机械工程材料基本知识

第1章 机械工程材料基本知识

1.1 金属材料的力学性能

任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用。如起重机上的钢索，受到悬吊物拉力的作用；柴油机上的连杆，在传递动力时，不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用；轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等。这就要求金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力。这种能力就是材料的力学性能。金属表现来的诸如弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料材料在外力作用下表现出力学性能的指标。

1.1.1 强度

强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，符号为σ，单位为MPa。

工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用σs表示。抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用σb表示。

对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，而用抗拉强度作为其强度设计的依据。

1.1.2 塑性

塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。

工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率，用符号δ表示。断面收缩率指试样拉断后，断面缩小的面积与原来截面积之比，用 表示。

伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件，也是保证机械零件工作安全，不发生突然脆断的必要条件。

1.1.3 硬度

硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。硬度的测试方法很多，生产中常用的硬度测试方法有布氏硬度测试法和洛氏硬度试验方法两种。

（一）布氏硬度试验法

布氏硬度试验法是用一直径为D的淬火钢球或硬质合金球作为压头，在载荷P的作用下压入被测试金属表面，保持一定时间后卸载，测量金属表面形成的压痕直径d，以压痕的单位面积所承受的平均压力作为被测金属的布氏硬度值。

布氏硬度指标有HBS和HBW，前者所用压头为淬火钢球，适用于布氏硬度值低于450的金属材料，如退火钢、正火钢、调质钢及铸铁、有色金属等；后者压头为硬质合金，适用于布氏硬度值为450~650的金属材料，如淬火钢等。 布氏硬度测试法，因压痕较大，故不宜测试成品件或薄片金属的硬度。

（二）洛氏硬度试验法

洛氏硬度试验法是用一锥顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为φ1.558mm（1/16英寸）的淬火钢球为压头，以一不定的载荷压入被测试金属材料表面，根据压痕深度可直接在洛氏硬度计的指示盘上读出硬度值。常用的洛氏硬度指标有HRA、HRB和HRC三种。

采用120︒金刚石圆锥体为压头，施加压为600N时，用HRA表示。其测量范围为60～85，适于测量合金、表面硬化钢及较薄零件。

采用φ1.588mm淬火钢球为压头，施加压力为1000N时，用HRC表示，其测量硬度值范围为25～100，适于测量有色金属、退火和正火钢及锻铁等。

采用120︒金刚石圆锥体为压头，施加压力为1500N时，用HRC表示，其测量硬度值范围为20～67，适于测量淬火钢、调质钢等。

洛氏硬度测试，操作迅速、简便，且压痕小不损伤工件表面，故适于成品检验。

硬度是材料的重要力学性能指标。一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的强度越高，塑性变形抗力越大，硬度值也越高。

1.1.4 冲击韧性

金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性，用ak表示，单位为J/cm2。 冲击韧性常用一次摆锤冲击弯曲试验测定，即把被测材料做成标准冲击试样，用摆锤一次冲断，测出冲断试样所消耗的冲击AK，然后用试样缺口处单位截面积F

上所消耗的冲击功ak表示冲击韧性。

ak值越大，则材料的韧性就越好。ak值低的材料叫做脆性材料，ak值高的材料叫韧性材料。很多零件，如齿轮、连杆等，工作时受到很大的冲击载荷，因此要用ak值高的材料制造。铸铁的ak值很低，灰口铸铁ak值近于零，不能用来制造承受冲击载荷的零件。

1.2 常用金属材料

金属材料来源丰富，并具有优良的使用性能和加工性能，是机械工程中应用最普遍的材料，常用以制造机械设备、工具、模具，并广泛应用于工程结构中。 金属材料大致可分为黑色金属两大类。黑色金属通常指钢和铸铁；有色金属是指黑色以外的金属及其合金，如铜合金、铝及铝合金等。

1.2.1 钢

钢分为碳素钢（简称碳钢）和合金两大类。

碳钢是指含碳量小于2.11%并含有少量硅、锰、硫、磷杂质的铁碳合金。工业用碳钢的含碳量一般为0.05%～1.35%。

为了提高钢的力学性能、工艺性能或某些特殊性能（如耐腐蚀性、耐热性、耐磨性等），冶炼中有目的地加入一些合金元素（如Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等），这种钢称为合金钢。

