机械工程材料沈莲04章合金钢
《机械工程材料(第4版)》课程大纲
“工程材料基础”课程教学大纲英文名称：Fundamentals of Engineering Materials课程编号：MATL300102（10位）学时：52 （理论学时：44 实验学时：8 上机学时：课外学时：（课外学时不计入总学时））学分：3适用对象：本科生先修课程：大学物理、材料力学使用教材及参考书：[1] 沈莲，范群成，王红洁.《机械工程材料》.北京：机械工业出版社，2007.[2] 席生岐等。
《工程材料基础实验指导书》.西安：西安交通大学出版社.2014[3] 朱张校等。
《工程材料》.北京：清华大学出版社.2009一、课程性质和目的（100字左右）性质：专业基础课目的：为机械、能动、航天、化工等学院本科生讲解材料的基础理论和工程应用，使学生了解材料的成分-组织-结构-性能的内在关系，培养学生根据零构件设计的性能指标选择合适材料，做到“知材、懂材”并能合理使用材料。
二、课程内容简介（200字左右）工程材料基础是面向机类、近机类及口腔医学专业开设的材料基础理论课程。
课程主要向学生讲授典型零件的失效方式及抗力指标、金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料、功能材料的基本知识，使学生掌握材料成分-工艺-组织-性能的内在关系，掌握工程材料实际应用的原则，培养学生“知理论、懂性能、会选材”的基本能力和素质。
课程实验主要包括金相试样制备和显微镜使用、铁碳合金组织的观察与分析、碳钢热处理与性能综合实验。
一、教学基本要求(1) 了解机械零构件的常见失效方式及其对性能指标的要求。
(2) 掌握碳钢、铸铁、合金钢、有色金属的成分、组织、热处理、性能特点及工程应用的基本知识。
(3) 掌握陶瓷材料、高分子材料、复合材料、功能材料的成分、组织、性能特点及常用材料的种类和用途。
(4) 学生具有根据零构件的服役条件、失效方式和性能要求选择材料及编写冷热加工工艺路线的基本能力。
(5) 了解新材料、新工艺的基本概况及发展趋势。
机械行业工程管理基础知识
机械工程基础第一篇工程材料与热处理基础第一章金属材料的种类与性能§1 概述金属材料包括：黑色金属有色金属钢：碳钢、合金钢、特殊性能钢。
铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁。
铜及其合金铝及其合金其他：轴承合金、硬质合金……§2 金属材料的力学性能使用性能物理性能化学性能力学（机械）性能力学（机械）性能静载特性：强度塑性硬度测试方法：拉伸实验硬度实验动载特性：冲击韧性疲劳强度测试方法：冲击实验疲劳实验强度：在外力作用下材料抵抗变形和破坏的能力。
硬度：在外力作用下材料抵抗更硬物压入的能力。
塑性：在外力作用下材料产生永久变形而不会破坏的能力。
冲击韧性：材料抵抗冲击力的能力。
疲劳强度：材料在多次交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力。
§3 金属的结晶和组织金属在固态下都是晶体，金属的机械性能与其组织结构有关。
常见晶胞类型体心立方晶胞面心立方晶胞金属结晶过程晶核形成……晶核长大纯铁的冷却曲线铁碳合金中铁和碳的结合方式碳溶入铁中形成固溶体 碳和铁形成化合物固溶体和化合物形成机械混合物第二章铁碳合金 §1 概述§2 铁碳合金（一）铁碳合金的基本组织铁素体（F ）- 碳溶于体心立方晶格α－Fe 中形成的固溶体 碳最大溶解度 0.0218%（727℃）20℃时碳最大溶解度为0.0008% 性能：较好的塑性和韧性，强度和硬度较低。
奥氏体（A ）：碳溶于面心立方晶格γ－Fe 中形成的固溶体 碳最大溶解度 2.11%（1148℃）；727℃时碳最大溶解度为0.77% 性能：质软、塑性好，无磁性，变形抗力较低。
渗碳体（Fe 3C ）：铁与碳的化合物 含碳量 6.69%；熔点1227℃性能：硬度高，强度很低，塑性、韧性几乎为零。
珠光体（P ）：铁素体与渗碳体的机械混合物 含碳量 0.77%共析反应式A C C 077%727.︒←→−−(F+Fe 3C) 性能：σb =600~800Mpa(纯铁σb =180~280Mpa)δ＝20％～25％ (纯铁δ＝30％～50％)HBS ＝170～230（纯铁HBS ＝50～80）莱氏体（L d , L d '）：奥氏体（珠光体）与渗碳体的机械混合物 含碳量 4.3%；共晶反应式L C C 43%1147.︒←→−−(A+Fe 3C) 性能：硬度高，塑性、韧性差。
机械工程材料(钢铁材料——合金钢)
第一节 钢铁材料 二、合金钢
4、合金工具钢 （１）合金刃具钢
