第一章钢的合金化概论

合金化理论是金属材料成分设计和工艺控制的重要原理，是材料成分、工艺、组织、性能、应用之间有机关系的根本源头，也是充分发觉材料潜力和开发新材料的基本依据。本章要掌握钢中合金元素与铁的作用；掌握奥氏体形成元素和铁素体形成元素；掌握碳化物形成元素类型及形成规律和特性；掌握决定碳化物结构类型的因素；熟悉合金钢中的相变：合金钢加热奥氏体化，合金过冷奥氏体分解；熟悉珠光体及贝氏体转变的特征，相的组成特点。掌握合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响，特别是碳化物形成元素和非碳化物形成元素对珠光体转变和贝氏体转变的影响。

●1.1钢中合金元素和Fe的相互作用

本节主要学习钢中的合金元素和Fe的相互作用。主要内容有以下几个方面。1. 钢中的合金元素；2.合金元素对铁相变的影响；3. 奥氏体形成元素；4. 铁素体形成元素；5.合金元素和Fe的相互作用原因。

●1.2合金钢中碳化物及其形成规律

本节主要讲解合金钢中碳化物及其形成规律。内容主要包括3个方面。1.合金元素的类型；2钢中常见的碳化物结构类型；3.钢中碳化物形成的规律。

●1.3钢中合金元素对钢加热转变的影响

本节主要从以下几个方面来讲解钢中合金元素对钢加热转变的影响。1.合金元素对对A形成速度的影响；2.合金元素对碳化物溶解的影响；3. 合金元素对对A相成分均匀化的影响；4. 合金元素对对A体晶粒长大的影响。

●1.4合金元素对珠光体转变的影响

这节课来学习合金元素对钢中珠光体转变的影响。主要内容有以下四个方面。1.过冷奥氏体的分解转变的特征，2.珠光体组织形态，3.珠光体的转变过程，4.合金元素对珠光体转变的影响。

●1.5合金元素对贝氏体转变的影响

在合金元素对相变影响的基础上，本节来学习合金元素对钢中贝氏体转变的影响。主要内容是以下四个方面。1.过冷奥氏体的分解转变的特征，2.贝氏体的组织形态，3.贝氏体的转变过程，4.合金元素对贝氏转变的影响。

第二章工程及机械制造结构钢

结构钢用来制造工程结构和机械结构，它包括工程结构钢和机械制造结构钢两大类。由于这两类结构钢的工作条件对性能的要求不同，因而其服役的显微组织各不相同。工程结构钢是指专门用来制造工程结构件的一类钢种，低合金高强度钢是工程结构钢中重要的构件用钢；而机械制造结构钢又称机器零件用钢，它又包括滚动轴承钢、弹簧钢、调质钢和渗碳钢等。本章主要掌握低合金高强度结构钢的合金化原则；掌握常用机械制造结构钢：调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢和渗碳钢的合金化原则及热处理特点，性能及其典型钢种。

●2.1低合金高强度结构钢的合金化

本节主要从合金元素对钢力学性能的影响及合金元素对钢焊接性和耐大气腐蚀性的影响等方面来讲解低合金高强度结构钢的合金化。

●2.2机器零件用钢之调质钢

本节讲解机器零件用钢中的调质钢。主要内容有以下几个方面，1.调质钢的服役条件及性能要求；2.调质钢的合金化特征；3.常用调质钢及热处理 。

●2.3弹簧钢的性能要求和合金化

弹簧是机械和仪器上的重要零部件，应用非常广泛。本节主要从弹簧的服役条件及性能要求、弹簧钢的合金化等方面来讲解弹簧钢。

●2.4弹簧钢的类型及热处理

作为机械和仪器上的重要零部件， 弹簧的应用非常广泛，热处理对弹簧钢发挥最终性能至关重要，所以本节主要学习常用弹簧钢的热处理。

●2.5滚动轴承钢的热处理

滚动轴承钢是用于制造滚动轴承的滚动体和内外套圈的钢，本节主要从滚动轴承钢的加工工艺路线、预备热处理、最终热处理等方面来讲解滚动轴承钢。

●2.6低碳低合金马氏体型结构钢

由于一般的中碳（合金）结构钢经通常的热处理后，其强度与塑性、韧性是一对互为消长的矛盾。为了追求高的塑性和韧性，而采用的淬火加高温回火（调质处理），势必牺牲强度；若欲保持高的强度水平，采用淬火加低温回火，又显得塑性、韧性不足。然而低碳（合金）结构钢淬火后形成位错板条马氏体+板条相界残余奥氏体薄膜+板条内部自回火或低温回火析出的细小分散碳化物，则可实现强、韧、塑性的最佳配合。因而研究开发低碳马氏体型结构钢具有重要的理论和实际意义。本节主要从开发背景 、成分及组织特点、性能特点 、典型钢种等方面来讲解低碳低合金马氏体型结构钢。

