機械工程材料培訓教程

機械工程材料培訓教程

第0章緒論

目的與要求：本章要緊講授材料與機械的關(guān)系，其目的是使學生明確常用機械工程材料的分

類。

重點與難點：常用機械工程材料的分類。

學時的分配：2學時。

1材料的分類

機械有許多種：無上飛的有飛機、火箭，路上跑的有汽車、自行車，水里游

的有船舶、潛艇等。大到排水兒十萬噸的航空母艦，小到能夠鉆進人體血管的微

型機器人。它們都是用各類各樣的材料制作而成的。

按照構(gòu)成材料的構(gòu)成不一致，人們通常將機械工程材料分成金屬材料、非金

屬材料兩大類（表0-1）。

表07機械工程材料的分類

灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、碳素鋼、

黑色金屬材料如鐵、鋼等

金屬合金鋼等

機材料純銅、黃銅、青銅、純鋁、鋁

有色金屬材料如銅、鋁等

械合金、純鐵、然合金等

X熱料性塑料、熱固性塑料、天

高分子材料如塑料、橡膠等

程然或者合成橡膠等

材非金屬粘土陶瓷、氧化物陶瓷、缸化

陶瓷材料如普通陶無、特種陶竟等

料材料物陶瓷等

如粒子增強復合材料、纖纖維樹脂復合材料、纖維金屬

復合材料

維增強復合材料等復合材料等

資料來源：SeropeKalpakjianandStevenR.Schmid,ManufacturingEngineeringandTechnology(4lhEdition),

北京：高等教育出版社，2005年3月，P28

在迄今為止的元素周期表的109種元素中，金屬元素有86中，占78.9%,

居絕對領先地位。

另一方面，國際鋼鐵協(xié)會(InternationalIronandSteelInstitute)批露的數(shù)據(jù)顯

示，2006年全球粗鋼產(chǎn)量上升9%,至12.17億噸。2007年產(chǎn)量為13.44億噸。

中國投資網(wǎng)數(shù)據(jù)說明，合成樹脂產(chǎn)量2005年全球為1.8029億噸，中國為2142

萬噸，2006年中國為2984萬噸(表()-2)。

表0-2中國與全球鋼鐵、塑料產(chǎn)量/萬噸

2006全球2006中國2007全球2007中國

鋼鐵產(chǎn)量121,70041,900134,40048,900

工程塑料

18,029(05)2142(05)2984

(合成樹脂)

鋼鐵：塑料約7：1約20：1約16：1

2材料的性能

人們用金屬制作汽車，用銅或者鋁制成電線，用陶瓷制作火花塞，用橡狡制

作皮帶，用鉛制作蓄電池，等等。

這是為什么呢？由于每種材料都有自己特殊的性能：黑色金屬強度高、有色

金屬導電性好、陶瓷耐高溫、橡膠有良好的耐磨性、鉛能夠作為電極。

材料性能的分類：物理性能、化學性能、力學性能等。其中，力學性能又包

含硬度、強度、塑性、韌性等等。

3材料的應用

表0-3一輛典型汽車所含有的常用材料/kg

金屬材料非金屬材料

鋼鑄鐵鋁銅鋅鉛塑料橡膠玻璃木頭陶無

153035030162615556052少量少量

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

資料來源：：P.N.Rao,ManufacturingTechnology-------Foundry,FormingandWelding,北京：機械工業(yè)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

圖07常用材料在汽車中的典型應用

資料來源：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

圖0-2常用材料在航空發(fā)動機中的典型應用

資料來源：SeropeKalpakjianandStevenR.Schmid,ManufacturingEngineeringandTechnology(4thEdition),

北京：高等教育出版社，2005年3月，P86

由此可見，金屬材料是最重要、應用最廣泛的機械工程材料。每種材料都具

備自己特有的性能，能夠應用在特定的場合。正確地為機器零件選用合適的材料

是每個工程技術(shù)人員應盡的責任與重要的任務。

本章小結(jié)：興趣是學習任何知識的前提，機械工程材料也不例外。在講授本章內(nèi)容時，要通

金屬晶體的特點：

第一，熔點一定：比如Fe的熔點是1538℃。

第二，各向異性：比如bcc的鐵在［111］方向的彈性模量為248200Mpa,而

在［100］方向僅有132300Mpao

第三，外形規(guī)則。

4常見的金屬晶格類型

金屬晶體對稱性高，90%屬于下列三種晶格。

表17常見金屬晶體的單胞

晶格種類體心立方/bcc面心立方/fee密排六方/hep

P5Fig1-5

單胞內(nèi)原子數(shù)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,

典型金屬Mg,Zn,Cd,Be等

Nb,p?Ti等Ag等

最密排面之間的距離大，作用力小。

最密排方向原子密度大，結(jié)合力強。

5金屬的特性及其原因

第一，良好的導電性：原因是大量的自由電子存在。

第二，良好的導熱性：原因是大量的正離子存在。

第三，良好的塑性：原因是靠金屬鍵結(jié)合。

第四，不透明與特殊的金屬光澤。

6金屬的結(jié)晶

結(jié)晶：由液態(tài)金屬向原子規(guī)則排列、形成金屬晶體的過程就稱之結(jié)晶。

結(jié)晶產(chǎn)品能夠只是半成品（鑄錠），也能夠是成品（鑄件）。

液態(tài)金屬與固態(tài)金屬的自由能都隨著溫度而降低，但是，液態(tài)金屬降低的、

得比固態(tài)金屬快。在某個時刻二者自由能剛好相等。這個溫度就是理論結(jié)晶溫度。

記為T。。實際上，在幾溫度下，液態(tài)與固態(tài)金屬互相轉(zhuǎn)變，不可能真正發(fā)生結(jié)

