机械基础（多学时）第3版 课件 4第四章 金属材料与热处理常识

第四章金属材料与热处理常识

机械工程材料是指机械中常用的材料。按化学成分有金属材料

综合性能好，用量最大、应用范围最广

高分子材料质轻、耐腐蚀，常用于化工、机械、航空航天等

陶瓷材料复合材料轻、高的比强度、比刚度，结合两种材料的性能优点， 用于航空航天等领域其中，金属材料是应用最广。各类机械中，金属材料占90%以上。第一节金属材料的力学性能

性能包括两方面材料使用性能材料工艺性能力学性能（强度、塑性韧性等）物理性能（光、热、电、磁等）化学性能（氧化、腐蚀等）加工性能（切削、锻造等）铸造性能（适合铸造与否）焊接性能（容易焊接与否）热处理性能（可热处理强化）规定塑性延伸强度Rp屈服强度Re抗拉强度Rm一、强度和塑性（1）强度：材料抵抗变形和断裂的能力（2）塑性材料断裂前塑性变形的能力断后伸长率AA<2~5%属脆性材科A≈5~10%属韧性材料A>10%属塑性材料断面收缩率Z

二、硬度

硬度：表征材料软硬程度的力学性能。划痕法硬度值（莫氏硬度）弹性回跳法硬度值（肖氏硬度）压入法硬度值（工业中应用广泛）布氏硬度（HBW)(硬质合金球)洛氏硬度(HRC)（锥角为120°的金刚石圆锥体）维氏硬度(HV)（锥面角为136°的金刚石四棱锥体为压头)(1)布氏硬度HB布氏硬度计

适用范围:

＜450HBW;(2)洛氏硬度HRh1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计操作简便、压痕小、测量范围大——应用最广泛(3)维氏硬度HV

测量薄板类;HV≈HBW;适用范围:四、韧性冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图冲击韧性：材料抵抗冲击载荷的能力。是材料强度和塑性的综合表现。指标：冲击消耗能量KV2

冲击韧度ak(ak＝KV2/S

)应用：评价材料韧性的好坏，与屈服强度结合用于一般零件抗断裂设计。试样断口截面积晶体物体内部的原子(或分子)在三维空间中,按一定规律作有规则排列的固体。所有的金属都是晶体。性质:有固定的熔点;各向异性等。1.金属的晶体结构第二节金属材料的晶相组织与铁碳合金相图晶格与晶胞晶格:用以描述晶体中原子排列规律的点阵格架。晶胞:反映晶格组成的最小几何单元。分析晶体结构常从晶胞入手。三种常见的晶体结构a.体心立方晶格*晶胞中含:如：铬(Cr);钼(Mo);钨(W);钒(V);

9120C以下的铁(α-Fe)

等。原子数n=2个原子半径致密度（V原子／V晶胞）K=68%b.面心立方晶格*晶胞中含:如：铝(Al);铜(Cu);镍(Ni);金(Au);

1394-9120C的铁(γ-Fe)

等。原子数n=4个原子半径致密度（V原子／V晶胞）K=74%c.密排六方晶格*晶胞中含:如：镁(Mg);锌(Zn);铍(Be);钛(γ-Ti)等。原子数n=6个原子半径R=a/2致密度（V原子／V晶胞）K=74%晶体结构与性能晶格中原子排列方式的不同，将引起性能的变化。实验表明：

同为立方晶格时，由于面心晶格的滑移方向多于体心晶格，所以面心立方晶格的金属（Cu，A1）塑性最好。

具有立方晶格的金属（Cu、Al）其塑性优于密排六方晶格的金属（Zn，Mg）。

晶体缺陷有点缺陷、线缺陷和面缺陷晶体中原子排列不完整的区域称为晶体缺陷。空位置换原子间隙原子点缺陷线缺陷：例如位错。刃型位错

面缺陷：例如晶界、亚晶界。ABCD

实际金属由于生产工艺等多种原因,总是存在缺陷。晶体缺陷对变形抗力的影响

缺陷密度高时，晶格畸变严重，滑移变形时位错移动困难，晶体的变形抗力大——强度高。点缺陷线缺陷面缺陷强度缺陷密度晶格发生畸变2.合金的相结构合金：由两种或两种以上的金属或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。

纯金属的强度、硬度较低。工程中常用合金来制作力学性能要求高的机械零件和工模具等。合金有固溶体和金属化合物两种相结构。相：合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀组成部分。如（Cu+Zn）黄铜、（Fe+C）碳钢溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的相结构。a.固溶体

