工程材料及机械性能

1、工程材料及机械性能工程材料及机械性能张春霞张春霞2015.04.072015.04.07材料是人类社会发展的三大支柱（信息、能源、材料是人类社会发展的三大支柱（信息、能源、材料）之一。而材料是前两者的基础。材料）之一。而材料是前两者的基础。凡与工程有关的材料均为工程材料凡与工程有关的材料均为工程材料。根据。根据使用使用的性能分为功能材料和结构材料。的性能分为功能材料和结构材料。材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为机械材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为机械性能（或称为力学性能）性能（或称为力学性能）。使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命，金属材料

2、的机械性能是零件的设计和选材寿命，金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据，外加载荷性质不同（例如拉伸、时的主要依据，外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求的机械性能也将不同。要求的机械性能也将不同。本课程本课程内容内容一、工程材料一、工程材料金属（钢铁、有色金属）金属（钢铁、有色金属）聚合物聚合物陶瓷陶瓷复合材料复合材料二、材料的力学性能二、材料的力学性能静载荷下拉伸、压缩、扭转、静载荷下拉伸、压缩、扭转、弯曲弯曲动载荷下冲击、动载荷下冲击、疲劳疲劳高温高温力学性能力学性能学习方法学习方法 课堂学习课堂学习

3、+ +自学（网络、书籍、实践）自学（网络、书籍、实践）本课程本课程4040个学时，理论课个学时，理论课34+34+实验实验6 6旷课旷课5 5次或迟到次或迟到1010次没有考试资格次没有考试资格总成绩总成绩= =试卷成绩（试卷成绩（80%80%）+ +平时成绩（平时成绩（20%20%）第一章第一章 工程材料工程材料1.1 1.1 概述概述 工程工程材料材料是用于机械、车辆、船舶、建筑、化工、是用于机械、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能源、仪器仪表、航空航天等工程领域的材料。根据材料的组成结构，可分成金属材料、无机非根据材料的组成结构，可分成金属材料、无机非金属

4、材料、高分子材料和复合材料金属材料、高分子材料和复合材料；金属材料；金属材料又可又可分为分为黑色金属（钢铁）黑色金属（钢铁）材料材料和有色金属和有色金属材料材料根据根据材料的性能特征材料的性能特征，分成，分成结构材料和结构材料和功能材料功能材料应用最广的是黑色金属应用最广的是黑色金属1.2 碳碳钢及钢及合金钢合金钢1.2.1 碳钢及分类碳钢及分类铁为基的合金材料占整个结构材料和工具材料的铁为基的合金材料占整个结构材料和工具材料的90.0%以上。以上。碳的质量分数小于碳的质量分数小于2.11的铁碳合金，实际生产中的铁碳合金，实际生产中使用的碳钢含有少量的锰、硅、硫、磷等元素使用的碳钢含有少量的锰

5、、硅、硫、磷等元素杂质名称杂质含量%在钢中的影响锰（Mn）wMn1.2脱氧，降低钢的脆性；合成MnS，消除S的有害作用硅（Si）wSi0.4脱氧，强化铁素体，提高钢的强度、硬度；但塑性、韧性下降硫（S）wS0.0550.040生成低熔点共晶体，形成热脆磷（P）wP0.6%塑性和焊接性能很差，强度和硬度高按钢的质量分普通钢wS0.055, wP0.045含S、P量较高，质量一般优质钢wS0.040，wP0.040含S、P量较少，质量较好高级优质钢wS0.030, wP0.035含S、P量很少，质量好按用途分结构钢wC0.080.65制造各种工程构件和机器零件工具钢wC0.65制造各种刀具、量具和

6、模具按脱氧程度分沸腾钢（F）仅用弱脱氧剂脱氧，FeO较多钢锭内分布有许多小气泡，偏析严重镇静钢（Z） 浇注时完全脱氧，凝固时不沸腾气泡、疏松少，质量较高半镇静钢（b）介于沸腾钢和镇静钢之间质量介于沸腾钢和镇静钢之间三、碳钢的三、碳钢的牌号牌号C C（首）船用钢；（首）船用钢；G G（首）滚动轴承钢，（首）滚动轴承钢，G G（尾）锅炉用钢（尾）锅炉用钢Q Q（首）屈服强度，（首）屈服强度，q q（尾）桥梁用钢（尾）桥梁用钢R R（尾）压力容器用钢（尾）压力容器用钢ZGZG铸钢铸钢分分 类类编号方法编号方法常用牌号常用牌号用途用途 举例举例说明说明碳素结构碳素结构钢钢Q235- -A F屈服点为屈

7、服点为235 MPa、质量为、质量为A级的沸腾钢级的沸腾钢Q195、Q215A，Q235B、Q255A、Q255B、Q275等等一般以型材供应的工一般以型材供应的工程结构件，制造不太程结构件，制造不太重要的机械零件及焊重要的机械零件及焊接件（参见接件（参见 GB 700-1988）优质碳素优质碳素结构钢结构钢45表示平均表示平均wC=0.45%的优的优质碳素结构钢质碳素结构钢08F、10、20、35、40、50、60、65用于制造曲轴、传动用于制造曲轴、传动轴、齿轮、连杆等重轴、齿轮、连杆等重要零件（参见要零件（参见 GB 699- -1988）碳素碳素工具钢工具钢T8T8A表示平均表示平均w

8、c=0.8%的碳素的碳素工具钢，工具钢，A表示表示高级优质高级优质T7、T8Mn、T9、T10、T11、T12、T13制造需较高硬度、耐制造需较高硬度、耐磨性、又能承受一定磨性、又能承受一定冲击的工具，如手锤、冲击的工具，如手锤、冲头等（参见冲头等（参见 GB 1298- -1986）一般工程一般工程铸造碳钢铸造碳钢ZG200- -400表示屈服强度为表示屈服强度为200 MPa、抗拉、抗拉强度为强度为400 MPa的碳素铸钢的碳素铸钢ZG230- -450、ZG270- -500、ZG310- -570、ZG340- -640形状复杂的需要采用形状复杂的需要采用铸造成形的钢质零件铸造成形的钢

