工程材料学笔记

第一章钢的合金化概论

表1.15常用各类合金钢刚好表达措施

钢类钢号举例表达措施及阐明

40Cr碳口勺质量分数一般用万分之几表达，列于钢号开头。重要合

20CrMnTi金元素一般用百分之十几表达，当平均质量分数＜1.5%,一

合金构造钢18Cr2Ni4W般只标出元素符号

38CrMoAIA

40CrNiMo

Q345A低告金高强度构造钢，钢弓按照国际原则用屈服城度命名

低合金构造Q500CQ+屈服强度，八个强度等级，三或五个质量等级。专业用低

钢和耐候钢16Mn合金高强钢：钢号加后缀，16MnL、Q235R、16Mnq（Q345q）

GCrl5高碳格轴承钢：钢号冠G,含碳量不标出，Cr平均质量分数

GCrlSSiMn千分之几；渗碳轴承钢：与合金构造钢类似，但也冠G;高破

滚动轴承钢G20CrMo铭不锈钢和高温轴承钢：钢号不冠G,其他与不锈钢耐热钢

表达措施相似

9SiCr平均含碳量＞=1.0%不标,＜1.0%用千分之几表达。低铝合金工

5CrW2Si具钢中Cr含量用千分之几表达，并在表达含量的数字前加

Crl2MoV0.塑料模具冠SM；

9Mn2V

合金工具钢高速钢不标碳含量合金元素含量百分之几表达

5Cr06NiMo

和高速钢

3Cr2W8V

W18Cr4V

W6Mo5Cr4V2

工程构造钢（力学性能为主，兼顾一定的物理性能）

1.工程构造钢包括碳素构造钢和低合金高强度构造钢。碳素构造钢分为Q195,Q215,Q235,Q275（最低

强度）四个等级。低合金高强度构造钢最低屈服强度为345MPa

2.低合金高强度构造钢按用途可分为构造钢，耐腐蚀钢，低温用钢，耐磨钢，钢筋钢，钢轨刚及其他

专业用钢

3.工程机构钢以工艺性能为主，力学性能为辅，重要性能规定如下

①足够的强度和韧度

②良好日勺焊接性和成型工艺性

③良好口勺耐腐蚀性

4.合金元素通过固溶强化，析出弥散强化，细化晶粒强化和增长珠光体含量这四种强化机制提高此

类钢的强度

5.所谓优良的焊接性是指焊接工艺简朴，焊缝与母材结合牢固强度不低于母材，焊缝热影响区保持

足够的强度和韧性，没有裂纹及多种缺陷

6.少许Cu可以非常有效日勺提高钢耐大气腐蚀日勺能力。

7.低合金高强钢合金元素强化港施：固溶强化、细晶强化、沉淀强化

在低合金高强度钢中,根据质豉要录®阿4Q390.Q4201文为A、B、C、D、E五

个等级，3460、Q500,Q55O、Q620、Q690可分为C、D、A、B级为杵通质牛，

级；C题优质级；D级和E级为特殊质量级，有低温冲击韧度要求.对于专业用低合《

钢，一般在钢号后加后缀，往往还有专门的钢号。例如：锅炉和压力塞赛支用蚣16MnR,

在新标准中为“Q345R”，还存」8MnMoNbR等牌号;用王桥外的专用钢面五二竺M咤/

在新标准中为Q345q。低合金蕊扁曲化学成分万学性能和应用分别见表云1、表2：2：

Qg45、_g390具有较好的综合力学性能、焊接性和冷、热加工性，£、D、E级具多良好的

7,低温韧度，用量较大,常用于船舶、锅炉、容器、桥梁等浜受较城硒诩匹随石材杆

第二章机械制造构造钢

1.机械零件规定有良好口勺服役性能，如具有足够高口勺强度，塑形，韧度，疲劳强度，耐磨性等

