第一章金属材料的性能学习目标：掌握金属材料的力学性能；熟悉金属材料的工艺性能；了解金属材料的物理性能、化学性能。金属材料的性能：1.使用性
能保证零件正常工作应具备的性能，即在使用过程中表现出的性能如力学性能、物理性能和化学性能等。2.工艺性能材料在被加工过程中，适
应各种冷热加工的性能如热处理性能、铸造性能、可锻性能、焊接性能和切削加工性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能材料抵抗外力一起
的变形和破坏能力主要有强度、塑性、硬度、韧性、疲劳极限强度强度判据FeH发生屈服而力首次下降前的最大力FeL屈服期间不计初始瞬
时效应时的最小力Fm最大拉伸力S0试样原始横截面积屈服强度金属材料出现屈服现象时，在试验期间产生塑性变形而拉伸力不增加的
应力。上屈服强度ReH=FeH/S0下屈服强度ReL=FeL/S0抗拉强度（Rm）料能够承受的最大应力Rm=Fm/S0塑性L0
试样原始标距长度Lu试样拉断后的标距长度S0试样原始横截面积Su试样断口横截面积断后伸长率（A）A=（LU-L0）/L0
断面收缩率Z=（S0-SU）/S0硬度布氏硬度（HBW）洛氏硬度（HR）维氏硬度（HV）经验公式换算硬度为200-600H
BW，1HRC相当于10HBW硬度小于450HBW，1HBW相当于1HV.硬度试验方法GB/T231.1-2009金属材料
布氏、洛氏、维氏硬度试验布氏硬度（HBW主要用于原材料或半成品的硬度测量（如测量铸铁、有色金属、硬度较低的钢/如退火、正火、调质
处理的钢）洛氏硬度（HR）主要用于成品或较薄工件硬度的测量。数据准确性、稳定性、重复性不如布氏硬度，通常需要在试样表面的不同部位测
试三点，为保证硬度测量的准确性，不宜测量组织不均匀材料的洛氏硬度。维氏硬度（HV）维氏硬度试验力可根据试样大小、厚薄、硬度等情况选
择，试验力F的取值范围为49.03-980.7N，测量范围大，因此可以测量从软到硬的各种金属材料（可测量硬度为10-1000HV）
，而且测量硬度值具有连续性。测量较薄和渗碳渗氮几种材料的硬度材料中碳结钢钢碳素工具钢灰铸铁硬铝合金黄铜状态热轧淬火铸态硬化硬化态
硬度170~255HBW>62HRC100~250HBW100~130HBW140~160HBW四、韧性常用力学性能判据及含义力学
性能性能判据含义名称符号强度抗拉强度Rm试样拉断前所承受的最大应力屈服强度ReH拉伸试样产生屈服现象时，产生塑性变形而拉力不增加的
应力，试样产生明显塑性变形ReL规定残余延伸强度Rr0.2规定残余延伸率为0.2%时的应力塑性断面收缩率Z试样横截面积的最大缩减量
与原始横截面积的百分比断后伸长率A断后标距的残余伸长与原始标距的百分比硬度布氏硬度HBW球形压痕单位面积上承受的平均压力洛氏硬度（
HRA\HARB\HRC）用洛氏硬度标尺的满程与压痕深度之差计算的硬度值维氏硬度HV正四棱锥压痕单位面积上承受的平均压力韧性冲击吸
收能量k试样冲断所吸收的能量疲劳疲劳极限σD试样受无数次循环应力作用后仍不断的最大应力钢的焊接性能碳当量CE=W(C)+w(M
n)/6+【w(Cr)+w(Mo)+w(V)】/5+【w(Ni)+w(Cu)】/15碳当量越高。钢的焊接性越差
。当CE<0.4%，焊接性良好CE=0.4%~0.6%,焊接性较差CE>0.6%，焊接性很差铁碳合金的基本组织序号名称符号组成
碳的质量分数W(C)熔点塑性(A)韧性（KU）强度（Rm）MPa硬度1铁素体F600,0.0057%30%~50%128~160
J180~28050~80HBW727,0.77%2奥氏体A727,0.0057%40%~50%400170~220HBW
1148,2.11%3渗碳体Fe3C铁和碳金属化合物6.69%,1227极差脆性大800HV4珠光体P铁素体+渗碳体0.77%
一定的24~32J7705莱氏体Ld奥氏体+渗碳体4.3%727~1148,Ld极差很高<727，A→P铁碳合金相图序号特征线