合金刃具钢分为低合金刃具钢和高速钢。 1)低合金刃具钢 低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素 （一般为3%～5%）形成的一类钢。这类钢中常加入铬、锰、 硅等元素，此外还加入钨、钒等元素，硬度、耐磨性、强度、 淬透性均比碳素工具钢好。但其红硬性略高于碳素工具钢， 一般仅在250 ℃以下保持高硬度。常用的低合金刃具钢是 9CrSi和CrWMn，主要用于制造丝锥、板牙、铰刀等。
第一节 钢铁材料
二、合金钢
2、合金钢结构钢 (2) 机械制造用钢
2)合金调质钢 合金调质钢一般指经过调质处理（淬火后高温回火）后使用的合金结
构钢。这种钢经调质处理后具有高强度和高韧性相结合的良好的综合力 学性能。为了获得综合力学性能，必须具有合理的化学成分。合金调质 钢的碳含量在0 25%～0 50%之间，主加合金元素为锰、铬、硅、镍、 硼等，还加入少量的钼、钨、钒、钛等元素。合金调质钢主要用于那些 在重载荷、受冲击条件下工作的零件，如机床主轴、汽车后桥半轴、连 杆等。40Cr钢是合金调质钢中最常用的一种，其强度比40钢高20%，并 有良好的韧性。
铸模等。热模具在高温下工作并承受很大的冲击力，因此要求热模具钢 要在高温下能保持足够的强度、韧性和耐磨性，以及较高的抗热疲劳性 和导热性。目前常采用５CrMnMo和5CiNiMo制作热锻模，采用3Cr2W8 制作热挤压模和热铸模。
第一节 钢铁材料 二、合金钢
4、合金工具钢 （３）合金量具钢
合金量具钢是用于制造测量工具的钢。测量尺寸的工具即 量具，如千分尺等。它们的工作部分要求高硬度、高耐磨性 和高的尺寸稳定性，一般采用微变形合金工具钢制造，如 CrWMn、GCr15等。
机械工程材料机械工业出版社第版内容总结
机械工程材料机械工业出版社第版内容总结文件编码（008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256）《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=εAF / ，即EA=F/ε纯剪切时：G=τ/γ=γτAF / ，即GA=F τ/γ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=21σe εe=E 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 ψδ、越大，材料塑性越好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。
西安交大复试机械工程材料
沈莲主编《机械工程材料》（第2版）习题与思考题第一章 机械零件的失效分析1. 何谓失效？零件失效方式有哪些？2. 静载性能指标有哪些？并说明它们各自的含义。
3. 过量弹性变形、过量塑性变形而失效的原因是什么？如何预防？4. 何谓韧性断裂和脆性断裂的因素的哪些？5. 何谓冲击韧性？如何根据冲击韧性来判断材料的低温脆性倾向？6. 何谓断裂韧性？如何根据材料的断裂韧度KIC、零件的工作应力σ和零件中裂纹半长度a 来判断零件是否会发生低应力脆断？7. 压力容器钢的1000s MPa s =，1/2170IC K MPa m =；铝合金的400s MPa s =，1/225IC K MPa m =。
试问这两种材料制作压力容器时发生低应力脆断时裂纹的临界尺寸各是多少（设裂纹的几何形状因子Y =8. 说明典型疲劳断口的特征。
如何根据疲劳断口形态大致判断：1）循环应力大小；2）应力特循环周次多少；3）应力集中程度大小。
9. 疲劳抗力指标有哪些？影响疲劳抗力的因素有哪些？10.磨损失效类型有几种？如何防止零件的各类磨损失效？11.腐蚀失效类型有几种？如何防止零件的各类磨损失效？12.何谓蠕变极限和持久强度？零件在高温下的失效形式有哪些？如何防止？13.有一根轴向尺寸很大的轴，在500℃温度下工作，承受交变扭转载荷和交变弯曲载荷，轴颈处承受摩擦力和接触应力，试分析此轴的失效形式可能有哪几种？设计时需要考核哪几个力学性能指标？第二章 碳钢1. 何谓过冷度?为什么结晶需要过冷度?它对结晶后晶粒大小有何影响?2. 何谓晶体、单晶体、多晶体、晶体结构、点阵、晶格、晶胞?3. 金属中常见的晶体结构类型有哪几种?α-Fe、γ-Fe、A1、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn 各属何种晶体结构?4. 何谓同素异构转变?纯铁在常压下有哪几种同素异构体?各具有何种晶体结构?5. 实际晶体中的晶体缺陷有哪几种类型?它们对晶体的性能有何影响?6. 固溶体和化合物有何区别?固溶体类型有哪几种? Si、N、Cr、Mn、Ni、B、V、Ti、W 与铁和碳形成何种固溶体或化合物?7. 何谓匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、固溶体的二次析出转变?根据Fe-Fe 3C 相图写出它们的转变反应式，并说明转变产物的名称、形态及对铁碳合金力学性能的影响。
