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第三章 工程材料 能力目标 根据使用要求，为机械零件选择材料，确定金属 材料的名称、牌号。 掌握各种碳钢、合金钢名称、牌号；掌握常用铸 铁的选用方法；掌握轴瓦材料的选用方法、名 称、牌号。能够用牌号识记。 知识目标 掌握非合金钢，低合金钢、合金钢的分类、牌号 、热处理、性能特点及其应用。 掌握常用铸铁、常用非铁合金的类型、牌号、性 能及其用途 。 一、钢材的生产过程及钢的类型 （一）钢材的生产 铁矿石 生铁 钢(钢锭) 型材 铸铁 1、生铁的冶炼 原料：铁矿石 燃料：焦炭 熔剂：石灰石 设备：高炉 2、钢的冶炼 原料：生铁、废钢 燃料：焦炭 熔剂：石灰石；氧化剂，脱氧剂 设备：炼钢炉 （钢板、型钢 、钢管） 1、铁的生产过程 n 炼铁过程实质上是将铁从其自然形态矿 石等含铁化合物中还原出来的过程。 n 炼铁方法主要有高炉法、直接还原法、熔 融还原法等。 n 原理：矿石在特定的气氛中（还原物质CO 、H2、C；适宜温度等）通过反应获取还原后 的生铁。 高 炉 钢与生铁的区别： 首先是碳的含量，理论上一般把碳含量小于 2.11%称之钢，它的熔点在14501500，而生铁 的熔点在11001200。 在钢中碳元素和铁元素形成Fe3C固熔体，随着 碳含量的增加，其强度、硬度增加，而塑性和冲击 韧性降低。 2、炼钢的基本任务和生产过程 炼钢的基本任务是脱碳、脱磷、脱硫、脱 氧，去除有害气体和非金属夹杂物，提高温 度和调整成分。 3.钢中主要成分及作用 n 炼钢把生铁中的含碳量去除到规定范围 ，并使其它元素的含量减少或增加到规定范 围的过程。 n 简单地说，是对生铁降碳、去硫磷、调硅 锰含量的过程。这一过程基本上是一个氧化 过程，是用不同来源的氧来氧化铁水中的碳 、硅锰等元素。 （1）钢中的成分(碳) n 炼钢的重要任务之一就是要把熔池中的碳氧化 脱除至所炼钢种的要求。从钢的性质可看出碳也 是重要的合金元素，它可以增加钢的强度和硬度 ，但对韧性产生不利影响。 n钢中的碳决定了冶炼、轧制和热处理的温度制度 。 C0.8%时，每增0.1%的碳 熔点降低6.5 密度减少4kg/m3 溶解度降低0.001% （2）磷对钢性能的影响 n磷是有害元素。钢中磷的含量高会引起钢的 “冷脆 ”，即从高温降到0以下，钢的塑性和冲击韧 性降低，并使钢的焊接性能与冷弯性能变差。 n磷是仅次于硫在钢的中偏析度高的元素（合金中各 组成元素在结晶时分布不均匀的现象称为偏析），偏析 很难消除，从而严重影响钢的性能，所以脱磷是炼 钢过程的重要任务之一。 磷在钢中是以Fe3P或Fe2P形式存在，但通常 是以P来表达。 不同用途的钢对磷的含量有严格要求： 非合金钢中普通质量级钢P0.045% 优质级钢 P0.035% 特殊质量级钢 P0.025% 有的甚至要求 P0.010% 有些钢种:炮弹钢，需加P元素。 （3） 钢中的硫 硫对钢的性能会造成不良影响，钢中硫含量高，会 使钢的热加工性能变坏，即造成钢的“热脆”性。 硫在钢中以FeS的形式存在， Fe与FeS组成的共晶体 的熔点只有985。 当钢中的S0.020%时，在11501200的热加工 过程中，晶界处的共晶体熔化，钢受压时造成晶界破裂 ，即发生“热脆”现象。 n不同钢种对硫含量有严格的规定： 普通质量级钢S0.045% 优质级钢 S0.035%， 特殊质量级钢S0.025% （4）氧对钢性能的影响 n 在炼钢过程中，向熔池供入了大量的氧气，到吹 炼终点时，钢水中含有过量的氧。 n 如不脱氧，在出钢、浇铸中，温度降低，氧溶解 度降低，促使碳氧反应，钢液剧烈沸腾，使浇铸困难 ，得不到正确凝固组织结构的连铸坯。 （5） 锰(Mn)对钢能的影响 锰的作用是消除钢中硫的热脆倾向，改变硫化物 的形态和分布以提高钢质； 锰是一种非常弱的脱氧剂，在碳含量非常低、氧 含量很高时，可以显示出脱氧作用，协助脱氧，提高 他们的脱氧能力； 锰还可以略微提高钢的强度，并可提高钢的淬透 性能，稳定并扩大奥氏体区，常作为合金元素生成奥 氏体不锈钢、耐热钢等。 （6）硅 (Si)对钢能的影响 硅是钢中最基本的脱氧剂。普通钢中含硅 在0.17%-0.37%。 生产沸腾钢时，Si为0.03%-0.07%，Mn 为0.25%-0.70%。 硅能提高钢的机械性能，增加了钢的电阻和 导磁性。 （6）铝(Al)对钢能的影响 铝是终脱氧剂，生产镇静钢时，Al多在0.005%-0.05% ，通常为0.01%-0.03%。钢中铝的加入量因氧量而异，对高碳 钢应少加些，而低碳钢则应多加，加入量一般为:0.3- 1.0kg/t钢。 铝加到钢中将与氧发生反应生成Al2O3，在出钢、镇静和 浇铸时生成的Al2O3大部分上浮排除，在凝固过程中大量细小 分散的Al2O3还能促进形成细晶粒钢。铝是调整钢的晶粒度的 有效元素。 （二）（二） 钢的分类与编号钢的分类与编号 钢的分类钢的分类 钢 碳素钢 （非合金钢） 合金钢 1、按含碳量分 低碳钢 0.0218 % 0.60%)。 合金钢是指钢中除含有硅和锰脱氧元素外，还 加有其他合金元素的钢。 根据钢中合金元素含量的多少，又可分为低 合金钢，中合金钢和高合金钢。一般合金元素总 含量小于3%的为普通低合金钢，总含量为3%5% 的为低合金钢，大于10%的叫高合金钢，总含量介 于5%10%之间为中合金钢。 按钢中所含有的主要合金元素不同可分为锰 钢、硅钢、硼钢、铬镍钨钢、铬锰硅钢等。 2、按脱氧程度和质量水平分类 n按脱氧程度不同可分为沸腾钢（不经脱氧或微 弱脱氧）、半镇静钢（脱氧不完全，介于镇静 钢和沸腾钢之间）、镇静钢（脱氧充分）和特 种镇静钢. n按冶金质量水平不同可分为普通钢、优质钢 和高级优质钢。 3、按用途分类 n分为三大类：结构钢，工具钢，特殊性能钢。 n结构钢是目前生产最多、使用最广的钢种，它 包括碳素结构钢和合金结构钢，主要用于制造 机器和结构的零件及建筑工程用的金属结构等 。 二、非合金钢的牌号及其应用 1、碳素结构钢 牌号：Q+屈服点数值+质量等级(A、B、C、D、E共五级 )+脱氧方式（F沸腾钢、b半镇静钢、Z镇静钢、TZ特殊镇静 钢）。 规格：Q195，Q215，Q235，Q255，Q275。 Q235AF代表屈服点s=235Mpa、质量为A级的沸腾碳素 结构钢。 用途：薄板，铁丝，螺纹钢，钉，小轴，螺栓等。 2、优质碳素结构钢 牌号：用两位数字表示，该数字表示钢中平均含碳量为 万分之几。若钢中锰的含量较高，在两位数字后面加Mn。 例如： 45号钢表示钢中平均碳含量为0.45%。 08F钢主要用于冷冲压件 2、优质碳素结构钢 牌号：用两位数字表示，该数字表示钢中平均含碳量为 万分之几。若钢中锰的含量较高，在两位数字后面加Mn。 例如： 45号钢表示钢中平均碳含量为0.45%。 1025钢 主要用于冲压件、焊接件、强度要求不高的零件。 2、优质碳素结构钢 牌号：用两位数字表示，该数字表示钢中平均含碳量为 万分之几。若钢中锰的含量较高，在两位数字后面加Mn。 例如： 45号钢表示钢中平均碳含量为0.45%。 3055钢 主要用于受力较大的机械零件 2、优质碳素结构钢 牌号：用两位数字表示，该数字表示钢中平均含碳量为 万分之几。若钢中锰的含量较高，在两位数字后面加Mn。 例如： 45号钢表示钢中平均碳含量为0.45%。 60以上的钢主要用于制作各种弹簧、高强度钢丝及其他耐磨件 。 牌号：用“T”加数字表示，该数字表示钢中平均含碳量 为 千分之几。 如： T8 表示碳的平均含碳量为0.8%的碳素工具钢。 用途：用来制作各种刀具、量具和模具。 3、碳素工具钢 牌号：Y20 用来制造表面耐磨的零件，如仪器仪表零件 。 Y45 用来制造重要的零件，如齿轮轴、花键轴等 。 4、易切削用钢 牌号：ZG+三位数字（表示屈服点）+ +三位数字（ 表示抗拉强度） 如：ZG230-450表示屈服点为230MPa、抗拉强度为 450MPa的工程用铸钢。 用于浇注成铸件的钢。其强度高于各类铸铁，同时具 有良好的塑性和韧性，适于制造形状复杂、强度和韧性要 求高的零件，如火车轮、大齿轮等。 5、铸钢 45钢常用来制造齿轮、轴、曲柄、连杆等。 碳钢的优点:价格低, 热处理后具有较高的 强度和较好的塑性和韧性。 碳钢的缺点:淬透性较差,对于大尺寸要求截 面性能一致的重要零件无法满足;耐腐蚀性能较 差;抗回火稳定性不好(回火温度升高,强度下降 快)。 三、合金钢 非合金钢性能的缺点 n1.碳钢的淬透性低 n2.回火抗力差 n3.碳钢不能满足一些特殊性能的要求 1、合金元素对钢性能的影响 （1）提高了钢的力学性能 钛、钒等合金元素的加入提高了钢的强度和硬度 ，细化了晶粒，也提高了塑性与韧性。 （2）提高了钢的淬透性。 铬、硅、镍、锰、硼等合金元素的加入能够提高 钢的淬透性。 （3）使钢具有某些特殊性能。 铬、锰等合金元素的加入使钢具有了耐高温、耐 热、耐磨、不生锈等特殊性能。 （一）合金钢概述 2、合金钢的分类 合金钢 合金结构钢 合金工具钢 特殊性能钢： 机械结构合金钢 ： 低合金结构钢 ：普通低合金结构钢 不锈钢 、耐热钢、耐磨钢 合金刃具钢： 合金弹簧钢、合金渗碳钢 合金调质钢、合金轴承钢 合金模具钢 ： 合金量具钢： 低合金刃具钢、高合金 刃具钢、高速钢 冷作模具钢、热作模具钢 没有专用钢种. 3、合金钢的牌号 (1)合金结构钢的牌号 两位数字 + 合金元素符号 + 数字 前两位数字表示平均含碳量为万分之几，后面数字表 示合金元素含量为百分之几。 如:60Si2Mn,40Cr等。 低合金结构钢中的低合金高强度钢与碳素结构钢的编号相 同。 3、合金钢的牌号 (2)合金工具钢的牌号 当合金工具钢的Wc1%时，编号为： 合金元素符号+数字 如: Cr12 但高速钢不标含碳量，只写出合金元素符号及其含量。 如:W18Cr4V, W6Mo5Cr4V2 （二） 低合金钢 低碳，合金含量小于3%。主加元素为Mn其强化了铁素体， 提高了强度；V，Ti等元素使晶粒细化，使韧性提高。 具有较高的强度和屈强比；较好的塑性和韧性；良好的焊 接性；较低的缺口敏感性和冷弯后低的时效敏感性。 在建筑、桥梁、车辆、船舶中应用广泛. 船舶桥梁 Q345 Q420 （三）机械结构用合金钢 n 主要用于制造各种机械零件，其质量等 级都属于特殊质量等级，大多需要经热处理 后才能使用，按用途、热处理特点可分为渗 碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢、超高 强度钢等。 1、合金渗碳钢 含碳量为0.1%-0.25%,以保障心部具有足够的韧性，合 金含量小于3%。主加元素为Cr、Mn、钛、钒，提高了淬透性 ，使晶粒细化，耐磨性提高。 主要用于表面要 求硬而耐磨，心部具 有足够强度和韧性的 零件，如：汽车变速 箱的齿轮等。 以20Cr、20CrTiMn 为最广。 变速齿轮 拨叉 1、合金渗碳钢 热处理一般是渗碳后 直接淬火或渗碳后二次 淬火加上低温回火。 热处理后的表层组织 是：高碳回火马氏体+未 溶合金渗碳体+少量残余 奥氏体，硬度58-64HRC 。 心部组织视钢的淬透 性性高低及零件尺寸的 大小而定，可以得到低 碳回火马氏体或珠光体 加铁素体组织。 变速齿轮拨叉 2、合金调质钢 合金调质钢指经过调质后使用的合金钢。调质钢具有良 好的综合力学性能。主要用于制造在重载下同时又受冲击载 荷作用的一些重要零件。如制造汽车、拖拉机、机床上的齿 轮、轴类件、连杆等。 曲轴 连杆 2、合金调质钢 含碳量为0.3%-0.5%,含碳量过低，回火后强度、硬度不 足；含碳量过高，则塑性、韧性不够。 加入的主要合金元素是Cr、Ni、Si、Mo、B等，主要是提 高淬透性，加入W、V、Ti等元素可形成稳定的合金碳化物， 阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒及防止回火脆性。 合金调质钢的最终热处理为淬火后高温回火。回火温度 一般是500-650.热处理后的组织是回火索氏体。 曲 轴 连 杆 3、合金弹簧钢 它具有高的弹性、疲劳强度及冲动韧度。含碳量为0.45%- -0.7%,主加元素为Cr、Mn、Si等以提高淬透性和弹性极限。 合金弹簧钢是一种 专用结构钢，主要用于 制造各种弹簧和弹性元 件。 拉力弹簧 离合器弹簧 3、合金弹簧钢 合金弹簧钢热处理一般是淬火后中温回火，获得回火托氏 体组织。截面尺寸8mm的大型弹簧常在热态下成型，即把钢 加热到比淬火温度高50-80热卷成型，利用成型后的余热立 即淬火与回火。 拉力弹簧 离合器弹簧 截面尺寸8mm的弹簧常采 用冷拉钢丝冷卷成型，通常 也进行淬火与中温回火或去 应力退火处理 4、滚动轴承钢 主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、 滚柱、滚针）、内外套圈等，属专用 结构钢。 碳质量分数一般为0.95%1.15%，以保证其高硬度、高耐 磨性和高强度。铬为基本合金元素 ，铬含量为0.90%1.65%。 高碳低铬。 