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、性能特点及用途的基本知识。
(3) 初步掌握陶瓷材料、高分子材料、复合材料的成分、组
织、性能特点及常用材料的种类和用途。
(4) 基本掌握根据零构件的服役条件、失效方式和性能要求
选择材料及制造工艺的思路。
(5) 初步了解新材料、新工艺的基本概况及发展趋势。
教学内容及要求
绪论
工程材料在机械设计及制造工程中的作用，工程材料的
分类本课程的目的及任务，课程的基本内容，学习要求
等。
第一章--机械零件和器件的失效分析
掌握：常温静载下的过量变形；静载和冲击载荷下的断
裂；交变载荷下的疲劳断裂；磨损失效；腐蚀失效；高温
下的蠕变变形和断裂失效。
第二章--碳钢
1. 掌握：纯铁的组织和性能；铁碳合金中的相和组织组
成物；Fe-Fe3C 相图；钢中常存杂质元素对钢性能的影响；
压力加工对钢组织和性能的影响；碳钢的分类、牌号及用
途。
2. 了解：钢锭的组织及缺陷。
第三章--钢的热处理
1. 掌握：钢在加热时的转变；奥氏体等温转变图；钢的
普通热处理；钢的表面热处理。
2. 了解：奥氏体连续转变图。
3. 自学：钢的特种热处理。
第四章--合金钢
1. 掌握：合金元素在钢中的作用；合金钢的分类及编
号；低合金高强度钢；合金渗碳钢；合金调质钢；合金刃
具钢；合金模具钢.
2. 了解：合金弹簧钢；滚动轴承钢；量具钢；不锈钢；
耐热钢；低温钢；高耐磨钢。
3. 自学：超高强度合金钢；新型合金工具钢。
第五章--铸铁
1. 掌握：合金元素在钢中的作用；合金钢的分类及编
号；低合金高强度钢；合金渗碳钢；合金调质钢；合金刃
具钢；合金模具钢.
2. 了解：合金弹簧钢；滚动轴承钢；量具钢；不锈钢；
耐热钢；低温钢；高耐磨钢。
3. 自学：超高强度合金钢；新型合金工具钢。
第六章--有色金属及其合金
1. 掌握：铝及铝合金；滑动轴承合金。
2. 了解：铜及铜合金；钛及钛合金。
3. 自学：镁及镁合金。
第七章--高分子材料
1. 掌握：高分子材料的结构及性能特点。
2. 了解：常用高分子材料。
第八章--陶瓷材料
1. 掌握：陶瓷材料的结构及性能特点。
2. 了解：常用工程结构陶瓷材料。
3. 自学：金属陶瓷。
第九章-- 复合材料
1. 掌握：复合材料的结构及性能特点。
2. 了解：增强材料及其增强机制；常用复合材料
第十章--功能材料
自学：电功能材料、磁功能材料、热功能材料、光功能
材料及 其它功能材料的性能特点、功能原理、种类及用
途。
第十一章--材料改性新技术
自学：材料表面改性新技术、快速凝固新技术、纳米技
术的基本原理及工程应用。
第十二章--零件的选材及工艺路线
1. 掌握：刚度和弹性指标、硬度和强度指标、塑性和冲
击韧性指标在选材中的意义；依据材料的使用性能、工艺
性能、及经济性选材的原则；典型零件（齿轮、轴、汽轮
机叶片）的选材及工艺路线。
2. 了解：断裂韧度在选材中的意义。
3. 自学：零件实物性能试验的重要性；材料强度、塑性
与韧性的合理配合。
第十三章--工程材料在典型和生物医学上的应用
根据授课专业不同从汽车、机床、热能设备、仪器仪
表、石油化工设备、航空航天、生物医学等行业选择讲
解。
第一章 机械零件的失效分析
一、基本要求
本章主要介绍了机械零件在常温静载下的
过量变形、在静载和冲击载荷下的断裂、在交
变载荷下的疲劳断裂、零件的磨损失效和腐蚀
失效以及在高温下的蠕变变形和断裂失效。要
求学生掌握全部内容。
二、重点内容
1 零件的过量变形以及性能指标,如屈服强度、
抗拉强度、伸长率、硬度等。
2 零件在静载和冲击载荷下的断裂及性能指标，
如冲击韧性、断裂韧性等。
3 零件在交变载荷下的疲劳断裂、疲劳抗力指
标及影响因素。
4 零件的磨损和腐蚀失效以及防止措施。
5 零件在高温下的蠕变变形和断裂失效。
三、难点
断裂韧性及衡量指标，影响断裂的因素。
四、基本知识点
第一节 零件在常温静载下的过量变
形
1、工程材料在静拉伸时的应力-应变行为
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: 外力去除后可恢复变形。
塑性变形: 外力去除后不可恢复。
低碳钢，正火、退火、调质态的中碳钢或
低、中碳合金钢和有些铝合金及某些高分子材
料都具有图 1-1 所示的应力-应变行为。即在拉
伸应力的作用下的变形过程分为四个阶段：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。
图 1-1 低碳钢拉伸时的应力-应变曲线示意图
图 1-2 三种类型材料的应力-应变曲线示意图 1-纯金属 2-脆性材料 3-高弹性材料
2 、静载试验材料性能指标
刚度：零构件在受力时抵抗弹性变形的能
力。等于材料弹性模量与零构件截面积的乘积。
强度：材料抵抗变形或者断裂的能力，屈
服强度、抗拉强度、断裂强度。
弹性指标：弹性比功。
塑性指标：伸长率、断面收缩率。
硬度: 布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC)、维
氏硬度(HV)
3 过量变形失效
过量弹性变形抗力指标：弹性模量 E 或者
切变模量 G。
过量塑性变形抗力指标：比列极限、弹性
极限或者屈服强度。
第二节 零件在静载和冲击载荷下的
断裂
1、基本概念
断裂：材料在应力作用下分为两个或两个
以上部分的现象。
韧性断裂：断裂前发生明显宏观塑性变形。
脆性断裂：断裂前不发生塑性变形，断裂
后其断口齐平，由无数发亮的小平面组成。
2、冲击韧性及衡量指标
冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变
形功和断裂功的能力，是材料强度和塑性的综
合表现。
冲击试验与衡量指标：冲击吸收功 Ak 或冲
击韧度 ak。工程材料的冲击吸收功通常是在室
温测得，若降低试验温度，在低温下不同温度
进行冲击试验（称之为低温冲击试验或系列冲
击试验），可以得到冲击吸收功 Ak 随温度的变
化曲线，如图 1-3 所示。
图 1-3 三种钢的冲击韧性随温度变化曲线示意图
TK 为韧脆转变温度：Ak-T 曲线上冲击吸收功急剧变化的温度。当试验温度低于 TK 时，冲击吸收功明
显降低，材料由韧性状态变为脆性状态，这种现象称为低温脆性。
3、断裂韧性及衡量指标
断裂韧度 KIC：是评定材料抵抗脆性断裂的
力学性能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展
的能力,单位：MPa·m 1/2 或者 MN·m-3/2
断裂判据:
KI<KIC 构件安全
KI>KIC 构件发生脆性断裂
KI＝KIC 构件发生低应力脆性断裂的
临界条件
4、影响脆性断裂的因素
决定材料断裂类型的主要因素有：加载方
式、材料本质、温度、加载速度、应力集中及
零件尺寸。
加载方式不同，断裂方式不同；
一般降低温度和增加加载速度都会引起材
料催化；
应力集中改变了应力状态，σmax↑ ，τmax↓,
α↓；
单向拉伸 α ＝ ，而缺口拉伸试样 α <，
易引起脆断，因此，应力集中会引起材料脆化；
薄板处于平面应力状态， α 较大，厚板处
于平面应变状态， α 较小，易产生脆断。
第三节 零件在交变载荷下的疲劳断
裂
1、基本概念
交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周
期变化的载荷。
疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间
工作而发生断裂的现象称为疲劳断裂。
图 1-4 几种常见的交变应力
2、疲劳断口的特点
疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、最后断裂。
疲劳断裂特征：
1) 断裂应力低
2) 无明显宏观塑变
3) 断口清楚显示裂纹形成、扩展和断裂阶段
图 1-5 疲劳曲线示意图
3、疲劳抗力指标
无裂纹构件的疲劳抗力指标：疲劳极限、过载持久值、疲劳缺口敏感度。
带裂纹构件的疲劳抗力指标：疲劳裂纹扩展门槛值 ΔKth 和裂纹扩展速率 DA/DN。
4、影响疲劳抗力的因素
载荷类型：拉压、扭转与旋转弯曲等；
材料本质：不同材料有不同的疲劳曲线，σr、q、da/dN、KIC 及 Kth 不同；
零件表面状态：零件的表面缺陷（如裂纹、刀痕等）对其强度影响不大，但疲劳极限有显著影响；
工作温度：T↑ σs ↓σr↓，ΔKth↓，da/dN ↑；
腐蚀介质:在腐蚀介质作用下， σr↓，ΔKth↓，da/dN ↑。
第四节 零件的磨损失效
1、磨损的基本概念
磨损的定义：在摩擦过程中零件表面发生尺寸变化和物质耗损的现象叫做磨损。
2、磨损的过程和机理
粘着磨损：
1）定义：又称咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩擦副的接触面发生金属粘着，在随后的相对滑
动中粘着处被破坏，有金属屑粒被拉拽下来或者是金属表面被擦伤的一种磨损形式。
2）过程：
3）粘着磨损的特点：磨损速度大；破坏严重。
4）防止措施：合理选材，摩擦副配对材料选用硬度差较大的材料；
提高表面硬度；
合理设计减小接触压应力；
减小表面粗糙度。
磨粒磨损：
1）定义：又称磨料磨损，在滑动摩擦时零件表面存在硬质磨粒，使磨面发生局部塑性变形，磨
粒嵌入、磨粒切割金属表面从而导致零件表面逐渐损耗的一种磨损。
2）过程：
3）防止措施：
提高表面硬度（从选材与材料表面处理方
面）；
减少磨粒数量（从工作状况方面）。
接触疲劳（疲劳磨损，麻点磨损）：
1）定义：零件工作面作滚动或滚动加滑动
摩擦时，在交变接触压应力的长期作用下引起
的表面疲劳剥落破坏的现象。
2）过程：类似于疲劳断裂，是裂纹萌生和
扩展过程。
三种主要形式：麻点剥落、浅层剥落、硬化层
剥落
3）主要防止措施：提高材料硬度；提高材
料纯度；提高零件心部和表面强度；减小表面
粗糙度。
第五节 零件的腐蚀失效
1、腐蚀的定义和分类
腐蚀：材料表面和周围介质发生化学反应
或者电化学反应所引起的表面损伤现象。
分类：化学腐蚀和电化学腐蚀。
2、腐蚀过程及防止
化学腐蚀过程（以高温氧化腐蚀为主）：
高温氧化过程：
1）金属失去电子成为金属离子
2）氧原子吸收电子成为氧离子
3）金属离子和氧离子结合为金属氧化物
基体金属能否继续氧化，取决于氧化物薄膜是
否致密。
提高钢抗氧化能力：加入 Al、Si、Cr 等元素，
与氧结合形成致密的氧化物膜，防止基体金属
进一步氧化。
电化学腐蚀：
条件：金属间存在电极电位差，并且相互接触
并处于相互联通的电介质溶液中形成微电池。
过程：
阳极：失去电子，M®M n++ne(被腐蚀）
阴极：发生析氢反应或者吸氧反应
特点：速度快、选择性
图 1-6 不同金属的电极电位
常见局部腐蚀：电偶腐蚀、小孔腐蚀、缝隙腐
蚀、晶界腐蚀（不锈钢）。
应力腐蚀：
定义：零（构件）在拉应力和特定介质联合作
用下产生的低应力脆断现象。
特点：拉应力小；介质腐蚀性弱； 易忽视
3、零件防止腐蚀的措施
对于化学腐蚀：选择抗氧化材料如耐热钢、
高温合金、陶瓷材料等，零件表面涂层。
对于电化学腐蚀：选择耐腐蚀材料；表面
涂层；电化学保护；加缓蚀剂。
对于应力腐蚀：减小拉应力；去应力退火；
选择 KIscc 高的材料；改善介质条件。
第六节 零件在高温下的蠕变变形和
断裂失效
1、材料在高温下的力学行为
1）材料的强度随温度的升高而降低。
2）高温下材料的强度随时间的延长而降低。
