机械工程材料成型及工艺7

第4章二元合金相图及其应用前言相图的建立匀晶相图共晶相图回顾基本概念合金（alloy）、组元、合金系；相、单相合金、多相合金。一、前言相图（phase）：描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的图解。又称状态图（statediagram）或平衡图（equilibriumdiagram）。二元系相图是研究二元体系在热力学平衡条件下，相与温度、成分之间关系的有力工具。根据相图可确定不同成分的材料在不同温度下组成相的种类、各相的相对量、成分及温度变化时可能发生的变化。二、相图的表示与建立CuNiwNi（％）温度/℃204060800100T11.相图的表示A2.相图的建立方法：热分析法、金相分析法、硬度测定法、X射线衍射分析法、电阻试验法。步骤：配制合金－测冷却曲线－确定转变温度－填入坐标－绘制图线。热分析法例用热分析法建立Cu－Ni合金系

二元相图的步骤：配制一系列成分的铜镍合金；将这些合金熔化后，分别测出它们的冷却曲线；根据冷却曲线上的转折点确定各合金的凝固温度；将测得的数据引入温度－成分坐标系中；连接意义相同的点，得到相应的曲线；上述曲线将图面分隔为三个区域，各区间分别限定了一定的成分范围和温度范围，这些区间称为相区（phasefield）。通过必要的组织分析测出各相区所含的相，将它们的名称分别标注在相应的相区中，相区的建立工作即告完成。Cu－Ni合金相图的测绘说明：所配制的合金数目越多，成分间隔愈小，所用金属的纯度越高，测温技术越先进，冷却速度越缓慢（一般应为0.5～1.5℃/min），所测得的相图越精确。三、匀晶相图概念：两组元在液态、固态均无限互溶的合金状态图。当两个金属组元之间形成无限固溶体时，其条件为：两者的晶体结构相同，原子尺寸接近，Δr<15％，两者具有相同的原子价的电负性。Cu－Ni匀晶相图（平衡图、状态图）平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+相图分析点——左右两点为两种纯物质的熔点；线——上：液相线（liquidus），下：固相线（solidus）；域——液相区L、液－固两相区L＋α、相区α。由液相直接结晶出单相固溶体的转变过程称为匀晶转变，匀晶转变式：铜-镍合金匀晶相图CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+纯铜熔点纯镍熔点液相线固相线液相区固相区液固两相区匀晶合金的结晶过程acdT,CtLLL匀晶转变

L

冷却曲线匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+ababt1t2t3杠杆定律(推导、举例）1aT1cbCuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+xxLxα杠杆定律：适用条件：两相区非平衡结晶非平衡的概念；晶内偏析或枝晶偏析；解决的途径。固溶体凝固与纯金属凝固的比较相同点：（1)基本过程：形核－长大；(2)热力学条件（能量条件）：ΔT>0；(3)结构条件：结构起伏(相起伏）。不同点：合金在一个温度范围内结晶；需要成分起伏。四、共晶相图概念：二组元在液态下无限互溶，而在固态下仅有限溶解并发生共晶反应的合金系形成共晶相图。例如：Pb－Sn系、Pb－Sb系、Cu－Ag系等。共晶相图PbSnSn%T,C铅-锡合金共晶相图液相线L固相线+L+L+固溶线固溶线共晶相图分析PbSnT,CL+L+L+共晶反应线表示从c点到d点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。cd共晶点表示e点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。eLec+dabSn%共晶反应要点PbSnT,CL+L+L+183ced共晶转变在恒温下进行。转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。Sn%X1合金结晶过程分析cefgX1T,CtLLLL+冷却曲线+

ⅡⅡ1234{PbSnT,CL+L+L+183cedX2合金结晶过程分析

（共晶合金）X2T,CtL(+)L(+)LL(+)共晶体冷却曲线(+)PbSnT,CL+L+L+183cedX3合金结晶过程分析

（亚共晶合金）X3T,CtLL+(+)++

Ⅱ12(+)+PbSnT,CL+L+L+183cedL+(+)+标注了组织组成物的相图3．包晶相图包晶转变：Ld+cePtAgAg%T,C铂-银合金包晶相图L+L+L+cedfgT,CtLL+L+

+Ⅱ4.共析相图共析转变：

(+)共析体ABT,C+

+

+cedL+L相图与性能的关系合金的使用性能与相图的关系固溶体中溶质浓度↑→强度、硬度↑组织组成物的形态对强度影响很大，组织越细密，强度越高。2.合金的工艺性能与相图的关系

铸造性能液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金），则流动性好，不易形成分散缩孔。锻造、轧制性能单相固溶体合金，

变形抗力小，变形均匀，

不易开裂。1．铁碳相图

2．结晶过程

3．成分-组织-性能关系

4．Fe-Fe3C相图的应用铁碳合金的结晶第七讲

1．铁碳相图

(Fe-Fe3

C相图)(1)Fe-Fe3

C相图的组元●Fe——α–Fe、δ-Fe(bcc)和γ-Fe(fcc)

