金属工艺学：ok 金属工艺学 1ok

第一篇 金属工艺学
绪 论
机械制造业在国民经济中居于主导地位，是工业体系的核心部门，也是构成社会物质技术基础的强大支柱。当前世界工业发达国家60％以上的社会财富和45％以上的国民经济收入是由制造业创造的。因而工业发达国家都把制造技术，特别是先进制造技术作为本国的优先发展领域。
通过建国后50多年，特别是改革开放20多年的努力，我国已建成并拥有一个比较完整的制造工业体系，机械制造业已能为能源、交通、化工、原材料等20多个部门提供所需的200多种高水平成套设备，形成了比较齐全的制造技术体系。
随着计算机技术、网络和信息技术的飞速发展和全球竞争的空前加剧，各种先进制造技术层出不穷，逐渐演进成工程技术中复杂且重要的技术，并不断创造出新的制造方法和制造体系，从而更新生产模式。
金工实习是高等工科学校非机械类专业的一门以实践学习为主的工程技术基础课，是非机械类学生了解机械工程技术方面知识的必修课程。该课程以机械制造过程及其相关的工艺技术为对象。金工实习主要包括工程材料、铸造、锻压、焊接和机械加工（包含数控加工和特种加工）等几个部分，它们在机械制造中的地位和作用以及相互间关系如下所示。
铸造 热处理
装配 油漆 产品
材料 锻造 机械加工 试车 包装
产品图纸
剪裁/冲压/焊接 表面处理

工艺文件
外购件
第一章 钳 工
钳工是工人手持工具对工件进行切削加工的方法。钳工工具简单，操作灵活方便，可以完成机械加工所不能完成的某些工作，因此尽管钳工工作劳动强度较大，生产率低，但在机械制造和修配中仍占有重要地位，是切削加工不可缺少的一个组成部分。钳工工具和操作方法也在不断改进和发展。钳工的基本操作有划线、錾削、锯割、锉削、钻孔、攻螺纹、套螺纹、刮削和装配。
钳工操作主要在钳工台和虎钳上进行。钳工台是用硬质木材制成，桌面一般用铁皮包着，坚实平稳，如图1—1所示。


图1—1 钳工台
虎钳是用于夹持工件的，外形结构如图1—2所示，它固定在工作台上。虎钳的大小以钳口长度表示，常用的是100、127和150 mm三种规格。钳口有斜形齿纹。若夹持精密工件时，钳口要垫上软铁或铜皮，以免工件表面损伤。


图1—2 虎钳
第一节 划线基础知道及工具
·基本知识
划线是在毛坯或半成品上，根据图纸要求划出加工图形和加工界线的操作。划线的作用是：
列出加工界线作为加工依据，检查毛坯尺寸和形状，合理分配加工余量。
一、常用划线工具
1．划线平板
划线平板是一块经过精刨或刮削加工的铸铁平板，是划线的基准工具，如图1—3所示。平板安放要平稳牢固，并保持水平。平板使用要均匀，以免局部地方磨凹，还要注意保持清洁，防止受到撞击，不允许在平板上锤击工件。


图1—3 划线平板
2．划针及划线盘划针是用直径为3～4 mm的弹簧钢丝制成，或者是用碳钢钢丝在端部焊上硬质合金磨尖而成，如图1—4所示。


图1—4 划针及其使用
划线盘是进行立面划线和校正工件位置的工具，有普通划线盘和可微调划线盘两种形式，如图1—5所示。


图1—5 划线盘
图1—6是用划线盘划线的情况。先调节划针的高度，然后在划线平板上移动划线盘，就可在生工件上划出与划线平板平行的刻线。


图 1-6 用划线盘划线
3．样冲为了避免划出的线条在加工过程中被擦掉，要在划好的刻线上用样冲打出小而均匀的样冲眼。需要钻孔的圆心也要打样冲眼，以便钻头对准和切入。图1—7所示为样冲及其用法。


图1—7 样冲
4．划规和划卡划规用工具钢制成，两脚尖要淬硬磨利。为了耐磨，脚尖焊有硬质合金，如图1—8所示。划规用于划圆、量取尺寸和等分线段。


图1—8 划 规


图4-9 划卡及其使用
5,千斤顶与V形铁千斤顶与V形铁都是用于支承工件的。工件的平面用千斤顶支承，圆柱面则用V形铁支承，如图1—10所示。千斤顶通常是三个一组使用。由于它能支承很重的工件，而且又可调节工件位置高低，所以在工件划线中应用很广。


图1—l0千斤顶与v形铁
二、划线基准在工件上划线时，为了避免度量和划线的错误，应确定一条或几条线（或面）作为依据，划其余的尺寸线都从这些线（或面）开始，作为依据的线（或面）就称为划线基准。通常它们和图纸上标注的尺寸基准是一致的。图1—11a是以两个相互垂直的已加工平面为基准。图1—llb则是以中心线为基准。


图1—11 划线基准
第二节 划 线
一、划线前准备为了使工作表面上划出的线条正确、清晰，划线前表面必须清理干净，如锻件表面的氧化皮，铸件表面的粘砂都要去掉；半成品要修毛刺，并洗净油污。有孔的工件划圆时，还要用木板或铅块塞孔，以便找出圆心。划线表面上要均匀涂色，锻、铸件一般涂石灰水，小件可涂粉笔，半成品涂蓝油或硫酸铜溶液。
二、划线操作划线分平面划线和立体划线两种。平面划线是在工件的一个表面上划线。平面划线和机械制图的画图相似，所不同的是用钢尺、角尺、划针和圆规等工具在金属工件上作图。
立体划线是在工件的几个表面上划线。轴承座的立体划线步骤如图1—12所示。


（a）轴承座零件图


（b）根据孔中心及上平面，调节千斤项，使工件水平



（c）划底面加工线和孔水线 （d）转90度用角尺找正，划螺钉孔中心线



（e）用角尺找正划螺钉孔及端面加工线 （f）打样冲眼
图1—12 立体划线
划线时应注意工件支承平稳。同一面上的线条应在一次支承中划全，避免再次调节支承补划，否则容易产生误差。
第三节 钻孔知识
钻孔是用钻头在工件上加工出孔的操作。钳工的钻孔多用于装配和修理，也是攻螺纹前的准备工作。
钻出的孔精度较低，表面粗糙度值较高。所以精度要求较高的孔，经钻孔后还需要扩孔和铰孔。
钻孔一般在台式钻床或立式钻床上进行。若工件笨重且精度要求又不高，或者钻孔部位受到限制时，也常使用手电钻钻孔。
钻孔时，钻头一面旋转作主运动，一面沿轴线移动作进给运动，如图1—13所示。麻花钻的组成如图1-14。



图 1-13 钻孔 图1—14 麻花钻的组成
二、台式钻床和立式钻床台式钻床是钻小孔的主要设备，加工工件孔径一般小于12mm。立式钻床适用于中型工件的孔加工，钻孔直径小于50 mm。大型工件的孔加工可在摇臂钻床或镗床上进行。
台式钻床的外形结构如图1—15a所示。它由主轴架、立柱和底座等部分组成。主轴架前端装主轴，后端安电动机。主轴和电动机之间用V带传动。
主轴是钻床的主要部件。主轴下端有锥孔，用以安装钻夹头。钻夹头的结构如图1—16所示。主轴的转速可以通过改变V带在带轮上的位置来调节。扳转进给手柄，能使主轴向下移动，实现进给运动。
立柱用以支持主轴架。松开锁紧螺母，可根据工件孔的位置高低，调整主轴的上下位置。
底座用以支承钻床所有部件，也是装夹工件的工作台。
立式钻床的外形结构如图1—15b所示。



图1—15 钻床



图1-16 砖夹头 图 1-17砖孔前的准备
第四节 钻孔基本操作方法
（1）钻孔前，工件要划线定心。在工件孔的位置划出孔径圆和检查圆，并在孔径圆上和中心冲出小坑，如图1—17所示。
根据工件孔径大小和精度要求选择合适的钻头，检查钻头两切削刃是否锋利和对称，如不合要求应认真修磨。装夹钻头时，先轻轻夹住，开车检查是否偏摆，若有摆动，则停车纠正后再夹紧。
根据工件的大小，选择合适的装夹方法。一般可用手虎钳、平口钳和台虎钳装夹工件。在圆柱面上钻孔应放在V形铁上进行。较大的工件可用压板螺钉直接装夹在机床工作台上。各种工件的装夹方法如图1—18所示。




图1-18 钻孔时工件的装夹调整钻床主轴位置，选定主轴转速。钻大孔时，转速应低些，以免钻头很快磨钝。钻小孔时转速应高些，但进给可慢些，以免钻头折断。钻硬材料转速要低些，反之应高些。
（2）钻孔时，先对准样冲眼试钻一浅坑，如有偏位，可用样冲重新冲孔纠正，也可用錾子錾几条槽来加以校正，如图1—19所示。钻孔进给速度要均匀，快要钻通时，进给量要减小。钻韧性材料须加切削液。
钻深孔时，钻头须经常退出，以利于排屑和冷却。
钻削孔径大于30mm的大孔，应分两次钻。先钻0.4～0.6倍孔径的小孔，第二次再钻至所需要的尺寸。精度要求高的孔。要留出加工余量，以便精加工。


图1—19 堑槽纠正偏斜
（3）用钻模钻孔。在成批大量生产中，为了提高孔的加工精度和生产率，广泛地采用钻模钻孔，如图1—20所示。


图1—20 钻模钻孔
第五节 扩张与铰孔的概念
扩孔是将已钻出的孔或铸、锻出的孔扩大孔径的操作，所用的刀具是扩孔钻，如图1—20所示。扩孔钻的结构与麻花钻相似，但切削刃较多，有3～4条，切削部分的顶端是平的，螺旋槽较浅，钻体粗大结实，切削时不易变形。经扩孔后，工件孔的精度可提高到ITl0，表面粗糙度值Ra能达6．3um。扩孔可作为孔加工的最后工序，也可作为铰孔前的准备工作。
铰孔是孔的精加工，精度可达IT7—IT8，表面粗糙度值Ra为16um，精铰加工余量只有0.06～0.25 mm。因此铰孔前工件应经过钻孔、扩孔或镗孔等加工。
铰孔所用刀具是铰刀，如图1—21所示。
铰刀有手用铰刀和机用铰刀两种。手用铰刀为直柄，工作部分较长。机用铰刀多为锥柄，可装在钻床、车床上铰孔。铰刀的工作部分由切削部分和修光部分组成。切削部分成锥形，担负着切削工作。修光部分起着导向和修光作用。铰刀有6～12个切削刃，每个切削刃的负荷较轻。
铰孔时选用的切削速度较低，进给量较小，一般都要使用切削液。


图1—20 扩孔钻与扩孔



图1—21 铰刀与铰孔
第六节 攻螺纹和套螺纹
攻螺纹是用丝锥加工内螺纹的操作。用板牙加工外螺纹的操作称为套螺纹。攻螺纹和套螺纹一般用于加工三角形紧固螺纹。
由于连接螺钉和紧固螺钉已经标准化，所以在钳工的螺纹加工中，以攻螺纹操作最常见。
丝锥和板牙3
丝锥的结构如图1—22所示。它是一段开槽的外螺纹，由切削部分、校准部分和柄部所组成。
切削部分磨成圆锥形，切削负荷被分配在几个刀齿上。校准部分具有完整的齿形，用以校准和修光切出的螺纹，并引导丝锥沿轴向运动。丝锥有3～4条容屑槽，便于容屑和排屑。柄部有方头，用以传递扭矩。
手用丝锥一般由两支组成一套，分为头锥和二锥。两支丝锥的外径、中径和内径是相等的，只是切削部分的长短和锥角不同，头锥的切削部分长些，锥角小些，约有6个不完整的齿以便起切。二锥的切削部分短些，不完整齿约为2个。切不通螺孔时，两支丝锥顺次使用。切通孔螺纹，头锥能一次完成。螺距大于2.5 mm的丝锥常制成三支一套。
板牙的形状和螺母相似，只是在靠近螺纹外径处钻了3～8个排屑孔，并形成了切削刃，如图1—23所示。板牙两端面带有2处锥角的部分是切削部分，中间一段是校准部分，也是套螺纹的导向部分。板牙的外圆有四个锥坑。两个用于将板牙夹持在板牙架内并传递扭矩。另外两个相对板牙中心有些偏斜，当板牙磨损后，可沿板牙V形槽锯开，拧紧板牙架上的调节螺钉，可使板牙螺纹孔作微量缩小，以补偿磨损的尺寸。
图14—22丝锥 图1—23板牙
第二章 机械加工
第一节 车削
车削加工是指工件旋转作主运动，车刀移动作进给运动的切削加工方法。车削是金属切削加工的主要加工方法之一。在一般机工车间里，车床约占机床总数的50％左右，应用最普遍的是普通车床，普通车床的加工范围较广．能加工各种内、外回转表面以及端平面等，如图2—1所示。


图2—1车床加工范围
2．1．1基本知识一、切削运动和切削用量切削加工时，工件和刀具之间的相对运动，称为切削运动。切削运动可分为主运动和进给运动两类。主运动是切下切屑所需要的最基本的运动。进给运动是使工件的被切层连续被切除，从而加工出完整的表面所需要的运动。
切削速度、进给量和背吃刀量三者称为切削用量，它们是影响工件加工质量和生产率的重要因素。
二、普通车床的组成和传动车床的种类很多，如卧式车床（或普通车床）、立式车床、转塔车床、数控车床等等，其中应用范围最广的是卧式车床（普通车床）。图2—2所示为C6132型普通车床外形图。C6132型号含义如下:
C 6 l 32
主要参数代号（车床能加工工件最大直径的十分之一，单位mm）
机床型别代号（卧式车床型）
机床组别代号（落地及卧式车床组）
机床类别代号（车床类）
即最大加工工件直径为320 mm，中心高为160 mm的普通车床。


图2—2 C6132型普通车床
◆ 车床的组成
C6132型普通车床由下列部分组成：
（1）床身 用于安装车床各个部件，结构坚固，刚性好。床身上有四条平行导轨，外面两条供刀架溜板作纵向移动用，中间两条供安置尾座用。床身紧固在床腿上。
（2）主轴箱和变速箱 主轴箱的作用是支承主轴并使之以不同转速旋转。主轴是空心结构，以便长棒料穿过。主轴右端有外螺纹，用以连接卡盘、拨盘等附件，内有锥孔，用于安装顶尖。
C6132型车床的变速箱安放在左床腿内腔中，车床电动机直接驱动齿轮变速机构，再经由皮带传给主轴箱内的变速机构，从而使主轴获得各种不同的转速。
大多数车床的主轴箱和变速箱是合在一起的，称为主轴变速箱或床头箱。C6132型车床采用把主轴和变速系统分开的结构，称为分离驱动；可减小主轴振动，提高精度。
（3）进给箱 固定在主轴箱下部的床身侧面，用于传递进给运动。改变进给箱外面的手柄位置，可使光杠或丝杠获得不同的转速。
（4）溜板箱 它固定在刀架的下部，把丝杠和光杠的回转运动变为刀架的直线进给运动。
（5）刀架 刀架的结构如图2—3所示，用于夹持车刀，并使之作纵向、横向或斜向进给运动。刀架是多层结构，由下列部分组成,
① 纵溜板 它与溜板箱相连，可沿床身导轨作纵向直线运动。
② 横溜板 它安装在纵溜板顶面的横向导轨上，可作横向直线运动。
③ 转盘 它固定在横溜板上。松开紧固螺母，转盘可在水平面内板转任意角度，以加工圆锥面等。
④ 小溜板 它装在转盘上面的燕尾槽内，可作短距离的进给移动。
⑤ 方刀架 它固定在小溜板上可同时装夹四把车刀。松开锁紧手柄，即可转动方刀架，把所需要的车刀更换到工作位置。
⑥ 尾座 尾座用于安装后顶尖以支持工件，或安装钻头、铰刀等刀具进行孔加工。尾座由套筒、尾座体、底座等几部分组成。转动手轮，套筒可前后伸缩。当套筒退到底时，便可顶出顶尖或钻头等工具。


图2—3 刀架
◆ 车床附件和工件装夹车床上常备有三爪卡盘、四爪卡盘、顶尖、中心架、跟刀架、花盘和心轴等附件，以适应不同形状和尺寸的工件的装夹。
（1） 三爪卡盘。三爪卡盘是车床上最常用的附件，其结构如图2—4所示。当转动三个小伞齿轮中的任何一个时，都会使大伞齿轮旋转。大伞齿轮背面有平面螺纹，它与三个卡爪背面的平面螺纹（一段）相配合。于是大伞齿轮转动时，三个卡爪在卡盘体的径向槽内同时作向心或离心移动，以夹紧或松开工件。
三爪卡盘能自动定心,，装夹工件方便，但定心精度不很高，传递的扭矩也不大，适用于夹持表面光滑的圆柱形、六角形等工件。


图2—4 三爪卡盘
（2）四爪卡盘。四爪卡盘的结构如图2—5所示。四个卡爪分别安装在卡盘体的四条槽内，卡爪背面有螺纹，与四个螺杆相配合。分别转动这些螺杆，就能逐个调整卡爪的位置。


图2—5四爪卡盘 图2—6在四爪卡盘上找正工件位置四爪卡盘夹紧力大，适宜于装夹毛坯、方形、椭圆形以及一些开头不规则的工件。装夹时，工件上应预先划出加工线，而后仔细找正位置，如图2—6所示。
（3） 顶尖和拨盘。较长的轴类工件常用两顶尖安装，如图2—7所示。工件支承在前后两顶尖之间工件的一端用鸡心夹头夹紧，由拨盘带动旋转。


图2—7 在两顶尖间装夹工件


图2—8 顶尖及顶尖套
顶尖的形状如图2—8 a所示。60度的锥形是支承工件的部分。尾部则安装在车床主轴孔或尾座套筒孔中。顶尖尺寸较小时，可通过顶尖套安装。顶尖套的形状如图2—8 b所示。用顶尖安装工件时，应先车平工件端面，并用中心钻打出中心孔。中心钻及中心孔的形状如图2—9所示。中心孔的圆锥部分与顶尖配合，应平整光洁。中心孔的圆柱部分用于容纳润滑油和避免顶尖尖端触及工件。


图2—9 中心钻和中心孔


图2—10 中心架
（4） 中心架和跟刀架。当加工细长轴时，除了用顶尖装夹工件以外，还需要采用中心架或跟刀架支承，以减少因工件刚性差而引起的加工误差。
中心架的结构如图2—l 0所示，由压板螺钉紧固在车床导轨上，调节三个支承爪与工件接触，以增加工件刚性。中心架用于夹持一般长轴、阶梯轴以及端面和孔都需要加工的长轴类工件。
跟刀架的结构如图2—11所示。它紧固在刀架纵溜板上，并与刀架一起移动。跟刀架只有两个支承爪，它只适用于夹持精车或半精车细长光轴类的工件，如丝杠和光杠等。
（5）花盘。形状不规则而无法用三爪或四爪卡盘装夹的工件，可以用花盘装夹。用花盘装夹工件的情况如图5—12所示。用花盘装夹工件时，往往重心偏向一边，为了防止转动时产生振动，在花盘的另一边需加平衡块。工件在花盘上的位置需要仔细找正。
（6）在普通车床上加工内、外圆的同轴度及端面和孔的垂直度要求较高的盘、套类零件时，可用心轴安装。如图2—13所示，将工件安装在心轴上，再把心轴安装在前后顶尖之间来加工工件外圆或端面。


图2—11 跟刀架


图2—12用花盘装夹工件


图2—13心轴的安装第二节 量 具
为了测量工件尺寸，要使用各种量具。精度不高或未加工表面的尺寸用钢尺、内外卡钳测量，精度较高的已加工表面的尺寸则应用游标卡尺、千分尺、百分表等量具测量。
一、游标卡尺游标卡尺是一种结构简单、比较精密的量具，共分游标卡尺如图2—14a、深度游标卡尺如图2—14b和高度游标卡尺如图2—14c等几种。
游标卡尺用于测量工件的内径，外径，长度和深度，其结构如图5—80a所示。它由主尺和副尺组成。主尺与固定卡脚制成一体，副尺和活动卡脚制成一体，并能在主尺上滑动。游标卡尺的准确度有0.1、0.05和0.02 mm三种类型。
0.1 mm游标卡尺的读取原理如图2—15所示。
主尺上每一小格是1 mm。
副尺上的十小格等于主尺上九小格，即9 mm因此副尺上每一小格等于0.9 mm。
主尺与副尺每一小格之差为0.1 mm，称为精度值。
当副尺上的零线和主尺零线对准时，副尺上除了第10根线与主尺上第9根线重合以外，其余刻线均不与主尺刻线重合。
若将副尺球右移动0.1，则副尺第l根刻线将与主尺刻线重合若移动0.2 mm，则第2根刻线译主尺刻线重合，依次类推。反之，如果副尺的第1根刻线与主尺刻线相重合时，可以确定两卡脚之间距离的小数部分为0.1 mm等等。因此：测量工件尺寸读数=副尺零线指示的主尺数+副尺与主尺重合格数×精度值准确度为0.05和0.02 mm的游标卡尺，其主尺每1小格仍为1 mm，而副尺则分别为20格和50格，并各自对应于主尺上的19格和49格。主、副边每小格之差就为0.05和0.02 mm。这样测量尺寸时，读数就更加精确了。0.05和0.02 mm游标卡尺刻线原理如图2—16所示。
游标卡尺，千分尺等精密量具都应该具有正确的使用方法，以保证测量结果正确，避免量具损坏。
游标卡尺使用前应擦净卡脚，将卡脚闭合，检查主副尺的零线是否重合。若不重合，则在测量后的读数中，根据这一原始误差修正。
测量时，右手拇指轻轻推着活动卡脚，使之逐渐与工件表面靠近；推动接触工件表面时，就可读出读数。如需要取下读数，则应将制动螺钉拧紧，再取出卡尺。
游标卡尺的使用方法如图2—17所示。




图2—14 游标卡尺


图2—15 0.1 mm游标卡尺的读数


图2—16 0.05mm和0.02mm游标卡刻线原理


图2—17 游标卡尺的使用
二、千分尺
千分尺又称分厘卡尺，是一种精密的量具。生产中应用较普遍的千分尺的准确度为0.01mm。千分尺也有内径、外径和深度千分尺三种类型，如图2—18所示。




图2—18 千分尺
图2—18（a）所示为测量范围0～25 mm的外径千分尺。弓架左端装有砧座，右端的固定套筒沿轴线刻有间距为0.5 mm的刻线，即主尺。活动套筒沿圆周刻有50刻度，即副尺。当活动套筒转动一周，螺杆和活动套筒沿轴向移动0.5 mm。因此，活动套筒每转过l格，螺杆沿轴向移动的距离为0.01 mm。
测量工件尺寸的读数=副尺所指的主尺上的整数（应为0.5 mm的整倍数）十主尺基线所指副尺的格数×0.01。图2—19为千分尺的几种读数。
千分尺的使用方法如图2—20所示。






图2—19 千分尺的读数


图2—20 外径千分尺的使用
三、百分表百分表是一种应用广泛的测量仪，如图2—21所示，其工作原理是将测量杆的直线移动，通过齿轮传动转变为角位移。
百分表的准确度为0.01 mm，它常用于检验工件的径向和端面跳动、同轴度和平面度等，多用作比较测量。百分表的应用如图2—22所示。



图2—21百分表 图2—22百分表检验工件径向跳动四、验规在成批生产中，为了提高检验效率及减少精密量具的损耗，常采用验规进行检验。验孔的称为塞规，验轴的称为卡规，如图2—23所示。验规有两个测量面，其尺寸分别按零件的最大极限尺寸和最小极限尺寸制造，称为过端和不过端。检验时，工件的实际尺寸只要过端。能通过，不过端通不过就为合格，否则就不合格。用验规检验工件很方便。