9、质零件（参见（参见 GB 11352- -1989）碳素结构钢碳素结构钢优质碳素钢优质碳素钢碳素工具钢碳素工具钢1.2.21.2.2碳钢的合金化碳钢的合金化基础基础合金合金元素：改善元素：改善和提高钢的力学性能和使钢获得某和提高钢的力学性能和使钢获得某些特殊的物理、化学些特殊的物理、化学性能而加入在一定含量的化学性能而加入在一定含量的化学元素。元素。常存或残存元素：非特意加入的元素常存或残存元素：非特意加入的元素低合金钢低合金钢合金钢合金钢高高合金钢合金钢常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、妮、常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、妮、锆、铜、硼、稀土元素等。磷、硫、氮等

10、在某些情况下也锆、铜、硼、稀土元素等。磷、硫、氮等在某些情况下也起合金元素的作用。起合金元素的作用。一、合金一、合金元素在钢中存在形式和分布主要有以下五种：元素在钢中存在形式和分布主要有以下五种：(1) (1) 与铁形成固溶体与铁形成固溶体，如，如硅、铜、铝、钴等。硅、铜、铝、钴等。(2) (2) 部分固溶于铁素体，另一部分与碳形成碳化物部分固溶于铁素体，另一部分与碳形成碳化物。这。这一一类合金元素如锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等。类合金元素如锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等。(3) (3) 不少元素与钢中的氧、氮、硫形成简单的或复合的非不少元素与钢中的氧、氮、硫形成简单的或复合的非金属夹杂

11、物，如金属夹杂物，如Al2O3Al2O3、AlNAlN、FeOAl2O3FeOAl2O3、SiO2MSiO2Mx xO Oy y 、TiN TiN 、MnSMnS等。等。(4) (4) 一些元素彼此作用形成金属间化合物，如一些元素彼此作用形成金属间化合物，如FeSiFeSi、FeCr(FeCr(相相) )、Ni3TiNi3Ti、Fe2WFe2W等。等。(5) (5) 有的元素，如铜和铅，常以游离状态出现。有的元素，如铜和铅，常以游离状态出现。二、合金二、合金元素在钢中的作用元素在钢中的作用1 1、合金元素对钢中基本相的影响、合金元素对钢中基本相的影响(1) (1) 非碳化物形成元素：非碳化物形

12、成元素：NiNi、CoCo、CuCu、Si Si、AlAl、N N、B B等等。溶入溶入铁素体，固溶强化铁素体，固溶强化当当w wSi Si0.60.6、w wMnMn1.51.5时，对铁素体强化的同时对其韧时，对铁素体强化的同时对其韧性影响不大，当超过这个限度时则韧性有明显下降。而性影响不大，当超过这个限度时则韧性有明显下降。而CrCr、NiNi比较特殊，当比较特殊，当w wCrCr22、w wNiNi55%)5%)时，才倾向于形成合金时，才倾向于形成合金碳化物。碳化物。具有更高的熔点、硬度、耐磨性，且更稳定具有更高的熔点、硬度、耐磨性，且更稳定。按合金元素与按合金元素与C元素的亲和能力：元

13、素的亲和能力：Ti Zr Nb V W Mo Cr Mn Fe2.合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图的相图的影响影响奥氏体元素奥氏体元素当含有当含有B、Nb、Ta、Zr时时，不使，不使 区封闭，只使区封闭，只使 区区缩小缩小但但Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al等元素使奥氏体相等元素使奥氏体相区缩小区缩小，超过此元素的质量分数，则钢中没有超过此元素的质量分数，则钢中没有 相变，所以室温能获得单相的铁素体相变，所以室温能获得单相的铁素体组织组织-铁素体铁素体元素元素合金元素与合金元素与Fe相互作用的理论的实际相互作用的理论的实际意义：意义：为了保为了保证钢具有良好的耐腐蚀性，需要在室温下获

14、得单一证钢具有良好的耐腐蚀性，需要在室温下获得单一相组织（奥氏体相或铁素体相），可以通过控制钢相组织（奥氏体相或铁素体相），可以通过控制钢中合金元素的种类和含量中合金元素的种类和含量。3.合金元素对钢热处理的合金元素对钢热处理的影响影响镍、钴以外，大多数合金元素特别是强碳化物形成元素，镍、钴以外，大多数合金元素特别是强碳化物形成元素，使碳的扩散速度降低，奥氏体的形成过程减缓，因此奥使碳的扩散速度降低，奥氏体的形成过程减缓，因此奥氏体化加热温度提高，保温时间延长。氏体化加热温度提高，保温时间延长。除了锰、硼以外，大多数合金元素阻碍奥氏体晶粒长大，除了锰、硼以外，大多数合金元素阻碍奥氏体晶粒长大，

15、淬火后获得细小马氏体组织淬火后获得细小马氏体组织。2) 合金元素对钢冷却转变的影响合金元素对钢冷却转变的影响 除了除了Co以外，大多数合金元素溶入奥氏体中，不同程度以外，大多数合金元素溶入奥氏体中，不同程度地阻碍了铁、碳原子的扩散，使奥氏体稳定性提高，地阻碍了铁、碳原子的扩散，使奥氏体稳定性提高，C曲线右移；强碳化物形成元素曲线右移；强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Ti等，等，溶入奥氏体后，使溶入奥氏体后，使C曲线出现两个曲线出现两个“鼻尖鼻尖”，形成珠光，形成珠光体和贝氏体两个转变区体和贝氏体两个转变区 合金元素使合金元素使C曲线右移，增加了马氏体临界冷却速度，曲线右移，增加了马氏体临界

