第一章 工程材料与钢的热处理 教学目标及总要求： 重点：钢的分类、牌号及热处理方法 难点：几种热处理方法的应用 第一章 工程材料与钢的热处理 教学目标及总要求： 1. 掌握碳钢中常存元素对碳钢性能的影响； 2. 基本掌握碳钢的分类、牌号、性能和用途； 3. 了解选材的一般原则； 4. 掌握退火、正火、淬火、回火等普通热处理的工艺特点； 5. 掌握防止淬火开裂和减少变形的措施； 重点：钢的分类、牌号及热处理方法 难点：几种热处理方法的应用

章节目录 第一节：概述 第二节：钢的分类及选择 第三节、金属材料的性能 第四节、金属的晶体结构 第五节、金属热处理

材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。 第一节：概述 材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。 金属材料 陶瓷材料 高分子材料 复合材料

零件的生产工艺过程 预先热处理 机械加工 选毛坯 选材 检验 最终热处理 应根据零件的性能要求、受载情况、服役条 件、工作环境等： 其中选材：金属材料种类繁多，性能不一，而且材料的发展日新月异，而零件的性能要求、服役条件各不相同，再加上材料的资源、价格等多方面考虑。

数控加工、电火花加工、激光加工等特种加工方法 轴 毛坯选择 有液态成形毛坯 塑性成形毛坯 连接成形毛坯 粉末冶金成形 型材等毛坯 机械加工方法 传统的有 车削、刨 削、铣削拉削、镗削、磨削等 数控加工、电火花加工、激光加工等特种加工方法 现代的有 车削

一个具体零件的加工往往可用多种不同的加工方法，而每种加工方法所能达到的加工精度、加工质量、加工范围、加工效率是不同的。 预先热处理： 为使切削加工能顺利进行，可通过预先热处理调整硬度，为切削加工做好组织准备。 最终热处理： 使材料的性能达到要求。

第二节、钢的分类及选择 碳钢分类方法很多，比较常用的有三种，即按钢的含碳量、质量和用途分类。 （1）按含碳量分类 低碳钢：含碳量小于或等于0.25%的钢，0.01~0.25%C ≤0.25%C 中碳钢：含碳量为0.30~0.55%的钢 0.25~0.6%C 高碳钢：含碳量大于0.6%的钢 0.6~1.3%C ＞0.6%C

杂质对钢性能的影响 （2）按质量分类：即含有杂质元素S、P的多少分类： 普通碳素钢：S≤0.055% P≤0.045% 1、硅和锰的影响： 有益元素。不但可以溶于F中，产生强化作用，使钢的强度和硬度提高；而且Mn能消除硫对钢的危害。 2、磷的影响： 有害元素，使钢产生冷脆性。 3、硫的影响： 有害元素，使钢产生热脆性。

（3）按用途分类 碳素结构钢：用于制造各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等，及机器零件，如齿轮、轴、连杆、螺钉、螺母等。 碳素工具钢：用于制造各种刀具、量具、模具等，一般为高碳钢，在质量上都是优质钢或高级优质钢。

钛、钒等合金元素的加入提高了钢的强度和硬度，细 化了晶粒，也提高了塑性与韧性。 合金元素对钢性能的影响 （1）提高了钢的力学性能 钛、钒等合金元素的加入提高了钢的强度和硬度，细 化了晶粒，也提高了塑性与韧性。 （2）提高了钢的淬透性 铬、硅、镍、锰、硼等合金元素的加入提高钢的淬透性。 （3）使钢具有某些特殊性能 铬、锰等合金元素的加入使钢具有了耐高温、耐热、耐磨、不生锈等特殊性能。

碳钢的牌号和用途 （1）普通碳素结构钢： 主要保证机械性能，牌号体现机械性能。 用Q+数字表示，“Q”为屈服点，“屈”汉语拼音，数字表示屈服点数值。如：Q-275，表示屈服点为275MPa，若牌号后面标注字母A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同，即S、P含量不同。A、B、C、D质量依次提高，“F”表示沸腾钢，“b”为半镇静钢，不标“F”和“b”的为镇静钢。如：Q235-A·F表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢，Q235-C表示屈服点为235MPa的C级镇静钢。 普通碳素结构钢一般情况下都不经热处理，而是在供应状态下直接使用。