晶。而總是在低于To的某個溫度（實際結(jié)晶溫度「）時才真正開始結(jié)晶。

過冷度：金屬的實際凝固溫度與理論凝固溫度之差。AT=To-Tn

金屬結(jié)晶務必是一個自由能降低的自發(fā)過程。這也說明了為什么需要一定的

過冷度。

金屬結(jié)晶是一個過程，要經(jīng)歷形核與核心長大兩個階段。

自發(fā)形核：直接在液態(tài)金屬中產(chǎn)生晶核，稱之自發(fā)形核。

非自發(fā)形核：依靠外來固體粒子形成的晶核.就是非自發(fā)形核。

晶核的長大總是與溫度梯度的方向相反，同時總是長成樹枝狀（P13

Figl-lDo

晶界：金屬結(jié)晶時，將雜質(zhì)推擠到兩晶體交界處形成的不規(guī)則邊界。

晶粒：由晶界包圍的晶體。

7實際使用的工程材料——金屬

都是多晶體，晶體內(nèi)是有缺陷的：點缺陷（空位、間隙原子、置換原子）、

線缺陷（位錯）、面缺陷（亞晶界、晶界）。

鑄錠組織分成細晶粒區(qū)（很薄，性能良好）、柱狀晶粒區(qū)（發(fā)達，性能有方

向性、顯微孔洞少、組織致密、但交界薄弱）與中心等軸晶粒區(qū)（較發(fā)達，性能

沒有方向性、但顯微孔洞多、不太致密）。

8對技術(shù)工作者的要求

通過細化晶粒獲得鑄件的高性能（適當增大過冷度、加孕育劑進行變質(zhì)處

理、）、設計時盡量使用尖角。

本章小結(jié)：本章要緊講述金屬晶體的種類與不一致晶體所表現(xiàn)出的性能差異。內(nèi)容抽象不易

引起學生注意，應當時時提醒，適當練習鞏固理論學習成果。

本章作業(yè)：自教材P21?22中選做。

第2章金屬的塑性變形與再結(jié)晶

目的與要求：本章要緊講授金屬材料的變形機理，讓學生熟悉在使用情況下金屬材料的變形

及其對機械正常工作的影響。

重點與難點：金屬材料在冷、熱加工時所表現(xiàn)的特性及其原因。

學時的分配：2學時。

1為什么要研究塑性變形

一方面，鑄態(tài)組織存在不足：晶粒粗大、組織不均勻、成分存在偏析、性能

不高。重要的機械零件總是使用壓力加工的方法成形。壓力加工方法要緊有鍛造、

軋制、拉拔、擠壓等。以克服鑄件的不足。

另一方面，機械零件工作過程中，總是受力的，因而也總會發(fā)生變形。人們

希望，機械零件的變形務必在彈性變形的范圍內(nèi)，同時越小越好。決不同意發(fā)生

塑性變形。

2變形及其分類

變形：金屬在外力作用下，發(fā)生形狀與尺寸的改變。

彈性變形：外力去除后，能恢復到原先形狀的這種變形稱之彈性變形。

塑性變形：外力去除后，不能恢復而保留卜來的這種變形稱之塑性變形。

低碳鋼的拉伸試樣與拉伸曲線：P24Fig2-1

應

力

Ob

圖27低碳鋼的拉伸曲線

通過拉伸能夠測定金屬材料的屈服強度、抗拉強度（強度極限）、延伸率、

斷面收縮率等力學性能指標。

3金屬塑性變形的方式

單晶體的塑性變形方式：滑移（一部分相對另外一部分的移動）與李生（一

部分相對另外一部分的轉(zhuǎn)動）。

對多晶體（常用工程材料）而言，塑性變形比單晶體要復雜得多。晶粒內(nèi)部

的變形方式與單晶體相同，有滑移與李生兩種方式。由于晶界的存在，首先，滑

移不易從一個晶粒傳遞到相鄰的另一個晶粒，表現(xiàn)出阻礙作用，因而需要更大的

外力（表現(xiàn)為強度增加）。其次，晶界兩側(cè)晶粒的位向可能不一致，他們內(nèi)部滑

移系有的可能開動，有的不能開動，有的受拉有的受壓甚至受扭，使滑移不能協(xié)

