第3章 机器零件用钢
高而均匀的硬度和耐磨性→足够 淬透性和淬硬性，>60HRC； 高接触疲劳强度→以免过早失效 →保证材质、组织； 一定韧度→承受冲击，以免碎裂； 尺寸稳定性好→保证精度； 一定耐蚀性→大气、润滑油腐蚀。
关键因素
化学成分、冶金质量和加工工艺
二、轴承钢的冶金质量和合金化
接触面小 材质纯净、组织均匀 应力集中大 产生裂纹
局 限 性
3.3 表面强化态钢
这类钢适宜制造表面和心部性能要求不同的零件，通 过某种工艺使零件表面硬度高耐磨而心部具有较好强韧 性配合以满足要求。典型零件有齿轮、凸轮等
零件在滑动、滚动、接触 应力、摩擦等工况下工作
磨损和接触疲劳 是主要失效形式
渗碳钢、渗氮 钢、感应加热淬 火钢等
表面应具有高硬度、高接 触疲劳抗力和良好耐磨性， 而心部有一定塑韧性
3.2.4 滚动轴承钢
一、滚动轴承钢的工作特点及性能要求
滚动轴承由内、外圈和滚动体（珠、柱、锥、 针）及保持器组成。
工 作 条 件
高负荷→最大接触应力可高达3000~5000MPa 高转速→ 循环周次高达每分钟数万次； 高灵敏度→ 精度要求高→磨损、麻点→噪音 接触疲劳破坏，麻点、剥落
失效形式
性 能 要 求
其它强化机制都不同程度地降低韧度
C、N原子的固溶强化，其脆化矢量分别 为0.72℃/ MPa、1.97℃/ MPa； Mn和Cr元素的脆化矢量为零； Si为0.53℃/ MPa。 铁素体中固溶C、N量极小，Mn和Si固溶 量有限。所以固溶强化相对是较小的。
在强化机制上，不同的成分和工艺是不同
的，所以使钢的组织、性能也有很大的差异。
小型 弹簧
冷变形或热处 理强化+冷成形 +低温退火
思考题： 大型弹簧为什么要先成形后 强化，小型弹簧先强化后成形? 小型弹簧成形后为什么进行 低温退火?
热处理 工艺
淬火和 中温回火
回火 屈氏体
具有一定的冲击韧度，较高的弹性极限、 屈强比和最高的疲劳强度
关键问题: 回火工艺应考虑 弹性参数和 韧性参数之间的平衡或最佳配合。
常用硅锰板簧钢有60Si2Mn 、 55Si2Mn等
60Si2Mn:
① Si、Mn复合,强化F,→↑σe， σs/σb可达到 0.8~0.9；
② Si / Mn ↑淬透性，Ms不过分↓,开裂倾向小;
③ Si有效↑回稳性, 但↑脱C倾向; ④ Si、Mn复合，脱碳和过热敏感性较硅钢、锰 钢为小.
常用螺旋弹簧钢有50CrVA等。
3.3.1 合金渗碳钢
1、渗碳钢的合金化
一般含碳量在 0.12~0.25％ 常用合金 化元素 保证得到强韧 性好的板条M Mn、Cr、Ni主要↑淬透性 Ti、V、W、Mo细化晶粒
渗碳层性能: 表层碳量、表层浓度梯度和渗层深度 渗碳层深度根据零件需要确定。原则上，渗碳层深度 应大于零件的最大切应力深度。
3.2.3
弹簧钢
一、弹簧的服役条件及性能要求 弹簧功能 储能减振
板簧，螺簧； 压簧、拉簧和扭簧等
弹簧类型
二、常用弹簧钢及强化工艺
合金化： 含碳量在0.60~1.05％,低合金弹簧钢在 0.40~0.74％C。 ? + 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.
基 本 性 能
1 成分工艺特点
成 分 特 点 0.15~0.25%C，→以保证淬火后获得板M + Cr、Mo、Si、Mn、V等 → ↑淬透性等性能 15MnVB、20SiMn2MoV等是我国研制开发的
工 艺 特 点
高温加热 较长t保温
高速冷却
零件断面尺寸↑，心部可 能淬不透，→综合性能↓ 应根据零件的尺寸大小来 选择相应淬透性的钢（表3.1）
50CrVA :
① Cr 、V均↑回稳性, 韧性好； Cr提高淬透性
和弹性极限
② V 细化晶粒, ↓过热敏感性; ③ 含Si少,脱C敏感性↓, 热处理不易脱C;↑回稳 常用于受应力高的螺旋弹簧及<300℃工作的阀 门弹簧.
