作者：唐克岩
出版社：重庆大学出版社
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金工实训试读：
前言
金工实训是机械类各专业学生必修的实践性很强的专业技术基础课。本书是根据教育部颁布的“金工实习教学基本要求”，在总结多年教学实践经验的基础上，结合培养应用型工程技术人才的实践教学特点而编写的。本书内容编排力求结合岗位技术特点，贴近生产实际，以推动高校金工实习的深化改革，提高金工实习质量，培养高素质应用型人才。
金工实训课程应达到的教学目的及要求是“了解机械制造的一般过程；熟悉机械零件的常用加工方法、主要设备、刀具、夹具、量具的正确选用；初步具备对简单零件进行工艺分析和选择加工方法的能力；掌握各工种简单零件机械加工的操作方法；培养劳动观念、创新精神和理论联系实际的工作作风；初步建立质量、成本、效益、安全和环保等工程意识。最终使学生在金工实训过程中通过独立的实践操作，将金属材料的力学性能及有关机械制造的基本工艺知识、基本工艺方法和基本工艺实践等有机结合起来，进行工程实践综合能力的训练及进行思想品德和素质的培养与锻炼。”
本书符合国家教育部新发布的“金工实习（实训）教学基本要求”，力求取材新颖、联系实际、结构紧凑、文字简练、基本概念清晰、重点突出，全书涉及的名词、术语和工艺参数都采用最新的国家标准，并注重新工艺、新技术的应用。
本书由成都理工大学工程技术学院唐克岩担任主编，并编写了前言和第6、7、8章；四川大学锦城学院邓勇、成都大学喻洪平担任全书的统稿工作；成都理工大学工程技术学院郑才国、高红莲、尹小燕参与本书编写，郑才国编写第9、10、11章；高红莲编写第2、3、5章；尹小燕编写第1、4章。成都理工大学工程技术学院周光万担任本书主审，对书稿提出了很好的修改意见，并做了大量的工作，在此深表感谢！
本书在编写过程中，参考了国内许多兄弟院校的同类教材，并得到同行专家的大力支持和帮助，在此表示衷心的感谢。由于编者水平有限，时间仓促，书中难免有不妥和错误之处，恳请广大读者批评指正。编 者2015年1月第1章金属材料的性能及钢的热处理金属材料具有许多良好的性能，被广泛应用于制造各种结构件、机械零件、工具和日常生活用具。本章主要介绍金属材料的性能及钢的热处理方法。1.1金属材料的性能
金属材料的性能包括使用性能和工艺性能，见表1.1。工艺性能是指制造过程中金属材料适应加工工艺要求的能力，如铸造性能、锻造、冲压性能、焊接性能、切削加工性能等。使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，包括力学性能、物理和化学性能，它们是进行结构设计、选用和制定加工工艺的重要依据。表1.1 金属材料的性能1.1.1 力学性能
金属材料力学性能又称机械性能，是金属材料在外力作用下表现出来的性能，包括强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度。它是设计制造零件的最重要指标，也是评定材料质量和热处理工艺的重要参数。(1)强度
强度是金属材料在静载荷的作用下抵抗永久变形和断裂的能力。常用抗拉强度和屈服点来表征金属材料的强度，它是用拉伸试验来测定的。试验前先将被测金属材料制成图1.1(a)所示的标准试样。按GB/T 228.1—2010规定对板件或5.65，其0中S为板试件的初始横截面积。将试件装在拉力试验机上缓慢地施加轴向静载荷，使之承受轴向静拉力。如图1.1(b)所示，我们会发现随载荷的不断增加，试件渐渐被拉长，直到拉断为止。试验机会自动记录每一瞬间的拉力F和伸长量ΔL，并绘出拉伸曲线。低碳钢的拉伸曲线如图1.2所示。e
拉伸曲线中，当拉力不超过F时，OE是直线，拉力与变形量成正比。载荷卸去后，试件恢复到原来的长度，这种变形称为弹性变形。e拉力超过F后，试件除发生弹性变形外，还产生了部分塑性变形，此时卸去外力后，试件不能恢复到原来的长度，这种变形称为塑性变形。eL当外力继续增加到F不再增加，试件仍然继续伸长，表现在拉力曲线上出现一水平线段，这种现象称为“屈服”。载荷继续增加，塑性m变形明显增大。当载荷增加到F以后，试件截面局部开始变细，出现了“缩颈”，如图1.1(b)所示。因为截面积变小，继续变形所需的力k减小，而变形量增大，当拉力在F时，试件在缩颈处断裂。图1.1 拉伸试验标准试件图1.2 低碳钢拉伸曲线
为了更好地反映出材料的力学性能，可将纵坐标的载荷改为应力R表示。应力即单位截面上所受的力，受拉力时称为正应力；当单位截面上受到压力时，称为负应力，用-R表示。横坐标的变形量改为延0伸率e，延伸率表示的是单位长度的伸长量，e=ΔL/ L。此时绘成的曲线称为应力-延伸率曲线。R-e曲线与F-ΔL曲线形状是相同的，只是坐标的含义不同而已。
