第一章 金属与合金的晶体结构

晶体的基本知识一、晶体和非晶体晶体：固态物质的原子（离子或分子）在空间按一定的几何 规律作周期性排列。例如：金属等非晶体：原子无规律的堆积在一起。例如：玻璃、松香等晶体的基本特点：Ⅰ 有固定的熔点。例如铁的熔点为 1538 ℃Ⅱ 各向异性。晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。

晶体的基本知识二、晶格、晶胞、晶格常数晶格：金属学中把晶体的原子假设成是固定不动的刚性小 球，用假想的线条将各原子的中心连接起来，构成一

个空间的格子。晶胞：能够反映晶格特征的、最小的几何单元。晶格常数：晶体学上，以棱边长度 a 、 b 、 c 和棱面夹角 α 、 β 、 γ 来表示晶胞的形状和大小。其中棱边长 度称为晶格常数。单位为埃（ 1 埃 =10-8cm)

金属的晶体结构金属中常见的晶格1 、体心立方晶格 晶胞中实际拥有的原个数为 2 个 致密度为 0.68 配位数为 8 典型金属： α-Fe 、 Cr 、 Mo 、 W 、 V 等2 、面心立方晶格 晶胞中实际拥有的原个数为 4 个 致密度为 0.74 配位数为 12 典型金属： γ-Fe 、 Al 、 Cu 、 Au 、 Ag 等

金属的晶体结构金属中常见的晶格3 、密排六方晶格 晶胞中实际拥有的原个数为 6 个 致密度为 0.74 配位数为 12 典型金属 Mg 、 Zn 、 Be 、 Cd 等

合金的晶体结构一、合金的基本概念 合金：由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属 元素组成的具有金属特性的物质称为合金。例如： 黄铜由 Cu 和 Zn 两种金属元素组成。碳钢和铸铁是 铁和碳两种元素组成。 组元：组成合金的最基本的、独立的物质叫组元。 例如： Cu 和 Zn 是黄铜的两个组元。 Fe-Fe3C 是碳钢的两个组元。 相：合金中具有同一化学成分且结构相同的，和其它部分 有明显界面区分的独立均匀部分称为相。

合金的晶体结构 合金系：给定组元后，可以按不同比例配制出一系列

成分 不同的合金，这一系列合金就构成一个合金系。

例如： Cu 和 Ni 二元合金系

Cu 100% 80% 60% 40% 20% 0%

Ni 0% 20% 40% 60% 80% 100%

合金的晶体结构 相：合金中具有同一化学成分且结构相同的，和其它部分 有明显界面区分的独立均匀部分称为相。 合金系：给定组元后，可以按不同比例配制出一系列成分 不同的合金，这一系列合金就构成一个合金系。

合金的晶体结构二、合金的相结构1 、固溶体：合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的 均匀相。固溶体的晶格结构和溶剂相同按照溶质原子在溶剂晶格中分布情况的不同，固溶体可分为 间隙固溶体 例如： C 溶于 α-Fe 形成间隙固溶体 置换固溶体 例如： Ni 溶于 Cu 形成置换固溶体按照溶质原子在溶剂中的溶解度的不同，固溶体可分为 有限固溶体 例如： Sn 溶于 Cu 形成有限固溶体 无限固溶体 例如： Fe 溶于 Cr 形成无限固溶体

合金的晶体结构少数置换固溶体在满足一定条件下可形成无限固溶体，间

隙固溶体和大部分置换固溶体都是有限固溶。固溶体的性能：由于固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗

力增加，结果使金属材料的强度、硬度增 加，电阻、矫顽力升高，导电性下降。固溶强化：通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强 度、硬度升高的现象称为固溶强化。

合金的晶体结构2 、金属化合物 金属化合物的晶格类型与组成化合物各组元的晶格类型

完全不同，一般可用化学分子式表示。金属化合物常见有以下三种类型 正常价化合物 组成正常价化合物的元素是按原子价规 律结合的，因而其成分固定不变。通常 由金属性强的元素和非金属或类金属形 成这种化合物。如 Mg2Si ， Mg2Sn 等。

合金的晶体结构 电子化合物 按照一定的电子浓度形成一定晶体结构的 化合物。如 CuZn （体心立方） Cu5Zn8 （复杂立方） CuZn3 （密排六方） 间隙化合物 一般由原子直径较大的过渡族金属和原子 直径较小的非金属原素所组成。 如：具有简单晶格的间隙相 VCWCTiC

具有复杂晶格的间隙化合物 Fe3C ， Cr23C6 ， Cr7C3

合金的晶体结构金属化合物的性能：金属化合物一般具有较高的熔点和硬度 可使合金的强度、硬度、耐磨性及耐热 性提高，有些金属化合物还具有某些特 殊的物理、化学性能，如性能远优于硅 半导体材料 GaAs ，具有形状记忆效应 的 NiTi ， CuZn ，新一代能源的储氢材料 LaNi5 。弥散强化：金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上 ，将是合金的强硬度、耐磨性明显提高，这一现 象称为弥散强化。

实际金属中的晶体缺陷 根据晶体缺陷的几何形态，可将其分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类。1 、点缺陷 ：空位和间隙原子

实际金属中的晶体缺陷2 、面缺陷： 位错（螺型位错和刃型位错） 刃型位错是在切应力的作用下，晶体的右上部分相对于下半部分产生了一个原子间距的滑移，其结果使得晶体的上半部分产生了一个额外半原子面，就好象刀刃插入晶体，使晶体中的原子发生了有规律的错排，因此称为刃型位错。

实际金属中的晶体缺陷3 、面缺陷：晶界、亚晶界、相界

细晶强化：晶界、亚晶界处的原子也会偏离平衡位置引起晶 格畸变，使金属材料的强度和硬度得以提高，这种靠增加晶界或亚晶界强化材料的方式叫细晶强化。

第二章 铁 -渗碳体相图

铁碳合金的基本相

1 、铁素体：碳溶于 α-Fe 中形成的间隙固溶体。符号为 F 或 α 。

铁素体的晶格结构为体心立方晶格。铁素体在 727℃ 具有最大溶碳量为： ωC=0.

