金屬材料的性能

1、1 金屬材料的性能金屬材料的性能分為使用性能和工藝性能。使用性能是指金屬材料在使用過(guò)程中反映 出來(lái)的特性， 它決定金屬材料的應(yīng)用范圍、 安全可靠性和使用壽命。 使用性能又分為機(jī)械性 能、物理性能和化學(xué)性能。工藝性能是指金屬材料在制造加工過(guò)程中反映出來(lái)的各種特性， 是決定它是否易于加工或如何進(jìn)行加工的重要因素。在選用金屬材料和制造機(jī)械零件時(shí)， 主要考慮機(jī)械性能和工藝性能。 在某些特定條件下 工作的零件，還要考慮物理性能和化學(xué)性能。1.1 金屬材料的機(jī)械性能各種機(jī)械零件或者工具，在使用時(shí)都將承受不同的外力，如拉力、壓力、彎曲、扭轉(zhuǎn)、 沖擊或摩擦等等的作用。 為了保證零件能長(zhǎng)期正常的使用， 金屬材料

2、必須具備抵抗外力而不 破壞或變形的性能， 這種性能稱(chēng)為機(jī)械性能。 即金屬材料在外力作用下所反映出來(lái)的力學(xué)性 能。金屬材料的機(jī)械性能是零件設(shè)計(jì)計(jì)算、選擇材料、工藝評(píng)定以及材料檢驗(yàn)的主要依據(jù)。不同的金屬材料表現(xiàn)出來(lái)的機(jī)械性能是不一樣的。 衡量金屬材料機(jī)械性能的主要指標(biāo)有 強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)度等。1.1.1 強(qiáng)度金屬材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力稱(chēng)為強(qiáng)度。按外力作用的方式不同，可 分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度等。一般所說(shuō)的強(qiáng)度是指抗拉強(qiáng)度。它是用 金屬拉伸試驗(yàn)方法測(cè)出來(lái)的。1.1.2 剛性與彈性金屬材料在外力作用下， 抵抗彈性變形的能力稱(chēng)為剛性。 剛性的大小可用材料的

3、彈性模 量（ E）表示。彈性模量是金屬材料在彈性變形范圍內(nèi)的規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力（ ）與規(guī)定非比例伸長(zhǎng)率（ ）的比值。所以材料的彈性模量（ E）愈大，剛性愈大，材料愈不易 發(fā)生彈性變形。 但必須注意的是： 材料的剛性與零件的剛度是不同的， 零件的剛度除與材料 的彈性模量有關(guān)外，還與零件的斷面形狀和尺寸有關(guān)。例如，同一種材料的兩個(gè)零件，彈性 模量 E 雖然相同，但斷面尺寸大的零件不易發(fā)生彈性變形，而斷面尺寸小的零件則易發(fā)生 彈性變形。零件在使用過(guò)程中， 一般處于彈性變形狀態(tài)。 對(duì)于要求彈性變形小的零件， 如泵類(lèi)主軸、 往復(fù)機(jī)的曲軸等， 應(yīng)選用剛性較大的金屬材料。 對(duì)于要求彈性好的零件， 如彈簧則可

4、通過(guò)熱 處理和合金化的方法，達(dá)到提高彈性的目的。1.1.3 硬度金屬材料抵抗集中負(fù)荷作用的性能稱(chēng)為硬度。 換句話(huà)說(shuō)， 硬度是金屬材料抵抗硬物壓入 的能力。 材料的硬度是強(qiáng)度、 塑性和加工硬化傾向的綜合反映。 硬度與強(qiáng)度之間往往有一定 的概略比例關(guān)系，并在很大程度上反映出材料的耐磨性能。此外，硬度測(cè)定方法簡(jiǎn)便，不需 制備特殊的試樣， 可以直接在零件上進(jìn)行測(cè)定， 而不損壞工件。 所以硬度通常在生產(chǎn)上作為 熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)的主要方法。1.1.4 沖擊韌性有些機(jī)器零件在工作時(shí)，如齒輪換擋、設(shè)備起動(dòng)、剎車(chē)等，往往受到?jīng)_擊負(fù)荷的作用；還有 一些機(jī)器，如鍛錘、沖床、鑿巖機(jī)、氣動(dòng)舂砂錘等，它們本身就是利用沖擊能

5、量來(lái)工作的。 金屬抵抗沖擊負(fù)荷的能力稱(chēng)為沖擊韌性。對(duì)于承受小能量多次沖擊的機(jī)器零件， 對(duì)材料要求高的強(qiáng)度， 又要求過(guò)高的塑性和沖擊 韌性，并不能提高零件的壽命，相反卻因犧牲了強(qiáng)度，不能發(fā)揮材料的潛力，反擊會(huì)降低零 件的壽命。1.1.5 疲勞強(qiáng)度金屬材料在重復(fù)或交變負(fù)荷的作用下，循環(huán)一定周次 Ni 后，斷裂時(shí)所能承受的最大應(yīng)力稱(chēng) 為疲勞強(qiáng)度。 材料的疲勞強(qiáng)度是通過(guò)各種條件下的疲勞試驗(yàn)確定的。 對(duì)稱(chēng)應(yīng)力循環(huán)下的疲勞 極限通常是在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上用光滑試樣測(cè)定。材料的疲勞極限是材料機(jī)械性能中的一個(gè)重要性能。 凡承受交變負(fù)荷的機(jī)器零件在設(shè)計(jì) 時(shí)需用疲勞極限進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。 在斷裂的零件中， 絕大多數(shù)

6、是交變負(fù)荷下工作的， 如往復(fù)機(jī) 的曲軸，各種機(jī)器的主軸、齒輪、彈簧等。它們的主要破壞形式是疲勞斷裂，而且疲勞斷裂 中大多數(shù)是突然發(fā)生的， 通常所承受的應(yīng)力也小于材料的屈服強(qiáng)度。 因此， 疲勞斷裂具有很 大的危險(xiǎn)性。材料的疲勞極限是材料機(jī)械性能中最敏感的性能之一。 受各種內(nèi)因和外因的影響。 例如 工作時(shí)的負(fù)荷性質(zhì)、環(huán)境溫度和介質(zhì)；零件的幾何尺寸、表面加工的質(zhì)量及處理；材料的化 學(xué)成分、內(nèi)部組織及缺陷等，都顯著地影響疲勞極限。為了提高機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度，除了 根據(jù)強(qiáng)度要求正確選材外， 合理地設(shè)計(jì)零件的結(jié)構(gòu)形狀， 避免應(yīng)力集中， 提高零件的表面質(zhì) 量，避免各種損傷，以及采用表面淬火、化學(xué)熱處理、噴丸

7、處理等表面強(qiáng)化方法，都能不同 程度地提高抗疲勞斷裂的能力。1.1.6 斷裂韌性金屬材料抵抗裂紋擴(kuò)展斷裂的韌性性能稱(chēng)為斷裂韌性。 斷裂韌性與其他韌性一樣， 綜合 地反映了材料的強(qiáng)度和塑性。按傳統(tǒng)力學(xué)方法對(duì)零件進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)， 以材料的屈服強(qiáng)度為依據(jù)， 運(yùn)用強(qiáng)度儲(chǔ)備法確 定零件的許用應(yīng)力和工作應(yīng)力。照此設(shè)計(jì)的零件，一般認(rèn)為是安全可靠的。但是，一些用高 強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼制造的零件， 以及中、 低強(qiáng)度鋼制造的大型零件， 在工作應(yīng)力低于屈服 強(qiáng)度的條件下，有時(shí)發(fā)生脆性斷裂。這種在屈服強(qiáng)度以下產(chǎn)生的脆性斷裂稱(chēng)為低應(yīng)力脆斷。大量斷裂事故分析表明： 零件的低應(yīng)力脆斷是由宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展引起的。 為了防止低