金属强度的指标通常以拉应力来表示0
R =F/ S式中 F——外力，N；20
S——试件原始横截面积，mm。
应力R的单位为MPa(兆帕)或Pa(帕)，是国际单位制。目前我国2材料手册中有的还用工程单位制，即kgf/mm(千克力每平方毫米)，27两者的关系为kgf/mm≈10 MPa=10Pa。
强度有多种指标，工程上常用屈服点和抗拉强度。2
屈服点(屈服强度)：当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达eH到塑性变形发生而力不增加时的应力。具体区分为上屈服强度R(试eL样发生屈服而力首次下降前的最大应力)和下屈服强度R(在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最小应力)，如图1.3所示。图1.3 拉伸试验曲线上屈服强度和下屈服强度
有些材料的拉伸曲线没有明显的屈服点。工程规定以试样产生P0.20.2%塑性变形时的应力作为材料的屈服点，用R表示。
屈服点是材料力学性能的重要指标之一，因为机械零件在工作中eH是不允许产生塑性变形的，所以机械中绝大多数传动件都用R作为强度设计指标的依据。m
抗拉强度是指材料在拉断前所能承受的最大应力，用R表示：mm0
R=F/Sm式中 R——抗拉强度，MPa；m
F——最大力，N；20
S——原始横截面积，mm。
抗拉强度也是材料的主要力学性能指标之一，它表征材料在拉伸条件下所能承受的最大应力值。机械零件或金属构件，当应力达到mR时，意味着要发生断裂。脆性材料断裂前不发生塑性变形(铸铁类)，mm无屈服之言，用R作为强度设计的依据。所以除脆性材料外，R不直接用于强度计算，通常只作为材料质量评定指标或间接用于估算材料的疲劳能力。(2)塑性
塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形(或永久变形)而不破坏的能力。常用的塑性指标有伸长率A和断面收缩率Z。
断后伸长率是试样拉断后的总长度与原始(标准)长度的百分比，用A表示。u00
A =(L-L)/L× 100%0式中 L——原始标距，mm；u
L——断后标距，mm。
必须指出，伸长率的数值与试样尺寸有关。因此试验时应对所选0010定的试样尺寸作出规定，以便进行比较。如L=10d时，用A或A表005510示；L=5d时，用A表示。如同一种材料测得的A要比A大些，因10此当用A比较材料的塑性时，只能在相同规格的A之间进行比较。
断面收缩率是指试样拉断后，端口的横截面积与试样原始的截面积的百分比，用Z表示：0u0
Z =(S-S)/S× 100%20式中 S——平行长度部分的原始横截面积，mm；2u
S——断后最小横截面积，mm。
伸长率A和断面收缩率Z的数值越大，表示材料的塑性越好。
工程上，一般把A>5%的材料称为塑性材料，如低碳钢；把A<5%的材料称为脆性材料，如灰铸铁。良好的塑性既能保证压力加工和焊接，又能保证机械零件一旦遇到超载时，由于产生了塑性变形，不会突然断裂，从而增加了零件的安全可靠性。所以，一般的机械零件都要有一定的塑性(A值为5%～10%)。(3)硬度
硬度是金属表面抵抗局部变形、压痕、划痕的能力。它是衡量金属软硬的指标。硬度的高低直接影响到机械零件表面的耐磨性和寿命。硬度不像强度和塑性那样是一对一的物理量，它是材料强度、塑性和加工硬化倾向的综合反映。也就是说，硬度的高低在一定程度上反映金属材料强度、塑性的大小。工程上常用的硬度有布氏硬度和洛氏硬度。
1)布氏硬度HB
布氏硬度的测试方法如图1.4所示，用一定载荷F把直径为D的硬质合金钢球压入被测材料的表面，停留一定时间后，卸去载荷。由于D和F都是定值，卸去载荷后，用专用的放大镜测出压痕直径d，并依据d的数值从专门的表格中查出相应的HB值，用HBW表示。数据写在符号的前面，如350 HBW。为了推动HBW的发展，国家发布GB/T 232-1—2002标准。
布氏硬度计测量的硬度数据准确，重复性好，测量面积大，不受内部硬质点和空穴的影响。但它不能测薄壁件和在工件上直接应用，这是因为它压痕大，影响工件的表面质量。
2)洛氏硬度HR
