《金屬材料與熱處理》將工程應用的金屬材料、模具材料及熱處理知識有機結合起來。以任務驅動為抓手，以金屬材料工程選用、熱處理工藝制定為主線，從生產一線選擇大量真實圖片、表格、典型案例、練習題，結合金屬材料在工程上的實際應用與技能要求，提煉優化為10個大項內容，即認識並掌握金屬材料基本性能、認識並應用金屬材料的晶體結構與結晶、掌握並運用鐵碳合金相圖、掌握鋼的熱處理工藝與生產應用、熟悉並正確選用碳素鋼、掌握常用合金鋼的性能與應用、掌握常用鑄鐵的性能與應用、合理選用非鐵金屬及其合金、掌握金屬材料的工程選用、了解工程前沿新材料。

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本書可作為高職高專院校機械設計與制造、模具設計與制造、數控加工、計算機輔助設計與制造、機電一體化、產品設計與制造等專業的學生教材，也可作為中等職業技術學校機械類專業學生的教材，還可供生產一線在職機械設計人員查閱與技術工人培訓使用。

楊海鵬，江門職業技術學院，副教授，1987年7月大學畢業分配到河南省平頂山市新華工具廠(原軍工9649廠)工作，在鍛壓分廠任技術員，負責鍛壓工藝與模具設計。1988～1990年在該廠夾具、模具分廠任助理工程師，負責夾具、模具設計及機械加工工藝。

1990～1995年在該廠技術科任工程師，負責非標刀具、量具，模具及夾具、專機的設計與制造。負責廠內主要技術和技術管理工作，成為該廠的業務骨干。1995年7月調入廣東省江門市金羚電器有限公司工作，在技術科任工程師、技術主管，負責洗衣機的設計與開發。1999～2006年在機械加工（模具制造、設備維修、動力）車間任技術主任、主任，負責塑料模具、衝壓模具制造與維修，夾具、專機制造與維修；公司內設備維修；各類電器維修及車、銑、刨、磨、鉗、熱處理、線切割、電火花、焊接等方面的工藝與技術管理工作。

2006～2007年在廣東省江門市大長江集團有限公司工作，擔任衝焊部衝壓與焊接線主管，負責模具設計與制造、摩托車架及油箱開發與制造。

2007年3月至今在江門職業技術學院機電技術繫模具教研室擔任專業課教師、骨干教師、專業帶頭人。主講《塑料成型工藝與模具設計》、《冷衝壓工藝與模具設計》核心專業課；指導《注塑模具設計與制造綜合實訓》、《衝壓模具設計與制造綜合實訓》、《模具拆裝與測繪實訓》課程。