8、應(yīng)力脆斷事故發(fā)生， 在選用材料時(shí)， 應(yīng)根據(jù)材料的斷裂韌性指標(biāo)， 對(duì)零件允許的工作應(yīng)力和 裂紋尺寸進(jìn)行定量計(jì)算，提出明確的數(shù)據(jù)要求。1.2. 金屬材料的其他性能1.2.1 物理性能金屬材料的物理性能，有密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性等。金屬材料密度大于 5 的稱(chēng)為重金屬； 小于 5 的稱(chēng)為輕金屬。 對(duì)于某些工業(yè)部門(mén) （如航空）， 密度對(duì)產(chǎn)品的重量具有重要的意義。金屬材料的熔點(diǎn)影響到材料的使用和制造工藝。例如：電阻絲、鍋爐零件、燃?xì)廨啓C(jī)的 噴嘴等，要求材料有高的熔點(diǎn)，保險(xiǎn)絲則要求熔點(diǎn)低。在制造工藝上，熔點(diǎn)低的共晶合金，流動(dòng)性好，便于鑄造成形。金屬材料的熱膨脹性主要是指它的線(xiàn)膨脹系數(shù)。

9、熱膨脹性會(huì)帶來(lái)零件的變形、 開(kāi)裂及改 變配合狀態(tài)， 從而影響機(jī)器設(shè)備的精度和使用壽命。 高精度的機(jī)床和儀器， 要求在一定溫度 下加工和測(cè)量產(chǎn)品，就是考慮了這個(gè)因素。金屬材料的導(dǎo)熱性影響加熱和冷卻的速度。 導(dǎo)熱性差的材料在加熱或冷卻時(shí)， 工件內(nèi)外 溫差大，容易產(chǎn)生大的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力大于材料的強(qiáng)度時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生變形或裂紋。金屬材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性，對(duì)一些電機(jī)、電器產(chǎn)品是很重要的性能。如銅、鋁導(dǎo)線(xiàn)要 求導(dǎo)電性好， 鎳鉻合金的電阻絲則要求有大的電阻， 變壓器和電機(jī)的鐵芯則采用磁性好的鐵 磁材料。1.2.2 化學(xué)性能金屬材料的化學(xué)性能主要是指金屬抵抗活潑介質(zhì)的化學(xué)侵蝕能力。在室溫下金屬材料抵抗周?chē)橘|(zhì)（

10、如大氣、水氣等）侵蝕的能力稱(chēng)為耐蝕性。一般機(jī)器 零件為了不被腐蝕，常用熱鍍或電鍍金屬、發(fā)蘭處理、涂油漆、燒搪瓷、加潤(rùn)滑油等方法來(lái) 進(jìn)行保護(hù)。在易腐蝕環(huán)境工作的重要零件，有時(shí)需采用不銹鋼制造。金屬材料抵抗酸堿侵蝕的能力稱(chēng)為耐酸性。 在化工機(jī)械中受到酸堿鹽等化學(xué)介質(zhì)侵蝕的 零件，則需采用耐酸鋼制造。金屬材料在高溫下保持足夠的強(qiáng)度， 并能抵抗氧或水蒸氣侵蝕的能力稱(chēng)為耐熱性。 在鍋 爐、汽輪機(jī)及化工、 石油等設(shè)備上的一些零件， 為了滿(mǎn)足這一性能， 需采用耐熱不銹鋼制造。1.2.3 工藝性能金屬材料的工藝性能是反映金屬材料在各種加工過(guò)程中， 適應(yīng)加工工藝要求的能力。 它 是物理性能、化學(xué)性能和機(jī)械性能的

11、綜合表現(xiàn)。工藝性能主要有鑄造性、可鍛性、可焊性、 切削加工性和熱處理性等。在機(jī)械設(shè)計(jì)和制造中，以及選擇材料和工藝方法時(shí)，必須考慮材料的工藝性能。1.2.4 鑄造性能金屬材料的鑄造性能主要是指流動(dòng)性、 收縮性和產(chǎn)生偏析的傾向。 流動(dòng)性是流體金屬充 滿(mǎn)鑄型的能力。 流動(dòng)性好能鑄出細(xì)薄精致的復(fù)雜鑄件， 能減少缺陷。 收縮性是指金屬材料在 冷卻凝固中，體積和尺寸縮小的性能。收縮是使鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松、內(nèi)應(yīng)力、變形、開(kāi)裂 的基本原因。 偏析是指金屬材料在凝固時(shí)造成零件內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。 它使零件各 部分機(jī)械性能不一致，影響零件使用的可靠性。1.2.5 可鍛性金屬材料的可鍛性是指它是否易于鍛壓的性

12、能。 可鍛性常用金屬的塑性和變形抗力來(lái)綜 合衡量?？慑懶院玫慕饘俨牧?，不但塑性好，可鍛溫度范圍寬，再結(jié)晶溫度低，變形時(shí)不易 產(chǎn)生加工硬化，而且所需的變形外力小。如中、低碳鋼，低合金等都有良好的可鍛性，高碳 鋼、高合金鋼的可鍛性較差，而鑄鐵則根本不能鍛造。1.2.6 可焊性金屬材料的可焊性是指金屬在一定條件下獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。對(duì)于易氧化、 吸氣性強(qiáng)、導(dǎo)熱性好（或差） 、膨脹系數(shù)大、塑性低的材料，一般可焊性差?？珊感院玫慕?屬材料，在焊縫內(nèi)不易產(chǎn)生裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，同時(shí)焊接接頭強(qiáng)度高。如低碳鋼具有 良好的可焊性，而鑄鐵、高碳鋼、高合金鋼、鋁合金等材料的可焊性則較差。1.2.7 切削

13、加工性金屬材料的切削加工性是指它被切削加工的難易程度。 切削加工性好的材料， 切削時(shí)消 耗的能量少，刀具壽命長(zhǎng)，易于保證加工表面的質(zhì)量，切削易于折斷和脫落。金屬材料的切 削加工性與它的強(qiáng)度、硬度、塑性、導(dǎo)熱性等有關(guān)。如灰口鑄鐵、銅合金及鋁合金等均有較 好的切削加工性，而高碳鋼的切削性能則較差。1.2.8 熱處理性金屬材料在進(jìn)行熱處理時(shí)反映出來(lái)的性能，稱(chēng)為熱處理性，如淬透性、淬硬性、淬火變 形開(kāi)裂的傾向、氧化脫碳的傾向等。這些熱處理性能將在本書(shū)有關(guān)章節(jié)中討論。1.3. 零件失效與金屬材料性能的關(guān)系金屬材料制造的各種機(jī)器零件 （或構(gòu)件） 都具有一定的功能。 若在服役條件下失去了最 初規(guī)定的功能，

14、則稱(chēng)為失效。 零件失效是由于外界損害作用超過(guò)了材料抵抗損害能力的結(jié)果。 下面分別討論零件失效的主要形式與金屬材料性能之間的關(guān)系。1.3.1 過(guò)量變形各種機(jī)器零件受力后總要產(chǎn)生變形。 當(dāng)變形量超過(guò)允許限度時(shí)， 就會(huì)影響零件之間的配 合關(guān)系，嚴(yán)重時(shí)可使零件最終失效，這種現(xiàn)象稱(chēng)為過(guò)量變形。過(guò)量變形有下面兩種情況： 過(guò)量的彈性變形機(jī)器零件受力后發(fā)生的變形， 總是存在彈性變形。 在多數(shù)情況下， 機(jī)器零件的彈性變形 不能太大， 一般要限制過(guò)量的彈性變形， 要求零件有足夠的剛度。 如果零件的彈性變形超過(guò) 了設(shè)計(jì)所允許的范圍，將影響零件的使用，以致失效。例如，鏜床的鏜桿發(fā)生過(guò)量的彈性變 形，將影響加工的精度。