調(diào)而變形困難（表現(xiàn)為強度增加）。第三，多晶體內(nèi)滿足滑移系能夠開動條件的

晶粒數(shù)量較多，使變形分散在較多的晶粒內(nèi)，不易產(chǎn)生應力集中，結(jié)果同意承受

較大的塑性變形（表現(xiàn)為塑性良好）。

4金屬塑性變形的結(jié)果

第一，組織變化：晶粒破碎、亞結(jié)構(gòu)細化、位錯密度增加；晶粒沿變形方向

延伸拉長（纖維、流線）；形成織構(gòu)。

第二，性能變化：強度增加、塑性變差、韌性下降（加工硬化：金屬變形使

強度增加、塑性降低的現(xiàn)象稱之加工硬化，或者冷作硬化、形變強化）。

第三，各向異性。

5變形金屬在加熱時的變化

回復：變形金屬由于加熱而導致缺陷密度降低、畸變消除的現(xiàn)象。

再結(jié)晶：變形金屬由于加熱重新形成晶核與晶核長大的這個過程。

再結(jié)晶溫度：進行再結(jié)晶的最低溫度。通常T產(chǎn)（0.35?0.40）T..,

二次再晶粒：一次再結(jié)晶后，少數(shù)晶粒擇優(yōu)生長成為特大晶粒、其他晶粒被

吞食的這種現(xiàn)象。

這是一種特殊晶粒長大。以大晶粒吞并小晶粒的方式進行，通常粗化晶粒。

使性能下降。

6金屬的熱加工

冷加工：在再結(jié)晶溫度下列對金屬進行的加工。

熱加工：在再結(jié)晶溫度以上對金屬進行的加工。

金屬熱加工的優(yōu)點：變形時金屬塑性好、變形阻力小、產(chǎn)生裂紋危險性低；

變形后晶粒細小、組織均勻；產(chǎn)生具有一定方向的流線（金屬組織呈現(xiàn)纖維狀）、

性能表達各向異性。

本章小結(jié)：本聿要緊講述金屬變形的理論，也講述了變形對金屬晶體性能的影響與消除影響

的措施。教師要使學生在懂得的基礎上，從紅織結(jié)構(gòu)的變化與表現(xiàn)出的力學性能

上找出聯(lián)系。

本章作業(yè)：自教材P42?43中選做。

第3章二元合金與相圖

目的與要求：本章要緊講授二元合金理論，應當著重介紹合金的分類、相圖的特點等。

重點與難點：典型的共晶相圖，共晶與共析反應等。

學時的分配：2學時。

1合金及其種類

合金：金屬元素與另外的元素（一種或者多種、金屬或者非金屬）構(gòu)成的、

具有金屬特性的物質(zhì)。

合金有二種類型：固溶體、金屬間化合物。

固溶體：就是固態(tài)下構(gòu)成元素之間能互相溶解而形成均勻的合金。有間隙固

溶體與置換固溶體兩種。

間隙固溶體：溶質(zhì)原子存在于溶劑晶格的間隙位置而形成的固溶體。間隙固

溶體形成是有條件的：溶質(zhì)原子直徑不足溶劑原子半徑的59%,溶劑品格有足夠

大的間隙。間隙固溶體通常是有限固溶體。通常由于間隙原子的存在而導致晶格

發(fā)生正的畸變。典型的間隙固溶體有鋼（碳在鐵中的固溶體）。

置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑品格結(jié)點的位置而形成的固溶體。形成條件

是溶質(zhì)溶劑原子直徑相差不多（0.85?1.15）。置換固溶體通常是無序固溶體，

一定條件下可形成有序固溶體。置換固溶體的畸變可正也可負。

固溶體的特性

第一，晶格類型：與溶劑相同；

第二，成分可變：溶入的元素量可多可少；

第三，晶格畸變：能夠是正畸變或者者負畸變；

第四，性能更好：通常強度更高（固溶強化）、塑性、韌性也有所增加。

金屬化合物：金屬與非金屬原子形成的化合物。通常具有金屬特性。

金屬化合物有正常價化合物（離子鍵、少量共價鍵）、電子化合物（金屬鍵）

與間隙化合物（簡單結(jié)構(gòu)金屬化合物或者間隙相、復雜結(jié)構(gòu)間隙化合物）三種。

金屬化合物的特性

第一，構(gòu)成原子數(shù)有一定比例，并占據(jù)固定的位置；

第二，晶格類型與圓構(gòu)成元素不一致，并比較復雜；

第三，具有硬度高、熔點高、電阻高、脆性大的特點。

2相圖的種類

勻晶相圖：兩元素在液態(tài)、固態(tài)均能無限互溶時所構(gòu)成的相圖（P52Fig3-6）。

共晶相圖：兩元素液態(tài)無限互溶、固態(tài)有限互溶，并有共晶轉(zhuǎn)變構(gòu)成的相圖

（如Cu-Ni系構(gòu)成的Fig3-9,P52）o

共晶反應：從液體中結(jié)晶出兩種晶體的轉(zhuǎn)變（反應）。

如Pb-Sn系（P55）183℃的反應LE—OC+PD

包晶相圖：兩元素液態(tài)無限互溶、固態(tài)有限互溶，并有包晶轉(zhuǎn)變構(gòu)成的相圖

（如Pt?Ag系構(gòu)成的Fig3-7,P60）o

包晶反應：液體與一個固相反應、生成另一個固相的反應。

如Pl-Ag系（P60）1186c的反應霞+LE一即

共析反應：從一個固相中析出另外兩個新的固相的轉(zhuǎn)變（反應）。這與前三

種反應不一致，這是一種純粹發(fā)生在固態(tài)的反應，因而速度慢（受擴散操縱）、

晶粒細（過冷度大，形核多）、有應力存在（相與相比容不一致）。

如P61Fig3-18下部的反應：a->pi+p2

本章小結(jié)：金屬的性能與其組織結(jié)構(gòu)密切有關(guān)，不一致品系的合金自結(jié)晶時就有不一致的相

構(gòu)成，因而所表現(xiàn)的性能有很大差異。講授本章的內(nèi)容時，教師要特別強調(diào)共晶

與共析這兩類反應，與對金屬材料性能的影響。

本章作業(yè)：自教材P64?65中選取。

第4章鐵碳合金

目的與要求：本章是鋼鐵材料的重要理論基礎，還是具體講述碳素鋼的具體章節(jié)。要使學生

在懂得與掌握鐵碳合金二元相圖的基礎上，熟悉碳素鋼的分類、典型牌號及其應用。

重點與難點：鐵碳合金相圖、鐵碳合金的組織構(gòu)成相、碳素鋼。

學時的分配：2學時。

1鐵碳合金相圖

鐵碳合金：以鐵為主、加入少量碳而形成的合金。其相圖如下

溫度，℃

0.774.306.69

碳含量，%

圖4TFe-Fe3c二元合金相圖

五個溫度：1538,1394,1148,912,727℃

五個成分：0.02,0.77,2.11,4.30,6.69%Wc

三個特殊點：J（包晶點），C（共晶點），S［共析點）

三個重要相：a固溶體，丫固溶體，F(xiàn)e3c金屬間化合物

三個反應：包晶反應Lo.53%c+3o.O9%c—>yo.17%c

共晶反應L4.3%C^Y2.11%c+Fe3C6.67%c

共析反應yo.77%c—>ao.O2%c+Fe3c6.67%c

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：固態(tài)下，金屬或者合金發(fā)生晶格類型轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。也稱之同