强度、硬度低，韧性、塑性好。●Fe3

C——熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。(2)Fe-Fe3

C相图的相●Fe3

C（Cem，Cm，渗碳体）——复杂晶体结构●液相L●δ相（高温铁素体）——δ–Fe（C）固溶体●γ相（A，奥氏体）——γ-Fe（C）固溶体●α相（F，铁素体）——α-Fe（C）固溶体(3)相图中重要的点和线液相线ABCD固相线AHJECF包晶线HJB，包晶点J

共晶线ECF，共晶点CL4.3(A2.11+Fe3C)高温莱氏体,Le或Ld共析线PSK，共析点SA0.77(F0.02+Fe3C)珠光体,PES线：C在A中的固溶线PQ线：C在F中的固溶线2．铁碳合金的平衡结晶过程Fe-C合金分类工业纯铁——C%≤0.0218%钢——0.0218%＜C%≤2.11% 亚共析钢＜0.77%

共析钢＝0.77%

过共析钢＞0.77%白口铸铁——2.11%＜C%＜6.69% 亚共晶白口铁＜4.3%共晶白口铁＝4.3%过共晶白口铁＞4.3%类型亚共析钢共析钢过共析钢钢号204560T8T10T12碳质量分数／％0.200.450.600.801.001.20几种

常见

碳钢(1)工业纯铁(C%≤0.0218%)结晶过程室温组织

F

+

Fe3CⅢ

(微量)

500×第八讲

(2)共析钢

(C%=0.77%)结晶过程室温组织:

层片状

P

(

F

+

共析

Fe3C

) 500×(3)亚共析钢

(C%=0.4%)结晶过程室温组织:

F

+

P，500×(4)过共析钢

(C%=1.2%)结晶过程室温组织:

P

+

Fe3CII

400×(5)共晶白口铁

(C%=4.3%)结晶过程室温组织:（低温）莱氏体Le′

（P

+

Fe3CII+

共晶

Fe3C

）,500×莱氏体Le′的性能：硬而脆标注了组织组成物的相图3．铁碳合金的

成分-组织-性能关系含碳量与相的相对量关系：

C

%↑→F

%↓，Fe3C

%↑含碳量与组织关系：

图（a）和（b）含碳量与性能关系

HB：取决于相及相对量强度：C%=0.9%时最大塑性、韧性：随C%↑而↓4．铁碳相图的应用钢铁选材：相图性能用途局限性

相图反映的是平衡状态，与实际情况有较大差异。铸件选材和确定浇注温度确定锻造温度(

在

A

区）制定热处理工艺复习——相与组织相：有一定的化学成分和晶体结构的均匀组成部分。合金中有两类基本相——固溶体和化合物组织：材料内部的微观形貌，体现相的形态、数量、大小和分布。金属材料性能由组织决定，而组织由化学成分和工艺过程决定。过共析钢x400第四章金属热处理及材料改性热处理的概念把固态金属材料在一定介质中的加热、保温和冷却，

以改变其组织和性能的一种工艺。热处理的分类根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点的不同，将热处理工艺分类：普通热处理：退火、正火、淬火和回火；表面热处理：表面淬火、化学热处理；其他热处理：真空热处理、形变热处理、控制气氛热处理、激光热处理。加热和冷却对临界转变温度的影响1．奥氏体的形成

——Fe，C原子扩散和晶格改变的过程。共析钢加热到Ac1

以上时，

P→A共析钢A化过程——形核、长大、Fe3

C

完全溶解、C

的均匀化。亚（过）析钢的A化——P

→

A

后，先共析F或Fe3CⅡ

溶解。影响A转变速度的因素加热温度和速度↑→转变快C%↑或Fe3

C片间距↓→界面多，形核多→转变快合金元素→A化速度↑或↓A晶粒度加热温度，保温时间↑

→晶粒尺寸↓合金碳化物↑，C%↓→晶粒尺寸↓1.过冷A的等温转变过冷A:

T<A1时，A不稳定。A等温转变曲线

(TTT

或C曲线)共析钢的C曲线高温转变，A1

~550℃过冷A→P型组织中温转变，550℃~MS

过冷A→贝氏体(

B)低温转变，MS~Mf

过冷A→马氏体(

M)P型组织——F+层片状Fe3C珠光体P

索氏体S

屈氏体T层片间距：P>S>T珠光体P，3800×索氏体S8000×屈氏体T8000×高温转变过程——晶格改变和Fe，C原子扩散。中温转变（550℃~MS）——C原子扩散，Fe原子不扩散过冷A→贝氏体B（碳化物+含过饱和C的F）上B，550~350℃产物

——羽毛状，小片状Fe3C分布在F间。上B强度和韧性差光学显微照片1300×电子显微照片5000×45钢，上B+下B，×400下B，350℃~MS产物下B韧性高，综合机械性能好。F针内定向分布着细小Fe2.4C颗粒电子显微照片12000×T8钢，下B，黑色针状光学显微照片×400亚（过）共析钢过冷A的等温转变与共析钢相比，C曲线左移，