固溶体可分为:置换固溶体、间隙固溶体固溶体的力学性能

原子的溶入导致晶格畸变，滑移变形困难，材料的抗力增加，强度与硬度提高。

——固溶强化。

b.金属化合物渗碳体(Fe3C)晶格组元相互作用所形成的具有金属特性的化合物结构。如：铁与碳形成的化合物渗碳体（Fe3C)特点：结构复杂，熔点高、硬而脆。对性能的影响：提高合金的硬度、耐磨性，降低塑性和韧性。

金属化合物一般不用作合金的基体，通常作为材料强化的第二相。

合金中各类结构的组合情况称为合金的组织。包括各组成物的数量、大小、形态、分布及相互间结合状态等。3.合金的组织a.结晶晶粒

金属结晶时，由同一晶核长大而成的小晶体称为晶粒。结晶：合金中原子作有规则排列的过程。晶粒大小对性能的影响晶粒愈细——强度愈高晶界多，晶格畸变大，塑性变形抗力也大。晶粒愈细——塑韧性愈好

细晶粒的金属，变形均匀，不易开裂破坏。

细晶强化：通过细化晶粒而使材料强度提高的方法。b.机械混合物合金的二种组织

单一固溶体机械混合物固溶体A（基体）+固溶体B固溶体

（基体）+化合物

合金中由两相或两相以上组成的多相组织，称为机械混合物。—第二相—第二相机械混合物组织的性能特点性能决定于组成相的性能。其中与第二相在基体上的分布特征有密切的关系。脆性第二相以连续网状分布在晶界上

受力变形时在第二相处将产生严重的应力集中和过早断裂。——随着第二相数量的增加，合金的强度和塑性都下降．

另外,弥散分布不影响基体相的连续性，对合金的塑性、韧性影响较小。

第二相以细粒状弥散分布在基体晶粒内部一方面相界面增多使周围晶格发生畸变，造成滑移抗力增加；更重要的是第二相质点本身成为位错移动的障碍物。必须指出，第二相的分布状况是可以改变的，通过恰当的热处理和热变形加工可以改善第二相的分布状况，从而达到改善性能的目的。例如，对于钢铁，通过适当的锻造和热处理消除网状渗碳体，通过调质热处理方式可以使渗碳体以弥散质点的方式分布，从而获得高强度和高韧性。

第二相呈层片状分布在基体相内部随着层片间距的减小，合金的强度增加而塑性有所下降。层片状的第二相对塑性的不利影响比质点状的第二相要大些。

第三节

铁碳合金

铁碳合金是以铁和碳为基本组元组成的合金，是钢和铸铁的统称。由于钢铁材料具有优良的力学性能和工艺性能，在机械工程中成为应用最广泛的金属材料。

一、铁碳合金的基本组织及其性能

1．铁素体

铁素体是碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体，用符号F表示。

铁素体溶解碳的能力很小，727℃时，达到最大溶碳量0.0218%，其强度、硬度低，塑性、韧性好。

2．奥氏体

奥氏体是碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体，用符号A表示。奥氏体是存在于727℃以上的高温相。性能与其溶碳量及晶粒大小有关，奥氏体的硬度不高，而塑性、韧性较好。因塑性好便于成形加工，所以生产中钢材大多数要加热至高温奥氏体状态才进行锻压加工。

3．渗碳体

渗碳体是铁与碳的金属化合物，用符号Fe2C表示。渗碳体的Wc=6.69%，具有复杂的晶格结构。渗碳体硬度很高，脆性很大，塑性和韧性几乎等于零，不能单独使用。

4．珠光体

铁素体和渗碳体的机械混合物称为珠光体，用符号P表示。珠光体的Wc=0.77%，其力学性能介于铁素体和渗碳体之间，强度、硬度较高，具有一定的塑性和韧性，是一种综合力学性能较好的组织。

5．莱氏体

莱氏体是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，用符号Ld表示。莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性、韧性极差。

二、铁碳相及其应用

1．铁碳相图

铁碳相图是表示在缓慢冷却（加热）条件下，不同成分的钢和铸铁在不同温度下所具有的组织（平衡组织）或状态的一种图形。铁碳合金按碳的质量分数和平衡组织的分类工业纯铁Wc<0.0218%组织：铁素体铁碳合金的分类钢亚共析钢（Wc<0.77%）共析钢（Wc＝0.77%）过共析钢（Wc>0.77%)组织：铁素体和珠光体组织：珠光体和二次渗碳体组织：珠光体白口铸铁亚共晶白口铸铁(Wc>2.11%)组织：珠光体＋莱氏体共晶白口铸铁(Wc＝4.3%)组织：莱氏体过共晶白口铸铁(Wc>4.3%)组织：一次渗碳体＋莱氏体2．含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响