热成形 弹簧 基本 工艺 方式 冷成形 弹簧
大型 弹簧
热成形后+ 淬、中温回火
二、 获得最佳强韧化的工艺因素
沉淀强化 细化组织 控制轧制 控制冷却
相间 析出
工艺参数 是关键
细化组织和沉 淀析出要协调
决定各种强化机制的效果
三、 组织因素对强韧性贡献的大小
间隙型碳氮化合物沉淀析出的强化量
一般认为可提高150~400 MPa，甚至可达 到600 MPa,脆化矢量为0.23-0.30℃/ MPa 细化组织强化量大约在50 ~ 300 MPa， 脆化矢量为- 0.66℃/ MPa。
高淬透性合金钢: DC≥60~100mm, 有37CrNi3、 40CrNiMo、40CrMnMo等
分析比较： 40Cr→40CrNi→40CrNiMo
淬透性 回稳性 塑韧性 回脆性 40CrNiMo > 40CrNi > 40Cr 40CrNiMo > 40CrNi > 40Cr 40CrNiMo > 40CrNi > 40Cr
3.3.2 氮化钢
服役条件： 有些零件工作时载荷不大，基本上无冲 击力；有摩擦，但比齿轮等零件的磨损要轻， 同时也受到交变的疲劳应力。这一类零件重 要的要求是能保持高的精度。常采用氮化钢 进行渗氮处理。
氮化钢：多为碳含量偏低的中碳铬钼铝钢 。 国内外广泛使用的氮化钢是38CrMoAl钢，获得 最高氮化层硬度，达到900~1000HV。仅要求高 疲劳强度的零件，可采用不含铝的CrMo型氮化 钢，如35CrMo、40CrV、40Cr等，其氮化层的 硬度控制在500~800HV。 工艺：氮化前，要经过调质热处理以得到稳 定的回火索氏体组织，以保证零件最终的使用性 能和使用过程中的尺寸稳定性，同时也为获得好 的氮化层作组织准备。
网状K→冷却时在晶界析出→正火
合金 化
高碳，加入Cr、Si、Mn等。如GCrl5、 GCrl5SiMn。 Cr含量 ? 经合适的热处理，应得到组织： 细小均匀的奥氏体晶粒度5~8级；M中 含0.5~0.6%C；隐晶M基体上分布细小均 匀的粒状K，体积分数约7~8%， 一般可 有少量AR。 负荷较小时,为提高σ-1，可设计M中 约含0.45%C（疲劳性能最好），K体积 分数约5%。→钢中总含碳量应↓
冶金 质量 要求
纯净→夹杂物要少：主要有各种 氧化物（如A12O3）和硅酸盐等； 危害程度依次递减：A12O3、球 状不变形夹杂、铝硅酸盐。
碳化物细小均布。主要有三类K：
组 织 均 匀 K液析→ 结晶时枝晶偏析而存在→ 高温扩散退火，不允许液析严重； 带状K→ 轧制时二次碳化物偏析→ 高温扩散退火；
渗碳后的热处理工艺有直接淬火\一次淬火\二 次淬火 .细晶粒钢可用直接淬火. 18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A：高淬透性渗碳钢。 由于合金元素多，所以工艺可变程度大，获得 的组织性能也较复杂。（工艺曲线见书） 18Cr2Ni4WA可作为调质钢，低碳马氏体钢， 也可作为渗碳钢。渗碳和淬火工艺较复杂。主 要用于要求高综合力学性能和高耐磨性的重要 件，如航空发动机齿轮等。（工艺曲线见书）
合金元素对氮化层深度和表面硬度的影响（550℃氮化24h）
思考题:
某精密镗床主轴用38CrMoAlA 钢制,某重型齿轮铣床主轴用 20CrMnTi制造,某普通车床主轴 用40Cr钢制造.试分析比较说明它 们各自应采用什么样的热处理工 艺及最终应加热淬火与渗碳和氮化相比，特点有：
不改变表面化学成分，表面硬化而心部仍 然保持较高的塑性和韧度； 表面局部加热，零件的淬火变形小； 加热速度快，可消除表面脱碳和氧化现象； 在表面形成残余压应力，提高疲劳强度。 与渗碳相比，感应加热淬火工艺常用于轻负 荷工件或需要局部淬硬的轴类零件，其耐磨性 和疲劳抗力不如渗碳工艺。
感应加热淬火钢主要有中碳低淬透性调质 钢和低淬透性钢。这里介绍低淬透性钢 概念
2、低碳马氏体结构钢及应用
应 用 实 例
在矿山、汽车、石油、机车车辆、农业机械等 制造工业中得到了广泛的应用
石油钻机吊环(卡) 20SiMn2MoV代35钢 材料 工艺 重量kg σb /MPa AK /J 35 正火 137.4 550 50 20SiMn2MoV 淬火 29 1600 110~120 工作温度<200℃;强化后难以进行冷加工\焊接 等工序; 只能用于中小件;淬火时变形大,要求严 格的零件慎用.