主持注塑成型工藝與模具、衝壓成型工藝與模具等社會培訓12次，培訓人員3000餘人次。

章認識並掌握金屬材料基本性能1

任務一認識金屬材料1

1.材料的歷史與發展1

2.材料的分類4

3.金屬材料的應用5

任務二了解鋼鐵材料的生產過程5

1.熟悉煉鐵原理與過程5

2.熟悉煉鋼原理與過程7

3.認識鋼的澆注與終產品8

任務三掌握金屬材料的物理與化學性能10

1.掌握金屬材料物理性能與應用10

2.掌握金屬材料化學性能與應用12

任務四掌握並能測量金屬材料的力學性能13

1.認知並理解載荷、變形、內力、應力、剛度的概念13

2.金屬材料強度與塑性及其測定13

3.金屬材料的硬度及其測試方法16

4.金屬材料的韌性及其測試21

5.金屬材料的疲勞強度及其測試22

任務五掌握金屬材料的工藝性能23

1.掌握金屬鑄造性能及其影響因素23

2.掌握金屬壓力加工性能及其影響因素24

3.掌握金屬焊接性能及其影響因素24

4.認識金屬切削加工工藝性能及其影響因素24

5.了解熱處理工藝性能及其影響因素25

思考與練習26



第二章認識並應用金屬材料的晶體結構與結晶30

任務一認識純金屬的晶體結構與缺陷30

1.認識晶體與非晶體30

2.掌握金屬的晶體結構及類型30

3.認識金屬的實際晶體結構與缺陷32

任務二掌握純金屬的結晶與應用34

1.認識過冷曲線與過冷度34

2.熟悉金屬的結晶過程35

3.掌握金屬晶粒大小對力學性能的影響36

4.了解細化晶粒的方法36

任務三認識並合金的晶體結構與結晶36

1.理解合、相與組織的概念37

2.掌握合金的晶體結構37

3.掌握合金的結晶過合金相圖測定38

4.會合金勻晶相圖39

5.會共晶相圖40

6.了解合金的力學性能與相圖的關繫40

任務四認識並應用金屬塑性變形與再結晶41

1.認知金屬的塑性變形41

2.理解並應用回復、再結晶和晶粒長大的特性44

任務五掌握並應用金屬的熱變形加工45

1.掌握金屬材料冷熱加工的區別與應用45

2.熟悉熱變形加工的特點46

3.會選擇金屬冷熱加工46

思考與練習46



第三章掌握並運用鐵碳合金相圖49

任務一認識鐵碳合金基本組織49

1.了解純鐵的同素異構轉變49

2.認識鐵碳合金的基本相49

3.認識鐵碳合金的基本組織（多相組織）51

任務二讀懂鐵碳合金相圖52

1.鐵碳合金的相圖52

2.簡化的鐵碳合金相圖分析53

任務三熟悉鐵碳合金結晶過程及其組織54

1.共析鋼（wC=0.77% Ⅰ號合金）的結晶過程分析54

2.亞共析鋼（wC=0.45%，Ⅱ號合金）的結晶過程分析55

3.過共析鋼（wC=1.2%，Ⅲ號合金）的結晶過程分析56

4.共晶白口鑄鐵（wC=4.3％，Ⅳ號合金）結晶過程分析57

5.亞共晶白口鑄鐵（wC=3.0％，Ⅴ號合金）的結晶過程分析57

6．過共晶白口鑄鐵（wC=5.0％，Ⅵ號合金）的結晶過程分析58

任務四掌握鐵碳合金相圖在工業生產中的應用59

1.掌握鐵碳合金含碳量對平衡組織及性能的影響59

2.了解鐵碳合金相圖在工業生產中的應用59

思考與練習60



第四章掌握鋼的熱處理工藝與生產應用63

任務一掌握鋼在加熱時的組織轉變63

1.了解熱處理基本情況與熱處理工藝曲線63

2.認識鋼在加熱時的組織轉變65

任務二掌握鋼在冷卻時的組織轉變67

1.了解碳鋼冷卻方式對其性能的影響67

2.認識過冷奧氏體等溫轉變圖並能分析轉變產物的性能68

3.了解過冷奧氏體的連續冷卻轉變70

任務三掌握並應用鋼的退火與正火工藝71

1.熟練掌握並應用退火工藝71

2.熟練掌握並應用正火工藝73

任務四掌握並應用鋼的淬火工藝74

1.熟練掌握並應用鋼的淬火74

2.熟悉鋼的淬火方法76

3.認識鋼的淬透性與淬硬性77

4.避免淬火缺陷的產生及預防措施78

5.了解淬火前的準備和裝爐方法78

任務五掌握並應用鋼的回火工藝80

1.認識回火過程中的組織轉變80

2.掌握回火方法及其應用81

任務六掌握並應用鋼的表面熱處理與化學熱處理83

1.掌握鋼的表面熱處理與應用83

2.掌握鋼的表面化學熱處理85

3.了解氣相沉積與應用87

任務七了解熱處理新技術89

1.了解形變熱處理與應用89

2.了解真空熱處理與應用89

3.了解可控氣氛熱處理89

4.了解激光熱處理90

5.了解電子束淬火90

任務八掌握熱處理工藝制訂91

1.熟悉熱處理技術條件91

2.了解熱處理工藝代號91

