机械工程材料培训教程

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第0章绪论

目的与要求：本章要紧讲授材料与机械的关系，其目的是使学生明确常用机械工程材料的分

类。

重点与难点：常用机械工程材料的分类。

学时的分配：2学时。

1材料的分类

机械有许多种：无上飞的有飞机、火箭，路上跑的有汽车、自行车，水里游

的有船舶、潜艇等。大到排水儿十万吨的航空母舰，小到能够钻进人体血管的微

型机器人。它们都是用各类各样的材料制作而成的。

按照构成材料的构成不一致，人们通常将机械工程材料分成金属材料、非金

属材料两大类（表0-1）。

表07机械工程材料的分类

灰口铸铁、球墨铸铁、碳素钢、

黑色金属材料如铁、钢等

金属合金钢等

机材料纯铜、黄铜、青铜、纯铝、铝

有色金属材料如铜、铝等

械合金、纯铁、然合金等

X热料性塑料、热固性塑料、天

高分子材料如塑料、橡胶等

程然或者合成橡胶等

材非金属粘土陶瓷、氧化物陶瓷、缸化

陶瓷材料如普通陶无、特种陶竟等

料材料物陶瓷等

如粒子增强复合材料、纤纤维树脂复合材料、纤维金属

复合材料

维增强复合材料等复合材料等

资料来源：SeropeKalpakjianandStevenR.Schmid,ManufacturingEngineeringandTechnology(4lhEdition),

北京：高等教育出版社，2005年3月，P28

在迄今为止的元素周期表的109种元素中，金属元素有86中，占78.9%,

居绝对领先地位。

另一方面，国际钢铁协会(InternationalIronandSteelInstitute)批露的数据显

示，2006年全球粗钢产量上升9%,至12.17亿吨。2007年产量为13.44亿吨。

中国投资网数据说明，合成树脂产量2005年全球为1.8029亿吨，中国为2142

万吨，2006年中国为2984万吨(表()-2)。

表0-2中国与全球钢铁、塑料产量/万吨

2006全球2006中国2007全球2007中国

钢铁产量121,70041,900134,40048,900

工程塑料

18,029(05)2142(05)2984

(合成树脂)

钢铁：塑料约7：1约20：1约16：1

2材料的性能

人们用金属制作汽车，用铜或者铝制成电线，用陶瓷制作火花塞，用橡狡制

作皮带，用铅制作蓄电池，等等。

这是为什么呢？由于每种材料都有自己特殊的性能：黑色金属强度高、有色

金属导电性好、陶瓷耐高温、橡胶有良好的耐磨性、铅能够作为电极。

材料性能的分类：物理性能、化学性能、力学性能等。其中，力学性能又包

含硬度、强度、塑性、韧性等等。

3材料的应用

表0-3一辆典型汽车所含有的常用材料/kg

金属材料非金属材料

钢铸铁铝铜锌铅塑料橡胶玻璃木头陶无

153035030162615556052少量少量

黑色金属1880/88.1%有色金属87/4.1%高分子材料115/5.4%其他52/2.4%

资料来源：：P.N.Rao,ManufacturingTechnology-------Foundry,FormingandWelding,北京：机械工业出成

社，2003年2月，P22

PlasticbumjKMK

C'asiironorSteelorrcinforced-

dashlxtards.5catsGlasswindows

uluniinunplastictxxly

engineblockIMastic

Ceramictaillight

sparkplug

Copper

winng

windshield

washerfluid

tank

Steelor

aluminumframe

wlieels

图07常用材料在汽车中的典型应用

资料来源：ScropcKalpakjianandStevenR.Schmid,ManufacturingEngineeringandTechnology(4thEdition),

北京：高等教育出版社，2005年3月，P27

TiorAlalloy

low-pressureNialloy

compressorhighprvssun*

turbineNi

Niallaylow-pressure

TiorNialloycombustionturbine

high-pressurechamfer

compressor

TurbineTurbine

bladesexhaust

Nialloycase

Nialloy

Accessory

section

cawAlalloy

AlalloyorFealloy

图0-2常用材料在航空发动机中的典型应用

资料来源：SeropeKalpakjianandStevenR.Schmid,ManufacturingEngineeringandTechnology(4thEdition),

北京：高等教育出版社，2005年3月，P86

由此可见，金属材料是最重要、应用最广泛的机械工程材料。每种材料都具

备自己特有的性能，能够应用在特定的场合。正确地为机器零件选用合适的材料

是每个工程技术人员应尽的责任与重要的任务。

本章小结：兴趣是学习任何知识的前提，机械工程材料也不例外。在讲授本章内容时，要通

金属晶体的特点：

第一，熔点一定：比如Fe的熔点是1538℃。

第二，各向异性：比如bcc的铁在［111］方向的弹性模量为248200Mpa,而

在［100］方向仅有132300Mpao

第三，外形规则。

4常见的金属晶格类型

金属晶体对称性高，90%属于下列三种晶格。

表17常见金属晶体的单胞

晶格种类体心立方/bcc面心立方/fee密排六方/hep

P5Fig1-5

单胞内原子数246

致密度68%74%74%

最密排面(110)(111)