15、此外，零件有過(guò)量的彈性變形，還可能與其他零件相碰，或引起震 動(dòng)，對(duì)于薄壁零件甚至使整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失穩(wěn)定。實(shí)際生產(chǎn)中， 制造彈簧等零件則要選用彈性材料， 并要求材料的彈性模量小， 彈性極限 高，使之能產(chǎn)生較大的彈性變形。材料彈性模量與比重的比值稱(chēng)為比模量。 是近代工程材料的一個(gè)重要參數(shù)。 例如鋁的彈 性模量小于鋼，但它的比模量大于鋼，因此被大量用作航空材料。過(guò)量塑性變形零件卸載后不能恢復(fù)的變形都是塑性變形。塑性變形產(chǎn)生后，零件在不受力的狀態(tài)下， 也會(huì)偏離設(shè)計(jì)的形狀， 這對(duì)一般機(jī)器來(lái)說(shuō)是不允許的。 因此， 過(guò)量塑性變形是機(jī)器零件失效 的一種形式。例如，齒輪發(fā)生塑性變形后，會(huì)嚙合不好，甚至卡死、斷齒。塑

16、性變形與材料本身的組織結(jié)構(gòu)和外部各種因素都十分敏感。 不但材料的成分、 組織結(jié) 構(gòu)不同，會(huì)有不同的塑性變形能力，而且溫度、加載速度、表面狀態(tài)和應(yīng)力狀況等外界條件 也會(huì)對(duì)塑性變形能力產(chǎn)生很大的影響。例如：室溫下的塑性材料，在低溫則可能呈脆性；靜 載下呈塑性的材料， 在沖擊負(fù)荷下， 由于塑性變形速度滯后于加載速度而呈脆性； 材料在單 向拉伸時(shí)呈塑性， 而在三向拉伸時(shí)則可能呈脆性。 這些特點(diǎn)在防止過(guò)量塑性變形時(shí)必須予以 注意。1.3.2 斷裂機(jī)器零件發(fā)生斷裂， 是一種最嚴(yán)重的失效形式。 特別在沒(méi)有明顯塑性變形的情況下， 突 然發(fā)生的脆性斷裂，往往會(huì)造成不應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)損失和傷亡事故。為防止脆性斷裂， 其

17、傳統(tǒng)方法是： 正確分析零件所承受的應(yīng)力， 再考慮應(yīng)力集中的情況， 即可選擇強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足要求，又有一定塑性和韌性的材料制造。近代研究表明： 斷裂是一個(gè)物理過(guò)程， 由裂紋的萌生和擴(kuò)展兩個(gè)基本階段所組成， 斷裂 力學(xué)就是研究材料裂紋的萌生、 擴(kuò)展直到斷裂的規(guī)律， 并提出的新的斷裂判斷理論。 用斷裂 韌性 Kic 表征材料抵抗裂紋擴(kuò)展能力。 這個(gè)認(rèn)識(shí)對(duì)斷裂分析是個(gè)重大的進(jìn)展， 具有極大的實(shí) 用價(jià)值。1.3.3 過(guò)量磨損任何一臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器設(shè)備， 在接觸狀態(tài)下有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件， 都會(huì)產(chǎn)生摩擦， 引起磨損。 磨損超過(guò)一定的數(shù)量，機(jī)器運(yùn)行情況就會(huì)惡化，使效率和精度降低，甚至報(bào)廢。磨損不僅消 耗材料，損壞機(jī)器，

18、而且耗費(fèi)大量的能源。根據(jù)磨損的破壞機(jī)理，磨損可以分以下四種。1.3.4 磨粒磨損磨粒磨損也稱(chēng)為磨料磨損，一般是指硬的磨粒或凸出物在對(duì)零件表面的摩擦過(guò)程中，使 材料表面發(fā)生損耗的現(xiàn)象。 其實(shí)質(zhì)是微量切削與疲勞破壞的綜合。 這種磨?；蛲钩鑫镆话闶?非金屬磨料，如石英、礦巖、砂土等，但也包括硬金屬與軟金屬表面的磨損。所以磨粒磨損 在礦山、土建、國(guó)防、農(nóng)業(yè)等部門(mén)應(yīng)用的機(jī)器上大量存在。研究表明，當(dāng)材料表面硬度大于 或等于磨粒硬度的 0.91.4 倍時(shí)，就能有效地減少磨損。1.3.5 疲勞磨損零件接觸表面在接觸壓應(yīng)力的長(zhǎng)期反復(fù)作用后， 使表面或次表面形成裂紋， 裂紋再沿著 與表面平行或垂直的方向擴(kuò)展，導(dǎo)致

19、表層材料成細(xì)片狀剝落，這種損壞現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞磨損， 表層材料剝落將使機(jī)器工作時(shí)的噪音加大，振動(dòng)增加，溫度上升，磨損加劇，以至失效而不 能工作。 例如， 在齒輪和滾動(dòng)軸承中產(chǎn)生的疲勞磨損是典型的例子。 生產(chǎn)上提高抗疲勞磨損 的方法有： 選擇具有較高疲勞強(qiáng)度和表面硬度的材料； 通過(guò)熱處理使零件具有合適的組織結(jié) 構(gòu)；降低零件表面加工的粗糙度；提高機(jī)器的裝配精度；改善機(jī)器的潤(rùn)滑條件等。1.3.6 粘著磨損粘著磨損又稱(chēng)為咬合磨損，它是兩個(gè)互相接觸的零件在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接觸表面局部發(fā)生 粘著， 在粘著處分開(kāi)時(shí)， 材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面造成磨損。 這種磨損也可能轉(zhuǎn)變 成磨粒磨損。例如，在蝸輪與蝸桿的嚙合

20、中，內(nèi)燃機(jī)的活塞在缸套內(nèi)的運(yùn)行中，均可看到粘 者磨損的現(xiàn)象，粘者磨損可能使機(jī)器產(chǎn)生咬死，焊合、擦傷、膠合等故障，致使相對(duì)運(yùn)動(dòng)突 然停止，造成事故；或者造成漏氣、漏油，使機(jī)器功率下降，油耗增加。實(shí)踐證明，摩擦偶 件材料的互溶性、硬度、組織結(jié)構(gòu)、表面加工的粗糙度、接觸壓力、滑動(dòng)速度、表面溫度以 及潤(rùn)滑狀態(tài)，對(duì)粘著磨損都有較大的影響。1.3.7 腐蝕磨損摩擦表面在流體或氣體的環(huán)境腐蝕磨損是機(jī)械磨損和化學(xué)腐蝕同時(shí)起作用的一種磨損。 中， 或在潤(rùn)滑劑中發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)， 使零件表面形成腐蝕產(chǎn)物， 這些產(chǎn)物往往粘附不 牢， 在摩擦過(guò)程中被剝離下來(lái)， 而后新的表面又繼續(xù)與介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)， 這種腐蝕與磨損重

21、復(fù) 的過(guò)程，稱(chēng)為腐蝕磨損。腐蝕磨損是極為復(fù)雜的，工作的環(huán)境、溫度、滑動(dòng)速度、載荷、或潤(rùn)滑條件稍有變化， 都會(huì)使腐蝕磨損發(fā)生很大的變化。1.3.8 腐蝕金屬材料在周?chē)h(huán)境介質(zhì)的作用下， 所產(chǎn)生的化學(xué)、 電化學(xué)反應(yīng)， 或物理溶解而逐漸產(chǎn) 生的損壞或變質(zhì)稱(chēng)為腐蝕。 金屬材料的腐蝕是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程。 因?yàn)榱慵ぷ鳝h(huán)境介質(zhì) 的組成、濃度、壓力、溫度、 PH 值千差萬(wàn)別；材料本身的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài) 各種各樣；零件的受力狀態(tài)各不相同，因此存在各種不同的腐蝕。金屬材料的腐蝕問(wèn)題， 遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域， 并給人們帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。 據(jù)統(tǒng)計(jì)， 每年有 10 20%的金屬被腐蝕掉；設(shè)備因腐蝕使用