3）高温下材料的变形量随时间的延长而增
加。
蠕变：材料在长时间恒应力作用下缓慢产生塑
性变形的现象称为蠕变。
图 1-7 典型的蠕变曲线
2、评价材料高温力学性能指标
蠕变极限：高温长期载荷作用下材料对塑
性变形的抗力指标称为蠕变极限。
表示方法：在规定温度下使试样产生规定
稳态蠕变速率的应力值；给定温度下，在规定
时间内使试样产生一定蠕变总变形量 δ 的应力
值
持久强度：材料在高温长期载荷作用下抵
抗断裂的能力。用给定温度和规定时间内试样
发生断裂时的应力表示。
3、高温下零件的失效和防止
高温下零件的失效形式：过量塑性变形
（蠕变变形）、断裂、磨损、氧化腐蚀等。
防止措施：正确选材（选熔点高、组织稳
定的材料）；
表面镀硬铬、热喷涂铝和陶瓷
等
第二章 碳钢
一、基本要求
本章主要介绍了纯铁的组织和性能、 Fe-
Fe3C 图的分析和应用、压力加工对钢的组织和
性能的影响等内容。通过本章的学习，要求学
生能够掌握晶体结构与晶体缺陷的基本概念、
铁碳合金的结晶过程分析与压力加工对钢的组
织和性能的影等知识。
二、重点内容
1 纯铁的结晶过程、纯铁的晶体结构、纯
铁的同素异构转变。
2 铁和碳的相互作用、铁碳合金中的相和
组织组成物。
3 二元相图的杠杆定律、Fe-Fe3C 相图分析
及应用。
4 压力加工对钢的组织和性能的影响。
三、难点
应用杠杆定律计算碳钢在室温下的组织组
成物和相组成物的质量分数。
四、基本知识点
第一节 纯铁的组织和性能
1、过冷现象和过冷度
纯铁结晶时，实际开始结晶温度与理论结晶
温度之间的温度差℃T（＝－）,称为过冷度。
过冷度是一切物质结晶的必要条件，液体冷速
越快，过冷度越大,液体与固体间的自由能差
℃F （＝FL －Fs ）越大, 物质结晶的驱动力越大。
图 2-1 纯铁的冷却曲线（部分）
图 2-2 液体和固体自由能随温度的变化
2、纯铁的结晶过程
在液体中形成的稳定微小晶体称为晶核，纯铁的结晶过程是不断形成晶核与晶核不断长大的过程。
由一个晶核长成的晶体称作晶粒，由许多晶粒组成的晶体称作多晶体。多晶体结晶时，冷却速度越快、
过冷度越大、形核数量越多、晶粒越细。金属的晶粒越细，其强韧性越好。
图 2-3 纯铁结晶过程示意图
3、晶体结构基本概念
晶体：指原子（离子或分子）在空间呈规则排列的物体。
晶体结构：指晶体中的原子（离子或分子）在空间的具体排列。
晶胞：是能够反映晶格中原子重复排列规律的最基本单元。
金属中常见的晶体结构有：体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构。
图 2-4 三种常见的金属晶胞 a)体心立方晶胞 b)面心立方晶胞 c)密排六方晶胞
4 晶体缺陷的基本概念
按照晶体中原子排列不规则区域的尺寸大小，将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷：指原子排列的不规则区域在空间三个方向上尺寸都是很小的一种缺陷，如空位、间隙原子
和置换原子(见图 2-8)。
线缺陷：指原子排列的不规则区域在空间一个方向上尺寸很大，而在另外两个方向尺寸是很小的一
种缺陷，如刃型位错(图 2-9)。
面缺陷：指原子排列的不规则区域在空间两个方向上尺寸很大，而在另外一个方向尺寸是很小的一
种缺陷，如晶界、亚晶界(图 2-11)。
在点缺陷、线缺陷和面缺陷附近，原子都偏离了原来的平衡位置，使晶格发生畸变，对晶体的性能
会产生明显的影响。晶体缺陷越多，金属强度越高。细晶强化是提高金属材料强度的重要方法。
图 2-5 点缺陷示意图
图 2-6 刃型位错示意图
图 2-7 晶界 a)及亚晶界 b)的示意图
图 2-8 纯铁的冷却曲线及晶体结构的变化
5、纯铁的晶体结构及同素异构转变
纯铁结晶完成后，固态纯铁在随后的冷却过程中还会发生两次晶体结构转变(见图 2-12)。这种同
一元素在固态下随温度变化而发生的晶体结构转变，称为同素异构转变。铁碳合金正是因为具有同素
异构转变，所以才能通过热处理来改变其内部结构，改变其性能。
第二节 铁碳合金中的相和组织组成物
1、铁和碳形成固溶体
固溶体：是溶质原子溶入溶剂中形成的均匀晶体。溶质和溶剂的原子尺寸相差较小时，两者之间能
够形成置换固溶体。溶质和溶剂的原子尺寸相差很大时，两者之间能够形成间隙固溶体(见图 2-15)。
图 2-9 置换固溶体 a）及间隙固溶体 b）示意图
碳溶于中形成的间隙固溶体，称为铁素体，以或 F 表示。
碳溶于 g - Fe 中形成的间隙固溶体，称为奥氏体，以 g 或 A 表示。
由于形成固溶体时溶剂晶格能产生畸变，所以便会导致材料强度、硬度升高，塑性、韧性降低。
固溶强化：指通过形成固溶体而导致的材料强度升高现象。与加工硬化、细晶强化一样，固溶强
化也是提高材料强度的重要方法。
2、碳和铁形成化合物
当碳在和中的含量超过了碳的溶解度极限
时，，碳原子便会与铁原子形成渗碳体。
渗碳体:含碳量为 %,具有正交晶体结构。
特点：熔点高、硬而脆，塑性几乎等于零。
渗碳体对铁碳合金性能的影响，与其形态
有关。当渗碳体以细小的片状或球状出现时，
对铁碳合金具有强化作用。
3、铁碳合金中的相和组织组成物
系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、
同一结构并以界面相互隔开的均匀组成部份被
称为相。
F、A 和 Fe3C 是铁碳合金中的基本相。这些
可独立存在的基本相，以及由这些基本相所组
成的混合物，又可称为是铁碳合金的组织组成
物。
组织组成物：是指构成显微组织的独立部
份。
4、相图的基本概念
相图是表示合金在缓慢冷却的平衡状态下其所
含的相或组织与温度以及成分之间关系的一种
图形。
匀晶转变：是指从液相中直接结晶出单相固溶
体的转变。
5、二元相图的杠杆定律
见图 2-21，设合金的总质量为 1，在温度 t
时液相的质量为 ML，固溶体的质量为 Mα，则
有： ML + Mα＝1。
由于合金中所含镍的质量等于液相中镍的质
量与固溶体中镍的质量之和,而有： MLXL +
MαXα＝ 1X,
所以，由以上两式联解，就能得到两相相
对质量的计算公式为：
ML＝ (Xα- X)/(Xα- XL) ＝ rb/ab
Mα＝ (X- XL)/(Xα- XL) ＝ ar/ab
或 ML/Mα = rb/ar
注：杠杆定律只适用于两相区
图 2-10 杠杆定律的证明和力学比喻
6、Fe-Fe3C 相图分析
图 2-11 Fe-Fe3C 相图
见图 2-11 ，ABCD 点的连线是铁碳合金的液相线，AHJECF 点的连线是碳碳合金的固相线。在
HJB 线上发生的转变称为.包晶转变，所谓包晶转变：是指由一定成分的液相和一定成分的固相相互作
用而生成另一个一定成分的固相的转变。
反应式为：
包晶转变只能在含碳为 ～%的铁碳合金中发生，其中，只有 J 点成分的铁碳合金经包晶转
变后能够获得单一的奥氏体。
在 ECF 线上发生的转变称为共晶转变，所谓共晶转变：是指由一定成分的液相同时转变成两种一
定成分的固相的转变。
反应式为：
共晶转变只能在含碳为 ～%的铁碳合金中发生，其中，只有 C 点成分的铁碳合金经共晶转
变后能够获得单一的莱氏体。
在 PSK 线上发生的转变称为共析转变，所谓共析转变：是指由一定成分的固相同时转变成两种一定
成分的新固相的转变。
反应式为：
PSK 线又称 A1 线，所有含碳﹥%的铁碳
合金冷却至这条线上时都会发生共析转变，其
中只有含碳为 %的铁碳合金经共析转变后
能够获得单一的珠光体。
GS 线：又称 A3 线，是冷却时 A 中开始折
出 F，加热时 F 全部溶入到 A 中的转变线。
ES 线：是碳在 A 中的溶解度线，又称 Acm
线。
PQ 线，是碳在 F 中的溶解度线。
7、铁碳合金的分类
根据铁碳合金的含碳量及其室温平衡组织的
不同，铁碳合金可分为三类。
℃ 工业钝铁（wc﹤%）—室温组织是
铁素体和少量三次渗碳体。
℃ 钢（wc 为 ～%）。
其中：亚共析钢（wc﹤%）—室温组
织是铁素体和珠光体。
共析钢（wc 为 %）—室温组织是珠光
体。
过共析钢（wc﹥）—室温组织是珠光
体和二次渗碳体。
℃ 白口铸铁（wc 为 ～%），其中：
亚共晶白口铸铁（wc﹤%）—室温组织是
珠光体、二次渗碳体和莱氏体。
共晶白口铸铁（wc 为 %）—室温组织是
莱氏体
过共晶白口铸铁（wc﹥%）—室温组织是
莱氏体和一次渗碳体。
8、典型合金的结晶过程分析
℃ wc 为 %的亚共析钢
L→L+δ→L+A→A→A+F→P+F
℃ wc 为 %的共析钢
L→L+A→A→P
℃ wc 为 %的过共析钢
L→L+A→A→A+ Fe3C℃→P+ Fe3C℃
℃ 共晶白口铸铁
L→Ld(A+ Fe3C) → Ld(A+ Fe3C℃+ Fe3C)
→L,d(P+ Fe3C℃+ Fe3C)
9、含碳量对力学性能的影响
渗碳体是铁碳合金中的强化相。随着含碳量
的增加，渗碳体含量的增多，钢的强度、硬度
增加，塑性、韧性降低。当含碳量大于 % 时，
由于网状二次渗碳体的出现，使钢的强度又会
降低。
10、碳对铁碳合金平衡组织的影响
随着含碳量的增加，铁碳合金的组织发生以
下变化：
+ Fe3C℃ → + P → P → P +
Fe3C℃→
工业纯铁 亚共析钢 共
析钢 过共析钢
P + Fe3C℃ + L,d → L,d →
L,d + Fe3C℃
亚共晶白口铸铁 共晶白口
铸铁 过共晶白口铸铁
随着含碳量的增加，渗碳体分布和形态发生
以下变化：沿铁素体晶界分布的薄片状 Fe3C℃
→分布在铁素体内的层片状共析 Fe3C →沿奥
氏体晶界分布的网状 Fe3C℃→ 作为莱氏体基体
的共晶 Fe3C → 分布在莱氏体上的粗大片状
Fe3C℃。
11、碳对铁碳合金性能的影响
图 2-12 碳的质量分数对缓冷碳钢力学性能的影响
珠光体是由铁素体和渗碳体所组成的两相组织，
兼有铁素体和渗碳体的优点，既有较高的强度
和硬度，又有良好的塑性和韧性。渗碳体是铁
碳合金中的强化相，当渗碳体是以细小的片状
分布在铁素体上时，对碳钢具有强化作用。
随着碳的质量分数增加，珠光体含量的增多，
渗碳体含量的增加，碳钢的强度、硬度增加，
塑性、韧性降低。当碳的质量分数大于 1%，
钢中出现网状 Fe3C℃， 由于钢的性能就会恶化，
所以钢的强度又会降低(见图 2-39)。
12、Fe-Fe3C 相图.的实际应用
在实际应用中，Fe-Fe3C 相图具有以下作用：
℃ 能为选材提供成分依据
由于 Fe-Fe3C 相图能够反映碳钢的成分和组
织的关系，而钢的组织与钢的性能之间又有着
紧密的联系，所以，根据零件的不同性能要求，
可分别选用低碳钢、中碳钢或高碳钢为制造材
料。按照不同要求，就可选用适当成分的钢种。
℃ 能为制定热加工工艺提供依据
由于液相线和固相线的距离越小，合金的铸
造性能越好，钢在单相奥氏体相区内锻造性能
最好，所以，由 Fe-Fe3C 相图可知，共晶成分
的合金铸造性能最好，钢在奥氏体相区内进行
锻造最好（见图 2-40）
图 2-13 Fe- Fe3C 相图与铸锻工艺的关系
13、钢中常存杂质元素对钢的性能影响
℃ Si、Mn 的影响
当大部分 Si、Mn 元素都能固溶于铁素体中
时，，Si、Mn 是钢中的有益的元素，它们的存
在因能产生固溶强化而能够提高钢的强度。
℃ S、P 的影响
S 在钢中能够形成熔点为 989℃并分布在奥氏
体晶界上的共晶体，能导致的钢的脆性增大，
P 能显著降低钢的韧性，特别是能显著降低钢
的低温韧性，所以，S、P 都是钢中的有害元素。
由 S 导致的钢的脆性增大现象，被称为热脆。
