作者：徐勇军
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
模具材料基础及选用试读：
高等职业教育机械设计制造类专业规划教材模具材料基础及选用徐勇军 主 编刘志凌 曾 锋 副主编内容简介本教材从高职学生实际应用的角度出发，将模具材料知识、金属材料知识、热处理知识、模具失效分析及修复知识进行有机结合，使得学习者学习后能合理地进行模具钢的选择和模具失效后的修复。主要内容包括模具材料概述、模具钢的热处理、金属材料的介绍、冷作模具材料、热作模具材料、塑料模具材料、进口模具钢、模具的表面工程技术、模具失效分析及修复等。
本书可作为高职高专院校模具设计与制造专业学生的教材，也可供机械等相关专业，以及从事模具设计与制造和应用模具的技术人员阅读。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。
图书在版编目（CIP）数据
模具材料基础及选用/徐勇军主编.—北京：电子工业出版社，2012.7
高等职业教育机械设计制造类专业规划教材
ISBN 978-7-121-17428-5
Ⅰ.①模… Ⅱ.①徐… Ⅲ.①模具－材料－高等职业教育－教材 Ⅳ.①TG76
中国版本图书馆CIP数据核字（2012）第135781号
策划编辑：王昭松
责任编辑：郝黎明 文字编辑：裴 杰
出版发行：电子工业出版社
北京市海淀区万寿路173信箱 邮编 100036
开 本：787×1092 1/16 印张：15 字数：384千字
印 次：2012年7月第1次印刷
印 数：3000册 定价：28.00元
凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。
质量投诉请发邮件至zlts@phei.com.cn，盗版侵权举报请发邮件至dbqq@phei.com.cn。
服务热线：（010）88258888。绪 论
1．模具材料现状与发展
近年来，伴随着制造业的迅速发展，我国的模具工业一直以每年15%左右的增速快速发展，在世界模具产值中所占比例显著提高，其中，大型、精密、复杂、长寿命模具和模具标准件发展速度高于行业的总体发展速度，塑料模和压铸模比例增大。模具材料的选用、制造精度、制造质量、制造周期、生产成本、使用寿命等，将直接影响工业产品的质量、生产率、生产成本和产品更新换代的速度，并最终影响产品的市场竞争力。模具制造的首要问题是模具材料。制造模具及其零件的材料有很多，如钢，铸铁，非铁合金及其合金、高温合金、硬质合金、钢结硬质合金、有机高分子材料、无机非金属材料、天然或人造金刚石等。但其中钢是用得最多、应用范围最广的材料。
1）模具材料的应用现状
目前，我国模具钢的产量已跃居世界前列。经过几次钢种整顿的标准修正，在GB/T1299—2000《合金工具钢》标准中包含了37个钢种，基本上形成了我国特色的模具钢系列。据冶金工业联合会调研，我国模具钢按照使用状态主要分为：塑料模具钢，约占60%；冲压模具钢，约占20%；压铸模具钢，占6%～8%。虽然近几年我国模具钢制造水平取得了长足的进步，但我国合金模具钢与美、日、法及瑞士等国际先进水平相比还存在一定的差距，在品种、质量、尺寸规格及性能等方面都难以满足市场需求。主要表现如下：（1）模具钢品种、规格不全，低档次较多，高档次较少。高质量、高性能模具钢的品种较少。从品种方面，尚未形成塑料、玻璃、建材、陶瓷等专用的模具钢系列。钢材中扁钢、模块、精料制品比例比较低，钢材的利用率较国外低10%左右。为满足制造大型、精密、复杂、高寿命模具的需要，国外发展预硬化钢，而国产钢基本上停留在退火阶段或热轧状态供货，并且供货周期较长，这是我国家电行业大量进口模具钢的主要原因。（2）模具钢的专业化生产程度较低。钢材的质量、性能稳定性较差，外观质量较差。中国模具钢分散在几十个企业生产，大部分生产厂家的生产工艺装备不配套，特别是后部工序，深加工设备落后，从而制约国产模具钢质量和性能的提高。（3）模具钢供销渠道有待畅通。模具制造多为单件或小批量生产，并具有所需钢材的品种多、规格多、数量少、需求供货及时的行业特点，与冶金厂的批量生产有矛盾。国外通过钢材商店可随时解决零售问题。国内近几年来也出现了部分代理商、钢材商店等中间销售环节，但在模具钢销售的服务意识和水平与国外先进水平还有一定差距，影响了国产模具钢的推广和应用。（4）生产工艺和装备方面相对落后。特殊钢的质量控制、检测手段落后，缺乏热处理深度加工和在线质量检验设备。缺少生产高性能粉末冶金模具钢的设备。缺乏专业化生产的模具钢生产线和模具钢开发中心。
2）模具材料的发展趋势
随着我国制造业的迅速发展，各种新技术、新材料的不断涌现，模具的工作条件日益苛刻，对模具材料的性能和品质等方面提出了更高的要求。近年来，我国开发了许多具有不同特性的、适应不同要求的新型模具材料，在材料品种、冶金质量、生产工艺和生产装备等方面取得了较大的进步。为了满足制造业发展的需要，模具材料的主要发展方向综述如下：（1）制造和引进更加先进的各种类型的模具材料，并进一步完善系列化、标准化，以满足各类型模具的用材需求。（2）模具材料的品种规格向多样化、精料化、制品化发展。近年来，在模具的设计和制造过程中，广泛采用CAD和CAM技术，使得材料利用率和模具的生产效率大大提高，制造周期大为缩短。为了进一步提高模具的材料利用率和生产效率，降低模具的生产成本，满足我国制造业发展的需要，首先是对模具制造需要的各种各样的扁钢和厚钢板进行标准化和系列化，并制定出详细的技术规范。例如，锻造扁钢、热轧扁钢、热轧板材、冷拉扁钢和圆钢等均由专业模具钢厂供应，稍作裁切即可直接使用。其次是模具材料日趋精料化，即由模具钢厂直接供应经过机械加工的高精度、无热处理缺陷的各种规格和各种材质的精料。再次是向制品化方向发展。对于常用的模具零部件，如模板、模块、导套、导柱、推杆、顶杆等制品，由专业钢厂批量生产，可确保热处理质量和精度要求。（3）模具钢性能高级化。首先要进一步提高模具钢的冶炼质量，高纯度的模具钢，不但可以提高钢的性能，还可以提高钢材的内在质量，从而延长模具的使用寿命。经研究表明，钢中硫、磷的质量分数从0.03%降到0.01%以下，冲击韧度可提高一倍以上。其次是生产等向性模具钢，使钢材的横向性能与纵向性能接近，当模具受到多向应力时不至于某个方向过早失效而影响使用寿命。
总之，今后我国模具钢技术的发展方向，主要是积极发展国际技术合作，发展高质量和高性能钢种，完善系列化和标准化，发展精料化、高级化和专业化生产，同时采用先进的工艺和装备，使我国模具材料的生产尽快赶超世界先进水平。
2．本课程的性质和要求
