1.1 金属材料的性能

　　 1.2 高分子材料的结构与性能

　　　 1.3 陶瓷材料的结构与性能

11 、 材料的结构与性能、 材料的结构与性能

1.1.1 　工艺性能

　 1.1.2 　机械性能

　　 1.1.3 　理化性能

1.11.1 金属材料的性能金属材料的性能

铸造性能：流动性、收缩性、偏析

1.1.1 1.1.1 工艺性能工艺性能

热处理性能：淬透性

锻造性能：塑性、变形抗力

焊接性能：焊接性、碳当量

切削性能：表面粗糙度、刀具寿命

强度、塑性、硬度、疲劳强度、断裂韧性

1.1.2 1.1.2 机械性能机械性能

1.1.3 1.1.3 理化性能理化性能

● 物理性能：

密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性。

● 化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性。

2.1 纯金属的结晶

　 2.2 合金的结晶

　　 2.3 金属的塑性加工

　　　 2.4 钢的热处理

　　　　 2.5 钢的合金化

　　　　　 2.6 表面技术

22 、 金属材料的、 金属材料的 组织与性能控制 组织与性能控制

1. 　纯金属的结晶条件

　 2. 　纯金属的结晶过程

　　 3. 　同素异构转变

　　　 4. 　细化铸态金属晶粒的措施

2.1 2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶

1.1. 　纯金属的结晶条件　纯金属的结晶条件

晶体液体

结晶

结晶： 液体 --> 晶体

凝固： 液体 --> 固体（晶体 或 非晶体）

冷却曲线冷却曲线

t

T

T0

Tn

理论结晶温度

开始结晶温度}T

过冷度过冷度T= T0 - Tn

纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面

能）

冷却速度越大，则过冷度越大。冷却速度越大，则过冷度越大。

2.2. 　纯金属的结晶过程　纯金属的结晶过程

液态金属 形核 晶核长大 完全结晶

形核和晶核长大的过程

（（ 11 ）形核过程）形核过程

两种形核方式 —— 自发形核 与 非自发形核

自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。

非自发形核 —— 是依附于外来杂质上生成的晶核。

（（ 22 ）晶核长大过程）晶核长大过程

两种长大方式 —— 平面生长 与 树枝状生长。

平面生长

树枝状生长

33 ．同素异构转变．同素异构转变

金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。纯铁的同素异构转变

-Fe ， bcc -Fe ， fcc -Fe ， bcc1394 C 912 C

-Fe ， fcc-Fe ， bcc912 C

纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线

T

t

1538

1394

912

}-Fe ， bcc

}-Fe ， bcc

}-Fe ， fcc

Cooling curve

770铁磁性

4.4. 　细化铸态金属晶粒的措施　细化铸态金属晶粒的措施

晶粒度 —— 表示晶粒大小，分 8 级（ p111) 。晶粒度 1 2 3 4 5 6 7 8

单位面积晶粒数（个 /mm2 ）

16 32 64 128 256 512 1024 2048

晶粒平均直径（μm）

250 177 125 88 62 44 31 22

细晶强化 —— 晶粒细化使金属机械性能提高的现象

比较： 细晶强化 --> 强度、硬度、塑性、韧性↑ 固溶强化 --> 强度、硬度↑，塑性、韧性↓

细化晶粒的措施细化晶粒的措施

1. 　提高过冷度

　 2. 　变质处理

　　 3. 　振动结晶

（（ 11 ）提高过冷度）提高过冷度

形核率 N 、长大速度 G 与 过冷度 T 的关系

T

G，

N

G

N

（（ 22 ）变质处理）变质处理

在液体金属中加入变质剂 ( 孕育剂 ) ，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。

变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。

（ 3）振动结晶

振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。

—— 机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。

2.2.1.　二元合金的结晶

2.2.2　合金的性能与相图的关系

2.2.3　铁碳合金的结晶

2.2 2.2 合金的结晶合金的结晶

1．匀晶相图

　 2．共晶相图

　　 3．包晶相图

　　　 4．共析相图

2.2.12.2.1 　二元合金的结晶　二元合金的结晶

11 ．匀晶相图．匀晶相图

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。

Cu Ni

Ni%

T,C

20 40 60 80 100

10001100

1200130014001500

1083

1455L

L+

铜铜 -- 镍合金匀晶相图镍合金匀晶相图

Cu Ni

Ni%

T,C

20 40 60 80 100

10001100

1200130014001500

1083

1455L

L+

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匀晶合金的结晶过程

a

b

c

d

T,C

t

L

L

L

匀晶转变 L

冷却曲线

Cu Ni

Ni%

T,C

20 40 60 80 100

10001100

1200130014001500

1083

1455L

L+

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。

杠杆定律杠杆定律

Cu Ni

Ni%

T,C

20 40 60 80 100

10001100

1200130014001500

1083

1455L

L+ 1

2a

c

b

a1 b1 c1 T1

T2

1. 在两相区内，对应每一确定的温度，两相的成分是确定的。

2. 随着温度的降低，两相的成分分别沿液相线和固相线变化。

杠杆定律：在两相区内，对应每一确定的温度 T1，两相质量的比值是确定的。即

QL/Q=b1c1/a1b1

杠杆定律推论：在两相区内，对应温度 T1时两相在合金 b中的相对质量各为QL/QH=b1c1/a1c1

Q/QH=a1b1/a1c1

=1- QL/QH

例：求例：求 30%Ni30%Ni 合金在合金在 1280 1280 时时相的相对量相的相对量

Cu Ni

Ni%

T,C

20 40 60 80 100

10001100

1200130014001500

1083

1455L

L+

a

c

30

a1 b1 c1 1280 C

解：作成分线和温度线如图。

6618

根据杠杆定律推论， Q / QH = a1b1 /a1c1 =12/48=1/4答：所求合金在1280 时相的相对质量为 1/4 。

22 ．共晶相图．共晶相图

Pb Sn

Sn%

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

共晶转变分析共晶转变分析

Pb Sn

T,C

L

+

L + L +

共晶反应线表示从 c 点到 e 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。

c e

共晶点表示 d 点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。

d

Ld c + e

共晶反应要点共晶反应要点

Pb Sn

T,C

L

+

L + L + 183

c ed

• 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。

XX11 合金结晶过程分析合金结晶过程分析

c e

f g

X1

T,C

t

L

L

L

L+

冷却曲线

+ Ⅱ

Ⅱ

12

3

4 {Pb Sn

T,C

L

+

L + L + 183

c ed

XX11 合金结晶特点合金结晶特点

T,C

t

L

L

LL+

冷却曲线

+ Ⅱ Ⅱ

1. 没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成单相固相。

2. 要经过脱溶反应，室温 组织组成物为 + Ⅱ

组织组成物组织中，由一定的相构成的，具有一定形态特征的组成部分。

XX22 合金结晶过程分析合金结晶过程分析（共晶合金）（共晶合金）

X2

T,C

t

L

(+ )

L

(+ )

L

L(+ ) 共晶体

冷却曲线

(+ )

Pb Sn

T,C

L

+

L + L + 183

c ed

XX33 合金结晶过程分析合金结晶过程分析（亚共晶合金）（亚共晶合金）

X3

T,C

t

L

L+

(+ )+ + Ⅱ

1

2 (+ )+

Pb Sn

T,C

L

+

L + L + 183

c ed

L+(+ )+

标注了组织组成物的相图标注了组织组成物的相图

33 ．包晶相图．包晶相图

包晶转变： Ld + c e

Pt AgAg%

T,C

铂 - 银合金包晶相图

L

+

L + L + c

ed

f g

T,C

t

L

L + L +

+ Ⅱ

4. 4. 共析相图共析相图共析转变： ( + ) 共析

体

A B

T,C

+

+ + c ed

L + L

2.2.2 2.2.2 相图与性能的关系相图与性能的关系

1. 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. 2. 合金的工艺性能与相图的关系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-Fe3 C相图的应用