素異型轉(zhuǎn)變或者多型性轉(zhuǎn)變。典型的例子就是鐵：912℃下列是體心立方的a鐵,

912?1394c是面心立方的y鐵，1394?1538℃又為體心立方的a鐵（為區(qū)別而

稱之6鐵）。

2鐵碳合金的構(gòu)成相

L相鐵與碳形成的液體。

3相碳在6鐵中的固溶體，體心立方結(jié)構(gòu)，僅存在與高溫下，也稱之高溫

鐵素體，記為3。

Y相碳溶入y鐵形成的間隙固溶體，面心立方結(jié)構(gòu)，記為丫（相圖中）或

者A（文字中），稱之奧氏體。高溫時塑性變形能力強。

a相：碳溶入a鐵形成的間隙固溶體，體心立方結(jié)構(gòu)，記為a（相圖中）或

者F（義字中），稱之鐵索體。強度低、硬度低、塑性好。

Fe3c鐵與碳形成的金屬化合物，復雜結(jié)構(gòu)金屬化合物，記為C,稱之滲碳

體。硬度高、強度低、塑性極差。

3鐵碳合金的分類

工業(yè)純鐵含碳量小于等于0.0218%

鋼含碳量在0.0218?2.11%之間?？杉毞譃閬喒参鲣摚ê剂?.0218?小

于0.77%）、共析鋼（含碳量等于0.77%）、過共析鋼（含碳量大于0.77?2.11%）

白口鐵含碳量2.11?6.69%?？杉毞譃閬喒簿О卓阼F（含碳量2.11?小于

4.3%）、共晶白口鐵（含碳量等于4.3%）,過共晶白口鐵（含碳量大于4.3?6.69）。

注意：共析反應的產(chǎn)物叫珠光體，是鐵素體與滲碳體的機械混合物，記為P。共晶反應

的產(chǎn)物叫萊氏體，記為L。

4碳對鐵碳合金組織與性能的影響

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%

圖4-19含碳量對鋼力學性能的影響

強度：先升后降，含碳量0.9%時為最大值。要緊是由于細小、彌散、均勻

分布的Fe￡起強化作用，使強度升高。而含碳量超過0.9%時，F(xiàn)e3c沿晶界分布

成網(wǎng)狀，易產(chǎn)生裂紋，強度反而降低。

硬度：隨含碳量升高而不斷增加。

塑性：隨含碳量升高而降低。

韌性：隨含碳量升高而降低。

5鐵碳合金相圖的應用

第一，在選材方面的應用：低碳鋼(0.10?0.25%)強度通常不高，塑性、

韌性好，適宜制作建筑結(jié)構(gòu)、容器等。中碳鋼(0.25?0.60%)強度、塑性、韌

性都較好，且可在很大范圍內(nèi)操縱，適宜制作機械零件。高碳鋼(0.60?1.30虬)

硬度高、耐磨性好，適宜制作工具等。白口鐵硬度高、耐磨性很好、脆性大，適

宜制作不受沖擊的零件(拉絲模、冷軋輻、球造機的鐵球)等。

第二，在鑄造方面的應用：合金熔點低、結(jié)晶溫度區(qū)間窄有利于增加流淌性,

對鑄造有利。因此，鑄鋼通常含碳量為0.15?0.60%,鑄鐵含碳量為4.30%左右。

第三，在鍛軋方面的應用：鍛軋時要求鋼處于單相區(qū)域，具有良好的塑性。

開鍛/軋溫度應在固相線下列，終鍛/軋溫度應在共析以上。

第四，在熱處理方面的應用：熱處理需要將鋼加熱到單一的奧氏體區(qū)域，或

者加熱到與臨界點有關(guān)的某個溫度，而相圖則清晰反應了鐵碳合金成分、溫度、

組織的關(guān)系。

6碳鋼

碳鋼：含碳量在0.02?1.3%之間的鐵碳合金。

碳鋼中，除了鐵與碳之外，通常還含有Mn、Si、S、P,其中S、P是鐵礦

石帶入的，對性能有害；Mn、Si是脫氧殘留的，對性能有益。

碳鋼按含碳量分成低碳鋼（小于等于0.25%C）、中碳鋼（0.25?0.60%C）、

高碳鋼（大于0.60%C）三種。按質(zhì)量分成普通碳素鋼（S、P含量比較高）、優(yōu)

質(zhì)碳素鋼（、P含量較低）與高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼（S、P含量低）三種。按用途分成

結(jié)構(gòu)鋼與工具鋼兩種。

第一，普通碳素結(jié)構(gòu)鋼

命名方法：Q（屈服強度屈的聲母）、屈服強度、質(zhì)量等級、脫氧方法四個

部分按順序構(gòu)成（GB/T700）o僅保證機械性能。

典型牌號:Q195、Q215、Q235、Q255、Q275等。

典型用途：型材、薄板、焊管、橋梁結(jié)構(gòu)、標準件、連桿、簡單的齒輪或者

軸。不熱處理直接使用。

第二，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

命名方法：名義含碳量1萬倍的2位數(shù)字、含量較高的合金元素符號、脫氧

方法（GB/T699）o

典型牌號：10、45、60、16Mn、70Mn>08F等。

典型用途：通常，低碳鋼制作沖壓制件，中碳鋼制作齒輪、軸等機械零件，

55?65制作彈簧。通常經(jīng)熱處理提高力學性能。

第三，碳素工具鋼

命名方法：T（碳的聲母）、名義含碳量1千倍的2位數(shù)字、合金元素符號、

A（GB/T1298）o

典型牌號：T8、T8Mn、T10、T13、T8A、T12A等。

典型用途：含碳量稍低的T7、T8制作沖頭、錘子、手鋸等；含碳量較高的

T9?T11制作車刀、鉆頭、沖模等；含碳量高的T12、T13制作量塊、塞規(guī)、刮

刀等。

第四，鑄造碳素鋼

命名方法：ZG（鑄綱的聲母）、最低屈服強度、二最低強度極限（GB/T11352）。

典型牌號:ZG200-400.ZG270-500.ZG340-型0等。

典型用途：受力不大、韌性良好、可焊接的機座、殼體；強度較高、有一定

塑性、可焊接的軋鋼機機架、連桿、曲軸；高強度、高耐磨性、能切削加工的齒

輪、棘輪等.

