上海理工大学机械工程材料一页开卷

第一章·硬度：（1）布氏硬度压痕大，但数据稳定HBS（钢球，适用于HB值在450以下）HBW（适用于HB值在650以下）布氏硬度可用于硬度较低的退火钢，正火钢，调质钢，铸铁及有色金属（2）洛氏硬度压痕小但分散度大，HRA（金刚石圆锥）HRB（小直径球）HRC（金刚石圆锥）用于成品件（3）维氏硬度（HV+数字表示）可测极硬极软材料，但操作复杂。（注意：纯铜为紫色）

·冲击韧性：材料抵抗冲击载荷而不被破坏的能力，冲击韧性随温度的下降而下降。第二章·在立方晶系中，指数相同的晶面和晶向是相互垂直的。

·体心立方晶格：晶胞原子数为2配位数为8致密度为0.68常见的体心立方结构的金属有α铁，Cr，W，Mo，V，Nb，βTi，T a等。

·面心立方晶格：原子数为4配位数为12,致密度为0.74具有面心立方结构的金属有γ铁，Ni，Al，Cu，Pb，Au，Ag。（注意：配位数增加则致密度增加）

·晶体缺陷（1）点缺陷：指尺寸很小的缺陷，如空位，间隙原子，置换原子。破坏了原子平衡，产生晶格畸变，强度硬度电阻率提高，塑韧降低（2）线缺陷：刃形位错，螺形位错（3）面缺陷：晶界和亚晶界·根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置的不同，可分为置换固溶体和间隙固溶体；

·根据溶解度的不同，固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体。（注意：置换固溶体可能形成无限固溶体但间隙固溶体都是有限固溶体）

第三章·碳在α铁中的固溶体称为铁素体，用F或α表示，铁素体为体心立方晶格，其含碳量很低727℃时为0.0218%，室温下仅为0.0008%强度硬度低塑性韧性好。

·碳在δ铁中的固溶体称为δ铁素体，又称高温铁素体，用符号δ表示，δ铁素体也是体心立方晶格，其最大含碳量为1495℃的0.09%

·碳在γ铁中的固溶体称为奥氏体，用符号A或γ表示，奥氏体为面心立方晶格，其最高含碳量为1148℃的2.11%。

·含碳量小于0.0218%的称为工业纯铁，在0.0218%~2.11%的铁碳合金称为碳钢，含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁。

补充：HJB水平线（1495℃）为包晶线，与该线成分（0.09%~0.53%）对应的合金在该线下发生包晶转变：L0.53+δ0.09→γ0.17（式子中各项下标为相应的含碳量），转变产物为奥氏体。ECF 水平线（1148℃）为共晶线，与该线成分（2.11%~6.69%）对应的合金在该线下发生共晶转变：L4.3→γ2.11+Fe3C，转化为莱氏体，即奥氏体与渗碳体的机械混合物，性能硬而脆，呈蜂窝状。PSK水平线（727℃）为共析线又称A1线，与该线成分（0.0218%~6.69%）对应的合金在该线下发生共析转变：γ0.77→α0.0218+Fe3C，转化为珠光体，即为铁素体和渗碳体的混合物，片层相间分布，性能介于两相之间。

·纯铁在室温下的最小含碳量为0.0008%；一次渗碳体（由液相直接析出），二次渗碳体（1148℃~727℃）从奥氏体析出，三次渗碳体（727℃~室温）从体素体中析出，共析渗碳体，共晶渗碳体，的碳含量都相同且为6.69%，分属于不同的组织组成物，区别仅在于形态和分布不同，但都属于一个相。由于形态和分布不同，所以对铁碳合金性能的影响也不同。

·四条线（1）：室温下的组成为α+三次渗碳体；计算公式为α=（6.69-C含量）/(6.69-0.0008)；成分的转化如相图所示。（2）室温下的成分全为珠光体；成分的转化如相图所示（3）室温下的成分为P+F（α），计算公式为F=（0.77-碳含量）/（0.77-0.0008）；成分转化可由相图查得（4）室温下的组成成分为P+二次渗碳体；P=（6.69-碳含量）/（6.69.-0.77）；成分转化查图。（注意：从左到右四条线的顺序为1324）。·决定晶粒尺寸的因素：单位时间单位体积形成的晶核的数目称为形核率（N），而单位时间内晶核生长的长度称为长大速度（G），N/G的值越大，晶粒越细小。