铁碳合金的成分、组织、力学性能等变化规律如图3—8所示。

3．铁碳相图的应用

（1）在选材方面的应用

（2）在制定工艺规范方面的应用

1)在铸造生产上的应用

2)在锻压工艺方面的应用

3)在热处理方面的应用

三、钢的热处理方法简介

（一）热处理的概念

钢的热处理是指将钢在固态下采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织结构与性能的工艺。

常用热处理工艺可分为普通热处理（退火、正火、淬火和回火）和表面热处理（表面淬火和化学热处理）。

钢的加热是热处理的第一道工序，图3-11表示了不同成分的钢在加热与冷却时相变临界点的位置。

（二）钢的常用热处理方法

1．钢的退火与正火

退火与正火是钢的基本热处理工艺之一，其目的主要在于消除钢材经热加工所引起的某些缺陷，或者为以后的加工做好准备，故称为预备热处理。

（1）退火

将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺称为退火。退火工艺主要特点是缓慢冷却。退火的主要目的是：

1）降低硬度，提高塑性。

2）细化晶粒，消除组织缺陷。

3）消除内应力。

根据退火工艺与目的不同，退火常分为完全退火、球化退火、等温退火、均匀化退火、去应力退火和再结晶退火等。

（2）正火

正火是把工件加热到Ac3或Accm以上30～50℃，然后在空气中冷却的工艺。与退火相比，正火冷却速度稍快，过冷度较大，因此正火后的组织比较细，强度、硬度比退火高一些。生产中常用正火来改善低碳钢的切削加工性能。对于力学性能要求不太高的普通零件，也可考虑采用正火处理作为最终热处理。

2．钢的淬火

淬火是将钢件加热到相变点Ac3或Ac1以上30～50℃,保温一定时间，然后快速冷却，获得马氏体（或贝氏体）组织的热处理工艺。淬火是强化钢铁零件最重要的热处理方法。

（1）淬火的目的

淬火的目的主要是使钢件得到马氏体（或贝氏体）组织，使零件通过适当回火，能获得所需要的使用性能。

（2）淬火方法及其应用

为了保证钢淬火后得到马氏体，同时又防止产生变形和开裂，应选择合适的淬火方法。常用淬火方法如图3-13所示，图中MS是指马氏体开始转变温度（约为230oC）。

①单液淬火②双液淬火③分级淬火④等温淬火

3．钢的回火

将淬火钢重新加热到A1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺，称为回火。它是紧接淬火的热处理工序。

（1）回火的目的

回火的目的是减少内应力；稳定组织，使工件形状、尺寸稳定；调整组织，消除脆性，以获得工件所需要的使用性能。

（2）回火的方法及应用

1）低温回火（150℃～250℃）回火后的硬度一般为58～64HRC。低温回火一般用于表面要求高硬度、高耐磨的工件，如刀具、量具、冷作模具、滚动轴承、渗碳件、表面淬火件等。

2）中温回火（350℃～500℃）中温回火后的硬度为35～50HRC。中温回火一般用于要求弹性高、有足够韧性的工件，如弹簧、弹性元件及热锻模具等。

3）高温回火（500℃～650℃）（调质）高温回火后的硬度一般为220～330HBS。通常将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理，调质处理广泛用于汽车、拖拉机、机床等重要的结构零件，如连杆、螺栓、齿轮及轴类。

4．钢的表面热处理

表面热处理又分为两类：一类是只改变表面组织而不改变表面化学成分的热处理，称为表面淬火。另一类是同时改变表面化学成分及组织的热处理，称为化学热处理。

（1）钢的表面淬火

表面淬火是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而中心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。它是通过快速加热，使钢件表面层很快达到淬火温度，在热量来不及传到中心就立即迅速冷却，实现表面淬火。常用的表面淬火有感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。1）感应加热表面淬火

依靠感应电流的热效应，使工件表层在几秒钟内快速加热到淬火温度，然后立即冷却，达到表面淬火目的。生产效率高，易实现机械化和自动化，适宜批量生产。

2）火焰加热表面淬火

火焰加热表面淬火是应用氧—乙炔或其它可燃气的火焰，对工件表面进行加热，然后快冷的淬火工艺。火焰加热表面淬火的操作简便，不需要特殊设备，成本低。适用于大型、异型、单件或小批量工件的表面淬火。