0218% ，随着温度下降溶碳量逐渐减小。铁素体的强度硬度不高，但具有较好的塑

性和韧性。

铁碳合金的基本相

2 、奥氏体：碳溶于 γ-Fe 形成的间隙固溶体。符号为： A 或 γ 。

奥氏体的晶格结构为面心立方晶格。奥氏体在 1148℃时具有最大溶碳量为： ω

C=2.11% 。随温度降低溶碳量下降。奥氏体的硬度较低但塑性很好，易于锻压

成形。

铁碳合金的基本相

3 、渗碳体：是一种具有复杂晶格（正交晶体结构）的间隙化合物。分子式为 Fe3C 。

渗碳体的含碳量为： ωC=6.69% 。熔点为：1227℃ 。

渗碳体的硬度很高（ 950～ 1050HV ），但塑性和韧性几乎为零。它是碳钢中主要的强化相，它的形态与分布对钢的性能有很大的影响。

铁 -渗碳体相图铁 -渗碳体相图包括三个二元平衡相图。包晶相图、共晶相图和共析相图。

铁 -渗碳体相图是以铁和渗碳体为基本组元，因为钢中的碳主要以渗碳体化合物的形式存在。

铁 -渗碳体相图的含碳量的范围为 0～ 6.69% 。超过 6.69% 以后，钢里含有大量铁碳化合物，使材料硬度值很高，难以切削加工，没有实用价值。

铁 -渗碳体相图

一、图中重要的点A 点：纯铁的熔点， 1538℃D 点：渗碳体的熔点， 1227℃C 点：共晶点， ωC=4.3% 。液态合金经过该点时发生共晶转变。

S 点：共析点， ωC=0.77% 。液态合金经过该点时发生共析转变。

铁 -渗碳体相图二、图中重要的线：1 、 ABCD 为液相线 2 、 AHJECF 为固相线3 、 HJB 为包晶转变线转变： δ+L→A ，4 、 ECF 为共晶转变线， L→A+Fe3C ，（莱氏体）5 、 PSK 为共析转变线， A→F+Fe3C （珠光体）

铁 -渗碳体相图

三、相区1 、单相区： L, A ， F, Fe3C

2 、两相区： L+A, L+Fe3C, A+F, A+Fe3C,

F+Fe3C

3 、三相区： L+A+Fe3C, A+F+Fe3C

铁碳合金结晶过程分析1 、共析钢的结晶后的室温组织为： P

2 、亚共析钢结晶后的室温组织为： F+P

3 、过共析钢结晶后的室温组织为： P+Fe3CⅡ

4 、共晶白口铸铁结晶后的室温组织为： Ld

5 、亚共晶白口铸铁结晶后的室温组织为： Ld+P+Fe3CⅡ

6 、过共晶白口铸铁结晶后的室温组织为： Ld+Fe3CⅠ

铁碳合金的力学性能

随着含碳量的增加，铁碳合金的强度、硬度增加，塑韧性下降。

第三章 钢的热处理

§3—1 钢在加热和冷却时的转变

一、热处理及其作用 热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺。

热处理的作用： 改善材料工艺性能和使用性能，充分挖掘材料的潜力，延长零件的使用奉命，提高产品质量，节约材料和能源。此外，还可以消除材料经铸造、锻造、焊接等热加工工艺造成的各种缺陷、细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使组织和性能更加均匀。

最终热处理： 在生产过程中，工件经切削加工等成形工艺而得到最终形状和尺寸后，再进行的赋予工件所需使用性能的热处理称为最终热处理。

预备热处理： 热加工后，为随后的冷拔、冷冲压和切削加工或最终热处理作好组织准备的热处理，称为预备热处理。

二、钢临界温度1 、 Fe—Fe3C 相图上 的临界温度

共析钢： PSK 线（ A1 ） γ→P(α+Fe3C)

亚共析钢：原始组织 F+P PSK 线（ A1 ） P→γ GS

线（ A3 ） F→γ

过共析钢：原始组织 Fe3C

F+P PSK 线（ A1 ） P→γ

ES 线（ Acm ） Fe3C 溶入γ

2 、实际加热、冷却条件下的临界温度 加热时的临界温度用脚标 C 表示， AC1 、 AC3 、 ACcm

； 冷却时的临界温度用脚标 r 表示， Ar1 、 Ar3 、 Arcm 。

在加热（冷却）速度为 0.125℃/min 时，对临界点 A1 ， A3 ， Acm 的影响

钢在加热时的转变

钢的热处理种类很多，其中除淬火后的回火，消除应力的退火等少数热处理外，均需加热到钢的临界以上，使钢部分或全部转变为奥氏体，然后再以适当的冷却速度冷却，使奥氏体转变为一定的组织并获得所需的性能。

钢在加热过程中，由加热前的组织转变为奥氏体被称为钢的加热转变或奥氏体化过程。由加热转变所得的奥氏体组织状态，其中包括奥氏体晶粒的大小、形状、空间取向、亚结构、成分及其均匀性等，均将直接影响在随后的冷却过程中所发生的转变及转变所得产物和性能。因此，弄清钢的加热转变过程，即奥氏体的形成过程是非常重要的。

从 Fe—Fe3C 状态图可知，珠光体被加热到 A1 （ 727℃ ）以上时将转变为奥氏体。

一、奥氏体形成的热力学条件

珠光体（ P ）和奥氏体（ γ ）自由能随温度的变化曲线（示意图）

珠光体与奥氏体的自由能均随温度的升高而降低，但是下降的速度不同，相交于某一温度，该交点所对应的温度即 A1 （ 727℃ ）。右图是珠光体、奥氏体的自由能与温度的关系。

奥氏体形成时系统总的自由能变化为ΔG=ΔGV +ΔGS +ΔGe

式中： ΔGV— 新相奥氏体与母相珠光体之间的体积自由能差； ΔGS — 为形成奥氏体时所增加的界面能； ΔGe— 形成奥氏体时所增加的应变能。其中 : ΔGV— 奥氏体转变的驱动力， ΔGS 与 ΔGe 是相变的阻力。 因为奥氏体是在高温下形成的， ΔGe 一项较小，相变的主要阻力是 ΔGS 。若只考察相变的方向，可忽略不计。