多一条过冷AF（Fe3CⅡ）的转变开始线，且Ms、Mf线上（下）移。连续冷却转变产物CCT和TTT曲线的比较CCT位于TTT曲线右下方CCT中没有A→B转变炉冷→

P (V

≈０)空冷→

S (V

≤Vk')油冷→

T+M+A'(Vk'

～Vk)水冷→

M+A'

(V≥Vk)马氏体（M）转变特点

1)无扩散

Fe和C原子都不进行扩散，

M是体心正方的C过饱和的F，

固溶强化显著。2)瞬时性

M的形成速度很快，

温度↓则转变量↑3)不彻底

M转变总要残留少量A，

A中的C%↑则MS、Mf↓

，残余A含量↑4)M形成时体积↑，

造成很大内应力。M的形态C%<0.25%时，为板条M（低碳M）。

板条M,平行的细板条束组成针状M（凸透镜状）C%>1.0%时，为针状M

。C%=0.25~1.0%时，为混合M

。Fe-1.8C，冷至-100℃Fe-1.8C，冷至-60℃M的性能C%↑→M

硬度↑针状M硬度高，塑韧性差。板条M强度高，塑韧性较好。亚共析钢连续冷却转变炉冷→

F+P空冷→

F+S油冷→

T+M水冷→

M过共析钢连续冷却转变炉冷→

P+Fe3CⅡ空冷→

S+Fe3CⅡ油冷→

T+M+A'水冷→

M+A'转变温度对共析钢

硬度和韧性

的影响按转变温度的高低，转变产物分别是：P、S、T，上B、下B、M，其硬度依次增加。2.4.3

钢的普通热处理1．退火

2．正火

3．淬火

4．回火1．退火加热、保温后，缓冷(炉冷)→近平衡组织P（+F或Fe3CII

）完全退火（亚共析钢）

加热温度

Ac3

+

20～30℃

缓冷→F+P

目的：

细化晶粒，均匀化组织

降低硬度→切削性↑

等温退火：

等温转变→F+P，再缓冷球化退火（过共析钢）

在Ac１+

20～30℃等温，使Fe3CⅡ球化，再缓冷→球状P（F+球状Cm）目的：硬度↓,切削性↑,韧性↑扩散退火

加热至略低于固相线

目的：使成分、组织均匀

再结晶退火：

加热温度

TR

+

30～50℃目的：消除加工硬化去应力退火

加热温度＜

Ac1，

一般为

500～650℃目的：消除冷热加工后的内应力

图4-11碳钢各种退火的工艺规范示意图２．正火应用：

1)钢的最终热处理细化晶粒，组织均匀化，增加亚共析钢中P(S)%→强度、韧性、硬度↑

2)预先热处理——淬火、球化退火前改善组织。

3)增加低碳钢的硬度，以改善切削加工性能。加热温度

Ac3(Accm)

+30～50℃，空冷→S（+F或Fe3CII

）3．淬火（蘸火）加热到Ac3、Ac1以上，保温，快速冷却→M。淬火温度1)亚共析钢Ac3+30～50℃2)过共析钢Ac1+30～50℃，→M+Fe3CII+A'，硬度大。

A中C%↓→

M

脆性↓，残余A%↓

淬火温度低

→

M细小，淬火应力小。冷却介质

冷却速度：

盐水

＞

水

＞

盐浴

＞

油淬火方法单介质淬火：水、油冷双介质淬火：水冷+油冷分级淬火：＞Ms盐浴中均温＋空冷等温淬火（在盐、碱浴中）→下B钢的淬透性淬火时得到M的能力，取决于临界冷却速度VK

。淬透性的应用按负载，选择不同淬透性的材料。淬硬性：淬火后获得的最高硬度，C%↑→淬硬性↑影响淬透性的因素除Co外，合金使VK↓,淬透性↑(a)完全淬透(b)淬透较大厚度(c)淬透较小厚度

淬透性不同的钢调质后机械性能的比较4．回火淬火后，加热到Ac1以下，保温，冷却。目的：消除淬火应力，调整性能。低温回火（150～250℃）→回火M(过饱和F+薄片状Fe2.4C)+A'

淬火应力↓，韧性↑，保持淬火后的高硬度。用于高C工具钢等。中温回火（350～500℃）→回火T(F+细粒状Cm)

弹性极限和屈服强度↑，韧性和硬度中等。用于弹簧等。高温回火（500～650℃）→回火S(等轴状F+粒状Cm)综合机械性能最好,即强度、塑性和韧性都较好。用于重要零件。调质处理

——淬火+高温回火回火产物的组织形态比较

回火M

×400

回火T

×7500回火S

×7500M

低倍

T×1000

S×1000

回火时性能的变化回火温度↑→硬度、强度↓，塑性↑2.4.4

钢的表面热处理（表面淬火）

不改变心部组织，利用快速加热将表层A化后进行淬火。目的：提高表面硬度，保持心部良好的塑韧性。感应加热表面淬火交变磁场→感应表面电流→表面加热特点1)加热速度快，晶粒度小，硬度↑，脆性↓2)表层残余压应力→提高疲劳强度3)不易氧化、脱碳、变形小。4)加热温度和淬硬层厚度容易控制。火焰加热表面淬火（乙炔－氧等火焰）设备简单，但生产率低。2.4.5

