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项目2 工程材料及热处理 机械制造 林承全 严义章 主编 机械工业出版社 2010.7 祝大家学习进步！ 为学须用毕生力 攀高贵在少年时 愿知识之泉， 经书籍之渠而奔流进你的心田！ 国家级“十二五”规划教材 基于工作过程的项目教材 1 项目2 工程材料及热处理 /lin8188 项目 2 工程材料及热处理 2 项目2 工程材料及热处理 2.1 合金钢和非合金钢 钢：是指以铁为主要元素，碳的质量分数Wc0.60%） 8 项目2 工程材料及热处理 2.1 合金钢和非合金钢 2.按钢的用途分类 碳素结构钢 主要用于制作机械零件，工程结构件，一般 为低、中碳钢。 碳素工具钢 主要用于制作刀具、量具和模具。一般属于 高碳钢。 3.按钢的主要质量等级分类 按钢中有害杂质硫、磷含量分为： 普通钢:Ws=0.035%0.050% Wp=0.035%0.045% 优质钢: Ws、Wp均0.035% 高级优质钢: Ws=0.020%0.030% Wp=0.025%0.030% 特级优质钢: Ws0.015%Wp0.025% 此外，钢按冶炼方法不同；可分为转炉钢和电炉钢；钢按冶炼时 脱氧程度的不同，可分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静 钢等。 9 项目2 工程材料及热处理 2.1 合金钢和非合金钢 二、非合金钢的编号 （1）碳素结构钢:牌号以 “Q+数字+字母+字母”表示。 其中，“Q”字是屈服点“屈”字的汉语拼音字首，数字表 示屈服点值。数字后标注的第一个字母A、B、C、D，表 示钢材质量等级不同，从A到D含磷、硫量的依次降低，A 级质量最差，D级质量最好。 若为沸腾钢在钢号后加“F”；半镇静钢在钢号后加“b”；镇 静钢则不加任何字母或加字母Z；TZ表示特种镇静钢。例 如：Q235AF即表示屈服点值为235MPa的A级沸腾钢。 10 项目2 工程材料及热处理 （P29） 11 项目2 工程材料及热处理 2.1 合金钢和非合金钢 用途 钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。 建筑构件钢桥梁 12 项目2 工程材料及热处理 不大于 13 项目2 工程材料及热处理 屈服点断后伸长率 14 项目2 工程材料及热处理 2.1 合金钢和非合金钢 2.优质碳素结构钢:牌号是采用两位数字表示钢中平 均碳质量分数的万倍。例如45钢中平均碳的质量分数 WC为0.45%；08钢表示钢中平均碳的质量分数WC为 0.08%。 这类钢按含锰量不同，分为普通含锰量（0.35- 0.8%）和较高含锰量(0.7-1.2%)两组。含锰量较高的 一组，在钢号后加“Mn”。若为沸腾钢，则在数字后加 “F”，如08F为含碳量为0.08的沸腾钢。 这类钢随 钢号的数字增加，含碳量增加，组织中的珠光体量增 加，铁素体量减少。因此，钢的强度硬度也随之增加 ，而塑性指标随之降低。 15 项目2 工程材料及热处理 特性：与碳素结构钢相比，夹杂物较少，质 量较好。力学性能根据碳质量分数不同有较差异 。 应用：主要用于机械零件，一般都要经过热 处理后使用。 16 项目2 工程材料及热处理 2.1 合金钢和非合金钢 典型优质碳素钢的应用： 08F钢，碳质量分数低，塑性好，强度低，轧成薄 板，主要用于冷冲压件如家电、汽车和仪表外壳； 20钢，冷塑性变形和焊接性好可用于强度要求不高 的零件及渗碳零件，例如机罩、焊接容器，小轴、螺 母、垫圈及渗碳齿轮等； 45钢，经调质后可获得良好的综合力学性能，中碳 钢主要用于受力较大的机械零件，如齿轮、连杆、轴 等； 65钢（65Mn）钢具有较高的强度；可用于制造各 种弹簧、机车轮缘、低速车轮等。 17 项目2 工程材料及热处理 2.1 合金钢和非合金钢 用途：较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。 汽车曲轴 18 项目2 工程材料及热处理 2.1 合金钢和非合金钢 3.碳素工具钢 牌号表示方法：用“碳”字汉语拼音字母字首“T”加 上数字表示。数字表示钢平均含碳量的千分数。例如 T12钢表示Wc=1.2%的碳素工具钢。如果牌号未尾处 写上“A”，则表示钢中含硫、磷量较少，为高级优质钢 ，如末尾处加上“Mn”,则表示含锰量较高。 19 项目2 工程材料及热处理20 项目2 工程材料及热处理 2.1 合金钢和非合金钢 特性：碳素工具钢（非合金工具钢）的 Wc=0.65%1.35%，特点是生产成本低，加工性能 优良、强度、硬度较高，耐磨性好，但塑韧性较差。 应用：适用于各种手用工具。此类钢一般以退火 状态供应市场。使用时再进行适当的热处理。 