本课程是模具制造专业的主要专业基础课程，也可供机械类各专业学习。学习本课程的目的是使学生了解现代模具制造业的发展状况和趋势，知道模具制造的一般性工艺问题，掌握各类模具钢的分类、特性和热处理方法及使用范围，重点掌握模具的质量、寿命、成本与模具钢的选择及热处理之间的关系，学会正确选用模具钢及其热处理方法。
本课程与热加工、冷加工工艺联系紧密，学习过程中要融会贯通。同时本课程还是一门实践性很强的课程，与生产实践联系十分紧密。学生在学习过程中，应当安排参观一些模具制造厂家和模具使用厂家，以增加感性知识。
通过本课程的学习应达到以下教学目标：（1）了解模具材料的分类、性能、选用、生产现状和发展趋势等。（2）了解钢的热处理原理和金属材料的组织结构，掌握各种热处理工艺的特点、工艺过程及其应用范围。（3）掌握常用金属材料的分类、牌号和性能特点，能合理选用金属材料。（4）掌握常用冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢的特性和选用。（5）了解模具的表面工程技术和常见模具失效的修复方法。前 言
本书是根据原机械工业部教育司批准的“模具设计与制造专业”教学计划和“模具材料与表面处理”课程教学大纲编写的规划教材，主要供高等职业教育“模具设计与制造”专业的学生使用，也可供机械等相关专业，以及从事模具设计与制造和应用模具的技术人员阅读。
模具材料是模具设计和制造的基础，对模具的使用寿命、精度和表面质量起着重要的甚至决定性的作用。因此，研究和开发高性能的模具材料，并根据模具的工作条件合理选用模具材料，采用适当的热处理及表面处理工艺以充分发挥模具材料的潜力，是模具等相关专业技术人员所必须具备的专业技能之一。目前，高职相关教材多以介绍模具材料、表面处理、热处理等相关知识为主，对模具失效及其修复的相关内容提及甚少，而这部分内容恰恰是模具应用型技能人才最需要掌握的知识和技能之一。为此，本教材从高职学生实际应用的角度，全面精练地介绍模具材料基础知识，在此基础上使得学习者能合理地进行模具钢的选择和模具失效后的修复，并在相关单元末通过实操与案例的讲解，使学生学会如何运用所学知识解决实际问题，加深对知识和技能的掌握。另外，对于国内普遍采用的美国、日本及其他国家的模具钢，进行了较为详尽的介绍。
全书分为九个单元，主要内容包括模具材料概述、模具钢的热处理、金属材料的介绍、冷作模具材料、热作模具材料、塑料模具材料、进口模具钢、模具的表面工程技术、模具失效分析及修复。本书以培养技术应用能力为主线，力求精练简洁，系统地介绍在模具钢选择过程中要用到的相关知识，理论讲解以够用为度，突出了实用性、综合性和时效性。
参加本书编写的有广东工贸职业技术学院徐勇军（第1单元、第4单元、第5单元、第6单元、第7单元、第9单元） 、江西科技师范学院刘志凌（第2单元、第3单元） 、广东工贸职业技术学院曾锋（第8单元） 。全书由徐勇军任主编，刘志凌、曾锋任副主编。
本书编写过程中参阅了有关院校、工厂、科研院所的一些教材、资料和文献，得到了有关专家、教授的大力支持和帮助，在此表示衷心的感谢！
限于编者的水平，书中难免有错误和不妥之处，敬请读者批评指正。编 者2012年4月单元1 模具材料概述1.1 目标与任务
1959年，我国根据资源状况制定了冶金工业部标准YB7—1959；到1977年，在整顿原有钢种系列的基础上，吸收我国历年来开发工作的成就，制定了我国第一个合金工具钢国家标准GBl299—1977；1985年及2000年，又对该标准进行了修订，颁发了GB/T1299—1985 和GBl299—2000。至此，初步建立起具有我国特色的、接近世界先进水平的，包括冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢和无磁模具钢的模具钢种系列，基本上可以适应使用部门和生产部门的需要。另外，随着我国国际化程度的提高，在我国模具行业较发达的地区也大量地使用国外标准的各种模具钢。通过本单元的学习，应达到以下教学目标：（1）掌握模具及模具材料的分类；（2）了解模具材料的性能要求、模具主要失效形式及影响因素；（3）掌握模具材料一般的选用原则。1.2 知识准备1.2.1 模具及模具材料分类
1．模具的分类
为了便于模具材料的选用，通常根据工作条件将模具分为冷作模具、热作模具和型腔模具三大类。（1）冷作模具。根据工艺特点，可将冷作模具分为冷冲裁模具和冷变形模具两类。冷冲裁模具主要包括各种薄板冷冲裁模具和厚板冷冲裁模具。冷变形模具主要包括各种冷挤压模具、冷镦模具、冷拉深模具和冷弯曲模具等。（2）热作模具。热作模具可分为热冲切模具、热变形模具和压铸模具三类。热冲切模具包括各种热切边模具和热切料模具。热变形模具包括各种锤锻模具、压力机锻模具和热挤压模具。压铸模具包括各种铝合金压铸模具、铜合金压铸模具及黑色金属压铸模具等。（3）型腔模具。根据成形材料的不同，可将型腔模具分为塑料模具、橡胶模具、陶瓷模具、玻璃模具、粉末冶金模具等。
2．模具材料的分类
能用于制造模具的材料很多，通常可分为钢铁材料、非铁金属和非金属材料三大类，目前应用最多的还是钢铁材料。（1）钢铁材料。用于制造模具的钢铁材料主要是模具钢。通常将模具钢分为冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢三类。（2）非铁金属材料。用于制造模具的非铁金属材料主要有铜基合金、低熔点合金、高熔点合金、难熔合金、硬质合金、钢结硬质合金等。（3）非金属材料。用于制造模具的非金属材料主要有陶瓷、橡胶、塑料等。
由于模具钢是制造模具的主要材料，一般将模具材料分类如图1-1所示。图1-1 模具材料分类图1.2.2 模具材料的性能要求
模具在现代工业中得到广泛应用。模具直接关系到产品的质量、性能、生产率及成本，而且模具的质量和使用寿命与制造模具的材料及工艺有着密切的关系。因此，需要了解模具材料的主要性能指标。
1．硬度和热硬性
材料抵抗其他硬物压入表面的能力称为材料的硬度。从本质上说，硬度并不是材料的一个新的特殊性能，而是代表材料的弹性、塑性、韧性和形变硬化等的一个综合性能。它反映材料抵抗局部塑性变形的能力。由于大多数常用钢材的强度与硬度之间有一定的近似比例关系，根据硬度可以大致估计材料的抗拉强度。另外，材料的抗磨损性能与其硬度有密切的关系，所以，金属材料的硬度也是金属力学性能的重要指标之一。
目前，用于测定材料硬度的方法有三种：布氏硬度法、洛氏硬度法和维氏硬度法。三种方法都是采用一定形状的特制压头，在一定的载荷作用力下，压入被测材料的表面并保持一定时间，然后卸除载荷力，这样就在材料表面留下了一个一定尺寸的压痕。测量压痕尺寸的大小并根据载荷力的大小，就可以计算出该材料的硬度值。
1）布氏硬度
布氏硬度试验用的压头是淬火钢球，钢球直径有2.5 mm、5 mm和10 mm三种。根据被测试材料的种类、硬度范围和试件厚度的不同，测定时所选用的钢球直径、载荷作用力大小和载荷保持时间也就不一样。