（2）优质碳素结构钢： 同时保证钢的化学成分和机械性能。其牌号是采用两位数字表示的，表示钢中平均含碳量的万分之几。如45钢表示钢中含碳量为0.45%；08钢表示钢中含碳量为0.08%。若钢中含锰量较高，须将锰元素标出，如0.45%C，Mn0.70~1.00%的钢即45Mn。 优质碳素结构钢主要用于制造机械零件。一般都要经过热处理以提高机械性能。

（3）碳素工具钢： 这类钢的牌号是用“碳”或“T”字后附数字表示。数字表示钢中平均含碳量的千分之几。T8、T10分别表示钢中平均含碳量为0.80%和1.0%的碳素工具钢，若为高级优质碳素工具钢，则在钢号最后附以“A”字。如T12A。 碳素工具钢用于制造各种量具、刃具、模具等。 碳素工具钢经热处理（淬火+低温回火）后具有高硬度，用于制造尺寸较小要求耐磨性的量具、刃具、模具等。

低碳，合金含量小于3%。主加元素为Mn其强化了铁素体，提高了强度；V，Ti等元素使晶粒细化，使韧性提高。 一、合金结构钢 1、普通低合金结构钢 低碳，合金含量小于3%。主加元素为Mn其强化了铁素体，提高了强度；V，Ti等元素使晶粒细化，使韧性提高。 在建筑、桥梁、车辆、船舶中应用广泛。以16Mn为最广。 桥梁 船舶

2、合金渗碳钢 拨叉 主要用于表面要求硬而耐磨，心部具有足够强度和韧性的零件，如：汽车变速箱的齿轮等。 变速齿轮 含碳量为0.1%--0.2%,以保障心部具有足够的韧性，合金含量小于3%。主加元素为Cr、Mn、钛、钒，提高了淬透性，使晶粒细化，耐磨性提高。 主要用于表面要求硬而耐磨，心部具有足够强度和韧性的零件，如：汽车变速箱的齿轮等。 以20Cr、20CrTiMn为最广。 变速齿轮 拨叉

3、合金调质钢 含碳量为0.25%--0.5%,主加元素为Cr、Mn、Si、Ni等以提高淬透性和强化铁素体.调质钢具有良好的综合力学性能。 曲轴 连杆 合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆等。

4、合金弹簧钢 它具有高的弹性、疲劳强度及冲动韧度。含碳量为0.5%--0.7%,主加元素为Cr、Mn、Si等以提高淬透性和弹性极限。 合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。 拉力弹簧 离合器弹簧

5、滚动轴承钢 主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等，属专用结构钢。 如：GCr15 碳质量分数一般为0.95%--1.10%，以保证其高硬度、高耐磨性和高强度。铬为基本合金元素 ，铬含量为0.40%--1.65%。高碳低铬。

二、合金工具钢 合金工具钢是制造刃具、量具和模具的钢种。不仅有更高的硬度和耐磨性,还具有更高的红硬性。 1、合金刃具钢 铣刀 用途：主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、钻头等。 性能： （1）高硬度，60HRC以上； （2）高的耐磨性； （3）高热硬性 ； （4）足够的塑性和韧性 。 英制模板刀

2、合金量具钢 用途：量具用钢用于制造各种测量工具，如卡尺、千分尺、块规。 游标卡尺 千分尺 性能要求：(1) 高硬度（大于56 HRC）和高耐磨性；     (2) 高尺寸稳定性，在存放和使用过程中，尺寸不发生变化。

3、合金模具钢 如：9Mn2V、CrWMn 如：5CrMnMo、5CrNiMo 冷作模具钢 热作模具钢 合金模具钢按其用途分为冷作模具钢和热作模具钢两大类。 冷作模具钢 用途：冷模具用于制造各种冷冲模、冷镦模、冷挤压模和拉丝模等，工作温度不超过200 ℃～300 ℃。 如：9Mn2V、CrWMn 热作模具钢 性能要求： ① 高硬度，58～62 HRC; ② 高耐磨性; ③ 足够的韧性和疲劳抗力 用途：热作模具钢用于制造各种热锻模、热压模、热挤压模和压铸模等，工作时型腔表面温度可达600 ℃以上。 如：5CrMnMo、5CrNiMo