特征线含义序号范围相组分序号范围相组分1ACD液相线1ACD以上L6DCFDL+Fe3C2AECF固相线2AESGAA7ESKF
EA+Fe3C3GS(A3)表示冷却时由奥氏体组织中析出铁素体组织的开始线3GPQGF8PSK(A1)以下F+Fe3C4ES（
Acm）碳在奥氏体中的溶解度变化曲线4AECAL+A9ECF线L+A+Fe3C5ECF共晶线，发生共晶转变L4.3=A2.11+
Fe3C，形成高温莱氏体Ld5GSPGA+F10PSK(A1)F+A+Fe3C6PSK(A1)共析线，发生共析转变A0.77=
F0.0218+Fe3C，形成珠光体P铁碳合金分类和室温平衡组织7GP冷却时，奥氏体转变为铁素体终了线合金种类工业纯铁钢0.021
8%<0.0218%<0.77%0.77%>0.77%<4.3%4.3%>4.3%DC为一次渗碳体平衡组织FF+PPP+Fe3CP
+Fe3C+LdL’dL’d+Fe3CES为二次渗碳体PQ为三次渗碳体室温相组成物F+Fe3C钢的热处理热处理：采用适当的方
式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却，以获得预期的组织结构与性能的工艺。热处理工艺过程由加热、保温、冷却三个阶段组成。钢的热处理
依据铁碳合金相图，主要是利用刚在加热和冷却时其内部组织发生转变的基本规律。根据这些基本规律和零件预期的使用性能要求，选择科学合理的
加热温度、保温时间和冷却介质等参数，以实现改善钢材性能，满足零件性能需要。高速工具钢的等温退火与完全退火的比退火与正火钢铁退
火是炉冷，正火是空冷，淬火是水冷。共同点应用退火定义将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。主要用来处理毛坯
件（如铸铁、锻件、焊件），为以后的切削加工和最终热处理做组织准备。因此退火与正火又称为预备热处理。对一般铸铁、锻件、焊件以及性能要
求不高的工件，退火与正火也可以作为最终热处理。钢铁材料适宜切削的加工的硬度范围是170~260HBW。高于260HBW，不容易切削
，低于170HBW,容易发生粘刀，影响加工质量和效率。选择退火与正火就是为了使钢铁材料获得适宜的切削加工硬度。退火可以降低钢铁材
料硬度，正火可以提高钢铁材料的硬度。目的消除钢铁材料的内应力降低降低钢铁材料硬度，提高其塑性细化组织，均匀其化学成分，为最终热处理
做准备应用场合中碳钢Wc>0.5%、高碳钢高碳合金钢Wc>0.6%一般选择退火作为预备热处理。加热温度定义主要目的应用完全退火
Ac3以上30~50度将工件完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火细化组织、降低硬度、提高塑性消除化学成分偏析亚共析钢制作
的铸锻焊件等温退火亚共析钢Ac3+30~50过/共析钢Ac1+20~40加热到Ac3（或Ac1），保持适当时间，较快冷却到珠光体转
变温度并等温保持，奥氏体转变为珠光体组织后在空气中冷却与完全退火相同，但等温可以缩短退火时间，获得比较均匀的组织与性能。同完全退火
和球化退火球化退火Ac1上、下20~30交替加热冷却，或稍低于Ac1保温，是使工件中的碳化物球状化而进行的退火。使渗碳体球化，降低
钢材硬度，改善切削加工性能共析钢、过共析钢，制造的刃具、量具、模具、轴承钢件等去应力退火Ac1以下温度区间去除工件塑性形变/切削加
工、焊接造成内应力及铸件内存在的残留应力消除工件加工过程中产生的残留应力，减小工件变形，稳定工件形状去除铸锻焊等精密加工件中的残留
应力。加热冷却过程中无相变产生。均匀化退火Ac3+(150~200)，1050~1150.将工件加热到高温并长时间保温，然后缓慢冷
却。减少工件化学成分偏析和组织不均匀性质量要求高的合金钢铸锭、铸件和锻坯正火定义将工件加热到奥氏体化后再在空气中冷却的热处理工艺。
目的细化晶粒，提高钢材硬度，消除钢材中的网状碳化物（渗碳体），为淬火、切削加工等后续工序作组织准备。正火与退火相比优点奥氏体化温度