21 项目2 工程材料及热处理 碳素工具钢的化学成分和性能（淬火后HRC62) 钢号C, %Mn, %Si, % S, % P, % 退火后 HBS, 水冷淬火 温度， T7 T8 T8Mn T9 T10Mn T10 T12 T13 0.65-0.74 0.75-0.84 0.80-0.90 0.85-0.94 0.95-1.04 0.95-1.04 1.15-1.24 1.25-1.35 0.40 0.40 0.40-0.60 0.40 0.40-0.60 0.40 0.40 0.40 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.030 0.030 0.030 0.030 0.030 0.030 0.030 0.030 0.035 0.035 0.035 0.035 0.035 0.035 0.035 0.035 187 187 187 192 19 207 207 217 800-820 780-800 780-800 760-780 760-780 760-780 760-780 760-780 表2.4 碳素工具钢的化学成分和性能（淬火后HRC62) 22 项目2 工程材料及热处理 应用（书上37页表2.3） 23 项目2 工程材料及热处理 用途 冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。 螺纹量规 24 项目2 工程材料及热处理 2.1 合金钢和非合金钢 4.铸造碳钢 牌号表示方法：用“铸”和“钢”两字汉语拼音字母字 首“ZG”后加两组数字表示，第一组数字表示屈服点的 最低值，第二组数字表示抗拉强度的最低值。例如 ZG200-400，表示s200MPa，b400MPa的铸钢 。 25 项目2 工程材料及热处理26 项目2 工程材料及热处理 2.1 合金钢和非合金钢 特性：铸钢碳的质量分数一般为0.15%0.6%。铸 钢的铸造性能比铸铁差，但力学性能比铸铁好 应用：铸钢主要用于制造形状复杂，力学性能要求 高，而在工艺上又很难用锻压等方法成形的比较重 要的机械零件，例如汽车的变速箱壳，机车车辆的 车钩和联轴器等。 27 项目2 工程材料及热处理 工程用铸铸造碳钢钢的牌号、化学成分、力学性能及应应用举举例（摘自GB/T 11352-1995） 牌号 化学成分/ 室温力学性能（不小于） 用途举例 C Si Mn P、 S s(r0.2） MPa b MPa /% /% AK V J 不大于 不小于 ZG200 400 0.2 0 0.5 0 0.80 0.04 200 400 25 40 30 良好的塑性、韧性和焊接性，用于受力不大的 机械零件，如机座、变速箱壳等 ZG230 450 0.3 0 0.5 0 0.90 0.04 230 450 22 32 25 一定的强度和好的塑性韧性焊接性。用于受力 不大、韧性好的机械零件，如外壳、轴承盖等 ZG270 500 0.4 0 0.5 0 0.90 0.04 270 500 18 25 22 较高的强度和较好的塑性，铸造性良好，焊接 性尚好，切削性好。用于轧钢机机架、箱体等 ZG310 570 0.5 0 0.6 0 0.90 0.04 310 570 15 21 15 强度和切削性良好，塑性、韧性较低。用于载 荷较高的大齿轮、缸体等 ZG340 640 0.6 0 0.6 0 0.90 0.04 340 640 10 18 10 有高的强度和耐磨性，切削性好，焊接性较差 ，流动性好，裂纹敏感性较大。用作齿轮、棘 轮等 28 项目2 工程材料及热处理 2.1.3 常用合金钢 随着现代工业和科学技术的不断发展，在机械制造中，对 工件的强度、硬度、韧性、塑性、耐磨性以及其他各种物理化 学性能的要求愈来愈高，碳钢已不能完全满足这些要求了。 原因 ： （1）由碳钢制成的零件尺寸不能太大。否则，因淬透性不够 而不能满足对强度与塑性、韧性的要求。加入合金元素可增大 淬透性。 （2）用碳钢制成的切削刀具不能满足切削红硬性的要求。用 合金工具钢、高速钢和硬质合金。 （3）碳钢不能满足特殊性能的要求，如要求耐热、耐低温、 抗腐蚀、有强烈磁性或无磁性等等，只有特种的合金钢才能具 有这些性能。 29 项目2 工程材料及热处理 2.1.3 常用合金钢 1、合金元素对钢中的基本相的影响 合金钢中常用的合金元素很多，按照其与碳结合的 倾向大小，可分 为 非碳化物形成元素（Co、Ni、Si、 Cu、B等）；碳化物形成元素（Ti、V、W、Mo、Cr、 Mn等）。 合金元素在钢中的存在形式有： 溶解于钢中的基本相（铁素体、奥氏体和渗碳体） 、形成特殊碳化物（如VC、TiC、Cr23C6等） 30 项目2 工程材料及热处理 影响： （1）强化铁素体：非碳化物形成元素和大部分的锰基本上都 溶解于铁素体（或奥氏体）中而形成合金铁素体（或合金奥氏体 ），并产生固溶强化的作用，使合金铁素体的强度、硬度升高， 塑性和韧性下降（Cr、Ni、Mn含量少时略有上升）。其中，Si、 Mn、Ni的强化作用较大。 （2）形成碳化物：碳化物形成元素（除锰外），当含量较低 时，主要是溶入Fe3C中而形成合金渗碳体。合金元素的溶入大大 地提高了渗碳体的稳定性。当一些强碳化物形成元素（如Cr 、Ti 、V、W、Mo等）的含量较高时，它们还会形成新的稳定性较高 或很高的特殊碳化物，如Cr23C6、WC、VC、TiC等。这一类特殊 碳化物的特点是高熔点、高硬度。是钢中常用的强化相，随碳化 物含量增多，钢的硬度、强度提高，塑性、韧性下降。 31 项目2 工程材料及热处理 2、合金元素对FeFe3C相图的影响 （1）对奥氏体相区的影响。合金元素的影响主要 表现在扩大或缩小相区。 