2.2.32.2.3 　铁碳合金的结晶　铁碳合金的结晶

11 ．铁碳相图 ．铁碳相图 (Fe-Fe(Fe-Fe33 CC 相图相图 ))

(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) (3) 相图中重要的点和线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C

L4.3(A2.11+Fe3C)高温莱氏体 ,Le 或 Ld共析线 PSK ，共析点S

A0.77(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

22 ．铁碳合金的平衡结晶过程．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 20 45 60 T8 T10 T12

碳质量分数／％ 0.20 0.45 0.60 0.80 1.00 1.20

几种常见碳钢

(1)(1) 工业纯铁 工业纯铁 ( C % ≤ 0.0218 % )( C % ≤ 0.0218 % ) 结晶过程结晶过程

室温组织F + Fe3CⅢ ( 微量 )

500×

(2)(2) 共析钢共析钢 ( C % = 0.77 % )( C % = 0.77 % ) 结晶过程结晶过程

室温组织 : 层片状 P

( F + 共析 Fe3C )500×

P 中各相的相对量：

Fe3C % = ( 0.77 – xF ) / ( 6.69 – xF )

　　≈ 0.77 / 6.69 = 12 %

F % ≈ 1 – 12 % = 88 %

珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C 和 F 之间。

(3)(3)亚共析钢亚共析钢 ( C % = 0.4 % )( C % = 0.4 % ) 结晶过程结晶过程

室温组织 : F + P， 500×

各组织组成物的相对量：

P % = ( 0.4 – 0.0218 ) / ( 0.77 – 0.0218 )

　　≈ 51 %F % ≈ 1 – 51 % = 49 %

各相的相对量：Fe3C % ≈ 0.4 / 6.69 = 6 %F % ≈ 1 – 6 % = 94 %

(4)(4) 过共析钢过共析钢 ( C % = 1.2 % )( C % = 1.2 % ) 结晶过程结晶过程

室温组织 :P + Fe3CII 400×

各组织组成物的相对量：

Fe3CII % = ( 1.2 – 0.77 ) / ( 6.69 – 0.77 )

　　≈ 7 %P % ≈ 1 – 7 % = 93 %

各相的相对量：Fe3CII % ≈ 1.2 / 6.69 = 18 %F % ≈ 1 – 18 % = 82 %

(5)(5) 共晶白口铁共晶白口铁 ( C % = 4.3 % )( C % = 4.3 % ) 结晶过程结晶过程

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

((６６ ))亚共晶白口铁亚共晶白口铁 ( C % = 3 % )( C % = 3 % ) 结晶过程结晶过程

室温组织 :Le′+ P + Fe3CII

200×

((６６ )) 过共晶白口铁过共晶白口铁 ( C % = 3 % )( C % = 3 % ) 结晶过程结晶过程

室温组织 :Le′+ Fe3CI

500×

标注了组织组成物的相图标注了组织组成物的相图

33 ．铁碳合金的．铁碳合金的成分成分 -- 组织组织 -- 性能关系性能关系

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

↓

44 ．铁碳相图的应用．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

小结小结

重点要求

一般要求

2. 匀晶相图的分析方法。

2. 杠杆定律及其应用。

3. 合金相图与性能的关系。

1. 过冷度的概念，晶粒度的影响因素。

1. 同素异构转变。

3. F、 A、 Cm、 P、 Le′的组织和性能特点。4. Fe-Fe3C相图中共晶、共析区域分析。5. 铁碳合金的成分、组织与性能之间的关系。

3.1 纯金属的结晶

　 3.2 合金的结晶

　　 3.3 金属的塑性加工

　　　 3.4 钢的热处理

　　　　 3.5 钢的合金化

　　　　　 2.6 表面技术

33 、 金属材料的、 金属材料的 组织与性能控制 组织与性能控制

2.3.1 　金属的塑性变形

　 2.3.2 　塑性变形后的金属在加热时组织和性能的变化

　　　 2.3.3 　金属材料的热加工和冷加工

2.3 2.3 金属的塑性加工金属的塑性加工

2.3.12.3.1 　金属的塑性变形　金属的塑性变形

1 ．单晶体的塑性变形

　 2 ．多晶体的塑性变形

　　 3 ．塑性变形对金属组织和性能的影响

11 ．单晶体的塑性变形．单晶体的塑性变形

单晶体变形的基本形式 —— 弹性变形、塑性变形（滑移 和 孪生）

正应力　使晶格发生　弹性变形　或　断裂

切应力　使晶格发生　弹性歪扭　或　塑性变形

塑性变形的实质 —— 原子移动到新的稳定位置

滑移滑移

在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分　　　　　沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生滑动。

滑移的实现 —— 借助于位错运动滑移的实现 —— 借助于位错运动

刃型位错运动　动画演示刃型位错运动　动画演示

混合型位错运动　混合型位错运动　动画演示动画演示

孪 生孪 生在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变，产生塑性变形。

黄铜中的孪晶

晶界原子排列较不规则，阻碍位错运动，使形抗力增大。

　　晶粒小 → 晶界多 → 变形抗力大 → 强度，硬度↑（细晶强化）

　　晶粒小 → 变形分散，应力集中小 → 塑性↑，韧性↑

22 ．多晶体的塑性变形．多晶体的塑性变形

33 ．塑性变形对金属组织和性能的影响．塑性变形对金属组织和性能的影响

(1) 晶粒拉长，纤维组织 → 各向异性 (沿纤维方向的强度、塑性最大）

变形 10% 100× 变形 40% 100× 变形 80% 　纤维组织　 100×

工业纯铁不同变形度的显微组织

（（ 22 ）织 构）织 构绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，性能出现各向异性。

晶粒拉长，但未出现织构。

晶粒拉长，且出现织构。

（（ 33 ）加工硬化（形变强化　——　强化材料的手段之）加工硬化（形变强化　——　强化材料的手段之一）一）

加工硬化的原因

　塑性变形 → 位错密度增加，相互缠结 (亚晶界 ) ，运动阻力加大 → 变形抗力↑

金属在冷变形时，强度、硬度↑ ，塑性、韧性↓。

P21 ，图 1-17

（（ 44 ）残余内应力 —— 由金属内部不均匀变形引起）残余内应力 —— 由金属内部不均匀变形引起

残余内应力的危害

　　引起零件加工过程变形、开裂。　　耐蚀性↓

2.3.22.3.2 　塑性变形后的金属在加热时　塑性变形后的金属在加热时 组织和性能的变化 组织和性能的变化

1 ．回复

2 ．再结晶

3 ．晶粒长大

1. 1. 回复回复

塑性变形后的金属在低温加热时，发生回复过程（去应力退火） ：

　　位错和点缺陷大大↓，内应力显著↓ ，强度、硬度略有↓ 。

回复温度 = （ 0.25 ~ 0.3 ） T0

2. 2. 再结晶再结晶

塑性变形后的金属在较高温度加热时，发生再结晶过程（再结晶退火）：

　　通过重新形核、长大，生成新的等轴晶粒，晶格类型不变。

　　加工硬化消除 —— 强度、硬度大大↓ ，塑性、韧性大大↑ 。

最低再结晶温度 TR

　　纯金属　 TR = （ 0.4 ~ 0.35 ） T0

　　合金　　 TR = （ 0.5 ~ 0.7 ） T0

　　　　温度单位：绝对温度 ( K )

