第 一篇工程材料

1、第第 一篇一篇 金属材料导论金属材料导论 第一节第一节 金属材料的主要性能金属材料的主要性能一一. 材料科学与工程材料材料科学与工程材料 材料就是人们用来制作各种产品的物质，是先于人类存在的，是人类生产和生活的物质基础。人类社会的发展史表明，生产中使用材料的性质直接反映人类社会的文明水平。历史学家根据制造生产工具的材料，将人类生活的时代分为石器时代、青铜器时代、铁器时代。 工程材料的研究对象工程材料的研究对象 材料科学的主要研究对象是材料的成分、分子或原子结构、微观及宏观组织，以及加工制造工艺和性能之间的关系。18世纪以后，由于工业迅速发展，对材料特别是钢铁的需求急剧增长。为适应这一需要，在化

2、学、物理、材料力学等学科的基础上，产生了一门新的科学金属学金属学。它明确提出了金属外在性能决定于内部结构的概念，并以研究它们之间的关系为自己的主要任务。工程材料工程材料学是材料科学的实用部分，工程材料学的具体任务是为工程结构和机器零件的设计和使用提供正确选材和合理用材的基本原则、方法和知识。材料的性能 材料的性能包括使用性能和工艺性能两方面。使用性能是材料在使用条件下表现出来的性能，如力学(或机械)性能、物理性能和化学性能等；工艺性能则是材料在加工过程中表现出的性能，如切削加工性能、铸造性能、塑性成型性能、焊接性能、热处理性能等。二二.工程材料的分类工程材料的分类 结构材料和功能材料 结构材料

3、是指工程上要求具有一定强度、韧性、塑性等力学性能的材料，主要用来制作工程结构件和零件。 功能材料是指具有电、光、声、磁、热等功能和效应的材料。 本篇主要介绍工程材料中的结构材料，一般都将工程材料中的结构材料分为金属材金属材料、陶瓷材料、高分子材料料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料和复合材料等四大类。 1.金属材料 (1)铁和以铁为基的合金(钢、铸铁、铁合金)，俗称黑色金属； (2)非铁金属材料，俗称有色金属。2.陶瓷材料一般包括无机玻璃(硅酸盐玻璃)、玻璃陶瓷(或称微晶玻璃)和陶瓷等三类。 (1)普通陶瓷(或传统陶瓷) 主要为硅、铝氧化物的硅酸盐材料； (2)特种陶瓷(或近代陶瓷) 主要为纯氧

4、化物、碳化物、氮化物、硅化物等的烧结材料。 3.高分子材料 (1)塑料 主要指强度、韧性和耐磨性较好的可制造机器零件或构件的材料，分热塑性塑料和热固性塑料两种；(2)橡胶 主要指经过硫化处理，弹性特别优良的聚合物，有通用橡胶和特种橡胶两种； (3)合成纤维 指强度很高的由单体聚合而成的聚合物，通过机械处理所获得的纤维状的纺织材料。4.复合材料 复合材料就是由两种或两种以上材料构成的组合材料，其性能是它的组成材料所不具备的。它在强度、刚度和耐蚀性方面，比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越。 三三.金属材料的力学性能金属材料的力学性能工程构件在使用过程中最主要的功能是传递各种力和能。因此，在进行设计、

5、选材和工艺评定时，工程上最关心的是材料受力时的行为，即材料的力学性能（机械性能）。 材料受外力作用时，一般会出现彼此关联三个过程：弹性变形、塑性变形和断裂。材料所能表现出来的力学性能主要是弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳强度等。 1. 弹性、刚度、强度和塑性 拉伸试样拉伸应力-应变图1)弹性 材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能，叫弹性。材料产生弹性变形时所能承受的最大应力称为弹性极限。e2)刚度 材料在受力时抵抗弹性变形的能力叫做刚度。在弹性范围内，应力与应变的比值叫做弹性模量，它相当于引起单位变形时所需要的应力，用符号E表示。弹性模量愈大，表示在一定应力

6、作用下能发生的弹性变形愈小，也就是刚度愈大。3)强度 4)塑性 2.硬度 硬度是指材料抵抗比它更硬物体压入其表面的能力，即抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。工程上材料的硬度值是通过硬度试验测得的，常用的有布氏硬度和洛氏硬度。3.冲击韧度 材料在冲击载荷作用下抵抗断裂的能力叫做冲击韧度。现在常用一次摆锤弯曲冲击试验来测定材料的冲击韧度。 4.疲劳强度 在实际生产中，许多机械零件，如齿轮、曲轴、连杆、弹簧等都是在交变载荷下工作的。在长时间交变载荷的作用下，有些零件会在应力远远小于屈服强度时发生突然断裂，这种现象称为疲劳。 疲劳强度是指金属材料经无数次交变载荷作用仍不断裂的最大应力。

7、第二节.金属材料金属材料的物理、化学及工艺性能 1.物理性能 密度 熔点 热膨胀性 导热性 导电性和磁性 2.化学性能 耐酸性 耐碱性 抗氧化性 3.工艺性能 是指是否易于进行冷热加工的性能。 可分为铸造性 可锻性 焊接性和切削加工性等。第二章 铁碳合金 (1)良好的导电性和导热性； (2)正的电阻温度系数，即随温度升高电阻增大。绝大多数金属(约30种)具有超导性，即在接近于绝对零度时电阻突然下降，实际上趋近于零； (3)良好的反射能力，不透明性及金属光泽； (4)良好的塑性变形能力。第一节.金属的晶体结构 金属固体都是晶体，晶体的原子是按一定规则排列的；而非晶体的原子则是无规则排列的。晶体具

8、有各向异性的特征；而非晶体则各向同性。 晶格中每个点叫做结点，结点代表原子在晶体中的平衡位置，每个结点都具有完全相同的周围邻点，各个方位的原子平面叫晶面。晶格可以看成是由一层一层的晶面堆积而成的。晶格的最小几何单元叫晶胞(图2.6(c)。晶胞在三维空间的重复排列构成晶格并形成晶体。用晶胞可以描述晶格、晶体结构，所以研究晶体结构就在于考查晶胞的基本特性。 (1)体心立方晶格(2)面心立方晶格 (3)密排六方晶格 一一. . 金属的结晶金属的结晶 1.结晶的概念 液态金属在接近凝固点的时候，原子间距离、原子间的作用力和原子的运动状态等都与固态金属接近。金属从一种原子排列(晶态或非晶态)过渡为另一种

