第一章鐵碳合金
第一節合金及其組織
一、 合金的基本概念
1、 合金
合金是以一種金屬為基礎，加入其它金屬或非金屬，經過融合而獲得的具有金屬特性的材料，即合金是由兩種或兩種以上的元素所組成的金屬材料。例如，工業上廣泛應用的鋼鐵材料就是由鐵和碳組成的合金。與純金屬相比，合金具有更好的力學效能，可通過調整組成元素之間的比例，獲得一系列效能各異的合金，來滿足工業生產對材料不同效能的要求。
2、 組織
合金的組織可分為固溶體、金屬化合物和混合物三類。
第二節鐵碳合金的基本組織與效能
鋼鐵是現代工業中應用最廣泛的合金，它們均是以鐵和碳為組元的合金，所以程鐵碳合金。由於鋼鐵材料的成分含碳量不同，因此其組織、效能和應用場合也不同。鐵碳合金的基本組織有五種，分別是鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體。
一、 鐵素體 f
碳在α-fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用符號f表示。碳在α-fe中的溶解度很低，因此，鐵素體的機械效能與純鐵相近，其強度、硬度較低，但具有良好的塑性、韌性。
二、奧氏體 a
碳在γ-fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用符號a表示。奧氏體由於是在高溫狀態下存在的麵心立方晶體結構，晶格間隙較大，奧氏體溶碳能力比較強，在1148度溶碳能力可達2.11%，隨著溫度的下降，溶解度逐漸減小，在727度時溶碳能力為0.
77%。奧氏體存在於727度以上的溫度範圍，無室溫組織。
奧氏體強度、硬度不高，但具有良好的塑性，尤其是具有良好的鍛壓效能。
鋼材的鍛造溫度都不一樣普碳鋼一般1000度左右不鏽鋼在650度左右太高了就不能打了
三、滲碳體
滲碳體是一種具有複雜晶體結構的間隙化合物，它的分子式為fe3c，滲碳體既是組元，又是基本相。滲碳體是含碳量為6.69%的鐵與碳的金屬化合物。
滲碳體的效能特點是：高熔點（1227），高硬度（950-1050hv），塑性和韌性幾乎為零，脆性極大。滲碳體是鋼中的主要強化相，在鋼或鑄鐵中可以片狀、球狀或網狀分布。
其分布形態對鋼的力學效能影響很大。在適當的條件下（如高溫長期停留或極緩慢冷卻），滲碳體可分解為鐵和石墨狀的自由碳，這對鑄鐵的形成過程具有重要意義。
四、珠光體
它是鐵素體與滲碳體薄層片相間的混合物，用符號p表示。它是滲碳體和鐵素體片層相間、交替排列形成的混合物。如圖所示：
白色為鐵素體機體，黑色線條為滲碳體。在緩慢冷卻條件下，珠光體的含碳量為0.77%，由於珠光體是由硬的滲碳體和軟的鐵素體組成的混合物，因此其力學效能是，強度適中，硬度適中，具有一定的塑性。
五、萊氏體
用符號ld表示，奧氏體和滲碳體的混合物。由於萊氏體的基體是滲碳體，所以效能接近於滲碳體，硬度很高，塑性很差。
第三節鐵碳合金相圖
鐵碳合金相圖是表示在緩慢冷卻（或緩慢加熱）條件下，不同成分的鐵碳合金的狀態或組織隨溫度變化的圖形。鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的基礎，是研究鐵碳合金的成分、溫度和組織之間的關係的圖形。
一、 鐵碳合金相圖的組成
因為實際應用的鐵碳合金，含碳量一般不會超過5%，含碳量很高的材料脆性很大，難以加工，沒有實用價值。因此，實際的鐵碳相圖中含碳量在0%--6.69％的部分。
而這部分的鐵碳化合物只有fe3c，故鐵碳合金相圖也可認為是fe-fe3c相圖。
為了方便相圖掌握和分析fe-fe3c，將相圖上實用意義不大的部分省略，經簡化後的fe-fe3c相圖如圖3-9所示。圖中縱座標為溫度，橫座標為含碳量的質量百分數。
二、fe—fe3c合金相圖中特性點、線的含義及各區域內的組織
1、主要特性點
下邊是fe—fe3c合金相圖中的八個特性點及溫度、含碳量和含義
點為共晶點合金在平衡結晶過程中冷卻到1148℃時。點成分的發生共晶反應，生成點成分的和。共晶反應在恆溫下進行，反應過程中、、三相共存，反應式為： 或。
共晶反應的產物是與的共晶混合物，稱萊氏體，用符號表示，所以共晶反應式也可表達為： 。
萊氏體組織中的滲碳體稱為共晶滲碳體。在顯微鏡下萊氏體的形態是塊狀或粒狀（727℃時轉變為珠光體）分布在滲碳體基體上。
點為共析點合金在平衡結晶過程中冷卻到727℃時點成分的發生共析反應，生成點成分的和。共析反應在恆溫下進行，反應過程中、、三相共存，反應式為： 或
共析反應的產物是鐵素體與滲碳體的共析混合物，稱珠光體，用符號表示，因而共析反應可簡單表示為：
中的滲碳體稱為共析滲碳體。在顯微鏡下的形態呈層片狀。在放大倍數很高時，可清楚看到相間分布的滲碳體片（窄條）與鐵素體片（寬條）。
如下圖左為高倍放大後的珠光體x3000，右圖為低倍放大後的珠光體x500.
