机械工程材料完整全套教学课件

第1章绪

论《机械工程材料》Materials

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Engineering第1章绪论.pptx第2章工程材料的性能.pptx第3章工程材料的结构.pptx第4章铁碳合金组织和相图.pptx第5章热处理.pptx第6章工业用钢.pptx第7章铸铁.pptx第8章有色金属及粉末冶金材料.pptx第9章非金属工程材料.pptx第10章材料表面的改性.pptx第11章工程材料的选择与应用.pptx全套PPT课件学习成果达成要求能够通过学习机械工程材料的重要性及其对人类社会发展的巨大贡献，进一步认识到材料科学还具有广阔的发展空间，还有很多新的未知领域需要去学习和探索。能够对常用机械工程材料根据其应用进行分类，把握材料与环境的相互关系，在现实中做到实现材料的循环利用、促进社会的可持续发展。材料的作用和发展前景工程材料的分类及工程应用绪

论新材料的发展与展望本课程的目的、意义、内容与要求PART1材料的作用和发展前景材料是人类进步的物质基础国家发展的战略需求具有广阔的发展前景1.1.1材料是人类进步的物质基础1.基本概念公元前10万年公元前3000年公元前1000年公元0年

1800年1950年1990年石器时代青铜器时代铁器时代水泥时代钢时代硅时代新材料时代材料：材料是人类用于制造机器、构件和产品的物质，是人类赖以生存和发展的物质基础。1.1.1材料是人类进步的物质基础1.基本概念工程材料：用于机械、车辆、船舶、建筑、化工、能源、仪器仪表、航空航天等工程领域的材料。1.1.2国家发展的战略需求1.新材料新材料概念010203新出现或正在发展中的具有传统材料所不具备的优良性能的材料。高技术发展需要，具有特殊性能的材料。由于采用新技术（工艺、装备）明显提高了性能，或者出现了新的功能的材料。1.1.3具有广阔的发展前景1.材料技术的发展趋势√从均质材料向复合材料发展√由结构材料为方向往功能材料、多功能材料并重的方向发展√材料结构聚的合尺合度物向越来越小的方向发展√由被动性反材应料类向型具有主动性的智能材料方向发展√通过仿生途径来发展新材料PART2工程材料的分类及工程应用工程材料的分类工程材料的工程应用1.2.1工程材料的分类1.按材料的化学组成分类金属材料：指具有正的电阻温度系数及金属特性的一类物质，是目前应用最为广泛的工程材料。纯金属合金混合熔化、冷却凝固1.2.1工程材料的分类1.按材料的化学组成分类无机非金属材料：指用天然硅酸盐(粘土、长石、石英等)或人工合成化合物(氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、氟化物等)作为原料，经粉碎、配置、成型和高温烧结而成的硅酸盐材料。1.2.1工程材料的分类1.按材料的化学组成分类高分子材料：指以高分子化合物为主要组分的材料，又称为高聚物。1.2.1工程材料的分类1.按材料的化学组成分类复合材料：指由两种或两种以上不同性质的材料，通过不同的工艺方法人工合成的、各组分间有明显界面且性能优于各组成材料的多相材料。1.2.1工程材料的分类2.按材料的使用性能分类结构材料：指以强度、刚度、塑性、韧性、硬度、疲劳强度、耐磨性等力学性能为性能指标，用来制造承受载荷、传递动力的零件和构件的材料。1.2.1工程材料的分类2.按材料的使用性能分类功能材料：指以声、光、电、磁、热等物理性能为指标，用来制造具有特殊性能的元件的材料。1.2.2工程材料的工程应用工程材料广泛应用于汽车、轮船、飞机等工业部门，如齿轮、轴承、汽车连杆、摇臂等零件。PART3新材料的发展与展望材料与环境及可持续发展新材料研究的发展趋势1.3.1材料与环境及可持续发展特征：生态环境材料：应是同时具有满意的使用性能和优良的环境协调性（或者能够改善环境）的材料。节约资源及能源。减少环境污染，避免温室效应与臭氧层破坏。容易回收和循环再生利用。1.3.2新材料研究的发展趋势√精细化√高功能化√超高性能化√复杂化√智能化√可再生及生态环境化1.3.2新材料研究的发展趋势2010——2020年我国新材料的产业规模PART4本课程的目的、意义、内容与要求内容：机械工程材料是研究材料的化学成分、组织结构、加工工艺与性能关系及其规律的一门学科。学科联系

课程联系机械设计机械制造机械电子材料力学工程力学金属工艺学结构力学目的和意义：1、获得有关工程材料的基础理论知识，并使其初步具备根据零件工作条件和失效方式合理地选择与使用材料；2、具备正确制订零件的冷、热加工工艺路线的能力；3、掌握强化金属材料的途径及方法。要求：学习时应注意联系物理、化学、工程力学及金属工艺学等课程的相关内容，并结合生产实际，注重分析、理解前后知识的整体联系及综合应用。第2章工程材料的性能机械工程材料Materials

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Engineering学习成果达成要求1.能够准确提出工程载荷下材料应具备的性能指标要求；能够在工程设计中准确运用材料性能指标选用材料。能够掌握工程材料常用的力学性能评定方法，并能在安全、质量管理中运用2工程材料的性能2.1工程材料的静载力学性能2.2工程材料的动载力学性能2.3工程材料的物理和化学性能2.4工程材料的工艺性能金属材料的力学性能，即是指金属材料在外力（载荷）作用时表现出来的性能。强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度载荷的形式工程材料的静载力学性能两种基本变形（1）弹性变形：材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。（2）塑性变形:材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称为塑性变形。PART1拉伸试验和应力-应变曲线拉伸试验机σε钢材拉伸过程的σ-ε图BA0DFE上屈服点C上C下C下屈服点拉伸试验过程钢材拉伸弹性阶段示意图σp—比例极限，MPa。σe—弹性极限，MPa。σεAB0弹性阶段σeσpσε钢材拉伸屈服阶段示意图BA0C下C上CBC下C上C屈服阶段σε钢材拉伸强化阶段示意图BA0C下C上

强化阶段σbσb——抗拉强度或强度极限。

DCσεE钢材拉伸颈缩阶段示意图BA0C下C上CDDE——颈缩阶段拉伸过程的参数强度指标屈服强度：抗拉强度：塑性指标伸长率：断面收缩率:退火低碳钢低、中回火钢中碳调质钢淬火钢及铸铁不同材料的拉伸曲线弹性和刚度1）弹性:金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。弹性变形:

随载荷撤除而消失的变形。ε0A弹性阶段pσσe

Bσ

2）刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。弹性模量：弹性下应力与应变的比值,表示材料抵抗弹性变形的能力。即：弹性模量杨氏模量材料的E越大，刚度越大；材料抵抗弹性变形的能力越大。E对组织不敏感；零件的刚度主要决定于E，也与形状、截面等有关。E=σ

/

ε1）屈服强度（σS）σS

=Fs/S0（MPa）屈服强度—是塑性材料选材和评定的依据。强度金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。kbFeskbFse100%0.2%b条件屈服强度:σ0.2=F