3.熟悉熱處理工序位置安排93

4.熱處理操作安全94

任務九了解金屬表面防腐與防護方法94

1.熟悉金屬表面化學氧化處理95

2.了解電鍍技術96

3.熟悉鍍鉻工藝97

4.熟悉鍍鋅工藝98

5.了解電刷鍍工藝99

思考與練習99



第五章熟悉並正確選用碳素鋼104

任務一掌握碳素鋼的分類方法104

1.熟悉鋼素對其性能的影響104

2.掌握碳素鋼的分類方法105

任務二認識並能正確選用碳素結構鋼106

1.掌握常用的普通碳素結構鋼的牌號與選用106

2.掌握常用的優質碳素結構鋼的牌號與選用108

任務三認識並會選用碳素工具鋼109

1.掌握碳素工具鋼命名與牌號110

2.熟悉碳素工具鋼的成分、性能和用途110

任務四了解其他專用優質碳素鋼的牌號和應用111

任務五鋼的火花鋻別112

1.火花鋻別的原理及火花組成112

2.火花鋻別的方法114

思考與練習114



第六章掌握常用合金鋼的性能與應用117

任務一掌素在鋼中的作用及合金鋼的分類117

1.掌素在鋼中的作用118

2.熟悉合金鋼的分類119

任務二掌握常用低合金鋼的牌號與應用119

1.掌握低合金鋼的牌號與命名120

2.熟悉低合金高強度結構鋼的種類與應用120

3.了解低合金耐候鋼120

4.了解低合金專業用鋼121

任務三掌握常用合金結構鋼的牌號與應用122

1.掌握合金結構鋼的牌號122

2.熟悉機械零件常用的合金結構鋼122

任務四掌握合金工具鋼的牌號與應用127

1.掌握合金工具鋼的牌號128

2.熟悉合金工具鋼的應用128

任務五掌握制造量具及刃具的低合金工具鋼性能與應用128

任務六掌握高速工具鋼的牌號與選用129

1.了解高速工具鋼的牌號129

2.了解高速工具鋼的特性129

3.熟悉高速工具鋼的鍛造與熱處理130

4.了解高速工具鋼的應用130

任務七了解滾動軸承鋼的性能與應用132

1.了解滾動軸承鋼的牌號與性能133

2.熟悉滾動軸承鋼的熱處理與應用133

任務八了解常用特殊性能鋼與應用134

1.了解不鏽鋼的性能與應用134

2.了解耐熱鋼的性能與應用135

3.了解特殊物理性能鋼性能與應用137

4.了解低溫鋼的性能與應用137

5.了解鑄造合金鋼的種類與應用137

思考與練習138



第七章掌握常用鑄鐵的性能與應用141

任務一掌握鑄鐵的分類與通用性能141

1.熟悉鑄鐵的分類141

2.掌握鑄鐵的組織與性能141

3.了解鑄鐵的石墨化及影響因素142

任務二掌握灰鑄鐵的性能與用途143

1.熟悉灰鑄鐵的化學成分、顯微組織和性能143

2.掌握灰鑄鐵的牌號及用途144

3.掌握灰鑄鐵的熱處理144

任務三掌握可鍛鑄鐵的性能與用途145

1.掌握可鍛鑄鐵的組織與性能145

2.掌握可鍛鑄鐵的牌號及用途146

任務四掌握球墨鑄鐵的性能與用途147

1.掌握球墨鑄鐵的組織與性能147

2.掌握球墨鑄鐵的牌號及用途148

3.掌握球墨鑄鐵的熱處理工藝與應用149

任務五掌握蠕墨鑄鐵的性能與用途149

1.掌握蠕墨鑄鐵的組織與性能149

2.掌握蠕墨鑄鐵的牌號及用途150

思考與練習151



第八章合理選用非鐵金屬及其合金153

任務一掌握鋁及其合金的性能與應用153

1.掌握純鋁的性能、牌號及用途153

2.掌握鋁合金的性能、牌號及用途154

任務二掌握銅及其合金性能與應用157

1.掌握工業純銅的性能、牌號及用途158

2.掌握常用銅合金的性能與應用159

任務三掌握鋅及鋅合金的性能與應用163

1.熟悉鋅的基本性質163

2.掌握鋅合金的基本特性163

3.了解鋅合金的牌號、性能和用途163

任務四了解鈦及鈦合金的性能與選用164

1.熟悉純鈦的性能、牌號及用途165

2.了解鈦合金性能與應用165

任務五了解軸承合金的性能與選用167

1.熟悉滑動軸承合金的性能167

2.了解常用滑動軸承合金的用途167

任務六了解粉末冶金的特點與制造過程168

1.了解粉末冶金生產過程168

2.熟悉粉末冶金的特點169

3.掌握粉末冶金的應用169

任務七熟悉硬質合金的特點與應用170

1.了解硬質合金生產過程171

2.掌握硬質合金的性能特點與應用171

3.了解硬質合金的分類、代號171

4.了解鋼結硬質合金性能與應用174

思考與練習175



第九章掌握金屬材料的工程選用178

任務一認識金屬材料的失效形式和預防措施178

1.認識金屬材料的失效形式及預防措施178