●2.7机器零件用钢之渗碳钢

渗碳钢主要用来制造表面和心部性能要求不同的零件，如齿轮、凸轮、活塞销等。本节主要从渗碳钢的合金化、渗碳钢常用类型及热处理等方面来讲解渗碳钢。

第三章工模具钢

在生产中，需要使用各种加工工具对材料进行加工和测量或者成型，像车刀、铣刀、钻头这些用来进行切削加工的工具，工作部位主要在切削刃部，称为刃具，像热作模具、冷作模具这些用于金属成型加工的工具称为模具，像游标卡尺、千分尺、量规等等用作测量工件形状和尺寸的称为量具。用来制造各种加工工具的钢种称为工模具钢，又简称工具钢。根据用途不同，工具钢可分为刃具用钢、模具用钢和量具用钢。按化学成分不同，工具钢又可分为碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。通过本章的学习，同学们要掌握高速钢的成分、合金化、组织性能、工艺过程、热处理特点及典型钢种；掌握高铬冷作模具钢的合金化，热处理特点及典型钢种。

●3.1高速钢的合金化特征

高速钢是用来制造高速切削刃具的一类重要的钢种，本节主要从高速钢的特点、合金化特征两个方面来认识高速钢。

●3.2高速钢的凝固过程和组织特征

本节主要从其凝固过程、铸态组织及高速钢中碳化物三个方面来认 识高速钢。

●3.3高速钢的热处理-退火和淬火

高速钢的热处理通常包括锻造后、机械加工前的预备热处理和成形后的最终热处理。本节主要从高速钢的预备热处理球化退火、最终热处理也就是淬火及淬火过程中容易出现的热处理缺陷三个方面来讲解高速钢的热处理。

●3.4高速钢的回火

本节主要从高速钢的二次硬化， 高速钢的二次淬火，以及高速钢具体的回火工艺三个方面来进一步认识高速钢的热处理。

●3.5刃具用碳素工具钢的锻造与球化退火

在生产中，需要使用各种加工工具对材料进行加工和测量或者成型，像车刀、铣刀、钻头这些用来进行切削加工的工具，工作部位主要在切削刃部，称为刃具。刃具用钢对其性能要求比较严格，其钢性能不仅取决于合理的成分，还必须有科学的加工和热处理工艺，最先发展起来的刃具用钢是碳素工具钢，又称碳工钢，本节课就以碳工钢以为例，从锻造和球化退火来讲解它的加工和预备热处理工艺。

●3.6高铬模具钢（一）

冷作模具是指在冷态下也就是常温下完成对金属材料进行塑性变形加工的工具。高铬模具钢又被称为高耐磨微变形冷作模具钢。这类型的钢淬透性好、淬火变形小、耐磨性高，所以一般制作负荷大、耐磨性高的形状复杂的模具，高铬模具钢又称Cr12型钢，是应用最广、数量最大的冷作模具钢。本节主要从特点及合金化、热加工、热处理等方面来学习高铬模具钢。

●3.7高铬模具钢（二）-淬火回火

高铬钢要想充分发挥其性能，必须进行淬火和回火。本节将要从以下几个方面来接着讲解高铬冷作模具钢。1.淬火及回火工艺参数对性能的影响，2.一次硬化法，3. 二次硬化法，4. 性能特点。

第四章耐热钢

耐热钢是指在高温下工作并具有一定强度和抗氧化、耐腐蚀能力的钢。主要用于石油化工、火力发电厂、航空航天等许多工业部门所使用的高温设备，比如发动机、锅炉、蒸汽轮机。这些高温工作的设备要承受各种载荷，有的还受到冲击作用；同时还与各种高温气体接触，表面会发生高温氧化或气体腐蚀；钢在高提高钢抗氧化性的途径、抗氧化钢的合金化以及典型的抗氧化钢温下长期工作时，其内部将发生原子扩散的过程，因而会使组织结构发生变化。因此，对耐热钢性能的基本要求是：一是有足够的高温强度、抗蠕变性能及高温疲劳强度，二是有足够高的高温化学稳定性，即抗高温氧化性，有良好的导热性，热膨胀系数要小；在一个有良好的加工工艺性，比如良好的铸造性、焊接性及可锻性。根据不同服役条件，常常将耐热钢分为热强钢和抗氧化钢两大类。热强钢是指在高温下有一定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，如高温螺栓、涡轮叶片等。它们工作时要求承受较大的载荷，失效的主要原因是高温下强度不够。热强钢广泛用于制造锅炉管道、紧固件、汽轮机转子、叶片、排气阀等。抗氧化钢又称热稳定钢是指在高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀而不破坏的钢种，如炉底等。它们工作时的主要失效形式是高温氧化，而单位面积上承受的载荷并不大。热稳定钢广泛用于工业炉中的构件、炉底板、马弗罐、料架、辐射管等。
本章通过讲解热强钢和抗氧化钢，同学们要掌握热稳定性与钢的成分、组织关系，提高钢热强性的途径及热强钢的合金化；掌握珠光体型热强钢，马氏型热强钢成分设计及性能特点；掌握提高钢抗氧化性的途径、抗氧化钢的合金化以及典型抗氧化钢的特征。

