本书从高等工程专科学校机械类专业教学实际需要出发，扼要阐明机械工程材料的基本知识与基本理论，介绍常用机械工程材料及其应用。全书共分十章：包括金属材料的机械性能；金属的晶体结构与结晶；二元合金；钢的热处理；碳素钢与合金钢；铸铁；有色金属材料；非金属材料；机械零件选材及热处理工序位置的安排。本书对传统、繁琐的理论内容根据专业需要有所简化，适当引进新技术、新工艺和新材料，尽量突出实际应用。每章后附有习题与思考题。



本书为高等院校专科机械类或近机类教材，也可作为职工大学、业余大学及培训班的教材，亦可作有关技术人员好参考书。

第一章 金属材料的机械性能

1－1 弹性与刚度

1－2 强度

1－3 塑性

1－4 冲击韧性

1－5 疲劳强度

1－6 硬度

1－7 断裂韧性

1－8 常用机械性能指标在工程中的意义

习题与思考题

第二章 金属的晶体结构与结晶

2－1 纯金属的晶体结构

2－2 实际金属的晶体结构

2－3 金属的结晶

习题与思考题

第三章 二元合金

3－1 合金的相结构

3－2 二元合金相图

3－3 铁碳合金

习题与思考题

第四章 全属的塑性变形与再结晶

4－1 金属与合金的塑性变形

4－2 塑性变形对金属组织与性能的影响

4－3 变形金属在加热过程中组织和性能的变化

4－4 金属热塑性变形后组织和性能的变化

习题与思考题

第五章 钢的热处理

5－1 钢在加热时的转变

5－2 钢在冷却时的转变

5－3 钢的退火与正火

5－4 钢的淬火

5－5 淬火钢的回火

5－6 钢的表面淬火

5－7 钢的化学热处理

习题与思考题

第六章 碳素钢与合金钢

6－1 碳素钢

6－2 合金元素在钢中的作用

6－3 合金钢的分类和编号

6－4 合金结构钢

6－5 合金工具钢

6－6 特殊性能钢

6－7 硬质合金

习题与思考题

第七章 铸铁

7－1 概述

7－2 灰铸铁

7－3 可锻铸铁

7－4 球墨铸铁

7－5 合金铸铁简介

习题与思考题

第八章 有色金属及其合金

8－1 铝及铝合金

8－2 铜及铜合金

8－3 轴承合金

习题与思考题

第九章 非金属材料

9－1 塑料

9－2 橡胶

9－3 陶瓷

9－4 复合材料

习题与思考题

第十章 机械零件的选材及热处理工序位置的安排

10－1 机械零件的失效

10－2 机械零件的选材

10－3 热处理零件的结构工艺性及热处理工序位置的安排

10－4 典型零件的选材及热处理

习题与思考题

参考文献

四、合金弹簧钢



弹簧钢是专用于制造各种弹簧或有类似性能要求的零件的钢种。弹簧是利用其在工作时产生弹性变形来储存能量，施加压力或缓和冲击、消除振动等。因此，要求弹簧应具有高的弹性极限。弹簧在工作时要承受交变的冲击载荷，所以，还要求弹簧要有高的强度、足够的塑性、韧性及高的疲劳极限。此外，对一些在特殊条件下工作的弹簧还有一些特殊的要求，如耐热、耐腐蚀等。



为了获得弹簧所要求的性能，弹簧钢的含碳量应比调质钢高。碳素弹簧钢（如65、75、60Mn、65Mn、75Mn等）含碳量wc＝0．6～0．9％，由于它们的淬透性较差，只能用作小截面（直径〈10mm）不重要的弹簧。对于尺寸较大和承受重负荷的弹簧则要采用合金弹簧钢制造。



1．合金弹簧钢的化学成分



合金弹簧钢因为合金元素的影响，故其含碳量比碳素弹簧钢低，Wc降为0．45～0．70％。加入合金元素主要有锰、硅、铝等，以提高弹簧的强度和淬透性。尤其是硅能显著提高弹簧的弹性极限，但硅会促使表面脱碳；锰能增加淬透性，减少脱碳倾向，但增加钢的过热敏感性和回火脆性。因此，弹簧钢内多半同时含有硅和锰。有些弹簧钢内还含有钼、钨、钒等，它们可减少硅锰弹簧钢易产生脱碳和过热的倾向，同时也可进一步提高弹性极限、耐热性和回火稳定性。