一些合金元素如Mn、Ni、等将扩大相区使As线 下降（P52） 而另一些合金元素如Cr、Mo、V、Ti、Al、等则 缩小相区并导致As线上升。（P53） （2）对S、E点的影响。扩大或缩小相区的结果 ，必然使FeFe3C相图中的S点、E点和C点的成分 和温度发生变化。几乎所有的合金元素都使铁碳相图 中S点、E点左移，其中以强碳化物形成元素的作用最 为显著。 32 项目2 工程材料及热处理 3、合金元素对热处理的影响 合金元素对热处理相变过程的影响主要在于对奥氏体 形成速度和奥氏体晶粒长大的影响。（P53） 合金元素对过冷奥氏体转变的影响：最突出的作用是 使C曲线向右移（除钴外），增加过冷奥氏体的稳定性， 因而，提高了钢的淬透性。常用的元素有：Cr、Mn、SI 、NI和B。 不利方面：使回火脆倾性增大，但一些元素如W、Mn 能减弱或防止第二类脆性。 33 项目2 工程材料及热处理 合金元素对回火转变过程的影响表现在三个方面： （1）提高钢的回火稳定性 这主要表现为合金元素在回火过程中推迟了马氏体的分 解和残余奥氏体的转变，提高了铁素体的再结晶温度，使碳 化物难以聚集长大而保持较大的弥散度，从而提高了钢对回 火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。 （2）产生二次硬化 一些合金元素加入钢中，在回火时，钢的硬度并不是随 回火温度的升高一直降低的，而是在达到某一温度后，硬度 开始增加，并随着回火温度的进一步提高，硬度也进一步增 大，直至达到峰值。这种现象称为回火过程的二次硬化。 34 项目2 工程材料及热处理 回火二次硬化现象与合金钢回火时析出物的性质 有关。当回火温度低于约450时，钢中析出渗碳体 ，在450以上渗碳体溶解，钢中开始沉淀析出弥散 稳定的难熔碳化物Mo2C、VC等，使钢的硬度开始升 高，而在550600左右沉淀析出过程完成，钢的 硬度达到峰值。 （3）不利方面： 使回火脆倾性增大，但一些元素如W、Mn能减弱 或防止第二类脆性。 35 项目2 工程材料及热处理 2.1.4 低合金高强度结构钢 低合金钢是一类可焊接的低碳低合金结构钢。 1）低合金高强度结构钢的成分和性能特点 成分特点：在低碳钢（Wc0.2%）的基础上加入少 量的锰、硅、钛、钒、铌等合金元素而制成的钢。主要 是Mn元素，含量为0.8%1.7%。 性能特点：强度高，韧性好，塑性、焊接性、冷成形 性好，冷脆转变温度低，耐蚀性好，成本低。 36 项目2 工程材料及热处理 2）常用的低低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢的强度比低碳钢高出10% 30%，代替碳素结构钢，可大大减轻机件或结构件的 重量。例：南京长江大桥的桥梁采用Q345比用Q235 节省钢材15%以上。 广泛用于船舶、车辆、桥梁、压力容器等工程结 构件及低温下工作的构件等。 牌号方法与碳素结构钢基本相同。使用前不需要 经过热处理 37 项目2 工程材料及热处理 3） 机械结构用合金钢 合金钢是合金钢中用途最广，用量最大的一类钢，常 用于制造重要的机械零件。大多数需要经过热处理后才 能使用。根据热处理特点可分为： 合金渗碳钢 合金调质钢 合金弹簧钢等 常用合金结构钢牌号表示 38 项目2 工程材料及热处理 合金渗碳钢 (1）用途及性能要求 用途：汽车发动机、变速箱中的齿轮、内燃机凸 轮、活塞销等机械零件。 性能要求：零件表面高的硬度、高的耐磨性和耐 疲劳性能，心部高的韧性和足够的强度。 (2）成分、性能和热处理特点 成分、性能：Wc0.120.25,以保证零件心 部有良好的塑性和韧性。加入Cr（主要合金元素）、 Mn、Ni、B等以提高钢的淬透性，使回火后有较高 强度和韧性。 少量Ti、V、W、Mo可以细化晶粒，在 渗碳层获得均匀细小的耐磨碳化物。 热处理：渗碳后淬火、低温回火。其处理后特点 （35） 39 项目2 工程材料及热处理 (3）常用合金渗碳钢 低淬透性合金渗碳钢（如20Cr、20MnV） 中淬透性合金渗碳钢（如20CrMnTi）应用 最广泛。 高淬透性合金渗碳钢（如18Cr2Ni4WA） 三类。 40 项目2 工程材料及热处理41 项目2 工程材料及热处理 合金调质钢 (1）用途及性能要求 用途：汽车、机床等机器中重要的零件。 性能要求：良好的综合力学性能。 (2）成分、性能和热处理特点 成分、性能：Wc0.250.50，保证良好的综合 力学性能。加入Cr、Mn、Si、Ni、B等提高淬透性、强化 铁素体、细化晶粒、提高耐回火性等。 热处理调质处理，获得高强度、搞韧性的综合力学性 能。 (3）常用合金调质钢 低淬透性合金调质钢（如40Cr）最常用 中淬透性合金调质钢（如35CrMo、38CrMoAl） 高淬透性合金调质钢（如40CrNiMo、40CrMnMo） 42 项目2 工程材料及热处理 合金弹簧钢 (1）用途及性能要求 用途：机械和仪表中各种弹性元件。如汽车、坦 克等的减震板簧和螺旋弹簧、钟表发条等。 性能要求：高的弹性极限和屈强比、较高的疲劳 强度、足够的塑性和韧性。 (2）成分、性能和热处理特点 成分、性能：Wc0.450.7% ,保证高的弹性 极限。加入Mn、Si、Cr提高钢的淬透性，Mo、W、V、B 减少脱碳和过热倾向，提高弹性极限耐热性和耐回火 性。 