从能量方程可以看出： 当 T<T0 时， ΔGV=GA-GP>0 ΔG>0 珠光体不能转变为奥氏体； 当 T=T0 时， ΔGV=GA-GP=0 ΔG>0 珠光体不能转变为奥氏体； 当 T>T0 时， ΔGV=GA-GP<0 ΔG<0 珠光体可能转变为奥氏体；因此奥氏体形成的热力学条件是： 必须在 A1 温度以上，即在一定的过热条件下奥氏体才能形成。只有当珠光体与奥氏体的体积自由能之差能克服界面能和应变能时，珠光体向奥氏体转变才能使系统向低能状态转变，奥氏体才能自发地形成。

二、奥氏体的形成过程（一）奥氏体的结构、组织和性能

1 、奥氏体的结构

奥氏体是碳溶于 γ-Fe 所形成的固溶体。在合金钢中，除了碳原子外，溶于 γ-Fe 中的还有合金元素原子。

（ 1 ）碳原子在点阵中的位置

X射线结构分析证明，碳原子位于 γ-Fe八面体间隙位置中心，即面心立方点阵晶胞的中心或棱边的中点，如图所示。

γ-Fe 的八面体间隙半径仅 5.2×10-2nm （ 0.52Å），小于碳原子的半径 7.7×10-2nm （ 0.77Å），碳原子的溶入将使八面体发生膨胀，使周围的八面体中心的间隙减小。因此不是所有的八面体中心均能容纳一个碳原子。（ 2 ）碳原子在奥氏体中的分布 碳原子在奥氏体的分布是不均匀的，存在着浓度起伏。奥氏体中碳的分布是呈统计均匀的。用统计理论计算结果表明，在含碳 0.85%的奥氏体中可能存在大量比平均碳浓度高八倍的微区，相当于渗碳体的碳含量。因此说碳原子在奥氏体点阵的分布是统计均匀的。

（ 3 ）碳含量与点阵常数的关系 碳原子的溶入使的 γ-Fe 点阵发 生畸变，点常数增大。溶入的碳愈多，点阵常数愈大。如图所示。

奥氏体点阵常数与碳含量的关系

2 、奥氏体的组织 在一般的情况下奥氏体的组织是由多边形的等轴晶粒所组成，在晶粒内部有时可以看到相变孪晶。如图所示。

奥氏体显微组织

（晶内有孪晶） 1000×

3 、奥氏体的性能

Fe-C合金中的奥氏体在室温下是不稳定相。但是在Fe-C合金中加入足够数量的能扩大 γ 相区的元素，可使奥氏体在室温，甚至在低温成为稳定相。因此，奥氏体可以是钢在使用时的一种重要组织形态。以奥氏体状态使用的钢称为奥氏体钢。

（ 1 ）磁性：

奥氏体具有顺磁性，故奥氏体钢又可作为无磁钢。

（ 2 ）比容：

在钢的各种组织中，奥氏体的比容最小。可利用这一点调整残余奥氏体的量，以达到减少淬火工件体积变化的目的。

（ 3 ）膨胀：

奥氏体的线膨胀系数比铁素体和渗碳体的平均线膨胀系数高出约一倍。故奥氏体钢也可被用来制作要求热膨胀灵敏的仪表元件。

（ 4）导热性：

除渗碳体外，奥氏体的导热性最差。因此，为避免热应力引起的工件变形，奥氏体钢不可采用过大的加热速度加热。

（ 5）力学性能：

奥氏体具有高的塑性、低的屈服强度，容易塑性变形加工成形。因为面心立方点阵是一种最密排的点阵结构，至密度高，其中铁原子的自扩散激活能大，扩散系数小，从而使其热强性好。故奥氏体钢可作为高温用钢

（二）奥氏体的形成过程 以共析钢为例说明奥氏体的形成过程。从珠光体向奥氏体转变的转变方程，

α + Fe3C → γ

碳含量 C% 0.0218 6.69 0.77

晶格类型 体心立方 复杂斜方 面心立方

我们可以看出：珠光体向奥氏体转变包括铁原子的点阵改组，碳原子的扩散和渗碳体的溶解。

实验证明：珠光体向奥氏体转变符合一般的相变规律，是一个晶核的形成和晶核长大过程。共析珠光体向奥氏体转变包括奥氏体晶核的形成、晶核的长大、残余渗碳体溶解和奥氏体成分均匀化等四个阶段。

1 、奥氏体的形核

（ 1 ）形核条件 奥氏体晶核的形成条件是系统的能量、结构和成分起伏。

（ 2 ）形核部位

奥氏体晶核通常优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成，此外，在珠光体团的边界，过冷度较大时在铁素体内的亚晶界上也都可以成为奥氏体的形核部位。在铁素体和渗碳体相界上优先形核的原因，可做如下的解释：

界面两侧两相的碳含量相差很大（ 0.0218% 和 6.69% ），因此在界面上碳浓度分布很不均匀，比较容易满足成分起伏；界面两侧晶体结构相差较大，原子排列不规则，原子的活动能力较强，比较容易满足结构起伏；界面上原子排列不规则，位错等晶体学缺陷密度较大，处于能量较高的状态，比较容易满足能量起伏，同时新相晶核形成时，可以使部分晶体学缺陷消失，使系统的能量进一步下降，因此在相界面处是奥氏体形核的首选位置。

2 、奥氏体的长大 奥氏体晶核形成后便开始长大。奥氏体长大的机制可做如下的解释。在 AC1 以上某一温度 t1 形成一奥氏体晶核。奥氏体晶核形成之后，将产生两个新的相界面，一个是奥氏体与渗碳体相界面，另一个是奥氏体与铁素体相界面。为讨论问题的方便，我们假定两个相界面都是平直的（参见图1-5）。根据 Fe-Fe3C  相图可知，

奥氏体晶核的长大

3 、残余渗碳体的溶解

实验表明在珠光体向奥转变过程中，铁素体和渗碳体并不是同时消失，而总是铁素体首先消失，将有一部分渗碳体残留下来。这部分渗碳体在铁素体消失后，随着保温时间的延长或温度的升高，通过碳原子的扩散不断溶入奥氏体中。一旦渗碳体全部溶入奥氏体中，这一阶段便告结束。

碳化物溶入 A 的机理，现在还不十分清楚，有人认为是通过碳化物中的碳原子向奥氏体中扩散和 Fe原子向贫碳的渗碳体区扩散，以及 Fe3C 向 A 晶体点阵改组来完成的。