0.2/S0（MPa）σb

=Fb/S0（MPa）2）抗拉强度（σb

）抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。抗拉强度—是脆性材料选材的依据。小结1.弹性极限σe2材2材.料屈保服持极弹限性（变屈形服,强不度产）生σ永久变形的最大s应力金。属开始发生明显塑性变形的抗力。3.强度极限(抗拉强度σb

)条件屈服极限σ0.2

铸铁等材料没有明显的屈服2.1.2塑性及评定伸长率：材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。常用δ

和ψ作为衡量塑性的指标。断面收缩率:FFL良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。2.1.3硬度及评定硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标，材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度。即材料受压时抵抗局部塑性变形的能力。是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。（1）.布氏硬度（HB)一定直径的钢球或硬质合金球在一定载荷作用下压入试样表面。测量压痕直径,计算硬度值。布氏硬度计布氏硬度计的使用将压头为淬火钢球测出的硬度值标以符号HBS，适用HB<450而将压头为硬质合金球测出的硬度值标以HBW，适用HB450～650150HBS10/1000/30表示用直径10mm钢球在9.8kN（1000kgf）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为150洛氏硬度测量压痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。（2）.洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)①HRB适用于轻金属，未淬火钢；采用组合：

1.588mm淬火钢球，总载荷100kgf②HRC适用于较硬，淬硬钢制品；采用组合：

120°金刚石圆锥体，总载荷150kgf③HRA适用于硬、薄试件；采用组合：

120°金刚石圆锥体，总载荷60kgf洛氏硬度一般用于HB>450根据压头的种类和总载荷的大小的不同组合，洛氏硬度常用表示方式有:HRA、HRB、HRC维氏硬度维氏硬度也是以单位压痕面积的力作为硬度值计量。试验力较小，压头是锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体，见图所示。维氏硬度用符号HV表示。维氏硬度表示方法：在符号HV前方标出硬度值，在

HV后面按试验力大小和试验力保持时间（10～15s不标出）的顺序用数字表示试验条件。例如：640HV300。冲击韧度（ak）－材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。A

k

=

m

g

H

–

m

g

h

(J)用冲击吸收功除以试样缺口处截面积S0

,得到材料的冲击韧度ak。AKa

k

=(J/cm²)S0工程材料的动载力学性能PART2断裂韧性低应力脆断――断裂力学桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断。工作应力低于材料的屈服强度。某电站大型汽轮机转子轴断裂疲劳强度轴、齿轮、叶片、弹簧等零件，在工作

过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种应力称为交变应力(也称循环应力)。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹、或突然发生断裂。这种过程称为金属的疲劳。交变应力越小，材料断裂时应力循环次数N越大。当应力低于一定值时,试样可以经受无限周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳强度(疲劳极限)，用σ-1

表示。工程材料的物理和化学性能1.物理化学性能1）.密度单位体积物质的质量称为该物质的密度。PART3熔点热膨金膨金胀属胀属性从性从固态向液态转变时的温度称为熔点。

导材熔热料点性随高温的度金变属化称而难膨熔胀金、属收，缩如的钨特、性钼。、钒等。制膨导造胀热耐系性高数用温大热零的导件材率，料衡如制量火造。箭的热、零导件率弹,越、温大燃度,气变导轮化热机时性和,越好。尺喷银喷银寸气导气导和飞热飞热形机性机性状等最等最变好零好化,、,、铜较部、大件铝。次之。合金的导热性比纯金属轴熔差和点。轴低瓦的之金间属根称据为膨易胀熔系金数属来如控锡制、间铅隙等尺，寸可；用在于热制加造工保和险热丝处和理防时火要，安考防全虑止阀材零料件的加等热。膨或胀冷影却时响形,成减过少大工的件内变应形力和，开以裂免。零件变形或开裂。导热性好的金属材料制造散热器、热交换器与活塞等零件。电性能传导电流的能力称导电性。用电阻率来衡量。R＝ρL／S电阻率：ρ

电导率：1/ρ超导体：ρ——0导体：ρ=10-8－10-5半导体：ρ=10-5－107绝缘体：ρ=107－1022电阻率越小，金属材料导电性越好。金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。电阻率小的金属(纯铜)适于制造导电零件和电线。电阻率大的金属或合金(钨、钼、铁铬铝合金)适于做电热元件。磁性在外磁场中表现出来的特性。铁磁性材料在●在●顺磁性场外顺外 场性材料强烈地被磁化，如铁、钴等。能料能中材中制在●制在●抗磁压材料能微机地被磁仪表如锰、铬。锰。等如，表，化仪化量磁量测被、地、弱机弱动微动电能电只、料只、器中器材中性场性场压变磁变外造抗外造等。能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如铜居、里锌点等：。当温度升高到一定数值时，铁磁性材用料于磁要畴求被避破免坏电，磁变场为干顺扰磁的体零。件和结构材料，如航转海变罗温盘度。称居里点。铁的居里点是770℃。2.金属的化学性能1）耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力。碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；铝合金和铜合金的耐腐蚀性较好。

钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好。2）抗氧化性金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。加入Cr、Si等元素,可提高钢的抗氧化性。如4Cr9Si2可制造内燃机排气阀及加热炉炉底板,料盘等。1、铸造性能金属材料铸造成形获得优良铸件的能力。铸造1）.流动性2熔2熔）融.金收属缩的性流动能力。完铸完铸整件整件、在、在尺凝尺凝寸固寸固精和精和确冷确冷、却、却轮过轮过廓程廓程清中清中晰，晰，的其的其铸体铸体件积件积。和。和尺寸寸减减少少。。3）.偏析工程材料的工艺性能PART42、锻造性能锻造性金属材料用锻压加工方法成形的适应能力。锻造3、焊接性能焊接性金属材料对焊接加工的适应性。获得优质焊接接头的难易程度。电弧焊4、切削加工性能用切削后的表面粗糙度和刀具寿命来表示。金属材料具有适当的硬度(170

HBS～230

HBS)和足够的脆性时切削性良好。改变钢的化学成分(加少量铅、磷)和进行适当的热处理(低碳钢正火，高碳钢球化退火)可提高钢的切削加工性能。铜有良好的切削加工性能。5、热处理工艺性能第3章工程材料的结构机械工程材料Materials