本章小結(jié)：本章內(nèi)容比較具體而零散，講授時要緊緊圍境“命名方法-典型牌號-典型應用”

這根主線，幫助學生把零散的知識串聯(lián)成一個整體，從而形成系統(tǒng)、嚴密的知識。

本章作業(yè)：自教材P95?96中選取。

第5章鋼的熱處理

目的與要求：本章僅僅簡介常用的熱處理工藝。

重點與難點：金屬材料熱處理后的性能特點。

學時的分配：1學時。

1鋼的熱處理及其目的

鋼的熱處理：將鋼通過加熱、保溫與冷卻的方法，改變結(jié)構(gòu)與組織，從而獲

得所需要性能的綜合操作工藝過程。其中加熱溫度與冷卻速度是最重要的參數(shù)。

熱處理工藝曲線：表示熱處理工藝的溫度一時間曲線。

熱處理的目的：提高、改善金屬材料的性能。

2常用的熱處理工藝

第一，退火

退火：將鋼加熱到臨界點Ac/Ac3以上或者下列某一溫度、保溫后緩慢冷卻

（通常為隨爐冷卻）的熱處理工藝。退火又分成擴散退火（均勻化退火）、完全

退火（或者重結(jié)晶退火）、球化退火、再結(jié)晶退火、去應力退火（低溫退火）。

退火的目的是獲得接近平衡狀態(tài)的組織、消除不平衡的強化狀態(tài)、為最終加

工作好組織準備。

第二，正火

正火：將鋼加熱至臨界點Aa/A.以上30?50℃,保溫后在空氣中冷卻的熱

處理工藝。

正火的目的是使組織粗化/均勻化以提高性能、加工前的預處理改善切削加

工性、消除網(wǎng)狀碳化物以利于球化并為淬火作組織準備。

第三，淬火

淬火：將鋼至臨界點AC/AC3以上30?50℃,保溫燒透后快速冷卻，使奧氏

體迅速轉(zhuǎn)變成馬氏體的熱處理工藝。

淬火的目的是提高鋼的強度與硬度。

第四，回火

回火：將鋼加熱到Acl下列的某一溫度，經(jīng)適當保溫后冷卻到室溫的熱處理

工藝。

回火的目的是使淬火得到的不穩(wěn)固組織轉(zhuǎn)變成穩(wěn)固的組織、消除應力防止變

形與開裂、調(diào)整制件的強度塑性與韌性。

第五，表面熱處理

表面熱處理：將鋼表層快速加熱、奧氏體化后快速冷卻，使表層獲得馬氏體

的熱處理工藝。也稱之表面淬火。有感應加熱表面淬火與火焰加熱表面淬火兩種。

表面熱處理的目的是僅改變表層金屬的組織與性能，而保持心部的組織與性

能不變。

第六，化學熱處理

化學熱處理：用改變表層化學成分之后再熱處理的方法，來改變表層的組織

與性能的熱處理工藝。通常有滲碳、滲氮、碳氮共滲（氟化）、滲棚、滲銘、滲

鋁等。

化學熱處理的目的提高制件表層的耐磨性、耐蝕性、抗氧化性、抗疲勞性等。

本章小結(jié)：本章盡管不是如識重點，但對今后從事專業(yè)技術(shù)工作還是有一定意義。因而，花

少量時間提示給學生，方便以后正確選用熱處理工藝即可。

本章作業(yè)：自教材P133?135中選取。

第6章合金鋼

目的與要求：合金鋼是極其重要的機械工程材料，種類繁多、性能各異、用途多樣。本章應

著重講授合金鋼的分類、牌號與用途。

重點與難點：常用合金鋼的分類、典型牌號與用途。

學時的分配：3學時。

1合金鋼

合金鋼：為改善與提高鋼的性能加入合金元素而形成的以鐵為基的合金。

合金元素：為改善與提高鋼的性能而有意加入的元素。

合金鋼常常按用途分成合金結(jié)構(gòu)鋼（包含合金結(jié)構(gòu)鋼、滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、非