高，冷却速度快，奥氏体转化的过冷度大，因此正火后得到的组织比较细密，其强度和硬度也比退火后的的钢件高一些。操作简便，生产周期短，生
产效率高，生产成本低。主要应用生产场合用于改善钢铁材料的切削加工性能。低碳钢和低碳合金钢Wc<0.25%,退火后其组织中铁素体所
占比例较大，硬度偏低，切削加工容易发生粘刀，表面粗糙度Ra值较大。正火后，能够适当地提高其硬度改善切削加工性能。因此低碳钢、低碳合
金钢一般选择正火作为预备热处理。消除网状碳化物，为球化退火作准备。对于过共析钢wc>0.77%正火加热到ACcm以上可以使网状碳化
物充分溶解到奥氏体中，空冷时碳化物来不及析出，便消除了网状碳化物，同时细化了珠光体组织，有利于以后的球化退火和淬火。用于普通结构零
件或大型非合金钢工件的最终热处理，代替调质处理（淬火+高温回火）。用于淬火返修件，消除淬火应力，细化组织，防止工件重新淬火时产生变
形与开裂。淬火定义将工件加热到奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。马氏体是碳或合金元素在a-Fe中的过饱和
固溶体，是单相亚稳定组织，硬度较高，用M表示。加热温度亚共析钢Ac3+30~50过/共析钢Ac1+30~50回火定义工件淬硬后，
加热到Ac1以下的某一温度，保温一段时间，冷却到室温的热处理工艺。目的消除和减小内应力、稳定组织，调整性能以获得较好的强度和韧性配
合淬火组织发生一系列变化第一阶段（<200）,马氏体分解淬火组织【马氏体和少量残留奥氏体（有时还有未溶解的碳化物）】经过回火，转变
为回火马氏体第二阶段（200~300），残留奥氏体分解淬火组织经过回火，转变为回火马氏体（过饱和度较低的马氏体和极细微碳化物的混合
组织）第三阶段（250~400），碳化物析出淬火组织经过回火，回火托氏体【铁素体基体内分布着细小粒状或片状碳化物的混合组织】第四阶
段>400,碳化物聚集长大与铁素体再结晶淬火组织经过回火，回火索氏体【铁素体基体内分布着粒状渗碳体的混合组织】回火方法及应用回火
分类获得的组织特点硬度，应用1低温回火<250度回火马氏体保持淬火组织的高硬度和高耐磨性，较低钢的淬火应力，减小钢的淬透性58~
62HRC高碳钢、合金工具钢制造的刃具量具冷作模具，滚动轴承及渗碳件、表面淬火件等2中温回火250~450度回火托氏体降低了淬火应
力，获得较高的弹性极限和屈服强度，具有一定的韧性35~50HRC钢制弹性元件，卷簧板弹簧，弹簧钢丝受小能量多次冲击载荷作用的结构件
，为提高强度，增加小能量多次冲击力。3高温回火>500度回火索氏体淬火应力完全消除，强度较高，塑性和韧性提高，良好的综合力学性能
。淬火+高温回火=调质处理200~330HBW重要的钢制零件一般都采用调质处理，不采用正火处理。调质处理一般作为最终热处理，调质处
理后钢的硬度不太高，便于切削，能得到较好的表面质量，也作为表面淬火和化学热处理的预备热处理。一般感应淬火零件的加工工艺流程下料→锻
造→预备热处理（退火或正火）→粗加工→调质→（精加工）→表面淬火、低温回火→磨削→检验→入库一般渗碳零件的加工工艺流程下料→锻造（
轧材下料）→预备热处理（正火）→粗加工、半精加工→渗碳→淬火、低温回火→（精加工）→磨削→检验→入库56~64HRC一般渗氮零件的
加工工艺流程下料→锻造→预备热处理（退火）→粗加工→调质→（精加工）→去应力退火→粗磨→镀锡（非渗氮面）→渗氮→精磨或研磨→去应力
退火→检验→入库68~72HRC非合金钢非合金钢按碳的质量分数高低分类：低碳钢中碳钢高碳钢低碳钢、中碳钢和高碳钢的定义和典型牌号
名称定义典型牌号低碳钢碳的质量分数Wc<0.25%钢铁材料08钢、10钢、15钢、20钢中碳钢碳的质量分数Wc=0.25%~0.6
0%的钢铁材料35钢、40钢、45钢、50钢、55钢高碳钢碳的质量分数Wc>0.60%的钢铁材料65钢、70钢、75钢80钢、85
钢非合金钢的牌号及用途按主要质量等级分应用最多牌号组成应用按主要质量等级普通质量非合金钢碳素结构钢屈服强度字母Q195塑性好，制作
