第四章合金钢
第四章 工程材料 复习题
第四章工程材料复习题一、填空题1、金属的力学性能主要包括强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等指标，其中衡量金属材料在静载荷下机械性能的指标有强度、硬度、塑性。
衡量金属材料在交变载荷和冲击载荷作用下的指标有疲劳强度和冲击韧性。
2、钢以铁、碳为主要元素，其中碳的质量分数为小于2.11%，铸铁是含碳质量分数大于2.11%的铁碳合金。
3、钢按用途分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。
4、普通质量的结构钢主要用于工程结构和机械零件方面。
5、金属分为黑色金属和有色金属。
6、碳钢的编号为：碳素结构钢采用拼音字母Q和数字表示其屈服强度；优质碳素结构钢用两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万分之几，如45钢；碳素工具钢用字母T表示；铸造碳钢用ZG代表铸钢二字汉语拼音首位字母。
7、合金钢的编号为：低低合金高强度结构钢由代表屈服点的汉语拼音字母Q；合金结构钢如40Cr表示平均碳的质量分数ωc= 0.40%，平均铬的质量质量分数ωCr<1.5%；滚动轴承在牌号前加G。
8、合金钢是为了改善钢的性能，在钢中加入其他合金元素。
9、合金钢分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。
10、铸铁可分为灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。
11、灰铸铁的断口呈浅白色，其牌号用符号HT和数字表。
12、球墨铸铁的牌号用符号QT和数字表示。
13、机械零件需要强度、塑性和韧性都较好的材料，应选用中碳钢。
14、碳的质量分数在0.30%～0.55%之间的属于中碳钢。
15、钢的普通热处理（也叫整体热处理）有退火、正火、淬火和回火，钢的表面热处理有表面淬火热处理和化学热处理。
16、降低钢的硬度，改善切削加工性能常用的热处理有退火和正火，若是高碳钢或是高合金钢要采用退火处理。
17、钢淬火常用的冷却介质有水和油，淬火处理的目的是提高工件的强度、强度和耐磨性。
淬火后钢的硬度主要取决于钢的含碳量高低。
18、淬火和高温回火结合的处理称为调质，处理后钢的性能特点是有良好的综合性能，适合轴和齿轮类零件的热处理。
第四章 合金钢中的相组成
Mn、Co、Ni与γ-Fe符合上述条件，可形成无限置换固溶 体，V、Cr与α-Fe符合上述条件，可形成无限置换固溶体。
注意： 对于形成无限固溶体来说，组元的点阵相同是必须的，
但不是充分的，例如：Mo（2.01Å ）、W（2.02Å ）虽然与 α-Fe（1.72 Å ）点阵相同，但原子尺寸相差较大，只能形成 有限置换固溶体。 电子结构因素对于形成无限固溶体来说同样也是必要条 件，所以与铁在同一周期并且排列在最接近V－Ⅷ族的元素 能在铁中具有最大的溶解度。
一、σ 相
在低碳的高铬不锈钢、铬镍奥氏体不锈钢及耐热钢中 都出现σ 相。
例如：Cr46Fe54。
σ 相具有较高的硬度，在铬镍钢中伴随着σ 相的出现， 钢的塑性和韧性显著下降，脆性增加。
二、AB2相(拉弗斯相)
在含钨、钼、铌、钛复杂成分的耐热钢中均出现AB2相。 例如：TiFe2 (W,Mo,Nb)(Cr，Mn，Fe，Ni)2复杂相。AB2相是现代耐 热钢中的一个强化相，由于具有较高的稳定性，可使强度 长时间保持在较高的水平。
氮化物一般都是间隙相，以金属键占优，它具有高硬度 和脆性、高熔点，对钢的性能有明显的影响。
氮原子比碳原子小，氮原子半径γ N和金属原子半径γ M 之比γ N/γ M均小于0.59，所以氮化物都呈简单密排结构。 例如： (1)NaCl型简单立方点阵：TiN，VN，CrN，Fe4N（γ '）等 (2)简单密排立方点阵：WN，MoN，Cr2N，Fe2-3N（ε ）等 氮化物的稳定性和氮化物之间的溶解与碳化物相类似。