量具用钢的选用举例 量 具 钢 号 平样板或卡板 10、20或50、55、60、60Mn、65Mn 一般量规与块规 量 具 钢 号 平样板或卡板 10、20或50、55、60、60Mn、65Mn 一般量规与块规 T10A、T12A、9SiCr 高精度量规与块规 Cr（刃具钢）、CrMn、GCr15 高精度且形状复杂的量规与块规 CrWMn(低变形钢) 抗蚀量具 4Cr13, 9Cr18(不锈钢)

三、特殊性能钢 1、不锈钢 能抵抗大气,酸,咸或其它介质腐蚀的钢。 特殊性能钢是指具有特殊物理和化学性能的一种高合金钢.它主要包括不锈钢,耐磨钢等. 1、不锈钢 能抵抗大气,酸,咸或其它介质腐蚀的钢。 不锈钢在石油化工、国防工业和一些尖端科学技术及日常生活中都得到广泛应用，例如化工装置中的各种管道、阀门和泵，医疗手术器械，防锈刃具和量具等。 根据不锈钢室温下组织的不同,常用的不锈钢可分三种: 马氏体型不锈钢 铁素体型不锈钢 奥氏体型不锈钢

如：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13 马氏体型不锈钢 含碳为0.1%--0.4%,含铬为12%--13%.主要用于力学性能要求不高,耐蚀性要求较低的零件.如: 不锈钢船用螺旋桨 不锈钢剪刀

铁素体型不锈钢 奥氏体型不锈钢 如：1Cr17、1Cr17Ti等 这类钢的铬质量分数为17%～30%，碳质量分数低于0.15%.主要用作耐蚀性要求很高而强度要求不高的构件，例如容器和管道等。 如： 0Cr18Ni9, 1Cr18Ni9等 奥氏体型不锈钢 这类不锈钢属铬镍不锈钢,碳含量很低（约0.1%），耐蚀性很好。

2、耐磨钢 （就是高锰钢 如:ZGMn13） 铁轨分道叉 履带 挖掘机斗齿 破碎机颚板

生铁、熟铁、钢的区别 生铁与钢的区别在那里呢？我们知道，生铁、熟铁和钢的主要区别在于含碳量上，含碳量超过2％的铁，叫生铁；含碳量低于0.02％的铁，叫熟铁或纯铁 ；含碳量在0.02％－2％当中的铁，称为钢。熟铁软，塑性好，容易变形，强度和硬度均较低，用途不广；生铁含碳很多，硬而脆，几乎没有塑性；钢具有生铁和熟铁两种优点，为人类广泛利用。 铸剑选材时通常选用材料是生铁。但是，铸剑时候则必须是炼好的钢。用没炼透的碳钢制造的刀，虽然比较锋利，但仍然达不到能够“斩金断玉，削铁如泥”的程度。因为这种钢的质量还不够好，炼这种钢碳渗进多少，分布是否均匀，杂质除掉的程度，都非常难掌握，而且生产效率极低。为了提高钢的质量，中国古代工匠从西汉中期起发明了“百炼钢”的新工艺。北宋著名科学家沈括在《梦溪笔谈》里叙述磁州百炼钢的过程，就是连续烧锻百余次，至斤两不减为止。所谓“百炼钢”，就是将块炼铁反复加热折叠锻打，使钢的组织致密、成份均匀，杂质减少，从而提高钢的质量。用百炼钢制成的刀剑质量很高。

〈 主要内容：金属材料的力学性能和工艺性能,包括材料的强度 、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳强度等。 第三节、金属材料的性能 使用性能—力学、物理、化学 金属材料的性能 工艺性能—铸造、锻压、焊接、切削加工