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Engineering学习成果达成要求能区分常见金属的晶体结构，并分析金属的结晶过程对晶体结构和性能的影响。能够应用二元合金相图，预测合金的使用性能和工艺性能。能够理解合金的相结构和同素异构转变。晶体的基本知识金属材料的晶体结构和结晶工程材料的结构合金的晶体结构和结晶非金属材料的结构PART1晶体的基本知识晶体与非晶体晶格、晶胞和晶格常数3.1.1晶体与非晶体晶体：质点长程有序排列的物质。非晶体：质点完全无序或短程有序而长程无序排列的物质1.基本概念3.1.2晶格、晶胞和晶格常数1.基本概念晶格：假设将刚性球体视为处于球心的点，称为节点。由节点所形成的空间点的阵列称为空间点阵。用假想的直线将这些节点连接起来所形成的三维空间格架称为晶格。3.1.2晶格、晶胞和晶格常数晶胞：常从晶格中选取一个能代表晶体原子排列规律的最小几何单元来进行分析，这个最小的几何单元称为晶胞。晶格常数：晶胞在三维空间中重复排列便可构成晶格和晶体。晶胞各边的尺寸a、b、c称为晶格尺寸，又称晶格常数。PART2金属材料的晶体结构和结晶金属的特征和金属键金属的晶体结构金属的结晶3.2.1金属的特性和金属键√良好的导电性√较强的导热性√很好的延展性√金属光泽√用量的最大√应用最广泛金属键：正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使全部离子结合起来。这种结合力就叫做金属键。3.2.2金属的晶体结构3.2.2.1典型的金属晶格体心立方面心立方密排六方3.2.2金属的晶体结构面心立方密排六方3.2.2.1典型的金属晶格体心立方晶格：体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体，且在其体心位置还有一个原子。3.2.2金属的晶体结构面心立方密排六方3.2.2.1典型的金属晶格面心立方晶格：面心立方晶格的晶胞是由8个原子构成的立方体，在立方体的每个面心位置还各有一个原子。3.2.2金属的晶体结构密排六方3.2.2.1典型的金属晶格密排六方晶格：密排六方晶格的晶胞是由12个原子构成的六方棱柱体，上下两个六方底面的中心各有一个原子，上下底面之间还有三个原子。面心立方3.2.2金属的晶体结构当晶体内部的原子都按同一规律同一位向排列，即晶格位向完全一致时，此晶体称为单晶体。增塑剂其它在多晶体的金属中，每个晶粒相当于一个单晶体，具有各向异性，但各个晶粒在整块金属内的控件位向是任意的，整个晶体各方向上的性能是均匀一致的，这称为“伪等向性”。3.2.2.2多晶体及其伪等向性树脂3.2.2.3晶体缺陷在实际晶体中，原子排列并非那样规律和完整，总会存在一些不完整的、原子排列偏离理想状态的区域，这些区域称之为晶体缺陷。点缺陷线缺陷晶体缺陷面缺陷3.2.2.3晶体缺陷1.点缺陷空位空位：空位就是没有原子的结点。间隙原子

间隙原子：位于晶格间隙中的原子称为间隙原子。——主要指空位和间隙原子。3.2.2.3晶体缺陷2.线缺陷刃型位错 螺旋位错——主要分刃型位错和螺旋位错。3.2.2.3晶体缺陷3.面缺陷——主要指晶界、亚晶界和相界等。3.2.3金属的结晶一次结晶：金属从液态过渡为固态的转变称为一次结晶。3.2.3金属的结晶3.2.3.1金属结晶的条件——过冷3.2.3金属的结晶3.2.3.2晶核的形成和长大3.2.3金属的结晶结晶01020304晶核的形成自发生核、外来生核晶核的长大（1）二维

晶核式长大机制；（2）单原子扩散式长大机制晶体的长大方式平面式长大和树枝状形式长大结晶理论的应用石油化工、精细化工及生化、医疗行业等PART3合金的晶体结构和结晶合金的基本概念合金的相结构合金的结晶3.3.1合金的基本概念铬合金钨合金3.3.1合金合金：是由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素通过冶炼等方法结合而成的具有金属特性的物质。3.3.2合金的相结构相：在合金中，通常把具有同一化学成分且结构相同均匀组成部门。保持溶剂元素原子所组成的晶格不发生变化，这样形成的均匀固态相结构。固溶体金属化合物AB金属材料中，由相当程度的金属键结合，并具有明显金属特征的化合物3.3.2合金的相结构1）固溶体共完成完成溶质元素原子在溶剂元素原子组成晶格中的分布情况间隙固溶体置换固溶体3.3.2合金的相结构2）金属化合物——性能特点和同素异构体转变性能特点：熔点高、硬而脆。3.3.3合金的结晶Cr-Mo系合金系Pb-Bi系Ni-Cu系Mg-Al系Ag-Au系3.3.3.1二元合金相图基本知识二元合金系：两个组元组成的合金系。Pb-Sb系3.3.3.1二元合金相图基本知识1)二元合金相图的表示方法合金的状态通常是由合金的成分、温度和压力三个相互影响的因素确定的。3.3.3.1二元合金相图基本知识2)二元合金相图的建立ABDC热分析法热膨胀法磁性测定法金相伐测临界点的方法3.3.3.1二元合金相图基本知识3）杠杆定律杠杆定律只适用于两相平衡区。3.3.3.2合金性能与相图间的关系1）合金的使用性能与相图的关系——工程塑料的性能特点和用途3.3.3.2合金性能与相图间的关系2）合金的工艺性能与相图的关系——工程塑料的性能特点和用途PART4非金属材料的结构高分子材料的结构陶瓷材料的结构3.4.1高分子材料的结构高分子材料的结构体型分子链共完成完成线型分子链支化型分子链3.4.2陶瓷材料的结构晶相一般是由离子键和共价键结合而成，通常是两种混合键。晶相玻璃相AB玻璃相是一种非晶态固体。陶瓷材料的组织结构C气相气相是指陶瓷孔隙中的气体，即气孔。第4章铁碳合金组织和相图机械工程材料Materials

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Engineering学习成果达成要求能够掌握铁碳合金的基本组织及其特性能够根据铁碳合金相图，合理地选择不同含碳量的钢或铸铁，确定合金铸造时的铸造温度，锻造温度和各种热处理工艺的加热温度，分析铸铁碳合金的铸造性能。本质成分组织结构铁碳合金PART1铁碳合金中的相和组织工业纯铁铁索体奥氏体渗碳体常用高分子材料珠光体莱氏体4.1.1工业纯铁1.过冷现象与过冷度纯铁冷却曲线不同冷却速度下的冷却曲线液体和固体自由能随温度变化曲线液态纯铁冷却后，纯铁开始结晶.液体中先产生一些小的晶核，之后晶核不断长大，同时液体中不断产生新的晶核并长大，最后形成由不规则晶粒组成的多晶体。2.结晶过程结晶过程示意图4.1.1工业纯铁3.工业纯铁的组织与性能工业纯铁具有体心立方体

结构。工业纯铁强度很低，塑性。韧性很好。并且细

化晶粒既可以提高纯铁强

度，又可以增加其塑性，

韧性。工业纯铁的显微组

织如（右图）4.1.1工业纯铁4.1.2铁素体4.1.3奥氏体共析钢的片状珠光体形成奥氏体的示意图1.奥氏体的形成过程ABDC奥氏体晶粒大小用奥氏体晶粒度表示，分为8级，1级最粗，8级最细。奥氏体晶粒度晶粒度级别与晶粒大小关系n=

