第一章金属材料的力学性能常见的变形方式有：拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切。

力学性能的主要指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧度等。

强度—金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力一般情况下多以抗拉强度作为判别金属材料强度高低的指标。

单位截面积上的内力，称为应力，用符号σ表示抗拉强度——试样断裂前能够承受的最大应力，称为抗拉强度，用σb表示金属发生塑性变形但不破坏的能力称为塑性。

在拉伸时它们分别为伸长率和断面收缩率。

普通铸铁的塑性差，因而不能进行压力加工，只能进行铸造。

硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，是指金属抵抗局部弹性变形、塑性变形、压痕或划痕的能力。

常用的硬度试验方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧度有许多零件 (如齿轮、弹簧等) 是在交变应力 (指大小和方向随时间作用期性变化) 下工作的，零件在这种交变载荷作用下经过长时间工作也会发生破坏，通常这种破坏现象叫做金属的疲劳断裂。

材料在无数次交变载荷作用下而不破坏的最大应力值称为疲劳强度第二章金属与合金的晶体结构固态物质按原子（或分子）的聚集不同分为两类晶体——原子具有规则排列的物质；非晶体——原子不具有规则排列的物质。

晶体的三个特征：规则的外形固定的熔点具有各向异性晶格：把原子看成一个点，用假想的线条把原子连接起来构成的空间格子。

晶胞：能反映晶格特征的最小几何单元体。

最常见的金属晶格有三种类型：体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格合金：由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素熔合在一起，形成具有金属特性的物质。

组元：组成合金的独立的、最基本的单元所谓组织：是指用肉眼或借助显微镜观察到的具有某种形态特征的合金组成物。

固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两基本类型。

晶体缺陷——晶体内部由于结晶条件或加工等方面的影响，使原子排列规则受到破坏，表现出原子排列的不完整性。

按照缺陷的几何特征，可分为：1、空位和间隙原子（点缺陷） 2．位错（线缺陷）3．晶界和亚晶界（面缺陷）第三章金属与合金的结晶金属与合金从液态到固态的转变过程，是原子由不规则排列的液体状态逐步过渡到原子作规则排列的晶体状态的过程，这一过程称为结晶。

（形核与长大）金属总是在一定的过冷度下结晶的，所以过冷是金属结晶的必要条件最先形成的、作为结晶核心的微小晶体称为晶核晶核的形成过程称为形核。

晶核的形成有两种方式：自发形核和非自发形核晶粒是构成金属晶体的最小单位，晶粒与晶粒之间的接触面叫晶界。

细化晶粒的方法：1、增加过冷度 2、变质处理 3、附加振动（4、降低浇注速度）金属在固态下随温度的改变，由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的变化，称为金属的同素异构转变。

金属的同素异构转变是钢在淬火时引起应力、导致工件变形和开裂的重要因素。

合金相图的用途：a、研究合金的组织形成和变化规律的有效工具；b、作为制定冶炼、铸造、锻压、焊接、热处理工艺的重要依据。

将铸件加热到固相线以下100～200℃的温度，保温较长时间，然后缓慢冷却，使原子充分扩散，从而达到成分均匀的目的。

这种处理方法称为均匀化退火共晶转变：指一定成分的液相在一定的温度下，同时结晶出两种不同固相的转变。

第四章铁碳合金铁碳合金是以铁和碳为基本组元组成的合金，是钢和铸铁的统称。

铁碳合金在固态下的基本相分为固溶体与金属化合物两类。

属于固溶体的基本相有铁素体和奥氏体，属于金属化合物的基本相有渗碳体。

铁素体 ( F )碳溶人α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，用“ F ”表示。

它保持α-Fe 的体心立方晶格奥氏体 ( A )碳溶入γ-Fe中的间隙固溶体称为奥氏体，用“A”表示。

它仍保持γ-Fe 的面心立方晶格奥氏体具有良好的塑性和低的变形抗力，易于承受压力加工，生产中常将钢材加热到奥氏体状态进行压力加工。

渗碳体 ( Fe3 C ) 铁与碳组成的金属化合物称为渗碳体，用“Fe3C”表示。

Fe—Fe3C 相图是表示在缓慢冷却 (加热) 条件下 (即平衡状态) 不同成分的钢和铸铁在不同温度下所具有的组织或状态的一种图形Fe—Fe3C 相图清楚地反映了铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系，是研究钢和铸铁及其加工处理 (铸、锻、焊、热处理等加工工艺)的重要理论基础。