2.理解失效的基本影響因素180

任務二熟悉金屬材料選用的原則與程序181

1.熟悉金屬材料選用原則181

2.能把握金屬材料選用程序182

任務三正確選用制造機械傳動軸的材料並制訂熱處理工藝183

1.熟悉軸類零件需要的性能指標183

2.能根據傳動軸受力情況進行選材183

3.能正確選用機床主軸材料及熱處理工藝制定184

4.能正確選用內燃機曲軸材料及熱處理工藝制定185

任務四正確選用齒輪類零件材料並制訂熱處理工藝186

1.熟悉齒輪的工作條件、主要失效形式及性能要求186

2.能正確選用機床齒輪材料並制訂熱處理工藝187

3.能正確選用汽車、拖拉機齒輪材料及熱處理工藝制定188

任務五正確選用箱體類零件材料189

任務六正確選用冷作模具材料並制訂熱處理工藝190

1.熟悉冷作模具對材料性能要求191

2.熟悉冷作模具材料種類與熱處理工藝191

3.能根據衝壓件種類選用冷作模具材料193

任務七正確選用熱作模具材料並制訂熱處理工藝195

1.熟悉熱作模具的工作條件與要求195

2.熟悉壓鑄模材料選用196

3.熟悉熱鍛模材料選用198

任務八正確選用塑料模具材料並制訂熱處理工藝200

1.了解塑料模具的分類與失效形式200

2.了解塑料模具材料的性能要求201

3.能正確選用塑料模具材料並制訂熱處理工藝201

思考與練習209



第十章了解工程前沿新材料的特點與應用（選學）213

任務一了解新型高溫材料的特點與應用213

1.了解高溫合金分類與應用214

2.了解高溫陶瓷材料的性能與應用215

任務二了解形狀記憶材料的特點與應用215

1.了解形狀記憶合金的性能216

2.了解形狀記憶陶瓷的特性217

3.了解形狀記憶高分子材料性能217

4.了解形狀記憶合金的應用218

任務三了解非晶態合金材料的特點與應用220

任務四了解超導材料的特點與應用222

1.了解超導材料分類222

2.了解超導材料的應用223

任務五了解納米材料的特點與應用224

1.理解納米材料的定義及分類224

2.了解納米材料的結構與性能224

3.了解納米材料的應用225

任務六了解功能材料的特點與應用226

1.了解功能材料的分類226

2.了解功能材料的性能特點和用途227

思考與練習230



思考與練習答案彙總231



附錄235

附錄一國內外常用模具鋼號對照表（近似）235

附錄二壓痕直徑與布氏硬度對照表236

附錄三鋼鐵材料硬度與強度換算表237

附錄四常用熱處理工藝及代號（GB/T 12603—2005）238



參考文獻240

材料是人類賴以生存和發展的重要物質基礎。20世紀70年代，材料、能源和信息技術被譽為現代文明的三大支柱，到20世紀80年代後期，新材料技術、生物技術和信息技術並列成為新技術革命的重要標志。進入新世紀以來，新材料井噴式湧現，因此，各個國家都將材料科學當做重點發展學科。

《金屬材料與熱處理》是機械設計與制造、模具設計與制造、材料成型及機電類專業的一門重要的專業基礎課，為今後專業課程的學習以及畢業後從事相關工程技術、生產制造工作奠定堅實的基礎。

本書由長期從事金屬材料與熱處理的生產一線的科研人員、教學經驗豐富的優秀教師合力打造，內容力求保持科學性、實用性、新穎性、前瞻性。本書以任務驅動為抓手，配以精煉的語言表述、豐富生動的插圖、設計合理的表格、典型案例分析等，力求在培養學生應用能力、實踐動手能力、分析問題與解決問題的能力上有所突破，使學生初步獲得金屬材料性能與熱處理知識、合理選用金屬材料及正確制定熱處理工藝的能力，在理論知識和實踐能力等方面得到較大提升。

本書力求語言敘述精煉，文字與圖片、表格並舉，提高學生的感性認識，提高學生的學習與閱讀興趣。書中各章配備大量的填空題、選擇題、判斷題、簡答題及綜合分析題，供學生學習時自我檢查與提高。

本書的內容已制作成用於多媒體教學的PPT課件，並將免費提供給采用本書作為教材的院校使用。如有需要，請發電子郵件至cipedu@163.com獲取，或登錄www.cipedu.com.cn免費下載。

本書由江門職業技術學院楊海鵬和馬雄華擔任主編，賴輝擔任副主編。其中章、第四章、第六章～第九章由楊海鵬編寫，第二章、第三章、第五章由馬雄華編寫，第十章由金環電器有限公司陳水東高工和君盛模具公司劉炳良工程師編寫，漢宇電器有限公司林瑞展參與資料提供與整理工作。

本書在編寫過程中，參閱了有關教材和資料，在此表示衷心感謝。懇請使用本書的讀者對書中的疏漏之處批評指正，以便修訂改進。



編者

2021年1月