·细化晶粒的方法：增大过冷度（冷却速度越快越细）；加入变质剂；振动和搅拌；加热速度越快，过热度越大，晶粒越细；接近平衡状态的晶粒越细；加入碳化物形成元素（钛，钒，铌，金旦，锆，钨，钼，铬）和氮化物形成元素（如铝等），都能阻碍奥氏体晶粒长大，但锰，磷会使晶粒长大；退火；正火。

·（1）细晶强化：晶粒越细，晶界面积越大，强度硬度塑韧都提高（2）固溶强化：塑性韧性降低，强度硬度提高（3）弥散强化：塑韧略有下降，强度硬度显著提高（4）加工硬化：塑韧降低，强度硬度提高·铸锭组织示意图由外到内：表层细晶区→柱状晶区→中心等轴晶区。

第四章·晶粒大小对金属力学性能的影响：金属的晶粒越细，晶界总面积增大，位错障碍越多，需要协调的具有不同位向的晶粒越多，金属的塑性变形的抗力提高，从而导致金属的强度硬度提高；金属的晶粒越细，单位体积内晶粒的数目越多，同时参与变形的晶粒数目也越多，变形均匀，推迟了裂纹的形成和扩展，使得在断裂前发生较大的塑性变形，因此，金属的晶粒越细，塑性和韧性也越好。·冷加工与热加工是以再结晶温度来划分的，加工温度低于再结晶温度为冷加工反之为热加工；T再=0.4T熔。

·热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大的树枝晶或柱状晶破碎，从而使组织致密，成分均匀，晶粒细化，力学性能提高。

第五章·改善钢的力学性能，主要有两条途径，一是合金化，二是热处理。

·奥氏体的形成过程：1奥氏体晶核形成2奥氏体晶核长大3残余渗碳体溶解4奥氏体成分均匀化

·过冷奥氏体的转变产物和转变过程：

1珠光体转变A1（727℃）~550℃是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物，根据片层厚薄不同可分为（1）A1~650℃，珠光体（P）铁素体与渗碳体片层较厚。（2）650℃~600℃，索氏体（S）铁素体与渗碳体片层较薄。（3）600℃~550℃，托氏体又名曲氏体（T），铁素体与渗碳体片层极薄。（注意：这三种组织无本质区别，片间距越小，强度硬度越高，同时塑性韧性略有改善）

2贝氏体转变：550℃~Ms（共析钢的Ms=230℃）（1）上贝氏体B上550℃~350℃，呈羽毛状（2）下贝氏体B下350℃~Ms（230℃）呈竹叶状。（注意：B上强度与塑性都较低，无实用价值，B下除了强度硬度都较高外，塑性韧性也较好，是生产上常用的强化组织；共析钢和过共析钢连续冷却时不发生贝氏体转变，因为奥氏体含碳量过高，贝氏体转变孕育时间长，来不及转变）。

3马氏体转变：Ms温度以下，用M表示；马氏体为体心立方晶格；碳在α铁的过饱和固溶体称为马氏体；高硬度是马氏体的主要特点，含碳量越高，硬度越高，但含碳量大于0.4%时，其硬度趋于平缓。

·C曲线的转变开始线与纵坐标之间的距离成为孕育期，鼻尖处孕育期最短，过冷奥氏体最不稳定。

·影响C曲线的因素：共析钢最稳定，C曲线最靠右，无论含碳量增加或减少都会使C曲线左移；除Co以外，加入合金元素都会使C曲线右移。（注意：越靠右越稳定）

·机械零件的加工路线一般为：毛坯→预备热处理→机加工→最终热处理；退火和正火主要用于预备热处理，只有当要求不高时才作为最终热处理。

·退火：将钢加热至适当温度保温，然后炉冷的热处理工艺叫做退火；正火：加热，空冷；淬火：加热，利用冷却介质冷却；

·完全退火用于亚共析钢，等温退火用于共析和过共析钢，球化退火用于过共析钢和过共析钢；注意：球化退火前应进行正火处理，以消除网状渗碳体。

·单介质淬火法产物：M+A’；分级淬火法：M+A’；等温淬火法：B下+M+A’。·调质：淬火加高温回火。

·钢的淬透性：钢在淬火时获得淬硬层深度的能力；淬硬性：钢淬火后能达到的最高硬度，即硬化能力。影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素，C曲线越右，淬透性越高。淬透性越高，越能减少零件的淬火变形和开裂倾向。