（一）碳钢

1．碳钢的分类

碳钢的分类方法有多种，常见的有以下三种。

（1）按钢的含碳量多少分类 分为三类：

低碳钢，含碳量

中碳钢，含碳量为0.25%～0.60%；

高碳钢，含碳量>0.60%。

（2）按钢的质量（即按钢含有害元素S、P的多少）分类 分为三类： 普通碳素钢，钢中S、P含量分别≤0.055%和0.045%；

优质碳素钢，钢中S、P含量均≤0.040%；

高级碳素钢，钢中S、P含量分别≤0.030%和0.035%。

（3）按钢的用途分类 分为两类：

碳素结构钢，主要用于制造各种工程构件和机械零件；

碳素工具钢，主要用于制造各种工具、量具和模具等。

2．碳钢牌号的表示方法

（1）碳素结构钢 碳素结构钢的牌号由屈服点“屈”字汉语拼音第一个字母Q、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z）等四部分按顺序组成。其中质量等级按A、B、C、D顺序依次增高，F代表沸腾钢，b代表镇静钢，Z代表镇静钢等。如Q235-A·F表示屈服强度为235Mpa的A级沸腾碳素结构钢。

（2）优质碳素结构钢 优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示。这两位数字代表钢中的平均含碳量的万分之几。例如45钢，表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。08钢，表示平均含碳量为0.08%的优质碳素结构钢。

（3）碳素工具钢 碳素工具钢的牌号是用碳字汉语拼音字头T和数字表示。其数字表示钢的平均含碳量的千分之几。若为高级优质，则在数字后面加“A”。例如，T12钢，表示平均含碳量为1.2%的碳素工具钢。T8钢，表示平均含碳量为0.8%的碳素工具钢。T12A，表示平均含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。

3．碳钢的用途举例

Q195、Q215，用于铆钉、开口销等及冲压零件和焊接构件。

Q235、Q255，用于螺栓、螺母、拉杆、连杆及建筑、桥梁结构件。

Q275，用于强度较高转轴、心轴、齿轮等。

Q345，用于船舶、桥梁、车辆、大型钢结构。

08钢，含碳量低，塑性好，主要用于制造冷冲压零件。

10、20钢，常用于制造冲压件和焊接件。也常用于制造渗碳件。

35、40、45、50钢属中碳钢，经热处理后可获得良好的综合力学性能，主要用制造齿轮、套筒、轴类零件等。这几种钢在机械制造中应用非常广泛。

T7、T8钢，用于制造具有较高韧性的工具，如冲头、凿子等。

T9、T10、T11钢，用作要求中等韧性、高硬度的刃具，如钻头、丝锥、锯条等。

T12、T13钢，用于要求更高硬度、高耐磨性的锉刀、拉丝模具等。

（二）合金钢

合金钢的分类方法有多种，常见的有以下两种。

（1）按用途分类 分为三类：

合金结构钢，用于制造各种性能要求更高的机械零件和工程构件；

合金结构钢，用于制造各种性能要求更高的刃具、量具和模具；

特殊性能钢，具有特殊物理和化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。

（2）铵合金元素总含量多少分类 分为三类：

低合金钢，合金元素总含量小于5%；

中合金钢，合金元素总含量为5%～10%；

高合金钢，合金元素总含量大于10%。

2．合金钢牌号的表示方法

合金钢是按钢材的含碳量以及所含合金元素的种类和数量编号的。

① 钢号首部是表示含碳量以及所含合金结构钢与碳素结构钢相同，以万分之一的碳作为单位，如首部数字为45，则表示平均含碳量为0.45%；合金工具钢以千分之一的碳作为单位，如首部数字为5，则表示平均含碳量为0.5%。

② 在表示含碳量的数字后面，用元素的化学符号表示出所含的合金元素。合金元素的含量以百分之几表示，当平均含量小于1.5%时，只标明元素符号，不标含量。如25Mn2V，表示平均含碳量为0.25%，含锰量约为2%，含钒量小于1.5%的合金结构钢。又如9SiCr，表示平均含碳量为0.9%，含硅、铬都少于