（2）钢的化学热处理

化学热处理是将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入钢的表层，以改变工件表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理不仅改变了钢件表层的组织，而且表层的化学成分也发生了变化。在制造业中，最常用的化学热处理有渗碳、渗氮和碳氮共渗。

1）钢的渗碳

渗碳是将工件置于渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入表层的热处理工艺。其目的是为了增加工件表面碳的质量分数。经淬火、低温回火后，工件表层具有高硬度(58～64HRC)和高耐磨性；心部具有高的塑性、韧性和足够强度，以满足某些机械零件的需要。如汽车发动机的变速齿轮、变速轴、活塞销等。

2）钢的渗氮

渗氮是在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。渗氮又叫氮化，其目的是提高工件表层的硬度、耐磨性、红硬性、疲劳强度和抗蚀性。

渗氮主要适用于表面要求耐磨、耐高温、耐腐蚀的精密零件，如精密齿轮、精密机床主轴、气缸套、阀门等。

3）钢的碳氮共渗

碳氮共渗是碳、氮原子同时渗入工件表面的一种化学热处理工艺。这种工艺是渗碳与渗氮的综合，兼有二者的优点。（三）钢的淬透性与淬硬性1.钢的淬透性钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体组织的难易程度。钢的淬透性往往与钢有成分有关，如含有合金元素(Co除外)的钢，其淬透性会比普通碳钢好。钢的淬透性好则热处理后，由表及里均可得到较高的力学性能。因此，对于承受较大负荷的结构零件，都应选用淬透性较好的钢。此外，对于淬透性好的钢，在淬火冷却时可采用比较缓和的淬火介质，以减小淬火应力，从而减少工件淬火时的变形和开裂倾向。2.钢的淬硬性钢的淬硬性是指钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。淬硬性的高低主要取决于钢中含碳量。

淬硬性与淬透性是两个不同的概念。如碳素工具钢淬火后的硬度虽然很高(淬硬性好)，但淬透性却很低；而某些低碳成分的合金钢，淬火后的硬度虽然不高，但淬透性却很好。各种钢的淬透性、淬硬性可从有关手册中查出。

四、工业用钢

钢的分类

钢是含碳量在2.11%以下，并含有其它元素的铁碳合金。

按化学成分分类非合金钢

指在碳素钢的基础上加入合金元素而得到的钢种低合金钢和高合金钢

指含碳量小于2.11%的铁碳合金低碳钢（Wc<0.25%)中碳钢(0.25%Wc0.6%)高碳钢(Wc>0.6%)锰钢铬钢铬镍钢、铬锰钢铬锰钛钢

按用途分类结构钢：用于制造工程构件和机器零件，如桥梁、船舶、建筑和齿轮、轴、连杆等零件。工具钢：用于制造各种刃具、量具、模具，如锯条、油标卡尺、冷作模具等。特殊用途钢：主要有不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。

按质量分类

硫磷杂质含量越少，钢的质量越高！（一）结构钢1.普通质量结构钢

直接保证力学性能。通常不经过热处理，在供应状态下用。牌号Q数字“屈”的汉语拼音第一个字母屈服强度(MPa)用途:碳结钢用于一般工程结构及普通零件(如各种型材和螺栓、螺母等)；低合金结构钢用于在大气和海洋中工作的结构件(如桥梁、建筑、压力容器等)。Q235,Q345Q数字-A(B,C,D)·F(b)A,B,C,D钢的含硫、磷量依次降低，质量变好F沸腾钢b表示半镇定钢

例分碳素结构钢和低合金结构钢性能：好的塑性韧性及焊接性能，低合金结构钢性能更好。鸟巢:Q4602.优质结构钢

保证化学成分和力学性能，常用热处理改善性能。0808F1010F可冷轧成薄板，用于仪器仪表外壳、汽车车身等404550用于承载零件，如齿轮、轴、连杆等

6065 主要用于弹簧类零件优质碳素结构钢典型牌号及应用塑性韧性好，冷成型性和焊接性能好。综合性能好弹性极限高特殊情况：轴承钢G，高级优质钢A数字+合金元素符号+数字45Mn240Cr（1）渗碳钢（通常经过渗碳、淬火回火后使用）常用牌号：2020CrMnTi20CrMn20MnTiB等最终热处理：渗碳+淬火+低温回火组织：表面：高碳回火马氏体+碳化物58~64HRC