钢的化学热处理将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组织和性能。分类——渗

C、N化、C

N共渗、渗硼、渗铬、渗Al等。钢的渗

C——气体、固体渗

C低C钢在高C介质中加热到900～950℃、保温→高碳表层（约1.0%）目的：表面硬度，耐磨性↑，心部保持一定的强度和塑韧性。渗碳后的的热处理淬火直接淬火——晶粒粗大，残余A多，耐磨性低，变形大。一次淬火——加热温度Ac3以上（心部性能↑）或Ac1以上（表面性能↑）二次淬火——Ac3以上（心部性能↑）+Ac1以上（表面性能↑）低温回火,150～200℃，消除淬火应力，提高韧性。钢的氮化工件表面渗入N原子，以提高硬度、耐磨性，疲劳强度和耐蚀性。氮化温度低(500～600℃)，时间长（20～50h），渗层薄。氮化前调质处理、氮化后无须淬火。第五章金属材料3.1.1

碳钢的成分和分类3.1.2

碳钢的牌号及用途3.1碳钢3.1.1碳钢的成分和分类１.成分——w(C)≤2.11%

Mn、Si

→固溶强化

S→热脆

P→冷脆

O、N、H→强度、塑性、韧性↓２.分类

1）按C含量分低C钢w(C)≤0.25%中C钢0.25%＜w(C)≤0.6%高C钢w(C)＞0.6%

2）按质量分（S、P含量）——普通碳素钢；优质碳素钢；高级优质碳素钢。

3）按用途分——碳素结构钢、碳素工具钢。3.1.2碳钢的牌号及用途1．碳素结构钢

2．优质碳素结构钢

3．碳素工具钢GB/T700-1988标准GB700-79标准化学成分和力学性能均须保证A类钢——保证力学性能，B类钢——保证化学成分，C类钢——保证化学成分及力学性能。Q195A1；B1Q215A2；C2Q235A3；C3Q255A4；C4Q275C5碳素结构钢新、老标准钢号对照表3-2碳素结构钢的机械性能(GB/T700-1988)牌号等级拉伸试验冲击试验屈服点s

，MPa抗拉

强度b/MPa伸长率

s

,

%温度℃V型冲击功(纵向)J钢材厚度(直径)，mm钢材厚度(直径),mm16>40~60>100~150>15016>40~60>100~150>150不小于不小于不小于Q195－195－－－315-39033－－－－－Q215A/B215195175165335-41031292726－/20－/27Q235A/BC/D235215195185375-46026242221－/200/-20－/27Q255A/B255235215205410-51024222019－/20－/27Q275－275255235225490-61020181615－－用途钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。热处理：热轧空冷组织：S＋F多边型角钢螺钉、铆钉钢筋、螺纹钢建筑构件钢桥梁2．优质碳素结构钢牌号——如45钢，含C量为45/10000=0.45%。表3-4优质碳素钢的化学成分和性能钢号化学成分，%s

，MPa≥CMnSiSP08F10203540455060650.05-0.110.07-0.130.17-0.230.32-0.390.37-0.440.42-0.500.47-0.550.57-0.650.62-0.700.25-0.500.35-0.650.35-0.650.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.030.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.37<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035175205245315335355375400420(摘自GB/T699-1999)用途较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。汽车曲轴热处理：

渗碳、淬火、回火等。3．碳素工具钢

牌号——如

T12A

钢，含C量为12/1000=1.2%，

A表示高级优质，w(S)0.020%，w(P)0.030%。钢号C,%Mn,%Si,%S,%P,%退火后HBS,水冷淬火温度，℃T7T8T8MnT9T10MnT10T12T130.65-0.740.75-0.840.80-0.900.85-0.940.95-1.040.95-1.041.15-1.241.25-1.350.400.400.40-0.600.400.40-0.600.400.400.400.350.350.350.350.350.35

0.350.350.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.03518718718719219207207217800-820780-800780-800760-780760-780760-780760-780760-780表3-4碳素工具钢的化学成分和性能（淬火后HRC≥62)(摘自GB/T1298-1986)用途冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。螺纹量规热处理：淬火+低温回火组织：回火M＋粒状Fe3C

+A'3.2.1

概论

3.2.2

合金结构钢

3.2.3

合金工具钢

3.2.4

特殊性能钢3.2合金钢3.2.1

概论１.合金钢的分类（按用途分类）

合金结构钢——低合金结构钢、渗C钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢等。合金工具钢——刃具、模具、量具钢。特殊性能钢——不锈钢、耐热钢、耐磨钢。２.合金钢的编号结构钢——如60Si2Mn，w(C)=0.6%，w(Si)=2%，w(Mn)＜1.5%工具钢、特殊性能钢——如9SiCr