布氏硬度的试验原理如图1-2所示。将直径为D的钢球或硬质合金球，在一定载荷P的作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，所施加的载荷与压痕表面积的比值即为布氏硬度。布氏硬度值可通过测量压痕平均直径d查表得到。
当压头为图1-2 布氏硬度的实验原理钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金时用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。符号HBS 或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷大小及载荷保持时间。如120HBS10/1000/30表示直径为10 mm的钢球在1000 kgf（9.807 kN）载荷作用下保持30 s测得的布氏硬度值为120。
布氏硬度的优点是测量误差小、数据稳定；缺点是压痕大，不能用于太薄件或成品件。最常用的钢球压头适于测定退火钢、正火钢、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。
2）洛氏硬度
洛氏硬度的试验原理如图1-3所示。在初载荷和总载荷（初载荷与主载荷之和）的先后作用下，将压头（金刚石圆锥体或钢球）压入试样表面，保持一定时间后卸除主载荷，用测量的残余压痕深度增量h-h计算硬度值（h为初载荷压入的深度，h为卸除主载荷后残余压1001痕的深度） 。洛氏硬度用符号HR表示，根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C，见表1-1。符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺，如50HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为50。图1-3 洛氏硬度的试验原理
实际测量时，硬度值可从洛氏硬度计的表盘上直接读出。洛氏硬度的优点是操作简便、压痕小、适用范围广。缺点是测量结果分散度大。表1-1 常用洛氏硬度的符号、试验条件及应用3）维氏硬度维氏硬度的试验原理如图1-4所示。将顶部两相对面具有规定角度（136°）的正四棱锥体金刚石压头在载荷P的作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，所施加的载荷与压痕表面积的比值即为维氏硬度。维氏硬度可通过测量压痕对角线长度d查表得到。维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。如640HV30/20表示在30 kgf（294.2 N）载荷作用下保持20 s测定的维氏硬度值为640。根据施加的载荷范围不同，规定了三种维氏硬度的测定方法，见表1-2。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点，既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中图1-4 维氏硬度的试验原理不同相的硬度。
硬度实际上是一种综合的力学性能，模具材料的各种性能要求，在图样上只通过标注硬度来表示。作为成形用的模具应具有足够高的硬度，才能确保使用性能和使用寿命。如冷作模具一般硬度在52～60HRC范围内，而热作模具硬度一般在40～52HRC范围内。表1-2 维氏硬度的测定方法（GB/T4340.1－1999）
热硬性是指模具在受热或高温条件下保持高硬度的能力。多数热作模具和某些冷作模具，应具有一定的热硬性，才能满足模具的工作要求。
钢的硬度和热硬性主要决定于钢的化学成分、热处理工艺，以及钢的表面处理工艺。
2．耐磨性
模具在工作中承受很大的摩擦，从而导致模具工作面磨损。所以，耐磨性能是衡量模具使用寿命的重要指标。
模具的磨损形式很复杂，主要有磨粒磨损、黏着磨损、氧化磨损和疲劳磨损等。如冷作模具的磨损形式通常是磨粒磨损和黏着磨损，而热作模具的磨损形式主要是氧化磨损。
磨损形式不同，影响耐磨性的因素也各不相同。一般情况下，主要的影响因素是硬度和组织。当冲击载荷较小时，耐磨性与硬度成正比关系；当冲击载荷较大时，表面硬度越高并非耐磨性越好，超过一定的硬度值之后耐磨性反而下降。在钢的组织中，铁素体的耐磨性最差、马氏体的耐磨性较好、下贝氏体的耐磨性最好。另外，碳化物的性质、数量和分布状态对耐磨性也有显著的影响。
3．强度和塑性
评价材料强度和塑性最简单有效的办法就是测定材料的拉伸曲线。在标准试样（见图1-5）两端逐渐施加一轴向拉伸载荷，使之发生变形直至断裂，便可得到试样伸长率（试样原始标距的伸长与原始标距之比的百分率）随应力（试验期间任一时刻的力除以试样原始横截面积之商）变化的关系曲线，称为应力-应变曲线，图1-6所示为低碳钢的应力-应变曲线。图1-5 圆形标准拉伸试样图1-6 低碳钢的应力-应变曲线
在应力-应变曲线中，OA段为弹性变形阶段，此时卸掉载荷，试样恢复到原来尺寸。A点所对应的应力为材料承受最大弹性变形时的应力，称为弹性极限。其中，OA′部分为一斜直线，应力与应变呈比例关系，A′点所对应的应力为保持这种比例关系的最大应力，称为比例极限。由于大多数材料的A点和A′点几乎重合在一起，一般不作区分。
在弹性变形范围内，应力与伸长率的比值称为弹性模量E。E实际上是OA线段的斜率，E = tanα（MPa） ，其物理意义是，产生单位弹性变形时所需应力的大小。弹性模量是材料最稳定的性质之一，它的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段（如热处理、冷热加工、合金化等）对弹性模量的影响很小。材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度，其指标即为弹性模量。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。
1）强度
