工程材料学笔记整理

第一章钢的合金化概论

钢类钢号举例表示方法及说明

合金结构钢40Cr

20CrMnTi

18Cr2Ni4W

38CrMoAlA

40CrNiMo

碳的质量分数一般用万分之几表示，列于钢号开头。主要合

金元素一般用百分之十几表示，当平均质量分数<1.5%，一

般只标出元素符号

低合金结构钢和耐候钢Q345A

Q500C

16Mn

低合金高强度结构钢，钢号按照国际标准用屈服强度命名

Q+屈服强度，八个强度等级，三或五个质量等级。专业用

低合金高强钢：钢号加后缀，16MnL、Q235R、16Mnq(Q345q)

滚动轴承钢GCr15

GCr15SiMn

G20CrMo

高碳铬轴承钢：钢号冠G，含碳量不标出，Cr平均质量分数

千分之几；渗碳轴承钢：与合金结构钢类似，但也冠G;高

碳铬不锈钢和高温轴承钢：钢号不冠G，其他与不锈钢耐热

钢表示方法相同

合金工具钢和高速钢9SiCr

5CrW2Si

Cr12MoV

9Mn2V

5Cr06NiMo

3Cr2W8V

W18Cr4V

W6Mo5Cr4V2

平均含碳量>=1.0%不标，<1.0%用千分之几表示。低铬合金

工具钢中Cr含量用千分之几表示，并在表示含量的数字前

加0.塑料模具冠SM；

高速钢不标碳含量合金元素含量百分之几表示

1.工程结构钢包括碳素结构钢和低合金高强度结构钢。碳素结构钢分为Q195，Q215，Q235,Q275(最低强度)四个等级。低合金高强度结构钢最低屈服强度为345MPa

2.低合金高强度结构钢按用途可分为结构钢，耐腐蚀钢，低温用钢，耐磨钢，钢筋钢，钢轨刚及其他专业用钢

3.工程机构钢以工艺性能为主，力学性能为辅，主要性能要求如下

①足够的强度和韧度

②良好的焊接性和成型工艺性

③良好的耐腐蚀性

4.合金元素通过固溶强化，析出弥散强化，细化晶粒强化和增加珠光体含量这四种强化机制提高这类钢的强度

5.所谓优良的焊接性是指焊接工艺简单，焊缝与母材结合牢固强度不低于母材，焊缝热影响区保持足够的强度和韧性，没有裂纹及各种缺陷

6.少量Cu可以非常有效的提高钢耐大气腐蚀的能力。

7.低合金高强钢合金元素强化方法：固溶强化、细晶强化、沉淀强化

第三章机械制造结构钢

1.机械零件要求有良好的服役性能，如具有足够高的强度，塑形，韧度，疲劳强度，耐磨性等

2.根据热处理强化工艺特点分为整体强化态钢和表面强化态钢。根据钢的生产工艺和用途可分为调

质钢，非调质钢，低碳马氏体钢，超高强度结构钢，渗碳钢氮化钢，弹簧钢，轴承钢等

3.机械制造结构钢主要性能

①具有良好的冷热加工工艺性

②具有良好的力学性能

4.机械零件用钢的合金化元素主要有Cr,Mn,Si,Ni,Mo,W,V,B等或是单独加入，或是复合加入。其中，主加元素为Cr,Mn,Si,Ni。主加元素的作用主要是提高钢的淬透性和力学性能。辅加元素有Mo,W,V,B，能降低钢的过热敏感性，消除钢的回火脆性，进一步提高淬透性等作用，但含量一般都不高

5.一般机械零件的主要失效形式是变形和断裂

6.整体强化态钢均承受拉，压，扭等交变应力，大部分是整体受力。其主要失效形式是疲劳破坏，主要性能指标为δ，抗拉强度，冲击吸收能量KV（KU），断裂韧度等。总体上要求具有良好的综合力学性能。这些钢主要制造轴，杆，轴承类零件，如连杆，螺栓，主轴，半轴等。这类钢主要有调质钢，弹簧钢，轴承钢，低碳马氏体钢，超高强度钢等。

7.调质钢：

结构钢在淬火高温回火后具有良好的综合力学性能，有较高强韧性，适用于这种热处理的钢称为调质钢。

调质钢含碳量一般是中碳，调质钢按淬透性分级：低淬透性钢，中淬透性钢、高淬透性钢。

调质钢中合金元素作用:

Mn：↑↑淬透性，易使钢有过热倾向，回火脆性倾向

Cr：提高淬透性、提高回火稳定性，有回火脆性倾向

Ni：非碳化物形成元素，↑韧度

Ni-Cr复合加入：提高淬透性作用很大，也有回火脆性

Mo：进一步提高淬透性，↑回火稳定性，细化晶粒，有效消除回火脆性倾向

V：碳化物形成元素，细化晶粒，溶入奥氏体会提高淬透性，降低过热敏感性

复合热处理综合强化也得到了许多应用，即热处理强化，表面处理及形变强化结合起来。

8.弹簧钢

1.弹簧的主要作用是储能减震，它一般是在动负荷下工作，即在冲击，振动或长期均匀的周期改变应力的条件下工作。它起到缓和冲击力，使与它配合的零部件不受到冲击而早期破坏

2.要求弹簧钢具有高的弹性极限以及弹性减退抗力好，较高的屈强比，高的疲劳强度和足够的塑性和韧度。对淬火强化处理的弹簧钢还应有做够的淬透性，较好的冶金质量和组织均匀性，要求严格控制材料内部缺陷。

3.常用弹簧材料是碳素钢和低合金弹簧钢。碳素钢含碳量在0.60％-1.05％，高碳，低合金弹簧钢0.40％-0.74％.常加入Si，Mn，Cr，V等合金元素。Cr和Mn主要是提高淬透性，Si提高弹性极限，V提高淬透性和细化晶粒

4.弹簧在热成型后，进行淬火及回火强化处理

5.弹簧钢常用热处理工艺是淬火和中温回火，得到回火托氏体

9.滚动轴承钢

1.在各种载荷作用下，运行一段时间后将产生解除疲劳破坏，即在轴承套圈和滚体表面出现小块剥落，形成麻点，使噪声和振动增大，磨损加剧，工作温度不断上升，最后导致轴承破坏失效

2.轴承钢性能要求

1.高而均匀的硬度和耐磨性

2.高的接触疲劳强度

3.高的弹性极限和一定的韧度

4.尺寸稳定性好

5.一定的耐蚀性

6.良好的冷热加工工艺性

3.对轴承钢的质量要求是纯净和组织均匀

4.非金属夹杂物根据化学成分主要有氧化物，硫化物，硅酸盐三种

5.轴承钢球化退火的主要目的是为最终淬火处理做好组织准备

6.轴承钢淬火后应及时进行回火。（一般为淬火+低温回火，精密为淬火+冷处理+低温回火）

10.合金渗碳钢（低碳，淬火+低温回火，表硬里韧）

1.表面具有高硬度，高耐磨性，高接触疲劳抗力，芯部具有良好的综合力学性能

2.渗碳钢含碳量0.12％-0.25％，低碳。常用合金化元素Mn,Cr,Ni,W,V,Ti,Mo。Mn,Cr,Ni的主要作用是提高淬透性。

3.渗碳钢按淬透性大小分类低淬透性钢，中淬透性钢，高淬透性钢

4.20Cr,20CrV制造受力较轻的零件，如活塞销。20CrMnTi高速中载受冲击力和磨损的重要零件。20Cr2Ni4A,18Cr2Ni4WA高速柴油机，航空发动机曲轴，齿轮。20用于制造轴套，不重要的小齿轮。12Cr2Ni4高负荷齿轮，蜗轮蜗杆。

5.减少残留奥氏体方法，淬火后冷处理和淬火前高温回火

11.氮化钢（调质，渗氮，高温回火）含碳低

1.工作载荷不大，基本无冲击力，有摩擦，比齿轮等磨损轻，受交变疲劳应力，要求能保持高精度

12.耐磨钢

1.高锰铸钢化学成分特点是高碳高锰，铸件使用

2.ZGMn13力学性能差，耐磨性低不宜直接使用，经固溶处理（水韧处理）后显微组织为单相奥氏体

3.水韧处理注意

1.温度在以上，一定保温时间下使碳化物全部溶入奥氏体

2.高锰钢导热性差，热膨胀系数大，铸件尺寸大，所以要缓慢加热避免裂纹

3.铸件出炉至入水时间尽量缩短，避免碳化物析出。水冷

4.高锰钢冷作硬化本质是通过大的形变在奥氏体基体中产生大量层错，形变栾晶，ε马氏体和α马氏体成为位错运动的障碍。能承受强有力冲击不破裂，广泛用于承受大冲击载荷强烈磨损工况下的零件，衬板，磨球坦克履带