2.根据热处理强化工艺特点分为整体强化态钢和表面强化态钢。根据钢的生产工艺和用途可分为调

质钢，非调质钢，低碳马氏体钢，超高强度构造钢，渗碳钢氮化钢，弹簧钢，轴承钢等

3.机械制造构造钢重要性能

①具有良好口勺冷热加工工艺性

②具有良好口勺力学性能

4.机械零件用钢的合金化元素重要有Cr,Mn,Si,Ni,Mo,W,V,B等或是单独加入，或是复合加入。其中，主

加元素为Cr,Mn,Si,Ni«土加元素的作用重要是提高钢的淬透性和力学性能。辅加元素有Mo,W,V,B,能

减少钢卧J过热敏感性，消除钢时回火脆性，深入提高淬透性等作用，但含量一般都不高

5.一般机械零件的重要失效形式是变形和断裂

6.整体强化态钢均承受拉，压，扭等交变应力，大部分是整体受力。其重要失效形式是疲

劳破坏，重要性能指标为"抗拉强度，冲击吸取能量KV(KU),断裂韧度等。总体上

规定具有良好的综合力学性能。这些钢重要制造轴，杆，轴承类零件，如连杆，螺栓，主

轴，半轴等。此类钢重要有调质钢，弹簧钢，轴承钢，低碳马氏体钢，超高强度钢等。

7.调质钢：

构造钢在淬火高温回火后具有良好的综合力学性能，有较高强韧性，合用于这种热处理H勺钢称为调

质钢。

调质钢含碳量一般是中碳，调质钢按淬透性分级：低淬透性钢，中淬透性钢、高淬透性钢。

调质钢中合金元素作用：

Mn:ff淬透性，易使钢有过热倾向，回火脆性倾向

Cr:提高淬透性、提高回火稳定性，有回火脆性倾向

Ni:非碳化物形成元素，t韧度

Ni-Cr复合加入：提高淬透性作用很大，也有回火脆性

Mo:深入提高淬透性，t回火稳定性，细化晶粒，有效消除回火脆性倾向

V：碳化物形成元素，细化晶粒，溶入奥氏体会提高淬透性，减少过热敏感性

复合热处理综合强化也得到了许多应用，即热处理强化，表面处理及形变强化结合起来。

8.弹簧钢

1.弹簧II勺重要作用是储能减震，它一般是在动负荷下工作，即在冲击，振动或长期均匀的周期

变化应力的条件下工作。它起到缓和冲击力，使与它配合的零部件不受到冲击而初期破坏

2.规定弹簧钢具有高的强性极限以及弹性减退抗力好，较高的屈强比，高的疲劳强度和足够的

塑性和韧度。对淬火强化处理的弹簧钢还应有做够的淬透性，很好U勺冶金质量和组织均匀性，规定严

格控制材料内部缺陷。

3.常用弹簧材料是碳素钢和低合金弹簧钢。碳素钢含碳量在0.60%-1。5%,高碳，低合金弹簧

钢0.40%-0.74%.常加入Si,Mn,Cr,V等合金元素.Cr和Mn重要是提高淬透性,Si提高弹性极限,V提

高淬透性和细化晶粒

4.弹簧在热成型后，进行淬火及回火强化处理

5.弹簧钢常用热处理工艺是淬火和中温回火，得到回火托氏体

9.滚动轴承钢

1.在多种载荷作用卜，运行一段时间后将产生解除疲劳破仄，即在轴承套圈和滚体表面出现

小块剥落，形成麻点，使噪声和振动增大，磨损加剧，工作温度不停上升，最终导致轴承破坏失效

2.轴承钢性能规定

1.高而均匀的硬度和耐磨性

2.高的接触疲劳强度

3.高的弹性极限和一定的韧度

4.尺寸稳定性好

5.--定的I耐蚀性

6.良好的冷热加工工艺性

3.对轴承钢的质量规定是纯净和组织均匀

4.非金属夹杂物根据化学成分重要有氧化物，硫化物，硅酸盐三种

5.轴承钢球化退火U勺重要目的是为最终淬火处理做好组织准备