最密排方向[1HJ[HO]

a-Fe,Cr,Mo,W,V,y-Fe,Ni,Cu,Al,Au,

典型金属Mg,Zn,Cd,Be等

Nb,p・Ti等Ag等

最密排面之间的距离大，作用力小。

最密排方向原子密度大，结合力强。

5金属的特性及其原因

第一，良好的导电性：原因是大量的自由电子存在。

第二，良好的导热性：原因是大量的正离子存在。

第三，良好的塑性：原因是靠金属键结合。

第四，不透明与特殊的金属光泽。

6金属的结晶

结晶：由液态金属向原子规则排列、形成金属晶体的过程就称之结晶。

结晶产品能够只是半成品（铸锭），也能够是成品（铸件）。

液态金属与固态金属的自由能都随着温度而降低，但是，液态金属降低的、

得比固态金属快。在某个时刻二者自由能刚好相等。这个温度就是理论结晶温度。

记为T。。实际上，在几温度下，液态与固态金属互相转变，不可能真正发生结

晶。而总是在低于To的某个温度（实际结晶温度「）时才真正开始结晶。

过冷度：金属的实际凝固温度与理论凝固温度之差。AT=To-Tn

金属结晶务必是一个自由能降低的自发过程。这也说明了为什么需要一定的

过冷度。

金属结晶是一个过程，要经历形核与核心长大两个阶段。

自发形核：直接在液态金属中产生晶核，称之自发形核。

非自发形核：依靠外来固体粒子形成的晶核.就是非自发形核。

晶核的长大总是与温度梯度的方向相反，同时总是长成树枝状（P13

Figl-lDo

晶界：金属结晶时，将杂质推挤到两晶体交界处形成的不规则边界。

晶粒：由晶界包围的晶体。

7实际使用的工程材料——金属

都是多晶体，晶体内是有缺陷的：点缺陷（空位、间隙原子、置换原子）、

线缺陷（位错）、面缺陷（亚晶界、晶界）。

铸锭组织分成细晶粒区（很薄，性能良好）、柱状晶粒区（发达，性能有方

向性、显微孔洞少、组织致密、但交界薄弱）与中心等轴晶粒区（较发达，性能

没有方向性、但显微孔洞多、不太致密）。

8对技术工作者的要求

通过细化晶粒获得铸件的高性能（适当增大过冷度、加孕育剂进行变质处

理、）、设计时尽量使用尖角。

本章小结：本章要紧讲述金属晶体的种类与不一致晶体所表现出的性能差异。内容抽象不易

引起学生注意，应当时时提醒，适当练习巩固理论学习成果。

本章作业：自教材P21〜22中选做。

第2章金属的塑性变形与再结晶

目的与要求：本章要紧讲授金属材料的变形机理，让学生熟悉在使用情况下金属材料的变形

及其对机械正常工作的影响。

重点与难点：金属材料在冷、热加工时所表现的特性及其原因。

学时的分配：2学时。

1为什么要研究塑性变形

一方面，铸态组织存在不足：晶粒粗大、组织不均匀、成分存在偏析、性能

不高。重要的机械零件总是使用压力加工的方法成形。压力加工方法要紧有锻造、

轧制、拉拔、挤压等。以克服铸件的不足。

另一方面，机械零件工作过程中，总是受力的，因而也总会发生变形。人们

希望，机械零件的变形务必在弹性变形的范围内，同时越小越好。决不同意发生

塑性变形。

2变形及其分类

变形：金属在外力作用下，发生形状与尺寸的改变。

弹性变形：外力去除后，能恢复到原先形状的这种变形称之弹性变形。

塑性变形：外力去除后，不能恢复而保留卜来的这种变形称之塑性变形。

低碳钢的拉伸试样与拉伸曲线：P24Fig2-1

应

力

Ob

图27低碳钢的拉伸曲线

通过拉伸能够测定金属材料的屈服强度、抗拉强度（强度极限）、延伸率、

断面收缩率等力学性能指标。

3金属塑性变形的方式

单晶体的塑性变形方式：滑移（一部分相对另外一部分的移动）与李生（一

部分相对另外一部分的转动）。

对多晶体（常用工程材料）而言，塑性变形比单晶体要复杂得多。晶粒内部

的变形方式与单晶体相同，有滑移与李生两种方式。由于晶界的存在，首先，滑

移不易从一个晶粒传递到相邻的另一个晶粒，表现出阻碍作用，因而需要更大的

外力（表现为强度增加）。其次，晶界两侧晶粒的位向可能不一致，他们内部滑

移系有的可能开动，有的不能开动，有的受拉有的受压甚至受扭，使滑移不能协

调而变形困难（表现为强度增加）。第三，多晶体内满足滑移系能够开动条件的

晶粒数量较多，使变形分散在较多的晶粒内，不易产生应力集中，结果同意承受

较大的塑性变形（表现为塑性良好）。

4金属塑性变形的结果

第一，组织变化：晶粒破碎、亚结构细化、位错密度增加；晶粒沿变形方向

延伸拉长（纤维、流线）；形成织构。

第二，性能变化：强度增加、塑性变差、韧性下降（加工硬化：金属变形使

强度增加、塑性降低的现象称之加工硬化，或者冷作硬化、形变强化）。

第三，各向异性。

5变形金属在加热时的变化

回复：变形金属由于加热而导致缺陷密度降低、畸变消除的现象。

再结晶：变形金属由于加热重新形成晶核与晶核长大的这个过程。

再结晶温度：进行再结晶的最低温度。通常T产（0.35〜0.40）T..,

二次再晶粒：一次再结晶后，少数晶粒择优生长成为特大晶粒、其他晶粒被