13.材料选择基本原则

1.材料的使用性能要求

2.材料的工艺性能

3.经济性

4.其他因素（尺寸，外形特点）

14.选择零件材料思路

1.分析零件的工作条件、尽寸形状和应力状态，科学合理地确定零件的技术要求

2.通过分析或实验，结合同类零件失效分析结果，找出零件实际工作时的失效抗力指标作为选材依据

3.根据主要力学性能选择

4.考虑钢种是否满足次要失效抗力指标的工艺性和可能采用的工艺措施

5.审查所选钢种是否满足所有工艺性基本要求和组织生产可能性，进一步考察材料经济性和成本

第四章工模具钢（高碳）

1.工模具钢：用来制造刃具、模具、量具等各种工具的钢称为工模具钢。

2.按用途分为刃具钢、模具钢、量具钢三大类

①刃具钢可分为碳素、低合金工具钢和高速钢三大类

②模具钢按工作温度可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢

③量具钢用来制作量规、卡尺、样板等。用来测量工件尺寸和形状

3.工具钢性能特点：耐磨、热稳定性、足够强度与韧度。

4.工具钢基本性能：

①强度和塑形

②韧度

③硬度及耐磨

④淬透性

⑤热稳定性（钢在较高温度下仍保持一定强度的性质） ⑥变形开裂倾向大

5. 含碳量高，形成足够碳化物保证高耐磨性

6. 一般要求碳化物呈球状，细小均匀分布

7. 成分组织:

一般含0.6~1.3%C →M+足够数量K 。M 硬度高、切断抗力较高、耐磨性好 Cr 、W 、Mo 、V 等:↑淬透性、耐磨性和热稳定性;