心部：铁素体+低碳回火马氏体40~48HRC性能：“表硬心韧”应用：同时承受冲击,摩擦的零件。如汽车、机床齿轮，内燃机的凸轮轴等成分：低碳(Wc：0.12~0.25%)，常加元素Cr,Ni,Mn,B

微量元素V,Ti,W,Mo（2）调质钢：(通常经过调质处理后使用)常用牌号：4540Cr40MnB35CrMo38CrMoAlA热处理：调质处理，获得回火索氏体组织25~35HRC应用：承受较大载荷的零件.如机床主轴、发动机曲轴、连杆螺栓、传动齿轮等。性能：良好的综合性能（即高强度、好的塑性韧性）成分：中碳（Wc：0.25~0.50%

，多数0.4%）,合金元素：Mn,Cr,Si,Ni,B,Mo,W等。

成分：Wc0.45~0.70%，多数0.6%，合金元素及作用：Si,Mn,Cr,V，Nb,Mo,W。常用牌号：606560Si2Mn50CrVA最终热处理：淬火+中温回火，获得回火屈氏体组织38~45HRC性能：具有高的弹性极限、高的疲劳强度和足够的塑性韧性。应用：用于制造弹性零件,如汽车、火车的板弹簧,螺旋弹簧等。（4）轴承钢（用于制造滚动轴承及量具、冲模等耐磨件）两大类：高碳铬轴承钢GCr15、GCr15SiMn(含Cr1.5%)

高碳无铬轴承钢GMnMoVREGSiMnMoV（3）弹簧钢最终热处理：淬火+低温回火，获得回火马氏体+细粒碳化物组织

61~65HRC性能：高的接触疲劳强度、高的硬度、耐磨性及一定的韧性。3.铸造碳钢ZG200-400表示其屈服点为200MPa,其抗拉强度为400MPa。通过铸造生产获取零件毛坯所用的碳素钢。性能：与铸铁相比有较高的强度、塑性和韧性成分：Wc0.15%～0.6%牌号：常用牌号：ZG200-400、ZG270-500最终热处理：正火或调质应用：结构形状复杂、尺寸较大、力学性能要求高的铸件。（二）工具钢合金工具钢：数字+合金元素符号+数字含碳量的千分数（限一位）合金元素平均质量的百分数说明：Wc>1%时，不标数字；高速钢例外。

分为碳素工具钢、低合金工具钢、高合金工具钢。按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢。牌号表示碳素工具钢：T+数字（A）含碳量的千分数高级优质钢例：T10A例：9SiCr、Cr121.量具刃具钢性能要求为：①高硬度；②高的耐磨性；③高的热硬性（在高温下保持高硬度的能力）；④足够的强度和韧性。

(1)碳素工具钢成分含碳量wc

0.65%～1.35%，淬火后有足够高的硬度热处理预备热处理为球化退火最终热处理是淬火+低温回火组织回火马氏体+粒状渗碳体60~64HRC性能价格低，工艺性好。但淬透性差、热硬性差。

常用牌号

T7、T8、T9、T10、T11、T13

用途：形状简单的手工具（2）低合金量具刃具钢成分wc

0.9%～1.1%，合金元素为Cr、Mn、Si、W、V

合金元素的作用是提高淬透性，提高回火稳定性，提高硬度和耐磨性，细化晶粒、降低过热敏感性。牌号典型代表为9SiCr、CrWMn热处理球化退火；淬火+低温回火。组织回火马氏体+粒状碳化物60~65HRC用途：形状复杂的低速刃具及冷作模具、量具

（3）高速工具钢成分wc

0.7%～1.6%，加入的合金元素为W、Mo、Cr、V。

热处理锻造后球化退火，最终热处理为淬火+多次回火。

组织回火马氏体+粒状碳化物

63~66HRC

性能特点热硬性高钢种、牌号钨系W18Cr4V

钨钼系W6Mo5Cr4V2

用于切削速度较高、载荷较大、形状复杂的刃具

淬火温度的选择：最佳的淬火温度为1280℃。高速钢通常采用550～570℃多次回火的方式。特殊碳化物W2C或Mo2C呈细小弥散状从马氏体中析出，从而提高了钢的硬度，即“弥散强化”。另外，在此温度范围内，碳化物会从残余奥氏体中析出，即“二次淬火”。由于以上原因，在回火时便出现了硬度回升的“二次硬化”现象。经三次回火后，其组织为回火马氏体+少量碳化物+未溶碳化物。2.模具钢分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢等。

(1)冷作模具钢(实际温度不超过200～3000C)