2N-1n----X100倍时，晶粒数/in2N----晶粒度级别奥氏体晶粒度有三种奥氏体晶粒大小的控制√初始晶粒度起始晶粒：形核率和长大速率√实际晶粒度实际精度：钢铁的本质晶粒度，加热条√本质晶粒度件。钢的化学成分及钢的原始组织2.奥氏体的长大及其控制4.1.3奥氏体3.过冷奥氏体转变曲线过冷奥氏体：冷却到临界点以下，仍未发生分解的奥氏体。（右图：奥氏体转变曲线）4.1.3奥氏体4.1.4渗碳体用途一次渗体二次渗碳体三次渗碳体渗碳体组织形貌二二次次渗渗碳碳三三次次渗渗碳碳体体体体一一次次渗渗体体用用用用途途途途4.1.4渗碳体4.1.5珠光体1.珠光体的组织形貌针状珠光体片状珠光体球状珠光体片状珠光体的片间距与珠光体示意图4.1.5珠光体珠光体组织特征图共析钢珠光体，索氏体和屈氏体4.1.5珠光体性能01020304片状珠光体性能细片状珠光体，强度，硬度高，塑性，韧性好。粒状珠光体铁素体集体上分布粒状碳化物的组织性能相同抗拉强度下，比片状珠光体的疲劳强度好。2.珠光体性能由片状交替的铁素体和渗碳体构成4.1.5珠光体渗碳体的厚度与片间距的关系共析钢不同组织的应变能力4.1.5珠光体共完成完成粒状珠光体片状3.珠光体的形成过程片状珠光体形成过程示意图粒状珠光体转变过程示意图4.1.5珠光体4.1.6莱氏体莱氏体：钢材基本结构之一，常温下为珠光体，渗碳体和共晶渗碳体的混合物变态莱氏体：钢温度高于727度时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，低于727度时，莱氏体由珠光体和渗碳体组成，此时称为变态莱氏体。PART2铁碳合金相图铁碳合金相图的基本分析铁碳合金成分，组织和性能关系铁碳合金相图的应用4.2.1特碳合金相图的基本分析特碳合金相图：氯整个铁碳合金相图可视为由第一系列二元相图组成，通常所讲的铁碳合金相图实际是相图，即含碳量的部分。铁碳合金相图4.2.1特碳合金相图的基本分析1.相图中主要的特性点及其意义4.2.1特碳合金相图的基本分析特性点温度/℃wc∕％含

义A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点D11276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在奥氏体中的最大溶解度F11486.69渗碳体的成分G9120γ-Fe

α-Fe同素异晶转变点K7276.69渗碳体的成分P7270.0218碳在铁素体中的最大溶解度S7270.77共析点Q6000.0057碳在铁素体中的溶解度2.相图中各主要曲线的意义4.2.1特碳合金相图的基本分析特性线含

义ABC铁碳合金的液相线，液态合金开始结晶出奥氏体CD铁碳合金的液相线，液态合金开始结晶出渗碳体AHJE铁碳合金的固相线，即奥氏体的结晶终了线ECF铁碳合金的固相线，Lc→AE+Fe3C共晶转变线GS奥氏体转变为铁素体的开始线GP奥氏体转变为铁素体的终了线ES碳在奥氏体中的溶解度线PSKAs→Fp+Fe3C

共析转变线PQ碳在铁素体中的溶解度线碳钢

料又可分为共析钢，亚共析钢和过共析钢三种。工业纯铁碳钢铁碳合金白口铸铁4.2.2铁碳合金成分，组织和性能关系白口铸铁

料又可分为共晶白口铸铁，亚共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁。4.2.2铁碳合金成分，组织和性能关系1.典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织共析钢共析钢的结晶过程示意图共析钢的显微组织4.2.2铁碳合金成分，组织和性能关系亚共析钢亚共析钢的结晶过程示意图亚共析钢的显微组织4.2.2铁碳合金成分，组织和性能关系过共析钢过共析钢的结晶过程示意图过共析钢的显微组织4.2.2铁碳合金成分，组织和性能关系共晶白口铸铁共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡相变过程示意图共晶白口铸铁的显微组织4.2.2铁碳合金成分，组织和性能关系1.铁碳合金的碳含量与平衡组织，力学性能之间的关系碳含量与平衡组织的关系通过对铁碳合金平衡结晶过程的分析：可知含碳量不同，合金的结晶过程也不相同，因此会获得不同类型

的室温平衡组织。对铁碳合金室温组织表明：随着含碳量的增加，不仅组织中渗碳体相对数量增加，而且渗碳体形态和分布情况也有变化。4.2.2铁碳合金成分，组织和性能关系含碳量对室温平衡组织的影响铁素体亚共析钢过共析钢钢共析钢白口铸铁共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁二次渗碳体工业纯铁珠光体莱氏体一次渗碳体3Fe

C钢铁分类组织组成物相对量%相组成物相对量%4.36.69含碳量%

0

0.0218

0.77

2.1110010000三次渗碳体4.2.2铁碳合金成分，组织和性能关系碳含量与力学性能关系与力学的性能关系：可强度硬度升高，塑性韧性下降。含碳量对力学性能的影响碳钢合金相图：又在工业除了可以作为选用材料的重要依据外，还可以制定铸造，锻造，热处理等热加工工艺依据。。锻造铸造相图热处理4.2.3铁碳合金相图的应用4.2.3铁碳合金相图的应用相图铁碳合金相图与锻造工艺关系图钢铁材料的选用方面的应用在热加工工艺方面的应用在热锻、热轧工艺方面的应用在焊接工艺方面的应用在热处理工艺方面的应用第5章

钢的热处理机械工程材料Materials

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Engineering学习成果达成要求1.能针对提高工程零部件、工具等产品质量和寿命等问题，选择合理的热处理基本工艺，并掌握及其强化规律和适用范围。能掌握钢铁热处理后的各种主要的组织形态及性能知识，通过创造性运用热处理工艺，充分发挥材料的性能潜力。

能了解当代化学热处理及热

处理新技术发展的领域及趋

势，促进新技术的应用和发

展。引言材料的性能可以通过下面方法得以改善在钢铁的冶炼过程中，加入所需的合金元素；对材料进行后续处理——热处理PART1钢在加热时的转变热处理。加热

保温冷却时间温度提供组织准备通过改变冷却速度，控制组织中成分和结构变化，获得相应组织和性能5.1钢在加热时的转变加热温度的确定亚共析钢:Ac3+(20~40℃)共析钢:Ac1+(20~40℃)过共析钢:Accm+(20~40℃)加热

保温冷却时间温度奥氏体的形成——以共析钢为例F

(0.0218)