9、原子规则排列状态(晶态)的转变均属于结晶过程。 纯金属的结晶是在一定的温度下进行的。它的结晶过程可以用冷却曲线来表示，图2.9是纯金属的冷却曲线示意图，冷却曲线是温度随时间变化的曲线，是用热分析法作出的。 金属的冷却曲线 2.金属的结晶过程 结晶是依靠两个密切联系的基本过程来实现的。第一，先在液体内部生成一批极小的晶体作为结晶中心或晶核；第二，这些晶核逐渐长大，并发展到整个液体。3.晶粒的大小 在结晶时，每个晶核长成一个晶粒。实际金属结晶的结果，是获得由大量晶粒组成的多晶体，晶粒与晶粒的边界称为晶界。对于纯金属，决定性能的主要结构因素是晶粒的大小。晶粒越小，晶界越多，由于晶界处的晶格排列方向不

10、一致，犬牙交错、互相咬合，从而增加了金属的结合力，故金属的晶粒愈小，力学性能愈好。所以，细化晶粒，是提高金属性能的重要途径之一。三. 金属的同素异晶转变 多数金属在结晶后的晶格类型都保持不变，但有些金属(如铁、锡、钛、锰等)的晶格类型，因温度而异。一种金属能以几种晶格类型存在的性质，叫做同素异构性。 金属在固态下改变其晶格类型的过程，叫做金属的同素异构转变，这一转变与液态金属的结晶过程很相似，也包括晶核的形成和晶核的成长两个阶段，又叫做重结晶。四. 合金的晶体结构 合金是指由一种金属元素与其它金属元素或非金属元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的、独立的、最基本的单元称为组元。通常，合金的组

11、元就是组成合金的元素。但有时，组成合金的稳定化合物也可成为组元。按照合金组元的个数，可分为二元合金、三元合金等。例如黄铜就是由铜和锌组成的二元合金，硬铝就是由铝、铜和镁组成的三元合金。 1.相的概念 在金属和合金的晶体组织中，凡化学成分和晶体结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，就叫做相。 2.合金的基本相 保持组元晶体结构类型的固溶体固溶体和具有不同于组元晶体结构类型的金属化合物金属化合物。 (1)固溶体 固溶体是指溶质组元溶于溶剂晶格中而形成的单一均匀固体。这与溶液的概念十分相似，只不过前者是固相，后者是液相。 置换固溶体 间隙固溶体 晶格畸变 晶格畸变增加了晶面间的相对滑移阻力

12、，表现为固溶体的强度和硬度升高。溶质原子使固溶体的强度和硬度升高的现象，叫做固溶强化。它是生产中常用的一种材料强化手段。固溶强化使固溶体的硬度一般比溶剂有所提高，而使塑性和韧性稍有降低，或变化不大。固溶强化的效果与溶质浓度的增加是一致的。一般情况下，间隙型溶质比置换型溶质在晶格中造成的畸变要大，所以前者强化效果往往更加明显。与纯金属和金属化合物比较，固溶体具有较好的综合力学性能。在各种作为结构材料的合金中，基体相总是固溶体。(2)金属化合物 金属化合物是合金组元相互作用形成的新相。它的晶格类型与两组元完全不同，性能差别也很大。金属化合物不同于一般化合物，它具有明显的金属性质，具有复杂的晶格结构

13、。第二节. 铁碳合金 钢和铸铁是铁与碳的合金。钢铁是工业上应用最广泛的合金。钢铁虽是多成分的复杂合金，但基本上是由铁和碳两种最主要的成分所组成的。 一.铁碳合金的基本组织 在铁碳合金中，铁和碳互相结合的方式是：在液态时，铁和碳可以无限互溶；在固态时，碳可溶于铁中形成固溶体；当含碳量超过固态溶解度时，则出现化合物(Fe3C)。此外，还可以形成由固溶体和化合物组成的混合物。 (1)铁素体(F或) 铁素体是碳溶解在铁中形成的间隙固溶体。它溶解碳的能力很小。在727时最大只有0.0218%，而室温下仅为0.0008%。它的性能接近于纯铁；韧性很好，伸长率=45%50%；强度和硬度均不高，b=250MP

14、a，HBS=80。(2)奥氏体(A或) 奥氏体是碳溶解在铁中形成的间隙固溶体。最大溶解度在1148时可达2.11%，温度降低时，溶解度也降低，在727时，溶解度为0.77%，奥氏体硬度不高，HBS=160200，塑性很好，是绝大多数钢种在高温进行压力加工时所要求的组织。 (3)渗碳体(Fe3C) 渗碳体是铁与碳形成的化合物。它的含碳量为6.69%，具有复杂的晶格形式，与铁的晶格截然不同，故其性能与铁素体差别很大。渗碳体的硬度很高(HBW800)，而塑性极差，几乎为零，是一个硬而脆的组织。渗碳体在钢中与其它组织共存时，其形态可能呈片状、网状或粒状等，在钢中分布的形态对钢的力学性能有很大影响。(4

15、)珠光体(P) 珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。因为珠光体是由硬的渗碳体和软的铁素体片相间组成的混合物，故其力学性能介于渗碳体和铁素体之间。它的强度较好(b=750MPa)，HBS为180，冲击韧度为3040J/cm2，伸长率为20%35%。 (5)莱氏体(Ld) 莱氏体是由奥氏体与渗碳体组成的混合物。因为奥氏体在727发生珠光体转变，所以在727以下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称变态莱氏体，用符号Ld表示。 莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高(HBW700)，塑性极差。二.铁碳合金相图1)铁碳合金相图分析 (1)ABCD线 液相线，即液态合金冷却到此线开始结晶。在此线以上的区域是液