既能节约能源、简化工序，又能细化组 织，提高零件的强韧性。如柴油机连杆， 已普遍采用锻造余热淬火工艺
3.2.2 微合金非调质钢
一、 微合金元素对强韧化的贡献 非调钢组织：主要是F+P+弥散析出K。 主要强化作用：细化组织和相间沉淀。 微合金化元素： Ti、Nb、V 、N等元素， V是主要的。 多元适量，复合加入：Nb-V-N和Ti-V等— 主要贡献是细化组织。(例见书)
第3章 机器零件用钢
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、低碳马氏体钢、 超高强度结构钢、渗碳钢、氮化钢、弹簧钢、 轴承钢和易削钢等。
二、机器零件用钢合金化特点
主加 元素 辅加 元素
Cr、Mn、Si、Ni。 主要作用：↑淬透性和力学性能。 Mo、W、V等 ↓过热敏感性，↓回脆，↑淬透性。 获得最佳性能→称为极限合金化理论 结构钢常用范围为：<1.2%Si, <2%Mn， 1~2%Cr, 1~4%Ni，< 0.5%Mo，<0.2%V, < 0.1%Ti，0.4~0.8%W。 或是单独加入，或是复合加入。
组织 特点
三、高碳铬轴承钢的热处理
工艺特点是简单而要求高。（工艺路线见书）
球化退火→为最终淬火作组织准备（见书图）
工程材料学课后习题答案
第一章钢的合金化基础1、合金钢是如何分类的？1) 按合金元素分类：低合金钢，含有合金元素总量低于5%；中合金钢，含有合金元素总量为5%-10%；中高合金钢，含有合金元素总量高于10%。
2) 按冶金质量S、P含量分：普通钢，P≤0.04%,S≤0.05%;优质钢，P、S均≤0.03%；高级优质钢，P、S均≤0.025%。
3) 按用途分类：结构钢、工具钢、特种钢2、奥氏体稳定化，铁素体稳定化的元素有哪些？奥氏体稳定化元素, 主要是Ni、Mn、Co、C、N、Cu等铁素体稳定化元素, 主要有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等3、钢中碳化物形成元素有哪些（强-弱），其形成碳化物的规律如何？1) 碳化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe等(按形成的碳化物的稳定性程度由强到弱的次序排列) ，在钢中一部分固溶于基体相中，一部分形成合金渗碳体, 含量高时可形成新的合金碳化物。
2) 形成碳化物的规律a) 合金渗碳体—— Mn与碳的亲和力小，大部分溶入α-Fe或γ-Fe中，少部分溶入Fe3C中，置换Fe3C中的Fe而形成合金渗碳体（Mn,Fe）3C; Mo、W、Cr少量时，也形成合金渗碳体b) 合金碳化物——Mo、W 、Cr含量高时，形成M6C(Fe2Mo4C Fe4Mo2C),M23C6(Fe21W2C6 Fe2W21C6)合金碳化物c) 特殊碳化物——Ti 、V 等与碳亲和力较强时i. 当rc/rMe<0.59时，碳的直径小于间隙，不改变原金属点阵结构，形成简单点阵碳化物（间隙相）MC、M2C。
ii. 当rc/rMe>0.59时，碳的直径大于间隙，原金属点阵变形，形成复杂点阵碳化物。
★4、钢的四种强化机制如何？实际提高钢强度的最有效方法是什么？1) 固溶强化：溶质溶入基体中形成固溶体能够强化金属；2) 晶界强化：晶格畸变产生应力场对位错运动起到阻碍达到强化，晶格越细，晶界越细，阻碍位错运动作用越大，从而提高强度；3) 第二相强化：有沉淀强化和弥散强化，沉淀强化着眼于位错运动切过第二相粒子；弥散强化着眼于位错运动绕过第二相粒子；4) 位错强化：位错密度越高则位错运动越容易发生相互交割形成割阶，引起位错缠结，因此造成位错运动困难，从而提高了钢强度。
第3章 机械零件的强度(用)
汽车的齿轮和轴所承受的动载荷。
注意:在设计计算中，载荷又可分为名义载荷和计 算载荷，计算载荷等于载荷系数乘以名义载荷。
名义载荷： 根据机器在稳定和理想工作条件下的工作阻力，
按力学公式求出的载荷称为名义载荷. 计算载荷：
考虑机器在工作中载荷的变化和载荷在零件上
s
m rN
N
C (NC
N
ND)
D点以后(无限寿命区间):
s rN s r （N ND )
用N0及其相对应的疲劳极限σr来近
似代表ND和 σr∞,有：
s
m rN
N
s
m r
N0
C
s－N疲劳曲线
§3-1 材料的疲劳特性 疲劳曲线
２、 s－N疲劳曲线
有限寿命区间内循环次数N与
疲劳极限srN的关系为：
CＧ'直线的方程为：
s a s m s s
σ为试件受循环弯曲 应力时的材料常数，其值 由试验及下式决定：
s
2s 1 s 0 s0
对于碳钢，σ≈0.1~0.2，对于合金钢，σ≈0.2~0.3。
§3-2 机械零件的疲劳强度计算
1、零件的极限应力线图