+Fe3C（6.69）A（0.77）面心立方体心立方正交晶格晶格改组碳原子的再分布G0.77

2.11含碳量（%）AEPSQ0.0218A1Ac1A3AccmAc3AcmPFFe3CAFAFe3C奥氏体晶核的形成奥氏体晶核的长大残余Fe3C的溶解奥氏体成分均匀化奥氏体化过程:影响奥氏体形成速度的因素

a.加热温度和加热速度b.原始组织

(含碳量)

c.合金元素影响奥氏体晶粒大小的因素加热温度和保温时间。加热温度越高，保温时间越长，晶粒就越粗大钢的化学成分。碳含量增加，晶粒有长大的倾向；合金元素磷（P）、锰（Mn）促进奥氏体晶粒长大，其它易形成稳定难溶化合物的合金均阻碍奥氏体晶粒长大。钢在冷却时的转变G0.772.11含碳量（%）AEPSQA1Ar1A3ArcmAr3Acm0.0218P过冷奥氏体连续冷却等温冷却时间温度加热温度临界温度过冷奥氏体的两种冷却方式PART2一.过冷奥氏体的等温转变曲线（C曲线）过冷奥氏体孕育期转变开始转变过渡区（过冷奥氏体和转变产物）转变结束（转变产物：珠光体（＞550℃）；贝氏体（＜550℃）；马氏体（Ms与Mf

之间）1.珠光体转变——高温转变（A1~550℃）珠光体形成示意图等温转变形成的珠光体组织２.贝氏体转变——中温转变（550℃~Ｍs）下贝氏体形成示意图上贝氏体：（550℃~350℃）上贝氏体形成示意图下贝氏体：（350℃~Ｍs）贝氏体组织形态与性能1）上贝氏体（图4-8）：组织呈羽毛状，为一束大致平行的铁素体板条，碳化物呈棒状或片状分布在铁素体板条间。强度较低，塑性和韧性都很差，不适用于机械零件．2）下贝氏体（图4-9）

：组织内铁素体呈针状，碳化物细小且均匀弥散分布在铁素体内。强度和硬度高，且具有良好的塑性和韧性，综合力学性能较好。3.马氏体转变——低温转变（Ｍs~Ｍf

）马氏体转变是将奥氏体快速冷却到Ms温度以下得到的组织。马氏体转变的特点：马氏体的组织形态（1）板条状马氏体：（2）片状马氏体：板条状马氏体片状马氏体马氏体组织的性能马氏体类型σb

/MPaσ0.2

/MPaHRCδ

/%αk

/（J/cm2）板条马氏体（0.2%）1500130050960片状马氏体（1.0%）2300200066110二.奥氏体等温转变曲线（C曲线）影响因素1.碳的影响合金元素的影响加热温度和保温时间三、奥氏体连续冷却转变曲线（CCT曲线）四.奥氏体等温转变曲线（C曲线）的应用炉冷(退火)油冷(淬火)水冷(淬火)A1Ms

V1PV2S

空冷(正火)V3

M+T+ArV4

VkM+Ar重要零部件:铸造(或锻造)退火(或正火)粗加工淬火回火精加工成品钢的整体热处理PART3一、钢的退火将钢件加热至适当温度，保温一定时间后缓慢冷却的一种热处理工艺。根据

目的和要求不同，又可以

分为完全退火、等温退火、球化退火和去应力退火。A1A3cAm1、完全退火：工艺：Ac3+（30~50℃），保温后随炉缓慢冷却到

500℃以下后在空气中继续冷却。特点：。C）目的：D）适用范围。炉冷

Ac3Ac1空冷完全退火2、等温退火：工艺：Ac3+（30~50℃），保温后快冷到Ar1之下某一温度等温，使A在恒温下转变为P，然后出炉空冷。特点：C）目的：D）适用范围。炉冷

Ac3

Ac

1A1Ar1500℃以下空冷完全退火等温退火3、球化退火：工艺：Ac1+（20~40℃），保温后随炉缓冷至

600℃以下出炉空冷。特点：目的：D）适用范围：

Ac3Ac1完全退火等温退火球化退火4、去应力退火：工艺：A1以下某一温度（500~650℃），保温后随炉缓冷至200℃以下出炉空冷。特点：目的：

D）适用范围：

Ac3完全退火等温退火去应力退火Ac1球化退火二、钢的正火将钢件加热至单相奥氏体区（Ac3、Ac1

或Accm以上），保温后出炉空冷的热处理工艺。A）工艺：Ac3（Ac1

或Accm）+（30~50℃），空B冷B冷）。特点：C）目的：D）适用范围：AA1A3Acm三、钢的淬火钢的淬火工艺加热温度的选择亚共析钢：Ac3+（30~50℃）共析钢和过共析钢：Ac1

+（30~50℃）加热保温时间的确定根据钢的化学成分、工件尺寸形状、加热炉类型等因素按照经验公式估算。3.淬火冷却介质的确定A1MsMf钢的理想冷却淬火速度理想冷却速度应在C曲线鼻尖处快冷，而在

650℃以上以及Ms点以下缓慢冷却。这样即可以得到马氏体组织，同时尽量避免淬火应力。单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火冷处理4.淬火方法的选择5.钢的淬透性A1MsSTMV心V临V表d50%M+50%TM+T淬硬性是指钢材淬火后所达到的硬度大小，主要取决于马氏体中的含碳量，合金元素对其影响不大。6.淬硬性四、钢的回火钢的回火就是将淬火后的钢重新加热到A1点以下的某一温度，保温一段时间，然后冷却到室温的热处理工艺。1）工艺：A1以下某一温度（150~650

℃），保温后出炉空冷。2）目的：钢在回火时的组织转变马氏体的分解：残余奥氏体的分解：回火托氏体的形成：渗碳体的聚集长大和铁素体的再结晶：2.回火工艺及调质1）低温回火（150~200℃）：2）中温回火（350~500℃）：3）高温回火（500~650℃）：

淬火后高温回火也称为调质处理。一、钢的表面淬火表面淬火是将工件表面快速加热到奥氏体区，在热量尚未传递到心部时立即迅速冷却，使表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原始组织的一种局部热处理方法。火焰加热表面淬火：氧-乙炔感应加热表面淬火：感应电流激光加热表面淬火：激光束钢的表面热处理PART4二、表面化学热处理化学热处理过程：由介质中分解出渗入元素的活性原子；工件表面对活性原子的吸收；吸收原子在工件中的扩散。化学热处理工艺：渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等1.渗碳（气体渗碳）a)原理CH4-----2H2+[C]2CO-----CO2+[C]CO+H2-----H2O+[C]b)渗碳层指标表层含碳量心部直接淬火一次淬火二次淬火A3Acm碳温度930℃

A

c)

碳后的热处理——淬火+低温回火d)渗碳组织（淬火加低温回火后）表层：高碳回火马氏体+粒状渗碳体或碳化物+少量残余奥氏体，硬度为58~64HRC，耐磨性好，高疲劳强度。心部：低碳回火马氏体（或含铁素体、托氏体），硬度为137~183HB（未淬透）或30~45HRC（淬透），具有较高的心部强度及足够的塑性和韧性。.2

氮1）氮化工艺2）氮化后的组织和性能热处理新技术一、可控气氛热处理二、真空热处理三、形变热处理四、气相沉积技术PART5第6章工业用钢机械工程材料Materials

for

Mechanical

Engineering学习成果达成要求能够掌握工业用钢的分类方法和牌号的命名方法，认识常用材料牌号及性能特点。理解常见工业用钢的种类、性能特点以及应用，能够根据工业生产的具体要求合理选择钢种及热处理方式了解常见元素和杂质对碳钢性能的影响以及钢中合金元素的作用，能够合理认识钢材质量和性能调整措施，并能在生产中创新性应用碳素钢合金钢工业用钢PART1常见元素和杂质对碳钢性能的影响硫元素对碳素钢的影响磷元素对碳素钢的影响锰元素对碳素钢的影响硅元素对碳素钢的影响氧元素对碳素钢的影响6.1常见元素和杂质对碳素钢的影响分类高级优质钢优质钢普通钢硫含量