一般间隙原子的原子半径如表所示：
间隙元素 B C N O H
原子半径(nm)
0.091
0.077
0.075
0.065
第四章补焊与堆焊
③、Ceq大于0.6％的钢σs588～982N/㎜²
（60～100㎏f/㎜² ）以上的中碳调质钢，属高 淬硬倾向的钢，可焊性差，补焊时需要采取 严格的工艺措施防止裂纹。这种钢一般是在 退火状态下补焊，焊时要采用高的预热温度 （200～350℃），焊接方法以手工焊为主， 焊条除强度等级与母材的相同外，还须具有 防裂性能好，焊缝金属的调质处理规范与母 材相一致等要求，焊后需进行整体调质处理 以获得需要性能的接头。
4、补焊接头的强度
对一般钢制的零件，此问题不大。但对已经热 处理强化过的材料，补焊时由于焊缝两侧母材受热 影响后要发生组织和相应的性能变化，接头与母材 等强度的要求就不容易达到。对小尺寸的零件，可 用补焊后的整体热处理来解决。大尺寸构件不可能 进行整体热处理，此时需在焊接方法、焊接材料和 工艺等采取一系列的措施，从而增加了补焊的难度。 此外，焊修后焊层的加工，特别是耐磨堆焊层的加 工，也是一个需要注意的问题。
补焊与堆焊
§4—1补焊
§4—2堆焊 §4—3硬聚氯乙烯塑料的焊接
§4—1补焊
一、碳钢件的补焊
二、合金钢件的补焊 三、铸铁件的补焊 四、有色金属件的补焊
一、碳钢件的补焊
机械零件所用的材料种类很多，其可焊性相
差很大。就碳钢而言，钢中含碳量愈高，焊 时出现裂纹的倾向就愈大，可焊性也就愈差， 对补焊技术的要求也愈严格。 （一）、低碳钢零件的补焊 （二）、中、高碳钢零件的补焊
2、选用合适的焊条 尽可能选用低氢焊条以增强焊缝的抗裂性
能，焊条应按规定烘干并置于保温筒内， 随用随取。焊条的强度等级要与母材一致。 3、加强焊接区的清理工作，彻底清除可能 进入焊缝的任何氢的来源，例如油、水、 锈以及其它杂质。 4、设法减少母材熔入焊缝的比例 例如开 “V”型坡口，第一层焊缝用小电流施焊等 都是行之有效的方法。但必须注意将母材 溶透，避免产生夹渣及未焊透等缺陷。
工程材料第四章习题答案
工程材料作业（4）答案1.解释下列现象:(1) 在相同含碳量下，除了含Ni和Mn的合金钢外，大多数合金钢的热处理加热温度都比碳钢高。
奥氏体形成分为形核、长大、残余渗碳体溶解，奥氏体均匀化4阶段。
多数合金元素减缓A形成，Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素与碳亲和力大，形成的合金元素的碳化物稳定、难溶解，会显著减慢碳及合金元素的扩散速度。
但为了充分发挥合金元素的作用，又必须使其更多的溶入奥氏体中，合金钢往往需要比含碳量相同的碳钢加热到更高的温度，保温更长时间。
Co、Ni等部分非碳化物形成元素，因增大碳的扩散速度，使奥氏体的形成速度加快。
而Al、Si、Mn等合金元素对奥氏体形成速度的影响不大。
阻碍晶粒长大，合金钢需要更高的加热温度，更长的保温时间，才能保证奥氏体均匀化。
（加热温度升高了，但一般不会引起晶粒粗大：大多数合金元素都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。
碳化物形成元素的作用最明显，因其形成的碳化物高温下稳定性高，很难完全溶入奥氏体，未溶的细小碳化物颗粒，分布在奥氏体晶界上，有效的阻止晶粒长大，起到细化晶粒的作用。
所以，合金钢虽然热处理加热温度高，但一般不用担心晶粒粗大。
强烈阻碍晶粒长大的元素：V、Ti、Nb、Zr；中等阻碍的：W、Mo、Cr；影响不大的：Si、Ni、Cu；促进晶粒长大的：Mn、P、B）(2) 在相同含碳量下，含碳化物形成元素的合金钢比碳钢具有较高的回火稳定性。
回火过程一般分为：马氏体分解、残余奥氏体转变、碳化物类型转变和碳化物长大。