Fe—Fe3C 相图分析成分为P点与E点之间 (wc = 0.0218％～2.11％) 的铁碳合金,其特点是高温固态组织为塑性很好的奥氏体，因而可进行压力加工碳钢又可分为三类：共析钢亚共析钢过共析钢成分为E点右面 (ωc = 2.11％～6.69％) 的铁碳合金，其特点是液态结晶时都发生共晶转变，因而与钢相比有较好的铸造性能。

但高温组织中性能硬脆的渗碳体量很多，故不能进行压力加工。

白口铸铁又可分为以下三类:亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁过共晶白口铸铁为了保证工业上使用的钢具有足够的强度，同时又具有一定的塑性和韧性，钢中碳的质量分数一般都不超过1.3％～1.4％。

碳素钢(简称碳钢)是ωc <2.11％而且以碳为主要合金元素的铁碳合金。

(一) 锰的影响锰是炼钢时加入锰铁脱氧而残留在钢中的。

锰的脱氧能力较好，能清除钢中的FeO，降低钢的脆性；锰还能与硫形成MnS，以减轻硫的有害作用。

所以锰是一种有益元素。

二) 硅的影响硅的脱氧能力比锰强，在室温下硅能溶人铁素体，提高钢的强度和硬度。

因此，硅也是有益元素。

(三) 硫的影响硫在钢中与铁形成化合物FeS，FeS与铁则形成低熔点(985℃) 的共晶体分布在奥氏体晶界上。

当钢材加热到1100～1200℃进行锻压加工时，晶界上的共晶体已熔化，造成钢材在锻压加工过程中开裂，这种现象称为“热脆”，因此，硫是有害元素。

(四) 磷的影响磷可全部溶于铁素体，产生强烈的固溶强化，使钢的强度、硬度增加，但塑性韧性显著降低。

这种脆化现象在低温时更为严重，故称为“冷脆”。

磷在结晶时还容易偏析，从而在局部发生冷脆。

因此，磷也是有害元素按钢中碳的质量分数分类:(1) 低碳钢。

ωc ≤0.25％。

(2) 中碳钢。

0.25％ < ωc ≤0.60％。

(3) 高碳钢。

ωc ≥ 0.6％。

按用途分类:(1) 碳素结构钢。

主要用于制造各种工程构件 (桥梁、船舶、建筑构件等) 和机器零件 (齿轮、轴、螺钉、螺栓、连杆等)。

这类钢一般属于低碳钢和中碳钢。

(2) 碳素工具钢。

主要用于制造各种刃具、量具、模具等。

这类钢一般属于高碳钢。

(一) 碳素结构钢碳素结构钢的牌号表示方法是由屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四个部分按顺序组成。

例如：Q235一AF表示碳素结构钢中屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。

Q195、Q215、Q235、Q225为低碳钢；Q275为中碳钢；Q235因碳的质量分数及力学性能居中，故最为常用。

中碳钢可通过热处理进一步提高强度、硬度。

(二) 优质碳素结构钢这类钢因有害杂质较少，其强度、塑性、韧性均比碳素结构钢好。

主要用于制造较重要的机械零件。

优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，如08、10、45等。

数字表示钢中平均碳质量分数的万倍。

上述牌号分别表示其平均碳的质量分数为 0.08％、0.1％、0.45％。

(三) 碳素工具钢碳素工具钢因含碳量比较高 (ωc = 0.65％～1.35％) ，硫、磷杂质含量较少，经淬火、低温回火后硬度比较高，耐磨性好，但塑性较低。

主要用于制造各种低速切削刀具、量具和模具。

碳素工具钢的牌号由代号“T”(“碳”字汉语拼音首字母)后加数字组成。

数字表示钢中平均碳质量分数的千倍。

如T8钢，表示平均碳的质量分数为0.8％的优质碳素工具钢若是高级优质碳素工具钢，则在牌号末尾加字母“A”，如T12A，表示平均碳的质量分数为1.2％的高级优质碳素工具钢。