洛氏硬度测试的原理是，用一定的载荷将顶角为120°的金刚石锥体或直径为φ2.588 mm的淬火钢球压入被测试件的表面，根据压痕深度测出它的硬度值。洛氏硬度计是从洛氏硬度刻度盘上直接读数。现在的新型硬度计如图1.5所示，准确多点测试后，直接打印出来求出平均值。新洛氏硬度计的压头有120°金刚石锥体、φ2-588 mm钢球和φ3.175 mm钢球三种，刻度盘上有A、B、…、K九种标尺，分别是HRA、HRB、…、HRK。表1.2给出了几种测试规范，其中以HRC最为广泛。图1.4 布氏硬底试验原理图图1.5 新型洛氏硬度计表1.2 洛氏硬度测试规范示例
洛氏硬度既能测试软材料，又能测试硬材料；既能在试件上测试，也能在成品上测试；操作简便、迅速、压痕小，不伤零件。缺点是测得数据重复性较差，需多点测试，求出平均值。
由于硬度是材料塑性、强度以及塑性过程中加工硬化的综合反映，所以机械零件的硬度高低不仅影响零件的耐磨性，同时也影响其强度、刚性和工艺性。(4)冲击韧性k
冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷的能力，用α表示。
很多的机械零件(如冲床车杆、锻锤的锤头、冲模等)，在工作中要承受冲击载荷。如果只用静载荷来计算零件的强度极限指标显然是不合理的，考虑材料的承受冲击韧性的能力，才能保证这些零件在工作中的安全性。图1.6 冲击试验原理
工程上目前通常采用摆锤冲击试验法来测量金属材料的冲击韧性。冲击试验机如图1.6 (b)所示，冲击试样如图1.6(a)所示。按图11.6(c)，将试样安装在试验机上，此时摆锤位能为gH，然后自由落下，22一次性冲断试样。冲断试样后，摆锤凭借剩余的能量gH又升到H的高度。摆锤冲断试样所消耗的位能称为冲击吸收功，用符号KV表12示，单位为J，即KV=g(H-H)。冲击韧性可按以下公式计算k
α=KV/S2k式中 α——冲击韧性，J/cm；
KV——冲断试样所消耗的冲击功(可在刻度盘上读出), J；2
S——试样缺口处的横截面积，cm。
通常情况下，在试件上都开有如图1.6(a)所示的V形缺口，便于冲断。但是对于脆性材料一般不开缺口(如铸铁、淬火钢等)，防止冲击值较低。
冲击值的大小，与诸方面有关，它不仅受试样形状、表面粗糙度及内部缺陷、组织的影响，还与试验的环境温度有关，因此它仅作选择材料时参考，不直接用于强度计算。(5)疲劳强度
疲劳强度是指材料在多次(107或更高次数)低于其屈服极限交变载荷作用下而不引起断裂的最大能力。对于按正弦曲线变化的对称循N环应力时，用σ表示。
有些零件(如曲轴、齿轮连杆、弹簧)，在工作中各点受到方向、大小、反复变化的交变应力的作用，在工作一段时间后，有时突然发m生断裂，而这时的应力往往远远小于该材料的抗拉强度极限R，甚eH至小于屈服强度R。这种断裂称为疲劳断裂。
断裂是机械零件失效中最严重和最危险的现象。就断裂而言，有脆性断裂、韧性断裂和疲劳断裂。工件在经历一段时间后，伴随有明显的塑性变形而断裂，叫韧性断裂，断口多呈纤维状，暗淡而无光泽；如果断裂前没有明显的变形预兆而突然断裂，叫脆性断裂，断口平整，有金属光泽；在交变载荷作用，机械零件所承受的应力远远小于屈服极限应力，突然发生断裂，而且事前无明显塑性变形预兆，称为疲劳断裂。疲劳断裂断口既不像脆断那样平整有光泽，也不像韧性断裂那样有明显的塑性变形，介于两者之间，并可以观察到三个明显区域：光滑的裂纹发生区、波浪状的裂纹扩展区和结晶或纤维状的最终断裂区。无论哪种断口，它的发展过程都是由裂纹的发生和裂纹的进一步扩展两个阶段构成的。N
通过疲劳试验得出的循环应力σ与断裂前的应力循环次数N的疲劳曲线如图1.7所示。材料所承受的循环应力愈大而应力循环次数就愈小；当循环应力低于某一值时，疲劳曲线呈水平曲线，表明金属材料在此应力下可经受无数次应力循环仍不发生断裂，此时的应力值称为材料的疲劳强度。
影响材料疲劳强度有诸多因素，有材料的内部缺陷、表面划痕、表面应力性质、载荷性质及结构形状等。提高疲劳强度的措施包括：改善其形状结构，除减少应力集中外，还可采取用喷丸和表面热处理来提高零件的表面质量，并尽量控制夹渣、气孔等缺陷。图1.7 疲劳曲线示意图1.1.2 物理、化学性能
金属材料的物理性能指材料的密度、熔点、热膨胀性、导电性和磁性等。
由于机械零件的用途不同，对其材料物理性能的要求也不同。例如，飞机应用密度小的铝镁钛合金。熔点高的合金用来制造耐热零件，如飞机发动机的涡轮叶片；而散热器、热交换器等应选用导热性好的材料；托克马克热核反应环流器装置、热核反应装置、扫雷舰应选用无磁材料。选材料时，应根据工作环境、工作性质选择相应的金属材料，否则就会造成不必要的损失。
金属材料的化学性能主要是指在常温下或高温下，金属对周围介质抗侵蚀的能力。例如啤酒发酵罐应选耐酸性腐蚀的材料(不锈钢)；船舶应选用耐碱性腐蚀的材料；医疗、食品机械应选用不锈钢制造。1.2工业用钢与铸铁