1.5%的合金工具钢。

③ 对于含碳量超过1.0%的合金工具钢，则在牌号中不表示含碳量。如CrWMn钢，表示含碳量大于1.0%并含有铬、钨、锰三种合金元素的合金工具钢。但也有特例，高速钢的含碳量小于1.0%，牌号中也不表示含碳量。如W18Cr4V钢，其含碳量仅为0.7%～0.8%。

④ 特殊性能钢牌号中也不表示方法基本上与合金工具钢相同。如2Cr13，表示平均含碳量为0.2%，含铬量约为13%的不锈钢。

⑤ 有些特殊用钢，则用专门的表示方法，如滚动轴承钢，其牌号以G表示，不标含碳量，铬的平均含量用千分之几表示。如GCr15，表示含铬量为1.5%的滚动轴承钢。

⑥ 对于高级优质钢，在钢号末尾加一个“A”字，如38CrMoAIA。

3．合金钢的用途举例

09MnNb、16Mn、15MnTi钢属低合金结构钢，用于制造桥梁、车辆、锅炉、

油罐、建筑结构和化工容器等。

14MnVTiRe、14MnMoV、18MnNb、14CrMnMoVB钢用于制造大型船舶、重要桥梁、电站设备及锅炉、化工、石油等中高压容器。

20Cr、20MnV钢，适于制造渗碳小齿轮、小轴、活塞销等。

20CrMnTi钢，常用于制造汽车、拖拉机上的齿轮。

18Cr2Ni4WA、15CrMn2SiMo、20Cr2Ni4A钢，常用于制造大型渗碳齿轮和轴类件。

40MnB、40Cr、35CrMo、40CrMnMo钢，用于制造重要调质件，如主轴、曲轴、连连杆和齿轮等机械零件。

65Mn、60Si2Mn钢属弹簧钢，主要用于制造截面小于25mm的弹簧，如车箱板簧和机车板簧、扭杆簧等。

GCr15、GsiMnMoV钢属轴承钢，主要用于制造滚动轴承的内圈、外圈和滚动体，也可用于制造冷冲模、冷轧辊等。

CrWMn、CrMn、9Mn2V钢，用于制造测量工具，如卡尺、千分尺、量规、块规塞规等。

W18Cr4V、W6Mo5C4V2钢，用于制造高速切削的刃具，如钻头、铣刀、滚刀、拉刀、铰刀车刀等。

5CrMnMo、3Cr2W8V钢，属热模具钢，用于制造热锻模、热压模、压铸模等。

Cr12、Cr12MoV钢，属冷模具钢，用于制造冷冲模具、冷切剪刀具等。 1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13钢，属马氏体不锈钢，用于制造抗弱腐蚀性介质并承受冲击载荷的零件，还可用来制造具有较高硬度和耐磨性的医疗工具等。

1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti钢，属奥氏体不锈钢，用于制造耐硝酸、冷磷酸、有机酸及盐、碱溶液腐蚀的设备零件。

Mn13钢，属耐磨钢，用于制造拖拉机链轨板、挖掘机铲齿、球磨机衬板、铁路道岔等。

15CrMo、4Cr10Si2Mo钢，属耐热钢，用于制造在高温下工作的零件或构件。

1.2.2 铸铁

铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金，它含有比碳钢更多的硅、锰、硫、磷

等杂质。工业上常用的铸铁含碳量为2.5%～4.0%。

根据铸铁中碳的存在形式不同，铸铁可分为白口铸铁可分为白口铸铁和灰口铸铁两大类。

（一）白口铸铁

白口铸铁中的碳几乎全部以Fe3形式存在，断口呈银白色，性能硬而脆，很难进行切削加工，工业上极少用来制造机械零件。主要用作炼钢原料或用于可锻铸铁的毛坯。

（二）灰口铸铁

灰口铸铁中的碳大部分或全部以自由状态的石墨形式存在，断口呈暗灰色。根据灰口铸铁中石墨存在形式不同，它又可分为普通灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁等。