2、主要特性線
三、鐵碳合金的分類
一）白口鑄鐵
白口鑄鐵中的碳幾乎全部以fe3c形式存在，斷口呈銀白色，效能硬而脆，很難進行切削加工，工業上極少用來製造機械零件。主要用作煉鋼原料或用於可鍛鑄鐵的毛坯。
（二）灰口鑄鐵
灰口鑄鐵中的碳大部分或全部以自由狀態的石墨形式存在，斷口呈暗灰色。根據灰口鑄鐵中石墨存在形式不同，它又可分為普通灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵等。
白口鑄鐵中碳以滲碳體形式存在，灰口鑄鐵中碳以片狀石墨形式存在。灰口鑄鐵就是普通灰鑄鐵。可鍛鑄鐵有黑心和白心之分，球墨鑄鐵的斷口與灰鑄鐵明顯不同，不能算是灰口。
「白口鐵」其主要成分為「鐵三碳」結構為馬氏體，硬度可達洛氏60度以上，很脆，機械行業幾乎不用，常見的火爐子的「爐口」「爐篦子」，那是「白口鐵」。機加工常見的是，灰口鑄鐵，球墨鑄鐵，可鍛鑄鐵。白口鑄鐵含碳量偏低。
四、鐵碳合金的成分、組織與效能的關係
分析鐵碳合金的室溫組織發現，隨含碳量的不同，其組織不同，其中珠光體和低溫萊氏體由鐵素體和滲碳體組成，因此可認為鐵碳合金的室溫組織都是由鐵素體和滲碳體組成，但含碳量不同時，鐵素體和滲碳體的相對量會有變化。含碳量越高，鐵素體數量越少，而滲碳體數量越多。
鐵碳合金的成分不僅對其組織有影響，對其效能也有影響。含碳量越高，鋼的強度、硬度越高，塑性、韌性越低，在鋼經過熱處理後表現尤為明顯。這主要是因為含碳量越高，鋼中的硬脆相fe3c越多的緣故。
當含碳量超過0.9%時，由於脆而硬二次滲碳體沿晶界析出，隨二次滲碳體數量增加，形成網狀分布，將鋼中的珠光體組織割裂開來，使鋼的強度有所降低。因此，對於碳素鋼及低、中合金鋼來說，其含碳量一般不超過1.