16、冷却速度，使钢的淬透性提高。多种元素同时加入，对钢淬透性使钢的淬透性提高。多种元素同时加入，对钢淬透性的提高远比各元素单独加入时为大，故目前淬透性好的提高远比各元素单独加入时为大，故目前淬透性好的钢，多采用的钢，多采用“多元少量多元少量”的合金化原则，如的合金化原则，如Cr-Ni、Cr-Mn、Cr-Si、Si-Mn等多组元合金钢。等多组元合金钢。 Co、Al外，大多数合金元素使外，大多数合金元素使Ms点、点、Mf 点下移点下移 ，使，使钢在淬火后残余奥氏体量增多钢在淬火后残余奥氏体量增多 3) 合金元素对回火转变的合金元素对回火转变的影响影响(1) 提高淬火钢的回火提高淬火钢的回火稳定性稳定性

17、 与与碳钢相比，在相碳钢相比，在相同回火温度时，合金钢强度、硬度较高；在保持同回火温度时，合金钢强度、硬度较高；在保持相同强度、硬度条件下，合金钢回火温度较高，相同强度、硬度条件下，合金钢回火温度较高，回火时间较长，因此内应力消除彻底，塑性、韧回火时间较长，因此内应力消除彻底，塑性、韧性较高性较高。(2) 产生产生二次硬化二次硬化 淬火淬火合金钢在合金钢在500600 温温度范围回火时，硬度升高的现象称为二次硬化度范围回火时，硬度升高的现象称为二次硬化。(3)回火脆性回火脆性1.2.3 结构钢结构钢一、一、低合金结构钢（低合金结构钢（HSLA）在碳素结构钢的基础上加入少量（在碳素结构钢的基础上

18、加入少量（wMe3）合金）合金元素元素一般为一般为wC =0.10.2，一般以少量的锰为主加，一般以少量的锰为主加元素元素(wMn=0.81.7)，Si的质量分数较碳素结构的质量分数较碳素结构钢高钢高(wSi0.55)。为改善钢的性能，各牌号为改善钢的性能，各牌号A、B级钢可加入级钢可加入V、Ti、Nb等细化晶粒元素，产生弥散强化，提高强度、硬等细化晶粒元素，产生弥散强化，提高强度、硬度、冲击韧度。度、冲击韧度。Cu、P提高钢对大气的抗蚀能力，提高钢对大气的抗蚀能力，有时在钢中还加入少量稀土元素，以消除钢中有害有时在钢中还加入少量稀土元素，以消除钢中有害杂质，改善杂质物形状的杂质，改善杂质物形

19、状的分布分布二、合金结构钢二、合金结构钢合金元素通常为合金元素通常为wMe5，故该钢种属于低、中，故该钢种属于低、中合金钢合金钢合金结构钢的牌号表示合金结构钢的牌号表示方法：方法： “数字元素符号数字数字元素符号数字”。前面两位数字表示平均碳质量分数的万倍；合金元素以化前面两位数字表示平均碳质量分数的万倍；合金元素以化学符号表示，合金元素后面的数字表示合金元素质量分数学符号表示，合金元素后面的数字表示合金元素质量分数的百倍，当其平均质量分数的百倍，当其平均质量分数1.5、2.5、3.5时，则在元素符号后相应标出时，则在元素符号后相应标出2、3、4。如如18Cr2Ni4WA用于各种轴类零件、齿轮

20、、弹簧和轴承用于各种轴类零件、齿轮、弹簧和轴承1、渗碳钢渗碳钢高高硬度、耐磨性、抗疲劳性，同时要求承受较高载荷、特硬度、耐磨性、抗疲劳性，同时要求承受较高载荷、特别是别是冲击载荷冲击载荷如汽车、拖拉机的变速箱齿轮、发动机上的凸轮和活塞销如汽车、拖拉机的变速箱齿轮、发动机上的凸轮和活塞销等。等。低碳低碳合金钢渗碳，合金钢渗碳，加入合金元素加入合金元素Cr、Ni、Mn、B提高淬透提高淬透性，改善渗碳层的强度和塑、韧性，性，改善渗碳层的强度和塑、韧性，Cr含量小于含量小于2，Ni含量小于含量小于4.5，Mn小于小于2，B含量范围含量范围0.0010.004，等；添加少量的等；添加少量的V、W、Mo、

21、Ti细化晶粒，抑制渗碳时晶细化晶粒，抑制渗碳时晶粒长大，粒长大，V含量低于含量低于0.5，W小于小于1.2，Mo低于低于0.6，Ti低于低于0.15。热处理：正火处理（改善锻造的不良组织）热处理：正火处理（改善锻造的不良组织）+渗碳渗碳+淬火淬火+低温低温回火回火渗碳渗碳 930，68h，渗碳后表层碳的质量分数，渗碳后表层碳的质量分数0.851.05，平衡组织为过共析组织，平衡组织为过共析组织PFe3C，中，中心仍然为亚共析组织心仍然为亚共析组织PF。淬火淬火 直接淬火、一次淬火、二次淬火等。主要是决直接淬火、一次淬火、二次淬火等。主要是决定于钢中合金元素的量和对构件性能的要求。多数合定于钢中

22、合金元素的量和对构件性能的要求。多数合金渗碳钢都采用渗碳后直接淬火，再低温回火。对于金渗碳钢都采用渗碳后直接淬火，再低温回火。对于要求高的渗碳零件和晶粒易长大的渗碳钢件要在渗碳要求高的渗碳零件和晶粒易长大的渗碳钢件要在渗碳后进行一次淬火或二次淬火，然后在低温回火。后进行一次淬火或二次淬火，然后在低温回火。低温回火低温回火 180200，12h。热处理后组织为。热处理后组织为M回回点状碳化物少量点状碳化物少量A残，硬度残，硬度5860HRC。中心组织中心组织 M低或低或FS（小件）；（小件）；M低低FP或或S（大件），硬度（大件），硬度3045HRC。常用渗碳钢常用渗碳钢：低低淬透性渗碳钢，淬透

23、性渗碳钢，20Cr、15Cr、20Mn2、20Mn2V等等中中淬透性渗碳钢，淬透性渗碳钢，20CrMnTi、20CrMnMo等等高高淬透性渗碳钢，淬透性渗碳钢，18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A渗渗C钢钢的牌号（摘自的牌号（摘自GB/T3077-1999）（）（渗渗C C: 930，回火：，回火：200 ）p172主主 要要 化化 学学 成成 分分, %预备处理预备处理淬火淬火, CMnCr，Ni0.170.240.170.240.500.801.301.600.701.00 880 800水水, 油油880水水, 油油0.170.230.170.230.901.200.801.100.