由 P 引起的钢的低温脆性增大现象，被称为冷
脆。
℃ H 的影响
微量的 H 溶入钢中，就会导致钢的脆性增大。H
也是钢中的有害元素。由 H 导致的钢的脆性增
大现象，被称为的氢脆，
℃ N 的影响
N 能引起钢的应变时效而能导致钢的强度升
高、脆性增大。N 的存在，对锅炉、化工容器
等安全性能要求较高的构件是不利的。
应变时效，是指冷变形低碳钢在室温放置或
加热一定时间后所出现的强度升高，塑性、韧
性降低现象。
14、钢锭的组织和缺陷
按照钢液浇铸前的脱氧情况和钢锭凝固时析
出一氧化碳的程度，可把钢锭分为镇静钢锭、
沸腾钢锭和半镇静钢锭。
镇静钢锭的组织为三个区，分别是.表层细晶
区、柱状晶区和中心等轴晶区（见图 2-43）。
图 2-14 镇静钢锭宏观组织示意图
加入有效的变质剂为人工晶核或采用机械搅拌等方法使形核均匀化，可使钢锭获得均匀细小的等轴
晶组织而能改善钢的性能。
15、镇静钢锭的缺陷
钢锭中常见的组织缺陷有缩孔、疏松、成分偏析和气泡。
缩孔：是钢锭凝固时由集中体积收缩所引起的一种组织缺陷。
疏松：是钢锭凝固时由分散体积收缩所造成的一种组织缺陷。
区域偏析：是指钢锭不同部位化学成分不同的现象。
气泡：钢液凝固时因有一部分气体来不及逸出便会以气泡形式留在钢中。
钢锭在使用前须经压力加工消除缺陷，以改善其组织，提高其性能。
16、冷加工对钢的组织和性能的影响
℃ 晶体的滑移
滑移线：是滑移面与试样表面形成的交线。
滑移带：是由具有共同滑移方向的若干个滑移面发生滑移并逸出试样表面时所留下的痕迹（见图 2-
46）。
滑移是塑性变形的基本形式。滑移的机理是位错的运动。
图 2-15 滑移线和滑移带示意图
℃ 塑性变形导致的组织变化
Fe3C 对变形的阻碍作用依次为：片状 Fe3C﹥球状 Fe3C，细片状 Fe3C﹥粗片状 Fe3C。
随着碳的质量分数增加，Fe3C 含量的增多，碳钢的形变抗力增大。当 Fe3C 以网状形态出现时，
对变形的阻碍作用最大，会使钢的脆性增加。
℃ 塑性变形导致的性能变化
加工硬化：指由塑性变形导致的材料强度、硬度升高，塑性、韧性降低现象。
加工硬化具有以下技术意义：
a 是提高金属材料强度的一种重要方法;
b 能使金属的各种冷成型工艺得以进行；
c 能防止零件的偶然过载断裂。
形变织构：指通过塑性变形而使各晶粒内原子排列位向趋于一致的现象。
图 2-16 工业纯铁的织构示意图
宏观残余内应力：是由金属各部位变形不均匀所引起的一种内应力。
微观残余内应力：是晶粒间变形不均匀所引起的一种内应力。
残余内应力会造成零件形状与尺寸不稳定，会降低金属的耐腐蚀性能。残余压应力能显著提高零件
的疲劳强度。
17、冷变形钢在加热过程中组织和性能的变化
图 2-17 变形金属在不同加热温度时组织和性能变化示意图
加热温度较低时，变形金属的组织和力学性能没有明显变化，但残余内应力明显降低、电阻明显下
降。这一性能变化阶段称为变形金属的回复。由于经回复后，变形金属的残余内应力能明显降低，所
以利用回复现象对冷变形金属进行去应力退火，能够达到稳定零件尺寸的目的。
加热温度较高时，变形金属的强度显著降低，塑性显著提高，加工硬化效果会彻底消除。变形金属
的组织由破碎的、被拉长的或被压扁的变形晶粒变成细小的无变形的等轴晶粒的过程称为再结晶。由
于再结晶能够消除加工硬化，所以利用再结晶退火能恢复变形金属的塑性。
再结晶结束后， 继续升高加热温度或延长加热时间，会出现晶粒长大的现象，金属的强度和韧性随
着晶粒的长大而降低。
图 2-18 再结晶晶粒大小与冷变形度的关系
金属的变形度对再结晶晶粒大小有明显的影响，临界变形度：指再结晶晶粒极度长大所对应的变形
度。为保证变形金属再结晶后能够获得细小的晶粒，应避免在临界变形度附近对金属进行冷加工。
18、热变形加工
热加工：指在再结晶温度以上进行的不会造成
加工硬化的压力加工。
热加工主要具有以下作用：
℃ 改变工件的形状和尺寸；
℃ 改善钢的组织，提高钢的性能。即通过消除铸
造缺陷，细化钢的晶粒，改善钢中的夹杂物分布，
能提高钢的机械性能。
19、碳钢的分类
按含碳量分类，碳钢分为：低碳钢、中碳钢
和高碳钢。
按钢中的 S、P 含量分类，碳钢分为：普通
碳钢、优质碳钢和高级优质碳钢。
按用途分类，碳钢分为：碳素结构钢和碳素
工具钢。
按冶炼方法分类，碳钢分为：镇静钢、沸腾
钢和半镇静钢。
第三章钢的热处理
一、基本要求
本章主要介绍了钢的热处理的基本知识、
普通热处理、表面热处理以及特种热处理
工艺及应用。要求学生掌握钢在加热时的
转变、过冷奥氏体等温冷却转变、淬火钢
的回火转变、普通热处理及表面热处理工
艺及应用。一般了解钢的特种热处理。
二、重点内容
1、钢的热处理的基本知识；
2、钢的普通热处理。
三、难点
奥氏体化、过冷奥氏体转变及淬火钢的
回火转变。
四、基本知识点
在固态下通过加热、保温和冷却的方法，
改变钢的组织，从而获得所需性能的工艺
称为钢的热处理。
第一节钢在加热时的转变
1、奥氏体的形成
将共析钢、亚共析钢和过共析钢分别加热
到 A1、A3 和 Acm 以上时，都会完全转变为奥氏
体组织，这种加热转变称为奥氏体化。
1）共析钢的奥氏体的形成过程
奥氏体的形成过程包括：形核、长大、残
留渗碳体溶解和奥氏体均匀化四步。
形核：α 和 Fe3C 的相界面最易于形核，通
过同素异构转变 α→γ 和 Fe3C 的溶解来实现。
长大：一旦形核，γ 则向 α 和 Fe3C 方向长
大，此过程同样通过同素异构转变 α→γ 和
Fe3C 的溶解来实现。
残留渗碳体溶解：由于同素异构转变 α→γ
的速度比和 Fe3C 向 γ 中溶解的速度快，所以，
同素异构转变完成后，还一部分碳化物（残留
碳化物）尚未溶解，它会在随后的加热过程中
继续向奥氏体中溶解。
奥氏体均匀化：残留碳化物溶解完毕后，
γ 的成分是不均匀的，原来 α 处含碳量低，而
原来 Fe3C 处含碳量高。只有经足够长的保温时
间，才能通过 C 的扩散形成均匀的 γ 等轴晶。
2）影响 γ 形成的因素
影响因素有：加热温度、加热速度、钢的原始
组织、碳含量、合金元素。
3）亚共析钢和过共析钢的 γ 形成过程
亚共析钢和过共析钢中 P 的 γ 形成过程同
共析钢是一样的。此外，其 γ 化过程中还分别
发生先共析铁素体的奥氏体化和先共析二次渗
碳体的溶解过程。
2、奥氏体晶粒大小
1）奥氏体的实际晶粒度
在实际热处理加热条件下得到的奥氏体晶
粒大小称为奥氏体实际晶粒大小或奥氏体实际
晶粒度。
2）奥氏体的本质晶粒度
本质晶粒度表示钢在加热时奥氏体晶粒长
大倾向的大小，并不表示奥氏体实际晶粒的大
小。
用 Al 脱氧或含有 Nb、V、Ti 等元素的钢
为本质细晶粒钢，而用 Si、Mn 脱氧的钢则为
本质粗晶粒钢。
第二节奥氏体转变图
过冷奥氏体：在临界温度（A1、A3、Acm）以
下尚未发生转变的不稳定的奥氏体。
奥氏体转变图：描述过冷奥氏体的“温度-时间-
转变”三者间关系的曲线。
1、过冷奥氏体的等温转变
（1）奥氏体等温转变图（TTT 图、C 曲线）
的建立
（2）奥氏体等温转变图的分析
1）孕育期和转变速度随等温温度而变化
由于过冷度增大，相变驱动力增大，在“鼻
温”时 γ 转变的孕育期最短，转变速度最快；而
在“鼻温”以下温度时，随温度的降低，原子的
活动能力下降，故孕育期增长，转变速度变慢。
2） 转变类型随等温温度而变化
（1）P 型转变（A1～TA）
（2）B 型转变（TA～Ms）
（3）M 型转变（Ms～Mf）
2、过冷 γ 等温转变过程及产物
过冷 γ 等温转变图（C 曲线）如下图所示。
图 3-1 过冷奥氏体的等温转变示意图
1）珠光体转变
在 A1~560℃恒温下，过冷 γ 发生 P 转变，
产物为层片状 P 组织。不同转变温度下层片大
小及距离不同，据此可将 P 转变产物分为：
珠光体 P：A1~650 ℃
索氏体 S：650~600 ℃
托氏体 T：600~560 ℃
P、S、T 无本质区别，只有形态上的粗细
之分，P 较粗、S 较细、T 更细。P、S、T 通称
P 型组织，组织越细，强度、硬度越高，塑、
韧性越好。
2）贝氏体（B）转变
贝氏体：过饱和铁素体和 Fe3C 的机械混合
物。
B 转变也是 B 形核与长大的过程。首先沿
奥氏体晶界形成过饱和铁素体晶核并长大，随
后在这种铁素体中析出细小的渗碳体。不同温
度下产生的 B 的形态不同： 560 ~350 ℃形
成的 B 称为 B 上、350~Ms 形成的 B 称为 B 下。
B 上呈羽毛状，由互相平行的过饱和铁素体
和分布在片间的断续细小的渗碳体组成。硬度
高，可达 40~45HRC，但因铁素体片粗大且平
行分布，同时晶间有脆性的渗碳体，故塑、韧
性差，应用少。
B 下呈针叶状，由针叶状过饱和铁素体和弥
散分布在其中的极细小的渗碳体组成。硬度高
50~60 HRC，强度高，耐磨性好，塑性、韧性
高，具有良好的综合力学性能。生产中“等温淬
火”的目的就是为了得到 B 下组织
3）马氏体（M）转变
（1）马氏体转变过程
转变温度低，C 不能扩散。γ→α，C 完全
保留在 a-Fe 中，引起过饱和。M 又称碳过饱和
铁素体。M 转变产生体积膨胀，会造成较大的
内应力及变形。
（2）马氏体的形态
片状马氏体：呈双凸透镜状，高碳、孪晶
M，强度高，塑韧性低
板条马氏体：呈细长板条状，低碳，强度
高，塑韧性好。
wC >% 的钢淬火后, 几乎全部为片 M；
wC <% 的钢淬火后, 基本上全部为板条 M；
% < wC <%的钢淬火后，为两种 M 的混合
物。
3、影响奥氏体等温转变图的主要因素
1）含Ｃ量的影响
亚共析钢及过共析钢的过冷奥氏体的等温
转变与共析钢一样，亦分为高温 P 型转变、中
温 B 型转变和低温 M 型转变。但在 P 型转变之
前，亚共析钢有铁素体的析出，过共析钢有
Fe3C 析出。
亚共析钢：wC↑，C 曲线右移；过共析钢：
wC↑，C 曲线左移；共析钢过冷奥氏体最稳定
（C 曲线最靠右）。
2）合金元素的影响
合金元素对 C 曲线的影响是复杂的，几乎
除 Co 外，所有溶入奥氏体中的合金元素均使
曲线右移。除 Co、Al 外，溶入奥氏体的合金
元素都使 C 曲线上的 Ms、Mf 点降低。
过冷奥氏体的连续转变图（CCT 图）
图 3-2 过冷奥氏体的连续转变示意图
CCT 曲线位于 C 曲线右下方，P 转变温度
更低，时间更长；共析钢及过共析钢的 CCT 曲
线中无 B 型转变，而多了一条 P 转变终止线；
亚共析钢在连续冷却时在一定温度范围内过冷
A 会部分转变为 B。
由于 CCT 曲线测定比较困难，实际热处理
中常参照 C 曲线来定性估计连续冷却转变过程。
第三节钢的普通热处理
钢制零件在制造过程中至少都要进行一次
热处理。钢的普通热处理是将工件加整体进行
加热、保温和冷却，以期获得均匀的组织和性
能和一种操作。包括：退火、正火、淬火和回
火四种工艺。
1、钢的退火
将钢件加热到临界温度（A1、A3、Acm）
以上（有时以下）保温一定时间，然后缓慢冷
却的热处理工艺称退火。常用的有完全退火、
球化退火和去应力退火等。
1）完全退火
加热至 Ac3 以上，保温一定时间，然后缓
慢冷却到 500℃后出炉冷却。
应用：亚共析钢和合金钢的铸、锻、及热
轧型材，也可以用于焊件。
目的：改善组织、细化晶粒，降低硬度，
改善切削加工性。常作为对强度要求不高的零
件的最终热处理，或重要零件的预先热处理。
2）球化退火
加热至 Ac1 以上，保温一定时间，使钢的
Fe3C（碳化物）趋于球化，然后缓慢冷却到
600℃后出炉冷却。
应用：共析钢和过共析钢及合金钢。