吞食的这种现象。

这是一种特殊晶粒长大。以大晶粒吞并小晶粒的方式进行，通常粗化晶粒。

使性能下降。

6金属的热加工

冷加工：在再结晶温度下列对金属进行的加工。

热加工：在再结晶温度以上对金属进行的加工。

金属热加工的优点：变形时金属塑性好、变形阻力小、产生裂纹危险性低；

变形后晶粒细小、组织均匀；产生具有一定方向的流线（金属组织呈现纤维状）、

性能表达各向异性。

本章小结：本聿要紧讲述金属变形的理论，也讲述了变形对金属晶体性能的影响与消除影响

的措施。教师要使学生在懂得的基础上，从红织结构的变化与表现出的力学性能

上找出联系。

本章作业：自教材P42〜43中选做。

第3章二元合金与相图

目的与要求：本章要紧讲授二元合金理论，应当着重介绍合金的分类、相图的特点等。

重点与难点：典型的共晶相图，共晶与共析反应等。

学时的分配：2学时。

1合金及其种类

合金：金属元素与另外的元素（一种或者多种、金属或者非金属）构成的、

具有金属特性的物质。

合金有二种类型：固溶体、金属间化合物。

固溶体：就是固态下构成元素之间能互相溶解而形成均匀的合金。有间隙固

溶体与置换固溶体两种。

间隙固溶体：溶质原子存在于溶剂晶格的间隙位置而形成的固溶体。间隙固

溶体形成是有条件的：溶质原子直径不足溶剂原子半径的59%,溶剂品格有足够

大的间隙。间隙固溶体通常是有限固溶体。通常由于间隙原子的存在而导致晶格

发生正的畸变。典型的间隙固溶体有钢（碳在铁中的固溶体）。

置换固溶体：溶质原子占据溶剂品格结点的位置而形成的固溶体。形成条件

是溶质溶剂原子直径相差不多（0.85〜1.15）。置换固溶体通常是无序固溶体，

一定条件下可形成有序固溶体。置换固溶体的畸变可正也可负。

固溶体的特性

第一，晶格类型：与溶剂相同；

第二，成分可变：溶入的元素量可多可少；

第三，晶格畸变：能够是正畸变或者者负畸变；

第四，性能更好：通常强度更高（固溶强化）、塑性、韧性也有所增加。

金属化合物：金属与非金属原子形成的化合物。通常具有金属特性。

金属化合物有正常价化合物（离子键、少量共价键）、电子化合物（金属键）

与间隙化合物（简单结构金属化合物或者间隙相、复杂结构间隙化合物）三种。

金属化合物的特性

第一，构成原子数有一定比例，并占据固定的位置；

第二，晶格类型与圆构成元素不一致，并比较复杂；

第三，具有硬度高、熔点高、电阻高、脆性大的特点。

2相图的种类

匀晶相图：两元素在液态、固态均能无限互溶时所构成的相图（P52Fig3-6）。

共晶相图：两元素液态无限互溶、固态有限互溶，并有共晶转变构成的相图

（如Cu-Ni系构成的Fig3-9,P52）o

共晶反应：从液体中结晶出两种晶体的转变（反应）。

如Pb-Sn系（P55）183℃的反应LE—OC+PD

包晶相图：两元素液态无限互溶、固态有限互溶，并有包晶转变构成的相图

（如Pt・Ag系构成的Fig3-7,P60）o

包晶反应：液体与一个固相反应、生成另一个固相的反应。

如Pl-Ag系（P60）1186c的反应霞+LE一即

共析反应：从一个固相中析出另外两个新的固相的转变（反应）。这与前三

种反应不一致，这是一种纯粹发生在固态的反应，因而速度慢（受扩散操纵）、

晶粒细（过冷度大，形核多）、有应力存在（相与相比容不一致）。

如P61Fig3-18下部的反应：a->pi+p2

本章小结：金属的性能与其组织结构密切有关，不一致品系的合金自结晶时就有不一致的相

构成，因而所表现的性能有很大差异。讲授本章的内容时，教师要特别强调共晶

与共析这两类反应，与对金属材料性能的影响。

本章作业：自教材P64〜65中选取。

第4章铁碳合金

目的与要求：本章是钢铁材料的重要理论基础，还是具体讲述碳素钢的具体章节。要使学生

在懂得与掌握铁碳合金二元相图的基础上，熟悉碳素钢的分类、典型牌号及其应用。

重点与难点：铁碳合金相图、铁碳合金的组织构成相、碳素钢。

学时的分配：2学时。

1铁碳合金相图

铁碳合金：以铁为主、加入少量碳而形成的合金。其相图如下

温度，℃

0.774.306.69

碳含量，%

图4TFe-Fe3c二元合金相图

五个温度：1538,1394,1148,912,727℃

五个成分：0.02,0.77,2.11,4.30,6.69%Wc

三个特殊点：J（包晶点），C（共晶点），S［共析点）

三个重要相：a固溶体，丫固溶体，Fe3c金属间化合物

三个反应：包晶反应Lo.53%c+3o.O9%c—>yo.17%c

共晶反应L4.3%C^Y2.11%c+Fe3C6.67%c

共析反应yo.77%c—>ao.O2%c+Fe3c6.67%c

同素异构转变：固态下，金属或者合金发生晶格类型转变的现象。也称之同

素异型转变或者多型性转变。典型的例子就是铁：912℃下列是体心立方的a铁,

912〜1394c是面心立方的y铁，1394〜1538℃又为体心立方的a铁（为区别而