图2—23 验规及其使用机器制造中量具的选用对测量结果有很大影响，正确的选用原则是：
（1）量具的精度与工件的加工精度相适应。低精度的量具测量不出高精度工件的准确尺寸，高精度量具测量低精度工件时，既无必要又容易造成量具损坏。
（2）测量范围要符合零件尺寸要求。大尺寸选用测量范围大的量具，小尺寸选用测量范围小的量具。
此外，维护和保养好量具也是使测量结果准确的重要保证。
第三章 数控加工
随着计算机技术、网络技术的不断发展，数控技术已在各工业部门得到了广泛应用。在机械制造业，数控技术成为机床自动化的一个重要发展方向，对机械制造业的产业结构、产品结构、专业化分工方式、机械加工方式及管理模式、企业运行机制等都带来深刻的变化。
第一节 基本知识
3．1．1数控机床的基本概念数控技术是指用数字、字母和符号对某一工作过程进行可编程自动控制的技术；数控系统是指实现数控技术相关功能的软硬件模块的有机集成系统，它是数控技术的载体；计算机数控系统是指以计算机为核心的数控系统；数控机床是指应用数控技术对加工过程进行控制的机床。
世界上第一台数控机床由美国帕森斯公司与麻省理工学院合作研制成功，于1952年公开展示了这台数控机床的样机，1955年正式进入实用阶段。随着微电子技术和计算机技术的高速发展，决定数控机床整体水平的主要系统——计算机数控系统，历经了以下几代变化：
第一代数控1952年由电子管电路构成的专用数控（NC）；
第二代数控1959年起由晶体管数字电路组成的专用数控（NC）；
第三代数控1965年起由中小规模集成数字电路组成的专用数控（NC）；
第四代数控1970年起由大规模集成数字电路组成的小型通用计算机数控（CNC）；
第五代数控1974年开始，采用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控（MNC）。此后，随着计算机技术、网络技术的不断发展，到1994年基于PC的NC系统诞生，使NC系统的研究开发进入了开放型、柔性化的新时代。
目前，国际上具有代表性的数控公司或厂家有日本的法纳克公司、德国的西门子公司、美国的A—B公司等。我国数控机床的研制工作起步比较晚，但发展迅速，北京机床研究所、清华大学、华中科技大学等单位及有关厂家先后进行了数控机床研制。
3．1．2数控机床的加工特点数控机床是新型的自动化机床，它具有广泛通用性和很高的自动化程度。数控机床的特点如下所述。
一、加工适应性广，能满足不同零件的自动加工通过改变程序，就可以很方便地更换到另一种零件的加工，能够完成很多普通机床难以完成或者就根本不能加工的复杂型面的零件加工。
二、加工精度高。加工质量稳定数控机床的机械传动系统和结构本身都有较高的精度和刚度，控制系统还可以进行精度补偿，再加上无操作者的人为误差影响，所以数控机床具有较高的加工精度。另外，由于数控机床是自动进行加工的，故而提高了同批量零件加工尺寸的一致性，使得加工质量稳定，产品合格率高。
三、生产效率高数控机床具有良好的结构刚性，可采用较大的切削用量，有效地缩短了机加工时间。此外，它还有自动变速、自动换刀及其他辅助操作自动化等功能，使辅助时间大为减少。所以，它的生产率比一般普通机床高3—4倍，甚至更多。
四、自动化程度高、柔性好数控机床特别是具有自动换刀功能的数控机床，在一次装夹的情况下，几乎可以完成零件的全部加工。基本解决了普通机床自动化程度低及自动加工生产线柔性差的矛盾。
五、减轻工人的劳动强度，改善劳动条件数控机床的加工是输入事先编好的加工程序后由机床自动加工完成，除了装卸零件、操作键盘、观察机床运行之外，工人不需要进行繁重的重复手工操作，使其劳动强度得以减轻，工作条件也相应得到改善。
数控机床特别适合于下面一些零件的加工：
①量小而又多次生产的零件；
②形状复杂的零件；
③在加工过程中必须进行多工种加工的零件；
④切削余量大的零件；
⑤必须控制公差的零件；
⑥工艺设计变化的零件；
⑦加工过程中操作失误会造成严重浪费的贵重零件；
⑧须全部监测的零件等等。
数控机床的不足之处在于初期投资及维修等费用较高，要求管理及操作人员的素质也较高。合理的选择及使用数控机床，可以降低企业的生产成本，提高经济效益和竞争能力。
3．1．3数控机床的组成数控机床一般由控制面板、控制介质、数控装置、伺服系统、机床本体组成。图3—l的实线所示为开环控制的数控机床框图。
图3—1 数控机床的组成
为了提高机床的加工精度，在上述系统中再加入一个测量装置（即图3—1中的虚线部分），就构成了闭环控制的数控机床框图。开环控制系统的工作过程是：将控制机床工作台运动的位移量、位移速度、位移方向、位移轨迹等参量通过控制介质输入给机床数控装置，数控装置根据这些参量指令计算得出进给脉冲序列（包括有上述4个参量），然后伺服系统转换放大，最后控制工作台按所需求的速度、轨迹、方向和距离移动。若为闭环系统，则在输入指令值的同时，反馈检测机床工作台的实际位移量；反馈量与输入量在数控装置中进行比较，若有差值则数控装置控制机床向着消除误差的方向运动。
一、控制面板控制面板（又称操作面板）是数控机床进行人机交互的主要工具，操作人员可以通过它对数控机床（或系统）进行各种操作（如编程、调试、参数设定、加工运行等），它是数控机床特有的输入输出部件，它主要由按钮站、状态灯、按键阵列和显示器等组成。
二、控制介质控制介质是记录零件加工秩序并可输入到数控装置去的信息载体。常用的控制介质有八位穿孔纸带、磁带和磁盘等。对于微型机控制的数控机床，也可用操作面板上的按钮和键盘将加工程序直接输入，并在显示屏上显示出来。
除此之外，还可以采用通信方式进行信息交流，目前常用的有串行通讯（RS232等串口）、自动控制专用接口和规范（直接数字控制DNC方式、制造自动化协议MAP等）和网络技术（Internet、局域网LAN等）。
三、数控装置数控装置是数控机床的控制核心通常由一台通用或专用微型计算机及相应的软件构成。它的功能是接受输入装置的加工信息，经处理后由计算机发出相应的控制指令给伺服系统，通过伺服系统使机床按预定的轨迹运动。
四、伺服系统伺服系统由驱动装置和执行机械组成。伺服系统的作用是接受并按照来自数控装置的控制指令转换为机床移动部件的运动或使执行部件动作，最后加工出符合图纸要求的零件。因此伺服系统的性能是决定数控机床的加工精度、表面质量和生产效率的主要因素之一。相对于每个脉冲信号，机床移动部件的位移量叫做脉冲当量。常用的脉冲当量为0.001 mm／脉冲、0.005 mm／脉冲及0.01 mm／脉冲。在数控机床的伺服系统中，常用的伺服驱动元件有功率步进电机、电液脉冲马达、直流伺服电机和交流伺服电机。
五、机床本体机床是数控机床中的机械主体，是实现零件加工的执行部件。它主要由主传动系统部分、进给系统部分、执行部分、刀架和床身等组成。与普通机床相比，数控机床在精度、刚度、抗振性、热变形等方面都有较高的要求。
3．1．4数控机床的分类数控机床品种很多，通常有下面几种分类方法。
一、按工艺用途分类
1．切削加工类具有切削加工功能的数控机床。如数控铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、柔性制造单元（FMC）等。
2．成型加工类具有通过物理方法改变工件形状功能的数控机床。如数控折弯机、数控弯管机等。
3．特种加工类具有特种加工功能的数控机床。如数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。
二、按数控机床的运动轨迹分类
1．点位控制系统可以控制刀具从一个位置准确移动到另一个位置。在刀具的移动过程中不进行切削，而且它对运动的轨迹没有严格的要求。数控钻床、数控镗床、数控冲床及数控测量机等，都属于点位控制系统。
2．直线控制系统可以控制刀具在相对于工件的运动过程中进行切削加工，不仅控制两点之间的准确位置，而且要控制两点之间的位移速度及轨迹。数控车床、数控铣床、数控镗床、数控磨床等都属于直线控制系统。
3．轮廓控制系统又称连续控制系统，系统能对刀具相对工件的运动轨迹进行连续控制，以加工任意斜度的直线，任意形状的曲面或由曲面组成的复杂零件。系统一般是两坐标或两坐标以上的多坐标联动控制系统。这类控制系统的机床有：数控车床、数控铣床、数控磨床等。
三、按伺服系统的控制方式分类数控机床按照对被控制量有无检测反馈装置可以分为开环和闭环两种。在闭环系统中，根据测量装置安放的位置又可以将其分为全闭环和半闭环两种。
1．开环数控机床在开环控制中，机床没有检测反馈装置（见图3—1），数控装置发出信号的流程是单向的，故不存在系统稳定性的问题。加工精度相对闭环系统来讲较低，其精度主要取决于伺服系统的性能。但由于无位置反馈，这种机床工作比较稳定、反应迅速、调试方便、维修简单，但其控制精度受到限制。它适用于要求不高的中小型数控机床。
2．闭环数控机床全闭环控制系统框图如3—2所示。图中A为速度检测元件，C为位置检测元件，当指令值发送到位置比较电路时，此时若工作台没有移动，则没有反馈量，
图3—2 全闭环控制系统框图指令值使得伺服电机转动，通过A将速度反馈信号送到速度控制电路，通过C将工作台实际位移量反馈回去，在位置比较电路中与指令值进行比较，用比较的差值进行控制，直至差值消失为止，最终实现工作台的精确定位。
这类机床的优点是精度高、速度快，但系统稳定性较差，调试和维修比较复杂，价格昂贵。这类系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及大型的数控机床。
半闭环控制方式对工作台的实际位置不进行检查测量，而是通过检测电机和丝杠旋转角度来间接检测出工作台的实际位移量，用此值与指令值进行比较，用差值来实际控制。这种控制方式介于开环与全闭环之间，精度比开环高，系统稳定性较全闭环好，而且结构简单，调试方便，因而在现代CNC机床中得到广泛应用。
第二节 自动编程软件的简介
计算机技术与机械制造技术相互结合与渗透，产生了计算机辅助设计与制造（Computer Aided Design and Manufactunng）这样一门综合性的应用技术，简称CAD/CAM。
1．CAD/CAM的基本概念和组成
CAD/CAM系统是以计算机硬件、软件为支持环境，通过各个功能模块实现对产品的描述、计算、分析、优化、绘图、工艺规程设计、仿真以及NC加工。
CAD/CAM系统通常由硬件系统和软件系统组成，如图3—3所示。
图3—3 CAD／CAM系统组成图3—3可知，软件系统可分为系统软件和应用软件两个部分，系统软件是使用、管理、控制计算机运行的程序的结合，是用户与计算机硬件的连接纽带，它有两个特点：
（1）通用性，即多机通用和多户通用；
（2）基础性，即系统软件是支撑软件和应用软件的基础。
应用软件是CAD／CAM系统的核心，在国际上比较著名的商品化CAD／CAM软件系统有：美国PTC公司的Pro／engineer系统；美国CV公司的CADDS系统；麦道公司的UG—II系统；美国CNCSoftware公司的自动编程系统Master CAM等等。
2．CAD／CAM系统的工作过程根据产品零件的要求，向CAD输入设计要求，利用绘图功能，构造出产品的几何模型，并储存在系统的数据库中。系统根据产品零件的设计信息，在分析其几何特点及相关要求后，对产品进行工艺规程设计。用户对工艺规程设计的结果进行分析、判断，并以人机交互的方式进行选择和修改，最终结果存入数据库。CAD／CAM系统在生成产品加工的工艺规程之后，对其进行仿真和模拟，验证其是否合理可行。计算机辅助制造系统从数据库中读取工艺规程文件，自动生成NC（或CNC）加工指令，最终在数控机床上生产出有关产品，具体过程如图3—4所示。
图3—4 CAD／CAM系统的工作过程第四章　 特种加工
特种加工是直接把电、磁、声、光等能量或组合施加在工件待加工面上用以去除多余的材料，使之成为符合设计要求的零件的加工过程。在生产中常用的特种加工有电火花加工、激光加工、超声波加工、电解加工、电子（或离子）束加工、化学加工等等。
第一节 电火花加工
电火花加工是在加工的过程中，使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，靠放电时局部瞬时产生的高温把金属蚀除下来，通常也称为放电加工或电蚀加工。电火花加工是一种利用电能、热能进行加工的方法。
4．1．1基本知识一、电火花加工机理和特点电火花加工的过程实际上是电力、磁力、流体动力以及电化学和胶体化学等综合作用的过程。这一过程可大致分为五个连续的阶段：极间介质电离击穿形成放电通道、电极材料熔化和气化、电蚀产物的排出、极间介质消电离及恢复绝缘状态。
1．电火花加工机理电火花加工过程如图4—l所示。工件与工具分别与脉冲电源的两输出端相连接。伺服系统（自动进给调节装置）使工具和工件问持续保持很小的放电间隙，当脉冲电压加到两极之间，便在当时条件下相对间隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质，在局部产生火花放电，瞬时高温使工具和工件表面都蚀除掉一小部分金属，各自形成一个小凹坑。脉冲放电结束后，经过一段间隔时间（脉冲间隔），使工作液恢复绝缘后，第二个脉冲电压又加到两极上，又会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电，又电蚀出一个小凹坑。这样随着相当高的频率，连续不断地重复放电，工具电极不断地向工件进给，就可将工具的形状复制在工件上，加工出所需要的零件，整个加工表面将由无数个小凹坑所组成，如图4—2所示。图4—2（a）表示单个脉冲放电后的电蚀坑，图4—2（b）表示多次脉冲放电后的电极表面。
电火花加工的必备条件：必须采用脉冲电源；工具电极和工件被加工表面之间必须保持一定的间隙；放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行。
2．电火花加工的特点
（1）利用电能加工，易于实现加工过程自动化电能及电参数较机械量易于数字控制、适应控制、智能化控制和无人化操作等。
（2）适合于难切削材料的加工由于加工中材料的去除是靠放电时的电热作用实现的，材料的可加工性主要取决于材料的导电性及其热学特性（如熔点、沸点、比热容、导热系数、电阻热等），与其力学性能（强度、硬度等）无关，从而突破了传统切削加工对刀具的限制，实现了以较软的工具加工较硬的工件，甚至可以加工象聚晶金刚石、立方氮化硼一类的超硬材料。目前，工具材料多采用紫铜或石墨，电极制造容易。
图4—1电火花加工机理 图4—2电火花加工表面局部放大图
（3）可加工特殊及复杂形状的零件由于加工中工具电极和工件不直接接触，没有机械切削力，因此适宜加工低刚度工件及实现微细加工；由于可以简单地将工具电极的形状复制到工件上，因此特别适合于复杂表面形状工件的加工，如复杂型腔模具加工等；数控技术的采用使得用简单的电极加工复杂形状零件也成为可能。
电火花加工的局限性主要是只能加工导电材料（一定条件下可加工半导体和非导体材料），加工速度较慢，存在电极损耗。
由于电火花加工具有许多传统切削加工所无法比拟的优点，已广泛应用于宇航、电子、电机电器、精密机械、轻工等行业，特别是模具制造业。加工范围已达到小至几微米的小轴、孔、缝，大到几米的超大型模具和零件，成为不可缺少的一种加工方法。
二、电火花加工机床电火花加工工艺及机床设备的类型较多，但按工艺过程中工具与工件相对运动的特点和用途来分，大致可以分为五大类：电火花穿孔成型加工、电火花线切割加工、电火花内外圆和成型磨削、电火花同步回转加工及电火花表面强化、刻字。其中应用最广，数量较多的是电火花线切割机床和电火花成型加工机床。
1．电火花线切割机床电火花线切割机床由机床部分、脉冲电源、控制部分和工作液循环系统等组成。
（1）机床部分机床部分由运丝机构、丝架、工作台和床身组成。丝架用来支撑电极丝，使电极丝与工作台面垂直。运丝机构带动电极丝作往复运动。
电火花线切割机床按走丝方式分为快速走丝（走丝速度8～10 m/s）和慢速走丝（走丝速度0.01～0.1m／s）两大类。快速走丝的机床外观如图4—3所示，机床采用的绕丝机构是单滚筒式，结构简单、维护方便，因而应用广泛；其缺点是绕丝长度小、电动机正反转动频繁、电极丝张力不可调。快速走丝的主要优点是排屑容易，加工速度高；主要缺点是加工精度的提高和表面粗糙度的改善都比较困难。我国主要生产的是快速走丝机床。
图4—3 电火花线切割机床
（2）工作液系统在电火花线切割加工过程中，工作液系统是必不可少的，它的作用主要是绝缘、消电离、排屑、冷却等。对快速走丝机床，因走丝速度快，能自动排除短路现象，广泛采用介电强度较低的乳化油水溶液。对慢速走丝机床，则大多采用去离子水。
工作液的循环与过滤装置一般由工作液泵、液箱、过滤器、管道和流量控制阀等组成。
（3）控制系统电火花线切割机床的控制系统主要是指切割轨迹的控制系统、切带锥度工件的多维控制系统，此外还有走丝机构的控制、脉冲电参数的控制以及其他辅助控制电路等。
切割轨迹控制系统的作用是在电火花线切割加工过程中，按加工要求自动控制电极丝相对工件的运动轨迹和进给速度，来实现对工件的形状和尺寸加工。当控制系统使电极丝相对于工件按一定轨迹运动时，同时还应该实现进给速度与工件材料的蚀除速度相一致，以维持正常的稳定线切割加工。
图4—4 电火花成型机床
2．电火花成型加工机床电火花成型加工机床主要由控制柜、主机及工作液净化循环系统三大部分组成。其中控制柜包含了脉冲电源及控制系统，主机又包括床身、立柱、x、y工作台及主轴头等几部分。如图4—4所示。
（1）控制柜控制柜是完成控制、加工操作的部分，是机床的中枢神经系统。其结构框图如图4—5。现代电火花成型机床一般采用计算机进行控制。接口控制电路是计算机与脉冲电源、伺服系统及机床主机进行信息交流的桥梁。
脉冲电源系统包括脉冲波形产生和控制电路、检测电路、自适应控制电路、功率板等。该部是控制柜的核心部分，产生脉冲波形，形成加工电流，监测加工状态并进行自适应调整。
图4—5 控制柜结构框图伺服系统产生伺服状态信息，由计算机发出伺服指令，驱动伺服电机进行高速高精度定位操作。
手控盒集中了点动、停止、暂停、解除、油泵起停等加工操作过程中使用频率高的键，更加便于操作。
（2）机床主机主机主要包括：床身、立柱、工作台及主轴头几部分。主轴头是电火花成型机床中关键的部件，是自动调节系统中的执行机构，对加工工艺指标的影响极大。主轴头主要由进给系统、导向防扭机构、电极装夹及其调节环节组成。
（3）工作液循环过滤系统工作液循环过滤系统包括工作液（煤油）箱、电动机、泵、过滤装置、工作液槽、油杯、管道、阀门以及测量仪表等。
三、电火花加工工艺特点
1．加工速度加工速度是指在单位时间内，工件被蚀除的体积或重量。衡量一台电火花加工机床的工艺性能经常采用最大加工速度。值得指出的是，目前新的电火花成型机床精度标准开始用“三合一”来代替最大加工速度，如在侧面表面粗糙度值Ra<5 um时。要求加工速度≥18mm3/min，而电极相对损耗<1％。
2．工具电极损耗电极损耗分为绝对损耗和相对损耗。
绝对损耗又分为体积损耗、重量损耗和长度损耗三种表示方式，它们分别表示在单位时间内，工具电极被蚀除的体积、重量和长度。相对损耗是工具电极绝对损耗与加工速度的比值，相对损耗有体积相对损耗、重量相对损耗和长度相对损耗。
在电火花加工过程中，由于正、负极极性不同而电蚀量不一样的现象叫做极性效应。产生极性效应的原因很复杂。在用窄脉冲（即放电持续时间较短）加工时，阳极的蚀除速度大于阴极的蚀除速度，这时工件应接正极（称为正极性加工）。当采用长脉冲（即放电持续时间较长）加工时，阴极的蚀除速度将大于阳极，这时工件应接负极（称为负极性加工）。因此，当采用窄脉冲（例如紫铜电极加工钢时）加工时，应选用正极性加工；当采用长脉冲加工时，应选用负极性加工。一般精加工采用正极性加工，而粗加工采用负极性加工。
此外，工具电极的不同部位，其损耗速度也不相同。一般尖角的损耗比钝角快，角的损耗比棱快，棱的损耗比面快，而端面的损耗比侧面快，端面的侧缘损耗比端面的中心部位快。
3．放电间隙放电间隙亦称过切量，加工中是指脉冲放电两极间距，实际效果反映在加工后工件尺寸的单边扩大量。对电火花加工放电间隙的定量认识是确定加工方案的基础。其中包括工具电极形状、尺寸设计、加工工艺步骤设计以及相应工艺措施的设计。
4．加工表面粗糙度与切削加工一样，电火花加工表面粗糙度通常用微观不平度的平均算术偏差Ra表示。对粗糙度有影响的是单个脉冲能量、工件材料、工具电极等。降低电火花加工的表面粗糙度，将使加工速度下降很大。按目前的工艺水平，电火花成型加工表面粗糙度值Ra要达到优于0.32um是比较困难的。例如从表面粗糙度值Ra2.5um提高到1.25um，加工速度要下降十多倍。因此，一般加工到表面粗糙度值Ra2.5～0.63um之后，采用其它研磨方法改善其表面粗糙度比较经济。
4．2激光加工激光加工是利用能量密度很高的激光束使工件材料熔化、蒸发和汽化而去除的高能束加工，特别适于对工件材料进行焊接、打孔和切割等精密加工，是一种集光、机、电、材料及计算机等技术于一体的现代加工方法。
第二节 激光精密加工
一、精密加工机理及特点
l．激光的特性激光是由于原子的受激辐射而产生，因此它具有单色性好、方向性好、相干性强等特性，从而使激光易于实现在空间和时间上的高度集中，使其能量密度远远大于其他光源。经聚焦后的功率密度在焦点附近能产生104℃以上的高温，并能在10-3秒内熔化、蒸发和汽化材料。
2．激光加工机理及特点当激光经聚焦照射到工件表面时，工件光斑区域将产生高温而急剧熔化，甚至气化，并形成强烈的冲击波，使熔化物质大爆炸式地喷溅去除而实现激光加工。其加工原理如图4—6所示。
当工作物质（钕钇铝石榴石）受到光泵的激发，会有少量激发粒子发生受激辐射跃迁，形成光放大，并经过谐振腔产生自激振荡放大，并由谐振腔的一端输出激光，再通过聚焦照射到工件指定位置进行加工。
图4—6 激光精密加工机理
与传统的加工方法相比，激光加工的特点是：应用范围广，几乎适用于所有的加工工艺；加工面大，几乎可以加工从金属到非金属的所有材料；还特别适于加工极硬、极脆、极薄、极软和熔点极高的难加工材料；加工时热影响区小，变形微，加工质量好、效率高；同时节省材料、减少污染；与计算机数控技术相结合构成了高效自动化加工设备，大大降低了劳动强度。
二、激光精密加工设备激光加工设备由激光器、激光电源、光学系统、机械系统及控制系统五部分组成。其结构原理如图4—7所示。
激光器是激光加工的重要组成部分，其作用是将电能转变成光能，产生所需要的激光束，它主要包括工作物质、光泵、聚光器和谐振腔等。激光器电源采用脉冲式供电方式向激励光源提供发光能源。光学系统的作用是引导激光束至工件表面，并在加工部位获得所需的光斑形状、尺寸及功率密度；同时瞄准加工部位、显微观察加工过程以及加工零件。完整的光学系统包括焦点的位置调节和显微观察两部分。机械系统包括床身和工作台。控制系统包括数控定位系统、适时控制和能量检测。
图4—7 激光加工设备结构原理
三、激光精密加工的应用