失效及性能要求磨损、崩刃或疲劳断裂等。性能要求应具有高硬度、高耐磨性、足够的韧性和疲劳抗力。成分wc为1.3%～2.3%，主加元素为Cr，辅加元素为Mo、V。

铬的主要作用是提高淬透性和回火稳定性，形成铬的碳化物，提高耐磨性。钼和钒的作用是细化奥氏体晶粒，提高耐磨性。

热处理通过轧制将网状共晶碳化物打碎。常用热处理：淬火+低温回火牌号Cr12、Cr12MoV、7Cr7Mo3VSi(新钢种）。(2)热作模具钢(型腔表面温度可达6000C。)失效及性能要求：磨损、塌陷、崩裂及龟裂等。性能要求

1）高的热硬性和高温耐磨性。

2）高的抗氧化能力，高的热强性和足够高的韧性。

3）高的热疲劳抗力。

组织回火马氏体+少量碳化物58~62HRC

成分wc

0.3%～0.6%，保证足够的强度和韧性。主加元素为Cr、Ni、Mn、Si等，辅加元素为Mo、W、V。

合金元素的作用是提高淬透性，提高回火稳定性；防止第二类回火脆性，产生二次硬化，阻止奥氏体晶粒的长大。

牌号5CrMnMo、5CrNiMo。热处理淬火+高温回火，得到回火索氏体组织40HRC3.量具钢

性能①高的硬度和耐磨性；②高的尺寸稳定性，热处理变形小。

成分高碳（Wc

0.9%～1.5%）提高淬透性的元素（Cr、W、Mn）等。(3)塑料模具钢牌号一般注塑模4Cr5MoSiV、热固性塑料模9MnVCr127CrSiMnMoV

热处理淬火+低温回火稳定处理导致量具尺寸变化的因素：残余奥氏体转变成马氏体，引起体积膨胀；马氏体分解，体积收缩；残余应力的变化和重新分布，使弹性变形部分转变为塑性变形。1）冷处理的目的是使残余奥氏体转变为马氏体，减少残余奥氏体量。

2）时效处理的目的是消除残余应力，稳定马氏体和残余奥氏体。可选钢种、牌号20、20Cr；T12A；GCr15、CrWMn、Cr12(三)

特殊钢用于制造在特殊环境（腐蚀、高温等）下具有特殊性能的构件和零件的钢材，称特殊性能钢。

1.不锈钢不锈钢是不锈钢和耐酸钢的统称。是在大气或腐性环境中具有高度化学稳定性、抵抗腐蚀的一类钢。

金属腐蚀及防止（1）化学腐蚀金属与化学介质直接产生化学反应而造成的腐蚀。防止措施是加入Si、Cr、Al等能形成致密保护膜的合金元素。（2）电化学腐蚀是指金属在腐蚀介质中由于形成原电池，阳极失去电子而腐蚀。防止方法：①使金属具有均匀的单相组织，减少原电池形成的可能性；②减少两极的电极电位差，提高阳极的电极电位；③表面形成致密的、稳定的保护膜，减少甚至阻断腐蚀电流。

常用不锈钢（1）铁素体型wc＜0.35%,Wcr=12%～30%,具有较好的塑性，强度不高，对硝酸、磷酸有较高的耐蚀性。06Cr13Al10Cr17

（2）奥氏体型wc＜0.25%，Wcr＞16%，WNi＞7%，热处理方式为固溶处理（850～950℃加热，水冷），得单相奥氏体组织。再加稳定化退火（850～950℃加热，空冷），以避免晶间腐蚀的产生。06Cr19Ni10

耐蚀性很好，优良的塑性、韧性和焊接性，缺点是强度低。

（3）马氏体型wc≤1.2%，Wcr=11%～20%,典型的为Cr13型。热处理方式：12Cr13、20Cr13为淬火+高温回火，作为结构件使用；30Cr13、68Cr17为淬火+低温回火，具有高硬度、高耐磨性。成分不锈钢的wc为0.08%～0.95%，主加元素为Cr、Cr-Ni，辅加元素为Ti、Nb、Mo、Cu、Mn、N。2.耐热钢耐热钢的工作条件在300℃以上的温度下长期工作。失效方式：剧烈氧化，强度急剧下降而破坏。性能要求是：①高的抗氧化性；②高的高温力学性能；③组织稳定性高；④膨胀系数小，导热性好。