·低温回火，高硬度，HRC58~64，用于处理工具，模具，轴承；中温回火，弹性极限和屈服极限较高，用于弹簧，硬度为HRC35~45；高温回火硬度为25~35HRC，综合力学性能良好。·表面淬火适用于含碳量为0.4%~0.5%的中碳钢结构，低碳钢（<0.25%）中碳钢（0.25%~0.6%）高碳钢（>0.6%）.

·渗碳是指向钢的表面渗入碳原子的过程，渗碳是为了使低碳钢工件表面获得较高的碳浓度，从而提高表面的硬度，耐磨性以及疲劳强度，同时心部保持良好的塑韧性达到表硬里韧。第六章·碳素工具钢：T+数字+Mn+质量等级符号（A），数字表示平均含碳量的千分之几.T8—平均含碳量为0.8%的碳素工具钢。对于含锰量较高的碳素工具钢，加Mn符号。说明：碳素工具钢都是优质以上质量的。高级优质碳素工具钢在钢号后加“A”，如T8A。T7、T8、T8Mn、T9、T10、T10A、T11、T12、T12A、T13。

·合金工具钢：碳含量+合金元素符号+该元素百分含量数字，当含碳量小于1.00%时，含碳量用一位数字标明，这一位数字表示平均含碳量的千分之几。当含碳量大于1.00%时，不标含碳量。9SiCr—平均碳含量为0.9%，Si、Cr的含量均在1.5%以下的合金工具钢。CrWMn—碳含量大于1.0%，Cr、Mn、W的含量均在1.5%以下的合金工具钢。Cr06—低铬（平均铬含量小于1%）的合金工具钢，在铬含量（以千分之几计）前面加数字“0”。

·高速工具钢：高速工具钢牌号的表示方法与合金结构钢相同，但是牌号头部一般不标含碳量。为了区别牌号，牌号头部加“C”表示高碳高速工具钢，W6Mo5Cr4V2,CW6Mo5Cr4V2 ·轴承钢：（1）高碳铬轴承钢G+Cr+铬含量+合金元素符号+该元素百分含量数字“G”表示“滚动轴承钢”。不标含碳量；铬含量以千分之一为单位.GCr15SiMn，GCr15（平均含铬量为1.5%的滚动轴承钢）（2）渗碳轴承钢牌号的表示方法与合金结构钢相同，仅在牌号头部加字母“G”，如“G20CrNiMo”。

·低合金高强度结构钢成分：含碳量低（≤0.2%）；在碳素结构基础上加少量合金元素（主要为Mn,还有少量V、Ti、Nb等）大桥热处理：正火及淬火加回火；桥梁热处理：热轧空冷.；使用状态下组织：F+P（桥梁和大桥均为此）3.性能：高强度及足够韧性；良好的焊接性能；良好的耐蚀性及低的冷脆转变温度。牌号Q345（16Mn）

·渗碳钢：性能：表硬里韧；良好的热处理性能；成分：含碳量低（0.1-0.25%）；合金元素：提高淬透性（Cr、Mn、Ni、B）、强化心部铁素体（Cr、Mn、Ni、B）；

细化晶粒、提高渗碳层耐磨性(W、Mo、Ti、V）；热处理（渗碳件的加工工艺路线为）；下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火+低温回火→磨削；使用状态下组织表层：M回+颗粒状碳化物+A’(少量)；心部：M回+F（淬透）或F+T（未淬透）例子：20、20Cr、20CrMnTi