如：GCr15 数字铬含量为千分之几 滚动轴承钢编号： G+Cr+数字（Cr含量为千分之几）+合金元素符号+数字 GCr15SiMn 4、滚动轴承钢 滚动轴承钢必须具有高而均匀的硬度和耐磨性、高的接 触疲劳强度、足够的韧性和对大气的耐蚀性能。 滚动轴承钢的最终热处理是淬火后 低温回火，得到极细的回火马氏体、 均匀分布的细粒状碳化物及微量的残 余奥氏体，硬度为61-65HRC。 精密轴承为保证尺寸的稳定性、可 在淬火后进行冷处理（-60-80） 然后进行低温回火。 5、超高强度钢 超高强度钢一般指抗拉强度超过1500MPa或屈服强度 超过1380MPa的合金结构钢。 n特点： 具有很高的强度和足够的韧性、疲劳强度极限极高 ，在静载荷和动载荷条件下，能承受很高的工作应力。 超高强度钢通常按化学成分和韧性化机制分为低合 金超高强度钢、二次硬化型超过强度钢、马氏体时效钢 和超过强度不锈钢等四类。 5、超高强度钢 低合金超高强度钢是在合金调质钢基础上加入一定 量合金元素而成。含碳量0.45%，以保证足够的塑性和 韧性。合金元素总量在5%左右，其主要作用是提高淬透 性、回火稳定性和韧性。热处理工艺是淬火和回火。 如：30CrMnSiNi2A 热处理后抗拉强度为1700 1800MPa。 5、超高强度钢 二次硬化型超过强度钢含有强碳化物形成元素，其 合金总量5%10%。这类钢经过高温淬火和三次高温（ 580600）回火后，获得高强度、抗氧化性和抗热疲劳 性。 如： 4CrMoSiV(平均含碳量为千分之几) 马氏体时效钢含碳量极低。含碳量0.03%，主要是 Fe-Ni基超低碳高合金超高强度钢，通过马氏体转变和时 效析出金属化合物而达到强化效果。 如：Ni18Co9Mo5TiAl 超过强度不锈钢兼有较高的强度和良好的耐腐蚀性能 。 （二） 合金工具钢 合金工具钢是制造刃具、量具和模具的钢种。不仅有 更高的硬度和耐磨性,还具有更高的红硬性。 1、合金刃具钢 用途：主要用于制造各种 金属切削刀具，如车刀、铣刀 、钻头等。 性能： （1）高硬度，60HRC以上； （2）高的耐磨性； （3）高热硬性 ； （4）足够的塑性和韧性 。 铣刀 英制模板刀 合金工具钢的种类及牌号 (1) 低合金刃具钢 (2) 高速钢 最高工作温度不超过300 。 高碳：碳质量分数为0.9%-1.1%，以保证高硬度和高耐磨性。 Cr、Mn、Si主要是提高钢的淬透性，Si还能提高钢的回火稳定性； W、V能提高硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持细小的晶粒。 高速钢是高合金刃具钢，具有很高的热硬性，高速切削中刃部温度 达600 时，其硬度无明显下降。 高碳：碳质量分数在0.70%以上，最高可达1.5%左右， 加入Cr、W、Mo、V等合金元素： Cr 提高淬透性。 W、Mo 保证高的热硬性。 V 提高耐磨性，细化晶粒。 （如：9SiCr 、9Mn2V） （如：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2 ） 2、合金量具钢 用途：量具用钢用于制造各种测量工具，如卡尺、千分尺、 块规。 性能要求：(1) 高硬度（大于56 HRC）和高耐磨性； (2) 高尺寸稳定性，在存放和使用过程中，尺寸不发生变 化。 螺纹规 游标卡尺 千分尺 3、合金模具钢 合金模具钢按其用途分为冷作模具钢和热作模具钢两大类 。 冷作模具钢 用途：冷模具用于制造 各种冷冲模、冷镦模、冷挤 压模和拉丝模等，工作温度 不超过200 300 。 热作模具钢 如：9Mn2V、CrWMn 用途：热作模具钢用于制造各 种热锻模、热压模、热挤压模和压 铸模等，工作时型腔表面温度可达 600 以上。 如：5CrMnMo、5CrNiMo 性能要求： 高硬度，5862 HRC; 高耐磨性; 足够的韧性和疲劳抗力 四、特殊性能钢 特殊性能钢是指具有特殊物理、化学、力 学性能的一种高合金钢。它主要包括不锈钢、 耐热钢、耐磨钢。 （一）不锈钢 不锈钢是在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐 蚀的一种高合金钢。 n 不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐等溶液 ，或其他腐蚀介质中具有一定化学稳定性的钢的 总称。耐大气、蒸汽和水等弱介质腐蚀的称为不 锈钢，耐酸、碱和盐等强介质腐蚀的钢称为耐腐 蚀钢。