Mn 、Si 辅助加入:↑淬透性,回火稳定性;第二相K →→球状、细小、均匀分布 4.2碳素钢及低合金刃具钢

碳素工具钢

1.含碳量 0.65~1.35%高碳（不完全淬火+低温回火）

钢号从T7到T13。做低速切削的刃具和简单冷冲模。淬透性低,断面尺寸<15mm 的工具

T7有较好的塑韧性,宜做受冲击的刃具,如凿子等 T8易过热,制造形状简单的木工工具等

T10、T12耐磨性较好,强度高,但韧度低,制造不受冲击或冲击较小形状简单的工具,如车刀、铣刀等。

二、低合金工具钢（采用球化退火→不完全淬火→低回）

合金元素作用：

Cr:1%左右,细化K,均匀分布; Mn:主要是提高淬透性

Si:提高低温回火稳定性,还可强化铁素体,降低切削加工性;增大脱碳敏感性,不单独加

w:在Cr 含量较高的钢易固溶于特殊碳化物623C M ,含量过多会形成碳化物,且使碳化物分布不均匀,恶化性能。

V:降低过热敏感性,细化晶粒,提高回火稳定性

9sic

①Si 、Cr ↑淬透性,D 油<40mm

②Si 、Cr ↑回火稳定性,~250℃回，>60HRC ③K 细小、均匀→不容易崩刃

④分级淬火或等温淬火处理,变形较小 ⑤Si 使钢的脱碳倾向增大。

适于制作形状较复杂、变形要求小的工件,特别是薄刃工具,如丝锥、扳牙、铰刀等。

CrWMn ：

①Cr 、W 、Mn 复合加入:↑淬透性,D 油=50~70mn ②AR 在18-20%,淬火后变形

③含Cr 、W 的碳化物较多且稳定,晶粒细小→高硬度、高耐磨性

④回火稳定性较好,>250回火,硬度才<60HRC ⑤W 使碳化物易形成网状。

适于制作要求变形小、耐磨性高的工件,如拉刀等也可做量具及形状复杂的高精度冲模。

高速钢热处理特点：高淬高回一、高速钢中合金元素的作用

一般高速钢含0.7~1.65%C: 形成足够数量的碳化物,淬火回火之后硬热硬性都提高；保证马氏体中固溶碳量。

C%过高影响：a.AR 增多;b.碳量的提高使固相线降低,晶界熔化温度降低→淬火温度↓→A 中Me%↓→红硬性↓;c.韧性低。 W ：造成红硬性的主要元素

退火时主要以C M 6型碳化物存在

强烈阻碍回火时马氏体中碳原子析出,提高回火稳定性,在600℃回火时,仍为过饱和固溶体,具有高的红硬性

回火时在马氏体中弥散析出W2C,造成二次硬化,具有高的红硬性和耐磨性。部分M6C 型碳化物未溶入奥氏体

强烈阻止奥氏体晶粒长大。保证淬火加热采用1220~1310℃的高温,使足够数量的碳化物溶入奥氏体,保证高的红硬性,提高耐磨性。 W ↓↓↓热导率→钢导热性差。

W 和Mo 相似,1%Mo 可取代1.5~2.0%W 。

V 显著个红硬性、↑硬度和耐磨性,细化晶粒，↓过热敏感性。以VC 存在。

Cr 加热时全溶,保证钢淬透性,4%Cr 改善抗氧化能力、切削能力

Co 可显著个红硬性、有5%、8%和12%三个级别。但钢的韧性,↑钢脱碳倾向。

二、高速钢中的碳化物

1.碳化物的类型???????????

在所有的高速钢中,除钴高速钢以外,退火状态下都含有C M 6、 MC C M 、623三种碳化物,在含W 、Mo 较少的高速钢中还有37C M 型碳化物。在淬火状态下,只有MC C M 和6。回火状态有M2C 、MC 析出

淬火态：加热时,K 溶解顺序为: M2C3、M23C6型在100℃左右溶解完→M6C 型在1200℃时比分溶解→MC 型比较稳定,在1200℃时，开始少量溶解。

回火态：主要为C M MC C M 26、、等碳化物。

冷作模具钢：金属在冷态下变形所用的模具钢

1.特点工作温度不高，模具主要承受高的压力和冲击力，金属之间有强烈摩擦

2.要求具有高硬度和耐磨性，也要有一定韧性

3.高铬钢是含Cr12％左右的高碳亚共晶莱氏体钢。Cr12MoV具有高的淬透性，用于制造大尺寸，形状复杂，承受载荷较大的模具. 冷作模具王牌

4.一次硬化法采用较低温度淬火和低温回火，淬火温度低，晶粒细小，强韧性好。

二次硬化法采用高的淬火温度，进行多次高温回火

热作模具钢：用于制造使加热金属或液态金属后会获得所需形状的模具

1.特点受热时间长，冲击力大

2.要求高的抗热塑性变形能力，高韧度，高抗热疲劳性和良好的抗热烧蚀性

第五章不锈钢

1.钢电化学腐蚀形式：均匀腐蚀、晶界腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀、腐蚀磨损

2.不锈钢分类：马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢（考牌号加应用）

3.8/n定律：固溶体中的Cr量达到12.5原子比（1/8）时，铁固溶体电极电位有一个突然升高，当Cr量提高到25%（2/8）时，点位有一次突然提高，这种现象称为tammann定律，也称二元合金固溶体点位的8/n定律。

4.晶间腐蚀：不锈钢在腐蚀介质作用下，在晶粒之间产生的一种腐蚀现象称为晶间腐蚀。

5.固溶处理：把钢加热到ES线以上，才有可能使碳化物溶解。

6.稳定化处理：也可称稳定化退火。稳定化处理为使工件在长期服役的条件下形状和尺寸变化能够保持在规定范围内的热处理。

7.敏化处理：Cr-Ni不锈钢中，如果在450-800℃范围工作，或在该温度时效处理，也会得到同样效果，这种时效处理考察不锈钢晶间腐蚀的敏感性，所以又称不锈钢的敏化处理。