机械工程材料-4-5章
辽宁石油化工大学 机械工程学院
目录
• 第一章 工程材料概论 • 第二章 金属材料的主要性能 • 第三章 金属的晶体结构与结晶 • 第四章 铁碳合金
• 第五章 钢的热处理
• 第六章 常用金属材料
2
第四章 铁碳合金
一、合金的相结构 1、固溶体 2、金属化合物 二、二元合金状态图的建立 1、二元相图的建立 2、杠杆定律 3、共晶相图 4、共析相图 三、铁碳合金结构和相图 1、铁碳合金的基本组织 2、铁碳合金相图 3、典型成分合金平衡结晶过程分析 4、铁碳合金的应用
溶剂晶格畸变使固溶体电阻增大，，所 以高电阻合金都是固溶体合金；
单相固溶体在电解质溶液中不会形成微 电池，所以单相合金耐蚀性都很好。
2、金属化合物
定义:两组元A和B合金结晶时，当其溶质
浓度大于溶解度时，将析出结构不同于 任何组元的新相，该相具有一定的金属 特性，则新相是合金组元相互作用形成 的一种新物质—金属化合物。
组元间晶体结构相同时，固溶度一般都较大 ，而且有可能形成无限固溶体。若不同只能 形成有限固溶体。 组元间晶体结构相同是形成无限固溶体的必
要条件。
3）固溶体的性能
固溶体中由于含有溶质原子，使溶剂晶 格发生畸变，导致固溶体强度、硬度提高， 塑性和韧性下降的现象称为固溶强化。
当溶质浓度适当，固溶体也具有很好的 塑性和韧性，具有很好的综合力学性能。
性能
合金化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点极高
，硬度极高，脆性极大，塑性几乎为零。在工业
合金中，能起到提高材料强度和硬度的作用，称
为强化相，这一现象称弥散强化。
例如：铝合金中的强化相Mg2Si；陶瓷材料中的 SiC。 但有时也是有害相，如钢中FeS会引起钢的脆性。
工程材料第4章
3.扩散退火（均匀化退火）
• 将钢加热到Ac3以上150℃～200℃，长时间保温（10～15h） 后随炉缓冷。
• 适用于大型铸锻件,消除其化学成分的偏析和组织不均匀性.
• 扩散退火容易使钢晶粒粗大,所以要进行完全退火或正火以细 化晶粒.
4.去应力退火
第4章金属材料热处理
•
加热低于Ac1以上，一般为500℃～650℃，
第4章金属材料热处理
第4章金属材料热处理
图4.3碳钢的硬度与热处理关系
图4.4各种退火及正火的加热温度范围
第4章金属材料热处理
4.2钢的淬火
第4章金属材料热处理
淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上30°C～50°C，经 过保温后在冷却介质中迅速冷却的热处理工艺。
4.2.1淬火加热温度和加热时间
经过固溶热处理后进行时效应具备的条件是： 1.材料对合金元素应具有一定的溶解度。 2.合金元素的溶解度随温度的降低而减小。 3.高温固溶的合金元素快速冷却后成为过饱和 固溶体。 4.在低温下，合金元素具有一定的扩散速度。
第4章金属材料热处理
4.7钢的化学热处理
钢的化学热处理是将金 属或合金工件置于一定温度 的活性介质中保温，使一种 或几种元素渗入表层，以改 变其化学成分、组织、和性 能的热处理工艺。
4.8.2热处理技术条件的标注
第4章金属材料热处理
图4.13 45钢Ⅱ轴
图4.14表面淬火标注实例
表1热处理工艺分类及代号
第4章金属材料热处理
第4章金属材料热处理
作业: 4-1 4-2 4-3 4-4 4-5
见视频13
第4章金属材料热处理
4.4钢的回火
回火就是把经过淬火的零件重新加热到低于 Ac1某一温度，适当保温后，冷却到室温的热处理 工艺。 4.4.1回火目的 （1）消除或降低内应力，降低脆性，防止变形 和开裂。 （2）稳定组织、尺寸和形状，保证零件的使用 精度和性能。 （3）调整零件的强度、硬度，获得所需的韧性 和塑性。
机械专业工程材料学4章
第一节
Fe—Fe3C相图
一、 Fe—Fe3C相图中的组元
（一）铁：铁是元素周期表中的第26个元素，相对原子 质量为55.85，属于过渡族元素，在一个大气压下，它 的熔点为1538℃，在2738℃时气化，在20℃时的密度为 7.87g/cm3。
1.1纯铁的同素异构转变：
同素异构转变：当外部条件（如温度、压强）改 变时，有些金属可以由一种晶体结构转变为另一种晶体 结构，这种转变叫做晶体的同素异构转变。
零。
（五）液相：在熔化温度以上，铁和碳所形成的均匀的液 体，即液相。
铁 碳 合 金 相 图
三、 Fe—Fe3C相图分析 （一）相图中的点：
（二）相图中的线： 液固相线： ABCD为液相 线、AHJECF为固相线； 三条水平线： HJＢ—包晶转变线、 ECF—共晶转变线、 PSK—共析转变线； MO为铁素体的磁性转变线； 230 ℃虚线为渗碳体的磁性 转变线。 相区：5个单相区，7个两 相区，3条三相水平线