生产中使用的钢品种繁多，性能也千差万别。为了便于生产、使用和研究，需要对钢进行分类。1.2.1 钢的分类
钢的分类方法有很多，常见的有以下几种：(1)按用途分类
按用途分类，可把钢分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。结构钢可分为工程用钢和机器用钢。工具钢根据用途不同分为刃具钢、模具钢、量具钢。特俗性能钢包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。(2)按化学成分分类
按化学成分不同，可分为碳素钢和合金钢。碳素钢又按含碳量不cc同分为低碳钢(ω<0.25%)、中碳钢(ω=0.25%～0.65%)和高碳钢cme(ω>0.65%)；合金钢按合金元素总含量分为低合金钢(ω小于5%)、meme中合金钢(ω=5%～10%)和高合金钢(ω>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)按钢的质量等级分类(主要指钢中硫、磷杂质含量)sp
按钢的质量等级，可分为普通碳素结构钢，钢中含硫磷ω、ω≤sp0.045%；优质碳素结构钢，钢中含硫磷ω、ω≤0.035%；特殊性能sp钢，钢中含硫磷ω、ω≤0.020%。(4)按平衡状态金相组织或退火状态分类c
按平衡状态金相组织或退火状态可分为亚共析钢，ω<0.77%；cc共析钢，ω=0.77%；过共析钢，2.11%≥ω>0.77%。
按脱氧程度还可分为沸腾钢F、镇静钢Z。1.2.2 钢的牌号及用途
钢的牌号及用途见下述各表。
①碳素结构钢，如GB/T—700—2006，表1.3；
②优质碳素结构钢，如GB/T—699—1999，表1.4；
③碳素工具钢，如GB/T—700—2006，表1.5；
④合金结构钢，如GB/T 3077—1999，表1.6；
⑤非调质机械用钢，如GB/T 15712—2008，表1.7。表1.3 碳素结构钢(GB/T 700—2006摘录)表1.4 优质碳素结构钢(GB/T 699—1999摘录)续表表1.5 几种碳素工具钢的化学成分、热处理及用途举例表1.6 几种合金钢的化学成分、热处理及用途举例续表表1.7 非调质机械结构钢化学成分及力学性能注：F30MnVS、F38MnVS、F49MnVS钢的冲击吸收能量报实测数据，不作判定依据。1.2.3 化学成分对钢性能的影响
碳素结构钢除含碳以外，还会有硅锰磷硫等杂质。(1)含碳量对钢的性能的影响
含碳量对钢的性能影响很大，图1.8所示的含碳量对退火状态下m钢力学性能的影响。随含碳量增加钢的抗拉强度R、硬度增加，而塑韧性下降。但是当含碳量超过0.9%时，因为钢中出现网状二次渗碳体，随含碳量增加，硬度HB继续直线上升，但由于脆性加大，所m以抗拉强度R反而下降。从铁碳合金状态图可看出，随含碳量的逐渐增加，铁素体是逐渐减少，珠光体逐渐增加，当含碳量超过0.77%时逐渐出现渗碳体，渗碳体的数量不断增加，使钢的韧性下降，脆性增加，所以强度下降。这是随含碳量增加影响力学性能改变的根本原因所在。随含碳量的增加，钢的硬度、强度增加，塑韧性降低，钢的切削加工性能、冲压性、可锻性和焊接性都下降。图1.8 碳对钢力学性能的影响(2)杂质对钢力学性能的影响
1)硅、锰的影响
按理说，硅、锰是一种有益的元素，它既能脱氧，消除氧的不良影响，又能使强度、硬度、弹性增加，而塑韧性能降低。但是它们是以杂质的身份出现，硅的含量小于0.4%，锰的含量为0.4%～0.8%，对钢的力学性能影响不大，要有影响必须大于2.00%。
2)硫、磷杂质的影响
①硫。硫是钢中的有害元素，它是钢冶炼时由燃料带入钢中的元素，它不熔于铁，而与铁生成FeS，再与铁形成低熔共晶，熔点为985 ℃。当钢在1000～1200 ℃内轧制或锻造时，由于共晶体熔化沿晶粒边界裂开，常把这种现象称为热脆性。因此钢中的硫必须严格控制在小于0.045%以下。
②磷。磷在钢中虽然能使钢的强度、硬度增加，但塑韧性显著下降，特别是在室温下，严重影响钢的脆性，这种现象称为冷脆性，因此磷在钢中的含量也必须控制在0.045%以下。1.2.4 铸铁
常用铸铁的成分与钢不同，铸铁的含碳量大于2.11%(常用2.5%～4%)，其杂质远大于钢。根据铸铁中碳的存在形式不同将其分为白口铸铁、麻口铸铁和灰口铸铁。白口铸铁中碳主要以渗碳体的形式存在，灰口铸铁中碳主要以石墨的形式，麻口铸铁中的碳以渗碳体和石墨两种形式存在，其中，灰口铸铁应用得最多。石墨的强度近于零，因此石墨存在相当于钢的基体上存在裂缝或空洞，使铸铁的性能比钢低，特别是抗拉强度和塑性低，不能进行锻压加工，但其硬度和抗压强度较好，所以灰口铸铁主要用于承受压力的零件。工业上根据石墨形状不同分为灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁等。(1)普通灰口铸铁