1．普通灰口铸铁

简称灰口铸铁，其石墨形态呈片状。由于片状石墨的存在，割裂了金属基体组织，减少了承载的有效面积，因此其综合力学性能较低，但其减振性、耐磨性、铸造性及切削加工性较好，主要用于制造承受压力的床身、箱体、机座、导轨等零件。

灰口铸铁牌号的表示方法为“HT”加数字，其中“HT”是灰铁两字汉语拼音的第一个字母，数字表示最低抗拉强度。常用的灰口铸铁牌号为HT100、HT150、HT200、HT250、HT300等。

2．可锻铸铁

可锻铸铁是由白口铸铁经石墨化退火后而得到，其后墨形态呈团絮状。由于其石墨呈团絮状，对金属基体的割裂作用减小，故其抗拉强度、塑性、韧性都比灰口铸铁高，主要用于制造一些形状比较复杂而在工作中承受一定冲击载荷的薄壁小型零件，如管接头、农具等。

可锻铸铁的牌号由“KTH”或“KTZ”加两组数字组成。其中“KT”是可铁两字汉语拼音第一个字母，后面的“H”表示黑心可锻铸铁，“Z”表示珠光体可锻铸铁。其后面的两组数字分别表示材料的最低抗拉强度数值和最小伸长率数值。其主要牌号有KTH350-10、KTZ550-04等。

3．球墨铸铁

球墨铸铁中石墨形态呈球状。由于球状石墨对金属基体的割裂作用更小，因

此它具有较高的强度、塑性和韧性，所以应用较广，在某些情况下可替代中碳钢使用。主要用于制造受力较复杂、负荷较大的机械零件，如曲轴、连杆、齿轮、凸轮轴等。

球墨铸铁的牌号由“QT”加两组数字组成。其中“QT”是球铁两字汉语拼音的第一个字母，两组数字分别表示最低抗拉强度数值和最小伸长率数值。主要牌号有QT500-7、QT800-2等。

1.2.3 铸钢

铸钢也是一种重要的铸造合金，其应用仅次于铸铁。铸钢件的力学性能优于各类铸件，并具有优良的焊接性能，适于采用铸焊联合工艺制造重型铸件。生产上铸钢主要用于制造形状复杂、难于锻造而又需承受冲击载荷的零部件。如机车车架、火车车轮、水压机的缸和立柱、大型齿轮、轧钢机机架等。

常用的铸钢有碳素铸钢和合金铸钢两大类，其中碳素铸钢应用较广，约占铸钢件的80%。

一般工程用铸钢的牌号由“ZG”加两组数字表示。其中“ZG”为铸钢二字汉语拼音第一个字母，后面两位数字分别表示材料的最小屈服强度值和最小抗拉强度值。如ZG200-400、ZG270-500、ZG340-640等。

1.2.4 铜合金及铝合金

铜、铝合金是工业上最常用的有色合金。因具有某些特殊的使用性能，使其成为现代工业技术中不可缺少的材料。

（一）铜合金

在纯铜中加入某些合金元素（如锌、锡、铝、铍、锰、硅、镍、磷等），就形成了铜合金。铜合金具有较好的导电性、导热性和耐腐蚀性，同时具有较高强度和耐磨性。

根据成分不同，铜合金分为黄铜和青铜等。

1．黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金。按照化学成分，黄铜分为普通铜和特殊黄铜两种。

（1）普通黄铜 普通黄铜是铜锌二元合金。由于塑性好，适于制造板材、棒材、线材、管材及深冲零件，如冷凝管、散热管及机械、电器零件等。铜的平均含量为62%和59%的黄铜也可进行铸造，称为铸造黄铜。