提高钢的抗氧化性和热强性的途径加入Cr、Si、Al，通过形成致密稳定的合金氧化膜层，降低甚至阻止氧化膜的扩散。

通过固溶强化、第二相强化、粗化晶粒提高金属的热强性。

常用耐热钢

(1)铁素体型耐热钢如06Cr13Al、20Cr25N等。用来制造受力不大的炉用零件和热交换器：燃气机燃烧室、锅炉吊钩、加热炉底板等。(2)珠光体型耐热钢常用牌号是15CrMo和12CrMoV。工作温度低于600℃的构件。一般在正火+高温回火（高于使用温度100～150℃）状态下使用。(3)马氏体型耐热钢常用钢种为Cr12、Cr13型，多用于制造600℃以下受力较大的零件，如汽轮机叶片等。一般在淬火+高温回火状态下使用。(4)奥氏体型耐热钢常用的钢种是06Cr19Ni10。工作温度可达750～800℃，常用来制作一些比较重要的零件如燃气轮轮盘和叶片等。一般进行固溶处理或固溶+时效处理。3.耐磨钢失效方式和性能要求失效方式为磨损，主要要求是有很高的耐磨性和韧性。

成分特点

wc为0.9%～1.5%，WMn11%～14%，另外还有WSi0.3%～0.8%。

高锰的目的是与碳配合保证完全获得奥氏体组织，提高钢的加工硬化速率。硅是为了改善钢的流动性，起固溶强化作用，提高钢的加工硬化能力。牌号为ZGMn13，也称为高锰钢。

性能特点有很高的韧性，在受到强烈的冲击载荷和强大的压力下，表面会迅速产生加工硬化，使表面层硬度、耐磨性显著提高，而心部仍保持为原来的高韧性状态。适合于制造履带板、铲斗齿、防弹板等。五、铸铁

铸铁是指的铁、碳和硅组成的合金。

与碳钢不同，铸铁的碳、硅含量较高，杂质元素锰、硫、磷较多。铸铁加合金元素后可以得到合金铸铁。

铸铁有优良的铸造性能、切削加工性能、减摩性及减振性，成本低廉，是最重要的铸件用材料。铸铁的分类（按石墨化程度分类）

1)灰口铸铁：碳主要以石墨形式存在，应用广泛。

2)白口铸铁：碳主要以Fe3C形式存在。（很少应用）3)麻口铸铁：碳部分以石墨、部分以Fe3C形式存在（少用）灰口铸铁分类（以石墨形态分类）

1、灰铸铁：石墨为片状；组织：钢的基体（F、F+P、P）+G(片)

破坏了基体的连贯性能：抗压不抗拉；耐磨、消振性好；缺口敏感性低；牌号：HT+数字→表示最低抗拉强度。应用：机床床座，床身、工作台；汽车拖拉机的汽缸、汽缸套等。

2、球墨铸铁：石墨为球状；

组织：钢基（F、F+P、P）+G（球）基体的连贯性好性能：良好的抗拉强度，弯曲疲劳强度，塑性、韧性；优异的铸造性，可切削加工性。（可热处理或合金化）；牌号：QT+数字-数字球铁最低抗拉强度断后伸长率应用：F+G:汽车拖拉机底盘零件；阀体、阀盖；

F+P+G:机油泵齿轮；

P+G:代替中碳钢制造内燃机曲轴、车床主轴。3、可锻铸铁：石墨为团絮状（不可锻造）

制备：（不同于其它几类铸铁）将亚共晶白口铸铁进行石墨化退火，Fe3C在固态下分解形成团絮状石墨。（9000C---9800C保温15小时左右。）组织：钢基（F、P）+G（团絮）性能：介于灰铸铁和球墨铸铁之间（相对于片状石墨，团絮状石墨对基体的切割作用小）。牌号：KT（H、Z）+数字—数字（最低抗拉强度+断后伸长率）应用：形状复杂、承受一定冲击载荷的薄壁零件。（汽车的前后轮壳，给水管件等）4、蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状和球状（少量）组织：钢基（F、F+P、P）+G（蠕虫状、球状）；性能：蠕虫状石墨长宽比小，尖端圆钝对基体切割作用小。抗拉强度、塑性、疲劳强度>灰铸铁导热性、铸造性、可切削性>球墨铸铁

牌号：RuT+数字（最低抗拉强度）应用：热循环载荷条件下的钢锭模，柴油机汽缸、气缸盖、排气管、刹车件等。

第四节

有色金属与粉冶材料

有色金属是指除钢铁（黑色金属）以外的其它金属。粉冶材料是指通过粉末冶金的方法制取的材料。由于有色金属、粉冶材料具有某些特殊的物理、化学及力学性能，已成为现代工业中不可缺少的材料。