如设弯曲疲劳极限的综合影响系数 Ｋσ ，且 s 1 ―材料对称循环弯曲疲劳极限
s rN s r
m
N0 N
KNsr
式中， N0为循环基数；
sr为与N0相对应的疲劳极限
s－N疲劳曲线
m为材料常数，值由材料试验确定。
疲劳曲线的意义
s rN
sr m
N0 N
KNsr
新版工程材料及机械制造基础
1. 强度
(1) oe段：直线、弹性变性
(2) eH段：曲线、弹性变形+塑性变形 (3) L段：水平线（略有波动）明显的 塑性变形屈服现象，作用的力基本不 变，试样连续伸长。 (4) Lm曲线：弹性变形+均匀塑性变形
(5) m点：出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低， 拉伸力达到最大值，试样产生不均匀塑性变形,试样即将断裂。 (6) k点：试样在缩颈处断裂。
HRC 150 金刚石圆锥 20——67
淬火钢，调质钢， 深层表面硬钢
1.1.3 硬度
3. 维氏硬度
(1)维氏硬度试验
原理:用夹角为136°的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力F （49.03-980.07N）压入试样表面，测出压痕对角线长度d。
(2)维氏硬度值
用压痕对角线长度表示。如：640HV。 (3)优缺点
3.2.2 钢的淬火与回火
1. 淬火
（1） 淬火温度 图
(2) 淬火冷却 • 理想冷却速度 图 • 淬火冷却介质 表 (3)淬透性与淬硬性
淬透性的概念 ：指钢在淬火时获得 马氏体的能力。 图 • 影响淬透性的因素 • 淬透性的实际意义 • 钢的淬火变形和开裂
2. 钢的回火
• (1) 低温回火 • (2) 中温回火 • (3) 高温回火
2.断面收缩率Z （旧标准Ψ），
指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。
Z =(S0-Su)/S0×100% S0:试件原横截面积。 Su:断裂后颈缩处的横截面积，用卡尺直接量出。
3. 硬度
引言：
(1)定义：指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。 它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法 有关。
金属材料学第3章机器零件用钢 PPT资料共98页
三、零件材料和工艺选择途径
1、对于要求良好综合力学性能，零件选 材料的途径为：
① 低碳马氏体型结构钢，采用淬火+低温回火。 为↑耐磨性，可进行渗碳处理；汽车拖拉机齿轮类 为代表.
② 回火索氏体型，选择中碳钢，采用淬火+高温 回火。为↑耐磨性，可进行渗氮处理或高 频感应加 热淬火等表面硬化工艺方法。轴类零件为典型。
常用螺旋弹簧钢有50CrVA等。
50CrVA :
① Cr 、V均↑回稳性, 韧性好； ② V 细化晶粒, ↓过热敏感性; ③ 含Si少,脱C敏感性↓, 热处理不易脱C; 常用于受应力高的螺旋弹簧及<300℃工作的阀 门弹簧.
基本 工艺 方式
热成形 弹簧
冷成形 弹簧
大型 弹簧
小型 弹簧
热成形后+ 淬、回火
其它强化机制都不同程度地降低韧度
C、N原子的固溶强化，其脆化矢量分别 为0.72℃/ MPa、1.97℃/ MPa；
Mn和Cr元素的脆化矢量为零； Si为0.53℃/ MPa。 铁素体中固溶C、N量极小，Mn和Si固溶 量有限。所以固溶强化相对是较小的。
在强化机制上，不同的成分和工艺是不同 的，所以使钢的组织、性能也有很大的差异。
+ dR r 1 m /2, d C r 1/2 U dr 1/2 ( R R m m)p ,( C R m)U p R mp
CU为冲击韧性,Rm为抗拉强度,D是珠光体片间距,fp是珠光体 体积分数,dr为奥氏体晶粒大小, △Rmp
组
K液析→ 结晶时枝晶偏析而存在→
织
高温扩散退火，不允许液析严重；
均
带状K→ 轧制时二次碳化物偏析→
匀
金属材料学教学大纲-金属专业
金属材料学AScience of Metal Materials课程编号：07310410学分：3学时： 45 （其中：讲课学时：41 实验学时：4 上机学时：0 ）先修课程：金属学、金属组织控制原理、金属材料强韧化、材料力学性能适用专业：金属材料工程。
教材：《金属材料学》，戴起勋主编，化学工业出版社，2012 年9月第2版开课学院：材料科学与工程学院一、课程的性质与任务：《金属材料学》是一门综合性应用性较强的专业主干课，是金属材料工程专业的核心课程。
在金属学、金属组织控制原理及工艺和力学性能等课程的基础上，系统介绍金属材料合金化的一般规律及金属材料的成分、工艺、组织、性能及应用的关系。