目的：降低硬度，改善切削加工性能，并
为淬火作组织准备。
3）去应力退火
把钢件加热到 500～650℃，保温一定时间，
随炉冷却至 200℃后出炉。
应用：铸件、锻件、焊件、冷冲压件及机
加工件。
目的：消除残余应力，以防止零件变形或
产生裂纹。
2、钢的正火
将工件加热至奥氏体区，保温一定时间后，
出炉空冷的热处理工艺称为正火。
应用：普通结构件作为最终热处理；低、
中碳钢作为预先热处理，改善切削加工性能；
过共析钢消除网状渗碳体。
目的：细化组织，适当提高硬度和强度。
选择退火或正火工艺时应考虑以下因素：
（1）改善切削加工性能
低碳钢：硬度低，粘刀，选择正火；
高碳钢：硬度高，难切削，选择退火；
中碳钢：退火、正火皆可。
（2）使用性能
普通结构件，以正火作为最终热处理，以
细化晶粒，提高力学性能；形状复杂的结构件，
采用退火作为最终热处理，以削除应力防止裂
纹。
（3）经济性
正火周期短，耗能少，操作简便，尽量以
正火代替退火。
3、钢的淬火
将钢加热到临界温度以上，保温后快速冷
却获得 M 的热处理工艺称为淬火。
1）目的
获得 M 组织，提高工件的强度和硬度。
2）淬火介质
（1）理想的淬火冷却速度
高温慢冷，中温快冷，低温慢冷。
（2）常用淬火介质
水、盐水、油
3）常用淬火方法
单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬
火
4）钢的淬透性
（1）淬透性及其测定
钢件淬火时，表层直接与淬火介质接触，
冷却速度快；而心部则要靠热传导通过表层来
散热，冷却速度慢。因此钢件表层得到 M，而
心部只能获得部分 M，甚至完全得不到 M。
由钢件表面到半Ｍ层的区域称为淬硬层，
其深度称淬硬层深度。
常用的测定淬透性的方法有：临界直径法
和顶端淬火法。
（2）影响淬透性的主要因素
合金元素、含碳量。
4、钢的回火
将淬火后的钢重新加热到 Ac1 以下某一温
度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理
工艺称为回火。
回火的目的：消除淬火应力，降低钢的脆
性；稳定工件尺寸；获得工件所要求的组织和
性能。
1）淬火钢回火时组织和性能的变化
（1）组织变化
回火温度 80～200℃，Ｃ以 e 碳化物形式析
出，弥散分布、极细、粒状，与Ｍ保持共格关
系的薄片，其晶体结构为正交晶格，分子式为
，此时组织为回火Ｍ。
回火温度 200～300℃，Ｍ分解使得体积↓，
残留奥氏体分解了过饱和铁素体＋碳化物。
回火温度 250～400℃，马氏体分解完成。
铁素体中含碳量降低到正常饱和状态，e 碳化
物转变为极细的颗粒状渗碳体。
回火温度在 400℃以上，渗碳体颗粒聚集长
大并形成球状，铁素体发生回复、再结晶。
（2）性能变化
随回火温度升高，硬度、强度降低，塑性、
韧性升高。
2）回火各类及应用
（1）低温回火(150～250℃) 组织：回火Ｍ。
性能：高硬度、强度。应用：高碳钢和高碳合
金钢工具钢制造的工模具和滚动轴承。
（2）中温回火(350～500℃) 组织：回火 T。
性能：较高的韧性和高的弹性及屈服强度。应
用：弹簧。
（3）高温回火(500～650℃) 组织：回火 S。
性能：良好的综合力学性能。应用：广泛应用
于各种机械零件。
第四节钢的表面热处理
1、表面淬火
将工件表面快速加热到奥氏体区，在热量
尚未传到材料心部时立即迅速冷却，使其表面
得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原始组
织的一种局部淬火方法。
常用的表面淬火方法有：焰加热表面淬火、
感应加热表面淬火、激光加热表面淬火。
2、钢的化学热处理
将工件置于一定的化学介质中，通过加热、
保温和冷却，使介质中的某些元素渗入到工件
表层，以改变表层的化学成份和组织，从而使
工件表面具有与心部不同的性能的一种热处理
工艺。与表面淬火热处理相比，化学热处理不
仅使工件表面与心部的组织不同，且成份亦不
同。
最常用的表面化学热处理有：渗碳、渗氮、
碳氮共渗
第五节钢的特种热处理
1、真空热处理
2、可控气氛热处理
3、形变热处理
第四章 合金钢
一、基本要求
本章概要叙述了合金元素在钢中的作用，
合金钢的分类。主要介绍了工程上常用的合金
结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。要求学生
掌握主要合金元素在钢中的作用，熟悉合金钢
的分类，重点掌握低合金高强度结构钢、不锈
钢和镍基合金的成分、组织、性能特点。一般
了解合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、
轴承钢、超高强度钢、合金工具钢、耐热钢和
高温合金、低温钢的性能、热处理和应用。
二、重点内容
1、合金元素在钢中的作用，存在形式。
2、低合金高强度钢的成分、组织、性能特
点及其热处理。
3、不锈钢和镍基合金的成分、组织、性能
特点及用途。
三、难点
第一次回火脆性和第二次回火脆性的防止。
四、基本知识点
第一节 概述
1、合金元素在钢中的作用（八大作用）
作用 主要元素
细化 A 晶粒 Ti、V、Nb、Zr、Al
提高淬透性 除 Co 以外，如 Mn、Cr、
W、Mo
提高回火抗力 Cr、W、Mo、V
固溶强化 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、Al、Ni、Cr、W、Mo、
Ti
形成致密氧化膜 Si、Cr、W、Mo、V、
Ti、Al
重点是 Cr、W、Mo 占了六大作用，另外两个
作用一个是细晶，一个是扩大 A。
2、合金元素在钢中存在的形式（三种）
固溶体、化合物和游离态。
3、第一类回火脆性
一般认为低温回火脆性是由于 M 分解时沿
M 板条或片的界面析出断续的薄壳状碳化物，
降低了晶界的断裂强度，使之成为裂纹扩展的
途径，因而导致脆性断裂。
防止第一类回火脆性的措施是避免在
250℃～400℃回火。
4、第二类回火脆性
第二类回火脆性是在回火过程中 Sb、P、
Sn 在Ａ晶界偏聚而引起的脆化现象。
防止第二类回火脆性措施有两个：
1）加入 W、Mo 等能强烈阻止或延缓杂质
元素在Ａ晶界的偏聚。
2）450℃～650℃回火快冷
5 、合金钢的分类及其牌号
分类：合金结构钢、合金工具钢和特殊性
能钢的分类
第二节 合金结构钢
1、合金结构钢的分类、应用
应用：最为广泛
分类：低合金高强度钢、合金渗碳钢、合
金调质钢、合金弹簧钢、轴承钢、超高强度钢
等.
2、低合金高强度钢
1)简介
又称低合金高强度钢 广泛用于制造在大气
和海洋工作的大型焊接结构件，如桥梁、车辆、
船舶、输油气管、压力容器等。
2)成分及性能特点
主要合金元素：Mn、Ti、V、Nb、Cu、P、
Re 等
作用：强化 F，细化晶粒，从而提高钢的
强度，Cu、Pb 还可以提高钢的耐大气腐蚀抗力。
3) 典型牌号
16Mn、09MnNb、15MnVN 等
3、合金渗碳钢
1)简介
是指经过渗碳热处理后使用的低碳合金钢。
主要用于制造在摩擦力、交变接触应力和冲击
波条件下工作的零件。如齿轮：表面要求高的
硬度和耐磨性及高的接触疲劳强度，心部则要
求良好的韧性。
2)成分及性能特点
Wc=%～%，保证零件心部足够的韧性。
加 Cr、Ni、Mn、B，提高钢的淬透性。
加 V、Ti、W、Mo 形成特殊碳化物，阻止 A
增长。
3)典型牌号
低淬透性：20Mn2、20MnV
中淬透性：20CrMn、20CrMnTi
高淬透性：18Cr2Ni4WA
4 、合金调质钢
1）简介
经过调质处理（淬火+高温回火）后使用的
中碳合金结构钢。主要用于制造受力复杂、要
求综合力学性能的重要零件如精密机床的主轴、
发动机的曲轴等等。
2) 成分及性能特点
Wc=%～%，多为 %保证调质后足
够的强度和韧性。
主要加 Mn、Cr、Si、Ni、B，等提高钢的
淬透性。强化 F。有时加微量 V 以细化晶粒，
加 Mo、W 防止或减轻第二类回火脆性。
3)典型牌号 Typical Trademark
低淬透性：40Cr、40MnB
中淬透性：35CrMo、38CrSi
高淬透性：38CrMoAl、40CrNiMoA
5、合金弹簧钢
1)简介
是用来制造弹簧和其它弹性零件的钢种。如
拖拉机上的板弹簧。
2)成分及性能特点
Wc=%～%，含 C 量比合金调质钢
高，为保证高强度和高的弹性极限。
加 Si、 Mn、Cr、V、Nb、Mo、W 提高钢
的淬透性和回火抗力。强化 F 加 Mo、W、V、
Nb 可以降低因 Si 的加入造成的脱 C 敏感性。
3)典型牌号
60Si2Mn（含 Si、Mn 元素的合金弹簧钢，
用于制造截面尺寸≤25mm 的弹簧，如汽车脱拉
机的板弹簧）。
50CrVA（含 Cr、V 元素的合金弹簧钢，用
于截面≤30mm 并在 350～400℃工作的重载弹簧，
如阀门弹簧）。
6、滚动轴承钢
1)简介
用于制造滚动轴承的滚珠、滚柱和套圈等
钢种。也可以用于制作精密量具、冷冲模、机
床丝杠及柴油机油泵的精密件要求具有高的接
触疲劳强度，高而均匀的耐磨性及一定的韧性
和耐腐蚀性能。
2)成分及性能特点
Wc=%～%，是高 C 低 Cr 钢，可以
保证钢有高的硬度和强度。
WCr=%～%提高钢的淬透性，并形
成合金渗碳体，使钢具有高的接触疲劳强度和
耐磨性。对于大型轴承用钢加 Si、Mn、Mo 可
进一步提高淬透性和强度
3)典型牌号 Typical Trademark
含 Cr 轴承钢：GCr9、GCr15、GCr9SiMn、
GCr15SiMn
无 Cr 轴承钢，性能和 GCr 15 相当，但可以
节约 Cr GMnMoVRe、GSiMoMnV
7、超高强度钢
1)简介
σb＞1500MPa。主要用于制造飞机起落架、
机翼大粱，火箭发动机壳体、液体燃料氧化剂
储藏箱、炮筒、枪筒、防弹板等等。
2)成分及性能特点
Wc=%～%，含 C 范围宽。
加入 Cr、Mn、Ni、Si 大大增加钢的淬透性；
加入 Mo、V、Nb、Ti、Al 形成特殊碳化物
使钢产生二次硬化，
加入 V、Nb、Ti 细化晶粒。
基本准则：少量多元。
3）典型牌号
低合金超高强度钢：合金总量≤5%；
中合金超高强度钢：合金总量 5%～10%；
高合金超高强度钢：合金总量＞10%。
第三节合金工具钢
1、简介
工具钢是用于制造刃具、模具、量具的钢
种。
2、合金工具钢的主要失效形式
1)刃具主要失效形式：
(1) 摩擦导致严重磨损，伴随高温;
(2)大的切削力导致刃部崩缺;
(3) 振动，冲击使刃具发生断裂。
2)模具主要失效形式：
(1)磨损
(2)刃口钝化
(3)塌陷
(4)沟槽
(5)热疲劳
(6)断裂
3)量具主要失效形式：
(1)磨损
(2)碰撞
(3)变形
3、对合金工具钢的要求
1）高的硬度
2）耐磨损
3）足够的韧性
4）抗热脆性
5）耐热疲劳性
4、常用合金工具钢及其热处理
1）分类
（1）高碳低合金工具钢
（2）高碳高合金工具钢
（3）中碳合金工具钢
2）高碳低合金工具钢
(1) 成分及性能特点
Wc=%～%, WMe≤5%
主要合金元素 Si、 Mn、 Cr、W、V 等，
加入 Si、 Mn、Cr 是提高钢的淬透性和回火抗
力、固溶强化 M，从而提高强度。
加入 W、V 是形成特殊化合物，细晶提高韧性。
(2) 典型牌号
9Mn2V、9SiCr、Cr2、CrWMn 等
主要用于制造低速和中速切削刀具，中等负荷
的冷变形模具及量具
(3) 热处理工艺
预先热处理： 球化退火,获得颗粒状碳化物,改
善切削加工性能.