（2）共晶反应（水平线ECF）：
共晶转变
LC AE Fe3C
莱氏体Ld
1148C
莱氏体 Ld：A与 Fe3C 的机械混合物 成分：4.3%C 性能：硬而脆塑性极差 形态：点状、短条状A 分布于Fe3C 基体上
此反应只能在WC=2.11~6.69%的铁 碳合金中发生。
（3）共析转变（水平线PSK）： 共析转变
各相的相对量：
Fe3C % ≈ 0.4 / 6.69 = 6 % F % ≈ 1 – 6 % = 94 %
室温组织: F + P，500×
4、过共析钢：合金④为WC=1.2%的过共析钢，在冷却 过程中它与相图交了4个点，
温度在1点以上是液相的简单冷却； 1~· 2温度区间按匀晶析出A，在2点全部变为单相A； 2~3温度区间为A的简单冷却； 冷到3点碰到ES线，开始从A中析出Fe3CⅡ；
工程材料与机械制造基础 第四章 铁碳合金相图及碳素钢
织为单相A （γ）
① 亚共析钢 (0.0218~0.77%C) ② 共析钢 (0.77%C) ③ 过共析钢
亚共 共析 析钢 钢 工 业 纯 铁 过 共 析 钢 亚 共 晶 白 口 铁 共 晶 白 口 铁 过 共 晶 白 口 铁
(0.77~2.11%C)
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程
Fe3C
Ｐ
过共析钢组织金相图
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程
过共析钢室温组织为P+ Fe3CⅡ。 Fe3CⅡ量随含碳量而增加, 含碳量为2.11%时, Fe3CⅡ量最大：
含1.4%C钢的组织
§4-3 铁碳合金的结构和相图
室温下两相的相对重量百分比：
1 2
3 4
3
在2点, 共晶
(A)发生共析反应，转变为珠光体，这种由
P与 Fe3C组成的共晶
体称低温莱氏体, 用
Le’表示。 2 点以下，共晶体中P 的变化同共析钢。
S
§4-3 铁碳合金的结构和相图
共晶白口铁室
温组织为Le’
(P+ Fe3C), 它 保留了共晶转 变产物的形态 特征。
室温下两相的 相对重量百分 比为：
d). 1.2%C 铁素体+二次渗碳体 500×
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程
5、共晶白口鉄的结晶过程
合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏体是共晶 (A)
与共晶Fe3C的机械混合物, 呈鱼骨状。
Fe3C
§4-3 铁碳合金的结构和相图
工程材料学第4章 Fe-C合金
第一节 Fe - C相图的基础知识
金属的同素异构转变 纯铁的同素异构(
allomorph )转变反应
912 °C
式:
δ - Fe
bcc
1394 °C
γ - Fe
fcc
α - Fe
bcc
Hale Waihona Puke 纯铁的冷却曲线1600 温 1500 度 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 1534℃
2.优质碳素结构钢
* 45 --- Wc = 45%00 * 较高锰质量分数的优质碳素结构钢 45Mn --- Wc = 45%00 ; WMn = 0.7%～1.0%
3.碳素工具钢
T 12 A
高级优质
Wc = 1.2%0
碳素工具钢
4.铸造碳钢
ZG 200 - 400
σb ≥ 400MPa σs≥ 200MPa
FeC
C
Mg – Si 合金相图
第二节 形成Fe - Fe3C 相图组元 和基本组织的结构与性能 一.组元 * 铁 ( ferrite ) * 渗碳体 ( Cementite )
二.基本组织
1.铁素体 ( F ) ( Ferrite ) 碳溶于 α–Fe中形成 的间隙固溶 体。
铁素体组织金相图
1.工业纯铁 ( Wc < 0.0218% )
工业纯铁组织金相图
2. 共析钢 ( Wc = 0.77% )
共析钢组织金相图
3.亚共析钢 ( Wc = 0.45% )
亚共析钢组织金相图
4.过共析钢 ( Wc = 1.2% )
过共析钢组织金相图
5.共晶白口铁 ( Wc = 4.3% )
机械工程材料沈莲章铸铁
第五章铸铁CAST IRON铸铁：碳的质量分数Wc大于2・1：1% （一般为2.5%~5.0% ）的铁碳合金。
详尽地说,铸铁中也含有Si （硅）、Mn （猛）、S （硫）、P （磷）等其他元素。
r 白口铸铁P + FggC[[ + Ld Ld/ Fe^Cj + Ld 铸铁1l 灰口铸铁F + G F + P + G P + G与钢相比,虽然抗拉强度、塑性、韧性较低, 但却具有优良的铸造性、可切削加工性、减振性, 而且生产成本也较低,因此在工业上得到了广泛的 应用。