，w(C)=0.9%，w(Si)、w(Cr)均＜1.5%

而CrWMn

中，w(C)＞1.0%

专用钢——如，滚动轴承钢GCr15，w(C)=1.0%，w(Cr)=1.5%高级优质钢——如，20Cr2Ni4A3.2.2合金结构钢1．低合金结构钢

2．渗碳钢

3．调质钢

4．弹簧钢

5．滚动轴承钢1．低合金结构钢钢号旧钢号主要化学成分，%机械性能CMnSi，s

，MPab

，MPa5，%Q29509MnNb

12Mn0.160.80

~1.500.5529557023Q34516Mn

16MnRe0.18

~0.201.00

~1.600.5534563021~22Q39016MnNb

15MnTi0.201.00

~1.600.5539065019~20Q42014MnVTiRe

15MnVN0.201.00

~1.700.5542068018~19Q46014MnMoV

18MnMoNb0.201.00

~1.700.5546072017常用低合金结构钢的牌号、成分、性能（厚度(直径)16mm，AKV≥34J）成分

——w(C)＜0.2%，主加元素Mn，附加V、Ti、Nb。性能

——强度、韧性高，焊接、冷成形性能好。(摘自GB/T1591-1994)热处理、组织

——热轧空冷，S＋F高压容器桥梁船舶车辆应用2．渗碳钢成分

——w(C)=0.1～0.25%,韧性好。合金元素提高淬透性、耐磨性,细化晶粒。性能

——渗层硬度高，耐磨，抗接触疲劳；心部韧性高、强度大。渗C钢的牌号（摘自GB/T3077-1999）（渗C:930℃，回火：200℃）p172主要化学成分,%预备处理／淬火,℃CMnCr，Ni0.17~0.24

0.17~0.240.50~0.80

1.30~1.600.70~1.00

880／800水,油880水,油0.17~0.230.17~0.23

0.90~1.200.80~1.10

0.90~1.201.00~1.30

850油880

／870油钢号20Cr

20MnV20CrMn20CrMnTi

淬透性低中高18Cr2Ni4WA

20Cr2Ni4A0.13~0.19

0.17~0.23W0.8~1.2

0.30~0.601.35~1.65

4.0~4.51.25~1.65

3.25~3.75950

／850空

880／780

油机械性能

bMPasMPa835

785540

5909301080

735835

1180

1180835

1080aKU2J47

554755

78

63热处理组织

——表层：回火M+碳化物+A′；

心部：低C的回火M（+T+F）

应用

——耐磨件

20Cr，小轴、活塞销、小齿轮。

20CrMnTi，汽车齿轮。

18Cr2Ni4WA，如曲轴、连杆。渗碳→淬火→低温回火3．调质钢成分

——w(C)=0.25～0.50%，合金元素消除回火脆性,提高回火抗力,强化F。性能

——综合机械性能高调质钢的牌号（摘自GB/T3077－1999）淬透性钢号主

要

成

分,%淬火

℃回火

℃CMnSi

Cr低450.42~

0.500.50~

0.800.17~

0.37830~

840水580~

640空40Cr0.37~

0.450.50~

0.80Cr0.8

~1.10850油500

水，油中高35CrMo0.32~

0.400.40~

0.70Cr0.8

~1.10850油550

水，油38CrMoAlA0.35~

0.42Al0.7

~1.1Cr1.35

~1.65940

水，油640

水，油40CrMnMo0.37~

0.450.90~

1.20Cr0.9

~1.20850油600

水，油机械性能

bMPasMPaaKU2J6003553940MnB0.37~

0.441.10~

1.400.20~

0.40850油500

水，油9807854798078547980835639808357198078563热处理组织

——表层：回火S应用

40Cr，一般尺寸重要零件，如齿轮、主轴。

35CrMo，较大截面零件，如曲轴、连杆。

40CrNiMo，大截面重载零件，如汽轮机主轴和叶轮。

调质，可附加表面淬火或氮化(38CrMoAl)。

汽车曲轴4．弹簧钢成分

——w(C)=0.45～0.70%，Si,Mn为主要元素，提高屈强比。性能

——σe

、σs、屈强比和疲劳抗力高，塑性大，耐震动、冲击。钢号主

要

成

分,%淬火

油

℃回火

℃机械性能

CMnSi,CrbMPasMPa10

%akkJ/m2650.62~

0.700.50~

0.800.17~

0.37840

油50010008009450850.82~

0.900.50~

0.800.17~

0.37820

油48011501000660065Mn0.62~

0.700.90~

1.200.17~

0.37830

油5401000800880060Si2Mn0.56~

0.640.60~

0.901.50~

2.00870

油48013001200580050CrVA0.46~

0.540.50~

0.80Cr0.8

~1.10850

油5001300115059800（摘自GB/T1222－1985）汽车板簧火车螺旋弹簧应用

65Mn、60Si2Mn：汽车，拖拉机，机车的板簧和螺旋弹簧。热处理

热轧弹簧：热成型→淬火+中温回火→喷丸

冷轧弹簧：淬火+中温回火→冷成型→去应力→喷丸组织

——回火T5．滚动轴承钢成分

——w(C)=0.95～1.10%，主加元素是Cr，形成细小的碳化物。性能

——高接触疲劳强度、高硬度和耐磨性，韧性、淬透性好。钢号主要化学成分，w/%热处理规范及性能CCrSiMn淬火℃回火℃回火后HRCGCr40.95~1.050.35~0.00.15~0.300.15~0.30800~820150~17062~66GCr150.95~1.051.40~1.650.15~0.350.25~0.45820~840150~16062~66GCr15SiMn0.95~1.051.40~1.650.45~0.750.95~1.25820~840170~200>62GMnMoVRE0.95~1.050.15~0.401.10~1.40770~810170562GSiMoMnV0.95~1.100.45~0.650.75~1.05780~820175~20062（摘自GB/T18254－2002）应用