最终热处理： 淬火+低温回火，冷处理和时效
处理
回火后的组织：细针状回火 M+细颗颗粒状碳
化+少量残余 A
3）高碳高合金工具钢
（1）成分及性能特点
Wc=%～%, WMe＞10%
具有优良的淬硬性、回火抗力、红硬性和耐磨
性。
T 回＞300℃，低碳低合金工具钢硬度变急剧下
降不能适合高温的要求。所以高碳应运而生。
（2）典型牌号
高速钢：用于制造高速切削刀具的钢种有钨系、
钼系、钒系等。
高铬钢：用于制造承受重载荷、形状复杂、要
求变形小、耐磨性高、红硬性好的模具材料。
典型有 Cr12 和 Cr12MoV。
（3） 高速钢
a) 成分及性能特点
高碳和大量的碳化物形成元素
C = %～%、Cr = %～%、W =
%～%、
Mo = 0～%、V = %～%。
b) 典型牌号 Typical Trademark
W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2
c) 锻造工艺
在制造工具前必须进行锻造使粗大的碳化物成
小颗粒均匀分布以提高钢的强度，塑性和韧性。
d）热处理工艺
预先热处理：球化退火
进一步细化碳化物，降低硬度，
改善切削加工性能。
组织为：索氏体 + 细粒状碳化物。
最终热处理： 淬火+高温回火，冷处理和时效
处理。
回火后的组织：细针状回火 M+细颗颗粒状碳
化+少量残余 A
（4）高铬钢
a) 成分及性能特点
高碳高铬可以承受重载荷。形状复杂、要求变
形小、耐磨性高、红硬性好。Cr 提高钢的淬透
性，回火抗力，抗氧化，抗脱碳，抗腐蚀能力。
b) 典型牌号
Cr12、 成分：C = %～% Cr =
%～%
Cr12MoV 成分：C=%～% Cr =
%～%
c）制造工艺
锻造→球化退火→机加工→ 淬火 + 回火→
淬火 + 回火→工艺 1 ：低温淬火 + 低温回火
淬火 + 回火→工艺 2：高温淬火 + 高温回火
4) 中碳合金工具钢
（1）成分及性能特点
Wc=%～%
加 Mn、Ni、Si、Cr、W、Mo、V 等以提
高钢的淬透性和回火稳定性及强化 F。
加入 W、Mo 可抑制高温回火脆性，
加入 Cr、W、Mo、 Si 还能提高钢的耐热
疲劳性能。因提高了相变温度，M→A 不发生
（2）典型牌号 Typical Trademark
5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2W8V 等
这类钢主要用来制造热模具，如热锻模、
热挤压模、压铸模。
第四节 特殊性能钢
1、分类
特殊性能钢是指具有特殊物理、化学、力
学性能的钢种。
主要分为：不锈钢、耐热钢、低温钢和耐
磨钢。
2、不锈钢
在自然环境或一定工业介质中具有耐腐蚀
性能的钢称不锈钢。广泛应用于石油、化工等
领域。
1）不锈钢的发现
在铬发现 100 年以后，英国人 Harry
Brearly 第一个认识到含铬铁基合金具有优异的
耐腐蚀性，1912 年 Brearly 命名 Fe-Cr 合金为不
锈钢。
1912 年 Maurer（德国）偶然观察到 Strauss
制备的合金置于其实验室酸雾中数月后仍然没
有被腐蚀 8%Ni 的 Fe-Cr 奥氏体合金具有耐蚀
性。
2)成分及性能特点
Wc=%～%，
从耐蚀角度 C 越低越好，可以防止 Cr23C6。
WMe=12%～38%
常加入：Cr、Ni、Si、Al、Mo、Ti、Nb
主要是 （1）提高电极电位，
（2）室温获得单相组织，
（3）在钢表面形成致密氧化膜，
（4）形成稳定碳化物和金属间化合物。
3)分类
（1）M 型不锈钢
（2）F 型不锈钢
（3）A 型不锈钢
（4）A-F 型不锈钢
（5）沉淀硬化不锈钢
4) M 型不锈钢
（1）成分及性能特点
Wc=%～%，WCr=12%～18%，淬透
性好、空冷时可形成 M，但由于合金元素单一，
这类钢只有在氧化性介质中（如大气、水蒸气、
氧化性酸）有较好的耐蚀性。其耐蚀性还随着
碳的质量分数增加而降低。
（2）典型牌号
1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、9Cr18
因为 C r 加入，使共析点转移到 % 附近,
所以 3Cr13、 4Cr13 分别属于共析钢和过共析
钢，故工业上一般把 1Cr13、2Cr13 作为结构钢
用，3Cr13、4Cr13、9Cr18 作为工具钢用。
（3） 热处理
材料：1Cr13 2Cr13
热处理: 调质
组织：S 回
用途：汽轮机叶片蒸气管附件
材料：3Cr13 、 4Cr13 、9Cr18
热处理: 淬火+ 低温回火
组织：M 回
用途：医疗器械、刃具。
5) F 型不锈钢
（1）成分及性能特点
Wc ＜ %，WCr = 12%～30%，和 M 型
不锈钢相比，低碳，高铬，钢从室温加热到
1000℃均为单相 F 不发生 F→A。F 不锈钢的耐
蚀性、塑性、焊接性均优于 M 不锈钢。但其强
度较低，主要用于对力学性能要求不高，但对
耐蚀性要求很高的机器零件和结构。
（2）典型牌号
0Cr13、1Cr17、1Cr28
（3）热处理
材料： 0Cr13、1Cr17 、1Cr28
热处理: 调质
组织： F
用途：对耐蚀性能要求，很高的机器零件，
如：硝酸的吸收塔、热交换器、磷酸槽等。
5) A 型不锈钢
（1）成分及性能特点
Wc＜%， WCr=17%～25%，WNi=8%～
29%
不仅仅有高的耐腐蚀性，还有高的塑性，低
温韧性，加工硬化能力与良好的焊接性。广泛
应用于制造硝酸、有机酸、盐、碱等工业中的
机械零件及构件。Ni 扩大 A，Cr 提高电极电位，A
不锈钢的耐蚀性比 M 不锈钢有进一步的提高。
（2）典型牌号
0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti 等
（3）热处理
材料：0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti
热处理:固溶处理
组织：A
用途：广泛应用于硝酸，有机酸，盐，碱
等；工业中的机械零件及构件。
（4）焦点问题晶间腐蚀
主要原因：晶界析出 Cr23C6
对策：
a)降碳
b)加强碳化物形成元素 Ti, Nb
c)固溶处理或者退火处理
6) A-F 型不锈钢
（1）成分及性能特点
在 18-8A 的基础上调整 Cr、Ni 的含量，并
加入适量的 Mn、Mo、W、Cu、N 等而形成的
双相不锈钢。兼有 A 不锈钢和 F 不锈钢的特性。
不仅仅有良好的耐蚀性，还有较高的抗 SCC 能
力，抗晶间腐蚀能力及良好的焊接性。适合于
制作硝酸工业与尿素、尼龙生产的零件和设备。
（2）典型牌号
1Cr21Ni5Ti、1Cr17Mn9Ni3Mo3Cu2N、
1Cr18Mn10Ni5Mo3N
（3）热处理
热处理：1000 ～ 1100℃ 淬火
组织：A + F
用途：硝酸工业与尿素
尼龙生产设备及零件
7）沉淀硬化型不锈钢
（1）成分及性能特点
在 18-8A 的基础上降低 Ni 的含量，并加入
适量的 Al、Cu、Mo、Nb 等，在热处理中析出
金属间化合物，实现沉淀强化，这类钢叫沉淀
强化不锈钢。对于复杂的零件，形变强化很难
应用，选择沉淀强化不锈钢
（2）典型牌号
0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7Mo2Al
（3）热处理
热处理：固溶处理(1060 ℃ 空冷)获得 A
750 ～ 760 ℃空冷获得 A+M
560 ～ 570 ℃ 时效析出金属间化合物如：
Ni3Al
组织：A + M + 金属间化合物
用途：高强度，高硬度，耐腐蚀的化工机
械设备。
3、镍基耐蚀合金
1）成分及性能特点
低碳高合金
Wc=%～%，WMe=30%～48%
在自然环境或一定工业介质中具有耐腐蚀
性能的合金称耐蚀合金。广泛应用于石油、化
工等领域。
2) 分类
锻造镍、镍-铜合金、镍-铬-铁合金
3）用途
锻造镍：耐蚀性特强，强度较高，耐高温
和低温制作与强酸，强碱接触的泵壳，容器，
火箭，导弹耐蚀零件。
常用牌号 200 和 201
镍-铜合金：在氢氟酸中的耐蚀性居所有金
属材料之首。
常用牌号：, (Monel K-500)
, (Ni66Cu31Fe)
, (Ni68Cu28Fe)
镍-铬-铁合金：优良的耐蚀性，高温强度
高，辐照稳定性好。制作高温下要求耐腐蚀的
零构件。
常用牌号 Inconel 600 、Inconel 706 、
Inconel 718
4、耐热钢
1）成分及性能特点
耐热钢是指在高温下,具有高热稳定性和热
强性的特殊钢。
主要用于制造工业加热炉、高压锅炉、汽
轮机、内燃机、航空发动机、热交换器等在高
温下工作的构件和零件。
性能要求：
高的热稳定性，即具有高温抗氧化能力。
高的热强性，即具有高的抗蠕变抗力和持久强
度。
2) 典型分类
P 耐热钢、M 耐热钢、F 耐热钢、A 耐热钢
5、高温合金
1）特点
对于航空、航天飞机的零构件，如喷气发
动机的压气机燃烧室、涡轮、尾喷管等等，在
800℃以上温度长期服役，耐热钢已经不能满足
抗氧化和高温强度的要求，这时候就应该选用
高温合金。
2）分类：
铁基、镍基、钴基、铌基、钼基等
6、低温钢
1）简介
低温钢是指工作温度在 0℃以下的零件和结
构件钢种。广泛用于低温下工作的设备，如冷
冻设备、制氧设备、石油液化设备、航天工业
用的高能推进剂液氢、液氮等液体燃料的制造、
贮运装置、寒冷地区开发所用的机械设施等等。
2）成分及性能特点
C、S、P 会增加 TATT，Mn、Ni 会降低
TATT，BCC 随 T 降低韧性显著降低，FCC 随
T 降低影响不大。
3）典型低温钢
低碳锰钢、镍钢、A 不锈钢
7、耐磨钢
1）简介
耐磨钢是指用于制造高耐磨零件及构件的
一些钢种
2）分类
高碳铸钢、硅锰结构钢、高碳工具钢、滚
动轴承钢等
第五章 铸铁
一、基本要求
本章主要介绍了铸铁的石墨化和各类铸铁
的特点及应用。要求掌握铸铁石墨化三阶段，
重点了解灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨
铸铁的特点及应用。一般了解合金铸铁的发展
及其应用。
二、重点内容
1、铁-石墨相图
2、石墨化三阶段
3、工程上常用灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸
铁、蠕墨铸铁的特点及应用。
三、难点
影响石墨化因素。常用铸铁的组织组织特
点和应用。
四、基本知识点
第一节 铸铁的石墨化
1、铸铁特点
1） 生产设备、冶炼工艺简单
2） 价格低廉
3） 良好的铸造性能
4） 减摩
5） 切削加工好
6） 低的缺口敏感性
7） 消震性能等等
2、组织特点
1）简介
碳在铸铁中以亚稳相 Fe3C 或游离态的石墨
（G — Graphite）两种形式在。
2）铸铁组织
铸铁中的 C 主要以游离态 G 存在，而基体
组织几乎和钢没有什么区别，随工艺条件及热
处理条件的不同，可以获得 F、P、S、T、M、
A 等组织，故铸铁可以简单看作由钢的基体上
分布着不同形态的石墨。
3）析出对比
在成分和结构上石墨与铁液相差很大，但渗
碳体和液相差别较小，因此，从铸铁中液相或
A 中析出渗碳体比石墨较为容易。
4）石墨的晶体结构
简单六方晶体：在简单六方晶体中，碳原
子是分层排列,同一层上的原子间距小(),
结合力强.层间原子间距大()结合力弱.
结晶时原子层方向的生长速度大于层间容易形
成片状石墨
3、铁－碳双重相图
结合 Fe-Fe3C 相图，熟悉 Fe-G 相图。
4、铸铁的石墨化过程
1） 三阶段
铸铁组织中析出碳原子形成石墨的过程称
石墨化过程。
第一阶段(液态阶段) 从铸铁液相中直接析
出 G
第二阶段(共晶—共析阶段) 自 A 中沿 E′S′线
不断析出二次 G
第三阶段(共析阶段) 发生共析反应析出 G
2）石墨化后得到的组织（灰口铸铁）
石墨化程度
第一阶段 第二阶段 第三阶段
显微组织
充分进行 充分进行 充分进行 F+G
充分进行 充分进行 部分进行 F+P+G
充分进行 充分进行 不进行 P+G
3）影响石墨化的因素
（1）化学成分
当铁液中 C、Si 的含量较高，石墨化倾向
增加，可以用公式来判断石墨化倾向 Wc +
1/3WSi。高碳、高硅易于石墨化。
（2）冷却速度
冷却速度愈慢，愈有利于石墨化过程的进
行。
第二节 常用铸铁
1、分类
1) 按石墨化程度
（1）灰口铸铁
石墨化程度最高，断口呈灰色。
（2）白口铸铁
没有石墨化过程，碳主要以 Fe3C 形式存
在，断口白色，脆断。
（3）麻口铸铁
介于灰口铸铁和白口铸铁之间。
2）按石墨形态
（1）灰铸铁
（2）可锻铸铁
（3）球墨铸铁
（4）蠕墨铸铁
2、常用铸铁的特性及其用途
1）灰铸铁
（1）成分及性能特点
Ｃ(～%)、Si(～%) 、 Mn(～
%) 、P≤%、S≤%