预变形度对 TR 的影响

再结晶后的晶粒度再结晶后的晶粒度

加热温度 T ↑ → 晶粒直径 D↑

预变形度的影响

3. 3. 晶粒长大晶粒长大

变形 80%

工业纯铁　再结晶退火 显微照片 100×

变形 80% 600℃退火 8 小时

变形 80% 400℃退火 8 小时

加热温度 T 和 加热时间 t ↑ → 晶界迁移、晶粒合并长大。

2.3.32.3.3 　金属材料的热加工和冷加工　金属材料的热加工和冷加工

1 ．热加工对组织和性能的影响

2 ．冷加工对组织和性能的影响

11 ．热加工对组织和性能的影响．热加工对组织和性能的影响

热加工 —— 在 TR 以上温度进行的变形加工， 如钢材的热锻和热轧。

热加工时，塑性变形引起的加工硬化效应随即被再结晶过程的软化作用所消除。

热加工对组织和性能的影响热加工对组织和性能的影响

1 ）打碎柱状晶、树枝晶，形成等轴晶，机械性能改善。

2 ）压合铸件中的疏松、气孔等缺陷，提高组织致密度和机械性能。

3 ）产生 流线 分布 —— 非金属夹杂物沿变形方向分布，引起各向异性。

锻造曲轴 切削加工曲轴

２．冷加工对组织和性能的影响２．冷加工对组织和性能的影响

冷加工 —— 在 TR 以下温度进行的变形加工，如低碳钢的冷拔、冷冲。

冷加工时，无再结晶过程，与前述塑性变形对组织和性能的影响相同，如产生加工硬化等。

小结小结

重点要求

一般要求

1. 金属在冷加工时组织和性能的变化。

2. 金属再结晶时组织和性能的变化。

3. 加工硬化、细晶强化的概念。

1. 塑性变形的本质和滑移机理。

2. 热加工对金属组织和性能的影响。

2.1 纯金属的结晶

　 2.2 合金的结晶

　　 2.3 金属的塑性加工

　　　 2.4 钢的热处理

　　　　 2.5 钢的合金化

　　　　　 2.6 表面技术

第第 22 章 金属材料的章 金属材料的 组织与性能控制 组织与性能控制 bb

2.4.0 　热处理的概念

　 2.4.1 　钢在加热时的转变

　　 2.4.2 　钢在冷却时的转变

　　　 2.4.3 　钢的普通热处理

　　　　 2.4.4 　钢的表面热处理

　　　　　 2.4.5 　钢的化学热处理

　　　　　　 2.4.6 　钢的热处理新技术

2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理

热处理的概念热处理的概念

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。

11 ．奥氏体的形成 —— ．奥氏体的形成 —— FeFe，， CC原子扩散和晶格改变的过程。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。

影响影响 AA转变速度的因素转变速度的因素

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. 1. 过冷过冷 AA的等温转变的等温转变

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 ~ M℃ S

　过冷 A →贝氏体 ( B )

低温转变， MS ~ Mf 　过冷 A →马氏体 ( M )

P P 型组织 —— 型组织 —— F + F + 层片状 层片状 FeFe33CC

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 S 8000

×

屈氏体 T 8000

×

高温转变过程 —— 晶格改变和高温转变过程 —— 晶格改变和 FeFe，， CC原子扩散。原子扩散。

中温转变（中温转变（ 550℃ ~ M550℃ ~ MSS ） —— ） —— CC原子扩散， 原子扩散， FeFe原子不扩散原子不扩散

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

下下 BB， ， 350℃ ~ M350℃ ~ MS S 产物产物

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）共析钢亚（过）共析钢过冷过冷 AA的等温转变的等温转变

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。

2. 2. 过冷过冷 AA的连续冷却转变的连续冷却转变

连续冷却 转变 (CCT) 曲线

Ps —— A→P 开始线

Pf —— A→P 终止线

KK' —— P型转变终止线

Vk —— 上临界冷却速度

Vk' —— 下临界冷却速度

MS —— A→ M 开始温度

Mf —— A→ M 终止温度

连续冷却 转变产物连续冷却 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（马氏体（ MM ）转变特点 ）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 M 的形态的形态

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℃

2.4.32.4.3 　钢的普通热处理　钢的普通热处理

1 ．退火

　 2 ．正火

　　 3 ．淬火

　　　 4 ．回火

11 ．退火．退火

　　加热、保温后，缓冷 (炉冷 )→ 近平衡组织 P （ + F 或 Fe3C

II ）完全退火（亚共析钢）加热温度 Ac3 + 20～ 30℃缓冷→ F + P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 Ac １ + 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

２．２．正火正火

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

）

33 ．．淬火（蘸火）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

44 ．．回 火回 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 回火产物的组织形态比较 回火M 　 × 400 回火 T 　 × 7500 回火 S 　 × 7500

M 　低倍 T 　 × 1000 S 　 × 1000

2.4.42.4.4 　钢的表面热处理　钢的表面热处理（表面淬火）（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。

2.4.52.4.5　钢的化学热处理　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 钢的渗 C —— C —— 气体、固体渗 气体、固体渗 CC

　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 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。

小结小结

重点要求1. A等温冷却曲线，转变温度与转变产物的组

织形态 、性能间的关系。

2. A连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对组织和性能的影响。

3. 四种常规热处理的目的、工艺特点及应用。

一般要求1. A晶粒长大的影响因素及控制方法。

2. 非共析钢C曲线的特点；淬透性的概念。

3. 钢的表面淬火；化学热处理。

“ “ 钢的热处理 ” 练习题钢的热处理 ” 练习题

2.1 纯金属的结晶

　 2.2 合金的结晶

　　 2.3 金属的塑性加工

　　　 2.4 钢的热处理

　　　　 2.5 钢的合金化

　　　　　 2.6 表面技术

第第 22 章 金属材料的章 金属材料的 组织与性能控制 组织与性能控制 cc

2.5 2.5 钢的合金化钢的合金化

碳钢：价格低，但是，

　　力学性能低，淬透性低，回火抗力差，

　　耐热、耐低温、耐蚀等特殊性能差。

合金钢 ：在碳钢中加入某些合金元素

2.5.1 2.5.1 合金元素与铁、碳的相互作用合金元素与铁、碳的相互作用

溶于 F —— 形成合金 F ，产生固溶强化。形成碳化物 —— 稳定性，熔点、硬度比 Cm 高得多， 显著提高钢的强、硬度。

　　合金渗碳体，如 (Fe, Mn)3C ；

　　 特殊碳化物，如 Cr7C3 、 MoC 、 WC 、 VC 、 TiC 。

2.5.2 2.5.2 合金元素对合金元素对 Fe-FeFe-Fe33CC相图的影响相图的影响

扩大或缩小 A 、 F 区 —— 如，室温下， 1Cr18Ni 9 为单相 A ， 1Cr17Ti 为单相 F 。使使共析转变点 S左移 → 钢中 P%↑ ，强度增加 。