薄板、焊接钢管、铁丝地脚螺丝、冲压件、屋面板屈服强度数值Q215质量等级ABCDQ235薄板、中板螺栓连杆法兰盘、焊接结构件脱氧
方法F、Z、TZQ275高强度拉杆、连杆、键轴优质非合金钢优质碳素结构钢用两位数字表示，钢的平均碳的质量分数的万分之几，0.01%
冶金质量优质Ws≤0.035%WP≤0.035%高级优质，+A,Ws≤0.030%WP≤0.030%特级优质,
+E,Ws≤0.025%WP≤0.025%冲压质量分数低，塑性好，强度低，焊接性好，制作薄板，制造冲压零件和焊接件，08、
10/15渗碳强度低，塑性韧性较高，冲压和焊接性好，制造受力不大要求高韧性的零件，焊接容器、螺钉、杆件、轴套冲压件15、20、25
调质经过热处理后，具有良好的综合力学性能，，主要用于制作要求强度、塑性、韧性都较高的零件，齿轮，套筒、轴类，30、35、40、45
、50、55弹簧60、65、70、75、80、85常用国标GB/T700-2006碳素结构钢GB/T221-2008钢铁产品牌号表
示方法GB/T699-1999优质碳素结构钢GB/T1298-2008碳素工具钢低合金钢与合金钢序号作用合金元素对钢的影响溶于铁素
体、奥氏体，起固溶强化作用Si、Mn、Ni等强化效果显著Ni、Cr、Mn，不仅能强化，还能保持钢的韧性形成碳化物，起第二次强化、硬
化作用非碳化物形成元素Ni、Si、Al、Cu、Co碳化物TiC、VC、WC，高硬度高熔点、较好的稳定性。颗粒细小，并均匀分布，提
高钢的强度、硬度和耐磨性碳化物形成元素Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn使珠光体增加，起强化合金结构钢的作用合金元素使共析点左移
，因而，与相同成分的碳钢相比亚共析钢成分的合金结构钢碳含量更接近共析成分，珠光体数量多，强度提高。一般合金结构钢为亚共析钢合金元素
对钢工艺性能的影响1）对热处理性能的影响（1）对加热过程中奥氏体化的影响（2）对过冷奥氏体转变的影响（3）对回火转变的影响2）对焊
接性能的影响淬透性良好的合金钢焊接时，容易在接头处出现淬硬组织，使该处脆性增大，容易出现焊接裂纹；合金元素容易被氧化，形成氧化夹杂
，使焊接质量下降。焊接不锈钢时，形成Cr2O3夹杂，焊缝质量受到影响，同时由于铬的损失，不锈钢耐腐蚀性下降，所以高合金钢最好采用保
护作用好的氩弧焊。3）对可锻性的影响合金元素溶入奥氏体后使变形抗力增加，使塑性变形困难，需要更大的压力导热性降低，脆性加大。增大锻
造时和锻后冷却中出现变形、开裂的倾向，一般应控制终锻温度和冷却速度合金钢的牌号及用途钢号的表示方法碳含量的数字两位数时表示钢中平均
碳含量的万分数20CrMnTi万分之二十，0.2%35SiMn、12Cr13、GCr15一位数时表示钢中平均碳含量的千分数9M
n2V千分之9，C0.9%Mn2%V<1.5合金元素符号及含量数字合金元素平均含量的百分数，平均含量小于1.5%时，不标数字6
0Si2MnW（Si）=2%W（Mn）<1.5%汉语拼音字母组成代表产品名称的汉语拼音中选取第一个字母，加在牌号首或尾GCr1
5-G表示滚动轴承SM3Cr3Mo-SM表示塑料模具低合金钢低合金高强度结构钢合金元素以锰为主，还有硅钒钛铝铌铬镍
氮稀土，合金元素总的质量分数不超过3%，钒钛铝铌是细化晶粒元素。Q345Q390Q420Q460低合金耐候钢低碳非合金钢
+铜、铬、镍、钼，为进一步改善性能，加微量铌、钛、钒、锆耐候钢牌号是Q+数字+NH，+质量等级代号CDE耐候钢牌号是Q+
数字+GNH,含Cr、Ni高~+L低合金专业用钢汽车用低合金钢，用于汽车大梁、托架及车壳汽车大梁用钢370L420L09Mn
REL06TiL08TiL16MnREL低合金钢筋钢，用于制作建筑结构钢20MnSi40Si2Mn48Si2Mn45
Si2Cr铁道用低合金钢45SiMnP50SiMnP36CuCrP矿用低合金钢矿用结构20MnV25MnV20Mn