1．激光精密打孔激光精密打孔通常是指用激光辐射在材料上加工直径小于1 mm，精度在三级以上的孔或在薄板材料上加工孔径为几微米至几十微米的细微小孔。激光打孔仅需千分之一秒便可完成。深径比可达50：l。
（1）激光打孔的过程激光打孔的过程如图4—8所示。图中“1'’段为前缘，“2”，“3”，“4”段为稳定输出，“5”段为尾缘。当“1”进人材料后，材料开始被加热。当材料表面温度升到稍低于其蒸发温度k时，固态金属开始发生强烈的相变，相变以熔化为主，相变区域面积大而深度浅。当“2”进入材料后，使熔融区面积缩小而深度增加，孔径开始收敛。“3”，“4”段进人材料后，打孔过程相对稳定，形成了孔的圆柱段。当“5”段进人材料后，由于激光光强迅速减弱，形成了孔的尖锥形孔底。
激光打孔的工艺指标主要有激光脉冲能量、激光脉宽、透镜焦距、脉冲次数等。
（2）激光打孔的特点及其应用与其他的打孔方法（如钻孔、电火花和电子束加工的小孔等）相比．激光打孔的特点是适应性广、无加工变形、效率高、不需要抽成真空等。目前激光打孔常用在机械打孔难以实现的场合，如：
燃油喷嘴小孔的加工。要求小孔与零件有准确的空间位置（孔的轴线与零件表面的法线有一定的角度）。
金属板上细微孔加工。可以获得较高的深径比，孔径可以小到um级。
硬脆材料如宝石、陶瓷上打孔。钟表宝石轴承打孔的孔径为Φ0.08～O.12 mm，孔深为O.6～1 2 mm，深径比可达50：1。陶瓷打孔可获得深径比20：1的小孔。
图4-8 激光打孔的过程
2．激光切割
（1）激光切割的过程激光切割的方法有激光熔化切割法（金属切割）、激光汽化切割法（非金属切割）和激光热应力切割法（硬脆材料的切割）。
激光切割的机理与激光打孔基本相同，都是用聚焦而成的高能量密度激光束将工件熔化或汽化。切割的基本运作就是打孔，所不同的是它不仅仅是打一个孔或孤立在打一些孔，而是相继打一系列孔并使它们按一定的规律连接成所需的线。
（2）激光切割的特点及其应用激光切割技术的特点主要有适应性广、切缝窄（O.1 mm）、变形小、无表面损伤、精度高（0.01mm）、速度快等。因而应用广泛，常见的有：
①在小批量、多品种生产中直接代替冲压。
②切割模具。制成叠层冲模和三维成型模具，成本仅为整体模的1/4～1/3。
③半导体材料的划片，激光束聚焦后光斑直径小（最小达20um），因而可刻划出很细的线，提高加工精度。
3．激光焊接激光焊接是利用激光产生的高密度热能把接口双方的材料熔化后再凝结成一体。在点焊时，需把搭接在一起的两层材料烧穿。
（1）激光焊接的机理激光焊接的机理可分为两种类型：一类为有限导热焊，一类为深熔穿透焊。
有限导热焊是指激光能量作用于材料表面，材料吸收光能后变成热能，使材料加热熔化。其主要特点是焊缝两侧热影响区的宽度比实际的焊接深度要大得多，熔化形成的焊缝为半球形，有限导热焊可用激光脉冲焊，或用激光连续焊获得，一般用于焊接薄板。
深熔穿透焊是指用高能量密度（106～107w/cm2）的激光束照射材料表面，材料吸收光能后转化为热能，使工件迅速熔化（乃至汽化）。深熔穿透焊主要特点是焊缝两侧的热影响区的宽度要比实际的焊接深度窄得多，熔化形成的焊缝呈圆锥形。深熔穿透焊一般是通过激光连续焊获得，常用于厚板的焊接。
（2）激光焊接的特点及其应用激光焊接的特点主要有加热速度快且集中，热影响区小，所以应力及变形小；可通过透明介质向受热面输送能量，因此可进行特殊焊接；适于对难焊或不相容的金属进行焊接；能得到很高的熔深，并且焊缝无杂质、无污染，接头质量好；可以高速度焊接复杂工件，易于控制和自动化；由于激光束光斑极小，所以可进行微型焊，可精确定位，焊点的直径和厚度可达um级。由于激光焊具有以上突出的优点，使得激光焊的应用非常广泛，尤其是在微电子工业中的应用。
4．激光标记
JH—3设备可以在工件材料上“光刻”出中文、英文字符串。通过M功能（M80～M81），规定好字体、字高及字间距，即可加工各种中、英文字符串标记。
此外，激光还广泛用于零件的刻槽、划片、成形及表面热处理、改性和掺杂等精密微细加工。
第三节 超声波
3．1超声波加工超声波加工在有磨料的液体介质中或干磨料中，利用超声波作动力，推动磨料以极高的速度冲击工件表面，以产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及空化作用来去除材料，以及利用超声振动使工件相互结合的方法。
超声波加工是一种加工诸如陶瓷、玻璃、石英、宝石、锗、硅甚至金刚石等硬脆性半导体、非导体材料的有效而重要的方法。
3．1超声波加工的基本原理和特点一、超声波的基本特性在弹性介质中，如果波源所激发的纵波频率在16～16 000 Hz，能引起人耳的听觉，在这个频率范围内的振动叫做声振动，此时产生的波动就叫声波。当频率高于16 000 Hz时则称为超声波，一般加工用超声波的频率为16 000～25 000 Hz。
（1）超声波与声波一样，在气体、液体和固体等不同弹性介质中传播时，其传播速度不同。
（2）超声波能传递很强的能量，它对其传播方向上的障碍物施加压力（声压）。超声波是一种纵波，其振动能量的强弱可用能量密度来衡量。
（3）超声波在介质中传播时，遇到不同介质界面时具有反射特性。
（4）超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化作用，强化了加工过程的进行。
（5）超声波会产生反射、干涉和共振现象，出现波的叠加作用，从而获得更大的加工能量。
二、超声波加工的特点
（1）超声加工适用于加工各种硬脆材料，如能对硬质合金、淬火钢、不锈钢、钛合金等硬质或耐热、导电的难于加工的金属材料进行加工，但加工生产率较低。除此之外，也适于不导电的非金属材料的加工，例如玻璃、陶瓷（氧化铝，氮化硅等）、石英、锗、硅、石墨、玛瑙、宝石、金刚石等。
（2）对于工具材料的选择，要既能撞击磨料，又不致使自身受到很大的破坏。因此，工具可用较软的材料，做成较复杂的形状。由于不需要工具和工件之间作比较复杂的相对运动，便可以加工各种复杂的型腔和型面。因此，超声加工机床结构比较简单，操作、维修也比较方便。
（3）超声波加工去除材料主要是依靠极小的磨料瞬时、局部的冲击作用。因此，工件表面的宏观切削力很小，切削热、切削应力更小，不会产生变形和表面烧伤，表面粗糙度Ra值可以达到0.63～0.08um，加工精度O.0l～0.02 mm，适于加工薄壁、窄缝、低刚度的零件。
（4）超声波加工的面积较小，而且工具头的磨损较大，因此，生产率低。
三、超声波加工的应用超声波加工作为一种加工硬脆性半导体、非导体材料的有效而重要的方法。其加工生产率虽然比电火花、电解加工低，但其加工精度和加工表面质量都比它们好，即使是电火花粗加工或半精加工后的淬火钢、硬质合金冲压模、拉丝模、塑料模具等，最终常采用超声抛光、光整加工等来加工。
第二篇 金属材料
绪 论
0.1 概述进入21世纪，我国金属材料的产量和品种已跃居世界生产大国的行列。仅就钢铁产量，近几年更是突飞猛进，连续几年位居世界钢铁生产大国之首。据国际钢协（IISI）统计和新华社信息，2004年、2005年世界钢铁主要生产国钢铁产量见表O—1、表O—2。
表0—l 2004年世界钢铁主要生产国钢铁产量
表0—2 2005年世界钢铁主要生产国钢铁产量
2004年世界钢铁产量达到lO．548亿吨，这是人类历史上钢产量首次突破10亿吨。2004年钢产量比2003年增长了1.1亿吨，其中中国的钢产量增长为5234万吨，占世界钢产量增长量的47.73％。
2005年中国粗钢产量首次超过3亿吨，达到了3.49亿吨，相当于全世界产量的30％左右，相当于产量排名第2、3、4位国家全部产量的总和。
据中国国家统计局公布，2004年、2005年中国有色金属产量见表0—3。
表0-3 中国有色金属产量 ／104t
年份
铜
铝
锡
铅
锌
镍
2004年
20．351
65．575
1017247
17．53500
25．371
0．71481
2005年
25．335
74．121
1．24017
13．34200
26．721
0．91413
除个别金属如镍为我国短缺资源外，其他有色金属多为世界生产大国。
虽然无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料等新型材料或先进材料发挥的作用越来越重要，但现在乃至于以后相当长的时期内金属材料作为主要材料，仍将发挥极其重要的作用。
元素周期表中化学元素大致可分为金属和非金属元素。第1、Ⅱ族及过渡族元素都是典型的金属元素，自ⅢA（硼族）至O族（惰性气体）中以B、si、Ge、Sb、Te、At等元素为界线，左边为金属，右边为非金属，分界线上的这些元素称为半金属。通常，将金属材料分为黑色金属和有色金属两部分。黑色金属是指钢铁和其他铁基合金，以及铬、锰及其合金。以其他金属为基的合金称为有色金属或非铁合金。诸如Al、Mg、cu、Ti等及其合金为有色金属。
金属材料作为工程材料，必须经过各种形式的加工和处理才能满足工程结构及其各种机器零部件性能的要求。而金属材料的成形性能则是各种金属材料在一定工艺条件下，经过焊接或铸造或锻压而获得的具有使用性能要求的完整构件和机器零部件的能力，亦即金属材料的焊接性能、铸造性能和锻压性能。
O.2 金属材料的焊接性能
众所周知，焊接在航空航天、交通运输、石油化工、锅炉、压力容械、机械制造等诸多领域中是必不可少的重要加工手段。在工业发达国家，钢产量的45％用于焊接结构。在电力建设中，工程结构、蒸汽锅炉的水冷壁、过热器、蒸发器以及省煤器等，都是由优质碳素钢、耐热合金钢以及不锈钢等通过焊接而成。由蒸汽锅炉到蒸汽轮机的主蒸汽管道、旁路和给水等管道也是由不同钢种、不同规格的钢管焊接而成，焊接件占80％以上。在有关标准中，焊接接头分为几类，各类焊接接头有不同的质量要求。从焊接接头表面外观质量到无损探伤，从硬度、光谱分析到严密性试验，凡此种种，都要求对各种金属材料的成分、性能了如指掌，对其焊接性如何更是要求准确掌握，这样才能正确制定工艺措施，获得符合质量要求的产品。
金属焊接性是指金属是否具有适应焊接加工，以及往焊接加工以后是否具有能在使用条件下安全运行的能力。这就是说，金属焊接性包括两方面的概念：一方面是金属的结合性能，即在焊接加工时，金属形成完整焊接接头的能力；另一方面是焊接接头的使用性能，即焊成的焊接接头在使用条件下安全运行的能力。
传统的焊接结构通常采用强度低、韧性良好的低碳钢或低合金钢制造。近几年来，随着焊接技术的不断完善，高强度钢在现代焊接结构中获得到广泛的应用。抗拉强度为750～800MPa的高强度钢已用于桥梁、高压水管、重型电机、海洋结构等领域中。在航天、航海及机器制造业中，超高强度钢的应用也日趋广泛。用来制造固体燃料火箭发动机壳的4340钢，经过合适的热处理，其抗拉强度可达1765．3MFa。另一种常用的超高强度钢是不含碳的马氏体时效钢（如18Ni钢），焊后经时效处理，可获得1373～2060）MPa的高强度，国外已用它来制造飞机零件、大直径固体燃料火箭外壳，以及冷冻机和船体结构等。预计近年内还将有强度极限大于2450）MPa的马氏体时效钢用于工程实际中。
O.3 金属材料的铸造性能区别于其他成形方法，铸造是一种液态金属成形的方法。即将金属加热到液态，使其具有流动性，然后浇人到具有一定形状的型腔的铸型中，液态金属在重力场或外力场（压力、离心力、电磁力、振动惯性力等）的作用下充满型腔，冷却并凝固成具有型腔形状的铸件。
金属的铸造性能通常指流动性、收缩、铸造应力、偏析和吸气倾向、冷热裂倾向等。铸件或铸锭形成过程中产生的某些缺陷，如偏析、缩孔、气孔、非金属夹杂物、裂纹、变形等都与合金的铸造性能有关。即使经过锻造、压延等塑性加工，也不能完全消除它们对金属制品性能的影响。因此，研究铸件的成形性能对获得高质量铸件具有十分重要的意义。
按生产方法分类铸造可分为砂型铸造和特种铸造，而特种铸造又可分为金属型铸造、压力铸造、差压铸造、离心铸造、低压铸造、熔模铸造、陶瓷型铸造、连续铸造、真空吸铸等。按所用合金分类可分为铸铁、铸钢、铝合金铸造、镁合金铸造、铜合金铸造等。各种铸造方法都有其特点和应用范围，究竟应该采用哪一种铸造方法，这要根据铸件的大小、形状、生产批量、对铸件精度和光洁度的要求以及经济性加以综合考虑。
随着科学技术的发展，当前铸造技术发展的趋势是，在加强铸造基础理论研究的同时，发展和革新铸造新工艺及新设备，在稳定提高铸件质量、精度、光洁度的前提下，积极实现铸造生产过程的机械化、自动化，减少公害，节约能源，降低成本，发展专业化生产。使铸造技术进一步成为可与其他成形工艺相竞争的少余量、无余量成形工艺。
O.4金属材料的锻造性能
锻造是塑性加工的重要分支，它是利用金属材料的可塑性，借助外力的作用产生变形，获得所需形状、尺寸和一定组织性能的锻件。锻造用材料涉及面很宽，既有多种牌号的钢及高温合金，又有铝、镁、钛、铜等有色金属材料。
金属的可锻性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形的难易程度。通常用金属材半}的塑性和变形抗力来综合衡量。金属材料的塑性越好，变形抗力越小，则可锻性越好。锻造包括自由锻造和模锻。
近年来，自由锻发展的重点是提高大锻件的质量。所采用的技术措施有：① 改进锻造，工艺，如采用“中心压实法”；②发展探伤技术，并用断裂力学原理计算允许的锻件裂纹尺寸或已知裂纹尺寸的安全服役期；③发展锻焊联合工艺，把大锻件分成几块锻制，然后拼焊成一体，或者将几个钢锭用电渣焊焊成一体，再锻成锻件；④在水压机自由锻方面采用程控联动快锻，使水压机和操作机的动作按预先规定的程序相互配合、协调行动，以改善劳动条件、提高生产率和减小锻件的加工余量；⑤精密锻造工艺和设备。
模锻方面近年来的发展包括：①压力机模锻取代锤上模锻，因为压力机比模锻锤更适应工艺精化及实现机械化、自动化生产的要求；②模锻件的精度不断提高，其重要发展之一是精密模锻；③模锻生产自动化程度日益提高，除了在热模锻压力机上配备机械手实现不同程度的自动化外，还发展了模锻自动线；④模锻过程的计算机模拟和工艺、模具的CAD/CAM，通过数值模拟可确定变形体内部的温度场、应力场、应变场等，为工艺优化和质量控制提供科学的理论依据。现代制造工业对模锻工艺设计和模具制造提出更高的要求，传统的手工设计和模具制造方法已无法适应，采用CAD/CAM技术成为解决这个矛盾的有效途径。
第一章 钢
第一节 钢的分类及牌号
1．1钢的分类
现代生产中使用的钢材品种繁多，为了便于生产、管理、选用和研究，有必要对钢加以分类和编号，可以从不同角度把钢分成若干类型。
（1）按用途分类
按用途可把钢分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。
结构钢用于制作工程结构及制造各种机器零件。工程结构用钢包括普通碳素结构钢及普通低合金钢。各种机器零件用钢主要包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢等。
工具钢用于制造各种工具。根据其用途不同，可分为刃具钢、模具钢与量具钢。
特殊性能钢是具有特殊物理或化学性能的钢，分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。
（2）按化学成分分类
按钢的化学成分分为碳素钢和合金钢。碳素钢又按含碳量分为低碳钢（Wc<0.25％）；中碳钢（Wc=O.25％～0.60％）；高碳钢（Wc>O.60％）。合金钢按合金元素总含量分为低合金钢（WMe<5％）；中合金钢（WMe=5％～10）；高合金钢（WMe>10％）。另外，根据钢中所含主要合金元素种类不同，也可分为锰钢、铬钢、铬钼钢、铬锰钛钢等。
（3）按显微组织分类
钢的显微组织随热处理方法不同而异，一般按正火后的组织分为铁素体钢、贝氏体钢、马氏体钢及奥氏体钢。在有些合金钢中，由于所含合金元素的种类及数量不同，也可能具有过渡类型的混合组织。
（4）按冶金质量分类按钢中的有害杂质磷、硫含量来分类。分为普通质量钢（WP≤0.045%，Ws≤O.05%）；优质钢（WP≤0.035%，Ws≤O.035%）；高级优质钢（WP≤O.025%，Ws≤O.025%）。
1.2 钢的编号我国的钢材编号是采用化学元素符号和汉语拼音字母并用的原则，即：钢号中的化学元素采用元素符号表示，如Si、Mn、Cr、Mo等，仅稀土元素用“RE"表示其总含量；产品名称、用途、冶炼和浇注方法等，采用汉语拼音字母表示，见表2-1-1。我国的钢材编号方法如下。
表2-1-1名称、用途、冶炼及浇注方法代号（部分）
（1）非合金钢
①普通碳素结构钢 该类钢钢号表示方法是由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D，A级最低，D级最高）及脱氧方法符号（F、b、Z、Tz）等四部分按顺序组成。如Q235AF，表示屈服点大于235MPa的A级沸腾钢。
②优质碳素结构钢 该类钢的钢号用钢中平均含碳量的两位数字表示，单位为万分之一。例如钢号45，表示平均含碳量为O.45％的优质钢。对于含锰量较高的钢．即含锰量范围在O.7％～1.O％（或O.7％～1.2％）。数字后面附加“Mn”。例如钢号“25Mn”。表示平均含碳量为0.25％，含锰量为O.7％～1.O％的优质钢。
③碳素工具钢 该类钢是在钢号前加“T”表示，其后跟表示钢中平均含碳量的千分之几的数字。例如平均含碳量为O.8％的碳素工具钢，其钢号记为“T8”。若为高级优质碳素工具钢则在钢号末端加“A”，如“T10A”。
（2）普通低合金结构钢
普通低合金结构钢也称低合金高强钢，其钢号表示方法与普通碳素结构钢基本相同。其钢号由代表屈服点的汉语拼音字母（Q）、屈服点数值、质量等级（A、B、C、D、E）按顺序排列构成。如Q390A，表示屈服点大于390MPa的A级低合金高强度结构钢。
（3）合金结构钢
该类钢的钢号由“数字+元素+数字”三部分组成。前两位数字表示平均含碳量的万分之几，合金元素以化学元素符号表示，合金元素后面的数字表示该元素的近似含量．其单位是百分之几。如果合金元素平均含量低于1.5％，则不标明其含量。当平均含量为1.5％～2.5％时，则在元素后面标“2”，以此类推。如为高级优质钢，在钢号后面加“A”。例如，含碳量为O.36％、含锰量为1.5％～1.8％、含硅量为O.4％～0.7％的钢，其钢号为“36Mn2Si”。注意，在钢中起重要作用的微量元素如钛、铌、锆等，也应在钢号中标出。例如，含碳量为O.2％、含锰量为1.0％～1.3％、含钒量为O.07％～O.12％、含硼量0.Ol％～0.05％的钢，其钢号为“20MnVB”。
（4）合金工具钢
该类钢的编号原则大体同合金结构钢，只是含碳量的表示方法不同。钢号前的一位数字表示其平均含碳量，且单位为千分之几；当平均含碳量大于或等于1.0％时，不标出含碳量。例如“9Mn2V”钢的平均含碳量为O.85％～O.95％。
高速钢钢号，一般不标出含碳量，仅标出合金元素含量平均值的百分之几，如“W6Mo5Cr4V2”。
（5）滚动轴承钢该类钢在钢号前冠以“G”，其后为铬（Cr）和数字，数字表示铬含量平均值的千分之几。例如“GCrl5”，即是铬的平均含量为1.5％的滚动轴承钢。
（6）不锈钢及耐热钢
这两类钢的钢号前面数字表示含碳量的千分之几，如“9Cr18”表示该钢平均含碳量为0.9％。但碳含量小于O.03％或小于O.08％时，在钢号前分别冠以“00”及“O”，如“00Cr18Ni10”等。
第二节 结构钢
凡是用于各种工程的金属结构以及用于制造各种机械零件的钢都称为结构钢。根据其用途可分为工程结构钢（普通结构钢）和机械结构钢（优质结构钢）。
用于工程结构的普通结构钢大多为碳素结构钢，这是由于其冶炼及加工工艺比较简单，成本低。另外，为了减轻工程结构的重量，改善焊接性、耐蚀性及耐磨性等，也常采用在普通低碳钢的基础上，加入少量合金元素而形成的普通低合金钢。
用于机械零件的机械结构钢多为优质钢及高级优质钢。除碳素结构钢外，多采用在碳素钢基础上加入一种或几种合金元素的合金结构钢，常采用的合金元素为锰、铬、硅、镍、钼、钨、钒、钛、硼等。在钢中加入合金元素，增加了钢的淬透性，有可能使较大截面的零件在整个截面上得到均匀的良好的综合力学性能，同时也能使晶粒细化，并能改善钢的某些其他性能。用于机械零件的合金结构钢多为低、中合金钢。
2.1 结构钢的成分、性能和用途
2.1.1 普通结构钢
2.1.1.1 普通碳素钢与优质碳素结构钢相比．普通碳素结构钢对含碳量、磷和硫以及其他残余元素含量范围限制较宽。由于它容易冶炼，工艺性好，价格低廉，而且在性能上也能满足一般工程结构和普通机械零件的要求。因而应用较广。
普通碳素结构钢牌号表示方法：采用代表屈服点的汉语拼音字母“Q”、屈服点数值、质量等级（A、B、C、D、E）、脱氧方法（F、b、z和TZ,其中z和TZ可省略）符号表示钢的牌号：例如，Q23BF表示心服点大于235MPa、质量为B级的沸腾碳素结构钢。
普通碳素结构钢在热轧状态下供应,可制成槽钢、角钢、扁钢、带钢、棒料、钢丝、钢板等,少数用于制造机械零件的普通碳素结构钢也在热处理后使用。在普通碳素结构钢的基础上，为了使其更适合于各种专门用途，对其成分及性能要求作某些轻微调整而发展了某此专用钢，如锅炉用钢、船舶用钢、桥梁用钢、铆螺用钢等。
2．1．1．2普通低合全钢普通低合金钢简称普低钢，国外称低合金高强钢。是在普通低碳钢（一般C含量不大于O.2％）基础上加入少量合金元素（总量一般不超过3％）而制成的钢。在满足塑性、韧性及工艺性能要求的前提下，普低钢比普通低碳钢具有更高的强度及其他性能。普低钢生产工艺简单。生产成本与碳素钢相近。用普低钢代替普通低碳钢可以大量节约钢材并提高结构钢的可靠性，一般可节约钢材20％～30％。因此，推广使用普低钢以取代碳素钢，在经济上有很大的意义。
普低钢一般是在热轧状态下使用或进行一次正火处理，只有个别特殊用途的高强度钢要经过调质处理。
（1）对普低钢性能的要求
①热轧或正火状态下具有较高的强度，特别是有较高的屈服强度，并有足够的塑性及韧性。强度高，可以减轻结构重量，节约钢材。塑性、韧性好，不易发生脆断，冷弯、焊接等工艺较易进行。这两者是互相矛盾的，由于工程结构用钢对工艺性能要求很高，因而大多是在满足塑性及韧性的要求后，再尽量提高强度。
②钢材经冷变形后，在较长时间中，由于内部脱溶沉淀而引起的屈服强度升高、塑性及韧性下降的现象，称为机械时效。要求普低钢的机械时效敏感性小，以免由于机械时效造成的脆化，而使工程结构发生破坏。
③采用普低钢后，减小了构件材料的厚度。因而需要有比碳素钢更高的耐大气、海水或土壤腐蚀的能力，以延长构件的使用寿命。用于低温设备的钢材要求具有低的冷脆转变温度，以免发生脆性破坏。
④良好的焊接性能。一般钢结构均采用焊接，而且焊后不进行热处理，因此要求钢材有良好的焊接性能，焊后连接部分的力学性能不低于或仅略低于焊件本身，焊缝及其附近区域不得有裂纹，热影响区的组织性能的变化要小。
（2）合金元素在普低钢中的作用
①对力学性能的影响。普低钢的组织一般为铁素体加珠光体，碳是有效的强化元素，提高含碳量则珠光体的数量增加，使强度提高。当钢中有形成稳定碳化物的元素存在时，强度的提高更显著。但碳却显著降低钢的塑性及韧性，过高的含碳量使焊接性及其他工艺性能降低，增大冷脆倾向，除个别钢种外，普低钢的含碳量一般均低于0.2％。