16、态区1148(2)AHJECF线 这是固相线，即在此线以下的合金为固体状态。 (3)ECF线 共晶线，在此线上发生共晶反应：LcAE+Fe3C，即成分在E点到F点之间的合金在1148时，从C点成分的液体L中共同结晶出E点成分的A和Fe3C的机械混合物。此混合物即莱氏体Ld。 (4)GS线 奥氏体转变为铁素体的开始线，或铁素体转变为奥氏体的终了线，常用A3表示。 (5)ES线 渗碳体从奥氏体中析出的开始线，或渗碳体(或碳)在奥氏体中的溶解度线，超过溶解度后析出的渗碳体叫做二次渗碳体，用Fe3C表示，常称此线为Acm。 727(6)PSK线 共析线(也称A1线)，在此线上发生共析反应：ASFP+F

17、e3C。成分在P点到K点之间的合金在727时，从S点成分的A中共同析出P点成分的F和Fe3C的共析混合物。此共析体即珠光体。2)铁碳合金的分类 (1)工业纯铁(含碳是在0.0218%以下) 没有共晶转变、共析转变，室温下基本上为铁素体，由于强度较低，应用很有限。 (2)碳钢(含碳量在0.0218%2.11%之间) 没有共晶转变，因能全部转变为奥氏体，在高温下具有很好的塑性，可以压力加工，在室温下具有好的力学性能，所以应用极广。 根据含碳量或组织，钢可以进一步分为亚共析钢(含碳量为0.0218%0.77%)、共析钢(含碳量为0.77%)和过共析钢(含碳量为0.77%2.11%)。 (3)白口铸铁

18、(含碳量在2.11%6.69%之间) 有共晶转变，得到的是以渗碳体为基的组织，断口呈亮色，硬度很高，脆性很大，铸造性能好，但用途有限。3)钢的冷却过程及组织转变 (1)共析钢 (2)亚共析钢 (3)过共析钢 3.铁碳合金的成分、组织和性能变化规律 (1)组织的变化 铁碳相图在共析温度以下为F与Fe3C的两相区，所有的铁碳合金皆由此两相组成，如图2.21(a)所示。室温时，含碳低于0.0218%的合金全部为铁素体。随着含碳量的增加，铁素体的含量呈直线关系减少，到6.69%时降至零；与此同时，渗碳体的含量则由零直线增加至百分之百，如图2.21(b)所示。(2)性能的变化 硬度是一种对组织和相的形态

19、十分敏感的性能，它的大小主要决定于组成相的硬度和相对数量。所以随含碳量的增加，渗碳体增多，铁素体减少，合金的硬度呈直线增高。 强度是一种对组织的形态很敏感的性能。在亚共析钢范围内，组织为铁素体和珠光体的混合物。铁素体的强度较低，珠光体的强度较高，且与组织的细密度有关，组织越细密则强度越高。所以含碳量的增加使合金的强度提高。含碳量达到0.77%后，铁素体消失而硬脆的二次渗碳体出现，合金强度的增加变缓。当含碳量约为0.9%时，由于沿晶界形成的二次渗碳体网趋于完整，强度开始迅速下降；含碳量到2.11%时组织中出现莱氏体，强度降到很低的值。 第三章 钢的热处理 第一节 概述 钢的热处理就是将钢在固态下

20、加热到一定的温度，进行必要的保温，并以适当的速度冷却到室温，以改变钢的内部组织，从而得到所需性能的工艺方法。一般来说，热处理工艺的基本过程包括加热、保温和冷却三个阶段。 热处理的作用热处理分类 (1)整体热处理 退火、正火、淬火、回火。 (2)表面热处理 表面淬火(火焰加热及感应加热等)。 (3) 化学热处理(渗碳、渗氮、碳氮共渗及渗金属等)。 1. 1. 钢的奥氏体化钢的奥氏体化2. 过冷奥氏体的转变 奥氏体化不是钢热处理的最终目的，它的作用在于为随后的冷却转变作组织准备。钢的性能最终取决于奥氏体冷却转变后的组织。所以，研究在不同条件下奥氏体冷却时的转变，具有重要的实际意义。(1)连续冷却

21、连续冷却就是使加热到奥氏体的钢，在温度连续下降的过程中发生组织转变。例如在热处理生产中经常使用的，在水中、油中或空气中冷却等都是连续冷却方式。 (2)等温冷却 等温冷却就是使加热到奥氏体的钢，先以较快的冷却速度冷到A1以下一定的温度，这时奥氏体尚未转变，但成为过冷奥氏体。然后进行保温，使奥氏体在等温下发生组织转变。转变完成后再冷却到室温。例如等温退火、等温淬火的热处理操作，就属于等温冷却方式。(1)高温转变产物 共析钢奥氏体过冷到727550之间等温转变的产物属于珠光体型组织，都是由铁素体和渗碳体的层片所组成的机械混合物。过冷度越大，层片越薄，硬度也越高。 过冷到727650之间转变而得到的组

22、织为珠光体；过冷到650600之间转变而得到的为索氏体(S)，又叫做细珠光体；过冷到600550之间转变而得到的为托氏体(T)，又叫做极细珠光体。(2)中间转变产物 共析钢奥氏体过冷到550230之间等温转变的产物属于贝氏体(B)型组织，是由含碳过量的铁素体和微小的渗碳体混合而成。贝氏体比珠光体的硬度更高。 (3)低温转变产物 共析钢奥氏体过冷到230以下陆续转变成为马氏体。它实质上是过饱和固溶体。 共析钢奥氏体过冷到230(Ms)时，开始转变为马氏体，随着温度下降，马氏体逐渐增多，过冷奥氏体不断减少，直至-50(Mf)时，过冷奥氏体才全部转变成马氏体。所以Ms与Mf之间的组织为马氏体和残余奥

23、氏体。第二节第二节 钢的退火钢的退火 将钢加热至适当温度，保持一定的时间，然后缓慢冷却(通常是随炉冷却)，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火。退火的主要目的在于调整和改善钢的力学性能和工艺性能，减少钢的化学成分及组织的不均匀性，消除或减少内应力，以及为后续热处理作组织准备等。一.去应力退火 第三节第三节 钢的正火钢的正火 亚共析钢加热至Ac3以上3050，过共析钢加热至Accm以上3050，保温，然后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺，称为正火。 正火与退火的主要区别在于冷却速度不同。正火的冷却速度较大，获得的珠光体组织较细些，因此强度和硬度也高些。第四节第四节 钢的淬火钢的淬