22、壽命大為縮短；石油、化工、農(nóng)藥等工 業(yè)部門(mén)中，因腐蝕造成設(shè)備的跑、冒、滴、漏，使有害物質(zhì)泄漏，污染環(huán)境、危害人們的健 康；更為嚴(yán)重的因腐蝕釀成的災(zāi)難性事故，也是屢見(jiàn)不鮮。為此，在設(shè)計(jì)、制造和使用設(shè)備 時(shí)，應(yīng)根據(jù)環(huán)境的腐蝕特性，采取相適應(yīng)的防腐技術(shù)。2.鋼的熱處理在機(jī)械制造中，所有工具及重要零件都必須進(jìn)行熱處理。例如 45 鋼制主軸，其制造工 藝過(guò)程為： 鍛造正火粗機(jī)加工調(diào)質(zhì)半精機(jī)加工表面淬火及低溫回火 （軸頸處）磨削，其中都屬于熱處理工序。對(duì)鋼件進(jìn)行熱處理的基本目的是使其組織結(jié)構(gòu)與性能達(dá)到使用要求， 這一目的通常由排 在粗機(jī)加工之后的熱處理工序 （一般稱(chēng)為最終熱處理） 達(dá)到， 例如上述主軸經(jīng)調(diào)

23、質(zhì)處理可使 鋼的綜合機(jī)械性能明顯提高， 軸頸經(jīng)表面淬火及低溫回火后顯著提高了耐磨性， 這樣就使主 軸具有了良好的使用性能。 由此可見(jiàn)， 熱處理是充分發(fā)揮金屬材料內(nèi)在潛力、 提高機(jī)械產(chǎn)品 質(zhì)量、 延長(zhǎng)使用壽命的重要措施； 進(jìn)行熱處理的另一目的是改善鋼的切削加工性能， 并為最 終熱處理作組織上的準(zhǔn)備， 這類(lèi)熱處理通常安排在粗機(jī)加工前進(jìn)行， 如上例中的正火 （一般 稱(chēng)為預(yù)備熱處理） 。熱處理是將金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、 保溫和冷卻， 以獲得所需要的組織結(jié) 構(gòu)與性能的工藝。通常用工藝曲線(xiàn)來(lái)表達(dá)其熱處理規(guī)范。熱處理所以能使鋼的性能發(fā)生變化， 是因?yàn)殇摰慕M織發(fā)生了變化的結(jié)果。 在熱處理過(guò)程 中，

24、鋼的組織變化有嚴(yán)格的規(guī)律性， 在加熱及冷卻過(guò)程中組織的變化規(guī)律是熱處理原理的基 本內(nèi)容， 根據(jù)熱處理原理制訂的加熱溫度及冷卻速度等具體參數(shù)， 則是熱處理工藝的基本內(nèi) 容。根據(jù)熱處理規(guī)范及組織性能變化的特點(diǎn)，通常將熱處理分為：普通熱處理 包括退火、正火、淬火和回火。表面熱處理 包括表面淬火和化學(xué)熱處理（滲碳、氮化、碳氮共滲等）其它方法熱處理 如形變熱處理等。2.1 鋼的退火與正火在制造機(jī)器零件的工藝過(guò)程中， 退火、 正火通常安排在粗加工工序前進(jìn)行， 某些零 件還多次安排退火工序。 退火或正火的基本目的， 是消除前道工序所造成的某些缺陷， 改善 切削加工性，并為后續(xù)熱處理（例如淬火）作好組織上的準(zhǔn)

25、備。對(duì)于性能要求不高的零件， 也可作為最終熱處理。2.1.1 退火將鋼加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋?保溫后經(jīng)緩慢冷卻 （一般為隨爐冷卻） 的熱處理工藝稱(chēng)為 退火。退火態(tài)組織基本上接近于平衡組織。鋼的退火方法有完全退火、 擴(kuò)散退火、 球化退火、 再結(jié)晶退火及低溫退火等多種， 它們的加熱溫度范圍及工藝范圍如圖所示。2.1.1.1 完全退火 1 規(guī)范 將鋼件加熱到 Ac3 以上 30 50，保溫（一般以工件每毫米厚保溫 1.5 2 分鐘計(jì)）后隨爐緩冷到 500 左右出爐。其“完全”是指加熱達(dá)到完全奧氏體化。（ 2）應(yīng)用 主要用于亞共析鋼的鑄件、鍛件及重要焊接件。鑄鋼件進(jìn)行完全退火的目的， 是消除其粗大晶粒及對(duì)

26、機(jī)械性能有害的魏氏組織， 以提高 其機(jī)械性能。例如某含碳量為 0.20%的碳鋼鑄件，鑄態(tài)抗拉強(qiáng)度僅為 383N/mm2 ，完全退火 后提高到 437N/mm2 ，韌性也顯著改善。2.1.1.2 球化退火規(guī)范 將鋼件加熱到 Ac1 以上 1020，保溫后隨爐以很緩慢的速度（ 2060 /h） 冷卻到 500出爐。應(yīng)用 適用于共析鋼、 過(guò)共析鋼的鍛軋件， 以及結(jié)構(gòu)鋼的冷擠壓件等， 使鋼中碳化物球 化，球化退火也因此得名。其目的在于降低硬度、改善切削加工性、改善組織、提高塑性， 并為后續(xù)的淬火處理作好組織上的準(zhǔn)備。2.1.1.3 擴(kuò)散退火規(guī)范 將鋼件加熱到很高的溫度（熔點(diǎn)以下200左右）并經(jīng) 815

27、 小時(shí)的長(zhǎng)時(shí)間保溫后緩慢冷卻下來(lái)。應(yīng)用 用于高合金鋼鑄錠及大型鑄件。目的是使成分均勻。2.1.1.4 低溫退火規(guī)范 將鋼件加熱到 Ac1 以下某一溫度保溫后緩冷。應(yīng)用 消除鑄件和焊接件的內(nèi)應(yīng)力，通常加熱到500 650；在某些零件加工過(guò)程中，為消除前道工序造成的內(nèi)應(yīng)力， 也穿插進(jìn)行低溫退火， 退火溫度視情況而定。 低溫退火又稱(chēng) 為消除內(nèi)應(yīng)力退火。2.2.1 正火2.2.1.1 規(guī)范將鋼件加熱到 Ac3 或 ACcm 以上 50 70，保溫后在空氣中冷卻。2.2.1.2 應(yīng)用作為最終熱處理 對(duì)機(jī)械性能要求不很高的零件， 在選用碳素結(jié)構(gòu)鋼制造時(shí)， 通常選用正火 作為其最終熱處理。 通過(guò)正火可在一定

28、程度上提高其使用性能， 因?yàn)檎鸬睦鋮s速度比退火 快，所得到的晶粒較細(xì)，強(qiáng)度有所提高。2.2.1.3 退火與正火的選用鋼件是選用正火還是退火，應(yīng)根據(jù)其化學(xué)成分確定，一般為：含碳量 C 0.3%用正火?？杉?xì)化晶粒，改善切削加工性能。含碳量 C 0.3%0.5%的碳鋼用正火?？墒辜庸け砻婀鉂?、生產(chǎn)率高，因而降低成本。但 復(fù)雜零件尚須進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力的退火。含碳量 C0.5% 0.75%的碳鋼應(yīng)采用完全退火以降低硬度，便于切削。含碳量 C 0.75%1%的碳鋼應(yīng)采用球化退火，改善加工性能。含碳量 C1% 1.3%的碳鋼應(yīng)先正火消除網(wǎng)狀滲碳體，再球化退火改善加工性能。高合金鋼應(yīng)采用退火，而不用正火，因正