使共晶转变点 E 左移 → 钢中出现 Le ' 。

2.5.32.5.3 　合金元素对热处理的影响　合金元素对热处理的影响

　 1. 对 A 化的影响

减缓 A 化过程（ Ni 、 Co除外）

　合金碳化物难熔，阻碍 C 的扩散，需提高加热温度，延长保温时间。

细化晶粒 —— 合金元素及其碳化物（ Mn除外）阻止 A 晶粒长大。

２２ . . 对对 CC曲线曲线的影响的影响　　 1) 使 C 曲线右移（过冷 A稳定性↑ ）， Vk↓ ，淬透性↑（ Co除外）

　　正火时， S片间距↓（或 → B 、 M ） , 强度↑

非碳化物合金元素对碳钢 C 曲线的影响碳化物合金元素对碳钢 C 曲线的影响

2 ）使 Ms 、Mf 点下降，淬火后残余A量↑ , 硬度↓

（ Co ， Al 除外）

３３ . . 对对回火转变回火转变的影响的影响

1 ） 提高回火稳定性（钢对回火软化的抗力）

　　 M 分解、碳化物长大、残余 A 转变、 F再结晶被推迟到较高的温度才发生。

　　回火温度相同时，合金钢中析出的碳化物更细小，其强度更高。

２）产生二次硬化２）产生二次硬化

　回火温度较高时析出细小、高硬度的合金碳化物，如Mo2C

，使硬度反而提高。

（韧性也大大↑ ）

w(C) = 0.35% 的钼钢的回火温度与硬度的关系

二次淬火

回火时残余 A 中析出合金碳化物→ A 中 C% ↓ → Ms 、Mf ↑ ，

随后冷却时→ M

弥散硬化 　—— 第二相（沉淀）强化

３）增大回火脆性３）增大回火脆性

淬火钢在某一温度范围回火时，韧性明显下降。（合金钢较明显）

　　第一类回火脆性， 250～ 400℃，不可逆。

　　第二类回火脆性， 450～ 650℃，可逆，回火后快冷可避免脆化。

　铬镍钢的韧性与回火温度的关系

2.5.4 2.5.4 合金元素对机械性能的影响合金元素对机械性能的影响

合金钢的强化机制：

　　合金 F 的固溶强化

　　 M位错强化

　　细晶强化（ F 、 M 晶粒度， P片间距↓）

　　第二相（沉淀）强化

小结小结

重点要求1. 合金元素在钢中的作用，合金元素对钢的热

处理、机械性能的影响。

2. 回火稳定性、回火脆性、弥散硬化、二次硬化等概念。

3.1 碳钢

　 3.2 合金钢

　　 3.3 铸钢与铸铁

　　　 3.4 有色金属及其合金

第第 33 章 金属材料章 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 3.1 碳钢碳钢

3.1.1 3.1.1 碳钢的成分和分类碳钢的成分和分类

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。

3.1.23.1.2 　碳钢的牌号及用途　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

11 ．碳素结构钢．碳素结构钢

　牌号 —— 如 Q215B ，表示 s ≥ 215 MPa （厚度 ≤ 16mm ）， B 级质量。

表 3-1 碳素结构钢的牌号和化学成分 (GB/T700-1988)

牌号 等级

化学成分脱氧方法w(C)

%w( Mn)

%

w( Si)%

w(S )%

w( P)%

不大于Q195 － 0.06-0.12 0.25-0.50 0.30 0.050 0.045 F,b,Z

Q215 A / B 0.09-0.15 0.25-0.55 0.30 0.050 / 0.045 0.045 F,b,Z

 Q235 

A 0.14-0.22 0.30-0.65 0.30 0.050 0.045 F,b,Z

B 0.12-0.20 0.30-0.70 0.30 0.045 0.045 F,b,Z

C 0.18 0.35-0.80 0.30 0.040 0.040 Z

D 0.17 0.35-0.80 0.30 0.035 0.035 TZ

Q255 A / B 0.18-0.28 0.40-0.70 0.30 0.050 / 0.045 0.045 Z

Q275 － 0.28-0.38 0.50-0.80 0.35 0.050 0.045 Z

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。

Q195 A1； B1

Q215 A2； C2

Q235 A3； C3

Q255 A4； C4

Q275 C5

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 ), mm

16

>40~60

>100~150

>150

16

>40~60

>100~150

>150

不小于 不小于 不小于

Q195 － 195 － － － 315-390 33 － － － － －

Q215 A/B 215 195 175 165 335-410 31 29 27 26－ /2

0－ /27

Q235A/BC/D

235 215 195 185 375-460 26 24 22 21－ /2

00/-20

－ /27

Q255 A/B 255 235 215 205 410-510 24 22 20 19－ /2

0－ /27

Q275 － 275 255 235 225 490-610 20 18 16 15 － －

用途用途

　　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

22 ．优质碳素结构钢．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

≥C Mn Si S P

08F1020354045506065

0.05-0.110.07-0.130.17-0.230.32-0.390.37-0.440.42-0.500.47-0.550.57-0.650.62-0.70

0.25-0.500.35-0.650.35-0.650.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.80

0.030.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.37

<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<0.035

175205245315335355375400420

用途用途

　　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。

33 ．碳素工具钢．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，℃

T7T8

T8MnT9

T10MnT10T12T13

0.65-0.740.75-0.840.80-0.900.85-0.940.95-1.040.95-1.041.15-1.241.25-1.35

0.400.40

0.40-0.600.40

0.40-0.600.400.400.40

0.350.350.350.35

0.35 0.35 0.35

0.35

0.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.030

0.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.035

18718718719219

207207217

800-820780-800780-800760-780760-780760-780760-780760-780

表 3-4 　碳素工具钢的化学成分和性能（淬火后 HRC≥62)

用途用途

　　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 3.2 合金钢合金钢

3.2.13.2.1 　概论　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， 20Cr2Ni4A

3.2.2 3.2.2 合金结构钢合金结构钢

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

11 ．低合金结构钢．低合金结构钢

钢号 旧钢号主 要 化 学 成 分，% 机械性能

C Mn Si ， s ， MP

a

b ， MP

a5 ， %

Q29509MnNb

12Mn0.16

0.80~1.50

0.55 295 570 23

Q34516Mn

16MnRe0.18

~0.201.00

~1.600.55 345 630 21~22

Q39016MnNb15MnTi

0.201.00

~1.600.55 390 650 19~20

Q42014MnVTiRe

15MnVN0.20

1.00~1.70

0.55 420 680 18~19

Q46014MnMoV

18MnMoNb0.20

1.00~1.70

0.55 460 720 17

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 —— 热处理、组织 —— 热轧空冷热轧空冷，， SS＋＋ FF

高压容器

桥梁

船舶

车辆应用

22 ．渗碳钢．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 , ℃C Mn Cr ， Ni

0.17~0.24　

0.17~0.24

0.50~0.80　

1.30~1.60

0.70~1.00   　

 

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 ／ 87

0 油

钢号

20Cr

　 20MnV

20CrMn20CrMnTi

　

淬透性

低

中

高18Cr2Ni4WA

20Cr2Ni4A

0.13~0.19

0.17~0.23

W0.8~1.2

0.30~0.60

1.35~1.654.0~4.5

1.25~1.653.25~3.75

950 ／ 850空

880／ 780油

机械性能　

b

MPa

s

MPa

835　

785

540　590

9301080

　

735835　

1180

1180

835

1080

aKU2

J

47　55

4755　

78

63

热处理热处理

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

33 ．调质钢．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

℃C MnSiCr

低

450.42~0.50

0.50~0.80

0.17~0.37

830~840水

580~640空

40Cr0.37~0.45

0.50~0.80

Cr 0.8~1.10

850油 500 水，油

中

高

35CrMo0.32~0.40

0.40~0.70

Cr 0.8~1.10

850油 550 水，油

38CrMoAlA0.35~0.42

Al 0.7~1.1

Cr 1.35~1.65

940水，油

640水，油

40CrMnMo0.37~0.45

0.90~1.20

Cr 0.9~1.20

850油 600 水，油

机械性能 b

MPa

s

MPa

aKU2

J60

035

5 39

40MnB0.37~0.44

1.10~1.40

0.20~0.40

850油 500 水，油 980 785 47

980 785 47

980 835 63

980 835 71

980 785 63

热处理热处理

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

44 ．弹簧钢．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

C Mn Si, Crb

MPa

s

MPa

10

%

ak

kJ/m2

650.62~0.70

0.50~0.80

0.17~0.37

840油 500 1000 800 9 450

850.82~0.90

0.50~0.80

0.17~0.37

820油 480 1150 1000 6 600

65Mn0.62~0.70

0.90~1.20

0.17~0.37

830油 540 1000 800 8 800

60Si2Mn0.56~0.64

0.60~0.90

1.50~2.00

870油 480 1300 1200 5 800

50CrVA0.46~0.54

0.50~0.80

Cr 0.8~1.10

850油 500 1300 1150 5 9 800

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 T

55．滚动轴承钢．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

C Cr Si Mn 淬火℃ 回火℃ 回火后 HRC

GCr40.95~1.05

0.35~0.0

0.15~0.30

0.15~0.30

800~820

150~170

62~66

GCr150.95~1.05

1.40~1.65

0.15~0.35

0.25~0.45

820~840

150~160

62~66

GCr15SiMn0.95~1.05

1.40~1.65

0.45~0.75

0.95~1.25

820~840

170~200

>62

GMnMoVRE0.95~1.05

0.15~0.40

1.10~1.40

770~810

1705 62

GSiMoMnV0.95~1.10

0.45~0.65

0.75~1.05

780~820

175~200

62

应用

GCr15 ：中小型轴承，冷冲模，量具，丝锥。

热处理热处理

　　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

3.2.33.2.3 　合金工具钢　合金工具钢

11 ．合金刃具钢．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（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