特别是传统机床的床身一般都是铸铁材料。
随着热加工、压力加工、机械加工工艺水平的 提咼/以及电机制造水平的提咼/即社会生严力的 整体提高,铸铁的应用范围没有以前那么重要了。
第一节灰口铸铁的石墨化铸铁中的碳元素除了少部分固溶于铁素体和奥氏体,还可以以渗碳体(Fe3C )化合物和游离态的石墨(Graphite )两种开纟式存在。
铸铁中石墨的形成过程称为石墨化过程。
体、铁素体+珠光体）上出现的孑b 洞和裂缝一样。
低强度刃" 低硬度低塑性和高脆性 减摩性 减振性nrj铸铁中石墨犹如完整的铁基体（铁素体、珠光 简单六方晶格结构 L 11L同一层上的原子间距较小，其结合力较强,而层与层间的的加厚较慢，使石墨易形成片状。
HHiiHta原子间距较大,其结合力较弱O在石墨化过程中,层的扩大速度较快,而层间方向铸铁中的石墨既可以在液体结晶时直接析出,也可以由Fe3C分解而来。
这表明,铁碳合金的结晶过程和组织转变除了可按F-Fe3C相图进行,也可以按Fe・C(G)相图进行,因此铁碳合金具有双重相图。
图5・2中,实线表示Fe・Fe3C相图,虚线表示Fe・G相图。
1700 7387273.0 6.0 15381500 6 Y+FesC （实线）丫十石墨（实线〉1394 13004.0 %(%)P 1100 —912 900700I 154122?~F 71148C4.30Fe 3C （实线〉0C+石墨（实线）6 69若将含有铸铁成分的铁碳合金从液态以极其缓 慢的平衡状态进行冷却时,则其组织转变将按照 Fe ・G 相图进行,且石墨化过程可分为三个阶段。
机械工程材料沈莲课后习题答案
机械工程材料沈莲课后习题答案【篇一：机械工程材料第3版答案】2、什么是应力？什么是应变？它们的符号和单位各是什么？3、画出低碳钢拉伸曲线图，并指出缩颈现象发生在拉伸图上哪一点？断裂发生在哪一点？若没有出现缩颈现象，是否表示试样没有发生塑性变形？若没有出现缩颈现象，试样并不是没有发生塑形性变，而是没有产生明显的塑性变形。
4、将钟表发条拉直是弹性变形还是塑性变形？怎样判断它的变形性质？答：将钟表发条拉直是弹性变形，因为当时钟停止时，钟表发条恢复了原状，故属弹性变形。
5、在机械设计时采用哪两种强度指标？为什么？答：（1）屈服强度。
因为大多数机械零件产生塑性变形时即告失效。
（2）抗拉强度。
因为它的数据易准确测定，也容易在手册中查到，用于一般对塑性变形要求不严格的零件。
6、设计刚度好的零件，应根据何种指标选择材料？采用何种材料为宜？材料的e值愈大，其塑性愈差，这种说法是否正确？为什么？答：应根据弹性模量选择材料。
要求刚度好的零件，应选用弹性模量大的金属材料。
金属材料弹性模量的大小，主要取决于原子间结合力（键力）的强弱，与其内部组织关系不大，而材料的塑性是指其承受永久变形而不被破坏的能力，与其内部组织有密切关系。
两者无直接关系。
故题中说法不对。
7、常用的硬度测定方法有几种？其应用范围如何？这些方法测出的硬度值能否进行比较？答：工业上常用的硬度测定方法有：布氏硬度法、洛氏硬度法、维氏硬度法。
其应用范围：布氏硬度法应用于硬度值hb小于450的毛坯材料。
洛氏硬度法应用于一般淬火件、调质件。
维氏硬度法应用于薄板、淬硬表层。
采用不同方法测定出的硬度值不能直接比较，但可以通过经验公式换算成同一硬度后，再进行比较。
8、布氏硬度法和洛氏硬度法各有什么优缺点？各适用于何种场合。
下列情况应采用哪种硬度法测定其硬度？答：布氏硬度法：（1）优点：压痕面积大，硬度值比较稳定，故测试数据重复性好，准确度较洛氏硬度法高。
（2）缺点：测试费时，且压痕较大，不适于成品、小件检验。
机械工程材料_沈莲_04章_合金钢
SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING
电气信息工程学院
机械工程材料
（2）提高淬透性
除Co以外，所有的合金元素固溶于奥氏体中增 加了奥氏体的稳定性，减慢了过冷奥氏体分解速度， 使奥氏体等温转变图右移，因而降低了钢淬火时的 临界冷却速度V临，提高了淬透性。
含S、P量较低（Ws<0.02%、Wp<0.03%） 的高级优质钢，则在牌号的最后加“A”。
对于低合金高强度结构钢，其牌号用“Q+数 字+质量等级（A、B、C、D、E质量依次提高） 表示。
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2） 形成致密氧化膜和金属间化合物
合金元素Si、Cr、Al、Ni、W、Mo、Ti等可 以形成致密氧化膜SiO2、Cr2O3、Al2O3和金属 进化合物FeSi、FeCr、Ni3Al、Ni3Ti、Fe2W、 Fe2Mo。
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机械工程材料
第四章 合金钢
ALLOY STEELS