29、火后硬度高，有時(shí)甚至變?yōu)轳R氏體，不易加工。2.3 鋼的淬火與回火如前所述，淬火是將鋼加熱到相變溫度上，保溫后以大于 V 臨的速度冷卻下來(lái)，得到 以馬氏體（ M ）為主要組織的熱處理工藝。淬火是使鋼強(qiáng)化的最重要的方法。由于淬火態(tài)馬氏體是一種不穩(wěn)定的組織， 淬火應(yīng)力一般比較大， 同時(shí)在許多情況下， 對(duì) 強(qiáng)度與韌性的匹配還要作進(jìn)一步的調(diào)整。因此，要對(duì)淬火鋼重新加熱到 Ac1 以下某一溫度 并保溫，使馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)較穩(wěn)定的組織，然后再冷卻下來(lái)，以消除或降低內(nèi)應(yīng)力，并獲 得所需的性能， 對(duì)淬火鋼進(jìn)行的這種處理稱(chēng)為回火。 回火是淬火處理后必須進(jìn)行的后續(xù)處理。2.3.1 鋼淬火及回火的目的對(duì)鋼件進(jìn)行淬火及

30、回火處理的目的， 總得來(lái)說(shuō)是使其性能達(dá)到使用要求， 至于各類(lèi)鋼件 的具體目的，大致有如下幾種情況：2.3.1.1 提高鋼件的硬度及耐磨性對(duì)于要求硬度及耐磨性的鋼件（例如刀具、滾動(dòng)軸承） ，通常采用工具鋼，滾動(dòng)軸承鋼 等制造，并采用淬火加低溫回火處理。2.3.1.1 提高鋼件的綜和機(jī)械性能要求綜合機(jī)械性能良好的鋼件（例如齒輪、軸） ，通常采用中碳鋼或中碳合金結(jié)構(gòu)鋼制 造，并經(jīng)淬火加高溫回火處理（既調(diào)質(zhì)處理） ；在某些情況下，也可采用低碳鋼或低碳和金 結(jié)構(gòu)鋼制造，并經(jīng)淬火加低溫回火處理。2.3.1.2 提高鋼件的彈性極限與疲勞極限要求有較高彈性極限、 疲勞極限并有一定韌性匹配的鋼件 （例如彈簧）

31、，常采用含碳較高 的亞共析碳鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼制造，并經(jīng)淬火加中溫回火處理。2.3.1.3 鋼的淬透性鋼的淬透性是指在規(guī)定條件下， 決定鋼材淬硬深度和硬度分布的特性， 即鋼在規(guī)定條件 下， 經(jīng)受淬火形成馬氏體的能力。 淬透性的好壞是評(píng)定鋼材質(zhì)量的基本依據(jù)之一， 在選用鋼 材及確定其熱處理工藝上有重要意義 .2.3.2 鋼的回火回火是鋼經(jīng)淬火處理后必須的后續(xù)處理， 其目的是消除或降低淬火應(yīng)力； 穩(wěn)定工件 的組織和尺寸；以及把鋼的機(jī)械性能調(diào)整到符合使用性能的要求。鋼淬火后得到的組織是不穩(wěn)定的， 有自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^穩(wěn)定組織的傾向。 淬火鋼在不同的回 火溫度下將轉(zhuǎn)變成不同的回火組織，即回火溫度與回火組織之間存

32、在著一定的關(guān)系。2.3.2.1 回火的種類(lèi)及應(yīng)用（ 1）低溫回火（ 150250） 主要應(yīng)用于各種高碳鋼工模具、滾動(dòng)軸承以及滲碳零 件和表面淬火零件， 其目的是在保持淬火所得到的高硬度和高耐磨性的前提下， 降低淬火應(yīng) 力和提高韌性。（ 2）中溫回火 （350 500）由于中溫回火組織是回火托氏體，具有高的和，同時(shí) 還具有一定的韌性。因此，主要用于處理用彈簧鋼制造的彈簧等零件。（ 3）高溫回火（ 500）如前所述，淬火后再高溫回火稱(chēng)為調(diào)質(zhì)處理。鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理 后的機(jī)械性能比正火狀態(tài)高， 因此齒輪、 軸等重要零件一般都采用調(diào)質(zhì)處理， 也常作為氮化 零件和重要表面淬火零件的預(yù)備熱處理。表 2.4.2.

33、2 45 鋼（ 20-40mm）調(diào)質(zhì)和正火狀態(tài)下機(jī)械性能比較工藝機(jī)械性能金相組織 b(N/mm2)(%) k(N.m/cm2)HBS正火700-80010-2050-80163-220S+F調(diào)質(zhì)750-85020-2580-120210-250S回2.4 鋼的表面淬火在各種機(jī)器中， 齒輪、 軸和銷(xiāo)子等許多零件都在動(dòng)載荷和摩擦條件下工作。 它們?cè)谛阅?上不僅要求齒部和軸頸等處表面硬而耐磨， 還要求心部有足夠的強(qiáng)度和韌性， 以傳遞很大的 扭矩和承受相當(dāng)大的沖擊負(fù)荷，即要求“表硬心韌” 。采用前述幾種熱處理工藝難以兼顧這 兩方面的要求，為此生產(chǎn)中廣泛采用表面熱處理的方法來(lái)滿(mǎn)足這些工件的性能。所謂表面

34、熱處理， 是指只對(duì)工件表層進(jìn)行熱處理以改變其組織 （化學(xué)熱處理還改變成分） 和性能的工藝。所謂表面淬火是僅對(duì)工件表層進(jìn)行淬火的工藝， 通過(guò)快速加熱的方法來(lái)實(shí)施， 把工件表 面快速加熱到淬火溫度后迅速冷卻下來(lái)。 鋼件表面淬火后， 表層為馬氏體組織， 心部則保持 表面淬火前的調(diào)質(zhì)或正火組織。 此法在工業(yè)生產(chǎn)上， 特別是成批大量生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。2.5 鋼的化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理是將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層， 以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。根據(jù)滲入元素的不同，化學(xué)熱處理有滲碳、 氮化、碳氮共滲、滲硼、滲鉻、滲鋁等多種。它們分別應(yīng)用于不同的工件，可以

35、達(dá)到提高鋼 件的耐磨性、疲勞強(qiáng)度、或耐蝕性等目的。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中有重要意義。例如，某些工 件要求有較高的耐蝕性， 需采用價(jià)格昂貴的高合金鋼制造， 若改用一般鋼材制造， 再經(jīng)過(guò)滲 氮或滲鉻等處理，既能滿(mǎn)足使用要求，又能降低成本。2.6 鋼的滲碳2.6.1 滲碳的目的及應(yīng)用滲碳是將含碳量為 0.1% 0.25%的低碳鋼或低碳合金鋼工件置于滲碳介質(zhì)中加熱和保 溫，使碳原子滲入表層，以得到含碳量為1.0%左右，并使?jié)B碳層具有一定深度的熱處理工藝。 一般規(guī)定， 由表面向內(nèi)至過(guò)渡層的一半處的垂直距離稱(chēng)為滲碳層深度， 更便捷的測(cè)定方 法是在滲碳淬火后由表及里測(cè)定試棒的維氏硬度（載荷 1 公斤），以硬度等

36、于 550 HV1 處的 垂直距離為有效滲碳硬化層深度。低碳鋼件經(jīng)滲碳處理后再經(jīng)淬火及低溫回火，就能使工件變得“表硬心韌” ，表層硬度 可達(dá) HRC58 62，超過(guò)中碳鋼表面淬火件的表層硬度，心部韌性通常也比表面淬火件好。 因此，凡是要求“表硬心韌”的工件，如高速齒輪、凸輪軸、活塞銷(xiāo)等都可采用滲碳處理。2.7 鋼的滲氮（氮化）2.7.1 氮化的特點(diǎn)及應(yīng)用氮化是在一定溫度下（一般在 Ac1 溫度以下）使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處 理工藝。經(jīng)氮化處理后的鋼件在性能上有如下特點(diǎn)：（ 1）表面硬度高 38CrMoAl 鋼氮化后表面硬度達(dá) 10001100HV （相當(dāng)于 HRC65 72），耐磨性