（2）特殊黄铜 为了获得更高的强度、抗蚀性和良好的铸造性能，在铜锌

合金中加入铝、硅、锰、铅、锡等元素，就形成了特殊黄铜。如铅黄铜、锡黄铜、铝黄铜、硅黄铜、锰黄铜等。

铅黄铜的切削性能优良，耐磨性好，广泛用于制造钟表零件，经铸造制作轴瓦和衬套。

锡黄铜的耐腐蚀性能好，广泛用于制造海船零件。

铝黄铜中的铝能提高黄铜的强度和硬度，提高在大气中的抗蚀性，铝黄铜用于制造耐蚀零件。

硅黄铜中的硅能提高铜的力学性能、耐磨性的耐蚀性，硅黄铜主要用于制造海船零件及化工机械零件。

2．青铜

青铜原指铜锡合金，但工业上都习惯称含铝、硅、铅、铍、锰等的铜合金也为青铜，所以青铜实际上包括锡青铜、铝青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。青铜也分为压力加工青铜和铸造青铜两类。

（1）锡青铜 以锡为主要合金元素的铜基合金称锡青铜。工业中使用的锡青铜，锡含量大多在3%～14%之间。锡含量小于5%锡青铜适于冷加工使用；锡含量为5%～7%的锡青铜适于热加工；锡含量大于10%的锡青铜适于铸造。锡青铜在造船、化工、机械、仪表等工业中广泛应用，主要用以制造轴承、轴套等耐磨零件和弹簧等弹性元件以及抗蚀、抗磁零件等。

（2）铝青铜 以铝为主要合金元素的铜基合金称铝青铜。铝青铜的力学性能比黄铜和锡青铜高。实际应用的铝青铜的铝含量在5%～12%之间，含铝为5%～7%的铝青铜塑性最好，适于冷加工使用。铝含量大于7%～8%后，强度增加，但塑性急剧下降，因此多在铸态或经热加工后使用。铝青铜的耐磨性以及在大气、海水、海水碳酸和大多数有机酸中的耐蚀性，均比黄铜和锡青铜高。铝青铜可制造齿轮、轴套、蜗轮等高强度抗磨零件以及高耐蚀性弹性元件。

（3）铍青铜 以铍为基本元素的铜合金称铍青铜。铍青铜的含铍量为

1.7%～2.5%。铍青铜的弹性极限、疲劳极限都很高，耐磨性和抗蚀性优异，具有良好的导电性和导热性，还具有无磁性、受冲击时不产生火花等优点。铍青铜主要用于制作精密仪器的重要弹簧、钟表齿轮、高速高压下工作的轴承、衬套以及电焊机电极、防爆工具、航海罗盘等重要机件。

（二）铝合金

铝中加入合金元素就形成了铝合金。铝合金具有较高的强度和良好的加工性能。根据成分及加工特点，铝合金分为形变铝合金和铸造铝合金。

1．形变铝合金

形变铝合金包括防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金等。因其塑性好，故常利用压力加工方法制造冲压件、锻件等，如铆钉、焊接油箱、管道、容器、发动机叶片、飞机大梁及起落架、内燃机活塞等。

2．铸造铝合金

铸造铝合金是用于制造铝合金铸件的材料，按主要合金元素的不同，铸造铝合金分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金和铝锌合金。

（1）铝硅铸造铝合金 铝硅合金是应用最广的铸造铝合金，通常称为硅铝明。其铸造性能好，比重小，并有相当好的抗蚀性和耐热性，适于制造形状复杂的零件，如泵体、电动机壳体、发动机的气缸头、活塞以及汽车、飞机、仪器上的零件，也可制造日用品。

（2）铝铜铸造铝合金 铝铜合金的强度较高，耐热性较好，铸造性能较差，常用于铸造内燃机气缸头、活塞等零件，也可作为结构材料铸造承受中等载荷、形状较简便的零件。

（3）铝镁铸造铝合金 铝镁合金强度高、比重小，有良好的耐蚀性，但铸造性能不好，多用于制造承受冲击载荷、在腐蚀性介质中工作、外形简单的零件，如舰般配件、氨用泵体等。

（4）铝锌铸造铝合金 铝锌合金价格便宜、铸造性能优良、强度较高，但抗蚀性差、热裂倾向大，常用于制造汽车、拖拉机发动机零件及形状复杂的仪器元件，也可用于制造日用品。