·低淬透性渗碳钢：20、20Cr。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。中淬透性渗碳钢：20CrMnTi。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。高淬透性渗碳钢：18Cr2Ni4WA。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。（补充：渗碳后正火的目的是消除晶粒粗大的过热组织）

·调质钢1.性能：良好的综合力学性能；良好的淬透性。2.成分：中碳（0.25-0.5%）；合金元素：提高淬透性（Mn,Si,Cr,Ni,B）、强化基体铁素体（Mn,Si,Cr,Ni,）;

细化晶粒（V）;防止第二类回火脆性:(W,Mo)提高耐回火性3.热处理（调质件的加工工艺路线为）：下料→锻造→退火(或正火)→粗机加工→调制→精机加工4、使用状态下组织：S回5，45、40Cr、38CrMoAl为提高表面耐磨性，调质后可进行表面淬火6，常用钢号及用途低淬透性钢：D0油<30~40mm,常用45、40Cr,用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等。

中淬透性钢：D0油≈40~60mm，常用40CrNi，用于制造大中型零件。高淬透性钢：D0油>60mm,常用40CrNiMo,用于制造大截面重载荷零件，如曲轴等。

·弹簧钢：制造弹簧或类似性能零件的钢种。1、性能：弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件。高的弹性极限和高的屈强比(Re/Rm)；高的疲劳强度；足够的塑性和韧性。2、成分：中高碳（碳素弹簧钢为0.6~0.9%C，合金弹簧钢为0.45~0.7%C);合金元素：主加元素Si、Mn提高淬透性、强化铁素体，Si还可提高屈强比；辅加元素为Cr、V、W细化晶粒，防止由Mn引起的过热倾向和由Si引起的脱碳倾向。3、热处理及组织特点⑴冷成型弹簧：冷拔（或冷拉）、冷卷成型→去应力退火(250~300℃)。⑵热成型弹簧（适用于汽车板簧）：热卷簧→淬火+中温回火使用状态下的组织：T回4、常用钢号及用途（表6-9）Si、Mn弹簧钢，如65Mn、60Si2Mn，用于制造较大截面弹簧，如汽车、拖拉机的板簧、螺旋弹簧。Cr、V弹簧钢，如50CrV，用于大截面、大载荷、耐热的弹簧，如阀门弹簧、高速柴油机的气门弹簧等。

·滚动轴承钢（高碳铬轴承钢）：用于制造轴承套和滚动体的专用钢种。1、性能要求(1)高而均匀的硬度和耐磨性；(2)高的弹性极限和接触疲劳强度；⑶足够的韧性、淬透性和耐蚀性。

2、成分特点⑴高碳：0.95~1.10%C⑵合金元素：主加元素Cr，Cr可提高淬透性、耐磨性（形成合金渗碳体）和耐蚀性。当>1.65%Cr时,会因A’增加而使硬度和稳定性下降。辅加元素：Si、Mn、Mo、V。

3、热处理和组织特点（高碳铬轴承钢）预备热处理：球化退火降低硬度、便于切削加工，为淬火做组织准备最终热处理：淬火+低温回火回火后硬度大于61HRC使用状态下的组织：M回+颗粒状碳化物+A’(少量)

4、典型钢种（表6-10）应用最广的是GCr15，大量用于大中型轴承；大型轴承用GCr15SiMn。

·耐磨钢：主要指冲击载荷作用下发生加工硬化的铸造奥氏体锰钢（高锰钢）1、性能：高的耐磨性和韧性2、成分：高碳（0.7~1.35%C);合金元素：主加元素为Mn(7~17%)，保证获得单相奥氏体组织，获得良好的韧性。辅加元素：提高奥氏体的稳定性（Ni）；提高钢的屈服强度和耐磨性（Cr、W、Mo）

·（1）碳素工具钢：T7~T13成分：高碳(0.65~1.35%C)：随含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韧性下降；热处理及组织预备热处理：球化退火降低硬度,便于加工;为淬火作组织准备。最终热处理：淬火+低温回火使用状态下的组织：M回+颗粒状碳化物+A’(少量)（2）低合金工具钢由碳素工具钢基础上加入少量合金元素(<5%)1、成分特点：高碳：0.75~1.5%C 合金元素作用：提高淬透性(Cr、Mn、Si)；提高耐回火性(Si)；提高耐磨性并细化晶粒(W、V)2、热处理及组织（同碳素工具钢）只是淬火介质为油(碳素工具钢为水)3、典型牌号（表6-13）应用最多的是9SiCr。用于制造形状复杂、要求变形小的低速刃具，如丝锥、板牙等.（3）高速钢（俗称风钢）