碳钢的优点：（1）经热处理后具有良好的综 合力学性能；（2）冶炼工艺简单，成本低；（3） 压力加工性能好；（4）切削加工性能好。
碳钢的缺点：（1）淬透性低；（2）回火抗力 差：淬火钢在回火过程中硬度、强度下降过多； （3）强度不够高；（4）不具备特殊性能：耐高 温、耐低温、耐磨损、耐腐蚀。
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机械工程材料
致密氧化膜覆盖在钢的表面，提高钢的耐腐蚀 性和高温抗氧化性（不锈钢的性能）；金属间化合 物则阻碍位错在高温下运动，提高钢的蠕变抗力， 特别是它们呈弥散分布的细颗粒时，可以显著提高 钢的高温强度（耐热钢的性能）。
机械工程材料 合金钢
回火抗力是指淬火钢在回火过程中 抵抗硬度下降的能力，又称回火稳定性 。
合金元素固溶于淬火M中可减慢碳的
扩散，阻碍碳化物从过饱和固溶体中析
出，推迟M的分解，延缓硬度下降，因此
合金元素在钢中作用
细化A晶粒
Ti、V、Nb、Zr、Al
提高淬透性 提高回火抗力 固溶强化
除Co以外，如Mn、Cr、W、Mo Cr、W、Mo、V
Ni、 Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W
第二相强化
Mn、Cr、Mo、W
扩大A相
Ni、Mn、Cu、N
扩大F相
Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al
形成致密氧化膜
硬度 提高
韧性 降低
（２）第二相强化
Mn、Cr、Mo、W、V 、Ti 、Nb 、Zr等合金元素在钢中能够形成各种碳 化物－合金碳化物。
根据元素与碳亲和力的强弱，合金元素分为
强碳化物形成元素：V、Ti、Nb、Zr 弱碳化物形成元素：Mn 中强碳化物形成元素：Cr、Mo、W
（３）细晶强化
V、Ti、Nb、Zr、Al等合金元素 可是显著细化A、F晶粒及M，提高 钢的强度、硬度，并能提高钢塑性 和韧性。
快冷
慢冷
300 500 650
回火温度 ℃
产生回火脆性的原因
第一类回火脆性与M及残余A 分解时沿M针条边界析出薄片状 Fe3C有关。目前尚无有效方法消除， 只能尽量避开在此温度范围内回火。
第二类回火脆性，是因钢中的 杂质S、P、Mn、Si在晶界上偏聚 引起的。
防止第二类回火脆性的措施
机械工程材料第4章成
②形成特殊碳化物
3.合金元素使钢获得特殊性能（请点击）
①得到奥氏体钢 ②得到铁素体钢
（2）形成致密氧化膜和金属间化合物
4.2.2合金元素在钢中的作用
第4章
15
4.合金元素使Fe-Fe3C相图发生变化
（1）使S、E点位置左移请点击
钢桥梁 多边型角钢 钢筋、螺纹钢
建筑构件 螺钉、铆钉
4.3.2优质碳素结构钢
第4章
23
4.3.2优质碳素结构钢 1.牌号表示方法
钢号用平均碳质量分数的万分数的数字表示 。
如：08F ，30A，45，15Mn
注：Mn指含Mn量高0.7%～1.2％
（F表沸腾钢） （“A”表高级优质钢）
如45钢，表示碳的质量分数为45/10000≈0.45 %
用途及热处Leabharlann 。金属材料的分类铸铁 —— 白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、 球墨铸铁、蠕墨铸铁 钢 铁
钢 金 属 合 金 钢
3
非合金钢 —— 碳素结构钢、优质碳素结构钢、 碳素工具钢、铸钢 （碳钢） 低合金钢
—低合金高强度结构钢、耐候钢
合金 结构钢 合金 工具钢
易切削钢、渗碳钢、调质钢、 滚动轴承钢、弹簧钢、超高 强度钢 量具刃具钢 冷作模具钢 合金模具钢 热作模具钢 高速钢
第4章
7
4.1.3 钢铁及合金牌号统一数字代号体系
第一位阿拉伯数字有0～9。在 不同的钢中，每一位数字所代 表的含义各不相同。如在合金 结构钢细分类中，0代表Mn （x）、MnMo（x）钢；1代 表SiMn（x）、SiMnMo（x） 钢。在低合金钢细分类中，0 代表低合金一般结构钢；1代 表低合金专用结构钢。在非合 金钢中， 代表非合金一般结 大写拉丁字母有：A、B、C、E、 F、H、1 J、 L、M、P、Q、 构及工程结构钢； 2代表非合 S、T、U、W。其中A表示合金结构钢； L表示低合金钢； U 金机械结构钢等 表示非合金钢；T表示工具钢等。
常用机械工程材料
➢ 08F 塑性好，可制造冷冲压零件； ➢ 10、20钢 冷冲压性与焊接性能良好，可用作冲压件及焊接
件，经过热处理（如渗碳）也可以制造轴、销等零件； ➢ 35、40、45、50钢 经热处理后，可获得良好的综合机械性
能，用来制造齿轮、轴类、套筒等零件； ➢ 60、65钢 主要用来制造弹簧。 ➢ 优质碳素结构钢使用前一般都要经过热处理。
➢ 足够的硬度和耐磨性；
➢ 良好的强韧性；
➢ 良好的抗热疲劳性、抗氧化性；