材料的强度是指材料在外力作用下抵抗破坏的能力，它是衡量材料变形抗力和断裂抗力的性能指标。从本质上来说，材料的强度应是其内部质点间结合力的表现。材料受外力作用时，在其内部便产生应力，此应力随外力的增大而增大，当应力增大到材料内部质点间结合力所能承受的极限时，应力再增加便会导致内部质点的断开，此极限应力值就是材料的极限强度，通常简称为强度。根据加载方式不同，强度指标有许多种，如抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。其中，以拉伸试验测得的屈服强度和抗拉强度两个指标应用最多。（1）屈服强度。在图1-6中，应力超过B点后，材料将发生塑性变形。在BC段，塑性变形发生而力不增加，这种现象称为屈服。B点所对应的应力称为屈服强度（σ） 。屈服强度反映材料抵抗永久变形S的能力，是最重要的零件设计指标之一。实际上多数材料的屈服强度不是很明显，因此，规定拉伸时产生0.2%残余延伸率所对应的应力为规定残余延伸强度，记为σ，如图1-7所示。0.2图1-7 条件屈服强度的确定（2）抗拉强度。图1-6中的CD段为均匀塑性变形阶段。在这一阶段，应力随应变增加而增加，产生应变强化。变形超过D点后，试样开始发生局部塑性变形，即出现颈缩，随应变增加，应力明显下降，并迅速在E点断裂。D点所对应的应力为材料断裂前所承受的最大应力，称为抗拉强度σ。抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，也是b零件设计和评价材料的重要指标。
2）塑性
塑性是指金属材料在外力的作用下，产生永久变形（塑性变形）而不被破坏的能力。金属材料在受到拉伸时，长度和横截面积都要发生变化，因此，金属的塑性可以用长度的伸长（延伸率）和断面的收缩（断面收缩率）两个指标来衡量。
金属材料的延伸率和断面收缩率越大，表示该材料的塑性越好，即材料能承受较大的塑性变形而不破坏。一般把延伸率大于5%的金属材料称为塑性材料（如低碳钢等） ，而把延伸率小于5%的金属材料称为脆性材料（如灰口铸铁等） 。塑性好的材料能在较大的宏观范围内产生塑性变形，并在塑性变形的同时使金属材料因塑性变形而强化，从而提高材料的强度，保证零件的安全使用。此外，塑性好的材料可以顺利地进行某些成型工艺加工，如冲压、冷弯、冷拔、校直等。因此，选择金属材料做机械零件时，必须满足一定的塑性指标。（1）伸长率δ：式中 l——拉伸后的长度（mm） ；1
l——原长度（mm） 。0（2）断面收缩率ψ：2式中 F——断口处横截面积（mm） ；12
F——原横截面积（mm） 。0
由于δ 值与试样尺寸有关，一般规定l=5d（短试样）或00l=10d（长试样） ，分别以δ 或δ表示伸长率，δ通常写成δ。0051010
一般δ 达5%，ψ 达10%能满足大多数零件要求。
评价冷作模具材料塑性变形抗力的性能指标主要是常温下的屈服点σ；评价热作模具材料塑性变形抗力的指标为高温屈服点或高温屈s服强度。当模具的工作应力超过模具材料的相应屈服点时，模具就会产生过量塑性变形而失效。
反映冷作模具材料的断裂抗力的性能指标是室温下的抗拉强度σ 、抗压强度和抗弯强度等。反映热作模具材料的断裂抗力的性能指b标除了抗拉强度等之外，还包括断裂韧度（即反映裂纹扩展的抗力指标） ，因为大多数热作模具的断裂属于表面热疲劳裂纹扩展所造成的断裂。
4．韧性
韧性是材料在冲击载荷作用下抵抗产生裂纹的一种特性，反映了模具的脆断抗力，常用冲击韧度α 来评定。α 越大，材料的韧性越kk好，在受到冲击时越不易断裂。冲击韧度反应了材料抵抗冲击载荷的能力。式中 A——冲击功，摆锤冲断试样所失去的能量，即对试样断裂所k做的功（J） ；2
S——试样缺口处截面积（cm） 。
在如图1-8所示的摆锤式冲击试验机上用规定高度的摆锤对处于简支梁状态的缺口试样进行一次冲断，可测得冲击吸收功A。试验所k用冲击试样根据其缺口形状分为U形缺口冲击试样和V形缺口冲击试样两种，如图1-9所示，测得的冲击韧度分别用α、α表示。kukv
冷作模具材料因多在高硬度状态下使用，在此状态下α值很小，k很难相互比较，因而常根据静弯曲挠度的大小来比较其韧性的高低。工作时承受巨大冲击载荷的模具，须把冲击韧度作为一项重要的性能指标。
影响强度和韧性的主要因素有材料的化学成分、冶金质量、晶粒大小、组织类型，碳化物的形状、数量、大小及分布。所以，根据模具的工作条件和性能要求，合理地选择模具钢的化学成分、组织状态及热处理工艺，就能够得到最佳的强韧性配合。
5．疲劳抗力
疲劳抗力是反映材料在交变载荷作用下抵抗疲劳破坏的性能指标。根据不同的应用场合，有疲劳强度和小能量多冲抗力等。对于热作模具，大多数在急冷急热条件下工作，必然发生不同程度的冷热疲劳，因此，还要把冷热疲劳抗力作为热作模具材料的一项重要性能指标。图1-8 摆锤式冲击试验机示意图图1-9 标准缺口冲击试样
疲劳失效与静载荷下的失效不同，断裂前没有明显的塑性变形，发生断裂比较突然。实际服役的金属材料有90%是因为疲劳而破坏。疲劳破坏是脆性破坏，它的一个重要特点是具有突发性，因而更具灾难性。
疲劳产生的原因是，机构上的每一点都承受交变载荷的作用，如果某一点有一小裂纹，在拉应力的作用下，裂纹扩展，在压应力的作用下，裂纹闭合，在交变载荷的作用下，裂纹不断被拉开和闭合，当裂纹扩展到一定程度时，机构的有效承载面积无法承受外加载荷的作用，发生突然断裂。由此可见，疲劳断裂是由疲劳裂纹产生－扩展－瞬时断裂三个阶段组成的。因此，疲劳断口一般以疲劳裂纹源为中心，逐渐向内扩展形成海滩条纹的裂纹扩展区和呈纤维状的瞬时断裂区。
材料承受的交变应力σ 与断裂时应力循环次数N之间的关系可用疲劳曲线来描述（见图1-10） 。随着σ 的下降，N值增加，材料经无数次应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。对称循环交变应力的疲劳极限用σ表示。在实际当中，做无限次应力循环的-1疲劳试验是不可能的，对于钢铁材料，一般规定疲劳极限对应的应力78循环次数为10，有色金属为10。
提高疲劳极限的途径：（1）在零件结构设计中尽量避免尖角、缺口和截面突变，以免产生应力集中，从而产生疲劳裂纹。（2）提高零件表面加工质量，减少疲劳源。（3）采用各种表面强化处理。图1-10 疲劳曲线示意图1.2.3 模具材料的选用原则
一般来说，应根据模具加工能力和模具的服役条件，结合模具材料的性能和其他因素，来选择符合要求的模具材料。对于某一种类的模具，很多材料从基本性能上看都能符合要求，然而必须根据所制成模具的使用寿命、生产率、模具制造工艺的难易程度及成本高低来作出综合评价，这就必须同时考虑模具材料的使用性能、工艺性能和生产成本等因素。
1．模具材料的使用性能
各种模具的服役条件不同，对模具材料的性能要求也不相同。模具工作者常要根据模具的服役条件和使用寿命要求，合理地选用模具材料及热处理工艺，使之达到主要性能最优，而其他性能损失最小的最佳状态。对各类模具材料提出的使用性能要求主要包括硬度、强度、塑性、韧性等。
2．模具材料的工艺性能