制造高速切削刃具用钢。下料→锻造→退火→机加工→淬火→回火→喷砂1、性能特点:：高热硬性(600℃)高淬透性（空冷即可淬火）2、成分特点：高碳:0.70~1.6%C合金元素作用：提高淬透性、耐回火性和抗氧化性(Cr)；提高热硬性(W、Mo)；细化晶粒，提高硬度和耐磨性（V）；提高钢的切削能力（Co）。、常用钢号：W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2用于高速切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀、钻头等。4、加工与热处理（W18Cr4）高速钢是莱氏体钢，其铸态组织为亚共晶组织，由鱼骨状莱氏体与树枝状M+T组成，脆性大且无法热处理改善。反复锻打目的：打碎粗大的鱼骨状碳化物，使其均匀分布于基体中。具有成型和改善组织的双重作用。球化退火：降低硬度，便于切削加工；为淬火作组织准备。退火后组织：S+细颗粒状碳化物；淬火目的:获得高合金元素含量的马氏体500-600℃和800-850℃预热两次，防止变形和开裂；淬火温度高达1280℃淬火后组织：隐针M+颗粒碳化物+较多的A’（约30%）常用550-570℃三次回火.回火目的：主要为减少A’；稳定组织；并产生二次硬化。使用状态下组织：M回+细颗粒状碳化物+少量A’（<3%）

·Cr12型冷作模具钢①成分特点：高碳(1.4~2.3%C)；高铬(11.5~13%Cr)合金元素作用：Cr提高淬透性；W、Mo、V提高耐磨性，细化晶粒。②常用钢号为Cr12和Cr12MoV。用于制造冷冲模、挤压模等。③热处理特点Cr12型模具钢也是莱氏体钢，需进行锻造、退火最终热处理为:淬火+低温回火使用状态下的组织:M回+颗粒状碳化物+A’(少量)

·热锻模钢，中碳低合金钢：5Cr06NiMo、5Cr08MnMo前者用于大型热锻模，后者用于中小型热锻模.提高淬透性、强化F（Cr、Ni、Mn）防止第二类回火脆性（Mo）热处理：调质使用状态下的组织：Ｓ回

·常用不锈钢（1）马氏体不锈钢主要是Cr13型不锈钢：12Cr13、20Cr13、30Cr13、40Cr13随含碳量提高，强度、硬度提高，耐蚀性下降.①12Cr13、20Cr13、30Cr13?热处理:淬火+高温回火?使用状态下的组织:S回?具有耐大气、蒸汽腐蚀能力及良好的综合力学性能。?用于要求塑韧性较高的耐蚀件，如汽轮机叶片等.②40Cr13热处理：淬火+低温回火。使用状态下的组织：M回。具有较高强度、硬度。用于要求耐蚀、耐磨件，医疗器械、量具等。（2）铁素体不锈钢典型钢号如10Cr17等。成分：高铬低碳无相变，不能进行热处理强化。组织：单相铁素体性能特点：耐酸蚀，抗氧化能力强，塑性好，但有脆化倾向。应用：广泛用于硝酸和氮肥工业的耐蚀件。（3）奥氏体不锈钢成分特点：低碳高铬镍；性能特点：具有良好的耐蚀性，冷热加工性及可焊性，高的塑韧性,无磁性。热处理：采用固溶处理。即加热到1100℃使碳化物溶解后水冷，获得单相奥氏体组织常用钢种：12Cr18Ni9、022Cr19Ni10用途：广泛用于化工设备及管道奥氏体不锈钢易发生应力腐蚀。即在特定合金-环境体系中，应力与腐蚀共同作用引起的破坏。应力腐蚀易在含Clˉ的介质中发生，裂纹为树枝状。