不锈钢具有不锈性，但不一定耐腐蚀，而 耐腐蚀钢则一般都具有较好的不锈性。 n 根据化学成分不同，可分为马氏体不锈钢，铁 素体不锈钢，奥氏体不锈钢。 1.马氏体型不锈钢 如：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13 含碳为0.1%0.4%,含铬为12%13%.主要用于力学性能要 求不高,耐蚀性要求较低的零件。 n马氏体不锈钢含碳量较高，含铬量较低。它的强度、硬 度、耐磨性随含碳量的增加而提高，而耐蚀性、焊接性 却降低。 n 可根据含碳量制作汽轮机叶片、医疗器械、量具、不 锈钢轴承、弹簧等。 2.铁素体型不锈钢 n 铁素体型不锈钢，含碳量低，它的内部显微组织为铁 素体，其铬的质量分数在1230%范围内。 n 随着铬含量的提高，其耐酸性能也提高，加入钼、钛 后，则可提高耐酸腐蚀性和抗应力腐蚀的能力。 n这类不锈钢的标准牌号有： 1Cr17、1Cr17Ti9等。 特点： 冷热加工性能良好，具有良好的耐蚀性能和抗氧化性 能，是硝酸和氮肥工业中的优良用材。 铁素体不锈钢其抗应力腐蚀性能优于奥氏体不锈钢， 价格比奥氏体不锈钢便宜。但存在可焊性差、脆性倾向 比较大的缺点，生产和使用受到限制。 3.奥氏体不锈钢 n 奥氏体不锈钢应用最广，因含碳量很低，有 很好的耐蚀性及耐热性，焊接性也好，但切削性 很差（塑性、韧性太好）。 n 可制作食品设备、耐酸容器、输送管道、医 疗器械、耐热设备等。 n 钛可提高耐腐蚀性和耐晶间腐蚀倾向。 在奥 氏体型不锈钢中加入23%的钼()和铜( )能显著提高了对稀硫酸、磷酸和尿素的 耐腐蚀 性。 常用奥氏体型牌号: 0Cr19Ni9、1Cr19Ni9、1Cr18Ni9Ti。 用途: 化工容器、管道、食品设备等。 大型化工储罐(304) 管板换热器 ( 304 ) （二）耐磨钢 （就是高锰钢 如:ZGMn13 ） 铁轨分道叉 破碎机颚板 挖掘机斗齿 履带 （三） 耐热钢 n 在高温条件下，具有抗氧化性和足够的高温 强度以及良好的耐热性能的钢称作耐热钢。 耐热钢包括抗氧化钢和热强钢两类。 n成分特点：加入硅、铬、铝形成稳定的氧化物保 护膜；加入钛、钨、钼提高高温强度。 n应用：热工动力机械（蒸汽机、燃气轮机、锅炉 和内燃机）、化工机械、石油装置和加热炉等高 温条件工作的构件。 返回 耐热钢的用途 发动机叶片 航空发动机 汽轮机叶片 汽车阀门 五、铸铁 铸铁是碳质量分数大于2.11%、并常含有较 多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。 铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜，并 具有许多优良的使用性能和工艺性能，常用于 制造机床的床身、床头箱,发动机的汽缸体、机 器的底座等，是工程上最常用的金属材料之一 。 启动阀 箱体 1、铸铁分类 根据碳在铸铁中存在形式式不同，可分三大类： （1）白口铸铁 （2）灰口铸铁 （3）麻口铸铁 C C的存在形式：的存在形式：渗碳体渗碳体(Fe3C)(Fe3C)，断口为白色断口为白色。 性能硬而脆，难以切削加工。主要用作炼钢原料，高耐磨零性能硬而脆，难以切削加工。主要用作炼钢原料，高耐磨零 件（如轧辊、犁铧等）。件（如轧辊、犁铧等）。 C的存在形式：石墨，断口为灰黑色。 C C的存在形式：的存在形式：石墨+渗碳体，断口为黑白色。，断口为黑白色。 灰铸铁是铸造性能最好，应用最广泛的铸铁材料 。 性能：脆性大，很少使用。 根据石墨（G）在铸铁中存在形态，可分为 ： 灰铸铁：石墨呈片状 可锻铸铁：石墨呈团絮状 蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状 球墨铸铁：石墨呈球状 2、铸铁的种类 （一)灰 铸 铁 1 1、灰铸铁的组织、灰铸铁的组织 灰铸铁有铁素体、珠光体、(铁素体+珠光体)+ 石墨三种基本组织。 F+片状石墨（F+PF+P）+ +片状石墨片状石墨P+P+片状石墨片状石墨 2.灰铸铁的化学成分 碳一般控制在：2.5%3.6% 硅一般控制在：1.0%2.5%。 v 锰是阻碍石墨化的元素，能溶于铁素体和渗碳体中，增 强铁、碳原子间的结合力，阻止共析转变时的石墨化，促 进珠光体基体的形成。锰含量一般为0.5%1.3%。 v 磷是促进石墨化的元素。