●4.1热强钢（一）

热强钢是指在高温下有一定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，如高温螺栓、涡轮叶片等。它们工作时要求承受较大的载荷，失效的主要原因是高温下强度不够。本节主要从钢的热强性及提高热强性的途径等方面来学习热强钢。

●4.2热强钢（二）

上节讲解了提高热强钢的途径，本节来接着认识典型的热强钢。热强钢按照组织的不同可分为珠光体热强钢、马氏体热强钢和奥氏体热强钢。

●4.3抗氧化钢

抗氧化钢又称热稳定钢，是耐热钢中的一大类。抗氧化钢是指在高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀而不破坏的钢种，广泛用于工业炉中的构件、炉底板、马弗罐等等。本节主要从金属的抗氧化性、提高钢抗氧化性的途径、抗氧化钢的合金化以及典型的抗氧化钢等几个方面来讲解抗氧化钢。

第五章超高强度结构钢

超高强度钢是为满足飞机、火箭等航空航天器结构上用的高比强度材料而发展起来的一类结构钢，后来在常规武器的零件等方面也得到了应用。对于航空航天工业来说，降低飞行器或构件的自身重量是非常重要的，因此要求使用的材料具有高比强度。这是开发超高强度钢的动力。本章主要掌握低合金与二次硬化型超高强度钢及马氏体时效型超高强度钢的成分特点、热处理工艺、性能特点及应用。

●5.1低合金与二次硬化型超高强度钢

超高强度结构钢是一类强度非常高的金属材料，根据成分特点和强化方式它又分为不同类型。本节主要从超高强度钢简介、低合金超高强度钢、二次硬化型超高强度钢等方面来认识低合金与二次硬化型超高强度钢。

●5.2马氏体时效型超高强度钢

当对超高强度钢同时要求很高的强度和韧度时，材料工作者放弃了传统的以碳强化的途径，利用沉淀强化机制，从而解决了传统马氏体钢强度和韧性之间的矛盾。为此就发展了无碳或者说超低碳的的M时效型超高强度钢，简称马氏体时效钢。本节分别从成分特点、热处理工艺、性能特点及应用来学习马氏体时效型超高强度钢。

第六章不锈钢

全世界每年因腐蚀而不能使用的钢材约占钢材年产量的25%，不锈钢正是一种具有抗腐蚀性能的一类钢种。本章主要介绍了不锈钢的基本性质，不锈钢中合金元素的作用，铁素体不锈钢、马氏体不锈钢，奥氏体不锈钢和双相不锈钢的成分及性能特点。重点掌握：不锈钢的防腐原理，合金元素对不锈钢组织和性能的影响，铁素体不锈钢的脆性及其原因，奥氏体不锈钢的晶间腐蚀及其防止措施，马氏体不锈钢的成分组织特点，双相不锈钢的固溶处理工艺。

●6.1不锈钢概述

本节主要从不锈钢的基本概念、防腐原理、发展史、分类以及编号这四个方面对不锈钢进行了简单的概述。重点掌握不锈钢的防腐原理就是表面有一层可以自修复的保护膜。

●6.2不锈钢中合金元素的作用

本节主要从两个方面介绍了不锈钢中合金元素的作用：一是，对铁的极化和电极电位的影响。其中，Cr是比较理想的合金元素，它对Fe电极电位的左右符合n/8规律；二是，对不锈钢组织和性能的影响。各种元素含量可换算成铬当量和镍当量，从而根据组织状态图判断其组织以及性能。

●6.3铁素体不锈钢

本节主要介绍了常见的铁素体不锈钢及特点、铁素体不锈钢的脆性以及铁素体不锈钢的热处理。重点掌握铁素体不锈钢最大的缺点就是脆性大，主要由原始晶粒粗大、σ相形成和475℃脆性引起。