石墨以片状形态存在的铸铁称为灰铸铁。由于片状石墨存在，其石墨尖端的应力集中现象使灰铸铁的抗拉强度及塑性低。灰铸铁的牌号为HT后加三位数字。三位数字表示最低的抗拉强度(MPa)。例如HT200、HT250和HT300等共六种。(2)可锻铸铁
石墨以团絮状的形态存在的铸铁称为可锻铸铁。由于团絮状石墨对应力集中影响较小，故可锻铸铁的力学性能较灰铸铁高。可锻铸铁的牌号为三个拼音字和二组数字：如KTH300-06、KTZ550-04。KT表示“可锻”, “H”和“Z”分别表示“黑”和“珠”的拼音字首；前一组三位数表示最低的抗拉强度(MPa)；后一组数字表示最低伸长率(%)。(3)球墨铸铁
石墨以球状形态存在的铸铁称为球墨铸铁。由于球状石墨的应力集中影响更小，故球黑铸铁的性能最好。球墨铸铁的牌号表示和可锻铸铁类似，就是把拼音字母改为“QT”，如QT450-10、QT600-3等。1.3钢的热处理
钢的热处理是将固态钢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的一种工艺。热处理的特点是改变零件或者毛坯的内部组织，而不改变其形状和尺寸。所以热处理的过程就是按加热→保温→冷却这三阶段进行，这三个阶段可用冷却曲线来表示(如图1.9所示)。不管是哪种热处理，都是分这三个阶段，不同的是加热温度、保温时间和冷却速度不同。图1.9 热处理工艺曲线
热处理工艺的特点是不改变金属零件的外形尺寸，只改变材料内部的组织与零件的性能。所以钢的热处理目的是消除材料的组织结构上的某些缺陷，更重要的是改善和提高钢的性能，充分发挥钢的性能潜力，这对提高产品质量和延长使用寿命有重要的意义。
热处理的工艺方法很多，大致可分为两大类：
①第一类是普通热处理，也称零件热处理，包括退火、正火、淬火、回火等；
②第二类是表面热处理，包括表面淬火和化学热处理(如渗碳、渗氮、渗硼处理)。1.3.1 普通热处理(1)退火
退火就是将金属或合金的工件加热到适当温度(高于或低于临界温度，临界温度就是使材料发生组织转变的温度)，保持一定的时间，然后缓慢冷却(即随炉冷却或者埋入导热性较差的介质中)的热处理工艺。退火工艺的特点是保温时间长，冷却缓慢，可获得平衡状态的组织。钢退火的主要目的是为了细化组织，提高性能，降低硬度，以便于切削加工；消除内应力，提高韧性，稳定尺寸，使钢的组织与成分均匀化；也可为以后的热处理工艺作组织准备。根据退火的目的不同，退火分为完全退火、球化退火、消除应力退火等几种。
退火常在零件制造过程中对铸件、锻件、焊件进行，以便于以后的切削加工或为淬火作组织准备。(2)正火
将钢件加热到临界温度以上30～50 ℃，保温适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺称为正火。正火的主要目的是细化组织，改善钢的性能，获得接近平衡状态的组织。
正火与退火工艺相比，其主要区别是正火的冷却速度稍快，所以正火热处理的生产周期短。故退火与正火同样能达到零件性能要求时，尽可能选用正火。大部分中、低碳钢的坯料一般都采用正火热处理。一般合金钢坯料常采用退火，若用正火，由于冷却速度较快，使其正火后硬度较高，不利于切削加工。(3)淬火
将钢件加热到临界点以上某一温度(45钢淬火温度为840～860℃，碳素工具钢的淬火温度为760～780 ℃)，保持一定的时间，然后以适当速度冷却以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。
淬火与退火、正火处理在工艺上的主要区别是冷却速度快，目的是为了获得马氏体组织。也就是说，要获得马氏体组织，钢的冷却速度必须大于钢的临界冷却速度。这里的临界冷却速度，就是获得马氏体组织的最小冷却速度。钢的种类不同，临界冷却速度不同，一般碳钢的临界冷却速度要比合金钢大。所以碳钢加热后要在水中冷却，而合金钢在油中冷却。虽然冷却速度小于临界冷却速度得不到马氏体组织，但冷却速度过快，会使钢中内应力增大，引起钢件的变形，甚至开裂。(4)回火
钢件淬硬后，再加热到临界温度以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。
淬火后的钢件一般不能直接使用，必须进行回火后才能使用。因为淬火钢的硬度高、脆性大，直接使用常发生脆断。通过回火可以消除或减少内应力、降低脆性，提高韧性；另一方面可以调整淬火钢的力学性能，达到钢的使用性能。根据回火温度的不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火三种。