1.3 钢铁材料的现场鉴别

钢铁材料品种繁多，性能各异，因此对钢铁材料的鉴别是非常必要的。常用的鉴别方法有火花鉴别法、色标鉴别法、断口鉴别法和音色鉴别法等。

1.3.1 火花鉴别法

根据钢铁材料在磨削过程中所出现的火花爆裂形状、流线、色泽、发火点等特点区别钢铁材料化学成分差异的方法，称为火花鉴别法。

火花鉴别专用电动砂轮机的功率为0.20～0.75kW，转速高于3000r/min。所

用砂轮粒度为40～60目，中等硬度，直径为φ150～200mm。磨削时施加压力以20～60N为宜，轻压看合金元素，重压看含碳量。

火花鉴别的要点是：详细观察火花的火束粗细、长短、花次层叠程度和它的色泽变化情况。注意观察组成火束的流线形态，火花束根部、中部及尾部的特殊情况和它的运动规律，同时还要观察火花爆裂形态、花粉大小和多少。

（一）火花组成

（1）火花束 火花束是指被测材料在砂轮上磨削时产生的全部火花，常由根部、中部、尾部组成，见图1-1。

图1-1 火花束

（2）流线 从砂轮上直接射出的好像直线的火流称为流线。每条流线都由节点、爆花和尾花组成，见图1-2。

图1-2 火花束的构成

（3）节点 节点就是流线上火花爆裂的原点，呈明亮点。

图1-3 节花的形成

（4）爆花 爆花就是节点处爆裂的火花。钢的化学成分不同，尾花的形状也不同。通常，尾花可分为狐尾尾花、枪尖尾花、菊花状尾花、羽状尾花等。

（二）常用钢铁材料的火花特征

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。

1．碳素钢火花的特征

① 通常低碳钢火花束较长，流线少，芒线稍粗，多为一次花，发光一般，带暗红色，无花粉。图1-4为20钢的火花特征。

图1-4 20钢的火花特征

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。图1-5为45钢的火花特征。

图1-5 45钢的火花特征

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。图1-6为T12钢的火花特征。

图1-6 T12钢的火花特征

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，颜色多为橙红。火花试验时，手感较软。图1-7为HT200的火花特行征。

图1-7 HT200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难掌握。

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。

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。

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。

1.3.2 色标鉴别法

生产中为了表明金属材料的牌号、规格等，常做一定的标记，如涂色、打印、挂牌等。金属材料的涂色标志是表示钢号、钢种的，涂在材料一端的端面或端部。具体的涂色方法在有关标准中做了详细规定，现举例如下：

碳素结构钢Q235钢为红色；

优质碳素结构钢20钢为棕色加绿色，45钢为白色加棕色；

合金结构钢20CrMnTi钢为黄色加黑色，40CrMo钢为绿色加紫色；

铬轴承钢GCr15钢为蓝色；

高速钢W18Cr4V钢为棕色加蓝色；

不锈钢1Cr18Ni9Ti钢为绿色国蓝色；

热作模具钢5CrMnMo钢为紫色加白色。

1.3.3 断口宏观鉴别法

材料或零部件因受某些物理、化学或机械作用的影响而导致破断，此时所形成的自然表面称为断口。生产现场根据断口的自然形态判定材料的韧脆性，从而推断材料含碳量的高低。若断口呈纤维状，无金属光泽，，颜色发暗，无结晶颗粒，且断口边缘有明显的塑性变形特征，则表明钢材具有良好的塑性和韧性，含碳量较低。若断口齐平，呈银灰色，且具有明显的金属光泽和结晶颗粒，则表明属脆性材料。而过共析钢或合金经淬火后，断口呈亮灰色，具有绸缎光泽，类似于细瓷器断口特征。常用钢铁材料的断口特点大致如下：