通过课堂讲授、实验等教学环节，使学生系统掌握有关金属材料学方面的知识，培养学生研究开发和合理应用金属材料的初步能力。
二、课程的基本内容及要求绪论（金属材料的过去、现在和将来）：1．教学内容（1）金属材料发展简史（2）现代金属材料（3）金属材料的可持续发展与趋势2．基本要求了解金属材料在国民经济中的地位与作用、金属材料的发展概况和本课程的性质、地位和任务。
第一章钢的合金化原理1．教学内容（1）钢中的合金元素：合金元素和铁基二元相图；合金元素对Fe-C相图的影响；合金钢中的相组成；合金元素在钢中的分布；（2）合金钢中的相变：合金钢加热奥氏体化，合金过冷奥氏体分解；合金钢回火转变；（3）金元素对强度、韧度的影响及其强韧化；（4）合金元素对钢工艺性能的影响；（5）微量元素在钢中的作用（6）金属材料的环境协调性设计基本概念；（7）钢的分类、编号方法。
2．基本要求（1）掌握钢中合金元素与铁和碳的作用；铁基固溶体、碳（氮）化合物的形成规律；合金元素在钢中的分布；合金元素对铁-碳状态图的影响（2）了解钢的分类、编号方法（3）掌握合金元素对合金钢工艺过程的影响（4）掌握合金元素对合金钢力学性能的影响规律（5）理解微量元素在钢中的作用（6）了解材料的环境协调性设计基本概念第二章工程构件用钢1.教学内容（1）工程构件用钢的服役条件及性能要求（2）普通碳素工程构件用钢、低合金（含微合金化）钢的合金化原则和有关的低合金钢，双相钢（3）提高高低碳工程构件用钢性能的途径：控轧、控冷、合金化等，了解工程构件用钢的发展趋势2.基本要求（1）了解工程构件用钢的服役条件及性能要求（2）掌握普通碳素工程构件用钢、低合金（含微合金化）钢的合金化原则和有关的低合金钢，双相钢（3）理解提高高低碳工程构件用钢性能的途径：控轧、控冷、合金化等，了解工程构件用钢的发展趋势第三章机器零用钢1．教学内容（1）机器零件用钢一般性能要求（2）机器零件用钢：调质钢、弹簧钢、低碳马氏体钢、轴承钢、高锰耐磨钢、渗碳钢、氮化钢、非调质钢等合金化原则和性能及其典型钢种（3）（超高强度钢简介）（4）理解典型机器零件用钢的选材思路和发展2．基本要求（1）掌握机器零件用钢一般服役条件及性能要求（2）掌握常用机器零件用钢的合金化原则和性能及其典型钢种（3）了解超强度钢（4）理解典型机器零件用钢的选材思路和发展第四章工具用钢1．教学内容（1）工具用钢的合金化、组织性能的特点及分类（2）低合金刃具钢的合金化，热处理特点，典型钢种。
第3章 机器零件用钢-1
其危害程度按刚玉、尖晶石、球状不变形夹杂、半塑 性铝硅酸盐、塑性硅酸盐、硫化物依次递减；
理想的情况是： 数量少、尺寸小、塑性好、 细条状 均匀分布。
（3）非金属夹杂物的形成与消除
脱氧产物 凝固时析出的氧化物和硫化物 残留在钢中的渣 冶炼和浇注时钢液对耐火材料的浸蚀 出钢时钢液的二次氧化等
滚动轴承由内、外圈和滚动体（珠、柱、锥、 针）及保持器组成。
高负荷→最大接触应力可高达3000~5000MPa
工 作 条 件
高转速→ 循环周次高达每分钟数万次； 摩擦和腐蚀→ 精度要求高→磨损
失效形式
接触疲劳破坏，麻点、剥落
滚子轴承
圆柱滚子推力轴承
圆锥滚子推力轴承
性 能 要 求
高而均匀的硬度和耐磨性→足够 淬透性和淬硬性，>60HRC； 高接触疲劳强度→以免过早失效； 高的弹性极限和一定韧度→ 承受冲击，以免碎裂； 尺寸稳定性好→保证精度； 一定耐蚀性→大气、润滑油腐蚀。
形 成
彻底脱氧是获得高纯净钢的必要条件
低淬透性合金钢: DC < 30~40mm, 有40Cr、 40Mn2、42SiMn、35CrMo、42Mn2V等
中淬透性合金钢: DC:40~60mm, 有40CrNi、 42CrMo、40CrMn、30CrMnSi等 高淬透性合金钢: DC≥60~100mm, 有37CrNi3、 40CrNiMo、40CrMnMo等
根据检验时金相形态来分类：
脆性夹杂物 如刚玉(Al2O3),尖晶石,沿轧制方向排列呈点链 状分布
塑性夹杂物 在变形过程中有良好的塑性，沿轧向呈连续条状分布，有 MnS和铁锰硅酸盐
球状不变形夹杂物 钙的铝酸盐
工程材料名词解释汇总