铸铁中磷含量增加时，液相线 降低，从而提高了铁水的流动性。在铸铁中，磷含量大于 0.3%时，常常形成二元或三元磷共晶体，其性能硬而脆， 降低铸铁的强度，但提高其耐磨性。所以，要求铸铁有较 高强度时，要限制磷含量（一般在0.12%以下），而耐磨 铸铁则要求有一定的磷含量（可达0.3%以上）。 由于石墨片对钢基体产生的割裂作用，破坏了钢基体的 连续性、完整性，减少了钢基体的有效面积，使其抗拉强 度低于钢、而塑性和韧性近于零，属于脆性材料。 3、灰铸铁的性能与应用 灰铸铁具有非常优良的铸造性能。抗压强度与钢相近， 因此普通灰铸铁广泛用于作承受压力载荷的零件和结构， 如机座、机床床身、轴承等。 叶轮 发动机飞轮 4 4、灰铸铁的牌号、灰铸铁的牌号 HT+三位数字，数字表示最低抗拉强度。 。 6.6.灰铸铁的热处理灰铸铁的热处理 如：HT150，HT200，HT250 热处理只能改变基体组织，不能改变石墨的 形态和分布，对提高性能效果不大。通常对其进 行热处理的方法和平共处目的是： 1、消除内应力退火：消除内应力 2、高温退火：消除白口组织 3、表面淬火：提高表面硬度、耐磨性和疲劳强度。 5.灰铸铁的孕育处理 n 在浇注前向铁水中加入少量孕育剂（如硅铁、 硅钙合金等），来改变铁水的结晶条件，从而得 到细小均匀分布的片状石墨和细小的珠光体组织 。 n孕育目的：使铁水内同时生成大量均匀分布的非 自发核心，以获得细小均匀的石墨片，并细化基 体组织，提高铸铁强度；避免铸件边缘及薄断面 处出现白口组织，提高断面组织的均匀性。 n孕育铸铁具有较高的强度和硬度，可用来制造机 械性能要求较高的铸件，如汽缸、曲轴、凸轮、 机床床身等，尤其是截面尺寸变化较大的铸件。 (二)球墨铸铁 n 球墨铸铁的石墨呈球状，使其具有很高 的强度，又有良好的塑性和韧性。其综合机 械性能接近于钢，因其铸造性能好，成本低 廉，生产方便，在工业中得到了广泛的应用 。 1、球墨铸铁的成分 球墨铸铁的成分要求比较严格，一般范围是： 3.8%4.0%C, 2.0%2.8%Si, 0.6%0.8%Mn, 0.04%S, 0.1%P。 2、球化处理 球墨铸铁的的球化处理必须伴随着孕育处理 ，通常是在铁水中同时加入一定量的球化剂和孕 育剂。 我国普遍使用稀土镁球化剂。镁是强烈阻碍 石墨化的元素，为了避免白口，并使石墨球细小 、均匀分布、一定要加入孕育剂。常用的孕育剂 为75%硅铁和硅钙合金等。 球墨铸铁 3、生产方法 ： 在浇注前向铁水中加入一定量的球化剂而直接获 得球状石墨,得到球墨铸铁. 4、球墨铸铁的组织 5、性能 不同基体的球墨铸铁，性能差别很大。珠光体球 墨铸铁的抗拉强度比铁素体基体高50%以上，而铁 素体球墨铸铁的延伸率为珠光体基的3-5倍。 6、球墨铸铁的牌号 7、球墨铸铁的和机械性能 用“QT”标明，其后两组数值表示最低抗拉强度和延伸率 。 QT420-10、QT600-2、QT800-2 如: 机械性能 牌号基体 b MPa 0.2 MPa 5 % ak kJ/m2 HB应应 用 举举 例 QT400-17铁铁素体40025017600179 汽车车、拖拉机床底盘盘零件 ；16-64大气压阀门压阀门 的阀阀体 、阀阀盖 QT420-10铁铁素体42027010300207 QT500-5 铁铁素体+ 球光体 5003505 147 241 机油泵齿轮泵齿轮 QT600-2球光体60042022297 302 柴油机、汽油机曲轴轴； 磨床、铣铣床、车车床的主轴轴； 空压压机、冷冻冻机缸体、缸套 QT700-2球光体7004902 2297 302 QT800-2球光体80056022417 321 8、球墨铸铁的热处理 退火 900950、2h5h 目的在于获得铁素体基 体。 为了获得塑性好的铁素体基体，并改善切削性 能，消除铸造应力。 正火 880920，空冷。目的在于得到珠光体基体 （占基体75%以上），并细化组织，提高强度和耐磨性。 调质 要求综合机械性能较高的球墨铸铁零件，如连杆 、曲轴等，可采用调质处理。 处理工艺：加热到850900，使基体转变为奥氏体， 在油中淬火得到马氏体，然后经550600回火，空冷 ，获得回火索氏体+球状石墨。 回火索氏体基体不仅强度高，而且塑性、韧性比正火 得到的珠光体基体好。 8、应用 球墨铸铁具有较好的疲劳强度。可以用球 墨铸铁来代替钢制造某些重要零件，如曲轴 、连杆、轴等。 