硅是最常用的强化元素，这两种元素资源比较丰富，固溶强化的作用也较强。在低碳条件下，含锰量在1.8％以下时，钢仍可保持较高的塑性及韧性；而硅则在使钢强化的同时，使其塑性及韧性有所降低，含硅量较高时，还会使冷脆温度上升。因此，在普低钢中，锰的应用比硅更普遍。
加入少量的钒、钛、铌、氮等元素，它们在钢中形成细小的弥散分布的碳化物、
表2—1--2碳素结构钢的牌号和化学成分
Q235A、Q235B沸腾钢锰含量上限为O.60％。
表2-1-3 结构钢的性能特点和用途
氮化物，造成了沉淀强化，同时又有较强的细化晶粒的作用，因而提高了钢的强度和韧性。以上是合金元素在铁素体一珠光体型普低钢中的作用。对于贝氏体型或马氏体型普低钢，钢中的碳是主要的强化元素，而合金元素的作用主要是提高淬透性及抗回火稳定性。
②对耐蚀性和机械时效的影响。普低钢中加入铜和磷可提高其在大气中的耐蚀性，当铜、磷共存时效果更好。当钢中同时含有铜、磷并加入铬、镍、钛和稀土时，耐蚀性又有提高。但含铜量不应超过O.4％，以免使钢材产生热脆。磷促进钢的冷脆性，故含量也不宜过高，一般为0.1％左右。
减少普低钢中碳、氮含量，加入铝、钛、钒、铌、锆等元素，使它们与碳、氮形成稳定化合物，可大大减弱钢的机械时效敏感性。锰、铬、钼也在一定程度上减弱这种敏感性，而铜、镍的作用则不大，有时还有促进这种敏感性的作用。
③对焊接性的影响。焊接后热影响区是否开裂主要取决于钢材的淬透性及淬硬性，淬透性、淬硬性高，则使焊缝热影响区的硬度和脆性增加。钢材的淬硬性取决于含碳量，而淬透性则取决于碳及合金元素含量。因此，钢材的含碳量及合金元素含量愈高，其焊接性愈差。改善焊接性能，钢中硫、磷要低，以免引起热裂或冷裂。钢中加入能细化晶粒及降低淬透性的合金元素则可改善焊接性能。
（3）常用钢号普低钢按屈服强度分级。我国常用的普低钢的牌号和化学成分见表2-1-4。
普低钢的牌号表示方法与碳素结构钢基本相同。即由代表屈服点的汉语拼音字母“Q”、屈服点数值、质量等级（A、B、C、D、E）符号表示。例如Q345C，表示屈服点大于345MPa、质量为C级的普通低合金结构钢。与普通碳素钢相比，采用普低钢可减轻构件重量，节约大量钢材。我国在桥梁、船舶、高压容器、汽车及拖拉机等方面均普遍采用了普低钢。常用普低钢的主要用途见表2—4。与普通碳素钢一样，为了更适合各专业用钢的需要，对普低钢的成分、性能及质量进行了一些调整，从而也派生出一系列的专业用钢，如钢轨、钢筋及耐蚀、耐磨、低温用钢等。
2．1．1．3 铸钢在工业部门中，有许多形状复杂的零件是铸钢件。采用铸钢件可以不经切削加工或只需少量切削加工即可使用，能节省大量材料与加工费。
表2-1-4 普低钢的牌号和化学成分
注：表中的AI为全铝含量。如化验酸溶铝时，其含量应不小于0．010％。
铸钢的含碳量一般为0.15％～0.6％，含碳量过高，塑性不足，易产生龟裂。含硅量与普通碳素钢相同，但硅能改善钢的流动性，一般多采用上限，为0.20％～0.45％。由于硫有促进热裂的倾向，而锰则能降低硫的有害影响，故铸钢中的含锰量一般均提高到0.5％0～0.8％。表2-1-6、表2-1-7分别列出了碳素铸钢的牌号、化学成分、特性及用途。
表2-1-5 常用的普低钢的主要用途
表2-1-6 碳素铸钢的牌号和化学成分
表2-1-7 碳素铸钢的特性殛用途
在表中，“ZG”是铸钢的汉语拼音字头，第一组数值表示屈服强度（MPa），第二组数值表示抗拉强度（MPa）。如ZG270-500，表示屈服强度为200MPa、抗拉强度为500MPa的铸钢。
2．1．2优质结构钢
2．1．2．1优质结构钢的分类
优质结构钢及其分类
优质结构钢用于制造重要的机械零件，又称为机械结构钢。由于对其力学性能有较高的要求，与普通结构钢相比．合金元素的含量较高，而硫、磷含量则限制在较低的范围。另外，为了更好地发挥钢的性能．一般均应进行热处理。
根据其用途，优质结构钢分为渗碳钢、凋质钢、弹簧钢及滚动轴承钢等。根据化学成分则可分为优质碳素结构钢和合金结构钢两类。合金结构钢还可按其所含的合金元素分为锰钢、铬钢、硼钢、铬锰钢、硅锰钢、铬锰钛钢等。
2．1．2．2常用优质结构钢
（1）渗碳钢
某些机械零件，如汽车、拖拉机上的变速齿轮，内燃机上的凸轮、活塞销以及部分量具等，是在承受较强烈的冲击作用和磨损的条件下工作的，要求零件具有坚硬耐磨的表层和柔韧的心部。为了达到这样的性能要求，可采用渗碳钢通过渗碳或碳氮共渗，然后再进行淬火及低温回火来实现。
渗碳钢是含碳量为O.1％～O.25％的低碳钢和低碳合金钢。低的含碳量是为了保证零件心部具有良好的韧性。常在渗碳钢中加入的合金元素为铬、锰、镍、硼、钥、钒、钨、钛等。其中铬、锰、镍、硼主要是增加钢的淬透性，以保证渗碳淬火后表面与心部都能得到强化，从而具有较好的综合力学性能。在渗碳钢中加入微量的钼、钨、钒、钛、铌、锆等强碳化物形成元素。能在渗碳加热时阻止晶粒长大，防止钢件在渗碳时过热。改善钢的渗碳工艺性能。简化热处理工艺。但合金元素在渗碳钢中也有一些不良影响。形成碳化物的合金元素将使渗碳层的含碳量增加，使渗碳层是容易出现块状碳化物而使渗碳层性能恶化、因而这类元素在渗碳钢中的含量不能过高。另外，在合金渗碳钢的表层中。用于高碳和合金元素的复合作用，淬火时易形成大量残余奥氏体。在热处理中应加以注意。
渗碳钢的热处理一般都是渗碳后进行淬火及低温回火。使渗碳件表层获得有高硬度和高耐磨性的回火马氏体。而心部组织则根据钢的淬透性及零件尺寸而不同。可获得低碳回火马氏体或其他组织，它们具有足够的强度、塑性及韧性．使零件达到“表硬里韧”的要求。尺寸小、载荷轻、主要承受磨损的零件，可选用15钢、20钢；尺寸较小，除要求耐磨外，还承受冲击载荷的零件，可选用20Cr、20Mn2B钢；尺寸较大、高载荷的重要零件，可选用较高级的渗碳钢20CrMnTi、20MnTiB钢等。
（2）调质钢
调质钢通常是指采用调质处理（淬火1+高温回火）的碳素结构钢与合金结构钢。调质后的回火组织为索氏体。在机械结构中。一些重要的零件，如机床主轴、汽车后桥半轴等。都是在多种负荷下工作的。它们受力情况比较复杂，要求具有最好的综合力学性能。一般都选用调质钢来制造这些零件，并进行调质处理使其达到所需性能。
（3）弹簧钢
弹簧钢是专门用来制造弹簧或要求类似性能的零件的钢种。
弹簧是各种机械和仪表的重要零件。弹簧能吸收冲击能量。从而缓和机械上的振动和冲击作作用，使汽车、火车等车辆运转平稳，使某些零件不致因受冲击而过早破坏。另外，弹簧还可储存能量使其他机件完成某些事先规定的动作。如汽阀弹簧、仪表弹簧、高压油泵上的柱塞簧、喷嘴簧等。以保证仪表和机器的正常工作。由弹簧的工作条件可知，弹簧钢必须具有高的弹性极限，以保证弹簧有足够的弹性变形能力并能承受较大的负荷。弹簧一般是在交变应力下工作，常见的破坏形式是疲劳破坏。因而弹簧钢应具有高的疲劳极限。为了能达到尽可能高的疲劳极限及弹性极限，弹簧钢应具有高的抗拉强度、屈服强度和屈强比。一些特殊弹簧还要求有耐热性、耐蚀性或在长时间内有稳定的弹性。
弹簧钢分为碳素弹簧钢及合金弹簧钢。
（4）滚动轴承钢
用来制造各种滚动轴承套圈和滚动体的专用钢称为滚动轴承钢。滚动轴承是铁道车辆、汽车、飞机、轮船等交通运输工具以及农业机械、发电设备、机床、电机等许多机器不可缺少的零件。轴承钢还大量用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠以及柴油机油泵等。
滚动轴承运转时，套圈与滚动体之间呈点或线的接触，接触面积极小，在接触面上承受着极大的交变负荷，接触应力可达2000～5000Mpa，应力交变次数每分钟可达数万次甚至更高，从而容易造成轴承的疲劳破坏。因此，滚动轴承钢必须具有足够高的抗压强度和很高的抗接触疲劳能力。滚动轴承在高速运转时，不仅有滚动摩擦，而且还有滑动摩擦，因而还要求滚动轴承钢具有高的硬度和耐磨性。此外，根据滚动轴承的工作条件，还要求滚动轴承钢具有一定的韧性、耐蚀性和尺寸稳定性。
轴承钢含碳量高，属于过共析钢。铬轴承钢的含碳量为O.95％～1.15％，高的含碳量是为了保证轴承钢具有高的硬度与耐磨性。铬在含碳量l％左右的过共析钢中，一部分溶入固溶体，增加淬透性；一部分与碳形成碳化物，使钢中的碳化物颗粒细小而且均匀分布，使轴承钢在热处理后获得高而均匀的硬度及耐磨性。铬还能提高钢的耐蚀性及磨削性。含铬量超过1.65％时，淬火后钢中的残余奥氏体量过多，从而降低硬度及尺寸稳定性。另外，含铬量过高，还会增加碳化物的不均匀性，降低钢的韧性和疲劳强度，因此含铬量多控制在l-65％以下。有时，轴承钢中还加人硅、锰，以进一步提高其淬透性而被用于大型轴承。此外，硅还能提高轴承钢的回火抗力。轴承钢对磷、硫含量的限制很严，硫在钢中将形成硫化物夹杂降低轴承钢的抗接触疲劳性能，故含硫量不得超过0.02％，含磷量不得超过O.027％。
另外，为了制造承受很大冲击负荷的轴承或特大型轴承，常采用合金渗碳钢。对于在特殊要求的条件下工作的轴承，如耐蚀、耐热、耐低温等，也可采用工具钢、不锈钢和耐热钢制造，如5CrMnMo、W18Cr4V、9Crl8、1Cr18Ni9Ti、Cr4Mo4V等。
第三节 工 具 钢
工具钢是指用于制造各种切削刀具，冷、热变形模具，量具以及其他工具的钢。按化学成分的不同，工具钢可分为碳素工具钢、合金工具钢和高速钢三类。按用途分类，则可分为刃具钢、模具钢和量具钢。
各种工具钢由于工作条件和用途不同，所以对性能的要求也不同。刃具钢要求有高的硬度和耐磨性，一定的强度和韧性，在大负荷高速切削时，还要求具有红硬性。冷作模具钢要求有高硬度、高耐磨性以及较好的强度和一定的韧性。而热作模具钢则要求有高的韧性和耐热疲劳性。量具钢要求有高的硬度、高耐磨性和高尺寸稳定性。
由于工具钢要求有较高的硬度及耐磨性而且多数刃具钢还要求有红硬性。因此，工具钢都有较高的含碳量，加入的合金元素则主要是使钢具有高硬度和高耐磨性的碳化物形成元素，如铬、钨、钼、钒等。有时，为了提高淬透性，减小热处理时的变形量，增加钢的回火稳定性，也加入一些锰和硅。工具钢均为优质钢或高级优质钢。
3．1 刃具钢在切削过程中，刃具要把坯料多余的部分切除，以达到所需的零件尺寸。为了很好地完成切削任务，对刃具钢有以下几点要求。
①高硬度和高耐磨性 只有刃具的硬度大大高于被加工材料的硬度时才能进行切削，切削刃具的硬度一般都在60HRC以上。刃具在切削加工时，由于摩擦及从坯料上切除金属，将产生大量的热，从而使刃部温度升高，有时可达5OO～600℃，在高温下如果硬度降低，则无法继续进行切削。因此，要求刃具钢具有能在高温下保持高硬度的能力，这种性质称为红硬性。耐磨性的高低直接影响刃具的寿命，因此要求刃具有高耐磨性。
②足够的韧性 由于在各种形式的切削加工过程中，刀具承受着冲击、振动等作用，要求刀具有足够的韧性和塑性，以防止在切削过程中脆性断裂和刃部崩刃。用于刃具的钢有碳素工具钢、低合金工具钢及高速钢。
3．1.1 碳素工具钢常用碳素工具钢碳素工具钢淬火后的硬度差别不大，但随着钢中含碳量的增加，钢的耐磨性增加，韧性则降低。T7、T8钢用以制造要求中等硬度、韧性较高、受冲击载荷的工具，如小型冲头、凿子、锤子等。T9、T10、T11钢用以制造要求中等韧性、高硬度的工具，如钻头、丝锥、车刀等。T12、T13钢具有高硬度及高耐磨性，但韧性低，用以制造量具、锉刀、精车刀等。高级优质碳素工具钢，T7A～T13A，在淬火时产生裂纹的倾向较小，可用以制造形状较为复杂的工具。
碳素工具钢经热处理后能达到60HRC以上的硬度及较好的耐磨性。由于碳素工具钢成本低，应尽量考虑选用。因而多用于制造手用刀具、低速小切削量的机用刀具、量具、模具及各种工具等。
常用碳素工具钢的牌号、成分和用途见表2-3-1
表2-3-1常用碳素工具钢的牌号、成分和用途
①淬火后硬度不是指用途举例中各种工具的硬度，而是指碳素工具钢材料在淬火后的最低硬度。
3．1．2低合金工具钢常用低合金工具钢常用的低合金工具钢有铬钢、铬锰钢、铬钨钢、硅铬钢、铬钨锰钢等。另外，前面已经叙述过的滚动轴承钢也可作为低合金工具钢选用。与碳素工具钢相比，低合金工具钢的淬透性较高，一般可在油中淬火，热处理变形较小，而回火稳定性及切削速度则较高，可用来制造各种机用刀具、精密量具、模具等。
3．1．3高速钢随着金属切削加工中的切削速度及进刀量的不断增加，切削刃具的工作温度也不断提高，从而对刃具钢红硬性的要求也随之提高。高速钢是含有大量合金元素的红硬性很高的合金钢，经热处理后，它能在600℃以下保持60HRc以上的硬度。
高速钢的种类及发展
目前国内外高速钢的种类约有几十种，按其所含合金元素的不同，可分为三个基本系列，即W系、Mo系和W—Mo系。
W系高速钢的典型钢种是w18Cr4V，w18Cr4V钢具有很高的红硬性，可以制造在600℃以下工作的刃具。但在使用中发现w系高速钢的脆性较大，易产生崩刃现象，其主要原因是碳化物不均匀性较大所致。
从保证红硬性角度看，Mo与W的作用相似。Mo系高速钢是以Mo为主要合金元素，常用钢种有W2Mo8Cr4V2、Mo8Cr4V2。Mo系高速钢具有碳化物不均匀性小和韧性较高的优点，但又存在两大缺点限制了它的应用：一是脱碳倾向性较大，对热处理保护要求较严；二是晶粒长大倾向性较大，易于过热，应严格控制淬火加热温度。
为了克服Mo系高速钢的缺点，又综合W系和Mo系高速钢的优点，在原有基础上发展了W—Mo系高速钢，常用钢种有W6Mo5Cr4V2。W—Mo系高速钢兼有W系和Mo系高速钢的优点，既有较小的脱碳倾向性与过热敏感性，又有碳化物分布均匀且韧性较高的优点。因此，近年来W—Mo系高速钢获得了广泛应用。
近几十年来，又发展了特殊用途的高速钢，包括高钒高速钢,高钴高速钢,超硬高速钢。
3．2 模具钢模具钢是用来制造冷冲模、拉延模、冷挤压模、热锻模、热挤压模及压铸模等模具的钢材。根据工作条件的不同，模具钢可分为使金属在冷态下变形的冷作模具钢和使金属在热态下变形的热作模具钢。
3.2.1冷作模具钢
（1）冷作模具钢的工作条件及性能要求冷作模具在使用过程中要承受很大的压力、冲击及摩擦。而且，冷变形加工后的零件一般不再机械加工或很少加工，因而也要求模具有较高的尺寸精度。冷作模具的正常报废一般是磨损，也有因断裂、崩刃和变形超差而提前报废的。根据冷作模具的工作条件，要求冷作模具有以下性能。
①模具的硬度必须高于金属坯料的硬度，才能保证变形过程的进行。 为了保证模具的尺寸精度和使用寿命，模具钢必须有高耐磨性。
②有足够的强度和韧性，以保证模具在工作过程中不会因冲击、弯曲等而发生崩刃及断裂。
③较高的淬透性，使尺寸较大的模具也能达到所需硬度，而且淬火时可使用冷却较缓慢的冷却介质，从而减小淬火时的变形。
（2）常用钢种按冷作模具的使用条件，可以将常用钢种分为以下四类。
①尺寸小、形状简单、负荷轻的冷作模具例如，小冲头，剪切钢板的剪刀等，可选用T7A、T8A、T10A、Tl2A等碳素工具钢制造。这类钢的优点是可加工性好、价格便宜。
缺点是淬透性低、耐磨性差、淬火变形大。因此，只适于制造一些尺寸小、形状简单、负荷轻的工具以及要求硬化层不深并保持高韧性的冷镦模等。
②尺寸大、形状复杂、负荷轻的冷作模具 常用的钢种有CrWMn、9Mn2V等低合金刃具钢。这些钢在油中的淬透直径可达Φ40mm以上。其中9Mn2V钢是我国近年来发展的一种不含Cr的冷作模具用钢，可代替或部分代替含Cr钢。
③尺寸大、形状复杂、负荷重的冷作模具 需采用中合金或高合金钢，如Crl2Mo、Crl2Mov、Cr6WV、Cr4W2MoV等。
④受冲击负荷且刃口单薄的冷作模具 如上所述，前三类冷作模具用钢的使用性能要求均以高耐磨性为主，为此均采用高碳过共析钢乃至莱氏体钢。而对有的冷作模具如切边模、冲裁模等，其刃口单薄，使用时又受冲击负荷作用，则应以要求高的冲击韧性为主。为了解决这一问题，可采取以下措施：
a．降低含碳量，采用亚共析钢，以避免由于一次及二次碳化物而引起钢的韧性下降；
b．加入si、cr等合金元素，以提高钢的回火稳定性和回火温度（240～270℃回火），这样有利于充分消除淬火应力，使韧性提高，而又不致降低硬度；
c．加入W等形成难熔碳化物的元素，以细化晶粒，提高韧性。
常用的高韧性冷作模具用钢有6SiCr、4CrW2Si,5CrW2Si等。
3．2．2热作模具钢热做模具钢的工作特点是反复受热，冷却，从而使模腔表面出现龟裂，称为热疲劳现象。由此，对热作模具钢提出了第二个基本使用性能要求．即具有高的热疲劳抗力。影响钢热疲劳抗力的因素主要有以下两个。
①钢的导热性 钢的导热性高，可使模具表层金属受热程度降低．从而减小钢的热疲劳倾向性。一般认为钢的导热性与含碳量有关，含碳量高时导热性低，所以热作模具钢不宜采用高碳钢。在生产中通常采用中碳钢（O.3％～0.6％C），含碳量过低，会导致钢的硬度和强度下降，也是不利的。
②钢的临界点温度 通常钢的临界点温度AC1越高，钢的热疲劳倾向越低。因此，一般通过加入合金元素Cr、W、Si来提高钢的临界点，从而提高钢的热疲劳抗力。
（1）常用热作模具钢
①锤锻模用钢 锤锻模工作时受冲击负荷作用，故对钢的力学性能要求较高，特别是对塑性变形抗力及韧性要求较高。通常，锤锻模的尺寸较大．故对钢的淬透性要求较高，以保证整个模具组织和性能均匀。
常用的锤锻模用钢有5CrNiMo、5CrMnMo、5CrNi1W、5CrNiTi及5CrMnMoSiV等。其使用状态的组织为回火索氏体或回火屈氏体，可以保证钢有良好的综合力学性能，即强度高且韧性好。
②热挤压模用钢 热挤压模的工作特点是加载速度较慢；模腔受热温度较高，通常可达500～800℃。对这类钢的使用性能要求，应以高温强度和耐热疲劳性能为主,对抗冲击及淬透性的要求可适当降低。
常用的热挤压模具钢有4CrW2Si、3Cr2W8V。
③压铸模用钢 一般来说，压铸模用钢的使用性能要求与热挤压模用钢相近，即以要求高的回火稳定性与高的热疲劳抗力为主。所以通常所选用的钢种大体上与热挤压模用钢相同，如常采用4CrW2Si和3Cr2W8V等钢。但又有所不同，如对熔点较低的锌合金压铸模，可选用30CrMnSi及40CrMo等；对铝、镁合金压铸模，可选用4CrW2Si、4Cr5MoSiV等；对铜合金压铸模，多采用3Cr2W8V钢。近年来，随着黑色金属压铸工艺的应用，多采用高熔点的钼合金和镍合金，或者对3Cr2W8V钢进行CrA1Si三元共渗，用以制造黑色金属压铸模。
3．3量具钢常用量具用钢通常，量具钢的含碳量较高，一般为0.9％～1.5％，碳量较高以保证量具的硬度和耐磨性。量具钢中加入铬、钨、锰等合金元素以提高钢的奥氏体的稳定性，从而可采用较缓和的冷却介质，以减小热应力引起的变形；同时，它们还降低MS点，使残余奥氏体量增加，从而使钢淬火前后的尺寸变化减小。另外，铬、钨、锰为碳化物形成元素，在钢中形成一定数量的碳化物，可提高钢的耐磨性。
常用的量具钢有碳素工具钢T10A、T12A，低合金工具钢CrMn、CrWMn、GCr15等。有时，也用渗碳钢经渗碳淬火后制造量具，在腐蚀性介质中使用的量具则用不锈钢制造。
第四节 不 锈 钢
4．1常用不锈钢根据其组织特点，不锈钢分为马氏体钢、铁素体钢、奥氏体-铁素体钢、奥氏体钢及沉淀硬化钢等。其中马氏体钢、铁素体钢为铬钢，其他为铬镍钢，并在此基础上。根据性能要求适当加入其他合金元素。
（1）马氏体不锈钢典型的马氏体不锈钢钢号有1Crl3、2Crl3、3Cr13、4Cr13、9Crl8等。
（2）铁素体不锈钢铁素体不锈钢的含铬量一般为13％～30％.含碳量低于O.15％，有时还加入其他合金元素。这类钢是单相铁素体组织，加热及冷却过程中没有铁素体与奥氏体之间的转变，不能用热处理进行强化。
常用铁素体不锈钢有0Cr13、1Crl7、1Crl7Ti、1Cr25Ti、1Cr28等。
沉淀硬化型不锈钢 这类钢经强化处理后有很高的强度和硬度，在许多介质中的耐蚀性与18—8型不锈钢相近，用以制造高强度、高硬度及高耐蚀性的零件。沉淀硬化型不锈钢有三种类型，我国牌号有0Crl7Ni4Cu4Nb、0Crl7Ni7Al、0Crl5Ni7Mo2Ai。
第二章 铸 铁
铸铁是以Fe、C、Si、Mn为主要成分且在结晶过程中具有共晶转变的多元铁基合金。铸铁的化学成分一般为：2.5％～4.O％C、1.O％～3.O％Si、0.4％～1.5%Mn；杂质元素含量：Wp≤O.4％、Ws≤O.2％。为了提高铸铁的力学性能，有时在铸铁成分中添加少量Cr、Ni、Cu、Mo等元素制成合金铸铁。
铸铁广泛应用于机械制造、冶金、矿山及交通运输等部门。例如，按重量统计，在机床业中铸铁件约占60％～90％，在汽车、拖拉机行业中铸铁件约占50%～70％。高强度铸铁和特殊性能铸铁还可代替部分昂贵的合金钢和有色金属材料。铸铁之所以获得广泛应用，主要是由于生产工艺简单、成本低廉，并且具有优良的铸造性能、切削加工性能、耐磨性和减振性等。
2．1铸铁的特点和分类
2．1．1铸铁的分类根据碳在铸铁中的存在形式，将铸铁可分为三类。
①白口铸铁 简称白口铁。白口铁中的碳主要以渗碳体形式存在，断口呈银白色。白口铁的性能特点是硬而脆，切削加工困难。主要用于铸造硬度高、耐磨、不需要加工的零件。
②灰口铸铁简称灰口铁，也称灰铸铁。灰口铁中的碳主要以片状石墨的形式存在
③口铸铁简称麻口铁。麻口铸铁中的碳既以渗碳体形式存在，又以石墨形式存在。断口夹杂着白亮的游离渗碳体和暗灰色的石墨，故称为麻口铁。生产中很少使用麻口铁。
灰铸铁的显微组织由片状石墨和金属基体组成。依共析阶段石墨化程度不同，金属基体可分为铁素体、铁素体一珠光体、珠光体三种。
2．2．2灰铸铁的用途灰铸铁的应用非常广泛，在某些机器制造产品上，灰铸铁件的重量占机器总重的1/3～1/2以上。例如，机床的床身及各种齿轮箱，汽车和拖拉机的缸体、缸盖和减速箱体等，纺织机械等轻工机械中也使用大量的灰铸铁件。
·球墨铸铁的牌号
国家标准将球墨铸铁分为八个牌号，牌号中“QT”是“球铁”二字汉语拼音的字头．其后两组数字分别表示最低抗拉强度和最低伸长率。
球铁具有优良的力学性能。可用它代替碳素钢，应用于负荷较大受力复杂的零件。如珠光体基体球铁常用于制造汽车、拖拉机中的曲轴、连杆、凸轮等．还可以制作大型水压机的工作缸、缸套及活塞等。而铁素体基体的球铁多用于制造受压阀门、汽车后桥壳等。
第三章 铝及铝合金 铜及铜合金
第一节 铝及铝合金
3．1 铝及铝合金的特性和分类
3．1．1纯铝的特性铝的突出优点是密度小，约为2.7g/cm3，仅为铁的1/3。纯铝的强度、硬度低，塑性高，抗拉强度为80～100MPa，硬度为25～30HB，伸长率为30％～5o％。尽管铝合金的密度也很小，但抗拉强度可达500～600MPa，因此，铝合金具有很高的比强度，是重要的航空结构材料。
纯铝具有面心立方晶格，没有同素异构转变。铝的导电性好，在常用的金属结构材料中仅次于铜。铝的电导率为铜电导率的62．5％，但由于它的密度小，资源丰富，成本较低。越来越广泛地用作远距离输电材料。铝和氧有很大的化学亲和力，在空气中铝表面很快就会形成一层牢固致密的氧化膜，防止其继续氧化。铝的熔点为660℃。铝的熔点虽然较低，但其熔化潜热却很大，比铁、铜等金属的熔化潜热大得多。