S＜0.02%～0.03%S＜0.03%～0.045%S＜0.055%～0.7%以下1.硫元素对碳素钢的影响硫：硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭，是钢中的一种有害元素。含硫量愈高，热脆现象愈严重，故须对钢中含硫量进行控制。热脆：硫以硫化铁（FeS）的形态存在于钢中，由于FeS化合物的过早熔化导致工件开裂。分类高级优质钢优质钢普通钢磷含量P＜0.025%P＜0.04%P＜0.085%6.1常见元素和杂质对碳素钢的影响2.磷元素对碳素钢的影响磷：磷是由矿石带入钢中的，一般说磷也是有害元素。冷脆：磷虽能使钢材强度、硬度增高，但引起塑性、冲击韧性显著降低，特别是在低温时，使钢材显著变脆。冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏，含磷愈高，冷脆性愈大，故钢中对含磷量控制较严。分类正常锰较高锰锰含量P＜0.04%P＜0.085%6.1常见元素和杂质对碳素钢的影响3.锰元素对碳素钢的影响锰：锰是炼钢时作为脱氧剂加入钢中的。锰具有很好的脱氧能力，能与钢中的FeO成为MnO进入炉渣，从而改善钢的品质，降低钢的脆性，提高钢的强度和硬度。因此，锰在钢中是一种有益元素。分类镇静钢沸腾钢硅含量0.1%～0.37%0.03%～0.07%6.1常见元素和杂质对碳素钢的影响4.硅元素对碳素钢的影响硅：硅也是炼钢时作为脱氧剂而加入钢中的元素。硅与钢水中的FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去，因此硅是一种有益元素。硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。F

e

OM

n

OS

i

O

2A

l

2

O

36.1常见元素和杂质对碳素钢的影响5.氧元素对碳素钢的影响氧：氧在钢中是有害元素。氧在钢中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂形式，使钢的强度、塑性降低，尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。PART2合金元素在钢中的作用合金元素对钢中基本相的影响合金元素对热处理的影响6.2.1合金元素对钢中基本相的影响铁素体和渗碳体是碳钢中的两个基本相，合金元素加入钢中时，可溶于铁素体内，也可溶于渗碳体内。与碳亲和力弱的非碳化物形成元素，如镍、硅、铝、钴等，主要溶于铁素体中形成合金铁素体。与碳亲和力强的碳化物形成元素，如锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等，主要与碳结合形成合金渗碳体或碳化物。6.2.1合金元素对钢中基本相的影响1.形成合金铁素体合金元素在溶入铁素体后，由于与铁的晶格类型和原子半径有差异，必然引起铁素体晶格畸变，产生固溶强化，使铁素体的强度、硬度提高，但塑性、韧性却有下降趋势。图6-1和图6-2为几种合金元素对铁素体硬度和韧性的影响。6.2.1合金元素对钢中基本相的影响图6-1合金元素对铁素体硬度的影响6.2.1合金元素对钢中基本相的影响图6-2合金元素对铁素体冲击韧性的影响6.2.1合金元素对钢中基本相的影响由图可知，硅、锰能显著地提高铁素体的强度和硬度。但