工程材料名词解释汇总一、材料性质：1.回火稳定性：钢对回火时发生软化的抵抗能力2.红硬性：指钢在高温条件下仍能保持高的硬度和切削能力的性能3.热强性：指耐热钢在高温和载荷的共同作用下抵抗塑性变形和破坏的能力4.热脆性：在某一温度下长期工作，发生冲击韧性大幅度下降，突然发生脆性断裂的现象5.冷脆：当试验温度低于某一温度Tk时，材料由塑性转变为脆性的现象6.二次淬火：在含有大量的W Mo Cr V等合金元素的钢在回火过程中，过冷A分解析出碳化物，A中的C和合金元素的含量降低，使Ms点回升至室温，在冷却过程中，过冷A 转变为M7.二次硬化：在含有大量W Mo Cr等合金元素的钢中，回火后硬度随回火温度的升高不是单调降低，而是在某一回火温度硬度反而增加，并在某一温度出现峰值的现象8.回火脆性：指淬火钢在回火后出现韧性下降，而在某一温度范围表现脆化的现象9.屈服：材料受到的应力增加到某一值后，应力不再增加而变形继续发生，发生塑性变形10.蓝脆：低碳钢在300~400℃的温度范围内光亮的钢具有蓝的颜色，却出现反常的强度增高而塑性降低的现象11.焊接脆性：由于钢材化学成分和组织的变化而导致焊接构件脆断倾向增大的现象12.凝固脆性：指焊肉和熔合线金属由于熔化和凝固的过程引起组织和化学成分的变化，而形成裂纹的倾向性增大的现象13.钝化效应：通过改变钢的表面状态而造成基体金属表面部分电极电位升高的现象14.弹性极限：指材料抵抗弹性变形的能力15.疲劳极限：在疲劳试验中，应力应变的循环次数增加大无限次而不发生破损的最大应力16.黑脆：碳素刃具钢在退火处理时由于加热时间长或冷却速度慢会有石墨析出，使钢脆化17.热疲劳现象：反复受热和冷却是金属表层产生反复的热胀冷缩，即反复承受拉、压应力作用而出现龟裂的现象18.腐蚀：在外界介质的作用下使金属逐渐受到破坏的现象19.一般腐蚀：金属表面大面积均匀的腐蚀20.晶界腐蚀：指沿着晶界进行的腐蚀，使晶粒的连续性遭到破坏21.应力腐蚀：在应力和腐蚀介质共同作用下发生的破坏22.点腐蚀：指在金属表面局部区域的一种腐蚀破坏形式23.宏观电池作用腐蚀：如铆钉和铆接金属材料不同、异种金属焊接时由于不同金属间电极电位不同造成电势差而构成原电池而造成的腐蚀24.腐蚀疲劳：指在腐蚀介质和交变应力的作用下发生的破坏25.475℃脆性：Cr含量大于15%的高铬钢在400~525℃范围长时间加热或在此温度范围内缓冷时，会导致室温脆化，强度升高，塑韧性降低，在475℃脆化现象最严重26.σ相脆性：F不锈钢在500~850℃长期停留会析出Fe Cr金属间化合物（高硬度）沿晶界分布，同时会引起大的体积变化造成钢很大的脆性，引起晶间腐蚀，降低钢的耐蚀性27.强度：指金属材料对塑性变形的抗力28.韧性：指钢在断裂前吸收能量和进行塑性变形的能力29.钢的热稳定性：指在高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀的能力30.铸铁的氧化：高温下受氧化气氛的侵蚀，铸件表面发生化学腐蚀的现象31.铸铁的生长：铸铁在较高温度下及反复加热和冷却时发生体积长大的现象二、钢种定义：1、结构钢：用于制造各种大型金属结构的钢种，又称工程用钢2、机器零件用钢：用于制造各种机械零件的钢种3、调质钢：经过调质处理而使用的结构钢称为调质钢4、渗碳钢：低碳钢表面渗碳后进行热处理强化，提高其表面性能的钢种5、弹簧钢：用于制造各种弹簧或者类似弹簧性能的零件的钢种6、冷作模具钢：使金属在冷状态下变形的冷模具钢，工作温度小于250℃7、热作模具钢：使金属在热状态下变形的热模具钢，工作时模腔表面高于600℃8、工具钢：用于制造各种加工工具的钢种9、刃具钢：用于制造各种切削加工工具的钢种10、高速钢：一种高碳且含有大量W Mo Cr V Co等合金元素的合金刃具钢11、不锈钢：能够抵抗大气腐蚀和弱腐蚀介质腐蚀的钢种12、耐酸钢：指在各种强腐蚀介质中能偶耐蚀的钢种13、耐热钢：指在高温条件下工作并具有一定强度和抗氧化、耐腐蚀能力的钢种14、热强钢：在高温下有一定的抗氧化能力并具有足够强度而不产生大量变形或断裂的钢种15、热稳定钢：在高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀而不破坏的钢种16、铸铁：指以Fe C Si为主要成分并在结晶过程中发生共晶转变的多元铁基合金三、热处理工艺及其他强化方式：1、合金化：加入适当合金元素改善金属性能的方法2、强化：使金属屈服强度增大的过程3、沉淀强化：通过过饱和的固溶体在时效处理后沉淀析出第二相粒子引起的合金强化4、弥散强化：利用碳化物作弥散强化相引起的合金强化5、水韧处理：将碳钢在950℃加热快冷后在400℃回火处理6、控制轧制：将普低钢加热至高温（1250~1350℃）进行轧制，终轧温度控制在Ar3附近7、调质处理：淬火加上高温回火的工艺8、固溶处理：指将合金加热到高温单相固溶体区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和的固溶体的热处理工艺9、稳定化处理：固溶处理后将钢加热到850~880℃保温后空冷，此时Cr的碳化物完全溶解而Ti的碳化物不完全溶解并在冷却时充分析出，使C不能和Cr形成碳化物10、铸铁的一次结晶：把初生A的析出和以后的共晶转变称为一次结晶11、铸铁的二次结晶：把凝固后进行的C自A中的脱溶和共析转变称为铸铁的二次结晶12、孕育处理：浇注前在铁水中加入少量强烈促进石墨化的物质（孕育剂）进行处理的过程13、球化处理：浇注前在铁水中加入一定量的球化剂促使石墨结晶后生产成为球状的工艺第一章：钢的合金化1. 