37、比滲碳件更好。試驗(yàn)指出，在同樣的工作條件（壓力為200Pa、轉(zhuǎn)動(dòng)線(xiàn)速度為5m/s 、潤(rùn)滑良好）下， 20Cr 鋼滲碳件每 60 小時(shí)磨損 0.037mm，而 38CrMoAl 鋼氮化件僅磨 損 0.008mm 。氮化層不僅硬度高，且熱硬性好，即高硬度可維持到相當(dāng)高的溫度（500左右）不明顯下降，這一特性對(duì)在較高溫度下工作的耐磨零件有重要意義。（ 2）疲勞強(qiáng)度高 由于氮化層的體積增大，使鋼件表層形成壓應(yīng)力，可使鋼件的疲勞 強(qiáng)度比氮化前提高 15% 35%（滲碳也有此作用，但較小 ）（ 3） 耐蝕性良好 這是由于氮化件表面形成了一層薄的致密的化學(xué)穩(wěn)定性高的氮化 物的緣故。氮化件在水中、過(guò)熱蒸汽中和

38、堿性溶液中均具有高的耐蝕性。（ 4）抗“咬卡”性良好由于氮化層的常溫及高溫硬度高，可避免相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩表面間由于短時(shí)間缺乏潤(rùn)滑和過(guò)熱而產(chǎn)生卡死、擦傷或焊合現(xiàn)象。此外，由于氮化溫度低（ 600），鋼件經(jīng)氮化處理后變形很小，且心部能保持預(yù)先熱 處理（調(diào)質(zhì)）所得到的良好綜合機(jī)械性能。鑒于以上特點(diǎn)，氮化廣泛應(yīng)用于各種葉輪口環(huán)、 軸套、活塞桿、曲軸、螺桿，及高速鋼刃具等工件。3. 工業(yè)用鋼3.1 鋼的分類(lèi) 鋼是經(jīng)濟(jì)建設(shè)中極為重要的材料，用途非常廣泛。為了滿(mǎn)足各種使用要求，鋼的種類(lèi)繁多。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的鋼種還不斷涌現(xiàn)，要能合理地選用鋼材，應(yīng)了解鋼的分類(lèi)方法。鋼的分類(lèi)方法很多，主要有以下幾種：3.1

39、.1 按化學(xué)成分分類(lèi)按化學(xué)成分鋼分為碳素鋼和合金鋼兩大類(lèi)。（ 1） 碳素鋼鋼中除鐵、 碳外， 只含有硅、 錳、磷、硫，而且硅的含量少于 0.4% 、錳的含量少于 0.8%， 這類(lèi)鋼稱(chēng)為碳素鋼。鋼中的含碳量少于0.25%的稱(chēng)為低碳鋼，大于 0.6% 的稱(chēng)為高碳鋼，介于兩者之間的稱(chēng)為中碳鋼。（2）合金鋼在碳鋼的基礎(chǔ)上，還加入了鉻、鎳、鎢、鉬、釩、鈦、硅（0.4% ）、錳（ 0.8%）等元素的鋼稱(chēng)為合金鋼。 當(dāng)合金元素總量少于 5%時(shí)稱(chēng)為低合金鋼， 超過(guò) 10%的稱(chēng)為高合金鋼， 介于兩者之間的稱(chēng)為中合金鋼。合金鋼通常還以所含主要合金元素的名稱(chēng)命名，如錳鋼、鉻鋼、硅錳鋼、鉻鎳鋼等。3.1.2 按質(zhì)量等

40、級(jí)分類(lèi)鋼中的磷、硫是有害元素，它們的含量都不允許超過(guò)0.05%。按磷、硫的實(shí)際含量，把鋼分為普通鋼 （磷、 硫均 0.05%）、優(yōu)質(zhì)鋼 （磷、硫均 0.04%）及高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼 （磷 0.035%、 硫 0.03% ）。3.1.3 按金相組織分類(lèi)3.1.3.1 按退火組織分類(lèi)分為亞共析鋼、 共析鋼、 過(guò)共析鋼及萊氏體鋼。 某些高合金鋼在鑄造狀態(tài)的全相組織中 有萊氏體存在，故稱(chēng)為萊氏體鋼。3.1.3.2 按空冷組織分類(lèi)分為珠光體類(lèi)、貝氏體類(lèi)、馬氏體類(lèi)及奧氏體類(lèi)鋼。此外，還有些高合金鋼，在固態(tài)下 只有鐵素體組織，稱(chēng)為鐵素體鋼。3.1.4 按用途分類(lèi)分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼與特殊性能鋼三大類(lèi)。（ 1）結(jié)構(gòu)鋼

41、是用于制造各種機(jī)器零件及工程結(jié)構(gòu)的鋼材。結(jié)構(gòu)鋼又可分為普通碳素結(jié)構(gòu) 鋼、普通低合金鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼等多種。（ 2）工具鋼 是用于制造各種刃具、模具及量具的鋼材。因此又可分為刃具鋼、模具鋼及 量具鋼。按成分可分為碳素工具鋼與合金工具鋼等多種。（ 3）特殊性能鋼 是指具有某種特殊物理性能或化學(xué)性能的鋼，例如不銹鋼、耐熱鋼、耐 磨鋼等。 它們通常都是高合金鋼。 此外， 根據(jù)煉鋼爐的不同， 分為轉(zhuǎn)爐鋼、 平爐鋼及電爐鋼； 根據(jù)煉鋼末期脫氧程度的不同，分為沸騰鋼及鎮(zhèn)靜鋼；根據(jù)鋼成形方法的不同，分為鑄鋼、 鍛鋼及軋材等多種。3.1.5 結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼是品種最多、用途最廣、使用量最大的一類(lèi)鋼。按

42、照化學(xué)成分，這類(lèi)鋼可分為碳 素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼。 其中碳素結(jié)構(gòu)鋼按照鋼的質(zhì)量和成形方法， 又可分為普通碳素結(jié)構(gòu) 鋼、 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和碳素鑄鋼三個(gè)類(lèi)別； 合金結(jié)構(gòu)鋼按照用途和熱處理特點(diǎn)， 又可分為普 通低合金鋼、滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼、易切鋼六個(gè)類(lèi)別。3.1.6 碳素結(jié)構(gòu)鋼3.1.6.1 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼是磷、硫含量較高（ P0.045%， S0.055%）的碳鋼。其產(chǎn)量約占鋼 總產(chǎn)量的 70%，大部分用于工程結(jié)構(gòu)，少部分用于機(jī)械零件。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼按照供貨條件不同分為三類(lèi)：甲類(lèi)鋼、乙類(lèi)鋼、特類(lèi)鋼。甲類(lèi)鋼是保證 機(jī)械性能符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的鋼； 乙類(lèi)鋼是保證化學(xué)成分的鋼；

43、特類(lèi)鋼是保證機(jī)械性能和化 學(xué)成分。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的鋼號(hào)一般由四個(gè)符號(hào)構(gòu)成。 首位符號(hào)是漢語(yǔ)拼音字母， 表示鋼的類(lèi)別， 甲、 乙、特類(lèi)鋼分別用 A、B、C 表示；第二位符號(hào)也是漢語(yǔ)拼音字母，表示鋼的冶煉方法（平 爐鋼無(wú)此位符號(hào)） ；第三位符號(hào)是數(shù)字，表示鋼的序號(hào)，數(shù)字越大，鋼的含碳量就越高，其 強(qiáng)度和硬度也越高，塑性和韌性則越低；第四位符號(hào)是漢語(yǔ)拼音字母，表示鋼的脫氧制度， F 表示沸騰鋼， b 表示半鎮(zhèn)靜鋼，無(wú)此位符號(hào)的鋼是鎮(zhèn)靜鋼。沸騰鋼冶煉時(shí)沒(méi)有進(jìn)行脫氧或 者只進(jìn)行了部分脫氧，澆注后鋼液會(huì)產(chǎn)生沸騰，造成鋼的化學(xué)成分不均勻。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼中， 甲類(lèi)鋼的用量最大， 應(yīng)用范圍也最廣。 A1 、A2