24、火 淬火是将钢奥氏体化后快速冷却获得马氏体组织的热处理工艺。马氏体强化是钢的最主要的强化手段。所以，淬火是钢的最重要的热处理工艺。 1.淬火温度2.淬火冷却介质 水是经济且冷却能力较强的淬火介质。它主要用于形状简单、截面尺寸较大的碳钢工件。使用温度一般控制在30以下。淬火时使水循环和摆动工件，可以改善水的冷却特性。在水中加入适量的NaCl，NaOH或Na2CO3等物质，可明显地提高水在高温区的冷却能力。 淬火用油主要是各种矿物油。油的冷却能力较水差，有利于减少工件的变形。它主要用于形状复杂的中、小合金钢工件的淬火。 熔融状态的盐也常用作淬火冷却介质。它们的冷却能力介于水和油之间，使用温度范围多

25、为150500。它们用于形状复杂和变形要求严格的小件的分级淬火或等温淬火。 3.淬火方法 (1)单液淬火 单液淬火就是将钢件奥氏体化后在一种介质中连续冷却获得马氏体组织的淬火方法。 (2)双液淬火 双液淬火是将钢件先淬入一种冷却能力较强的介质中，避免珠光体转变，然后再淬入另一种冷却能力较弱的介质中，发生马氏体转变，例如先水后油。这种淬火法利用了两种介质的优点，获得了较理想的冷却条件，是单液淬火法的改进。 (3)分级淬火 分级淬火是将钢件奥氏体化后淬入稍高于Ms温度的熔盐中，保持到工件内外温度趋于一致后取出，使其缓慢冷却，发生马氏体转变。 (4)等温淬火 等温淬火是将钢件奥氏体化后淬入高于Ms温

26、度的熔盐中，等温保持，获得下贝氏体组织，经这种处理的工件强度高，塑性好，韧性好，同时淬火应力小，变形小。 五五. . 钢的回火钢的回火 回火是将淬火钢加热到临界点回火是将淬火钢加热到临界点(A(A1 1) )以下的某一温度，保温，然后冷却的热以下的某一温度，保温，然后冷却的热处理工艺。处理工艺。 回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。 (1)低温回火 加热温度为150250。回火后的组织为回火马氏体，它由极细的碳化物和低过饱和度的相组成，为复相组织，它基本上保持淬火时的高硬度和耐磨性，但消除一定的内应力和脆性，多用于处理各种工、模具以及经渗碳或表面淬火的工件。 (2)中温回火 回火温度为35

27、0500，回火后的组织为回火托氏体。它由大量弥散分布的细粒状渗碳体和针状铁素体组成，亦为复相组织。其回火组织中的渗碳体为粒状，因此塑性、韧性好，并具有较高的弹性极限和屈服极限。多用于处理各种弹簧。 (3)高温回火 淬火加高温回火又称为调质。通常高温回火温度为500650。高温回火后的组织为回火索氏体，硬度为2535HRC。它由粒状渗碳体和多边形铁素体组成，这种组织的特点是综合力学性能好，即在保持较高强度的同时，具有较好的塑性和韧性。它广泛用于处理重要零件，例如轴、齿轮等。也可作为要求较高的精密零件、量具等的预先热处理。 第六节 钢的表面淬火 钢的表面淬火就是通过快速加热，使表面奥氏体化并立即快

28、冷获得马氏体，以使钢的表面强化的一种特殊淬火工艺。在这种处理过程中，工件的心部组织不发生变化。按照加热方法，表面淬火可分为感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解加热表面淬火等。应用最广泛的是前两种。第七节第七节 钢的化学热处理钢的化学热处理 化学热处理是将工件置于特定介质中加热，保温，使一种或几种元素渗入工件表面，改变其化学成分，达到改进表面组织和性能的热处理工艺。化学热处理的主要目的在于，提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳抗力、耐腐蚀性等。根据渗入的元素不同，化学热处理的种类有：渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗硫、渗铝等。1.钢的渗碳 渗碳就是将低碳钢放入高碳介质中加热，保

29、温，以获得高碳表层的化学热处理工艺。渗碳后都应进行淬火和低温回火处理。渗碳的目的是，提高工件表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，同时保持心部的良好韧性。与表面淬火相比，渗碳主要用于那些对表面有较高耐磨性要求，并承受较大冲击载荷的零件。零件的良好韧性和塑性由心部低碳的组织来保证。渗碳钢的含碳量一般为0.1%0.3%，主要牌号有20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3等。2.钢的氮化 热处理自动线第四章第四章 常用金属材料及其性质常用金属材料及其性质第一节第一节 碳钢碳钢 1.碳钢的成分和分类 1)碳钢的成分 碳钢中，除了铁和碳以外，主要是Mn、Si、P、S四大常存元素，以及O、H、N等隐存元素

30、。 锰溶入铁素体和渗碳体中，少量的锰即明显地提高钢的强度、淬透性和热加工性能。锰能去硫，所以锰是有益元素。 硅溶解在铁素体中，可提高钢的强度和硬度，但含量不能超过0.5%。硅也是有益元素。 硫是由矿石和燃料带来的，在钢中不溶于铁素体，但生成FeS，FeS与Fe在988形成共晶体。当热加工时，共晶体熔化，钢材变脆，此现象称为热脆性，所以硫是有害元素。 磷来源于矿石和生铁等炼钢原料，在钢中可溶入铁素体，使钢的强度和硬度增高。与此同时，显著增加钢的脆性，在低温时更为严重，此现象称为冷脆性，磷显然是有害元素2) 碳钢的分类 (1)按含碳量分 低碳钢(WC0.25%)、中碳钢(0.25% WC0.6%)