調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼、易切鋼等）、合金工具鋼（包含刃具鋼（含低合金工

具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金）、量具鋼、模具鋼（含冷作模具鋼、熱作模具鋼等）

與特殊性能鋼（包含不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等）。

2合金結(jié)構(gòu)鋼

第一，工程結(jié)構(gòu)鋼

命名方法：2位數(shù)字（名義含碳量1萬倍）+合金元素符號與含量（不足1%

不注明含量）（GB/T1591）o

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

典型用途：火車車皮、橋梁、鍋爐、壓力容器、船舶等。

第二，通常機械結(jié)構(gòu)用鋼

命名方法：（前綴）+2位數(shù)字（名義含碳量1萬倍）+合金元素符號與含量

（不足1%不注明含量）（GB/T3077）

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

等。

典型用途：大型曲軸；汽車半軸、通用或者重載軸、鋒床鋪桿。

第三，齒輪鋼

命名方法：2位數(shù)字（名義含碳量的1萬倍）+合金元素符號與含量（不足

1%不注明含量）（GB/T15712）

典型牌號:20Cr.20CrMnTi>2（）CrNiMo等。

典型用途：齒輪或者齒輪軸、齒輪等。

第四，彈簧鋼

命名方法：2位數(shù)字（名義含碳量1萬倍）+合金元素符號與含量（不足1%

不注明含量）（GB/T1222）。

典型牌號：60Si2Mn>50CrA等。

典型用途：彈簧

第五，軸承鋼

命名方法：G+2位數(shù)字（名義含碳量1千/萬倍）或者沒有數(shù)字（碳含量大

于設）+合金元素符號與含量（不足1%不注明含量）、（GB/T18254）

典型牌號:GCH5、G20CrNi2Mo等。

典型用途：軸承。

第六，易切削鋼

命名方法：Y+2位數(shù)字（名義含碳量1萬倍）+合金元素符號與含量（不足

1%不注明含量）（GB/T8731）。

典型牌號：Y12Pb、Y45Ca等。

典型用途：鍛造后不經(jīng)熱處理可直接使用的結(jié)構(gòu)零件。

第七，合金鑄鋼

命名方法：ZG十2位數(shù)字（名義含碳量1萬倍）十合金元素符號與含量（不足

1%不注明含量）。

典型牌號：ZG40C1、、ZG35CrMnSi等。

典型用途：大型鑄鋼件。

第八，低合金工具鋼

命名方法：2位數(shù)字（名義含碳量1千倍）或者不標注（超過1%）+合金元

素符號與含量（不足現(xiàn)不注明含量）（GB/T1299）。

典型牌號：9CrSi、9Mn2V、CrWMn等。

典型用途：絲錐、剪切刀片等。

第十，高速鋼

命名方法：2位數(shù)字（名義含碳量1千倍）或者不標注（超過1%）+合金元

素符號與含量（不足1%不注明含量）（GB/T3080）。

典型牌號：W18CMV、W6Mo5Cr4V2等。

典型用途：車刀等刃具。

第十一，硬質(zhì)合金

命名方法：（GB/T18376）

典型牌號：P/M/K10、Gl（）、LS/T/Q/V10等。

典型用途：車、銃、刨、刮與鑿巖等工具。

第十二，冷模具鋼

命名方法：2位數(shù)字（名義含碳量1千倍）或者不標注（超過1%）+合金元

素符號與含量（不足1%不注明含量）（GB/T1299）

典型牌號：CM2、Crl2MoV

典型用途：沖模

第十三，熱模具鋼

命名方法：2位數(shù)字（名義含碳量1千倍）或者不標注（超過1%）+合金元

素符號與含量（不足現(xiàn)不注明含量）（GB/T1299）

典型牌號：5CrNiMo、3O2W8V、4Cr5MoVISi等。

典型用途：鍛造模、擠出模等。

第十四，量具鋼

命名方法：不說明碳含量（通常超過1%）+合金元素符號與含量（不足1%

不注明含量）

典型牌號：Cr2、GCH5、CrWMn等。

典型用途：塞規(guī)、樣板、千分尺等。

第十五，不銹鋼

不銹鋼按組織類型劃分，有奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、

析出硬化不銹鋼四大類。

命名方法：2位數(shù)字（名義含碳量1萬倍）-合金元素符號與含量（不足1%

不注明含量）（GB/T1220-1992）

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

（）Crl7Ni4Cu4Nb等。

典型用途：食品、化工、原子能設備；通常刀具、醫(yī)療器械；重油燃燒器、

家具構(gòu)件；汽輪機部件；等等。

第十六，耐熱鋼

耐熱鋼按組織種類劃分，有奧氏體耐熱鋼、馬氏體耐熱鋼(還有珠光體耐熱

鋼)兩大類。

命名方法：2位數(shù)字(名義含碳量1千倍)+合金元素符號與含量(不足1%

不注明含量)(GB/T1221-1992)

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

lCrllMoV>!Crl3；(12CrlMoV)等。

典型用途：內(nèi)燃機排氣閥、加熱爐部件；透立機葉片、耐氧化部件；鍋爐結(jié)

構(gòu)件。

第十七，耐磨鋼

耐磨鋼的硬化機理：加入大量的Mn,室溫下是奧氏體。承受很大沖擊載荷、

并摩擦時使其發(fā)生顯著的加工硬化，硬度從210HB迅速上升到45()?550HB。正

是這種強烈的加工硬化導致加工困難，因此耐磨鋼通常鑄造成形。鑄造后需要進

行水韌處理(固溶)。

命名方法：Z+GMn及Mn含量-代號(GB5680-1985)

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

典型用途：破碎機齒板、履帶板、鐵路道岔等。

本章小結(jié)：合金鋼涉及的內(nèi)容很多，應當也只能在有限的學時內(nèi)擇其重要的重點講授，講授

時的“命名-牌號-性能-用途”脈絡應當清修，典型用途務必重點講述。

本章作業(yè)：自教材P195?196選取。

第7章鑄鐵

目的與要求：鑄鐵有普通疇鐵、球墨鑄鐵、可儂鑄鐵、蛇墨鑄鐵等多種，他們本質(zhì)的差別是

石墨形態(tài)的不一致。結(jié)晶時的操縱與結(jié)晶后的熱處理是操縱石墨形態(tài)的兩種措

施。這都是本章所應當講授的內(nèi)容。

重點與難點：常用鑄鐵材料的分類、典型成分、性能特點與典型應用。

學時的分配：2學時。

1鑄鐵及其性能特點

鑄鐵：含碳量在2.11?4.30與之間的鐵碳合金。

性能特點：抗拉強度低、塑性韌性差、抗震/耐磨性能好、切削加工性好、

缺口敏感性低。

鑄鐵的石墨化：鑄鐵中碳原子析出形成石墨的過程，就叫做鑄鐵的石墨化。

鑄鐵的性能要緊取決于石墨化的程度?；瘜W成分、結(jié)晶時冷卻速度是影響石墨化

的要緊因素。

石墨：六方晶系，碳原子靠共價鍵結(jié)合（結(jié)合力較強）、呈層狀分布，層間

為分子鍵結(jié)合（結(jié)合力弱）。因而，石墨的強度、硬度、塑性都很低。

2鑄鐵的種類

鑄鐵的分類：按照石墨化程度，鑄鐵常分成灰口鑄鐵（斷口呈灰色）、白口

鑄鐵（斷口呈白亮色）、麻口鑄鐵（斷口呈黑白相間的麻點）。還能夠按照石墨結(jié)