（2）石墨化特点
第一阶段和第二阶段石墨化过程都能充分
进行时形成的铸铁。
显微组织特征是片状石墨分布在钢的基体组
织上。
（3）分类
F 灰口铁、F+P 灰口铁、P 灰口铁
（4） 用途
使用范围：低负荷和不重要的零件。
主要特点: 价格便宜。
注意事项：HT 的强度随厚度增加而降低，
选材时应注意。
2）球墨铸铁
（1）球磨化措施
措施：球化剂＋孕育剂
即在尚未浇铸的一定成分的铁水中加入一定
量的球化剂（如Ｍg、Ca、Xt 等）进行球化处
理，并加入少量的孕育剂（Si-Fe、 Si-Ca 合金）
以促进石墨化，在浇铸后得到具有球状石墨的
铸铁。
（2）成分及性能特点
和灰铁相比，球铁的成分更严格,Ｃ、Ｓ
i↑, S、P↓、C—～%、 Mn—～% 、
Si—～%、S≤%、 P ≤%
组织特点：钢基体上分布着球化石墨
（3）分类
F 球墨铸铁、F+P 球墨铸铁、P 球墨铸铁。
（4）用途
使用范围：重要的零件。
主要特点: 其强度可以和普通钢媲美，但铸
造性能优越。
注意事项：价格高，F 和 P 球墨铸铁应用
最为广泛。
3）可锻铸铁
（1）简介
可锻铸铁是由白口铸铁在固态下，经长时
间的石墨化退火，使其中的 Fe3C→3Fe+G 而得
到团絮状石墨的一种铸铁。可锻铸铁具有高的
强度、塑性和抗冲击能力。
（2）分类
a) 黑心可锻铸铁，也叫Ｆ可锻铸铁。
b) 白心可锻铸铁，也叫Ｐ可锻铸铁。
4）蠕墨铸铁
（1）蠕墨化措施
措施：蠕化剂＋孕育剂
即在尚未浇铸的一定成分的铁水中加入一定量
的蠕化剂（如稀土硅钙合金 等）进行蠕化处理，
并加入少量的孕育剂（Si-Fe、 Si-Ca 合金）以
促进石墨化，在浇铸后得到具有蠕虫状石墨的
铸铁。
（2）成分及性能特点
蠕墨铸铁铁的成分依然采用高Ｃ高Ｓi 低 S、
P。C—～%、 Mn—～% 、Si—
～%、S≤%、 P ≤%
组织特点：钢基体上分布着蠕虫状石墨
（3）分类
F 蠕墨铸铁、F+P 蠕墨铸铁、P 蠕墨铸铁。
（4）用途
使用范围：常用于在热循环载荷条件下工
作的零件。
主要特点: 性能远优于灰口铁，和球墨铸铁
接近，但价格便宜。
3、 合金铸铁
主要有：
（1）高强度合金铸铁
（2）耐热合金铸铁
（3）耐蚀合金铸铁
（4）耐磨合金铸铁
第六章 有色金属及其合金
一、基本要求
本章主要介绍了工程上常用的有色金属及
其合金：铝及铝合金，铜及铜合金，钛及钛合
金，镁及镁合金，滑动轴承合金。要求学生掌
握铝及铝合金、滑动轴承合金的组织、性能和
应用。一般了解铜及铜合金和钛及钛合金、镁
及镁合金的性能和应用。
二、重点内容
1、铝合金的强化方式，工程上常用的铝合
金的分类和性能及主要用途。
2、滑动轴承的组织特点，工程上常用的滑
动轴承合金的性能和用途。
三、难点
铝合金时效强化及应用，轴承合金的组织
特点和应用
四、 基本知识点
第一节 铝及铝合金
1、纯铝的性能特点
密度低（轻金属）；抗大气腐蚀；导电导
热性好；加工性能好
2、纯铝的应用
配置铝合金；包覆材料，代替铜制作导线、电
容器，包装材料
3、铝合金
向铝中加入适量的合金元素制成铝合金，
可改变组织结构，提高其力学性能。
4、铝合金中常用的合金元素
铝合金中常用的合金元素分为主要合金元
素（含量较多）和微量元素（少量）。
主要合金元素：Cu,Mg,Si,Zn,Mn 等
微量元素：Ti,Zr,Cr,B 等
5、合金元素的作用
固溶强化，形成第二相强化
6、铝合金的分类
工业上常用的分类根据铝合金的成分和工
艺特点分类
铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。
变形铝合金有根据成分特点分为能热处理强化铝合金
和不能热处理强化铝合金
图 6-1 铝合金相图的一般形式
7、铝合金的强化方式
铝合金的强化方式由冷变形（加工硬化）、
变质处理（细晶强化）和热处理强化（时效强
化）。
8、时效强化
铝合金淬火后在室温或者较低温度下加热
保温一段时间，随时间延长其强度硬度显著增
加的现象。
9、铝合金的时效分类
自然时效：淬火后在室温下放置一段时间
（4-5 天）。
人工时效：淬火后在一定温度下保温几小时。
10、变形铝合金的种类、性能和应用
1）不可热处理强化的铝合金
这类铝合金通常指铝-锰合金（牌号为 3xxx）
和铝-镁合金(牌号为 5xxx)。
性能特点：抗蚀性高，塑性好，易于加工。
应用：铝-锰合金常用于制造弯曲、深加工的
零件，如油罐、油箱、管道和铆钉；铝-镁合金
常用于管道、容器、铆钉和承受中等载荷的零
件。
2）可热处理强化的铝合金
这类铝合金通常指铝-铜合金（牌号为 2xxx）
和铝-锌合金(牌号为 7xxx)。
性能特点：可热处理强化，强度高。其中
铝-锌合金是强度最高的铝合金，抗拉强度可达
到 680MPa。有比较好的塑性，可变形加工。
应用：铝-铜合金一般用于飞机蒙皮、螺旋
桨、叶片、喷气发动机的叶轮、导风轮等；铝-
锌合金一般用于要求重量轻、工作温度不超过
120-130 的受力较大的零件，例如飞机的壁板、
大梁、起落架部件和隔框等。
11、铸造铝合金的种类、性能和应用
铸造铝合金的分类按照成分分：铝-硅系铸
造铝合金，铝-铜系铸造铝合金，铝-镁系铸造
铝合金，铝-锌系铸造铝合金。
性能：铸造性能好，可生产性状复杂的零
件毛坯，但是力学性能不如变形铝合金好。其
中铝-硅系铸造铝合金是铸造性能和力学性能匹
配最好的一类铝合金。
应用：强度较低的铸造铝合金主要用于形
状复杂、受力不大的零件，如活塞、仪表外壳；
强度较高的铸造铝合金主要用于用于制造形状
复杂中等强度的零件，如气缸体、发动机活塞、
变速箱体、风机叶片、液压泵壳体等。
第二节 滑动轴承合金
1、轴承的分类、作用
作用：支撑轴作旋转运动
分类：滑动轴承和滚动轴承
2、滑动轴承的优点、构成和性能要求
滑动轴承的优点：承压面积大，工作平稳，
无噪音，拆装方便。
滑动轴承的构成：轴承体和轴瓦构成。
性能要求：足够的抗压强度、疲劳强度和
冲击性能；摩擦系数小，减摩性能好，良好的
磨合性能和抗咬合能力，蓄油性能好，以减小
轴颈磨损并防止咬合；具有小的膨胀系数合良
好的导热性能和耐腐蚀性能。
3、轴承合金
制造轴瓦和内衬的耐磨合金成为轴承合金。
4、轴承合金的组织特点
由软硬不同的多相组成，才能达到滑动轴
承的性能要求
5、轴承合金组织类型
（1）软基体上分布一定数量和大小的硬质
点 （软基体、硬质点）
（2）硬基体上分布软质点 （硬基体、软
质点）
图 6-2 ZSn11Cu6 轴承合金的显微组织´100
6、工程上常用的轴承合金
工程上常用的轴承合金有巴氏合金、铜基合金、
铝基合金、铸铁等。
（1）巴氏合金—锡基和铅基轴承合金
组织特点：软基体、硬质点）
性能：耐磨性、导热性、嵌藏性、耐腐蚀
性较好，摩擦系数小，缺点是工作温度较低
（低于 150°C）,疲劳强度低，价格高。
应用：锡基轴承合金 Sn-Sb-Cu 合金用于重
型动力机械，如汽轮机、涡轮机和高速内燃机
等中的滑动轴承。铅基轴承合金 Pb-Sn-Sb-Cu
合金用于制造低速和低负荷的轴承合金，汽车、
拖拉机的曲轴轴承。
（2）铜基轴承合金
组织：软基体硬质点（锡青铜），硬基体
软质点（铅青铜）
性能：高耐磨性、高疲劳强度、高导热性
和低摩擦系数，工作温度可达 350°C.
应用：应用于高速、重载和重负荷下的轴
承，例如航空发动机轴承、高速柴油机和其他
大马力发动机的轴瓦。
（3）铝基轴承合金
组织：软基体硬质点（铝焍镁合金），硬
基体软质点（高锡铝合金）
性能：密度小，导热性好，疲劳强度高，
耐磨、耐热和耐腐蚀。
应用：主要用于汽车、拖拉机和内燃机上
广泛使用。
（4）铸铁：组织为硬基体软质点
性能：摩擦系数大，导热性低，石墨具有
润滑作用
应用：用于低速不重要的轴承（价格低
廉）。
第三节 铜及铜合金
1、纯铜的性能及应用
纯铜又称“紫铜”，属于重金属。
性能：无磁性，优良的导热导电性，优良
的加工性，耐腐蚀性（大气、海水和冷凝水）
应用 ：导电导热及耐蚀器件；仪表零件；
配置铜合金；
2、铜合金
向纯铜中加入合金元素即得到铜合金。加
入元素：Zn,Sn,AL,Mn,Ni,Fe,Be,Ti,Si,Cr 等；
3、铜合金的分类
按生产方式分： 加工铜合金
铸造铜合金
4、工程上常用的加工铜合金
加工铜合金按照合金元素可分为加工黄铜、加
工青铜和加工白铜。
1）加工黄铜（Cu—Zn 合金）：（代号
Hxx）
组织特点：单相（黄铜）；双相黄铜；
性能特点：塑性好 、强度低；
用途：冷轧板，冷拔线材、管材；深冲压零件。
冷凝管散热器等；弹壳；制造枪炮弹壳。
H68 ,H70---称“弹壳黄统”
H62 ,H59---水管、油管、散热器“商业黄铜”。
2）加工白铜（Cu---Ni 合金）：（代号
Bxx）
组织：单相 a 固溶体；
强化方式：固溶强化，形变强化；
性能：冷热加工性能和耐蚀性好 。
应用：精密机械，仪表中零件和冷凝器、热交
换器、蒸馏器等冷凝器、蒸馏器、热交换器等。
电工中，热电偶补偿导线。
3) 加工青铜（除了黄铜白铜以外的其它铜
合金统称为青铜）。
主要元素：Sn,AL,Si,Be；工业上有锡青铜、铝
青铜、硅青铜、铍青铜。
应用：锡青铜具有减磨性、抗磁性、低温韧性、
耐腐蚀性等性能特点，用于制造弹性元件，轴
承等耐磨、抗磁、耐腐蚀零件。
铝青铜的强度、硬度、耐磨、耐蚀性都高
于黄铜、锡青铜高，铸造性能、焊接性能差。
主要用于船舶零件如齿轮、轴承、轴套、涡轮、
弹性元件等
铍青铜具有高强度、硬度、耐磨性、弹性
极限、导电导热性，耐低温、无磁性，受冲击
不起火花。主要用于制造重要场合下的弹性元
件、耐磨零件防爆工具。
第七章 高分子材料
一、基本要求
本章主要介绍了高分子材料的合成、结构、
聚集状态、性能特点及，工程上常用的高分子
材料，包括常用的工程塑料、橡胶、合成纤维、
及粘接剂。要求学生掌握高分子链与高分子材
料的性能的关系、高分子材料的性能特点及其
合理使用。
二、重点内容
1、了解高分子材料的含义及合成方法
2、掌握高分子链与高分子材料的性能的关
系
3、熟悉高分子材料的性能特点
4、熟悉高分子材料的分类及其典型应用
三、难点
高分子材料的成份、结构与性能的关系
四、基本知识点
第一节 高分子材料的定义、合成与
结构
1、高分子材料
以相对分子质量大于 5000 的高分子化合物
为主要组成的材料。
分类：有机高分子 无机高分子
有机高分子又包括天然的和人工合成的，
其中天然的有松香、淀粉、蛋白质，人工合成
的有塑料、橡胶、粘结剂
无机高分子主要有硅酸盐材料、玻璃、陶
瓷
2、高分子化合物的合成：
由一种或几种低分子化合物,通过聚合而重复
连接成大分子链状结构
相对平均分子质量越大，高分子黏度越大、强
度、硬度越大；反之，流动性好
低分子化合物 → 大分子链 → 高分子化合物→
高分子材料
1）聚合物反应类型：加聚反应 缩聚反应
加聚反应：单体经多次相互加成生成高分
子化合物的化学反应
特点：一旦开始，就迅速进行，不停留在反应
的中间阶段，直至最后形成产品；链节和单体
的化学结构相同；没有低分子物质产生。
缩聚反应：由含有两种或两种以上官能团
的单体相互缩合聚合生成高聚物
特点：在形成高聚物的同时，有水、氨、卤化
氢、醇等低分子物质析出；高聚物具有和单体
不同的组成；可在中间阶段停留得到中间产品。
2）聚合物类型: 均聚物 共聚物
均聚物：由一种单体形成的高聚物,如聚乙
烯、聚路乙烯、尼龙 6 等
共聚物：由两种以上单体合成的高聚物，
如丙烯腈 A-丁二烯 B-苯乙烯 S（ABS 塑料）、
尼龙 66 等
3）高聚物改性
物理方法：加入填料（石墨、二硫化钼、
铜粉、石棉等）
化学方法：通过共聚、共缩聚、共混、复
合等方法
“共聚物”就是高聚物的“合金”
3、高分子链结构对性能的影响
1）高分子链形态（按几何形态分）：线型
高分子链 支化型高分子链 体型 （网型、交联
型）
高分子链形态与高分子化合物的性能
线型、支化型分子链构成的聚合物称为线型聚
合物。一般具有高弹性和热塑性；
体型分子链构成的聚合物称为体型聚合物。具
有较高的强度和热固性。体形（交联）使聚合
物产生老化，使聚合物丧失弹性，变硬变脆
图 7-1 高分子链形态
2）高分子链的空间构型：高分子链中原子
或者原子团在空间的排列形式。
聚合物分子链中若有不对称取代基，就有
可能形成不同的链结构。
成分相同的聚合物在不同的链结构下性能
不同：
全同和间同立构易结晶，性能好，硬度、
密度和软化温度较高。
无规立构不易结晶，性能差，易软化。
3）高分子链的构像与柔性
构像：分子链的空间形象。
柔性：由于单键内旋转，线性高分子链易
呈卷曲或线团状，受拉力易展开，卸载后缩回，
这种特性为高分子柔性。
影响因素：
柔性与分子链结构：链长、侧基会使材料
硬而脆如：聚苯乙烯硬而脆，聚乙烯软而韧
柔性与温度
柔性与性能：
图 7-2 分子链内旋示意图
4、高分子化合物（高聚物）的聚集状态和
物理状态
1）高聚物中的结合力