1)低温回火
淬火钢件在250 ℃以下的回火称为低温回火。低温回火主要是消除内应力，降低钢的脆性，且仍保持钢件的高硬度。如钳工实习时用的锯条、锉刀等一些要求使用条件下有高硬度的钢件，都是淬火后经低温回火处理。
2)中温回火
淬火钢件在350 ℃～500 ℃的回火称为中温回火。淬火钢件经中温回火后可获得良好的弹性，因此弹簧、压簧、汽车中的板弹簧等，常采用淬火后的中温回火处理。
3)高温回火
淬火钢件在高于500 ℃的回火称为高温回火。淬火钢件经高温回火后，具有良好综合力学性能(既有一定的强度、硬度，又有一定的塑性、韧性)。所以一般中碳钢和中碳合金钢常采用淬火后的高温回火处理。轴类零件应用最多。淬火+高温回火称为调质处理。1.3.2 表面热处理
仅对工件表层进行热处理以改变组织和性能的工艺称表面热处理。(1)表面淬火
对钢件表层进行淬火的工艺称为表面淬火。其热处理特点是用快速加热的方法把钢件表面迅速加热到淬火温度(这时钢件的芯部温度较低)，然后快速冷却，使钢件的一定深度表层淬硬，芯部仍保持其原来状态。这样就提高了钢件表面硬度和耐磨性，芯部仍具有较好的综合力学性能(一般表面淬火前进行了调质处理)。例如齿轮工作时表面接触应力大，摩擦厉害，要求表层硬度高，而齿轮芯部通过轴传递动力(包括冲击力)。所以中碳钢制造的齿轮是调质处理后，再经表面淬火。表面淬火由于采用的快速加热方法不同分为火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火。感应加热表面淬火又由于电源频率不同有高频淬火、中频淬火。(2)化学热处理
将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，以改变工件表面的化学成分、组织和性能的热处理工艺称为化学热处理。化学热处理的过程也是加热→保温→冷却这三个阶段，不同之处是在一定介质中保温。根据渗入元素不同，化学热处理有渗低碳合金钢(如20,20Cr钢)；气体渗碳时的渗碳剂为煤油或乙醇；渗碳温度为900～950 ℃，煤油或乙醇在该温度下裂解出活性碳原子[C], [C]就渗入低碳钢件的表层，然后向内部扩散，形成一定厚度的渗碳层。(3)热处理常用加热设备
热处理中常用的加热设备主要有加热炉、测温仪表、冷却设备和硬度计等。其中，加热炉有很多种，常用电阻炉和盐浴炉。
1)电阻炉
电阻炉是利用电流通过电热元件(如金属电阻丝，SiC棒等)产生的热量来加热工件。根据其加热的温度不同，可分为高温电阻炉、中温电阻炉和低温电阻炉等；又根据形状不同分为箱式电阻炉和井式电阻炉等多种。这种炉子的结构简单，操作容易，价格较低，主要用于中、小型零件的退火、正火、淬火、回火等热处理。其主要缺点是加热易氧化、脱碳，是一种周期性作业炉，生产率低。
2)盐浴炉
盐浴炉是用熔融盐作为加热介质(即工件放入熔融的盐中加热)的加热炉。使用较多的是电极式盐浴炉和外热式盐浴炉。盐浴炉常用的盐为氯化钡、氯化钠、硝酸钾和硝酸钠。由于工件加热是在熔融盐中进行，与空气隔开，工件的氧化、脱碳少，加热质量高，且加热速度快而均匀。盐浴炉常用于小型零件及工、模具的淬火和回火。1.4钢铁材料的火花鉴别
钢铁材料火花鉴别法是利用钢铁材料在磨削过程中产生的物理化学现象判断其化学成分的方法。当钢样在砂轮上磨削时，磨削颗粒沿砂轮旋转的切线方向被抛射，磨粒处于高温状态，表面被强烈氧化，形成一层FeO薄膜。钢中的碳在高温下极易与氧发生反应，FeO+C→Fe+CO，使FeO还原；被还原的Fe将再次被氧化，然后再次还原。这种氧化-还原反应循环进行，会不断产生出CO气体，当颗粒表面的氧化铁薄膜不能控制产生的CO气体时，就有爆裂现象发生从而形成火花。爆裂的碎粒若仍残留有未参加反应的FeO和C时，将继续发生反应，则出现二次、三次或多次爆裂火花。钢中的碳是形成火花的基本元素，当钢中含有锰、硅、钨、铬、钼等元素时，它们的氧化物将影响火花的线条、颜色和状态。根据火花的特征，可大致判断出钢材的碳含量和其他元素的含量。1.4.1 火花的构成
钢铁材料在砂轮上磨削时产生的火花由根部火花，中部火花和尾部火花构成火花束，如图1.10所示。高温磨削颗粒形成的线条状轨迹称为流线。流线上明亮而又较粗的点称为节点。火花在爆裂时，产生的若干短线条称为芒线。芒线所组成的火花称为节花。随着碳含量的增加，在芒线上继续爆裂产生二次花、三次花不等。在芒线附近所呈现的明亮的小点称为花粉。火花束的构成，如图1.11所示。由于钢铁材料化学成分不同，流线尾部呈现不同形状的火花称为尾花。尾花有苞状尾花、狐尾状尾花、菊状尾花和羽状尾花，如图1.12所示。图1.10 火花束的形成图1.11 火花束的构成图1.12 尾花各种形状1.4.2 常用钢铁材料的火花特征(1)碳素钢火花的特征