为什么铁素体和渗碳体不能同时消失，而总有部分渗碳体剩余？ 按相平衡理论，从 Fe-Fe3C 相图可以看出，在高于 AC1 温度，刚刚形成的奥氏体，靠近 Cem 的 C浓度高于共析成分较少，而靠近 F 处的 C浓度低于共析成分较多（即 ES 线的斜率较大， GS 线的斜率较小）。所以，在奥氏体刚刚形成时，即 F 全部消失时，奥氏体的平均 C浓度低于共析成分，这就进一步说明，共析钢的 P刚刚形成的 A 的平均碳含量降低，低于共析成分，必然有部分碳化物残留，只有继续加热保温，残留碳化物才能逐渐溶解。

4、奥氏体成分均匀化 珠光体转变为奥氏体时，在残留渗碳体刚刚完全溶入奥氏体的情况下， C 在奥氏体中的分布是不均匀的。原来为渗碳体的区域碳含量较高，而原来是铁素体的区域，碳含量较低。这种碳浓度的不均匀性随加热速度增大而越加严重。因此，只有继续加热或保温，借助于 C原子的扩散才能使整个奥氏体中碳的分布趋于均匀。

以上共析碳钢珠光体向奥氏体等温形成过程，可以用下图形象地表示出来。

1 、奥氏体等温形成动力学曲线

（ 1 ）共析碳钢奥氏体等温形成图建立 试样：厚 2mm左右，直径约为 10mm 的小圆片；

原始状态：每个试样均有相同的原始组织状态；

温度：在 AC1 以上设定不同的温度，如 730℃ 、 745℃ 、 765℃ 、……；

时间：在每个温度下保持一系列时间，如 1S 、 5S 、 10S 、 20S 、……；

冷却：在盐水中急冷到室温；

观察：在显微镜下测出试样中马氏体的数量（相当于高温下奥氏体的数量）；

做图：做出每个温度下奥氏体形成量和保温时间的关系曲线，即得到了奥氏体等温形成的动力学曲线。

为方便，通常把不同温度下转变转变相同数量所需时间，综合在温度和时间坐标系内，这样就得到了奥氏体等温形成图。

共析碳钢奥氏体等温形成图

（ 2 ）奥氏体等温形成的特点

①在高于 AC1 温度保温时，奥氏体并不立即形成，而是需要经过一定时间后，才开始形成。温度越高，所需时间越短。通常称为孕育期。

孕育期：从保温开始到转变开始的这段时间称为孕育期。孕育期的实质是相变的准备阶段，是所有扩散型相变的共同特点。

②奥氏体形成速度在整个过程中是不同的，开始时速度较慢，以后逐渐加快；在转变量达到 50% 时，转变速度达到极大值，以后转变速度又开始逐渐减慢。

③温度越高，奥氏体形成所需的全部时间越短，即奥氏体的形成速度越快。换言之，随温度升高，奥氏体形成始终是加速的。

④在奥氏体刚刚形成后，还需一段时间使残留碳化物溶解和奥氏体成分均匀化。

（ 3 ）过共析和亚共析碳钢奥氏体等温形成图

①过共析碳钢：原始组织为 P+Cem ，且P的数量随钢的 C%增加而减少。

②亚共析碳钢：原始组织为 P+F，且 P的数量随钢的C% 增加而增加。

（ a ）过共析钢（WC1.2% ）奥氏体等温形成图

（ b ）亚共析钢（WC0.45% ）奥氏体等温形成图

2 ）合金钢中奥氏体均匀化

钢中的合金元素在原始组织各相中（ F 和 Cem ）分配是不均匀的，在退火状态下，碳化物形成元素主要集中在碳化物中，而非碳化物形成元素则主要集中在铁素体中，合金元素这种不均匀分布，一直到碳化物溶解完毕后，还显著地保留在钢中，这样合金钢奥氏体形成后，除了碳的均匀化外，还要进行合金元素的均匀化。 在其它条件相同的情况下，合金元素在奥氏体中的扩散速度比碳在奥氏体中的扩散速度小 100-10000 倍。此外，碳化物形成元素还会减小碳在奥氏体中的扩散速度，这将降低碳的均匀化速度，因此，合金钢均匀化所需时间常常比碳钢长得多。

四、奥氏体晶体长大及控制（一）奥氏体晶粒度

晶粒度：是表示晶粒大小的一种尺度。 对钢来说，如果不特别指明，一般是指奥氏体化后的实际晶粒大小。奥氏体晶粒度有以下三个不同的概念。

1 、起始晶粒度：

指临界温度以上奥氏体形成刚刚完成，其晶粒边界刚刚互相接触时的晶粒大小。

2 、实际晶粒度：

指在某一热处理加热条件下，所得到的晶粒尺寸。

3 、本质晶粒度：

是根据标准实验条件，在 930±10℃，保温足够时间（ 3~8 小时）后，测定的钢中奥氏体晶粒的大小。

按此法，晶粒度在 5~8级者称为本质细晶粒钢，在1~4级者称为本质粗晶粒钢。

本质晶粒度并不是实际晶粒大小，它只是描述了晶粒长大的趋势，它说明本质细晶粒钢加热时，奥氏体晶粒长大的倾向小，而本质粗晶粒钢加热时奥氏体晶粒长大的倾向大。实际加热条件下，本质粗晶粒钢的晶粒不一定粗，而本质细晶粒钢的晶粒不一定细。

4 、奥氏体晶粒的评定标准

一般生产中把奥氏体晶粒大小分为 1~8个级别，其中 1级最粗， 8级最细，超过 8级以上的称为超细晶粒。

晶粒度的级别 Nˊ与晶粒大小之间的关系为：

nˊ=2Nˊ-1 或 n=2Nˊ+3

nˊ……为放大 100 倍进行金相观察时每平方英寸（ 6.45cm2 ）视野中所含的平均晶粒数目。

n……实际上每 1mm2试样面积中的平均晶粒数目。

（三）影响奥氏体晶粒度的因素

1 、加热温度和保温时间

晶粒长大和原子的扩散密切相关，所以温度越高相应的保温时间越长，奥氏体晶粒将越粗大。因此，为了得到一定尺寸的晶粒度，必须同时控制温度和保温时间。

2 、加热速度

在保证奥氏体成分均匀的前提下，快速加热短时保温能够获得细小的奥氏体晶粒。

3 、钢的含碳量的影响

钢中含碳量对奥氏体晶粒长大的影响很大。含碳量在一定范围内，随含碳量的增加，奥氏体晶粒长大的倾向增大。

4、脱氧剂及合金元素

用 Al脱氧的钢奥氏体晶粒长大倾向小，属于本质细晶粒钢。而用 Si 、 Mn脱氧的钢奥氏体晶粒长大倾向大，一般属于本质粗晶粒钢。

原因 :Al 能细化晶粒的主要原因是残留的 Al 在钢中能形成大量难熔的六方点阵结构的 AlN ，它们弥散析出在晶界上，阻碍了晶界的移动，防止晶粒长大。而 Si和 Mn 在钢中则不能形成类似的化合物，因此，没有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。