热处理特点： 冷成形弹簧：去应力退火或淬火加中温回火。 热成形弹簧：淬火、中温回火 43 项目2 工程材料及热处理 (3）常用合金弹簧钢 硅锰系合金弹簧钢（如60Si2Mn广泛用于汽 车，拖拉机上的饿板簧、螺旋弹簧） 硅铬系合金弹簧钢 铬锰系合金弹簧钢和铬钒系合金弹簧钢（如 50CrVA）。 44 项目2 工程材料及热处理 常用弹簧钢及具体应用举例 65、65Mn、60Si2Mn、50CrVA。其中， 60Si2Mn 最常用。 汽车板簧火车螺旋弹簧 45 项目2 工程材料及热处理 滚动轴承钢 1）用途及性能要求 用途：制造各种滚动轴承的元件，如滚珠、滚柱和内外 套圈等。还可以制作模具和量具 性能要求：很高的强度、硬度、耐磨性，很高的接触疲 劳强度，一定的韧性和耐润滑剂腐蚀的能力。 2）成分、性能和热处理特点 成分、性能：Wc0.951.15，保证高硬度、高耐 磨性。Wc=0.4% 1.65%.提高淬透性,增加回火稳定性。加入 Cr、Si、Mn、Mo、V等合金元素，提高钢的淬透性、耐磨性和 接触疲劳强度。 热处理：预备热处理球化退火和最终热处理淬火与低温 回火。 3）常用轴承钢 高碳铬轴承钢（GCr15应用最广）和无铬轴承钢。 46 项目2 工程材料及热处理47 项目2 工程材料及热处理 应用举例 GCr15：中小型轴承，冷冲模，量具，丝锥。 滚珠轴承滚针轴承 滚柱轴承 48 项目2 工程材料及热处理 2、合金工具钢 与合金结构钢基本相同，含碳量表示有区别。Wc% 1%时，牌号前以千分数表示。 Wc%1%时，牌号前不标 数字。合金元素表示方法与结构钢相同。高速工具钢不 标含碳量。 主要用来制造刃具，模具，和量具。 合金元素的主要作用是增加钢的淬透性，耐磨性及 红硬性。与碳素钢相比，它适于制造形状复杂，尺寸较 大，切削速度较高或工作温度较高的工具和模具。 合金工具钢按用途分类（37） 49 项目2 工程材料及热处理量 具 刃 具 模 具 50 项目2 工程材料及热处理 （1）量具刃具钢 主要制造形状复杂、截面尺寸较大的低速切削刃具和机械制 造过程中控制加工精度的测量工具 卡尺、块规、样板等。 成分：Wc=0.9%1.5%， 加入少量合金Ge、Si、Mn、W等可以： a.提高淬透性。 b. 高耐磨性 c. 足够的强度和一定的韧性 保证刃具不断裂或崩刃 热处理:预备热处理球化退火,最终热处理淬火+低温回火。 51 项目2 工程材料及热处理 车刀铣刀钻头 最常用 52 项目2 工程材料及热处理 （2）合金模具钢 分类：热作模具钢:工作温度为600以上。 冷作模具钢:工作温度为200300以下。 1）热作模具钢：Wc=0.3%0.6%，用于制作高温金属成形的模具 ，如热锻模，热挤压模。（ 5 CrMnMo 5 CrNiMo ） 性能要求： 高温下具有高硬度、强度、韧性和高耐磨性; 良好的的热疲劳抗力( 防止龟裂 ) 高的淬透性和导热性;（38） 热处理方式（38） 53 项目2 工程材料及热处理 2）冷作模钢 性能要求 高的硬度, 62HRC; 高的耐磨性; 足够高的韧性与疲劳抗力; 热处理变形小 化学成分特点 高碳 12 %; 合金元素:Cr, Mo、W、V 典型牌号 低合金刃具钢 9Mn2、 CrWMn以及 Cr12型钢广泛用于制造各类冷作模具。 Cr12MoV 可作为冷镦模、冷冲模 热处理（38） 汽车冲压模具 54 项目2 工程材料及热处理 高速钢（W18Cr4V）化学成分特点 55 项目2 工程材料及热处理 应用举例： 9SiCr淬透性好，适用于做丝锥、板牙、钻头、铰刀等。 W18Cr4V用于制作高速切削工具：如车刀、铣刀、钻头等刀具。 车刀铣刀钻头 板牙 丝锥 56 项目2 工程材料及热处理 应用：各种热煅模、热挤 压模和压铸模等。 曲轴模具 汽车四缸压铸模汽车四缸压铸模 57 项目2 工程材料及热处理 2.1.5 特殊性能钢 分类：不锈钢 、耐热钢 、耐磨钢 （1）不锈钢 指在大气、水、酸、碱和盐溶液或其他腐蚀性介质 中具有高度化学稳定性的合金钢的总称。 常用的不锈钢（按组织分）: 马氏体型不锈钢 铁素体型不锈钢 奥氏体型不锈钢 58 项目2 工程材料及热处理 按成份分： 马氏体不锈钢 铬不锈钢 铁素体不锈钢 铬镍不锈钢：Wcr=18%20% Ni=8%12% 牌号：与合金结构钢基本相同。含碳量标为0（Wc0.08%）和 00（ Wc0.03% ） 59 项目2 工程材料及热处理 （2）耐热钢 1.定义:在高温下具有抗氧化性（热化学稳定性）和高温 强度（热强性）的特殊钢。 热化学稳定性指钢在高温下对各类介质化学腐蚀的抗力 。 热强性指钢在高温下的强度性能。 2.性能要求 抗氧化性 ( 热稳定性 )Cr、（Si、Al） 高温强度 ( 热强性 ) Ti、V、Mu 蠕变强度 持久强度 60 项目2 工程材料及热处理 钢种 热化学稳定钢（3Cr18Ni25Si） 热强钢（Cr12型、 Cr13型、 1Cr18Ni9Ti、1cr17等） 61 项目2 工程材料及热处理 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 62 项目2 工程材料及热处理 （3）耐磨钢 定义:在强烈冲击载荷作用下发生冲击形变 硬化的高锰钢。 球磨机 挖掘机颚式破碎机 63 项目2 工程材料及热处理 性能要求:高耐磨性、韧性。 