44、 強(qiáng)度低， 但塑性高、 可焊性好，通常軋制成薄板、鋼筋、焊接鋼管或拉制成低碳鋼絲（俗稱(chēng)鐵絲） ，用于制作釘 子、鉚釘、鋼絲網(wǎng)、地腳螺栓、墊圈、爐體部件及其它輕載荷的沖壓件及焊接件等；A3 、A4 有一定的強(qiáng)度和塑性，可焊性好，常軋制成型鋼、鋼筋、鋼管、鋼板，用于制作一般金 屬構(gòu)件和不重要的機(jī)械零件，如橋梁、門(mén)窗、支架、壓力容器、螺栓、螺母、拉桿、鉤、銷(xiāo) 軸等； A5 、A6 強(qiáng)度較高，塑性和焊接性能較差，可用于不重要的轉(zhuǎn)軸、心軸、鏈輪、齒輪、 鍵等； A7 強(qiáng)度高，塑性低，可焊性差，可用于制造農(nóng)機(jī)具軸類(lèi)零件。特類(lèi)鋼一般用于比較 重要的零件，但應(yīng)用較少，多為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼所替代。3.1.6.2

45、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼是磷、硫含量較低（ P 0.04%， S0.04%）的碳素結(jié)構(gòu)鋼。這類(lèi)鋼必 須同時(shí)保證化學(xué)成分和機(jī)械性能，冶煉上控制較嚴(yán)。鋼的純潔度、均勻性及表面質(zhì)量較好， 塑性和韌性較高。 雖然生產(chǎn)成本高于普通碳素結(jié)構(gòu)鋼， 但與合金鋼相比價(jià)格還是低廉的。 其 產(chǎn)量?jī)H次于普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。 凡是淬透性、 強(qiáng)韌性要求不高的較重要的機(jī)械零件， 一般都可 以用這類(lèi)鋼制造。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼有普通含錳量和較高含錳量之分。 普通含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼， 含碳 量小于 0.24%的，含錳量為 0.35% 0.65%；含碳量大于 0.22%的，含錳量為 0.5% 0.8%。 其鋼號(hào)一般由兩位數(shù)字構(gòu)成，

46、表示鋼的平均含碳量，以0.01%為單位。例如 45，平均含碳量為 0.45%的普通含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。 個(gè)別鋼號(hào)后面標(biāo)有漢語(yǔ)拼音字母 F 時(shí)，表示該 鋼是沸騰鋼，例如 08F、20F。較高含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，含碳量為0.12% 0.65%時(shí)，含錳量為 0.7% 1.0%；含碳量大于 0.62%時(shí)，含錳量為 0.9%1.2%。其鋼號(hào)的表示是在兩 位數(shù)字之后再標(biāo)上化學(xué)元素符號(hào)“ Mn ”，例如 15 Mn、45 Mn、70 Mn 。較高含錳量的優(yōu)質(zhì)碳 素結(jié)構(gòu)鋼的用途與普通含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼基本相同，前者的淬透性和強(qiáng)度高于后者， 可制作尺寸稍大或強(qiáng)度要求略高的零件。3.1.6.3 碳素鑄

47、鋼碳鋼鑄鋼是冶煉后直接鑄造成毛坯或零件的碳鋼。 為了防止鑄件在內(nèi)應(yīng)力作用下因塑性 較差而產(chǎn)生裂紋， 這類(lèi)鋼的含碳量不超過(guò) 0.60% 。碳素鑄鋼的牌號(hào)由兩個(gè)漢語(yǔ)拼音字母和兩 組數(shù)字構(gòu)成，例如 ZG310 570?！癦G”系鑄鋼二字漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)字母，后面的數(shù)字第 一組表示鋼的屈服強(qiáng)度，第二組表示鋼的抗拉強(qiáng)度。3.2 合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入一種或數(shù)種合金元素獲得的。 常用的合金元素 有 Si、Mn、 Cr、 Ni 、 W 、Mo 、V、Ti、B 等。合金結(jié)構(gòu)鋼的價(jià)格比較高，因此，其用量遠(yuǎn)比碳素結(jié)構(gòu)鋼少。但是，合金結(jié)構(gòu)鋼在機(jī)械 上所起的作用很大，淬透性、強(qiáng)韌性要求高的零件

48、都需要用這類(lèi)鋼制造。合金結(jié)構(gòu)鋼的種類(lèi)較多， 相互之間性能差異很大， 應(yīng)用范圍也各不相同。 要想比較靈活 的應(yīng)用它們， 需掌握其化學(xué)成分的特點(diǎn)、 所含合金元素的主要作用、 性能特點(diǎn)和熱處理特點(diǎn)。合金結(jié)構(gòu)鋼的鋼號(hào)由數(shù)字和化學(xué)元素符號(hào)構(gòu)成。 前面兩位數(shù)字表示鋼的平均含碳量， 以 萬(wàn)分之一為單位， 隨后的化學(xué)元素符號(hào)表示鋼中所含合金元素。 化學(xué)元素后面的數(shù)字表示該 元素的含量，以百分之一為單位，含量低于1.5%時(shí)不標(biāo)數(shù)字。軸承鋼為特殊，鋼號(hào)冠有字母“ G”，含碳量不標(biāo)，鉻含量以千分之一為單位。例如：40Cr,60Si2Mn,GCr15 等。3.2.1 普通低合金鋼普通低合金鋼是具有較高強(qiáng)度，主要用于工

49、程結(jié)構(gòu)的低合金鋼。簡(jiǎn)稱(chēng)普低鋼。 普通低合金鋼的含碳量一般不大于0.2% 。低碳使這類(lèi)鋼有良好的塑性和可焊性，能夠經(jīng)受冷拉、冷彎、冷卷等變形加工，并能滿(mǎn)足大型構(gòu)件的焊接要求。大多數(shù)普通低合金鋼都含有 0.8%1.8%的 Mn 。Mn 是這類(lèi)鋼的主加元素。加入 Mn 的 目的是提高強(qiáng)度。 Mn 在鋼中溶入鐵素體，起固溶強(qiáng)化作用。此外， Mn 降低鋼的 A1 溫度， 使共析轉(zhuǎn)變?cè)谳^低的溫度下進(jìn)行，鋼中的珠光體得到細(xì)化，鋼的強(qiáng)度則相應(yīng)提高。普通低合金鋼的輔加元素有 V、Ti 、Nb 、Al 、Cu、P、Xt 等。加入量一般小于 0.5%。V、 Ti 、Nb、Al 的主要作用是細(xì)化晶粒，進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)

50、度或保持低溫韌性。Cu、P 主要是提高鋼的抗大氣腐蝕能力。 Xt 可以改善鋼的韌性。3.2.2.2 滲碳鋼 許多零件在工作中既承受強(qiáng)烈的摩擦，又承受較大的沖擊載荷。例如汽車(chē)的變速齒輪、 柴油機(jī)的凸輪軸、 自行車(chē)的鏈條等。 這類(lèi)零件表層應(yīng)具有高硬度和高耐磨性， 從而減輕零件 表面的磨損， 延長(zhǎng)零件的使用壽命； 心部則應(yīng)有良好的韌性和塑性， 以免零件受沖擊時(shí)發(fā)生 脆性斷裂。如果載荷較大，心部還應(yīng)有較高的強(qiáng)度。為滿(mǎn)足上述“表硬里韌“的性能要求， 這類(lèi)零件須進(jìn)行滲碳處理，通常統(tǒng)稱(chēng)為滲碳件。主要用來(lái)制造滲碳件的鋼稱(chēng)為滲碳鋼。（ 1）滲碳鋼的化學(xué)成分滲碳鋼的含碳量在 0.1% 0.25%之間。含碳量低是為