工艺性能：焊接性能、切削加工性能、铸造性能、锻造性能、热处理性能2. 合金元素的存在形式：固溶体、强化相、第二相、单质3. 合金元素与铁、碳的相互作用以及对奥氏体层错能的影响4. 塑性变形的本质：位错运动5. 钢的强化机制：固溶强化、第二相强化、晶界强化、位错强化（出发点、强化机制、强化量、强化途径）6. 淬火+回火提高钢强度的原理：四种强化机制的利用7. 影响塑性的因素：溶质原子、第二相、晶粒大小、位错密度8. 断裂的类型：延性断裂、解理断裂、沿晶断裂9. 改善断裂抗力（提高韧性）的途径10. 合金元素对铁碳相图的影响（A4 A3 A1 S点E点C点）11. 合金元素对奥氏体形成过程的影响（A的形核、A的长大、渗碳体的溶解、A的均匀化）12. 合金元素对过冷A分解过程的影响（C曲线、Ms点Mf点），减少过冷A的措施13. 合金元素对回火过程的影响（M的分解、过冷A的转变、碳化物的析出、F的回复再结晶）14. 二次淬火、二次硬化、回火脆性以及防止第二类回火脆性的方法第二章：构件用钢1. 力学性能的三大特点：屈服现象、冷脆现象、时效现象（淬火时效、应变时效、蓝脆）——形成原因与防止措施2. 工艺性能：冷变形性能（影响因素）、焊接性能（焊接脆性：M相变脆性、过热过烧脆性、凝固脆性、热影响区的时效脆性）3. 耐大气腐蚀性能：大气腐蚀过程，提高耐大气腐蚀性能的途径（减少微电池数量，提高机体电极电位，钝化（Cr Al Si Cu P））4. 碳素构件用钢：化学成分、分类、热处理工艺、典型钢种（重点：冷冲压用钢）5. 低合金高强度构件用钢、高锰钢6. 进一步提高普低钢力学性能的途径：低碳B型普低钢、低碳S 型普低钢、针状F型普低钢、控制轧制第三章：机器零件用钢1. 分类：调质钢、弹簧钢、渗碳钢、轴承钢2. 生产工艺：型材、改锻——预备热处理——切削——最终热处理——磨削3. 含碳量；合金元素：Cr Mn Si Ni（提高淬透性）4. Mo W V（降低过热敏感性和回火脆性，提高淬透性）5. 调质钢（化学成分、热处理工艺、组织特点）6. 弹簧钢（弹簧的作用，化学成分，热处理（冷成型、热成型））7. 渗碳钢（表面强化的方法、合金元素对渗碳的影响，化学成分，热处理）8. 滚动轴承钢（化学成分、主加合金元素Cr的作用、热处理工艺）9. 特殊性能用钢第四章：工具钢1、分类：刃具钢、模具钢、量具钢/ 合金工具钢、碳素工具钢、高速钢2、化学成分、热处理、组织结构3、碳素刃具钢（化学成分；两个缺点一个不足）4、合金刃具钢（化学成分、合金元素的作用、热处理、性能）5、高速钢（化学成分、合金元素的作用、铸态组织及压力加工、热处理（两次预热的作用、高温淬火的原因、三次回火的作用、冷处理减少回火次数））6、冷作模具钢（热处理：锻打+球化退火+淬火+回火：一次硬化法、二次硬化法；提高冷作模具钢韧性的方法）7、热作模具钢（分类：锤锻模、热挤压模、压铸模、热轧机轧辊）热疲劳现象及影响因素8、量具用钢第五章：不锈钢：1、腐蚀（化学腐蚀、电化学腐蚀）、腐蚀的类型、腐蚀的防止2、不锈钢的合金化原理（钝化、提高基体电极电位、单相基体组织）、合金元素的作用3、不锈钢的牌号4、各种不锈钢的相关知识（重点）第六章：耐热钢及高温合金第七章：铸铁第八章：有色金属及合金。
机械基础(陈长生)03机械工程材料及其选用PPT课件
一、强度和塑性 （1）强度：材料抵抗变形和断裂的能力
比例极限 p
弹性极限 e 屈服点 s 抗拉强度 b
（2）塑性 材料断裂前塑性变形的能力
•伸长率(延伸率) d
l1l10% 0
l
•断面收缩率ψ
AA110% 0
A
δ < 2 ~ 5% 属脆性材科
δ ≈ 5 ~ 10% 属韧性材料
δ > 10%
（1）回火的目的 回火的目的是减少内应力；稳定 组织，使工件形状、尺寸稳定；调整组织，消除脆性，以 获得工件所需要的使用性能。
（2）回火的方法及应用 1）低温回火（150℃～250℃） 回火后的硬度一般为 58～64HRC。低温回火一般用于表面要求高硬度、高耐磨 的工件，如刀具、量具、冷作模具、滚动轴承、渗碳件、 表面淬火件等。 2）中温回火（350℃～500℃） 中温回火后的硬度为 35～50HRC。中温回火一般用于要求弹性高、有足够韧性 的工件，如弹簧、弹性元件及热锻模具等。 3）高温回火（500℃～650℃）（调质） 高温回火后 的硬度一般为220～330HBS。通常将淬火加高温回火相结 合的热处理称为调质处理，调质处理广泛用于汽车、拖拉 机、机床等重要的结构零件，如连杆、螺栓、齿轮及轴类 。