6.轴承钢淬火后应及时进行回火。（一般为淬火+低温回火，精密为淬火+冷处理+低温回火）

10.合金渗碳钢（低碳，淬火+低温回火，表硬里韧）

1.表面具有高硬度，高耐磨性，高接触疲劳抗力，芯部具有良好的综合力学性能

2.渗碳钢含碳量0.12%-0.25%,低碳。常用合金化元素Mn,Cr,Ni,W,V,Ti,Mo。Mn,Cr,Ni的重要

作用是提高淬透性。

3.渗碳钢按淬透性大小分类低淬透性钢，中淬透件钢，高淬透件钢

4.20Cr,20CrV制造受力较轻的零件，如活塞销。20CrMnTi高速中载受冲击力和磨损日勺重要零

件。20Cr2Ni4A,18Cr2Ni4WA高速柴油机，航空发动机曲轴，齿轮。20用于制造轴套，不重要的小齿轮。

12Cr2Ni4高负荷齿轮，蜗轮蜗杆。

5.减少残留奥氏体措施，淬火后冷处理和淬火前高温回火

11.氮化钢（调质，渗氮，高温同火）含碳低

1.工作载荷不大，基本无冲击力，有摩擦，比齿轮等磨损轻，受交变疲劳应力，规定能保持

高精度

12.耐磨钢

1.高锦铸钢化学成分特点是高碳高锌，铸件使用

2.ZGMnl3力学性能差，耐磨性低不适宜直接使用，经固溶处理（水韧处理）后显微组织为

单相奥氏体

3.水韧处理注意

1.温度在以匕一定保温时间下使碳化物所有溶入奥氏体

2.高锦钢导热性差，热膨胀系数大，铸件尺寸大，因此要缓慢加热防止裂纹

3.铸件出炉至入水时间尽量缩短，防止碳化物析出。水冷

4.高锦钢冷作硬化本质是通过大的形变在奥氏体基体中产生大量层错，形变栾晶，£

马氏体和a马氏体成为位错运动口勺障碍。能承受强有力冲击不破裂，广泛用于承受大冲击载荷强烈

磨损工况下的零件，衬板，磨球坦克履带

13.材料选择基本原则

1.材料II勺使用性能规定

2.材料的工艺性能

3.经济件

4.其他原因（尺寸，外形特点）

14.选择零件材料思绪

1.分析零件日勺工作条件、尽寸形状和应力状态，科学合理地确定零件的技术规定

2.通过度析或试验，结协议类零件失效分析成果，找出零件实际工作时的失效抗力指标作

为诜材根据

3.根据重要力学性能选择

4.考虑钢种与否满足次要失效抗力指标的工艺性和也许采用的工艺措施

5.审查所选钢种与否满足所有工艺性基本规定和组织生产也许性，深入考察材料经济性和成本

第三章工模具钢（高碳）

1.工模具钢：用来制造刃具、模具、量具等多种工具的钢称为工模具钢。

2,按用途分为刃具钢、模具钢、量具钢三大类

①刃具钢可分为碳素、低合金工具钢和高速钢三大类

②模具钢按工作温度可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢

③量具钢用来制作量规、卡尺、样板等。用来测量工件尺寸和形状

3.工具钢性能特点：耐磨、热稳定性、足够强度与韧度。

工具钢基本性能：

①强度和塑形

②韧度

③硬度及耐磨

④淬透性

⑤热稳定性（钢在较高温度下仍保持一定强度的性质）

⑥变形开裂倾向大

4.含碳量高，形成足够碳化物保证高耐磨性

5.一般规定碳化物呈球状，细小均匀分布

6.成分组织：

•般含0.6~1.3%CfM+足够数量K。M硬度高、切断抗力较高、耐磨性好

Cr、W、Mo、V等：t淬透性、耐磨性和热检定件;