钢中加入适量的 Ti （钛）、 Zr （锆）、 Nb（铌）、 V（钒）、 Ta（钽）等合金元素，有强烈细化奥氏体晶粒、升高粗化温度的效果。因为这些元素是强碳、氮化物形成元素，在钢中形成熔点高、稳定性强、不易聚集长大的 NbC 、 NbN、 Nb(C 、 N)等化合物。

能产生稳定碳化物的元素W、 Mo、 Cr 等也有细化晶粒的作用；

Ni、 Co、 Cu等稍有细化晶粒的作用； 而 P、 O等则是粗化晶粒的元素。

按阻碍奥氏体晶粒长大程度不同，可将合金元素分成如下几类： 强烈阻碍晶粒长大的： Ti 钛、 Zr锆、 Nb 铌、 V 钒、 Ta钽、 Al 铝等； 有中等阻碍作用的：W、Mo、 Cr 等； 稍有阻碍作用或不起作用的： Ni、 Co、 Cu、 Si等； 增大晶粒长大倾向的： C 、 P、Mn、 O等。

5、原始组织

原始组织细小，相界面积大，奥氏体形核率大，则起始晶粒细小，但晶粒长大倾向大，即过热敏感性增大，不可采用过高的加热温度和长时间保温，宜采用快速加热、短时保温的工艺方法。

第四章 钢

碳钢的分类

按碳的质量分数分为： 低碳钢： wC≤0.25% 中碳钢： wC =0.25%～ 0.60% 高碳钢 : wC≥0.6%按钢的冶金质量分为： 碳素钢： wS≤0.055% ， wP≤0.045% 优质碳素钢： wS ， P≤0.035% 高极优质碳素钢： wS≤0.030% ， wP≤0.035%按钢的用途分为： 碳素结构钢 这类钢主要用于制造各种工程构件（如建筑、船舶、桥梁用钢）和机器零件（如齿轮、轴、连杆、螺钉、螺母等）。一般为低、中碳钢。

碳素工具钢 主要用于制造各种刀具、量具、模具。一般为高碳钢。

普通碳素结构钢 Q195 钢不分质量等级，其含碳量很低，强度也不高，但

这类钢具有好的塑性、韧性和优良的焊接性能，常用作铁钉、铁丝、和各种薄板，如黑铁皮、白铁皮（镀锌薄钢板）、马口铁（镀锡薄钢板）。

Q215 、 Q235 、 Q255 钢当质量等级为 A 、 B时，在保证力学性能要求下，化学成分可根据要求作适当的调整。这类钢通常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等用作桥梁建筑及钢结构，也可在机械制造中用作普通的铆钉、螺钉、螺母、地脚螺钉、轴套、链片、销轴等。

Q275 属于中碳钢，强度较高，可代替 30 钢、 40 钢用于制造某些较重要的零件如齿轮、链论等。

优质碳素结构钢

优质碳素结构钢与碳素结构钢相比，所含 S 、P量较少，钢的塑性、韧性比较好。主要用于制造机器零件。

碳素工具钢T7 、 T8适用于承受一定冲击要求韧性较高的刃具，如木工用斧、钳工凿子等。T9 、 T10 、 T11适用于冲击较小而要求高硬度与耐磨性的刃具如小钻头、丝锥等。T12 、 T13 钢硬度及耐磨性最高，但任性差，用于制造不承受冲击的刃具，如锉刀、铲刮刀等。

合金钢按用途分： 合金结构钢，包括普通低合金钢、易切削钢，渗碳钢，调

质钢、弹簧钢、滚动轴承钢。 合金工具钢，包括刃具钢、量具钢、模具钢。 特殊性能钢，包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。 按合金元素含量分： 低合金钢： wMe＜ 5% 中合金钢： wMe =5%~10% 高合金钢： wMe ＞ 10% 按正火状态分： 按正火状态所得到的组织可分为：珠光体钢、马氏体钢、贝氏体钢、奥氏体钢、铁素体钢等。

合金结构钢 低合金高强度结构钢： Q345 （ 16Mn ）

最具代表性。这种钢的强度比碳素结构钢Q235 高 20%~30% ，耐大气腐蚀性能提高20％ ~38% ，用它来制造工程结构时 , 质量可减轻 20%~30% ，且低温性能较好。Q420 （ 15MnVN ）是中等级别强度钢中使用最多的钢种，钢种加入 V 、 N 后，不仅强度高，而且韧性、焊接性和低温韧性也较好，广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶等大型结构。

合金结构钢 渗碳钢：低淬透性渗碳钢，如 20Cr ，其在水中

的临界直径为 20~35mm ，用于制造受冲击较小的耐磨件，如小轴、活塞销、滑块、小齿轮等；中淬透性渗碳钢，如 20CrMnTi 等，这类钢油淬临界直径为 25~60mm ，用于承受中等动载荷的耐磨零件，如汽车变速齿轮、齿轮轴、花键轴套等；高淬透性渗碳钢如 12Cr2Ni4A 、 20Cr2Ni4A 等，这类钢淬火及低温回火后心部强度很高，主要用作重载和强烈磨损的大型零件，如内燃机的主动牵引齿轮、柴油机曲轴等。其油淬临界直径大于 100mm ，即空冷就能淬成马氏体。