高分子链上各原子之间是共价键结合，为主价
力；
高分子链之间相互作用力是的范德华力和氢键，
为次价力
2）高聚物的聚集态
高分子化合物中大分子的排列和堆砌方式称为
高聚物的聚集态。
高分子链规则排列：晶态
高分子链不规则排列：非晶态
部分高分子链规则排列：部分晶态
3）高聚物的物理状态(以线型非晶态高分
子化合物为例)
在不同的温度下有三种物理状态：
（1）玻璃态：T < Tg
温度低，分子热运动能力很弱，
高分子链处于“冻结”状态。
受力后弹性变形小，力学性能好。
（2）高弹态：Ｔｇ＜Ｔ＜Ｔｆ：
温度较高，高分子链段动运动；
受力后产生较大的弹性变形
（3）粘流态：T>Tf；
高分子链段、整个分子链都运动。
稍加外力就产生明显的塑性变形。
图 7-3 线形非晶态高聚物的变形-温度曲线示意图
（4）塑料与橡胶
室温下处于玻璃态的高聚物称为塑料。
室温下处于高弹态的高聚物称为橡胶。
室温下处于粘流态的高聚物称为流动树脂。
皮革态：部分晶态线型高分子材料，非晶
态区处于 Tg 以上，晶态区处于 Tm 以下，既韧
又硬的状态。
体型非晶态高聚物，其物理状态与网状分
子链的交联程度相关。
第二节 高分子材料的性能
（综合 除良好的加工性能外，其使用性能特点）
1、力学性能特点
低强度，比强度较高（和一些金属材料相
当）；低弹性模量，高弹性或无弹性； 粘弹性；
（蠕变、应力松弛、内耗）； 高耐磨性；（摩
擦系数低自润滑性）
2、物理化学性能
高绝缘性；高化学稳定性（塑料王 F-4)；
低导热性；低耐热性；高热膨胀性；溶胀性；
3、高分子材料老化
性能恶化的表现：失去弹性、出现龟裂、
变应、变软、变粘、变色等；
老化的根本原因：高分子链的交联和裂解。
对策：结构改性（共聚）、防老化剂（水
杨酸脂）和表面处理（漆）
第三节 常用的高分子材料
（塑料、橡胶、合成纤维、胶粘剂）
1、塑料
以合成树脂为主要成分的合成材料（塑制
成型）。
1）成分： 合成树脂 + 添加剂 （填充剂、
增塑剂、稳定剂等）
2）分类：
按塑料按树脂性质分：热塑性塑料； 热固性塑
料；
按应用范围分类：通用塑料和工程塑料（高的
机械强度，或耐高温、腐蚀、耐磨等）
3）常用的热塑性工程塑料
（1）聚酰胺：商品名称为尼龙或锦纶(代号：
PA)
树脂：以线型晶态聚酰胺为基体
特点：强度高、韧性好，摩擦系数低，有
自润滑性。吸水性大。
应用：在机械行业中应用广泛，如轴承、
涡轮、齿轮、凸轮、导板等
（2）ABS 塑料
基体：丙烯腈 A-丁二烯 B-苯乙烯 S 三种
单体共聚而成的聚合体
（SAN 塑料+BS 橡胶的复合体）
性能：高强度和高硬度，耐油和耐蚀，
“质坚、性韧、刚性大”。
应用：各种电器的外壳，汽车方向盘、仪
表盘，飞机舱内装饰板、窗框、隔音板。
（3）氟塑料：聚四氟乙烯(F－4），聚三氟乙
烯，聚全氟乙丙烯。
性能：极优越的化学稳定性，良好的热稳
定性；良好的绝缘性，摩擦系数小，有自润滑
性，不易老化。
缺点：强度较低，在 390°C 以上分解放出
有毒气体，加工成型性较差。
应用：主要用于制造减磨密封零件、密封
圈、垫圈等；化工工业中耐腐蚀零件、管道、
内衬材料、过滤器，盛放氢氟酸容器；电工中
的绝缘材料；医疗中的代用血管、人工心肺等
4）热固性塑料
（1）酚醛塑料（以非晶态酚醛树脂为基体）＋
填料
性能特点：有一定的机械强度，耐热性好；
具有较高的耐腐蚀性、耐磨性、良好
的绝缘性。
脆性大，易碎，阳光下易变色，多是
黑色、墨绿色。
应用： 电器开关、插头等绝缘器件；
机械行业中的齿轮、凸轮、手柄等，
化工中的耐酸泵。
（2）环氧塑料 （以非晶态酚醛树脂为基体）
＋固化剂+增塑剂+填料
性能特点：比强度高，耐热、耐腐蚀、绝
缘、易加工
成本高，固化剂有毒
5）热塑性和热固性塑料的特点
热塑性塑料
树脂：聚合树脂，线型高分子链。
加热融化、冷却硬化，可反复进行；可以
循环使用。
热固性塑料
树脂：缩聚树脂，体型高分子链；
加热发生化学反应，固化为坚硬制品；
不溶解，加热时不再融化，不能循环使用。
2、橡胶
具有高弹性的有机高分子材料
主要组分：生胶＋配合剂＋增强材料
工业中常用的橡胶
1)天然橡胶（NR）
生产：胶乳 →片状生胶 → 硫化 → 橡胶制品 ；
性能特点：有较好的弹性，一定的抗拉强度，
较好的耐碱性能；耐油性和耐溶性较差，
不耐高温；
应用：制造轮胎、胶带、胶管、胶鞋等
2）通用合成橡胶：丁苯橡胶、顺丁橡胶、
氯丁橡胶、乙丙橡胶
丁苯橡胶：由丁二烯和苯乙烯聚合而成。用量
最大的合成橡胶
性能特点：苯乙烯多，硬度、耐磨、耐蚀
高，但弹性、耐寒差。弹性不如天然橡胶，强
度低，加工性差。
应用： 由于价格低，和天然橡胶混合使用，
主要用于制造轮胎
顺丁橡胶：由丁二烯单体聚合而成。
性能特点：弹性、耐磨性、耐寒性具优于
天然橡胶。强度低，加工性差。
应用：主要用于制造轮胎、耐寒运输带、
胶带、减震器、耐热胶管等。
氯丁橡胶（CR）：由氯丁二烯聚合而成。有
“万能橡胶”之称。
性能特点：耐油、耐溶剂，耐氧化、耐老
化、耐酸、耐热、耐燃烧、耐挠曲等性能，弹
性好，绝缘性、强度也较高。
应用：矿井的运输带，电缆包皮，输送腐
蚀介质的管道，耐热运输带，
制造耐燃橡胶的主要材料。
3） 特种合成橡胶
丁腈橡胶：突出优点是耐油性好。
应用： 制作耐油制品，如油箱、油封、输
油管等；
硅橡胶：突出优点是耐高温和低温，抗老化性
能好，无毒无味；
应用：航空中的密封件，或食品机械中零
件，
医用中的人造心脏和人造血管。
氟橡胶：突出优点是耐腐蚀性很好，耐热性也
好。
应用：主要用于国防科技中，如航天飞行
器、导弹的高级密封件，减振元件等。
第八章 陶瓷材料
一、基本要求
本章主要介绍了工程上常用的无机非金属
材料，包括其性能特点、增强增韧途径、及其
强度设计，最后简单介绍了粉末冶金及其材料。
要求学生掌握陶瓷材料的性能特点、显微组织
特点及其合理使用，普通陶瓷及特种陶瓷的区
别，常见特种陶瓷的组织、性能和应用，及陶
瓷材料强度设计理念。
二、重点内容
1、陶瓷材料显微组织及力学性能特点
2、陶瓷材料的增强增韧途径
3、氧化铝、氮化硅、碳化硅的显微组织、
力学性能及应用
三、难点
陶瓷材料增强增韧途径
四、基本知识点
1、陶瓷材料的定义及制备工艺
陶瓷是无机非金属材料，用天然的或人工
合成粉状化合物通过成型、高温烧结而制成的
多晶固体材料。
制粉（料浆、泥团） → 压（素、生）坯 → 烧
结 → 成品
2、陶瓷材料的组织结构
图 8-1 构成陶瓷材料的相：晶相、玻璃相、气孔相
晶相：主要组成相，由离子键或共价键结合而成，决定陶瓷的性能：高熔点、高耐热性、高化学
稳定性、高绝缘性、高脆性。
玻璃相：烧结助剂和组成相烧结时形成的非晶态固体，将晶相粘结在一起，降低烧结温度，抑制
晶相晶粒长大和填充气孔。熔点低、稳定性差，蠕变、绝缘性
气相：气孔（5％－10％）。 增加脆性、降低强度、电击穿强度降低，绝缘性能降低。但可以提
高吸振性，使陶瓷密度减小。
图 8-2 材料的力学行为
3、性能特点
力学性能：
硬度极高：（> 1500HV）
低的抗拉强度（缺陷影响）；
高的抗压强度。
高弹性模量
高脆性，低的塑性、韧性
物理化学性能：
高熔点 （Tm > 2000°C） (高温强度、高温蠕变抗力)
低的热膨胀系数、热导率（抗热振性能较低） 良好的绝缘性
特殊的光、电、磁性能：如压电性能、激光性能等
结构稳定，化学稳定高，抗氧化性好。
4、设计理念
服役条件失效分析
主要性能抗力指标
材料、工艺设计与制备材料性能评价与优化
产品设计制造与检验
产品使用考核与评价
5、陶瓷的分类及应用
1）普通陶瓷：由粘土、长石、石英为原料
配制，烧结而成。
组织：主晶相 莫来石(3Al2O3 2SiO2 )25—
30%；次晶相(SiO2) ；玻璃相 35—60% ；气相
1—3%
性能特点：质地坚硬，不氧化、不生锈、
耐高温；成型性好，成本低。强度低，绝缘性、
耐高温性不如其它陶瓷。
应用：生活中常用的各类陶瓷制品；电瓷
绝缘子耐酸、的容器和反应塔管道，纺织机械
中的导纱零件
2）特种陶瓷：以纯度较高的人工化合物为
原料制作的陶瓷
氧化铝陶瓷 ：刚玉
组织：Al2O3 主晶相，还有少量
SiO2；
性能：硬度高； 耐高温（抗氧化
性能，高的蠕变抗力）；
耐腐蚀，绝缘性好；
脆性大，抗热振性差；
氮化硅陶瓷：Si3N4
制备有两种方法：热压烧结；反应
烧结
性能特点：硬度高，摩擦系数小，
极优异的耐磨材料。
蠕变抗力高，热膨胀系数小，
抗热振性能最好。
化学稳定性好(除氢氟酸外)，
优异的绝缘性能。
碳化硅陶瓷：SiC.
制 备：反应烧结；热压烧结；
性能特点：高温强度高，导热性好。
耐放射元素辐射；
热稳定性、抗蠕变、耐腐蚀
性能好；
氮化硼陶瓷：BN；
晶体结构：六方结构，与石墨相似，
称“白石墨”。
性能特点：耐热性、导热性好；热
稳定好，抗热振性好；
核反应堆中吸收热中子的控
制棒
3）金属陶瓷
成分：金属氧化物或碳化物 +添加适量
的金属粉末
制备：粉末冶金
过程：制粉→ 压制成型→烧结→后处
理
性能特点：高硬度、高热硬性、高耐磨
性（由于高速刚）；
抗压强度高，抗弯强度低，弹性模量高。
耐蚀性好，热膨胀系数比钢低；
脆性大，不能用于切削的方法加工
第九章 复合材料
一、基本要求
本章主要介绍了工程上常用的复合材料，
包括其性能特点、增强材料及其增强机制，常
用复合材料，包括塑料基复合材料、金属基复
合材料、橡胶基复合材料、陶瓷基复合材料等。
二、重点内容
1、复合材料的定义和分类
2、复合材料的结构与性能特点
3、塑料基复合材料的应用
三、难点
增强材料及其增强机制
四、基本知识点
1、复合材料
定义：将两种或者两种以上的材料用人工
方法合成的多相材料。
特点：既保持组成材料的特性又具有组合
后的新特性。
2、复合材料的分类
1）按照基体来分
非金属基复合材料，如树脂基复合材料、橡胶
基复合材料、陶瓷基复合材料等
金属基复合材料：铝基复合材料、钛基复合材
料和铜基复合材料。
2）按照增强相的形态来分类
纤维增强复合材料
颗粒增强复合材料
叠层复合材料
3、复合材料的性能特点
1）比强度和比模量高
比强度和比模量高时材料承载能力的重要
指标，复合材料的密度小，所以比强度和比模
量高
2）抗疲劳和破坏安全性能好
复合材料的疲劳强度较高;破坏安全性能好
3）高温性能优良
提高基体材料的使用温度和高温强度和模
量
4）减振性能好
避免构件在工作状态下产生共振；另外复
合材料的吸振性能好。
4、增强材料与增强机制简介
复合材料=基体+界面+增强相
1）增强材料
纤维：玻璃纤维 碳纤维 Kevlar 纤维 B
纤维
颗粒：各种陶瓷颗粒 SiO2 Al2O3 SiC；
高分子材料的各种填料
2）增强机制
纤维增强：纤维化 基体保护 纤维裂纹界
面扩展 纤维的拔出
颗粒增强：阻碍位错或分子链运动
5、常用的复合材料
1）塑料基复合材料
（1）玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）：
性能特点：高强度、高的冲击韧性、良好
的低温性能，低的热膨胀系数；具有绝缘、绝
热性，吸水性低，通过改性进一步提高性能。
应用：应用于制造要求自重轻的受力构件、
要求无磁性、绝缘性、耐腐蚀性的零件
（2）其他纤维增强塑料
碳纤维增强 B 纤维增强 Kevlar 增强
2）金属基复合材料
（1）纤维增强铝基复合材料：B 纤维增强铝基
复合材料
组成：硼纤维＋铝合金
性能特点：高的拉伸模量、高横向模量、
高的抗压强度、剪切强度和疲劳强度以及比强
（2）颗粒增强铝基复合材料：SiC 颗粒增强铝
基基复合材料
特点：与纤维增强复合材料相比，颗粒增
强金属基复合材料的工艺简单，价格便宜。
应用：用于汽车的驱动轴、刹车盘、发动
机的缸套等
第十章 功能材料
一、基本要求
本章主要介绍了电功能材料、磁功能材料、
热功能材料、光功能材料及其它功能材料的性
能特点、功能原理、种类及用途。要求学生自
学。
二、重点内容
电功能材料及磁功能材料
三、难点
半导体的能带理论，超导体的约瑟夫森效
用。
四、基本知识点
第一节 概述
1、定义
以特殊的电、磁、声、光、热、力、化学
及生物学等性能作为主要性能指标的一类材料。
是用于非结构目的高技术材料。
功能材料在电力技术、电子信息技术、微
电子技术、激光技术、空间技术、海洋技术等
领域得到广泛应用。
2、分类
功能材料种类繁多，涉及面广，有多种分
类方法。目前主要是根据材料的化学组成、应
用领域、使用性能进行分类。
按化学组成分为金属功能材料、陶瓷功能
材料、高分子功能材料和复合功能材料。
按应用领域分为电工材料、能源材料、信
息材料、光学材料、仪器仪表材料、航空航天
材料、生物医学材料和传感器用敏感材料等。
按使用性能分为电功能材料、磁功能材料、
光功能材料、热功能材料、化学功能材料、生
物功能材料、声功能材料和隐形功能材料等。
3、功能材料的现状