碳是钢铁材料火花的基本元素，也是火花鉴别法测定的主要成分。由于含碳量的不同，其火花形状不同，如图1.13所示。在砂轮磨削时，手感也由软而逐渐变硬。
①低碳钢火花束通常较长，流线少，芒线稍粗，多为一次花，发光一般，带暗红色，无花粉。
②中碳钢火花束稍短，流线较细长而多，爆花分叉较多，开始出现二次、三次花，花粉较多，发光较强，颜色橙。
③高碳钢火花束较短而粗，流线多而细，碎花、花粉多，又分叉多且多为三次花，发光较亮。(2)铸铁的火花特征
铸铁的火花束很粗，流线较多，一般为二次花，花粉多，爆花多，尾部渐粗下垂成弧形，一般为羽尾花，颜色多为橙红色或暗红色。图1.13 碳素钢的火花特征(3)合金钢的火花特征
合金钢的火花特征与其含有的合金元素有关。一般情况下，镍、硅、钼、钨等元素抑制火花爆裂，而锰、钒铬等元素却可助长火花爆裂。所以对合金钢的鉴别较难掌握。
①一般铬钢的火花束白亮，流线稍粗而长，爆裂多为一次花、花型较大，呈大星形，分叉多而细，附有碎花粉，爆裂的火花心较明亮。
②镍铬不锈钢的火花束细，发光较暗，爆裂为一次花，五、六根分叉，呈星形，尖端微有爆裂。
③高速钢火花束细长，流线数量少，无火花爆裂，色泽呈暗红色，根部和中部为断续流线，尾花呈弧状。复习思考题
1.1 金属材料的使用性能包括哪些？分析应力-延伸率曲线。
1.2 工程上常用的硬度有哪些？它们有什么优缺点？
1.3 晶粒的粗细对钢的力学性能有何影响？细化晶粒有哪些方法？
1.4 钢的分类方法有哪些？根据石墨的形态不同，灰口铸铁可分为哪几类？
1.5 什么是钢的热处理？什么是退火？什么是正火？它们的特点和用途有哪些？c3
1.6 亚共析钢细化晶粒的退火为什么要加热到A以上30～50 c1℃？而一般的共析钢只加热到A以上30～50 ℃？
1.7 什么是钢的淬火？为什么要严格控制加热？为什么亚共析钢C3的淬火温度必须加热到A以上30～50 ℃？
1.8 什么是钢的回火？各种回火的温度范围及目的是什么？
1.9 钢的淬火介质如何选择？碳钢在油中淬火为什么不能获得马氏体？合金钢在水中淬火为什么会开裂？
1.10 钢的火花由哪几部分组成？
1.11 简述各种钢铁材料的火花特征。第2章铸造铸造是指将熔炼好的金属浇入铸型，待其凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法。用铸造方法得到的金属件称为铸件。铸造的方法很多，主要有砂型铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造以及熔模铸造等，其中砂型铸造应用最为普遍。砂型铸造是用型砂紧实成型的铸造方法。砂型在取出铸件后便已损坏，所以砂型铸造亦称为一次性铸造。砂型铸造的工艺过程如图2.1所示。它主要包括制造模样和型芯盒；制备型砂和型芯砂；造型、造型芯；砂型和型芯的烘干；盒箱；金属的熔炼及浇注；落砂、清理、检验等。图2.1 砂型铸造的工艺过程铸造是毛坯成型的主要工艺方法之一，在机械制造中占有很重要的地位。按质量计算，在一般机械设备中铸件占40%～90%；在金属切削机床中占70%～80%；在重型机械、矿山机械中占85%以上。铸造能得到如此广泛的应用，是因为它具有一系列的优点：①可以制成外形和内腔十分复杂的毛坯，如各种箱体、床身、机架等。②适用范围广，可铸造不同尺寸、质量及各种形状的工件；也适用于不同材料，如铸铁、铸钢、非铁合金。铸件质量可以从几克到二百吨以上。③原材料来源广泛，还可利用报废的机件或切屑；工艺设备费用小，成本低。④所得铸件与零件尺寸较接近，可节省金属的消耗，减少切削加工工作量。但铸件也有力学性能较差，生产工序多，质量不稳定，工人劳动条件差等缺点。随着铸造合金、铸造工艺技术的发展，特别是精密铸造的发展和新型铸造合金的成功应用，使铸件的表面质量、力学性能都有显著提高，铸件的应用范围日益扩大。铸造安全操作规程：①造型时不可用嘴吹，只能用皮老虎吹砂。使用皮老虎时，要选择无人的方向吹，以防砂子吹入眼中和芯砂。②扣箱时不要把手指放在砂箱下方，以免砸伤手。③浇注时，不操作浇注的人员应远离浇包。④拆箱清理时，应将铸件冷却到一定程度。⑤清理铸件时要注意避免伤人。2.1砂型铸造2.1.1 砂型铸造的组成