Mn、Si辅助加入：t淬透性，回火稳定性;第二相K-f球状、细小、均匀分布

4.2碳素钢及低合金刃具钢

碳素工具钢

1.含碳量0.65~1.35%高碳（不完全淬火+低温回火）

钢号从T7到T13。做低速切削的刃具和简朴冷冲模。淬透性低，断面尺寸＜15mm口勺工具

T7有很好的塑韧性，宜做受冲击的刃具，如凿子等

T8易过热，制造形状简朴的木工工具等

T10、T12耐磨•性很好,强度高，但韧度低,制造不受冲击或冲击较小形状简朴的工具，如车刀、铳刀

等。

表4.1碳素工具钢含碳量、热处理规范（GB1298—2008）及用途

的号统一数字代号C/%（质后分数）淬火温度/七用途

T00070承•爻冲击锻荷、要求切度较工具.电/钳、幽

0.65-0.74800〜820

T7ATOOO73工大锤、健刀、木工用工具等

T00080

0.75-0.84780—800

T8AT00083刀、扩孔钻、钢印、冲头届料蹩片等

T8MnTO1080

0.80-0.90780〜800横线佳刀、手锯条、煤矿用凿、石油密等

T8MUATO1083

T9I00090要求有一定韧度和硬度较高的工具•如冲模、凿岩

0.85-0.94760~780

T9AT00093工具和木工工具等

T10TOO100不受冲击一要4UUW&OU4U如乍刀、倒刀、

0.95〜1.04760〜780

TIOX-TOO103丝枪、冷冲模、卷刀和密岩工具等

TilT00110工作时刃口不受热的工具.如建刀、丝镀、刮刃、切

1.05-1.14760〜780

T11AT00113烟叶刀、冲孔模等

TOO120丕堂也t、切KUMMT丕乙1刃单不受热的工具,女侍_

1.15〜1.24760〜780

T12ATOO123刀、饯刀金31皿0211族等

T13TOO130

1.25〜1.35760〜780硬金属切削工具,如刮刀、隹刀、殿剂工具、剃刀等

T13AT00133

注：】.所有牌号含Si40.35%,除T8Mn（A）含MnO.40%〜0.60%外.其他牌号含Mn均40.40%.

2.淬火介域均为水，淬火后使度均262HRC,回火温度均在180〜20）匕・~-

二、低合金工具钢（采用球化退火f不完全淬火f低回）

合金元素作用：

Cr:l%左右，细化K,均匀分勾

Mn:重要是提高淬透性

Si:樨高卜.温回火稳定性，还“1•强化铁素体，减少切削加工性;增大脱碳敏感性，不单独加

w:在Cr含量较高Fl勺钢易同溶于•特殊碳化物M23c6，含量过多会形成碳化物,且使碳化物分布不均

匀，恶化性能。

V:减少过热敏感性，细化晶粒，提高回火稳定性

9sic

①Si、Crt淬透性,D油<40mm

②Si、Crt回火稳定性「25O℃回,>60HRC

③K细小、均匀一不轻易崩刃

④分级淬火或等温淬火处理，变形较小

⑤Si使钢的脱碳倾向增大。

适于制作形状较复杂、变形规定小U勺工件，尤其是薄刃工具，如丝锥、扳牙、钱刀等。

CrWMn:

①Cr、W、Mn复合加入:f淬透性,D油=50~70mn

②AR在18-20%,淬火后变形

③含Cr、W的碳化物较多且稳定，晶粒细小一高硬度、高耐磨性

④回火稳定性很好,>250回火,硬度才<60HRC

⑤W使碳化物易形成网状。

适干制作规定变形小、耐磨性高II勺T件，如拉刀等也可做量具及形状复杂的高精度冲模.

*4.4典型低合金工具钢的热处理工艺及应用表便叁M混

淬火回火

钢号应用

加热温度/七冷却介质㈣火温度/匕HRC

140—16062-65形状较曳杂、变形要求小的薄刃工具，如画板牙、

9SiCr820〜860油

160~180♦〜63搓丝板、较刀等，也可作冷冲模等

140—16062〜65要求耐磨性较高、变形小的工具，如长丝维、拉

CrWMn800~830油

170~20060〜62刀，也可作高精度冲模、精密杠丝等

低速切削的车刀、校刀等工具；也可作冷冲模、样

Cr2830〜860油150~17060〜62

板、冷轧鞭等

丝锥.扳牙.轨刀等刃具.承受轻载的各种冷续-

油飞一癖60〜62

780〜810v-------...