C Mn Si Cr 淬火℃ 回火℃ 回火后 HRC

9SiCr0.85~0.95

0.30~0.60

1.20~1.60

0.95~1.25

860~880油

180~200

60~62

CrWMn0.90~1.05

0.80~1.10

W1.2~1.60

0.90~1.20

820~840油

140~160

62~65

热处理 —— 球化退火（热处理 —— 球化退火（ + + 机加工）机加工） + + 淬火 淬火 + + 低温回火低温回火

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 （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

C W V Cr Mo 淬火℃ 回火℃ 回火后HRC

W18Cr4V0.70~0.80

17.5~19.0

1.00~1.40

3.80~4.40

1270~1285 油

550~570三次 ≥63

W6Mo5Cr4V20.80~0.90

5.50~6.75

1.75~2.20

3.80~4.40

4.75~5.50

1210~1230 油

540~560三次 ≥63

热处理热处理

　（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，淬火， 1280 ℃ —— 1280 ℃ —— 增加增加 AA、、 MM 中合金含量，提高热硬性。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。

22 ．合金模具钢．合金模具钢

（１）冷模具钢 —— 冷冲、冷镦、冷挤压模等。性能 —— 高硬度、耐磨性，足够的韧性和疲劳抗力。应用

　　小型模具 —— 9Mn2V 、 9SiCr 、 CrWMn 等。

　　大型模具 —— Cr12 、 Cr12MoV 等，热处理变形小。

最终热处理 —— 淬火 + 低温回火

最终组织 —— 回火M + 碳化物 + 少量 A '

（２）热模具钢 —— 热锻、热挤压、压铸模等。（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 S

33 ．量具用钢—— 卡尺、千分尺、塞规等．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

3.2.43.2.4 　特殊性能钢　特殊性能钢

1. 1. 不锈钢不锈钢

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、性能不锈钢的成分、热处理、性能

钢号主 要 化 学 成 分 , % 淬火

℃

回火

℃C Cr Ni Ti

类别

机械性能　

bMPa

sMPa

5%

HRCHB

1Cr13

0.1512~14

950~1000水 ,油

700~750

4Cr130.36~0.45

12~14

1050~1100 油

200~300

M型

540 345

680 400

25

4

159

50

1Cr17

0.1216~18

780~850 正火

0Cr18Ni9

0.0717~19

8~12

1010~1150 水

F型

A型

A-F型

450 205

520 205

22

40

183

187

1Cr18Ni9Ti

0.1217~19

9~12

0.5~0.8

920~1150 水 520 205 40 187

1Cr21Ni5Ti0.09~0.14

20~22

4.8~5.8

0.35~0.8

950~1100水 ,空

600 350 20

２２ . . 耐热钢耐热钢

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

℃C Cr Ni Ti

M型

1Cr13

0.1512~14

950~1000油

700~750

1Cr11MoV0.11~0.18

10~11.5

Mo 0.5

~0.7

1050~1100空

720~740

A型 1Cr18Ni9Ti

0.12

17~19

8~11

0.5~0.8

920~1150 水

机械性能　

bMPa

sMPa

540 345

490 685

520 205

5%

20

40

HB

159

159

187

３３ . . 耐磨钢　耐磨钢　 ZGMn13ZGMn13

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

小结小结

重点要求1. 合金钢的编号方法，会辩认各种钢号；

2. 合金结构钢的成分，热处理及组织，性能及用途。

３ . 工具钢的性能，成分，热处理目的和方法，组织；

一般要求１ . 特殊性能钢；

２ . 时效处理、热硬性等概念。

3.1 碳钢

　 3.2 合金钢

　　 3.3 铸钢与铸铁

　　　 3.4 有色金属及其合金

第第 33 章 金属材料 章 金属材料 bb

3.4.1 　铝及铝合金

　 3.4.2 　铜及铜合金

　　 3.4.3 　钛及钛合金

　　　 3.4.4 　轴 承 合 金

3.4 3.4 有色金属及其合金有色金属及其合金

3.4.1 3.4.1 铝及铝合金铝及铝合金

1 ．纯铝

2 ．铝合金

熔点 660℃，密度 2.7g/cm3 ，比强度高。

导电导热性好，耐大气腐蚀。

切削性好，塑性好、可冷成型。

铸 Al 合金的铸造性能好。

AlAl及及 AlAl合金的特点合金的特点

工业纯铝 —— L1 ～ L5 ，做散热器、器皿等。

力学性能

　 σb = 80~100 MPa

　 δ= 30~50 %

11 ．纯铝．纯铝

22 ．铝合金．铝合金

（ 1 ）分类和强化

分类 —— 变形铝合金、铸造铝合金

强化方法

　固溶、冷变形、时效强化，

　变质处理。

-CuAl2

时效强化 —— 淬火后合金强硬度随时间延长而显著升高时效强化 —— 淬火后合金强硬度随时间延长而显著升高

时效工艺

　固溶处理（水冷淬火）→ 过饱和固溶体　时效过程 —— 过饱和固溶体分解，析出强化相 。　　自然时效 —— 在室温长时间停留，如，数天。

　　人工时效 —— 加热至 100~200℃，保温一定时间。

合金类别 代号

主 要 化 学 成 分 , %热处理

机械性能

Cu Mg Mn 其它 σbMPa

% HB

防锈铝

LF5 4.5~5.5 0.3~0.6

退火270 23 70

LF11 4.8~5.5 0.3~0.6 V 0.02~0.2 270 23 70

LF21 1.0~1.6 130 23 30

硬铝

LY1 2.2~3.0 0.2~0.5固溶处理

+自然时效

300 24 70

LY11 3.8~4.8 0.4~0.8 0.4~0.8 420 18 100

LY12 3.8~4.9 1.2~1.8 0.3~0.9 480 11 131

超硬铝

LC4 1.4~2.0 1.8~2.8 0.2~0.6 Zn 5.0~7.0

固溶处理+

人工时效

600 12 150

LC6 2.2~2.8 2.5~3.2 0.2~.5 Zn 7.6~8.6 680 7 190

锻铝LD5 1.8~2.6 0.4~0.8 0.4~0.8 Si 0.7~1.2 420 13 105

LD7 1.9~2.5 1.4~1.8 Ni 1~1.5 Fe 1.0~1.5 440 13 120

LD10 3.9~4.8 0.4~0..8 0.4~1.0 Si 0.5~1.2 480 10 135

（２）变形铝合金（２）变形铝合金

　防锈铝 —— LF ，不可热处理强化，做油箱、油管、铆钉。

　硬铝 —— LY ，做螺旋桨叶片、支柱。

　超硬铝 —— LC ，做飞机大梁、起落架。

　锻铝 —— LD ，做锻件、模锻件。

合金 代号主 要 化 学 成 分 , % 机 械 性 能

Si Cu Mg铸造方法

热处理

b

MPa%

HB

铝硅

ZL101 6.0~8.0 0.2~0.4 SB T6 230 1 70

ZL102 10~13SBJ

T2T2

143153

42

5050

ZL110 4.0~6.0 5.0~8.0 0.2~0.5 J T1 170 － 90

铝铜 ZL203 4.0~5.0 J T4 210 6 60

铝镁 ZL301 9.5~11.5 S T4 280 9 20

铝锌 ZL402 6.0~8.0 Zn5~7 0.4~0.7 J T1 240 4 70

铸造方法： SB——砂型变质；　 J—— 金属砂；　 S——砂型热处理：　 T1—— 不淬火，人工时效；　　 T2——退火；　　　　　 T4—— 淬火 +自然时效；　　　　 T6—— 淬火 +人工时效