砂型铸造的任务是获得质量合格的铸型。它应使砂型从最适当的面分开(即分型面)，以方便取出模样并获得清晰的型腔；模样周围应留有足够的砂层厚度(称为吃砂量)，以承受金属流液的压力，并且砂型的紧实度应随所受金属的压力而变化；还应考虑金属液流入型腔的通道、浇注系统及型腔中气体溢出的通道等。图2.2所示为砂型铸造轴承座的生产过程。图2.2 轴承座铸件生产过程2.1.2 型砂和芯砂的制备
砂型铸造用的造型材料主要是用于制造砂型的型砂和用于制造砂芯的芯砂。型砂通常是由原砂、黏土和水按一 定比例混合而成，其中黏土约为9%，水约为6%，其余为原砂。有时还加入少量如煤粉、植物油、木屑等附加物以提高型砂和芯砂的性能。紧实后的型砂结构如图2.3所示。图2.3 型砂的组成示意图
芯砂由于需求量少，一般用手工配制。型芯所处的环境恶劣，所以芯砂性能要求比型砂高，同时芯砂的黏结剂(黏土、油类等)比型砂中的黏结剂的比重要大一些，所以其透气性不及型砂，制芯时要做出透气道(孔)；为改善型芯的退让性，要加入木屑等附加物。有些要求高的小型铸件往往采用油砂芯(桐油+砂子，经烘烤至黄褐色而成)。2.1.3 型砂的性能
型砂的质量直接影响铸件的质量。型砂质量差会使铸件产生气孔、砂眼、黏砂、夹砂等缺陷。良好的型砂应具备下列性能：(1)强度
型(芯)砂抵抗外力破坏的能力称为型砂强度，包括湿强度、干强度、热强度等。型砂强度高，在搬运和浇注过程中就不易变形、掉砂和塌箱。型砂中黏结剂含量的提高，沙粒细小，形状不圆整且大小不均匀，以及紧实度高等均可使型砂强度提高。(2)透气性
型砂能让气体透过的性能称为透气性。高温金属液浇入铸型后，型内充满大量气体，这些气体必须由铸型内顺利排出去，否则将使铸件产生气孔、浇不足等缺陷。
铸型的透气性受砂的粒度、黏土含量、水分含量及砂型紧实度等因素的影响。砂的粒度越细，黏土及水分含量越高，砂型紧实度越高，透气性则越差。(3)耐火性
型砂经高温金属液作用后，不被烧焦、不被熔融和软化的能力称2为耐火性。耐火性差，铸件易产生粘砂。型砂中SiO含量越多，型砂颗粒就越大，耐火性越好。(4)可塑性
可塑性指型砂在外力作用下变形，去除外力后能完整地保持已有形状的能力。可塑性好，容易变形，便于制造形状复杂的砂型，起模也容易。(5)退让性
退让性指铸件在冷凝时，型砂可被压缩(不阻碍铸件收缩)的能力。退让性不好，铸件易产生内应力或开裂。型砂越紧实，退让性越差。在型砂中加入木屑等物可以提高退让性。
在单件小批生产的铸造车间里，常用手捏法来粗略判断型砂的某些性能，如用手抓起一把型砂，紧捏时感到柔软容易变形；放开后砂团不松散、不黏手，并且手印清晰；把它折断时，断面平整均匀并没有碎裂现象，同时感到具有一定强度，就认为型砂具有了合适的性能要求，如图2.4所示。图2.4 手捏法检验型砂2.1.4 模样的设计
模样是根据零件图设计制造出来的，它是造型的基本工具。设计模样时必须考虑以下几个问题：(1)选择分型面
分型面是指砂型的分界面。选择分型面时，必须使造型、起模方便，同时易于保证铸件质量。(2)起模斜度
为了易于从砂型中取出模样，凡垂直于分型面的表面，都应做出0.5°～4°的拔模斜度。(3)收缩量
液体金属冷凝后要收缩，因此模样的尺寸应比铸件尺寸大些。放大的尺寸称为收缩量。通常，用于铸铁件时要加大1%；用于铸钢件时加大2.5%～2%；用于铝合金件时加大1%～2.5%。(4)加工余量
铸件的加工余量就是切削加工时要切去的金属层。因此，对于铸件上需要切削加工的表面，在绘制模样时都要相应地留出加工余量。余量的大小主要决定于铸件的尺寸、形状和铸件材料。一般小型灰口铸铁的加工余量为2～4 mm。(5)型芯头
有砂芯的砂型，必须在模样上做出相应的芯头。
图2.5是压盖零件的铸造工艺图及相应的模样图。从图中可见模样的形状和零件图往往是不完全相同的。图2.5 压盖零件铸造示意图2.1.5 造型和造芯(1)造型方法
造型是砂型铸造的主要工艺过程之一，一般可分为手工造型和机器造型两大类。
1)手工造型
手工造型操作灵活，使用图2.6所示的造型工具可进行整模两箱造型、分模造型、挖砂造型、活块造型、假箱造型、刮板造型及三箱造型等，应根据铸件的形状、大小和生产批量选择造型方法。
①整模造型。整模造型用的是一个整体的模样。模样只在一个砂箱内(下箱)，分型面是平面。整模造型操作方便，铸件不会由于上下砂箱错误而产生错箱缺陷。整模造型用于制造形状比较简单的铸件。图2.7为整模造型的基本过程。图2.6 常用手工造型工具图2.7 整体造型
②分模造型。分模造型的特点是：模样是分开的，模样的分开面(称为分型面)必须是模样的最大截面，以利于起模。分模造型过程与
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