称之6铁）。

2铁碳合金的构成相

L相铁与碳形成的液体。

3相碳在6铁中的固溶体，体心立方结构，仅存在与高温下，也称之高温

铁素体，记为3。

Y相碳溶入y铁形成的间隙固溶体，面心立方结构，记为丫（相图中）或

者A（文字中），称之奥氏体。高温时塑性变形能力强。

a相：碳溶入a铁形成的间隙固溶体，体心立方结构，记为a（相图中）或

者F（义字中），称之铁索体。强度低、硬度低、塑性好。

Fe3c铁与碳形成的金属化合物，复杂结构金属化合物，记为C,称之渗碳

体。硬度高、强度低、塑性极差。

3铁碳合金的分类

工业纯铁含碳量小于等于0.0218%

钢含碳量在0.0218〜2.11%之间。可细分为亚共析钢（含碳量0.0218〜小

于0.77%）、共析钢（含碳量等于0.77%）、过共析钢（含碳量大于0.77〜2.11%）

白口铁含碳量2.11〜6.69%。可细分为亚共晶白口铁（含碳量2.11〜小于

4.3%）、共晶白口铁（含碳量等于4.3%）,过共晶白口铁（含碳量大于4.3〜6.69）。

注意：共析反应的产物叫珠光体，是铁素体与渗碳体的机械混合物，记为P。共晶反应

的产物叫莱氏体，记为L。

4碳对铁碳合金组织与性能的影响

302

205<02

8221400G

H05<%000u

就.

苞600

1p

展200o

109/

O00g

800

12

4

00.20.40.60.81.01.21.4

耿cy%

图4-19含碳量对钢力学性能的影响

强度：先升后降，含碳量0.9%时为最大值。要紧是由于细小、弥散、均匀

分布的Fe£起强化作用，使强度升高。而含碳量超过0.9%时，Fe3c沿晶界分布

成网状，易产生裂纹，强度反而降低。

硬度：随含碳量升高而不断增加。

塑性：随含碳量升高而降低。

韧性：随含碳量升高而降低。

5铁碳合金相图的应用

第一，在选材方面的应用：低碳钢(0.10〜0.25%)强度通常不高，塑性、

韧性好，适宜制作建筑结构、容器等。中碳钢(0.25〜0.60%)强度、塑性、韧

性都较好，且可在很大范围内操纵，适宜制作机械零件。高碳钢(0.60〜1.30虬)

硬度高、耐磨性好，适宜制作工具等。白口铁硬度高、耐磨性很好、脆性大，适

宜制作不受冲击的零件(拉丝模、冷轧辐、球造机的铁球)等。

第二，在铸造方面的应用：合金熔点低、结晶温度区间窄有利于增加流淌性,

对铸造有利。因此，铸钢通常含碳量为0.15〜0.60%,铸铁含碳量为4.30%左右。

第三，在锻轧方面的应用：锻轧时要求钢处于单相区域，具有良好的塑性。

开锻/轧温度应在固相线下列，终锻/轧温度应在共析以上。

第四，在热处理方面的应用：热处理需要将钢加热到单一的奥氏体区域，或

者加热到与临界点有关的某个温度，而相图则清晰反应了铁碳合金成分、温度、

组织的关系。

6碳钢

碳钢：含碳量在0.02〜1.3%之间的铁碳合金。

碳钢中，除了铁与碳之外，通常还含有Mn、Si、S、P,其中S、P是铁矿

石带入的，对性能有害；Mn、Si是脱氧残留的，对性能有益。

碳钢按含碳量分成低碳钢（小于等于0.25%C）、中碳钢（0.25〜0.60%C）、

高碳钢（大于0.60%C）三种。按质量分成普通碳素钢（S、P含量比较高）、优

质碳素钢（、P含量较低）与高级优质碳素钢（S、P含量低）三种。按用途分成

结构钢与工具钢两种。

第一，普通碳素结构钢

命名方法：Q（屈服强度屈的声母）、屈服强度、质量等级、脱氧方法四个

部分按顺序构成（GB/T700）o仅保证机械性能。

典型牌号:Q195、Q215、Q235、Q255、Q275等。

典型用途：型材、薄板、焊管、桥梁结构、标准件、连杆、简单的齿轮或者

轴。不热处理直接使用。

第二，优质碳素结构钢

命名方法：名义含碳量1万倍的2位数字、含量较高的合金元素符号、脱氧

方法（GB/T699）o

典型牌号：10、45、60、16Mn、70Mn>08F等。

典型用途：通常，低碳钢制作冲压制件，中碳钢制作齿轮、轴等机械零件，

55〜65制作弹簧。通常经热处理提高力学性能。

第三，碳素工具钢

命名方法：T（碳的声母）、名义含碳量1千倍的2位数字、合金元素符号、

A（GB/T1298）o

典型牌号：T8、T8Mn、T10、T13、T8A、T12A等。

典型用途：含碳量稍低的T7、T8制作冲头、锤子、手锯等；含碳量较高的

T9〜T11制作车刀、钻头、冲模等；含碳量高的T12、T13制作量块、塞规、刮

刀等。

第四，铸造碳素钢

命名方法：ZG（铸纲的声母）、最低屈服强度、二最低强度极限（GB/T11352）。

典型牌号:ZG200-400.ZG270-500.ZG340-型0等。

典型用途：受力不大、韧性良好、可焊接的机座、壳体；强度较高、有一定

塑性、可焊接的轧钢机机架、连杆、曲轴；高强度、高耐磨性、能切削加工的齿

轮、棘轮等.