GCr15：中小型轴承，冷冲模，量具，丝锥。热处理球化退火+淬火+低温回火

冷处理，时效（120～140℃,10～20h）：稳定尺寸，去应力。组织

——回火M＋细碳化物＋少量A'1．合金刃具钢

2．合金模具钢

3．量具用钢3.2.3

合金工具钢1．合金刃具钢（１）性能要求高硬度

——机加工刀具HRC＞60高耐磨性

——刀具寿命和生产率↑

组织要求——硬而细小的碳化物，均匀分布在强而韧的钢基体中。高的热硬性（红硬性）——高温下保持高硬度的能力，与回火稳定性有关。足够的韧性

——以承受冲击载荷（２）低合金刃具钢成分

——w(C)=0.9~1.5%，合金元素＜5%。性能

——HRC＞60，使用温度200~300℃

。钢号主要化学成分，w/%热处理及性能CMnSiCr淬火℃回火℃回火后HRC9SiCr0.85~0.950.30~0.601.20~1.600.95~1.25860~880油180~20060~62CrWMn0.90~1.050.80~1.10W1.2~1.600.90~1.20820~840油140~16062~65（摘自GB/T1299－2000）热处理

——球化退火（+机加工）+淬火+低温回火最终组织

——回火M+合金碳化物+少量A'应用

——如9SiCr，做板牙、丝锥等。板牙丝锥（３）高速钢成分

——w(C)=0.7~1.2%，合金元素＞10%。性能

高硬度、耐磨性——VC等弥散硬化

高热硬性——600℃时HRC≈62，W2C等提高热硬性。

高淬透性——尺寸不大时可空冷淬火，Cr等元素提高淬透性。钢号主要化学成分，w，%热处理及性能CWVCrMo淬火℃回火℃回火后HRCW18Cr4V0.70~0.8017.5~19.01.00~1.403.80~4.401270~1285油550~570

三次≥63W6Mo5Cr4V20.80~0.905.50~6.751.75~2.203.80~4.404.75~5.501210~1230油540~560

三次≥63热处理（锻造+）球化退火（+机加工）

→淬火+回火锻造目的

——成型；使铸态粗大碳化物破碎、细化、分布均匀。淬火，1280℃——增加A、M中合金含量，提高热硬性。淬火组织（左图）：M+碳化物+A'最终组织（右图）：回火M+粒状碳化物+少量A'回火，560℃，三次——W2C、VC弥散硬化，二次淬火基本消除A'。应用