合金结构钢 调质钢：低淬透性合金调质钢，如 40Cr ，油淬临界直径为 20~40mm ，广泛用于中等截面受变动载荷的调质工件，如柴油机连杆、曲轴、齿轮等；中淬透性合金调质钢，如 35CrMo 、 38CrMoA1A 等，油淬临界直径为 40~60mm ，调质后强度很高，可用作截面较大、承受较重载荷的调质工件，如内燃机曲轴、连杆、变速箱主动轴等；高淬透性合金调质钢，如 40CrMnMo 、 40CrNiMo ，其油淬临界直径为 60~100 mm ，调质后强度最高，韧性也很好，可制作大截面、承受大载荷的重要调质件，如汽轮机主轴、叶轮、航空发动机轴等。

合金结构钢 弹簧钢： 60Si2Mn 是合金弹簧钢中最常用牌号，它淬透性高，油淬临界直径为 20~30mm ，弹性极限、屈强比、疲劳强度也较高，工作温度在 230℃ 以下，主要用于铁路机车、汽车、拖拉机上的板弹簧和螺施弹簧； 50CrVA 的淬透性更高，油淬临界直径为 30~50mm ，且因加入 Cr 、 V 等元素可提高回火稳定性，所以常用于 400℃下工作承受重载的较大弹簧，如阀门弹簧，高速柴油机的气门弹簧等。

合金结构钢

滚动轴承钢：我国以高碳高铬轴承钢应用最广，最典型的牌号有 GCr15 、 GCr15SiMn 。 GCr15主要用于中小型轴承的内外套圈及滚动体，也可用来制造冷冲模、量具、丝锥等。添加适量 Si 、 Mn 后， GCr15SiMn 的淬透性明显增加，可用于大型滚动轴承的制造。

合金工具钢

刃具钢：刃具钢主要用于制造各种金属切 削刀具，如车刀、钻头、铣刀等。 低合金工具钢主要用于制造各种低速切削

的刀具，如丝锥、板牙、钻头、铰刀等，最典型牌号为 9SiCr 。

合金工具钢

高速钢是热硬性，耐磨性较高的高合金工具钢，用它制作的刀具在高速切削时，刃部温度达到 600℃时，其硬度依然能保持在 55~60HRC 以上，典型牌号有钨系高速钢W18Cr4V ，钨钼系高速钢 W6Mo5Cr4V2 。 W18Cr4V钢，硬度、红硬性高，过热敏感性小，磨削性好，适于制造一般的高速切削刃具，如车刀、铣刀、刨刀、拉刀等，但不适于作薄刃刃具，大型刃具及热加工成型刃具。 W6Mo5Cr4V2 钢在 950~1100℃ 具有良好的热塑性，适于压力加工，且热处理后韧性较高，耐磨性也比 W18Cr4V 高，但这类钢在加热时易脱碳和过热，红硬性稍差，主要适用于制造耐磨性与韧性需较好配合的刃具，如齿轮铣刀、插齿刀等，对于扭制、轧制等热加工成型的薄刃刀具如麻花钻头更为适宜。

合金工具钢

模具钢：冷作模具钢的含碳量一般大于 1％，以保证获得高硬度和高耐磨性，主加元素 Cr 能增加钢的淬透性和提高钢的耐磨性。少量的 Mo 、 V 可提高钢的回火稳定性，增加淬透性，且能细化晶粒，改善碳化物不均匀性，提高钢的强度和韧性。典型钢种有 Cr12 ，适于制造重载和形状复杂的模具。

合金工具钢

热作模钢一般是含碳量小于 0.5% ，并含有 Cr 、 Ni 、 Mo 、 Mn 等合金元素的亚共折钢。碳含量较低是为了保证有足够的韧性和较高的热疲劳抗力，合金元素的作用是强化铁素体，增加淬透性。典型牌号有5CrMnMo ，用于制造中小型热锻模， 5CrNiMo 用于大型热锻模等。

合金工具钢 量具钢：量具钢是制造测量工具用钢。如游标卡尺，千分尺，塞规、块规、样板等。量具没有专门的钢种，碳素工具钢，合金工具钢和滚动轴承钢都可以制造量具。如精度较低，形状简单的量具，如量规等可采用 T10A 、 T12A 、 9SiCr 等钢来制造；直尺、钢皮尺、样板及卡规等量具可采用中碳结构钢如 55 、 65 、 60Mn 、 65Mn 等经高频表面淬火处理后制造；对高精度，形状复杂的量具，可采用微变形合金工具钢如 CrWMn ，CrMn 和滚动轴承钢制造。

不锈钢 马氏体不锈钢 马氏体不锈钢的含碳量为 0.1%~1.0% ，铬的含量为 12%~18% ，这类钢在氧化性介质如大气、海水等具有一定的耐蚀性，而在非氧化性介质，如盐酸、碱溶液中的耐蚀性很低，且随着马氏体不锈钢中含碳量的增加，钢的强度、硬度耐磨性增加，但耐蚀性下降。这类钢主要用于制造力学性能要求较高，抗腐蚀性能要求一般的零件，如弹簧、轴、水压机阀及热油泵零件、蒸汽阀杆、阀头等。常见的马氏体不锈钢有 1Cr13 、 2Cr13 、3Cr13 等。

不锈钢 铁素体不锈钢 铁素体不锈钢的含碳量为 wC＜ 0.15% ，含铬量为 wCr=

12%~30% ，典型牌号有 1Cr17 、 1Cr17Mo 等。这类钢抗大气和酸性介质腐蚀的能力强，且具有良好高温抗氧化性（ 700℃ 以下），但力学性能不如马氏体不锈钢，多用于受力不大的耐酸结构和作抗氧化钢使用，如汽车排气阀、燃气轮机零件等。

奥氏体不锈钢 这是应用最广的不锈钢，钢中主加元素为 Cr 和 Ni ，典型

的钢号有 1Cr18Ni9 、 1Cr18Ni9Ti 等。奥氏体不锈钢具有优良的低温韧性、高的加工硬化能力、耐热性、无磁性等特点，而且其冷塑性加工性和焊接性能较好，但这类钢的切削加工性较差。

耐热钢

珠光体耐热钢 这类钢主要用于在 600℃ 下工作的热工动

力机械和石油化工设备。如低碳珠光体钢15CrMo 、 12CrMoV 等，具有优良的冷热加工性能，常用于制作锅炉钢管等。中碳珠光体钢如 35CrMoV ，具有优良的高温综合力学性能，可用于制造耐热紧固件、汽轮机转子、叶轮等。