本章小结：本章内容比较具体而零散，讲授时要紧紧围境“命名方法-典型牌号-典型应用”

这根主线，帮助学生把零散的知识串联成一个整体，从而形成系统、严密的知识。

本章作业：自教材P95〜96中选取。

第5章钢的热处理

目的与要求：本章仅仅简介常用的热处理工艺。

重点与难点：金属材料热处理后的性能特点。

学时的分配：1学时。

1钢的热处理及其目的

钢的热处理：将钢通过加热、保温与冷却的方法，改变结构与组织，从而获

得所需要性能的综合操作工艺过程。其中加热温度与冷却速度是最重要的参数。

热处理工艺曲线：表示热处理工艺的温度一时间曲线。

热处理的目的：提高、改善金属材料的性能。

2常用的热处理工艺

第一，退火

退火：将钢加热到临界点Ac/Ac3以上或者下列某一温度、保温后缓慢冷却

（通常为随炉冷却）的热处理工艺。退火又分成扩散退火（均匀化退火）、完全

退火（或者重结晶退火）、球化退火、再结晶退火、去应力退火（低温退火）。

退火的目的是获得接近平衡状态的组织、消除不平衡的强化状态、为最终加

工作好组织准备。

第二，正火

正火：将钢加热至临界点Aa/A.以上30〜50℃,保温后在空气中冷却的热

处理工艺。

正火的目的是使组织粗化/均匀化以提高性能、加工前的预处理改善切削加

工性、消除网状碳化物以利于球化并为淬火作组织准备。

第三，淬火

淬火：将钢至临界点AC/AC3以上30〜50℃,保温烧透后快速冷却，使奥氏

体迅速转变成马氏体的热处理工艺。

淬火的目的是提高钢的强度与硬度。

第四，回火

回火：将钢加热到Acl下列的某一温度，经适当保温后冷却到室温的热处理

工艺。

回火的目的是使淬火得到的不稳固组织转变成稳固的组织、消除应力防止变

形与开裂、调整制件的强度塑性与韧性。

第五，表面热处理

表面热处理：将钢表层快速加热、奥氏体化后快速冷却，使表层获得马氏体

的热处理工艺。也称之表面淬火。有感应加热表面淬火与火焰加热表面淬火两种。

表面热处理的目的是仅改变表层金属的组织与性能，而保持心部的组织与性

能不变。

第六，化学热处理

化学热处理：用改变表层化学成分之后再热处理的方法，来改变表层的组织

与性能的热处理工艺。通常有渗碳、渗氮、碳氮共渗（氟化）、渗棚、渗铭、渗

铝等。

化学热处理的目的提高制件表层的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性、抗疲劳性等。

本章小结：本章尽管不是如识重点，但对今后从事专业技术工作还是有一定意义。因而，花

少量时间提示给学生，方便以后正确选用热处理工艺即可。

本章作业：自教材P133〜135中选取。

第6章合金钢

目的与要求：合金钢是极其重要的机械工程材料，种类繁多、性能各异、用途多样。本章应

着重讲授合金钢的分类、牌号与用途。

重点与难点：常用合金钢的分类、典型牌号与用途。

学时的分配：3学时。

1合金钢

合金钢：为改善与提高钢的性能加入合金元素而形成的以铁为基的合金。

合金元素：为改善与提高钢的性能而有意加入的元素。

合金钢常常按用途分成合金结构钢（包含合金结构钢、渗碳钢、调质钢、非

调质钢、弹簧钢、轴承钢、易切钢等）、合金工具钢（包含刃具钢（含低合金工

具钢、高速钢、硬质合金）、量具钢、模具钢（含冷作模具钢、热作模具钢等）

与特殊性能钢（包含不锈钢、耐热钢、耐磨钢等）。

2合金结构钢

第一，工程结构钢

命名方法：2位数字（名义含碳量1万倍）+合金元素符号与含量（不足1%

不注明含量）（GB/T1591）o

典型牌号：（）9MnCuPTi、16Mn、15MnVN及Q295、Q345、Q460等。

典型用途：火车车皮、桥梁、锅炉、压力容器、船舶等。

第二，通常机械结构用钢

命名方法：（前缀）+2位数字（名义含碳量1万倍）+合金元素符号与含量

（不足1%不注明含量）（GB/T3077）

典型牌号：18Cr2Ni4W、40MnB、40Cr、40CrNiMo>38CrMoAKF35MnVN

等。

典型用途：大型曲轴；汽车半轴、通用或者重载轴、锋床铺杆。

第三，齿轮钢

命名方法：2位数字（名义含碳量的1万倍）+合金元素符号与含量（不足