在模具生产成本中，材料费用只占15%左右，而机械加工、热处理、装配和管理等费用占80%以上。所以，模具材料的工艺性能就成为影响模具生产成本和制造难易的主要因素之一。模具材料的工艺性能主要有如下几种：（1）可加工性。钢材的可加工性主要包括切削、磨削、抛光、冷拔等加工性和锻压加工性等。模具钢大多属于过共析钢和莱氏体钢，热加工性能和冷加工性能都不太好，必须严格控制热加工和冷加工的工艺参数。近年来为改善钢的切削加工性，在钢中加入易切削元素或改变钢中夹杂物的分布状态，从而提高模具表面质量和减少刀具的磨损。
随着电子技术的发展，数控机床和加工中心乃至计算机控制技术的广泛运用，模具钢除应具有良好的切削加工性外，还要有良好的镜面抛光性能、电加工性能及压印翻模加工性能等。（2）淬硬性和淬透性。淬硬性主要取决于钢的碳含量，淬透性主要取决于钢的化学成分和淬火前钢的原始组织。模具对这两种性能的要求根据其服役条件不同各有侧重，对于要求整个截面有均匀一致性能的模具，如热作模具、塑料模具，则高的淬透性显得更重要些；而对于只要求有高硬度的小型冷作模具，如冲裁落料模具，则更偏重于高的淬硬性。（3）淬火温度和热处理变形。为了便于生产，要求模具钢的淬火温度范围尽可能宽些，特别是当模具采用火焰加热局部淬火时，要求模具钢有更宽的淬火温度范围。除部分采用预硬型钢制作的模具外，绝大多数模具是在切削加工后，通过热处理而获得所需的组织和性能。因此，要求淬火时尺寸变化小，各向具有相近似的变化，且组织稳定。（4）脱碳敏感性。模具钢在锻造、退火或淬火时，若在无保护气氛下加热，其表面层会产生脱碳等缺陷，而使模具的耐用度下降。脱碳敏感性主要取决于钢的化学成分，特别是碳含量。在钢中W= si0.8%～1.0%，会加剧脱碳。1.2.4 模具材料的生产现状和发展趋势
随着工业生产技术的发展和新材料的不断出现，模具的工作条件日益苛刻，对模具材料的性能、质量、品种等方面也不断提出了更高、更新的要求。为了适应这些要求，世界各国近年来都积极地开发了具有各种特性、适应不同要求的新型模具材料。
从我国1985年制定的国家标准GBl299/T—1985中的钢号来看，钢种系列比较完整，既包括了国内外通用的性能较好的模具钢，也纳入了一些国内研制的新钢种，基本上可以满足模具制造业的需要。但是在钢种系列、产品结构和应用方面还存在着一些问题，主要问题如下：（1）钢种系列有待进一步完善，如用量很大的塑料模具钢，在GB/T1299—1985中只纳入了3Cr2Mo一个钢号，这显然不能满足各种不同塑料模具的要求。（2）钢种产品结构和选用很不合理，如塑料模具产量很大，但目前很大数量的塑料模具是采用45钢制造的，模具的使用寿命很低，生产的塑料制品质量不高。
冷作模具钢的钢号系列比较完整，但目前占产量70%左右的是Cr12、Crl2MoV、CrWMn三个钢号。世界上用量较大、综合性能较好的CrSMolV钢，虽已纳入国家标准，但产量很少；耐磨性较好的Crl2Mo1V1钢，用量也不大。
热作模具钢的产品结构要好一些，通过10余年的大力推广，世界上应用最广、综合性能较好的中合金铬系热作模具钢4CrSMoSiVl的产量已居热作模具钢的首位。传统的热作模具钢3Cr2W8V，其抗冷热疲劳性能和韧性较低，生产成本高，在有的国家标准钢号中已被淘汰，但是国内的产量仍较高，年产量仍在1万吨以上，还需要进一步做工作。
1．塑料模具钢
20世纪50年代以来，世界塑料工业迅速发展，塑料已经成为一种重要的工业材料。塑料制品大部分采用模压成形，不少工业发达国家塑料模具的产值已经居模具产值的第一位。塑料模具钢已逐渐发展成为一个专用钢材系列。
我国的专用塑料模具钢还没有形成系列，纳入GB/T1299—1985的只有3Cr2Mo一个钢号，常选用碳素钢，加工成形后不经热处理就交付使用，因而模具表面粗糙度值较高，图案花纹容易磨损，加工出来的塑料制品外观质量很差。而精密塑料模具常采用合金工具钢制造，机械加工性能差，热处理变形问题更是无法解决。因此，直到目前为止，关键部件的塑料模具材料还依赖于进口，造成模具成本高，外汇流失严重。鉴于此问题，国内有关科研院所和大专院校对塑料模具专用钢进行了研制，并取得了一些进展。
我国近年研制的塑料模具钢主要有P20BSCa、P20SRe、FT、OCr4NiMoV（LJ） 、TG2、25CrNi3MoAl、10Ni3MnCuAIMo（PMS） 、OCrl6Ni4Cu3Nb（PCR） 、06Ni6CrMoVTiAI、空冷12、Y82、Y55CrNiMnMoV（SM1） 、Y20CrNi3AlMnMo（SM2）钢等。
2．冷作模具钢
冷作模具是应用范围最广的模具，冷作模具的产值历来居模具制造业的首位，近年来由于塑料模具的迅速发展，在不少工业发达国家已退居模具工业产值的第二位。目前通用的冷作模具钢可分为三大类：（1）低合金冷作模具钢。以CrWMn和9Mn2V为代表，耐磨性和热硬性较差，而韧性较高，一般可采用油淬火，成本较低，广泛用于生产批量不大的冷作模具。（2）中合金冷作模具钢。以Cr5MolV为代表，具有中等的耐磨性和热硬性，韧性也较高，淬透性好，可以空淬，综合性能好，广泛用于生产中等批量产品的冷作模具。（3）高碳、高铬型冷作模具钢。以Crl2MolVl和Crl2钢为代表，耐磨性和热硬性较高，由于含有大量的共晶碳化物，所以韧性较差，广泛用于生产批量较大，要求耐磨性很高但冲击载荷较小的冷作模具。
近年来发展的新型冷作模具钢主要有9Cr6W3Mo2V2（GM） 、6CrNiSiMnMoV（GD） 、7CrSiMnMoV、 8Cr2MnWMoVS （8Cr2S） 、 5Cr4Mo3SiMnVA l（012Al） 、 6Cr4Mo3Ni2WV （CG-2） 、7Cr7Mo2V2Si（LD） 、Cr8MoWV3Si（ERS）等。
3．热作模具钢
热作模具钢主要用于制造金属材料热加工用的模具，用量最大的为三类通用型热作模具钢。（1）低合金热作模具钢。代表性钢号为5CrMnMo和5CrNiMo等，这类钢有较好的淬透性和冲击韧度，但热硬性不够，一般用于股役温度不高而冲击载荷较大的模具，如锤锻模等。（2）中合金热作模具钢。这类钢为铬系热作模具钢，代表性钢号有4Cr5MoSiVI（H13） 、4Cr5MoSiv（H11） 、4Cr5MoWSiv（H12） 、4Cr3M03Siv（H10）等。这类钢有良好的综合力学性能、高的热强性、抗冷热疲劳性能及抗液态金属冲蚀性，已经广泛用于锻压模具、铝合金压铸模具和热挤压用模具，成为当前应用最广的一类热作模具钢。（3）高合金热作模具钢。应用最广的是传统的钨系热作模具钢，如3Cr2W8V等。用于工作温度较高的模具，近年来大部分已被中合金热作模具钢取代。
为了适应一些热作模具的特殊要求，开发了一些新型高性能热作模具钢，主要有4Cr3Mo3W4VNb、4Cr3Mo2MnVNbB（Y4） 、4CrSMo2MnVSi（Y10） 、3Cr3Mo3VNb（HM3） 、4SiMnW3Mo2VNb、9Mn9Ni4Cr8V2WMo、5Mnl5Cr8Ni5Mo3V2、4Cr3Mo2 NiVNbB（HD） 、2Cr3Mo2NiVSi（PH）钢等。