耐热钢

奥氏体耐热钢 典型牌号为 0Cr19Ni9 ，它是奥氏体不锈

钢，同时又具有高的高温抗氧化性和热强性，工作温度可达 700~900℃ ，且有良好的塑性变形能力和焊接性能，此类钢常用于制造工作温度高达 800℃ 的各类紧固件和汽轮机叶片、发动机气阀等。

耐热钢

马氏体耐热钢 典型马氏体耐热钢是在 Cr13 型不锈钢的基础上

加入 Mo 、 W 、 V 、 Ti 、 Nb 等合金元素发展而来的，典型牌号有 1Cr13 、 1Cr11MoV 、 1Cr12WMoV 等，这类钢适宜制造工作温度在 600℃以下的汽轮机叶片等，故又称为“叶片钢”。 4Cr9Si2 及 4Cr14Ni14W2Mo 等铬硅钢是另一类马氏体耐热钢，这类钢不仅具有好的高温抗氧化性和热强性，而且有高的硬度和耐磨性，适合制造工作温度在 750℃ 以下的发动机排气阀，故又称为“气阀钢”。

耐磨钢

耐磨钢的典型牌号为 ZGMn13 ，它的含碳量为 wC=1.0%~1.5% ，含锰量为 wMn=11%~14% 。碳含量高可以提高耐磨性；锰含量高，可以保证热处理后得到单相奥氏体组织，而这种组织在工作时用于受到强烈冲击、压力与摩擦，会因塑性变形而产生强烈的加工硬化，使表面硬度可达 500~550HBS ，耐磨性很好。

第五章 铸铁

铸铁的石墨化 第一阶段石墨化：过共晶液相结晶出一次石墨 GI

和在 1154℃ 通过共晶反应形成共晶石墨 G共晶，反应式为：　 L LC＋ GI

LC′ 1154℃ AE′+G 共晶 第二阶段石墨化：在 1154℃～ 738℃温度范围内，过饱和奥氏体沿 E′S′ 线析出二次石墨 GⅡ ，反应式为： AE′1154～ 738℃AS′＋ GII 。

第三阶段石墨化：在 738℃ 通过共析反应，奥氏体转变为铁素体和共析石墨 G ，共析反应式为：AS′ 738℃ Fp′+G 共析。

铸铁的分类 灰铸铁，石墨呈片状分布。 球墨铸铁，石墨呈球状分布。 可锻铸铁，石墨呈团絮状分布 . 蠕墨铸铁，石墨呈蠕虫状分布。

灰铸铁 灰铸铁的成分范围为： wc=2.7%3.6%, wSi=1.0

%～ 2.5%,. 组织是铁素体灰铸铁、铁素体＋珠光体灰铸铁、珠光体灰铸铁。

1．良好的铸造性能 2．优良的耐磨性和减振性 3．较低的缺口敏感性和良好的切削加工性。 4. 石墨的润滑和断屑作用使灰铸铁具有良好的切削加工性，但灰铸铁的焊接性能差。

球墨铸铁 球墨铸铁的成分范围是： wc=3.6%～ 3.8

% ， wSi=2.0%～ 3.2% 。 球墨铸铁的组织可分为铁素体球墨铸铁，

铁素体＋珠光体球墨铸铁、珠光体球墨铸铁也可通过调质处理得到回火索氏体基体或等温淬火得到下贝氏体基体。

球墨铸铁的组织是金属基体上分布有球状石墨，其力学性能大大高于灰铸铁。

球墨铸铁 球墨铸铁具有优良的力学性能，且生产周期短，

成本低，可以代替部分碳钢、合金钢和可锻铸铁。用来制造在复杂应力状态下要求高强度、韧性和耐磨性的零件。如具有高的塑韧性的铁素体基体的球墨铸铁，常用来制造受压阀门、机器底座、汽车的后桥壳等。具有高强度高耐磨性的珠光体球墨铸铁，常用来制造汽车、拖拉或柴油机中的曲轴、连杆、凸轮轴、各种齿轮，机床的主轴、蜗杆、蜗轮，轧钢机的轧辊、大齿轮及大型水压机的工作缸、缸套、活塞等。

可锻铸铁 可锻铸铁又称玛钢，它是由白口铸铁经过可锻化退火而获得的具有团絮状石墨的一种高强铸铁，与灰铸铁相比，可锻铸铁的塑韧性有明显的提高，但是还不足以锻造成型，因此，可锻铸铁是不可锻的。

可锻铸铁的成分范围为： wC=2.2%～ 2.8%, wSi=1.0%～ 1.8% 。

可锻铸铁可分为两种类型：铁素体基体可锻铸铁和珠光体基体可锻铸铁，铁素体可锻铸铁又称为“黑心可锻铸铁” .

可锻铸铁

可锻铸铁主要用来制作一些形状复杂且在工作中承受冲击震动的薄壁小型铸件。如黑心可锻铸铁具有较高的塑性与韧性，常用于制造汽车、拖拉机的后桥外壳、机床扳手、低压阀门、管接头、农具等承受震动冲击零件。珠光体可锻铸铁强硬度，耐磨性高，常用于曲轴、连杆、齿轮摇臂、凸轮轴等要求强度、耐磨性较好的零件。

第六章 有色金属及其合金

铝及其合金 工业纯铝 纯铝是一种具有银白色金属光泽的金属。熔点 660℃ ，

密度为 2.7g/cm3, 面心立方晶格，无同素异构转变。 纯铝的塑性很好（ δ=35%～ 40%,ψ=80% ），但纯铝的

硬度，强度较低 (σb=80～ 100MPa) 。纯铝具有较高的导电和导热性，仅次于银、铜、金，铝在空气中具有良好的耐蚀性（铝在大气中与氧形成一层致密的氧化膜），但不耐酸、碱。盐的腐蚀。

工业纯铝主要用于制造导线、电缆、电容器、散热器等强度要求不高的零件及生活用具等。

铝合金的分类铝合金分为两大类：变形铝合金 铸造铝合金。变形铝合金分为：防锈铝、 硬铝、 超硬铝 锻铝铸造铝合金分为：铝硅系 铝铜系 铝镁系 铝锌系

形变铝合金 防锈铝 防锈铝是在大气、水和油等介质中具有良好抗腐蚀性能的变形铝合 金，主要有 A1-Mn 系和 A1-Mg 系两种，常用牌号有 5A05 ， 3A21 等。