➢ 良好的导热性。
➢ 常用的热作模具钢有：5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V、4CrSi 等。
模具钢的应用
常用机械工程材料
模具
➢c.量具钢
常用机械工程材料
➢ 量具包括各种量规、块规、卡尺等度量尺寸和形状的工具。
1、合金元素在钢中的作用
（1）提高机械性能 A、形成合金铁素体； B、形成合金碳化物； C、细化晶粒。
（2）提高热处理工艺性 A、提高钢的淬透性； B、提高钢的回火稳定性。
（3）获得特殊的物理、化学性能
常用机械工程材料
常用机械工程材料
2、合金钢的分类、牌号和用途 (1) 合金钢的分类
(2) 合金结构钢的牌号和用途
➢ 主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮 轴、活塞销等机器零件。这类零件在工作中遭受强烈的摩擦
磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。
拨叉 凸轮机构
常用机械工程材料
齿轮
合金渗碳钢 的一些应用
➢ c.合金调质钢
常用机械工程材料
➢ 合金调质钢的含碳量一般在0.35%～0.50%之间，属于中碳钢 。 合金调质钢是因为在热处理上要进行调质处理而得名，通过 调质处理，可以获得回火索氏体组织，从而具有良好的综合 机械性能。
机械工程基础第四章思考题答案
第四章作业1．为什么合金钢的机械性能高，热处理变形小?答：合金元素对钢中基本相的影响：（1）合金元素固溶于铁素体，起到固溶强化的作用，在提高钢的强度的同时，并不降低塑性；（2）合金元素溶解于奥氏体，除在一定程度上起固溶强化作用外，更重要的是增加钢的高温稳定性。
因而在淬火时，能推迟或阻碍奥氏体向非马氏体组织转变。
提高淬火的淬透；（3）合金元素形成碳化物，这些化合物都是硬而脆的强化相，有些还具有相当高的热稳定性，它们都是耐磨钢和耐高温钢不可缺少的组织。
合金元素对平衡相图的影响：合金元素改变相变温度，对奥氏体和铁素体存在范围可以改变，除可根据机理制取一些具有特殊性能的钢外，还可依据合金含量，确定合金钢的热处理温度，以便获得更高的性能。
合金元素对热处理工艺的影响：合金钢中合金元素在加热保温阶段可以减慢奥氏体的形成，阻止奥氏体晶粒长大。
合金钢中合金元素在冷却转变阶段可以减缓过冷奥氏体的分解。
合金钢中合金元素在回火分解阶段可提高钢的回火稳定性；产生二次硬化。
总之，绝大多数合金元素在合金钢中，使钢现有组织的稳定性增强。
因而根据需要，可使合金钢的机械性能比碳钢更高，热处理变形更小。
2．区别过冷奥氏体和残余奥氏体，并解释过冷奥氏体的稳定性，指出其影响因素和在生产中的实际意义。
答：过冷奥氏体是指奥氏体冷却至A1线以下没有转变成其它组织的奥氏体。
残余奥氏体是指奥氏体冷却至常温下后，转变没有彻底，一部分奥氏体残留下来的奥氏体。
过冷奥氏体在各个温度进行等温转变时，都要经过一段孕育期，即：在“C”曲线中，纵坐标到转变开始线之间的时间间隔。
孕育期愈长，表示过冷奥氏体愈稳定。
其影响因素主要是过冷奥氏体中的含碳量、合金元素含量和钢加热时的温度、保温时间。
它的位置和形状直接影响过冷奥氏体冷却转变产物的组织及性能。
过冷奥氏体的稳定性增强，有利于钢的淬透性，有利于提高钢的机械性能。
3．比较各种合金结构钢。
答：低合金结构钢注重钢的屈服强度性能，合金结构钢不仅要具有高的强度和塑、韧性，还要具有良好的疲劳强度和耐磨性。
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（3）提高回火抗力，产生二次硬化
回火抗力：淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降 的能力。硬度下降越慢，则回火抗力越高。
合金元素固溶于淬火马氏体中减慢了碳的扩散， 阻碍碳化物从过饱和固溶体中析出，推迟了马氏体 的分解，延缓硬度下降，因而合金钢具有较高的回 火抗力。
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第一节 概述
ABSTRACT OF ALLOY STEELS
合金钢就是指在碳钢中特意加入某些合金元素 的钢。
常用合金元素有Cr、Mn（锰）、Co（钴）、 Cu、Si、Al、B（硼）、W（钨）、Mo（钼）、V （钒）、Ti（钛）、Nb（铌）、Zr（锆）、RE （稀土元素）。
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1. 合金元素改善钢的热处理工艺性能
（1）细化奥氏体晶粒
除Mn以外，所有的合金元素都能阻碍钢在加 热时奥氏体晶粒长大，尤其以Ti、V、Nb、Zr、Al 的作用最大，它们在钢中形成TiC、VC、NbC、 ZrC、AlN细微质点，阻碍晶界移动，显著细化奥 氏体晶粒，从而使钢热处理后的组织细化。