工业纯铝的再结晶温度为200-300℃，其再结晶退火应在300℃以上进行。铁、硅是工业纯铝的主要杂质元素，其他杂质元素还有铜、锌、镁、锰和钛等。多数杂质元素提高铝的再结晶温度，其中以铬、锰、铁的作用最为强烈，硅、镁次之。
3．1．2铝及铝合金的分类按成分纯铝可分为三类。
①高纯铝：纯度为99.93％～99.996％，用于科研及电容器等，牌号有L01、L02、L03、L04四种。
②工业高纯铝：纯度为99.8％～99.9％，牌号有LO、L00，用于制造铝箔、包铝及铝合金。
③工业纯铝：其纯度为98．0％～99．0％，可制成管、棒、线和型材及配制合金用．其牌号有L1、L2、L3、L4、L5五种。
铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形铝合金是由铝合金锭经轧制而成的铝合金板材、棒材、管材、线材等。铸造铝合金主要用于铝合金铸件。
变形铝合金按性能特点和用途分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝四种。防锈铝用LF表示，后跟顺序号。LF是“铝”、“防”汉语拼音的首字母。硬铝、超硬铝、锻铝分别用LY（“铝”、“硬”）、LC（“铝”、“超”）和LD（“铝”、“锻”）开头，后跟顺序号。
铸造铝合金按加入的主要合金元素分为铝硅、铝铜、铝镁和铝锌系合金。合金牌号以“ZL”（“铸铝”二字的汉语拼音首字母）开头，后跟顺序号。如ZL101，为铝硅系1号铸造铝合金；ZL203为铝铜系3号铸造铝合金；ZL302为铝镁系2号铸造铝合金，ZL401为铝锌系1号铸造铝合金。
第二节 铜及铜合金
铜和铜合金有优良的导电性能和导热性能，在大气，海水和许多介质中具有优良的耐蚀性能，并有较高的强度和优良的塑性，以及良好的耐磨性能。适于用各种塑性加工的和铸造方法，焊接方法生产各种产品和半成品，是电力，电工，化工，热工，仪表，交通，造船和机械制造业不可缺少的金属材料。
从成分上铜合金可分为纯铜，黄铜，青铜和白铜。
我国生产的纯铜分为三类：纯铜，无氧铜和磷脱氧铜。经冷加工变形后（硬态），纯铜的强度明显提高，但塑性大为降低。纯铜冷加工硬化后，可通过退火处理来提高塑性。纯铜在退火状态（软态）下抗拉强度较低，但塑性较高。
黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金。最简单的黄铜是铜锌二元合金，称为普通黄铜。
按生产工艺可分为加工铜和铸造铜。加工黄铜分为普通黄铜和特殊黄铜，普通黄铜的牌号用“黄”字的汉语拼音字头“H”加上合金元素的化学符号，再加含铜量和合金元素含量表示。铸造黄铜的牌号用“铸”字的汉语拼音字头“Z”，再加铜的化学称号和合金元素的化学符号及其含量表示。如ZCuZn40Mn3Fe1表示铸造黄铜，40％Zn，3％Mn,1%Fe,其余为铜。
特殊黄铜为了改善和提高黄铜的耐蚀性能，力学性能和切削加工性能等，在普通黄铜中加入少量的硅，铝，铅，锡，锰，铁和镍等元素形成特殊黄铜。
第三篇 热处理工艺学
第一章 热处理基础知识
学习目标 掌握材料学、热传递的基础知识，熟悉金属学的基本概念，了解工艺材料，热处理工艺文件及工艺操作的一般知识。
第一节 材料学的基础知识
金属材料是现代机械制造业的基本材料，它不仅具有优良的物理、化学和力学性能，能满足各种零件的使用要求，而且具有良好的加工工艺性能，适合制造各种产品，尤其热处理工艺能改变金属材料表面及内部的组织结构与性能，可满足不同的使用要求，因此金属材料占机械工业部门所用材料的90％以上。值得注意的是，近几十年来，非金属材料，特别是人工合成高分子材料，由于使用性能优良，成本低廉，外表美观，而发展迅速并正在逐步取代一部分金属材料，可以预言，在不久的将来，高分子材料在工程中的应用将超过金属材料。因此，我们有必要对金属材料和非金属材料分别加以介绍。
一、金属材料基础知识
（一）金属材料的分类金属是指具有特殊的光泽、良好的导电性、导热性、一定的强度和塑性的物质，如铁、锰、铝、铜等。
具有金属特性的元素称为金属元素。在所有应用材料中，凡是由金属元素或以金属元素为主而形成的、具有一般金属特性的材料通称为金属材料。
通常把金属材料分为钢铁材料和非铁金属两大类。
1．钢铁材料以铁、锰、铬或以它们为主而形成的具有金属特性的物质称为钢铁材料，如碳素钢、合金钢、铸铁等。
2．非铁金属除钢铁材料以外的其他金属材料称为非铁金属，如铜、铝、镁以及它们的合金等。
在机械制造业中，常用的金属材料分类如下：
碳素钢
钢铁材料 合金钢
铸 铁
金属材料
铜及其合金
非铁金属 铝及其合金
轴承合金
钛及其合金
（二）金属材料的性能金属材料的性能一般可分为使用性能和工艺性能两大类。使用性能是指材料在工作条件下所必须具备的性能，如物理性能、化学性能和力学性能；工艺性能是指金属材料对诸如铸造、锻造、焊接、切削加工和热处理等加工工艺的适应性，也就是金属材料采用某种加工方法制成成品的难易程度。
1．金属材料的物理性能金属材料在各种物理现象（如导电、导热、熔化等）中所表现出来的属性。
（1）密度：物质单位体积所具有的质量称为密度．其单位是kg/m3 材料的密度对设计和制造过程中的选材有重要的意义，如何减少自身质量、增加承载能力，密度是需要重点考虑的因素之一。例如，飞机上的许多零件及构件都要选用密度较小的铝合金或镁合金来制造。一般把密度小于5×lO3kg/m3的金属称为轻金属，把密度大于5×lO3kg/m3的金属称为重金属。
在生产中常利用密度通过测量体积来计算不能直接称量的大型工件重量或估算毛坯用料的重量。另外在热加工中常常利用金属的密度不同来去除液态金属中的杂质。常用金属材料的密度见表3-1-1
表3-1—1 常用金属材料的密度（20°C）
金属材料
密度ρ（g/cm3）
金属材料
密度ρ（g/cm3）
镁
1．74
铅
11．34
铝
2．7
灰铸铁
6.8～7.4
钛
4.508
碳钢
7.8～7.9
锌
7.13
黄铜
8.5～8.6
锡
7.3
青铜
7.5～8.9
铁
7.87
铝合金
2.5～2.84
铜
8.96
镁合金
1.75～1.85
银
10.49
钛合金
4.5
（2）熔点：在缓慢加热条件下，金属或合金由固体状态变成液体状态时的温度称为熔点。常用摄氏温度（℃）表示。金属都有固定的熔点，合金的熔点则和其化学成分有关。表3-1—2是几种金属材料的熔点：
表3-1-2 常用金属材料的熔点金属材料
熔点/℃
金属材料
熔点/℃
钨
3380
银
960.8
钼
2630
铝
660.1
钒
1900
铅
327
钛
1677
锡
231.91
铁
1538
铸铁
1279～1148
铜
1083
碳素钢
1450～1500
金
1063
铝合金
447～575
不同熔点的金属有不同的用途。熔点高的金属称为难熔金属（如钨、钼、钒等），常用于制造耐高温零件，例如选用钨做灯丝，可防止灯丝因温度升高而熔化；熔点低的金属称为易熔金属（如锡、铅等），常用于制造熔丝等，可保护电器设备不会因为电流突然增大而烧坏。另外，熔点对于某些加工工艺也有一定的影响。例如铸造和焊接等工艺，必须加热到金属的熔点才能实现。热处理工艺中加热温度的选择、压力加工时锻造温度范围的选择等。也必须考虑金属材料的熔点。
（3）热膨胀性 金属材料随着温度升高而体积发生增大的现象称为热膨胀性。物质都有受热体积膨胀而受冷则体积收缩的性能，各种金属材料的热膨胀性是不同的，一般用线胀系数来表示。
实际工作中应该考虑到热膨胀的影响。例如在铺设铁轨时，在两根铁轨衔接处应留有一定的空隙，以便使铁轨在长度方向有膨胀的余地。又如，大型桥梁只固定一端，而另一端架在带有滚筒的支座上，以使桥梁在温度发生变化时可以自由伸缩自如，用精密量具测量工件时，必须保持在室温甚至恒温，以免因热胀冷缩影响测量结果。
（4）导热性 金属材料传导热量的能力称为导热性。各种金属的导热性是不同的，通常情况下金属越纯其导热性越好，在金属中即使含有少量杂质，也会显著地影响它的导热性。因此。合金钢的导热性都比碳素钢差。金属导热性的好坏用热导率λ[W/（m·k）]表示。热导率越大，金属的导热性越好。金属的导热能力以银为最好，铜、铝次之。
在加热金属时，常需要考虑金属的导热性。导热性差的金属，其加热速度应慢些，这样才能保证内外温度的均匀一致。一般情况下导热性好的金属散热性也好，可用来制造散热器、热交换器等零件。
（5）导电性 金属材料传导电流的性能称为导电性。一般来说，金属材料都具有较好的导电性，其中银最好，其次是铜、铝。工业上常用导电性好的铜、铝或它们的合金做导电结构材料，而用导电性差的金属做高电阻材料，如镍铬合金和铬铁铝合金等做电热元件或电热零件。
（6）磁性 金属材料能够被磁铁吸引的性能称为磁胜。根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，可分为铁磁性材料（如铁、钴等）、顺磁性材料（如锰、铬等）、抗磁性材料（如铜、锌等）。铁磁性材料在外磁场中能强烈地被磁化；顺磁性材料在磁场中，只能微弱地被磁化；抗磁性材料能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用。
铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。抗磁性材料则可用于制造要求避免电磁场干扰的零件和结构件。对某些材料来说，磁性也不是固定不变的，如铁是铁磁性材料，但当温度升高到770℃以上时就会失去磁性，这个转变温度称为居里点。
2．金属材料的化学性能金属材料的化学性能是指金属对周围介质侵蚀的抵抗能力。例如，金在潮湿的空气中经久不锈，而铁却会生成红锈，铜会生成绿锈，铝会生成白点。有些金属在高温时会生成厚厚的一层氧化皮，而耐热钢却不会生成氧化皮。这些现象都反映出不同金属的化学稳定性是不同的。金属的化学性能包括耐蚀性和抗氧化性。
（1）耐蚀性 金属材料在常温下对大气、水蒸气、酸及碱等介质腐蚀的抵抗能力称为耐蚀性。上述的铁生成红锈、铝生成白点、铜生成绿锈等，都是金属的腐蚀现象。
腐蚀对金属材料的危害性极大。腐蚀不仅使金属材料本身受到损失，严重时还会使金属结构遭到破坏以及引起重大伤亡事故。因此，提高金属材料的耐蚀性能，对于节约金属材料消耗，延长金属制品的使用寿命，都具有现实的经济意义。
（2）抗氧化性 金属材料在高温下对周围介质中的氧与其作用而损坏的抵抗能力称为抗氧化性。
有些金属材料在高温下易与氧作用，在表面生成氧化层。如果氧化层很致密地覆盖在金属表面上，可以隔绝氧气，使金属内层不再发生氧化。如果氧化皮很疏松，氧将继续向金属内层氧化，金属表面将会因氧化层剥落而损坏掉。甚至使零件报废。例如在焊接时，焊接区温度较高。空气中的氧和氮会大量侵入熔化金属，将金属铁和有益元素碳、硅、锰等氧化和氮化成各种化合物并留在焊缝中，造成焊缝夹渣；而溶入熔池的气体可能使焊缝产生大量气孔。这样焊缝的力学性能将大大降低。另外，锻造、热处理加热时也会造成钢材的氧化脱碳。因此，在焊接或锻造、热处理加热过程中要加以保护。对于长期在高温下工作的机器零件，应采用抗氧化性能好的材料来制造。
3．金属材料的力学性能
金属材料的力学性能是多数机械设备或工具设计与制造的重要参数，主要包括强度、硬度、塑性、韧性、抗疲劳性能等。 金属材料在进行各种加工时，以及制成零件或工具后的使用过程中，都要受到各种外力的作用。把金属材料所受的外力称为载荷，根据载荷对金属材料作用的方式、速度、持续性等作用性质的不同，可将载荷分为如下几类：
静载荷：其大小不变或变化过程缓慢的载荷。
冲击载荷：是指突然增加的载荷。
交变载荷：其大小和方向随时间作周期性变化的载荷。
金属材料在外力作用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及应力——应变关系的性能称为力学性能。它包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。
（1）强度 金属材料抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。常用的强度判据有屈服点和抗拉强度，其大小通常用应力来表示。根据载荷作用的方式不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等五种。一般情况下，多以抗拉强度作为判断金属材料强度高低的判据。
抗拉强度是通过拉伸试验测定的。拉伸试验的方法是用静拉力对标准试样进行轴向拉伸。同时连续测量力和相应的伸长，直到断裂。
①拉伸试样：拉伸试样的形状常用的有圆形和矩形截面两类。在国家标准（GB/T 228-2002）中，对圆形截面试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定如图3-1-3所示,图中d。为试样直径，L。为标距长度。根据标距长度与直径的关系。试样可分为长试样（L。=lOd。）和短试样（L。=5d。）两种。
②力——伸长曲线：拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线称为力一伸长曲线。图3-1-4是低碳钢的力伸长曲线，纵坐标表示力F，单位是N；横坐标表示伸长量△L，单位是mm。由力伸长曲线可以看出，随着拉伸力的不断增加，试样经历了以下几个变形阶段：
图3-1-3 圆形截面的拉伸试样
a） 拉伸前 b）拉断后
图3-1-4 低碳钢的力—伸长曲线
①Oe——弹性变形阶段：线段Oe是直线，说明在这一阶段试样的变形量（伸长量）与外力成正比关系，如果此时卸除载荷，试样即恢复原状。这种随着载荷的存在而产生、随着载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。Fe为试样能恢复到原始尺寸的最大拉伸力。
②es——微量塑性变形阶段：当载荷超过F，再卸载时，试样的伸长只能部分地恢复，而保留一部分残留变形。这种不能随着载荷的去除而消失的变形称为塑性变形。
③ss’——屈服阶段：当载荷增加到F时，图上出现平台或锯齿状，这种在载荷不增加或略有减少的情况下，试样还继续伸长的现象称为屈服：F。称为屈服载荷，屈服后，材料开始出现明显的塑性变形。
④s’b——强化阶段：屈服阶段以后，欲使试样继续伸长，必须不断加载，随着塑性变形的增大，试样变形抗力也逐渐增加．这种现象称为形变强化（或称加工硬化）。由于此阶段试样的变形是均匀发生的，所以此阶段又称为均匀塑性变形阶段。R为试样拉伸试验时的最大载荷。
⑤bz——缩颈阶段：当载荷达到最大值F。后，试样的直径发生局部收缩，称为缩颈。随着试样缩颈处横截面积的减小，试样变形所需载荷也随之降低，由于此时伸长主要集中在缩颈部位，所以此一阶段也称为局部塑性变形阶段。最后试样于缩颈处完全断裂。凡在拉伸试验中具有屈服现象的金属材料称为塑性材料。而工程上使用的金属材料，大多数没有明显的屈服现象，这类金属材料称为脆性材料。有些脆性材料，不仅没有屈服现象，而且也不产生缩颈。图3-1-5所示为铸铁的力。伸长曲线。
3．强度指标：主要包括屈服点和抗拉强度。
图3-1-5 铸铁的力—伸长曲线
4．金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能直接影响工件加工后的工艺质量，是选材和制定工件加工工艺路线时必须考虑的因素之一。它包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。
（1）铸造性能 金属及合金熔化后铸造成优良铸件的能力，称为铸造性能。衡量金属材料铸造性能的判据有流动性、收缩性和偏析倾向等。
①流动性：液体金属充满铸型腔的能力称为流动性。它主要受金属化学成分和浇注温度的影响。流动性好的金属容易充满整个铸型，获得尺寸精确、轮廓清晰的铸件。
②收缩性：铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。
③偏析倾向：合金中合金元素、夹杂物或气孔等分布不均匀的现象称为偏析倾向。偏析严重时可能使铸件各部分的力学性能产生很大差异，降低了铸件的质量。
（2）压力加工性能 金属材料在压力加工（锻造、轧制等）下成形的难易程度称为压力加工性能。它与金属材料的塑性有关，金属材料的塑性越好，变形抗力越小，金属材料的压力加工性能就越好。
（3）焊接性 焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性，也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优良焊接接头的难易程度。一般低碳钢的焊接性好于高碳钢。
（4）切削加工性能 金属材料接受切削加工的难易程度称为切削加工性能。当金属材料具有适当的硬度和足够的脆性时容易切削。所以铸铁比钢切削加工性能好，一般碳钢比高合金钢切削加工性能好。
（5）热处理性能 热处理性能是指金属材料通过热处理后改变或改善其性能的能力。热处理性能包括淬透性、氧化脱碳、变形开裂等。
钢制工件通过热处理，可改善其切削加工性能，提高力学性能，延长使用寿命。
二、非金属材料基础知识非金属材料包括高分子材料、陶瓷材料和复合材料等。
（一）高分子材料
1．高分子材料的概念以高分子化合物为主要组成物的材料称为高分子材料。高分子化合物是指相对分子质量很大的化合物，它们的相对分子质量都在几千、几万、几千万或几百万以上，甚至无穷，但大多数则在5000和1000000之间。一般把相对分子质量不大于500的称为低分子化合物，而把相对分子质量大于500的称为高分子化合物。通常低分子化合物没有强度和弹性，而高分子化合物则有一定的强度、弹性和塑性。
高分子材料分为天然和人工合成两大类。天然高分子材料有羊毛、蚕丝、淀粉、纤维素及天然橡胶等。工程上应用的高分子材料主要是人工合成的，如聚苯乙烯、聚氯乙烯及聚丙腈等。表3-1-6是常见的几种物质的相对分子质量。
表3-1-6 常见的几种物质的相对分子质量
低相对分子质量的物质
高相对分子质量的物质
水
石英
乙烯
单糖
天然高相对分子质量的物质
人工合成高相对分子质量的物质
H2O
SiO2
CH2=CH2
C6H12O6
橡胶
淀粉
纤维素
聚苯乙烯
聚氯乙烯
18
60
28
180
200000～500000
〉200000
570000
〉50000
50000～160000
高分子化合物一般由一种或几种简单的低分子化合物（也称单体）重复连接而成。例如，聚乙烯是由低分子乙烯（单体）组成；聚氯乙烯是由低分子氯乙烯（单体）组成。低分子化合物聚合起来形成高分子化合物的过程，称为聚合反应。所以，高分子化合物又称为高聚物或聚合物。
由单体聚合为高聚物的基本方式有以下两种,
（1）加成聚合反应（也称为加聚反应），就是指单体经过光照、加热或化学药品（称为引发剂）的作用后相互结合成大分子。
（2）缩合聚合反应（也称为缩聚反应），就是具有官能团（如—0H，—COOH，—NH2等）的单体，互相反应结合成较大的大分子，同时生成某些低分子物质，如水、氨等。
人工合成的高分子化合物按工艺性质可分为塑料、橡胶和胶粘剂等。
2．常用高分子材料
（1）塑料 塑料是以树脂为基础，再加入添加剂（如增塑剂、稳定剂、填充剂、固化剂、染料等）制成的一种高分子物质合成材料。
树脂是塑料的主要成分，用以粘接塑料中的其他成分，并使其具有成形性能。树脂的种类、性质及加入量对塑料的性能有很大的影响。因此，很多塑料就是以所用树脂的名称来命名的。如聚氯乙烯塑料就是以聚氯乙烯为主要成分。目前采用的树脂主要是合成树脂。
酚醛树脂是最早投入工业生产的合成树脂，它是由苯酚和甲醛缩聚而成的。此外，氨基树脂、环氧树脂、有机硅树脂都是经缩聚反应而得到的树脂。这类树脂又称缩聚树脂。而聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等通过加聚反应而得到的树脂，则称为加聚树脂。
根据塑料的使用要求，在其中掺人添加剂，则可显著改善塑料的性能。例如，加入增塑剂，可以提高塑料的可塑性和柔软性，改善塑料的成形能力；加入云母、石棉粉，可以改善塑料的电绝缘性；加入Al2O3、TiO2、Si02，可以提高塑料的硬度和耐磨性；加入铝，可以提高塑料对光的反射能力和防止老化；加入稳定剂，可以提高塑料在光和热的作用下的稳定性。
（2）塑料的分类：按不同的分类标准，可将塑料分为以下不同的类别。
①按塑料的受热性能，可分为热塑性塑料和热固性塑料。
热塑性塑料：这类塑料加热时软化，可塑造成形，冷却后变硬，再次加热又能软化，冷却又变硬，可反复多次变化。它的变化是一种物理变化（塑化），化学结构基本不变常用的热塑性塑料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS、聚甲醛、聚碳酸脂、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚砜等。它们的优点是加工成形简单、力学性能较好，缺点是耐热性和刚性较差。
热固性塑料：这类塑料加热时软化，可塑造成形，但固化后的塑料既不溶于溶剂，也不再受热软化，只能塑制一次。常用的热固性塑料有酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料等。它们的优点是耐热性能好、受压不易变形。缺点是力学性能较差。
②按塑料的使用范围，可分为通用塑料、工程塑料和耐热塑料通用塑料：是指产量大、用途广、价格低而受力不大的塑料产品。主要有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料等它们是工农业生产和日常生活不可缺少的塑料。
工程塑料：是指力学性能较好、耐热、耐寒、耐蚀和电绝缘性良好的塑料，它们可以取代金属材料制造机械零件和工程构件，这类塑料主要有聚碳酸脂、聚酰胺（即尼龙）、聚甲醛、聚砜和ABS等。
耐热塑料：是指在较高温度下工作的各种塑料，如聚四氟乙烯、环氧塑料和有机硅塑料等，它们均能在100～2000℃的温度下工作。
（3）塑料的成形加工：塑料的成形是将各种形态（粉状、粒状、液态和碎料）的塑料，制成具有一定形状和尺寸的制品的过程一塑料的成形工艺简单，形式多样，如注射成形、压制成形、挤出成形和吹塑成形。
另外，也可通过喷涂、浸渍、粘贴等工艺覆盖于其他材料的表面上，塑料的表面上也可以镀覆金属层。
除了塑料成形之外，还可以对塑料制品进行切削加工、焊接，可以将注射或压制成形的制品进一步加工或进行修整。对于泡沫塑料，可以用木工工具及设备加工，也可用电热器具进行熔割。
（4）橡胶 橡胶是以生胶为基础，再加入适量的配合剂制成的。它是一种弹性模量很低，伸长率很高（100％～1000％），具有优良的拉伸性能和储能性能，以及优良的耐磨性、隔声性和绝缘性的高分子材料一在机械制造中广泛用于制造密封件、减振件、传动件、轮胎和电线的绝缘皮等。
橡胶最重要的特性是高弹性。因此，在使用和储存过程中要特别注意保护其弹性。氧化、光照（特别是紫外线照射），均会促使其老化、龟裂、发黏或变脆，从而丧失其弹性。