化学成分特点: 高碳 Wc = 11.3 % 高锰 WMn = 1114 % 室温组织:过饱和单相奥氏体。 64 项目2 工程材料及热处理 铁路道岔 履带 球磨机衬板 挖 掘 机 铲 齿 高锰钢广泛用于既要求耐 磨又要求耐冲击的零件。如拖 拉机的履带板、球磨机的衬板 、破碎机的牙板、挖掘机的铲 齿和铁路的道岔等。 65 项目2 工程材料及热处理 2.2 铸铁和非铁合金 同钢一样，铸铁也是以Fe、C元素为主的 铁基材料，但是其还含有较多的Si、Mn、S、 P等元素。其含碳量Wc 2.11% （一般Wc为 2.54 ）。铸铁成形只能用铸造方法，不 能用锻或轧制方法。与钢相比，铸铁的强度低 、塑性、韧性差，但具有优良的铸造和切削加 工性能，减振性、减摩性好， 且价格低。所以 ，依然得到了普遍的应用。 66 项目2 工程材料及热处理 2.2.1 铸铁的石墨化 定义：铸铁组织中石墨的形成叫做“石墨化”过程。 C存在形式：在铁碳合金中，碳主要以两种形式存在 ，即化合状态的渗碳体和游离状态的石墨。少量溶于A 和F。 石墨结构：晶格形式为简单六方，如图所示。因其面 间距较大，结合力弱，故其结晶形态易发展成片状，且 强度、塑性和韧性极低，接近于零。 67 项目2 工程材料及热处理 1.铁碳合金双重相图 渗碳体是亚稳定相，石墨是稳定相。通常在铁碳合金相图中析出 渗碳体。但在极缓慢冷却或含有促进石墨形成的元素Si 等时，就直 接析出石墨相，而不再析出渗碳体。所以，铁碳合金的结晶过程， 实际上存在两种相图。 2.铸铁冷却和加热时的石墨化过程 按FeC系相图进行结晶。 Fe - Fe3CG 相图 Fe3C 亚稳定相 G 稳定相 68 项目2 工程材料及热处理 铁碳合金按照Fe-G相图进行结晶，则铸铁的石墨化过 程可分为如下三个阶段： 第一阶段：即在1153时通过共晶反应而形成石墨 第二阶段：即在范围内冷却过程中自奥氏体中不 断析出二次石墨。 第三阶段：即在时通过共析反应而形成石墨 69 项目2 工程材料及热处理 降温时石墨化过程降温时石墨化过程 按按Fe-G Fe-G 相图结晶、转变相图结晶、转变 G结晶：过共晶成分 L L + GI（液体中析出石墨） 共晶转变 L4.26 A2.08+G（共晶） (1154) G析出： AA+GII (1154738 ) 共析转变 A0.68F + G（共析） （ 738) 70 项目2 工程材料及热处理 3.影响铸铁石墨化的因素 （1）化学成分的影响 铸铁中的碳、硅、锰、硫、磷等元素对石墨化有不同影响 其中碳、硅、磷是促进石墨化的元素，锰和硫是阻碍石墨化 的元素 在一般铸造条件下，铸铁中较高的含碳量是石墨化的必要条 件，而一定的含硅量是石墨化的充分条件，碳与硅含量越高越 易石墨化；若碳、硅含量过低则易出现白口；如果碳、硅含量 过高，将导致石墨数量多且粗大，基体内铁素体量多，铸铁的 力学性能下降 71 项目2 工程材料及热处理 （2）温度及冷却速度的影响 铸件的冷却速度对石墨化的影响也很大，即冷却 愈慢，愈有利于扩散，对石墨化便愈有利，而快冷 则阻止石墨化 72 项目2 工程材料及热处理 2.2.2 常用铸铁 工业上使用的铸铁种类很多，按照石墨的形 态和组织性能，铸铁可分为： 灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 蠕墨铸铁 73 项目2 工程材料及热处理 （1）灰铸铁 碳主要以片状石墨形式出现的铸 铁； （2）可锻铸铁 碳主要以团絮状石墨形式出现 的铸铁； （3）球墨铸铁 碳主要以球状石墨形式出现的 铸铁； （4）蠕墨铸铁 碳主要以蠕虫状石墨形式出现 的铸铁。 74 项目2 工程材料及热处理 1、灰铸铁 1）灰铸铁的组织 灰铸铁组织由钢的基体和片状石墨两部分组成 的。在金相显微镜下观察，灰铸铁的石墨呈片状； 其基体可分为珠光体、珠光体十铁素体、铁素体三 种。 2）灰铸铁的性能 主要指力学性能 ：性能主要取决于基体组织及 石墨的形态、数量、大小和分布。石墨力学性能极 低，因此，灰铸铁抗拉强度、塑性、韧性比钢低。 75 项目2 工程材料及热处理 3）灰铸铁的孕育处理 为了提高灰铸铁的力学性能，生产上常采用孕育处理。它是在浇注前 往铁液中加入少量孕育剂(硅铁或硅钙合金)，使铁液在凝固时产生大 量的人工晶核，从而获得细晶粒珠光体基体加上细小均匀分布的片状 石墨的组织。经孕育处理后的铸铁称为孕育铸铁。 孕育铸铁具有较高的强度和硬度，各部 分界面上具有断面缺口敏感性小的特点，因 此孕育铸铁常用于力学性能要求较高，且断 面尺寸变化大的大型铸件。如机床床身等。 76 项目2 工程材料及热处理 4）灰铸铁的牌号和应用 u 灰铸铁牌号的表示方法 HT（表示“灰铁”拼音的字首）三位数字（表示最小抗拉强度值） 例如：HT100，HT200、HT300等（抗拉强 度 100、200、 300MPa） 77 项目2 工程材料及热处理 u常用灰铸铁的应用 HT100 低载荷和不重要零件，如盖、外罩、手轮、支 架、重锤等 HT150 承受中等应力（抗弯应力小于100MPa）的零 件，如支柱、底座、齿轮箱、工作台、刀架、端盖、阀 体、管路附件及一般无工作条件要求的零件 HT200、HT250 承受较大应力（抗弯应力小于300MPa ）和较重要零件，如汽缸体、齿轮、机座、飞轮、床身 、缸套、活塞、刹车轮、联轴器、齿轮箱、轴承座、液 压缸等 HT300、HT350 承受高弯曲应力（小于500MPa）及抗 拉应力的重要零件，如齿轮、凸轮、车床卡盘、剪床和 压力机的机身、床身、高压油压缸、滑阀壳体等 78 项目2 工程材料及热处理 5）灰铸铁的热处理 （1）去应力退火 （2）消除白口、降低硬度退火 （3）表面淬火 79 项目2 工程材料及热处理 2.