可锻铸铁是由白口铸铁通过退火处理得到的一种 高强铸铁。它有较高的强度、塑性和冲击韧性，可 以部分代替碳钢。可锻铸铁依靠石墨化退火获得。 (三) 可锻铸铁 1、生产 可锻铸铁生产分两个步骤。 第一步，先铸造纯白口铸铁，不允许有石墨出现，否则在 随后的退火中，碳在已有的石墨上沉淀，得不到团絮状 石墨。 第二步，进行长时间的石墨化退火处理。将白口铸铁加热 到900960，长时间保温，使共晶渗碳体分解为团 絮状石墨，完成第一阶段的石墨化过程。随后以较快的 速度（100/h）冷却通过共析转变温度区，得到珠光 体基体的可锻铸铁。若第一阶段石墨化保温后慢冷，使 奥氏体中的碳充分析出，完成第二阶段石墨化，并在冷 至720760后继续保温，使共析渗碳体充分分解， 完成第三阶段石墨化，在650700出炉冷却至室温 ，可以得到铁素体基体的可锻铸铁。 2.可锻铸铁的组织 可锻铸铁有铁素体和珠光体两种基体。 3、可锻铸铁的牌号 4、可锻铸铁的性能及应用 可锻铸铁较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分 代替碳钢。可锻铸铁不可锻。 铁素体可锻铸铁以“KT”表示，珠光体可锻铸铁以 “KTZ”表示。其后的两组数字表示最低抗拉强度和延伸 率。 如：KT350-10、KTZ600-3 可锻铸铁的牌号和机械性能 n 由于可锻铸铁中的石墨呈团絮状，对基体 的割裂作用较小,因此它的力学性能比灰铸铁 高，塑性和韧性好，但可锻铸铁并不能进行 锻压加工。可锻铸铁的基体组织不同，其性 能也不一样，其中黑心可锻铸铁具有较高的 塑性和韧性，而珠光体可锻铸铁具有较高的 强度，硬度和耐磨性。 5.性能和用途 可锻铸铁常用来制造形状复杂、承受冲击和 振动载荷的零件，如汽车拖拉机的后桥外壳、管 接头、低压阀门等。这些零件用铸钢生产时，因 铸造性不好，工艺上困难较大；而用灰口铸铁时 ，又存在性能不能满足要求的问题。与球墨铸铁 相比，可锻铸铁具有成本低、质量稳定、铁水处 理简单、采用可锻铸铁更为适宜. (四)蠕墨铸铁 1、生产方法 ： 在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂而炼成的 ，其方法与程序与球墨铸铁基本相同。 2、蠕墨铸铁的组织 蠕墨铸铁的石墨具有介于片状和球状之间的中间形 态，其石墨片的长厚比较小，端部较钝。呈蠕虫状。 蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料。它的强度接 近于球墨铸铁，并且有一定的韧性、较高的耐磨性； 同时又有和灰口铸铁一样的良好的铸造性能和导热性 。 3、蠕墨铸铁的牌号、性能和应用 蠕墨铸铁以“RuT”表示，其后的数字表示最低抗拉 强度。 RuT300、RuT420 如： 蠕墨铸铁已成功地用于高层建筑中高压热交换 器、内燃机汽缸和缸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀 等铸件。 牌号 ： 性能 ： 应用： 进 气 管 (五）特殊性能铸铁 在铸铁中加入某些合金元素，得到一些具有各种特 殊性能的合金铸铁。 1、耐磨铸铁（加铬） 2、耐热铸铁 （Al、Si、Cr ） 扇形扩散器 衬板 3、耐蚀铸铁（加Si、 Al 、Cr、Cu、Ni ） 六、非铁金属材料 n钢铁是金属材料的主体,约占95；非铁金属材料约 占5，处于补充地位，但它的作用却是钢铁材料无 法代替的 n非铁金属是各种合金钢、合金铸铁的合金化元素。 由于资源及开发技术的限制，价格昂贵。 n许多非铁金属可以纯金属状态应用于工业和科学技 术中。如Au、Ag、Cu、Al用作电导体，Ti用作耐腐 蚀构件，W、Mo、Ta用作高温发热体，Al、Sn箔材用 于食品包装，Hg用于仪表，硅更是电子工业赖以生 存和发展的材料。 非铁金属 n一般分为： n轻金属:密度不大于4.5g/cm3，常用轻金属有铝、镁 、钛、钾、钠、钙、锂等； n重金属:密度大于4.5g/cm3，常用重金属有铜、铅、 锌、镍、钴、锑、锡、铋、汞、镉等； n贵金属:包括金、银、及铂族元素； n高熔点金属: 包括钨、钼、钽、铌、锆、铪、钒、 铼等； n稀有金属、半金属等 （一） 铝及铝合金 （1）工业纯铝的特性 n密度较小，约为2.7g/cm3 ；面心立方晶格，无同素 异晶转变。 n导电、导热性好，仅次于银、金、铜。 