2．常用弹簧钢及热处理



常用弹簧钢的牌号、化学成分、热处理、机械性能及用途列于表6－9。



应用比较广泛的合金弹簧钢有55Si2MnB、60SiZMn、50CrVA等钢种。



根据弹簧的尺寸不同，成型和热处理方法也有所不同，常见的加工处理方法有两种：



（1）冷成型弹簧 对于直径〈 8～10mm的弹簧，常用冷拉弹簧钢丝冷绕而成。冷拉钢丝在拉制过程中已被强化，所以在冷卷成型后，不必再作淬火处理，只须在200～300℃进行一次回火处理（也称定型处理），以消除在冷拉、冷卷过程中产生的应力并稳定弹簧尺寸。



应该指出，对于退火状态供应的弹簧钢丝，冷卷成型后，仍须进行淬火及中温回火处理。



（2）热成型弹簧 对于直径或厚度〉10～ 15mm的螺旋弹簧或板簧，一般都是用圆钢、方钢或扁钢等加热成型。为了避免重复加热，减少氧化、脱碳，节省能源及提高弹簧的性能，通常是将成型与淬火结合进行。例如用高温形变热处理生产板簧就是如此，它是把钢加热至热加工温度后，先进行大变形量的热轧，然后趁热成形并随即淬火及中温回火。



弹簧表面质量对使用寿命影响很大，微小的表面缺陷（例如脱碳、裂纹、夹杂和斑痕等）均可造成应力集中，使钢的疲劳强度降低。因此弹簧在热处理后往往还要进行喷丸处理，使其表面强化并在表面产生残余压应力，以提高疲劳强度。试验表明：60Si2Mn钢制成的汽车板簧经喷丸处理后，使用寿命可提高5～6倍。



弹簧钢也可进行淬火及低温回火处理，用以制造高强度耐磨件，如弹簧夹头，机床主轴等。



五、滚动轴承钢



滚动轴承钢是制造各种滚动轴承的滚珠、滚柱、滚针及内外套圈的专用钢。此外，滚动轴承钢还用来制造精密偶件（如针阀偶件、柱塞偶件等）和某些工具、模具、量具等。



滚动轴承在工作时，承受着高压而集中的交变应力，同时滚珠与套圈间还产生强烈滚动和滑动摩擦。因此，滚动轴承钢必须具有高而均匀的硬度和耐磨性，高的弹性极限和接触疲劳强度，足够的韧性以及在大气或润滑剂中具有一定的耐蚀能力，并且要有足够的淬透性。



1．轴承钢的化学成分



目前应用最广的滚动轴承钢是高碳低铬钢。其含碳量一般为Wc＝O．95～1．15％，以保证轴承钢具有高的强度和硬度。铬的含量为Wcr＝0．40～1．65％，主要是为了提高钢的淬透性，此外，铬和碳形成的合金渗碳体能提高钢的硬度及耐磨性，铬还提高回火稳定性。一般使用的滚动轴承钢有GCr6、GCr9、GCr15等，其中GCr15应用最广。对于尺寸较大的轴承为了进一步提高淬透性，还加入了硅、锰等元素，如GCr15SiMn钢等。



2．轴承钢的热处理



轴承钢的热处理包括预备热处理和最终热处理。预备热处理是球化退火，以获得粒状珠光体组织，目的是降低钠的硬度，便于切削加工，并为淬火作组织准备。最终热处理是淬火和低温回火，金相组织为极细的回火马氏体和均匀分布的细粒状合金渗碳体及少量的残余奥氏体，其硬度为HRC61～65。



综上所述，铬轴承钢制造轴承的生产工艺路线一般如下；



锻造→球化退火→机加工→淬火、低温回火→磨削加工→成品



对于精密轴承零件，由于低温回火不能完全消除残余应力和残余奥氏体。因此，为了稳定尺寸，在淬火后还应立即进行冷处理，并在回火和磨削加工后再于120～130℃保温10～20 小时，作低温时效处理，进一步消除应力，稳定尺寸。