（（ 33 ）铸造铝合金 ）铸造铝合金

Al-Si 合金（硅铝明）—— 铸造性好（熔点低、流动性好、收缩小）。

　　　　　 变质后，共晶体（细点状 Si + α基体 ） + 初晶 α

　变质处理 —— 显著提高力学性能。

　组织 —— 变质前，共晶体（粗针状 Si + α基体 ） + 初晶 Si

ZL102 的铸态组织，未变质， ×500变质处理后， ×100铸造铝合金的应用

3.4.23.4.2 　铜及铜合金　铜及铜合金

1 ．纯铜

2 ．铜合金

熔点 1083℃，密度 8.9g/cm3 。

导电导热性仅次于 Ag 。

耐大气、水腐蚀。

切削性好，塑性好，可冷、热成形。

铸 Cu 合金的铸造性能好。

CuCu及及 CuCu合金的特点合金的特点

11 ．纯铜 —— 紫铜（紫红色）．纯铜 —— 紫铜（紫红色）

工业纯铜 —— T1 ~ T4 ，做电导体。

力学性能

　 σb = 230~250 MPa

　 δ= 40~50 %

纯铜管

22 ．铜合金．铜合金

（１）黄铜 —— Cu-Zn 系合金

普通黄铜 —— Cu-Zn 合金

　单相黄铜 —— 如 H80 ，含 80% Cu ，单相 α ，塑性好，可冷成型。

　 双相黄铜 —— 如 H62 ， α+β 　，可热变形。

　 铸造黄铜 —— 如 ZCuZn38 ，含 38% Zn 。

组织组织

代号化学成分 , % 机械性能

Cu Zn加工状态

b

MPa% HB

H96

95~97 余量 退火 250 35 －

H80 79~81 余量 退火 270 50 －

H68 67~70 余量 退火 300 40 －

H59 57~60 余量 退火变形

300420

255

－103

牌号、性能 (a) 单相黄铜　 α

  Cu-Zn 合金的显微组织

(b) 双相黄铜　 α+β’

复杂黄铜 —— 改善复杂黄铜 —— 改善 Cu-ZnCu-Zn 合金的耐蚀性、机械性能。合金的耐蚀性、机械性能。

组 别 代 号主要化学成分 , % 机械性能 ( 变形 )

Cu 其它 b

MPa%

HB

Pb黄铜 HPb 63-3HPb 60-1

62.0~65.059.0~61.0

Pb 2.4~3.0Pb 0.6~1.0

600610

54

－－

Sn黄铜 HSn 90-1HSn 62-1

88.0~91.061.0~63.0

Sn 0.25~0.75Sn 0.7~1.1

520700

54

148－

Al黄铜 HAl 77-2 76.0~79.0 Al 1.8~2.6 650 12 170

Si黄铜 HSi 65-1.5-3 63.5~66.5Si 1.0~2.0Pb 2.5~3.5

600 8 160

Mn黄铜Fe黄铜

HMn 58-2HFe 59-1-1

57.0~60.057.0~60.0

Mn 1.0~1.2Fe 0.6~1.2

700700

1010

175160

Ni黄铜 HNi 65-5 64.0~67.0 Ni 5.0~6.5 700 4 －

黄铜制品黄铜制品

（（ 22 ）青铜 —— ）青铜 —— Cu-SnCu-Sn、、 Cu-AlCu-Al、、 Cu-BeCu-Be系等合金。系等合金。

压力加工青铜

　 Sn青铜 —— 如 QSn4-3 ，含 4%Sn 、 3%Zn ，其余为 Cu 。

　　　　　　　做轴承、弹簧等。

　 Al青铜 ——如 QAl 10-3-1.5 ，做耐蚀、抗磨的齿轮、轴套等。

　 Be青铜 —— 如 QBe2 ，做弹簧，高速轴承等。

铸造青铜 —— 如 Sn青铜 ， ZCuSn10Zn2 。

（（ 33 ）白铜 —— ）白铜 —— Cu-Ni Cu-Ni 系合金系合金

如， B19 ，含 19%Ni 的普通白铜，做船舶仪器零件等。

3.4.33.4.3 　钛及钛合金　钛及钛合金

特性 —— 强度、塑性、比强度高，耐蚀、耐热、耐低温。

１．纯钛

　银白色，熔点 1680℃，密度 4.54 g/cm3 。

　同素异构转变 —— 882℃时，密排六方 α-Ti ←→β-Ti （体心立方）。

　牌号 —— 工业纯钛 TA1～ TA3

钛飞船22 ．．钛合金钛合金

TC4 时效后的组织：块状 α＋β基体＋针状 α

α-Ti 合金

　可变形强化，如 TA7 （ Ti-5Al-2.5Sn ）

β –Ti 合金

　可时效强化， TB1 （ Ti-3Al-13V-11Cr ）

（ α+β ） -Ti 合金

　可时效强化， TC4 （ Ti-6Al-4V ）

热处理

　退火 —— 650～ 850℃（再结晶）

　　　　　 450～ 650℃（去应力）

　淬火 + 时效处理

3.4.43.4.4 　轴承合金　轴承合金

滑动轴承中的轴瓦及内衬的材料

工作条件 —— 冲击、交变载荷，轴颈压力、摩擦。

性能

　强硬度、塑韧性好，与轴的磨合能力、减摩性好。

　导热、抗蚀性好。轴瓦

SnSn基轴承合金基轴承合金

　 ZChSnSb11-6 （含 11%Sb ， 6%Cu ）。

　 α软基体 + 硬质点（白方块是 β-SnSb ＋白针状 Cu6Sn5 ）

Pb基轴承合金

　 ZChPbSb16-16-2

　 (α ＋ β) 共晶软基体 + 硬质点 ZChSnSb11-6 的组织， ×100

Cu基轴承合金 —— 做大载荷、高速轴承。

　 Pb青铜， ZQPb30 ， Cu硬基体＋ Pb软质点。

　 Sn青铜， ZQSn10-1 ，软基体＋硬质点。

小结小结

重点要求熟悉常用 Al 、 Cu 合金的牌号、成份、热处理工艺、组织、及其应用 :