超过0.5%，

超过1.5%时，将降低其韧性。而铬与镍比较特殊，铁素体中

≤2%，

≤5%时

，能显著强化铁素体的同时还可提高韧性。6.2.1合金元素对钢中基本相的影响2.形成碳化物碳化物是钢中的重要组成相之一，碳化物的类型、数量、大小、形状及分布对钢的性能有很重要的影响。过共析钢亚共析钢钢共析钢6.2.1合金元素对钢中基本相的影响形成碳化物01锰是弱碳化物形成元素这种碳化物的熔点较低，硬度较低，稳定性较差。02铬、钼、钨属于中强碳化物形成元素，这些碳化物的熔点、硬度、耐磨性以及稳定性都比较高。03铌、钒、钛是强碳化物形成元素，它们的稳定性最高，熔点、硬度和耐磨性也最高。6.2.2合金元素对热处理的影响合金钢一般都是经过热处理后使用的，主要通过热处理改变钢的组织来显示合金元素的作用。合金元素对钢热处理加热和冷却过程均有影响。6.2.2.1对奥氏体化的影响合金元素对奥氏体的形成速度影响很大。它是通过对钢的临界点位置的改变、对碳扩散速度的影响以及对铁素体与渗碳体量的影响等来改变奥氏体的形核率和长大速度的。6.2.2.1对奥氏体化的影响1.改变奥氏体区域图6-3合金元素锰对γ区的影响6.2.2.1对奥氏体化的影响图6-4合金元素铬对γ区的影响6.2.2.1对奥氏体化的影响2.影响奥氏体的形成速度合金钢在加热时，奥氏体化的过程基本上与碳钢相同，即包括奥氏体的形核与长大，碳化物的溶解以及奥氏体均匀化这三个阶段，它是扩散型相变。大多数合金元素（除镍、钴外）会减缓奥氏体化过程。相反，Ni、Co等非碳化物形成元素降低碳在奥氏体中的扩散激活能，增大碳在奥氏体中的扩散速度，因而能使奥氏体的形成加速。6.2.2.1对奥氏体化的影响3.影响影响奥氏体晶粒的长大合金元素除Mn和P能促进奥氏体晶粒长大以外，其他元素均不同程度地阻碍晶粒长大，从而细化了晶粒。非碳化物形成元素Si、Ni、Cu等对奥氏体晶粒长大影响不大；Mn则促进奥氏体晶粒长大。6.2.2.2对钢冷却转变的影响对珠光体转变的影响对贝氏体转变的影响对马氏体转变的影响对回火过程的影响PART3钢结构碳素结构钢低合金高强钢优质碳素结构钢和合金结构钢弹簧钢滚动轴承钢工具钢特殊性能钢6.3.1碳素结构钢表6-1碳素结构钢的牌号、力学性能及用途牌号质量等级脱氧方法Rel/MPaRm/MPaA/%特点及通途Q195——F、b、ZF、b、Z195315～43033具有一定的强度、硬度和良好的塑性，用于制造受力不大的零件，如螺钉、螺母、垫圈等，也可用于冲压件、焊接件及建筑结构件Q215A、B215335～45031Q235A、B235375～50026C、DZ、TZQ255A、BZ255410～55024具有较高的强度，用于制造承受中等载荷作用的零件，如农机具零件、销钉、小型轴类零件等Q275——275490～630206.3.2低合金高强钢表6-2低合金结构钢的牌号、力学性能及用途牌号旧牌号Rel/MPaRm/MPaA/%特点及通途Q29509MnV、09MnNb09Mn2、12Mn295390～57023具有良好的塑性、韧性和加工成形性能，用于制造低压锅炉、容器、油罐、桥梁、车辆及金属结构等Q34512MnV、14MnNb16Mn、16MRe18Nb345470～63021具有良好的综合力学性能和焊接性能，用于制造船舶、桥梁、车辆、大型容器、大型钢结构等Q39015MnV、15MnTi16MnNb390490～65019具有良好的综合力学性能和焊接性能，冲击韧度较高，用于制造建筑结构、船舶、化工容器、电站设备等Q42015MnVN、14MnVTIRe420520～68018具有良好的综合力学性能和焊接性能，加工成形性能和低温韧性好，用于制造桥梁、高压容器、电站设备、大型船舶及其他大型焊接结构件等Q460460550～720176.3.3优质碳素结构钢和合金结构钢6.3.3.1优质碳素结构钢优质碳素结构钢，简称优质碳素钢或碳结钢，与普碳钢相比，质量较优，规定有严格的化学成分，磷硫等有害杂质含量较少。主要适用于热处理后使用，但也可以不经过热处理而直接使用。缺点：淬透性差，当零件尺寸较大或对零件心部性能要求较高时，会达不到性能要求。6.3.3.2合金结构钢用碳钢来制造机械零件和各种工程结构件，已远远不能满足工业技术发展的需要，因而逐步发展了合金结构钢。各种元素的加入与相互配合是十分重要的。总的来说，合金元素在结构钢中的效果可归纳如下：得到高的机械性能，满足日益增高的要求；增大钢的淬透性，以制造大型零件或构件，并在整个断面上获得均匀性能；减小钢的脆断倾向。6.3.4弹簧钢弹簧的主要作用是吸收冲击能量，缓和机器的振动和冲击作用，或储存能量使零件完成事先规定的动作，保证机器和仪表的正常工作。6.3.4.1弹簧钢的用途及性能要求为保证机器和仪表的正常工作，弹簧应具有如下性能：（1）高的弹性极限、屈服极限和高的屈服比（σ0.2/σb），以保证弹簧有足够高的弹性变形能力，并能承受大的载荷。高的疲劳极限，以保证弹簧在长期的振动和交变应力作用下不产生疲劳破坏。为满足成型的需要和可能承受的冲击载荷，弹簧应具有一定的塑性和韧性，δk≥20%即可，而对ak不进行明确要求。6.3.4.2弹簧钢的成分特点碳含量过低，达不到高的屈服强度的要求；碳含量过高，钢的脆性很大。分类碳素弹簧钢合金弹簧钢碳含量0.8%～0.9%0.45%～0.7%6.3.4.3弹簧钢的热处理1.冷成型弹簧的热处理铅浴等温淬火冷拔钢丝。冷拔钢丝。点击添加文本六淬火回火钢丝。冷成型2.热成型弹簧的热处理6.3.4.3弹簧钢的热处理热成型弹簧一般是将淬火加热与热成型结合起来，即加热温度略高于淬火温度，加热后进行热卷成型，然后利用余热淬火（图6-7），最后进行350℃~450℃的中温回火，从而获得回火屈氏体组织（图6-8）。6.3.4.3弹簧钢的热处理图6-7弹簧钢淬火图6-8回火屈氏体组织6.3.4.3弹簧钢的热处理为进一步发挥弹簧钢的性能潜力，在弹簧热处理时应注意以下3点。弹簧钢多为硅锰钢，硅有促进脱碳作用，锰有促进晶粒长大作用。回火温度一般为350℃～450℃。钢材表面质量对疲劳极限的影响见表6-3。脱碳层深度对弹簧钢疲劳寿命的影响见表6-4。弹簧钢含硅量较高，钢材在退火过程中易产生石墨化，对此必须引起重视。6.3.4.3弹簧钢的热处理表6-3钢材表面质量对疲劳极限的影响钢号Rm/MPa试样表面状态R-1/MPa55SiMn50Si2Mn55Si2Mn50CrMn50CrVA14601100130013101665磨光615氧化、脱碳180氧化、脱碳180热处理后砂纸打光500热处理后砂纸打光500磨光640磨光640抛光670未抛光500带60缺口试样1976.3.4.3弹簧钢的热处理表6-4

55Si2Mn脱碳层深度对弹簧钢疲劳寿命的影响脱碳层深度0R-1/MPa5100.1253500.203300.253006.3.5滚动轴承钢6.3.5.1滚动轴承的工作条件及对轴承钢的要求1.滚动轴承的工作条件滚动轴承内圈外套圈滚动体保持器图6-9滚动轴承载荷分布示意图图6-10滚动轴承接触轨迹上的疲劳剥落6.3.5.1滚动轴承的工作条件及对轴承钢的要求对轴承钢性能和组织的要求高而均匀的硬度（6l～65HRC）和高的耐磨性；高的弹性极限和高的接触疲劳强度；适当的韧性；良好的尺寸稳定性；一定的耐蚀性；良好的工艺性能。6.3.5.1滚动轴承的工作条件及对轴承钢的要求3.高碳铬轴承钢的化学成分高碳。以铬作为基本的合金元素。添加钼、锰、硅和钒等元素，进一步提高钢的淬透性，用以制造大型轴承。严格控制杂质元素（硫、磷）和残余元素（镍、铜）的含量。6.3.5.1滚动轴承的工作条件及对轴承钢的要求6.3.5.2轴承钢的热处理1.轴承钢的球化退火轴承钢常用的球化退火工艺有普通和等温球化退火两种。图6-11

GCr15钢一般球化退火（a）和等温球化退火（b）工艺2.轴承钢正火正火的目的是：消除网状碳化物，返修退火不合格品及满足某些轴承的特殊要求。正火加热温度根据具体要求选择。为消除粗大网状碳化物须采用较高的加热温度（930℃～950℃）；而消除细网状碳化物或返修产品宜选用较低的加热温度（850℃～870℃）。6.3.5.2轴承钢的热处理3.轴承钢的淬火和回火轴承钢的淬火加低温回火是为了提高钢的硬度、强度、耐磨性和耐疲劳性，并使之具有适当的韧性图6-17

GCr15钢正常淬回火组织，x5006.3.5.2轴承钢的热处理图6-18淬火温度对GCr15钢的aK、Hv、σ-1的影响6.3.5.2轴承钢的热处理6.3.5.2轴承钢的热处理图6-19

Fe-Cr-C系合金在含1.6%Cr时连续冷却转变动力学曲线6.3.5.2轴承钢的热处理图6-20回火温度对钢综合机械性能的影响1-弯曲强度2-硬度3-压缩强度4-接触疲劳寿命5-扭转强度6-拉伸强度图6-21

GCr15钢回火温度的时间对硬度的影响6.4

工具钢工具钢是用来制造各种工具的钢种。工具钢的主要性能或者叫工作性能或使用性能，是指经过终加工后成品工具所应具有的机械性能、热性能以及物理和化学性能。工具钢的基本性能要求:强度及塑性韧度硬度和耐磨性热稳定性抗热疲劳性淬透性畸变与开裂倾向脱碳敏感性磨削性切削加工性6.4.1刃具钢图6-22碳素工具钢淬透性与含碳量的关系1.碳素刃具钢