1%不注明含量）（GB/T15712）

典型牌号:20Cr.20CrMnTi>2（）CrNiMo等。

典型用途：齿轮或者齿轮轴、齿轮等。

第四，弹簧钢

命名方法：2位数字（名义含碳量1万倍）+合金元素符号与含量（不足1%

不注明含量）（GB/T1222）。

典型牌号：60Si2Mn>50CrA等。

典型用途：弹簧

第五，轴承钢

命名方法：G+2位数字（名义含碳量1千/万倍）或者没有数字（碳含量大

于设）+合金元素符号与含量（不足1%不注明含量）、（GB/T18254）

典型牌号:GCH5、G20CrNi2Mo等。

典型用途：轴承。

第六，易切削钢

命名方法：Y+2位数字（名义含碳量1万倍）+合金元素符号与含量（不足

1%不注明含量）（GB/T8731）。

典型牌号：Y12Pb、Y45Ca等。

典型用途：锻造后不经热处理可直接使用的结构零件。

第七，合金铸钢

命名方法：ZG十2位数字（名义含碳量1万倍）十合金元素符号与含量（不足

1%不注明含量）。

典型牌号：ZG40C1、、ZG35CrMnSi等。

典型用途：大型铸钢件。

第八，低合金工具钢

命名方法：2位数字（名义含碳量1千倍）或者不标注（超过1%）+合金元

素符号与含量（不足现不注明含量）（GB/T1299）。

典型牌号：9CrSi、9Mn2V、CrWMn等。

典型用途：丝锥、剪切刀片等。

第十，高速钢

命名方法：2位数字（名义含碳量1千倍）或者不标注（超过1%）+合金元

素符号与含量（不足1%不注明含量）（GB/T3080）。

典型牌号：W18CMV、W6Mo5Cr4V2等。

典型用途：车刀等刃具。

第十一，硬质合金

命名方法：（GB/T18376）

典型牌号：P/M/K10、Gl（）、LS/T/Q/V10等。

典型用途：车、铳、刨、刮与凿岩等工具。

第十二，冷模具钢

命名方法：2位数字（名义含碳量1千倍）或者不标注（超过1%）+合金元

素符号与含量（不足1%不注明含量）（GB/T1299）

典型牌号：CM2、Crl2MoV

典型用途：冲模

第十三，热模具钢

命名方法：2位数字（名义含碳量1千倍）或者不标注（超过1%）+合金元

素符号与含量（不足现不注明含量）（GB/T1299）

典型牌号：5CrNiMo、3O2W8V、4Cr5MoVISi等。

典型用途：锻造模、挤出模等。

第十四，量具钢

命名方法：不说明碳含量（通常超过1%）+合金元素符号与含量（不足1%

不注明含量）

典型牌号：Cr2、GCH5、CrWMn等。

典型用途：塞规、样板、千分尺等。

第十五，不锈钢

不锈钢按组织类型划分，有奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、

析出硬化不锈钢四大类。

命名方法：2位数字（名义含碳量1万倍）-合金元素符号与含量（不足1%

不注明含量）（GB/T1220-1992）

典型牌号：00CM8Ni9（304）、lCr18Ni9Ti（321）；l-4Cr!3；lCr17>lCr17Mo；

（）Crl7Ni4Cu4Nb等。

典型用途：食品、化工、原子能设备；通常刀具、医疗器械；重油燃烧器、

家具构件；汽轮机部件；等等。

第十六，耐热钢

耐热钢按组织种类划分，有奥氏体耐热钢、马氏体耐热钢(还有珠光体耐热

钢)两大类。

命名方法：2位数字(名义含碳量1千倍)+合金元素符号与含量(不足1%

不注明含量)(GB/T1221-1992)

典型牌号：5Cr21Mn9Ni4N、4Crl4Ni14W2Mo.0Cr25Ni20、1Cr18Ni9Ti；

lCrllMoV>!Crl3；(12CrlMoV)等。

典型用途：内燃机排气阀、加热炉部件；透立机叶片、耐氧化部件；锅炉结

构件。

第十七，耐磨钢

耐磨钢的硬化机理：加入大量的Mn,室温下是奥氏体。承受很大冲击载荷、

并摩擦时使其发生显著的加工硬化，硬度从210HB迅速上升到45()〜550HB。正

是这种强烈的加工硬化导致加工困难，因此耐磨钢通常铸造成形。铸造后需要进

行水韧处理(固溶)。

命名方法：Z+GMn及Mn含量-代号(GB5680-1985)