　　 LF5 、 LY11 、 LC4 、 ZL102

　　 H80 、 H62 、 QSn6.5-0.1 、 QAl9-4 、 QBe2    

一般要求

了解 Sn基轴承合金 ZChSnSb11-6 、 Ti 合金。

4.1 高分子材料

　 4.2 陶瓷材料

　　 4.3 复合材料

第第 44 章 非金属材料章 非金属材料

本章仅作一般了解

4.1 4.1 高分子材料高分子材料

一、概述

主要成分 —— 高分子化合物（分子量大，一般在 103~107 ）

　　天然高分子材料 —— 松香、天然纤维、蛋白质、天然橡胶。

　　人工合成高分子材料 —— 塑料、合成橡胶、合成纤维（涤纶等）。

高聚物结构特点 —— 由一种或几种简单低分子化合物重复连接而成链状结构。如聚乙烯、聚氯乙烯分别由乙烯、氯乙烯聚合而成。

分类 —— 塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂。

性能特点性能特点

　低强度—— σb≈100MPa

　高弹性 —— 如橡胶的弹性变形率为 100~1000% ，金属一般为 1% ；

　低弹性模量 —— 塑料和橡胶分别为金属的 1/10 和 1/1000 。

　高耐磨性 ——— 比金属好，如汽车外轮胎。

　高绝缘性

　低耐热性

　　　低导热性 —— 是金属的 1/100 ~1/1000

　　　高热膨胀性 —— 约为金属的 3~10 倍

　高耐腐蚀性 —— 耐酸、碱等。

　老化 —— 受氧、光、热、机械力等长时间作用后，性能逐渐恶化。

二、工程塑料二、工程塑料

组成

合成树脂 —— 高分子化合物，如聚乙烯、酚醛塑料等。

添加剂 —— 填料或增强、增塑、固化、润滑、稳定、着色、阻燃剂等。

分类

热塑性塑料 —— 加热软化，冷却后又硬化成形，可反复进行。加工成型简便，机械性能较好；耐热性和刚性较差。如聚乙烯。

热固性塑料 —— 受热固化后，不会再受热软化。机械性能差；耐热性和刚性较好。如酚醛树脂、环氧树脂。

常用工程塑料常用工程塑料

有机玻璃（ PMMA) —— 密度仅玻璃的一半， σb=42~50MPa ，比普通玻璃高 7~18倍。用于透明件，装饰件，绝缘件。

聚氯乙烯（ PVC ）—— σb = 30~60 MPa ，使用温度 -15~55℃。硬 PVC 耐油、耐蚀，用于化工管道，电器绝缘材料及电线绝缘层、套管。软 PVC 富有弹性，用作非食品包装薄膜。

聚丙烯 PP —— 刚性大 , 重量轻，耐热（ -35~121 ℃ ），绝缘性优越。用于机械零件（法兰，齿轮），化工容器、管道，电器外壳等。

ABS 塑料 —— 硬、韧、刚的混合特性较好；容易电镀。用于零件（齿轮，泵叶轮, 轴承等 , 电机、仪表外壳，管道，汽车零件及车身。

聚酰胺（ PA, 尼龙）—— 耐磨 , 减摩性及韧性好。耐蚀 , 无毒。用于耐磨 , 耐蚀的承载转动零件（齿轮 , 轴承 , 螺钉和螺母等小型零件）。

酚醛树脂（ PF ）—— 如热固性酚醛树脂（胶木） , 耐磨、性脆；绝缘性好（不小于 10KV ）；耐热、不耐碱。用于电器插座，开关，电话机，仪表盒；汽车刹车片 , 内燃机曲轴皮带轮 , 齿轮 , 耐酸泵等；日用非食物器皿。

三、橡胶三、橡胶

高弹性，变形量 100~1000%；弹性模数低，仅 1MN /m 。

　天然橡胶 —— 耐油和耐溶剂性差，易老化，不耐高温。

　合成橡胶 —— 如，丁苯橡胶、氯丁橡胶。

　用途 —— 轮胎，工业、生活及医疗用品。

　特种橡胶 —— 耐高、低温，耐酸、碱、油，辐射等的橡胶。

四、胶粘剂

粘性的树脂或橡胶 + 添加剂，代替传统的焊、铆及螺纹连接。

4.2 4.2 陶瓷材料陶瓷材料

陶瓷 —— 用天然或人工合成的粉状化合物，经过成型和高温烧结制成，由无机非金属化合物（硅酸盐等）构成的多相固体材料。

性能

力学性能 —— 刚性、硬度、脆性大，抗压强度大，抗拉强度、塑韧性低。

熔点高、高温下不易氧化，但不耐温度的急剧变化。耐蚀性、绝缘性好。

分类及用途

　玻璃 —— 工业（光学，电工，仪表，实验室用）、建筑、日用玻璃。

　普通陶瓷 —— 日用，建筑卫生，电器（绝缘），化工等用途。

　特种陶瓷 —— 氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷、氧化物陶瓷等，用于电容器，压电，磁性，电光，高温零件等。