近几年来，功能材料迅速发展，已有几十
大类，10 万多品种，且每年都有大量新品种问
世。现已开发的以物理功能材料最多，主要有：
1）单功能材料，如：导电材料、介电材料、
铁电材料、磁性材料、磁信息材料、发热材料、
热控材料、光学材料、激光材料、红外材料等。
2）功能转换材料，如：压电材料、光电材
料、热电材料、磁光材料、声光材料、电流变
材料、磁敏材料、磁致伸缩材料、电色材料等。
3）多功能材料：如防振降噪材料、三防材
料（防热、防激光和防核）、电磁材料等。
4）复合和综合功能材料，如：形状记忆材
料、隐身材料、传感材料、智能材料、显示材
料、分离功能材料、环境材料、电磁屏蔽材料
等。
5）新形态和新概念功能材料，如：液晶材
料、梯度材料、纳米材料、非平衡材料等。
目前，化学和生物功能材料的种类虽较少，
但其发展速度很快，其功能也更多样化。
4 功能材料的展望
展望 21 世纪，功能材料的发展趋势为：
1）开发高技术所需的新型功能材料，特别
是尖端领域（航空航天、分子电子学、新能源、
海洋技术和生命科学等）所需和在极端条件下
（超高温、超高压、超低温、强腐蚀、高真空、
强辐射等）工作的高性能功能材料；
2）功能材料的功能从单功能向多功能和复
合或综合功能发展，从低级功能向高级功能发
展；
3）功能材料和器件的一体化、高集成化、
超微型化、高密积化和超分子化；
4）功能材料和结构材料兼容，即功能材料
结构化，结构材料功能化；
5）进一步研究和发展功能材料的新概念、
新设计和新工艺；
6）完善和发展功能材料检测和评价的方法；
7）加强功能材料的应用研究，扩展功能材
料的应用领域，加强推广成熟的研究成果，以
形成生产力。
5、主要内容
电功能材料、磁功能材料、热功能材料、
光功能材料及其它功能材料简介。
第二节 电功能材料
1、半导体材料
1）导电性能介于金属和绝缘体之间；（σ
＝10-7～104）
具有负的电阻温度系数（导体具有正的
电阻温度系数）。
2）半导体的能带结构
能带：由于相邻原子电子云相互交叠，对
应于孤立原子中的每一能级都将分裂成有一定
能量宽度的能带。
带隙：能带之间的区域
禁带：带隙不存在电子能级
价带：对应价电子能级的能带
空带：价带上面的能带
导带：最靠近价带的空带
满带：价带被电子填满
导体的能带中都有末被填满的价带，在外
电场的作用下，电子可由价带跃迁到导带，从
而形成电流。
绝缘体的能带结构是满带与导带之间被一
个较宽的禁带所隔开，在常温下几乎很少有电
子可以被激发越过禁带，因此其电导率很低。
半导体能带结构下面是价带，其价带是充
满了电子，因此是一个满价带。上面是导带，
而导带是空的。
满价带和空导带之间是禁带，其禁带宽度
比较窄，一般在 1ev 左右。价带中的电子受能
量激发后，如果激发能大于 Eg，电子可以从价
带跃迁到导带上，同时在价带中留下一个空的
能级位置--空穴。
3）半导体的导电机理
半导体价带中的电子受激发后从满价带跃
到空导带中，跃迁电子可在导带中自由运动，
传导电子的负电荷。同时，在满价带中留下空
穴，空穴带正电荷，在价带中空穴可按电子运
动相反的方向运动而传导正电荷。因此，半导
体的导电来源于电子和空穴的运动，电子和空
穴都是半导体中导电的载流子。
4）典型半导体材料及其应用
按组成分类：元素半导体、化合物半导体
和固溶体半导体。
5）半导体材料的应用
半导体材料在集成电路上的应用：最早用
锗单晶制造二极管和三极管；现在发展硅器件，
以硅单晶为基材的集成电路在电子器件中占主
导地位。化合物半导体砷化镓做微波、超高频
晶体管等；
半导体在光电子器件、微波器件和电声耦
合器上的应用：发光管、激光器、光电池、光
集成等；
半导体材料在传感器上的应用：半导体传
感器
2、超导材料
1）定义
超导电现象：材料的电阻随温度降低而减
小并最终出现零电阻的现象。
超导体：低于某一温度出现超导电性的物
质。
2）超导体的基本特性
完全导电性（零电阻）；
完全抗磁性；
临界温度（Tc）、临界磁场（Hc）、临界
电流 JC 是约束超导现象的三大临界条件；
约瑟夫森（B D Josephson）效应：承担超
导电的超导电子还可以穿越极薄绝缘体势垒。
3）超导体的种类
按照迈斯纳（Meissner）效应分类：第一
类超导体（软超导体）和第二类超导体（硬超
导体）
4）超导材料：元素超导体、合金超导体、
金属间化合物超导体、陶瓷超导体和高分子超
导体。
5）超导材料的应用
超导的应用，基本上可以分为强电强磁和
弱电弱磁两大类。
超导强电强磁应用:
主要基于超导体的零电阻特性和完全抗磁
性以及非理想第二类超导体所特有的高临界电
流密度和高临界磁场。
主要应用在电力方面如超导电缆、超导磁
体（如超导磁悬浮列车）、巨大环形超导磁体、
超导磁分离等。
超导弱电弱磁的应用:
基于 Josephson 效应为基础，建立极灵敏的
电子测量装置为目标的超导电子学，发展了低
温电子学。如超导量子干涉器件是一种高灵敏
度的测量装置，主要功能是测量磁场。它可以
在电工仪表、医学、生物、资源开发、环境保
护、固体材料、地球物理等领域应用。
3、电接点（触头）材料
电接点是建立和解除电接触的导电构件，
广泛应用于电力系统、电器装置，仪器仪表、
电信和电子设备。
按电负荷的大小，电接点分为：强电、中
电和弱电。
第三节 磁功能材料
1、简介
磁性是物质的基本属性之一。磁性现象是
与各种形式的电荷运动相关联的，由于物质内
部的电子运动和自旋会产生一定大小的磁场，
因而产生磁性。一切物质都具有磁性。但磁性
材料通常是指那些在实际工程意义上具有较强
磁性的材料。
磁性材料是电子工业的重要基础功能材料，
广泛应用于计算机、电子器件、通讯、汽车和
航空航天等工业领域，随着世界经济和科学技
术的迅猛发展，磁性材料的需求将空前广阔。
当前我国磁性材料的发展居世界之首，已经成
为世界上永磁材料生产量最大的国家。
2、基本概念
“磁”来源于电。一个环形电流在其运动中
心产生的磁矩为 P=is，i 为电流强度，s 为环形
回路所包围的面积。
磁场强度（H）：指空间某处磁场的大小，
单位：安/米；
磁化强度（M）：物质的磁性来源于内部
的磁矩，只有当内部磁矩同向有序排列时才对
外显示强磁性。单位体积内磁矩矢量和称为 M，
单位：安/米；
磁感应强度（B）：物质在外磁场作用下，
其内部原子磁矩的有序排列还将产生一个附加
磁场。在磁性材料内部外加磁场与附加磁场的
和，称为磁感应强度。B =μ0(H+M)，μ0 是一个
系数，叫做真空磁导率。磁感应强度又称为磁
通密度，单位是特斯拉（T）；
磁导率（μ） ：μ=B/H，是磁化曲线上任意
一点上 B 和 H 的比值。导磁率实际上代表了磁
性材料被磁化的容易程度，或者说是材料对外
部磁场的灵敏程度；
磁化率（χ）：磁化强度与磁场强度的比值，
χ = M /H。
3、磁滞回线
在外加磁场的作用下磁体会被磁化，磁体
内部的磁感应强度 B 随外磁场 H 的变化是非线
性的，当 H 减少为零时，B 并未回到零值，出
现剩磁 Br。磁感应强度滞后于磁场强度变化的
性质称为磁滞性。图为磁性物质的磁滞曲线；
要使剩磁消失，通常需进行反向磁化。将
B=0 时的 H 值称为矫顽磁力 Hc；
Br 称为剩余磁感应强度， Bs 称为最大磁
感应强度（饱和磁感应强度）。
图 10-1 软磁材料和硬磁材
料的磁滞回线
4、磁性材料的分类
根据滞回曲线和磁化曲线的不同，分成三
类：
(1)软磁材料：其矫顽磁力较小，磁滞回线
较窄。(铁心)
(2)硬磁材料：其矫顽磁力较大，磁滞回线
较宽。(磁铁)
(3)矩磁材料：其剩磁大而矫顽磁力小，磁
滞回线为矩形。(记忆元件)
5、软磁材料
1）定义：指在外磁场作用下，很容易磁化，
去掉外磁场时又很容易去磁的磁性材料。
2）软磁材料的特性
高的磁导率和磁感应强度；
矫顽力和磁滞损耗低；（矫顽力一般小于
1kA/m）
电阻率较高，反复磁化和退磁时产生的涡
流损耗小。
3）典型软磁材料及其应用
常用的软磁材料有：电工纯铁、硅钢片、
铁铝合金、镍铁合金、铁氧体软磁材料等。
6、硬磁材料
硬磁材料是具有很强的抗退磁能力和高的
剩余磁感应强度的强磁性材料，又称永磁材料。
硬磁材料一旦经外加磁场饱和强化后，如
果撤去外加磁场，在磁铁两个磁极之间的空隙
便可产生恒定磁场，对外界提供有用的磁能。
硬磁材料的磁滞回线又宽又高，有较大的
矫顽力，典型只为 104～106A/m。
硬磁材料抗干扰性好，对温度、振动、时
间、辐射及其它因素的干扰不敏感。典型的硬
磁材料主要包括铝镍钴系永磁、铁氧体永磁和
稀土系永磁。
7、磁致伸缩材料
1）磁致伸缩效应：磁性材料在外磁场作用
下，产生伸长或缩短的现象－为磁致伸缩效应。
2）常用磁致伸缩材料：镍、铁镍、铁铝、
铁钴钒、铁氧体。
3）磁致伸缩材料的应用
在磁（电） - 声换能器中的应用：声纳、
超声换能器、扬声器等。
在磁(电) - 机械致动器中的应用：精密流体
控制、超精密加工、超精密定位、机器人、精
密阀门、微马达以及振动控制等工程领域。
传感器敏感元件：超磁致伸缩材料除用于
驱动之外，利用其磁致伸缩效应或逆效应还可
以制作检测磁场、电流、应变、位移、扭矩、
压力和加速度等的传感器敏感元件。磁致伸缩
液位传感器，可实现对液位的高精度计量,其测
量分辨率高于 mm。
第四节 热功能材料
1、简介
1）定义：随着温度的变化，有些材料的某
些物理性能会发生显著变化，如热胀冷缩、出
现形状记忆效应或热电效应等，这类材料称为
热功能材料。
2）本节主要内容：膨胀材料、形状记忆材
料、测温材料。
2、膨胀材料
热膨胀是指材料的长度或体积在不加外力
时随温度的升高而变大的现象。
材料热膨胀的本质是原子间的平均距离随
温度的升高而增大，即是由原子的非简谐振动
引起的。
材料热膨胀系数的大小与其原子间的接合
键强弱有关，结合键越强，则给定温度下的热
膨胀系数越小，材料中陶瓷的结合键（离子键
和共价键）最强，金属的（金属键）次之，高
聚物的（范德华力）最弱，因此热膨胀系数依
次增大。
常用的膨胀材料包括低膨胀材料、定膨胀
材料和热双金属材料
3、形状记忆材料
将具有某种初始形状的制品进行变形后，
通过加热等手段处理时，制品又恢复到初始形
状。
形状记忆材料通常包括：形状记忆合金、
形状记忆聚合物、形状记忆陶瓷。
形状记忆材料的应用：机械工程领域 热套；
生物医学方面 接骨板、人工关节等；空间技术
压缩天线。
第五节 光功能材料
1、分类
光功能材料按用途分为：光介质材料、固
体激光材料、固体发光材料、非线性光学材料、
金铁电光晶体材料、光导纤维、光学薄膜和弹
光与声光材料等。
2、固体激光材料
1）激光的产生
只有能量为 hn =E2-E1 的光子才能引起受激
辐射；
受激辐射后，就有两个能量都是 hn 的光子；
受激辐射光的位相、偏振都与入射光相同；
在外界光子引发受激辐射的同时，也发生
吸收的过程；
处于低能态的原子数总是很多，外界光子
被吸收的可能性更大，引发受激辐射的可能性
很小。
2）产生激光的必要条件
只有让高能级的原子数大于低能级的原子
数；（也叫粒子数反转）
才可能使受激辐射的几率大于吸收几率；
维持连续不断的受激辐射。
3）产生激光的充分条件
单色光
粒子数反转产生的激光寿命短、微弱，没
有实用价值；
必须经过光谐振器，使光子不断增值，最
后产生很强的位相相同的单色光，就是实用的
激光。
3、光导纤维
1）光纤是一种非常细的可弯曲的导光材料。
单根光纤的直径约为几到几百微米，它由内层
材料（芯料）和包层材料（涂层）组成的复合
结构。为了保护其不受损坏、最外面再加一层
塑料套管。
2）常用光纤材料：石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤、高双折射偏振保持光纤、单偏振光纤、各
种传感器用光纤等。
第六节 其它功能材料
1、主要内容
敏感材料、储氢材料、隐形材料、声功能材料。
2、敏感材料
敏感材料可以分为：声、光、电压、磁、气、热、湿、力、电化学、生物等敏感材料
气敏感材料：随着环境气氛的变化，这类材料的电阻会明显改变，俗称“电鼻子”，用以检测环境
中气氛的变化。
光敏感材料：光敏感材料是指与光发生作用后，某些性质会发生明显变化，以反映光信号的强弱
及其携带的信息。
声敏感材料：压电材料：压电晶体、压电陶瓷。
3、储氢材料
1）储氢合金：镁系、稀土系、钛系。
2）应用：
储氢容器：储氢合金的储氢密度高于液态氢的密度。
氢化物电极：镍氢电池比能量高、对人体无害。
制备超纯氢：含有杂质的氢气与储氢合金接触，氢被合金吸收，杂质则被吸附在合金表面。
4、隐形材料
1）隐身技术是通过降低武器装备等目标的可探测信息特征，使敌方探测系统难以发现或者发现
距离缩短的综合技术。
广泛用于：飞机、导弹、坦克、舰船等。
2）雷达隐形材料
雷达隐身技术中目前主要使用吸波涂料、吸波结构材料、透波材料和智能蒙皮材料。
5、声功能材料
主要用在声发射、声接收、声光转换以及声吸收等方面。