低碳钢不易敲断，断口边缘有明显的塑性变形特征，有微量颗粒；

中碳钢的断口边缘的塑性变形特征没有低碳钢明显，断口颗粒较细、较多； 高碳钢的断口边缘无明显塑性变形特征，断口颗粒很细密；

铸铁极易敲断，断口无塑性变形，晶粒粗大，呈暗灰色。

1.3.4 音色鉴别法

根据钢铁敲击时发出的声音不同，以区别钢和铸铁的方法称为音色鉴别法。 敲击时，发出比较清脆声音的材料为钢，发出较低沉声音的材料为铸铁。

为了准确地鉴别材料，在以上几种现场鉴别的基础上，一般还可采用化学分析、金相检验以及硬度试验等手段进行鉴别。

1.4 钢的常用热处理

热处理就是通过对固态金属的加热、保温和冷却，来改变金属的显微组织及其形态，从而提高或改善金属的机械性能的一种方法。铸造、锻压、焊接和机加工的目的是使零件成形或改变其形状，而热处理的目的是改变金属材料的组织和性能，而不要求改变零件的形状和尺寸，各种机械零件中，大多数或绝大多数都要经过热处理才投入使用。钢的热处理对提高和改善零件的机械性能发挥着十分重要的作用。

热处理方法很多，常用的有退火、正火、淬火、回火和表面热处理等。热处理既可以作为预先热处理以消除上一道工序所遗留的某些缺陷，为下一道工序准备好条件；也可作为最终热处理进一步改善材料的性能，从而充分发挥材料的潜力，达到零件的使用要求。因此，不同的热处理工序常穿插在零件制造过程的各个热、冷加工工序中进行。

任何一种热处理的工艺过程，都包括下列三个步骤：

（1）以一定速度把零件加热到规定的温度。这个温度范围根据不同的金属材料、不同的热处理要求而定。

（2）在此温度下保温，使工件全部或局部热透。

（3）以某种速度把工件冷却下来。

钢的热处理工艺规范如图1-8所示。通过控制加热温度和冷却速度，可以在很大范围内改变金属材料的性能。

图1-8 钢的热处理工艺曲线

1.4.1 退火

退火是把工件加热到适当的温度（对碳钢一般加热至780～900℃），保温一定时间后随炉子降温而冷却的热处理方法。

工具钢和某些重要结构零件的合金钢有时硬度较高，铸、锻、焊后的毛坯有时硬度不均匀，存在着内应力。为了便于切削加工，并保持加工后的精度，常对工件施以退火处理。

退火后的工件硬度较低，消除了内应力，同时还可以使材料的内部组织均匀细化，为进行下一步热处理（淬火等）做好准备。

加热时温度控制应准确。温度过低达不到退火目的，温度过高又会造成过热、过烧、氧化、脱碳等缺陷。操作时还应注意零件的放置方法，当退火的主要目的是为了消除内应力时更应注意。如对于细长工件的稳定尺寸退火，一定要在井式炉中垂直吊置，以防止工件由于自身重力所引起的变形。

操作时还应注意不要触碰电阻丝，以免短路。为保证安全，应安装炉门开启断电装置，装炉和取出工件时能自行断电。

2．正火

将工件放到炉中加热到适当温度，保温后出炉空冷的热处理方法叫正火。正

火实质上是退火的另一种形式，其作用与退火相似。与退火不同之处是加热（对碳钢而言，一般加热至800～930℃）和保温后，放在空气中冷却而不是随炉冷却。由于冷却速度比退火快，因此，正火工件获得的组织比较细密，比退火工件的强度和硬度稍高，而塑性和韧性稍低。但这一点对于一般低碳钢而言差别并不明显，对中碳钢零件而言有时由于正火后的硬度适中，更适合于切削加工。又由于正火冷却时不占炉子，还可使生产效率提高，成本降低。所以一般低碳和中碳结构钢等，多用正火代替退火。

3．淬火

淬火是将工件加热到适当的温度（对碳钢一般加热到760～820℃），保温后在水中或油中快速冷却的热处理方法。工件经淬火后可获得高硬度的组织，因此淬火可提高钢的强度和硬度。但工件淬火后脆性增加、内部产生很大的内应力，使工件变形甚至开裂。所以，工件淬火后一般都要及时进行回火处理，并在回火后获得适度的强度和韧性。