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第四章 合金钢
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碳钢的优点：（1）经热处理后具有良好的综 合力学性能；（2）冶炼工艺简单，成本低；（3） 压力加工性能好；（4）切削加工性能好。
碳钢的缺点：（1）淬透性低；（2）回火抗力 差：淬火钢在回火过程中硬度、强度下降过多； （3）强度不够高；（4）不具备特殊性能：耐高 温、耐低温、耐磨损、耐腐蚀。
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“第二类回火脆性”是在500~650℃回火后缓 慢冷却出现的冲击韧性下降现象。这类回火脆性只 在含Cr、Mn或Cr-Ni、Cr-Mn的合金钢中出现。
若回火后快冷或在钢中加入0.2~0.3%的Mo或 0.4%~0.8%的W可以防止防止第二类回火脆性。
实际生产中，为了防止第二类回火脆性，对于 小尺寸零件，通常采用回火后快冷的方法，对于大 尺寸零件，则选用含Mo、W的钢制造。
这样，大尺寸的零件淬火后，整个截面上组织 较均匀，性能较一致，而且可以选用冷却速度较低 的淬火介质（如油），避免淬火时的变形开裂。
如果合金元素含量很高，在空气中冷却也能得 到马氏体。
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（4）防止第二类回火脆性
回火脆性：淬火钢回火后出现韧性下降的现象。
在250~400℃出现 的韧性下降现象，称为 “第一类回火脆性”。 无有效方法消除它，通 常只有避免在此温度范 围内回火。
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1） 固溶强化 合金元素Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、 Mo、W可固溶于铁素体、奥氏体、马氏体中引起 晶格畸变，增加了位错运动阻力，产生固溶强化。
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2. 合金元素提高钢的使用性能
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（1）合金元素使钢得到强化
如第二章所述，钢的塑性变形是位错的远动形 成滑移带造成的。钢中的溶质原子、第二相粒子、 晶界都是位错运动的障碍，从而都会使钢的强度、 硬度升高，产生固溶强化、第二相强化、细晶强化。
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一、合金元素在钢中的作用
合金元素在钢中可以与铁和碳形成固溶体（合 金奥氏体、合金铁素体），也可以与铁和碳形成碳 化物（合金渗碳体、特殊碳化物），不同合金元素 也可以相互之间形成金属间化合物，从而改变钢的 组织和性能。
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要求减轻自重的大型构件和受力复杂、负荷大、
速度高的重要机械零件以及在高温、低温、腐蚀、
磨损等恶劣环境下工作的零构件，显然不能用碳钢
来制造。
合金钢就是指为了改善钢的性能，在碳钢中特 意加入某些合金元素的钢。
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（2）提高淬透性
除Co以外，所有的合金元素固溶于奥氏体中增 加了奥氏体的稳定性，减慢了过冷奥氏体分解速度， 使奥氏体等温转变图右移，因而降低了钢淬火时的 临界冷却速度V临，提高了淬透性。
二次硬化对高合金工具钢十分重要，使刃具、 模具、在较高温度下仍保持高硬度。
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图4-2 合金元素对回火的影响 a）Si的影响 b）Mo的影响
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与同等碳含量的碳钢相比，在同样的回火温度 下，合金钢有较高的强度和硬度；而回火至同一硬 度，则合金钢的回火温度高，其塑性、韧性较好。
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当钢中Cr、W、Mo、V等的含量超过一定量 时，在400℃以上还会形成弥散分布的特殊碳化物 Cr7C3、W2C、Mo2C、VC等，使硬度重新升高， 直至500~600℃硬度达到最高值。这种淬火钢在较 高温度回火，硬度不下降反而升高的现象称为二次 硬化。