塑性 材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的性能。表示材料的塑性指标是：伸长率δ和断面收缩率Ψ；对于塑性差的材料，用σ0 塑性 材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的性能。表示材料的塑性指标是：伸长率δ和断面收缩率Ψ；对于塑性差的材料，用σ0.2来代替σs；1）使材料具有良好的成形性； 2）受到外力变形时，有强化作用。 　　硬度 材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。最常用的硬度指标有：布氏硬度（HB)和洛氏硬度 (HRA-C)。布氏硬度和洛氏硬度试验原理和使用范围均不相同； 　　 HBS（布氏硬度）是硬度指标。根据试验方法和适用范围不同，硬度又可分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度、显微硬度和高温硬度等。

冲击韧度 金属材料抵抗冲击载荷的作用而不破坏的 能力。常用的指标有冲击韧度(Ak)。 疲劳强度 金属材料抵抗交变载荷的作用而不 破坏 的能力。常用的指标有疲劳强度(σ-1) 。 零件发生疲劳破坏是没有预兆而突然断裂，此时发生疲劳破坏的应力远远小于抗拉强度，甚至比屈服强度还小，非常危险。 小结：金属材料的力学性能是在外力作用下表现出的力学性能，在实际生产中应用相当广泛。

金属材料的工艺性能 工艺性能—铸造、锻压、焊接、切削加工 （1）铸造性能；流动性、收缩性来衡量。铸铁中，灰铸铁好。 （2）锻造性能；塑性变形抗力衡量。低碳钢性能优于高碳钢。 （3）焊接性能；铝、铜合金焊接性差，铸铁基本不能焊，钢材可焊。 （4）切削加工性能；硬度是否在170HBS—230HBS内，高速钢、耐热钢差。 （5）热处理工艺；淬透性，淬火是否变形、开裂。合金钢好于碳钢。一定按工艺要求操作，如加热温度高或低的问题。

第四节、金属热处理 影响力学性能的主要因素 含碳量： 合金元素： 温度： 热处理工艺：改变力学性能 碳，强度和硬度，塑性 改善综合性能，得到特殊性能 温度，强度和硬度，塑性 1、热处理的概念 将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织与性能的工艺。 2、热处理的目的 （1）提高钢的力学性能 （2）改善钢的工艺性能

根据工艺类型、工艺名称和实现工艺的加热将钢的热处理分为： 　 根据工艺类型、工艺名称和实现工艺的加热将钢的热处理分为： 加热 保温 冷却 临界温度 热处理工艺曲线 T ℃ 普通热处理 退火 正火 淬火 回火 表面热处理 表面淬火 化学热处理 渗碳 渗氮 碳氮共渗 其它热处理 形变 真空 激光

一、钢的退火 1、概念：将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后在炉中缓慢地冷却的热处理工艺。 2、目的： 1）降低硬度，提高塑性，改善加工性能； 2）细化晶粒，消除组织缺陷； 3）消除内应力 。

根据钢的成分和处理目的的不同，可分为完全退火、球化退火和去应力退火。 3、分类： 根据钢的成分和处理目的的不同，可分为完全退火、球化退火和去应力退火。 （1）完全退火 1、定义：将钢加热Ac3以上30~50ºC,完全奥氏体后，保温一 定时间随之缓慢冷却到500ºC以下，出炉空冷。 2、目的：细化晶粒，消除内应力，降低硬度，以利于切削加工。 3、适用范围：亚共析钢型材。

1、定义：将钢加热到Ac1以上20~30 ºC,保温后随炉缓冷至600 ºC，出炉空冷。 （2）球化退火 1、定义：将钢加热到Ac1以上20~30 ºC,保温后随炉缓冷至600 ºC，出炉空冷。 2、目的：降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能。 3、适用范围：主要用于过共析钢及合金工具钢。 （3）去应力退火 1、定义：将钢加热到500--600 ºC,保温后随炉缓冷至200--300 ºC出炉空冷。又称低温退火。 2、目的：消除铸件、锻件和焊接件的内应力 。（没有发生组织变化） 3、适用范围：用于所有的钢。