淬火操作时要注意工件浸入淬火剂的方法。如果浸入方式不正确，可能使工件各部分的冷却速度不一致而造成很大的内应力，使工件发生变形和裂纹，或产生局部淬不硬等缺陷。例如，钻头、轴杆类等细长工件应以吊挂的方式垂直地浸入淬火液中；薄而平的工件（圆盘铣刀等），不能平着放人而必须立着放人淬火剂中；使工件各部分的冷却速度趋于一致等。

淬火操作时还必须穿戴防护用品，如工作服、手套、防护眼镜等，以防淬火液飞溅伤人。

4．回火

将淬火后的工件重新加热到某一温度范围并保温后，在油中或空气中冷却的操作称为回火。回火的温度大大低于退火、正火和淬火时的加热温度，因此回火并不使工件材料的组织发生转变。回火的目的是减小或消除工件在淬火时所形成的内应力，适当降低淬火钢的硬度，减小脆性，使工件获得较好的强度和韧性，即较好的综合机械性能。

根据回火温度不同，回火操作可分为低温回火、中温回火和高温回火。 低温回火 回火温度为150～250℃。低温回火可以部分消除淬火造成的内应力，适当地降低钢的脆性，提高韧性，同时工件仍保持高硬度。低温回火一般多用于工具、量具。

中温回火 回火温度为300～450℃。淬火工件经中温回火后，可消除大部分内应力，硬度有较大的下降，但是具有一定的韧性和弹性。一般用于处理热锻模、弹簧等。

高温回火 回火温度为500～650℃。高温回火可以消除绝大部分因淬火产生的内应刀，硬度也有显著的下降，塑性有较大的提高，使工件具有高强度和高韧性等综合机械性能。淬火后再加高温回火，通常称为调质处理。一般要求具有较高综合机械性能的重要结构零件，如汽车车轴、坦克的扭力轴等，都要经过调质处理。用于调质处理的钢多为中碳优质结构钢和中碳低合金结构钢。也把用于调质处理的钢称为调质钢。

5．表面热处理

有些零件如齿轮、销轴等，使用时希望它的心部保持一定的韧性，又要求表面层具有耐磨性、抗蚀性、抗疲劳性。这些性能可通过表面热处理来得到。表面热处理按处理工艺特点可分为表面淬火和表面化学热处理两大类。

表面淬火 钢的表面淬火是通过快速加热，将钢件表面层迅速加热到淬火温度。然后快速冷却下来的热处理工艺。通常钢件在表面淬火前均进行正火或调质处理，表面淬火后应进行低温回火。这样，不仅可以保证其表面的高硬度和高耐磨性，而且可以保证心部的强度和韧性。

按照加热方法不同，表面淬火分为火焰淬火和高频感应加热表面淬火（简称高频淬火）。火焰表面淬火简单易行，但难以保证质量，这种方法现在使用不多。而高频淬火质量好，生产率高，可以使全部淬火过程机械化、自动化，适于成批及大量生产，因此被广泛使用。

表面化学热处理 化学热处理就是将钢件在含有活性介质中加热一定时间，使某些金属元素（碳、氮、铝、铬等）渗透零件表层，改变零件表层的化学成分和组织，以提高零件表面的硬度、耐磨性、耐热性和耐蚀性等。常用的化学热处理有渗碳、渗氮、氰化（碳、氮共渗）以及渗入金属元素等方法。

渗碳是应用得比较广泛的一种化学方法。渗碳法分气体、液体和固体法等，而其中的气体渗碳法比较常用。

气体渗碳是将工件装入密封的井式气体渗碳炉中，加热至900—950~C，通人气体渗碳剂进行渗碳。目前常采用的方法是将煤油、丙酮、酒精等液体碳氢化合物放入渗碳炉内，使受热后分解出活性碳原子，深入工件表面。也可以直接通

入天然气、液化石油气等气体进行渗碳。渗碳适用于低碳钢和低碳合金钢。渗碳后可使零件表面1—2mm厚度内的含碳量提高到0.8%—1.2%。渗碳后的零件，其表面硬度和耐磨性并不高。为了获得高硬度和高耐磨性的表面层，同时改善心部的组织，渗碳后还要进行淬火和低温回火。