31、、高碳钢(WC0.6%)。 (2)按质量(即硫、磷的含量)分 普通钢(WS0.055%，WP0.045%)、优质钢(WS0.040%，WP0.040%)，高级优质钢(WS0.030%，WP0.035%)。 (3)按用途分 碳素结构钢(主要用于制造各种工程结构和机器零件)、碳素工具钢(主要用于制造各种刃具、量具和模具)。2.碳素结构钢 碳素结构钢是工程上应用最多的钢种，其产量约占钢的总产量的70%。按照国家标准，碳素结构钢分为五类20种。 Q195、Q215A、Q215B塑性较高，有一定强度，通常轧制成薄板、钢筋、钢管、型钢等，可用来制作桥梁、钢结构等，在机械制造中可用来制作铆钉、螺钉、地脚螺栓

32、、轴套、开口销、拉杆、冲压零件等。 Q235A、Q235B、Q235C、Q235D强度较高，可用来制作转轴、心轴、拉杆、摇杆、吊钩、链等。Q255A、Q255B、Q275强度更高，可用来制作工具、轧辊、主轴、摩擦离合器、刹车带等。 3.优质碳素结构钢 这类钢的编号方法是以两位数字表示钢的平均含碳量，以万分之一为单位。例如，平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢，称为45钢(以45表示)。 4.碳素工具钢 这类钢含碳量在0.65%1.35%，编号方法是在“碳”的汉语拼音的首位字母“T”后加以数字，数字表示钢的平均含碳量，以千分之一为单位。例如，T7、T12分别表示平均含碳量为0.7%和1.2%的

33、碳素工具钢。 碳素工具钢都是优质钢，若为高级优质碳素工具钢，则在钢号后面加A字，例如T12A。 第二节第二节 合金钢合金钢 合金钢就是在碳钢中加入合金元素所得到的钢种。常用的合金元素有：Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al、Co、B和Re(稀土元素)等。合金含量可以很低，只有万分之几，也可以很高，达百分之几十。1.合金钢的分类及编号1)合金钢的分类 (1)合金结构钢 用于制造各种机器零件及工程结构。还可以进一步分为低合金高强度钢、合金调质钢、合金渗碳钢、合金弹簧钢和轴承钢等。 (2)合金工具钢 用于制造各种工具，可分为刃具钢、模具钢和量具钢等。 (3)特殊用途钢 具有某

34、种特殊的物理和化学性能的钢，包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢、电工钢等。2)合金钢的编号 (1)合金结构钢 用数字+化学元素符号+数字来表示。前面的两位数字表示钢的平均含碳量的万分数。化学元素符号表示加入的合金元素，后面的数字表示合金元素的含量，一般以百分数表示，当平均含量低于1.5%时，钢号中一般只标出元素符号而不标明含量。当平均含量大于1.5%，2.5%，3.5%时，则相应标注2，3，4。如为高级优质钢，则在钢后加“A”字。例如60Si2Mn表示平均含碳量0.6%、含硅量2%、含锰量1.5%的合金结构钢。 (2)合金工具钢 合金工具钢的编号原则与合金结构钢大体相同，但含碳量的表示方法不同。平均含

35、碳量大于1.0%时，在钢号中不标注，平均含碳量小于1.0%时，在钢号前以千分数表示。例如，9Mn2V钢中的含碳量为0.85%0.95%，CrWMn钢的平均含碳量为1.3%1.5%。合金元素的表示方法与合金结构钢完全相同。只是含铬量低的钢，铬以千分数表示，并在数字前加“0”，以示区别。例如，平均含铬量为0.6%的低铬工具钢的钢号为Cr06。 (3)不锈钢与耐热钢 这类钢的含碳量大都很低，一般不标出。钢号中的主要合金元素以百分数标明，但在钢中能起重要作用的微量元素如Ti、Nb、Zr、N等，也需要在钢号中标出。例如1Cr17、1Cr18Ni9Ti等。2.合金结构钢1)低合金高强度钢 也称普通低合金钢

36、。低合金高强度钢一般含碳量小于0.2%，加入合金元素总含量不超过3%，其编号方法与碳素结构钢相同。例如Q390钢表示b390MPa的低合金高强度结构钢。 低合金高强度结构钢大多在热轧、正火状态下供应，使用时一般不再进行热处理。这种钢的强度较高，塑性和韧性好，焊接性和冷成形性良好，耐蚀性较好，成本低，适于冷成形和焊接。在某些情况下，用这种钢代替碳素结构钢，可大大减轻制品的重量。 低合金高强度结构钢广泛用于桥梁、车辆、船舶、锅炉、高压容器、输油管等，最常用的牌号是Q345钢（旧牌号是16Mn）。2)合金调质钢 调质钢是指采用调质热处理的结构钢。在机械工程中，重要的零件，例如机床主轴，汽车后桥半轴等

37、，都是在多种性质的载荷下工作的，受力比较复杂，要求具有良好的综合力学性能，所以一般都选调质钢制造。 合金调质钢热处理以后的组织是回火索氏体，与碳调质钢一样。 某些零件除了要求有良好的综合力学性能以外，还要求工作表面有较高的耐磨性。这时零件经调质处理后，可进行表面感应加热淬火及低温回火。常用钢种有40Cr、40MnB、35CrMo、38CrMoAlA、40CrNiMo等。3)合金渗碳钢 这类钢经渗碳及热处理后，表面层具有优良的耐磨性与疲劳抗力，而心部又有良好的韧性及足够的强度。 常用渗碳钢有用于制造活塞销、凸轮、滑块等的20Cr和20Mn2，制造汽车、拖拉机齿轮的20CrMnTi，制造重要齿轮和

38、轴的20Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA等。 4)弹簧钢 弹簧是机器和仪表中的重要零件，主要在冲击、震动，或周期性弯曲、扭转等交变应力下工作，用于吸收冲击、缓和振动或储存能量，以驱动机件，例如汽阀弹簧、油泵柱塞簧等。 这类钢的成分特点是中、高碳，加入提高淬透性的元素。热处理特点是淬火和中温回火。典型的弹簧钢有65Mn、60Si2Mn、50CrVA等。5)滚动轴承钢 根据要求，轴承钢的成分特点是具有高的含碳量，以硅、锰、铬为主合金化及加入钨、钼、钒等元素进一步提高淬透性。 轴承钢的热处理与工具钢相同，但对预先处理和最终处理都要求较严。主要热处理是球化退火、淬火加低温回火。 滚动轴承钢的典型钢种