●6.4马氏体不锈钢

本节主要介绍了马氏体不锈钢的成分及性能特点、马氏体不锈钢的组织转变以及马氏体不锈钢的热处理。重点掌握马氏体不锈钢的成分特点及其分类。

●6.5奥氏体不锈钢

本节主要介绍了奥氏体不锈钢的成分及性能特点、奥氏体不锈钢的晶间腐蚀以及奥氏体不锈钢的热处理。重点掌握奥氏体不锈钢的晶间腐蚀机理和常用的防止措施。

●6.6双相不锈钢

本节主要介绍了双相不锈钢的定义、成分性能特点和分类，双相不锈钢的组织转变以及双相不锈钢的热处理。重点掌握双相不锈钢的分类及其相应的固溶处理工艺。

第七章铸铁

铸铁是人类使用最早的金属材料之一，它具有良好的工艺性、使用性、生产工艺简单、成本低，因而得到广泛应用。例如按质量统计：农机中占40~60%，汽车拖拉机中铸铁件占50~70%，在机床中铸铁件占60~90%，就是高级小轿车中也有1/3铸铁件。高强度铸铁和特殊性能铸铁还可代替部分昂贵的合金钢和有色金属材料。通过本章的学习，同学们要熟悉铸铁特点、分类及应用；掌握铸铁的石墨化过程中热力学条件和动力学条件以及铁碳合金双重相图；掌握铸铁组织的影响因素；掌握灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁的性能、应用和铸铁的热处理特点。

●7.1铸铁的石墨化过程

铸铁中，石墨的形态、大小、数量和分布状态对铸铁的性能有着重要的影响，本节主要从热力学和动力学方面来讲解铸铁的石墨化过程。

●7.2铸铁石墨化及影响因素

石墨是铸铁的重要组成相，石墨的形态、大小、数量和分布状态对铸铁的性能有着重要的影响。铸铁凝固结晶过程中石墨化对铸铁至关重要，铸铁的组织取决于石墨化进行的程度，为了获得所需要的组织，关键在于控制石墨化进行的程度，而影响铸态组织的因素主要是化学成分和冷却速度。所以，本节主要从铸铁的石墨化过程以及影响铸态组织的因素两方面来讲解铸铁。

●7.3灰铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁

本节主要讲解灰铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁。 在铸铁的总产量中，灰铸铁件几乎占80%以上。主要用于制造各种机器的底座、机架、阀体及内燃机的汽缸体、汽缸盖等。可锻铸铁是由白口铸铁经过长时间石墨化退火而得到的团絮状石墨的一种高强度铸铁。蠕墨铸铁是在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂和孕育剂进行蠕化处理和孕育处理后获得。

●7.4球墨铸铁

球墨铸铁是由球形石墨和金属基体组成的，与灰铸铁相比呢，球墨铸铁的力学性能比灰铸铁好的多，本节从化学成分与组织、生产方法、牌号、性能与应用、热处理等五个方面来讲解球墨铸铁。

第八章有色金属合金

随着航空、航海、石油化工以及空间技术等工业的发展，有色金属合金的使用量日益增加。本章主要介绍了机械制造工业中常用的铝、铜、钛、镁等合金的基本性质、镁合金化原理、常见分类以及热处理特点。重点掌握他们的合金化及热处理特点，熟悉几种常见合金的成分、组织及性能特点。

●8.1铝合金

本节主要介绍了铝合金的基本性质、铝合金的常见分类以及铝合金的热处理强化。虽然铝合金可通过固溶时效处理得到强化，但在热处理过程没有同素异构转变。铝合金的具体强化机理与强化相的析出之间的关系是需要重点掌握的内容。

●8.2铜合金

本节主要介绍了铜合金的基本性质、铜合金的常见分类以及铜合金的热处理特点。重点掌握铜合金的组织和性能与其主添加合金元素（如Zn或Sn）的含量之间的关系。熟悉几种常见铜合金的成分、组织及性能特点。

●8.3钛合金

本节主要介绍了钛合金的基本性质及合金化原理、钛合金的常见分类、钛合金的热处理及其组织转变特点。由于具有两种同素异构转变，钛合金的同素异晶转变是各种相变的基础。重点掌握热处理过程中钛合金的相变特点，熟悉几种常见钛合金的成分、组织及性能特点。

●8.4镁合金

本节主要介绍了镁合金的基本性质、镁合金的合金化原理、镁合金的常见分类以及镁合金的热处理。重点掌握强化镁合金的有效合金元素与镁之间的作用规律，熟悉几种常见镁合金的成分、组织及性能特点。