（2）淬火方法及其应用 为了保证钢淬火后得到马氏体， 同时又防止产生变形和开裂，应选择合适的淬火方法。常 用淬火方法如图3-13所示，图中MS是指马氏体开始转变温 度（约为230oC）。
①单液淬火 ②双液淬火 ③分级淬火 ④等温淬火
3．钢的回火 将淬火钢重新加热到A1以下某一温度 ，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺，称为回 火。它是紧接淬火的热处理工序。
2．钢的淬火 淬火是将钢件加热到相变点Ac3或Ac1以 上30～50℃,保温一定时间，然后快速冷却，获得马氏体 （或贝氏体）组织的热处理工艺。淬火是强化钢铁零件最 重要的热处理方法。
3第3章 机器零件用钢DOC
第3章机器制造结构钢1、了解机械制造结构钢的服役条件，理解主要失效形式、性能要求和合金化特点，掌握强韧化机理；2、理解调质钢、非调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢、低碳马氏体钢、合金渗碳钢、氮化钢、耐磨钢的主要失效形式、性能要求和强韧化机理；3、理解零件材料选择的基本原则和思路并简单运用。
机械制造结构钢的强度和脆性；各钢种的主要失效形式、性能要求和强韧化机理；零件材料选择的基本原则和思路。
各钢种的主要失效形式、性能要求和强韧化机理；运用理论知识选择零件材料。
5多媒体+讲授，案例根据钢的生产工艺和用途，可分为：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、轴承钢和易削钢等。
3.1 概述一、机器零件用钢的性能要求1、具有良好的冷热加工工艺性如锻造、冲压、热处理、车、铣、刨、磨等。
2、具有良好的力学性能不同零件，对钢强、塑、韧、疲劳、耐磨性等有不同要求。
一般为亚共析钢，低合金或中合金，优质钢或高级优质钢。
二、机器零件用钢合金化特点主加元素：Cr、Mn、Si、Ni。
主要作用：↑淬透性和力学性能。
辅加元素：Mo、W、V等↓过热敏感性，↓回脆，↑淬透性。
最佳范围：获得最佳性能→称为极限合金化理论，结构钢常用范围为：<1.2%Si, <2%Mn，1~2%Cr, 1~4%Ni，< 0.5%Mo，<0.2%V, < 0.1%Ti，0.4~0.8%W。
或是单独加入，或是复合加入。
三、零件材料和工艺选择途径1、对于要求良好综合力学性能，零件选①低碳马氏体型结构钢，采用淬火+低温回火。
为↑耐磨性，可进行渗碳处理；汽车拖拉机齿轮类为代表.②回火索氏体型，选择中碳钢，采用淬火+高温回火。
为↑耐磨性，可进行渗氮处理或高频感应加热淬火等表面硬化工艺方法。
轴类零件为典型。
材料的途径为：2、如要求更高的强度，则适当牺牲塑韧性。
可选择中碳钢，采用低温回火工艺。
如低合金中碳马氏体钢。
农业机械较多.3、如要求高的弹性极限和屈服强度，又要有较高的塑性和韧度，则选择中高碳钢，进行中温回火。
机械基础：第03章机械工程材料
第3章 机械工程材料
3.2 常用金属材料
3.2.1 碳素钢
3.碳素工具钢 由于碳素结构钢要求高硬度和高耐磨性，故工具钢含碳质量分数都在0.7%以上，都是优 质钢和高级优质钢。 牌号：以汉语拼音字母“T”后面加阿拉伯数字表示，其数字表示钢中平均含碳质量分数 的 千分之几。 例如T8表示含碳质量分数为0.80%的碳素工具钢。若为高级优质碳素工具钢，则在牌号后 面标以字母A，如T12A表示平均含碳质量分数为1.20%的高级优质碳素工具钢 。 用途：主要用于制造刃具、模具、量具以及其他工具
12 高合金钢 合金元素总含量＞10%
第3章 机械工程材料
3.2 常用金属材料
3.2.2 合金钢
2.合金结构钢 合金结构钢按用途可分为：低合金结构钢和机械制造用钢两大类。 （1）合金结构钢牌号表示方法： 合金结构钢的牌号采用两位数字（表示平均含碳质量分数万分之几）+元素符号（表示钢中 含有主要合金元素）+数字（表示合金元素含量，凡合金元素含量＜1.5%时不标出；如果平 均含量为1.5～2.5%时，则标为2；如果平均含量为2.5～3.5%时标为3；以此类推）。 （2）低合金结构钢 低合金结构钢虽然是一种低碳、低合金的钢，但具有高的屈服强度和良好的塑性和韧性，具 有良好的焊接性和一定的耐蚀性，因此广泛用于桥梁、船舶、车辆等领域。
普通碳素钢 Ws≤0.035%，Wp≤0.035%
优质钢
Ws≤0.030%，Wp≤0.030%
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高级优质钢 Ws≤0.020%，Wp≤0.025%
第3章 机械工程材料
3.2 常用金属材料
3.2.1 碳素钢
碳素钢：含碳质量分数小于2.11%而不含有特意加入合金元素的钢，称为碳素钢。 1.碳素钢的分类