3-1-7常用塑料的种类、特点及用途
种类
代号
主要特点
用途
聚乙烯
PE
具有良好的耐蚀性和电绝缘性高压聚乙烯柔软性，透明性较好
低压聚乙烯强度高，耐磨，耐蚀，绝缘性良好
高压聚乙烯：用于制造薄膜，软管和塑料瓶低压聚乙烯：用于制造塑料管，塑料板，塑料绳，以及承载不高的零件，如齿轮轴承等
聚酰胺
（尼龙）
PA
具有韧性好，耐磨，耐疲苈，耐油，耐水等综合性能，但吸水性强，盛开收缩不稳定
用于制造一般机器零件，如轴承，齿轮，凸轮轴，蜗轮，铰链等
生胶（生橡胶）：是生产橡胶的主要原料。按其来源不同，可分为天然橡胶和合成橡胶两类。天然橡胶是以热带的橡胶树中流出的胶乳为原料，经过凝固、干燥，加压等工序制成的片状固体，其单体为异戊二烯：而合成橡胶是用化学合成的方法制成的与天然橡胶性质相似的高分子材料，其种类很多，如丁苯橡胶、氯丁橡胶等。
配合剂：是为了提高和改善橡胶制品的性能而加入的物质，如硫化剂、防老剂、软化剂和填充剂等。硫化剂的作用类似热固性塑料中的固化剂，天然橡胶常以硫磺作硫化剂。并加入氧化锌和硫化促进剂加速硫化，以缩短硫化时间。加入硬脂酸、精制石蜡及一些油类等软化剂。可增加橡胶的塑性，改善其黏附力。加入炭黑、氧化硅、陶土、硫酸钡及滑石粉等填充剂，可以增加橡胶制品的强度，降低成本。
（５） 胶粘剂 胶粘剂是以富有黏性的物质为基料，加入各种添加剂而成一它能将物质胶粘在一起，使胶接面具有足够的胶接强度。
胶接可以部分代替铆接、焊接和机械连接，可以结合无法焊接的金属，还可以使金属与橡胶、塑料、陶瓷等非金属材料结合，同时胶粘剂也是航天和航空工业中产品生产的重要材料之一。
（二）陶瓷材料
1．陶瓷材料的概念
陶瓷在传统上是陶器和瓷器，也包括玻璃、水泥、石灰、石膏和搪瓷等。这些材料都是用天然的硅酸盐矿土、石灰石、长石、硅砂等原料生产的，所以陶瓷材料也称为硅酸盐材料。 随着科学技术的发展，许多新型陶瓷材料的成分已远远超出硅酸盐的范畴一现代的陶瓷材料和高分子材料、金属材料一起被称为三大固体工程材料。广泛应用于国防、宇航和电气等工业部门。
2．陶瓷材料的分类陶瓷材料一般可分为玻璃、陶瓷和玻璃陶瓷三大类，现简要介绍上述分类中的陶瓷。陶瓷一般分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。
（1）普通陶瓷 又称为传统陶瓷它是以天然的硅酸盐矿物（黏土、长石或硅砂等）为原料，经过粉碎、成形和烧结而制成，主要用于日用品和建筑陶瓷。
（2）特种陶瓷 又称为近代陶瓷它是采用人工合成材料。如氧化物、氮化物、硅化物、碳化物和硼化物，经过粉碎、成形和烧结而制成的陶瓷制品主要用于化工、冶金、机械、电子等行业。
3．陶瓷制品的成形虽然陶瓷制品种类繁多。生产工艺也各不相同，但一般都要经历以下三个阶段：原料制备、成形和烧结。
（1）原料制备 原料的加工直接影响到成形的加工性能和陶瓷制品的使用性能为了控制制品的晶粒大小，要将原料粉碎、磨细到一定粒度为了控制制品的使用性能。要按一定配比配料，对原料要精选，除去杂质原料加工后，根据成形工艺的要求，制备成粉料、浆料或可塑泥团。
（2）成形一般有下列三种方式成形：
①可塑成形：通过手动或机械挤压、车削．使可塑泥团成形
②压制成形：将含有一定水分和添加剂的粉料．在有较高压力的模具中压制成形。
③注浆成形：将浆料注入模具中成形。
（3）烧结 没有烧结的陶瓷坯料是许多固体颗粒的堆积。因此，成形后的陶瓷制品需经干燥、涂釉（或不涂）然后送去烧结。
4,陶瓷的特点、种类及应用陶瓷的共同特点是硬度高、抗压强度大、耐高温、耐磨损及抗氧化性能好。但也存在着脆性大，没有延展性，经不起碰撞和急冷急热的缺点。
（三）复合材料
1．复合材料的概念和性能特点复合材料是由两种或多种固体材料（不同的非金属材料、非金属材料与金属材料、不同的金属材料）复合而成复合材料与金属和其他固体材料相比，具有比强度和比模量高、抗疲劳强度高、减振性好、耐高温能力强、断裂安全性好、化学性能稳定、减磨性和电绝缘性良好等特点。
2．常用复合材料按复合材料增强剂的种类和结构形式的不同。复合材料可分为纤维复合材料、层叠复合材料和细粒复合材料三类。
（1）纤维增强复合材料 这类复合材料以玻璃纤维、碳纤维、硼纤维等陶瓷材料作复合材料的增强剂，将塑料、树脂、橡胶和金属等材料复合而成。如橡皎轮胎、玻璃钢、纤维增强陶瓷等。
（2）纤维增强复合材料 是复合材料中发展最快、应用最广的一种材料，目前常用的纤维增强复合材料有下列两种：
① 玻璃纤维增强复合材料：它是以玻璃纤维为增强剂。以树脂为粘结剂而制成的，俗称玻璃钢。以尼龙、聚烯烃类、聚苯乙烯类等热塑性树脂为粘结剂制成的热塑性玻璃钢。具有较高的力学、介电、耐热和抗老化眭能，工艺性能也好，达到和超过了某些金属的强度，可用来制造轴承、齿轮、仪表盘、壳体、叶片等零件而以环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂等热固陛树脂为粘结剂制成的热固性玻璃钢，具有密度小（只有钢的l/4～1/5）、强度高（接近铜和铝合金）、介电性、耐蚀性及成形工艺性好等优点，可用来制造车船体、直升飞机旋翼等。
玻璃钢的主要缺点是弹性模量小，只有钢的l/5～1/lO。用玻璃钢做受力构件时，往往强度有余而刚度不足。
② 碳纤维增强复合材料：它是以碳纤维或其织物为增强相，以树脂、金属、陶瓷等为粘结剂而制成的复合材料。其中碳纤维一树脂复合材料中采用的树脂有环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯树脂等。这类复合材料不仅具有玻璃钢的许多优点．而且性能还优于玻璃钢，它的强度和弹性模量均超过铝合金而接近高强度钢，密度比玻璃钢还小，具有优良的耐磨、减磨及自润滑性、耐蚀性、耐热性。在机械工业中常用作承载零件和耐磨件，如连杆、活塞、齿轮和轴承等。此外，还用作耐蚀件，如管道泵和容器等。
（2）层叠复合材料 这是由两层或两层以上不同性质的材料复合而成的，以达到增强的目的。如三合板、五合板、钢、铜、塑料复合的无油润滑轴承材料等，就是这类复合材料。
（3）细粒复合材料 如硬质合金就是由Wc—Co或Wc-Ti-Co等组成的细粒复合材料。
第二节 热传递基础知识
热传递是物体相互之间或同一物体内部热能的传递。温度差是热传递的必要条件。物体间或物体内部各部分之间只要存在着温度差，就必然会产生热量的传递。
热处理操作中的加热、保温和冷却的过程，都是热量传递的过程。为了准确地控制加热和冷却的速度，控制保温时间及减少在此过程中的热量损失，有必要学习传热学基础知识。
一、传热的基本方式热传递是一种复杂的物理现象热传递的基本方式有三种：传导、对流和辐射。
1．传导传热热量直接由物体的一部分传至另一部分，或由一物体直接传至与其接触的另一物体，而物体的质点没有移动（指宏观的物质移动）的传热现象，称为传导传热。例如，热处理炉中的热量由炉墙内表面直接通过炉墙传至炉墙外表面；工件在炉底板上加热。炉底板的热量直接传给工件而将工件加热。在这种传热方式中，炉墙、炉底板和工件的质点并没有移动。仅热量发生了转移，属于传导传热一传导传热方式在固体、液体和气体中都存在，尤其在固体中最明显，而流体（液体或气体）的传导能力一般较弱，有的常忽略不计。
2．对流传热流体中不同部分的相对位移，使不同部分的质点相互混合，或者流体质点与固体表面碰撞而进行的热交换现象，称为对流传热。对流传热只有在流体运动时才能发生。盐浴炉中利用电磁力使熔融盐液与工件相对流动、在回火炉中热风循环流经工件表面时的传热过程都是对流传热。
3．辐射传热由物体表面直接向外界发射可见的和不可见的射线，在空间传递热能的现象称为辐射传热。辐射传热与传导传热、对流传热是有本质区别的。它在传递热能的过程中，不需要相互接触，也无需质点的移动，是一种非接触传递热能的方式，即使在真空中，辐射传热也照常能进行。太阳通过茫茫宇宙空间向地球传递热量，我们能感觉到烧红工件所发出的热量，都是辐射传热的典型例子。辐射传热的另一特点是在能量传递的过程中，伴随着能量形式的变化 。例如，太阳内部热核反应产生巨大的热能，部分热能转变成辐射能。以电磁波的形式向外发射，而地球吸收部分辐射能以后，又转化成热能。
任何物体都不断地向四周放射着辐射能，同时它们也吸收、反射别的物体投来的辐射能。两个物体之间的相互辐射，最终必然引起热量从温度较高的物体向温度较低的物体转移。辐射传热在中、高温热处理炉的热交换中起主要作用。
二、传热的一般规律实际上这三种传热方式并非单独存在，热量从某一物体传至另一物体往往是这三种基本传热方式的不同组合，但不论其组合方式如何，温度差的存在是产生传热过程的先决条件。
工件在热处理炉中加热时，一般是工件表面通过辐射或对流传热的方式从加热设备中取得热量，同时工件表面又以传导传热方式将热量传给其心部。所以，热处理炉中的传热，每种基本传热方式并非单独存在，而往往总是三种传热方式同时并存的综合传热。但是，随着加热温度及加热设备的不同，各种传热方式起的作用有明显的差别。
当加热温度高于600℃时，炉子的传热以辐射为主，此时辐射传热的传热过程最为强烈，且由于物体的辐射能力与其温度的四次方成正比，因此随着温度的升高，辐射传热过程剧烈增强。所以炉温越高，工件升温速度就越快，所需加热时间也就越短。
当加热温度低于600℃时，炉子的传热以对流传热为主在这种情况下，加快炉内介质的流动速度。显然可以加速传热过程。这就是空气回火炉中要装置风扇的原因。
工件在盐浴炉中加热时，除了对流传热加强外，还由于熔融盐液的热容量要远远大于空气，因此其加热速度就比较快。达到同样的加热温度，盐浴炉中的加热时间只是箱式电阻炉中加热时间的一半。
热处理工艺文件及工艺操作的一般知识
一、对常用的热处理工艺术语
（1）热处理工序 单个或一批工件，一个或一组工人。在同一工作地，连续完成工件的部分或全部热处理工艺过程，简称工序。
（2）整体热处理 对金属材料或工件整体进行穿透加热的热处理工艺。
（3）局部热处理 仅对工件的某一部位或几个部位进行热处理的工艺。
（4）预备热处理 为了调整原始组织，以保证工件最终热处理或（和）切削加工质量，预先进行的热处理工艺。
（5）最终热处理 为获得工件所需要的性能。全面地满足工件的技术要求而进行的热处理工序。
（6）补充热处理 是在最终热处理之后，为了进一步提高工件的性能或延长工件的使用寿命，提高工件的精度而附加的热处理工序。
（7）处理工艺过程 工件从原材料到成品的过程中所有热处理工序的总和，包括预先热处理的退火、正火和最终热处理的淬火、回火及表面改性热处理等。热处理工艺过程一般分两部分，预备热处理、最终热处理。必要时还有补充热处理。
（8）处理工艺路线 是指工件从毛坯到成品的过程中所有冷、热加工过程顺序总和，即工件的加工顺序。如调质半轴最后热处理工艺路线为：淬火—回火—喷丸—检验—矫直—检验。
（9）热处理操作程序 是指完成热处理某一工序过程的操作先后顺序。
（10）热处理工艺参数 是指热处理工艺进行过程中所必须达到和控制的各种物理量，如预热温度、加热温度、保温时间、加热介质、淬火介质以及电流、电压、气体压力、各种盐浴等的成分比例等。
（11）热处理工艺装备（简称工装）凡是为了满足热处理生产要求，保证热处理质量，保证生产安全的一切工夹具及辅助装置，都称为热处理工艺装备。
（12）热处理技术要求 是指热处理前后的验收质量指标。
（13）热处理工艺文件 是指导热处理生产与工艺工作的文件，统称为热处理工艺文件。
（14）热处理工艺规程 把热处理工艺过程的各工序的每项内容（工件的基本状况、工艺参数、工艺装备、操作要领、注意事项及技术要求等），写成指导热处理生产的技术文件，即工艺卡或工艺卡片。
二、处理工艺文件的一般知识热处理工艺规程（即工艺卡）、热处理工件明细表，是指导热处理生产所必须的工艺文件，此外还应有临时工艺通知单、热处理工艺守则、热处理安全守则等。
热处理工艺文件经过编制、校对和批准后实施，它就是“生产法规”操作者必须严格按工艺文件进行操作，未经批准不得擅自变更设备、夹具、装载量及工艺参数；生产管理者按计划进行生产准备、编制作业计划及安排设备维修，无权更改工艺文件的规定；检查人员应按工艺文件的规定进行检查，包括检查方法、检查部位、抽样数量及使用的仪器或工具等；工艺人员和检查人员应对工艺文件的实施进行监督。
热处理工艺规程热处理工艺规程是各道热处理工序必须遵守的准则，其基本形式是热处理工艺卡。它是操作工人必须遵守的法规文件，其基本内容如下：
① 工件概况：即工件名称及编号、材料牌号、重量大小、轮廓尺寸及热处理有关尺寸、工艺路线等。
② 热处理技术要求：即热处理工序完成后的质量验收指标一热处理工艺卡上的技术要求比图样上提出的热处理技术要求更详细、更具体。例如零件化学热处理后，还要进行磨削加工，热处理工艺卡上的硬化层深度应加上磨削量。
③ 工件简图：在工艺卡上应绘制工件简图，便于识别、核对工件，同时对于局部热处理、硬度检查部位等也一目了然。
④ 装炉方式及装炉量。
⑤ 设备及工装名称、编号。
⑥ 工艺参数：包括保温时间、冷却方式、淬火介质等：对于化学热处理，还涉及到碳势、氮势以及活性介质的流量等。
⑦ 质量检查的内容，检查方法及抽查率。
三、热处理工艺操作的一般知识热处理工艺有着和其他冷、热加工工艺完全不同的特点，为了掌握热处理的工作技能，应对热处理工艺操作的特点及一般知识有较全面的认识。
① 首先操作者应按“三定”（定人、定机、定工种）的要求进行考核，合格后发给操作证，之后才能上岗操作。
② 热处理是将工件放在一定的介质中加热、保温和冷却，通过改变金属材料表面或内部组织来控制其性能的工艺方法。
③ 热处理是工件制造过程的中间工序，它受前后工序的制约，要求操作者必须了解工件热处理前后的加工工序，即工艺流程。
④ 热处理是在高温下进行的，设备比较复杂，过程控制常常需要各种仪器仪表，因此，要求操作者必须遵守工艺纪律，正确执行热处理工艺规程。
⑤ 影响热处理产品质量的因素多而且比较复杂，热处理产品质量不仅取决于设备、控制手段，还取决于操作者的责任心和技术水平。经过长期生产实践，特别到了中、高级工，操作者不仅要能根据工件图样的技术要求。合理选用设备、工装夹具和确定有关的热处理工艺参数，并且还要能正确使用和维护热处理设备及测温控温装置；能合理、准确地选择淬火介质及工件的冷却方式；能通过目测火色判断炉温和正确掌握冷却时间等。
⑥ 热处理使用的电、盐、油、气等极易发生触电、中毒、爆炸等事故，所以安全生产极为重要。
⑦ 热处理操作之前，必须识读工艺文件。进行核对。即核对工件的形状、尺寸、数量、材料、技术要求是否与工艺卡相符。严格按“三按”（即按图样、按工艺、按操作规程）进行操作。
⑧ 热处理操作中，应严格执行“三检”制度，即自检、互检和专检。批量生产的还应做到首件检查和中间抽检。
⑨ 热处理操作结束后，应将用过的工装夹具清洗干净，按定置管理要求堆放整齐，并清扫设备及工作场地。
第二章 表面改性热处理
学习目标 了解各种表面改性热处理。如表面淬火和各种化学热处理的类型、作用及其基本过程。掌握感应加热淬火的基础知识、渗碳和渗氮处理的工作原理，了解其工艺方法和应用特点。
对于在弯曲、扭转以及各种交变载荷作用下服役的一些机械零件，如轴、曲轴、齿轮和凸轮等，其表面外层承受的应力要比心部承受的高出许多。另外，当有摩擦作用时，这些零件还要受到不同程度的磨损。因此，在工程上必须设法提高这些零件表层的硬度、耐磨性和抗疲劳性，而在心部仍需保持有较好的强度和韧性，使其能承受各种冲击载荷。此时，若采用常规的整体热处理的方法，就很难满足上述的要求，这就需要采用表面改性热处理。
表面改性热处理，是利用各种物理和化学的方法，使金属表面获得特殊的化学成分、组织结构和力学性能，从而达到提高金属零件或构件使用寿命的要求。表面改性热处理，主要分为表面淬火与化学热处理两大类。
第一节 表面改性热处理的类型及其工艺方法
一、表面感应加热淬火
（1）表面淬火
表面淬火 是将工件快速加热到淬火温度。然后进行迅速冷却，仅使表面获得淬火组织的一种热处理方法，采用表面淬火工艺，可以使工件表面具有高的强度、硬度和耐磨性，与此同时，工件心部仍具有一定的强度、足够的塑性和韧性。
1．表面淬火的种类
欲在工件表层有限深度内达到相变点以上的温度，就必须给工件的表面以极高的能量密度来加热，使工件表面的热量来不及向心部传导，并造成表面和心部之间极大的温差。因此，表面淬火常以供给表面能量的形式不同而命名及分类。
表面淬火，分为感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、接触电阻加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光与电子束加热表面淬火等，目前热处理生产中应用最广泛的是感应加热表面淬火。
2．表面淬火的应用
目前，表面淬火广泛应用于中碳钢或球墨铸铁制成的机器零件。因为中碳钢通过预备热处理（调质或正火），再辅以表面淬火后，既可以使心部具有较好的综合力学性能，又可以使表面具有较高的硬度（≥50HRc）和耐磨性。对于基体相当于中碳钢成分的珠光体和铁素体基体的灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和合金铸铁等，原则上也可以进行表面淬火，其中球墨铸铁的工艺性最好。且又具有较高的综合力学性能，所以应用最为广泛“表面淬火适用于中碳钢、中碳合金铜”高碳钢若进行表面淬火，尽管表面硬度和耐磨性提高了，但其心部的塑性和韧性较差，因此高碳钢的表面淬火主要用于承受较小冲击和交变载荷工作的工具、量具及冷轧辊等等。对于低碳钢，由于低碳钢表面淬火和强化效果不显著，故很少应用。
（二）感应加热淬火
1．感应加热淬火的基本原理
所谓感应加热淬火，就是利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表层及局部加热至淬火温度，随后进行快速冷却的淬火工艺。淬火时，把工件放在铜质的感应器中，接上某一固定频率的交流电以产生电磁感应，其结果会在工件表层产生与感应圈中电流相反的感应电流。这种感应电流沿工件表面形成的封闭回路，称为涡流。在涡流及工件本身电阻的作用下，电能便在工件表层转化为热能，使表层很快升温至淬火温度，此后将工件立即进行快速冷却，就达到了表面淬火的目的。
涡流之所以能实现表面加热，是由于交变电流在导体中的分布特点所决定的，其特点为：
（1）集肤效应 当导体中通过直流电时，导体截面上各处的密度是相同的。但当通过交流电时，其电流在导体截面上的分布是不均匀的，导体表面的电流密度大，中心的电流密度小，电流密度自表面向中心呈指数规律衰减。这种现象就称为交流电的集肤效应。此时，交流电的频率越高，集肤效应就越显著。感应加热淬火就是利用这一特性而实现的。
（2）邻近效应 当两个相邻导体通过电流时，若其电流方向相同，则由于它们所产生的交变磁场的相互作用，使得两个导体相邻一侧的感应反电势最大，电流被驱向于导体外侧流过；相反，当电流方向相反时，电流被驱向于两导体相邻一侧，即内侧流过，这种现象称为邻近效应。在感应加热时，工件上的感应电流总是与感应固中的电流方向相反，所以，感应圈上的电流集中于内侧流过，而位于感应圈内被加热工件上的电流则集中于表面，这就是邻近效应与集肤效应相叠加的结果。在邻近效应的作用下，只有当感应圈与工件之间的间隙相等时，感应电流在工件表面的分布才是均匀的。所以，工件在感应加热过程中要不断地进行旋转，以消除或减少因间隙不等而造成的加热不均匀性，从而获得均匀的加热层。另外，由于邻近效应的作用，工件上被加热区的形状总是与感应圈的形状相似；因此，在制作感应圈时，必须注意使其形状相似于工件加热区的形状，这样才能取得较好的加热效果。
（3）环流效应 当交变电流通过圆环状或螺旋状导体时，由于交变磁场的作用，使其外表面电流密度因自感反电动势增大而降低，而在圆环内侧的表面会获得最大的电流密度，这种现象称为环流效应。
环流效应对于加热工件外表面，能提高其加热效率和加热速度一但对于内孔的加热则不利，因为环流效应使感应器上的电流远离工件表面，导致加热效率显著降低、加热速度减慢。因此，要在感应器上安装磁导率很高的导磁体，以提高加热效率。
当感应器轴向高度与圆环直径之比值越大时，环流效应越显著故感应器截面最好做成长方形，长方形比正方形好，而圆形最差，应尽量少用。
（4）尖角效应 将外形带有尖角、棱边及曲率半径较小的突出部分工件置于感应器中加热时，即使感应器与工件之间的间隙相等，但由于在工件的尖角处和突出部分通过的磁力线密度较大，感应电流密度也较大，加热速度快，热量集中，这样会使这些部位产生过热，甚至发生烧熔现象，这种现象称为尖角效应。
为了避免尖角效应，在设计感应器时，应将感应器与工件尖角或凸出部分的间隙适当增大，以减少该处磁力线的集中，使工件各处的加热速度和温度尽量保持均匀一致：也可将工件尖角及凸出部分改为圆角或倒角，这样也能得到同样效果。
2．感应加热淬火的特点
（1）加热速度快，热效率和生产效率高 由于感应加热是依靠工件本身发出的热量进行加热的，故其热损失少，热效率在60％以上，这至少是其他加热方法的两倍。与此同时，由于集肤效应和环流效应，工件表层可在极短的时间里达到Ac，（试验测定，感应加热时的加热速度，可高达每秒几百度到几千度，而一般热处理加热炉的加热速度最多不过每秒几度到几十度），工件无保温时间，所以生产效率很高，也便宜于实现机械化和自动化，适合于大批量生产形状简单的机器零件，因此感应加热淬火在生产中得到了广泛的应用。
（2）加热层深度易控制 感应加热淬火即可以只对工件表层进行加热淬火，也可以进行空透加热，所以可适用于多种工件的热处理要求。
（3）热处理质量较好 在感应加热淬火过程中，升温速度极快，保温时间极短。与一般加热淬火相比，淬火加热温度高，过热度大，奥氏体形核多，且不易长大，因此淬火后工件表面容易得到细小的隐晶马氏体，工件的表面硬度也比一般加热淬火的高出其不意2—3HRC。另外，工件表面氧化，脱碳极少，热处理畸变也比常规加热淬火小得多。
（4）不足之处 感应加热表面淬火的不足之处在于：
① 加热设备费用昂贵，且需要配备专门的淬火机床；
② 加热温度不易测定和控制；
③ 设备维护，调整和使用等都要求操作工人具有较高的技术水平等。
综上所述，感应加热表面淬火常应用于中碳碳素钢及中碳合金钢的结构件，也可用于高碳工具钢，低合金工具钢工件和铸铁件等。
3．感应加热淬火后工件的组织及力学性能
（1）感应加热淬火后工件表面及心部的组织由于感应加热淬火的特点是加热温度高、速度快、时间短，所以过分粗大的原始组织将不利于奥氏体的转变和均匀化。因此，工件在感应加热前应先进行预备热处理（正火或调质），为感应加热的表层准备合适的原始组织，同时也使工件心部具有一定的强度和韧性。
工件经感应加热表面淬火后，由于沿截面不同处的加热和冷却情况不同，可以分别获得不同的组织，工件的最表层的加热温度高于Ac1，淬火后可得到马氏体组织，故最表层称为完全淬火层。在这一层，由于靠近表层处温度较高，往往获得的马氏体较粗大，呈明显的针状；而靠里层温度较低，获得的马氏体较细，多为隐晶状马氏体：在通常情况下，这一层的表面硬度可达至56HR左右。感应加热淬火时，工件心部的加热温度略低于Ac1，所以，在加热过程中不发生相变，淬火后仍为原始组织，这一层的硬度保持原来硬度或略有降低。