24、901.201.001.30 850 油油880 870 油油钢号钢号20Cr20MnV20CrMn20CrMnTi淬淬透透性性低低中中高高18Cr2Ni4WA20Cr2Ni4A0.130.190.170.23W0.81.20.300.601.351.654.04.51.251.653.253.75950 850空空 880 780油油机械性能机械性能bMPasMPa8357855405909301080735835118011808351080aKU2J4755475578632、调质钢调质钢重载荷作用下同时又受冲击载荷作用的一些重要重载荷作用下同时又受冲击载荷作用的一些重要零件，零件，如如

25、机床车轴、汽车半轴、变速箱花键轴等承受弯曲和扭转应机床车轴、汽车半轴、变速箱花键轴等承受弯曲和扭转应力力化学成分化学成分 WC0.25%0.5%，以，以0.4%居多居多合金元素合金元素Mn、Si、Cr、Ni、B 增大增大钢的淬透性钢的淬透性，高，高而均而均匀的综合力学性能匀的综合力学性能V 细化细化晶粒，提高综合力学性能；晶粒，提高综合力学性能；Mo和和W 减轻减轻或抑制第或抑制第二类回火脆性；二类回火脆性；Al加速加速合金调质钢的氮化过程。合金调质钢的氮化过程。Ti、Cr等等这些元素可以形成强碳化物，高温时阻止这些元素可以形成强碳化物，高温时阻止A晶粒长大和回晶粒长大和回火时火时M分解、碳化

26、物聚集长大分解、碳化物聚集长大缓慢缓慢常用调质钢常用调质钢：低淬透性合金调质钢低淬透性合金调质钢：45、40Cr、45MnV等等中淬透性合金调质钢中淬透性合金调质钢：40CrMn、35CrMo等等高淬透性合金调质钢：高淬透性合金调质钢：40CrNiMoA等等热处理工艺热处理工艺 一般选用淬火高温回火一般选用淬火高温回火，合金调质钢多用合金调质钢多用油冷淬火油冷淬火调质钢一般热处理工序安排：调质钢一般热处理工序安排：锻造锻造 热处理（退火或正火）热处理（退火或正火） 粗加工粗加工 调质调质 精加工精加工 热处理热处理 磨削磨削如：如：40Cr做拖拉机连杆螺栓做拖拉机连杆螺栓3、合金弹簧钢、合金弹

27、簧钢专门用于制造弹簧和弹性元件的专门用于制造弹簧和弹性元件的钢，钢，用于制造各种机械和用于制造各种机械和仪表中的弹簧，如汽车、拖拉机、坦克、机车车辆的减振仪表中的弹簧，如汽车、拖拉机、坦克、机车车辆的减振弹簧和螺旋弹簧，大炮缓冲弹簧，钟表发条等弹簧和螺旋弹簧，大炮缓冲弹簧，钟表发条等性能要求：性能要求： 具有具有较高的弹性极限和强度较高的弹性极限和强度 具有较高的疲劳强度和屈强比具有较高的疲劳强度和屈强比 具有较高的塑性和韧性，承受冲击载荷具有较高的塑性和韧性，承受冲击载荷 具有耐热性和耐具有耐热性和耐腐蚀性腐蚀性 汽车板簧汽车板簧火车螺旋弹簧火车螺旋弹簧化学成分：碳含量：化学成分：碳含量：W

28、C0.45%0.7%；主加元素是主加元素是Mn、SiCr、W、V等等元素元素Mn、Si元素带来的缺点元素带来的缺点，提高回火稳定性，提高回火稳定性常见弹簧钢常见弹簧钢 65Mn，淬透性比碳素弹簧钢好，但有过热倾向。，淬透性比碳素弹簧钢好，但有过热倾向。用于制造截面尺寸小于用于制造截面尺寸小于15mm的中、小型低应力弹簧钢。如的中、小型低应力弹簧钢。如小尺寸扁、圆弹簧、座垫弹簧、弹簧发条等。小尺寸扁、圆弹簧、座垫弹簧、弹簧发条等。60Si2MnA 钢钢的的淬透性增加，淬透性增加，还可以加强还可以加强F，可用于截面尺，可用于截面尺寸为寸为2530mm的工件，在油中即可淬透。用于制造板状弹的工件，在

29、油中即可淬透。用于制造板状弹簧和螺旋弹簧，还可以在簧和螺旋弹簧，还可以在250以下工作的耐热弹簧。以下工作的耐热弹簧。50CrVA 淬透性比淬透性比60Si2MnA还好，用于制备还好，用于制备50mm的弹簧钢的弹簧钢丝制作的弹簧，油冷即丝制作的弹簧，油冷即可可热处理工艺：热处理工艺：冷成形弹簧的热处理冷成形弹簧的热处理 当弹簧直径或板簧厚度小于当弹簧直径或板簧厚度小于810mm时，常采用冷拉弹簧钢丝或弹簧钢带冷卷成形时，常采用冷拉弹簧钢丝或弹簧钢带冷卷成形。钢。钢号号有有T8、T9A、65Mn和和60Si2Mn等。其成形前后的热处理等。其成形前后的热处理方法：方法：退火状态供应的弹簧钢丝，冷拔