典型牌号：ZGMn13-1>ZGMM3-2、ZGMM3-3、ZGMn13-4

典型用途：破碎机齿板、履带板、铁路道岔等。

本章小结：合金钢涉及的内容很多，应当也只能在有限的学时内择其重要的重点讲授，讲授

时的“命名-牌号-性能-用途”脉络应当清修，典型用途务必重点讲述。

本章作业：自教材P195〜196选取。

第7章铸铁

目的与要求：铸铁有普通畴铁、球墨铸铁、可侬铸铁、蛇墨铸铁等多种，他们本质的差别是

石墨形态的不一致。结晶时的操纵与结晶后的热处理是操纵石墨形态的两种措

施。这都是本章所应当讲授的内容。

重点与难点：常用铸铁材料的分类、典型成分、性能特点与典型应用。

学时的分配：2学时。

1铸铁及其性能特点

铸铁：含碳量在2.11〜4.30与之间的铁碳合金。

性能特点：抗拉强度低、塑性韧性差、抗震/耐磨性能好、切削加工性好、

缺口敏感性低。

铸铁的石墨化：铸铁中碳原子析出形成石墨的过程，就叫做铸铁的石墨化。

铸铁的性能要紧取决于石墨化的程度。化学成分、结晶时冷却速度是影响石墨化

的要紧因素。

石墨：六方晶系，碳原子靠共价键结合（结合力较强）、呈层状分布，层间

为分子键结合（结合力弱）。因而，石墨的强度、硬度、塑性都很低。

2铸铁的种类

铸铁的分类：按照石墨化程度，铸铁常分成灰口铸铁（断口呈灰色）、白口

铸铁（断口呈白亮色）、麻口铸铁（断口呈黑白相间的麻点）。还能够按照石墨结

晶形态分成灰口铸铁（石墨程片状）、球墨铸铁（石墨呈球状）、蠕墨铸铁（石墨

呈蠕虫状）、可锻铸铁（石墨呈团絮状）。

铸铁的基体有铁素体（F）、珠光体（P）与铁素体+珠光体（F+P）三种。

第一，灰口铸铁

命名方法：HT最小抗拉强度（GB/T9439）

典型牌号:HT200、HT350等。

典型用途：中等负荷结构件、复杂形状薄壁件、润滑条件下受磨件等。由于

工艺简单、价格低廉，用量占铸铁总质量的约75%。

其他：灰口铸铁冷却过程中，由于截面或者壁厚不均，会产生应力。应进行

消除应力退火（人工时效）。或者者将其加热到850〜900C保温后缓慢冷却，促

使其石墨化（石墨化退火）来改善切削加工性。还可对表面进行淬火（如机床导

轨），以提高硬度与耐磨性。

第二，球墨铸铁

命名方法：QT最低抗拉强度-最低延伸率（GB/T1348）。

典型牌号；QT400-18>QT600-3、QT900-2等。

典型用途：汽车/拖拉机轮毂、内燃机曲轴、汽车转向节/传动轴等。

其他：球墨铸铁是20世纪50年代进展的优良铸铁材料，综合力学性能接近

钢，还保持了生产方便、成本低廉的优势，应用广泛。球墨铸铁能够进行高温退

火（促使自由渗碳体石墨化）、低温退火（改善塑性）与消除应力退火；还能够

正火、调质与等温淬火。

第三，蠕墨铸铁

命名方法：RuT最低抗拉强度（JB/T4403）。

典型牌号：RuT260、RuT420等。

典型用途：汽车/拖拉机底盘零件、汽缸套/活塞环/刹车毂等。

其他：减震性优于球墨铸铁而不及灰口铸铁，抗拉强度/疲劳强度/延伸率优

于灰口铸铁接近球墨铸铁，切削加工与铸造性能优于球墨铸铁接近灰口铸铁。

第四，可锻铸铁

命名方法：KTH（黑心）/Z（珠光体）/B（白心）+最低抗拉强度.最低延伸

率（GB/T9440）。

典型牌号：KTH300-06、KTH370-12、KTZ450-06、KTZ700-02等。

典型用途：中低压阀门、汽车/拖拉机差速器壳、凸轮轴、扳手等。

其他：可锻铸铁并不真正能够锻造，只是有一定的塑性与韧性。黑心可锻铸

铁要紧是由于热处理时表层石墨减少、心部有大量石墨呈灰黑色。可锻铸铁能够

进行石墨化退火。

第五，特殊性能铸铁

要紧有耐热铸铁、耐磨铸铁、耐蚀铸铁等。

3铸铁的性能特点及其原因

第一，铸造性能

铸铁的熔点低，流淌性好，因此有良好的充模性，能够生产薄壁复杂零件。

铸铁结晶时，产生大量的比容较大的石墨，因而收缩量小，能够有效防止铸

件开裂。

第二，机械性能

石墨强度很低，相当于空洞。片状石墨还相当于裂纹。损害其机械性能。因

而强度、塑性低。

球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁中的石墨形态改变，抗拉强度、塑性、韧性

都有所改善，但仍低于钢。但是，铸铁抗压强度是抗拉强度的3〜4倍。因而广

泛用做受压零件如机座等。

第三，切削加工性

石墨破坏了金属的连续性，切屑易于断开脱落，切削加工性能良好。

石墨还有润滑作用，因而可减轻对刀具的磨殒。

第四，消/吸振性

石墨质地松软，能汲取振动能量，因而具有良好的消/吸振性。通常振动能

量衰减率不低于10%1钢只有2~3%）。

同时，石墨数量越多，片越粗大，消/吸振性越好。

第五，缺口敏感性

石墨强度低，相当于有许多小缺口。因此，缺口敏感性低。

本章小结：

本章作业：自教材P223中选取。

第8章有色金属材料

目的与要求：有色金属具有黑色金属所不具备的比强度高、导电/热性好、耐腐蚀等宝贵性

能，是不可缺少的重要机械工程材料。有色金属的基本理论与基本知识已经在

有关金属的理论章节讲述，本章则要紧讲述典型的有色金属与合金。

重点与难点：铜及铜合金、铝及铝合金，他们的典型牌号与实际应用。

学时的分配：4学时。

1有色金属材料及其特性

有色金属材料：非铁金属及其合金就叫有色金属材料。

特性：通常密度小，比强度高；良好的导电性、导热性；优良的耐蚀性（钛）;