（1）淬透性：（2）淬硬性：当钢中含碳量在0.6%以上时，随着含碳量的增加，淬火硬度较缓慢地增加。（3）奥氏体晶粒度：图6-23高级优质碳素工具钢的晶粒度与含碳量和加热温度的关系（4）抗弯强度和挠度：碳素工具钢一般在淬火低温回火状态下使用。图6-24碳含量对碳素工具钢的强度和塑性的影响1.淬火后2.淬火及150℃回火1h（5）耐磨性：碳素工具钢的耐磨性与含碳量的关系见图6-25。图6-25碳素工具钢的耐磨性与含碳量的关系表6-5过共析碳素工具钢过剩碳化物相对量钢号T9T10T11T12T13过剩碳化物（%）≈1.8≈3.5≈5.3≈7.0≈8.6T7~T9碳素工具钢球化退火较难，不易得到理想的球化组织，淬火加热过热倾向性大，钢的难度较低，耐磨性较差。T12、T13钢球化较容易，由于过剩碳化物量较多，阻碍加热时奥氏体晶粒长大，但因过剩碳化物较多，脆性增大，强度及韧性下降。显然，T11钢过剩碳化物相对量适宜，对性能起到良好作用。2.低合金工具钢表6-6常用低合金工具钢（刃具钢）的牌号及用途钢组钢号用途量具刃具用钢9SiCr用于制造板牙、丝锥、钻头、铰刀、齿轮铣刀、冷冲模、冷轧辊8MnSi用于制造木工凿子、锯条及其他刀具Cr06用于制造剃刀及刀片、外科用锋利切削刀具、刮刀、刻刀、锉刀Cr2用于制造低速、走刀量小、加工材料不很硬的切削刀具，如车刀、插刀、铰刀等；还可做样板、凸轮销、偏心轮、冷轧辊；也可做形状复杂的大型冷加工模具9Cr2用于制造冷轧辊、压轧辊、钢印冲孔凿、冷冲模及冲头、木工工具W用于制造麻花钻、丝锥、铰刀、辊式刀具表6-7低合金工具钢（刃具钢）的临界点临界点钢号9SiCrCr06Cr29Cr2CrWMn9CrWMnWAc1770730745730750750740Acm870950900860940900820Ar1730700700700710700710Ms160240270260205Mf-30-50高速工具钢高速工具钢俗称锋钢，是指制造高速切削刃具的用钢。高速钢的切削能力起主要作用的则是以下3项性能：高温下的抗软化能力——红硬性和高温硬度；切削时与工件接触的刀具部分的抗磨损能力，即耐磨性；工具强度与塑性的结合，即良好的韧性。可见这些主要与钢的二次硬化回火之后的性能有关。6.4.2模具钢模具钢是用来制造冷冲模、热锻模、压铸模等模具的钢种。塑料

模具钢冷作

模具钢热作

模具钢模具钢6.4.3量具钢机械制造业中，大量使用卡尺、千分尺、块规、塞规、样板等，统称为量具。高的耐磨性。高的表面光洁度。尺寸稳定性。可加工性好。具有一定抗蚀性。热处理畸变要小。一定的淬透性。6.5特殊性能钢不锈钢不锈钢的涵义与分类1.不锈钢按钢中特征元素分为不锈钢铬系不锈钢：铬镍系不锈钢2.不锈钢按钢的组织结构特征分类：（1）铁素体不锈钢（F）图6-23铁素体不锈钢晶体结构和显微组织（2）奥氏体不锈钢（A）图6-24铁素体不锈钢晶体结构和显微组织（3）马氏体不锈钢（M）图6-25马氏体不锈钢晶体结构和显微组织（4）双相不锈钢（F+A）图6-26双相不锈钢的显微组织（黑色的是铁素体）（5）沉淀硬化不锈钢（PH）在室温下，钢的基体组织可以是马氏体、奥氏体以及铁素体，经适宜热处理，在基体上沉淀碳化物和金属间化合物等进一步使不锈钢强化的一类不锈钢。代表性牌号有0Cr17Ni4Cu4Nb等。表6-22铁和不锈钢中，铁素体、奥氏体和马氏体三种组织结构的对比少量相和化合物存在钢类有促进作用的合金元素化学式或成分特点形成温度/℃特性在钢中的分布相F,A+FCr（C，N）Fe-Cr，富250~550硬，脆，富铬晶内铬（475）相F,A,F+AMo，Si，Cr，Ti，Nbc，Mn富Cr，Fe-Cr550~1050硬，脆，富铬晶内，晶界相M,A,A+F

,PHCr，MoFe36Cr12600~900硬，脆，富铬，晶内，晶界金属间化Mo10钼合物相F,A,A+F,PHNb，Ti,MoFe2,Ti,Fe,Nb,Fe2Mo550~900硬晶内相A,PHCu富鉄相400~500硬晶内相A,PHTi,Al,NbNiAl,Ni3Ti,Ni3Nb硬晶内相PHTi,Al,NiAl,Ni2TiAl400~600硬晶内M23C6F,A,A+F,PHC，Ni,Mn,NM23C6,富铬450~850富铬晶内，晶界碳氮化合TiCNbCF,A,A+F,PHNb,Ti,CTiC,NbC700~1000晶内，晶界CrNA,A+FNCrN晶内，晶界物Cr2NA,A+FNCr2N，富650~950富铬晶内，晶界铬不锈钢的腐蚀与防止措施通常情况下不锈钢是不会发生腐蚀的，但是根据使用环境的不同，也会发生腐蚀现象。腐蚀发生处并不是随机的,它们总是产生在小块硫化锰周围几百纳米的区域。晶间腐蚀应力腐蚀不锈钢的腐蚀点蚀6.5.2耐热钢耐热钢的涵义耐热钢是指在高温下工作的钢材。珠光体型低合金热强钢。马氏体型热强钢。阀门钢。铁素体型耐热钢。奥氏体型耐热钢。沉淀硬化型耐热钢。耐热钢的分类按合金元素的含量分类·低碳钢·低合金耐热钢·高合金耐热钢按钢的特性分类·抗氧化钢·热强钢耐热钢的基本性能耐高温腐蚀抗高温氧化抗高温硫化抗高温氮化抗高温碳化抗热腐蚀6.5.3耐磨合金钢耐磨合金钢定义及分类耐磨合金钢奥氏体锰钢中铬钢低合金钢石墨钢表6-23合金元素在耐磨合金钢中的作用Mn在低含量范围内，对钢具有很大的强化作用，提高强度、硬度和耐磨性。2.降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。Si1.强化铁元素，提高钢的强度和硬度。2.降低钢临界冷却速度，提高钢的淬透性。3.提高钢在氧化性腐蚀介质中的耐蚀性，提高钢的耐热性。Cr1.在低合金范围内，对钢具有很大的强化作用，提高强度、硬度和耐磨性。2.降低钢的临界冷却速度