合金元素在回火过程中，推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变（即在较高温度才出现分解和转变），提高铁素体的再结晶温度，使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度。
因此，提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。
使得合金钢在相同温度下回火时，比同样质量分数的碳钢具有更高的硬度和强度（对工具钢，耐热钢更重要），或在保证相同强度的条件下，可在更高的温度下回火，而韧性更好（对结构钢更重要。
第4章 合金钢tqh
3. 合金元素对回火转变的影响
• 提高钢的回火稳定性：Cr Mo W V Nb Si • 产生二次硬化：Mo W V Ti等合金元素使钢在 500~600℃回火时硬度升高 • 回火脆性: 第一类： 250~400℃ 不可逆 防止方法：就是避开这一温度范围回火。 第二类： 500~600℃可逆 防止方法：在500～600 ℃快速冷却。 加入合金元素W、Mo。
一． 合金元素对钢中基本相的影响
1. 溶于基体中形成合金 F 或合金 A
合金元素溶入铁素体后，产生固溶强化，使铁素体的 强度、硬度提高，但塑性、韧性都有下降趋势。
2. 与碳作用形成合金碳化物如 (Fe, Mn)3C
弱碳化物元素: Fe、Mn。 中强碳化物元素: Cr、Mo、W。 强碳化物元素: V、Ti、Nb、Zr。 3.单独形成特殊碳化物，如TiC、NbC、VC， 具有高熔点、高硬度、高耐磨的性能，且稳 定性极高。
编号原则 Q表示屈服点的字母，用最低屈服 强度数值表示
钢种举例 Q345C 20CrMnTi
数字表示含碳量的万分数，化学元 素符号表示主加元素，后面的数字 表示所加元素的百分数
40Cr 60Si2Mn
G表示滚动轴承钢，数字表示含铬量 的千分数
GCr15 W18Cr4V
数字表示含碳量的千分数，化学元素 符号表示主加元素，后面的数字表示 所加元素的百分数
二．合金元素对Fe-Fe3C相图的影响
影响A和F存在的范围 Mn、Ni、Co等扩大γ相区，扩大A存在的区域， 如1Cr18Ni9和ZGMn13，室温下单相A Cr、Mo、W、V、Ti、Si缩小γ相区均缩小A 存在区域，如1Cr17Ti高铬铁素体不锈钢
Mn对奥氏体区的影响
Cr对奥氏体区的影响
机械基础复习资料金属材料和热处理含习题答案
第二部分 机械基础第四章 金属材料和热处理本章重点1．掌握：强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度的含义。
2．了解：工艺性能的含义。
3．了解：热处理的概念及目的。
4．熟悉：退火、正火、淬火、回火，表面热处理的方法。
5．掌握：碳素钢的概念、分类、牌号的表示方法及性能。
6．掌握：合金钢的牌号及表示方法。
7．熟悉：铸铁分类牌号及用途。
本章内容提要一．金属材料的性能1．物理、化学性能物理性能是指金属材料的密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等具有物理特征的一些性能。
化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能。
如：耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性。
2．金属材料的机械性能金属材料在外力作用下所表现出来的性能就是力学性能。
主要有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。
（1）强度强度是材料在静载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。
可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度和抗扭强度。
常用的强度是抗拉强度。
工程上常用的强度指标是屈服点和抗拉强度。