球墨铸铁 铁液经球化处理和孕育处理，使石墨呈球状的铸铁称为球墨铸铁。 它是在浇注前，往铁水中加入一定量球化剂(稀土镁合金等)和孕 育剂(硅铁或硅钙合金)，使铸铁中的石墨呈球状析出。 80 项目2 工程材料及热处理 1）球墨铸铁的组织 球墨铸铁的组织是在钢的基体上分布着球状石 墨。生产中常有铁素体球墨铸铁、珠光体+铁素体球 墨铸铁、珠光体球墨铸铁和下贝氏体球墨铸铁。金 相组织见书图2.4. 81 项目2 工程材料及热处理 2）球墨铸铁的性能： 由于球墨铸铁中石墨呈球状，对金属基体的割裂 作用较小，使球墨铸铁的强度与钢接近。屈强（ 0.2/）比钢高， 塑性和韧性有改善，但依然低于 钢。 球墨铸铁的力学性能比灰铸铁高，而成本却接近 于灰铸铁，并保留了灰铸铁的优良铸造性能、切削加 工性、减摩性和缺口不敏感等性能。因此它可代替部 分钢作较重要的零件，对实现以铁代钢，以铸代锻起 重要的作用，具有较大的经济效益。 82 项目2 工程材料及热处理 3）球墨铸铁的牌号的表示方法 牌号由QT与两组数字组成（其中QT表示“球铁”二字汉语音的字首， 第一组数字代表最低抗拉强度值，第二组数字代表最低伸长率） 例如：QT40018、QT50007、QT600 03、QT70002等（43） 83 项目2 工程材料及热处理 4）球墨铸铁的应用： 可代替铸钢、锻钢制作受力复杂、性能要求高的重要零件，在机 械制造中得到广泛应用（了解） QT40018、QT40015、QT40010 承受冲击、振动的零件，如汽车、拖拉机的轮毂、驱动桥壳、差速器壳、拨叉、 农机具零件，中低压阀门，上、下水及输气管道、压缩机上高低压气缸，电机机 壳，齿轮箱，飞轮壳等 QT50007 机器座架、传动轴、飞轮、电动机架、内燃机的机油泵齿轮、铁路机车车辆轴瓦 等 QT60003、QT70002、QT80002 载荷大、受力复杂的零件，如汽车、拖拉机的曲轴、连杆、凸轮轴、汽缸套，部 分磨床、铣床、轧钢机轧辊、大齿轮，小型水轮机主轴，气缸体，桥式起重机大 小滚轮等 QT90002 高强度齿轮，如汽车后桥螺旋锥齿轮、大减速器齿轮，内燃机曲轴，凸轮轴等 84 项目2 工程材料及热处理 5）热处理 退火 正火 调质处理 等温淬火 85 项目2 工程材料及热处理 3.可锻铸铁 可锻铸铁又俗称为马铁。是将白口铸铁在固态下经长时间石墨化 退火而获得的具有团絮状石墨的铸铁。 1）可锻铸铁的组织 组织是钢的基体上分布着团絮状的石墨 ，有铁素体可锻铸铁(黑心可锻铸铁)和珠光体 可锻铸铁两种。 2）可锻铸铁的性能 可锻铸铁强度、韧性比灰铸铁高很多。 86 项目2 工程材料及热处理 3）可锻铸铁牌号的表示方法 其牌号由“KTH”或“KTZ”与两组数字表示。 其中“KT”表示“可锻”二字的汉语拼音字首；“H”和“Z”分别表示 “黑”和“珠”的汉语拼音的字首；牌号后边第一组数字表示最小 抗拉强度值；第二组数字表示最小伸长率。 例如：KTH30006、KTH33008 、KTZ55004、KTZ65002等（ 44） 4）可锻铸铁的应用 主要用于制作形状复杂，要求强度和韧性较高 的薄壁铸件 87 项目2 工程材料及热处理 4.蠕墨铸铁 组织：蠕墨铸铁基体组织有F,F+P,P三种。 性能：蠕墨铸铁的力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间，但与球 墨铸铁相比，具有较好铸造型，良好导热性，较低热膨胀系数。 牌号的表示方法 例如：RuT260、RuT300、RuT340、RuT380等 5.合金铸铁（了解） 蠕墨铸铁因其石墨很象蠕虫而命名。 蠕墨铸铁的牌号由RuT与一组数字表示。其中RuT表示“蠕铁” 二字汉语拼音的字首，后面三位数字表示其最小抗拉强度值 88 项目2 工程材料及热处理 6. 非铁合金与粉末合金 概念：工程上通常将钢铁材料以外的金属或 合金，统称为非铁金属或非铁合金。 物理、化学和力学性能优良，工业中应用广 泛。 89 项目2 工程材料及热处理 2.2.3 铝及铝合金 1.工业纯铝 物理特性： 银白色。密度=2.7g/cm3，熔点 660oC，面心立方晶格，无同素异晶转变。 铝的性能特点: 密度小;导电及导热性能好;抗大气 腐蚀性好;塑性高;强度低;无磁性;无打击火花;加工工 艺性好等。 熔点低，可铸造各种形状的零件。表面在大气中 与O2生成Al2O3薄膜，耐蚀性良好。 90 项目2 工程材料及热处理 纯铝按其纯度分为高纯铝、工业高纯铝和工 业纯铝 纯铝牌号：由1表示，其中最后两位数 字表示纯铝的纯度为99.，如1097表示铝 含量为99.97 2.2.3 铝及铝合金 91 项目2 工程材料及热处理 2.铝合金的分类及热处理特点 1）铝合金的分类 按成分和工艺特点不同分类：变形铝合金和 铸造铝合金。 