工件介于最表层和心部之间的过渡区加热温度在Ac3～Ac1之间，淬火后可得到马氏体+未溶的铁素体，在过渡区内，由表及里铁素体数量逐渐增加，所以硬度也逐渐降低。
（2）感应加热淬火后工件的力学性能
① 硬度：感应加热表面淬火后工件的硬度比常规淬火要高出2～3HR，这种现象称为超硬现象。产生超硬现象的原因，是由于加热速度极快，使晶粒充分细化的结果。这种现象在200℃以上回火后，即不复存在。
② 疲劳强度：感应加热表面淬火，能有效地提高工件的抗弯曲和抗扭转的疲劳强度。一般来说，对于小工件能将疲劳强度提高2—3倍，对于大工件则能提高20%～30％。这是因为工件表层经感应加热淬火获得的马氏体晶粒极为细小，碳化物弥散程度很高，并且产生了有利于提高疲劳强度的残留压应力。
③ 磨性：经感应加热淬火后，工件的耐磨性要比常规淬火提高75％左右。其原因是感应加热淬火过程中氧化和脱碳较少，且淬硬层中马氏体晶粒细小。但是，感应加热淬火件的耐磨性不如渗碳工件。请注意，尽管化学热处理也属于表面热处理，但从上述可知，表面感应淬火是通过淬火的方法来提高工件表层硬度的，而化学热处理是通过改变工件表面的化学成分及随后的热处理而改变工件表面的全相组织和力学性能的，两者有本质的区别。
二、钢的化学热处理
（一）钢的化学热处理的基本概念与原理
1．钢的化学热处理的定义钢的化学热处理是把低碳钢工件放在适当的活性介质中加热保温，使一种或几种化学元素渗入其表层，以改变其化学成分、组织和力学性能的热处理工艺。与表面淬火相比，化学热处理的特点是除了组织发生变化外，钢材表面的化学成分也发生了变化。由于表面化学成分的改变，钢的表面甚至整个钢材的性能也会随之发生改变。
2．化学热处理的作用与分类
不同的渗入元素，赋予工件表面的性能是不一样的。在工业生产中，化学热处理的作用有两个方面：一是表面强化，目的是提高工件表面的疲劳强度、硬度和耐磨性；二是改善表面物理或化学性能，目的是提高工件表面的耐高温、抗腐蚀能力和抗氧化能力。 由于化学热处理主要是依靠原子向钢中扩散来进行的，所以根据扩散元素的性质不同，可以分为两大类：一类是与铁形成间隙式固溶体的非金属元素的扩散，如渗碳、碳氮共渗和渗氮等，它们都会显著地增加钢的表面硬度和耐磨性；而另一类则是与铁形成置换式固溶体的金属元素扩散，如渗铬、渗铝和渗硅等：渗入这些金属元素，除个别情况是为了增加耐磨性以外，大多数是为了使钢的表面获得某些物理或化学性质：如渗铬可以提高耐磨性和耐腐蚀性能；渗铝可以增加高温抗氧化性；渗硅可以提高耐酸性等。
3．化学热处理的优点
与钢的表面淬火相比，钢的化学热处理虽然存在生产周期长等缺点，但它仍具有下列一系列的优点,
① 不受工件外形的限制，可以获得较均匀的淬硬层。
② 由于表面化学成分和组织同时发生了变化，所以耐磨性和疲劳强度比钢的表面淬火更高。
③ 化学热处理过程中产生的表面过热现象，可以在随后的热处理过程中加以消除。
（二）渗碳热处理
1．渗碳的定义及目的
钢的渗碳就是将工件放在渗碳介质中进行加热和保温，使活性碳原子渗入钢件表面，使其获得一定的碳的质量分数和一定质量分数梯度的工艺。渗碳的目的可使机器零件获得高的表面硬度、耐磨性、高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。
2．渗碳种类
根据所用渗碳剂在渗碳过程中聚集状态不同，渗碳的方法可以分为固体渗碳法、液体渗碳法和气体渗碳法。另外，在特定的物理条件进行的渗碳，还有真空渗碳、离子渗碳及真空离子渗碳等。
（1）气体渗碳 气体渗碳是指将工件置于密封的加热炉中，将其加热到900～950℃，再通入含碳的气体或滴人含碳的液体。使工件在这一温度下进行渗碳的过程。
① 渗碳介质：目前使用的渗碳介质，大致可分为两大类：一类是裂解性液体，如煤油、苯、丙酮、甲醇等，使用时直接滴入渗碳炉中。经裂解后可分解出活性碳原子；另一类是吸热性气体，如天然气、煤气、丙烷气等，使用时与空气混合，进行吸热反应，制成可控气氛，进行可控气氛渗碳。
② 碳原理：将工件装入渗碳炉中，滴入煤油、丙酮、甲醇或苯等液体，同时将渗碳炉加热到900～950℃；渗碳气氛在高温下可裂解出活性碳原子。 渗碳时，活性碳原子被钢表面吸收而溶入其高温奥氏体中，然后向内部扩散而形成渗碳层。在一定的渗碳温度下，渗碳层的深度取决于渗碳保温时间的长短。
3．渗碳钢的种类
渗碳钢大致可分为碳素渗碳钢和合金渗碳钢：渗碳钢中碳的质量分数一般约为O.1%～O.3%，其牌号主要是15钢和20钢。这类渗碳钢经渗碳及随后的淬火、回火处理，其表面硬度可以达到58～64HR，具有较好的耐磨性。但是由于这类渗碳钢的淬透性较低，只能适用于心部强度要求不高、承受负载较小的小尺寸零件，如衬套、链条片以及量具、夹具等。
合金渗碳钢由于是在低碳碳素钢的基础上，加入了各种不同化学成分的合金元素，如Cr、Mo、Ni、Mn、Ti、V等，可抑制奥氏体晶粒长大，提高淬透性和增加回火稳定性，所以，能改善渗碳钢的工艺性能。这类合金渗碳钢主要用于制作轴类、齿轮类、销杆类、链轮类等承受负载较大的零件。按照淬透性的大小，合金钢渗碳钢还可分为以下三类：淬透性一般的渗碳钢，如15Cr、20Cr和20MnV等；淬透性较好的渗碳钢，如20CrMo、20CrMnTi等；淬透性最好的渗碳钢，如12crNi3A、12Cr2Ni4A和18Cr2Ni4wA等。
渗碳用钢的选用应根据工件的服役条件及尺寸的大小来确定对承受一定冲击载荷、有一定耐磨要求的工件，如起重、采矿、运输等设备的普通齿轮，可选用20CrMo钢等；对承受重载及尺寸较大的工件，如大型轧钢机减速器齿轮、大型锥齿轮、坦克齿轮等，可选用12Cr2Ni4A钢等。
4．渗碳后的热处理及力学性能
工件经渗碳后，就成为表层高碳、心部低碳的一种工件。为了得到所需的力学性能，应进行适当的热处理。常见的渗碳后热处理工艺方法如下：
（1）直接淬火法 直接淬火法是将工件渗碳后，预冷到一定温度，然后立即进行淬火冷却的工艺方法，简称直接淬火法。该方法适用于气体渗碳或液体渗碳。固体渗碳由于工件装于箱内，出炉开箱都较困难，不宜采用直接淬火法。
直接淬火法的优点是：减少工件加热和冷却次数。简化操作，减少工件变形及氧化脱碳。其缺点是：渗碳时，需在较高的温度上停留较长的时间，这样容易发生奥氏体晶粒长大。对于本质细晶粒钢，在渗碳时不发生奥氏体晶粒的显著长大，可采用直接淬火。
（2）一次淬火法 是将渗碳后的工件在空气中或在缓冷坑中冷至室温，然后重新加热淬火的工艺方法。重新加热淬火温度应根据工件力学性能要求来确定。对心部强度要求较高的工件，淬火加热温度应选为稍高于Ac3的温度，这样可使心部晶粒细化，没有游离的铁素体，淬火后具有较好的强韧性。这对于表层渗碳层来说，先共析碳化物溶入奥氏体，淬火后残留奥氏体数量较多，硬度稍低。
对心部强度要求不高，而表面却要求有较高的硬度和耐磨性时，淬火温度可选为稍高于Ac1的温度。这样，渗碳层的先共析碳化物未完全溶解，而心部仍有大量未溶先共析碳化物，淬火后表面硬度、耐磨性较高，心部的强度、硬度较低。应当指出，采用这种淬火方法，必须是淬火前表面渗层无网状碳化物的情况，为了兼顾表面与心部的组织力学性能要求，可选用稍低于Ac3点的淬火加热温度，如820～850℃之间。
一次淬火法的优点是：工序较简单，便于操作，质量易于控制。缺点是：只能侧重提高心部或侧重改善表面性能，难以同时满足两者的要求。
（3）二次淬火法 二次淬火法是指将渗碳件进行两次加热淬火的工艺方法：第一次淬火加热温度选在Ac3+30～50℃以上，目的是细化心部的晶粒，并消除表层的网状碳化物。第二次淬火加热温度选在Ac1～Acm之间（760～800℃），目的是细化渗碳层中马氏体晶粒，获得隐晶马氏体、残留奥氏体及均匀分布的细粒状碳化物的渗层组织。
二次淬火法的优点是：表层和心部都能得到比较满意的组织和力学性能。其缺点是：工件加热冷却的次数多，周期长，成本高，易产生氧化、脱碳和变形等缺陷。不论采用哪种淬火方法，渗碳件在最终淬火后均应经180～200℃的低温回火。渗碳件经最终淬火和低温回火后，根据表面碳的质量分数、钢中的合金元素及淬火温度，渗碳淬火后的组织大致可分为两类：一类是从表面到心部的组织依次为马氏体+残留奥氏体一>马氏体一>心部组织；另一类是马氏体+残留奥氏体+碳化物一>马氏体+残留奥氏体一>马氏体一>心部组织。工件的心部组织在完全淬透的情况下为低碳马氏体，淬火温度较低或淬透性较差时，心部组织为马氏体+游离铁素体或托氏体+游离铁素体。
渗碳层的力学性能，取决于表面碳的质量、碳的质量分数梯度以及淬火后的渗层组织。渗碳层碳的质量分数是获得一定渗层组织的前提条件。通常要求渗层碳的质量分数梯度平缓，表面碳的质量分数控制在0.9％左右，残留奥氏体数量控制不大于15％（体积分数）。渗碳层中碳化物的数量、大小、形状和分布，对渗碳层的力学性能影响很大。表层粒状碳化物如果增多，就会提高表层的耐磨性和接触疲劳强度：但如果碳化物数量过多，并呈网状或条块状分布时，就会使冲击韧度、疲劳强度等性能变坏。
工件的心部硬度取决于心部的组织结构。心部硬度过高，会降低渗碳件冲击韧度；心部硬度过低，易出现心部屈服点低和渗层剥落现象。
（三）渗氮热处理渗氮热处理就是在一定温度下，使活性氮原子渗人工件表面，从而提高其硬度、耐磨性和疲劳强度的一种化学热处理方法：
1．渗氮工件的特点
（1）高硬度和高耐磨性 当采用含铝、铬的渗氮钢时，渗氮后表层的硬度可达1000～1200HV。相比而言，渗碳淬火后表层的硬度只有700～760HV。渗氮层由于硬度高，所以耐磨性也较高。尤其值得提出的是，渗氮层的高硬度可以保持到500℃左右。而渗碳层的硬度在200℃以上就会剧烈下降。
（2）高疲劳强度 这是由于渗氮层的残留应力比渗碳层大。试验证明，缺口试样渗氮后的疲劳强度可以与光滑试样渗氮后相媲美。
（3）变形小而规律性强 这是因为渗氮温度低，渗氮过程中工件心部没有发生相变，渗氮后又不需要任何热处理，能够引起工件变形的原因只有渗氮层的体积膨胀，所以其变形的规律性也较强。
（4）高的抗咬合性能 咬合是由于短时间缺乏润滑、过热的两个表面的相对运动产生的卡死、擦伤或焊合现象。工件的渗氮层因其具有高硬度和高温硬度，可使其具有较好的抗咬合性能。
（5）高的抗腐蚀性能 这种性能来自于渗氮层表面化学稳定性高而致密的化合物层，即通常所谓的白亮层。有时为了降低渗氮层的脆性而抵制了它的生成，工件的抗腐蚀性就不会提高。
渗氮工艺的缺点是：工艺过程时间较长，成本较高。如欲获得lmm深的渗碳层，渗碳处理仅需要6～9h，而欲获得O.5mm的渗氮层，渗氮处理常需要40～50h。另外，由于渗氮层较薄，也不能承受太大的接触应力。
第三章 常规热处理
培训学习目标：理解钢在加热和冷却过程中的组织转变，掌握钢件常规热处理的操作要领及工艺参数的选择原则，熟悉常用淬火介质的冷却能力及适用范围。
第一节 热处理的一般知识
一、奥氏体的形成过程及晶粒度的概念热处理是由三个基本环节：加热、保温和冷却组成。在大多数热处理工艺中，钢加热的主要目的是获得奥氏体组织。 因此，我们把将钢铁加热到Ac3或Ac1点以上，以获得完全或部分奥氏体组织的操作，称为奥氏体化。金属或合金在加热或冷却过程中，发生相变的温度，称为相变点（或临界点）。对于钢和铸铁，用A1、A3，和Acm。等表示平衡条件下的固态相变点。其中，A1表示加热时珠光体向奥氏体或冷却时奥氏体向珠光体转变的温度；A3表示亚共析钢加热时先共析铁素体完全溶入奥氏体的温度或冷却时先共析铁素体开始从奥氏体中析出的温度；Acm表示过共析钢加热时先共析渗碳体完全溶入奥氏体的温度或冷却时先共析渗碳体开始从奥氏体中析出的温度。一般条件下固态相变时，都有不同程度的过热度或过冷度。因此，为与平衡条件下的相变点相区别，而将在加热时实际的A1称为Ac1冷却时实际的A1称为Arl。加热时实际的A3，称为Ac3，冷却时实际的A3称为Ar3；加热时实际的Acm。称为ACcm冷却时实际的Acm称为Arcm。如图3-1所示。
图2-3-1 钢在加热（冷却）时临界点的位置
（1）奥氏体的形成机理
1．奥氏体形成的热力学条件人们经过长期实践和总结发现．自然界一切运动，总是从某种高能量不稳定状态，自发地转变为低能量稳定状态。例如，热量总是从高温物体传向低温物体；重物从高处落向低处；电流总是由高电位流向低电位、从热力学的观点来看，一切自发过程，都是从高吉布斯自由能状态过渡到低吉布斯自由能状态，也就是说钢加热时组织转变的推动力是奥氏体和旧相珠光体之间的吉布斯自由能之差。这里吉布斯自由能是表示系统状态的能量，与系统的内能、体积、压力、温度等有关。吉布斯自由能的大小表示系统的稳定程度。在等压等温的条件下，一切自发转变过程都是朝着吉布斯自由能减少的方向进行，一直进行到吉布斯自由能具有最低值为止。这个规律又称为最小吉布斯自由能原理。如图2-3-2所示，奥氏体吉布斯自由能随温度变化曲线的斜率大于珠光体吉布斯自由能随温度变化曲线的斜率，两曲线的相交点正是Fe—Fe3c相图中的A1点 。由图可见，在A1点两相吉布斯自由能相等，不能发生相变。只有在高于A1温度，奥氏体吉布斯自由能低于珠光体吉布斯自由能，才会发生珠光体向奥氏体的转变。这也正是钢加热形成奥氏体时必须要有一定过热度的原因。
2．奥氏体的形成过程由铁素体和渗碳体两相所组成的珠光体，加热温度稍高于Ac，时要转变为单相奥氏体。由于新形成的奥氏体和原来的铁素体及渗碳体的碳质量分数和晶格结构相差很大，所以珠光体转变成奥氏体的整个过程可以看成是由四个基本过程组成，即奥氏体晶核的形成、奥氏体晶核的长大、残留渗碳体的溶解和奥氏体成分的均匀化。
（1）奥氏体晶核的形成 奥氏体的晶核通常优先产生于珠光体中的铁素体与渗碳体的相界面上：这是因为两相界面处的原子排列较紊乱，位错和空位的密度较高，处于高能量状态，新相在此形核，则可能消除部分晶体缺陷，使系统的吉布斯自由能降低；另外，由于相界面处碳原子质量分数相差很大，有利于获得形成奥氏体晶核所必须的碳的体积分数。
图3-3-2 珠光体和奥氏体吉布斯自由能随温度的变化曲线
（2）奥氏体晶核的长大处于旧晶界上的奥氏体晶核，其一侧是铁素体，另一侧则是渗碳体，它的长大是依靠铁素体向奥氏体的转变和渗碳体不断溶入奥氏体进行的。一方面，由于铁素体和奥氏体同是铁的同素异构体，所以奥氏体晶核向铁素体一侧的长大，只需铁原子作短距离的迁移进行晶格改组，从体心立方晶格的铁素体转变成面心立方晶格的奥氏体即可，因此奥氏体晶核向铁素体一侧长大速度较快。只是铁素体中碳的质量分数极少，奥氏体向铁素体转变的同时，碳原子必须不断地由奥氏体向铁素体方向扩散，才能保持平衡。另一方面，渗碳体不是铁的同素异晶体，奥氏体向渗碳体方向的长大不能直接通过晶格的改组进行，而只能通过渗碳体的分解、溶入奥氏体方能实现。因此，奥氏体向渗碳体一侧的长大速度要慢一些。而渗碳体由于它的极高的碳含量，其溶入奥氏体正好提供了奥氏体不断向铁素体方向扩散所需的碳原子，这反过来又为渗碳体本身不断溶入奥氏体创造了条件。综上所述，铁素体晶格的改组、渗碳体的分解和溶入以及碳原子的扩散，使奥氏体的晶核得以不断长大，直至铁素体全部转变成奥氏体。
（3）残留渗碳体的溶解 由于渗碳体溶入奥氏体的速度比较慢，因此当铁素体转变成奥氏体后，还有少量渗碳体未溶入奥氏体。随着时间的延长，这部分残留渗碳体继续不断地溶入奥氏体，直至全部消失，变成单一的奥氏体晶粒。
（4）奥氏体成分的均匀化 由于原子的扩散需要一定的时间，所以当残留渗碳体刚刚溶解完时，奥氏体内部的成分是不均匀的，原先铁素体碳的质量分数低，原渗碳体处碳的质量分数高，因此只有再延长一些时间才能通过碳原子的扩散使奥氏体内部成分均匀。
另外，在先形成的奥氏体晶核长大的同时，总会不断有新奥氏体晶核形成、长大。
（二）影响奥氏体化的因素
1．温度的影响珠光体向奥氏体的转变遵循形核并长大的规律。实验表明，随着加热温度的升高，奥氏体的形核率和长大速度都急剧增加这是因为加热温度越高，珠光体与奥氏体的吉布斯自由能差越大，转变的动力越大；同时加热温度越高。奥氏体一铁素体相界面与奥氏体．渗碳体相界面之间的质量分数差加大，即Fe—Fe3c相图中Gs线与SE线之间的距离加大，这就增大了奥氏体中碳的质量分数梯度，加快了奥氏体的形核和长大速度；另外加热温度越高，原子的扩散能力越大，这也促使奥氏体形成速度加快。
2．成分的影响随着钢中碳的质量分数的增加。渗碳体的数量相应增加，而铁素体的数量却相应减少，使得铁素体和渗碳体的相界面总量增多而加速珠光体向奥氏体的转变；另外，随着奥氏体中碳的质量分数的增加，碳和铁原子的扩散能力将增大，这有利于残留渗碳体的溶解和铁素体向奥氏体的转变，也有利于加速奥氏体的均匀化。
钢中加入合金元素，并不改变加热时奥氏体形成的基本过程，但影响奥氏体的形成速度一除CO外，大多数合金元素都会减慢碳在奥氏体中的扩散速度，同时合金元素本身的扩散速度也很慢，某些强烈形成碳化物元素，如啊、V、Zr、Ni、Mo和W等，会在钢中形成特殊碳化物，其稳定性高于Fe3c，很难分解或溶入奥氏体中。所以合金钢奥氏体均匀化的过程大多比碳钢慢，需要较高的温度和较长的保温时间。
3．原始组织的影响对同一成分的钢，晶粒越细，原始组织越分散，即铁素体与渗碳体的相界面越多，奥氏体形成速度越快：另外，原始组织中渗碳体的形态对奥氏体的形成速度也有影响，片状珠光体比粒状珠光体转变速度快，因为前者比后者具有更多的相界面面积。
（三） 奥氏体的晶粒长大及其控制
1．奥氏体晶粒度的概念将钢加热到相变点（亚共析钢为Ac3，过共析钢为Ac1或Acm，） 以上某一温度并保温给定时间所得到的奥氏体晶粒大小，称为奥氏体晶粒度。一般分为八个标准等级，1～4级为粗晶粒，5～8级为细晶粒。
图3-3-3 钢的标准晶粒度等级示意图
根据奥氏体的形成过程和晶粒长大情况，奥氏体晶粒度可分为：起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度三种。起始晶粒度是指珠光体刚刚全部转变为奥氏体时的奥氏体晶粒度。它通常比较细小。当继续加热或保温时，它就要长大。实际晶粒度是指钢在实际生产中的具体加热条件下所获得的奥氏体晶粒度，它的大小直接影响工件的性能。而本质晶粒度是在规定的加热条件下（加热到930℃，保温3h或8h），所测得的奥氏体晶粒度。例如，某钢种在此条件下测得晶粒度为l～4级范围，则称其为本质粗晶粒钢；若测得晶粒度为5～8级，则称其为本质细晶粒钢。本质晶粒度并不指具体的晶粒，而仅仅是表现某种钢奥氏体晶粒的长大倾向。例如，本质细晶粒钢在热处理时就可选择较宽的加热温度，而本质粗晶粒钢就要严格控制加热温度，避免因加热时晶粒粗大使工件在热处理后性能变坏。
2．奥氏体晶粒长大及其影响因素奥氏体的起始晶粒一般都比较细小，小晶粒晶界多，晶界总面积大，界面能高，处于高能量状态．这就必然引起奥氏体小晶粒发展成大晶粒，以减少晶界，降低界面能。尽管奥氏体长大是一个吉布斯自由能降低的自发过程，但不同的外界因素可以在不同的程度上促进或抑制其长大过程的进行，这些影响因素主要有：
（1）加热温度的影响 由于奥氏体的晶粒长大是通过原子的扩散来实现的，而原子的扩散能力是随温度升高增大的。因此奥氏体的晶粒也将随温度的增高而急剧长大。
（2）保温时间的影响 在一定的加热温度下，奥氏体的晶粒将随着保温时间的延长而长大如图3-3-4所示，一开始晶粒随时间的延长长大得较快，然后逐渐减慢，到一定的时间后，即使再延长保温时间，也变化不大。所以，时间对晶粒的长大作用不如温度作用大。
（3）加热速度的影响 加热速度越大，过热度越大．形核率越高，奥氏体起始晶粒度越细也就是说，快速加热至高温，短时保温，亦可获得细晶粒组织：
（4）化学成分的影响 钢中碳的质量分数和合金元素都会对奥氏体晶粒长大有显著影响。
碳的质量分数的影响：在一定的加热温度和相同的加热条件下，当钢中碳的质量分数不超过一定的限度时，奥氏体晶粒长大倾向随钢中碳的质量分数的增大而增大，如图3-3-5所示：这是因为随着碳的质量分数的增加，碳及铁原子在奥氏体中的扩散速度增大，从而加速了奥氏体的晶粒长大从图中可以看出，对应于每一加热温度，都存在着一个晶粒长大最快的碳的质量分数，这就是该温度下碳在奥氏体中的最大溶解度。碳的质量分数一旦超过该体积分数时，就会形成过剩的二次渗碳体。成为晶粒长大的障碍物。阻止晶粒长大这正如图4-6所表示的那样，钢中碳的质量分数超过一定的数值后，奥氏体晶粒长大倾向又有减小的缘故。
合金元素的影响：凡是产生稳定碳化物的元素，如Ti、Ni、W、Ta,Mo及Cr。产生不溶于奥氏体的氧化物及氮化物的元素，如铝；促进石墨化的元素，如Si、Ni、Co以及在结构上自由存在的元素，如铜等，都会在不同程度上阻碍奥氏体晶粒的长大。而Mn和P，则有加速奥氏体晶粒长大的倾向Al是目前工业生产中，广泛用于控制奥氏体晶粒度的元素，用铝脱氧的钢中存在着高熔点的弥散的AlN质点，它阻碍奥氏体晶界的移动，从而细化了晶粒。一般钢中残留铝的质量分数约为0.02％～0.04％，即可获得本质细晶粒钢。总之，按照合金元素对奥氏体晶粒长大的影响，可以分为以下四类：
强烈阻止奥氏体晶粒长大的元素：V、Ti、Ni、zr、Al（少量）等。
中等程度阻止奥氏体晶粒长大的元素：W、Mo、Cr等：
稍许阻止奥氏体晶粒长大的元素：Si、Co、Ni、Cu等：
④ 促进奥氏体晶粒长大的元素：P、Mn等。
3．控制奥氏体晶粒长大及细化晶粒的措施奥氏体晶粒大小对冷却后钢的性能有明显影响，细小奥氏体晶粒冷却后组织的晶粒也细小，其力学性能较好，尤其是冲击韧度高。所以，在热处理加热过程中要控制奥氏体晶粒的长大。控制奥氏体晶粒长大的措施有：
（1）合理选择加热温度和保温时间 加热温度高一些，奥氏体形成速度就快一些，其晶粒长大倾向就越大，实际晶粒度也就越粗。延长保温时间，也会出现奥氏体晶粒的长大。但加热温度对奥氏体晶粒长大的影响，要比保温时间的影响显著得多，因此要合理选择加热温度。
（2）合理选择钢的原始组织 原始组织主要影响起始晶粒度。一般来说，原始组织越细，碳化物弥散度越大，所得到的奥氏体起始晶粒就越细小从晶粒长大原理可知，起始晶粒越细小，则钢的晶粒长大倾向越大．即钢的过热敏感性增大。在生产上较难控制。因此，在生产中对高碳工具钢一般要求其原始组织为碳化物分散度较小的球化退火组织，因为这种粒状珠光体组织不易过热。
（3） 合金元素的影响 晶粒的长大是通过晶界原子的移动来实现的。：加入合金元素，使其在晶界上形成十分弥散的化合物，如碳化物、氧化物、氮化物等等，这些弥散的化合物都对晶界的迁移起着“钉扎”作用，即机械阻碍作用，阻碍晶粒长大。另外，钢中加入硼及少量稀土元素，主要吸附在晶界上并降低晶界的能量，从而减小晶粒长大的动力，也可限制或推迟晶粒的长大。
细化晶粒的措施，可采用重结晶处理所谓重结晶，就是将固态金属及合金在加热（或冷却）通过相变点时，从一种晶体结构转变成另一种晶体结构的过程。在这里是指钢件加热到比临界点稍高的温度，使奥氏体重新形核并长大。实际生产中，工件经热加工（铸造、锻造、轧制、焊接等）后，往往晶粒粗大，力学性能降低对此，可用重结晶来细化晶粒。例如，对于有粗大晶粒的亚共析钢工件，可用完全退火或正火来细化晶粒。