51、了保證零件心部具有良好的韌性和 塑性。即使零件完全淬透，心部得到的是低碳馬氏體，仍具有良好的韌性和塑性。零件表層 通過(guò)滲碳淬火后，得到的是高碳馬氏體，則具有高的硬度和耐磨性。滲碳鋼中常加入 Si、Mn 、Cr、Ni 等元素。加入這些合金元素，主要是為了提高鋼的淬 透性，從而提高零件心部的強(qiáng)韌性。有些薄件或形狀復(fù)雜的滲碳件，使用淬透性較好的鋼， 可降低淬火冷卻速度，減小淬火應(yīng)力，避免產(chǎn)生淬火裂紋。有些滲碳鋼還加入 V、Ti、Mo 、W 等元素，主要目的是在高溫長(zhǎng)時(shí)間的滲碳過(guò)程中， 抑制鋼的晶粒長(zhǎng)大，以便滲碳后直接淬火。（2）常用滲碳鋼按淬透性和強(qiáng)度高低，滲碳鋼可分為四類(lèi)：（a）低淬透性碳鋼主要有

52、 15、20、 20 Mn、25 Mn 等。其水淬臨界直徑15mm ，抗拉強(qiáng)度約為500-800N/mm2, 只適于制造小截面、輕載荷、形狀簡(jiǎn)單的滲碳件。其中使用較多的是20 鋼，（ b ）中淬透性滲碳鋼主要有 20 Cr 、 20Mn2B 、 15CrMn 、 20CrV 等。水淬臨界直徑約為 1540mm， 油淬臨界直徑為 10 25mm ，抗拉強(qiáng)度約為 800 1000 N/mm2 ，廣泛用于截面尺寸較小，心 部強(qiáng)度要求不高的一般中、小型滲碳件。這類(lèi)鋼應(yīng)用較多的是 20Cr。20Cr 與 20鋼相比較。加入了 0.7.%-1.00% 的鉻，淬透性和 強(qiáng)度都明顯提高，油淬臨界直徑為920m

53、m ，可達(dá) 850 N/mm2（ c）較高淬透性滲碳鋼這類(lèi)鋼有 20CrMnTi 、20CrMnMo 、20CrNiMo 、20MnVB 等。 它們的合金元素總量較高， 而且?guī)追N合金元素起復(fù)合作用， 因此有較高的淬透性和強(qiáng)度， 水淬臨界直徑約為 30 70mm， 油淬臨界直徑約為 15 50mm，。（ d）高淬透性滲碳鋼這類(lèi)鋼有 12Cr2Ni4A 、18Cr2Ni4W A 、20Cr2Ni4A 等。它們的合金元素含量高，故 有很好的淬透性，小尺寸零件在空氣中冷卻就可淬硬，油淬臨界直徑為45200 mm， b可達(dá) 1100 1200N/mm2 。主要用于承受重載荷的重要大型零件，曲軸、連桿及缸

54、頭精密螺 栓等。3.2.2.3 調(diào)質(zhì)鋼 各種機(jī)械設(shè)備上，幾乎都有承受動(dòng)載荷、要求綜合機(jī)械性能良好的零件。例如車(chē)床的主軸， 工作時(shí)承受較大的扭矩和彎矩， 開(kāi)車(chē)、 停車(chē)及運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的載荷變化和振動(dòng)， 又使其受到?jīng)_ 擊，要求既有較高的強(qiáng)度又有較好的韌性。 這類(lèi)零件一般在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用， 常稱(chēng)為調(diào)質(zhì)件。主要用來(lái)制造調(diào)質(zhì)件的鋼稱(chēng)為調(diào)質(zhì)鋼。調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成分調(diào)質(zhì)鋼的含碳量一般在 0.3% 0.5%之間。碳量過(guò)低，鋼的強(qiáng)度不夠；碳量過(guò)高，又會(huì)使鋼 的韌性不足。調(diào)質(zhì)鋼中常加入 Si、Mn、Cr、Ni 等元素。 它們?cè)谡{(diào)質(zhì)鋼中所起的主要作用， 是提高淬透性。 同（2）常用調(diào)質(zhì)鋼（a）低淬透性調(diào)質(zhì)鋼主要有 35、

55、45、 45Mn、 50 Mn 等。相對(duì)來(lái)說(shuō)，這類(lèi)鋼淬透性差、強(qiáng)度低。水淬臨界直徑約為 10 30mm ，油淬臨界直徑約為 5 20mm ，調(diào)質(zhì)后的約為 s300 600N/mm2 ， b 約為 500 800N/mm2 。 k 值約為 40 100J/cm2，只適用于小尺寸、輕載荷的調(diào)質(zhì)零件。這類(lèi)鋼最常用的是 45 鋼，其水淬臨界直徑約為 1317mm，油淬臨界直徑約為 5.5 9mm， 調(diào)質(zhì)后 s為 450 550N/mm2 ， k 為 4048J/ cm2?？捎脕?lái)制造車(chē)床主軸、 減速器高速軸、 汽車(chē)凸輪軸以及機(jī)床上的許多齒輪、絲桿和蝸桿等。（ b）中淬透性調(diào)質(zhì)鋼主要有 40Cr、 40M

56、n2 、 40SiMn 、40MnVB 等。其水淬臨界直徑約為 2560mm，油淬臨界 直徑約為 15 40mm ，調(diào)質(zhì)后為 s 600 800N/mm2 ， k 約為 70100J/ cm2。適用于中等 截面、承受中等載荷的調(diào)質(zhì)件，如內(nèi)燃機(jī)的連桿、齒輪、中軸，機(jī)床上較重要的軸、齒輪、 套筒，汽車(chē)的半軸、轉(zhuǎn)向節(jié)等。這類(lèi)鋼最常用的是 40Cr。它的水淬臨界直徑約為 3742mm，油淬臨界直徑約為 19 38mm， 強(qiáng)度和韌性均比 45 鋼高，主要用于較為重要的中小型調(diào)質(zhì)件。（ c）較高淬透性調(diào)質(zhì)鋼主要有 35CrMo.40CrMn.40CrNi.30CrMnSi 等。其油淬臨界直徑約為 2560

57、mm ，調(diào)質(zhì)后 s約為 700 900 N/mm2 ，k約為 70100 J/cm2 ，適用于制造截面較大，載荷較重的調(diào) 質(zhì)件和較為重要的中型調(diào)質(zhì)件。例如汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子、葉輪、連桿，重型汽車(chē)的曲軸、半軸、 連桿等。（d）高淬透性調(diào)質(zhì)鋼主要有 40CrMnMo.40CrNiMoA.25Cr2Ni4W A 等。它們的油淬臨界直徑約為 60 100mm，有 的可達(dá) 150200mm。s約為 9001000 N/mm2 ，k 約為 80120 J/cm2。適宜于制作重 載、大截面的重要調(diào)質(zhì)件，如卷板機(jī)軸、軋機(jī)齒輪軸、挖掘機(jī)傳動(dòng)軸等。（e）氮化鋼最常用的是 38CrMoAlA 。該鋼經(jīng)氮化處理后有很高的表面硬度（1000 1200HV ），無(wú)回火脆性，綜合機(jī)械性能良好。但鋼的淬透性不高，油淬只能淬透 30mm。主要用于制造尺寸精確、表面耐磨性要求很高的中小型調(diào)質(zhì)件，如精密磨床主軸、精密鏜床絲桿、滾齒機(jī)分度 蝸桿等。3.2.2.5 滾動(dòng)軸承鋼主要用來(lái)制造滾動(dòng)軸承的鋼稱(chēng)為滾動(dòng)軸承鋼。 除滾動(dòng)軸承外， 這類(lèi)鋼還可以制造冷沖模、 冷 軋輥、精密量具、精密偶件、機(jī)床絲杠、球