17TV*.'™>'1'r•

w800〜830水150—18059~61性速切削生丝镀、住刀、麻花钻等匚1_1

高速钢热处理特点：高淬高回

一、高速钢中合金元素的作用

一般高速钢含0.7~1.65%C:形成足够数量的碳化物，淬火回火之后硬热硬性都提高；保证马氏体中固

溶碳量。

C%过高影响:a.AR增多;b.碳鼠的提高使固相线减少，晶界熔化温度减少->淬火温度I-A中Me%I-

红硬性I；c.韧性低。

W:导致红硬性H勺重要元素

退火时重要以〃6°型碳化物存在

强烈阻碍回火时马氏体中碳原子析出，提高回火稳定性，在600c回火时，仍为过饱和固溶体，具有

高的红硬性

回火时在马氏体中弥散析出W2C,导致二次硬化，具有高的红硬性和耐磨性。

部分M6C型碳化物未溶入奥氏体

强烈制止奥氏体晶粒长大。保证淬火加热采用1220~1310c的高温，使足够数量的碳化物溶入奥

氏体,保证高H勺红硬性,提高耐磨性。

WlII热导率一钢导热性差。

W和Mo相似,l%Mo可取代1.5~2.0%Wo

V明显个红帙性、t幌度和耐磨性，细化晶粒，I过热敏感性。以VC存在。

Cr加热时全溶,保证钢淬透性,4%Cr改善抗氧化能力、切削能力

Co可明显个红硬性、有F%、8%和12%三个级别。但钢的韧性，1钢脱碳倾向。

二、高速钢中的碳化物

L碳化物的类型00000000000

在所有的高速钢中，除钻高速钢以外，退火状态下都具有回、团三种碳化物，在含W、M。较少的高

速钢中尚有团型碳化物。在淬火状态下，只有回。回火状态有M2c.Mc析出

淬火态：加热时,K溶解次序为：

M2c3、M23C6型在100C左右溶解完一M6c型在1200℃时比分溶解一MC型比较稳定，在12000C时,

开始少许溶解。

回火态：重要为囹等碳化物。

冷作模具钢：金属在冷态下变形所用的模具钢

1.特点工作温度不高，模具重要承受高的压力和冲击力，金属之间有强烈摩擦

2.规定具有高硬度和耐磨性，也要有一定韧性

3.高格钢是含CC2%左右的高碳亚共晶莱氏体钢。Crl2MoV具有高的淬透性，用于制造大尺寸，形

状复杂，承受载荷较大的模具.冷作模具王牌

4.一次硬化法采用较低温度淬火和低温回火，淬火温度低，晶粒细小，强韧性好。

二次硬化法采用高的淬火温度，进行多次高温回火

热作模具钢：用于制造使加热金属或液态金属后会获得所需形状的模具

1.特点受热时间长，冲击力大

第四章2.规定高日勺抗热塑性变形能力，高韧度，高抗热疲劳性和良好的抗热烧蚀性

第五章不锈钢

1.钢电化学腐蚀形式：均匀憾蚀、晶界腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀、腐蚀磨损

2.不锈钢分类：马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢（考牌号加应用）

3.因定律：固溶体中日勺Cr量到达12.5原子比（地）时，铁固溶体电极电位有一种忽然升高，当Cr量

提高到25%（2/8）时，点位有一次忽然提高，这种现象称为tammann定律，也称二元合金固溶体点

位的唱定律。

4.晶间腐蚀：不锈钢在腐蚀介质作用下，在晶粒之间产生的一种腐蚀现象称为晶间腐

蚀。

固溶处理：把钢加热到ES线以上，才有也许使碳化物溶解。

稳定化处理：也可称稳定化退火。稳定化处理为使工件在长期服役的条件下形状和尺寸

变化可以保持在规定范围内的热处理。

敏化处理：Cr-Ni不锈钢中，假如在450-800C范围工作，或在该温度时效处理，也会得

到同样效果，这种时效处理考察不锈钢晶间腐蚀的敏感性，因此又称不锈钢的敏化处

理。

表5.1经典铁素体不锈钢棒的热处理与性能

统一退火温度力学性能

.■例号y（II1牌号）

数字代号/1c&/MPaRa/MPaA/%Z/%我阚

MoCrl7780-850行皱性便好的通用引种•用于

S117104502052250

空冷或蝮冷建筑装饰、家庭用具等

Ko8Cr27Mo900—1050制造耐硝触.硝酸的设备，用

1(00Cr27ML)S127914102452045

快冷于抗高温气化和硫化的设备

■22CU8TM780〜950

HoOCrl7)SI186336017522览生产硝酸、硝皴的化工号

快冷或缓冷备.如曳望里•槽寺•也可鬲

■0Crl7^^>780〜850

SI17904502052260于食品Jg房等需要耐蚀的部件

Kcrl7M^>空冷或缓冷

.6Cr2£N。780〜880制造生*的容器、换热器、