提高模具钢的内在质量主要包括两个方面。（1）提高模具钢的纯净度。降低钢中有害杂质和气体的含量，提高钢的纯净度，是当前各模具钢生产厂的主要努力方向之一。
如将4Cr5MoSiVl钢中磷的质量分数从0.03%降至0.01%，可使其淬火回火后的冲击韧度提高1倍；如果进一步降至0.001%，则可提高冲击韧度2倍。将钢中的氧含量降低，也可以显著改善钢的韧性。（2）提高钢的等向性。模具大部分是多向受力的，因此，提高模具钢的等向性，改善钢的横向韧性和塑性，使其与纵向性能接近，就可以大幅度提高模具的使用寿命。1.3 实操与案例：布氏硬度和洛氏硬度试验
1．实验目的（1）了解硬度测定的基本原理及常用硬度试验法的应用范围。（2）学会正确使用硬度计。
2．实验说明
布氏硬度试验主要用于黑色、有色金属原材料检验，也可用于退火、正火钢铁零件的硬度测定。洛氏硬度试验主要用于金属材料热处理后产品性能检验。维氏硬度试验用于薄板材或金属表层的硬度测定，以及较精确的硬度测定。显微硬度试验主要用于测定金属材料的显微组织组分或相组分的硬度。
3．实验设备及材料（1）布氏硬度计。（2）读数放大镜。（3）洛氏硬度计。（4）硬度试块若干。（5）铁碳合金退火试样若干（φ 20 mm×10 mm的工业纯铁，20、45、60、T8、T12等） 。（6）φ 20 mm×10 mm的20、45、60、T8、T12钢退火态，正火态，淬火及回火态的试样。
4．实验注意事项（1）试样两端要平行，表面要平整，若有油污或氧化皮，可用砂纸打磨，以免影响测定。（2）圆柱形试样应放在带有“V”形槽的工作台上操作，以防试样滚动。（3）加载时应细心操作，以免损坏压头。（4）测完硬度值，卸掉载荷后，必须使压头完全离开试样后再取下试样。（5）金刚钻压头系贵重物品，质硬而脆，使用时要小心谨慎，严禁与试样或其他物件碰撞。（6）应根据硬度实验机的使用范围，按规定合理选用不同的载荷和压头，超过使用范围，将不能获得准确的硬度值。
5．实验报告要求（1）简述布氏和洛氏硬度试验原理。（2）测定碳钢（20、45、60、T8、T12）退火试样的布氏硬度值（HBS） 。（3）测定碳钢（45、T8、T12）正火及淬火试样的洛氏硬度值（HRC） 。（4）测定45钢调质试样的洛氏硬度值（HRC） 。1.4 评估练习
1．模具和模具材料一般可以分为哪几类？
2．模具材料的主要性能指标有哪几种？简述模具钢的硬度和耐磨性的关系。
3．什么是热硬性？什么是冷热疲劳？试举例说明其对模具寿命的影响。
4．说明模具材料对模具使用性能和使用寿命的影响。
5．模具失效的主要原因有哪几方面？
6．模具失效主要有哪些形式？
7．改进和优化模具结构设计的最基本作用是什么？举例说明其作用对模具寿命的影响。
8．简述模具材料对模具寿命的影响，并举例说明。
9．选用模具材料时主要考虑哪些因素？
10．简述我国模具材料的发展概况。
11．说明HBS和HRC两种硬度指标在测试方法、适用硬度范围及应用范围上的区别。
12．什么是材料的冲击韧性？单元2 模具钢的热处理2.1 目标与任务
改善模具钢的性能有两个主要途径：一是通过调整钢的化学成分，加入合金元素，即“合金化” ；二是进行模具钢的热处理。这两者之间有着极为密切、相辅相成的关系。 “合金化”将在单元3介绍，本单元主要讨论钢的热处理。通过本单元的学习，应达到以下教学目标：（1）掌握钢的各种常用热处理方法；（2）掌握钢在热处理时的组织转变规律；（3）能根据材料的性能特点和零件工作要求正确制定钢的热处理方法。2.2 知识准备2.2.1 钢的热处理概述
钢的热处理是指钢在固态下采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织结构与性能的工艺。
热处理是一种重要的加工工艺，在机械制造业已被广泛应用。据初步统计，在机床制造中约60%～70%的零件要经过热处理，在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70%～80%，至于模具、滚动轴承则要100%经过热处理。总之，重要的零件都要经过适当的热处理才能使用。
钢的热处理目的是显著提高钢的力学性能，发挥钢材的潜力，提高工件的使用性能和寿命。还可以消除毛坯（如铸件、锻件等）中的缺陷，改善其工艺性能，为后续工序作组织准备。随着工业和科学技术的发展，热处理还将在改善和强化金属材料、提高产品质量、节省材料和提高经济效益等方面发挥更大的作用。
热处理与其他加工方法（铸造、锻压、焊接、切削加工等）的区别是，它只改变金属材料的组织和性能，而不改变其形状和大小。热处理只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理来强化。为简明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度-时间坐标绘出热处理工艺曲线，如图2-1所示。图2-1 热处理工艺曲线示意图
描述热处理时钢中组织转变的规律称为热处理原理。根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称为热处理工艺。
根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工艺分类如下：（1）普通热处理：退火、正火、淬火和回火。（2）表面热处理：表面淬火、化学热处理。（3）其他热处理：真空热处理、形变热处理、控制气氛热处理、激光热处理等。
根据在零件生产过程中所处的位置和作用不同，又可将热处理分为预备热处理与最终热处理。预备热处理是指为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理做准备的热处理。而最终热处理是指赋予工件所要求的使用性能的热处理。2.2.2 铁碳合金的结构与相图
为了方便研究钢的热处理工艺，我们通常用以温度和成分作为独立变量的相图来分析合金的结晶过程。相图是表示合金系中各合金在极其缓慢的冷却条件下结晶过程的简明图解，又称状态图或平衡图。而合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。这种表示在平衡条件下合金的成分、温度与相和组织状态之间关系的图形，称为合金相图（又称合金状态图或合金平衡图） 。在相图中，组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质称为组元，多数情况下组元是指组成合金的元素，但既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看做组元，如铁碳合金中的FeC。3