SiV巷道支护16MnK25MnK20MnVK25MnVK易切削结构钢Y12Y12PbY15Y30Y
40MnY45Ca合金钢工程结构用合金钢高锰耐磨钢ZGMn13-1ZGMn13-2ZGMn13-3ZGMn13-4ZGMn1
3-5WC=1.0~1.3%WMn=11~14%低冲击件普通件复杂件高冲击件工程用合金钢压力容器用合金钢筋钢地质石油钻探
用钢常用机械结构用合金钢合金渗碳钢牌号渗碳温度淬火温度回火温度Rm/MPaRel/MPa应用举例GB/T3077-199920Cr
910~950780~820水油冷200835540制造负荷不大、小尺寸的一般渗碳件。小齿轮，小轴，活塞销、凸轮涡轮也可在调质状
态下使用，工作速度较大承受中等冲击载荷的零件。渗碳时易过热，表面出现渗碳体网。20CrMnTi870油冷2001080850应用最
广泛的~，用于截面尺寸30mm以下，高速运转并承受中等或重载的重要渗碳件汽车拖拉机变速齿轮、传动件20CrMnMo850油冷20
01180885曲轴/凸轮轴/连杆齿轮/轴齿轮/销轴20MnVB860油冷2001080885替代20CrMnTi制作齿轮及其他渗
碳件20Cr2Ni4第一次880第二次78020011801080大截面，较高载荷、交变载荷下工作的重要渗碳件，内燃机主动牵引齿轮
，柴油机曲轴加工工艺流程下料→锻造→预备热处理→机械加工（粗加工、半精加工）→渗碳→机械加工（精加工）→淬火、回火→磨削→检验→入
库预备热处理正火目的改善毛坯锻造后的不良组织，消除锻造内应力，改善切削加工性最终热处理是渗碳+低温回火，→高碳回火马氏体+碳化物
硬度为58~64HRC合金调质钢40B840水冷550水冷785635轴、齿轮、拉杆、凸轮、拖拉机曲轴40Cr850油冷520水油
冷980785齿轮、蜗杆、涡轮、轴、套筒、曲轴、进气阀40MnB850油冷500水油冷980785转向轴、半轴、花键轴、蜗杆、机床
主轴、齿轮40CrNi820油冷500水油冷980785重型机械齿轮、轴、连杆转子和轴40CrMnMo850油冷600水油冷980
785重载荷轴、齿轮、连杆、后桥半轴、偏心轴渗氮钢38CrMoAlA渗氮高硬度、高耐磨、高疲劳，精密磨床主轴；精密丝杆齿轮加工工艺
流程下料→锻造→预备热处理→机械加工（粗加工、半精加工）→调质→机械加工（精加工）→表面淬火或渗氮、回火→磨削→检验→入库预备热处
理目的改善毛坯锻造后的不良组织，消除内应力，细化晶粒合金元素少的调质钢（40Cr）→正火，合金元素多的调质钢→退火合金弹簧钢60S
i2Mn/50CrVA/30W4Cr2VA超高强度钢高碳铬轴承钢Gr4Gr15Gr15SiMnGr15SiMoGr18M
o球化退火，硬度170~210HBW淬火+低温回火61~65HRC合金工具钢与高速工具钢制作量具、刃具9SiCrCr06Cr2820~860油780~810油830~860油回火180~20060~62HRC64HRC62HRC制作耐冲击工具制作冷作模具Gr12Gr12MoV800~830油+低温回火60HRC58HRC制作热作模具5CrMnMo小5CrNiMo大800~830油+中高温回火40HRC高速工具钢（高速钢）高碳高合金Wc0.70~1.60，WM0V提高热硬度，V可形成高硬度碳化物，提高耐磨性，Cr提高淬透性W18Cr4VW6Mo5Cr4V2W9Mo3Cr4W18Cr4V高温淬火1270~1280，三次560回火，硬度63~66HRC不锈钢奥氏体12Cr18Ni91Cr18Ni9固溶处理1010~1150快冷<187HBW06Cr19Ni100Cr18Ni9铁素体06Cr13Al06Cr13Al退火780~850<183HBW10Cr171Cr17马氏体20Cr132Cr13920~980油600~750快冷>192HRC40Cr134Cr131050~1100油200~300快冷>50HRC奥氏体/铁素体沉淀硬化耐热钢 |
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