晶形態(tài)分成灰口鑄鐵（石墨程片狀）、球墨鑄鐵（石墨呈球狀）、蠕墨鑄鐵（石墨

呈蠕蟲狀）、可鍛鑄鐵（石墨呈團絮狀）。

鑄鐵的基體有鐵素體（F）、珠光體（P）與鐵素體+珠光體（F+P）三種。

第一，灰口鑄鐵

命名方法：HT最小抗拉強度（GB/T9439）

典型牌號:HT200、HT350等。

典型用途：中等負荷結(jié)構(gòu)件、復雜形狀薄壁件、潤滑條件下受磨件等。由于

工藝簡單、價格低廉，用量占鑄鐵總質(zhì)量的約75%。

其他：灰口鑄鐵冷卻過程中，由于截面或者壁厚不均，會產(chǎn)生應力。應進行

消除應力退火（人工時效）?；蛘哒邔⑵浼訜岬?50?900C保溫后緩慢冷卻，促

使其石墨化（石墨化退火）來改善切削加工性。還可對表面進行淬火（如機床導

軌），以提高硬度與耐磨性。

第二，球墨鑄鐵

命名方法：QT最低抗拉強度-最低延伸率（GB/T1348）。

典型牌號；QT400-18>QT600-3、QT900-2等。

典型用途：汽車/拖拉機輪轂、內(nèi)燃機曲軸、汽車轉(zhuǎn)向節(jié)/傳動軸等。

其他：球墨鑄鐵是20世紀50年代進展的優(yōu)良鑄鐵材料，綜合力學性能接近

鋼，還保持了生產(chǎn)方便、成本低廉的優(yōu)勢，應用廣泛。球墨鑄鐵能夠進行高溫退

火（促使自由滲碳體石墨化）、低溫退火（改善塑性）與消除應力退火；還能夠

正火、調(diào)質(zhì)與等溫淬火。

第三，蠕墨鑄鐵

命名方法：RuT最低抗拉強度（JB/T4403）。

典型牌號：RuT260、RuT420等。

典型用途：汽車/拖拉機底盤零件、汽缸套/活塞環(huán)/剎車轂等。

其他：減震性優(yōu)于球墨鑄鐵而不及灰口鑄鐵，抗拉強度/疲勞強度/延伸率優(yōu)

于灰口鑄鐵接近球墨鑄鐵，切削加工與鑄造性能優(yōu)于球墨鑄鐵接近灰口鑄鐵。

第四，可鍛鑄鐵

命名方法：KTH（黑心）/Z（珠光體）/B（白心）+最低抗拉強度.最低延伸

率（GB/T9440）。

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

典型用途：中低壓閥門、汽車/拖拉機差速器殼、凸輪軸、扳手等。

其他：可鍛鑄鐵并不真正能夠鍛造，只是有一定的塑性與韌性。黑心可鍛鑄

鐵要緊是由于熱處理時表層石墨減少、心部有大量石墨呈灰黑色?？慑戣T鐵能夠

進行石墨化退火。

第五，特殊性能鑄鐵

要緊有耐熱鑄鐵、耐磨鑄鐵、耐蝕鑄鐵等。

3鑄鐵的性能特點及其原因

第一，鑄造性能

鑄鐵的熔點低，流淌性好，因此有良好的充模性，能夠生產(chǎn)薄壁復雜零件。

鑄鐵結(jié)晶時，產(chǎn)生大量的比容較大的石墨，因而收縮量小，能夠有效防止鑄

件開裂。

第二，機械性能

石墨強度很低，相當于空洞。片狀石墨還相當于裂紋。損害其機械性能。因

而強度、塑性低。

球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵中的石墨形態(tài)改變，抗拉強度、塑性、韌性

都有所改善，但仍低于鋼。但是，鑄鐵抗壓強度是抗拉強度的3?4倍。因而廣

泛用做受壓零件如機座等。

第三，切削加工性

石墨破壞了金屬的連續(xù)性，切屑易于斷開脫落，切削加工性能良好。

石墨還有潤滑作用，因而可減輕對刀具的磨殞。

第四，消/吸振性

石墨質(zhì)地松軟，能汲取振動能量，因而具有良好的消/吸振性。通常振動能

量衰減率不低于10%1鋼只有2~3%）。

同時，石墨數(shù)量越多，片越粗大，消/吸振性越好。

第五，缺口敏感性

石墨強度低，相當于有許多小缺口。因此，缺口敏感性低。

本章小結(jié)：

本章作業(yè)：自教材P223中選取。

第8章有色金屬材料

目的與要求：有色金屬具有黑色金屬所不具備的比強度高、導電/熱性好、耐腐蝕等寶貴性

能，是不可缺少的重要機械工程材料。有色金屬的基本理論與基本知識已經(jīng)在

有關(guān)金屬的理論章節(jié)講述，本章則要緊講述典型的有色金屬與合金。

重點與難點：銅及銅合金、鋁及鋁合金，他們的典型牌號與實際應用。

學時的分配：4學時。

1有色金屬材料及其特性

有色金屬材料：非鐵金屬及其合金就叫有色金屬材料。

特性：通常密度小，比強度高；良好的導電性、導熱性；優(yōu)良的耐蝕性（鈦）;