(四) 铸造碳钢（铸钢）机器中有许多形状复杂、力学性能要求高的机械零件常采用铸造碳钢制造。

铸钢中碳的质量分数一般在0.15％～0.6％范围内。

碳含量过高，则钢的塑性差，且铸造时易产生裂纹。

铸造碳钢的最大缺点是熔化温度高、流动性差、收缩率大，而且在铸态时晶粒粗大。

因此铸钢件均需进行热处理。

铸造碳钢的牌号是用铸钢两字的汉语拼音的首字母“ZG‘’后面加两组数字组成，第一组数字代表屈服强度值，第二组数字代表抗拉强度值。

例如ZG270—500表示屈服强度为270MPa、抗拉强度为500MPa的铸造碳钢第五章钢的热处理钢的热处理——钢在固态下，采用适当方式进行加热、保温和冷却，以改变钢的内部组织结构，从而获得所需性能的一种工艺方法。

热处理的分类：一、普通热处理1、退火 2、正火 3、淬火 4、回火二、表面淬火1、感应加热表面淬火 2、火焰加热表面淬火3、电接触加热表面淬火4、激光加热表面淬火三、化学热处理1、渗碳 2、渗氮 3、碳氮共渗 4、渗金属等冷却方式：等温冷却——把加热到奥氏体状态的钢快速冷却到Ar1以下某一温度，并在此温度停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温，连续冷却——把加热到奥氏体状态的钢，以不同的冷却速度（如随炉冷、空冷、油冷、水冷等）连续冷却到室温，马氏体实质上是碳在α-Fe中过饱和固溶体，用符号“M”表示。

一、退火将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺称为退火。

(一) 完全退火工艺方法：将钢加热到Ac3以上30～50℃，保温一定时间后，随炉缓慢冷却到600℃以下，再出炉空冷。

组织形态：珠光体+铁素体。

目的：细化晶粒，均匀组织，降低硬度以利于切削加工，并充分消除内应力。

适用材料：亚共析成分的碳钢和合金钢的铸件、锻件、焊接件及热轧型材等。

完全退火工艺不适用于过共析成分的钢，否则使钢的韧性显著降低，并有可能使钢在以后的热处理中产生裂纹。

(二) 等温退火工艺方法：将钢加热到Ac3 以上30～50℃ (亚共析钢) 或Accm以上20～40℃ (共析钢和过共析钢) ，保温适当时间后，较快地冷却到Ar1以下某温度，等温一定时间，然后再空冷至室温。

组织形态：珠光体。

目的：与完全退火相同。

适用材料：亚共析、共析和过共析钢均可。

优点：等温退火大大缩短了退火时间，而且转变产物较易控制，同时由于工件内外都是处于同一温度下发生组织转变，因此能获得均匀的组织和性能。

(三) 球化退火工艺方法：将钢加热到Acl以上20～30C，充分保温后，以缓慢的冷却速度冷至600℃以下，再出炉空冷。

球化退火工艺的特点：低温短时加热和缓慢冷却。

组织形态：在铁素体基体上均匀分布着球状(粒状)渗碳体，称为球状珠光体组织目的：消除或改善了片状渗碳体的不利影响。

使材料硬度降低，切削加工性能良好，淬火时产生变形或开裂倾向小。

适用材料：共析、过共析碳钢及合金工具钢。

(四) 均匀化退火工艺方法：将钢加热至Ac3以上150～200℃，长时间 (10～15h) 保温，然后缓慢冷却。