（2）塑性塑性是金属材料在静载荷作用下产生永久变形的能力。
常用塑性指标是伸长率和断面收缩率。
伸长率：是指试样拉断后的伸长与原始标距的百分比。
式中，L 0表示试样原长度（mm ），L 1表示试样拉断时的长度（mm ）。
断面收缩率：是指试样拉断后，缩颈处横截面积（A 1）的最大缩减量与原始横截面积（A 0）的百分比。
（3）硬度硬度是金属材料表面抵抗比它更硬的物体压入时所引起的塑性变形能力；是金属表面局部体积内抵抗塑性变形和破裂的能力。
目前最常用的硬度是布氏硬度（HB ）、洛氏硬度（HRC 、HRB 、HRA ）和维氏硬度（HV ）。
（4）韧性1o o 100%L L L -=⨯δ010A A 100%A -=⨯ψ韧性是脆性的反意，指金属材料抵抗冲击载荷的能力。
工程技术上常用一次冲击弯曲试验来测定金属抵抗冲击载荷的能力。
（5）疲劳强度疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷作用下不发生断裂的最大应力。
一般规定，钢铁材料的应力循环次数取108，有色金属取107。
《机械工程材料》-机械工业出版社-第3版内容总结
《机械工程材料》机械工业出版社第3版目录第一章机械零件的失效分析第二章碳钢第三章钢的热处理第四章合金钢第五章铸铁第六章有色金属及其合金第七章高分子材料第八章陶瓷材料第九章复合材料第十章功能材料第十一章材料改性新技术第十二章零件的选材及工艺路线第十三章工程材料在典型机械和生物医学上的应用第一章 机械零件的失效分析第一节 零件在常温静载下的过量变形失效：零件若失去设计要求的效能变形：材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化弹性变形：能够恢复的变形塑性变形：不能恢复的变形一、工程材料在静拉伸时的应力-应变行为1.低碳钢的应力-应变行为变形过程：弹性变形、屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形2.其他类型材料的应力-应变行为纯金属脆性材料高弹性材料二、静载性能指标1.刚度和强度指标（1）刚度指零（构）件在受力时抵抗弹性变形的能力单向拉伸（或压缩）时：E=σ/ε= ，即EA=F/εAF /纯剪切时：G=τ/γ= ，即GA=F τ/γγτAF /弹性模量E （或切变模量G ）是表征材料刚度的性能指标（2）强度指材料抵抗变形或断裂的能力指标有：比例极限σp ，弹性极限σe ，屈服强度σs ，抗拉强度σb ，断裂强度σk2.弹性和塑性指标（1）弹性指材料弹性变形大小弹性能u ：应力-应变曲线下面弹性变形阶段部分所包围的面积u=σe εe=21E e 221σ（2）塑性指材料断裂前发生塑性变形的能力断后伸长率： %10000⨯-=L L L δ断面收缩率： %10000⨯-=A A A ψ越大，材料塑性越好ψδ、3.硬度指标表征材料软硬程度的一种性能布氏硬度HBW （硬质合金球为压头）洛氏硬度HRC （锥角为120°的金刚石圆锥体为压头）维氏硬度HV （锥角为136°的金刚石四棱锥体为压头）三、过量变形失效零件的最大弹性变形量△l 或θ（扭转角）必须小于许可的弹性变形量。
即△l ≤[△l]或θ≤[θ]材料的弹性模量E(或切变模量G)越高，零件的弹性变形量越小，刚度越好通常材料的熔点越高，弹性模量也越高弹性模量对温度很敏感，随温度升高而降低第二节 零件在静载荷冲击载荷下的断裂一、韧断和脆断的基本概念韧性断裂:断裂前发生明显宏观塑性变形脆性断裂：断裂前不发生塑性变形断裂过程均包含裂纹形成和扩展两个阶段二、冲击韧性及衡量指标A K 、a K冲击韧性：材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力冲击吸收功A K ，单位J冲击韧度a K =A K /F K ，单位J ·cm -2 。
合金钢 PPT课件
§4.2
合金结构钢
牌号及其表示方法