DF 铸造铝合金 变形铝合金 Al WMe/% 温 度 L L+ 2.2.3 铝及铝合金 92 项目2 工程材料及热处理 铝合金 的分类 变形铝合金 铸造铝合金 不能热处理强化的铝 合金：防锈铝合金 能热处理强化的铝 合金：硬铝、超硬铝 、锻铝合金 93 项目2 工程材料及热处理 （1）变形铝合金 根据主要性能特点和用途，变形铝合金 又可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合 金和锻铝合金等，其中后三类是可以热处理 强化的铝合金。 2.2.3 铝及铝合金 94 项目2 工程材料及热处理 常用变形铝合金的代号、成分、力学性能(了解) 2.2.3 铝及铝合金 95 项目2 工程材料及热处理 防锈铝合金( LF ) 防锈铝合金成分:主要是AL-Mn系和Al-Mg系合金。合金 元素锰和镁的主要作用是产生固溶强化，并使合金保持较 高的耐蚀性。但这类合金对时效强化效果较弱，一般只能 用冷变形来提高强度。 防锈铝的工艺特点是塑性及焊接性能好，常用拉延法制 造各种高耐蚀性的薄板容器（如油箱等）、防锈蒙皮以及 受力小、质轻、耐蚀的制品与结构件（如管道、窗框、灯 具等）。 防锈铝的典型牌号有3A21、5A05 、 LF21等。 2.2.3 铝及铝合金 96 项目2 工程材料及热处理 硬铝合金( LY ) 硬铝合金成分:是Al-Cu-Mg系合金。是一种应用较广的可热 处理强化的铝合金。 硬铝合金热处理及性能:热处理工艺固溶处理. 这类合金通过淬火时效.可显著提高强度，强度可达420MPa ，其强度与高强度钢（一般指强度为10001200MPa的钢）相 近，故名硬铝。硬铝的耐蚀性远比纯铝差，更不耐海水腐蚀 ；尤其是硬铝中的铜会导致其抗蚀性剧烈下降。对硬铝板材 可以采用表面包一层纯铝或覆铝，以增加其耐蚀性，但在热 处理后强度稍低。 97 项目2 工程材料及热处理 Al Cu Mg 通过时效强化提铝合金强度,但 耐蚀性不高。 牌号:2A01、2A11。 应用：航空工业。 飞机翼梁(腹板为 硬铝合金) 98 项目2 工程材料及热处理 超硬铝合金( LC ) 超硬铝属于Al-Cu-Mg-Zn系合金,并有少量的铬和锰。 在铝合金中，超硬铝时效强化效果最好，强度最高，可 达到600MPa，其比强度已相当于超高强度钢（一般指强 度大于1400MPa的钢），故名超硬铝。 典型牌号: 2A05、0A07。 应用：制造外形复杂的锻 件和模锻件。 飞机主起落架为超硬 铝 99 项目2 工程材料及热处理 锻铝( LD ) 锻铝合金成分:Al-Cu-Mg-Si系。 因锻铝的自然时效速率较慢，强化效果较低，故 一般均采用固溶处理(淬火)和人工时效来强化。 锻铝合金性能:具有良好的热塑性和锻造性能，力 学性能与硬铝相近，但热塑性及耐蚀性较高，更适 于锻造，故名锻铝。由于其热塑性好，所以锻铝主 要用作航空及仪表工业中各种形状复杂、要求比强 度较高的锻件或模锻件，如各种叶轮、框架、支杆 等。 100 项目2 工程材料及热处理 压气机叶片 101 项目2 工程材料及热处理 （2）铸造铝合金 铸造铝合金力学性能不如变形铝合金，但其铸造性能 好，可进行各种成型铸造，生产形状复杂的零件。 根据主加合金元素的不同，铸造铝合金的种类很多， 主要有铝-硅系、铝-铜系、铝-镁系及铝-锌系四种，其 中以铝硅系应用最广泛。 铸造铝合金牌号由“ZAl”后跟合金元素符号及合金 元素含量百分数组成。若牌号后面加“A”表示优质。 102 项目2 工程材料及热处理 2.2.3 铝及铝合金 铸造铝合金的代号用“铸”、“铝”两字的汉语拼音 的字首“ZL”及三位数字表示。第一位数字表示合金 类别（1为铝-硅系，2为铝-铜系，3为铝-镁系，4为 铝-锌系）；第二位、第三位数字为合金顺序号，序 号不同者，化学成分也不同。 例如，ZL102表示2号铝-硅系铸造铝合金。若优质合 金在代号后面加“A”。常用的铸造铝合金的代号、 牌号、成分、力学性能及用途可查表和手册。 103 项目2 工程材料及热处理 最常用的铸造铝合金：铝硅铸造合金 又称硅铝 明，是四种铸造铝合金中铸造性能最好的，具有中等 强度和良好的耐蚀性，因而应用最广泛。 共晶成分（wSi=11.7%）及其附近的硅铝合金（ 如ZAlSi12）具有优良的铸造性能，故常用的铝-硅合 金（如ZL102等）的硅含量为wSi=1013，铸造 缓冷后的组织主要为共晶体（固溶体+Si晶体）， 其中硅晶体呈粗大针状，是硬脆相，会严重降低合金 的力学性能 104 项目2 工程材料及热处理 常用铸造铝合金的代号、性能和用途（了解） 105 项目2 工程材料及热处理 1.铸造铝 硅合金 ( ZL101ZL111 ) : 活塞(裙部为铝硅合金) ZL102合金铸造组织 ( 化染 ) 55 106 项目2 工程材料及热处理 2.铸造铝 铜合金 ( ZL201ZL203 ) : 有较高的强度、塑性及耐热性,但铸 造性能和耐蚀性较差。 铝铜合金铸造组织 ( 化染 ) 210 汽缸头 107 项目2 工程材料及热处理 3.铸造铝 镁合金 ( ZL301、ZL302 ) : 有较高的强度、韧性及耐蚀性,但铸 造性能和耐热性较差。 铝镁合金铸造组织 (化染) 150 鼓风机用密封件(ZL102)及 抗空架件(ZL301) 108 项目2 工程材料及热处理 4.