一、铝及铝合金

1.工业纯铝

纯铝呈银白色，其密度小（2.7g/cm2），熔点低（660℃），有良好的导电性，在大气中有良好的耐蚀性。铝的强度、硬度低（σb≈80～100Mpa），但塑性好（δ=50%），能承受各种冷、热加工。

工业纯铝主要用于熔制铝合金,制造电线、电缆以及要求具有导热、抗蚀而对强度要求不高的一些用品和器皿等。工业纯铝的牌号有1060、1035、1200等，编号越大，纯度越低。

2.铝合金

纯铝的强度低，不适宜做结构材料，但如果加入适量的硅、铜、镁、锌、锰等合金元素形成铝合金，则具有密度小，比强度（强度极限与密度的比值）高、导热性好等优良性能。若经过冷加工或热处理，还可进一步提高其强度。铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。

（1）变形铝合金

变形铝合金在加热时能形成单相固溶体组织,塑性好，能进行各种压力加工。变形铝根据性能特征可分为下列四类，它们的牌号、成分、性能及用途见表3-17。

1）防锈铝

有Al-Mn和Al-Mg两系。其特点是耐蚀性好，塑性的焊接性能良好，均不能进行热处理方法强化，只能用冷变形强化。

2）硬铝

主要有Al-Cu-Mg系。铜和镁元素的加入可形成强化相，这类合金能进行热处理强化。经淬火时效，强化相均匀弥散分布，能显著提高其强度和硬度，这类铝合金主要性能特点是强度大、硬度高。

3）超硬铝

是Al-Cu-Mg-Zn系合金。与硬铝合金相比，超硬铝合金时效中能产生更多的强化相，强化效果更显著，所以其强度、硬度更高。

4）锻铝

锻铝合金多为Al—Cu—Mg—Si系。这类合金在加热状态下有良好的塑性和较好的耐热性，具有良好的锻造性。进行淬火时效后有较高的强度，其强度和硬度可与硬铝合金相媲美。

（2）铸造铝合金

具有良好的铸造性能，但塑性较低，不能承受压力加工。按其主加合金元素的不同，铸造铝合金可分为Al-Si系、Al-Cu等、Al-Mg系、Al-Zn系四种。

铸造铝合金多用于制造质量轻、耐腐蚀、形状复杂、要求有一定力学性能的铸件生产。常用铸造铝合金中以铝硅铸造铝合金应用最广泛。

二、铜及铜合金

1．工业纯铜

其密度为8.9/cm3，熔点为1083℃，具有优良的导电性和导热性，抗蚀性好；塑性好，能承受各种冷压力加工，但强度低。工业纯铜一般被加工成棒、线、板、管等型材，用于制造电线、电缆、电器零件及熔制铜合金等。

2．铜合金

按照化学成分不同，铜合金可分为黄铜、青铜和白铜三类。常用的是黄铜和青铜。白铜是以镍为主要合金元素的铜合金，一般很少应用。

（1）黄铜

黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金。黄铜又分为普通黄铜（又称简单黄铜）和特殊黄铜（又称复杂黄铜）。1）普通黄铜（以锌和铜组成的合金）普通黄铜的牌号用“H+数字”表示。H表示黄铜，数字表示铜的质量分数，如H68表示铜的质量分数为Wcu=68%，其余为锌。

普通黄铜的力学性能、工艺性和耐蚀性都较好，应用较为广泛。

2）特殊黄铜

在普通黄铜的基础上加入铅、锡、铝、锰、硅等合金元素构成特殊黄铜。其目的是为了改善黄铜的某些性能，如加入铅可以改善切削加工性；加入铝、锡能提高耐蚀性，加入锰、硅能提高强度和耐蚀性等。

常用的特殊黄铜有铅黄铜、铝黄铜、锰黄铜、硅黄铜等。

（2）青铜

青铜是除黄铜、白铜以外的铜合金。它又分为普通青铜（锡青铜）和特殊青铜两种。

1）锡青铜

锡青铜是以锡为主要合金元素的铜合金。它最主要的特点是具有良好的力学性能、耐蚀性和减摩性，较多地用于轴承、蜗轮、丝杆螺母等零件的制造。

2）特殊青铜

加入其它元素代替锡的青铜，称为特殊青铜，又称为无锡青铜。

铝青铜——以铝为主要合金元素的铜基合金称为铝青铜。铝青铜主要用于在海水或高温下工作的零件和高强度耐磨零件，是各种青铜