将钢件加热到Ac3或Accm线以上30～50ºC ，保温适当的时间后，在空气中冷却的热处理工艺。 二、钢的正火 1、概念： 将钢件加热到Ac3或Accm线以上30～50ºC ，保温适当的时间后，在空气中冷却的热处理工艺。 2、目的： 1）对低碳钢，可细化晶粒，提高硬度，改善加工性能； 2）对中碳钢，可提高硬度和强度，作为最终热处理； 3）对高碳钢，可为球化退火作准备 。

将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间后，快速冷却的热处理工艺。 三、 钢的淬火 1、概念： 将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间后，快速冷却的热处理工艺。 2、目的： 提高钢的硬度、强度和耐磨性并保持足够的韧性。

3、淬火剂：水、矿物油、盐水和碱水等。 4. 淬火方法: 为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和开裂，必须采用已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决。通常的淬火方法包括单液淬火、双液淬火、分级淬火等，如图所示。

（1）单液淬火：将加热后的零件投入一种 冷却 剂中冷却至室温。 4、淬火方法： （1）单液淬火：将加热后的零件投入一种 冷却 剂中冷却至室温。 特点：操作简单，容易实现自动化。 （2）双液淬火：先水后油，或先油后空气。 特点：可防止变形与开裂。 （3）分级淬火：先放入一定温度的盐浴或碱浴中，再空冷。 特点：有效减小内应力，防止变形与开裂； 但只适于小尺寸工件。

四、钢的回火 1、回火的概念： 2、回火的目的： 3、回火的种类 将淬火后钢件再加热到Ac1以下的某一温度，保 温一定时间后，然后冷却到室温的热处理工艺 。 2、回火的目的： 降低淬火钢的脆性，提高韧性，调整硬度，消除内应力，稳定工件的尺寸，获得所需要的力学性能。 3、回火的种类 按回火温度的不同，回火可分以下三种： 低温回火：150 ºC ~250 ºC 中温回火：350 ºC ~500 ºC 高温回火：500 ºC ~650 ºC

为了兼顾零件表面和心部两种不同性能要求,生产中广泛采用表面热处理的方法,即表面淬火和化学热处理. 钢的表面热处理 为了兼顾零件表面和心部两种不同性能要求,生产中广泛采用表面热处理的方法,即表面淬火和化学热处理. 一、表面淬火 1、概念：指仅改变钢的表层组织的局部热处理工艺。

2、种类 火焰加热表面淬火 ： 用氧—乙炔火焰喷射到工件表面，使其被快速加热到淬火温度，并立即喷水冷却的操作方法。 适用于含C 0.35%~0.7%的中碳钢和中碳合金钢，如45，40Cr。 感应加热表面淬火 ： 用一定频率的感应电流使工件表面被快速加热到淬火温度，并立即喷水冷却的操作方法。 适用于含C 0.4%~0.5%的中碳钢和中碳合金钢，如40，40Cr。

钢的化学热处理 1、概念：将钢置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入其表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。 2、分类：渗碳、渗氮、 碳氮共渗

钢的渗碳 概念：将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。 目的：通过渗碳及随后的淬火和低温回火，使表面具有高的硬度、耐磨性和抗疲劳性能，而心部具有一定的强度和良好的韧性配合。 渗碳方法：渗碳方法有气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。目前广泛应用的是气体渗碳法。 渗碳用钢：含碳量为0.1%—0.25%的低碳钢和低碳合 金钢。

钢的渗氮 概念：渗氮俗称氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的热处理工艺。 目的：是提高零件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等。 渗氮方法：气体渗氮、离子渗氮等。生产中应用较多的是气体渗氮。 渗氮用钢：优质碳素结构钢，如20，40等；一般合金结构钢，40Cr等；渗氮专用钢，如38CrMoAlA。

其它化学热处理方法 碳氮共渗：碳氮同时渗入工件表层。提高表面硬度、抗疲劳性和耐磨性，并兼具渗碳和渗氮的优点。 渗铬：有较好的耐蚀性和优良的抗氧化性、硬度和耐磨性，可代替不锈钢和耐热钢用于机械和工具制造。 渗硼：十分优秀的耐磨性、耐腐蚀磨损和泥浆磨损的能力，耐磨性明显优于渗氮、碳和碳氮共渗层，但不耐大气和水的腐蚀。主要用于泥浆泵零部件、热作模具和工件夹具。