铸造铝 锌合金 ( ZL401、ZL402 ) : 具有良好的铸造性,经变质处理和时效处 理后,强度高,但耐蚀性差。 大型空压机活塞(ZL401) 109 项目2 工程材料及热处理 2.2.3 铜及铜合金 1. Cu及Cu合金的特点 熔点1083，密度8.9g/cm3 。紫红色含铜量 高于99.5%。 导电导热性仅次于Ag。 耐大气、水腐蚀。 切削性好，塑性好，可冷、热成形。 铸Cu合金的铸造性能好。 110 项目2 工程材料及热处理 2.纯铜的分类 工业纯铜 T1T4序号越大，纯 度越低（根据杂质的含量） 无氧铜 TU2（补充） 纯铜管 111 项目2 工程材料及热处理 补充：纯铜除工业纯铜外，还有一类叫无 氧铜，其含氧量极低，氧的质量分数不大于 0.003%。牌号有TU1、TU2，主要用来制作电 真空器件及高导电性铜线。这种导线能抵抗氢 的作用，不发生氢脆现象。纯铜的强度低，不 宜直接用作结构材料 112 项目2 工程材料及热处理 3铜合金 （1）黄铜 以锌为唯一或主要合金元素的铜合金称为黄铜 黄铜具有良好的塑性和耐腐蚀性、良好的变形加 工性能和铸造性能，在工业中有很好的应用价值。按 化学成分的不同，黄铜可分为普通黄铜和特殊黄铜两 类。 113 项目2 工程材料及热处理 普通黄铜 ( common brass ) 114 项目2 工程材料及热处理 1）黄铜的牌号 ( Z ) H 90 含铜量 WCu = 90% 黄铜 铸造 115 项目2 工程材料及热处理 2）常用的黄铜 v金奖黄铜 - H90 v弹壳黄铜 - H70 ( H68 ) v日用黄铜 - H62 ( H59 ) 黄铜含锌量一般32% 法兰阀闸阀 冷凝器管 116 项目2 工程材料及热处理 3）特殊黄铜 ( special brass ) 定义定义: :在黄铜中加入在黄铜中加入AlAl、FeFe、SiSi、CrCr、 NiNi、SnSn、MnMn 等元素所形成的合金。等元素所形成的合金。. 牌号牌号: : H Al H Al 59 59 - - 3 3 含铝量含铝量WAl = 3%WAl = 3% 含铜量含铜量WCu = 59%WCu = 59% 117 项目2 工程材料及热处理 常用的特殊黄铜 海军黄铜 - HSn62 - 1 易切削黄铜 - HPb59 1、可用于制造 各种结构零件，如销、螺钉、螺母、衬套 、热圈等。 比普通黄铜具有更高的强度、硬度、 抗腐蚀性能. 118 项目2 工程材料及热处理 4.青铜 ( bronze ) 青铜原指铜锡合金，但是，工业上习惯把铜 基合金中不含锡而含有铝、镍、锰、硅、铍、铅 等元素组成的合金也包括在青铜之类，叫无锡青 铜。因此，青铜可以分为： 普通青铜 ( 锡青铜 ) ( tin bronze ) 特殊青铜 ( 无锡青铜 ) ( tin free bronze ) 119 项目2 工程材料及热处理 按生产方法锡青铜分为 压力加工锡青铜 Sn青铜 如 QSn4-3，含4%Sn 、3%Zn，其余为 Cu 做轴承、弹簧等。 Al青铜 如 QAl 10-3-1.5，做耐蚀、抗磨的齿轮、轴 套等。 Be青铜 如 QBe2，做弹簧，高速轴承等。 铸造锡青铜 如Sn青铜 ZCuSn10Zn2 ，主要用于制 造阀、泵壳、齿轮、蜗轮等零件 120 项目2 工程材料及热处理 无锡青铜指不含锡的青铜，常用的有铝青铜 、铍青铜、铅青铜、锰青铜、硅青铜等。其中最 常用的为铝青铜。其强度高、耐磨性性好、具有 冲击时不产生火花的特点。铸造时，由于其铸造 性好，可获得致密的铸件。铝青铜典型牌号 ZCuAl9Mn2，常用于制造齿轮，摩擦片、蜗轮 等要求高强度、高耐磨性的零件。 121 项目2 工程材料及热处理 白铜（了解） 白铜成分:是以Ni为主要合金元素的合金。Ni 和Cu在固态下能完全互溶，所以各类铜镍合金均 为单相固溶体，具有很好的冷热加工性能，不 能进行热处理强化，只能用固溶强化和加工硬化 来提高强度。 白铜性能:具有高的抗蚀性和优良的冷热加工 成形性，精密仪器仪表，化工机械及医疗器械中 的关键材料。 122 项目2 工程材料及热处理 2.2.4 轴承合金、粉末冶金与硬质合金 一、轴承合金 定义 :用于制造轴瓦和轴衬的合金称为轴承合金。 性能要求 : 在工作温度下,应具有足够的抗压强度、疲劳强度 和高的耐磨性。 具有足够的塑性与韧性。 具有良好的磨合性及较小的摩擦系数。 具有良好的导热性和抗蚀性，较小的膨胀系数。 具有良好的抗咬合性 有良好的工艺性，原料来源广且价格低廉 123 项目2 工程材料及热处理 各类型轴瓦 2.2.4 轴承合金、粉末冶金与硬质合金 124 项目2 工程材料及热处理 组织要求: 为满足上述性能要求，轴承合金的组织应 该是在软基体上均匀分布硬相质点组织的材 料。（48）（或硬基体上分布软基体） 润滑油空间 轴 硬质点 软基体 轴瓦 125 项目2 工程材料及热处理 硬基体上分布软质点组织特征图 润滑油空间 轴 软质点 硬基体 轴瓦 2.2.4 轴承合金、粉末冶金与硬质合金 126 项目2 工程材料及热处理 最常用的合金是锡基或铅基“巴氏合金”，其 牌号为“ZCH”（轴承的汉语拼音）后附以基本 元素和主加元素的化学符号，并标明主加元素 和辅加元素的含量。 2.2.4 轴承合金、粉末冶金与硬质合金 127 项目2 工程材料及热处理