高的熔点（W、Mo、Ta、Nb）等。

应用：机械行业中数量不多（约4.5%）,但不可或者缺。

2铝

铝是产量仅次于钢铁的金属材料。

熔点660℃,密度2.72g/cn?（铁的1/3,属于轻金属），面心立方结构。导

电性、导热性好，导磁率低，抗大气腐蚀性能好。但是，强度低（抗拉强度仅

70Mpa,可通过热处理强化），低温下也有良好的塑性、韧性。

3纯铝及其牌号、用途

工业纯铝：纯度98.0〜99.0%。牌号为LI,L2……L7,数字越大纯度越低。

用作防腐机械零件、钾钉、日用品等。

工业高纯铝：纯度98.85〜99.9%。牌号LO,L00,数字大纯度高。用于制作

铝箔、铝合金原料等。

高纯铝：纯度99.93〜99.99机牌号LOI,L02,L03等，数字大纯度高。用

于特殊场合、科学研究等。

4铝合金的分类

铝合金的分类：变形铝合金（锻造铝合金）、铸造铝合金。

变形铝合金：通常加热时是单相固溶体。塑性良好，可进行锻造、轧制、挤

压等变形加工。有不能热处理强化铝合金、能热处理强化铝合金两类。

变形铝合金的强化机理：第二相化合物。

时效强化：过饱与固溶体随时间延长而析出第二相、使合金发生强化的这种

现象就称做时效强化（或者时效硬化）。

自然时效：室温下进行的时效。

人工时效：加热条件下进行的时效。

过时效：时效温度过高或者时间过长，使合金软化的这种现象。

铸造铝合金：能发生共晶反应、形成低熔点共晶组织。流淌性良好，适宜于

铸造成型。

5常用铝合金

命名方法：新国家标准GB/T16474规定了纯铝与变形铝合金的四位数字/字

符体系，其中第I位数字代表组别（1-8,表8-3）,第2位字符代表，3/4位代

表铝的纯度。

表8-3变形铝合金牌号第1位数字的表示方法

第1位数字代表意义代表牌号对应的旧牌号

1纯铝1A99LG5

2A01LY1

2Cu是要紧合金元素

2219LY19

3Mn是要紧合金元素3A21LF21

4Si是要紧合金元素4A11LD11

5A12LF12

5Mg是要紧合金元素

5083LF4

6A02LD2

6Mg、Si是要紧合金元素，Mg£i是强化相

6063LD31

7Zn是要紧合金元素7A04LC4

8A06L6

8其他元素为要紧合金元素

8090

要紧应用领域：航空航天、电子、仪表、机械等。

第一，2系列铝合金(杜拉铝)

主合金元素：Cu,含有一定量的Mn、Mgo

强化机理：析出的AbCu(0相)、AhCuMg(S相)。

典型牌号及应用：2Aoi(LY1)钾钉、2A11(LYI1)航空轴/销等。

注意事项：易产生晶间腐蚀。

第二，3系列铝合金

主合金元素：Mn,可加Mgo

强化机理：固溶强化。

典型牌号及应用：3A21(LF21)焊接油箱等。

注意事项：不能时效处理。

第三，4系列铝合金

主合金元素：Si,可加Cu、Zu、Mgo

强化机理：析出的ALCu(0相)、AhCuMg(S相)、MgzSi(0相)等。

典型牌号及应用：4A11(LD11)航空发动机活塞等重载荷模锻件。

第四，5系列铝合金

主合金元素：Mgc

强化机理：固溶强化。

典型牌号及应用:5A12(LF12)航空轴、5083(LF4)卸钉。

注意事项：不能时效处理。

第五，6系列铝合金

主合金兀素：Mg、Sio

强化机理：析出相。

典型牌号及应用：6A02(LD2)、6063(LD31)航空结构件。

第六，7系列铝合金

主合金元素：Zno

强化机理：析出的AhCu(9相)、AhCuMg(S相)、Zn2Mg(n相)、Al2Mg3Zn3

(T相)等

典型牌号及应用：7A04(LC4)飞机大梁等。

注意事项：受热易软化，耐蚀性差。

第七，8系列铝合金

通常工业用铝。

典型牌号及应用：8A06(L6)钾钉等。

第八，铸造铝合金

分类：分成ALSi、Al-Cu.AI-Mg、ALZn系四类。

特点：合金元素含量较高，有适量的低熔点共晶组织。

典型牌号及应用：ZL102仪表零件、ZL201内燃机活塞、ZL301舰船零件、

ZL401结构复杂的飞机、汽车零件。

注意事项：通常经热处理使用。

6铜及其合金

铜是产量仅次于铝的有色金属材料。

熔点1083C,密度8.93g/cn?,面心立方结构。高的导电性、导热性与耐蚀

性，在含CO2空气中易生成铜绿（铜碳酸盐）。

强度、硬度低，塑性好。

纯铜玫瑰色，通常形成氧化膜后呈紫红色，故称紫铜。用电解法生产，因而

也称之为电解铜。

7纯铜及其牌号、用途

工业纯铜：纯度99.7〜99.95%。牌号为T1,T2,T3（GB/T5231）,数字越

大纯度越低。用作电线、开关、油管、散热器等。

无氧铜：也是工业纯铜，但含氧量极低（0.002%）。牌号TUI,TU2,数字

大纯度低。用于制作电真空器件等。

按照加入合金元素，铜合金分成黄铜（Cu-Zn合金）与青铜（Cu-Sn合金）

两类。

8黄铜

主合金元素：Zno可加入Pb、Al、Sn等。Zn含量0〜50%。

强化机理：固溶强化、有序化转变。

性能特点：良好的机械性能、较好的耐蚀性能、易于加工成型、价格低廉、

色泽美丽。应用最广。

命名方法：H（合金元素）铜含量（■其他元素及含量）（GB/T5231）。

典型牌号及用途：H68复杂冲压件、H80（强壳黄铜，单一的a固溶体）枪

炮弹壳、H96散热器/冷凝器管：HPb63・3汽车/拖拉机/钟表零件：HA160-1-1蜗

轮/轴套/齿轮等；HSn90-l耐高温耐蚀冷凝管等。

9铸造黄铜

命名方法：ZCu合金元素及含量（GB/TU76）。

10青铜

青铜是应用最早的铜合金，因含有6相使之呈青白色而得名。耐磨性极高、

耐蚀性好、充模能力强。

主合金元素：Sn,可加入Al、Si、Pb、Be、Mn等。

第一，变形青铜

命名方法：Q合金元素及含量（GB/T5231）。

典型牌号及用途：QSn4-4・4轴套、QA15弹簧、QSi3-l蜗轮蜗杆、QBe2高

温高速轴承/重载弹簧。

第二，铸造青铜

命名方法：ZCu合金元素及含量（GB/T1176）。

典型牌号及用途：ZCuSnlOPl轴瓦等。

11钛及其合金

钛，灰白色轻金属，熔点高（1668C）、强度高（l40