相图表示了在缓慢冷却条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。根据组元的多少，可分为二元相图、三元相图和多元相图。
钢铁合金是碳钢和铸铁的统称，是工业中应用最广的合金。含碳量为0.0218%～2.11%的称为碳钢，大于2.11%的称为铸铁。铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础。
铁和碳可形成一系列稳定化合物：FeC、FeC、FeC。它们都可32以作为纯组元看待，但由于含碳量大于FeC成分（6.69%C）时，合3金太脆，已无实用价值，因此，我们所讨论的铁碳合金相图实际上是Fe-FeC相图。3
1．铁碳合金的相图的基本组元与基本相
1）纯铁的同素异构转变
大多数金属在结晶后晶格类型不再发生变化，但少数金属（如铁、锰、钴、钛等）在结晶后晶格类型会随温度的变化而发生变化。这种同一元素在不同条件下其晶格类型发生变化的现象称为同素异构转变。同素异构转变同样也遵循形核、长大的规律，但它是一个固态下的相变过程，即固态相变。在金属晶体中，铁的同素异构转变最为典型，也是最重要的。纯铁的冷却曲线如图2-2所示。可见，纯铁在固态下的冷却过程中有两次晶体结构变化：δ -Fe、γ -Fe、α -Fe是铁在不同温度下的同素异构体。δ -Fe和α -Fe都是体心立方晶格，分别存在于熔点至1394℃之间及912℃以下。γ -Fe是面心立方晶格，存在于1394～912℃之间。图2-2 纯铁的同素异构转变
2）铁碳合金的基本相及其性能
在液态下，铁和碳可以互溶成均匀的液体。在固态下，碳可以有限地溶于铁的各种同素异构体中，形成间隙固溶体。当含碳量超过相应温度固相的溶解度时，则会析出具有复杂晶体结构的金属化合物－渗碳体。现将它们的相结构及性能介绍如下：（1）液相。铁碳合金在熔化温度以上形成的均匀液体称为液相，常以符号L表示。（2）铁素体。碳在α-Fe中的固溶体称为铁素体。用符号F或α 表示。铁素体为体心立方晶格，其溶碳能力很低，在727℃时最高，为0.0218%，而在室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒，如图2-3所示。其性能与纯铁相似，即强度、硬度低，塑性、韧性高。碳在δ -Fe中的固溶体称为δ 铁素体，又称高温铁素体，用符号δ 表示。δ 铁素体也是体心立方晶格，其最大溶碳量为1495℃时的0.09%。（3）奥氏体。碳在γ -Fe中的固溶体称为奥氏体。用符号A或γ 表示。奥氏体为面心立方晶格，其溶碳能力比铁素体高，1148℃时最大，为2.11%。奥氏体也是不规则多面体晶粒，但晶界较直，如图2-4所示。奥氏体强度低、塑性好，因而钢材的热加工都在奥氏体相区进行。碳钢室温下的组织中无奥氏体，但当钢中含有某些合金元素时，可部分或全部变为奥氏体组织。图2-3 铁素体组织400×图2-4 奥氏体组织400×（4）渗碳体。渗碳体（即FeC）是铁与碳的间隙化合物，含碳3量为6.69%，用FeC或C表示。渗碳体的硬度很高（HB≈800） ，塑3m性和韧性几乎为零。渗碳体在钢和铸铁中一般呈片状、网状或球状存在。它的尺寸、形状和分布对钢的性能影响很大，是铁碳合金的重要强化相。
渗碳体是亚稳相，在一定的条件下，它将发生分解：FeC→3Fe3+C，所分解出的单质碳称为石墨，该分解反应对铸铁有着重要意义。由于碳在α-Fe中的溶解度很低，所以，常温下碳在铁碳合金中主要以渗碳体或石墨的形式存在。
2．铁碳合金相图的分析
Fe-FeC相图如图2-5所示。可以看出，Fe-FeC相图由三个基本33相图（包晶相图、共晶相图和共析相图）组成。相图中有五个基本相：液相L，高温铁素体相δ，铁素体相α，奥氏体相γ和渗碳体相FeC。3这五个基本相构成五个单相区（其中，FeC为一条垂线） ，并由此3形成七个两相区：L+δ、L+γ、L+FeC、δ +γ、γ +FeC、γ +α 和α 33+FeC。3
在Fe-FeC相图中，ABCD为液相线，AHJECF为固相线。相图中3各特征点的温度、成分及其含义见表2-1。
Fe-FeC相图中有三条水平线（三相区） ：3（1）HJB水平线（1495℃）为包晶线，与该线成分（0.09%～0.53%C）对应的合金在该线温度下将发生包晶转变：L+δ →γ 0.530.09（式中各相的下角标为相应的含碳量） ，转变产物为奥氏体。0.17表2-1 Fe-Fe3C相图中各特征点的说明续表图2-5 Fe-FeC相图3（2）ECF水平线（1148℃）为共晶线，与该线成分（2.11%～6.69%C）对应的合金在该线温度下将发生共晶转变：L→γ 4.3+FeC。转变产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，2.113用符号“Le”表示。莱氏体的组织特点为蜂窝状，以FeC为基，性3能硬而脆。（3）PSK水平线（727℃）为共析线，与该线成分（0.0218%～6.69%C）对应的合金在该线温度下将发生共析转变：γ →0.77α+FeC。转变产物为铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体，0.02183用符号P表示。珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布，性能介于两相之间。共析线又称A线。1
此外，Fe-FeC相图中还有6条固态转变线：3
GS、GP为γ ⇄α 固溶体转变线，HN、JN为δ⇄γ 固溶体转变线，例如，GS线是冷却时铁素体从奥氏体中析出开始、加热时铁素体向奥氏体转变终了的温度线。GS线又称A线，JN线又称为A线。34
ES线为碳在γ -Fe中的固溶线。在1148℃，碳的溶解度最大，为2.11%，随温度降低，溶解度下降，到727℃时溶解度只有0.77%。所以，含碳量超过0.77%的铁碳合金自1148℃冷至727℃时，会从奥氏体中析出渗碳体，称为二次渗碳体，标记为FeC。二次渗碳体通常3II沿奥氏体晶界呈网状分布。ES线又称A线。cm
PQ线为碳在α-Fe中的固溶线。在727℃，碳的溶解度最大，为0.0218%，随温度降低，溶解度下降，到室温时溶解度仅为0.0008%。所以，铁碳合金自727℃向室温冷却的过程中，将从铁素体中析出渗碳体，称为三次渗碳体，标记为FeC。因其析出量极少，在含碳量3III较高的合金中不予以考虑，但是对于工业纯铁和低碳钢，因其以不连续网状或片状分布于铁素体晶界，会降低塑性，所以，对于FeC的3III数量和分布还是要加以控制。