——

高速车刀、钻头、铣刀等。（２）热模具钢——热锻、热挤压、压铸模等。性能

——耐热性、热疲劳抗力高。应用

中小型模具——5CrMnMo等。

大型模具——3Cr2W8V等，淬透性好。最终热处理

——淬火+高温回火最终组织

——回火T

或回火S3．量具用钢——卡尺、千分尺、塞规等性能

——高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性。应用

简单量具——T10A、T12A等。

高精度量具——GCr15、CrWMn等。最终热处理

——淬火+（-70～-80℃）冷处理

+低温回火+时效处理

时效处理：120～130℃，保温几～几十小时，使M、A'稳定，消除内应力。最终组织

——回火M+碳化物+少量A'1．不锈钢

2．耐热钢

3．耐磨钢3.2.4

特殊性能钢1.不锈钢钢的抗腐蚀措施形成单相组织。加入Cr，降低两相的电极电位差。加入Cr、Al等，生成致密的表面氧化膜。常用不锈钢

F型——如1Cr17，化工设备、食品工业。

M型——如1Cr13用于汽轮机叶片；3Cr13做手术器具及刀具。

A型——如1Cr18Ni9Ti用于化工、食品、医疗行业。不锈钢的成分、热处理、性能钢号主

要

化

学

成

分,%淬火

℃回火

℃CCrNiTi类别机械性能bMPasMPa5

%HRC

HB1Cr13

0.1512~

14950~

1000水,油700~

7504Cr130.36~

0.4512~

141050~

1100油200~

300M型540345680400254159501Cr17

0.1216~

18780~

850正火0Cr18Ni9

0.0717~

198~

121010~

1150水F型A型A-F型45020552020522401831871Cr18Ni9Ti

0.1217~

199~

120.5

~0.8920~

1150水520205401871Cr21Ni5Ti0.09~

0.1420~

224.8~

5.80.35

~0.8950~

1100水,空60035020２.耐热钢抗氧化性：金属在高温下的抗氧化能力热强性：热强性是指钢在高温下的强度用途：锅炉、燃气轮机等类别钢号主

要

化

学

成

分,%淬火

℃回火

℃CCrNiTiM型1Cr13

0.1512~

14950~

1000油700~

7501Cr11MoV0.11~

0.1810~

11.5Mo0.5

~0.71050~

1100空720~

740A型1Cr18Ni9Ti

0.1217~

198~

110.5

~0.8920~

1150水机械性能bMPasMPa5403454906855202055

%2040HB159159187３.耐磨钢ZGMn13热处理：1000℃～1100℃，保温，水冷→A，硬度低，韧性高。性能：工件在工作中受到冲击变形时，表层产生加工硬化，及M转变，硬度显著提高，心部保持高韧性。用途：履带、铁道岔道第9章机械零件失效分析及选材机械零件的失效分析；选材的一般原则；选材的实际过程。失效的概念和失效分析的目的失效的基本概念：任何零件都具有一定的设计功能与寿命。当其在使用过程中，因零件的外部形状尺寸和内部组织结构发生变化而失去原有的设计功能，使其低效工作或无法工作或提前退役的现象称为失效。

失效分析的目的：就是要分析零件失效的原因并提出相应的防止和改进措施，其结论对零件的设计、选材、加工与使用都有重大的指导意义。失效的形式变形失效弹性变形塑性变形蠕变变形断裂失效韧性断裂脆性断裂低应力断裂疲劳断裂蠕变断裂介质加速断裂表面损伤失效磨损腐蚀表面接触疲劳物理性能降级电、磁、热等性能衰减失效的主要原因设计设计思想有误工作条件分析错误结构外形不合理材质选材不当材质低劣（冶金缺陷）加工各种冷、热加工缺陷使用安装不良、维护不善、操作不当、过载使用失效分析的工具肉眼及光学显微镜（OM）；扫描电子显微镜（SEM）；透射电子显微镜（TEM）；X射线荧光镜；X射线衍射及立体显微镜。失效分析的基本步骤调查取证；整理分析；断口分析；成分组织性能的分析与测试；综合分析得出结果。选材的一般原则使用性能；工艺性能；经济性能。使用性能选材原则分类典型性能用途力学性能强度各机械装置、承载结构刚度韧性物理性能密度航天、航空导热性热交换器、隔热装置导电性电机电器、输变电设备化学性能耐热性加热设备、化工设备耐蚀性功能器件，敏感元件功能特性电、磁、声、光、热等性能第二十二讲

2）按使用性能选材的方法与步骤分析零件的工作条件，确定其使用性能；进行失效分析；将零件的使用性能要求转化为对材料性能指标和具体数值的要求。典型零件按使用性能分析零件工作条件常见失效形式性能要求应力

种类载荷

性质受载

状态螺栓拉、剪静载--过量变形，断裂强度，塑性传动轴弯、扭循环

冲击轴颈

摩擦疲劳断裂，过量变形

，轴颈磨损综合力学性能传动齿轮压、弯循环

冲击摩擦

振动断齿，磨损，

疲劳断裂，接触疲劳表面高硬度及疲劳极限

，心部强度及韧性弹簧扭、弯交变

冲击振动弹性失稳，

疲劳破坏弹性极限，屈强比

，疲劳极限按力学性能选材需注意的问题材料性能与零件性能的关系；力学性能指标在选材中的应用意义；材料强度与塑性、韧性的合理配合；注意提高零件的结构效率。工艺性能的选材原则金属材料的工艺性能；高分子材料的工艺性能；陶瓷材料经济性能选材原则产品价值分析；产品的总成本分析；材料成本分析。第10章铸造前言铸造的概念；铸造的特点；铸造的缺点。铸造成形的理论基础合金的铸造性能：液态合金的充型能力；收缩；偏析；氧化和吸气等。合金的流动性：影响合金流动性的因素（成分、物理性质、温度、杂质和气体）；充型能力的影响因素：