30、到预订尺寸退火状态供应的弹簧钢丝，冷拔到预订尺寸加热到加热到900950，使之，使之A化，然后迅速转入化，然后迅速转入500550铅浴铅浴处理，得到细小片状的索氏体，提高冷变形能力和表面光洁度。处理，得到细小片状的索氏体，提高冷变形能力和表面光洁度。然后再经过多次拉拔得到所需尺寸然后再经过多次拉拔得到所需尺寸冷卷成形冷卷成形去应力退火或定形处理：去应力退火或定形处理：200250油浴处理油浴处理1030min。左右。左右是消除冷卷成形所产生的应力，并使弹簧定形。是消除冷卷成形所产生的应力，并使弹簧定形。 热成形弹簧，主要用于大型弹簧和形状复杂的的弹簧。它们热成形弹簧，主要用于大型弹簧和形状复杂

31、的的弹簧。它们一般有热轧钢丝和钢板制成，所用钢材主要有一般有热轧钢丝和钢板制成，所用钢材主要有60Mn、60Si2Mn、55Si2Mn和和55SiMnMoV等。等。热处理：淬火中温回火。淬火温度热处理：淬火中温回火。淬火温度830850，具体加热温，具体加热温度决定于各钢的度决定于各钢的Ac3。回火温度。回火温度420550，具体温度决定于钢，具体温度决定于钢的种类和要求。若要求高弹性，则应采用较低回火温度；若需的种类和要求。若要求高弹性，则应采用较低回火温度；若需要高韧性，则进行高温回火。要高韧性，则进行高温回火。作业作业1 1、工程材料的定义？分类？、工程材料的定义？分类？2 2、碳钢的分

32、类及牌号中字母、数字的意义？、碳钢的分类及牌号中字母、数字的意义？3 3、合金元素对钢的作用体现在哪些方面？、合金元素对钢的作用体现在哪些方面？4 4、低合金钢的用途？、低合金钢的用途？5 5、合金钢与低合金钢的差别？、合金钢与低合金钢的差别？4、滚动轴承、滚动轴承钢钢：用于制造各种滚动轴承零件如轴承内用于制造各种滚动轴承零件如轴承内外套圈，滚动体的专用外套圈，滚动体的专用钢钢1 1、性能、性能要求：具有较高的淬透性要求：具有较高的淬透性 具有具有高而且均匀的高而且均匀的硬度和耐磨性硬度和耐磨性 具有良好的韧性、弹性极限和接触疲劳强度具有良好的韧性、弹性极限和接触疲劳强度 具有具有良好的耐腐蚀

33、性（润滑介质条件下）良好的耐腐蚀性（润滑介质条件下）2 2、化学成分：、化学成分： w(C) = 0.95w(C) = 0.951.10%1.10%，合金合金元素元素CrCr：0.41.65%0.41.65%，提高，提高淬透性和回火淬透性和回火稳定性；稳定性； Si Si（0.450.75%0.450.75%）、）、MnMn（0.951.25%0.951.25%）、）、V V：进一步提高淬：进一步提高淬透性、强度、耐磨性和回火透性、强度、耐磨性和回火稳定性稳定性P、S0.025%，减少夹杂物，提高疲劳寿命，减少夹杂物，提高疲劳寿命常用轴承钢：常用轴承钢： 铬铬轴承轴承钢钢GCr9GCr9、GC

34、r15GCr15、GCr9SiMnGCr9SiMn、GCr15SiMnGCr15SiMn其它其它轴承钢轴承钢GCr15SiMnGCr15SiMn、GSiMnVGSiMnV热处理：热处理： 球化球化退火退火 ，降低硬度，得到均匀细，降低硬度，得到均匀细粒粒珠光体，珠光体，硬度硬度207229HB 淬火（淬火（820840）+低温低温回火（温度回火（温度150160，保温，保温23h）（）（61-65）HRC 磨削加工后，再在磨削加工后，再在120130下时效下时效510h5、非、非调质钢调质钢定义：在定义：在中碳钢中添加微量合金元素（中碳钢中添加微量合金元素（V、Ti、Nb、N等），产生强化相质

35、点和细化晶粒来改等），产生强化相质点和细化晶粒来改善和提高钢的综合力学性能，可不用再调质处善和提高钢的综合力学性能，可不用再调质处理。理。特点：强度特点：强度高高（b8501000MPa）、 抗抗疲劳特性和疲劳特性和耐磨性耐磨性较好较好、 切削加工性切削加工性良好良好。化学成分：化学成分：Mn 1.02.0，固溶强化，固溶强化，促进促进V、N的的溶解溶解V0.050.2，N，松弛应力，减缓裂纹扩展，强，松弛应力，减缓裂纹扩展，强化；化；Ti、Nb TiC和和Ti(CN)和和Nb（CN）NbC相，细相，细化晶粒，增加强韧性化晶粒，增加强韧性0.20.7的的Cr，0.050.07的的S分类分类：1

36、） 切削加工用非调质机械结构钢，牌号以切削加工用非调质机械结构钢，牌号以YF为首，为首，如如YF35MnV钢，可制作汽车发动机连杆，力学及钢，可制作汽车发动机连杆，力学及工艺性能超过工艺性能超过55钢。钢。 热锻用非调质机械结构钢，牌号以热锻用非调质机械结构钢，牌号以F为首，如为首，如F40MnV钢钢该类钢的强度、硬度、耐磨性和抗疲劳性可以与合该类钢的强度、硬度、耐磨性和抗疲劳性可以与合金调质钢相媲美，它的切削性能优于调质钢。金调质钢相媲美，它的切削性能优于调质钢。目前已经用于制造汽车、拖拉机和建筑机械的曲轴、目前已经用于制造汽车、拖拉机和建筑机械的曲轴、连杆、齿轮和螺栓等。在我国也用于机床和

37、农业机连杆、齿轮和螺栓等。在我国也用于机床和农业机械用零件械用零件。6、易切、易切钢钢定义：定义：在钢中加入一定数量的一种或一种以上在钢中加入一定数量的一种或一种以上的硫、磷、铅、钙、硒、碲等易切削元素，以的硫、磷、铅、钙、硒、碲等易切削元素，以改善其切削性的改善其切削性的合金钢，合金钢，又称自动机床加工用又称自动机床加工用钢，简称自动钢钢，简称自动钢改善切削加工性的合金元素主要有改善切削加工性的合金元素主要有S、Pb、P及及微量的微量的Ca等，但必须合理控制它们在钢中的等，但必须合理控制它们在钢中的含含量量化学成分：化学成分：S：0.080.30，MnS润滑；润滑；P：0.040.12，提高