39、有铬轴承钢GCr15、GCr9、GCr6、GCr15SiMn；无铬轴承钢GSiMnV、GSiMoVRe等。3.合金工具钢 机械工业中使用的工具多种多样，但应用最多的是各种切削刃具，冷、热变形模具和量具等。所以，按照用途，工具钢大致可分为刃具钢、模具钢和量具钢三大类。 1)合金刃具钢 刃具钢的成分特点是高碳，加入W、Mo、V等提高红硬性，加入Cr、Si、Mn等提高淬透性及耐回火性。 刃具钢主要有两类。一类是低合金刃具钢，工作温度不超过300，主要用于低速切削。另一类以高速钢为代表，有良好的红硬性，工作温度可达到500600，主要用于中速切削。 刃具钢的牌号很多，但常用的是有限的几种。 (1)低合

40、金刃具钢 典型钢种是9SiCr。它广泛应用于制造要求变形小的薄刃工具，例如板牙、丝锥等。 (2)高速钢 我国广泛应用的高速钢有两种。一种是钨系的W18Cr4V钢，另一种是钨-钼系的W6Mo5Cr4V2。 2)合金模具钢 模具是机械、仪表、无线电等工业部门中使用的主要加工工具。根据使用状态，模具钢分为两大类：用于冷成形的冷模具钢，工作温度不超过200300；用于热成形的热模具钢，模腔表面温度可达600以上。 (1)冷作模具钢 冷作模具包括冷冲模、冷锻模、冷挤模，以及拉丝模、滚丝模、搓丝模等。根据工作条件，冷作模具钢主要应具有高的硬度及耐磨性，以利于成形加工，保持模具的形状和尺寸，提高模具的使用寿

41、命，同时应有较高的疲劳抗力和足够的韧性及良好的工艺性能。 最典型的冷作模具钢种为高铬钢，即Cr12钢型，例如Cr12、Cr12MoV等。 (2)热作模具钢 热作模具钢包括热锻模、热挤压模和压铸模等。它们是属于受热状态下对金属进行变形加工的一种模具。由于热作模具是在非常繁重的条件下工作，热作模具应具有高的强度和韧性的良好配合，同时还应有足够的硬度和耐磨性；高的耐回火性，以便在工作中仍能维持高的强度和韧性的良好配合；抗热疲劳的能力。 最具代表性，使用较多的热作模具钢有5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V等。 4.特殊性能钢 在机械工业中使用的特殊性能钢是指用于制造在特殊工作条件或特殊环境

42、(腐蚀介质、高温等)下具有特殊性能要求的构件和零件的钢材。主要指不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。1)不锈钢 (1)马氏体型不锈钢 这类钢含有13%18%铬、0.1%1.0%碳。马氏体型不锈钢含有较高的碳。含碳量增加，钢的强度、硬度、耐磨性等显著提高，但耐蚀性下降。这类钢多用于制造力学性能要求较高、耐磨性要求相对较低的零件。例如汽轮机叶片、医疗器械等。常用的钢号有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等。 (2)铁素体型不锈钢 铁素体型不锈钢的含铬量为17%30%，含碳量低于0.15%，有时还加入其它元素。这类钢具有单相铁素体组织，加热至高温(9001100)也不发生变化。它的耐酸能力强

43、，有很好的抗氧化能力，但不能利用马氏体相变来强化，热处理只有退火。这类钢强度低、塑性好，主要用于制作化工设备中的容器、管道等。常用的有1Cr17、1Cr17Ti等。 (3)奥氏体型不锈钢 奥氏体不锈钢是目前工业上应用最广的不锈钢。它以铬、镍为主要合金元素。这类钢有很高的化学稳定性，良好的塑性，加工硬化性强，焊接性能好。最常用的是含18%Cr和9%Ni的铬镍不锈钢，主要用于制作化工容器、设备和零件，医疗器械以及抗磁仪表等。常用钢号有1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等。2)耐热钢 在加热炉、锅炉、燃气轮机等高温装置中，许多零件要求在高温下具有良好的抗蠕变和抗断裂能力、良好的抗氧化能力、必要的

44、韧性以及优良的工艺性能。具有较好的抗高温氧化性能和高温强度(热强性)的特殊钢叫做耐热钢。 耐热钢按正火组织可分为珠光体钢、马氏体钢和奥氏体钢。 (1)珠光体钢 这类钢合金元素较少，加入的目的在于强化铁素体及稳定碳化物。常用牌号有15CrMo、12CrMoV等，一般在600以下使用，广泛用于制造热能装置和化工设备中的构件和管道等。 (2)马氏体钢 马氏体钢常用的主要有两种。一种为铬钢，例如1Cr13、1Cr11MoV、1Cr12WMoV等；另一种为铬硅钢，例如4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等。这两种钢由于含有大量的铬或硅，抗氧化性及热强性均好，淬透性也高。它们大多在调质状态下使用。前种钢主

45、要用于制造高压汽轮机转子和叶片，后种钢则主要用于制造各种发动机的排气阀等。 (3)奥氏体钢 这类钢与奥氏体不锈钢类似，如1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Mo等。它们的高温强度较高，且随含镍量的增加而增大。为了进一步提高耐热性，还可加入W、Mo、V、Ti、Nb等元素，钢号有1Cr14Ni14W2MoTi、4Cr14Ni14W2Mo等。可以用来制造较重要的零件，例如燃气轮机轮盘、在750以下工作的燃气轮机叶片，以及其它动力、化工装置中的构件等。 3)耐磨钢 耐磨钢是指具有高耐磨性的钢种，广义上也包括模具钢、轴承钢等，但一般所指的耐磨钢，主要是高锰钢。这种钢由于机械加工比较困难，基本上都用于铸

46、件。它经热处理和塑性变形后能产生强烈的加工硬化，所以具有优良的耐磨性，主要用于制作工作时受严重磨损和强烈冲击的零件。 典型的高锰钢是ZGMn13，它经水韧处理后，硬度不高，仅为200HBS左右，但有很高的加工硬化能力，在冲击载荷或应力作用下，奥氏体能转变为马氏体，形成硬(500550HBW)而耐磨的表面。所以它多用于制造在工作中受冲击和压力并要求耐磨的零件，例如拖拉机、坦克的履带板，铁路道叉、破碎机颚板、掘土机铲斗等。第三节第三节 铸铁铸铁 铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。它还含有锰、硅、硫、磷以及某些合金元素，如Cr、Mo、V、Al等。铸铁与钢的化学成分的主要区别在于含C、Si较高，含