n抗大气腐蚀能力强，在空气中铝的表面生成致密的 氧化膜，保护了内部金属不被腐蚀钝化现象。 但铝不能耐酸、碱、盐的腐蚀。 n非磁性。 n强度、硬度低，塑性好，一般不宜作结构材料使用 。 1、工业纯铝的特性及牌号 （2）工业纯铝的分类及牌号 分类：工业纯铝分纯铝(99%wAL99.85)和高纯铝 (wAL99.85%)两类。 牌号： 变形铝的牌号用四位字符体系的方法命名，即用 1表示，牌号的最后两位数字表示铝百分含量 中小数点后的两位数字，第二位的字母表示原始纯 铝的改型情况，如为A，表示原始纯铝，若为其它字 母，则表示为原始纯铝的改型。如变形铝1A30表示 wAl=99.30%的原始纯铝。 n铝中加入硅、铜、镁、锌 、锰等合金元素，制成合 金。强度提高，还可以通 过变形，热处理进一步强 化。 n铸造铝合金：合金浓度大 于其饱和度时，有共晶体 存在。流动性好，适合铸 造复杂的零件。 n变形铝合金：合金浓度小 于其饱和度，形成均匀的 固溶体，有优良的塑性， 适宜压力加工。 2 2、铝合金的分类、铝合金的分类 （1）铸造铝合金 n 由于有共晶组织存在，适于铸造，称为铸造铝合 金。铸造铝合金中有成分随温度变化的固溶体，也 能用热处理强化。 n变质处理能使共晶体细化。 铸造铝合金的牌号 铸造铝合金主要有： 铝硅系、铝铜系、铝镁系及铝锌系四种，以 铝硅系应用最广泛。 代号用“ZL”加三位数字表示，第一位数表示合金类别 （1为铝硅系，2为铝铜系，3为铝镁系，4为铝 锌系），第二、三位数字为合金序号。例如ZL102表示2 号铝硅系铸造铝合金。 牌号由Z和铝的化学元素符号、主要合金元素符号及合 金元素名义百分含量的100倍的数字组成。 变形铝合金按性能特点分为四类 防锈铝合金LF 硬铝合金LY 超硬铝合金LC 锻铝合金LD （3）防锈铝合金 防锈铝合金中主要合金元素是锰和镁。锰提高抗 蚀能力，并起固溶强化作用。镁固溶强化，同时降 低比重。 n 防锈铝合金锻造退火后是单相固溶体，抗蚀性能 高，塑性好。不能进行时效硬化，属于不可热处理 强化的铝合金，但可冷变形，利用加工硬化提高强 度。 n 抗蚀性和强度比纯铝高, 有良好的塑性和焊接性 能, 但因太软而切削加工性能不良。 用于焊接件、 容器、管道，或需用深延伸、弯曲等方法制造的低 载荷零件、制品以及铆钉等。 防锈铝的应用 （4）硬铝合金 n 硬铝合金为Al-Cu-Mg系合金, 另含有少量 锰。它们可以进行时效强化，属于可热处理 强化的铝合金 。 （5）超硬铝合金 n 超硬铝合金为Al-Mg-Zn-Cu系合金, 含有少量 的铬和锰。牌号有LC4、LC9等。合金经固溶处理 和人工时效后，可获得很高的强度和硬度，是强 度最高的一类铝合金。但这类合金的抗蚀性较差 ，高温下软化快。 超硬铝合金 n超硬铝合金多用于制造受力大的重要构件，例如 飞机大梁、起落架等。 6.锻铝合金 n 锻铝合金为Al-Mg-Si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni -Fe系合金。牌号有LD5、LD7、LD8等。合 金的元素种类多但用量少，有良好的热塑 性、铸造性能和锻造性能，并有较高的机 械性能。 n 这类合金主要用于承受重载荷的锻件和 模锻件，通常要进行固溶处理和人工时效 。 天然氧化铝刚玉 红宝石（Al2O3） 蓝宝石（Al2O3） （二）、铜及铜合金 1、铜及铜合金的特性 （1）优异的物理、化学性能 纯铜导电性、导热性极佳，铜合金的导电 、导热性也很好。铜及铜合金对大气和水的抗蚀 能力很高。铜是抗磁性物质。 （2）良好的加工性能 塑性很好，容易冷、热成形；铸造铜合金 有很好的铸造性能。 （3）某些特殊机械性能 例如优良的减摩性和耐磨性(如青铜及部分 黄铜)，高的弹性极限和疲劳极限(如铍青铜等) 。 （4）色泽美观 2、纯铜分类、用途及牌号 n1、工业纯铜分类 分类 纯铜呈紫红色，常称紫铜。分末加工产品 （铜锭、电解铜）和加工产品（铜材）两种 。产品代号有T1、T2、T3三种。代号中数字 越大，表示杂质含量越多，导电性越差。 用途 主要用于制作各种导电材料、导热材料及 配制各种铜合金。 铜的应用 铜合金分类 n按化学成分铜合金分为: 黄铜（铜锌合金）、青铜 n青铜是以除锌和镍以外的其它元素作为主要 合金元素的铜合金。 n按其所含主要合金元素的种类可分为: 锡青铜、铅青铜、铝青铜、铍青铜 3、黄 铜 n黄铜：以