一般表示方法：“两位数字+元素符号+数字+……”
表示含碳量，万 分之一为单位
高级优质钢在最后 加A表示
表示合金含量，百分之一为 单位，四舍五入取整，当含 碳量低于1.5%时，数字省略
举例
60Si2Mn 18Cr2Ni4WA
w(C)=0.6%, w(Si)=1.5-2.4%, w(Mn) ﹤1.5% w(C)=0.18%, w(Cr)=1.5-2.4%, 高级优质钢 w(Ni) =3.5-4.4%, w(W)﹤1.5%
化学成分：w(C) =（0.3-0.6）%，
Cr、Ni、Mn 提高淬透性和强度 W、Mo、V 产生二次硬化，提高红硬性
应用：中小型模具 —— 5CrMnMo 等。
大型模具 —— 6Cr2W8V等，淬透性好。
量具钢
三、量具钢：用于制造卡尺、千分尺、样板、塞规、块规、螺旋测微
仪等各种测量工具的钢
性能要求：高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性。
§4.1
合金钢
§4.1
合金钢
1. 什么是合金钢？ 在冶炼碳素钢时有目的的加入一种或几种合金元素 所得到的具有特定性能的钢。 2. 常加入的合金元素有哪些？ Mn、Si、Ni、V、Mo、Cr、Ti、B、Al等 3. 为什么要加入这些合金元素？ 有针对性地改善钢的淬透性、强硬度、高温强度、耐 磨性、耐腐蚀性、导电性和磁性等性能。
细化晶粒，进一步增加回火稳定性
性能：
HRC60以上，使用温度200-600℃
刃具钢
常用的低合金刃具钢
9SiCr、9Mn2V等，用于几何形状复杂、加工精度要求较高、切削速 度不大的板牙、丝锥、铰刀、搓丝板等
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（2）W、Cr、Mn可使C曲线右移并改变形状，如图所示：
Cr：2.9%
Cr：8.2%
A→P A→B
A→P A→B
第四章合金钢
Temperature (°C) Rockwell C Hardness
(3)合金元素使M体转变温度
Ms和Mf下降，从而使工件淬
火后残余奥氏体增多，硬度 下降。
900
Austenite
第四章合金钢
（3）回火脆性的防止
第一类回火脆性（低温回火脆
冲
性、不可逆回火脆性）：
击 韧
性
a)温度：250～400℃；
/αk
b) 原 因 ： 碳 化 物 沿 M 体 晶 间 析
出，使韧性大大的下降；
0
c) 防 止 措 施 ： 避 免 在 250 ～ 400℃温区回火
第四章合金钢
快速冷却
缓慢冷却
缓慢冷却
第四章合金钢
（二）合金元素提高钢的使用性能
合金元素使钢强化 合金元素使钢获得特殊性能
第四章合金钢
合金元素使钢强化
（1）固溶强化：合金元素溶入F体内，形成合金F体；Si、 Mn、Ni使F体的硬度提高；通常：Si<0.6%,Mn<1.5%,否 则会降低钢的韧性。
（2) 第二相强化：W、Mo、Cr、V、Nb可置换Fe3C中的 Fe原子，形成合金渗碳体如：（FeCr）3C、（FeV）3C， 使钢的硬度、强度提高；还可形成特殊化合物，如：VC、 WC、NbC，熔点高、硬度高，使钢的硬度、强度大大的 提高；
第四章合金钢
（二）合金工具钢
1. 牌号表示方法： 例如：9SiCr C＝9/1000＝0.9%; Si、Cr<1.5%;
数字＋合金元素符号＋数字
主加合金元素
以％表示合金元素含量
以千分数表示该钢平均量＞1.0%时，钢号前无数字，例如：Cr12MOV,C >1.0%;
2)不遵守1)规定：例如：高速钢W18Cr4V, C＝0.7～0.8％
800
A1
700
11
600
Ps
P Coarse pearlite f Fine pearlite Pearlite 40
500
γg+pearlite
40
400 300
Bs g+bainiteBf
Bu
Bainite
Bl
43 52
200 Ms
g+martensite
57
100
Mf
66
0 0.1 1.0
10