高的熔點（W、Mo、Ta、Nb）等。

應用：機械行業(yè)中數(shù)量不多（約4.5%）,但不可或者缺。

2鋁

鋁是產(chǎn)量僅次于鋼鐵的金屬材料。

熔點660℃,密度2.72g/cn?（鐵的1/3,屬于輕金屬），面心立方結(jié)構(gòu)。導

電性、導熱性好，導磁率低，抗大氣腐蝕性能好。但是，強度低（抗拉強度僅

70Mpa,可通過熱處理強化），低溫下也有良好的塑性、韌性。

3純鋁及其牌號、用途

工業(yè)純鋁：純度98.0?99.0%。牌號為LI,L2……L7,數(shù)字越大純度越低。

用作防腐機械零件、鉀釘、日用品等。

工業(yè)高純鋁：純度98.85?99.9%。牌號LO,L00,數(shù)字大純度高。用于制作

鋁箔、鋁合金原料等。

高純鋁：純度99.93?99.99機牌號LOI,L02,L03等，數(shù)字大純度高。用

于特殊場合、科學研究等。

4鋁合金的分類

鋁合金的分類：變形鋁合金（鍛造鋁合金）、鑄造鋁合金。

變形鋁合金：通常加熱時是單相固溶體。塑性良好，可進行鍛造、軋制、擠

壓等變形加工。有不能熱處理強化鋁合金、能熱處理強化鋁合金兩類。

變形鋁合金的強化機理：第二相化合物。

時效強化：過飽與固溶體隨時間延長而析出第二相、使合金發(fā)生強化的這種

現(xiàn)象就稱做時效強化（或者時效硬化）。

自然時效：室溫下進行的時效。

人工時效：加熱條件下進行的時效。

過時效：時效溫度過高或者時間過長，使合金軟化的這種現(xiàn)象。

鑄造鋁合金：能發(fā)生共晶反應、形成低熔點共晶組織。流淌性良好，適宜于

鑄造成型。

5常用鋁合金

命名方法：新國家標準GB/T16474規(guī)定了純鋁與變形鋁合金的四位數(shù)字/字

符體系，其中第I位數(shù)字代表組別（1-8,表8-3）,第2位字符代表，3/4位代

表鋁的純度。

表8-3變形鋁合金牌號第1位數(shù)字的表示方法

第1位數(shù)字代表意義代表牌號對應的舊牌號

1純鋁1A99LG5

2A01LY1

2Cu是要緊合金元素

2219LY19

3Mn是要緊合金元素3A21LF21

4Si是要緊合金元素4A11LD11

5A12LF12

5Mg是要緊合金元素

5083LF4

6A02LD2

6Mg、Si是要緊合金元素，Mg￡i是強化相

6063LD31

7Zn是要緊合金元素7A04LC4

8A06L6

8其他元素為要緊合金元素

8090

要緊應用領域：航空航天、電子、儀表、機械等。

第一，2系列鋁合金(杜拉鋁)

主合金元素：Cu,含有一定量的Mn、Mgo

強化機理：析出的AbCu(0相)、AhCuMg(S相)。

典型牌號及應用：2Aoi(LY1)鉀釘、2A11(LYI1)航空軸/銷等。

注意事項：易產(chǎn)生晶間腐蝕。

第二，3系列鋁合金

主合金元素：Mn,可加Mgo

強化機理：固溶強化。

典型牌號及應用：3A21(LF21)焊接油箱等。

注意事項：不能時效處理。

第三，4系列鋁合金

主合金元素：Si,可加Cu、Zu、Mgo

強化機理：析出的ALCu(0相)、AhCuMg(S相)、MgzSi(0相)等。

典型牌號及應用：4A11(LD11)航空發(fā)動機活塞等重載荷模鍛件。

第四，5系列鋁合金

主合金元素：Mgc

強化機理：固溶強化。

典型牌號及應用:5A12(LF12)航空軸、5083(LF4)卸釘。

注意事項：不能時效處理。

第五，6系列鋁合金

主合金兀素：Mg、Sio

強化機理：析出相。

典型牌號及應用：6A02(LD2)、6063(LD31)航空結(jié)構(gòu)件。

第六，7系列鋁合金

主合金元素：Zno

強化機理：析出的AhCu(9相)、AhCuMg(S相)、Zn2Mg(n相)、Al2Mg3Zn3

(T相)等

典型牌號及應用：7A04(LC4)飛機大梁等。

注意事項：受熱易軟化，耐蝕性差。

第七，8系列鋁合金

通常工業(yè)用鋁。

典型牌號及應用：8A06(L6)鉀釘?shù)取?/p>

第八，鑄造鋁合金

分類：分成ALSi、Al-Cu.AI-Mg、ALZn系四類。

特點：合金元素含量較高，有適量的低熔點共晶組織。

典型牌號及應用：ZL102儀表零件、ZL201內(nèi)燃機活塞、ZL301艦船零件、

ZL401結(jié)構(gòu)復雜的飛機、汽車零件。

注意事項：通常經(jīng)熱處理使用。

6銅及其合金

銅是產(chǎn)量僅次于鋁的有色金屬材料。

熔點1083C,密度8.93g/cn?,面心立方結(jié)構(gòu)。高的導電性、導熱性與耐蝕

性，在含CO2空氣中易生成銅綠（銅碳酸鹽）。

強度、硬度低，塑性好。

純銅玫瑰色，通常形成氧化膜后呈紫紅色，故稱紫銅。用電解法生產(chǎn)，因而

也稱之為電解銅。

7純銅及其牌號、用途

工業(yè)純銅：純度99.7?99.95%。牌號為T1,T2,T3（GB/T5231）,數(shù)字越

大純度越低。用作電線、開關(guān)、油管、散熱器等。

無氧銅：也是工業(yè)純銅，但含氧量極低（0.002%）。牌號TUI,TU2,數(shù)字

大純度低。用于制作電真空器件等。

按照加入合金元素，銅合金分成黃銅（Cu-Zn合金）與青銅（Cu-Sn合金）

兩類。

8黃銅

主合金元素：Zno可加入Pb、Al、Sn等。Zn含量0?50%。

強化機理：固溶強化、有序化轉(zhuǎn)變。

性能特點：良好的機械性能、較好的耐蝕性能、易于加工成型、價格低廉、

色澤美麗。應用最廣。

命名方法：H（合金元素）銅含量（■其他元素及含量）（GB/T5231）。

典型牌號及用途：H68復雜沖壓件、H80（強殼黃銅，單一的a固溶體）槍

炮彈殼、H96散熱器/冷凝器管：HPb63?3汽車/拖拉機/鐘表零件：HA160-1-1蝸

輪/軸套/齒輪等；HSn90-l耐高溫耐蝕冷凝管等。

9鑄造黃銅

命名方法：ZCu合金元素及含量（GB/TU76）。

10青銅

青銅是應用最早的銅合金，因含有6相使之呈青白色而得名。耐磨性極高、

耐蝕性好、充模能力強。

主合金元素：Sn,可加入Al、Si、Pb、Be、Mn等。

第一，變形青銅

命名方法：Q合金元素及含量（GB/T5231）。

典型牌號及用途：QSn4-4?4軸套、QA15彈簧、QSi3-l蝸輪蝸桿、QBe2高

溫高速軸承/重載彈簧。

第二，鑄造青銅

命名方法：ZCu合金元素及含量（GB/T1176）。

典型牌號及用途：ZCuSnlOPl軸瓦等。

11鈦及其合金

鈦，灰白色輕金屬，熔點高（1668C）、強度高（l40