SI25505102752040蛇形管而霰法缩&备等

B(2Cr25N)快冷

多用于制造与"乌相接触

Ro19Crl8MoTi①的设备以及造纸上荔一制捻等

[ASI1862退火处理41024520

工业中的耐砂装置

■>08Cr30Mo2900〜1050用于在含氨化物水溶液中工

SI30914502952045

■OOCr3OM^2)快冷作的设备或部件

表5.2常用马氏体不锈钢的热处理与性能

HRCY

统一神火温度回火程度Ra/MPaKpo.x/MPaA/%z/%

钢号（旧牌号）&.用

数字代号/tc/C

.用手耐水蒸气、碳酸狙

O6Crl3950〜700〜

S41OO84903452460歧母液腐蚀的部件和设备

1000750

(0Crl3)的衬里

12Crl3950〜700〜用于切度要求较高且具

S410105403452255

(lCrl3)1000750有抗弱腐蚀介质的零件，

如叶片、叶轮等受力较大

2OCrl3920―600〜

S42O2O6404402050

(2Crl3)980750的零部件

①C⑥920〜600〜HBW

S420307355401240制造强度要求较高的结

980750217

恂件和酎磨件.如抽、轴

久Crl>

1050-200〜

S4204050承、活寤杆、耐蚀刀具等

1100300

用于硝酸.酷腋生产和

14Crl7Ni2950〜275〜

S43110108010轻纺等工业中的油、活塞

(lCrl7Ni2)1050350

杆、案等零件

统一淬火温度回火温度Rm/MPaRro.z/MPaA/%z/%HRC

钢号《旧痔号）应用

数字代号IX,/•C

95CH81000-200〜

S4409055

(9Crl8)1050

.1._____300用于耐蚀轴承、外科手

90Crl8MoV1050〜100-术刀、耐庭住部件等

S4699O55

(9Crl8MoV)1075200

68Crl71010—100-耐蚀机械刃具及剪切刃

S4107054

(7Crl7)1070180具、濠动轴承等

表5.3甯用奥氏体不耐的热处理写'性截（GB/T1220—2007）及用途

统一R./MPaRpo.z/MPaA/%2/%

数字代号dP

022Crl9NilO

S3O4O31010-11504801754060耐酸容器、管道、换热器等

(OOCrl9NilO)

O6Crl9NilO制造深冲成型的部件

S3O4O81010-11505202054060

(0Crl8Ni9j,

12Crl8Ni9各型耐蚀结构件和要求无

S3O21O1010-11505202054060

(]Cr]8Ni9J

06Crl8NillTi制造耐酸管道、容器、换热

S3216892O~115O5202054050

(OCrl8NilOTi)器等

06Crl8NillNb用于石油化工、食品、造纸

S34778980~11505202054055

(0Crl8NillNb)等工业

12Crl7Mn6Ni5N

S353501010-11205202754045

(!Crl7Mn6Ni5N)低温下稀硝酸中工作的

12Crl8Mn9Ni5N设备

S354501010~11205202754045

(]Crl8Mn8Ni5N)

06Crl7Nil2Mo2Ti

S316681000-11005302064055道丁制造化工、化肥、石油

(OCrl8Nil2Mo3Ti)

化工、印染等工业的设备、容

06Crl9Ni]3Mo3器、管道、热交换器等.含M。

S317081010~11505202054060

(0Crl9Nil3Mo3)高的钢在行机穆中具有更高

的耐蚀性.超低碳的钢无晶

022Crl9Nil3Mo3

S317031010~11504801754060界腐地帧向•焊接性也好

(00Crl9Nil3Mo3)

第六章耐热钢

.耐热钢：一般把在高温条件下工作的钢成为耐热钢。两个基本性能：①良好高温强

度、塑性②高温化学稳定性好。根据不一样服役条件分：热强钢、抗氧化钢。

钢的热强性指标：

蠕变极限、持久强度、高温疲劳性能、持久寿命。

强化途径：

①基体强化：t原子结合力，t熔点

②晶界强化：净化杂质、填充空位

③弥散强化：第二向细小、弥散、均布

第七章④工艺措施：热处理

第八章超高强度构造钢

第九章铸铁

1.铸铁是指碳U勺质量分数在2.11%以上