38、强度降低塑性；，提高强度降低塑性；Pb：0.100.35，润滑；，润滑；Ca：形成低熔点化合物，润滑；：形成低熔点化合物，润滑；硒硒、碲、铋、碲、铋 碲、铋含量约为碲、铋含量约为0.030.10，FeSe、MnSe 润滑。润滑。牌号：牌号： Y40Mn，Y12，Y12Pb、Y45Ca、Y15、Y15Pb、Y20应用：应用：P-S复合低碳易切钢：螺帽、销钉、轴、复合低碳易切钢：螺帽、销钉、轴、管接头管接头Y40Mn：高：高S中碳易切钢，丝杠、光杆、花键、中碳易切钢，丝杠、光杆、花键、轴、齿条、销子。轴、齿条、销子。通常，易切削钢可以进行最终热处理，但不采通常，易切削钢可以进行最终热处理，但不采用

39、预备热处理用预备热处理1.2.4 工具钢工具钢 用来用来制造切削金属和加工金属的工制造切削金属和加工金属的工具具。要求是高硬度和高温下高硬度以及高的耐磨性要求是高硬度和高温下高硬度以及高的耐磨性碳素工具钢碳素工具钢 牌号牌号：T8、T12，用途：凿子、锉刀、，用途：凿子、锉刀、量具等量具等在碳素工具钢基础上加人一定种类和数量的合金在碳素工具钢基础上加人一定种类和数量的合金元素，用来制造各种刃具、模具、量具等用钢就元素，用来制造各种刃具、模具、量具等用钢就称为合金称为合金工具钢工具钢合金合金工具钢的硬度和耐磨性更高、淬透性、红硬工具钢的硬度和耐磨性更高、淬透性、红硬性和挥霍稳定性更好，常用来做尺

40、寸大、几何形性和挥霍稳定性更好，常用来做尺寸大、几何形状复杂、性能要求高的工具状复杂、性能要求高的工具工具钢分类：工具钢分类：按按化学成分可分为非合金工具钢、合金工具钢和高化学成分可分为非合金工具钢、合金工具钢和高速工具钢速工具钢；按按用途不同，可分为刃具钢、模具钢及量具钢用途不同，可分为刃具钢、模具钢及量具钢。但但各类钢的实际应用界限并不明显，有时同一种各类钢的实际应用界限并不明显，有时同一种钢几个用作刃具，又可用作模具和量具，他们之见钢几个用作刃具，又可用作模具和量具，他们之见的共同性较强的共同性较强。一、刃具钢一、刃具钢碳含量在碳含量在0.75%1.5%。合金元素。合金元素Cr、Mn、S

41、i、W和和V增加淬透性、回火稳定性、细化晶粒增加淬透性、回火稳定性、细化晶粒承受压力、弯曲、振动与冲击，工件和切承受压力、弯曲、振动与冲击，工件和切屑摩擦屑摩擦切削发热，刃部切削发热，刃部温度可达温度可达500600刃具钢除要求足够的强度和韧性，高硬度（刃具钢除要求足够的强度和韧性，高硬度（60HRC）、高耐磨性和高的热硬性（红硬性）、高耐磨性和高的热硬性（红硬性）1、低合金刃具钢、低合金刃具钢 合金总的质量分数低于合金总的质量分数低于5化学成分化学成分 WC0.75%1.5%合金元素合金元素W、Mn、Cr、V、Si等等（WMe5%）可用于制造形状复杂或较大型的刃具，同时可以可用于制造形状复杂

42、或较大型的刃具，同时可以使用油冷，减小变形和开裂的倾向。使用油冷，减小变形和开裂的倾向。常用牌号常用牌号9SiCr、GrWMn、Cr2和和9Cr2等等热处理工艺热处理工艺 预先热处理一般采用球化退火；最终预先热处理一般采用球化退火；最终热处理为淬火后低温回火，以获得细小回火马氏热处理为淬火后低温回火，以获得细小回火马氏体、粒状合金碳化物及少量残余奥氏体组织体、粒状合金碳化物及少量残余奥氏体组织。性性能能6063HRC形状复杂或截面较大的刃具，淬火加热时应进行形状复杂或截面较大的刃具，淬火加热时应进行预热（预热（600650）2、高速钢、高速钢 又又名风钢或锋名风钢或锋钢。红硬性（高温钢。红硬性

43、（高温50060HRC）成分复杂的合金钢，含有钨、钼、铬、钒等碳成分复杂的合金钢，含有钨、钼、铬、钒等碳化物形成元素。合金元素总量达化物形成元素。合金元素总量达1025%W18Cr4VCWCrVMo各成分含量各成分含量/%0.70.817.519.03.84.41.01.40.31）化学成分：）化学成分：W、Mo、Cr、V等多种合金元素等多种合金元素总的质量分数总的质量分数10%Cr提高提高钢的淬透性，含量钢的淬透性，含量3.55.0；W（5.519）或）或Mo（2.710）细化晶粒，二次硬化）细化晶粒，二次硬化V（0.82.75）形成硬度极高的细小碳化物，均匀）形成硬度极高的细小碳化物，均匀

44、分布，提高钢的耐磨性和热硬性；分布，提高钢的耐磨性和热硬性；Co（4.259.5）提高钢的热硬性和二次硬度，提）提高钢的热硬性和二次硬度，提高钢的耐磨性、导热性，并改善切削加工性高钢的耐磨性、导热性，并改善切削加工性。2）铸态）铸态组织组织 黑色组织、白色组织和鱼骨状莱氏黑色组织、白色组织和鱼骨状莱氏体。体。黑色组织黑色组织 合金合金F合金碳化物，易被腐蚀，黑色，合金碳化物，易被腐蚀，黑色，性能性能3238HRC白色组织白色组织 合金合金MA残，白色，性能残，白色，性能6062HRC鱼骨状莱氏体鱼骨状莱氏体 骨骼状碳化物片和骨骼状碳化物片和M相间排列形成的相间排列形成的莱氏体莱氏体。性能。性能