表5.1 典型铁素体不锈钢棒的热处理与性能

表5.2 常用马氏体不锈钢的热处理与性能

第六章耐热钢

1.耐热钢：通常把在高温条件下工作的钢成为耐热钢。两个基本性能：①良好高温强度、塑性②高温化学稳定性好。根据不同服役条件分：热强钢、抗氧化钢。

2.钢的热强性指标：

蠕变极限、持久强度、高温疲劳性能、持久寿命。

3.强化途径：

①基体强化：↑原子结合力，↑熔点

②晶界强化：净化杂质、填充空位

③弥散强化：第二向细小、弥散、均布

④工艺措施：热处理

第七章超高强度结构钢

第八章铸铁

1.铸铁是指碳的质量分数在

2.11%以上或组织中具有共晶组织的铁碳合金。是以铁、碳、硅为主要组成元素并含有较多锰、硫、磷等杂质元素的多元合金。

2.石墨化：铸铁中碳原子析出和形成石墨的过程。

3.影响铸态组织的因素：

化学成分的影响：Si

1）使共晶点共析点含碳量随Si含量增加而减少

2）使共晶和共析转变在一个温度范围内进行

3）提高了共晶和共析温度

冷却速度的影响：

铸件过冷度越小，冷速越慢，越有利于石墨化过程充分进行，越容易得到粗大石墨。

4.孕育处理：把孕育剂加入到铁液中去，以改变铁液的冶金状态，从而改善铸铁组织的性能。

5.球石墨与片石墨的区别：球石墨对基体的缩减、切割作用大大减小，球墨铸铁基体的利用率70~90%。片石墨减少了金属基体受负荷的有效面积，石墨的缩减作用，使基体利用率只有30~50%。

6.球化处理：铸铁浇注时，加入一定球化剂进行孕育处理，获得很多非自发晶核，获得细小均匀分布的球状铸铁。

第二篇有色金属合金

有色金属强化方式：变形、固溶、时效、过剩相

第九章铝合金

1.特点：密度小，优良导电性、导热性；良好耐蚀性；优良的塑形和加工性能。

2.铝合金时效处理过程：

1）形成铜原子富集区

2）铜原子富集区有序化

3）形成过渡相’

4）形成稳定的θ

3.按合金中所含主要元素成分可分为(四位数字体牌号): 工业纯铝(1XXX系), Al-Cu合金(2XXX系), Al-Mn合金(3XXX系), Al-Si合金(4XXX系), Al-Mg合金(5XXX系), Al-Mg-Si合金(6XXX系) ,Al-Zn-Mg-Cu 合金(7XXX系),Al-其它合金元素(8XXX系)及备用合金组(9XXX系) 这三种方法各有特点,有事互相交叉、相互补充。在工业生产中,国际上惯用第三种分类方法,即合金中所含主要元素成分的4位数码法分类。这种分类方法较本质的反应合金的基本性能,也便于编码、记忆和计算机管理。

按GB8063规定，铸造铝合金牌号用化学元素及数字表示，数字表示该元素的平均含量。在牌号的最前面用“z”表示铸造，例如ZAISi7Mg，表示铸造铝合金，平均含硅量为7％，平均含镁量小于1％。另外还有用合金代号表示法，合金代号由字母“z”、“L”(分别是“铸”、“铝”的汉语拼音第一个字母)及其后的三位数字组成。zL后面第一个数字表示台金系列．其中1、2、3、4分别表示铝硅、铝铜，铝镁．铝锌系列合金，ZL舌面第二位、第三位两个数字表示顺序号。优质合金的数字后面附加字母“A”，例如：ZL102表示2号Al-Si系铸造合金。

第十章铜合金

1.性能：电导率、热导率高，化学稳定性强

2.铜合金按化学成分分类：黄铜、青铜、白铜

3.黄铜：Zn为主要合金元素，普通黄铜牌号，H后面加铜含量表示。特殊黄铜牌号，H加主添加元素的化学符号，再加铜含量和添加元素的含量表示。如HMn58-2表示58%Cu、2%Mn的特殊黄铜。铸造黄铜牌号用Z再加主加元素的化学符号及含量表示，如ZCuZn38表示：平均含Zn量38%的铸造黄铜。

表10-2 几种加工黄铜主要特性和应用举例

金色黄铜：H96\H90，导热、耐蚀、色彩好，导管、冷凝管、散热器管、散热片、艺术品、奖章

弹壳黄铜：H70、H68，强度高、塑性好、深冲性好，复杂深冲件、冷冲件，导管，波纹管，弹壳雷管，称为弹壳黄铜

商业黄铜：H59、H62，强度高、塑韧性好、便宜，销钉、铆钉、垫圈、螺母弹簧、焊接件、热冲零件