47、杂质元素S、P较多。因此铸铁与钢的性能有较大的区别。 铸铁的性能与石墨的形态关系十分密切，所以，控制石墨的大小、形状及其分布极其重要。目前，石墨的形态可分为四大类，即片状、蠕虫状、团絮状和球状；相应地，铸铁也分为灰铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁四大类。 1.铸铁的性能 (1)强度和塑性 灰铸铁的拉伸强度和塑性很低，这是由于片状石墨对基体的严重割裂作用而造成的。变质处理后，由于石墨片细化、石墨对基体的割裂减小，使铸铁的强度提高，但对塑性无明显改善。可锻铸铁中的石墨是团絮状，对基体割裂作用大大降低，使强度增大，塑性也明显提高。球墨铸铁中的石墨呈球状，对基体的割裂作用最小。因此，改变它的基体，可

48、使性能有较大的提高。在某些方面与碳钢相似。蠕墨铸铁中的石墨与灰铸铁相比，其长度、厚度较小，端部较钝，因此抗拉强度和塑性都明显提高。 (2)韧性 不论哪种铸铁，其冲击韧度都较低。人们一般认为铸铁是一种极脆的材料，不能用于制作承受冲击或疲劳载荷的重要零件。其实用断裂韧性来评价铸铁，尤其是评价球墨铸铁时发现，球墨铸铁的KIC可达铸钢的1/3以上。因此原来许多不敢用球墨铸铁制造的零件，实际上可以安全可靠地应用球墨铸铁来制造。 (3)抗震性 铸铁中的石墨对震动的传递起削弱作用，尤其是石墨为片状时，灰铸铁具有良好的消震性。这是灰铸铁的突出优点之一，灰铸铁广泛用于制造机器的底架部件，例如机床床身、汽缸体、主

49、轴箱等。 (4)耐磨性 白口铸铁是良好的耐磨材料，它硬度高，能抵抗较硬粒子的切削作用。如果加入能形成高硬碳化物的合金元素(例如Cr、V等)做成高硬度耐磨铸铁，则耐磨性更佳，广泛用于制造犁铧、喷丸机片、护板等耐磨零件。对于一般铸铁，在有润滑的条件下，含有石墨的铸铁是很好的耐磨材料。石墨本身有良好的润滑条件，这一点也是任何钢都无法相比的。所以活塞环、汽缸套等零件大都用铸铁制造。 (5)耐蚀性和抗氧化性 在铸铁中加入一定量的合金元素如Al、Cr、Si、Ni等之后，能得到一些具有耐蚀性或耐热性的特种铸铁。这是由于在铸铁的表面生成了一层致密的保护膜，防止铸铁进一步被氧化腐蚀；同时，也改善了铸铁的组织，减

50、弱了电化学腐蚀过程。耐蚀和耐热铸铁广泛用于化工阀门、容器、管道、炉条、炉底板、炉内运输链等零件。2.常用铸铁1)灰铸铁 (1)灰铸铁的牌号、组织及性能 按国家标准规定，灰铸铁有六个牌号：HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350。其中“HT”是“灰铁”汉语拼音的字首，后面数字表示最低抗拉强度(MPa)的数值。 灰铸铁的组织特点是具有片状石墨，其基体则分为铁素体基体，软而强度较低；珠光体基体，强度、硬度较高；而铁素体-珠光体基体的灰铸铁的性能介于二者之间。 (2)孕育铸铁 孕育铸铁的石墨是细小片状且在断面上分布较均匀。HT300和HT350即属于此种灰口铸铁。其组织是

51、细小、均匀分布的片状石墨和细化的珠光体基体。孕育铸铁的抗拉强度较普通灰口铸铁显著提高。而且，由于孕育剂的作用，其断面敏感性也较小，故适宜制造力学性能要求较高且截面尺寸变化较大的大型铸件。孕育铸铁是普通灰口铸铁经孕育处理得到的。常用孕育剂有75%Si的硅铁，或含60%65%Si和40%35%Ca的硅钙合金等。 (3)灰口铸铁的热处理 由于热处理不能改变石墨的形状、分布，故对提高力学性能作用不大，因此在灰口铸铁的生产中，热处理主要用于消除铸件的内应力和改善其切削加工性能。 主要热处理方法有去应力退火(人工时效)、消除铸件白口的退火以及表面淬火。 2)可锻铸铁 可锻铸铁是由铸态白口铸铁件经热处理而得

52、到的一种高强度铸铁。可锻铸铁的石墨化是通过渗碳体在固态下的分解而形成的。因此，不是片状石墨而是团絮状石墨。 可锻铸铁的生产分两个步骤：第一步，先浇铸成纯白口铸铁，不允许有石墨出现，否则，在随后的退火处理中，由渗碳体分解的石墨将沿已有石墨中析出，得不到团絮状石墨组织；第二步，进行长达几十小时的退火处理，以获得可锻铸铁的组织。 我国可锻铸铁分八种牌号，铁素体可锻铸铁的代号为“KT”，珠光体可锻铸铁的代号为“KTZ”。代号后面的两组数字，第一组表示最低抗拉强度，第二组表示最低伸长率。如KTZ450-06，表示珠光体可锻铸铁最低抗拉强度为450MPa、最低伸长率为6%。 由于石墨呈团絮状，从而大大减轻

53、了石墨对金属基体的割裂作用，亦减轻了石墨尖端引起的应力集中现象。因此，可锻铸铁比灰铸铁的强度高、塑性好、韧性大。可锻铸铁主要用来制作一些形状复杂，同时要求塑性较好、韧性较大、耐振动、耐腐蚀的薄壁铸件，如汽车拖拉机的后桥外壳、管接头、低压阀门等。 由于可锻铸铁生产周期长、工艺复杂、成本较高，故近年来有些可锻铸铁件已被球墨铸铁所替代。 值得指出的是，可锻铸铁虽然塑性较好，但仍然不能进行锻造加工。3)球墨铸铁 球墨铸铁是石墨呈球状的铸铁。它是向铁液中加入一定量的球化剂(例如Mg、稀土元素等)进行球化处理，并加入少量孕育剂(例如硅铁)而制得的，由于球墨铸铁具有优良的力学性能，生产工艺简便，成本低廉，因