3%。五、鐵碳合金相圖的應用
鐵碳合金相圖表明含碳量不同時，其組織、效能的變化規律，也揭示了相同成分不同溫度時組織和效能的變化規律。這為生產實踐中的選材、熱處理工藝的制定提供了依據。
1、作為選材的依據
碳対鐵碳合金的組織和效能有著重大的影響。不同成分的鐵碳合金在機械效能和工藝效能的方面有極大的差異。
在設計和生產中，通常是根據機械零件和工程構件的使用效能來選擇鋼的成分，例如，要求塑性、韌性及焊接效能好，但強度、硬度要求不高時，應用低碳鋼；而機器的主軸或車輛的轉軸要求有較強的綜合性能，應選用中碳鋼。車刀、鑽頭等工具應選用高碳鋼。白口鑄鐵中因有萊氏體的存在而具有很高的硬度和耐磨性，但脆性大，難以加工，其應用受到一定限制。
通常可作為生產可鍛鑄鐵的原料或直接鑄成不受衝擊而耐磨的軋輥、犁鏵等。
2、在熱處理工藝上的應用
從fe- fe3c相圖可知，鐵碳合金在固態加熱或冷卻過程中均有相的變化，所以鋼和鑄鐵可以進行有相變的退火、正火、淬火和回火等熱處理。此外，奧氏體有溶解碳和其它合金元素的能力（如固溶、滲碳），而且溶解度隨溫度的提高而增加，這就是鋼可以進行滲碳和其它化學熱處理的緣故。
3、 在鍛造工藝上的應用，
鋼在室溫時組織為兩相混合物，塑性較差，變形困難。而奧氏體的強度較低，塑性較好，便於塑性變形。因此在進行鍛壓和熱軋加工時，要把坯料加熱到奧氏體狀態。
加熱溫度不宜過高，以免鋼材氧化燒損嚴重，但變形的終止溫度也不宜過低，過低的溫度除了增加能量的消耗和裝置的負擔外，還會因塑性的降低而導致開裂。所以，各種碳鋼較合適的鍛軋加熱溫度範圍一般是：始鍛軋溫度為固相線以下100~200℃；終鍛軋溫度為750~850℃。
對過共析鋼，則選擇在psk（ac1）線以上某一溫度，以便打碎網狀二次滲碳體。
4、在鑄造生產中的應用
根據fe- fe3c相圖的液相線，可以找出不同成分的鐵碳合金熔點，從而確定合適的融化溫度和澆注溫度。如圖給出了鋼和鑄鐵的澆注區。可以看出鋼的融化溫度與澆注溫度均比鑄鐵高。
而鑄鐵中靠近共晶成分的合金不僅熔點低，而且凝固溫度區間小，有較好的鑄造流動性，適於鑄造。
第二章鋼的熱處理
第一節 、熱處理的原理及分類
所謂鋼的熱處理，就是對固態的金屬或合金採用適當的方式進行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需要的組織結構與效能的工藝。熱處理工藝過程可用以溫度—時間為座標的曲線表示。如下圖示：
通過適當的熱處理，不僅可用提高和改善鋼的使用效能和工藝效能，而且能充分發揮材料的效能潛力，延長零件的使用壽命，提高產品的質量和經濟效益，因此，熱處理工藝在機械行業中的應用極為廣泛。
以下為鋼的常用熱處理分類
1、 常規熱處理：退火、正火、淬火、回火
2、 表面熱處理：a、表面淬火
b、化學熱處理：滲碳、滲氮、碳氮共滲
第二節 、鋼在加熱及冷卻時的組織轉變
熱處理之所以能使鋼的效能發生變化，其根本原因是由於鐵具有同素異構轉變的特性，從而使鋼在加熱和冷卻過程中發生組織和結構上的變化。
在熱處理過程中，由於加熱、保溫和冷卻方式的不同，可以使鋼發生不同的組織轉變，從而可根據實際需要獲得不同的效能。
一、鋼在熱處理加熱與保溫時的組織轉變
——鋼熱處理加熱的目的是獲得部分或全部奧氏體，組織向奧氏體轉變的過程稱奧氏體化。
加熱至ac1以上時：首先由珠光體轉變成奧氏體（p → a）；
加熱至ac3以上時：亞共析鋼中的鐵素體將轉變為奧體（f → a）；
加熱至accm以上時：過共析鋼中的二次滲碳體將轉變成奧氏體（fe3ci → a）
1、奧氏體的形成過程
共析鋼奧氏體化：熱處理加熱至ac1以上時，將全部奧氏體化，過程如下圖。
亞共析鋼奧氏體化：原始組織為f+p，加熱至ac1以上時，p先奧氏體化，組織部分奧氏體化；加熱至ac3以上時，f奧氏體化，組織全部奧氏體化
過共析鋼奧氏體化：原始組織為p+fe3c，加熱至ac1以上時，p先奧氏體化，組織部分奧氏體化；加熱至acm以上時，fe3c奧氏體化，組織全部奧氏體化
2、奧氏體的晶粒大小
奧氏體晶粒對效能影響：奧氏體的晶粒越細小、均勻，冷卻後的室溫組織越細密，其強度、塑性和韌性比較高。
[奧氏體的晶粒度]：晶粒度是指多晶體內晶粒的大小，可以用晶粒號、晶粒平均直徑、單位面積或單位體積內晶粒的數目來表示。gb/t8493-1987將奧氏體晶粒分為8個等級，其中1~4級為粗晶粒；5~8級為細晶粒。
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