45、6567HRC。粗大鱼骨状的合金碳化物粗大鱼骨状的合金碳化物，只能，只能由锻造来打碎由锻造来打碎。退火温度退火温度Ac1（820840）（）（3050），等），等温退火温退火最终热处理是淬火后回火。最终热处理是淬火后回火。特点是加热温度高（特点是加热温度高（1200以上），回火温度高以上），回火温度高（560左右），回火次数多（三次）左右），回火次数多（三次）。组织为组织为M（6065）A残（残（2530）未溶）未溶碳化物（碳化物（10）。）。热处理热处理 ：淬火（：淬火（12801280，油冷），油冷）+ + 三次回火（三次回火（560 560 ）高速钢分类：高速钢分类：钨系高速钢（含钨钨系

46、高速钢（含钨 918）；钨钼系高速钢（含钨钨钼系高速钢（含钨512,含钼含钼26）；高钼系高速钢（含钨高钼系高速钢（含钨02,含钼含钼510）；钒高速钢，按含钒量的不同又分一般含钒量（含钒钒高速钢，按含钒量的不同又分一般含钒量（含钒 12)和高含钒量和高含钒量(含钒含钒2.55)的高速钢的高速钢；钴高速钢（含钴钴高速钢（含钴 510）。按按用途不同高速钢又可用途不同高速钢又可分为：分为：通用型高速钢：主要用于制通用型高速钢：主要用于制造切削硬度造切削硬度HB300的金属材料的切削刀具的金属材料的切削刀具 (如如钻头钻头、丝锥丝锥、锯条锯条)和精密刀具（如和精密刀具（如滚刀滚刀、插齿刀插齿刀、拉

47、刀拉刀），常用的钢号），常用的钢号有有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。特殊用途高速钢等。特殊用途高速钢:包括钴包括钴高速钢和超硬型高速钢（硬度高速钢和超硬型高速钢（硬度HRC6870）,主要用于制造主要用于制造切削难加工金属（如高温合金、钛合金和高强钢等）的刀具，切削难加工金属（如高温合金、钛合金和高强钢等）的刀具，常用的钢号有常用的钢号有W12Cr4V5Co5、W2Mo9Cr4VCo8等。等。3、硬质合金硬质合金以高硬度难熔金属的碳化物（以高硬度难熔金属的碳化物（WC、TiC)微米级粉末为主要成微米级粉末为主要成分，以钴（分，以钴（Co）或镍（）或镍（Ni）、钼（）、钼（Mo）为粘结

48、剂，在真空炉）为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。硬度高达硬度高达8791HRA（相当于（相当于6981HRC），），工作温度可达工作温度可达8001000，切削速度比高速钢高切削速度比高速钢高47倍，寿命提高倍，寿命提高58倍。倍。加工困难，加工困难，一般将硬质合金一般将硬质合金制成一定规格的刀片，镶焊在刀制成一定规格的刀片，镶焊在刀体上体上使用，不能用来制作形状复杂的刀具使用，不能用来制作形状复杂的刀具广泛用作刀具材料，如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等，广泛用作刀具材料，如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等，用于切削铸铁、有色金属、塑料

49、、化纤、石墨、玻璃、石材用于切削铸铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材，也可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工和普通钢材，也可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的具钢等难加工的材料材料三、模具钢三、模具钢用于用于制造各种金属成形所用模具的钢材制造各种金属成形所用模具的钢材。模具钢模具钢分为冷模具钢和热模具钢，冷模具钢是分为冷模具钢和热模具钢，冷模具钢是在冷态下金属成形所用的模具钢，在热态下金在冷态下金属成形所用的模具钢，在热态下金属成形所用的模具钢属成形所用的模具钢。要求具有要求具有高硬度高硬度、强度、耐磨性，足够的韧、强度、耐磨性，足够的韧性性，高淬透性，高淬

50、透性、淬硬性和其他工艺性能、淬硬性和其他工艺性能一、冷作模具钢：一、冷作模具钢：250下对金属进行变形加工的下对金属进行变形加工的模具，包括冷冲模、冷镦模、冷挤压模。拉丝模、模具，包括冷冲模、冷镦模、冷挤压模。拉丝模、落料模等落料模等在工艺上要求热处理变形小和淬透性高。在工艺上要求热处理变形小和淬透性高。简单小型模具，常采用简单小型模具，常采用T8，T10和和T12等等复杂中型模具，常采用复杂中型模具，常采用9SiCr、9Mn2V、CrWMn等等精密大型模具，常采用精密大型模具，常采用Cr12、Cr12MoV等。等。1）碳素）碳素工具钢工具钢加工性良好，价格低廉，使用范围加工性良好，价格低廉，

51、使用范围广泛；广泛；淬透性淬透性低，低，热硬性热硬性低，低，只适于制作尺寸小、形状简单、只适于制作尺寸小、形状简单、切削速度低、进刀量小、工作温度不高的工具。切削速度低、进刀量小、工作温度不高的工具。2）合金工具钢）合金工具钢碳含量低，韧性好、高强度，工艺性能较好，生碳含量低，韧性好、高强度，工艺性能较好，生产成本产成本低，用于生产尺寸大、形状复杂、轻载荷低，用于生产尺寸大、形状复杂、轻载荷冷作模具。冷作模具。常用常用于铁路、桥梁、船舶、汽车、压于铁路、桥梁、船舶、汽车、压力力容器。容器。9SiCr、CrWMn、GCr153）中合金或高合金钢）中合金或高合金钢 用于用于生产尺寸大形状复杂生产尺