54、此近年来得到迅速的发展，具有广泛的使用前景。 球墨铸铁的组织由金属基体和球状石墨组成，根据铸铁的石墨化程度，可分为铁素体+石墨，珠光体+石墨，铁素体+珠光体+石墨，贝氏体+石墨三种。 由于球墨铸铁中石墨呈球状，因而石墨分割金属基体的作用、引起应力集中的作用大为减小。球状石墨的数量愈少，愈细小，分布愈均匀，力学性能便愈高。而且同样具有灰铸铁的一系列优点，如良好的铸造性能、减摩性、可切削性和低的缺口敏感性等。其疲劳强度大致与中碳钢相似，耐磨性甚至还优于表面淬火钢。珠光体球铁常用于制造曲轴、连杆、凸轮轴、机床主轴、水压机气缸、缸套、活塞等。铁素体球铁用于制造压阀、机座、汽车后桥壳等。 球铁牌号由球铁

55、代号QT和后续数字表示，后面第一组数字是最低抗拉强度(MPa)，第二组数字表示最低伸长率的值。如QT450-10，表示最低抗拉强度为450MPa、最低伸长率为10%的球铁。4)蠕墨铸铁 蠕墨铸铁是近几十年来发展起来的一种新型铸铁材料，其强度接近于球墨铸铁，具有一定的韧性，较高的耐磨性。同时又具有灰铸铁的良好的铸造性能和导热性。 蠕墨铸铁中的石墨是介于片状和球状之间的一种中间形态的石墨。与灰铸铁的片状石墨类似，不同之处是，石墨片的长厚比小，端部较钝，较圆。石墨形态的变化提高了蠕墨铸铁的力学性能。蠕墨铸铁是介于球墨铸铁和灰铸铁之间的一种高强度铸铁，可用于制造钢锭模、汽缸盖、变速箱体等零件。 蠕墨铸

56、铁的牌号为“RuT”，如RuT260、RuT300，后面的一组数字表示最低抗拉强度。 第四节第四节 有色金属及其合金有色金属及其合金1.1.铝及铝合金铝及铝合金 1)纯铝 铝在工业生产中是仅次于钢铁材料的一种重要的金属材料。铝的密度小，为2.7103kg/m3，约为铁的1/3倍。导热性、导电性好，导电性仅次于银和铜。电器工业中大量使用铝代替铜作导线和电机转子的导体等。良好的抗蚀性，这是由于铝与氧的亲和力很大而形成的。铝与氧形成致密的氧化铝薄膜，阻止铝的进一步氧化。铝的塑性好、强度低，具有面心立方晶格，可经冷态塑性变形使其强化。 工业用纯铝的牌号有L1、L2、L3、L7。“L”是铝字的汉语拼音字

57、首，后面数字表示纯度，数字愈大，纯度愈低。当纯度高于99.93%时，编号为LG1、LG2、LG5。 2)铝合金 由于纯铝的强度低，在工业上不能作为结构材料使用。又由于铝无同素异构转变，故提高铝的强度的途径是在铝中加入适当的合金，通过固溶强化、时效强化及弥散强化来实现。目前铝合金强度已提高到b=500-600MPa，接近普通钢的强度。其比强度甚至比钢还高。 铝合金可分为形变铝合金和铸造铝合金两大类，形变铝合金又可分为不可热处理强化的铝合金和可热处理强化的铝合金。 由于纯铝的强度低，在工业上不能作为结构材料使用。又由于铝无同素异构转变，故提高铝的强度的途径是在铝中加入适当的合金，通过固溶强化、时效

58、强化及弥散强化来实现。目前铝合金强度已提高到b=500-600MPa，接近普通钢的强度。其比强度甚至比钢还高。 铝合金可分为形变铝合金和铸造铝合金两大类，形变铝合金又可分为不可热处理强化的铝合金和可热处理强化的铝合金。 (1)形变铝合金 形变铝合金按性能特点和用途分为防锈合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻铝合金四类。除防锈铝合金属于不可热处理强化铝合金外，其余三类均为以Al-Cu系为基础的可热处理强化的铝合金。 防锈铝合金 防锈铝合金的代号是“LF”，是“铝防”的汉语拼音字首。防锈铝合金主要有Al-Mg系和Al-Mn系。这类合金经锻造退火之后是单相固溶体，故抗腐蚀性能高。合金元素Mg、Mn还可通过

59、固溶强化提高合金的强度，并仍使其保持良好的塑性。该合金不可热处理强化，故其唯一的强化方法是加工硬化。常用铝锰合金的牌号有LF21；常用铝镁合金的牌号有LF2、LF5、LF11等。这类合金塑性很好，强度中等，具有良好的焊接性能，但切削加工性能较差。 由于耐蚀性和塑性好，这类合金主要用于焊接零件、构件、容器、管道、蒙皮以及深冲、弯曲的零件和制品等。 硬铝合金 硬铝的代号“LY”是“铝硬”的汉语拼音字首。 硬铝基本上是Al-Cu-Mg合金，Mg的加入，使其时效强化的效果较Al-Cu合金进一步提高，经固溶处理和自然时效后，b可达430MPa。常用牌号有LY1LY12。 超硬铝合金 这类合金的代号是LC，是“铝超”的汉语拼音字首。 超硬铝合金是Al-Cu-Mg-Zn系合金。是目前强度最高的铝合金，常用的有LC4、LC6等。超硬铝经过固溶处理和人工时效后，可获得很高的强度和硬度，但耐蚀性较差，高温下软化较快，所以常用包铝法来提高耐蚀性。主要用于制造受力大的重要构件及高载荷零件，例如飞机大梁、加强框、桁架、起落架等。 锻铝合金 这类合金主要含有镁、硅、铜等元素。元素