图3-3-4 恒温下奥氏体的晶粒长大


图3-3-5 碳的质量分数对奥氏体晶粒长大的影响
二、过冷奥氏体的等温转变钢在冷却时，主要的冷却方式有两种：一种是等温冷却，另一种是连续冷却，如图下图所示：
1．过冷奥氏体等温转变图将高温奥氏体快速冷却到A1以下的某一预定温度等温，停留一时间并等其完成全部转变后，再以一定的方式冷却，这样的冷却方式称为等温冷却一属于这种冷却方式的有等温退火、等温淬火。由于其等温前的冷却速度很快，奥氏体被过冷到等温温度仍未发生变化，这种在共析温度以下存在的奥氏体。称为过冷奥氏体,钢经奥氏体化后冷却到相变点以下的温度区间内等温保持时，过冷奥氏体所发生的转变，称为等温转变。金属及合金在一定的过冷度或过热度条件下等温转变时，等温停留开始至相转变开始之间的时间，称为孕育期。
等温转变图，又称为奥氏体等温转变图，因其形状像英文字母“C”字，俗称“C曲线”，是表示过冷奥氏体在不同过冷度下的等温过程中，转变温度、转变时间与转变产物量（转变开始及终了）的关系曲线图。
第二节 退火、正火的目的及工艺参数的选择原则
（一）退火
1．退火定义
将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。
退火的实质是将钢加热奥氏体化后进行珠光体转变。退火后的组织，对亚共析钢通常是铁素体+片状珠光体；而对共析钢或过共析钢则是粒状珠光体。总之，退火组织是接近平衡状态的组织。
退火的目的主要有以下几点：
（1）降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。
（2）细化晶粒，消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的热处理作准备。
（3）消除钢中的内应力，以防止变形和开裂。
2．常用的退火方法及其工艺参数的选择原则
常用的退火方法有完全退火、球化退火、去应力退火、再结晶退火和均匀化退火等几种。
（1）完全退火完全退火又称重结晶退火，它是将工件加热完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡状态组织的热处理工艺。
完全退火主要用于亚共析钢，一般是中碳钢及低、中碳合金结构钢的锻件、铸件及热轧型材，有时也用于它们的焊接构件。完全退火不适用于过共析钢，因为过共析钢完全退火需加热到Ace。以上，在缓慢冷却时，渗碳体会沿奥氏体晶界析出，呈网状分布，导致材料脆性增大，给最终热处理留下隐患。
完全退火的加热温度通常推荐为：碳钢Ac3+30～50°C；合金钢Ac3+50～70°C；保温时间则要依据钢材的种类、工件的尺寸、装炉量、选用炉型等多种因素来确定。为了保证过冷奥氏体完全进行珠光体转变，完全退火的冷却必须是缓慢的，也就是说它的冷却曲线（右图中的V1，）应大致在700～650°C温度范围内通过奥氏体等温转变图上的转变区域。在实际生产中，为了提高加热炉的使用效率，当工件随炉冷至500°C左右即可出炉空冷，由奥氏体等温转变图可知，此时珠光体转变早已结束。
（2）球化退火 为使工件中碳化物球状化而进行的退火工艺。
即将钢材加热到Ac1以上20～30°C，保温一段时间，然后缓慢冷却，得到在铁素体的基体上均匀分布着球状或颗粒状碳化物的组织。
球化退火主要适用于共析钢和过共析钢，如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。这些钢经轧制、锻造后空冷所得组织是片层状珠光体与网状渗碳体，这样的组织硬而脆，不仅难以切削加工，而且以后淬火过程中也容易变形和开裂。而球化退火得到的是球状珠光体组织，其中的渗碳体呈球形颗粒，弥散分布在铁素体基体上。和片状珠光体相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易粗大，冷却时工件变形和开裂倾向小。另外，对于一些需要改善冷塑性变形（如冲压、冷镦等）的亚共析钢有时也可采用球化退火。
由于球化退火只是加热到略高于Ac1的温度，其奥氏体化是“不完全”的，只是片状珠光体转变成奥氏体，及少量过剩碳化物溶解。因此，它不可能消除网状碳化物。如过共析钢有网状碳化物存在，则必须在球化退火前先进行正火，将其消除，这样才能保证球化退火正常进行。
球化退火的工艺方法很多，常用的是以下两种：
（1）普通球化退火：将钢加热到Ac1以上20～30°C，保温适当时间，然后随炉缓慢冷却。冷却的速度应根据不同钢种在20-50°C％/h的范围内适当选择，当缓冷至500℃左右即可出炉空冷。
（2）等温球化退火：常用的球化退火工艺曲线示意图普通球化退火工艺同样的加热保温后，随炉冷却到略低于Ar1的温度进行等温，等温温度和等温时间随钢种而定。等温结束后随炉缓冷至500℃左右出炉空冷。和普通球化退火相比，不仅可缩短退火周期，而且可使球化组织均匀，并能严格地控制退火后的硬度。
（3）去应力退火 去除工件塑性变形加工、切削加工或焊接造成的内应力及铸件内存在的残留应力而进行的退火。
工件中存在的内应力十分有害，如不及时消除，将使工件在加工及使用过程中发生变形，影响工件精度。此外，内应力与外加载荷叠加在一起还会引起材料发生意外的断裂。因此，锻造、铸造、焊接以及切削加工后的工件应采用去应力退火，以消除加工过程中产生的内应力。
去应力退火的加热温度低于相变温度A1，因此在整个处理过程中不发生组织转变。内应力主要是通过工件在保温和缓冷过程中消除的。为了使工件内应力消除得更加彻底，在加热时应控制加热速度，一般是低温进炉，然后以100°C／h左右的加热速度加热到规定温度。焊接件的加热温度应略高于600°C，保温时间视情况而定，通常为2～8h。铸件去应力退火的保温时间宜取上限，冷却速度控制在20～50°C／h，冷至300℃以下才可能出炉。
（4）再结晶退火 再结晶退火又称为中间退火。它是指将冷塑性变形加工的工件加热到再结晶温度以上，保持适当时间，通过再结晶使冷塑性变形过程中产生的晶体学缺陷基本消失，重新形成均匀的等轴晶粒，以消除形变强化效应和残留应力的退火工艺。
再结晶退火就是利用材料冷塑性变形后，加热时的再结晶现象，使被拉长、压扁或破碎的晶粒变为均匀的等轴晶粒，来达到消除加工硬化，恢复塑变能力，以利于进一步变形加工的目的。
（5）均匀化退火 又称为扩散退火。以减少工件化学成分和组织的不均匀性程度为主要目的，将其加热到高温并长时间保持，然后缓慢冷却的退火工艺。
均匀化退火的加热温度，一般选在钢的熔点以下100～200°C，通常为1050～1150°C，保温时间一般为10～15h，以保证扩散充分进行，达到消除或减少化学成分或组织不均匀的目的。由于均匀化退火的加热温度高、时间长，晶粒必然粗大。为此，必须再进行完全退火或正火，使组织重新细化。
（二）正火
1．正火定义将工件加热到奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺称为正火。由于正火将钢材加热到完全奥氏体化状态，使钢材中原始组织的缺陷基本消除，然后再控制以适当的冷却速度，所以正火得到以索氏体为主的组织。正火与退火两者的目的基本相同，但正火的冷却速度比退火稍快，故正火组织比较细，它的强度、硬度比退火钢高。
由于正火能消除钢材中的一些缺陷，使组织更细，更均匀化，因此，也经常采用正火作预备热处理，为最终热处理创造良好的组织准备。
综上所述，正火的目的是：
（1）改善碳的质量分数较低的钢材的可加工性能。
（2）当中碳结构钢力学性能要求不高时，可代替调质处理作为最终热处理，起到简化工艺的目的。
（3）消除过共析钢的网状渗碳体。
（4）消除钢中缺陷，细化晶粒，改善组织，为最终热处理作准备。
2．正火工艺参数的选择原则正火的加热温度一般推荐为：亚共析钢是Ac3+30～50°C；过共析钢为Acm+30～50℃。在实际生产中，共析钢和过共析钢基本上采用此标准，因为这些钢若采用更高的加热温度，会使奥氏体晶粒过分粗大而破坏热处理后的性能。亚共析钢则不同，即便加热温度再高一些，奥氏体晶粒仍不会过分粗大，不会影响到热处理后的性能。因此，为了加快奥氏体化过程，减少加热时间，缩短生产周期，亚共析钢的实际正火温度会略高一些。正火的保温时间大致和完全退火相同。倘若选择较高的正火温度，则保温时间可略为缩短一些。正火是在空气中冷却。由于空气的冷却能力较其他介质（如水、油）弱，所以工件在空气中的实际冷却速度受其自身的尺寸影响较大。大截面工件冷却速度慢，有时甚至接近退火的冷却速度；小截面工件则有可能接近淬火的冷却速度。因此，正火后工件的组织和性能往往会在较大的范围内波动。有时根据要求亦可采取适当的方法予以调整，如大工件冷却速度不够，可采用加速空气的流动（如用鼓风机吹）来提高冷却速度；小工件则可采用堆垛在一起的方法适当降低冷却速度等。
第三节 退火和正火的选择
图3-3-6上标注了各种退火和正火的加热温度范围。尽管它们各自的加热温度不同，处理后的力学性能也有差异，但它们的目的大致相似，在实际生产中，有时是可以互相代替的。因此，我们可以从以下三个方面来考虑，更合理地选择和应用退火与正火。
硬度过高，难以加工，且刀具易于磨损；硬度太低，切削时容易“粘刀”，使刀具发热而磨损，且工件的表面不光。因此，作为预备热处理，低碳钢正火优于退火，而高碳钢正火后硬度太高，必须采用退火。


图3-3-6 碳钢的各种退火及正火工艺规范示意图
a）加热温度范围 b）退火及正火工艺规范
1．从使用性能上考虑对于亚共析钢工件来说，正火比退火具有较好的力学性能。如果工件的力学性能要求不高，则可用正火作为最终热处理。但当工件形状复杂时，由于正火冷却速度快，有引起开裂的危险，则采用退火为宜。
2．从经济上考虑正火比退火的生产周期短，成本低，且操作方便，故在可能的情况条件下优先采用正火。


图3-3-7 工件的不同加热方法
第四节 淬火、回火的加热方法、加热介质及加热参数的选择原则
（一）淬火
1．淬火的目的将工件加热到奥氏体后以适当方式冷却获得马氏体或（和）下贝氏体组织的热处理工艺，称为淬火。最常见的有水冷淬火、油冷淬火、空冷淬火等。
淬火的目的，是使过冷奥氏体进行马氏体（或下贝氏体）转变，得到马氏体（或下贝氏体）组织，然后配合以不同温度的回火，获得所需的力学性能。
2．淬火的加热方法随着工件在炉中加热方法的不同，其加热速度也有明显的差异，通常可采用如图3-3-7所示的五种加热方法。(1)图a所示：工件随炉升温，这种方法所需时间最长，加热速度最慢，但加热过程中工件表面与心部的温差最小。
(2)图b所示：即到温加热，是将工件预先放人已加热到要求温度的炉子中进行加热，其加热速度快于前者，工件表面与心部的温差也大于前者。
(3)图c所示：即超温装料，装炉时炉温已高于所要求的温度，装炉后，由于冷工件吸收热量，炉温逐渐降到所要求的温度。此种方法加热速度更快一些，工件表面与心部温差也更大一些。
(4)图d所示：即超温加热，在炉温始终高于加热温度较多的情况下加热，直到工件达到预定的加热温度。这种加热方法加热速度最快，工件表面与心部温差也最大。
(5)图e所示：即分段预热，先将工件在某一个中间温度进行预热，然后再放人已加热到要求温度的炉中加热。这种加热方法总加热时间比随炉加热短，而工件表面与心部温差也不大。
火加热方法的选择原则是：一般的低、中碳钢工件，视工件厚薄可采用现有加热设备能达到的较快加热速度（如到温加热、超温装料或超温加热）进行加热；铸锻件在其锻后及铸造后的热处理加热时，由于工件内部存在着锻造及铸造应力，因而要控制加热速度，一般采用低温入炉，随炉升温的方法进行加热；大截面工件内部易存在化学成分偏析、夹杂、组织不均匀等缺陷及有较大内应力，高碳钢及高合金钢导热性差，表面和心部温差大，导致热应力大，厚薄相差悬殊及形状复杂工件，易产生应力集中，造成变形和开裂，这三类工件应严格控制加热速度，采用分段预热的加热方法。
3．淬火的加热介质淬火一般是最终热处理，工件大多不再进行成形加工，只留有很少的加工余量进行精磨工序或完全不再加工。这就要求在淬火过程中，工件不仅应有最小的变形，而且应使表面不产生或少产生氧化、脱碳现象。氧化脱碳的产生与加热介质有密切关系，所以应严格控制淬火加热介质，减少氧化脱碳，以保证工件的淬火质量。
常用的淬火加热介质，有空气、熔盐、保护气氛、真空等。
（1）空气箱式、井式等电阻炉的加热介质多为空气，加热温度越高，保温时间越长，氧化、脱碳越严重。氧化从200cC时就开始发生，脱碳一般在600qC以上发生。常用的防止氧化、脱碳的方法，有涂料保护法、装箱法和控制气氛法。
①涂料保护法：将工件表面涂以防氧化、脱碳的保护涂料，然后装炉加热。
②装箱法：用木炭或铸铁屑覆盖再装入箱中的工件周围，加盖密封，然后在炉中加热。
（2）熔盐工件在各种熔盐介质中加热，不与空气接触，具有加热速度快，氧化、脱碳倾向小，并可局部加热。
（3）真空将工件置于真空炉中加热，由于真空炉中气体稀薄，压力低于大气压，炉内氧化性与脱碳性气体极少，可达到保护工件不被氧化、脱碳的目的：此外，真空热处理还具有工件变形小，无污染，劳动条件好，可实现光亮淬火等优点：


图3-3-8 碳钢的淬火加热温度范围
4．淬火加热温度淬火加热温度，是根据钢的化学成分、组织和不同的力学性能要求来确定的。其基本原则是：亚共析钢—Ac3+30～50℃；共析钢和过共析钢—Ac1+30～50°C。如图3-3-8所示；
（1）亚共析钢 亚共析钢若选用低于Ac3的温度，则此时钢尚没完全奥氏体化，还存在有部分未转变的自由铁素体。在随后的淬火冷却过程中．只有奥氏体转变成马氏体，而那些未转变的铁素体仍然保留在淬火组织中。铁素体的硬度较低，从而使淬火后的硬度达不到要求，同时也会影响其他力学性能。若将亚共析钢加热到远高于Ac3温度淬火，则奥氏体晶粒会显著粗大．而恶化淬火后的力学性能：所以，亚共析钢淬火只能选择略高于A。，温度，这样既保证完全充分奥氏体化，又保持奥氏体晶粒的细小。生产中在保证晶粒不粗大的情况下，可采用比Ac3+30～50％稍高一些的温度（再提高20℃左右）：
（2）过共析钢 过共析钢的淬火加热温度不能低于Ac1，因为此时钢材尚未奥氏体化。过共析钢加热到略高于Ac1温度时，珠光体完全转变成奥氏体，并有少量渗碳体溶入奥氏体：此时奥氏体晶粒还较细小，且其碳的质量分数已稍高于共析成分（0.77％）。如果继续升高温度，则二次渗碳体不断溶入奥氏体，致使奥氏体晶粒不断长大，其碳的质量分数不断升高，会导致淬火变形倾向增大，淬火组织显微裂纹增多及脆性增大。同时由于奥氏体碳的质量分数过高，使淬火后残留奥氏体数量增多。降低工件的硬度和耐磨性一因此，过共析钢的淬火加热温度高于Ac1太多是不合适的。加热到完全奥氏体化的Accm或其以上湿度就更不可取了。
过共析钢的淬火加热温度。一般推荐为Ac1+30～50°C 实际生产中还可根据情况适当提高20℃左右在此温度范围内加热，其组织为细小晶粒的奥氏体和部分细小均匀分布的未溶碳化物淬火后除了极少量残留奥氏体外，其组织为片状马氏体基体上均匀分布着细小的碳化物质点，这样的组织硬度高．耐磨性好，并且脆性相对较少。
在具体选择钢的淬火加热温度时，除了遵守上述的一般原则外，还应考虑工件的化学成分、技术要求、尺寸形状、原始组织以及加热设备、淬火介质等诸多因素的影响，对加热温度予以适当调整如对合金钢工件而言。通常取推荐温度的上限或更高温度而对于形状复杂、易变形开裂的碳钢工件，则应取推荐温度的下限，以减少淬火应力。表A—l是部分常用钢的淬火加热温度。
表A-1 常用钢淬火加热温度钢号
临界点
Ac330～50°C
Ac1+30～50°C
生产中常用淬火加热温度
AC3
AC3
35
802
732
832～852
762～782
850～870
45
780
724
810～830
754～774
830～860
50
760
725
790～810
755～775
810～830
35SiMn
830
750
860～880
780～800
860～890
35CrMo
800
755
830～850
785～805
830～870
40Cr
782
743
812～832
773～793
830～860
40MnVB
774
730
804～824
760～780
830～870
5,淬火保温时间
为了使工件内外各部分均完成组织转变、碳化物溶解及奥氏体的成分均匀化，就必须在淬火加热温度保温一定的时间，在具体生产条件下，工件保温时间应根据工件的有效厚度来确定，并用加热系数来综合的表述钢的化学成分、原始组织、工件的形状尺寸、加热设备及加热介质等多种因素的影响。估算保温时间的经验公式为
t = a K D
式中 t——加热时间（m_n）；
a——加热系数（mifl／mm）；
K——装炉修正系数；
D——工件有效厚度（mm）。
加热系数a表示工件单位厚度所需要的加热时间，其大小与工件尺寸、加热介质及化学成分有关。一般工件的尺寸越大，则加热系数也越大；盐浴炉的加热速度比箱式炉要快，因此加热系数也就要小一些；合金元素的加入使奥氏体形成时间延长及钢的导热性下降，所以合金钢特别是高合金钢的加热系数要适当增加。a值的大小一般可通过查阅相关热处理手册获得。装炉修正系数K是考虑装炉量的多少而确定的系数，装炉量大时，其取值也大，一般由经验确定：
工件有效厚度D可按下述方法确定：
（1）圆柱体以其直径作为有效厚度。
（2）板件以其厚度作为有效厚度。
（3）矩形截面工件以其短边作为有效厚度。
（4）筒类工件以其壁厚作为有效厚度。
（5）锥体以离小头2/3长度处的直径作为有效厚度。
（6）球体以其直径的O.6倍作为有效厚度。
（7）形状复杂工件按工作部分厚度计算，或按几处主要截面部位的平均厚度计算。
（二）回火
1．回火的目的回火就是将淬火后的工件加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。
回火的目的是：合理地调整力学性能，使工件满足使用要求；稳定组织，使工件在使用过程中不发生组织转变，从而保证工件的形状、尺寸不变；降低或消除内应力，以减少工件的变形并防止开裂。
2．回火的分类淬火钢回火后的力学性能主要由回火温度决定。根据工件力学性能要求的不同，可选用不同的回火规范。钢的回火按照回火温度的不同，可以分为低温回火、中温回火及高温回火。
（1） 低温回火 将淬火工件加热到150—250℃回火，可得到回火马氏体组织。其目的是降低内应力，减少脆性和变形，使工件保持高硬度和高耐磨性。主要用于刀具、量具、拉丝模、滚动轴承以及其他要求硬而耐磨的工件，回火后硬度一般大于55HRC。
（2） 中温淬火 将淬火工件加热到250～500℃回火，可获得回火托氏体组织。其目的是提高工件的冲击韧度，使工件具有高弹性和高屈服点。主要用于弹性工件及热锻模等，硬度一般在35～501-HRC范围内。
（3） 高温回火 将淬火工件加热到500～700℃回火，习惯上将淬火加高温回火的工艺称为调质处理，可获得回火索氏体组织。使工件具有较低的硬度、适当的强度和较高的塑性及韧性。调质处理广泛应用于受力构件，如螺栓、连杆、齿轮、曲轴等工件，还可作为工件表面淬火、渗氮前的预备热处理，硬度一般在25～40HRC。
1．回火方法根据不同的条件，回火可在各种盐浴炉、鼓风加热烘箱或井式回火炉中进行，高温回火也可在箱式炉中进行。
一般情况下，将工件整体放人回火炉中进行回火。有时工件的不同部位需要不同的硬度，应采用局部回火。
局部回火有两种方法：一种是整体硬度较高而局部硬度较低、回火温度高的，在高温下进行局部回火，然后整体进行低温回火；另一种是用高频感应加热或火焰加热局部快速回火，还可以利用工件淬火后心部热量外传进行自行回火。
2．回火工艺参数的选择原则回火工艺参数主要有回火温度、回火时间及回火后的冷却三个方面。
（1）回火温度 工件的力学性能要求（如硬度、强度、塑性、韧性等）是选择回火温度的依据：实际生产中，由于硬度检查简便易行，且硬度和强度在一定范围内有着对应关系，因此常以硬度要求来确定回火温度。实践证明，只要材料选择正确，工艺合理，回火后达到要求硬度，其他力学性能（如塑性、韧性等）一般均能满足使用要求。
（2）回火时间 回火需保温一定的时间，目的是使工件心部与表面温度均匀一致，保证组织转变的充分进行，以及淬火应力得到充分消除：如果回火时间过短，则会导致回火不充分，使得一些高碳钢工件在磨削时出现裂纹，刀具及模具等则会在使用时容易产生崩刃现象，也会使一些精密零件在使用一段时间后发生形状和尺寸的变化；但回火时间过长则会提高成本，降低设备使用率：因此，回火时间的确定，必须考虑工件的有效尺寸、回火温度以及加热介质等因素。
（3）回火冷却 一般工件回火、出炉后在空气中冷却；有回火脆性的工具钢，回火后应在油中或水中冷却，但应防止变形和开裂；冷后形成的残留应力，必要时可再进行一次低温回火加以消除。
复 习 思 考 题
金属材料是如何分类的？
金属材料有哪些性能？
什么是金属材料的物理性能？它们都包括哪些内容？
什么是金属材料的化学性能？它们都包括哪些内容？
什么是金属材料的工艺性能？它们都包括哪些内容？
什么是金属材料的力学性能？它们都包括哪些内容？
热传递的基本方式有几种？分别是什么？
传热的一般规律是什么？
淬火的目的是什么？
回火的目的是什么？
回火的目的是什么？
感应淬火的特点是什么？