高強度；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。常用牌號有等特殊黃銅強度、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。加工青銅的牌號為Q+主加元素符號及其平均百分含量+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%錫青銅強度較高，適于鑄造。錫青銅鑄造流動性差，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、海水及無機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%左右時強度*高，多在鑄態或經熱加工后使用。鋁青銅的強度、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，強度、耐磨性耐蝕性高。主要用于制造船舶、飛機及儀器中的高強、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%。鈹青銅是時效強化型合金，經淬火時效處理后，其抗拉強度達1200MPa～1400MPa，硬度可達350HB～400HB。鈹青銅具有高的強度、彈性極限、耐磨性、耐蝕性，良好的導電性、導熱性和耐低溫新，無磁性，受沖擊時不產生火花，以及良好的冷熱加工性能和鑄造性能，但價格較貴。常用牌號有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B+為主加元素符號（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良的冷熱加工性能。常用的牌號有B5、B19等，主要用于制造在蒸汽和海水環境下工作的精密機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、強度和塑性高，成本低。常用牌號有BMn40-1.59康銅）、BMn43-0.5（考銅）等，用于制造精密機械、儀表零件及醫療器械等。 

8.3 鈦及鈦合金

8.3.1 工業純鈦

純鈦是灰白色金屬，密度小（4.507g/cm3），熔點高(1688℃)，在882.5℃發生同素異構轉變α-Tiβ-Ti。純鈦的強度低，比強度高，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。純鈦的性能受雜質影響很大，少量雜質即可顯著提高其強度。純鈦主要用于350℃以下的工件，強度要求不高的零件，如石油工用的熱交換器��反應器海水凈化裝置及艦船零部件。 

8.3.2 鈦合金

純鈦加入合金元素形成鈦合金。幾乎所有鈦合金中都含有鋁，因為鋁能提高鈦合金的強度比強度和再結晶溫度。

按退火組織，鈦合金可分為α型鈦合金、β型鈦合金和α+β型鈦合金3類，它們的牌號分別用TATBTC加順序號表示，如TA5TB2TC4等，其中TA0～TA3為工業純鈦。

1． α型鈦合金

主加元素為鋁，還有錫、硼等。這類合金不能熱處理強化，通常在退火狀態下使用，組織為α單相固溶體。α型鈦合金的強度低于其他兩類鈦合金，但高溫強度低溫韌性及耐蝕性優越。常用的牌號有TA5、TA7等，以TA7*為常用，主要用于制造以下工作的零件，如飛機壓氣葉片、導彈的燃氣罐、超音速飛機的渦輪機匣及飛船上的高壓低溫容器等。

2． β型鈦合金

加入的元素有鉬、鉻、釩、鋁等。經淬火時效出理后，組織為β相基體上分布著細小的α相粒子。這類合金的強度高，但冶煉工藝復雜，應用受到限制。β型鈦合金有TB2、TB3、TB4三個牌號，主要用于350℃以下工作的結構件和緊固件，如飛機葉片、軸、彈簧、**等。

3． α+β型鈦合金

加入的合金元素有鋁、釩、鉬、鉻等。這類合金可進行熱處理強化，兼具α型鈦合金和β型鈦合金的優點，強度高，塑性好，具有優良的熱強性、耐蝕性和低溫韌性，α+β型鈦合金共有9個牌號，其中以TC4應用*廣用量*大，其經過淬火加時效處理后，組織為α+β+時效析出的針狀α相，主要用于制造400℃以下的飛機葉片、 火箭發動機外殼、火箭和導彈的液氫燃料箱部件及艦船耐殼體等。 

8.4 軸承合金

制造滑動軸承的軸瓦及其內襯的耐磨合金稱為軸承合金。滑動軸承是許多機器設備中對旋轉軸起支撐作用的重要部件，由軸承體和軸瓦兩部分組成。與滾動軸承相比滑動軸承具有承載面積大、工作平穩、無噪音及拆裝方便等優點。 

8.4.1 組織性能要求

當軸高速旋轉時，軸瓦除與軸頸發生強烈摩擦外，還要承受軸頸施加的交變載荷和沖擊力。因此要求軸承合金具有以下性能：

(1) 足夠的強韌性，以承受軸頸施加的壓力、沖擊及交變載荷。

(2) 較小的熱膨脹系數，良好的導熱性和耐蝕性，以防止軸與軸瓦之間的咬合。

(3) 較小的摩擦系數，良好的耐磨性和磨合性，以減少軸頸磨損，保證軸與軸瓦間良好的跑和。

為滿足上述性能的要求，軸承合金的組織應是軟的基體上分布著硬的質點或硬的基體上分布著軟的質點。當軸旋轉時，軟的基體（或質點）被磨損而凹陷，減少了軸頸與軸瓦的接觸面積，有利于儲存潤滑油和軸與軸瓦間的磨合，而硬的質點（基體）則支撐著軸頸，起承載和耐磨作用。此外，軟基體（或質點）還能起嵌藏外來雜質顆粒的作用，以避免擦傷軸頸。

8.4.2 常用的軸承合金

工業上應用的軸承合金很多，常用的有錫基、鉛基、銅基和鋁基軸承合金等，其中錫基和鉛基軸承合金 又稱巴氏合金，是應用*廣的軸承合金。
1. 錫基軸承合金

是以錫為主并加入少量銻、銅等元素的合金，熔點較低，是軟基體硬質點組織類型的軸承合金。典型牌號為ZSnSb11Cu6，錫基軸合金具有較高的耐磨性、導熱性、耐蝕性和嵌藏性，摩擦系數和熱膨脹系數小，但疲勞強度較低，工作溫度不超過150℃，價格高。廣泛用于重型動力機械，如汽輪機，渦輪機和內燃機等大型機器的高速軸瓦。

2. 鉛基軸承合金

是以鉛為主加入少量銻、錫、銅等元素的合金，也是軟基體硬質點型軸承合金。典型牌號為ZPbSb16Sn16Cu2,鉛基軸承合金的強度、硬度、耐蝕性和導熱性都不如錫基軸合金，但其成本低，高溫強度好，有自潤滑性。常用于低速、低載條件下工作的設備，如汽車、拖拉機曲軸的軸承等。

錫基和鉛基軸承合金的強度比較低，為提高其承載能力和使用壽命，生產上常采用離心澆注法，將它們鑲鑄在低碳鋼軸瓦上，形成一層薄而均勻的內襯，成為雙金屬軸承。

3. 銅基軸承合金

常用的牌號有ZCuSn10P1 ZCuSn5Pb5Zn5等錫青銅和ZCuPb30等鉛青銅。前者強度高適于制造中速、承受較大載荷的軸承，如電動機、泵、機床上用的軸承，后者具有高的耐磨性、疲勞強度、導熱性和低的摩擦系數，工作溫度可達350℃，適于制造高速、重載條件下工作的軸承，如航空發動機、高速柴油機、汽輪機上的軸承。 

4．鋁基軸承合金

這類合金常含有錫、銅、銻、鎂等元素，典型牌號為ZAlSn6Cu1Ni1。鋁基軸承合金密度小、導熱性好、疲勞強度高、價格低廉，廣泛用于高速、高負荷條件下工作的軸承，如重型汽車、拖拉機、內燃機的軸承。