这类合金不能热处理强化，只能用冷塑性变形进行强化，具有良好 的塑性和焊接性能，常用于载荷不大的拉延、焊接或耐蚀结构件如 油箱、管道、容器、窗柜等。 硬铝 硬铝主要是 Al-Cu-Mg 系合金，这类合金通过淬火时效可显著提高强 度， σb 可达 420MPa ，其比强度（抗拉强度与密度的比值）与高强 度钢相近，故名硬铝，典型牌号有 2A01 ， 2A11 和 2A12 等。这类合 金的特点是强度硬度高、耐热性好（可在 200℃ 以下工作），但耐蚀 性差（特别是在海水等环境中）、塑性低韧性差，主要用于航空工 业，如制作飞机用铆钉、翼助、翼架等。

形变铝合金 超硬铝 超硬铝主要是 Al-Mg-Zn-Cu 系合金。典型牌号有 7A04 。

在铝合金中，超硬铝强度最高， σb 可达 600 MPa ，其比强度与超高强度钢（ σb＞ 1400 MPa 的钢）相当，但超硬铝的耐蚀性和耐热性较差，常用于工作温度不超过 120～ 130 ℃ 且受力较大的结构零件，如飞机起落架，大梁等。

锻铝 锻铝为 Al-Cu-Mg-Si 系合金。其力学性能与硬铝相似，但

热塑性及耐蚀性较高，更适于锻造，故名锻铝，典型牌号2A50 、 6A02 等，主要用作航空及仪表工业中形状复杂、承受中等载荷的锻件和模锻件如叶轮、框架及支杆等。

铸造铝合金 铝硅系铸造铝合金 铝硅系合金又称铝硅明，其主要特点是铸造性能好、线收缩小、流动性好、热裂倾向小、具有较高的抗蚀性和足够的机械强度。典型牌号有 ZL105 、 ZL109 等。铸造铝硅合金一般用来制造质轻、耐蚀、形状复杂但强度要求不高的铸件。如发动机气缸、电钻、风镐及仪表的外壳等。

铝铜系铸造铝合金 这类合金的主要特点是具有较高的热强性能，但铸造性能

不好，耐蚀性差。主要用于制造在 200～ 300 ℃ 条件下工作的要求较高强度的零件，如增压器的导风叶轮、内燃机气缸头、活塞等。典型牌号 ZL201 、 ZL202 等。

铸造铝合金 铝镁系铸造铝合金 铝镁系合金强度高，密度小，有良好的耐蚀性，但铸造性

能差，热强性低。多用于制造承受冲击载荷，外形不太复杂，在腐蚀性介质中工作的零件，如舰船配件等。常用牌号 ZL301 、 ZL302 等。

铝锌系铸造铝合金 铝锌系合金流动性好，铸造性能优，密度较大，耐蚀性差。该合金在铸态下即具有较高的机械强度，可以不经热处理而直接使用。常用于制造汽车、拖拉机的发动机零件及形状复杂的仪器元件等，常用牌号 ZL401 。

铜及其合金工业纯铜 纯铜又名紫铜，熔点 1083 ℃ ，密度为 8.96 g/cm3, 具

有 面心立方晶格，无同素异构转变。 纯铜的塑性很好（ δ＝ 45％ ~50% ），但强硬度不高

（ σb =230~240 MPa,40~50 HBS ）。纯铜具有优良的 导电性、导热性和良好的耐蚀性、抗磁性，主要用于制 作各种导电材料、导热材料及配置各种铜合金。

铜合金的分类

按化学成分，铜合金可分为黄铜和青铜两大类。 黄铜是以锌为主要合金元素的铜锌合金。其中不含其他合

金元素的黄铜称为普通黄铜（简单黄铜）；含有其他合金元素的黄铜称为特殊黄铜（复杂黄铜）。

青铜是以锌和镍以外的其他元素作为主要合金元素的铜合金。按其所含主要合金元素的种类可分为锡青铜、铝青铜、铍青铜等。

按生产方法，铜合金可分为压力加工铜合金和铸造铜合金。

黄铜 当WZn＜ 32％时，黄铜的室温组织为单相 α 固溶体（ α

相是 Zn 溶于 Cu 中的固溶体），所以又称为单相黄铜。单相黄铜的塑性好，并适合于制造各种冷轧型材以及形状复杂的深冲零件，如炮弹弹筒、枪弹壳等。典型牌号有 H68 、 H80 等。

当WZn＝ 32～ 45%时，黄铜的室温组织为 α＋ β 两相组织，所以又称为双相黄铜，典型牌号有 H59 、 H62 等，主要用于制造水管、油管、散热器等。

锡青铜 WSn＜ 8％的锡青铜，塑性好，适合于冷热塑性变形加工，也称为压力加工锡青铜，适宜制造仪表上要求耐蚀及耐磨的零件、弹性零件、抗磁零件以及机器中的轴承、轴套等。常用的有 QSn 4-3 及 QSn 6.5-0.1 等。

WSn=10～ 14％的锡青铜，称为铸造青铜。铸造锡青铜是良好的减摩材料，并具有好的耐磨性，适宜制造机床中滑动轴承、蜗轮、齿轮等零件。同时这类合金在大气、海水中的抗蚀性比黄铜好，故也是制造蒸汽管、水管附件的良好材料。常用牌号有 ZCuSn10Pb1 及 ZCuSn5Pb5Zn5等。

铝青铜 铝青铜的结晶温度范围很小、流动性好、缩孔集中、能获得致密的、偏析小的铸件，且其力学性能比锡青铜高，铝青铜还可进行热处理强化。

铝青铜的耐蚀性优良，在大气、海水、碳酸及大多数有机酸中的耐蚀性比黄铜和锡青铜高，并具有较好的耐热性和耐磨性。

铝青铜常用来制造强度及耐磨性要求较高的摩擦零件，如齿轮、蜗轮、轴套等。常用的铸造铝青铜有 ZCuA110Fe3 、 ZCuA110Fe3Mn2 等。加工铝青铜（WAl=5％～ 7％）用于制造仪器中要求耐蚀的零件和弹性元件。常用的加工铝青铜有 QA15 、 QA17 、 QA19-4 等。