　金属陶瓷 —— 工具（硬质合金），耐热零件等。

4.3 4.3 复合材料复合材料

一、概述

复合材料 —— 两种（以上）性质不同的材料组合而成

性能特点 —— 比强度和比刚度高 ，减磨性、耐蚀性好，但塑韧性较低。

结构 —— 基体＋增强相

　基体 —— 非金属基（树脂、橡胶、陶瓷），金属基（如，钢）。

　增强相 —— 纤维，陶瓷或金属颗粒、夹层。

　纤维 —— 玻璃、碳、棉、麻、石棉、硼、碳化硅等纤维。

ρ

103kg/m3 σb

MN/m2 E

103MN/m2 σb/ρ 103E/ρ

钢 7.8 1010 206 129 26

铝 2.8 461 74 165 26

钛 4.5 942 112 209 25

玻璃钢 2.0 1040 39 520 20

碳纤维／环氧树脂 1.45 1472 137 1015 95

硼纤维／铝 2.65 981 196 370 74

实例实例

　玻璃钢 —— 玻璃纤维增强塑料

　钨钴类硬质合金 —— 陶瓷颗粒增强钴

　轮胎 —— 纤维增强橡胶

　钢筋混凝土 ——陶瓷基复合材料

　多孔性铁基和青铜基自润滑衬套 —— 夹层结构复合材料

　碳纤维 /铝锡合金

二、常见复合材料二、常见复合材料

玻璃钢

　增强剂 —— 玻璃纤维（主要是 SiO2 ），比强度和比模量高，耐蚀，绝缘。

　粘结剂（基体）——热固性的酚醛、环氧树脂，热塑性的聚脂。

　性能（与基体相比）—— ( 比 ) 强度，疲劳性能，韧性，蠕变抗力高。

　用途 —— 轴承，轴承架，齿轮，车身。

碳纤维树脂复合材料

　增强剂 —— 碳纤维 ( 石墨 ) ，强度和弹性模量高，且 2000℃以上保持不变；

-180℃不变脆。

　粘结剂（基体）—— 环氧树脂，酚醛树脂，聚四氟乙烯。

　性能（与基体相比）—— 强度，疲劳性能，韧性，耐蚀，蠕变抗力高。

　用途 —— 火箭外壳 ，齿轮，轴承，活塞，密封圈，化工容器。

硼纤维树脂复合材料硼纤维树脂复合材料

　增强剂 —— 硼纤维 , σb=2750～ 3140MPa ， E=382～ 392MPa （ 4倍于玻纤）。

　基体 —— 环氧树脂等。

　性能 —— 抗压、剪切和疲劳强度高，蠕变小，硬度和弹性模量高，耐辐射 , 化学稳定（水 , 有机溶剂 , 燃料 , 润滑剂） , 导热性能和导电性能好。

　用途 —— 航空和宇航材料。

硼纤维金属复合材料

　基体 —— 铝镁及其合金，钛及其合金。

　性能 —— 如铝基复合材料的强度、弹性模量、疲劳极限高于高强铝合金，比强度高于钢和钛合金 。

　用途 ——航空、火箭 。

5.1 选材原则

　 5.2 典型零件的选材与工艺

第第 55 章 材料的选用章 材料的选用

5.1 5.1 选材原则选材原则

选材的动机 —— 开发新产品、产品的改进和更新换代。

选材原则

　　使用 、工艺性能

　　经济性

　　环境与资源原则

一、材料的使用性能 —— 首要原则一、材料的使用性能 —— 首要原则

１ . 　零件的工作条件和失效形式 零件失效类型 　　变形 —— 弹、塑性变形。 　　断裂 —— 脆、塑性，疲劳断裂。 　　表面损伤 —— 磨损、腐蚀等。

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

零件失效的原因 —— 设计、材料、加工、安装和使用。

２２ .. 　工作环境 —— 温度，介质（如腐蚀，摩擦）。　工作环境 —— 温度，介质（如腐蚀，摩擦）。

３ . 　特殊功能要求 —— 导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。

４ . 　性能要求的指标化 —— 如强硬度、塑韧性等的具体数值。

　　手册数据、经验公式的局限性 —— 力学性能与零件尺寸有关

40钢不同尺寸毛坯的力学性能

热处理条件 毛坯尺寸 /mm σb / MPa δ/ % AKU / J

850 淬火5 800 16 120

30 750 15 80

500回火50 700 15 56

100 600 13 40

二、工艺性能 —— 铸、锻、焊、机加工、热处理二、工艺性能 —— 铸、锻、焊、机加工、热处理

零件的加工工艺路线

一般零件 —— 毛坯 → 正火或退火 → 切削加工

轴、齿轮 等

　　毛坯 → 预先热处理（正火、退火）→ 粗加工

　　　　　→ 最终热处理（淬火＋回火，时效，渗 C 等）→精加工

精密丝杠

　　毛坯 → 预先热处理 → 粗加工 → 最终热处理 → 半精加工→

时效（或 N 化）→ 精加工 → 时效

三、经济性 —— 根本原则三、经济性 —— 根本原则

１ . 　产品成本分析

　基本材料的成本（价格、利用率）—— 占总成本的 30~70%

　制造（加工）成本 —— 约占零件成本的 30%

　　　加工成本 = 工具与设备费用 + 每件产品成本 × 生产批量材 料 美元 / t 材 料 美元 / t

铂 26,000,000 工业金刚石 900,000,000

金 19,100,000 硼―环氧树脂复合材料 330,000

钨 26,000 碳纤维复材料 200,000

钛合金 10,190 ～ 12,720 玻璃纤维复合材料 2400 ～ 3300

黄铜（型材） 1650 ～ 2336 尼龙 66 3289

铝合金（型材） 2000 ～ 2440 环氧树脂 1650

低碳钢（型材） 440 ～ 480 天然橡胶 1430

铸铁 260 氧化铝 1100-1760

硬质合金 66,000 玻璃 1500

四、环境与资源原则四、环境与资源原则

　　—— 贯穿材料生产、使用、废弃的全过程

１ . 　减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。

　　重要金属的世界储量　

２ . 　环境污染小

　　废气排放少

　　材料回收及降解

  储量（ 106t ） 可用年数 再生率 (%)

Fe 1×106 109 31.7

Al 1170 35 16.9

Cu 308 24 40.9

Zn 123 18 21.2

Mo 5.4 36

Ag 0.2 14 41.0

Cr 775 112

Ti 147 51

5.2 5.2 典型零件的选材与工艺典型零件的选材与工艺

一、齿轮选材

性能要求 —— 齿面硬度（决定弯曲、接触疲劳强度，耐磨性）

　　　　　　　强度，韧性。 选材

　　调质钢 —— 调质 + 表面淬火 + 低温回火

　　渗 C钢 —— 硬度、韧性高。

实例 —— 载重汽车变速箱齿轮

　性能指标 —— σb>1000MPa ， aKU2≥50J ，齿面硬度≥ HRC55 。

　选材 —— 20CrMnTi ， σb > 1080MPa ， aKU2≥ 55J ，齿面 HRC≥58~63 。

　最终热处理工艺 —— 930℃渗 C + 预冷 830℃油淬 + 200℃回火

　最终组织 —— 心部：回火M + F 　　齿面：回火M + 碳化物 + A'

　工艺路线 —— 锻造→正火→机加工→渗 C 、淬火＋低温回火→喷丸→磨削

二、机床主轴选材二、机床主轴选材

性能要求 —— 强度、塑韧性，疲劳强度，轴颈耐磨性。

　　普通车床（轻载）主轴 —— 45钢调质或正火，轴颈高频表面淬火。

　　铣床（中载）主轴 —— 40Cr 等调质，轴颈高频表面淬火。

　　组合机床（重载）主轴 —— 20CrMnTi ，经渗 C 、淬火、回火处理。

　　精密镗床（高精度）主轴 —— 38CrMoAl ，调质 + N 化 + 时效。

实例１ —— C620 车床主轴，综合机械性能一般；大端轴颈等部位耐磨性高。

　性能指标 —— 硬度 220 ～ 250HB ，轴颈 52HRC 。

　选材 —— 45钢

　热处理工艺 —— 830℃水淬 + 500℃回火 + 轴颈高频淬火 + 200℃回火

　最终组织 —— 心部：回火 S 　　轴颈表面：回火M

　工艺路线 —— 锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火＋低温回火→磨削

三、内燃机曲轴选材三、内燃机曲轴选材

性能要求 —— 强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈耐磨性。选材 —— 调质钢（韧性高）、球墨铸铁。

实例 —— 175A型农用柴油机曲轴

　性能指标 —— σb>750MPa ，整体硬度 240 ～ 260HBS ，轴颈表面硬度≥ 625HV (HRC55), δ≥2%, aKU≥150kJ/m2 。

　选材 —— QT700-2

　热处理工艺 —— 880~920℃正火 + 500 ～ 600℃回火 + 轴颈 N 化

　最终组织 —— P + G + 少量 F

　工艺路线 —— 铸造→高温正火→高温回火→机加工→轴颈 N 化

渗渗 CC钢钢的牌号（摘自的牌号（摘自 GB/T3077-1999GB/T3077-1999）（）（渗渗 CC: 930: 930℃℃，回火：，回火： 200 200 ℃℃）　）　 p172p172

主 要 化 学 成 分 , % 预备处理／

淬火 , ℃C Mn Cr ， Ni

0.17~0.24　

0.17~0.24

0.50~0.80　

1.30~1.60

0.70~1.00   　

 

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 ／ 87

0 油

钢号

20Cr

　 20MnV

20CrMn20CrMnTi

　

淬透性

低

中

高18Cr2Ni4WA

20Cr2Ni4A

0.13~0.19

0.17~0.23

W0.8~1.2

0.30~0.60

1.35~1.654.0~4.5

1.25~1.653.25~3.75

950 ／ 850空

880／ 780油

机械性能　

b

MPas

MPa

835　

785

540　590

9301080

　

735835　

1180

1180

835

1080

aKU2

J

47　55

4755　

78

63

调质钢调质钢的牌号（摘自的牌号（摘自 GB/T3077GB/T3077－－ 19991999） 　） 　 p174p174

淬透性

钢号主 要 成 分 , % 淬火

℃

回火

℃C MnSiCr

低

450.42~0.50

0.50~0.80

0.17~0.37

830~840水

580~640空

40Cr0.37~0.45

0.50~0.80

Cr 0.8~1.10

850油 500 水，油

中

高

35CrMo0.32~0.40

0.40~0.70

Cr 0.8~1.10

850油 550 水，油

38CrMoAlA0.35~0.42

Al 0.7~1.1

Cr 1.35~1.65

940水，油

640水，油

40CrMnMo0.37~0.45

0.90~1.20

Cr 0.9~1.20

850油 600 水，油

机械性能

b

MPas

MPa

aKU2

J

600

355 39

40MnB0.37~0.44

1.10~1.40

0.20~0.40

850油 500 水，油 980 785 47

980 785 47

980 835 63

980 835 71

980 785 63

C620 C620 车床主轴 　车床主轴 　 p336p336

球墨铸铁球墨铸铁的牌号、性能　　的牌号、性能　　 p211p211

牌号 基体机械性能　

b

MPa

0.2

MPa5

%

ak

kJ/m2HB

QT400-17 F 400 250 17 600 179

QT420-10 F 420 270 10 300 207

QT500-5 F+P 500 350 5 － 147-241

QT600-2 P 600 420 2160 229-302

QT700-2 P 700 490 2160 229-302

QT800-2 P 800 560 2160 241-321

QT1200-1 下 B 1200 840 1 30038HR

C

热处理 p213

175A175A 型农用柴油机型农用柴油机曲轴曲轴