综上所述可见，铁碳合金中的渗碳体根据形成条件不同可分为一次渗碳体FeC（由液相直接析出的渗碳体） 、二次渗碳体FeC、3Ⅰ3Ⅱ三次渗碳体FeC、共晶渗碳体和共析渗碳体五种。它们分属于不同3Ⅲ的组织组成物，区别仅在于形态和分布不同，但都同属于一个相。由于它们的形态和分布不同，所以对铁碳合金性能的影响也不相同。2.2.3 钢在加热时的转变
在铁碳合金相图中，PSK线、GS线、ES线分别用A、A、A表13cm示，它们是碳钢在极其缓慢的加热或冷却情况下测定的。由于实际加热或冷却时，有过冷或过热现象，因此，将钢在加热时的实际转变温度分别用Ac、Ac、Ac表示，冷却时的实际转变温度分别用Ar、13cm1Ar、Ar表示，如图2-6所示。由于加热冷却速度直接影响转变温3cm度，因此，一般手册中的数据是以30～50℃/h的速度加热或冷却时测得的。图2-6 加热和冷却对临界转变温度的影响
加热是热处理的第一道工序。加热分两种，一种是在A以下加热，1不发生相变。另一种是在临界点以上加热，目的是为了获得均匀的奥氏体组织，这一加热转变过程称为钢的奥氏体化。
1．奥氏体的形成过程
钢在加热时奥氏体的形成过程也是一个形核和长大的过程。以共析钢为例，其奥氏体化过程可简单地分为四个步骤，如图2-7所示。图2-7 共析钢的奥氏体形成过程示意图
第一步是奥氏体晶核形成，奥氏体晶核首先在铁素体与渗碳体相界形成，因为相界处的成分和结构对形核有利。第二步是奥氏体晶核长大，奥氏体晶核形成后，便通过碳原子的扩散向铁素体和渗碳体方向长大。第三步是残余渗碳体溶解，铁素体在成分和结构上比渗碳体更接近于奥氏体，因而先于渗碳体消失，而残余渗碳体则随保温时间延长不断溶解直至消失。第四步是奥氏体成分均匀化，渗碳体溶解后，其所在部位碳含量仍比其他部位高，需通过较长时间的保温使奥氏体成分逐渐趋于均匀。
亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同，只是由于先共析铁素体或二次渗碳体的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac或Ac以上。3cm
2．奥氏体的晶粒大小及其影响因素
钢在加热时所获得的奥氏体晶粒大小将直接影响到冷却后的组织和性能。加热时奥氏体晶粒细小，冷却后组织也细小；反之，组织则粗大。钢材晶粒细化，既能有效地提高强度，又能明显提高塑性和韧性。因此，在选用材料和热处理工艺上，如何获得细的奥氏体晶粒，对工件使用性能和质量都具有重要意义。
1）奥氏体的晶粒度
奥氏体化刚结束时的晶粒度称为起始晶粒度，此时晶粒细小均匀。随加热温度升高或保温时间延长，会出现晶粒长大的现象。在给定温度下奥氏体的晶粒度称为实际晶粒度，它直接影响钢的性能。钢在加热时奥氏体晶粒的长大倾向称为本质晶粒度。通常将钢加热到940±10℃奥氏体化后，设法把奥氏体晶粒保留到室温来判断钢的本质晶粒度，如图2-8所示。晶粒度为1～4级的是本质粗晶粒钢，5～8级的是本质细晶粒钢，前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。
在工业生产中，经锰、硅脱氧的钢一般都是本质粗晶粒钢，而经铝脱氧的钢、镇静钢则多为本质细晶粒钢。需要进行热处理的工件，一般应采用本质细晶粒钢制造。
2）影响奥氏体晶粒大小的因素（1）加热温度和保温时间。加热温度高、保温时间长，奥氏体晶粒粗大。即使是本质细晶粒钢，当加热温度过高时，奥氏体晶粒也会迅速粗化。（2）加热速度。加热速度越快，过热度越大，形核率越高，晶粒越细。图2-8 钢的本质晶粒度示意图（3）合金元素。随奥氏体中碳含量的增加，奥氏体晶粒长大倾向变大，但如果碳以残余渗碳体的形式存在，则由于其阻碍晶界移动，反而使长大倾向减小。同样，在钢中加入碳化物形成元素（如钛、钒、铌、钽、锆、钨、钼、铬等）和氮化物、氧化物形成元素（如铝等） ，都能阻碍奥氏体晶粒长大。而锰、磷溶于奥氏体后，使铁原子扩散加快，所以会促进奥氏体晶粒长大。（4）原始组织。接近平衡状态的组织有利于获得细奥氏体晶粒。
奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此，加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。2.2.4 钢在冷却时的转变
冷却是热处理更重要的工序，因为钢的常温性能与其冷却后的组织直接有关。钢在不同的过冷度下可转变为不同的组织，包括平衡组织和非平衡组织。
1．过冷奥氏体的转变产物及转变过程
处于临界点A以下的奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳1定组织，迟早要发生转变。随过冷度的不同，过冷奥氏体将发生三种类型转变，即珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。现以共析钢为例说明。
1）珠光体转变
过冷奥氏体在A～550℃间将转变为珠光体类型组织，它是铁素1体与渗碳体片层相间的机械混合物，根据片层厚薄不同，又可细分为如下几种：（1）珠光体。形成温度为A～650℃，片层较厚，500倍光镜下1可辨，用符号P表示，如图2-9所示。（2）索氏体。形成温度为650～600℃，片层较薄，800～1000倍光镜下可辨，用符号S表示，如图2-10所示。（3）托氏体。形成温度为600～550℃，片层极薄，电镜下可辨，用符号T表示，如图2-11所示。图2-9 珠光体组织图2-10 索氏体组织
这三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。片间距越小，钢的强度、硬度越高，同时塑性和韧性略有改善。
珠光体转变也是形核和长大的过程。如图2-12所示，渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团，一个晶粒可形成几个珠光体团。图2-11 托氏体组图2-12 珠光体转变过程示意图
珠光体转变是一种扩散型转变，即铁原子和碳原子均进行扩散。
2）贝氏体转变
过冷奥氏体在550℃～Ms（对于共析钢，Ms为230℃）间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号B表示。根据其组织形态不同，又分为上贝氏体（B）和下贝氏体（B）上下（1）上贝氏体。形成温度为550～350℃，在光镜下呈羽毛状，在电镜下为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间，如图2-13所示。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]