铸型条件；铸型的发气；铸型温度；铸件结构。铸造合金的收缩收缩的概念；收缩的阶段：1）液态收缩；

2）凝固收缩；

3）固态收缩。影响收缩的因素合金成分；浇注温度；铸件结构和铸型铸件中的缩松和缩孔缩孔：存在于铸件上部或最后凝固的部位，缩孔的外形特征：多呈倒锥形，内表面不光滑。缩孔的形成过程见书图10－4。缩松：多分布于铸件的轴线区域、内浇口附近甚至厚大铸件的整个断面，它分布面广，难于控制。其形成过程见书图10－5。铸造应力及铸件的变形、裂纹热应力；机械应力；铸件的变形及其防止：变形－－铸件厚的部分受拉应力，薄的部分受压应力，内应力超过合金的屈服极限时，铸件就会产生变形。防止：采用同时凝固；反变形法；加强筋。铸件的裂纹及防止：热裂－凝固后期高温下形成的，主要是由于收缩受到机械阻碍作用而形成的。冷裂－在较低温度下形成的，常出现在铸件受拉伸部位。砂型铸造砂型铸造的生产过程及其特点砂型铸造的生产工艺流程见书图10－14。手工造型－操作灵活，生产效率低，铸件质量不高；机器造型－生产量大，但是不能生产厚壁和大型铸件。砂型铸造工艺过程简介造型；熔炼和浇注；落砂与清理。铸造工艺图浇注位置的选择；铸型分型面的选择；工艺参数的确定；铸造工艺图。特种铸造熔模铸造；金属型铸造；压力铸造；离心铸造。常用合金铸件生产特点1）铸铁件灰铸铁：主要采用冲天炉熔炼，砂型铸造，容易铸造薄壁铸件，一般不设置补缩手段，小件可采用湿型铸造。2）球墨铸铁球化处理见图10－32所示。3）可锻铸铁可锻铸铁是用低C低Si的铁水浇注出的白口组织的铸件毛坯，然后经长时间的高温石墨化退火使白口铸件中的渗碳体分解为团絮状石墨，从而得到由团絮状石墨和不同基体组成的铸铁。特点：收缩大，流动性差。4）蠕墨铸铁生产过程和球墨铸铁相似。特点：流动性好，可以浇铸出复杂铸件和薄壁铸件。一般浇注后不进行热处理，铸态时直接使用。铸钢件铸钢分为铸造碳钢和铸造合金钢；铸钢的特点：综合力学性能高于各类铸铁，不仅强度高，且有优良的塑性和韧性，焊接性好；缺点：晶粒粗大、组织不均匀，常存在一些残余应力，需进行热处理。铸钢的熔炼三相电弧炉；感应电炉；平炉。铸钢的铸造工艺特点熔点高（约1500℃）、流动性差、收缩率高（达到2％）。在熔炼过程中易吸气和氧化，在浇注过程中易产生粘砂、浇不足、冷隔、缩孔、变形、裂纹、夹渣和气孔。铸钢所用型砂须有良好的透气性、耐火性、强度和退让性。一般应遵守顺序凝固的原则，设置冒口和冷铁。对薄壁件应遵循同时凝固的原则。第11章压力加工金属的塑性成形又称为压力加工，是指在外力的作用下，使金属坯料产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和力学性能的型材、毛坯或零件的成形加工方法。塑性加工的产品主要有原材料、毛坯和零件三大类。压力加工的方法：轧制、挤压、拉拔、自由锻造、模型锻造和板料冲压压力加工的优缺点压力加工的理论基础金属的纤维组织及锻造比金属的锻造性能金属的变形规律金属的纤维组织及锻造比金属的锻造性能金属的变形规律常用锻造方法自由锻自由锻造，简称自由锻，它是利用锻压设备上下砧块和一些简单通用工具，使坯料在压力作用下产生塑性变形。根据锻造设备类型不同，自由锻可分为锻锤自由锻和水压机自由锻二种。前者用于锻造中、小锻件，后者用于锻造大型锻件。自由锻造具有以下三个特点：自由锻造具有以下三个特点：①自由锻使用工具简单，通用性强，灵活性大，因此适合单件小批锻件的生产。②自由锻件是由坯料逐步变形而成，工具只与坯料部分接触，故所需设备功率比模锻要小得多，所以自由锻适于锻造大型锻件。如万吨模锻水压机只能模锻几百公斤重的锻件，而万吨自由锻水压机却可锻造重达百吨以上的大型锻件。可见，对于大型锻件，只能采用自由锻成型。③自由锻是靠人工操作来控制锻件的形状和尺寸，所以锻件的精度差，锻造生产率低，劳动强度较大。1.自由锻设备根据施加在锻件上作用力的性质，自由锻设备可分为锻锤(空气锤、蒸汽—空气锤)和液压机(水压机、油压机)两大类。锻锤产生冲击力，液压机产生静压力使金属变形。(1)空气锤空气锤的规格以落下部分重量来表示，一般为50～1000㎏。空气锤的特点是：锤头速度可达到7～8m／s，不需要辅助设备，操作方便，但结构较复杂，锤击能力有限，广泛应用于中小型锻件的生产。(2)水压机水压机的优点在于它以静压力代替锻锤的冲击力，上抵铁速度约为0.1～0.3m／s。从而避免了对地基及建筑物的震动，工作环境噪音小，也比较安全。水压机的压力在整个冲程中都是不变的，故能充分利用有效冲程进行锻造，它比锤上锻造容易达到较大的锻透深度，锻件的整个截面可获得细晶粒组织。水压机的缺点是设备庞大，并需一套供水系统和操纵系统，造价较高。水压机的规格用压力来表示，也称吨位。水压机施加的压力可达800～12000吨，所锻钢锭的重量由1吨到300吨，广泛用于碳素钢、合金钢、高合金钢及特殊钢等大型锻件的单件小批生产中。

自由锻件的结构工艺性板料冲压板料冲压是指利用冲模使板料产生分离或变形，从而获得制件的加工方法。板料冲压的特点：生产率高，操作简单，工艺过程易于实现机械化、自动化；冲压件质量好，尺