52、寸大形状复杂的冷作的冷作模具模具 Cr12Mo、Cr12MoV、Cr6WVCr12和和Cr12MoV（高铬钢）是常用的冷模具钢，（高铬钢）是常用的冷模具钢，广泛用于冷冲模、冷弯模和冷挤压模等。碳含广泛用于冷冲模、冷弯模和冷挤压模等。碳含量为量为1.52.3，铬含量为，铬含量为1113铸造组织为索氏体和共晶碳化物。锻造能使毛铸造组织为索氏体和共晶碳化物。锻造能使毛坯成形和打碎共晶碳化物，并改善碳化物的不坯成形和打碎共晶碳化物，并改善碳化物的不均匀性。锻造后应进行等温球化均匀性。锻造后应进行等温球化退火退火Cr12型钢的热处理型钢的热处理 退火低温淬火低温回火退火低温淬火低温回火 或或 高温淬火高

53、温多次高温淬火高温多次回火回火最终组织：回火最终组织：回火M + 碳化物碳化物 + 少量少量 A 2、热、热模具钢模具钢用于制造在受热（用于制造在受热（400-600）状态下对金属）状态下对金属进进行变形行变形加工的模具加工的模具分为热锻模、热挤压模和压铸模几种主要分为热锻模、热挤压模和压铸模几种主要类型类型性能要求：较高的温度下具有良好的强韧性、性能要求：较高的温度下具有良好的强韧性、较高的硬度较高的硬度、耐磨性、耐磨性、导热性、抗热疲劳能力，、导热性、抗热疲劳能力，较高的较高的淬透性淬透性 和尺寸稳定性和尺寸稳定性此类钢为中此类钢为中碳合金钢，碳合金钢，碳含量碳含量0.30%0.60%，部

54、分钢由于加入较多的合金元素（如钨、钼、钒部分钢由于加入较多的合金元素（如钨、钼、钒等）而成为共析或过等）而成为共析或过共析钢共析钢 Cr、Ni、Mn 提高淬透性和提高淬透性和强度；强度； W、Mo、V 产生二次硬产生二次硬化，提高红化，提高红硬性；硬性；Cr、W、Mo等元素还可以通过提高共析温等元素还可以通过提高共析温度，使模具在反复受热和受冷过程发生度，使模具在反复受热和受冷过程发生相变。相变。热模量钢热处理热模量钢热处理 退火淬火高温回火。退火，退火淬火高温回火。退火，700800，保温，保温45h后炉冷，消除锻造应力，降低硬度，提高后炉冷，消除锻造应力，降低硬度，提高切削加工性；淬火高温

55、回火，得到回火索氏体和回火屈氏切削加工性；淬火高温回火，得到回火索氏体和回火屈氏体，保证获得良好的综合机械性能体，保证获得良好的综合机械性能。中小中小尺寸（截面尺寸尺寸（截面尺寸300mm）模具，选用）模具，选用5CrMnMo；大；大尺寸（截面尺寸尺寸（截面尺寸400mm）模具，选用）模具，选用5CrNiMo，压铸模通，压铸模通常选用常选用3Cr2W8V。常用的钢类有铬锰钢、铬镍钢、铬钨钢等。常用的钢类有铬锰钢、铬镍钢、铬钨钢等。三、量具钢三、量具钢用来用来制造各种测量工具的制造各种测量工具的钢，要求高钢，要求高韧性韧性、高硬度、高耐、高硬度、高耐磨性和高尺寸磨性和高尺寸稳定稳定量具钢没有专门

56、用钢，前面介绍的工具钢，滚动轴承钢均量具钢没有专门用钢，前面介绍的工具钢，滚动轴承钢均可用来制作量具。可用来制作量具。形状简单、精度要求不高的量具可选用碳素工具钢如形状简单、精度要求不高的量具可选用碳素工具钢如T10A、T11A。T12A。腐蚀条件下工作的量具可选用不锈钢腐蚀条件下工作的量具可选用不锈钢4Cr13、9Cr18要 求 特 别 高 的 耐 磨 性 和 尺 寸 稳 定 性 可 选 渗 氮 钢要 求 特 别 高 的 耐 磨 性 和 尺 寸 稳 定 性 可 选 渗 氮 钢38CrMoAl或冷作模具钢或冷作模具钢Cr12MoV。常用的量具钢有常用的量具钢有Cr2、GCr15、CrWMn等，

57、可用来制作形等，可用来制作形状复杂、精度高的量具状复杂、精度高的量具。1.2.5 不锈钢不锈钢通常所说的不锈钢是不锈钢和耐酸钢的总称通常所说的不锈钢是不锈钢和耐酸钢的总称所谓所谓“不锈钢不锈钢”是指能抵抗大气、蒸汽和水等弱腐蚀介是指能抵抗大气、蒸汽和水等弱腐蚀介质的钢，而质的钢，而“耐酸钢耐酸钢”是指在酸、碱、盐等强腐蚀介质是指在酸、碱、盐等强腐蚀介质中耐蚀的钢。中耐蚀的钢。二、常用二、常用不锈钢不锈钢1. 马氏体不锈钢马氏体不锈钢 常用的马氏体不锈钢的含碳量（常用的马氏体不锈钢的含碳量（0.1-0.45）%，主要，主要合金合金Cr的质量分数（的质量分数（12-14）%，通常称为，通常称为Cr13型钢，型钢，如如1Cr13、2Cr13，用作受冲击载荷的汽轮机叶片等；，用作受冲击载荷的汽轮机叶片等；3Cr13、4Cr13，用于弱腐蚀条件下有高硬度要求的医，用于弱腐蚀条件下有高硬度要求的医疗器具、弹簧、刃具疗器具、弹簧、刃具等等2. 铁素体不锈钢铁素体不锈钢 这类钢从室温加热到高温这类钢从室温加热到高温9601100，不发生相变，不发生相变，始终都是单相铁素体组织，因此被称为铁素体不锈钢。始终都是单相铁素体组织，因此被称为铁素体不锈钢。常用钢的碳质量分数小于常用钢的碳质量分数小于0.15C，铬的质量分数在，铬的质量分数在(12