（3）细化晶粒：合金元素能细化A体晶粒和M体针条， 使钢的硬度、强度和韧性提高。
第四章合金钢
合金元素使钢获得特殊性能
（1） 形成稳定的单 相组织：
Ni、Mn使Fe－Fe3C相 T℃
E
图中的S和E点向左下
A体
T℃
左上移动 E
A体
移动，当A体的存在温
度由727℃扩展至室温
时，就有了奥氏体钢，
727
例 如 ： 1Cr18Ni9Ti―
第四章合金钢
二、合金钢的分类及牌号
（一）合金结构钢 1. 牌号的表示方法： 例如：60Si2Mn
C＝60/10000＝0.6%； Si＝2%； Mn<1.5%；
数字＋合金元素符号＋数字
主加合金元素
以万分数表示该钢平均 碳含量
以％表示合金元 素含量
第四章合金钢
2 特殊规定： 1) 合金元素后无数字：表示该合金元素含量<1.5%；如上 例Mn<1.5%; 2) 以千分数表示合金元素平均含量：例如GCr15,Cr＝1.5%； 3) 高级优质钢：后缀“A”，例如：38CrMoAlA---高级优质 4)表明钢的用途：例如Y40:易切削钢；GCr15：滚动轴承钢；
化合物质点
第四章合金钢
硬质点对晶界的钉扎作用（ pinning effect ） 晶界
硬质点 E
晶界能量变化
第四章合金钢
提高钢的淬透性
（1）除Co以外，所有合金 元素都使C曲线右移，从而使 临界冷却速度Vk下降，过冷 奥氏体（A过）稳定，淬透性 提高 。
Ni 2.9%
Ni 4.6%
Vk1
Vk2
第四章合金钢
左下移动
A
奥 氏 体 不 锈 Fe
Fe
0.77
2.11
0.77
2.11 C% →
钢 ,ZGMn13― 奥 氏 体 C%
耐磨钢；
第四章合金钢
(2)Cr使Fe－Fe3C相图中的S和E点向左上移动 当A体区缩小、消失，钢在任何温度下都是F体组织，例 如：Cr17、Cr18―――铁素体不锈钢； (3)形成致密氧化膜和金属间化合物： 氧化膜：SiO2、CrO2、Al2O3等，提高钢的耐蚀性； 金属间化合物：FeSi、Ni3Ti等，提高钢的高温蠕变抗力；
10 2 10 3 104 10 5 10 6
Time Secs
第四章合金钢
合金元素对回火转变的影响
（1）提高回火抗力（回火稳定性）：M体的分解温度越高、 分解速度越慢，淬火硬度保持越好，例如： T8钢：400℃时，M体分解完毕，硬度大大的下降； W18Cr4V：800℃时，M体不分解，淬火硬度不变，其硬性 高 （2）产生二次硬化 1)“沉淀性”二次硬化：高温回火析出VC、WC使硬度提高； 2)“二次淬火型”二次硬化：回火时，A′→M体，硬度提高；
第四章合金钢
（三）特殊性能钢
1.牌号表示方法：同工具钢，例如3Cr13,C＝3/1000＝0.3%； 2. 特殊规定： 1)当碳含量＜0.08%时，钢号前冠以“0”， 例如：0Cr13, C≤0.08%； 2)当碳含量＜0.03%时，钢号前冠以“00”， 例如：00Cr18Ni10, C≤0.03% ;
300
500
600
回火温度/ ℃
第二类回火脆性 （高温回火脆性、可逆性回火脆性）
a)温度：500～650℃； b)原因：杂质（Sb、Sn、P）向晶界处偏聚，使韧 性大大的降低； c)防止措施： ⅰ 回火后快冷，抑制杂质偏聚；小尺寸 ⅱ 加入0.25%Mo或1.2%W,可防止偏聚；大尺寸
ⅲ 重新加热至600℃，偏聚元素可溶解；
第四章合金钢
一、合金元素在钢中的作用
（一）合金元素改善钢的热处理性能 细化奥氏体晶粒 提高钢的淬透性 回火转变的影响
第四章合金钢
细化奥氏体晶粒
V、Ti、Nb、Zr、Al等元素，可形成VC、TiC、AlN等化合 物，比Fe3C更加难溶解，成为坚固的质点，钉住晶界， 阻碍晶粒长大 。
A体晶粒 晶界迁移长大
第四章合金钢
按合金元素含量分类
1.低合金钢：合金元素Me<5%; 2.中合金钢：Me<5~10%; 3.高合金钢：Me>10% ;
第四章合金钢
二、合金结构钢
低合金结构钢 合金渗碳钢 合金调质钢 合金弹簧钢 滚动轴承钢